實踐史懷哲精神教育服務— 師資生在偏鄉國中進行爆炸實驗示範教學 / 顧展兆、洪于涵、蔡欣展、楊水平

星期一 , 24, 八月 2015 Leave a comment

實踐史懷哲精神教育服務—

師資生在偏鄉國中進行爆炸實驗示範教學

顧展兆、洪于涵蔡欣展、楊水平*

國立彰化師範大學化學系
*yangsp@cc.ncue.edu.tw

n  緣起

教育部為了鼓勵師資生實踐史懷哲關懷弱勢和專業服務的精神,並且發揮教育大愛,擬定了「教育部補助大學師資生實踐史懷哲精神教育服務計畫作業要點」[1],其服務內容兼顧偏鄉弱勢與都會弱勢,師資生到高級中等以下學校和幼兒(稚)園,進行弱勢學生和幼兒(包括原住民、清寒子女、外籍配偶子女、偏遠或特殊地區學生和幼兒以及都會弱勢學生和幼兒),進行課業輔導和學習活動,內容也包括了生活品德教育和生涯規畫輔導。

國立彰化師範大學長久以來致力於培養學生的服務奉獻精神,並積極投入社會服務工作已持續十年之久,在每年的暑假舉行,為期四星期[2]。本校依照教育部之計畫制定「國立彰化師範大學104年度師資生實踐史懷哲精神教育服務計畫」[3],其目標有三方面:(1)關懷弱勢的人道精神,(2)專業知能的奉獻服務,(3)無私無我的人倫大愛。自97年起至今,彰化縣境內的線西國中和芳苑國中為本校長期實踐史懷哲精神教育服務計畫的合作學校,歷年實施成效良好且獲得兩校師生的好評[4],圖一為彰化師範大學師資生的偏鄉國中自然科教學現場之一隅。

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圖一:彰化師範大學師資生的偏鄉國中自然科教學現場之一隅

n  服務團隊目標和行政執掌

修習教育學程的師資生在未來大多期望邁進教職之路,本校透過「史懷哲精神教育服務計畫」,創造一個極佳的學以致用機會,招攬許多有志於擔任中學教師的師資生,利用暑假到偏鄉國中服務,由師資生自己設計課程並進行實際教學,以累積教學實務經驗,並養成教育服務的熱忱,為未來成為優秀教師的生涯規劃累積實力。本計畫104年度執行的目標有三方面:(1)透過服務學習強化師資培育的內涵,培養師資生服務精神;(2)使受服務國中學生得到關心與輔導,積極向學,並引導學生建立良好的品德生活及生涯規劃;(3)促進彰化師範大學與受服務國中建立雙向互動回饋機制,形成長程服務學習策略聯盟[3]

本校「史懷哲精神教育服務計畫」的服務團隊,從行政業務到各科教學完全由參與的師資生一手扛起,104年度的服務團隊成員共有50位(線西國中有23位和芳苑國中有27位),線西國中學生參加暑期輔導有兩班,共計33位。服務團隊的工作除了課程設計和現場教學外,也要負責整個營隊的行政運作,包括與學校相關單位溝通、教務排課、總務器材和採購、學務和導師以及學生生活管理等。此服務團隊的行政組織分為:召集人課程組總務組器材組生活組以及文書組。其中課程組的工作:(1)討論學科課程,確立內容和方向並編製課表;(2)各科課程的資料收集與統整,製作學生講義手冊;(3)瞭解學生學習成果和個別落差。

n  自然科課程設計和教學

本校「史懷哲精神教育服務計畫」的教學課程分為六科:國文科、英文科、數學科、自然科、社會科以及綜合輔導科,皆由精熟該領域的師資生編寫適當教材並擔綱授課教師。以下描述國中自然科方面的課程設計。

在國中自然與生活科技領域方面,化學科編列在二和三年級為主,由於本次服務對象為一年級升二年級的學生,因此自然科的教學主要規劃以複習和預習同時進行。在複習課程內容方面,主要以生物科為主;在預習課程內容方面,主要以化學和地球科學為主。由於授課對象多半是對學習低落或失去學習意願的學生,因此在自然科授課伙伴們的討論下,決定以實驗活動和示範教學來進行,以激發學生的學習興趣,再帶入他們到科學知識和概念的學習。表一為本次史懷哲教育服務線西國中自然科的授課主題及其授課節數和比重,自然科共有15節,每一節上課時間為45分鐘。

表一:自然科課程的授課主題及其授課節數和比重

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        本次自然科的授課教師有:國立彰化師範大學化學系學生顧展兆、蔡欣展及洪于涵三人,指導教授為楊水平老師。由於今年線西國中服務志工團隊成員沒有物理系、生物系及地理系的師資生,因此所有自然科的教學就由化學系的師資生擔任授課教師,這在課程教學的安排上是一項極大的挑戰,有教學夥伴被分配到較不熟悉的科目,需要花更多時間準備上課的教學內容。

n  化學示範教學

本次理化教學以化學示範(chemical demonstrations)為主。化學反應千變萬化,聲光色俱全而且多彩多姿,化學示範是透過驚奇有趣的化學實驗來展示化學的奧妙和魅力。在教學中常創造歧異事件(discrepant events)以互動方式來引起學生對化學的興趣,並且讓學生自主思考和討論,進而促進學生對化學知識的理解。因此,化學示範強調娛樂性和教育性,它是一種非常有勁道的教學策略[5]

在化學科課程設計和教學方面,化學系的師資生可以學以致用,教學容易上手勝任。由於化學科是國一升國二學生尚未學習的科目,為激發學生的學習興趣,課程設計與新聞事件做連結,因此我們以粉塵爆炸和高雄氣爆作為規劃的主題,除了讓學生了解影響反應速率的因素之外,也能讓學生了解實驗安全防護,我們設計兩個小規模的爆炸反應粉塵爆炸和氫氣爆炸,讓國中學生瞭解塵爆和氣爆的化學原理及其危險性,以及如何安全防護操作實驗。

一、  粉塵爆炸實驗

以下為粉塵爆炸的示範教學流程,以預測觀察解釋(prediction-observation-explanation, POE)模式進行,本實驗主要參考資料來源有[6][7]

1.        教師穿實驗衣並戴安全眼鏡,也要求學生戴安全眼鏡,準備演示粉塵爆炸示範實驗。

2.        首先,教師在黑板上寫出數種粉末(麵粉、太白粉、小蘇打粉、胚芽米粉、奶精以及糖粉),學生進行預測:哪些粉末能夠引起燃燒?並且記錄在學習單上。

說明:由於多數學生有看過八仙樂園的塵爆新聞,因此學生會產生迷思,誤以為只要是粉末都會燃燒。

3.        然後,教師放置適量的麵粉粉末於小碟子上,再放入改造過的塑膠桶內,點燃桶中的蠟燭,蓋上桶蓋。

4.        教師於安全位置(距離塑膠桶約1.0公尺),以打氣筒吹氣使麵粉粉末飛散,如圖二所示。

5.        學生觀察是否有燃燒現象,並紀錄在學習單上。

6.        教師重複示範步驟24,依序進行其他粉末的爆炸與否的實驗。

7.        教師與學生進行討論(見圖三):引起粉末燃燒的原因為何?是否符合燃燒三要素?

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圖二:教師對奶精粉末噴氣前(左)和爆炸的瞬間效果(右)

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圖三:示範爆炸實驗後,教師與學生進行互動討論

粉塵爆炸是微細顆粒懸浮在空氣中的快速燃燒,但是不一定在一個密閉的空間中發生。粉塵爆炸可能發生在足夠高濃度的任何分散粉末狀可燃材料且在大氣在中或其他氧化氣體的媒介,如氧氣[8]。粉塵爆炸有四個必要條件:可燃性的粉塵、在空氣中有足夠高濃度的懸浮粉塵、有氧化劑(通常為大氣中的氧氣)、以及有一個點火源。在一些傳統的報告中,密閉的空間(confinement)被認為是第五個必要條件,但這不是一個必要條件,此條件會導致極大的物理傷害[8]。點火源並不一定需要明火,可能為靜電放電、摩擦、設備產生電弧、表面發熱軸承過熱、明火、菸蒂餘燼等[9]。報載八仙樂園塵爆事件專案小組鎖定爆炸的原因是高溫燈具所造成的當晚使用的BEAM200電腦燈,燈泡的背部溫度超過1000,表面溫度長時間使用能超過400,而當天電腦燈使用時間至少超過1個半小時,足以超過玉米粉的燃點430[10]

二、  氫氣爆炸實驗

以下是氫氣的爆炸的示範實驗流程,仍然以預測觀察解釋(prediction-observation-explanation, POE)模式進行,本實驗主要參考資料來源有[8][9]

1.        教師穿實驗衣並戴安全眼鏡,也要求學生戴上安全眼鏡,準備進行示範實驗。

2.        首先,教師提問並請學生舉手回答:「什麼是氫氣,在生活中哪裡會用到氫氣?」「氫氣的化學式是什麼?」。

3.        教師再次提問並請學生舉手回答:「有沒有同學知道,正常情況下的燃燒三要素,除了需要可燃物質外,還需要什麼劑?」「對,氧氣,氧氣當作什麼劑?」

註:一般情況下,需要有氧氣當作助燃劑來幫助燃燒。

4.        然後,教師使用事先由錐形瓶和塑膠滴管等組合的氣體製造裝置,利用稀鹽酸和鎂帶製造氫氣。

註:須注意不可在點火引爆雞蛋處附近製造氫氣。製備氫氣過程會散發刺鼻味,宜在通風處製備)。

5.        教師使用事先經過處理的空蛋殼,用一根手指壓住蛋殼上一個小孔,另一小孔透過塑膠滴管的尖端開口導入氫氣於蛋殼中。約5秒後蛋殼內部充滿氫氣,迅速地移此蛋殼到欲要引爆的地方。

6.        教師使用打火槍,在此蛋殼上注入氫氣的小孔中點火(見圖四左)。

7.        教師引導學生觀察蛋殼爆炸前後過程,並紀錄在學習單上。

8.        教師讓學生親自動手操作此示範實驗,以增加學生的參與度(見圖四左)。

9.        教師與學生互動討論此實驗的爆炸現象(見圖五左和右)。

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圖四:教師示範蛋殼爆炸實驗(左)和教師讓學生親手操實驗(右)

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圖五:教師與學生討論蛋殼爆炸實驗的原理

分散的可燃物(如氣態或汽化的燃料),與空氣的混合,其濃度處於可燃燒的下限(LEL)和上限(UEL)之範圍就可以燃燒,此範圍稱為可燃性限值(flammability limits)或爆炸極限(explosive limits[13]。爆炸極限範圍隨著溫度和壓力而變化,通常在25℃和大氣壓力下,以體積百分比表示,在內燃機(如汽油或柴油引擎)內放入最好的燃燒或爆炸的混合物是相當重要的,通常燃料和空氣以化學計量的莫耳比是最佳的混合。氫氣可燃性限值在4-75%,其爆炸極限是17%~56%,其自動點燃溫度在500[14]。亦即氫氣在空氣中的體積濃度在17%~56%之間時,在500℃就會爆炸,而其濃度小於4.0%或大於75%時,即使遇到火源,也不會爆炸。高雄氣爆事件的主角丙烯(propylene),其可燃性限值在2-11.1%,自動點燃溫度在458[13]

三、  自然科教學

自然科教學除示範教學之外,也進行實驗融入傳統板書教學和運用電腦媒體教學,這些現場教學之一隅,如圖六所示。

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圖六:教師運用實驗融入板書的教學和進行視聽媒體教學

n  學生對自然科學習的回饋

在計畫結束之後,學生對於學習的結果進行評量,學生認為自然科教學能夠引起學習興趣佔48%,而滿意度(滿分為10分)在1-5分佔15%,6-10分佔85%,其平均滿意度為8.8分。根據上述回饋結果,雖然激發學生自然科學習的興趣有限,但是學生對於爆炸示範實驗感到十分有趣,有些學生在下課後會主動找教師詢問進階的問題,這對我們而言,真是莫大的鼓舞。

這些學生對於自然科教學的文字回饋,大多持正面回應,少部分持負面態度,其摘要如下:充滿有趣的實驗。自然課很無聊。做實驗有趣。實驗有點危險。老師都會帶實驗活動。很多實驗讓我們了解生活中有些是很恐怖,有些很安全。

n  教師對示範教學的心得

教師A

這是我第二年參加史懷哲教育服務營隊,去年自然科的教學夥伴就多次提出要改變教學的方式,由於之前的夥伴覺得學生對於講述教學的學習意願本來就偏低,如果想要教更深的內容,學生可能會排斥聽課,因此今年除了生物科複習的部分之外,還加入了理化的預習以及地震的地球科學內容。我除了第一次教地球科學外,也介紹了當時營隊期間發生震驚國內外的新聞事件八仙樂園塵暴事件。從塵暴示範教學中,學生體會到少許的粉末就會引起偌大的反應。我想,我的教學除了推廣化學教育之外,最重要的是要讓學生了解在生活中,容易忽略或根本想不到的意外,避免再次的悲劇發生。很欣慰地,這次的化學示範教學激發了原本學習低落學生的學習化學的興趣,也讓他們關心日常活中潛在的危險。

教師B

這是我第一次參加史懷哲教育服務計畫,我覺得收穫良多也學到很珍貴的教學經驗,在前輩的指導之下,一起帶領學生做實驗,我發覺光是使用講述教學方式上課,學生容易晃神,發呆,或被教室外的一舉一動吸引目光,而使用實驗活動融入講述教學,可以使學生在聽課中學習到生活中的一些細而微小的事情。透過這次的塵爆示範實驗,讓學生知道細小的粉末碰到火源也是會引發可怕的爆炸,讓學生在生活中也可以多注意一些危險之處,避免造成不必要的危害,這次感謝自然科教學伙伴的團隊合作,以及本校化學系楊水平教授和線西國中王振宇主任的協助與指導,才能使整個教學順利落幕。

教師C

這是我第一次參加史懷哲教育服務計畫,由於事先請教了許多有經驗學長姊,發現學生對於傳統的講述式教學比較沒有興趣,上課會呈現昏昏欲睡的情況,因此在課程規劃方面,主要以有趣的實驗帶領學生進行學習,提高學生的學習動機和興趣。由於國二理化首先面臨元素週期表,且在營隊服務期間發生令人遺憾的意外八仙樂園塵暴事件,因此搭配夥伴設計的粉塵爆炸教學單元,也設計了氫氣爆炸的實驗,教導學生氫氣與氧氣的化學式及其反應式,除了讓學生了解爆炸的可怕之外,也期望能引起學生的學習動機,對未來即將面臨的理化,抱持著高昂的學習興趣。

n  結語

本次史懷哲教育服務的示範教學係採用POE策略,這是由WhiteGunstone(1992)揭示個別學生對於特殊事件的預測及其理由說明[15]。實行POE教學策略有利於需要發展強勁教學的職前教師,因為它能夠試圖讓學生參與科學學習並進一步理解科學原理,POE也有利於在職教師進行學生非期望的科學教學,本次進行示範教學的職前教師即是讓偏鄉國中學生參與科學學習。POE教學策略有其限制,例如:小學生可能很難解釋觀察的推理;並不適合於所有的主題,如很難立即得到結果的主題;POE策略經常用到一些不令人驚訝的示範結果,這可能會影響學生提出的解釋[16]。本次教學對於學習低落的學生,雖然化學示範可以引起他們學習的興趣,但是對於觀察結果的解釋有些許的困難。

面對弱勢的學生,在學習方面多半處於學習意願低落的階段。面對這些的學生,我們資生實踐史懷哲精神教育服務團隊自然科教學伙伴,從今年開始改以實驗活動為主的教學方式進行,特別是化學示範教學。透過這樣的教學方式,學生可以在總結複習時回答出正確的原理和概念,在預習新上課內容時也能踴躍發表看法,並且能夠在教學過後與教師討論,對於師資生而言,學習到了許多經驗,實為一項教學相長的志工活動。圖七是師資生在偏鄉國中實踐史懷哲精神教育服務與學生的合影。

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圖七:師資生在偏鄉國中實踐史懷哲精神教育服務與學生的合影

n  參考資料

1.        教育部補助大學師資生實踐史懷哲精神教育服務計畫作業要點,http://edu.law.moe.gov.tw/LawContentDetails.aspx?id=FL047496&KeyWordHL=&StyleType=1

2.        99年「師資生實踐史懷哲教育服務計畫」結業式暨成果發表會,http://www.ncue.edu.tw/front/bin/ptdetail.phtml?Part=campusnews20100823

3.        國立彰化師範大學104年度師資生實踐史懷哲精神教育服務計畫,https://drive.google.com/file/d/0Bxfp6Rt4ZyuVOGJHeEVTM1dLYmM/view?pli=1

4.        史懷哲教育服務計畫 彰化師大志工散播歡樂散播愛,http://sparc.nfu.edu.tw/~pts/cycE-news4/ncue/a2.pdf

5.        2007白沙化學驚奇秀,中學化學示範實驗,http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26593

6.        流言追追追粉塵爆炸https://www.youtube.com/watch?v=5nuxmP5b7Wo

7.        Dust Explosion Using Corn Starch, https://www.youtube.com/watch?v=jENpGlJ0dzA

8.        粉塵爆炸,維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/粉塵爆炸

9.        Dust Explosion, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Dust_explosion.

10.    八仙塵爆報告出爐 電腦燈引燃玉米粉釀災,自由時報,http://news.ltn.com.tw/news/society/breakingnews/1426445

11.    炸「蛋」客,2007白沙化學驚奇秀,http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26474

12.    Exploding Egg – Cool Science Demo, https://www.youtube.com/watch?v=L03LHMXrda4.

13.    Flammability limits, https://en.wikipedia.org/wiki/Flammability_limit.

14.    Physical Properties of Hydrogen, Periodic Table of Elements, http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/H.html.

15.      White, R. T., & Gunstone, R. F. (1992). Probing Understanding. Great Britain: Falmer Press.

16.      Predict, Observe, Explain (POE), http://arbs.nzcer.org.nz/strategies/poe.php.

 

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