臺灣化學教育

科學模型與建模：設計建模與多重表徵的模型教學活動以增進高二學生的化學學習—以化學鍵、分子混成軌域、分子形狀與結構為例（中）

鍾曉蘭

新北市立新北高級中學
教育部高中化學學科中心
chshirley2007@yahoo.com.tw

 

〔承《科學模型與建模：設計建模與多重表徵的模型教學活動以增進高二學生的化學學習—以化學鍵、分子混成軌域、分子形狀與結構為例（上）》〕

n  教材活動設計／建模活動

一、教學組別設計

兩組的教學與評量的實施如表1所示，評量1在教學前進行，評量2在教學後5節課進行，評量3則在10節課教學完成後進行。

表1：教學與評量的實施

教材與教具方面則分為一般文本、學習單、電子化投影片、分子模型（具體模型）與電腦動畫（視覺模型）。多重表徵的模型教學活動設計則依據模型表徵的方式與模型表徵性來設計一系列的教學活動，其中應用了具體混合、視覺混合、數學混合、動作混合與語言混合等五種混合式的模型教學，模型的表徵屬性則與所欲觀察或建立的現象相同。教學策略則分為六大類：具體模型（自製分子模型）、電子化投影片教學、推導數學公式、學生動手自製分子模型、電腦動畫教學（多媒體教材）、角色扮演、小組/師生團體討論等（詳見表2）。

表2：多重表徵的模型教學的教學活動設計

二、教師設計教學活動與自製模型

教師自製3D模型教師以保麗龍自製混成軌域模型（見圖1a-1c）。一般教科書是以圖片呈現混成軌域，較缺乏3D的真實感，也無法真實地呈現鍵角的差異性。有些市售的3D具體模型雖然具有3D效果，但較昂貴且模型過小，不適合上課時展示使用。鑑於以上的缺點，研究者自製大型的3D模型，以具體模型配合語文解釋，讓學生了解混成軌域的形狀、方向與鍵角等概念。

  

圖1a：sp混成軌域模型        圖1b：sp²混成軌域模型        圖1c：sp³混成軌域模型

三、多媒體教材

研究者從台北市多媒體教學資源中心（網址：http://etweb.tp.edu.tw/epa/paper_show），搜尋到台北市93年度中小學多媒體教材甄選佳作作品，主題是探討分子軌域與形狀（沈俊卿、李偉新、林世明，2004），內容與本研究的科學概念相符合，於是以此多媒體教材說明混合軌域、價層電子對相斥學說（VSEPR Theory）、分子形狀與分子結構。主要的介面詳見圖2。

圖2：探討分子軌域與形狀多媒體教材的主要介面與內容

四、教學活動—自製串珠C₆₀分子模型（具體模型）

此活動目標：實驗組學生藉由開放式動手自製分子模型的小組活動，藉由動手做與小組協商的歷程，讓學生主動學習與從事探究活動，不僅可以讓學生對於科學概念的學習達到深層的瞭解，也提升學生解決問題的能力（見圖3a）。

圖3a：串珠C₆₀分子模型

活動與課程內容的連結：活動內容除了讓學生藉由串珠分子模型提升學習興趣之外，學生也從模型中了解C₆₀的鍵結方式是二個單鍵加一個雙鍵（圖2中，紫色珠子：單鍵、白色珠子：雙鍵），並建立其混成軌域為sp²，算出C₆₀中共有90個σ鍵（相當於是多面體的邊）與30個π鍵，並於尤拉公式連結，計算出C₆₀分子中有12個五邊形、20個六邊形。學習單部分內容見圖3b。

圖3b：串珠C₆₀分子模型學習單部分內容

五、以角色扮演說明二氧化碳的分子形狀與極性

活動設計與內容：

1.      請一位女學生扮演C原子，二位學生分別扮演O原子（如圖4）。

2.      男同學兩隻手拉住碳，用以表示C＝O。

3.      兩位男同學同時拉住女同學形成直線形，表示二氧化碳（O＝C＝O）是直線形的分子。

4.      接著說明氧的電負度比碳大，因此共享的兩對電子對會拉向氧原子，而形成極性共價鍵。

5.      因為二氧化碳是直線形的分子，因此兩邊共價鍵的極性會抵消（以合力做類比：大小相等的兩力，夾角180度時，兩力會互相抵消，合力為零）。

 

這是二氧化碳分子，碳與氧之間形成雙鍵（左）；整個是一個直線分子，氧的電負度比碳大（右）

 

氧會將共享的電子對往氧的方向拉動（左）；由於是直線分子，整個分子並沒有極性（右）

圖4：以角色扮演說明二氧化碳是直線分子，是無極性的分子

六、建模教學設計

建模的歷程分為模型的選擇、模型建立、模型效化、模型調度與應用（Halloun, 1996；邱美虹，2008），相關定義詳見表3。小組活動是藉由開放式動手自製分子模型的歷程讓學生主動學習與從事探究活動，不僅可以讓學生對於科學概念的學習達到深層的瞭解，也提升學生解決問題的能力（Marx, Blumenfeld, Krajcik, ＆ Soloway, 1997；Krajcik, Czerniak, ＆ Berger, 1999；引自王靖璇，2000）。建模教學活動設計詳見表4，以模型建立為例，教師說明各種化學鍵的特性、異同，建立學生離子晶體、分子晶體、共價網狀與金屬晶體四種晶體模型的相關概念。

表3：建模主要歷程的定義

表4：建模＋多重表徵模型組教學策略及教學活動設計（精簡版）

n  評量工具

評量工具包括化學鍵結與分子結構相關概念的試題，主要是發展出一套於關共價鍵、混成軌域、分子形狀與結構方面於的雙層式試題（two-tired test），工具內容主要分為二大部分：

一、陳敘性知識部分：（詳見表5）

依子概念又細分為共價鍵、σ鍵與π鍵、分子結構與分子形狀等四部份；依認知歷程向度又細分為知識、理解、分析、應用與綜合等五部份；依表徵類型分為命題、圖像、序列與綜合（命題+圖像）。

表5：共價鍵結與混成軌域相關概念命題與測驗題號雙向細目表（陳述性知識）

註：單選題含選擇與說明，以兩小題計算；非選2包含3個問題及說明部份，以6小題計算。

二、程序性知識部分:依解題所需的程序性知識再分為同電子律、VSEPR理論（詳見表6）。

表6：混成軌域、異構物與製備、檢驗等概念命題與測驗題號雙向細目表（程序性知識）

〔續《科學模型與建模：設計建模與多重表徵的模型教學活動以增進高二學生的化學學習—以化學鍵、分子混成軌域、分子形狀與結構為例（下）》〕