化學探究教學:淺談探究式教學在化學科展上的應用 / 曾鶯芳

星期五 , 6, 五月 2016 Leave a comment

化學探究教學:淺談探究式教學在化學科展上的應用

曾鶯芳

國立高雄師範大學附屬高級中學(退休教師)
if1@tea.nknush.kh.edu.tw

n  應用探究式教學在科展指導過程的緣由

探究式教學與一般我們在課堂以講述為主、教師是主角的教學完全不同,是以學生為主體的一種學習,藉由學生自己通過閱讀、觀察、實驗、思考、充分的討論及發表等途徑去獨立探究,使學生體會並學習到科學知識、科學態度及科學技能。這樣的學習方式是由學生自己建構知識,自己尋找解決問題的方法,跳脫填鴨式的教學,學生不再強記及僵化,會思考、會批判、會解決問題,學生的自主能力得到了加強。然而,探究式教學的缺點是:較不適合現行的大班教學,班級人數一多自會拖長教學時間,使得教學進度落後,定期考試的進度壓力大增,師生多無法承受。另外,由於是透過學生自主學習,因此知識和能力的建構較耗時,教師若想實施探究式教學,只能選擇性應用。

由於探究式教學的精神與獨立研究的精神一致,我喜歡在科展指導的過程中充分使用,以下就是指導科展範例說明。

n  指導科展範例:「萬年垃圾」的保麗龍有另外的價值嗎?

民國87年我考入國立高雄師範大學附屬高級中學,這是一所完全中學,我的二名子女正就讀國小六年級和四年級,那時的校長正在推行「獨立研究」教學,就讀小六的女兒找了同學二人來找我指導,這些夥伴就從小六做科展直到國三因升學考量才拆夥,而小女則持續獨立研究至高二。這夥人在升國二時正好政府大力宣導推行「不用保麗龍免洗餐具」活動,他們在高師大餐廳的垃圾桶中看到許多保麗龍餐碗,就拿著保麗龍餐碗跑來問我,這種號稱「萬年垃圾」的東西,可以讓它有另外的價值嗎?由於國二生的化學知識有限,因此是由我開書單讓他們閱讀,有國中理化、高一基礎化學、聚合物化學等書目,同時請他們挑看得懂或有人可以諮詢弄懂的內容閱讀,因為知識必須咀嚼內化後才能活用為智慧。

n  尋找保麗龍磺酸化的方法

一段時間後他們發現保麗龍的本質是「聚苯乙烯」,與高一基礎化學中提到的一種陽離子交換樹脂「磺酸化聚苯乙烯」(見圖1),差別只在多了一個「─SO3H」;我告訴他們這叫作磺酸基,把磺酸基加到結構上的做法就叫「磺酸化」。只要找到可以將保麗龍磺酸化的方法,就可以把這個號稱「萬年垃圾」的頭痛東西,變成可以拿來吸附陽離子的離子交換樹脂了,不僅實用還極富創意呢!

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1:聚苯乙烯(左)和磺酸化聚苯乙烯(右)的結構式

孩子們受到我的鼓舞,開始積極進入圖書館,分頭尋找聚苯乙烯磺酸化的方法。這時間歷經一個多月,終於在徐氏基金會出版的「實驗高分子有機化學」一書中找到磺酸化的方法;可是他們立刻面對第一個問題:書中用的是顆粒狀的聚苯乙烯,而聚苯乙烯顆粒外觀與保麗龍不同,如何將保麗龍打碎變成顆粒狀?直接擊碎保麗龍產生的靜電拍也拍不掉;正好國中學過丙酮可以溶解保麗龍,他們興沖沖地把一個包裝大冰箱的保麗龍溶成一個足球大小的固體,可是體積太大怎麼變成小顆粒?

首先,學生嘗試使用各種重物敲碎這固體,過程中甚至還敲斷了一隻大榔頭。幾經失敗挫折後,他們變聰明了,在丙酮揮發之前先撕成像穀片大小的片狀,等風乾後再用研磨機磨成粉末狀就可以了。

其次,磺酸化裝置設置好以後(見圖2),便開始進行保麗龍的磺酸化過程。只是黏呼呼的膠體物質(即磺酸化聚苯乙烯)與過程中溫度需維持在100三小時,都讓他們吃足苦頭!也因為沒有人這麼做過,所以磺酸化好了的產物(像極了平常食用的仙草(見圖3),我們姑且叫它做「保麗龍膠」),怎麼把它拿來進行離子交換呢?這是他們面對的第二個問題。

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2:保麗龍磺酸化的裝置

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3:保麗龍磺酸化前後樣貌包裝用保麗龍(左),磺酸化後的保麗龍膠(中),顯微鏡下的保麗龍膠呈鏈狀結構(右)

n  如何將「保麗龍膠」拿來進行離子交換

第一年,他們採用靜置與碘滴定法(見圖4來檢測透過保麗龍膠交換實驗室廢水中的銅離子,雖然有結果,卻十分折磨這三個小孩,每個人的手指常常呈現泡水過久後皺皺的樣子。

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4:辛苦地重複操做碘滴定法

第二年進行進階研究時,他們已經國三了,有了生活科技課程的加入,當中一個小孩就提出將裝置自動化的構想。Great!好棒的提議!怎麼做?這是他們面對的第三個問題。為了攜帶方便,他們規畫的電化裝置朝向微型的方向,也開始再度分頭尋找資料、諮詢相關教授老師,最後在高苑學報(民86第六卷 第一期)找到「離子交換指示儀應用於銅離子廢水之測試研究」的文章,他們學習它的電路裝置以及用電位高低表示離子濃度的原理,再加入以底片外包裝的塑膠盒自行設計陽離子交換吸附槽(見圖5),組裝成自動化「相對電位檢測」裝置(見圖6,吸附槽即位於圖中C部份)。

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5:自製保麗龍膠吸附槽(單一吸附槽與多重吸附槽)

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6:自動化「相對電位檢測」裝置

新方法經過初步測試,他們立刻面對了第四個問題:放在吸附槽中的保麗龍膠通通從槽中上方的溢出口流失了(見圖5);正當大家都一籌莫展之際,一位男同學囁嚅地說:用媽媽穿的絲襪當攔網試試看。結果這個問題居然就在這男孩的巧思下迎刃而解了。

這件作品所遇到的問題當然不只這四個,但我始終站在旁觀者的角度,要求他們先提出解決問題的方法,或許不成熟但絕不先否定答案,而採用引導思考的方式讓方法逐漸可行。

n  如何處理已吸附銅離子的廢膠

這個研究主題初期進行了二年,累積不少已吸附銅離子的廢棄保麗龍膠,這些孩子有了環保概念,當然不會將廢膠直接丟棄,於是再提出如何處理廢膠的構想;經過二年的訓練,這些孩子已經習慣先構思做法再來找我討論,絕不會兩手空空就過來的,他們提出的方法是仿照紙黏土的配方,其中組成的膠部份就以廢棄保麗龍膠取代,同時添加紙漿減輕重量,再在風乾的廢膠紙黏土表面漆上亮光漆以防銅離子再釋出,後方黏上磁鐵成為「造型磁鐵」或製作成巴克球(C60)分子模型(見圖7);別小看學生的能力,天馬行空的想像裡,有許多值得我們去開發的內容。我更喜歡學生自己製作與研發研究方法、研究器材和裝置,讓孩子從中了解其中細節與原理。

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7:廢棄保麗龍膠製作的各式造型磁鐵與巴克球(C60)分子模型(右上圖)

n  在做科展的過程培養學生面對挫折與解決問題的能力

這組孩子(見圖8)經過二年的訓練,默契、心智、技巧、科學素養、面對挫折與解決問題等能力,早已優於同儕,這就是我喜歡長期指導同一件作品的原因。其實一件作品要發光發熱也常見於第二年,因為第一年常處於「嘗試錯誤」中,第二年則因為熟能生巧而常常可以將作品中值得深入之處加以靈活運用。

值得一提的是,科展團隊可以是學長學姊和學弟學妹組成,優點是:

1.      課程壓力小的學弟學妹,可以分擔課業較繁重的學長學姊在實作時的工作時間。

2.      經驗傳承;資深的學長學可以將寶貴的經驗,包括實驗技巧、科學邏輯等,利用長時間相處的過程,一點一滴毫不遺漏的教給學弟學妹,下一屆科展不論是另起爐灶還是做相關研究,學弟學妹很快便能上手。

3.      實驗團隊人手多,較易發展龐大且深入的研究架構,可以使研究主題深入且完整。

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8:參與團隊於參展作品前合影留念

n  班級小班化或者發展特色課程有利於推行探究式教學

礙於課程進度與升學壓力,探究式教學實在難以在一般課程中推行;近年來少子化造成超額教師的壓力漸漸浮上檯面,如果可以趁此機會將班級小班化,則大有機會推行探究式教學;或者將探究式教學融入特色課程中,在學期中長期經營,這課程無關升學,著重科學精神與科學技巧的培訓。例如:高師大附中小學部每周三下午有獨立研究課程、高中部每周四有專題研究課程;還有,所有的高一新生每人都需參與科展的製作,學期中定期或不定期安排專業教師或教授進行輔導,注重研究過程能力的培植,這樣不僅能執行探究式教學的精神,更可以激發學生的創見與潛能,這些能力將使學生在未來的人生路上受用無窮!

 

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