臺灣化學教育

化學探究教學：氧化還原反應的國中探究教學

林宣安

臺中市立長億高級中學國中部
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n  緣起

在實施探究教學的過程中，最常聽到教師的困難就是時間與進度的壓力，這的確是現場國中教師的難為之處，或許是因為許多教師都把探究教學與科展或是發明展之間畫上等號，因此一提到探究教學，直覺這是規模很大的教學活動，學生沒這樣的能力，這樣的教材需要教師自編，不可能有足夠時間等等的想法。

然而，在課堂裡的探究並不是要培養出可以獨立研究的科學家或發明家，而是希望讓更多的孩子（包含非自然科屬性，或根本不喜歡自然科學的孩子）了解分析事情與看待問題的邏輯方法，以及如何找到問題的答案。因此，筆者希望直接從課本的實驗來出發，一方面不會讓教師有必須獨立出探究課程的時間與進度壓力，另一方面在教材的設計上也輕鬆許多，期望在課堂中形塑出一個討論與願意深入研究的求學氛圍，不一定希望學生可以有什麼了不起的結論或應用（這不是科展、也是不發明展），而是訓練孩子問題解決的能力，也許成果不亮麗，但只要教師願意嘗試，兩年或三年的學習下來，相信孩子們會有不一樣的感受。

n  設計理念

改編原來課本氧化銅被還原成銅的實驗，簡化使用器材與實驗過程，課程的目的放在結果分析，而非實驗操作技巧，並利用紀錄單引導學生分析事情的方法與邏輯概念，比較與預期結果有何不同，嘗試解釋這當中的異同，且提出說明與解釋，再進一步驗證你的說明。藉由這些衝突經驗，引發學生討論的學習空間，並激發孩子進一步的主動探索的動機。

教師只要形塑出一個探究的氛圍，學生之間就會產生主動的討論，並與教師進一步說明驗證想法和操作過程，這已經是延伸到課室外的學習，真正將主動學習的發球權無形中讓學生主導。

n  教學設計

一、課本的實驗改良

原來課本設計的氧化銅被還原成銅實驗，在實驗操作之前其實學生已經知道氧化銅和碳反應所產生的物質，基本上是屬於已知結果的驗證型實驗，並無太多相關的變因探討。再加上所使用的器材較為繁複，對部分自然科較無興趣的學生，這樣單純觀察與訓練實驗技術的活動也是一種煎熬。

因此，筆者嘗試簡化實驗所使用器材與流程，捨去二氧化碳的檢驗步驟（這方面學生已經操作過許多次），將課程的目的放在結果分析，利用學習單（見附錄一）引導學生分析事情的方法與邏輯概念，同時也鼓勵學生提出自己的說明與解釋，再進一步驗證提出的說明。

二、實驗流程

1.        反應前的物理觀察記錄

確認學生所拿到的藥品種類，並能觀察紀錄物質的外觀，同時也訓練學生在實驗室中沉靜與細心的氛圍。

2.        反應中的操作

同一實驗桌分成兩大組進行實驗，一組將氧化銅與碳粉包在鋁箔中加熱（密閉系統），另一組則將氧化銅和碳粉直接混合在蒸發皿中直接加熱（開放系統），實驗進行時相互觀察不同實驗的結果並比較，如此便可以在有限的教學時間內進行更多不同變因的觀察（見圖1）。

實驗操作前先讓學生說明兩組實驗的目的與預期反應，目的是讓學生先對自己之前所學的知識作一個反思，並能從這些知識中推理出一個可能的解答，再來針對這些解答進行實驗設計與驗證。

教師並沒有給予詳細的實驗步驟（例如：如何加熱？如何包覆成密閉系統等等），只有給予學生一個實驗的指令，其餘就交給學生自行設計操作。

實驗過程中教師扮演一個觀察者的角色，適時的針對每一組的操作流程加以詢問與安全維護。

 

圖1：學生分組針對不同變因進行實驗操作

3.        反應後的觀察

將氧化銅與碳粉包在鋁箔中加熱（密閉系統）可以明顯觀察到原本黑色的反應物變成紅色（見圖2左），若在開放系統加熱幾乎維持原本的外觀（見圖2右），讓學生詳述兩組不同實驗的結果，顏色改變代表的意義為何？不變的原因又是什麼？並嘗試解釋和原本預期的落差在哪裡，再重新設計一個實驗來支持自己的解釋與論點。

 

圖2：密閉系統加熱後變成紅色（左），開放系統加熱後維持黑色（右）

三、善用學習單的討論

探究課程要能夠深入，不僅僅是過程中的實驗操作，更重要的是實驗後的討論與反思，這個部分通常會佔據許多正常進度的時間，也因此讓許多教師卻步。但如果沒有更深入的師生互動，就讓探究的意涵失色許多，因此筆者使用了一個折衷的方法，利用課後學習單的填寫，節省上課討論的時間，教師批改後，點出學生的問題，發回學習單後讓學生再一次反思，利用不同顏色的筆回應教師的問題，如此可能進行2~4次的來回討論（見圖3），讓學生有機會作更深入的思考，教師也能針對學生個別的問題給予協助，如此的模式意外引發了許多學生迫不急待想要和教師討論的思緒，成功引起了班級主動探究的氛圍。

圖3：教師課後利用學習單和學生討論實驗細節，節省上課時間

四、延伸到課室外的實驗

在挑起孩子們的探究本能之後，部分學生開始主動要求教師允許他們可以針對設計的驗證步驟進行實驗，當然這時候就是順水推舟，將課室內的活動延伸到課室外的加強。學生開始跨組合作，共同討論可行的實驗方案（見圖4），教師此時只幫忙整理與引導，對於進階實驗預期的結果與設計不加評論，並提供必要的設備與陪伴。

這部分不強求全班都要參與，只針對有興趣的學生鼓勵他們進一步研究，這也是教師本身必須自我調整的地方，再好的課程設計也不可能讓每個孩子都會想要學習，教師的責任除了知識的傳遞，還有另一個更重要的責任就是找出那些隱藏喜歡某些學科的孩子，帶領他們進入專業研究的殿堂。

 

圖4：學生跨組合作並共同討論實驗方案

以下是學生設計的實驗過程紀錄：

學生初步假設開放系統中碳粉會和空氣中的氧氣反應，因此氧化銅不會有變化。實驗設計利用酒精燈分別將碳粉1克和氧化銅3克放在蒸發皿上加熱約7分鐘（與原先實驗的加熱時間差不多），再以電子天平量測減少的質量，結果碳粉只減少不到0.1克（在電子秤的誤差範圍內），氧化銅完全沒改變（見圖5）。因此學生認為碳粉和氧化銅在蒸發皿中直接加熱，可能因為加熱時間不夠久且溫度不夠高，導致根本什麼事都沒發生，而不是我們預期的碳粉和空氣中的氧氣反應

圖5：加熱蒸發皿中的碳粉和氧化銅，結果質量幾乎沒有變化

根據上述的實驗結果，學生提出第二個假設，若是加熱的溫度不夠高，我們利用燃燒匙直接在酒精燈中加熱碳粉，應該就會反應（燃燒）。結果發現粉末掉落時會產生火花，且在燃燒匙上的碳粉質量也減少。因此學生認為碳粉直接加熱會燃燒是確定的，但溫度必須夠高且時間必須夠久才可以。因此到目前為止幾乎可以肯定教師原本的實驗設計（開放系統在蒸發皿上加熱約7分鐘）是有瑕疵的。

接下來，學生設計利用燃燒匙直接在酒精燈中加熱碳粉0.1克和氧化銅0.8克的混合物，結果發現當燃燒匙放在火焰中央時，明顯看到產生紅色的氧化銅，移到火焰上方時，紅色氧化銅馬上卻又馬上變回灰黑色。學生認為當燃燒匙放在火焰中時溫度夠高，但可能反而製造了一個缺氧的環境，因此產生紅色的銅，移到火焰上方時，高溫的銅和空氣的氧氣馬上又反應變回氧化銅。

若直接利用瓦斯噴燈加熱，則可以提供更高的溫度，而且瓦斯噴燈的火焰小，應該不至於會在周圍產生一個缺氧的環境，因此實驗設計分別利用酒精燈和瓦斯噴燈加熱（見圖6），結果如表1所示。

圖6：直接利用瓦斯噴燈加熱，提供更高的反應溫度

表1：用酒精燈和瓦斯噴燈加熱燃燒匙中的碳粉、氧化銅及混合物之結果

實驗結果顯示，當我們嘗試延長加熱時間和利用瓦斯槍加熱，讓反應的溫度提高，的確使得碳粉可以和空氣反應，減輕質量，而氧化銅確實也無法在空氣中產生反應。因此回到一開始我們進行的實驗，在開放空間中加熱碳粉和氧化銅的混合物，我們無法觀察到紅色的銅析出，但總質量確實也有減少，推測就是碳粉和空氣反應的結果。

但教師原始的實驗設計因加熱時間不夠，因此碳粉和氧化銅在開放空間中根本什麼事都沒發生，實驗的方法有瑕疵。

碳粉反應後產生的黃色物質是什麼還有待釐清，是否可能藥品不純？

五、學生心得

這次的實驗與以前的實驗完全不同，教師開放了許多想法讓我們進行測試，也從中學習了如何掌控實驗的變因，自己重新設計實驗，從推測到驗證到下結論的過程，真的讓我們學習了很多，這樣的學習方式讓我永遠都不會忘記！

n  教學評量

在探究教學的過程中，我們儘量不以一般知識測驗型的總結性評量來評論學生的學習成果，而是以討論與合作學習過程中的參與程度來酌予加分，並鼓勵發表自己的想法，透過實驗結果來幫助學生釐清問題解決的邏輯方式，即使沒有得到所謂的標準答案，我們仍給予學生高度的肯定。

我們依學生的實驗過程、紀錄單填寫情況與第二次修正、參與討論、修正實驗的情況等給予口頭獎勵，學生在沒有實質分數激勵的情況下仍有強烈學習動機，足以肯定此探究學習對學生的幫助。

n  課後反思

學生經由探究過程發現，原先教師設計在蒸發皿中的碳粉和氧化銅混合後直接加熱的實驗可能是錯誤的，因為利用酒精燈的加熱溫度不夠，碳粉根本和空氣中的氧氣不會反應，因此重新設計實驗方法，建議教師們未來改良此實驗的方向。

探究教學就是如此的耐人尋味！或許可以是教師引導的結構式探究，就好比在教練場上學習開車，教師幫忙鋪設一條找尋答案或科學方法的路徑，讓學生自己去探索尋找，又或者是開放型探究，由教師指導學生去進行一個獨立研究。不管是哪一種探究教學的模式，我們都希望在這樣的學習過程中，學生是不斷的在找尋問題解決的方法，而非等著教師給一個標準答案。

筆者原先安排的情境就是一個結構型的探究，試圖讓學生去發現開放系統和密閉系統對氧化銅被還原成銅的影響，過程中也引發了學生對未知答案的好奇，進而變成了開放型探究，這些都是原先沒有預期的結果，卻讓我們的教學處處充滿了驚奇與樂趣。探究不難，有所為，有所不為而已。