臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan化學探究教學：引導國中生開發水災防治包專利作品的探究教學歷程 ／ 黃琴扉
星期二 , 10, 5 月 2016 本期專題, 第13期 / 2016年5月 在〈化學探究教學：引導國中生開發水災防治包專利作品的探究教學歷程 ／ 黃琴扉〉中留言功能已關閉化學探究教學：引導國中生開發
水災防治包專利作品的探究教學歷程
黃琴扉
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
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n 前言
教育部（2003）公布的「科學教育白皮書」中明確提及，科學教育的主軸是透過科學性的探究活動培養學生獨立的科學思考；由2003年至今，國內外也有許多科學教育學者透過大量研究證實探究教學對學生科學學習的重要性（Blatt, 2015; Schank & Abelson, 2013）。然而，許多職場教師們對於如何落實探究式教學以啟發國中生科學學習仍有諸多疑問，更擔心探究式教學會花費許多時間或精力，本文即以筆者與高雄市圓富國中合作的化學探究實務教學為例進行分享討論，期盼能與職場教師或相關教學、研究人員交流，以激起更多科學教育的火花。
n 以融合環境教育的問題本位學習（EPBL）進行化學探究教學
探究式教學的理念，可以追溯到Deway（1910）的哲學觀，Deway認為知識存在個體與環境的交互作用間，若是要啟發學生的主動學習，必須給予學生適當的問題情境（陳毓凱、洪振方，2007），而當問題的結構較為模糊，學生必須進一步重新定義與釐清問題後，才能擬訂解題策略時，即稱為問題本位學習（problem-based learning, PBL）；換句話說，問題本位學習就是一種建立在探究取向上的教學模式之一。本文參考Delisle （1997）、Lambros （2004）、陳毓凱和洪振方（2007）以及王紅國（2015）的問題本位學習教學理論，並於實務教學中融入環境教育因素，由筆者自行開創之環境問題本位學習（Environmental Problem-Based Learning, EPBL）教學模式，如圖1所示。
圖1：環境問題本位學習（EPBL）教學模式
筆者於圓富國中進行教學時，即根據圖1的教學模式進行引導，協助學生進行與環境議題相關的化學探究活動，並成功協助國中生開發水災防治包專利作品（於經濟部審核中）。
n 教師進行探究教學歷程之教學立場與角色定位
在說明教學歷程前，筆者希望以理論基礎與教學經驗之整合，分享給教師們進行探究教學時的心態轉換：
一、 教師應協助學生從生活環境的問題解決著手，以提升學習動機
在EPBL的模式中，融入環境教育因素是重要的一環。教師應該協助學生從生活環境中的問題解決進行發想，以誘發學生強烈的探究與學習動機。以本文為例，參與本探究活動的學生都居住於高雄市旗山區，每位學生共同的經驗都是「水災」。每逢颱風，家中必會淹水，而同學們共同的經驗就是幫家裡堆沙包；因此，學生們很容易凝聚共識，因而擬定了開發水災防治包的主題。
二、 教師為教學引導者，並非知識傳遞者
引導國中生進行探究的過程中，教師應以學習者為中心，協助學生建構自己的知識（Lawson, 2002），而不是著重於教師對學生的知識傳遞。教師應以開放而熱忱的心態與學生一同探究、學習與成長，而非僅是提供專業知識或協助資料查詢。
三、 教師應協助學生提升後設認知
雖然探究式教學可以提升學生的主動思考能力，但國中學生對於思考上的自我監控能力尚不成熟，時常無法察覺自己在假設與證據詮釋上的矛盾，或對於變因的控制不夠精準，此時教師應協助學生反思，進而提升學生的後設認知能力，以強化學生獨立思考的純熟。
n 以EPBL引導國中生由紙尿布啟發水災防治包專利研發的探究教學歷程
本節將詳述筆者採用EPBL探究教學模式成功引導國中生開發水災防治包專利作品（於經濟部審核中）的探究教學歷程（見表1）。
一、 學生來源
參與本文的EPBL探究課程的學生共有三位（男生二位，女生一位），均為國中二年級自願參加的學生，學生均自願於中午午休或早自習時間參與本課程。經過家長、學生本人、學校行政人員、導師等同意後，始進行本課程。
二、 課程時間
本課程每次授課時間為40分鐘，每週授課一次，共計一學期，扣除段考時間與國定假日等，共計上課12週。
三、 探究教學實務歷程說明
本課程結合環境教育概念，讓高雄市旗山區的國中生，以解決家鄉水災問題出發，從紙尿布高分子化學材質的高吸水特性開始發想，進而開發出水災防治包專利作品（經濟部審核中），以下將進行探究教學實務歷程說明（見表1）。
表1：環境問題本位學習（EPBL）教學模式實務應用歷程
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理論基礎 |
教學實務 |
花費 |
可能遭遇 |
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融入環境教育因素，以個人經驗或生活環境議題出發，引發結構模糊問題 |
1. 請學生個別思考，日常生活中，或家鄉環境中遇到的問題或不方便之處有哪些?並記錄下來。 2. 請學生就自己紀錄的資料進行討論，彙整出大家共同想解決的主要問題（本研究中，學生共同的想法是家鄉的水災，因此想防治水災）。 3. 請學生依照彙整後的主題，繪製心智圖（見圖2）。 4. 交代作業：回家查詢可能可以防水或吸水的材質或物品，或可能可以防治水災的工程建設方案等。
圖2：學生心智圖範例 |
10分鐘 20分鐘 5分鐘 5分鐘 |
若成員來自不同地區，或生活環境背景差異較大，可能需要花費較多時間整合問題。 |
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由結構模糊問題定義問題結構，並探查與了解問題 |
1. 請學生從回家作業的查詢中，逐步確定問題結構（本研究中，學生從防水閘門，逐步確定問題，擬定開發輕便便宜又具備高吸水能力的防水磚或防水布）。 2. 請學生運用圖書館、學校化學實驗室藥品瓶資料、學校電腦教室等進行資料查詢（學生查詢到尿布是吸水性極佳的高分子材質，因此發想可以由尿布的材質研發出水災防治包，以吸收水災來臨時大量的水）。 3. 請學生依照查詢到的資料，討論可能的解題策略，並進行紀錄（見圖3）。 4. 交代作業：回家查詢高吸水材質的化學性質，並繪製吸水磚或吸水布的外觀圖。
圖3：學生的解題策略範例 |
10分鐘 15分鐘 10分鐘 5分鐘 |
學校圖書館、化學實驗室、電腦教室等需有相關支援 |
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找尋資料、改變不同變因，重複進行化學實驗，並讓每位學生重複進行結果的解釋與說明 |
1. 請學生在實驗記錄本上，依序紀錄每次的控制變因與操縱變因，並將結果紀錄下來。 2. 回家作業：若遇到無法解決的化學問題，請學生自行從圖書館或網路查詢相關資料，並進行小組討論。 3. 小組討論後的彙整結果，統一向老師報告後，開始進行實驗操作以驗證。若驗證失敗，則小組討論找尋失敗原因，再行改良（見圖4）。
圖4：學生以實驗驗證尿布吸水性 |
35分鐘 5分鐘 |
本研究之實驗持續約8週。實驗時間的長短需依照學生問題解決歷程的狀況而定。 |
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開發成果中，不斷進行後設認知與自我評價 |
1. 在本研究中，學生雖然利用尿布的高分子材質（聚丙烯酸鈉）概念，預計開發出水災防治包，但學生也同步發現聚丙烯酸鈉吸水後很難再乾燥，且會變成固體廢棄物，增加垃圾汙染。因此學生在生活環境因素後，認為水災防治包必須是能有效運用、降低環境污染才行，因此對於第一次的水災防治包評價不甚滿意，進而衍生出第二個問題。 2. 目前該組學生正進行第二輪探究式教學課程，以了解如何有效運用飽含水份的聚丙烯酸鈉，並減少水災防治包的廢棄物產生。 |
40分鐘 |
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n 結語
本文以筆者自行開創之環境問題本位學習教學模式進行國中生探究式實務教學，其結果發現國中生不但可以從生活環境中觀察出需要解決的問題，並能運用科學探究的精神與方法，自行開創研發可申請專利的作品，由此可見國中生的創意無窮，而採用探究教學對於啟發國中生的獨立思考，在教學實務上也有確切的幫助。而教師們擔心的教學時間問題，以本研究的課程時間來看，每次授課時間為40分鐘，每週授課一次，扣除段考時間與國定假日等，共計上課12週，相信若將探究課程延長於一學期內逐步授課完畢，在一般的國中都是可以運用某些特色課程或實驗輔助課程完成的。本文以筆者親自執行的化學探究實務教學為例進行分享討論，期盼能引發更多教師或相關教學、研究人員的多元思維，為科學與化學教育更添新的探究里程碑。
n 致謝
本文特別感謝科技部對本研究計畫（計畫編號：104-2511-S-017-006-）的經費補助與支持，並再次感謝高雄市圓富國中黃柏蒼校長對教育的熱忱付出與對本計畫課程執行的全力支持。