利用電腦軟體設計化學實驗實作評量-以Yenka軟體為例 / 周金城

星期三 , 12, 七月 2017 Leave a comment

利用電腦軟體設計化學實驗實作評量Yenka軟體為例

 

周金城

臺北教育大學自然科學教育學系

ccchou62@gmail.com

 

n  前言

筆者帶大一學生進行化學實驗,大一學生在期末教學評量所反映出覺得最有趣的部分,就是實驗課最後須設法解決教師所設計實作評量問題。當筆者每次帶大一學生進行化學實驗課時,當次課程約三分之二的時間,會讓學生自行練習實驗手冊中的實驗流程與步驟,讓學生先熟習食譜式實驗的內容。事實上,食譜式實驗很重要,學生需要先經由實驗操作的練習,當能掌握實驗操作過程的技巧後,再運用這些技巧,解決後續的實作評量問題。而實驗課剩餘的三分之一的時間,就是每組學生一個待解決的實作評量問題。化學實驗實作評量的問題,就是利用之前所練習的食譜式實驗技巧來解決,每一組題目的解答都是有些許差異,舉例來說每組同學會拿到教師預先所調配不同濃度的藥品,這樣各組學生就必須親自做實驗找出答案,也無法參考其他組的答案。通常當次實驗成績分成個人成績與小組成績,兩部份各占50%。個人成績是包含課前實驗預習報告與課後實驗結果報告;而小組成績部分是實作評量,若該組能正確實作評量答案在一定誤差值範圍內,則獲得100分,若答錯則只有60分,只有兩種小組成績。每組成員約3-4人,小組成員是同學自行組成,因此帶幾年實驗課下來,也都還沒有遇到任何學生認為給分不公平的問題。

要設計每次的實作評量試題也不容易,實作評量設計得太難,若全班各組學生都沒有能夠完成,學生會沒有成就感;若設計得太簡單,學生都夠答對,學生也會覺得沒有挑戰性,因此實作評量實驗的設計就變得很重要,而且要完全用到剛學會的食譜式實驗技巧,這樣學生才會認真練習食譜式實驗。當實驗課進行三分之二時間後,由各組組長到台前來抽實作評量的試題。以酸鹼中和反應熱的測定為例,最後學生拿到未知濃度的酸,所以由反應熱推出酸的濃度。以維生素C的定量為例,則是讓學生拿到未知濃度的維生素C,所以由滴定決定維生素C的濃度。若是碘鐘實驗為例,則是要求每組變色的秒數不同,學生下課前帶著調配好的藥品,到講台前倒下並由教師計時,由於變色瞬間肉眼觀察常有爭議,因此教師需要準備錄影器材,將實作評量過程錄影下來,當有爭議時就重播錄影畫面,因此學生都會覺得很公平合理。若學生沒有進到化學實驗室做實驗,要進行化學實作評量就顯得很困難。這讓筆者思考是否有簡單好用的化學實驗軟體,可以讓教師利用來設計化學實作評量?

 

n  利用軟體輔助化學實驗課程

筆者發現利用Yenka化學實驗模擬軟體,能讓學生有機會於實驗前進行化學實驗過程練習,另一方面也可以設計化學實作評量的問題讓學生解決。由於化學實驗室有安全性的考量,通常無法開放給學生自由練習,學生若想預先練習操作實驗流程是有困難的,但透過軟體進行實驗模擬操作則沒有這些限制。Yenka科學實驗模擬軟體,有分成數學、工程、物理與化學部分(見參考1),本文主要針對化學實驗來加以說明。在Yenka的化學實驗室裡,提供虛擬的藥品室與器材室(見圖一與圖二)

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圖一 Yenka無機化學實驗所提供的藥品一覽表

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圖二 Yenka無機化學實驗所提供的實驗設備與器材一覽表

 

Yenka軟體中的藥品與實驗器材提供教師自行組合使用,對定性或定量的實驗,都可以有很好的實驗結果呈現。例如軟體所呈現酸鹼滴定的定量實驗結果,是呈現經由化學理論計算之結果(圖三),因此和真實實驗現象相當一致。例如達當量點酚酞指示劑變成紅色後,若再加入更多的鹼,則紅色會越變越深。Yenka軟體可以針對中小學或是大學的化學實驗進行設計,如下圖三實驗的實作評量問題,在右上方有兩個未知溶液,可以讓中學生先經由逐步操作認識不同的指示劑與酸鹼變色情況,最後再決定選擇哪些種指示劑,才可以正確分辨出未知溶液的pH(見參考2)

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圖三不同pH值試管中加入酚酞指示劑變色情況

 

n  在職與職前教師能透過Yenka設計科學實驗

Yenka科學實驗軟體所設計完成的實驗,在電腦螢幕上是採取拖曳方式進行實驗,因此很適合搭配電子白板在教室使用。目前國內不少中小學都有安裝電子白板,但是適合在電子白板上所使用的科學實驗軟體卻很有限。Yenka軟體很適合提供給中小學教師來自行設計科學實驗,可用來進行教學或評量之使用。若是沒有電子白板,使用觸控式平板電腦搭配無線投影,也是適合替代電子白板的教學工具。當然,Yenka科學實驗在電腦上直接用滑鼠拖曳進行實驗,也是沒問題的。筆者曾針對本系大學部師資生與碩士在職專班的學生進行Yenka軟體教學,所有在職與職前教師都可以搭配教材內容設計出合適的科學模擬實驗。

教師可利用Yenka科學實驗軟體,設計實驗步驟指引框(見圖三),指引學生一步步經由指引來完成實驗組裝,看到實驗結果現象,並可以將所觀察到的實驗結果記錄在實驗手冊上,這對實驗流程的熟悉很有幫助。當學生一步步跟著指引進行實驗並蒐集數據後,教師也可以在最後設計實作評量試題,提供待解決的問題,讓學生進行實作評量。這樣的評量方式所評量出的能力,不是一般的傳統紙筆測驗能做到的,會比較接近真的實驗實作評量一樣,會有比較多的挑戰。若多次進行後,學生如果能熟習軟體操作,教師也可以不需要在一開始的畫面,提供一些準備好的藥品與材料框(如圖三左上部分),而是提供整個藥品室與器材室(如圖一、二),讓學生自由地運用所有的藥品與器材,來解決問題。這樣實作評量可以設計的問題會更廣泛,也不需限定當次實驗所能使用的藥品與器材。即使我們在真的實驗室設計實作評量試題,也只能提供固定的藥品與器材,但在數位化學實驗室,是可以提供所有的藥品與器材,因此能夠設計的實作評量題目類型可以很不一樣。而且除了一般化學實驗,Yenka軟體也提供電化學實驗藥品與器材(見圖四)

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圖四 Yenka化學實驗所提供的電化學藥品與器材一覽表

 

n  數位科學實驗與實作評量

數位科學實驗並非是要取代真實實驗,但數位科學實驗可以幫助科學實驗課程進行得更順利。科學實驗的背後存在著一個科學模型,多數時候學生是學習過科學模型後才進行科學實驗的,所以學生的科學實驗變成了驗證或認識科學模型的手段,和科學家是在進行科學實驗的過程中才建立科學模型是有所不同。不能讓學生在科學實驗過程中才建立科學模型的原因有很多,實驗的安全性、有限的實驗設備與經費,以及有限的實驗時間等,因此學生的科學實驗課變成驗證或認識科學模型的手段。利用數位科學軟體,經由適當的教學設計對話引導,學生是可以經由科學實驗來認識科學模型的,也可以設計科學實驗來測試自己心中的科學模型。尤其是化學實驗,通常教師很難放手讓學生大膽嘗試不同的化學實驗組合,但化學實驗模擬軟體,是可以讓學生先放手進行嘗試的,雖然實驗結果畫面是經由化學理論模擬出來仍不夠真實,但已經具有相當的教學價值。相信在不久的將來,擬真的虛擬化學實驗室會被設計出來,做化學實驗也許就可以不用到真的化學實驗室了。

 

參考資料

1.      Yenka虛擬實驗網站,20170724擷取自https://www.yenka.com/science/

2.      pH和指示劑操作示範說明,20170724擷取自https://youtu.be/y5aZ3H1GZp4

 

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