臺灣化學教育

軟體與平台在中小學化學教學上的應用：用Yenka軟體輔助教學及實作評量

–以五年級上學期南一版第三單元空氣與燃燒為例

林禹伶

國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班

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壹、前言

    「哇!哇!燒起來了!」「哇!哇!爆炸了! 」今天我們利用YENKA化學實驗模擬軟體讓學生們預測接下來的要做實驗的結果，學生們的眼光緊緊地被電子白板上YENKA的實驗模擬結果所吸引，也期待著接下來的實驗操作會有什麼驚喜。YENKA化學實驗模擬軟體是在使用電腦的環境下，提供多種實驗藥品和器材，讓教師能針對教學需要進行設計的軟體。其中因為是在使用電腦的環境，能讓學生安全的進行各種模擬的化學實驗，提供了孩子們探索以及大膽嘗試的機會。

    以前在帶班擔任導師時，曾目睹自然與生活科技科任老師因為安全、器材短缺及沒有實驗室的考量，在進行化學實驗教學時，只見到自然與生活科技科任老師帶著一組實驗器材，讓所有的學生以自然與生活科技科任老師為圓心圍成一圈，只用眼睛觀察由自然與生活科技科任老師自己一個人所做出來的實驗。學生完全沒有動手做實驗的機會，即使學生用心觀察，但也只有一次機會來觀察那稍縱即逝的實驗結果。看到這樣的畫面令人震撼，同時也思考有沒有什麼方式能讓所有的學生都能進行與課程相關的實驗。在臺北教育大學自然科學教育學系進修時，在周金城教授的化學特論的課程介紹下接觸到YENKA化學實驗模擬軟體，並向臺北教育大學自然科學教育學系借安裝有YENKA化學實驗模擬軟體的平板電腦，實際應用在新竹某工業區附近，中型規模的小學五年級兩個班，學生的家庭背景多元，兩班共有54位學生，我們針對學校所使用教材南一版五上第三單元空氣與燃燒來設計YENKA實驗。  

    YENKA化學實驗模擬軟體的優點在於可以在不用連接網路的環境下使用模擬軟體。除了利用桌上型電腦外，還可以利用電子白板、筆記型電腦或平板電腦操作，但電腦或平板電腦的設備必須為Windows作業系統，並非Android或iOS介面的平板電腦。這次使用9台ASUS Transformer Book T100TA觸控電腦，讓27位學生分成9組，每組三人，共同學習操作與討論。建議學生分組為三人一組，平板電腦讓同學輪流到中間的操作，旁邊兩位學生可以不受干擾一起觀察。也因為三人一組，所以可以進行同儕對話與討論。

貳、以YENKA化學實驗模擬軟體作為預測實驗結果的課程設計

    南一版五年級上學期第三單元空氣與燃燒課程銜接上，是承接三年級上學期第三單元空氣單元，與六年級下學期第二單元防鏽與防腐。學生在三年級上學期第三單元空氣學會空氣是會流動以及空氣佔有空間的概念。在五年級上學期第三單元空氣與燃燒繼續先由空氣開始，先討論生活中燃燒的現象，到自製氧氣瓶和二氧化碳瓶，並檢驗氧氣和二氧化碳的特性，進而探討燃燒要達到有可燃物、助燃物及必須達到燃點這燃燒三要素，並學將這燃燒三要素應用在生活當中，了解滅火原理進而減少火災的發生。

圖一:課程銜接情況(引自南一教師手冊P226，2017)

    五年級上學期第三單元空氣與燃燒著重於化學實驗，其中包含了四個實驗:

實驗一:空氣幫助燃燒？、實驗二:氧氣的特性、實驗三:二氧化碳有什麼特性？、實驗四:燃燒須達到燃點。除了藉由實驗觀察及歸納實驗結果外，還著重於各項實驗器材的使用及藥品安全的處置方式。

YENKA化學實驗模擬軟體並非取代動手做實驗操作，而是藉由設計實作或實作評量，讓學生藉由操作流程中了解實驗的目的，而不是背誦實驗結果，學生藉由實驗理解現象，而非直接灌輸給學生。由於模擬軟體中的實驗器材的仍有不足，因此想讓所有的學生都能進行和課程完全相同的實驗有困難，不能將課程中所有實驗全部都由YENKA化學實驗模擬軟體來取代。因此YENKA化學實驗模擬軟體如何幫助自然科教學，需要再思考轉化成可以設計的實驗。最後，教學上仍保留了實際的實驗操作，但以YENKA化學實驗模擬軟體作為實驗前引起動機並藉由操作讓學生思考需要準備什麼實驗器材，並藉由電腦操作預測實驗結果。最後在課程的最後利用YENKA化學實驗模擬軟體設計實作評量來了解學生是否學會。呈現的教學為虛擬–實際–虛擬的流程。如下表，以實驗二、氧氣的特性為例:

圖二: YENKA化學實驗模擬軟體的教學流程

參、   利用YENKA化學實驗模擬軟體做為實作評量的實驗設計

    在課程進行最後，設計了兩個YENKA化學實驗模擬軟體實驗，讓學生以三人為一組，每一組一台觸控電腦，以小組合作的方式完成學習單上的問題，檢視學生對於課堂知識吸收了多少。

實作評量一:未知氣體特性的觀察與歸納

       我們在實驗一設計了四種未知氣體，讓學生觀察及歸納各種未知氣體的特性，作為實驗二的複習及引導。其中未知氣體一為呈現黃綠色的氯氣，未知氣體二是無色不具有助燃性且使澄清石灰水變混濁的二氧化碳，未知氣體三是無色具有助燃性的氧氣，並加入了無色但遇到火會產生爆炸的氫氣的未知氣體四。

    這次的實作評量加入國小實驗中不常使用的兩種氣體:氯氣和氫氣，來作為概念應用作為學習成效判斷的依據。黃綠色的氯氣具有助燃性及毒性，會刺激人體的呼吸道系統。氫氣是高度易燃與空氣混合後會產生爆炸的危險氣體，在最近填充氣球的氣體的新聞中頗具爭議，因為明星的加持下讓填充氫氣的波波球一夕爆紅，但國內外仍有填充氫氣的波波球發生爆炸而傷人的案例。這些氣體平時在實驗室中使用時就要小心謹慎。但因為使用YENKA化學實驗模擬軟體提供安全的實驗環境，並仍可讓學生認識不同氣體的燃燒特性。讓學生能經由操作YENKA化學實驗模擬軟體認識不同氣體，亦在安全無慮的環境下進行辨識，讓學生盡情的探索。這是YENKA化學實驗模擬軟體最大的優點，除了在實作評量中學會操作實驗外，也提醒學生除了認識這些氣體危險性，更要學會辨識、遠離和保護自己的能力。實作評量的實驗設計，如下所示。

一、實驗器材:

     氯氣(未知氣體一)、二氧化碳(未知氣體二)、氧氣(未知氣體三)、氫氣(未知氣體四)、發紅的線香、燃燒的線香、澄清石灰水。

二、操作步驟

(一)步驟一:一次只選一種氣體，先觀察氣體的顏色，再將觀察到的現象記錄在學習單中如圖所示

 

圖五:實驗一氣體比一比

圖六:實驗一學習單

 

(二)步驟二:放入檢測器材，例如發紅的線香，觀察發生的變化，並將實驗結果記錄在學習單中

三、步驟三:完成四種未知氣體的測試，並判斷這些未知氣體分別具有什麼特性，因此為哪一種氣體。並將結果記錄在學習單中。

實作評量二:特調大師，加強學生實驗的能力

    實驗二的設計想法是因為在動手做實驗結束後，問了學生剛剛使用的器材名稱時，發現學生把製成二氧化碳的醋酸與製造氧氣的水溶液搞混了。原來學生對於是由自己觀察到實驗產生的現象已經深深的印入腦中，但對於實驗中的材料卻仍然陌生，因此希望藉由自行調配來讓學生理解及加深這些被告知的器材名稱。實驗二中設計三種未知粉末A、B、C及兩種未知水溶液1、2。其中有一個作為干擾的粉末:銀(Ag)。藉由粉末及水溶液的調配出氧氣及二氧化碳分別找出這些粉末分別為那些材料。

一、實驗器材:

    未知粉末A(小蘇打粉)、未知粉末B(銀)、未知粉末C(二氧化錳)、未知水溶液1(雙氧水)、未知水溶液2(醋酸)、燒杯、錐形瓶、澄清石灰水、發紅的木片、燃燒的木片。

二、實驗步驟

(一)步驟一: 利用左邊的材料依照學習單的順序調配出，並把結果紀錄在學習單裡。

(二)步驟二:根據氣體的特性找出哪個粉末是小蘇打粉和二氧化錳，以及那些水溶液是雙氧水和醋酸

圖片十四:無反應

 

圖片十五:有反應

本實驗影片網址：https://youtu.be/BG_qHyXJCHU

肆、學生使用YENKA軟體的學習情況說明

    使用YENKA軟體能讓學生上課的專注度提升:在使用YENKA化學實驗模擬軟體教學時，可以觀察到學生對於電腦能進行實驗的這個部分感到驚訝不已，因此對於上課的專注度提升了不少。接下來進行實驗講解時，將YENKA化學實驗模擬軟體作為實驗前的預習講解與預測，並在過程中解釋和提醒學生實驗時的注意事項，有助於學生在進行實驗時步驟的熟稔度，學生因為YENKA化學實驗模擬軟體所產生的實驗結果充滿期待，並在實驗過程中互相提醒，實驗進行時更為順利，學生因為實驗操作的熟稔，能在有限的時間內都能讓每位學生親自操作到。達成學生在實驗操作中學習，並不是背誦實驗結果。因此YENKA化學實驗模擬軟體作為實驗前的預習講解與預測能更進一步了解產生的反應，加深學生的印象。

   另外，學生在實驗結果的驚訝程度相較於YENKA化學實驗模擬軟體所產生的結果，動手做實驗所產生的結果更令學生驚訝，可見動手做實驗無法被取代的，仍有許多學生相信電腦做出來的實驗結果是有誤差，抱持著半信半疑的態度。因此動手做實驗有存在的必要，要盡量能讓學生進行實驗的操作，如果因為設備短缺使用YENKA化學實驗模擬軟體上課時，仍要搭配實際教學影片，讓學生看到真實的現象當做替代性經驗，並讓YENKA化學實驗模擬軟體完全的取代動手做實驗。

    最後，在教學前、後分別為學生進行前測與後測，看看YENKA化學實驗模擬軟體在學生學習成效上的表現，發現有進行YENKA化學實驗模擬軟體的班級較未使用YENKA化學實驗模擬軟體的後測成績有進步。再將兩者的成績進行獨立樣本T檢定及共變數分析(ANCOVA)成績均優於未使用YENKA化學實驗模擬軟體的班級。表示學生在YENKA教學介入空氣與燃燒教學後，學習成就表現有顯著性的成長。

    學生認為平板電腦操作Yenka科學模擬實驗很方便:實作評量結束後，利用問卷，了解學生對於這樣的課程設計及實作評量的看法。回答問卷共有54人，男學生27人，女學生27人。問題與摘錄如下

表一：學生回答問題的答案統計

選項	非常 同意	同意	普通	不同意	非常不同意
透過YENKA科學實驗模擬軟體可以預測實驗結果	50%	39%	7%	4%	0%
我覺得透過Yenka科學實驗模擬軟體，就好像真的動手做實驗一樣，會產生實驗誤差。	24%	30%	38%	4%	4%
在教室內利用觸控平板電腦操作Yenka科學實驗模擬軟體很方便	70%	9%	15%	6%	0%

    50%的學生對於能利用YENKA協助預測與熟悉實驗步驟持有肯定的想法。

   sta18「我覺得上課時可以多使用YENKA科學實驗模擬軟體，因為有時候
          做實驗碰到不知道怎麼做時，可以使用YENKA科學實驗模擬軟體
          協助我們。」

    70%的學生認為YENKA利用平板電腦是很方便操作，可以大膽嘗試的特性留下深刻的印象。

    sta08「用平板電腦操作很方便，不用再為了材料而煩惱，也沒有危險
           性，什麼事都可以嘗試做，也不用擔心會爆炸，軟體會呈現出
           來。」

   38%有的學生對於YENKA化學實驗模擬軟體所模擬出來的實驗結果是否造成誤差保持著懷疑的態度。

    sta24「利用軟體來進行實驗室很方便，但成功率太高，會失去動手做實
           驗不斷嘗試，永不放棄的精神，所以盡量自己動手做實驗比較
           好。」

sta05「我覺得利用YENKA科學實驗模擬軟體上課很好，但缺少一項東
           西，那就是用平板電腦上課缺少實驗成功的感覺和勇於嘗試的感
           覺。當自己做實驗成功後會覺得很開心，因為是自己做成功
           的。」   

伍、教學後省思與改進與結語

    使用YENKA化學實驗模擬軟體進行教學，在上課前應該將所有的設備整頓好，例如將平板開機放在各組的位置上，或是將YENKA化學實驗模擬軟體要使用的檔案依序排列。這學期是先利用電子白板來進行教學，發現學生們都想上台操作。建議平時就可以使用平板上課，讓三位學生一組，能讓彼此互相討論，互相激盪彼此的想法。

    動手做實驗的現象一定會比電腦模擬的結果更吸引學生，但可以設計電腦模擬的實作評量作為學生在實驗後知識理解的驗收。YENKA的實驗模擬操作並不是用來取代實驗的操作，因為實驗操作有其必要性，可以看到實驗操作時的真實的結果。因此YENKA的使用時機可以在實驗前做為實驗操作的預測、實驗中步驟的熟悉以及實驗後的實作評量測驗。要利用情境的設計，來讓YENKA作為實驗的輔助及精熟的練習，其中最為適合做課後的實作評量。

     在設計實驗中，要與真實情境相符合。在空氣幫助燃燒的實驗設計中，傳統廣口瓶是倒蓋的，但YENKA設計的實驗廣口瓶是往上開口的，因此會讓學生誤會空氣仍不斷補充，因此可以利用蓋子圖片加以修改。在氧氣製造的YENKA實驗中，軟體沒有胡蘿蔔可以選用，因此以二氧化錳取代胡蘿蔔來進行實驗，但要避免學生在名稱上的混淆，將二氧化錳與二氧化碳連結，或許可以修改名稱符合動手做實驗時所利用催化物的名稱，避免名詞造成干擾。最後YENKA是模擬真實情境，因此實驗步驟也要依照真實情境設計，不能顛倒實驗步驟。以檢測二氧化碳的實作評量為例，有看到學生為了完成實作評量上的題目，就先把檢測工具發紅的木片、燃燒的木片和澄清石灰水一次全部放上去，再進行未知粉末及水溶液的調配。雖然呈現的結果相同，但實驗步驟卻相反了。應該在學習單上提醒學生注意實驗步驟，要先放調配小蘇打粉與醋酸產生二氧化碳，再利用檢測工具發紅或燃燒的木片檢測。這樣才能藉由YENKA實驗操作建立起正確的實驗步驟觀念。

    數位化學習提供了教師與學生互動與參與課程設計的機會，也消除了空間與器材使用的限制，巧妙的讓學生運用科技技術，從不同的經驗去學習。有時候可能是單獨的練習，也有時候是小組互相討論，激盪出學生學習的動機，也達到教學目標。

■謝誌

   在此感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系指導教授周金城教授提供軟體與平板電腦設備，並修改與協助修改本文，在此謹深摯謝忱。

■參考資料

1. 周金城(民106)。利用電腦軟體設計化學實驗實作評量–以Yenka軟體為例文章名稱。台灣化學教育，2017年7月第20期。

2. 許碧容、張自立、辛懷梓。用Yenka軟體輔助化學丙級證照術科實作評量–醋酸濃度之測定。台灣化學教育，2017年7月第20期。

3. 陳子聖。2017。使用混成式教學與線上教育平台對八年級學生學習化學反應相關概念之成效分析。碩士論文。台北：台北教育大學

4. 王利元。2017。探討動手做實驗及虛擬實驗對國小學童在電磁鐵單元的學習成就及概念理解之影響。碩士論文。新竹：清華大學

5. 黃鴻博（主編）（2017）。國民小學自然與生活科技五上教師手冊。臺南：南一書局。