臺灣化學教育

化學教室活動

楊水平

國立彰化師範大學化學系
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《臺灣化學教育》第25期的專題為〈化學教室活動〉，邀請作者嘗試開發適用於中小學教師在教室教學的教材、教法及評量。本文以化學教室活動的題材為引言，簡介其意義、範疇及著名的〝JCE教室活動〞專欄；接著，描述化學教室活動的教學研究與教材開發，包含主動學習化學活動、技能與知識並重的活動、真實情境化學問題解決的活動、遊戲式化學活動及化學活動的教材開發；再來，介紹化學教室活動的國外資源包含〝JCE 教室活動〞和《國中化學：關於非常小的重要想法》，並介紹化學教室活動的國內資源，包含《臺灣化學教育》和《科學Online》的文章；最後，介紹本期專題的文章導讀。

n  化學教室活動的題材

通常化學實驗有安全的顧慮、儀器設備的限制及環境保護的要求，以致大多數的實驗教學在正規的化學實驗室中進行，鮮少在一般教室中進行讓學生動手做實驗。然而，有些化學教育家仍然致力於高安全性和高環境友善的化學實驗的研究和開發，使化學實驗變成適合在教室中進行的〈化學教室活動〉，讓化學實驗的教學場所更加多元而且廣闊。這類的化學教室活動設計講求藥品的高安全性和便利性以及器材和材料的高實用性和便宜性，活動使用藥品和材料大多是家庭用品，可以從一般的家庭中取得，或者可以從便利商店、超級市場、五金行、藥局和文具行購得。

廣泛而言，〈化學教室活動〉的題材不僅僅為經過改良可在教室進行的化學實驗，而且可為化學動畫、化學AR/VR、化學App、化學卡片、化學模型、化學遊戲及化學展示等有關學習化學的活動。這些題材的研究和開發可以為新開發的教材、利用新教材或舊教材的教學或評量，亦即〈化學教室活動〉可為單獨的教材、教學方法或評量三面向的題材，亦可為這三面向的二者或三者結合在一起的題材。在化學實驗教材方面，偏重家庭實驗和綠色化學實驗的開發，亦即可從化學實驗室的實驗修改為高安全性和高環境友善的化學實驗或活動；在教學的方面，規劃以學生為中心的合作學習模式為主，讓學生在教室動手做實驗學習化學為重點。在評量方面，規劃以個別學生或組別為單位，強調多元評量，以符合學生主動學習的成效。

在〈化學教室活動〉的教材開發方面，以美國化學會（American Chemical Society）出版的一本化學教育期刊—Journal of Chemical Education—最為盛名，該期刊自1997年9月開闢一個〝JCE教室活動〞（JCE Classroom Activity）專欄，到2012年11月總共出版113份教材，每份教材有兩頁：學生講義和教師指引。〝JCE教室活動〞是一個需要學生動手做的活動，可以在教室中或家庭中進行，在教學上用有趣或可以引發思考的方式來介紹一個新的想法或主題，並藉此激發學生學習的興趣並引發互動討論，促進學生的學習過程和實驗方法。〝JCE教室活動〞主題的選擇、活動過程的設計以及活動需用的器材和材料等方面以學生的生活經驗為範疇，有利於學生對化學概念的理解和應用。此活動不僅涉及到物理、化學、生物、數學等相關學的知識，也延伸到科學教育的人文和藝術素養，有一些跨學科和跨領域上的應用。

n  化學教室活動的教學研究與教材開發

化學教室活動的研究與開發十分多樣且涵蓋廣泛，本文收集一些文章並粗略地整理分類，分為五方面：主動學習化學活動、技能與知識並重的活動、真實情境化學問題解決的活動、遊戲式化學活動、以及化學活動教材研發。這些文章的內容簡述如下：

一、主動學習化學活動

Shaver（2010）描述到兩種互補的技術來衡量學生的理解能力，並激發在化學教室中的互動學習。一項技術是如何利用學生的拇指作為電子回應系統（electronic-response systems）以短暫時間的學習，另一項名為〝提示卡賭博”（cue-card gambling）的活動中以較長時間的任務型問題補充短暫學習。這些技術應用於第二年無機化學課程，教學的重點是配位化學；這些技術可以很容易地應用於任何化學科目和科學教育領域。^[1]

Loppnow（2018）指出大學普通化學課程的學生通常缺乏科學的過程思維。他的研究是帶入未知物的特徵和鑑定到課堂活動中，特別強調在社會建構論框架內的自我導向、主動和團隊合作的學習。透過白色粉末未知物的特徵和鑑定的認知過程可以與實驗室涉及的操作技能分開。學生使用自我導向的學習來研究化學家使用的分離和特徵的方法。每個小組都要提出特定的方法、班級投票，並且教師帶出建議的方法。學生循環再重複直到找到未知物是什麼。以單獨和組別單位進行學生的學習評量，研究結果顯示，透過此活動的學生學習導致類似的考試問題類型與基於講座的教材有相似的表現。此外，教師的觀察指出，這項活動導致學生更多參與和動機的學習。^[2]

二、技能與知識並重的活動

Jones等人（2012）提出一項修改的拼圖（jigsaw）教室活動，用於綜合調查官能基及其紅外吸收頻率的特徵。學生分別對指定分子的振動頻率進行半經驗性（semiempirical studies）學習，並研究光譜的結果與數據庫的實驗光譜進行比較，在小組討論中進行討論，以發現對鑑定特定的官能基及其與結構之間的關係而找到最有用的光譜特徵。^[3]

Martin等人（2015）介紹一項適合普通化學學生的教室活動，結合傳統的VSEPR預測分子幾何形狀的方法與使用分子模型在一起。學生分析一系列先前計算的輸出檔案，其中包含各種幾何形狀的各種分子。根據計算出的相對能量和鍵角，學生分析每一個結構，然後與使用VSEPR理論獲得的預測幾何結構進行比較。因此，學生可以在計算化學方面獲得接觸和入門的經驗，同時加強VSEPR理論與計算所得〝假實驗”（pseudoexperimental）結果之間的聯繫。^[4]

三、真實情境化學問題解決的活動

Oliver-Hoyo等人（2009）描述兩種商用自熱（self-heating）食品被用於應用化學計量、反應焓和溶液焓以及熱傳導等化學概念在教室活動中進行教學。這些產品是在歐洲銷售的自熱飲料以及主要是美國軍隊使用的餐飲（即食食品或MRE）。該活動的主要目標是提出一個真實的化學問題，讓學生計算化學反應或溶解過程產生的熱量以及伴隨的理論溫度變化，最後將理論變化與觀察到的溫度進行比較。該活動的設計是允許學生在教室以外的小組中進行工作，以解決被分派的問題。此活動使用兩種不同的教學方法：問題為本學習和引導式探究教學。這活動教學連接各種化學主題，並提供機會來完成常見的操作，例如在真實世界情景中的單位轉換和算法的問題解決。工程專業的學生對自熱產品的設計以及這些設計對環境的影響表現出特別的興趣。^[5]

四、遊戲式化學活動

Duvarcı（2010）的研究旨在觀察學生對〝元素與化合物”單元的理解，該單元透過使用卡片活動（card activity）等多種活動進行教學。在這個案例研究中，化學教師準備一張卡片活動。接著，透過活動介紹 “元素和化合物”單元。該研究在9年級的教室中實施。研究發現學生透過娛樂活動，有助於記住這些主題。對於那些願意在教學中使用新方法或活動的教師來說，教學成效非常顯著。^[6]

Mosher（2012）描述一項用於有機化學課程的教室小組活動。這項活動是使用課程材料中的瑣事和概念的一種棋盤遊戲（board game），可以在整個學期中定期使用，以引入或加強內容知識。本研究提供的替代版本可以很容易地為其他課程構建。^[7]

五、化學活動的教材開發

Harris等人（2010）在他們開發的教室活動中提到：在本活動中，學生使用流程圖辨識七種可回收塑膠的樣品。此流程圖的程序包括對塑膠樣品在水和酒精中的密度進行比較，並觀察受到沸水溫度和暴露於丙酮的塑膠樣品的物理變化。這個活動是從以前發表的文章中修改過來的，以使得實驗室設施不廣泛的中學以及高中或大學都能進行這活動。利用玉米塑料（聚乳酸）來識別七種可回收塑膠是嶄新的作法。^[8]

Garber等人（2013）在他們開發的教師活動中提到：花青素是很多花朵、水果及蔬菜造成的鮮豔顏色的顏料，通常會產生紅色、藍色及紫色的色調。學生被要求進行一項動手做活動，來確定哪種花青素可能存在於幾種的植物之中。學生從生物的來源中萃取色素，並透過改變生物萃取物的pH值來獲得顏色的特徵，這些萃取物的溶液與花青素色素標準溶液進行比較，以便學生可以推斷出他們選擇的植物材料中存在哪種色素。這項活動連結多個化學概念在一起，提供化學與生物科學之間的關聯。^[9]

n  化學教室活動的國外資源

在國外資源方面，此處介紹〝JCE教室活動〞和《國中化學：關於非常小的重要想法》，如下所述。

一、〝JCE教室活動〞

Journal of Chemical Education的〝JCE教室活動〞（JCE Classroom Activity）專欄於1997年推出，設計對象為高中教育工作者和學生。多年來，此活動經歷自己的微不足道，漸進地發生變化。例如，最早的活動使用紅色印刷以及黑色和白色，並且每期都包括對學生問題的建議答案。幾年後，頁面名稱從〝教師頁”（Instructor Side）和〝學生頁”（Student Side）改為〝教師訊息”（Instructor Information）和〝學生活動”（Student Activity），如圖一所示。這些和其他一些小小的變化已經累積起來而發生變化。與〝華爾街日報”相比，此活動更像是一個快速增長而進入一個成熟和發展的新階段，並轉向與美國化學會出版物共同出版。現在此活動以常規文章的形式發布，並不會以列印方式在多孔卡片紙上出版。在紙本方面，大部分的內容通常會顯示在“教師訊息”方面的訊息。這方面提供讀者足夠的背景知識來確定他們是否有興趣在教室或外展活動中使用這些活動。然後有興趣的讀者可以到網路造訪支持訊息（supporting information），其中包括學生活動工作單。^[10]

圖一：〝JCE教室活動〞免費釋放的活動教材樣本，包含教師訊息”（上）和〝學生活動”（下）

（圖片來源：Colorful Lather Printing, https://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/ed084p608A）

在〝教師訊息”方面，主要是為高中教師提供活動的相關知識和背景知識（Background）、 統整活動到你的課程（Integrating the Activity into Your Curriculum）、具體活動的相關原理（About the Activity)、提出問題的參考答案（Answers to Questions）以及參考文獻與相關活動（References, Additional Related Activities, and Demonstrations）等。在〝學生活動”方面，主要包括各活動內容的前言、實驗活動過程和嘗試步驟（Try This）、嘗試更多的實驗（More Things To Try）、對學生提出的問題（Questions）以及來自網際網路的資訊（Information from the World Wide Web）。

在100多個〝JCE教室活動〞的教材中，只有免費釋放兩個活動單元：〈粘稠狀態：口香糖和溶解度〉（A Sticky Situation: Chewing Gum and Solubility）和〈彩色泡沫印刷〉（Colorful Lather Printing）。以下是〈口香糖和溶解度〉的簡介：在本次活動中，學生使用普通食物進行幾項溶解度測試，如巧克力、口香糖、水、糖及油。從活動期間的觀察結果來看，學生初步分類被測物質為可溶或不可溶物質。然後，他們使用對溶解物質的化學理解，分類物質為極性或非極性。藉由活動涉及的溶解度、〝相似者互溶”，極性和非極性以及相，使學生對化學概念有深入的理解。^[11]

以下列出最新10個（編號104-113）〝JCE教室活動〞於表一中。以下分類方式之一—CIA model分類，CIA model為有效教育體系的三項基本組成—課程，教學及評量（curriculum, instruction, and assessment），可擴大意涵為三大面向—課程與教材、教學方法與策略、以及評量與測驗。

表一：〝JCE教室活動〞的教材

二、《國中化學：關於非常小的重要想法》

在美國化學會的網站中，透過其目錄：American Chemical Society > Education > Educational Resources > Elementary/Middle School，可找到一本免費的化學探究專書，書名為《國中化學：關於非常小的重要想法》（Middle School Chemistry: big ideas about the very small） ^[12]，這書適用於國中階段的探究學習教材，透過探究為本的動手活動和分子模型動畫來調查原子和分子的世界。該專書網站提供：課程計劃（lesson plans）、多媒體（multimedia）、工作坊（workshops）以及下載所有課程（download all lessons）等資料，如圖二所示。其中「課程計劃」規劃六章（Chapter），每張有5-10課程單元（Lesson）；而每課程單元都有「多媒體」，以動畫和影片等方式呈現微觀的物質世界，對教師教學的輔助甚大，對學生的科學建模相當有助益。每個課程單元都有學生講義和教師手冊，以5E學習環（5E Learning Cycle）的學習策略編寫，強調探索階段的動手做學習和解釋階段的微觀世界科學建模歷程。每一章有附加圖文並茂的學生閱讀（Student Reading）和教師額外背景知識（Additional Teacher Background）等資料。

圖二：《國中化學：關於非常小的重要想法》的網站首頁

（圖片來源：http://www.middleschoolchemistry.com/）

這份化學探究教材的章節名稱及其簡介，如表二所示。

表二：六章的章節名稱及其簡介

n  化學教室活動的國內資源

在國內資源方面，此處介紹《臺灣化學教育》和《科學Online》，如下所述。

一、《臺灣化學教育》

《臺灣化學教育》2014年5月出刊，自第1期到第24期，經過初步統計，屬性可歸類或稍加修改可為〈化學教室活動〉的文章計有47篇，其中以教材設計的比率最高，如表三所示 ^[13]。

二、《科學Online》

在臺灣大學的《科學Online》（前名為《高瞻自然科學教學資源平台》）中，經過搜尋並加以統計，屬性可歸類為〈化學教室活動〉的文章計有7篇，如表四所示 ^[14]。這些〈化學教室活動〉教材的開發設計包含學生講義和教師手冊，其中「學生講義」有：實驗簡介和原理介紹、器材和藥品、實驗步驟、安全和注意、廢棄物處理、觀察紀錄、問題；而「教師手冊」有：教學提示、藥品配製、實驗記錄樣本、參考答案、參考資料和延伸閱讀。

表四：《科學Online》的〈化學教室活動〉的文章

n  本期文章導讀

本刊第二十五期的專題以〈化學教室〉為主題，除領頭文章外，還有11篇文章。這些文章的簡介如下：

1.        〈透過波卡教學法學習烷類有機分子〉一文由吉佛慈老師（國立臺灣師範大學附屬高級中學）撰寫。本文提到：「波卡（POECA）教學法」是將POEC教學模式加上應用（Application）階段而形成的教學策略，期望達到「教學用波卡，學化學不卡」的口號與教學目標。

2.        〈國小學生製作彩色麵條〉一文由陳皇州教授（國立屏東大學應用化學系）撰寫。本文提到：本創新課程活動的內容以「生活」為導向，藉由提供實作的原料，實施動手做化學實驗等活動，鼓勵學生在親手操作化學實驗後，深入思索實驗進行的過程，在結合創意思考與實務操作的情境下，使學生能充分發揮創意與想像。

3.        〈從馬祖藍眼淚學習螢光和磷光〉一文由胡潔曦（國立東華大學自然資源與環境學系）和胡景瀚教授（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：我們在馬祖的遠哲科學體驗營和小朋友們分享了這實驗。因為實驗主題貼近馬祖的在地現象，活動引起一百餘位小朋友的熱烈迴響。

4.        〈感温貼片DIY—膽固醇型液晶的製備〉一文由連經憶教授（國立嘉義大學應用化學系）撰寫。本文提到：符合教室活動的實驗條件、簡介膽固醇型液晶的製備包含膽固醇型液晶的製備和簡易温度貼片的製備以及教學小撇步，這是一項十分有趣且常吸引學生的化學教室活動。

5.          〈庶民的分子廚藝教室〉一文由郭益銘教授（中華醫事科技大學環境與安全衛生工程系）和鄭惠華（巧比諾有限公司）撰寫。本文提到：庶民的分子廚藝教室教案嘗試將冰冷的試管與燒杯，換成同學們都熟悉的餐具與美食，引導父母親與孩子們走進生活化的科學教室，以遊戲方式呈現，讓學生都能以愉快地學習科學知識，並將這些知識以圖像實踐的方式牢記在腦海裡，能夠讓同學們達到寓教於樂的效果。

6.          〈創客設計Arduino pH計應用在酸鹼課程〉一文由馮松林老師和陳映辛老師（國立竹山高級中學）撰寫。本文提到：Arduino的操作環境很友善，本課程設計在簡單的操作過程中，讓學生學得帶得走的技能，期待學生結合創客套件讓化學實驗走出教室，在實驗室外需要量測化學數值的環境，自己動手做各種探究。

7.          〈透過微量實驗實作學生發現溶解度法則〉一文由許之音老師（臺北市立中正高級中學）撰寫。本文提到：實驗簡介和單元目標、沉澱表或溶解度表的歷史、高中化學課程提到沉澱表方面、本次實驗主要目標、各組器材和學習單、教學提示、以及實驗紀錄（學習單）樣本與討論，教學內容十分豐富。

8.          〈化學物質分類的類比活動〉一文由鐘建坪老師（新北市立錦和高中國中部）撰寫。本文提到：本活動提供學生在學習純物質的分類之前，先知悉自己會依據某些特定準則分類鉛筆盒與抽屜的文具和書本，正如同科學家在分類純物質時亦會根據某些特徵來區分出純物質中的次類別項目。從學生自身的分類鉛筆盒與抽屜的經驗著手，讓學生體會科學家嘗試分類物質的方式，可以藉由前導活動讓學生連結生活經驗與學科學概念的關係。

9.          〈透過密室逃脫遊戲精熟學習常見的化學元素〉一文由顧展兆老師（宜蘭縣立國華國民中學）撰寫。本文提到：本密室逃脫遊戲的教學策略，可使用在預習後正式講課或運用於上課後複習，教師可讓學生在預習後進行本活動以精熟學習課程內容，亦可先行上課後透過本活動複習該課程。學生需要在各關卡中透過有限的提示，與同組同學進行討論和溝通，嘗試出自己對化學元素的認識。

10.      〈自製光譜儀偵測臭氧吸收光譜〉一文由陳秀荷和劉奇愛（國立彰化師範大學科學教育研究所）以及楊水平教授（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：在108新課綱的推行下，課程設計以全人教育為理念基礎，而自製光譜儀偵測臭氧吸收光譜的活動滿足課程設計的目標。結合STEM以陶養生活知能，例如：吸收光譜與光化學反應等科學概念（S）、應用軟體科技進行研究分析（T）、實際動手做與問題解決的工程能力（E），以及數值轉換與圖表識別的數學思考（M）。在觀察美麗光譜的喜悅下啟發生命潛能，以日常生活的科學研究激發終身學習的活力以促進生涯發展，最後談人類活動造成空氣汙染的主題切入公民責任。

11.      〈發現查理定律和絕對零度〉一文由李錡峰老師（國立南科國際實驗高級中學）、張鈞皓和郭峯廷以及楊水平教授（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：本文嘗試設計簡易的且方便的實驗裝置提供給高中化學教師教學和學生實驗的參考。本實驗的學習方法採用發現學習，學生在探索之前不知道氣體的溫度與體積之間的關係，他們在教材的指引下有機會去發現查理定律和絕對零度，其過程需要進行實驗、收集資料及處理資料，並進一步發現規律性。

n  參考資料

1.        Shaver, M. P. Using Low-Tech Interactions in the Chemistry Classroom To Engage Students in Active Learning. Journal of Chemical Education, 2010, 87 (12), pp 1320–1323.

2.        Loppnow, G. R. The Unknown Exercise: Engaging First-Year University Students in Classroom Discovery and Active Learning on an Iconic Chemistry Question. Journal of Chemical Education, 2018, Article ASAP.

3.        Jones, T. N.; Graham, K. J. and Schaller, C. P. A Jigsaw Classroom Activity for Learning IR Analysis in Organic Chemistry. Journal of Chemical Education, 2012, 89 (10), pp 1293–1294.

4.        Martin, C. B.; Vandehoef, C. and Cook, A. The Use of Molecular Modeling as “Pseudoexperimental” Data for Teaching VSEPR as a Hands-On General Chemistry Activity. Journal of Chemical Education, 2015, 92 (8), pp 1364–1368.

5.        Oliver-Hoyo, M. T.; Pinto, G. and Llorens-Molina, J. A. The Chemistry of Self-Heating Food Products. An Activity for Classroom Engagement. Journal of Chemical Education, 2009, 86 (11), p 1277.

6.        Duvarcı, D. Activity-based chemistry teaching: A case of “elements and compounds”. Procedia – Social and Behavioral Sciences, 2010, Volume 2, Issue 2, pp 2506-2509.

7.        Mosher, M. D.; Mosher, M. W. and Garoutte, M. P. Organic Mastery: An Activity for the Undergraduate Classroom. Journal of Chemical Education, 2012, 89 (5), pp 646–648.

8.        Harris, M. E. and Walker, B. A Novel, Simplified Scheme for Plastics Identification. Journal of Chemical Education, 2010, 87 (2), pp 147–149.

9.        Garber, K. C. A.; Odendaal, A. Y. and Carlson, E. E. Plant Pigment Identification: A Classroom and Outreach Activity. Journal of Chemical Education, 2013, 90 (6), pp 755–759.

10.    Jacobsen, E. K. and Slocum, L. E. JCE Classroom Activities Mature and Grow. Journal of Chemical Education, 2010, 87 (2), pp 122–122.

11.    Montes-González, I.; Cintron-Maldonado, J. A.; Pérez-Medina, I. E.; Montes-Berríos, V. and Román-López, S. N. JCE Classroom Activity #105. A Sticky Situation: Chewing Gum and Solubility. Journal of Chemical Education, 2010, 87 (4), pp 396–397.

12.    Middle School Chemistry: big ideas about the very small, http://www.middleschoolchemistry.com/.

13.    《臺灣化學教育》，http://chemed.chemistry.org.tw/。

14.    《科學Online》，http://goo.gl/wNm3ZX。