2019國際元素週期表年(IYPT):化學學習與元素週期表 / 周金城

星期日 , 13, 一月 2019 Leave a comment

2019國際元素週期表年(IYPT)化學學習與元素週期表

 

周金城

臺北教育大學自然科學教育學系

ccchou62@gmail.com


n   前言

元素週期表一直是化學學習的核心內容之一,它呈現了一種自然界化學反應的規律性模型。本文的目的在分析化學教育相關文獻中有關週期表相關文獻之內容分析與整理,了解化學教育工作者以何種角度來研究週期表。元素週期表的內容背誦記憶是必須的,但是教師可以透過更多有趣的活動來幫助學生學習週期表(Franco-Mariscal, 2014)

 

n   元素週期表教學的相關研究簡介(或評介)

為了瞭解元素週期表的相關教學設計與研究,作者利用臺灣大學的web of science資料庫,透過關鍵字” periodic table”進行檢索,再將和元素週期表有關的教學活動簡單整理如下,有興趣的讀者可以再進一步進行文章閱讀。

最常見的是使用桌牌遊戲的方式設計週期表學習活動(Bayir, 2014; Franco-Mariscal, Oliva-Martinez, Blanco-Lopez, & Espana-Ramos, 2016; Franco-Mariscal, Oliva-Martinez, & Gil, 2015; Kavak, 2012; Marti-Centelles & Rubio-Magnieto, 2014; Moreno, Hincapie, & Alzate, 2014)。將化學反應拍攝呈線上影片,讓學生學習週期表中的元素反應(Moore, 2009);使用故事情境的方式,來教導九年級學生周期表(Demircioglu, Demircioglu, & Calik, 2009);設計可使用QR-code的撲克牌,使用行動裝置來學習週期表(Bonifacio, 2012)

也有使用電腦設計探索式解謎遊戲,幫助大學生來學習週期表的概念(Larson, Long, & Briggs, 2012);讓小學生透過動手製作模型的方式,來學習元素的週期性(Selco, Bruno, & Chan, 2013)。針對高中生設計填字遊戲,進行學習週期表的活動(Joag, 2014);使用樂高積木堆疊來教導週期表的概念(Melaku, Schreck, Griffin, & Dabke, 2016)

還有使用桌球設計網格打擊比賽遊戲活動方式,讓大學生透過團隊競賽活動,經由兩個小時的課程,幫助學生學習週期表(Lee et al., 2016)。此外,也有專為盲人設計語音與點字的週期表學習活動(Fantin, Sutton, Daumann, & Fischer, 2016)。使用多種螺旋形式的週期表,並以不同圖表的表徵方式來呈現週期表概念(Imyanitov, 2016);透過將常見週期表的重新結構繪製方式,來逐步教導週期表結構(Kurushkin, 2017);。設計讓每一位學生自己當作是一種元素的50分鐘互相介紹學習活動,來幫助高中與大學生學習週期表概念(Hoffman & Hennessy, 2018)

Lehman, Koran, and Koran (1984)針對160名高中生分成八個實驗組進行比較,設計不同周期表與教學方式的交叉比較,低能力的學生適合使用傳統周期表,而高能力的學生適合使用修改後可視覺化資訊豐富的周期表。由以上分析可以知道,元素週期表的教學活動也呈現出多元的方式。

 

n   元素週期表的不同研究

Izci, Barrow, and Thornhill (2013)分析不同網站上的10個週期表數據精準性,研究發現若想要獲得元素中的原始數據,網路可能不是最佳的選擇。Lemes and Dal Pino (2011)試圖利用人工智慧的設計將元素自動進行分類,產生自我組織圖(self-organized map),可以產生鹵素、鹼金屬和過渡金屬與元素週期表,但仍無法到達門德列夫的複雜程度。

 

n   不同時代的元素概念是不同的

Ghibaudi, Regis, and Roletto (2013)元素的概念發展可以分成四個時期,:古代元素概念、18世紀的元素概念、19世紀的元素概念與20世紀元素概念,以下將分別簡要介紹此文章內容,詳細內容讀者可以詳細閱讀此文章內容。

早期的元素概念:可以追朔到西元前四世紀亞里斯多德所談的組成物質的四元素:土、水、火、氣與四種可觀察的性質:冷、熱、乾、濕。當時所談的元素,是以觀察者自身所能感受的角度來談論的,元素是一種形而上且抽象的觀點。

18世紀的元素概念:由拉瓦錫以嚴格的實驗角度來檢視亞里斯多德學派的四元素說,認為元素是有具體的物體,具有真實與明確的特性。他並認為元素是可以由物質中分離出來,且不可再被進一步分離。

19世紀的元素概念:在門得列夫提出週期表的時候,現代原子模型尚未被提出,因此物質中的元素在組合時,元素仍是保持其本質。物質在化學變化中,仍保有元素的本質,此本質可以由原子量的測定來加以確認。

20世紀的元素概念: Friedrich Adolf Paneth18871958)根據拉瓦錫所提出元素就是簡單物質的概念,以及門德列夫指出元素可以構成簡單物質與化合物,但他質疑化合物中沒有其構成元素的化學性質,因此他透過放射性化學的研究結果提出了基本物質(basic substance)與簡單物質(simple substance)的概念。基本物質就是如同門德列夫所指出的元素的原子量概念,也就是原子序。基本物質具有簡單物質的不同特性,能讓簡單物質和化合物所表現出的多樣化的性質。後續的科學家持續的逐步拓展元素的概念。

現代的元素概念:根據IUPAC所定義元素概念如下:1.原子核中具有相同質子數的原子就是同一種原子。2.所謂純化學物質是指由原子核中的質子數都相同的原子組成;有時這個概念被稱為基本物質,不同於1中定義的化學元素,但大多數化學元素的術語是使用這兩個概念。

在科學史上的文章閱讀要特別注意的是,在不同時代的”element”都稱為元素這一詞,但不同時代下的元素內涵卻是不同的,這是需要特別注意的。

 

n   指的是元素還是簡單物質

由於在語言的使用上,並未仔細區分所指的是元素還是簡單物質的概念,因此常會造成學生學習上的誤解。例如提到碳是指元素,還是簡單物質的煤、石墨或鑽石。元素與簡單物質是兩種不同層次的概念,但由於化學課本中未特別分開指稱,所以在學習上會常有混用的情況,可用以下表格說明,化學教師在教學時,或許可以使用鈉物質、鈉原子、鈉離子與鈉元素來區分物質階層、與形式階層。

 

表一 區辨物質階層與形式階層能幫助分辨簡單物質、原子與元素的概念(引自Ghibaudi, Regis et al. ,2013)

物質階層(physical level)

 

巨觀次階層

Macroscopic Sublevel

微觀次階層

Microscopic Sublevel

形式階層(Formal Level)

簡單物質(單一元素)

原子、離子

元素

化合物(多種元素)

原子、離子

元素

 

n   結語

元素週期表是化學學習的重要核心概念,由於週期表具有結構性與預測性,所以在化學學習上很重要。如何讓學生記得元素週期表,是化學教師在教學上的一大挑戰。隨著科技融入教學與化學教育研究的發展,可以用來設計教學的媒材越來越多,希望化學教師可以多交流,將自己在化學教學上的發現,透過網路平台交流提供給大家使用。

 

n   參考文獻

Bayir, E. (2014). Developing and Playing Chemistry Games To Learn about Elements, Compounds, and the Periodic Table: Elemental Periodica, Compoundica, and Groupica. Journal of Chemical Education, 91(4), 531-535. doi: 10.1021/ed4002249

Bonifacio, V. D. B. (2012). QR-Coded Audio Periodic Table of the Elements: A Mobile-Learning Tool. Journal of Chemical Education, 89(4), 552-554. doi: 10.1021/ed200541e

Demircioglu, H., Demircioglu, G., & Calik, M. (2009). Investigating the effectiveness of storylines embedded within a context-based approach: the case for the Periodic Table. Chemistry Education Research and Practice, 10(3), 241-249. doi: Doi 10.1039/B914505m

Fantin, D., Sutton, M., Daumann, L. J., & Fischer, K. F. (2016). Evaluation of Existing and New Periodic Tables of the Elements for the Chemistry Education of Blind Students. Journal of Chemical Education, 93(6), 1039-1048. doi: 10.1021/acs.jchemed.5b00636

Franco-Mariscal, A. J. (2014). How Can We Teach the Chemical Elements to Make the Memorization Task More Enjoyable? Foundations of Science, 19(2), 185-188. doi: 10.1007/s10699-014-9355-1

Franco-Mariscal, A. J., Oliva-Martinez, J. M., Blanco-Lopez, A., & Espana-Ramos, E. (2016). A Game-Based Approach To Learning the Idea of Chemical Elements and Their Periodic Classification. Journal of Chemical Education, 93(7), 1173-1190. doi: 10.1021/acs.jchemed.5b00846

Franco-Mariscal, A. J., Oliva-Martinez, J. M., & Gil, M. L. A. (2015). Students’ Perceptions about the Use of Educational Games as a Tool for Teaching the Periodic Table of Elements at the High School Level. Journal of Chemical Education, 92(2), 278-285. doi: 10.1021/ed4003578

Ghibaudi, E., Regis, A., & Roletto, E. (2013). What Do Chemists Mean When They Talk about Elements? Journal of Chemical Education, 90(12), 1626-1631. doi: 10.1021/ed3004275

Hoffman, A., & Hennessy, M. (2018). The People Periodic Table: A Framework for Engaging Introductory Chemistry Students. Journal of Chemical Education, 95(2), 281-285. doi: 10.1021/acs.jchemed.7b00226

Imyanitov, N. S. (2016). Spiral as the fundamental graphic representation of the Periodic Law. Blocks of elements as the autonomic parts of the Periodic System. Foundations of Chemistry, 18(2), 153-173. doi: 10.1007/s10698-015-9246-8

Izci, K., Barrow, L. H., & Thornhill, E. (2013). Online Periodic Table: A Cautionary Note. Journal of Science Education and Technology, 22(4), 402-417. doi: 10.1007/s10956-012-9402-z

Joag, S. D. (2014). An Effective Method of Introducing the Periodic Table as a Crossword Puzzle at the High School Level. Journal of Chemical Education, 91(6), 864-867. doi: 10.1021/ed400091w

Kavak, N. (2012). ChemPoker. Journal of Chemical Education, 89(4), 522-523. doi: 10.1021/ed1007876

Kurushkin, M. (2017). Building the Periodic Table Based on the Atomic Structure. Journal of Chemical Education, 94(7), 976-979. doi: 10.1021/acs.jchemed.7b00242

Larson, K. G., Long, G. R., & Briggs, M. W. (2012). Periodic Properties and Inquiry: Student Mental Models Observed during a Periodic Table Puzzle Activity. Journal of Chemical Education, 89(12), 1491-1498. doi: 10.1021/ed200625e

Lee, C. H., Zhu, J. F., Lin, T. L., Ni, C. W., Hong, C. P., Huang, P. H., . . . Ho, M. L. (2016). Using a Table Tennis Game, “Elemental Knock-Out”, To Increase Students’ Familiarity with Chemical Elements, Symbols, and Atomic Numbers. Journal of Chemical Education, 93(10), 1744-1748. doi: 10.1021/acs.jchemed.6b00341

Lehman, J. R., Koran, J. J., & Koran, M. L. (1984). Interaction of Learner Characteristics with Learning from 3 Models of the Periodic Table. Journal of Research in Science Teaching, 21(9), 885-893. doi: DOI 10.1002/tea.3660210904

Lemes, M. R., & Dal Pino, A. (2011). Periodic Table of the Elements in the Perspective of Artificial Neural Networks. Journal of Chemical Education, 88(11), 1511-1514. doi: 10.1021/ed100779v

Marti-Centelles, V., & Rubio-Magnieto, J. (2014). ChemMend: A Card Game To Introduce and Explore the Periodic Table while Engaging Students’ Interest. Journal of Chemical Education, 91(6), 868-871. doi: 10.1021/ed300733w

Melaku, S., Schreck, J. O., Griffin, K., & Dabke, R. B. (2016). Interlocking Toy Building Blocks as Hands-On Learning Modules for Blind and Visually Impaired Chemistry Students. Journal of Chemical Education, 93(6), 1049-1055. doi: 10.1021/acs.jchemed.5b00252

Moore, J. W. (2009). Seeing Is Believing: Learning from Periodic Table Live! Videos. Journal of Chemical Education, 86(10), 1147-1148. doi: Doi 10.1021/Ed086p1147

Moreno, L. F., Hincapie, G., & Alzate, M. V. (2014). Cheminoes: A Didactic Game To Learn Chemical Relationships between Valence, Atomic Number, and Symbol. Journal of Chemical Education, 91(6), 872-875. doi: 10.1021/ed4008183

Selco, J., Bruno, M., & Chan, S. (2013). Discovering Periodicity: Hands-On, Minds-On Organization of the Periodic Table by Visualizing the Unseen. Journal of Chemical Education, 90(8), 995-1002. doi: 10.1021/ed300623b

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