臺灣化學教育

兩岸化學教育高峰論壇: 公開觀課：同題異構—週期表

鍾曉蘭

新北市新北高中

新北市化學科課程發中心執行秘書

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一、     前言

2018年12月4日新北市化學科課程發中心受國立臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹教授邀請，協助辦理「亞太化學教育研討會」同題異構之公開觀課研習，研習由新北高中倪靜貴校長主持開幕，敬邀新北市教育局何茂田致詞，總參與教師與貴賓近80位。參與同題異構的主要教授有國立臺灣師範大學邱美虹教授、北京師範大學王磊教授、華東師範大學王祖浩教授、東北師範大學鄭長龍教授、美國紐約州立大學柳秀峰教授、國立臺灣師範大學化學系張一知教授、國立臺北教育大學周金城教授及林靜雯教授，教師有北京海淀教師進修學校支瑤副校長、東北師大附中孫磊老師、台北市立中山女中曹雅萍老師及新北市立新北高中鍾曉蘭老師。

二、     公開觀課之同題異構

    隨著十二年國教新課綱的發展，近年來，教師社群發展與共同備課(以下簡稱共備)也日益重要，教與學的歷程中有許多需要教師關注的議題，如哪些概念屬於核心概念？學生在不同的核心概念中持有何種類型的迷思概念？不同類型的核心概念適用的教學策略/教學活動/教學評量為何？這些問題都亟待教師們共同研究與解決。

    公開觀課是近年來教師社群共備方式之一，過程包括三部分：說課、觀課與議課。本次公開觀課的概念為週期表與化學反應速率，特別請兩岸具多年教學經驗的四位化學教師，各自以五分鐘說課：如何根據不同的教學鷹架或活動引導學生探究與建構相關概念，接著觀課：進行25分鐘的同題異構教學，在觀課後商請兩岸知名的化學教育專家進行議課(專家點評)。詳細說明如下表1：

表1  同題異構之觀課主題、分享教師及點評專家

三、     週期表的規律性—游離能公開觀課

(一)        教學設計理念

本次公開觀課引導學生以建模歷程為學習鷹架，經由數據分析的過程以建立週期表中元素游離能的規律性，讓學生在探究活動中，學習分析、歸納數據的邏輯、關聯或規律，以建立質性或量化關係的模型(如概念圖、關係圖或數學關係式)，用以描述觀察的現象，並依建立的模型用以解決問題或預測新的發展。

科學家在建立科學模型時，有一定的思考過程，稱之為建模歷程(Modeling process)(引邱美虹，2016，參見圖1)。概分為四個階段：(1)模型發展階段；(2)模型精緻階段；(3)模型遷移階段；(4)模型重建階段。

(1)   模型發展階段：科學家經歷多次相類似的生活現象後，便開始從先前概念中選擇適當的物件(成份)、或基本模型；再建立所選物件(成份)、或基本模型的關係或結構

(2)   模型精緻階段：利用已建立的模型之關係與結構進行效化，以判斷、檢驗、或比較模型內部的一致性；利用已效化的模型分析問題，並解釋其適當性(數據演算或推理)

(3)   模型遷移階段：能利用已效化的模型應用於相似情境的問題(近遷移)或運用於新情境的問題(遠遷移)

(4)   模型重建階段：當察覺已效化的模型失效，須增加或減少物件(成份)與關係，以修正為新的模型(弱重建)；最後，察覺已效化的模型整體失效，以重新建立為新的模型(強重建)

 

圖1  建模取向的教學

 

(二)        公開觀課活動照片

研習當天活動照片見圖2.1-2.8。

圖2.1近80位化學教師參與公開觀課	圖2.2 新北市教育局何茂田致詞
圖2.3  支瑤副校長公開觀課	圖2.4  公開觀課：學生發表想法
圖2.5  鍾曉蘭老師說明教學設計理念	圖2.6  公開觀課：師生互動
圖2.7  倪靜貴校長主持專家點評	圖2.8  王磊教授專家點評

(三)        游離能學習單

週期表的規律性－游離能

一、     建立基本概念(發展基本的概念模型，此部分可請學生以小組查詢相關資料後，再行回答問題)

1.      游離能的定義：為移出氣態原子最高能階軌域之一個電子所需的能量(ionization energy ，常簡稱為IE)，而從原子中移出電子其過程必須______能量，為_____熱反應，因此反應熱ΔH ___0。

2.      從氣態的原子移出束縛最鬆的第一個電子所需的能量稱為第一游離能 (first ionization energy，以  IE₁表示，若無特別聲明，一般所說的游離能均指第一游離能而言)依次移去第二個、第三個、…、第n 個電子所吸收的能量稱為第二游離能(IE₂)、第三游離能  (IE₃)、……、第n 游離能。

Q1：請同學預測，影響游離能最重要的因素為何？

A：

 

二、分析數據與效化概念模型(模型精緻)

【表1-1】週期表前20號元素的連續游離能（kJ/mol）

	第一	第二	第三	第四	第五	第六	第七	第八
H	1,312
He	2,372	5,250
Li	520	7,298	11,815
Be	899	1,757	14,848	21,006
B	800	2,427	3,660	25,025	32,826
C	1,086	2,353	4,620	6,223	37,830	47,276
N	1,402	2,856	4,578	7,475	9,445	53,265	64,358
O	1,314	3,338	5,300	7,469	10,989	13,326	71,333	84,076
F	1,681	3,374	6,050	8,408	11,022	15,164	17,867	92,036
Ne	2,081	3,952	6,122	9,370	12,177	15,238	19,179	23,269
Na	496	4,562	6,912	9,543	13,353	16,610	20,114	23,489
Mg	738	1,451	7,733	10,540	13,030	17,995	21,703	25,655
Al	578	1,817	2,745	11,577	14,831	18,378	23,294	27,459
Si	786	1,577	3,232	4,355	16,091	19,784	23,786	29,251
P	1,012	1,903	2,912	4,956	6,274	21,268	25,397	29,854
S	1,000	2,251	3,361	4,564	7,013	8,950	27,106	31,669
Cl	1,251	2,297	3,822	5,158	6,542	9,362	11,018	33,604
Ar	1,521	2,666	3,931	5,771	7,238	8,781	11,995	13,841
K	419	3,051	4,411	5,877	7,975	9,049	11,343	14,942
Ca	591	1,145	4,912	6,474	8,144	10,496	12,321	14,206

資料來源：C.E Moore,“Ionization Potentials Ionization Limits from Atomic Spectra,”NSRDS-NBS34,1970

Q2：請同學根據上表，比較同一元素連續游離能大小之關係為何？提出可能的解釋？

 

Q3：根據上表，比較同一族的元素第一游離能大小之關係為何？提出可能的解釋？

 

Q4：根據上表，畫出第二週期的元素第一游離能與原子序的關係圖。

 

Q5：根據上圖，同一週期的元素第一游離能大小之關係為何？提出可能的解釋？

 

Q6：推測出週期表中第一游離能最大的元素為_____，最小的元素為_______。

 

Q7：第二週期中，第一游離能最大的元素為_____，最小的元素為_______；第二游離能最大的元素為_____，最小的元素為_______。

 

推論出：同一週期主族元素之第n 游離能以第______族最小，第______族元素最大。

Q8：鹼金屬族在第幾游離能大幅度增加？原因為何？

 

 

推論出：

*補充資料：過渡金屬元素同一週期從左至右，由於有效核電荷增加不多，原子半徑減小緩慢，故游離能大小相差不大。

＃結論:

影響游離能大小的因素：

 

四、    結語

這次「亞太化學教育研討會」同題異構之公開觀課為兩岸高中化學教育開啟分享與交流的極佳管道，不僅是學界與高中教學現場的融合，也是兩岸教學方式的分享與交流，讓我們看到不同的教學策略與思維，值得國內多舉辦與老師們多參與這類型的公開觀課，將有助於現場老師們教學精進與教師增能。

 

五、    參考資料

邱美虹(2016)。科學模型與建模：科學模型、科學建模與建模能力。臺灣化學教育電子期刊2016年1月專刊。