臺灣化學教育

兩岸化學教育高峰論壇:化學模擬實驗軟體在國中八年級理化的探究與實作應用

陳子聖*¹、周金城²

¹臺北市立敦化國民中學

²國立臺北教育大學自然科學教育學系

*[email protected]

 

• 前言

科學教學的核心之一是幫助幫助學生培養解決問題的能力，無論在「九年一貫課程綱要能力指標」，或是即將實施的「十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要」中，都提及探究教學中，教師需幫助學生學習如何具備問題解決的能力。若身為教師能落實平日教學課程中安排學生進入實驗室動手操作，學生才比較有可能藉由實驗操作的過程，培養問題解決的能力。但是由於部分實驗仍具有危險性，過去並不容易讓學生可以自行設計實驗，並自主測試實驗結果。利用商業化的Yenka Science軟體，教師可以設計物理、化學、數學與工程等主題的科學實驗，讓學生在電腦上親自進行科學模擬實驗操作，並且可以讓學生熟悉實驗步驟並收集數據，進而預測實驗可能的結果。

此次教學研究將以4個八年級上學期理化實驗內容，設計Yenka化學模擬實驗，並進一步比較使用Yenka融入實驗教學與一般教學的八年級學生在學習成效上是否有顯著差異。過程中學生約三人一組藉由觸控平板電腦來操作模擬實驗，熟悉實驗步驟並練習預測結果。透過Yenka融入的實驗組與一般教學的對照組進行比較，發現不論國小或是國中Yenka融入的實驗組教學成效都優於一般教學對照組，且成績進步達顯著差異。

• 研究背景與目的

2019年即將啟動的12年國民基本教育課程綱要(簡稱課綱)中的自然科學課程中，規劃每學期至少包含一個跨科單元，實施跨科主題整合的探究與實作學習，其主要目的並不是取代學科的實驗課程，而是讓學生可以動手將想法實際執行出來，以提升學習成效。因此，在本教學研究中，希望藉由Yenka實驗模擬軟體操作，透過學習單內容設計加入引導式探究的內容，以2~3人為一組進行小組討論，幫助學生在實驗過程中培養探究學習能力，並能解決所教師所設計的實驗問題，例如：在原有課本實驗內容中加入不同物質的溶解度觀察，以瞭解溫度上升是否均能增加溶解度等，延伸實驗的廣度與深度，以提升學生的科學學習成效。故本次教學研究目的有二：

1.      利用Yenka科學實驗軟體融入科學教學活動，幫助學生科學成效是否能有所提升。

2.      利用Yenka科學實驗模擬軟體融入實驗課程時，學生所遇到的問題與解決方式。

•  研究設計

為了確認實驗模擬軟體在國中教學效果，我們選擇台北市某國中八年級學生，將自然與生活科技的四個主題的融入Yenka活動，分別是1.密度的測定、2.混合物的分離、3.溫度對固體溶解度的影響、4.氧氣的製備及性質。研究期程共計共 6 週，每周 4 節課，合計 24 節課，教學對象的２班學生均為常態編班，其實驗組 26 人，控制組 27 人，合計 53 人，實驗模擬軟體均採用Yenka
Chemistry，而實驗影片內容採用康軒版電子書所附內容，每次課程進行前，先進行前測，兩組進行相同時間的教學，再進行後測。茲將教學流程說明如表一所示。

表一：每次實驗課程之教學流程

實驗組   (26人)	前測	概念教學	Yenka模擬軟體操作+ 小組討論	進實驗室   動手實作	後測
對照組   (27人)			觀看實驗影片+   師生問答

每次實驗均將以上述流程重複實施乙次，其前後測內容選擇與本次實驗相關的試題進行編修，每回施測內容會包含實驗記錄結果的預測及延伸試題，實驗設計內容主要為八年級上學期康軒版自然與生活科技第三冊課本所附實驗教材，部份實驗亦加入延伸課題，讓不同程度學生均能有學習躍遷機會，合計４個實驗標題如下所示：

1. 實驗 1-2 密度的測定

2. 實驗 2-1 混合物的分離

3. 實驗 2-2 溫度對固體溶解度的影響

4. 實驗 2-3 氧氣的製備及性質

教師進行實驗設計過程中，若部分實驗器材無法在Yenka實驗模擬軟體找到相同的物件，會改用其他替代器材配合相同的實驗方法，儘量讓實驗組學生在使用模擬軟體的過程中同步完成課本實驗步驟與練習器材使用技巧，除了可讓學生熟悉實驗流程外，有利於在真實的實驗室中的操作過程更加安全流暢。

• 教材內容

以下僅列出本次教學研究部份實驗模擬軟體的畫面與搭配實驗所設計的學習單截圖，並非全部教學內容，謹供讀者參考，若有意瞭解全部過程及內容，歡迎私訊討論。

圖1-1　實驗1-2密度的測定	圖1-2 實驗1-2學習單
圖2-1　實驗2-1混合物的分離	圖2-2　實驗2-1學習單
圖3-1　實驗2-2 硝酸鉀溶解度	圖3-2　實驗2-2學習單
圖4-1　實驗2-3 氧氣的製備	圖4-2　實驗2-3學習單

學習單設計過程中，教師可以將不同操作變因依據學生學習能力，調整增加可探究的項目，故可藉此進行差異化教學，讓不同學習能力的學生，可在課本既有的實驗教材中，追加挑戰延伸的實驗課題，充分發揮模擬軟體的可再現性與安全性之優勢。

• Yenka融入八年級自然與生活科技教學能提升學生學習成效我們將實驗組與對照組的前後測成績以統計軟體SPSS進行比較，結果如表二所示。

表二：八年級學生融入Yenka活動前後測成績共變數分析結果

組別	人數	前測	後測	前測成績調整	後測成績調整	前測共變數分析
八年級實驗組 yenka融入教學	26	54.8	72.3	63.2	79.1	F=8.709*   p=.005<.05
八年級對照組 一般教學法	27	71.2	79.7	63.2	73.1

使用SPSS 20分析後，確認前測成績具有同質性 (F=1.129, p=.293>.05)，可進行共變數分析。兩組後測成績差異達顯著 ((F=8.709,p=.005<.05) ，顯示實驗組成績優於對照組。

本次教學研究上，參與Yenka融入實驗教學中，有八成以上學生藉由學習單的結構式引導，均可形成模型並解決問題。且透過Yenka融入的實驗組與一般教學的對照組進行比較，發現Yenka融入的實驗組教學成效都優於一般教學對照組，且成績差異達顯著差異。

• 學生回饋內容

全部教學結束後一周內，對實驗組26位學生實施問卷調查，採五等第量表，其問卷內容設計如下：

1.  Yenka科學實驗模擬軟體操作很方便。

2.  我喜歡老師利用Yenka科學實驗模擬軟體所設計的科學實驗。

3.  透過Yenka科學實驗模擬軟體做實驗，可以產生出如同動手做科學實驗的結果。

4.  用Yenka科學實驗模擬軟體做實驗，可以提升我科學學習的興趣

5.  透過Yenka科學實驗模擬軟體做實驗，可以測試我的科學實驗假設。

6.  利用Yenka科學實驗模擬軟體做實驗，可以收集實驗數據。

7.  利用Yenka科學實驗模擬軟體，可以幫助我建立科學模型觀念。

8.  透過Yenka科學實驗模擬軟體，也會像真的動手做實驗一樣，會產生實驗誤差。

9.  我會想要利用Yenka科學實驗模擬軟體，來設計科學實驗。

10.   我喜歡以小組的方式來使用Yenka科學實驗模擬軟體。

11.   我喜歡以單獨個人的方式來使用Yenka科學實驗模擬軟體。

12.   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。

統計作答結果如圖 5 所示，可得知有近8成的學生對於使用模擬軟體融入實驗課程學習，均感到滿意認同。

圖5 實驗組學生使用模擬軟體進行實驗學習之滿意度調查結果

在回饋問卷中，亦進一步瞭解實驗組學生在課堂中利用Yenkadk 科學實驗模擬軟體協助學習的看法，知道學生同意藉此學習方式能預測實驗結果並熟練實驗步驟，可增加學習成就感與提高真實實驗結果的準確性，茲將部份學生回饋單內容呈現，如圖6-1~6-2所示：

圖6-1 實驗組學生在實驗課程中使用模擬軟體學習的看法1

圖6-2 實驗組學生在實驗課程中使用模擬軟體學習的看法2 

 

• 模擬實驗與一般實驗教學的差異比較整理本次教學研究的學生看法與教學實施過程省思後，可得知模擬實驗軟體融入學習中的優、缺點，分別如表三、表四所示：

表三：模擬實驗軟體融入實驗學習中的優點

學生觀點	教師觀點
易於反覆操作	時間運用彈性
縮短實驗時間	減少干擾因素
結果具再現性	可精熟實驗操作步驟
所需成本較低	容易瞭解變數間關係
數據即時回饋	建立解決思維習慣
精熟實驗操作步驟	驗證概念及知識點
協助預測真實結果	現象直觀化
提高實驗學習興趣	可觀察微觀粒子變化
無需處理廢液，環保	適合實施差異化教學

表四：模擬實驗軟體融入實驗學習中的缺點

學生觀點	教師觀點
難以完全表達真實情境	操作自由度高，若無適當引導可能建立錯誤印象
效果不一定明顯	需引導觀察重點
結論不一定可靠	材料開放性不足，無法自行擴增或增購
圖示字體偏小	實驗設計難度高
操作熟練需再練習	預設模組太少
程式會偶爾卡頓不順	資料庫數據出處不明
按鍵過小，容易誤按	尚無中文化
	無法完全替代真實實驗

 

• 教師的教學省思

經由此次教學研究後，細讀學生填寫的回饋單內容與回想教學歷程時，可以觀察到多數學生都喜歡動手做的課程，對於能進入實驗室也都能抱持較高的學習熱忱，只是在以往的教學方法中，通常難以在一堂課中讓學生很快的熟悉該次實驗的流程與操作技巧，經由Yenka實驗模擬軟體融入教學中，讓學生在進入實驗室前有動手做的機會，便能更加熟悉操作中技巧，瞭解可能遇到的困難；而實際上，實驗組學生相較於對照組學生，因為有多一次操作實驗的機會，打破器皿機會變低，所需實驗時間也縮短，對於實驗結果有事先以軟體預測數值，故實驗紀錄的數據也較能符合預期目標。

給有志採用此一方法提升實驗成效的教師夥伴們幾點建議：

1.   學習單設計儘量以表徵可見為主，避免概念性問題。

2.   應善用微觀粒子模型表徵工具，引導建立微觀思維。

3.   前後測試卷設計，不宜直接使用題庫資料，須根據模擬實驗步驟採用更適性化提問。

4.   對照組學生於後測實施後，仍可藉此模擬實驗軟體補充說明加強學習印象。

•  結語

身為教育未來世界公民的教師，已無法只使用板書或精彩的講義教材進行教學活動，若能善加運用影音媒體或電腦科技，讓複雜的現象或實驗結果透過模擬軟體、影片示範，再加上親自動手作的過程，所獲得的資訊量絕非單純講述或書面資料所能呈現，實驗模擬軟體絕對無法取代真實的實驗操作課程，僅能輔助學習者能在接觸具危險性藥品之前，提供安全、有效率且變動性上的便利優勢，教師們要以身作則，喜歡做實驗、設計實驗、探究未知事物，才能激勵學生們在未來不可知的環境中保持挑戰的熱情。

• 參考資料

1.   周金城(2018)。軟體與平台在中小學化學教學上的應用。台灣化學教育，24期。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=27197

2.   康軒書局(2019)。國民中學自然與生活科技第三冊（第六版）。臺北市：康軒。

3.   Chou, C. C. (2017). The Course of Modeling based Inquiry Chemistry and Physics Simulation Experiments for Preservice Elementary School Teachers. The 7th International Conference for Network for Inter-Asian Chemistry Educators, Seoul, Korea. 2017/7/26-28. (oral presentation)

4.   Chou, C. C. * & Lin Y. L. (2018). Modeling based Inquiry Chemistry Simulation Experiments for Elementary School Students. 25th International Conference on Chemical Education, Sydney, Australia, 2018/7/10-14. (oral presentation)