臺灣化學教育

虛擬實驗討論教學策略在氣體定律探究與實作教學的應用

李啟讓1 *、洪振方2、李坤3、李柏林₄

1.      國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所博士

2.      國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所教授

3.      國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所博士班

4.      國立陽明大學生物醫學工程學系碩士班生醫材料組

*li483739@yahoo.com.tw 

      十二年國教普通高中自然科學新課綱10-12年級「科學探究」歷程分為，發現問題、規劃與研究、論證與建模，表達與分享。「實作學習內容」為實際操作的科學學習活動，例如：觀察、測量、蒐集資料與分析、歸納與解釋、論證與作結論等(教育部，2016)。虛擬實驗討論教學策略在氣體定律探究與實作之學習歷程為：透過真實化情境動畫的觀察、發現問題、辨別變因類型、提出假說和操作虛擬實驗、蒐集與分析數據，將數據繪製圖形、建構數據模型，從圖形的變化趨勢尋找規律性形成結論，以文字或符號表徵數學模型，應用模型解釋或推論問題(李啟讓，2019)。虛擬實驗討論教學策略在氣體定律探究與實作本質上是科學探究與數據建模的過程，與十二年國教普通高中自然科學新課綱10-12年級科學探究與實作的學習重點是一致的。

      虛擬實驗討論教學策略在氣體定律探究與實作的流程包括：1.現象觀察：線上觀看氣體定律虛擬實驗影片；2.提出問題：提出可以探究的研究問題；3.選擇變因：選擇研究問題的操縱變因、控制變因、應變變因；4.實驗預測：由操縱變因與應變變因的因果關係提出待驗證的假說；5.實驗數據選擇與表格設計：決定操縱變因實驗數據間距的大小、設計可記錄操縱變因與應變變因數據的適當表格；6.進行虛擬實驗：線上操作互動式虛擬實驗、詳實記錄實驗數據；7.繪製實驗結果的數據圖形：選擇適當的數據圖形、決定數據轉換成圖形X-Y軸的座標軸名稱、組織與建立數據模型；8.
比較實驗結果與實驗預測：驗證實驗結果與實驗預測的假說是否一致，假說是否獲得支持；9.形成結論：解釋數據圖形變化趨勢表徵數據圖形的意義，以符號建構數學模型；10.即時評量：表達與分享，應用數據模型或數學模型描述、解釋、預測或推論原來情境或新情境的問題。

      虛擬實驗討論教學策略在探究與實作的教學設計，參照吳英長(1988)的小組討論教學流程、歐陽鐘仁(1996)解決問題討論教學及Nelson(2013)的問題焦點討論設計而成。本虛擬實驗討論教學的教學策略分成教學前、教學中、教學後三個過程，分別說明如下：

(一)教學前過程：

 1. 分組：

(1)使用前一次化學期中考成績排序後以S型分組或社交計量分組，每組3~4人，全班分成10~11組，每組指定一位小組長負責評分及記錄同組組員發言次數。上課時小組成員提出問題或回答問題，其他小組長依據評分標準給予其他小組加1~3分，並記錄在小組互評表(如表1)。而發言小組則記錄發言組員提出問題或回答問題次數列入貢獻率。為了能夠讓不擅言詞或學業成績不佳學生有發言機會，除了自由提問(或回答)外，教師亦會適時以較能夠回答出來的問題抽問不擅言詞或學業成績不佳學生，來鼓勵他們參與討論。

(2)小組互評表評分給分標準：提問給分範圍1~3分，回答給分範圍1~3分(黃國禎，2016)。

①   給3分：能清楚描述問題並提供足夠理由說明問題重要性(提問)。使用合宜的資訊清楚回答同學的問題(回答)。

②   給2分：能描述問題但提供的理由不夠周全(提問)。試圖回答同學的問題(回答)。

③給1分：未能描述問題及其重要性主題不明確(提問)。僅以最基本的答案回答同學問題，或未能解答(回答)。

(3)貢獻率：同組有發言，小組長紀錄組員提問或回答累計次數列入個人平時成績加分參考。

表1小組互評表(班級:組別  組長姓名:        )

組別

座號

組員姓名

總分

第   一   組

 

第   十   一   組

 

2.角色分配：指定一人為小組長負責評分與紀錄，其他成員為組員。

3.安排座位：同組成員併桌坐在一起上課。

4.設計討論題目：從氣體定律虛擬實驗軟體中設計問題作為提問討論的題目。

(二)教學中過程：如圖1所示。

1.第一階段虛擬實驗討論教學流程：觀察→提問→建立模型（物理模型）→提出待檢測第一個假說，以教師占課堂10%時間提問，以占課堂40%時間進行小組討論教學。

(1)   觀察：學生從虛擬實驗影片的情境中，認識問題的本質，產生各式各樣的思考，從問題的結構找出主要變因。

(2)提問：學生根據找出主要變因決定提出待答的問題。

(3)建立模型：針對現象中操縱變因、控制變因、應變變因的因果或聯合關係發展出暫時性的模型(物理模型)。

(4)提出待檢驗假說：進行各種角度的系統化觀察與分析事物，活用先備知識與推理，提出研究  假設。從變因的因果關係提出待驗證的第一個假說，以「當…時，若…則….」的形式表示。

 

圖1虛擬實驗討論教學策略

2.第二階段虛擬實驗討論教學流程：設計驗證第一個假說實驗→蒐集與分析數據（由圖形建構第一個數據模型）→解釋數據模型→結論（支持第一個假說得到第一個數學模型）→應用與解釋。以教師占課堂10%時間提問，以占課堂40%時間進行小組討論教學。

(1)   設計驗證假說實驗：透過控制變因實驗，設計並操作虛擬實驗，選擇合適數據進行實驗操作。檢驗模型中各種可能的因果關係是否成立？

(2)   蒐集與分析數據：製作表格登錄實驗數據，以Ｘ－Ｙ座標軸（操縱變因與應變變因）將數據轉換成圖形，組織與建立數據模型。

(3)   釋數據模型：盡可能結合課程單元科學概念或數學概念中，各個有關因素之間存在的因果關係，從圖形所獲得規律性形成解釋。

(4)   結論：當實驗結果支持待答所對應的研究假設，據此形成結論。從實驗所發現的規律性用一個數學式子，可以進一步提出什麼待答的問題，建立第一個數學模型。虛擬實驗討論教學的探究與實作規劃—以波以耳定律為例，如表2。

(三)教學後過程：

應用與解釋：應用波以耳定律數據模型與數學模型，進行描述或解釋原來情境或新的情境問題。用焦點問題討論法以四個焦點層面問題(如表3小組學習單—-浮沉子)，分別為觀察性問題(如表3問題1)、反思性問題(如表3問題2)、解釋性問題(如表3問題3)及決定性問題(如表3問題4)，提供學生應用數據模型與數學模型完成個人學習單與小組學習單。個人學習單與小組學習單的差別在於表3問題4，個人學習單的問題4內容為：你認為，水中浮沉子上升或下降的現象為何可以用氣體定律解釋的理由是：。

表3小組學習單—-浮沉子

一、浮沉子 (     )1.上圖為浮沉子示意圖，用手對瓶子擠壓或放鬆，水中浮沉子產生上升或下降的現象。從實驗的現象，你可以探討甚麼問題？ (A)探討浮沉子內，氣體質量改變與壓力有何關係? (B)探討浮沉子內，氣體莫耳數與體積有何關係? (C)探討浮沉子內，氣體壓力與體積有何關係?(D)探討浮沉子內，氣體溫度與運動速率有何關係?(E)探討浮沉子內，氣體壓力與氣體莫耳數有何關係? (     )2.針對你的探討問題，請從下列A~Ｄ變因中，選出本實驗的操縱變因、控制變因與應變變因。(A)氣體溫度(B)氣體莫耳數(C)氣體壓力(D)氣體體積(1)操縱變因(2)控制變因(3)應變變因(填入A、B、C、D代號) (     )3.本實驗的現象，可用哪一項氣體定律解釋。 (A)亞佛加厥定律(B)查理定律(C)波以耳定律(D)給呂薩克定律(E)波查定律 4.小組討論後小組共同決議認為，水中浮沉子上升或下降的現象為何可以用氣體定律解釋的理由是：

 

    虛擬實驗討論教學在探究與實作教學的應用，從真實化情境問題出發，問題本身可以從不同角度切入，在培養學生的觀察力、引發學生科學思考與增進邏輯思辨能力，擴展學生思考廣度和推論能力。隨著數位網路的進步，教師的教學策略與學生的學習方法都需要有所調整，方能提升學生的專注力。de Jong、Linn與Zacharia(2013)認為虛擬實驗可將無法觀察到的變化過程與可以觀察到的現象，與符號或公式相互連結，幫助學生學習抽象概念的表徵。採用虛擬實驗討論教學策略作為探究與實作教學方式，課程設計原則建議如下，1.虛擬實驗的提問題目，答案要由學生說出來。2.操作虛擬實驗、蒐集與分析數據，將數據繪製圖形，要由學生做出來。3.學習單最好先完成個人的學習單後，經小組討論再完成小組的學習單。學生自己操作實驗所做出結果的歷程，都會透過數位工具都已記錄下來，教師可以即時掌握同學的學習狀況，瞭解學生哪些觀念較為不清楚，適時給予補充或釐清觀念，增進學習成效；並且學生可以自我監控學習歷程，提升學生的自主學習能力。

參考文獻

1.      李啟讓(2019)。運用虛擬實驗翻轉教學與虛擬實驗討論教學促進高中生對氣體定律的數據建模能力之研究。國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所博士論文，高雄市。

2.吳英長(1988)。國小學生小組討論運作方法之初探—以萬芳國小為例。台北：928文化。

3.教育部(2016)。十二年國民基本教育課程綱要—國民中小學暨普通高級中等學校自然科學領域草案10-12年級。台北：國家教育研究院，頁27-38。

4.黃國禎(2016)。翻轉教室理論、策略與實務。台北：高等教育文化。

5.歐陽鐘仁(1986)。科學問題的探究方法。台北：幼獅文化。

6.De Jong, T., Linn, M. C., &Zacharia,Z. C. (2013). Physical and Virtual Laboratories in Scienceand Engineering. Science, 340(6130),305-308.

7.Nelson, Jo.(2013).The Art of Focused Conversation for Schools.The Canadian Institute of Cultural Affairs, Toronto, Ontario, Canada.