哈爾濱兩岸同題異構交流—氯及其反應性的建模教學 / 鐘建坪

星期四 , 2, 1 月 2020 Leave a comment

哈爾濱兩岸同題異構交流氯及其反應性的建模教學

鐘建坪

新北市立錦和高中國中部

hexaphyrins@yahoo.com.tw

 

  • 前言

去年(20198月底,邱美虹教授邀請本文作者參加12月底在哈爾濱市舉辦的兩岸同題異構教學交流,嘗試與大陸教師針對相同概念主題各自設計課程內容,再進行30分鐘實際教學,作為實質交流的基礎。本次教學主題主要植基於人民教育出版社出版的高中化學教材內容,章節分別是高一的「氯」以及高二的「酚與醇」,其中氯單元由本文作者負責授課,而醇與酚是由彰化高中劉曉倩老師進行教授

  • 過程記錄

    由於臺灣來回直飛哈爾濱的班機只有星期五至星期一,因此星期二出發的我們從桃園機場至福建福州機場再轉機至哈爾濱機場,抵達哈爾濱機場時間已是晚上8點鐘。雖然行前在許多旅遊網誌讀取冬遊哈爾濱時需要留意的保暖事項,但是一下飛機迎面而來的刺骨冷風,依然令人印象深刻。許多人在哈爾濱機場內立即更換保暖的服裝裝備。

    隔天上午完成會議報到手續之後,即由哈爾濱師範大學兩位研究生引領我們前往交流學校哈爾濱市第三中學(簡稱哈三中)進行器材準備與教學場地會勘(圖1)。中午在哈三中梁主任引領下一同至學生食堂用餐,得以有機會觀賞白雪中美麗的校園景觀(圖2),用膳完畢下午持續準備教學使用的器材。然而為確保授課當日所有器材與藥品萬全合宜,第三天依然前往哈三中持續為教學交流準備,在此,謝謝兩位研究生的陪伴,與哈三中的行政支援,教學交流才得以順利進行(圖3)。


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1準備器具與配置藥品


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2 哈三中校園景色

 

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3a 化學實驗室設備

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3b 化學實驗室設備

 

  •  同題異構

     教學交流主要由大陸與臺灣教學團隊分別推出2位教師,同時針對同一主題進行授課,授課完畢之後,緊接著由專家進行點評。如前所述,本文作者針對氯以及反應性進行設計。

一、課程設計理念

    本文作者努力發展以學生為中心,結合思考智能,形成探究式的建模教學策略。不僅讓學生能夠動手操作,並且藉由觀察、提問、反思過程中進行推理,逐步發展、修正與轉換學生的心智模型。

    本次教學活動設計植基於邱美虹教授發展的科學建模歷程,包括:模型發展、模型精緻、模型遷移以及模型重建的歷程(見圖4)(邱美虹,2016Jong,2019)。其中模型發展意旨協助學生建構出模型內部物件與物件之間的關聯性,例如:氯氣可由次氯酸鈉與鹽酸溶液製備或是將次氯酸鈉加熱分解等;模型精緻則指確認在發展階段所建立模型的有效性與合理性,例如:雖然可能製備的氣體為氯氣,仍需藉由外部或是內部性質進行檢驗,以確認製備的氣體為氯氣。模型遷移則指可將檢驗完成的模型應用於其他其境中,例如:能夠回答教科書氯氣的製備與檢驗過程的例題。模型重建階段則指當學生在過程中有些迷思概念需要修正時,原先建構的心智模型需要修正或進行轉變時稱之。

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4科學建模歷程(修改自邱美虹,2016

 

 

二、大陸與臺灣教科書單元學習內容比較

    參考的人教版教科書是根據大陸新課綱所完成的教科書,將氯的相關內容設置在高一必修化學,章節名稱為非金屬及其化合物,學習內容為海水中的氯、介紹氯氣、氯氣與其他物質的反應、氯水的漂白性質、漂白劑的改進以及如何檢驗氯離子等。概念間的銜接著重進行實驗獲得證據,以驗證相關的性質。由於臺灣108課綱的高三教科書尚未出版,目前以99課綱南一版本說明。臺灣教科書氯氣的部分主要放置在高三選修化學,強調學生學習完原子結構、週期性質等微觀理論內容之後,才開始介紹氯氣及其化合物。

三、教學流程與學習單

    雖然本文作者負責教授氯及其反應性,但是仍希望學生能夠從學習中一併獲得學科的核心概念,因此,期待藉由此單元的建模教學,讓學生能夠嘗試理解化學研究其中一項的主要任務工作,包含:製備新的物質、確認是否為新的物質、新物質的反應性以及新物質與其他物質的差異比較(圖5)。

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5上階的目標模型

    實際教學一開始即說明圖5的內容,作為企欲學生在當節課完成的心智模型,並在之後的教學,適切地題點科學建模歷程與當下教學操作的關聯性(教學流程詳見附錄學習單)。接著以生活情境詢問是否有實際刷洗廁所經驗,結果多數參與的大陸學生基本上都沒有實際刷洗過廁所經驗,緊接著提問若將鹽酸類與漂白類的廁所清潔劑混合時會發生什麼事情?此時參考方金祥教授設計的微型實驗收集鹽酸類與漂白類的廁所清潔劑混合時產生的氣體(圖6),讓學生觀察產生氣體的顏色等物理性質(圖7)。再判斷此氣體是否可以溶於水,並讓學生嘗試將收集到的氣體打入蒸餾水中觀察氣體是否可溶?學生實際操作並可觀察到蒸餾水從透明無色轉變成淡淡黃色,且能聞到刺鼻的氣味(圖8)。此時學生會猜測此氣體即為氯氣,但是該如何藉由化學性質確認則需教師鷹架的協助。教學時本文作者提供硝酸銀溶液與其可能離子形成的沉澱顏色,並且告知學生若是氯氣,則其水溶液具有漂白的功能。讓學生在有限的器材內(圖9),能夠經由實際操作探索得知此氣體溶於水後為酸性、能使石蕊試紙褪色(圖10),並能與硝酸銀溶液產生白色沉澱(圖11)。整合此氣體的物理與化學性質綜合判斷出此氣體為氯氣。

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6利用針筒與三通閥製備氯氣

(修改自方金祥,2014

7哈三中學生實際操作實驗

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8左瓶為蒸餾水,右瓶為氯氣通入蒸餾水

9提供有限的器材與線索,讓學生進行探究

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10氯水呈現酸性,具有漂白特性,能使石蕊退色

11氯水能與硝酸銀溶液產生白色混濁

        當學生知悉此氣體為氯氣時,顯示已經建構出氯氣的製備路徑以及氯氣的檢驗性質。接著介紹氯氣的反應性,例如:是否能和金屬與非金屬產生反應?實際上氯氣的活性大反應強烈,因此安全考量下藉由影片方式呈現氯氣與金屬鈉與氫氣的反應。觀看鈉金屬、氫氣與氯氣反應的影片時則以預測(prediction)、觀察(observation)、解釋(explanation)進行,讓學生先預測可能發生什麼事?接著才開始觀看影片,接著詢問可能的產物以及該如何確認反應之後的產物。哈三中學生觀看氫氣與氯氣反應之前,認為其反應之後的產物為氯化氫氣體,並且若能將其氣體收集並用石蕊檢測可得知為酸性(圖1213)。

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12氯氣與金屬鈉高溫反應

來源https://www.youtube.com/watch?v=d2geiGKFveE&t=1s

13氯氣與燃燒氫氣反應

來源https://www.youtube.com/watch?v=jOAAIgQkrLE

    由於氯氣屬於鹵素,並且經常與溴、碘作比較,因此設計類似評量的活動,讓學生思索氯、溴、碘元素之間的氧化能力大小。評量活動擷取自Youtube實驗影片,並且逐步提供說明實驗步驟,讓學生能夠理解實驗的過程。流程為在九支的試管中分別放置氯離子(Cl)、溴離子(Br)與碘離子(I),接著在氯離子、溴離子與碘離子中加入氯水(Cl2(aq))、溴水(Br2(aq))與碘液(I2(aq)),再加入環己烷萃取後靜置(圖14)。接著藉由九宮格讓學生寫下試管中有機層的顏色,並思索氯、溴、碘分子在有機層的顏色(圖15至圖16),,再藉由有機層不同顏色的轉變確認氯、溴、碘分子與氯離子、溴離子及碘離子是否發生取代反應,確認出氯、溴、碘分子元素之間的氧化能力大小(圖17)。過程中主要提供不同的鷹架內容,讓學生能在線索中思索出正確解答。

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14氯、溴、碘元素之間的氧化能力

來源 https://www.youtube.com/watch?v=rBhMWpyO7Ts

15提供鷹架讓學生思索顏色關係與反應變化

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16不同小組同學上臺寫下觀察顏色

17哈三中學生根據鷹架推理出氯、溴、碘元素間氧化能力關係

四、議課內容

    負責點評氯氣單元的學者專家是由北京師範大學王磊教授擔任,首先讚揚此次課程內容延續先前建模教學的思考脈絡,能夠協助學生進行主動建構,透過模型發展、模型精緻、模型遷移與模型重建歷程,協助學生進行科學學習。然而可再思索優化之處在於雖然教學著重探究式建模,想讓學生學習上階的目標模型,然而若能夠根據不同的單元主題規劃二維架構,一維是學習方法學,另一維是學科知識或核心概念,如此當遷移不同情境時,可以先由知識的學習獲得方法學的思考架構,再經過方法學的熟悉之後,遷移學習其他的知識內容。

  • 結語與省思

    從去年(2019年)8月底接受此項邀請時,本文作者即不斷多方嘗試,企欲展現完善的教學效果。過程中與劉曉倩老師相互切磋,再加上邱美虹教授與鍾曉蘭老師多次提點得以更加精進。本次藉由實際參與教學交流活動更能理解不同文化差異。相關省思如下:

一、考量不同文化差異,結合教育學理與實務教學經驗

     藉由幾次參訪機會能夠稍加認識大陸目前教學狀態與城市文化體驗。得以思考教學學理與實務經驗整合與應用的可能,也更加體會單純只是著重知識的教學策略,並無法讓學生深入學習,獲得課堂目光。因此,如何在不同的文化與教學風格中逐漸找出適切的教學策略,並且逐步加以改善進而推廣,是未來需要著重的地方。

二、注重不同能力學生,發展差異化教與學策略

    相較於大陸人口眾多,臺灣面臨少子化的壓力,不能夠放棄任何一位學生,課堂教學需考量不同學生的個別差異,讓每位學生在同一段時間之內皆能獲得最大的學習成效。期待讓不同學習風格與學習能力的學生,在課堂中皆能藉由教師提供的鷹架學到相關知識與能力。因此,在有限的課堂時間內如何呈現差異化的教學是值得關注的目標。

三、培養學生自主學習與批判思維等能力

    大陸教學強調邏輯推理論證,而我們希望學生能夠學會如何學習,培養學生終身學習的能力。因此未來教學過程中不僅思索學習如何學習的能力,亦須發展以證據為本的相關批判思維的能力,藉由證據,在學理的支持下進行推理,才能獲得有效力的論證內容。

四、課程改革的國際趨勢,發展學生為中心教學模式

     與世界其他國家相似,大陸與臺灣亦投入課程改革。此次修訂的人教版化學教科書的內容即期待藉由邏輯推理與動手操作進行化學學理探究,與目前臺灣課程培養學生知識、能力與態度整合運用的科學素養,並強調學生動手操作與相關探究能力的養成,以解決未來生活面臨的問題是相符合的。面對教育改革浪潮,不同文化有其脈絡以及企待解決的問題,我們應該思考並擷取全球不同教育體制的優點,並考量在地文化特色條件,發展以學生為中心、適合自己文化脈絡而轉化的全球在地化(Glocalization)教學模式。

    最後,本文作者回程前的空檔嘗試將一罐600毫升約20°C瓶裝水放置在零下20°C的室外中,觀察多久能夠結冰?在還沒嘗試之前預計約1015分鐘即可結冰,然而實際測試後發現在戶外放置將近40分鐘仍未開始結冰。推測應是水的比熱大,而空氣比熱小,但人體因感受到低溫而高估水降溫的速率。由此可知實際進行實驗與理論推估或是心理預測的結果有其落差,而實際動手操作才能夠體會並協助學生深入理解其中的差異。大陸高中化學課綱設計為期三年的學習內容,但是由於升學的關係,實務上幾乎會壓縮在兩年之內上完,如此必定影響到實驗課程的進行,減少學生實際動手操作與反思實驗值與理論差異的機會。反思臺灣教學似乎亦有相似之處,教師會因課程進度壓力,而較少帶領學生動手操作與反思實驗內容的機會,實殊為可惜,未來極需思考如何整合實驗內容與理論課程,減少教師課堂單純講授的時間,增加探究與實作手、腦並用的課程。

  •  致謝

    感謝臺灣師範大學科教所邱美虹教授的邀請、鍾曉蘭老師與邱美虹教授的提點、同行劉曉倩老師的相互切磋與砥礪與參訪期間任職學校協助相關課務的老師們,在此一併致上最高敬意。

 

  •  參考文獻

方金祥(2014)。微型氯氣製備裝置及在化學教學上之應用。臺灣化學教育,4網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=6834

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,11。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=13898

HRC(2014)Displacement reactions of the halogens. Retrieved fromhttps://www.youtube.com/watch?v=d2geiGKFveE&t=1s

Jong, J. P. (2019, July). Exploring modeling process of chemical equilibrium in junior high school science textbooks in Taiwan. Paper presented at the 8th International Conference of Network for Inter-Asian Chemistry Educators (NICE),July 30 – Aug 1, Taipei, Taiwan.

Vietnamchemistry (2007). Phản ứng giữa H2 và Cl2.Retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=jOAAIgQkrLE 

Webcast-legacy Departmental (2012). NaCl Formation.Retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=rBhMWpyO7Ts

  • 附錄

氯與其反應性學習單

  建模歷程 問題 想法或答案
  模型發展 ■洗廁劑與漂白水共同使用可能會發生什事情?

■收集產生的物質並觀察反應的現象?

鹽酸(HCl)+次氯酸鈉(NaClO) →

(教師示範實驗:針筒2支,分別裝鹽酸與次氯酸鈉,再藉由三通閥反應)

  模型精緻 ■如何利用「有限」的器材、藥品和資訊確認收集到的氣體?

(1)討論可行的測試方案

(2)若不清楚,可尋求教師提示方向

l   裝有反應後氣體溶於水的樣品瓶

l   硝酸銀(AgNO3)溶液、蒸餾水20mL、空20ml樣品瓶、滴管

l   紅、藍石蕊試紙、藍色石蕊試劑、廣用試紙

(3)實驗操作確認自己原先想法

(4)寫下檢驗推理過程並發表

寫下可行的方案

 

 

 

 

 

 

尋求教師提示內容

 

 

檢驗推理過程

 

模型發展 ■氯氣可與金屬與非金屬發生化學反應嗎?

(1)氯氣可以和金屬反應嗎?

(2)氯氣可以和非金屬反應嗎?

(3)如果可以反應,氯氣扮演什麼角色?

模型遷移 ■不同鹵素(氯、溴、碘)之間的氧化能力為何?

l 根據三張實驗步驟的圖片,比較Cl2、Br2、I2的氧化能力大小,並說明推理過程。

(1)同組間討論實驗圖片結果

(2)教師引導作答,並提供線索完成

(3)寫下推理過程並發表想法

Cl2、Br2、I2的氧化能力的大小順序?

 

寫下推理過程

 

模型重建 (弱重建)

■實驗結果Cl2、Br2、I2的氧化能力大小推論有誤時進行修正。

 

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