臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan中學化學示範
楊水平
國立彰化師範大學化學系
[email protected]
在「中學化學探究教學」的教學實務過程，作者會親自教學2-3個探究學習單元，都是以化學示範實驗作為科學探究教學的開始，例如：作為5E學習環的參與階段。在「中學化學示範教學」的教學實務過程，作者也會親自教學數個學習單元，以化學示範作為教學方法或教學策略，例如：使用以師生互動討論方式的三面向（介紹面向、演示面向及結論面向）教學，又如：POE╱POEC教學策略。在多次的科普推廣活動上，作者曾指導學生以化學示範教學的方式，展現驚嘆號（！）和問號（？），示範者需考慮化學示範的娛樂性和教育性的功能，有別於魔術師的表演。有效的化學示範能夠聚焦學生的注意力，在課程或單元中激發學習的動機和興趣，解說重要的概念和原理，以及起始科學探究和問題解決。
《臺灣化學教育》第37期的專題為〈中學化學示範〉，邀請中學和大學教師開發適用於中學教師在教室或實驗室的化學示範教學、教法及評量，或適用於科普推廣活動的化學示範實驗。這一期的專題文章接到十一篇的稿件，由於有些稿件延遲投遞、內容需要多次討論或編審時程沒控制得宜，因此無法在文章發佈截止日前順利出刊。經本刊主編邱美虹教授的建議，預定在11月（第40期）新增專題主題，為這些未順利出刊的稿件在六個月後出刊。作者將繼續邀稿以充實第40期的專題內容，歡迎有興趣「化學示範」專題的教師和專家投遞稿件，內容可涵蓋發展歷史、理論與實務、課程與教材、教法與策略、評量與測驗、以及科普活動等。此外，值得提起之事，是在十一篇化學示範的稿件中，大部分符合十二年國民基本教育國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域課程綱要，這些符合新課綱規範的文章都在其前言的部分有具體的描述，期望這些文章能立即可用於中學的現場教學。
本文首先介紹化學示範教學的理論；然後，提出示範教學的教學和評量；接著，整理十二年國教自然科學領域課剛中的化學示範；最後，概述本期專題的文章導讀。
n 化學示範教學的理論
Liem (1987) 提到：藉由引人注意的示範和歧異事件，教師精心規劃教學策略來喚起學生的學習。Kibler (2019) 提到：歧異事件使學生產生興趣和好奇心為了探究有關特別的現象。歧異事件（discrepant event）創造認知失調（cognitive dissonance），因為歧異事件的觀察與學生先前經驗是直覺相反的，使得學生迅速地產生疑問。Cini (2018) 提到：歧異事件是藉由呈現非期望的結果而無視我們對世界理解的事件。這些現象經常被用於科學示範，以吸引觀眾的注意力並吸引視覺學習者。
Shakhashiri (1989) 提到：課堂示範能夠幫助學生在化學反應和化學性質上的注意力，並且增進學生的化學知識和體認。課堂示範應該是一個過程，而不是一個單一的事件（作者按：歧異事件）。
化學反應千變萬化，聲光色俱全而且多彩多姿。化學示範（Chemical demonstrations）是透過驚奇有趣的化學實驗來展示化學的奧妙和魅力，在教學中常創造歧異事件以互動方式來引起學生對化學的興趣，進而促進學生對化學知識的理解。因此，化學示範強調娛樂性和教育性，它是一種非常有勁道的教學策略。
n 示範教學的教學和評量
在化學示範教學前應該事先規劃向學生詢問的問題，作為學習單學生寫作評量之用：(一)事先規劃由低階思考到高階思考的四項問題（Bybee et al. 2014），和(二)透過POE或POEC策略設計問題，POE教學策略的三階段：Prediction（預測）‒Observation（觀察）‒Explanation（解釋）（Gunstone & White, 1981）；POEC教學策略的四階段：Prediction（預測）‒Observation（觀察）‒Explanation（解釋）‒比較（Comparison）（邱美虹等，2005；鍾曉蘭，2014）。這二項的學習單寫作皆可當作學生透過化學示範學習的評量方式。
(一) 事先規劃由低階思考到高階思考的問題
1. 描述化學示範步驟的問題（低階思考）：詳細地描述示範步驟，包含使用的器材和藥品。儘可能以裝置圖說明之。
2. 觀察變化現象和紀錄實驗數據的問題（低階思考）：詳細地描述學生觀察到的示範實驗之變化現象。
3. 說明變化現象和實驗結果的問題（高階思考）：就變化現象，運用合適的科學字彙進行準確地推論。以微觀的分子或原子層次進行巨觀現象變化的解釋。引用證據，儘可能以化學反應式表示，以及以化學原理、定理和概念說明。
4. 連結新學到的概念和原理到日常生活和新情境的問題（高階思考）：連結示範實驗所涉及的原理、定理和概念與日常生活和新情境，並且敘述兩者之間的關連性。
(二) 透過POE╱POEC策略設計問題
1. 示範前進行預測（Prediction）：(1)觀察教師示範前所準備的器材、藥品及裝置；(2)寫出預測示範實驗即將發生什麼現象；以及(3)解釋你的預測即將發生現象的可能理由。
2. 變化現象的觀察（Observation）：(1)詳細地觀察變化現象並描述之；以及(2)就實驗的變化現象，比較你的預測與觀察的相同和相異之處。
3. 變化現象的解釋（Explanation）：(1)解釋你觀察到實驗變化現象的理由。
4. 與預測的比較（Comparison）：(1)觀察的現象與之前的預測作比較。(2)針對你在預測階段的可能解釋，做出修改或補充。(3)當學生撰寫完成後，一起討論自己的想法或教師引導學生討論，做出合理解釋，必要時修改或補充之前的解釋。
n 十二年國教自然科學領域課剛中的化學示範
根據「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域」，其實施要點提到「教材編選時應依十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要精神與內容，鼓勵學生動手實作體驗，合適安排各年段的實作課程，以達到規定的時數，其中國民中學教育階段應有三分之一節數為實作體驗課。為提高學生學習興趣，增進學習效果，得適時設計示範實驗、戶外教學等活動。」。因此，化學教師設計化學示範實驗是有其需要性。自然科學領域課程綱要在「學習內容說明」有明確地提到教學實施的方式以「示範」來進行，在第四學習階和第五學習階段的綱要描述中，有關化學示範方面整理如下。
(一) 在國中自然科學方面
表一：第四學習階段涉及化學示範的學習內容
|
主題 |
次主題 |
學習內容 |
學習內容說明 |
|
物質的結構與功能（C） |
物質的分離與鑑定（Ca） |
Je-Ⅳ-2 可逆反應。 |
2-1 從示範實驗或影片介紹可逆反應的簡單實例。（P. 149） |
|
物質的反應、平衡及 製造（J） |
有機化合物的 性質、製備及反應（Jf） |
Jf-Ⅳ-3 酯化與皂化反應。 |
3-1 以示範實驗或實作方式進行酯化與皂化反應。並實際體驗酯類的特殊氣味及肥皂的清潔能力。（P. 149） |
|
物質的反應、平衡及 製造（J） |
化學反應速率與平衡（Je） |
Je-Ⅳ-3 化學平衡及溫度、濃度如何影響化學平衡的因素。 |
從演示或實驗影片說明溫度或濃度改變時如何影響化學平衡，不需要記憶反應結果與反應式。（P. 149） |
(一) 在高中化學方面
表二：第五學習階段涉及化學示範的學習內容
|
主題 |
次主題 |
學習內容 |
學習內容說明 |
|
物質的結構與功能（C） |
物質的分離與鑑定（Ca） |
CCa-Ⅴc-1 混合物的分離過程與純化方法：蒸餾、萃取、色層分析、硬水軟化及海水純化等。 |
1-5 示範實驗：萃取、蒸餾及以TLC 片進行色層分析。（P. 201） |
|
物質系統（E） |
氣體（Ec） |
CEc-Va-5 理想氣體與真實氣體。 |
5-1 理想氣體與真實氣體之間的差異。以電腦模擬幫助學生建立理想氣體粒子模型與微觀概念。可以示範實驗說明三大定律。（P. 206） |
|
物質的反應、平衡及製造（J） |
水溶液中的變化（Jb） |
CJb-Va-4 拉午耳定律與理想溶液。 |
4-3 示範實驗：理想溶液與非理想溶液體積的差異。（P. 207） |
|
科學、科技、社會及人文（M） |
科學在生活中的應用（Mc） |
CMc-Va-2常見金屬及重要的化合物之製備、性質及用途。 |
2-4 示範實驗：鐵離子與草酸根形成的錯合物。（P. 212） |
|
物質的組成與特性（A） |
物質的形態、性質及分類（Ab） |
CAb-Va-2 不同的官能基會影響有機化合物的性質。 |
2-3 示範實驗：有機化合物的一般性質（揮發性、溶解度等）。（P. 212） |
|
物質的反應、平衡及 製造（J） |
有機化合物的性質、製備及反應（Jf） |
CJf-Va-2 有機化合物的命名、結構及官能基的檢驗與其用途¼。 |
2-3 示範實驗：常見官能基的檢驗。（P. 213） |
|
物質的反應、平衡及 製造（J） |
有機化合物的性質、製備及反應（Jf） |
CJf-Va-3 常見有機化合物的重要反應。 |
3-3 苯：僅用示範實驗介紹芳香族與烯類（C=C）的差異。 |
n 本期文章導讀
本刊第三十七期的專題以〈中學化學示範〉為主題，除領頭文章外，還有7篇文章。這些文章的簡介如下：
1. 〈綠色化學的示範實驗和實作活動〉：此文章由周芳妃、詹莉芬、陳祖望、許名智、許文綺（臺北市立第一女子高級中學）撰寫。本文提到：介紹綠色化學思維的「化學貼貼樂」範例，透過包膜與紙張剪裁設計，易於準備的可攜式與半乾式的化學材料包，適合教師在演講時的示範教學並提供每位學生在大會議室的現場實作化學實驗，又可讓學生留著作品，加以時日觀察後續的化學變化。「化學貼貼樂」研發與製作過程中，不僅是教師版的探究與實作的發展歷程，而學生在進行「化學貼貼樂」的教學活動中，同時可應證化學課本內容所提知識、實踐綠色化學精神。
2. 〈葉肉消蝕術的化學示範與探究實驗設計〉：此文章由吉佛慈（國立臺灣師範大學附屬高級中學）撰寫。本文提到：為了解開學生對食譜式實驗所受的禁錮，同時消除超前學習者對部定課程已提早掌握之優勢，本活動是以不同於部定化學課程內容的「葉肉消蝕術」為主題，在八年級彈性課程的先導課程，採取POEC教學策略，藉以檢視學生的先備知識和概念基礎。
3. 〈高分子塑型的教師示範和學生實作〉：此文章由林韋彤、高湘琪、張佳智（國立交通大學應用化學系）撰寫。本文提到：本示範實驗和實作活動採用隨手可得的高分子材料作為實驗用素材，探討高分子變型程度與溫度的關係，適合讓國中和高中學生能開始思考實驗結果背後的科學原理，並利用這個機會探討塑膠與日常生活的關係。
4. 〈自製簡易蒸餾裝置進行示範教學〉：此文章由李俊穎（新北市立光復高級中學）撰寫。本文提到：筆者規劃約15分鐘的演示教學，分為三個部分：第一部分由生活常見的米酒、高粱酒切入，並且透過點火說明米酒的酒精濃度不足以直接點燃；第二部分利用自製的簡易蒸餾裝置展示蒸餾的過程並藉此說明其原理；第三個部分以食鹽的溶解度粗略地判斷酒精的濃度，並以咻聲瓶的點火作為結尾。
5. 〈氯化亞鈷的可逆反應和化學平衡〉：此文章由蔡欣展（彰化縣立鹿江國際中小學）、陳芷誼（彰化縣私立精誠中學）、楊水平（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：作者規劃以「以學生為中心」的教學，以互動討論方式進行化學示範。學生主動地參與化學示範教學有三個面向：介紹面向、演示面向和結論面向。在介紹面向中，教師提出問題；在演示面向中，學生觀察變化現象，以及教師與學生互動討論且解釋變化現象的科學原理和概念；在結論面向中，學生連結新學到的概念和原理到日常生活和新的情境中。
6. 〈濾紙色層分析的示範實驗和教室活動〉：此文章由彭郁惠、謝佶霖（國立彰化高級中學）、陳宜玫、陳昱璇、楊水平（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：在示範實驗方面，使用自製簡易的濾紙色層分析裝置，黏貼在黑板上，使學生清楚地觀察教師示範實驗的過程。在教室活動設計方面，作者規劃四個活動：(1)鼎鼎大名、(2)神來之筆、(3)神乎其技、以及(4)別出心裁，化學結合藝術領域，教學活動採用POEC教學策略。
7. 〈氣體三大定律的定性示範實驗〉：此文章由施麗姍、賴愉方、楊水平（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：利用家用物品和廢棄物使用家用工具製作零件，設計簡易的氣體三大定律定性示範實驗，以符合十二年國教自然科學領域課程綱要，提供給高中化學教師的教學參考。
n 參考資料
1. 十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域，國家教育研究院，107年。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。
2. 邱美虹、林世洲、湯偉君、周金城、張榮耀、王靜璇（2005）。科學創意實驗書。台北市：洪葉文化。
3. 鍾曉蘭（2014）。差異化教學化學科示例─POEC。臺灣化學教育，第2期，2015年7月。取自：http://chemed.chemistry.org.tw/?p=2055。
4. 《臺灣化學教育》，http://chemed.chemistry.org.tw/。
5. Bybee, R. W., Powell, J. C., & Trowbridge, L. W. (2014). Teaching Secondary School Science: Strategies for Developing Scientific Literacy. Upper Saddle River, N.J.: Pearson Education.
6. Cini, S. (2018). A List of Discrepant Event Science Activities. https://bit.ly/37kW9Gl.
7. Kibler, J. (2019). Cognitive Disequilibrium. Retrieved from https://bit.ly/2MkJQzH.
8. Liem, T. L. (1987). Invitations to Science Inquiry. Massachusetts: Ginn Press.
9. Shakhashiri, B. Z. (1989). Chemical Demonstrations: A Handbook for Teachers of Chemistry. Univ of Wisconsin Press.