臺灣化學教育

化學示範起始探究與實作：
「愛玉成凍」教師示範起始學生探究

 

李祥菁^1, *、李易儒²、何莉芳³

¹臺中市立大道國民中學
²新竹縣立東興國民中學
³臺中市立福科國民中學
*[email protected]

 

n  前言

在108年「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—自科學領域課程綱要」中揭示學習重點包含學習內容與學習表現。過去傳統教學模式多著重於科學認知（學習內容）的傳達，新課綱在學生面對科學探究能力與科學態度（學習表現）則有更多強調。

本探究課程的科學內涵符合在「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—自科學領域課程綱要」中學習內容相關描述，如表一所述。本探究課程的科學探究亦符合新課綱的學習表現相關描述，如表二所述。

表一：「愛玉成凍」的學習內涵符合新課綱的學習內容

表二：「愛玉成凍」的探究學習符合新課綱的學習表現

透過生活中的情境素材—愛玉，以過濾法分離混合物，透過手搓洗方式分離出愛玉中的甲基酯酶，將愛玉的果膠去酯化，再與水中所含的2價陽離子（鈣離子和鎂離子）產生交聯作用，使愛玉結凍，探究各種影響愛玉結凍化學反應的各種變因（傅麗玉，楊水平，2015）⁷以理解相關科學概念。從真實情境中體驗探究歷程與熟練探究技巧，藉以培養學生的科學探究能力。

本課程設計的探究活動教學，分為兩階段：(一)教師示範教學：此階段採用KWL策略中的K＋W策略，透過影片示範製作愛玉凍，引入學生到學習情境之中，激發他們的學習興趣和動機。(二)學生科學探究：此階段以5E學習環的探究教學策略並採用KWL策略中的L策略，學生在教室中體驗完成愛玉凍製作的探究活動，引導學生建立愛玉凍的科學知識，學生應用學到的原理和概念作為「創意愛玉凍」的研發基礎。學生的學習評量採用學習單的紙筆評量（評量規準）、愛玉凍的實作評量以及課後問卷的省思評鑑。

n  教學方法

此次探究教學活動使用KWL策略和5E學習環教學策略，分別描述如下。

一、    KWL策略

1.  What I Know (K)：經過體驗後，讓學生思考關於愛玉，「我已經知道甚麼？」讓學生連結舊經驗與思考後寫下自己的已知於學習單和便利貼上。

2.  What I Want to know (W)：關於愛玉，「你還想知道甚麼？」讓學生連結舊經驗與思考後寫下自己想要知道什麼，想要探究的問題寫在學習單和便利貼上。

3.  What I Learned (L)：在愛玉凍的探究之後，「我學到了甚麼？」及「你有什麼新發現？」在探究的過程中「你有沒有遇到什麼困難的狀況？」「你如何克服？」

二、    5E學習環

1.  Engagement（投入）：此階段學生觀看示範影片以觀察製作愛玉凍的流程，透過KWL的提問策略引起學生探究學習的動機。

2.  Exploration（探究）：此階段學生提出探究的問題，訂定小組探究的假設，寫出影響愛玉結凍的變因，設計與規劃探究的流程、執行探究實驗、紀錄實驗結果。

3.  Explanation（解釋）：此階段分析實驗結果，轉化實驗結果成為圖或表並解釋實驗結果，實驗結果是否支持假設，進而學生發展科學概念和原理。此階段每組成員與他人分享實驗結果，透過交流過程思辯彼此探究過程中的疑問並加以釐清科學觀念。

4.  Elaboration（精緻化）：根據全班的探究結果，各組思考如果你們想要參加「創意愛玉凍大賽」。規劃愛玉凍的專題研究或科學展覽。

5.  Evaluation（評鑑）：此階段學生省思在探究過程中的收穫和科學態度的養成，並填寫評鑑問卷使學習表現具體化。

n  教學前準備

一、  示範需用器材和材料

愛玉子 4 克、電子秤（200 g，0.01 g） 1台、滷包袋（茶包袋） 1個、礦泉水240mL、透明塑膠杯（150 mL） 2個、碗或容器（1100 ml） 1個、愛玉凍（1000ml） 1 個。

(一)   製作愛玉凍

1.  教師事先製作愛玉凍，提供學生觀察與品嘗，如圖一所示。

 

圖一：愛玉果實（左），愛玉凍（右）

2.  教師準備閱讀文本—愛玉結凍的化學原理，用於解釋階段學生的概念建立。

二、  拍攝「愛玉凍」的示範影片

教師教學前拍攝製作愛玉凍的示範影片，用於投入階段的引起學生探究的動機，以下是製作愛玉凍的過程：

1.  準備240 mL的礦泉水，放置在一個大碗或容器中。

2.  取適量（約4克）的愛玉子裝入滷包袋網袋中綁好，放入大碗的礦泉水中搓洗，如圖二所示。建議：愛玉子與水的比例為1 mL：60~80克）。

  

圖二：準備器材和材料（左），稱重4克的愛玉子（中），取240 mL的礦泉水（右）

3  搓洗到手感由滑嫩變成乾澀為止（約5-8分鐘），如圖三所示。

  

圖三：礦泉水倒入容器中（左），愛玉子倒入滷包袋中（中），愛玉子放到礦泉水中搓揉（右）。

4.  放置20分鐘即可（放入冰箱中可縮短時間）。

5.  加入糖水或蜂蜜增加風味。

n  學生探究活動第一階段—Engagement（投入）

此階段主要是教師播放事先製作的示範影片，引導學生到學習情境之中，激發他們的學習動機，以起始學生的科學探究。

一、  「愛玉凍」示範實驗影片

影片：愛玉凍製作過程的示範實驗（影片網址：https://youtu.be/USloBFqfBPI）

二、  KWL教學策略融入教師示範

1.   學生品嘗愛玉凍，體驗愛玉凍的口感，氣味…。引導學生回想吃愛玉凍、果凍等生活經驗。

2.  觀看「愛玉凍製作過程的示範實驗」及「愛玉戀小蜂」( https://youtu.be/Tt_1n0ue7cw ）影片，讓學生認識愛玉的生態。透過親身體驗，建立課程與學生的生活情境連結。接著，讓學生摘要愛玉凍的製作流程，思考過程中有哪些影響愛玉結凍的變因，作為後續探究的問題。

3.  以KWL教學策略，透過PowerPoint，利用圖文和影片方式，教師提問讓學生思考問題，引起愛玉凍探究的興趣，如圖四所示。教師引導與提問以及學生想知道什麼，如下所示：

(1)  黏貼便利貼在A4紙上，每人以30秒的時間彼此分享，聆聽他人經驗，並提出「你還想知道甚麼？」

(2)  學生會想要知道什麼？例如：愛玉樹長什麼樣子？長在哪裡？愛玉凍要怎麼做？怎麼做出來的愛玉凍會很好吃？

 

圖四：學生觀察愛玉子（左），教師介紹愛玉植物（右）。

  

圖五：組內分享關於愛玉的已知與想知（左），學生寫下關於愛玉的已知與想知（右）。

 

圖六：學生寫出KWL教學策略中的K和L的描述。

n  學生探究活動第二階段—Exploration（探索）

探索階段包括閱讀觀察、變因歸納、觀察定題、確定假說、規劃設計、執行計畫、分析數據、發現結果等學習表現。

一、  提供各組需用器材

1.  各組器材：愛玉子（12公克）、電子秤（200 g，精稱到0.01公克） 1部、塑膠碗 3個/組、滷包袋（茶包袋） 3個、塑膠碗（1100mL） 3個。

2.  共用器材（放在講桌上自行選用）：礦泉水、鹼性水、RO逆滲透純水、乳酸鈣、汽水、麥茶舒跑、砂糖、紅糖、冰塊、油、牛奶。

3.  小組發表器材：白板筆、便利貼 1疊/組、或百格紙 1張/人。

二、  學生觀賞示範影片並寫出實驗流程

學生觀看製作愛玉凍的流程，如圖七所示。

  

圖七：學生觀看製作愛玉凍的流程

學生寫出條列式實驗流程，一組學生撰寫的流程如下所示：

1.  準備水240 mL和愛玉子4 g裝入網袋綁好。

2.  放入水中搓洗5-8分鐘。

3.  搓到手感由滑嫩變乾澀為止。

4.  加入糖水或蜂蜜增加風味。

三、  觀察實驗與變因歸納

1.  學生思考下列問題後，寫出所有影響愛玉結凍的可能變因。此時教師引導與提問如下所示：

(1)  在影片中有提到哪些因素會影響到愛玉凍的凝固？

(2)  為什麼在水裡搓愛玉子一段時間就會結凍？水質、油及搓洗時間會影響愛玉凍的形成嗎？

2.  小組間討論那些物質或因素可能與愛玉結凍有關，如圖八所示。

 

圖八：學生思考（左）並寫出（右）哪些物質或因素可能與結凍有關

四、   觀察定題與確定假說

學生練習選出影響愛玉結凍的變因並轉化成可實驗操作的假設，提出預期可能產生的實驗結果，如圖九所示。〘假設用語：如果我增加、減少、改變….因素，那麼愛玉會、不會結凍…。因為…的原因，所以…的結果。〙

  

圖九：組內分享自己的想法（左），學生練習觀察定題與形成假說（中和右）

五、  規劃設計與執行計畫

1.  各組針對提出的各種變因，討論出一個可探究的變因，並進行實驗規劃，如圖十所示。

2.  實驗設計修正：各組分享實驗設計、檢核他組實驗設計是否有不妥之處，透過團體思考引發產生問題，設計探究實驗並進行滾動式修正，如圖十一所示。

3.  各組依照設計的實驗計畫，進行愛玉凍的探究並記錄實驗結果，如圖十二所示。

 

圖十：學生練習實驗規劃

 

圖十一：學生分享實驗規劃

 

圖十二：學生進行愛玉凍的探究

六、  探索階段教學提示

(一)  關於實驗的變因

1.  操縱變因（又稱自變因）只能有一個。若操縱變因為濃度差異，請學生至少做3個不同濃度並且每個濃度重複3次。

2.  操縱變因（又稱自變因）和應變變因（又稱應變因或依變因）需要下操作型定義，亦即需要有量化的測量方式與客觀的描述。

3.  若教師發現學生無法有效的討論，可適時協助釐清操縱變因、應變變因等。

(二)  實驗操作

1.  混合物分離方式有過濾法和色層分析法…。透過用滷包袋（或茶包袋）過濾，學習常用的實驗操作技巧。學生也可思考不同材質或孔隙對於過濾的影響。

2.  提醒同學思考在愛玉搓洗的過程中，搓洗溫度和搓洗速度等物理因素對於「愛玉結凍」化學反應速率的影響。

(三)  實驗結果如何記錄

  1.  除了以愛玉結凍與不結凍的方式表達實驗結果，有沒有其他更客觀的方法來表達實驗結果。

2.  要細心觀察可能有原先沒有考慮到的變因。

3.  教師巡視以便指導各組實驗結果的紀錄表。

4.  教師巡視各組給予認真參與同學口頭表揚。

(四)  分析數據與發現結果

1.  教師引導與提問：「要如何紀錄實驗結果？」「你們做的愛玉凍吃起來口感如何？」學生觀察實驗結果，如圖十三所示。

2.  實驗結果統計分析的重要性：若結果紀錄中對照組與實驗組的結凍次數皆為3次，但對照組進行了3重複，實驗組重複了5次，可否依照結凍次數直接下結論為兩者的結凍效果相同?

3.  針對實驗結果進行簡單的統計分析，選用適當的圖或表來呈現，如圖十四所示。

 

圖十三：學生觀察實驗結果

 

 

圖十四：學生紀錄實驗結果並分析資料

n  學生探究活動第三階段—Explanation（解釋）

此階段包含溝通傳達、推理論證。

一、  溝通傳達與推理論證

1.  請各組簡短分享探索的進度並提出新發現的問題，如圖十五所示。

2.  教師引導與提問：「你們如何呈現實驗結果？用別人看得懂的方式跟他人分享。」

3.  各組依照實驗結果給予科學性（合乎邏輯、有足夠實驗結果證明、有科學原理支持…）的實驗結論。

4.  教師引導與提問：「你們要如何下結論？」

  

圖十五：學生分享實驗結果（左和中），品嘗愛玉凍（右）

二、  愛玉結凍的化學原理

教學提醒：在探索階段，師生互動討論或教師引導學生方式發展愛玉結凍的科學知識。此原理不強調化學結構，僅讓學生理解酵素和果膠與鈣離子是影響愛玉結凍的主要因素。愛玉結凍的化學原理如下所示：

愛玉種子外含有果膠、原果膠酶、果膠甲基酯酶以及少量的無機礦物質。當愛玉種子在水中被搓洗（破壞種皮）時，會釋出「甲基酯酶」使果膠分子上許多的甲基酯（‒COOCH₃）去酯化成為羧基（‒COO^‒）。此時，若水中含有二價金屬離子，離子就可嵌入果膠分子之間形成價橋，進而使果膠長鏈間連結形成果凍（林讚標，1991），如圖十六所示。

圖十六：愛玉結凍的化學原理

三、  解釋階段教學提示

(一)   實驗結果的分享表達

1.  「你要如何分享你們的實驗結果？用別人看得懂的方式表達」，圖像記憶優於文字記憶，善用圖表有助於溝通。因此學生要學習選用適當的書面表達工具，以利於書面溝通與結論建立、研究結果傳播。

2.  適時簡單複習長條圖，圓餅圖，折線圖…，說明常用圖形的使用時機與方式。若教師發現有學生或組別遲遲無法進行圖表繪製，可用討論的方式引導學生做出適合的圖表

3.  提醒學生注意在繪製圖表時座標軸和單位的標示。

(二)   要如何下結論？

1.  合理嚴謹的結論來自於：(1)嚴謹實驗設計後累積的大量實驗數據；(2)有力的學理支持；(3)合乎邏輯的證明。

2.  請學生依照各組的實驗結果，寫出科學性（合乎邏輯、有足夠實驗結果證明、有科學原理支持…）的實驗結論。

n  學生探究活動第四階段—Elaboration（精緻化）

1.  根據全班的探究結果，各組思考如果你們想要參加「創意愛玉凍大賽」，你們要如何設計口味獨特又好吃的愛玉凍？各組進行組內討論，開發創意愛玉凍，各組製作海報或簡報推銷自己的愛玉凍，訓練學生創意與溝通表達力。

2.  規劃並進行愛玉凍的專題研究或科學展覽。

n  學生探究活動第五階段—Evaluation（評鑑）

一、  寫出學習回饋

省思評鑑回饋與創意分享—L（What I Learned）我學到了什麼？教師引導與提問如下所示：

1.  在探究的過程中，你有什麼新的發現？（以前你不知道的）

2.  在實驗的過程中，你有沒有遇到什麼困難的狀況？你們如何克服？

學生學習回饋的例子，如圖十七所示：

 

圖十七：學生填寫學習回饋：我學到了什麼以及遭遇的困難和如何克服

二、  探究學習任務的評量規準

三、  課後問卷

(一)  課後問卷題目

(二)   同意度分析

n  結語

愛玉凍的示範實驗起始科學探究活動的優點有：與生活連結、科學概念豐富、所需材料方便取得、愛玉凍可食用、活動有趣學生喜愛，使用材料對環境友善、安全性高…。此外教師和學生可以在課堂進行活動不需要到實驗室，打破傳統化學實驗場地的侷限性。探究的內容與學生的生活經驗連結，從學生的體驗出發，思考並探索愛玉凍的製作，研發獨特口味愛玉凍，激發學生創意、學習動機和學習興趣，探索更廣泛的跨領域知識和技能。此教學設計除了可發展成專題研究的學習，讓學生研發特殊口味愛玉凍外，還可延伸探討搓愛玉方式（收搓、機械破壞種皮..）、搓洗溫度、水中離子濃度及水中pH值等變因，作為後續探究教學的題材。

n  後記與致謝

本文改編自作者參加國立彰化師範大學舉辦「106年探究教學教案競賽」的獲獎作品，該作品名稱：「食在好玩─愛玉成凍」，感謝國立彰化師範大學科學教育研究所的授權同意該教案作品改編成本文。「食在好玩─愛玉成凍」的教案作品，請見「參考資料」一節內的超連結。

n  附錄

下載學習單：探究「愛玉成凍」學習單。

n  參考文獻

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.  林讚標（1991）。愛玉子專論。行政院農委會林業試驗所。

3.  愛玉製作過程。https://www.youtube.com/watch?v=7uYJEf9AmTI。

4.  「凍」裡乾坤—愛玉凝膠因子之探討。第50屆全國科展。https://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/50/pdf/030804.pdf。

5.  愛玉子，維基百科。https://zh.wikipedia.org/zh/愛玉子。

6.  愛玉與薜荔的私密世界（上）（下）。科博館館訊。http://web2.nmns.edu.tw/PubLib/NewsLetter/91/178/05.htm
http://web2.nmns.edu.tw/PubLib/NewsLetter/91/179/05.htm。

7.   李祥菁、李易儒、張維倫、蘇斐虹、李俊穎。2019。食在好玩愛玉成凍。彰化師範大學提升教師探究能力計畫107學年度作品集‒化學、生物。http://120.107.169.113/main.php?fid=04a&page_name=product_detail&prod_id=108。

8.  愛玉說愛玉凍的化學，臺灣化學教育。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=11897。