臺灣化學教育

國中自然科學探究與實作：教科書化學實驗的探究與實作轉化範例

賴志忠

台中市立忠明中學
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n  前言

探究與實作是108課綱所強調的課程內容，對於教學現場的教師而言，如何設計出符合探究精神的實驗是相當不容易的。許多教師對探究教學的觀感常認為需要很多時間，透過不斷操縱各種實驗變因，來幫助學生學習科學。此外教師除了要進行教學外，還要擔任班級導師或行政工作，若要設計探究與實作的實驗課程，需要耗費額外的時間進行課程設計。這也是導致許多自然科老師不願進行探究教學或實驗活動的原因。本文分享現有課程中有機化學單元的乾餾實驗，示範如何簡易修改課程教材中現有的實驗，成為引導式探究的實驗教學，幫助現場教學者更有效率地進行實驗活動教學。

n  課程實驗內容

國中二年級下學期的有機化學單元竹筷乾餾實驗，此實驗常採用鋁箔紙包住竹筷，再利用酒精燈燃燒筷子進行乾餾，進而觀察乾餾過程所產生不同的固、液、氣體，並透過燃燒與酸鹼指示劑檢測乾餾所產生物質之性質（圖1至圖3）。

在108自然科領綱中，關於有機化合物的學習內容，建議教師使用麵粉、糖及食鹽等物品進行實驗（教育部，2018）。

然而就筆者多年的教學經驗中，使用竹筷進行實驗的優點是方便操作。但較難幫助學生聯結現實生活中的許多物品，也無法幫助學生進一步對科學現象進行較深入的探究，有些可惜。

 

圖1：竹筷乾餾圖2：乾餾產生物性質檢驗圖3：乾餾實驗操作

n  課程單元與目標

課本的竹筷乾餾實驗，如何幫助學生與生活中的情境聯結，同時深入思考與實驗相關的科學原理呢？本文將示範如何由乾餾實驗轉化成符合探究教學精神的實驗活動，同時也引導學生進行較深入思考的學習，以竹筷乾餾實驗為例說明教學流程，教學單元為國中二年級的有機化合物章節，建議教學時間為1到2節課，實驗的教學學目標為瞭解有機化合物的由來及特性。

本乾餾探究教案的教學流程呼應108課綱的學習表現，教學範例可達成的學習表現面向如下:1.探究能力的思考智能：如推理論證子項中的tr-Ⅳ-1、批判思辨子項中的tc-Ⅳ-1。2.探究能力的問題解決：如計劃與執行子項中的pe-Ⅳ-2、分析與發現子項中的pa-Ⅳ-2、討論與傳達子項中的pc-Ⅳ-1。3.科學的態度與本質：如培養科學探究的興趣子項中的ai-Ⅳ-1（教育部，2018）。

實驗活動紀錄表的設計，可以視教學內容進行調整。以本實驗為例，教學者希望學生聚焦在物質乾餾的過程，產生的現象及物質變化。其次乾餾的方式能否分辨出有機化合物？是否有機化合物都適合使用乾餾方式進行？請學生可以在實驗過程紀錄並討論。教學者也可視教學時間長短設計題目數量與深淺。透過動手實作解決問題或驗證自己想法，也可以幫助學生獲得成就感。

 

n  課程如何轉化成探究形式

以下依據教學流程步驟，說明教師可以使用的教學策略。教師事先進行異質性分組，例如全班分成六組進行實驗，會將學業成就較好同學分別分到不同組，學業成績較差同學也會平均分散到不同組別中，並分配每一位組員不同的工作職責，比如較具領導力的同學擔任組長，較不擅於邏輯思考但實作較佳的學生可以負責器材的操作，文字能力較佳同學可以負責實驗記錄，口語表達較佳同學可代表小組發言，讓成員都有機會表現及有負責的工作。學生則配合教師指揮進行分組教學活動。

1.引起動機：教師提問舊經驗概念，如化合物如何分類，再引入有機物。學生能思考問題並提出自己的想法。此步驟教學者可以使用實際生活物品，比如木炭或使用網路圖片說明，以引起學習動機，時間若不夠也可以利用口述說明或提問方式進行。

 

2.原理導入：教師以課本說明有機化合物的歷史發展過程及科學的定義。學生能聆聽並回答有機化合物定義。教師可以讓學生事先回家搜尋實驗資料或參考課本原理說明，因為學生若具有實驗相關的先備知識，可幫助學生在進行實驗操作較知道如何操作，或實驗後的討論比較能夠有相關概念進行較深入的討論。若教學時間足夠，也可進行實驗後再介紹相關科學原理。

 

3.探究現象引入：教師舉例說明生活中常見物質，讓學生思考如何判別是否為有機化合物，並提出自己的想法。透過生活情境鋪陳，帶出實驗的目的，比如利用木炭的製造與使用，引入不同的物質如何透過乾餾分辨是否為有機物？乾餾過程的現象有哪些？

 

4.探究活動變項與設計：教師引導學生思考，如何設計實驗以區分物質是否為有機化合物？學生能回答使用物理及化學方法或性質來分辨有機化合物。並能回答如何使用物理及化學方法或性質來分辨有機化合物(核心素養自-J-A3)。

此部分為探究活動的核心，學生如何進行實驗操作變因的選取和應變變因的蒐集。教學者可以依據教學時間調整探究教學活動的開放程度，如果在正式課程因有時間和進度壓力，建議使用引導式探究。以乾餾實驗為例，可讓每組攜帶三種不同食物或物質到學校，進行乾餾後可以相互進行比較（圖4至圖7）。有時候學生會攜帶不適合的物品要進行乾餾，教學者可以適當的進行篩選，比如說西瓜或蘋果，因水分過多很難在時間內完成乾餾。

 

圖4：各種乾餾食材圖5：不同乾餾食材圖6：洋芋片乾餾前後 圖7：餅乾與吐司乾餾

 

5.探究活動進行：教師講解課本內容，說明如何將物質進行乾餾，簡易檢測是否為有機化合物。學生能聆聽教師說明，並能夠正確地進行乾餾實驗。實驗進行過程與課本教材較大的不同，是取用學生生活中的物品進行實驗。實驗過程的操作與課本說明相似，但因為實驗物品不同，學生實驗過程卻驚呼連連，原來生活常吃的物品，乾餾後會變成這樣。可以明顯感受學生在實驗中的驚訝與新奇感，能提升學生對於實驗的學習動機。乾餾過程會產生固體、液體及氣體，學生都必須進行檢測，每組須做三種不同物品，不同的物質也會出現不同的現象，比如燃燒是否旺盛，液體也未必如竹筷乾餾為酸性（圖8至圖10），學生可以有許多討論空間，這就是探究與實作的價值之一，讓學生體驗科學家一般在現象中進行思考與討論。

 

圖8：氣體燃燒檢驗 圖9：液體酸鹼性檢驗圖10：乾餾後固體檢驗

 

6.資料蒐集與分析：教師請學生攜帶常見各種不同餅乾類及食物，攜帶的份量可供六組進行乾餾實驗，並到各組間巡視，指導學生進行實驗，比如實驗儀器的操作、實驗資料的紀錄重點、解決學生操作上遇到的困難，甚至是班級秩序的維持，因有時小組成員會玩鬧或意見不合而鬥嘴等。學生能從實驗檢測酸鹼性及觀察實驗現象，進行溝通與推論是否為有機物(核心素養自-J-C2、自-J-B1、學習表現pe-Ⅳ-2、ai-Ⅳ-1)。並能將蒐集與觀察的資料記錄下來，本實驗會提供紀錄表給學生(參見附錄)。

一般實驗結果的蒐集，可能是數據或是現象的論述。但因對象為國中階段學生，建議以質性現象或文字描述為主，不要有過多化學計量或數據的計算。若學生有簡易的圖表呈現或數據轉換成圖表也是很好的分析訓練。乾餾實驗中每一組學生要選用三種物質進行實驗，並記錄下列表格中問題。不同組別有時會選用到相同物品進行乾餾，可以比較過程及產物的差異。此外，學習單中也會讓小組成員進行一些問題的討論，幫助學生釐清實驗現象(參見附錄)。

 

7.溝通與成果分享：教師請各組派一位學生發表小組討論的實驗結果，但建議全組都能一起上台。學生能與同儕討論實驗結果及如何進行檢測，上台學生能提出具體證據說明小組的假設與結果，其餘學生能聆聽分享(核心素養自-J-C2、自-J-B1、學習表現tr-Ⅳ-1、tc-Ⅳ-1、pa-Ⅳ-2、pc-Ⅳ-1)。

學生小組間的實驗溝通，從選取實驗的材料就開始進行。實驗操作過程，學生也會溝通討論與提醒注意事項，比如乾餾過程操作失敗時，組員間也會討論可能的失敗原因。在實驗現象與數據的蒐集，學生也會互相提出質疑與彼此解釋，有時也會尋找老師進行確認自己的主張。

    各組上台報告，會請學生先將數據或現象寫在白板上，並分享實驗過程遇到的困難及操作過程，當然還會有許多個人情意及態度面向的正向回饋與表達。比較課本的乾餾實驗與轉化後的引導式探究，可以發現引導式探究與實作的方式，較能提升學生的學習興趣，以及引發學生思考更多問題。這就是108課綱中，想要培養學生獲得的核心素養與學習表現能力。

 

8.總結與歸納：教師能總結與歸納學生報告內容，並澄清學生報告內容中可能有的錯誤科學概念。學生能思考並專心聆聽。學生進行實驗過程，總會有許多操作上的問題或是人為誤差，容易導致實驗結果與課本不同或錯誤的數據。老師的角色除了實驗過程的引導與協助，在實驗活動後引導學生分享與討論，對學生的科學學習可達畫龍點睛的功效。許多探究教學活動，經常只是做了活動卻缺少討論與反思，學生不知實驗的目的？不知哪裡操作錯誤？不知實驗活動與生活有何關聯？因此，老師要透過實驗後的討論幫助學生進行釐清常見的迷失概念，比如可以燃燒的氣體未必就是氧氣或不正確的操作過程，比如乾餾時沒有不斷移動讓物質均勻受熱。

老師在總結時，未必要給學生完整的答案，當然，明顯錯誤的實驗數據或結果，老師應該能夠立即提供觀念的澄清，如廣用試紙的酸鹼檢測顏色判斷錯誤。但很多實驗問題或實驗操作方式，可能沒有絕對的答案，或因素過於複雜，連老師也難以立刻釐清，比如乾餾時鋁箔紙包覆的形狀是否會影響乾餾速度快慢、乾餾產生的氣體雖可燃燒，僅能判斷可能含有可燃燒氣體，無法如課本說明知道氣體中含有氫氣、甲烷、一氧化碳等可燃氣體，而液體也僅能從感官判斷顏色及酸鹼性，無法如課本所說能立刻判別含有醋酸及焦油，老師可以跟學生說明這些都是需要進一步作更深入的檢測才有可能知道其成分。透過實驗討論，學生更能了解實驗分析，不是如課本實驗所說那麼簡單。但老師應提供學生分析現象與解決問題的訓練，協助學生去思考可能的問題在哪裡，幫助學生有思考的習慣，對學生培養正確科學態度也是有幫助的。同時對於學生能夠努力完成實驗過程，給予肯定與讚揚。

n  探究活動的評量

探究活動的進行，建議使用多元評量的方式進行，比如說批閱學生所撰寫的學習單、老師走動巡視時可以檢視學生個人與小組的操作投入程度、乾餾實驗後的分組報告、實驗過程小組成員之間的互評。在科學知識的檢測，可利用一份小的試卷，選擇題或問答題形式都可，檢測實驗過程學生的操作步驟與科學概念的正確性。

n  其他可進行探究活動的課程

因為108課綱中，自然科正課時間縮減成每周三節，造成許多教學現場老師授課時間的壓力與實施探究教學的恐慌。本實驗通常使用一節課進行，另外大約需要20分鐘進行分組討論。我會讓學生進行實驗後，回家完成學習單，組員利用下課時間討論。建議下一節課分享前，利用下課找負責報告的同學先進行初步討論，確保學生有利用課後進行討論。探究與實作活動，可以搭配彈性課程，或社團活動與科展進行更深入的探究教學。此外，寒暑假的輔導課程或是國三會考後，也可以規劃課程相關的探究教學活動。至於探究與實作的教案設計，也可以在網路上搜尋到許多相關資源，參考現有的探究設計，修改成符合自己授課內容或時間的探究設計，如彰師大科教所所架設的探究教學競賽網、台中教育大學科學應用學系的科學遊戲實驗室(適合小學)、國立彰化師範大學化學系的中學化學示範實驗網站(適合中學)。

n  結語

108課綱上路，授課時間常是現場教學中最大的限制，透過課程轉化成引導式探究教學可以幫助學生有較深的科學學習，不僅能有效率的完成課綱要求的探究與實作，也能設計讓學生使用生活中常見物品進行實驗，培養科學探究的興趣，亦符合108課綱核心素養所強調幫助學生與真實生活情境連結。本文使用有機化學單元中，教師經常進行的乾餾實驗為例，示範如何轉化成符合探究與實作的教案，期望對現場教學者在進行探究與實作教學時能有實質裨益。

n  參考資料

教育部（2018）。十二年國民基本教育課程綱要：自然科學領域。臺北：教育部。取自：https://bit.ly/2WPsz6I

n  附錄

實驗紀錄與討論

學習單中的實驗觀察

(1)乾餾的物質____________________________________

(2)乾餾前外觀描述________________________________

(3)乾餾過程產生的現象描述________________________

(4)乾餾後生成物質紀錄

固體(外觀顏色、可否燃燒等)_________________

液體(外觀顏色、酸鹼性等)___________________

氣體(外觀顏色、可否燃燒、氣味等)___________

(5)乾餾前後質量變化？前_____後_____變化____ (公克)

(6)如何判斷是否為有機物質?_______________________

 

學習單中實驗分析與討論問題

(1)在本實驗中，操縱變因為_____________  應變變因為________________

(2)完成三種物質的乾餾後，請與同學討論後歸納你們如何分辨有機物化合物?(如外觀顏

色、可否燃燒、酸鹼性或其他方式等)

 (3)本實驗老師請大家攜帶較乾燥的食物進行乾餾，如果水分較多的物質，適合乾餾嗎?

理由為何?

 (4)乾餾產生的液體，酸鹼性相同嗎？若有不同可能原因有哪些？