臺灣化學教育

設計以「鹽」為主題的Reading-STEAM跨領域教材

古建國

臺北市立大學  應用物理暨化學系
ckku@go.utaipei.edu.tw

 

中學提到鹽概念有再結晶與酸鹼反應之產物，食鹽是生活必需品，而酸鹼概念與生活關係密切，舉凡食物的酸鹼、衣服染色的條件或是清潔作用等，尤其酸遇到鹼之後產生鹽類與水。小學自然課程談到鹽的溶解與中學鹽的濃度計算（包括溶解度的介紹），實驗部分有鹽的再結晶與純化，以及談到化學反應會得到鹽類，例如醋與小蘇打的反應或是鹽酸與氫氧化鈉的反應。

本文閱讀的跨領域教材設計首先是以沈括《夢溪筆談》中的解州鹽池與陵州鹽池介紹岩鹽，以探討先人獲得食鹽的方式與相關知識，進而延伸探討食鹽的取得與精鹽製備，接著介紹酸與鹼反應產生鹽類的方式（科學），以及連結數學中的邏輯概念與資訊科技撰寫自動滴定裝置所需的設計，利用繼電器、紅外線感應器與外置抽水馬達製作酸鹼滴定裝置，進行酸鹼滴定產生鹽類，融入藝術領域，設計具有美感的自動滴定器，並藉由此設計模式延伸應用在生物中的植物澆灌與生活科技中的防疫科技應用之酒精自動噴灑器。

n  簡介

108課綱強調跨領域學習，以理科之科學與數學為例，融入人文藝術元素，透過主題式單元設計出發，以建構學生的學習思維，讓學生知道學習的來源已經不能只透過教師或書本，尤其加入科技領域內容，可以提升學生問題解決能力，其中人文藝術導入課程過程中，閱讀扮演重要角色，二十一世紀除了是一個資訊爆炸的時代，閱讀是吸收新知首要步驟，提升閱讀能力有助於各領域知識或技能的學習與表達。

1.     酸鹼與鹽

中小學科學學習中，酸、鹼、鹽是很重要的學習單元，以108課綱自然科學領域提到的學習內容說明如下:

第二學習階段學習內容：INe-Ⅱ-4常見食物的酸鹼性有時可利用氣味、觸覺、味覺簡單區分，花卉、菜葉會因接觸到酸鹼而改變顏色。

第三學習階段學習內容：INe-Ⅲ-5常用酸鹼物質的特性，水溶液的酸鹼性質及其生活上的運用。

第四學習階段學習內容：Jd-Ⅳ-3實驗認識廣用指示劑及pH計。Jd-Ⅳ-6實驗認識酸與鹼中和生成鹽和水，並可放出熱量而使溫度變化。

學生在學習過程中，小學學習階段是認識與判斷酸與鹼，以及知道食鹽則是來自於自然界的岩鹽或海鹽。中學學習階段延伸到酸與鹼作用會產生鹽類，並進行相關議題探究。

 

2.     STEAM與閱讀融入STEAM（STREAM）

STEAM是指科學（S）、科技（T）、工程（E）與數學（M）教育中加入藝術（A）領域（Arts），強調綜合的學科知識，有別於STEM是因為加入了藝術元素，增加學童表達與詮釋的學習（Sharapan,2012），這樣的跨領域學習更能激發學生的創造力和合作學習，讓學生學習更貼近生活。例如：周佳萩（2018）發展國小簡單機械STEAM統整課程之歷程研究，或李坦營（2017）以STEAM為本建構海洋教育新興議題融入視覺藝術之課程模式。

日前透過政府與民間的資源投入中小學推動閱讀，除了需要提升教師閱讀專業知能與教學能力之外，更需要培養學生閱讀習慣，增進學生閱讀素養及理解能力，於是有學者認為應該在STEAM中加入閱讀（Reading），DeBoer、Carman和Lazzaro（2010）認為跨領域中要有閱讀（Reading）與寫作（Writing），Ali
Trachta（2018）將閱讀和寫作融入STEM和STEAM以推廣STREAM，提供學生跨領域學習。與日前國內108課綱重視「跨領域學習」理念相呼應，期待學生能整合這些學科知識應用於解決生活問題。

 

n  跨領域（Reading-STEAM）教材設計

以科普閱讀導向之STEAM（Reading-STEAM）教材可採取探究式的教學方式進行。教學活動分為議題探究、發現問題、實作討論和探究延伸四個部分，以鹽為主題Reading-STEAM設計見表1。

 

表1以鹽為主題之Reading-STEAM教材設計

單元	閱讀（Reading）	STM	EA
1. 議題探究	「夢溪筆談」之鹽池
2. 發現問題	鹽的來源與特性
3.      實作討論 STEAM探究	酸鹼鹽	再結晶與酸鹼滴定	設計與製作自動滴定裝置
4. 探究延伸	吳又可之《瘟疫論》 植物生長	酒精自動噴灑 植物自動澆灌	酒精自動噴灑器 植物自動澆灌器

 

1.議題探究~閱讀：沈括「夢溪筆談」之陵州鹽池

解州鹽澤，方百二十里……大鹵之水，不得甘泉和之，不能成鹽。唾巫咸水入，則鹽不復緒，故人謂之「無鹹河」，為鹽澤之患。築大堤以防之，甚於備寇盜。原其理，蓋巫咸乃濁水，入鹵中則於澱鹵脈鹽遂不成，非有他異也。

原意為：解州鹽池方圓一百二十里…….鹽池中間有淡的泉水，使鹽鹵結晶。當巫咸水流入，就無法得到鹽鹵，所以人們稱這條河為「無鹹河」，解決這問題的方法就是修築堤防，防止此河水流入鹽池，其原因是因為水濁，流入鹽池後會沉澱堵塞鹽鹵脈，無法繼續產鹽….。

陵州鹽井，深五百餘尺，皆石也。上下甚寬廣，獨中間稍狹，謂之“仗鼓腰“，……後有人以一木盤，滿中貯水，盤底為小竅，釃水一如雨點，設於井上，謂之“雨盤“，令水下終日不絕，如此數月，井幹為之新，而陵井之利復舊。

原意為：陵州鹽井深五百多尺，井壁全是岩石。井的上部、下部較廣，中間較窄，又稱為“杖鼓腰“……井的木頭腐爛，需要整修換新，但受到井中陰氣襲人，無法下井施工，只能等到下雨天，陰氣較少才稍微可以下井施工，後來，有人製作木盤，木盤裝滿水，並在盤底鑿了許多小孔，讓木盤中的水從這些小孔中灑出，產生類似下雨情景，又稱為“雨盤“，這種人造雨水方式降低陰氣危害，就能下井修理與更換木頭，恢復陵州鹽井原狀。

 

(2)發現問題

a.    為什麼會有岩鹽?

b.    為什麼解州鹽澤需要甘泉水而不要巫咸水?

c.    陵州鹽井修復需要雨盤作用原因是什麼?

 

(3)實作討論~STEAM探究

a.       科學探究:

(a)    有哪些方法可以製備食鹽?

(b)   岩鹽與海鹽製備有何差異?

(c)    設計如何以不用天然方式製備食鹽。

b.      數學探究:如何設計一池永遠不會下沉（永遠浮在水面上）的浴池?

c.       科技/工程/藝術探究: 設計與製作酸鹼自動滴定器。

(a)    材料

使用材料見表2。

 

表2: 使用材料

紅外線避障模組	外置抽水馬達	單電路繼電器 DC5V
Microbit	電池盒

(b)     連結電路

連結電路與完成圖請見圖1與圖2。

 

圖1 酸鹼自動滴定器電路連接

圖2酸鹼自動滴定器電路連接完成圖

(c)      撰寫程式

圖3酸鹼自動滴定器程式碼

 

(d)     工程與美學:思考如何從美學觀點設計自動滴定器。

 

(4)探究延伸~

a.     植物議題之Reading-STEAM教材元素

利用本課程延伸至植物單元，並進行植物澆灌，其STEAM課程元素說明如下，見表3，相關程式碼見圖4。

 

表3植物議題之Reading-STEAM教材元素

元素	說明
閱讀	「天工開物」之「稻田灌溉」……天澤不降，則人力換水以濟。凡河濱有制筒車者，堰陂障流，繞於車下，激輪使轉，挽水入筒，一一傾於見內，流入畝中。晝夜不息，百畝無憂。不用水時，拴木礙止，使輪不轉動。……
科學(S)	Bc-Ⅳ-4日光、二氧化碳和水分等因素會影響光合作 用的進行，這些因素的影響可經由探究實驗來證實。
科技(T)	設計自動澆灌器之程式
工程(E)/藝術(A)	製作自動澆灌器與規劃種植區域
數學(M)	探究不同植物種類的需水量以及計算節能效率

圖4自動澆灌之程式碼

備註:1. 其中在邏輯中(如果…..那麼……)關於類比信號讀取之參數修正，有別於紅外線感測器，自動澆灌採用土壤濕度計，視土壤濕度計偵測數字修正，若無水時候是約1020左右, 則設>800，若土壤濕度計偵測數字無水時候約20左右, , 則設<100。

備註:2. 與酸鹼自動滴定差別在於程式執行中暫停時間不同，酸鹼自動滴定中馬達通電時80毫秒(0.8秒)，自動澆水中馬達抽水時間為5000毫秒(5秒)。

 

b.   生活科技防疫議題:

製作酒精自動噴霧器或自動給皂機，閱讀部分則是吳又可之《瘟疫論》。利用紅外線避障模組感應手部，經Microbit與馬達抽取適當75%酒精量進行噴灑手部，免接觸消毒瓶即可達到消毒作用。

 

表4生活科技防疫議題之Reading-STEAM教材元素

元素	說明
科學(S)	認識細菌、病毒及微生物
科技(T)	設計酒精自動噴霧器之程式(將酸鹼溶液改成75%酒精)
工程(E)/藝術(A)	製作自動噴霧器
數學(M)	預估一天噴霧器使用量與充填次數

 

n  結論

目前課綱強調跨領域學習，以主題式進行跨領域學習，可以培養學生具備問題解決能力，另一方面也提供學生合作學習機會，因為小組成員中，有人學科背景好，可以轉化所學科學知識給小組其他成員，有人程式設計能力強，可以完成程式撰寫，成員中有人美術設計能力佳，可以做出令人激賞作品，建立小組成員每人貢獻一樣重要的概念，就能體會合作重要，所以跨領域學習有其必要性。

n  參考資料

周佳萩（2018）。發展國小簡單機械STEAM統整課程之歷程研究。未發表碩士論文。高雄市: 高雄師範大學。

李坦營（2017）。以STEAM為本 建構海洋教育新興議題融入視覺藝術之課程模式。未發表碩士論文。臺北市: 臺灣師範大學。

DeBoer, G., Carman, E., & Lazzaro, C. (2010). The role of language arts in a successful STEM education program. College Board Project 2061. Retrieved from http://files.eric.ed.gov/fulltext/ED563458.pdf.

Lindeman, K., & Anderson, E. M. (2015, May). Using Blocks to Develop 21st Century Skills. Young Children, 70(1), 36-43.

Sharapan, H. (2012). From STEM to STEAM: How Early Childhood Educators Can Apply Fred Rogers’ Approach. Young Children, 67 (1), 36-40.

Tarnoff, J. (2010). STEM to STEAM – Recognizing the Value of Creative Skills in the Competitiveness Debate. Huff Post Education, Retrieved from https://www.huffingtonpost.com/john-tarnoff/stem-to-steam-recognizing_b_756519. Html