臺灣化學教育

高中自然科學探究與實作：武陵高中自然科學探究與實作實施經驗分享

張明娟¹、吳德鵬²

桃園市立武陵高級中學

¹bcat1764@gmail.com、²depeng.tw@gmail.com

 

n  緣起

    本校103學年度為期三年的高瞻計畫，以綠能為主題與中央大學合作開發課程，課程包含太陽能、風水力、地熱能、海洋能、生質能、燃料電池、碳封存等七大主題，計畫結束後適逢新課綱的發佈，各校須準備自然科探究與實作新型態的課程規劃，時任設備組長的物理科萬昌鑫老師號召當時參與高瞻計畫的老師繼續研發新課程，基於自然跨科合作經驗，且延續綠能想法，便以「全球氣候變遷」為主題（圖1），從氣候變遷的現象開始，探討氣候量測的數據分析，氣候變遷的成因，可能造成的影響，以及人類如何因應等作為課程設計的主架構，開啟每月定期共備研發課程，並在106至07學年度開設2學分多元選修試行，108學年度再讓未參與開發課程的教師於選修課試行，目前於109學年度由自然科教師在高二所有班級跨科協同授課。

圖1 武陵高中自然科探究與實作以全球氣候變遷為議題，四科教師共備後再由參與共備的各科教師，負責各模組教案的編寫

 

n  共備及試跑經驗

   共備研發課程的初期，時間都是利用週四下午自然科共同時間（圖2），設計理念為全球氣候變遷為主題，為不偏重某一科的專業知識，特別於設計學習單時，各科老師讀到不甚了解的一些專業名詞或概念，就會運用素養導向的學習單題目作為鷹架，先引導學生成為背景知識，自然科各科教師初期也藉由此方式，了解不同科別的不同特性讓彼此增能，也因為如此，藉由此跨科的對話發現各科間的異同，開啟了更多教學的模式（圖3）。

    課程的實施需要經過試行才能進行滾動式修正，也才能察覺課程實施的關鍵所在，所以研發初期在高一開設一個班2學分的多元選修課程試行，也請教學組將研發課程的7位自然科教師在該時段不排課，試跑過程是由一位老師主要負責開發課程模組的教學，其餘6位老師在教室後方觀課，課程結束後藉由午餐會議立即議課檢討（圖4），針對課堂中產生的問題及時修正，同時學生課後的問卷反饋也都成為修正課程的依據（圖5）。

   

n    圖2一位老師負責一項課程模組編寫      圖3召開共備會議協調修正課程內容

圖4課程結束後午餐會議議課檢討   圖5學生課後的問卷反饋，並藉以修正教案

■實施現況

 課前每學年須協調一位同仁擔任協助行政（減授一節）負責協調跨科協同教學人員（物理、化學、生物、地科各依比例協調出7、7、3、1位老師來實施課程）、制定教學行事曆來安排各班課程（如圖6）、與設備組協調實施場所，以及準備教學器材。

 本校先預訂分組教室及實驗室等各兩間作為課程教學場所，實驗器材由各課程研發教師幫忙整理所需器材及藥品，整理成實驗箱以方便後續取用。藉由國教署經費挹注與優質化計畫逐步完成30台筆電購買及頻寬1G的無線網路建置，再藉由召開共備會議（1~2次/月），來協調修正課程內容。課程研發教師也藉由社群網路分享各種教學資料，並交流課程實施經驗，來達到自發、互動、及共好的目標。

圖6 教學行事曆安排各班課程、本校安排2間分組教室或實驗室，每週五天固定時間，扣除學校活動後排定實施進度課程。

    至於學期評分的部分，每學期由各課程選出6份學習單，交由6位老師來各批改其中1份全部課程實施的班級，再加上其他的分組報告、實驗成果及表達與分享的同儕評分單，共佔70%。學期末再由未批改共同學習單的教師，各出1題關於課程的素養試題題組(示例見附錄1)，交由協行教師完成1份期末考題，佔學期成績30%。

■教學模組

    一般的綠色能源，如太陽能、風能、核能、生質能、地熱能、海洋能等，以及節約油電、增加效率為目前解決全球暖化的方法，「二氧化碳捕獲與封存（Carbon Capture and Storage,
CCS）」，是將原本排放到大氣的二氧化碳攔截下來（碳捕獲），再運用科學方法將二氧化碳與大氣隔絕（碳封存），如此便能有效減緩大氣中二氧化碳濃度持續升高，達成減碳目標，是全世界科學家公認有效的減碳技術。世界能源總署認為未來全球二氧化碳減量的關鍵技術之一就是「碳捕獲與碳封存」，預估在2050年該項技術組合對二氧化碳減量的貢獻度為總量的百分之廿（徐恆文、黃欽銘、柳萬霞、陳威丞，2009；林殿順，2010），相關資料亦可查詢相關網址：行政院環保署推動碳捕集及封存技術資訊網 (http://ccs.gov2.tw/)、二氧化碳捕獲與封存技術網 (http://ccs.tw/)。

     本課程的規劃依照探究與實作四階段進行，初步課程規畫如表1，學習單引導學生探究實作如附錄。第一階段著重在發現問題，時間為第1節課前半段，強調導入任務、蒐集相關資訊與方法、形成可驗證的問題；第二階段著重在規劃與研究，時間設為第1節課後半段，強調如何協助學生設計與實際操作實驗；第三階段著重在論證與建模，時間預設為第2節課，強調協助學生實際操作驗證可行性、觀察實驗結果、推論建立模型等；第四階段在表達與分享部分，統計出各組實驗結果後，協助學生，對自己與他組的成果進行省思與評價。詳細的教案實施內容可以參考網站:自然科探究與實作心智圖之課程模組示例–碳捕獲與封存(http://naturalscience.colife.org.tw/mindmap.aspx)。

表1 碳捕獲實作的課程規劃表

節次	探究歷程	內容說明
1	發現問題	l   蒐集資訊：前一週認識碳捕獲與封存課程中，其中台泥花蓮廠鈣循環，是利用氧化鈣（CaO）與低濃度二氧化碳結合，產生的碳酸鈣（CaCO3）再經過控制條件下的高溫處理，將高濃度的二氧化碳釋放出來，剩餘的物質回復為氧化鈣，在吸放之間重複循環使用，達到捕獲二氧化碳的目的。其中可能發生的化學反應為何? 藉以引發探究的動機。 l   形成或訂定問題：探究定量氧化鈣與碳捕獲的影響因素與可能關係，提出Why及How等不同類型的研究問題，以實作方式改善碳捕獲效率。 l   提出可驗證的觀點：請學生說明所挑選控制的影響因素，吐氣時間、溶解水量等推測影響實驗結果的原因？
1	規劃與研究	l   尋找變因或條件: 依據碳捕獲實驗可能發生的反應，找出影響碳捕獲的可能原因，寫下研究的實驗假設，說明控制的影響因素，是如何影響實驗結果的？ l   擬定研究計畫: 依據本實作30分鐘操作時間，使用提供器材與藥品(氧化鈣0.2克)，控制適當的吐氣時間，以求得最多的碳捕獲，開始設計一個實驗：完整寫出實驗流程以及要如何驗證與檢測實驗解果。 l   蒐集資料數據：紀錄實驗過程的變化與結果。
2	論證與建模	l   解釋和推理：詳細描述實驗過程中所觀察的現象，如溶液中沉澱的多寡與酸鹼指示劑的顏色變化可以看出其蘊含的意義；討論結論背後可能的因果關係或影響因素，並形成解釋。 l   提出結論或解決方案：由探究結果形成結論或論點，針對自己或他組的數據、量化關係、檢核自己、同學的實驗結果的異同。 l   建立模型：沉澱的多寡與酸鹼指示劑的顏色變化是否可以幫助控制碳捕獲效率? 還有其他的輔助方式可以改善?
3	表達與分享	l   合作與討論：上週實驗後由教師統一將過濾沉澱的濾紙，標籤組別後烘乾1小時(80oC)，記錄各組捕獲量評分。在各小組分享的過程中，提出問題與回饋。 l   表達與溝通：請各組整理上周實驗記錄的資料，並準備1分鐘為限的口頭發表，分析實作過程的心得。 l   評價與省思：在聽取各組提供的回饋後，針對各組的回饋與問題進行回覆，進而反思修正自己的各階段內容。

■評量方式與工具

    評量方式以多元評量方式，包含：期末紙筆測驗、碳捕獲實驗學習單、化學碳捕獲實驗競賽（闖關評比）、小組報告（學生評比）以及主題學習單（教師評比）進行多面向的評量（因篇幅所限，後兩項請參閱心智圖之課程模組示例–碳捕獲與封存）。

紙筆測驗

紙筆測驗共分七個題組（示例參見附錄1）： 題組一至題組四，均為單選題；題組五為 2 個單選題，1個非選題；題組六為 2 個單選題、1 個非選題；題組七為 2 個單選題、2 個多重選題。 測驗時間：70 分鐘 測驗分數：單選每題4分，答錯不倒扣；多重選題，每題4分，依指考方式計分;非選題共計10分。最高分數為100分。

實驗學習單

含四大問題（內容參見附錄2）：發現問題、規劃與研究、分析數據、論證與建模。

實驗競賽(闖關評比)

化學碳捕獲實驗競賽規則（內容參見附錄3）包含四部分：實驗原理、器材與藥品、比賽方式與評分標準。

■結語

     未來氣候變遷我們有影響嗎? 面對未來環境的變遷，我們沒有人會知道發生什麼事，沒有人是局外人，沒有人可以視而不見。如何永續地與生存環境有著和諧共生的關係，是本課程共同關心的。本課程以全球氣候變遷為主題，統整跨領域概念之學習內容包括：｢自然界的組成與特性 ｣ 、｢自然界的永續發展｣、｢資訊與科技｣，引導學生以小組合作的學習方法去觀察、查找、驗證、整合相關資料，或是實驗設計、架設及後續的數據分析，實際從事一系列的試驗、探索和尋求問題解決的過程；期望提升學生對科學學習興趣與科學探究技能，並培養科學態度與正確價值觀，更進一步整合所學習到的科學概念與資訊技能，規劃出國際與國內對氣候變遷的應對措施。

■參考資料

1.林殿順（2010）。國內 CO₂ 封存的潛能與安全性。2017年10月20日引自    http://www.cier.edu.tw/ct.asp?xItem=13309&ctNode=12&mp=1

2.徐恆文、黃欽銘、柳萬霞、陳威丞（2009）。利用CaO/CaCO₃ 循環製程捕獲CO₂技術。台電工程月刊，第729期。

■附錄1

探究與實作期末紙筆測驗試題示例

題組一 :

    地球的71-72%表面都是海洋，海洋表面積約為3.6×10⁸ km²孕育了無數的生命。然而，溫室氣體的增加為全球氣候變暖的主要原因，而溫度上升導致格陵蘭冰原和南極冰蓋，以及山地冰川和北極海冰的加速融化。據估計，格陵蘭冰原過去十年平均每年融化的冰原約有24300億噸左右，南極冰蓋平均每年融化11700億噸，過去十年全球平均氣溫上升約0.2度，水溫每增加1℃，水層就將會膨脹約5毫米使得全球海平面不斷上升。請回答下列問題：

1.過去十年格陵蘭冰原及南極冰蓋的融冰造成全球海平面每年上升約多少毫米? 

  (A)10   (B)0.1   (C)0.2   (D)1             

2.過去十年氣溫上升使水層膨脹所造成的海平面上升約多少毫米?

  (A)1.5   (B)0.01   (C)0.023   (D)1                

3.過去十年造成全球海平面上升的最主要原因是?  

   (A)氣溫上升使水層膨脹   (B)海冰融化的水使海平面上升   (C)格陵蘭冰原融化

   (D)南極冰蓋融化   (E )海冰融化使反照率下降而導致氣溫上升

■附錄2

碳捕獲實驗學習單

Q1、二氧化碳捕獲的鈣循環技術，實驗中可能發生的相關化學反應方程式如下:

       CaO_(s)+H₂O_(l)Ca(OH)_2(aq)

       Ca(OH)_2(aq)+CO_2(aq)CaCO_3(s)+H₂O_(l)

       CaCO_3(s)+CO_2(aq)+H₂O_(l) Ca(HCO₃)_2(aq)

    將氧化鈣0.2克與20 毫升蒸餾水倒入燒杯並利用玻璃棒充分攪拌，製成的溶液，過濾後平均加入四個錐形瓶，各滴入2滴酚酞指示劑，並吹入不同時間呼吸作用的氣體得到如附圖，左到右的顏色分別:深紅(甲)→紅(乙)→粉紅(丙)→白色粉濁(丁)，試以代號排列出何者碳捕獲的量最多? 原因為何? (發現問題)

Q2、利用氧化鈣0.2克，控制適當的吐氣時間，產生最多的沉澱(碳酸鈣)理論值應為多少? (求得最大的碳捕獲量)。(分析數據)

 

Q3、本實作需在30分鐘內利用鈣循環的二氧化碳捕獲技術，使用器材與藥品(氧化鈣0.2克)，控制適當的吐氣時間，以產生最大沉澱量來求得最多的碳捕獲。(規劃與研究)

(1) 請問適合的水量大約為多少?

(2) 如何控制適當的吐氣時間?

Q4、觀察實驗的結果，請推論以下(A)(B)兩個反應式，室溫下何者反應較利於向右方進行? 原因為何? (論證與建模)

(A) Ca(OH)_2(aq)+CO_2(aq) CaCO_3(s)+H₂O_(l)

(B) CaCO_3(s)+CO_2(aq)+H₂O_(l)Ca(HCO₃)_2(aq)

■附錄3

化學碳捕獲實驗競賽規則

一、      實驗原理：

請參考以下化學反應的相關方程式，將個人吐出的CO_2(g)，轉變成固體封存，以減少排放至大氣中。

CaCO_3(s)CaO_(s)+CO_2(g)

CaO_(s)+H₂O_(l)Ca(OH)_2(aq)

Ca(OH)_2(aq)+CO_2(aq)CaCO_3(s)+H₂O_(l)

CaCO_3(s)+CO_2(aq)+H₂O_(l)Ca(HCO₃)_2(aq)

Ca(HCO₃)_2(aq)  CaCO_3(s)+CO_2(g)+H₂O_(l)

二、器材與藥品：

   器材:  錐形瓶250mlx4、量筒100mlx1、燒杯150mlx3、漏斗x1、刮勺x1、攪拌棒x1

   藥品:  3M HCl_(aq)、酚酞或廣用指示劑、氧化鈣0.5克

   耗材:  吸管、棉花、濾紙

三、比賽方式：

1. 利用現有器材與藥品，以控制適當的濃度、溫度，及吐氣時間，等條件，以產生最大重量沉澱為主，求得最大量的碳封存。

2. 聽取評審指示開始，操作時間為30分鐘，包括氧化鈣溶解，吐氣，及沉澱過濾操作時間。

3. 每隊可製作一份以上的石灰水，以求在有限時間內，得到最大量的沉澱。

4. 操作結束後，請交出過濾沉澱後的濾紙，並貼上各組別標籤後，由評審統一置入烘箱，乾燥1小時後秤重，評分。

四、評分標準：

1. 乾燥後固體質量達參賽班級隊伍的第一名，得分數100分。

2. 乾燥後固體質量達參賽班級隊伍的第二名，得分數  97分。

3. 乾燥後固體質量達參賽班級隊伍的第三名，得分數  94分。

4. 依此類推。