臺灣化學教育

奈米課程：從奈米碳黑探討蓮葉效應的概念改變教學

陳月雲¹、盧秀琴²

新北市中和區秀山國民小學¹

國立臺北教育大學自然科學教育學系²
[email protected]¹

[email protected]² 

奈米科技課程將於2010學年度起正式進入國民小學自然領域課程中，本研究以實徵教學方式來瞭解學生學習蓮葉效應可能產生的另有概念，發現76.57%學生產生自潔效應的另有概念，再以奈米碳黑配合POE策略模擬蓮葉效應教學。教學後，學生較能理解蓮葉效應的疏水性與自潔效應，超過61.9%學生能解釋其成因，具有蓮葉效應的正確概念。研究結果顯示採用POE策略結合奈米碳黑實驗教學，能提升國小學生對蓮葉效應的理解，更有助於另有概念改變，提升學習成效。

n  簡介

奈米（nm）是二十一世紀最熱門的名詞，奈米科技已被公認是二十一世紀最重要的技術之一（潘文福，2004）。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通高級中等學校自然科學領域第三階段學習內容「INf-Ⅲ-3自然生物的特徵與原理在人類生活上的應用」中，明列「藉由觀察荷葉或芋頭上的露珠不會弄濕荷葉，蓮葉表面具有超疏水性以及自潔的特性，認識蓮花效應與奈米科技」（國家教育研究院，2020）。由此可知奈米科技課程已進入國小自然領域課程中。

蓮花表面具有出污泥不染的能力，這種不需要人工清洗，僅由天然雨水沖刷就可保持葉面清潔的能力，科學界稱為「自潔功能」，其中又以蓮花為代表，稱為蓮花效應（Lotus effect）（廖達山等，2004）。碳黑由碳元素組成，係指未完全燃燒的碳顆粒，大小介於10nm ~100nm，附著在物體表層上，會產生與蓮葉效應相類似的現象，是人類最早使用的奈米材料之一（奈米碳的奧秘，2020）。

另有概念普遍存在於學生學習狀況，會影響學生的學習成效，很難經由傳統教學方法而改變，對科學教育者而言，瞭解學生的另有概念是非常重要的（Wandersee et al., 1994；Palmer &
Flanagan, 1997）。預測－觀察－解釋（Prediction－Observation－Explanation，POE）教學策略能有效引出學生的另有概念，激發學生觀察實驗結果的真相，能產生認知衝突而重新調適與組織，以形成新的知識體系，達成另有概念改變的目的（邱美虹，2000；Liew, 1995）。本研究透過水珠在蓮葉上的觀察，分析學生學習的另有概念，再藉由POE教學策略進行奈米碳黑實驗，瞭解學生的另有概念改變情形。

n  國小學生的蓮葉效應學習情形

第一階段採用實徵教學方式，觀察水滴在蓮葉上的形狀、移動情形和自潔效應，瞭解學生學習的概念產生情形，活動整理如表1所示。

表1 蓮葉效應教學概念與活動內容

    教學後，多數學生能理解「疏水性」概念，知道「蓮葉上的水珠呈圓形，且能在葉面上滾來滾去」；但對「自潔作用」存有較多的另有概念，認為「水流過的地方，爽身粉會隨著水的滾動而被帶走，爽身粉溶於水中，所以爽身粉會在水的裡面」，分析學生的應答情形，如表2。

表2 實徵教學後學生於蓮葉效應的應答情形

從學生的應答情形可知，學生多半就直覺性的感官觀察來描述現象，致對另有概念頗多，尤其是自潔效應之另有概念比例更高達72.57%。探究其產生原因多半為：1.將多數複雜的概念或決定步驟簡化成數個簡單旳概念或決定步驟（化約模式）；2.將相關概念與階層概念的關係誤用（推理不當模式）；3.將生活經驗當作正確的科學意義（經驗誤用模式）；及4.將概念的定義陳述錯誤（記憶連結錯誤模式）等，如表3另有概念模式分析所示。

表3另有概念診斷測驗中學生應答之另有概念模式分析

n  奈米碳黑配合POE教學法的另有概念改變教學

為改變學生的另有概念，故以燭火燻在裝有水的紙杯底部，製造一層碳黑，再滴水於碳黑上之模擬蓮葉效應的奈米碳黑實驗，採用POE學策略，透過奈米碳黑與水之間的反應觀察情形，分析學生另有概念改變情形，其教學分析整理如表4所示。

表4奈米碳黑配合POE教學法的另有概念改變教學分析

教學後，學生對「爽身粉會被包覆於水中」的概念轉為「爽身粉會將水包覆，黏附在水的外面」；瞭解碳黑為奈米尺寸，具有與蓮葉效應相同的效果；以及改變物質表面材質，可使原本親水性的物質轉為具有疏水性的特性，並可應用於日常生活中，例如奈米磁磚、奈米布等。後測成績表現上亦明顯多於教學前，其正確概念比例明顯提升，如表5所示。

表5 學生在奈米碳黑配合POE教學後的蓮葉效應成就測驗表現

n  結論與建議

根據學生的另有概念進行另有概念改變教學，學生在科學概念上有較多的嶄獲。由於奈米尺寸過小，學生無法直接從肉眼觀察去理解水珠、爽身粉與蓮葉間交互作用的成因，僅能就表面現象去想像，形成的另有概念較多。因此，提供學生模擬實驗的觀察與討論是很重要的，另採用POE策略教學除可幫助學生發現自己的概念衝突外，更可使學生瞭解實驗觀察的真相、學習狀況與概念轉變情形，更有助於另有概念的遷移，提升學習成效。

n  參考資料

廖達山、胡苓芝、潘彥宏、孫蘭芳（2004）。奈米科技K-12教育發展系列叢書—奈米科技交響曲生物篇，台北市：國立台灣大學出版中心。

潘文福（2004）。奈米科技融入九年一貫課程之領域主題規劃。生活科技教育月刊，37（2），20-25。

邱美虹（2000）。概念改變研究的省思與啟示。科學教育學刊，8，1-34。

奈米碳的奧秘（2020年7月12日）。國立台中教育大學科學教育與應用學系科學遊戲實驗室，網址：http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-018.html。

國家教育研究院（2020年7月19日）。教育部發布之十二年國教課綱彙整—十二年國教各領域/科目課程綱要／十五、自然科學領域。網址：https://www.naer.edu.tw/files/15-1000-14113,c1594-1.php。

Liew, C. W. (1995). A predict-observe-explainteaching sequence for learning about students’understanding of heat and expansion of liquids. Australian
Science Teachers Journal, 41(1), 68-71

Palmer, D. H., & Flanagan, R. B. (1997). Readiness to hange the conception that “motion-Implies-force”: A comparison of 12-year-old and 16-year-old students. Science Education, 81(3), 317–331. 

Wandersee, J. H., Mintzes, J. J., & Novak, J. D. (1994). Research on alternative conceptions in science. In D. Gabel (Ed.), Handbook of research on science teaching and learning. New York:
Macmillan.