臺灣化學教育

奈米課程：融入式奈米課程之設計

何慧瑩

國立臺北教育大學自然科學教育學系

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本文之目的是讓讀者了解我們設計融入現有K-12科學教材的奈米課程之歷程，文章包含K-12奈米科技教育、奈米科技之重要概念（big ideas）、以及依據各階段認知能力與教科書之科學課程設定奈米課程融入之重點。

n  K-12奈米科技教育

奈米人材培育計畫希望能透過計劃之推動，培育出至少兩類人材，其一是能夠領導或執行奈米科技之人材，其二是能夠認知奈米科技潛能並將其產業化及商業化之人材。基於此目標，所以在人材的培育向下紮根至K-12，向上則是到大專院校與研究所（李世光等人，2003）。向下紮根至K-12，一開始最需要挑戰的就是K-12教師，因為大家都不認識奈米尖端科技，因此必須老師願意新收新知、接受訓練，當然也要對於教學有相當的熱情。

有了老師，若沒有教材也沒有用，因此當時的奈米人材培育計畫除了培訓種子教師之外，也辦理教案設計等相關競賽。經過多年的努力，許多優質的奈米教案被設計出來。趙毓圻等人（2011）以Stevens等人（2009）提出的九項奈米尺度科學與工程重要概念（big ideas），分析了2003至2008年中小學種子教師發展的209 份奈米實驗教材。他們發現整體中小學實驗教材的各重要概念出現頻率和相互關聯性的結構裡，以「尺寸與尺度」、「物質構造」和「尺寸效應」呈高出現頻率及高關聯性。他們建議在中小學可以將這三個概念加以連結來設計教材，或者是加以延伸。張政義（2008）以融入現有教學媒材之教學型態，使學生經由「認識奈米科技」、「體驗奈米科技」至「應用奈米科技」等學習階層，銜接「奈米科技K-12 教育」之學習。他認為可透過創意實驗與創意實作學習，達到促成「奈米科技」跨領域的創意學習整合分享教學成效。潘文福與周裕欽（2012）採德懷術研究國小3至6 年級適合奈米融入自然教學的核心能力與指標。他們研究發現，89%專家認為有必要將奈米融入3至6 年級的自然教學，50%以上認為適合奈米融入自然教學的核心能力依序為科學態度、科學技術認知、思考智能、科學應用。從以上的文獻，除了教師之因素，我們設計奈米課程需要知道奈米的重要概念（亦即九項big ideas）、各學習階段所能融入的重點與方式、要有讓學生動手做的創意實驗、最後是要融入哪些自然教學的核心能力。

圖1所示為本文作者依據這些文章所繪製的K-12奈米科技教育概念圖，圖中包含兩大區塊：教師與教學設計。其中，九項big ideas和各階段學童的認知能力作為教學設計之基礎，而創意實驗除了動手做之外，還加上了數位學習與影片學習，以因應無法在一般實驗呈現的奈米現象。而我們在設計奈米課程時，即依據這樣的邏輯進行。

圖1：K-12奈米教育概念圖（圖片來源：作者繪製）

 

n  奈米科技的九項Big ideas

奈米科技的九項big ideas彼此之間是互相有關聯的，但仍可依概念之差異來區分。本文作者參考趙毓圻等人(2011)的說明，重新詮釋九項big ideas之內涵：

一、尺寸與尺度（size & scale）

尺寸是指物體的大小（長、寬、高、直徑、…），尺度則為尺寸在數量級上的差異，例如：天文尺度（AU天文單位、光年）、毫米尺度（ m）、微米尺度（ m）、以及奈米尺度（ m）。

二、物質的構造（structure of matter）

物質的構造泛指其組成份子之排列方式，例如：原子排列、分子排列、介質週期性排列，常見的教學內容為巴克球、奈米碳管、光子晶體。

三、尺寸效應（size effect）

指物質的尺寸在不同尺度範圍，伴隨有性質上的變化，例如：燃點的變化（鐵無法燃燒，但奈米鐵粉只要自由落下，即可因摩擦生熱而燃燒）、顏色變化（奈米金不是金色，它的顏色隨直徑而變化）、反應速率變化（將蘿蔔切碎，比表面積會增加，因此提高與雙氧水的反應速率）。

四、力與交互作用（force & interactions）

形成交互作用時，必有力的存在。例如：形成各種鍵結的庫侖作用力、造成壁虎效應的凡德瓦力、造成蓮葉效應的表面張力（表面能）。

五、量子效應（quantum effect）

粒子的波粒二重性所造成的各種現象，例如金屬能帶結構、穿隧效應、電子繞射。

六、自組裝（self-assembly）

物質可以自己排列成規則性結構，這規則性結構與物質所在環境有關。例如：結晶、DNA複製、粒子排列（圖2）。

圖2：直徑20微米塑膠球的自組裝（拍攝者：林威延和湯雅慧）（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016）

七、工具與儀器（tools & instrumentation）

    工具與儀器幫助科學家研究，例如：近場顯微鏡（SNOM）、原子力顯微鏡（AFM）、穿隧電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）…等。若沒有工具與儀器的發展，許多奈米尺度的現象是無法被研究與觀察的。

八、模型與模擬（models & simulations）

    所有的研究與觀察。都需要透過實體模型或理論模型來建構出其樣貌，透過模擬可以進行推論，例如利用電腦可模擬光子晶體結構對的光線傳播的影響。

九、奈米科技與社會（nanotechnology & society）

    奈米科技對社會的影響，包含正面與負面影響之評估，例如奈米科技對人類生活的衝擊、奈米粒子對環境的影響。

n  發展K-12融入式奈米課程

推廣K-12奈米教育，對教師而言，最困難之處在於教材設計，若能直接融入各學習階段的科學課程，對教師授課而言，可大幅降低教學進度的壓力，因此，我們選擇發展融入式奈米課程。以下是我們設計融入式奈米課程的四個步驟：

一、分析K-12認知能力範圍內之素材概念

    一開始，我們必須先釐清奈米素材在K-12認知能力範圍內所包含的概念，以避免設計教材時，超出學生認知能力範圍太多。分析的內容主要包含兩部分：(1)生活上常見的奈米現象；(2)有關聯的big ideas及其相關知識內容。

    以蓮葉效應為例（圖3），生活上常見的蓮葉效應現象有蝴蝶翅膀和蓮葉表面的自潔效應，這是因為奈米結構引起的超疏水性；與蓮葉效應有關的big ideas包含尺寸與尺度、尺寸效應、力與交互作用、以及奈米科技與社會，對應這些big ideas的知識內容，我們也一一寫入概念圖中，最後以「四力平衡系統」作為總結。

圖3：蓮葉效應概念分析圖（圖片來源：作者繪製）

    我們再以光子晶體為例（圖4），蝴蝶翅膀和光碟片為生活上常見具有光子晶體現象的昆蟲與物品，以不同視角觀看蝴蝶翅膀和光碟片時，會看到不同的顏色，這是因為光子晶體對色光的反射行為與色光頻率有關；光子晶體包含的big ideas有尺寸與尺度、物質的結構、尺寸效應、自組裝、以及奈米科技與社會，我們把對應這些big ideas的重點寫入概念圖中，最後以「光的能帶結構及其衍生之現象」作為總結。雖然光子晶體最重要的發現是光的能帶結構和負折射率，然而基於超出K-12階段認知能力太多，我們必須捨棄，因此雖然在圖4的總結中出現能帶結構這名詞，但設計教材時會著重在其衍生的現象。 

圖4：光子晶體概念分析圖（圖片來源：作者繪製）

二、分析素材概念可融入各階段科學課程的奈米科技重點

    我們依據素材概念分析圖，尋找各學習階段科學教科書中與該素材相關的教學內容，然後依據各學習階段之認知能力，分析可融入科學課程的奈米科技重點。

    以蓮葉效應為例（表1），幼稚園至小二階段為感覺動作期，此階段以體驗和認識蓮葉效應為主。國小中、高年級為具體運思期，我們可透過具體操作讓他們了解蓮葉效應和毛細現象的特徵有何相同之處，並思考在生活中的應用。國中和高中階段為形式運思期，此階段學生可進行抽象思考，因此可讓國中學生了解蓮葉效應與力平衡有關，而高中學生則可分析毛細現象和蓮葉效應與表面張力的關係。

表1：蓮葉效應可融入各階段科學課程的奈米科技重點

階段	教科書之科學課程	奈米科技融入科學課程之重點
幼稚園至小二		認識自然界中具有蓮葉效應的植物。
國小中、高年級	毛細現象	認識自然界中的蓮葉效應及其可在生活中進行的應用。
國中	力的合成與力平衡	探究毛細現象和蓮葉效應之力平衡現象。
高中	表面張力與表面能	理解毛細現象和蓮葉效應都與表面張力有關。

    再以光子晶體為例（表2），幼稚園至小二階段以體驗和認識光子晶體現象為主。國小中、高年級可透過具體操作讓他們了解週期性結構是光子晶體的特徵，並思考在生活中的應用。國中學生可經由操作和教師解說，了解光子晶體現象的週期性結構是奈米結構。高中學生可從觀察到不同的光子晶體現象，進而推論奈米結構週期尺寸差異為何。

表2：光子晶體可融入各階段科學課程的奈米科技重點

	教科書之科學課程	奈米科技融入科學課程之重點
幼稚園至小二		認識具有光子晶體的生物或物品。
國小中、高年級	光的反射、折射、彩虹、彩色電視…等	察覺材料尺寸趨於奈米尺度時性質會發生改變，並認識其在自然界的現象和奈米科技中的應用(如彩蝶效應)。
國中	光的三原色(RGB)	認識彩蝶效應是由於週期性奈米結構所造成。
高中	單狹縫繞射、雙狹縫干涉、光柵	理解光子晶體是特殊週期排列的奈米結構，隨著結構的週期尺寸不同，觀察到的現象會有差異，為彩蝶效應形成之原因。

三、設計創意動手做實驗

    依據素材概念分析圖（圖3和圖4）和奈米科技融入科學課程之重點（表1和表2），思考如何有創意地讓該奈米現象透過動手做實驗呈現出來。詳細的創意實驗設計過程，請參閱〈「蓮葉效應」國中奈米課程與教具設計〉和〈「光子晶體」高中奈米課程設計〉兩篇刊載於本期之文章。

四、撰寫教案

    最後，搭配科學課程設計完整的融入式奈米教案。詳細的教案設計，請參閱《高中「光碟讀寫機制與其光子晶體現象」教學模組教師手冊》（何慧瑩、盧秀琴，2014）和《國中「蓮葉效應與力平衡」教學模組教師手冊》（何慧瑩、盧秀琴，2016）兩本書籍。

n  結語

發展新興科技的課程不是一件容易的事，因為教師自己得先了解這些新興科技背後的原理，分析其概念，才能進行教學設計。然而了解這些新興科技的原理對教師而言，本身就是一件相當不容易的事。我自己相當佩服在計畫推行初期，即投入這艱難工作的種子教師們，在此向他們致上最高的敬意！

n  參考資料

何慧瑩、盧秀琴（2014）。高中「光碟讀寫機制與其光子晶體現象」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN：978-986-04-1582-7)

何慧瑩、盧秀琴（2016）。國中「蓮葉效應與力平衡」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN：978-986-04-5286-0)

李世光、吳政忠、蔡雅雯、林宜靜、黃圓婷（2003）。奈米科技人才培育計畫之推動規劃與展望：從K-12奈米人才培育試行計劃談起。物理雙月刊，25(3)，435-443。取自https://www.ps-taiwan.org/bimonth2/download.php?d=1&cpid=131&did=9

張政義（2008）。奈米科技融入國小自然與生活科技課程之教學研究。物理教育學刊，9(1)，109-122。

趙毓圻、熊召弟、于曉平（2011）。臺灣中小學奈米科技實驗教材之內容分析。教育科學研究期刊，56(4)，1-42。

潘文福、周裕欽（2012）。奈米科技融入國小3-6 年級自然與生活科技課程核心能力與指標之研究－奈米專家觀點。物理教育學刊，13(2)，77-102。

Stevens, S., Sutherland, L., & Krajcik, J. S. (2009). The big ideas of nanoscale science and engineering: A guidebook for
secondary teachers. Arlington, VA: NSTA Press.