臺灣化學教育

素養導向評量：化學科探究與實作命題之我見

楊吉水

國立台灣大學化學系
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•       前言

    大家俗稱之「108課綱」明確規範「普通型高級中等學校自然科學領域部定必修總分數12學分中，應含三分之一跨科目之主題式探究與實作課程內容」。既然探究與實作課程旨在培養學生的科學素養，又是必修課程，「探究與實作命題」自然成為大學入學考試中心(以下簡稱大考中心)
111學年度大學入學考試「素養導向命題」的一部分。然而，面對沒有特定教材的探究與實作課程，高中端除了有教材準備的壓力外，也擔憂如何協助學生因應大考的探究與實作試題。對此，大考中心除提供考試說明與範例等書面資料外，也積極召開各項說明會與工作坊，期使高中老師們明瞭各種素養題型，但受限於時空因素，無法擴及每一位教師或關心此一議題之大眾。因此，繼去年拙作「素養導向評量：化學科素養命題之我見」註1後，我再次以參與大考中心試題研發者的身分，針對化學科探究與實作命題的一些重要面向與觀點，以本文與大家分享。

•      素養命題類型

我先前已於上述拙作中對素養命題的精神與某些誤解提出說明，在此，稍作簡單摘要與補充。一道素養題的要素，是題目要有新資訊(未出現於教材之內容)，學生需要結合先備知識與新資訊，才能正確回答問題。我要特別強調新資訊不等於新知識：資訊是可以被立即明白、接收及應用的內容，而知識是需要經過一段較長時間思考、理解及練習後，或需透過他人傳授講解才能真正掌握的內容，學校的教學內容即是各種知識。因此，將「加深加廣」的選修學科知識包裝成學測的素養題並不恰當，因為題目包含新知識而非新資訊，無法以簡短題幹於短暫考試時間內達到知識傳授與立即應用的目的。此作法也不符公平性，因為有學過的自然組學生較占便宜。另一種不合適的做法是考「閱讀測驗題」，亦即不需先備知識便可由題幹資訊回答的題目，畢竟我們要測試的是化學素養而非單純語文素養。

「探究與實作」在課綱中雖是一門課，實則有兩個不同層次，可比擬大學中的「××化學實驗」和「專題研究」課，前者已有完整的目標、方法和流程，著重實驗技巧與相關學理，各項實驗可在一段短時間內完成，而後者則充滿未知，一切從「發問」開始，並要設法找尋答案，邏輯推理是必備的能力，有了最後的「發表」才算大功告成。因此，「探究與實作命題」可分成「探究命題」與「實作命題」。據此，素養試題可分成三類(見表1)：「知識素養題」、「實驗/實作素養題」和「探究素養題」。「知識素養題」即是以素養題型測試學生對學科先備知識掌握之多寡者。當題目涉及實驗操作，且符合新素材(非基本課綱實驗)要件者，便是「實驗/實作素養題」，這類題目旨在測試與實驗相關的先備知識(實驗原理和器材功用)或對實驗數據的理解與分析能力。「探究素養題」則著重研究動機(要探究之問題)、研究方法和邏輯推理與推論等，測試學生的基本科學素養。既然一道「實驗/實作素養題」或「探究素養題」有許多面向，且題幹敘述(含實驗步驟)通常較長，也會提供相關實驗數據，這類題目適合以題組方式呈現，特別是混合題型(含選擇題與非選題)。以下透過兩個範例作相關說明。

表1：三大素養題型之測試目標與先備知識層次

	知識素養題	實驗/實作素養題	探究素養題
測試目標	學科知識	實務操作	邏輯推理
先備知識	中	中	低

•       探究與實作命題示例

• 例一（107年指考試題）

某日王同學整理實驗桌時，發現一瓶未加蓋的水合硫酸鐵(Ⅱ)（FeSO₄⋅7H₂O），其中已有部分晶體變為黃褐色。經詢問老師，得知是因為部分鐵(Ⅱ)離子被氧化所致。於是王同學決定分析這瓶試藥中鐵(Ⅱ)離子的含量。他準備了以下器材：天平、容量瓶（100mL）、燒杯（250mL）、量筒（100mL）、錐形瓶（250mL）、滴定管、滴定管夾、分度吸量管、安全吸球、玻棒、漏斗及鐵架。

實驗過程如下：

步驟1.稱取水合硫酸鐵(Ⅱ)試樣4.00克倒入容量瓶中配製成100mL的水溶液。

步驟2.準確量取步驟1之水溶液50mL倒入器材甲中，再加入3.0M硫酸溶液約30mL，混合均勻。

步驟3.將已標定過的0.05M過錳酸鉀溶液裝入器材乙中，並讀取器材乙中溶液體積的最初刻度為28.25mL。

步驟4.以過錳酸鉀溶液滴定器材甲中的硫酸鐵(Ⅱ)溶液，當達到滴定終點時，讀取器材乙中的溶液刻度為48.25mL。

根據上述實驗回答下列問題：（8分，每小題各2分）

1. 寫出器材甲的名稱。

2. 寫出如何以顏色變化來判斷步驟4的滴定終點。

3. 寫出步驟4的淨離子平衡反應式。

4. 試以滴定數據，計算此水合硫酸鐵(Ⅱ)試樣中所含鐵的重量百分率。

• 例二（大考中心研發試題）

已知雙金屬的催化劑是由兩個金屬所組成，可以加速特定化學反應的速率。某研究者利用不同含量的銅鎳混合催化劑，在316℃時分別做了一系列的實驗一和實驗二，探討各反應的產物生成速率，
其結果分別如下表所示。

      實驗一：乙烷(C₂H₆) + 氫氣(H₂) → 甲烷(CH₄)

      實驗二：環己烷(C₂H₆) → 苯(C₆H₆) + 氫氣(H₂)

      試依實驗結果，回答下列問題：

1.如以純的銅粉重覆做實驗一，則下列何者為每秒鐘產生甲烷的速率？

(A)超過300,000     (B)在300,000與200之間  (C)600       (D)50    (E) 小於2

2.下列有關於實驗一中的產物生成速率與催化劑組成的關係圖，何者正確？

    {縱軸：甲烷（分子/秒）、橫軸：銅 (%) }

3.研究者要探討兩個實驗中，溫度與催化劑間的關係，下列何者為所需採用的步驟？

(A)在不同的溫度下，重複做實驗一

(B)在不同的溫度下，重複做實驗二

(C)在不同的溫度下，使用銅做催化劑，以相同的步驟操作兩個實驗

(D)在不同的溫度下，使用鎳做催化劑，以相同的步驟操作兩個實驗

(E)在不同的溫度下，以相同的步驟操作兩個實驗，使用相同的銅鎳混合物

4.若該研究者的推論為：「由實驗二的結果，可以知道純銅是實驗二最好的催化劑」，則下列有關於其推論的正確性與判斷該推論正確與否的理由，何者正確？

例一是一道典型的「實驗/實作素養題」，各小題所測試的皆為與實驗相關的學理和器材之先備知識。該實驗只有一個明確的目的：分析試藥中鐵(II)離子的含量。因此，數據僅有一組，學生只要理解各步驟的意涵，結合氧化還原反應的先備知識，即可作答。例二則為「探究素養題」，學生只要具備催化劑的基本概念，且能理解題幹中實驗數據間的關係，透過基本邏輯推理便可作答。雖然此二例並非混合題型，但要修改成混合題並非難事。

我將「探究與實作命題」歸納出三類典型問法。
第一類屬探究方法論與邏輯推論，包括:
1-A根據實驗結果(與相關資訊)，可作出下列何種推論?
1-B若某生作出以下××推論，你是否同意?理由為何?
1-C若要作出××推論或獲得××資訊，需要再執行何種試驗/實驗來確認?
1-D若採用××新的條件，結果會如何?
1-E本實驗的目的為何?
第二類屬數據理解與分析題型，包括:
2-I實驗結果中某兩個參數(通常是所謂的操縱變因與應變變因)間的關係為何?
2-II根據實驗數據，試比較××大小/好壞或計算××為若干?
第三類屬實驗素養題型，包括:
3-甲××器材名稱與用途為何?
3-乙本實驗或第×步驟所涉及的××學理為何?
3-丙影響實驗結果的可能因素為何?
3-丁正確實驗步驟順序為何?
例如：上述例一涉及2-II、3-甲和3-乙等三種問法，而例二則有1-B、1-C、1-D和2-I等四種問法。這些問題可以是選擇題或非選題，就後者而言，須考慮「是否能提高鑑別度？」或「答案是否會太發散而不易閱卷？」等正反因素。此處我試圖不用「發現問題」、「規劃研究」、「論證建模」、「表達分享」等模組來看待這些題目，而是用問法來歸類，或許可讓題目的設計更容易些。

素養試題未必要有長題幹，也並非得是題組，短題幹的單題亦可達到同樣的測試目的。以下試舉二例短題幹的「探究與實作命題」:

• 例三（110年學測試題）

科學家在金星大氣層中發現PH₃的存在，濃度為5-20ppb。已知：
1.地球大氣層中的PH₃均來自微生物；2.金星的天文、地質現象，都無法產生PH₃；3.PH₃容易被氧化成其它物質。下列相關推論哪些正確？（應選3項）

(A)金星可能存在微生物

(B)金星上的PH₃在地球上不會被氧化

(C)沒有生物的星球應該不會產生PH₃

(D)地球上PH₃的氧化產物可能為磷的含氧酸

(E)金星大氣層中，可能有目前未知的化學反應導致PH₃的產生

• 例四（110年學測試題）

利用濾紙層析法分析紫色水性彩色筆的染料時，首先用紫色水性彩色筆在圓形濾紙圓心部位畫一個實心圓形，如圖1所示。其次，用滴管在圓心緩慢逐滴加水，此時部分染料隨著水漬在濾紙上呈現同心圓擴散，如圖2所示。停止加水後，擴散至如圖3所示。

下列哪些敘述，可由上述實驗結果得知？（應選2項）

(A)藍色與紅色物質均為純物質

(B)藍色物質的分子量大於紅色物質的分子量

(C)紫色染料為混合物，至少含有兩種不同的成分。

(D)藍色與紅色物質與濾紙附著力不同，因而造成同心圓的分布

(E)紫色染料為純物質，與水反應後形成藍色與紅色物質

例三屬探究題型(上述1-A問法)，題幹結合時事與磷化物的資訊，學生只需透過基本邏輯推論便可作答。例四屬實作題型，利用實驗結果的圖示資訊，測試學生對層析純化技術之概念，表面上是作「推論」(上述1-A問法)，實際上是考實驗的學理(物質的分離與鑑定)。

•       探究與實作課程與大考命題差異

    最後，針對高中端探究與實作課程與大考中心探究與實作命題間的可能差異提出兩點看法。第一，由於教學資源的限制，高中課程題材與實務也難免受到限制，課後提出的問題與討論也會因此受限，這與大考命題取材廣泛有所不同。對此，高中端毋須擔憂，因為課程的目的是培養學生的科學素養，一旦目標達成，學生是有能力面對新資訊的試題(素養題的精神)。所以，課程中的題材是否與大考試題相關不是教學考量的重點，真正要注意的應該是課程的內容是否能引起學生的學習動機、能否引導學生思考與推理、能否正確分析推論實驗數據，最後能否明白表達並作出結論。第二點是有關試題的背景知識：一般而言，素養題型涉及的先備知識層次不宜過高，否則只有頂端考生有能力做答，失去對大部分考生的素養鑑別目標(表1)。相反地，也要避免沒有結合學科先備知識的題目，換言之，一道化學科的探究與實作考題，應該要有一定程度的化學情境或專業知識的連結，而非單純的「邏輯推理題」，這概念與前面有關「閱讀測驗題」的論述相似。然而，實務上，「探究與實作」課程強調跨科統整和生活化，主題本身的化學成分可能不多。因此，要設計一道包含各科專業的跨科(合科)「探究素養題」的難度很高，與其他兩個素養題型相較，要考的學科先備知識層次也明顯低些(如例三)。就學測「自然考科」而言，若出現少數不分科的基本科學素養題目，似乎是可被理解的。

•     結語

探究與實作課程不只是一門實驗課，更有專題研究的意涵，非常契合素養的精神，如何精進相關的命題，也是值得繼續探究的。

•     致謝

感謝大考中心吳國良研究員和葉士肇研究員的協助、臺大同仁蔡蘊明教授的建議，和台北市中山女高化學科陸仲文老師的校閱，使本文得以完成。文稿若有不足之處，尚祈各界指教是感。

註1：楊吉水「素養導向評量：化學科素養導向命題之我見」，台灣化學教育電子期刊,第三十八期2020年7月.http://chemed.chemistry.org.tw/?p=38456