臺灣化學教育

高中化學科教材教法專書導讀：
第二章 化學教育心理學基礎與教學策略

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所
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化學是一門複雜的科學，它不僅有化學元素的英文符號系統，還有微觀粒子之間交互作用下的反應機制，以解釋巨觀所見的科學現象。對學生而言，科學符號與抽象的概念皆可視為另一種語言―科學語言，需要透過有系統的學習方能建構化學知識體系，尋找出規律性，並得以運用於問題解決中。而在教學上，必須瞭解化學知識體系的特性、學生認知需求、學習挑戰、以及學習困難的起源，以有效的教學策略搭起適當的學習鷹架、建立有意義的學習環境、促進學生對化學的理解、提升化學學習的興趣。因此，本文主要是將該書第二章以科學學習心理學的角度談化學學習，並評介可以使用的教學策略，以提供職前教師和在職教師在教學準備與實踐上的參考。

n  該書章節

該書共包含六節：科學學習心理學的基礎理論、三位一體的架構、化學課程中的關鍵概念、概念學習、教材設計、及教學設計和評量（見該章架構圖，如圖一所示）。

圖一  第二章架構圖

n  學習心理學與化學

知識的表徵有許多種形式，譬如文字、圖像、符號、語言等，透過不同的表徵可以理解知識的本質與內涵，心理學家Paivio在1986年便提出雙碼理論 (Dual code theory)，將知識的建構分為兩類：一是語言（或語文），另一是非語言（或視覺的），前者較為抽象，後者較為具象，透過這兩種形式交織成知識的結構。我們也可以從這兩面向來看化學的學習，譬如我們用文字和符號來代表元素的組成，以食鹽為例，它的組成是氯化鈉，化學式是NaCl。而我們再透過晶體結構（見圖二）的表示方式，可以看出氯化鈉中鈉離子和氯離子堆積的情形，如此可以將抽象的NaCl具象化，而在這具象化的過程圖中的訊息，還可以呈現兩個粒子大略的相對大小以及堆積的方式。有關心理學上運用多重表徵進行學習成效的研究中顯示，多重表徵中每一個表徵皆有其主要傳遞的訊息，學生可以根據其學習特質去瞭解教師所欲教學的重點，透過不同表徵的特色相互強化學習內容的理解，學生可以受惠於多重表徵的教學可見於一些相關文獻（如Ainsworth, 2006；鍾曉蘭與邱美虹，2012），此部分容後再述。

圖二  氯化鈉的晶體堆積（取自https://pixabay.com/）

n  化學三位一體的架構

Johnston (1991, 2000) 對於化學本質提出巨觀、微觀（或次微觀）、符號的觀點已有30年，在過去30年間，這三位一體的架構影響了化學教育的研究與教學，雖然這期間有幾位化學教育者對此架構提出不同的觀點（如Taber, 2014; Talanquer, 2011）或延伸此架構 (Chiu, 2008; Mahaffy, 2006)，但萬變不離其宗，Johnstone的三位一體架構仍是化學的核心，從學習面或是教學面，都有很大的啟發。本文作者在該章以實例來說明此架構的意義（見圖三），在巨觀部分亦可指稱科學現象；在次微觀的部分，可以包括粒子的結構和組成等等，為無法用肉眼觀察；在表徵的部分，納入符號的呈現和視覺化的表徵，以說明此向度的意涵。化學教學若能掌握這三面向的相互關係，將可以協助學生理解化學學習的核心概念。

圖三  化學三面一體之結構與範例說明

n  化學課程的核心概念

近年來國內外的課程改革都強調學科的核心大概念 (Big Ideas) 與跨科概念 (Crosscutting concepts) 之間的連結。第二章的內容指出「美國國家科學教育標準」 (National Science Education Standards, NSES) (National Academy Press, 1996) 提及高中化學課程應包含四個大概念：物質和能量守恆、物質的行為和性質、物質的粒子本性、平衡和驅動力。而在美國「新世代的科學標準」 (Next Generation Science Standards, NGSS) (NGSS Lead States, 2013) 中，其對化學的核心概念的要求明顯少於「國家科學教育標準」，同時不再以化學單一學科來呈現其內涵，而是以理化 (physical science, PS) 統整的概念來呈現，其涵蓋的概念主要包括兩個大主題PS1：物質和交互作用以及PS3：能量。簡單來說就是結構、交互作用和能量的概念。同時訂出七個跨科概念來統整學習主題，即模式/形態 (Pattern)、因果關係 (Cause and Effect)、尺度、比例和數量 (Scale, Proportion, and Quantity)、系統與系統模型 (Systems and System Models)、系統中的物質與能量 (Energy and Matter in Systems)、結構與功能 (Structure and Function)、系統的改變與穩定 (Stability and Change of Systems) 等7個跨科概念 (NGSS Lead States, 2013, p. 79)。

而臺灣在此次課程改革上也與時俱進，強調課程的統整性與連結性。在12年國民基本教育自然科學領綱中將概念學習分成數個層次：大概念（課題）、跨學科概念、學科概念（主題）及子概念（次主題），希望藉由核心的大概念深化學習，並透過跨科概念使學習更加全面化。大概念和跨學科概念如下：

（1）自然界的組成與特性：包含有跨學科概念的「物質與能量」、「構造與功能」、「系統與尺度」；

（2）自然界的現象、規律及作用：包含有跨科學概念的「改變與穩定」和「交互作用」；

（3）自然界的永續發展：包括有跨學科概念的「科學與生活和資源」與「永續性」。

n  化學學習與影響因子

誠如前面的論述，化學有可觀察的現象，但也有複雜與抽象的化學概念和反應機制因而造成學習化學時的困難。該章在第四節中簡介一些學生容易產生另有概念的主題概念，如化學平衡的動態本質常被視為靜態的反應平衡；又如在中和反應中，酸鹼性質的認知停留在早期簡單酸鹼定義或是望文生義的誤判酸鹼性等等，這些另有概念的來源，可能來自教師不精準的用語或類比、生活語言和科學語言的不一致、媒體或漫畫等的簡化或誤導都足以阻礙化學學習的進展。

n  化學教材教法的設計

有鑑於上述化學的本質與學習的挑戰，第二章第五節介紹五種有效的教學法，作為課程設計與教學的參考。首先是以多重表徵的學習為目標的教材設計，透過Johnston的三位一體的架構，在教學中強調三者之間的關係，並以多重表徵的方式呈現學習內容，以達成知識表徵之間連結的目的。其次是以系統思考 (systems thinking) 來建構知識為目標：強調確認複雜系統中的成分，並建立彼此之間因果關係的認識，使化學的學習可以見樹也見林，並運用系統思考瞭解化學與生活中的科學問題之關係，這是系統思考的目標。近年來，系統思考已是化學教育中很重要的思潮（如Mahaffy, Ho, Haack, & Brush, 2019; Mahaffy, Matlin, Whalen, & Holme, 2019），主要是學生學習出現片段不連結的現象，也無法將所學與生活問題結合（如全球暖化、氮循環等等），因此強調化學概念的連結以及影響因子所造成的影響是設計系統思考課程的主要目標。2019年美國化學會出版的Journal of Chemical Education，便以系統思考為專題出版專刊，有興趣的讀者可以閱讀該專刊。專刊中Chiu, Mamlok-Naman和Apotheker（2019）提出化學課程應朝向系統思考的方向邁進（見圖四），讓學習者可以對化學有更統整性的認識，這部分與十二年國民基本教育自然科學領域課綱中對思考知能的方向是一致的。

圖四  系統思考模型（譯自Chiu, Mamlok-Naman和Apotheker, 2019）

第三是以模型認知與建模能力的培養為教學目標，強調科學模型的描述性、詮釋性與預測性的特質，並透過建模歷程（發展模型、精緻化模型、應用模型、重建模型），檢視個人對科學模型的認識，並透過不斷檢視和建構的過程，產生效化的模型並進行問題解決。書中的建模歷程以主要成分的介紹為主，若將課程綱要的探究元素納入此架構中，則其對應關係如圖五所示。 

圖五  建模歷程與探究能力關係的建模本位探究教學模式（引自曾茂仁和邱美虹，列印中）

第四和第五項教學策略則分別是以認知衝突和動態屬性的呈現方式來進行教材的設計，前者強調設計與反直覺的科學現象為出發點（如預測–觀察–解釋–比較，POEC），一來啟動學生先前的知識，二來引起學生的學習興趣，是個結合認知理論的教學法。而後者是重視微觀概念中，粒子之間的交互作用以動態方式呈現，這部分可以多利用媒體教學，詳細內容可以見該書第11章。

n  化學概念評量

該章最後一節是簡介化學概念評量的方式，其中包括1. 以概念理解為主，如兩階層概念評量，第一層是事實性知識的試題，第二層是選出第一層選項的理由，透過雙層的設計，使評量可以深度展現學生概念的組成，以作為教學改進的參考。其次是以反直覺的實驗進行另類評量，這與上方提到POEC的反直覺教學類似，教學與評量是一體兩面的，可以透過反直覺的現象偵測學生的原有概念和概念的轉變。最後第三項評量策略是以繪製概念圖的方式進行概念連結的檢視，以理解學生對於關鍵概念的數量和關係是否擁有預期的概念數以及是否呈現正確的因果關係和連結。

n  總結

化學教學與學習之間密不可分，該書第二章主要是從學習心理學的角度探討科學學習的本質、特徵到教材的設計、教學策略和評量，希望可以提供職前教師和在職教師在教材設計和教學方法上有所參考的依據。

n  參考文獻

曾茂仁和邱美虹（列印中）。透過建模本位教學提升學生在化學電池概念和建模能力，科學教育學刊。

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