臺灣化學教育

素養導向的化學課程設計：

跨科的實作課程：飲水思源之創意骨牌

張明娟

教育部高中化學學科中心

桃園市立武陵高中
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■前言

每年的思源科學創意大賽，是喜歡動手做學生的競賽殿堂，期間雖然換過不同的主辦單位，但其宗旨都是:
培養年輕學子喜愛基礎科學，激發創意思考能力，發展團隊合作精神及領略實際動手操作之樂趣（財團法人光電科技工業協進會，2021）。競賽的方式為學生組4-6人團隊（其中一位為隊長），設計出四個關卡，其中包含兩個物理概念較多的物理關與兩個化學概念較多的化學關，其詳細參賽細則請參閱競賽網站https://www.springcontest.org.tw。

在一般的高中物理及化學課程中，除食譜式的實驗課有機會實作，思源科學創意賽需將所學應用並動手實踐，其中又牽涉跨科概念的比賽，筆者試著在多元選修課開設來引導學生，並藉由協同教學模式讓物理及化學科老師同時進入課室，一起解決學生可能會遇到的問題，並選擇在高三開設課程，是因高三的學生已養成自然學科的基本概念，此時應用所學科學概念轉化為實際關卡較能理解，並培養學生解決問題的能力。

■從競賽到課程設計

一、比賽的經驗分享   

筆者在2015年任教科學班時，發現科學班的學生手做能力很強，企圖心也強，就利用班週會時間與該班導師（物理老師）合作，讓學生準備此競賽，在這期間更向此競賽的發起人新竹實中施建輝老師求教，老師也都傾囊相授比賽經驗，讓筆者獲益良多，那時候施老師更建議我向當時候的主辦單位申請課程所需的材料費，讓學生可以在銀彈較充足下盡情發揮創意，經過一個學期的腦力激盪，順利闖進決賽，獲得銅牌獎的佳績。

隔年筆者為下一屆的科學班導師時，就讓學生從高一開始準備這個競賽，學生利用高一升高二的暑假期間，除了要準備科學班的重要活動科學推廣隊，同時也一併準備此競賽，暑假期間實驗室就成了他們的「戰場」，甚至連實驗室外的走廊也都慘不忍睹!
經過整個暑假的奮鬥，也順利闖進決賽，雖然最後只得到了佳作，但對高一的學生而言已是莫大的殊榮了。經由這兩次的參賽經驗發現：高一、二的學生對基本的科學概念還不夠充實，以致在關卡的設計上創意及完成度較不足，因此筆者在第三次準備帶學生比賽的時候，就鎖定高三學生，但高三學生課業壓力繁重，根本就招募不到學生願意參加，只能在任教班級學生宣傳這個比賽，到了高三下學期三月底大學繁星放榜後，剛好筆者任教的班級有一位已錄取清大的學生，就遊說這位學生來參加比賽，再由這位學生去找隊員，後續的申請入學放榜後，快到五月底我們這一隊的隊員才算找齊了。因為全組隊員都是準大學生了，除了沒有升學壓力有較多的時間可以設計關卡，進行關卡測試，他們也具備較充足的科學概念，設計的關卡較具創意，在決賽時多媒體關卡說明的部分也獲得裁判的青睞，最後得到了全國賽的金牌以及最佳創意物理關卡獎（圖1〜圖3）。這幾次帶學生參加比賽的經驗發現：如果都要用課餘的時間來準備比賽，對老師對學生都是很辛苦及沉重的負擔，因此才會在新課綱實施的時候，在高三開設這一門的多元選修，又可利用協同教學的方式讓兩位教師同時授課。

                      

圖1：學生參加複賽時專心討論及實作現場      圖2：實驗室外走廊也成為學生的工作場

       

圖3：2019年思源科學創意大賽Plus金牌獎 武陵高中關卡示意圖

二、研發多元選修課程

   筆者研發此多元選修課程一學期2學分，選修這門課程的學生設定為理工學群與電資學群學生，人數上限為24人，因此期初將學生六人分為一組，選定一位為組長，組長每週需負責工作報告回報，化學與物理教師一起在化學實驗室協同教學。老師在這堂課的角色就是支援前線，學生在測試關卡時，所需的藥品與器材就帶著學生進準備室尋找，如果準備室找不到就讓學生自行去購買，利用學校計畫支應材料費，每組材料費上限一千元，每週的教學內容如下表1：

表1  飲水思源之創意骨牌課程規劃表

週次	課程內容及目標
第1週	分組與比賽規則說明
第2週	藉由歷屆比賽影片觀摩,確定該組別的比賽方向
第3週	藉由歷屆比賽影片觀摩,確定該組別的比賽分工
第4週	藉由搜尋YOUTUBE的趣味科學實驗,將可行的實驗放入比賽說明書
第5週	藉由搜尋YOUTUBE的趣味科學實驗,將可行的實驗放入比賽說明書
第6週	第一次月考
第7週	比賽說明書內的設計關卡一進行測試
第8週	比賽說明書內的設計關卡一進行測試
第9週	比賽說明書內的設計關卡一進行測試
第10週	比賽說明書內的設計關卡二進行測試
第11週	比賽說明書內的設計關卡二進行測試
第12週	比賽說明書內的設計關卡一與二連接進行測試
第13週	第二次月考
第14週	比賽說明書內的設計關卡一與二連接進行測試
第15週	比賽說明書內的設計關卡一與二連接進行測試
第16週	比賽說明書內的設計關卡一與二連接進行測試
第17週	成果發表
第18週	高三期末考

    此課程為一門實作的選修課程，故評量方式採取多元評量，評分的項目與百分比參見圖4，每組須完成包含物理及化學兩個關卡的說明書（60%），完成關卡後並拍攝成影片（至少90秒）上傳雲端（10%），評量成績還包括出席率（20%）與加分關卡（10%），透過這樣的方式鼓勵學生參加比賽，充實學生的學習歷程檔案。

 圖4  飲水思源之創意骨牌課程多元評量之規畫

三、課程內容成果

    每週學生就關卡摘要說明總覽表（如表2），將設計的關卡畫出示意圖，並簡述其關卡涉及的科學概念，下課前上傳至Line群組，下表為學生在某週所上傳的關卡說明書，第七週課程學生就所設計的關卡進行測試（參見圖5），以此組所交出的說明書為例：學生要將自行組裝的鋅銅電池推動馬達使葉扇轉動，卻發現自行組裝的鋅銅電池內電阻太大，電流量太小，根本無法推動馬達，這也是學生常忽略的問題，認為只要三用電表能夠測得到電壓與電流，就能作為動力來源推動骨牌，在真正關卡測試連結的時候，才會發現很多沒考慮到的因素才是真正的關鍵。後來建議學生再連接串連多顆電池，才解決這個的問題！因此課程尚在進行中，預計在12月底，各組學生將其關卡展示，並邀請另一選修其他課程的班級評分，並列入學期末成績的計算。

表2  學生之關卡摘要說明總覽表

關卡順序	關卡科別	關卡名稱   （自行命名）	原理屬性名稱	關卡內容簡介
一	物理		高斯槍：磁鐵 鐵球   溫度對氣體溶解度影響：氣泡水   動摩擦與靜摩擦力:   小木塞、乒乓球   PV=NTR:塑膠密閉容器   電流磁效應與熱效應:鐵片、交流電   漩渦離心力與吸引力:馬達、水   電磁砲:電磁鐵、鐵球   大氣壓力:兩個寶特瓶、水、吸管(寶特瓶裡有噴泉)   駐波:馬達、繩子	1-1利用高斯槍打小球，小球彈起順著軌道上升推導骨牌，觸發另一小球   1-2 小球觸發加熱裝置，加熱瓶內液體，藉由壓力將軟木塞射出撞擊乒乓球   1-3 推動骨牌連出分支，觸發噴泉機關與冷次定律   1-4 冷次定律後觸發電容啟動電磁炮，射出小球啟動化學關卡

 

二

化學

電解反應、達靈頓電路、螢光、鋅銅電池、電流磁效應、氧化還原反應

2-1由物理部分射出的鋼珠推倒骨牌，骨牌推動小球，小球抵達木片前方，鋅銅電池接成通路運轉，馬達帶動木片轉動，使小球通過並加速，小球推動設置好的蠟燭（正在燃燒），待蠟燭燒斷固定木船的細繩，且船的開關啟動，木船開始運動。   2-2在木船上放置馬達推動風扇運轉，使木船推倒骨牌（骨牌排列成三個分支）。   2-2-1其中一分支骨牌推倒裝有螢光物質（蒽類芳香烴螢光物質、雙氧水）的容器，將螢光物質倒入設計好有樹狀凹槽的木板（上方蓋有黑色玻璃紙，使螢光較易顯現）       2-2-2 第二分支骨牌推動小球，小球將負責轉動滴定管開關物體，使物體烙下開啟開關，以過錳酸鉀滴定亞鐵水溶液，燒杯內溶液發生氧化還原反應，顏色由無色變成深紫色。   2-3主支骨牌推倒裝有過錳酸鉀的容器，使過錳酸鉀固體與甘油混合，產生火焰。   硫酸銅 硫酸鈉 氯化鉀

 

圖5：第七週課程學生就所設計的關卡進行測試

■結語

    選修此課程的學生認為：高三目前開設的選修課中，大多屬於靜態課程，只有這一門選修課是讓他們可以真正動手動腦的選修課，藉由關卡的設計可統整所學過的科學概念，課程產出除了關卡說明書外，還有多媒體的剪接製作，最後擴充實驗後更可參加下學期的思源骨牌創意大賽，這麼豐富的學習歷程，是他們在高三繁重課業中的一個重要的調劑！聽到學生如此肯定此課程深感欣慰。

   但是指導這門課程時，老師除了擔任支援前線角色外，更要常常個別訓練學生不同的實驗技能，比正規實驗課程有更多的挑戰，與筆者協同教學的物理老師更說，未來課程也能讓其他同仁嘗試。在108課程架構下，老師也面臨更多的考驗，常需練就十八般武藝的教學技巧，如果你也願意接受挑戰，也可以試試這樣的以指導比賽為選修課程的方式。

■參考資料

財團法人光電科技工業協進會（2021）。思源科學創意大賽。網址：https://www.springcontest.org.tw

■附錄

2019年思源科學創意大賽Plus金牌獎 武陵高中關卡多媒體資料