化學與藝術的融合:自然探究實作與美感教育之結合 ∕ 王慶豪

星期一 , 7, 3 月 2022 Leave a comment

化學與藝術的融合:自然探究實作與美感教育之結合

王慶豪

臺北市立建國高級中學
chwang2@gl.ck.tp.edu.tw

  •     前言

108課綱開始實施迄今已正式邁入第三年,各個學校紛紛開展出具有學校特色的探究與實作課程。本校臺北市立建國高級中學,以下簡稱建中108課綱開始之初,即於高一開設自然科探究與實作課程,目前探究與實作課程分為物理地科組和化學生物組(以下簡稱化生組)。化生組課程基本上分為三大部分,1.基礎科學能力的訓練,2.培養科學探究能力與3.獨立科學探究。因考量課程開設於高一,許多學生剛脫離國中階段,科學研究之相關能力尚未成熟,所以課程內容的安排均儘量不予涉及太艱難的化學生物概念,以培養學生思考能力,發現及解決問題的能力及溝通協調能力為教學目標。因此在第一階段(四週共8小時)的基礎科學能力訓練時,以國中課程最基礎的「水的密度測量」與「食鹽水密度測量與濃度分析」為序曲,利用量筒與三樑天平為工具,訓練學生測量技巧、數據蒐集整理,圖表繪製呈現與實驗結果分析的能力。而第二階段(四週共8小時)的培養科學探究能力授課內容,則須參採第三階段(四週共8小時)獨立科學探究活動主題來決定授課的內容。

建中探究與實作化生組教師群是一個非常瘋狂的團隊,因為每學期獨立科學探究的主題均不相同,所設計出的教學活動亦不相同。從108年至今三年時間,我們已發展出六個可獨立授課的探究教學主題[1],甚至於在110年春天新冠肺炎疫情嚴峻時期,我們依然可以讓學生在家完成獨立科學研究,並於期末時進行線上發表會,與各班的同學相互切磋琢磨。這三年來我們在設定獨立科學探究的主題均有共同的一個理念—「家裡的廚房即是每個學生的科學實驗室」,我們覺得學生的科學觀察與科學的實驗活動不應被環境、器材設備所侷限,應隨時都具有「科學腦」及「科學眼」,以科學家的角度看這個世界,並運用身邊隨手可得的材料來進行科學研究,養成可獨立解決問題且樂於面對問題挑戰的態度與習慣,並將實驗數據實驗結果彙整成系統性的資料,藉由良好的口語表達能力將實驗結果簡單明瞭的以各種形式發表。

在此以110學年度第一學期獨立科學探究的主題「植物色素的萃取與植物染布技術的應用」為例,期待學生可以藉由植物色素萃取、植物色素染布的過程中,學會染布的技法,體會科學與生活藝術結合的「美學」之外,亦可從中學習相關科學知識。

110學年度建國中學自然探究與實作化生組課程教師團隊名單如下:實驗研究組張均瑋組長、生活科技科溫敬和老師、化學科曹淇峰老師、化學科楊傑超老師、化學科譚利亞老師、化學科王慶豪老師、化學科楊蓉老師、化學科陳佳琪老師、化學科胡子寧老師、生物科林聰慧老師、生物科黃慧茹老師、生物科林郁婷老師、生物科朱信翰老師。

自然科探究與實作化生組於課程設計上的教學目標為1.培養學生思考探究(發現問題、規劃研究、論證建模、表達分享)的能力、2.培養學生規劃實作(製作實驗器材、觀察與測量、蒐集記錄實驗數據、分析實驗數據)的能力、3.培養學生聆聽與科學思辨的能力。而課程安排上除先前所提及基礎科學能力訓練之外,將第二階段培養科學探究能力與第三階段獨立科學探究活動闡述如後。另外課程中學生表現的評量方式採學生自評、同儕互評及教師評量三個不同面向的評量方式,其評分規準(如圖1所示)於學生期中報告前利用網路平台公告,讓學生準備報告內容時可以參考修正自己的報告內容。

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1:建中自然科探究與實作(化生組)口頭報告評量向度規準與說明

 

  •    培養科學探究能力課程與期中報告

教師引導學生學習獨立科學探究所需的技能

(一) 教師課堂引導

考量學生均未有植物色素萃取與染布的經驗,故教師須設計相關的引導式的實驗課程活動,讓學生探究的方向能稍微收斂不至於太過發散以減輕實驗室準備藥品器材的壓力。引導式的實驗課程與食譜式實驗課程不同的特點為團隊老師針對引導課程中預計要讓學生學習染布的實驗先錄製實驗操作的影片,將影片剪輯後上傳網路讓學生可以課前預習,如圖2所示。錄製的影片的目的除了要避免食譜式實驗的操作步驟外,藉由老師親自示範操作,且利用影片將操作細節呈現出來,可訓練學生觀察、模仿及反思的能力,亦有「師徒制」、「手把手親自教學」的意涵。學生看完影片之後需將所看到所學習到的實驗操作步驟自己整理出來,做為上課自己操作實驗的依準。雖然看起來是統一制式的實驗步驟,但會因為學生看影片所理解的程度或方向不同,而呈現出不同的實驗結果,學生亦會利用各組間實驗結果的差異,反思探討其原因,並可做為期中報告規劃自主探究活動實驗變因的參考。倘若讀者對本校所發展之教學影片有興趣,可與筆者直接聯繫。

培養科學探究能力教學實驗共安排三週六堂課,以「紫草」、「芡草根」、「紅花」、「蘇木」及「黃梔子」為示範植物染材料,學習不同萃取植物染料的技術、金屬媒染劑所造成染液變化(如圖3所示)。並可利用手機辨色應用程式或RGB配色表定義顏色種類的不同,練習以色碼做為描述顏色的工具,如圖5所示。

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2教師們示範植物染布技術所錄製之教學影片

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3:蘇木萃取液與不同媒染劑混合所呈現之測試結果。
由左而右分別為蘇木萃取水溶液與各金屬離子混合後顏色變化。

1%硫酸鐵水溶液混合液、1%硫酸銅水溶液混合液、1%明礬水溶液混合、飽和石灰水混合液、蘇木萃取水溶液(不含任何金屬離子)

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4:探究與實作教師上課之部分投影片教材

(二)學生課堂產出

此段課程活動為學生嘗試學習獨立科學探究活動技術的階段,所以教師在課堂上僅要求學生以小塊的胚布試染(如圖6所示)與分析實驗結果,並於下課前將實驗結果整理於實驗報告中並且以口述的方式將實驗結果向課堂老師說明,利用此教學方法協助修正學生口語表達上很多太過口語化的科學語言及慢慢訓練學生口說能力,當學生向老師說明時,老師也會毫不留情的提問並且希望學生能給予立即性的答覆。以老師的觀點而言,我們並不是要抹滅學生努力做出來的成果,我們希望藉由老師們的提問讓學生瞭解自己觀察疏漏之處,自己思考未盡完善之處,其實也是在藉由親身的示範教導學生問問題的技巧及方法。利用平常與學生經常性的對話、思考上碰撞產生的火花,來讓學生發現獨立科學探究主題中,可做為研究主題的內容及方向。於期中報告時,老師們即可感受到立即性的回饋,學生對於同儕的報告內容更會深入的思考,踴躍的提問,及更願意發表說明自己的看法與想法。

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5:學生使用手機找到的商用印刷配色表,比較蘇木水溶液與蘇木染布後所呈現的顏色差異。

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6:學生處理植物萃取液與檢視染布成果。

 

(三)學生規劃獨立科學探究活動

經過三週的培養科學探究能力的課程活動後,教師要求小組學生共同規劃後續四週獨立科學探究活動(期中報告),並將獨立科學探究活動設計成簡報形式(如圖7所示)於課堂上發表,在分享交流中學會表達溝通,甚至反思自己探究主題或所設計的研究規劃是否有可以再修正改善的地方。課程中我們會要求學生上台報告前必須完成5分鐘預講報告影片,經過預錄影片的作業訓練後,學生對於自己報告的內容掌握度更高,也更加熟練,更加有自信。

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7:期中報告說明及注意事項

 

 

 

  •      獨立科學探究課程與期末報告

學生規劃獨立科學探究活動

(一)獨立科學探究活動

獨立科學探究活動安排四週8堂課程,但除了在校課堂上的8小時外,大多學生都必須利用在家的時間,不斷嘗試實驗,希望能獲得完整的實驗證據與更完美的成品。教師於學生獨立科學探究活動期間,會要求不可重複課堂中老師所教授的染布材料及方法,必須利用老師所教授的染布技術,去開發出數種染布的材料及不同的實驗方法,期末報告時要將實驗方法、探究的變因控制、實驗條件與實驗設計、實驗數據與實驗結論、及最完美的成品以海報的展示方式呈現。且要求學生能利用實驗材料與社笨必須以生活中隨手可得的用品為主,必須考量「綠色化學」的觀點,最好是以菜市場中可取得的生鮮食材為實驗的材料,絕不可使用現成化學藥品、毒性化學物質。至於器材方面,我們亦要求學生能自己設計屬於自己的實驗器材來完成獨立探究活動,不可以使用制式的實驗器材。於此階段學生常會碰到非常多的挫折與困難,也會發現看似簡單的研究主題,卻不是想像中的那般容易。探究過程中教師會提醒學生,染布看似簡單,但需注意一些細節與需瞭解其背後所代表的科學意義,例如:

1.需採取什麼材料或器材才能萃取出植物本身的萃取液?

2.萃取出來的植物色素染液如何與布料纖維結合?

3.如何讓染布效果更明顯?是否需要用媒染劑,以達到染色的目的?

學生在此階段才能慢慢的體會染布過程中所應用的化學原理,並且瞭解到簡單的實驗操作過程中所代表的科學意義。學生常在下課後感嘆的說:「這週又失敗徒勞無功了,這塊布待會洗一洗曬乾,下星期還可以再次使用。」由此可知染布似乎不是一件容易的課題。實驗過程如圖7所示。不過我們會覺得獨立科學探究活動的階段,為學生創意發會的主舞台,能讓學生發揮就儘量讓學生自己發揮,訓練學生自己設法解決所碰到的問題。但畢竟學生能力有限,老師們在此階段中除了協助學生完成實驗外,亦需要適時的收斂學生天馬行空的想像與想法,帶學生踏實的完成主題任務。於教學活動中常可看到學生創意的發想,並且藉由日常生活中所取得的材料將自己的創意實踐出來,愈接近期末成果發表,學生會愈有自信,愈有成就感。期末學生普遍的心得回饋為「化生組的探究與實作真的很難,工作份量之多也真的很累,但會是他們學習生涯中最有收穫及最有成就感的一堂課」。

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左上:以紅蔥頭與辣椒為材料的植物染

中上:以紅、黃、綠三色彩椒為材料的植物染

右上:以檳榔與洛神花為材料的植物染

左下:以茄子為材料的植物染

右下:以火龍果為材料的植物染

7:學生利用蔬果及植物進行染布科學探究活動。

(二)期末報告

期末報告的形式如同科展海報展覽的形式進行。學生不僅要說明自己在四週自主探究活動中的實驗設計,實驗結果分析、實驗結論及回答同學提問外,還需要運用自己研究的染布方法染出一個成品展示出來供大家欣賞。每個學生在展覽過程中均需報告十次左右,學生表示「愈講愈熟練也愈有自信,覺得自己就像是一個科學家!」,如圖8及圖9所示。

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8:學生期末報告的狀況

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9:學生期末報告及展示染布相關成品

 

  •         結語

108課綱開始執行至今,建中探究與實作課程始終開設在高一階段,希望能在學生剛進入高中的學習階段時,先利用探究與實作課程學習科學探究的正確方法(設定研究主題、文獻的查找與探討分析、提出假設、擬定實驗計畫、規劃實驗實作、分析觀察到的現象、正確有效的蒐集數據並分析結果、作品產出及海報簡報與他人分享實驗成果)。經歷過三年的時間,我們確實發現學生在接觸正式化學課程時,在課堂上更願意與同學或老師討論不同的觀點。在實驗課時我們亦觀察到,學生在規劃設計實驗、分析實驗數據及歸納結論的能力等方面都有明顯提升。相信建中自然科探究與實作課程的設計對學生而言確實發揮正向的引導作用呢!

  •      謝誌

1.感謝臺北市立建國中學行政團隊於行政事務上的支援與配合。

2.感謝110學年度跨領域美感教育卓越領航計畫及110學年度高中優質化輔助方案經費支援與配合。


[1] 建中歷年自然科探究與實作(化生組)課程主題如下表所示:


 

 


第一學期

 


第二學期

 


108學年度

 


以自製的實驗裝置研究酵素催化雙氧水分解

 


自製電泳槽與色素分析

 


109學年度

 


釀酒、酒精蒸餾技術與酒精濃度之分析

 


酵母菌的繁殖與擴培

 


110學年度

 


植物色素的萃取與植物染布技術的應用

 


藍染工藝製程的科學探究

 

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