臺灣化學教育

大學化學實驗課程設計與線上教學：新冠疫情之下，有機化學實驗課的省思與創新—高醫大醫化系的例子

林雅凡*、李建宏、羅珮綺、高佳麟*

高雄醫學大學醫藥暨應用化學系
[email protected];[email protected]

n  前言

2021年5月台灣在新冠肺炎的肆虐之下，各式課程執行到學期中段，緊急採取線上教學的方式，實驗課程也不例外。然而就以訓練「化學專業」人才為目的的科系而言，實驗課程真的能以線上教學來取代嗎？除了遠距授課，還有什麼其他的可能性嗎？本文將嘗試釐清大學基礎實驗課程之目的，並反思過去一學期執行線上實驗課程的收穫與缺失，認為「線上課程」能替代實驗課中偏重「認知技能」方面的教學活動；但對「操作技能」方面的訓練，只能扮演輔助的角色，其中「有機化學實驗」更凸顯「線上實驗課程」不足以取代實體的問題。本文著重討論教授「有機化學實驗」的策略—除了「有設計的影片拍攝內容」之外，「實體混搭線上的合作教學模式」也是未來可嘗試的策略。這樣的為文討論，除了提供防疫期間實驗課進行的模式參考之外，對於以大班教學實驗課的情況亦有參考的價值。通盤檢視實驗課程進行方式，將有助於未來實驗課程內容設計與硬體設備與實驗室空間規劃。

n  實驗課能夠遠距教學嗎？

一、大學實驗課目的之再思

    從過去諸多文獻探討中，探索實驗教育能啟發影響學習化學的行為，可大致歸納成以下四個目的（Carnduff & Reid, 2003; Johnstone & Al-Shuaili, 2001;Kirschner & Meester, 1998; Reid & Shah, 2007; Tamir, 1976）:

（a）學習化學知識與原理：

透過實作與現象觀察，鏈結並具體化抽象概念；藉此提供學習者另一種途徑，以不同的方式理解、思考某一項科學定理。

（b）學習與熟練操作技巧：

透過實作訓練學習實驗的操作基本能力和儀器使用方式。並藉由實際經歷「實驗過程的臨場感與處理偶發事件」，幫助學生能更從容的待在實驗環境中。

（c）培養鍛鍊科學相關能力與技巧：

透過實驗過程的觀察、數據分析等，訓練歸納、演繹、論理與提出證據、並進一步設計實驗解決問題之能力。

（d）培養一般基本知識能力與技巧，特別是”可轉移的技能（transferable skills）”：

實驗過程也在訓練學生的溝通、表達、查閱資料、團隊合作、時間管理等各種能力。

二、反思：「線上有機實驗課」的能與不能

本系在新冠疫情嚴峻衝擊之下，針對學期中「實驗課程改為線上進行」的倉促改變，做了如表1陳列的應變。

表1高醫大醫化系各級實驗課程疫情期間線上課程執行方式說明

課程	線上課程替代說明	反思
化學實驗（二）—分析與有機實驗為主	維持的教學活動：實驗預、結報的撰寫。   數據分析：由助教提供實驗數據（Raw Data）。　　　   拍攝教學影片：從原理講解到由助教操作實驗、實驗成果展現等完整拍攝。   影片特色：助教與任課老師根據過去教學經驗，在影片中更強調容易忽略與犯錯的現象與細節，以加深學生學習印象。	１. 對「視覺學習型」的學生而言，能完整看到助教正確的操作手法，學生表示非常有收穫。   2. 對「動覺學習型」的學生而言，缺乏實作的環節，認知與技能之間有所斷層。
化學實驗（四）—有機實驗為主
化學實驗（五）—儀器分析與物化實驗為主	維持的教學活動：實驗預、結報的撰寫。   數據分析：由影片組別提供實驗數據（Raw Data與數據分析參考）。   期中評量作為教學影片來源：因本實驗課的期中評量方式之一是完整拍攝實驗的過程；此作業成為實驗教學影片來源。   影片特色：影片中有不少錯誤，執行線上學習組別必須根據理解找出影片錯誤之處，將其改正。學生也需判斷自己所做的數據分析與影片提供的差異與正確性。	1.     有任務性的觀看影片，能刺激學生的思考活動。   2.     學生的主動性影響學習效果；「影片拍攝哪裡有錯?」之問題需要有進一步的討論機制，才能更有效幫助學生學習。

　　從學生的報告與期末回饋中，我們發現「遠距實驗課」或多或少能帶出一些學習的益處，學習的效益與不同類別實驗課、影片拍攝方式、和教學配套活動等相關。其中最值得反思討論的是有機化學實驗。此課程不僅有特殊場域與嚴謹安全性的考量，對於實驗操作技巧的強調，內容上非以一般生活化學實驗可取代、教學上更非僅以示範影片即能全然達到教學目標的。因此為思考疫情下的「有機實驗課」如何更有效、達標的進行，我們首先探討在此課程中的教學活動，能透過線上課程完全取代、以及不能取代的部分各為何，進而集思廣益於「不能取代」部分是否有更好的做法（高雄醫學大學化學實驗(四)實驗教材）。表2陳列所有涉及的教學活動，這些活動又能大致區分為訓練「認知概念」或「操作技能」。「認知概念」的部分在適當的教材設計之下，大都能以線上或影片示範的方式取代達到相似的成果；「操作技能」的訓練除了理解，還包含實作，因之如果無法看著影片在實驗室之外自行操作，影片只能作輔助學習之用；如果能透過影片以安全、簡單的器材和物質在實驗室以外之處操作，則可達到部分效果，此部分可思考發展「材料包」，讓學生在家實作。適合這樣作法者列舉如下：（a）「再結晶」技能練習：以溫度變化再結晶食鹽或糖；（b）萃取的概念可利用食用油（有機層）與水加上食用染料（水層）方式實作觀察；不過如果著眼於訓練學生能使用「萃取瓶」的技巧層面上，線上課程只能是一項輔助；（c）薄層層析定性分離的實務操作部分能以紙層析法（例如咖啡濾紙）做練習。然而有機實驗課程設計也強調整體性，希望學生了解「合成」完整的思維與程序，因此保留「製備—分離與純化—鑑定與分析」的完整過程在有機化學實驗上有其重要意義。另外在評量的部分，本系原本設計學生以跑台方式，實際操作/展演純化與分離部分的原理，隨著疫情下改成遠距上課的實驗課，操作評量也隨之變成考卷請學生以文字敘述代替實做。因此我們想更進一步針對「操作技能」的訓練環節討論教學策略。

表2有機化學實驗課涉及的教學活動統整

n  遠距混搭安全距離的教學策略行不行？

一、更好的防疫期有機實驗課發想

（一）內容經過設計與鋪陳的教學影片能提升認知

    以影片或遠距示範教學的方式來進行有機實驗課操作技能的學習，學生的回饋表示「對於不清楚之處可以重複回放，學習效果上並不輸實體上課，特別在影片上透過助教的示範，更清楚正確的操作手法與姿勢、更加留意實驗可能容易出錯的地方。」另外參考化學實驗（五）線上課程執行結果，以學生所繳交的影片做為疫情期間的遠距教學資源，但這些影片的錯誤不少，因此學生除透過觀看影片了解整體實驗，也必須找出影片拍攝或講解錯誤之處。我們發現，提出「偵錯」等有目的性要求，會增強學生的思考活動。這使我們意識到：「拍影片內容的設計與鋪陳，也會影響學生的認知。」如果在觀看影片的過程，加入一些任務要求，能讓學生聚焦，並且刺激學生思考。

    疫情期間，本系亦有機會與美國普林斯敦大學化學系帶領實驗的講師交流線上實驗課的做法，該系講師提到他們利用影片可以回放的特性，將實驗影片拍成不同版本，有正確、有錯誤，學生在選擇認為對的選項之後，能看到選擇該裝置或操作導致的結果（安全範圍許可之內）。有時選擇錯的選項所導致的結果會帶來一些小衝擊，影片會說明造成這樣結果之因，學生對於該犯錯點留下深刻的印象。這樣的拍攝手法很有創意，不過花費時間很長；又需要思考錯誤的操作手法誰來拍？怎麼拍？怎麼準確選出最多人犯錯的方法？

（二）搭配視頻系統的合作式學習模式

    我們於是想到：「如果這是安全範圍內的學生實驗現場，是不是更貼近真實？」把學生分成若干組，每次實驗允許部分學生進入實驗室，在防疫社交距離與人員控管的規範之內操作實驗。學生實驗操作台邊裝設錄影設備（參考廣東中山大學的雙向互動音/視頻系統），線上學生能即時看見操作學生的實驗情況，如此可以讓同組學生實際操作、線上學生以討論互動的方式參與學習，並維持實驗的臨場感及實驗過程與結果的變異。次週換成組中的另外一位學生進入實驗室操作，利用這樣更替的方式，讓每個學生每一學期都可以實際操作實驗4-5次，其餘則以觀察、討論的角色參與實驗。

    為評量學生是否能用學過的原理，思考解決實際問題，本系負責有機化學實驗的李建宏老師加入期末「操作考試」，設計以下環節來了解學生學習層次：「若干樣有機試藥隨機抽取兩種混合發給各組，各組需應用學到的各種技巧，將兩樣品分離並鑑定。」（Feist, 2004）我們針對如何將此評量精神，融入這樣的合作學習模式有所討論，以下是可能的方案：事先告知學生所準備的8種有機試藥（28種混合方式），學生可以提前查資料、討論、作準備，並選定一人進入實驗室操作，其餘學生在線上參與討論、提供想法，透過如此合作的結果作為該組操作成績。這樣的作法雖然無法檢驗所有同學的操作技能，卻能強化學生的判斷和討論能力。學生在討論要派出誰作為操作員的過程，也需要自我和共同審思，評估自己和組員在一學期有機實驗課訓練下來的強項和弱項，藉由此達到同儕反饋和後設學習。

二、合作模式下教學的調整與改變

（一）重新定義「公平的學習機會」

　　這樣的教學設計很創新，但挑戰華人社會強調的「公平性」，現行教育存在的潛信念是：「唯有所有人都進行同樣的教學內容、活動和測驗，比較評比出來的結果才是最客觀的。」因此當出現「你我進行的學習活動不完全一樣」的情形之時，教育工作者所面臨的猶豫往往是：「會不會被質疑不公平？」但如果基礎實驗教育是為獨立研究奠基，應該思及的是，每一項獨立研究、碰到的每一個專案，沒有一項是一模一樣的。將來學生要面對任何一個科技現場的問題都會是獨一無二的，他們更需要是了解並找出問題的能力、判斷和決策力、與團隊共商找出因應策略的能力。

    輪流進入實驗室操作有機化學實驗的教學模式所秉持的信念是：（1）實作課程有其不可替代性，因為動覺與視覺學習之間具落差性，實際操作在更直接訓練學生動手作的能力，與強化手腦並用；（2）雖然操作實驗的次數減少，不過增加團隊討論、偵錯改正、經驗分享等學習歷程，提供更多元的面向和機會讓學生發現問題、找到策略。熟能生巧固然是訓練技巧之途，但如果沒有找到問題的根源，重複操作有時也是於事無補。

（二）合作模式學習適用的範圍

圖1.本系有機化學實驗三部分內容

     重新審視本系「有機化學實驗」教材內容，大致分為三個部分（如圖１）:（a）純化技術原理與技巧的介紹；（b）各種類型有機反應的介紹，並從中建立完整合成實驗的架構；（c）多步驟合成反應的學習。藉此三部分呈現有機合成的面貌與價值，讓學生透過實作來了解有機化學。每一部分所強調的精神不太一樣，（a）部分強調基本技能與原理、（b）部分強調新物質合成建立的程序；（c）部分比較是整合學習並接近實際情況的演練，藉此驗證（a）、（b）兩部分紮實作好的重要性。我們也思考這個「遠距混搭安全距離實驗課模式」是否適用於不同類型的內容。由於多步驟合成反應強調的是每一步驟得到純度夠好、產率夠高的產物，以作為下一步驟的起始物，因此應思考設計這類型實驗內容所要達到的目的，不同步驟切割給不同人操作的教學方式是否會影響所想要傳遞的重點，有沒有什麼配套措施可以輔助教學進行？例如：在進行這類型實驗內容之前，讓學生對接下來幾週的化學反應作整體式的討論，了解每一步驟所需使用的手法，依照團隊組成的特性討論出每個人該負責的步驟。以此機制，強化學生對於這類型實驗整合概念的了解。

n  結語

    本文提及的「遠距混搭安全距離的實驗課模式」是本系對於執行半學期的實驗課遠距教學結果做出的反思與初步改革計畫，旨在思考「有機化學實驗」技能訓練的不可替代性在疫情時期是否有另外的解套方案。從此反思過程，亦重新釐清化學實驗課應強調落實的教學重點。透過一人操作、多人觀察討論建議的「合作學習」模式，強化學生以團隊為師，透過團隊解決問題的能力，多方面訓練學生觀察、實作、提問、討論等能力。雖然疫情漸趨緩，或許不用再擔心是否用遠距實驗課教學，不過這個教學模式的發想與其中的精神為「重新規劃大學實驗教室設備」、「缺乏實驗教學助理之下，實驗課操作組數的思考」、「強化實驗技能以外的研究能力」等議題提供不錯的方向，本系以此構思為下一世代大學實驗課拋磚、期待引出更多寶玉。

n  致謝與其他說明

    本文作者林雅凡為高醫醫化系合聘副教授，高佳麟為高醫醫化系教授兼系主任。感謝李建宏助理教授、羅珮綺助教所提供的教學內容資料與意見。

n  參考資料

高雄醫學大學化學實驗（四）實驗教材。

Carnduff, J. & Reid, N. (2003) Enhancing Undergraduate Chemistry Laboratories: Pre-laboratory and Post-laboratory Exercises. Royal Society of Chemistry.

Feist, P. L. (2004). The separation and identification of two unknown solid organic compounds: An experiment for the sophomore organic chemistry laboratory. Journal of Chemical Education, 81, 109−110.

Johnstone, A. H. & Al-Shuaili, A. (2001). Learning in the laboratory; some thoughts from the literature. University Chemical Education, 5, 42-51.

Kirschner, P. A. & Meester, M. A. M. (1998). The laboratory in higher science education: Problems, premises and objectives. Higher Education, 17, 81-98.

Reid, N. & Shah, I. (2007). The role of laboratory work in university chemistry. Chemistry Education Research and Practice, 8, 172−185.

Tamir, P. (1976). The Role of the Laboratory in Science Teaching. University of Iowa.