臺灣化學教育

疫情下線上化學實驗和探究與實作課程：

宅在家也可以探究

停課不停學的自然探究實作

劉曉倩

國立彰化高級中學

[email protected]

      n  前言

2021年五月萬惡的新型冠狀病毒最終還是沒有放過台灣，一陣疫情風暴後台灣國高中的孩子瞬間被進化成遠距教學的生活，原本以為只有兩週宅在家上課，孩子、家長及老師可能有些苟且想法，認為只是十四天而已，忍一下就過了，沒想到隨著衛福部公布的每日確診人數居高不下，最後不僅整個學期都必須遠距上課，連暑期所有的營隊也被迫取消或線上舉行。雖然有部分都會型學校早在去年就開始規劃師生線上學習，但是多數的學校老師卻因為突然停課需要線上教學而面臨上課步調大亂甚至連平常小考進行方式都需要線上考試的窘境。此外，強調「動手做」的自然探究實作課程該如何遠距教學及線上進行，面臨一大考驗！

然而危機就是轉機，筆者執教多年每年寒暑假都會給學生「宅在家的科學實作」及「科普閱讀心得」作業，並且將課程設計參與全國高中競賽（旺宏科學獎閱讀科學找樂子），提供學生完整的自然探究實作學習成果的規畫。在2021年筆者與學生以「翻滾元素週期樂」及「眼見為憑的光譜世界」閱讀及實作專案，榮獲「旺宏科學獎全國最佳閱讀計畫」的殊榮！也是網路票選最佳閱讀專案第一名！此外因應108新課綱自然探究實作課程即使未能進行在校實體實驗，我們在課程設計上調整成線上授課及設計成「宅在家也可進行探究實驗」的方式進行，再運用ICT（information communicational technology；資通訊科技）利用聲音、影像或網際網路等資訊科技作為學習媒介，促進學習成效，相信可以開啟學生學習的另一扇窗，同時透過建立線上討論平台（Google Meet 最陽春，簡單易學！），我們也可以視實際教學情況跟學生一起測試要用的網路軟體一一建立上課模式與風格，原先學習的教學資源、線上互動方式及評量也不會消失。最重要的是培養學生自主學習的能力，我們老師規劃主題課程，學生自行分析他們需要什麼，透過線上討論將問題解決。

      n  課程設計理念

一、翻滾元素週期樂

學生藉由週期表「元素方塊實作」，將該元素相關的性質及相關實驗實作，簡述在元素方塊的六個面，其中一個面必須有QRcode掃描實驗影片及元素說明。此外同學必須完成元素簡報說明至少6張作成果發表分享使用及電腦打字心得報告1200字至1500字左右。

二、眼見為憑的光譜世界

學生自主閱讀原子發展史、電子軌域、建立能階概念、元素放射光譜及近代電子組態的建立等，並且藉由自製反射及入射光柵實作，學會探究實作的過程。此外學生必須完成自製反射及入射光譜實作簡報說明至少6張成果發表及提供分享使用。

三、遠距教學事半功倍

遠距教學成功的重要關鍵是需要家長、老師、學生三方配合，其實遠距教學最難克服的點，是老師們的視訊教學要怎麼跟課程做整合，另外還需要訓練學生在沒有老師監督的情況下進行「自主學習」，並自然而然養成「自主學習」的習慣。除了要教導學生如何使用線上平台，有些老師會建議家長在家從旁協助，因為老師們會發現，學生自己在家中上課時，除了會開著跟老師視訊的畫面，還會自行另外開視窗作別的事情，使得遠距教學的學習效率降低。

但是最重要的還是課程設計本身最好是可以讓學生自己探索，可以自己動手做的安全性高的實驗，再請家人從旁協助拍攝影片，如此一來，遠距教學成功率較高且全家一起動手做也是一種情感謀合。

      n  課程設計範例

一、翻滾元素週期樂

（一）教學流程分享

筆者除了列出教學計畫表提供教師參考外，下面會將實際進行的活動細節與大家分享，每位老師可以依照開課需求與學生程度稍加調整。

1.元素方塊大小規格

元素方塊大小規格及紙張材質很重要，紙張太厚在裁切及折成正立方體時很難處理，紙張太薄在粘貼時容易破。

2.元素相關實驗（以元素鈣為例）

（1）學生上網搜尋有關元素鈣所做過的相關實驗，評估在家裡可以完成的實驗主題，透過小組討論，設計實驗流程，列出操縱變因、應變變因及控制變因。

（2）新聞源起：日本人神奇發明「一條棉線」就可以讓火車便當瞬間加熱變成電鍋？

a.簡單的化學反應讓便當熱起來？！加熱式便當的外包裝上都會附上一條長長的棉線以及使用說明，只要輕輕將棉線由便當底部抽出，便當內部就會自動產生蒸氣，大約五至十分鐘就能享用美味的熱便當了！

b.棉線加熱的原理到底是什麼呢？原來秘密就是在便當下方的發熱機關。當棉線抽出時，便當底部的水袋會被撕開，水接觸裡面的生石灰（CaO）便會產生大量熱能，讓整個便當瞬間變成小型電鍋！

反應式為 CaO + H2O → Ca(OH)2 + 熱

（3）學生在家裡改良實驗進行方式

a.實驗器材的準備：直徑約15公分的紙碗、塑膠湯匙、白色生雞蛋一盒、生石灰（CaO）、鋁箔紙、小型電子秤、量杯、電子溫度計（紙碗、塑膠湯匙是外賣便當回收使用，也可以在大賣場購得；生石灰可以在大賣場或蝦皮購買；電子秤可以使用烘焙用或在蝦皮購得。），如圖2所示。

b.實驗步驟：生石灰與水重量比2：1

   （a）各秤取生石灰（CaO）112克及水56克

（b）取鋁箔紙邊長約27公分正方形，放入紙碗中。

（c）將整盒10顆雞蛋重量都秤一次找出重量相近的2~3顆當作實驗使用，可以降低實驗變因。

（d）將雞蛋放到鋪上鋁箔紙的紙碗中，緩慢將生石灰倒入，避免揚起生石灰粉末，如圖3所示。

（e）將秤好的水56克迅速倒入紙碗中，快速將鋁箔紙包住，並將電子式溫度計插入（小心不要插破鋁箔紙造成實驗失敗！），如圖4所示。

（f）紀錄溫度變化，持續至溫度緩慢下降為止，過程約35分鐘。
圖2：實驗所需材料                 圖3：將生雞蛋放至鋪有鋁箔

圖4（左圖）：水倒入後迅速用鋁箔紙包好，紀錄溫度變化

圖5（中圖）：經過約35分鐘後即可將鋁箔紙打開，小心燙手

圖6（右圖）：將煮好的蛋用清水洗淨蛋殼，剝開蛋殼後，將雞蛋對切檢視

（g）調整生石灰與水的比例為1：1（生石灰112克，水112克），重複步驟（a）至（f）。

（4）實驗紀錄

a.生石灰與水重量比2：1，雞蛋重67.3克，每30秒紀錄一次溫度（℃）

b.生石灰與水重量比1：1，雞蛋重67.4克，每30秒紀錄一次溫度（℃）

3.、實驗數據分析與討論

（1）學生多半對於實驗數據缺乏分析技巧，也不知如何處理，此時老師可以鼓勵學生自己上網搜尋實驗處理方式，透過線上相互討論數據分析技巧及以所得數據為證據推論提出結論，並嘗試建立模型，提升自己的探究能力。

（2）教師也可以透過線上教學的方式，一步一步引導學生（也有學習網站Excel基礎教學 01：Excel入門https://youtu.be/8tQKmKHU-NQ ），或者邀請學校中對於電腦軟體熟悉度高的老師透過google meet的方式進行線上教學。

圖7：學校老師透過線上教學指導學生實驗數據分析的基本技巧，例如如何作出散布圖以及圖中的座標、圖例如何調整

（3）在引導實驗數據作圖中，教師儘量引導學生思考甚麼數值要放在x軸？甚麼數值要放在Y軸？他們分別代表甚麼意義，並且發想思考還有哪些因素可能會影響實驗中溫度的變化。

（4）在實驗分析數據時，基本數據處理技巧為散布圖回歸直線、如何插入函數計算或標準差…等若是時間允許的話也可以一起分享讓學生了解。

圖8：學校老師透過線上教學指導學生如何插入函數計算加總、平均或標準差

（5）學生常出現的提問

a.對excel不熟悉，找不到函數在哪裡，或是不知道該如何找合適的函數，以及函數內需要打哪些數值，需要老師多次重覆講解與操作。

b.對於探討溫度與時間關係其意義並不是很明白，作圖出來呈現的結果也不太會解釋。

圖9：老師透過線上教學指導學生如何將所得實驗數據畫圖

圖10：老師透過線上教學指導學生將數據做圖並比較與圖9的差異

圖11：學生將圖9及圖10合在一起，比較兩者實驗結果的差異

c.學生相互討論數據分析技巧及以自己所得數據為證據做出推論並嘗試建立模型，提升自己的探究能力。

（a）氧化鈣與水的比例不同會造成溫度上升速率及下降速率不同？

（b）氧化鈣溶於水後會生成氫氧化鈣，氫氧化鈣在水中溶解度隨著溫度上升而下降，所以水量多寡對於上升的溫度有影響？

（c）加入的水量太多時，水的汽化熱大，會造成上升的最高溫度只能到達100℃？

（d）是否可以由修正實驗，算出氫氧化鈣的莫耳溶解熱？

4、學生完成元素方塊所交辦的所有項目（元素性質、語音錄影、元素相關實驗Qrcode及元素方塊製作心得1200字）進行表達與分享

（1）師生合力將118個元素方塊放在合適的場地（圖書館、會議廳或學校川堂）堆疊呈現 。

（2）邀請全校師生一起來參觀，透過每個元素方塊QRcode掃描，可以聽到元素語音檔講解及相關實驗說明。

（3）學生可以利用彈性自主學習時間或課餘時間與參觀的師生進行成果分享及交流。

圖12：學生透過交流分享可以訓練自己的表達技巧，同時在被提問的同時，學習角度的轉換，學生不再是單純的聽講與操作，而需要更多的時間思考、討論以及嘗試。

5、疫情時期，學生完成所有交辦項目（元素性質、語音錄影、元素相關實驗QRcode及元素方塊製作心得1200字）進行線上表達與分享

（1）老師從所有作品中挑選出完成度高的作品（元素方塊中除了元素的基本性質外，有做到「自己完成相關實驗」，自己親自錄製語音檔而不只是從網路擷取資訊而已！），進行線上會議交流分享。

（2）線上會議實施要點及：

a.首先大家在google meet 通訊訊息中完成報到手續！除了講述者須要開啟麥克風及影像以外，其他人員關閉麥克風及影像。

b.由老師線上講評評選重點及規則。請被評選「優異」的同學講述閱讀元素心得，實驗解說影片，簡報製作及製作元素立方體過程中印象最深刻的事。

生1：做元素立方體比想像中難，選用紙張材質及大小裁切，需要實作才能了解！而且有些元素（例如原子序109Mt）很難找到資料，必須到國外網站上尋找，然後再將資料翻譯成中文。

生2：當初選用太厚的紙張，結果在摺成正立方體時做很久！印象最深刻的元素是76Os（鋨），因為資料不多，需要在各個網站上尋找！

生3：要將所得的資料濃縮成word檔，印出貼在立方體，並不容易！還好有家人一起幫忙，其中印象最深刻的元素是71Lu（鎦），因為資料很少，需要找很久。

生4：挑選立方體的紙張材質找很久！印象最深刻的是S（硫），硫化合物在生活中應用普遍，還可以用來做火藥及煙火，實在很特別！

生5：做簡報說明時，花了不少的時間，但是簡報可以直接就貼在厚紙板上，也很方便！印象最深刻的是101Md（鍆）！

  生6：印象最深的元素是B（硼），我特別製作實驗影片，可以使用QR code 掃描，是有關於史萊姆化學黏土的影片，影片當中使用硼砂製作成化學黏土，給有興趣的朋友欣賞，覺得很有成就感！

二、眼見為憑的光譜世界（進階學習使用）

（一）教學流程分享

1.從閱讀原子發展科學史到動手做光譜儀

教師引導學生自主閱讀原子發展史，電子軌域及能階概念的建立、元素放射光譜的獨特性及近代電子組態的建立等，並且藉由自製反射及入射光柵實作，學會探究實作的過程。很久以前，牛頓就利用三稜鏡的色散作用，將白光的組成色光分散開來，可以說是光譜學的萌芽，只是當時牛頓並未觀察到光譜的譜線。十九世紀初，夫朗和斐（Joseph von Fraunhofer）設計了光譜儀用於分析和測量光譜線的波長，由此開啟了光譜學的研究。1859年，德國人克希何夫（Gustav Robert Kirchhoff）和本生（Robert Wilhelm Bunsen）研究各種火焰的光譜。他們發現每一個元素在氣體狀態時，都有其特定的明線光譜結構，即在光譜中的亮線各有其特定的波長，因此光譜可用於精密分析物質的組成成分，對於鑑定化合物的化學成分有重大意義。

光譜學是研究原子、分子等不同粒子結構的方式之一，主要分為三種：

(a)連續光譜：指太陽光或白熾燈泡光源透過三稜鏡排列出一連串連續的光。

(b)發射光譜：電子由高能階躍遷至低能階放出光後產生的明線光譜。

(c)吸收光譜：光源通過原子後，電子由低能階躍遷至高能階時，某些特定波長的光被吸收後產生暗線。

學生了解原子的構造與光譜的意義後，必須完成自製反射及入射光譜實作簡報說明，至少6張成果發表及提供分享使用。

2.自製反射光柵實驗成品並進行實驗實作

（1）實驗目的：利用光碟片自製光譜儀，並使用完成的光譜儀觀察不同光源的光譜差異。

（2）實驗原理：光碟片表面有突起處與凹陷處，當入射光打到凹凸的表面，便會形成波程差，而發生干涉。

（3）實驗材料：

a.光碟片 : DVD-RW，一片
b.牙膏紙盒 : 一個
c.黑色絕緣膠帶（不要使用亮面材質）
d.剪刀、透明膠帶、美工刀、量角器

（4）實驗步驟:

a.將牙膏紙盒一端用美工刀割出約1mm寬度的小縫，並在紙盒上方割出觀測窗，側面割出光碟置縫，光碟置入縫角度與水平面夾約30度。
                    

 

b.置入光碟片，並將紙盒縫隙及光碟片邊緣用黑色絕緣膠帶封住，防止漏光。
                          

 

c.光譜儀完成參考圖如下圖：

（5）實驗記錄與討論（學生可以自行設計或相互討論）

 

a.用自製的光譜儀觀察日光燈管與白熾燈泡，兩者的光譜有何不同？

b.將入光狹縫的寬度用黑膠帶貼小，光譜會更清晰嗎？

3、自製入射光柵光譜儀成品並進行實驗實作

（1）實驗目的：自己動手做光譜，了解光柵如何應用在光譜之中。

（2）實驗原理：光柵是基本上是在一塊平面玻璃或是金屬薄板上，刻出許多平行等兼具的密集直線溝槽，通常在一公分寬的平面上會刻有數百至數千條溝槽，光柵可以分為反射式光柵或是入射式光柵，入射式光柵原理上屬於多狹縫繞射，以此產生色散效果

（3）實驗所需材料

a.光柵片1片（寬1公分，長3公分）（教師提供，蝦皮或ebay購入）

b.黑紙板（請自行購買，建議使用黑色美國卡紙，不要使用反光材料）

c.膠帶少許（建議使用黑色絕緣膠帶）

d.相關文具自備

（4）自行購買製作之紙張，至少需做出一單狹縫紙卡，將光柵片黏於單狹縫紙卡上。

a.其餘部件可自行設計，能讓光線通過單狹縫到光柵再到屏幕即可。

b.老師提供參考比例圖：(整體製作紙用一張A4大小的黑色美國卡紙即可完成！)

【注意】

光柵片黏於6號紙板上的單狹縫（光柵圖片參考資料為中央大學楊仲準教授提供）

c.參考圖片

d.實驗紀錄與討論（學生可以自行設計或相互討論）

（a）試解釋光柵如何產生色散現象？

（b）使用單一光源雷射筆（紅色及綠色）從4號紙板外側射入6號紙板光柵狹縫處，是否會在3號紙板上呈現明顯的分光光點（三個點）？

（c）比較雷射光源不同，在3號紙板上呈現的分光點是否有差異？

4、實作成品報告繳交方式

    除了必須將實驗成品繳交之外，同時須完成：

（1）以6~10頁PPT簡報說明：實驗目的、實驗原理、實驗步驟、實驗數據分析、討論與結論。

（2）請寫下你製作光柵光譜儀的心路歷程（列如：製作訣竅在哪？哪個部分製作最困難？自己如何設計光譜儀？）。

圖13：學生將反射光柵及入射光柵成品繳交的盛況！教師可以用雷射筆進行實測，作為實驗成品評分的依據

5、疫情時期，學生所有交辦項目，進行線上表達與分享

（1）老師從所有作品中挑選出完成度高的作品（簡報及製作光柵光譜儀的心路歷程）進行線上會議交流分享。

（2）線上會議實施要點及心得分享：

a.首先大家在google meet 通訊訊息中完成報到手續！除了講述者須要開啟麥克風及影像以外，其他人員關閉麥克風及影像。

b.由老師線上講評評選重點及規則，請被評選「優異」的同學講述。

  生1：因為我的手作不是很強，所以在做入射光柵時，做得不是很順利！所以做了很多次才成功！有不會的地方就請教老師跟同學，因為是自己動手做，所以印象特別深刻！

  生2：覺得入射光柵比較難做，而且調整很久，對於影像看不太清楚

  生3：因為沒有牙膏盒，所以只好自己做長型黑色盒子。做入射光柵時，光線一直看不太清楚，成功的時候，覺得很有成就感

  生4：入射光柵比較不好做，在反射光柵的時候，有看到彩虹！ 至於簡報製作心得，因為自己不太會抓重點，簡報有6頁限制，實在很難取捨。

     n  結語

學生是自然探究實作課程的主角，教師的功能在於引導、鼓勵及陪伴。教師如何引導學生規劃出一個有意義的主題，掌握分析、論證的邏輯相關性，讓學生在經歷幾個探究問題的思考實作歷程，並且最後能做總體整合發表，甚至進一步思考未來的探究方向，真的是件不容易的事。有些老師因為108新課綱的「學習歷程檔案」中的自然探究的「成果作品集」不知該如何為學生規劃，而傷透腦筋，有些老師甚至設計出「一條龍」的套裝課程撰寫方式，讓同學可以容易「打造」！？但是過於重視課程設計與評量結果的學習歷程，反而流於形式設計而忽略了課程本身設計的深度還有獨特性，「自然探究成果作品集」是學習歷程檔案的一部分，除了四大要點（發現問題、規劃研究、論證建模及表達分享）以外，還需要寫出自己的創意、心得，還有與眾不同的部份，否則並沒有太大的加分作用。

從5月17日開始防疫時期實體上課改成遠距教學，這段時間學生如何運用網路資源、彈性自主學習及善用日常生活材料作「自然探究實作課程」，想必也是大學端教授很感興趣的部分。學習歷程檔案是學生對於自己高中生活中的紀錄與反思，當然也包括自己在該科目學習時真實的感受與收穫，雖然內容不是「作文比賽」，但是清楚且完整的敘述，甚至可以像「小論文」般完整的呈現，讓教授「看得到你的成長」，還是有其必要性！所以在自然探究學習過程中不應只有學習單、實驗報告及評量而已，而是透過課程設計讓學生展現自己的學習能力及看到更好的自己，所以實在不應該只用「評量表現及標準」來框架學生，甚至限制學生在課堂上許多天馬行空的的想像！適當的課堂評量固然對於學習成績提供客觀的標準，但是課程主題明確、內容多元，甚至吸引學生願意主動探究才是整個探究實作課程成功的關鍵！有些學生在教師的啟發及引導下還可以發展成科展作品，得到十分優異的成績，更是始料未及！未來學生在看到新聞議題或科學迷思概念時，知道該如何聚焦探究主題、設計實驗及推理論證，這正是一零八課綱中期待學生成為終身學習者的終極目標！

     n  致謝

感謝彰化高中化學科蔡孟祐老師協同指導學生元素方塊的製作及學生實驗規劃；謝宗棠老師協同指導學生做入射光譜儀設計及提供線上教學照片（圖7及圖8）；國立臺東大學附屬體育高級中學化學科謝佶霖老師指導實驗圖形繪製技巧。

參考資料

1.曾國輝（2001）。化學觀念叢書。建宏出版社

2.齊藤勝裕（2013）.很漫畫的化學元素118（MANGA DE WAKARU GENSO 118；高詹燦、龔智良譯）。臺北市：瑞昇文化。（原著出版於2011）

3. Theodore Gray（2010）.看得到的化學 （The element：A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe；吳瑤玲譯）。臺北市：大是文化。（原著出版於2009）

      n  附錄

元素相關實驗「鈣」－自己的便當自己熱！

班級：           姓名：        座號：

一、摘要

從旅遊中的體驗「日本自動加熱便當盒」，觀察餐盒下層的化學反應，探討主動加熱的原因可能是什麼化學物質，並藉由實際實作進一步了解溫度上升的原因。

二、實驗目的

1.使用定量的氧化鈣加入適量的水，將白色生雞蛋煮熟。

2.使用定量的氧化鈣加入適量的水混合攪拌並記錄溫度變化，溫度超過80℃即為成功。接著比賽哪一組維持80℃以上高溫最久，以及哪組可以達到溫度最高。

三、實驗器材（1組用量，每組3人）

1.器材

2.藥品

    無水氧化鈣

四、實驗步驟

1.使用氧化鈣加水，將白色生雞蛋煮熟

（1）各秤取生石灰（CaO）90克及水45克。

（2）取鋁箔紙邊長約27公分正方形，放入紙碗中。

（3）將雞蛋重量，可以了解實驗可能的變因。

（4）將生雞蛋放到鋪好鋁箔紙的紙碗中，緩慢將生石灰倒入，避免揚起粉末。

（5）將秤好的水迅速倒入紙碗中，快速將鋁箔紙包住，並將電子式溫度計插入（小心不要插破鋁箔紙造成實驗失敗！）。

（6）紀錄溫度變化（每30秒紀錄1次），持續至溫度緩慢下降為止，過程約35分鐘，如圖所示。

2.看誰設計的自動加熱最給力！？

使用定量氧化鈣（建議每次用量20克）加入適量的水，混合攪拌並記錄溫度變化，溫度超過80℃即為成功。接著比賽哪一組維持80℃以上高溫最久，以及哪組可以達到溫度最高。

五、實驗紀錄

1.使用氧化鈣加水，將白雞蛋煮熟，每30秒記錄溫度變化。

2. 使用定量氧化鈣（建議每次用量20克）加入適量的水，混合攪拌並記錄溫度變化，溫度超過80℃即為成功。

（1）氧化鈣與水的用量：

（2）是否溫度有超過80℃？若是有超過80℃，請問維持多久？

3.實驗討論與反思

※建議思考方向：

1.氧化鈣與水的比例不同會造成溫度上升速率及下降速率不同？

2.氧化鈣溶於水後會生成氫氧化鈣，氫氧化鈣在水中溶解度隨著溫度上升而下降，所以水量多寡對於上升的溫度有影響？

3.如何修正實驗操作變因，探討加入水量對溫度的影響？