臺灣化學教育

疫情下線上化學實驗和探究與實作課程：

模擬化學實驗與遠距化學實驗課程

周金城

國立臺北教育大學自然科學教育學系

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　n  前言

我從來沒有思考過大一普通化學實驗課程，如果學生沒有到化學實驗室做實驗要如何上課？2021年9月時，因為疫情再度爆發，大學開學延後而且開學前三周全面遠距教學，而我要上大一普通化學實驗課程，我才開始思考要如何讓大學生遠距做化學實驗的問題。

科學實驗模擬軟體在小學科學教學上的使用，我很早關注這樣的教學方式。我自己先前的科技部專題計畫，曾採購一套全校授權的Yenka科學實驗模擬軟體，放在本校電算中心網站上，開放全校學生使用，師培生與在職教師的回應都很良好，也有不少師培生變成正式教師後都繼續在課堂上使用。但我卻沒有在大學的普通化學實驗課程使用過，因為我仍不確定是否可行，而且覺得複雜的大學普化實驗應該不能使用模擬軟體來進行，應該只適合中小學。

　n  大一普化實驗遠距實驗初步嘗試

前面提到大學開學延後而且開學前三周全面遠距教學，學生無法到學校做普通化學實驗，因此我利用手邊的Yenka科學實驗模擬軟體，設計酸鹼滴定實驗給學生模擬操作，透過google meet同時開設16間討論室讓學生三人一組在線上做化學實驗，並透過google 表單收集學生實驗結果，如下圖1所示。由於每一位學生操作化學實驗模擬軟體的步驟不同，學生的答案也會有不同的實驗結果，甚至還會有實驗誤差，我對這樣的結果感到很意外，因為這就像真的做實驗一下，許多學生的答案都是不一樣的(如圖2)，因此我認為YENKA化學實驗模擬軟體是一個停課不停學下取代實際動手做實驗的替代方案。

　n  化學模擬實驗與化學實驗課程結合讓學生進行探究

要如何讓學生自由地進行科學實驗探究呢?我們以化學實驗探究為例。要讓學生進行化學實驗，教師通常有下列考量:1.準備適當的器材(可以提供多種的器材嗎?)；2.準備適量的藥品(可以提供多種的藥品嗎?)；3.準備適量的設備(電子溫度計、pH計等)；4.準備適合的實驗場地(實驗室、抽風設備、實驗桌與水槽)；5.準備適當的防護工具(實驗衣、手套與護目鏡等)；6.準備廢液回收；7.其他(安全性、費用、時間等)。由小學到大學的實驗課，一般而言都是依照實驗手冊來準備實驗藥品與器材，因此實驗課不會準備多餘的藥品與實驗器材讓學生自由的進行科學探索。做實驗時，每一項藥品與器材都是教師所準備好的，而且每一項都是實驗過程中需要用到的，數量也都是剛好。因為藥品是與器材室並不會開放給學生任意拿取，尤其是化學藥品，有些需具有危險性或是較昂貴，因此無法自行取用，想要自行設計或改變實驗的過程幾乎是不可能。利用科學實驗模擬軟體，是有機會讓學生進行科學探索，設計變因來進行實驗操作，並收集資料(周金城，2018)。

化學模擬實驗與化學實驗課程結合，可以有兩個面向上的探討。第一、設計可以在普通化學實驗課程中使用的化學模擬實驗：由於疫情下的遠距化學實驗課程是一個需要被解決的問題，因此化學模擬實驗的設計有其必要性。另一方面，化學模擬實驗如何在真實的動手做普通化學實驗課程中前後如何被融入使用，也需要進行討論。第二、提供給學生設計與修改化學實驗的探究與實作機會：因為普通化學實驗課程時間有限，而且化學實驗具有一定的危險性，加上化學實驗廢液與藥品的處理繁複，因此學校很難有機會讓學生在普通化學實驗課程自行修改與設計實驗。透過化學模擬實驗軟體，可以提供給學生設計化學實驗的機會，如此可以提升學生化學探究與實作的機會。

　n  科學探究是要培養學生的科學過程技能而非實驗操作技能

108自然科學領域課綱的探究能力區分成思考智能和問題解決。思考智能包含想像創造、推理論證、批判思辨、建立模型。問題解決包含觀察與定題、計劃與執行、分析與發現、討論與傳達。依據108自然科學領域課綱課綱，描述高中生的自然科學學習特性，在加廣課程中，「可較大幅放入微觀、抽象思考、基本運算與理論推導的層次，並建立科學模型與理論的系統性思考方式。」 因此可以透過科學實驗來幫助學生建立科學模型。

一般科學過程技能，包含八項基本過程技能與五項統整過程技能。八項基本的過程技能包括：(1)觀察(Observing)；(2)測量(Measuring)；(3)應用空間／時間的關係(Using space time relationships)；(4)傳達(Communicating)；(5)分類(Classifying)；(6)預測(Predicting)；(7)應用數字(Using numbers)；(8)推論(Inferring)。五項統整過程技能包括：(1)控制變因(Contorlling variables)；(2)下操作型定義(Defining operationally)；(3)解釋資料(Interpreting data)；(4)形成假設(Formulating　hypotheses)；(5)設計並執行實驗(Experimenting) (魏明通，2006）。上述的這些科學過程技能，是在解決生活中各種問題的通用能力，選擇何種指示劑來判斷酸鹼滴定，是一個化學實驗技能，雖然化學實驗技能也是我們要培養學生的能力之一，但科學過程技能會是更重要培養學生學會的通用能力。因此普通化學實驗課的重點除了是「實驗操作技能」，還有「科學過程技能」。而數位化科學實驗模擬軟體，其軟體設計可以聚焦在「科學過程技能」，讓學生多一些時間思考操作變因與控制變因來自行設計模擬化學實驗，而非只是精熟「實驗操作技能」上。

　n  提供給學生測試自己化學實驗假說的做實驗空間

利用科學實驗模擬軟體，來設計探究取向實驗融入課程中，讓學生也可以利用科學實驗模擬軟體學習科學探究能力。108自然領域課綱高中部分強調「學生能從一系列的觀察、實驗中取得自然科學數據，並依據科學理論及方法進行比較與判斷資料，進而以批判的論點來檢核資料的可信性，並提出創新與前瞻的思維來解決問題。學生能運用較為複雜的科學模型、理論與儀器等，獨立規劃完整的實作探究活動，進而根據實驗結果，反思實驗過程的優、缺點，以修正實驗模型或創新突破。」因此，模擬化學實驗室軟體是可以給大一普通化學生進行前述「獨立規劃完整的實作探究活動」的機會，並且「根據實驗結果，反思實驗過程的優、缺點，以修正實驗模型或創新突破。」

Fukami (2013)有一篇發表在最頂尖期刊之一的Science文章，就是強調史丹佛大學針對大學生物實驗教學設計探究取向課程。課程結構是每週有一個小時的講述課程與四個小時實作課程，讓學生大量數據進行假說測試(hypothesis testing)。我認為利用科學實驗模擬軟體，是可以讓學生進行假說的測試，透過科學模擬實驗是可以輸入資料，並且產生數據，再讓學生依此數據建立模型，相信能提升學生的探究能力，並且透過科學模擬實驗也大大縮短學生做實驗等待的時間。

Yenka化學實驗模擬軟體，能提供給學生測試假說實驗的機會，但不會造成化學教師帶實驗準備上的麻煩。當然在設計的過程中仍有很多需要克服的地方，例如模擬化學實驗室的藥品櫃沒有我們所需的藥品，所以需要在模擬實驗事先反應出我們所需的藥品後才能進行實驗，我也是需要花費很久時間才完成實驗模擬設計。這部分其實也可以給學生挑戰，讓學生來設計出項真實實驗一樣的模擬實驗，這對學生化學實驗訓練將會是高層次的練習與挑戰。

大一學生利用我所設計雙氧水加二氧化錳催化分解生成氧氣的模擬實驗（見圖3），可以操作後得出數據，並計算出反應速率定律式、反應級數與反應速率常數。當然，我要特別說明的是這個實驗結果不一定會和真實的實驗結果一致，但是真實實驗要操作與計算的過程，是和這個模擬實驗一模一樣的。因此，學生透過這個模擬實驗，就可以學習到如何計算出反應速率定律式、反應級數與反應速率常數的方法。

圖3 模擬實驗擷取畫面

　n  結語

化學模擬實驗可以提升學生的高層次科學過程技能: 一般科學過程技能，包含八項基本過程技能與五項統整過程技能。這些能力都有機會透過開放式的實驗課程來達到但是受限時間、安全性與經費等各種因素，無法提供給學生任意使用藥品的開放式實驗。透過YENKA虛擬化學實驗室軟體，可以讓學生任意的取用藥品、器材、加熱裝置與電子天平等儀器設備。

化學模擬實驗能部份解決疫情下線上動手做化學實驗，因為新冠肺炎疫情的停課，觸發了我想要嘗試設計模擬化學實驗給大一普通化學學生實驗的可能性。如前述，我也真的實際進行過遠距的化學模擬實驗，初步看來算是有還不錯的結果。當然，模擬化學實軟體不會真的能取代真實的動手做實驗，但是如疫情停課不停學特殊情況，化學模擬軟體實驗還是會比完全沒有實驗動手做實驗更好。

我從來沒有想過要利用化學模擬軟體實驗在大學普通化學實驗課上，真的是因為COVID-19疫情改變了我們對於很多事物既定的觀點，也讓我有機會驗證在大學普通化學實驗課上，讓化學實驗實際動手做與模擬軟體兩者結合的可能性。

　n  參考文獻

周金城（2018）。軟體與平台在中小學化學教學上的應用。臺灣化學教育，24期。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=27197 

魏明通（2006）。科學教育。台北市:五南圖書公司。

Fukami, T. (2013). Integrating inquiry-based teaching with faculty research. Science, 339(6127),  1536-1537.

n  附註

1.Yenka軟體連結位置https://yenka.com/，教師可以寫信到[email protected]聯繫下載試用版。

2.若您有下載試用版，就能開啟我所設計的雙氧水加二氧化錳催化分解生成氧氣的模擬實驗，下載位置:https://drive.google.com/file/d/1oHsXtryt6ZH9dN236O5COmY96arUG5I4/view?usp=share_lin

3.Yenka軟體的國內代理商聯繫https://www.kyst.com.tw/，提供給讀者參考。