國中自然科學彈性課程設計與教學: 高中化學銜接教材如何轉化為國中彈性課程 /鍾曉蘭、鐘建坪

星期三 , 6, 9 月 2023 Leave a comment

國中自然科學彈性課程設計與教學:

高中化學銜接教材如何轉化為國中彈性課程

鍾曉蘭*鐘建坪

新北市立新北高級中學*新北市立錦和高級中學
*chshirley2007@yahoo.com.tw

n  前言

    十二年國教自然領綱,考慮學生巨觀到微觀的認知發展歷程,將高一必修化學部分的概念移至國中理化。因108課綱從108年於國、高中同步施行,故從108110年,有三年學習九年一貫課綱的國三畢業生,在修習108課綱的高一必修化學之前,需將部分重要的概念與實驗重新學習,以利新、舊課綱的銜接。

為此,高中化學學科中心邀請四位大學化學系教授與四位高中化學教師,為期一年的時間,以多次共備會議進行高中化學銜接教材的內容與課程設計。除了協助高中教師與學生,進行自然領綱的學習內容銜接之外,更以素養導向教學理念融入課程設計,期能以實例說明十二年國教的教學理念與精神。

隨著銜接課程的任務結束,若將相關教材束之高閣實屬可惜,考量教材內容的設計與深度相當於國中學習階段的加深加廣課程。因此,若將原有的銜接教材進行轉化並符合探究與實作精神,不僅可作為國中教師在規劃彈性課程的取材內容,亦可發揮銜接教材的後續應用。

n  簡介高中化學銜接教材

國中階段新增加四個概念或實作:(1)原子模型的發展、(2)百萬分點濃度(ppm)表示法與電子pH計、(3)濾紙色層分析法,以及(4)透過實作來認識有機物與無機物的差異。銜接教材整體概念圖如圖1所示。因篇幅所限,本文僅簡介「原子結構與科學史」的課程,其主要概念包含道耳頓原子說、陰極射線實驗與西瓜模型、α散射實驗與核型原子模型、質子與中子的發現、原子模型發展的演變。此單元主要以科學史角度介紹原子模型發展,期待學生能從歷史上相關重大的實驗,探索電子、質子與中子的發現歷程,了解科學家如何依據證據修正模型,並能分辨科學知識的確定性和持久性會因科學研究的時空背景不同而有所變化(教育部高中化學學科中心,2018)

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1 高中化學銜接教材整體概念圖

(引自教育部高中化學學科中心2018p.6)

    原子結構與科學史」的課程,主要以「問題導向的學習(problem-based
learning
,簡稱PBL)」作為課程設計的架構(鍾曉蘭,2021)。教師以一系列的問題引發學生探討原子的結構與原子模型在科學史中發展的歷程,提問與對應的概念詳見表1。詳細的教材內容提問與參考答案教案等,請參閱高中化學108課綱銜接教材教師手冊(網址https://reurl.cc/GA7Ne3)

1 原子結構與科學史」課程中的提問 (整理自教育部高中化學學科中心2018)


提問


對應的概念


你認為物質是由什麼基本粒子所組成的?試著提出你的想法?


希臘哲學家德謨克利特提出原子的概念道耳頓原子說的內容。


原子真的不可分割嗎?


探討道耳頓提出的「原子不能分割」想法的正確性。


陰極射線是光還是物質?

 

觀察實驗結果,能說明陰極射線是電中性還是帶電粒子?


從三個陰極射線實驗影片中,學生歸納出陰極射線是帶負電的粒子束。


陰極射線實驗推論出實驗的重要發現與道耳頓原子說衝突之處為何?

 

根據陰極射線實驗結果,湯姆森的原子模型為何?並提出解釋原因。


修正道耳頓原子說的內容,原子是可分割成帶正電的球體與帶負電的粒子(電子),並從證據中建立湯姆森的原子模型(西瓜模型)


請學生預測依據湯姆森的原子模型,α粒子散射的實驗結果為何?


拉塞福試圖要證明湯姆森的原子模型西瓜模型是正確的,以α粒子進行一連串撞擊極薄的金箔的實驗。根據西瓜模型預測α粒子散射的實驗結果,讓學生產生認知衝突。


α粒子散射實驗的發現與湯姆森的西瓜模型衝突之處為何?


原子的基本結構與組成方式,分為帶正電原子核與核外帶負電的電子。


根據α散射實驗的結果,拉塞福的原子模型為何?並提出解釋原因。


拉塞福的原子模型為核原子模型或稱行星模型


α散射實驗中湯姆森原子模型與拉塞福原子模型之差異為何?


學生繪圖說明湯姆森的原子模型與拉塞福原子模型α粒子撞擊金箔的差異。

 

clip_image004[4](1)


至今原子核中已有許多的微粒(質子與中子)陸續被發現。請學生根據以上各種發現及實驗結果,原子結構的組成圖為何?


clip_image006[4](2)

1 原子模型比較圖引自高中化學學科中心,2018p25;註2
原子結構分類引自高中化學學科中心,2018
p26

n  如何將銜接教材轉化為國中彈性課程

銜接教材轉化成國中彈性課程之課程規劃表

    如果將銜節教材「原子結構與科學史」的內容全部納入國中理化教學,現場教師反映教學時間會大幅度增加,不符合教學現況,故筆者嘗試依據探究式教學的理念(問題導向的教學),將其轉化為六節課的國中彈性課程,課程設計簡介如附錄1。每週皆以驅動問題出發,讓學生在完成該週學習活動之後,能夠回應驅動問題。第一節主題為「原子真的不可分割嗎?陰極射線到底是什麼?」教師藉由提問學生導引思考道耳頓原子說的內容,進而引導觀看陰極射線的實驗,讓學生思考什麼是陰極射線,並發表各組討論結果。第二節主題為「湯姆森原子模型為何?」學生基於第一節課的討論,需要歸納出陰極射線實驗與道耳頓原子說衝突之處,並根據陰極射線實驗結果,推論哪種模型符合湯姆森的原子模型。第三節主題為「湯姆森原子模型是正確的嗎?」教師會藉由PhET電腦模擬實驗,讓同學模擬不同原子模型的差異。同學在開始模擬實驗前,需要依據湯姆森的原子模型──西瓜模型進行推測,實驗理論上應該會得到什麼結果。並歸納與推論出模擬實驗的發現與湯姆森的西瓜模型衝突之處。第四節主題為「拉塞福的原子模型為何?」讓學生根據拉塞福α粒子散射實驗結果,進行推論以確認哪種模型符合拉塞福的原子模型。第五節主題為「原子真的不可分割嗎?」學生需要根據先前的學習內容與查詢相關資料,並嘗試以CER論證模式claim,evidence, reasoning;主張、證據、推理)回答原子是否能分割的問題,協助學生檢視主張與證據之間的關聯。第六節為「原子模型是如何演變的?」教師引導學生使用軟體(如X-mind),以心智圖統整出前五次的學習內容與查詢的資料,以圖像與文字方式,呈現如何依據實驗的證據修正原子模型的歷程。

    新設計的課程規劃與銜接教材不同之處有二:其一是引入PhET電腦模擬實驗,引導學生自行操弄不同的變因,統整實驗的結果,進而提出初步結論;其二是引導學生根據先前的學習內容與查詢相關資料,以CER論證模式回答原子是否能分割的問題。

二、應用PhET進行模擬實驗,協助學生理解不同原子模型的實證差異

PhET是由美國科羅拉多大學University of Colorado, Boulder建置的網站,其中的教學範例與模擬程式由其專業開發團隊製作,學習主題聚焦在自然科學,包括數學、生物、地球科學、物理和化學等模擬程式,教學主題包含聲音與波動、運動學、理想氣體等單元。在教育部校園自由軟體應用諮詢中心支持下,目前臺灣已建置了PhET中文網站(網址: https://phet.colorado.edu/zh_TW/),內含多樣性的中文的教學範例,PhET的模擬程式以JavaFlash多媒體製作,能夠支援不同平臺的執行系統(羅正漢,2010)。

本文應用的模擬實驗為「Rutherford Scattering_拉塞福散射實驗」(網址見圖2、圖3),模擬實驗可幫助學生建立原子模型的微觀概念,先引導學生操作李子布丁原子的α粒子散射實驗,會觀察到α粒子會筆直穿過原子,沒有偏折的現象(見圖2)。接著學生操作拉塞福原子,會觀察到大部分α粒子會筆直穿過原子,但有少部分α粒子會產生偏折的現象,有極少部分會產生大角度(接近180度)的偏轉(見圖3),同學也可以改變中子與質子數目,讓同學觀察到原子核越重,α粒子產生偏折的現象越多。請同學儘量以科學的語詞描述所觀察的現象,嘗試下初步的結論,並進一步以圖像呈現並比較兩種原子模型的α粒子散射實驗差異。      clip_image008[4]

2  PhET拉塞福散射實驗_李子布丁原子

網址https://phet.colorado.edu/sims/html/rutherford-scattering/latest/rutherford-scattering_all.html?locale=zh_TW

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3 PhET拉塞福散射實驗_拉塞福原子

網址https://phet.colorado.edu/sims/html/rutherford-scattering/latest/rutherford-scattering_all.html?locale=zh_TW

設計適合國中生學習的論證模式,促進理解主張與證據之間的關係

常見的論證模式:蘇格拉底的反詰法、亞里斯多德的三段論模式Toulmin
Argumentation Pattern
(簡稱TAP模式)、Lawson架構(檢驗論證演繹的有效性)(林志能、洪振芳,2008。高中學習階段常使用TAP論證,此模式中有六個組成因子,分別為資料(data)、主張(claim)、理由(warrant)、支持(backing)、限制(qualifiers)與反駁(rebuttal),詳見圖4Toulmin,1958。論證過程如果能夠提及支持、限制以及存在的反駁條件,則論證的能力較單純提供理由者為高。但是高中以下的學生在自然科學探究過程,若以TAP模式進行「論證與建模」,學生需要同時理解科學實作內容與論證架構,歷程可能會太過複雜與困難,故探究與實作北區協作平台建議將TAP模式以較易理解的CER論證模式取代,將論證的架構聚焦在C主張(Claim)對問題的答案或假說;E證據(Evidence)事實、觀察或資料;R推理或論述(Reasoning)對於證據之所以能支持主張的解釋或科學原理(洪逸文,2023
)。

螢幕擷取畫面 2023-09-18 233814

 學生初次論證時,往往以因為所以作為主張與證據之間的關係論述,但是提供架構能夠讓學生更加思索需要哪些證據才能佐證主張,而該如何進行推理才能適切地連結證據與主張之間的關聯(鐘建坪,2020)。因此本文建議國中教師以CER模式教導學生進行論證時,對於提出的問題證據與推理需要儘量先以國中學過的科學現象為主,如鎂粉燃燒後是否能使用二氧化碳滅火」,CER論證的例如下圖5所示(鍾曉蘭,2022)。當鎂粉工廠爆炸時,學生提出主張:不能以乾粉滅火器進行滅火,其證據在於先前學生學過點燃的鎂帶在二氧化碳之中仍可繼續燃燒,進行推理時,以鎂的活性比碳大,鎂與二氧化碳可持續反應,無法達到滅火的目的。

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5 鎂粉工廠起火時,能否以二氧化碳滅火的CER論證示例(鍾曉蘭,2022)

接著以CER模式論證原子真的不可分割嗎?」,由於國中學生可能無法提出證據或推理,或者無法區別證據與推理知的差異,建議老師可先聚焦在引導學生如何區別主張證據與推理,示例如下圖6當學生熟悉論證架構與細部的證據、主張與推理的內容之後,則可讓學生進行原子模型演變的完整相關論證。螢幕擷取畫面 2023-09-18 234038 6 原子真的不可分割嗎?」區分主張證據與推論的教學示例

n  結語

本文轉化先前高中化學學科中心設計的銜接教材,嘗試設計以科學史的角度融入問題導向的學習模式,引導學生探究「原子模型」的發展脈絡,讓學生從活動中瞭解科學本質,學習將已習得的科學知識,連結到觀察的現象,進而提出初步的結論與合理的解釋。因為微觀粒子實驗無法讓學生實際操作,藉由觀看影片以及搭配電腦動畫的模擬實驗,將抽象的實驗轉化成巨象結果,讓學生能眼見為憑,學習從實驗結果中,逐步歸納變因與變因之間可能的關係,建立初步的質性模型,並且藉由CER模式培養學生初階的論證能力。

n  參考資料

林志能、洪振芳(2008)。論證模式分析及其評量要素。科學教育月刊,3122-18

洪逸文(2023)。用製作學習歷程檔案來檢驗ChatGPT()。檢索日期2023/4/10引自https://collego.edu.tw/Media/Article/746

教育部高中化學學科中心(2018)。十二年國教高中化學科銜接教材教師手冊。檢索日期2020/3/20引自https://reurl.cc/GA7Ne3  

鍾曉蘭(2021)。高中化學教材教法專書導讀:第六章素養導向的教學與評量。臺灣化學教育,40。網址:http://chemed.chemistry.org.tw/?p=40994

鍾曉蘭(20223月)。如何從生活現象引導學生發現問題。中區探究與實作共備研習,忠明高中。

羅正漢(2010)。PhET自由授權教材網站讓教學更生動便利。iTHome新聞網站。檢索日期2023/7/26引自https://www.ithome.com.tw/article/93407

鐘建坪(2020)。文組學生議題導向論證教學模組規劃與實施—以基因改造食品為例。檢索日期2023/09/06網址:https://reurl.cc/ed5myR

n  附錄

「原子結構與科學史」轉化成國中彈性課程之課程規劃表


授課年段


國二或國三


節數


6


核心素養


A自主行動


■A2.系統思考與問題解決
■A3.
規劃執行與創新應變


B溝通互動


■B1.符號運用與溝通表達
B2.科技資訊與媒體素養


C社會參與


C2.人際關係與團隊合作


學習目標


1.     -J-A2:能將所習得的科學知識,連結到自己觀察到的自然現象及實驗數據,並能對問題、方法、資訊或數據進行檢核,進而解釋因果關係或提出問題可能的解決方案。

 

2.     -J-A3:具備從日常生活經驗中找出問題,並能根據問題特性、資源等因素,善用生活週遭的物品、器材儀器、科技設備與資源,規劃自然科學探究活動。

 

3.     -J-B1:能分析歸納、製作圖表、使用資訊與數學運算等方法,整理自然科學資訊或數據,並利用多元的形式,表達探究之過程與成果。

 

4.     -J-C2:透過合作學習,發展與同儕溝通、共同參與、共同執行及共同發掘科學相關知識的能力。


學習表現


1.     tc-Ⅳ-1:能依據已知的自然科學知識與概念,對自己蒐集與分類的科學數據,抱持合理的懷疑態度,並對他人的資訊或報告,提出自己的看法或解釋。

 

2.     pa-Ⅳ-2:能運用科學原理與思考智能,從(所得的)資訊或數據,形成解釋、發現新知。並能將自己的探究結果和同學的結果或其它相關的資訊比較對照,相互檢核,確認結果。

 

3.     an -Ⅳ-2:分辨科學知識的確定性和持久性會因科學研究的時空背景不同而有所變化。


教學大綱


節次


主題(驅動問題)


內容綱要


1


原子真的不可分割嗎?(起始問題)

 

陰極射線到底是什麼?


教師提問並引導學生思考與討論道耳頓原子說的內容。接著提問原子真的不可分割嗎?

 

進而引導學生思考陰極射線到底是什麼?請同學請學生從教師提供的實驗影片觀察陰極射線實驗,小組討論以下的問題,並發表各組的討論結果:

 

Ø陰極射線是光還是物質?

 

Ø實驗結果,能說明陰極射線是光還是物質?

 

Ø如果能,你提出的解釋為何?

 

Ø如果不能,你提出的解釋為何?

 

請學生反思:如何不做過度的推論?


2


湯姆森原子模型為何?


請學生從前次討論結果,接著討論以下的問題,並發表各組的討論結果:

 

Ø歸納出陰極射線實驗與道耳頓原子說衝突之處為何?

 

Ø根據陰極射線實驗結果,下列哪種模型符合湯姆森的原子模型?

 

Ø嘗試提出你的推論原因為?

 

Ø請學生反思:你的解釋是依據實驗的證據還是先前的知識?


3


湯姆森原子模型是正確的嗎?


探討湯姆森原子模型的正確性?

 

Ø請同學在開始模擬實驗前,依據湯姆森的原子模型──西瓜模型進行推測,實驗理論上應該會得到什麼結果?

 

Ø請同學進行電腦模擬實驗:Rutherford Scattering_拉塞福散射實驗(https://phet.colorado.edu/zh_TW/simulations/rutherford-scattering)

 

Ø先以西瓜模型(網站上為李子布丁原子),進行實驗,觀察實驗結果與學生預測的異同為何?

 

Ø再進行α粒子散射實驗,設定不同的原子,請學生觀察並紀錄模擬實驗結果。

 

Ø根據模擬實驗結果,推論出α粒子散射實驗的實驗結論為何?

 

Ø推論出實驗的重要發現與湯姆森的西瓜模型衝突之處為何?


4


拉塞福的原子模型為何?


如何從實驗推論建立拉塞福的原子模型?

 

Ø根據拉塞福α粒子散射實驗結果,哪種模型符合拉塞福的原子模型?

 

Ø嘗試提出你的推論原因為?

 

Ø請學生比較湯姆森原子模型與拉塞福原子模型之異同?(根據模擬實驗結果與紀錄,繪圖說明湯姆森的原子模型與拉塞福原子模型α粒子撞擊金箔的差異,可參見表1)


5


原子真的不可分割嗎?

 

(CER論證)


學生根據先前的學習內容與查詢相關資料,以CER論證模式回答原子是否能分割的問題?學習CER論證模式,其中C主張(Claim)對問題的答案或假說;E證據(Evidence)事實、觀察或資料;R推理(Reasoning)對於證據之所以能支持主張的解釋或科學原理(理論)


6


原子模型是如何演變的?


如何以心智圖統整出原子模型發展歷程,說明科學模型的演變情形

 

Ø引導學生使用軟體(X-mind),以心智圖統整出前五次的學習內容與查詢的資料,以圖像與文字方式,呈現如何依據實驗的證據修正原子模型的歷程。

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