臺灣化學教育

新課綱粒子觀點教學的挑戰：國小粒子建模教學課例分享—以熱脹冷縮教學為例

王亭雅

國立臺北教育大學自然科學教育學系(所)

新北市國民教育輔導團
國小自然輔導小組

新北市板橋區沙崙國小
[email protected]

n  前言

    十二年國民基本教育課程綱要的自然領域中，首次「建立模型」下放至國小階段的指標內容，國小階段的自然老師們皆須開始思考如何在課堂中培養學生「建立模型」的能力，本文作者嘗試以建模設計課程，並選擇以肉眼看不見的「物質粒子概念」，讓學生嘗試自己建立模型。

    本文作者在實施課程的同時，也想在觀察「學生在學習粒子概念時會遇到哪些問題」、「學生在建立模型時老師要如何給予協助」以及「學生是否能夠自己修正模型」這幾個問題，後續將分享課程設計、教學實施語教學成效及省思。

n  課程設計

一、物質粒子概念重要性

所有國小教師在十二年國民教育課程綱要下，需先面臨思考如何讓學生探究眼睛看不見的粒子，且大多數教師會疑惑對學生來說要學習看不見的現象是否太困難。

首先，化學家對化學概念分為三個概念層級－巨觀、次微觀和符號，巨觀指實驗及經驗；次微觀指基於物質的粒子理論以解釋巨觀；而符號只是為了表現這些巨觀的現象，化學家較普遍使用的符號表徵(Johnstone, 1991)。有學者認為往往低估了學生抽象思考的能力，學好科學概念應該要妥善發展巨觀、次微觀和符號三種概念表徵之間的轉換(謝秉桓等，2014)，而Samarapungavan等人(2017)也提出二年級學生也能學會簡單的粒子模型說明不同狀態的物質和特性，並且能解釋相變化。

因此能得知物質粒子概念在國小階段透過巨觀的現象去想像思考是能夠學習且重要的。

二、建模教學理念

 關於讓學生自主建模的過程，Clement(2008)提出教師在課堂討論中，學生的正確或不正確想法被認真對待時，可以培養學生主動學習和推理。學生從形成粗略的初始模型，再慢慢逐步接近目標模型，這過程中學生的模型可能有一些是不正確、還有一些則是部分正確，為了幫助老師在這複雜的組合中進行決策，老師需要設計討論活動，協助學生判斷應該先處理什麼，其次處理什麼，所以教師在任何特定時刻都在處理這些想法，提供溫和或更強的鷹架，以促進學生建構，引發學生對模型的一部份進行修正或補充，從錯誤的部分正確再到更正確的模型會被逐步的發展，這個過程會繼續形成更多中間模型，直到達到目標模型(如圖１)。

Clement(2008)同時也提出教師須幫助學生相互交流，將學生描述的內容(無論正確與否)都畫在黑板或海報上，或者讓學生畫出自己的模型，在小組作業中提供一個視覺上以及口頭上的交流。當討論陷入僵局，教師須提供足夠的鷹架、引導性問題、提示、新的觀察、先前的評論、不一致的問題或訊息等，使學生的推理可以進行。

根據以上內容，本文作者認為老師在建模中的角色不是「幫學生評價模型的優缺」，而是設計活動幫助學生「將模型可視化」，以及在課堂中「視學生的需求給予鷹架」的角色。因此本文作者在課程中不會直接給予孩子的模型進行是否正確的評價，而是安排鷹架，讓學生在建模時嘗試自己修正模型。

圖1模型演化、鷹架和共建的圖解(Clement,2008)

三、教學對象與學習目標設定

本文設計的課程結合「熱脹冷縮」的巨觀現象，讓學生認識微觀的「物質粒子概念」。教學對象為校內科學社團高年級學生，依十二年國民教育課綱自然領綱為第三階段，故分別選擇與「熱脹冷縮」及「物質粒子概念」相關的學習內容，及與「建立模型」及「用繪畫表達模型」相關的學習表現，使用矩陣的方式設計學習目標(如下表1)。

表1學習目標

四、概念圖

本文認為授課教師需清楚巨觀及微觀之間的連結，才能在課程中確認學生目前的模型具備哪些概念，或缺少了哪些概念，進而利用文本、問句或學生彼此的模型作為鷹架，幫助學生評量自己的模型是否還有需要修正的部分，因此繪製概念圖如圖2。

由概念圖可以得知造成巨觀現象「熱脹冷縮」的主要原因是「因熱能增加，使粒子運動速度變快，粒子間的距離變大，使得整體體積變大；而反之熱能減少，粒子運動速度變慢，粒子間的距離變小，使得整體體積變小」。

圖2熱脹冷縮之粒子概念圖

五、教材選擇

在教課書中，是由「錐形瓶上套氣球，放入熱水中觀察氣球膨脹，放入冷水中觀察氣球縮小」的實驗證明「氣體熱脹冷縮」的現象。但本文作者認為將套氣球改成抹上泡泡膜，泡泡的膨脹和縮小能直觀氣體體積範圍的變大和變小(如圖3)，更能幫助學生理解氣體的熱脹冷縮，故實驗教材改使用「錐形瓶口抹上泡泡膜，放入熱水中觀察泡泡膨脹，放入冷水中觀察泡泡縮小」的實驗來證明「氣體熱脹冷縮」的現象。

圖3泡泡可看出氣體體積範圍變大變小
註:紅色斜線為氣體體積範圍

n  教學實施

本文之建模教學課程設計是依據林靜雯與李宜諺(2024)整理文獻提出的「建模本位探究(Modeling-based Inquiry, MBI)循環的教學鷹架」做為架構(見圖3)，以下說明各階段實施內容。

圖4熱脹冷縮建模教學流程圖

觀察定題的階段，教師以「錐形瓶口抹上泡泡水，依序放入熱水及冷水中，觀察泡泡膨脹縮小」的巨觀現象，讓學生親自操作，並以此現象定題「為什麼放入熱水和冷水後，泡泡會變大和縮小呢?」，並讓學生解釋原因。

圖5觀察定題階段之學習單紀錄

模型建立的階段，教師以問句「假設如果用超級大放鏡可以看到很微小的顆粒，可能可以看到什麼變化呢?」提問，讓孩子依看到的現象，利用繪圖的方式表達自己的初始模型來解釋現象。

圖6模型建立階段之學習單紀錄

調查研究的階段，因粒子太微小沒辦法直接觀察，無法使用實驗驗證，本文作者使用粒子觀點的文本及PhET當作探究的鷹架，提供孩子思考的線索依據，同時也讓學生以小組協作繪圖的方式進行對話討論，再讓各組的分享。分享時，教師會協助於黑板記錄學生提到重要的概念，並提醒學生「建立的模型」與「提出的概念」是否互相符合。

藉由組間分享，教師引導學生察覺同樣的現象之下，不同的人建立出的模型也會不同，也能多方面讓學生思考自己的模型跟別人哪裡不同?哪部分正確？哪部分錯誤？進而能自己修改模型。

  

圖7調查研究階段提供的PhET氣體特性和文本資料 

圖8調查研究階段互相聆聽彼此的模型 

模型評鑑的階段，教師再次提供類似的巨觀的現象，讓學生利用前面學習的粒子模型嘗試遷移到新的現象進行解釋。本課程以「將尿尿小童放到熱水中將空氣排出，再次放到冷水中吸水，澆熱水將水噴出」的現象，讓學生再次進行模型評鑑。

圖9模型評鑑階段，學生再次使用模型解釋尿尿小童的現象

n  教學實施成效

課程實施後，作者將每位學生在課堂中各個階段繪製的個人模型進行整理，觀察中間模型的差異，統整建立物質粒子模型時學生可能會遺漏的概念，以及在哪個時刻才開始自我修正，本文作者分享以下幾點發現。

一、每個學生物質粒子模型的建構過程不相同

學生在建模的過程中，模型從「沒有粒子概念」，慢慢開始加入「空氣是由微小粒子組成的」、「粒子數量恆定(物質守恆)」、「溫度上升，粒子運動速度變快」及「粒子之間的距離，造成巨觀的熱脹冷縮」，但每個人加入的順序不一定會相同，進而最後推論到「空氣間粒子的距離會改變而影響整體體積大小」。

以圖4學生模型變化的歷程來看，初始模型時已使用粒子來解釋熱脹冷縮的現象，具有「空氣是由微小粒子組成的」的概念，且認為「粒子本身會變大變小而造成氣體熱脹冷縮」。在經由小組協作繪圖及組間分享後，自我修正「粒子大小沒有改變」，並增加了「熱空氣往上，冷空氣往下」的概念在模型中。

接著本文作者提供粒子觀點的文本給學生閱讀，藉由文本中的資訊，可以看到學生的模型開始以粒子旁邊兩個點點的方式表示「溫度上升，粒子運動速度變快」，而以粒子旁邊一個點點表示「溫度下降，粒子運動速度變慢」，但此圖中常溫下沒有點點，此時尚未察覺「常溫時粒子就會運動」。在經由小組協作繪圖及組間分享後，此學生模型又修正了「粒子數量恆定(物質守恆)」、「常溫時粒子就會運動」的概念。

最後本文作者提供PhET，可以看到此學生的模型未改變。在經由小組協作繪圖及組間分享後，全班學生討論出「粒子之間的距離，造成巨觀的熱脹冷縮」，因此此學生的模型將模型中的距離修正了，但「粒子的運動」卻不見了。

圖10個人物質粒子模型的變化過程

註:左側表示個人繪製模型之間，教師安排的鷹架與小組討論，右側表示個人物質粒子模型建立的順序。

二、學生模型建立後，可以遷移到類似情境進行解釋

有研究指出，當學生學會使用微觀的粒子概念解釋巨觀現象，往後依然會使用粒子觀進行解釋，就算概念有可能部分錯誤，但並不會放棄使用微觀現象解釋
(謝秉桓等，2014)。在本課程模型評鑑階段，選擇利用熱脹冷縮原理但較為複雜的「尿尿小童」，將寶特瓶底部戳一個洞，先放入熱水中，因瓶內氣體溫度上升體積變大，而會看到在熱水中氣體跑出瓶外有冒泡的現象，接著放入冷水中，瓶內氣體溫度下降體積縮小而吸入冷水，最後再寶特瓶上沖熱水，主要因寶特瓶內溫度上升導致氣體體積變大，將冷水向瓶外推擠，因此會看到水從底部的洞口噴出去(吳仲卿，2017)。

在課程最後，讓學生操作「尿尿小童」並觀察整個過程寶特瓶會冒泡、吸水又噴水的過程，實驗完再思考造成的原因，並利用畫出微觀的變化去解釋看到的現象。結果8位同學中，有6位同學仍然可以使用粒子模型去進行解釋，確實相符合。

圖11學生使用粒子模型解釋「尿尿小童」的原理

三、學生可以不透過老師直接評價而自己逐步修正模型

整個課程中，因此課堂中都沒有直接對學生的模型進行正確或錯誤的評價，只有提醒「你們提出的概念是不是都畫進去了呢」，並在中間給予文本及PhET作為跳躍的鷹架，然後再次回到個人建模。藉由課堂中發現學生真的能夠比較自己模型和鷹架之間差異，進行自我模型評鑑，逐步修正自己的模型。此部分與Clememt(2008)所提出「學生的每一個正確或不完全正確的想法都被重視，老師需要設計討論活動，提供溫和或更強的鷹架促進學生建構，引發學生對模型一部分進行修正或補充」互相符合。

而課堂中小組繪圖討論讓學生能將想法視覺化在彼此之間，組間分享的安排也讓學生的模型能夠呈現在螢幕上，提供視覺和口頭的交流，同時也發現學生真的能藉由比較自己模型和他人模型之間差異，再次的修正自己的模型。此部分也與Clememt(2008)所提出「教師須幫助學生相互交流，讓學生在小組中提供視覺上即口頭上的交流，將學生描述的內容畫在黑板上，或讓學生畫出自己的模型，使學生的推理可以進行」互相符合。

n  結論與教學省思

本研究發現設計建模教學的課程前需先對「模型」及「建模歷程」有所了解，已能正確選擇想要學生建立的模型。在實施建模課程時，教師需能觀察學生建粒的模型，並思考「此模型涵蓋什麼概念」及「此模型缺乏什麼概念」，而給予幫助學生的活動安排或鷹架，讓學生能藉由活動及鷹架自我修正模型。而課程實施完後，分析以下幾點自我省思：

一、在熱脹冷縮時會產生「粒子本身變大變小」的誤解

粒子建模的文獻很多，因此設計的文本以為能盡量解決學生在建立粒子模型時可能會遇到的另有概念，但在學生討論時才發現學生會有「因粒子本身會膨脹縮小，所以整體體積才會變大變小」的觀點，而此為設計課程時未預期的會出現的想法。後來有同學彼此在觀察PhET後提出「因PhET中看到溫度改變時，氣體粒子也沒有變大變小，所以粒子本身不會改變大小」而自行解決疑惑。因此未來再次實施課程時，會將文本內容加入「粒子不會變大變小」相關訊息。

二、老師的角色為連結者

在MBI循環的教學鷹架中，作者發現「模型建立階段」及「調查研究階段」是學生建模或修正模型的時候，此過程需要連結巨觀現象和微觀現象，還需要連結不同的表徵，也需要連結自己的模型和他人的模型比較異同，對國小學生來說都是較為困難的。實施中查覺到若教師沒有適時使用問句引導學生思考，學生幾乎不會自行連結兩者不同的模型，因此認為教師在整堂課中的角色為「連結者」。

以下為課堂中使用的引導問句：

表2引導問句

問句目的	功能	引導問句	MBI建模階段
連結複雜概念和模型	學生評鑑自己的模型	你的模型和文本、PhET哪裡相同？哪裡不同呢？   你提出的粒子概念和你畫的粒子模型一致了嗎？	建立模型   調查研究   模型評鑑
連結不同人建立的模型	學生進行模型之間的比較	你的模型和其他人的模型哪裡相同、哪裡不同呢？   哪個同學建立的模型較適合用來解釋現象呢?	建立模型   調查研究 模型評鑑
連結巨觀和微觀	學生思考微觀與巨觀的關係	怎麼用粒子（微觀）解釋泡泡膨脹和縮小（巨觀）呢？	建立模型   調查研究   模型評鑑

n  參考資料

吳仲卿[實作與探索計畫彰化師大吳仲卿教授](2017，8月3日)。自製尿尿小童–第一集。Youtube。https://www.youtube.com/watch?v=0LesgBQoDAY

林靜雯、李宜諺（2024）。模型/建模本位探究的階段與循環：回顧與啟示。邱美虹主編。科學探究與實作之理念與實踐（頁75-99）。高等教育出版社。

謝秉桓，林啟華，曾茂仁，鐘建坪，邱美虹（2014）。九年級個案學生粒子概念之探討—以擴散作用為例。科學教育月刊，367，2-23。

Clement, J. J. (2008). Student/teacher co-construction of visualizable models in large group discussion. In J. Clement & M. A. Rea-Ramirez (Eds), Model based learning and instruction in science (pp. 11-22). Dordrecht.https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6494-4_1

Johnstone, A. H. (1991). Why is science difficult to learn? Things are seldom what they seem. Journal of Computer Assisted Learning, 7(2), 75–83.

Samarapungavan, A., Bryan, L., & Wills, J.(2017). Second graders’ emerging particle models of matter in the context of  learning through model‐based inquiry. Journal of Research in Science Teaching, 54(8), 988-1023.https://doi.org/10.1002/tea.21394

致謝  感謝國小自然領域中心於本文教學與為文期間提供寶貴的建議，敬致謝忱。