臺灣化學教育

階段

節

活動內容

第一階段 建模歷程~定題及模型建立

現象觀察～颱風的成因

～粒子觀點初始模型~描述型粒子觀

2節

【教學鋪陳~投入】九月開學颱風連連，在外面狂風暴雨卻沒有颱風假的課堂，學生哀鴻遍野，學生思考海葵颱風到底該不該放颱風假，由放颱風假的數據，談到颱風成因，再藉由低氣壓為何產生上升氣流引發學生思考。

驅動問題：從歷次颱風發生地想想看，為何颱風發生的地點都靠近赤道？溫度高？赤道，水多？海洋，為何水會從海面到天空，再從天空降下雨來？「熱」到底在看不見的地方發生了什麼事?

【課堂表現】藉由「科學筆記」收集學生關於粒子的初始模型(描述型粒子觀)，此時學生科學筆記的繪圖表徵關於水的粒子概念初始模型多是連續、線性的，沒有粒子特質，普遍認為物質被切成較小的單位時具有相同的特質。找出天氣與熱相關的證據，多數學生藉由教師驅動問題提問後，可以得到「雲」產生是因為「溫度（熱能）」及「水」，並順此思考脈絡設計出「自製雲霧實驗」。

圖1 學生粒子觀念初始模型~描述型粒子觀，常畫出連續線條

自製雲霧露霜雪實驗~

粒子觀點模型概念收集_

描述型

2節

【教學鋪陳~探討】加入概念「物質是由微小粒子組成」，並強調概念「粒子不會變大變小」，在自製雲霧實驗（康軒版教科書六上第一單元）結束後以PhET*模擬水的三態變化，此時教師可明確的跟學生討論粒子的表徵方式（以同樣的圓圈或點表示粒子），經由教師提問讓學生可以自行補充粒子模型不足之處（一樣大小的圈圈可以代表一樣的水粒子嗎？水粒子的數量在不同型態有差異嗎？），學生的粒子模型此時大多是混合型的（同時使用粒子觀跟描述性的觀念解釋和描述現象，圖2。

【課堂表現】學生利用「自製雲霧實驗」觀察，特別針對雲到底是小水滴與水蒸氣產生討論，再次澄清水蒸氣與小水滴巨觀現象的不同。在鋼杯中放入冰水後，鋼杯外形成露水，接著加入冰塊鹽巴，鋼杯外產生的霜，思考同樣是水，水、水蒸氣跟冰相異之處（因為溫度不同造成形態不同），溫度造成水產生三態變化，遇冷會凝結凝固，遇熱會蒸發融化。而讓學生試著利用剛建立的描述型的粒子模型想像大自然界中露霜形成，並解釋為何鋼杯裝了冰水或冰水加鹽巴其杯壁外面會有小水滴凝結或霜凝固。

圖2解釋水的三態變化時混和型有時用連續觀解釋液態，以粒子觀解釋氣態

【教學反思與建議】此時學生粒子模型大多為混合型，即使他們認識到不同物質具有不同的特性，他們對液態水的解釋仍停留在連續觀層面，氣態水則用粒子觀解釋(圖2)，由表徵中的固態冰及液態水的粒子間距離相同，甚至發現即使看完動畫模擬，不同形態的粒子間距離沒有改變，可見課本的呈現如果只是靜態的圖片，確實難以讓學生理解，學生無法認知肉眼不可見的「氣體」，很多學生普遍存在同一種物質的三態改變是「三種物質」的思維（Johnson & Papageorgiou, 2010）。對於肉眼可見的固態及液態現象溫度變化後形態改變的理解較為容易，先讓學生意識到冰和水屬於同一種粒子，固-液之間的型態變化順利學習遷移到固-液-氣之間。後續亦可透過「雨滴是圓的扁的」（中央氣象署數位科普網，2016）繼續深入跟學生討論科學的好奇需要科學資料驗證的重要性。

天氣現象討論～氣團與鋒面_混合型

3節

【教學鋪陳~探討】強調重要概念，其一為「瓶內的水粒子數量並沒有改變」，其二為「粒子會振動，越熱振動越大」，引導學生由特定區域的「氣象」嘗試解釋影響更廣更遠的「氣候」，此時學生沒有氣態的巨觀觀察經驗，是以無法理解氣態之體積變化與形狀改變，須由教師鋪陳學習情境鷹架，讓學生有共同討論機會，在加熱裝有熱水且套著氣球的錐形瓶時氣球膨脹實驗，再次利用PhET*介紹科學家的粒子模型給學生，並引導學生兩點粒子重要概念，其一為「瓶內的水粒子數量並沒有改變」，其二為「粒子會振動，越熱振動越大」，接著討論讓冷熱兩種溫度的水分別代表赤道及極地海洋，讓學生將手放在上方，實際模擬當不同氣團發源地產生氣團性質不同時，空氣中的水蒸氣粒子有相似的性質，也據此討論為何冷暖氣團交界鋒面容易下雨的成因。

*https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter-basics/latest/states-of-matter-basics_zh_TW.html

【課堂表現】學生開始設計氣體的熱對流實驗並實際執行，過程中觀察氣體受熱後，熱升冷降的變化，這個階段部分學生提到受熱後不同形態間粒子間的距離不一樣，另有部分學生產生當粒子距離變大時，粒子本身體積會變大的粒子模型(錯誤概念)，學生將此時的粒子概念模型以繪圖表徵記錄在科學筆記上，學生此時亦可以試著用粒子觀點解釋各種天氣現象成因。

圖3 學生混合型粒子模型，已經有粒子間的距離會因為形態或溫度而改變，同時有不同型態下粒子數量不一樣的迷思概念

【教學反思與建議】此時學生沒有物質守恆觀念，所以可以透過教師提問，讓學生看出不同型態間粒子的數量不變，雖然繪圖表徵無法呈現粒子振動的性質，但學生口語上近半能說明：「粒子不斷動來動去」，或許未來可以透過各種現象討論強化粒子振動。另外，由於巨觀現象中冰的體積較水大，所以學生會有固態粒子間距較液態粒子間距大的迷思概念。

第二階段 建模歷程~模型解釋(透過探索、實驗以模型進行解釋)

設立「熱」的假說

0.5節

【教學鋪陳~解釋】「為什麼氣團會有熱升冷降的現象？」、「氣團受熱後為什麼會發生這些變化？」、「到底什麼是熱？」，讓學生試著對以為自己了解卻發現自己不懂的「熱」，以科學家角度為其設立假說，

圖4 學生根據自己平日的現象觀察試著討論關於熱的假說，逐漸透過實驗現象驗證後逐步說明原因刪除自己覺得不適合的假說

【教學反思與建議】假說希望學生能有其現象支持論點，接著，讓其他同學試著用論證方式刪除不合科學事實的假說，還沒刪除的假說課程中會一直留在黑板上，直到剩下2至3個假說因學生現象觀察經驗不足而無法刪除，讓學生體驗科學家熱質說與熱粒說論證經驗。

物質受熱後的變化

• 可恢復
• 不可恢復

~科學基本型

1.5節

【教學鋪陳~解釋】強調重要概念「粒子間存有距離並不斷運動」，藉由觀察受熱後可恢復的變化（巧克力、奶油、養樂多冰沙、蠟燭）和不可恢復的變化（火鍋蛋肉青菜、爆米花、棉花糖），之後針對其中可恢復的變化（物質三態變化）思考物質粒子受熱後為何會產生氣態(體積大，形狀容易改變)、液態（體積小，形狀容易改變）及固態（體積小，形狀不容易改變）這些現象。

【課堂表現】學生試著用已知的粒子觀點解釋為何水的三態會有體積變化並繪製在科學筆記上，此時學生的粒子模型逐漸接近科學基本型粒子模型，粒子間存有距離並不斷運動，解釋不同型態之間的距離差異仍有困難。

圖5 學生未固定粒子數量

【教學反思與建議】學生須經過教師提醒，才會有固定的粒子大小，未注意粒子數量，也能討論形態改變間的粒子間的距離變化，而粒子間不斷振動這個部分則不容易理解，此時學生需要更多實驗支持學生建立更貼近科學家的物質粒子模型。

熱的傳播方式_傳導、對流及輻射_類科學型

3節

【教學鋪陳~精緻化】加入概念「粒子受到熱的能量後，振動增加」，設計實驗驗證自己對熱傳播方向及熱在不同物質間傳播的速度有什麼不同的預測。傳導～學生觀察蠟油在鋁箔盒上的傳播，可以看到熱有傳播方向（高溫到低溫）及在金屬與非金屬的傳播速度不同。對流～之前的氣團熱升冷降實驗讓學生有舊經驗，足以讓學生可以推論到液體的熱對流也會熱升冷降，而輻射更可以產生認知衝突，讓學生以科學家的粒子模型思考「沒有空氣粒子要怎麼傳播能量呢？」，教師再次強調當粒子受到熱的能量後，振動會變多。

【課堂表現】學生以粒子觀點說明，因振動多造成粒子間距離拉大，此時學生容易產生另有概念，會用「輕」、「容易飄」這些詞形容，需要在之後的教學設計中釐清學生錯誤認知，經過討論後，學生具備粒子數量必須保持一樣（物質守恆）的概念。

圖6 學生以巨觀解釋微觀~認為熱的粒子輕，冷的粒子重

第三階段 建模歷程~模型效化、測試/應用

物質受熱後體積的變化~熱脹冷縮_類科學型

6節

【教學鋪陳~精緻化】加入概念「不同型態的粒子，溫度越高，粒子間距離越大」，觀察固體（銅球銅環）、液體（液體溫度計）及氣體（自動吹氣裝置、尿尿小童、茶包天燈、跳舞瓶蓋）及日常生活中需要顧慮到安全問題的熱脹冷縮現象（橋梁的伸縮縫、懸垂的電線等），如學生能順利建構受熱後變化之粒子模型，可增加討論如改加熱銅環，其中空洞到底變大還是變小?

【課堂表現】學生以類科學型粒子觀點討論受熱後為什麼物質體積會變大，試著根據現象解釋，如果熱源將熱能傳給粒子，粒子間的距離就會變大，體積因此變大，但沒有粒子間是真空的概念。

圖7 根據左圖及課堂討論發現學生認知到受熱後不斷振動造成距離變大，右圖則認為受熱後粒子本身膨脹而非距離增加(巨觀觀點)

【教學反思與建議】學生知道物質是由微小到看不到的粒子組成，多數學生也能夠在課堂上說：「粒子變熱之後凍得更厲害，所以距離比較遠」，大多數學生的粒子模型已十分接近科學家基本型(極少數學生固著的有受熱後粒子會膨脹的另有概念，亦即停留在混合型的粒子觀)，此時透過再次觀看模擬，提醒學生「重量沒有變輕」、「粒子不會變大變小」、「不同型態的粒子數量不變」可以幫助學生更完整自己的粒子模型，現象觀察讓學生能了解物體溫度跟粒子動能的關係。

確立「熱」的假說

1節

【課堂表現】教師協助學生根據曾做過的實驗及所建立的粒子模型協助思考，確立熱的假說，明白假說可依所收集到的證據被修正或推翻。

圖8 學生共同討論後根據所觀察到的現象刪除不盡理想的假說

【教師反思與建議】多次教學發現學生通常會剩下至少兩種假說，一種是熱(溫度，常見的迷思概念），另一種則是熱(能量)，學生順利自我建立能量的初始模型，並能依此解釋能量對粒子運動及距離改變的影響。

驗證熱的傳播_類科學型

1節

【教學鋪陳~評量】雪人穿衣服後會融化嗎?

    教師用「雪人穿衣服後到底會不會融化?」的議題提供學生思考挑戰，學生分成兩派討論，並以自身熱與粒子模型的觀點進行辯證，很明顯的，有些學生的另有概念因此浮現而可以得到釐清機會，接著教師將冰棒發給各組學生，讓學生根據理論研究如何不要讓冰棒融化。

圖9 學生針對自己的假設進行實驗驗證後上台說明

氣體體積的變化性_類科學型

1節

【課後延伸思考】課程結束後，其實學生的粒子模型已經接近課綱的目標要求，也很接近科學家的粒子模型，但仍有部分未盡完整。例如：學生對於「氣體具有體積改變性」在課程鋪陳中是沒有帶到的，也非國小應教學內容，當建模為本的學習活動在課程結束，學生的思考繼續發生，有孩子問到:「溫度計管柱上方的空氣當酒精受熱膨脹後，上方空間減少，原來的氣體到底發生了什麼事?」這時，其他學生也用已經建立的粒子觀點思考，如果粒子間的距離是可以改變，對於「氣體具有壓縮性」就有了較合理的解釋。