理解日常的化學挑戰：探究真實問題之

化學素養教育

楊悠娟

國立東華大學自然資源與環境學系

Email: [email protected]

• 前言

面對全球化、互聯化與充滿挑戰的世界，培養高素養的公民資源來解決問題已是刻不容緩，但素養的定義及概念框架有待釐清。1997年經濟合作暨發展組織(Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD)啟動素養定義與選擇計劃(Definition and Selection of Competencies: Theoretical and Conceptual Foundations, DeSeCo)，研究素養的概念、個人及社會必備素養、跨學科的素養框架、素養教育方式等。研究結果顯示：素養是一種綜合性的特質，涵蓋認知、動機、倫理、社會與行為的各層面。素養的三個基本關鍵能力是自主與反思性行動、互動式使用工具（知識、設備、語言和法律）及異質群體協作，具有跨學科（哲學、人類學、心理學、經濟學、社會學）的共通性。而素養的四個概念要素是多功能性、跨社會領域、高階心理複雜性及多維度能力。素養需要終身學習，能提供個人優質和成功的生活能力(Rychen & Salganik, 2000)。

歷經數年研究及討論，2018年OECD發表核心素養的定義及框架 （2030學習羅盤）：核心素養是個人適應現在生活及面對未來挑戰，應具備的認知、技能、態度和價值觀之跨域多元能力；能反思學習歷程，因應實際問題來行動。核心素養教育不限於學科知識及技能，亦關注「學習」與「生活」的結合，透過實踐力行而彰顯學習者的全人發展(OECD, 2018)。素養課程以學生為中心來設計，認知包含學科知識、跨學科知識、認識論知識及程序性知識；技能包含認知技能、後設認知技能（批判性思考、創造性思考、學習思考和自我調節）、社交和情緒技能（同理心、自我效能和合作）及實作和身體技能（使用新資訊和通訊技術設備）；態度和價值觀包含個人、地方、社會和全球層面（動機、信任、尊重多樣性、尊重美德）。素養的表現需透過行動，學生是行動的推動者，提出問題的解決方案，並與教師、同儕、父母和社區合作，共同達成目標。行動有助於學生檢視五種基本能力：識字、算術、資料、數位及體能，發展三種變革素養：創造新價值、調和衝突與困境、承擔責任，完成參與、實踐及省思的循環(OECD, 2018)。
2019年臺灣實行新課綱，參考OECD的2030學習羅盤，設計總體綱要之自發、互動與共好精神，培養學生具備三面九向的核心素養，在生活情境中，能夠自主行動、溝通互動與社會參與，成為具備跨域學習力的終身學習者，以面對和解決新世代的問題。學校制定部定課程和選修課程，師資培育鼓勵現場教師和師資生實施素養導向教學與評量（王智弘，2019）。因素養教育需要終身學習，亦須推動非制式場域學習，以銜接制式教育，持續培育新世代的公民素養。

素養教育需要創意思考，透過OECD創意思考四步驟：探究問題、想像解方、實作方案及反思成果，老師由知識的傳遞者轉型為引導者，協助學生發展面對挑戰及解決問題的能力，找出非制式答案。立足AI時代，創意思考亦是區分學習者與電腦的關鍵（田孟心，2020）。

因化學領域的理論、實驗、應用及影響無遠弗屆，學生的化學素養有助於解決真實世界的問題；故本期專題主題為「理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育」，透過實例展示化學領域的素養教育，涵蓋國小、國中、高中和大學的制式教育，亦分享制式與非制式教育的銜接設計。因篇幅限制，著重於探究問題與課程設計，包含知識概念、實作步驟、評量回饋、生活議題及教學省思。本期專題總計七篇文章，設計目的為引導學習者認識本主題於化學教育的相關性、技能力、批判力及參與度，透過動手做與案例探討，啟發學習興趣，增進提問力與分析力，鼓勵主動學習，持續提升己身的化學素養。如依照教學對象的適合程度分類：國小二篇、國中二篇、高中二篇、大學一篇，提供K-12至大學端教師參考。然而，依照作者群共同建議，上述課程和實驗在遵循設計架構及核心概念之下，皆可調整其廣度或深度，以因應學習者需求，亦適合一般公民的科學素養之學習。

• 本期專題文章簡介

第一篇文章由陳文正與陳建忠作者介紹水溶液酸鹼概念，探討國小自然科學領域的水溶液酸鹼性單元之教學與評量，分析新舊課綱不同年段的相關內容，設計一個水溶液酸鹼概念的探究活動，最後說明素養導向的水溶液酸鹼概念評量設計案例。建議國小自然教師於水溶液酸鹼概念教學的重點：中年級強調認識物質，讓學生瞭解有些物質在酸鹼環境會產生不同顏色的變化，可據以分類；高年級聚焦水溶液的酸鹼性定義，讓學生利用酸鹼指示劑來定義水溶液的酸鹼性，並製作及測量單一或混合溶液。鼓勵老師採取探究學習架構，進行差異化教學；設計評量工具，包含記憶、理解及應用三層次。

第二篇文章由柯凱珮作者介紹國小自然科的食物電池案例，包含物質溶解現象、酸鹼性、天然指示劑及水溶液導電性等概念。以生活中易取得的食物為材料，學習變因控制的科學方法，滿足孩童喜歡動手操作的天性，培養「發現問題而去尋求解答」的能力。文中分享教學流程、引導方式、學生回饋及教師省思。本教案是「2021年北花蓮全民科學週」之「國小組」入選教案，另提供教案及實驗示範影片。

第三篇文章由連經憶作者介紹維生素C的定量分析實驗，分享將大學實驗的內容轉換為適合國中和國小之活動設計及推廣過程。設計實驗探究式教學，包含維生素C反應原理、定量分析方法、維生素C的應用及議題。以生活中易取得的食物及蔬果為材料，設計實驗來驗證新聞報導的真實性；中學生可計算維生素C含量，並與標示值比較；小學生可計算優碘的使用滴數，比較不同樣品間維生素含量的高低，了解實驗結果之再現性。另可延伸探討蔬果中抗壞血酸氧化酶的活性，製作隱形墨水，增加實驗的趣味性。

第四篇文章由劉曉倩作者介紹化腐朽為神奇的案例，分享將制式課綱的內容轉換為非制式科普活動的設計及推廣過程。本教案是「2021年北花蓮全民科學週」之「國中組」入選教案，設計實驗探究式教學，包含電解質定義、強電解質和弱電解質差異、電解質影響豆漿等膠體溶液的沉澱現象，啟發參與者對週遭生活環境產生好奇心及敏銳的觀察力。另提供教案及實驗示範影片。

第五篇文章由謝佶霖作者介紹焰色與煙火之美的案例，分享微量焰色實驗融入教學的活動過程，設計實驗探究式教學，包含焰色反應原理、煙火組成、焰色於煙火及元素檢測之應用，從美好的生活經驗切入，結合科學原理的學習，促進學生學習科學的樂趣。本教案是「2022年北花蓮全民科學週」之「國中組」入選教案，另提供教案及實驗示範影片。

第六篇文章由周芳妃、陳平、鄭晉哲、羅文琪、范智傑和呂家榮作者介紹亞鐵三明治-二茂鐵實驗，分享將制式課綱的內容轉換為非制式科學營隊的設計及推廣過程。本實驗設計整合2019年與2024年的「瑪麗居禮科學營」（前身為居禮夫人化學營）實驗課程，強調綠色化學原則，使用輕便可攜式且可重複使用的器材、大量減少藥品劑量，避免產生難以處理的廢棄溶液。設計實驗探究式教學，包含1973年諾貝爾化學獎的代表性化合物、有機金屬化合物及鐵離子之電子轉移變化、散射現象、簡易測定裝置（積木和簡單電路元件）及定量分析原理，引導學生探究與人類文明發展相關的鐵系化合物，體驗綠色環保之實驗設計才是永續之道。

第七篇文章由江政剛作者介紹農藥殘留檢驗概念，以問題導向法設計教學流程，引導學生認識相關之新聞議題、基本知識、正當性與重要性、QuEChERS （Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, and Safe）分析法原理及技術發展，透過PBL（Problem-Based Learning）思考和探索相關問題，理解農藥對環境和健康的影響至關重要，提升食品安全意識，認識綠色農業的永續發展目標。

• 結語

化學涵蓋日常應用之食衣住行育樂，廚房中的化學可能是大多數人的化學啟蒙，而本期文章的實作素材以食材居多（水果、豆腐、維生素等），並以食安相關的農藥殘留檢驗議題呼應之。水扮演化學反應最重要的溶劑，國小高年級課綱由探究水溶液的溶解度、酸鹼性、導電性開始，啟蒙酸鹼反應的學習；另一重要的氧化還原反應，則透過煙火、鐵化合物等具有鮮明顏色改變來引起國高中生的學習動機，顯示化學教學皆與真實問題息息相關，亦能融入對應的文化及在地特色。作者群皆具有豐富的化學研究與教育經驗，不吝分享教案、影片及實作經驗，致力於實驗設計中傳達綠色化學的永續理念—少廢棄物、低毒、節能、減量、安全及循環再利用。期待透過更多先進的教學分享，傳達給莘莘學子化學之美、探究之趣與永續之道!

• 參考文獻

王智弘（2019）。素養導向師資培育與課綱轉化─教育2030的觀點。臺灣教育評論月刊，8(12)， 32-37。

田孟心（2020年11月3日）。PISA考題搶先看》OECD教育主席：家長們經常想把一切都留在過去。天下雜誌。https://www.cw.com.tw/article/5102554

OECD (2018). The future of education and skills: education 2030: the future we want. OECD. https://www.oecd.org/content/dam/oecd/en/publications/reports/2018/06/the-future-of-education-and-skills_5424dd26/54ac7020-en.pdf

Rychen, D. S., & Salganik, L. H. (2000). Definition and selection of key competencies. THE INES COMPENDIUM (Fourth General Assembly of the OCDE Education Indicators programmme). París OCDE, 61-73.

理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國小自然科學領域的素養導向教學與評量：以水溶液酸鹼概念為例

陳文正¹、陳健忠^2,*

¹花蓮縣光復鄉大興國民小學； ^2,*宜蘭縣頭城鎮二城國民小學

*Email：[email protected]

• 前言

自113學年度起，國小自然科學領域已經全面實施108課綱的新課程，相較過去的九年一貫課程，新課綱有不少調整之處，有些將原本安排在國中階段的學習內容移到國小階段，例如：能量、粒子概念…等；有些則是將原本安排在國小高年級的學習內容調整至中年級，例如：聲音…等。其中，比較特別的是有些科學概念同時出現在國小階段的中高年級自然課本單元裡，本文探討的水溶液酸鹼概念就是屬於這一類的調整。過去，水溶液酸鹼概念只出現在國小高年級的課本單元，在108課綱實施後，水溶液酸鹼概念被安排在國小中高年級的不同單元裡，這樣的調整可能會讓國小自然老師感到疑惑，如果可以瞭解課程調整的原因及不同年段的水溶液酸鹼概念教學重點，應有助於國小自然老師的課室教學。本文主要在探討國小自然科學領域的水溶液酸鹼性單元之教學與評量，首先，分析新舊課綱在不同年段水溶液酸鹼概念的內容安排；接著，提出一個水溶液酸鹼概念的探究活動教學設計；最後，說明素養導向的水溶液酸鹼概念評量設計案例。

• 國小自然科學領域酸鹼概念相關單元的內容分析

一、國小中年級水溶液單元酸鹼概念的學習內容

過去的九年一貫課程的綱要中，安排國小中高年級的學生都要學習有關水溶液酸鹼的主題，其中，「自然與生活科技」學習領域教材內容細目的次主題226就是「酸、鹼、鹽」，這個次主題的學習內容包括「常見食物的酸鹼性/2a.能利用氣味、觸覺、味覺簡單區分常見食物的酸鹼性。」若以108課綱實施前一年的109學年度三個坊間常見書商(K版、H版、N版)編排的國小教科書來看，各版本都將水溶液的單元安排在三年級上學期，整理如表1所示。

從表1的內容來看，各版本設計的課本內容大致以「溶解、溶解量及影響溶解量的因素」等概念為主，過程技能皆著重「觀察、辨別、測量、記錄、比較」等能力，換言之，九年一貫課程綱要的教材細目僅安排學生做到「能透過氣味、觸覺、味覺簡單區分常見食物的酸鹼性」，然而相關的能力指標並未要求學生有關酸鹼的概念理解（教育部，2012），在此脈絡之下，教科書商在編輯國小中年級的自然課本時，有關酸鹼的概念學習，大多聚焦在使用嗅覺和味覺等感官來區分各種食物具有的不同酸鹼氣味和味道；在過程技能方面，則希望培養學生具備觀察、辨別、測量、記錄、比較等相關能力。值得注意的是，在九年一貫時期的國小中年級自然課本內容設計，並未涉及水溶液酸鹼的相關概念。

表1 九年一貫課程中年級水溶液單元學習內容一覽表

再來看108課綱的國小中年級學習內容，「水溶液酸鹼概念」安排在「交互作用」的次主題中，學習內容為「INe-Ⅱ-4常見食物的酸鹼性有時可利用氣味、觸覺、味覺簡單區分，花、菜葉會因接觸到酸鹼而改變顏色」，要求學生能利用嗅覺、觸覺、味覺簡單區分常見食物，例如：常見調味料的酸鹼性，並觀察以花卉、菜葉所萃取的汁液接觸酸鹼之變色，進而認識物質會因接觸不同的環境而改變。若以108課綱實施後的113學年度K版、H版及N版的國小教科書來看，各版本在中年級有關水溶液酸鹼的單元安排整理如表2所示。

以表2的內容所示，K版和N版仍維持九年一貫時期的設計，將水溶液酸鹼概念安排在三年級的學習單元，要求學生在該單元學習「辨別粉末、溶解、溶解量、水溶夜酸鹼及酸鹼指示劑的變化規則」等概念。有別於其他兩個版本，H版教科書則是將水溶液酸鹼概念單元安排在四年級，要求學生學習「交互作用、影響物質變化的因素、水溶夜酸鹼及酸鹼指示劑的變化規則」等概念。三個版本的單元活動設計，皆透過實作活動來培養學生「觀察、辨別、測量、記錄、比較及分類」等過程技能。值得一提的是，K版教科書在該單元的活動三，要求學生利用材料特性辨別材料的學習任務，讓學生針對未知粉末進行觀察及測試，再從粉末的顏色、氣味、味道、溶解性、溶解於水後的酸鹼等特性，推理並舉證說明未知粉末的種類，此學習任務著重於培養推理、論證的能力，相當符合108課綱自然科學領域綱要的學習表現內涵(教育部，2018）。

表2 108課綱中年級水溶液單元學習內容一覽表

依據108課綱自然科學領域綱要的內涵，國小中年級自然課程設計以探索科學現象為主軸(教育部，2018），教學時要先安排學生以嗅覺、觸覺、味覺五官經驗來區分常見食物的酸鹼性，偏向個人五官經驗觀察層次的學習。接著，再導入溶解及酸鹼性概念，讓學生知道透過溶解現象與酸鹼指示劑的顏色規則可區分食物或調味料，著重於測量與自然現象複製性層次的學習。考量市售手搖飲料的普及化，許多含蝶豆花或薰衣草茶、紫色高麗菜沙拉及其他食材在產製及烹煮過程都有顏色變化過程，也是學生經常觀察到的現象，因此，有關酸鹼指示劑的顏色規則可由蝶豆花、薰衣草茶或紫色高麗菜汁等導入，除了能更貼近學生的生活經驗之外，也可協助學生發現許多食物在不同酸鹼的環境中會有顏色變化。總結來說，國小中年級自然科學領域的教學，教師要透過探究過程來引導學生，理解有一些食物或調味料在酸鹼環境會產生顏色變化，透過測試與觀察這個特性，可用來辨別、分類及認識生活中的不同物質。

二、國小高年級水溶液單元酸鹼概念的學習內容

如前所述，雖然九年一貫課程在國小中高年級皆安排學生學習有關水溶液酸鹼的主題，但是K版、H版及N版教科書只在國小高年級安排學生學習水溶液酸鹼的概念。在「自然與生活科技」學習領域之教材內容細目中，次主題121就是「物質的形態與性質」，這個次主題的學習內容包括「探測物質的性質/3a.實驗發現物質性質各自不同(例如有的易導電有的不易；有的易導熱有的不易；水溶液的酸鹼性)。」另外，次主題226就是「酸、鹼、鹽」，內容包括「物質的酸鹼性及酸鹼指示劑/3a.能知道及區辨常用酸鹼物質的特性，及其在生活上的應用。3b.由實驗瞭解鹽類溶於水的酸鹼性與酸鹼鹽的操作型定義。3c.由實驗知道生活中有些花卉菜葉會因接觸酸鹼的環境而改變顏色。3d.能運用指示劑觀察酸、鹼溶液混合的酸鹼性變化)。」若以108課綱實施前一年109學年度K版、H版及N版的國小教科書來看，各版本在高年級水溶液酸鹼的單元安排整理如表3所示。

表3 九年一貫課程高年級水溶液單元學習內容一覽表

從表3的內容來看，各版本課本內容大致以「水溶液、水溶液酸鹼的定義，酸鹼指示劑、酸鹼作用、水溶液的導電性」等概念為主，過程技能皆著重「觀察、辨別、測量、記錄、比較、分類、規劃執行」等能力，符合九年一貫課程能力指標「認識物質/2-3-3-3 探討物質的溶解性質、水溶液的導電性、酸鹼性、蒸發、擴散、脹縮、軟硬等。」的要求（教育部，2012），直言之，K版、H版及N版的有關酸鹼概念的內容設計，聚焦於「理解水溶液酸鹼的定義」，亦即學生必須理解並熟悉常見酸鹼指示劑顏色變化的規則，並且能夠使用這些顏色變化規則去測量各種水溶液的特性，驗證不同水溶液具有「酸性、中性、鹼性」的特性。

接著來看108課綱高年級的學習內容，「水溶液酸鹼概念」的學習安排在「物質與能量」及「交互作用」的次主題中，在學習內容「INa-Ⅲ-2 物質有不同性質，有些性質會隨溫度而改變。」、「INe-Ⅲ-2 物質的形態與性質可因燃燒、生鏽、發酵、酸鹼作用等而改變或形成新物質，這些改變有些會和溫度、水、空氣、光等有關。改變要能發生，常需要具備一些條件。」及「INe-Ⅲ-5 常用酸鹼物質的特性，水溶液的酸鹼性質及其生活上的運用。」等部份皆與水溶液酸鹼概念有關。另外，在108課綱學習內容的說明中也提到，高年級學生學習此主題時，應知道並區辨常用酸鹼物質的特性，認識生活中常見鹽類溶於水的酸鹼性，也會使用實驗室常用的指示劑及試紙，檢驗鹽水與小蘇打水的酸鹼性質，並選用或自製合適的酸鹼指示劑來測定各種水溶液或混合溶液的酸鹼性。若以108課綱實施後113學年度K版、H版及N版的的國小教科書來看，各版本在高年級有關水溶液酸鹼的單元安排整理如表4所示。

表4 108課綱高年級水溶液單元學習內容一覽表

從表4內容來看，在108課綱實施後，K版、H版及N版的教科書內容設計和九年一貫時期相似程度高，都是以「水溶液、水溶液酸鹼的操作型定義，酸鹼指示劑、酸鹼作用、水溶液的導電性」等概念為主，過程技能也著重「觀察、辨別、測量、記錄、比較、分類、規劃執行」等能力的培養。換言之，國小高年級有關水溶液酸鹼概念的學習，強調水溶液酸鹼性定義的理解，要求學生熟悉酸鹼指示劑顏色變化的規則，並能進一步利用顏色變化規則去測量各種水溶液的特性，以瞭解不同水溶液具有「酸性、中性、鹼性」的特性。

綜合以上，國小自然教師在進行水溶液酸鹼概念相關單元的教學時，中年級的教學重點應強調「認識物質」，有些物質在酸鹼環境會產生不同顏色的變化，透過測試與觀察這些特性，可以用來分類不同物質；而高年級的教學重點則應聚焦在「利用酸鹼指示劑來定義水溶液的酸鹼」，以及「製作並操作常見的酸鹼指示劑」來測量單一水溶液或混合溶液的酸鹼。

• 國小自然科學領域水溶液酸鹼概念的探究學習活動設計

探究是近代科學教育主流的教學策略與學習內容，也是108課綱自然科學領域綱要強調的重點之一（教育部，2018），關於探究的定義，不同學者的看法互異，簡言之，探究是一個形成科學議題、科學舉證、解釋科學現象的過程（OECD, 2008），在探究的歷程中，學習者必須針對一個問題來規劃解決的流程以及選定適合的器材，接著再實際操作和記錄，然後再依據自己理解的科學知識來解釋記錄，並且建構出主張來回答問題，最後再向同儕分享自己的成果（NRC, 2000），上述有關探究歷程的說明，符合108課綱所強調的學生應具備之素養，所以，國小自然課室採取探究學習的活動設計，應可視為一種素養導向的教學型態。

近年來，科學教育專家們已逐漸改變有關自然課室裡「實作活動(hands-on activity)」的看法，從「安排實作活動可直接提升學習者的科學概念」轉變為「實作活動必須搭配討論與發表(minds-on)才能協助學習者建構科學概念」(Webb, 2010)，換言之，在國小自然課設計探究學習活動，除了強調實作之外，學生小組間的討論與發表活動也很重要。儘管文獻上說明探究教學有助於學童的科學學習，然而，考量教學時間不足、課程進度壓力及教學現場無法配合等因素，多數的自然教師仍未選擇在一般課室裡實施探究教學，讓教學現場仍呈現「教師主導」的教學情境(Duschl & Osborne, 2002)，主要原因在於教師對教科書的依賴，及不知道該如何實施探究教學(Anderson, 2002)。

有關探究教學的架構，以5E學習環探究教學 (5E learning cycle) (Trowbridge & Bybee, 1990)最為人所熟知，這個架構共有五個階段，分別是「參與」(Engagement)、「探索」(Exploration)、「解釋」(Explanation)、「精緻延伸」(Elaboration)、「評鑑」(Evaluation)。然而，「探究教學」也有不同實施層次的設計，例如：Hegarty-Hazel(1986)所提出自然課室裡的探究活動層次(The Levels of Openness of Inquiry in Laboratory Activities)，內容如表5所示。

表5 考慮器材的探究活動開放程度分類表

在Hegarty-Hazel(1986)提出的架構裡，依據老師是否提供學生「探討問題」、「實驗器材」、「操作步驟」及「實驗結果」等項目，將自然課室的實作活動分成0~3個等級探究活動，數字越大表示探究層次越高。以探究活動「等級0」為例，如果老師提供學生探討的問題、實驗器材、操作方法與步驟以及實驗答案，學生只需依步驟去進行操作，驗證已知的結果，屬於確認層次(confirmation/verification)，是一種驗證式實驗。如果在學習活動中，老師只提供探討問題，學生必須自己規劃操作步驟、找到適合的實驗器材、記錄實驗結果，來找尋問題的答案，因為學生使用自己設計或選擇的步驟解決問題，這就屬於引導性探究(guided inquiry)層次，是「等級2b」的探究活動。若國小自然課室安排等級較高的探究活動，可提供學生訓練觀察定題、規劃執行、分析發現、溝通表達的機會，然而，並非每位學生都適合高層次的探究活動，應視學生的認知發展及先前經驗(prior-knowledge)而定。換言之，依據學生程度提供不同學習鷹架，安排不同層次的探究活動，讓每一位學生都有機會完成實作活動，是自然教學達成差異化教學的可能方式。相較於其他探究教學架構，Hegarty-Hazel的主張比較容易理解且更具可行性，適合在國小自然課室裡實施。

若以國小高年級的水溶液單元為例，該如何設計探究學習活動流程呢？老師可以先安排一個學生猜飲料的活動，拿出白開水和糖水等兩杯透明水溶液，請學生「預測」是哪種常見的飲料；接著，請學生「解釋預測」的理由，再讓學生用眼、耳、鼻、舌、口等五種感官來「觀察」：最後全班一起討論，要求學生「解釋」自己的預測和觀察結果之異同。活動結束後，老師再提出一個關鍵問題「如何分辨不同的水溶液？」亦即學生在該單元應學習的重要概念。上述「引起動機」階段使用的教學策略是POE(Prdiction, Observation, Explanation)，可以用來引起學生的學習興趣並介紹課堂探討的科學問題(Mthembu, 2001)。

在設計主要的學習活動時，可安排檢測水溶液酸鹼的任務，讓學生學習如何從酸鹼指示劑的變化規則來定義水溶液的酸鹼性。老師可依據學生的操作能力及學科表現，將全班分成三個類別的小組，要求學生個人完成。第一類別組：老師提供探討問題、實驗器材，學生自行閱讀自然課本後，自行規劃實驗流程，再進行實驗、記錄及分析結果。第二類別組：依據老師指定的問題及實驗器材，在老師引導下規劃實驗流程，完成實驗操作與記錄。第三類別組：在老師協助下，選取器材，依據指定的步驟依序完成操作與記錄。依據Hegarty-Hazel(1986)提出的架構，第一類別組學生安排等級2a的引導式探究活動，第二類別組進行等級1的結構式探究活動，第三類別組則是等級0的驗證式實驗。

當學生透過個人學習已瞭解水溶液酸鹼檢測的概念之後，再安排各小組透過合作學習來進行水溶液的檢測活動，除了依照程度讓學生分組進行不同層次的探究活動之外，老師可以準備若干未知水溶液，要求學生針對未知粉末進行觀察和測試後進行推論，可從水溶液的顏色、氣味、味道及酸鹼檢測結果，舉證說明水溶液的種類。這個學習任務的安排主要是培養學生推理及論證的能力。每組必須完成1個未知水溶液的檢測並且做出正確判斷後，才能領取下一個水溶液，學習進度視各組狀況而定，本活動兼具小組合作及個別化學習之設計，亦符合差異化教學。

• 國小自然科學領域水溶液酸鹼概念的評量設計

隨著108 課綱的推展，學生已逐漸成為自然課堂學習的中心，各種教學法的興起讓自然課堂教學模式更為多樣化，若想瞭解課程與教學變革的效果，學生的學習成效是關注重點，亦即，課程、教學及評量是培養學生素養的重要元素，瞭解學生的學習成效可提供素養導向教學的重要參考。然而，108課綱的學習表現未涉及各種能力等級的描述，如果想要評量並判斷學生表現程度有何不同？需制定評量標準（賴柏蓉等，2023），標準本位評量（standard-based Assessment）是一種適合國中小課室評量的作法，是一種在多元評量及素養導向課程的脈絡下，發展的學習評量工具，亦是一種標準參照設計，以「絕對性」觀點來呈現評量結果。標準本位評量將學生學習表現區分為不同等級，讓教師、學生、家長依照評量結果對應到的表現等級描述，瞭解學生對於學習重點的精熟程度，或者是對測驗內容瞭解程度的多寡；只關注學生自己的表現程度，而不比較學生之間的排序（教育部國民及學前教育署，2024）。老師使用評量工具施測後，可將施測結果對照到評量標準，將學生學習表現劃分為不同表現等級，以檢核學生的表現是否達到108課綱學習內容或學習表現的基本程度。

圖1：國小自然科學的酸鹼概念的標準本位評量表現描述

綜合上述，國小自然教師應如何評量學生素養？國立臺灣師範大學心理與教育測驗研究發展中心提供一個可行方向，該中心自2011年起陸續研發國中小學生學習成就評量標準及評量示例，其中，負責國小自然領域的研究團隊依據十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域來制定評量標準，將課綱的學習表現分為科學認知、探究能力及科學態度與本質等三種向度，每個向度皆搭配學習表現敘寫表現描述，將學生的表現從優良到待加強區分為A到E五個等級（教育部國民及學前教育署，2024）。以國小自然科學的酸鹼概念為例，該研究團隊制定的評量表現標準如圖1所示，其中，C等級的學生要達到「能知道酸鹼物質的特性及水溶液的酸鹼性質」；B等級的學生要達到「能舉例說明酸鹼物質的特性及水溶液的酸鹼性質」；A等級的學生要達到「能應用酸鹼物質的特性及水溶液的酸鹼性質」，由於本文篇幅限制，有關標準本位評量理念、工具及示例等內容，有興趣的讀者請自行參閱該研究團隊網站(https://sbasa.rcpet.edu.tw/)，可以獲得更詳細的資訊。

如果國小自然敎師想要編製有關水溶液酸鹼的素養導向評量工具時，需注意一次只針對一個概念來評量。以國小自然科學的酸鹼概念評量為例，老師必須清楚這個概念是108課綱國小自然科學領域學習內容「INe-Ⅲ-5 常用酸鹼物質的特性，水溶液的酸鹼性質及其生活上的運用。」，並且依據臺師大心測中心標準本位評量研究團隊擬定的表現標準來命題，內容如圖1所示。評量工具設計建議採取題組式，使用同一個情境來命題，從容易到困難等級設計三個題目，圖2為問題情境及C等級的題目示例。

圖2：國小自然科學的水溶液酸鹼概念的標準本位評量題型C等級題目示例

從圖2內容來看，題目先設計一個問題情境，並提供有關水溶液酸鹼概念的相關基本訊息，例如：水溶液可以分成酸性、中性及鹼性；石蕊試紙有紅、藍兩種顏色；石蕊試紙的顏色變化，可以用來分辨水溶液的酸鹼性等。第1題是C等級的題目設計，主要在評量學生是否瞭解石蕊試紙的變化規則，因此，題目設計偏向記憶題型，作答方式也較簡單，只要求學生圈選答案，如果學生全部答對就被評為C等級，代表學生記得石蕊試紙在不同酸鹼水溶液中的顏色變化規則。另外，如果學生無法全部答對，依照答對題目數量的多寡，評定為D或E等級，代表部分學生的概念仍不穩定，需要再次學習或老師的補救教學。

圖3是第2題B等級的題目設計，主要在評量學生是否能使用石蕊試紙的顏色變化規則來判斷未知水溶液的酸鹼性，因此，題目設計偏向理解題型，採兩階段答題方式，要求學生先圈選答案，再填寫判斷理由，以判斷學生作答的準確性。如果學生全部答對就被評為B等級，代表學生具備使用石蕊試紙的顏色變化規則判斷水溶液酸鹼性的能力。

圖3：國小自然科學的水溶液酸鹼概念的標準本位評量題型B等級題目示例

圖4：國小自然科學的水溶液酸鹼概念的標準本位評量題型A等級題目示例

圖4是第3題A等級的題目設計，主要在評量學生是否具備推論未知酸鹼指示劑的顏色變化規則的能力，題目設計上偏向應用題型，採兩階段答題方式，要求學生填寫顏色變化，再填寫判斷理由。第3題是A等級題目，要求學生使用已學會的石蕊試紙之顏色變化規則，推論未知酸鹼指示劑的顏色變化規則，如果學生全部答對就被評為A等級，代表學生具備在陌生情境應用水溶液酸鹼性的概念，初步具備推理及論證的能力。

• 結語

本文探討國小自然科學領域的水溶液酸鹼單元之教學與評量，比較新舊課綱不同年段的酸鹼概念內容後，建議國小自然教師進行水溶液酸鹼概念單元教學時，中年級的教學重點應強調「認識物質」，讓學生瞭解有些物質在酸鹼環境會產生不同顏色的變化：透過測試與觀察這個特性，可以辨認、分類及認識不同物質。而高年級的教學重點應聚焦於「水溶液的酸鹼定義」，讓學生知道「可利用酸鹼指示劑來定義水溶液的酸鹼」，並且「製作及操作常見的酸鹼指示劑」，用來測量單一水溶液或混合溶液的酸鹼。另外，鼓勵國小自然老師採取Hegarty-Hazel(1986)的設計探究學習的架構，依據學生能力進行同質性或異質性分組，再檢視各小組的學習表現或能力，決定是否提供探討問題、實驗器材、操作步驟及實驗結果，透過不同層次的探究教學活動設計，以達到差異化教學。最後，學生的水溶液酸鹼概念評量方面，建議參考素養導向課室評量的概念，以108課綱的學習內容為標準來編製工具，將水溶液的酸鹼概念分為記憶、理解及應用等三個層次，透過評量工具的施測結果，分析學生的學習表現，做為後續學習輔導之參考依據。

• 參考文獻

教育部（2012）。國民中小學九年一貫課程綱要–自然與生活科技學習領域。臺北市：教育部。

教育部（2018）。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域。取自https://www.naer.edu.tw/ezfiles/0/1000/attach/63/pta_18538_240851_60502.pdf

教育部國民及學前教育署（2024）。素養導向課室評量資源建置暨推薦計畫。https://sbasa.rcpet.edu.tw/materials/material.aspx

賴柏蓉、翁翊家、趙士弘、李金鳳、熊雲偉、黃仲毅、許至雅（2023）。探究實作評量：自然科學領域×社會領域。教育部國民及學前教育署。

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Duschl, R., & Osborne, J. (2002). Supporting and Promoting Argumentation Discourse in Science Education. Journal of Studies in Science Education, 38(1), 39-72.

Hegarty-Hazel, E. (1986). Lab Work. Set: Research Information for Teachers, 1. https://doi.org/10.18296/set.1180

Mthembu, Z. (2001). Using the Predict-Observe-Explain Technique to Enhance the Students’ understanding of Chemical Reactions. https://www.aare.edu.au/data/publications/2001/mth01583.pdf

National Research Council. (2000). Inquiry and the National Science Education Standards. Washington, DC: National Academy Press.

Organisation for Economic Cooperation and Development (2008). Science Competencies for tomorrow’s world. Second results from PISA 2008. Paris: Author.

Trowbridge, L. W., & Bybee, R. W. (1990). Becoming a secondary school science teacher (5th ed.). Columbus, OH: Merrill.

Webb, P. (2010). Science educational and literacy: imperatives for the developed and developing world. Science, 328(5977), 448-450.

理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國小「食物電池」全民科學週

教案設計與闖關實作

柯凱珮

花蓮縣北埔國小
Email: [email protected]

• 前言

在國民小學自然科教學裡，檢驗水溶液性質是高年級學童踏入化學領域裡，基礎且重要的一步，其內容以觀察物質溶解現象、探討酸鹼性、自製天然指示劑及測試水溶液導電性為主。筆者在教學過程中經常延伸導電性的教學實驗，讓學童以易取得的食物中嘗試發電，並學習變因控制的科學方法。一方面滿足孩童喜歡動手操作的天性，另方面在十二年國教課綱自然科學探究與實作的趨勢裡，勢必從國小階段就開始培養孩子「發現問題而去尋求解答」的能力。

本教案設計是2021年第七屆「北花蓮全民科學週」參與教案甄選入選「國小組」最佳教案設計，主題為「餐桌上的科學」，由日常生活中最重要的「吃」談起，探究自然科學中許多與「食物」相關的現象，透過物理、化學、仿生、生活科技等跨領域的動手操作，理解食物在科學中蘊含的奧妙（仿生與環境實驗室，2024）。本教案結合並強調「動手做」與「趣味性」，同時融入教育部十二年國教課程綱要的學習內涵及表現指標，以實驗探究式教學啟發學童了解某些食物中含有導電物質的事實，引導學童從操作中認識化學電池的正負極，進而啟發學童對生活環境產生好奇心及觀察力（柯凱珮、沈敬堯， 2021）。

• 教學實施過程與成果

一、教學情境準備與引導

（一）以食物汁液為電解質

由於在課本裡已學過利用食鹽水、小蘇打水、糖水、醋等溶液，連接發光二極體並觀察是否發亮，在延伸學習的活動中，筆者讓學生思考：食物裡含有的汁液是否具備可導電的媒介？學生提出的食物種類五花八門，師生共同討論並慢慢聚焦，在容易取得的前提下，從健康課本裡提到的飲食金字塔來選擇我們的食物。最後，我們選擇了馬鈴薯(五穀根莖類)、紅蘿蔔(蔬菜類)、柑橘(水果類)、牛奶(奶蛋類)、醬油(油脂堅果類)等，亦可視實際狀況更換食物。

（二）兩種活性不同的金屬作為正負極

在情境引導的過程中，筆者播放均一教育平台影片「伏打電池」，約2分36秒，講述1800年義大利人伏特製作伏打電池的過程，並根據影片內容提出問題，引發學生思考正、負極金屬與電解液的關係：

Q1：伏特利用何種物品作為正負極？

Q2：伏打電池的電解質溶液是哪一種液體？

學童從影片中瞭解：化學電池是利用兩種活性不同的金屬作為正極(Cu)與負極(Zn)，它們之間還需要電解質；當兩種不同的金屬碰觸到電解質，形成氧化還原反應，產生電子轉移；化學電池即是將化學能轉換成電能的一種裝置。筆者請學生回溯中年級時利用電線、電池、燈泡接通電路的舊經驗，使用學生熟悉的學習內容、生活現象或實際經驗，減少認知負擔。

師生討論後，決定第一階段模擬伏打電池，以銅片及鋅片作為正負極，如果成功，第二階段就將正負極物質改成容易取得的「壹圓錢幣」(＋) 與鋁箔(－)。

圖1：器材準備

二、實驗操作流程

本實驗需組員分工合作，建議以異質能力分組為佳，教師可在黑板上畫電路圖進行講解，並指導各組學生按步驟操作：

圖2：教師手繪的電路圖

表1 第一階段：指導學生基本實驗之操作流程

(1)各組在桌上鋪好報紙。	(2)將電子時鐘的紅線接上正極物質，藍線接上負極物質。(本範例正極為Cu，負極為Zn)。	(3)另取一條電線，一端接銅片，一端接鋅片。	(4)組長至講台前切開食物，並依電路圖正確插上正負極物質與電線，觀察電子時鐘是否出現數字?
【補充說明】 能夠啟動電子時鐘所需之電壓為0.9V。 (照片中之儀器為數顯可調式電源供應器)

實驗結果：如果電子時鐘沒有亮，請學生檢查是否接錯或鬆脫現象，立即著手修正；如果順利成功，則進入第二階段，更換正負極再行測試：

表2 第二階段：指導學生更換正負極物質之操作流程

將原本的正極Cu改為壹圓硬幣，原本的負極Zn改為廚房鋁箔紙。 觀察電子時鐘是否出現數字?

學生在練習更換正負極物質之後，若能成功發電，第三階段教師可進階開放，讓學生使用不同食物搭配不同正負極物質來進行食物發電。教師提供市售粗筆心(石墨)作為正極物質，迴紋針作為負極物質。

表3 第三階段：學生自主探究不同食物的電解質之操作結果

【食物】紅蘿蔔 石墨(＋)，迴紋針(-)	【食物】地瓜 石墨(＋)，迴紋針(-)	【食物】牛奶 石墨(＋)，迴紋針(-)

三、學生紀錄與歸納

大部分的小學生對於「食物」有莫名的期待，而食物結合發電，更能引起學生高度興趣。筆者鼓勵學童在動手操作後，立即畫下或寫下操作過程，而食物電池很適合以畫圖方式重現實驗，如圖3及圖4：

圖3：學生手繪的檸檬電池(正極-壹圓硬幣，負極-鋁箔)

圖4：學生手繪的柑橘奇異果電池(正極-壹圓錢幣，負極-迴紋針)

    從學童的繪畫中，筆者邀請孩子說說看：如何連接電線與壹圓錢幣？如何連接電線與迴紋針？如果壹圓錢幣與迴紋針碰在一起會發生什麼事？你們這組的食物電池讓電子時鐘亮多久？操作中你覺得最困難的是什麼？如果正負極不小心碰在一起，電子時鐘還會亮嗎?

只要親自動手操作，學童對上述問題均能輕鬆回答，但根據筆者經驗，各組學生常執著於交換不同的食物來實驗，過程中「玩」的比例很重；此時教師需適時將學生的心拉回來，扣緊課本裡水溶液導電的內容，連結學生已具備的知識，協助學生歸納理解電解質（可溶於水的酸性、鹼性、鹽類物質），了解基本發電原理。因此教師可提供一張檢核表(如表4)，讓學生運用本表檢核常見食物的發電性，鼓勵自主探究的樂趣。

表4 食物發電檢核表

• 心得與檢討

筆者觀察：操作過程中學生玩得不亦樂乎，也習得知識，符合遊戲式學習情境。雖然食物的發電量極小，但是學生可以知道，許多能源就是從沒人注意的物質中被發現的，例如：生質能。因此人類發揮智慧，來可以開發出更環保無汙染的發電方式。

部分學生主動提出串聯發電，不同組別間可以合作串聯不同的食物來發電，教師可提供連接線給孩子，鼓勵學生延伸學習廣度，如圖5所示：

圖5：學生嘗試串聯不同的食物

    教師引導學生在課前做好預習的工作，學生會自行連結到四年級的學習經驗(通路、斷路)，學生常會提出電壓、電流等自己半知半解的概念。此時，教師可視情形加入概念解說，並使用三用電表，實際測量電流與電壓，協助學生理解，當我們使用不同食物來操作發電，其測出的電壓也不盡相同，如圖6所示：

圖6：教師使用三用電表測量奇異果電池的電壓

    教師可至各組親自操作電表來測量不同食物的電壓，請各組同學將測量出的數字寫在黑板上或筆記裡，客觀的實驗數據將更利於後續討論的精準度。

• 參考文獻

仿生與環境實驗室 （2024）。全民FUN科學—「北花蓮全民科學週」、「科普列車」、「仿生與環境」、「永續發展教育」。「全民FUN科學」平台。https://sites.google.com/view/be-ernt/%E9%A6%96%E9%A0%81

均一教育平台（2024）。認識伏打電池。https://www.junyiacademy.org/junyi-science/middle-school-physics-chemistry/s4zdz-/v/QgWDCXcHzKY

柯凱珮、沈敬堯（2021）。食物發電。「全民FUN科學」平台。https://sites.google.com/view/be-ernt/%E6%AD%B7%E5%B9%B4%E6%88%90%E6%9E%9C%E5%90%84%E5%B9%B4/2021-%E5%B9%B4/%E5%9C%8B%E5%B0%8F%E7%B5%84%E9%A3%9F%E7%89%A9%E7%99%BC%E9%9B%BB

教育部（2019）。十二年國民基本教育課程綱要– 自然科學領域課程手冊。臺北市：教育部。

• 附錄

理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國中「化腐朽為神奇」全民科學週

教案設計與闖關實作

劉曉倩

國立彰化高級中學
[email protected]

• 前言

花蓮縣自2015年起開始舉辦「花蓮縣全民科學週」（2017年更名為北花蓮全民科學週)，以「探究式」、「動手做」、「教中學」及「合作學習」等多元方式，積極推動 K-12 學生的科學學習興趣，並在各校間產生迴響。科學週每年徵選主題教案，強調「知識性」、「動手做」與「創新與趣味」的實驗設計，同時結合教育部十二年國民基本教育課程綱要的學習能力及表現指標，將實驗室外的探究體驗融入正式課堂中。

2024年是「北花蓮全民科學週」邁入第十年，活動彙整了過去110 個教案及實驗示範影片，並於「全民FUN科學」平台上發布，為師生與民眾提供豐富的自主學習資源。國立東華大學北花蓮科普團隊由環境暨海洋學院楊悠娟教授領導，並邀請物理學系曾賢德教授與葉旺奇教授協助，聯合來自東華大學、花蓮縣內外的科普推廣夥伴，共同開發並推廣一系列探究實作活動（仿生與環境實驗室，2024)。

科學週闖關活動的設計，目的是引發學生對科學的好奇心，激勵他們親身參與並動手實驗，進一步將所學轉化為知識與能力。闖關活動的設計通常配合關主的教育程度、參與活動的對象、場地環境及闖關活動進行時間，而有所調整。闖關活動設計看似為課綱實驗的簡化，甚至有些像是科學遊戲，實際上只要參與過設計闖關活動的教師及學生就會知道要注意的細節很多！闖關活動時，夥伴的合作協調都需要經過多次的活動前溝通及實作才能培養好的默契。但是參與過後，無論是闖關活動的關主或者參與實際闖關的師生或科學同好者都會留下難忘的成長回憶。

本教案設計是2021年參與教案甄選入選「國中組」最佳教案設計，主題為「餐桌上的科學」，由日常生活中最重要的「吃」談起，探究食物在科學中蘊含的奧妙。內容以實驗探究式教學啟發學生理解電解質的定義，並引導學生從實作實驗認識強電解質與弱電解質的差異，進而從電解質影響豆漿等膠體溶液產生沉澱的現象，啟發參與者對週遭生活環境產生好奇心及敏銳的觀察力（劉曉倩、謝佶霖，2021)。

• 課程設計理念

教案設計源起於結合花蓮的自然環境與特色文化，讓學生了解如何製作豆腐，並體會花蓮水土與傳統技藝的重要性。花蓮的「好山好水」孕育出高品質的黃豆與潔淨的水源，這些都是豆腐製作的關鍵。豆腐不僅是健康的食品，還是一種能從嬰兒到老年人都享用的「沒有牙齒吃到沒有牙齒」的美味，具有廣闊的市場潛力。在這個教案設計中，學生將學習認識黃豆的成份與凝固劑的作用，並了解電解質對豆腐製作的影響，藉此傳承「做久就知」的傳統技藝背後的科學原理，讓豆腐製作不再只憑經驗，而是一門有科學可循的工藝學問。

• 課程設計內容

一、引導發現問題

（一）引導問題的提出

讓學生觀察不同凝聚劑（如石膏、鹽滷等）對豆腐質地的影響，並引導學生思考：為什麼不同凝聚劑會產生不同的效果？豆漿的物質性質（真溶液、膠體溶液、懸浮液）如何影響凝固過程？

（二）知識基礎的建立：解釋「真溶液」、「膠體溶液」、「懸浮液」三者的主要差別

１.真溶液：均勻分布且溶質粒子小於1nm，光線無法產生散射。

2.膠體溶液：溶質粒子大小在1-100nm之間，能散射光出現廷得耳效應。

3.懸浮液：溶質粒子1000nm以上，會容易產生沉澱。

製作豆腐的原料豆漿為一種膠體溶液，膠體溶液能維持粒徑在10^-9～10^-7公尺是因表面帶有相同電荷（如圖１所示），相同電荷造成斥力使其不會沉降。

 圖１： 膠體粒子因表面帶有相同電荷，相同電荷造成斥力使其不會沉降

製作豆腐過程中加入硫酸鈣，豆漿膠體粒子表面之負電荷被鈣離子所中和電性，導致凝聚而形成豆腐花。

（三）引導學生探索膠體溶液中最易觀察的現象

1.廷得耳效應及粒子分散於溶液中而不會沉澱。

2.引導學生設計實驗來檢驗豆漿的膠體溶液特性，如透過光束照射觀察廷得耳效應。

二、教學活動設計

（一）引起動機

發下各類豆腐食品（如豆乾、豆腐花）與學生分享，詢問學生對於豆腐製成過程和原理的認識，進一步引發他們的興趣。例如，可詢問學生：「你們知道豆腐是怎麼從黃豆變成的嗎？」或者「你們覺得豆腐和豆乾有什麼不同？」簡單介紹豆腐的種類及製作的基本原料，包括黃豆磨成的豆漿，並介紹傳統凝固劑石膏（硫酸鈣、氯化鎂）的作用。說明豆漿在加入石膏後發生的化學反應及產生凝固的過程，並引導學生思考豆漿是否是一般的液體？其內部結構有什麼特別之處？

（二）實驗活動一：光線散射實驗

1.步驟

分發一杯糖水和一杯豆漿給每組學生，使用雷射筆分別照射糖水和豆漿，讓學生觀察兩者的現象差異。

2.觀察與討論

引導學生描述觀察的現象：糖水中的光線似乎直穿而過，而豆漿中的光線則被散射。詢問學生：為什麼會有這樣的差別？

3.概念建構

解釋觀察的現象為廷得耳效應，這是一種膠體溶液特有的光散射現象。讓學生思考，根據這個實驗，豆漿屬於哪種類型的溶液？（答案：膠體溶液）

（三）實驗活動二：豆漿凝固實驗

1.步驟

（1）提供五種溶液（飽和葡萄糖、氯化鈉、硫酸鋁、食醋、硫酸鈣）和20 mL熱豆漿給每組學生。

（2）讓學生分別將五種溶液加入豆漿中，攪拌均勻，靜置5分鐘以進行冷卻，觀察豆漿是否產生凝聚反應，如圖２所示。

2.觀察與記錄

學生觀察並記錄每一種溶液加入後的變化，如是否出現凝固現象或結塊情況。

圖2： 從豆漿沉降情形中推測，陽離子價數愈高者，豆漿沉降情形愈明顯

3.討論與概念建構

引導學生比較並討論，哪些溶液導致豆漿凝固為豆腐。引導學生發現只有某些溶液能引起豆漿的凝固，這與溶液中是否含有電解質有關。

4.引入電解質與非電解質概念

進一步解釋，只有電解質溶液（如硫酸鈣）能夠使豆漿中的蛋白質分子凝聚成豆腐花，非電解質（如葡萄糖）則無此作用。

5.總結與反思

透過實驗和討論，學生理解溶液類型、膠體特性以及電解質對豆漿凝固的影響。最後讓學生總結學到的知識，並思考豆腐製作的科學原理如何應用於其他食品製程？（教案設計如附錄）。

• 教學活動前準備與課程分享

2021年9月我第一次擔任「北花蓮全民科學週」種子教師及學生研習營的講師，得知現場必須指導辦理闖關活動的國中及高中共6所學校，每個學校派出1~3組學生及老師參與研習，加上研習時間只有1.5小時，心情有些緊張。幸好高雄市市立新莊高中謝佶霖老師一起協助，活動前我們一起共備，從闖關過程中考量參與的對象年齡層，使用生活用品取代玻璃器皿、準備水源、配製藥品、解說實驗精簡有效率及如何增加闖關人數…等都經過充分討論。研習活動前2週寄出預估的藥品及器材給主辦單位，豆漿的品質很重要，有些市售豆漿無法做出膠體溶液沉澱的預期效果，所以必須先試做才知道哪些市售品牌可使用。

為了融入花蓮在地文化特色，在實驗影片中，我與佶霖老師連結花蓮好山好水與豆腐品質，同時穿戴具有原住民文化的特色服裝，以吸引參與學生的目光。研習過程中簡報儘量用圖示法取代文字講述，並多用問答方式讓學生注意力集中。現場預留近60分鐘時間讓學生動手做，讓辦理闖關的學生能更進一步了解可能出現的問題，並當場與講師交流，找出解方。

圖３：筆者與高雄市立新莊高中謝佶霖老師指導闖關研習過程

• 參與志工活動學生心得

學生確定主題關卡後務必先試做實驗，尤其本實驗的氯化鈉與豆漿並不會產生沉澱，所以設計闖關時必須排除使用氯化鈉，否則闖關者單純從豆漿沉澱與否無法判斷氯化鈉與葡萄糖（或蔗糖）的差異。

闖關現場須確認是否提供電源，因加熱時必須使用卡氏爐。事先試做市售豆漿，確認是否與準備的電解質產生沉澱，若豆漿濃度太稀薄則不利於豆腐成型。

闖關前的材料準備量也很傷腦筋，必須詢問主辦單位可能的參與人數，備料時多估計15%用量，以備不時之需。事先想好材料不夠的因應措施。

闖關時可使用「紙板圖說」或「電腦平板」，讓參與者清楚理解實驗流程，減少關主重複解說。尤其國小學生多半第一次接觸實驗，反應熱烈同時實驗危險性也較高，所以實驗安全解說不可少！

• 結語

筆者擔任過化學學科中心全國化學創意闖關活動策劃、遠哲科學營聽視障生研習講師、科技部「戀戀半線」科學志工服務闖關活動總策劃、彰師大「科學開Fun日」科學闖關活動指導及花蓮科學週闖關活動講師，對於各種闖關活動有許多心得與感想。每個科學闖關活動必須針對參與對象而調整實驗難易度，同時針對參與年齡層來調整解說方式，更需注意實驗安全，因此闖關前的關主培訓很重要！印象最深刻的是有一次帶領科學志工到某國中辦理偏鄉科學闖關活動，一到現場發現參與的年齡層從6歲到70歲都有？！原來該國中校長同步邀請學校社區附近的樂齡長輩及幼稚園小朋友。還好我們早到一個多小時，先觀察場地附近水源是否方便取得、關卡動線安排流暢、會講臺語的志工負責對參與闖關的長輩解說，並安排機動組負責帶領長輩闖關。整個闖關活動過程熱鬧非凡，長輩們對於氫氣槍、化學酸鹼彩虹及膨糖情有獨鍾，幼稚園的孩子最喜歡化學海底花園及膨糖。特別需注意：不管哪個年齡層都須掌握闖關活動的難易度，最好關卡一定會成功，因為難度過高的關卡容易造成參與人數排隊甚至乾脆放棄！

此外，長輩多半不喜歡實驗解說過於複雜冗長，有顏色變化（蝶豆花溶液酸鹼變色）或有聲響（氫氣槍）的實驗最受喜愛。國高中生喜歡挑戰，有難易度給獎勵的關卡特別受歡迎。幼稚園的孩子最喜歡有實作「吃」及可以帶回家的「成果作品」闖關活動，此時可以設計分子料理或化學花園等，但是避免使用膨糖（蔗糖加小蘇打）實驗，因為孩子年紀太小容易燙傷！

科學闖關活動不僅啟蒙孩子對於科學的熱情，也能讓年紀大的長輩了解生活中的過往經驗已充斥著科學的本質！ 但闖關活動場地多半不在實驗室內，導致實驗設計受限且必須特別注意實驗安全。有些闖關活動有經費限制，精緻的實驗設計無法帶進闖關活動比較可惜。期待未來可以有更多科普活動，讓全民都有機會認識科學，了解生活中科學的本質，進一步運用科學解決問題！

• 參考文獻

仿生與環境實驗室（2024）。全民FUN科學—「北花蓮全民科學週」、「科普列車」、「仿生與環境」、「永續發展教育」。「全民FUN科學」平台。https://sites.google.com/view/be-ernt/%E9%A6%96%E9%A0%81

劉曉倩、謝佶霖（2021）。「化」「腐」朽為神奇。「全民FUN科學」平台。https://sites.google.com/view/be-ernt/%E6%AD%B7%E5%B9%B4%E6%88%90%E6%9E%9C%E5%90%84%E5%B9%B4/2021-%E5%B9%B4/%E5%9C%8B%E4%B8%AD%E7%B5%84%E5%8C%96%E8%85%90%E6%9C%BD%E7%82%BA%E7%A5%9E%E5%A5%87

• 附錄

理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國中、小「維生素C的定量分析」

實驗設計與闖關實作

連經憶

國立嘉義大學應用化學系
Email:[email protected]

• 前言

化學是基礎科學，日常生活中食、衣、住、行都離不開化學。當學生開始學習科學時，多半是從具體地、看得到、摸的到、或是符合學生生活經驗的題材開始，例如：植物的構造；這樣學生容易進入況，降低學習科學時的挫折感。國小自然科學課本中生物及物理方面的實驗較多，化學實驗相對較少，多為物質的變化、溶解、與酸鹼度等，國小甚至於國中，可能因教師專業領域不是化學、怕教錯，對化合物性質不了解、怕危險，準備試劑、怕麻煩等因素而跳過化學實驗，因此使用的實驗材料必需是安全的或容易取得，以鼓勵中小學自然領域教師放心大膽地帶學生進行化學實驗。維生素C（Vitamin C、圖1）定量分析實驗使用的試劑恰好符合上述條件，含有維生素C的樣品很容易取得，新鮮蔬果、維生素C錠劑或飲料中添加維生素C。對中、小學生而言，維生素C是熟悉的化合物，「分析蔬果或飲料中維生素C含量」的實驗具有目的明確與容易了解的特點。定量分析的試劑及器材可改為市售的優碘或點眼瓶，實驗室中完整操作的定量分析滴定實驗亦可簡化為科學闖關活動中的科學關卡；教師可依照學生的年齡層區別，傳遞不同層次的科學知識。中學生可計算維生素C含量，並與標示值比較；小學生則計算所消耗優碘的滴數，比較不同樣品間維生素含量的高低。除了定量分析外，維生素C的穩定性也是很好的實驗題材。蔬果中有維生素C，也有維生素C氧化酶（Ascorbic Acid Oxidase），維生素C氧化酶可將維生素C氧化為脫氫抗壞血酸（Dehydroascorbic acid）（圖1）。2018年康健雜誌報導「生吃小黃瓜，蔬果維生素C全跑光光」(康健雜誌報導，2018)，此觀點與大眾的認知有落差，大部份民眾認為小黃瓜生吃能保有更多營養成份，因此需要以科學方法驗證，小心設計實驗，利用本文敍述的定量分析方法可確認報導的真實性。

• 維生素C的定量分析

維生素C又名抗血酸，是大家耳熟能詳、維持身體健康必需的一種營養素，除了新鮮蔬果外，在營養補充劑、果汁及各種不同飲料中都可見到維生素C的踪影。在營養補充劑中，維生素C是主角，依據衛福部食品藥物管理署於民國101年訂定第八版「國人膳食營養素參考攝取量及其說明」(國人膳食營養素參考攝取量及其說明，2023)，維生素C參與膠原蛋白、肉鹼、神經傳導物質、膽固等多種物質的合成，可促進傷口癒合、增加對受傷及感染等壓力之扺抗應付能力。在各式瓶裝飲料中，雖然維生素C不一定是功能性的主角，但因本身容易被氧化而具有良好的抗氧化活性，可避免其他化合物被氧化、變質，所以是常見的食品添加劑。

圖1抗壞血酸（左）及脫氫抗壞血酸（右）的化學結構。

分析維生素C的方法有氧化還原滴定、酸鹼滴定、比色法及高效液相層析法等，大學普化實驗利用氧化還原滴定，測定錠劑中維生素C的含量。實驗時以已知濃度的碘酸鉀（KIO₃）溶液做為滴定劑，與樣品中的碘化鉀反應產生碘分子，產生的碘分子立刻與維生素C反應生成碘離子（式一及式二）。當反應達滴定終點時，因維生素C已完全耗盡，此時碘分子與溶液中的碘離子結合形成三碘陰離子（I₃^–）；三碘陰離子與澱粉指示劑結合，形成藍色的錯合物，使溶液呈現藍色。由達終點時消耗的碘酸鉀體積及濃度，利用式一及二的化學劑量關係，可計算樣品中維生素C的含量。

在上述實驗中，碘分子與維生素C反應，因國小教師不易取得碘酸鉀和碘化鉀，國小階段也不宜接觸這二種化合物，而市售的優碘可提供碘分子，因此在國小或國中可改用優碘進行定量分析。優碘成份是聚維酮碘（Povidone Iodine、圖2），瓶身的標示顯示，每毫升溶液中含有10mg的有效碘。下列以分析飲料中維他命C含量為例並說明。

圖2 優碘及聚維酮碘的化學結構 (引自維基百科)

一、國小端的維生素C定量分析實驗

國小學生進行化學實驗時，應著重學習觀察並記錄反應發生的現象，例如：顏色變化等；藉由重覆操作同一實驗，比較得到的數據，建立實驗結果必需有再現性的概念。本實驗已在國小科學闖關活動或科學營中進行多次，實驗時使用點眼瓶取代滴定管，以微量離心管取代三角燒瓶，以減少試劑用量及避免學生打破器材，同樣能達到比較不同飲料中維生素C含量及建立實驗結果再現性的概念。實驗步驟及教學注意事項(表1)：

表1飲料中維生素C含量分析之實驗步驟及注意事項(國小端)

	實驗步驟	注意事項
1	準備二種以上飲料，一種具有標示清楚、已知含量的維生素C，例如C. C. Lemon，另一種則無標示含有維生素C，例如蘋果汁。引導學生辨認標示值。
2	取一微量離心管，加入0.5 mL 果汁及加入2滴的澱粉指示劑。混合均勻。	l   請學生觀察微量離心管上0.5 mL的刻度及並說明使用方法。
3	將稀釋的碘液滴入步驟2的微量離心管中，混合均勻，每滴完一滴後需觀察混合物的顏色。當溶液變為藍黑色時即達終點，記錄所需的碘液量。	l   有些品牌的優碘中含有賦型劑，加入過量優碘亦無法形成藍黑色錯合物，影響終點之判斷。請選用無賦型劑之優碘。 l   取5 mL優碘，加水稀釋至20 mL，混合均勻後裝入點眼瓶。 l   解說並示範點眼瓶的用法，告訴學生輕輕地擠點眼瓶，避免一下子擠出太多溶液，建議先讓學生練習，如何將點眼瓶中的液體逐滴擠出。
4	重覆步驟1-3，進行另外二次滴定，記錄達終點所需要優碘之滴數，求出平均值。	l   使用學習單，請學生記錄每次達終點所需滴數。以C. C Lemon為例，達終點且溶液變色約需8~9滴。但因每人擠壓力道不同，不同人的滴數差異可能比較大，但同一人、三次實驗之間的滴數差異不大。 l   請同學將平均滴數寫在黑板上，引導學生討論造成滴數差異可能的原因。
5	重覆步驟1-4，改換另一種果汁。	l   如標示有維生素C，但未寫出含量，則維生素C可能很少，往往1~2滴就會變色。

二、國中端的維生素C定量分析

在國小進行維生素C定量分析實驗時，因小學生並無化學計量的概念，以滴數代表維生素C含量的多寡，嚴格來說並非定量分析。在國中階段，如學生已建立莫耳數概念，可利用優碘中有效碘濃度及達終點所需體積，使用式二計算樣品中維生素C的含量。市售優碘所含有效碘為10 mg/mL，經換算體積莫耳濃度為0.039 M。為確認標示的有效碘濃度正確，應以純的維生素C進行標定，以市售某品牌優碘為例：精秤一定質量的維生素C，溶於去離子水，以未稀釋之優碘進行標定，三次結果各為每毫升含有9.57、9.70及9.55 毫克，與標示值接近，由標定結果可知其有效碘的體積耳濃度為0.038 M。國中生可使用滴定管及三角燒瓶，以優碘為滴定劑，分析錠劑中維生素C含量，如用維他命C錠劑，需進行樣品製備，以研缽及杵磨碎錠劑，加入約50 mL去離子水，維生素C溶解後再倒入100 mL容量瓶中，定量到刻度，滴定時只取10 mL進行滴定。如以含維生素C的果汁或飲料進行滴定時，則不需要樣品製備。表二以果汁做為樣品時之實驗步驟及注意事項。

表2 飲料中維生素C含量分析之實驗步驟及注意事項(國中端)

三、看新聞學科學-小黃瓜對維生素C穩定性之影響

圖3是網路上搜尋小黃瓜對維生素C穩定性影響之新聞截圖。新聞報導顯示：小黃瓜含有維生素C分解酶，會破壞維生素C。新聞報導的內容一定是百分百正確嗎？答案是否定的。小黃瓜中破壞維生素C的酵素不是分解酶，而是抗壞血酸氧化酶，氧化酶氧化維生素C，使其變為脫氫抗壞血酸，因而破壞了維生素C的抗氧化力 (Shimada & Ko，2008)，反應式如下：

如何驗證小黃瓜對維生素C的影響？可萃取小黃瓜汁液，加入一定濃度的維生素C溶液中，反應一段時間後，再以稀釋的優碘滴定，並比較不加小黃瓜萃取液的滴定結果，就可驗證新聞報導是否正確。本實驗亦可探討影響酵素活性的因素，如加熱、加醋或加鹽使酵素失去活性，如同報導中農糧署所述。除了小黃瓜，亦可延伸探討其他蔬果是否含有抗壞血酸氧化酶。文獻報導指出：花椰菜、南瓜、胡蘿蔔、及菠菜等都有抗壞血酸氧化酶，而所含維生素C濃度與抗壞血酸氧化酶活性有關，活性越高，殘留的抗壞血酸越少。表3是小黃瓜氧化維生素C之實驗步驟及注意事項。

圖3小黃瓜對維生素C穩定性影響之新聞截圖

表3小黃瓜氧化維生素C之實驗步驟及注意事項

• 結語

維生素C的定量分析是很好的實驗題材，除了測定飲料中含量外，也可以分析蔬果中含量，或指導學生設計實驗，探討維生素C的穩定性。國小端實驗以點眼瓶取代滴定管，實驗時可以人手一支點眼瓶進行實驗，有效解決器材不足的問題，同時可降低試劑用量，減少對環境的衝擊。雖然無法做到精準地定量分析，但依在教學現場學生的反應來看，即使小學生也能了解實驗結果之再現性，達到良好的教學效果，亦可延伸探討蔬果中抗壞血酸氧化酶的活性。甚至利用維生素C為隱形墨水，用棉花棒沾維生素C溶液在圖畫紙上寫字，再塗優碘，顯現所寫的字。因圖畫紙有澱粉，塗優碘後没寫字的地方呈現藍黑色，有維生素C之處與優碘反應，消耗碘，保持原紙張的顏色，增加實驗的趣味性。

利用點眼瓶及市售優碘來分析瓶裝飲料中維生素C的含量，可在短時間內分辨維生素C含量的高低，已多次用在嘉義縣、市全民科學月闖關活動、科學168及其他大型闖關活動；近期在國中及國小科學營亦加入「看新聞、學科學-探討小黃瓜對維生素C的影響」實驗，以實際的結果說明何謂實驗結果的再現性。嘉義縣國中教師研習則以自製的微量滴定管，分析錠劑中維生素C的含量。透過上述學生及教師的回饋可知：本化學實驗適合國中及國小學生操作，若加入維生素C氧化酶，更能增加實驗的廣度及深度。

• 參考文獻

康健雜誌報導（2018）。「生吃小黃瓜，蔬果維生素C全跑光光」。https://www.commonhealth.com.tw/article/76965

衛生福利部國民健康署（2022年10月20日）。「國人膳食營養素參考攝取量」第八版。https://www.hpa.gov.tw/Pages/Detail.aspx?nodeid=4248&pid=12285

黃稜蘊、楊水平（2016）。微量化學實驗：酸鹼滴定的微量實驗。臺灣化學教育，14。https://chemed.chemistry.org.tw/?p=17659

聚維酮碘（2024年1月29日）。載於維基百科。

https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E8%81%9A%E7%BB%B4%E9%85%AE%E7%A2%98

Shimada, Y. & Ko, S. (2008). Ascorbic acid and ascorbic acid oxidase in vegetables. Chugokugakuen Journal, 7, 7-10.

開發以會考試題為基礎的探究教學

鐘建坪*¹、鍾曉蘭²、沈秀君³

¹新北市立錦和高中國中部

²新北市立新北高中

³新北市康橋中學林口校區

Email:^1*[email protected]

• 前言

探究教學是以學生為中心的教學策略，強調讓學生親身經歷各種科學探究過程來學習。不僅著重學生在學科知識上的進展，還重視其探究能力、問題解決、和科學素養的發展。透過實際操作、觀察、數據分析及推理，期待學生能夠自主發現和解釋自然現象，培養科學思維模式，並促進對科學知識的內化和應用。

108課綱強調學生的整體發展，目的在提升學生的思考智能與探究能力，使其在未來能夠應對更複雜的問題情境，進而發展出能夠解決實際生活問題的科學素養。這種素養不僅限於對知識的理解，更包含了學生面對問題時，能夠運用所學進行分析、評估並提出解決方案的能力。透過探究學習，學生能逐步發展批判思考與創造力，作為終身學習的基礎。

然而，學生的學習成效需要通過評量加以檢視，以追蹤其在概念掌握和技能運用上的進步。國中教育會考是根據「國民小學及國民中學學生學習評量辦法」設立，目的是為了評估國中畢業生的學力品質。由於考試在教育系統中具有導向作用，會考試題的設計與趨勢對教師的教學內容和策略有舉足輕重的影響。在探究導向的課程中，如果教師結合會考評量試題的精髓，不僅能幫助學生在探究過程掌握概念與技能，還能提升應對評量的能力。

• 會考試題命題依據與結構

會考自然科的命題是依據「十二年國民基本教育課程綱要」中自然科學領域。評量涵蓋「學習表現」與「學習內容」。自然科試題的取材注重生活化，試題除了檢測學生對基本科學知識和概念的掌握，並適當融入環境教育、海洋教育、能源教育與防災教育等相關議題的學習目標，也特別強調學生在閱讀與理解科學資料、解決科學問題，以及規劃與執行科學探究活動方面的能力(國中教育會考，無日期)。

臺師大心測中心針對會考的試題結構說明，提及自然科的試題本結構主要有：具備基本的自然科學知識與概念、科學資料的閱讀與理解、解決科學問題所需的推論與應用能力，以及進行科學探究活動所需的規劃、執行與數據分析能力(臺師大心測中心，2022、2023、2024)。試題結構顯示會考試題從111年至113年基本的自然科學知識與概念分別僅佔約24%、30%、34%，其餘皆與探究能力的運用有關，再再顯示所楬櫫的會考試題特色為重視科學探究能力，以符應自然科學領綱的對學習內容與學習表現的期望。

• 元素符號與其擴增訊息內容

元素符號是用來表示一個化學元素的簡易符號，例如：氫的符號是 「H」，而氦的符號是 「He」。然而，元素符號在化學式、週期表或核反應方程式，常伴隨著質量數、質子數、電子數等，以擴增該元素的詳細內容資訊。

其中質量數表示的是一個原子的質子數與中子數的總和。質量數寫在元素符號的左上角。例如，碳-12 的符號可以寫作 ¹²C，其中 「12」代表質量數。質子數表示原子核中質子的數量，它決定了元素的種類，也稱為原子序。質子數寫在元素符號的左下角。例如，碳的質子數是 6，因此可以寫作 ₆​C。每種元素的質子數都是唯一的，不同元素即有不同的質子數。

大多數的元素是以得失電子的形式進行分解與化合等反應而存在於自然界。對於質量數為 23 的鈉離子，符號可以寫作²³₁₁Na⁺，其中「23」代表質量數，「11」 表示質子數，而右上角的 「+」表示這個鈉原子失去了1個電子，形成陽離子。這種符號表達方式能清楚顯示出一個元素的原子核內與原子核外資訊，對於理解原子的結構、化學反應，以及同位素的區別等至關重要。

教科書的設計主要以 來呈現元素符號與原子結構內不同粒子的數量標示，其中X代表元素符號，Z表示原子序，A表示質量數。教材內文多以常見元素(如氫、碳、氧等)為例，介紹元素符號的標示方法，幫助學生建立對原子結構內質量數、質子數、中子數、電子數等的具體認識，以理解這些基本粒子之間的關係。再藉由試題的練習加深學生對元素符號與原子結構各組成部分的理解。而此內容對應自然領綱國民中學教育階段學習內容標示為「Aa-IV-5元素與化合物有特定的化學符號表示法」，內容陳述讓學生知道元素符號及化合物命名的簡單規則，並以日常生活中常出現的簡單物質為限(國家教育研究院，2018)。

• 含有擴增內容的元素符號會考試題分析

近10年會考試題針對擴增內容的元素符號約略每年1題，著重判別是否為相同元素、電中性、帶電粒子的質量數、質子數、電子數、中子數的整合概念，同時著墨這些數字在週期表的意義為何。以近5年試題為例，圖1為113年會考試題，其中A選項主要測試學生是否能夠知悉週期表中，元素符號相關附註內容的意義。圖2為111年會考試題，學生需要知悉原子電中性、失去電子帶正電形成陽離子，或獲得電子帶負電形成陰離子時，原子內質子、電子、中子的數量關係。圖3為108年會考試題，學生需要從原子序與電子數的意義，依據表格數據判別是否為電中性、是否為相同原子，以及質子數、原子序與電子數的關係。

圖(三)為元素週期表的一部分，無法從圖中知道下列何項資訊？ (A)氯原子與氬原子的質子數分別為多少 (B)氖原子與氪原子是否有相似的化學性質 (C)氦原子與氪原子在自然界中含量何者比較多 (D) 1莫耳的氯氣(Cl2)與1莫耳的溴(Br2 )何者質量比較大 (引自113會考試題)

圖1：113年會考試題舉例

圖2：111年會考試題舉例

9. 已知甲、乙、丙、丁四種粒子為原子或單原子離子，其單一粒子的原子序與電子數如表(二)所示。關於此四種粒子的敘述，下列何者正確？ (A)甲、丙均呈電中性 (B)乙、丙是相同的原子 (C)乙、丁的帶電量相同 (D)甲、丁的質子數均大於電子數         (引自108會考試題)

圖3：108年會考試題舉例

• 表徵模型之間的轉換

模型通常指對想法、事件或現象的表徵(Gilbert & Boulter, 2000)，其由不同物件間的連結關係所構成(Hestents, 1987；Jong et al., 2015)。科學模型特別針對自然現象，建構不同概念之間的連結關係，以促進我們對自然現象的解釋與預測。學校科學模型的呈現可以是抽象的(Harrison & Treagust, 2000)，例如：密度由物體的質量和體積之間的關係所決定，透過相除的方式形成物質的密度；學校科學模型的呈現也可以是具體的(Harrison & Treagust, 2000)，例如：將抽象的原子模型以具體的繪圖或保麗龍球呈現，顯示原子內部質子、中子及電子之間的排列方式。

儘管科學學習存在多種科學模型，學生在學習模型時仍面臨諸多挑戰(鍾曉蘭、邱美虹，2012；鐘建坪，2020；Jong et al., 2015; Louca & Zacharia, 2023)。例如：學生在理解符號化的模型時，需學習如何解讀這些符號的使用或特定的表達方式(鍾曉蘭、邱美虹，2012)。此外，某些科學模型具備多種呈現方式，學生必須針對不同的表徵模型理解其特定意義，以便能夠順利進行不同模型之間的轉換(鐘建坪，2020；Jong et al., 2015)。同時，學生往往忽視科學模型的限制，這不僅使他們難以判斷在何種情況下應用某一模型，也使得理解每個模型的優缺點及其適用範圍變得困難(Jong et al., 2015)。

擴增訊息的元素符號能夠提供的訊息包括：特定的元素符號、此種特定元素的質量數、質子數與原子序，並從質量數與質子數的差異獲得中子數。學生學習擴增訊息的元素符號時，常忽略不同表徵模型之間如何進行轉換，以及這些轉換對於理解元素性質和原子結構的重要性。這種忽視可能導致學生在面對複雜的化學概念時，無法靈活運用所學知識，進而影響他們對化學反應、物質性質及元素間相互作用的理解(Johnstone, 1991; Talanquer, 2011 )。

為了解決這些挑戰，教育者可以採用多樣化的教學策略，幫助學生建立更全面的科學模型(多樣化策略可見Carroll & Park, 2024 )。例如，透過引導學生進行小組討論，探索不同模型的應用情境，或使用數位工具進行模擬，讓學生直觀感受模型的轉換(Jong, 2016)。或者，結合視覺化教學資源，例如動畫或互動圖表，能夠有效提升學生對抽象概念的理解，並幫助他們掌握模型之間的關聯(Levy, 2013)。

• 元素符號探究教學

此次教學規劃與設計主要基於新北市向下扎根計畫，嘗試提供市內國中教師針對會考試題為基礎的探究教學設計。本教學活動為「從原子結構連結元素符號的標示」，著重學生能夠從原子結構，質子、中子、電子數量的關係，連結 ，讓學生自如地轉化不同表徵模型。學生在此之前已經學習完原子的內部結構，知悉電子、質子、中子與質量數的意義與其在原子內的關係。教學時間若不考量離子的形成，則為1節課。若考量原子得失電子形成離子，則為2節課時程。

教學流程與架構如圖4所示，首先為概念引入，包含三個核心元素：引介概念、互動討論與訊息歸納。教師首先回顧原子相關概念，接著師生雙向互動討論，在討論過程中，教師引導學生進行歸納，建立基礎知識架構。情境遷移則著重在：不同原子、互動討論和歸納小節，教師在此階段提供不同的原子結構，讓學生有機會將剛學習的質子數、中子數、電子數、質量數等概念運用在不同的原子結構中，再透過同儕討論和教師引導，學生能夠觀察並歸納出 與原子結構內不同粒子數量的關係。接著進行數位模擬，此階段聚焦於教師引導和學生練習，在這個階段中，教師善用數位工具或模擬軟體，帶領學生進行實際操作與演練。學生藉由親身體驗，不僅能將抽象概念具象化，更能透過反覆練習培養應用能力。概念評量是學生學習的確認，包含概念確認和教師小結。教師運用多元評量方式，確認學生對概念的掌握程度，並給予適時回饋。最後，教師進行整體性的總結，確保學習目標的達成。

圖4 教學流程架構

    首先，學生在學習此單元之前，學生的準備度已經能夠書寫英文的元素符號，並且知悉原子結構，理解電子、質子、中子以及質量數的關係，但尚未學過如何呈現 ，因此，先提供鋰的原子結構(圖5)，詢問學生原子結構不同粒子分別代表意義為何，讓學生說出鋰原子的質子、中子、電子數量與質量數為多少，並由教師帶入原子序的意義。學生完成圖6的粒子數量表格後，思考哪些數值是相同的與鋰的原子結構中的粒子數量關係，並且討論科學家亦習慣在元素符號左上角、左下角增加一些說明，讓學生思考這些說明與鋰原子結構中的數量關係為何(圖7)。

圖5 鋰原子結構示意圖                                               圖6 鋰原子不同粒子數量

圖7 鋰原子結構內粒子的不同表徵方式

    接著，舉不同原子的原子結構，讓學生填寫質子數、中子數、電子數、質量數、與原子序的表格，完成之後請學生再次思考原子結構內粒子數量與擴增元素符號之間的關係(圖8)。藉此，讓學生自行歸納出 代表的意義，認知到元素符號左上角為質量數，左下角為原子序、質子數、電子數，以總結擴增訊息的元素符號表示法。

                 圖8 氫同位素原子結構內粒子數量的不同表徵方式

    再來，藉由數位模擬強化學生對原子結構內粒子數量的不同表徵方式。學生在教師的引導之下，自行操作PhET模擬軟體(建立一個原子)，逐一在原子結構中放入不同數量的質子、中子、電子，並觀察擴增元素符號呈現的情形，適當練習之後，讓學生完成原子結構與 表示法的練習(圖9)。藉由模擬的操作互動學習能夠加深學生對原子結構的理解，使抽象概念更加具體。

課堂評量主要提供各種元素的原子結構訊息，要求學生完成相關數據，以確認學生是否能在教學之後，能夠確實建構原子結構與擴增訊息的元素符號表示法(圖10)。最後，由教師回顧課堂，並小節原子結構內不同粒子數量與擴增訊息的元素符號( )之間的關聯(圖11)。

圖9 學生按照指示操作PhET完成表格內容                           圖10 課堂小節評量試題

圖10 原子結構內不同粒子數量與擴增訊息的元素符號( )之間的關聯

    考量原子得失電子會形成陽離子或陰離子，再次讓學生從原子結構的粒子數量，寫出原子與離子的粒子數量。如圖11所示，先讓學生判別氟原子與氟離子的差異，接著依照表格複習寫出氟原子的粒子數量，接著讓學生自行完成氟離子的粒子數量，並由教師引導在具有電荷情況下如何書寫擴增元素符號的表示法。

圖11 氟原子與氟離子的原子結構與粒子數量關係 (原子結構修改自PhET)

 接著，再次讓學生進行PhET模擬。學生從教師提供的不同粒子數目，推算出質子數、中子數與得失電子情形，獲得特定元素的原子結構，並能完成帶電荷的擴增元素符號。例如：學生從提供的表格質子數量為3，質量數為7，電子數量為2，推算出中子數量為4，透過模擬操作獲得鋰離子的原子結構，以及擴增訊息的元素符號(圖12)。

圖12 PhET模擬操作(引自‪Build An Atom_建立一個原子)

當電中性的原子結構與離子形式介紹完畢後，教師可以利用PhET的遊戲選項作為形成性評量，此遊戲中有從原子結構判別特定元素、不同粒子數量形成的電荷數、擴增元素符號的呈現訊息、綜合評量等四部分，每個部份皆有5星，2次答題機會，一次即對獲得1顆星，先答錯而後答對增加半顆星，若2次皆答錯，則增加0顆星。此時教師可以藉由差異化評量要求不同學習成就學生的答對率，例如：高成就者需要完成20顆星，中成就者需要完成19顆星，而低成就者按照指示能夠完成18顆星(圖13)。藉由差異化評量達到不同學習成就學生的概念完整度要求。

圖13 學生實際操作PhET情形

• 結語

一、從會考試題開發探究教學活動是可行的方向

本文以會考試題為基礎開發探究教學活動，不僅期望能夠幫助學生掌握考試重點，更重要的是培養學生的科學探究能力。藉由分析近年會考試題發現，試題結構已從傳統的知識概念理解轉向更重視科學探究能力的評量，包括科學資料的閱讀理解、問題解決的推論應用，以及規劃執行與資料分析等能力。這種趨勢與108課綱強調培養學生科學素養的目標高度一致。本文以擴增訊息的元素符號為例，設計出讓學生從原子結構連結到元素符號標示的探究活動，藉由概念引入、情境遷移、數位模擬到概念評量等步驟，引導學生主動建構科學概念模型。期望能夠協助教師在備課時更有方向性，同時達到提升學生應考能力與科學素養的雙重目標。

二、於探究教學中可多強調多元表徵模型轉換的重要性

在科學學習中，學生常需面對不同形式的表徵模型，因此如何協助學生在不同表徵模型之間建立連結是教學的重要課題。本文以元素符號的標示教學為例，展示如何藉由探究活動幫助學生理解並轉換不同形式的表徵。教學設計從具體的原子結構圖像出發，透過引導學生觀察與討論，逐步建立起原子內部粒子數量與元素符號擴增訊息之間的關聯。特別是運用PhET模擬軟體，讓學生能動態操作不同粒子以形成特定的原子結構，得以即時觀察不同表徵模型之間的對應關係。藉由熟悉不同表徵模型的意義，協助學生理解擴增訊息元素符號的意涵。同時，藉由差異化的形成性評量設計，讓不同程度的學生都能獲得適當的學習挑戰與成就感。著重表徵模型轉換的探究教學策略，不僅適用於原子概念的學習，也可應用在其他抽象的化學概念教學(Johnstone, 1991)，幫助學生建立更完整的科學認知結構。

• 參考文獻

國中教育會考(無日期)。考試內容-自然科。https://cap.rcpet.edu.tw/test4-6.html

國家教育研究院(2018)。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域。新北市：國家教育研究院。https://reurl.cc/LlLWla

臺師大心測中心(2022)。111年國中教育會考試題說明。https://cap.rcpet.edu.tw/exam/111/111P_Description.pdf

臺師大心測中心(2023)。112 年國中教育會考試題說明。https://cap.rcpet.edu.tw/exam/112/112P_Description.pdf

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探究與實作課程之外—師生的教學相長

劉獻文

國立臺南第一高級中學

Email: [email protected]

    新課綱上路，探究與實作課程已逐漸成為培養學生批判性思維與解決問題能力的重要途徑。對於學生與教師而言，如何通過後續活動加深和擴展學習，成為教育中的一項課題。謹以敝校為例，分享學生在探究實作課程之外，如何透過微課程、撰寫小論文等開放式探究歷程，持續深化學習。同時教師在教授學科課程時，也可根據探究與實作中的探究學習內容，設計結構或引導式的探究課程模組，以促進學生的探究能力。

• 開設微課程

在探究與實作課程中，學生透過各個探究主題，學習如何通過「發現問題」、「規劃研究」、「論證建模」、「表達分享」來系統化他們的探究成果。

探究實作課實施一段時間後，部分學生對於探究主題有強烈興趣，而敝校週三第5、6節為彈性學習時間、第7節為社團活動，有足夠的額外時間加深、擴展學習。於是筆者與自然科好夥伴們討論後，分別於高一、高二彈性學習時間開設微課程，其中高一微課程讓學生針對校內的探究主題繼續優化探究成果。若學生因此啟發對專題研究的熱情，高二微課程便以專題為目標，結合學術性社團活動，於週三5至7節進行加深、加廣的專題探究。

舉例來說，敝校學生在探究「泡泡」主題時，對於二氧化碳泡膜縮小的現象很有興趣，他們利用微課程時段，改良實驗裝置並成功量化此縮小現象，例如：將二氧化碳泡泡打入雙邊皆開通的量筒，以此將泡泡的形狀固定為圓柱狀，藉由量筒的刻度，計算泡泡隨時間經過的體積變化。此裝置較流量計簡單，可直接定量二氧化碳泡膜的縮小速率。接著改變不同操作變因，如泡泡體積、截面積、濃度差、外加電場、清潔劑種類等，討論泡膜的縮小受何因素影響，裝置圖如圖1所示。另一組學生則是改變不同氣體種類，進一步對泡膜縮小之過程做出模型論述（學生作品請見附錄1）。

圖1：學生以塑膠針筒將氣體打入兩端皆開通的量筒

    而在「鑑識科學」主題中，學生以寧海德林顯現指紋，發現蘿蔓紫的顯色隨時間變深，此意味著網路查詢到的製程，有反應尚未完全、藥品浪費等問題。於是學生在以濾紙、微量滴管等器材改良指紋的顯色步驟，利用手機錄影並紀錄羅蔓紫顏色的RGB （Red, Green, Blue）值，換算成灰度值後，成功量化寧海德林顯現指紋的顏色深淺。接著呼應綠色化學原則，提出製程的修改建議，成功達成藥品減量、節約能源、催化反應等目標（學生作品請見附錄2）。

• 撰寫小論文

通過撰寫小論文，學生可以在一定的格式規範下，學會撰寫動機、引用資料、設計實驗流程，有系統地呈現實驗結果、表達自己的觀點等。而筆者將小論文網站提供之範本加以修改，以空白模組的格式（保留標題並對其加註寫作說明），引導學生在數週內逐步完成小論文。小論文作品不僅系統性整理學生的探究歷程與成果，亦可做為學生精彩的學習歷程檔案。

• 探究式教學

新課綱將原子模型的教材內容，分別列入物理科「自然界的尺度與單位」、「量子現象」、化學科「物質組成與元素的週期性」、「科學發展的歷史」等單元（教育部，2018），筆者參考洪振方教授提出探究類型的三個向度（洪振方，2003），設計以下結構式、半封閉式的探究式教學，將原子模型的教材跨科整合，並搭配探究學習內容中「發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享」，設計以下教學活動：

(1)先將學生以3~4人分組，由教師引言回顧組成原子的粒子，接著請小組閱讀課本內容，如下圖2，請各組找出課文中有關質子、中子、電子的各項描述，將其分類為定性/定量、靜態/動態描述，整理學生發表內容如圖3。此活動可呼應探究學習內容中的表達與溝通、發現問題等。

圖2：請學生分類課文中有關質子、中子、電子的各項描述

（圖文引用自南一書局化學課本#1-4 原子的結構）

圖3：整理課文描述原子的定性/定量資料（筆者自製簡報）

(2)根據上述定性/定量資料與靜態/動態描述，以6W分析（who、when、what、where、why、how）產出相關問題，請小組討論可能原因、判斷哪些是科學可驗證的問題，如圖4。此活動可呼應探究學習內容中的訂定問題、表達與溝通。

圖4：根據各種描述，以6W分析法產出相關問題（筆者自製簡報）

(3)以圖4中how為例，引導學生討論問題：「如何證明電子是物質組成粒子？電子電量、質量如何測得？」接著讓學生閱讀物理課本中，有關湯姆森陰極射線實驗、密立坎油滴實驗相關教材（原子的尺度與結構），讓各組判斷各實驗驗證的科學問題為何？例如陰極射線實驗可驗證電子的受力情形、油滴實驗可驗證帶電油滴的飄浮情形。接著針對問題：「電子的電量、質量如何測得？」讓學生討論陰極射線實驗的研究計畫，例如：控制、操作、應變變因為何？實驗結果如何測量？實驗裝置、流程為何？如圖5所示。此活動可呼應探究學習內容中的訂定問題、擬定研究計畫等。

圖5：整理陰極射線實驗的研究計畫，如目的、變因、實驗方法等

（筆者自製簡報、其中實驗示意圖引用自南一書局物理課本第二章-原子的尺度與結構）

(4)針對陰極射線的實驗結果，讓學生依CER論證模型，從各項實驗證據中作出主張，並完善其中的推理過程。例如，射線經過障礙物後形成陰影、射線使小輪軸轉動、射線使螢光物質發光…屬於證據，而射線直線前進、具有粒子特性、帶負電是推理得出，接著結合「在不同金屬中獲得相同實驗結果」等證據，作出主張：「陰極射線是由一束具有質量、且帶負電荷的粒子所組成，為原子的基本組成粒子之一」。另外「電子的電量、質量如何測得？」此問題，可引導學生討論出：單由陰極射線實驗僅能獲得電子的荷質比，無法單獨測得電子的帶電量或質量。如圖6所示。

圖6：以陰極射線實驗結果整理出CER論證模型（筆者自製簡報）

湯姆森根據陰極射線實驗提出原子模型：原子是一個帶正電的球體，其中有帶負電的電子均勻分布於其中，就像葡萄乾灑在布丁上面一樣。針對此模型進一步提出新問題，讓小組討論、察覺模型的侷限處，最後引導學生了解原子模型的修正與發展（西瓜模型à核原子模型à氫原子模型à軌域…）。如圖7所示。此活動可呼應探究學習內容中的論證建模。

其他的課程單元例如共價鍵理論的發展、氣體性質的實驗設計、理想與非理想溶液比較等，實施探究教學的效果亦佳，老師們可鼓勵學生事先閱讀文本、踴躍發表(避免教師直接教授)。透過小組的探索、解釋、交流、評價，除了活化教學氛圍、複習探究實作學習內容外，更能刺激學生將課本知識重新梳理，使之更具邏輯、程序性，進而不斷練習、培養帶的走的探究能力。

圖7：提出新問題，引導學生了解原子模型的修正與發展（筆者自製簡報）

• 結語

探究與實作課程為學生與教師提供了一個持續成長的機會。對於學生而言，微課程與小論文的撰寫使其在開放式探究中得到進一步的深化與擴展。對於教師而言，根據探究與實作的教學經驗，開發相呼應的探究教學，不僅提升了教學的靈活性，也為教育創新提供了契機。

• 致謝

本文感謝敝校自然科探究團隊，透過多次共備提供6W分析、CER論證…等教學模組，並感謝南一書局同意筆者引用部分課本圖文以便說明。

• 參考文獻

王名儒（主編）（2023）。自然科學領域物理課本（第三版）。南一書局。

洪振方（2003）。探究式教學的歷史回顧與創造性探究模式之初探。高雄師大學報，15，641-662。

教育部（2018）。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域。臺北市：教育部。

葉名倉（主編）（2023）。自然科學領域化學課本（第三版）。南一書局。

• 附錄

附錄1：「逸」猶未盡―量化探討不同氣體穿透泡膜速率不同之因素

作品介紹影片https://www.youtube.com/watch?v=l8C4aCp88N4

附錄2：指紋鑑識長見識

作品介紹影片https://www.youtube.com/watch?v=05O2X8pcHto