臺灣化學教育

高中自然科學探究與實作：從why 到what-探究問題的層次在教學與學習的意義

洪逸文*、王靖華

國立臺灣師大附中
[email protected]*

n  前言

探究與實作課程將為傳統科學教學與學習模式帶來改變的契機，在透過教師引導學生經歷了發現問題、規劃研究、論證建模及表達分享等步驟，來體驗科學探究活動的進行方式。然而，如何在課程中引導學生產生可以被探究的問題就是首要之務，因為，學生若能產生可探究的問題，並藉此聚焦、指引其解決問題的方向，他們就有機會進行主動、獨立的學習活動。

n  從 Ｗhy 到 Ｗhat – 探究問題的層次在教學與學習的意義

一、探究與實作課程的意涵

科學探究是一種不斷經歷發現問題與解決問題的過程，更進一步說，在探究過程中，還需對探究問題如何形成、實驗如何規劃與實驗結果是否正確等問題，提出與他人討論，藉由相互的溝通與批判，產生最能有效解決問題的論點（李明昆、洪振方，2011）。若以此觀點來進行探究與實作課程的教學與學習，就會與傳統的「實驗」課程有明顯的區隔。因為傳統的實驗課程從問題的發現到問題的解決都是被設定好的，學生只要依循相關實驗手冊、實驗記錄簿的步驟進行，就會得到「標準」、「正確」的答案。學生學習到的大都是「如何操作」的知識，而不是日後可以「探究」新議題的概念與能力。

除了傳統實驗課程之外，教學現場對於探究與實作課程還有另一種誤解，老師們常覺得這門課就等同於「專題研究」。這個說法對的部分，在於探究與實作課程的內涵就是「初階的研究法」（陳竹亭，2020）。也就是說，這門課程的宗旨是要讓學生體會科學研究是如何進行的，藉由某些跨學科知識概念為背景所設計出來的課程主題，進而學習到科學研究的相關程序性知識與過程技能。然而，有別於「專題研究」課程，探究與實作課程是一門「部定必修」課程，意即每次上課要面對都是一整個班級的學生，而不是人數有限的專題選修學生；其次，在課程主題方面，因探究與實作課程需同時面向「自然組」及「社會組」取向的學生，課程主題先要能引發這兩種學生的學習興趣與探索意願，然後才有深入探究的可能。所以教師要如何挑選課程主題就會有多面向的考量與限制，這跟專題研究主題的自由選擇發揮性產生了很大差異。

總之，比起過去的食譜式的實驗課程，探究與實作課程在探究內涵上，賦予學生更多主動、彈性的學習面向。在教學實務上，若以專題研究課程的教學負荷來看，探究與實作課程更需要有效的教材設計與教學引導，特別是在課程主題的選擇，如此才能協助課程內容的聚焦與順利進行。

二、課程主題的取材與框架

從檢視各校所填報課程計畫書的課程主題中可以發現，有些探究與實作的課程主題是來自過去已經發展成熟的科學遊戲或活動。這些活動、遊戲都可以充分地吸引學生的注意，也能提供學生動手做的機會，然而，我們要如何在遊戲中讓學生從hand-on到 mind-on呢？首要的關鍵就在於如何引導他們「發現問題」？這裡所發現的問題不是指在完成實作作品過程中所遭遇操作的困難，也不是指概念的澄清，更不是背後科學原理的解釋，而是幫助學生能夠產生（genesis）「具有探究性」的科學問題。換言之，教師在思考如何設計自身教學與佈置學習環境，從而引領學生進行探究活動時，第一個挑戰就是如何激發學生在設定的「問題情境」(problem situation)中，尋找進而形成可探究的問題（陳柏霖，2016）。

教師要如何設定問題情境呢？底下將就三種引發不同回應的問題情境進行討論，分別是：潛在的（potential）、隱含的（implicit）與明顯的（evident）問題情境。在潛在的問題情境中，所呈現的事件、物品本身並不存在著問題，個體必須從中去創造、設立目標，然後建構出（construct）問題，如同藝術創作者所為；在隱含式問題情境中，問題就隱藏於所呈現的素材中，個體必須去察覺出 （sensing）、揭示出（uncovered）、構想出（formulated）初步問題，後續還可能會引發去搜尋（search）更多相關訊息，以確認及形成探究問題；最後在明顯的問題情境中，個體可以察覺明顯的問題事件（event），但還要進行對事件的再辨識（recognize）以產出（produce）問題（邵惠靖，2002；Dillon,
1982）。

因爲探究始於問題的形成，意即在形成一個可被探究的問題之後，就會決定隨後所採用的問題解決方式。依照上述討論，教師若能在探究與實作課程設計使用隱含的問題情境，也就是藉由若隱若現的（emergent）的問題，讓學生去探測（probing）所呈現的相關資料，辨識問題事件，找出問題元素，進而完成「問題發現」的活動，就可以有效引導學生進行後續的問題解決。

三、「問題發現」的教學思考

不論是PISA國際評比或國內的調查研究成果都顯示，我國學生在辨識問題形成科學議題之能力是不足的（李明昆、洪振方，2011）。這個現象一部分源自於課堂教學模式中，大多是單向知識的傳遞，即使課堂中師生提問的性質也多偏向「事實的陳述」與「觀念的澄清」，而非應用、分析、綜合與評價等較高層次的問題思考。另一部分的原因在於學生缺乏充分機會去思考問題本質與問題周遭之關聯（連啟瑞、盧玉玲，2005），換言之，在探究與實作課程中的問題本質，即是提問者對於科學問題定義的認知情形。簡單來說，就是學生根本不知道且沒被教導什麼是可被探究的問題。

若是以問題發現的認知建構歷程而言，學生會從問題情境所顯現的事件來啟動認知結構的選擇與注意，並嘗試建立事件線索與既有認知訊息間的關聯，此時就是一個幫助學生建立「什麼是可被探究的問題」的教學階段，而不是讓學生問題停留在探索源由（why）類型的階段。雖然一般課堂教學問答經常會出現為什麼，但「為什麼類型的問題」往往很難運用來設計探究。因為這類型的問題常常僅是在找尋對事件、現象的解釋或解答，很少涉及到造成事件、現象可能變因的討論，還有探索變因彼此之間的變動關係（Settlage ＆ Southerland, 2007）。換言之，為什麼類型的問題就是缺乏了未來研究可以進行的面向，所以不適合成為探究與實作課程教學或學習的導引問題。

就探究與實作教學實務而言，受限於課堂人數與課程聚焦，課程的主題通常已經被設定，而教師要就此一主題提供什麼樣的問題事件，讓學生能有限的課程主題邊界內找到探索的可能，關鍵就在於變因的確認。

四、探究與實作的U框架

雖然現今教學現場常見使用6W與焦點討論法（ORID）等方式來導引學生發現問題，但這兩個方法都有其侷限，舉例來說：6W（who、when、what、where、why、how）中應以which來取代who，才符合探究中變因的概念；焦點討論法目的是在引導參與者分享對事實、感受、想法與行動的看法，常被使用於團體討論的引導，若是要應用到科學研究，其對應如圖1所示。然而，這兩種方法仍然缺乏對於發現問題的具體教學導引，也就是如何幫助學生從常見的為什麼類型問題換成為可被探究的問題。

圖1：ORID與科學探究過程的對應。

要如何導引學生脫離常見的為什麼類型問題呢？我們可以先從豐富問題事件的線索著手，再設計相關的提問，想辦法幫助學生建立跟既有知識間的關聯，進而引導他們建立「什麼是可被探究的問題」。以傳聲筒的科學遊戲而言，當教師提供兩組不同的傳聲筒，一組是中間有線串接的兩個紙杯，另一組則是沒有線連結的兩個獨立紙杯，讓學生觀察兩組的傳聲現象有何差異？學生觀察後，常提出的問題是：「為什麽傳聲筒能傳遞聲音？」。雖然教學者熟知其科學原理為：聲音是一種能量，可透過空氣振動產生波動來傳播，在被耳朵接收後產生聲音。但教學者應該引導學生思考傳聲筒在聲音傳遞中的角色，也就是教學者必須將why類型的問題降階，不是直接說出答案，而是要導引學生朝著how形式問題的方向進行思考。

當提出這個以How形式出發的問題：「傳聲筒如何影響聲音的傳遞？」，就能幫助學生較快連結到「傳聲筒是作為一種聲音傳播的介質」的概念。他們因此可以推論得出：改變這作為傳播介質的傳聲筒時，可能會帶來聲音傳播的改變。到此，教學者就可以協助導引出What形式的問題：「不同的傳聲筒如何影響聲音的傳遞？」。等到這個形式的問題被提出時，問題中的操縱變因與應變變因都已具備，且可被觀測與量化，這已經形成一個可被探究的問題。

簡而言之，教學者的教學策略是要對問題層次進行降階，意即從Why、How到What，問題的形式會是從「為什麼會這樣？」，轉變成「如何變成這樣的？」或「變化情形是如何？」，到最後可以被探究的問題：「什麼因素讓它變成這樣？」。然而，這只是探究與實作U框架（圖二）左側的教學過程，然而，U框架右側的學習過程又代表著什麼意義呢？

圖2：探究與實作的U框架。

當學生利用探究問題進行實驗規劃時，並可透過不同變因的操作去探索各種聲音傳遞的可能影響因素，也就是U框架右側的what階段到how階段時，他們的學習就不再受限於教科書或參考書中所傳遞的「理想化」知識概念，而是一種透過實作活動體驗為知識學習的基礎。此時傳聲筒也不再是一個科學遊戲的玩具，而成為從事科學研究的一個工具。到了最後，學生在過去的學習中，雖已得知「聲音的傳遞需要有介質」這個概念，但重新藉由傳聲筒的探究過程，他們對於聲音傳遞與介質這些概念，不再只是被動地記憶了這些知識，而有了更深刻的體驗與理解，還能從中學會了探究的過程技能。因此，在探究與實作的教學與學習過程中，U框架的落實不僅能確保課程實施的成效，更讓學生具備日後主動進行學習的能力。

n  結語

對於教育現場而言，探究與實作課程對學校所帶來的衝擊與挑戰，雖遠超過本文所討論的內容。然而，單純就教學面向而言，如何引導學生進行「發現問題」，常是老師們感覺最困難的地方。希望教師能透過探究與實作U框架的概念，引導幫助學生認識與建立「什麼是可被探究的問題」，也就是從現象出發去辨識問題，進而形成科學議題、培養問題解決的能力。

n  參考資料

1.        李明昆、洪振方（2010）。國三學生對探究性科學問題提問之研究。臺北市立教育大學學報，41(2)，111-148。

2.        邵惠靖 ( 2002 )。擴散性思考、數學問題發現與學業成就的關係（未出版之碩士論文）。國立政治大學，臺北。

3.       連啟瑞、盧玉玲（2005）。創造思考的基礎訓練–探究性問題的形成。臺北師範學院學報，18(1)，29-58。

4.       陳竹亭（2020年，10月）。探究與實作: Why, What, & How。簡報發表於國教署探究與實作北區推動中心辦理之「探究與實作的想像與實踐」論壇。

5.       陳柏霖（2016）。科學問題發現概念、發展及其與教學實務之關係。國立臺中教育大學學報：數理科技類，30（2），1-19。

6.       Dillon, J.T. (1982). Problem finding and solving. Journal of Creative Behavior, 16,97-111.

7.       Settlage,J. & Southerland, S. A. (2007). Teaching science to every child. New York:Routledge.

高中自然科學探究與實作：咖啡牛奶的探究與實作課程

鐘建坪¹、鍾曉蘭^*2、謝東霖³、許舜婷²

¹新北市立錦和高中國中部理化科教師

²新北市立新北高中化學科教師

³台北市立陽明高中化學科教師

* [email protected]

    日前公告的108課程總綱強調自然科學的學習能夠進行跨科統整的探究與實作，／除了著重學生動手操作之外，亦希望協助學生進行有系統地探究相關主題（教育部，2013）。自然科學領綱呼應總綱並提供探究與實作的不同階段與施行步驟，包括：發現問題、規劃與研究、論證與建模以及表達與分享（圖1）（教育部，2018）。新北市化學科課程發展中心參考國家教育研究院任宗浩研究員的演講資料之後（任宗浩，2018），著手將影響熱咖啡加牛奶的溫度變化主題與自然領綱探究與實作的步驟整合，設計學習單與教師操作說明，實際進行教學，形成教學上可操作與研習推廣的教材內容。

圖1：自然領綱提供之探究與實作階段與步驟

         目前咖啡飲品在臺灣市場日漸普及，高中學生對於咖啡並非陌生，在其日常生活中常可聽到咖啡搭配牛奶的不同商品，再加上此主題可從化學、物理角度出發探討不同變因的影響，實屬適切可開發的主題，茲將目前操作內容與讀者分享。

n  咖啡牛奶課程

    課程時間的規劃依照探究與實作四階段進行，初步課程規畫表如表1。第一階段著重在發現問題，時間為1周2節課，強調如何導入情境、蒐集相關資訊、形成可驗證的問題；第二階段著重在規劃與研究，時間預設為4節課，強調如何協助學生設計與實際操作實驗；第三階段著重在論證與建模，時間預設為4節課，強調協助學生解釋數據、提出結論、建立模型等；第四階段著重在表達與分享，協助學生製作海報/簡報，對自己與他組的成果進行省思與評價。

表1：  咖啡牛奶的初步課程規劃表

註：本課程模組修改自：任宗浩（2018，6月）。咖啡加牛奶。科學素養導向評量工作坊，臺北市立中山女子高級中學。

n  發現問題

        在此階段希望學生能從生活現象中觀察，進而提出問題與可驗證的觀點。教師一開始詢問學生咖啡飲品的相關問題，並現場演示將熱咖啡加入牛奶，詢問學生加牛奶的時機點是否會影響最後咖啡溶液的溫度（見圖2）。學生觀察教師演示之後，須先猜想在兩杯熱的黑咖啡中加入牛奶的時機點是否會影響最後兩杯咖啡溶液溫度。若是，需再提出何種因素會影響最後溶液的溫度；若不是，亦須說明不影響的原因。接著讓學生查詢具公信力的網路資料（如：科技大觀園、《科學研習》、《科學月刊》、《臺灣化學教育》等），再讓學生說明所挑選的影響因素可能如何影響實驗結果，而常見學生的迷思概念說法如下：「熱的黑咖啡中加入牛奶的時機點不會影響最後兩杯咖啡溫度，因為兩杯溶液皆在相同的環境中，兩杯黑咖啡分別在相同時間下與牛奶達到熱平衡。」

圖2：黑咖啡不同時間點加入牛奶後測量溫度示意圖

n  規劃與研究

    在此階段協助學生將發現階段的問題與探討的因素轉變成可操作的實驗內容。首先讓學生回憶上次提出的研究問題與可檢驗的觀點內容，並思索相關的變因中何者是操作變因、應變變因與控制變因（如表2）。接著讓學生嘗試設計想要收集實驗的資料表格（如表3）、須做幾組實驗、每組實驗的次數規劃幾次與相關的實驗器材與操作注意項目。再讓學生寫下實驗流程，並在實際操作時拍照記錄作為之後表達與分享的內容。最後讓學生實際操作實驗，讓學生實際觀察與紀錄實驗數據，並思索是否可以找到混合牛奶後咖啡牛奶溫度能最高的條件。

表2：  各種實驗的不同類型變因說明

表3：實驗記錄表格示例

n  論證與建模

        分析資料數據以提出科學主張或結論、發現新知或找出解決方案。發展模型以呈現或預測各因素之間的關係。檢核資料數據與其它研究結果的異同，以提高結果的可信度，並察覺探究的限制。分為四大學習內容：分析資料和呈現證據、解釋和推理、提出結論或解決方案及建立模型。

分析資料和呈現證據需引導學生思考如何將數據轉為合適的圖表，包括X軸為操縱變因，Y軸為應變變因；X軸與Y軸要標明單位，若數據過大要使用省略符號。依據要表達的目的，使用合適的圖。解釋和推理需引導學生思考：如何由資料數據的變化趨勢，看出其蘊含的意義；描述測量所觀察的現象，如當咖啡溫度與室溫相差越多時，每秒溫度的下降率越多、前五分鐘時溫度下降率為x℃/min等（示例見圖3）。由資料數據顯示的相關性，推測其背後可能的（因果）關係，發現實驗結果的異同處，可查詢資料，提出產生異同的可能原因，如牛頓冷卻定律、比熱、蒸散作用等。建立模型則需嘗試由探究結果建立合理模型以描述所觀察的現象：以結構或系統的經驗將數據、資料或概念以圖像呈現，以建立質性或量化的模型；察覺模型的侷限性:分析小組所建立模型適用的條件與限制，如確認所建立的模型在初溫（溫差）何種範圍內才適用。

n  表達與分享

       運用適當的溝通工具呈現重要發現，與他人分享科學新知與想法，推廣個人或團隊的研究成果。分為三大學習內容：表達與溝通、合作與討論及評價與省思。

表達與溝通是請各組整理前幾週的資料，完成一份探究與實作的海報/簡報，並準備8分鐘為限的口頭發表；一般完整的報告，須包含研究動機、研究目的、研究問題、研究假設、實驗設計、實驗流程、實驗數據與分析、實驗結果與討論、結論、心得與反思等部分。合作與討論可引導學生思考幾個層面，例如：變因的設定上是否符合假設？實驗流程是否符合變因？數據和圖表的關係是否有矛盾？討論和結論的邏輯性是否合理？結論是否有符合他們的假設？整個實驗的限制性是否明確？評價與省思則是聽完各組提供的回饋之後，回頭去修正自己的各階段內容，並針對各組的回饋與問題進行回覆；可引導學生思考幾個層面：哪些問題是你們可以回答的？哪些問題是你們歷程中疏忽要修改的地方？哪些問題是需要近一步設計實驗的？課後心得與反思則可引導學生思考探究過程所遭遇的問題或困難、如何解決及待解決的問題，亦可重新設計新的思考實驗。

n  課程修正與反思

咖啡牛奶模組經過在新北高中試行一學期後，教師們在教學歷程中發現學生剛開始對於形成與訂定問題、提出可驗證的觀點及提出實驗假說方面表現不佳，因學生過去缺乏相關的學習經驗，導致此部分表現不佳需再加強，而教師也需要提供更多的學習鷹架，經由教師與小組之間不斷進行對話，以釐清學生的錯誤想法或做法。此課程的共備社群教師在多次討論後，預計將目前規劃的6週課程，延伸成9週課程，延長發現問題主題之課程時間，並將論證與建模分成初步與進階兩階段（參見附錄一），在課程規畫表中加入更多的教師指導語作為教學時輔助學生的學習鷹架（參見紅字部分），並在規畫與研究中引入初步的CER論證模式（C是主張、E是證據、R是推論），以期培養學生論證的能力。

n  結語

 目前學校已進行一學期以上的自然科學探究與實作的課程，但仍有許多教學現場的問題待釐清與改進，例如：如何進行不同學科之間的協同教學、如何促進自然領域的教學共備、課堂中如何進行課程觀察與多元評量、如何依據學生的能力修改教學規畫表與課程內容、如何設計探究與實作的紙筆測驗試題、課程的實驗器材的採購、存放與經費來源等，以上都是很多現場教師亟待解決的問題，教師可以積極參加相關研習與閱讀文章，以找出解決問題的方法。本文提供生活現象的探究與實作模組，從一開始設計的6週課程，經過實施後協同教師的共備與反思，後續將修正為9週的課程規劃表，並提供教師指導語，便於教師進行教學的鷹架，期望提供教學設計的示例，以供現場教師規劃課程時參考。

n  參考文獻

任宗浩（2018，6月）。咖啡加牛奶。科學素養導向評量工作坊，臺北市立中山女子高級中學。

教育部（2013）。十二年國民基本教育總綱綱要。臺北：教育部國家教育研究院。

教育部（2018）。十二年國民基本教育自然領域課程綱要。臺北：教育部國家教育研究院。

n  附錄一

 附表：咖啡牛奶的課程規畫表修正版本（9週課程）

高中自然科學探究與實作：武陵高中自然科學探究與實作實施經驗分享

張明娟¹、吳德鵬²

桃園市立武陵高級中學

¹[email protected]、²[email protected]

n  緣起

    本校103學年度為期三年的高瞻計畫，以綠能為主題與中央大學合作開發課程，課程包含太陽能、風水力、地熱能、海洋能、生質能、燃料電池、碳封存等七大主題，計畫結束後適逢新課綱的發佈，各校須準備自然科探究與實作新型態的課程規劃，時任設備組長的物理科萬昌鑫老師號召當時參與高瞻計畫的老師繼續研發新課程，基於自然跨科合作經驗，且延續綠能想法，便以「全球氣候變遷」為主題（圖1），從氣候變遷的現象開始，探討氣候量測的數據分析，氣候變遷的成因，可能造成的影響，以及人類如何因應等作為課程設計的主架構，開啟每月定期共備研發課程，並在106至07學年度開設2學分多元選修試行，108學年度再讓未參與開發課程的教師於選修課試行，目前於109學年度由自然科教師在高二所有班級跨科協同授課。

圖1 武陵高中自然科探究與實作以全球氣候變遷為議題，四科教師共備後再由參與共備的各科教師，負責各模組教案的編寫

n  共備及試跑經驗

   共備研發課程的初期，時間都是利用週四下午自然科共同時間（圖2），設計理念為全球氣候變遷為主題，為不偏重某一科的專業知識，特別於設計學習單時，各科老師讀到不甚了解的一些專業名詞或概念，就會運用素養導向的學習單題目作為鷹架，先引導學生成為背景知識，自然科各科教師初期也藉由此方式，了解不同科別的不同特性讓彼此增能，也因為如此，藉由此跨科的對話發現各科間的異同，開啟了更多教學的模式（圖3）。

    課程的實施需要經過試行才能進行滾動式修正，也才能察覺課程實施的關鍵所在，所以研發初期在高一開設一個班2學分的多元選修課程試行，也請教學組將研發課程的7位自然科教師在該時段不排課，試跑過程是由一位老師主要負責開發課程模組的教學，其餘6位老師在教室後方觀課，課程結束後藉由午餐會議立即議課檢討（圖4），針對課堂中產生的問題及時修正，同時學生課後的問卷反饋也都成為修正課程的依據（圖5）。

n    圖2一位老師負責一項課程模組編寫      圖3召開共備會議協調修正課程內容

圖4課程結束後午餐會議議課檢討   圖5學生課後的問卷反饋，並藉以修正教案

■實施現況

 課前每學年須協調一位同仁擔任協助行政（減授一節）負責協調跨科協同教學人員（物理、化學、生物、地科各依比例協調出7、7、3、1位老師來實施課程）、制定教學行事曆來安排各班課程（如圖6）、與設備組協調實施場所，以及準備教學器材。

 本校先預訂分組教室及實驗室等各兩間作為課程教學場所，實驗器材由各課程研發教師幫忙整理所需器材及藥品，整理成實驗箱以方便後續取用。藉由國教署經費挹注與優質化計畫逐步完成30台筆電購買及頻寬1G的無線網路建置，再藉由召開共備會議（1~2次/月），來協調修正課程內容。課程研發教師也藉由社群網路分享各種教學資料，並交流課程實施經驗，來達到自發、互動、及共好的目標。

圖6 教學行事曆安排各班課程、本校安排2間分組教室或實驗室，每週五天固定時間，扣除學校活動後排定實施進度課程。

    至於學期評分的部分，每學期由各課程選出6份學習單，交由6位老師來各批改其中1份全部課程實施的班級，再加上其他的分組報告、實驗成果及表達與分享的同儕評分單，共佔70%。學期末再由未批改共同學習單的教師，各出1題關於課程的素養試題題組(示例見附錄1)，交由協行教師完成1份期末考題，佔學期成績30%。

■教學模組

    一般的綠色能源，如太陽能、風能、核能、生質能、地熱能、海洋能等，以及節約油電、增加效率為目前解決全球暖化的方法，「二氧化碳捕獲與封存（Carbon Capture and Storage,
CCS）」，是將原本排放到大氣的二氧化碳攔截下來（碳捕獲），再運用科學方法將二氧化碳與大氣隔絕（碳封存），如此便能有效減緩大氣中二氧化碳濃度持續升高，達成減碳目標，是全世界科學家公認有效的減碳技術。世界能源總署認為未來全球二氧化碳減量的關鍵技術之一就是「碳捕獲與碳封存」，預估在2050年該項技術組合對二氧化碳減量的貢獻度為總量的百分之廿（徐恆文、黃欽銘、柳萬霞、陳威丞，2009；林殿順，2010），相關資料亦可查詢相關網址：行政院環保署推動碳捕集及封存技術資訊網 (http://ccs.gov2.tw/)、二氧化碳捕獲與封存技術網 (http://ccs.tw/)。

     本課程的規劃依照探究與實作四階段進行，初步課程規畫如表1，學習單引導學生探究實作如附錄。第一階段著重在發現問題，時間為第1節課前半段，強調導入任務、蒐集相關資訊與方法、形成可驗證的問題；第二階段著重在規劃與研究，時間設為第1節課後半段，強調如何協助學生設計與實際操作實驗；第三階段著重在論證與建模，時間預設為第2節課，強調協助學生實際操作驗證可行性、觀察實驗結果、推論建立模型等；第四階段在表達與分享部分，統計出各組實驗結果後，協助學生，對自己與他組的成果進行省思與評價。詳細的教案實施內容可以參考網站:自然科探究與實作心智圖之課程模組示例–碳捕獲與封存(http://naturalscience.colife.org.tw/mindmap.aspx)。

表1 碳捕獲實作的課程規劃表

■評量方式與工具

    評量方式以多元評量方式，包含：期末紙筆測驗、碳捕獲實驗學習單、化學碳捕獲實驗競賽（闖關評比）、小組報告（學生評比）以及主題學習單（教師評比）進行多面向的評量（因篇幅所限，後兩項請參閱心智圖之課程模組示例–碳捕獲與封存）。

紙筆測驗

紙筆測驗共分七個題組（示例參見附錄1）： 題組一至題組四，均為單選題；題組五為 2 個單選題，1個非選題；題組六為 2 個單選題、1 個非選題；題組七為 2 個單選題、2 個多重選題。 測驗時間：70 分鐘 測驗分數：單選每題4分，答錯不倒扣；多重選題，每題4分，依指考方式計分;非選題共計10分。最高分數為100分。

實驗學習單

含四大問題（內容參見附錄2）：發現問題、規劃與研究、分析數據、論證與建模。

實驗競賽(闖關評比)

化學碳捕獲實驗競賽規則（內容參見附錄3）包含四部分：實驗原理、器材與藥品、比賽方式與評分標準。

■結語

     未來氣候變遷我們有影響嗎? 面對未來環境的變遷，我們沒有人會知道發生什麼事，沒有人是局外人，沒有人可以視而不見。如何永續地與生存環境有著和諧共生的關係，是本課程共同關心的。本課程以全球氣候變遷為主題，統整跨領域概念之學習內容包括：｢自然界的組成與特性 ｣ 、｢自然界的永續發展｣、｢資訊與科技｣，引導學生以小組合作的學習方法去觀察、查找、驗證、整合相關資料，或是實驗設計、架設及後續的數據分析，實際從事一系列的試驗、探索和尋求問題解決的過程；期望提升學生對科學學習興趣與科學探究技能，並培養科學態度與正確價值觀，更進一步整合所學習到的科學概念與資訊技能，規劃出國際與國內對氣候變遷的應對措施。

■參考資料

1.林殿順（2010）。國內 CO₂ 封存的潛能與安全性。2017年10月20日引自    http://www.cier.edu.tw/ct.asp?xItem=13309&ctNode=12&mp=1

2.徐恆文、黃欽銘、柳萬霞、陳威丞（2009）。利用CaO/CaCO₃ 循環製程捕獲CO₂技術。台電工程月刊，第729期。

■附錄1

探究與實作期末紙筆測驗試題示例

題組一 :

    地球的71-72%表面都是海洋，海洋表面積約為3.6×10⁸ km²孕育了無數的生命。然而，溫室氣體的增加為全球氣候變暖的主要原因，而溫度上升導致格陵蘭冰原和南極冰蓋，以及山地冰川和北極海冰的加速融化。據估計，格陵蘭冰原過去十年平均每年融化的冰原約有24300億噸左右，南極冰蓋平均每年融化11700億噸，過去十年全球平均氣溫上升約0.2度，水溫每增加1℃，水層就將會膨脹約5毫米使得全球海平面不斷上升。請回答下列問題：

1.過去十年格陵蘭冰原及南極冰蓋的融冰造成全球海平面每年上升約多少毫米? 

  (A)10   (B)0.1   (C)0.2   (D)1             

2.過去十年氣溫上升使水層膨脹所造成的海平面上升約多少毫米?

  (A)1.5   (B)0.01   (C)0.023   (D)1                

3.過去十年造成全球海平面上升的最主要原因是?  

   (A)氣溫上升使水層膨脹   (B)海冰融化的水使海平面上升   (C)格陵蘭冰原融化

   (D)南極冰蓋融化   (E )海冰融化使反照率下降而導致氣溫上升

■附錄2

碳捕獲實驗學習單

Q1、二氧化碳捕獲的鈣循環技術，實驗中可能發生的相關化學反應方程式如下:

       CaO_(s)+H₂O_(l)Ca(OH)_2(aq)

       Ca(OH)_2(aq)+CO_2(aq)CaCO_3(s)+H₂O_(l)

       CaCO_3(s)+CO_2(aq)+H₂O_(l) Ca(HCO₃)_2(aq)

    將氧化鈣0.2克與20 毫升蒸餾水倒入燒杯並利用玻璃棒充分攪拌，製成的溶液，過濾後平均加入四個錐形瓶，各滴入2滴酚酞指示劑，並吹入不同時間呼吸作用的氣體得到如附圖，左到右的顏色分別:深紅(甲)→紅(乙)→粉紅(丙)→白色粉濁(丁)，試以代號排列出何者碳捕獲的量最多? 原因為何? (發現問題)

Q2、利用氧化鈣0.2克，控制適當的吐氣時間，產生最多的沉澱(碳酸鈣)理論值應為多少? (求得最大的碳捕獲量)。(分析數據)

Q3、本實作需在30分鐘內利用鈣循環的二氧化碳捕獲技術，使用器材與藥品(氧化鈣0.2克)，控制適當的吐氣時間，以產生最大沉澱量來求得最多的碳捕獲。(規劃與研究)

(1) 請問適合的水量大約為多少?

(2) 如何控制適當的吐氣時間?

Q4、觀察實驗的結果，請推論以下(A)(B)兩個反應式，室溫下何者反應較利於向右方進行? 原因為何? (論證與建模)

(A) Ca(OH)_2(aq)+CO_2(aq) CaCO_3(s)+H₂O_(l)

(B) CaCO_3(s)+CO_2(aq)+H₂O_(l)Ca(HCO₃)_2(aq)

■附錄3

化學碳捕獲實驗競賽規則

一、      實驗原理：

請參考以下化學反應的相關方程式，將個人吐出的CO_2(g)，轉變成固體封存，以減少排放至大氣中。

CaCO_3(s)CaO_(s)+CO_2(g)

CaO_(s)+H₂O_(l)Ca(OH)_2(aq)

Ca(OH)_2(aq)+CO_2(aq)CaCO_3(s)+H₂O_(l)

CaCO_3(s)+CO_2(aq)+H₂O_(l)Ca(HCO₃)_2(aq)

Ca(HCO₃)_2(aq)  CaCO_3(s)+CO_2(g)+H₂O_(l)

二、器材與藥品：

   器材:  錐形瓶250mlx4、量筒100mlx1、燒杯150mlx3、漏斗x1、刮勺x1、攪拌棒x1

   藥品:  3M HCl_(aq)、酚酞或廣用指示劑、氧化鈣0.5克

   耗材:  吸管、棉花、濾紙

三、比賽方式：

1. 利用現有器材與藥品，以控制適當的濃度、溫度，及吐氣時間，等條件，以產生最大重量沉澱為主，求得最大量的碳封存。

2. 聽取評審指示開始，操作時間為30分鐘，包括氧化鈣溶解，吐氣，及沉澱過濾操作時間。

3. 每隊可製作一份以上的石灰水，以求在有限時間內，得到最大量的沉澱。

4. 操作結束後，請交出過濾沉澱後的濾紙，並貼上各組別標籤後，由評審統一置入烘箱，乾燥1小時後秤重，評分。

四、評分標準：

1. 乾燥後固體質量達參賽班級隊伍的第一名，得分數100分。

2. 乾燥後固體質量達參賽班級隊伍的第二名，得分數  97分。

3. 乾燥後固體質量達參賽班級隊伍的第三名，得分數  94分。

4. 依此類推。

高中自然科學探究與實作：中山女高自然科探究與實作實施經驗分享

蘇芳儀¹、許哲瑜²、曹雅萍³

臺北市立中山女子高級中學

¹[email protected]、²[email protected]、³[email protected]

• 緣起

     本校於106學年度開始，為因應新課綱的改革趨勢，而於106學年度開始，由生物科與化學科合力，進行為期兩年的課程模組研發，並於高一開設多元選修課試行。歷經兩年蒐集經驗，並彙整相關資料於108學年修正後，109學年度則在高二的探究與實作課程正式實行。

    本課程經生物與化學教師共同討論後，決定以生活息息相關的「食物」為主題，並以此主題共備，釐清各主題的課程大綱與各自課程設計重點。而後再由各科老師分別負責課程模組的教案編寫，底定課程的主要內容。109學年度則由兩位生物老師與兩位化學老師協同授課，並可以各自的上課模式與節奏，在課程主軸與主要內容不變的條件下，進行課程的微調與編排，以下則針對各階段的課程試行與修正經驗進行說明。

• 探究與實作學習重點了解與分析

為因應自然科的探究與實作課程實施，所以在106學年度時以特色課程的方式，自然領域四個科別分別設計課程模組並試行，以了解課程設計與實施時，可能遇到的狀況，與待解決的難題。課程設計之初，安排了增能研習讓所有老師都對探究與實作的學習重點有所了解，而依據課綱自然科學探究與實作的學習重點分為「探究學習內容」和「實作學習內容」兩部分：

「探究學習內容」著重於科學探究歷程，可歸納為四個主要項目：發現問題、規劃與研究、
論證與建模、表達與分享；「實作學習內容」為可實際進行操作的科學活動，例如：觀察、測量、資料蒐集與分析、歸納與解釋、論證與結論等。

而過程中，大家也意識到雖然探究學習內容是一致的，但是實作學習內容卻有許多種變化，故在同樣的探究主軸下，應該可使用不同的實作學習內容，避免所需培養的學習表現與技能，不斷重複的問題(共備情形見圖1)。以下則為討論並分析後，不同主題下的學習內容重點主要差異(參見表1)：
表1  不同主題下的學習內容重點主要差異比較

圖1：社群增能研習與共備

• 特色課程實施與修正

    當對學習重點有了認識後，即開始討論並確認課程主題。經協調後決定生物與化學科合科教學，且討論過程希望能以兩科可共同涵蓋的部分為主題；且此科目為不分文理組學生皆需修習的科目，故亦希望主題並非太過艱深的科學概念，且可引發學生學習興趣。故經討論後決定以「料理科學」為主題，生物科和化學科分別以「愛玉」和「海藻酸鈉晶球」做為探究對象。

    而為了讓學生可以循序漸進的培養探究實作的能力，故此次的課程模組設計先以結構式探究和引導式探究為主，各四週的課程規劃如下(參見表2)：

表2  四週的課程規劃表

經過一學期的課程試行後，發現幾個需要調整的部分，在生物科的課程部分發現，受限於學生經驗，若要定量的測量愛玉的硬度，需要更多的時間思考設計，而以目前的課程時間無法讓學生收集到具有足夠可信度的定量數據。而在化學科部分，則是因為學生有發現問題出發，所以課程時間不足，學生也無法足夠時間修正實驗。故針對以上的不足，再次進行課程修正，並擴大加入以學生為主體的開放式探究課程。

• 修正後多元選修模組設計
  

107學年度擴增為18週課程再度試行課程，此次課程針對上階段試行時的問題，主要進行以下兩點修正：

1.   生物科為了解決難以蒐集量化數據的問題，所以將主題改成「醃漬－滲透壓」，學生較容易發揮創意，以質量、體積等定量滲透壓的變化。

2.      而為了讓學生可以循序漸進的培養探究實作的能力，並可將此能力真正應用於真正的科學任務上，故將課程依不同探究類型循序漸進，由基本能力養成，再進階到結構式探究與引導式探究，最後階段則是學生自行主導的開放式探究。以下則依時間安排分為四個階段，課程內容大綱說明如下表3：：
第一階段：基本探究能力養成(3週)
第二階段：探究食品中的物質變化–晶球(5週)
第三階段：探究食品中的生物學–滲透(4週)
第四階段：課程統整與應用(3週)

表3  十五週課程內容大綱說明

有別於一般的化學和生物課，學生雖然很忙、很累，但因為自己是學習的主角，所以都全神貫注樂在其中，不會出現發呆與空白的時刻。而這堂課對老師最大的挑戰除了不間斷的學習單，更有各組不同的實驗設計，需要耗費授課教師大量精力批改，並給予合適的建議，學生上課情形參見圖2至圖6。

圖2：探究食品中的生物學–滲透課程剪影  圖3：探究食品中的物質變化–晶球課程剪影

圖4：學生實驗設計學習單      圖5：學生海報分享報告     圖6：學生口頭發表分享

• 學生作品分享
  

當三個階段的課程完成，學生對於探究實作有了一定了解後，第四階段的課程則以開放式探究的形式，讓學生自行尋找有興趣的問題，自行設計實驗，蒐集足夠的資訊去下結論，並於期末進行分享。

為了讓學生可以比較有方向找到可以探究的題目，所以提供了幾個可行的方向：

一、從第一階段的事實和觀點的學習中，找出日常生活中有趣的迷思想法，自訂題目驗證迷思。

二、從第二和第三階段的主題實驗過程中，找到可以進一步延伸研究問題。

三、從第二和第三階段的期中報告中，根據老師和同學提供的修改建議，設計驗證實驗回應。

四、從科展作品中找到晶球相關的作品，進行作品解析，並比對自己的實驗設計討論可行的修正方式，茲摘錄學生的作品如附錄。

• 結語

最近常有人在twitter上轉傳這句話：

Students don’t need a perfect teacher. Students need a happy teacher, who’s gonna make them excited to come to school and grow a love for  learning.

學生不需要一個完美的老師，學生需要的是一個快樂的老師，他會讓他們興致勃勃地來到學校，增長對學習的熱愛。

探究與實作課程，即是這樣的一個課程。

在課程執行的過程中，老師並未教導學生太多的科學概念，但提供了很多機會，讓學生實作、練習，學會學習的方法，和自學過程中所需要的工具和能力，學生懷抱探索的熱情，再將所學的一切，投注在有興趣的主題上。

雖然作品並不成熟，但學生確實學會了如何分辨事實與觀點，並將之運用在日常生活中，有助於養成批判思考的習慣；也學會了如何蒐集資料，運用別人的智慧，解決自己面臨的問題；而在進行專題探究時，也懂得如何將所學到的實驗技巧、數據處理方式，用在結果的表達與溝通上，而這些都是適應現代生活所需的能力。

課程進行中最大挑戰則是老師負擔問題，授課老師在過程中除了改不完的學習單外，如何針對學生個別的實驗發想，給予最適當的回應與討論，而能鼓勵學生繼續前行，不至於因為無助而放棄，是老師急需面對的課題。目前109年高二探究與實作課程的大規模實施，即發現了當學生人數急遽上升時授課教師的為難與窘境。如何讓學生可以有最適當的成長，但又不會讓授課老師疲於奔命？這將是之後授課與配課的重要議題之一。然而治本的方式，則更需要有關單位仔細思考配套措施，以讓此有意義的探究實作課程不只是施行，而能確實出現成效。

• 附錄 

國中自然科學探究與實作：新課綱的精神

段曉林

國立彰化師範大學科學教育研究所
[email protected]

• 前言
  

108年新課綱的精神強調探究與實作，很多老師會納悶，難道自己以前帶的化學實驗活動不是探究嗎?也是實作啊?為何還要創造一個新的名詞來攪動老師們既有的教學型態。

首先教師們須了解教育的目的是教導學生成為具有各種素養(科學、數學、讀寫等)的公民，使其不但在職場上有好的發揮，更能將這些素養運用在其一生的生活中。也因為科技不斷的演進，資訊大量的產生，因此未來的公民所需要的知識與能力就需要不斷的與時俱進的改變。其實台灣在九年一貫課綱中就強調科學探究能力的養成，例如：過程技能，科學認知，科學本質，科學態度，思考知能等。因此在國小與國中自然科領域的教科書在設計實驗活動時就有一些探究的內涵。而108年課綱則是強調十二年一貫，且強調跨科，跨領域的課程設計。因此探究與實作不僅僅只是落實在國小階段與國中階段，到高中階段也需要進行探究與實作的活動。這樣的課程綱要能讓我國的國民由國小到高中的學習階段均能操練到探究與實作所需的能力。在作者執行七年的教育部全國中小科學教師探究課程設計與執行能力提升計畫的經驗，發現到自然科相關領域的國小與國中老師透過一起參加研習與分享的過程中，均能由相互學習到探究活動的設計以及教學法。因此新的課綱落實，如能加入高中教師的群體，會讓各階段教師透過互動學到多元的教學活動設計以及教學法的執行。而學生們透過相類似的科學活動在國小，國中與高中階段，透過背景經驗的熟悉(曾在國小或國中操作過)，學到內容的深入(學科知識的加深，實驗技能的精緻)，反而能深化學生的探究能力與學科知識的深化。以下將探究與實作的意義，教師執行探究教學所須具備的能力，教育部委辦的全國中小科學教師探究課程設計與執行能力提升計畫，獲獎化學探究教案的介紹，最後針對本期的五篇探究教案進行特色的介紹。期盼能幫助化學老師在落實探究教學時有所幫助。

• 探究與實作的意義

段曉林、林淑梤、靳知勤(2020)介紹探究與實作課程的發展與理論架構。其中提到科學探究課程的發展可追朔到六十多年前蘇聯發射的史波尼克號事件，此事件讓全美開始重視科學教育，也期盼培養學童從小具備科學家的思考，因而發展出十三種的科學過程技巧：觀察，運用時空關係，分類，運用數值，測量，溝通，預測，推理，確認變因，下操作型定義，確認可驗證的假說，數據與圖形的解釋，設計實驗。接著美國2061計畫則強調科學的世界觀，探究的科學方法，以及科學企業。1996年美國國家科學標準開始對科學探究下定義：「這是一個多面向的活動，包含觀察，提出問題，驗證課本或其他資源、了解已知的知識，設計探究歷程，按照實驗證據回顧已知的知識，利用工具來蒐集，分析分析與詮釋資料，提出回答，解釋以及預測，溝通研究發現。」(NRC, 1996, p.23)。最後是下一個世代科學標準(Next Generation Science Standards, NGSS)計畫(NRC, 2011)，強調實務操作(practice)，跨領域概念，以及各領域核心概念。有關實作的內涵包括：提出問題和確認問題(工程或是科學)，發展以及應用模型，設計以及執行探究，分析以及詮釋資料，運用數學以及計算的思考，在科學與工程問題的解答中建構科學與工程知識，獲得，評鑑與溝通所研發出的資訊(段曉林等，2020, p.15)。透過這些探究課程發展史中，可看出探究與實作的真正精神是讓學生透過探究的活動體驗科學家如何發現問題，建立假設，設計實驗，收集與分析資料，建立研究結論的思考歷程。而實作(或是實踐)(practice)的真正意涵應該是探究以及實踐所習得的學科知識。因此探究與實作不是只有「做」實驗，「做」活動而已，真正重要的是新課綱中學習表現的思考智能。

• 探究教學應具備的知能
  

       我們瀏覽探究課程發展史中對探究與實作的意義理解後，接著需要思考老師要具備哪一些的能力才能進行探究實作教學。作者以為教學牽涉的是教育，因此我們需要理解當前有哪一些的教育理論影響著探究教學。作者認為基本上支持探究教學的教育理論有建構主義，社會建構主義以及情境學習。建構主義強調學習者要主動建構對自己有意義的知識，因此探究必須是學習者自己透過現象的觀察找到有意義的問題以及探討解決問題的方法。社會建構主義強調鷹架，論證的重要性，因此教師可在學生進行探究歷程中，適時的提供基本知識與技巧，幫助學生能主動建構其有意義的知識。而論證的過程則是學生必須要收集足夠有說服力的客觀資料，在小組討論或是全班討論中澄清自己研究的論點與立場。情境學習表示所有的探究活動都是與生活情境有所關聯，透過情境體驗探究的歷程，學生可與其小組成員相互幫忙共同的學習，共同完成其探究任務。當老師們明白探究教學的理論依據時，在教學上就會更能掌握重點，營造好的探究情境以及小組組員間的學習，提供學生進行探究所需的鷹架能力或是知識，提供相關的資源(資料或是專家群)，而不是努力地掌控教與學，扮演知識的權威者的角色。所以教師要先熟悉探究與實作的真正精神，接著思考如何將課本的實驗活動轉化為探究與實作導向的課程活動，多收集其他老師的探究實作教學活動或是教案，教師自己本人要累積自己的探究活動實作經驗，能於日後轉換探究活動為教學活動。

• 全國中小科學教師探究課程設計與執行能力提升計畫

       本計畫在七年前開始執行，目前已培養約300多位獲探究種子教師證的教師，以及探究教練。本計畫執行的方式是由探究教練與3至6名種子教師組成一個專業成長團隊，每一個團隊見面十次，由教練帶領幫助種子教師學習探究教案的設計以及探究教案的執行，反思以及改進的歷程。除了專業成長團隊的活動之外，本計畫在九月時會在台北，彰化，高雄三個地區舉行探究種子教師招募會議，在會議中介紹108年課綱的精神以及介紹本計畫的實施方式。接著由參加的種子教師或是教練相互的配對組成專業成長團隊。每一年約有35-40的專業成長團隊。在十一月份前計畫會在台北，彰化，高雄與宜蘭辦理第二階段的研習活動，主要的目的是介紹探究教案撰寫的方法，以及實務的演練。第三階段則於三月前在台北，彰化，高雄與宜蘭舉辦，主要的研習重點是探究教學的反思策略與方法，以及實務的演練。三次的研習活動目的是提供鷹架，幫助每個專業成長團隊的教練，種子教師能熟悉探究的精神，探究教案的設計原則以及探究教學的反思。除此之外，本計畫也在寒假結束後進行探究教案的競賽活動以及五月底進行探究教學專業成長的競賽活動。這兩個活動的主要目的是鼓勵參與本計畫的老師能共同設計探究教案，也能落實其所設計的探究教案並進行深度的反思。兩種競賽活動均由探究領域的專家進行審查並提供具體的建議給參加競賽的教師們。許多的老師對於本計畫所提供的專家回饋意見均表示獲益良多。最後計畫於八月底辦理成果發表會，鼓勵優秀的教練以及種子教師們，並讓教師相互學習與討論所設計的探究教案。由於計畫執行數年，所以種子教師的種類也慢慢的演變為初階種子教師，進階種子教師到高階種子教師。獲得高階種子教師證的老師也轉換角色為探究教練，目前已經有一些教師成為探究教練。作者期盼有更多的化學老師能參與本計畫，也能為台灣培養更多具備探究教學知能的領導型科學教師。對本計畫有興趣的教師可上網(http://120.107.169.113)閱讀相關的資訊。有意願參與本計畫的國中小科學教師也可與作者聯繫。

• 化學領域探究教案

        由於化學領域要進行實驗活動所需的裝備比較多，也應相對的設備費用比較貴，因此在上述的教育部委辦計畫我們執行數年後獲獎的化學領域教案相對於生物領域與物理領域為低。以下為獲獎的化學領域探究教案:

105年-108年獲獎教案名稱(獲獎年分)：口水之王(105年)，化學反應－質量變不變(105年)，如何增進伏打電池的效能(106年)，認識生活中的氧化還原(107年)，以食品色素檢視酸鹼，由酸鹼挑選天然色素(107年)，原子的＜微積分＞(107年)，元素分類王(107年)，化學反應速率(108年)，召喚黑龍!碳酸氫鈉的探究實驗(108年)。這些獲獎教案可於下列網址(http://120.107.169.113)獲得，請先註冊會員(免費)後即可閱讀。

       除此之外，本期探究與實作專刊，特別邀請幾位科學教師為大家示範探究教案的撰寫。賴志忠教師為大家示範如何將課本的乾餾實驗活動轉化為探究導向的活動；吳月鈴、陳珮琪與吳宛如三位教師則示範如何將國小的實驗活動融入國中化學反應速率的單元，使得原先的課本實驗活動能加深加廣凸顯探究教學的精神；鄭志鵬教師則示範如何融入科學史中拉瓦節與史塔爾對燃燒本質的辯證作為素材，訓練學生科學的批判思辨以及以證據為本的精神，融入在課本的既有實驗活動中，訓練學生的探究思考能力。最後林芬如與段曉林的吃水果解油膩活動，則示範如何由生活化，趣味化的活動轉化為具備探究精神的化學探究活動。

• 結語

探究與實作的教學其實是有趣的，也是需要花時間構思與研發的活動。期盼各位教師能找尋有志一同的夥伴，透過跨年級，跨領域的合作可設計出許多具備深度與廣度的探究教學活動。教師們如果有興趣理解探究與實作的更多資訊，也可研讀段曉林、林淑梤、靳知勤(2020)所撰的中學自然科學領域探究與實作教材教法，此書除介紹探究課程的沿革，相關理論之外，也介紹許多探究教學法，相關的探究教學活動以及可參考的網路資訊。

• 參考資料

段曉林、林淑梤、靳知勤(2020)。中學自然科學領域探究與實作教材教法。台北市：五南圖書出版有限公司。

National Research Council (1996). National science education standards. Washington, DC: National Academy Press.

National Research Council (2011). A framework for k-12 science education: Practices, crosscutting concepts, and core ideas.Washington, DC: National Academies Press.

國中自然科學探究與實作：教科書化學實驗的探究與實作轉化範例

賴志忠

台中市立忠明中學
[email protected]

n  前言

探究與實作是108課綱所強調的課程內容，對於教學現場的教師而言，如何設計出符合探究精神的實驗是相當不容易的。許多教師對探究教學的觀感常認為需要很多時間，透過不斷操縱各種實驗變因，來幫助學生學習科學。此外教師除了要進行教學外，還要擔任班級導師或行政工作，若要設計探究與實作的實驗課程，需要耗費額外的時間進行課程設計。這也是導致許多自然科老師不願進行探究教學或實驗活動的原因。本文分享現有課程中有機化學單元的乾餾實驗，示範如何簡易修改課程教材中現有的實驗，成為引導式探究的實驗教學，幫助現場教學者更有效率地進行實驗活動教學。

n  課程實驗內容

國中二年級下學期的有機化學單元竹筷乾餾實驗，此實驗常採用鋁箔紙包住竹筷，再利用酒精燈燃燒筷子進行乾餾，進而觀察乾餾過程所產生不同的固、液、氣體，並透過燃燒與酸鹼指示劑檢測乾餾所產生物質之性質（圖1至圖3）。

在108自然科領綱中，關於有機化合物的學習內容，建議教師使用麵粉、糖及食鹽等物品進行實驗（教育部，2018）。

然而就筆者多年的教學經驗中，使用竹筷進行實驗的優點是方便操作。但較難幫助學生聯結現實生活中的許多物品，也無法幫助學生進一步對科學現象進行較深入的探究，有些可惜。

圖1：竹筷乾餾圖2：乾餾產生物性質檢驗圖3：乾餾實驗操作

n  課程單元與目標

課本的竹筷乾餾實驗，如何幫助學生與生活中的情境聯結，同時深入思考與實驗相關的科學原理呢？本文將示範如何由乾餾實驗轉化成符合探究教學精神的實驗活動，同時也引導學生進行較深入思考的學習，以竹筷乾餾實驗為例說明教學流程，教學單元為國中二年級的有機化合物章節，建議教學時間為1到2節課，實驗的教學學目標為瞭解有機化合物的由來及特性。

本乾餾探究教案的教學流程呼應108課綱的學習表現，教學範例可達成的學習表現面向如下:1.探究能力的思考智能：如推理論證子項中的tr-Ⅳ-1、批判思辨子項中的tc-Ⅳ-1。2.探究能力的問題解決：如計劃與執行子項中的pe-Ⅳ-2、分析與發現子項中的pa-Ⅳ-2、討論與傳達子項中的pc-Ⅳ-1。3.科學的態度與本質：如培養科學探究的興趣子項中的ai-Ⅳ-1（教育部，2018）。

實驗活動紀錄表的設計，可以視教學內容進行調整。以本實驗為例，教學者希望學生聚焦在物質乾餾的過程，產生的現象及物質變化。其次乾餾的方式能否分辨出有機化合物？是否有機化合物都適合使用乾餾方式進行？請學生可以在實驗過程紀錄並討論。教學者也可視教學時間長短設計題目數量與深淺。透過動手實作解決問題或驗證自己想法，也可以幫助學生獲得成就感。

n  課程如何轉化成探究形式

以下依據教學流程步驟，說明教師可以使用的教學策略。教師事先進行異質性分組，例如全班分成六組進行實驗，會將學業成就較好同學分別分到不同組，學業成績較差同學也會平均分散到不同組別中，並分配每一位組員不同的工作職責，比如較具領導力的同學擔任組長，較不擅於邏輯思考但實作較佳的學生可以負責器材的操作，文字能力較佳同學可以負責實驗記錄，口語表達較佳同學可代表小組發言，讓成員都有機會表現及有負責的工作。學生則配合教師指揮進行分組教學活動。

1.引起動機：教師提問舊經驗概念，如化合物如何分類，再引入有機物。學生能思考問題並提出自己的想法。此步驟教學者可以使用實際生活物品，比如木炭或使用網路圖片說明，以引起學習動機，時間若不夠也可以利用口述說明或提問方式進行。

2.原理導入：教師以課本說明有機化合物的歷史發展過程及科學的定義。學生能聆聽並回答有機化合物定義。教師可以讓學生事先回家搜尋實驗資料或參考課本原理說明，因為學生若具有實驗相關的先備知識，可幫助學生在進行實驗操作較知道如何操作，或實驗後的討論比較能夠有相關概念進行較深入的討論。若教學時間足夠，也可進行實驗後再介紹相關科學原理。

3.探究現象引入：教師舉例說明生活中常見物質，讓學生思考如何判別是否為有機化合物，並提出自己的想法。透過生活情境鋪陳，帶出實驗的目的，比如利用木炭的製造與使用，引入不同的物質如何透過乾餾分辨是否為有機物？乾餾過程的現象有哪些？

4.探究活動變項與設計：教師引導學生思考，如何設計實驗以區分物質是否為有機化合物？學生能回答使用物理及化學方法或性質來分辨有機化合物。並能回答如何使用物理及化學方法或性質來分辨有機化合物(核心素養自-J-A3)。

此部分為探究活動的核心，學生如何進行實驗操作變因的選取和應變變因的蒐集。教學者可以依據教學時間調整探究教學活動的開放程度，如果在正式課程因有時間和進度壓力，建議使用引導式探究。以乾餾實驗為例，可讓每組攜帶三種不同食物或物質到學校，進行乾餾後可以相互進行比較（圖4至圖7）。有時候學生會攜帶不適合的物品要進行乾餾，教學者可以適當的進行篩選，比如說西瓜或蘋果，因水分過多很難在時間內完成乾餾。

圖4：各種乾餾食材圖5：不同乾餾食材圖6：洋芋片乾餾前後 圖7：餅乾與吐司乾餾

5.探究活動進行：教師講解課本內容，說明如何將物質進行乾餾，簡易檢測是否為有機化合物。學生能聆聽教師說明，並能夠正確地進行乾餾實驗。實驗進行過程與課本教材較大的不同，是取用學生生活中的物品進行實驗。實驗過程的操作與課本說明相似，但因為實驗物品不同，學生實驗過程卻驚呼連連，原來生活常吃的物品，乾餾後會變成這樣。可以明顯感受學生在實驗中的驚訝與新奇感，能提升學生對於實驗的學習動機。乾餾過程會產生固體、液體及氣體，學生都必須進行檢測，每組須做三種不同物品，不同的物質也會出現不同的現象，比如燃燒是否旺盛，液體也未必如竹筷乾餾為酸性（圖8至圖10），學生可以有許多討論空間，這就是探究與實作的價值之一，讓學生體驗科學家一般在現象中進行思考與討論。

圖8：氣體燃燒檢驗 圖9：液體酸鹼性檢驗圖10：乾餾後固體檢驗

6.資料蒐集與分析：教師請學生攜帶常見各種不同餅乾類及食物，攜帶的份量可供六組進行乾餾實驗，並到各組間巡視，指導學生進行實驗，比如實驗儀器的操作、實驗資料的紀錄重點、解決學生操作上遇到的困難，甚至是班級秩序的維持，因有時小組成員會玩鬧或意見不合而鬥嘴等。學生能從實驗檢測酸鹼性及觀察實驗現象，進行溝通與推論是否為有機物(核心素養自-J-C2、自-J-B1、學習表現pe-Ⅳ-2、ai-Ⅳ-1)。並能將蒐集與觀察的資料記錄下來，本實驗會提供紀錄表給學生(參見附錄)。

一般實驗結果的蒐集，可能是數據或是現象的論述。但因對象為國中階段學生，建議以質性現象或文字描述為主，不要有過多化學計量或數據的計算。若學生有簡易的圖表呈現或數據轉換成圖表也是很好的分析訓練。乾餾實驗中每一組學生要選用三種物質進行實驗，並記錄下列表格中問題。不同組別有時會選用到相同物品進行乾餾，可以比較過程及產物的差異。此外，學習單中也會讓小組成員進行一些問題的討論，幫助學生釐清實驗現象(參見附錄)。

7.溝通與成果分享：教師請各組派一位學生發表小組討論的實驗結果，但建議全組都能一起上台。學生能與同儕討論實驗結果及如何進行檢測，上台學生能提出具體證據說明小組的假設與結果，其餘學生能聆聽分享(核心素養自-J-C2、自-J-B1、學習表現tr-Ⅳ-1、tc-Ⅳ-1、pa-Ⅳ-2、pc-Ⅳ-1)。

學生小組間的實驗溝通，從選取實驗的材料就開始進行。實驗操作過程，學生也會溝通討論與提醒注意事項，比如乾餾過程操作失敗時，組員間也會討論可能的失敗原因。在實驗現象與數據的蒐集，學生也會互相提出質疑與彼此解釋，有時也會尋找老師進行確認自己的主張。

    各組上台報告，會請學生先將數據或現象寫在白板上，並分享實驗過程遇到的困難及操作過程，當然還會有許多個人情意及態度面向的正向回饋與表達。比較課本的乾餾實驗與轉化後的引導式探究，可以發現引導式探究與實作的方式，較能提升學生的學習興趣，以及引發學生思考更多問題。這就是108課綱中，想要培養學生獲得的核心素養與學習表現能力。

8.總結與歸納：教師能總結與歸納學生報告內容，並澄清學生報告內容中可能有的錯誤科學概念。學生能思考並專心聆聽。學生進行實驗過程，總會有許多操作上的問題或是人為誤差，容易導致實驗結果與課本不同或錯誤的數據。老師的角色除了實驗過程的引導與協助，在實驗活動後引導學生分享與討論，對學生的科學學習可達畫龍點睛的功效。許多探究教學活動，經常只是做了活動卻缺少討論與反思，學生不知實驗的目的？不知哪裡操作錯誤？不知實驗活動與生活有何關聯？因此，老師要透過實驗後的討論幫助學生進行釐清常見的迷失概念，比如可以燃燒的氣體未必就是氧氣或不正確的操作過程，比如乾餾時沒有不斷移動讓物質均勻受熱。

老師在總結時，未必要給學生完整的答案，當然，明顯錯誤的實驗數據或結果，老師應該能夠立即提供觀念的澄清，如廣用試紙的酸鹼檢測顏色判斷錯誤。但很多實驗問題或實驗操作方式，可能沒有絕對的答案，或因素過於複雜，連老師也難以立刻釐清，比如乾餾時鋁箔紙包覆的形狀是否會影響乾餾速度快慢、乾餾產生的氣體雖可燃燒，僅能判斷可能含有可燃燒氣體，無法如課本說明知道氣體中含有氫氣、甲烷、一氧化碳等可燃氣體，而液體也僅能從感官判斷顏色及酸鹼性，無法如課本所說能立刻判別含有醋酸及焦油，老師可以跟學生說明這些都是需要進一步作更深入的檢測才有可能知道其成分。透過實驗討論，學生更能了解實驗分析，不是如課本實驗所說那麼簡單。但老師應提供學生分析現象與解決問題的訓練，協助學生去思考可能的問題在哪裡，幫助學生有思考的習慣，對學生培養正確科學態度也是有幫助的。同時對於學生能夠努力完成實驗過程，給予肯定與讚揚。

n  探究活動的評量

探究活動的進行，建議使用多元評量的方式進行，比如說批閱學生所撰寫的學習單、老師走動巡視時可以檢視學生個人與小組的操作投入程度、乾餾實驗後的分組報告、實驗過程小組成員之間的互評。在科學知識的檢測，可利用一份小的試卷，選擇題或問答題形式都可，檢測實驗過程學生的操作步驟與科學概念的正確性。

n  其他可進行探究活動的課程

因為108課綱中，自然科正課時間縮減成每周三節，造成許多教學現場老師授課時間的壓力與實施探究教學的恐慌。本實驗通常使用一節課進行，另外大約需要20分鐘進行分組討論。我會讓學生進行實驗後，回家完成學習單，組員利用下課時間討論。建議下一節課分享前，利用下課找負責報告的同學先進行初步討論，確保學生有利用課後進行討論。探究與實作活動，可以搭配彈性課程，或社團活動與科展進行更深入的探究教學。此外，寒暑假的輔導課程或是國三會考後，也可以規劃課程相關的探究教學活動。至於探究與實作的教案設計，也可以在網路上搜尋到許多相關資源，參考現有的探究設計，修改成符合自己授課內容或時間的探究設計，如彰師大科教所所架設的探究教學競賽網、台中教育大學科學應用學系的科學遊戲實驗室(適合小學)、國立彰化師範大學化學系的中學化學示範實驗網站(適合中學)。

n  結語

108課綱上路，授課時間常是現場教學中最大的限制，透過課程轉化成引導式探究教學可以幫助學生有較深的科學學習，不僅能有效率的完成課綱要求的探究與實作，也能設計讓學生使用生活中常見物品進行實驗，培養科學探究的興趣，亦符合108課綱核心素養所強調幫助學生與真實生活情境連結。本文使用有機化學單元中，教師經常進行的乾餾實驗為例，示範如何轉化成符合探究與實作的教案，期望對現場教學者在進行探究與實作教學時能有實質裨益。

n  參考資料

教育部（2018）。十二年國民基本教育課程綱要：自然科學領域。臺北：教育部。取自：https://bit.ly/2WPsz6I

n  附錄

實驗紀錄與討論

學習單中的實驗觀察

(1)乾餾的物質____________________________________

(2)乾餾前外觀描述________________________________

(3)乾餾過程產生的現象描述________________________

(4)乾餾後生成物質紀錄

固體(外觀顏色、可否燃燒等)_________________

液體(外觀顏色、酸鹼性等)___________________

氣體(外觀顏色、可否燃燒、氣味等)___________

(5)乾餾前後質量變化？前_____後_____變化____ (公克)

(6)如何判斷是否為有機物質?_______________________