第 22 頁 – 臺灣化學教育

奈米課程：「壁虎效應」高中奈米課程之教具設計／何慧瑩、張惠雯、湯雅慧

星期六 , 5, 6 月 2021 編輯助理本期專題, 第四十三期/2021年6月留言功能已關閉

奈米課程：「壁虎效應」高中奈米課程之教具設計

何慧瑩^*、張惠雯、湯雅慧

國立臺北教育教育大學自然科學教育學系

本文介紹奈米科技中常見的「壁虎效應」原理，以及如何製作具有實驗與數據分析之高中「壁虎效應」教具，最後提出對未來發展成「壁虎效應探究與實作課程」之建議。

n 簡介

壁虎不僅能在垂直牆壁上運動自如，即使在如玻璃般光滑的天花板上，仍可停留和爬行，早在西元前400年，古希臘哲學家亞里斯多德就對壁虎如此高明的爬行能力感到好奇與不解。這種力量究竟從何而來？壁虎腳底的黏著力究竟是怎樣產生？壁虎腳下的玄機便激起不少科學家的興趣。在西元900年時，Cartier和Braun分別對壁虎腳掌不同尋常的結構進行了研究，但礙於當時科學研究的條件，他們只能大致地推測壁虎可能具有很精細的腳掌結構。壁虎效應與凡德瓦力、奈米概念的關係，雖已被許多學子熟悉，但是在實際教學中，一般學校無法取得專業的儀器來進行測量與觀測，例如：利用掃描顯微鏡（SEM）觀察壁虎的剛毛和匙突。加上其所牽涉到的凡德瓦力，也很難用一般非專業儀器量測，所以壁虎效應教學模組多為文字的敘述或顯微攝影的影片（北區K-12奈米科技發展中心網站，2016），鮮少有可讓學生親手操作的類比性實驗。本文設計出高中課程適用的壁虎效應教具，結合表面張力的概念，使學生能藉由動手做實驗，將複雜的概念深入淺出，使學生將奈米科技生活化，感受到奈米科技的實用性。

n 何謂壁虎效應？

對壁虎攀岩走壁能力之敘述，最早可朔源自公元前四世紀，亞里斯多德（Aristotle, B.
C. 384-322）在《動物自然科學史》(Historia
Animalium)中提到對壁虎的見解：『壁虎即使是以頭部在下的姿態，也能夠繞著一棵樹到處地跑來跑去』，也就是說所謂的「壁虎效應」即是指壁虎能在各種材質的垂直表面爬行，甚至是倒掛在天花板自由行走的現象（圖1）。

圖1：壁虎倒掛在天花板行走（圖片來源：Editor abcdef –
Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=38806582）

n 為什麼壁虎可以如此行走？

雖然壁虎的行走模式很早之前就廣為人知，但對於壁虎之所以能攀岩走壁（壁虎的黏附能力）的說法，眾說紛紜，每個可能物理機制的假設，都一一被實驗所得到的證據反駁，如表1所示。

表1：「壁虎效應」之物理機制假設與該假設被反駁的證據一覽表。（整理自Autumn & Peattie,2002）

Hiller（1968, 1969,1975）證明壁虎的吸附力和毛細現象有關，也就是說和水珠與表面的接觸角有異曲同工之妙（有關接觸角之相關原理請參閱本期文章「『蓮葉效應』國中奈米課程與教具設計」），這提供了分子間的交互作用力是壁虎吸附力的來源的直接證據，也就是說壁虎的足底接觸表面時，會改變接觸面的表面能（surface energy），例如青蛙也是，但不同的是壁虎的足部並無腺體可分泌異體，不過這仍無法排除毛細現象，因為一個原子層的水分子仍可提供相當大的表面張力（表面能越大，表面張力越大）。然而Hiller本身卻不是很喜歡壁虎的黏附能力是來自於毛細現象這種說法，因為在極疏水的表面，吸附力也不會降至零，很難區分出到底是什麼的影響（本段文字整理自Autumn & Peattie,2002）。

另一種用分子間的作用力解釋壁虎黏附能力機制的說法為凡得瓦力（van der Waals interaction），這是分子間作用力最微弱的一種，這種交互作用力與據力有關，並且當兩個互相接觸的表面彼此間之電極化率（polarizability）越高時，凡得瓦力越大。Hiller（1968）就發現壁虎無法吸附在聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene,PTFE）表面，由於PTFE 是一種電極化率非常低的表面，因此「壁虎無法吸附在PTFE表面」這個證據支持了「壁虎黏附能力機制為凡得瓦力」的假設（本段文字整理自Autumn & Peattie,2002）。

1965年，加州大學的Ruibal 與 Ernst（1965）藉由掃描式電子顯微鏡（scanning electron microcopy, SEM）的幫助，發現壁虎每一根剛毛（setae）的末端還具有如樹枝狀的分支（branch），分叉形成數量介於100~1000根為數不等的匙突（spatulae），直徑在0.1~0.2 μm，匙突底部的肉柄（stalk）與剛毛連接，另一端則與外型狀似扁平三角形，寬度約200 nm、厚度約0.01 μm的末端結構相連。2000年，美國克拉克學院生物學系的奧特姆教授（Kellar Autumn）與其研究同僚，量測壁虎的一根剛毛所產生的吸附力，並與利用凡得瓦理論計算的值做比較（Autumn et al., 2000）。理論上，如果一根尖端半徑為R的匙突與平整表面接觸時，匙突與接觸表面的距離為D、Hamaker係數為H，則其凡德瓦力可表示為

，若以 J、 µm、 nm代入，可計算出凡德瓦力約為400 nN。每根剛毛分叉出總數量介於100至1000根的匙突，如此產生的吸附力為40-400 µN，理論計算的結果與Autumn等人藉著力量感測器（Micro Electro
Mechanical Systems，MEMS）來感測單根剛毛所產生的力，約為200µN的結果相符合；2002年，Autumn的研究團隊更透過實驗證明壁虎腳上的凡德瓦力大小，僅與匙突的形狀和大小有關，與接觸表面的化學性質無關（Autumn et al., 2002）。這一系列的研究，讓世人能一窺壁虎黏著能力的秘密，亦即壁虎巧妙地運用了大自然間最微弱的分子間作用力—凡得瓦力。

圖2：壁虎腳趾的結構(引自Autumn, K source: How gecko toes stick. American Scientist 94, 124-132)

n 「壁虎效應」教具設計概念及其理論基礎

現今有許多可以解釋壁虎效應的力學模型，而其中以Johnson、Kendall和Roberts在1971 年提出的JKR模型最具代表性（Cao et al.,2005）。假設匙突的尖端為半球狀，R為其半徑，g為每單位面積的吸附能，則匙突要垂直離開物體表面所需要的力之計算公式如下:

如果以力量感測器來感測單根剛毛所產生的吸附力，帶入JKR模型的公式，得到的匙突半徑為164~196 nm，與實際測得的200 nm十分接近，由此可知，JKR模型可以有效的代表吸附力與接觸面半徑的關係，即吸附力，也就是壁虎效應中吸附力與尺度大小的關係。

由於生物界中除了壁虎之外，仍有許多生物具有攀岩走壁的能力，便有科學家將具有相同能力的昆蟲拿來與壁虎做比較。其中甲蟲、蒼蠅和蜘蛛的腳掌結構與壁虎相似，科學家便將JKR模型套用在這些動物身上（Arzt et al., 2003）進行研究。科學家發現，這些不同身體質量的動物，由於相似的構造，使其因相似的原理產生極有效率的黏附行為，且如此現象是廣泛地存在於生物界的黏著系統之中。科學家透過實驗的量測，歸納出不同生物體剛毛的數量，與其本身的重量，彼此間呈現趨近於線性的關係。也就是說，對於不同的生物而言，在總接觸面積不變的前提下，越重的生物會透過演化出更細微的末端結構，以提高剛毛的單位密度，進而提升其吸附的能力。所以我們可以由此看出，即使尺度變大，但在相同接觸面積下，吸附力與接觸數量的關係，仍維持斜率趨近為正比的線性關係。

當我們將一吸附力為F、半徑為R的圓面積切成n小塊圓面積時，每一小塊圓面積即變為原來圓面積的倍，也就是說每一小塊的半徑r會變為。因為JKR模型可以有效的代表吸附力與接觸面半徑的關係，即吸附力，故我們接著將每一小塊的面積代入JKR模型。以F代表總面積未切割時的受力，f代表切割後每一小塊的受力，代表切割後的受力總和(總表面積相同)，則：

也就是說，當一塊面積被切成n小塊時，要把相同總接觸面積從物體表面拉開的力量會增加，變成原來的倍（。而當n很大時，每一小塊面積達奈米尺度（，則將接觸面從物體表面拉開所需的力，便會遠比未切割前時大非常多。所以我們的教具設計的理念，就是以高中物理課程中的表面受力現象為基礎（表面張力），藉由接觸面積尺寸的改變，讓學生感受力量隨尺寸變化，進而理解尺寸達奈米尺度時，力量增加的情形。教具的設計，須將JKR模型所得到每小塊受力的關係可以有明確的數據呈現，進而將此教具類比至壁虎效應所強調的尺度效應，即當相同接觸面積切成n小塊後，總力會變成倍的關係，亦即。

n 高中「壁虎效應」教具設計與測試

考量壁虎效應的力與單位面積的吸附能成正比，而表面張力為單位面積的能量，總能量均與表面積成正相關，故以表面張力之實驗來類比壁虎效應（實驗零件規格詳列於附錄一)。

我們使用O型環（圖3），將其固定於壓克力盒下方的凹槽裡（圖4），為了避免大氣壓力對實驗的影響，故於壓克力盒上方和下方（凹槽中心處），各鑽一個小孔，讓空氣能自由進出，整個實驗裝置如圖5所示。

圖3: O型環之內、外徑示意圖（圖片來源：張惠雯，2017）

圖4: 壓克力盒與其吊掛方式（圖片來源：張惠雯，2017）

圖5: 實驗裝置圖（圖片來源：張惠雯，2017）

我們以搖桿控制步進馬達以捲動釣魚線（圖6）（電路板接線與程式控制碼分別於附錄二與三，詳細組裝過程請參閱張惠雯（2017）之碩士論文）。首先，控制步進馬達讓壓克力盒底部保持水平緩慢下降，當O型環與水面接觸瞬間，電子秤的讀數會明顯改變，此時要馬上停止轉動步進馬達，並將電子秤歸零。接著，控制步進馬達讓壓克力盒底部保持水平緩慢上升（圖6），至完全脫離水面，將過程中電子秤讀數最小的數值記錄下來，此即為脫離前，水向下拉O型環的力量，用以模擬壁虎與接觸表面之間的垂直力。我們分別準備了內徑為1、2、3 mm之O型環，與搭配之壓克力盒（凹槽直徑搭配O型環外直徑，亦即每一種外直徑的O型環，皆須有一個與之搭配的壓克力盒）。

圖6: 28BY J-48四相五線步進馬達與其驅動版(UNL2003) (圖片來源：張惠雯，2017）

圖6：壓克力盒緩慢上升時，O型環與水接觸的情形（圖片來源：張惠雯，2017）

實驗數據如圖7所示，本教具的實驗數據顯示出，內徑愈大的O型環，吸附力愈大，吸附力與接觸面積的半徑成線性關係，不同於理論上的正比關係()，我們認為這差異很有可能是來自於O型環本身內徑的誤差、以及O型環具有彈性，當水將O型環向下拉時，同時也會改變O型環的內徑，從數據圖來看這內徑的差別大約介於為0.4-0.5 mm之間。我們依據圖7所的到的0.44 mm內徑差異對O型環的內徑做校正，以最大的環當作未切割前的總面積，計算出每一個小環所對應的切割數目n，將量測到的力f，乘上n以得到切割後的總吸附力。切割後的總吸附力對做圖，結果如圖8所示。可得到，與理論之推論相同。

圖7：力與O型環內徑關係圖

圖8：切割後之總吸附力與之關係圖

n 結語

本壁虎教具可以透過水的表面張力作為媒介，讓學生了解切割後之總吸附力與)之間的關係，除此之外，本教具運用到程式設計、電路控制、數據分析、以及繪圖能力，並從數據進行推論，可做為高中的探究與實作課程設計之基礎。建議教師設計「壁虎效應探究與實作課程」時，可先從表1中的各種假設為出發點，請同學想想如何驗證或推翻假設，最後再帶入本教具所需之表面張力概念。

n 參考資料

張惠雯（2017）。高中奈米科技教具設計–壁虎效應。未發表之碩士論文，國立臺北教育大學，臺北市。

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n 附錄下載⇓

奈米課程：「蓮葉效應」國中奈米課程與教具設計／何慧瑩

星期五 , 4, 6 月 2021 編輯助理本期專題, 第四十三期/2021年6月留言功能已關閉

奈米課程：「蓮葉效應」國中奈米課程與教具設計

何慧瑩

國立臺北教育大學自然科學教育學系

[email protected]

本文從分析奈米科技中常見的「蓮葉效應」（Lotus effect）基礎原理開始，介紹我們於2016年所設計的國中「蓮葉效應與力平衡」教學模組與教具，並依據課程設計的專家概念圖，規劃出五節與蓮葉效應有關的奈米課程，最後對修正成探究與實作課程提出建議。

簡介

在奈米K-12計畫推行的許多奈米實驗中，「蓮葉效應」最受K-12教師之喜愛，包含高中、國中、國小各階段與蓮葉效應有關的創意教學，這些教學教案不斷地被開發出，分析其中的實作實驗，則大多聚焦於在各種人工表面上滴水，觀察蓮葉效應，並設計成較K-12的教案，這些人工表面包含蠟燭煙燻出的碳黑、用二氧化矽微粒泡過後烘乾的布製品、以及用含有二氧化矽微粒的墨水寫的書法…等，這些創意教學為K-12的奈米推廣教育奠定了深厚的基礎。然而，這些實作實驗因實驗器材的限制，大多只能透過電子顯微鏡圖片進行表面改質的觀察，無法讓學生更進一步了解產生蓮葉效應的力學機制。其實，許多與蓮葉效應相關的基本科學概念都已包含在學校的教科書中，這些基本概念包含了力平衡、能量、材料表面處理、以及科技與社會。如果我們能將國中「自然與生活科技」領域中與奈米現象相關的基本知識，透過一連串的教學引導將之串連在一起，如此一來，學生可以在學校的教學中，就能接觸到奈米科技的知識，學生更能夠接受現代科技，而非將之視為難以理解的知識。有鑑於此，我們從蓮葉效應的基礎理論（表面能與表面張力）出發，結合國中學生理化課本中的力平衡概念，設計國中的「蓮葉效應與力平衡」奈米課程和實作教具，本文將逐一介紹，以作為國中教師教學之參考。

何謂蓮葉效應？

所謂的「蓮葉效應」是指水滴落蓮葉表面之後，會以滾動的方式運動，不會黏附在蓮葉上，水經過蓮葉上的灰塵，灰塵會附在水的表面，當水從蓮葉滾落時，灰塵就被帶走，所以蓮葉表面就能保持清潔，蓮葉這種「出淤泥而不染」的自潔現象，被稱為「蓮葉效應」（圖1）。圖1（左）為水比較多時，但仍清楚可見水的邊緣沒有沾附在蓮葉上；圖1（右）為水比較少時，此時水會形成水珠狀，水的邊緣一樣是沒有黏附在蓮葉上。

圖1：左圖：在蓮葉上的水不會沾附在蓮葉上(圖片來源：H. Zell, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10799164)；右圖：當水不是很多時，水會形成水珠狀(圖片來源：Dat doris, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=87146272)

為什麼蓮葉可以有如此的自潔效果呢？

回答這問題前，我們要先了解超親水性、親水性、疏水性、以及超疏水性的差別，圖2所示為接觸角與這些特性的關係。接觸角的定義是指在水、空氣、以及固體三種界面的交界處，對水珠畫出水/空氣交界面（切線），此水/空氣交界面與水/固體交界面的夾角即為接觸角。基本上接觸角小於，會顯現出親水性，特別是接觸角小於時，水幾乎鋪在固體表面，因此被稱為超親水性；接觸角大於，會顯現出疏水性，此時水可以在固體表面滑動而不太會沾黏，一般而言在汽車表面打蠟，即屬於此類；當接觸角大於時，水則主要以滾動方式在固體表面移動，幾乎不會沾黏在固體表面，稱為超疏水性。

圖2：接觸角與親水性/疏水性之關係示意圖（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016）

透由電子顯微鏡觀看蓮葉表面，發現蓮葉表面有許多絨毛微結構，這些絨毛上有著奈米尺寸大小的蠟質結晶，就是這些奈米級的蠟質結晶造成超疏水性，也就是這種超疏水性讓水在蓮葉上以滾動的方式運動，同時帶走灰塵，形成蓮葉的自潔現象。

「蓮葉效應」教具設計之理論基礎

「蓮葉效應」教具設計的理論基礎要從毛細現象、表面張力（surface tension）和表面能（surface energy）開始談起。毛細現象是指液體在細管狀物體內，克服地心引力而上升的現象，一般都以液體的內聚力（cohesive force）與附著力（adhesive force）的差異來說明該現象發生的原因，例如：水在毛細管內，水面是中間凹兩側高，管內液面是高於外面的水位（毛細現象），這被解釋為附著力大於內聚力所造成的；水銀在毛細管內，水銀面是中間凸兩側低，管內水銀面是低於外面的水銀面，這被解釋為內聚力大於附著力所造成的。附著力垂直於毛細管壁，以鉛直的毛細管而言，附著力為水平方向，無法讓水在毛細管中爬升；又內聚力為水分子之間的力，無法自己將自己向上拉，因此也無法讓水爬升。所以，只以附著力和內聚力來說明，雖可以簡單呈現液體面是凹或凸，卻很難解釋液體在毛細管中的爬升和下降。因此，從別的角度來看毛細現象有其必要性。

首先，先介紹表面能與表面張力。兩種物質的交界面上存在著一種能量，我們稱之為表面能，它的能量來源屬於電位能，一般都用表面能密度（g, surface energy density）來表示，g定義為單位面積上所具有表面能。g與交界面積之乘積，即為該交界面的表面能。為了降低表面能，交界面喜歡縮到最小面積，對應此降低表面能之縮小機制就是表面張力( f)，表面張力定義為液體單位長度所受的力，從單位的角度來看，表面張力就是表面能密度，界面的表面張力越大，表示表面能密度越高，而表面能高越高的界面，面積會自然縮小，表面能低的界面面積會自然擴大（圖3）。以圖3a的立體示意圖為例，表面能密度，所以表面張力。三個表面張力造成的合力不為零（圖3b），因此三個界面的交界處會開始移動，三個界面的交界處會沿著任何時刻的合力方向移動，經過界面移動之後，各交界面之間的夾角會改變，最後達到力平衡，此時也是總表面能最小的時候（圖3c）。

圖3：表面能密度、表面張力與界面變化示意圖，圖中不同顏色表示不同物質 (a)立體圖；(b)上視圖，三個界面交界處合力不為零；(c)上視圖，移動後，三個界面交界合力為零。(圖片來源：作者繪製)

現在，我們可以開始從能量的角度來說明水的毛細現象了。如圖4a所示，此系統各界面上的表面能密度可表示為：空氣/水()、固體/空氣()、以及固體/水()，它們所對應的表面張力分別為、以及，受力之方向都是朝向縮小各表面能所對應的面積，其中為水和固體之間的附著力（adhesive force），在此系統中為水平方向，根據力平衡的觀點，水平合力和鉛直合力都必須為零。從圖4a中鉛直分量朝下，故可判斷，此時（親水性）。另以水銀為例（圖4b），水平合力以及鉛直合力也都必須為零，圖中鉛直分量向上，故可判斷，此時（疏水性）。

圖4：水(a)和水銀(b)在毛細管中的三個界面共同接觸點受力之分析圖，q為接觸角（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016）

從以上對毛細現象、表面張力和表面能的敘述，可知改變固體/液體()和固體/氣體()界面的表面張力大小，就可以控制接觸角q。實際執行層面上，可以透過改變固體表面的特性來改變表面張力大小，也就是所謂的表面改質（圖5）。也就是說，蓮葉上的蠟質結晶變成奈米大小，就是一種表面改質的概念，可以造成接觸角大於的超疏水性。我們的國中的「蓮葉效應」教具設計概念，即是從「蓮葉效應」的理論基礎（表面能和表面張力）發想，結合國中的力平衡現象教學所設計。

圖5：固體表面經由奈米化改質之後，表面張力大小變化示意圖（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016）

「蓮葉效應」教具設計與課程設計

選擇好設計的理論基礎之後，即以此理論基礎建立國中的「蓮葉效應與力平衡」奈米課程專家概念圖（圖6），我們依據此專家概念圖設計了五節課的教學內容。

圖6：國中「蓮葉效應與力平衡」教學模組之專家概念圖（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016）

第一節課：尋找看看哪些花市常見的植物葉片有蓮葉效應？

分別在貓草、薄荷、到手香、羅勒、檸檬香蜂草、金黃香蜂草、以及金錢樹葉上面滴一小滴水（圖7），觀察水形狀是水滴狀還是水珠狀？流動時是滾動還是滑動？水流過後是否留有水痕？觀察與觸摸這些葉子，進行簡單分類，以歸納出具有「蓮葉效應」的葉子有哪些共同處。

圖7：花市常見植物葉片上水的外型與滴水測試（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016）

第二節課：葉面上的小水珠所受的力有哪些？

學生在本堂課學會繪製合力的圖解法，並練習繪製兩力平衡、三力平衡、以及四力平衡的力圖。接著，探討水珠在蓮葉上受到幾個力的作用？學生在這堂課可以學到4種界面力量的知識、以及4種力和接觸角的繪製方式（圖8）。

圖8：(a)蓮葉上水珠在三界面交界點的受力情形；(b)請同學畫出三個界面上的力和吸附力，並標示出接觸角（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016）

第三、四節課：接觸角大小和力平衡的關係

這兩堂課為實作課程，圖9為實作課程的教具設計示意圖。學生要使用螺絲起子、板手、螺絲、螺帽、滑輪、以及金屬片（圖10）自行架設實驗儀器（圖11），然後調整代表蓮葉三個界面接觸點受力的4處砝碼重量（注意，調整後的水平線必須仍舊保持水平），分別模擬親水性表面（圖12）和疏水性表面（圖13），填寫學習單（表1）。從實驗數據中推論出當時（亦即），會出現疏水性；反之，時（亦即）會出現親水性。

圖9：模擬液體在三界面交界點的受力情形之構想圖（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016）

圖10：模擬三個界面交界點的受力情形所需之器材（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016）

圖11：模擬三個界面交界點的受力情形之儀器架設（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016）

圖12：模擬親水性表面，三個界面交界點的受力情形之實驗結果（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016）

圖13：模擬疏水性表面，三個界面交界點的受力情形之實驗結果（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016）

表1：學習單

第五節課：蓮葉效應在生活中的應用

本節課之目的在認識生活中運用蓮葉效應設計出的產品，並思考對我們生活的影響，進而設計出屬於自己的蓮葉效應商品。課程之進行可選擇由老師介紹，或是由學生自行找資料上台報告。建議內容包含生活中運用蓮葉效應的產品、蓮葉效應的產品有什麼優點和缺點、對我們生活的影響、並知道如何透過奈米標章（圖14）判斷是否為奈米產品，最後學生可以提出蓮葉效應產品的創意點子，並簡單分析出創意產品的優缺點。

圖14：奈米標章。(圖片來源：台灣奈米技術產業發展協會，http://www.tanida.org.tw/index.php)

結語

本文所介紹的「蓮葉效應」教學，透過自製的四力平衡教具呈現蓮葉效應中水珠受力情形，讓學生能透過實作了解接觸角與親水性、疏水性的關係。本教具運用到螺絲起子和板手等常見的手工具，學生在架設儀器時也能學習手工具之使用方式。本奈米課程可進一步修正成利用力平衡實驗數據進行表面張力大小之論證推理，可做為國中的探究與實作課程設計之基礎。

參考資料

何慧瑩、盧秀琴（2016）。高中「從蓮葉效應到自組裝」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN：978-986-04-5288-4)

奈米課程：「光子晶體」高中奈米課程設計／何慧瑩

星期四 , 3, 6 月 2021 編輯助理本期專題, 第四十三期/2021年6月留言功能已關閉

奈米課程：「光子晶體」高中奈米課程設計

何慧瑩

國立臺北教育大學自然科學教育學系

[email protected]

n 簡介

週期性介電質結構就是所謂的「光子晶體」。週期性介電質結構之所以稱為「光子晶體」，是類比於金屬晶體結構對電子物質波的影響。金屬原子會形成晶格（如FCC、BCC、…），這些晶格會不斷地重覆排列成晶體。如果將介電質做週期性的排列，會對電磁波會產生影響，因此稱為光子晶體。早期的製程結構較大，所以工作頻率主要落在微波頻段（約0.3 GHz至300 GHz，波長範圍約在1 mm 到1 m之間），近年來由於奈米製程的進步，可製作出奈米級的週期性結構，使得工作頻率從微波頻段進入可見光頻段（約400 THz至800 THz，波長範圍約在400 nm 到700 nm之間）。光子晶體有一維結構、二維結構、以及三維結構（圖1），一維的光子晶體屬多層膜結構，多層膜的物理機制在大學階段的光學書籍中已有詳細的推導，並且早已廣泛運用在生活中；二維光子晶體則和三維光子晶體分別為平面的陣列和立體陣列。光子晶體具有頻率的禁制帶（forbidden band），當電磁波的頻率落在禁制帶時，無法穿透光子晶體，會被完全反射，利用此特性，人類可以設計各種不同的結構來操控電磁波，例如光子晶體光纖（圖2）、隱形斗篷（https://www.hyperstealth.net/）、以及光子通道（圖3）。

圖1：光子晶體（圖片來源： Վահագն Մխիթարյան, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=32662980）

圖2：光子晶體光纖示意圖（圖片來源 Разумовский
Алексей СергеевичНаний Олег Евгеньевич, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17671575）

圖3：週期性結構造成光線發生全反射無法穿入結構中，因此只能在設計好的光子通道中傳遞

（圖片來源：作者繪製）

雖然光子晶體主要是指人工製成的結構，但自然界裡早已存在許多天然的光子晶體結構，例如：珠光鳳蝶（圖4）、孔雀的羽毛（圖5）、蛋白石（圖6）、…等，隨著觀看視角不同，顏色會改變（圖7）。

圖4：珠光鳳蝶（蘭嶼亞種雄蝶）（圖片來源 Peellden – Own
work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=36451320）

圖5：孔雀（圖片來源 Hendra
Suroboyo, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=79367851）

圖6：蛋白石（opal），一種寶石 (圖片來源 James St. John
– flickr, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=80125211)

圖7：從不同視角觀察蘭嶼珠光鳳蝶翅膀（擷取自影片https://www.youtube.com/watch?v=z2tfxCwE47g）

（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2014）

n 「光子晶體」教學設計之理論基礎

當兩個或兩個以上的波動同時到達空間中的某一位置時，這些波就會形成干涉，而干涉即是以波的疊加方式的進行。當波之間的相位差為0時（in-phase）稱為建設性干涉，而相位差為p時（out-of-phase）稱為破壞性干涉，以可見光來說，建設性干涉時最亮、破壞性干涉時最暗。有時，兩波之間並非建設性或破壞性干涉，則干涉後的亮度會介於最亮和最暗之間。光子晶體現象是由週期性排列的介質對光線所造成的影響，因此，此節介紹光子晶體的理論基礎時，會從光通過各種障礙物的干涉情形開始敘述，接著透過光碟的週期性結構對反射光的影響，具體呈現週期大小會影響光的反射和透射的概念。

一、圓孔繞射

根據惠更司定理，波動波前上的任一點，皆可視為一個新的點波源。因此，當光波通過一個圓孔時，可視為無限多個點波源從此圓孔射出，最後形成繞射圖形，此即稱為圓孔繞射（圖8）。

圖8：圓孔繞射（圖片來源 Wisky, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15113998）

二、多狹縫(光柵)繞射

當縫隙不只一個或二個，而有相當多的狹縫，則透射光的繞射會形成分散開來的光線（圖9），所遵循的繞射條件為，其中為相鄰兩狹縫中心之距離、為第n條亮線的繞射角、n為繞射級數（亦即第n條繞射亮線）。圖10所示為透過光柵觀察氪原子（Kr）的電子在高電壓下進行不同能階躍遷時所放出的光，亮線對應符合的光波長。

圖9：光柵繞射示意圖，其中紅色線表示紅光的繞射線，藍色線表示藍光的繞射線（圖片來源 Mateusz Pasternak, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5311286）

圖10：氪氣(Kr)光譜（圖片來源 Mrgoogfan,
Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12458952）

三、週期性表面結構繞射

光柵除了對通過的光造成影響之外，在其表面所反射的光也會形成分散開來的光線，我們稱之為週期性表面結構繞射。如圖11所示，當一道光線以的角度入射至表面週期性結構時，其反射光所遵循的繞射條件為，其中為繞射角、a為結構週期之長度、n為繞射級數。入射光若為垂直入射，，則。

圖11：表面週期性結構(作者繪製)

四、多層膜干涉

週期排列的金屬晶體結構對傳導電子的物質波（matter wave, ）有很大的影響，它會造成某些能量區間是不能有電子的，這些能量區間稱為能隙（energy gap），而電子可擁有的能量值被這些區間切割，形成電子能帶（energy band），能隙和能帶形成能帶結構（energy band
structure），也就是說可以存在金屬中的電子，其擁有的能量一定要落在能帶的範圍，而能量落在能隙的電子則不能存在於金屬中。對電磁波而言，不同介電質形成週期性結構會對電磁波產生的影響如同金屬結構對自由電子物質波的影響一樣，對應電磁波能量即為電磁波的頻率（），所以形成的稱為頻帶結構（frequency band structure），當電磁波的頻率落在可容許的頻率範圍，電磁波就可以透射進入該週期性結構，若電磁波頻率落在不被容許的頻率範圍（禁制帶），則此電磁波無法透射進入該週期性結構，亦即被完全反射（圖12）。圖12中，波長介於550 nm至750 nm之間的波的透射率約為1，代表此波段的光完全透射進入多層膜，沒有反射，其餘波長透射率幾乎為零，代表幾乎被完全反射。因此，我們觀看這種多層膜的透射呈色，會比較偏向於橘色和紅色；若是反射呈色，則是會偏向於紫色和藍色。

圖12：多層膜干涉示意圖，其中和分別表示高折射率層和低折射率層 (作者繪製)

市面上常見裝飾用的彩虹膜，是一種由兩種不同折射率透明材質所構成的週期性結構，厚度約為20 mm，是一種一維的週期性結構，若以100層50個週期來計算，則一個週期長度約為。我們將彩虹膜以口紅膠黏貼在3D列印蝴蝶骨架上（圖13），在太陽光底下觀看轉動的蝴蝶，會發現彩虹膜的反光顏色隨轉動角度而改變，同時地面上的透光顏色也一樣會發生變化（影片連結：https://youtu.be/3cNInQH9Amk）。

圖13：以不同視角觀看黏貼在3D列印蝴蝶骨架上的彩虹膜之反光與透光（作者拍攝）

五、負折射率

光子晶體除了具有光柵繞射（grating diffraction）和多層膜干涉（multilayer interreference）現象之外，在某些特殊條件下，還會有負折射率的現象出現（圖14），可運用於製作有如隱形斗篷功能的新穎材料（欒丕綱，2015），加拿大Hyperstealth Biotechnology公司於2021年1月發布了一個影片（https://www.hyperstealth.net/）展示他們在隱形斗篷的發展，他們稱這項產品為「量子隱形」（Quantum Stealth）。

圖14：負折射率示意圖 (圖片來源 Josell7, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9787350）

六、光碟之週期性結構

光碟表面具有凹凸的結構用以儲存資料，光碟之所以有繞射現象，就是因為它的凹凸結構沿直徑的方向是週期性分布的同心圓（圖15），因此有表面週期性結構繞射（反射）。儲存容量大的光碟，它的同心圓分佈比較密，亦即週期較小，因此繞射現象會更明顯，這就是一種尺寸效應。光碟機的雷射光聚焦透鏡會有圓孔繞射效應，當儲存容量大的光碟之同心圓分佈太密集，此時紅光雷射對這種光碟而言中央繞射光點直徑太大，因此不能再使用紅光雷射作為讀寫的光源，降低圓孔繞射影響的方法就是使用波長較短的藍光來當讀寫的光源，所以，藍光DVD的儲存容量可以比紅光DVD的儲存容量大。燒錄過的光碟會在原本的環狀結構上燒錄出凹陷，形成沿著切線方向的凹凸交錯之結構(非週期性)（圖16）。

圖15：(a)左圖為正面拍攝未燒錄過的4.7 GB光碟片的表面；右圖為以金相顯微鏡放大1000倍拍攝4.7 GB光碟之週期性結構（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2014）；(b) 顯示出與圓周相切的切線及法線方向（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2014）

圖16：(a)和(b)為燒錄過的光碟表面，以掃描式電子顯微鏡觀察 (a)為放大三千倍之低容量光碟表面，而(b)為放大一萬倍之高容量光碟表面 (c)為整個燒錄過後的光碟上凹凸結構示意圖

（圖片來源：(a)(b)修改自htp://volga.eng.yale.edu/index.php/CDsAndDVDs/MethodsAdMaterials；(c)何慧瑩、盧秀琴，2014）

n 「光子晶體與光碟讀寫機制」教學設計

高中光學雖未包含多層膜內容，但是有單狹縫繞射、雙狹縫干涉、以及圓孔繞射實驗，而如光柵之週期性結構可能也略有描述。因此可以從圓孔繞射實驗，讓學生了解光的繞射現象，接著透過光柵實驗讓學生了解週期性結構對光線的影響，由於光碟的儲存容量與圓孔繞射和週期性結構有關，因此我們剛好可與光碟的讀寫機制作結合，讓學生對於目前使用的光碟有更深一層的認識；最後，我們再從多層膜的實驗帶入自然界光子晶體的概念。然而，光子晶體最核心且最有應用價值的現象為負折射率和光子通道，但這些都很難在一般的實驗中呈現，甚至在大學階段亦是如此，因此老師若想介紹負折射率和光子通道，就只能透過影片和圖片進行教學，讓學生知道有此相關之應用。

依據以上的介紹，我們所設計的高中階段光子晶體課程，內容包含了圓孔繞射、光碟週期性結構對光的影響、大美蘭蝶翅膀呈色和彩虹膜的光子晶體現象三個部分，先讓學生透過針孔繞射了解波長短的針孔繞射時中央亮點的直徑較小，作為推論儲存容量高的DVD需要使用藍光雷射的原因；接著觀察不同容量光碟對其反射光的影響，以增進學生對週期長度的認識，藉此了解週期長度改變時，對光的影響也隨之發生變化；最後則是觀察自然與人造的光子晶體現象，並請同學推論觀察到現象的原因。

第一部分：圓孔繞射之教學

利用0.3 mm的自動鉛筆的頭作為圓孔（圖17a），架設圓孔繞射裝置（圖17b）。分別以紅光雷射與綠光雷射垂直入射圓孔，觀察兩種雷射光在屏幕上的圓孔繞射之繞射環與中央繞射實心圓（圖18），讓學生推論中央繞射實心圓的直徑大小與光波長的關係、以及與光碟儲存容量之關係。

圖17：(a)以0.3 mm自動鉛筆頭作為圓孔 (b)圓孔繞射裝置圖（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2014）

圖18：圓孔繞射之繞射光點與光環。左側兩張圖是正確的繞射圖，右側兩張圖的中央繞射光點變成橢圓形，是因為雷射光沒有垂直入射圓孔所造成。（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2014）

第二部分：光碟之週期性結構對光的影響

(1) 利用正面觀察700 MB紅光CD、4.7 GB紅光DVD與25 GB的藍光DVD表面的反光，讓學生討論不同尺寸大小之週期性結構產生之光子晶體現象有何不同（圖19）。

圖19：正面拍攝700 MB紅光CD、4.7GB紅光DVD、與25 GB藍光DVD之影像（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2014）

(2) 接著轉動25 GB藍光DVD，觀察表面的反光，讓學生討論週期性結構的尺寸越小時，為何色光依序出現的現象越明顯？(圖20)。

圖20：(a-f)轉動25 GB的藍光光碟，光碟上的繞射光依照繞射角由大至小，所出現的顏色依序為紅、橙、黃、綠、藍和紫，顯示紅光的繞射角最大，而紫光的繞射角最小 (g)在與法線夾角小於範圍，沒有發現任何色光 (h)正視時，只看得到一般的鏡面反射，但是完全看不到繞射光（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2014）

第三部分：大美蘭蝶的翅膀呈色與彩虹膜

(1) 觀察大美蘭蝶翅膀在投影機照射下的呈色（圖21），推論大美蘭蝶的翅膀可以反射那些色光？不能反射那些色光？並從光碟呈色現象推論出大美蘭蝶翅膀具有週期性結構，以及可能的週期性結構的尺寸大小。

(2) 觀察彩虹膜面向光源時的透光顏色，接著左右轉動彩虹膜，觀察透射色光變化（圖22）。接著，將彩虹膜放置在桌上，底下墊黑色物品，以不同視角觀察其反射光色彩之變化（圖23）。請同學討論彩虹膜透光呈色與反光呈色之差異性，並推論若底下墊的不是黑色，而是其他顏色，則反光的呈色會發生何種變化？為什麼？

圖21：左圖為大美蘭蝶翅膀在投影機投射呈白色的區域之呈色，右圖為大美蘭蝶翅膀在投影機投射呈紅(R)、藍(G)、綠(B)、黃等四個區域之呈色 (圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2014)

圖22：左圖為彩虹膜面向光源時的透光呈色，右圖為彩虹膜側向光源時的透光呈色。（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2014）

圖23：彩虹膜的反射呈色（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2014）

n 結語

我們分析光子晶體之基本原理，並找出原理中可以在高中階段以實驗來呈現的部分，設計成高中的「光子晶體」奈米課程，雖然無法呈現光子最核心之應用面，但已能讓高中學生一窺光子晶體的入門科學概念。我們建議高中教師可運用我們所發展之教材，教學著重在改變週期性結構對光的影響，並加強學生對大美蘭蝶翅膀結構、彩虹膜呈色的推理論證過程，以符應108課綱的學習表現。

n 參考資料

何慧瑩、盧秀琴（2014）。高中「光碟讀寫機制與其光子晶體現象」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN：978-986-04-1582-7)

欒丕綱（2015）。光波操縱師─神奇的光子晶體。科學月刊，545。取自https://pansci244.rssing.com/chan-55304548/all_p2.html

利用壓力感測器調查雙氧水的催化分解／廖旭茂

星期三 , 2, 6 月 2021 編輯助理微型化學實驗, 第四十三期/2021年6月留言功能已關閉

利用壓力感測器調查雙氧水的催化分解

廖旭茂

台中市立大甲高級中等學校

教育部高中化學學科中心

[email protected]

■簡介

數位感測器的使用在中學的教學使用越來越普遍，剛開始僅用在科展競賽選手的培訓上，在廠商結合大學端多年的合作推廣下，慢慢地拓展開來。筆者第一次接觸數位感測器是多年前參加東吳大學物理系陳秋民教授的研習上；陳教授生活觀察經驗豐富、擅長從回收場中淘寶，實作教具，並以風趣的口吻解說生活科學原理，當然借用感測器進行探究的實務經驗，算是是台灣物理教育的先行者，後來更受邀至北京清華大學講學，有「鵝爸」暱稱（羅佩琪、廖英凱，2013）。

隨後，在2014年參加邱美虹教授帶領的上海兩岸實驗教學交流活動，教學觀摩中看到上海的老師利用無線pH計結合及資料採集器，進行酸鹼解離的實驗教學。基於數年的累積與準備，本校開始於高二的選修課程–探索化學中，開始導入數位化學科學實驗，利用數位溫度計、氣壓感測器、導電度計、酸鹼pH計開發課程。

大象牙膏在中學是經典的演示實驗之一，其中雙氧水在碘化鉀或二氧化錳的催化下，快速分解產生氧氣，並讓已在量筒中事先加入的洗碗精溶液吹脹起大量的泡泡；國中生物學過，大多數生物體的器官內都含有過氧化氫酶（Catalase,
2020），如哺乳內動物的肝臟中含量特別高；植物中的馬鈴薯；甚至微生物，如酵母都含有過有過氧化氫酶，可快速分解雙氧水成為水及氧氣。下圖1為試管中的大象牙膏反應：

圖1：大象牙膏中雙氧水被碘化鉀催化分解（圖片來源：作者攝製）

酵母中的酵素在雙氧水的分解中，扮演何種角色？如何影響雙氧水的分解速率？這是過去演示實驗沒告訴我們的事；本課程將使用市售烘焙用的酵母菌作為催化劑，藉由氣壓感測器來探究雙氧水的酶催化分解（Volz & Smola, 2009），課程實際進行約為4週，每週2節課的時間。雙氧水分解的實驗探究如下：第一週為氣壓感測器的操作介紹，進行初步實驗，以及計畫擬定(提出假設、設計實驗，步驟、蒐集數據方法)，第2~5週為變因探究（濃度、溫度、pH值、重金屬離子），第6週為數據整理與結果發表。希望透過完整的過程，引導同學學習如何探討如何製作專題。

■器材與藥品

一、藥品：藥品：1.0M的雙氧水、1%酵母懸浮液（秤取一克烘焙用酵母粉，溶於99毫升的水中，利用電磁攪拌器攪拌10分鐘）、1.0M的碘化鉀溶液、沙拉脫1瓶。

二、器材：VERNIER資料分析採集器、氣壓力感測計、電磁加熱攪拌器、固定鉛環、50mL錐形瓶1個、試管兩支、10mL量筒兩支。

■教學歷程

l 第一週：初步實驗

一、 引發動機（Engagement）

大象牙膏示範：取出預備的甲、乙兩個10毫升的量筒，其中各加入濃度為1M的雙氧水3mL與5滴的沙拉脫清潔劑，隨後以試管盛裝1M的碘化鉀溶液2毫升，倒入甲量筒中，觀察量筒中泡泡上升的速度與泡泡量。接著以另一支試管盛裝1%的酵母溶液2毫升，倒入乙量筒中，觀察量筒中泡泡上升的速度與泡泡量。比較兩支量筒泡泡上升的快慢。

二、 教師提問：

1. 雙氧水分解產生的氣體是甚麼？

2. 根據觀察，請說出哪一支量筒的分解反應速率較快？

3. 除了目視觀察外，根據分解反應式，可以用甚麼方法測量雙氧水的分解速率？測量單位時間反應物雙氧水的減少量？抑或測量產物氧氣的增加量？可能需要甚麼樣的儀器設備？

4. 請預測若酵母液的濃度若增加時，雙氧水的分解速率將發生何種變化？

5. 溫度如何影響酵素的活動？請預測酵素催化雙氧水分解的最佳溫度？

6. pH的不同如何影響酵素的催化活動？請預測酵素催化雙氧水分解的最佳pH值？

7. 重金屬會影響酵素的活動嗎？請預測若在溶液中加入硫酸銅，酵素催化的速率會發生何種改變？

三、 氣壓感測器的使用及酵母液催化分解的建議步驟（結構式探究）：

1. 器材分發：分成8組，每組3人，各組依組別拿到相同編號的機器。

2. 機器開機：找到資料分析採集器的左上開關按壓鍵，按壓開關打開採集器，且從檔案【File】選單中選取新增[New]（圖2）。

圖2：資料分析採集器開機設定圖（圖片來源：作者攝製）

3. 管線連接：將壓力感測器的白色數據接頭接在採集器的channel 1。將塑膠管的一端連接壓力感測器。

4. 數據採集：進行氣壓數據採集設定，在【感應器】的選單下點選〔數據擷取〕選項，進入數據擷取頁面，若設定取樣率為0.2樣本/秒，期間為180秒的話，時間範圍內可採集36個數據；若期間改為300秒的話，時間範圍內可採集60個數據。下圖3為設定畫面。

圖3：數據擷取設定畫面（圖片來源：作者攝製）

5. 反應條件：取一個50毫升的錐形瓶，倒入1.0M的H₂O_2(aq)5毫升、19毫升的蒸餾水及1%的酵母液1毫升，總體積約25毫升，塞上矽膠塞。

6. 數據採集：將矽膠塞的魯爾母接頭輕緩旋緊1/2~3/4圈，連接塑膠管的公接頭，按下螢幕左下角的綠色開始鍵，開始數據蒐集。下圖4為反應及數據採集過程。

圖4：數據採集過程（圖片來源：作者攝製）

7. 數據分析1：實驗結束，點按「分析」鈕中的曲線擬合，隨即勾選「壓力」（圖5）。

圖5：將採集的數據進行分析（圖片來源：作者攝製）

8. 數據分析2：選擇將壓力與時間的數據進行「線性」擬合，隨即出現擬合方程式合，找出最適合直線y=mx+b及斜率m，斜率m即為分解速率(∆P/∆t)。下圖6為數據分析步驟。

圖6：數據分析過程（圖片來源：作者攝製）

9. 重複實驗三次，算出雙氧水的平均分解速率，將實驗數據填入實驗表格內。

10. 想想看，雙氧水的分解速率可能跟那些因素有關？

四、 探究步驟規劃（Exploration&Experience）

1. 相互討論，判斷變因：舉出1~2個影響雙氧水的分解速率的因素。

2. 決定控制變因、操縱變因與依變變因，設計反應物用量，規劃實驗步驟。

3. 執行實驗、收集數據、分析數據。

4. 做出結論，依據實驗數據提出一個合理的主張。

l 第二~五週：酵母液濃度、雙氧水濃度、溶液溫度、溶液酸鹼值、重金屬離子等變因探究
(礙於篇幅，本文僅提供酵母液濃度、溫度變因的建議步驟及相關的學習單)

一、 探究酵母濃度如何影響雙氧水的催化分解速率？建議步驟如下：

1. 設計建議：溶液總體積不超過容器體積的1/2，意即25毫升為上限。並參考第一週提供的實驗規劃。

2. 根據標題題幹，說出本實驗最主要的控制變因為_________，操縱變因為_________

3. 請將各溶液所使用的體積填入自行設計的表格中。下表1為建議表格格式。

表1：規劃溶液體積建議表格

4. 根據實驗設計，並沿用第一週的建議步驟，使用氣壓感測器量測雙氧水催化分解的步驟，求出分解速率R₁，R₂、R₃、R₄、R₅。並將實驗結果填入相關表格中。

5. 以反應速率R為縱座標，酵母液濃度為橫坐標自行設計作圖，嘗試探討酵母液的濃度與反應速率的關係。建議作圖如下：

圖7：分解速率R酵母濃度(%)建議座標圖

6. 根據數據分析及作圖結果，嘗試歸納雙氧水的催化分解速率與酵母液濃度的關係。

二、 探究溫度如何影響雙氧水的催化分解速率？建議步驟如下：

1. 設計建議：溶液總體積不超過容器體積的1/2，意即25毫升為上限。並參考第一週提供的實驗規劃。

2. 根據標題題幹，說出本實驗最主要的控制變因為_________、_________，操縱變因為_________

3. 請將各溶液所使用的體積，及溫度填入自行設計的表格中。下表2為建議表格。

表2：規劃溶液體積建議表格

4. 根據實驗設計，並沿用第一週的建議步驟，使用氣壓感測器量測雙氧水催化分解的步驟。

5. 取一個250mL的燒杯，預先裝入6分滿的水，將小錐形瓶浸泡於燒杯中，使用電磁加熱攪拌器進行水浴加熱控溫。不同溫度下會有水蒸氣壓，因此每次實驗接妥管路後，必須依當時壓力重新校正儀器，或進行不同溫度下的空白實驗，再進行扣除。求出真正的壓力變化。求出分解速率R₁、R₂、R₃、R₄、R₅。並將實驗結果填入相關表格中。下圖為水浴加熱實驗裝置照片。

圖8：水浴加熱壓力量測過程（圖片來源：作者攝製）

6. 以反應速率R為縱座標，溫度為橫坐標自行設計作圖，嘗試探討溫度與分解反應速率的關係。建議作圖如下：

圖9：分解速率R與溫度(℃)建議座標圖

7. 根據數據分析及作圖結果，嘗試歸納雙氧的催化分解速率與溫度的關係。

l第六週：解釋、表達與精緻化-Explain,Communication, &Elaboration

一、分組發表與報告：同組同學討論、歸納、繪圖分析後，歸納出結論後，與先前的預測結果做比較，並加以說明原因。

二、發表自己的論點，並審視同學發表的結論是否得宜，同時加以比較各組間的差異度。

三、教師公布參考答案，同學比較後歸納可能產生偏差的因素，進行修正；教師並向學生說明本實驗活動是定容下，量測單位時間的氣壓的變化作分解反應速率，與定壓下，量測單位時間內產物的體積變化作為分解反應速率的差異處。透過單位時間內氣壓的變化的監測，建立定容狀態下，雙氧水於各種不同條件中，酶催化分解速率的動力學模型。

■教師教學提示與建議

l 教學建議：

1. 每一週不同的變因探究前，最好讓學生討論進行實驗結果的預測。實驗結束後，再要求根據實驗結果與預測相比較。

2. 引導學生進行實驗設計時，必須跟學生強調控制變因是哪些？操縱變因是甚麼？

3. 網路上關於雙氧水的催化分解的專題研究素材非常多，建議學生可搜尋並評估其適用性後方可使用。

l 實驗提示

1. 氣壓感測器有一定的耐壓程度，原則上超過150Kpa，矽膠塞就有彈開的風險，所以H₂O₂的濃度、酵母液的濃度，不能太高，分解速率加速下，有矽膠塞彈開或感測器受損的風險。

2. 每次使用氣壓感測器需針對當時當地的氣壓進行校正。

3. 酵母的活性會隨著製造時間的不同而有所差異，不同來源的酵母活性亦不相同，每次實驗最好能實驗前新鮮配置，並允許於30~40℃的溫水中，進行活化超過10分鐘。

4. 實驗室購置的濃雙氧水重量百分率約為30%，可加水稀釋為3%左右（此時體積莫耳濃度約為1.0M的雙氧水）；常溫常壓下，雙氧水主動慢慢分解成氧氣與水，最好能實驗前新鮮配置，或放置冰箱，但時間不宜超過一星期。

5. 利用磁攪拌器，水浴控制溫度，並不容易精準；為安全起見，加熱溫度亦不宜過高，同時矽膠塞容易有彈開的可能。

■安全注意及廢棄物處理

1. 所有實驗後的廢液，可以清水稀釋排放，或依規定回收處理。

■參考資料

1. 廖旭茂（2014）。上海化學教學參訪與經驗交流：行動蝕刻和分子撲克牌教學交流與參訪心得。臺灣化學教育，4，取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=3520。

2. 羅佩琪、廖英凱（2013年11月18日）。文組生的物理課──專訪陳秋民老師。取自：https://pansci.asia/archives/50821

3. Catalase（2020, November 27）. In Wikipedia. Retrieved May 20, 2021, from https://en.wikipedia.org/wiki/Catalase。

4. Volz, D.& Smola, R. (2009). Investigating chemistry through inquiry. Beaverton, Oregon: Vernier.

■下載學習單

國小二年級雙語生活課程─彈跳泡泡／葉之愛

星期二 , 1, 6 月 2021 編輯助理多元教學法, 第四十三期/2021年6月留言功能已關閉

國小二年級雙語生活課程─彈跳泡泡

葉之愛

臺北市三民國小雙語自然教師

臺北教育大學自然科學教育學系在職碩士專班

[email protected]

n 有趣的彈跳泡泡吸引學生目光

教學單元為二年級上學期生活課程中泡泡的單元，是一個和化學有關的內容，本校國小二年級生活課程結合雙語教育。學生在實際操作之前，教師先播放影片及實際示範引起學生動機，學生第一次看到泡泡可以在棉絨布手套上彈跳時都非常驚訝，覺得非常有趣。接著，開始介紹課程中需要用到的材料，介紹的過程中讓學生熟悉家中常用物品的英文，緊接著就讓學生開始實際操作。

n 彈跳泡泡的雙語課程教學法

彈跳泡泡的教學是運用CLIL(Content and Language Integrated Learning)教學法將學科內容與語言學習互相結合，將語言作為學生學習學科的工具，藉以促進學科知識和語言的雙重學習。課堂中的語言教學注重真實語境的應用，學生在課堂中接觸的語言素材、句型等都以學科知識的應用為出發點設計，讓語言能在學生的生活中實際運用。

彈跳泡泡的前幾堂課，學生已熟悉吹泡泡的技巧，此次上課透過實作活動讓學生瞭解如何讓泡泡彈跳，並能和同學合作將泡泡一個傳一個完成任務，課程中不斷重複所使用材料的英文，這些皆為生活中常用的單字，學生藉由多聽多說能夠更加熟悉。

n 雙語生活課程教學策略

雙語教學過程中，教師大多時間使用英文教學，會有學生沒辦法了解，需要透過不同的媒材、不同的教學策略幫助學習，以下四點說明此次教學過程所運用的策略：

(一) 設定目標單字：

目標單字為這堂課中不斷重複且學生需要了解的單字，bubble和dish soap前幾次上課學生已熟悉，這次上課的目標單字包含sugar, salt, vinegar, glue, cotton gloves, plastic gloves, rag, towel，這些為會加進泡泡水中的材料以及用來接泡泡的工具，單字會一直出現，學生藉由不斷聽且不斷說，記住且了解這些單字。

(二)設定目標句型：

進行每一個活動時，教師都會重複目標句型，句型在每個實驗環節中都會出現，因此學生需要了解句子的意思，並且知道如何回應教師。

1. What is it? / This is _____.

先詢問學生所使用的材料分別是什麼，用英文問，讓學生用英文答。

2. Can the bubble bounce?

Yes,the bubble can bounce. / No, the bubble can’t bounce.

做完每個實驗時，先讓學生記錄實驗結果，接著請各組發表泡泡是否能夠彈跳，不斷重複問此問題。

(三)教師使用英文比例：

根據不同班級、不同課程，隨時都能調整中、英文使用的比例，此次教學的班級有幾個學生英文程度不錯，將學生分散在各組，因此英文和中文使用的比例大約是七成和三成。課程中，若有需要英文的比例可能減少或增加。

(四)不同教學媒材輔助：

教師在解釋實驗步驟時，運用大量圖片、手勢來解釋，講解到一個段落時，停下來詢問學生是否有問題，可以用中文解釋或是看有沒有學生理解，請學生解釋給全班聽，確認大家都了解實驗的步驟，再繼續接下來的教學。此次上課時，學習單（見圖1）上面也設計了空格(紅色框框處)讓學生先將上述提到的目標單字畫或寫下來，學生進行實驗時，也能夠透過自己的學習單知道了解加入哪些材料，以及用哪些工具來接泡泡。

圖1 學生的學習單

n 彈跳泡泡的原理和概念

泡泡外面是一層介面活性劑的膜(圖2)。當手碰到泡泡時，會造成泡泡破掉。若泡泡碰到質地較軟且有細毛的材料(例如：棉質手套、絨布等)，能夠緩衝泡泡承受的壓力，因此泡泡比較不容易破掉。

圖2 彈跳泡泡的原理說明圖（取自https://www.youtube.com/watch?v=1_EDkquNFNs）

n 學生進行實驗可以探究的問題

(一) 加入哪些材料可以製作彈跳泡泡？

(二) 哪些材質接泡泡能夠讓泡泡彈跳？

(三) 讓泡泡彈跳時間增加的技巧?

n 實驗材料與器材

為了讓學生在家裡也能進行實驗，使用到的物品皆是家裡易取得的物品。

l 製作泡泡水材料：洗碗精、糖、鹽、醋、膠水

l 接泡泡物品：塑膠手套、棉手套、抹布、毛巾

l 工具：杯子、吸管/滴管

n 實驗過程

(一) 找出加入哪些材料可以做出彈跳泡泡

1. 將水、糖/鹽/醋/膠水、洗碗精依4：2：1的比例調製泡泡水（圖3）。

圖3 調配不同比例的吹泡泡水

2. 用吸管吹泡泡，並用棉手套去接泡泡，找出加入何種材料可以製作出彈跳泡泡水（圖4）。

圖4 學生進行不同比例的吹泡泡水效果測試

(二) 用哪種材料接泡泡能夠讓泡泡彈跳

1. 用前一個實驗找出來可以讓泡泡彈跳的泡泡水實驗，分別用棉手套、塑膠手套、抹布、毛巾接泡泡，找出可以接泡泡的物品（圖5）。

圖5 學生測試不同讓泡泡彈跳的物質表面

2. 同組學生挑戰傳泡泡，將泡泡從第一個人傳到最後一個人手中（圖6）。

圖6 找出最佳泡泡水比例與接泡泡的材質後進行泡泡傳遞遊戲

(三) 找出讓泡泡彈跳的技巧

1. 讓學生自己嘗試接泡泡，讓泡泡彈跳。

2. 教師到各組去詢問學生是否有成功，引導他們能夠成功的方法。

3. 透過遊戲讓學生討論，完成任務的過程中，發現讓泡泡彈跳的技巧。

n 實驗結果

(一) 加入何種材料能做出彈跳泡泡

加入材料

糖

鹽

醋

膠水

泡泡能否彈跳

Ｏ

Ｘ

Ｏ

(二) 找出用何種物品接泡泡，能讓泡泡彈跳

接泡泡物品

棉手套

塑膠手套

抹布

毛巾

泡泡能否彈跳

Ｏ

Ｘ

Ｏ

(三) 找出讓泡泡彈跳的技巧

1. 泡泡不能吹太大，小一點的泡泡比較容易彈跳成功

2. 接泡泡的時候要輕輕的接，泡泡不容易破

3. 盡量用乾的地方接泡泡，泡泡才不容易破

n 實驗教學困難與解決方法

(一) 學生調製泡泡水時，需要花較多時間操作，有些學生因不清楚比例概念需要教師協助，容易浪費太多時間在調製泡泡水上。

【解決方法】教師事先調製好泡泡水基礎液(洗碗精和水以1：4的比例調製)，學生只需要加入糖、鹽、醋、膠水後，即可實驗不同泡泡水吹出來的泡泡彈跳效果。

(二) 接泡泡的物品濕掉之後，彈跳泡泡的效果變差，會讓最後傳泡泡的活動進行較不順利。

【解決方法】準備吹風機，進行完前面的實驗之後先把接泡泡的物品吹乾，再進行最後傳泡泡的遊戲。

n 教師對學生雙語學習的觀察

(一) 學生使用英文的時機：

小組討論、實驗操作時，學生仍然習慣使用熟悉的中文，當教師提出問題時，學生有較多機會使用英文，英文程度好的學生會使用英文向老師提問，英文程度較差的學生幾乎都會用中文表達，但學生可以重複老師英文的句子，增加說英文的機會。

(二) 學生完成任務的表現：

當學生成功接到泡泡時會非常興奮，臉上出現燦爛的笑容，立刻跟同學及老師分享自己成功的經驗。並且非常期待繼續嘗試加入不同材料的泡泡水，彈跳泡泡的效果如何。

(三) 學生如何去解決問題：

當學生在嘗試的過程中遇到問題時，會想辦法解決，同組的同學會互相給意見告訴對方該如何做比較容易成功。例如：泡泡要吹小一點比較好彈跳，泡泡要慢慢吹比較好。

(四) 學生之間的團隊合作：

進行傳泡泡遊戲時，小組氣氛融洽，大家會互相合作、互相幫忙，失敗時，不會互相責怪，而是盡快改進，想盡辦法要讓泡泡成功傳到最後一個人手中。活動中可以看到學生發揮團隊精神，並且互相鼓勵。

n 學生的學習回饋

學生都非常喜歡彈跳泡泡的實驗，以前的經驗是碰到泡泡就會破掉，沒想到竟然有方法可以讓泡泡在手上彈跳，甚至可以輕輕地捏住泡泡。學生也很喜歡玩傳泡泡的遊戲，也很期待下次還能夠進行彈跳泡泡的實驗，有更多時間練習接泡泡的技巧，期待能夠有更多不同的玩法。

n 雙語教學心得與省思

這次的教學學生給的反饋非常的好，我也覺得這個實驗非常有趣，但仍然有許多部份可以修正更好，讓教師教學更順利，學生能夠學習到更完整的課程，分別為以下幾點：

(一) 雙語教學的改進

希望教學的時候能讓學生有更多的時間、機會可以使用英文，因此討論的時候給學生today’s language的小單子，單子上有句型（When we add ____ in bubble solution, the bubble can/can’t bounce.）能夠讓學生套用，幫助他們和同學討論，發表實驗結果時能幫助學生用英文回答，更能夠落實雙語教育在課程中。

(二) 教學流程的改進

教師事先調配好泡泡水基礎液，另外準備多一些容器先分好糖、鹽、醋和膠水，讓各組可以同時進行調泡泡水的步驟，更能節省時間。實驗做完多留一些時間讓學生討論，討論加入什麼材料能夠配出彈跳泡泡水，以及討論讓泡泡彈跳的技巧，最後進行傳泡泡的遊戲會更順利，也能有更多時間給學生不同的任務挑戰，像是挑戰誰傳泡泡的速度最快、彈跳泡泡的次數最多等。

n 致謝

在此感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系109學年度第1學期化學特論(一)課程周金城教授與全體同學協助，提供本文架構調整與內文修正之意見，在此謹深摯謝忱。

n 參考文獻

中視新聞（2016年10月3日）。神奇！手戴棉質手套泡泡可任意把玩。檢索日期：2020年12月10日。取自https://www.youtube.com/watch?v=1_EDkquNFNs

《臺灣化學教育》第四十二期目錄／ 2021年3月

星期三 , 10, 3 月 2021 編輯助理第四十二期/2021年3月留言功能已關閉

《臺灣化學教育》第四十二期（2021年3月）

目錄

主編的話

第四十二期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕

本期專題【專題編輯／鍾曉蘭】

♦高中自然科學探究與實作：發現問題、課程模組設計與修正／鍾曉蘭〔HTML｜PDF〕

♦高中自然科學探作與實作：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〔HTML｜PDF〕

♦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、鍾曉蘭、謝東霖、許舜婷〔HTML｜PDF〕

♦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、吳德鵬〔HTML｜PDF〕

♦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、許哲瑜、曹雅萍〔HTML｜PDF〕

化學實驗／綠色化學實驗【專欄編輯／周金城】

♦跨領域的台灣土肉桂探究之旅–抗菌設計篇／陳許玉鈴、廖旭茂〔HTML｜PDF〕

課程教材／化學課程與教材【專欄編輯／鐘建坪】

♦學思達教學法融入國中自然領域課程設計 —以水的電解為例／張耕碩〔HTML｜PDF〕

第四十二期主編的話／邱美虹

星期二 , 9, 3 月 2021 編輯助理主編的話, 第四十二期/2021年3月留言功能已關閉

第四十二期主編的話

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授
國際純粹化學與應用化學聯合會（IUPAC）執行委員會常務委員
中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員
美國國家科學教學研究學會（NARST）前理事長
[email protected]

近年來，全球對於在科學–科技–工程–數學(STEM)人才流失以及女性在STEM相關領域(STEM-Plus，除前述四領域外，還可包含設計、醫學等等)的議題，持續表現高度關心。亞太經濟合作（Asia-Pacific Economic Cooperation, APEC）的各經濟體對於具備科學素養能力之人力亦顯需求日漸迫切；但來自APEC經濟體系教育系統的人力產出不僅不足，甚至還在減少（UNESCO Institute of Statistics，2015）。基於認知到此一需求，在智利（2004年）、秘魯（2008年）和韓國（2012年）的亞太經合組織教育部長級會議上，聚焦於科學教育之計畫已被列為優先考量，而除了STEM-Plus教育的重要性受到關注之外，女性在STEM-Plus領域的發展以及參與率也愈發受到世界的矚目，包括澳洲提出推動女性在STEM領域發展的策略以及由聯合國提出，每年舉辦慶祝活動的「國際女性科學日」等，都彰顯女性在STEM-Plus領域的影響力已日漸上升；因此，如何改善女性學習環境並促使他們成為STEM-Plus相關產業的一大助力便成為各經濟體的重要新挑戰。

為了回應此議題並促進臺灣和亞太地區之STEM-Plus教育交流，及探索亞太地區女性在STEM-Plus領域發展的情況，我受教育部國際及兩岸教育司邀請在2019年智利之APEC年會中提案辦理亞太地區STEM-Plus for Women and Girls 工作坊，並成功獲得APEC經濟體與人力資源發展工作小組支持與贊助得以辦理該項活動。原預計在2020年5月執行此計畫，但受到COVID-19疫情的影響，遂延期至2021年3月25-26日舉辦線上與實體並存的會議，除有專題講者的演講之外，也包含了APEC經濟體代表報告以及專家小組論壇。

開幕致詞的貴賓有APEC 人力資源發展工作小組主席Dong Sun PARK教授以及教育發展分組協調人王燕教授、教育部國際及兩岸教育司司長李彥儀博士和國立台灣師範大學校長吳正己教授為大會致詞。此次共計邀請六位大會專題演講者分別來自韓國、澳洲、美國、愛爾蘭、新加坡和臺灣、八位經濟體代表分別來自俄羅斯、越南、馬來西亞、菲律賓、智利、墨西哥、美國、祕魯等報告各經濟體在STEM教育上的政策和措施，以及一場專家論壇(阿根廷、日本和兩位國內學者擔任講員)。

長久以來男女在學校和STEM職場上的差異在許多國家皆可見，這已經不是新聞，但仍持續發生則是問題。以韓國為例，受高等教育的STEM女性並不在少數，在職場上卻佔低比例，這些女性都到哪裡去了呢? 在馬來西亞這樣的現象卻是相反的，女性在各方面其實都佔優勢的。又如祕魯教育部代表提及強化師資評鑑系統，以提供女學生更友善的學習環境是他們努力的重點。智利代表則指出若將女性勞動力納入，可望增加20%的生產力。而美國代表也指出STEM相關領域中以男性主導的狀況也是存在的，要改變大家對STEM的刻板印象、建立女性楷模與減少對STEM的學習焦慮等議題都是目前在進行的方向。阿根廷教授則是提到大學教授在STEM領域中女性升等為教授者寡，很難為女學生找到可學習的對象等等。從報告中不難發現，各國的文化價值觀左右社會和家長對女性在STEM-Plus中的表現，若想從一個成功的案例移植到另一個國家，文化差異與價值觀是不得不思考的問題。臺灣相較而言是幸運的，在學校裡男女大都有均等的學習機會，而在職場上也都有發揮所長的機會。如何維持這樣的優勢，使人才培育能在更具多樣性(diversity)、平等性(equality)和包容性(inclusion)、的環境中穩定發展，才是大挑戰。

綜上所述，性別差距仍存在於許多國家，許多努力和方案都仍持續在發生，但對於家長、師長和社會對女性的刻板印象、女性低估自己的能力與長處、缺乏自信、缺乏女性楷模(學習的對象)、缺少支持女性在工作場域中的需求與尊重等等，還需要有智慧和行動力的結合與支持，才可望向前邁進小小的一步。最後以居禮夫人的一句話來結尾甫剛結束的STEM-Plus會議， I was taught that the way of progress is neither swift nor easy.~ Marie Curie

本期專題「高中自然科學探究與實作」是由新北高中鍾曉蘭老師負責，其中包括鍾曉蘭的領頭羊一文以及另外三篇探討探究與實作課程的文章。第一篇是國立臺灣師範大學附屬中學洪逸文老師分享提問的技巧與產生可探究的問題應如何設計。第二篇是四位中學老師(鍾曉蘭、鐘建坪、謝東霖和許舜婷)合作開發的「咖啡牛奶的探究與實作課程」，內容完整豐富，可以立即應用在探究與實作的課程中。第三篇是桃園武陵高中張明娟老師與吳德彭老師設計的「全球氣候變遷」共備、實施、評量等經驗分享。第四篇則是中山女高蘇芳儀、許哲瑜、曹雅萍三位老師的食物探究課程共備、模組開發、實施與修正、學生成果等等進行經驗分享。高中科學探究與實作的課程已進入第二年的實施階段，各校教師都卯足全力發揮潛能設計具各校特色的課程、進行實施與評量、並根據實施回饋與成效加以精緻化教學模組與評量內容，令人嘖嘖稱讚。若果能以如此研究的精神開發、實踐、反思、修正教學內容，相信必能翻轉學校科學教育的。

本期刊另外還有兩篇常態性文章，一篇是大甲高中陳許玉鈴和廖旭茂兩位老師再訪肉桂實驗，延伸上一期廖旭茂老師的化學篇，本期文章從黴菌菌種培養的實驗技能的培養到探究殺菌的學理，是個具本土特色可以直接應用在探究與實作的課程。另一篇是張耕碩老師以學思達教育理念–「以學習者為中心」的教學法來設計常見的水的電解實驗，提供教師用以啟發學生思考的教學法。

參考文獻

UNESCO Institute of Statistics (2015). Women in Science, UIS Fact Sheet, November, No. 34

高中自然科學探究與實作：發現問題、課程模組設計與修正／鍾曉蘭

星期一 , 8, 3 月 2021 編輯助理本期專題, 第四十二期/2021年3月留言功能已關閉

高中自然科學探究與實作：發現問題、課程模組設計與修正

鍾曉蘭

新北市立新北高中

新北市化學課程發展中心

[email protected]

n 引言

「自然科學探究與實作」是108課綱的新設的部定必修課程，也是目前討論度頗高的新課程，極少數的學校已實施一年半以上的課程，絕大部分的學校則剛實施一學期以上，課程從規劃到實施，期間各校老師面臨各種挑戰，從課程規劃、教師社群共備、如何進行多元而公平的評量，及如何呈現學習歷程檔案等，一直爭議不斷。許多老師參加很多場研習，卻仍然對如何規劃與如何教授四個探究歷程，存有許多的疑慮。筆者參與多場研習中，觀察到老師們熟習「規畫與研究」的探究歷程，也會儘量安排學生進行不同形式的「表達與分享」，然而對於如何引導學生「發現問題」、「論證與建模」這兩個探究歷程，多半停留在課綱學習內容的字面解讀，對於轉換成實際教學歷程與規劃教材，仍有一些誤解，或課程實施規劃上過於簡約或偏於科學活動的設計，導致課程中實作豐富而探究歷程不足。

如何設計適合學生先前能力的課程模組，又能合乎學生的生活經驗，引起學生學習興趣的課程模組，真的亟需要學校老師們群策群力。課程實施前，許多學校的自然領域便成立教師社群以進行課程共備，一旦進入正式實施課程，共備社群也不斷的因應學生的能力，邊上課邊修正課程進度，課程規劃表也一修再修，期望學生能從課程中習得探究能力。然而，課程的修正不易，因而本期專刊提供三所學校的修正歷程以供讀者參考。此外，筆者也發現老師們對問題類型多半停留在「why」的問題，對於問題類型了解不深，對於如何引導學生提問也缺乏合適的教學鷹架，特別邀請師大附中洪逸文老師，深入說明如何引導學生學習「發現問題」的探究歷程，期望能解決現場教師們某些疑慮。

n 本期專刊介紹

本期的專刊一開始先以師大附中洪逸文老師分享「從 why 到 what-探究問題的層次在教學與學習的意義」，許多現場老師與學生習慣問why的問題，洪老師說明教學策略是要將問題的形式會是從「為什麼？」，轉變成「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？」，洪老師在文中提出發現問題的U框架，期待幫助現場老師釐清「發現問題」探究歷程的教與學。其二，是筆者與錦和高中鐘建坪老師、新北高中許舜婷老師及陽明高中謝東霖老師，於一年多前經多次研習與共備產出的「咖啡牛奶的探究與實作課程」，原先設計六週課程，但經過實施後，修改成九週課程，並在原有的課程架構下，增加許多教學引導語，幫助老師進行教學鷹架。其三，是桃園武陵高中張明娟老師與吳德彭老師設計的「武陵高中自然科學探究與實作實施經驗分享」，主要分享該校共備的經歷，課程如何實施的現況、活動的實作評量、如何學習單批閱的分工，及期末紙筆測驗的實施。其三，是中山女高曹雅萍老師、蘇芳儀老師及許哲瑜老師的「中山女高自然科探究與實作實施經驗分享」，文中說明該校共備的情況，也提到不同主題下的學習內容重點主要差異比較，也說明整個課程的修正概況，並提供學生的學習成果示例，以期提供現場老師進行課程設計與修正之參考。

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

星期日 , 7, 3 月 2021 編輯助理本期專題, 第四十二期/2021年3月留言功能已關閉

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、鍾曉蘭、謝東霖、許舜婷

星期六 , 6, 3 月 2021 編輯助理本期專題, 第四十二期/2021年3月留言功能已關閉

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

週次(時間)

主題：單元

內容綱要說明

生活現象的探究與實作:咖啡牛奶篇

Part 1：

試做咖啡牛奶

跨科概念: 物質與能量、科學與生活

[發現問題]

l 觀察現象(生活情境引導):觀察咖啡加入牛奶的溶液溫度變化情形，藉以引發探究的動機。

l 形成或訂定問題：探究咖啡牛奶溫度的影響因素與可能關係，提出Whether、What、Why及How等不同類型的研究問題。

l 蒐集資訊：學習從具效度之參考資料庫找尋可驗證的觀點與可能原理為何?

l 提出可驗證的觀點：請學生說明所挑選的影響因素，推測影響實驗結果的原因？

2-3

Part 2：

咖啡牛奶實驗

[規劃與研究]

l 依據上週的實驗，找出影響咖啡降溫的可能原因：寫下研究的實驗假設，說明挑選的影響因素，是如何影響實驗結果的？

l 依據你的實驗假設，開始設計一個實驗：實驗的變因為何？說明要如何測量應變變因？預計做幾組實驗？說明每組實驗的初始條件與實驗設計為何？並完整寫出你的實驗流程。

l 設計一個方便記錄你們觀察數據的表格，詳細紀錄實驗結果。

4-5

Part 3：

實驗結果與討論

[論證與建模] 實驗數據處理與分析、實驗結果與討論

l 依據整理後的資料數據，製作圖表：確認哪一項變因為X軸、Y軸，確認變因單位與範圍，學習使用軟體與繪製圖表，畫出關係圖，計算或分析不同時期的溫度變化量。

l 解釋和推理：詳細描述測量所觀察的現象，由資料數據的變化趨勢看出其蘊含的意義；討論結論背後可能的因果關係或影響因素，並形成解釋。

l 提出結論或解決方案：由探究結果形成結論或論點；針對既有的數據、質性或量化關係、結論等不足之處決定是否有重複實驗或實作之必要?

l 建立模型：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；分析小組所建立模型適用的條件與限制。

Part 4：

口頭報告實驗成果

[表達與分享]

l 表達與溝通：請各組整理前幾周的資料，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。

l 合作與討論：在各小組分享的過程中，提出問題與回饋。

l 評價與省思：在聽完各組提供的回饋之後，針對各組的回饋與問題進行回覆，進而反思並修正自己的各階段內容，亦可重新設計新的思考實驗。

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

變因類型	實驗一	實驗二	實驗三
操縱變因
控制變因	溶液總質量、咖啡杯、溫度計、環境溫度及濕度、無風環境等
應變變因

表3：實驗記錄表格示例

時間(分)

咖啡液溫

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

8.0

8.5

先加牛奶 (℃)

後加牛奶 (℃)

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）

週次

單元/主題

內容綱要

1-2

生活現象的探究與實作:咖啡牛奶篇

Part 1：

試做咖啡牛奶

跨科概念: 物質與能量、科學與生活

[課程說明]

l 說明上課方式、課程主題與內容、評量方式與規準、分組與座位規劃表等

l 簡易說明探究與實作的探究學習內容(發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享)

[發現問題]

l 觀察現象(生活情境引導):觀察咖啡加入牛奶的水溫變化情形，藉以引發探究的動機。(引導學生思考自己或家人喝咖啡的經驗，何種情況下能夠喝到溫度比較高的咖啡，可以讓學生試做實驗，從觀察現象發現可能的影響因素。)

l 預測可能影響因素與關係：影響咖啡牛奶最後溫度的因素可能有什麼？變因之間的可能關係是什麼? (讓學生自行思索可能影響最後咖啡牛奶的溫度，可能是加入的時間、加入牛奶的類型等等。)

l 形成或訂定問題：探究咖啡牛奶溫度的影響因素與可能關係，提出Whether、What、Why及How等不同類型的研究問題。(儘量提出How的問題，問題中要包含操縱變因與應變變因。)

l 蒐集資訊：學習從具效度之參考資料庫找尋可驗證的觀點與可能原理為何? (請學生提供查詢的參考資料來源與網址等)

l 請學生說明所挑選的影響因素，推測影響實驗結果的原因？(教師此時協助學生判斷何種問題是可驗證，並且想要做的問題是哪一個。)

Part 2：

咖啡牛奶實驗

[規劃與研究]

l 尋找變因或條件：依據上週的實驗，找出影響咖啡降溫的可能原因：寫下研究的實驗假說(或實驗假設)，說明挑選的影響因素，是如何影響實驗結果的？(請用肯定句，句子中只能包含一個影響因素，並且定量描述結果。)

l 請挑選一個影響因素，並寫下你決定要研究的實驗假說，請學生寫出小組提出的CER論證模式。(此處可引入初步的CER論證模式，培養學生論證的能力。)

l 依據你的實驗假說，開始設計一個實驗：實驗的變因為何？(包含操縱變因、控制變因及應變變因)

l 依據你的實驗假說，開始設計一個實驗：實驗的變因為何？說明要如何測量應變變因？預計做幾組實驗？說明每組實驗的初始條件與實驗設計為何？並完整寫出你的實驗流程。(溫度計怎麼固定？如何判讀溫度計讀數？測量溫度的頻率為何？加入牛奶後是否立刻測量溫度？)

l 設計一個方便記錄你們觀察數據的表格，詳細紀錄實驗結果。(表格中需要包含操縱變因、觀察變因、單位及數字：實驗進行中的每個步驟，都要拍照記錄。)

Part 3：

實驗數據處理與分析

[論證與建模] 實驗數據處理與分析

l 依據整理後的資料數據，製作圖表：確認哪一項變因為X軸、Y軸，確認變因單位與範圍，學習使用軟體與繪製圖表，畫出關係圖，計算或分析不同時期的溫度變化量。(引導學生思考如何依據要表達的目的，使用合適的圖，畫出關係圖，計算或分析不同時期的溫度變化量。)

l 解釋和推理：詳細描述測量所觀察的現象，由資料數據的變化趨勢看出其蘊含的意義；討論結論背後可能的因果關係或影響因素，並形成解釋。(描述測量所觀察的現象，如當咖啡溫度高於室溫越多時，每秒溫度的下降率越多；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、蒸發作用、熱容量不同或牛奶中油脂之影響等。)

Part 3：

實驗結果與討論

[論證與建模] 實驗結果與討論

l 提出結論或解決方案：由探究結果形成結論或論點；針對既有的數據、質性或量化關係、結論等不足之處決定是否有重複實驗或實作之必要?）（請同學思考解釋與討論是否能回應研究目的與研究問題）

l 建立模型：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。(量化模型可由趨勢線中，找出關係式，比較從實驗數據建立的關係式與牛頓冷卻定律關係式的異同，藉此分析不同變因是否對關係式產生不同的影響。)

Part 4 ：

第二次實驗設計&數據分析

[規劃與研究] [論證與建模]

l 依據上週的實驗，找出第二次實驗想要探究的變因，如溫度差、蒸散作用、比熱、油脂及質量等，提出第二層實驗的實驗假說。

l 依據你的實驗假說，重新設計新一輪的實驗（第二層驗證實驗）：實驗的變因為何？說明要如何測量應變變因？預計做幾組實驗？說明每組實驗的初始條件與實驗設計為何？並完整寫出你的實驗流程。(學生宜說明第二次實驗設計與第一次實驗設計之間的關係，藉以訓練學生的邏輯推理與表達能力。)

l 設計一個方便記錄你們觀察數據的表格，詳細紀錄實驗結果。

Part 4 ：

兩次實驗結果分析與討論

[論證與建模]

l 提出結論或解決方案：由探究結果形成結論或論點；針對兩次的數據、質性或量化關係等分析，進行兩次實驗結果異同的比較?第二次實驗結果是否能支持或反駁第一次實驗結果?( (此處可再次進行的CER論證模式，培養學生進階論證的能力。)

l 建立模型：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；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？哪一項變因是如何影響牛頓冷卻定律的關係式？

Part 5 ：

製作實驗報告與簡報

[表達與分享]

l 表達與溝通：請各組整理前幾周的資料，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。（請同學再次檢查，研究問題是否皆已討論，討論是否合宜等）

l 一般完整的報告，須包含研究動機、研究目的、研究問題、研究假說、實驗設計、實驗流程、實驗數據與分析、實驗結果與討論、結論、心得等部分。

l 以上各部分均可在學生前幾週的學習單紀錄中找到對應。

Part 5 ：

口頭報告實驗成果

[表達與分享]

l 合作與討論：在各小組分享的過程中，提出問題與回饋。(可以配合投影片給予學生一些提示。若老師覺得學生對於這些因素不夠熟悉，可自行設計小組互評單，幫助學生釐清思路。)

l 評價與省思：在聽完各組提供的回饋之後，針對各組的回饋與問題進行回覆，進而反思並修正自己的各階段內容，亦可重新設計新的思考實驗。(在各組發表結束後，老師可以針對各組不同的變因，和學生探討組間的比較)

l 課後心得與反思：反思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。(學生宜說明學習到哪些知識、能力與小組合作的情形、對未來學習的影響等)

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