臺灣化學教育

兩岸化學教育高峰論壇:科學探究教學研究與實踐

段曉林

國立彰化師範大學科學教育研究所^1,2

[email protected]*

探究教學在海峽兩岸甚至世界各國已經是如火如荼開展的科學課程重點。但是在兩岸推動探究教學的課程時，或許我們可透過回顧美國發展科學探究課程的歷史，了解探究教學為何如此的重要並提供未來的發展參考。另外，我們也須檢驗探究教學是否可落實在臺灣的教學文化中，在落實中會產生那些問題以及會有哪些的學習成效。以下將依序探討這些議題。

段曉林、靳知勤(2018)回顧科學探究的課程發展歷史，需追溯到美國與蘇聯的太空戰爭，蘇聯的史波柯尼號（Sputnik）在 1957年10月4號升空後，使得美國驚覺科學教育的重要性，自此開始美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)全力重視科學教育課程的研發，並透過研究科學家如何進行科學實驗活動，歸納出十三種科學過程技巧並融入全美的科學教科書中，使得美國的科學課本在實驗部分開始著重十三種科學過程技巧的培養。1983年提出「國家在危機中」(A Nation at Risk)的報告，之後1985年 2061計畫(Project 2061) 誕生。美國的教育開始重視如何培養全體學生成為具備科學素養的公民，使其能應付生活上或是職場上科學技學與數學的事物。在2061計畫中也界定了科學包含科學的本質，科學的企業，以及科學的探究。此時科學探究已經悄悄的取代科學過程技巧。1996年，由美國國家科學院(National Academy of Sciences)主導下，提出美國國家科學教育標準(National Science Education Standards, NSES)( National Research Council, NRC, 1996)。NSES針對科學探究有如下的界定：

探究是科學家研究自然世界的多元方法，依據所收集的證據提出解釋。探究也可以是學生發展知識以及理解科學的想法，同時也是理解科學家如何研究自然世界的活動。科學探究是一種多面向的活動，這包含觀察，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，利用工具來收集，分析與詮釋資料，提出回答，解釋以及預測，溝通研究發現。科學探究需要確認假設，利用批判與邏輯思考，考慮另有的解釋(NRC, 1996, p.23；引自段曉林、靳知勤，2018，p.140-142)。

美國國家科學教育標準也針對各年級層(K-4年級，5-8年級，9-12年級三階層)界定科學探究。至此，科學探究課程影響到全美以及日後世界各國對科學探究的界定與重視。例如在5-8年級：A.科學是探究：學生應發展進行科學探究的能力；有能力找出探究的問題；能設計與執行科學的探究活動；能利用合宜的工具以及技術來收集分析以及詮釋資料資；能使用所收集到的證據來描述、解釋、預測和建立模型；能利用邏輯思考與批判思考將證據與解釋連結。B.瞭解科學探究的真意：不同的問題應採用不同的探究方式；現今的科學知識與理解主導科學探究的方向；數學在科學探究過程中扮演重要角色；在探究上使用科技有助於科學探究的精確度；科學的解釋強調證據有邏輯一致的論點、利用科學原理、模型和解釋；科學的進步取決於合理的懷疑科學探究所產生的技術、知識與想法有助於新的探究的發生。由於科學教育標準所提出的探究內涵與本質，對於如何培育科學教師，如何教導學生須具備的探究知能以及扮演重要的角色。這些重要的定義影響世界各國的科學課程目標的界定以及科學教育研究的走向，更影響晚近世界各國新的課程發展目標。

    透過過去二十多年來的科學教育研究已經指出探究教學能提升學生的科學學習成就(換言之特定單元的科學成就測驗成績)，學生的認知以及探究技巧(十三種科學技巧)，問題解決策略，學生在小組中的對話溝通能力，以及進行科學探究的能力，協助學生理解科學概念與主動思考策略。許多的科教研究者側重學生在認知上的學習成效，但是個人開始注意學習者情意部分的學習，因為華人對於學習科學的成績可以卓越，但是對於喜歡學習科學的情意面向的成績在國際評比上相較於認知部分是偏低的(佘曉清，林煥祥，2017)。因此如何幫助學生喜愛學習科學，不放棄科學的學習是重要的目標。

    個人首先透過質性觀察以及問卷研發研究，發展出學生科學學習動機量表(Tuan, Chin & Shieh, 2005)，此量表包含六個面向，檢測學生在科學課程中的：自我效能，主動學習策略，科學學習價值，表現目標，成就目標，以及學習環境誘因。接著再透過一系列的探究教學實證研究了解臺臺灣國中學生的學習成效。例如：蔡執仲與段曉林 (2005) 研究發現探究式教學提供學生日常生活議題進行探究，可引起學生相當大的興趣進行科學學習，經由動手操作體會科學推理與驗證歷程，進而形成科學知識，培養學生操作與解決問題能力。探究教學實施在化學單元(原子與分子，化學反應速率，酸與鹼)可以提升學生的概念改變，成就測驗，動機改變，但是迷思概念仍會存在(施貴善，2005)。這些結果表示在臺灣的教學環境，不論在短期(一個單元)或長期(一個學期或是一年)的實施探究教學，對學生化學單元以及理化科的表現均有顯著成長。

    接著我們思考，科學教師在落實探究教學時，會遭遇哪一些的問題以及該如何的解決。筆者帶領國立彰化師範大學教學碩班生(在職的科學教師)進行為期一年的探究教學行動研究，主要目的在探討科學教師在落實探究教學時所遇到的困難以及學生的學習成效。例如：東慶瑋、段曉林、賴志忠(2011)探討如何透過探究教學來提升學生的科學自我效能。研究者發現第一階段遭遇到的問題分別為學生對探究活動熟悉程度、學生學習社群關係與互動、探究教案設計難易程度與師生間對話模式。第二階段發現低自我效能學生僅會進行操作卻不懂基本科學概念。第三階段所遭遇的問題為段考與模擬考影響教學進度。個案教師採行的策略分別為鼓勵學生的能力，自己先進行實驗活動來降低將教學活動中的困難度，教導學生進行合作，藉由學生間互助以解決理化問題，再將困難的核心問題詢問教師。林姝君、段曉林、余忠潔(2011)透過一年的時間來提升一個課後輔導班弱勢低成就生的科學探究能力與學習動機影響之行動研究。第一階段：實施於八年級上學期，個案教師帶領低成就生進入實驗室課程內容分別為溶液、聲音、光學闖關遊戲、熱與能量、認識物質元素。第二階段：實施於寒假輔導期間進行非制式教學－科學博物館巡禮。第三階段：實施於八年級下學期，課程內容分別為酸鹼溶液大調查、氧化還原－物質經燃燒後的變化、肥皂製作、塑膠分類、虎克定律、摩擦力實驗。個案教師實施探究教學所遭遇的教學困境：1.需多著墨於班級秩序上的掌控與經營。2.低成就生普遍專注性不佳，學習意願低落。3.學生沒有從事過探究教學活動的學習經驗。4.較無法獨立操作，需要教師從旁給予較多的關注。5.對於較開放式的學習單內容感到困擾而輕言放棄。6.學生不喜思考，希望老師直接給予答案。7.初期學習單設計內容對學生而言過於艱難。個案教師的反思與解決策略：1.班級經營掌控上儘量營造鼓勵、讚美的良性互動。2.教案、學習單設計更簡單化，問題內容口語化。3.活動設計內容務求與學生生活背景相近或取材於真實生活經驗以求產生共鳴。4.教師本身要強化發問引導技巧。5.運用多媒體設備，或設計情境實施非制式教學活動。根據課室錄影、回饋單撰寫、問卷統計結果與原班教師晤談發現：本研究的參與學生其低層次探究能力表現情形：a.課堂參與、提問、回答問題次數增加。b.實驗操作仍需教師一個個步驟引導，到後期可獨立操作，並自行設計操作裝置。c.原班實驗課的參與度與從事實驗活動的信心增加。d.口頭發表與溝通能力進步但撰寫能力仍顯不足。其次對於高層次探究能力例如：科學圖表繪製、批判思考、運用合理解釋支持。研究發現這些學生尚無法獨力完成探究，仍需要教師提供框架與設計問題口頭引導。對於研究前後成長幅度平均值的面向最高為「表現目標」，其次為「成就目標」。探究其原因為： a.個案班級學生程度同質性高，加上小班教學，教師容易關注到個別學生學習情形(得到較多重視)。b.探究過程同學有較多表現想法或被認同的機會。c.個案班級進行的科學探究活動較沒有課業進度壓力。學生覺得最有成就感：a.解決一個難題且有作出成果時。b.想法被老師同學接受、獲得老師的讚賞。c.實驗操作越來越有信心與不會害怕。

    上述都是探究教學落實在低成就生或是一般生身上，至於資優生的表現如何?王翠妃(2008)的研究在於探討資優生透過科學探究學習活動，學生在科學推理能力上的成長情形。本研究的學生為個案老師的學校資優班學生，男生18人、女生10人，共28人，並將學生分為六組，觀察學生歷經一年半的探究教學歷程，其科學推理與創造力的轉變情形。個案老師選定學生國二上至國三上三個學期各兩個單元（共六個單元）進行錄影、錄音、及文件收集，以瞭解學生在一年半的探究教學過程中推理類型的轉變情形。探究教學後，學生在科學創造力的成效： 1.學生在論述的過程，針對其所提出的點子，解釋能力提升許多，經由學生實驗考試（兩個問題）論述過程的字數統計，發現學生對於自己組內所提出的點子，想嘗試以更詳細的敘述來說服研究者其想法的合理性。2.學生邏輯推理與謹慎性增加，且可應用的科學知識範圍也加廣。3.從實驗考試中，可觀察出學生在實驗設計的點子上，產生點子的速率增加。4.由單元一至單元六，學生採用推理類型的增加。推理類型呈現階層性轉變，由推論式推理à分析式推理à對話式推理à評價式推理à統整式推理。

    由上述臺灣中學科學教師所進行的一系列行動研究結果，可以看出探究教學確實能對各種程度的學生均有幫助，不但如此學生的學習動機也有提升。當學生的學習動機增加，他們才能持續保持對科學的學習熱情，最終成為具備科學素養的公民。其次，探究教學要落實在課室中，其實遇到的問題不少，因此如何提供持續的支持系統，幫助科學教師解決困難，探究教學才能真正持續落實在科學教師的課室教學中。最後，由美國科學探究課程的沿革中可看出每一個時代的學者專家對探究的定義不盡相同，從非常科學家導向的實驗活動，漸漸轉變為透過生活中的議題找出探究的問題，進而培養學生探究思考的相關能力，這些都是在探究課程的發展歷史中可發現。因此，或許每一位教師或學者對何謂探究的定義不一，但是如何依據自己的文化情境、生命經驗、以及政策的要求找出符合自己學生所需求的探究能力是較為重要的任務。相信隨著時代的脈動，探究會一直成為科學課程的重點。

參考文獻

王翠妃(2008)。探究教學對國中生創造力及科學推理的影響。未出版之碩士論文，國立彰化師範大學教學碩士班論文，彰化市。

東慶瑋、段曉林、賴志忠(2011)。以探究教學提升中學生自我效能之行動研究。文章發表於中華民國第二十七屆科學教育學術研討會。國立中山大學。高雄。

林姝君、段曉林、余忠潔(2011)。探究式教學融入攜手計畫提升弱勢低成就學生科學探究能力與學習動機之行動研究。文章發表於中華民國第二十七屆科學教育學術研討會。國立中山大學。高雄。

段曉林、靳知勤(2018)。科學課程中科學探究與實作的發展歷史。黃政傑、吳俊憲、鄭章華(主編)。分科教材教法問題與展望(137-146)。臺北：五南書局。

施貴善 (2005)。探究式教學對理化學習環境及學生學習動機的影響。未出版之碩士論文，國立彰化師範大學教學碩士班論文，彰化市。

蔡執仲、段曉林(2005)。探究式實驗教學對國二學生理化學習動機之影響。科學教育學刊，13(3)，289-315。

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

Tuan, H. L., Chin, C. C., Hsieh, S. H. (2005). The development of a questionnaire to measure students’ motivation toward science learning. International Journal of Science Education, 27(6), 639-654.

兩岸化學教育高峰論壇:創造性探究模型在探究與實作教學的應用範例分享

林芬如¹  段曉林^2*

國立彰化師範大學科學教育研究所^1,2

[email protected]*

壹、緒論

十二年國教課程綱要(簡稱108課綱）的課程目標之一：「啟發科學探究的熱忱與潛能，使學生能對自然科學具備好奇心與想像力，發揮理性思維，開展生命潛能。」（頁1），且課綱（2018）強調，「科學學習的方法，應當從激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學生能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力」（頁1）。為強化上述目標，教育部特於高級中等學校教育階段增列自然科學探究與實作課程內容，佔自然科學部定必修學分數三分之一，足見提升高中學生科學探究與實作能力是國家科學教育的重要方向。位於第一線教學現場的高中教師們是帶動進行探究與實作的領航者，既是課程設計者也是課室中實施探究教學的輔助者，需要參考不同類型的探究教學模型與應用的範例增進自身的教學知能，因此，本文擬分享一個可以應用在高中課室中的創造性探究教學模型與範例。

貳、創造性探究教學模型與科學創造力評量

本文採用洪振方(2003, 2017)提出的創造性探究教學模型(Creative Inquiry Model, CIM )作為本文依據的教學法，此外，本文所指的科學創造力指聚焦於學生的科學性產品（含實驗產出的數據）中開展的創意，內容包括新奇度、問題解決、精緻度與整合度等三個主面向的考量(Lin & Chin, 2018 ; Lin, Tuan, & Chin )。以下分述說明：

一、提升創造力學習的CIM模型：CIM模型符合NRC(2000)強調的重點，且比NRC(2000)更多出了來自學習者自身與同儕小組的評價 (evaluation)，強調學習者進行探究與思考、形成問題、寫下想法步驟、數據分析、探究過程利用語言說服(解釋與溝通)，與將想法和結論與同學公開交流，同儕合作運用多種過程技能，例如操作、認知和程序性的過程技能。CIM包含七個步驟（Hung & Ko,2017）：

步驟（一）學生參與科學問題，事件或現象；

步驟（二）另一方面，老師設法引起學生自己的想法的共鳴，激勵他們反思並抽出潛在的原因和假設; 學生通過設計實驗探索問題並檢驗他們的假設；

步驟（三）學生分析數據，並整合他們的觀點以建立模型；

步驟（四）學生用他們的科學知識闡述（提供原因和結論）問題；

步驟（五）學生在論證期間對同儕傳達他的解釋，進行最大的發散性思考；

步驟（六）學生通過其它解釋進行比較，特別是那些體現科學的解釋推理進而再評價自己的解釋，進行收斂思考。

步驟（七）學生和他們的老師一起審查和評價他們學到了什麼以及他們是如何學習的，進行思考的總結。

在上述階段（一）和階段（二）是探索的組成部分，階段（三）和階段（四）是解釋的組成部分，階段（五）是交流的組成部分，第（六）和第（七）階段是評價的組成部分。而探索、解釋、交流與評價的各步驟不必依線性程序進行，可以螺旋式的交互呈現而彈性使用，如下圖一之示意圖。 

 

圖一、創造性探究教學模型(CIM)

二、科學創造力的評量：經由科學教師透過CIM 模型的教學設計使學生在探究過程中產生的科學創造力，可以進行形成性評量，例如：學習歷程檔案或是實作評量，對於學生的科學性產品中的創造力，以新奇度、問題解決、精緻度與整合度等三個主面向的考量(Lin & Chin, 2018 ; Lin, Tuan, & Chin, 2017)，三個主面向共包括八個子面向如表一。教師可以根據(Lin & Chin, 2018 ; Lin, Tuan, & Chin, 2017 )修訂的高中「科學創造力評量標準」面向分類與計分後，教師可以藉以觀察學生於探究活動中，第一次產品與第二次產品的創造性思考歷程的變化（如附錄一、教師手札）。評量面向如下（表一、表二）：

表一、科學創造力的三個主向與八個子向(Lin & Chin, 2018; Lin, Tuan, & Chin, 2017 )

表二、科學創造力對每個子向評量標準(Lin & Chin, 2018; Lin, Tuan, & Chin, 2017 )

叁、CIM模型範例分享

以高一「溶解度」的實驗課而言，在本文中以「創意溶解度實驗」為範例，活動時間一次總共兩小時，可使教師初次進行容易成功的CIM模型。

實作任務：教師提供圖片中的科學玩具（圖二）為引導，各組組員思考是否可以利用「同類互溶」作出一個有趣的科學玩具。

圖二、教師展示的引導圖片

器材提供：純硝酸銅晶體、95%藥用酒精、純水、乙酸乙酯、附蓋子的小玻璃容器、小顆粒彩色塑膠球、精製鹽。

第一：探索階段

1        詢問同學是否有看過晶體溶解，邀請一位學生發表經驗。

2        教師不事先給予學生溶液之濃度，只讓學生自己配。

3        規定他們，配成硝酸銅溶液後，想辦法把一部份的硝酸銅沈澱出來。

第二：概念引入階段

1        教師詢問學生：剛才的結果，水能溶解硝酸銅嗎? 酒精能嗎? 藉由學生自己的回答，使學生了解「同類互溶」的原理。

第三：解釋與交流階段

1        探索階段實驗失敗的組別，進行組內檢討失敗原因。

2        允許各組學生再探究他們的實驗，繪圖提出他自己的第一次點子與創造力產品。

3        組員經過討論，是否增加有機溶劑濃度，使硝酸銅溶液呈現上下兩層，或者選擇添加更多酒精使硝酸銅溶液比先前沉澱更多。

第四：評價階段(重複第一至第三階段)

1.根據教師展示的圖片，組員可以利用「同類互溶」做出一個有趣的科學玩具嗎？

2.允許各組學生再探究一次他們的實驗，繪圖提出他自己的第二次點子與創造力產品。

肆、結語

本文分享CIM 模型在探究與實作的活動中，可以提供高中學生個人與小組的實作任務，並且可以詳細記錄創造性思考的歷程，使學生具有明確的探究方向並且積極改進缺點。另一方面，指導教師以輔導與協助的角色進行探究活動的指導，可以從學生兩次科學性產品中，對學生進行觀察而具有形成性的評量的價值，真正達到108 課綱所強調的探究與實作的意涵。

伍、參考文獻

林芬如(2019)。創造性探究教學模組對高中社團學生科學探究能力、科學創造力與科學學習動機之影響（未出版之博士論文）。國立彰化師範大學，彰化縣。

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自然與生活領域課程手冊（更新第四版）。台北市：教育部。

Hung, J. F., & Ko, C. H. (2017). The effectiveness of creative inquiry model on experimental teaching. US-China Education Review, 7(8), 353-365.

Lin, F. J., & Chin, E.T. (2018). The assessment of students’ scientific creativity by   the analysis of grey structure modeling-In the case of green energy. Journal of Grey System, 21, 1-12.

Lin, F. J., Tuan, H.L.,& Chin, E.T. (2017).The assessment of students’ scientific creativity in the ICBOI teaching module by the grey relational analysis－A case study investigation. International Journal of Kansei Information, 8(4) ,115-127.

附錄一、教師手札範例

	課室觀察重點	學生探究成果與研究者反思
	（說明）此「創意溶解度實驗」學生普遍不喜歡記錄數據，以嘗試錯誤為探究手段，普遍不進行思考與估算。因此，教師應當留意： 1.第一次探究，學生是否能經過老師提醒與強調後，開始進行估算藥品重量與濃度？ 2.第二次探究是否能夠寫下第一次探究中，需要再改進的步驟與實驗紀錄？	學生探究結果： 雖然是簡單的實驗，各組仍是摸索中完成實驗，每組至少皆可做出兩層溶液。 研究者反思： 1.第一個探究實驗，學生們被教師「邀請」進入一種新的學習方式，比較重視學生是否經歷一個真實的科學活動，科學探究能力的提昇，其實是科學實作的經歷，本身就是知識建構的歷程。 2.科學創造力的表現在第二次探究展開，老師強調的每次的紀錄數據已形成學生討論與改善的起點。 3.學生開始思索做出三層液體，以不同質量的物體做密度篩選機。此為創造性探究已然啟動的證明。

兩岸化學教育高峰論壇:「自然科學探究與實作」之我見—
以在客廳可以實作的化學反應為例

蕭次融

國立臺灣師範大學化學系（退休教授）
[email protected]

 

n  摘要

教師演示點燃的火柴使黃褐色的液體褪為無色，引起學生探究其因的興趣。教師提示可用化合物替代點燃的火柴，於是學生上網找相關資料。在探討火柴頭和優碘的成分以及其性質後，並以二級研究（secondary research）的方式探究其化學反應。然後學生設計一個問題解決的實作實驗，如何使黃褐色的液體褪為無色並使其顏色復現的方法，並解釋其原理。

n  簡介

對於以往的科學教學偏重知識概念的講授，依據《十二年國民基本教育課程綱要》的《自然科學領域課程手冊》，著重科學探究能力培養，強調科學素養的養成，注重與日常生活的連結。新課綱的教學要以主題的方式，注重「探究學習」和「實作學習」，並且要以學生為主。教師的任務在「探究與實作」的活動中，應扮演引導者的角色，引導學生觀察現象、形成問題、提出可驗證的觀點、尋找變因、收集與分析資料、解釋與推理、歸納結論、提出建議以及預期的發展等等。

雖然新課綱強調自然科學教育法，但是多數教師期望有可參考的教材內容和教學指引。高中「自然科學探究與實作」是包含在十二年課綱新設必修的領域課程，占自然科學領域部定必修12學分的三分之一，分成「探究」與「實作」兩個面向，教師必須執行，實作是學習的過程，而探究能力的培養才是目標。

本文提出「在客廳可以實作的化學反應」，作為設計探究與實作的參考。首先教師演示點燃火柴使碘酒褪色的實驗，以引起學生探究其化學變化的興趣，進而搜尋相關資料和進行二級研究，教師引導學生發展出「氧化還原反應」的概念。接著，教師提出優碘褪色和復現的問題，分發實驗器材：碘酒、雙氧水、白開水、餅乾、火柴與透明玻璃杯，以及標籤為X與Y的兩支無色液體的點滴吸管，要求學生分組討論並利用所分發的實驗器材，自行設計實驗步驟並進行實作，找出問題的答案並發表其實驗結果。最後，教師引導學生發展出「氧化還原反應」的延伸—「自身氧化還原反應」的概念，並理解其異同。（註：X是約1 M的NaOH溶液，Y是約1 M的HCl溶液。以上所述純屬個人看法，僅供同好參酌。）

二級研究涉及現有研究的總結、整理和／或綜合。二級研究與一級研究形成對比，主要研究涉及數據的生成，一級研究資料作為二級研究分析數據的來源。二級研究可以從教科書、百科全書、回顧文章、已發表的學術論文、統計數據庫和歷史記錄中提取數據。

本文的內容：一、教師演示實驗（點燃火柴，碘的褪色）；二、學生用二級研究的方式探究碘液褪色的原因（火柴頭藥的成分、碘的性質、以及發生化學反應）；三、學生以問題解決的方式實作碘液褪色又復現的作法；四、學生實作後的問題與評量；五、參考資料；六、附錄：(一)108指考化學試題（可供問題解決試題的參考）、(二)2018遠哲科趣全國競賽（可供問題解決實作試題的參考）和(三)各液體與本活動有關的性質以及未知溶液的編號（作為這次二級研究和問題解決的參考）。

n  教材設計

一、教師演示實驗

教師點燃的火柴，立即放入盛有碘溶液的透明塑膠杯中，學生用肉眼可分辨的現象發生！

(一)  實驗器材

1.優點液（1瓶），2.雙氧水（1瓶），3.鹽酸（約1 M），4.氫氧化鈉（約1 M），5.澱粉液（0.01％或餅乾），6.火柴（1盒），7.透明塑膠杯（8個），8.鐵絲（直徑約1毫米，長25公分）

〔註1〕：碘酒和雙氧水：取自急救箱，如照片1的中間兩瓶所示。

〔註2〕：第3、4、5項的溶液，均裝於5毫升的點滴瓶（也可裝於3 mL的點滴吸管），如照片1右邊所示。

〔註3〕：鹽酸可用食醋或酸性浴廁清潔劑替代，氫氧化鈉則可用管路疏通劑替代，但用量（濃度與滴數）要調整。

〔註4〕：演示神奇的七個杯子，需要另加酚酞溶液（0.4%）或紫色高麗菜汁。

照片1：演示碘褪色使用的器材

 

(二)  教師演示與學生觀察

1.        教師倒清水約10毫升於透明塑膠杯中，滴入碘酒數滴直到溶液呈現黃褐色為止。

2.        一手拿黃褐色溶液的塑膠杯和火柴盒，並用第二個空透明塑膠杯的杯底當作杯蓋，如圖1所示。

 

圖1：一手拿好相疊的兩個透明杯和火柴盒，另一手拿火柴準備點燃火柴。

3.        用另一支手點燃火柴，立即移入第一個塑膠杯中，但是切勿碰觸到溶液，如圖2A所示。

4.        以第二個空塑膠杯的杯底輕蓋第一個塑膠杯，然後搖動塑膠杯，立即觀察到黃褐色的碘液褪為無色，如圖2B所示。

5.        如果碘液不褪為無色，重複步驟3、4數次，直到無色為止。

6.        在無色的溶液中，加入雙氧水數滴，靜待一會兒，碘的黃褐色復現。

7.        加入少許的澱粉液或餅乾屑，溶液慢慢地呈現藍色或藍黑色。

 

圖2：點燃火柴，使碘液黃褐色褪色。(A)點燃的火柴，立即移入杯內。(B)輕蓋杯子後搖動杯子，碘液由黃褐色變為無色。

二、學生「探究」碘液褪色的原因：二級研究^*2

學生進行二級研究：教師提醒學生上網搜尋火柴的頭藥成分與碘的性質，並解釋為何點燃的火柴可使碘液變為無色。探究的結果，學生知道火柴頭藥的成分含有硫，點燃後氧化為二氧化硫，溶於水成為亞硫酸，具有還原力，可使碘液褪色，碘分子被還原為碘離子。

學生觀看教師的演示實驗後，教師引導學生利用「二級研究」來探究下列事項：

探究過程	主要探究事項	學生二級研究的重點
1.     觀察現象	觀察碘液發生褪色。	碘液與H2SO3(aq)作用。
2.     形成問題	為什麼會褪色？	發生化學變化。
3.     提出可驗證的觀點	提出碘與亞硫酸發生氧化還原反應。	碘具有還原性，H2SO3具有氧化性；兩者發生氧化還原反應。
4.     尋找變因	找出化學反應的種類。	知道化學反應的種類及其概念 種類一：化合反應、分解反應、置換反應和複置換反應。 種類二：化合反應、分解反應、有機反應、酸鹼反應、氧化還原反應和燃燒反應。
5.     收集與分析資料	找到碘和亞硫酸的性質（外觀顏色和氧化數）。	碘分子：黃褐色，氧化數為0；碘離子：透明無色，氧化數為‒1。 亞硫酸：透明無色，硫的氧化數為+4；硫酸：透明無色，硫的氧化數為+6。
6.     解釋與推理	碘具有還原性，H2SO3具有氧化性；兩者發生氧化還原反應。	碘的化合物均為無色，由此推測碘在演示過程中的優碘中碘分子被還原為碘離子。
7.     歸納結論	歸納碘與亞硫酸發生氧化還原反應。

 

三、學生「實作」碘液褪色的作法：問題解決

教師提出問題：使用提供的藥品，如何使碘液褪色又復現來回循環兩次的實驗？

學生首先設計一個可以在客廳或教室操作的簡而有趣的化學（Plain and Attractive Chemistry，簡稱PAC）實驗，並且動手操作碘液褪色又復現的實驗。接著，學生理解碘液褪色又復現是碘發生自身氧化還原反應。

學生的問題解決的方法之一：(1)先以亞硫酸使碘液褪色；(2)然後加雙氧水，使黃褐色復現；(3)再加氫氧化鈉（X），使黃褐色又褪色；(4)最後加鹽酸（Y），使黃褐色復現。

學生的問題解決的方法之二：使用的溶液分成兩部分：A與B做比較實驗，其實驗流程如圖3所示

圖3：學生問題解決的方法之流程圖

四、問題與評量

(一)討論的問題

(二)評量的問題

1.    碘液為什麼會褪色？顏色為什麼會再現？

2.    承上，這發生什麼反應？（答：碘的氧化與還原以及碘的自身氧化還原）

(三)實作評量

實作評量包含動態評量和靜態評量，如下所示：

1.    動態評量（學生操作實驗時，教師現場評量學生動手操作實驗的下列項目）

(1)器具以及藥品的取用；(2)動手操作實驗（實驗步驟與方法）。

2.    靜態評量（實驗後寫在紙面的項目）

(3)實驗結果；(4)實驗報告：鑑定結果，填寫未知液體的編號在空格內。

未知液體	I2	HCl	H2O	H2O2	H2SO3	KI	NaOH
答案

 

未知液體	I2	HCl	H2O	H2O2	H2SO3	KI	NaOH
答案號碼	1	5	7	3	2	6	4

註：*1.本文純屬筆者之「我見」，有關探究與實作的評量方式，請參考大考中心即將公布的「考試說明」以及「參考試卷」。

*2.「二級研究」一詞係審查人加上的，意指「透過資料搜尋和整理的非實驗探究」。

n  參考資料

1.   國立臺灣師範大學化學研究所，火柴頭成分的探討，《國中理化，教師示範實驗》，1986，頁5~10。

2.   蕭次融，可在客廳演示的化學遊戲，《科學月刊》，2014，5月號，頁340~6。

n  附錄

一、108學年度指定科目考試化學科試題（2019年7月1日，可作為實作評量的參考）

二、2018年第24屆遠哲科學趣味全國競賽（2018年12月23日，可作為實作評量的參考）

三、各液體與本活動有關的性質以及未知溶液的編號（作為此次探究與實作活動的參考）

附錄一

108學年度指定科目考試試題

6-7為題組

做完秒錶反應後，為了要同學探究實驗過程中的試劑與其化學反應，張老師又用一個燒杯，演示了一組實驗。簡要過程如下：取一個盛有去離子水100毫升的大燒杯，放置於攪拌器上，使燒杯內的水穩定攪拌，然後滴入碘酒，使溶液呈現黃褐色。

①加入X試劑，黃褐色褪去，溶液呈現無色。     ②加入雙氧水，黃褐色復現。

③加入Y試劑，黃褐色褪去，溶液呈現無色。     ④加入鹽酸溶液，黃褐色復現。

其流程如右圖，①②③④為反應過程序號，依據實驗回答6-7題：

6.  在①的步驟中，加入的試劑X是什麼？

(A)               (B)           (C)           (D)            (E)

7.  在③的步驟中，加入的試劑Y是什麼？

(A)               (B)           (C)           (D)            (E)

答：6 (B)；7 (C)。

 

附錄二

2018年第24屆遠哲科學趣味全國競賽

化學尋寶

(一)      器材

點滴吸管（10支、編號0-9號，含未知液體）。另外1支沒有編號的點滴吸管，內裝蒸餾水，供擦洗墊板之用。咖啡棒1支、墊板1張、面紙1包。

注意：先檢查器材是否齊全？若否，請舉手補全。

(二)      問題解決—化學尋寶

化學尋寶是未知液體的分析，方法與尋寶相似。先找一個線索，然後用這個線索找別的線索，如此一直找下去。

優點：安全性高，簡而有趣，用量少，變化快，具有創造思考性，在教室的課桌上可操作。

(三)      實作命題一

下列五種無色液體，如何分辨？

KI(aq)、H₂O₂(aq)、H₂SO₃(aq)、HCl(aq)、NaOH(aq)

(四)      寫出尋寶計畫一

同隊的學生參考第2頁（背面）的資訊，互相討論、作筆記，寫出簡要尋寶計畫（方法）一。

(五)      實作命題二

未知液體7種：I₂、KI、H₂O、HCl、H₂O₂、NaOH、H₂SO₃，裝於編號0~9的10支3 mL點滴吸管（有3種液體重複）。試用上述未知液體互相作用，鑑定各未知液體。

(六)      學生寫出尋寶計畫二

同隊的學生參考第2頁（背面）的資訊，互相討論、作筆記，寫出簡要尋寶計畫（方法）二。

(七)      實驗操作方法舉例

1.  在墊板上，滴下1滴1號的未知液體，然後在其上，滴下1滴2號的未知液體，用咖啡棒攪一攪，觀察有何變化？

2.  在這無色的液體上，滴下1滴3號的未知液體，攪一攪，觀察有何變化？黃褐色是否再現？

3.  再在其上，滴下1滴4號的未知液體，有何變化？想一想1~4號的未知液體是什麼？

注意：(1)今天的實驗可說是點滴實驗，每次只用1滴至多2滴，多加反而無益。

(2)每支液體只可滴出約18滴，用完不能補充。

4.  用面紙擦一下墊板上的液體，再用蒸餾水滴在墊板上兩三滴，用咖啡棒攪和後，擦乾就可繼續使用。

(八)      實際操作：（學生自行設計）

1.    仿照上述方法繼續操作，鑑定各未知液體。（共10支）

2.    鑑定完畢後，必須一支一支地確認未知液體

3.    答案寫在答案紙上。

附錄三

表1：各液體與本活動有關的性質（供探究活動的參考）

液體	顏色	氧化數	化學反應
碘液	黃褐色	0	易被還原成無色的碘化物；與鹼液會發生自身氧化還原反應，生成無色的碘離子與無色的碘酸離子。
碘的化合物	無色	-1，1，3，5，7	碘離子會被雙氧水氧化，生成黃褐色的碘液；碘酸離子會氧化碘離子為黃褐色的碘液。
亞硫酸	無色	其中硫的氧化數為4	會還原黃褐色的碘液為無色碘離子。
碘化鉀	無色	其中碘的氧化數為-1	會被雙氧水氧化成黃褐色的碘液。
氫氧化鈉	無色	氧化數不易變化	鹼性會使碘液產生自身氧化還原反應。
鹽酸	無色	同上	酸性，會產生上項自身氧化反應的逆反應。

表2：未知溶液的編號

兩岸化學教育高峰論壇:教師模型、建模內容知識與建模本位教學內容知識之發展

林靜雯

國立台北教育大學自然科學教育學系

[email protected]

緒論

模型(model)與建模(modeling)是科學發展的重要元素，也是科學學習中不可或缺的認知與能力(Coll & Lajium, 2011)。即將實施的十二年國教因應國際潮流，將「建立模型」納為探究能力下重要的學習表現（教育部，2018）。在教室中，教師是教、學活動的主要引導者。如何增進學生模型與建模的後設知識以及建模實務(modeling practice)能力以進行科學活動，教師對模型內容知識(content knowledge of models, MCK)、建模的內容知識(content knowledge of modeling, MingCK)和教學內容知識(modeling-based pedagogical content knowledge, MPCK)便是影響學生學習品質的關鍵。而如何設計相應的課程，培育職前或在職教師的MCK、MingCK與MPCK便是科學師資培育者重要的責任。

教師模型與建模內容知識與教學內容知識之相關課程研究

Henze、van Driel與Verloop (2007)認為在科學師資培育課程上，應該重視教師CK與MingCK之培養，並引導這些未來的教師增進PCK，使之在教學技能上能重視如何引導學生討論科學模型的功能、特徵及相關建模活動。在CK部分，僅有少數研究探討一些相關介入所造成的改變。例如：Crawford與Cullin (2004)為14位職前中學科學教師設計Model-It的建立與測試課程（4次，每次3小時）。研究發現受試教師變得較會使用建模的「語言」，但對於科學建模仍然存有不完整的理解。另言之，就短時間而言，Model-It能增進教師對科學模型與建模能力的理解，但對於提升其科學建模能力之功效則仍有限。Valanides與Angeli (2006, 2008) 的研究介紹了兩個大約2.5小時使用Model-It的短教學介入來訓練職前教師設計模型相關的科學課程，所使用的檢測判准包含：1.所建立的模型是否有正確的結構、2.模型是真實或質樸的(real or naïve)、3.是否將探究或表達建模的經驗整合到所設計的科學課程中(Bliss, 1994)。研究結果顯示Model-It有效地支持了職前教師首次建模經驗，使他們能夠快速建構和測試他們的模型，並具可行性。然而，根據結果顯示，教師需要廣泛的學習經驗，以全面了解科學的科學建模過程。因此，師培教育者應謹慎考慮在師資培育階段如何發展教學模式來引導教師增進模型與建模的內容知識，此外，亦須考慮整合模型的使用到相對較為長期的教學實務過程中。

Justi與van Driel (2005)由四個領域：個人(personal)、外在學習活動(external)、實務轉化(practice)、以及結果(consequence)來分析5位教師參與模型與建模實務研習（4次，每次3小時）後，在CK、課程知識(curriculum knowledge)以及教學策略上面的成長。CK部分包括：什麼是模型？建模歷程及建模過程的因子；課程知識部分包括：教師的課程知識以及科學教學時，科學模型的本質。最後一個向度則包括教師所使用之教學模型的目的、建立、使用和建模教學活動的規劃。值得注意的是，他們也將有關學生建立模型的知識歸於此類。最後，Justi與van Driel 建議如要進行教師模型與建模實務之專業成長應1.在設計外部活動時，知道教師模型與建模相關的CK、PK與PCK上已有的知識，並著重在這些知識相應的特徵跟教師討論。2.所設計的活動必須跟教師現在正在進行之模型與建模的教學實務相關，並且挑戰他們去分析其教學實務是否符合模型與建模的精神。3.課程必須很清楚地讓教師經驗提升其學生學習的元素。4.要提供相關的教學實務讓教師知道建模活動如何設計。5.教師必須有機會在他們的教室使用新知識。6.專業成長活動結束時，要提供機會讓老師們反思諸如：哪些活動設計最能促進學生學習？學生學到什麼？沒學到什麼？未來如何改進活動？7.要有明確的點以中介教師的反思。

建模本位師資培育課程的設計及學員表現

根據Justi與van Driel (2005)的建議，本文作者設計建模本位的師資培育課程，並檢視11位修課學員於MCK、MingCK與MPCK三個向度的表現及其影響來源。這11位學員為東部某大學科學教育研究所的碩博士研究生，各自的科學背景殊異（9位理組，包括生物、化學、物理、電機、工業設計。2位文組，專攻語文、特殊教育），研究者依據科學教學年資，將之區分為專家教師(n=6)及生手教師(n=5)，並規劃「課程前」（第1週）進行課程說明與模型本質的前測、「模型與建模經驗分享」（第2-3週）以瞭解學員們於模型與建模相關的CK和PCK上已有的知識，並由教師與學員們之間的相互對話，挑戰學員們對模型與建模教學實務的理解，接著選讀「模型與建模文獻、工具介紹」（第4-10週），而後提供「建模教學範例、文獻及實際設計」（第11-15週），藉以充實學員們模型與建模教學實務的理解，並依據文獻中的重點，跟學員們討論設計相關教學實務時的特徵，及設計的細節。最後，在職教師有教學的場域，但職前教師則缺乏這樣的場域，因此，課程提供「試教及反思」（第16-18週）的機會，讓所有參與的學員有機會在試教過程中使用新知識。為準備這樣的試教，或已經察覺到模型與建模對科學學習的益處，部分學員在試教前，已經先在其教學的班級中施行建模本位的教學，因此，此師資培育課程結束後，每位學員都有相關的教學經驗。而試教過程，所有學員須提供互評，互評的機制除提供教學者具體回饋，也提供互評者本身有分析教學實務的機會。本文作者特別在這五個學習階段皆設立反思的機會，並提供10點信心量表，讓學員們自評其在MCK、MingCK、MPCK的理解及反思心得，研究結果整理成下面三張圖：

圖1 全班、專家教師、生手教師於課程五階段MCK自我信心的表現

圖2 全班、專家教師、生手教師於課程五階段MingCK自我信心的表現

圖3 全班、專家教師、生手教師於課程五階段MPCK自我信心的表現

由上面三圖可知：

一、隨課程演進，學員於MCK、MingCK與MPCK三向度的表現和信心皆逐步上揚。其中以MCK最易習得，而MPCK進步最難。

二、專家教師於MCK、MingCK、MPCK這三向度的表現與信心除了最後於MCK與生手教師相當外，其餘向度，自始至終皆高於生手教師，但生手教師於此三向度的成長幅度則較專家教師大。此外，專家教師自評對這三向度的理解程度及趨勢幾乎一致，但生手教師僅MingCK、MPCK的趨勢較為雷同，且認為這兩向度較難習得。

三、模型與建模文獻、工具介紹，對學員MCK、MingCK、MPCK之理解與表現具有影響，但課堂初始模型與建模經驗分享，以及教案設計過程中同儕的共同討論、設計則對學員們的信心提升較為明顯。其中，專家教師於模型與建模教學經驗分享過程中，獲得對於三向度概念的釐清，信心成長最為明顯，而生手教師則於教案討論與設計過程中因著與專家教師的激盪，信心增強最為顯著。

結論與建議

本課程依據Justi與van Driel (2005)的建議設計建模本位的師資培育課程，學員們雖具有多元的科學背景，但在MCK、MingCK與MPCK的信心與實際表現皆逐漸上揚，這顯示了本課程架構設計的可行性。而這五階段中，教案的設計與試教、模型與建模教學的經驗分享、模型與建模文獻、工具介紹扮演成長關鍵。對專家教師而言，由於這些教師已經有教學的經驗，若能奠基於教師的迷思概念，設計認知衝突的教學活動，將較有助於其教師專業成長。而對於生手教師而言，教案的設計與試教，提供成功機會，加強了生手教師改變教學方法朝往建模本位的教法之信心與信念，其中，同儕討論、互評，增加反思機會，都有助於生手教師深化他們對於建模本位教學的理解。最後，雖然建模本位的教學方式對於專家或生手教師而言，都是陌生的創新教學方法，但依據本文初步研究結果，本文作者建議針對「專家」、「生手」教師培養其熟稔建模本位教學的師資培育課程設計順序或重點應有所不同，有教學經驗的專家需先設計足以衝擊其教學信念的活動，使其體認到原有教法的不足，而對於生手教師則需提供成功的建模教學範例，討論這些範例之所以成功的特徵，並讓生手教師實際設計與執行，而後實際有成功的經驗、能夠看到學生的進步與成長，在這些情形下，將最有助於這兩群不同的教師接受並掌握建模本位教學的精髓並願意持續在其現在或未來的教室中執行。

參考文獻

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。

Bliss, J. (1994). From mental models to modeling. In H. Mellar, J. Bliss, R. Boohan, J. Ogborn, & C. Tompsett (Eds.), Learning with artificial worlds: Computer based modeling in the curriculum (pp. 27-32). London: The Falmer Press.

Justi, R., & Van Driel, J. (2005). The development of science teachers’ knowledge on models and modelling: promoting, characterizing, and understanding the process. International Journal of Science Education, 27(5), 549-573.

Coll, R. K., & Lajium, D. (2011). Modeling and the future of science learning. In M. S.Khine & I. M. Saleh (Eds.), Models and modeling: Cognitive tools for scientific enquiry (pp. 3–21). Netherlands: Springer.

Crawford, B. A., & Cullin, M. J. (2004). Supporting prospective teachers’ conceptions of modelling in science. International Journal of Science Education, 26(11), 1379-1401.

Henze, I., van Driel, J. H., & Verloop, N. (2007). Science teachers’ knowledge about teaching models and modelling in the context of a new syllabus on public understanding of science. Research in Science Education, 37(2), 99-122.

Valanides, N. & Angeli, C. (2006). Preparing pre-service elementary teachers to teach science through computer models. Contemporary Issues in Technology and Teacher Education – Science, 6(1), 87-98.

Valanides, N., & Angeli, C. (2008). Learning and teaching about scientific models with a computer modeling tool. Computers in Human Behavior, 24(2), 220-233.

• 教學成效

 利用上述的化學電池心智模式分類方式，將學生教學前後的心智模式分類後將心智模式分佈情形整理於表二，做為討論心智模型分佈情形討論之依據。

「一般教學組」心智模式的分佈情形如表二與圖三所示，教學前，學生的心智模式幾乎集中於「電池概念不完整」高達96.3%，僅有一位同學之心智模式為「電極混淆模式」。透過一般文本教學後，學生的心智模式仍集中於「電池概念不完整」，但比例有下降達55.6%；亦有發展出新的心智模式，即為「電路雛型模式」其比例為25.9%，位居第二。若從圖4-3-0觀察可知，教學前，心智模式多集中於左方的心智模式(初始模式)；教學後心智模式朝右方的心智模式移動(綜合模式)，並且仍可看出教學前後於初始模式由96.3%降低至55.6%；綜合模式由3.7%提高於44.4%，但是，仍未觀察到有科學模式的產生。

圖三　「一般教學組」教學前後心智模式分佈情形

「建模探究教學組」心智模式的分佈情形如表二與圖四所示，教學前，學生的心智模式多集中於「電池概念不完整」高達70.8%，透過建模文本教學後，發現，「電池概念不完整」之心智模式已不存在，並且發展出在前測尚未有的心智模式：電路雛型模式、電路進階模式與類科學模式，教學後所發展出的心智模式其比例皆高於20%。若以圖三的分佈情形來看，教學前集中於左方之心智模式(初始模式)，透過教學朝右方的心智模式移動(科學模式)，並且教學前後於初始模式由87.5%降低至8.3%；綜合模式由12.5%提升至62.5%；科學模式由0%提升至29.2%，可知，透過教學有助於提升綜合模式與科學模式與降低初始模式的比例。

圖四　建模探究教學組教學前後心智模式分佈情形

由上述心智模式的分佈情形可提出以下三個現象：一、教學前，學生的概念過於破碎與不完整，因此，大部的學生於教學前皆屬於「電池概念不完整」的心智模式，透過教學，會發現次現象降低情形顯著，表是透過教學有助於學生改善破碎與不完整的概念；二、教學後，皆有助於降低初始模式，提升綜合模式甚至科學模式的比例，此現象正與第一個現象互相呼應；三、透過不同的教學方式，所達到的最高心智模式不相同。

•  教學反思

Schwarz(2009)提出關於建模本位教學將遭遇的挑戰，可分成兩部分，第一部分來自於教師對於科學課程的信念改變，教師必須從僅提供「固定」答案的教學方式，進而轉換成以證據為導向的知識建構方式進行教學，此教師信念的改變為建模教學現今所遭受的挑戰之一；第二部份來自於學生於科學學習中的情形，建模教學即為學生仿效科學家建立模型的過程，其中，科學家透過發表模型，並使用模型解釋或預測，因此，在建模教學中，必須著重於學生「發表」自行所產生的模型，使學生能夠有機會進行「口頭發表」。此兩部分皆為教學活動中極為重要的角色，因此，建模教學能夠落實，必須克服上述的挑戰。以下將提出本教學的反思內容：

一、建模文本與建模本位探究教學促進學生心智模式的改變

        增加不同情境的探究問題與以學生為中心的方式，屬於建模本位探究教學規劃中的一部份。使學生思考不同情境的問題，以及自行選擇探究的主題皆能夠使得學生的心智模式產生更大幅度的變化，並且擁有更複雜的變化情形。根據研究結果，透過建模教學的學生心智模式改變的情形要一般教學明顯。

二、教學內容的改變

        以學生為中心的教學方式，提供學生更多討論與反思的機會。針對研究問題與研究流程，皆由各小組自行討論與決定，與教師溝通後則開始蒐集資料。本研究中以白板的發表的方式，學生可使用各種表徵，發表各組的研究成果，透過小組間的比較與討論，增高了學生經歷模型效化的機會。從心智模式的改變情形可知，多元、彈性且以學生為中心的教學模式，有利於學生發生心智模式的改變，並且產生更為豐富的心智模式。

三、進行長期建模本位探究教學

        本研究的課程內容未完成完整的建模歷程，未來能討論學生經歷完整建模歷程時，心智模式變化的情形。因此，希望透過長期的建模本位探究教學，能夠使學生經歷更為完整的建模歷程，對於研究而言，亦有助於了解建模歷程的起點與限制(Schwarz,2009)。

參考資料

Chi, M. T. (2008). Three types of conceptual change: Belief revision, mental model transformation, and categorical shift. International handbook of research on conceptual change, 61-82.

diSessa, A. A., Gillespie, N. M.,& Esterly, J. B. (2004). Coherence versus fragmentation in the development of the concept of force. Cognitive Science, 28(6),843–900.

Gentner, D. (1983).Structure-mapping: A theoretical framework for analogy. Cognitive science, 7(2), 155-170.geology laboratory-based course. Science Education, 92(4), 631-663.

Schwarz, C. V., Reiser, B. J., Davis, E. A., Kenyon, L., Achér, A., Fortus, D., … & Krajcik, J. (2009). Developing a learning progression for scientific modeling: Making scientific modeling accessible and meaningful for learners.

兩岸化學教育高峰論壇:化學模擬實驗軟體在國中八年級理化的探究與實作應用

陳子聖*¹、周金城²

¹臺北市立敦化國民中學

²國立臺北教育大學自然科學教育學系

*[email protected]

 

• 前言

科學教學的核心之一是幫助幫助學生培養解決問題的能力，無論在「九年一貫課程綱要能力指標」，或是即將實施的「十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要」中，都提及探究教學中，教師需幫助學生學習如何具備問題解決的能力。若身為教師能落實平日教學課程中安排學生進入實驗室動手操作，學生才比較有可能藉由實驗操作的過程，培養問題解決的能力。但是由於部分實驗仍具有危險性，過去並不容易讓學生可以自行設計實驗，並自主測試實驗結果。利用商業化的Yenka Science軟體，教師可以設計物理、化學、數學與工程等主題的科學實驗，讓學生在電腦上親自進行科學模擬實驗操作，並且可以讓學生熟悉實驗步驟並收集數據，進而預測實驗可能的結果。

此次教學研究將以4個八年級上學期理化實驗內容，設計Yenka化學模擬實驗，並進一步比較使用Yenka融入實驗教學與一般教學的八年級學生在學習成效上是否有顯著差異。過程中學生約三人一組藉由觸控平板電腦來操作模擬實驗，熟悉實驗步驟並練習預測結果。透過Yenka融入的實驗組與一般教學的對照組進行比較，發現不論國小或是國中Yenka融入的實驗組教學成效都優於一般教學對照組，且成績進步達顯著差異。

• 研究背景與目的

2019年即將啟動的12年國民基本教育課程綱要(簡稱課綱)中的自然科學課程中，規劃每學期至少包含一個跨科單元，實施跨科主題整合的探究與實作學習，其主要目的並不是取代學科的實驗課程，而是讓學生可以動手將想法實際執行出來，以提升學習成效。因此，在本教學研究中，希望藉由Yenka實驗模擬軟體操作，透過學習單內容設計加入引導式探究的內容，以2~3人為一組進行小組討論，幫助學生在實驗過程中培養探究學習能力，並能解決所教師所設計的實驗問題，例如：在原有課本實驗內容中加入不同物質的溶解度觀察，以瞭解溫度上升是否均能增加溶解度等，延伸實驗的廣度與深度，以提升學生的科學學習成效。故本次教學研究目的有二：

1.      利用Yenka科學實驗軟體融入科學教學活動，幫助學生科學成效是否能有所提升。

2.      利用Yenka科學實驗模擬軟體融入實驗課程時，學生所遇到的問題與解決方式。

•  研究設計

為了確認實驗模擬軟體在國中教學效果，我們選擇台北市某國中八年級學生，將自然與生活科技的四個主題的融入Yenka活動，分別是1.密度的測定、2.混合物的分離、3.溫度對固體溶解度的影響、4.氧氣的製備及性質。研究期程共計共 6 週，每周 4 節課，合計 24 節課，教學對象的２班學生均為常態編班，其實驗組 26 人，控制組 27 人，合計 53 人，實驗模擬軟體均採用Yenka
Chemistry，而實驗影片內容採用康軒版電子書所附內容，每次課程進行前，先進行前測，兩組進行相同時間的教學，再進行後測。茲將教學流程說明如表一所示。

表一：每次實驗課程之教學流程

實驗組   (26人)	前測	概念教學	Yenka模擬軟體操作+ 小組討論	進實驗室   動手實作	後測
對照組   (27人)			觀看實驗影片+   師生問答

每次實驗均將以上述流程重複實施乙次，其前後測內容選擇與本次實驗相關的試題進行編修，每回施測內容會包含實驗記錄結果的預測及延伸試題，實驗設計內容主要為八年級上學期康軒版自然與生活科技第三冊課本所附實驗教材，部份實驗亦加入延伸課題，讓不同程度學生均能有學習躍遷機會，合計４個實驗標題如下所示：

1. 實驗 1-2 密度的測定

2. 實驗 2-1 混合物的分離

3. 實驗 2-2 溫度對固體溶解度的影響

4. 實驗 2-3 氧氣的製備及性質

教師進行實驗設計過程中，若部分實驗器材無法在Yenka實驗模擬軟體找到相同的物件，會改用其他替代器材配合相同的實驗方法，儘量讓實驗組學生在使用模擬軟體的過程中同步完成課本實驗步驟與練習器材使用技巧，除了可讓學生熟悉實驗流程外，有利於在真實的實驗室中的操作過程更加安全流暢。

• 教材內容

以下僅列出本次教學研究部份實驗模擬軟體的畫面與搭配實驗所設計的學習單截圖，並非全部教學內容，謹供讀者參考，若有意瞭解全部過程及內容，歡迎私訊討論。

圖1-1　實驗1-2密度的測定	圖1-2 實驗1-2學習單
圖2-1　實驗2-1混合物的分離	圖2-2　實驗2-1學習單
圖3-1　實驗2-2 硝酸鉀溶解度	圖3-2　實驗2-2學習單
圖4-1　實驗2-3 氧氣的製備	圖4-2　實驗2-3學習單

學習單設計過程中，教師可以將不同操作變因依據學生學習能力，調整增加可探究的項目，故可藉此進行差異化教學，讓不同學習能力的學生，可在課本既有的實驗教材中，追加挑戰延伸的實驗課題，充分發揮模擬軟體的可再現性與安全性之優勢。

• Yenka融入八年級自然與生活科技教學能提升學生學習成效我們將實驗組與對照組的前後測成績以統計軟體SPSS進行比較，結果如表二所示。

表二：八年級學生融入Yenka活動前後測成績共變數分析結果

組別	人數	前測	後測	前測成績調整	後測成績調整	前測共變數分析
八年級實驗組 yenka融入教學	26	54.8	72.3	63.2	79.1	F=8.709*   p=.005<.05
八年級對照組 一般教學法	27	71.2	79.7	63.2	73.1

使用SPSS 20分析後，確認前測成績具有同質性 (F=1.129, p=.293>.05)，可進行共變數分析。兩組後測成績差異達顯著 ((F=8.709,p=.005<.05) ，顯示實驗組成績優於對照組。

本次教學研究上，參與Yenka融入實驗教學中，有八成以上學生藉由學習單的結構式引導，均可形成模型並解決問題。且透過Yenka融入的實驗組與一般教學的對照組進行比較，發現Yenka融入的實驗組教學成效都優於一般教學對照組，且成績差異達顯著差異。

• 學生回饋內容

全部教學結束後一周內，對實驗組26位學生實施問卷調查，採五等第量表，其問卷內容設計如下：

1.  Yenka科學實驗模擬軟體操作很方便。

2.  我喜歡老師利用Yenka科學實驗模擬軟體所設計的科學實驗。

3.  透過Yenka科學實驗模擬軟體做實驗，可以產生出如同動手做科學實驗的結果。

4.  用Yenka科學實驗模擬軟體做實驗，可以提升我科學學習的興趣

5.  透過Yenka科學實驗模擬軟體做實驗，可以測試我的科學實驗假設。

6.  利用Yenka科學實驗模擬軟體做實驗，可以收集實驗數據。

7.  利用Yenka科學實驗模擬軟體，可以幫助我建立科學模型觀念。

8.  透過Yenka科學實驗模擬軟體，也會像真的動手做實驗一樣，會產生實驗誤差。

9.  我會想要利用Yenka科學實驗模擬軟體，來設計科學實驗。

10.   我喜歡以小組的方式來使用Yenka科學實驗模擬軟體。

11.   我喜歡以單獨個人的方式來使用Yenka科學實驗模擬軟體。

12.   在教室內利用觸控平板電腦操作Yenka科學實驗模擬軟體很方便。

統計作答結果如圖 5 所示，可得知有近8成的學生對於使用模擬軟體融入實驗課程學習，均感到滿意認同。

圖5 實驗組學生使用模擬軟體進行實驗學習之滿意度調查結果

在回饋問卷中，亦進一步瞭解實驗組學生在課堂中利用Yenkadk 科學實驗模擬軟體協助學習的看法，知道學生同意藉此學習方式能預測實驗結果並熟練實驗步驟，可增加學習成就感與提高真實實驗結果的準確性，茲將部份學生回饋單內容呈現，如圖6-1~6-2所示：

圖6-1 實驗組學生在實驗課程中使用模擬軟體學習的看法1

圖6-2 實驗組學生在實驗課程中使用模擬軟體學習的看法2 

 

• 模擬實驗與一般實驗教學的差異比較整理本次教學研究的學生看法與教學實施過程省思後，可得知模擬實驗軟體融入學習中的優、缺點，分別如表三、表四所示：

表三：模擬實驗軟體融入實驗學習中的優點

學生觀點	教師觀點
易於反覆操作	時間運用彈性
縮短實驗時間	減少干擾因素
結果具再現性	可精熟實驗操作步驟
所需成本較低	容易瞭解變數間關係
數據即時回饋	建立解決思維習慣
精熟實驗操作步驟	驗證概念及知識點
協助預測真實結果	現象直觀化
提高實驗學習興趣	可觀察微觀粒子變化
無需處理廢液，環保	適合實施差異化教學

表四：模擬實驗軟體融入實驗學習中的缺點

學生觀點	教師觀點
難以完全表達真實情境	操作自由度高，若無適當引導可能建立錯誤印象
效果不一定明顯	需引導觀察重點
結論不一定可靠	材料開放性不足，無法自行擴增或增購
圖示字體偏小	實驗設計難度高
操作熟練需再練習	預設模組太少
程式會偶爾卡頓不順	資料庫數據出處不明
按鍵過小，容易誤按	尚無中文化
	無法完全替代真實實驗

 

• 教師的教學省思

經由此次教學研究後，細讀學生填寫的回饋單內容與回想教學歷程時，可以觀察到多數學生都喜歡動手做的課程，對於能進入實驗室也都能抱持較高的學習熱忱，只是在以往的教學方法中，通常難以在一堂課中讓學生很快的熟悉該次實驗的流程與操作技巧，經由Yenka實驗模擬軟體融入教學中，讓學生在進入實驗室前有動手做的機會，便能更加熟悉操作中技巧，瞭解可能遇到的困難；而實際上，實驗組學生相較於對照組學生，因為有多一次操作實驗的機會，打破器皿機會變低，所需實驗時間也縮短，對於實驗結果有事先以軟體預測數值，故實驗紀錄的數據也較能符合預期目標。

給有志採用此一方法提升實驗成效的教師夥伴們幾點建議：

1.   學習單設計儘量以表徵可見為主，避免概念性問題。

2.   應善用微觀粒子模型表徵工具，引導建立微觀思維。

3.   前後測試卷設計，不宜直接使用題庫資料，須根據模擬實驗步驟採用更適性化提問。

4.   對照組學生於後測實施後，仍可藉此模擬實驗軟體補充說明加強學習印象。

•  結語

身為教育未來世界公民的教師，已無法只使用板書或精彩的講義教材進行教學活動，若能善加運用影音媒體或電腦科技，讓複雜的現象或實驗結果透過模擬軟體、影片示範，再加上親自動手作的過程，所獲得的資訊量絕非單純講述或書面資料所能呈現，實驗模擬軟體絕對無法取代真實的實驗操作課程，僅能輔助學習者能在接觸具危險性藥品之前，提供安全、有效率且變動性上的便利優勢，教師們要以身作則，喜歡做實驗、設計實驗、探究未知事物，才能激勵學生們在未來不可知的環境中保持挑戰的熱情。

• 參考資料

1.   周金城(2018)。軟體與平台在中小學化學教學上的應用。台灣化學教育，24期。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=27197

2.   康軒書局(2019)。國民中學自然與生活科技第三冊（第六版）。臺北市：康軒。

3.   Chou, C. C. (2017). The Course of Modeling based Inquiry Chemistry and Physics Simulation Experiments for Preservice Elementary School Teachers. The 7th International Conference for Network for Inter-Asian Chemistry Educators, Seoul, Korea. 2017/7/26-28. (oral presentation)

4.   Chou, C. C. * & Lin Y. L. (2018). Modeling based Inquiry Chemistry Simulation Experiments for Elementary School Students. 25th International Conference on Chemical Education, Sydney, Australia, 2018/7/10-14. (oral presentation) 

兩岸化學教育高峰論壇: 公開觀課：同題異構—週期表

鍾曉蘭

新北市新北高中

新北市化學科課程發中心執行秘書

[email protected]

一、     前言

2018年12月4日新北市化學科課程發中心受國立臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹教授邀請，協助辦理「亞太化學教育研討會」同題異構之公開觀課研習，研習由新北高中倪靜貴校長主持開幕，敬邀新北市教育局何茂田致詞，總參與教師與貴賓近80位。參與同題異構的主要教授有國立臺灣師範大學邱美虹教授、北京師範大學王磊教授、華東師範大學王祖浩教授、東北師範大學鄭長龍教授、美國紐約州立大學柳秀峰教授、國立臺灣師範大學化學系張一知教授、國立臺北教育大學周金城教授及林靜雯教授，教師有北京海淀教師進修學校支瑤副校長、東北師大附中孫磊老師、台北市立中山女中曹雅萍老師及新北市立新北高中鍾曉蘭老師。

二、     公開觀課之同題異構

    隨著十二年國教新課綱的發展，近年來，教師社群發展與共同備課(以下簡稱共備)也日益重要，教與學的歷程中有許多需要教師關注的議題，如哪些概念屬於核心概念？學生在不同的核心概念中持有何種類型的迷思概念？不同類型的核心概念適用的教學策略/教學活動/教學評量為何？這些問題都亟待教師們共同研究與解決。

    公開觀課是近年來教師社群共備方式之一，過程包括三部分：說課、觀課與議課。本次公開觀課的概念為週期表與化學反應速率，特別請兩岸具多年教學經驗的四位化學教師，各自以五分鐘說課：如何根據不同的教學鷹架或活動引導學生探究與建構相關概念，接著觀課：進行25分鐘的同題異構教學，在觀課後商請兩岸知名的化學教育專家進行議課(專家點評)。詳細說明如下表1：

表1  同題異構之觀課主題、分享教師及點評專家

三、     週期表的規律性—游離能公開觀課

(一)        教學設計理念

本次公開觀課引導學生以建模歷程為學習鷹架，經由數據分析的過程以建立週期表中元素游離能的規律性，讓學生在探究活動中，學習分析、歸納數據的邏輯、關聯或規律，以建立質性或量化關係的模型(如概念圖、關係圖或數學關係式)，用以描述觀察的現象，並依建立的模型用以解決問題或預測新的發展。

科學家在建立科學模型時，有一定的思考過程，稱之為建模歷程(Modeling process)(引邱美虹，2016，參見圖1)。概分為四個階段：(1)模型發展階段；(2)模型精緻階段；(3)模型遷移階段；(4)模型重建階段。

(1)   模型發展階段：科學家經歷多次相類似的生活現象後，便開始從先前概念中選擇適當的物件(成份)、或基本模型；再建立所選物件(成份)、或基本模型的關係或結構

(2)   模型精緻階段：利用已建立的模型之關係與結構進行效化，以判斷、檢驗、或比較模型內部的一致性；利用已效化的模型分析問題，並解釋其適當性(數據演算或推理)

(3)   模型遷移階段：能利用已效化的模型應用於相似情境的問題(近遷移)或運用於新情境的問題(遠遷移)

(4)   模型重建階段：當察覺已效化的模型失效，須增加或減少物件(成份)與關係，以修正為新的模型(弱重建)；最後，察覺已效化的模型整體失效，以重新建立為新的模型(強重建)

 

圖1  建模取向的教學

 

(二)        公開觀課活動照片

研習當天活動照片見圖2.1-2.8。

圖2.1近80位化學教師參與公開觀課	圖2.2 新北市教育局何茂田致詞
圖2.3  支瑤副校長公開觀課	圖2.4  公開觀課：學生發表想法
圖2.5  鍾曉蘭老師說明教學設計理念	圖2.6  公開觀課：師生互動
圖2.7  倪靜貴校長主持專家點評	圖2.8  王磊教授專家點評

(三)        游離能學習單

週期表的規律性－游離能

一、     建立基本概念(發展基本的概念模型，此部分可請學生以小組查詢相關資料後，再行回答問題)

1.      游離能的定義：為移出氣態原子最高能階軌域之一個電子所需的能量(ionization energy ，常簡稱為IE)，而從原子中移出電子其過程必須______能量，為_____熱反應，因此反應熱ΔH ___0。

2.      從氣態的原子移出束縛最鬆的第一個電子所需的能量稱為第一游離能 (first ionization energy，以  IE₁表示，若無特別聲明，一般所說的游離能均指第一游離能而言)依次移去第二個、第三個、…、第n 個電子所吸收的能量稱為第二游離能(IE₂)、第三游離能  (IE₃)、……、第n 游離能。

Q1：請同學預測，影響游離能最重要的因素為何？

A：

 

二、分析數據與效化概念模型(模型精緻)

【表1-1】週期表前20號元素的連續游離能（kJ/mol）

	第一	第二	第三	第四	第五	第六	第七	第八
H	1,312
He	2,372	5,250
Li	520	7,298	11,815
Be	899	1,757	14,848	21,006
B	800	2,427	3,660	25,025	32,826
C	1,086	2,353	4,620	6,223	37,830	47,276
N	1,402	2,856	4,578	7,475	9,445	53,265	64,358
O	1,314	3,338	5,300	7,469	10,989	13,326	71,333	84,076
F	1,681	3,374	6,050	8,408	11,022	15,164	17,867	92,036
Ne	2,081	3,952	6,122	9,370	12,177	15,238	19,179	23,269
Na	496	4,562	6,912	9,543	13,353	16,610	20,114	23,489
Mg	738	1,451	7,733	10,540	13,030	17,995	21,703	25,655
Al	578	1,817	2,745	11,577	14,831	18,378	23,294	27,459
Si	786	1,577	3,232	4,355	16,091	19,784	23,786	29,251
P	1,012	1,903	2,912	4,956	6,274	21,268	25,397	29,854
S	1,000	2,251	3,361	4,564	7,013	8,950	27,106	31,669
Cl	1,251	2,297	3,822	5,158	6,542	9,362	11,018	33,604
Ar	1,521	2,666	3,931	5,771	7,238	8,781	11,995	13,841
K	419	3,051	4,411	5,877	7,975	9,049	11,343	14,942
Ca	591	1,145	4,912	6,474	8,144	10,496	12,321	14,206

資料來源：C.E Moore,“Ionization Potentials Ionization Limits from Atomic Spectra,”NSRDS-NBS34,1970

Q2：請同學根據上表，比較同一元素連續游離能大小之關係為何？提出可能的解釋？

 

Q3：根據上表，比較同一族的元素第一游離能大小之關係為何？提出可能的解釋？

 

Q4：根據上表，畫出第二週期的元素第一游離能與原子序的關係圖。

 

Q5：根據上圖，同一週期的元素第一游離能大小之關係為何？提出可能的解釋？

 

Q6：推測出週期表中第一游離能最大的元素為_____，最小的元素為_______。

 

Q7：第二週期中，第一游離能最大的元素為_____，最小的元素為_______；第二游離能最大的元素為_____，最小的元素為_______。

 

推論出：同一週期主族元素之第n 游離能以第______族最小，第______族元素最大。

Q8：鹼金屬族在第幾游離能大幅度增加？原因為何？

 

 

推論出：

*補充資料：過渡金屬元素同一週期從左至右，由於有效核電荷增加不多，原子半徑減小緩慢，故游離能大小相差不大。

＃結論:

影響游離能大小的因素：

 

四、    結語

這次「亞太化學教育研討會」同題異構之公開觀課為兩岸高中化學教育開啟分享與交流的極佳管道，不僅是學界與高中教學現場的融合，也是兩岸教學方式的分享與交流，讓我們看到不同的教學策略與思維，值得國內多舉辦與老師們多參與這類型的公開觀課，將有助於現場老師們教學精進與教師增能。

 

五、    參考資料

邱美虹(2016)。科學模型與建模：科學模型、科學建模與建模能力。臺灣化學教育電子期刊2016年1月專刊。

兩岸化學教育高峰論壇:公開觀課：同課異構–濃度對反應速率的影響

曹雅萍

國家教育研究院測驗與評量中心研究教師

中山女子高級中學

[email protected]

一、前言

2018年12月4日眾多化學老師與教授齊聚新北市立新北高中，參加「亞太化學教育研討會」。研討會中分別由北京海淀教師進修學校支瑤副校長和新北市立新北高中鍾曉蘭老師以「週期表」為主題；東北師大附中的孫磊老師與台北市立中山女高以「反應速率」為主題，進行同課異構之公開觀課活動。活動中每位老師分別以五分鐘說課，以解釋課程設計的者要理念；再進行25分鐘的同課異構教學，並於觀課後商請兩岸知名的化學教育專家進行議課，點評教授包括國立臺灣師大邱美虹教授、北京師範大學王磊教授、華東師範大學王祖浩教授和東北師範大學鄭長龍教授。

二、反應速率－濃度對反應速率的影響公開觀課

(一)課程理念與設計說明

反應速率的傳統教學方式，多為寫出反應速率定律式，再以許多題目不斷練習應用，讓學生在練習過程中，熟悉並背下反應速率定律式，但對於反應速率式的本質，與反應速率定律式為何出現的理由並不清楚。

為了以因應素養導向教學，並希望學生於知識學習過程中，同時培養解決問題的能力，故本課程設計時，溶入形成性評量的概念，希望從學習評量中建構學生在化學課堂上的學習。形成性評量的理論基礎則強調教學歷程要與評量歷程相互結合，才能達到改進教學的目的，進而提高學習效果。亦即「評量本身就是學習或教學活動」，當評量本身就是一個學習任務，藉由評量引導學習才會發生，若提問本身對教師就是評量活動，則回答教師的問題，對學生就是學習活動。

此外，實驗設計的概念亦為本次新課綱探究實作課程的重點之一，故本課程亦融入了實驗設計的概念，希望學生在學習過程中同時了解，探討反應物濃度對反應速率的影響時，一次僅能探討單一物質濃度(單一變因)對反應速率的影響，亦即於教學中同時澄清操縱變因與控制變因的概念，有助於實驗設計能力的培養。

下表為本課程設計簡述，希望藉此引入科學家設計實驗與思考解決問題的歷程，讓學生經由一系列有組織的提問後，可以自行理解並歸納出反應速率級數的意義。

單元主題	反應速率－濃度對反應速率的影響
單元目標	能從一系列的反應速率實驗中，取得反應速率的數據，並有效整理反應速率的數據，進而寫出濃度和反應速率的數學函數關係。
核心問題	如何以一個適當的函數關係，表示濃度和反應速率的關係呢？
學習內容	CJe-Va-1 反應速率定律式	學習表現	tr-Ⅴa-1 能運用一系列的科學證據，理解並推導自然現象的因果關係。 tm-Ⅴa-1 能依據科學問題自行運思或經由合作討論來建立模型。
教學流程與提問設計	1.      示範丙酮碘化實驗，並引起學習動機。 2.      學生討論並說出反應速率如何計算。 3.      由上述的觀察中推論，可以用來測量反應速率的對象，需要具備哪些特性？並舉例說明。 4.      如果反應物的濃度會影響反應速率，那妳可以如何確認呢？ [H＋]、[(CH3)2CO]和[I3－]的影響分別為何？ 請求出反應速率，並分別寫出反應速率和各物質濃度的關係。 5.      如何將[H＋]、[(CH3)2CO]和[I3－]和反應速率的關係以一個數學函數表示呢？
感謝師大化學系張一知教授提供第四十四屆國際化學奧林匹亞實驗競賽試題。

 

(二)開觀課活動照片

研習當天活動照片下圖。

圖1  孫磊老師公開觀課	圖2曹雅萍師公開觀課
圖3  學生課堂參與情況	圖4  王祖浩教授專家點評

(三)「濃度對反應速率的影響」課程流程與學習單

1. 實驗原理說明並進行實驗演示，已引起學生學習動機，並由實際的實驗演示中，觀察並推論出可以如何測量反應速率。

2. 研究設備及器材

3. 教學歷程提問與學習單：

 
(1)學生可由實驗觀察中，並經老師的引導後了解，計算反應速率測量時間時，需要有一個觀察標的，而此標的必須要有明確的變化，並可經眼睛或是儀器等測量其用量。

(2)當學生了解反應速率的測量方法後，即可運用此方法探討物質濃度對反應速率的影響。故以下的學習單提問，以表格方式提示學生，如果探討丙酮濃度對反應速率的影響時，操縱變因與控制變因應該如何設計才可得到所需的實驗結果。

(3)當得到實驗結果後，引導學生如何以數學的關係式表達濃度與反應速率之間的關係，亦即簡單的建模概念。

(4)當由實驗中可以得到不同物質對濃度的影響後，繼續引導學生討論，如何將不同物質的影響以單一個數學等式表示。當了解一個化學反應其反應物的濃度和反應速率的關係，可以由單一數學式表示後，再引導學生進一步以通式表示所有反應之反應物濃度對反應速率的影響。

三、結語

這次「亞太化學教育研討會」吸引了海峽兩岸的許多化學第一線教師積極參與，除了打開交流的管道外，更可針對同一個教學主題，進行不同的教法與課程設計的比較與討論，這是目前國內較少見的觀課模式，可做為後續教育現場推行教師共備課程設計時的方法之一，應可激發更多的動能，並帶來更多的創意。

此外，此次觀課與一般觀課研習不同的地方在於，有學界教授針對教學主題與方式，提供更具科學教育理念的指導與點評，有助於現場老師將實務教學經驗與學理比較、結合，讓現場老師以新的視角解讀自己的教學方式，有助於突破教學盲點，進而有效提升老師教學效能，此模式亦可作為後續觀課研習模式的參考。

四、參考資料

第四十四屆國際化學奧林匹亞競賽實作試題

兩岸化學教育高峰論壇:綠色創客-2：霍夫曼微型電解水模組的設計與應用

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]

• 影片觀賞

本實驗影片由大甲高中提供，微型電解水器的設計、製作以及教學應用過程介紹。

影片網址：https://youtu.be/QaE1Ymuv6FU,YouTube.

• 簡介

水是醞釀生命的泉源，對於生物體來說是不可或缺的無機物質，為了瞭解水的組成，國中理化課程中，透過電解水實驗，以排水集氣法分別收集陰、陽兩極的氧氣與氫氣，觀測兩極的氣體體積比。

早期的電解水裝置是由德國的化學家霍夫曼（August Wilhelm von Hofmann ^[1]）於1866年所發明，電解器外型似H型玻璃製的聯通圓管，金屬電極貫穿橡皮塞，與帶刻度的圓柱形玻璃管底部相連接，兩極中間連接一根細直型的玻璃漏斗，供添加電解液並維持水位；陰陽兩極是由兩根白金棒，貫穿橡皮塞塞住玻璃管底部所組成，隨後以直流電源連接白金電極進行電解。今日玻璃製的霍夫曼電解器因為安全性與不方便考量，慢慢被塑膠的電解槽所取代的，下圖為電解水裝置。

 

圖2：圖左為霍夫曼電解器，圖右為塑膠製電解水裝置

傳統的電解器體積較大、使用的電解液不管是氫氧化鈉或硫酸鈉，都需要數百毫升的體積、過量的廢液處理問題，加上白金電極價格昂貴，總總因素讓目前中學做過電解水實驗，有實際動手做實驗且正確量測出氫氣與氧氣體積比的學生寥寥可數。因應潔淨能源–氫能的崛起，電解水的相關研究風起雲湧^[2],[3]，如何改良電解水器，讓國高中的理科教師們都能方便地帶領學生進行電解水實驗，成了此次研發的重點。

延續之前在科學研習月刊的撰文（綠色創客：微型電化學電池的設計與應用 ^[4]）風格，應用跨領域的技術，從無到有，一步一步地完成新式的微型電解水裝置的設計，以及實驗模組的教學應用；微型的設計中以1毫升塑膠針筒取代傳統的玻璃管，進行陰陽兩極氣體的收集；應用雷射切割技術，壓克力製的電解槽具組裝容易，不易摔破、攜帶方便的優勢；陰、陽電極固著於塑膠螺絲上，螺絲電極可旋入電解槽底部螺孔，方便自由拆卸、更換；不受限於傳統電極固定性結構，提供進行電解的變因探究，目前可使用碳纖維、鐵、不鏽鋼、鎳鈦合金、黃銅以及純銅六種電極；除可透過USB行動電源進行電解實驗，實際節省98%化學試劑使用量，使用後的溶液亦可回收循環使用。下圖為學生在選修課進行微型電解水實驗操作圖。

圖3：本校微型電解水實驗的操作

本文除描述「微型電解水裝置」的製作方法外，亦提供電解水模組的教學使用示例，與教學的設計與應用，並且詳細地說明此實驗所涉及的原理與概念，以及教師教學的提示。期盼透過本刊物的分享，提供讀者瞭解電解水實驗的參考；落實實驗減量、減廢，實踐環境友善與綠色永續的教學目標。

• 器材與藥品

1.      功率80W的雷射切割機。

2.      透明壓克力板60cm × 40 cm，厚度8mm一塊（約可切出20組微型電解水裝置）

3.      螺絲攻牙器1組（含5.0mm的螺絲攻鑽頭）【購自五金材料行】

4.      鑽孔機1台（含1.4mm鑽頭）

5.      PP塑膠一字螺絲（Φ＝6mm，長12mm）數個【購自五金材料行】

6.      雙面矽膠帶（寬＝5mm、寬10mm，各一捲）兩捲

7.      塑膠針筒包括：1毫升針筒3支、2.5毫升針筒1支

8.      塑膠三通閥2個、雙通閥1個【購自醫療用品店，亦可使用3個三通閥】

9.      紅、黑鱷魚夾線各一條

10.  六種電極包括：碳棒2支(碳纖維)、鎳鈦合金棒、不鏽鋼棒、鐵棒、銅棒以及黃銅棒各1支（直徑Φ＝1.5mm，長6mm）

11.  止洩帶1捲

12.  0.5M硫酸鈉溶液、溴瑞香草酚藍指示劑（簡稱BTB）、0.5M硫酸銅（Copper sulfate, CuSO₄）溶液、0.5 M碘化鉀（Potassium iodide, KI）溶液各10mL。

• 製作微型電解水裝置

1.      概念發想：在可攜式、減量及電極可替換性用的原則下，設計改良的重點五個方向：

(1)  如何縮減電解槽的空間大小，減少電解液的使用量。

(2)  如何取代玻璃管，方便收集陰、陽兩極的產物。

(3)  如何取代大型的鐵製支撐架，固定整個電解器機構。

(4)  如何設計可拆卸式電極。

(5)  如何完成防漏水、防漏氣設計，提供定量探究電解反應的空間。

2.      數位繪圖：利用Adobe CS3 Illustrator繪圖軟體，設計繪製電解器，機構規劃包括四個部分：

(1)  兩根塑膠針筒注射口朝上，作為陰、陽極反應的空間，並藉此觀測兩極的氣體體積變化。

(2)  方形電解槽：使用8 mm壓克力板構建電解槽的底部與四邊，電解槽底部陰雕出兩根針筒壓柄的橢圓外型（紫色區域），針筒垂直放置於內；壓柄置中留兩個圓孔，以連接陰陽兩電極之用。

(3)  針筒固定橫桿：中間兩圓型穿孔，針筒筒身可穿越圓孔，針筒壓柄與水槽底部的橢圓形凹陷處接合；兩端各有一個卡榫（深綠色區域），橫桿的卡榫可與水槽邊框的榫洞接合，固定在電解槽上（紅色區域）。

(4)  電解槽的支撐腳：為節省材料，電解槽的邊框內的方型區域，扣除橢圓形區塊（淡藍色區域），作為電解槽的兩支的支撐腳。下圖為微型電解水裝置的設計圖。

 

圖4：圖左為微型電解水裝置示意圖，圖右電解槽各部位元件的電腦設計圖

3.      雷射加工：打開雷射切割軟體Rdworks中，導入機構設計的數位檔案，依照需求調整雷射切割的速率與功率的設定，接著取一塊大小為60 cm × 40 cm，厚度為8mm的透明壓克力板，放置雷射切割機平台，進行雷射加工。下圖為雷切機切割的過程。

圖5：雷射光切割過程圖

4.      底板攻牙：將壓克力電解槽底板放置在方形的模具裡，並用虎鉗夾具夾緊，固定在桌面；接著一支M6螺絲攻，牢固地夾持在電鑽的夾頭，隨後將電鑽固定在固定支撐架上。啟動電鑽電源，鑽頭順時針方向旋轉，下壓支撐架把手，在預先雷切的中心孔位（直徑5 mm）緩慢地攻出一個直徑6 mm，深8 mm的螺牙；切換鑽頭轉向開關，拉起支撐架把手，完成攻牙程序。下圖為攻牙的過程。

 

圖6：圖左為攻牙電鑽與支撐架，圖右為螺絲功牙過程

5.      可拆卸式螺絲電極的製作：取數個PP塑膠螺絲，固定在壓克力模具上接著取一支1.4 mm鑽頭，牢固地夾持在電鑽的夾頭上，下壓電鑽把手，；在塑膠螺絲的一字溝槽中央鑽出一個圓孔。取出螺絲，螺絲一字溝圓頭朝下放置在木板上，以鐵鎚輕輕敲打電極，隨後將電極貫穿螺絲約1公分。下圖為拆卸電極製作的過程。

  

圖7：圖左螺絲鑽孔，圖中為螺絲安裝貫穿電極，圖右為完成的拆卸電極

6.      電解槽組裝：包括電解槽黏合、螺絲電極安裝兩個部分：

(1)  電解槽底板雕刻區朝上，取寬度5 mm的雙面矽膠帶，依四邊長度裁剪適當長度，並沿邊界黏貼在電解槽底部四週。撕開雙面膠帶離形紙，取電解槽邊框與底部對齊，隨後適度用力壓合約1分鐘，確保兩者緊密黏合，降低漏水的機率。

(2)  取出兩根螺絲電極與一捲止洩帶，止洩帶自螺絲圓頭起依順時針方向纏繞，環繞2-3圈後剪斷，接著裝入M6規格的塑膠墊片，隨後依序將兩根螺絲電極自電解槽底部螺孔順時針轉入並旋緊。下圖為電解槽黏合、螺絲電極的安裝過程。

圖8：電解槽組裝

7.      氣體收集針筒的固定：取兩根針筒與壓克力固定橫桿，針筒壓柄朝下，固定橫桿的卡榫亦須朝下，貫穿固定橫桿的兩圓孔；下壓橫桿，讓兩端的卡榫與水槽邊框兩對邊的卡合部緊密崁合，此時針筒壓柄與水槽底部的橢圓形凹陷處接合。隨後將兩個三通閥緊密接在針筒的前端，控制閥一個朝前，一個朝後。螺旋母接口以較大的藍色塑膠塞塞住後，完成電解器組裝。下圖為針筒的固定過程。

圖9：氣體收集針筒的固定

• 教學應用

1.      0.5 M Na₂SO₄水溶液的電解

(1)  先以紅(+)、黑(─)鱷魚夾導線，夾住電解槽底部的鎳鈦合金電極與碳纖維電極，後將電解槽翻正(見圖10為電極與電源的連接)。

圖10：電極與鱷魚夾導線的連接

(2)  取約5mL的飽和 Na₂SO₄(aq)，倒入電解槽內，約八分滿，在滴入5滴的BTB指示劑。隨後取一支5mL的針筒，緊密連接上三通閥的側邊接口，三通閥呈T字型；將針筒的拉桿往後拉動，將電解槽內的溶液往上吸。當溶液上升至針筒刻度為0時，停止拉桿，接著將三通閥翻轉成⊥字型，使針筒與外界呈隔絕狀態。下圖為氣體收集裝置安裝。

 

圖11：電解氣體收集裝置圖，電解前溶液呈黃綠色。

(3)   以紅黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後觀察陰、陽極顏色是否發生變化？圖12為電解的過程。

圖12：電解30秒後，陽極溶液變為黃色(酸)，而陰極變為藍色(鹼)。

(4)  3分鐘後停止電解，仔細觀察兩極氣體體積的變化，試比較兩極氣體的體積比值為多少？

2.    0.5 M CuSO₄水溶液的電解

(1)   同上之操作方法，將溶液改為硫酸銅，不須添加BTB指示劑，以紅黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後觀察陰、陽極是否發生變化？

(2)   3分鐘後停止電解，紀錄正極收集氣體的體積；回收電解液，以清水稍加沖洗，仔細觀察電極上的變化。下圖為電解後的變化。

圖13：負極發現紅棕色的緊密的附著物，預估是銅的析出

3.    0.5 M KI水溶液的電解

(1)   同上之操作方法，將溶液改為碘化鉀，以紅黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後，觀察並記錄陰、陽極所發生的變化。下圖為兩極的反應變化。

圖14：陰極發現大量氣泡的產生，陽極附近溶液出現紅棕色

(2)  3分鐘後，停止電解，接著取一根塑膠針筒，自負極的三通閥吸取液體，滴1~2液體在餐巾紙上，隨後入滴加1~2滴的BTB指示劑，觀察顏色是否發生變化；再取一根塑膠針筒，自正極的三通閥吸取液體，滴加在餐巾紙的另一隅，隨後入滴加數滴的澱粉試劑，觀察溶液是否會發生什麼變化？下圖為檢測結果。

圖15：餐巾紙的上方顏色由黃變藍(鹼性)；下方由紅棕色變為藍黑色(含碘)

4.    飽和食鹽水溶液的電解

(1)   同上之操作方法，因陽極產物易與鎳鈦合金中的鈦金屬作用，故將兩電極的位置互換，並將溶液改為飽和食鹽水，以紅、黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後觀察兩極發生的變化？

(2)   3分鐘後停止電解，取一根1毫升塑膠針筒，針筒前端連接一個雙通閥；接著將碘化鉀澱粉試紙放入針筒中，推入拉桿後，利用兩通閥連接三通閥吸取陽極的氣體，仔細觀察試紙顏色的變化，根據觀察到的現象以及你原有的科學知識，請嘗試推測該氣體的成分是什麼？打開雙通閥，將針筒靠近鼻子，以手揮動，聞聞看像甚麼氣味？

(3)   隨後再取另一支2.5毫升針筒，將長約2公分的廣用試紙置入針筒內，輕推壓柄將試紙推至注射口；接著與三通閥連接自三通閥吸取陰極的液體後，廣用試紙會發生什麼變化？下圖為正負極產物的檢測結果。

 

圖16：圖左澱粉試紙發生的變化(陽極)，圖右廣用試紙發生的變化(陰極)

•      原理與概念

本微型電解水實驗教具可提供數種類型的電解反應與教學應用，包括一般的電解水、電解質的參與、電解電鍍等，茲將類型分述如下：

1.      一般電解水，以硫酸鈉為電解質：

   只有水參與反應，電解質宜使用強酸、強鹼，如硫酸或氫氧化鈉，亦可用不參與反應的中性電解質，如硫酸鈉等；此狀況下，電極基本不參與反應，陰極發生水還原，可使用抗腐蝕的材料，如石墨、不鏽鋼；陽極發生水氧化，宜使用活性小的鈍性的金屬或導體，如白金、純鎳^[5]、或石墨。本文電解硫酸鈉溶液，陰極使用碳纖維^[6],[7]電極取代易折斷的石墨，電解產生氫氣，溶液呈鹼性，可使溴瑞香草酚藍指示劑呈藍色；陽極因白金價格過高，改採抗腐蝕力強，可用於人體心血管支架的鎳鈦合金電極^[8]，電解時產生氧氣，溶液呈酸性，可使溴瑞香草酚藍指示劑呈黃色。陰陽極的反應如下：

陽極（接正極，氧化反應）：H₂O(l) → 1/2 O₂ + 2H⁺(aq)+ 2e^－   E^o_ox = -1.23V

陰極（接負極，還原反應）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂O(l) + 2OH^－(aq)  E^o_red= -0.83 V

2.    電解質參與反應：

(1)  以電解質硫酸銅溶液為例，Cu²⁺的還原電位為0.34 V，比水的還原電位-0.83 V高，故在陰極發生還原，金屬銅析出；H₂O在陽極發生氧化反應，產生氧氣。陰陽極的反應如下：

陽極（接正極，氧化反應）：H₂O(l) → 1/2 O₂ + 2H⁺(aq)+ 2e^－   E^o_ox = -1.23V

陰極（接負極，還原反應）：Cu²⁺(aq) + 2e^－ → Cu(s)E^o_red= 0.34 V

(2)  以電解質碘化鉀溶液為例，H₂O在陰極發生還原，產生氫氣；碘離子I^－的氧化電位  -0.54V比水的氧化電位-1.23V高，陽極發生氧化反應，產生碘。陰陽極的反應如下：

   陽極（接正極，氧化反應）：2I^－(aq) →I₂(aq) + 2e^－   E^o_ox = -0.54V

   陰極（接負極，還原反應）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂O(l) + 2OH^－(aq)  E^o_red= -0.83 V

(3)  以電解質飽和食鹽水為例，H₂O在陰極發生還原，產生氫氣；而陽極哪一個物質發生氧化呢？氯離子Cl^－的氧化電位為-1.36 V比水的氧化電位-1.23V低，照理說，是水發生氧化，但因高濃度氯離子使反應利於向右進行使然，氯離子在陽極發生氧化反應，產生氯氣。陰陽極的反應如下：

   陽極（接正極，氧化反應）：2Cl^－(aq) →Cl₂(g) + 2e^－   E^o_ox = -1.36V

   陰極（接負極，還原反應）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂O(l) + 2OH^－(aq)  E^o_red= -0.83 V

3.    電極參與反應：陽極發生氧化，可進行金屬的精煉，或合金金屬組成的分析，以銅的精煉為例，純銅做為陰極，黃銅（鋅銅合金）作為陽極，陽極氧化，產生銅離子，銅離子游向陰極，析出金屬銅，可由陰、陽兩極重量的增減，推算黃銅中不純物的含量百分比。

•      安全注意及廢棄物處理

1.          本次實驗所用的CO₂雷射切割機，為高能灼熱的熱線，眼睛不可直視，切割加工過程切勿離開現場，以免起火燃燒，引發火災；產生的氣體與粉末可能對健康有害，加工前後，務必全程開啟抽風機和空氣清淨機。

2.          在螺絲上鑽孔，或在壓克力板上攻牙，都必須以夾具夾緊後再施工。

3.          氯氣對黏膜有極大的刺激性，雖產量極少，亦不可將收集針筒的注射口直對人的眼睛或鼻腔；實驗結束，宜用該針筒直接吸取少量陰極的鹼性溶液，輕輕搖晃筒身後，廢液依規定回收。

4.          每次實驗後，應以自來水清洗壓克力電解器，擦乾置入封口袋保存。

5.          所有實驗後的廢液，依規定回收處理。

•      教師教學提示與建議

1.          鎳鈦合金，鈦金屬易形成氧化鈦鈍化膜，抗腐蝕性強，一般產氧的電解水實驗中，可作為陽極使用；尤其表面黑化處理的鎳鈦合金效果更好，鎳鈦合金棒可購自釣具用品店。

2.          碳纖維高彈性，不易折斷的特性^[6]，可取代石墨碳棒，不過碳纖維在強酸的環境易與氧氣發生氧化作用^[7]，以硫酸鈉為電解質，進行電解水實驗時，不宜當陽極使用。

3.          碘化鉀澱粉試紙，對光與空氣相當敏感，宜用黑色或深褐色的5毫升玻璃試劑瓶盛裝。

4.          雙通閥亦可用三通閥取代，為實驗前宜先讓學生孰悉三通閥的操作，免得電解結束，收集氣體時控制閥轉錯方向，造成實驗結果錯誤。

5.          收集氣體用的1mL針筒管徑較小，電解生成的氣泡有可能堆積在管內，造成氣泡中隔，進而影響數字讀取時的誤差，若改以2.5mL針筒時，情況可大幅改善。

6.          螺絲電極體積較小，拆卸不便，可設計輔具作為拆卸螺絲電極之用，下圖為螺絲電極拆卸輔具的參考。

 

圖17：螺絲電極拆卸輔具

•  特別致謝：

    筆者曾經於2018年在雪梨舉辦的國際化學教育討會(International Conference on Chemistry Education )，參加英國CLEAPSS教育機構學者Bob Worley的工作坊，從中得到啟發與激勵，特向他致謝；Bob是國際級的微型化學實驗大師，有興趣可以參考他的網站^[9]。

•  參考資料

1.      Hofmann voltameter, https://en.wikipedia.org/wiki/Hofmann_voltameter。

2.      Electrolysis of Water, http://www1.lsbu.ac.uk/water/electrolysis.html。

3.      Koponen, Joonas (2015), Review of water electrolysis technologies and design of renewable hydrogen production systems.https://goo.gl/jsWEur。

4.      廖旭茂，綠色創客：微量電化學電池的設計與應用。科學研習。2017年11月，No.56-11期，頁54-62。

5.      Daniel Symes, Connie Taylor-Cox, Leighton Holyfield, Bushra Al-Duri, Aman Dhir. Feasibility of an oxygen-getter with nickel electrodes in alkaline electrolysers. Mater Renew Sustain Energy (2014) 3: 27. https://doi.org/10.1007/s40243-014-0027-4。

6.      Carbon fibers, https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_fibers。

7.      黃博雄，碳纖維原本不是一根碳。科學發展。2018年5月，545期，頁36-41。

8.      陳怡安，鎳鈦合金設計及製程技術。2019年5月參考經濟部工業局地區產業整合發展計畫網站，www.srido.org.tw/attach/3088324512.doc。

9.      Microchemuk, https://microchemuk.weebly.com/。