臺灣化學教育

新課綱粒子觀點教學的挑戰：

從理論、教科書編輯到教學實踐—新課綱粒子觀點教學的挑戰

曾振富^1,2、林靜雯*³

¹臺北市立幸安國小

²臺北市自然領域輔導團

³國立臺北教育大學
自然科學教育學系
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n  前言

自從教育部在2019年開始實施12年國民基本教育課程綱要以來，強調素養導向的課程、教學與評量，在自然科學領域課程中揭櫫科學知識、科學能力及科學態度同等重要。在這次自然科學領域的課程綱要中，特別將原來在國中學習階段的「粒子」概念，提早至國小學習階段來建立。從許多研究文獻都顯示，學生不容易從平常生活的巨觀現象，來察覺與體驗次微觀的粒子想像，學習粒子概念對國小學生來說，是相當困難的，也會產生許多直觀上的迷思概念。因此，這是對國小自然科學領域教學的一項新挑戰，也是較無前例可循的課程設計與教學嘗試。

n  特刊的目的與結構

    因此，本期臺灣化學教育與國小自然領域教材教法中心合作，特別規劃「新課綱粒子觀點教學的挑戰」一特刊，邀請專家教授、教科書編輯主編、縣市自然科學領域輔導團團員，以及現場的自然教師，就不同課程與教學的位置，從理論到實踐中探討有關粒子單元的內容，可以怎麼規畫安排及如何教學，才能讓國小學生對粒子建立正確的概念，奠定未來學習階段進一步探究粒子概念的基礎。本期特刊共有八篇專文，先從理論架構著手，接著以教科書編輯觀察與觀點，作為理論架構與教學實務的連結，最後介紹多位自然領域輔導團團員及資深教師的教學實踐。感謝這些作者撥冗將自己多年對物質粒子概念寶貴的教學理念與實務，轉化為文與社群同好分享與交流。

n  理論架構與課程設計

    第一篇文章為國家教育研究院吳文龍與黃茂在兩位研究員站在新課綱規劃的角度，提及微觀世界的認識對於提升奈米技術和量子力學這些新興議題，納入課程具有銜接及啟發學生好奇心和創造力的重要地位，因此有必要下放至國小進行教學。但因為這些概念十分抽象，因此在教學方法上需要有配套措施。例如應用模型和建模的教學策略，開發有效教學模組，協助教師設計課程，並且與國中和高中階段一起深化、擴展形成連貫性的學習經驗，都是此主題下放至國小階段進行教學時應一併考量的重點。

    接著，林靜雯教授的《跨越門檻概念進入微觀世界–規劃國小物質粒子課程之文獻引介與啟發》一文，引介三個國外有關粒子方面的重要研究，分別是Merritt和Krajcik(2013)、Wiser、Frazier和Fox(2013) 以美國為課程背景的研究，以及一個英國與希臘共同合作，以物質本位（Substance-based）的架構切入提供了一個有別於由物質三態切入之架構的研究(Johnson & Papageorgiou, 2010)。林靜雯教授將臺灣課綱的規劃與上述三篇研究對照，認為臺灣目前國小的領綱規劃與國中相同，皆是採用「固態、液態和氣態」標準學派的框架，沒有因應不同學習階段學生的認知能力進行再概念化，因此迫切需要對科學知識結構、課程知識的理解，及小學生認知發展與概念改變歷程有清楚的掌握，考量以Johnson 和Papageorgiou 的作法，另規劃其他適合國小學童的物質粒子框架有其必要性！

n  教科書編輯的觀點

    教科書部分，《教科書如何引導國小學童認識粒子概念》作者盧秀琴教授本身亦是教科書的主編，她從編輯教科書的理念與經驗中，點出「引導學童認識空氣和水，溫度影響水的三態」的學習重點。並轉化成編輯教科書中年級的「空氣和水」、「蒸發、凝結、凝固、融化」、「毛細現象」等單元，以及高年級的「植物體內水的運輸」、「空氣的組成」、「天氣變化」等單元，這些都是粒子概念的重要連結活動。特別是在「水的三態變化粒子模型」中，嘗試透過「繪圖模擬，了解水分子（粒子）會不斷的運動，固態的冰，粒子排列整齊，有固定的形狀；液態的水，粒子排列鬆散，可自由移動；氣態的水蒸氣，粒子運動更劇烈，彼此距離變大。」提供學生有別於傳統指導學生認識水的三態變化教學。由上述理論及教科書編輯觀點，其實都隱藏著較為長期規劃的觀點來看物質粒子的教學設計。

n   教學實踐案例

    而在教學實務端，本期共有五篇專文，其中三篇由空氣的特性、熱脹冷縮或與燃燒之間的關係帶入粒子的觀念：臺北市輔導團員陳淑苾教師與沈白玲教師，於《用多元表徵方式促進學生建構物質的粒子概念–以國小三年級「空氣的特性」為例》一文中，思考如何將粒子概念轉換成小學生能理解的教學設計與學習活動。她們根據文獻及「奇妙的空氣」的教材內容，設計了一堂「學生能理解及解釋空氣可以被壓縮」教學活動。整個教學設計引用林如章教授「起、承、轉、合」四個階段的探究歷程，發展出中年級學生粒子概念的學習活動。經教學實作結果，作者推介透過多元表徵教學以提升學生的學習興趣，並幫助學生粒子模型概念的建立。」新北市輔導團的王亭雅老師，於《國小粒子建模教學課例分享–以熱脹冷縮教學為例》一文中，分享她選擇空氣熱脹冷縮這個主題進行建模課程設計時，如何引導學生建立模型。她的重點在於觀察「學生在學習粒子概念時會遇到哪些問題」、「學生在建立模型時老師要如何給予協助」以及「學生是否能夠自己修正模型」這幾個問題。實施過程中，她反思認為欲實施建模課程帶領小學生認識物質粒子的概念，教師需能敏銳地外化並觀察學生建立的模型，時時思考「學生的模型涵蓋什麼概念」及「學生的模型缺乏什麼概念」，方能幫助學生安排活動或鷹架，讓學生能藉由活動或鷹架啟動自我修正模型的模式。老師在此過程中是連結者或說是關係建立者，協助連結複雜概念和模型、連結巨觀和微觀的現象，也協助學生連結與評鑑自己和他人所建模型的不同。另一篇《促進學童對『燃燒與空氣』單元學習成效之教學活動設計》，是臺北市自然領域輔導團的楊世昌教師所著。他指出學生學習「空氣的組成與反應」單元，和教導燃燒和鐵生鏽時，發現會有「蠟燭熄滅是由於氧氣耗盡」的迷思概念。因此，參考粒子概念的內涵、皮亞傑的認知發展理論、及科學概念的邏輯發展階段與學習歷程，進行本文的教學活動設計。希望可以透過現象觀察、動手操作及影片觀看，導引學生從粒子模型的建立中，探討燃燒過程中空氣成分的變化，進一步轉化於解釋鐵生鏽過程中的氣體成分變化。並在教學省思中提出「強化探究活動建構科學概念、善用粒子模型提升學習成效、善用行動載具提高學生參與」的建議。

    緊接著，施春輝教師以《108課綱國小自然科粒子概念教學研究–以水溶液單元為例》一文，從粒子的三種表徵面向，設計國小學生探究溶解的概念。在巨觀層面的「溶解的觀察–你溶我溶」、次微觀層面的「溶解的顆粒大小–誰能穿透」和符號層面的「認識微小粒子–神奇粒子」三個教學活動中，讓學生體驗與建立溶解過程中的粒子模型。最後，桃園市輔導團的王秋雯老師，亦選擇模型與建模的教學策略，在《國小自然科物質粒子觀點建模課程設計與教學》一文中，介紹其如何於符合學生生活經驗及思考邏輯下，嘗試將微觀粒子的概念融入原有六年級「熱」與「天氣」單元教材脈絡，藉由繪圖及文字表徵方式蒐集學生之粒子模型，觀察學生逐步建立粒子觀點模型之歷程，從而幫助學生接近科學家的粒子模型。

n  結論與建議

總結以上，面對粒子概念要提早在國小教授，無論是在教材的呈現、教科書的轉化、教學組織的設計與學習活動的內容與安排，需要長期、一貫性的課程規劃及創新的策略與方法，這些，在在都是教育工作者全新的挑戰。現場教師可能會感到陌生和疑慮。本期特刊的內容則嘗試以學理基礎、教科書內容，及專家教師的教學經驗與設計案例，提供了在教導粒子概念時的課程規劃與教學活動設計時的寶貴參考。希望能引導現場教師找到有效的方向，協助大家在教學中順利應對這一挑戰，為學生建立扎實的粒子概念奠定基礎。

n  參考文獻

Johnson, P., & Papageorgiou, G. (2010).Rethinking the introduction of particle theory: A substance‐based framework. Journal of Research in Science Teaching, 47(2), 130-150.

Merritt, J., & Krajcik, J. (2013). Learning progression developed to support students in building a particle model of matter. In G. Tsaparlis & H. Sevian (Eds.), Concepts of matter in science education (pp. 11-45). Springer.

Wiser, M., Frazier, K. E., & Fox, V. (2013). At the beginning was amount of material: A learning progression for matter for early elementary grades. In G. Tsaparlis & H. Sevian (Eds.), Concepts of matter in science education (pp. 95-122). Springer. DOI 10.1007/978-94-007-5914-5_5