臺灣化學教育

新課綱粒子觀點教學的挑戰：

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

林靜雯

國立臺北教育大學  自然科學教育學系
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n  前言

在科學教育的領域中，物質粒子模型不僅是重要的核心概念，亦被認為是許多化學概念的「門檻概念」（threshold concept）。這意謂著，如果學生能充分理解這個概念，其他相關的概念也能順利理解與遷移，反之，則圍繞著此核心的概念學習皆會有所阻礙(Ayas et al., 2010；Karataş et al., 2013)。過去，我們多將此概念規劃於中學學習，但因為粒子肉眼不可見，以及個別粒子行為經由各種組合，卻形成和微觀個別粒子行為截然不同的巨觀物質性質，這樣的抽象性使得中學生的學習狀況一直不盡理想。學界對此結果的因應持有不同見解，有的學者主張將這樣的抽象概念學習移往更高年級（例如：Fensham, 1994; Harrison & Treagust, 2002），有的學者則主張只要「好好規劃」學習進程（Learning Progressions, LPs），即使是小學生也有機會成功理解該模型（例如：Johnson & Papageorgiou, 2010; Merritt & Krajcik, 2013）。最近的教育改革趨勢傾向於將這一概念提前於國小高年級課程引入，以儘早建立孩子們對自然界基本結構的理解。臺灣的108課綱亦呼應提早教授此門檻概念的改革潮流，首次將物質粒子模型的概念納入國小高年級課綱。因此接下來，我們勢必得詢問：怎樣架構此門檻概念的理論架構可以稱之為「好好規劃」呢？本文將引介重要文獻希冀給臺灣物質粒子模型的課程規劃一些啟發。

n  引介國外K-6階段物質粒子模型之相關研究

    本文主要引介三個研究，前兩個研究來自於《Concepts of Matter in Science Education》（Tsaparlis
& Sevian, 2013）一書中以美國為課程背景的研究，另一個研究則是英國與希臘共同合作的研究，此研究以物質本位（Substance-based）的架構切入提供了一個有別於由物質三態切入的架構。

一、美國課程背景下的學習進程

    2013年Tsaparlis與Sevian主編了《Concepts of Matter in Science Education》一書。這本書大部分的章節來自2010年11月5日至8日在希臘雅典大學舉辦的“Particulate and Structural Concepts of Matter”研討會。為使論文集更加完整，後續大會主辦者還邀請了此領域重要的學者亦撰寫了相關的論文。這使得《Concepts of Matter in Science Education》這本書能深入體現全球科學教育研究者在此領域的努力，並有機會以一個橫跨多個學習階段的方式讓我們以更全面的方式來審視此門檻概念的課程設計。由於臺灣有關小學階段物質粒子模型的相關研究與教學才剛起步，書中若干觀點皆深具啟發。

（一）較低年級物質學習進程的規劃

許多學者提到此物質粒子模型為一重要的核心概念，應以LPs的方式規劃（Johnson
& Papageorgiou, 2010; Merritt & Krajcik, 2013）。LPs是描述學生在一段長時間中，可能達成科學知識和/或實踐終點(End
Point)所安排的路徑。此路徑與課程及相應的評量連結，並經過實徵證據的驗證。但由於學生的表現與教學相關，因此LPs不是固定不可變動的，但都須要實徵加以驗證（Merritt & Krajcik, 2013）。Wiser、Frazier和Fox（2013）認為物質的學習進程（Learning Progression of Matter, LPM）十分複雜，包括了物質的質量、重量、體積、物質及其轉變等一系列相互關連概念，以及認識觀方面的變化，這些變化使得我們能於巨觀和亞微觀（submicroscopic）層面重新認識物質。具體而言，LPM是連結兒童質樸的物質概念，與科學性巨觀/亞微觀層次上理解的重要橋樑。

Wiser等人為小學低年級學生提出了一個LPM，他們認為學生的再概念化及其發生方式相嵌於學生學習的內容和學習方式中。再概念化乃為「與理解相關的大知識網絡進行深層和根本性的重組」。其LPM中的構念不僅僅包括核心概念，還包括其他一起連動的槓桿概念。核心概念又區分為二，其一為：構成科學理論本身（for the scientific theory itself），科學上用以定義物質的重要概念（例如質量、體積、密度和物質的三態），另一則為：學生科學性理解物質理論過程中（for learning the scientific theory）扮演重要角色的概念（例如材料、材料的數量、重量、大小和粒子）。槓桿概念的例子若針對K-2年級，可能包括物體（Objects）、非固體（non-solid，例如液體）和大小；針對中年級可能包括材料（material）、材料的數量（material amount）、重量（weight）和大小（size）。有時某學習階段的核心概念可能在另一個學習階段是槓桿概念，具體的安排取決於重新概念化一LP的規劃尺度及經歷的時間長短。

    Wiser等人將幼兒的想法稱為LPM的下錨點（lower anchor）並將原子–分子理論視為K-12這個大的LPM的終點。因此，小學LPM的終點被視為通向原子–分子理論這個大LPM的墊腳石（stepping stone）。他們還將2年級結束時的系統狀態稱為2年級的墊腳石。所謂的墊腳石是一種新、但「相對平衡」的狀態，在這種狀態下，每階段的墊腳石之內容和結構與先前的都不同，且在概念上會逐步接近科學理論。Wiser等人列舉了下錨點、2年級墊腳石和5年級墊腳石中的核心概念。最後，他們報告了一個針對幼兒和學前兒童所進行的小規模預試之成果。該研究成果顯示：基於LPM的教學介入可以在兩週這麼短的時間內，改善幼兒的數量守恆（amount conservation），並將物質概念應用於固體物體。Wiser等人認為完整的K-2課程，應讓學生探索一系列以聚合方式結合的物體（aggregates），以及液體。這個設計將如同一座橋，將小學生對非固體物體的大小（bigness of a sample）與對固體物體的量化計數以更為直覺的方式連結起來。接著，藉由像是拆開LEGO™積木一樣的活動，將固體平分成若干等分，這樣的活動設計，則有機會使得量化固體物體更為容易。藉由使用天平，小學生們會發現液體（或更大的孩子可以探索氣體）等非固體是有重量的，這樣的活動設計有助於破除他們最初覺得非固體是沒有重量的想法，且物體重量大小與物質數量的多寡有關。最終，他們亦將習得重量是跨不同形態進行相變時不變的特質。這些概念改變的歷程將成為材料（material）和物質（matter），兩個本體類別發展的一部分。整體而言，物質的再概念化非常複雜——它牽涉許多細小但協調的步驟，以及許多概念合併、區分、概括、更嚴格的規範、打破一些舊的聯繫，並創建新的聯繫的歷程。這種重新概念化的過程必然是緩慢的，須要時間跨度較長的課程支持，以便有充足的時間在更廣泛和更寬廣的背景下，結合更複雜的認識論知識，多次重新審視概念之間的關係。

（二）較高年級學生物質學習進程的規劃

    另一個例子來自於Merritt和Krajcik(2013)針對六年級學生（11-12歲）設計粒子模型LP的研究，歷時15堂課。他們的觀點結合建模的實踐，主張物質粒子模型是理解物質狀態、相變和物質性質的基礎。除了作為科學的核心概念之外，理解粒子理論還須要學生經歷科學建模的實踐。已經累積許多研究證據顯示傳統的教學模式僅關注物質粒子模型的內容，而不是模型和建模的本質，和/或不強調建模在發展已知的物質化學行為中的作用，亦容易讓學生感到困惑，而混淆了模型和現實。因此Merritt與Krajcik（2013）主張需考慮學生的先備知識，透過關鍵教學經驗設計LP，及早採取序列性、發展性的方法讓學生隨著時間推移建立和評價學生自己對物質粒子的想法和模型，並讓學生有機會重新應用這些想法和模型來解釋現象，否則學生無法順利發展適當的概念。

他們透過Investigating and Questioning our World through Science and Technology（IQWST）課程中設計給六年級的單元–「我如何聞到遠處的氣味（Merritt et al., 2012）？」使學生透過使用模型以及修正模型使之更完善的歷程，來解釋物質狀態、相變和屬性等現象，從而加深對物質模型的粒子性質的理解。例如，粒子模型可用於解釋沸點等屬性。物質的沸點發生在特定的溫度時。液體在加熱過程中，粒子獲得能量並移動得更快，且達到沸點時，這些分子的能量足以克服其他液體分子的吸引力，使其從液態變為氣態。我們也可以用粒子模型來解釋蒸發。研究結果報告了使用物質粒子模型的LP及其中的構念，追踪了三名不同教師班級中，122名六年級學生的學習情況，同時也旨在提供洞察力，了解教師的教學策略如何支持學生發展物質粒子模型。研究結果顯示：學生對物質粒子模型的理解不斷提升，從「混合模型」進步到「基本粒子模型（Basic Particle Model）」，最終達到「完整粒子模型（Complete Particle Model）」。此外，Merritt和Krajcik亦認為，經過驗證的LP、進程中的構念和評量能讓我們更詳細地觀察教學與評量之間的關係，獲得教師是否遵循課程，或他們對課程進行了哪些修改，以及他們如何利用嵌入式評量來獲悉他們的實踐結果，評估學生的進展並向學生提供反饋的完整圖像的資訊。值得一提的是，此研究中的六年級為美國系統中學階段的第一年，因此在這個LP中，學生已經探討了不同C、H、O原子的排列組合如何形成各種不同氣味的分子化合物。

（三）連結兩研究成為K-6的學習進程

綜觀上述兩個不同尺度的LPM，Wiser等人K-5的LP可以和Merritt和Krajcik(2013)設計給6年級的LP銜接。因為如果Wiser等人於5年級所設定的終點可以對應到Merritt和Krajcik的起始點，那麼整個就可以連結為一個K-6的LPM，原來為5年級的終點，會變成整個K-6年級LPM的墊腳石。而這個LPM始自質量、體積、密度和物質三態等科學上用以定義物質的重要概念，微觀粒子的概念在5年級前尚未進來，但Wiser會藉由類似讓學習對照固體顆粒狀的材料和液體材料佔據空間、氣體是可壓縮的，其體積取決於容器大小，以及當物質進行三態轉變時，其重量不變的物質重量守恆等情形讓學生逐漸形成物質是由粒子構成的概念，而在6年級時，微觀粒子的概念在Merritt和Krajcik的研究中，以我們如何聞到遠處氣味的驅動問題正式登場。一系列由幼兒到六年級同時考量科學知識結構與學生認知發展及概念改變歷程的作法，可以供我們新課綱考量LPM時參考。

二、英國與希臘合作的研究

Johnson和Papageorgiou (2010)指出標準學派的物質粒子模型通常在「固態、液態和氣態」框架內運作，許多國家也以此框架作為課程設計的理論框架，例如：英國和希臘。本文作者審視臺灣新課綱，也的確發現臺灣課綱亦遵循物質三態這樣的理論框架架構物質的學習。但Johnson和Papageorgiou認為引入該理論的概念架構可能正是導致學生學習困難的問題之一。透過對物質科學概念的分析和對學生概念的研究，Johnson和Papageorgiou確定了：「固態、液態和氣態」框架中可能存在的限制，包括：它未能解釋不同物質為何具有不同的熔點和沸點，忽略了須要先界定與區別物質的問題。其次，這個框架可能導致學生著重於討論固態、液態和氣態三種不同類型的物質和粒子，而非一種物質在固態、液態和氣態三種不同的狀態，因而產生學習的誤解。第三，「固態、液態和氣態」的標準模型未能調和沸騰和室溫蒸發這兩種情境，這可能導致學生無法遷移而確立模型的實用性。最後，這個模型未能充分關注物質本身的重要屬性，這可能導致學生以粒子觀點和粒子行為解釋何謂純物質？何謂混合物時遇到困難。這樣的限制對於低年級的小學生而言，更具挑戰！

Johnson和 Papageorgiou也透過分析，提出了物質本位（substance-based）的新概念框架，並據此進一步提供物質粒子模型的課程規劃建議。具體而言，此框架建議應該使用「熔化行為」來區分純物質和混合物，並且應該引入熔點作為識別物質的手段。其中包括以下要點：

• 不同的物質由於各自的粒子之間存在不同的引力作用，因此擁有不同的熔點。
• 粒子之間的引力作用越強，物質的熔點就越高；粒子之間的引力作用越弱，物質的熔點就越低。

總體而言，Johnson和Papageorgio認為物質本位的框架提供了一種更準確且在科學上更可行的方法進行物質相關主題的課程，有望提高學生的理解。緊接著，他們以英格蘭兩所小學中9至10
歲的兒童為研究對象，使用物質本位架構進行的兩項探索性研究。他們對每個學校的一個班級進行短暫的教學介入後，又針對其中12 名學生進行單獨晤談，藉此收集學生對不同室溫狀態下共存的物質以及涉及狀態變化和混合的現象之理解。研究結果顯示，學生們對物質粒子的想法令人鼓舞，據此，Johnson
和Papageorgiou建議值得以物質本位的框架進行更大規模的測試，特別是針對較低年級的課程規劃。

n  臺灣108自然領綱中國中、小物質粒子模型的規劃與建議

翻開臺灣108自然領綱（教育部，2018），有關物質粒子模型的規劃首先出現於「INa-Ⅲ-1
物質是由微小的粒子所組成，而且粒子不斷的運動。」的學習內容，並於學習內容說明提及：

1-1 可觀察實作並討論日常生活中水的蒸發現象，並可透過模型或動畫引導理解物質是由肉眼看不見的小粒子組成。

1-2 可透過模型或動畫模擬，了解粒子會不斷的運動。水的三態變化也可以用粒子運動的模型來理解和解釋。

1-3 不涉及原子的概念。

    對照國中的學習內容最為直接相近的指標，則為：「Ab-IV-1 物質的粒子模型與物質三態。」、「Ab-IV-2 溫度會影響物質的狀態。」相應的學習內容說明則為：

1-1    從粒子觀點來描述物質三態與變化。

1-2    以水的三態變化為例，描述溫度會影響物質的狀態。

綜觀國中與國小的學習內容說明，對照上述三篇研究，筆者認為臺灣目前國中與國小於物質粒子這個門檻概念之間的差異不易凸顯，不僅皆是採用「固態、液態和氣態」標準學派的框架（Johnson & Papageorgiou, 2010），亦沒有因應不同學習階段學生的認知能力進行再概念化，因此容易讓我們覺得是相同的內容於小學先行教授一遍，若然，這便對小學生的認知能力提出了挑戰。因為物質粒子的模型十分抽象，原本國中生都抽象難學的概念，若直接將相同架構提早教授，勢必讓學生感到怯步與困難，而影響了小學生未來科學學習的興趣與信心、折損了提早打開微觀世界堂奧的美意。

臺灣課綱的學習內容說明，建議以同一種物質—「水」的三態串起物質的三態變化，雖然能夠讓學生於利用「固態、液態和氣態」標準學派的框架時，不致於以三種不同的物質來分別認識「固態」、「液態」和氣態，但由於水分子之間以氫鍵連結，而有序的氫鍵網絡所佔的空間比無序的大，所以當溫度變低時，水的體積和一般物質一樣會變小，但當溫度接近凝固點，有序的氫鍵網絡增多，體積反而變大（沈元壤，2019）。氫鍵因素的加入，使水的三態變化無法在不涉及原子、分子的區別下，單純以基本的物質粒子模型來解釋。此點是108課綱規劃國小物質粒子模型的學習內容說明時，須要格外注意的地方。筆者建議，考量以Johnson和Papageorgiou（2010）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！

而所謂的再概念化如Wiser等人所言，是非常複雜的過程，須要對科學知識結構、課程知識的理解、學生認知發展與概念改變歷程有清楚的掌握，通常不僅涉及一條指標，而是多個指標、跨年段之間的長時間規劃，因此以108課綱目前的架構，恐無法直接提供各家教科書編輯一個明確的方向。執行時間的急迫，也很難讓教育研究者有充分的時間能夠進行實徵性的研究與設計驗證後再交由教科書編輯進行進一步的轉化。因此，筆者呼籲更多研究者投入物質粒子LP規劃的研究，並擴及其他核心概念的LP研究，使未來118課綱進行調整時，能有實徵證據得以依循。另一方面，LP涉及學生概念與課程、教學之間的互動，教學方式的調整，也可能影響到LP課程構念之間的安排。目前國際針對物質粒子模型的教學，傾向於以建模的方式，考慮學生認識觀點與一系列概念之間的互動，讓學生有機會產生模型，並於不同但相關的情境中反覆應用與修改這個模型，是極有潛力的作法。但國內教師普遍對於建模本位的教學認識不足，亦使得相關教學設計難以推展。整體而言，筆者支持將物質粒子模型這樣的核心與門檻概念延伸至小學教學，但在課程、教學與教師專業成長的各項配套上，我們顯然還有許多努力須要進行。否則，只是將原本應引領學生跨入微觀奇妙世界的門檻概念，提前移到小學成為絆倒小學生科學學習的門檻而已！

n  參考文獻

沈元壤（2019）。水與冰：它們的表面有什麼不尋常之處？數理人文，16，34-45。DOI:10.6851/MSHCM.201907_(16).0007

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。作者。

Ayas, A., Özmen, H., & Çalik, M. (2010). Students’ conceptions of the particulate nature of matter at secondary and tertiary level. International Journal of Science and Mathematics Education, 8(1), 165-184.

Fensham, P. (1994) Beginning to teach chemistry. In P. Fensham, R. Gunstone & R. White (Eds.), The content of science: A constructivist approach to its teaching and learning (pp.14-28). Falmer.

Harrison, A. G., & Treagust, D. F. (2002). The particulate nature of matter: Challenges in understanding the submicroscopic world. In J. K. Gilbert, O. de Jong, R. Justi, & D. F. Treagust (Eds.). Chemical education: Towards research-based practice (pp. 189-212). Springer.

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.

Karataş, F. Ö., Ünal, S., Durland, G., & Bodner, G. (2013). What do we know about students’ beliefs? Changes in students’ conceptions of the particulate nature of matter from pre-instruction to college. In G. Tsaparlis & H. Sevian (Eds.), Concepts of matter in science education (pp. 231-247). Springer. https://doi.org/10.1007/978-94-007-5914-5_11

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. https://doi.org/10.1007/978-94-007-5914-5_2

Tsaparlis, G., & Sevian, H. (Eds.). (2013). Concepts of matter in science education. Springer Science & Business Media.

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