新課綱粒子觀點教學的挑戰：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 ／陳淑苾、沈白玲

星期五 , 7, 6 月 2024 編輯助理 本期專題 在〈新課綱粒子觀點教學的挑戰：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 ／陳淑苾、沈白玲〉中留言功能已關閉

新課綱粒子觀點教學的挑戰：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


陳淑苾１、沈白玲２


1臺北市大安區龍安國小

2臺北市大安區新生國小
 1 N6671＠mail.laes.tp.edu.tw

2 blshen＠snes.tp.edu.tw


n  前言


物質的粒子性質是自然科學學習過程中許多科學概念理解的基礎，學生透過粒子概念的學習，可以將觀察到的物質現象，進行一致性的解釋。因此，培養學生以粒子概念進行思考是有其重要性的。12年國教課綱強調大概念的學習，將部分粒子概念內容，由原先的國中階段移至國小進行學習（教育部，2018）。但是，國中、小學生的認知能力和學習特性並不相同，如何將粒子概念轉換為小學生能理解的方式，並進行有意義的學習，是本教學設計所欲達成的目標。


n  文獻探討


12年國教課綱中強調在國小第二學習階段，中年級的學生要能經由觀察自然現象之間的關係，理解簡單的概念模型，並進而與其生活經驗相連結。國小第三學習階段高年級的學生要能經由提問、觀察及實驗等歷程，探索自然界現象之間的關係，建立簡單的概念模型，並理解到有不同模型的存在（教育部，2018）。然而，國內過往粒子概念的模型教學並未在國小階段強調，因此以國、高中學生為對象的粒子概念相關研究居多（謝秉桓等，2007；張淑華，2020）。國小學生學習粒子概念的論述較少，其中大多偏重於第三學習階段的高年級課程。


顧炳宏（2007）曾經以國小高年級學生為研究對象，設計粒子觀點的引導式探究教學活動。該研究指出藉由五個由具體到抽象的教學活動，確能讓學生感受粒子的微小特性，但其教學活動設計與12課綱強調的素養教學不太一致，所使用的學習材料，例如氯化氫、重鉻酸鉀及氨等化學藥品，在現今國小教學現場上並不容易取得，因此有實施上的困難。周正秋等（2019）則以美國中學的化學教材，設計成適合臺灣國小高年級學生動手做的實驗課程。讓學生透過觀察水滴凝聚等相關現象來察覺水的特性，並輔以影片及教師講述方式進行粒子概念的教學。國家教育研究院（2017）所研發的教材示例也以國小高年級為對象，讓學生透過「黏土分分分」來認識物質大小的描述、操作積木來認識微小粒子組成較大物質等粒子概念，並應用於理解中年級「空氣特性、水的三態變化、物質溶解」等已學過的現象。這些課程設計的內容豐富多元，但教材內容大多是以觀察活動直接類比物質的粒子性質，學生少有探索想像的空間，若直接轉換應用於第二學習階段中年級的課程，能否讓認知能力仍處於具體運思期的中年級小學生建立簡單的概念模型與粒子概念，進而循序漸進並順暢地與第三學習階段的高年級學習內容銜接，整體的教學策略與設計值得進一步的試探。


根據國內外的相關教學研究指出，教師進行模型教學時，可以先營造問題情境喚起學生的先備經驗，並適時提供資訊促使學生提出可能解答，以引導學生建立趨向專家的模型，並可經由多次反覆的練習，使學生能內化成為能力 ( Hanke, 2008
)。教學過程中要連結學生的學習經驗並診斷學習狀況，以協助學生進行推理與解釋，同時也須建立表徵，讓學生的想法可視化（Visualizion），使模型結構和應變項間有連結關係及修正的機會（王嘉瑜，2016）。表徵的方式可分為具體、語言、視覺、數學和動作等五種類型
( Boulter
& Buckley, 2000 )，多項研究更指出以多元表徵的方式進行教學，能減輕學生認知負荷，同時也能修正學生的迷思概念、有效促進概念的深層理解、增進學生的解釋能力，使學生對學習具有較正向的看法（林靜雯等，2005；鍾曉蘭，2015）。因此，本教學研究構思讓中年級的學生透過擬人化的肢體動作來演示、比較現象，口語表達或畫小人偶來陳述其肢體動作的意涵，進而圓點貼紙類比小人偶來解釋觀察的現象。亦即，藉由多元表徵策略來提升學生探索想像的空間，培養其思考、判斷、表達的能力，促進他們建立初步的粒子概念。這教學構思先在三上期末放假前，以「空氣的特性」單元一節課試探學生對粒子概念的學習情形，進行教案修訂，期待能延伸應用到接下來的「物質溶解」及「水的三態變化」等單元的教學設計。


n  教學活動設計


一、       教材


教材以國小康軒版三上自然課本第三單元奇妙的空氣，作為教學設計的主要參考資料。教學目標為「學生能理解及解釋空氣可以被壓縮」。教學時以LoiLoNote為教學平臺，將教學內容串接成投影片，如圖1所示。三上階段以實體學習單讓學生書寫，三下則預定試著利用平台傳送與繳交功能，讓學生在平台上書寫與繳交學習單，提升師生、生生之間互動的機會。


 


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圖1：空氣可以被壓縮的相關教材內容


二、       教案


教案以一堂課40分鐘的教學進行設計。教師先提供氣球充氣前、後變化的教學情境，再邀請學生扮演空氣角色以模擬所觀察的現象。肢體創作後，學生將演出內容以小人偶記錄在學習單中以鞏固概念。然後老師根據先前做過的空氣壓縮實驗，並輔以填充煙霧的注射筒在壓縮時產生濃淡變化的實驗影片，並提問學生思考空氣在壓縮前後所產生的變化。課程內容可分為起、承、轉、合四階段，分述如下:


表1
教學活動與學生學習流程



























教學流程

學習情境與內容

學習狀況與表現

起

情境鋪陳、關鍵提問：


1.教師鋪陳讓學生觀察未打氣的氣球逐漸灌入空氣時的變化。


2.教師提問：空氣看不見，想一想若利用童軍繩當氣球，到幼兒園小朋友前表演，你們會怎麼呈現情境中氣球充氣的前後變化，合理地表現出空氣的特性？

比較異同、發現問題：


學生從教師的演示中，比較氣球充氣前、後的體積變化，連結生活經驗說出充氣量的差異、空氣佔有空間。構思可能的表演方式，來呈現氣球充氣前、後的差異與空氣的特性。clip_image004

承

演一演、畫一畫：


1.教師邀請2位學生專門拿著童軍繩當氣球，做出氣球未灌入空氣的形狀，接著再慢慢加空氣(其他學童)進去呈現氣球逐漸打氣的樣子。進行擬人化肢體動作的角色扮演，來模擬觀察到的現象。


2.教師邀請孩子邊演邊表達想法，並透過提問，引導學生觀察細節，邊演邊修，愈演愈合理。


3.
讓學生比較學習單的圖示，把角色扮演時的情境利用畫小人偶的多寡來呈現童軍繩圍住不同人數的分布情形。

觀察實作、畫圖記錄：


1.學生進行擬人化肢體動作的角色扮演，並在老師的提問中進行修正。


(1)教師：沒吹氣的氣球裡面有空氣？


學生增派1-2位同學進到童軍繩裡，模擬尚未灌氣的氣球。


(2)教師：當空氣的小朋友都進到氣球中，氣球卻沒有變大？


原聚集在中間的學生都去拉開繩子。


(3)教師：氣球變大時中間都沒有空氣?


部分學生回到繩子圈圈的中間，適時地修正分布情形。


2.學生利用畫小人偶個數模擬充氣前後的人數分布情形，記錄在學習單的虛線圈圈內。


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轉

視覺化實驗、分析比較：


教師複習「壓縮針筒裡的空氣」實驗，並觀察空氣混入線香煙霧的實驗影片(NHK,
2018)，視覺化的實驗讓學生比較異同，想一想針筒裡的空氣發生什麼事？與氣球充氣前、後角色扮演進行聯想。

尋找線索、賦予關係：


1.學生透過擬人化的肢體動作來模擬氣球充氣前後的變化，已理解童軍繩圍住不同人數的平均分布之意義。


2.學生透過觀察空氣混入線香煙霧的實驗影片，看到煙霧疏密的變化，與舊經驗聯想，構思如何將看不見的等量空氣，呈現在不同體積的空間中。

合

想一想、貼一貼：


1.     教師引導學生思考氣球充氣前、後小人偶的分布情形，進而說說看壓縮前後注射筒裡的空氣分布情形，並利用圓點貼紙來貼貼看。


2.     分享不同學生作品，讓學生比較異同、發現問題，選出比較合理的表達方式。

想像類比、討論分享：


1.     學生從小人偶的平均分布與煙霧的濃淡變化，聯想壓縮前、後注射筒裡的空氣分布變化。將小人偶類比成圓點貼紙來填寫學習單。


2.     比較同學的作品，能提出觀點，修訂各自的答案，正確表達空氣具有可壓縮特性的原因。


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n  結果與討論


一、學生概念學習成效
















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在「演一演、畫一畫」活動中，藉由老師診斷鷹架的引導提問下，學生會主動地將角色扮演所呈現的粒子模型不斷修正，以合理對應氣球充氣變大的情形，並畫出如圖2所示小人偶平均分布的模型。同時，學生也能將此階段所習得的粒子概念，遷移到後續「想一想、貼一貼」的學習活動中，全班25人中僅有一個學生將貼紙排列整齊，96％的學生都能正確的表現出粒子的平均散布特性，並以個人學習單的圖3來說明原先針筒內的空氣較鬆散，壓縮時會使空氣變得較為密集。因此，學生能透過本教學設計的擬人化肢體動作、視覺化的實驗觀察、類比畫圖記錄等多元表徵方式，建立空氣的粒子概念來表達想法，並解釋相關現象。研究結果與林靜雯、邱美虹（2005）和鍾曉蘭（2015）一致，也呼應Renner
(1982) 認為提供具體操作期學生第一手經驗學習，除了學習成效較良好外，也可促進較佳的認知發展。


圖2：「演一演、畫一畫」的作答示例       圖3：「想一想、貼一貼」的作答示例


 


二、學生學習興趣


以本教學設計進行教學時，學生很喜歡「演一演、畫一畫」的角色扮演（圖4）及「想一想、貼一貼」的貼紙活動（圖5），都能認真投入相關的學習活動。最後，學生還主動提出讓他們演出氣球洩氣的樣子，試圖呈現空氣粒子是活動著的。此教學活動是學生容易理解且喜愛的表徵方式，學生在老師引導之下，主動參與、逐步建構知識。因此，除了減輕學生的認知負荷外，也讓學生具有強烈的學習動機，願意投入學習活動的正向態度。


 





















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圖4：「演一演、畫一畫」的作答示例

圖5：「想一想、貼一貼」的作答示例


三、教師教學活動


本教學活動是以學生學習為中心來設計，在教學層次上先是學生觀察、實驗操作並歸納出物質特性後的巨觀層次學習，再導入微觀層次的粒子概念教學。在教學設計上有幾點原則：


1.         營造情境時，使用學生所熟悉的學習內容、生活現象或實際經驗，減少認知負擔，使學生專注於現象的思考與解釋。


2.         為符合學生心智發展，優先導入具體、動作與視覺化的表徵學習方式，並輔以語言表達的語言表徵，以減輕學生學習負荷。


3.         選擇適合學生學習的材料，以利學生參與學習時，能以適當的表徵發表、演示自己的想法與解釋。


4.         學習過程中，教師須不斷針對學生的表徵與真實現象提問，引導學生注意物質特性並比較異同以進行修正，幫助學生在過程中逐步建構正確的粒子概念。


本次表徵的運用考量學生發展，在角色扮演的動作表徵後，並沒有直接進入抽象的圓點符號表徵，而是先提供以小人偶標記表徵類比鷹架，除了再次鞏固學生的科學概念外，也提供學生在肢體動作表徵與抽象圓點符號表徵間的中介轉換。此外，教師選用以線香煙霧濃、淡的可視化影片，表現出空氣被壓縮時現象的視覺表徵，再加上學生先前壓縮注射筒空氣經驗的具體表徵，引導學生思考空氣被壓縮時所發生的改變。結果發現學生在老師循序漸進的教學設計引導，確實能順利的將具體角色扮演經驗遷移成抽象的粒子概念，並能提出相關的科學解釋。


n  結語


本研究是基於粒子模型大概念的課程設計，結果顯示經由多元表徵教學學習活動，除了能提升學生的學習興趣，也確實有助於學生粒子模型概念的建立。基於本次教學經驗，教師也構思進行「水的三態」教學時融入粒子性質的教學。教學設計仍考量三年級學生學習特質，仍是以多元表徵教學，透過「角色扮演的動作表徵→組合積木表徵粒子概念→以顯微鏡或影片進行粒子觀察→學生以寫作表徵粒子性質」循序建構。希望透過學習的累積，培養學生的科學思考和表達能力，同時也讓學生在更廣泛的框架中感受到自然的機制，進行「確實理解」和「深度學習」。


n  參考文獻


王嘉瑜（2016）。科學模型與建模：科學建模的教學方式。臺灣化學教育，11。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=14261 


林靜雯、邱美虹（2005）。整合類比與多重表徵研究取向探究多重類比設計對兒童電學概念學習之影響。科學教育學刊，13(3),
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周正秋、張自立、辛懷梓（2019）。設計適合國小學生動手做的化學實驗：「美國中學化學教材—分子問題單元」在臺灣小學高年級實施現況分析。臺灣化學教育，30。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=33446


張容君、鄭子善、張惠博（2007）。國二學生對純物質和混合物之微觀粒子概念研究。科學教育研究與發展季刊，48,
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張淑華（2020）。溶解虛擬實驗室的發展及其對學生科學學習成就、概念理解和科學態度的影響。未出版之碩士論文。國立清華大學。


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國家教育研究院（2017）。106年自然科學領域教材及教學模組研發模式與示例研發計畫研發成果報告（一）國小中年級組課程設計「大千世界教學模組」。取自https://stv.naer.edu.tw/data/teach_module/428716762.pdf


國家教育研究院（2018）。106年自然科學領域教材及教學模組研發模式與示例研發計畫研發成果報告（二）國小高年級組課程設計「微乎其微教學模組」。取自 https://stv.naer.edu.tw/data/teach_module/114498758.pdf


謝秉桓、林啟華、曾茂仁、鐘建坪、邱美虹（2014）。九年級個案學生粒子概念之探討－以擴散作用為例。科學教育月刊，367,
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鍾曉蘭（2015）。翻轉教室–多重表徵的模型教學（上）。臺灣化學教育，10。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=11297


鍾曉蘭（2015）。翻轉教室–多重表徵的模型教學（下）。臺灣化學教育，10。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=11305


顧炳宏（2007）。粒子觀點之引導探究式教學活動設計。物理教育學刊，8(1),
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Boulter,
C. J.,
& Buckley, B. C. (2000).
Constructing a typology of models for science education. In J. K. Gilbert
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Publisher.


Hanke,
U. (2008). Realizing model of model-based instructional. In D. Ifenthaler, P.
Pirnay-Dummer & J. M. Spector (Eds.), Understanding Models for
Learning and Instruction (pp. 175-186). New York:
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NHK
(2018)。ふしぎエンドレス
理科4年:第13回「とじこめられた空気」。NHK
for school。檢索日期：2023年12月25日。取自https://www2.nhk.or.jp/school/watch/bangumi/?das_id=D0005110412_00000　　


此為完整教學影片，剪輯片段的實驗影片請參閱附註。


n  附註


教學使用之NHK影片，有興趣讀者可參閱以下剪輯片段的實驗影片：


空気をおしちぢめる実験（けむり）（壓縮空氣的實驗〜線香煙霧）。NHK
for school。檢索日期：2023年12月25日。取自https://www2.nhk.or.jp/school/watch/clip/?das_id=D0005300514_00000&p=box


影片內容摘要：


利用周遭熟悉的器材來觀察看看空氣被壓縮的情形。將點燃線香的煙霧加到注射筒內並套上活塞密閉，仔細觀察注射筒內的煙霧濃淡變化。當壓縮注射筒活塞時，裡面的空氣被壓縮範圍變小，煙霧變濃。而拉回活塞時，裡面的空氣存在範圍變大，煙霧變淡。從這煙霧的濃淡變化連想看看，注射筒裡的空氣分布有什麼變化？


n  謝誌


感謝臺北市國民教育輔導團國小自然輔導小組林如章教授提供日文影片與內文修正的寶貴相關建議，在此致上深摯謝忱。