臺灣化學教育

新課綱粒子觀點教學的挑戰：教科書如何引導國小學童認識粒子概念

盧秀琴

國立臺北教育大學
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• 中年級引導學童認識空氣和水，溫度影響水的三態

一、空氣和水

為了引導國小學童認識粒子概念，十二年國民基本教育課程綱要，自然科學領域課程手冊提出國小中年級的學習內容，包含：INa-Ⅱ-2在地球上，物質具有重量，佔有體積。INa-Ⅱ-4物質的形態會因溫度的不同而改變。INc-Ⅱ-5水和空氣可以傳送動力讓物體移動。INc-Ⅱ-6水有三態變化及毛細現象。學習表現包含：pe-Ⅱ-2能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備及資源並能觀察和記錄。pc-Ⅱ-2能利用簡單形式的口語、文字或圖畫等，表達探究之過程、發現。tc-Ⅱ-1能簡單分辨或分類所觀察到的自然科學現象。tm-Ⅱ-1能經由觀察自然界現象之間的關係，理解簡單的概念模型，進而與其生活經驗連結（教育部，2019）。

因應108新課綱的需求，教科書編輯先讓國小學童認識「空氣和水」，從大概念入手。即透過操作與觀察，了解空氣雖然看不見，卻充滿在我們的四周；例如：把紙團塞入透明杯底，然後杯口朝下直直壓入水中，觀察到紙團沒有濕掉，是因為杯子裡充滿了空氣，證明空氣佔有空間。然後在微量天平的兩邊各放置「未吹氣的氣球」和「裝滿空氣的氣球」，發現微量天平的桿子會往「裝滿空氣的氣球」傾斜，證明空氣佔有重量。之後，國小學童操作實驗，將水和空氣各自裝入各種形狀的容器中，發現水和空氣都沒有固定的形狀，才能充滿在各種形狀的容器中。最後，引導國小學童利用「空氣的力量或水的力量」來移動自製的玩具，了解「空氣和水」皆可以傳送動力，使物體移動（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2021）。

二、蒸發、凝結、凝固、融化

在進階的單元中，引導國小學童探討「溫度影響水的三態變化」，先從自然界的現象著眼，觀察水的蒸發與凝結，例如：學童觀察桌面上的水漬在一段時間就不見了，是因為水變成水蒸氣散佈在空氣中，稱為蒸發，但我們肉眼看不見水蒸氣。引導學童觀察日常生活「水的蒸發」，例子有：曬乾衣服、吹乾頭髮…等。其次，在煮開水的過程中，發現水煮沸了會冒白煙，白煙是怎麼產生的？引導學童操作實驗觀察，利用塑膠袋收集白煙，結果發現白煙是水蒸氣遇冷凝結成小水滴，我們雖然看不見水蒸氣，但水蒸氣凝結成小水滴時，我們就能看見了。國小學童隨著做實驗，探討「冰品容器」外側的小水滴是怎麼形成的？最終能歸納空氣中的水蒸氣遇冷或碰到較冷的物品就會變成小水滴，這個現象稱為凝結（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2022）。

為了讓國小學童認識水的凝固和融化，引導國小學童操作實驗製作冰棒，發現水遇冷降到攝氏零度以下會變成冰的現象，稱為凝固；並初步觀察自然界水凝固的現象，例如：下雪、結霜、下冰雹、結冰柱。接著，引導國小學童操作實驗，觀察放在盤子裡的冰塊，放在空氣中會越變越小，然後盤子中產生越來越多的水，進而瞭解到冰遇熱會變成水的現象，稱為融化。最後，國小學童學習到的科學概念模型為「水的形態會因溫度的不同而改變」，即冰（固態）遇熱融化成水（液態），水遇熱蒸發成水蒸氣（氣態）；反過來水蒸氣（氣態）遇冷凝結成水（液態），水遇冷凝固成冰（固態）。在整個學習過程中，很重要的科學技能就是教導國小學童如何正確的使用溫度計來測量溫度（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2022）。

三、毛細現象

中年級「水的移動」單元，學童在自然界的觀察，看見水的移動方向大多是由高處往低處流動，例如：瀑布、下雨，但也觀察到水會沿著縫隙中移動，這時水的移動方向就可能由低處往高處爬，例如：溫度計中的紅色酒精。引導國小學童操作實驗，發現當縫隙越小時，水的移動爬升越高。因此，國小學童能定義水可以在縫隙中移動的現象稱為毛細現象，並說出日常生活中如何應用毛細現象，例如：寫毛筆字、使用擴香棒、…等（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2022）。

• 高年級引導學童認識植物體內水的運輸、空氣組成、天氣變化

一、植物體內水的運輸

引導國小學童進一步認識粒子概念，十二年國民基本教育課程綱要，自然科學領域課程手冊提出國小高年級的學習內容，包含：INa-Ⅲ-1物質是由微小的粒子所組成，而且粒子不斷的運動；其學習內容說明為：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。INa-Ⅲ-4空氣由各種不同氣體所組成，空氣具有熱脹冷縮的性質。氣體無一定的形狀與體積。INb-Ⅲ-7植物各部位的構造和所具有的功能有關。INd-Ⅲ-11氣溫下降時水氣凝結為雲和霧或凝華為霜、雪。學習表現包含：tm-Ⅲ-1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。pe-Ⅲ-2能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備及資源。能進行客觀的質性觀察或數值量測並詳實記錄。pc-Ⅲ-2能利用簡單形式的口語、文字、影像、繪圖或實物、科學名詞、數學公式、模型等，表達探究之過程、發現（教育部，2019）。

接續毛細現象，在高年級「植物世界」單元中，觀察植物體內水的運輸，引導國小學童實驗發現植物澆水後，植物吸收水分後會由根輸送到莖，再輸送到葉，因為植物體內有微細的管子稱為導管，縫隙非常小，水分子可以藉著毛細現象將水分傳送到植物身體的各部位，並呈現「水分子手牽著手在導管中往上爬」的圖片；最後，水分由葉子的氣孔以水蒸氣的形態蒸散到空氣中，成為蒸散作用，科學技能是教導國小學童正確使用顯微鏡觀察葉子的氣孔構造（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2023）。

二、空氣的組成

高年級「認識空氣」單元中，觀察到空氣看不見也摸不著，引導國小學童蒐集資料，了解空氣組成主要含有氮氣、氧氣、氬氣、二氧化碳。接著，引導國小學童探究實驗，發現燃燒需要空氣，證明助燃物為氧氣，氧氣也能提供生物呼吸；二氧化碳會使點燃的線香熄滅，沒有助燃的特性，因此可以製成滅火器。最後，引導國小學童操作實驗，將金針菇加入雙氧水製造氧氣；將醋加入小蘇打製造二氧化碳，二氧化碳會使澄清的石灰水變混濁（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2023）。

在空氣和人類的關係中，引導學童了解空氣雖然看不見也摸不著，但其中的氧氣就是氧分子，會和鐵製品緩慢作用而生鏽，潮濕環境和酸性環境會加速鐵的生鏽。在我們的日常生活中，含碳的物質燃燒會產生二氧化碳，二氧化碳也是一種分子，屬於一種溫室氣體，如果人類大量燃燒化石燃料（例如：汽油、煤炭）就會產生過多的溫室氣體，加劇全球暖化；我們要多種樹木，當植物行光合作用時，除了製造氧氣外，還能將二氧化碳轉化成有機物質儲存在植物體內，稱為固碳作用（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2023）。

三、天氣變化

高年級「多樣的天氣變化」單元中，首先引導國小學童觀察雲、霧、雨、雪、露、霜和冰雹，說明水受到溫度的影響會改變形態，自然界的水有氣態（水蒸氣）、液態（雨、露、雲、霧）和固態（雪、霜和冰雹）。並以小知識介紹空氣中的水蒸氣是由肉眼看不見的微小粒子所組成的，而且會不斷的運動，當水蒸氣冷卻凝結為小水滴時，空氣中必須有微小的顆粒供水蒸氣附著，這些微小的顆粒稱為「凝結核」（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2024）。

接著，引導國小學童認識水蒸氣遇冷附著在灰塵或微小顆粒會凝結成小水滴或冰晶，若飄浮在空中就稱之為雲、若飄浮在地面附近就稱之為霧。當雲中的小水滴或冰晶變得又大又重，向地面墜落，就是下「雨」；當溫度低於0℃時，水蒸氣直接凝華成冰晶，變成雪花形狀，向地面墜落沒有融化，就是下「雪」，冰晶屬六方晶系，故雪花為六角形對稱結構。氣溫較低時，空氣中的水蒸氣附著在物體表面，凝結成小水滴，則稱為「露」；氣溫低於0℃時，空氣中的水蒸氣直接凝華成冰晶，附著在物體表面，稱為「霜」。晚春或初夏流雲層強烈，隨雷雨落下的球狀或不規則的冰塊，稱為「冰雹」。然後，使用粒子運動的模型提出水的三態變化（見圖1）說明，水在不同壓力和溫度下，會呈現固態、液態和氣態，稱為水的三態。固態的冰，粒子排列整齊，不會任意移動，有固定的形狀；液態的水，粒子排列較鬆散，可以自由移動，形狀會隨容器改變；氣態的水蒸氣，粒子運動得更劇烈，彼此距離變得很大（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2024）。

圖1：水的三態變化粒子模型

（資料來源：南一書局，2024）

    此單元的科學技能是引導國小學童操作實驗，觀察水蒸氣的凝結和凝華現象。凝結實驗：在錐形瓶中裝熱水，加入點燃線香的煙當作凝結核，再將裝有冰塊水的塑膠袋覆蓋在錐形瓶上方以降低溫度，一段時間後可以在錐形瓶口看見白煙狀雲的形成。另外，在杯子中倒入加冰塊的冷水，觀察杯壁的外側慢慢形成小水珠，即水蒸氣凝結成露。凝華實驗：在杯子中倒入冰塊水，再加入50克食鹽緩慢攪拌以降低溫度到攝氏0度以下，一段時間後觀察杯壁外側慢慢形成冰晶，即水蒸氣直接凝華成霜，並觀察冰箱冷凍庫的霜作為對照（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2024）。

• 結語

教科書引導國小學童認識粒子概念，從大概念入手，中年級引導學童認識空氣雖然看不見也摸不著，卻充滿在我們的四周，具有體積和重量，但沒有固定的形狀；到高年級認識空氣中有氧分子和二氧化碳分子，各具有不同的特性。其次，中年級引導學童認識水會因溫度不同而改變形態，了解水的蒸發、凝結、凝固、融化之定義，並知道水蒸氣是看不見的；到高年級觀察水分子在植物體內的導管中往上或橫向運輸，並了解自然界的雲、霧、雨、雪、露、霜和冰雹，是水受到溫度和壓力的影響而改變形態。最後，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。

• 參考文獻

南一書局（2021）。國民小學自然科學3上。臺南市：南一書局。

南一書局（2022）。國民小學自然科學3下，4上。臺南市：南一書局。

南一書局（2023）。國民小學自然科學4下，5上。臺南市：南一書局。

南一書局（2024）。國民小學自然科學5下，6上。臺南市：南一書局。

教育部（2019）。十二年國民基本教育課程綱要– 自然科學領域課程手冊。臺北市：教育部。

康軒文教事業（2021）。國民小學自然科學3上。新北市： 康軒文教事業。

康軒文教事業（2022）。國民小學自然科學3下，4上。新北市： 康軒文教事業。

康軒文教事業（2023）。國民小學自然科學4下，5上。新北市： 康軒文教事業。

康軒文教事業（2024）。國民小學自然科學5下，6上。新北市： 康軒文教事業。

翰林出版事業（2021）。國民小學自然科學3上。臺南市：翰林出版事業。

翰林出版事業（2022）。國民小學自然科學3下，4上。臺南市：翰林出版事業。

翰林出版事業（2023）。國民小學自然科學4下，5上。臺南市：翰林出版事業。

翰林出版事業（2024）。國民小學自然科學5下，6上。臺南市：翰林出版事業。