臺灣化學教育

數位工具在科學探究課程中扮演的角色

鄭志鵬

臺北市龍山國中
[email protected]

• 前言

隨著數位化世界到來，且逐漸成熟茁壯，加上ChatGPT橫空出世，讓所有的人，包含教育界，都在討論數位工具要如何運用。當然教育界在意的事情，就是如何在課堂中運用數位工具讓學生的學習更快、更深、更廣，期待能更符合學生的學習需求，希望隨著學習工具的進步，帶動學生學習的效果。和所有其他學習工具一樣，其使用的方向應該取決於學生學習目標；但也和其他工具一樣，教學者非常容易被工具牽著走，以至於在創新教學設計上，工具的使用常常模糊了學生學習的目標。

廣義來說，教學本來就是一直運用不同科技來輔助的，誰說黑板和粉筆、白紙和原子筆不是科技產品呢？如果一名國小中低年級的數學老師，在黑板上用粉筆隨機出10題二位數的加法問題，讓學生用白紙和原子筆計算，這時候觸控大屏加上平板與觸控筆，不見得是更好的教育科技產品。所以我們理所當然應該思考的事情是：

1.學生的學習目標是什麼？

2.要達到這樣的目標，最佳的工具是什麼？

3.有沒有可能因為工具的突破，以至能提升原本設定的目標？

• 教學技術、工具與學習目標

在談論教學技術和工具的革新時，有時技法和工具本身反而會成為新的學習目標，例如教師使用「合作學習法」來設計教學，學生運用合作學習學會了二位數的加法之外，我們也希望學生同時能學會許多和他人合作的方法與態度；教師使用「探究教學法」來教學生學習光與顏色的關係，學生不但應該要學會光與顏色的關係，還應該學會科學探究的某種概念、方法和態度。那麼在近年大家談論比較多的「科技運用」，其實是各種數位軟體硬體的運用，所謂的科技運用，是指數位科技運用。例如教師使用大屏搭配電子課本、使用iPad搭配觸控筆，使用Padlet、Google meet、classroom、酷課雲、均一等許多數位硬體或平台。大部分的情況下，我們並不會把「學會使用Padlet」設定為學生學習的目標。在這一波數位學習的浪潮中，和之前談論合作學習、翻轉學習或探究式學習略有些不同。

近幾年來，科學教育現場明確的將學習目標，從知識論逐漸擴大到方法論上了，學生應該學習的不只有科學知識，還應該學會科學方法、態度與科學本質。這樣的論述也很明確的寫在九年一貫乃至於十二年國教的領綱當中，也確實在近幾年中小學科學教育圈有大量的思考、討論與實踐，所以科學教師們，也應該逐漸將課程設定的目標，從學生習得知識慢慢調整成知識、方法和態度並重。

若要教師運用不熟悉的數位科技輔助時，常常會將科學教師打回只重視知識的課堂原形。如果科學教師正在轉型，嘗試設計探究式的課程，嘗試將科學的思考智能和問題解決的目標，有意識、有序的放入課程設計中，但還不熟練，此時如果再指派教師任務說：「給你一部大屏和30台iPad，請你設計教學讓學生運用數位工具來學習」，這時候往往教師能設計出來的課程，是運用這些工具來輔助學生科學知識的學習，而不是科學方法的學習。這就不免令人擔心數位工具的運用，對於科學探究學習的推動，暫時會是干擾而非助力。

所以教師設計課程時，首要思考這段課程的目標是什麼？例如我們希望學生「能以粒子模型思考物質三態」，其中「認識物質三態」是屬於科學知識上的目標，「能以模型思考」就是屬於課綱中「思考智能」的目標。目標定出來之後，老師可能會想要讓學生實際觀察物體巨觀的三態變化，於是用了冰塊加熱變成水進而沸騰成水氣，將碘加熱昇華成碘蒸汽，把蠟燭加熱熔化成蠟油。也可能想要讓學生看一下：水在低壓時候，會有低溫沸騰的情況。於是買了真空抽氣罐，將放置熱水的燒杯放進去之後，用溫度計監測溫度，並且開始抽掉空氣，讓學生觀察到水低溫低壓沸騰的情況，作為三態變化現象延伸學習。

接著老師跟學生討論：我們是如何定義物質三態的巨觀描述的？我們可以用物質的體積與形狀是否容易改變來區分三態。那麼如果將物質想像成由許多粒子組成，又要怎麼用粒子來解釋物質三態呢？這時老師可能覺得這樣的概念太過抽象，所以使用由科羅拉多大學開發的PhET網站，讓學生觀察可互動的動態粒子模型，讓學生看到物體的粒子彼此之間有吸引力，可以相互吸引聚集成一個群體。受熱時，粒子振動會變得劇烈，當振動劇烈到某種程度時，就會脫離彼此的吸引力而產生相變化。學生能以粒子思考，並以粒子模型來描述物質三態，可能就達成了「認識物質三態」以及「能以模型思考」的學習目標。

老師在巨觀現象的教學階段，運用了實體的實驗讓學生觀看真實的現象，並且想辦法運用非數位的科技工具ー真空罐，展示三態變化的延伸現象。接著運用數位工具扮演互動模型的角色，幫助學生學習較抽象的粒子模型，希望學生能以粒子來思考物質的組成與振動，甚至能以粒子振動猜想其他物質的現象。

這樣的教學設計，就是教師運用了數位工具幫助學生以粒子模型思考物質三態，將粒子模型連結到既有已知的經驗，預測未知的現象，並且運用實體的實驗來驗證想像的結果。教師以三態變化作為學習內容的目標，建立模型作為學習表現的目標，並且選用實體的真空罐作為取得實驗證據的器材，運用數位工具來輔助學生建模。若是缺少了數位工具，教師只能運用靜態的繪圖來表達粒子觀點，對於學生來說可能太過抽象，學習難度較高。此時引進數位科技的工具輔助建模，對於學習效率的提升就有加分的效果。

在數位科技的輔助下，我們有越來越多的數位科技工具可以輔助探究課程的進行，不同的課程內容搭配不同的學習目標，數位科技工具所扮演的角色也會不同。以下整理了一些在工具運用上的思考與使用的模式提供參考。

• 數位工具在科學探究課程中扮演的角色

科學探究因為探討的問題類型不同，層次不同，而會有不同的探究方式，可分為描述性、相關性和實驗性研究（洪振方，2024），也有人把研究分成探索性、描述性、相關性、解釋性研究（蘇宇暉、羅凱揚，2019）。有些研究，是對自己有興趣的自然事件或現象仔細的觀察後，進行描述；有些研究是嘗試找到現象之間的相關性；而有些研究可以以人為方式介入系統，操作變因來確認因果關係。這些研究，有可能只是為了認識或瞭解某個自然事物或現象，有些可能是想印證某些理論的真偽，但這些都是有價值的研究。

在國中小學科學課程的內容中，也會有不同的探究方式。例如：將高濃度的鹽酸打開後，會觀察到鹽酸的發煙性；將硫酸與水混合，可以觀察到硫酸溶解會釋放大量的熱；洋蔥表皮細胞有細胞壁；植物的葉片排列有不同的形式；光會有反射、折射的現象，這些類型的學習內容，大多是讓學生體驗、觀察，並將這些觀察到的現象作整理，就足以達成課程的目標。在這類型的課程中，我們就可以讓學生針對某特定主題仔細觀察後，察覺現象的特徵、比較差異、比較相似處或辨認趨勢。

如果我們希望學生瞭解不同物質吸收相同的熱，溫度上升的程度會有不同，學生可能就會需要學習設計實驗：如何在相同的加熱條件下，加熱不同種類的物質後，收集數據來進行分析。從實驗結果中看出不同物質吸熱之後，溫度上升的趨勢確實有不同。

又或者我們希望學生可以以粒子碰撞的模型來思考化學反應速率，我們就可以在課堂上運用粒子模型，請學生以模型來進行預測及推論，再進行實驗來作驗證。例如高濃度的鹽酸和低濃度的鹽酸，和小蘇打粉反應產生二氧化碳的速率何者較快呢？先以粒子碰撞的模型預測與說明後，再到實際的實驗室中觀看反應結果，取得支持或反駁粒子碰撞模型的證據。這類的課程，可以讓學生學習到以模型進行想像與預測、根據預測決定要進行的實驗或觀察的現象、從實驗結果或觀察到的現象來推論猜想是否正確。

將課程目標中的科學知識與其對應的探究知識與技能釐清後，再來思考如何運用數位科技來協助學生學習與課程進行是非常有幫助的。數位工具在科學探究上的運用，我認為大致上可以分為四個方向：實體實驗工具、展示工具、虛擬實驗、建模工具。另外運用WebQuest、Padlet這類的學習平台輔助學生自學或教師教學的工具，也是重要且廣泛運用的，但不在本篇文章討論的範圍。

一、實體實驗工具

實體實驗的意思，就是我們原本理解的，在實驗室中操作實驗器材，根據學習目標取得實驗數據或結果來達成學習目標。例如用酒精燈加熱100毫升的水，要用溫度計測量加熱過程中的溫度變化。我們可以選用傳統的煤油溫度計，讓學生讀溫度計的刻度，也可以用電子式溫度計，讓學生直接讀取數值，或是使用Arduino寫程式搭配數位溫度計，讓溫度數值直接呈現在電腦上，並且自動記錄。

數位工具作為實體實驗，大致可分為兩個方向，第一種是「輸入」，第二種是「輸出」。輸入的意思，就是感測、測量。例如測量環境溫度、濕度、亮度、壓力、聲音大小等等。輸出的意思就是產生現象或訊號，例如讓喇叭發生特定的聲音、控制馬達振動或轉動、讓LED燈發出特定顏色或強度的光、控制閘門開關或是釋放鐵球等動作。

以數位工具作為輸入測量工具的例子有很多，例如以手機、平板來說，可以作為「拍照」、「攝影」工具記錄現象，或是運用App來徵用手機平板裡面內建的許多感測器，例如：氣壓計、磁力計、加速度計、聲音感測（麥克風）、光強度感測（照相鏡頭），就可以將手機平板變成實驗器材，讓學生測量許多的數值，phyphox（註1）就是具代表性的App，在教學上也早有許多的應用，教學上也有顯著的成效（陳輝雄，2024）（吳泰煌、許勝源，2016）（曾耀寰，2018）。

再進階一點，就是使用arduino、esp32這類的微控制器，搭配適合的感測器與程式撰寫來取得實驗數據。這個方式的門檻比較高，使用者要學會微控制器的使用、感測器的挑選，還要有基本程式撰寫的能力才能運用自如，學生學習此工具的門檻也較高一些，教師使用此工具多是運用在科展專題這類課程上。但近年來由於scratch這類積木程式的普及，加上像是高師大跨域統整學習扎根計畫（註2）中，將scratch結合arduino，開發了相關的程式與硬體，在自然科課程運用上，就像是單純學習一種新的實驗器材一樣，將工具使用的學習門檻降低，讓教師和學生可以很容易的取得諸如溫度、壓力、加速度、相對亮度等數值。

數位工具也可以拿來做為輸出工具，例如我們可以讓phyphox輸出特定頻率的聲音，讓學生聆聽不同頻率的聲音聽起來有何差異。或是用arduino控制紅、綠、藍三種顏色的LED燈，讓學生用眼睛觀察不同顏色的組合可以混合出哪些不同的顏色。

數位工具作為實體實驗器材，能夠增進課程的面向通常在於「取得精準數據」、「提升取得數據的效率」、「節省取得數據的時間」、「方便儲存紀錄」、「方便轉譯成其他形式」、「方便與精準的控制與調整輸出訊號」等等。

數位實驗工具雖然方便，但在教學的運用上，也有需要提醒的部分。以加熱物體觀察溫度上升的探究活動為例，不管是哪一種讀取溫度的方式，目的都是讀取溫度之後，分析溫度上升的速度有何差異，所以數位工具扮演的角色，就會和傳統溫度計的角色相同。但由於數據的準確度高、取得數據、傳輸、儲存紀錄、轉譯為統計圖的方便性大增，數位工具就能夠增進課堂的效率。當然，這邊要提醒的事情是：如果讀取有「刻度」的數據，並且評估估計值，是學生尚未學會或熟練的技能，那麼這時候傳統煤油溫度計就變成必要的工具了，教師在課程的編排上，可能就需要花時間讓學生再多練習刻度的讀取與評估估計值。數位工具會便利地完成一些工作，同時也代表跳過了一些學習，教師挑選工具時。要注意這些被跳過的學習，是否屬於不重要、已精熟或是未來會訓練精熟的，才不會因為效率與便利而忽略重要的學習目標。

無論將哪一類的數位工具作為實驗測量器材，取得的大都是屬於「量化」的數值，也就是用數字來描述自然現象。若教師評估學生以數字來理解自然現象會更為清楚具體，或是希望學生能在實驗中取得量化數據來學習如何閱讀或分析數據，那麼引進數位化實驗工具，來大幅降低取得實驗數據的難度，就有可能讓教師有可能規劃更多實驗與數據分析的課程。不管是在描述性、相關性或是實驗性的課程內容，都有可能因為較方便的數位實驗工具的引入，而降低學習的難度。

但在國中小階段，許多學習內容都只停留在定性理解的階段，由於學生智能發展階段的限制，確實不宜太早運用數學模型來描述自然現象。但使用數位工具來取得實驗數據，不代表在課程中就要運用數學模型。在課程中也可以運用數字來觀察比較大小、趨勢的定性變化，設計符合學生發展階段的課程。

二、展示工具

在自然科學中，若想要展示的物體尺度過大、過小，或不適合觀察實體的時候，我們常常會以繪圖的方式來呈現。例如地球板塊、細胞、原子、分子或人體循環系統中的心臟、血管等等。繪製的圖形常常是根據教學目標進行了簡化，讓想要呈現的訊息可以被突顯出來。實際以肉眼觀察細胞，當然無法看到，若以顯微鏡觀察細胞，其實也很難看到清楚的胞器結構。這時候使用圖片展示，經由簡化和調整過的細胞示意圖，就對學習很有幫助。我們也不可能讓學生實際觀察人體體內循環系統的運作，心臟的收縮以及血液的流動，所以常常需要繪製圖片來解說

在這個項目中，數位化工具和傳統工具的最大差異，應該就來自可操作性或互動性。以細胞為例，傳統工具僅能將畫面像是上圖一樣，清楚的呈現出來。但若是在iPad上操作就能旋轉不同角度，對局部畫面放大、縮小建構整合不同尺度的模型。下圖是Tinybop公司出品的人體探密app，其中一個功能是觀看人體的循環系統，可以在畫面中看到血液流動方向的示意圖，也可以操作讓主角跑步，觀看運動時心臟會有什麼反應。也可以點擊心臟，觀看心房、心室的搏動（圖1）。

圖1 人體心臟示意圖（引自tinybop的人體探秘app）

在PhET中的‪Build a Molecule_建立一個分子 （註3），可以讓學生自行組合不同的原子成為分子，並觀看分子立體模型（圖2）。

圖2 甲烷分子模型（引自PhET，Build a Molecular）

這一類的工具在教學上，大多是用在幫助老師講述已知的發現或是科學表徵，也可以幫助學生建立想像中物體的型態、構造、功能或運作方式。如果傳統紙本、靜態的圖文表徵，還不足以讓學生快速認識了解所學的內容，那麼找到合適的數位化表徵，提高可操作性、互動性或是能展現更多不同樣貌，都有可能幫助學生了解對應的學習內容。

三、虛擬實驗

虛擬實驗的意思，是使用各類型的電腦程式，用程式中規劃好的環境來進行實驗。程式設計的實驗環境，依照設計的理念不同，操作的自由度也會不同。最受限制的設計，可能會把所有實驗參數都設定好，使用者無法調整，只能按下「開始」，觀看整個結果。也有一些程式，會提供較大的自由度，讓學生可以調整一些參數進行特定主題的實驗，例如由美國科羅拉多大學建置的，著名的虛擬實驗平台PhET，裡面的「繩波（註4）」單元，就是可以讓學生操作並觀察繩波的現象。若選擇裡面的「電路組裝套件：直流電（註5）」，則會看到一個相對更開放的電學實驗室，這個互動程式裡面提供了一些電學的元件，例如電源、導線、電阻、開關、迴紋針、保險絲、鉛筆、橡皮擦等等物件，可以讓學生進行不特定類型的電學實驗。從檢測不同物質是否導電到各種電路串聯、並聯的效果差異、歐姆定律、電流熱效應等實驗都可以進行。

除了以上這種專門為特定科學主題設計的程式可以進行虛擬實驗之外，還有一類的軟體是自由度更大的，可以讓使用者更自由的建構物理世界，依照需要建置不同的實驗環境，並且操作觀察實驗結果。以Algoryx（註6）公司出品的免費軟體Algodoo為例，你可以在這個具有重力、空氣阻力的2D物理世界裡面，自己設置實驗環境來進行運動學、單擺、虎克定律、摩擦力、碰撞、浮力、機械甚至光學實驗。這一類的軟體操作的自由度非常高，相對的學習和使用的門檻也會比較高。

以虛擬實驗來進行學習，有什麼好處呢？

（一）解決時間或空間跨距尺度過大的現象難以實驗的問題：有些尺度過大的自然現象，難以在教室中重現，更難以操弄實驗條件，可以用虛擬實驗的方式來讓學生操作探究。例如上面提到的「天擇」，天擇的概念常常跨越的時間尺度很長，也常常難以用人為的方式介入系統來觀察實驗結果，但藉由虛擬實驗的方式，就可以讓學生操弄環境變因，觀察改變之後的結果，用來了解自然界中的天擇是如何運行的。又例如地質作用、太陽系的行星運行等等，都是由於尺度過大，難以在課堂上進行實驗，學生也較難想像，這時候以虛擬實驗來模擬，可以降低學習難度。

（二）解決現象時間太短難以觀察的問題：有些現象的速度較快，在實體實驗中不容易仔細觀察，可以用虛擬實驗的方式來模擬，放慢速度或反覆的實施，讓學生可以較容易觀察到關鍵的現象，例如上面提到的「繩波」實驗。我們在中學實驗課中，有時候會用彈簧製造波，讓學生觀察波的現象。但波速常常會過快，學生難以仔細觀察介質振動和波傳遞的情況。若要進行較深入的波速探討，難度也頗高。這時候運用上述的「繩波」實驗來模擬，就可以在初步建立介質振動、波的傳遞等觀念時，降低學習門檻，也可以在虛擬軟體中操弄變因，來探究影響繩波波速的因素。

（三）降低取得良好實驗數據的難度：不管是哪一類的虛擬實驗，都會有容易獲得數據、實驗環境容易調控去除雜訊的優點。我們不需要擔心測量儀器太貴、太難架設，不用耐心等待數據穩定，也不用擔心儀器測量誤差或是儀器突然當機造成的種種問題。像PhET裡的電流組裝套件，就可以輕易的連接伏特計、安培計，可以任意的把電源、導線裡面的電阻去除，任意調出你想要的電壓，大幅降低在現實世界中，各種不完美電路造成的教學困境。如果今天我們課程設定的目標，是讓學生探究電阻器固定時，電壓和電流的關係，那麼使用虛擬電路來進行實驗，也可以達到目標。又例如在研究單擺週期的實驗時，會提到單擺受到擺長的影響，但其實重力大小也會影響單擺的週期。但在中學實驗室中，很難任意改變單擺環境重力，讓學生測量重力造成的差異，此時使用虛擬實驗也可以任意的將單擺從地球搬到月球、木星甚至太陽來測量單擺週期。

（四）免除失敗的焦慮：在探究與實作的課程中，本來就希望學生能經歷某種嘗試或失敗，並在其中找到更好的學習機會。但有時候嘗試或失敗，會造成危險，或是造成器材的損壞浪費，導致接下來的課程無法進行等問題。這時候採用虛擬實驗的方式，就能讓學生更大膽的嘗試。例如上述提到的電流組裝套件，就可以讓學生刻意將電壓調到很大或讓電路短路，因而看到電器或電路燒起來的動畫，讓學生瞭解這樣的操作可能帶來的危險性。

以虛擬實驗來進行學習，有什麼缺點呢？若是對平常就能把學生實驗環境和條件設置良好的老師來說，看到虛擬實驗的課程，一定會有一種反應就是：「能讓學生玩真的實驗，為什麼要玩假的？」這一點完全沒錯，在可以讓學生安全操作，學生能取得良好實驗結果，老師也能掌握課程進度的情況下，大多數的老師們都認為應該做真的實驗。原因很簡單，就是當虛擬實驗去除了大量的雜訊時，學生能接收到的訊息也會下降。

以前述電路的實驗為例，在良好設計的課程下，運用虛擬實驗，可以讓學生學習到電壓和電流的關係，並且成效良好，已經有許多的研究證明，若教師設定的學習目標，是科學概念的理解與精熟的話，學生在虛擬實驗室能夠學的跟真實的實驗室一樣好（鄭婷文，2017）（林勇成，2002）。先進行虛擬實驗再進行實體實驗，或是反過來先進行實體實驗再進行虛擬實驗，學生的學習成效也都和單獨使用實體或虛擬實驗一樣好(Zacharia & Olympiou, 2011)。

但是教師有時候會設定除了科學概念之外的其他學習目標，若單純使用虛擬實驗，學生額外的學習體驗就少了很多，虛擬實驗訊息理想、單純的優點也正是它的缺點。例如學生實際觀察小蘇打、食鹽、碳酸鈣粉末時，可以看到的晶體型態、色澤、觸感都會不同，這是虛擬化學實驗無法學習到的。在電學實驗中，學生摸不到電線電阻微微發燙的感覺、聞不到電阻或LED燒焦的味道。學生會因為感受不到嗅覺或觸覺的感受，而認為實體實驗比虛擬實驗更好(Tatli & Ayas, 2013)。在繩波的單元中，實際操作彈簧，看到彈簧的振動，感受能量的傳遞，這也是虛擬的繩波無法提供的。在適當的引導下，以實體實驗進行課程，會讓教師多了非常多機會讓學生感受額外的科學現象，也多了很多機會指導學生在實驗時評估誤差量值與降低實驗誤差的手段。有時候真實實驗耗費的時間或麻煩，並不是真的毫無意義，當老師們運用虛擬實驗來規劃更有效率的課程時，有時候要注意效率之下，是否犧牲什麼有意義的學習。反過來說，當教師運用了實體實驗進行課程時，就可以去思考如何設計課程讓學生在真實世界中，能夠多獲得的學習是什麼？

總結而言，實體或虛擬的實驗，都可以提昇學生科學概念的學習成效，在教師有適當設備可運用的情況下，虛擬實驗會比實體實驗更有效率。虛擬實驗可安全的、無成本的重複操作實驗是其優點，但虛擬實驗去除雜訊，讓實驗可以在理想環境下操作的特形，則是教師在規劃課程中，必須有意識的根據學生的學習目標來進行選擇的。

可以運用虛擬實驗來輔助的課程，其對應的知識類型，較屬於「描述性」或「相關性」研究，對應到的學習表現，則比較偏向「觀察、計畫、執行、分析、發現」這些問題解決技能。例如說，學生操作直流電實驗模擬，最後可以瞭解到「電阻兩端的電壓和電流會成正比，電阻會因材質改變而有不同」；操作「繩波」實驗，可以瞭解「繩波的波速會受到介質張力的影響，但振幅和頻率不影響波速」或是「單擺擺動的週期和擺長與重力加速度有關」等等。以單擺為例，學生在軟體中，可以隨意調整情境，觀察單擺週期的差異，並仔細設計實驗情境，控制對應的變因，找出影響單擺週期的因素，分析實驗數據，發現相關的模式。但這些軟體中，沒有提供學生進行抽象思考的工具，所以對「思考智能」部分的學習表現，能運用的空間就比較小。

四、建模工具

在科學教育上，「模型」的涵義很廣泛，在這邊我想將模型的範圍限縮在：「以模型作為抽象的思考工具，用以發展、建構、測試和評價想法。」雖然這是屬於科學家運用模型的層級（邱美虹，2016），但在國中階段，可以經由適當的課程設計，降低難度，讓學生能學習運用難度適中的模型來思考。

「建模工具」與「虛擬實驗」的差異是，虛擬實驗的設計，常常只有把對應的操作和現象呈現出來，但沒有原理的描述。所以對學生來說，虛擬實驗和實體實驗的功能是相同的，都是觀察現象，或是有意識的進行一些操弄，來看看操弄的結果，了解變因之間如何互相影響。但是在軟體設計中，沒有機會讓學生思考「為什麼」，或以內建的模型預測當情境改變時可能發生改變的理由與預測結果。假設有個軟體，設定一個電池與電阻串聯，電路接通時電阻發熱。軟體設計讓學生操作改變電壓的高低，然後觀察電阻溫度上升的情況，讓學生了解電壓越高電阻溫度上升越快的關係，這是虛擬實驗。但如果軟體呈現了電阻內部的模型，呈現電子流經電阻時，會因為撞到電阻內部阻礙電子流動的構造，造成振動而導致溫度上升的模型。那就屬於這一段想要討論的「建模工具」類型的數位工具。

在科學探究的歷程，常需要在心中建構模型，並且用實驗來驗證來決定是否要接受模型。但因為不同階段的學生能力不同，所以能夠運用的模型就不同。國中階段，仍然需要能以具體表徵呈現的模型，例如我們可以用圖像繪圖的方式來表達微觀粒子的排列、振動，並且用粒子模型來描述或預測巨觀現象，這是國中生經由學習就可以做到的。但大部分的國中生還沒有辦法運用數學模型來連結自然現象，所以對國中生來說，不適合運用數學式的科學模型來表達或推演科學理論。

在我們探究未知現象時，往往是先對現象進行描述性與相關性研究。對於可觀察到的現象，有了一定的瞭解，也進而理解影響現象的許多因素，以及這些因素如何影響現象，我們就一定會開始思考這些未知現象運作的機制原理。我們會從最表面的WHAT問題開始描述事物最外層的現象，慢慢進入到HOW的問題，探討影響這些現象的因素，然後就會想要問「為什麼會這樣呢」的WHY問題。直到我們能抽絲剝繭，去除許多迷霧之後，就有可能看清楚事物更深層的部分，得到一個新的WHAT。

要描述自然現象運作的機制原理，常常因為長度或時間的尺度過長或過短，造成難以在課堂中取得直接的證據，呈現在學生面前。我們常常需要藉由許多的想像，來推論在某個模型的描述下，改變實驗方法時，可能產生的結果是否與事實相符，並且能預測尚未進行的實驗其結果為何。甚至在評估不同模型時，能設計實驗獲得證據來作為評估模型優劣的依據。

例如粒子模型，就是我們最常用來以微觀角度說明物質巨觀現象的模型。將物質想像成許多的粒子組成的，不同物質粒子間有不同強度的吸引力，溫度越高，粒子振動得越劇烈。在國中階段，教師常常會運用類似這樣的模型，來說明許多物質的現象，也希望學生能以粒子模型來思考物質的特性或現象，幫助學生理解。

例如給學生二個體積相同的鋁塊和銅塊，讓學生拿在手上比較輕重，學生會馬上察覺銅塊比鋁塊重上許多。若讓學生在學習單上畫出兩個方形代表兩個金屬塊，並請學生以粒子的方式想像兩金屬塊內部結構有何差異，學生都能繪製出可呈現兩物質密度差異的表徵。雖然學生繪製來描述兩金屬內部的粒子模型，有許多明顯的問題，然而我們也知道所有的模型本來就僅能描述部分的事實，不可能百分之百正確，只要在討論的主題上能正確並且幫助學生理解，就是在課堂中適合使用的模型。

當教師使用粒子模型來說明現象，或是學生要在腦中建構粒子模型時，就可以使用例如PhET的物質三態（註7），在課堂中，由老師演示說明，讓學生觀察及理解粒子模型。這個互動動畫，同時是物質受熱溫度上升以及三態變化的實驗，也是物質內粒子振動與物質三態的模型。

一開始可以看到每一個粒子都在振動，但振動的劇烈程度還不足以讓粒子離開原本的位置。若遠遠的看，會看到一個方形的區域，區域的大小和形狀大致上都是維持固定的，也就是所謂「固體」的狀態。這些觀察以及微觀巨觀之間視角的轉換，教師可以藉由提問與對話來幫助學生學習。

師：「有沒有覺得粒子之間好像有一點吸引力把彼此拉住呢？」

生A：「好像有。」

生B：「一定有，不然這一堆粒子就會散落垮掉了。」

接著教師將溫度慢慢調低，讓學生觀察粒子有什麼變化？再把溫度調高，讓學生觀察粒子有什麼變化？

生A：「溫度越低，粒子振動得越慢；溫度越高，粒子振動得越劇烈。」

師：「粒子振動越劇烈，粒子之間的距離有什麼改變？」這裡提示學生觀察粒子之間的距離。

生A：「它們之間的距離變大了。」

師：「這樣外觀看起來，會有什麼變化？」這裡幫助學生切換視角。

生B：「應該會有點膨脹。」

師：「我們把溫度再調更高，你們看發生了什麼事？」這裡將溫度調整到方形形狀解構，但粒子大致尚未分散開的狀態。

生A：「粒子振動得更劇烈，開始亂跑了。」

師：「你覺得在巨觀的角度下，會是發生什麼現象？」這裡幫助學生切換視角。

生B：「這時候看起來就像冰塊融化變成水。」

有些學生，例如生A，可以觀察具體現象，也可以觀察到現象的變化，這是一個不錯的能力。更進一步，我們希望學生能以粒子模型進行思考、預測，將模型連結到實際的現象，例如生B的表現。運用互動式粒子模型動畫，應該可以幫助學生以粒子振動、吸引、排斥、碰撞等模型來思考巨觀的物質變化。

在認識靜電的課程中，我們希望學生能夠以絕緣體電子的轉移，來認識摩擦起電的現象，並瞭解不同絕緣體對電子束縛能力有差異，因此在摩擦的時候會產生電子轉移，形成靜電。若可以用電子轉移的模型來思考，就能得出兩物體摩擦起電後，必然帶有電性相反且量值相同電荷。雖然在國中階段並不需要記憶這個結果，但學習以微觀的電荷轉移來推得上述結果的「推理論證」、「建立模型」等學習表現，是可以利用這個單元來進行的。

圖3靜電示意模型（引自 PhET氣球和靜電引力的建模工具（註8））

在「波」的課程中，我們會希望學生瞭解：波的現象，是來自介質受到擾動時，介質會互相影響而將擾動傳遞出去。如果我們希望學生能在腦中用介質互相擾動來思考波的現象，並從中推得：波傳遞擾動但不傳遞介質、介質狀態改變時，可能對波速造成的影響等。那麼使用PhET繩波的模擬，將原本在實驗室中因為速度太快難以觀察的情境，用慢動作甚至逐格播放的方式，就能讓學生比較容易理解現象，並以此模型來思考繩波的現象。

圖4 繩波模型（引自PhET中的繩波模型）

Natural Selection_天擇（註9），也是屬於一種模型。由於要展示天擇理論，需要的自然環境條件無法人為自由的設定，所需要的時間尺度也遠大於學習限制，所以很適合以虛擬的方式來進行實驗。這樣的軟體操作，除了可以觀察到生物族群大小的變化，會受到哪些因素影響之外，也能建立天擇的理論模型。例如在冰天雪地時，由於白兔比棕兔更有保護色，所以生存的條件更佳。但某一天若氣候改變，雪地變成了沙地，那麼毛色的優勢就會因而顛倒。這些可以讓學生提出自己對於天擇的猜想，並以實驗驗證，就能讓學生學習以天擇理論來解釋自然界中生物族群的消長。

這些具有幫助抽象思考，可以發展、建構、測試和評價想法的虛擬軟體，就有機會讓教師規劃「思考智能」的課程。運用現成的模型，思考如何運用模型解釋現象？當條件改變時，以模型來預測實際狀況會有什麼改變。例如上述以粒子振動的角度描述物質三態的對話中，學生已經建立溫度越高，粒子振動越劇烈的模型。那麼接續往下發展，就可以請學生以此模式思考，若溫度再提高，會發生什麼事？若學生能用「粒子振動劇烈，所有粒子都分散開來，巨觀看起來就是液體氣化分散在容器中的情況。」這樣的語句來描述氣化現象，代表學生已經能以抽象的粒子振動來解釋三態變化了。

如果課程的知識點，是要運用理論來解釋的，就適合這類的虛擬實驗建模互動軟體來輔助學習。像是運用天擇解釋生物族群的變化、運用粒子碰撞解釋化學反應速率快慢、運用電子轉移來解釋摩擦起電的現象等。

但模型運用在提出解釋或預測之後，最好還能回到實驗室加以驗證。例如當學生能用粒子碰撞來解釋稀硫酸濃度越高時，稀硫酸與鎂帶反應產生氫氣的速率越快，並預測溫度越高也能讓反應速率變快時，就值得讓學生將稀硫酸水浴加熱後，再測試鎂帶在溫度稍高的稀硫酸中，產生氫氣的速度是否真如預測一樣變得更快。

具有模型功能的虛擬實驗，可以讓學生以軟體設定好的模型進行抽象思考、建構、測試和評價想法，提出猜想與在模型上驗證之後，再將想法帶入真實世界中，思考如何設計實驗在巨觀的現象下加以測試驗證。這樣的教學模式，是強度高且完整的科學探究課程（鄭志鵬，2020）。

當然，除了PhET之外，商業軟體YENKA化學模擬實驗也提供了許多建模軟體，在課堂上使用也幫助了學生學習（陳子聖、周金城，2019），或是中央大學研發的CoSci，也可以運用在科學建模的課程上（王亞喬，2023）。表1整理了不同數位工具類型運用的用途特性，限制與注意事項，讀者可以從表1中比較不同數位工具，並視自己課堂上的需求，挑選適當的數位工具來增進學生的學習效能。

表1  不同數位工具在教學上應用的用途特性，限制與注意事項

數位工具類型	用途與特性	限制與注意事項
實體實驗工具	用於科學實驗中作為感測器、測量儀器或控制器，可準確獲取實驗數據、提升效率、節省時間、方便記錄和轉換數據格式。	注意是否忽略了一些重要的實驗操作技能訓練。
展示工具	用於展示難以用肉眼直接觀察的物體或現象，具有較高可操作性和互動性，可自由從不同角度觀察。	缺乏真實的觀察體驗，無法感受更多細節。
虛擬實驗工具	模擬真實世界中的實驗環境，讓學生操作虛擬參數進行探究，可解決實驗條件受限或現象難觀察的問題，可安全的無成本的重複實驗，降低實驗難度並獲取良好數據。	無法獲得真實世界的雜訊與意外情況，缺乏一些真實實驗的訓練經驗。
建模工具	提供具體的模型輔助，讓學生進行抽象思考、建構模型、預測現象、驗證模型等高階認知活動。	過度依賴預設模型，缺乏自主建構模型的能力培養。

 

• 結語

108的自然領域課程綱要中，將學生的學習目標分成學習內容與學習表現，學習內容包含了自然的現象、科學描述自然現象的語彙、科學專有名詞、對自然現象分類定義等。學習表現則包含強調內在思考方式與策略的思考智能、外在具體行動方案的問題解決，以及屬於興趣、態度與習慣養成部分的科學態度與本質。不同的學習目標會對應到不同教與學的策略，也就會對應到不同的工具來提升學習效果。

如果學習目標是要認識瞭解科學專有名詞，對自然現象分類定義，或是理解科學用來描述自然現象的語彙，採取直接講述的方式，是最有效的。如果要以數位工具來協助，那就可以利用教學影片且搭配平台，讓學生可以以自己的速度節奏來複習、預習或反覆聆聽。

如果學習目標是要認識自然現象，有些自然現象是學生直接觀察可以習得的，例如洋蔥細胞的細胞壁、化學反應的沉澱現象、酸鹼中和的放熱等，那最好的方式就是在實驗室中呈現，直接讓學生觀察到。有時候搭配「實體實驗工具」，可以降低實驗難度或是得到更清楚的資訊，可以幫助學生學習這類的內容。或者是找到合適的「展示工具」，讓訊息能更清楚的呈現，提高可操作性、互動性以及更多不同的視角，也會有一些幫助。

如果要學習的自然現象，是可以操弄變因來探究的，例如「不同物質受熱後，其溫度的變化可能不同」，就應該藉由實際的實驗來進行探究，並且在探究的過程中同時學習問題解決的技能。這時候如果可以挑選適當的數位實驗工具或是虛擬實驗工具，都可以幫助學生學習對應的學習內容與問題解決的技能。用虛擬實驗來學習實驗室器材的操作，並不是太有效率的學習方案，在實驗室中實際操作器材仍然是更好的選擇。

如果要學習的自然現象，是可探究，並且有機會引進科學模型讓學生學習以模型思考、發展、建構、測試和評價想法的話，那麼以數位實驗工具輔助實體實驗，加上建模工具輔助學生建模。結合虛擬軟體、抽象思考建模與實體實驗取得事實來驗證或否決預測。這種虛實整合的工具，更能夠讓學生有機會進行高層次抽象思考。

引進數位工具，旨在補足現有的工具不足，或藉由數位工具提升學生的學習效能。若原本的學習方案就已經可以達成很好的學習成效，當然不需要刻意引進數位工具來輔助。但許多老師在教學講述時，有許多概念以圖形化能夠表達得更清楚；實驗進行時，有些數位工具能降低實驗操作的門檻並取得更清楚的結果；建模時如果有圖形化、動畫化的表徵輔助學生思考，這些都有可能大幅的提升學習成效，在這個數位化的時代，值得老師和學生學習並運用。

• 參考文獻

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吳泰煌、許勝源（2016）。電子模組教具開發及對於國中理化學習成效影響之研究。第五屆管理學院教師教學實務研討會。

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Tatli, Z., & Ayas, A. (2013). Virtual laboratory applications in chemistry education. Procedia-Social and Behavioral Sciences, 93, 938-942.

Zacharia, Z. C., & Olympiou, G. (2011). Physical versus virtual manipulative experimentation in physics learning. Learning and Instruction, 21(3), 317-331.

• 附註

1. Phyphox：phyphox – Physical Phone Experiments
2. FabLab-NKNU 高師大數位跨域教育基地｜首頁
3. PhET互動模型：Build a Molecule_建立一個分子
4. PhET互動模型：Wave on a String_繩波
5. PhET互動模型：電路組裝套件：直流電
6. 虛擬物理軟體：Algoryx
7. PhET互動模型：PhET的物質三態
8. PhET互動模型：PhET氣球和靜電引力的建模工具
9. PhET互動模型：Natural Selection_天擇