當藝術遇見化學:奈米世界的構築藝術: 第一型晶籠水合物的串珠模型之結構與製作 范原嘉1、金必耀1,*、左家靜2,* 1國立臺灣大學化學系2國家高速網路與計算中心1byjin@ntu.edu.tw; 2cct@nchc.narl.org.tw n 摘要 本文介紹串珠模型在第一型晶籠水合物的應用,這種晶籠水合物的結構是由氧的四配位結構連結而成的開放骨架結構,環繞在每一個氧有四個氫鍵為初級構造單元,以氫鍵橋連氧原子而形成兩種次級構造單元,再堆積成三度空間的骨架構築。這種含有甲烷的晶籠水合物不僅對於地球的生態有一定的重要性,更可能是一種未來重要的能源,不同的晶籠水合物的本身結構更是精巧萬分,就像是奈米空間的奇幻建築,千姿百態,給人無限的想像。運用數學串珠來建構水合物的立體結構,相當於是將這些奈米結構視為氫鍵的硬球殼堆積模型, 串珠模型中的珠子代表氫鍵, 真實地通過巨觀的硬球殼疏堆積,把晶籠水合物在奈米世界的三度空間排列變為富有藝術感的立體建築結構。 關鍵詞:分子模型、數學串珠、籠形水合物、非計量化合物、化學奧林匹亞 n 引言 西元1811年,英國化學家戴維(Humphry Davy)發現在他之前認為是固體氯的一種物質,其實含有許多的水。十多年後,戴維的助手法拉第用分析化學方法確認這種物質的化學組成為Cl2·10H2O,後來更精確的實驗指出這種含有氯的水合物的組成相當接近Cl2·8H2O。從那時起,含有各種不同氣體分子的水合物被陸續報導,這包括了鈍氣與分子量較小的碳氫化合物。二十世紀中,美國化學家包林使用X-射線繞射實驗闡明了氣體水合物的結構,是水分子用氫鍵連接成籠子結構,再堆疊成含有孔洞的四配位骨架結構,氣體客分子包合在籠子之中,成為晶籠水合物(Clathrate hydrates)1。 有趣的是,第四十屆在匈牙利舉行的國際化學奧林匹亞競賽,有這麼一個理論問題,測驗學生對這種第一型晶籠水合物的認識,題目如下2: 第6題 佔總分的7% 6a 6b 6c 6d 6e 6f 6g Task 6 3 5 3 6 6 12 10 45 *附註:這個表格給出第六題中七個小題的計分細節,即每個小題的點數,加起來的總點數為45點,此題佔總分7分。 將氯氣加到接近凝固點的水中,會產生一種淡綠色羽毛狀的沉澱物;另外在加入如甲烷和鈍氣等其他氣體時,也會有類似的沉澱。這些物質是非常重要的,因為其中甲烷水合物被認為大量地存在於自然界中,幾乎和其他天然氣存量一樣多。 這些沉澱物都有類似的結構。當溫度稍高於凝固點時,水分子會形成由氫鍵連結而成的籠形骨架結構,並被填於孔洞中的氣體分子所穩定,這種結構稱為晶籠體或是晶籠水合物。 氯和甲烷的晶籠體有相同的結構,其主要特徵是20個水分子先形成接近球形的十二面體,單位晶格中這些十二面體以體心立方的方式排列,相鄰的兩個十二面體由二個位在單位晶格面上額外的水分子所連接,而且每一個單位晶格的面上都有兩個額外的水分子。單位晶格的邊長為1.182 nm。 這種結構含有兩種孔洞,一個是上述十二面體的內側空間(稱為A–型孔洞),另外還有一種稍大的孔洞,每一單位晶格中有6個這種B–型孔洞。 a) 每一單位晶格中有幾個A–型孔洞? b) 每一單位晶格中有幾個水分子? […]
當藝術遇見化學: 化學在藝術品和文化遺產保護的應用 胡景瀚 國立彰化師範大學化學系*chingkth@cc.ncue.edu.tw n 在藝術品和文物上的菌膜 在藝術品和文化遺產的保護過程中,菌膜(biofilm)造成的傷害是相當難處理的。菌膜是微生物細胞的聚合體,在菌膜中的細胞會以化學訊息互相溝通,這種溝通過程稱為「群聚感應」(quorum sensing)。群聚的細菌對於抗菌藥劑(抗生素)的抵抗力是它們在分離浮游狀態的一千倍以上,因此菌膜對健康有許多危害,人體約八成的感染是由菌膜所造成的,例如:牙垢、尿道炎、造成肺炎的鏈球菌等皆是。我們在樹幹和石塊上也經常看到菌膜留下的斑駁痕跡,圖一是竹子上的菌膜。 圖一:竹子上的菌膜 除了對健康造成的影響,在藝術品和文物上的菌膜也成為文物保護工作的一大難題。柬埔寨巴容廟的石雕佛像(見圖二)、位於義大利的世界文化古蹟「哈德良別墅」(見圖三)的石柱都受到菌膜的嚴重侵蝕。 圖二:柬埔寨巴容廟 (圖片來源:Das Lächeln von Angkor by Hans Stieglitz, https://goo.gl/4apXS2) 圖三:哈德良別墅 (圖片來源:The Maritime Theatre by GNU Free Documentation License, https://goo.gl/99H8f1) n 化學方法清除菌膜 清除藝術品或古蹟上的菌膜遭遇到的困難,是我們不能用過度侵入性的方法,傷害了文物。苯扎氯銨(Benzalkonium chloride,見圖四)經常被用來消除藝術品和文物上的菌膜。苯扎氯銨是一種陽離子界面活性劑,可用於手術前消毒,也被應用於道路和泳池當作除藻劑。 圖四:苯扎氯銨的結構式 苯扎氯銨去除菌膜的能力有限,若想增強去除菌膜的能力,我們須先了解群聚感應的機制,圖五是細菌形成菌膜的示意圖。圖中紅色的紅點代表細菌溝通分子(N-acyl homoserine lactone, AHL),AHL由細菌的一段稱為LuxI的基因所製造,另一段基因LuxR會利用AHL和DNA中的Lux Box結合,並活化基因Lux CDABEG,這段基因會進行集體行為,如製造螢光分子(某些寄居在發光烏賊體內的細菌),或對宿主釋出毒性等等,也可能會製造更多的溝通分子。然而,細菌的AHL受體必須在足夠高AHL濃度時才能作用,受體會偵測環境中AHL的濃度,並在適當的濃度下啟動系列反應。 圖五:細菌形成菌膜的示意圖 (圖片來源:Bacterial Quorum Sensing by Caroline Dahl, https://goo.gl/HU1xw2) 有趣的是,各種細菌用來溝通的分子都有相似的結構(見圖六)。圖六中的分子1是一種革蘭氏陰性菌(綠膿桿菌)的群聚感應分子,2和3是其它革蘭氏陰性菌的群聚感應分子,我們可以看出這些分子的結構的相似性。紐約州立大學的Suga教授合成出分子4,並證明它具有抑制綠膿桿菌群聚的功能。1從圖六中我們可以看到1和4極為相似,可能是後者取代了前者和受體的作用並干擾了後續的生化作用。 圖六:各種細菌用來溝通的分子,1-3為革蘭氏陰性菌的群聚感應分子 一氧化氮(NO)是一個簡單的雙原子自由基分子,然而自二十世紀後期,NO與生物化學的重要關聯陸續被發現,它是生物體中的訊息傳導物質,對於代謝、免疫、血管擴張等生化功能都扮演了重要的角色,最早揭露其生化功能的科學家們也因而於1998年獲頒諾貝爾獎。 因為分散的菌膜容易被苯扎氯銨消滅,有科學家因此想到利用NO先將菌膜驅散,降低其群聚程度後再施以苯扎氯銨消滅細菌。這個想法果然得到很好的結果,相關的研究仍在持續進行中。2,3 某些實驗室則合成了帶有NO的有機物自由基,並證實其亦具有非常好的驅散細菌的能力。澳洲墨爾本大學的Schiesser實驗室證實了先以非常低濃度(50 mM)的5(見圖七),塗在菌膜上再加入0.001%的苯扎氯銨可以有效地除去從木雕藝術品取下的菌膜(一般的古蹟處理程序使用2%的苯扎氯銨)。4 圖七: […]
當藝術遇見化學:新型凝膠修復西畫 邱美虹1,*、曾茂仁2 1國立臺灣師範大學科學教育研究所 2臺北市立大直高級中學 *mhchiu@ntnu.edu.tw n 前言 你是否曾好奇過為何美術畫作歷經數百年歲月的卻似乎未曾在畫作上留下痕跡?你又是否想過若是出自名家之手的畫作受損誰又能妙手回春呢?誰是那位化妝師為原畫做修復呢?而修復師又需要那些知識與技巧呢? n 遲來的喜悅 最近在英國每日電報(The Telegraph, 2017.11.8)中Mark Molloy報導了一篇非常有趣的發現,一副400多年前畫著英王詹姆士一世夫人的畫作經過專家在短短幾秒鐘的時間內就去除塗在畫作上長達200多年的黃棕色保護膜,俗稱凡尼斯(Vanish),使得畫中夫人纖細的手指與精緻的臉龐重現於世人眼前。基本上凡尼斯是一種透明的薄膜,畫家在作品完成後通常會上一層凡尼斯以保護畫作不置於受到汙染、氧化或是黴化。而凡尼斯隨著時間會逐漸變質,使得原畫作漸漸失色,讓後人無法見識到其本色。 然而究竟是什麼方法可以進行這類型的修復呢?新興化學藥品與技術的快速發展,使得過去傳統修復畫作的方法有重大的突破,在一群專家長時期對凝膠與溶劑進行實驗後,他們發現利用此混合物去除凡尼斯後,並不會傷害畫作本身原創作時的色彩。這種使用新型凝膠進行西畫修復的工作已逐漸成為新的潮流以保持畫作原貌,此次詹姆士一世夫人的畫作原貌得以重見天日便是一個極佳的事例。以下簡介新型凝膠修復畫作的方法。 圖一:原畫作(左)和除去發黃的凡尼斯後美人臉龐(右上)、 纖手輕持白花細膩的筆觸即現(右下)(Philip Mould & Co.提供) n 凝膠修復法的優缺點 修復師經常使用有機溶劑清洗油畫表面,然而清洗時,有機溶劑流動性強,易造成清洗範圍過大;清洗後的有機溶劑會穿透顏料,滲透入畫布中,使得有機溶劑殘留在畫布的夾層內。經過一段時間後,殘留的有機溶劑會導致畫作表面隆起、溶解原有的顏料並且破壞畫作的穩定性。如此一來,修復畫作卻演變成另一種傷害畫作的行為。修復師為了避免有機溶劑被畫布吸收,以棉花或紗布作為載體吸收有機溶劑後覆蓋在油畫表面一段時間,其清潔效果會因覆蓋時間太長,進而衍生另一問題。 一直到九零年代興起的一項新穎的技法─凝膠修復法,此技法是將清潔畫作所使用的有機溶劑與凝膠混合,塗抹在需要清潔的畫作上,這樣不但保留了原先的清潔能力,更能夠提高黏滯性(Carretti, Dei, Weiss, & Baglioni, 2008)。以凝膠為載體,能夠有效控制有機溶劑的流動,更精準地掌握清潔範圍,進一步的防止過量的有機溶劑滲透入畫布中,減少因修復對畫作造成的傷害。 1964年《威尼斯憲章》提出應以對文物造成「最小干預」為主要的修復原則,然而凝膠修復法中所使用的凝膠為聚丙烯酸,完成清潔後去除凝膠時,部分凝膠會殘留在畫作表面難以去除。為了去除殘留的凝膠,修復師必須使用另一溶劑清洗畫作表面,如此一來,大幅降低修復師使用凝膠修復法的青睞,故此法違背了威尼斯憲章的美意。 n 比較兩代凝膠修復法的差異 綜合上述情形,清除畫作上的凡尼斯時,凝膠必須具有高黏滯力,以增加清潔劑與畫作間的接觸時間;完成清除後,凝膠則需要降低黏滯力,利於移除凝膠,避免殘留在畫作表面。為了滿足此兩種需求,新型凝膠修復法因而產生,同時聚備凝膠的黏滯性與液體的流動性,並且輕易的在兩者間轉換,是新型凝膠修復法最大的特色。 修復師認為減少凝膠在畫作上的殘留為目前主要的修正方向,因此,針對凝膠的特性進行研究發現,若改變凝膠的環境條件(pH值或溫度),亦會改變凝膠的性質。有別於大分子量的凝膠種類,新型凝膠則是選用小分子量的有機膠體作為凝膠主要的選擇對象,並且無須改變環境溫度就能夠轉換狀態。新型凝膠最大的優勢在於能夠以凝膠狀態清除畫作上的凡尼斯,且尚能以液體的狀態自畫作表面上被清除,此為使用新型凝膠主要的優點。 n 新型凝膠的運作機制 凝膠修復法利用「可逆反應」尋找到凝膠新的化學反應機制,在改變反應物的濃度下輕易的在「凝膠」與「液體」間轉換,藉此修正傳統凝膠易殘留的缺點與兼顧高留滯力的優點,更延伸凝膠修復可使用的範圍(Carretti, Bonini, Dei, Berri, Angelova, Baglioni, & Weiss, 2010)。新型凝膠的化學反應如式[1]所示: 由新型凝膠的可逆反應式中可知,在有機胺類中通入二氧化碳後,利於正反應的進行,會形成氨基甲酸銨(ammonium carbamate)為凝膠狀態,此時凝膠為有機溶劑的載體,由於凝膠的黏滯性較高,停留在畫作上的時間也較長,有利於提升去汙效果。完成汙漬清除後,於凝膠上通以氮氣(N2),降低二氧化碳(CO2)的濃度,由於反應物濃度降低,利於逆反應的進行,使得逆反應速率大於正反應速率。因此整體化學反應方向朝左方,使得「凝膠」轉換成「有機胺類」(液態),在清除凝膠時易脫離畫作表面,不損壞油畫。 透過可逆性的凝膠機制設計,掌握化學性質後能夠在凝膠與液體間任意切換,並且保有優點並改進缺點,更靠近修復藝術上的目標。未來,仍可針對凝膠的各種特性進行研究,並且開發更多用於不同情形下的凝膠修復技術,能夠提供給畫作修復師更多且更符合需求的選擇性。 n 課綱核心概念與〈探究和實作〉 12年國民基礎教育重視「科學探究與實作」、「科學本質與科學態度」、及「核心概念」,同時也強調跨學科與跨領域的橫向連結,藉由橫向連結展示知識與技能的廣泛性與關聯性,本文藉由油畫修復說明藝術品的創作、製作、修復都會與科學相關,當我們欣賞一幅畫時,其實可以透過不同的視角去認識藝術品。而在學校教學也不宜太過窄化,宜以生活相關的素材或主題來彰顯科學知識的廣大範疇。 n 參考文獻 威尼斯憲章(1964). […]
當藝術遇見化學:西畫除黴的跨科教學設計 林佳穎 臺北市立啟聰學校jiaying0504@gmail.com 臺灣位處與亞熱帶,常年高溫多雨且氣候濕熱,這樣的濕熱環境容易滋生黴菌,因此黴菌是無所不在的,當黴菌滋生在畫作上時,會造成畫作嚴重的損害。本文從西畫除黴為出發點,討論黴菌生長條件、除黴菌的方式、比較除黴方式之異同,並探討西畫除黴與十二年課綱核心概念、科學探究、科學實作、科學態度與科學本質之間的關聯性,最後提出西畫除黴作為生物與化學跨科教學單元的可行性。 n 黴菌生長條件 一、 溫度 大多數的黴菌的理想生長溫度範圍介於15~30℃之間,當溫度低於0℃或高於50℃時黴菌難以生長。臺灣位於亞熱帶地區,全年的氣候溫度適宜,夏季平均溫度都28~29℃,冬天平均溫度約在16~20℃左右。因此,臺灣的溫度是很適合黴菌生長的。 二、 濕度 一般而言,最適合黴菌生長的相對溼度範圍為75~95%之間當環境的相對濕度低則黴菌越不易生長。此外,由於環境的溫度的高低也會影響相對溼度的蓋變,而且黴菌也可以從多種途徑(空氣、生長基質等)獲取水分,因此黴菌最適合的溼度會因環境而變動。而臺灣平均的空氣相對濕度剛好落在75~95%之間,因此臺灣的濕度也是很適合黴菌生長的。 三、 養分 只要環境可以提供黴菌生長所需的養分,黴菌即可以順利生長,而黴菌生長所需的養分可來自於食物、灰塵、書籍、家具…等生活中常見的物質,也就是說人類生存的環境中提供給大量的養分的來源。綜合以上,我們可以知道黴菌最合適的生長環境是高溫度、高濕度、高養分,而臺灣全年皆為高溫高濕的氣候,所以臺灣是一個非常適合黴菌生長的環境。 n 去除黴菌的方式 臺灣濕熱的氣候加上紙張可以提供充足的養分,因此畫作沒有妥善保存就會滋生黴菌,進而產生褐色的菌斑(見圖一)或是使得畫作發黃變色(見圖二)。要如何去除畫作上的黴菌呢?本節將介紹漂白劑、酒精、雷射光及紫外線四種去除黴菌的方法。 圖一:畫作有褐色的菌斑 (資料來源:Baptism of Jesus by Andrei Rublev, https://en.wikipedia.org/wiki/Andrei_Rublev) 圖二:畫作發黃變色 (資料來源:Ultima Cena (Leonardo) by Leonardo da Vinci, https://it.wikipedia.org/wiki/Ultima_Cena_(Leonardo)) 一、 漂白劑 1. 氧化漂白劑:可以分為含氯型及含氧型兩種,例如:次氯酸鈉漂白劑是為含氯型漂白劑,可以釋放氯自由基;過氧化氫漂白劑為含氧型漂白劑,可以釋放氧自由基。兩種氧化漂白劑都可以使黴菌細胞膜中脂質發生過氧化反應,造成細胞膜的損害,或者是使得黴菌細胞核中的蛋白質或核酸分解變性。一般常見之發黃或褐斑多可以此種方式去除,生活中常見的漂白劑即為氧化漂白劑。 2. 還原性漂白劑: 此類漂白劑可以還原有色物質為無色分子,作用較氧化漂白劑溫和緩慢。例如:硼氫化鈉是還原性漂白劑,對纖維的破壞性較小,價格卻較為昂貴,通常在專業修復時使用。雖然漂白水劑可以殺死黴菌,且取得容易,但是在去除黴菌同時也會除去畫作的顏料,因此濃度控制需要精準,否則容易傷害畫作。 二、 酒精 酒精具備高度揮發性,70~75%的酒精能使微生物脫水且凝固,進一步讓微生物細胞內的蛋白變性喪失代謝功能,以達到消毒效果。這種去黴方式較難以殺死黴菌的孢子,會有再次滋生黴菌的的機率,對深層的黴菌的效果會較不好。 三、 雷射光 1. 雷射光清潔技術常用的種類有二氧化碳雷射、KrF雷射、Nd:YAG(釹釔鋁石榴石)雷射等。當我們照射雷射光束在黴菌上,會產生電磁波使黴菌內的原子強烈震盪,便能將黴菌內的原子鍵結打斷,最後使得黴菌的結構崩壞,因此可以將顏色移除。 2. 在高強度雷射光束下會造成紙張纖維焦黃或是穿孔,因此須使用低強度的雷射光束多次照射,才可以去除紙張纖維表面的黑色黴菌孢子;但是對於嵌埋在紙張內部的黴菌,不論是在任何強度或次數下都無法以雷射的方法除去。此外,雷射光除了可以去除黴菌,也會同時移除畫作表面的顏料,因此在使用上需要注意雷射光的強度與照射位置。 四、 紫外線 紫外線中的UVC(波長280~200 nm)波長短且能量強,因此可以破壞黴菌細胞核內的DNA(去氧核醣核酸)及RNA(核醣核酸)結構,進而使得蛋白質無法形成,造成黴菌的死亡。但是,紫外線中的UVC也會破壞紙張纖維與顏料,使得畫作褪色並加速畫作老化,因此在使用時要注意使用的範圍。 […]
共同備課的意義 藍偉瑩 台北市立麗山高中 lan6102@gmail.com 共同備課–公開觀課與議課 科學教育的重點不再只是科學人才的培育,而是如何透過科學課堂讓學生了解現代公民所面臨的面對,以及因應之道,並能以科學方法、分析與論證等方式進行科學性社會議題的討論。科學探究與思維成立科學教室的重要元素,這樣的科學課堂不同於過往強調科學知識的課堂,課程教學的難度也大大提升,這使得教師共同備課興起。共同備課不同於過去的教師社群,不只是分享教學,而是為了使學生透過解決問題的歷程中,習得科學知識與探究方法,共同進行課程設計、教學實施,並進行公開的觀課與議課。 共備課程的步驟 共備社群進行的課程設計是學習經驗的設計,教師必須想像學生學習的過程,包含可能的困難與必要的回應,如此,課程在教室實施過程中才能達到課程目標。教師在共同備課過程中必須思考學生的學習歷程,不再依賴教科書為教學進行的脈絡,這樣的課程設計,包含以下五個步驟: 一. 分析學生的準備度(readiness):了解學生的起點狀態在課程設計中是重要的,除了先備知識,還包含學生需要知道的重要問題,學生對於這些問題的熟悉度,以及這些問題與單元概念的關聯,以便選擇最適當的問題。 二. 設定培養的能力:如果將課程欲培養的能力比擬為骨架,則知識則為骨架內填充物。在教學現場最常發現學生學習科學的困難有兩類,一是科學知識過於艱深,另一是學生不具備學習知識過程所需的能力。例如學生讀不懂圖或表,可能不是沒有學會,而是缺乏非連續文本的閱讀理解能力所致。課程設計如果沒有設定要培養的能力,那就容易流於單向的講述。 三. 找出核心概念:找出課程的核心概念,進行概念分析。掌握核心概念,並了解概念間關係,學生知識網絡得以建立,在教學提問的設計時更能夠掌握問題間概念的發展性,使得問題能漸進或以螺旋方式發展。 四. 決定學習成果:「學生能夠說出膠體溶液的定義」、「學生能夠從溶液照射雷射光的觀察中,歸納出膠體溶液和真溶液的不同,並能與同儕討論出形成的原因。」每一個單元或每一堂課的設計都須設定學習成果,課堂上藉由學生完成學習任務的表現,透過學生能夠說出或完成某些任務,教師能立即掌握學生的學習成果,並判斷教學是否需要調整。 五. 設計課堂問題與任務:要問一個yes orno的問題很容易,要問一個提取訊息的問題也很容易,但當教師得到了書上的「標準答案」時,便很滿意地繼續進行課程,但學生真的懂嗎?好的問題能幫助教師確認學生學習現況,也能讓學生覺察自己是否理解,設計課堂問題與任務是實踐課程目標最重要的步驟。 圖1 課程設計循環 共備社群須有共同目標與價值 要落實課程目標,不能只是改變課程設計,共備社群的教師們共同研究與實踐不同的教學法。越來越多的科學教室採用合作或協同的方式學習,學習任務不再只是單純的填空,而是需要透過同儕相互聆聽與對話後才能解決,因為學習任務需要的能力是多元的。例如在探討碰撞學說時,需繪製與想像粒子間如何碰撞,對於具有空間智能的學生有表現的機會;科學史文本閱讀,需要閱讀理解、分析與推論,對於語文智能的學生有表現的機會。科學教室裡的分組教學,不再只是合作完成任務,而是藉由討論過程,讓不同智能的學生得以互助、互學與成長。共備社群的課程設計結合了學生需求與經驗時,除了讓學生能夠真正認識科學,並預備持續深度學習的機會,便可預期「學習」產生更大的轉變。這個過程不只是改變學生的學習,更改變了教師,因為教師也如同學生一樣進行了協同學習。 共備社群內教師們的多樣經驗,使得成員可以透過不同經驗,完整看到問題的全貌,進行系統思考,從解決複雜挑戰的經驗與學習中成長。多數共備社群教師的共同價值包含:1.哲學基礎:承諾為了實踐所有孩子的成功;2.共享領導:為了實踐理想而願意服從每一次的領導,所有人都可以成為領導者,實踐每一次的平等對話;3.探究為基礎的實踐活動;4.堅持一種特定學習模式:具有共同教學理念與實踐方式(Jackson& Temperley,2006)。共備社群的發展過程如圖2所示,從最初沒有太多關係的節點(個人),藉由社群運作與個人參與,節點之間漸漸產生了許多的線(不同個人間的連結),而這些連結又可能帶來新的節點(個人),其間有成員間的溝通、分享、解決問題、關係建立、衝突等,最終形成穩定的運作,例如共備、公開觀課、辦理工作坊、專業發展活動等。 圖2共備社群網絡圖(引自Jackson& Temperley,2006) 化學跨校社群–話學思享佳 共備社群成員在對話與溝通過程中,交換不同的教學經驗,也交換著不同的學校文化、教室教學與學生學習的困境,交換不同的成長與學習結果,所以創造了教師專業成長的過程中,更多元的觀點,讓每次社群運作時都能有豐富討論。共同備課不僅完成了教師個人獨自無法完成的課程與教學設計任務,幫助教師教學專業的發展與突破,滿足個人專業成長的需求,更帶給教師們勇氣,願意面對與嘗試新的挑戰。就如同臺北市化學跨校社群(話學思享佳)成員們最初對於自然科學探究與實作課程充滿擔憂,也缺乏探究能力的教學經驗與專業能力,但藉由社群共同備課,成員們克服的困難,完成課程設計,並且期望持續發展,也將回到學校發展屬於學校的探究課程。共同備課綜合了過去教師專業發展的內容,更以解決課堂真實問題為目標,成為教師持續專業發展的重要活動。 參考文獻 Jackson,D., & Temperley, J.(2006). From professionallearning community to networked learning community. Paper presented at International Congress for School Effectiveness and Improvement(ICSEI)Conference, Fort Lauderdale,FL.
共同備課的意義:話學思享佳社群共備發展歷程 蘇淑菁*、藍偉瑩 台灣師大附中*、台北市立麗山高中 *Chinx2@mail2000.com.tw n 各地熱血教師凝聚的起點-『教室沒有客人』的學習共同體理念 學習共同體是佐藤學教授提出的教育理念,強調以學習者為中心,讓學生彼此對話互相聆聽、透過同儕間相互聆聽、溝通、提問與討論,將知識轉化為自己的能力也培養人際互動的技巧,而教師所扮演的角色,不再只是「傳道、授業、解惑」的「教育專家」,更扮演著引導學生思考提問的「學習專家」的角色,讓每個學生都參與學習,沒有局外人。而台灣在2012年教育主管機關派員前往日本學習觀摩後,旋即有學校開始公開觀課示範教學。或許就誠如佐藤學對台灣教師的觀察,『老師像馬戲團裡的接球者一樣疲憊』,老師在每天的教課、備課、改作業、會議中疲憊不堪,加上政策多變一直丟球,老師只好沒有思考的一直接球,佐藤學勉勵教師『想清楚真正想要的教育的模樣,不需要的球,接了,就輕輕放下別理他,把力量放在孩子學習上』,這樣以學習者為中心的理念,就成了教師跨校跨區凝聚共識的起點。 圖一 佐藤學教授(右三)於2015年參與臺北市高中職「學習共同體─聆聽對話的學習」研討會與化學共備社群合影 n 教師跨出學校走向社群的第一步-公開觀課吸引各地好夥伴 過往台灣的教學觀摩主要為評價教師,也因這個原因,被觀摩者耗盡力量準備教材,從海報、投影片、影帶,甚至使用許多的高科技產品,只為完美演出,但是其實是非常態的教學方法,整個過程,全部在看老師的表演和優缺點,而忽略教學對象的主體應是在學生。然而學習共同體強調聚焦在學生的學習,而不是教師的個人秀,去觀課的老師分散坐在小組周圍,觀察記錄哪個孩子的發言內容比過去進步?組內學生彼此互動情形如何?能否跟隨老師的提示思考而不當教室客人?有沒有迷思概念?非常幸運的,化學科由藍偉瑩老師開始打開教室大門「公開授課」,熱愛教學的她到處示範教學,為了加速改變的力量,常常一週排到四場演講、三場示範教學。為了傳達以學習者為中心的理念,點燃教師們心中渴望學生學會『如何學習』的熱火,開始了組跨校社群的契機! 圖二 化學共備社群的活動 n 組成共備社群的共同價值觀-透過共備設計寧靜的革命課程 學共的小組對話和分組學習有著極大的不同,「分組學習」重視小組思考和意見的一致性,需要小組長的領導完成;而學共的主體是個人,每個人的思考與意見多元的相互碰撞,每位學生在平等的地位中參與學習,然而沒有小組引導者的討論是否會變的生硬?學生在討論情境中之學習,是否產生失焦與茫然? 畢竟在傳統的教育體制中,升學導向的學習目標,早使學生失去對於學習的好奇與探究的慾望,主動學習、討論與思考的習慣幾乎被破壞殆盡,這現實的狀況對於教師是極大的挑戰,教師要成為『學習專家』,教案的準備就極需要透過教師共同備課來達成。在課堂中,當學生熱鬧、活潑討論時,常常是「發表」本來就知道的知識,然而真正的學習,是探究與思考不懂的事,此時,交談的狀態是低語而寧靜的,這樣情景被稱為教室中的寧靜革命,而化學共備社群便是以這樣的理念集聚,為了給學生高品質的學習而相聚。 圖三 專注討論與思考的課堂是寧靜的(2015年暖暖高中化學公開觀課) n 『話學思享佳社群』的誕生-10人小組開啟化學跨校共備開端 2014年由10位跨校化學教師(麗山、南港、附中、中山、復興、桃園高中)成立台北市化學跨校社群,雖號稱台北市共備,但當時便已有桃園區的夥伴前來共襄盛舉,由於大家共同理念是,讓學生用『對話』的方式學習化學,並且會『思考』及『分享』 因此社群名稱是『話學思想佳』。讓學生有最佳的學習,教師的最大的困難是在提問,由提問讓孩子找到原理、原則是最花工夫的,應用反而是最簡單的,初期共備每個月一次選在星期六早上進行,夥伴們共備重點以產出共同學習單為主,目標是學習單的問題及教師的提問方式,能引起學生進行討論探究並能透過對話找出答案。而公開觀課是共同備課的教學實踐,教師伙伴同儕在觀課時從學生的上課互動反應中,看出共備設計的課程設計還有哪些未周延之處,並在觀課後的議課討論該如何幫助學生學習得更好,議課會後進行共備學習單的修正,並給予被觀課教師夥伴更多細膩的學生學習狀況。 圖四2014年成立的10人跨校共備小組 n 讓學生形成更有質量的學習–學科本質的探討與學科知識的解構 不願課堂是熱熱鬧鬧動手不動腦的風景,更期待學生是透過對話深入學習化學知識,那麼課堂時間如何花在刀口上?什麼概念是教師需要花時間讓學生討論的更深入,如此學生們才有能力進行後續的跳躍學習?這些問題變成化學社群十分重要須釐清的,話學思想佳社群在2015年開始討論化學學科本質,什麼是化學這科的核心概念?而學生能以這核心出發,持續且深入的探討並進行未知問題的學習遷移與應用,大家共同討論出化學學科乃是『以粒子觀點探討粒子間作用力、排列組合,及能量進出來解釋物質性質與反應的科學』,以此觀點,夥伴們在寒暑假進行每個章節的概念解構,再重構成適合學生進行對話探究的學習單及上課方式,而為了有更符合學科本質的學習,社群不但有讀書會更是共同參與研習如知識地圖、跨領域課程設計、提問設計、多元評量等進行自我的專業成長。甚至藉由跨縣市的參訪,並與其他學科社群藉由分享,重新檢視自己的共融營。在旅程中各社群互學,每一次都帶著滿滿的動能回到原本的生活中,有了更積極的作為。 圖五 […]
共同備課的意義:話學思享佳之探究與實作課程共備開發之經驗分享 陳慧真¹*、陳家蓉¹、 藍偉瑩² 台北市立育成高中¹ 台北市立麗山高中² iamyy0612@yahoo.com.tw* 自102學年度成立共同備課社群 台北市化學跨校社群自102學年度成立後一直以化學必修與選修課程為範疇,進行共同備課,並在104學年度完成各單元的學習共同體學習單設計。105學年度起,除了延續課程實施的經驗分享外,為了幫助每一位成員面對新課綱上路後的課程變化,所以社群展開了新的計畫,那便是完成自然探究與實作的課程設計。 話說,自從108課綱(以前是107課綱)被提出來之後,許多人對於其中的授課時數下降都憂心忡忡。對於自然科教師來說,這刀砍下去還真的是蠻痛的。因為我們必修基礎科學學分數從現今的16減為12學分,而這12學分當中,屬於基礎科學課程的只有8學分,但另外4學分卻變成了探究與實作課程。乍聽到這個課程名稱,我想很多人心裡也許都會跟我有一樣的疑問是”那是要每個學校都來教如何做專題的意思嗎?”然後就一頭霧水的等待專家學者跟我們解說到底探究實作要教些甚麼、做些甚麼。 因為知道大家的困惑與不安,所以在105年8月1日的全臺北市自然科跨校社群暑期研習辦理了一場關於探究與實作的課程介紹。一開始,我們依照自己的學科認知將領綱中關於探究與實作的「課程目標」部分進行文字的修改,希望藉此能讓大家在設計課程時,能夠選出更合適的課程目標來規劃課程。這樣的活動由討論、整理再到發表,大概就要花上一、兩個小時。然後將各科、各社群分組,針對探究與實作設定一個主題來開發、設計課程,最後再集合進行發表。 發展水的探究與實作課程 在那次的活動中,我們社群也選定了「水」作為我們探究與實作的課程主題。當時我們要完成的工作是這樣的:我們要在兩個小時內設計出一個為期九週的課程雛形,然後每一週都有不同的目的,在當週課程中還要說明概念分析。這樣的工作剛聽到時很令人感覺慌張,因為探究與實作對我這樣沒有長期在帶專題或科展的老師來說,真的很難想像到底要如何完成課程設計。但因為有著麗山高中藍偉瑩老師與龍山國中鄭志鵬老師當年度帶領學生在科教館進行的水質檢測實驗計畫可以參考,所以我們很快速地訂出每週的課程單元與概念分析,參見表一。 表一 水的探究與實作的九週課程主題表 周次 單元名稱 概念分析 1 資料檢索與彙整 蒐集篩選資料→閱讀理解資料→整理資料成報告→提出問題與互評 2 形成研究問題 表達與分享→反思提問→修正問題→評分與數據處理 3 自製檢測器 電路組裝→濃度計算與溶液配置→測量與數據收集→數據分析(至表格) →製作圖表 4 數據分析與判讀 整理數據→製作圖表→判斷資料數據變化→找到適當的問題解決方法 5 餘氯的測定 文本閱讀→實驗實作(自製檢測器) →數據處理→問題探究 6 資料分析與判讀 閱讀→分析可信度(事實句子與詮釋句子的區分) →查資料驗證→小組討論→小組發表 7 研究問題的確定與規劃 問題聚焦與文獻蒐集(課前) →研究目的與研究問題的區辨→研究假設與研究問題的關係→研究計畫與工作的分配(含時間規劃) 8 實驗研究 實驗預報→實驗操作→收集數據→分析數據、解釋推理、提出結論(課後) 9 成果報告 實驗成果(課前) →交叉提問→提問回應→完成簡報 當天的時間很有限,但因為參加當天研習的化學科教師幾乎都是我們社群的夥伴,在有資料可參考、有講師可協助及有夥伴一起努力的優勢下,我們算是做的比較快的科目。而且,就算沒有做完我們也不會擔心,因為帶回到社群中,我們還有一整年的時間可以慢慢發展。 當開學後回到社群準備繼續要發展這個課程時,我們的規劃是這樣的:每次共備的前半段就是先分享之前設計的學習單的使用狀況,後半段的時間才是進行探究與實作課程的小組討問。一開始因為大家對於學習單還是有很多教學上的狀況想要討論,所以都大概只能留下約莫半小時時間給探究與實作。以我自己所參與的小組為例,我們在每次的討論中,都會從原來的雛型中,找到一個關鍵的概念或目標,然後針對這個觀念或目標進行課程與問題的設計。由於我們這組的夥伴老師們很多都有多重的身分在身上,以至於無法每次都參與課程討論,所以我們會把這次修改過的部分以其他顏色標記,再將設計理念以小方框進行說明。這樣,就可以讓每位夥伴即使缺席了也能了解大家的設計結果。 另外一方面,我們也要隨時關注前一週的小組夥伴老師所設計的課程,因為如果他們有提過的概念,那我們就可以繼續發展或省略不提,因此,後半年開始,我們就逐漸拉高小組設計課程在共備中的比例,然後利用最後的半小時時間進行各組的報告。雖然我每次遇到這種時間就備感壓力,一方面擔心我們設計的課程不夠有深度,另外一方面是感覺自己似乎一直抓不到探究與實作課程的理念,所以擔心設計得不好。每次報告時,夥伴們總會提出許多問題,比如說「這樣做得完嗎?」、「實驗器材清單要學生多久以前繳交?」、「來得及準備嗎?」…等等這類很實際的問題。這些問題我們在設計課程時或許曾有夥伴提出來,可是大家意見不一,所以還是規劃進去了。可是當我們發表時被提問,就會發現我們的想法可能太過天真,在實際操作面上也會有困難。大家或許在聽到別人對自己努力設計的課程有這樣的提問時,會有點感到不開心。但事實上,我們的小組夥伴在聽到這些意見時,我們沒有不舒服的感覺,因為過去這些年共備的經驗讓我們知道,夥伴們提出來的,是因為已經在想像當他們要操作這些課程時,有可能遇到的困境。所以他們所提出的意見是擔心而不是批評。但也因為有這些疑問的提出,我們才能知道要怎麼樣設計才能減少學生在時間上的浪費,然後也能思考如果這個課程真的要應用時,我們要先做哪些準備才不至於手忙腳亂。 我們也會把大家有興趣且方便操作的實驗設計想法搬到共備的現場來操作看看。比如說,因為我們課程中探討水質時有提到一個名詞叫做「TDS」(Total […]
共同備課的意義:參與化學跨校共備社群的歷程及其影響 蘇芳儀¹ *、詹簾恩² 台北市立中山女子高級中學¹ 新北市立清水高級中學² loowei0716@gmail.com* ●緣起 各自表述一: 筆者(蘇芳儀)擔任化學教師多年來,教學方式以講述式為主,自知仍有不足及需精進之處,一直盼望有個機構或團隊能與其一起成長、學習,加上近年來學生學習動機有逐年下降的趨勢,適逢三年前帶高三畢業考完,上網找些研習,看到當時麗山高中辦了許多有趣的研習,猶記當時參加高雄瑞祥高中莊福泰老師科學閱讀的課程分享、藍偉瑩老師以學習者為中心的話學思享佳共備,讓我印象深刻,例如:講者分享著自己是如何設計課程、學生及老師遇到哪些瓶頸、如何突破與未來期望等,內容有許多都是我想再更深入了解及參與,在得知話學思享佳每個月有一次週六共備,即報名參加了。參與了幾次高一基礎化學的共備後,發現社群中大家對於學習單當中內容難易度及問題的設計,踴躍提出諸多疑問及想法,大家共同討論並解決,整個氣氛是知性且和諧融洽的,讓我萌生了持續參與的意願。 各自表述二: 筆者(詹簾恩)目前執教已經六年了,在代理學校已有參加跨科的學共共備社群,當中社群增能研習,有請到偉瑩老師來分享,才知道北市化學有這個共備團,又恰好考回新北的學校就加入了共備社群。而加入前的教育理念與教學則是關懷陪伴孩子們進行學習、培養孩子們的科學精神,但較多紙本上的觀念統整與講述,很擔心孩子聽不懂,會一直想塞東西給孩子。剛進社群時的身分,是一個代理三年終於考上正式教師的我,加入社群只是想看看到底社群內的運作與實際內容是什麼,而我屬於一個觀察者、一個被動者。 經由參與的過程中,感受到大家的認真努力以及想為教育付出的心,我隨著社群的大家一起設計課程、一起分享課程,慢慢地從觀察者轉變成參與者。在社群最大的感受是大家互相信任與溝通協調,這是一個溫暖互助且專業的社群。 ●參與化學共備社群的階段性 第一階段:化學課程設計 在設計學習單之前,先於共備時討論各章核心觀念,大家一起討論、逐章繪出心智圖並分配各節授課時數,建立起各章課程架構與基本共識,如此下來每章平均花了2-3小時;於開學前,則先擬定本學期共備時程、預定要完成哪些事項、分組認領自己欲設計的章節,於開學後的每月共備時,依章節順序與大家分享並說明已設計的課程。 我們這組第一學期認領設計的章節為基礎化學(二)有機化合物,先參考已建立好的本章節心智圖架構,組員雙方再分享自己認為重要的有哪些、學生先備知識、以前如何教…等,從各自表述中找到共識,分節寫出初版學習單;進一步從初版學習單,共同思考問題設計的模式是否具多重表徵且保有核心,依此邏輯進行教案修正。最後,模擬學生可能的答覆,以及衍生的問題老師如何因應,進行教案微調並產出最終版學習單,也才能於社群共備時發表。 這是一個非常棒的經驗,在沒有任何的外力阻饒下,單純就課綱內的課程激盪想法,因為一開始大家花了很多時間討論心智圖,把核心概念完整確立後,於分組設計完課程學習單,回到共備社群討論時才不至於大家意見太分歧。也因有了第一次的經驗,後續再合作產出共備教材,顯得較為駕輕就熟。而這種由教師自發性參與共備,合作設計問題導向教材的模式,提供教師在有同好的情況下,較有勇氣跨出舊有的教學框架,與夥伴共同學習、成長。 第二階段:觀課、議課與說課 跨校共備設計出問題導向的學習單,回到各個老師的教室,學生學習的情況有何差異,教師如何因應,是我們接著關心的部分。於是,社群開始推動大家進夥伴教室觀課。觀課前,任課教師會先提供授課教材並簡單說明觀課班級的特性、預計如何帶領此單元、希望夥伴觀課時特別注意哪些部分。每次進夥伴教室觀課時,需記錄自己觀看到的組別學生使用學習單討論的過程,學生的神情、參與討論狀況、因討論而產生的疑問…等,將於課後議課時討論。 議課的部分,教師們針對觀課時所見到學生學習的狀況,提供給授課教師,並將課堂中發現的問題,大家進行討論並交換意見,且思考學習單於下次使用時應增修的項目;由於大家是建立在信任基礎上,了解觀課教師們所看的是學生上課學習的狀況,不會評論老師授課,而是幫助授課教師更加了解孩子們的學習狀況。每次議課後,對於授課教師或觀課夥伴的學習,都超越了共備時僅紙上談兵的收穫。 當高一至高三的問題導向的學習單設計告一段落後,社群的共備進入了下一個階段:說課,主要是快速的瀏覽教材、說明期望學生在此單元學習到的能力、分享學習單在課堂上使用的狀況,並發展教師版的學習單,試著加入學生在課堂上較常出現的問題以及因應方式。這部分的聚焦,給予不同時期加入社群的夥伴、未能進教室觀課的夥伴以及未真正在教室使用學習單的夥伴,快速了解問題導向學習單的設計及操作面,讓大家能在使用學習單前,更加明白我們需要引導學生具備什麼樣的能力,同時搭配心智圖就能夠更了解學習單所有的設計脈絡。對於授課者而言,清楚的知道一份教材的脈絡,並且有系統的使用是很重要的。 第三階段:進行探究實作課程設計 面對108新課綱的變革,共備社群的夥伴們在2016的年暑假,一同了解探究實作課程是什麼,透過工作坊理解探究實作課程的素養指標,並且擬訂共備探究與實作課程的主題:水與水質相關的探討。在開始設計課程之前,於工作坊先針對課綱訂定的自然科學探究與實作四大項目:發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享等內容,逐條理解之外,也針對一年內社群需產出九週的探究實作課程教案達成共識,再分配各週需習得的核心能力,夥伴們分五組後著手進行課程設計。 共備夥伴們一方面需依自己負責週次的核心能力,設計一系列問題導向的課程;另一方面,大家對於學生學習了九週的探究與實作課程後,需完成報告的樣貌達成共識,以終為始。而為了避免各組設計的課程重複或斷層,在社群共備時,夥伴們即可互相交流進度及內容,以確認學生學習的脈絡是否順暢。除了設計課堂上使用的學習單外,我們也發展了教師手冊,內容涵蓋學習單中的問題、對應能力指標、學習表現、教學說明等項目,如此一來,應可讓欲使用此套課程的教師們能夠更加清晰架構與發展。 我們這組主要負責設計第一、二週課程,學生需習得的核心能力是:資料檢索與彙整、形成研究問題的能力,亦即學生在這兩週內要學會找可靠資料、讀資料、擷取重點,並從中發展出可研究的問題;關於每個項目用何種內容、方式切入,在組內大家花了許多時間討論,評估各種方式的優劣,凝聚共識後才產出課程。 在大家的努力下,探究與實作的九週課程於今年六月產出且公開發表,我們也從分享中發現該套課程一些需調整的地方,待修改完畢後,將可先在夥伴學校試行。 ●跨校共備對教師專業發展的影響 加入跨校共備社群,學習到從核心概念出發,架構並設計出完整的問題導向課程,且藉由校際之間的交流、專業新知的注入還有創新教學方法的分享,使我們體會到聆聽與分享的可貴;也了解到在互信的前提下,良好的溝通協調較能相輔相成產出理想的教材。 將這些習得的能力,帶回到各自學校,依據學校特色與學生程度,有利協助各校發展適合的課程,不論是校定必修課程、多元選修或是探究與實作課程,讓夥伴們有信心面對新課綱的改革。
共同備課的意義:跨科社群發展歷程 林百鴻 前鎮高中 human89@gmail.com 早期社群主要扮演學科教學進度編排、教學內容釋疑、教材教法分享等功能,對於教學尚未熟稔的新手教師來說,是教學成長的重要來源,不過隨著教學現場的改變,社群的組成方式和功能性勢必要有所回應。 八年前,本校自然科教師從「學生」和「教師」兩個層面分析發現:「學生」雖然具備基本的科學學科知識,但是對於科學的學習日漸被動,在沒有特別給予獎勵的情況之下,越來越少主動與教師談論科學議題,參與科學實作活動的學生也大量減少,大都是被動等老師給予套裝式的答案,也被動的等著老師教授課本內的知識,在學習動機普遍低落的情況下,學生學習科學的效果不彰;另外,「教師」部分雖然在師培過程中都受過專業科目的增能,但是跳脫專業知識外,對素養能力、真實情境議題、跨科整合議題卻是陌生的。 就因為當時不佳的科學學習情況是一個大家都有意識、且急迫要解決的問題,因此增加了共同組成社群的意願,期望能解決日益惡化的現狀。但一個能解決問題的社群,是需要時間磨合和專業成長,本文將針對本校跨科社群的發展做一分享。 一、初探期 初探期,社群的存在有明確的目標,因此社群教師皆具極高的動能想要解決困境,但在經驗不足、系統未整合以及教師須增能等因素下,這個階段通常只能處理問題的表象,因此後續還需要透過反思和回饋才能使社群成員能發現根本問題,進而實際解決問題並且推動社群成長。 本社群教師一開始先閱讀相關文獻,發現科學遊戲具有引發思考、趣味性等優點(楊明獻,2007)。另外,科學遊戲中的魔術,更能夠引起學生探究原因的動機。基於以上,大家決定以科學魔術的方式刺激學生的學習動機,並期待學生在探究原因過程中,能夠統合自身所學,提升學生問題自主解決的能力。為使大部分的學生都能夠有機會受到影響,社群教師們決定拍攝成影片,做為有獎徵答的素材。 社群教師當時候無法綜整各項能力指標來設計活動,所以大多憑藉著多年累積的經驗和素材來拼湊。為避免僅只於有趣,大家對科學魔術影片有三個主要共識:扣合課程內容、物品易取得、具可探討性。在這樣前提下,社群教師輪流展示適合拍成影片的科學魔術。經過一輪展示和蒐集後,大家找出八段能提取學生探究能力、解釋能力的橋段,並討論拍攝細節和問題設計。 活動結束後,社群進行了反思和檢討,大家發現短期加溫雖然有助於提升科學學習的動機,卻無法讓學生對科學探究的動機持續不斷,活動結束後,學生對於事物探求的好奇心迅速的衰減,就算有也僅止於影片中的內容,因此我們想解決幾個關鍵問題:1.科學魔術如何有系統的幫助學生? 2.學生回應熱烈,但能力普遍不足 3.科學素養能力不足 4.科學魔術的內容仍單屬某一科目。 二、教師增能期 經歷過初探期的反思,社群教師認為提升科學素養才是問題的核心,需要相應的科學素養課程才能扎根。不過大部分的社群教師都是理工專業背景,對於科學素養一詞是很陌生的,所以這個時期社群成員對於專業成長有急迫的需求。根據文獻,教師專業成長可以藉由「自我發展」和「相互學習」兩個途徑完成(歐用生,1996),因此在社群教師討論後,決定朝著PISA評量試題的共讀和分享做起,讓大家對於科學素養有進一步的理解。 1.PISA科學素養專題分享:筆者與社群的另一位教師具備科學教育的專業背景,因此透過專題分享的方式,讓社群教師對科學素養有粗淺的認識。 2.PISA試題分享:社群成員從PISA範例試題中挑選有興趣的部分,自我研讀後做成PPT,再與社群其他教師做試題的深度分享。 3.外部專家增能:邀請科學教育方面的專家,進行科學教育理論和實務方面的分享,並透過專家的指導,調教大家對於科學素養的認知。 4.仿PISA試題創作:透過模仿和分享,讓社群教師嘗試素養導向的試題設計,體驗和平日習慣的出題方式之間的差異。依序將創作的試題透過焦點討論的方式,看到彼此試題的優點和不足。 這段時期走得很緩慢,沒有具體的產出成果,但卻是整個成長歷程中最重要、也最關鍵的時期。因為透過PISA試題的共讀和分享,以及PISA試題的模仿,讓教師們了解科學素養能力的核心觀念,藉此轉變課程設計的內涵和目標。不過,這個時期的我們經過反思後,發現了幾個問題: 1.分析時太過強調PISA評量架構,反而讓教師覺得困惑,出現很長的撞牆期。後來只做能力向度的分類,降低了不少困難,但教師對於素養概念的增長其實是相同的。 2.選擇分享試題時,教師習慣以自己的專業領域考量,分析時仍加入大量知識面探討。所以若能改用非自己學科的題目來做分析,可能會讓教師對於科學能力和科學知識有更進一步的區隔。 3.教師認同PISA的評量方式,但要遷移至素養導向試題設計的嘗試,出現很大困難。後來嘗試從PISA的文本繼續衍生試題,降低不少困難。 三、發展期 教師經過專業增能後,社群教師開始著手素養課程的發展。有了科學素養的基本認知後,教師設計的課程已經異於以往制式的架構。以教學內容來說,科學知識的灌輸已非主要,以教學目標來看,也已經不是「熱鬧」取向的課程,取而代之的是安靜、紮實的能力養成;社群教師各自完成了「科學遨遊」、「生活化學」、「生物採集」和「物理探索」等課程,雖然課程設計上已經有了突破,學生在學習過程也給了正面的回饋,不過透過反思我們也看到以下問題: 1.教師設計的課程以自身專業領域出發,仍會不自覺地參雜許多知識性的內容,透過反覆在社群中分享和回饋,才能逐步修正為素養導向的課程。 2.發展的課程由社群教師各自在自己的課堂上試行,因為授課對象的不同,教師在難易度的設定上也有很大的落差,因此成效難統一分析。 3.因彼此的課程缺少橫向的聯繫,部分能力的培養課程在不同素材間重複出現,部分能力又鮮少人特別注意,因此課程目標紊亂。 四、盤整期 課程發展期,社群教師採取各自發展、領域時間分享和回饋的方式進行,雖然課程具有多元性、也有素養課程的雛型,但是缺乏整體性,也不具系統主軸,因此社群教師開始課程的盤整與整併。整併過程中,教師們發現彼此的課程要跨科授課會有很大的困難,主要的原因還是在於課程的設計裡仍涵蓋太多學科知識,甚至當其他科目教師提出修正建議時,該科目的教師會堅持是學生該具備的背景知識,因此造成設計者認為課程有需要、其他社群教師認為教授太多知識內容的矛盾,學科本位的衝突造成教師的焦慮,甚至部分成員退縮、萌生退出社群之意。 不過這時期的衝突是很棒的成長歷程,因為衝突帶來了新的對話,也帶大家離開自己身處的舒適圈,開始思索對方的堅持以及自己的焦慮來源;換位的思考模式讓我們從最難以突破的本位主義中跳脫,重新定位素養課程。經過討論,我們從決定從兩個方向解決爭議: 1.引入焦點討論法的教學模式:課堂的中心從原本老師的角色轉變成學生,老師在課室中變成引導者,以有意義的提問,引導學生發現問題、討論問題、回答問題和反思問題。只要有良好的課程設計,學生可以從文本中獲取所需的知識,而老師著眼在能力的提取和提升。 2.閱讀國中理化領綱:從領綱中理解國中生所接受的自然教育,作為高一學生科學背景知識的重要依據。在以此為基礎,以不超過為原則,設計能力導向的課程。 這兩項方式的導入,讓原本課程設計陷入僵局的情況有了實質的改善,課程內容也依據課程試行的現況和社群教師的需求做滾動式的修正。 五、成熟期 經過衝撞和磨合,大家重新思考素養課程的真正目的。經過討論,一致認為結合生活情境,讓學生具問題解決的能力才是最終目的。因此教師們改以鄰近的環境為出發點,鏈結學生關心的議題。另外,為避免重蹈太過專精於某些學科的知識,議題的研究尺度變得更寬,旨在培養學生以科學素養能力面對生活議題,甚至讓學生從數據的收集和分析,對公共政策提出建議。 也因為有了這些的轉變,大家課程設計朝著降低知識面的需求、增加科學素養能力面的培養,課程內容朝著發現問題、科學解釋和科學論證等方向規劃。因為這些核心的能力是所有自然領域教師所具備,因此教師不再懼怕跨科的課程,課程設計也漸趨成熟。 後記 「我要退出」,這是社群發展歷程中讓人最震撼的一句話。教師當時想退出的理由其實很單純:因為覺得難理解「跨領域」設計課程的方法和價值。這也才讓大家驚覺其實一直向前突破的過程中,總以為大家都跑在同一條線上,卻忽略了每一個夥伴的感受和接受度不見得一樣;也幸好有了這樣一句話,讓我們放慢步調重新啟動深度的對談,透過彼此的分享了解對方的擔憂和困惑。當然有了這樣的經驗,社群變成能安心對話與陪伴的環境,穩健的成長和共榮的氛圍變成了社群最重要的宗旨。
共同備課的意義:國中理化跨校社群共備實務經驗分享—課程召集人的角色 鄭志鵬 台北市龍山國中 jjpong@lsjh.tp.edu.tw n 以教學共備社群積極面對課程改革 我在九年一貫剛開始實施的時候進入職場成為新進教師,在當時對於新課綱帶來的改變,我聽到的一片罵聲。對於九年一貫強調的培養「帶著走的能力」而不是零碎的知識,還有像是自然科的合科教學,我當時聽到的聲音,大多是不以為然。無法認同合科教學和能力導向的政策方向,也對於許多像是課程中必須要有能力指標,融入重大議題等等的作法覺得無謂與徒具形式。但即使如此,在九年一貫實施的這十幾年來,卻能發現越來越多老師在教學現場上提出了許多反思的觀點,實際上在教室中進行各種變革,嘗試著在今日教室的困境中走出一條不同的路。而這些變革的作法與想法,卻和九年一貫課綱的精神能有所符合。 十二年國教的新課綱,預計在108年上路。雖然推遲了一年,但也即將到來。許多老師面對即將發生的改變,仍然有許多的不知所措。但以自然科來說,和九年一貫課綱上路時不同的地方是我聽到大部分的老師能夠認同自然科領綱中,對於探究與實作精神的重視。認為科學中解決問題的操作與思考能力,確實是自然科學習中極有價值的部份。也能認同總綱中,自發、互動、共好的方向是正確的。只是在實務操作的方面,有許多的疑惑,不知道怎麼樣的教學設計可以讓學生的學習朝向十二年國教的理想邁進。於是在國中的自然科中,現場老師大多數提出的問題是比較實務層面的,例如課程要如何設計,才能讓學生兼顧知識內容和探究與實作能力?這樣的問題恰好也是現場老師最該提出的,因為教師的專業與任務,就是將教育的理念轉化成為實務的工作者。 那麼,要怎麼樣才能幫助教師回答這個問題呢?這問題並沒有一個標準答案,能讓全國的教師直接複製,因為實務性的問題永遠是因人制宜、因地制宜的。同樣的教學理念要落實在不同地區的不同特質的學生身上,都會有不同的作法。教師要思考新的教學準備模式,最好的方式就是共備。與其他教師對話討論,共同思考與設計課程,是最快速能開發出符合自己理念課程的方式。雖然共備好像是最近才開始熱門起來的字眼,但其實從九年一貫開始安排共同的領域時間開始,領域時間本來就是最適合規劃成為領域內共備的時間,而非只是行政交辦事項或是任務分配的時間而已。 n 如何進行教學共備模式 那麼,要如何開始進行共備呢?最簡單的共備模式,就是大家來說課。大家挑選一個章節,分享自己教學的方式或每次進行這個單元時遇到的困難。接著就與共備成員討論修正,或由其他成員也提出自己的方法和困難。這樣就能針對課程單元,有許多的想法和做法可以交換。或許A的方法對B來說,是解決他長期以來擾的撇步。或許A的困擾對B來說,是早就已經有解決方式的問題。在每次共備的過程中,就能獲得許多不同的策略。 但是這類的共備模式,也比較容易陷入細節的討論或爭辯。對於某個方式有效或無效,某個用詞的斟酌拿捏的爭辯,往往會耗費大量時間,卻沒有太多進展。另外,這種共備模式只能處理教學技巧,但是無法改變教學理念。卻假設原本大家的課程中,並沒有探究與實作的精神,想要藉由共備的方式開發探究與實作精神的課程,只是彼此交換意見,就無法達成。這時候就比較需要目標導向的共備模式。這也是我比較建議的共備模式,也就是共備的召集人本身必須對課程教材教法有一些理念和想法。由召集人提出共備的大方向,再經由共備的夥伴討論修正後,決定整個社群的運作方向。 n 共備社群的核心人物—課程召集人 大方向決定後,召集人就必須思考共備的模式與流程。以「探究與實作的理化課程設計」為例,要如何將思考智能與問題解決納入教學目標中的課程設計,或許是共備的夥伴感興趣但是陌生的領域。召集人要如何帶領大家開發課程呢?其中一個作法,是先由教師最熟悉的課本知識架構出發。讓大家先回頭檢視基礎的課本內容,再從中挑選適合進行教學改變的知識內容來進行教學設計思考。在分析知識架構的過程中,必須釐清這些知識點的主從關係,先後順序。釐清哪些是課本中提到的重點,哪些卻早已拿掉消失在課本裡。哪些我們很著重,花很多時間的課程,其實是在知識架構中的末端,其實是延伸到很後面的知識點,而非主幹中的關鍵點。這時候才比較容易決定課程的比例配重與取捨。 例如「電解質」單元中,課本的知識內容包含了「電解質的定義」「電解質溶於水的導電度變化」。老師可能會提出「鹽類溶解度記憶」「依數性質和解離度」等等知識內容。在共備討論的過程中可以先釐清這這些知識內容的位置。以上述這兩個觀念來說其實超過國中課程,早就不在課本範圍裡,也不宜在課程設計中設定為所有學生都要精熟的概念。在共備過程中就有機會幫助教師釐清。 釐清要討論的知識內容後,接著來看「電解質的定義」課程適用什麼樣的教學法?是不是要用講述法?還是可以引入探究與實作課程?在共備過程中,就可以討論要挑選哪些知識內容可以作為探究與實作的課程素材,藉此將思考智能與問題解決能力納入教學目標中。以「電解質的定義」來說,一般可能會用講述法來處理。但課程其實可以以實作的方式讓學生檢測不同物質溶於水之後導電度的差異。先觀察到導電度的差異後,再從觀察經驗中歸納出電解質的定義。然後從導電度的變化的觀察,就有機會思考強弱電解質微觀狀況的差異。但這些觀念之間,要如何設計課程串連,如何提問與實作,就是要在每一次的共備過程中討論。 n 共備社群的召集人與成員的互動方式 共備時,挑選大家有興趣的主題進行課程設計。如果成員較多,也可以分組進行討論多個主題。但是如果成員對於探究是課程的設計技巧還陌生,召集人可以先全體一起討論大塊的課程步驟。以四格教案為例,先將起承轉合的內容討論出來之後,再分組由組員將每個細部的步驟和每個步驟該注意的事項討論出來。分組都完成討論後,在彼此分享成果,把成果匯集起來放在雲端上,幾年下來就成為豐富的資料庫了。 共備過程中,召集人就要隨時關注共備的焦點有沒有被模糊掉,隨時要將方向拉回正軌。假設「探究與實作的理化課程設計」是大家覺得有價值但又覺得困難的主題,在共備的過程中就要盡量在這個大主題下進行討論。在這個前提下,班級經營、趣味實驗玩具、口訣小秘訣就不會是備課過程中的主角,而是附屬在探究與實作下的配角。也就是在討論探究與實作課程設計時,如果剛好會觸碰到班級經營的問題、剛好需要某個趣味科學玩具作為探究與實作的工具等,當然可以互相交流。但如果這些內容跑出來的時機不對,往往反而模糊的共備的焦點,帶領的老師可能就要考慮將方向拉回來。 n 共備社群的召集人定位 所以在共備社群中,召集人的引導是很重要的。但是召集人並不是指導老師,他扮演的角色並不是教學。擔任召集人的角色,必須清楚指引方向,但不是提供答案的角色。這群精進的台灣教師們,為了要跟上世界的脈動,正在一直往未知的教學領域踏進去,沒有人知道那個答案是什麼。即使是召集人,也不是知道答案的人。這正是共備想要達到的目標:藉由共同的討論與嘗試,一步一步探索找到解決問題的方案。我曾在好幾個共備社群中擔任召集人,每次共備的歷程,都好像在幫自己紛亂的思緒中,理出一條條的頭緒。有時候夥伴的一個建議,會恰好解決自己思考多年的難題;有時候夥伴的某個實驗設計策略,會剛好補足自己原本教學方法的不足。共備過程中,召集人或許是付出最多心力的,但同時可能也是收穫最豐碩的一個角色。 十二年國教的主軸,是「自發、互動、共好」,大概沒有人可以否認這是個美好的願景。我們確實希望能在課堂中實踐這個理想,讓學生能在課堂中逐漸養成這些素養。對於教師本身來說,共備正是實踐自發、互動、共好的一種方式。希望各位教學現場的夥伴們,都能夠找到適合自己的共備團體,在教學的路上找到相互扶持精進的夥伴。