開發以會考試題為基礎的探究教學 鐘建坪*1、鍾曉蘭2、沈秀君3 1新北市立錦和高中國中部 2新北市立新北高中 3新北市康橋中學林口校區 Email:1*hexaphyrins@yahoo.com.tw 前言 探究教學是以學生為中心的教學策略，強調讓學生親身經歷各種科學探究過程來學習。不僅著重學生在學科知識上的進展，還重視其探究能力、問題解決、和科學素養的發展。透過實際操作、觀察、數據分析及推理，期待學生能夠自主發現和解釋自然現象，培養科學思維模式，並促進對科學知識的內化和應用。 108課綱強調學生的整體發展，目的在提升學生的思考智能與探究能力，使其在未來能夠應對更複雜的問題情境，進而發展出能夠解決實際生活問題的科學素養。這種素養不僅限於對知識的理解，更包含了學生面對問題時，能夠運用所學進行分析、評估並提出解決方案的能力。透過探究學習，學生能逐步發展批判思考與創造力，作為終身學習的基礎。 然而，學生的學習成效需要通過評量加以檢視，以追蹤其在概念掌握和技能運用上的進步。國中教育會考是根據「國民小學及國民中學學生學習評量辦法」設立，目的是為了評估國中畢業生的學力品質。由於考試在教育系統中具有導向作用，會考試題的設計與趨勢對教師的教學內容和策略有舉足輕重的影響。在探究導向的課程中，如果教師結合會考評量試題的精髓，不僅能幫助學生在探究過程掌握概念與技能，還能提升應對評量的能力。 會考試題命題依據與結構 會考自然科的命題是依據「十二年國民基本教育課程綱要」中自然科學領域。評量涵蓋「學習表現」與「學習內容」。自然科試題的取材注重生活化，試題除了檢測學生對基本科學知識和概念的掌握，並適當融入環境教育、海洋教育、能源教育與防災教育等相關議題的學習目標，也特別強調學生在閱讀與理解科學資料、解決科學問題，以及規劃與執行科學探究活動方面的能力(國中教育會考，無日期)。 臺師大心測中心針對會考的試題結構說明，提及自然科的試題本結構主要有：具備基本的自然科學知識與概念、科學資料的閱讀與理解、解決科學問題所需的推論與應用能力，以及進行科學探究活動所需的規劃、執行與數據分析能力(臺師大心測中心，2022、2023、2024)。試題結構顯示會考試題從111年至113年基本的自然科學知識與概念分別僅佔約24%、30%、34%，其餘皆與探究能力的運用有關，再再顯示所楬櫫的會考試題特色為重視科學探究能力，以符應自然科學領綱的對學習內容與學習表現的期望。 元素符號與其擴增訊息內容 元素符號是用來表示一個化學元素的簡易符號，例如：氫的符號是 「H」，而氦的符號是 「He」。然而，元素符號在化學式、週期表或核反應方程式，常伴隨著質量數、質子數、電子數等，以擴增該元素的詳細內容資訊。 其中質量數表示的是一個原子的質子數與中子數的總和。質量數寫在元素符號的左上角。例如，碳-12 的符號可以寫作 12C，其中 「12」代表質量數。質子數表示原子核中質子的數量，它決定了元素的種類，也稱為原子序。質子數寫在元素符號的左下角。例如，碳的質子數是 6，因此可以寫作 6​C。每種元素的質子數都是唯一的，不同元素即有不同的質子數。 大多數的元素是以得失電子的形式進行分解與化合等反應而存在於自然界。對於質量數為 23 的鈉離子，符號可以寫作2311Na+，其中「23」代表質量數，「11」 表示質子數，而右上角的 「+」表示這個鈉原子失去了1個電子，形成陽離子。這種符號表達方式能清楚顯示出一個元素的原子核內與原子核外資訊，對於理解原子的結構、化學反應，以及同位素的區別等至關重要。 教科書的設計主要以 來呈現元素符號與原子結構內不同粒子的數量標示，其中X代表元素符號，Z表示原子序，A表示質量數。教材內文多以常見元素(如氫、碳、氧等)為例，介紹元素符號的標示方法，幫助學生建立對原子結構內質量數、質子數、中子數、電子數等的具體認識，以理解這些基本粒子之間的關係。再藉由試題的練習加深學生對元素符號與原子結構各組成部分的理解。而此內容對應自然領綱國民中學教育階段學習內容標示為「Aa-IV-5元素與化合物有特定的化學符號表示法」，內容陳述讓學生知道元素符號及化合物命名的簡單規則，並以日常生活中常出現的簡單物質為限(國家教育研究院，2018)。 含有擴增內容的元素符號會考試題分析 近10年會考試題針對擴增內容的元素符號約略每年1題，著重判別是否為相同元素、電中性、帶電粒子的質量數、質子數、電子數、中子數的整合概念，同時著墨這些數字在週期表的意義為何。以近5年試題為例，圖1為113年會考試題，其中A選項主要測試學生是否能夠知悉週期表中，元素符號相關附註內容的意義。圖2為111年會考試題，學生需要知悉原子電中性、失去電子帶正電形成陽離子，或獲得電子帶負電形成陰離子時，原子內質子、電子、中子的數量關係。圖3為108年會考試題，學生需要從原子序與電子數的意義，依據表格數據判別是否為電中性、是否為相同原子，以及質子數、原子序與電子數的關係。   圖(三)為元素週期表的一部分，無法從圖中知道下列何項資訊？ (A)氯原子與氬原子的質子數分別為多少 (B)氖原子與氪原子是否有相似的化學性質 (C)氦原子與氪原子在自然界中含量何者比較多 (D) 1莫耳的氯氣(Cl2)與1莫耳的溴(Br2 )何者質量比較大 (引自113會考試題) 圖1：113年會考試題舉例 31. 有一個帶電的離子含有 X、Y、Z 三種粒子(質子、電子、中子，未依照順序排列)，且 X、Y、Z 的粒子數目依序為 NX、NY、NZ 。已知 X 粒子的質量最小，關於此離子的說明，下列何者最合理？ (A)若為陽離子，且 NY＞NX＝NZ，則 Z […]

探究與實作課程之外—師生的教學相長 劉獻文 國立臺南第一高級中學 Email: betterman0925@gmail.com     新課綱上路，探究與實作課程已逐漸成為培養學生批判性思維與解決問題能力的重要途徑。對於學生與教師而言，如何通過後續活動加深和擴展學習，成為教育中的一項課題。謹以敝校為例，分享學生在探究實作課程之外，如何透過微課程、撰寫小論文等開放式探究歷程，持續深化學習。同時教師在教授學科課程時，也可根據探究與實作中的探究學習內容，設計結構或引導式的探究課程模組，以促進學生的探究能力。 開設微課程 在探究與實作課程中，學生透過各個探究主題，學習如何通過「發現問題」、「規劃研究」、「論證建模」、「表達分享」來系統化他們的探究成果。 探究實作課實施一段時間後，部分學生對於探究主題有強烈興趣，而敝校週三第5、6節為彈性學習時間、第7節為社團活動，有足夠的額外時間加深、擴展學習。於是筆者與自然科好夥伴們討論後，分別於高一、高二彈性學習時間開設微課程，其中高一微課程讓學生針對校內的探究主題繼續優化探究成果。若學生因此啟發對專題研究的熱情，高二微課程便以專題為目標，結合學術性社團活動，於週三5至7節進行加深、加廣的專題探究。 舉例來說，敝校學生在探究「泡泡」主題時，對於二氧化碳泡膜縮小的現象很有興趣，他們利用微課程時段，改良實驗裝置並成功量化此縮小現象，例如：將二氧化碳泡泡打入雙邊皆開通的量筒，以此將泡泡的形狀固定為圓柱狀，藉由量筒的刻度，計算泡泡隨時間經過的體積變化。此裝置較流量計簡單，可直接定量二氧化碳泡膜的縮小速率。接著改變不同操作變因，如泡泡體積、截面積、濃度差、外加電場、清潔劑種類等，討論泡膜的縮小受何因素影響，裝置圖如圖1所示。另一組學生則是改變不同氣體種類，進一步對泡膜縮小之過程做出模型論述（學生作品請見附錄1）。 圖1：學生以塑膠針筒將氣體打入兩端皆開通的量筒     而在「鑑識科學」主題中，學生以寧海德林顯現指紋，發現蘿蔓紫的顯色隨時間變深，此意味著網路查詢到的製程，有反應尚未完全、藥品浪費等問題。於是學生在以濾紙、微量滴管等器材改良指紋的顯色步驟，利用手機錄影並紀錄羅蔓紫顏色的RGB （Red, Green, Blue）值，換算成灰度值後，成功量化寧海德林顯現指紋的顏色深淺。接著呼應綠色化學原則，提出製程的修改建議，成功達成藥品減量、節約能源、催化反應等目標（學生作品請見附錄2）。 撰寫小論文 通過撰寫小論文，學生可以在一定的格式規範下，學會撰寫動機、引用資料、設計實驗流程，有系統地呈現實驗結果、表達自己的觀點等。而筆者將小論文網站提供之範本加以修改，以空白模組的格式（保留標題並對其加註寫作說明），引導學生在數週內逐步完成小論文。小論文作品不僅系統性整理學生的探究歷程與成果，亦可做為學生精彩的學習歷程檔案。 探究式教學 新課綱將原子模型的教材內容，分別列入物理科「自然界的尺度與單位」、「量子現象」、化學科「物質組成與元素的週期性」、「科學發展的歷史」等單元（教育部，2018），筆者參考洪振方教授提出探究類型的三個向度（洪振方，2003），設計以下結構式、半封閉式的探究式教學，將原子模型的教材跨科整合，並搭配探究學習內容中「發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享」，設計以下教學活動： (1)先將學生以3~4人分組，由教師引言回顧組成原子的粒子，接著請小組閱讀課本內容，如下圖2，請各組找出課文中有關質子、中子、電子的各項描述，將其分類為定性/定量、靜態/動態描述，整理學生發表內容如圖3。此活動可呼應探究學習內容中的表達與溝通、發現問題等。 圖2：請學生分類課文中有關質子、中子、電子的各項描述 （圖文引用自南一書局化學課本#1-4 原子的結構） 圖3：整理課文描述原子的定性/定量資料（筆者自製簡報）   (2)根據上述定性/定量資料與靜態/動態描述，以6W分析（who、when、what、where、why、how）產出相關問題，請小組討論可能原因、判斷哪些是科學可驗證的問題，如圖4。此活動可呼應探究學習內容中的訂定問題、表達與溝通。 圖4：根據各種描述，以6W分析法產出相關問題（筆者自製簡報） (3)以圖4中how為例，引導學生討論問題：「如何證明電子是物質組成粒子？電子電量、質量如何測得？」接著讓學生閱讀物理課本中，有關湯姆森陰極射線實驗、密立坎油滴實驗相關教材（原子的尺度與結構），讓各組判斷各實驗驗證的科學問題為何？例如陰極射線實驗可驗證電子的受力情形、油滴實驗可驗證帶電油滴的飄浮情形。接著針對問題：「電子的電量、質量如何測得？」讓學生討論陰極射線實驗的研究計畫，例如：控制、操作、應變變因為何？實驗結果如何測量？實驗裝置、流程為何？如圖5所示。此活動可呼應探究學習內容中的訂定問題、擬定研究計畫等。 圖5：整理陰極射線實驗的研究計畫，如目的、變因、實驗方法等 （筆者自製簡報、其中實驗示意圖引用自南一書局物理課本第二章-原子的尺度與結構） (4)針對陰極射線的實驗結果，讓學生依CER論證模型，從各項實驗證據中作出主張，並完善其中的推理過程。例如，射線經過障礙物後形成陰影、射線使小輪軸轉動、射線使螢光物質發光…屬於證據，而射線直線前進、具有粒子特性、帶負電是推理得出，接著結合「在不同金屬中獲得相同實驗結果」等證據，作出主張：「陰極射線是由一束具有質量、且帶負電荷的粒子所組成，為原子的基本組成粒子之一」。另外「電子的電量、質量如何測得？」此問題，可引導學生討論出：單由陰極射線實驗僅能獲得電子的荷質比，無法單獨測得電子的帶電量或質量。如圖6所示。 圖6：以陰極射線實驗結果整理出CER論證模型（筆者自製簡報） 湯姆森根據陰極射線實驗提出原子模型：原子是一個帶正電的球體，其中有帶負電的電子均勻分布於其中，就像葡萄乾灑在布丁上面一樣。針對此模型進一步提出新問題，讓小組討論、察覺模型的侷限處，最後引導學生了解原子模型的修正與發展（西瓜模型à核原子模型à氫原子模型à軌域…）。如圖7所示。此活動可呼應探究學習內容中的論證建模。 其他的課程單元例如共價鍵理論的發展、氣體性質的實驗設計、理想與非理想溶液比較等，實施探究教學的效果亦佳，老師們可鼓勵學生事先閱讀文本、踴躍發表(避免教師直接教授)。透過小組的探索、解釋、交流、評價，除了活化教學氛圍、複習探究實作學習內容外，更能刺激學生將課本知識重新梳理，使之更具邏輯、程序性，進而不斷練習、培養帶的走的探究能力。 圖7：提出新問題，引導學生了解原子模型的修正與發展（筆者自製簡報） 結語 探究與實作課程為學生與教師提供了一個持續成長的機會。對於學生而言，微課程與小論文的撰寫使其在開放式探究中得到進一步的深化與擴展。對於教師而言，根據探究與實作的教學經驗，開發相呼應的探究教學，不僅提升了教學的靈活性，也為教育創新提供了契機。 致謝 本文感謝敝校自然科探究團隊，透過多次共備提供6W分析、CER論證…等教學模組，並感謝南一書局同意筆者引用部分課本圖文以便說明。 參考文獻 王名儒（主編）（2023）。自然科學領域物理課本（第三版）。南一書局。 洪振方（2003）。探究式教學的歷史回顧與創造性探究模式之初探。高雄師大學報，15，641-662。 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。臺北市：教育部。 葉名倉（主編）（2023）。自然科學領域化學課本（第三版）。南一書局。 附錄 附錄1：「逸」猶未盡―量化探討不同氣體穿透泡膜速率不同之因素 作品介紹影片https://www.youtube.com/watch?v=l8C4aCp88N4 附錄2：指紋鑑識長見識 作品介紹影片https://www.youtube.com/watch?v=05O2X8pcHto

萃取實驗：適用於教師示範和學生動手做 謝佶霖1、彭郁惠2、楊水平3,* 1高雄市立新莊高級中學 2桃園市立幸福國民中學 3國立彰化師範大學化學系 *yangsp@cc.ncue.edu.tw 簡介 關於萃取實驗，在108新課綱「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–自科學領域課程綱要」中，高中化學課綱有提到主題「物質的結構與功能（C）」和副主題「物質的分離與鑑定（Ca）」，以及相關的學習內容「CCa-Ⅴc-1混合物的分離過程與純化方法：蒸餾、萃取、色層分析、硬水軟化及海水純化等」，學習內容說明提到「1-2 以有機溶劑可以萃取花或葉中的色素」和「1-5 示範實驗：萃取、蒸餾 及以TLC片進行色層分析」（教育部，2018）。 為配合新課綱的學習內容，作者設計萃取的定性實驗：兩單元的教師示範實驗和四單元的學生動手做實驗。在「教師示範實驗」方面：【示範一】液相‒液相萃取：萃取廣用指示劑，製作廣用試紙；【示範二】固相‒液相萃取：萃取薑黃素，製作薑黃試紙。在「學生動手做實驗」方面：【實驗一】液相‒液相萃取：(1)從口水萃取自己的DNA，和(2)從鮮乳萃取DNA；【實驗二】固相‒液相萃取：(1)用植物油萃取橘子皮的檸檬烯，製作天然護膚乳液；和(2)用酒精萃取檸檬皮的檸檬精油，製作環保油垢清潔劑和環保洗碗精。 本文的實驗設計聚焦在：(1)「教師示範實驗」不使用典型的分液漏斗，而採用家用產品和實驗室材料並用，而且強調娛樂姓與教育性並重，短時間可在教室或實驗室完成示範教學；(2)「教師示範實驗」在示範後，以隔空噴出酸鹼煙霧的方式，進行檢驗萃取廣用指示劑和薑黃素的效果，讓學生感受驚奇有趣；(3)「學生動手做實驗」均為結合生活的家庭實驗，全部使用家用產品，可方便在五金百貨賣場、書局文具行、食品材料行、超市、藥局及網路商店等處購得，而且使用的藥品和器材具低危險性；(4)「學生動手做實驗」的操作過程簡易且時間縮短，不必事先乾燥果皮，不必一週以上的浸泡，不需加熱也避開火源，用刨絲器刨細果皮，藉由攪拌和擠壓，提升萃取的效果；(5)「學生動手做實驗」的成品—天然護膚乳液、環保油垢清潔劑和環保洗碗精，可在平日居家使用，讓學生感受親自動手做實驗的樂趣；以及(6)「學生動手做實驗」均為定性實驗，作者提供學生延伸探究與實作的問題。 教師示範實驗 一、觀賞教師示範影片 本示範實驗影片的內容有二部分：(一)固相‒液相萃取：萃取薑黃素，製作薑黃試紙；和(二)液相‒液相萃取：萃取廣用指示劑，製作廣用試紙。這影片僅供教師示範教學的參考，建議教師在課堂中親自操作示範實驗，並且在示範的過程中向學生提出一些問題並互動討論，讓學生有深入理解原理和概念的機會。 圖1：萃取示範實驗影片 （影片網址：https://youtu.be/Hb6Z5tTRlUg.） 二、教師示範的過程和效果 【示範一】液相‒液相萃取：萃取廣用指示劑，製作廣用試紙 (一)藥品與器材 〘示範用〙寶特瓶（附瓶蓋，容量600 mL，高透明度，瓶身無凹凸狀為佳） 1個、廣用指示劑（瓶裝） 100 mL、乙酸乙酯（Ethyl acetate） 100 mL、燒杯（100 mL） 1個、藥匙 1支、塑膠稱量盤 1個、碳酸鉀（Potassium carbonate） 6藥匙（約10-15 g）、噴霧瓶（50 mL） 1個、影印紙（白色A4大小） 1張、塑膠盆（盆底大於A4） 1個、吹風機 1支。〘檢驗用〙石蠟（白色） 1小塊、磁鐵壓條（長約30 cm） 1條、濃鹽酸（Hydrochloric acid, 12 M） 約5 mL、濃氨水（Conc. ammonia water. 15 M） 約5 mL、滴眼瓶（點眼瓶，20 […]