高中化學教材教法專書導讀 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授 mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw        若想要成為一位合格的中學化學教師，「化學教材教法」是一門師培生必修的課程。為什麼這門課是必修課呢?化學教材教法這門課的教學目標是什麼?有哪些方法可以達到這些目標呢?化學的學習內容和學習表現是由教育部規範的，但是應該如何教卻未有規範或是參考的準則?究竟要如何教才能引起學生學化學的動機、協助學生進行有意義的學習、引導學生發展模型思考與論證的能力、提供學生應用對化學的理解轉化為對生活情境問題的解決，甚至到跨學科的學習與應用?這些並非是化學專業訓練的主要範疇，而是化學教育的核心。在擁有化學專業知識與訓練之後，要成為一位優質的教師就必須要懂得學習心理學、瞭解知識建構的特質、課程設計的理念、教學法的適用性、實驗教學的多面向、新興科技在化學教學上的應用、評量的重點與方式，以及科學展覽活動的精隨等。因此在教育部的規劃下，有了這一本「高中化學教材教法」，不僅可以提供職前化學教師對化學教學有初步的認識，也可以作為在職化學教師終身學習的參考書籍。該書作者大都來自大學從事化學教育研究或負責化學教材教法一課的教授、以及中學第一線的化學教師(皆擁有化學專業背景和科學教育碩/博士學位)，期能結合科學教育理論與實務，提供師資培育單位和教學場域在人才培育的工作上一本值得參考的資料，也可以作為在職進修研習的素材，希望透過這本書化學教師可以使學生對學習化學充滿熱情，並能瞭解化學對人類發展的貢獻。 該書計有13章(該書目錄如表一)，此次專刊由數位作者以簡介方式針對其所撰寫的章節做一評介或延伸其論點與分析，期能讓讀者們認識該書的核心內容與參考價值。 表一 「高中化學教材教法」目錄 章別 篇名 作者 第一章 化學教育的目標和教與學 邱美虹 第二章 化學教育心理學基礎、教學與評量 邱美虹 第三章 科學素養與素養導向的化學課程 鍾曉蘭 第四章 跨領域、跨科統整課程與教學─以STEM-Plus為例 邱美虹、曾茂仁 第五章 以學生為中心的化學概念學習和評量 王嘉瑜 第六章 素養導向的教學與評量 鍾曉蘭 第七章 化學建模教學設計—以「原子結構與光譜」為例 劉俊庚 第八章 化學探究教學 楊水平 第九章 社會性科學議題融入化學教學 鐘建坪 第十章 化學示範教學 楊水平 第十一章 教育之教學科技在化學應用 鐘建坪、周金城 第十二章 大學學測和指考試題與化學教學 馮松林 第十三章 化學科展指導與應用 周金城

高中化學科教材教法專書導讀： 第二章 化學教育心理學基礎與教學策略 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所 mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw 化學是一門複雜的科學，它不僅有化學元素的英文符號系統，還有微觀粒子之間交互作用下的反應機制，以解釋巨觀所見的科學現象。對學生而言，科學符號與抽象的概念皆可視為另一種語言―科學語言，需要透過有系統的學習方能建構化學知識體系，尋找出規律性，並得以運用於問題解決中。而在教學上，必須瞭解化學知識體系的特性、學生認知需求、學習挑戰、以及學習困難的起源，以有效的教學策略搭起適當的學習鷹架、建立有意義的學習環境、促進學生對化學的理解、提升化學學習的興趣。因此，本文主要是將該書第二章以科學學習心理學的角度談化學學習，並評介可以使用的教學策略，以提供職前教師和在職教師在教學準備與實踐上的參考。 n  該書章節 該書共包含六節：科學學習心理學的基礎理論、三位一體的架構、化學課程中的關鍵概念、概念學習、教材設計、及教學設計和評量（見該章架構圖，如圖一所示）。 圖一  第二章架構圖 n  學習心理學與化學 知識的表徵有許多種形式，譬如文字、圖像、符號、語言等，透過不同的表徵可以理解知識的本質與內涵，心理學家Paivio在1986年便提出雙碼理論 (Dual code theory)，將知識的建構分為兩類：一是語言（或語文），另一是非語言（或視覺的），前者較為抽象，後者較為具象，透過這兩種形式交織成知識的結構。我們也可以從這兩面向來看化學的學習，譬如我們用文字和符號來代表元素的組成，以食鹽為例，它的組成是氯化鈉，化學式是NaCl。而我們再透過晶體結構（見圖二）的表示方式，可以看出氯化鈉中鈉離子和氯離子堆積的情形，如此可以將抽象的NaCl具象化，而在這具象化的過程圖中的訊息，還可以呈現兩個粒子大略的相對大小以及堆積的方式。有關心理學上運用多重表徵進行學習成效的研究中顯示，多重表徵中每一個表徵皆有其主要傳遞的訊息，學生可以根據其學習特質去瞭解教師所欲教學的重點，透過不同表徵的特色相互強化學習內容的理解，學生可以受惠於多重表徵的教學可見於一些相關文獻（如Ainsworth, 2006；鍾曉蘭與邱美虹，2012），此部分容後再述。 圖二  氯化鈉的晶體堆積（取自https://pixabay.com/） n  化學三位一體的架構 Johnston (1991, 2000) 對於化學本質提出巨觀、微觀（或次微觀）、符號的觀點已有30年，在過去30年間，這三位一體的架構影響了化學教育的研究與教學，雖然這期間有幾位化學教育者對此架構提出不同的觀點（如Taber, 2014; Talanquer, 2011）或延伸此架構 (Chiu, 2008; Mahaffy, 2006)，但萬變不離其宗，Johnstone的三位一體架構仍是化學的核心，從學習面或是教學面，都有很大的啟發。本文作者在該章以實例來說明此架構的意義（見圖三），在巨觀部分亦可指稱科學現象；在次微觀的部分，可以包括粒子的結構和組成等等，為無法用肉眼觀察；在表徵的部分，納入符號的呈現和視覺化的表徵，以說明此向度的意涵。化學教學若能掌握這三面向的相互關係，將可以協助學生理解化學學習的核心概念。 圖三  化學三面一體之結構與範例說明 n  化學課程的核心概念 近年來國內外的課程改革都強調學科的核心大概念 (Big Ideas) 與跨科概念 (Crosscutting concepts) 之間的連結。第二章的內容指出「美國國家科學教育標準」 (National Science Education Standards, NSES) (National Academy Press, 1996) 提及高中化學課程應包含四個大概念：物質和能量守恆、物質的行為和性質、物質的粒子本性、平衡和驅動力。而在美國「新世代的科學標準」 […]

高中化學教材教法專書導讀： 第三章 科學素養與素養導向的化學課程 鍾曉蘭 新北市立新北高中 新北市高中化學課程發展中心執行秘書 chshirley2007@yahoo.com.tw n  前言 12年國教新課綱(簡稱108課綱)強調素養導向的教與學，其中《總綱》中為大家耳熟能詳的「自、動、好」三面(自發、互動、共好)，並將三面細分為九個次項(國家教育研究院，2018)。現場教師在設計課程時，首先要理解新課綱的發展趨勢：注重與日常生活之聯結(融入學習情境)、強調科學核心概念的學習(減少零碎知識的記憶)、科學本質的認識與態度的培養、以「探究與實作」為科學學習的主要方法(國家教育研究院，2019)。 n  高中化學學習重點 新課綱所設計的學習重點分為「學習內容」與「學習表現」，為了解決究課綱中教材細目的概念內容過多且零碎，缺少大概念的呈現的問題，以學習內容表現「核心概念」，包含科學概念的「主題」與「次主題」，並輔以「跨科概念」，以三大學習課題，七大跨科概念為組織核心概念之架構，從跨科概念、生活社會議題或大概念等取向發展，以達到跨科統整的目標(國家教育研究院，2019，p.4)。高中階段是為了銜接大學教育做準備，化學科於高中階段必修部分，以基礎核心概念和生活化學學習為主；選修內容則為現行內容做適度調整，並較大幅放入微觀、基本運算與理論推導，建立科學模型的系統性思考方式，而不涉及複雜計算；實作的設計則遵循綠色化學與永續發展的概念(國家教育研究院，2019，p.23)，在探究方面(學習表現)則運用較複雜的科學模型、理論、儀器設備，獨立或與同儕合作規劃執行完整的科學探究計畫(國家教育研究院，2019，p.3)。跨科概念中新增「科學的發展科學」、「技術與社會的互動關係」，「永續發展與資源的利用」則規劃以議題呈現，「能量的型態與轉換」則與物理科跨科統整，避免此概念在不同學科中重複學習。  n  本章內容介紹 素養導向的課程與教學是12年國教新課綱的要素，本章主要內容呈現如心智圖(圖1)。 圖1  科學素養與素養導向的化學課程內容心智圖(引自鍾曉蘭，2020) 本章先簡介自然領綱所闡述的科學素養內容，說明總綱核心素養(三面九項)與高中階段的科學核心素養的關連，簡介高中化學課程的學習重點，包含學習內容(核心概念)與學習表現(科學認知、探究能力和科學的態度與本質)。 第二節則比較新舊課綱之間的差異，包括學習內容的增減、學分數的改變等，最大的變革是自然領域必修學分數由16學分下降至12學分，其中4學分規劃跨科「自然科學探究與實作課程」4個必修學分，連貫自然科學素養導向學習。由於九年一貫所提及的能力指標分析過於細碎，因此新課綱整合科學素養內容，分成「科學探究」與「科學的態度與本質」取代技能與情意。108課綱與舊課綱另一項差異是提出3-12年級各學習階段學生的自然科學學習特性。 第三節先說明學校課程類型，接著分析素養導向課程的模式、進而說明課程設計的原則與流程。新課綱將學校課程分為二種類型，除了部定課程，另有校訂課程，各自又包含必修與選修，比較特殊是新課綱中學校可依各校的特性與發展目標自訂校定必修課程４－８學分，校定多元選修６學分(國家教育研究院，2016)。發展素養導向課程的原則主要為：注重科學素養的培養與強調融入情境化的學習，同時重視學生的學習歷程、方法與策略(林永豐，2017)。 附錄提供10週「從模型學化學」的課程模組示例，此課程設定為校訂必修一學分課程，規劃在高二實施，對象可以是全校學生或自然組學生。建議教師發展素養導向的課程時，可先分析學生的學習背景(興趣、能力與先有概念)，依據學習的目標設定學習內容與學習表現，進而設計教材與教學策略，並找出相對應的多元評量方式與工具，更重要的是進行「課程試行」，從試行中反思不足之處，藉以動態修正課程內容。 結語與建議主要針對四方面給予建言：以知識為中心轉為培養學生科學素養、教師為中心的講述式課程轉為以學生為中心的探究式課程、根據學生的能力與興趣來研發課程的內容、鼓勵老師進行共備以發展跨領域或科目的課程。 n  參考文獻 國家教育研究院(2016)。十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域[公播版簡報]，p.16。2019/04/15引自https://is.gd/RErMRC。 國家教育研究院(2018)。十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域。2019/01/05引自https://is.gd/rhHGEG。 國家教育研究院(2019)。十二年國民基本教育自然科學領域課程手冊。2019/02/18引自https://is.gd/INOyRY。 林永豐(2017)。核心素養的課程教學轉化與設計。科學教育月刊，275期，p.4-17。 鍾曉蘭（2020）。科學素養與素養導向的化學課程。載於邱美虹（主編），素養導向系列叢書：高中化學教材教法（43-62 頁）。臺北市：五南。

高中化學科教材教法專書導讀： 第四章 跨領域、跨科統整課程與教學─以STEM-Plus為例 曾茂仁 國立臺灣師範大學科學教育研究所 800745003s@gapps.ntnu.edu.tw   n  前言              我們身處快速變遷的世代，多產的知識與新興的產業逐漸造成專業領域分工的界線模糊（阮孝齊，2020）。面對如此快速的全球變化，經濟合作與發展組織（Organization for Economic Co operation and Development，以下簡稱OECD，2018）指出現代的地球人應發展與擁有全球素養（global literacy），並能檢視當地、全球和跨文化的議題、為了群體福祉和永續發展採取行動、和不同文化背景的人進行開放、適當和有效的互動、理解和欣賞他人的觀點及世界觀。兼併當代社會變遷的情況與對未來人類的期許，跨領域、跨科統整的課程設計逐漸受到重視，著重教育的整體性、學科之間的關聯性、真實情境的議題探討與時間都是當前教育主要努力的方向。本章以科學—科技—工程—數學（Science-Technology-Engineering-Mathematics，以下簡稱STEM）課程發展情形為例，並分為STEM教育與國際化學課程標準、設計與進行STEM-Plus與STEM教育的反思等三小節（圖1），探討STEM教學如何設計與執行並面對未來的挑戰。   圖1：本章章節內容心智圖 n  STEM教育與國際化學課程標準 課程的演變及人才培育目標反映社會的需求，STEM教育起源於1990年的美國，直到美國STEM領域相關的人力出現明顯流失後，加上歐巴馬的全力推動，才將STEM教育向下紮根於中小學階段，並且逐漸受到國際的重視。然而，STEM教育應用廣泛，難以將STEM教育視為特定學科組合或是進行特定的活動，但是，統整性的特徵在STEM教育扮演重要的角色。因此，統整性STEM（Integrative STEM，簡稱I-STEM）與STEM-Plus則為當前較常使用的名稱。其中，I-STEM一詞強調四個領域之間的整合。但是，僅有四個領域的整合則無法解決真實情境的需求，STEM-Plus不受限於此四個領域，並鼓勵與不同學門結合，比較常見的是以STEM與藝術(Art)成為STEAM， 另外，也有與醫學（Medicine）合作的課程：STEM-M等。因此，STEM教育具有統整性與融入真實情境的特徵則是重要的理念。 美國新世代科學標準（The Next Generation Science Standards，以下簡稱NGSS）揉合學科核心想法（Disciplinary Core Ideas）、科學與工程實踐（Science and Engineering Practices）與跨學科概念（Crosscutting Concepts）等三面向的課程目標，整合學科核心想法與跨學科概念的學習，並將實踐（practices）融入課程設計中，鼓勵學生將應用知識（knowledge in use）解決真實情境的問題。另外，臺灣十二年國民基本教育課程綱要明訂國民小學與國民中學的彈性學習課程可以規劃跨領域統整性主題/專題/議題探究課程；自然科領域綱要中亦說明應以探究與實作的精神提供學生統整的學習經驗，並以跨領域/跨科目間的整合。美國與台灣的課程綱要也強調以統整性的方式設計課程，並提供學生實踐的機會進行真實情境的問題解決，此STEM教育趨勢相同。 n  設計與進行STEM-Plus 美國國家研究會（NRC, 2003）認為STEM教育的課程設計，不僅能夠增加學生對於學科知識的理解，更能夠提升學生的好奇心，另外也能夠促進學生認知技巧與探究能力的發展。關於設計STEM相關課程，除了統整四個領域的內容外，透過探索文化或社會的脈絡、提供真實的學習情境（Moore, 2008; Tsupros, 2009）都能夠避免學生僅學習片段且零碎的知識，進而達到STEM教育的重要目標。另外，除了上述所提STEM-Plus鼓勵STEM與不同學門結合之外，Chiu與Krajcik（2020）認為在STEM-Plus的環境下，學生能夠更有靈活的應用知識解決問題，並建構科學成品（scientific products）做為解決問題的工具或作為呈現問題解決的歷程。而在，而在STEM-Plus課程內容與學生的生活經驗有高度連結，因此，學生更能夠在課程活動中了解學習STEM領域課程對於自我的價值。 該章將跨科、跨領域的課程根據教學目標分為概念學習、情境學習、問題導向與探究專題導向等四個面向，以臺灣自行設計的課程–「元素週期表」與「視覺藝術」的協作課程為例，除了提升學生學習興趣外，亦能夠促進學生對於化學元素的了解；許多學校的校本課程結合學校周遭的地理環境，開發許多踏察的課程，透過情境的協助能夠幫助學生發現與解決真實的問題；最後，問題導向與探究專題導向則是讓學生經歷特定的探究歷程解決真實情境下的問題。教師能夠根據課程的需求，挑選相關教學設計架構，發展適合學生與學校的課程內容。 n  STEM教育的反思 STEM教育主要是用以解決在此四大領域中人口流失的問題，希望透過增加學生與此四領域的連結，進而將這些領域作為未來職業的方向。另外，STEM教育也相當重視社會文化與學生的連結。然而，從社會學面向檢視以美國領頭發展的STEM教育，皆是在解決美國國內所遭遇的問題，而在臺灣的我們，為何需要跟著這波風潮，研究與設計STEM課程？ […]

高中化學教材教法專書導讀： 第六章 素養導向的教學與評量 鍾曉蘭 新北市立新北高中 新北市高中化學課程發展中心執行秘書 chshirley2007@yahoo.com.tw n  前言 素養導向的教學策略非常多元，主要聚焦以學生為學習的主體，融入真實的學習情境，培養學生核心素養。素養導向的教與學的趨勢：教師的角色也由知識的傳授者演變為引導學生學習的角色、評量的方式也朝向多元評量方面發展、學習活動強調小組合作、促進學生對於科學概念的深層理解，培養學生解決問題的能力。 n  本章內容介紹 本章主要內容呈現如心智圖(圖1)。 圖1  素養導向的教學與評量內容心智圖(引自鍾曉蘭，2020) 第一節先簡介問題導向學習（problem-based learning，簡稱PBL），PBL於1960年代中期由加拿大的醫學教育學者所發展，在1980年代之際，整個亞洲社會，PBL的實行具有良好的評價，其中在醫學院的使用最為頻繁，在自然科學領域的運用也相當重要(吳清山、林天祐，2005)。PBL是採取小組討論的方式，同組成員必須在討論之前蒐集相關資料，再透過彼此間的討論、協商以解決問題，因此這是一種合作學習的模式，也是一種藉由討論的主題來建構自己與主題相關知識的過程。節末提供教學示例，提出一系列的問題，讓學生藉由蒐集資料與數據分析的過程以建立週期表中元素游離能的規律性，最後建立質性或量化關係的模型(鍾曉蘭，2019)。 第二節則先簡介POE (Prediction－Observation－Explanation)的學習策略，POE策略是由White與Gunstone 在1992所提出，此策略可在真實情境中，評估學生的認知結構及如何應用知識。隨著時間的演進，不同的學者以POE策略為基礎，根據教學的需要發展出POEC (Prediction－Observation－Explanation－Comparison，邱美虹等人，2005)與S-POE(Sequential Predict-Observe-Explain，許良榮，2005)。節末的教學示例藉由鎂帶S-POEC探究活動，不僅可引起學生探索自然環境與生活問題的興趣，同時促進學生瞭解現象或實驗所蘊含的科學知識與理論(氧化還原概念)與培養其探究能力(鍾曉蘭，2014)。 第三節先說明模型的定義與功用，在科學發展上，科學家為了某些特定的目的，使用模型來預測、表徵世界，提供關於現象的解釋，甚至於是理論的建構，模型對於科學學習是不能或缺的認知工具(Nerssian, 2002)，模型的功用主要為以模型瞭解或解釋觀察的現象、使用模型來解釋、連結和發展想法，並將模型用於問題解決(林靜雯與邱美虹，2008)。接著論述模型為基礎的教學法對科學學習跨不同的學科領域的效益 (e.g. Gobert & Clement, 1999)，及說明以模型為基礎的師生共構的概念演化的歷程(Clement & Rea-Ramirez, 2008)。節末的教學示例以化學反應速率為例，融入多元表徵的模型活動或教具，提供不同的真實或模擬情境，引導學生進行探究與討論，進而促進學生理解複雜的科學概念(鍾曉蘭、謝進生，2009)。 第四節先說明多元評量方法是強調評量需讓學生在真實的情境中，以多種不同的評量方法來瞭解學生學習進展情形。接著介紹在教學現場常使用「表現評量(performance assessment)」、「檔案評量(portfolio assessment)」及「學生自我評量」的意涵與評分規準之示例。 結語與建議主要針對四方面給予建言：教師在進行教學設計時，宜融入真實的情境(生活或學科情境)、引導學生主動觀察現象、發現問題，進而設計探究的過程來解決問題；素養導向的教學應提供學生整合知識與應用探究能力的機會；評量同時重視歷程與結果，方法要儘量涵蓋紙筆測驗、表現評量，同時引導學生自我評量，反思個人學習過程的優勢與待加強之處，將學習歷程與個人反思統整為學習歷程檔案。 附錄提供３節「素養導向的教學(POEC探究活動)融入化學教學單元案例」的教學模組示例，提供教師實際設計教學與評量時參考。建議教師可思考預計培養的學習表現、核心素養、學習內容與學習目標來發展素養導向的教學模組。 n  參考文獻 國家教育研究院(2019)。十二年國民基本教育自然科學領域課程手冊。2019/02/18引自https://is.gd/INOyRY。 吳清山、林天祐(2005)。教育新辭書。臺北：高等教育。 邱美虹、林世洲、湯偉君、周金城、張榮耀、王靜璇合著(2005)。科學創意實驗書。台北市：洪葉文化。 林靜雯、邱美虹(2008)。從認知/方法論之向度初探高中學生模型與建模歷程之知識。科學教育月刊，307，9-14。(轉載自論文發表於中華民國科學教育學術研討會，2007，高雄：國立高雄師範大學科學教育研究所)。 許良榮(2005)。序列性POE 之特色與設計。國教輔導，45(2)，6-12。 鍾曉蘭(2014)。差異化教學化學科示例─POEC策略。臺灣化學教育電子期刊，2014年7月。 鍾曉蘭(2019)。兩岸化學教育高峰論壇:公開觀課之同題異構—週期表。臺灣化學教育電子期刊，2019年7月。 鍾曉蘭（2020）。素養導向的教學與評量。載於邱美虹（主編），素養導向系列叢書：高中化學教材教法（43-62頁）。臺北市：五南。 鍾曉蘭、謝進生(2009)。設計多重表徵的模型教學活動以增進高二學生對於化學反應速率的科學學習與概念改變。九十七年教育部科教專案結案報告（未出版）。 Clement, J. J., & Rea-Ramirez, M. […]

高中化學科教材教法專書導讀： 第七章 化學建模教學設計—以「原子結構與光譜」為例 劉俊庚 臺北市立成功高級中學 phantom6161@yahoo.com.tw n  前言 模型有助於釐清思考模式和解決問題，建模則是科學過程的重要組成部分，模型與建模已成為學習和科學研究不可或缺的一部分。本文主要是介紹《化學教材教法》第七章＂化學建模教學設計—以「原子結構與光譜」為例＂（劉俊庚，2020），透過建模教學示例與說明，期望能提供教師提升教學專業知能發展的參考。建模教學是否能有效協助學生探究思考，取決於教師是否擁有模型和建模教學的經驗，以及如何激發學生對於知識建構的進一步探索。教師如何引導學生如何使用模型，如何設計以建模理論框架的教學活動，從這方面來說，相信這將提供教師與學生更多機會去進行有意義教與學的契機。 n  邁向科學素養的化學教育 　　化學是一門對於自然世界的探究，以及關於物質世界發展的思想體系，化學教學可以讓學生了解科學方法，並獲得批判性思考、解決問題和溝通的能力。然而，傳統的學校化學教育仍著重於讓學習化學課程中的陳述性知識，如何在這樣的背景下，實現課程和教學實踐的轉變將是一項極具挑戰性的任務。 　　許多科學家的工作說明模型所扮演的核心作用，模型被視為理論和現象之間的中介物Giere, 1988）。根據這種觀點，科學家的主要工作是建立、修正和測試假設模型（Nersessian, 2008）。從最近出版的美國K-12 科學教育框架（NRC, 2012）和我國《十二年國民基本教育課程標準》（教育部，2018），可看出科學教育界對於科學建模理念的重視，以教育部（2018）為例提及學生應該培養探究能力，並且需要構建模型來描述物理現象的觀察，以及理解科學模型的局限性。在學校，建模能力被視為科學素養的組成部分（Gilbert & Justi, 2016；Louca & Zacharia, 2012）。Chiu和Lin（2019）更認為培養建模能力對於 21 世紀公民的科學素養至關重要。 n  模型與建模教學策略 為什麼教學要使用模型與建模教學策略呢？我們在化學教學中使用模型必須回答下列問題，使用模型的目的是什麼？我們如何在科學教學中使用模型？學生如何發展模型？最後，模型教學時應該考慮哪些任務？如何在這樣的背景下，實現課程和教學實踐的轉變將是一項具有挑戰性的任務。 學習理解模型的性質和意義是科學教育的核心，然而，Grosslight、Unger、Jay 和 Smith（1991）的研究揭示學生通常沒有清楚地區分模型背後的想法和/或目的、模型的內容，以及支持或反駁模型有效性或有用性。相反地，學生通常將模型視為玩具或現實生活物體的縮影，很少有學生理解為什麼在科學中使用模型（Ingham & Gilbert, 1991）。當然學生也就不會賦予建模過程任何的意義。透過建模教學，教師可以了解學生的想法，並且從心智模型的交流中了解他們的想法演變，當教師將複雜的建模任務帶入課堂中，提供學生參與科學實踐的機會，也可以讓學生了解更為真實表示科學活動的情境。 n  化學建模教學活動實例—以「光譜與原子結構」單元為例 傳統的化學課程強調學生對於陳述性知識的獲取。在這傳統的教學環境中，模型的建立、評估和修正背後的動機、策略和論證均容易被忽略，因此學生們仍然不清楚如何建立模型與使用模型來了解抽象的概念，甚至於了解模型和建模的意義，此外，教師往往也沒有將這些概念明確地告於學生（Gray & Rogan-Klyve, 2018；Harrison & Treagust, 1996）。 本書以「光譜與原子結構」單元為例，闡明使用類比融入建模教學，以及學生如何與教師共同建構與理解原子結構的概念。教學過程中以邱美虹和曾茂仁（2018）所提及的建模循環來架構整個課程，藉此促進學生了解建模歷程與獲得建模能力和原子結構的概念。 選擇原子結構單元進行課程設計，光譜與原子結構的關係可以說明如下：模型的元件（如電子、能階、殼層等），元件之關的關係（電子躍遷與原子結構的關係），以及關係之間所建立的系統（電子從高能階躍遷至低能階，產生光的頻率與能量差之關係，如此建立光譜與原子結構的關係系統）。此外，教學活動將「類比」融入建模教學活動中，藉此更能了解所欲學習的概念。以下即以「光譜與原子結構」單元為例，說明類比建模教學活動與探究能力之特徵。建模歷程的不同階段逐項說明如下： 圖1. 「光譜與原子結構」單元建模歷程圖（修改自邱美虹和曾茂仁（2018））   一、「模型發展」階段 此階段主要目標為讓學生知道建立光譜與原子結構時所需要物件的名稱，以及物件的功能，希望學生能從教材中提取相關的概念，如光的性質和原子光譜。 教學活動亦引入類比，因此教師可以要求學生可以選擇適當的類比物，如選擇「書架」或「樓梯」做為「能階」的類比物，以「樓梯」為例，如此可以讓學生利用此類比物（樓梯）來描述殼層的概念，以及「樓梯之間的高度差」類比「能階差」，此外，也可以使用「小玻璃球」類比「電子」，小玻璃球位於不同的樓梯位置，協助學生建立能階與殼層的概念。 隨後，教師可以提示學生從熟悉的「動能與位能轉換」來類比電子能階的轉換，猶如「小玻璃球」從高處落下後，會掉落至較低的位置，「小玻璃球」會釋放出位能，而「電子」從較遠的「殼層」轉移到較近的「殼層」（即是從高能階躍遷至低能階），電子會釋放出能階，以光的形式釋放出來，此過程猶如小玻璃球從較高的樓梯滾下，將原來把貯存的位能轉變為動能形式釋放出來。 上述的問題主要聚焦於元件與元件之間的關係，如光譜與能階、電子躍遷與能階等。當教師確認學生已經具備元件之間的關係，即已經完成光譜與原子結構的模型， 二、「模型精緻化」階段 此階段重點是希望學生可以透過探究的方式來檢驗所建立的模型是否正確？是否能夠利用來解釋問題的成因？透過學生建立其他的類比物來探討所欲學習之概念，並且指出類比物與目標概念之間對應的相似性，並且教師與學生相互討論的活動來驗證所建立模型與類比物的適用性、一致性和融貫性。即是從類比物「小玻璃球」和「樓梯」來探討概念與關係是否正確？以及將所建立的類比物「樓梯」與問題做比較，討論兩者是否相符合？例如「小玻璃球」在不同「樓梯」之間的位能差是否與「電子」在不同「殼層」之間的能階差相符合。此外，也希望學生能夠使用理論所推演出來的結果來建立原子結構的理論及其因果關係。 […]

高中化學教材教法專書導讀： 第八章  化學探究教學 楊水平 國立彰化師範大學化學系 yangsp@cc.ncue.edu.tw n  前言 《高中化學教材教法專書》第八章〈化學探究教學〉的重點為：一、介紹我國自然科學領域課程綱要和美國下一代科學標準，以瞭解兩者對科學探究教學的重視和規範；二、提到科學探究的邏輯推理和開放程度與科學探究教學的密切關聯；三、簡介科學過程技能和認知思考，並說明學生的探究學習所需的過程技能和認知思考；四、提供科學探究的學習環，作為教師設計探究式實驗教材的參考，並且提供封閉實驗轉換為更開放實驗的作法，作為教師修改食譜式實驗為探究式實驗的參考；五、提供探究學習的評量方法，作為學生進行探究學習的評量作法。以下簡介本章的部分內容，作為讀者閱讀本章的導讀，詳細完整的內容以及未在此處簡介的部分（包括：美國下一代科學標準、科學探究與科學過程技能、傳統學習環與探究教學、探究學習評量方法），請參閱該專書的紙本版（楊水平，2020）。 n  我國自然科學領域綱要與科學探究 十二年國民基本教育課程綱要，高級中學階段有關科學探究能力的領綱之描述分為普通型、綜合型和技術型。在普通型高中方面：依照國民中小學暨普通型高級中等自然科學領域（國家教育研究院，2018a）的核心素養包含：一、提供學生探究學習、問題解決的機會並養成相關知能的「探究能力」；二、協助學生了解科學知識產生方式和養成應用科學思考與探究習慣的「科學的態度與本質」；三、引導學生學習科學知識的「核心概念」。藉由此三大內涵的實踐，培育十二年國民基本教育全人發展目標中的自然科學素養。在綜合型和技術型高中：本領域的學習重點涵蓋科學概念認知、探究能力及科學的態度與本質，詳細的描述請見新課綱或本專書紙本版。綜合上述三類型高中之自然科學領綱的描述，十二年國民基本教育高級中學學生自然科學探究能力的培養至關重要，科學探究教學是自然科學最重要的教學方法。 在學習重點方面：根據國民中小學暨普通型高級中等自然科學領域（國家教育研究院，2018a）領域課程綱要，學習重點分為「學習表現」與「學習內容」，兩者關係至為密切、互為表裡。前者為預期各學習階段學生面對科學相關問題時，展現的科學探究能力與科學態度之學習表現。後者則展現本階段學生認識當前人類對自然界探索所累積的系統性科學知識，也是作為探究解決問題過程中必要的起點基礎。自然科學課程應引導學生經由探究、閱讀及實作等多元方式，習得科學探究能力、養成科學態度，以獲得對科學知識內容的理解與應用能力。 n  科學探究的邏輯推理 科學家使用歸納推理和演繹推理來瞭解自然世界。在歸納推理中，科學家使用多次觀察和實驗的結果歸納成為一般化（generalization）或模式（pattern），進而形成假說（hypothesis），找出自然界運作的規律。這些一般化導致新的理論（theory）。然而在演繹推理中，對現有的理論進行理性思考，以產生理論的邏輯結果。這些結果可能導致新理論和預測，並透過實驗來測試是否為真。歸納推理和演繹推理的過程，如圖一所示。由於科學探究的過程強調探索過程（起始問題、提出假說、設計實驗、進行實驗、收集資料、處理資料以及分析資料等）的實驗結果歸納成為一般化或模式的知識，進而形成科學理論，因此科學探究的邏輯傾向歸納推理的過程。然而，知識或理論的應用傾向演繹推理的過程。   圖一：歸納推理（左）和演繹推理（右）的過程（圖片來源：楊水平，2020，p. 135） 〘勘誤：在該專書紙本版頁135圖8-1，因編輯過程錯誤標示，左圖誤植為演繹推理且右圖誤植為歸納推理。在此更正為：左圖為歸納推理且右圖為演繹推理。〙 n  科學探究的開放程度 Domin (1999) 提到任何科學實驗所遵循的步驟，不是由學生自己設計，就是由外部來源（教師、實驗手冊或講義）提供給學生。Domin (1999)提到探究為本（inquiry-based）和問題為本（problem-based）的教學方法要求學生設計自己的步驟；然而詳述（expository）和大多數的發現（discovery）的教學方法卻是給予學生實驗步驟。Domin (1999) 也提到探究為本和發現的實驗風格屬於歸納推理，而詳述和問題為本的實驗風格屬於演繹推理。 Schwab (1962) 首先提出實驗的分類，後來Herron (1971)修改他的分類並評估實驗的項目是基於當活動開始時學生被提供多少資訊而歸類其開放程度。縱觀舊課綱的高級中學化學實驗設計，此處以他們的四等級實驗加以分析，大多為開放程度低等級的食譜式實驗。根據十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要中的學習表現來看，強調編撰科學實驗教材和學生的科學學習，應該力求開放程度高等級的引導或開放探究式實驗。 n  普通型高中課程科學探究與思考智能 根據十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要，學習表現有三項目（國家教育研究院，2018a）：探究能力‒思考智能、探究能力‒問題解決以及科學的態度與本質。以下整理第五（高中）學習階段學習表現中的「探究能力‒思考智能」，其實有部分的科學過程技能融入到思考智能，並且與科學探究有著密切的關聯，如表一所示。這表中有前三子項只有部分描述，完整的描速詳見紙本版的附錄二。在此表中以中刮號標註的粗體文字為科學過程技能。 表一：第五學習階段學習表現中的「探究能力—思考智能」 子項 第五學習階段學習表現 （必修） 第五學習階段學習表現 （加深加廣選修） 想像創造（i） ti-vc-1 能主動察覺生活中各種自… ti-va-1 能獨立察覺各種自然科學問… 推理論證（r） tr-vc-1 能運用簡單的數理演算… tr-va-1 能運用一系列的科學證據或… 批判思辨（c） tc-vc-1 能比較與判斷自己及他… tc-va-1 […]

高中化學教材教法專書導讀： 第九章 社會性科學議題融入化學教學 鐘建坪 新北市立錦和高中國中部 hexaphyrins@yahoo.com.tw     議題是社會發展過程中，不同組織團體意識問題的存在，進而形成不同觀點、價值主張甚至政策內容（Heath & Nelson, 1986）。社會性科學議題（socio-scientific issues）即是在概念或程序與科學有所關聯的爭議性社會議題（Sadler, 2004），起因於科學與科技的發展影響個人、社會甚至全球，例如：核能發電等。這些議題通常為需要考量相關的科學理論與數據的開放性問題（problem），但因需要考量倫理、經濟與政策等因素，因此不易獲得明確地解決途徑（Sadler, 2011）。     十二年國教期待學生對於生活化與前瞻性議題應該有所理解與行動，並希望教師能夠將相關主題適切融入課堂，藉以培養學生批判思考與解決問題的能力。《總綱》揭示議題課程的發展需要因應環境變化，依據學生身心發展，適性地設計具有統整與深化議題內涵的內容（教育部，2014）。《自然領綱》呼應《總綱》期待學生能夠藉由社會性科學議題經由探究與多元專題等方式讓學生獲得深度學習，以培養科學素養。 n  社會性科學議題教學成效 社會性科學議題的發展起源於1980年代STS（Science-Technology-Society）運動，強調將爭議性的主題，能與生活情境相互結合，作為情境教學的指引，讓學生在主題探索中，逐漸深入知識、獲得相關能力，進而培養正確的科學態度，透過永續發展的想法促進公民的養成，而非只單獨著重科技與科學對於社會面向的影響（Tal et al., 2011）。 目前已具有多種社會性科學議題教學設計模組可供參考（Sadler et al., 2017）。例如，Friedrichsen等（2016）認為進行社會性科學議題教學之前需要先設定焦點議題，接著分析焦點議題牽涉的科學核心概念、跨科概念與科學實踐的相關技能與能力，過程中提供機會讓學生透過溝通與資訊工具反思自身相關的信念與立場，以期讓學生獲得整合觀點的有效經驗。 社會性科學議題模組的教學不僅著重價值的倫理思考，亦著重發展學生成為未來公民的相關能力的養成。目前研究已發現藉由相關議題的教學能讓學生發展相關概念與提問（questioning）、論證（argumentation）、決策（decision making）、系統思考（systems thinking）等能力（Ben-Zvi Assaraf & Orion, 2010; Sakamoto et al., 2021; von Aufschnaiter et al., 2008），而這些能力的發展，正能呼應12年國教對學生學習表現的期待。 n  內容介紹     《高中化學教材教法》第九章藉由社會性科學議題的探討，引導《總綱》揭示的議題內涵，企欲藉由論證技能的培養，讓學生思索參與社會性科學議題的決策和批判思考的重要。全文區分為四小節（見圖1），分別介紹論證意涵與Toulmin論證模式、引介特定化學主題說明如何實質進行論證教學、教師在課堂操作時的挑戰與因應策略，以及文末結語與相關教學建議。 圖1 社會性科學議題融入化學教學內容心智圖（修改自鐘建坪，2020）     首先，第一節即是說明論證的意義與介紹Toulmin（1958）的論證架構。Toulmin論證模式，包括：資料（data）、主張（claim）、論據（warrant）、支持（backing）、限制條件（qualifier）以及反駁（rebuttal）等內容。文中舉基因改造食品為例，讓初次接觸的讀者知悉如何運用此架構進行論證。科學論證是基於科學證據運用多項論點進行推理，並嘗試說服對方的歷程（Osborne, Erduran, & Simon, 2004）。我們期待學生能夠學習科學家的思考邏輯與論證技能，當面對生活切身議題時，可與他人進行充分溝通，具備獨立思考的批判能力。        […]