科學模型與建模：引導孩子學習與體會釣魚的方法—模型建立與評論的教學設計 洪蓉宜1, *、張欣怡2 1高雄市立楠梓高級中學 2國立臺灣科技大學數位學習與教育研究所 *mermaid236@gmail.com n  模型與建模的重要性 科學模型和建模是科學發展中的重要元素，形成科學模型和檢驗科學模型是科學發展中的核心活動。模型有許多的形式，可以是圖像與符號、數學公式或化學方程式，也可以是對事件、理論、概念或過程的描述；無論以何種形式呈現，模型是對複雜現象的簡化和描述（Gilbert, 2004），為科學活動的產物。建模是解釋自然現象以產生科學模型的科學活動歷程。科學家的工作在於針對自然現象尋求解釋和可能的預測，以一系列簡化的表徵為複雜的世界建立模型和理論（Gilbert & Buckley, 2000）；經由想法的交流和論證，科學社群獲得共同一致的觀點。科學理論具暫時性，模型和建模在科學發展中具有重要的功能；模型可用以解釋和說明真實世界的現象，提供科學社群成員瞭解和檢視的依據。透過成員的評論或重複實驗等考驗，確認此模型的適切性並加以調整和修正。 n  模型與建模在學校教育的教學現況 從教育的觀點來看，已有多項研究指出，引導學生實際經歷有如科學家般探究和解決問題的建模歷程，包括提出問題、產生與測試假說、調查與實驗、解釋與推論、討論與辯論等，可使學生在符合真實科學（authentic science）的情境下探索世界而學習科學，漸進地更精熟科學。然而現今學校裡的科學課程多半侷限於教導學生理解科學家已建立好的模型，以及應用此模型進行解題；學生是模型的詮釋者與使用者，與模型深入互動的主動探究經驗則不多，例如：缺少參與建立或修改模型的過程，多數學生對模型的本質、目的及功能、建模的本質與歷程等方面缺乏瞭解。美國國家研究委員會指出，「對科學模型的評論」是重要的科學實踐之一，例如：對所提出的模型之合理性與適用性進行檢驗和評論是科學家常見的溝通內容與方式，且需要在科學課室中被強調；學習者可經由對模型的評論和溝通而修改模型，達成想法和行動的轉換（NRC，2007）。不過，如何規劃符合建模歷程的、探究的科學模型評論活動？如何將所規劃的評論模型等建模活動轉換為具體的教學實施？這些是多數教師的疑惑與焦慮。本文摘要Chang和Chang（2013）的研究，針對引導學生建立和評論模型，提出運用數位平台的教學策略建議。本文所介紹的相關課程已開放於WISE中文平台供有興趣之教師與學生使用。WISE中文平台網址為http://twise.nknu.edu.tw（請使用火狐瀏覽器）。該課程可於首頁WISE專題的自然科學類別下找到（見圖一），或可直接由以下連結瀏覽課程http://twise.nknu.edu.tw:8888/webapp/vle/preview.html?projectId=128。 圖一：WISE平台中的課程專題，本文介紹自然科學類別之氫燃料車內的化學 n  設計數位平台內容以引導學生建立和評論模型的教學 在非結構的學習環境中，學生要產出有品質的評論是有困難的。蘇聯心理學家維高斯基認為，知識是由群體合作努力學習、瞭解與解決問題的過程中所建構而來。經由成人或較有能力的同儕協助學習者搭建鷹架，可有效開發個體的潛能發展區，個體在學習的過程將能獲得較多的成功經驗。Chang與Chang（2013）運用網路科學探究平台（Web-based Inquiry Science Environment [WISE]）（Linn, 2006），引導學生針對化學反應的主題，進行分子模型的建立與同儕評論等活動。活動所運用的鷹架策略包括： w   以具備立即回饋的形成性評量，引導學生思考核心問題並據以建立相關概念。例如：題目內容以○和●的圖形表示氧原子和氫原子，呈現過氧化氫分解反應過程的分子模型示意圖，示意圖中只提供反應物過氧化氫和其中一項生成物氧氣的分子模型。接著請學生依據「化學反應的過程中，不會產生新原子，也不會有原子消失」的原則，推測另一生成物的模型表示方式，並提供另一生成物模型的數個可能選項，引導學生思考和選擇。若學生選擇錯誤的模型，系統則針對錯誤的地方給予即時回饋，引導學生再次觀察、思考和判斷反應過程的分子模型，以建立正確的化學反應和分子結構模型表示方式。 w   將重要的評論標準和意見轉換為問題的形式呈現，引導學習者理解所列出的評論標準，並練習依循此標準進行評論。例如提供已繪製好的氫氣分子和氧氣分子的燃燒反應過程圖，接著列出「評分標準為正確性─圖片裡有哪些畫對了或畫錯了？」或「評分標準為功能性─這四張圖片的用途為何？」，引導學生基於某項標準來評論化學反應過程圖。最後並以開放式問題「如果你認為還有其他的評論標準，請在下方空格寫出」，提供學生完整地表達想法。 w   明確地列出具體的說明文句，引導學習者省思自己對科學模型與建模的理解。例如：在介紹氫氣分子的各種表示方法（模型）後，以選擇題的形式提問「假設現在科學家發明了一個方法，可以讓你清楚的看到氫氣分子，請問，你實際看到的氫氣分子，會跟第一步驟的氫氣分子〝模型〞一模一樣嗎？」，促使學生深入思考模型與真實狀態之間的差異，進而讓學生瞭解模型和建模的本質和功能，例如：學生若選擇了「是的，一定是一模一樣」的答案，系統立即回饋學生「模型可以根據它的用途，只呈現有助於人們了解的部分即可」，引導學生思考模型為目標物的表徵，並不代表其等同於目標物本身等模型功能與本質的面向。 w   運用線上評論平台的即時回饋和意見交換，進行學習者之間合作的評論活動。例如：在學生完成評論後，使用數位平台中「展示與討論」的功能，使全班均能觀看各小組的評論情形，並線上即時交流想法和跨組進行回饋。之後再要求學生參考回饋意見，修改小組原有的模型。 前述線上模型建立與評論活動於臺灣南部某公立國中二年級班級實施，活動內容包括：1.引出學生對化學反應過程的原有想法；2.引導學生思考模型的表達方法和意義；3.引導學生繪圖建立原子、分子和化學反應的模型；4.引導學生觀察比較他人繪製的模型；5.引導學生提出評論的標準並評論他人的模型；6.引導學生省思並修正自己繪製的模型。其中，學生用以評論的模型素材來源有三：科學家產生的模型、同儕產生的模型及虛擬同儕產生的模型。例如，該課程提供科學家產生的模型讓學生觀看，接著提問「上一步驟所列出的模型，都是科學家們常用來解釋科學現象的工具。想一想，為什麼有些模型不需要將電子或原子和畫出呢？」，以及提供學生觀看其他同學或虛擬同儕（由課程發展者所設計）所畫出的分子模型（見圖二），再請學生寫下想法並進行評論。根據教學實施前測和後測、教學後晤談及學生在活動過程中的文字書寫反應和口語表現等資料進行分析，研究結果顯示： w   以同儕或虛擬同儕的模型提供學生作為評論的素材，學生多半從模型的正確性進行評論。當學生評論虛擬同儕的模型時，小組學生較無動機和合作的表現。相較於評論虛擬同儕的模型，小組學生在評論同儕的模型時，則展現出較高動機的合作，並產出較高品質的評論。 w   若提供科學家的模型作為評論的素材，將帶來更高的效益，包括促進小組學生省思判斷模型優劣的標準、思考模型的目的、運用模型與人溝通，且小組學生的評論內容與教師的評論內容有超過七成的一致性，這些結果顯示模型評論活動深化了學生對科學模型及其本質的理解。 圖二：引導學生針對虛擬同儕的模型之正確性進行評論（Chang & Chang, 2013） 綜上所述，提供學生同儕的模型和科學家的模型作為評論素材，並適度運用數位學習平台的功能，包括以形成性評量引導學生進行評論活動和促使評論標準的形成、即時回饋與意見交流等功能，能提供學生機會具體地討論不同模型的優點和缺點，並修改自己原有的模型，可促進學生進行討論的品質和深度。經由適度引導學生合作討論，可促進學生有意識地選擇和產生適當的評論標準與提出具備品質的評論內容。 n  結語 本文提供教師引導學生進行模型評論的教學策略實例，包括運用數位學習平台的功能來結構化地引導學生進行模型建立和評論，並融入評論同儕與科學家模型的活動，以促進學生連結本身的與科學家的建模經驗。這些均可符應十二年國民基本教育培養現代公民素養的目標，以及達到十二年國民基本教育課程綱要中所強調的核心素養─個體透過直接經驗所要學習的事物，主動建構而非單靠傳輸以獲得模型概念，並經由獨立思考、評論及與同伴磋商形成共識，使學習的模型概念變得更有意義，以培養學習者具備「符號運用與溝通表達」之核心素養。將模型與建模的概念，透過具體而結構化的引導，幫助學生建立自己的模型，並藉由評論活動，引導學生思考評論標準，進而修改自己原有的模型，此過程以探究與實作的方式，培養學生的科學態度，促進對科學知識的理解及科學本質的體會，這對於學習的品質應有裨益。 n  參考文獻 Chang, H.-Y. & Chang, H.-C. (2013). […]

科學模型與建模：設計建模與多重表徵的模型教學活動以增進高二學生的化學學習—以化學鍵、分子混成軌域、分子形狀與結構為例（上） 鍾曉蘭 新北市立新北高級中學教育部高中化學學科中心chshirley2007@yahoo.com.tw n  研究動機 對學生而言，「原子」的世界是個既看不到又摸不著的領域。雖然國中教科書以棒球場與十元硬幣來類比原子與原子核的大小比較，學生還是很難想像原子內部的世界。高二化學課程中，嘗試以講述原子發展的科學史，引導學生從道耳吞的原子說，到湯木生的梅子布丁式的原子模型、拉塞福的核原子模型、波耳的氫原子模型，最後引至量子力學，學生對原子的軌域為什麼會是球形或是啞鈴形的，產生了許多的迷思概念或另有概念。 化學教師不免會提出疑問「為何混成軌域與分子結構的學習對高中學生是如此的困難？」，答案可能是：以混成軌域判斷分子形狀，背後摻入了軌域、量子數、能階、躍遷等量子世界與分子結構的空間的概念，這些概念對於學生而言是抽象而難以接近的。學生無法藉由一般的課室或實驗室活動來觀察混成軌域的形成或變化，也難以立刻將多樣的混成軌域符號，與微觀中所代表的混成軌域作連結。這種難以藉由傳統講述法解決的學習障礙，不僅澆熄了學生學習化學的熱忱，也讓化學教師在教學的過程中深感挫折。 藉著呈現模式可以形成教學和學習脈絡之間的聯繫，幫助學生心智模型（mental model）的形成和精緻化（Buckley & Boulter, 2000），然而在科學概念的學習與應用方面，應該讓學生重新經歷化學家研究的歷程，以了解理論模型是如何建立、修正、效化，如何將理論模型用以解決問題。對科學教育而言，模型（model）與建模（modeling）是科學發展的重要元素，也是科學學習中不可或缺的認知與能力（邱美虹，2007）；而在近十多年來科教改革聲浪中，亦逐漸確認了模型與建模的價值（AAAS, 1993; NSC, 1996，引自邱美虹，2008）。藉著將建模歷程融入多重表徵模型的教學活動，或許能幫助學生在混成軌域、分子鍵結與VSEPR理論的科學學習，並有效提升學生問題解決的能力。 n  研究目的 本研究的目的主要分為五部分： 一、   設計多重表徵的模型教學活動：教學活動設計主要包括具體模型教具、多媒體教學、角色扮演活動、師生討論和建模活動等，將抽象的微觀的化學鍵結、混成軌域、分子形狀與分子結構等概念由具體的概念逐漸探討到抽象概念，幫助學生深層的理解。 二、   設計多重表徵的教材：將多媒體教學軟體與課程內容結合，設計電子化教材，讓科學課室的教學多元化、活潑化，並鼓勵學生自行設計各種模型、應用模型及評價個人模型的適用範圍與限制，以提升學生學習動機、多重表徵轉換能力與建模能力。 三、   設計小組活動（動手自製分子模型）：開放式動手自製分子模型的小組活動，藉由動手做與小組協商的歷程讓學生主動學習與從事探究活動，不僅可以讓學生對於科學概念的學習達到深層的瞭解，也提升學生解決問題的能力。 四、   設計建模教學活動：將建模歷程融入課室活動中，讓學生在活動中了解理論模型是如何建立、選擇、分析、效化與重建，並學習如何將理論模型用以解決問題。 五、   評量方式的改進：本研究採用三次評量（教學前、中、後），在試題的設計上則採用一般靜態測驗的模式，但是將教學中所探討的概念分為陳述性知識（並細分為知識、理解、分析、應用、綜合）與程序性知識納入試題之中，從一連串評量中，瞭解學生對的認知發展歷程，不僅可以增進師生互動，亦可隨時修正教學方法與教材，並可以深入了解學生迷思概念修正的情形與學生學習困難所在，為現行的評量方式提出改進的參考。 n  理論背景 研究者針對化學鍵與混成軌域的相關研究、建模歷程與建模教學進行文獻回顧與探討。本研究依據相關文獻設計出教材、呈現模型與教學活動，以期對學生的科學學習有所助益。 一、化學鍵與混成軌域的相關研究 關於學生在化學鍵概念的相關研究，若是與其他的化學概念相比較，數量是偏低的。Taber （1995，引自呂益準，2005）認為八隅體規則是一種廣泛認識論的學習阻礙。因此他建議指導者重新思考怎麼會造成學習阻礙，及連結八隅體規則會引發什麼樣其他知識的學習困擾。Robinson（1998，引自呂益準，2005）討論了八隅體規則也可能是在理解混成課題時，另一個重大的阻礙，就像在學習化學鍵它造成的阻礙一樣。他敘述學生使用八隅體規則做為化學反應和化學鍵結的一種解釋，而非使用此規則做為確認穩定物種的指標。 學習化學知識對大部分的學生而言，都是要理解一些不可見的或無法直接感觸的概念，即使讓學生重新經歷化學家研究的歷程，他也無法像化學家一樣頭腦裡想著該把哪個分子的某個結構換掉，或是清楚的解釋實驗過程中所觀察的現象或蘊含的理論。因為學生無法把他們在實驗室看到的巨觀現象，與微觀的本質及過程作連結（Gabel,1998; Schank & Kozma, 2002，引自呂益準，2005）。而空間能力不佳的學生，對於將平面分子的結構圖轉換成三維的立體空間結構，亦存在極大的困難（邱美虹、傳化文，1993；邱美虹、廖焜熙，1996）。高成就組的學生對平面投影表徵能轉換成三度空間判斷分子的立體結構，但低成就組對平面表徵往往無法透視（visualize）或想像（imagine）其原子之間的相對位置（邱美虹、傳化文，1993）。 學生在解決「共價鍵、混成軌域、分子形狀與結構」相關問題時，不僅須具備廣泛的陳敘性知識，如鍵結原理，八隅體規則的定義、適用範圍與限制，混成軌域的原理，VSEPR理論等，並且要具備純熟的程序性知識。因此，學生在解決分子結構與形狀、是否具有極性的問題方面，常顯出不知如何下手的窘境。本研究從探究學生在共價鍵、混成軌域、分子形狀與結構方面的答題表現中，詳細分析經學習後，學生在解答時所具有及欠缺的陳敘性知識與程序性知識，藉以了解學生學習的困難所在，以作為未來的教學設計的理論依據。 二、建模歷程與建模教學 Buckley（2000）認為：建模是以「模型」為基礎的學習，是模型的建構，是透過形成、使用、修正與詳細闡述的反覆過程。此外，Justi & Gilbert（2002）則認為：建模就是產生適當「表徵」的過程，此觀點與個體心智模型的作用和形成有關（Johnson-Laird, 1983），亦即個體在科學學習的過程中，會修正舊模型去順應新的學習（模型應用）和建造新模型（模型建立），藉以學習正確的科學模型。總而言之，當學習者使用舊知識去整合新的訊息，並且延伸其知識變成新的模型，這樣的歷程便稱為「建模」。 然而在教與學的過程中，如何將建模的想法融入其中呢？學生該如何學習與經歷如同科學家思考與建立理論的過程呢？關於如何建模與建模應具備哪些歷程，Halloun（1996）的理論最容易被理解與應用。他從解決課本典範問題的角度，針對學生的建模學習歷程，發展了一套「建模歷程理論」。理論中強調「建模」是建構科學知識的主要過程，並涉及了模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析與模型調度等五個階段。Halloun（1996）強調，建模歷程的五個步驟間並沒有等級的關係，在「模型建立」、「模型效化」、「模型分析」三步驟間更容易相互重疊，甚至是同步建構而來。 建模是一個相當複雜的歷程，包括許多的活動和技能，若欲獲得這些豐富能力是相當緩慢的（Justi ＆ Gilbert, 2002）。根據Grosslight等人（1991）的觀點指出，學習者對模型的觀點可分為以下三種層次： 層次一：模型當成是「玩具或真實的簡單複製品」，在此階段，許多學生想像在模型與實在之間是具有1：1的一致性。模型是真實物體較小的複製品，模型應該是正確的，不會去尋找模型的形式或目的。 層次二：此階段有一個特殊而明確的目的作為建立模型的媒介，模型者對於如何達成目的做出有意識的決定。學生在此階段已經瞭解模型並非一致於真實；然而，學生仍聚焦於模型與真實之間逼真的描寫，而非模型所要表達的概念。模型的主要目的是作為溝通的工具，不是探索想法。 層次三：此階段接近專家對模型的看法。學生瞭解到模型是為了提供發展或測試概念，而非實在的描述或複製。學生能夠主動建構並操作多樣和多種的模型，並評價模型的設計是否符合模型的目的，且不會被模型之間的差異性所干擾，並認為模型能夠用來操弄與測試傳遞的訊息（隱含模型重建與再發展的想法）。 一般而言，學生在學習科學概念時，大多沒有抽象的想法，對於模型的認知也停留在較低的層次一或層次二，並認為模型是具體的複製品。因此，透過建模的訓練，並讓學生瞭解模型是多重的、思考的一種工具，勢必更能有效提升其模型觀點到層次三。 Justi […]

科學模型與建模：設計建模與多重表徵的模型教學活動以增進高二學生的化學學習—以化學鍵、分子混成軌域、分子形狀與結構為例（中） 鍾曉蘭 新北市立新北高級中學教育部高中化學學科中心chshirley2007@yahoo.com.tw   〔承《科學模型與建模：設計建模與多重表徵的模型教學活動以增進高二學生的化學學習—以化學鍵、分子混成軌域、分子形狀與結構為例（上）》〕 n  教材活動設計／建模活動 一、教學組別設計 兩組的教學與評量的實施如表1所示，評量1在教學前進行，評量2在教學後5節課進行，評量3則在10節課教學完成後進行。 表1：教學與評量的實施 教材與教具方面則分為一般文本、學習單、電子化投影片、分子模型（具體模型）與電腦動畫（視覺模型）。多重表徵的模型教學活動設計則依據模型表徵的方式與模型表徵性來設計一系列的教學活動，其中應用了具體混合、視覺混合、數學混合、動作混合與語言混合等五種混合式的模型教學，模型的表徵屬性則與所欲觀察或建立的現象相同。教學策略則分為六大類：具體模型（自製分子模型）、電子化投影片教學、推導數學公式、學生動手自製分子模型、電腦動畫教學（多媒體教材）、角色扮演、小組/師生團體討論等（詳見表2）。 表2：多重表徵的模型教學的教學活動設計 二、教師設計教學活動與自製模型 教師自製3D模型教師以保麗龍自製混成軌域模型（見圖1a-1c）。一般教科書是以圖片呈現混成軌域，較缺乏3D的真實感，也無法真實地呈現鍵角的差異性。有些市售的3D具體模型雖然具有3D效果，但較昂貴且模型過小，不適合上課時展示使用。鑑於以上的缺點，研究者自製大型的3D模型，以具體模型配合語文解釋，讓學生了解混成軌域的形狀、方向與鍵角等概念。    圖1a：sp混成軌域模型        圖1b：sp2混成軌域模型        圖1c：sp3混成軌域模型 三、多媒體教材 研究者從台北市多媒體教學資源中心（網址：http://etweb.tp.edu.tw/epa/paper_show），搜尋到台北市93年度中小學多媒體教材甄選佳作作品，主題是探討分子軌域與形狀（沈俊卿、李偉新、林世明，2004），內容與本研究的科學概念相符合，於是以此多媒體教材說明混合軌域、價層電子對相斥學說（VSEPR Theory）、分子形狀與分子結構。主要的介面詳見圖2。 圖2：探討分子軌域與形狀多媒體教材的主要介面與內容 四、教學活動—自製串珠C60分子模型（具體模型） 此活動目標：實驗組學生藉由開放式動手自製分子模型的小組活動，藉由動手做與小組協商的歷程，讓學生主動學習與從事探究活動，不僅可以讓學生對於科學概念的學習達到深層的瞭解，也提升學生解決問題的能力（見圖3a）。 圖3a：串珠C60分子模型 活動與課程內容的連結：活動內容除了讓學生藉由串珠分子模型提升學習興趣之外，學生也從模型中了解C60的鍵結方式是二個單鍵加一個雙鍵（圖2中，紫色珠子：單鍵、白色珠子：雙鍵），並建立其混成軌域為sp2，算出C60中共有90個σ鍵（相當於是多面體的邊）與30個π鍵，並於尤拉公式連結，計算出C60分子中有12個五邊形、20個六邊形。學習單部分內容見圖3b。 圖3b：串珠C60分子模型學習單部分內容 五、以角色扮演說明二氧化碳的分子形狀與極性 活動設計與內容： 1.      請一位女學生扮演C原子，二位學生分別扮演O原子（如圖4）。 2.      男同學兩隻手拉住碳，用以表示C＝O。 3.      兩位男同學同時拉住女同學形成直線形，表示二氧化碳（O＝C＝O）是直線形的分子。 4.      接著說明氧的電負度比碳大，因此共享的兩對電子對會拉向氧原子，而形成極性共價鍵。 5.      因為二氧化碳是直線形的分子，因此兩邊共價鍵的極性會抵消（以合力做類比：大小相等的兩力，夾角180度時，兩力會互相抵消，合力為零）。   這是二氧化碳分子，碳與氧之間形成雙鍵（左）；整個是一個直線分子，氧的電負度比碳大（右）   氧會將共享的電子對往氧的方向拉動（左）；由於是直線分子，整個分子並沒有極性（右） 圖4：以角色扮演說明二氧化碳是直線分子，是無極性的分子 六、建模教學設計 建模的歷程分為模型的選擇、模型建立、模型效化、模型調度與應用（Halloun, 1996；邱美虹，2008），相關定義詳見表3。小組活動是藉由開放式動手自製分子模型的歷程讓學生主動學習與從事探究活動，不僅可以讓學生對於科學概念的學習達到深層的瞭解，也提升學生解決問題的能力（Marx, Blumenfeld, Krajcik, ＆ Soloway, 1997；Krajcik, Czerniak, ＆ Berger, […]

科學模型與建模：設計建模與多重表徵的模型教學活動以增進高二學生的化學學習—以化學鍵、分子混成軌域、分子形狀與結構為例（下） 鍾曉蘭 新北市立新北高級中學教育部高中化學學科中心chshirley2007@yahoo.com.tw   〔承《科學模型與建模：設計建模與多重表徵的模型教學活動以增進高二學生的化學學習—以化學鍵、分子混成軌域、分子形狀與結構為例（中）》〕 n  研究成果 一、教學成效分析 (一) 兩組學生教學成效比較 兩組學生在三次評量中的顯著性比較見表7，評量1是在教學前進行的，從顯著性比較中我們可以了解到兩組學生在教學前對於的相關概念上並未達到顯著差異（independent-t test, t(70) = 0.06, p = .950)，兩組在評量2與評量3之間的顯著比較則以評量1為共變數，進行ANCONA test，分析結果顯示，建模+多重表徵模型組（N = 36）經過多重表徵的模型與建模歷程的教學活動之後，在評量2的答題表現大幅度的進步，而且與建模組之間達到顯著性的差異（F(2,69) = 4.07, p < .05）。教學之後兩組再進行評量3的測驗，兩組成績亦達到顯著性的差異（F(2,69) = 17.71, p < .001）。 表7：多重表徵模型組與傳統教學組三次評量兩組之間的顯著差異分析 註：1. MM組為建模+多重表徵模型組（N = 36）；M組為建模+一般分子模型組（N = 35） 2. 評量1兩組進行independent-t test；評量2,3則以評量1為共變數，進行ANCOVA test (二) 兩組學生組內教學成效分析 接著以paired-t test分析兩組學生在不同評量組內成績是否達到顯著進步，分析結果顯示，兩組在教學的歷程中每次的評量成績皆達顯著進步，詳見表8。不論是進行建模教學或是建模＋多重表徵模型教學，對於學生學習共價鍵與分子結構等概念都有顯著的幫助。特別是建模＋多重表徵模型組的得分率在教學中∕教學後大幅揚升至45.2/67.2％，顯示出多重表徵的模型教學活動將抽象的微觀粒子運動及VSEPR理論等抽象的概念轉為實體或動畫，可以幫助學生對於概念的理解，因此在教學後建模＋多重表徵模型組達到67.2％的正確率。不過兩組學生在教學歷程中，究竟在哪些子概念上發生不同的演變途徑，仍有待研究者進一步分析。 表8：建模+多重表徵模型組與建模組不同評量組內的顯著進步分析 n  結語 一、  建模教學有助於學生學習σ鍵與π鍵與分子形狀相關概念 不論是進行建模教學或是建模＋多重表徵模型教學，對於學生學習概念都有顯著的幫助。特別是建模＋多重表徵模型組的得分率在教學中∕教學後大幅揚升，顯示出多重表徵的模型教學活動將抽象的微觀粒子運動及VSEPR理論等抽象的概念轉為實體或動畫，可以幫助學生對於概念的理解，因此在教學後建模＋多重表徵模型組達到67.2%的正確率。 從兩組學習成效來看，本研究利用建模歷程融入教學，在建立學生σ鍵與π鍵、分子形狀兩個子概念的成效較為顯著，顯示出學生能夠藉由建立模型而形成適當的表徵，並用於解決問題（模型應用），這部份的結果與Justi & Gilbert（2002）所提出的觀點一致。 […]

化學的填字遊戲？ 蔡蘊明 國立臺灣大學化學系ymtsai@ntu.edu.tw n  前言 國際純粹及應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）與國際純粹及應用物理聯合會（International Union of Pure and Applied Physics, IUPAP）在去年（2015）末宣佈，已經成功的證實四個原子序數為113，115，117，和118的新元素之存在，因此化學元素週期表的第七行（或第七週期）正式宣告填滿，如圖一所示。 圖一：化學元素週期表第七週期宣告填滿 （圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Transuranium_element） 週期表向來是與化學緊密連結的圖騰，此消息一出，讓化學難得的在各大報章上博取了不少的版面，但激情過後，我們要問，這對化學到底有何影響？化學追求的會是一個像填字一般的遊戲嗎？這種淪落於膚淺的認知不是化學的專利，君不見民眾對生物的認知好像也只是基因密碼的破解，對物理的認知好像只是基本粒子的追求，何其一般。因此，站在一個化學人的立場，讓我們來探索一下這個領域真正在追求的是什麼。 n  簡介 為了方便理解本文，先對核化學的常見表達方式做簡單的說明。化學家會在元素符號的左下角註明其原子序，亦即該元素核內質子的數目，符號的左上角則註明其核內質子與中子合計的數目，稱為質量數。例如：紀念科學家波爾的元素bohrium（Bh, ），以Bh為其元素符號，Bh的一個同位素可用  表示，意指其原子序數為107，核中除了107個質子外，還有155個中子（同位素係指二核種具有相同的質子數但不同的中子數），質子與中子數目之合就是質量數。另請注意，在討論核的變化時，通常不會註明核外的電子數目以及是何種化學型態（化合物）。 n  融合 通常在鈾元素（原子序數為92）之後的元素，稱為超鈾元素，大都是透過人工合成的，為不穩定的並具放射性，會衰變成其它核種，每一個特定的核種會具有其獨特的衰變方式，一步步衰變至一個穩定的元素，這一系列的衰變稱為衰變鏈（decay chain）。 第一個超鈾元素是在1940年在美國加州大學柏克萊分校的兩位物理學家Edwin Mattison McMillan與Philip Hauge Abelson所製造的，他們以中子（）撞擊氧化鈾（鈾238）得到鈾-239，如式[1]所示，而鈾239接著衰變成為錼（neptunium-239）並釋放出beta-射線（），如式[2]所示。  +   à     [1]  à  +     [2] 在錼衰變的過程中，核內中子釋放出帶負電的電子而轉變成帶正電的質子，因此原子序數增一而質量數不變。 以上的合成方法是透過不帶電的中子撞擊核，這種融合較為容易，而許多超鈾元素是經過核融合來製備的，也就是以一個核去撞擊另一個核，但由於質子帶正電，因此核具正電，使得核融合因為正電的相斥而非常困難，需要非常高的能量，基本上是透過線性加速器或環形加速器將某離子加速，以極高的能量撞擊塗佈另一核種的靶來引發核融合。例如原子序為114的鈇（flerovium；元素符號為Fl），是在1999年透過鈣-48（）撞擊鈽-244和242（, ）的靶所得到的，其中質量數289的同位素（）最穩定，其半衰期為2.7秒。在此核反應中，鈣的原子序（20）加上鈽的原子序（94）就等於鈇的原子序（114）。 若是以較輕的核種為加速的離子去撞擊重核種的靶，得到的核融合產物會以較高的能量狀態存在，這稱為熱融合（hot fusion）。因為融合產物處於高能狀態，很容易進行核分裂產生原子序小的核種，因此使得熱融合只能合成到原子序106者為止。但後來發現若用較重之核種的離子作為撞擊者（例如鈣），撞出的融合產物會處於較低的能量狀態，被稱為冷融合（cold fusion）。 這屬於高能物理的研究領域，概念上好像很簡單，而喜歡看科幻電影的讀者可能注意到「鋼鐵人」影片中，主角天才科學家史塔克為了尋找強大能源，認為需要一種新的元素，是而一天之內架起一套加速器，三兩下就製造出了一個了不得的新元素，放在胸前以供駕馭那套鋼鐵服裝。但在現實的層次，要建立一部加速器是需要億級以上的經費（這當然難不倒史塔克），更要花上數年的時間來建造，每年至少上千萬的經費來維護，能夠運轉之後必須耐心的打靶，撞個十天半月才能得到數“顆”新的核種並不令人意外，但要確認是否撞出新的元素還需要很漫長的時間去解讀分析收集所得的資料，整個過程絕非科幻電影所描述的那般神奇，科學家需具有的耐心和毅力在這個領域彰顯無疑，更不用說這些超鈾元素都是具有放射性的，處理時要極度的小心，要能放在心窩還能在天空飛翔戰鬥，根本是神話了！ 實際上，現今有財力和能力執行核融合實驗的地方屈指可數，其中最著名者包括位於蘇俄Dubna（杜布納）的Joint Institute […]

結合微電影於製作豆腐和植物染實驗中— 創意影片拍攝心得分享（下） 劉曉倩 國立彰化高級中學 教育部高中化學學科中心 torrina01092002@yahoo.com.tw 〔承《結合微電影於製作豆腐和植物染實驗中—創意影片拍攝心得分享（上）》〕 n  微電影拍攝心得 一、  創意不設限 隨著大眾生活忙碌，使用平板和手機的習慣頻繁，微電影（Microfilm）儼然成為一般民眾消遣娛樂的主流，所謂微電影其實是「微型電影」的簡稱。指的是運用在各種新媒體平台上播放，適合在移動狀態或短時間休閒狀態下觀看的、具有完整策劃和系統製作體系支持的完整故事情節的「微（超短）時（30-300秒）」放映。這類短片週期製作時間不長，內容融合了幽默搞怪、時尚潮流、公益教育、商業定製等主題，可以單獨成篇，也可以系列成劇。 教育部於2013年因應主流，加強培養「會說會寫會玩會演科學故事的人才」，使科學、原理及意涵等艱澀知識，藉由影音、圖像等數位媒體與闖關活動創意方式，變成社會大眾容易閱讀吸收的資訊。希望透過學生擔任關主親手實作解說實驗原理，提昇科學素養，落實國內科普教育之推動與發展。 為避免學生拍片主題流於鬆散，學科中心蒐整各校學生實作課程教學優良示例與學科中心教學資源研發推廣小組研發創意趣味實驗，以提供參賽學生參考。 筆者的學生對於參加創意闖關比賽及拍攝影片興致一開始並不高，筆者先將闖關主題的詳細實驗步驟及實驗試做成果供學生參考，科學班利用專題課的科展空檔，普通班利用午休及社團活動時間，試做實驗及拍攝。印象最深刻的是其中一組學生所做的闖關題目是「水果酵素炸彈」（見圖3），逗趣的對白及生動的配樂，彷彿帶著魔法吸引了在場所有同學的目光。其中一位學生是設計專才，另外一位則是動漫迷，兩個不同專才領域的組合，在化學領域激盪出火花！ 圖3：學生練習創意闖關比賽影片拍攝 透過一次又一次的拍攝過程激發多元思考，從怯生生的面對鏡頭，到以劇情串連實驗甚至以幽默的方式呈現刻板的實驗流程，學習團隊合作及邏輯思考之能力，進而完成闖關活動創作，享受操作實驗之樂趣。 二、  老師只是配角 「如果要拍個有關化學微電影，你會怎麼寫劇本吸引一般大眾去觀賞？」一次上化學課，跟大家聊到微電影時，一時興起問學生的看法。開放性的問題引起大家熱烈回響，化學實驗就像是一道最頂級的美味，「食材」（實驗藥品和儀器）可以由老師準備，但如何燒出好菜（實驗流程）讓顧客（鄉民）賞臉，就是主廚（學生）的本領了。 以下是幾位參與2014及2015年學科中心影片拍攝的學生訪談。 問：當初參與拍攝學科中心影片的動機是什麼？ 郭承賢（簡稱郭）：覺得好玩，拍攝主題是「家庭化學」，因為家住鹿港菜市場旁，常會看到有小販賣洋蔥，聽老師說洋蔥表皮可以染色覺得很新鮮，想做看看，之後試做了其他果皮染色，但效果不如預期，尤其是火龍果顏色好紅，染布卻無法上色，覺得染布學問大不簡單，要做得好是真學問。 吳秉儒（簡稱吳）：設計實驗很新鮮，以前都是照著實驗紀錄本做，對於結果幾乎都可以預期，但是拍攝實驗影片不同，自己不僅對實驗原理和內容要熟悉，實驗步驟還要自己構思，覺得很有挑戰性。 梁佑任（簡稱梁）：想嘗試新的事物，上網查實驗資料，實驗數據整理及配合時事撰稿，覺得很有成就感！圖4、5、6及7為學生進行實驗影片拍攝過程。 圖4：2014年學科中心影片「神奇植物染」染布過程 郭碩修（簡稱修）：覺得微電影很潮，自己寫劇本當主角，很有趣！手工抄紙不如想像中好做，做了十幾次，常常不小心烤焦，因為研究主題的關係，所以特別上網查廣興紙寮發展史，了解台灣造紙業的興衰，覺得傳統產業真的很辛苦，需要政府支持及維護，並找出新的發展契機。 圖5：2014年學科中心影片「可以吃的手工抄紙」 王彥之（簡稱王）：以前看教學影片，不是很在意，這次有了拍攝機會，當然想去試試看，做實驗儘量找有把握的，想拍一些較有趣的主題，讓朋友及家人了解家庭中化學處處可見，親近化學可以讓自己活得更健康。 蕭然駿（簡稱蕭）：自己是被動被說服進來拍攝，但在跟其他組員討論時，覺得將課本生硬的主題設計成劇本很有挑戰性。本身個性較害羞所以常會忘詞，覺得演員真的不簡單！ 問：在課業繁忙的高中生活中，如何完成事前準備工作？自己是否有類似的拍片經驗？拍攝當天有什麼感覺？ 吳：劇本是自己上網看Youtube影片找靈感，到學校後與同組夥伴一起順稿，實驗試做是利用專題課完成，自己不是第一次演戲，國小演過灰姑娘，國中參與過成發及外交小尖兵，但到拍攝現場面對鏡頭還是會緊張，尤其是新民高中實驗室設備很乾淨也很專業，導演很親切又會帶戲，覺得自己要多加油些。 郭：國中時是童軍團，常有機會演戲，拍攝實驗影片時恰好是期中考前幾天，所以準備不多，但因為稿子是自己花了好幾個晚上完成，所以印象特別深刻，覺得很有成就感！ 王：劇本是利用下課時間與夥伴像聊天的方式順稿，老師提供好幾個實驗主題概念，我們先做自己較有把握的部分，上網查資料，並且在家裡的鏡子前練習，儘量練到不刻意的感覺。 拍攝當天現場很專業，導演很會演戲也給了很多寶貴意見，他通常不會強迫我們怎麼演戲，所以氣氛很輕鬆，演起來也自在。   圖6：2015年影片「高分子聚合物迷思」拍攝（左），導演和剪輯師以專業鏡頭檢視拍攝（ 右） 梁：我們的劇本是配合時事撰稿，上網查相關的實驗內容和步驟，放學後利用通訊軟體聯絡並練習，有時利用LINE互相討論並順稿，我參與了兩次學科中心影片拍攝，雖然都是擔任搞笑的腳色，但拍攝主題不同，準備方向也不一樣，爾後看到YouTube實驗影片會更注意，對於其他老師拍攝的內容也會想多去了解。 修：我也是參與兩次的實驗影片拍攝，第一年拍攝時看到很專業的攝影機，不知道眼睛要看哪裡？導演很有耐心，會一次又一次的指導，第一次拍攝手工抄紙時，假裝踩到香蕉皮摔跤好幾次，結果影片剪輯完成時，居然被全剪光光，深深體會演員的甘苦。第二年拍攝時，導演一刀未剪，覺得自己已漸被肯定，覺得很開心！   圖7：2015年影片「魔法學老師吹毛求疵」拍攝（左），拍攝影片完大功告成師生合影（右） 問：影片剪輯完成後自己是否有推薦給家人和朋友觀賞，他們的看法如何？對於此類影片拍攝是否有些建議及心得？ 吳：自己看了影片後，會希望影片趕快結束，哈哈～朋友說我的表情很有戲，但我知道他們很羨慕，能在學科中心的影片中出現覺得很驕傲，相信十年、二十年後會很懷念這段青春時光！以前刻板印象覺得學科中心影片都是老師在上課講解，所以在YouTube看到時都不是很注意，現在真正參與其中，發現其實其他老師拍攝內容十分有趣，而且題材生活化，對於普羅大眾了解化學很有幫助，我覺得宣傳很重要，希望透過大眾媒體廣為宣傳。 郭：能跟自己的好友一起拍攝真的很開心，同時也介紹給自己的家人及朋友一起去觀賞，覺得很有成就感，家人覺得「家庭化學」很有趣，希望學測完可以再去拍攝。 王：拍攝完自己不太敢看，覺得自己耍寶有些蠢，但一方面又很想讓同學去看自己的表演，未來想拍5~10分鐘長度的微電影，結合更多生活中的化學和搞笑的劇情，希望學測完可以全心全力來準備實驗劇本，為自已留下永恆回憶。 蕭：希望將來拍些結合時事的化學，尤其是有關油品檢測及食品添加物，讓一般人了解化學真的很重要，而且也很有趣！ 修：同學幾乎都看過影片，覺得自己好像明星，明年希望有機會可以拍攝食安問題，覺得影片標題也很重要，會吸引一般人想去看，希望學科中心影片廣為宣傳，大鳴大放！ 三、教師指導微電影拍攝心得—翻轉角色 在網際網路迅速發展的時代下，大眾使用網路的頻率也逐漸增高，尤其是青少年。在傳統媒體之外，網際網路提供了另一種廣告宣傳平台。這也使得微電影崛起，相對於一般傳統廣告，微電影以短片的模式將產品置入影片，利用影片中的演員、情節以及氛圍，更加深消費者對商品的印象。微電影沒有時效性、也不需要高額的傳播費用、直接利用YouTube就可以免費上傳影片，具有「病毒式傳播」的特性，同時微電影可以與觀賞者利用平台互動分享心得，有別於傳統廣告無法與消費者交流分享，吸引更多消費者注意，甚至達到廣告的目的。 化學微電影是除了臉書以外可以與讀者分享的有聲平台，有別於傳統教學實驗影片，同時也翻轉了傳統角色安排，以學生當主角，老師在輔導者的位置，畢竟真正的學習主體是「學生」，學生會比老師更了解時下年輕人想要知道的主題及表演方式。 指導學生實驗影片拍攝幾年下來，發現他們的頭腦很活，對於實驗也很有主見，雖然沒有酬勞、沒有獎盃，更無關升學，但參與的學生都樂在其中，無須彰顯。也許對學生而言，能參與化學奧林匹亞選訓營是求學時期的夢想；然而對老師而言，彰顯的卻不只是帶著一些有才的學生成為國家代表選手而已，而是能看到學生在自己的引領下慢慢地進步，享受學習，熱愛化學，如同當年戴維博士發現了法拉第，如璞玉般耐磨而漸漸散發出耀眼的光芒！ n  參考資料 1.      […]