週期表教學的why,what與how 鄭志鵬 臺北市龍山國中 jjpong@lsjh.tp.edu.tw ■        前言 週期表的課程屬於國中八年級上學期第六章的「元素與週期表」單元。許多學生甚至老師，會認為此課程就是把元素的性質和週期表背起來，許多人也常會認為週期表在科學上的扮演的角色，只是許多資料的整理與累積而已。 但與大多數學生的認知相反的是，週期表課程中最重要的並不是內容的記憶，而是察覺元素之間有規律性和週期性。108課綱中也揭示了這一點。 週期表不但彙整了元素的性質，更重要的科學家們因此察覺了看似無關的元素之間有許多相關之處，暗示了不同的元素內部必然有相關的組成要素。週期表甚至可以說是原子內部結構的外顯徵象。教學上，先認識各自獨立的元素性質，再探究元素之間隱約存在的規律性，最後再認識原子內部結構，揭開元素的秘密。 以往在元素規律性的教學，教師多用講述的方式告訴學生最後的結果，也就是週期表。對多數學生來說，只會覺得這是一個無意義的背誦，無法體會週期表的意義與重要性。如果可以讓學生體會週期表的科學意義，我認為是比起單純的背誦更有價值的學習。 為了要達成這個目標，筆者設計了三十五張有元素性質的卡牌為教具，讓學生試著站在十九世紀化學家的角度去閱讀元素資料，並嘗試對元素進行分類整理、找出規律性與週期性，並了解德培萊納與門得列夫門得列夫的觀點，和他們一樣試著整理紊亂的資料，從中發現規則與模式。同時，亦期待學生透過該活動可以瞭解，若我們可以利用建立的模式發現未知的事物，該模式就具有更高的價值。 筆者希望藉由這個教育和課程，讓週期表的學習能夠切中科學的核心價值。將週期表的課程從單純的記憶與工具，提升到對自然現象的觀察、歸納、思考與預測。讓學生能感受在看似紊亂的自然現象中，理出規則，豁然開朗看見一條道路的樂趣。 ■        週期表教學的what與why         「週期表」是中學科學課程中，一個重要的單元。它在科學史上是一個困難的、重要的發現（或發明）。在人類探索自然界，累積了許多對於元素的概念之後，開始有一群人感覺的這些元素之間似乎有一些什麼規律性。經過了一段時間的努力，許多科學家，像是德培萊納、邁耶爾、門得列夫等人投注了甚至是畢生的精力之後，終於找出了元素具有週期性與規律性。         為什麼週期表很重要？因為它帶領著物質科學，從將物質純化與認識性質和其反應特性的科學，轉化揭示了這些不同元素並不是單純的「不同」，而是這些不同的元素背後，其實一定有某種因素在支配著，使其能遵循這些週期性。週期表讓原先著重物質特性與反應的科學提供了往上提升一層的可能性。也可以說，週期表的建立打開了二十世紀進入原子內部結構的近代科學大門。         為什麼建立週期表很困難？我們知道，這許多不同元素的性質如果攤開來看，真的會是一團混亂的資訊。若認為它們之間是獨立無關的，是很正常的想法。以後見之明來說，則會知道元素之間的關係。但如果將這些元素名稱都拿掉，只留下這些元素的性質，我們真的能輕易的看出它們之間的關聯嗎？在課程活動中，教師可以透過簡化過程讓學生體驗與學習處理混亂資訊並提出猜想，也讓學生稍微感受一下科學家的心血得來不易。         所以週期表課程要教些什麼？108課綱中，第四階段國中課程與第五階段高中必修與選修課程中的學習內容是： Aa-IV-4元素的性質有規律性和週期性。 CAa-Vc-3元素依原子序大小順序，有規律的排列在週期表上。 CAa-Va-5 元素的電子組態和性質息息相關，且可在週期表呈現出其週期性變化。         可以看到不管在哪一個階段的課程，週期表的學習內容都在了解元素是有週期性與規律性的。到了高中選修才引進電子組態與元素性質的關係。那麼以學習表現來說，就可以搭配思考智能中的「建立模型」和問題解決中的「分析與發現」。 tm-IV-1能…理解較複雜的自然界模型，並能評估不同模型的優點和限制，進能應用在後續的科學理解或生活。 pa-IV-1能分析歸納…整理資訊或數據。 pa-IV-2…從(所得的)資訊或數據…獲知因果關係…。並能將自己的探究結果和同學的結果或其他相關的資訊比較對照，相互檢核，確認結果。         我們可以綜合領綱中的學習表現與學習內容，訂出我們在週期表課程中的具體學習目標為： 讓學生分析歸納、整理元素的資訊或數據、獲知因果關係，並能將自己整理資訊的結果與同學作比較，相互檢核。從中理解元素規律性與週期性的模型，並能評估不同排列方式的優缺點與限制。 ■        週期表教學的how         要達到上述教學目標，我們可以運用科學史的元素，讓學生經歷科學家蒐集資訊與整理資料的過程。在課堂中運用科學史融入的方式，除了說個故事給學生聽之外，我認為更好的方式，是讓學生親自扮演那個時代的科學家，去解決那個時代科學家關心的問題。當然是在一個設計過的情境下，讓解決這個問題的難度降低到學生可以處理的程度的課程設計。         在開始分析元素的規律與週期性之前，要先認識個別的元素，同時，盡可能讓學生能直接觀察元素，或者閱讀元素的性質，然後進行碳酸鈉與氯化鈣、氯化鎂、氯化鋇、氯化鈉、氯化鉀水溶液的混合實驗。讓學生發現有些會和碳酸鈉水溶液產生沉澱有些不會，藉此讓學生發現「有些元素的性質是接近的」「可以把這些元素進行分類嗎」這樣的想法。接著就是承接這個想法，讓學生觀察大量元素的性質，並嘗試像門得列夫一樣，看能不能找出有意義的排列方式。         能親身去體驗科學家解決問題的過程，就更能理解科學家的思考方式與同理科學家會遇到的艱辛歷程。在週期表的課程中，要怎麼讓學生去嘗試科學家的努力呢？我模仿門得列夫思考元素週期表的方式，設計了一套35張的卡牌，代表了在19世紀人類已知的其中35種元素。 卡牌上紀錄元素的外觀、性質，元素性質的描寫法，刻意將某些同族元素的性質，用相同的文句描寫。此外，還紀錄了元素的常見化合物。化合物的種類和比例，也刻意讓同族的元素有相同的化合物組成比例，這樣才能降低難度讓中學生有機會可以發現端倪。此外，卡牌還提供了密度和原子半徑等等訊息。當然，有些訊息並不是19世紀就知道的，但放在卡牌當中，可以讓資訊更豐富，學生在討論思考時，也能有比較多的素材可以運用。卡牌正面設計的外觀如下圖一、二。以鈉和鉀為例，化合物的寫法和元素性質的語句描述就有諸多類似之處。 首先讓學生挑出其中12張卡牌，分別為「鋰鈉鉀鈹鎂鈣硫硒碲氯溴碘」。這些卡片上面都有紅色點標示（如圖1、2），所以不用翻看背面名稱訊息就可以挑出正確的卡牌，接著依照教師指示，將原子量為7, 9, 32,35.5四張卡牌找出來作為排頭。試著把其他八張卡牌中，性質接近的卡片放成同一組。這是1829年德國化學家德培萊納提出的三元素組。但本文作者依據課程需要和卡牌設計的限制，將其中的鈣鍶鋇改成了鈹鎂鈣。     圖1、元素卡片「鉀」的正面   圖2、元素卡片「鈉」的正面       圖3、元素卡片「鉀」的背面 […]

武陵高中多元選修課程模組：彩色化學篇 張明娟 國立武陵高級中學 教育部高中化學學科中心 bcat1764@gmail.com 前言 天下雜誌2010年調查1：國中生最不喜歡的科學學科是「數學」，高中生則最不喜歡「化學」，近四成學生「都沒做過」科學實驗，顯示台灣科學教育實作太少。身為化學教師的我，一直引以為戒；然而化學是一門實驗科學，做中學學中做，因應新課綱發展多元選修課中，因為是放在高一試跑的一門選修課，如何讓學生有興趣，且老師在原有的課程中不會有太大的負擔，實驗原理以簡單國中曾經學過的出發，重點放在實驗技能的訓練，引發學生學習興趣；然而高一學生化學背景較少，在國中階段大多從未做過實驗，筆者調查過學生中，8成以上都是黑板實驗，因此這門選修課除了實作外，評量部分該如何進行也是這門課的重點。學生大多喜歡以競賽的方式獲得成就感，因此筆者從學科中心的化學闖關中－競賽評分標準中，發展出屬於這門選修課的評分方式(佔70%)，再加上學習單的完成(30%)。此選修課一學期2學分，選修人數上限24人，便於分組，以三次段考為區分，有三個課程模組，筆者發展的課程模組主要是以彩色化學為主題，藉由顏色繽紛引發學生興趣，分別是｢彩色化學之我最精密｣與｢彩色化學之我最準確｣。   課程模組一：｢彩色化學之我最精密｣ 2012 年由化學學科中心辦理的高中生「化學創意實驗闖關比賽」2中，其初賽題目(二)：我最精密。原實驗說明如下：參與者自行配製不同密度的食鹽水並自行添加不同顏色(水彩)，將不同顏色的食鹽水倒入量筒中，利用食鹽水密度不同，使溶液分層，每個分層至少需 1.5 公分，顏色分層須清楚。筆者在帶學生參與比賽過程中，發現學生必須使用較大量的廣告顏料或水彩，而造成汙染(因顏料內含重金屬)。為了符合綠色化學精神，此課程模組把紫色高麗菜作為顏色的來源，並導入酸鹼指示劑的概念。這個模組操作時間為3週共6節課，其內容分別敘述如下： 第一週： 分組：先花約20分鐘分組，因為選修的學生來自各班，可以將鄰近班級的學生分成同一組，讓彼此方便於課後討論聯絡，選出組長並留下各組組長的聯絡方式，便於老師通知學生。再花約30分鐘介紹進實驗室的安全流程，因為學生來源是高一，大多未進過實驗室，利用這段時間介紹實驗室注意事項與實驗室安全守則，也把實驗室環境介紹，器材的擺設位置，接下來說明此次實驗會使用到的實驗器材及使用方式(圖1)。   圖1：實際上課使用的PPT 第二節課給學生實驗流程，讓學生分組討論後自行拿取實驗器材與實驗藥品，公共藥品區放置0.2 M氫氧化鈉2 L、0.2 M鹽酸2 L溶液與一顆紫色高麗菜，其實驗流程如下： 實驗流程 1.      自製酸鹼指示劑(紫色高麗菜汁) 將紫色高麗菜約50克剪碎後以熱蒸餾水50 mL浸泡約5分鐘，過濾後冷卻至室溫備用。 2.      酸鹼稀釋 使用安全吸球與吸量管吸取10mL的0.2 M鹽酸或氫氧化鈉水溶液置於100 mL容量瓶中，加蒸餾水稀釋至標線處，即為0.02 M鹽酸或氫氧化鈉水溶液。 3.      指示劑變色範圍 (1) 在1號試管內加入5 mL的0.2 M鹽酸水溶液與5 mL紫色高麗菜汁溶液 (2) 在2號試管內加入5 mL的0.02 M鹽酸水溶液與5 mL紫色高麗菜汁溶液 (3) 在3號試管內加入5 mL的蒸餾水與5mL紫色高麗菜汁溶液 (4) 在4號試管內加入5 mL的0.02 M氫氧化鈉水溶液與5 mL紫色高麗菜汁溶液 (5) 在5號試管內加入5 […]