武陵高中自然科探究與實作前哨站 – 溫室氣體對全球氣候變遷之影響   吳德鵬 國立武陵高級中學 教育部高中化學學科中心 depeng.tw@gmail.com 壹、前言      依照十二年國民基本教育課程綱要–自然科學領域草案1裏指出，科學學習的方法，應當從激發學習者對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學習者能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力，並強調跨領域學科之間的整合，以綜合理解運用自然科學。為強化上述目標，教育部於高中教育階段增列自然科學探究與實作課程必修學分，這門課不限單一科目授課、不限主題及方式，但是必須引導學生懂得自己發現問題、蒐集資料並進行分析、找出解決方案；有些教師沒有相關經驗，對開課感到焦慮。筆者學校武陵高中自然科的教師，曾以綠能科技為主題共同執行高瞻計畫，結束計畫後組成了共備社群，為期一年的社群運作討論出以『全球氣候變遷』為主題，作為108學年度開設的探究與實作課程的基礎，並將於106學年度在高一開設多元選修課程以試跑此課程，筆者在此先提供目前本校的規畫架構，並詳述其中溫室氣體影響的實作單元的操作方式，以提供老師作為一個討論的實例。 貳、開課架構      目前本校預計開設的選修課程為2學分，是由物理、化學、生物、地科等共8位教師共同開課，分別授課兩班每班各24位學生，授課主題內容大致上如下: 氣候變遷的聯想:(1)『便利貼』活動(2)影片介紹 (3)分組（訂定報告主題） 科學文章閱讀：《農業排放氣體與溫室效應的關係》與《北極植物也覺得熱了》兩篇，教師挑選及擷取適當的文章，並共備設計學習單，引導學生閱讀學習基本概念。 溫室氣體影響實驗: (1)CO2(2)H2O。 顏色與融冰關聯實驗。 分組主題報告，讓學生報告有興趣的相關主題，並共同討論。 科學文章寫作教學，小論文產出。 氣候變遷辯論賽，『川普是對的嗎?』為主題，仿青年尬科學方式進行。 叁、溫室氣體的影響之探究與實作     二氧化碳目前存在大氣的比例，以及預估未來會排放的量，對全球暖化的影響可能最大，到底全球暖化是否是個騙局?又二氧化碳的濃度與溫室效應的影響程度有何關係?以下提供了相關課程，讓學生能進一步探討這疑問。      首先實驗裝置使用了一個大型密閉樂扣箱，準備兩個寶特瓶放在兩側，在兩個寶特瓶內相對應的位置，再各裝置一個可測量溫溼度的傳感器，利用Arduino套件收集兩個密閉寶特瓶的溫濕度變化，此對照實驗組可以一邊充填溫室氣體，另一邊為正常空氣，並在兩個寶特瓶正中間裝置燈泡模擬太陽能，實驗裝置如圖一。此裝置是筆者藉由化學學科中心與高師大自造者基地合作辦理，於去年年底至今年年初一系列的研習活動所製作的，也歡迎老師們參加由化學學科中心，為探究與實作所舉辦的一系列教師增能研習，交流相關教學經驗。 圖一、定性分析的實驗裝置，設定每10秒偵測一次寶特瓶內的溫濕度變化 以下說明溫室氣體的影響之探究與實作兩節課的教學流程。 第一節課 (1)   先由教師示範實驗操作，步驟為左邊以鋼瓶充入CO2 40秒，右邊為空氣對照組，轉緊瓶蓋並將大樂扣箱加蓋後，ARDUINO主機連接電腦，觀察兩個密閉寶特瓶內讀取的溫溼度是否平衡達一致，然後開燈25分鐘後再關燈，由電腦紀錄過程的溫溼度數據變化。 (2)  再請各組討論並上網尋找相關資料15分鐘，預測左右兩組寶特瓶，開關燈後可能的溫度變化情形，並請各組先將討論結果填寫在黑板上，後再請各組說明預測的理由，並在FB群組分享找到的參考資料，過程如如圖二~四，讓學生學習小組討論、蒐集有用資料以及訓練表達能力。本過程大致上使用了POEC的教學策略2，藉由此相關活動讓學生預測、觀察、解釋、比較，溫室氣體對溫室效應的影響。 圖二、學生分組預測，填充溫室氣體與空氣的寶特瓶，哪一個開關燈後，溫度上升及下降較快? 圖三、藉由小組討論，分別上網找尋相關資料，以提供預測的相關證據。 圖四、上台解釋目前預測的依據，並上傳相關的參考資料於臉書等社群分享。 第二節課 (1)   在實驗前藉由兩個保特瓶都裝入正常空氣，開關燈後觀察，兩邊溫溼度變化是否相同，以此作為實驗器材校正的依據，並確定實驗數據的可信度，例如圖五的測試發現兩邊的溫濕度變化幾乎是一致的。 圖五、在實驗前教師須先校正實驗器材，並先作圖觀察。 (2)   為實驗數據整理的部分，將上節課ARDUINO偵測的實驗數據，整理成EXCEL的檔案給各小組，請各小組將兩寶特瓶內溫度及相對溼度隨時間變化的數據，利用EXCEL作圖分析(如圖六)，實驗後的結果大致上可以觀察到，含有較高濃度的CO2寶特瓶，在開燈後溫度的上升(橘色線)比一般空氣(黃色線)高，若實驗的結果與各小組預測的不同時，可使用學習單規劃，請其討論是否為實驗器材與操作條件的問題，用以完成POEC教學策略裡觀察、解釋與比較的部份。 圖六、讓學生分析溫濕度變化的情形，並輔導其製作圖表，以利實驗數據的分析與判讀。   目前設計了三週，每週各2節的課程，分別探討以下溫室氣體及其交互的影響: 1. 乾燥二氧化碳與乾燥空氣對照實驗組:比較CO2對溫室效應的影響。 2. 潮濕空氣與乾燥空氣對照實驗組:可藉由加入少量水，來比較H2O對溫室效應的影響。 3. 潮濕與乾燥二氧化碳對照實驗組:比較CO2混合H2O對溫室效應的交互影響。      本課程還能加入CO2濃度感測器(圖七)，讓有興趣的學生，更進一步作定量分析，也能再擴充感測器的數目及種類，讓學生組裝設計不同的實驗。其中創客技術的使用，使得實驗器材的選擇更自由，能隨所需的實驗目的而調整及擴增，並且還有便宜而易於推廣等優點。 圖七、定量分析的實驗裝置，除了溫溼度的偵測外，再增加CO2濃度的感測器。 肆、結語      […]

再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（上） 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所mhchiu@ntnu.edu.tw n  前言 2016年《臺灣化學教育》期刊曾以「科學模型與建模」為專題，出版8篇文章，其中不乏對模型與建模觀點的評介（邱美虹，2016）、臺灣和芬蘭教科書原子結構單元之比較（周金城，2016）、跨國學生模型觀點的比較研究（宋元惟、邱美虹、鍾曉蘭，2016）、教師模型觀（林靜雯，2016）、科學建模文本的成效（鐘建坪，2016）、科學建模的教學設計（王嘉瑜2016；洪蓉宜和張欣怡，2016；鍾曉蘭，2016）。本文擬再就該主題進行討論，並從科學模型發展史的角度探討科學家在理論發展的過程中如何透過模型發展出解釋科學現象的理論，這種引介科學家模型發展歷程的教學，為「真實性學習（authentic learning）」教學取向之一，可作為12年國民基礎教育自然領域建模能力培養之參考。 n  科學模型發展史與建模歷程 科學的發展常透過理論的建立來闡述科學現象中複雜變因之間的關係。根據史料顯示，我們不難看到科學模型的建立在科學家發展理論的過程中扮演重要的角色，譬如法拉第很早就以描述性的圖繪方式繪出電磁場的概念並用以說明電場和磁場之間的互換現象、這觀點對後來馬克士威（Maxwell）發展電磁學理論有深遠的影響，且馬克士威也大量使用模型化的方式發展他的理論（Nersessian, 1992）、其它如牛頓定律、氣體動力論等等皆然，顯示建模是科學推理主要的過程，科學家產生、測試、具體化具有創意或可實行的想法，再透過一系列精煉模型的過程對科學現象加以描述與預測（Halloun, 2006）。在科學史上科學家運用系統性的推理方式發展理論，無異可以視為是一部科學模型發展史。 從科學哲學或本體論的角度觀之，Bunge（1974）認為模型可以視為是知覺的現實（perceived reality）和理想化的（idealized reality）現實之間的橋樑。換言之，模型是一種表徵，以簡約的方式呈現特定或複雜的關係，並盡量以逼近真實的現象來呈現。孔恩（Kuhn）則認為模型可以用在物件或是信念上，如原子、場、超距力等，但未必以實體存在；換言之，孔恩認為科學家可以相信理論實體和真實物體對應間的關係，但本體信念上未必能完全對應。因此，孔恩認為模型可以說是「在典範內問題的模型化解答（model solutions to problems within a paradigm）」（Gilbert, Pietrocola, Zylbersztajn, & Franco, 2000, p. 28）。而其他學者從認識論的角度探討模型時認為，模型可以代表一個物件、現象、過程、系統（Gilbert & Boulter, 2000）。而科學模型是一種將某系統的重要特性抽象化和簡化以解釋和預測科學現象的表徵（Schwarz等人，2009）。Lesh和Doerr（2003）從認為模型是透過外在的記號系統來表示成分（elements）、關係（relations）、運算（operations）、和規則（rules）之間彼此的交互作用（引自Schwarz等人，2009）。 Nersessian（1992）從認知歷史分析觀（cognitive historical analysis）出發，她認為發展科學理論是一種建模（modeling）活動，在心智中透過一連串的抽象化技巧（如想像力的推理、類比推理、思考實驗及個案分析），從既有的知識中產生新的概念表徵，進而產生科學理論。此觀點與Johnson-Laird（1983）指稱人類認知行為不僅是用模型來理解（make sense）周遭的世界，也能促使我們有效且不矛盾的建構知識，進而使這種建模歷程成為行為的常規（Halloun, 2006）。 Schwarz 等人（2009, p. 635）也指出，建模整體的過程就是不斷產生模型的過程。她認為學生應經歷下面四個建模過程才能了解建模的意義: 1.         學生建構與證據和理論一致的模型，以對現象進行說明、解釋或預測。 2.         學生對不同的模型進行評價以正確的表徵和說明現象中的型態（pattern），並得以預測新的現象。 3.         學生使用模型說明、解釋或預測現象。 4.         學生修正模型以增加解釋力和預測力，並考量新的證據或現象額外的面向。 那在教學過程中，科學教師如何處理模型與建模呢？一般而言，科學教師在科學教學中也會使用科學模型，有時是用來說明一個現象，有時是在解釋現象背後的理由。如教學上談到DNA結構時，生物教師會以DNA模型來說明雙股螺旋的結構；或是談到月相成因，會以三球儀來說明日、地、月的相對位置造成月相的變化情形。又如化學上強調巨觀、微觀、符號三位一體的重要性，根據不同的教學目的，在微觀上會運用不同的模型（如球–棍模型、空間填充模型、路易士電子點模型、電子雲模型）來達到教學目標，這種多重表徵的教學，也屬於模型教學的一種類型。但是針對科學模型的本質、目的、價值、與建構模型的歷程，通常較少見於科學教學中，就算是有，通常是以比較隱晦的方式去呈現，較少會以外顯的方式清楚明確的去教導學生認識科學模型與說明建構模型歷程的重要性。大部分的教學以模型為解釋科學概念的工具，而非去說明模型的功能與其可作為促進理論發展或進行預測時的利器、甚至不會去探討模型的侷限性。有鑑於此，推動科學模型化的思考與建模能力的發展應是當務之急。 n  酸鹼學習的研究 酸鹼在中小學科學教育中是一個重要的基本概念，同時它與生活的關係非常密切，在小學階段，酸鹼概念的引介，通常是從感官經驗出發，從觸覺、味覺等來認識酸和鹼的性質；譬如嚐起來是酸酸的就是酸、摸起來滑滑的就是鹼，這種從感官出發的學習，雖然非常直覺，有時也適用，但是該準則只是一些表面的特質，並不能完全適用在酸鹼物質的判斷。因此，隨著年級的增加，中學的學習內容便逐漸引介酸鹼理論模型，以說明物質的結構與在水溶液和非水溶液中的〝行為〞表現，因此酸鹼必須重新給予科學上的定義。此時，學生在酸鹼知識的學習進展上，不再以感官為主、也不能再望文生義（如誤以為〝碳酸〞化合物就是酸），而開始有系統地了解知識體系建立的原理原則。縱使如此，相關研究指出，學生在酸鹼概念上的學習仍是以表面的性質來認識與建立酸鹼概念，而非經由推理和論證的方式去理解酸鹼（Nakhleh, & Krajcik, 1994；Posada, […]

再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（中） 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所mhchiu@ntnu.edu.tw 〔承《再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（上）》〕 n  酸鹼理論發展史的範例 以下主要是介紹Oversby（2000）對酸鹼理論模型發展史所提出的七個階段，並探討模型和建模歷程的本質和目的。 1.        行為模型（Behaviour Model）：1777年以前，這是較早期的觀點，屬於描述型的模型。有關酸的基本性質包括以下幾點描述： l 嚐起來是酸的， l 會改變指示劑的顏色， l 會與活潑的金屬產生反應產生氫氣， l 會與碳酸化合物產生二氧化碳， l 會與鹼起反應，中和後失去酸的性質。 當時的化學家根據這些性質或行為便可以進行預測，然而在這預測的過程中卻發現有些物質無法符合這些特性，如苯酚（C6H5OH），俗稱石炭酸，理當能與碳酸鈉或碳酸氫鈉起反應產生二氧化碳，但這預測在後來的實驗中並未被證實。因為苯酚的酸性小於碳酸，大於碳酸氫根，所以並不能與碳酸氫鈉反應產生二氧化碳。而苯酚就算能和碳酸鈉反應，但因反應少，也不會產生二氧化碳。​因此這個行為模型就沒有發展下去的價值。然而，它與生活經驗有關，是幼小孩童透過感官認識物質世界中酸鹼概念的起點，因此在小學課程中大都從這些簡單的規律性瞭解物質的酸鹼性。 2.        卜利士力模型（Priestley’s Model）：1772-1775年，模型觀：凡是含有氫的物質就是酸。 這模型主要是來自瑞典學者謝勒（Carl Scheele, 當時也在嘗試解釋燃燒實驗重量增加的問題），他將鹽酸和二氧化錳加在一起產生氯氣，並探索一些氯的氧化物的性質後，引發出兩種酸的想法： 一種是含氧的酸，另一種是含氫的酸。卜利士力是將這兩種酸組合成一個模型想法的人，他認為酸性氧化物溶於水造成酸性，所以所有的酸都含有氫。這一模型可以用反應式去表示反應狀況，而在中和反應時，酸和鹼的量的多寡決定產生鹽的量的多寡，這是採用化學計量的濫觴。這個模型具有以下四個解釋的功能：(a)酸中氫被金屬取代產生鹽、(b)金屬加入酸中產生氫氣、(c)有些酸性氧化物溶於水會形成氫氧化物、(d)能被金屬取代的氫稱為酸性氫。但是這模型終究是失效的，它無法有效地預測物質的酸鹼性。 3.        拉瓦節（Lavoisier’s Model）：1777-1787年，模型觀：凡是含有氧的物質就是酸。 無疑地，這個想法來自於測試燃燒後的產物的性質，由於燃燒後的產物含有氧，所以酸性性質便是來自於氧化物的存在。在這個時期，三氧化硫（SO3）被視為硫酸（H2SO4），在當時溶劑的概念尚未形成，所以並不了解三氧化硫（SO3）溶於水後才是硫酸（H2SO4）。而鹽的產生就是酸的氧化物和鹼的氧化物反應後的產物，這種雙重觀點歸因於當時許多中和反應都是相反物質的反應。總之，在當時缺乏量化的概念，酸性就是化學物質本身的性質，然而當有些氧化物或非金屬不具有酸性性質時，這模型當然也就失效了。 4.        阿瑞尼斯模型（Arrhenius Model）：1884年，模型觀：酸是一種在水溶液中會產生氫離子的物質。 這個模型來自於兩位化學家的實驗：勞特（Raoult）測量冰醋酸的凝固點下降的實驗和阿瑞尼斯（見圖一）進行不同溶液的導電性時所發展出來的科學模型（有關勞特和阿瑞尼斯在這方面的實驗說明，可參見de Berg, 2003），尤其是阿瑞尼斯模型可以解釋強電解質在稀釋溶液中導電的現象（但無法適用於中等濃度範圍），再加上Guldberg和Waage的觀點，解釋弱電解質在稀釋溶液中的導電也可以適用（Oversby, 2000）。阿瑞尼斯於其博士論文中提出解離不需如法拉第理論而需要外在電的來源時才能解離的觀點，受到其化學教授的反對，因此阿瑞尼斯剛開始並未太著重於解離說的推廣，但在遊走於歐洲拜訪其他科學家時，其解離說的觀點逐漸受到重視，於1887年正式被接受（de Berg, 2003）。而他所進行的實驗，包括有氫離子濃度的測量、pH值的尺度、酸的相對強度、解離常數（Oversby, 2000）、滲透壓（de Berg, 2003）等等，皆證明其理論的合理性且可量化，這些實驗的結果對化學界認識酸與電解質的性質產生突破性的影響。阿瑞尼斯的解離說在化學上的貢獻，使他在1903年獲得第三屆諾貝爾化學獎。可惜的是，每個模型都有其侷限性，阿瑞尼斯模型的限制就是僅能適用於水溶液中的解離。 圖一：阿瑞尼斯 （圖片來源：諾貝爾獎官網，http://goo.gl/Xtxb16） 簡單來說，阿瑞尼斯的模型就是化合物若含有H，且會釋放出H+，就是酸；若化合物可以解離出OH–，就是鹼。反應式如圖二所示： HA(aq) → H+(aq)+ A–(aq)    酸 BOH(aq) → […]

再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（下） 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所mhchiu@ntnu.edu.tw 〔承《再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（中）》〕 n  中小學自然科課程中酸鹼概念的設計 依照自然領域課綱的界定，小學酸鹼概念的介紹停留在以經驗為導向，比較像此處介紹的第一種〈行為模型〉，在阿瑞尼斯之前，酸鹼性大都是從物質本身的內在性質去判斷（如是否含氧或氫），但是到了阿瑞尼斯，他提出物質是會解離出某種不同於原來的物質，使其出現酸鹼性，因而這種從巨觀的感官（觸覺、嗅覺）或觀察，進入到微觀世界的解釋，正如酸鹼單元的安排，國小階段從觀察和體驗自然現象的學習出發，在國中階段便邁向微觀解釋的科學認知。隨著年級的增加，高中則介紹布–洛學說的科學模型，將質子微觀概念納入酸鹼單元，惟重點以學科內容知識為主，對於科學家如何利用模型發展理論、解釋現象的科學模型本質與功能，較少觸及。對學生而言，在不同模型之間轉換—何時該使用何種模型來解釋科學現象是困難的（Carr, 1984）。教科書撰寫者應提供學生了解科學家利用科學模型解釋與預測科學現象的認知過程，經由實驗數據的支持或反駁既有的理論而必須強化或調整解釋的方式，甚至有時或許還需要對科學理論進行轉變。這種動態的科學模型發展史觀，應該適時地在科學教學中或教科書中呈現，讓學生透過自我建構、同儕討論共構、師生共構的過程認識模型的功能與效力，以發展出通則化的建模能力。 n  臺灣中學科學教科書與浙江中學科學教科書在酸鹼模型上的比較 中學教科書的撰寫大都以科學知識的傳遞為主，每次課程改革也都著重於概念知識量的多寡，對於科學模型的本質與建模歷程的價值，較少著墨。就筆者所接觸過的教科書中，浙江教育出版社八年級科學教科書下冊罕見的出現對模型意義的說明，以及對模型使用的目的及其功能加以評介（見圖八）。這種模型以及建模的概念也外顯式的出現在原子結構單元的介紹中（見圖九）。然而雖是如此，在酸鹼單元處卻未見該教科書中呈現各種酸鹼模型發展史，甚至阿瑞尼斯酸鹼模型也未提及，而僅以圖形呈現解離的概念（見圖十）。反觀臺灣國中自然與生活科技翰林版教科書，雖並未對一般的科學模型加以介紹，但在酸鹼概念的介紹中會提及阿瑞尼斯的解離說，且單元末以生動的漫畫方式介紹阿瑞尼斯的生平和解離說之發展歷程，透過情境化的教材讓學生了解科學活動的發生可能遭遇的問題。同時，在酸鹼單元中除以圖形呈現解離概念外，並佐以元素符號以結合多重表徵的方式呈現酸鹼概念（見圖十一），高中階段的化學課程也逐漸強調以微觀粒子表徵的方式讓學生認識酸鹼概念並建立科學模型。圖十二呈現以多重表徵的方式說明強酸和弱酸的解離現象，以利學生視覺化微觀現象進而有利建立正確的科學模型。作者認為教科書若能彰顯化學三位一體的概念—即巨觀、次微觀、與符號，並透過建模歷程引導學生去建構出化學概念系統，則可導向意義化與模型化的新科學思維。 圖八：浙江教育出版社（2015）八年級下冊科學教科書（p. 37）  圖九：浙江教育出版社（2015）八年級下冊科學教科書（p. 43）（右方文字為作者自行加註）   圖十：浙江教育出版社（2015）九年級上冊科學教科書（p. 6） 圖十一：國中自然與生活科技八年級（二下）酸鹼中和（翰林出版社, 2016, p. 79） 圖十二：國中自然與生活科技八年級（二下）強酸弱酸解離狀況（翰林出版社，2016, p. 65）   圖十三：高二選修化學上冊（南一版，2014, p. 166） n  結語 本文透過酸鹼模型的發展史嘗試去說明科學模型發展的動態特質，以及運用科學模型建立數據和現象之間解釋的關係的重要性。模型的認識與使用、模型的修正與轉換、模型的建構與重構，這些科學家不斷在其科學志業中反覆使用與發展的能力為何不能在科學教學中有意圖的教給學生呢？每位學生人手一本的教科書為何不能以最直接的方式告訴學生建立科學模型的意義與價值？為何建模能力的培養不能是科學教學的重要目標之一？科學知識的傳遞不應是瑣碎知識的堆砌、照本宣科的背誦，常言道： 給孩子魚吃，還不如教孩子釣魚的方法！ 同理，教給孩子們零碎的知識，還不如教他系統性的思考，透過有系統的模型建立、檢測、評估、應用、再造，找到適切的模型以達預測與解釋的效力。建模能力是跨學科的能力，它不應受限於學科內容，舉凡物理、化學、生物、地球科學，跨科的學習皆需要建模能力；由於建模是領域廣泛（domain-general）的能力，若能培養出高層次的建模能力，必可運用在跨領域（或跨界）的學習上。教學要能讓學生見樹（一個一個單一的概念）又見林（概念之間的關係所形成的系統），建模強調系統化的學習應可視為一個極佳且重要的教學策略！ n  附註 註1：作者於本文中將model一字分別翻譯成模式和模型，若是用在人類心智的表徵，它是表現的一種方式，如mental model則採用心智模式；若是指稱物件或理論等，如scientific model則採用科學模型，以區別兩者在基本屬性上的不同。 n  參考文獻 王嘉瑜（2016）。科學建模的教學方式。臺灣化學教育，第十一期。網頁：https://chemed.chemistry.org.tw/?p=14261。 宋元惟、邱美虹、鍾曉蘭（2016）。探討日本東京地區學生之模型本質的認識。臺灣化學教育，第十一期。網頁：https://chemed.chemistry.org.tw/?p=14430。 邱美虹（2016）。科學模型、科學建模與建模能力。臺灣化學教育，第十一期。網頁：https://chemed.chemistry.org.tw/?p=13898。 周金城（2016）。臺灣與芬蘭在國中階段原子模型教材之跨國比較。臺灣化學教育，第十一期。網頁：https://chemed.chemistry.org.tw/?p=14376。 林靜雯（2016）。國小教師對普適性科學模型和氣體粒子模型之本質知多少？臺灣化學教育，第十一期。網頁：https://chemed.chemistry.org.tw/?p=14364。 南一出版社（2016）。高二選修化學上冊。臺灣省：臺南市。 洪蓉宜、張欣怡（2016）。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。臺灣化學教育，第十一期。網頁：https://chemed.chemistry.org.tw/?p=14269。 浙江教育出版社（2015）。科學，八年級下冊。中國大陸：浙江省杭州市。 浙江教育出版社（2015）。科學，九年級上冊。中國大陸：浙江省杭州市。 鍾曉蘭（2016）。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）。臺灣化學教育，第十一期。網頁：https://chemed.chemistry.org.tw/?p=13984。 鍾曉蘭（2016）。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）。臺灣化學教育，第十一期。網頁：https://chemed.chemistry.org.tw/?p=14030。 鍾曉蘭（2016）。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）。臺灣化學教育，第十一期。網頁：https://chemed.chemistry.org.tw/?p=14039。 鐘建坪（2016）。科學建模文本與其學習成效。臺灣化學教育，第十一期。網頁：https://chemed.chemistry.org.tw/?p=13944。 翰林出版社（2016）。國中自然與生活科技八年級（2下）。臺灣省：臺南市。 […]

從日本的國中理科教科書省思教師對課程綱要的解讀與轉化 林如章 國立臺灣師範大學化學系rjlin@ntnu.edu.tw n  前言 近年世界主要國家的課程改革，為貫徹以學生為學習主體的理念，紛紛強化各級課程的縱向連貫與橫向統整。日本於2008年3月公布小學校、中學校學習指導要領，2009年3月公布高中學習指導要領（國內稱為課程綱要），並依序於2011年、2012年、2013年分別全面實施國小、國中、高中新課程。本文從日本現行的國中理科教科書的化學單元活動設計，省思編輯者（教師）對課程綱要的解讀與轉化，期能提供國內12年國教自然科課程綱要的解讀、教學轉化與教科書編寫的參考。 n  日本新課程的自然學科綱要及其學習內容 學習指導要領為日本官方的課程文件，主要依據1947年頒佈的《教育基本法》及《學校教育法》所訂定的各級學校課程內容與實施方針。自1947至2011年，學習指導要領共歷經九次修訂，1998年公告的學習指導要領以「培養生存能力」、「重視寬鬆教育」、「擴大選修學習內容」及「重視體驗式的學習」為主要修訂方向，將課程內容削減近30％，並於2002年開始實施；然而，近年來日本在國際教育評比的排名下降，導致社會各界開始質疑「寬鬆」政策，並指責它是國際競爭及學力低落的主要原因，因此在這種時空背景之下，日本文部科學省於2003年開始檢討、修訂教育政策，並於2008年3月起陸續公布各級學校的學習指導要領，強調培養學生的生存能力為目標，加強基礎、基本知識及技能的學習，培養活用上述知識與技能解決課題所必要之思考力、判斷力、表現力；減少「總合學習時間」與選修課程時間，增加主要學科的學習時數，以提升學生的學力與國家競爭力（林明煌，2009；新北教產，2013）。以自然學科為例，國小3/4/5/6年級的整學年度上課時數由70/90/95/95分別提升為90/105/105/105，國中7/8/9年級則由105/105/80提高為105/140/140；並在各級學校的教學研究，不論中央文部科學省或地方教育委員會的補助專案，都以培育學生的思考、判斷及表達等能力為目標，開發各種教學模式的實作探究活動（文部科學省，2008）。 國內「九年一貫」的課綱或12國教的新課綱，主要依年齡區塊強調「能力指標」或「核心素養」；小學的學習內容以「跨科概念」分類述說，國高中則以「主題與次主題」條列說明；能力素養與學習內容或學習表現則以附錄及相關示例呈現，相當於課綱的解說（教育部，2016）。日本的學習指導要領則以各年級「學習目標、內容、實施注意事項」分段呈現，學習內容的條列項目酷似章節名稱，細項大多以透過什麼實驗觀察、發現什麼現象或規則性等操作型定義來說明學習內容。再配合各學科「學習指導要領解說」的示例詳細說明，即可瞭解其學習內容、教學與評量的全貌。由此可見，日本的課綱把能力指標或素養簡化成課程目標來陳述，比較不強調核心素養的面向與項目的分類，而輔以「學習指導要領解說」來幫教師或教材編者解開「教學與評量」的疑惑（文部科學省，2009）。自然學科以小學、國中學習內容的化學範疇為例，與高中基礎化學的內容比較，整理如表1、表2所示（文部科學省，2009；啓林館，2010）。修訂的新課程主要新增國小3年級的「物質及其質量」、國中7年級「物質的狀態」中的塑膠話題、國中8年級「原子分子」中的週期表、國中9年級「離子」等內容，如表中粗體字所示的單元；及部分內容的移動，如表中加劃底線的單元，國中9年級的「氧化還原、化學變化與熱」移至國中8年級的「化學變化」，國中7年級水溶液的「酸鹼、中和與鹽」移至國中9年級的「酸鹼與離子」。 其中國中7年級「周遭的物質及其性質」在舊課程只討論「物體、物質」、「有機物、無機物」與「金屬、非金屬」的性質及「密度」，新課程則新增「塑膠的性質及其回收」的話題；國中8年級「原子分子」中新增週期表，可觸及常見的元素及其符號，而國中9年級新增的「離子」話題，透過「水溶液的導電性」、「電解反應及其產物」等實驗，讓學生探究、理解水溶液導電的真正原因、離子的形成及其表示法，下節詳述日本國中8、9年級「化學變化」相關單元的活動設計，與國內的課程作比較，省思兩國教科書對課程綱要的解讀與轉化之差異。 表1：日本小學理科的化學內容（藍粗體字：新增單元） 表2：日本中學理科的化學內容與高中基礎化學的內容比較（藍粗體字：新增單元） n  「化學變化」相關單元的學習內容 日本中學理科教科書原本分第一領域（物理、化學）、第二領域（生物、地科）各上下兩冊，中學3年合計4冊的理科教科書，雖然學校分冊發放給學生，但是仍有其攜帶錯置的不便。自2012年起實施國中新課程，中學理科教科書便將生物、物理、化學、地科依各科內容屬性及其邏輯，合科編排成各年級單冊的教科書。為方便比較說明兩國不同版本的編輯者（教師）對課程綱要的解讀與轉化，以「大日本圖書」八年級和九年級教科書有關「化學變化」的內容，與國內教科書做比對。如表3所示，大日本圖書的教科書將課程綱要中「化學變化」的相關內容，分成「化學變化與原子分子」、「化學變化與離子」兩大單元，分別編排在國中8年級第壹大單元、國中9年級第肆大單元。國中8年級「化學變化與原子分子」再分成「物質的組成」、「各式各樣的化學變化」、「化學變化與物質的質量」、「化學變化與熱量的得失」等4章；國中9年級「化學變化與離子」再分成「水溶液與離子」、「酸鹼與離子」等2章。相對地，國內的國中教材多出「化學反應的快慢與化學平衡」、「日常生活中的有機物」等章節。 表3：國中8、9年級教科書有關「化學變化」的內容對應表 大日本圖書 理科的世界 國內某出版社 自然與生活科技 壹、化學變化與原子、分子（國中8） 1、物質的組成 1-1 熱分解（氧化銀的熱分解、小蘇打的熱分解） 1-2 水的電解（水的電解實驗） 1-3 組成物質的成分（原子–大小–質量–性質–符號–週期表、分子、化學式、元素與化合物） 1-4 化學反應式（化學變化與狀態變化、化學反應式） 2 各式各樣的化學變化 2-1與氧結合的化學變化—氧化（金屬的燃燒、有機物的燃燒、緩和的氧化） 2-2 失去氧的化學變化—還原（氧化銅加碳粉的還原反應） 2-3 與硫結合的化學變化（鐵與硫的化合、銅與硫的化合） 3 化學變化與物質的質量 3-1 質量守恆定律（NaHCO3 + HCl、Na2CO3 + CaCl2、NH4Cl + NaOH） 3-2 化合反應物質的質量比率（銅加熱反應的質量變化） 4 化學變化與熱量的得失 4-1 放熱的化學變化（暖暖包成分的混合） 4-2 […]