奈米課程：融入式奈米課程之設計 何慧瑩 國立臺北教育大學自然科學教育學系 hueiying.ho@gmail.com 本文之目的是讓讀者了解我們設計融入現有K-12科學教材的奈米課程之歷程，文章包含K-12奈米科技教育、奈米科技之重要概念（big ideas）、以及依據各階段認知能力與教科書之科學課程設定奈米課程融入之重點。 n  K-12奈米科技教育 奈米人材培育計畫希望能透過計劃之推動，培育出至少兩類人材，其一是能夠領導或執行奈米科技之人材，其二是能夠認知奈米科技潛能並將其產業化及商業化之人材。基於此目標，所以在人材的培育向下紮根至K-12，向上則是到大專院校與研究所（李世光等人，2003）。向下紮根至K-12，一開始最需要挑戰的就是K-12教師，因為大家都不認識奈米尖端科技，因此必須老師願意新收新知、接受訓練，當然也要對於教學有相當的熱情。 有了老師，若沒有教材也沒有用，因此當時的奈米人材培育計畫除了培訓種子教師之外，也辦理教案設計等相關競賽。經過多年的努力，許多優質的奈米教案被設計出來。趙毓圻等人（2011）以Stevens等人（2009）提出的九項奈米尺度科學與工程重要概念（big ideas），分析了2003至2008年中小學種子教師發展的209 份奈米實驗教材。他們發現整體中小學實驗教材的各重要概念出現頻率和相互關聯性的結構裡，以「尺寸與尺度」、「物質構造」和「尺寸效應」呈高出現頻率及高關聯性。他們建議在中小學可以將這三個概念加以連結來設計教材，或者是加以延伸。張政義（2008）以融入現有教學媒材之教學型態，使學生經由「認識奈米科技」、「體驗奈米科技」至「應用奈米科技」等學習階層，銜接「奈米科技K-12 教育」之學習。他認為可透過創意實驗與創意實作學習，達到促成「奈米科技」跨領域的創意學習整合分享教學成效。潘文福與周裕欽（2012）採德懷術研究國小3至6 年級適合奈米融入自然教學的核心能力與指標。他們研究發現，89%專家認為有必要將奈米融入3至6 年級的自然教學，50%以上認為適合奈米融入自然教學的核心能力依序為科學態度、科學技術認知、思考智能、科學應用。從以上的文獻，除了教師之因素，我們設計奈米課程需要知道奈米的重要概念（亦即九項big ideas）、各學習階段所能融入的重點與方式、要有讓學生動手做的創意實驗、最後是要融入哪些自然教學的核心能力。 圖1所示為本文作者依據這些文章所繪製的K-12奈米科技教育概念圖，圖中包含兩大區塊：教師與教學設計。其中，九項big ideas和各階段學童的認知能力作為教學設計之基礎，而創意實驗除了動手做之外，還加上了數位學習與影片學習，以因應無法在一般實驗呈現的奈米現象。而我們在設計奈米課程時，即依據這樣的邏輯進行。 圖1：K-12奈米教育概念圖（圖片來源：作者繪製）   n  奈米科技的九項Big ideas 奈米科技的九項big ideas彼此之間是互相有關聯的，但仍可依概念之差異來區分。本文作者參考趙毓圻等人(2011)的說明，重新詮釋九項big ideas之內涵： 一、尺寸與尺度（size & scale） 尺寸是指物體的大小（長、寬、高、直徑、…），尺度則為尺寸在數量級上的差異，例如：天文尺度（AU天文單位、光年）、毫米尺度（ m）、微米尺度（ m）、以及奈米尺度（ m）。 二、物質的構造（structure of matter） 物質的構造泛指其組成份子之排列方式，例如：原子排列、分子排列、介質週期性排列，常見的教學內容為巴克球、奈米碳管、光子晶體。 三、尺寸效應（size effect） 指物質的尺寸在不同尺度範圍，伴隨有性質上的變化，例如：燃點的變化（鐵無法燃燒，但奈米鐵粉只要自由落下，即可因摩擦生熱而燃燒）、顏色變化（奈米金不是金色，它的顏色隨直徑而變化）、反應速率變化（將蘿蔔切碎，比表面積會增加，因此提高與雙氧水的反應速率）。 四、力與交互作用（force & interactions） 形成交互作用時，必有力的存在。例如：形成各種鍵結的庫侖作用力、造成壁虎效應的凡德瓦力、造成蓮葉效應的表面張力（表面能）。 五、量子效應（quantum effect） 粒子的波粒二重性所造成的各種現象，例如金屬能帶結構、穿隧效應、電子繞射。 六、自組裝（self-assembly） 物質可以自己排列成規則性結構，這規則性結構與物質所在環境有關。例如：結晶、DNA複製、粒子排列（圖2）。 圖2：直徑20微米塑膠球的自組裝（拍攝者：林威延和湯雅慧）（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016） 七、工具與儀器（tools & instrumentation）     工具與儀器幫助科學家研究，例如：近場顯微鏡（SNOM）、原子力顯微鏡（AFM）、穿隧電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）…等。若沒有工具與儀器的發展，許多奈米尺度的現象是無法被研究與觀察的。 八、模型與模擬（models & simulations） […]