新課綱粒子觀點教學的挑戰：教科書如何引導國小學童認識粒子概念 盧秀琴 國立臺北教育大學 luchowch@tea.ntue.edu.tw 中年級引導學童認識空氣和水，溫度影響水的三態 一、空氣和水 為了引導國小學童認識粒子概念，十二年國民基本教育課程綱要，自然科學領域課程手冊提出國小中年級的學習內容，包含：INa-Ⅱ-2在地球上，物質具有重量，佔有體積。INa-Ⅱ-4物質的形態會因溫度的不同而改變。INc-Ⅱ-5水和空氣可以傳送動力讓物體移動。INc-Ⅱ-6水有三態變化及毛細現象。學習表現包含：pe-Ⅱ-2能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備及資源並能觀察和記錄。pc-Ⅱ-2能利用簡單形式的口語、文字或圖畫等，表達探究之過程、發現。tc-Ⅱ-1能簡單分辨或分類所觀察到的自然科學現象。tm-Ⅱ-1能經由觀察自然界現象之間的關係，理解簡單的概念模型，進而與其生活經驗連結（教育部，2019）。 因應108新課綱的需求，教科書編輯先讓國小學童認識「空氣和水」，從大概念入手。即透過操作與觀察，了解空氣雖然看不見，卻充滿在我們的四周；例如：把紙團塞入透明杯底，然後杯口朝下直直壓入水中，觀察到紙團沒有濕掉，是因為杯子裡充滿了空氣，證明空氣佔有空間。然後在微量天平的兩邊各放置「未吹氣的氣球」和「裝滿空氣的氣球」，發現微量天平的桿子會往「裝滿空氣的氣球」傾斜，證明空氣佔有重量。之後，國小學童操作實驗，將水和空氣各自裝入各種形狀的容器中，發現水和空氣都沒有固定的形狀，才能充滿在各種形狀的容器中。最後，引導國小學童利用「空氣的力量或水的力量」來移動自製的玩具，了解「空氣和水」皆可以傳送動力，使物體移動（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2021）。 二、蒸發、凝結、凝固、融化 在進階的單元中，引導國小學童探討「溫度影響水的三態變化」，先從自然界的現象著眼，觀察水的蒸發與凝結，例如：學童觀察桌面上的水漬在一段時間就不見了，是因為水變成水蒸氣散佈在空氣中，稱為蒸發，但我們肉眼看不見水蒸氣。引導學童觀察日常生活「水的蒸發」，例子有：曬乾衣服、吹乾頭髮…等。其次，在煮開水的過程中，發現水煮沸了會冒白煙，白煙是怎麼產生的？引導學童操作實驗觀察，利用塑膠袋收集白煙，結果發現白煙是水蒸氣遇冷凝結成小水滴，我們雖然看不見水蒸氣，但水蒸氣凝結成小水滴時，我們就能看見了。國小學童隨著做實驗，探討「冰品容器」外側的小水滴是怎麼形成的？最終能歸納空氣中的水蒸氣遇冷或碰到較冷的物品就會變成小水滴，這個現象稱為凝結（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2022）。 為了讓國小學童認識水的凝固和融化，引導國小學童操作實驗製作冰棒，發現水遇冷降到攝氏零度以下會變成冰的現象，稱為凝固；並初步觀察自然界水凝固的現象，例如：下雪、結霜、下冰雹、結冰柱。接著，引導國小學童操作實驗，觀察放在盤子裡的冰塊，放在空氣中會越變越小，然後盤子中產生越來越多的水，進而瞭解到冰遇熱會變成水的現象，稱為融化。最後，國小學童學習到的科學概念模型為「水的形態會因溫度的不同而改變」，即冰（固態）遇熱融化成水（液態），水遇熱蒸發成水蒸氣（氣態）；反過來水蒸氣（氣態）遇冷凝結成水（液態），水遇冷凝固成冰（固態）。在整個學習過程中，很重要的科學技能就是教導國小學童如何正確的使用溫度計來測量溫度（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2022）。 三、毛細現象 中年級「水的移動」單元，學童在自然界的觀察，看見水的移動方向大多是由高處往低處流動，例如：瀑布、下雨，但也觀察到水會沿著縫隙中移動，這時水的移動方向就可能由低處往高處爬，例如：溫度計中的紅色酒精。引導國小學童操作實驗，發現當縫隙越小時，水的移動爬升越高。因此，國小學童能定義水可以在縫隙中移動的現象稱為毛細現象，並說出日常生活中如何應用毛細現象，例如：寫毛筆字、使用擴香棒、…等（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2022）。 高年級引導學童認識植物體內水的運輸、空氣組成、天氣變化 一、植物體內水的運輸 引導國小學童進一步認識粒子概念，十二年國民基本教育課程綱要，自然科學領域課程手冊提出國小高年級的學習內容，包含：INa-Ⅲ-1物質是由微小的粒子所組成，而且粒子不斷的運動；其學習內容說明為：可透過模型或動畫模擬，了解粒子會不斷的運動。水的三態變化也可以用粒子運動的模型來理解和解釋。INa-Ⅲ-4空氣由各種不同氣體所組成，空氣具有熱脹冷縮的性質。氣體無一定的形狀與體積。INb-Ⅲ-7植物各部位的構造和所具有的功能有關。INd-Ⅲ-11氣溫下降時水氣凝結為雲和霧或凝華為霜、雪。學習表現包含：tm-Ⅲ-1能經由提問、觀察及實驗等歷程，探索自然界現象之間的關係，建立簡單的概念模型，並理解到有不同模型的存在。pe-Ⅲ-2能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備及資源。能進行客觀的質性觀察或數值量測並詳實記錄。pc-Ⅲ-2能利用簡單形式的口語、文字、影像、繪圖或實物、科學名詞、數學公式、模型等，表達探究之過程、發現（教育部，2019）。 接續毛細現象，在高年級「植物世界」單元中，觀察植物體內水的運輸，引導國小學童實驗發現植物澆水後，植物吸收水分後會由根輸送到莖，再輸送到葉，因為植物體內有微細的管子稱為導管，縫隙非常小，水分子可以藉著毛細現象將水分傳送到植物身體的各部位，並呈現「水分子手牽著手在導管中往上爬」的圖片；最後，水分由葉子的氣孔以水蒸氣的形態蒸散到空氣中，成為蒸散作用，科學技能是教導國小學童正確使用顯微鏡觀察葉子的氣孔構造（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2023）。 二、空氣的組成 高年級「認識空氣」單元中，觀察到空氣看不見也摸不著，引導國小學童蒐集資料，了解空氣組成主要含有氮氣、氧氣、氬氣、二氧化碳。接著，引導國小學童探究實驗，發現燃燒需要空氣，證明助燃物為氧氣，氧氣也能提供生物呼吸；二氧化碳會使點燃的線香熄滅，沒有助燃的特性，因此可以製成滅火器。最後，引導國小學童操作實驗，將金針菇加入雙氧水製造氧氣；將醋加入小蘇打製造二氧化碳，二氧化碳會使澄清的石灰水變混濁（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2023）。 在空氣和人類的關係中，引導學童了解空氣雖然看不見也摸不著，但其中的氧氣就是氧分子，會和鐵製品緩慢作用而生鏽，潮濕環境和酸性環境會加速鐵的生鏽。在我們的日常生活中，含碳的物質燃燒會產生二氧化碳，二氧化碳也是一種分子，屬於一種溫室氣體，如果人類大量燃燒化石燃料（例如：汽油、煤炭）就會產生過多的溫室氣體，加劇全球暖化；我們要多種樹木，當植物行光合作用時，除了製造氧氣外，還能將二氧化碳轉化成有機物質儲存在植物體內，稱為固碳作用（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2023）。 三、天氣變化 高年級「多樣的天氣變化」單元中，首先引導國小學童觀察雲、霧、雨、雪、露、霜和冰雹，說明水受到溫度的影響會改變形態，自然界的水有氣態（水蒸氣）、液態（雨、露、雲、霧）和固態（雪、霜和冰雹）。並以小知識介紹空氣中的水蒸氣是由肉眼看不見的微小粒子所組成的，而且會不斷的運動，當水蒸氣冷卻凝結為小水滴時，空氣中必須有微小的顆粒供水蒸氣附著，這些微小的顆粒稱為「凝結核」（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2024）。 接著，引導國小學童認識水蒸氣遇冷附著在灰塵或微小顆粒會凝結成小水滴或冰晶，若飄浮在空中就稱之為雲、若飄浮在地面附近就稱之為霧。當雲中的小水滴或冰晶變得又大又重，向地面墜落，就是下「雨」；當溫度低於0℃時，水蒸氣直接凝華成冰晶，變成雪花形狀，向地面墜落沒有融化，就是下「雪」，冰晶屬六方晶系，故雪花為六角形對稱結構。氣溫較低時，空氣中的水蒸氣附著在物體表面，凝結成小水滴，則稱為「露」；氣溫低於0℃時，空氣中的水蒸氣直接凝華成冰晶，附著在物體表面，稱為「霜」。晚春或初夏流雲層強烈，隨雷雨落下的球狀或不規則的冰塊，稱為「冰雹」。然後，使用粒子運動的模型提出水的三態變化（見圖1）說明，水在不同壓力和溫度下，會呈現固態、液態和氣態，稱為水的三態。固態的冰，粒子排列整齊，不會任意移動，有固定的形狀；液態的水，粒子排列較鬆散，可以自由移動，形狀會隨容器改變；氣態的水蒸氣，粒子運動得更劇烈，彼此距離變得很大（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2024）。 圖1：水的三態變化粒子模型 （資料來源：南一書局，2024）     此單元的科學技能是引導國小學童操作實驗，觀察水蒸氣的凝結和凝華現象。凝結實驗：在錐形瓶中裝熱水，加入點燃線香的煙當作凝結核，再將裝有冰塊水的塑膠袋覆蓋在錐形瓶上方以降低溫度，一段時間後可以在錐形瓶口看見白煙狀雲的形成。另外，在杯子中倒入加冰塊的冷水，觀察杯壁的外側慢慢形成小水珠，即水蒸氣凝結成露。凝華實驗：在杯子中倒入冰塊水，再加入50克食鹽緩慢攪拌以降低溫度到攝氏0度以下，一段時間後觀察杯壁外側慢慢形成冰晶，即水蒸氣直接凝華成霜，並觀察冰箱冷凍庫的霜作為對照（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2024）。 結語 教科書引導國小學童認識粒子概念，從大概念入手，中年級引導學童認識空氣雖然看不見也摸不著，卻充滿在我們的四周，具有體積和重量，但沒有固定的形狀；到高年級認識空氣中有氧分子和二氧化碳分子，各具有不同的特性。其次，中年級引導學童認識水會因溫度不同而改變形態，了解水的蒸發、凝結、凝固、融化之定義，並知道水蒸氣是看不見的；到高年級觀察水分子在植物體內的導管中往上或橫向運輸，並了解自然界的雲、霧、雨、雪、露、霜和冰雹，是水受到溫度和壓力的影響而改變形態。最後，透過繪圖模擬，了解水分子（粒子）會不斷的運動，固態的冰，粒子排列整齊，有固定的形狀；液態的水，粒子排列鬆散，可自由移動；氣態的水蒸氣，粒子運動更劇烈，彼此距離變大。 參考文獻 南一書局（2021）。國民小學自然科學3上。臺南市：南一書局。 南一書局（2022）。國民小學自然科學3下，4上。臺南市：南一書局。 南一書局（2023）。國民小學自然科學4下，5上。臺南市：南一書局。 南一書局（2024）。國民小學自然科學5下，6上。臺南市：南一書局。 教育部（2019）。十二年國民基本教育課程綱要– 自然科學領域課程手冊。臺北市：教育部。 康軒文教事業（2021）。國民小學自然科學3上。新北市： 康軒文教事業。 康軒文教事業（2022）。國民小學自然科學3下，4上。新北市： 康軒文教事業。 康軒文教事業（2023）。國民小學自然科學4下，5上。新北市： 康軒文教事業。 康軒文教事業（2024）。國民小學自然科學5下，6上。新北市： 康軒文教事業。 翰林出版事業（2021）。國民小學自然科學3上。臺南市：翰林出版事業。 翰林出版事業（2022）。國民小學自然科學3下，4上。臺南市：翰林出版事業。 翰林出版事業（2023）。國民小學自然科學4下，5上。臺南市：翰林出版事業。 翰林出版事業（2024）。國民小學自然科學5下，6上。臺南市：翰林出版事業。

新課綱粒子觀點教學的挑戰： 促進學童對『燃燒與空氣』單元學習成效之教學活動設計 楊世昌 臺北市中山區長春國小 臺北市自然科輔導團 t076@ccps.tp.edu.tw 前言 十二年國民基本教育課程綱要－自然科學領域將原安排在第四階段的「物質由粒子組成」的微觀概念，調整到第三階段，此一調整有助於國小和國中階段的課程銜接，但如何在課堂上建立學童的粒子概念，是教師的一項新挑戰。 國小課程中有關粒子概念單元並不少見，如空氣、風、溶解和水溶液等，筆者112 學年度使用康軒版國小自然科學第五冊，「空氣的組成與反應」單元探討燃燒和鐵生鏽，根據教學經驗，學生普遍認為「蠟燭熄滅是由於氧氣耗盡」，此次教學活動設計以此概念衝突為核心，透過現象觀察、動手操作及影片，引導學生以粒子模型探討燃燒過程中的空氣成分變化，並進一步應用於解釋鐵生鏽過程中的氣體成分變化。 粒子概念教學的相關文獻 科學家進行研究時，除巨觀現象觀察，也以微觀角度解釋實驗數據，以及透過分子式、方程式等抽象符號，紀錄及表達研究結果。根據謝秉桓等（2014）的研究彙整，指出Johnstone (1991)認為化學概念的學習可分為巨觀（可觀察現象）次微觀（如原子、分子）和符號（如符號、化學式）等三個層次。並且多個研究指出，理想的教學策略應適當地發展此三種概念層級，在各概念層級間建立連結，並協助學生的學習歷程，能在三種概念層級的表達方式間進行轉換（謝秉桓等，2014）。 根據皮亞傑認知發展理論，學童的認知發展分為感覺動作（0〜2歲）前運思（2〜7 歲））具體運思（7〜11 歲）及形式運思（11〜18 歲）等四個認知發展階段。日本學者野ヶ山康弘等（2017）認為，為了幫助學生逐漸能以抽象思考方式理解科學概念，進行教學時應配合學生的認知發展，設計適合的教學活動，如同表1科學概念的邏輯發展階段與學習歷程所示，不同層次的粒子概念藉由不同階段的學習歷程，從真實體驗、形式具體化逐漸發展到抽象概念化的模式，來學習與解釋科學現象。 表 1：科學概念的邏輯發展階段與學習歷程（修改自「Study on Systematic Curriculum of Particle Concept」，野ヶ山康弘，谷口和成，2017）       發展階段 具體運思考期 （三〜五年級） 銜接期 （六〜七年級） 形式運思期 （八〜九年級） 形式運思期 （十〜十二年級）   概念 層次 模型     微觀                     巨觀 能賦予形式化模型屬性，並用來解釋科學現象。 能使用專有符號、文字或數學方程式等抽象模型來解釋科學現象。 […]

數位工具在科學探究課程中扮演的角色 鄭志鵬 臺北市龍山國中 jjpong@lsjh.tp.edu.tw 前言 隨著數位化世界到來，且逐漸成熟茁壯，加上ChatGPT橫空出世，讓所有的人，包含教育界，都在討論數位工具要如何運用。當然教育界在意的事情，就是如何在課堂中運用數位工具讓學生的學習更快、更深、更廣，期待能更符合學生的學習需求，希望隨著學習工具的進步，帶動學生學習的效果。和所有其他學習工具一樣，其使用的方向應該取決於學生學習目標；但也和其他工具一樣，教學者非常容易被工具牽著走，以至於在創新教學設計上，工具的使用常常模糊了學生學習的目標。 廣義來說，教學本來就是一直運用不同科技來輔助的，誰說黑板和粉筆、白紙和原子筆不是科技產品呢？如果一名國小中低年級的數學老師，在黑板上用粉筆隨機出10題二位數的加法問題，讓學生用白紙和原子筆計算，這時候觸控大屏加上平板與觸控筆，不見得是更好的教育科技產品。所以我們理所當然應該思考的事情是： 1.學生的學習目標是什麼？ 2.要達到這樣的目標，最佳的工具是什麼？ 3.有沒有可能因為工具的突破，以至能提升原本設定的目標？ 教學技術、工具與學習目標 在談論教學技術和工具的革新時，有時技法和工具本身反而會成為新的學習目標，例如教師使用「合作學習法」來設計教學，學生運用合作學習學會了二位數的加法之外，我們也希望學生同時能學會許多和他人合作的方法與態度；教師使用「探究教學法」來教學生學習光與顏色的關係，學生不但應該要學會光與顏色的關係，還應該學會科學探究的某種概念、方法和態度。那麼在近年大家談論比較多的「科技運用」，其實是各種數位軟體硬體的運用，所謂的科技運用，是指數位科技運用。例如教師使用大屏搭配電子課本、使用iPad搭配觸控筆，使用Padlet、Google meet、classroom、酷課雲、均一等許多數位硬體或平台。大部分的情況下，我們並不會把「學會使用Padlet」設定為學生學習的目標。在這一波數位學習的浪潮中，和之前談論合作學習、翻轉學習或探究式學習略有些不同。 近幾年來，科學教育現場明確的將學習目標，從知識論逐漸擴大到方法論上了，學生應該學習的不只有科學知識，還應該學會科學方法、態度與科學本質。這樣的論述也很明確的寫在九年一貫乃至於十二年國教的領綱當中，也確實在近幾年中小學科學教育圈有大量的思考、討論與實踐，所以科學教師們，也應該逐漸將課程設定的目標，從學生習得知識慢慢調整成知識、方法和態度並重。 若要教師運用不熟悉的數位科技輔助時，常常會將科學教師打回只重視知識的課堂原形。如果科學教師正在轉型，嘗試設計探究式的課程，嘗試將科學的思考智能和問題解決的目標，有意識、有序的放入課程設計中，但還不熟練，此時如果再指派教師任務說：「給你一部大屏和30台iPad，請你設計教學讓學生運用數位工具來學習」，這時候往往教師能設計出來的課程，是運用這些工具來輔助學生科學知識的學習，而不是科學方法的學習。這就不免令人擔心數位工具的運用，對於科學探究學習的推動，暫時會是干擾而非助力。 所以教師設計課程時，首要思考這段課程的目標是什麼？例如我們希望學生「能以粒子模型思考物質三態」，其中「認識物質三態」是屬於科學知識上的目標，「能以模型思考」就是屬於課綱中「思考智能」的目標。目標定出來之後，老師可能會想要讓學生實際觀察物體巨觀的三態變化，於是用了冰塊加熱變成水進而沸騰成水氣，將碘加熱昇華成碘蒸汽，把蠟燭加熱熔化成蠟油。也可能想要讓學生看一下：水在低壓時候，會有低溫沸騰的情況。於是買了真空抽氣罐，將放置熱水的燒杯放進去之後，用溫度計監測溫度，並且開始抽掉空氣，讓學生觀察到水低溫低壓沸騰的情況，作為三態變化現象延伸學習。 接著老師跟學生討論：我們是如何定義物質三態的巨觀描述的？我們可以用物質的體積與形狀是否容易改變來區分三態。那麼如果將物質想像成由許多粒子組成，又要怎麼用粒子來解釋物質三態呢？這時老師可能覺得這樣的概念太過抽象，所以使用由科羅拉多大學開發的PhET網站，讓學生觀察可互動的動態粒子模型，讓學生看到物體的粒子彼此之間有吸引力，可以相互吸引聚集成一個群體。受熱時，粒子振動會變得劇烈，當振動劇烈到某種程度時，就會脫離彼此的吸引力而產生相變化。學生能以粒子思考，並以粒子模型來描述物質三態，可能就達成了「認識物質三態」以及「能以模型思考」的學習目標。 老師在巨觀現象的教學階段，運用了實體的實驗讓學生觀看真實的現象，並且想辦法運用非數位的科技工具ー真空罐，展示三態變化的延伸現象。接著運用數位工具扮演互動模型的角色，幫助學生學習較抽象的粒子模型，希望學生能以粒子來思考物質的組成與振動，甚至能以粒子振動猜想其他物質的現象。 這樣的教學設計，就是教師運用了數位工具幫助學生以粒子模型思考物質三態，將粒子模型連結到既有已知的經驗，預測未知的現象，並且運用實體的實驗來驗證想像的結果。教師以三態變化作為學習內容的目標，建立模型作為學習表現的目標，並且選用實體的真空罐作為取得實驗證據的器材，運用數位工具來輔助學生建模。若是缺少了數位工具，教師只能運用靜態的繪圖來表達粒子觀點，對於學生來說可能太過抽象，學習難度較高。此時引進數位科技的工具輔助建模，對於學習效率的提升就有加分的效果。 在數位科技的輔助下，我們有越來越多的數位科技工具可以輔助探究課程的進行，不同的課程內容搭配不同的學習目標，數位科技工具所扮演的角色也會不同。以下整理了一些在工具運用上的思考與使用的模式提供參考。 數位工具在科學探究課程中扮演的角色 科學探究因為探討的問題類型不同，層次不同，而會有不同的探究方式，可分為描述性、相關性和實驗性研究（洪振方，2024），也有人把研究分成探索性、描述性、相關性、解釋性研究（蘇宇暉、羅凱揚，2019）。有些研究，是對自己有興趣的自然事件或現象仔細的觀察後，進行描述；有些研究是嘗試找到現象之間的相關性；而有些研究可以以人為方式介入系統，操作變因來確認因果關係。這些研究，有可能只是為了認識或瞭解某個自然事物或現象，有些可能是想印證某些理論的真偽，但這些都是有價值的研究。 在國中小學科學課程的內容中，也會有不同的探究方式。例如：將高濃度的鹽酸打開後，會觀察到鹽酸的發煙性；將硫酸與水混合，可以觀察到硫酸溶解會釋放大量的熱；洋蔥表皮細胞有細胞壁；植物的葉片排列有不同的形式；光會有反射、折射的現象，這些類型的學習內容，大多是讓學生體驗、觀察，並將這些觀察到的現象作整理，就足以達成課程的目標。在這類型的課程中，我們就可以讓學生針對某特定主題仔細觀察後，察覺現象的特徵、比較差異、比較相似處或辨認趨勢。 如果我們希望學生瞭解不同物質吸收相同的熱，溫度上升的程度會有不同，學生可能就會需要學習設計實驗：如何在相同的加熱條件下，加熱不同種類的物質後，收集數據來進行分析。從實驗結果中看出不同物質吸熱之後，溫度上升的趨勢確實有不同。 又或者我們希望學生可以以粒子碰撞的模型來思考化學反應速率，我們就可以在課堂上運用粒子模型，請學生以模型來進行預測及推論，再進行實驗來作驗證。例如高濃度的鹽酸和低濃度的鹽酸，和小蘇打粉反應產生二氧化碳的速率何者較快呢？先以粒子碰撞的模型預測與說明後，再到實際的實驗室中觀看反應結果，取得支持或反駁粒子碰撞模型的證據。這類的課程，可以讓學生學習到以模型進行想像與預測、根據預測決定要進行的實驗或觀察的現象、從實驗結果或觀察到的現象來推論猜想是否正確。 將課程目標中的科學知識與其對應的探究知識與技能釐清後，再來思考如何運用數位科技來協助學生學習與課程進行是非常有幫助的。數位工具在科學探究上的運用，我認為大致上可以分為四個方向：實體實驗工具、展示工具、虛擬實驗、建模工具。另外運用WebQuest、Padlet這類的學習平台輔助學生自學或教師教學的工具，也是重要且廣泛運用的，但不在本篇文章討論的範圍。 一、實體實驗工具 實體實驗的意思，就是我們原本理解的，在實驗室中操作實驗器材，根據學習目標取得實驗數據或結果來達成學習目標。例如用酒精燈加熱100毫升的水，要用溫度計測量加熱過程中的溫度變化。我們可以選用傳統的煤油溫度計，讓學生讀溫度計的刻度，也可以用電子式溫度計，讓學生直接讀取數值，或是使用Arduino寫程式搭配數位溫度計，讓溫度數值直接呈現在電腦上，並且自動記錄。 數位工具作為實體實驗，大致可分為兩個方向，第一種是「輸入」，第二種是「輸出」。輸入的意思，就是感測、測量。例如測量環境溫度、濕度、亮度、壓力、聲音大小等等。輸出的意思就是產生現象或訊號，例如讓喇叭發生特定的聲音、控制馬達振動或轉動、讓LED燈發出特定顏色或強度的光、控制閘門開關或是釋放鐵球等動作。 以數位工具作為輸入測量工具的例子有很多，例如以手機、平板來說，可以作為「拍照」、「攝影」工具記錄現象，或是運用App來徵用手機平板裡面內建的許多感測器，例如：氣壓計、磁力計、加速度計、聲音感測（麥克風）、光強度感測（照相鏡頭），就可以將手機平板變成實驗器材，讓學生測量許多的數值，phyphox（註1）就是具代表性的App，在教學上也早有許多的應用，教學上也有顯著的成效（陳輝雄，2024）（吳泰煌、許勝源，2016）（曾耀寰，2018）。 再進階一點，就是使用arduino、esp32這類的微控制器，搭配適合的感測器與程式撰寫來取得實驗數據。這個方式的門檻比較高，使用者要學會微控制器的使用、感測器的挑選，還要有基本程式撰寫的能力才能運用自如，學生學習此工具的門檻也較高一些，教師使用此工具多是運用在科展專題這類課程上。但近年來由於scratch這類積木程式的普及，加上像是高師大跨域統整學習扎根計畫（註2）中，將scratch結合arduino，開發了相關的程式與硬體，在自然科課程運用上，就像是單純學習一種新的實驗器材一樣，將工具使用的學習門檻降低，讓教師和學生可以很容易的取得諸如溫度、壓力、加速度、相對亮度等數值。 數位工具也可以拿來做為輸出工具，例如我們可以讓phyphox輸出特定頻率的聲音，讓學生聆聽不同頻率的聲音聽起來有何差異。或是用arduino控制紅、綠、藍三種顏色的LED燈，讓學生用眼睛觀察不同顏色的組合可以混合出哪些不同的顏色。 數位工具作為實體實驗器材，能夠增進課程的面向通常在於「取得精準數據」、「提升取得數據的效率」、「節省取得數據的時間」、「方便儲存紀錄」、「方便轉譯成其他形式」、「方便與精準的控制與調整輸出訊號」等等。 數位實驗工具雖然方便，但在教學的運用上，也有需要提醒的部分。以加熱物體觀察溫度上升的探究活動為例，不管是哪一種讀取溫度的方式，目的都是讀取溫度之後，分析溫度上升的速度有何差異，所以數位工具扮演的角色，就會和傳統溫度計的角色相同。但由於數據的準確度高、取得數據、傳輸、儲存紀錄、轉譯為統計圖的方便性大增，數位工具就能夠增進課堂的效率。當然，這邊要提醒的事情是：如果讀取有「刻度」的數據，並且評估估計值，是學生尚未學會或熟練的技能，那麼這時候傳統煤油溫度計就變成必要的工具了，教師在課程的編排上，可能就需要花時間讓學生再多練習刻度的讀取與評估估計值。數位工具會便利地完成一些工作，同時也代表跳過了一些學習，教師挑選工具時。要注意這些被跳過的學習，是否屬於不重要、已精熟或是未來會訓練精熟的，才不會因為效率與便利而忽略重要的學習目標。 無論將哪一類的數位工具作為實驗測量器材，取得的大都是屬於「量化」的數值，也就是用數字來描述自然現象。若教師評估學生以數字來理解自然現象會更為清楚具體，或是希望學生能在實驗中取得量化數據來學習如何閱讀或分析數據，那麼引進數位化實驗工具，來大幅降低取得實驗數據的難度，就有可能讓教師有可能規劃更多實驗與數據分析的課程。不管是在描述性、相關性或是實驗性的課程內容，都有可能因為較方便的數位實驗工具的引入，而降低學習的難度。 但在國中小階段，許多學習內容都只停留在定性理解的階段，由於學生智能發展階段的限制，確實不宜太早運用數學模型來描述自然現象。但使用數位工具來取得實驗數據，不代表在課程中就要運用數學模型。在課程中也可以運用數字來觀察比較大小、趨勢的定性變化，設計符合學生發展階段的課程。 二、展示工具 在自然科學中，若想要展示的物體尺度過大、過小，或不適合觀察實體的時候，我們常常會以繪圖的方式來呈現。例如地球板塊、細胞、原子、分子或人體循環系統中的心臟、血管等等。繪製的圖形常常是根據教學目標進行了簡化，讓想要呈現的訊息可以被突顯出來。實際以肉眼觀察細胞，當然無法看到，若以顯微鏡觀察細胞，其實也很難看到清楚的胞器結構。這時候使用圖片展示，經由簡化和調整過的細胞示意圖，就對學習很有幫助。我們也不可能讓學生實際觀察人體體內循環系統的運作，心臟的收縮以及血液的流動，所以常常需要繪製圖片來解說 在這個項目中，數位化工具和傳統工具的最大差異，應該就來自可操作性或互動性。以細胞為例，傳統工具僅能將畫面像是上圖一樣，清楚的呈現出來。但若是在iPad上操作就能旋轉不同角度，對局部畫面放大、縮小建構整合不同尺度的模型。下圖是Tinybop公司出品的人體探密app，其中一個功能是觀看人體的循環系統，可以在畫面中看到血液流動方向的示意圖，也可以操作讓主角跑步，觀看運動時心臟會有什麼反應。也可以點擊心臟，觀看心房、心室的搏動（圖1）。 圖1 人體心臟示意圖（引自tinybop的人體探秘app） 在PhET中的‪Build a Molecule_建立一個分子 （註3），可以讓學生自行組合不同的原子成為分子，並觀看分子立體模型（圖2）。 圖2 甲烷分子模型（引自PhET，Build a Molecular） 這一類的工具在教學上，大多是用在幫助老師講述已知的發現或是科學表徵，也可以幫助學生建立想像中物體的型態、構造、功能或運作方式。如果傳統紙本、靜態的圖文表徵，還不足以讓學生快速認識了解所學的內容，那麼找到合適的數位化表徵，提高可操作性、互動性或是能展現更多不同樣貌，都有可能幫助學生了解對應的學習內容。 三、虛擬實驗 虛擬實驗的意思，是使用各類型的電腦程式，用程式中規劃好的環境來進行實驗。程式設計的實驗環境，依照設計的理念不同，操作的自由度也會不同。最受限制的設計，可能會把所有實驗參數都設定好，使用者無法調整，只能按下「開始」，觀看整個結果。也有一些程式，會提供較大的自由度，讓學生可以調整一些參數進行特定主題的實驗，例如由美國科羅拉多大學建置的，著名的虛擬實驗平台PhET，裡面的「繩波（註4）」單元，就是可以讓學生操作並觀察繩波的現象。若選擇裡面的「電路組裝套件：直流電（註5）」，則會看到一個相對更開放的電學實驗室，這個互動程式裡面提供了一些電學的元件，例如電源、導線、電阻、開關、迴紋針、保險絲、鉛筆、橡皮擦等等物件，可以讓學生進行不特定類型的電學實驗。從檢測不同物質是否導電到各種電路串聯、並聯的效果差異、歐姆定律、電流熱效應等實驗都可以進行。 除了以上這種專門為特定科學主題設計的程式可以進行虛擬實驗之外，還有一類的軟體是自由度更大的，可以讓使用者更自由的建構物理世界，依照需要建置不同的實驗環境，並且操作觀察實驗結果。以Algoryx（註6）公司出品的免費軟體Algodoo為例，你可以在這個具有重力、空氣阻力的2D物理世界裡面，自己設置實驗環境來進行運動學、單擺、虎克定律、摩擦力、碰撞、浮力、機械甚至光學實驗。這一類的軟體操作的自由度非常高，相對的學習和使用的門檻也會比較高。 以虛擬實驗來進行學習，有什麼好處呢？ （一）解決時間或空間跨距尺度過大的現象難以實驗的問題：有些尺度過大的自然現象，難以在教室中重現，更難以操弄實驗條件，可以用虛擬實驗的方式來讓學生操作探究。例如上面提到的「天擇」，天擇的概念常常跨越的時間尺度很長，也常常難以用人為的方式介入系統來觀察實驗結果，但藉由虛擬實驗的方式，就可以讓學生操弄環境變因，觀察改變之後的結果，用來了解自然界中的天擇是如何運行的。又例如地質作用、太陽系的行星運行等等，都是由於尺度過大，難以在課堂上進行實驗，學生也較難想像，這時候以虛擬實驗來模擬，可以降低學習難度。 […]