慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示： 從展示、演示與實驗跨出科教館在國際化學元素週期表年的盛宴 陳虹樺1*、陳雪玉2、林祝里3、李姤妤1、陳思羽1、周憶慈1 國立臺灣科學教育館實驗組教育人員1 國立臺灣科學教育館館長2 國立臺灣科學教育館實驗組主任3 irisnn@mail.ntsec.gov.tw1* 科學的發展，元素週期表扮演了相當重要的角色。第一個有規律性的元素週期表是在1869年由俄國化學家門得列夫（Dmitri I. Mendeleev）所提出，為表彰門得列夫對科學的貢獻，適逢2019年是第一張元素週期表提出的第150周年以及國際純化學及應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry,簡稱IUPAC)成立100 周年慶，聯合國教科文組織便訂定2019年為「國際化學元素週期表年」（International Year of the Periodic Table of Chemical Elements,簡稱IYPT）。在此國際盛會下，國立臺灣科學教育館(後簡稱本館)秉持推廣科學教育的宗旨及本質任務，應邱美虹教授之邀請，與全臺相關推動化學教育、科學教育的館所、機構及中心，共同辦理各式推廣慶祝活動，從「發現週期表」、「認識週期表」到「應用週期表」的脈絡，規劃一系列的科學課程與科普活動，提供中小學師生或一般民眾體會化學元素週期表的奧秘與美麗。 壹、 發現週期表 世界各地推動的IYPT慶祝活動是為了引起世人重視元素週期表發現的歷史脈絡、科學發展與元素的密切關係、元素在生活上的價值以及稀缺元素對科學與生活永續發展的影響等。為此，國立臺灣師範大學、中國化學會及本館在6月1日至8月26日首波於科教館3樓公益特展區舉辦了「2019國際化學元素週期表年特展」，透過大型元素方塊堆疊的元素週期表，結合光雕投影和豐富的元素相關展覽品，讓民眾能對元素週期表有較深入的認識，及瞭解元素與生活其實是息息相關。本館展期結束之後，基隆國立海洋科技博物館、臺中國立自然科學博物館、高雄國立科學工藝博物館及屏東國立海洋生物博物館亦陸續展出結合該館特色的化學元素週期表特展，可逕至各館網頁查詢。有關臺北科教館的IYPT特展詳細介紹，可詳閱本刊2019年5月第31期由邱美虹教授主寫之「《2019國際化學元素週期表年特展》活動介紹」。 貳、 認識週期表 (一) 強調探究與實作的實驗營隊-IYPT元素營 在聯合國提出的17項「全球永續發展目標」（Sustainable Development Goals, SDGs）中，從經濟成長、環境保護及社會進步等三大面向探究永續發展的議題，也顯示國際間對「永續發展」議題的重視，其中「優質的教育(Quality education)」該項議題更與本館成立宗旨及本質任務相符，並致力提供各年齡層、不受宗教、種族、性別及社經背景等限制之優質的科學教育課程及活動。在「化學元素週期表」之主題下，本館邀請理化背景專長、實作經驗豐富的國高中職教師成立化學元素課程規畫小組，首先針對國小高年級以上學生發展從單一元素到結合相近性質多種元素的多元課程。同時，課程設計也呼應108新課綱強調學生探究與實作能力的培養，從生活中重要且常用的元素著手，將學科知識、實驗操作、生活應用等層面相互連結，特此規劃「電池與能源」及「生命大事記」兩大主題的科學營。 在「電池與能源」營隊中，以氫、銅、氮、矽的基本性質介紹與相關特色實驗操作，以及電池組成與金屬材料間關係探究，帶領學生認識電池與能源相關概念的課程設計；例如：「銅」元素帶入國中常見鋅銅電池與電能產生的關係、從「氫」元素及「矽」元素介紹氫能與太陽能的應用等。在「生命大事記」營隊中，以碳、氧、碘的基本性質介紹與相關重要實驗操作，以及鹼金族、鹼土族與鹵素族的化學性質測試與現象觀察，最後結合AR技術的元素擴增實境呈現與表達化學元素內容，也安排其中一堂課參觀位於本館3樓的IYPT特展，能以更系統性的欣賞元素發現歷史、重要科學家故事及各種類型元素週期表等內容，並依學習單的引導，進行重點觀察及紀錄(如圖一)，讓學習場域從實驗室延伸到展場。 本次營隊的教學設計中，強調探究與實作的學習歷程，教師除安排各種元素相關實驗讓學生認識元素的性質及應用性之外，也在實驗的過程中提供學生觀察、實驗變因探索及實驗結果討論的引導式探究設計。另一方面，因應科展逐年重視實驗記錄在科學研究上的重要性，為從小紮根學生對實驗筆記的認識並培養紀錄的重點及習慣，本次規劃的營隊中在進入第一堂課元素主題課程前，先安排半小時的實驗筆記課程，並請授課教師在後續課程中加強學生進行實驗筆記的訓練，逐步培養學生在科學研究上的基礎能力。 本次課程實施在今(108)年的暑假期間，招收國小高年級學生共77位，透過課後課程回饋單的分析(採五分量表，分數1-5分，分數越高表示越滿意)得知，學員對講師的上課方式非常喜歡(M=4.41)、對課程內容非常感興趣(M=4.49)、參加後的學習收穫感到非常豐富(M=4.52)，顯示學生喜愛本次課程的設計；另外，從學員的訪談中，學員自認瞭解課程中提到的科學名詞，如「氫H、銅Cu、Fe是鐵、矽是Si」，且在參加營隊後，對於化學元素的學習更感興趣，也會想要了解其他元素的特性。除了學生的回饋外，在營隊課程結束一個月內亦召開課程檢討會議，從教學者的回饋進行課程的調整，例如：建議在3小時的課程時間內，部分實驗可先準備半成品(例如: 容器先挖洞、電線先焊接好…等)，以掌握課程進度；實驗操作設計如有實驗組與對照組時，要讓學生仔細觀察兩組設計的差異性，在實驗操作中也要留意勿因操作上的疏失，而讓數據結果被質疑 (例如:燃燒鋼絲絨時，學生常會因動作過大，讓部分鋼絲絨掉到容器外，造成數據差異)；燃燒鹼金屬、鹼土金屬的實驗中，發現學員較難判斷金屬的燃燒狀態以及是否燃燒完全，建議可改為影片或圖片輔助教學；另外，化學實驗操作前必要的操作說明及安全注意事項要再三確認，讓學生了解正確的操作步驟後，再進行實驗，以確保課程安全性。透過學生與授課教師對課程的回饋，後續將對課程進行調整，作為本館特色營隊開放給更多學生有學習的機會。    圖一 「生命大事記」營隊中學生參觀IYPT特展並進行觀察及紀錄   (二) 從化學元素的發現歷史學習化學元素–化學元素報你知 「歷史」係指人類社會過去的事件和行動，以及對這些事件行為有系統的記錄、詮釋和研究。「化學元素報你知」的系列課程從單一化學元素被發現的科學歷史中，帶領學習者了解科學知識發展的脈絡，以及當時時空下的科學家們提出這些概念的想法，以協助學習者進一步地認識該化學元素的性質及應用。今年總共發展3件教案，分別為「百變碳元素」、「氫」及「氧」。 碳元素是在有人類活動以來，就有存在痕跡的古老元素之一，存在形式多變，包含八種同素異形體，應用範圍廣泛，從奈米碳的特性探索、巴克球製作及有機物與無機物的實驗中，初探碳元素的百變性質(如圖二)。氫及氧的發現，則與燃燒現象息息相關，從17世紀的波以耳、史塔爾，到18世紀的舍勒、普利斯力、卡文狄西、拉瓦節等科學家的科學研究中，科學家們逐步建構出氫及氧的輪廓，並各自提出燃素說、氧化說等不同的科學理論。在課程中教師從介紹這些科學知識發展的歷史背景引導學習者說出科學家們提出理論時的依據及證據，透過提問，讓學習者能思考站在不同角色立場時對提問的回答為何，認知及理解科學知識的產生會依自我的立場及觀點而不斷的改變，培養學習者批判思考的能力。 「化學元素報你知」課程實施在假日上午，每堂課3小時，共有61位4-9年級學生參與，雖然學生的年齡層差異較高，但教學者以明確具體示範操作步驟，大多數學生仍可完成實驗；惟深入以化學方程式來解釋觀察到的現象時，七年級以下學生因沒有理化基礎，會先簡單說明元素符號及化學方程式的意義，建立學生對化學反應的基本概念，八年級以上學生因已開始學習國中理化內容，但因學習進度略有差異，會先請他們說明該堂課中出現的化學方程式代表的意思，便於教學者判斷該班學生對化學符號理解的程度，以決定加強補充說明或僅帶過此部分的內容即可，得以掌握課程進度。 在氧元素的課程最後半小時，嘗試讓學生自行設計題目的「快問快答」做為學習成果檢核的方式。首先讓學生將該堂課中學習到的內容設計成題目，讓其他小組搶答，設計題目及答對的小組都可以得分。從學生設計的題目與答案，教學者可以了解他們對元素的理解程度，再者，也請其他小組學生判斷這個題目的設計是否正確及合宜?若他們可以再次修正，他們會如何修改?提供學生進行後設思考的機會，是值得推薦非制式場域進行課程設計者之參考。 圖二 「百變碳元素」中學生觀察白糖及鹽巴燃燒後的產物探究有機物與無機物的差異 […]