化學探究教學：引導國中生開發水災防治包專利作品的探究教學歷程 黃琴扉 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所chinf1027@yahoo.com.tw n  前言 教育部（2003）公布的「科學教育白皮書」中明確提及，科學教育的主軸是透過科學性的探究活動培養學生獨立的科學思考；由2003年至今，國內外也有許多科學教育學者透過大量研究證實探究教學對學生科學學習的重要性（Blatt, 2015; Schank & Abelson, 2013）。然而，許多職場教師們對於如何落實探究式教學以啟發國中生科學學習仍有諸多疑問，更擔心探究式教學會花費許多時間或精力，本文即以筆者與高雄市圓富國中合作的化學探究實務教學為例進行分享討論，期盼能與職場教師或相關教學、研究人員交流，以激起更多科學教育的火花。 n  以融合環境教育的問題本位學習（EPBL）進行化學探究教學 探究式教學的理念，可以追溯到Deway（1910）的哲學觀，Deway認為知識存在個體與環境的交互作用間，若是要啟發學生的主動學習，必須給予學生適當的問題情境（陳毓凱、洪振方，2007），而當問題的結構較為模糊，學生必須進一步重新定義與釐清問題後，才能擬訂解題策略時，即稱為問題本位學習（problem-based learning, PBL）；換句話說，問題本位學習就是一種建立在探究取向上的教學模式之一。本文參考Delisle （1997）、Lambros （2004）、陳毓凱和洪振方（2007）以及王紅國（2015）的問題本位學習教學理論，並於實務教學中融入環境教育因素，由筆者自行開創之環境問題本位學習（Environmental Problem-Based Learning, EPBL）教學模式，如圖1所示。 圖1：環境問題本位學習（EPBL）教學模式 筆者於圓富國中進行教學時，即根據圖1的教學模式進行引導，協助學生進行與環境議題相關的化學探究活動，並成功協助國中生開發水災防治包專利作品（於經濟部審核中）。 n  教師進行探究教學歷程之教學立場與角色定位 在說明教學歷程前，筆者希望以理論基礎與教學經驗之整合，分享給教師們進行探究教學時的心態轉換： 一、   教師應協助學生從生活環境的問題解決著手，以提升學習動機 在EPBL的模式中，融入環境教育因素是重要的一環。教師應該協助學生從生活環境中的問題解決進行發想，以誘發學生強烈的探究與學習動機。以本文為例，參與本探究活動的學生都居住於高雄市旗山區，每位學生共同的經驗都是「水災」。每逢颱風，家中必會淹水，而同學們共同的經驗就是幫家裡堆沙包；因此，學生們很容易凝聚共識，因而擬定了開發水災防治包的主題。 二、   教師為教學引導者，並非知識傳遞者 引導國中生進行探究的過程中，教師應以學習者為中心，協助學生建構自己的知識（Lawson, 2002），而不是著重於教師對學生的知識傳遞。教師應以開放而熱忱的心態與學生一同探究、學習與成長，而非僅是提供專業知識或協助資料查詢。 三、   教師應協助學生提升後設認知 雖然探究式教學可以提升學生的主動思考能力，但國中學生對於思考上的自我監控能力尚不成熟，時常無法察覺自己在假設與證據詮釋上的矛盾，或對於變因的控制不夠精準，此時教師應協助學生反思，進而提升學生的後設認知能力，以強化學生獨立思考的純熟。 n  以EPBL引導國中生由紙尿布啟發水災防治包專利研發的探究教學歷程 本節將詳述筆者採用EPBL探究教學模式成功引導國中生開發水災防治包專利作品（於經濟部審核中）的探究教學歷程（見表1）。 一、   學生來源 參與本文的EPBL探究課程的學生共有三位（男生二位，女生一位），均為國中二年級自願參加的學生，學生均自願於中午午休或早自習時間參與本課程。經過家長、學生本人、學校行政人員、導師等同意後，始進行本課程。 二、   課程時間 本課程每次授課時間為40分鐘，每週授課一次，共計一學期，扣除段考時間與國定假日等，共計上課12週。 三、   探究教學實務歷程說明 本課程結合環境教育概念，讓高雄市旗山區的國中生，以解決家鄉水災問題出發，從紙尿布高分子化學材質的高吸水特性開始發想，進而開發出水災防治包專利作品（經濟部審核中），以下將進行探究教學實務歷程說明（見表1）。 表1：環境問題本位學習（EPBL）教學模式實務應用歷程 理論基礎 教學實務 花費時間 可能遭遇的困難 融入環境教育因素，以個人經驗或生活環境議題出發，引發結構模糊問題 1.      […]

創意化學實驗—環保手動肥皂機 葉凡愉、周明毅、王冠智、沈明勳、黃琴扉* 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所*chinf1027@yahoo.com.tw n  前言 環境教育為目前我們極力推廣的教育理念，也希望此理念可以與各領域學科知識做結合，像是學生們在進行科學實驗課程時，也可以更有感地關心到他們的生活環境。其中，環保意識、水汙染防治的概念，更是要推廣到中小學的學生，以落實環境教育。國中理化有教導學生天然肥皂、合成清潔劑的原理與製程，天然肥皂的原料取得是比較環保，對環境的汙染低；使用過後排放到水中後是可以被細菌分解的，不會產生泡沫汙染。然而，合成清潔劑的原料取得為石化產品，在生產的過程中，對環境的傷害很大，並且排放到水中後會產生泡沫汙染。另外，市面上販售的合成清潔劑，可能還含有增稠劑、珠光劑、保濕劑、人工色素、香料、殺菌劑及防腐劑等化學添加物，因此，使用此種合成清潔劑，可能會導致洗劑殘留在皮膚上，侵入人體，並且可能會造成皮膚或肝腎的病變，對人體相當不好。 製作肥皂的方式大致上分為四種：熱製法、冷製法、再生法、融化再製法。目前國中理化實驗課大致上都使用熱製法教導學生製作肥皂。但是在實驗過程中，我們發現到：若是選擇不適當油品或者是加熱溫度過高，會產生不好聞的味道；然後最後製成的成品，也不太容易乾燥，這導致學生最終也不敢使用自己製做的肥皂。此種製作肥皂的方式，雖然學生學習到了實驗技巧，但如果實驗後就把成品都丟掉，那此實驗對環境是不友善的。有鑑於熱製法因需要加熱，對學生有危險性，加熱過程中，也有不好聞的氣味產生，因此我們選擇使用冷製法製作肥皂。冷製法做肥皂的過程，是無需加熱，並且不會有異味產生。但缺點就是要準備許多的容器裝原料，學生會覺得此實驗用到的器具過多，不好整理；然後需要用打蛋器攪拌四~五個小時，此過程是疲累而且無趣的。我們就此兩個缺點發想了一個「環保手動肥皂機」，希望可以藉此肥皂機，讓大家做起肥皂是輕鬆、簡單、環保，並且是有趣的。 為了提供一個更環保、更方便製作肥皂的器具，許多研究人員以及國、高中的學生都投入了環保手動肥皂機的研發。綜觀之前所有製作肥皂的實驗課程，是非常繁複，並且需要許多的器具，因此本文作者發想，是否可以製作一個一體成型的器具，只要使用這一個器具就可以輕鬆製作出肥皂，也不需加熱，所以我們就改良了身邊要丟掉的食物攪拌器，希望可以達到廢物利用的精神，開發出一個全新的「環保手動肥皂機」，然後再搭配本文作者研發之肥皂配方，就可以製作出天然、環保、又可以使用之手工肥皂。 n  裝置設計與製造肥皂 一、材料和藥品 廢棄的食物攪拌器（1公升） 1個、氫氧化鈉 75公克（購自五金行和化工原料行）、椰子油 125公克、棕櫚油 150公克、橄欖油 225公克、冰塊 150公克、電子磅秤 1個、量杯 1個、皂模 5個、紙碗 1個，如相片一所示。      相片一：所需材料和藥品（由左而右排列） 二、設計與製造過程 1.        先量出冰塊約150公克（±20公克），加入廢棄攪拌器中，如相片二所示。 相片二：將冰塊加入廢棄攪拌器中 2.        量出氫氧化鈉75公克，放入一個乾淨的紙杯內，如相片三所示。 相片三：氫氧化鈉75公克 3.        一邊攪拌冰塊，一邊慢慢少量加入氫氧化鈉（若一瞬間倒入，怕溫度突然升高），一直攪拌到氫氧化鈉完全溶解在水中，鹼水就製造完成，如相片四所示。   相片四：攪拌食物攪拌器中的冰塊並且緩辦加入氫氧化鈉 4.          當鹼水完成時，把攪拌器放置在電子磅秤上歸零，慢慢倒入棕櫚油（150公克）、橄欖油（225公克）、椰子油（125公克），如相片五所示。   相片五：油品由我們改良的食物攪拌器上方漏斗倒入 5.        開始手動攪拌，攪拌約20分鐘左右，當皂化混合液呈現黏稠狀即可（注意液體中若有浮油，表示攪拌不完全，需繼續攪拌），且避免皂化混合液中有氣泡，因為皂化成形時肥皂中會有空洞，如相片六所示。   相片六：攪拌完成的肥皂（內無空洞產生） 6.        當肥皂混合液完全攪拌成功時，再慢慢倒入皂模中，放置在陰涼處約一星期脫模，如相片七所示。 相片七：將肥皂混合液倒入皂模中 7.        依上述步驟，製作並且使用「環保手動肥皂機」，環保好用的手工皂就完成了。 n  原理和概念 一、皂化反應     油脂在鹼性溶液中加熱，發生水解反應，產生長鏈脂肪酸鹽（肥皂）和副產物甘油。肥皂分為鈉皂和鉀皂，通常稱鈉皂為肥皂。若鹼性物質使用氫氧化鈉，則生成鈉皂。若鹼性物質使用氫氧化鉀，則生成鉀皂。皂化反應如式[1]所示。 油脂 […]

創意微型實驗—可自動歸零的微型滴定裝置 方金祥1, *、黃琴扉2 1創意微型科學工作室 2 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所 *chfang1273@yahoo.com.tw 傳統式之酸鹼滴定裝置中所使用之滴定管皆是以玻璃材質製成的，在操作時一不小心很可能會被弄斷或弄破。一般滴定管可分為透明滴定管與棕色滴定管，前者適用於一般酸鹼滴定，而後者則適用於滴定劑見光易被分解者如過錳酸鉀之氧化還原滴定。滴定管之容積有50 mL，25 mL，10 mL等規格，其價格較為昂貴。為了克服傳統式之酸鹼滴定裝置在進行酸鹼滴定時添加滴定劑時不易歸零及滴定管易破之缺點，在本文中將以更安全更經濟的丟棄式塑膠移液管（每支價格約為10元左右）設計成「改良型塑膠滴定管」，以代替傳統式的玻璃製滴定管，並配合儲存或承接滴定劑的容器設計成兩套耗用藥品更少，手完全不會碰到任何一滴滴定劑（如鹽酸或氫氧化鈉），而且滴定劑之量取也可任意設定後自動定其量（自動歸零），而在滴定後剩餘在滴定管中之滴定劑（鹽酸或氫氧化鈉）又可自動使其回收再多次使用，此一「可自動歸零的微型滴定裝置」每套成本約為五十元至一百元左右。 用來盛裝滴定劑容器之材質分為軟式（可擠壓）及硬式（不可擠壓）而設計成兩套可自動歸零的微型滴定裝置，其詳細製作過程如微型滴定裝置（一）及（二）所述。 n  可自動歸零的微型滴定裝置（一）之設計與製作 (一) 材料與藥品 丟棄式塑膠移液管（Disposable transfer pipette, 10 mL） 1支、塑膠三通活栓（Top 3-way stopcock） 1個、單孔小塑膠塞 1粒、透明塑膠軟管（內徑2 mm、長60 cm） 1條、稀鹽酸（1 M） 600 mL、熱熔膠（槍） 1組、血壓球 1個、小型電動打氣機 1組、塑膠滴管（3 mL） 1支、透明塑膠軟管（內徑3mm，長20cm） 1條 (二) 設計與製作過程 1.        改良型微型滴定管之設計與製作 為了克服傳統式之酸鹼滴定裝置在進行酸鹼滴定時之缺點，因此本文中兩套微型滴定裝置中之滴定管將以比較安全的10 mL塑膠材質之吸量管設計成改良型微型滴定管，其設計與製作方法如下： (1)     將一支10 mL丟棄式塑膠移液管之上面切掉3 cm，如相片一所示。 相片一：將丟棄式塑膠移液管之上面切掉3 cm (2)     用熱熔膠將一粒塑膠三通活栓固定在塑膠移液管之下端，如相片二所示。   相片二：塑膠移液管下端接上塑膠三通活栓 (3)     […]