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.      […]

化學探究教學：氧化還原反應的國中探究教學 林宣安 臺中市立長億高級中學國中部L0930984547@gmail.com n  緣起 在實施探究教學的過程中，最常聽到教師的困難就是時間與進度的壓力，這的確是現場國中教師的難為之處，或許是因為許多教師都把探究教學與科展或是發明展之間畫上等號，因此一提到探究教學，直覺這是規模很大的教學活動，學生沒這樣的能力，這樣的教材需要教師自編，不可能有足夠時間等等的想法。 然而，在課堂裡的探究並不是要培養出可以獨立研究的科學家或發明家，而是希望讓更多的孩子（包含非自然科屬性，或根本不喜歡自然科學的孩子）了解分析事情與看待問題的邏輯方法，以及如何找到問題的答案。因此，筆者希望直接從課本的實驗來出發，一方面不會讓教師有必須獨立出探究課程的時間與進度壓力，另一方面在教材的設計上也輕鬆許多，期望在課堂中形塑出一個討論與願意深入研究的求學氛圍，不一定希望學生可以有什麼了不起的結論或應用（這不是科展、也是不發明展），而是訓練孩子問題解決的能力，也許成果不亮麗，但只要教師願意嘗試，兩年或三年的學習下來，相信孩子們會有不一樣的感受。 n  設計理念 改編原來課本氧化銅被還原成銅的實驗，簡化使用器材與實驗過程，課程的目的放在結果分析，而非實驗操作技巧，並利用紀錄單引導學生分析事情的方法與邏輯概念，比較與預期結果有何不同，嘗試解釋這當中的異同，且提出說明與解釋，再進一步驗證你的說明。藉由這些衝突經驗，引發學生討論的學習空間，並激發孩子進一步的主動探索的動機。 教師只要形塑出一個探究的氛圍，學生之間就會產生主動的討論，並與教師進一步說明驗證想法和操作過程，這已經是延伸到課室外的學習，真正將主動學習的發球權無形中讓學生主導。 n  教學設計 一、課本的實驗改良 原來課本設計的氧化銅被還原成銅實驗，在實驗操作之前其實學生已經知道氧化銅和碳反應所產生的物質，基本上是屬於已知結果的驗證型實驗，並無太多相關的變因探討。再加上所使用的器材較為繁複，對部分自然科較無興趣的學生，這樣單純觀察與訓練實驗技術的活動也是一種煎熬。 因此，筆者嘗試簡化實驗所使用器材與流程，捨去二氧化碳的檢驗步驟（這方面學生已經操作過許多次），將課程的目的放在結果分析，利用學習單（見附錄一）引導學生分析事情的方法與邏輯概念，同時也鼓勵學生提出自己的說明與解釋，再進一步驗證提出的說明。 二、實驗流程 1.        反應前的物理觀察記錄 確認學生所拿到的藥品種類，並能觀察紀錄物質的外觀，同時也訓練學生在實驗室中沉靜與細心的氛圍。 2.        反應中的操作 同一實驗桌分成兩大組進行實驗，一組將氧化銅與碳粉包在鋁箔中加熱（密閉系統），另一組則將氧化銅和碳粉直接混合在蒸發皿中直接加熱（開放系統），實驗進行時相互觀察不同實驗的結果並比較，如此便可以在有限的教學時間內進行更多不同變因的觀察（見圖1）。 實驗操作前先讓學生說明兩組實驗的目的與預期反應，目的是讓學生先對自己之前所學的知識作一個反思，並能從這些知識中推理出一個可能的解答，再來針對這些解答進行實驗設計與驗證。 教師並沒有給予詳細的實驗步驟（例如：如何加熱？如何包覆成密閉系統等等），只有給予學生一個實驗的指令，其餘就交給學生自行設計操作。 實驗過程中教師扮演一個觀察者的角色，適時的針對每一組的操作流程加以詢問與安全維護。   圖1：學生分組針對不同變因進行實驗操作 3.        反應後的觀察 將氧化銅與碳粉包在鋁箔中加熱（密閉系統）可以明顯觀察到原本黑色的反應物變成紅色（見圖2左），若在開放系統加熱幾乎維持原本的外觀（見圖2右），讓學生詳述兩組不同實驗的結果，顏色改變代表的意義為何？不變的原因又是什麼？並嘗試解釋和原本預期的落差在哪裡，再重新設計一個實驗來支持自己的解釋與論點。   圖2：密閉系統加熱後變成紅色（左），開放系統加熱後維持黑色（右） 三、善用學習單的討論 探究課程要能夠深入，不僅僅是過程中的實驗操作，更重要的是實驗後的討論與反思，這個部分通常會佔據許多正常進度的時間，也因此讓許多教師卻步。但如果沒有更深入的師生互動，就讓探究的意涵失色許多，因此筆者使用了一個折衷的方法，利用課後學習單的填寫，節省上課討論的時間，教師批改後，點出學生的問題，發回學習單後讓學生再一次反思，利用不同顏色的筆回應教師的問題，如此可能進行2~4次的來回討論（見圖3），讓學生有機會作更深入的思考，教師也能針對學生個別的問題給予協助，如此的模式意外引發了許多學生迫不急待想要和教師討論的思緒，成功引起了班級主動探究的氛圍。 圖3：教師課後利用學習單和學生討論實驗細節，節省上課時間 四、延伸到課室外的實驗 在挑起孩子們的探究本能之後，部分學生開始主動要求教師允許他們可以針對設計的驗證步驟進行實驗，當然這時候就是順水推舟，將課室內的活動延伸到課室外的加強。學生開始跨組合作，共同討論可行的實驗方案（見圖4），教師此時只幫忙整理與引導，對於進階實驗預期的結果與設計不加評論，並提供必要的設備與陪伴。 這部分不強求全班都要參與，只針對有興趣的學生鼓勵他們進一步研究，這也是教師本身必須自我調整的地方，再好的課程設計也不可能讓每個孩子都會想要學習，教師的責任除了知識的傳遞，還有另一個更重要的責任就是找出那些隱藏喜歡某些學科的孩子，帶領他們進入專業研究的殿堂。   圖4：學生跨組合作並共同討論實驗方案 以下是學生設計的實驗過程紀錄： 學生初步假設開放系統中碳粉會和空氣中的氧氣反應，因此氧化銅不會有變化。實驗設計利用酒精燈分別將碳粉1克和氧化銅3克放在蒸發皿上加熱約7分鐘（與原先實驗的加熱時間差不多），再以電子天平量測減少的質量，結果碳粉只減少不到0.1克（在電子秤的誤差範圍內），氧化銅完全沒改變（見圖5）。因此學生認為碳粉和氧化銅在蒸發皿中直接加熱，可能因為加熱時間不夠久且溫度不夠高，導致根本什麼事都沒發生，而不是我們預期的碳粉和空氣中的氧氣反應 圖5：加熱蒸發皿中的碳粉和氧化銅，結果質量幾乎沒有變化 根據上述的實驗結果，學生提出第二個假設，若是加熱的溫度不夠高，我們利用燃燒匙直接在酒精燈中加熱碳粉，應該就會反應（燃燒）。結果發現粉末掉落時會產生火花，且在燃燒匙上的碳粉質量也減少。因此學生認為碳粉直接加熱會燃燒是確定的，但溫度必須夠高且時間必須夠久才可以。因此到目前為止幾乎可以肯定教師原本的實驗設計（開放系統在蒸發皿上加熱約7分鐘）是有瑕疵的。 接下來，學生設計利用燃燒匙直接在酒精燈中加熱碳粉0.1克和氧化銅0.8克的混合物，結果發現當燃燒匙放在火焰中央時，明顯看到產生紅色的氧化銅，移到火焰上方時，紅色氧化銅馬上卻又馬上變回灰黑色。學生認為當燃燒匙放在火焰中時溫度夠高，但可能反而製造了一個缺氧的環境，因此產生紅色的銅，移到火焰上方時，高溫的銅和空氣的氧氣馬上又反應變回氧化銅。 若直接利用瓦斯噴燈加熱，則可以提供更高的溫度，而且瓦斯噴燈的火焰小，應該不至於會在周圍產生一個缺氧的環境，因此實驗設計分別利用酒精燈和瓦斯噴燈加熱（見圖6），結果如表1所示。 圖6：直接利用瓦斯噴燈加熱，提供更高的反應溫度 表1：用酒精燈和瓦斯噴燈加熱燃燒匙中的碳粉、氧化銅及混合物之結果 編號 火源 反應物 加熱時間 結果紀錄 1 […]