國中自然科學探究與實作：新課綱的精神 段曉林 國立彰化師範大學科學教育研究所 suhltuan@cc.ncue.edu.tw 前言 108年新課綱的精神強調探究與實作，很多老師會納悶，難道自己以前帶的化學實驗活動不是探究嗎?也是實作啊?為何還要創造一個新的名詞來攪動老師們既有的教學型態。 首先教師們須了解教育的目的是教導學生成為具有各種素養(科學、數學、讀寫等)的公民，使其不但在職場上有好的發揮，更能將這些素養運用在其一生的生活中。也因為科技不斷的演進，資訊大量的產生，因此未來的公民所需要的知識與能力就需要不斷的與時俱進的改變。其實台灣在九年一貫課綱中就強調科學探究能力的養成，例如：過程技能，科學認知，科學本質，科學態度，思考知能等。因此在國小與國中自然科領域的教科書在設計實驗活動時就有一些探究的內涵。而108年課綱則是強調十二年一貫，且強調跨科，跨領域的課程設計。因此探究與實作不僅僅只是落實在國小階段與國中階段，到高中階段也需要進行探究與實作的活動。這樣的課程綱要能讓我國的國民由國小到高中的學習階段均能操練到探究與實作所需的能力。在作者執行七年的教育部全國中小科學教師探究課程設計與執行能力提升計畫的經驗，發現到自然科相關領域的國小與國中老師透過一起參加研習與分享的過程中，均能由相互學習到探究活動的設計以及教學法。因此新的課綱落實，如能加入高中教師的群體，會讓各階段教師透過互動學到多元的教學活動設計以及教學法的執行。而學生們透過相類似的科學活動在國小，國中與高中階段，透過背景經驗的熟悉(曾在國小或國中操作過)，學到內容的深入(學科知識的加深，實驗技能的精緻)，反而能深化學生的探究能力與學科知識的深化。以下將探究與實作的意義，教師執行探究教學所須具備的能力，教育部委辦的全國中小科學教師探究課程設計與執行能力提升計畫，獲獎化學探究教案的介紹，最後針對本期的五篇探究教案進行特色的介紹。期盼能幫助化學老師在落實探究教學時有所幫助。 探究與實作的意義 段曉林、林淑梤、靳知勤(2020)介紹探究與實作課程的發展與理論架構。其中提到科學探究課程的發展可追朔到六十多年前蘇聯發射的史波尼克號事件，此事件讓全美開始重視科學教育，也期盼培養學童從小具備科學家的思考，因而發展出十三種的科學過程技巧：觀察，運用時空關係，分類，運用數值，測量，溝通，預測，推理，確認變因，下操作型定義，確認可驗證的假說，數據與圖形的解釋，設計實驗。接著美國2061計畫則強調科學的世界觀，探究的科學方法，以及科學企業。1996年美國國家科學標準開始對科學探究下定義：「這是一個多面向的活動，包含觀察，提出問題，驗證課本或其他資源、了解已知的知識，設計探究歷程，按照實驗證據回顧已知的知識，利用工具來蒐集，分析分析與詮釋資料，提出回答，解釋以及預測，溝通研究發現。」(NRC, 1996, p.23)。最後是下一個世代科學標準(Next Generation Science Standards, NGSS)計畫(NRC, 2011)，強調實務操作(practice)，跨領域概念，以及各領域核心概念。有關實作的內涵包括：提出問題和確認問題(工程或是科學)，發展以及應用模型，設計以及執行探究，分析以及詮釋資料，運用數學以及計算的思考，在科學與工程問題的解答中建構科學與工程知識，獲得，評鑑與溝通所研發出的資訊(段曉林等，2020, p.15)。透過這些探究課程發展史中，可看出探究與實作的真正精神是讓學生透過探究的活動體驗科學家如何發現問題，建立假設，設計實驗，收集與分析資料，建立研究結論的思考歷程。而實作(或是實踐)(practice)的真正意涵應該是探究以及實踐所習得的學科知識。因此探究與實作不是只有「做」實驗，「做」活動而已，真正重要的是新課綱中學習表現的思考智能。 探究教學應具備的知能        我們瀏覽探究課程發展史中對探究與實作的意義理解後，接著需要思考老師要具備哪一些的能力才能進行探究實作教學。作者以為教學牽涉的是教育，因此我們需要理解當前有哪一些的教育理論影響著探究教學。作者認為基本上支持探究教學的教育理論有建構主義，社會建構主義以及情境學習。建構主義強調學習者要主動建構對自己有意義的知識，因此探究必須是學習者自己透過現象的觀察找到有意義的問題以及探討解決問題的方法。社會建構主義強調鷹架，論證的重要性，因此教師可在學生進行探究歷程中，適時的提供基本知識與技巧，幫助學生能主動建構其有意義的知識。而論證的過程則是學生必須要收集足夠有說服力的客觀資料，在小組討論或是全班討論中澄清自己研究的論點與立場。情境學習表示所有的探究活動都是與生活情境有所關聯，透過情境體驗探究的歷程，學生可與其小組成員相互幫忙共同的學習，共同完成其探究任務。當老師們明白探究教學的理論依據時，在教學上就會更能掌握重點，營造好的探究情境以及小組組員間的學習，提供學生進行探究所需的鷹架能力或是知識，提供相關的資源(資料或是專家群)，而不是努力地掌控教與學，扮演知識的權威者的角色。所以教師要先熟悉探究與實作的真正精神，接著思考如何將課本的實驗活動轉化為探究與實作導向的課程活動，多收集其他老師的探究實作教學活動或是教案，教師自己本人要累積自己的探究活動實作經驗，能於日後轉換探究活動為教學活動。 全國中小科學教師探究課程設計與執行能力提升計畫        本計畫在七年前開始執行，目前已培養約300多位獲探究種子教師證的教師，以及探究教練。本計畫執行的方式是由探究教練與3至6名種子教師組成一個專業成長團隊，每一個團隊見面十次，由教練帶領幫助種子教師學習探究教案的設計以及探究教案的執行，反思以及改進的歷程。除了專業成長團隊的活動之外，本計畫在九月時會在台北，彰化，高雄三個地區舉行探究種子教師招募會議，在會議中介紹108年課綱的精神以及介紹本計畫的實施方式。接著由參加的種子教師或是教練相互的配對組成專業成長團隊。每一年約有35-40的專業成長團隊。在十一月份前計畫會在台北，彰化，高雄與宜蘭辦理第二階段的研習活動，主要的目的是介紹探究教案撰寫的方法，以及實務的演練。第三階段則於三月前在台北，彰化，高雄與宜蘭舉辦，主要的研習重點是探究教學的反思策略與方法，以及實務的演練。三次的研習活動目的是提供鷹架，幫助每個專業成長團隊的教練，種子教師能熟悉探究的精神，探究教案的設計原則以及探究教學的反思。除此之外，本計畫也在寒假結束後進行探究教案的競賽活動以及五月底進行探究教學專業成長的競賽活動。這兩個活動的主要目的是鼓勵參與本計畫的老師能共同設計探究教案，也能落實其所設計的探究教案並進行深度的反思。兩種競賽活動均由探究領域的專家進行審查並提供具體的建議給參加競賽的教師們。許多的老師對於本計畫所提供的專家回饋意見均表示獲益良多。最後計畫於八月底辦理成果發表會，鼓勵優秀的教練以及種子教師們，並讓教師相互學習與討論所設計的探究教案。由於計畫執行數年，所以種子教師的種類也慢慢的演變為初階種子教師，進階種子教師到高階種子教師。獲得高階種子教師證的老師也轉換角色為探究教練，目前已經有一些教師成為探究教練。作者期盼有更多的化學老師能參與本計畫，也能為台灣培養更多具備探究教學知能的領導型科學教師。對本計畫有興趣的教師可上網(http://120.107.169.113)閱讀相關的資訊。有意願參與本計畫的國中小科學教師也可與作者聯繫。 化學領域探究教案         由於化學領域要進行實驗活動所需的裝備比較多，也應相對的設備費用比較貴，因此在上述的教育部委辦計畫我們執行數年後獲獎的化學領域教案相對於生物領域與物理領域為低。以下為獲獎的化學領域探究教案: 105年-108年獲獎教案名稱(獲獎年分)：口水之王(105年)，化學反應－質量變不變(105年)，如何增進伏打電池的效能(106年)，認識生活中的氧化還原(107年)，以食品色素檢視酸鹼，由酸鹼挑選天然色素(107年)，原子的＜微積分＞(107年)，元素分類王(107年)，化學反應速率(108年)，召喚黑龍!碳酸氫鈉的探究實驗(108年)。這些獲獎教案可於下列網址(http://120.107.169.113)獲得，請先註冊會員(免費)後即可閱讀。        除此之外，本期探究與實作專刊，特別邀請幾位科學教師為大家示範探究教案的撰寫。賴志忠教師為大家示範如何將課本的乾餾實驗活動轉化為探究導向的活動；吳月鈴、陳珮琪與吳宛如三位教師則示範如何將國小的實驗活動融入國中化學反應速率的單元，使得原先的課本實驗活動能加深加廣凸顯探究教學的精神；鄭志鵬教師則示範如何融入科學史中拉瓦節與史塔爾對燃燒本質的辯證作為素材，訓練學生科學的批判思辨以及以證據為本的精神，融入在課本的既有實驗活動中，訓練學生的探究思考能力。最後林芬如與段曉林的吃水果解油膩活動，則示範如何由生活化，趣味化的活動轉化為具備探究精神的化學探究活動。 結語 探究與實作的教學其實是有趣的，也是需要花時間構思與研發的活動。期盼各位教師能找尋有志一同的夥伴，透過跨年級，跨領域的合作可設計出許多具備深度與廣度的探究教學活動。教師們如果有興趣理解探究與實作的更多資訊，也可研讀段曉林、林淑梤、靳知勤(2020)所撰的中學自然科學領域探究與實作教材教法，此書除介紹探究課程的沿革，相關理論之外，也介紹許多探究教學法，相關的探究教學活動以及可參考的網路資訊。 參考資料 段曉林、林淑梤、靳知勤(2020)。中學自然科學領域探究與實作教材教法。台北市：五南圖書出版有限公司。 National Research Council (1996). National science education standards. Washington, DC: National Academy Press. […]

國中自然科學探究與實作：吃水果解油膩?油脂的水解反應探究實驗 林芬如*1、段曉林2 國立彰化高級中學退休教師1 國立彰化師範大學科學教育研究所2 *a097025691@gmail.com n  前言 108年課綱的精神在於重視每一位學生的資質均能得到造就與幫助，使其適才適性，質量並重，並能提升其科學素養。本探究活動依照108課綱所指「由各校依照學生興趣、性向、能力與需求開設」進行探究與實作教學的目標，以108課綱設計國中課程適用的探究教學教案範例，教案中教師以學習單引導，幫助學生完成此探究活動。 本教學活動的目的有二：(一) 利用動手做的探究活動促進國中學生的學習動機，增加學習樂趣。(二) 促使國中生在本活動中，仔細觀察日常生活中油脂化學變化的現象，驗證他們常聽說的”吃水果解油膩 ”的說法是否合理，在動手做的活動中將學校課程所學，融入日常生活中。本教學活動對應到108年新課綱的學習內容是「有機物的性質」為物質間的交互作用，「物質的反應、平衡與製造（J）」和次主題「酸鹼反應（Jd）」，以及第三學習階段的學習內容「INe-Ⅲ-5常用酸鹼物質的特性，水溶液的酸鹼性質及其生活上的運用。」。在學習表現上，希望培養科學探究的興趣（ai）、應用科學思考與探究的習慣（ah）等態度；培養學生問題解決中的觀察與定題（po）、計劃與執行（pe）、分析與發現（pa）、討論與傳達（pc）的能力；思考智能中的想像創造（ti）、推理論證(tr)的能力。 n   需用材料和器材 小試管（15mL-20mL）每人六支；三種不同種類沙拉油如花生油、橄欖油、葵花油等(每種每次3mLX2支）做成6支/人；新鮮檸檬數個擠成檸檬汁（250 mL供全班使用）；新鮮綠葡萄一串打成汁過濾果皮（250 mL供全班使用）；市售黑葡萄汁數瓶；某牌果菜汁數瓶；廚房水果醋250ml；廚房小蘇打粉數包。加熱設備如加熱器或小型瓦斯爐台數台、電子溫度計或玻璃溫度計數支、計時器、廣用試紙與石蕊試紙數盒，數字型電子pH計數支，酸鹼滴定裝置(若無可用乳頭滴管加上小量筒代替)。如圖一所示。 新鮮橘子   新鮮檸檬    新鮮綠葡萄     數字型電子pH計數支     乳頭滴管加上小量筒     數字型電子加熱器     n  課程介紹 (一)、本課程設計上盡量使國中學生接觸到的藥品毒性低，危險性低，便利性高，人人在家都可以做實驗，達成安全無毒的考量。(二)、本課程以108課綱所提(p.3)以「主題式探究教學」為課程內容，選取油脂的水解反應為主題，根據5 E教學架構，由教師提供的學習單引導探究的主題與學習內容，使學生在進行探究的過程中具備三種學習表現：思考智能、問題解決、科學態度與本質，符合前言所提的學習表現。 本教學活動採用5E教學法，詳細的教學步驟請參考下文，研究中教師的提問則請每一位學生都必須填寫在學習單(附錄一)。 一、參與(Engagement) 步驟1：教師先拿出一份花生油(A)，與家庭用水果醋3mL(B)及檸檬汁(C)，用廣用試紙單獨測試(A)，(B)與(C)後，將顯色後的試紙標註(A)(B)(C)，請學生運用自然與生活科技所學的基本酸鹼觀念，全體學生觀察何者為酸性；何者為鹼性或中性? 此時邀請一至兩位學生回答引起學生的參與動機：(問題一) 請分別描述酸性與鹼性溶液的性質？(問題二) 請嘗試由老師示範後的廣用試紙(A)的結果，觀察判斷花生油是酸、中性、鹼性？ 二、探索(Exploration) 步驟2：待學生回答後，教師適時給予確認答案。此時，教師引入探究主題”吃水果可以解油膩？”，邀請學生分享自己的生活經驗，同意這句話嗎？ 步驟3：教師可一邊示範將家庭用水果醋3mL倒入花生油中進行攪拌，此時出現乳化現象，然後靜置數分鐘，一邊以投影片講解油脂是有機物的酯類，而酯類是一種不易溶於水的化合物；它來自酸與醇類脫水化合而成，在人體中可視為維他命A與E的載體，產生的熱量可以維持體溫，衛生署建議國人每日攝取油脂3-5茶匙(約6-12ml)等等，使課程內容貼近生活，學生覺得淺而易懂。如圖二所示。   花生油與水果醋初期的乳化反應     花生油與水果醋靜置後呈現澄清透明     花生油與市售葡萄汁靜置後呈現澄清透明   […]

化學示範起始探究與實作：「蝶豆花漸層變色飲料」的示範和探究   李妙瑟1, *、翁秀玉2、段曉林3、陳均伊1 1國立嘉義大學數理教育研究所2國立嘉義大學附設實驗國民小學3國立彰化師範大學科學教育研究所*nonoyy123@gmail.com n  前言 近來市面上興起「蝶豆花漸層變色飲料」，此與國小高年級「水溶液的酸鹼性」單元相關，可做為延伸教材。坊間或網站出現許多製作漸層變色飲料的教學，但大部分為食譜式教學，也就是學生跟著教師的指示調配出漂亮的漸層變色效果。本教學活動是第一作者參與段曉林教授的「全國中小科學教師探究課程設計與執行能力提升計畫」下研發出此教材，希望以科學探究教學模式來引導學生探索「蝶豆花漸層變色飲料」的調配方法。 「蝶豆花漸層變色飲料」調製成功的關鍵有二點：(一)材料放入的順序：蝶豆花水要最後再加入，如果是其他材料最後加入會引起液體的混合，無漸層變色效果。(二)冰塊要多：當蝶豆花水一開始倒入先遇到檸檬汁會變成紅紫色，再來，因蝶豆花水有冰塊阻擋減緩了衝擊力，變成緩慢的往下流，不攪亂底層的檸檬汁，使後面加入的蝶豆花水維持原來的藍色。 「蝶豆花漸層變色飲料」的教學設計分為兩階段： （一）化學示範：教師展示坊間調配成功的「蝶豆花漸層變色飲料」，並現場示範調配出一瓶失敗的，引發學生想要調配成功的學習動機。 （二）科學探究：學生由蝶豆花飲料的材料中，討論可能影響漸層變色的因素，冰塊、果糖、蝶豆花水濃度、材料放置順序…等，再讓學生針對其中一個變因，實驗設計後進行驗證，有可能在這一輪的探究歷程中，有小組調製的對照組與實驗組都是失敗的，可以讓學生討論後再修正實驗設計，進行第二輪探究活動。 其設計理念為「酸鹼指示劑的蝶豆花水在飲料中能產生漸層變色」的概念，進行自製漸層變色飲料之探究活動，體會「酸鹼指示劑在生活中的應用」，並增加學生藝術創作的驚奇，最後再享用自製漸層變色飲料之興奮與滿足感。 本教材的學習內容是「水溶液的酸鹼性」為物質間的交互作用，在108課綱中，明確地提到主題「物質的反應、平衡與製造（J）」和次主題「酸鹼反應（Jd）」，以及第三學習階段的學習內容「INe-Ⅲ-5常用酸鹼物質的特性，水溶液的酸鹼性質及其生活上的運用。」 本教材在學習表現方面，希望培養學生問題解決中的觀察與定題（po）、計劃與執行（pe）、分析與發現（pa）、討論與傳達（pc）的能力；思考智能中的想像創造（ti）、推理論證(tr)的能力；培養科學探究的興趣（ai）、應用科學思考與探究的習慣（ah）等態度。 n  需用材料和器材 離心管（50 mL） 6支/組、長型透明罐（500 mL） 6罐/組、豐年果糖（500 g） 1罐、檸檬汁（250 mL） 1罐、圓柱冰塊（600 g） 1包、蝶豆花（50 g） 1包、蝶豆花水（蝶豆花浸泡於熱水中），如圖一所示。 圖一：「蝶豆花漸層變色飲料」所需材料 n  教師化學示範 一、  示範前準備 教師於課前事先自製一瓶成功的「蝶豆花漸層變色飲料」（視為坊間販賣的飲料），其製作流程如下：先在500 mL的長型透明罐內倒入果糖，再倒入檸檬汁，其總量不超過瓶身的1/5，搖晃均勻後，加入冰塊至瓶口，再緩緩倒入蝶豆花水於冰塊縫隙中，最後完成「蝶豆花漸層變色飲料」，如圖二左所示。 二、  教師示範 教師說明目前市面上流行新的飲品「蝶豆花漸層變色飲料」，材料有果糖、檸檬汁、冰塊與蝶豆花水，該如何做出色彩繽紛的漸層變色飲料呢？教師現場製作一瓶失敗的「蝶豆花漸層變色飲料」，使瓶內無產生漸層變色，其製作流程如下：先在500 mL的長型透明罐內倒入蝶豆花水後，再依序倒入檸檬汁、果糖與冰塊，最後完成「蝶豆花變色飲料」，如圖二右所示。   圖二：成功的（左），失敗的（右）配製的「蝶豆花漸層變色飲料」 n  學生科學探究 一、  引起動機 教師將課前準備的「蝶豆花漸層變色飲料」與故意錯誤示範的飲料，讓學生做兩者的比較，如圖三所示。學生進一步思考蝶豆花飲料漸層多色的原因，了解「蝶豆花水原來顏色是藍色，遇酸偏紅紫色，遇鹼偏綠色，分別在酸性、中性、鹼性會有三種顏色的變化，是一種酸鹼指示劑。」透過蝶豆花水的酸鹼變色，製造出漸層多色的飲料。 圖三：失敗的（左）與成功的（右）的「蝶豆花漸層變色飲料」 二、  探討影響漸層變色飲料的因素 學生以小組合作方式，利用便利貼討論哪些因素可能會影響漸層變色，並進行分類。完成後請學生上台發表，發表後教師引導台下同學提出質疑，如：寫「冰塊」指的是有無碎冰塊或碎冰塊量？最後教師統整與回饋「影響漸層變色的因素」，如冰塊、糖量、檸檬汁濃度、蝶豆花濃度、瓶身高度、倒入方式與加入順序等，如圖四所示。 圖四：各組學生提出後全班歸類，教師統整可能影響「蝶豆花漸層變色飲料」的因素 三、  實驗設計 […]