創意微型實驗—微型化學花園 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw 生物體在良好的環境下會生長，然而在它的生長過程中我們並無法在很短時間內觀察到它的生長與變化。沒有生命的物體（如含有過渡金屬鹽類之化學藥品）在適當的環境中也會生長，有些在一分鐘之內就可看到它長大，而且在1~5分鐘的短時間之內便可以觀察到它的成長過程、變化與生長出來的形狀。 利用化學藥品如過渡金屬鹽類在一裝有水玻璃(Water Glass，矽酸鈉)溶液的透明小玻璃瓶中，過渡金屬鹽類不但不會溶解反而會慢慢地生長成類似海底美麗的珊瑚狀（化學珊瑚），此一化學珊瑚之形狀有如海底之景觀，故稱之為「海底世界（Seabed World）」，又稱為「化學花園（Chemical Garden）」。其製作方法如下： n  材料與藥品 製作微型化學花園所需的化學藥品與材料有透明的小玻璃瓶、水玻璃（矽酸鈉）、硫酸銅、硫酸鎳、氯化亞鈷及細沙等，如相片一所示。 相片一：製作微型化學花園所需的化學藥品與材料 ＊注意：1. 藥品不可用手觸摸，萬一碰到藥品應馬上用水沖洗乾淨。                 2. 為了安全，請戴上塑膠手套來用小刮杓來添加藥品。                 3. 氯化亞鈷晶體在空氣中容易潮解，使用完後要立刻將瓶蓋蓋緊。 n  原理 過渡金屬鹽類在水玻璃溶液中不會被溶解，而當過渡金屬鹽類表面與水玻璃溶液接觸時，過渡金屬鹽類中之銅離子、鎳離子、鈷離子等會與水玻璃溶液中之鈉離子進行陽離子交換，離子交換後便形成銅、鎳、鈷之矽酸鹽類薄膜，此一薄膜具有半透膜之性質，它只容許水玻璃溶液中細小的水分子透過半透膜滲透進入，當水進入半透膜至超過其滲透壓後半透膜便會裂開，致使內部新鮮之過渡金屬鹽類又與水玻璃溶液接觸，此刻過渡金屬離子又即刻與水玻璃中溶液之鈉離子進行陽離子交換，然後再度形成新的薄膜（半透膜），又再度容許水玻璃溶液中之水分子透過此半透膜進入，當水進入半透膜再度超過其滲透壓後，半透膜又會裂開又再度形成新的薄膜，依此類推，一直重複此一過程，就讓在水玻璃溶液中的化學藥品（過渡金屬鹽類）漸漸地長大而成化學珊瑚，不同過渡金屬鹽類之藥品長的速度和形狀都不一樣，看起來就如同海底的珊瑚景觀，因此就稱此化學珊瑚為「微型化學花園」，又可稱做「奇妙的海底世界」。 n  微型化學花園的製作過程 1.          在透明小玻璃瓶內倒入少量的水玻璃，約瓶身的1/5或1~2 c m的高度，如相片二所示。 相片二：玻璃瓶內倒入少量的水玻璃 2.          加水至九分滿，蓋緊瓶蓋後，再搖盪均勻，如相片三所示。 相片三：加水搖盪均勻 3.          分別依序加入上述三種藥品。 (1)     取一小刮杓藍色的硫酸銅晶體加入到水玻璃溶液中，如相片四所示。 相片四：加一小刮杓的硫酸銅晶體到水玻璃溶液中 (2)     取一小刮杓綠色的硫酸鎳晶體加入到水玻璃溶液中，如相片五所示。 相片五：加一小刮杓的硫酸鎳晶體到水玻璃溶液中 (3)     取一小刮杓紅色的氯化亞鈷晶體加入到水玻璃溶液中，如相片六所示。 相片六：加一小刮杓的氯化亞鈷晶體到水玻璃溶液中 4.          待三種藥品完全加入，經約1~2分鐘之後，再加入一小刮杓的細沙到水玻璃溶液中，如相片七所示。 相片七：加一小刮杓的細沙到水玻璃溶液中 (4)     旋緊瓶蓋後，靜置並觀察瓶子內之化學藥品在水玻璃溶液中的變化情形。 n  實驗結果 1.          分別各取一小刮杓藍色的硫酸銅晶體、綠色的硫酸鎳晶體及紅色的氯化亞鈷晶體等三種過渡金屬鹽類，依序加入水玻璃溶液中，然後靜置於桌面，在一分鐘之內所加入之藥品會開始慢慢地成長，經過一至十分鐘後，在瓶子中長出來的化學珊瑚，其形狀很像海底中之珊瑚非常漂亮，其生長情形如相片八所示。 相片八：過渡金屬鹽類在水玻璃溶液中不同時間內之成長情形 […]

創意微型實驗— 微型氯氣製備裝置及在化學教學上之應用 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw   利用一粒塑膠三通活栓及2支塑膠注射筒組合成一套多功能的微型氣體製備裝置，此套裝置可應用在不需要經加熱過程，即可反應製造出氣體的簡易多功能微型氯氣製備裝置，並可兼製備氯氣（Cl2）及乙炔（C2H2）等二種氣體。微型氯氣製備裝置可應用在化學實驗教學及演示趣味化學實驗—水中火泉（或稱水中煙火），以微型實驗教具來教化學原理與認識化學，可提升中學化學之學習動機、興趣與教學成效。 n  材料與藥品 材料：塑膠注射筒（25 mL） 2 支、塑膠三通活栓（Top 3-way stopcock） 1個 藥品：濃鹽酸、漂白水（或次氯酸鈉）、碳化鈣（電石或電土） n  微型氯氣體製備裝置之設計與製作 一、實驗裝置設計與製作 1.        準備一個塑膠三通活栓，如相片一所示。 相片一：塑膠三通活栓 2.        接1支 25 mL 的塑膠注射筒在塑膠三通活栓的上方。 3.        再接另 1 支 25 mL 的塑膠注射筒在塑膠三通活栓的側方。 4.        接在塑膠三通活栓上之 2 支 25 mL 的塑膠注射筒是互相垂直，而組成一簡易安全之「微型氯氣製備裝置」，如相片二所示。 相片二：微型氯氣製備裝置 二、實驗步驟 此套微型氯氣製備裝置操作非常簡單，每位學生皆可在上課中人手套，可兼製備氯氣（Cl2）及乙炔（C2H2）等二種氣體，本文將介紹利用此兩種氣體在水中之特殊反應來演示與操作趣味化學實驗—水中火泉（或稱水中煙火），實驗過程不一定要在實驗室中進行，在一般教室中自己的座位上或戶外場所皆可讓學生親自動手操作。其詳細製備與演示過程分述如下： (一)      氯氣（Cl2）的製備 1.        取 2 支 25 mL 的塑膠注射筒及一個塑膠三通活栓備用。 2.        […]

趣味化學玩具：神奇合金與彩焰蠟燭 邱姿蓉*、黃維靜 國立大甲高級中學 *cmnfish2@gmail.com n  影片觀賞 本文介紹神奇合金與彩焰蠟燭兩樣趣味的化學玩具，購買於東京科學技術館，適用於年齡10歲以上的對象，本影片提供兩項玩具演示的詳細過程，並在文章中介紹其中成分、使用步驟及其科學原理。 影片網址：趣味化學玩具：神奇合金與彩焰蠟燭，http://youtu.be/CpM58k2DEuk。 n  簡介 神奇合金玩具所採用的合金是屬於一種低熔點合金，生活中常用於熔斷式保險絲的伍德合金（Wood’s alloy or Wood’s metal）就屬於此種合金，熔點為70℃，由於其成分中含有鉛、鎘等有毒重金屬，因此不適合當作玩具的材料。低熔點合金由鉍（Bi）、錫（Sn）、銦（In）三種金屬所組成，熔點只有78.8℃，可藉由溫度高於78.8℃的熱水就能讓合金熔化，利用黏土和準備的模型，創造出自製化獨一無二的金屬別針。焰色玩具是有五種不同顏色的蠟燭，因為蠟燭裡所含的金屬成分不同，所以可產生不同顏色的火焰。這兩樣玩具操作簡易，且富含化學知識，只要注意安全，年齡10歲以上的小孩就可以玩。 n  藥品與器材 神奇合金玩具裡含鉍（Bi）錫（Sn）銦（In）合金一袋、黏土一條、別針一支、說明書一份。焰色玩具裡含5色蠟燭共12支、塑膠插座12個、說明書一份。包裝外觀如圖1所示。 圖1：產品外包裝盒，神奇合金（左），彩焰蠟燭（右）。 n  實驗步驟 一、  神奇合金玩具 A.    合金融化 1.        取些許合金放入一個玻璃瓶中，並蓋緊瓶蓋。 2.        於250 mL燒杯中，裝78.8℃以上的熱水。放此玻璃瓶到燒杯中，隔水加熱使合金熔化。加熱過程如圖2所示。 圖2：合金隔水加熱 B.     金屬別針的製作 1.        壓入欲製作的模型於黏土中，使其形狀固定後拿出。倒入熔化的合金溶液於黏土中，並放置別針於熔化的合金上。灌模製作如圖3所示。 圖3：灌模製作金屬別針 2.        靜置等待合金凝固，就可以將其從黏土中取出，便是一個自製化的金屬別針。 圖4：別針與模型 二、  彩焰蠟燭 A.    觀察不同顏色蠟燭的焰色 1.        取不同顏色的蠟燭各一支，以塑膠插座插在保麗龍上點燃。 2.        根據觀察到的不同火焰顏色，推想不同顏色的蠟燭裡各含有什麼金屬。蠟燭燃燒如圖5 圖5：不同彩焰蠟燭的焰色 n  原理與概念 一、神奇合金玩具 合金是溶液的一種，為具金屬特性的元素混合物，其中至少有一種主要成分為金屬，根據混合的狀況，可區分為均相合金與非均相合金合金。青銅、黃銅為均相合金，成份元素的原子分布均勻；非均相合金例如汞齊，為不同比例晶相組成的混合物。不同的合金依據其成份產生不同的性質，故合金通常為因應適用於特定用途而設計。例如：鎂鋁合金由於其輕巧又具有如鋼鐵般的強度，廣泛應用於3C電子產品的外殼、腳踏車架等各項產業。各種金屬與合金的熔點的比較如圖5所示。 圖5：各種金屬與神奇合金的熔點比較 本次實驗可用熱水熔化的神奇合金，是由鉍（Bi）、錫（Sn）、銦（In）三種金屬按一定比例混合而成，熔點為78.8℃。這三種金屬的熔點分別是鉍（Bi）271.4℃、錫（Sn）231.9℃、銦（In）156.6℃，用熱水是無法單獨熔化。當鉍、錫、銦以特定比例量混合時，由於各成分原子半徑的差異，因此原本各成分獨特有序的晶體排列方式遭受扭曲破壞而使彼此間引力變弱，混合溶液的熔點因此降低。圖6即表示兩固態成分混合溶液的相圖，當兩A、B成分以的特定的比例混合時（又稱共晶組成），低溫下固體成兩固體相，隨著溫度上升至共晶溫度時，固體混合物開始熔化，最後形成均勻的混合物。反之若兩成分非共晶組成時，圖左自高溫冷卻時，均勻混合的溶液會有一段時間經過固液兩相共存的狀態（L+α），最後才轉變成固相（α+β）。 圖6：二種化學混合物的相圖 […]

超越純粹概念知識的教學— 強調概念與能力的建模教學 鐘建坪 新北市立錦和高級中學 hexaphyrins@yahoo.com.tw n  前言 對廣泛的學生而言，學習不應該是獨立於生活情境之外的知識背誦，而是能夠在特定情境進行問題解決的能力展現。然而升學主義的影響，教師教學時往往強調考試的重點，而非融貫性地呈現知識結構以及相對應知識使用的情境。久而久之，學生逐漸摒棄課室的學習，造成低成就的負向行為表現。在台灣，少子化的問題亦讓我們體認應該成就每個孩子，找到優勢能力，進而依據特定專長而發光發熱。有鑑於此，本文嘗試從人才培育的角度切入分析單純強調概念知識教學的困境，進而說明以概念為基礎發展相關技能的建模教學，說明在數位化的支持環境中透過雲端工具的輔助作為教學範例的舉隅（註1）。 n  儲備未來發展的人力資源 知識經濟時代，知識與人才是經濟成長的動力來源。知識的內容與訊息廣大，不易讓人在有限的時間內專精。若只有專精在知識的內容，往往只能展現在特定領域，而無法類推遷移因應未來可能轉變的趨勢。概念知識內容廣泛，如何在知識的基礎架構下獲得跨學科的整合而非單純強調瑣碎的知識片段，形成各項以概念知識為基礎的相關能力，對學生個人與國家未來發展極顯重要。歐盟2002年提出8項能力作為終身學習的目標，包括母語溝通、外語溝通、數學和科學與技術、數位、學習如何學習、社會和公民、企業與創新精神以及文化覺醒與表現等能力（European Union, 2011）。從內容觀看可知歐盟不僅說明應該強化個人的精進，亦強調個人在社會文化面向的能力表現。而台灣在人才培育白皮書中亦提及語言與國際視野的全球移動力、學以致用的就業力、獨特創新的創造力、跨專業領域的跨域力、使用資訊工具與行動學習的資訊力以及參與公眾事務與提升福祉的公民力等6項能力（教育部，2013）。這些能力的提出顯示學校教學不應該只是著重在知識的記憶與背誦而是應該轉化成分析、應用與評鑑知識的跨領域能力以解決未來生活與全球化可能面臨的問題與挑戰。 n  純粹概念知識教學的困境 教學方案的施行除了知識的獲得之外應該還有技能與情意二個面向。升學的壓力與考量通常使得教師在實際教學現場多強調以概念為主的教學內容，而忽略相對應的技能與情意之學習。我們若能體認知識的數量是隨著時間不斷地提升，而有生之年絕不可能將所有的知識窮盡，並且絕多數的學生生涯並非成為學科專家，因此針對不同程度學生的教學應是能夠呼應個別差異的相關素養學習的提升。若教師只著重單純概念的教學，學生只獲得片段的知識而無法產生融貫的知識結構，意即將學校知識與生活分離，而不易在特定情境中產生概念的連結進而運用此種知識進行生活情境的問題解決，忽略概念學習相對應的能力學習，造成學習無法致用，對其終身的學習與發展有其阻礙與影響。 n  同時強調概念與能力的建模教學 傳統講述教學多以單向傳輸的方式進行課室教學，往往忽略學生主動建構知識的本質，因此，如何讓學生主動建構學科知識同時獲得相關技能實屬迫切，在此介紹建模教學作為改進的方案之一。 一、模型與建模教學的意涵 模型是指物件與物件之間的關聯，因此概念模型則為概念中組成成分之間的關聯。建構模型（簡稱建模）的歷程則為學生進行概念模型的建構歷程，而學生建構的成果即為學生的心智模型，同時建模歷程中所需要的特定思考與分析技能則為建模能力（Jong, Chiu, & Chung, 2013）。與傳統講述教學不同之處在於建模教學不僅強調如何協助學生進行概念知識的建構，同時著重如何協助學生於過程中進行建模能力的改變。 二、模型本位合作學習教學策略 合作學習是一項強而有力的教學策略，然而教學時若只是強調合作學習的步驟容易忽略學生建構的本質。建模教學強調在情境中整合概念知識，獲得相關技能，藉以提昇問題解決的能力。因此，本文作者（2014）提出以合作學習為基礎的模型本位合作學習教學模式，文中說明如何以合作學習的操作為基礎，並且同時協助學生進行概念與相關能力的建構。架構如圖1所示，萃取合作學習策略中授課、討論以及表揚的步驟，其中授課部分可以是教師授課或是學生自學，均是強調協助學生產生欲學目標的概念模型，著重在如何讓學生掌握概念模型中物件與物件之間的關聯性；討論部分強調當學生獲得初步的概念時，可能產生錯誤的概念模型或是原先即有相關的迷思概念，而此時透過教師提問、同儕討論、學生發表等方式以協助學生進行模型的修正與重建，教師巡視各組並針對需要協助的小組或是個別學生進行個別化指導；表揚部分強調如何協助學生進行反思與概念的強化，即是透過口頭讚美、進步分數、同儕鼓勵等方式逐漸增強對學習的信心，接著著重在協助學生進行概念學習歷程的反思，讓學生能夠獲得完整的建模歷程。 圖1：模型本位合作學習教學模式（修改自本文作者，2014） n  透過數位環境協助教師進行建模教學的規畫與反思 建模教學強調讓學生主動建構概念模型，並在建構歷程中學習相關建模能力，作為問題解決的基礎。教師教學與學生建模的歷程如圖2所示，經過學習之後學生概念模型的發展會從初始模型逐漸發展到科學模型。學生接觸特定概念之前即存在初始概念，學生的初始概念可能存有錯誤的迷思概念，因此教學前教師應該偵測學生的初始概念或是根據迷思概念的研究設計建模教學的相關歷程。而數位化的學習環境提供建模教學更廣泛地操作與應用，圖2顯示在數位化的環境中教師可使用相關教學軟硬體與教材內容相互搭配，進而透過形成性評量的方式協助教師獲得學生不同階段概念模型的內容，作為教學的反思以改善接續的實際教學與規劃。 圖2：數位化的建模教學環境 n  以Google表單促進教師教學反思與規畫為例 Google表單主要目的是作為問卷的發送與結果收集的工作，依據其特性可以作為教師建模教學時形成性評量的操作工具。因為作為評量工具的使用，需要在一開始建立表單時即設定班級、姓名與座號以辨識答題的學生（見圖3），同時為避免學生隨便回答，可以透過表單要求學生自主性的回答「是否認真作答」，接著插入單元相關的YouTube影片，最後才是單選題或是問答題。表單中每一個試題皆可設定為必須回答，若學生漏了回答，系統會主動告知學生補齊才能繳交（註2）。接著再將做好的表單貼在臉書平台（見圖4），讓授課學生可以點選進入頁面進行表單作答。 圖3：google表單範例（進入作者設定的Google表單） 圖4：張貼google表單在臉書社群 表單會將學生答題的情形依據時間進行彙整（註2），亦可依據不同試題計算出學生答題的情形，例如：圖5中學生對於第4題—化學反應時原子與分子數量變化的情形與第5題—化學反應中原子數量的情形即有不同表現。根據圖2評量學生概念模型、教學反思歷程可知，教學前透過表單的試題分析即獲得學生初始概念的想法與可能具備的迷思概念。教師則再依據學生試題反應的情形設計新的教學以幫助學生進行錯誤模型的修正與轉變，例如：根據圖5學生的答題結果，教學時應該強調化學反應歷程中原子與分子的變化情形，而非只強調反應前後數量不變而已。評量之後可以獲得學生的概念狀態，而學生的概念內容可以協助教師進行教學反思與修正，接著再進行評量找出學生後續的概念狀態，而後續的概念狀態即為接續的教學反思的依據…，如此循環，即可透過表單作為形成性評量的工具，協助教師找出學生特定概念的初始狀態與中介狀態，進而設計教學活動修正學生錯誤模型以期能夠進入科學狀態。而在此過程中搭配模型本位合作學習教學模式，在授課前即進行表單操作，接著依據表單結果修正授課的內容與方向，並且透過不同問題層次讓學生能夠在小組中進行討論與發表，即讓學生在歷程中能夠知悉自己的概念狀態亦能夠與同儕或教師進行討論與溝通培養團隊合作、批判思考與溝通的能力，並且經由資訊數位環境的融入培養資訊素養的能力，進而作為問題解決的基礎。 圖5：表單的試題分析結果 Google表單作為形成性評量的建模工具的SWOT（優勢、劣勢、機會、威脅）分析（見圖6），其優點為可以在試題中安插YouTube影片讓學生作課前預習或課後複習使用，並且文字題部分可以設定學生作答的字數以減少空白內容，系統平台會協助教師統計學生的答題成果，可以作為教師修正教學的參考依據。然而，每進行一樣新的教學方式的改變需要與學生進行溝通，例如：學生補習回家之後時間已經很晚如何進行線上閱讀與作答。同時亦需要思考，若我們將學生答題狀況視為修正教學的依據，則學生的作答即需要具備高的答題效度。因此，除了參考學生作答情形之外，可以結合相關迷思概念的研究，整合之後作為教師教學的參考依歸。 圖6：利用Google表單進行評量的SWOT分析 n  結論 知識創造的速度與數量遠遠超過每個人能夠吸納的數量與速度。因此，真正理解的教學不應該只是單純教導學生概念知識而是應同時強調概念知識與如何運用知識的能力以因應未來全球化的衝擊。建模教學即為強調學生主動建構的教學模式，讓學生經過產生、建立、修正與重建的歷程精緻化概念模型，並從中獲得相關技能。而模型本位合作學習教學模式即為整合建模教學與合作學習策略，同時具備建模教學與合作學習的優勢。在建模部份，學生不僅可以建構正確的概念模型，亦應獲得相關的建模能力，在合作學習部分亦可從討論與表揚歷程中獲得團隊合作與溝通的能力。而教師在教學時若能夠依據學生概念狀態設計不同層次問題，亦可增加批判思考的能力。因此，面對未來教學不應該只是單純概念知識的傳授，而是應該掌握學生迷思概念搭配相關建模工具，同時強調概念知識的理解與應用，意即教學不應該只有概念知識層面，應該以概念為基礎同時發展學生的各項能力。 n  附註 1.          本文作者榮幸隨著邱美虹教授帶領的訪問團到上海金山中學與大境中學實地參訪，經過實際交流過程體認到上海市的軟硬體發展迅速以及台灣在教學上異與同，進而有本文的想法。 2.          本文在此提供google表單作為形成性評量的運用，關於表單細部操作過程，有興趣讀者可以閱讀實質操作的文章，例如：http://b4worker.blogspot.tw/2012/06/google.html。 n  參考文獻 教育部（2013）。人才培育白皮書。台北：教育部。 鐘建坪（2014）。模型本位之合作學習教學模式。臺灣化學教育，2。 European […]

探究活動融入學校本位課程之學習效益（上） 鍾曉蘭 新北市立新北高級中學 教育部高中化學學科中心 chshirley2007@yahoo.com.tw n  研究背景 由於一般傳統的教學中所強調的「智力」僅僅是該學科的專門知識的表現，對於探究與解決問題的能力、批判性思考的培養幫助不多。在國中與高中的課程中均安排不少的實驗課程，期望藉由實驗課程培養學生科學探究與解決問題的能力，然而在實際的課程實施與學生的學習情況來看，現行食譜式的實驗課程僅讓學生遵照「驗證」結果，對於提出假設及設計實驗等較須批判思考的能力，缺乏訓練與發展的機會。如何將這些能力的培養融入課程及教學之中，是極待解決的問題。如何提升學生的自我建構知識的能力，培養學生解決問題得能力？如何藉由營造社會建構的學習環境，讓師生、生生之間的互動達到最大的教與學的效應？如何能有效提升學生科學探究的興趣並培養其設計實驗、創意與批判思考的能力呢？ 筆者幾年前所執行的教育部專案就是將一系列的探究實驗融入高二寒假科學營的活動，從食譜式的實驗→引導式的探究→開放式的探究，並在開放式的探究活動讓學生練習—提出假設、進行預測、找尋與收集資料、計畫與設計研究步驟、設計工具及進行探究分析數據及作結論，並以小組發表的方式與他人分享探究的成果。研究初步結果發現，經過科學營後學生的科學概念雖然有增加，但並未達到顯著進步，初步推論若學生沒有充足的科學知識背景，即使經過一系列的探究活動，學生也難以在短時間內理解蘊藏在實驗或現象中的科學知識或理論。此外學生雖然在探究過程中逐漸學會如何測量、觀察、操作實驗過程與分析數據，但在找尋變因之間的關係、討論實驗結果、下結論、連結實驗結果與科學理論等較高階的科學能力方面仍顯不足。結果顯示要培養學生開放或獨立探究的能力需要較長時間的課程，並且要在探究前或探究過程中補足學生的科學知識，方能提升學生的探究能力。不過學生在學習問卷中，表達了對科學小競賽，自行設計實驗、小組發表等活動的正面評價，例如：認為「小組發表最能夠提升解釋能力，因為面對艱澀的問題時會盡力解惑」。 筆者反思之前研究中的不足，在本次實驗教學中結合探究教學與精進班課程（學校本位課程），讓探究活動時間設計成多次活動，在一學期中逐步進行，先教授學生相關科學知識，再以食譜式的實驗讓學生學習基本科學技能（使用正確器材、配藥、找尋應變變因、分析數據，找尋變因之間的質性關係等），進一步以引導式的探究讓學生學習進階的科學技能（討論／推論出變因之間的量化關係、下結論、連結現象與科學理論等），以提升學生科學知識、科學技能與解決問題的能力。 n  理論背景 學生參與探究教學可以追溯到杜威（John Dewey），杜威認為有一種「探究」的過程，這是有機體與它的環境之間的調節作用，並將探究的模式發表在《我們如何思考》（1910）一書中，學生在探究的歷程中習「做中學」的精神、科學方法與技能。杜威（1916，引自薛絢譯，2006）所謂的科學方法的五個步驟—發現問題、瞭解問題、提出假說、演繹假說、驗證假說，然而在現行國中與高中課程的實驗活動中，並未強調此五個步驟，僅僅培養學生部分的科學過程技能（如測量、觀察、收集資料、分析資料、討論與下結論等），實際上學生在食譜式的實驗活動中連討論與下結論都無法獨立完成，因此探究能力也無法提升。 隨著科學教育改革演進，探究（inquiry）的概念已成為科學教育的本質（Keys & Bryan, 2001），探究能力的培養成為重要的國民科學教育素養，美國科學教育標準（National Science Education Standards）（National Research Council, NRC, 1996）指出，探究活動是科學教學的中心策略，探究為基礎（inquiry-base）的教學將是學生學習科學知識的有力的手段（powerful vehicle），因此教師在與學生互動（interacting）時，應聚焦（focus）和支持（support）探究活動。此外關於中學與探究相關的科學活動研究指出，探究式實驗教學對學生在科學成就、認知發展、實驗技巧、科學過程技能以及對於科學知識的整體性理解，遠較傳統上著重於記憶教學為佳（Ertepinar & Geban, 1996; Gibson& Chase, 2002, 引自蔡執仲、段曉林和靳知勤, 2007）。 Windschitl（2003）指出，科學教育者將探究式教學依層次的不同分為：實証的經驗（confirmation experiences）、結構性的探究（structured inquiry）、引導式的探究（guided inquiry）及開放或獨立探究（open or independent inquiry），而其中引導式探究是教師提供學生一個問題去研究，但是解決問題的方法仍留給學生。 根據以上的想法，課程的設計除了融入探究活動，在研究方法方面，聚焦在幫助學生發展三個面向（如圖1）：科學知識、科學技能與解決問題能力，並探討學生在學習過程中三個面向的發展情形。本計劃藉由探究活動融入學校本位的課程中，引導學生進行一系列的探究活動。先從食譜式的實驗開始，培養學生基礎的科學技能；再進階至引導式的探究實驗，培養並提升學生觀察、分析、推論與解釋能力；最後進展至開放式的探究活動，學生藉由小組活動腦力激盪，自行發現問題、確認問題、提出假設、進行預測、找尋與收集資料、計畫與設計研究步驟、設計工具及進行探究分析數據及作結論，目的是培養學生設計實驗與解決問題的能力。在探究過程中，學生也能理解蘊含在實驗現象中的科學知識與理論。 圖1：本研究預計幫助學生發展三個面向 n  研究方法 (一)      課程設計 本研究藉由探究活動融入學校本位的課程中，引導學生進行一系列的探究活動。先從食譜式的實驗開始，培養學生基礎的科學技能；再進階至引導式的探究實驗，培養並提升學生觀察、分析、推論與解釋能力；最後進展至開放式的探究活動，學生藉由小組活動腦力激盪，自行發現問題、確認問題、提出假設、進行預測、找尋與收集資料、計畫與設計研究步驟、設計工具及進行探究分析數據及作結論，目的是培養學生設計實驗與解決問題的能力。在探究過程中，學生也能理解蘊含在實驗現象中的科學知識與理論，初步設計課程如表1所示。 表1：高一、二自然科精進班化學課程設計表 (二)      研究對象 上學期（節次1-3）：研究對象為本校高一學生（年齡在15-16歲）學生22位與高二自然組學生9位，學生於國中理化課程已學過反應速率與氧化還原反應等初步概念。下學期（節次4-8）：本校高一學生（年齡在15-16歲）學生13位與高二社會組學生1位與自然組學生4位。兩學期均參加：高一學生5位、高二學生3位。學生於國中理化課程已學過反應速率與氧化還原反應等初步概念。學生入學成績達學校設定標準且是自願參加精進班課程（學校本位課程）。 (三)      評量工具 評量工具分為概念診斷試題、科學技能評量、小組發表評量表、情意問卷四部分，測驗的研究對象則是參與精進班的學生，本文因篇幅所限，僅就科學技能評量與小組發表評量兩項工具的設計重點/內容說明之。 […]

探究活動融入學校本位課程之學習效益（下） 鍾曉蘭 新北市立新北高級中學 教育部高中化學學科中心 chshirley2007@yahoo.com.tw   【承「探究活動融入學校本位課程之學習效益（上）」】 n  研究成果 (一)           學生活動情形 在第一次課程主要是以講述式與師生討論的方式讓同學了解何謂「探究式的教與學」，並區分不同探究式教學的異同與特性，並說明後續七次課程的主題與不同探究式教學的關係。 1.        「走！進實驗室去」是基礎實驗，主要是讓學生認識實驗器材，培養學生使用正確器材、如何配置藥品、簡單的化學計量。 2.        「影響反應速率的因素」是從奈米硫實驗的過程中幫助學生確認控制變因與操縱變因、觀察實驗結果、測量應變變因、紀錄結果、分析數據、進而由實驗結果推論出變因之間的質性或量化關係、下結論等。 3.        「酸鹼相關概念」是從酸鹼滴定實驗的過程中幫助學生觀察實驗結果、測量應變變因、紀錄結果、分析數據、進而由實驗結果推論出變因之間的質性或量化關係等。 4.        「氧化還原與電化學」為探究電池的秘密，電從哪裡來—電化學電池探秘，進而探討影響電壓大小的因素，主要是培養學生由實驗結果推論出變因之間量化關係、下結論等實驗技能。 5.        「氧化還原的應用」以銀鏡反應進行減量的微型實驗，將銀鏡反應的將實驗器材從一般的玻璃試管改成玻片。師生共同找尋實驗中可能潛在的變因，設計簡單的實驗加以驗證。 6.        「自行設計實驗」由小組自行發現問題、確認問題、提出假設、進行預測、找尋與收集資料、計畫與設計研究步驟、設計工具及進行探究分析數據及作結論，教師的角色是提供諮詢與引導學生討論。活動目的是培養學生設計實驗與解決問題的能力、小組合作的能力。 7.        「小組發表與教師回饋」是最後一次課程，小組將探究的成果以多媒體方式與他人分享，活動目的為交換資訊、接受他人的支持及回饋，培養學生小組合作與發表能力。 精進班學生化學探究式課程活動情形，如圖2.1-2.6所示。 圖2.1：老師講解探究式學習的類型   圖2.2：學生進行奈米硫實驗 圖2.3：酸鹼滴定實驗  圖2.4：電解紫色高麗菜汁 圖2.5：銀鏡反應實驗圖   2.6：自製實驗—鋅銅電池 (二)           學生自行設計實驗（科學技能學習情形） 學生自行設計實驗分為四小組：第一組（學生為5位高一學生）設計減量的鋅銅電池，主要探討不同濃度的硫酸銅溶液對電池電壓的影響；第二組（學生為4位高一學生）設計減量的電解實驗，主要探討不同解質對電解產物之影響；第三組（學生為2位高一學生）設計鎂帶在二氧化碳中是否會燃燒；第四組（學生為5位高二學生與2位高一學生）設計減量的黑色噴泉實驗，主要探討雙氧水濃度對氧氣生成速率之影響。 以第一組設計的實驗內容與實驗過程作範例（詳見圖3），此組所設計的實驗主題並不新奇，但為了減少藥品的使用，選用了10 mL量筒做為容器，全部的實驗藥品僅使用100 mL的硫酸銅與硫酸鋅，用量是一般實驗的1/5（達成減量實驗目的）。而在鹽橋的設計上，學生就地取材，將洗滌瓶內的塑膠管裝入硝酸鉀彎成適當的形狀後使用（適時解決問題）。配置藥品也正確選擇容量瓶，取用藥品時則使用吸量管（使用正確器材、配置溶液正確）。在實驗前也確認操作變因與應變變因（確實分辨變因）。實驗的前置工作井然有序，並依序測量出實驗數據（觀察結果），並將數據轉成表格（紀錄數據）與繪製關係圖（分析數據），並利用MS-Excel找出硫酸銅濃度與電壓之間的關係式（處理數據）。學生找尋到相關理論，並以勒沙特列原理解釋實驗結果（討論），並找到本次實驗的結論。更難得的是這組學生有了意外的新發現，在實驗後上網查到科展的相關資料而提出很好的解釋（找尋相關資料與解決問題能力）。學生也在製作報告的過程中提升了小組合作的能力，同時增進對電池相關概念的理解。 筆者以同樣的評分規準分別將其他三組的科學技能評分，分析結果如表4所示。四組學生在基本的實驗技能（減量實驗、選擇適當器材、配置藥品、觀察結果）表現均不錯，但在進階的實驗技能（分辨變因、分析數據與處理數據）僅第一組與第四組有完全做到，第二與第三組僅部分做到或完全未做到。在討論與結論的部分僅第四組能以理論與實驗結果相結合，其他三組多但是質性描述結果或無法下正確的結論。 表4：學生自行設計實驗的科學技能評量結果   註1：完全做到（2分）；部分做到（1分）；未做到（0分） 第一組的實驗主題、藥品、變因、實驗步驟、數據、關係圖、相關理論、結果解釋、意外發現，如圖3所示。 圖3：第一組的科學技能表現照片 (三)           小組發表 小組發表活動由參與下學期教學的兩位老師擔任評審，四組學生在實驗設計上均達成減量的實驗，內容比一般的實驗更具趣味性，也顯示出全組學生的團最合作精神。比較可惜的是其中兩組僅做到質性描述實驗結果，並未做深入的分析與討論，評量結果如表5所示。 第一組鋅銅電池的實驗設計與成果展現最令老師與同學們讚賞，不僅內容完整（包括實驗原理、過程圖片、以表格呈現實驗數據 、以MS-Excel軟體畫出電壓與硫酸銅濃度關係圖、並找出兩者的關係式，進而勒沙特列原理解釋濃度對平衡的影響導致電壓上升等），十個項目的表現均十分出色。第四組黑色噴泉的表現亦佳，僅在數據的收集方面略少，較缺乏理論與實驗討論的結合。 整體而言，學生雖然覺得小組發表的前置準備作業非常辛苦，但覺得發表的過程中學到找尋資料、製作ppt與繪製圖表等相關能力，讓自己上台發表能力更上一層樓。 表5：小組發表的評量結果（單位：分） 註1：A, B表示兩位不同評分老師 註2：(1)表示名次 […]

漿水麵中有化學，甘酸爽口談秘辛 王海飛、楊林坤* 蘭州大學西北少數民族研究中心 *yanglink@lzu.edu.cn   今（2014）年暑假筆者與來自台灣的傅麗玉教授三人，在蘭州吃了漿水麵（圖1）。傅教授雖然是第一次聽到、看到而且嚐到漿水麵，卻覺得是人間的健康美味。一邊將一大碗漿水麵全部吃得乾乾淨淨，還一邊探究漿水麵的製法、歷史文化背景以及化學原理。 圖1：美味健康的蘭州漿水麵（傅麗玉攝，2014年9月） n  漿水與漿水麵的歷史 漿水又稱為酸漿，採用新鮮蔬菜與煮麵水發酵而成，無毒、氣味甘酸，性微溫（圖2）。漿水在華夏民族的飲食歷史悠久，可追溯至西周時期。據《呂氏春秋》記載：「文王嗜菖蒲菹，孔子聞而服之。」，「菹」在這裡就是指酸菜，傳說周文王喜歡吃酸菜，孔子聽到後也學著品嚐「菹」。周人的發源地在隴東，因此推斷酸菜漿水最早應該是出現在甘肅東部，只是那時的漿水不是用煮麵水釀造，而是用粟煮熟後的水釀造。 圖2：漿水（傅麗玉攝，2014年9月） 民間傳說陝南漢中的漿水出現在秦末楚漢相爭時期，劉邦和蕭何是最早的食客。無法確定漢高祖劉邦是否有緣品嘗過漿水麵，但肯定的是，隋唐以後，漿水被大量記載在文化典籍中。唐代長安城及周圍地區的居民普遍在夏季飲食漿水，清涼解暑。《全唐文》也有關於施捨漿水進行社會救濟的記載。明代大醫學家李時珍也在《本草綱目》中提到漿水具有「調中益氣，宣和強力，止咳消食，利小便」的功效。清末蘭州進士王煊的作品《漿水麵戲詠》，讚美漿水麵：「消暑憑漿水，炎消胃自和。麵長咀嚼耐，芹美品評多。濺赤酸含透，沁心凍不呵。加餐終日飽，味比秀才何？」非常貼切準確地說明漿水麵的製作材料和鮮明的味道就是「芹美」、「消暑」與「酸」。 n  漿水麵的製作 當今漿水麵流行於中國西北地方，深受陝西關中、安康、漢中、寶雞，甘肅天水、平涼、定西、臨夏、蘭州等地老百姓喜愛，是一道夏天的家常麵食，也是陝、甘、青、寧等許多地區的知名小吃。雖然不同地區的漿水麵存在著一些明顯的差異，但基本的製作原理和過程，卻是大同小異。本文以蘭州漿水麵的製作為例，探究漿水的製作過程中蘊含的化學變化秘辛。 漿水麵要具備清淡甘飴、酸香爽口、清熱解暑、去油化膩的條件，就必須選用新收成小麥所磨製的麵粉擀壓而成的麵條，更重要的關鍵是所釀製的新鮮漿水。首先準備好漿水的容器，陶製品最好，例如陶罐。因為陶器具有一定透氣性，便於發酵。如果沒有陶器，玻璃器皿也可以，儘量避免用金屬器具。漿水的主要原料是用蔬菜漚製。一般用芹菜、蓮花菜（高麗菜）、萵筍為最佳。將蔬菜洗淨後，切成絲或撕成片，放入陶罐中備用。蘭州人製作漿水偏愛用芹菜和蓮花菜，他們喜歡將蓮花菜用刀切成丫字形，整體放入陶罐中。在選菜、洗菜、切菜的過程中，一定要保持乾淨，避免有害細菌的感染。蘭州人特別講究，刀具、砧板都不能染一丁半點油膩。否則，漿水就會起白生花，腐敗壞掉。接下來，往陶罐中澆入煮沸的清麵湯，就是煮麵條後剩下的湯水，或是用麵熬製一點清麵湯。這一步驟的要求是用煮沸的麵湯，仍然是殺菌的目的。 待麵湯和蔬菜的混合液冷卻後，就要加入「引子」。所謂「引子」，就是指酵母，陝西當地稱為「角子」（「酵子」的轉音）。蘭州漿水引子一般的做法是向鄰居家要點舊漿水，作為酵母放入即可。如果手頭沒有現成漿水引子，就要先行製作酵母。酵母製作也很簡單。只要用玉米麵加水，拌一點玉米麵糊糊，然後讓其自行發酵成為酵母，當聞到酸味即可使用。也可以用一小團白麵放酸了，也能充當漿水引子。放入引子後，蓋上陶蓋，不必密封，放置四、五天，漿水即可食用。 製作好的漿水，不需要特別冷藏，常溫下儲藏即可，但是切記不能落入異物和生水。取用漿水時，要用專一專用的器具舀子，不能與其他餐具混用，漿水舀子使用前最好用開水燙一遍，這主要是防止有害細菌侵入，致使發酵好的漿水被污染。如果漿水被污染了，表面就會形成一層白色泡沫狀的東西，顯示漿水已經腐敗，不能食用了。漿水還需要經常性的更新。一般是外界氣溫越高則更新頻率越要快一點，反之，可以半月更新一次即可。所謂更新，就是撈出陶罐內泡了一段時間的蔬菜，放入新鮮蔬菜，重新再加麵湯水泡製。這時就不需要再放引子了，因為陶罐中已經有酵母。撈出來的漿水菜，可直接涼拌或烹炒食用。其口感略呈酸味，加點調料，香味濃郁，味道極佳。 n  蘭州人吃漿水麵 蘭州人吃漿水麵極為講究。先要取出一瓷盆清漿水；然後在鍋內放少許菜籽油，數十粒花椒，小紅辣椒一兩段，生薑一兩片，燒熱炸出香味；再把熱油倒入清漿水中，把漿水炸一炸，既消毒殺菌，又增加香味；最後煮好手擀麵條，出鍋瀝水，在涼開水中漂冷，撈入每人的碗中，隨後倒入炸好的漿水，撒上些許香菜末，如此一道甘酸可口、清香爽滑、解暑降溫的漿水麵就做好了。再搭配各式小鹹菜和小涼菜，佐餐助味，就是一種簡單的人間美味（圖3）。 圖3：搭配漿水麵的小鹹菜和小涼菜—韭菜花和沙蔥（傅麗玉攝，2014年9月） n  漿水製作過程的化學反應 漿水的製作過程有兩個階段的化學反應，第一階段是酒精發酵反應，化學反應式如式[1]所示：   第二階段反應是醋酸發酵反應，化學反應方程式如式[2]所示： 麵湯所含的麵粉的主要成分是澱粉，澱粉屬於大分子必須先由黴菌分解成小分子的醣類，例如葡萄糖，才能進行酒精發酵。酵母菌適合溫暖的環境，不太熱（攝氏40度以下），不太冷，也不能曬太陽，以免酵母菌死亡。醋酸發酵是一種氧化作用，亦即醋酸菌與氧氣的反應。醋酸菌在有氧的環境下，酒精氧化成為醋酸，因此使用透氣陶製容器做漿水最合適。 n  誌謝 特別感謝傅麗玉教授提供漿水麵的相關化學原理知識並提供本文其所拍攝的照片。

鋰離子標準還原電位異常的探討 施建輝 國立新竹科學園區實驗高級中學 教育部高中化學學科中心 schemistry0120@gmail.com   n   為何鋰離子的標準還原電位值最負？ 問：在標準還原電位表中，鋰離子的標準還原電位最負，亦即鋰金屬的標準氧化電位最正，但常見的鹼金屬活性的順序為K > Na > Li，如何解釋此一現象？ 常見的標準還原電位表如表1所示，其中Na, K, Li的標準還原電位分別為 −2.71 V, −2.93 V, −3.05 V。 表1：標準還原電位表（取自翰林選修化學上冊） n   解答一：以水合能大小說明 一般所謂的金屬「活性」大小，是以該金屬與氧反應的難易程度而定，但測量「標準還原電位」是在水中測定，涉及金屬離子水合能的大小。鋰離子由於水合能甚大，故在金屬陽離子中，標準還原電位最負。以上是高中化學老師回答學生常用的敘述方式，若有學生追根究柢，此一敘述恐怕無法滿足學生的好奇心。 n   解答二：以能量變化說明 在無機元素化學（科學出版社）一書中，有精闢的說明，整理如下，供各位參考： 一、   鹼金屬在水中形成水合離子的能量變化（圖1） 圖1：鹼金屬在水中形成水合離子的能量變化 (1)          ΔfH°即鹼金屬失去電子形成水合離子所需能量，ΔHs°為金屬的昇華熱，ΔHh°為氣態金屬離子的水合能，I1為鹼金屬的第一游離能。 (2)          ΔfH° = ΔHs° + I1 + ΔHh° (3)          鹼金屬元素的熱力學數據（表2） 表2：鹼金屬元素的熱力學數據（單位：kJ mol-1） (4)          計算鹼金屬失去電子形成水合離子所需能量： ΔfH°(Li) = 161 kJ mol-1 + 520 […]