2018國際化學教育研討會： 微型實驗工作坊的交流與分享 廖旭茂 台中市立大甲高級中等學校教育部高中化學學科中心nacl880626@hotmail.com n  前言 啟程，是對路上的風景有所期待！回看過去-7月14日的臉書，我寫下了這些文字，或許這樣的文字才能真實傳遞當時的感受！ ICCE 2018 in Sydney 工作坊今天中午結束了，身體很疲憊，卻也亢奮…… 一個月前開始了「Experiencing the electrochemical lab kits designed for the secondary students in Taiwan」電化學實驗模組的準備工作，因為之前的活動訊息不是很透明，工作坊在哪進行也不清楚，於是必須在台灣模擬各種可能會發生的突發狀況，讓90分鐘的實驗工作可以順利進行；加上澳大利亞對於化學品以及廢棄物的管制相當嚴格，出發之前就被主辦單位要求填寫實驗風險影響評估，內心的忐忑不言可喻….      #7/10 下午開始在雪梨大學商學院報到註冊，雪梨大學內既古典又現代的建築群令人讚嘆，晚上是歡迎見面會，見到了幾位來自亞洲的熟面孔，日本、韓國、中國學者，以及風趣幽默的老教授–西澳的Bob Bucat！ #7/11所有利用實驗室開工作坊的學者們被要求一早到實驗室報到，參加實驗室的安全使用說明會，地點是位於化學院五樓的分析實驗室。因為能夠參觀一流大學的實驗室，而雀躍不已。化學院內管理員技術人員至少有四人，分配在不同樓層，辦公室像個藥局，有一個窗口，一個門，內部相當明亮寬敞，而且相當友善，跟大學時代飄逸著詭異、陰暗髒亂的狹隘空間大相徑庭！一進到實驗室門口就被要求穿實驗衣，及護目鏡，接著說明實驗室的空間配置，廢棄物的傾倒分類原則、逃生動線、滅火器的位置等。實驗室很乾淨明亮，幾乎沒有氣味，而且廢液並不是儲存在實驗室內，也會固定時間就有人原來清運，跟台灣一年一清完全不同！ 7/11早上、下午各有一場微型化學的工作坊，早上場是日本學藝大學Kamata教授的工作坊，Kamata son是日本微型化學的大咖，為人卻很低調含蓄，創新的手作實驗設計總是令人贊嘆不已，身為首席fans的我，早早去去佔位子，因爲大會會場在商學院，離化學院走路要10-15分鐘，加上資訊不明，活動延遲了十分鐘才開始！這次Kamata son 帶來了丹尼爾電池的新設計，讓人耳目一新，最棒的是這次帶著一位美麗活潑的美眉助手–大學部的畢業生，即將成為中學老師的她讓整個活動順暢不少，活動結束將實驗模組盒贈送給Kamata大師，也順便邀請他來參加7/13的工作坊！下午是另一位是在英國倫敦CLEAPSS擔任顧問的Bob Worley，Bob在全世界相當知名，應該是歐洲甚至全世界在微型化學最具影響力及知名的人物，來到雪梨之前通過幾次信，也相互Twitter 了，這次能目睹高人到廬山真面目，實在是開心，Bob的實驗設計很厲害，往往一滴溶液就能進行酸鹼、電解、沈澱等反應…..兩位大師的實驗相關細節，我會撰文在台灣化學教育期刊，供大家參考！ #7/12 沒有實作，大部分時間躲在旅館內準備，晚上在達令港晚宴，見證了澳洲只有葡萄酒是便宜的傳言，以及西方人晚宴的熱情…. #7/13………………………………… 很開心能夠與國立臺灣師範大學科學教育研究所的邱美虹教授、國立台北教育大學周金城教授及學科中心伙伴一起參加了今年七月中旬在澳洲雪梨大學舉辦的第二十五屆國際化學教育研討會（25th International Conference on Chemistry Education, ICCE 2018），大會中除了筆者的電化學實驗模組體驗外，另外還有兩場來自日本的Kamata教授及英國學者Bob的實作工作坊。趁記憶猶新之時，將親手做實驗Workshop的內容記錄下來，跟大家分享。   n  工作坊之前….. 一、填寫化學系的危害物的鑑定、風險評估與控制表格文件(HAZARD IDENTIFICTION, RISK ASSESSMENT & CONTROL, […]

科學建模本位的探究教學之教材設計—以化學電池為例 邱美虹1,*、曾茂仁1,2 1國立臺灣師範大學科學教育研究所2臺北市立大直高級中學*mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw n  前言 科學家對於模型的觀點，以及教師或學生對科學模型與建模的研究日漸受到重視，已不言而喻。十二年國民基本教育自然領域課程綱要已於107年9月16日通過，再度強調強化跨科統整的重要性，並以探究課程內容培養學生探究的能力，而且課程綱要亦提到以培養學生建模能力為主，這是首次在臺灣的課程綱要中出現的核心科學素養，本文主要的目的是介紹以建模為設計導向結合探究能力的培養，研發八年級科學核心概念之一—化學電池—的教材設計。 n  建模教材的架構 根據邱美虹（2015, 2016）提出建模過程中所需要的能力分成四階段八步驟，分別為：第一階段為模型發展階段，含模型選擇和模型建立；第二階段為模型精緻化階段，含模型效化和模型分析；第三階段為模型遷移階段，含模型應用（近遷移）和模型調度（遠遷移）；第四階段為模型重建階段，含模型修正（弱重建）和模型轉換（強重建）。這四個階段在使用時並非是序列性的，所建立的模型無法有效地呈現數據的關係時，模型即失效，無法進行問題解決，這時必須要重新選擇與建立模型，再經歷效化確認後才能用於資料處理或問題解決情境中。所以建模歷程可能不同階段會出現小迴路（loop），以利建構有效與精緻化的科學模型。此建模過程如圖一所示。 圖一：建模歷程的相互關係（邱美虹，2016） 模型的建構強調科學模型，是由多個組成成分存在特定的複雜關係，再由多個複雜關係建構成一個系統或理論(見圖二)。模型的建立首先需選擇適當的組成成分或元件、確定成分或元件之間的關係、對所建立的模型進行評估、檢測，以確保其可行性，然後就所建立的科學模型進行資料的分析與應用，最後再視需要或問題情境，進行必要的修正與轉化。 圖二：模型中成份、關係和系統(或理論)間的關係（邱美虹，2016） 選擇化學電池進行教案的設計，主要是因為化學電池概念具有以下的屬性。 (一)化學電池具有多個元件，例如：電極（A）、鹽橋（B）、電解液（C）、電解質（D）、導線（E）等。 (二)化學電池多個元件之間存在特定的關係，例如：活性大小不同的金屬可以作為電極（AA’）、電解液能與電極反應（CA）、鹽橋含有電解質（BD）以維持溶液的電中性、導線連結電極（EA）等。 (三)化學電池中數個關係可以形成一個系統，例如：電解液與鹽橋內的電解質的關係（CBD）、電極與電解液的關係（AC）、導線與電極連結（AE）等而組成一個化學電池（ABCDE等）。 n  科學建模與探究過程的關係—建模本位之探究 為何探究過程還要有建立模型的過程呢？本文作者認為，十二年國民基本教育在探究過程中強調觀察與定題、規劃執行、分析與發現、以及討論與溝通，然而建模歷程可以更明確地指出在探究的過程中科學模型的建立是科學探究中思考智能重要的環節，也是學習科學知識的目標。從科學本質的角度觀之，科學建模的歷程是透過評估、測試、應用和修正的過程，探究能力的思考智能逐漸改變而趨向於科學模型。2019年即將實施的十二年國民基本教育自然領域課程綱要將與世界科學課程接軌，強調在探究的過程能有系統地發展出科學模型，回歸科學本質，強調建模和探究關聯的重要性，兩者之間可相輔相成，使教學與學習活動的目標更加明確且具操作性。 本文將介紹如何將建模架構(邱美虹，2016)和12年國教之探究能力相互結合，成為「以建模為本的探究（Modeling-based Inquiry, MBI）」教學模式(如圖三所示)，並據此進行教學活動之設計。圖三顯示MBI的設計架構，是從驅動問題出發，學生運用自己的素樸模型進行個人模型的發展，透過觀察與想像擬定探究的主題；第二階段進行素樸概念所建立的模型的精緻化，透過推理論證與批判的歷程，計畫與執行計畫以確立模型的有效性及資料分析的功能；第三階段–模型遷移時，利用以建立且效化過的模型，經由推理、批判、分析等過程進行進遷移和遠遷移的學習(如問題解決或概念理解)；最後到達第四階段–模型重建，經歷想像創造、推理論證、批判思辨的科學表現，在這些階段皆須透過文字或語言和符號，以討論和傳達的方式進行溝通，必要時進行原來模型的修正與轉換，以形成更接近於數據與推理的結果類科學模型或是科學模型。 圖三：建模歷程與探究能力關係的建模本位探究教學模式 n  教案設計實例—化學電池 曾茂仁（2016）運用邱美虹（2015, 2016）的建模歷程到中學化學電池的教材設計。除納入建模歷程外，也融入十二年國民基本教育自然領域課程綱要中所規範的探究能力，以期未來在教學現場實施時，讓教師們可以理解建模與探究兩者之間的關係以及如何透過強化探究的過程建立對科學模型的認識與應用。 以下教案設計的內容依據建模歷程四階段，納入探究能力，逐項說明如下： 建模歷程一：模型發展階段 探究能力：觀察與定題、建立模型 模型發展階段主要包含模型選擇和模型建立，此階段主要教學目標為讓學生知道電池時所需要物件的名稱和物件的功能，能夠從教科書或教師準備的學習教材中提取出相關概念。在此階段，常用的提問為： l  一個化學電池的裝置，需要哪些的材料，才能進行運作呢？ l  一個化學電池的裝置，所選取的材料，每一個所扮演角色目的為何？ 通常學生能夠輕易的從文章中選取出構成電池元件與各元件所扮演的角色，此時的學習活動符合自然領域課程綱要中學習表現的探究能力─觀察與定題：依據過去所學的知識，與生活中所觀察到的資料，確認電池運作的原理（氧化還原）、理論或物件（電極、鹽橋）。 待確認學生具備元件的概念後，學生從教科書或是教材中提取出構成電池的元件與概念後，教師再繼續提出以下問題： l  電池的元件與元件間有什麼樣的關係呢？ l  有什麼原理可以來敘述元件之間的關係呢？ 上述的問題主要聚焦在元件與元件之間的關係，元件之間的關係通常涉及微觀的概念（粒子的移動方向）、理論（氧化還原）或是符號的表現（化學反應式）。在進入化學電池複雜的反應機制前，教師必須先確認學生已具備元件之間的關係。要完成化學電池的模型，除了元件本身和元件之間的關係外，還要考慮多重關係下建立的系統。以下說明何謂系統：由於鋅電極的活性大於銅電極，因此鋅電極丟出電子（氧化還原），電子透過導線流到銅電極（電子的移動方向），使得電解液中的銅離子獲得電子後還原成銅原子吸附在銅電極上。為了使電解液保持電中性，鹽橋中的陽離子則會朝銅電極端的電解液移動。透過上述的連接，化學電池的模型逐漸形成，符合課程綱要中學習表現的思考智能─模型建立之指標。 建模歷程二：模型精緻化階段 探究能力：想像創造、推理論證、計劃與執行、分析與發現 模型精緻化階段主要包含模型效化和模型分析，此階段的活動重點是透過探究的方式檢驗第一階段建立的模型是否正確性？是否能夠用以解釋問題的成因？因此，在第二階段，教師帶領學生在實驗室，教師說明學習目標並採用問題引導的方式讓學生進行實驗，此活動設計主要是讓學生學習改變不同的變因對實驗的影響（模型效化），活動內容如下： l  請根據實驗變因的種類，填寫化學電池的實驗變因於表一。 表一：化學電池的實驗變因  實驗 變因 影響化學電池電壓的因素 變因選項 改變電極材質 改變電解液濃度 […]

綠色化學實驗模組的設計與應用-1：電化學模組 廖旭茂 台中市立大甲高中 教育部高中化學學科中心 nacl880626@hotmail.com n  影片觀賞  本實驗影片由國立大甲高級中學提供，微型電化學電池與綠色電解蝕刻的使用介紹。 影片網址：https://youtu.be/takvuhMvthU, YouTube. n  簡介     綠色化學實驗隨著環保意識的抬頭，在全球掀起了一股風潮，從實驗藥品減量、實驗廢棄物減少排放，到有毒化學實驗藥品的取代等等，在在都是化學教育工作者努力的目標。國高中的電化學實驗課程中，無論電化學電池（electrochemical cell）或電解電池（electrolytic cell），通常會涉及有毒重金屬鹽類的使用，以及有毒廢液的排放，加上實驗器材繁瑣，實驗準備與善後工作往往造成老師不少的負擔。 “One of the things that I’ve been focused on as President is how we create an all-hands-on-deck approach to science, technology, engineering, and math… We need to make this a priority to train an army of new teachers in […]