兩岸化學教育高峰論壇:科學建模本位的探究教學對學生化學電池的心智模式改變情形 曾茂仁1,2*、邱美虹1 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 * maozeng@dcsh.tp.edu.tw 建模文本探究教學 本研究的文本選擇103學年度翰林版教科書電池的化學效應，作為一般文本教學組的教材，而建模文本教學組則是將翰林版教科書的內容以外顯化的方式，加入邱美虹2016科技部計畫中的建模歷程，包括：模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型應用與模性調度的步驟，皆會以外顯化的方式融入，以完成建模文本的撰寫，並由一位具有科教背景的高中化學科教師針文本正確性以及邏輯性給予意見，以確保此份文本的效益。 針對建模文本增加入外顯化的建模歷程提示之外，更刻意加速課堂任務作為建模文本的特色： 一、外顯化建模歷程： 選用邱美虹於2016國科會計畫中提出的建模歷程，此建模歷程分成四部份，共八步驟(模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型應用、模性調度、模性修正與模性轉換)，在建立模型的過程當中，每個步驟皆有特定的任務。外顯化的主要功能在於學生閱讀文本時，可清楚知道本段目的，使學生更有方向的了解文本內容。在化學電池的教學主題下，單元本身內容未達較高層次的建模歷程討論，因此，本次建模文本設計並未提及模性修正與模性轉換。 二、課堂任務： 課堂任務的目的是希望同學以較為有架構的方式整理元件之間的連接關係或是系統層次的情境問題，讓學生在觀察教師演示實驗後（圖一），必須記錄所看到的元件、元件的連接方式、元件之間的關係以及現象的發生（圖二），在透過教師的引導，進一步的提及元件的限制。課堂任務是建立學生一套有系統的思考邏輯，對於教師而言，課堂任務也一個用來診斷學生在課堂學習的過程中，何種階段發生了狀況，需要給予學生協助。 透過文本的改編，一方面以外顯化的方式引導學生學習，另一方面更是引導教師使用建模本位探究方式進行教學。          圖一　教師演示實驗　　　　　　　　　　　　　圖二　教師引導學生思考元件、元件關係 化學電池的心智模式 心智模式(mental model)為內在的概念表徵，也是內部概念連結成系統而外顯化結構表徵(Gentner & Stevens,1983)，Chi(2008)則認為心智模式亦可透過蒐集個別信念並組織而成。對於本研究中的心智模式主要分類依據為邱美虹(2008)針對電化學所提出七種心智模式進行分類，此七種化學電池的心智模式依據化學電池的成分、關係與延伸思考關係的正確性進行分類分別為：一、電池雛型模式：僅具備巨觀的電池成分；二、電池電解混淆模式：在電池外部連結一個電池，電路的判斷是由外部電池決定；三、電極混淆模式：混淆了電池電極的正、負極(陰、陽極)，在電極、電路與電池的反應皆與科學模式相反；四、電路雛型模式：具備大部分電池的組成成分及小部分電池的反應、通路的概念，但未建立完整的成分之間的關係；五、電路進階模式：具備電池的組成成分及電池的反應、通路的概念，但尚未建立完整的成分之間的關係，亦不了解延伸思考關係；六、類科學模式：具備電池的組成成分電池的反應、通路的概念，也建立完整的成分之間的關係，但尚未建立完整的延伸思考關係；七、科學模式：具備電池的組成成分及電池的反應、通路的概念，也建立完整的成分之間的關係，以及完整的延伸思考關係。 上述的心智模式分類方式，主要根據Vosniadou對於心智模式的定義所發展的內容，為了顧及完整性，因此在本研究中將diSessa對於心智模式的論點，針對學生心智模式不一致的情形加入「電池概念不完整」之心智模式，用以區分上述無法分類的學生，其心智模式的特性與範例說明的將呈現於表一所示。 表一：電化學電池的心智模式  教學成效  利用上述的化學電池心智模式分類方式，將學生教學前後的心智模式分類後將心智模式分佈情形整理於表二，做為討論心智模型分佈情形討論之依據。 「一般教學組」心智模式的分佈情形如表二與圖三所示，教學前，學生的心智模式幾乎集中於「電池概念不完整」高達96.3%，僅有一位同學之心智模式為「電極混淆模式」。透過一般文本教學後，學生的心智模式仍集中於「電池概念不完整」，但比例有下降達55.6%；亦有發展出新的心智模式，即為「電路雛型模式」其比例為25.9%，位居第二。若從圖4-3-0觀察可知，教學前，心智模式多集中於左方的心智模式(初始模式)；教學後心智模式朝右方的心智模式移動(綜合模式)，並且仍可看出教學前後於初始模式由96.3%降低至55.6%；綜合模式由3.7%提高於44.4%，但是，仍未觀察到有科學模式的產生。 圖三　「一般教學組」教學前後心智模式分佈情形 「建模探究教學組」心智模式的分佈情形如表二與圖四所示，教學前，學生的心智模式多集中於「電池概念不完整」高達70.8%，透過建模文本教學後，發現，「電池概念不完整」之心智模式已不存在，並且發展出在前測尚未有的心智模式：電路雛型模式、電路進階模式與類科學模式，教學後所發展出的心智模式其比例皆高於20%。若以圖三的分佈情形來看，教學前集中於左方之心智模式(初始模式)，透過教學朝右方的心智模式移動(科學模式)，並且教學前後於初始模式由87.5%降低至8.3%；綜合模式由12.5%提升至62.5%；科學模式由0%提升至29.2%，可知，透過教學有助於提升綜合模式與科學模式與降低初始模式的比例。 圖四　建模探究教學組教學前後心智模式分佈情形 由上述心智模式的分佈情形可提出以下三個現象：一、教學前，學生的概念過於破碎與不完整，因此，大部的學生於教學前皆屬於「電池概念不完整」的心智模式，透過教學，會發現次現象降低情形顯著，表是透過教學有助於學生改善破碎與不完整的概念；二、教學後，皆有助於降低初始模式，提升綜合模式甚至科學模式的比例，此現象正與第一個現象互相呼應；三、透過不同的教學方式，所達到的最高心智模式不相同。  教學反思 Schwarz(2009)提出關於建模本位教學將遭遇的挑戰，可分成兩部分，第一部分來自於教師對於科學課程的信念改變，教師必須從僅提供「固定」答案的教學方式，進而轉換成以證據為導向的知識建構方式進行教學，此教師信念的改變為建模教學現今所遭受的挑戰之一；第二部份來自於學生於科學學習中的情形，建模教學即為學生仿效科學家建立模型的過程，其中，科學家透過發表模型，並使用模型解釋或預測，因此，在建模教學中，必須著重於學生「發表」自行所產生的模型，使學生能夠有機會進行「口頭發表」。此兩部分皆為教學活動中極為重要的角色，因此，建模教學能夠落實，必須克服上述的挑戰。以下將提出本教學的反思內容： 一、建模文本與建模本位探究教學促進學生心智模式的改變         增加不同情境的探究問題與以學生為中心的方式，屬於建模本位探究教學規劃中的一部份。使學生思考不同情境的問題，以及自行選擇探究的主題皆能夠使得學生的心智模式產生更大幅度的變化，並且擁有更複雜的變化情形。根據研究結果，透過建模教學的學生心智模式改變的情形要一般教學明顯。 二、教學內容的改變         以學生為中心的教學方式，提供學生更多討論與反思的機會。針對研究問題與研究流程，皆由各小組自行討論與決定，與教師溝通後則開始蒐集資料。本研究中以白板的發表的方式，學生可使用各種表徵，發表各組的研究成果，透過小組間的比較與討論，增高了學生經歷模型效化的機會。從心智模式的改變情形可知，多元、彈性且以學生為中心的教學模式，有利於學生發生心智模式的改變，並且產生更為豐富的心智模式。 三、進行長期建模本位探究教學         本研究的課程內容未完成完整的建模歷程，未來能討論學生經歷完整建模歷程時，心智模式變化的情形。因此，希望透過長期的建模本位探究教學，能夠使學生經歷更為完整的建模歷程，對於研究而言，亦有助於了解建模歷程的起點與限制(Schwarz,2009)。 參考資料 Chi, M. T. (2008). Three types of conceptual change: Belief revision, mental model […]

《2019國際化學元素週期表年特展》活動介紹 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所 mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw 《2019國際化學元素週期表年特展》為科技部、教育部國民及學前教育署、行政院環境保護署毒物及化學物質局指導，由國立臺灣師範大學、中國化學會以及國立臺灣科學教育館共同主辦，為慶祝聯合國宣布的2019年為國際化學元素週期表年，同時也是俄國化學家門得列夫(Dmitri I. Mendeleev)於1869年發表元素週期表150年，希望藉由今年一連串的慶祝活動，彰顯化學元素對人類衣食住行育樂、醫藥、能源、科技發展等各面向的貢獻。此特展將從108年6月1日(星期六)起在科教館展出後，將陸續在國內其他四個博物館展出，並將移展到各中學和大學，以共襄盛舉今年化學界的大事。 凡是上過科學課程的人，沒有不知道元素週期表的，而學過週期表的人也都或多或少會知道金屬和非金屬這些元素在週期表中的位置。如今我們看到週期表中的各元素所在的位置似乎是理所當然，但是門得列夫在1869年時是排列63張卡片時發現元素之間的的規律性而建立週期表的，並大膽地對尚未發現的三個元素進行預測，後來這些元素也都被證實他們的存在，這一步使得他的週期表與其他較為保守的科學家所建立的週期表不同且更具前瞻性，雖然現今週期表的排列方式是以原子序為主，有別於當年門得列夫以原子量排列的方式，但無損於門得列夫在科學上的崇高地位與貢獻。 此次特展分為六大展區，展出內容都是精心設計的展品，包含元素方塊週期表、光雕投影、化學元素大事記、化學元素海報、視障者點字元素週期表、女性科學家與週期表、稀缺元素週期表、中學生眼中的週期表、元素文學小品、元素郵票展、擴增實境(AR)和虛擬實境(VR)等。其中有幾項展品特別值得在此一提，如元素光雕投影(魔方118)以中國風的方式呈現元素的特性，這應是是全球首創；盲人點字週期表嘉惠盲人、臺灣學生的藝術創作週期表以及新興科技與化學學習的連結等，同時展品中的稀缺元素週期表更是讓我們必須正視因科技所帶來的化學元素瀕危之衝擊，希望能透過這些展覽品傳遞化學元素對人類科學發展的貢獻、激起社會大眾對化學與化工的正面觀點、建立基本的化學與化工的認識、提高對環境與永續發展議題的關心、積極發展永續化學的行動力，以達到科普傳播與提升民眾科學素養的目標。     光雕投影創作理念分享——魔方118 演講者：劉育樹導演（光點吉樹工作室） 2019年是為聯合國(UN)公布之「國際化學元素週期表年」，亦是俄羅斯化學家門得列夫(Dmitri I. Mendeleev)提出元素週期表的150周年。正因為元素週期表在人們眼中是西方科學界的產物，因此我們藉由此光雕投影將元素週期表結合中國風，以呈現獨特的東方風格，其中尤以傳統臺灣特色為主。 影片內使用了大量東方元素來結合西方的元素週期表：以風水羅盤的圓形排法替換週期表的矩型排法，除了以圓象徵人類生存之地球，更代表著週期表中的所有元素皆是存在於這個圓中──即地球上。中文字也是東方文化中重要的元素之一，影片中將週期表元素的英文字替換成中文字呈現，其用意在於將熟悉的西方週期表以東方詮釋表達東方對於化學界亦有所貢獻，而非僅止於推崇西方科學。 影片中亦會列舉人類生活中的重要元素，並呈現該元素的材質、顏色或特性等，讓人們認識到生活周遭其實有很多物品都和化學元素有關；此外，象棋是華人世界眾所皆知的棋藝遊戲，透過使用象棋作為化學元素的象徵物，把虛幻的化學元素實體轉化為熟悉的象棋棋子，讓大眾對於艱澀的化學多了一分親切感。而化學元素除了實體化作為象棋外，亦可以真實的進行對弈，透過分類化學元素，區分成金屬及非金屬兩類型來進行對弈。金屬與非金屬之間的對戰、結合呈現出真實的化學反應，生成一個化合物。藉由這些元素象棋之間的對戰、元素結合成的化合物，讓大眾更加了解這些化學元素在日常生活中是多麼地頻繁出現，皆是出現在我們的生活之中。 作為最後一個東方元素，影片中使用廟宇的籤筒，來呈現傳統臺灣風格的週期表。以矩形週期表旋轉收進籤筒，旋轉即是圍繞成一個圓圈，再度使用圓作為世界的概念，而所有的元素繞著圓旋轉，與開頭的圓互相呼應，串聯整部影片並以東方風格收尾。   特展亮點 1. 入口意象 本特展之主視覺牆面，設計元素包括週期表、本次周年紀念活動的主人翁——門得列夫，化學元素的物理及化學性質，及其在各領域之多元豐富應用等，以彰歡慶元素週期表被提出屆滿150週年之意涵。 2. 元素方塊 展場內打造118個大型元素方塊，方塊每面分別展示該元素之原子序、原子量、化學性質及與該元素相關之歷史、生活、科技等科學資訊。118個方塊將依週期表排序堆砌成巨型元素方塊牆面，錯落有致的立體牆面搭配光雕影片投射，展現化學元素發展歷史、文化脈絡及生活應用，如同一場知識的聲光饗宴，絢麗非凡。場內另陳列有10x10cm比例的小型元素方塊牆面，118顆方塊皆可取出觀賞六面的設計內容，讓知識可以親手觸摸。 　 　　　　元素方塊(Md)　　　　　　　　　小型元素方塊牆面 3. 魔方118——光雕投影(光點吉樹設計) 邀請國際知名3D動畫導演劉育樹為國際化學元素週期表年慶祝活動精心設計，透過中西合璧的巧思，將西方科學結合中國風，以中藥櫃的概念呈現獨特的東方特色，展現出全新文創概念的元素週期表。 光雕影片內容將以多媒體動畫形式，傳達化學元素如何存在於我們的身邊，並與我們的生活密不可分。全片中英對照，適合全年齡的民眾一同來感受獨此一門，視覺與聲音的饗宴。 光雕影片投影開始畫面 4.  元素大事記 以時間軸方式展示元素週期表中各化學元素，自紀元前至近代間發現年代之大事記，並將各元素以化學性質分類，於右下角加註圖例說明，方便民眾瞭解人類發掘元素的歷史。 (由國立臺北教育大學周金城教授設計之大事記) 5.  稀缺元素週期表 為了讓世人意識到全球元素稀缺的嚴重性，本特展展示歐洲化學會（European Chemical Society）所繪之稀缺元素週期表繁體中文版，並搭配與化學元素相關的問答，製成互動式掀牌展板寓教於樂，傳達生活中的化學知識以及稀缺金屬的議題，進而促使大眾珍惜資源，以利永續發展。 6.  中學生眼中的元素週期表 由國立臺灣師範大學邱美虹教授發想，臺北市立大直高中林欣美老師、曾茂仁老師，新北市立三重高中張怡婷老師、李雁婷老師，國立臺灣師範大學附屬高級中學吉佛慈老師，及新北市立新北高級中學鍾曉蘭老師指導，帶領各級學校學生所設計的118幅元素繪圖週期表。以活潑生動的藝術形式，將化學元素融入你我的生活。 7. 最古老的現存教室用週期表(現場展示為複製品) 於2014年英國聖安卓大學(University of St. Andrews)整理校內演講廳儲藏室時所發現。此週期表的內容與門得列夫1871年發現的週期表很相似，但已有1875年發現的元素鎵(Ga)、1879年發現的鈧(Sc)，但尚未紀錄1886年發現的鍺(Ge)，故推論這張海報約於1879-1886年間製成，距今已有約140年的歷史，極有可能是現存最為古老的元素週期表。 8. 視障者點字元素週期表 由國立彰化師範大學楊水平教授所發想設計，與校內師生合作重新構思週期表，並製作透明自黏膠片點字，將兩者相結合成世界第一幅針對視障者使用的元素週期表，並於特展內展出，讓化學教育不再侷限於生理，歡迎參觀者皆前來觸摸點字週期表的特殊魅力。 […]