翻轉教室—多重表徵的模型教學（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  動機與背景 一、  動機 學生在學習的過程中扮演了主動學習，積極建構的角色，個人知識的建構並不是由外在具體世界的反應，而是由個人心智主動建構。學生自小處在不同的生活背景與學習環境，加上個人的智力與學習風格不同，對自然現象的詮釋也會因人而異。因此，了解學生的先備知識及對現象的解釋模式有助於教學活動的設計與進行，也是教師引領學生進入科學世界的不二法門。 當遇到不同問題的情境時，將會決定學生使用的解釋形式，有關學生概念的研究對於瞭解學生所擁有的科學概念內容上，確實對於教師的教學與課程設計有著很大的貢獻。假如我們希望幫助學生學習更複雜的科學概念，可以透過迷思概念（misconception）或另有概念（alternative conception）的研究，使得教師瞭解學生對某些概念的原始想法或另有概念，則在教學上更能確定學生的起點行為，設計適當的教材來改變學生的另有概念，並且協助教師從事知識的整合（Lewis & Linn, 1994，引自鍾曉蘭、謝進生、賴麗玉, 2009）。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，尋求多面向而且能啟發學生多重表徵轉換的教學設計應該是解決方法之一。 本教案設計一系列多重表徵的模型教學策略及教學活動，例如：應用電腦動畫所顯現的動態表徵配合文字、口語敘述等，說明化學反應的碰撞學說中粒子微觀機制，促進學生形成具有與現象相同屬性的心智模式。並進一步將教學中所探討的微觀現象（特別是粒子的隨機運動及粒子之間的交互作用所產生的化學反應的微觀機制）納入試題之中，從一連串的動態評量中，瞭解學生對化學反應速率相關概念的認知發展歷程，並藉著具體模型教具、電腦動畫與角色扮演肢體等多重表徵的模型教學活動讓學生進行聚焦的練習，以期激發學生認知的潛能（Boulter & Buckley, 2000；鍾曉蘭、謝進生、賴麗玉, 2009, 2010）。 二、  理論背景 「分類」是學習者處理大量知識訊息的關鍵過程，當表徵作為學習的媒介時，表徵的分類尤為重要（Boulter & Buckley, 2000）。各家學者對表徵的分類方式及向度不盡相同，Boulter & Buckley （2000） 提出以表徵的方式和表徵的屬性兩個不同的維度來分類及解釋模型：表徵的方式主要分為五種－具體的（concrete）、語言的（verbal）、視覺的（visual）、數學的（mathematical）、動作的（gestural），又可細分為單一或混合的表徵方式。表徵的屬性則分為量化或質性、動態或靜態、決定的或隨機的。五種不同的表徵方式說明如下： 1.        具體的（Concrete）：可觸知的實體，如塑膠製的心臟模型。 2.        語言的（Verbal）：可聽或可讀的陳述、解釋、論點、類比、及譬喻，如心臟就像是一個幫浦。 3.        視覺的（Visual）：可被看到的表格、動畫、模擬、影片，如以線段及圓圈呈現月蝕發生的原理。 4.        數學的（Mathematical）：被化約為公式、方程式、及符號的表達形式，如行星運動軌跡的方程式。 5.        動作的（Gestural）：以肢體動作表達的形式，如學生角色扮演太陽系中星體的運動，包括行星的公轉與自轉。 有些表徵的呈現並非單一方式，而是結合兩種以上的表徵方式與屬性，藉以補足單一表徵各自的限制，讓學習者更能了解現象的過程或原因。舉例說明，以動畫顯示心臟中血液流動的情形，並加上文字與言語的詳細解說就可以分類為視覺的混合模型，而表徵的屬性則歸類為質性–動態–決定的；讓學生以角色扮演的方式說明墨汁在水中擴散的情形，並輔以教師言語詳細解說的課室活動就可以分類為動作的混合模型，而表徵的屬性則可歸類為質性–動態–隨機的。 n  教學目標 本教學設計的目的主要分為五部分： 一、   以多重表徵的模型教學活動與教材改善學習環境：將多媒體教學軟體與課程內容結合，設計電子化教材，讓科學課室的教學多元化、活潑化。 二、   以多元教學活動提升學生學習動機：設計多元的活動讓學生們學習以不同的表徵與策略來學習抽象的化學概念，能夠提升其學習的動機與興趣。 三、   以多元教學活動增進學生解釋能力：學生經模型化的活動，能夠理解現象背後的科學原理，並提出相關的解釋，藉以提升學生解釋的能力。 四、   以多元評量方式評量學生的學習歷程：從一系列評量中瞭解學生對化學反應速率相關概念—碰撞學說、影響反應速率的因素（濃度、溫度、催化劑）的認知發展歷程，不僅可以增進師生互動，也可以隨時修正教學方法與教材。此外在綜合討論的活動採取小組討論與小組發表，讓評量方式更多元。 五、   […]

翻轉教室—多重表徵的模型教學（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《翻轉教室—多重表徵的模型教學（上）》〕 n  研究成果 一、  學習成效 兩組學生在三次評量結果如圖1所示，評量一是在教學前進行的，評量二是在教學五節課後進行，主要學習的內容是反應速率的定義和如何測量反應速率的相關概念，並進一步探討濃度與反應速率之間的關係。評量三則在教學八節課後進行，主要學習的內容是溫度與催化劑影響反應速率的機制，並進一步探討濃度、溫度、催化劑與反應速率之間的關係以及綜合討論的活動。 分析結果顯示，實驗組學生經過投影片教學、分子模型、粒子模型活動及師生討論等多重表徵的模型活動之後，在動態評量二的答題表現大幅度的進步，而且與對照組之間達到顯著性的差異。實驗組學生再經過活化能具體模型、角色扮演與綜合性的師生討論後，兩組再進行動態評量三的測驗，兩組成績亦達到顯著性的差異。 圖1：實驗組與對照組三次動態評量得分平均比較 二、  學生的迷思概念 1.        教學前學生的迷思概念 從學生的選擇題的選項和非選擇的回答內容中，分析出學生常見的迷思概念主要是對於碰撞學說的誤解、對低限能／活化能的定義與影響因素的不了解等。 (1)     碰撞學說的迷思概念：反應物分子只要互相碰撞即產生反應、無法從生成物判斷出活化複體、無法從生成物判斷出有效碰撞的位向。 (2)     低限能／活化能/分子動能分布曲線的迷思概念：溫度增高反應速率加快是因為活化能降低、分子動能分布曲線的高度越高則動能越大或有效碰撞頻率越高、改變容器體積會影響分子運動速率而改變反應速率、加入催化劑不會改變活化能、反應熱或超過低限能的分子數目不受溫度影響。 (3)     催化劑對反應速率影響的迷思概念：催化劑會影響反應熱、催化劑會加速正反應而使逆反應減慢、催化劑會影響分子動能分布曲線、催化劑會增加產率或影響平衡。 (4)     溫度對反應速率影響的迷思概念：溫度會影響活化複體的位能高低、溫度會改變反應途徑、溫度會加速吸熱反應而減慢放熱反應、溫度不會影響產率。 (5)     濃度對反應速率影響的迷思概念：接觸面積/濃度或分壓會影響反應速率常數（k）、增加固體的量可改變濃度而使反應速率增加、濃度會改變有效碰撞分率。 2.        教學中學生的迷思概念 即使已學過碰撞學說和濃度對反應速率的影響，以下迷思概念仍難以移除： (1)   分子動能分布曲線的高度越高則動能越大或有效碰撞頻率越高（實驗組已完全修正、對照組未移除） (2)   溫度增高反應速率加快是因為活化能降低 (3)   溫度會加速吸熱反應而減慢放熱反應、接觸面積／濃度或分壓會影響反應速率常數（k） (4)   增加固體的量可改變濃度而使反應速率增加、濃度會改變有效碰撞分率。 3.        教學後學生的迷思概念 教學後，即使已學過反應速率相關概念，以下的迷思概念仍難以移除： (1)   溫度增高反應速率加快是因為活化能降低 (2)   增加固體的量可改變濃度而使反應速率增加 (3)   接觸面積會影響反應速率常數（k） (4)   濃度會改變有效碰撞分率 從答題表現的分析顯示，學生的迷思概念明顯減少，特別在碰撞學說／低限能／活化能／分子動能分布曲線的迷思概念比較能經由教學而移除。 三、  學生情意面向 學習情意問卷主要請實驗組學生針對七個教學活動就三個面向（幫助概念理解、使得學習有趣、提升解決問題能力）進行評價，分析結果如圖2所示。整體而言，學生對於師生討論與具體模型的教學活動評價最好（非常同意：3分，同意：2分，不同意：1分，非常不同意：0分）。學生整體的評價以具體模型最獲好評，有多位學生認為將來教學可再增加具體模型的活動時間。而學生對於角色扮演的活動則認為是新奇、有趣，特別對於第二節課的角色扮演活動印象深而易懂，但第八節課的角色扮演對於概念的理解則評價略低於具體模型和師生討論，投影片應改進字和圖的清晰程度。 圖2：實驗組學生對七種教學活動整體評價 […]

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 […]