臺灣化學教育
Chemistry Education in TaiwanBlog Archives
化學探究教學：引導國中生開發水災防治包專利作品的探究教學歷程 ／ 黃琴扉
Tuesday , 10, May 2016 本期專題, 第13期 / 2016年5月 Comments Off on 化學探究教學：引導國中生開發水災防治包專利作品的探究教學歷程 ／ 黃琴扉化學探究教學：引導國中生開發水災防治包專利作品的探究教學歷程 黃琴扉 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所chinf1027@yahoo.com.tw n 前言 教育部（2003）公布的「科學教育白皮書」中明確提及，科學教育的主軸是透過科學性的探究活動培養學生獨立的科學思考；由2003年至今，國內外也有許多科學教育學者透過大量研究證實探究教學對學生科學學習的重要性（Blatt, 2015; Schank & Abelson, 2013）。然而，許多職場教師們對於如何落實探究式教學以啟發國中生科學學習仍有諸多疑問，更擔心探究式教學會花費許多時間或精力，本文即以筆者與高雄市圓富國中合作的化學探究實務教學為例進行分享討論，期盼能與職場教師或相關教學、研究人員交流，以激起更多科學教育的火花。 n 以融合環境教育的問題本位學習（EPBL）進行化學探究教學 探究式教學的理念，可以追溯到Deway（1910）的哲學觀，Deway認為知識存在個體與環境的交互作用間，若是要啟發學生的主動學習，必須給予學生適當的問題情境（陳毓凱、洪振方，2007），而當問題的結構較為模糊，學生必須進一步重新定義與釐清問題後，才能擬訂解題策略時，即稱為問題本位學習（problem-based learning, PBL）；換句話說，問題本位學習就是一種建立在探究取向上的教學模式之一。本文參考Delisle （1997）、Lambros （2004）、陳毓凱和洪振方（2007）以及王紅國（2015）的問題本位學習教學理論，並於實務教學中融入環境教育因素，由筆者自行開創之環境問題本位學習（Environmental Problem-Based Learning, EPBL）教學模式，如圖1所示。 圖1：環境問題本位學習（EPBL）教學模式 筆者於圓富國中進行教學時，即根據圖1的教學模式進行引導，協助學生進行與環境議題相關的化學探究活動，並成功協助國中生開發水災防治包專利作品（於經濟部審核中）。 n 教師進行探究教學歷程之教學立場與角色定位 在說明教學歷程前，筆者希望以理論基礎與教學經驗之整合，分享給教師們進行探究教學時的心態轉換： 一、 教師應協助學生從生活環境的問題解決著手，以提升學習動機 在EPBL的模式中，融入環境教育因素是重要的一環。教師應該協助學生從生活環境中的問題解決進行發想，以誘發學生強烈的探究與學習動機。以本文為例，參與本探究活動的學生都居住於高雄市旗山區，每位學生共同的經驗都是「水災」。每逢颱風，家中必會淹水，而同學們共同的經驗就是幫家裡堆沙包；因此，學生們很容易凝聚共識，因而擬定了開發水災防治包的主題。 二、 教師為教學引導者，並非知識傳遞者 引導國中生進行探究的過程中，教師應以學習者為中心，協助學生建構自己的知識（Lawson, 2002），而不是著重於教師對學生的知識傳遞。教師應以開放而熱忱的心態與學生一同探究、學習與成長，而非僅是提供專業知識或協助資料查詢。 三、 教師應協助學生提升後設認知 雖然探究式教學可以提升學生的主動思考能力，但國中學生對於思考上的自我監控能力尚不成熟，時常無法察覺自己在假設與證據詮釋上的矛盾，或對於變因的控制不夠精準，此時教師應協助學生反思，進而提升學生的後設認知能力，以強化學生獨立思考的純熟。 n 以EPBL引導國中生由紙尿布啟發水災防治包專利研發的探究教學歷程 本節將詳述筆者採用EPBL探究教學模式成功引導國中生開發水災防治包專利作品（於經濟部審核中）的探究教學歷程（見表1）。 一、 學生來源 參與本文的EPBL探究課程的學生共有三位（男生二位，女生一位），均為國中二年級自願參加的學生，學生均自願於中午午休或早自習時間參與本課程。經過家長、學生本人、學校行政人員、導師等同意後，始進行本課程。 二、 課程時間 本課程每次授課時間為40分鐘，每週授課一次，共計一學期，扣除段考時間與國定假日等，共計上課12週。 三、 探究教學實務歷程說明 本課程結合環境教育概念，讓高雄市旗山區的國中生，以解決家鄉水災問題出發，從紙尿布高分子化學材質的高吸水特性開始發想，進而開發出水災防治包專利作品（經濟部審核中），以下將進行探究教學實務歷程說明（見表1）。 表1：環境問題本位學習（EPBL）教學模式實務應用歷程 理論基礎 教學實務 花費時間 可能遭遇的困難 融入環境教育因素，以個人經驗或生活環境議題出發，引發結構模糊問題 1. […]
綠色化學創意競賽：序曲—替代實驗的開發 ／ 繆慧娟、周芳妃、詹莉芬、張永佶、佘瑞琳、謝幸娟、黃潔瑩
Sunday , 12, July 2015 本期專題, 第8期 ／ 2015年7月 Comments Off on 綠色化學創意競賽：序曲—替代實驗的開發 ／ 繆慧娟、周芳妃、詹莉芬、張永佶、佘瑞琳、謝幸娟、黃潔瑩綠色化學創意競賽：序曲—替代實驗的開發 繆慧娟1, *、周芳妃2、詹莉芬2、張永佶2、佘瑞琳3、謝幸娟4、黃潔瑩4 1工業技術研究院綠能與環境研究所 2臺北市立第一女子高級中學 3國立臺灣大學化學系 4臺北市立松山高級商業家事職業學校 *cmiao@itri.org.tw n 緣起 2006年11月，工業技術研究院綠能所團隊承辦教育部環保小組（資科司環境及防災教育科前身）化學品資訊化管理計畫，針對大專校院實驗室購買藥品的方式以及高中職以下學校無專責人員管理的現況，設計了一套簡便又能符合法規要求的「教育部化學品管理系統」，透過網際網路提供給全國各級學校免費使用。經由國立陽明大學在環安人員林晏夙小姐的努力推動下，全校使用此系統至今已持續8年。 2009年9月，因應學術機構運作毒性化學物質（以下簡稱毒化物）管理辦法修正公告，學術機構之運作單位運作毒化物，應逐月填寫毒化物運作紀錄申報表，並經委員會審核後，由學術機構採用網路傳輸方式，向毒化物所在地之主管機關申報前一年毒化物運作紀錄申報表。因此「化學品管理系統」升級為「化學品管理與申報系統」（網址：http://chem.moe.edu.tw/），並於2011年與環保署毒化物申報系統整合，學校實驗室只要落實填寫每日的毒化物運作紀錄，系統會自動彙整成全校的申報資料，學校負責申報的人員只要確認資料內容點選申報，即可同步將申報資料傳至環保署完成申報。教育部化學品管理與申報系統，如圖1所示： 圖1：教育部化學品管理與申報系統網站首頁 2010年9月，高中以下學校運作毒化物，因藥品採購年代久遠或管理人力不足，欠缺申請登記備查資料或採購核可文件，造成藥品廢棄時因文件不足導致無法聲明廢棄；有時廢棄數量過少或缺乏處理經費等原因，也增加學校辦理廢棄物處理作業困難。在教育部的積極協調與各縣市教育局處協助下，目前使用列管毒化物的學校已由444校遞減為241校，減少了46%。 n 替代實驗 2012年1月，我們開始思考若從實驗的源頭設計不使用列管毒化物，不僅能降低學生接觸高危害性化學品的風險，也能避免學校因違法而受罰。於是教育部召開「高中職及國中小課程中使用危害物質之替代方案」第一次專家諮詢會議，會議中決議邀請北一女中周芳妃老師團隊協助進行高中化學實驗使用毒化物的替代實驗，研究施行方法步驟： 1. 研擬實驗流程 2. 進行實驗試作 3. 完成交互實驗 4. 撰寫實驗報告 5. 審查實驗報告 6. 進行實驗或修改 7. 完成實驗報告 8. 進行專家諮詢會議 9. 提供替代實驗報告給教育部參考 後續在北一女中周芳妃老師、詹莉芬老師、張永佶老師和王美琴小姐、台灣大學佘瑞琳老師團隊與松山工農王麗華老師、謝幸娟老師和黃潔瑩老師及其學生們的協助下，共計完成了14個替代實驗。替代實驗的研發團隊如圖2~3所示： 圖2：替代實驗的研發團隊 圖3：替代實驗的研發團隊 研發團隊開發十四個替代實驗的名稱及其具體成果如下： 1. 平衡常數與勒沙特列原理／替代列管毒化物：使用氯化亞鈷水溶液替代列管毒化物鉻酸鉀和二鉻酸鉀。 2. 化學電池／減量減廢：所有試劑體積減少為原實驗的0.1倍，且此試劑可以保存重覆使用。 3. 鋅銅電池／減量減廢：所有試劑體積減少為原實驗的0.1倍，且此試劑可以保存重覆使用。 4. 氧化還原之滴定／替代列管毒化物：使用過錳酸鉀替代列管毒化物二鉻酸鉀。 5. 含氯漂白水與鹽酸的不相容反應／認識實驗安全：以日常生活中市售商品設計實驗，學習認識含氯漂白水與鹽酸的不相容反應，並學習簡易消除毒性氯氣的方法。 6. 醇、醛、酮性質之探討／替代列管毒化物：使用低於24%的甲醛替代列管毒化物37%的甲醛。替代列管毒化物：使用過錳酸鉀替代列管毒化物二鉻酸鉀。 7. 簡單電解實驗／減量減廢：原使用試管試驗，現改用點滴實驗，實驗結果明顯且大幅降低藥品用量和廢污產量。替代列管毒化物：使用辛烷替代列管毒化物環己烷。認識實驗安全：使用塑膠針筒取代U型玻璃管，操作上較安全。 8. […]
大學入學考試與化學評量：學測試題融入化學App的開發與教學 ／ 陳昭錦、江青釗、廖靜宜
Friday , 8, May 2015 本期專題, 第7期 / 2015年5月 Comments Off on 大學入學考試與化學評量：學測試題融入化學App的開發與教學 ／ 陳昭錦、江青釗、廖靜宜大學入學考試與化學評量： 學測試題融入化學App的開發與教學 陳昭錦*、江青釗、廖靜宜 國立臺灣師範大學附屬高級中學 *t35116@ntnu.edu.tw n 「化學尋寶」與學測試題 「化學尋寶」是常見的定性分析實驗，最早出現於遠哲科學趣味競賽中，經國立臺灣師範大學化學系蕭次融教授的研發並積極推廣，屢見於各校或各區的化學能力競賽中，也有許多化學教師發展實驗試題，應用於教學現場中的實作評量。「化學尋寶」這類實驗題材，涉及陰、陽離子的沉澱反應和鑑定分析，有助於刺激學生活用既有的化學知識，並培養學生分析和解決問題的能力。在高中化學或是國中科學奧林匹亞的國手訓練營中，也常列入「化學尋寶」和離子鑑定分析為培訓課程。「離子沉澱反應」是現行高中課綱中《基礎化學》的必修內容，103學年度以前，編於《基礎化學（一）》，屬於學科能力測驗（簡稱學測）自然科第一部分之命題範圍。自103學年度起，因應課綱微調，編於《基礎化學（二）》，屬於學測自然科第二部分之命題範圍。回顧歷年的學測自然科試題，「離子沉澱反應」出現的頻率相當高，單題或題組型式都有，測驗的內容不限於基礎知識，透過命題者的巧思，不僅測驗考生基本的科學知識和概念，進而測驗考生分析、應用與推理的能力。 以93年和104年學測自然科試題中兩個代表性題組為例，其試題內容如下「學測化學試題舉隅」所示。這兩個題組分屬兩種類型的化學尋寶，第一種是藉由外加物質（如酸鹼試紙或指示劑等）與未知溶液反應後，從反應結果尋找線索並歸納推理，綜合各項發現完成鑑別。第二種類型則是不使用任何外來物質，純粹由未知溶液彼此相互反應，由反應結果進行推理，此類型較注重對實驗者對各未知溶液性質的掌握及解題策略的有效性。 n 學測化學試題舉隅 【93年學測自然科–58-60為題組】 58-60. 有一已磨成粉末的混合物試樣，是由下列六種物質中的數種等量組成： (A)NaCl (B)KCl (C)CaCl2 (D)CuSO4（無水） (E)Na2SO4 (F)Na2CO3 為了要確定該粉末試樣的成分，王同學先查了資料後，自己研擬了一個檢驗粉末試樣的流程圖，並請李老師指導。李老師認為整個實驗都相當安全，基於鼓勵學生多做「探究學習」，同意王同學在化學實驗室中進行實驗，並要求王同學確實記錄實驗過程，並檢討每一實驗的必要性。以下是報告的一部份： 實驗一：用燒杯取粉末試樣約2克，加蒸餾水約100毫升，攪拌後形成無色的透明溶液X。 實驗二：在溶液X中加了鹽酸，則見在溶液中陸續產生氣泡，至溶液不再冒氣泡，溶液仍為無色透明（貼上標籤Y）。 實驗三：在無色透明的溶液Y中，滴加BaCl2溶液，即見白色沈澱。 實驗四：繼續滴加BaCl2溶液，至白色沈澱不再產生後，過濾分離出白色沈澱，得到透明的無色濾液Z。 實驗五：在濾液Z中，滴入AgNO3溶液，則見白色沈澱，加入稀硝酸，沈澱不溶解。 58. 根據上述報告，原粉末中一定沒有哪兩種物質？（從(A)-(F)中選兩項）。正解：CD。 59. 原粉末中，一定含有哪兩種物質？（從(A)-(F)中選兩項）。正解：EF。 60. 若王同學只需回答問題58與59，你認為王同學不需要做哪兩個實驗？（應選兩項）。正解：DE。 (A)實驗一 (B)實驗二 (C)實驗三 (D)實驗四 (E)實驗五 【104年學測自然科–9-10為題組】 9-10. 濃度均為0.1 M的五種水溶液，其溶質為、、、、。這五種溶液彼此間的關係如圖2。圖中每條連線表示兩端的溶液可以發生化學反應，產生沉澱或氣體，均以肉眼就可辨識。請先確定代號1~5是什麼溶液後，回答9與10題。 9. 已知與溶液2的反應，可以產生氣體或沉澱，則溶液2的溶質是什麼化合物？正解：D。 (A) (B) (C) (D) (E) 10. 已知與溶液4的反應皆為沉澱反應，且其中有一種沉澱的顏色為黃色，則溶液4的溶質是什麼化合物？正解：E。 (A) (B) (C) (D) (E) n 學測試題融入化學App的開發 93年學測試題出現的題組屬於第一類型，在當時令人耳目一新，解題關鍵有二，其一是實驗一中混合物溶於水且呈無色，由此可排除有色離子及共存後會沉澱的組合，其二則是混合物可與酸反應產生氣泡。題目的設計確實能鑑別學生是否具備基本化學概念，進而探測其分析及推理能力。104年學測的題組屬於第二類型，五種未知溶液彼此相互反應，其中一種可與其他四種發生肉眼可見的化學變化，此題組成功將化學尋寶實驗轉化為學測考題，一方面滿足學測試題要求的鑑別度，另一方面則展現引導高中實驗教學的企圖。因應學測自然科試題中實驗題型的多樣化，化學教師除了加強學生的化學知識和實驗技能外，更關心的是，如何協助學生能將課堂所學的化學知識與能力正確地展現在升學考試上。大考中心對學測試題中實驗題型的積極研發，促使教學現場的教師體認實作評量的必要，並亟思如何克服實驗教學的限制。 相信高中化學教師都認同培養實作能力和真實性評量的重要性，然而受限於課綱編製的食譜式實驗與教學時數，且各校提供教師的實驗支援程度不一，再者綠色化學對實驗室藥品減量呼聲日切，有心發展這類能提升學生應用、分析與推理能力實驗教學的老師們，很可能心有餘力不足。有鑑於此，國立臺灣師大附中自然科教學團隊與校內資訊中心合作，102學年度在「信望愛文教基金會」的贊助下，自行研發三款以陰、陽離子沉澱反應為主軸，可供免費下載的化學App，分別為化學尋寶、沉澱查詢機及快打沉澱表，並在103學年度修訂完成後公開上架，參見圖一～圖七。 […]