週期表教學的why,what與how 鄭志鵬 臺北市龍山國中 jjpong@lsjh.tp.edu.tw ■        前言 週期表的課程屬於國中八年級上學期第六章的「元素與週期表」單元。許多學生甚至老師，會認為此課程就是把元素的性質和週期表背起來，許多人也常會認為週期表在科學上的扮演的角色，只是許多資料的整理與累積而已。 但與大多數學生的認知相反的是，週期表課程中最重要的並不是內容的記憶，而是察覺元素之間有規律性和週期性。108課綱中也揭示了這一點。 週期表不但彙整了元素的性質，更重要的科學家們因此察覺了看似無關的元素之間有許多相關之處，暗示了不同的元素內部必然有相關的組成要素。週期表甚至可以說是原子內部結構的外顯徵象。教學上，先認識各自獨立的元素性質，再探究元素之間隱約存在的規律性，最後再認識原子內部結構，揭開元素的秘密。 以往在元素規律性的教學，教師多用講述的方式告訴學生最後的結果，也就是週期表。對多數學生來說，只會覺得這是一個無意義的背誦，無法體會週期表的意義與重要性。如果可以讓學生體會週期表的科學意義，我認為是比起單純的背誦更有價值的學習。 為了要達成這個目標，筆者設計了三十五張有元素性質的卡牌為教具，讓學生試著站在十九世紀化學家的角度去閱讀元素資料，並嘗試對元素進行分類整理、找出規律性與週期性，並了解德培萊納與門得列夫門得列夫的觀點，和他們一樣試著整理紊亂的資料，從中發現規則與模式。同時，亦期待學生透過該活動可以瞭解，若我們可以利用建立的模式發現未知的事物，該模式就具有更高的價值。 筆者希望藉由這個教育和課程，讓週期表的學習能夠切中科學的核心價值。將週期表的課程從單純的記憶與工具，提升到對自然現象的觀察、歸納、思考與預測。讓學生能感受在看似紊亂的自然現象中，理出規則，豁然開朗看見一條道路的樂趣。 ■        週期表教學的what與why         「週期表」是中學科學課程中，一個重要的單元。它在科學史上是一個困難的、重要的發現（或發明）。在人類探索自然界，累積了許多對於元素的概念之後，開始有一群人感覺的這些元素之間似乎有一些什麼規律性。經過了一段時間的努力，許多科學家，像是德培萊納、邁耶爾、門得列夫等人投注了甚至是畢生的精力之後，終於找出了元素具有週期性與規律性。         為什麼週期表很重要？因為它帶領著物質科學，從將物質純化與認識性質和其反應特性的科學，轉化揭示了這些不同元素並不是單純的「不同」，而是這些不同的元素背後，其實一定有某種因素在支配著，使其能遵循這些週期性。週期表讓原先著重物質特性與反應的科學提供了往上提升一層的可能性。也可以說，週期表的建立打開了二十世紀進入原子內部結構的近代科學大門。         為什麼建立週期表很困難？我們知道，這許多不同元素的性質如果攤開來看，真的會是一團混亂的資訊。若認為它們之間是獨立無關的，是很正常的想法。以後見之明來說，則會知道元素之間的關係。但如果將這些元素名稱都拿掉，只留下這些元素的性質，我們真的能輕易的看出它們之間的關聯嗎？在課程活動中，教師可以透過簡化過程讓學生體驗與學習處理混亂資訊並提出猜想，也讓學生稍微感受一下科學家的心血得來不易。         所以週期表課程要教些什麼？108課綱中，第四階段國中課程與第五階段高中必修與選修課程中的學習內容是： Aa-IV-4元素的性質有規律性和週期性。 CAa-Vc-3元素依原子序大小順序，有規律的排列在週期表上。 CAa-Va-5 元素的電子組態和性質息息相關，且可在週期表呈現出其週期性變化。         可以看到不管在哪一個階段的課程，週期表的學習內容都在了解元素是有週期性與規律性的。到了高中選修才引進電子組態與元素性質的關係。那麼以學習表現來說，就可以搭配思考智能中的「建立模型」和問題解決中的「分析與發現」。 tm-IV-1能…理解較複雜的自然界模型，並能評估不同模型的優點和限制，進能應用在後續的科學理解或生活。 pa-IV-1能分析歸納…整理資訊或數據。 pa-IV-2…從(所得的)資訊或數據…獲知因果關係…。並能將自己的探究結果和同學的結果或其他相關的資訊比較對照，相互檢核，確認結果。         我們可以綜合領綱中的學習表現與學習內容，訂出我們在週期表課程中的具體學習目標為： 讓學生分析歸納、整理元素的資訊或數據、獲知因果關係，並能將自己整理資訊的結果與同學作比較，相互檢核。從中理解元素規律性與週期性的模型，並能評估不同排列方式的優缺點與限制。 ■        週期表教學的how         要達到上述教學目標，我們可以運用科學史的元素，讓學生經歷科學家蒐集資訊與整理資料的過程。在課堂中運用科學史融入的方式，除了說個故事給學生聽之外，我認為更好的方式，是讓學生親自扮演那個時代的科學家，去解決那個時代科學家關心的問題。當然是在一個設計過的情境下，讓解決這個問題的難度降低到學生可以處理的程度的課程設計。         在開始分析元素的規律與週期性之前，要先認識個別的元素，同時，盡可能讓學生能直接觀察元素，或者閱讀元素的性質，然後進行碳酸鈉與氯化鈣、氯化鎂、氯化鋇、氯化鈉、氯化鉀水溶液的混合實驗。讓學生發現有些會和碳酸鈉水溶液產生沉澱有些不會，藉此讓學生發現「有些元素的性質是接近的」「可以把這些元素進行分類嗎」這樣的想法。接著就是承接這個想法，讓學生觀察大量元素的性質，並嘗試像門得列夫一樣，看能不能找出有意義的排列方式。         能親身去體驗科學家解決問題的過程，就更能理解科學家的思考方式與同理科學家會遇到的艱辛歷程。在週期表的課程中，要怎麼讓學生去嘗試科學家的努力呢？我模仿門得列夫思考元素週期表的方式，設計了一套35張的卡牌，代表了在19世紀人類已知的其中35種元素。 卡牌上紀錄元素的外觀、性質，元素性質的描寫法，刻意將某些同族元素的性質，用相同的文句描寫。此外，還紀錄了元素的常見化合物。化合物的種類和比例，也刻意讓同族的元素有相同的化合物組成比例，這樣才能降低難度讓中學生有機會可以發現端倪。此外，卡牌還提供了密度和原子半徑等等訊息。當然，有些訊息並不是19世紀就知道的，但放在卡牌當中，可以讓資訊更豐富，學生在討論思考時，也能有比較多的素材可以運用。卡牌正面設計的外觀如下圖一、二。以鈉和鉀為例，化合物的寫法和元素性質的語句描述就有諸多類似之處。 首先讓學生挑出其中12張卡牌，分別為「鋰鈉鉀鈹鎂鈣硫硒碲氯溴碘」。這些卡片上面都有紅色點標示（如圖1、2），所以不用翻看背面名稱訊息就可以挑出正確的卡牌，接著依照教師指示，將原子量為7, 9, 32,35.5四張卡牌找出來作為排頭。試著把其他八張卡牌中，性質接近的卡片放成同一組。這是1829年德國化學家德培萊納提出的三元素組。但本文作者依據課程需要和卡牌設計的限制，將其中的鈣鍶鋇改成了鈹鎂鈣。     圖1、元素卡片「鉀」的正面   圖2、元素卡片「鈉」的正面       圖3、元素卡片「鉀」的背面 […]

《烘培咖啡》化學教育桌遊 温媺純、陳秀荷 mlwen@cc.ncue.edu.tw   n前言 許多研究資料顯示遊戲融入教學大多能正向改善學習者的學習動機、學習成就、學習情緒、學習態度或其他學習能力等等，各方資料也同時顯示台灣科學教育之桌遊的數量亦不多。因此，本文作者結合現代流行的咖啡文化與桌遊，綜合心流理論、成就系統與機制即訊息等等遊戲設計概念，初步發展出一套不需化學先備知識即可遊玩的化學教育桌遊《烘培咖啡》。期待玩家經過多次的遊戲體驗，能自我有所領悟與學習。 n桌遊介紹 (一) 《烘培咖啡》科學知識 本教育桌遊以烘焙的科學概念「物質受熱發生變化」為遊戲發展核心。烘焙的科學原理是利用熱能使物質發生物理和化學的變化。烘焙咖啡的行為即是將咖啡豆送入鍋爐中加熱，咖啡豆的溫度隨著加熱時間增加而升高，豆中各樣的物質因能量增加、彼此碰撞，而發生一系列化學變化，包含焦糖化反應，與梅納反應等等。物質的變化導致咖啡豆顏色改變和氣態物質的產生，咖啡豆體積也因此膨脹破裂。咖啡豆經烘焙後，產生一千多種的氣味物質，飄進我們鼻子裡，也就是我們聞到的咖啡香，可能感覺有堅果味、土壤味、水果香等等。 咖啡香的氣味物質主要是由碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)五種元素構成(謝雅玉，2017)。這五種元素位於週期表的右邊，屬於非金屬類，是生活中重要與常見的元素，而元素以不同的種類、數量和空間排列會組合成不同的氣味物質(如圖一)。我們聞到的咖啡香是綜合了各樣不同濃度的氣味物質，藉著每個人的嗅覺器官主觀感受到的結果。換句話說，有可能咖啡香在不同人聞起來會變咖啡臭哦！ 圖一：三張氣味物質卡 (二) 《烘培咖啡》教育方式 設計者在遊戲介紹時除了說明遊戲規則之外，同時將烘焙咖啡的科學知識帶入，使玩家了解烘焙咖啡的科學概念「物質受熱發生變化」，並具體觀察不同烘焙度的咖啡豆之顏色差異。 玩家在主要的遊戲行動中，需要將自己手牌與公開的物質資訊(如圖二)進行觀察與比對，思考如何給予三個提示才能有效幫助同伴迅速找出相對應的物質。34種氣態物質之間有結構相似者、元素數量相同者、元素種類相同者，物質的複雜成為遊戲的挑戰，在模糊不清的資訊中尋找解答達成遊戲目標成為了遊戲的樂趣。玩家重複體驗遊戲，每次拿到的手牌不同，不斷進行觀察與比對，便有機會產生自我領悟與有所獲得。 圖二：桌遊物件與公開的物質資訊 (三) 《烘培咖啡》設計方式 《烘培咖啡》是模擬烘焙的情境作為遊戲的情境，遊戲時間代表烘焙時間(如圖三)。玩家們花時間和心力從三個提示中找到與公開資訊相對應的物質，且須在遊戲的目標時間裡辨識完成，遊戲便進入尾聲，彷彿咖啡豆已烘焙到特定烘焙度可以下豆了。 設計者依據心流體驗遊戲設計模型(Kiili, 2006)、成就系統(Evans, Jennings, & Andreen, 2011)、機制即訊息(Romero, 2008)等遊戲理論，經多次測試與修改發展本教育桌遊。玩家遊玩時能專心與產生愉快，在沒有壓力與負擔下進行潛意識學習。 圖三：溫度、烘焙度、烘焙時間三合一指示牌   (四)《烘培咖啡》玩法介紹 1. 遊戲故事 在一個咖啡烘焙大師的交流會上，有一群不善表達的烘焙大師正圍坐著，一邊烘焙咖啡一邊交流著他們所聞到的烘焙味。大師們必須在幾個模糊不清地提示下，在烘焙時間內，一起合作找出所有人聞到的氣味物質，烘焙即可成功，否則一不小心可就焦黑囉！別忘記照顧隨時會來打擾大師，請教您各種問題的顧客唷！ 2. 遊戲規則 (1) 由第一位回應咖啡問答的玩家作為遊戲的起始玩家，於開始遊戲時按下手機計時器。 (2) 起始玩家選擇手上一張氣味物質卡給予三個提示，一個是物質的元素種類、一個是某元素的數量、一個是用一段話描述物質的形狀結構。提示完畢後，其餘玩家從公開資訊版圖中找出相對應的物質。成功找出後將該氣味物質卡置於版圖上，若失敗則丟棄該卡牌，並從氣味物質卡牌庫中重新抽出一張。而後逆時針輪流換下一位玩家給予提示。 (3) 每猜出兩張氣味物質卡，就有一位顧客來打擾。第一個回應咖啡問答卡的烘焙大師於咖啡問答卡(如圖四)的牌庫中抽出一張牌，並按照牌面文字所述以口語重述一次，其餘玩家負責回答，任一玩家答對即可繼續進行猜測氣味物質的遊戲，並將烘焙大師標記依逆時針移至下一位玩家。 (4) 當遊戲時間抵達一爆與二爆的烘焙時間時，所有玩家停止手邊行動，玩家輪流將氣體小球從排氣的入口吹送至出風口(如圖五)，代表排氣成功，繼續進行烘焙任務。若一爆失敗，則烘焙溫度升高，直接進入二爆，將氣體小球從入口再重吹一次，若再失敗，則烘焙焦黑，遊戲失敗。 圖四：三張咖啡問答卡 圖五：玩家輪流吹送氣體小球使之順利在排氣管紙條內移動 n  遊玩成果 《烘培咖啡》經不同年齡層，28位女性、31位男性，共59位玩家測試。玩家在設計者介紹遊戲規則後開始遊戲，設計者並不參與遊戲討論，只負責說明遊戲玩法與烘焙咖啡豆的過程。遊戲後玩家填寫心流體驗問卷(滿分5分)與學習測驗卷。 玩家遊玩時的心流體驗調查結果佳。問卷結果整體平均為4分，且無性別上的差異。結果顯示，玩家在遊玩過程能專心，並認為遊戲難易度適中；學習測驗卷的結果則顯示：60%以上的玩家，知道咖啡豆裡的物質會受熱分解而產生氣體，並對物質由元素排列組成的事實能有初步認識。測驗結果亦無性別上的差異。另外，從質性資料(如圖六)中也可窺見此桌遊能激發玩家的腦力與創意，在不知不覺中帶領玩家進入化學的世界。 圖六：玩家在遊戲互動過程中的部份對話 n  結論與建議 本教育桌遊具有遊玩與學習的功能，可單純作為遊戲使用，或是搭配課程內容作為教學活動的一部分。另外，有鑑於遊戲遊玩成果顯示心流體驗的結果與學習目標達成度無顯著相關，因此若要使用本桌遊作為與課綱有關的教學，作者建議教學者可搭配課程相對應的教材，以輔助學生能更深入、清楚有邏輯地進行學習。最後，遊戲版權屬設計者。若需使用遊戲進行教學，歡迎與本文作者聯繫。 n  參考文獻 […]