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大學入學考試與化學評量:清華盃化學競賽及其試題與大學指考題目之比較 / 洪嘉呈

Tuesday , 5, May 2015 Comments Off on 大學入學考試與化學評量:清華盃化學競賽及其試題與大學指考題目之比較 / 洪嘉呈

大學入學考試與化學評量: 清華盃化學競賽及其試題與大學指考題目之比較 洪嘉呈 國立清華大學化學系 jchorng@mx.nthu.edu.tw n   前言 目前國內有關高中化學科大型的考試和競賽,除了每年七月初的大學入學指定科目考試外,最受到高中老師和學生重視者,當屬每年十月於國立清華大學舉行的「清華盃全國高中化學科能力競賽」。根據筆者多年參與此項活動的經驗,藉由本文介紹清華盃化學競賽並分享個人的心得,另外也對大學指定科目考試(指考)化學考科與化學能力競賽,兩者題目的差異提出一些粗淺的看法,供讀者參考。 n  指考化學考科與清華盃化學能力競賽 一、指考化學考科 大學指考如同早年的大學聯考,目的在於評量學生對高中三年化學內容的學習成果,以作為大學入學的依據。因此,從每年的考題可以看出,其試題的嚴謹程度是相當高的;每一個題目都必須符合課綱,且要考慮題目的難易度和鑑別度。試題在成為正式測驗的考題或收錄到題庫之前,都必須經過大考中心所聘請的教授群充分討論和修改,並經由入闈人員進行最後的審視,期望藉由多層把關以求得考題的盡善盡美,並達到評量的目的。由於大學指考關係到考生能否進入理想中大學的權益,其影響之大不可言喻,因此受聘出題的大學教授們無不絞盡腦汁來出題目,並儘量結合生活與時事來增加考題的活潑性。此外,從近年來的指考題目也可發現,實驗相關的問題也愈來愈普遍,這類題型的目的當然是希望高中化學教學能正常化,畢竟化學是一門實驗的科學,而且與我們的生活緊密結合。 二、清華盃高中化學能力競賽 有別於大學入學考試中心所負責的大學指考,清華盃高中化學能力競賽乃是由清華大學化學系和水木化學文教基金會(清華大學化學系系友會)所主辦,其目的並非作為大學取才的依據,而是提供讓全國高中生互相切磋化學的學習成果平台,並提升高中生對化學的興趣與推廣化學教育。此外,這項活動經費的主要來源是向國內化學相關企業募款而來,藉由這些企業的贊助,也讓參加的學子們能夠認識國內的化學產業。清華盃化學競賽自2004年舉辦第一屆以來,目前已經辦了十一屆了,參加的人數大致上逐年增加,如表一的統計顯示,過去三年每年都有超過3500人和120個以上的高中(職)學校參加,顯然此活動已成為高中生年度一大盛事。 表一:2012至2014年清華盃化學競賽參加校數和人數統計 年度 校數 人數 2012 128 3716 2013 144 3516 2014 124 3616 清華盃化學競賽分為兩階段—筆試和實作,而且以四人一組的方式報名,必須整組筆試的成績表現優異,才能進入第二階段的實作。主辦單位因受限於實驗場地和設備,每年能進入第二階段的人數不超過50人(12組),因此絕大部分的參加者都只會參加筆試。以下筆者就其試題的命題方向和內容等做一說明,並與大學指考的試題做一比較。從過去所舉辦過的11屆清華盃中,可以發現筆試的時間、考題方式和考題數目是不斷地做調整,唯一不變的是均以選擇題的方式來進行。考試時間只有第一屆是80分鐘,之後就都是100分鐘,開始的兩屆之總分為100分,之後就都改為120分;計分方式則是到了2010年開始不倒扣,2011年之前題數都是維持在80題以上,且都是單選題,自從2012年後,總題數減為70題,但其中有20題的多選題,這大概是目前為止最大的改變。這些調整主要是來自於一些曾帶隊參加的高中老師之建議,並希望能夠提高鑑別度與增加題目的多樣性。圖一為清華盃化學競賽的筆試和實作地點,圖二為清華盃化學競賽的實作競賽情況。 圖一:清華盃化學競賽的筆試和實作地點(左)、筆試前考生們在緊鄰化學館的草皮上休息(右) 圖二:清華盃化學競賽的實作競賽情況 n  比較清華盃化學試題與指考化學試題 既然名為化學競賽,其命題的內容就比較廣泛,大致上符合高中化學的教材內容,但總會有不少題目略超過高中課本的範圍,此一命題的方向和考量與大學指考可說不同。化學競賽的考試時間100分鐘,比指考的80分鐘長,但是題數是指考的兩倍以上。不僅個別的題目較難,其整體的筆試難度是高於指考。雖然如此,但提升高中生對化學的興趣仍是此競賽最主要的目的;有鑑於此,主辦單位考量到一般程度的學生,並為了鼓勵學生們學習化學,單選題一直是維持四選一的方式,與指考的五選一有所不同。此外,化學競賽的題目中一定會加入基本觀念題,讓考生對自己的化學學習保有成就感。 雖然清華盃化學競賽並非官方所舉辦,但是其命題的嚴謹度並不亞於指考的試題,競賽的筆試命題由主辦單位邀請的教授群個別出題後,必須經過密集的開會討論修改後才定案,此份試題是命題教授們,花了整個暑假的心血所換來的成果。至於試題的內容,與指考命題方向相近,儘量避免使用考古題,並加入較多實驗相關的試題,以強調化學實驗的重要性。此外,近年的考題中也漸漸加入了一些計算題目,目的在於除了要測試高中生的化學觀念外,也要挑戰學生的計算能力;根據統計與分析發現,相對於觀念題,計算題的答對率偏低,說明了高中生對化學相關的計算有很大進步的空間,這或許是值得高中老師與同學留意的地方。 有別於筆試試題,在清華盃實作實驗部分,基本上會有2到3個題目,而且必須在七小時內完成,題目的內容有別於高中的實驗,是包括了合成、鑑定及分析的綜合性實驗。以第十一屆的題目為例,有兩個題目:(一)螢光分子的合成與未知金屬離子的鑑定,(二)草酸鈷錯合物的合成與水合數的定量分析,在短時間內要完成多項實驗是必須要好好分配時間和規劃實驗流程的;此一部分主要是強調團隊合作,而且必須遵守實驗安全規定並進行正確的實驗操作,目的在於培養參賽者正確的化學實驗觀念和良好的實驗技巧,這與指考化學科的實驗筆試試題是完全不同的。 n  結語 綜觀指考化學考科與清華盃筆試題目,兩者都是根據高中三年所學的化學教材為基礎來命題。兩者不同的是難易度,因為兩者的目的不同,指考關係到大學入學,故命題自由度稍低,而清華盃類似化學能力的挑戰,故命題的彈性就比較大,其題目的變化也比較多,遇到超出範圍的問題時,考生必須要在短時間內根據所學內容去推理和聯想。其實,加入一些超出範圍的題目是有其教育的目的,讓來參加的考生不僅測試自己的化學實力,也能學到以往不知的化學,主辦單位期望這樣的競賽活動,能讓高中生汲取更多的化學知識。 此外,清華盃化學競試活動不僅只有考試,還有筆試後參觀清華大學化學館內實驗室和儀器設備的活動,如圖三所示。透過參觀活動的安排,讓考生能在緊張的筆試之後,放鬆心情來了解一些化學相關的儀器,使參加的學子們有額外的收穫,提升大家對化學的熱情。期望本篇文章除了幫助讀者了解清華盃化學試題與指考化學試題的差異,也能讓讀者對清華盃化學競賽活動有更深一層的認識。 圖三:筆試後參觀化學儀器設備的活動

早期的原子量制定 / 林煥祥、洪振方

Monday , 4, May 2015 Comments Off on 早期的原子量制定 / 林煥祥、洪振方

早期的原子量制定 林煥祥1、洪振方2, * 1國立中山大學通識教育中心 2國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所 *t1873@nknucc.nknu.edu.tw 很久以前,人類對自然界的一些現象,就充滿著好奇與疑惑。例如:為什麼我們可以聞到花的香味?這些香味是如何傳到我們的鼻子?因此有人就開始猜想這些香氣是由非常微小,小的看不見的粒子在傳達。直到十九世紀初期,化學家們由化學反應所得到的氣體中發現,同樣體積的氫氣及氧氣外表都是無色無味,質量卻不一樣。這個結果讓化學家們更進一步認為,任何物質內,不但有粒子(particles)的存在,而且每種物質之粒子其形狀大小也可能不同。否則同樣是看不見模不著的氫氣及氧氣,外表一樣,為什麼重量會不一樣呢?因此道耳吞(John Dalton, 1766-1844)(見圖1)乃正式提出了他的原子假說。其中比較重要的結論包括: 一、一切物質都是由稱為原子的微小粒子所組成。 二、原子是物質組成的最小單位,無法再行分割。 三、相同元素的原子,其質量與大小都相同。不同元素的原子,其質量與大小都不同。 在以上的結論中,第一與第三點至今仍然適用。但是第二點中所言,原子無法再行分割就不太適用了。因為經由實驗證明,原子的構造尚包括電子、質子、及中子等更小的粒子。這些粒子雖然看不見,我們可以由實驗結果證明它們的存在。不過道耳吞的原子假說在他那時候的科學界而言,貢獻的確不小。 圖1:道耳吞 (圖片來源:http://en.wikipedia.org/wiki/John_Dalton) n  道耳吞制定的原子量表 道耳吞在發展原子理論的同時,也公布了他制定的原子量表。他以最輕的元素氫為基準,把氫的原子量訂為1,接著再分析各種物質中,每一元素所占的百分比,由此百分比即可求出其他元素的原子量。例如,他由實驗結果證實1 g的氫與7 g的氧完全反應而生成水(當時他用HO表示水的化學式)。因此O的百分比/H的百分比 = 7 g/1 g = 7,他就把氧的原子量訂為7。另外在計算C的原子量時,他由碳 + 氧 → 一氧化碳的反應式中,得知1 g的碳可與0.71 g的氧反應生成一氧化碳,因此碳的原子量就被訂為7 × 0.71 / 1 = 5。我們現在知道這些原子量的數值與現在的原子量表出入很大,最主要的原因,當然是他當時仍然沒有分子的概念,所以錯將水的分子式寫成HO。而且所取的樣品不純,加上實驗設計粗糙,所以所得數據不夠精確(正確的結果應該是,1 g的氫可以和8 g的氧完全反應,而且氫原子與氧原子之質量比應該是1:16)。另外,我們依據當年道耳吞制定原子量的法則來計算氮的原子量,也會發現矛盾的地方。例如:氨及一氧化氮的化學式,依道耳吞的最簡單原則分別是NH及NO。依據實驗結果NH中,H占17.6%,N占82.4%;NO之中,N占63.7%,O占36.4%。若由上列結果去計算N的原子量,則會得到兩種不同的原子量值。現在說明如下:首先,若由NH求之,因為H = 1,則N的原子量 = 1(氫的原子量) × 82.4% / 17.6% = 4.68;而由NO求之,則N的原子量 = 7(氧的原子量) × 63.7% / […]

淡江大學鍾靈化學創意競賽十年紀盛 / 王文竹

Sunday , 3, May 2015 Comments Off on 淡江大學鍾靈化學創意競賽十年紀盛 / 王文竹

淡江大學鍾靈化學創意競賽十年紀盛 王文竹 淡江大學化學系 wjw@mail.tku.edu.tw n  緣由 話說1993年中,本人接任系的行政職務,有機會在淡江大學創辦人張建邦博士到化學系訪視時,當面向他說明興建新化學館的需求,獲指示可以由化學系教師主導開始規畫新館。經過多年,提出新館的詳細需求書,獲校方和張創辦人的核定,歷經遷徙、督建,淡江大學化學系的獨立系館—鍾靈化學館於1999年落成啟用[1]新化學館,不但符合公安、工安、衛生、環保需求,有舒適優良的教學與實驗功能,更具有獨特的視覺空間規畫。淡江同仁在此享受教學研究之餘,想到這個好環境也可以為社會提供化學教育之用,就為鄰近的國中、高中辦一些實驗活動和科學營。後來王伯昌主任(現為院長)與我談起辦理高中化學競賽的構想,我認為本系不論軟體和硬體均屬上選,是國內極少數有能力勝任者。定名稱為「鍾靈化學創意競賽」,經過了一年籌備,在2006年2月25日,於淡江大學淡水校園鍾靈化學館舉行第一屆競賽。 n  命名 「鍾靈化學創意競賽[1]」名稱的由來,是因淡江大學化學系館之名。化學系舊館興建於1959年,由于右任命名為「鍾靈化學館」,以紀念創辦淡江英專的張鳴先生(1905-1951)。張鳴先生字驚聲,稚年學名鍾鈴,於是于右任取其諧音命名為「鍾靈」,且寓本校龍盤於淡水河,虎踞於大屯山,鍾靈毓秀人傑地靈之意。 1959年以後,鍾靈化學館雖經多次擴建,仍有空間不足之感,更因設備老舊,早己不符合安全、衛生、環保的標準,亟需改建。1993年本人接任系的行政職務,開學不久,淡江大學創辦人張建邦博士到化學系視察,在陪同訪視時,當面向他說明興建新館的迫切需求,及願意負起規畫的責任。獲指示規畫新館,提出新館的詳細需求書,己是1995年了。淡江大學化學系功能齊全的獨立系館「鍾靈化學館」,終於在1999年落成。 n  鍾靈化學創意競賽 一、宗旨與參加對象 鍾靈化學創意競賽從2006年開始,至今已有十年。這項競賽的主要宗旨是吸引高中學生對化學的興趣,認識化學對人類生活的影響,增進化學基本知識、概念及實驗技能,促進高中學生的推理思考能力及應用化學之識的能力。參加對象是全國高中、高職在校學生,不限年級、亦可跨校,由學生自組三人一組,並自選一位現職高中教師為指導老師,一位老師可指導多組學生。這十屆以來,參與的報名組數與參賽學校數如表一所示。 表一:第一屆~第十屆鍾靈化學競賽參賽情況 年 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 報名組數 82 171 220 200 189 231 222 265 211 179 參賽學校數 36 43 53 45 43 45 45 52 56 49 由表一可知,每年大約有50所左右的高中有學生參與競賽。此項競賽舉行的時間是每年3月初,而學測成績通常是2月底左右公布,參加此競賽之成果,亦能及時提供作為個人申請校系資料審查之用。雖然同學忙於學測,加以春節及寒假的間隔,可能會影響學生參與的意願。但是比賽的成績對學生升學仍具有正面的助益,希望對化學具高度學習興趣者參與外,亦鼓勵學生多做嘗試,亦極可能有利於升學。 二、競賽方式 命題和評審均由多人組成之委員會執行,委員是由主辦單位聘請專家學者,組成命題及評審委員會,分別負責命題和評定成績。 競賽評分方式分為兩類:第一類為筆試,試卷為50題單選題,不倒扣分數,筆試屬於初賽,每組3名學生筆試成績加總後排序,總和最高的前28組同學為入選,得以參加實作決賽。另由主辦單位自離島及偏遠山區學校中邀請至多2組,逕行進入實驗決賽。第二類為實作決賽:參賽者為前述之30組同學,進行3小時的實作,由評審委員觀察學生實作情形,並根據實驗結果及書面報告評分。 三、競賽特色 鍾靈化學創意競賽的宗旨是吸引高中學生對化學的興趣,因此有數項特色,包括有外卡制度、費用補助、化學實驗體驗、科普演講、筆試、以及創意實作等項。 […]

改良式天氣瓶 許良榮 國立台中教育大學科學教育與應用學系 stevehsu@ms3.ntcu.edu.tw n  影片觀賞 本文介紹號稱可以預測氣候的「天氣瓶」的發展歷史、製作方法、實驗結果以及原理,本文也描述作者的「改良式天氣瓶」。 影片網址:「科學遊戲實驗室」天氣瓶,http://www.ntcu.edu.tw/scigame/weather glass.wmv。 (此影片需要先下載而後開啟。) n  簡介 最近在網路廣為流傳一種可以預測氣候的「天氣瓶(storm glass或weather glass)」,由瓶子中的結晶型態以及狀態,來預測天氣的陰晴冷熱。網路上也有販售天氣瓶的成品以及實驗DIY配料包(例如參考資料1~3)。 天氣瓶的歷史已有二百多年(參考資料4),十九世紀中葉,英國舊倫敦橋就有販售類似天氣瓶的「晴雨計(barometer)」。在發展過程中,天氣瓶曾被稱為storm glass(風暴瓶)、weather glasses(天氣瓶)、wind glasses(颳風瓶)……等等。根據McConnell(2006)的考證,天氣瓶的創始者是一位法國的國會律師Pierre Legaux(1748–1827)。在1779年時Legaux開始觀察天氣瓶,製作了「預報瓶(pronostic;法文)」觀察氣象,並預報了天氣好壞、下雪、颳大風、起霧等氣候。這些觀察結論發表於1780年4月。Legaux並沒有明確描述Pronostic的內容物,但是包含了揮發性液體以及被溶解的固體。有趣的是1780年4月29日的大風暴在二天前就被預測了! 後來Legaux將預報瓶的配方告知並送一支給法國著名的氣象學家Louis Cotte,結果Cotte觀察了一年,在1788年指出結果並沒有看到Legaux所說的預報效果,只觀察到瓶內的結晶會隨著溫度增加與減少。1865年法國氣象學會副會長Eugène Grellois(1811–77)則認為要製造天氣預測瓶根本就是浪費時間。 英國氣象學家Robert Fitzroy(1805–65),在一些有名的航行(例如生物學家達爾文的小獵犬號)觀察與紀錄氣象變化,於1861年描述了如何用天氣瓶來預測天氣,因而常被誤認為是天氣瓶的創始者。Fitzroy的描述如下: 1.        如果天氣瓶中的液體澄清,是晴朗的好天氣。 2.        如果液體為雲狀(cloudy),那麼天氣多雲並可能降雨。 3.        如果液體中有點狀的固體,則天氣可能會潮濕或多霧。 4.        液體為雲狀並有星狀小結晶,表示會有雷雨。 5.        在冬天有陽光的時候,如果液體中有小星狀結晶,那麼表示將要下雪。 6.        如果有大片的結晶分佈,那麼可能為陰霾天氣(下雨或下雪)。 7.        瓶子底部有結晶,為低溫寒冷的天氣。 8.        瓶子頂部有絲狀結晶,將是颳風的天氣。 Fitzroy以上的描述,並未獲得明確的驗證,由相關資料顯示(參考資料5~7),天氣瓶並不具有預測天氣的能力。另一方面,目前天氣瓶的配方與McConnell(2006)提及的早期配方並不相同,但是都包含溶解樟腦的酒精溶液以及溶解鹽類的水溶液。作者沒有搜尋到本實驗配方的來源,由發表的論文作者以及配方的比例(例如參考資料8~10),猜測可能是來自於日本學者的研究。 n  藥品與器材 硝酸鉀、氯化銨、蒸餾水、樟腦(Camphor)、乙醇(酒精)、錐形瓶、橡皮塞、溫度計 n  實驗步驟 依據參考資料11、12的配方,天氣瓶的製作過程與現象如下: 1.        分別秤取2.5 g硝酸鉀(KNO3)以及2.5 g氯化銨(NH4Cl),加入33 mL蒸餾水中。 2.        秤取10 […]

淌血的心—硫氰化鉀與鐵離子的反應 王瓊蘭 新北市立新店高級中學 教育部高中化學學科中心 wang7581@ms22.hinet.net n  影片觀賞 本實驗影片由教育部化學學科中心提供。 影片網址:淌血的心,http://youtu.be/C6zzwaetPU4,YouTube。 n  簡介 老舊的住宅常會有些漏水的問題發生,原因是白鐵製的水管,埋藏在牆壁及地板裏,經年累月難免鏽蝕,同時會釋出鐵離子污染水質,使得水的口感變差。到底該如何取樣,才能檢測出,是哪些管線的水管,可能已經生鏽了。 當鐵管內部產生一些微小的腐蝕生鏽,所釋放出的鐵離子,含量應是非常稀少;再加上使用水時,會流放出大量的自來水,稀釋掉鐵離子,因此使得肉眼無法觀察出,水中鐵離子所呈現的黃褐色。若是能將水管中的水,滯留一個晚上,於一大清早打開水龍頭時,先盛取一杯水,添加微量的硫氰化鉀與鐵離子反應,再用光電比色計[1]或許可把產物血紅色的硫氰化鐵離子檢測出來。上述反應的原理是鐵離子(Fe3+(aq),黃褐色),與硫氰根離子(SCN–(aq),無色)反應,會生成硫氰化鐵離子([Fe(SCN)]2+(aq),血紅色)。然而,檢測自來水中的鐵鏽含量,必須使用精密的儀器,採用嚴謹的化學分析方法[2],方能得到可以信賴的數據。 為了簡單的看出鐵生鏽的現象,不妨依據以下的步驟,作一個誇大而有趣的實驗;讓肉眼能即刻捕捉到白鐵生鏽,並滲出鮮血的模樣。 n  器材與藥品 l  迴紋針 5個 l  塑膠點滴瓶(20 mL) 3個 l  3 M硫氰化鉀(Potassium thiocyanate,KSCN) 15 mL/1瓶 l  3 M鹽酸(Hydrochloric acid,HCl(aq)) 15 mL/1瓶 l  35%雙氧水(Hydrogen peroxide,H2O2) 15 mL/1瓶 l  透明杯(50 mL) 5個 l  蒸餾水(600 mL) 1瓶 n  實驗步驟 1.      拿一根迴紋針,雙手抓住最長的一邊,並將兩個大拇指,指甲碰指甲的併攏;再用指甲的尖端,押住中點,然後用力一掐,向下按壓、抝折後,順勢將兩邊往上拉,彎扯成一個心形©。而後將較長的一頭,拉開弄直,並向上凹折;完成後,置於一旁,待用。 2.    在一個約50 mL的透明杯中,加入7分滿的蒸餾水,與約1 […]

創意微型實驗—可自動歸零的微型滴定裝置 / 方金祥、黃琴扉

Thursday , 30, April 2015 Comments Off on 創意微型實驗—可自動歸零的微型滴定裝置 / 方金祥、黃琴扉

創意微型實驗—可自動歸零的微型滴定裝置 方金祥1, *、黃琴扉2 1創意微型科學工作室 2 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所 *chfang1273@yahoo.com.tw 傳統式之酸鹼滴定裝置中所使用之滴定管皆是以玻璃材質製成的,在操作時一不小心很可能會被弄斷或弄破。一般滴定管可分為透明滴定管與棕色滴定管,前者適用於一般酸鹼滴定,而後者則適用於滴定劑見光易被分解者如過錳酸鉀之氧化還原滴定。滴定管之容積有50 mL,25 mL,10 mL等規格,其價格較為昂貴。為了克服傳統式之酸鹼滴定裝置在進行酸鹼滴定時添加滴定劑時不易歸零及滴定管易破之缺點,在本文中將以更安全更經濟的丟棄式塑膠移液管(每支價格約為10元左右)設計成「改良型塑膠滴定管」,以代替傳統式的玻璃製滴定管,並配合儲存或承接滴定劑的容器設計成兩套耗用藥品更少,手完全不會碰到任何一滴滴定劑(如鹽酸或氫氧化鈉),而且滴定劑之量取也可任意設定後自動定其量(自動歸零),而在滴定後剩餘在滴定管中之滴定劑(鹽酸或氫氧化鈉)又可自動使其回收再多次使用,此一「可自動歸零的微型滴定裝置」每套成本約為五十元至一百元左右。 用來盛裝滴定劑容器之材質分為軟式(可擠壓)及硬式(不可擠壓)而設計成兩套可自動歸零的微型滴定裝置,其詳細製作過程如微型滴定裝置(一)及(二)所述。 n  可自動歸零的微型滴定裝置(一)之設計與製作 (一) 材料與藥品 丟棄式塑膠移液管(Disposable transfer pipette, 10 mL) 1支、塑膠三通活栓(Top 3-way stopcock) 1個、單孔小塑膠塞 1粒、透明塑膠軟管(內徑2 mm、長60 cm) 1條、稀鹽酸(1 M) 600 mL、熱熔膠(槍) 1組、血壓球 1個、小型電動打氣機 1組、塑膠滴管(3 mL) 1支、透明塑膠軟管(內徑3mm,長20cm) 1條 (二) 設計與製作過程 1.        改良型微型滴定管之設計與製作 為了克服傳統式之酸鹼滴定裝置在進行酸鹼滴定時之缺點,因此本文中兩套微型滴定裝置中之滴定管將以比較安全的10 mL塑膠材質之吸量管設計成改良型微型滴定管,其設計與製作方法如下: (1)     將一支10 mL丟棄式塑膠移液管之上面切掉3 cm,如相片一所示。 相片一:將丟棄式塑膠移液管之上面切掉3 cm (2)     用熱熔膠將一粒塑膠三通活栓固定在塑膠移液管之下端,如相片二所示。   相片二:塑膠移液管下端接上塑膠三通活栓 (3)     […]

情境理論應用在物質變化的學習單元之研究 —以iPad App工具為例 / 翁榮源、廖子瑩

Wednesday , 29, April 2015 Comments Off on 情境理論應用在物質變化的學習單元之研究 —以iPad App工具為例 / 翁榮源、廖子瑩

情境理論應用在物質變化的學習單元之研究 —以iPad App工具為例 翁榮源*、廖子瑩 靜宜大學應用化學系 *zyown@pu.edu.tw 目前Apple iPad平板電腦已經逐步的引發年輕學子的瘋狂迷戀風潮,台灣的大學校園也不例外的成為一般大學生生活中非有不可的重要社交工具,每個同學拿著iPad上課變成時尚潮流,當然也成為平時上網以及App學習的重要工具。我們研究室一直著力於化學教育的App開發,這次要介紹的是基礎化學中物質變化單元App,其中所應用的學習理論是情境理論,iPad工具最重要的是它的UI介面非常完整,影片播放以及觸控功能流暢,比起其他的Android平板要好很多,因此我們一開始的選擇就是它—iPad(Apple iOs系統)。採用的設計軟體工具為香港智恆軟體公司代理的Smart Apps Creator 2,因為SAC 2軟體製作App時,不必透過程式寫作,只要用拖拉的方式即可完成應用App,我們可以把更多的心力放在教學內容的設計上。 n  簡介 情境理論在科學學習上一直是非常有用的應用範例,滿街的美語補習班都在強調美籍教師以及美語生活實境的學習模式,在化學教育領域中我們所習以為常的普通化學實驗&有機化學實驗,也都是強調做中學和學中做的情境學習環境會更適合科學學習。由於iPad App在影片播放的控制以及介面使用上非常流暢,我們在YouTube上也找到了許多相關的化學教育影片,因此我們特別設計了許多影片學習的「物質變化App」軟體,提供學習者免費下載,學習者觀賞一般日常生活的化學常識影片後,隨即提供其相關的化學知識內容,最重要的就是解釋其中的為什麼原理。學習者利用平常課餘時間在家行動學習,不管使用多少次,學習多久,只要自認為學習好了,就可以上網進行當週之測驗考試取得平時分數。 n  情境學習理論 情境學習的理念乃是將學習置於真實或模擬情境之中,透過學習者與情境間的互動,使學生更有效率地能將習得的知識應用在實際生活中。活動的目的與其間所蘊含的社會文化環境,當學習發生於有意義的情境時便會產生有效的學習。而知識是蘊含於情境當中的,情境並沒有客觀的知識存在,必須透過個體在情境中,以其原有的認知架構主動地建構知識;每個人的認知結構不同,建構的知識也就不同,透過學習時接觸到的社會情境,個體更能建構有意義的知識,對於知識的擴充、調整或重建有相當正面的影響。 情境學習學者研究人類學習行為時,多自學習者與學習情境互動的角度,來觀察分析學習行為的內容與意義。因此,情境學習理論的基本觀點主要強調「學習」本身是透過社會活動來達成,而知識意義的形成是決定在整個學習活動本身,並不是單純只以個別認知的角度來解釋學習行為的發生。情境論者強調學習的環境要複雜化與社會化,讓學習者獲得被社會認同的條件。認知論者認為只要工作的結構與構成部分相似,不同領域的知識技能學習可以有某種程度的遷移。只要將學習的環境與實驗模擬的環境安排成類似的設定,則遷移結果就可以輕易的達到。在學習情境方面,行為主義強調環境主要在於提供刺激,引發個體的反應,所以環境必須經過安排,盡可能增強個體的適當因應行為;建構主義與情境學習論者把環境是為學習發生場地,環境與學習彼此不可分離。 在學習內容方面,行為主義論者注重在終點行為的細部分析與排序,以及產生連續性刺激與反應的連結,使個體逐步邁向終點行為。學習與知識的吸收是無法脫離學習者自身所處的文化思維情境,學習活動意義的建立常附隨著周遭文化的學習。情境學習理論強調人類的知識是受到所處社會文化、情境、脈絡影響而建構的產物,知識是不能與社會情境脈絡鄉分割或抽離。知識是在於情境脈絡當中,唯有在真實的生活情境的活動中,使用所學的知識與技能,才能真正了解所學知識的意義與價值,也才能將之作為解決問題的工具。如果脫離情境脈絡,則所學得的知識僅是僵化知識,無法用來解決日常生活中的問題。藉由適當的學習環境安排與營造,讓學習者有機會學習活動中不斷的操作、探索、經驗,進而認識與體會其知識與技能,方能有效應用於實際問題解決情境上。 n  研究工具 本研究為了解學生應用「物質變化網路學習系統」與「物質變化iPad學習系統」的學生學習成效差異。有關本實驗的研究工具,詳述條列說明如下: ²  課程前測與後測 物質變化化學單元前測主要測驗內容的命題取材自美國「ACS Division of Chemical Education Examination」。其ACS測驗試題的信度係數為0.9(I.D. Eubanks, 1991)。線上測驗使用中文翻譯版本,並且於編製時經由四位化學教育專家共同檢驗,以求其效度。後測與前測題目相同,只是顯現方式與次序不同,以此了解學習者的先備知識,比較實驗組與控制組的學習差異,並與學後成就測驗比較,消除研究誤差。 ²  團體藏圖測驗 團體藏圖測驗(Group Embedded Figures Test, GEFT)是由Witkin、Oltman及Karpy在1971年提出,本研究採用吳裕益(1997)所修訂的測驗。此測驗適用在團體測驗中,適用對象為十歲以上的兒童與成人。團體藏圖測驗共有十八個複雜圖形及八個簡單圖形,受試者必須依照說明在指定時間內將嵌在複雜圖形內的簡單圖形描繪出來。測驗有三個部分,第一部分有七個簡單的題目,此部分僅提供練習,不列入計分時間,限制為兩分鐘;第二及第三部分各含有九個較難題目,屬於正式測驗,時間限制各五分鐘。團體藏圖測驗的信度係數為0.82(劉美慧,1992)。 ²  控制組與實驗組學習模組設計 研究對象為靜宜大學通識教育『生活化學』課程學生,研究內容主要採用課程第13週之「物質變化單元」,因為物質變化知識內容需要許多實際生活影片幫助了解,最適合情境理論之植入。所有選修課程同學210人,先經電腦亂數分成兩組,其中控制組為「物質變化網路學習模組」—在105位同學中電腦亂數選取30名學生後,這些學生登入後立即進入一般E-Learning學習模組學習,學習完畢後透過線上測驗蒐集其學習成績。網路學習網頁主要內容以大學普通化學教材課本中有關物質變化單元為主。在網頁設計方面,盡量以大量的圖片、文字說明方式呈現。網頁內容部分如圖1所示:    圖1:物質變化網路學習模組 實驗組為「物質變化iPad情境學習模組」—學習對象也是靜宜大學通識教育『生活化學』課程學生,同樣亂數選取30名學生後,確定所有學生都擁有iPad工具後(沒有iPad學習工具學生,則由研究室提供其借用一週後歸還),蒐集其學習記錄以及學習成績進行後續分析。學習內容與一般網路學習系統學習相同,只是設計重點與操作工具模式不同,設計軟體主要為Smart Apps Creator 2.0軟體,做成App後提供於Apple App Store,讓學習者依據時間與空間許可,自主性下載學習。App學習內容部分如圖2所示:  圖2:物質變化iPad情境學習模組 n  […]

POE教學策略融入科學營隊活動對高中生 奈米概念學習之影響(上) 丁信中1, *、陳東煌2 1嘉南藥理大學兒童產業服務學位學程 2國立成功大學化學工程學系 *thc@mail.cnu.edu.tw n  前言 科學探究活動通常是問題解決活動,需要學習者本身的知識整合,包含:連結、區辨、組織及建構科學現象模式的動態過程,有效的教學應該培養學生擴展、修正、再構、再連結及再排序他們的認知模式(Linn, 2000;Clark & Linn, 2003)。良好的科學探究有助於學生知識的整合,然而Linn和His(2000)指出學生鮮少進行知識的整合,原因是課堂的科學知識無法與他們所知道的事物相連結,Linn與His建議透過科學活動的鷹架將可以使學生參與在科學探究的過程中,進一步理解科學知識。 在升學導向的課程進度壓力之下,學校的制式科學教材往往無法反映今日科學進步及科技生活化的速度。為了提升學生對於真實科學的認識與興趣,科學教育推廣活動的假日實施與辦理就顯得非常重要;若是能應用已成熟的科學教育理論融入推廣活動,將使得科教活動的實施有更具體的成效。本研究的目的即在於探討POE (prediction-observation-explanation) 教學策略融入奈米科技教育推廣活動的實施成效與可行性。 本研究與成功大學微奈米科技研究中心合作規劃各項科學實驗模組,期望藉由生活化學實驗活動模組的實施,引導高中生對奈米科技能有親身經歷的探索與了解。透過動手操作的科學實驗活動讓學員親自體驗真實科學,應該有助於提升他們的科學學習興趣,以及對真實科學的正面認識。本研究開發的科學實驗活動模組,將提供成功大學微奈米科技研究中心作為高中生參觀時的課程活動資源。 n  科學探究 科學探究(Scientific inquiry)活動接近真實的科學研究,亦是學生發展知識和理解科學想法的問題解決活動(NRC, 2000)。Trowbridge和Wbyee(1986)指出科學探究是確定研究問題、描述假說、設計實驗方法、收集數據與結論等過程。在科學探究活動中,學生可以經歷的科學技能包括:構思問題、形成假設、設計並執行實驗、用公式表示及修訂解釋、溝通並為主張作辯護(Krajcik et al., 1998)。 本研究以奈米科技研究的成果推廣為主軸,規劃出生活化學系列科學實驗活動模組,希望能讓中學生了解微奈米知識與國內奈米科技的研究成果,因此相關活動的舉辦時間為週末假日或寒暑假,以梯次的方式舉辦。基於上述客觀條件的限制,考量科學探究活動的精神,將以POE教學策略融入模組活動辦理之。由NRC(1996)學生在完整探究活動所應完成的任務來看,雖然參與本計畫的學員無法在每梯次的活動中自行設計研究,但是透過POE教學策略的設計,學員們仍可以在POE的預測(prediction)階段—思索各項實驗的可能問題,藉由POE的觀察(observation)階段—收集示範實驗或是動手實驗的數據,最後於POE的解釋(explanation)階段—找出問題的答案,遇到預測與觀察之間的矛盾時,則進行討論並嘗試解決概念衝突。 n  POE概念教學策略 Gunstone和White(1981)所發展的POE模式,修改自Champagne等人在1980年發展出來的DOE(demonstrate-observe-explain)模式,兩者之間的差異是第一階段demonstrate與prediction的不同;Gunstone和White認為預測(prediction)對於學生先備知識的調查更為合適。White和Gunstone(1992)主張POE程序可以作為探究學生概念改變的模式,POE策略能有效地鼓勵學童應用自己原有的概念去進行推理及解釋,也較能探測出在真實情境中學童的認知結構和應用知識的能力。許多研究顯示,POE概念教學策略可以協助教師瞭解學生的先備知識與迷思概念(Palmer, 1995;Liew & Treagust, 1995;Kearney, Treagust & Zadnik, 2001;王淑琴、郭重吉,1994;許良榮、蔣盈姿,2005)。簡言之,POE教學策略是讓學生用自我的感官與知覺去探究科學概念,讓他們有機會深入概念的想法,藉由預測與觀察所產生矛盾或是衝突的調整解釋,來促成學生的概念理解。學生在POE教學策略的各階段任務,如下說明: 1.        預測(Prediction):必須對某些現象做預測,並且說出他們預測的理由。 2.        觀察(Observation):必須觀察實驗的結果,具體的描述他們所觀察到的現象。 3.        解釋(Explanation):當觀察結果和預測不符時,必須解決預測與觀察之間的衝突。 近二十年來,國內外已有許多關於POE教學策略的相關科學教育研究成果,POE教學策略是一個成熟度高且為科學教育領域所熟知的理論,適合做為此次科學教育推廣活動規劃的基礎理論。 在科學探究模組的活動規劃方面,參考White與Gunston(1992)實施POE策略之事例選擇原則的建議包含: 1.        配合學員的認知程度提供可預測的情境或實驗,避免無意義的猜測。 2.        提供真實的實驗情境與相關問題給學童,以及相關支援的線索或是解說。 3.        讓學員有機會進行直接的/可行的觀察。 4.        配合實驗情境提供學員適合的預測方式,例如:勾選、開放式問答等,讓學員能夠表達出自己的想法。 n  […]

POE教學策略融入科學營隊活動對高中生奈米概念學習之影響(下)/ 丁信中、陳東煌

Monday , 27, April 2015 Comments Off on POE教學策略融入科學營隊活動對高中生奈米概念學習之影響(下)/ 丁信中、陳東煌

POE教學策略融入科學營隊活動對高中生 奈米概念學習之影響(下) 丁信中1, *、陳東煌2 1嘉南藥理大學兒童產業服務學位學程 2國立成功大學化學工程學系 *thc@mail.cnu.edu.tw 【承〈POE教學策略融入科學營隊活動對高中生奈米概念學習之影響(上)〉】 n  研究結果 一、   奈米科學營隊活動辦理 生活化學系列科學實驗活動模組的辦理包含:面板下的秘密:透明導電玻璃、染料敏化太陽能電池、磁性奈米吸附劑:從水質淨化到生物醫學應用、環境污染處理的小幫手:探索光觸媒的真面目等。考量實驗操作的安全性、儀器設備等限制,每梯次學員數上限為50名,採網路報名,學員實際報到率為九成。 各次課程的活動流程規劃為8:00開始,學員報到、前測時間、課程介紹、中場休息、實驗講解、實驗操作(示範)、午休、儀器介紹、實驗操作、後測時間、課程總結及問題與討論、16:00活動結束,頒發證書等,如表一所示。除了前後測問卷的施測,本研究也進行各梯次營隊活動的攝影與晤談,了解學員們對於當日活動的看法,適度微調當日的活動內容與流程,並提供日後科學營隊活動設計和辦理的參考。 表一:生活化學系列科學營隊活動之課程規劃 08:00~08:30 學員報到 08:30~09:30 課程介紹 09:30~09:50 中場休息 09:50~10:30 實驗講解 10:30~12:00 實驗操作 12:00~13:20 午餐及午休 13:20~14:10 參觀貴重儀器設備 14:10~14:30 中場休息 14:30~15:30 實驗操作 15:30~16:00 課程總結及問題與討論 16:00~16:10 頒發證書 POE前測在「課程介紹」的時段施測,POE後測在「實驗操作」的時段施測,成就測驗和學習感受則在「課程總結及問題與討論」的時段舉行。 1.          課程介紹:提供實驗操作所需的科學知識,課程內容包含透明導電膜簡介、透明導電膜實例、常用透明導電膜優缺點等。其活動如圖一至三所示。 圖一:講師講解當日課程內容 圖二:說明變色導電薄膜可有效阻擋太陽光 圖三:透明導電玻璃的導電功能測試,通電後可使燈泡發亮 2.          AZO溶凝膠的製備與動手實驗:講解透明導電膜之乾式製程與濕式製程方式,透明導電膜在觸控式面板、太陽能基板、及平面顯示器等熱門產業的應用情形。其活動如圖四至六所示。 圖四:說明AZO溶凝膠的製備方法與氫氣熱處理方式 圖五:說明滴管如何設定刻度及AZO溶凝膠的製備步驟 圖六:AZO溶凝膠溶液放入超音波震盪機器,使其溶液均勻,並讓學員實際操作 3.          透明導電玻璃的實作活動:分組學員在講師與助教的指導下,進行AZO溶凝膠的製作,透明導電玻璃的塗佈、煅燒、與氫氣熱處理等實驗操作,最後進行煅燒後玻璃片之導電性的測試。其活動如圖七至九所示。 圖七:讓學員進行實驗操作,塗佈AZO溶凝膠液於玻璃表面 圖八:塗佈後玻璃的高溫煅燒與煅燒後玻璃片進行氫氣熱處理 圖九:以三用電表測量煅燒後玻璃片之導電性,及四點式探針儀器的使用方法 4.          貴重儀器之介紹:說明X光繞射儀、掃描式電子顯微鏡、低解析度穿透式電子顯微鏡的使用方法與相關數據資料的分析。其活動如圖十至十二所示。 […]

跨學科科學課程設計— 「淡水河左岸」專題研究課程 / 鍾曉蘭

Sunday , 26, April 2015 Comments Off on 跨學科科學課程設計— 「淡水河左岸」專題研究課程 / 鍾曉蘭

跨學科科學課程設計— 「淡水河左岸」專題研究課程 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  前言 高中新課程99綱實施以後,越來越多的學校積極想要發展學校本位的課程,以突顯各校的特色,吸引更多的優秀學生進入學校。筆者結合學校所引以為傲的學校所在地-淡水河左岸(三重蘆洲交界地區、重陽橋附近,鄰近五股溼地),自然環境豐富而具多樣性生態,設計出以淡水河自然資源為主題的專題研究課程,統整跨學科(化學、地科、生物)所涵蓋與水資源與生態相關的概念、科學過程技能與活動,並考慮學生的特質,以學校每週二節的空白課程,以發現及探究式的教學方式,並部分融入多元智慧的教與學的觀點,帶領並鼓勵學生們以小組合作的學習方法去觀察、檢視、瞭解與分析環繞他們的自然環境,讓學生們應用已有的知識背景,進行一系列的試驗、探索和尋求問題解決的方法,期望提升學生對科學探索的興趣與科學技能,在小組互動學習中培養科學態度與正確的社會態度與價值觀,並進一步整合所學習到的科學概念與科學過程技能,規劃出解決當今社會環保議題中水污染的防治方法。 n  課程設計的理念 (一)   課程目標 根據需求評估後,訂定出四大課程目標,詳述如下: 1.        從活動中,瞭解學校附近的自然環境—淡水河左岸與五股溼地,培養學生愛護自然資源的觀念,並應用所學,設計出解決淡水河污染的可行方案。 2.        從探索活動中,引起學生學習科學的興趣,培養學生科學過程技能。 3.        培養學生批判性思考及解決問題等能力。 4.        藉著小組合作的學習模式,發展學生正確的社會態度與價值觀。 (二)   選擇教材 配合高一學生認知發展,選取下列相關教材及活動: 1.        自基礎化學選取與水資源相關的水的特性(如物性、化性),水溶液的性質以及水污染的種類與防治等科學概念。 2.        自基礎地科中選取水循環的相關概念,探討水循環的影響,藉以探討淡水河的自然資源的影響。 3.        自基礎生物中選取水圈的概念,探討淡水河左岸生態的改變 4.        自水污染防治法規中選取水污染種類與檢測方法,探討淡水河的污染情形。 5.        設計一系列參觀與實地的調查活動、探索式實驗,讓學生藉由「做中學」以及小組合作的互動中,獲得學習經驗,幫助學生瞭解淡水河左岸的變遷、生態變化及水污染對自然環境的影響,有助於發展學生的思考技巧、社會態度及提升學習興趣,亦有助於學生獲得資訊,將學習經驗應用於淡水河水污染的問題解決。 (三)   組織教材 以淡水河左岸的自然資源為主題,統整相關科學概念、科學過程技能、科學方法、科學現象等,以培養學生解決日常生活問題的能力、正確的科學態度與社會價值觀為訴求,課程架構如圖1所示。 圖1:課程架構 活動設計則納入多元智慧的教與學的觀點,以多元的方式設計並呈現教材與活動,如圖2所示。 圖2:將多元智慧觀點納入課程的活動設計 (四)    課程活動內容說明 第一週的二小時為預備週,說明本學期課程的主要活動內容,以及小組分組情形及任務分配,學習評量方式等事項。 1.        單元一:淡水河巡禮以四小時進行,認識淡水河左岸、探討淡水河左岸的變遷的活動各兩小時。 (1)     認識淡水河左岸:帶領同學乘坐遊船,從大稻程的小碼頭出發,從船上欣賞淡水河兩岸的風光,記錄並比較所觀察的兩岸自然景觀有何異同,進一步瞭解學校所在地-淡水河左岸自然環境與自然資源的特色。在行程中特別介紹學校附近的淡水河左岸原本是垃圾掩埋場,為學校帶來惡臭及河岸附近的髒亂。後來進行垃圾掩埋場搬遷後,近年來景觀變化非常大,空氣中的惡臭味與環境衛生、整潔及景觀問題改善不少。請同學思考並自省以下的問題:人們在河岸設置垃圾掩埋場帶給淡水河什麼影響?垃圾掩埋場搬遷後對自然環境真的沒有後續影響嗎? (2)     探討淡水河左岸的變遷:請同學們事先蒐集淡水河左岸的相關資料(可以遊船之旅實地拍攝的相片、個人的心情、想法、素描等;訪問親友對淡水河的回憶、老舊的淡水河相片、相關書籍及網站等資料),以簡報的方式來介紹淡水河左岸的歷史與自然環境的變遷,並配合相關淡水河的歌曲、風景畫、小故事等,比較與表現出淡水河左岸今昔的異同,並請同學思考並自省以下的問題:人們的活動帶給淡水河左岸什麼影響?學生在活動後,繳交一份報告,對上述所提出的問題,根據自己的觀察,蒐集的資料、同組的討論後,提出自我反思後的想法並附上活動中所蒐集的圖片、相片等。 2.        單元二:探究五股溼地,分為六個小活動,總計以十二小時進行。 (1)     風華再現—五股溼地簡介(2 hrs):利用五股溼樂園網站,http://share.tpc.edu.tw/wetland/。之”人文生態”內容進行五股濕地的人文、生態介紹(用PowerPoint介紹) […]