化學探究教學：融入綠色化學於化學探究課程設計（上） 周芳妃1, *、張永佶1、詹莉芬1、陳祖望1、繆慧娟2, *、林依萱1、王琳嘉1、林采緹1、鄭如芬1 1臺北市立第一女子高級中學2工業技術研究院綠能與環境研究所1, *fangfei7680@yahoo.com.tw、2, *cmiao@itri.org.tw 今年初受邀為《臺灣化學教育》的專題〈化學探究教學〉撰文，此時也正值北一女中化學科團隊受邀協助工業研究院辦理教育部專案計畫，籌備第二屆全國綠色化學教育種子教師培訓研習的工作，因此本文就一起引入本項研習工作的報導，也舉例說明本研習中的「綠色化學—探究與實作（I）、（II）」課程。 n  科學探究課程與綠色化學有何關係？ 很多人聽到「科學探究課程」這名詞，第一個想法往往是「帶學生做實驗」，其實探究課程的設計不是只有做實驗這件事，但是，科學探究課程的多元設計中，一定也要有「動手做實驗、動腦飆科學」的實驗課程，進行實驗課程又涉及到實驗資源與藥品管理的多層問題。如果缺乏謹慎設計的科學探究課程，以目前國內所有高中職學生人數的規模，課綱的設計要求全部週週進行動手做實驗的科學探究課程，後果可能又重新陷入學校物資過度浪費以及處理廢棄物之費錢費工、或是經費不足導致無法開課的我國科學教育的老問題。 在1992年里約熱內盧舉行的地球高峰會（Earth Summit）是聯合國重要會議之一，同年，聯合國設立永續發展委員會（The United Nations Conference on Environment and Development, CSD），自1992年起一直是每年舉辦的高級論壇，以落實里約高峰會議的後續行動。多年來，永續發展委員會的焦點主題包括能源永續發展、工業發展、空氣與大氣層污染以及氣候變遷等重要議題，都與化學產業發展息息相關。急速走入低碳社會與能源轉化及輸送的迫切研究議題，使全球的化學技術與化工產業整合發展出綠色化學（Green Chemistry）原則，許多國家都確立了環境保護、防止污染及資源再生的國策，發展採用最少資源和能源消耗，並產生最小污染排放的化學技術。我國的學術界與工業界很早就推動綠色化學議題與研究交流，經由國內多方力量的整合，教育部在民國104年也成立「綠色化學教育網」（見圖一），來協助國內高中職教育的實驗課程，並整合到我國107新課綱課程中的「探究與實作」課程與化學實驗課程中。 圖一：民國104年教育部成立綠色化學教育網（網址：http://chem.moe.edu.tw/green）。 n  如何謹慎設計科學探究課程？ 進行探究式教學中，學生必須有假設、預測、操作、提出問題、追尋答案…等經驗，以便建構新的知識。學生在分組進行活動或討論的過程，過程本身就是一種學習。如果教師希望著手設計科學探究課程時，課程主題可涵蓋多元方式，但是在教與學的歷程，教師扮演著引導與協助的角色，進行的課程內容是由學生主動學習，主動建構知識。 在高中的科學實驗課程中，實驗教學設計可簡分為數種層次，這些層次的實驗教學設計，在在都要考量人、事、地、物、時間與經費等因素，才能落實課程的執行（見圖二）。高中實驗課本所介紹的課程設計大都是按照步驟操作，並且希望可驗證課本知識的教學策略，此策略就類似「食譜式」教學。國內也有很少數的中學科學教師們會承擔了指導學生參加科展的任務，每年也只有很少數的學生有機會接受教師的專題研究個別指導，科展指導就是高中科學實驗課程中最高層次的教學策略了。回顧我國四十多年來的高中科學實驗教學設計，大多教師就以這兩種教學策略為主。 圖二：我國四十多年來的高中科學實驗教學設計，大多教師就以食譜式及科展指導的教學策略為主，在在都要考量人、事、地、物、時間與經費等因素，才能落實執行課程。 因應我國中小學科學教育中，採取探究式教學對於我國未來人才培育工作益發重要，科學教師想要落實探究與實作課程時，教師應因學生的個別差異來提供引導，建議採用下列的科學實驗課程的設計指標做為參考，可收事半功倍之效。依據實驗問題、步驟、答案的分項控制，控制「給予」或是「開放」，可將科學實驗課程的設計指標分為四層（見圖三），有文獻指出第壹層為結構式探究（structured inquiry），第貳層為引導式探究（guided inquiry），第參層是開放式探究（open inquiry）。探究式教學課程的入門設計可以從第壹層、第貳層開始，科展指導教學策略通常屬於第參層的教學策略。基於因材施教、有教無類的教育宗旨，教師進行實驗課程設計時，務必考量學生程度與教學時間，也可將實驗教學設計的四個層次加以活用，搭配到不同教學進度之中。 圖三：著手進行實驗課程的設計指標，務必考量學生程度與教學時間，也可將四個層次的實驗教學設計加以活用，搭配到不同教學進度之中。 n  科學探究課程設計有校外教學的範例嗎？ 科學探究是否一定要搭配實作課程？實作課程的設計是否一定就要在實驗室呢？在此介紹「北一女中鄰近的購物資源」的校外教學設計（見圖四A、B、C），簡單說明科學探究實作的課程設計富有很大的彈性。目前北一女中高一跨班選修的化學科選修課，一學期為單位，每週2小時課程，上、下學期共開了4個班級，學期課程名稱為「科學探究課程與創意關卡設計」， 其中校外教學的課程已經執行到第六年，目前在這門課中安排2次的校外教學課，套用實驗課程的設計指標如表一所示，表格中提及的科學創意關卡設計在此不詳細介紹，就欣賞一些活動照片（見圖五A、B）。 表一：套用實驗課程的校外教學課設計指標 課程設計指標 問題 步驟 答案 評量方式 第一次校外教學 [給予] 實驗室內的各式各樣的用品與化學試劑是多少價錢？ [給予] 提供教案與地圖，在六個路口範圍的18個商店裡，自由逛街。 [開放] 蒐集各式化學試劑、度量工具與各式瓶瓶罐罐價錢資料。 結束攝影活動的分組報告1分鐘。 下次上課播放，全班進行分享與交流。 第二次校外教學 [給予] 如果要進行自己的科學創意關卡設計，除了學校提供的各式回收物資之外，還需要找到什麼？ […]

化學探究教學：融入綠色化學於化學探究課程設計（下） 周芳妃1, *、張永佶1、詹莉芬1、陳祖望1、繆慧娟2, *、林依萱1、王琳嘉1、林采緹1、鄭如芬1 1臺北市立第一女子高級中學2工業技術研究院綠能與環境研究所1, *fangfei7680@yahoo.com.tw、2, *cmiao@itri.org.tw 〔承《化學探究教學：融入綠色化學於化學探究課程設計（上）》〕 n  科學探究課程設計如何落實綠色化學精神？ 在北一女中高一跨班選修的化學科「科學探究課程與創意關卡設計」課程中，都是儘量使用正課回收留餘的化學試劑。另外，北一女化學科從民國99年起，首創在每年的校慶活動中也辦理「化學宅急便嘉年華」，接待來賓操做實驗關卡與闖關活動（見圖六）。每年接待人數也是都達到千人規模，因此，善用回收資源與化學試劑，以及落實「低毒」、「物盡」、「防廢」…等的綠色化學的原則，也都是辦理化學宅急便活動要事先考量的注意事項。綠色化學的原則也強調「保安」與「思危」，因此在實驗相關的課程設計中使用到化學試劑時，也要引導學生操作使用「化學品全球調合制度」（簡稱GHS）網頁，閱讀GHS網頁資料中的「危害物質危害數據資料」（見圖七）。     圖六：北一女中「化學宅急便」嘉年華的【綠色化學與永續能源】闖關活動。落實多項綠色化學的原則：防廢、物盡、低毒、保安、降輔、節能、再生、簡潔、催化、可解、監測、思危。（詳見《臺灣化學教育》之報導，https://chemed.chemistry.org.tw/?p=5138）   圖七：使用「化學品全球調合制度」GHS網頁資料中的「危害物質危害數據資料」畫面（網站：http://ghs.osha.gov.tw/frontPage/index.html）。 經由國內多方力量的整合與推動國內的綠色化學教育，教育部也從民國104年起辦理「綠色化學教育種子教師培訓課程研習營」（見圖八），協助高中職的化工科與化學教師未來進行課程設計時，也能納入綠色化學的多項原則。研習活動成功引起國內教育界眾多迴響，再加上民國103年教育部首創的「綠色化學創意競賽」，教育部也就順勢設置了「綠色化學教育網」。 民國105年第二屆的綠色化學教育種子教師培訓課程研習營今年四月底時也圓滿落幕，研習課程中特別安排介紹了「綠色化學—探究與實作（I）、（II）」課程，也現場體驗一些探究與實作課程的進行方式。「綠色化學—探究與實作（I）、（II）」課程包含： 課程（I）：彩幻珠實驗，校內實務授課時數為6~8小時。 課程（II）：小綠綠晶體與藍印術，校內實務授課時數為6~8小時。 圖八：教育部自104年起，辦理「綠色化學教育種子教師培訓課程研習營」（詳見綠色化學教育網：http://chem.moe.edu.tw/green）。 圖九：105年第二屆「綠色化學教育種子教師培訓課程研習營」（詳見綠色化學教育網：http://chem.moe.edu.tw/green）。 上述的「綠色化學—探究與實作（I）、（II）」課程中，也設計了每人發放綠色化學實驗寶盒1套及一個24格–細胞培養皿（見圖十），綠色化學實驗寶盒使用一般PE材質餅乾盒做為外盒，可反複使用，也可做為小水盆，內裝一些滴瓶、塑膠小盒、PE材質小滴管，都可以反複使用，另外也放了一些玉米塑膠杯。玉米塑膠杯材質為聚乳酸（PLA），可在環境中分解，又稱環保塑膠。這三年來校內實驗教學與進行化學關卡服務的經驗發現，24格–細胞培養皿是非常耐用的器材，塑膠材質透明度非常高，容易清洗，而且即使在格子內操作製造氣體泡沫再點火燃燒的實驗，也不會發生損壞，而且安全度高，不會出現以往玻璃容器碎裂傷人的困擾。細胞培養皿中每格容量約2 mL，一個輕薄短小（手掌大小）的24格–細胞培養皿就可操作有24支小試管才可進行的實驗工作 （見圖十一） 。「綠色化學–探究與實做（I）、（II）」課程中，另外也利用養晶的廢棄溶液重新設計趣味實驗「藍印術」，結合文化與藝術素養，採用微量（1 mL）容器Eppendorf裝置，及低廉價錢的化學試劑進行探究的課程，涵蓋學習四大化學反應類型（酸鹼中和、氧化還原、光化學、配位化學、沉澱養晶）（見圖十二）。   圖十：「綠色化學—探究與實作」課程中的綠色化學實驗寶盒及24格–細胞培養皿。   圖十一：24格–細胞培養皿的應用，相當於操作有24支小試管才可進行的實驗工作。    圖十二：設計趣味實驗「藍印術」，結合文化與藝術素養，採用微量（1 mL）容器Eppendorf裝置，及低廉價錢的化學試劑進行探究的課程。 n  結語 民國99年起，北一女中的課程發展委員會決議依照當時課綱的安排，啟動了高一跨班選修課程，過了兩年之後，進而發展成特色課程。經過這六年來，北一女中化學科團隊設計的校內跨班選修課程，持續採用探究式教學的化學課程，也不斷發展出許多新的教案，透過課程滾動式執行與省思，由於教學相長，本校化學科團隊教學與課程設計的能力也更加精進，且化學科的選修課程在綠園中的學姐學妹口碑相傳，目前仍是許多學生的第一志願選課。近三年來，我們進一步將「探究式教學」及「綠色化學精神」融入教學設計，採用正課留餘的化學藥品以及家庭常見的安全物質做為實驗材料，大大降低執行教學活動的成本，在探究教學過程，學生不僅學會發現問題、找到影響事件的變因，學生更深刻體會永續生態的重要。目前我們也積極主動協助教育部探究課程與綠色化學教育的推廣，希望與國內熱愛科學教育的老師們一起努力，綠色化學教育更蓬勃發展。 n  師生心得和感想 在105年綠色化學教育種子教師培訓課程中，協助籌備並且擔任講師與小助教的北一女中師生的心得和感想，整理如下： 〔莉芬老師的格言〕 科學探究課程設計的精神：累積面對小挫折的態度，才有勇敢面對大挫折的勇氣。累積解決小問題的策略，才有勇敢解決大問題的能力。將科學的理論「學以致用」以解決問題。「心想」與「事成」之間執行力的培養。 〔阿佶老師的格言〕 綠色化學精神：減毒減廢減量，用行動愛地球。 感恩的話：感謝教育部，工研院繆慧娟研究員，還有高工職的化工學群中心工作人員及楊其煜主任，當然還要感謝花蓮美菊老師及所有演講者，及我們北一女中團隊阿妃老師，莉芬老師，祖望師，阿佶老師，還有四位準大學生的高三小綠綠，二天的研習帶給來自臺灣各縣市的高中職老師們，減毒減廢減量的創意實驗，順利圓滿成功。期待下一次相聚，感恩。 〔祖望老師的格言〕 傳承與創新精神：難得的機會讓來自全國各地的化學老師們聚在一起，綠色化學的推廣實在是需要大家一同努力。每位老師都有不同的創意和聯想，匯集起來就是一個了不起的計畫！同樣一個實驗，有的人想到如何行銷，有的人想到如何與家庭親情聯結，有的人想到如何跟國際接軌，真正是集思廣益，團結力量大！ 愛地球格言：人類已經生產太多垃圾與汙染，保護地球需要大家一起來努力！ 〔小助教依萱的心得〕 綠色化學理念：環保、節能、減量，這些概念在現今社會已是人人都能朗朗上口的概念，除了在日常生活中落實，究竟還有哪些方面可以努力的呢？令我十分意外的，竟然是化學。這次參加綠色化學種子教師研習營的我，事前分裝實驗器材的過程非常有趣，一個小小的餅乾盒內裝著小滴管、小瓶子等各種迷你版的實驗器材，藥品更是每人份都在1毫升上下，這麼少量做出來的結果卻和傳統實驗的效果不相上下，甚至多了攜帶方便的優點，也減少了大量藥品消耗和有毒物質使用的汙染，這真是值得大大推廣的綠色化學概念，身為一個學生的我，能一齊和來自全臺各地的老師們，了解綠色化學在生活、在教育、在產業的重要性與發展性，實屬難能可貴！很感謝北一女中化學科老師的邀請！也盼望老師們能多多舉辦類似活動，宣傳綠色化學理念！ 〔小助教琳嘉的心得〕 交流與分享的快樂：這次綠色化學的實驗讓我深深體驗到減廢減量的重要性，並且瞭解利用原本多餘的廢液竟然也能做出另外一項有趣的實驗，它讓我開始思考平常有哪些東西是我們可以多節省的，又有什麼是我們可以重複再利用而非直接丟棄。參加這次的研習活動我也體悟到交流的影響力，除了能夠瞭解別人在做些什麼還能從中學習到新的知識與認知。這次研習的其中一位演講者許景翔科技公司總經理也說：「我從不害怕分享，反而認為分享能提高自己的能力。」我認為分享是很可貴的，因為分享，我們才有可能激盪出更亮麗的火焰，也因為分享，我們才能讓整個社會一起進步，造就雙贏的局面。參加這次綠色化學的活動，我不單單是學到了許多化學的新知，更體認到人生重要的道理，真的是獲益良多，也非常感謝為這個活動付出甚多的老師們以及工作人員們！ 〔小助教采緹的心得〕 精彩課程回顧：這次被北一女中化學科老師邀請去幫忙綠色化學教育種子教師培訓課程，從事前的學習練習和器材分裝搬運，到4/21、4/22活動時的攝影助理任務，不乏疲累和埋怨，收穫卻是更多的。 在操作由北一女中主持的兩個實驗「七彩幻珠」和「藍印術」時，我從簡單的實驗步驟和原理中體驗到樂趣的取得不需要繁複的知識和設計，只需要一些創意和巧思。一個簡單的酸鹼中和搭配不同指示劑就能創造出無限的色彩，激發思考，使參與者們聯想到多元成家、尊重包容等。藍印術運用了草酸鐵鉀的感光性質，讓自己的創作能被印在浸了染液的濾紙上，結合藝術、養晶廢液和綠色化學。將此實驗指導給其他學生、老師操作，都能引起他們了解化學原理的興趣，甚至產生新發現。我和其他三位夥伴自行操作時便發現配置染料時加入原料的順序會大大影響藍印術的顯色效果。活動當天，也有老師意外發現蘇打粉能夠將濾紙上的藍色轉變成淺黃色，非常有趣。藉由動手實驗，我培養了追根究柢、自發探究的精神。 活動中的精彩演講也帶給我許多啟發。中國化學會趙奕姼秘書長在第一天的演講詳細的解釋「綠色化學原則與願景」給不懂綠色化學就傻傻地來幫忙的我。同日晚間，擁有豐富生態農業經驗的廖美菊老師娓娓道來眾多自身經歷，談真正健康而無毒的農業。最令我印象深刻的便是他在自己農場上觀察到的生態現象。「生命是不穩定而不斷在尋求動態平衡的系統」，廖老師語重心長地向聽眾們傳遞自然、不求最大營利、細膩了解生態系統的農業方法才能健康無毒、永續發展。第二天，研習活動邀請劉宏信教授和吳重霖廠長來分享他們在實驗室安全和廢液回收的專業，讓常常做實驗的我意識到做實驗前後的安全和廢液處理的重要性。下午，許景翔總經理為我們介紹urban […]