大氣壓力實驗與建模課程 鄭志鵬 臺北市龍山國中 jjpong@lsjh.tp.edu.tw         前言       「思考智能」與「問題解決」兩大面向是108課綱中自然領綱學習表現著重的部分。前者重視想像思考運用，後者重視實證證據的取得與分析。要探究一科學主題，必然包含此兩部分，且想像思考運用和實證證據的驗證，往往是交互出現相互印證的。 但在科學探究與實作的教學中，有時會看到缺少思考模型的猜想和推理的問題解決課程，或是缺乏實驗驗證的推理思考課程。有些課程可能因為設定的學習目標本來就強調其中一部分的學習表現訓練，當然就會呈現偏重一邊的情況。但有時候是因為課程受限於理論難度過高，或是工具不足以致於需要在課程設計中有所取捨。也有時候是因為在課程設計的思考上，要做出兼顧兩者的課程太過複雜。導致許多課程往往偏重一邊而忽略了另一邊。 本課程以學習大氣壓力單元為例，運用電腦2D物理模擬引擎Algodoo和Arduino開發板作為工具。前者幫助學生進行抽象思考、推論與模型建立；後者幫助學生方便在實驗中取得壓力數據。建立課程步驟，在課程中讓學生進行思考與實證雙向的學習。 課程設計理念 現今許多的探究課程，大致上可以分為兩大類型。一種著重在新課綱「問題解決」的能力，是培養科學方法的課程。另一種課程，著重在新課綱「思考智能」的能力，是培養邏輯推理、論證或建模的課程，但很少課程能兼顧兩者。這可能是因為許多中學科學課程知識的理論背景以及推論深度都已經超過中學生的能力，我們在課程中難以設計兼顧思考智能與問題解決的能力。所以才導致課程設計會將兩者分開。 但我們也都知道，缺乏了理論基礎的「問題解決」，常常會變成亂槍打鳥的在選擇操作變因，沒辦法依據某種待驗證的理論提出待驗證的問題；缺乏了實驗實作的「思考智能」也往往會流於空想，缺少以實際實驗證據檢驗理論的強度。實際上適當的提供理論，就能讓課程兼顧兩者。 有老師會認為提供給學生理論等於告訴學生答案，就沒有探究的意義了，總是希望學生能藉由探究產出自己的理論。但其實科學活動一直都不是從零開始的，每一項科學研究都基於某些已知理論，學生也不需要從零開始探究。 那要怎麼樣才能在課堂中適當的給予理論呢？課程中有時候可以給學生正確的理論，有時候可以給予有瑕疵的理論，有時候可以兩個理論都給，有時候可以給予多個有瑕疵的理論，有時候可以給予正確的但不完整的理論。關鍵是不需要告訴學生哪個理論才是正確的。於是學生扮演的角色，就可能是驗證理論的正確性、排除錯誤理論或是幫不完整的理論補充完整。如此一來，就可以從觀察階段進入定題，並從定題之後帶入實驗階段與思考智能的能力培養。 以下將運用arduino作為測量壓力的儀器，用algodoo作為粒子碰撞模擬的工具，以「大氣壓力」作為例子，說明如何在學習大氣壓力單元時，在課程中納入思考智能與問題解決的學習。 運用工具 一、Arduino與大氣壓力的測量         利用Arduino開發板，搭配氣壓測量的感測器和對應的程式，就能輕易的測量到大氣壓力數值。這次的課程，運用兩種不同的氣壓感測器，分別是BMP180（圖一）和MPX4115ap（圖二）。BMP180是體積很小，消耗功率也極小的壓力計。它可以測量所在空間的大氣壓力，測量精準度高達3Pa。可以輕易的測量到一間教室的天花板和地板之間的氣壓差距，如果上下移動數個樓層，變化更是明顯。MPX4115ap則是體積較大，精密度較低且價格較高的氣壓感測器。MPX4115ap可測量的壓力範圍為15000Pa ~115000Pa，在Arduino nano下精準度約為100Pa。可以知道此感測器只能測量較低氣壓，且精準度較低。但是前頭的測量開口，可以很容易的接上風管，與針筒連結測量密閉空間中的氣體壓力，方便許多氣壓相關實驗的進行。寫入適當的程式後，就能讓氣壓數值顯示在連接的液晶螢幕上，成為在氣壓相關課程中，方便學生讀取應變項數值的裝置。以BMP180搭配arduino製作的壓力計，以「BMP壓力計」稱之；以MPX4115ap搭配arduino製作的壓力計，以「MPX壓力計」稱之。 圖一、低功率高精度的BMP180氣壓計 圖二、可以以風管和針筒相連，測量密閉系統內的大氣壓力的MPX4115ap   寫好程式後，就能在液晶螢幕上直接讀取壓力數值（圖三）。將連接在MPX4115ap的針筒拉開後，可以看到壓力下降了（圖四）。用手觸摸溫度計的話，可以看到溫度被手加熱而上升（圖五）。用此裝置，就能在實驗中，測量我們需要的數值。 圖三、用Arduino搭配適當的感測器，可以同時測量溫度和壓力。左上角是BMP180，測出的壓力數值顯示在最下排；右下角是連接著針筒的MPX4115ap，測出的壓力數值顯示在第二排。最上排則是測量到的溫度值。 圖四、將連接的針筒往外拉，可以看到測量到的MPX氣壓下降了。 圖五、用手觸摸溫度計，可以看到溫度上升 Algodoo程式功能與環境設定說明         Algodoo是由Emil Ernerfeldt創立的程式。是一種虛擬實境研究時所開發的物理引擎，使用者可以透過Algodoo提供的界面進行二維空間中牛頓力學、運動學、機械、光學等物理實驗的模擬。使用者可以在虛擬空間中，創造粒子、活塞與障壁。並且調整參數，讓環境成為無摩擦力、完全彈性碰撞的空間，提供學生大氣壓力來自氣體分子碰撞的想像。以下簡單介紹在此課程中，進行模擬的環境設定。 先在上下左右，以平面工具創造四個垂直的平面作為密閉空間的邊界，並將「材質」參數設定為：摩擦係數＝0；彈性係數＝1。如此一來就得到一個碰撞時不會有能量損耗的密閉空間如圖六。 圖六、上下左右用「平面工具」圍出空間，並將四面平片的性質參數設定為摩擦力（係數）＝0，彈性（係數）=1。 接下來，在空間中製作一個長方形作為活塞。長方形活塞的高度，會略小於空間的高度，讓活塞可以在空間中自由活動。長方形活塞的寬度要作寬一點，讓活塞被碰撞時不會有太大的傾斜。最後製作一個小圓球作為一個氣體粒子。活塞與空氣粒子當然都要設定摩擦係數=0和彈性係數=1。接下來，右下角有個蘋果圖案和蘋果右邊的綠色球圖案，分別代表環境中的重力以及空氣阻力與浮力。先把這兩個關閉，讓環境變成無重力無空氣影響。這樣就完成了初步的環境設定（圖七）。 圖七、以長方形做出活塞，圓形做出氣體粒子，並將它們的性質都設定為摩擦係數=0，彈性係數=0。 接下來，如果按下「時間開始」的按鈕（圖八），會發現所有的東西都處於靜止狀態。這是因為活塞與氣體粒子都處於初始狀態靜止，且不受力情況，自然會維持原本的狀態不改變。此時可以點選氣體粒子，並賦予氣體粒子速度（圖九）。氣體粒子就會在空間中移動，當碰撞到活塞時，就會反彈並且推動活塞移動（圖十）。接下來，就可以根據課程需要，與學生討論，將不同數量的氣體粒子放在不同位置改變氣體量；調整活塞位置改變體積；調整粒子速度改變溫度等等。作為想像創造、推理論證、建立模型等課程使用。詳細操作過程，請參考：http://gg.gg/naxrw 圖八、視窗下方有控制時間開始與停止的按鈕，以及右側有重力與空氣阻力的開關。先將重力與空氣阻力關閉，使空間成為無重力和無空氣的狀態。按下中間綠色三角形的play按鈕，讓時間開始運行。有需要的時候，也可以開啟重力觀察 圖九、點選氣體粒子，在「速度」選項中，賦予粒子速率與角度 圖十、用軌跡工具可以看到綠色的氣體粒子碰撞到活塞之後反彈，讓活塞往右移動 課程架構 一、課程說明與架構圖 課程從學生的經驗與已知出發，確認學生對於氣壓有哪些理解。接著以實驗確認經驗的正確性，一方面確認經驗與知識，一方面學習應變變因的測量工具。接著用algodoo引進微觀粒子碰撞的模型，讓學生以此模型思考影響壓力大小的因素。接著思考在模型中調整的參數，要如何在真實世界中執行，並且根據模型預測實驗結果。然後根據過程技能進行實驗設計，實際進行實驗，收集數據，分析數據，確認模型思考的結果是正確或是需要修正的。接著試著以已確認的粒子碰撞模型，思考為何高處壓力較小，低處壓力較大？以新模型來思考舊有經驗。最後教師統整說明（圖十一）。 圖十一、從已知切入，進入模型思考，並回到真實實驗的歷程。圖中紅色部分，屬於真實世界的操作；綠色部分，屬於模型想像的思考；黃色部分則是連結兩者的過程。 二、課程進行說明 （一）課程背景與教學目標 本課程背景與相關教學目標呈現如表1所示。 表1  課程背景與具體學習目標 領域/科目   […]

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 […]