臺灣化學教育

高中化學教材教法專書導讀

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授
mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw

       若想要成為一位合格的中學化學教師，「化學教材教法」是一門師培生必修的課程。為什麼這門課是必修課呢?化學教材教法這門課的教學目標是什麼?有哪些方法可以達到這些目標呢?化學的學習內容和學習表現是由教育部規範的，但是應該如何教卻未有規範或是參考的準則?究竟要如何教才能引起學生學化學的動機、協助學生進行有意義的學習、引導學生發展模型思考與論證的能力、提供學生應用對化學的理解轉化為對生活情境問題的解決，甚至到跨學科的學習與應用?這些並非是化學專業訓練的主要範疇，而是化學教育的核心。在擁有化學專業知識與訓練之後，要成為一位優質的教師就必須要懂得學習心理學、瞭解知識建構的特質、課程設計的理念、教學法的適用性、實驗教學的多面向、新興科技在化學教學上的應用、評量的重點與方式，以及科學展覽活動的精隨等。因此在教育部的規劃下，有了這一本「高中化學教材教法」，不僅可以提供職前化學教師對化學教學有初步的認識，也可以作為在職化學教師終身學習的參考書籍。該書作者大都來自大學從事化學教育研究或負責化學教材教法一課的教授、以及中學第一線的化學教師(皆擁有化學專業背景和科學教育碩/博士學位)，期能結合科學教育理論與實務，提供師資培育單位和教學場域在人才培育的工作上一本值得參考的資料，也可以作為在職進修研習的素材，希望透過這本書化學教師可以使學生對學習化學充滿熱情，並能瞭解化學對人類發展的貢獻。

該書計有13章(該書目錄如表一)，此次專刊由數位作者以簡介方式針對其所撰寫的章節做一評介或延伸其論點與分析，期能讓讀者們認識該書的核心內容與參考價值。

表一 「高中化學教材教法」目錄

高中化學科教材教法專書導讀：
第二章 化學教育心理學基礎與教學策略

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所
mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw

化學是一門複雜的科學，它不僅有化學元素的英文符號系統，還有微觀粒子之間交互作用下的反應機制，以解釋巨觀所見的科學現象。對學生而言，科學符號與抽象的概念皆可視為另一種語言―科學語言，需要透過有系統的學習方能建構化學知識體系，尋找出規律性，並得以運用於問題解決中。而在教學上，必須瞭解化學知識體系的特性、學生認知需求、學習挑戰、以及學習困難的起源，以有效的教學策略搭起適當的學習鷹架、建立有意義的學習環境、促進學生對化學的理解、提升化學學習的興趣。因此，本文主要是將該書第二章以科學學習心理學的角度談化學學習，並評介可以使用的教學策略，以提供職前教師和在職教師在教學準備與實踐上的參考。

n  該書章節

該書共包含六節：科學學習心理學的基礎理論、三位一體的架構、化學課程中的關鍵概念、概念學習、教材設計、及教學設計和評量（見該章架構圖，如圖一所示）。

圖一  第二章架構圖

n  學習心理學與化學

知識的表徵有許多種形式，譬如文字、圖像、符號、語言等，透過不同的表徵可以理解知識的本質與內涵，心理學家Paivio在1986年便提出雙碼理論 (Dual code theory)，將知識的建構分為兩類：一是語言（或語文），另一是非語言（或視覺的），前者較為抽象，後者較為具象，透過這兩種形式交織成知識的結構。我們也可以從這兩面向來看化學的學習，譬如我們用文字和符號來代表元素的組成，以食鹽為例，它的組成是氯化鈉，化學式是NaCl。而我們再透過晶體結構（見圖二）的表示方式，可以看出氯化鈉中鈉離子和氯離子堆積的情形，如此可以將抽象的NaCl具象化，而在這具象化的過程圖中的訊息，還可以呈現兩個粒子大略的相對大小以及堆積的方式。有關心理學上運用多重表徵進行學習成效的研究中顯示，多重表徵中每一個表徵皆有其主要傳遞的訊息，學生可以根據其學習特質去瞭解教師所欲教學的重點，透過不同表徵的特色相互強化學習內容的理解，學生可以受惠於多重表徵的教學可見於一些相關文獻（如Ainsworth, 2006；鍾曉蘭與邱美虹，2012），此部分容後再述。

圖二  氯化鈉的晶體堆積（取自https://pixabay.com/）

n  化學三位一體的架構

Johnston (1991, 2000) 對於化學本質提出巨觀、微觀（或次微觀）、符號的觀點已有30年，在過去30年間，這三位一體的架構影響了化學教育的研究與教學，雖然這期間有幾位化學教育者對此架構提出不同的觀點（如Taber, 2014; Talanquer, 2011）或延伸此架構 (Chiu, 2008; Mahaffy, 2006)，但萬變不離其宗，Johnstone的三位一體架構仍是化學的核心，從學習面或是教學面，都有很大的啟發。本文作者在該章以實例來說明此架構的意義（見圖三），在巨觀部分亦可指稱科學現象；在次微觀的部分，可以包括粒子的結構和組成等等，為無法用肉眼觀察；在表徵的部分，納入符號的呈現和視覺化的表徵，以說明此向度的意涵。化學教學若能掌握這三面向的相互關係，將可以協助學生理解化學學習的核心概念。

圖三  化學三面一體之結構與範例說明

n  化學課程的核心概念

近年來國內外的課程改革都強調學科的核心大概念 (Big Ideas) 與跨科概念 (Crosscutting concepts) 之間的連結。第二章的內容指出「美國國家科學教育標準」 (National Science Education Standards, NSES) (National Academy Press, 1996) 提及高中化學課程應包含四個大概念：物質和能量守恆、物質的行為和性質、物質的粒子本性、平衡和驅動力。而在美國「新世代的科學標準」 (Next Generation Science Standards, NGSS) (NGSS Lead States, 2013) 中，其對化學的核心概念的要求明顯少於「國家科學教育標準」，同時不再以化學單一學科來呈現其內涵，而是以理化 (physical science, PS) 統整的概念來呈現，其涵蓋的概念主要包括兩個大主題PS1：物質和交互作用以及PS3：能量。簡單來說就是結構、交互作用和能量的概念。同時訂出七個跨科概念來統整學習主題，即模式/形態 (Pattern)、因果關係 (Cause and Effect)、尺度、比例和數量 (Scale, Proportion, and Quantity)、系統與系統模型 (Systems and System Models)、系統中的物質與能量 (Energy and Matter in Systems)、結構與功能 (Structure and Function)、系統的改變與穩定 (Stability and Change of Systems) 等7個跨科概念 (NGSS Lead States, 2013, p. 79)。

而臺灣在此次課程改革上也與時俱進，強調課程的統整性與連結性。在12年國民基本教育自然科學領綱中將概念學習分成數個層次：大概念（課題）、跨學科概念、學科概念（主題）及子概念（次主題），希望藉由核心的大概念深化學習，並透過跨科概念使學習更加全面化。大概念和跨學科概念如下：

（1）自然界的組成與特性：包含有跨學科概念的「物質與能量」、「構造與功能」、「系統與尺度」；

（2）自然界的現象、規律及作用：包含有跨科學概念的「改變與穩定」和「交互作用」；

（3）自然界的永續發展：包括有跨學科概念的「科學與生活和資源」與「永續性」。

n  化學學習與影響因子

誠如前面的論述，化學有可觀察的現象，但也有複雜與抽象的化學概念和反應機制因而造成學習化學時的困難。該章在第四節中簡介一些學生容易產生另有概念的主題概念，如化學平衡的動態本質常被視為靜態的反應平衡；又如在中和反應中，酸鹼性質的認知停留在早期簡單酸鹼定義或是望文生義的誤判酸鹼性等等，這些另有概念的來源，可能來自教師不精準的用語或類比、生活語言和科學語言的不一致、媒體或漫畫等的簡化或誤導都足以阻礙化學學習的進展。

n  化學教材教法的設計

有鑑於上述化學的本質與學習的挑戰，第二章第五節介紹五種有效的教學法，作為課程設計與教學的參考。首先是以多重表徵的學習為目標的教材設計，透過Johnston的三位一體的架構，在教學中強調三者之間的關係，並以多重表徵的方式呈現學習內容，以達成知識表徵之間連結的目的。其次是以系統思考 (systems thinking) 來建構知識為目標：強調確認複雜系統中的成分，並建立彼此之間因果關係的認識，使化學的學習可以見樹也見林，並運用系統思考瞭解化學與生活中的科學問題之關係，這是系統思考的目標。近年來，系統思考已是化學教育中很重要的思潮（如Mahaffy, Ho, Haack, & Brush, 2019; Mahaffy, Matlin, Whalen, & Holme, 2019），主要是學生學習出現片段不連結的現象，也無法將所學與生活問題結合（如全球暖化、氮循環等等），因此強調化學概念的連結以及影響因子所造成的影響是設計系統思考課程的主要目標。2019年美國化學會出版的Journal of Chemical Education，便以系統思考為專題出版專刊，有興趣的讀者可以閱讀該專刊。專刊中Chiu, Mamlok-Naman和Apotheker（2019）提出化學課程應朝向系統思考的方向邁進（見圖四），讓學習者可以對化學有更統整性的認識，這部分與十二年國民基本教育自然科學領域課綱中對思考知能的方向是一致的。

圖四  系統思考模型（譯自Chiu, Mamlok-Naman和Apotheker, 2019）

第三是以模型認知與建模能力的培養為教學目標，強調科學模型的描述性、詮釋性與預測性的特質，並透過建模歷程（發展模型、精緻化模型、應用模型、重建模型），檢視個人對科學模型的認識，並透過不斷檢視和建構的過程，產生效化的模型並進行問題解決。書中的建模歷程以主要成分的介紹為主，若將課程綱要的探究元素納入此架構中，則其對應關係如圖五所示。 

圖五  建模歷程與探究能力關係的建模本位探究教學模式（引自曾茂仁和邱美虹，列印中）

第四和第五項教學策略則分別是以認知衝突和動態屬性的呈現方式來進行教材的設計，前者強調設計與反直覺的科學現象為出發點（如預測–觀察–解釋–比較，POEC），一來啟動學生先前的知識，二來引起學生的學習興趣，是個結合認知理論的教學法。而後者是重視微觀概念中，粒子之間的交互作用以動態方式呈現，這部分可以多利用媒體教學，詳細內容可以見該書第11章。

n  化學概念評量

該章最後一節是簡介化學概念評量的方式，其中包括1. 以概念理解為主，如兩階層概念評量，第一層是事實性知識的試題，第二層是選出第一層選項的理由，透過雙層的設計，使評量可以深度展現學生概念的組成，以作為教學改進的參考。其次是以反直覺的實驗進行另類評量，這與上方提到POEC的反直覺教學類似，教學與評量是一體兩面的，可以透過反直覺的現象偵測學生的原有概念和概念的轉變。最後第三項評量策略是以繪製概念圖的方式進行概念連結的檢視，以理解學生對於關鍵概念的數量和關係是否擁有預期的概念數以及是否呈現正確的因果關係和連結。

n  總結

化學教學與學習之間密不可分，該書第二章主要是從學習心理學的角度探討科學學習的本質、特徵到教材的設計、教學策略和評量，希望可以提供職前教師和在職教師在教材設計和教學方法上有所參考的依據。

n  參考文獻

曾茂仁和邱美虹（列印中）。透過建模本位教學提升學生在化學電池概念和建模能力，科學教育學刊。

鍾曉蘭和邱美虹（2012）。高二學生在理想氣體多重表徵教學前後心智模型的改變。科學教育研究期刊，57(4), 73-101。

Ainsworth, S. (2006). DeFT: A conceptual framework for considering learning with multiple representations, Learning and Instruction, 16, 183-198.

Chiu, M. H., Mamlok-Naman, R., & Apotheker, J. (2019). Identifying Systems Thinking Components in the School Science Curricular Standards of Four Countries. Journal of Chemical Education, 96, 2814-2824.

Johnstone, A. H. (1991). Why is Science Difficult to Learn? Things are seldom what they seem, Journal of Computer Assisted Learning,
7(2), 75-83.

Johnstone, A. H. (2000). Chemical education research: Where from here? University Chemistry Education, 4(1), 34-38.

Mahaffy, P. G., Ho, F. M., Haack, J. A., & Brush, E. J. (2019). Can Chemistry Be a Central Science without Systems Thinking? Journal of Chemical Education, 96, 2679-2681.

Mahaffy, P. G., Matlin, S. A., Whalen, J. M., & Holme, T. A. (2019). Integrating the molecular basis of sustainability into general chemistry through systems thinking. Journal of Chemical Education, 96, 2730-2741.

Mahaffy, P. G. (2021). Systems Thinking in Chemistry for Sustainability. Chemistry International, 43(3), 37. https://doi.org/10.1515/ci-2021-0315.  

National Research Council (1996). National Science Education Standards. Washington, DC: The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/4962. 

NGSS Lead States (2013). Next Generation Science Standards: For States, By States. Washington, DC: The National Academies Press

Paivio, A. (1991). Dual Coding Theory: Retrospect and current status. Journal of Psychology, 45(3), 255-287.

Taber, K. (2013). Revisiting the chemistry triplet: drawing upon the nature of chemical knowledge and the psychology of learning to inform chemistry education, Chemistry Education Research and Practice, 14(2), 156-168.

Talanquer, V. (2011). Macro, Submicro, and Symbolic: The many faces of the chemistry “triplet”, International Journal of Science Education, 33(2), 179-195, DOI: 10.1080/09500690903386435

高中化學教材教法專書導讀：

第三章 科學素養與素養導向的化學課程

鍾曉蘭

新北市立新北高中

新北市高中化學課程發展中心執行秘書
chshirley2007@yahoo.com.tw

n  前言

12年國教新課綱(簡稱108課綱)強調素養導向的教與學，其中《總綱》中為大家耳熟能詳的「自、動、好」三面(自發、互動、共好)，並將三面細分為九個次項(國家教育研究院，2018)。現場教師在設計課程時，首先要理解新課綱的發展趨勢：注重與日常生活之聯結(融入學習情境)、強調科學核心概念的學習(減少零碎知識的記憶)、科學本質的認識與態度的培養、以「探究與實作」為科學學習的主要方法(國家教育研究院，2019)。

n  高中化學學習重點

新課綱所設計的學習重點分為「學習內容」與「學習表現」，為了解決究課綱中教材細目的概念內容過多且零碎，缺少大概念的呈現的問題，以學習內容表現「核心概念」，包含科學概念的「主題」與「次主題」，並輔以「跨科概念」，以三大學習課題，七大跨科概念為組織核心概念之架構，從跨科概念、生活社會議題或大概念等取向發展，以達到跨科統整的目標(國家教育研究院，2019，p.4)。高中階段是為了銜接大學教育做準備，化學科於高中階段必修部分，以基礎核心概念和生活化學學習為主；選修內容則為現行內容做適度調整，並較大幅放入微觀、基本運算與理論推導，建立科學模型的系統性思考方式，而不涉及複雜計算；實作的設計則遵循綠色化學與永續發展的概念(國家教育研究院，2019，p.23)，在探究方面(學習表現)則運用較複雜的科學模型、理論、儀器設備，獨立或與同儕合作規劃執行完整的科學探究計畫(國家教育研究院，2019，p.3)。跨科概念中新增「科學的發展科學」、「技術與社會的互動關係」，「永續發展與資源的利用」則規劃以議題呈現，「能量的型態與轉換」則與物理科跨科統整，避免此概念在不同學科中重複學習。 

n  本章內容介紹

素養導向的課程與教學是12年國教新課綱的要素，本章主要內容呈現如心智圖(圖1)。

圖1  科學素養與素養導向的化學課程內容心智圖(引自鍾曉蘭，2020)

本章先簡介自然領綱所闡述的科學素養內容，說明總綱核心素養(三面九項)與高中階段的科學核心素養的關連，簡介高中化學課程的學習重點，包含學習內容(核心概念)與學習表現(科學認知、探究能力和科學的態度與本質)。

第二節則比較新舊課綱之間的差異，包括學習內容的增減、學分數的改變等，最大的變革是自然領域必修學分數由16學分下降至12學分，其中4學分規劃跨科「自然科學探究與實作課程」4個必修學分，連貫自然科學素養導向學習。由於九年一貫所提及的能力指標分析過於細碎，因此新課綱整合科學素養內容，分成「科學探究」與「科學的態度與本質」取代技能與情意。108課綱與舊課綱另一項差異是提出3-12年級各學習階段學生的自然科學學習特性。

第三節先說明學校課程類型，接著分析素養導向課程的模式、進而說明課程設計的原則與流程。新課綱將學校課程分為二種類型，除了部定課程，另有校訂課程，各自又包含必修與選修，比較特殊是新課綱中學校可依各校的特性與發展目標自訂校定必修課程４－８學分，校定多元選修６學分(國家教育研究院，2016)。發展素養導向課程的原則主要為：注重科學素養的培養與強調融入情境化的學習，同時重視學生的學習歷程、方法與策略(林永豐，2017)。

附錄提供10週「從模型學化學」的課程模組示例，此課程設定為校訂必修一學分課程，規劃在高二實施，對象可以是全校學生或自然組學生。建議教師發展素養導向的課程時，可先分析學生的學習背景(興趣、能力與先有概念)，依據學習的目標設定學習內容與學習表現，進而設計教材與教學策略，並找出相對應的多元評量方式與工具，更重要的是進行「課程試行」，從試行中反思不足之處，藉以動態修正課程內容。

結語與建議主要針對四方面給予建言：以知識為中心轉為培養學生科學素養、教師為中心的講述式課程轉為以學生為中心的探究式課程、根據學生的能力與興趣來研發課程的內容、鼓勵老師進行共備以發展跨領域或科目的課程。

n  參考文獻

國家教育研究院(2016)。十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域[公播版簡報]，p.16。2019/04/15引自https://is.gd/RErMRC。

國家教育研究院(2018)。十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域。2019/01/05引自https://is.gd/rhHGEG。

國家教育研究院(2019)。十二年國民基本教育自然科學領域課程手冊。2019/02/18引自https://is.gd/INOyRY。

林永豐(2017)。核心素養的課程教學轉化與設計。科學教育月刊，275期，p.4-17。

鍾曉蘭（2020）。科學素養與素養導向的化學課程。載於邱美虹（主編），素養導向系列叢書：高中化學教材教法（43-62 頁）。臺北市：五南。

高中化學科教材教法專書導讀：
第四章 跨領域、跨科統整課程與教學─以STEM-Plus為例

曾茂仁

國立臺灣師範大學科學教育研究所

800745003s@gapps.ntnu.edu.tw

n  前言

             我們身處快速變遷的世代，多產的知識與新興的產業逐漸造成專業領域分工的界線模糊（阮孝齊，2020）。面對如此快速的全球變化，經濟合作與發展組織（Organization for Economic Co operation and Development，以下簡稱OECD，2018）指出現代的地球人應發展與擁有全球素養（global literacy），並能檢視當地、全球和跨文化的議題、為了群體福祉和永續發展採取行動、和不同文化背景的人進行開放、適當和有效的互動、理解和欣賞他人的觀點及世界觀。兼併當代社會變遷的情況與對未來人類的期許，跨領域、跨科統整的課程設計逐漸受到重視，著重教育的整體性、學科之間的關聯性、真實情境的議題探討與時間都是當前教育主要努力的方向。本章以科學—科技—工程—數學（Science-Technology-Engineering-Mathematics，以下簡稱STEM）課程發展情形為例，並分為STEM教育與國際化學課程標準、設計與進行STEM-Plus與STEM教育的反思等三小節（圖1），探討STEM教學如何設計與執行並面對未來的挑戰。

圖1：本章章節內容心智圖

n  STEM教育與國際化學課程標準

課程的演變及人才培育目標反映社會的需求，STEM教育起源於1990年的美國，直到美國STEM領域相關的人力出現明顯流失後，加上歐巴馬的全力推動，才將STEM教育向下紮根於中小學階段，並且逐漸受到國際的重視。然而，STEM教育應用廣泛，難以將STEM教育視為特定學科組合或是進行特定的活動，但是，統整性的特徵在STEM教育扮演重要的角色。因此，統整性STEM（Integrative STEM，簡稱I-STEM）與STEM-Plus則為當前較常使用的名稱。其中，I-STEM一詞強調四個領域之間的整合。但是，僅有四個領域的整合則無法解決真實情境的需求，STEM-Plus不受限於此四個領域，並鼓勵與不同學門結合，比較常見的是以STEM與藝術(Art)成為STEAM， 另外，也有與醫學（Medicine）合作的課程：STEM-M等。因此，STEM教育具有統整性與融入真實情境的特徵則是重要的理念。

美國新世代科學標準（The Next Generation Science Standards，以下簡稱NGSS）揉合學科核心想法（Disciplinary Core Ideas）、科學與工程實踐（Science and Engineering Practices）與跨學科概念（Crosscutting Concepts）等三面向的課程目標，整合學科核心想法與跨學科概念的學習，並將實踐（practices）融入課程設計中，鼓勵學生將應用知識（knowledge in use）解決真實情境的問題。另外，臺灣十二年國民基本教育課程綱要明訂國民小學與國民中學的彈性學習課程可以規劃跨領域統整性主題/專題/議題探究課程；自然科領域綱要中亦說明應以探究與實作的精神提供學生統整的學習經驗，並以跨領域/跨科目間的整合。美國與台灣的課程綱要也強調以統整性的方式設計課程，並提供學生實踐的機會進行真實情境的問題解決，此STEM教育趨勢相同。

n  設計與進行STEM-Plus

美國國家研究會（NRC, 2003）認為STEM教育的課程設計，不僅能夠增加學生對於學科知識的理解，更能夠提升學生的好奇心，另外也能夠促進學生認知技巧與探究能力的發展。關於設計STEM相關課程，除了統整四個領域的內容外，透過探索文化或社會的脈絡、提供真實的學習情境（Moore, 2008; Tsupros, 2009）都能夠避免學生僅學習片段且零碎的知識，進而達到STEM教育的重要目標。另外，除了上述所提STEM-Plus鼓勵STEM與不同學門結合之外，Chiu與Krajcik（2020）認為在STEM-Plus的環境下，學生能夠更有靈活的應用知識解決問題，並建構科學成品（scientific products）做為解決問題的工具或作為呈現問題解決的歷程。而在，而在STEM-Plus課程內容與學生的生活經驗有高度連結，因此，學生更能夠在課程活動中了解學習STEM領域課程對於自我的價值。

該章將跨科、跨領域的課程根據教學目標分為概念學習、情境學習、問題導向與探究專題導向等四個面向，以臺灣自行設計的課程–「元素週期表」與「視覺藝術」的協作課程為例，除了提升學生學習興趣外，亦能夠促進學生對於化學元素的了解；許多學校的校本課程結合學校周遭的地理環境，開發許多踏察的課程，透過情境的協助能夠幫助學生發現與解決真實的問題；最後，問題導向與探究專題導向則是讓學生經歷特定的探究歷程解決真實情境下的問題。教師能夠根據課程的需求，挑選相關教學設計架構，發展適合學生與學校的課程內容。

n  STEM教育的反思

STEM教育主要是用以解決在此四大領域中人口流失的問題，希望透過增加學生與此四領域的連結，進而將這些領域作為未來職業的方向。另外，STEM教育也相當重視社會文化與學生的連結。然而，從社會學面向檢視以美國領頭發展的STEM教育，皆是在解決美國國內所遭遇的問題，而在臺灣的我們，為何需要跟著這波風潮，研究與設計STEM課程？

根據國際學生能力評量計畫（Programme for International Student Assessment，簡稱PISA）報告指出，臺灣學生在科學的表現優異，但對於科學的「科學學習興趣」與「信心」指數低落，可見過去臺灣於「科學知識」已有相當良好的基礎，如何提升學生的科學學習興趣則是重要的目標。臺灣與美國所遭遇的問題並不相同，但仍可透過STEM、跨領域課程，提升學生於STEM學習的興趣。因此，臺灣發展STEM教育，應著重於課程的統整性，並且從真實情境中探究、解決問題，才能夠發揮跨領域、跨科統整課程─STEM教育的效益。

n  參考資料

阮孝齊（2020）。面對跨領域學習各國有哪些策略？。國家教育研究院電子報。下載自：https://epaper.naer.edu.tw/edm.php?grp_no=2&edm_no=198&content_no=3497

Chiu, M. H., & Krajcik, J. (2020). Reflections on Integrated Approaches to STEM Education: An International Perspective. In Integrated Approaches to STEM Education (pp. 543-559). Springer, Cham.

Moore, T. J. (2008). STEM integration: Crossing disciplinary borders to promote learning and engagement. Invited presentation to the faculty and graduate students of the UTeachEngineering, UTeachNatural Sciences, and STEM Education program area at University of Texas at Austin, December 15, 2008.

National Research Council. (2003). Air emissions from animal feeding operations: Current knowledge, future needs. National Academies Press.

OECD (2018), OECD Handbook for Internationally Comparative Education Statistics 2018: Concepts, Standards, Definitions and Classifications, OECD Publishing, Paris from: https://doi.org/10.1787/9789264304444-en.

Tsupros, N., Kohler, R., & Hallinen, J. (2009). STEM education: A project to identify the missing components. Intermediate Unit 1: Center for STEM Education and Leonard Gelfand Center for Service Learning and Outreach, Carnegie Mellon University, Pennsylvania.

高中化學教材教法專書導讀：

第六章 素養導向的教學與評量

鍾曉蘭

新北市立新北高中

新北市高中化學課程發展中心執行秘書
chshirley2007@yahoo.com.tw

n  前言

素養導向的教學策略非常多元，主要聚焦以學生為學習的主體，融入真實的學習情境，培養學生核心素養。素養導向的教與學的趨勢：教師的角色也由知識的傳授者演變為引導學生學習的角色、評量的方式也朝向多元評量方面發展、學習活動強調小組合作、促進學生對於科學概念的深層理解，培養學生解決問題的能力。

n  本章內容介紹

本章主要內容呈現如心智圖(圖1)。

圖1  素養導向的教學與評量內容心智圖(引自鍾曉蘭，2020)

第一節先簡介問題導向學習（problem-based learning，簡稱PBL），PBL於1960年代中期由加拿大的醫學教育學者所發展，在1980年代之際，整個亞洲社會，PBL的實行具有良好的評價，其中在醫學院的使用最為頻繁，在自然科學領域的運用也相當重要(吳清山、林天祐，2005)。PBL是採取小組討論的方式，同組成員必須在討論之前蒐集相關資料，再透過彼此間的討論、協商以解決問題，因此這是一種合作學習的模式，也是一種藉由討論的主題來建構自己與主題相關知識的過程。節末提供教學示例，提出一系列的問題，讓學生藉由蒐集資料與數據分析的過程以建立週期表中元素游離能的規律性，最後建立質性或量化關係的模型(鍾曉蘭，2019)。

第二節則先簡介POE (Prediction－Observation－Explanation)的學習策略，POE策略是由White與Gunstone 在1992所提出，此策略可在真實情境中，評估學生的認知結構及如何應用知識。隨著時間的演進，不同的學者以POE策略為基礎，根據教學的需要發展出POEC (Prediction－Observation－Explanation－Comparison，邱美虹等人，2005)與S-POE(Sequential Predict-Observe-Explain，許良榮，2005)。節末的教學示例藉由鎂帶S-POEC探究活動，不僅可引起學生探索自然環境與生活問題的興趣，同時促進學生瞭解現象或實驗所蘊含的科學知識與理論(氧化還原概念)與培養其探究能力(鍾曉蘭，2014)。

第三節先說明模型的定義與功用，在科學發展上，科學家為了某些特定的目的，使用模型來預測、表徵世界，提供關於現象的解釋，甚至於是理論的建構，模型對於科學學習是不能或缺的認知工具(Nerssian, 2002)，模型的功用主要為以模型瞭解或解釋觀察的現象、使用模型來解釋、連結和發展想法，並將模型用於問題解決(林靜雯與邱美虹，2008)。接著論述模型為基礎的教學法對科學學習跨不同的學科領域的效益 (e.g. Gobert & Clement, 1999)，及說明以模型為基礎的師生共構的概念演化的歷程(Clement & Rea-Ramirez, 2008)。節末的教學示例以化學反應速率為例，融入多元表徵的模型活動或教具，提供不同的真實或模擬情境，引導學生進行探究與討論，進而促進學生理解複雜的科學概念(鍾曉蘭、謝進生，2009)。

第四節先說明多元評量方法是強調評量需讓學生在真實的情境中，以多種不同的評量方法來瞭解學生學習進展情形。接著介紹在教學現場常使用「表現評量(performance assessment)」、「檔案評量(portfolio assessment)」及「學生自我評量」的意涵與評分規準之示例。

結語與建議主要針對四方面給予建言：教師在進行教學設計時，宜融入真實的情境(生活或學科情境)、引導學生主動觀察現象、發現問題，進而設計探究的過程來解決問題；素養導向的教學應提供學生整合知識與應用探究能力的機會；評量同時重視歷程與結果，方法要儘量涵蓋紙筆測驗、表現評量，同時引導學生自我評量，反思個人學習過程的優勢與待加強之處，將學習歷程與個人反思統整為學習歷程檔案。

附錄提供３節「素養導向的教學(POEC探究活動)融入化學教學單元案例」的教學模組示例，提供教師實際設計教學與評量時參考。建議教師可思考預計培養的學習表現、核心素養、學習內容與學習目標來發展素養導向的教學模組。

n  參考文獻

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高中化學科教材教法專書導讀：

第七章 化學建模教學設計—以「原子結構與光譜」為例

劉俊庚

臺北市立成功高級中學
phantom6161@yahoo.com.tw

n  前言

模型有助於釐清思考模式和解決問題，建模則是科學過程的重要組成部分，模型與建模已成為學習和科學研究不可或缺的一部分。本文主要是介紹《化學教材教法》第七章＂化學建模教學設計—以「原子結構與光譜」為例＂（劉俊庚，2020），透過建模教學示例與說明，期望能提供教師提升教學專業知能發展的參考。建模教學是否能有效協助學生探究思考，取決於教師是否擁有模型和建模教學的經驗，以及如何激發學生對於知識建構的進一步探索。教師如何引導學生如何使用模型，如何設計以建模理論框架的教學活動，從這方面來說，相信這將提供教師與學生更多機會去進行有意義教與學的契機。

n  邁向科學素養的化學教育

　　化學是一門對於自然世界的探究，以及關於物質世界發展的思想體系，化學教學可以讓學生了解科學方法，並獲得批判性思考、解決問題和溝通的能力。然而，傳統的學校化學教育仍著重於讓學習化學課程中的陳述性知識，如何在這樣的背景下，實現課程和教學實踐的轉變將是一項極具挑戰性的任務。

　　許多科學家的工作說明模型所扮演的核心作用，模型被視為理論和現象之間的中介物Giere, 1988）。根據這種觀點，科學家的主要工作是建立、修正和測試假設模型（Nersessian, 2008）。從最近出版的美國K-12 科學教育框架（NRC, 2012）和我國《十二年國民基本教育課程標準》（教育部，2018），可看出科學教育界對於科學建模理念的重視，以教育部（2018）為例提及學生應該培養探究能力，並且需要構建模型來描述物理現象的觀察，以及理解科學模型的局限性。在學校，建模能力被視為科學素養的組成部分（Gilbert & Justi, 2016；Louca &
Zacharia, 2012）。Chiu和Lin（2019）更認為培養建模能力對於 21 世紀公民的科學素養至關重要。

n  模型與建模教學策略

為什麼教學要使用模型與建模教學策略呢？我們在化學教學中使用模型必須回答下列問題，使用模型的目的是什麼？我們如何在科學教學中使用模型？學生如何發展模型？最後，模型教學時應該考慮哪些任務？如何在這樣的背景下，實現課程和教學實踐的轉變將是一項具有挑戰性的任務。

學習理解模型的性質和意義是科學教育的核心，然而，Grosslight、Unger、Jay 和 Smith（1991）的研究揭示學生通常沒有清楚地區分模型背後的想法和/或目的、模型的內容，以及支持或反駁模型有效性或有用性。相反地，學生通常將模型視為玩具或現實生活物體的縮影，很少有學生理解為什麼在科學中使用模型（Ingham & Gilbert, 1991）。當然學生也就不會賦予建模過程任何的意義。透過建模教學，教師可以了解學生的想法，並且從心智模型的交流中了解他們的想法演變，當教師將複雜的建模任務帶入課堂中，提供學生參與科學實踐的機會，也可以讓學生了解更為真實表示科學活動的情境。

n  化學建模教學活動實例—以「光譜與原子結構」單元為例

傳統的化學課程強調學生對於陳述性知識的獲取。在這傳統的教學環境中，模型的建立、評估和修正背後的動機、策略和論證均容易被忽略，因此學生們仍然不清楚如何建立模型與使用模型來了解抽象的概念，甚至於了解模型和建模的意義，此外，教師往往也沒有將這些概念明確地告於學生（Gray & Rogan-Klyve, 2018；Harrison
& Treagust, 1996）。

本書以「光譜與原子結構」單元為例，闡明使用類比融入建模教學，以及學生如何與教師共同建構與理解原子結構的概念。教學過程中以邱美虹和曾茂仁（2018）所提及的建模循環來架構整個課程，藉此促進學生了解建模歷程與獲得建模能力和原子結構的概念。

選擇原子結構單元進行課程設計，光譜與原子結構的關係可以說明如下：模型的元件（如電子、能階、殼層等），元件之關的關係（電子躍遷與原子結構的關係），以及關係之間所建立的系統（電子從高能階躍遷至低能階，產生光的頻率與能量差之關係，如此建立光譜與原子結構的關係系統）。此外，教學活動將「類比」融入建模教學活動中，藉此更能了解所欲學習的概念。以下即以「光譜與原子結構」單元為例，說明類比建模教學活動與探究能力之特徵。建模歷程的不同階段逐項說明如下：

圖1. 「光譜與原子結構」單元建模歷程圖（修改自邱美虹和曾茂仁（2018））

一、「模型發展」階段

此階段主要目標為讓學生知道建立光譜與原子結構時所需要物件的名稱，以及物件的功能，希望學生能從教材中提取相關的概念，如光的性質和原子光譜。

教學活動亦引入類比，因此教師可以要求學生可以選擇適當的類比物，如選擇「書架」或「樓梯」做為「能階」的類比物，以「樓梯」為例，如此可以讓學生利用此類比物（樓梯）來描述殼層的概念，以及「樓梯之間的高度差」類比「能階差」，此外，也可以使用「小玻璃球」類比「電子」，小玻璃球位於不同的樓梯位置，協助學生建立能階與殼層的概念。

隨後，教師可以提示學生從熟悉的「動能與位能轉換」來類比電子能階的轉換，猶如「小玻璃球」從高處落下後，會掉落至較低的位置，「小玻璃球」會釋放出位能，而「電子」從較遠的「殼層」轉移到較近的「殼層」（即是從高能階躍遷至低能階），電子會釋放出能階，以光的形式釋放出來，此過程猶如小玻璃球從較高的樓梯滾下，將原來把貯存的位能轉變為動能形式釋放出來。

上述的問題主要聚焦於元件與元件之間的關係，如光譜與能階、電子躍遷與能階等。當教師確認學生已經具備元件之間的關係，即已經完成光譜與原子結構的模型，

二、「模型精緻化」階段

此階段重點是希望學生可以透過探究的方式來檢驗所建立的模型是否正確？是否能夠利用來解釋問題的成因？透過學生建立其他的類比物來探討所欲學習之概念，並且指出類比物與目標概念之間對應的相似性，並且教師與學生相互討論的活動來驗證所建立模型與類比物的適用性、一致性和融貫性。即是從類比物「小玻璃球」和「樓梯」來探討概念與關係是否正確？以及將所建立的類比物「樓梯」與問題做比較，討論兩者是否相符合？例如「小玻璃球」在不同「樓梯」之間的位能差是否與「電子」在不同「殼層」之間的能階差相符合。此外，也希望學生能夠使用理論所推演出來的結果來建立原子結構的理論及其因果關係。

三、「模型遷移」階段

此階段要求學生指出自發產生的類比有何限制，何時會失效，分析與評估「小玻璃球」和「樓梯」作為「電子」與「殼層」的類比，或是學生自發類比與教師類比物之差異，並且評估不同類比物與光譜與原子結構關係之概念融貫性，例如在上述範例中，若依能階公式，所使用之類比物「樓梯」層之間為等距離，但「殼層」之間的能階並不是等距，依此告訴學生類比模型的限制，避免學生產生另有概念。

此外，利用已建立的模型解決新情境的問題，如建立的模型是否能適用於多電子原子？或「樓梯」和「書架」類比物有何限制？藉此增進學生推理論證與討論的能力。

四、「模型重建」階段

學生自發產生或建立模型或類比物若是無法適用於上述概念，學生須要重新尋找類比物，以及尋找類比物與目標概念之間對應關係，進行模型重建工作。例如學生若是使用「小玻璃球」與「樓梯」來類比於電子在不同殼層之間的躍遷，但是「樓梯」的各層之間為相同的距離，但是「殼層」之間的能階差並不是相同，所以學生必須更改部分元件，重新建構出適當的模型。

建模是相當複雜的思考過程，而這些建模歷程既沒有明確定義的邊界，也不一定遵循規定的順序，但教師在教學上需要特別予以說明模型遷移和重建等部分，建模是教師與學生必須學習的運作模式，教師也忽略其對於學生學習的影響。因此，建議教師平時宜鼓勵學生透過建模歷程作反思，進而提昇建模能力，並且建立後設建模知識（模型的目的與使用），以及建模過程的後設認知知識（Chiu & Lin, 2019；Nicolaou & Constantinou, 2014）。

n  結論

我們可以建模視為是一種推理的實踐工作，教師與學生可以將其運用於理解現象和解決問題工作的關鍵要素。例如，建立模型需要提出問題與評估信息，而模型精緻化需要計劃、分析和解釋相關的數據，如此將有助於釐清學生的思維，並解決問題。然而，學生通常缺乏解決開放性問題的經驗，長期以來，他們習慣於尋找一個正確的答案。基於情境的學習旨在通過提出有意義的問題將會使得學習更有意義，引入了基於情境的建模教學方式，除了可以提高學生對於化學的興趣外，也提供學生更多的機會，讓他們將情境和概念聯接起來，然而，學生在現實生活中體驗和科學建模的世界之間卻存在著巨大的鴻溝（Talanquer, 2011）。

教師若擁有足夠的建模教學內容知識，將提供教師有效地教學策略，猶如醫生治療病人並不意味著僅是診斷他所罹患的疾病，而是要找到使病人康復的方法，換言之，教師不僅需要診斷或考慮學生的想法，還需要了解建構學生想法的策略，教師在教學中扮演非常關鍵的角色。因此，教師不僅應該對科學中實際使用的重要模型與建模歷程有充分的了解，換言之，教師應該意識到模型於建構科學概念和理論中的作用，這將是促進學生科學概念理解的關鍵因素。

此外，建模活動過程中，教師與學生互動討論時，教師應該扮演什麼角色？教師如何為學生提供進行建模活動所需的條件？學生在進行建模活動時必須使用哪些技能，以及教師如何協助他們建立模型？換句話說，教師於建模教學中，如何促進學生有意義的學習，教師擁有的教學內容知識似乎也為他們有效地教學提供了更多的機會。

n  參考資料

中文部分

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劉俊庚（2011）。探討模型與建模對於學生原子概念學習之影響。國立臺灣師範大學科學教育研究所博士論文。

劉俊庚（2020）。化學建模教學設計—以「原子結構與光譜」為例。於邱美虹主編，素養導向系列叢書：高中化學教材教法(115-130頁)。臺北市：五南。

劉俊庚和邱美虹（2010）。從建模觀點分析高中化學教科書中原子理論之建模歷程及其意涵。科學教育研究與發展季刊，59，23-52。

英文部分

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高中化學教材教法專書導讀：
第八章  化學探究教學

楊水平

國立彰化師範大學化學系
yangsp@cc.ncue.edu.tw

n  前言

《高中化學教材教法專書》第八章〈化學探究教學〉的重點為：一、介紹我國自然科學領域課程綱要和美國下一代科學標準，以瞭解兩者對科學探究教學的重視和規範；二、提到科學探究的邏輯推理和開放程度與科學探究教學的密切關聯；三、簡介科學過程技能和認知思考，並說明學生的探究學習所需的過程技能和認知思考；四、提供科學探究的學習環，作為教師設計探究式實驗教材的參考，並且提供封閉實驗轉換為更開放實驗的作法，作為教師修改食譜式實驗為探究式實驗的參考；五、提供探究學習的評量方法，作為學生進行探究學習的評量作法。以下簡介本章的部分內容，作為讀者閱讀本章的導讀，詳細完整的內容以及未在此處簡介的部分（包括：美國下一代科學標準、科學探究與科學過程技能、傳統學習環與探究教學、探究學習評量方法），請參閱該專書的紙本版（楊水平，2020）。

n  我國自然科學領域綱要與科學探究

十二年國民基本教育課程綱要，高級中學階段有關科學探究能力的領綱之描述分為普通型、綜合型和技術型。在普通型高中方面：依照國民中小學暨普通型高級中等自然科學領域（國家教育研究院，2018a）的核心素養包含：一、提供學生探究學習、問題解決的機會並養成相關知能的「探究能力」；二、協助學生了解科學知識產生方式和養成應用科學思考與探究習慣的「科學的態度與本質」；三、引導學生學習科學知識的「核心概念」。藉由此三大內涵的實踐，培育十二年國民基本教育全人發展目標中的自然科學素養。在綜合型和技術型高中：本領域的學習重點涵蓋科學概念認知、探究能力及科學的態度與本質，詳細的描述請見新課綱或本專書紙本版。綜合上述三類型高中之自然科學領綱的描述，十二年國民基本教育高級中學學生自然科學探究能力的培養至關重要，科學探究教學是自然科學最重要的教學方法。

在學習重點方面：根據國民中小學暨普通型高級中等自然科學領域（國家教育研究院，2018a）領域課程綱要，學習重點分為「學習表現」與「學習內容」，兩者關係至為密切、互為表裡。前者為預期各學習階段學生面對科學相關問題時，展現的科學探究能力與科學態度之學習表現。後者則展現本階段學生認識當前人類對自然界探索所累積的系統性科學知識，也是作為探究解決問題過程中必要的起點基礎。自然科學課程應引導學生經由探究、閱讀及實作等多元方式，習得科學探究能力、養成科學態度，以獲得對科學知識內容的理解與應用能力。

n  科學探究的邏輯推理

科學家使用歸納推理和演繹推理來瞭解自然世界。在歸納推理中，科學家使用多次觀察和實驗的結果歸納成為一般化（generalization）或模式（pattern），進而形成假說（hypothesis），找出自然界運作的規律。這些一般化導致新的理論（theory）。然而在演繹推理中，對現有的理論進行理性思考，以產生理論的邏輯結果。這些結果可能導致新理論和預測，並透過實驗來測試是否為真。歸納推理和演繹推理的過程，如圖一所示。由於科學探究的過程強調探索過程（起始問題、提出假說、設計實驗、進行實驗、收集資料、處理資料以及分析資料等）的實驗結果歸納成為一般化或模式的知識，進而形成科學理論，因此科學探究的邏輯傾向歸納推理的過程。然而，知識或理論的應用傾向演繹推理的過程。

圖一：歸納推理（左）和演繹推理（右）的過程（圖片來源：楊水平，2020，p. 135）
〘勘誤：在該專書紙本版頁135圖8-1，因編輯過程錯誤標示，左圖誤植為演繹推理且右圖誤植為歸納推理。在此更正為：左圖為歸納推理且右圖為演繹推理。〙

n  科學探究的開放程度

Domin (1999) 提到任何科學實驗所遵循的步驟，不是由學生自己設計，就是由外部來源（教師、實驗手冊或講義）提供給學生。Domin (1999)提到探究為本（inquiry-based）和問題為本（problem-based）的教學方法要求學生設計自己的步驟；然而詳述（expository）和大多數的發現（discovery）的教學方法卻是給予學生實驗步驟。Domin (1999) 也提到探究為本和發現的實驗風格屬於歸納推理，而詳述和問題為本的實驗風格屬於演繹推理。

Schwab (1962) 首先提出實驗的分類，後來Herron (1971)修改他的分類並評估實驗的項目是基於當活動開始時學生被提供多少資訊而歸類其開放程度。縱觀舊課綱的高級中學化學實驗設計，此處以他們的四等級實驗加以分析，大多為開放程度低等級的食譜式實驗。根據十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要中的學習表現來看，強調編撰科學實驗教材和學生的科學學習，應該力求開放程度高等級的引導或開放探究式實驗。

n  普通型高中課程科學探究與思考智能

根據十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要，學習表現有三項目（國家教育研究院，2018a）：探究能力‒思考智能、探究能力‒問題解決以及科學的態度與本質。以下整理第五（高中）學習階段學習表現中的「探究能力‒思考智能」，其實有部分的科學過程技能融入到思考智能，並且與科學探究有著密切的關聯，如表一所示。這表中有前三子項只有部分描述，完整的描速詳見紙本版的附錄二。在此表中以中刮號標註的粗體文字為科學過程技能。

表一：第五學習階段學習表現中的「探究能力—思考智能」

由上表的標註得知，科學過程技能與探究能力的思考智能也有密切的關連。Fitriyah (2013) 提到科學學習包括學習過程（process）和產出（product），學習者的思考技能是解決資訊時代日益複雜的生活問題所需的生活技能之一。正規的思考技能是學習者在科學學習概念微觀屬性過程中接受智力刺激的能力。在實驗室中使用探究學習，學生有很多機會透過實驗操作直接獲取數據、整理數據、解釋數據、得到結果、建立假設、測試假設，進而得到結論。在探究過程中，學生隨時利用思考技能，也利用科學過程技能。

n  科學探究教學與5E學習環

5E學習環（5E Learning Cycle）是一種教學模型，是基於John Dewey的經驗學習哲學和David Kolb提出的體驗學習環來定義學習的順序。此學習環由Bybee在生物科學課程研究（Biological Science Curriculum Study, BSCS）提出的，以建構論學習理論為框架，可以有效地使用於科學教學。

5E學習環亦稱5E教學模型（5E Instructional Model），如圖二所示，以下整理自Bybee, Taylor, Gardner, Van Scotter, Carlson Powell, Westbrook和Landes (2006) 及Llewellyn (2013) 的五個階段教師和學生的角色。5E學習環涵蓋五項重要的過程：參與（Engagement）、探索（Exploration）、解釋（Explanation）、精緻（Elaboration）、以及評或評量（Evaluation），各過程的詳細說明請見紙本版。

圖二：5E學習環（圖片來源：楊水平，2020，p. 145）

n  轉換更開放的實驗

Volkmann和Abell (2003) 提到藉由他們開發的探究分析工具（Inquiry Analysis Tool）所詢問的問題，如表二所示，可以有系統地分析科學實驗是否為食譜式或探究式實驗，回答「是」的比例越高其探究式實驗的程度就越高。此工具提供更改食譜式實驗成為探究式實驗的功能。

表二：探究分析工具（Volkmann和Abell, 2003）

Volkmann和Abell (2003) 提到修改食譜式實驗成為探究式實驗的原則，主要有四項：問題、證據、解釋及溝通。由上表的探究分析工具的問題依序詳細說明，(一)問題：修改活動的目的為問題；讓學生參與產生問題以調查活動的方式進行；使問題與學生相互關聯。(二)證據：丟棄食譜（或其中的一部分），為學生、小組或班級提供定義變因、開發步驟、設置數據表和進行預測的機會；(三)解釋：教師的解釋和教科書的閱讀從實驗前移到實驗之後；期望學生基於證據的解釋作為所有實驗工作的核心步驟；為學生提供工作和交談的機會；藉由尋找模式，使用證據和邏輯來支持解釋，並在構建基於證據的解釋中磨練他們的技能；以及(四)溝通：透過討論、寫作和作圖，提供機會向其他同儕呈現解釋；要求學生根據證據評鑒他們解釋的邏輯。縱觀Volkmann等人的原則，教師可以藉此修改更開放的實驗，然而尚有不足之事，例如：學生規劃實驗步驟留意安全的考慮和可使用的設備；讓學生設定自己的目標，做出決定並評估自己的進步之處；還有，避免對學生的想法和解釋進行總結性評量。

n  參考文獻

國家教育研究院（2018a）。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域（107年版）。取自https://www.naer.edu.tw/ezfiles/0/1000/attach/63/pta_18538_240851_60502.pdf

楊水平（2020）。化學探究教學。出自邱美虹主編，素養導向系列叢書：高中化學教材教法（131-151頁）。臺北市：五南。

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