臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan第四十二期 主編的話
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授
國際純粹化學與應用化學聯合會（IUPAC）執行委員會常務委員
中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員
美國國家科學教學研究學會（NARST）前理事長
mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw
近年來，全球對於在科學–科技–工程–數學(STEM)人才流失以及女性在STEM相關領域(STEM-Plus，除前述四領域外，還可包含設計、醫學等等)的議題，持續表現高度關心。亞太經濟合作（Asia-Pacific Economic Cooperation, APEC）的各經濟體對於具備科學素養能力之人力亦顯需求日漸迫切；但來自APEC經濟體系教育系統的人力產出不僅不足，甚至還在減少（UNESCO Institute of Statistics，2015）。基於認知到此一需求，在智利（2004年）、秘魯（2008年）和韓國（2012年）的亞太經合組織教育部長級會議上，聚焦於科學教育之計畫已被列為優先考量，而除了STEM-Plus教育的重要性受到關注之外，女性在STEM-Plus領域的發展以及參與率也愈發受到世界的矚目，包括澳洲提出推動女性在STEM領域發展的策略以及由聯合國提出，每年舉辦慶祝活動的「國際女性科學日」等，都彰顯女性在STEM-Plus領域的影響力已日漸上升；因此，如何改善女性學習環境並促使他們成為STEM-Plus相關產業的一大助力便成為各經濟體的重要新挑戰。
為了回應此議題並促進臺灣和亞太地區之STEM-Plus教育交流，及探索亞太地區女性在STEM-Plus領域發展的情況，我受教育部國際及兩岸教育司邀請在2019年智利之APEC年會中提案辦理亞太地區STEM-Plus for Women and Girls 工作坊，並成功獲得APEC經濟體與人力資源發展工作小組支持與贊助得以辦理該項活動。原預計在2020年5月執行此計畫，但受到COVID-19疫情的影響，遂延期至2021年3月25-26日舉辦線上與實體並存的會議，除有專題講者的演講之外，也包含了APEC經濟體代表報告以及專家小組論壇。
開幕致詞的貴賓有APEC 人力資源發展工作小組主席Dong Sun PARK教授以及教育發展分組協調人王燕教授、教育部國際及兩岸教育司司長李彥儀博士和國立台灣師範大學校長吳正己教授為大會致詞。此次共計邀請六位大會專題演講者分別來自韓國、澳洲、美國、愛爾蘭、新加坡和臺灣、八位經濟體代表分別來自俄羅斯、越南、馬來西亞、菲律賓、智利、墨西哥、美國、祕魯等報告各經濟體在STEM教育上的政策和措施，以及一場專家論壇(阿根廷、日本和兩位國內學者擔任講員)。
長久以來男女在學校和STEM職場上的差異在許多國家皆可見，這已經不是新聞，但仍持續發生則是問題。以韓國為例，受高等教育的STEM女性並不在少數，在職場上卻佔低比例，這些女性都到哪裡去了呢? 在馬來西亞這樣的現象卻是相反的，女性在各方面其實都佔優勢的。又如祕魯教育部代表提及強化師資評鑑系統，以提供女學生更友善的學習環境是他們努力的重點。智利代表則指出若將女性勞動力納入，可望增加20%的生產力。而美國代表也指出STEM相關領域中以男性主導的狀況也是存在的，要改變大家對STEM的刻板印象、建立女性楷模與減少對STEM的學習焦慮等議題都是目前在進行的方向。阿根廷教授則是提到大學教授在STEM領域中女性升等為教授者寡，很難為女學生找到可學習的對象等等。從報告中不難發現，各國的文化價值觀左右社會和家長對女性在STEM-Plus中的表現，若想從一個成功的案例移植到另一個國家，文化差異與價值觀是不得不思考的問題。臺灣相較而言是幸運的，在學校裡男女大都有均等的學習機會，而在職場上也都有發揮所長的機會。如何維持這樣的優勢，使人才培育能在更具多樣性(diversity)、平等性(equality)和包容性(inclusion)、的環境中穩定發展，才是大挑戰。
綜上所述，性別差距仍存在於許多國家，許多努力和方案都仍持續在發生，但對於家長、師長和社會對女性的刻板印象、女性低估自己的能力與長處、缺乏自信、缺乏女性楷模(學習的對象)、缺少支持女性在工作場域中的需求與尊重等等，還需要有智慧和行動力的結合與支持，才可望向前邁進小小的一步。最後以居禮夫人的一句話來結尾甫剛結束的STEM-Plus會議， I was taught that the way of progress is neither swift nor easy.~ Marie Curie
本期專題「高中自然科學探究與實作」是由新北高中鍾曉蘭老師負責，其中包括鍾曉蘭的領頭羊一文以及另外三篇探討探究與實作課程的文章。第一篇是國立臺灣師範大學附屬中學洪逸文老師分享提問的技巧與產生可探究的問題應如何設計。第二篇是四位中學老師(鍾曉蘭、鐘建坪、謝東霖和許舜婷)合作開發的「咖啡牛奶的探究與實作課程」，內容完整豐富，可以立即應用在探究與實作的課程中。第三篇是桃園武陵高中張明娟老師與吳德彭老師設計的「全球氣候變遷」共備、實施、評量等經驗分享。第四篇則是中山女高蘇芳儀、許哲瑜、曹雅萍三位老師的食物探究課程共備、模組開發、實施與修正、學生成果等等進行經驗分享。高中科學探究與實作的課程已進入第二年的實施階段，各校教師都卯足全力發揮潛能設計具各校特色的課程、進行實施與評量、並根據實施回饋與成效加以精緻化教學模組與評量內容，令人嘖嘖稱讚。若果能以如此研究的精神開發、實踐、反思、修正教學內容，相信必能翻轉學校科學教育的。
本期刊另外還有兩篇常態性文章，一篇是大甲高中陳許玉鈴和廖旭茂兩位老師再訪肉桂實驗，延伸上一期廖旭茂老師的化學篇，本期文章從黴菌菌種培養的實驗技能的培養到探究殺菌的學理，是個具本土特色可以直接應用在探究與實作的課程。另一篇是張耕碩老師以學思達教育理念–「以學習者為中心」的教學法來設計常見的水的電解實驗，提供教師用以啟發學生思考的教學法。
參考文獻
UNESCO Institute of Statistics (2015). Women in Science, UIS Fact Sheet, November, No. 34
高中自然科學探究與實作：發現問題、課程模組設計與修正 ／ 鍾曉蘭
星期一 , 8, 3 月 2021 本期專題, 第四十二期/2021年3月 在〈高中自然科學探究與實作：發現問題、課程模組設計與修正 ／ 鍾曉蘭〉中留言功能已關閉高中自然科學探究與實作：發現問題、課程模組設計與修正
鍾曉蘭
新北市立新北高中
新北市化學課程發展中心
n 引言
「自然科學探究與實作」是108課綱的新設的部定必修課程，也是目前討論度頗高的新課程，極少數的學校已實施一年半以上的課程，絕大部分的學校則剛實施一學期以上，課程從規劃到實施，期間各校老師面臨各種挑戰，從課程規劃、教師社群共備、如何進行多元而公平的評量，及如何呈現學習歷程檔案等，一直爭議不斷。許多老師參加很多場研習，卻仍然對如何規劃與如何教授四個探究歷程，存有許多的疑慮。筆者參與多場研習中，觀察到老師們熟習「規畫與研究」的探究歷程，也會儘量安排學生進行不同形式的「表達與分享」，然而對於如何引導學生「發現問題」、「論證與建模」這兩個探究歷程，多半停留在課綱學習內容的字面解讀，對於轉換成實際教學歷程與規劃教材，仍有一些誤解，或課程實施規劃上過於簡約或偏於科學活動的設計，導致課程中實作豐富而探究歷程不足。
如何設計適合學生先前能力的課程模組，又能合乎學生的生活經驗，引起學生學習興趣的課程模組，真的亟需要學校老師們群策群力。課程實施前，許多學校的自然領域便成立教師社群以進行課程共備，一旦進入正式實施課程，共備社群也不斷的因應學生的能力，邊上課邊修正課程進度，課程規劃表也一修再修，期望學生能從課程中習得探究能力。然而，課程的修正不易，因而本期專刊提供三所學校的修正歷程以供讀者參考。此外，筆者也發現老師們對問題類型多半停留在「why」的問題，對於問題類型了解不深，對於如何引導學生提問也缺乏合適的教學鷹架，特別邀請師大附中洪逸文老師，深入說明如何引導學生學習「發現問題」的探究歷程，期望能解決現場教師們某些疑慮。
n 本期專刊介紹
本期的專刊一開始先以師大附中洪逸文老師分享「從 why 到 what-探究問題的層次在教學與學習的意義」，許多現場老師與學生習慣問why的問題，洪老師說明教學策略是要將問題的形式會是從「為什麼？」，轉變成「變化情形是如何？」，到最後可以被探究的問題：「什麼因素讓它變成這樣？」，洪老師在文中提出發現問題的U框架，期待幫助現場老師釐清「發現問題」探究歷程的教與學。其二，是筆者與錦和高中鐘建坪老師、新北高中許舜婷老師及陽明高中謝東霖老師，於一年多前經多次研習與共備產出的「咖啡牛奶的探究與實作課程」，原先設計六週課程，但經過實施後，修改成九週課程，並在原有的課程架構下，增加許多教學引導語，幫助老師進行教學鷹架。其三，是桃園武陵高中張明娟老師與吳德彭老師設計的「武陵高中自然科學探究與實作實施經驗分享」，主要分享該校共備的經歷，課程如何實施的現況、活動的實作評量、如何學習單批閱的分工，及期末紙筆測驗的實施。其三，是中山女高曹雅萍老師、蘇芳儀老師及許哲瑜老師的「中山女高自然科探究與實作實施經驗分享」，文中說明該校共備的情況，也提到不同主題下的學習內容重點主要差異比較，也說明整個課程的修正概況，並提供學生的學習成果示例，以期提供現場老師進行課程設計與修正之參考。
高中自然科學探究與實作：從why 到 what- 探究問題的層次在教學與學習的意義 ／ 洪逸文、王靖華
星期日 , 7, 3 月 2021 本期專題, 第四十二期/2021年3月 在〈高中自然科學探究與實作：從why 到 what- 探究問題的層次在教學與學習的意義 ／ 洪逸文、王靖華〉中留言功能已關閉高中自然科學探究與實作：從why 到what-探究問題的層次在教學與學習的意義
洪逸文*、王靖華
國立臺灣師大附中
v3256bear@gmail.com*
n 前言
探究與實作課程將為傳統科學教學與學習模式帶來改變的契機，在透過教師引導學生經歷了發現問題、規劃研究、論證建模及表達分享等步驟，來體驗科學探究活動的進行方式。然而，如何在課程中引導學生產生可以被探究的問題就是首要之務，因為，學生若能產生可探究的問題，並藉此聚焦、指引其解決問題的方向，他們就有機會進行主動、獨立的學習活動。
n 從 Ｗhy 到 Ｗhat – 探究問題的層次在教學與學習的意義
一、探究與實作課程的意涵
科學探究是一種不斷經歷發現問題與解決問題的過程，更進一步說，在探究過程中，還需對探究問題如何形成、實驗如何規劃與實驗結果是否正確等問題，提出與他人討論，藉由相互的溝通與批判，產生最能有效解決問題的論點（李明昆、洪振方，2011）。若以此觀點來進行探究與實作課程的教學與學習，就會與傳統的「實驗」課程有明顯的區隔。因為傳統的實驗課程從問題的發現到問題的解決都是被設定好的，學生只要依循相關實驗手冊、實驗記錄簿的步驟進行，就會得到「標準」、「正確」的答案。學生學習到的大都是「如何操作」的知識，而不是日後可以「探究」新議題的概念與能力。
除了傳統實驗課程之外，教學現場對於探究與實作課程還有另一種誤解，老師們常覺得這門課就等同於「專題研究」。這個說法對的部分，在於探究與實作課程的內涵就是「初階的研究法」（陳竹亭，2020）。也就是說，這門課程的宗旨是要讓學生體會科學研究是如何進行的，藉由某些跨學科知識概念為背景所設計出來的課程主題，進而學習到科學研究的相關程序性知識與過程技能。然而，有別於「專題研究」課程，探究與實作課程是一門「部定必修」課程，意即每次上課要面對都是一整個班級的學生，而不是人數有限的專題選修學生；其次，在課程主題方面，因探究與實作課程需同時面向「自然組」及「社會組」取向的學生，課程主題先要能引發這兩種學生的學習興趣與探索意願，然後才有深入探究的可能。所以教師要如何挑選課程主題就會有多面向的考量與限制，這跟專題研究主題的自由選擇發揮性產生了很大差異。
總之，比起過去的食譜式的實驗課程，探究與實作課程在探究內涵上，賦予學生更多主動、彈性的學習面向。在教學實務上，若以專題研究課程的教學負荷來看，探究與實作課程更需要有效的教材設計與教學引導，特別是在課程主題的選擇，如此才能協助課程內容的聚焦與順利進行。
二、課程主題的取材與框架
從檢視各校所填報課程計畫書的課程主題中可以發現，有些探究與實作的課程主題是來自過去已經發展成熟的科學遊戲或活動。這些活動、遊戲都可以充分地吸引學生的注意，也能提供學生動手做的機會，然而，我們要如何在遊戲中讓學生從hand-on到 mind-on呢？首要的關鍵就在於如何引導他們「發現問題」？這裡所發現的問題不是指在完成實作作品過程中所遭遇操作的困難，也不是指概念的澄清，更不是背後科學原理的解釋，而是幫助學生能夠產生（genesis）「具有探究性」的科學問題。換言之，教師在思考如何設計自身教學與佈置學習環境，從而引領學生進行探究活動時，第一個挑戰就是如何激發學生在設定的「問題情境」(problem situation)中，尋找進而形成可探究的問題（陳柏霖，2016）。
教師要如何設定問題情境呢？底下將就三種引發不同回應的問題情境進行討論，分別是：潛在的（potential）、隱含的（implicit）與明顯的（evident）問題情境。在潛在的問題情境中，所呈現的事件、物品本身並不存在著問題，個體必須從中去創造、設立目標，然後建構出（construct）問題，如同藝術創作者所為；在隱含式問題情境中，問題就隱藏於所呈現的素材中，個體必須去察覺出 （sensing）、揭示出（uncovered）、構想出（formulated）初步問題，後續還可能會引發去搜尋（search）更多相關訊息，以確認及形成探究問題；最後在明顯的問題情境中，個體可以察覺明顯的問題事件（event），但還要進行對事件的再辨識（recognize）以產出（produce）問題（邵惠靖，2002；Dillon,
1982）。
因爲探究始於問題的形成，意即在形成一個可被探究的問題之後，就會決定隨後所採用的問題解決方式。依照上述討論，教師若能在探究與實作課程設計使用隱含的問題情境，也就是藉由若隱若現的（emergent）的問題，讓學生去探測（probing）所呈現的相關資料，辨識問題事件，找出問題元素，進而完成「問題發現」的活動，就可以有效引導學生進行後續的問題解決。
三、「問題發現」的教學思考
不論是PISA國際評比或國內的調查研究成果都顯示，我國學生在辨識問題形成科學議題之能力是不足的（李明昆、洪振方，2011）。這個現象一部分源自於課堂教學模式中，大多是單向知識的傳遞，即使課堂中師生提問的性質也多偏向「事實的陳述」與「觀念的澄清」，而非應用、分析、綜合與評價等較高層次的問題思考。另一部分的原因在於學生缺乏充分機會去思考問題本質與問題周遭之關聯（連啟瑞、盧玉玲，2005），換言之，在探究與實作課程中的問題本質，即是提問者對於科學問題定義的認知情形。簡單來說，就是學生根本不知道且沒被教導什麼是可被探究的問題。
若是以問題發現的認知建構歷程而言，學生會從問題情境所顯現的事件來啟動認知結構的選擇與注意，並嘗試建立事件線索與既有認知訊息間的關聯，此時就是一個幫助學生建立「什麼是可被探究的問題」的教學階段，而不是讓學生問題停留在探索源由（why）類型的階段。雖然一般課堂教學問答經常會出現為什麼，但「為什麼類型的問題」往往很難運用來設計探究。因為這類型的問題常常僅是在找尋對事件、現象的解釋或解答，很少涉及到造成事件、現象可能變因的討論，還有探索變因彼此之間的變動關係（Settlage ＆ Southerland, 2007）。換言之，為什麼類型的問題就是缺乏了未來研究可以進行的面向，所以不適合成為探究與實作課程教學或學習的導引問題。
就探究與實作教學實務而言，受限於課堂人數與課程聚焦，課程的主題通常已經被設定，而教師要就此一主題提供什麼樣的問題事件，讓學生能有限的課程主題邊界內找到探索的可能，關鍵就在於變因的確認。
四、探究與實作的U框架
雖然現今教學現場常見使用6W與焦點討論法（ORID）等方式來導引學生發現問題，但這兩個方法都有其侷限，舉例來說：6W（who、when、what、where、why、how）中應以which來取代who，才符合探究中變因的概念；焦點討論法目的是在引導參與者分享對事實、感受、想法與行動的看法，常被使用於團體討論的引導，若是要應用到科學研究，其對應如圖1所示。然而，這兩種方法仍然缺乏對於發現問題的具體教學導引，也就是如何幫助學生從常見的為什麼類型問題換成為可被探究的問題。
圖1：ORID與科學探究過程的對應。
要如何導引學生脫離常見的為什麼類型問題呢？我們可以先從豐富問題事件的線索著手，再設計相關的提問，想辦法幫助學生建立跟既有知識間的關聯，進而引導他們建立「什麼是可被探究的問題」。以傳聲筒的科學遊戲而言，當教師提供兩組不同的傳聲筒，一組是中間有線串接的兩個紙杯，另一組則是沒有線連結的兩個獨立紙杯，讓學生觀察兩組的傳聲現象有何差異？學生觀察後，常提出的問題是：「為什麽傳聲筒能傳遞聲音？」。雖然教學者熟知其科學原理為：聲音是一種能量，可透過空氣振動產生波動來傳播，在被耳朵接收後產生聲音。但教學者應該引導學生思考傳聲筒在聲音傳遞中的角色，也就是教學者必須將why類型的問題降階，不是直接說出答案，而是要導引學生朝著how形式問題的方向進行思考。
當提出這個以How形式出發的問題：「傳聲筒如何影響聲音的傳遞？」，就能幫助學生較快連結到「傳聲筒是作為一種聲音傳播的介質」的概念。他們因此可以推論得出：改變這作為傳播介質的傳聲筒時，可能會帶來聲音傳播的改變。到此，教學者就可以協助導引出What形式的問題：「不同的傳聲筒如何影響聲音的傳遞？」。等到這個形式的問題被提出時，問題中的操縱變因與應變變因都已具備，且可被觀測與量化，這已經形成一個可被探究的問題。
簡而言之，教學者的教學策略是要對問題層次進行降階，意即從Why、How到What，問題的形式會是從「為什麼會這樣？」，轉變成「如何變成這樣的？」或「變化情形是如何？」，到最後可以被探究的問題：「什麼因素讓它變成這樣？」。然而，這只是探究與實作U框架（圖二）左側的教學過程，然而，U框架右側的學習過程又代表著什麼意義呢？
圖2：探究與實作的U框架。
當學生利用探究問題進行實驗規劃時，並可透過不同變因的操作去探索各種聲音傳遞的可能影響因素，也就是U框架右側的what階段到how階段時，他們的學習就不再受限於教科書或參考書中所傳遞的「理想化」知識概念，而是一種透過實作活動體驗為知識學習的基礎。此時傳聲筒也不再是一個科學遊戲的玩具，而成為從事科學研究的一個工具。到了最後，學生在過去的學習中，雖已得知「聲音的傳遞需要有介質」這個概念，但重新藉由傳聲筒的探究過程，他們對於聲音傳遞與介質這些概念，不再只是被動地記憶了這些知識，而有了更深刻的體驗與理解，還能從中學會了探究的過程技能。因此，在探究與實作的教學與學習過程中，U框架的落實不僅能確保課程實施的成效，更讓學生具備日後主動進行學習的能力。
n 結語
對於教育現場而言，探究與實作課程對學校所帶來的衝擊與挑戰，雖遠超過本文所討論的內容。然而，單純就教學面向而言，如何引導學生進行「發現問題」，常是老師們感覺最困難的地方。希望教師能透過探究與實作U框架的概念，引導幫助學生認識與建立「什麼是可被探究的問題」，也就是從現象出發去辨識問題，進而形成科學議題、培養問題解決的能力。
n 參考資料
1. 李明昆、洪振方（2010）。國三學生對探究性科學問題提問之研究。臺北市立教育大學學報，41(2)，111-148。
2. 邵惠靖 ( 2002 )。擴散性思考、數學問題發現與學業成就的關係（未出版之碩士論文）。國立政治大學，臺北。
3. 連啟瑞、盧玉玲（2005）。創造思考的基礎訓練–探究性問題的形成。臺北師範學院學報，18(1)，29-58。
4. 陳竹亭（2020年，10月）。探究與實作: Why, What, & How。簡報發表於國教署探究與實作北區推動中心辦理之「探究與實作的想像與實踐」論壇。
5. 陳柏霖（2016）。科學問題發現概念、發展及其與教學實務之關係。國立臺中教育大學學報：數理科技類，30（2），1-19。
6. Dillon, J.T. (1982). Problem finding and solving. Journal of Creative Behavior, 16,97-111.
7. Settlage,J. & Southerland, S. A. (2007). Teaching science to every child. New York:Routledge.
高中自然科學探究與實作：咖啡牛奶的探究與實作課程 ／ 鐘建坪、鍾曉蘭、謝東霖、許舜婷
星期六 , 6, 3 月 2021 本期專題, 第四十二期/2021年3月 在〈高中自然科學探究與實作：咖啡牛奶的探究與實作課程 ／ 鐘建坪、鍾曉蘭、謝東霖、許舜婷〉中留言功能已關閉高中自然科學探究與實作：咖啡牛奶的探究與實作課程
鐘建坪1、鍾曉蘭*2、謝東霖3、許舜婷2
1新北市立錦和高中國中部理化科教師
2新北市立新北高中化學科教師
3台北市立陽明高中化學科教師
日前公告的108課程總綱強調自然科學的學習能夠進行跨科統整的探究與實作，／除了著重學生動手操作之外，亦希望協助學生進行有系統地探究相關主題（教育部，2013）。自然科學領綱呼應總綱並提供探究與實作的不同階段與施行步驟，包括：發現問題、規劃與研究、論證與建模以及表達與分享（圖1）（教育部，2018）。新北市化學科課程發展中心參考國家教育研究院任宗浩研究員的演講資料之後（任宗浩，2018），著手將影響熱咖啡加牛奶的溫度變化主題與自然領綱探究與實作的步驟整合，設計學習單與教師操作說明，實際進行教學，形成教學上可操作與研習推廣的教材內容。
圖1：自然領綱提供之探究與實作階段與步驟
目前咖啡飲品在臺灣市場日漸普及，高中學生對於咖啡並非陌生，在其日常生活中常可聽到咖啡搭配牛奶的不同商品，再加上此主題可從化學、物理角度出發探討不同變因的影響，實屬適切可開發的主題，茲將目前操作內容與讀者分享。
n 咖啡牛奶課程
課程時間的規劃依照探究與實作四階段進行，初步課程規畫表如表1。第一階段著重在發現問題，時間為1周2節課，強調如何導入情境、蒐集相關資訊、形成可驗證的問題；第二階段著重在規劃與研究，時間預設為4節課，強調如何協助學生設計與實際操作實驗；第三階段著重在論證與建模，時間預設為4節課，強調協助學生解釋數據、提出結論、建立模型等；第四階段著重在表達與分享，協助學生製作海報/簡報，對自己與他組的成果進行省思與評價。
表1： 咖啡牛奶的初步課程規劃表
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週次(時間) |
主題：單元 |
內容綱要說明 |
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生活現象的探究與實作:咖啡牛奶篇 Part 1： 試做咖啡牛奶
跨科概念: 物質與能量、科學與生活 |
[發現問題] l 觀察現象(生活情境引導):觀察咖啡加入牛奶的溶液溫度變化情形，藉以引發探究的動機。 l 形成或訂定問題：探究咖啡牛奶溫度的影響因素與可能關係，提出Whether、What、Why及How等不同類型的研究問題。 l 蒐集資訊：學習從具效度之參考資料庫找尋可驗證的觀點與可能原理為何? l 提出可驗證的觀點：請學生說明所挑選的影響因素，推測影響實驗結果的原因？ |
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2-3 |
Part 2： 咖啡牛奶實驗 |
[規劃與研究] l 依據上週的實驗，找出影響咖啡降溫的可能原因：寫下研究的實驗假設，說明挑選的影響因素，是如何影響實驗結果的？ l 依據你的實驗假設，開始設計一個實驗：實驗的變因為何？說明要如何測量應變變因？預計做幾組實驗？說明每組實驗的初始條件與實驗設計為何？並完整寫出你的實驗流程。 l 設計一個方便記錄你們觀察數據的表格，詳細紀錄實驗結果。 |
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4-5 |
Part 3： 實驗結果與討論 |
[論證與建模] 實驗數據處理與分析、實驗結果與討論 l 依據整理後的資料數據，製作圖表：確認哪一項變因為X軸、Y軸，確認變因單位與範圍，學習使用軟體與繪製圖表，畫出關係圖，計算或分析不同時期的溫度變化量。 l 解釋和推理：詳細描述測量所觀察的現象，由資料數據的變化趨勢看出其蘊含的意義；討論結論背後可能的因果關係或影響因素，並形成解釋。 l 提出結論或解決方案：由探究結果形成結論或論點；針對既有的數據、質性或量化關係、結論等不足之處決定是否有重複實驗或實作之必要? l 建立模型：以結構或系統的經驗將數據、資料或概念以圖像呈現，以建立質性或量化的模型；分析小組所建立模型適用的條件與限制。 |
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6 |
Part 4： 口頭報告實驗成果 |
[表達與分享] l 表達與溝通：請各組整理前幾周的資料，完成一份探究與實作的海報/簡報，並準備8分鐘為限的口頭發表。 l 合作與討論：在各小組分享的過程中，提出問題與回饋。 l 評價與省思：在聽完各組提供的回饋之後，針對各組的回饋與問題進行回覆，進而反思並修正自己的各階段內容，亦可重新設計新的思考實驗。 |
註：本課程模組修改自：任宗浩（2018，6月）。咖啡加牛奶。科學素養導向評量工作坊，臺北市立中山女子高級中學。
n 發現問題
在此階段希望學生能從生活現象中觀察，進而提出問題與可驗證的觀點。教師一開始詢問學生咖啡飲品的相關問題，並現場演示將熱咖啡加入牛奶，詢問學生加牛奶的時機點是否會影響最後咖啡溶液的溫度（見圖2）。學生觀察教師演示之後，須先猜想在兩杯熱的黑咖啡中加入牛奶的時機點是否會影響最後兩杯咖啡溶液溫度。若是，需再提出何種因素會影響最後溶液的溫度；若不是，亦須說明不影響的原因。接著讓學生查詢具公信力的網路資料（如：科技大觀園、《科學研習》、《科學月刊》、《臺灣化學教育》等），再讓學生說明所挑選的影響因素可能如何影響實驗結果，而常見學生的迷思概念說法如下：「熱的黑咖啡中加入牛奶的時機點不會影響最後兩杯咖啡溫度，因為兩杯溶液皆在相同的環境中，兩杯黑咖啡分別在相同時間下與牛奶達到熱平衡。」
圖2：黑咖啡不同時間點加入牛奶後測量溫度示意圖
n 規劃與研究
在此階段協助學生將發現階段的問題與探討的因素轉變成可操作的實驗內容。首先讓學生回憶上次提出的研究問題與可檢驗的觀點內容，並思索相關的變因中何者是操作變因、應變變因與控制變因（如表2）。接著讓學生嘗試設計想要收集實驗的資料表格（如表3）、須做幾組實驗、每組實驗的次數規劃幾次與相關的實驗器材與操作注意項目。再讓學生寫下實驗流程，並在實際操作時拍照記錄作為之後表達與分享的內容。最後讓學生實際操作實驗，讓學生實際觀察與紀錄實驗數據，並思索是否可以找到混合牛奶後咖啡牛奶溫度能最高的條件。
表2： 各種實驗的不同類型變因說明
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變因類型 |
實驗一 |
實驗二 |
實驗三 |
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操縱變因 |
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控制變因 |
溶液總質量、咖啡杯、溫度計、環境溫度及濕度、無風環境等 |
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應變變因 |
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表3：實驗記錄表格示例
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時間(分) 咖啡液溫 |
0.0 |
0.5 |
1.0 |
1.5 |
2.0 |
2.5 |
3.0 |
3.5 |
4.0 |
4.5 |
5.0 |
5.5 |
6.0 |
6.5 |
7.0 |
8.0 |
8.5 |
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先加牛奶 (℃) |
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後加牛奶 (℃) |
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n 論證與建模
分析資料數據以提出科學主張或結論、發現新知或找出解決方案。發展模型以呈現或預測各因素之間的關係。檢核資料數據與其它研究結果的異同，以提高結果的可信度，並察覺探究的限制。分為四大學習內容：分析資料和呈現證據、解釋和推理、提出結論或解決方案及建立模型。
分析資料和呈現證據需引導學生思考如何將數據轉為合適的圖表，包括X軸為操縱變因，Y軸為應變變因；X軸與Y軸要標明單位，若數據過大要使用省略符號。依據要表達的目的，使用合適的圖。解釋和推理需引導學生思考：如何由資料數據的變化趨勢，看出其蘊含的意義；描述測量所觀察的現象，如當咖啡溫度與室溫相差越多時，每秒溫度的下降率越多、前五分鐘時溫度下降率為x℃/min等（示例見圖3）。由資料數據顯示的相關性，推測其背後可能的（因果）關係，發現實驗結果的異同處，可查詢資料，提出產生異同的可能原因，如牛頓冷卻定律、比熱、蒸散作用等。建立模型則需嘗試由探究結果建立合理模型以描述所觀察的現象：以結構或系統的經驗將數據、資料或概念以圖像呈現，以建立質性或量化的模型；察覺模型的侷限性:分析小組所建立模型適用的條件與限制，如確認所建立的模型在初溫（溫差）何種範圍內才適用。
n 表達與分享
運用適當的溝通工具呈現重要發現，與他人分享科學新知與想法，推廣個人或團隊的研究成果。分為三大學習內容：表達與溝通、合作與討論及評價與省思。
表達與溝通是請各組整理前幾週的資料，完成一份探究與實作的海報/簡報，並準備8分鐘為限的口頭發表；一般完整的報告，須包含研究動機、研究目的、研究問題、研究假設、實驗設計、實驗流程、實驗數據與分析、實驗結果與討論、結論、心得與反思等部分。合作與討論可引導學生思考幾個層面，例如：變因的設定上是否符合假設？實驗流程是否符合變因？數據和圖表的關係是否有矛盾？討論和結論的邏輯性是否合理？結論是否有符合他們的假設？整個實驗的限制性是否明確？評價與省思則是聽完各組提供的回饋之後，回頭去修正自己的各階段內容，並針對各組的回饋與問題進行回覆；可引導學生思考幾個層面：哪些問題是你們可以回答的？哪些問題是你們歷程中疏忽要修改的地方？哪些問題是需要近一步設計實驗的？課後心得與反思則可引導學生思考探究過程所遭遇的問題或困難、如何解決及待解決的問題，亦可重新設計新的思考實驗。
n 課程修正與反思
咖啡牛奶模組經過在新北高中試行一學期後，教師們在教學歷程中發現學生剛開始對於形成與訂定問題、提出可驗證的觀點及提出實驗假說方面表現不佳，因學生過去缺乏相關的學習經驗，導致此部分表現不佳需再加強，而教師也需要提供更多的學習鷹架，經由教師與小組之間不斷進行對話，以釐清學生的錯誤想法或做法。此課程的共備社群教師在多次討論後，預計將目前規劃的6週課程，延伸成9週課程，延長發現問題主題之課程時間，並將論證與建模分成初步與進階兩階段（參見附錄一），在課程規畫表中加入更多的教師指導語作為教學時輔助學生的學習鷹架（參見紅字部分），並在規畫與研究中引入初步的CER論證模式（C是主張、E是證據、R是推論），以期培養學生論證的能力。
n 結語
目前學校已進行一學期以上的自然科學探究與實作的課程，但仍有許多教學現場的問題待釐清與改進，例如：如何進行不同學科之間的協同教學、如何促進自然領域的教學共備、課堂中如何進行課程觀察與多元評量、如何依據學生的能力修改教學規畫表與課程內容、如何設計探究與實作的紙筆測驗試題、課程的實驗器材的採購、存放與經費來源等，以上都是很多現場教師亟待解決的問題，教師可以積極參加相關研習與閱讀文章，以找出解決問題的方法。本文提供生活現象的探究與實作模組，從一開始設計的6週課程，經過實施後協同教師的共備與反思，後續將修正為9週的課程規劃表，並提供教師指導語，便於教師進行教學的鷹架，期望提供教學設計的示例，以供現場教師規劃課程時參考。
n 參考文獻
任宗浩（2018，6月）。咖啡加牛奶。科學素養導向評量工作坊，臺北市立中山女子高級中學。
教育部（2013）。十二年國民基本教育總綱綱要。臺北：教育部國家教育研究院。
教育部（2018）。十二年國民基本教育自然領域課程綱要。臺北：教育部國家教育研究院。
n 附錄一
附表：咖啡牛奶的課程規畫表修正版本（9週課程）
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週次 |
單元/主題 |
內容綱要 |
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1-2 |
生活現象的探究與實作:咖啡牛奶篇 Part 1： 試做咖啡牛奶
跨科概念: 物質與能量、科學與生活 |
[課程說明] l 說明上課方式、課程主題與內容、評量方式與規準、分組與座位規劃表等 l 簡易說明探究與實作的探究學習內容(發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享) [發現問題] l 觀察現象(生活情境引導):觀察咖啡加入牛奶的水溫變化情形，藉以引發探究的動機。(引導學生思考自己或家人喝咖啡的經驗，何種情況下能夠喝到溫度比較高的咖啡，可以讓學生試做實驗，從觀察現象發現可能的影響因素。) l 預測可能影響因素與關係：影響咖啡牛奶最後溫度的因素可能有什麼？變因之間的可能關係是什麼? (讓學生自行思索可能影響最後咖啡牛奶的溫度，可能是加入的時間、加入牛奶的類型等等。) l 形成或訂定問題：探究咖啡牛奶溫度的影響因素與可能關係，提出Whether、What、Why及How等不同類型的研究問題。(儘量提出How的問題，問題中要包含操縱變因與應變變因。) l 蒐集資訊：學習從具效度之參考資料庫找尋可驗證的觀點與可能原理為何? (請學生提供查詢的參考資料來源與網址等) l 請學生說明所挑選的影響因素，推測影響實驗結果的原因？(教師此時協助學生判斷何種問題是可驗證，並且想要做的問題是哪一個。) |
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3 |
Part 2： 咖啡牛奶實驗 |
[規劃與研究] l 尋找變因或條件：依據上週的實驗，找出影響咖啡降溫的可能原因：寫下研究的實驗假說(或實驗假設)，說明挑選的影響因素，是如何影響實驗結果的？(請用肯定句，句子中只能包含一個影響因素，並且定量描述結果。) l 請挑選一個影響因素，並寫下你決定要研究的實驗假說，請學生寫出小組提出的CER論證模式。(此處可引入初步的CER論證模式，培養學生論證的能力。) l 依據你的實驗假說，開始設計一個實驗：實驗的變因為何？(包含操縱變因、控制變因及應變變因) l 依據你的實驗假說，開始設計一個實驗：實驗的變因為何？說明要如何測量應變變因？預計做幾組實驗？說明每組實驗的初始條件與實驗設計為何？並完整寫出你的實驗流程。(溫度計怎麼固定？如何判讀溫度計讀數？測量溫度的頻率為何？加入牛奶後是否立刻測量溫度？) l 設計一個方便記錄你們觀察數據的表格，詳細紀錄實驗結果。(表格中需要包含操縱變因、觀察變因、單位及數字：實驗進行中的每個步驟，都要拍照記錄。) |
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4 |
Part 3： 實驗數據處理與分析 |
[論證與建模] 實驗數據處理與分析 l 依據整理後的資料數據，製作圖表：確認哪一項變因為X軸、Y軸，確認變因單位與範圍，學習使用軟體與繪製圖表，畫出關係圖，計算或分析不同時期的溫度變化量。(引導學生思考如何依據要表達的目的，使用合適的圖，畫出關係圖，計算或分析不同時期的溫度變化量。) l 解釋和推理：詳細描述測量所觀察的現象，由資料數據的變化趨勢看出其蘊含的意義；討論結論背後可能的因果關係或影響因素，並形成解釋。(描述測量所觀察的現象，如當咖啡溫度高於室溫越多時，每秒溫度的下降率越多；發現實驗結果的異同處，可查詢資料，提出產生異同的可能原因，如牛頓冷卻定律、比熱、蒸發作用、熱容量不同或牛奶中油脂之影響等。) |
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5 |
Part 3： 實驗結果與討論 |
[論證與建模] 實驗結果與討論 l 提出結論或解決方案：由探究結果形成結論或論點；針對既有的數據、質性或量化關係、結論等不足之處決定是否有重複實驗或實作之必要?）（請同學思考解釋與討論是否能回應研究目的與研究問題） l 建立模型：以結構或系統的經驗將數據、資料或概念以圖像呈現，以建立質性或量化的模型。(量化模型可由趨勢線中，找出關係式，比較從實驗數據建立的關係式與牛頓冷卻定律關係式的異同，藉此分析不同變因是否對關係式產生不同的影響。) |
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6 |
Part 4 ： 第二次實驗設計&數據分析 |
[規劃與研究] [論證與建模] l 依據上週的實驗，找出第二次實驗想要探究的變因，如溫度差、蒸散作用、比熱、油脂及質量等，提出第二層實驗的實驗假說。 l 依據你的實驗假說，重新設計新一輪的實驗（第二層驗證實驗）：實驗的變因為何？說明要如何測量應變變因？預計做幾組實驗？說明每組實驗的初始條件與實驗設計為何？並完整寫出你的實驗流程。(學生宜說明第二次實驗設計與第一次實驗設計之間的關係，藉以訓練學生的邏輯推理與表達能力。) l 設計一個方便記錄你們觀察數據的表格，詳細紀錄實驗結果。 |
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7 |
Part 4 ： 兩次實驗結果分析與討論 |
[論證與建模] l 提出結論或解決方案：由探究結果形成結論或論點；針對兩次的數據、質性或量化關係等分析，進行兩次實驗結果異同的比較?第二次實驗結果是否能支持或反駁第一次實驗結果?( (此處可再次進行的CER論證模式，培養學生進階論證的能力。) l 建立模型：以結構或系統的經驗將數據、資料或概念以圖像呈現，以建立質性或量化的模型；分析小組所建立模型適用的條件與限制，如確認所建立的模型在初溫(溫差)何種範圍內才適用？哪一項變因是如何影響牛頓冷卻定律的關係式？ |
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8 |
Part 5 ： 製作實驗報告與簡報 |
[表達與分享] l 表達與溝通：請各組整理前幾周的資料，完成一份探究與實作的海報/簡報，並準備8分鐘為限的口頭發表。（請同學再次檢查，研究問題是否皆已討論，討論是否合宜等） l 一般完整的報告，須包含研究動機、研究目的、研究問題、研究假說、實驗設計、實驗流程、實驗數據與分析、實驗結果與討論、結論、心得等部分。 l 以上各部分均可在學生前幾週的學習單紀錄中找到對應。 |
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9 |
Part 5 ： 口頭報告實驗成果 |
[表達與分享] l 合作與討論：在各小組分享的過程中，提出問題與回饋。(可以配合投影片給予學生一些提示。若老師覺得學生對於這些因素不夠熟悉，可自行設計小組互評單，幫助學生釐清思路。) l 評價與省思：在聽完各組提供的回饋之後，針對各組的回饋與問題進行回覆，進而反思並修正自己的各階段內容，亦可重新設計新的思考實驗。(在各組發表結束後，老師可以針對各組不同的變因，和學生探討組間的比較) l 課後心得與反思：反思探究過程所遭遇的問題或困難、如何解決及待解決的問題，亦可重新設計新的思考實驗。(學生宜說明學習到哪些知識、能力與小組合作的情形、對未來學習的影響等) |
高中自然科學探究與實作：武陵高中自然科學探究與實作實施經驗分享 ／ 張明娟、吳德鵬
星期五 , 5, 3 月 2021 本期專題, 第四十二期/2021年3月 在〈高中自然科學探究與實作：武陵高中自然科學探究與實作實施經驗分享 ／ 張明娟、吳德鵬〉中留言功能已關閉高中自然科學探究與實作：武陵高中自然科學探究與實作實施經驗分享
張明娟1、吳德鵬2
桃園市立武陵高級中學
1bcat1764@gmail.com、2depeng.tw@gmail.com
n 緣起
本校103學年度為期三年的高瞻計畫，以綠能為主題與中央大學合作開發課程，課程包含太陽能、風水力、地熱能、海洋能、生質能、燃料電池、碳封存等七大主題，計畫結束後適逢新課綱的發佈，各校須準備自然科探究與實作新型態的課程規劃，時任設備組長的物理科萬昌鑫老師號召當時參與高瞻計畫的老師繼續研發新課程，基於自然跨科合作經驗，且延續綠能想法，便以「全球氣候變遷」為主題（圖1），從氣候變遷的現象開始，探討氣候量測的數據分析，氣候變遷的成因，可能造成的影響，以及人類如何因應等作為課程設計的主架構，開啟每月定期共備研發課程，並在106至07學年度開設2學分多元選修試行，108學年度再讓未參與開發課程的教師於選修課試行，目前於109學年度由自然科教師在高二所有班級跨科協同授課。
圖1 武陵高中自然科探究與實作以全球氣候變遷為議題，四科教師共備後再由參與共備的各科教師，負責各模組教案的編寫
n 共備及試跑經驗
共備研發課程的初期，時間都是利用週四下午自然科共同時間（圖2），設計理念為全球氣候變遷為主題，為不偏重某一科的專業知識，特別於設計學習單時，各科老師讀到不甚了解的一些專業名詞或概念，就會運用素養導向的學習單題目作為鷹架，先引導學生成為背景知識，自然科各科教師初期也藉由此方式，了解不同科別的不同特性讓彼此增能，也因為如此，藉由此跨科的對話發現各科間的異同，開啟了更多教學的模式（圖3）。
課程的實施需要經過試行才能進行滾動式修正，也才能察覺課程實施的關鍵所在，所以研發初期在高一開設一個班2學分的多元選修課程試行，也請教學組將研發課程的7位自然科教師在該時段不排課，試跑過程是由一位老師主要負責開發課程模組的教學，其餘6位老師在教室後方觀課，課程結束後藉由午餐會議立即議課檢討（圖4），針對課堂中產生的問題及時修正，同時學生課後的問卷反饋也都成為修正課程的依據（圖5）。
n 圖2一位老師負責一項課程模組編寫 圖3召開共備會議協調修正課程內容
圖4課程結束後午餐會議議課檢討 圖5學生課後的問卷反饋，並藉以修正教案
■實施現況
課前每學年須協調一位同仁擔任協助行政（減授一節）負責協調跨科協同教學人員（物理、化學、生物、地科各依比例協調出7、7、3、1位老師來實施課程）、制定教學行事曆來安排各班課程（如圖6）、與設備組協調實施場所，以及準備教學器材。
本校先預訂分組教室及實驗室等各兩間作為課程教學場所，實驗器材由各課程研發教師幫忙整理所需器材及藥品，整理成實驗箱以方便後續取用。藉由國教署經費挹注與優質化計畫逐步完成30台筆電購買及頻寬1G的無線網路建置，再藉由召開共備會議（1~2次/月），來協調修正課程內容。課程研發教師也藉由社群網路分享各種教學資料，並交流課程實施經驗，來達到自發、互動、及共好的目標。
圖6 教學行事曆安排各班課程、本校安排2間分組教室或實驗室，每週五天固定時間，扣除學校活動後排定實施進度課程。
至於學期評分的部分，每學期由各課程選出6份學習單，交由6位老師來各批改其中1份全部課程實施的班級，再加上其他的分組報告、實驗成果及表達與分享的同儕評分單，共佔70%。學期末再由未批改共同學習單的教師，各出1題關於課程的素養試題題組(示例見附錄1)，交由協行教師完成1份期末考題，佔學期成績30%。
■教學模組
一般的綠色能源，如太陽能、風能、核能、生質能、地熱能、海洋能等，以及節約油電、增加效率為目前解決全球暖化的方法，「二氧化碳捕獲與封存（Carbon Capture and Storage,
CCS）」，是將原本排放到大氣的二氧化碳攔截下來（碳捕獲），再運用科學方法將二氧化碳與大氣隔絕（碳封存），如此便能有效減緩大氣中二氧化碳濃度持續升高，達成減碳目標，是全世界科學家公認有效的減碳技術。世界能源總署認為未來全球二氧化碳減量的關鍵技術之一就是「碳捕獲與碳封存」，預估在2050年該項技術組合對二氧化碳減量的貢獻度為總量的百分之廿（徐恆文、黃欽銘、柳萬霞、陳威丞，2009；林殿順，2010），相關資料亦可查詢相關網址：行政院環保署推動碳捕集及封存技術資訊網 (http://ccs.gov2.tw/)、二氧化碳捕獲與封存技術網 (http://ccs.tw/)。
本課程的規劃依照探究與實作四階段進行，初步課程規畫如表1，學習單引導學生探究實作如附錄。第一階段著重在發現問題，時間為第1節課前半段，強調導入任務、蒐集相關資訊與方法、形成可驗證的問題；第二階段著重在規劃與研究，時間設為第1節課後半段，強調如何協助學生設計與實際操作實驗；第三階段著重在論證與建模，時間預設為第2節課，強調協助學生實際操作驗證可行性、觀察實驗結果、推論建立模型等；第四階段在表達與分享部分，統計出各組實驗結果後，協助學生，對自己與他組的成果進行省思與評價。詳細的教案實施內容可以參考網站:自然科探究與實作心智圖之課程模組示例–碳捕獲與封存(http://naturalscience.colife.org.tw/mindmap.aspx)。
表1 碳捕獲實作的課程規劃表
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節次 |
探究歷程 |
內容說明 |
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1 |
發現問題 |
l 蒐集資訊：前一週認識碳捕獲與封存課程中，其中台泥花蓮廠鈣循環，是利用氧化鈣（CaO）與低濃度二氧化碳結合，產生的碳酸鈣（CaCO3）再經過控制條件下的高溫處理，將高濃度的二氧化碳釋放出來，剩餘的物質回復為氧化鈣，在吸放之間重複循環使用，達到捕獲二氧化碳的目的。其中可能發生的化學反應為何? 藉以引發探究的動機。 l 形成或訂定問題：探究定量氧化鈣與碳捕獲的影響因素與可能關係，提出Why及How等不同類型的研究問題，以實作方式改善碳捕獲效率。 l 提出可驗證的觀點：請學生說明所挑選控制的影響因素，吐氣時間、溶解水量等推測影響實驗結果的原因？ |
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1 |
規劃與研究 |
l 尋找變因或條件: 依據碳捕獲實驗可能發生的反應，找出影響碳捕獲的可能原因，寫下研究的實驗假設，說明控制的影響因素，是如何影響實驗結果的？ l 擬定研究計畫: 依據本實作30分鐘操作時間，使用提供器材與藥品(氧化鈣0.2克)，控制適當的吐氣時間，以求得最多的碳捕獲，開始設計一個實驗：完整寫出實驗流程以及要如何驗證與檢測實驗解果。 l 蒐集資料數據：紀錄實驗過程的變化與結果。 |
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2 |
論證與建模 |
l 解釋和推理：詳細描述實驗過程中所觀察的現象，如溶液中沉澱的多寡與酸鹼指示劑的顏色變化可以看出其蘊含的意義；討論結論背後可能的因果關係或影響因素，並形成解釋。 l 提出結論或解決方案：由探究結果形成結論或論點，針對自己或他組的數據、量化關係、檢核自己、同學的實驗結果的異同。 l 建立模型：沉澱的多寡與酸鹼指示劑的顏色變化是否可以幫助控制碳捕獲效率? 還有其他的輔助方式可以改善? |
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3 |
表達與分享 |
l 合作與討論：上週實驗後由教師統一將過濾沉澱的濾紙，標籤組別後烘乾1小時(80oC)，記錄各組捕獲量評分。在各小組分享的過程中，提出問題與回饋。 l 表達與溝通：請各組整理上周實驗記錄的資料，並準備1分鐘為限的口頭發表，分析實作過程的心得。 l 評價與省思：在聽取各組提供的回饋後，針對各組的回饋與問題進行回覆，進而反思修正自己的各階段內容。 |
■評量方式與工具
評量方式以多元評量方式，包含：期末紙筆測驗、碳捕獲實驗學習單、化學碳捕獲實驗競賽（闖關評比）、小組報告（學生評比）以及主題學習單（教師評比）進行多面向的評量（因篇幅所限，後兩項請參閱心智圖之課程模組示例–碳捕獲與封存）。
紙筆測驗
紙筆測驗共分七個題組（示例參見附錄1）： 題組一至題組四，均為單選題；題組五為 2 個單選題，1個非選題；題組六為 2 個單選題、1 個非選題；題組七為 2 個單選題、2 個多重選題。 測驗時間：70 分鐘 測驗分數：單選每題4分，答錯不倒扣；多重選題，每題4分，依指考方式計分;非選題共計10分。最高分數為100分。
實驗學習單
含四大問題（內容參見附錄2）：發現問題、規劃與研究、分析數據、論證與建模。
實驗競賽(闖關評比)
化學碳捕獲實驗競賽規則（內容參見附錄3）包含四部分：實驗原理、器材與藥品、比賽方式與評分標準。
■結語
未來氣候變遷我們有影響嗎? 面對未來環境的變遷，我們沒有人會知道發生什麼事，沒有人是局外人，沒有人可以視而不見。如何永續地與生存環境有著和諧共生的關係，是本課程共同關心的。本課程以全球氣候變遷為主題，統整跨領域概念之學習內容包括：｢自然界的組成與特性 ｣ 、｢自然界的永續發展｣、｢資訊與科技｣，引導學生以小組合作的學習方法去觀察、查找、驗證、整合相關資料，或是實驗設計、架設及後續的數據分析，實際從事一系列的試驗、探索和尋求問題解決的過程；期望提升學生對科學學習興趣與科學探究技能，並培養科學態度與正確價值觀，更進一步整合所學習到的科學概念與資訊技能，規劃出國際與國內對氣候變遷的應對措施。
■參考資料
1.林殿順（2010）。國內 CO2 封存的潛能與安全性。2017年10月20日引自 http://www.cier.edu.tw/ct.asp?xItem=13309&ctNode=12&mp=1
2.徐恆文、黃欽銘、柳萬霞、陳威丞（2009）。利用CaO/CaCO3 循環製程捕獲CO2技術。台電工程月刊，第729期。
■附錄1
題組一 :
地球的71-72%表面都是海洋，海洋表面積約為3.6×108 km2孕育了無數的生命。然而，溫室氣體的增加為全球氣候變暖的主要原因，而溫度上升導致格陵蘭冰原和南極冰蓋，以及山地冰川和北極海冰的加速融化。據估計，格陵蘭冰原過去十年平均每年融化的冰原約有24300億噸左右，南極冰蓋平均每年融化11700億噸，過去十年全球平均氣溫上升約0.2度，水溫每增加1℃，水層就將會膨脹約5毫米使得全球海平面不斷上升。請回答下列問題：
1.過去十年格陵蘭冰原及南極冰蓋的融冰造成全球海平面每年上升約多少毫米?
(A)10 (B)0.1 (C)0.2 (D)1
2.過去十年氣溫上升使水層膨脹所造成的海平面上升約多少毫米?
(A)1.5 (B)0.01 (C)0.023 (D)1
3.過去十年造成全球海平面上升的最主要原因是?
(A)氣溫上升使水層膨脹 (B)海冰融化的水使海平面上升 (C)格陵蘭冰原融化
(D)南極冰蓋融化 (E )海冰融化使反照率下降而導致氣溫上升
■附錄2
碳捕獲實驗學習單
Q1、二氧化碳捕獲的鈣循環技術，實驗中可能發生的相關化學反應方程式如下:
CaO(s)+H2O(l)
Ca(OH)2(aq)
Ca(OH)2(aq)+CO2(aq)
CaCO3(s)+H2O(l)
CaCO3(s)+CO2(aq)+H2O(l)
Ca(HCO3)2(aq)
將氧化鈣0.2克與20 毫升蒸餾水倒入燒杯並利用玻璃棒充分攪拌，製成的溶液，過濾後平均加入四個錐形瓶，各滴入2滴酚酞指示劑，並吹入不同時間呼吸作用的氣體得到如附圖，左到右的顏色分別:深紅(甲)→紅(乙)→粉紅(丙)→白色粉濁(丁)，試以代號排列出何者碳捕獲的量最多? 原因為何? (發現問題)
Q2、利用氧化鈣0.2克，控制適當的吐氣時間，產生最多的沉澱(碳酸鈣)理論值應為多少? (求得最大的碳捕獲量)。(分析數據)
Q3、本實作需在30分鐘內利用鈣循環的二氧化碳捕獲技術，使用器材與藥品(氧化鈣0.2克)，控制適當的吐氣時間，以產生最大沉澱量來求得最多的碳捕獲。(規劃與研究)
(1) 請問適合的水量大約為多少?
(2) 如何控制適當的吐氣時間?
Q4、觀察實驗的結果，請推論以下(A)(B)兩個反應式，室溫下何者反應較利於向右方進行? 原因為何? (論證與建模)
(A) Ca(OH)2(aq)+CO2(aq) 
CaCO3(s)+H2O(l)
(B) CaCO3(s)+CO2(aq)+H2O(l)
Ca(HCO3)2(aq)
■附錄3
化學碳捕獲實驗競賽規則
一、 實驗原理：
請參考以下化學反應的相關方程式，將個人吐出的CO2(g)，轉變成固體封存，以減少排放至大氣中。
CaCO3(s)
CaO(s)+CO2(g)
CaO(s)+H2O(l)
Ca(OH)2(aq)
Ca(OH)2(aq)+CO2(aq)![clip_image024[1]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/03/clip_image0241.png "clip_image024[1]"){kind=small}
CaCO3(s)+H2O(l)
CaCO3(s)+CO2(aq)+H2O(l)![clip_image024[2]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/03/clip_image0242.png "clip_image024[2]"){kind=small}
Ca(HCO3)2(aq)
Ca(HCO3)2(aq) ![clip_image023[1]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/03/clip_image0231.png "clip_image023[1]"){kind=small}
CaCO3(s)+CO2(g)+H2O(l)
二、器材與藥品：
器材: 錐形瓶250mlx4、量筒100mlx1、燒杯150mlx3、漏斗x1、刮勺x1、攪拌棒x1
藥品: 3M HCl(aq)、酚酞或廣用指示劑、氧化鈣0.5克
耗材: 吸管、棉花、濾紙
三、比賽方式：
1. 利用現有器材與藥品，以控制適當的濃度、溫度，及吐氣時間，等條件，以產生最大重量沉澱為主，求得最大量的碳封存。
2. 聽取評審指示開始，操作時間為30分鐘，包括氧化鈣溶解，吐氣，及沉澱過濾操作時間。
3. 每隊可製作一份以上的石灰水，以求在有限時間內，得到最大量的沉澱。
4. 操作結束後，請交出過濾沉澱後的濾紙，並貼上各組別標籤後，由評審統一置入烘箱，乾燥1小時後秤重，評分。
四、評分標準：
1. 乾燥後固體質量達參賽班級隊伍的第一名，得分數100分。
2. 乾燥後固體質量達參賽班級隊伍的第二名，得分數 97分。
3. 乾燥後固體質量達參賽班級隊伍的第三名，得分數 94分。
4. 依此類推。
高中自然科學探究與實作：中山女高自然科探究與實作實施經驗分享 ／ 蘇芳儀、許哲瑜、曹雅萍
星期四 , 4, 3 月 2021 本期專題, 第四十二期/2021年3月 在〈高中自然科學探究與實作：中山女高自然科探究與實作實施經驗分享 ／ 蘇芳儀、許哲瑜、曹雅萍〉中留言功能已關閉高中自然科學探究與實作：中山女高自然科探究與實作實施經驗分享
蘇芳儀1、許哲瑜2、曹雅萍3
臺北市立中山女子高級中學
1loowei0716@gmail.com、2marat0209@gmail.com、3yapingtp@gmail.com
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緣起
本校於106學年度開始，為因應新課綱的改革趨勢，而於106學年度開始，由生物科與化學科合力，進行為期兩年的課程模組研發，並於高一開設多元選修課試行。歷經兩年蒐集經驗，並彙整相關資料於108學年修正後，109學年度則在高二的探究與實作課程正式實行。
本課程經生物與化學教師共同討論後，決定以生活息息相關的「食物」為主題，並以此主題共備，釐清各主題的課程大綱與各自課程設計重點。而後再由各科老師分別負責課程模組的教案編寫，底定課程的主要內容。109學年度則由兩位生物老師與兩位化學老師協同授課，並可以各自的上課模式與節奏，在課程主軸與主要內容不變的條件下，進行課程的微調與編排，以下則針對各階段的課程試行與修正經驗進行說明。
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探究與實作學習重點了解與分析
為因應自然科的探究與實作課程實施，所以在106學年度時以特色課程的方式，自然領域四個科別分別設計課程模組並試行，以了解課程設計與實施時，可能遇到的狀況，與待解決的難題。課程設計之初，安排了增能研習讓所有老師都對探究與實作的學習重點有所了解，而依據課綱自然科學探究與實作的學習重點分為「探究學習內容」和「實作學習內容」兩部分：
「探究學習內容」著重於科學探究歷程，可歸納為四個主要項目：發現問題、規劃與研究、
論證與建模、表達與分享；「實作學習內容」為可實際進行操作的科學活動，例如：觀察、測量、資料蒐集與分析、歸納與解釋、論證與結論等。
而過程中，大家也意識到雖然探究學習內容是一致的，但是實作學習內容卻有許多種變化，故在同樣的探究主軸下，應該可使用不同的實作學習內容，避免所需培養的學習表現與技能，不斷重複的問題(共備情形見圖1)。以下則為討論並分析後，不同主題下的學習內容重點主要差異(參見表1)：
表1 不同主題下的學習內容重點主要差異比較
探究學習內容 |
化學科實作學習內容著重點 |
生物科實作學習內容著重點 |
發現問題
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1. 運用感官辨識物體和現象的特性。 2. 整理並提取適當的資訊。 3. 當有多個問題同時存在時，能分辨並選擇優先重要之問題 |
1. 著重從學習活動進行多方觀察。 2. 依據觀察所得，進一步提出適合科學探究的問題。 |
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規劃與研究
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除完整的實驗規畫與研究流程外，著重流程圖的敘寫，和實驗紀錄方式規劃。 |
除完整的實驗規畫與研究流程外，著重定量實驗設計與器材設計選擇。 |
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論證與建模
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除完整論證與建模歷程，著重於實驗記錄與描述。 |
除完整論證與建模歷程，著重於實驗數據的處理，和平均值、標準差等概念呈現。 |
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表達與分享
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製作海報分組分享，即以文字、圖像呈現自己的研究成果。 |
製作投影片分組分享，即以口語呈現自己的研究成果。 |
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圖1：社群增能研習與共備
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特色課程實施與修正
當對學習重點有了認識後，即開始討論並確認課程主題。經協調後決定生物與化學科合科教學，且討論過程希望能以兩科可共同涵蓋的部分為主題；且此科目為不分文理組學生皆需修習的科目，故亦希望主題並非太過艱深的科學概念，且可引發學生學習興趣。故經討論後決定以「料理科學」為主題，生物科和化學科分別以「愛玉」和「海藻酸鈉晶球」做為探究對象。
而為了讓學生可以循序漸進的培養探究實作的能力，故此次的課程模組設計先以結構式探究和引導式探究為主，各四週的課程規劃如下(參見表2)：
表2 四週的課程規劃表
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科別 |
生物科課程模組 |
化學科課程模組 |
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第一周
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實驗設計的介紹 |
分子料理簡介與摘要試寫 將分子料理食譜改為實驗步驟流程圖 |
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第二周
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根據問題試作愛玉凝膠 |
晶球製作 根據上週所提出的可進行探究問題，分組設計實驗，並提出器材清單 |
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第三周 |
進行實驗 |
執行實驗 |
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第四周 |
結果報告 |
說明與分享 |
經過一學期的課程試行後，發現幾個需要調整的部分，在生物科的課程部分發現，受限於學生經驗，若要定量的測量愛玉的硬度，需要更多的時間思考設計，而以目前的課程時間無法讓學生收集到具有足夠可信度的定量數據。而在化學科部分，則是因為學生有發現問題出發，所以課程時間不足，學生也無法足夠時間修正實驗。故針對以上的不足，再次進行課程修正，並擴大加入以學生為主體的開放式探究課程。
- 修正後多元選修模組設計
107學年度擴增為18週課程再度試行課程，此次課程針對上階段試行時的問題，主要進行以下兩點修正：
1. 生物科為了解決難以蒐集量化數據的問題，所以將主題改成「醃漬－滲透壓」，學生較容易發揮創意，以質量、體積等定量滲透壓的變化。
2. 而為了讓學生可以循序漸進的培養探究實作的能力，並可將此能力真正應用於真正的科學任務上，故將課程依不同探究類型循序漸進，由基本能力養成，再進階到結構式探究與引導式探究，最後階段則是學生自行主導的開放式探究。以下則依時間安排分為四個階段，課程內容大綱說明如下表3：：
第一階段：基本探究能力養成(3週)
第二階段：探究食品中的物質變化–晶球(5週)
第三階段：探究食品中的生物學–滲透(4週)
第四階段：課程統整與應用(3週)
表3 十五週課程內容大綱說明
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週次 |
第一階段：基本探究能力養成(3週、共六節) |
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第一週 |
濃度 |
理解生活中常見的濃度表示法 認識實驗室常見器皿 學習配製特定CM濃度溶液 練習序列稀釋特定溶液 |
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第二週
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迷思探究
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理解事實與觀點的差異 閱讀富氫水文章，判斷事實與觀點 以科展國小組 學習圖表呈現方式與判讀 |
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第三週
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閱讀理解
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閱讀分子料理文章、寫摘要： 起–問題何在、承–有何對策、 針對閱讀分子料理文章時產生疑問–搜尋資料，將看過的資料記錄在文獻篩選資料表中。 |
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第二階段：探究食品中的物質變化–晶球(5週、共十節) |
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第四週
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發現問題 －形成或訂定問題 －提出可驗證的觀點 |
利用市售晶球，描述五感觀察及體會到的現象 ．測試在不同環境中晶球的狀況，並記錄 ．由上述的實驗，提出假說 |
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第五週
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規劃與研究 |
延續自己組別前一週的假設 提出問題設計變因 提出實驗器材清單 撰寫實驗步驟、規劃實驗表格 |
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第六週 |
論證與建模 |
修正計畫、執行計畫 |
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第八週 |
表達與分享
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製作海報並報告 |
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第三階段：探究食品中的生物學–滲透(4週、共八節) |
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第九週 |
發現問題 規劃與研究 |
活動：紫高麗菜與小黃瓜灑鹽巴，觀察並比較其變化。學生預測變化，並說明原因。 滲透與滲透壓基本概念教學 簡介等張溶液濃度測定方法 了解重量改變法 設計進階實驗：挑素材、選擇溶液、設定水分進出量化標準，並完成實驗設計。 |
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第十週
第十一週 |
論證與建模 －提出結論 |
進行實驗，並紀錄數據與結果 初步整理原始數據，必要時進行數據轉換 ．利用Excel繪製圖表與趨勢線 了解標準差的意義 利用Excel計算平均值與標準差
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第十二週 |
表達與分享 |
每組報告ppt |
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第四階段：課程統整與應用(3週、共六節) |
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第十三週 第十五週 |
開放式探究－學生自行決定題目，設計實驗，進行專題研究，完成後繳交報告，並做分享。 |
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評量 |
課程中學習單、各階段期中分享、各階段期末分享 |
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有別於一般的化學和生物課，學生雖然很忙、很累，但因為自己是學習的主角，所以都全神貫注樂在其中，不會出現發呆與空白的時刻。而這堂課對老師最大的挑戰除了不間斷的學習單，更有各組不同的實驗設計，需要耗費授課教師大量精力批改，並給予合適的建議，學生上課情形參見圖2至圖6。
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圖2：探究食品中的生物學–滲透課程剪影 圖3：探究食品中的物質變化–晶球課程剪影
圖4：學生實驗設計學習單 圖5：學生海報分享報告 圖6：學生口頭發表分享
- 學生作品分享
當三個階段的課程完成，學生對於探究實作有了一定了解後，第四階段的課程則以開放式探究的形式，讓學生自行尋找有興趣的問題，自行設計實驗，蒐集足夠的資訊去下結論，並於期末進行分享。
為了讓學生可以比較有方向找到可以探究的題目，所以提供了幾個可行的方向：
一、從第一階段的事實和觀點的學習中，找出日常生活中有趣的迷思想法，自訂題目驗證迷思。
二、從第二和第三階段的主題實驗過程中，找到可以進一步延伸研究問題。
三、從第二和第三階段的期中報告中，根據老師和同學提供的修改建議，設計驗證實驗回應。
四、從科展作品中找到晶球相關的作品，進行作品解析，並比對自己的實驗設計討論可行的修正方式，茲摘錄學生的作品如附錄。
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結語
最近常有人在twitter上轉傳這句話：
Students don’t need a perfect teacher. Students need a happy teacher, who’s gonna make them excited to come to school and grow a love for learning.
學生不需要一個完美的老師，學生需要的是一個快樂的老師，他會讓他們興致勃勃地來到學校，增長對學習的熱愛。
探究與實作課程，即是這樣的一個課程。
在課程執行的過程中，老師並未教導學生太多的科學概念，但提供了很多機會，讓學生實作、練習，學會學習的方法，和自學過程中所需要的工具和能力，學生懷抱探索的熱情，再將所學的一切，投注在有興趣的主題上。
雖然作品並不成熟，但學生確實學會了如何分辨事實與觀點，並將之運用在日常生活中，有助於養成批判思考的習慣；也學會了如何蒐集資料，運用別人的智慧，解決自己面臨的問題；而在進行專題探究時，也懂得如何將所學到的實驗技巧、數據處理方式，用在結果的表達與溝通上，而這些都是適應現代生活所需的能力。
課程進行中最大挑戰則是老師負擔問題，授課老師在過程中除了改不完的學習單外，如何針對學生個別的實驗發想，給予最適當的回應與討論，而能鼓勵學生繼續前行，不至於因為無助而放棄，是老師急需面對的課題。目前109年高二探究與實作課程的大規模實施，即發現了當學生人數急遽上升時授課教師的為難與窘境。如何讓學生可以有最適當的成長，但又不會讓授課老師疲於奔命？這將是之後授課與配課的重要議題之一。然而治本的方式，則更需要有關單位仔細思考配套措施，以讓此有意義的探究實作課程不只是施行，而能確實出現成效。
- 附錄
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跨領域的台灣土肉桂探究之旅–抗菌設計篇 ／ 陳許玉鈴、廖旭茂
星期三 , 3, 3 月 2021 化學課程與教材, 第四十二期/2021年3月 在〈跨領域的台灣土肉桂探究之旅–抗菌設計篇 ／ 陳許玉鈴、廖旭茂〉中留言功能已關閉跨領域的台灣土肉桂探究之旅–抗菌設計篇
陳許玉鈴1*、廖旭茂1,2
1台中市立大甲高級中等學校、2教育部高中化學學科中心
*neuron-d@yahoo.com.tw
■ 前言
本刊上期文章「跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇」（廖旭茂，2021）一文中提到選用台灣土肉桂作為自然科學探究與實作課程設計的對象，利用台灣土肉桂開發出「精油微型蒸餾」、「薄層層析TLC鑑定」等課程，做為跨科課程的教材研發夥伴，筆者認為，身為台灣特有種的台灣土肉桂，因其極易與外來種陰香混淆（張上鎮、林群雅，2014；陳正豐、尹華文、呂勝由，2008），且葉部含精油等特性，在生物課程中，不管是植物分類、型態、生理等領域，都有很多值得讓學生深究的價值，是一個適合開發課程的好材料。
■課程設計概念與教學目標
根據研究顯示台灣土肉桂葉部精油具有極佳的抑菌（周佳頤，2016）、抗螨、抗蚊…等生物活性，同時也具有抗氧化、降血糖、抗發炎、抗癌等人體生理功效（林鍵男，2011；吳淑靜，2005；張育維，2014）。針對肉桂或是台灣土肉桂精油抑菌能力進行探討的研究頗多，總括而言肉桂精油對不同的微生物抑制能力不同（何振隆、蘇裕昌，2008），且因台灣土肉桂不同品系中的精油成分差異（鄭森松、林群雅、王亞男、許原瑞、張上鎮，2008），故不同品系的抑菌能力也有所差別，以肉桂醛型台灣土肉桂的抑菌效果明顯較佳（張上鎮、林群雅，2014）。
為延續「跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇」（廖旭茂，2021）的課程設計，筆者選擇以「肉桂精油的抗菌功效」為主題，設計微生物培養實作課程，因先前課程中已向學生介紹肉桂精油的抗菌功效，故不應再以「驗證肉桂醛的抗菌能力」來作為學生實驗設計的主題，所以本教案設計的主要教學目標訂為讓學生學習「如何有效進行數據量化」，由學生自行設計量化分析方式，學習黴菌培養的方法，並希望學生能利用自己所設計的量化方式，進行實驗結果的數據分析，完成科學性實驗報告的撰寫。
■器材與藥品
每組所需的器材與藥品可能會因各組的設計不同而有所差異，但老師所需要的與需準備的必須包括以下各項：
1. 儀器：滅菌鍋、無菌操作台、電子天平、電磁加熱器（含攪拌子）。
2. 器材：微量吸管（含tip）、微量離心管、三角塗抹棒、滅菌袋、移植針（解剖針）、1000ml燒杯、油性簽字筆、塑膠培養皿、錫箔紙
3. 藥品：葡萄糖、胰化蛋白腖、瓊脂、70-75%酒精、蒸餾水（已滅菌）、肉桂醛（標準品）、青黴菌（固態培養）
■課程實施步驟
一、課前教師的準備工作
因是大班教學的分組實作，且整個黴菌培養實驗的所有步驟不可能讓學生在兩節課的時間內完成，所以為了讓整個課程能在有限的時間內如期完成，老師的課前準備項目非常重要。
必須由老師完成的項目有：
（一）黴菌菌種培養
雖然肉桂精油對多種微生物都有抑制效果，但考慮學生操作的方便性與安全性，筆者選用能讓學生帶離實驗室自行培養的黴菌。筆者建議至少於課前7-10天開始進行菌種培養。學生實作時建議老師提供的菌種是為1盤/組，若培養基中的黴菌數量夠多，則可沿用至下一班，若授課班級數眾多，則菌種培養盤數則需再增加。
圖1：黴菌菌種（青黴菌）培養
（二）學生實作用培養基
筆者選擇固態培養基而捨棄液態培養主要是考量有兩點，第一點學生不具有使用塗抹棒與無菌操作的先備知識與技巧，故為使實作過程能簡單易懂、好上手，實作時讓學生以塗抹棒塗抹精油，菌種則改採用接種針接種的方式，避免學生混淆、汙染器材。第二點接種菌後，學生需自行培養黴菌一星期，故為了讓學生培養、攜帶方便，使用固態培養會比液態培養適合。
為了簡化學生需要實作的步驟與減少學生因實作技巧不純熟而干擾實驗結果的風險，筆者採用由教師事先製備好培養基後再供各組使用的方式。在此課程中，學生每組能獲得2盤培養基，所以學生設計實驗時，必須考量培養基數量有限的條件。若學生塗抹精油時導致培養基破裂時，學生可向老師索取新的備用培養基重新施作。
配置培養基時，每1公升的蒸餾水中，添加葡萄糖等原料，約可製作65-75盤的固態培養基，相關培養基配方如下表1所示：
表1：培養基原料配方
培養基製備步驟：
1. 量取上述各種成分放入1000ml燒杯中。
2. 上述配方使用電磁加熱器攪拌溶解、煮沸後，以錫箔紙加蓋，經121 ℃、1.1atm 滅菌15分鐘，冷卻至約為50 ℃後。
3. 將滅完菌的培養基（約15ml/盤左右）倒入至無菌塑膠培養皿中，於室溫下靜置、凝固後冷藏備用。（倒培養基需在無菌操作台進行）
（三）器材滅菌與分組
本實驗所使用的微量吸管頭尖、固態培養基、接種針、塗抹棒等器材與蒸餾水都必須事先進行高溫高壓滅菌。理想情況是讓學生在無菌操作台中進行所有步驟，但因實驗室的操作台數量與空間都有限，故筆者採用的簡便方式是直接在一般實驗桌進行各項步驟。各組需要的溶液或材料實驗前均已分發到各組實驗桌上，實作前學生需先以75%酒精消毒實驗桌面與手，戴上口罩後，盡可能不再走動，且打開培養皿操作的步驟也要盡可能快速完成，期望能盡量減少雜菌汙染的機會，實驗完後實驗桌也要再酒精消毒一次。
圖2：抗菌實驗學生小組器材
（四）稀釋精油
本課程設計共有5種不同濃度的溶液（肉桂醛標準品原液、肉桂醛標準品原液等倍稀釋、肉桂醛標準品原液十倍稀釋、肉桂醛標準品原液百倍稀釋、已滅菌蒸餾水）供學生挑選，溶液的稀釋由老師進行的優點是老師可以使用無菌操作台進行無菌操作，控管精油的精準用量避免浪費，最重要的是節省學生實作的操作時間。
二、教學過程
本課程設計與「跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇」屬於同單元的不同探究主題，又因老師準備黴菌培養實驗材料需一週以上的時間，故本教案的設計採取與「跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇」穿插進行的方式。本課程每週兩節連排，共100分鐘/週，「跨領域的台灣土肉桂探究之旅」總教學時間需歷時5週，每次課程都是由兩位老師進行協同教學。
（一）第一週
本週化學科老師以在台灣屏東新埤國中發生過的故事為起頭，引發學生的學習動機，並介紹肉桂精油傳統的提煉的方法，及如何使用本校開發的微型蒸餾器，來提煉土肉桂精油；生物科老師的教學活動包括介紹台灣土肉桂與南洋肉桂的差異、並協助各組討論出實驗目的、說明本實驗的質性分析與量化分析等項目，特別是量化分析，必須由各組自行繪製量化設計圖並決定量化的方式。學生設計種菌的量化設計圖時，老師須提醒學生要留意（1）必須設置對照組且能清楚表現出實驗目的（2）要考慮得到結果（黴菌生長照片）後的量化方式（3）實驗重複次數。本實驗每組只有兩盤培養基，但學生必須在有限的材料中，做出「得到多次數據」的情形。以下是筆者學生們所設計的量化圖形A至E：
1. 圖A：此培養盤中可每個小圓為一觀察範圍，也可以圖中每一橫排為一組，共算成四個重複。在直徑１公分的小圓圓心處種菌，種完菌後每天觀察黴菌生長情形，因此圖所設定觀察的面積不大（直徑１公分的小圓），故量化方式可以選擇「計算單位時間內黴菌累計生長面積（%）」，也可以選擇「計算單位面積內黴菌生長所花時間（小時）」。雖然量化方式可有雙重選擇，但此設計的缺點是學生的操作時間會因種菌位置多（16處）而較長。 
圖3：學生設計圖A
2. 圖B：將一組同心圓分成四個象限，在同心圓中十字焦點處每一象限種一次菌，整盤共有4處種菌位置。種完菌後每天觀察黴菌生長情形，記錄黴菌所達同心圓中的積分線位置，換算成得分，以此做為黴菌生長的量化數據。每一象限為一筆數據，分別記錄後再計算平均值，代表當天所記錄到的黴菌累生長速度。另外也可以以各積分線為觀察目標，記錄黴菌生長達特定積分線所花的時間（小時）。此設計圖的最大優點是種菌處位置集中易操作，但常見的人為失誤是所加入的精油過多或是加入精油後靜置時間不足，導致培養基表面仍有多餘精油未被培養基吸收，在此情形下種菌會使得黴菌菌絲或孢子隨著表面液體流到他處，而出現黴菌起始生長部位不如預期的情形。
圖4：學生設計圖B
3. 圖C：繪製四組同心圓，每組為一個觀察範圍，此培養盤共有四個重複。種菌位置為圖中紅色圓形處，整盤共有4處種菌位置。種完菌後的量化方式與上述2.相同，使用黴菌生長所達之積分線位置來進行量化，或是計算黴菌生長達特定積分線所花的時間。此設計圖操作時亦須留意塗抹精油後，培養基表面是否仍有過多的液體。
圖5：學生設計圖C
4. 圖D：整盤分成9大格，每3大格為一個觀察範圍，此培養盤共有三個重複。種菌位置為圖中紅色圓形處，整盤共有9處種菌位置。種完菌後的量化方式為計算3大格中黴菌累計生長面積（%），或是以特定小格面積為觀察目標，記錄黴菌生長達特定面積所花的時間（小時）。使用此設計圖的優點是對於不會或無法使用電腦繪圖的學生而言，可以直接使用現成的方格紙作圖。
圖6：學生設計圖D
5. 圖E：將整盤培養基分成四個象限，讓培養盤共有四個重複。圖中每一個象限中的記號處（小正方形）種菌。將每天拍得的黴菌生長照片利用影像分析軟體「ImageJ」影像相減功能，扣除種菌前影像，計算黴菌所生長的累計面積（%）。使用此方法的好處是學生完全不需要繪製任何量化設計圖，且電腦軟體分析會比肉眼觀測來的更為精準，但先決條件是學生必須懂得影像分析軟體「ImageJ」的使用方式。
圖7：學生設計圖E
（二）第二週
本週化學老師主要肉桂精油的微型蒸餾提煉、肉桂醛TLC結構鑑定；老師提供的學習單中包括學生必須進行資料搜尋，調查常見精油的來源與用途，並先至校園摘種土肉桂樹的地點打卡，記錄其GPS經緯度位置，實驗進行結束後，完成老師提供的學習單。
生物老師則利用各組實驗等待時間到各組與負責微生物培養實驗的同學進行討論，針對上週各組所設計的量化方式，討論、決定出下週各組黴菌培養的步驟。討論時，老師在學習單中勾選出需進行的步驟與順序，再由學生將需要進行的實作步驟統整後書寫於學習單（請參見附錄）。
（三）第三週
因時間緊湊，本週學生分為化學組與生物組；化學科老師主要進行肉桂醛的化學性質檢測，老師先進行有機化合物官能基的介紹，複習並建立先備知識後，再開始實驗。介紹完官能基後，生物組同學隨老師至生物實驗室進行相關時作課程；
因固態培養基體積小（15-20ml液態培養液凝固形成），不適合倒太多精油，一般吸管或10ml量筒的量取會不精準，故本課程需使用1000μl或200μl的微量吸管量取精油，所需支數最好能1支/組或1支/2組。進行微生物培養的各個步驟前，老師需先教導如何使用微量吸管，並讓學生實際練習，確定學生已能精準、正確的使用，才能開始實作。
圖8：學生操作微量吸管的過程
本週課程是學生真正的微生物學實作課程，老師需訓練學生學習使用微量吸管。之後再依以下步驟讓學生進行實作。
1. 以70-75%酒精消毒、清理無菌操作台面與雙手。
2. 各組挑選所需的肉桂醛溶液，使用油性簽字筆於培養盤蓋外層標註日期、班級、組別與處理方式。
3. 之後的步驟細節會因各組選擇不同的量化方式而有不同，但大致上順序是：
（1）打開培養盤上蓋，於培養基上加入精油。
圖9：圖左從離心管吸取精油，圖右將精油加入培養皿
（2）使用三角塗抹棒將精油均勻塗在培養基表層。塗抹面積由各組的設計圖決定。
圖10：三角塗抹棒精油塗抹過程
（3）蓋上上蓋，靜置5分鐘後，將培養盤放在設計圖上方，並做上記號。
圖11：按設計標示種菌的位置
（4）打開培養盤上蓋，使用解剖針沾取黴菌，在設計圖所指定的位置上種菌。
圖12：圖左為沾取黴菌菌種，圖右在指定位置種菌
（5）蓋上上蓋，靜置30分鐘後，以略濕的紙巾包裹培養盤，之後放入夾鏈袋中保存，由學生自行帶回培養觀察5天。拍照時間間隔由各組自行考量量化方式而決定。
（6）整理清潔環境，完成並繳回學習單。
採取讓學生自行帶回培養的方式是因為考量學校恆溫培養設備有限，但「學生自行培養」對整體實驗的確是一大風險，為避免此做法成為影響實驗成敗的關鍵，老師須提醒學生，同一組的培養基必須放置在同一環境中培養，必須在同樣環境條件下討論實驗組與對照組的差別才具有意義。但若是不同組別或班級的學生，所使用的環境條件確實是需討論的變因之一。
（四）第四週
本週課程由生物老師主導。學生需將所帶回的培養盤與所拍的所有觀察照片帶至課堂，小組進行實驗結果的分析與討論。依不同設計圖種菌，黴菌生長分布情形當然會有所不同，所以老師主要的教學活動是使用學習單引導學生討論，並加入各組，實際確認各組成果，協助學生完成數據的量化分析與實驗結果的呈現。
圖13：學生黴菌培養結果。左圖與右圖都有發生黴菌未按預期種菌部位生長的情形。
由課堂各組學生實驗結果的回饋可知，肉桂醛的抗菌能力極好，以圖13中最右圖的觀察資料為例，使用「肉桂醛標準品原液」與「肉桂醛標準品原液百倍稀釋」進行培養，兩盤黴菌生長情形有顯著的差異（P<0.001）。
圖14：學生黴菌培養數據分析結果。
進行微生物學實驗時最怕學生養不出黴菌進而無法完成後續的討論，但筆者認為，只要教學前老師各項準備工作都已確實完成，則不管學生的成果為何，都有值得探討之處。以下舉幾項課程進行可能面臨到的問題與建議的調整方式，以供參考：
1. 黴菌生長的起始位置不在預設設計圖中種菌位置。此情形通常是因為加入的精油過多或是加入精油後靜置時間不足而導致培養基表面仍有多餘精油未被培養基吸收，才使得黴菌菌絲或孢子隨著表面液體流到他處。老師可建議學生數據分析時，將設計圖的種菌記號對準黴菌生長起始位置，校正後再做數據分析。
圖15：調整種菌與黴菌實際生長的位置
2. 黴菌生長分布的面積狀況已無法使用原先的設計圖進行數據分析。小組討論時，老師可引導學生探討「如何更改量化分析方法」例如使用「ImageJ」影像分析軟體，跳脫原先的設計圖，改以其他更合理、精準的方式量化實際觀察到的狀況。
3. 出現有創意但量化不夠精準的設計圖。筆者認為只要小組討論出來的設計圖能兼具「設置實驗組與對照組、能重複實驗、符合實驗目的」等原則，授課老師就應允許學生以所設計的圖進行實作，之後再就所得的實作成果讓各組自行評估、檢討自己的設計有何優缺點。
4. 學生兩盤培養盤都沒有任何黴菌生長。小組討論時，老師可引導學生往以下四個方向探討，依序為（1）黴菌生長的條件、（2）實驗操作時的注意事項、（3）實驗操作時的人為疏失、（4）實驗目的（設計）的調整。雖然實驗無法讓學生重作，但可以讓學生以書面的方式說明「改善實驗結果的方法」。
5. 實驗過程受其他雜菌汙染，以至於實驗結果出現其他菌種生長的菌落。因為本實驗實作過程與學生自行培養、觀察過程皆不是無菌操作，發生其他雜菌生長的機率很高，筆者的作法是第三週實作課時，提醒學生確實做好消毒工作，並且操作時盡可能快速完成。學生帶回自行培養時，提醒學生每次拍照不開培養皿上蓋，以避免汙染。若真有發生汙染情形，則計算黴菌生長數據時，只計算青黴菌（老師提供的菌種）生長的部分，但學生在書面報告中可以針對汙染部分加以討論，以「雜菌生長對本實驗結果的影響」為論點，提出他們的看法。
（五）第五週
本週的授課內容主要是讓學生進行小組報告與繳交書面報告，但為了讓學生能更專心聽各組的成果分享，也為了要讓學生能自己判斷、反省何謂「有效的量化方式」，筆者設計了兩項「票選活動」，第一項是量化最佳創意設計票選（每位投票人可投兩組），獲最高票的兩組勝選，第二項是精準量化票選（每位投票人可投1組），由老師根據該班各組的實驗結果，選出所設計的量化方式較為精確的組別，兩項票選獲獎的組別與支持它的投票者都能獲得加分的獎勵。
■結語
「跨領域的台灣土肉桂探究之旅」是結合化學科與生物科的跨科合作且進行協同教學的課程設計，利用台灣特有的台灣土肉桂為素材，設計出一系列的探究、實作課程。精油微型蒸餾、薄層層析TLC鑑定、微生物培養等看似各自獨立的課程，藉由對台灣土肉桂的探究而被緊密的連貫在同一個主題之中，顯見「台灣土肉桂」確實是個開發課程的好材料，再者，不同於其他肉桂植物的產油、儲油部位，肉桂精油的眾多功效，甚至是將肉桂精油應用於食品、醫藥、美容藥妝、環境衛生用品等領域（楊政川、李世傑、何坤益、林敏宜，2010），若針對這些面向進行探究，筆者相信「台灣土肉桂」一定能為高中自然教育作出更多的貢獻。
■參考文獻
1. 何振隆、蘇裕昌（2008）。精油之抗菌活性。林業研究專訊，15(3)，31-37。
2. 吳淑靜（2005）。祕魯酸漿抽出物及肉桂醛抗肝癌機制之研究。未出版之博士論文。高雄：高雄醫學大學天然藥物研究所。
3. 林鍵男（2011）。探討肉桂醛及肉桂醛衍生物之抗發炎活性及抗癌活性：分子結構與生物活性之評估。未出版之碩士論文。宜蘭：國立宜蘭大學生物科技研究所。
4. 周佳頤（2016）。肉桂醛處理對台農二號番木瓜果皮轉色、抗氧化物含量及抗氧化酶活性之影響。未出版之碩士論文。台中：國立中興大學園藝學系。
5. 陳正豐。尹華文。呂勝由（2008）。正視陰香對土肉桂的衝擊。台灣林業，12，26-30。
6. 張育維（2014）。土肉桂葉部揮發性成分及根部微生物多樣性之研究。未出版之碩士論文。嘉義：國立嘉義大學農學院森林暨自然資源研究所。
7. 張上鎮。林群雅（2014）。土肉桂簡易鑑別法及葉片驚奇功效。台灣林業，40(1)，63-68。
8. 楊政川。李世傑。何坤益。林敏宜（2010）。台灣森林特產物－土肉桂。科學發展，446，28-33。
9. 鄭森松、林群雅、王亞男、許原瑞、張上鎮（2008）。臺灣土肉桂種源庫之設置－葉子精油成分與化學多態性分析。臺大實驗林研究報告，22(1)，21-34。
10. 廖旭茂、陳許玉鈴（2021）。跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇。臺灣化學教育，41，取自https://chemed.chemistry.org.tw/?p=40042。
■附錄—「天然植物精油–微生物培養 小組討論單」
此份討論單需使用4週的授課時間，每次上課完成不同的段落，待第4週各段書寫完畢時，老師將以此份討論單內容為依據，向學生說明如何書寫書面報告。以下是討論單內容：
天然植物精油—微生物培養 小組討論單
班級 組別
一、工作分配表
二、實驗設計：以下各細項的書寫內容請參考上課講義
（一）主題：肉桂醛對黴菌生長的影響（讓學生自行填寫）
（二）實驗目的：（讓學生參考下方三選項自行討論後擇一填寫）
1. 探討不同濃度的肉桂醛精油對黴菌生長的影響
2. 探討不同濃度的肉桂醛精油抑制黴菌生長的效果
3. 找出最有效卻也是最經濟的肉桂醛精油抑菌方法
Ø 補充說明：請選擇至少兩種不同濃度的液體進行黴菌生長測試
所選擇的液體 請說明如此選擇的目的（理由）為何
實驗組：
對照組：
（三）實驗設備與材料：（各組依實際實作的情形列舉）
（讓學生自行填寫）
（四）量化設計：請小組討論後，寫下你們組想要「如何進行量化」，並畫下你們想要的畫菌（種菌）的設計圖
1.請選擇你們想要的量化方式：（請勾選）
□計算黴菌的累計生長面積（固定時間算面積）
□比較黴菌的生長時間快慢（固定面積算時間）
□其他
2.請畫出設計圖：每組會有兩盤固態培養基（在下次實作課前，請將以下草稿電繪並列印出來）
請描述、說明設計圖的細節：
（五）實驗步驟：請參考上課講義
1. 以70-75%酒精消毒、清理無菌操作台面與雙手
2. 將肉桂醛標準品以無菌水進行不同倍率的稀釋備用（由老師統一提供，讓各組直接選用）
3. 使用油性簽字筆於培養盤蓋外層標註日期與組別
Ø 之後的步驟會因不同的量化方式而有不同，以下步驟的細節需由各組的設計圖決定施作的方式，下表各步驟的描述供各組參考，各組須在實作前討論出你們自己的操作步驟
（讓學生自行填寫）
我們的步驟順序（請依序寫出步驟流程）：
4. 靜置 （請填入時間），待培養基表面液體乾後才能移動或將培養皿翻面培養，若液體一直未乾，則第一日先正立培養，第二日起再翻面培養
5. 將處理好的培養皿移置培養盒中，再次以70-75%酒精消毒、清理無菌操作台面。
6. 之後，每 小時拍照觀察一次，計算 （填範圍）內黴菌生長的情形。拍照時，將培養皿置於設計圖上，對準記號後，開上蓋，以最快的速度拍照存證，完後蓋上上蓋，繼續培養。
7. 記錄 ，以此做為量化的指標
（六）實驗結果記錄
1.黴菌實際生長情形（每天拍照記錄）：拍照後請妥善保存照片檔，以供書面報告與上台報告之用（讓學生自行填寫）
| 生長天數 | 第0天（實驗當天） | 第1天 | 第2天 | 第3天 | 第4天 | 第5天 |
| 拍攝日期 | ||||||
| 拍攝人員 |
2.結果彙整：請各組根據所選擇的量化方法，自行選用適合的表格（擇一即可）
（1）黴菌的累計生長面積：請先定義「黴菌的生長範圍」與「如何計算生長面積比例」
Ø 所要進行觀察黴菌的生長範圍：（讓學生自行填寫）
Ø 如何計算生長面積比例：（讓學生自行填寫）
Ø 表格內容供各組參考，實際進行結果量化分析時，各組需自行繪製更適合的表格
（2）累計生長面積下黴菌所需的生長時間：請先定義「黴菌的生長範圍」與「如何計算生長面積比例」
Ø 所要進行觀察黴菌的生長範圍：（讓學生自行填寫）
Ø 如何計算生長面積比例：（讓學生自行填寫）
Ø 表格內容供各組參考，實際進行結果量化分析時，各組需自行繪製更適合的表格
 |
（3）不選擇以上兩種表的任一種者，請自行設計記錄用表格，並繪製於下方空白處
（讓學生自行填寫）
（七）實驗結果分析與討論（以下各項讓學生自行填寫）
1.本組將選擇 圖 （ex圓餅圖、長條圖、折線圖……）來呈現我們的實驗結果
繪圖區
2.根據每日所觀察到的黴菌生長照片與分析結果，我們認為（請為你們的實驗結果下一個結論，下結論前請注意你們當初的實驗目的!!）
3.本組的實驗結果是否有符合實驗前的預測（或實驗目的）？
□有符合，理由是
□不太符合，導致結果不符合預測的可能原因是
4.評估我們設計的「量化」方法之優缺點
| 說明 | |
| 優點 | |
| 缺點 |
5.其他討論事項：
學思達教學法融入國中自然領域課程設計 —以水的電解為例 ／ 張耕碩
星期二 , 2, 3 月 2021 化學課程與教材, 第四十二期/2021年3月 在〈學思達教學法融入國中自然領域課程設計 —以水的電解為例 ／ 張耕碩〉中留言功能已關閉學思達教學法融入國中自然領域課程設計
—以水的電解為例
張耕碩
宜蘭縣立中華國民中學
cgs@tmail.ilc.edu.tw
n 改變緣起
多年前，國內開始興起翻轉教學，本文作者盼搭上這股浪潮，思考著如何翻轉教學？設計怎樣的課程與教學，可以讓孩子真正主動的學習，培養面對未來世界的能力？參加多場研習、工作坊與入班觀課（包括學思達創辦人張輝誠老師的課堂）後，開始嘗試設計學思達講義，結合學思達教學法，甚至再陸續融入探究教學、科學史等，自我期許從「知識的傳遞者」轉變為「知識的啟發引導者」，並以學思達教學講義平台上的一句話：「備一堂孩子喜歡且有效的課」，作為個人的教學信念。
n 學思達教學法與其基本流程
學思達教學法，是「以學習者為中心」的教學法，在每一堂課培養、訓練學生自「學」、閱讀、「思」考、討論、分析、歸納、表「達」、寫作等綜合多元能力的教學法（張輝誠，無日期）。
教師的專業介入，製作以問答題為導向、補充完整資料的講義，掌控學生學習的最佳專注時間，不斷切換學習樣貌；透過小組之間「既合作又競爭」的學習模式，讓教師轉換成主持人、引導者、課堂設計者，將學習權交還學生。每一堂課、每一種學科都以促進學生學習興趣、增強學生學習能力為主要教學目的（張輝誠，無日期）。
其具體的操作流程有五個部分：學生自學→思考問題→小組討論→學生表達→老師統整（張輝誠，2019）。
一、學生自學：
學思達教學五步驟其中的「自學」，是學思達教學法與其他教學方法最大的不同之處。通常將情境設計或是任務說明編排在講義最前面，如果學生還沒有自學習慣與能力，建議教師先講解，再帶領學生自學，透過閱讀文本或觀賞影片等進入自學狀態。
二、思考問題：
科學的學習本質，理當激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，進行主動探索、實驗操作與多元學習。前面的設計情境或任務能引發好奇心與學習動機，接下來的提問則是促進學生思考的關鍵，探究式的課程設計，其問題及任務的設計依循著課程脈絡，引導學生建構知識鷹架，從中養成其素養及能力。
三、小組討論：
探究與實作的歷程中，不論是現象的觀察、或是結果分析，教師透過小組的形式（同質性或異質性），鼓勵學生進行實質的討論，在這個階段，自學、思考與表達是複雜地交織、動態地進行，怎樣幫助學生的合作、思辨，創造好的互動經驗，教師的鼓勵、引導與陪伴給予很重要的幫助。
四、學生表達：
表達的形式有「口語」、「文字」及「圖表」等，而內涵則是涵蓋分析歸納、製作圖表、提出疑問等。教師可由學生表達其如何思考或是具體陳述觀點，回饋檢視原問題設計是否達成學生學習目標，判斷是否尚需加入哪些提問鷹架，或是最後進到教師統整階段時的補充。
五、教師統整：
除依據學生表達內容適時地再提出問題引導思考外，也可以再進行補充或是歸納、再次強調本單元關鍵的學習內容。這個階段，就仰賴教師的統整歸納及講述。課堂全部時間僅用講述，學生的學習效益並不高，因此在學思達教學法中，配合學思達課堂流程與學生專注力時間，教師的講述有著其比例及必要性。
n 以「水的電解」單元為例
接著透過學思達策略實際以水的電解單元進行教學說明，讀者可查閱文末附錄的詳細流程規劃與學思達講義內容。
學生自學：
學生對於電解的概念應該不陌生，應可以連結八年級「元素與化合物」、「認識電解質」等單元概念於學思達講義，透過閱讀講義先讓學生自學複習（見圖1）。接著，以科學史脈絡建立情境：在伏打發明了人類史上第一顆電池後，整個科學界為之瘋狂，開始嘗試用電池電解各種物質，包括水，如將電池的兩極通入水中後，看看會發生甚麼現象？
思考問題、小組討論：
接下來就是透過一連串的提問設計並結合探究實作，引導學生觀察、發現、思考並試著歸納：純水是否容易導電（見圖2）？如果加入幫助導電的物質（氫氧化鈉）（見圖3），導電效果為什麼更好？還有甚麼可能的變因會影響氣泡產生的快慢？兩極產生甚麼變化？有何不同？如何檢驗連接正極與負極的試管所收集到的氣體（及其性質）（見圖4）？
進行實作前，請學生可以先將講義問題先瀏覽一遍。而分組通常採隨機分組、異質性分組、同質性分組（三至四人一組為最佳）等，不論是哪一種方式，都是培養他們學習選擇與責任承擔的能力。如這節課的探究實作、小組討論比例稍重，則建議小組採併桌的座位安排，除方便觀察、操作外，也是營造合作、方便討論的環境。還可利用小白板、工具包，請各小組寫下指定的內容（見圖5），為接下來上台分享表達做準備。
學生表達、教師統整：
根據上個階段的提問設計，由自願回答的學生或是進行抽籤，依班級的屬性在座位上或是站上講台（見圖6），簡單地問好、複述題目後，回答所觀察到的現象、特別的發現，或是討論後的解釋、推論等。這個階段則特別考驗老師的功力，除回應學生的回答、報告外，更精簡的統整歸納，診斷出學生的迷思概念，或是精準地補充學生未提及的重要概念等，都是老師在這堂課最後必須使力完成的重要任務。課堂結束前，除提醒學生完成學思達講義，通常還會以隨堂測驗、回家作業等形式作為學習評量的內容。
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圖1：閱讀講義自學 |
圖2：電解RO純水 |
圖3：電解NaOH溶液 |
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圖4：收集電解氣體 |
圖5：小組討論 |
圖6：學生上台發表 |
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![clip_image012[4]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/03/clip_image0124.jpg "clip_image012[4]")
n 結語
新課綱於自然領域當中提到的「學習表現」與「學習內容」，兩者的關係至為密切、互為表裡。前者為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。後者則為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。本文主要簡介將學思達教學法融入自然科學課程設計，並結合閱讀、探究及實作等多元方式，期望有助於國中教師面對新課綱，於課程與教學方面準備與設計之參考。
n 參考文獻
1.張輝誠（無日期）。學思達教學法簡介。檢自https://lte-taiwan.weebly.com/23416246053694825945234163177720171.html
2.張輝誠（2019）。學思達教學5步驟說明。檢自https://www.youtube.com/watch?v=xVi7NhbBYic
n 附錄
本文作者以「水的電解」單元為例，融入學思達教學法的課程設計流程及學思達講義內容：
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「水的電解」課程設計內容
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建議時間
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學思達教學流程
(教學建議)
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1.概念連結：
(1)八上「元素與化合物」–
十八世紀的科學家嘗試利用各種方法分解純物質。可以再被分解的純物質，稱為化合物；而無法以一般的化學反應再分解出其他物質的純物質，稱為元素。
(2)八下「認識電解質」–
可以讓燈泡發亮或碳棒附近產生氣泡者，皆代表其具有導電性質。
2.引入情境：
在伏打電池發明後，將連接伏打電池兩極的兩條金屬線放入水中，觀察會發生甚麼事？
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(第一節)
10分
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n 學生自學
(針對單元主題，教師可依個人專業決定學生自學方式：)
□閱讀(課本或講義)
□觀看影片
□QRcode連結
□其他
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1.清點器材、任務說明。
2.探究問題：(對應學思達講義思考問題1～5)
(1)將下列物質進行電解，比較、紀錄所觀察到的現象：RO純水、礦泉水、自來水、氫氧化鈉溶液（0.1M）、氫氧化鈉溶液（0.5M）。(寫出可能的原因)
(2)試著找尋可能的變因：哪些變因會影響氣泡產生的快慢？
(3)請仔細地觀察：兩極的變化有何不同？
(4)嘗試收集、檢驗連接正極的試管內所收集到的氣體，它有什麼性質？
嘗試收集、檢驗連接負極的試管內所收集到的氣體，它有什麼性質？
(5)比較連接兩極所收集到的氣體，體積相同嗎？試著測量兩者的體積比約為多少？其他各組得到的結果是否一樣？
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(第一節)
30分
(5分鐘清洗整理器材)
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n 思考問題
(針對單元主題，可選擇適合的提問設計類型：)
□問答(封閉式)
□問答(開放式)
□混合題型(選擇+非選)
□是非題(迷思概念)
□其他
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1.重新檢視上一節課的思考問題，進行組內討論，並將討論結果寫在小白板上。
2.進行小組發表(志願優先或抽籤或教師指定)
3.各小組發表觀察到的現象與討論結果
(可直接口頭或是運用小白板、海報紙、平板電腦等資源)
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(第二節)
20分
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n 小組討論
□兩兩討論
□組內討論
□其他
n 學生表達
□個人(抽籤或指定)
□小組(抽籤或指定)
□其他
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1.老師補充說明，歸納統整(使用簡報、心智圖等)
2.隨課評量
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(第二節)
25分
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n 教師統整
□重點重述
□歸納統整
□補充講解
□其他
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學思達講義
單元名稱：電流的化學效應(電解水)
學生自學1(閱讀、複習過去所學的概念：純物質、化合物、元素、電解質、非電解質)(3分鐘)
八上：元素與化合物
十八世紀的科學家嘗試利用各種方法分解純物質。科學家依「是否可以經一般的化學反應（例如：照光、加熱、通電）再分解」的特性，將純物質分為元素與化合物兩類。可以再被分解的純物質，稱為化合物；而無法以一般的化學反應再分解出其他物質的純物質，稱為元素。
八下：認識電解質
溶於水後，可使溶液導電的化合物，稱為電解質，其他如氯化氫、氫氧化鈉和硝酸鉀等也是電解質。而像蔗糖、酒精這類溶於水形成的溶液不能使燈泡發光，無法導電者，稱為非電解質。
學生自學2(閱讀情境說明、清點實驗器材)(7分鐘)
在伏打電池發明後沒多久，就有人發現電流可以從溶液中通過。於1800年，英國尼可爾生（William Nicholson ,1753-1815）與卡利斯列（Anthony Carlisle,1768-1840），把連接伏打電池兩極的兩條金屬線放入水中，發現水的電解現象。接著，就請你們從電解水開始吧！
![clip_image013[4]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/03/clip_image0134.png "clip_image013[4]")
使用器材：
£乾電池 £小燒杯（50ml） £直尺大燒杯（毫升）
£橡膠手套 £塑膠試管 £導線（附鱷魚夾）線香
£氫氧化鈉溶液（0.5M） £迴紋針（或碳棒或筆芯） £線香
思考問題(讀題、進行實作後寫下問題的答案(30分)。實作後各組清洗、整理器材(5分)。)
1.將下列物質進行電解，比較、紀錄所觀察到的現象：RO純水、礦泉水、自來水、氫氧化鈉溶液（0.1M）、氫氧化鈉溶液（0.5M）。(寫出可能的原因)
2.試著找尋可能的變因：哪些變因會影響氣泡產生的快慢？
3.請仔細地觀察：兩極的變化有何不同？
4.嘗試收集、檢驗連接正極的試管內所收集到的氣體，它有什麼性質？
嘗試收集、檢驗連接負極的試管內所收集到的氣體？它有什麼性質？
5.比較連接兩極所收集到的氣體，體積相同嗎？試著測量兩者的體積比約為多少？其他各組得到的結果是否一樣？
小組討論、學生表達(根據前面思考問題進行組內討論，將討論結果寫在小白板(10分)。抽籤全組上台發表(10分)。老師補充統整(10分)。)
歸納、解釋上一節課的結果與發現：
《臺灣化學教育》第四十一期（2021年1月）
目 錄
n 主編的話
u 第四十一期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕
n 本期專題【專題編輯／段曉琳】
u 國中自然科學探究與實作：新課綱的精神／段曉林〔HTML｜PDF〕
u 國中自然科學探究與實作：教科書化學實驗的探究與實作轉化範例／賴志忠〔HTML｜PDF〕
u 國中自然科學探究與實作：化學反應–反應速率知多少／吳月鈴、陳佩琪、吳宛如〔HTML｜PDF〕
u 國中自然科學探究與實作：燃燒的本質–氧化還原反應 ／ 鄭志鵬〔HTML｜PDF〕
u 國中自然科學探究與實作：吃水果解油膩?油脂的水解反應探究實驗 ∕ 林芬如、段曉林〔HTML｜PDF〕
n 教學教法／化學課程與教材【專欄編輯／古建國】
u 設計以「鹽」為主題的Reading-STEAM跨領域教材／古建國〔HTML｜PDF〕
n 教學教法／化學課程與教材【專欄編輯／黃琴扉】
u 融入科技力提升化學探究與實作之問題解決／李易澄、陳昱嘉、洪士勛、曾致豪、黃琴扉〔HTML｜PDF〕
n 化學實驗／綠色化學實驗【專欄編輯／周金城】
u 跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇／廖旭茂、陳許玉鈴〔HTML｜PDF〕
n 化學實驗／化學實驗室【專欄編輯／鐘建坪】
u 口罩科學實驗–預防空汙的證據探究 ∕ 陳美智、謝百淇〔HTML｜PDF〕
n 課程教材／化學課程與教學【專欄編輯／鐘建坪】
u 國小自然「水溶液」單元延伸實驗 —利用海藻酸鈉製作有色溶液的酸鹼指示晶球／林沛瑩〔HTML｜PDF〕
第四十一期 主編的話
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授
國際純粹化學與應用化學聯合會（IUPAC）執行委員會常務委員
中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員
美國國家科學教學研究學會（NARST）前理事長
mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw
自從聯合國在2015年12月宣布2月11日為國際婦女與女孩科學日後，每年到了二月世界各地都有慶祝活動，以表達對婦女和女孩得以平等的機會投入科學–科技–工程–數學(STEM)領域的工作和學習的重視。聯合國也曾在永續發展目標(Sustainable Development Goals, SDGs)中的第四項和第五項中指出教育和性別平等的重要。因此藉著這個特別的日子，除要彰顯女性在科學領域的貢獻和重要性外，也應該透過各種管道強調STEM領域中多樣性和包容性，並鼓勵女性發揮她們的才能和創造力，積極參與科學與科技並貢獻個人的智能於社會中。
國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)第一次辦理全球女性化學家早餐(Global Women’s Breakfast, GWB)是在2011年為慶祝聯合國宣告的化學年(International
Year of Chemistry, IYC)，全世界從太陽第一個升起的國家–紐西蘭開始上線，然後由東向西如接力賽般地展開令人難忘的GWB。記得當年化學會吳嘉麗教授共襄盛舉也辦了一場連線早餐會報，我幫忙借了敝校科教中心的場地作為會議地點和宣傳工作，會議開始先與澳洲GWB創辦人Mary Garson教授連線，再與新加坡女性科學家連線，就這樣以網路與其他國家的女性科學家互動，特別感動，不似今日因COVID-19疫情影響，線上會議已是常態，在當時可是一項創舉令人難忘，且佩服發起人澳洲女化學家Mary Garson教授的創意啊。之後2019因慶祝國際化學元素週期表年，又再啟動這項連結全世界女性科學家的活動，反應熱烈，2020持續辦理，盼能透過這活動引起全球各地對女性科學教育的重視與關心，尤其是開發中國家女性人力資源的開發更為重要。今年(2021年)因為考慮到東方華人慶祝農曆年(2月12日)的習俗，特別將全球女性早餐(Global Women’s Breakfast)活動提前到2月9日舉行，希望能有更多人共襄盛舉。雖然慶祝活動僅為一日，但是其辦理的精神乃是喚起各國對女性人才培育的重視，與創造友善工作和學習的環境，希望在社會觀感或政府及組織中的政策，對職場和學校的女性可以更具包容性與多樣性。
根據聯合國教科文組織在一本2015年出版的「邁向2030科學報告」(UNESCO, 2015)中指出，女性科學研究員僅占全球總人數不到30%，大學女性教師人數較少；同時，獲得高級職稱的女性人數也較少，對女性研究人員不利的環境使她們很難發表具有高影響力的論文或是嶄露頭角，這些都反映出科學領域中存在明顯的性別差距。雖然另一份研究報告顯示雖然發表化學論文的女性作者比例穩定上升，尤其是在應用領域和合作領域中則發現較多女性的貢獻，然而在數學和理論物理的指標性期刊中論文的比例，仍停滯不前，維持在10%左右(Guillopé&Roy, 2020)。受COVID-19疫情影響，也影響職場女性的工作，根據研究報告顯示，女性投稿學術論文的篇數也呈現下降的情形(Kibbe, 2020)。為提升國家競爭力女性人才的培育以及友善的研究環境都需要更多關注與努力。逢此國際女性和女孩科學日，希望決策者、教師、家長等都能更加鼓勵與強化對女性從事STEM教育和工作的支持與肯定。
本期專題由彰化師範大學科學教育研究所段曉林教授規劃「國中自然科學探究與實作」專題，其中包括段教授的領頭羊一文，介紹12年國民基本教育中探究與實作的意義與價值，另外四篇文章皆以介紹如何設計探究與實作的課程與教學活動為主，如賴志忠老師的設計是從教科書內容進行轉化，對教師而言容易融入課程中；吳月鈴、陳佩琪和吳宛如老師設計的雙氧水和紅蘿蔔反應製氧的實驗讓學生探究溫度、濃度和化學反應速率的關係，實驗雖然是學生熟悉的，但深化學科內容的討論，延伸學習；鄭志鵬老師從科學史的角度談國中的燃燒概念，再帶入探究活動，可以加強學生對科學本質的認識；最後是林芬如老師和段曉林教授的油脂反應探究活動，以5E環為教學方法並介紹評量方法；以上各篇所呈現的教案皆可立即在學校內使用或轉化，提供有興趣研發與實施探究教學的化學教師參考。至於一般性文章有古建國教授的從閱讀沈括《夢溪筆談》中的解州鹽池與陵州鹽池介紹岩鹽，到以連結數學和科技等設計酒精自動噴灑器，可視為跨領域教材設計。黃琴扉教授團隊指導的由科技力讓學生進行提高比色法的客觀性的探究活動，文章緊扣12年國教中自然科探究與實作的指標：「觀察現象」、「規劃與研究」、「論證與建模」以及「表達與分享」，使教學流程符合期待。廖旭茂老師和陳許玉鈴老師的臺灣土肉桂的探究活動設計，作者從起心動念的到親至屏東請益，再編製成探究課程，一如以往，創意十足，生活處處是化學。文末對教學提問的建議，從問What到How逐步引導，落實探究與實作的精神與做法。第四篇是陳美智老師以口罩實驗來探討預防空汙的問題，該文呈現教學中學生的實驗表現以及評量的規準，並將學習表現分出等級，對於教學與評量的方向有具體的助益。最後，第五篇是林沛瑩老師利用海藻酸鈉加氯化鈣變成有色溶液的海藻酸鈉晶球，作為酸鹼指示劑的設計，乃是在延伸國小自然科水溶液單元的實驗。作者收集學生的回饋一來可以瞭解教學成效，二來可以做為改進教學的參考，這種行動研究的方式可以提供教師們參考。
參考文獻
Guillopé, C., &Roy, M-F. (2020, Eds).A Global Approach to the Gender Gap in Mathematical, Computing and Natural Sciences: How to Measure It, How to Reduce It.Full report of the project: https://doi.org/10.5281/zenodo.3697222
Kibbe, M. R. (2020). Consequences of the COVID-19 Pandemicon Manuscript Submissions bywomen. Journal of the American Medical Association,Surgery, 155(9), 803-804.
UNESCO (2015).UNESCO Science Report: Toward 2030.