臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan「化學元素週期表環島之旅」特展借展後記： 元素週期表的演進介紹與教學運用 ／ 廖酉鎮、夏小雅
Tuesday , 1, September 2020 化學課程與教材, 第三十九期/2020年9月 1 Comment「化學元素週期表環島之旅」特展借展後記：
元素週期表的演進介紹與教學運用
廖酉鎮1、夏小雅2
雲林縣立麥寮高中
1prohamer@gmail.com
2smalljar35@gmail.com
n 前言
延續2019年國際元素週期表年（Ineternational Year of the Periodic Table of Chemical Elements, IYPT）之活動，2020年由國立臺灣師範大學科學教育研究所辦理「化學元素週期表環島之旅」特展活動，將「國際化學元素週期表年（IYPT）特展」之教育資源，經由各級學校申請借展途徑，擴大展覽教育功能。本校趁此良機申請借展，並針對此特展規劃導覽解說，希望經由導覽解說，讓觀展師生更進一步了解元素週期表的相關歷史、門得列夫的週期表為何較同時期他種週期表地位更高，知悉元素週期表的多元性以及相關的一些元素知識概述等等，在一節課的導覽解說中，能對週期表與生活中常見的化學元素有更多的認識。
n 導覽解說設計發想
借展之初規劃展品陳列動線時，打算依門得列夫1869年週期表的原型以及其他各類週期表為開端探索元素週期表，緊接著元素大事記、元素命名與翻譯等為導覽主軸，輔以美國化學會（American Chemical Society, ACS） 元素海報、稀缺元素週期表、化學元素與女性科學家等延伸說明，最後參觀學生海報競賽得獎作品、IYPT 公益彩繪列車等展品。
導覽解說稿內容部分，在探索元素週期表的部分，筆者認為僅介紹門得列夫的週期表，少了一些元素概念的演進史可惜了些，也希望能說明門得列夫的週期表相較其他同時期週期表更被廣為接受的原因。
對於元素大事記的部分，則針對部分元素提供相關說明以增加趣味性。稀缺元素週期表的解說重點在於落實廢棄電子產品回收，化學元素與女性科學家部分著重於兩性平權、學生海報競賽得獎作品強調自我創意發想等。
n 導覽活動增設展品
導覽時，教師會提供學生學習單，其中包含週期表與元素之最等知識性的問題，以及金字塔型週期表紙模供學生製作，將學習單最後轉變為的擺飾品。
配合解說元素概念的演進與各類週期表，本校自行增加部分海報與金字塔週期表、物理學家週期表實體模型（Stowe’s physicist’s periodic table） （Wikipedia, 2018d）；同時，配合國一學生尚未接觸理化課程中原子模型，利用鋁線製作氫原子、鋰原子以及碳原子模型輔助，以說明Stowe的週期表；再自製現存密度最高的鋨金屬─重量模擬體驗裝置，讓學生感受高密度金屬的重量感與理解密度的概念。
n 週期表的演進導覽：從煉金術到週期表
本展覽重心在化學元素週期表，導覽便由化學（Chemistry）的字源煉金術（Alchemy）與古代的元素概念導入，以下為各項導覽解說概略內容。
1. 四元素說（Empedoclean elements）：由介紹西元前四世紀亞里斯多德所建立的四元素說展開序幕（唐登鋼，2008，頁50），介紹風、火、水、土四元素構成萬物的概念（圖1），煉金術士希冀經由添加其他物質與提煉過程，調整物質中四元素比例，達到將物質轉為黃金的效果。可引入哈利波特電影第一集「哈利波特：神秘的魔法石」，以及冰雪奇緣電影第二集中出現風、火、水、土四元素場景的相關說明，增加學生共鳴。
圖1：四元素說 （Wikipedia,2019b）
（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Four_elements_representation.svg）
圖2：神學與煉金術圖（Alchemical emblem），包含四元素、三原素、與七大金屬（Wikipedia, 2018a）
（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fotothek_df_tg_0007129_Theosophie_%5E_Alchemie.jpg）
2. 五元素說：一樣由亞里斯多德提出，認為風、火、水、土四元素之外，有稱為乙太（Aether或Ether）的中間性元素（趙匡華，1998，頁51），能藉由提煉提取，並協助物質的轉化（唐登鋼，2008，頁50）。
3. 七大金屬：七大金屬（Seven Planetary Metals）為金、銀、銅、鐵、錫、鉛、汞，並分別對應到當時的七大行星太陽、月球、金星、火星、木星、土星、水星，圖2中以中央發出的七道光芒代表此七大金屬，以及一周的七天，而七大金屬仍由風、火、水、土四元素構成（唐登鋼，2008，頁54）。
4. 三原素說（Tria Prima）：帕拉塞爾蘇斯（Paracelsus）於1530年所提出，帕拉塞爾斯認為汞、硫、鹽三種元素所組成（唐登鋼，2008，頁56），汞、硫、鹽三種元素分別對應到人的精神、靈魂與肉體，而汞、硫、鹽亦由四大元素所組成，並且可在七大金屬中，看到汞、硫、鹽三者在圖2中以月亮、太陽、砝碼三者的形象出現在七大金屬與四大元素中間的三個角落，經由汞、硫、鹽結合，能夠得到可點石成金的魔法石。特別的是帕拉塞爾蘇斯並不熱衷於煉金術，著重在利用礦物入藥作為治療手段（趙匡華，1998，頁102）。
5. 道耳頓元素表（Dalton’s symbols of the elements）：學生初次接觸道耳頓，是國一生物課程針對色盲的介紹，1803年道耳頓的原子論提到化學元素是由不可分割的原子所組成，且同一元素的所有原子具有相同質量和性質，但不同元素的原子，在質量和性質上都不相同，接著道耳頓1806年發表了第一張原子量表，其中表列了20種元素以及原子量，因當時缺乏分子概念，原子量誤差較大（趙匡華，1998， 頁187）。
圖3：道耳頓元素表（Dalton’s symbols of the elements）（Wikipedia, 2019a）
（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dalton%27s_symbols_of_the_elements._1806_Wellcome_M0004592.jpg）
6. 德貝萊納三元素組（Döbereiner’s triads）：在1829年已知的54種元素中的15個，依化學性質分類，3個元素為一組，例如：鋰、鈉、鉀歸為一組、鈣、鍶、鋇歸為一組，稱為三元素組，三元素組中元素的原子量，會是原子量較小的元素與原子量較大的元素兩者原子量加總後的平均值，呈現約略等於原子量居中元素的原子量的特殊現象，例如：鈣與鋇的原子量平均值，會等與鍶的原子量（林德宏，1997，頁287），但對於原子量非常低或非常高的元素不適用（Simply Science, 2020），三元素組法則雖無法普及到所有元素，但仍有其重要的貢獻，深深影響門得列夫與麥爾（Scerri, 2007, p. 94, p.103）。
7. 尚古多碲螺旋（Chancourtois Telluric Screw）：尚古多是第一位設計元素週期表的科學家，他依據原子量大小，在1862年設計了一個螺旋圖，並將圖繪製於周長為16個單位的圓柱上（圖4），命名為碲螺旋，圖表中將原子量最小的氫排在最高的位置，往右下方依原子量遞增順序填入62個元素，並將相似元素如鋰鈉鉀排列於相同的垂直位置，且鋰、鈉、鉀原子量差值都接近16（Royal Society of Chemistry, 2020），他是第一位發現元素隨著原子量順序排列時，化學性質會出現週期性的科學家（趙匡華，1998，頁415）。
圖4：尚古多碲螺旋（Wikipedia, 2018b）
（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Telluric_screw_of_De_Chancourtois.gif）
8. 麥爾（Lothar Meyer）六元素表：麥爾於1864年提出的週期表與門得列夫的週期表相當類似，麥爾按原子量遞增的順序表列了28種元素（Scerri , 2007, p.94），且揭示了不同週期間原子量增加的規律性（圖5），隨後在1869年又製作了一張化學元素週期表，表中羅列了52個元素，也留下一些空格給尚未發現的元素（田學賓，2005，頁73）。麥爾1868年繪製出「原子體積周期性圖解」，並進一步發展出化學元素的原子量、原子體積與固態金屬密度三者間的的關係式（公式1），且依此校正了部分金屬的原子量，麥爾的研究偏重歸納元素的物理性質，不強調對未知元素的性質預測（趙匡華，1998，頁422）。雖然對週期表的發展有長足的影響，也成功預測鍺的原子量（Scerri , 2007, p.119），但麥爾始終並未得到應有的關注。公式1： 
圖5：麥爾週期表（Venable, 1896, p.85）
9. 紐蘭茲八度律法則（Newland’s Law of Octaves）：紐蘭茲於1865年發表了「八度律法則」（圖6），並指出表中的元素都與其後的第八個元素有類似的性質，且利用此法則排列，能呼應德貝萊納三元素組（Venable, 1896, p. 79）。但是紐蘭茲發表後受到許多嘲笑，且紐蘭茲未考慮可能有未知元素存在，就依原子量逕行編排的方式，也無助發展週期表的規律性（趙匡華，1998，頁419）。紐蘭八度律法則的缺點在於後來發現的元素無法放入八度音階模式，且原子量高於鈣的原子也無法適用。紐蘭茲的週期表重要性被低估，他揭示了元素的化學性質會在一定規律間隔後重複的模式，並跳脫以原子量為主的排序方式，改用化學性質為排序依據，將較重的碘與與較輕的碲的位置做了交換，對於門得列夫與麥爾排列週期表元素的規律性，有重要參考價值（Kaji, Kragh, & Palló, 2015, p.85 ; Scerri, 2007, p.76）。
圖6：紐蘭茲八度律（Venable, 1896, p.85）
10. 門得列夫元素週期表：門得列夫在1869年發表的週期表（圖7），包含了63種元素，與麥爾的六元素族頗為類似，皆使用原子量作為主要歸類依據（趙匡華，1998，頁421-422；Mendeleev, 2005 , p.26），因為當時還沒有過渡金屬的概念，所以同一格會放入兩種元素（趙匡華，1999，頁418-420）。門得列夫的成功與獲得普世認同的原因，是因為賦予了週期表更高的實用性，利用他獨特的見解，大膽的預測有未知元素的存在，並利用既有的各種資料的做未知元素的性質推測，值得一提的是門得列夫於1871年預測了鎵金屬的性質，在1875年鎵被發現時，原子量與門得列夫預測值相當接近，但密度差異頗大，門得列夫預測此金屬密度為5.9g/cm3，但發現者布瓦博多朗（Lecoq de Boisbaudran）所測得的密度值僅有4.7 g/cm3，門得列夫手邊沒有此金屬，仍大膽去函給布瓦博德朗，暗示他對於鎵密度的測定可能錯誤，甚至指出可能是鎵在提純過程中被鈉所污染，布瓦博德朗便重新提煉鎵金屬重新測定，測完後發現幾乎與門得列夫的預測值吻合，布瓦博多朗便開始宣傳門得列夫的元素週期表，後續未知元素發現時也大致吻合門得列夫的預測值，至此可說門得列夫已將週期表的週期性做了相當優異的闡釋，也因此門得列夫週期表大放異彩（田學賓，2005）。
圖7：門得列夫週期表（Wikipedia , 2018c）
（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mendeleev%27s_1869_periodic_table.svg）
綜觀週期表的發展，門得列夫歸納整理出各項元素物理與化學上的規律性，賦予預測週期表上未知元素所在位置，以及各未知元素的物理化學特性後，進一步調整銻與碘等元素的位置，並修正銦、釔、鑭、鈾等原子的原子量（趙匡華，1998，頁427）。門得列夫對新元素預測的性質包含原子量、是否為金屬、熔點、沸點、元素密度、氧化物化學式、氧化物密度等等，但對於如何計算出相關預測數值，門得列夫未曾明確說明，推測他對原子量的預測應用了類似三元素組的方式，經由計算該元素在週期表位置的上下左右相鄰的四個元素中的三個或四個的原子量平均值，得到該未知元素原子量（Scerri, 2011）。對於元素的密度須經由公式2的關係式求出，原子體積一樣利用該元素在週期表位置的上下左右四個元素之中三個原子體積平均值（Campbell & Pulkkinen, 2020），以鎵為例，計算如下：
公式2：
以門得列夫的計算式看來，他使用了類似德貝萊納三元素組的概念以及麥爾對於原子體積、原子量、跟原子體積之間的概念進行預測，能參考他人的研究成果並能夠加以修正與使用，門得列夫的成功，可說植基於自身的天分以及妥適運用他人的研究成果所建構出的成就。
n 多元週期表與元素大事記導覽
門得列夫在1869年發表週期表後的100年內，超過700種各式各樣的週期表被發表（Scerri, 2007, p.20），介紹完門得列夫的週期表後，本校增印了由海德（Hyde）於1975年發表的Curled
ribbon periodic table （Wikipedia, 2020a） 如圖8、物理學家週期表如圖9等不同種類的週期表如下表，讓學生了解週期表具有相當多的樣貌。
圖8：Curled ribbon periodic table （Wikipedia, 2020a）
（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:The_chemical_elements_and_their_periodic_relationships.svg）
圖9：物理學家週期表（Wikipedia, 2018d）
（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Periodic_system_Stowe_format.svg）
元素大事記導覽部分針對砷的毒性、磷的提煉、惰性氣體的發現、人造元素等進行說明，概述如下：
1. 砷：13世紀被發現的砷，常以名稱砒霜（As2O3）、雌黃（As2S3）和雄黃（As4S4）出現在電影中，砒霜是古代常見的毒藥。砷中毒會造成血管病變，產生血栓、血管炎栓塞和動脈硬化栓塞，因血液無法流通而導致肢體呈現烏青壞死的現象，在臺灣稱為烏腳病（陳建仁，2004）。砷會破壞紅血球，被視為有美白功效，因此會有吃微量砷美白的狀況產生（蘇瓦茲，2004，頁148）。
2. 磷：布蘭德（Hennig Brand）1669年提煉人類尿液所得，提煉出的物質是白磷，高於35度會燃燒，魔術師會使用白磷作為火源。而紅磷即為常見的火柴成分之一，人類的骨骼有20%是磷酸鈣（田曉伍、任金霞，2004），但吸入太多的磷，會造成骨質疏鬆，早期經常火柴工廠工人經常發生下巴頷骨碎裂的病症，稱為Phossy_jaw（Wikipedia, 2020b）。
3. 鈍氣：在瑞利（Rayleigh）的敏銳觀察力與努力下純化出氬氣，再經由拉姆齊（Ramsay）判斷出這是種新元素後，在1894年確認了氬氣的存在，且拉姆齊預言氬應該是個元素新族，根據週期表的概念，也暗示鈍氣應有其他同族元素存在（趙匡華，1998，頁435）。鈍氣發現者拉姆齊利用圖5中不同週期的元素原子量遞增順序規律，認為當時尚未發現的氖，原子量應該比氦多16（Ramsay, 1897），但預測氪原子量為82與氙原子量為129的部分，拉姆齊沒有明確交代，單純以結果看來，似乎利用了同週期前後元素原子量的平均值，幾年內8A族所有成員便一個接著一個被發現，且原子量接近拉姆齊的預測值。
4. 鎝：原子序43的鎝，被門得列夫預測其存在後（Stewart, 2019），一直沒有被找到，因為半衰期僅幾百萬年，在地球上已不存在天然的鎝。鎝是經由中子與氘原子轟擊鉬金屬所產生，也是第一個人造元素（趙匡華，1998，頁514），並開啟了後續利用原子對撞製造人造元素的序幕，經由人造元素進一步拓展週期表的版圖。
n 增設展品說明
針對週期表導覽過程中，自行增加了一些展品，增加展示多樣性，增加展品項目如下：
1. 金字塔型週期表（The Periodic Pyramid）：在1983年由Charles E. Gragg所設計，可做成如圖10的金字塔，解說週期表發展史時，便發給同學觀看，並將模板（圖11）附於學習單上，最後可將學習單折成此金字塔型週期表，做為擺飾外，亦可發揮學習單最大效益。
圖10：金字塔型週期表模型 圖11：金字塔型週期表模板（Gragg, 1983）
2. 物理學家週期表（Physicist’s Periodic Table）：由Stowe於1986年所設計的週期表（圖9），以主量子數n作為區分元素區塊的主要依據，將103種元素分成7層，代表7個週期，相當有趣，但平面影像較不易看出其特色，於是便將Stowe的週期表各層印出，並自行組裝成立體的7層週期表如圖12，總高度約150公分。
圖12：物理學家週期表模型
3. 鋁線串珠原子模型：利用鋁線與串珠，建構氫原子、鋰原子、碳原子三種概略模型（圖13），作為輔助教具，讓國一尚未學習原子模型概念的學生，對於原子模型，有初步的認知後，並延伸用以說明物理學家週期表各層的主量子數意義。
圖13：鋁線串珠原子模型，由左而右為氫原子、鋰原子、碳原子
4. 鋨金屬重量模擬裝置：鋨金屬是密度最大的物質，密度高達22.5g/cm3，250立方公分的鋨金屬，重量就高達5.5公斤。鋨金屬密度體驗展品是將250ml鋁箔包飲料，包上銀色的包裝紙，並吊上5公升的水瓶（圖14），讓孩子單手拿取鋁箔包，具體感受密度最高的金屬–鋨的真實存在的重量感。
圖14：鋨金屬重量模擬裝置與學生操作體驗
n 結語
化學元素週期表是國內義務教育中的一環，了解常見元素的性質對於生活很有幫助，教科書中對於週期表的發展史囿於篇幅而相當簡略，學生大多只知道門得列夫所發展出的週期表，以及他利用排列卡牌的方式預測未知元素的位置的故事，對於元素週期表相關的發展脈絡著墨甚少，對於週期表的多元性介紹也不多，導致多數人認為週期表只有一種版本，門得列夫如何預測未知元素的原子量與密度，國內的相關文獻也甚少。
本文針對門得列夫預測未知元素的原子量與密度的著墨較多，介紹週期表時，針對門得列夫利用德貝萊納三元素組的概念進行鎵原子量預測的部分，很適合發展為一個教學活動，讓學生實際試算。門得列夫預測鎵金屬密度，與後續跟去函請發現鎵金屬的科學家重新測定的故事，也饒富趣味，適合授課時融入。
針對元素符號或中文進行造字造詞的腦力激盪活動，可以讓靜態的課程瞬時活絡起來（圖15）。經由簡略介紹週期表發展史，可以讓學生了解發展週期表的過程是累積了多人的努力成果，正如牛頓曾經說過：「如果我能看得更遠， 那是因為站在巨人的肩膀上。」，門得列夫成功之處在於懂得善用前人的成果，利用了德貝萊納三元素組、紐蘭茲八度律、麥爾的原子體積–密度–原子量關係式等概念，成功預測未知元素的性質，並建立門得列夫週期表的權威性。
圖15：元素符號造字造詞活動
n 致謝
感謝教育部國民及學前教育署、國立臺灣師範大學、中國化學會、邱美虹教授及其所帶領的工作團隊，使本校學生能夠沉浸在「化學元素週期表環島之旅」特展的精美展品中，獲得許多關於週期表的有趣知識。
《臺灣化學教育》組織與成員
2017.05～2018.04 （第19期～第24期）
發行單位：中國化學會（臺灣）化學教育委員會
發行人：許千樹
顧問：王瑜、王文竹、李賢哲、林煥祥、洪振方、段曉林、連啟瑞、陳竹亭、陶雨台、傅麗玉、彭旭明、黃萬居、葉名倉、趙奕姼、劉陵崗、蕭次融 （依姓名筆畫順序排列）
主編：邱美虹／國立臺灣師範大學科學教育研究所
副主編：楊水平／國立彰化師範大學化學系
執行編輯：周金城／國立臺北教育大學自然科學教育系
專欄編輯：方金祥／國立高雄師範大學化學系、祥和園創意微型科學工作室
王瓊蘭／新北市立新店高級中學、教育部高中化學學科中心
林如章／國立臺灣師範大學化學系
林靜雯／國立東華大學課程設計與潛能開發學系
李賢哲／國立屏東大學應用化學系
周金城／國立臺北教育大學自然科學教育系
施建輝／國立新竹科學園區實驗、教育部高中化學學科中心
洪文東／美和科技大學
洪振方／國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
翁榮源／靜宜大學應用化學系
張一知／國立臺灣師範大學化學系
許良榮／國立臺中教育大學科學教育與應用學系
傅麗玉／國立清華大學師資培育中心
楊水平／國立彰化師範大學化學系
廖旭茂／臺中市立大甲高級中學、教育部高中化學學科中心
劉曉倩／國立彰化高級中學、教育部高中化學學科中心
鍾曉蘭／新北市立新北高級中學、教育部高中化學學科中心
鐘建坪／新北市立錦和高級中學
（依姓名筆畫順序排列）
網站建置：周金城／國立臺北教育大學自然科學教育系
網站管理：游輝宏／國家高速網路與計算中心
編輯助理：李宜諺／國立臺灣師範大學科學教育研究所
Logo設計：邱美虹／國立臺灣師範大學科學教育研究所
Banner設計：唐尉天／國立臺灣師範大學科學教育研究所
《臺灣化學教育》組織與人員／2014.05～2015.04 （第1期～第6期）
《臺灣化學教育》組織與人員／2015.05～2016.04 （第7期～第12期）
《臺灣化學教育》組織與人員／2016.05～2017.04 （第13期～第18期）
《臺灣化學教育》第三十八期（2020年7月）
目 錄
n 主編的話
u 第三十八期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕
n 本期專題【專題編輯／吳國良】
u 素養導向評量專題簡介／吳國良〔HTML｜PDF〕
u 素養導向評量：化學科素養導向命題之我見／楊吉水〔HTML｜PDF〕
u 素養導向評量：大學的社會責任：素養題／焦傳金〔HTML｜PDF〕
u 素養導向評量：技術型高級中等學校化工群108課綱素養導向題型初探／葉瀞月〔HTML｜PDF〕
u 素養導向評量：素養導向試題–以國中教育會考為例／田鎧豪〔HTML｜PDF〕
n 教學教法／化學課程與教學【專欄編輯／鐘建坪】
u 有機物定義與乾餾的探究課程／鄭志鵬〔HTML｜PDF〕
n 化學實驗／化學活動推廣【專欄編輯／鐘建坪】
u 化學元素週期表環島之旅 元素實驗動手做設計與活動辦理分享／廖旭茂〔HTML｜PDF〕
|
第三十八期 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 |
108國民基本教育課程綱要即將在2019年8月正式實施，學校教育除了課程內容要符合新課綱的要求外，還必須著重以素養導向為主的教學和評量，凡事起頭難，首要之事便是要釐清何謂「素養導向」的教育。根據2014年公布的「十二年國民基本教育課程綱要總綱」中揭示，「核心素養」是指一個人為了適應現在生活及面對未來挑戰，所應具備的知識、能力與態度。核心素養強調學習不局限於學科知識及技能，而應關注學習與生活的結合(教育部國民及學前教育署，無日期)。由前述定義可以得知，單單知識的獲得已不再是學習的核心價值，而是習得的知識與技能可以如何用在問題解決和生活情境應用上，以及發展一種能面對未來瞬息萬變的科技世代之應變能力。經濟合作暨發展組織（The Organisation for Economic Co-operation and Development， OECD）在2015年以評量科學素養為主後，未來在2025年將再次評鑑世界各國學生所發展的科學素養水平，其評量重點除科學外，還有一項對外語的評量。同時，也將評量學生在數位世界中對新興科技的學習能力，亦即自律（self-regulated）學習數位工具的能力（OECD，無日期）。在此原則下，OECD增加兩項新的能力以及拓展兩項之前就已涵蓋的能力，前者是使用科學知識做判斷和採取行動，並能使用機率性的思考(probabilistic thinking)，來進行決策的制定，因為科學議題中是會牽涉機率與風險。而擴充的能力是指科學探究的評鑑與設計，以及科學性的解釋資料和證據(OECD, 2020)。從在地的課程綱要到國際評比的素養期待，可以看出自主性學習與生活連結的目標是相互呼應。俗話說:「給他魚吃，不如教他釣魚的方法」，若學校教育能將教學的重點從知識的灌輸到知識與技能的應用，引領學生發展個人適應環境所需的能力，進而創造提升生活品質之法，即使科技始於人性，不斷影響人類的生活，學生也能適應與調整良好，這也是素養導向與成就導向的教學與評量不同之處。
教育改革的挑戰–素養導向的課程已在發生了，這些變化讓現場教師忙得焦頭爛額，在顧及學科內容外，還必須兼顧學生的學習表現是否能發展出具素養的內涵，這一切不僅是要在教學上有大幅度的調整外，也要能反映在評量的內容和形式上。傳統總結性評量著重於知識的記憶與理解，已不足以滿足新世代課程的要求與社會的期待。故本期特別邀請大考中心吳國良研究員擔任「素養導向的評量」專題客座主編，吳客座主編長期致力於大考中心的業務，相當精熟命題方向與重點，近年並致力於素養試題的研發，此次由吳主編邀請數位專家學者針對該議題進行解析，除針對育四篇專題提出個人總結性的觀點外，其中還包括楊吉水教授精闢的解說與分析，將大學入學中心邀請其命題的經驗，現身說法提出卓見，文中以科學性文章或創新研究結果為主幹去發展適合高中生程度的評量試題為例，不僅可以檢測學生在高中所發展的科學閱讀和解題能力外，也可以透過評量讓學生習得新知識、新研究法、與科學推理論證的過程。其次是焦傳金教授的素養題開發實例經驗分享，焦教授以清大教授們的研究出發來研發素養導向的試題，並與高中教師合作，由上（學理）而下（實踐），再由下（實踐）而上（學理），雖從學理出發，但也能更接地氣。而技職教育在這一波教育改革中也未被邊緣化，葉瀞月副研究員根據技術型高級中學課程綱要強調「核心素養」出發，論及新的評量試題提供技職學校在未來規畫課程與評量時，應從提升學生閱讀能力，到利用題目中的線索進行抽絲剝繭進而達到解題的目的作為教學的重點。最後，田鎧豪研究員以國中教育會考的情境式考題為例，說明如何從核心素養的學習內容和學習表現來設計素養導向的試題。若指標明確，設計出的評量試題較能有效的檢測出學生的能力，此部分可提供教師參考。
此次課程改革讓整個教育系統動起來，將科學活動的真正內涵與學校科學教育更密切的結合，回歸到科學教學的本質上，另人興奮，也令人相當期待。而考試領導教學至今仍是王道，那為何不在評量上多與教育理念結合並落實呢？所以如何教，如何考，都是學問，尚待有智慧的人來開創新局面。
最後，本期常態性文章有鄭志鵬老師以三本教科書中既有的內容進行評析並提出可以精煉其內容的取向，以更符合12年國民基本教育總綱中所著重的探究精神。教科書內容是固定的，因材施教，調整教科書內容，且讓教法可以是更多元，此文可以激發教師們就手邊的教學素材設計更多探究與實作的活動。另一篇文章是繼2019年國際化學週期表年後，本人開始將展品在全臺不同地區的學校進行元素週期表的移展活動，廖旭茂老師針對其搭配展品而辦理的元素相關實驗活動進行分享，讓學生可以對化學元素有更深入的認識，值得參考。
參考文獻
教育部國民及學前教育署(無日期)。108課綱資訊網。網址https://12basic.edu.tw/12about-3-1.php查詢日期：2020年7月30日。
OECD(no date)。https://www.oecd.org/查詢日期：2020年7月30日。
OECD (2020).PISA 2024 Strategic Vision and Direction for Science, March.下載於https://www.oecd.org/pisa/publications/pisa-2024-assessment-analytical-framework-science-strategic-vision-proposal.htm，2020年7月30日。
素養導向評量專題簡介
吳國良
財團法人大學入學考試中心研究員
n 前言
十二年國民基本教育課程綱要已於108學年度開始實施（以下簡稱108課綱），這套以核心素養為主軸的課綱，與以往的課綱有所不同。就核心素養而言，國家教育研究院於《十二年國民基本教育課程發展指引》的定義為：個人為適應現代生活及未來挑戰，所應具備的知識、能力與態度。核心素養的表述可彰顯學習者的主體性，不再只以學科知識作為學習的唯一範疇，而是關照學習者可整合運用於生活情境，強調其在生活中能夠實踐力行的特質。這段核心素養的陳述，除了點明知識、能力與態度的學習外，更重要的是能夠於生活情境中實踐的特質。
眾所周知，教學與評量是密不可分，故國教院於〈素養導向「紙筆測驗」要素與範例試題（定稿版）〉特別提到「素養導向評量之『導向』二字意味著期望透過適當的評量實務，引導並落實能夠培養學生核心素養和領域／科目核心素養的課程與教學」。也就是說，透過適當的評量方式，達成核心素養的課程與教學目標。
n 專題簡介
本次的專題共計收納四篇文章，基本上，都是以素養導向評量有關，分別為：〈化學科素養導向命題之我見〉（楊吉水）、〈大學的社會責任：素養題〉（焦傳金）、〈技術型高級中等學校化工群108課綱素養導向題型初探〉（葉瀞月）、以及〈素養導向試題－以國中教育會考為例〉（田鎧豪）。四篇文章中，共同的特色就是介紹作者或各測驗中對所謂素養導向試題的定義，以及提供各類型的範例，可供各級學校的教學或學生學習的參考。
細部言之，楊吉水教授的文章是以參與大學入學考試中心（簡稱大考中心）試題研發計畫的研究人員，就大學入學考試中心（大考中心）化學科素養導向的試題範例進行介紹。楊教授文章的重點在於：素養題並不是閱讀題，亦即不要把長篇大論無關作答的訊息包裝在一起，就當成素養題；另外，試題情境的取材可以從期刊雜誌，只要相關的內容是考生可以理解的內容，其中，有一題關於史來姆的探究與實作的試題，是取材於國外的化學教育期刊（J. Chem. Educ., 1986）。無獨有偶，清大焦傳金教授的文章，則是介紹清大讓素養飛的平台，焦教授的文章是以清大幾個科系的教授，包括：生科、化學、物理，他們的研究內容，改寫成高中生可以理解的型式，再加上試題設計而成的素養題的平台，除了可供高中師生參考外，亦有善盡社會責任的味道。
測驗中心也分別提供了文章，技專測驗中心的葉瀞月研究員與心測中心的田鎧豪研究員，分別就兩個測驗中心，對於素養導向的基本要素或特點提供介紹，並就素養導向題型進行簡介。兩個測驗中心所舉的範例，包含試題評量所涵蓋的學習內容與學習表現的課綱內容。除此之外，心測中心的例子，亦涵蓋所評量的核心素養。
整體而言，這四篇文章的表達方式不同，但都涵蓋素養基本定義的知識與能力。雖然，就態度面向而言，一般紙筆測驗較難達成，但就教學而言，此一面向應是不可或缺。除此之外，素養導向評量的情境設計，不論楊教授、焦教授或翁研究員的文章，都提到期刊論文是一個可以嘗試的方向，焦教授的文章中提及：「大學老師的研究題目剛好提供了一個絕佳的機會，將研究設計思考過程轉換成考題形式，讓學生經歷一場虛擬的實驗旅程，除了能讓高中生更加瞭解各個實驗室的研究發現，也是培養學生科學力的有效方法！」總結來說，如何找到高中生可以理解的科學期刊，經由適當的改寫而成為合宜的試題，應可作為素養導向命題的研究方向。
n 結語
本次素養導向評量專題，雖僅有四篇文章，文章內所提供的試題範例，受限於篇幅，也相當有限。但是，就各篇文章的內容，已明確傳達素養導向評量的要義。除此之外，各篇的參考資料中亦提供相關的連結，提供讀者作進一步了解之所需。108課綱已實行一年，希望此次的專題，有助於各級學校的教師與學生，就評量的部分，能夠有更具體的認識，讓108課綱能順利推展，落實培養學生帶得走的能力。
n 參考資料
1. 國家教育研究院。素養導向「紙筆測驗」要素與範例試題（定稿版），取自https://www.naer.edu.tw/ezfiles/0/1000/img/67/159548289.pdf
2.Lagowski, J. J. (1986). The educational continuum: A demographic perspective. Journal of Chemical Education, 63(1), 57-60.
素養導向的評量：化學科素養導向命題之我見 ／ 楊吉水
Monday , 6, July 2020 本期專題, 第三十八期/2020年7月 Comments Off on 素養導向的評量：化學科素養導向命題之我見 ／ 楊吉水素養導向評量：化學科素養導向命題之我見
楊吉水
國立台灣大學化學系
jsyang@ntu.edu.tw
n 摘要
配合民國107年教育部發布之十二年國民基本教育課程綱要之實施，大學入學考試中心（以下簡稱大考中心）也針對111學年度大學入學考試提出試題精進方案，於是「素養導向命題」一時成為眾所矚目的焦點，而各方對「素養」一詞的不同解讀，造成不少的疑慮與困惑。儘管大考中心已召開多次說明會與工作坊，試圖讓第一線的高中老師們明白何謂素養導向命題，但受限於時空因素，無法擴及每一位教師。因此，我以參與大考中心試題研發者的身分，針對化學科素養導向命題的一些重要面向與觀點，以本文與大家分享。
n 素養定義
首先，要釐清「素養」是什麼？國家教育研究院的核心素養發展手冊的定義：「素養是一種能夠成功回應個人或社會的生活需求，包括使用知識、認知與技能的能力，以及態度、情意、價值與動機等。」站在教師和學生的立場，簡單的說：素養 ≡ 能活用知識。學習的本質和目的就是要獲得知識並能活用，亦即讓學到的知識成為有用的工具。工具可解決問題（生活上與專業上），工具也可開創新的工具（舉一反三並自我學習）。其相反就是死記死背的知識，存放在腦中，只在考試時才知道使用。學習的本質和目的想必人人皆知，只是大考當前，追求高分成績儼然成為首要目標，學習的樂趣與素養發展漸被遺忘，新課綱中核心素養的呼籲只是要喚回學習的本質和目的罷了。既然大家重視大考，若大考試題植入素養的精神，不啻可達到選才（能活用在校所學者）的目的，亦有助於教學端與學習端重回學習的本質。
明白素養的精神後，如何將試題素養化是下一個挑戰。一般「直問直答型」的題目，無論是僅含一個概念的簡單問題，或是綜合多個概念而成的較高難度問題，出題的困難度並不高。如何將同樣的問題轉化成具有素養成分的問題，則是過去一段時間大家在討論與探究的議題。一個常見的誤解是將「素養題」解讀成「閱讀測驗題」！會有這樣的誤解，與「試題素養化必會伴隨題幹變長」和「考題內容必須是課外知識」的錯誤認知有關。其實，題幹字數增加不是要將選項中的答案藏在題幹中讓考生擷取出來（閱讀測驗題型的概念），而是提供問題本身的情境（課本中未出現過的生活情境或專業情境）和課外的專業資訊（事實上，這些資訊有時會以圖式或表格方式呈現），而且內容不必然是課外知識。換言之，素養題的形成需要建構一座「舞台」─一座情境的舞台或一座新樣貌的舞台，舞台的建構自然需要文字，題幹字數自然會增加。考生必須能夠無懼這些課堂上從未接觸過的情境或新資訊，並能以課內所學為基礎，加以消化理解，便可正確答題，這是素養導向命題的主要原則與方向。
n 素養題設計
如何選擇合適的課外的情境與專業課題來建構一道素養題？化學與相關之自然科學雜誌是最佳的取材來源，畢竟其內容較一般報章雜誌的報導嚴謹與完整。然而，並非所有的科學論文都適合被轉化成素養題，關鍵在於內容與高中化學知識的連結是否能達到上述素養命題的原則。若學術論文部分內容是高中程度可理解的，便可直接轉成試題提問，此時考生若（1）具備相關課本基本知識，同時（2）能理解題幹提供之新資訊，即可作答。此二要件，缺一不可，方達素養精神。若是試題本身僅利用第（2）點而不必結合第（1）點之先備知識便可答題，便偏向一個閱讀測驗題，失去了考化學專業的目標。若論文題材有趣，但內容對高中程度稍嫌艱澀，可用於情境題型─題目不問論文本身的內容，而是問與該論文題材相關的課本基本知識。換言之，是否具備相關課本基本知識才是考題的核心，是否具備素養精神（能否活用知識）則是得分關鍵。素養導向命題可跳脫課內題材之束縛，使題目更活潑多樣，以達到測試知識是否靈活掌握之目的。以下各舉一例說明：
n 示例
例一（大考中心研發試題）：
二氧化碳被公認是造成全球暖化的主要溫室氣體，科學家正在開發能大量吸收二氧化碳的化合物。科學家測量甲、乙、丙、丁四種液態化合物對二氧化碳的吸收量，其化學式、結構式與代號如表1所示。在50℃時，一大氣壓的二氧化碳氣體中，此四種液體對二氧化碳吸收的重量百分比與時間的關係如圖1所示。
表1
化學式
|
結構式
|
代號
|
|
[
|
|
|
甲
|
[
|
|
|
乙
|
[
|
|
|
丙
|
[
|
|
|
丁
|
![clip_image002[1]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0021.png "clip_image002[1]"){kind=small}
![clip_image006[1]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0061-1.jpg "clip_image006[1]"){kind=small}
![clip_image004[1]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0041.png "clip_image004[1]"){kind=small}
![clip_image015[1]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0151.png "clip_image015[1]"){kind=small}
![clip_image011[1]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0111.png "clip_image011[1]"){kind=small}
![clip_image013[1]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0131-1.jpg "clip_image013[1]"){kind=small}
依據上述實驗結果，試判斷下列敘述哪些正確？
(A) 此四種液態化合物屬於離子化合物
(B) 此四種化合物吸收二氧化碳的能力是甲＞乙＞丙＝丁
(C) 
陰離子是吸收二氧化碳的主要成分
(D) 當固定陰離子為
時，發現不同的陽離子對二氧化碳的吸收具有影響力
(E) 當固定陰離子為
時，發現不同的陽離子對二氧化碳的吸收不具有影響力
本例算是短題幹的素養題，不計圖表，題幹僅136字，此乃因為大多資訊已由圖表顯示。本題希望利用氣候暖化的議題（生活情境），讓考生從吸收溫室氣體二氧化碳的化合物之結構以及吸收實驗的數據變化來判讀化學反應的影響變因（分析化學資料的能力）。其所涉及的基本知識，包括離子化合物、重量百分比和有機分子結構等，均是考生可理解範圍，考生經圖表判讀和推理，即可得正確答案(A)(D)(E)。
例二（107年指考試題）：
榮獲2018年諾貝爾化學獎的創新研究，是運用定向演化的方式，製造出新穎的酵素，現已被用來生產藥物和生質燃料等。化學家將一個天然的「枯草桿菌蛋白酶」酵素，改變為能在有機溶劑中進行化學反應。其策略是刻意的在酵素的基因密碼中，製造隨機的突變，然後將這些突變的基因引入細菌，因此產出數千種變體的枯草桿菌蛋白酶。再從這些眾多的不同變體中，挑出在有機溶劑：二甲基甲醯胺（簡稱DMF）中運作效率最高的那些酵素。重複進行，在第三代的枯草桿菌蛋白酶中，就找到了一個變體，在DMF 中的運作效率，比原始的酵素要高256 倍之多。根據這些敘述，回答下列問題：
1. 在枯草桿菌蛋白酶參與進行的化學反應中，此蛋白酶的作用是什麼？
2. 枯草桿菌蛋白酶是由某些單體聚合而成，這些單體的化學名稱為何？以通用取代基（ R– ）的形式，畫出單體的化學結構。
3. 枯草桿菌蛋白酶由這些單體聚合而成時，新生成的化學鍵名稱為何？畫出此化學鍵的化學結構。
本例以諾貝爾獎獲獎內容為學術情境來測驗考生有關胺基酸、蛋白質和酶（酵素）等之基本知識，獲獎內容的專業已超出考生可理解的範圍，故未出現在問題中。情境的建構使用243字，屬可接受範圍。
雖然字數增加是試題素養化不可避免之處，如何控制字數而不致浮濫是出題者須重視的原則。簡言之，在不損情境與答題的前提下，文字應盡量刪減，沒必要的資訊也不應出現在題幹中。儘管哪些文字「可刪」或「不該刪」在判斷上有許多主觀成分（如例二），命題老師可與同仁間彼此交流討論，當可達到較客觀的判斷。此外，有時一張圖或一個表可代替千言萬語（如例一），何不善用圖表？使用圖表亦可進一步考查學生閱讀非連續文本的能力。
「探究與實作試題」是另一類素養題型，其命題困難度更高，畢竟探究是一種態度，實作是一種操作過程，很難在短時間內以紙筆測驗方式評量。此外，非選題的閱卷有其侷限性，過於開放性的論述不易客觀公平給分，這類試題在大考中將會以「限縮答案的可能範圍」方式呈現。一般而言，這類題型是由實驗題型轉化而成，除上述情境導向與專業延伸之素養精神外，亦可著重於邏輯思考或訓練、圖表運用和繪製等面向。以下以例三之混合題型（含選擇題與非選題）說明之：
例三（大考中心研發試題）：
小明看到網路流行利用混合透明膠水、隱形眼鏡保養液、小蘇打來製作俗稱「史萊姆」的凝膠，想要研究看看形成史萊姆的化學原理。他先確認了膠水、隱形眼鏡保養液、小蘇打的主要成份分別為聚乙烯醇（PVA）、硼酸（
）、與碳酸氫鈉（
），便在實驗室製備了4%重量百分比PVA、0.01 M硼酸、0.01 M小蘇打等三種水溶液，接著他將三種溶液用不同比例充分混合均勻，果然在某些比例的配方中成功製成史萊姆。
為了測試史萊姆的黏滯性，小明將成功合成史萊姆的燒杯倒置，測量膠體在十秒內移動的距離，如圖2。實驗進行中，小明也發現只要有充分混合讓反應達到平衡，配方中溶液加入的快慢或順序並不影響生成史萊姆的性質，因此可以將硼酸水溶液先與小蘇打水混合反應後，再加入PVA水溶液中。最後小明將實驗結果整理成下方所示的表格（表2）：
| 表2 | |||||
| 組別 | 4% PVA
水溶液體積 （mL） |
0.01 M硼酸
水溶液體積 （mL） |
0.01 M 小蘇打
水溶液體積 （mL） |
總體積
（mL） |
移動距離（cm） |
| 1 | 20 | 0 | 20 | 40 | 不生成凝膠 |
| 2 | 20 | 5 | 15 | 40 | 13.2 |
| 3 | 20 | 10 | 10 | 40 | 2.6 |
| 4 | 20 | 15 | 5 | 40 | ＞15.0 |
| 5 | 20 | 20 | 0 | 40 | 不生成凝膠 |
| 6 | 40 | 10 | 10 | 60 | 12.8 |
1. 小明依據此一實驗的結果，作出以下推論，哪些選項是正確的？
(A)硼酸可以與膠水反應形成史萊姆凝膠
(B)小蘇打的用量並不影響生成史萊姆凝膠之性質
(C)水量的多寡會影響生成史萊姆凝膠之性質
(D)溶液體積固定下，當加入硼酸與小蘇打的莫耳數相同時，所得的凝膠黏滯性最高
(E)要形成凝膠，硼酸與小蘇打兩者缺一不可
2. 小明進行實驗時，第1組0.01 M硼酸水溶液的體積為0毫升，試問其實驗目的為何？請填入下表。
| 組別 | 4% PVA
水溶液體積（mL） |
0.01 M硼酸
水溶液體積（mL） |
0.01 M小蘇打
水溶液體積（mL） |
實驗目的 |
| 1 | 20 | 0 | 20 |
3. 小明根據表2與以下實驗的結果，做出的推論是「要形成凝膠，PVA、硼酸與小蘇打三者缺一不可」。試完成下列所需體積。
| 組別 | 4% PVA
水溶液體積（mL） |
0.01 M硼酸
水溶液體積（mL） |
0.01 M小蘇打
水溶液體積（mL） |
| 7 | 20 |
4. 綜合以上實驗的結果，小明推論史萊姆生成的原理是：在加入小蘇打的鹼性條件下，硼的化合物與PVA形成氫鍵。氫鍵的形成，可以讓分子間產生作用力，讓兩個分子產生緊密之結合。小明再設計以下的實驗，分別將小蘇打水溶液改成蘇打水溶液（組別8）以及將小蘇打水溶液改成醋酸水溶液（組別9）。假設小明的推論正確，試評估是否生成凝膠？請填入下表。
| 組別 | 4% PVA
水溶液體積（mL） |
0.01 M硼酸
水溶液體積 （mL） |
0.01 M蘇打
水溶液體積 （mL） |
0.01 M醋酸
水溶液體積 （mL） |
是否
形成凝膠 |
| 8 | 20 | 5 | 15 | 0 | |
| 9 | 20 | 5 | 0 | 15 |
本例含4小題，主題幹計332字，第4小題之延伸題幹計134字，總計近500字，對一題組且為探究與實作題型而言，乃在可接受範圍。本題測驗考生由實驗結果驗證假說、控制實驗變因，並推論化學原理解決問題之能力。第2小題是有限度的開放性問題，第3小題告知三種成分之一的體積則是為了限縮答案的可能範圍。
n 結語
總之，素養導向命題的立意是健康良善的，但需要合適的題目方可彰顯其價值，而合適題目的建構需要比一般命題更費心費力，身為教育者，似乎責無旁貸，共勉之。
n 致謝
感謝大考中心吳國良研究員的邀稿和台北市中山女高化學科陸仲文老師的校閱，使本文得以付梓。文稿若有不足之處，尚祈各界指教是感。
n 參考資料
111學年度起適用之大學入學考試「考試說明」公告 https://www.ceec.edu.tw/
素養導向的評量：大學的社會責任：素養題 ／ 焦傳金
Sunday , 5, July 2020 本期專題, 第三十八期/2020年7月 Comments Off on 素養導向的評量：大學的社會責任：素養題 ／ 焦傳金素養導向評量：大學的社會責任：素養題
焦傳金
清華大學生命科學系
ccchiao@life.nthu.edu.tw
n 摘要
108新課綱在去年正式啟動，素養導向的教學模式成為主流，素養題也成為大家關注的焦點。大學老師的研究成果通常都發表在國內外專業的科學期刊上，一般學生受限於背景的不足與文句的艱澀，很難理解大學老師的研究發現。若是能鼓勵大學老師與研究生將研究成果改寫成素養題，免費提供給高中生練習，不但能讓素養題內容接地氣，更能發揮大學的社會責任，將研究成果分享給社會大眾知道。因為素養題已成為學測與指考的新趨勢，高中生有極高的動機練習這些題目，因此以大學老師研究成果為主的素養題將成為最有效的科學傳播。
n 簡介
兩年前有位朋友將一份北區指考模擬考生物科考題寄給我，其中的41-43題的內容是根據我們實驗室在2016年發表的一篇有關烏賊數感的文章改寫的。仔細閱讀後，發現作者用心的將研究內容，以素養題的形式，來評量學生對實驗設計的理解能力與對實驗結果的推理能力，這個過程其實就是我們當初在研究這個主題的思考過程。當下就覺得這樣的題目形式對學生的科學訓練真的很棒，也能讓更多的高中生認識我們實驗室的研究發現。
去年初在清大校內的招生策略討論時，有一位校外學輔專家提醒我們，素養題是一個重要的趨勢，若是清大老師能主動提供素養題讓高中生練習，這對學生認識清大將有非常正面的幫助。當下我立刻想到北區指考模擬考生物科考題的事，也認為這將是一個對各方面都有益的事。進一步思考後，我發現這個作法不僅對高中生有幫助，也是一個大學社會責任的展現，更是一個有效的科學傳播，因此毫不猶豫，立刻就採取行動，邀請生科院的老師們一起共襄盛舉。
當然一開始沒有太多老師回應，畢竟多數大學老師不知道什麼是素養題，也不太想花時間去設計這些題目，但我找了一些大考中心所提供的素養題範例，也請生物科學科中心的執行秘書新竹高中陳慕璇老師提供一些素養題的核心概念，並告訴我的同事們這件事的意義，也建議他們其實不用自己出題，最好由實際參與實驗的研究生主筆，因為他們不但對實驗設計與結果分析最熟悉，他們也跟高中生的年齡較接近，因此在用詞用語與觀念理解上較能接近高中生的觀點。同時我也向大學老師們保證，研究生所撰寫的素養題一定會經過高中老師的編修與校正，因此可以確保素養題的核心概念會被完整呈現。就在這樣的氛圍下，多數的生科院老師都樂意參與，也才能在去年九月與今年二月順利推出兩波的生科領域素養題。
n 讓素養飛：19位生科院老師響應出題
第一波的素養題呈現了來自生科院19位老師30題的生科領域題目，其中涵蓋了細胞與神經研究、藥物開發、動物行為、生物醫學等領域，多數都來自老師們自己的研究。為了驗證題目設計是符合高中生的生物程度，在素養題正式上線時，我們特別請50位參加清大生科院的青少年科學人才培育計畫的高中生試答，多數試答同學反應，這份試題能充分測驗出學生在實驗上的邏輯思考與分析判斷的能力。
我以我自己實驗室所提供的一題素養題「烏賊的數感」為例，在題幹會先介紹「數感」是衡量數量的概念，再談到為證實烏賊是否也有分數概念的實驗設計，在水箱內放入1隻對1.5隻(一大一小)、1.5隻對2隻蝦子等4組實驗對照，測試烏賊的捕食選擇及所需時間，並附上相關實驗數據圖表，要求學生理解訊息後，據以分析推論，來回答4個問題。
另一個有趣的題目「果蠅的社交與壽命」是由郭崇涵老師實驗室所提供，他也利用題幹介紹果蠅的社交行為，並搭配4組實驗數據以測試果蠅在獨居與群居、行動力強與弱等不同條件下，對其壽命長短的影響，要學生回答哪些變動因子會影響果蠅的壽命長短。陳令儀老師實驗室則是出了一題「大腦神經再生」，以3組實驗來測試4種化合物促進老鼠大腦神經再生的功效，學生必須讀懂實驗結果圖表中的神經細胞癒合率及存活率，才能推論出正確的答案。
參與編修的新竹高中陳慕璇老師表示，高中老師們的責任也重大，她們會先確認題幹是否易於閱讀，控制字數不要太長，並確定出題者想得到的答案是否與選項一致，檢核題目設計邏輯。這些工作其實也花費了相當多的時間，但是這是一個好的素養題不可或缺的要件。
n 擴大參與：加入化學與物理素養題
在第一波生物素養題推出後，收到許多迴響，不僅來自高中生物科老師，也收到高中化學與物理老師的回應，他們紛紛表示希望能將素養題的範圍從生物擴大至其他自然科領域，我也覺得若是能邀請化學系與物理系的老師一起來共襄盛舉，那一定是更棒的。在這樣的期待之下，我積極聯繫化學系與物理系的主任，他們也都承諾會予以協助，並指派一位老師負責收集試題。不過也許兩系的老師真的太忙，又或是化學與物理領域老師們的研究成果比較難用淺顯的文字說明清楚，成為素養考題，因此迴響並不熱烈。所幸清大化學系長期舉辦清華盃化學能力競賽，因此過去十幾年來已累積非常多的試題，有些題型剛好較符合素養題的精神，因此我們除了邀請5位清大化學系老師以自身的研究成果撰寫素養題外，也包含的24題的清華盃化學能力競賽試題，這些素養題提供了高中生自行練習的機會，也讓他們對清大化學系的研究領域與師資更加認識。
五位清大化學系老師的素養題都非常棒，包括了王素蘭老師的「晶型無機孔洞材料的大躍進」、江昀緯老師的「宏觀平衡與微觀分子世界的連結」、黃暄益老師的「半導體的晶面效應」、帕偉鄂本老師的「質譜法」、洪嘉程老師的「膠原蛋白」，其中專研胜肽化學、蛋白質摺疊與設計的洪嘉呈老師，他的素養題發想就是因為大家常聽到膠原蛋白，但不知道它的化學特性，因此他希望能利用這個耳熟能詳的名詞來測驗學生對分子間作用力、氫鍵的理解。
在新增的物理題庫中，有兩題是清大物理系王立邦老師提供的，包括「離子阱與質量的測量」與「宇宙中的暗物質」，另一題「無所不在的揉皺現象」則是由清大物理系洪在明老師出題，他的實驗室曾研究過紙張的揉皺現象，這是很生活化的題目，若是你將一張A4大小的紙張對折再對折，折了7次以後，再用力也折不下去，就算再換更大的紙，也折不過7摺，這是為什麼呢？另外，若是將鋁箔紙也用力揉成團拋在水中，僅管鋁箔比重遠大於水，但仍可浮在水面，裡面有多少空氣呢？要解釋揉皺現象，學生必須要活用高中所學的物理知識，這樣的題目也能激發學生的研究精神，將身邊習以為常的物理現象了解得更透徹。
n 培養學生的科學力
108新課綱的實施是臺灣科學教育的轉捩點，自然科探究與實作課程的現場充滿了老師們各種教學創意，學生不再只是學習課本上所呈現的知識，而是透過設計實驗、親手操作、分析數據、討論結果等過程，將科學內化成生活的一部份。學測與指考中的素養題就是這一波教育改革的主要推手，它不但測驗學生的閱讀能力，更藉由真實的實驗數據，評量學生的科學能力。素養題沒有公式可循，無法反覆練習，學生必須在探究與實作的課程中培養這樣的能力。好的素養題確實不容易出，大學老師的研究題目剛好提供了一個絕佳的機會，將研究設計的思考過程轉換成考題形式，讓學生經歷一場虛擬的實驗旅程，除了能讓高中生更加瞭解大學內各個實驗室的研究發現，也是培養學生科學力的有效方法！
n 參考資料
清華大學 素養題平台http://elte-nthu.hct.tw/
素養導向評量：技術型高級中等學校化工群108課綱素養導向題型初探
葉瀞月
財團法人技專校院入學測驗中心基金會副研究員
yeh@mail.tcte.edu.tw
n 前言
因應108課綱實施，技專校院招生策略委員會已於108年7月公告新課綱考試範圍及調整內容，雖多數科目考試範圍未變動，然仍須針對各科的學習內容進行比較及分析，並研發試題示例，以符應新課綱的課程調整。而十二年國教技術型高級中學課程綱要強調核心素養的能力，以培養具備務實致用及終身學習能力之人才，在因應新課綱實施之技專校院考試及招生制度整體方案中提及：統測考科於111學年度實習科目命題朝實務導向、能力統整及術科筆試化為原則進行。(技專校院招生策略委員會，2019)
n 核心素養的主要內涵
國家教育研究院依據研發「臺灣學生學習成就評量資料庫」試題經驗，針對素養導向「紙筆測驗」評量，已提供簡易書面說明及題型示例，供各界參酌。《十二年國民基本教育課程發展指引》定義「核心素養是指一個人為適應現在生活及未來挑戰，所應具備的知識、能力與態度。…核心素養的表述可彰顯學習者的主體性，不再只以學科知識作為學習的唯一範疇，而是關照學習者可整合運用於「生活情境」，強調其在生活中能夠實踐力行的特質」。（國家教育研究院，2014）
國家教育研究院在《十二年國民基本教育課程發展建議書》亦指出「核心素養是指知識、能力和態度的綜合表現。…素養的培養應該適當的結合情境學習、專題導向、生活實踐等教學」。且「核心素養的培養有賴課程、教學與評量的有效連結」。素養導向評量旨用以評估、回饋與引導素養導向課程與教學之實施。素養導向評量之「導向」二字意味著期望透過適當的評量實務，引導並落實能夠培養學生核心素養和領域／科目核心素養的課程與教學。（國家教育研究院，2014）
n 素養試題應有的基本要素
依據國教院對於核心素養的定義及建議，財團法人技專校院入學測驗中心基金會整理出統一入學測驗素養考題應具備的特性為:
一、測驗目標：具備學科主體性，亦含跨領域能力。素養導向重點之一在強調跨領域/學科的能力，期使學生能運用各領域習得的能力解決情境中的問題。試題設計含跨領域連結、統整能力時，測驗目標應掌握學科的主體性。
二、題幹設計：在適當的情境中解決問題。主要在題幹設計中提供適切的資訊、適當的情境，評量學生轉換、應用該學習階段所具備解決問題的能力。
三、題材選擇多元：以課綱訂定之學習內容為基礎，試題取材及文本類型多元化，強調評量學生對於基本知識的理解、應用、統整能力。
n 養導向題型示例規劃
經由文獻探討與相關資料之收集、分析，先研擬素養導向題型發展方向，然後遴聘化工群相關領域之技專端及技高端教師籌組命審題團隊，召開共識會議說明題型發展方向與確認評量架構及題型特徵。接下來由技專端委員開發試題示例，透過專家座談諮詢會議的方式由命審題團隊委員共同修審試題，再委由技高端學校進行小規模施測，同時進行技高端教師及學生問卷調查，以蒐集素養導向題型之意見回饋，然後彙整問卷調查結果，召開施測後之檢討會議，獲致初步素養導向題型雛形。
n 初步成果
在符合化工群新課綱的架構下，依據111學年度統一入學測驗化工群專業及實習科目考科之命題範圍，發展素養導向之試題示例，共有標準題型5題；題組題型7大題，每大題含有子題目2至5小題不等，總題數共計27題。為了解這些題型是否合宜，需進行小規模施測及問卷調查。
透過小規模施測主要目在蒐集學生對於素養導向題型作答過程中，是否暸解題意，及檢測學生對於閱讀理解及綜合應用學科知識的能力，施測對象為中南部三所公立技術型高級中等學校高三學生共計40名學生。同時透過施測的三所學校各5位現任技高教師填寫問卷，以提供對於素養導向題型之相關意見，做為回饋命題團隊參酌修正。
茲試舉其中一題題型作為說明：
|
葡萄糖(glucose)是生物體内新陳代謝不可缺少的營養物質，它的氧化反應放出的熱量是人類生命活動所需能量的重要來源。人體血液中約含0.1%葡萄糖，稱之為血糖，血糖濃度失調會導致多種疾病。如持續血糖濃度過高的高血糖和過低的低血糖。而由多種原因導致的持續性高血糖就會引發糖尿病，這也是與血糖濃度相關的最顯著的疾病；而低血糖則會出現頭暈、注意力不能集中甚至休克等症狀。葡萄糖是醛糖，其鍊狀與環狀分子結構如下列圖(三)、所示: 圖(三)、葡萄糖之結構式 下列對於葡萄糖(Glucose)的敘述何者不正確?
|
|
(A) 水溶液中添加氧化劑(CrO3/H+)，易被氧化成葡萄糖酸 |
|
|
(B) 具有還原性，於水溶液中添加多侖試劑(Tollen’s reagent )，會生成氧化亞銅紅色沉澱 |
|
|
(C) FTIR光譜分析，於3300-3500cm-1附近有吸收峰 |
|
|
(D)屬於單醣，分子內部含有OH基(hydroxy group)，和水產生分子間氫鍵，易溶於水 |
|
正答：(B) |
|
學習表現
|
|
|
學習內容
|
|
![clip_image001[1]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0011.gif "clip_image001[1]"){kind=small}
![clip_image001[2]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0012.gif "clip_image001[2]"){kind=small}
![clip_image001[3]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0013.gif "clip_image001[3]"){kind=small}
![clip_image001[4]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0014.gif "clip_image001[4]"){kind=small}
![clip_image001[5]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0015.gif "clip_image001[5]"){kind=small}
![clip_image001[6]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0016.gif "clip_image001[6]"){kind=small}
![clip_image001[7]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0017.gif "clip_image001[7]"){kind=small}
![clip_image001[8]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0018.gif "clip_image001[8]"){kind=small}
![clip_image001[9]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0019.gif "clip_image001[9]"){kind=small}
![clip_image001[10]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image00110.gif "clip_image001[10]"){kind=small}
![clip_image001[11]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image00111.gif "clip_image001[11]"){kind=small}
![clip_image001[12]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image00112.gif "clip_image001[12]"){kind=small}
![clip_image001[13]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image00113.gif "clip_image001[13]"){kind=small}
![clip_image001[14]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image00114.gif "clip_image001[14]"){kind=small}
對於此題例技高端的教師認為本題設計含跨領域且取材多元，能把知識、能力和態度整合運用在情境化、脈絡化的學習。對教學端的影響為：會更改教學方式，引入更多產業實力或生活情境使學生可以更加熟悉與生活或產業連結。同時因題目敘述偏長，會加強學生閱讀能力。
n 其他建議
技高教師普遍認為，學生需提升其閱讀能力，才足以應付多元情境之題目。也建議可以在題目敘述中，提供更多線索，讓學生可以從題目敘述中找資訊，並能結合所學知識去解題。同時能讓學生成為了解、應用統整資訊並結合自身看法將資訊轉化為內在知識，適時靈活的運用在這變遷超速的時代，使自我能結合經歷、資訊解決困難，而身為教師需各方向引導學生適應時代的腳步並培養學生素養的核心，使學生在未來面臨社會時能足夠多元、會使用資訊、有統整力及正確的判斷力。也需提升教師自我事業實務與議題融合能力。
n 結語
本文僅為踏出開發素養導向題型的一小步，四技二專統一入學測驗在專業科目部分，試題內容須含括基礎學科理論以及實作相關知識能力，以反映出技職教育與普通高等教育的不同，而針對素養導向試題系統化思考及評量統整能力之特色，需發展專業科目新題型，目前發展出的題型尚未進行大規模測試及意見調查，需進一步分析其可行性後，再對外公告，並納入未來統一入學測驗正式施測，期能提升評量層次，以呼應技職教育務實致用之精神，並作為日後試題設計與命題人才培育之參酌。
n 參考資料
1.教育部 (2019)。技術及職業教育法。取自https://law.moj.gov.tw/LawClass/LawAll.aspx?pcode=H0040028。
2. 國家教育研究院(2014)。十二年國民基本教育課程綱要總綱。取自https://www.naer.edu.tw/ezfiles/0/1000/attach/87/pta_18543_581357_62438.pdf。
3. 技專校院招生策略委員會(2019)。因應108學年度新課綱實施之技專校院考試及招生制度整體方案公聽會手冊。取自http://web.nihs.tp.edu.tw/ezfiles/1/1001/attach/66/pta_13926_3964963_55962.pdf
4. 國家教育研究院 (2014)。十二年國民基本教育課程發展指引。取自http://www.hses.tyc.edu.tw/12curriculum.pdf。
5. 國家教育研究院 (2014)。十二年國民基本教育課程發展建議書。取自https://www.naer.edu.tw/files/15-1000-5619,c551-1.php。
6. 教育部(2018)。十二年國民基本教育技術型高級中等學校群科課程綱要–化工群。取自https://www.naer.edu.tw/ezfiles/0/1000/img/67/159301101.pdf。
7. 教育部(2019)。十二年國民基本教育技術型高級中等學校群科課程手冊–化工群。取自https://www.naer.edu.tw/ezfiles/0/1000/img/67/360140431.pdf。
素養導向的評量：素養導向試題−以國中教育會考為例 ／ 田鎧豪
Friday , 3, July 2020 本期專題, 第三十八期/2020年7月 Comments Off on 素養導向的評量：素養導向試題−以國中教育會考為例 ／ 田鎧豪素養導向評量：素養導向試題−以國中教育會考為例
田鎧豪
臺灣師範大學心理與教育測驗研究發展中心自然科研究員
bigsavage@rcpet.ntnu.edu.tw
n 前言
十二年國民基本教育課程綱要(以下簡稱課綱)於108學年度開始實施，希望能解決過去國中小九年一貫與高中課綱的銜接落差，以助於國小、國中及高級中等學校課程連貫發展，以及各領域/科目間的統整。為配合以核心素養為主軸之課綱，發展素養導向評量勢在必行。參酌國家教育研究院對研發素養導向試題的建議，未來國中教育會考(以下簡稱教育會考)除了維持「學科基本素養題」，評量學科重要的核心概念，也會持續精進「生活實踐題」之設計，以強調應用核心知識與技能，解決真實情境脈絡中的問題，逐漸改變學生的學習和思考習慣、培養學習策略。
n 核心素養的試題
所謂「生活實踐題」，其題幹設計應盡可能符合日常生活或學術探究的真實情境，而提問也應該是在此情境脈絡下會問的真實問題，此外，適時選用跨領域素材或課綱所列相關議題作為題幹情境將更能反映課綱精神。透過這類試題的引導，有助培養學生思考、探究課堂所學與生活的關聯性，這也正是發展素養導向評量的目的。
檢視歷年教育會考的試題，符合課綱核心素養的試題，主要有幾項特點：
1.試題情境主要以解決真實生活問題為主，不僅有學科知識，也包含學習概念延伸的判斷與應用。
2.為了能清楚描述問題情境，有些試題的閱讀量高，也常需配合圖表或數據資料，或是以題組的方式呈現。
例如過去的教育會考數學科試題，就曾把生活常見的通訊軟體情境，融入數學素養後，拿來評量學生是否具備理解溝通的能力，並能應用直角坐標系的概念找出兩地點位置的關係。
以下列舉教育會考自然科數題符合課綱核心素養的試題，作為第一線國中老師教學的參考，期望能達到拋磚引玉之效，呼應課綱素養導向之精神。
|
題目 |
如圖(七)所示，部分救護車車頭的「
(A)光的折射 (B)光的反射 (C)光的色散 (D)光可在真空中傳播 |
|
|
答案 |
B |
|
|
核心素養 |
自-J-A2 |
能將所習得的科學知識，連結到自己觀察到的自然現象及實驗數據，學習自我或團體探索證據、回應多元觀點，並能對問題、方法、資訊或數據的可信性抱持合理的懷疑態度或進行檢核，提出問題可能的解決方案。 |
|
學習表現 |
tr-IV-1 |
能將所習得的知識正確的連結到所觀察到的自然現象及實驗數據，並推論出其中的關聯，進而運用習得的知識來解釋自己論點的正確性。 |
|
學習內容 |
Ka-IV-9 |
生活中有許多運用光學的原理的實例或儀器，例如：透鏡、面鏡、眼睛、眼鏡及顯微鏡等。 |
|
試題概念與分析 |
本題評量學生是否能知道平面鏡的反射情形。學生的學習表現符合[tr-IV-1]中，「能將所習得的知識正確的連結到所觀察到的自然現象，並推論出其中的關聯」。此題對應核心素養[自-J-A2]內涵中，「能將所習得的科學知識，連結到自己觀察到的自然現象」。 |
|
|
題目 |
在沿海的紅樹林地區，某些水位過淺的區域會立起竹竿作為警示，提醒船隻勿往此處航行，如圖(九)所示。為了讓航行的船隻清楚看到竹竿，在一般情況下，竹竿在任何時刻都應露出水面至少2公尺。圖(十)是直立於水中的竹竿示意圖，已知此地區的水深皆不為0，若想得到符合上述條件的竹竿之「最短」長度，採用下列何者的計算結果最恰當？
(A)土中的長度＋潮差＋2公尺 (B)土中的長度＋乾潮時的水深＋2公尺 (C)土中的長度＋滿潮時的水深＋2公尺 (D)土中的長度＋乾潮時的水深＋滿潮時的水深＋2公尺 |
|
|
答案 |
C |
|
|
核心素養 |
自-J-A2 |
能將所習得的科學知識，連結到自己觀察到的自然現象及實驗數據，學習自我或團體探索證據、回應多元觀點，並能對問題、方法、資訊或數據的可信性抱持合理的懷疑態度或進行檢核，提出問題可能的解決方案。 |
|
學習表現 |
tr-IV-1 |
能將所習得的知識正確的連結到所觀察到的自然現象及實驗數據，並推論出其中的關聯，進而運用習得的知識來解釋自己論點的正確性。 |
|
學習內容 |
Ic-IV-4 |
潮汐變化具有規律性。 |
|
試題概念與分析 |
本題評量學生是否能應用潮汐的概念，得知在符合條件之下的竹竿長度。學生的學習表現符合[tr-IV-1]中，「能將所習得的知識正確的連結到所觀察到的自然現象，並推論出其中的關聯」。此題對應核心素養[自-J-A2]內涵中，「能將所習得的科學知識，連結到自己觀察到的自然現象，並能對問題進行檢核，提出問題可能的解決方案」。 |
|
![clip_image002[5]](https://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2020/07/clip_image0025.png "clip_image002[5]")
|
題幹 |
竹筍是一種常見的食材，竹筍帶有苦味是因為含有化合物X，若化合物X在酵素參與下和水反應，產物之一為有毒的氫氰酸(HCN)，可避免被動物取食，是植物本身的一種保護機制。 當竹筍從地下莖冒出土，筍尖被陽光照射後會轉為綠色，俗稱「出青」。竹筍的尖端嫩芽，尤其是出青的竹筍嫩芽，含有較多的化合物X，所以此部位更易帶有苦味。有鑒於此，農民常在竹筍生長處事先覆蓋土壤或使用其他方式，以避免竹筍出青，對品質和口感帶來影響。 |
|
|
子題一 |
已知化合物X是含有−OH原子團的有機化合物，上述畫線處的反應說明，下列敘述何者正確？ (A)是催化反應，化合物X最多含有3種元素 (B)是催化反應，化合物X最少含有4種元素 (C)是脫水反應，化合物X最多含有3種元素 (D)是脫水反應，化合物X最少含有4種元素 |
|
|
答案 |
B |
|
|
核心素養 |
自-J-A2 |
能將所習得的科學知識，連結到自己觀察到的自然現象及實驗數據，學習自我或團體探索證據、回應多元觀點，並能對問題、方法、資訊或數據的可信性抱持合理的懷疑態度或進行檢核，提出問題可能的解決方案。 |
|
學習表現 |
pa-IV-2 |
能運用科學原理、思考智能、數學等方法，從(所得的)資訊或數據，形成解釋、發現新知、獲知因果關係、解決問題或是發現新的問題。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。 |
|
學習內容 |
Ja-IV-2 |
化學反應是原子重新排列。 |
|
試題概念與分析 |
本題主要評量學生是否理解催化反應與化學反應是原子重新排列。學生的學習表現符合[pa–Ⅳ-2]中，「能運用科學原理等方法，從(所得的)資訊或數據解決問題」。此題對應核心素養[自-J-A2]內涵中，「能將所習得的科學知識，連結到自己觀察到的實驗數據，並能對問題進行檢核，提出問題可能的解決方案」。 |
|
|
子題二 |
上述農民「使用其他方式」，最可能是下列何者？ (A)在竹筍生長處覆蓋透明塑膠布，每日陽光較弱時採收 (B)在竹筍生長處覆蓋透明塑膠布，每日陽光較強時採收 (C)在竹筍生長處覆蓋黑色塑膠布，每日陽光較弱時採收 (D)在竹筍生長處覆蓋黑色塑膠布，每日陽光較強時採收 |
|
|
答案 |
C |
|
|
核心素養 |
自-J-A1 |
能應用科學知識、方法與態度於日常生活當中。 |
|
學習表現 |
tr-IV-1 |
能將所習得的知識正確的連結到所觀察到的自然現象及實驗數據，並推論出其中的關聯，進而運用習得的知識來解釋自己論點的正確性。 |
|
試題概念與分析 |
本題透過提供的資訊，評量學生是否能推論出筍農的採收方式。學生的學習表現符合[tr-Ⅳ-1]中，「能將所習得的知識正確的連結到所觀察到的自然現象，並推論出其中的關聯」。此題對應核心素養[自-J-A1]內涵中，「能應用科學知識於日常生活當中」。 |
|
|
子題三 |
將未出青和出青的同一種新鮮竹筍，分別取頂段、中段和底段三部位加以分析，並將產生氫氰酸的質量記錄於圖(二)中。圖中各空白處待填入的數值，表示每公克新鮮竹筍反應後，含有氫氰酸的毫克數。
圖(二) 則圖中頂段、中段和底段三部位由上至下的數值，最可能為下列何者？ (A)
|
|
|
答案 |
A |
|
|
核心素養 |
自-J-B1 |
能分析歸納、製作圖表、使用資訊及數學運算等方法，整理自然科學資訊或數據，並利用口語、影像、文字與圖案、繪圖或實物、科學名詞、數學公式、模型等，表達探究之過程、發現與成果、價值和限制等。 |
|
學習表現 |
pa-IV-1 |
能分析歸納、製作圖表、使用資訊及數學等方法，整理資訊或數據。 |
|
試題概念與分析 |
本題透過提供的資訊與圖表，評量學生是否能分析歸納出實驗結果的數據。學生的學習表現符合[pa-Ⅳ-1]中，「能分析歸納、使用資訊等方法，整理資訊或數據」。此題對應核心素養[自-J-B1]內涵中，「能分析歸納、使用資訊等方法，整理自然科學資訊或數據」。 |
|
n 參考資料
1. 國家教育研究院。素養導向「紙筆測驗」要素與範例試題，取自http://www.naer.edu.tw/ezfiles/0/1000/img/67/159548289.pdf
2. 111年國中教育會考各科等級表現描述與參考試題本公告，取自https://cap.rcpet.edu.tw/PressRelease10808.html
3. 109年國中教育會考自然科試題本，取自https://cap.rcpet.edu.tw/exam/109/109P_Nature150DPI.pdf
4. 109年國中教育會考(補考)自然科試題本，取自https://cap.rcpet.edu.tw/exam/109/109S.zip
有機物定義與乾餾的探究課程 ／ 鄭志鵬
Thursday , 2, July 2020 化學課程與教學, 第三十八期/2020年7月 Comments Off on 有機物定義與乾餾的探究課程 ／ 鄭志鵬有機物定義與乾餾的探究課程
鄭志鵬
jjpong@lsjh.tp.edu.tw
n 課本中的乾餾課程設計比較
國中的「有機化合物」課程，目前出版社通常將這個單元放在八年級下學期的第五章。這個單元開始的切入點，不同出版社的編排方式略有差異。以下作簡單的比較：
版本一、先說明「什麼是有機化合物」或是「有機化合物的定義」從「與生命相關的化合物」演變至「含碳化合物」。之後就操作乾餾竹筷的實驗，檢驗乾餾過程中產生部分物質的特性，並聲稱乾餾過程中產生的物質有哪些。
版本二、在有機物定義的說明後，先提出竹筷是植物，所以必然含碳。可以由乾餾實驗來證明，並且希望透過乾餾出其他物質的檢驗來推論有機物除了碳之外，還有哪些元素。
版本三、是從烤肉時，不管烤什麼食物都會產生黑色物質的觀察切入，提出問題：「是否那些黑色物質是組成生命的共同物質呢？」引出乾餾的動機。乾餾實驗後，才提出有機化合物的定義。
在版本一中，較看不出進行乾餾實驗的動機，國中理化實驗室不易檢驗乾餾後的真正物質。但在教科書的書寫上，將乾餾的產物描述放在實驗的「結論」中。讓人疑惑我們是怎麼從實驗結果知道這樣的結論的。在版本二中，也是先提出了有機化合物的定義為含碳化合物。然後以「檢視有機物中，除了碳之外還有哪些其他元素」作為乾餾實驗的動機。在實驗結果的描述中，寫出了「由實驗結果可知…其組成成分為可燃燒的甲烷、氫氣、一氧化碳…」同樣令人疑惑是如何得知這些產物的。在版本三中，從日常生活的經驗觀察出發，提供乾餾實驗很好的動機。並且在乾餾竹筷觀察之後，才提出有機物的定義。讓學生從日常生活經驗走到實驗觀察之後，再給予定義。我認為是較佳的作法。對於乾餾的成分則以「經過分析之後得知…」是更合理的描述方式。
個人最喜歡第三個版本，從日常生活觀察作起點，引出實驗室中的實驗觀察，再以這些經驗為基礎提出科學家對有機物的定義。以「經驗->實驗->定義」這樣的結構來學習會有較佳的探究成分。但我想我們可以在乾餾實驗中，再作一些調整，讓探究的精神可以再更深入一點。
乾餾的實驗，在三個不同版本的教科書裡面，扮演的角色多屬於「說明」。邏輯大概是：有機物含碳，竹筷是有生命的物質製成的，所以也應該含碳。既然如此，那就來乾餾看看。最後看到黑色的固體產物碳，就證明了我們說的是對的。但嚴格說起來，這不是「證明」而是「說明」，這樣的實驗結果並沒有任何「證明」的作用。在這邊安排乾餾的實驗，感覺課程目標的設定上，學習乾餾的技術是多過對於有機化合物的認識的。我不知道為什麼國中生需要學習乾餾的概念和技術，不過一直以來課本都是這樣安排的。
那怎麼樣讓乾餾的實驗可以多一點探究的成分呢？其實很簡單，就是不要只乾餾竹筷就行了。其實我們可以多挑選一些不同的有機物和無機物來乾餾，就可以比較出乾餾後的差異，進行討論後引出有機化合物的定義。
其實在12年國教課綱中，在有機化合物的學習內容說明中就有提到：
Jf-IV-1 有機化合物與無機化合物的重要特徵。1-1 以實作將麵粉、糖粉和食鹽放置於蒸發皿中加熱 並比較結果，說明有機物與無機物的差異。
具體來說，符合課綱精神的課程該如何設計進行呢？以下是教學流程的介紹。
n 教學流程
一、引入情境進行觀察
教師從網路上找出許多食物或有機物燒焦的照片，請學生觀看並說出看到哪些共同處？
圖片來源:Pxhere、Pixabay
以上這些圖片的共通處，當然就是澱粉、糖或木材因為受熱而變焦黑。引導學生看出之後，讓學生試著說出自己生活經驗中，還有哪些把東西燒焦的經驗？哪些東西會燒焦？將這些會燒焦的東西清單列在黑板上，讓學生看看這些會燒焦的東西，又有哪些共同之處？教師可以讓學生盡可能的發表想法並且討論。例如可能有學生會說：這些都是可以吃的。教師可以將這個答案讓全班都聽到，然後請問全班對這個說法有沒有意見？能不能找到反駁的例子？可能就會有學生能提出：房子不能吃，但也會燒焦。持續幾次的討論後，就可能可以引出：這些好像都是動物或植物？或者這些都和「活著的」東西有關？這類的歸納。若學生無法順利的看到此規則，教師也可以視情況提出我們要的答案。
有時候老師會因為無法引導學生說出我們心裡要的正確答案而沮喪，其實並不需要。因為在討論的過程中，學生已經學習要觀察比較資料的相同處或相異處；聆聽他人的發言並且檢視其正確性；說出自己與他人不同的意見等等。以上這些，都是教師在營造討論情境時，可以一再提醒學生的部分。受限於授課時間有限，教師不會無止盡的將課程停留在這裡。「與生命有關的物體可能會燒焦」是認知層次的學習目標之一，其實以講述直接告知也可以達到此學習目標。這段課程是藉由這個認知層次的目標，帶出學習表現中的「觀察」「討論」等目標。所以後者目標已經在課程中充分執行了之後，前者的認知目標即使沒有被提出，也可以用講述法來取代。這段課程一方面是對現象做了觀察與歸納，另一方面是對有機化合物的定義做了前置的準備。
二、想像、定題與計畫
從第一步的觀察與討論，就可以引出「是不是與生命相關的物質都會燒焦呢」這樣的問題。接下來，教師就可以提出挑戰：那我們要怎麼樣作一些實驗，來測試這個猜想的正確性呢？這實驗當然不可能真的去證明「所有的」生命相關物質都會燒焦。但是提出猜想後，作一些測試是很合理的。
有些學生可能會說：「那就再找更多與生命相關的物質來燒燒看」。教師在這邊可以讓學生提出「假設」。假設我們之前的歸納是正確的，那找更多生命相關的物質來燒燒看，應該會得到什麼樣的結果呢？也有可能學生會用反面的方式來說：「不是跟生命相關的物質，是不是就不會燒焦呢？」當然我們可以稍微討論一下這兩個問題是不是同一個問題，或者這個問題是不是我們關注的問題。如果都是的話，我們不但要找生命相關的物質來實驗，也要找跟生命無關的物質來實驗。
在自然領綱學習表現中的「想像創造」條目，提到：「根據已知的自然科學概念經由自我或團體探索與討論的過程，想像當使用的觀察方法或實驗方法改變時，其結果可能產生的差異。」。因此想像必須要有根據，不是真的天馬行空的亂想。這個想像根據的就是原本已知的自然科學知識提出來的猜想：生命相關物質會燒焦。根據這個猜想，就可以去推想挑選的物質如果是跟生命相關的或無關的，燒起來結果應該就會有怎樣的不同。
接下來，老師可以用自己預先準備的不同材料，例如：竹筷、糖粉、麵粉、豬肉乾、魷魚絲、花生、食鹽、粉筆等等，準備讓學生分組進行乾餾。乾餾前，可以讓學生討論這些東西，應該是屬於和生命相關的還是不相關的？以上述的這些材料來說，應該是很容易區分的。區分之後，就可以先預測乾餾之後會不會變黑。在這邊出現的乾餾技術，就是有動機的。如果直接燃燒的話，就算有碳也可能燒掉變成二氧化碳，所以以隔絕空氣的方式加熱，可以更容易看到燒焦的狀況。這段課程一方面是操作「根據猜想做出預測」另一方面則是將有機化合的分辨實作了一次。
三、執行、分析與發現
老師指導學生乾餾的操作方式、意義和安全注意事項後，就可以讓學生進行乾餾的操作。操作乾餾的過程中，必然會聞到不同的氣味，會冒出不同的煙霧，有些偏白有些偏黃，有些可燃等等。這些可以在乾餾前，提醒學生觀察冒煙的顏色、可燃性、酸鹼性等等。讓現象出現時，學生更能意識到眼前的現象。
若課程時間或器材較為充足，可以讓一組的學生乾餾多一點種類的材料。若課程時間較趕，可以分六組分別乾餾不同的東西。一樣使用乾餾一次的時間，但是可以得到六種不同的乾餾結果。完成乾餾後，先將乾餾物放在旁邊，等待降溫。等待的同時，教師可以確認乾餾過程的結果。把觀察到的冒煙情況、檢驗的結果都先收集起來寫在黑板上。這裡就可以看出一些規律性：乾餾的若是有生命相關的物質，都會看到冒煙、有水氣、有些酸性和可燃性氣體產生的現象；若是無機物，則都沒什麼反應。這個階段，不建議去談乾餾出來的物質到底是什麼。其實從這個實驗中，除了水氣可以用氯化亞鈷檢驗之外，其他物質根本難以實際確認。這個課程階段旨在彙整實驗結果，看出異同與歸納。所以並不適合提出無法用實驗檢驗的分析結果。
冷卻完成後，將鋁箔紙打開很容易可以將無機物和有機物的結果區分出來：就是變成黑色與沒有變色。對不同的物質，進行乾餾，結果發現可以依據結果很明確的分成兩個類別。結果很明確的原因，不只是因為顏色容易區分，而是因為最開始有依據觀察提出問題，並且提出猜想。這個猜想引導著我們要觀察是否有黑色的碳產生，所以目標是很明確的。
將結果分類後，檢視原本的假設，看看哪些燒焦？哪些不會？可以發現竹筷、豬肉乾、魷魚絲、花生這些都燒成焦黑了；食鹽、粉筆這些則沒有什麼改變。整理實驗結果，讓結果變成更容易讀取資訊的形式，是一種「分析」。「發現」則是能回應一開始問的問題：是否與生命有關的物質都會燒焦呢？以這個結果來說，顯然答案就是正確的了。
如果要再更深入一點，我們可以提出質疑說：那些黑色的物質，真的就是碳嗎？這個問題當然是可以處理的，例如把黑色物質燒燒看，觀察外觀是否和木炭燃燒相似？或者真的讓黑色物質在純氧中燃燒，收集氣體用澄清石灰水檢驗。但科學課堂並不是科學研究實驗室，檢驗黑色物質是否真的是碳，在此課程架構下，未必是非作不可的步驟。學生如果有提出強烈質疑，當然可以做做看。但如果不影響課程進行，學生都同意黑色物質是碳，也可以跳過檢驗步驟，進入下一步。
四、結論與引出定義
課程進行到此，教師可以將課程一開始的觀察與發想和最後的實驗結果連結。發現果然這些有生命的物體，都含有碳元素。接下來就可以簡單介紹化學家一開始對於有機物的定義，以及後來維勒（Friedrich Wöhler）的發現以及有機化合物定義的調整。實際上，有機化合物的定義仍然保有原始定義的動機。也就是把與生命有關的和無關的物質區分開來的意思。只是隨著科學的進步，兩者越來越難以用簡單定義區分，於是用去除了明顯無生命的含碳化合物作為有機化合物的定義。新定義仍然是嘗試著要框出與生命相關的這一區塊的化合物。因此雖然粉筆的主要成分為碳酸鈣，是含碳的化合物。但可以從一般岩石礦物中取得，因此被排除在有機化合物的範圍之外。也可以在本實驗的結果分析後，產出此結論。
除了碳之外有機化合物還常包含哪些元素呢？上述課本的版本三中，我覺得提供了不錯的說法。「…乾餾時產生的濃煙，經分析後（發現）含有可燃的一氧化碳、甲烷、氫氣和不可燃的二氧化碳氣體，鋁箔上的液體為黏稠的焦油和醋酸…」課本文句中寫著「經分析後」我覺得是很好的作法。因為在乾餾實驗中，除了水可以用氯化亞鈷試紙檢驗之外，其他根本不可能知道那些濃煙或液體的成分，直接沒頭沒腦的給出這些物質或是聲稱根據實驗結果可以得知這些物質的成分都很奇怪。寫個「經分析後…」，感覺會較為合理。並且可以用化學反應前後原子種類不變的原則，推論出有機化合物裡除了碳元素之外，氫和氧也是常見元素的推論。
教師也可以簡單說明，碳容易與許多不同元素結合，最多能接上四個不同元素以及自己可以幾乎隨意的組裝連結的特性，讓以碳為基礎的化合物，能夠具有極高的組裝自由度。以致於地球上所有的生命都選擇了以碳作為組成生命化學物質的骨架。
n 結語
許多傳統課本與教法中採取的方式，用意在傳遞知識。以乾餾的單元來說，可以看出課本希望學生知道乾餾的意義、學會乾餾的技術以及有機化合物的定義。幾個重點之間看似有關聯，但沒有發揮很好的串聯功能。但只要把課程內容稍微調整，就能以學生日常生活的經驗出發，提出問題做出假設，並且以實驗作驗證。原本的有機化合物和乾餾技術都有傳達到，並且增加了許多探究的素養在其中。在時間操作上，並不會多花太多時間，但可以讓這段課程更加流暢且有意義，推薦給大家參考。