【高中化學】探究與實作課程如何設計 收藏

  國立彰化高級中學化學科／劉曉倩老師   2018-01-19   2018-01-19    學測

1876年，愛迪生成立實驗發明中心，就是我們一般所說的「愛迪生發明工廠」。裡面擁有當時最精密的設備儀器，還有一批才華卓越的各領域專家。這一群以愛迪生為首的科學家，就在這裡進行系統的、複雜的、種類繁多的科學研發工作。儘管裡面的發明產品很多是複雜難懂的，但是更多的發明是與生活息息相關，例如碳粉電話機、留聲機及竹絲燈泡……等，這些發明成功地將當時的保守社會推向新的紀元，生活也更加便利。好動、喜歡冒險的愛迪生從小就喜歡問：「為什麼？」而且非常喜歡親自做實驗，也因此常出包，是個令老師很頭疼的孩子。還好他的母親也是老師，知道愛迪生愛動腦及喜歡思考，知道傳統的教學並不適合他，所以她讓愛迪生用自己的方法去學習，愛迪生最喜愛的還是自然科學實驗，喜歡動手做的愛迪生著迷於各種實驗，也因此開啟了多彩多姿的一生。

筆者忍不住感嘆，活潑好動、注意力不集中的愛迪生，若是在臺灣的教育環境下是否也可以脫穎而出，大放異彩？愛迪生之所以成為有史以來最受崇敬的發明家，除了因為他頑強的毅力和獨特的創新令人佩服之外，更重要的是他的發明大多與生產供應結合在一起，使人們直接可以享受到他的發明成效。然而在臺灣，「動手做」的能力是考試不會考的，所以大家就覺得不重要，但是在美國，卻是教育與人才的培育關鍵！

探究活動啟發學習

隨著近年來教育思潮的演進，強調「動手做」的創客（Maker）課程已經成為顯學，強調創新與發明的基礎在「STEAM」，也就是科學（Science）、科技（Technology）、工程 （Engineering）、藝術（Art）及數學（Mathematics）的結合。

所謂科學探究（Scientific inquiry）包含三個步驟：形成假設、找出變因（包含操縱變因、應變變因及控制變因）、設計實驗與進行實驗操作等。自然領域的教師也不再受限於專科教學，透過共同備課及社群研習分享交流，共同完成一學年每週兩堂課的自然領域課程規劃，透過課程觀察，啟發學生發現問題的敏銳度，動手做實驗，學習針對問題掌握操縱變因，在一次只能改變一個變因之下，不斷調整實驗方法，培養解決問題的能力。

現行課綱下的課程突破

要銜接未來的探究實作課程，一開始要進行跨領域的課程設計並不容易，即嘗試在現行課程架構下，先就課程本位設計，實施過程長達三個學期，對象是以高二學生為主，採用模組式課程規劃，每個模組課程為6~8小時（3~4週），所設計的教學主題包含課綱延伸實驗、綠色能源開發實作、環保問題探究及家庭生活化學等。所需之教學器材與設備，盡量採用高中實驗室現有的實驗器材為主。

教育部對於未來探究與實作課程規劃並沒有建議或限制，優點是教師在課程設計上十分自由，探究主題可做小也可以放大。較困擾的是，每個老師規劃的實驗主題可能不同，將會加重學校行政單位的實驗設備及藥品負擔會加重，管理員的工作負荷量也會增加很多。另一方面，成績評量的客觀性十分重要，因此筆者設計由淺入深的學習單及創意實驗競賽，除了可以釐清基礎實驗觀念外，還可以成為學生將來專題研究及小論文的前導訓練課程。

一、配合基礎化學（二）課程，設計課綱以外的探究實驗

教學上應從「認識研究」開始，逐步教導基礎探究能力的訓練，激發學生好奇心，培養學生認真體察週遭環境、發現問題、設計實驗、進行操作驗證，並撰寫學習單及上臺報告等能力。

學生一開始進入實驗室時除了須了解實驗室安全規則以外，更須了解實驗室器材的正確使用方式及如何配製藥品等，以下的學習單是學生第一次上課時，做碘化鉀催化雙氧水分解實驗後必須完成的學習單，學習單內容主要是偏重於非選擇題的學習設計，並有開放式題型，啟發學生思考力。

二、每套課程模組依學校學生程度分為三個階段，提供基礎課程、進階課程及探究實作規畫

【以課程模組－「物質的分離」（化學與生物結合）為例】：
1.第一、二週：進行基礎實驗「濾紙色層分析」，分為水溶性筆的色素分離、油性筆色素分離，如圖1所示。

圖1：在不同的展開劑比例下，水溶性色筆進行濾紙色層分析的差異


2.第三週：以生物科角度引導學生學習「葉綠素及花青素的色素分離」的概念，進行校園內植物色素分離，如圖2所示。

圖2：以生物科角度引導學生學習「葉綠素及花青素的色素分離」的概念，進行校園內植物色素分離


3.第四週：分組討論及進一步實作探究，引導學生進行「薄膜層析法（TLC）」的分離技術實驗。

4.第五、六週：進行咖啡沖提技術，使學生了解化學在生活中的應用，如圖3所示。

圖3：學生操作咖啡沖提技術，將化學分離技術應用在生活中


色筆色素分離（化學）→校園植物色素分離（化學、生物）→薄膜色層分析（化學、生物）→咖啡沖提技術（化學、生物）→薄膜色層分析（化學、生物）

藉由咖啡歷史、產地及咖啡豆處理方式不同，體驗咖啡文化之旅，此為生物與化學科領域的結合（如上示意圖）。透過課程整合，學生可以了解生活與化學密切相關。每個咖啡果實都富含果膠、內果皮及種子，日照、降雨量、風勢及土壤種種因素都會影響這黑色種子內的成份，而大自然遺傳密碼就在其中。

咖啡對於學習生物的人而言，從咖啡果採收，成熟果實揀選脫皮，將咖啡豆進入水槽中發酵，果肉移除清洗曬乾，都必須在採收後的幾小時內完成，箇中奧妙真的是一門學問。然而咖啡豆的沖煮技術如同化學中物質分離技術，沖提器材、水溫及沖提液量都是需要考慮的變因，對於引導學生品味咖啡味道的層次感及其對生命的感受力有很大的助益。

探究實作課程的設計與評量

【1.設計跨領域的探究實作課程有其挑戰】
設計跨領域的課程並不容易，有些學校的作法是就地取才選定一個在地環境研究主題，例如筆者任教學校在2015年以「漢寶濕地」研究為主題，分為地科、地理、化學及生物等課程分別設計「探究實作課程」，地理科以GPS濕地調查點位與參考座標探討為主，學習GPS定位及環境分析；地科則是以彰化漢寶濕地氣象要素影響洋流觀測活動為主；化學科著重於漢寶濕地水質採樣分析；生物科則是根據漢寶濕地水質採樣分析探討漢寶濕地生態活動做分區比較。每個主題從基礎原理介紹、實驗細節討論、水質採樣方式、水質採樣實驗數據分析及分組討論發表，需時兩~三個月，如圖4所示。

圖4：學生使用儀器做水質採樣分析

研究期間最令人頭痛的是，不可抗拒的天候因素，原訂好出發採樣時間，卻巧遇颱風而延宕，採樣時又遇到颱風過後水質混濁及生態環境被颱風破壞而造成觀察困難……等。不過透過跨領域的共備學習，師生對於環境生態有了更深刻的了解，環境議題從不是單一科目的事件，這些環環相扣的跨領域學習過程中，整合專業所需要的能力，因此，誰來掌握研究課題的重點，不至於過度延伸或失焦，是跨領域合作的核心問題。

在未來大考出題方面，跨領域的試題仍需要有實際教學經驗的各科老師一起規劃。然而這並非易事，若是考前事先公布試題方向，恐會造成課程設計受到限制；反之，課程過於開放，探究實作課程淪為各科瓜分，充其量不過是各科多了做課綱實驗的時間而已。

【2.高一多元選修特色課程與高二的自然科學探究與實作課程並不相同】
所謂特色課程，是為全體學生所規劃有助於提升學習成效之課程內容或實施方式，主要實施對象是以高一新生為主，授課內容不拘，若是在自然科學領域開設的特色課程，課程規劃上通常以銜接國中自然科學概念為主，為將來「探究與實作課程」做好前置準備。

然而高二部訂必修的「自然科學探究與實作課程」是跨自然領域的探究課程，授課內容涵蓋物理、化學、生物及地科，每班學生人數超過25人，可以增設一名教師在教學現場，課程實施之初不一定要跨領域授課，可以就本位課程先實施，教師須了解「探究」與「做實驗」是不同的。探究實作課程最重要的是刺激學生去想、去推理，可能的原因是什麼？兩者之間有什麼關聯性？找出實驗中的「操縱變因」這是訓練邏輯思考力最重要的一個歷程。

【3.紙筆測驗評量建議採非選擇題方式】
評量方式上若要採取線上測驗難度很高，因為考生答題速度不一。自然科考題屬性多屬於思考性及邏輯推理的題型，若是採用線上測驗，在題型設計上會受到限制，而且也無法考出學生的實作能力。紙筆測驗在題型設計上可以兼顧選擇題及非選題，若是擔心學生藉由校外補習，速成「實作能力」，則在題型的設計上可以採非選擇題方式，詢問學生如何做控制變因的設計、實驗結果分析、數據處理及如何改良實驗等。

一開始進行探究課程時，教師前置準備工作真的很辛苦，課程進行中常有意外，實驗現場難免如同大戰過後，但是透過學生動手做，師生共同腦力激盪，常會產生更多意想不到的探究變因及實驗成效。


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