化學教室活動： 透過波卡教學法學習烷類有機分子 吉佛慈 國立臺灣師範大學附屬高級中學 focusjyi@gmail.com n  前言 化學對人類生活的影響與貢獻無所不在。隨著人類物質文明發展與科技日新月異，石化工業（石油化學工業）產品已不僅僅滿足人類食、衣、住、行、育、樂基本需求，更創造出許多兼具潮流性與機能性的名牌精品符合不同消費者的胃口。就連資訊、電子、汽車等產業所生產的各種精密產品，也大約有60～70％來自石化工業。要認識石化工業產品，首先應從石油8000多種成分中的主要成分—烷類有機物—認識起。 本活動教案是針對高中選修化學課程中的分子結構有機化學單元學習內容，串聯上冊的分子結構單元與下冊的有機物結構單元。活動設計旨在以波卡教學法（POECA, 即為Prediction – Observation – Explanation – Comparison – Application的縮寫）為教學策略，以串珠分子為活動媒介，貫穿預測、觀察、解釋、比較、應用等五個關卡活動。活動目的是引導學生藉由動手製作串珠分子的珠串零件，以隨機扣接珠串的方式，連結生活中常見化學分子的微觀立體結構。一方面使學生在深入且具體了解電子對互斥的結構之後，能夠運用所組的結構對有機分子特有性質進行解釋，並進一步對分子異構物的結構與特性進行說明；另一方面則使學生在活動過程中同時體會到串珠世界的分子藝術（Art）之美，達到跨領域教學（從STEM到STEAM）設計之目標。 n  原理和概念 一、波卡教學法（POECA） 在White & Gunstone（1992）的Probing Understanding一書中提出POE（Prediction – Observation – Explanation，即預測‒觀察‒解釋）策略，對中小學教育的基礎概念提供一個有效的評量方法（White & Gunstone, 1992; Kearney, Treagust, Yeo & Zadnik，2001）。教師於課前依據課程目標設計不同的情境問題，提供學生於課室中以分組合作學習方式配合動手操作的活動，依序透過實驗結果的預測‒觀察‒解釋等三階段，建構出屬於學生自己的概念、知識或能力。 邱美虹等人（2005）則以原有的POE策略為基礎，提出POEC（Prediction ‒ Observation ‒ Explanation ‒ Comparison，預測‒觀察‒解釋‒比較）教學模式的實驗活動與評量。強調學生除了針對待解問題進行預測‒觀察‒解釋的三步驟外，還需將第二步驟觀察到的現象與第一步驟預測的內容進行比較（Comparison），且此一原則也呼應原創者White & Gunstone（1992）在POE教學策略所提出的「對具爭議的觀察結果進行討論將使學習更有價值」之看法（邱美虹、林世洲、湯偉君、周金城、張榮耀、王靜，2005；鍾曉蘭，2014；謝秉桓，2014）。 身為第一線的高中化學教師，筆者曾嘗試運用POEC教學策略於課堂活動之中，但每每於課程結束時總覺得意猶未盡，似乎還不足以激起部分數理傾向濃厚的學生追求更高層次挑戰的慾望。因此便在POEC之後加入應用（Application）階段，學生在面對此階段的挑戰題時不須再由預測階段重新開始，而是直接將POEC四階段所建立的知識能力與操作技巧應用於複雜度提高的類似情境之中，如此便形成了「波卡（POECA）教學法」，並由筆者設計出「教學用波卡，學化學不卡」之教學口號。 二、氣球分子（Balloon Molecules） 國中階段教科書所介紹的有機化合物—甲烷投影式結構，常讓學生誤以為是碳原子在平面的正中心，四個氫原子分踞四個頂點的平面正方形結構。高中教師為了介紹甲烷或其他分子的立體結構，過去嘗試使用的方式是(1)利用球和棍教具箱的原子和鍵元件，製作球棍模型；(2)利用保麗龍球，表示各個原子並黏合起來；(3)利用大小相近的氣球，代表電子對並打結處纏繞在一起；以及(4)展示立體分子拍照所得的圖片或是網路資料照片等。照相圖片的呈現只能讓學生發揮立體想像，初學者很難立體想像；保麗龍球可以清楚看到電子對排斥情況，但是彼此只靠切點黏合較不堅固，且在課堂中讓學生傳遞觀察後容易解體或是使用後不易找到空間收納；球和棍教具箱的價格很貴，且一盒教具能夠同時組裝出的分子數目非常有限，雖然球棍分子具有正確呈現分子結構和化學鍵角度的優點，但是一方面數量無法普及讓每位學生動手組裝，使得效果受限，此外因每顆原子上面已事先打好可連結化學鍵的孔洞，如：黑色的碳原子有分散的四個孔洞、藍色的氮原子有不太對稱的三個孔洞、紅色的氧原子有兩個孔洞、白色的氫原子只有一個孔洞等等，無法讓學生經由操作而理解各原子孔洞數差異及何以孔洞間的相對位置不同。 影響分子結構和形狀的因素除了藉由共價鍵與原子核的庫倫吸引力外，電子對之間的排斥力也具有極大的影響力。以吹氣打結後的氣球彼此纏繞來表示電子對的互斥結構已行之有年，雖然氣球具有容易消氣、不易保存、容易爆破和體積大小不易相同等缺點，且網路上許多示範影片多以氣球呈現具單一中心原子的分子立體架構，如圖一所示。然而，氣球仍具有價格低廉、可消氣重複使用、體積可大可小、色彩繽紛、全體學生皆可體驗等優點。    圖一：網站上以氣球模擬VSEPR結構（左）；筆者以氣球模擬VSEPR分子結構（右） 三、有機分子結構App 有機分子結構撲克牌是一個是結合擴增實境與虛擬實境的撲克牌，內容包含高中化學課程中有關烴類（第一套）、醇類、醚類、醛類、酮類（第二套）及酸類、酯類、胺類、醯胺類（第三套）的常見分子。使用時只要從撲克牌上的QR […]