兩岸化學教育高峰論壇:科學探究教學研究與實踐 段曉林 國立彰化師範大學科學教育研究所1,2 suhltuan@cc.ncue.edu.tw* 探究教學在海峽兩岸甚至世界各國已經是如火如荼開展的科學課程重點。但是在兩岸推動探究教學的課程時，或許我們可透過回顧美國發展科學探究課程的歷史，了解探究教學為何如此的重要並提供未來的發展參考。另外，我們也須檢驗探究教學是否可落實在臺灣的教學文化中，在落實中會產生那些問題以及會有哪些的學習成效。以下將依序探討這些議題。 段曉林、靳知勤(2018)回顧科學探究的課程發展歷史，需追溯到美國與蘇聯的太空戰爭，蘇聯的史波柯尼號（Sputnik）在 1957年10月4號升空後，使得美國驚覺科學教育的重要性，自此開始美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)全力重視科學教育課程的研發，並透過研究科學家如何進行科學實驗活動，歸納出十三種科學過程技巧並融入全美的科學教科書中，使得美國的科學課本在實驗部分開始著重十三種科學過程技巧的培養。1983年提出「國家在危機中」(A Nation at Risk)的報告，之後1985年 2061計畫(Project 2061) 誕生。美國的教育開始重視如何培養全體學生成為具備科學素養的公民，使其能應付生活上或是職場上科學技學與數學的事物。在2061計畫中也界定了科學包含科學的本質，科學的企業，以及科學的探究。此時科學探究已經悄悄的取代科學過程技巧。1996年，由美國國家科學院(National Academy of Sciences)主導下，提出美國國家科學教育標準(National Science Education Standards, NSES)( National Research Council, NRC, 1996)。NSES針對科學探究有如下的界定： 探究是科學家研究自然世界的多元方法，依據所收集的證據提出解釋。探究也可以是學生發展知識以及理解科學的想法，同時也是理解科學家如何研究自然世界的活動。科學探究是一種多面向的活動，這包含觀察，提出問題，驗證課本或其他資源、了解已知的知識，設計探究歷程，按照實驗證據回顧已知的知識，利用工具來收集，分析與詮釋資料，提出回答，解釋以及預測，溝通研究發現。科學探究需要確認假設，利用批判與邏輯思考，考慮另有的解釋(NRC, 1996, p.23；引自段曉林、靳知勤，2018，p.140-142)。 美國國家科學教育標準也針對各年級層(K-4年級，5-8年級，9-12年級三階層)界定科學探究。至此，科學探究課程影響到全美以及日後世界各國對科學探究的界定與重視。例如在5-8年級：A.科學是探究：學生應發展進行科學探究的能力；有能力找出探究的問題；能設計與執行科學的探究活動；能利用合宜的工具以及技術來收集分析以及詮釋資料資；能使用所收集到的證據來描述、解釋、預測和建立模型；能利用邏輯思考與批判思考將證據與解釋連結。B.瞭解科學探究的真意：不同的問題應採用不同的探究方式；現今的科學知識與理解主導科學探究的方向；數學在科學探究過程中扮演重要角色；在探究上使用科技有助於科學探究的精確度；科學的解釋強調證據有邏輯一致的論點、利用科學原理、模型和解釋；科學的進步取決於合理的懷疑科學探究所產生的技術、知識與想法有助於新的探究的發生。由於科學教育標準所提出的探究內涵與本質，對於如何培育科學教師，如何教導學生須具備的探究知能以及扮演重要的角色。這些重要的定義影響世界各國的科學課程目標的界定以及科學教育研究的走向，更影響晚近世界各國新的課程發展目標。     透過過去二十多年來的科學教育研究已經指出探究教學能提升學生的科學學習成就(換言之特定單元的科學成就測驗成績)，學生的認知以及探究技巧(十三種科學技巧)，問題解決策略，學生在小組中的對話溝通能力，以及進行科學探究的能力，協助學生理解科學概念與主動思考策略。許多的科教研究者側重學生在認知上的學習成效，但是個人開始注意學習者情意部分的學習，因為華人對於學習科學的成績可以卓越，但是對於喜歡學習科學的情意面向的成績在國際評比上相較於認知部分是偏低的(佘曉清，林煥祥，2017)。因此如何幫助學生喜愛學習科學，不放棄科學的學習是重要的目標。     個人首先透過質性觀察以及問卷研發研究，發展出學生科學學習動機量表(Tuan, Chin & Shieh, 2005)，此量表包含六個面向，檢測學生在科學課程中的：自我效能，主動學習策略，科學學習價值，表現目標，成就目標，以及學習環境誘因。接著再透過一系列的探究教學實證研究了解臺臺灣國中學生的學習成效。例如：蔡執仲與段曉林 (2005) 研究發現探究式教學提供學生日常生活議題進行探究，可引起學生相當大的興趣進行科學學習，經由動手操作體會科學推理與驗證歷程，進而形成科學知識，培養學生操作與解決問題能力。探究教學實施在化學單元(原子與分子，化學反應速率，酸與鹼)可以提升學生的概念改變，成就測驗，動機改變，但是迷思概念仍會存在(施貴善，2005)。這些結果表示在臺灣的教學環境，不論在短期(一個單元)或長期(一個學期或是一年)的實施探究教學，對學生化學單元以及理化科的表現均有顯著成長。     接著我們思考，科學教師在落實探究教學時，會遭遇哪一些的問題以及該如何的解決。筆者帶領國立彰化師範大學教學碩班生(在職的科學教師)進行為期一年的探究教學行動研究，主要目的在探討科學教師在落實探究教學時所遇到的困難以及學生的學習成效。例如：東慶瑋、段曉林、賴志忠(2011)探討如何透過探究教學來提升學生的科學自我效能。研究者發現第一階段遭遇到的問題分別為學生對探究活動熟悉程度、學生學習社群關係與互動、探究教案設計難易程度與師生間對話模式。第二階段發現低自我效能學生僅會進行操作卻不懂基本科學概念。第三階段所遭遇的問題為段考與模擬考影響教學進度。個案教師採行的策略分別為鼓勵學生的能力，自己先進行實驗活動來降低將教學活動中的困難度，教導學生進行合作，藉由學生間互助以解決理化問題，再將困難的核心問題詢問教師。林姝君、段曉林、余忠潔(2011)透過一年的時間來提升一個課後輔導班弱勢低成就生的科學探究能力與學習動機影響之行動研究。第一階段：實施於八年級上學期，個案教師帶領低成就生進入實驗室課程內容分別為溶液、聲音、光學闖關遊戲、熱與能量、認識物質元素。第二階段：實施於寒假輔導期間進行非制式教學－科學博物館巡禮。第三階段：實施於八年級下學期，課程內容分別為酸鹼溶液大調查、氧化還原－物質經燃燒後的變化、肥皂製作、塑膠分類、虎克定律、摩擦力實驗。個案教師實施探究教學所遭遇的教學困境：1.需多著墨於班級秩序上的掌控與經營。2.低成就生普遍專注性不佳，學習意願低落。3.學生沒有從事過探究教學活動的學習經驗。4.較無法獨立操作，需要教師從旁給予較多的關注。5.對於較開放式的學習單內容感到困擾而輕言放棄。6.學生不喜思考，希望老師直接給予答案。7.初期學習單設計內容對學生而言過於艱難。個案教師的反思與解決策略：1.班級經營掌控上儘量營造鼓勵、讚美的良性互動。2.教案、學習單設計更簡單化，問題內容口語化。3.活動設計內容務求與學生生活背景相近或取材於真實生活經驗以求產生共鳴。4.教師本身要強化發問引導技巧。5.運用多媒體設備，或設計情境實施非制式教學活動。根據課室錄影、回饋單撰寫、問卷統計結果與原班教師晤談發現：本研究的參與學生其低層次探究能力表現情形：a.課堂參與、提問、回答問題次數增加。b.實驗操作仍需教師一個個步驟引導，到後期可獨立操作，並自行設計操作裝置。c.原班實驗課的參與度與從事實驗活動的信心增加。d.口頭發表與溝通能力進步但撰寫能力仍顯不足。其次對於高層次探究能力例如：科學圖表繪製、批判思考、運用合理解釋支持。研究發現這些學生尚無法獨力完成探究，仍需要教師提供框架與設計問題口頭引導。對於研究前後成長幅度平均值的面向最高為「表現目標」，其次為「成就目標」。探究其原因為： a.個案班級學生程度同質性高，加上小班教學，教師容易關注到個別學生學習情形(得到較多重視)。b.探究過程同學有較多表現想法或被認同的機會。c.個案班級進行的科學探究活動較沒有課業進度壓力。學生覺得最有成就感：a.解決一個難題且有作出成果時。b.想法被老師同學接受、獲得老師的讚賞。c.實驗操作越來越有信心與不會害怕。     上述都是探究教學落實在低成就生或是一般生身上，至於資優生的表現如何?王翠妃(2008)的研究在於探討資優生透過科學探究學習活動，學生在科學推理能力上的成長情形。本研究的學生為個案老師的學校資優班學生，男生18人、女生10人，共28人，並將學生分為六組，觀察學生歷經一年半的探究教學歷程，其科學推理與創造力的轉變情形。個案老師選定學生國二上至國三上三個學期各兩個單元（共六個單元）進行錄影、錄音、及文件收集，以瞭解學生在一年半的探究教學過程中推理類型的轉變情形。探究教學後，學生在科學創造力的成效： 1.學生在論述的過程，針對其所提出的點子，解釋能力提升許多，經由學生實驗考試（兩個問題）論述過程的字數統計，發現學生對於自己組內所提出的點子，想嘗試以更詳細的敘述來說服研究者其想法的合理性。2.學生邏輯推理與謹慎性增加，且可應用的科學知識範圍也加廣。3.從實驗考試中，可觀察出學生在實驗設計的點子上，產生點子的速率增加。4.由單元一至單元六，學生採用推理類型的增加。推理類型呈現階層性轉變，由推論式推理à分析式推理à對話式推理à評價式推理à統整式推理。     由上述臺灣中學科學教師所進行的一系列行動研究結果，可以看出探究教學確實能對各種程度的學生均有幫助，不但如此學生的學習動機也有提升。當學生的學習動機增加，他們才能持續保持對科學的學習熱情，最終成為具備科學素養的公民。其次，探究教學要落實在課室中，其實遇到的問題不少，因此如何提供持續的支持系統，幫助科學教師解決困難，探究教學才能真正持續落實在科學教師的課室教學中。最後，由美國科學探究課程的沿革中可看出每一個時代的學者專家對探究的定義不盡相同，從非常科學家導向的實驗活動，漸漸轉變為透過生活中的議題找出探究的問題，進而培養學生探究思考的相關能力，這些都是在探究課程的發展歷史中可發現。因此，或許每一位教師或學者對何謂探究的定義不一，但是如何依據自己的文化情境、生命經驗、以及政策的要求找出符合自己學生所需求的探究能力是較為重要的任務。相信隨著時代的脈動，探究會一直成為科學課程的重點。 參考文獻 王翠妃(2008)。探究教學對國中生創造力及科學推理的影響。未出版之碩士論文，國立彰化師範大學教學碩士班論文，彰化市。 東慶瑋、段曉林、賴志忠(2011)。以探究教學提升中學生自我效能之行動研究。文章發表於中華民國第二十七屆科學教育學術研討會。國立中山大學。高雄。 林姝君、段曉林、余忠潔(2011)。探究式教學融入攜手計畫提升弱勢低成就學生科學探究能力與學習動機之行動研究。文章發表於中華民國第二十七屆科學教育學術研討會。國立中山大學。高雄。 段曉林、靳知勤(2018)。科學課程中科學探究與實作的發展歷史。黃政傑、吳俊憲、鄭章華(主編)。分科教材教法問題與展望(137-146)。臺北：五南書局。 […]

兩岸化學教育高峰論壇:創造性探究模型在探究與實作教學的應用範例分享 林芬如1  段曉林2* 國立彰化師範大學科學教育研究所1,2 suhltuan@cc.ncue.edu.tw* 壹、緒論 十二年國教課程綱要(簡稱108課綱）的課程目標之一：「啟發科學探究的熱忱與潛能，使學生能對自然科學具備好奇心與想像力，發揮理性思維，開展生命潛能。」（頁1），且課綱（2018）強調，「科學學習的方法，應當從激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學生能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力」（頁1）。為強化上述目標，教育部特於高級中等學校教育階段增列自然科學探究與實作課程內容，佔自然科學部定必修學分數三分之一，足見提升高中學生科學探究與實作能力是國家科學教育的重要方向。位於第一線教學現場的高中教師們是帶動進行探究與實作的領航者，既是課程設計者也是課室中實施探究教學的輔助者，需要參考不同類型的探究教學模型與應用的範例增進自身的教學知能，因此，本文擬分享一個可以應用在高中課室中的創造性探究教學模型與範例。 貳、創造性探究教學模型與科學創造力評量 本文採用洪振方(2003, 2017)提出的創造性探究教學模型(Creative Inquiry Model, CIM )作為本文依據的教學法，此外，本文所指的科學創造力指聚焦於學生的科學性產品（含實驗產出的數據）中開展的創意，內容包括新奇度、問題解決、精緻度與整合度等三個主面向的考量(Lin & Chin, 2018 ; Lin, Tuan, & Chin )。以下分述說明： 一、提升創造力學習的CIM模型：CIM模型符合NRC(2000)強調的重點，且比NRC(2000)更多出了來自學習者自身與同儕小組的評價 (evaluation)，強調學習者進行探究與思考、形成問題、寫下想法步驟、數據分析、探究過程利用語言說服(解釋與溝通)，與將想法和結論與同學公開交流，同儕合作運用多種過程技能，例如操作、認知和程序性的過程技能。CIM包含七個步驟（Hung & Ko,2017）： 步驟（一）學生參與科學問題，事件或現象； 步驟（二）另一方面，老師設法引起學生自己的想法的共鳴，激勵他們反思並抽出潛在的原因和假設; 學生通過設計實驗探索問題並檢驗他們的假設； 步驟（三）學生分析數據，並整合他們的觀點以建立模型； 步驟（四）學生用他們的科學知識闡述（提供原因和結論）問題； 步驟（五）學生在論證期間對同儕傳達他的解釋，進行最大的發散性思考； 步驟（六）學生通過其它解釋進行比較，特別是那些體現科學的解釋推理進而再評價自己的解釋，進行收斂思考。 步驟（七）學生和他們的老師一起審查和評價他們學到了什麼以及他們是如何學習的，進行思考的總結。 在上述階段（一）和階段（二）是探索的組成部分，階段（三）和階段（四）是解釋的組成部分，階段（五）是交流的組成部分，第（六）和第（七）階段是評價的組成部分。而探索、解釋、交流與評價的各步驟不必依線性程序進行，可以螺旋式的交互呈現而彈性使用，如下圖一之示意圖。    圖一、創造性探究教學模型(CIM) 二、科學創造力的評量：經由科學教師透過CIM 模型的教學設計使學生在探究過程中產生的科學創造力，可以進行形成性評量，例如：學習歷程檔案或是實作評量，對於學生的科學性產品中的創造力，以新奇度、問題解決、精緻度與整合度等三個主面向的考量(Lin & Chin, 2018 ; Lin, Tuan, & Chin, 2017)，三個主面向共包括八個子面向如表一。教師可以根據(Lin & Chin, 2018 ; Lin, Tuan, […]

兩岸化學教育高峰論壇:「自然科學探究與實作」之我見— 以在客廳可以實作的化學反應為例 蕭次融 國立臺灣師範大學化學系（退休教授） gshiau@ceec.edu.tw   n  摘要 教師演示點燃的火柴使黃褐色的液體褪為無色，引起學生探究其因的興趣。教師提示可用化合物替代點燃的火柴，於是學生上網找相關資料。在探討火柴頭和優碘的成分以及其性質後，並以二級研究（secondary research）的方式探究其化學反應。然後學生設計一個問題解決的實作實驗，如何使黃褐色的液體褪為無色並使其顏色復現的方法，並解釋其原理。 n  簡介 對於以往的科學教學偏重知識概念的講授，依據《十二年國民基本教育課程綱要》的《自然科學領域課程手冊》，著重科學探究能力培養，強調科學素養的養成，注重與日常生活的連結。新課綱的教學要以主題的方式，注重「探究學習」和「實作學習」，並且要以學生為主。教師的任務在「探究與實作」的活動中，應扮演引導者的角色，引導學生觀察現象、形成問題、提出可驗證的觀點、尋找變因、收集與分析資料、解釋與推理、歸納結論、提出建議以及預期的發展等等。 雖然新課綱強調自然科學教育法，但是多數教師期望有可參考的教材內容和教學指引。高中「自然科學探究與實作」是包含在十二年課綱新設必修的領域課程，占自然科學領域部定必修12學分的三分之一，分成「探究」與「實作」兩個面向，教師必須執行，實作是學習的過程，而探究能力的培養才是目標。 本文提出「在客廳可以實作的化學反應」，作為設計探究與實作的參考。首先教師演示點燃火柴使碘酒褪色的實驗，以引起學生探究其化學變化的興趣，進而搜尋相關資料和進行二級研究，教師引導學生發展出「氧化還原反應」的概念。接著，教師提出優碘褪色和復現的問題，分發實驗器材：碘酒、雙氧水、白開水、餅乾、火柴與透明玻璃杯，以及標籤為X與Y的兩支無色液體的點滴吸管，要求學生分組討論並利用所分發的實驗器材，自行設計實驗步驟並進行實作，找出問題的答案並發表其實驗結果。最後，教師引導學生發展出「氧化還原反應」的延伸—「自身氧化還原反應」的概念，並理解其異同。（註：X是約1 M的NaOH溶液，Y是約1 M的HCl溶液。以上所述純屬個人看法，僅供同好參酌。） 二級研究涉及現有研究的總結、整理和／或綜合。二級研究與一級研究形成對比，主要研究涉及數據的生成，一級研究資料作為二級研究分析數據的來源。二級研究可以從教科書、百科全書、回顧文章、已發表的學術論文、統計數據庫和歷史記錄中提取數據。 本文的內容：一、教師演示實驗（點燃火柴，碘的褪色）；二、學生用二級研究的方式探究碘液褪色的原因（火柴頭藥的成分、碘的性質、以及發生化學反應）；三、學生以問題解決的方式實作碘液褪色又復現的作法；四、學生實作後的問題與評量；五、參考資料；六、附錄：(一)108指考化學試題（可供問題解決試題的參考）、(二)2018遠哲科趣全國競賽（可供問題解決實作試題的參考）和(三)各液體與本活動有關的性質以及未知溶液的編號（作為這次二級研究和問題解決的參考）。 n  教材設計 一、教師演示實驗 教師點燃的火柴，立即放入盛有碘溶液的透明塑膠杯中，學生用肉眼可分辨的現象發生！ (一)  實驗器材 1.優點液（1瓶），2.雙氧水（1瓶），3.鹽酸（約1 M），4.氫氧化鈉（約1 M），5.澱粉液（0.01％或餅乾），6.火柴（1盒），7.透明塑膠杯（8個），8.鐵絲（直徑約1毫米，長25公分） 〔註1〕：碘酒和雙氧水：取自急救箱，如照片1的中間兩瓶所示。 〔註2〕：第3、4、5項的溶液，均裝於5毫升的點滴瓶（也可裝於3 mL的點滴吸管），如照片1右邊所示。 〔註3〕：鹽酸可用食醋或酸性浴廁清潔劑替代，氫氧化鈉則可用管路疏通劑替代，但用量（濃度與滴數）要調整。 〔註4〕：演示神奇的七個杯子，需要另加酚酞溶液（0.4%）或紫色高麗菜汁。 照片1：演示碘褪色使用的器材   (二)  教師演示與學生觀察 1.        教師倒清水約10毫升於透明塑膠杯中，滴入碘酒數滴直到溶液呈現黃褐色為止。 2.        一手拿黃褐色溶液的塑膠杯和火柴盒，並用第二個空透明塑膠杯的杯底當作杯蓋，如圖1所示。   圖1：一手拿好相疊的兩個透明杯和火柴盒，另一手拿火柴準備點燃火柴。 3.        用另一支手點燃火柴，立即移入第一個塑膠杯中，但是切勿碰觸到溶液，如圖2A所示。 4.        以第二個空塑膠杯的杯底輕蓋第一個塑膠杯，然後搖動塑膠杯，立即觀察到黃褐色的碘液褪為無色，如圖2B所示。 5.        如果碘液不褪為無色，重複步驟3、4數次，直到無色為止。 6.        在無色的溶液中，加入雙氧水數滴，靜待一會兒，碘的黃褐色復現。 7.        加入少許的澱粉液或餅乾屑，溶液慢慢地呈現藍色或藍黑色。   圖2：點燃火柴，使碘液黃褐色褪色。(A)點燃的火柴，立即移入杯內。(B)輕蓋杯子後搖動杯子，碘液由黃褐色變為無色。 […]

兩岸化學教育高峰論壇:教師模型、建模內容知識與建模本位教學內容知識之發展 林靜雯 國立台北教育大學自然科學教育學系 jwlin@mail.ntue.edu.tw 緒論 模型(model)與建模(modeling)是科學發展的重要元素，也是科學學習中不可或缺的認知與能力(Coll & Lajium, 2011)。即將實施的十二年國教因應國際潮流，將「建立模型」納為探究能力下重要的學習表現（教育部，2018）。在教室中，教師是教、學活動的主要引導者。如何增進學生模型與建模的後設知識以及建模實務(modeling practice)能力以進行科學活動，教師對模型內容知識(content knowledge of models, MCK)、建模的內容知識(content knowledge of modeling, MingCK)和教學內容知識(modeling-based pedagogical content knowledge, MPCK)便是影響學生學習品質的關鍵。而如何設計相應的課程，培育職前或在職教師的MCK、MingCK與MPCK便是科學師資培育者重要的責任。 教師模型與建模內容知識與教學內容知識之相關課程研究 Henze、van Driel與Verloop (2007)認為在科學師資培育課程上，應該重視教師CK與MingCK之培養，並引導這些未來的教師增進PCK，使之在教學技能上能重視如何引導學生討論科學模型的功能、特徵及相關建模活動。在CK部分，僅有少數研究探討一些相關介入所造成的改變。例如：Crawford與Cullin (2004)為14位職前中學科學教師設計Model-It的建立與測試課程（4次，每次3小時）。研究發現受試教師變得較會使用建模的「語言」，但對於科學建模仍然存有不完整的理解。另言之，就短時間而言，Model-It能增進教師對科學模型與建模能力的理解，但對於提升其科學建模能力之功效則仍有限。Valanides與Angeli (2006, 2008) 的研究介紹了兩個大約2.5小時使用Model-It的短教學介入來訓練職前教師設計模型相關的科學課程，所使用的檢測判准包含：1.所建立的模型是否有正確的結構、2.模型是真實或質樸的(real or naïve)、3.是否將探究或表達建模的經驗整合到所設計的科學課程中(Bliss, 1994)。研究結果顯示Model-It有效地支持了職前教師首次建模經驗，使他們能夠快速建構和測試他們的模型，並具可行性。然而，根據結果顯示，教師需要廣泛的學習經驗，以全面了解科學的科學建模過程。因此，師培教育者應謹慎考慮在師資培育階段如何發展教學模式來引導教師增進模型與建模的內容知識，此外，亦須考慮整合模型的使用到相對較為長期的教學實務過程中。 Justi與van Driel (2005)由四個領域：個人(personal)、外在學習活動(external)、實務轉化(practice)、以及結果(consequence)來分析5位教師參與模型與建模實務研習（4次，每次3小時）後，在CK、課程知識(curriculum knowledge)以及教學策略上面的成長。CK部分包括：什麼是模型？建模歷程及建模過程的因子；課程知識部分包括：教師的課程知識以及科學教學時，科學模型的本質。最後一個向度則包括教師所使用之教學模型的目的、建立、使用和建模教學活動的規劃。值得注意的是，他們也將有關學生建立模型的知識歸於此類。最後，Justi與van Driel 建議如要進行教師模型與建模實務之專業成長應1.在設計外部活動時，知道教師模型與建模相關的CK、PK與PCK上已有的知識，並著重在這些知識相應的特徵跟教師討論。2.所設計的活動必須跟教師現在正在進行之模型與建模的教學實務相關，並且挑戰他們去分析其教學實務是否符合模型與建模的精神。3.課程必須很清楚地讓教師經驗提升其學生學習的元素。4.要提供相關的教學實務讓教師知道建模活動如何設計。5.教師必須有機會在他們的教室使用新知識。6.專業成長活動結束時，要提供機會讓老師們反思諸如：哪些活動設計最能促進學生學習？學生學到什麼？沒學到什麼？未來如何改進活動？7.要有明確的點以中介教師的反思。 建模本位師資培育課程的設計及學員表現 根據Justi與van Driel (2005)的建議，本文作者設計建模本位的師資培育課程，並檢視11位修課學員於MCK、MingCK與MPCK三個向度的表現及其影響來源。這11位學員為東部某大學科學教育研究所的碩博士研究生，各自的科學背景殊異（9位理組，包括生物、化學、物理、電機、工業設計。2位文組，專攻語文、特殊教育），研究者依據科學教學年資，將之區分為專家教師(n=6)及生手教師(n=5)，並規劃「課程前」（第1週）進行課程說明與模型本質的前測、「模型與建模經驗分享」（第2-3週）以瞭解學員們於模型與建模相關的CK和PCK上已有的知識，並由教師與學員們之間的相互對話，挑戰學員們對模型與建模教學實務的理解，接著選讀「模型與建模文獻、工具介紹」（第4-10週），而後提供「建模教學範例、文獻及實際設計」（第11-15週），藉以充實學員們模型與建模教學實務的理解，並依據文獻中的重點，跟學員們討論設計相關教學實務時的特徵，及設計的細節。最後，在職教師有教學的場域，但職前教師則缺乏這樣的場域，因此，課程提供「試教及反思」（第16-18週）的機會，讓所有參與的學員有機會在試教過程中使用新知識。為準備這樣的試教，或已經察覺到模型與建模對科學學習的益處，部分學員在試教前，已經先在其教學的班級中施行建模本位的教學，因此，此師資培育課程結束後，每位學員都有相關的教學經驗。而試教過程，所有學員須提供互評，互評的機制除提供教學者具體回饋，也提供互評者本身有分析教學實務的機會。本文作者特別在這五個學習階段皆設立反思的機會，並提供10點信心量表，讓學員們自評其在MCK、MingCK、MPCK的理解及反思心得，研究結果整理成下面三張圖： 圖1 全班、專家教師、生手教師於課程五階段MCK自我信心的表現 圖2 全班、專家教師、生手教師於課程五階段MingCK自我信心的表現 圖3 全班、專家教師、生手教師於課程五階段MPCK自我信心的表現 由上面三圖可知： 一、隨課程演進，學員於MCK、MingCK與MPCK三向度的表現和信心皆逐步上揚。其中以MCK最易習得，而MPCK進步最難。 二、專家教師於MCK、MingCK、MPCK這三向度的表現與信心除了最後於MCK與生手教師相當外，其餘向度，自始至終皆高於生手教師，但生手教師於此三向度的成長幅度則較專家教師大。此外，專家教師自評對這三向度的理解程度及趨勢幾乎一致，但生手教師僅MingCK、MPCK的趨勢較為雷同，且認為這兩向度較難習得。 三、模型與建模文獻、工具介紹，對學員MCK、MingCK、MPCK之理解與表現具有影響，但課堂初始模型與建模經驗分享，以及教案設計過程中同儕的共同討論、設計則對學員們的信心提升較為明顯。其中，專家教師於模型與建模教學經驗分享過程中，獲得對於三向度概念的釐清，信心成長最為明顯，而生手教師則於教案討論與設計過程中因著與專家教師的激盪，信心增強最為顯著。 結論與建議 本課程依據Justi與van […]

兩岸化學教育高峰論壇:科學建模本位的探究教學對學生化學電池的心智模式改變情形 曾茂仁1,2*、邱美虹1 1國立臺灣師範大學科學教育研究所 2臺北市立大直高級中學 * maozeng@dcsh.tp.edu.tw 建模文本探究教學 本研究的文本選擇103學年度翰林版教科書電池的化學效應，作為一般文本教學組的教材，而建模文本教學組則是將翰林版教科書的內容以外顯化的方式，加入邱美虹2016科技部計畫中的建模歷程，包括：模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型應用與模性調度的步驟，皆會以外顯化的方式融入，以完成建模文本的撰寫，並由一位具有科教背景的高中化學科教師針文本正確性以及邏輯性給予意見，以確保此份文本的效益。 針對建模文本增加入外顯化的建模歷程提示之外，更刻意加速課堂任務作為建模文本的特色： 一、外顯化建模歷程： 選用邱美虹於2016國科會計畫中提出的建模歷程，此建模歷程分成四部份，共八步驟(模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型應用、模性調度、模性修正與模性轉換)，在建立模型的過程當中，每個步驟皆有特定的任務。外顯化的主要功能在於學生閱讀文本時，可清楚知道本段目的，使學生更有方向的了解文本內容。在化學電池的教學主題下，單元本身內容未達較高層次的建模歷程討論，因此，本次建模文本設計並未提及模性修正與模性轉換。 二、課堂任務： 課堂任務的目的是希望同學以較為有架構的方式整理元件之間的連接關係或是系統層次的情境問題，讓學生在觀察教師演示實驗後（圖一），必須記錄所看到的元件、元件的連接方式、元件之間的關係以及現象的發生（圖二），在透過教師的引導，進一步的提及元件的限制。課堂任務是建立學生一套有系統的思考邏輯，對於教師而言，課堂任務也一個用來診斷學生在課堂學習的過程中，何種階段發生了狀況，需要給予學生協助。 透過文本的改編，一方面以外顯化的方式引導學生學習，另一方面更是引導教師使用建模本位探究方式進行教學。          圖一　教師演示實驗　　　　　　　　　　　　　圖二　教師引導學生思考元件、元件關係 化學電池的心智模式 心智模式(mental model)為內在的概念表徵，也是內部概念連結成系統而外顯化結構表徵(Gentner & Stevens,1983)，Chi(2008)則認為心智模式亦可透過蒐集個別信念並組織而成。對於本研究中的心智模式主要分類依據為邱美虹(2008)針對電化學所提出七種心智模式進行分類，此七種化學電池的心智模式依據化學電池的成分、關係與延伸思考關係的正確性進行分類分別為：一、電池雛型模式：僅具備巨觀的電池成分；二、電池電解混淆模式：在電池外部連結一個電池，電路的判斷是由外部電池決定；三、電極混淆模式：混淆了電池電極的正、負極(陰、陽極)，在電極、電路與電池的反應皆與科學模式相反；四、電路雛型模式：具備大部分電池的組成成分及小部分電池的反應、通路的概念，但未建立完整的成分之間的關係；五、電路進階模式：具備電池的組成成分及電池的反應、通路的概念，但尚未建立完整的成分之間的關係，亦不了解延伸思考關係；六、類科學模式：具備電池的組成成分電池的反應、通路的概念，也建立完整的成分之間的關係，但尚未建立完整的延伸思考關係；七、科學模式：具備電池的組成成分及電池的反應、通路的概念，也建立完整的成分之間的關係，以及完整的延伸思考關係。 上述的心智模式分類方式，主要根據Vosniadou對於心智模式的定義所發展的內容，為了顧及完整性，因此在本研究中將diSessa對於心智模式的論點，針對學生心智模式不一致的情形加入「電池概念不完整」之心智模式，用以區分上述無法分類的學生，其心智模式的特性與範例說明的將呈現於表一所示。 表一：電化學電池的心智模式  教學成效  利用上述的化學電池心智模式分類方式，將學生教學前後的心智模式分類後將心智模式分佈情形整理於表二，做為討論心智模型分佈情形討論之依據。 「一般教學組」心智模式的分佈情形如表二與圖三所示，教學前，學生的心智模式幾乎集中於「電池概念不完整」高達96.3%，僅有一位同學之心智模式為「電極混淆模式」。透過一般文本教學後，學生的心智模式仍集中於「電池概念不完整」，但比例有下降達55.6%；亦有發展出新的心智模式，即為「電路雛型模式」其比例為25.9%，位居第二。若從圖4-3-0觀察可知，教學前，心智模式多集中於左方的心智模式(初始模式)；教學後心智模式朝右方的心智模式移動(綜合模式)，並且仍可看出教學前後於初始模式由96.3%降低至55.6%；綜合模式由3.7%提高於44.4%，但是，仍未觀察到有科學模式的產生。 圖三　「一般教學組」教學前後心智模式分佈情形 「建模探究教學組」心智模式的分佈情形如表二與圖四所示，教學前，學生的心智模式多集中於「電池概念不完整」高達70.8%，透過建模文本教學後，發現，「電池概念不完整」之心智模式已不存在，並且發展出在前測尚未有的心智模式：電路雛型模式、電路進階模式與類科學模式，教學後所發展出的心智模式其比例皆高於20%。若以圖三的分佈情形來看，教學前集中於左方之心智模式(初始模式)，透過教學朝右方的心智模式移動(科學模式)，並且教學前後於初始模式由87.5%降低至8.3%；綜合模式由12.5%提升至62.5%；科學模式由0%提升至29.2%，可知，透過教學有助於提升綜合模式與科學模式與降低初始模式的比例。 圖四　建模探究教學組教學前後心智模式分佈情形 由上述心智模式的分佈情形可提出以下三個現象：一、教學前，學生的概念過於破碎與不完整，因此，大部的學生於教學前皆屬於「電池概念不完整」的心智模式，透過教學，會發現次現象降低情形顯著，表是透過教學有助於學生改善破碎與不完整的概念；二、教學後，皆有助於降低初始模式，提升綜合模式甚至科學模式的比例，此現象正與第一個現象互相呼應；三、透過不同的教學方式，所達到的最高心智模式不相同。  教學反思 Schwarz(2009)提出關於建模本位教學將遭遇的挑戰，可分成兩部分，第一部分來自於教師對於科學課程的信念改變，教師必須從僅提供「固定」答案的教學方式，進而轉換成以證據為導向的知識建構方式進行教學，此教師信念的改變為建模教學現今所遭受的挑戰之一；第二部份來自於學生於科學學習中的情形，建模教學即為學生仿效科學家建立模型的過程，其中，科學家透過發表模型，並使用模型解釋或預測，因此，在建模教學中，必須著重於學生「發表」自行所產生的模型，使學生能夠有機會進行「口頭發表」。此兩部分皆為教學活動中極為重要的角色，因此，建模教學能夠落實，必須克服上述的挑戰。以下將提出本教學的反思內容： 一、建模文本與建模本位探究教學促進學生心智模式的改變         增加不同情境的探究問題與以學生為中心的方式，屬於建模本位探究教學規劃中的一部份。使學生思考不同情境的問題，以及自行選擇探究的主題皆能夠使得學生的心智模式產生更大幅度的變化，並且擁有更複雜的變化情形。根據研究結果，透過建模教學的學生心智模式改變的情形要一般教學明顯。 二、教學內容的改變         以學生為中心的教學方式，提供學生更多討論與反思的機會。針對研究問題與研究流程，皆由各小組自行討論與決定，與教師溝通後則開始蒐集資料。本研究中以白板的發表的方式，學生可使用各種表徵，發表各組的研究成果，透過小組間的比較與討論，增高了學生經歷模型效化的機會。從心智模式的改變情形可知，多元、彈性且以學生為中心的教學模式，有利於學生發生心智模式的改變，並且產生更為豐富的心智模式。 三、進行長期建模本位探究教學         本研究的課程內容未完成完整的建模歷程，未來能討論學生經歷完整建模歷程時，心智模式變化的情形。因此，希望透過長期的建模本位探究教學，能夠使學生經歷更為完整的建模歷程，對於研究而言，亦有助於了解建模歷程的起點與限制(Schwarz,2009)。 參考資料 Chi, M. T. (2008). Three types of conceptual change: Belief revision, mental model […]

兩岸化學教育高峰論壇:化學模擬實驗軟體在國中八年級理化的探究與實作應用 陳子聖*1、周金城2 1臺北市立敦化國民中學 2國立臺北教育大學自然科學教育學系 *t733@thjh.tp.edu.tw   前言 科學教學的核心之一是幫助幫助學生培養解決問題的能力，無論在「九年一貫課程綱要能力指標」，或是即將實施的「十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要」中，都提及探究教學中，教師需幫助學生學習如何具備問題解決的能力。若身為教師能落實平日教學課程中安排學生進入實驗室動手操作，學生才比較有可能藉由實驗操作的過程，培養問題解決的能力。但是由於部分實驗仍具有危險性，過去並不容易讓學生可以自行設計實驗，並自主測試實驗結果。利用商業化的Yenka Science軟體，教師可以設計物理、化學、數學與工程等主題的科學實驗，讓學生在電腦上親自進行科學模擬實驗操作，並且可以讓學生熟悉實驗步驟並收集數據，進而預測實驗可能的結果。 此次教學研究將以4個八年級上學期理化實驗內容，設計Yenka化學模擬實驗，並進一步比較使用Yenka融入實驗教學與一般教學的八年級學生在學習成效上是否有顯著差異。過程中學生約三人一組藉由觸控平板電腦來操作模擬實驗，熟悉實驗步驟並練習預測結果。透過Yenka融入的實驗組與一般教學的對照組進行比較，發現不論國小或是國中Yenka融入的實驗組教學成效都優於一般教學對照組，且成績進步達顯著差異。 研究背景與目的 2019年即將啟動的12年國民基本教育課程綱要(簡稱課綱)中的自然科學課程中，規劃每學期至少包含一個跨科單元，實施跨科主題整合的探究與實作學習，其主要目的並不是取代學科的實驗課程，而是讓學生可以動手將想法實際執行出來，以提升學習成效。因此，在本教學研究中，希望藉由Yenka實驗模擬軟體操作，透過學習單內容設計加入引導式探究的內容，以2~3人為一組進行小組討論，幫助學生在實驗過程中培養探究學習能力，並能解決所教師所設計的實驗問題，例如：在原有課本實驗內容中加入不同物質的溶解度觀察，以瞭解溫度上升是否均能增加溶解度等，延伸實驗的廣度與深度，以提升學生的科學學習成效。故本次教學研究目的有二： 1.      利用Yenka科學實驗軟體融入科學教學活動，幫助學生科學成效是否能有所提升。 2.      利用Yenka科學實驗模擬軟體融入實驗課程時，學生所遇到的問題與解決方式。  研究設計 為了確認實驗模擬軟體在國中教學效果，我們選擇台北市某國中八年級學生，將自然與生活科技的四個主題的融入Yenka活動，分別是1.密度的測定、2.混合物的分離、3.溫度對固體溶解度的影響、4.氧氣的製備及性質。研究期程共計共 6 週，每周 4 節課，合計 24 節課，教學對象的２班學生均為常態編班，其實驗組 26 人，控制組 27 人，合計 53 人，實驗模擬軟體均採用Yenka Chemistry，而實驗影片內容採用康軒版電子書所附內容，每次課程進行前，先進行前測，兩組進行相同時間的教學，再進行後測。茲將教學流程說明如表一所示。 表一：每次實驗課程之教學流程 實驗組   (26人)   前測   概念教學   Yenka模擬軟體操作+ 小組討論   進實驗室   動手實作   後測   對照組   (27人)   觀看實驗影片+   […]

兩岸化學教育高峰論壇: 公開觀課：同題異構—週期表 鍾曉蘭 新北市新北高中 新北市化學科課程發中心執行秘書 chshirley2007@yahoo.com.tw 一、     前言 2018年12月4日新北市化學科課程發中心受國立臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹教授邀請，協助辦理「亞太化學教育研討會」同題異構之公開觀課研習，研習由新北高中倪靜貴校長主持開幕，敬邀新北市教育局何茂田致詞，總參與教師與貴賓近80位。參與同題異構的主要教授有國立臺灣師範大學邱美虹教授、北京師範大學王磊教授、華東師範大學王祖浩教授、東北師範大學鄭長龍教授、美國紐約州立大學柳秀峰教授、國立臺灣師範大學化學系張一知教授、國立臺北教育大學周金城教授及林靜雯教授，教師有北京海淀教師進修學校支瑤副校長、東北師大附中孫磊老師、台北市立中山女中曹雅萍老師及新北市立新北高中鍾曉蘭老師。 二、     公開觀課之同題異構     隨著十二年國教新課綱的發展，近年來，教師社群發展與共同備課(以下簡稱共備)也日益重要，教與學的歷程中有許多需要教師關注的議題，如哪些概念屬於核心概念？學生在不同的核心概念中持有何種類型的迷思概念？不同類型的核心概念適用的教學策略/教學活動/教學評量為何？這些問題都亟待教師們共同研究與解決。     公開觀課是近年來教師社群共備方式之一，過程包括三部分：說課、觀課與議課。本次公開觀課的概念為週期表與化學反應速率，特別請兩岸具多年教學經驗的四位化學教師，各自以五分鐘說課：如何根據不同的教學鷹架或活動引導學生探究與建構相關概念，接著觀課：進行25分鐘的同題異構教學，在觀課後商請兩岸知名的化學教育專家進行議課(專家點評)。詳細說明如下表1： 表1  同題異構之觀課主題、分享教師及點評專家 公開觀課—同題異構 週期表 北京海淀教師進修學校 支瑤副校長 新北高中  鍾曉蘭老師 公開觀課—同題異構 化學反應速率 東北師大附中  孫磊老師 中山女中 曹雅萍老師 專家點評(議課) 國立臺灣師範大學邱美虹教授 北京師範大學王磊教授 華東師範大學王祖浩教授 東北師範大學鄭長龍教授   三、     週期表的規律性—游離能公開觀課 (一)        教學設計理念 本次公開觀課引導學生以建模歷程為學習鷹架，經由數據分析的過程以建立週期表中元素游離能的規律性，讓學生在探究活動中，學習分析、歸納數據的邏輯、關聯或規律，以建立質性或量化關係的模型(如概念圖、關係圖或數學關係式)，用以描述觀察的現象，並依建立的模型用以解決問題或預測新的發展。 科學家在建立科學模型時，有一定的思考過程，稱之為建模歷程(Modeling process)(引邱美虹，2016，參見圖1)。概分為四個階段：(1)模型發展階段；(2)模型精緻階段；(3)模型遷移階段；(4)模型重建階段。 (1)   模型發展階段：科學家經歷多次相類似的生活現象後，便開始從先前概念中選擇適當的物件(成份)、或基本模型；再建立所選物件(成份)、或基本模型的關係或結構 (2)   模型精緻階段：利用已建立的模型之關係與結構進行效化，以判斷、檢驗、或比較模型內部的一致性；利用已效化的模型分析問題，並解釋其適當性(數據演算或推理) (3)   模型遷移階段：能利用已效化的模型應用於相似情境的問題(近遷移)或運用於新情境的問題(遠遷移) (4)   模型重建階段：當察覺已效化的模型失效，須增加或減少物件(成份)與關係，以修正為新的模型(弱重建)；最後，察覺已效化的模型整體失效，以重新建立為新的模型(強重建)   圖1  建模取向的教學   (二)        […]

兩岸化學教育高峰論壇:公開觀課：同課異構–濃度對反應速率的影響 曹雅萍 國家教育研究院測驗與評量中心研究教師 中山女子高級中學 yapingtp@gmail.com 一、前言 2018年12月4日眾多化學老師與教授齊聚新北市立新北高中，參加「亞太化學教育研討會」。研討會中分別由北京海淀教師進修學校支瑤副校長和新北市立新北高中鍾曉蘭老師以「週期表」為主題；東北師大附中的孫磊老師與台北市立中山女高以「反應速率」為主題，進行同課異構之公開觀課活動。活動中每位老師分別以五分鐘說課，以解釋課程設計的者要理念；再進行25分鐘的同課異構教學，並於觀課後商請兩岸知名的化學教育專家進行議課，點評教授包括國立臺灣師大邱美虹教授、北京師範大學王磊教授、華東師範大學王祖浩教授和東北師範大學鄭長龍教授。 二、反應速率－濃度對反應速率的影響公開觀課 (一)課程理念與設計說明 反應速率的傳統教學方式，多為寫出反應速率定律式，再以許多題目不斷練習應用，讓學生在練習過程中，熟悉並背下反應速率定律式，但對於反應速率式的本質，與反應速率定律式為何出現的理由並不清楚。 為了以因應素養導向教學，並希望學生於知識學習過程中，同時培養解決問題的能力，故本課程設計時，溶入形成性評量的概念，希望從學習評量中建構學生在化學課堂上的學習。形成性評量的理論基礎則強調教學歷程要與評量歷程相互結合，才能達到改進教學的目的，進而提高學習效果。亦即「評量本身就是學習或教學活動」，當評量本身就是一個學習任務，藉由評量引導學習才會發生，若提問本身對教師就是評量活動，則回答教師的問題，對學生就是學習活動。 此外，實驗設計的概念亦為本次新課綱探究實作課程的重點之一，故本課程亦融入了實驗設計的概念，希望學生在學習過程中同時了解，探討反應物濃度對反應速率的影響時，一次僅能探討單一物質濃度(單一變因)對反應速率的影響，亦即於教學中同時澄清操縱變因與控制變因的概念，有助於實驗設計能力的培養。 下表為本課程設計簡述，希望藉此引入科學家設計實驗與思考解決問題的歷程，讓學生經由一系列有組織的提問後，可以自行理解並歸納出反應速率級數的意義。 單元主題 反應速率－濃度對反應速率的影響 單元目標 能從一系列的反應速率實驗中，取得反應速率的數據，並有效整理反應速率的數據，進而寫出濃度和反應速率的數學函數關係。 核心問題 如何以一個適當的函數關係，表示濃度和反應速率的關係呢？ 學習內容 CJe-Va-1 反應速率定律式 學習表現 tr-Ⅴa-1 能運用一系列的科學證據，理解並推導自然現象的因果關係。 tm-Ⅴa-1 能依據科學問題自行運思或經由合作討論來建立模型。 教學流程與提問設計 1.      示範丙酮碘化實驗，並引起學習動機。 2.      學生討論並說出反應速率如何計算。 3.      由上述的觀察中推論，可以用來測量反應速率的對象，需要具備哪些特性？並舉例說明。 4.      如果反應物的濃度會影響反應速率，那妳可以如何確認呢？ [H＋]、[(CH3)2CO]和[I3－]的影響分別為何？ 請求出反應速率，並分別寫出反應速率和各物質濃度的關係。 5.      如何將[H＋]、[(CH3)2CO]和[I3－]和反應速率的關係以一個數學函數表示呢？ 感謝師大化學系張一知教授提供第四十四屆國際化學奧林匹亞實驗競賽試題。   (二)開觀課活動照片 研習當天活動照片下圖。 圖1  孫磊老師公開觀課 圖2曹雅萍師公開觀課 圖3  學生課堂參與情況 圖4  王祖浩教授專家點評 (三)「濃度對反應速率的影響」課程流程與學習單 1. 實驗原理說明並進行實驗演示，已引起學生學習動機，並由實際的實驗演示中，觀察並推論出可以如何測量反應速率。 2. […]