化學反應速率與平衡以及網路資訊教學

一、國中「化學反應速率與平衡」教學範圍

學習「化學平衡」概念也包含了學習其先備知識，學生必頇理解「原子說」、「原 子與分子概念」、「質量守恆定律」、「化學變化」、「反應速率」以及「平衡反應式」等 化學基礎知識。在國中自然與生活科技學習領域中，「化學反應速率與平衡」單元的教 學往往相輔相成，因此會安排同一個時間段進行教學，國內三大版本教科書(翰林、康 軒、南一)皆將此部份之教學安排在國二下第二次段考範圍，以利教師的教學和學生一 氣呵成的學習。以目前國中教材設計，在此單元中，有三大概念需要學習(林英智，

2014)：

(一) 反應速率：影響化學反應速率快慢的因素有五類：分別是接觸面積、催化 劑、反應物濃度、反應溫度和反應物本質。

(二) 化學反應的可逆與不可逆：一般而言會在密閉系統內討論化學反應的可逆 性，特別是產物如果有氣體，氣體逸散將導致反應的進行不斷向生成物方 向進行，也尌無法進行可逆與否的討論了。當一個反應是能夠進行正逆反 應時，其反應方向的改變尌是可逆性。有的反應可逆有的不可逆，端看反 應物的本質與反應條件。

(三) 化學平衡及其移動因素與判斷：當化學反應為可逆時，如果正反應速率等 於逆反應速率時，此時為化學平衡，從巨觀角度看待，表面上反應似乎停 止且不在變化。但是從微觀角度看待，事實上反應還是持續發生，只是反 應物與生成霧的產生速率一致，稱為反應達到動態平衡。如果系統中有物 質濃度改變，或是反應溫度改變，或是氣體參與反應下的壓力改變，此時 會造成正反應速率不等於逆反應速率，反應將重新朝向抵銷該變化的方向

進行，此種判斷反應行進方向的概念也叫做「勒沙特列定律」。

所以在學生學習過「反應速率」，也明白「化學反應的可逆與不可逆」後，才有 辦法討論「化學平衡及其移動因素與判斷」。國中階段對「化學反應速率」與「化學平 衡」單元的教學範圍，研究者整理如圖 2。

圖 2 國中階段「化學反應速率」與「化學平衡」單元的教學範圍概念圖

由圖 2 可知，國中生面臨這樣繁瑣又不屬於日常生活中可以觀察到的概念，在學 習上有容易造成迷思概念的困境。過往僅僅讓學生觀察課本上的圖片，對於瞭解「動 態變化」的體驗是不容易的，在科技的協助下，教師可以利用動態影像幫助學生模擬 反應發生的瞬間，並得以「觀察」分子運動的現象與過程，只是有時教學素材選擇性

不高。然而，在網路發達的現代，每天都有來自世界各地的能人高手將 FLASH、動畫、

互動教學遊戲等等資源放上網路，現代的教師能從網路上找到多樣化的教學媒體，不 僅能促進學生理解這些抽象概念，也可以讓教學變得更有聲有色。近年來教師應用網 路科技幫助學生學習此一單元的可能性逐年提高，尤其在十二年國教政策的推波助瀾 之下，教師運用網路科技進行教學勢必日益重要。但是，國內研究對網路科技結合化 學反應速率與化學平衡教學著墨甚少，本研究在結合十二年國教背景下對教師應用網 路科技教學化學反應速率與化學平衡進行研究，應屬特別有意義的取向。

二、常見之「化學反應速率與平衡」迷思概念

因為化學的動態平衡是發生在微小粒子間，其過程並非僅用口述或舉例可以說明 清 楚 ， 在 教 學 經 驗 上 ， 學 生 往 往 會 因 不 當 的 理 解 或 想 像 而 產 生 迷 思 概 念 (misconception)，例如將「化學平衡」與「化學反應速率」兩者的相關因素混淆。劉文 雄、周進洋（2011）指出國中學生學習反應速率時會將「分子數量」與「分子濃度」

混用，以為增加分子數量可以加快反應速率，加速反應進行。

Gorodetsky 和 Gussarsky (1986)說明學生誤將化學平衡方程式的兩邊視為兩個獨 立系統，以為可對平衡系統的單一邊進行溫度和壓力的改變。Gorodetsky 和 Gussarsky (1986) 也發現學生不能判別非均勻相系統中之化學平衡的相關或不相關元素；學生通 常的迷思概念是在非勻相系統中加入固體會影響平衡系統，如果反應物是固體，以為 加入反應物會 向生成物方 向移動。 Gussarsky 與 Gorodetsky(1988)以及 Garnett 與 Hackling(1995)歸納出學生將反應方程式左邊與右邊視為不相連的個體，也尌是學生認 為可以單一對平衡系統的一邊進行溫度、壓力的改變而不影響另一邊。Garnett 和 Hackling(1995)還指出平衡時，若有狀態改變，因為學生認為正反應與逆反應是獨立進 行的，將只有單一方向反應速率會增加或減少。Hackling 和 Garnett (1985)以及李世峰、 李田英(2007)的研究也認為學生對反應的認知經驗為反應是單向的，先完全由反應物 進行正反應變成產物，再從產物進行逆反應，影響了對平衡反應的認識，學生甚至不

能清楚區分完全反應(completion reactions)與可逆反應(reversible reactions)的區別。

通常在化學反應速率的概念中，討論的條件多是開放系統；但化學平衡之條件卻 要在密閉系統，討論範圍不同加上一般教師對此要點未強調區分，常造成學生在學習 兩者之相關與差異上產生困難，學生甚至無法分辨靜止與看似靜止之狀態有何差異 (Huddle& Pillay,1996)。

三、不瞭解「動態平衡」意義與誤用「勒沙特列原理」

探討化學平衡之前，學生應先具備化學反應速率之基本概念，當學生先備知識不 足 時 常 會 感 到 困 難 ， 並 容 易 產 生 迷 思 概 念 或 面 臨 解 題 困 難 的 情 形 (Gorodetsky

&Gussarsky,1986; Gussarsky & Gorodetsky, 1988; Garnett & Hackling, 1995)。學生在面對 化學平衡時，常會產生迷思概念， Gorodetsky 和 Gussarsky (1986)指出，對化學平衡 反應的動態意義缺乏認識，不瞭解化學平衡最顯著的兩個要點：「動力論」與「平衡化 學計量」（動力論為瞭解化學平衡狀態的動力來源。平衡時，固定組成濃度的解釋頇與 反應進行的化學計量結果相符）。學生不能判別系統是否達化學平衡，也不能區分達化 學平衡和未達化學平衡的差異(學生不瞭解微觀的可逆過程是一直不斷的進行)。此 外，李世峰、李田英(2007)發現國中學生學完化學平衡之後，對「平衡」的認知容易 視為「相等」之意，也易誤解達成化學平衡為一種靜止狀態，無法理解「動態平衡」

的意義而產生迷思概念。此外，Garnett 與 Hackling（1995）、Johnstone、MacDonald 與 Webb（1977）和劉嘉茹（2000）在相關的研究中也發現學生在學習化學的動態平衡 時，不懂動態平衡的原因，不知道化學反應動態平衡的意義，誤以為化學反應停止了，

誤認為化學平衡時， 正、逆反應速率為零，也因沒有動平衡的概念，以為化學平衡之 後，反應會呈現靜止狀態的迷思概念。Johnstone 等人(1977)更指出，學生存有認為達 平衡時，產物的濃度等於反應物濃度的迷思概念。由此可以發現「動態平衡」對學生 而言是相當容易誤解的重要概念。

錯誤使用勒沙特列原理，無法正確利用勒沙特列原理判斷反應將會朝向正方向或 是逆方向，以及為何如此變動；不能判斷在何種狀況下運用此原理及如何運用(Wheeler

& Kass，1978；Gorodetsky & Gussarsky，1986；Johnstone et al.,1977) 。為了解決學生 學習「化學平衡」與「化學反應速率」常有迷思概念的情形發生，李世峰、李田英(2007) 針對學生學習「化學平衡」與「化學反應速率」產生迷思概念的原因研究，發現多達 41 項有關勒沙特列原理之迷思概念。顯著的迷思概念如下：59%的學生沒有真正理解 平衡的移動來自於正、逆反應的改變，並且對反應物濃度的改變會造成反應速率改變 不甚理解。Wheeler 和 Kass(1978)對 99 位 12 年級的學生測驗，發現學生對勒沙特列 原理有迷思概念的比例達 94%，對平衡前後反應物濃度有迷思概念的比例達 84%。代 表學生確實不易學習「動態平衡」及「勒沙特列原理」的概念。也因此建議教師在教 學前先了解主要的迷思概念，藉以提供學生正確知識

綜上所述，在國中教學實務上，「化學反應速率與平衡」單元是學生不易學習，且 容易產生迷思概念的單元，國內學者林財庫(2004)也指出，很多學習者均對學習物質 微粒模式的概念感到非常困難。主要的關鍵是教師的教學策略與解說方法，以及對「動 態」過程的解釋與呈現方式的不足，造成大多數的迷思概念，教師的教學與學生的學 生皆相當不容易。若能利用多媒體及網路上豐富的教學素材，配合不同學習風格學生 的需要，設計不同呈現方式幫助學生理解「化學平衡」乃正、逆化學反應之「化學反 應速率」相互平衡後的結果，可增進學生正確使用勒沙特列原理去判斷反應方向的變 化，有益於減少學生迷思概念的產生。

「化學平衡」為強調雙向且動態之平衡現象。故教學時，圖片礙於不具連續性，

無法強調「平衡進行」的動態特殊性質與反應的意義。是故，將化學反應速率與化學 平衡佐以動畫並利用網路上的影片輔助教學，藉由視覺感官學習反應時正確的微觀變 化，不但可以有事半功倍的效果，而且能反覆觀察並且啟發思考，也能夠減少進行實 驗時可能發生的危險性和實驗後藥品處裡不慎的污染性(翁榮源、莊坤鴻、李孔文，

2010)。

四、科技學科教學知識與網路資訊教學的作用

由於「活化教學」的必要性，教師用影片及動畫解說不易理解的概念便是幫助學 生學習的良方。利用網路素材可貼近學生日常生活，更增進學習興趣與動機。Tsai (2001) 指出，網路科技應用於教學，有助於科學學習及各種教學策略的進行；這樣的觀點可 從教授「化學反應速率與平衡」以及燃燒的分子運動概念和原理的經驗中得到驗證，

網路的圖、文和影片確實對學生的理解與學習有助益（翁榮源、莊坤鴻、李孔文，2010；

張容君，2010）。在電腦與網路的普及十分發達的今日，操作資訊通訊科技與人們的

張容君，2010）。在電腦與網路的普及十分發達的今日，操作資訊通訊科技與人們的