2008, 第九卷第一期, 1-16 2008, 9(1), 1-16 2010, 第十一卷第二期, 31-42 2010, 11(2), 31-42
高中奈米科技課程之概念與命題陳述的建構
林建隆1 石豫臺1 吳仲卿1 洪連輝1 溫育德2 張鈞權3 林富美4 1國立彰化師範大學 物理系 2國立彰化師範大學 生物系 3國立溪湖高級中學 4國立竹南高級中學 （投稿日期：民國 99 年 10 月 30 日，修訂日期：99 年 11 月 25 日，接受日期：99 年 12 月 5 日） 摘要 摘要 摘要 摘要：為開發台灣地區高中奈米科技課程，提升高中學生對奈米科技概念的理解， 本研究邀請奈米科技專家、科學教育專家和資深高中奈米科技教學的教師，組成 研究團隊，透過國內外的文獻分析、專家會議與資深高中自然科教師定期開會討 論，共同發展台灣地區高中奈米科技課程的專家概念圖、命題陳述、單元主題與 學習目標。經由外聘專家群與高中資深教師完成專家效度的檢覈。研究結果包括： 1.高中「奈米科技」的專家概念圖。2.由高中奈米科技專家概念圖發展成命題知識 陳述，強調科學概念的語意關係與科學原理的說明。3.由文獻分析發展高中奈米 科技課程，除奈米科技簡介外，包含重要的(1).奈米尺度、(2).自然界的奈米物質、 (3).奈米物質的特性、(4).奈米製程、(5).檢測奈米結構、(6).奈米科技應用、(7).奈 米科技對人類健康與環境及社會的影響等七大單元主題。4.再依據單元主題，發 展完成各單元主題認知面的學習目標，以供日後發展奈米科技課程參考使用。 關鍵詞 關鍵詞 關鍵詞 關鍵詞：奈米科技課程、命題陳述、高中、概念圖壹、前言
隨著全球奈米科技迅速的發展，奈米科 技已成為近代科學不能缺少的一門新興科 學，也是二十一世紀新興產業革命的動力， 誰掌握了奈米科技知識的發展與傳播，誰就 掌握了 21 世紀奈米科技的發展。「奈米知 識」是奈米科技發展的重要基礎，也是奈米 科技最為重要的研究領域。所以，奈米科技 教育是進入奈米時代的重要指標，相關人才 培育即成為提升國家競爭力的關鍵。先進國 家都已體認到知識經濟的重要性，在中、小 學課程中進行科學教育改進，推動奈米科技 融入教學計畫，提升新世代國民的科技素 養。在推動教育改革中，特別強調中、小學 與大學或研究中心合作來培育科技人才，一 方面強化學生科學素養，改進學校數理課程 教學的多樣性內涵，另方面在與大學合作 中，讓學生及早領悟到科學研究工作的樂趣 與重要性。台灣自 2002 年底起推動第一期「奈米國 家型科技計畫」，由國科會統籌負責「奈米國 家型核心設施計畫」，建立台灣奈米科技研究 實驗室。另由教育部統籌推動「奈米國家型 人才培育計畫」，執行六年來，成果豐碩，不 僅培育了眾多的奈米科技人才，也促進了奈 米科技知識的普及化。尤其奈米科技 K-12 人才培育計畫，設立計畫推動辦公室統籌全 國奈米科技人才培育相關事務，並在全國分 設 5 個「奈米科技 K-12 教育發展中心」及 5 個「奈米科技前瞻人才培育中心」，整合中小 學及大學資源，進行種子教師培訓，開發奈 米科技教育通用教材，為我國奈米科技教育 奠定良好的基礎。有鑑於第一期國家型奈米 科技計畫推動成功，第二期「奈米科技人才 培育計畫」由國科會科教處負責，計畫強調 透過奈米科技教育基礎研究，進行奈米科技 課程研究與發展，計畫中特別強調奈米科技 教師學科教學知能（PCK），以提升教師科學 教育學術涵養。並連結各階層學習主體之奈 米科技人才，提升全民奈米科技素養。 高中自然科學領域新課程將現代科技納 入課程綱要，以培養富有奈米科技知識的國 民，提升科技教育的品質，其中包含了當前 最熱門的「奈米科技」簡介。然而，奈米科 技是新興的科學知識，要將更多的奈米科技 的概念融入高中自然科學領域新課程中，教 師必須先熟習奈米學科知識與學科教學知識 （PCK），這是奈米科技教育成功的關鍵。在 實施前，必須作一嚴謹的規劃與完整的設計。
貳、文獻探討
有 關 概 念 圖 的 設 計 Novak 和 Gowin （1984）發展一套可探討學生科學概念的工 具，利用此一工具可改進教師的教學活動與 瞭解學生的概念學習，此工具稱為概念圖 （concept map）。概念圖是用來組織和表徵 知識的工具。它通常將某一主題的有關概念 置於圓圈或方框之中，然後用連線將相關的 概念相連接，連線上再標明兩個概念之間的 意 義 關 係 。 概 念 （ concepts ）、 命 題 （propositions）、交叉連接（cross-links）和 層級結構（hierarchical frameworks）是概念 圖的四個圖表特徵。概念是感知到的事物的 規則屬性，通常用專有名詞或符號進行標 記；命題是對事物現象、結構和規則的陳述， 在概念圖中，命題是兩個概念之間通過某個 連接詞而形成的意義關係；交叉連接表示不 同知識領域概念之間的相互關係；層級結構 是概念的展現方式，一般最概括的概念置於 概念圖的最上層，從屬的概念安排在下面。 為瞭解學生的科學概念學習情形，須先發展 該課程的專家概念圖。Novak（1993）採用 臨床晤談方式，研究專家概念圖和學生概念 圖的差異，得到三個結論：1.有意義的學習 是同化新的概念與命題，連結到已存在的認 知結構裡。2.知識是以階層化的組織存在認 知結構裡，且大部分的學習涉及含攝概念 （subsumption concept）和命題，連結到已存 在的階層化組織裡。3.記憶學習的知識將不 會被同化。因此，在同化新的概念、組織階 層化的知識和概念間的命題關係時，概念圖 是一個可用來瞭解這些概念結構的方式。而 概念圖的建構歷程即為概念構圖（concept mapping），是以命題陳述（proposition）的方 式呈現概念與概念之間有意義的關係，藉由 聯結語的語意將概念與概念間的關係形成命 題 ， 才 能 藉 以 發 展 課 程 (Treagust, 1996 ； Wandersee, 1990）。參、 研究方法
本研究依據國內外有關奈米科技在高中 課程標準進行文獻分析，透過開會協調討論 擬定奈米科技各單元主題與學習目標，選擇 適合高中的奈米關鍵概念，分析、設計完成 概念圖。發展符合概念圖的相關命題，經由 資深教師與專家審查，完成概念圖的設計， 以作為開發高中奈米相關課程的依據。此 外，本研究也培訓了參與計畫的全體高中教 師、碩士班研究生，對於如何設計符合高中 相關奈米科技概念圖與命題等，及對奈米科 技相關概念的理解與推廣，皆有所幫助，相 信本計畫對於在高中奈米科技概念教育的紮 根工作與社會大眾對奈米科技概念的瞭解等 推廣工作定有十足的正向影響。本研究主要 目標在發展高中階段奈米科技課程概念圖與 命題陳述，並開發各單元主題與學習目標， 以做為發展相關課程之參考。 本研究首先邀請奈米科技專家、科學教 育專家和資深高中奈米科技教學的教師，組 成研究團隊，透過國內外的文獻分析、專家 會議與資深高中自然科教師每月定期開會討 論，首先依據國內外有關奈米科技在高中階 段相關課程標準進行文獻分析，擬定高中階 段奈米科技單元各項能力的發展與能力標準 的課程指標，並選適合高中的奈米關鍵概 念，分析與設計完成概念圖並依據概念圖發 展相關命題，經由相關資深教師與專家審 查，修改完成概念圖的設計，以作為開發高 中奈米科技課程的依據，確保奈米科技課程 的優質品質，期待能達成培養具備多元能力 的學生，達成培育國民「奈米科技」核心素 養之目標。本研究之研究流程如圖 1 所示， 研究步驟包含下面十一項： 1. 分析高中奈米創新課程國內、外相關文獻 發展奈米創新課程的七大單元主題。 資 料 收 集 與 分 析 文 獻 探 討 分析國內、外高中奈米創新課程相 關文獻 完 成 高 中 奈 米 創 新 課 程 七 大 單 元 主題及各單元在 面的學習目標 完成高中奈米創新課程概念圖與命題， 並進行專家審查與修改 論文 完成高中奈米創新課程概念圖與 命題 圖 1：研究流程圖表 1：奈米創新課程七大單元主題與學習目標 項 次 單元 主題 學 習 目 標 0. 奈米科學 的簡介 1. 瞭解奈米科學和技術的組成及定義。 2. 能辨識奈米科學史上的重要研究學者。 3. 能敘述奈米科技與工業革命發展之關係。 4. 能說明為何奈米科技是跨學科領域的，及其涵蓋了哪些廣泛的科學領域。 1. 奈米尺度 1. 瞭解奈米尺度的等級並能與自然界微小的物質(例如 細菌、DNA、血球細胞等)、人造產品進行尺度比較。 2. 能將奈米尺度問題與其他單元做結合，如單位轉換、原子間的交互作用。 2 自然界的 奈米物質 1. 瞭解奈米物質本就存在大自然中，不是人類發明的。 2. 能敘述自然界的奈米組成︰ 類脂、DNA 和蛋白質。 3. 在自然界中至少給一個奈米物質的例子。 4. 能描述科學家如何在大自然中學到奈米科技。 5. 能定義仿生奈米科技。 6. 瞭解 ATPase 的組成與為何被歸類成奈米馬達。 3. 奈米物質 的特性 1. 瞭解奈米物質的各種特性：光學、力學、熱學、電磁學等特性。 2. 能說明這些屬性在奈米尺度下如何改變，並解釋其原因為何? 3. 能說明為何解釋奈米物質性質改變時我們採用的科學模式須改變。 4. 瞭解奈米屬性與原子模型(例如 Bohr 的原子模型)以及量子力學是如何相 關的。 5. 能說明目前奈米科技應用(例如奈米碳管、光觸媒)之實例。 4. 奈米製程 1. 能說明“由大做小”或“由小做大”進行奈米合成物質的方式，並討論與舉 例這兩種方式的不同點。 2. 瞭解奈米製程：奈米尺度微影術、奈米銀的合成、自我組裝。 5. 檢測奈米 結構 1. 瞭解如何用一般的方式來直接觀察奈米尺度的構造︰電子顯微鏡、原子 力顯微鏡(AFM)和掃描式電子顯微鏡(STM)。 2. 能說明如何利用光的繞射原理來量測細微結構之大小。 6 奈米科技 應用 1. 瞭解奈米科技在民生用品的應用。 2. 瞭解奈米科技對生物醫學的影響 3. 能說明奈米科技在軍事、環保、工業的應用。 7. 奈米科技 對人類健 康與環 境、社會 的影響 1. 瞭解奈米科技如何應用於環境污染的偵測、防治？ 2. 瞭解奈米科技如何應用於醫療，以有效治療及偵測疾病？ 3. 瞭解奈米科技可能在無意間對環境造成傷害。 4. 瞭解奈米科技可能對人體組織健康造成傷害。 5. 能說明奈米科技對社會帶來的正負面衝擊與大眾對奈米微粒恐懼的原 因。 6. 如何分辨市面上奈米產品之真偽？
2. 完成高中奈米創新課程七大單元主題及 各單元在認知面的學習目標。 3. 選適合高中關鍵概念。 4. 高中概念等級分類。 5. 完成初步擬定概念圖的縱向分層和橫向 分支。 6. 建立概念之間的連接，並在連線上用連接 詞標明兩者之間的關係。 7. 修改概念圖架構圖。 8. 撰寫、修改與完成相關命題。 9. 概念圖與命題、進行專家審查。 10. 修改與概念圖與命題。 11. 完成高中概念圖與命題。
肆、研究結果與討論
本研究經收集、分析高中課程及國內、 外相關文獻，透過大學專業教授與高中教師 多次討論，選定出奈米創新課程的七大單元 主題，分別發展七大單元主題在認知面的學 習目標 (如表 1)，除了奈米科學的簡介外， 圖 3：特性與製程部分奈米科技概念圖包含 1.奈米尺度、2.自然界的奈米物質、3. 奈米物質的特性、4.奈米製程、5.檢測奈米結 構、6.奈米科技應用、7.奈米科技對人類健康 與環境及社會的影響。藉由這七大單元主 題，建立各項奈米科技學習目標，以確立高 中學生應具備的奈米科技素養。 奈米科技學習目標確立後，為訂定高中 階段的奈米科技概念圖，邀請高中自然科領 域的教師 9 名，包括物理、化學、生物教師。 高中教師熟悉高中各科課綱，大學教授專家 熟悉奈米專業知識。透過高中自然科領域教 師與大學教授專家一起檢和高中奈米科技的 概念圖及命題陳述，多次書面來回檢和與面 對面討論，完成以此七大單元主題所發展出 的七個奈米科技的主要概念：尺度、物質、 特性、製程、檢測、應用及衝擊等七個主要 概念。然後請各科高中老師蒐集各項高中階 段的奈米科技概念，進一步完成整體的概念 圖及其連結。圖 2、圖 3 及圖 4 是主要概念 圖分支。根據專家群的建議來回修正後，最 後七個主要概念、次要概念及其各概念的命 題陳述結果分別整理如下：
一、尺度（授課時數 2 小時）
圖 4：檢測、應用與衝擊部分奈米科技概念圖（一）特徵 1.物質的特徵依尺度含蓋的範圍可分為微 觀、介觀與巨觀特徵。 （二）單位 1.物質的尺度可用公尺(米)、毫米、微米與 奈米等單位表示。 2.奈米材料是指尺度介於 1~100 奈米之間 的物質。 （三）維度 1.物質依各方向受限程度可分類為零維、一 維、二維與三維材料。 2.零維材料例如金奈米微粒。 3.一維材料例如奈米碳管。 4.二維材料例如石墨片。 5.三維材料例如矽晶圓。 （四）比表面積 1.奈米物質具有極高的比表面積，改變了物 質的物理特性和化學特性。
二、物質（授課時數 4 小時）
（一）人工製備 1.奈米物質的產生方式可分類為人工製備 與自然生成。 2.人工製備大致上可分為由小做大和由大 做小兩種方式。 3.由小做大方式是將原子或分子組合成奈 米結構，例如以化學合成方法製造金奈米 微粒或碳簇。 4.由大做小方式是將一羣分子由材料表面 挖出，或加到材料表面上。例如利用半導 體製程技術製作奈米元件。 （二）自然生成 1.自然生成的奈米物質可分為在生物體外 自然形成或由生物體內合成。 2.在生物體外自然形成的奈米物質例如碳 簇、石墨片、蛋白石等。 3.由生物體內合成的奈米物質包含分子、胞 器、奈米級生物體、功能性結構等。 4.生物體內具有不同性質的分子，例如蛋白 質、核酸、脂質等。 5.蛋白質依其功能可分為酵素、抗體、組織 蛋白等。 6.核酸依其化學結構可分為 DNA 與 RNA。 7.脂質依其化學結構可分為脂肪、磷脂質、 類固醇等。 8.染色體是由組織蛋白與 DNA 所組成的。 9.磷脂質是構成細胞膜的主要成份。 10.生物細胞內具不同功能的胞器，例如粒 線體、葉綠體等。 11.有些生物體本身的尺寸即是奈米等級， 例如病毒等。 12.有些生物體內具有一些功能性結構，例 如生物磁性導航奈米粒子、蓮葉表面的奈 米結構、彩蝶翅膀表面的光子晶體、壁虎 強附著力的剛毛等。三、特性（授課時數 10 小時）
（一）光學特性 1.奈米材料具有特殊的光學、電磁、力學、 熱學、表面等特性。 2.有些奈米材料具有特殊的光學特性，例如 低反射率、光子能隙等。 3.低反射率可應用於太陽能電池。 4.光子能隙存在於光子晶體。 5.光子晶體結構可應用於光纖、光濾波器。 6.光子晶體結構可發現於彩蝶翅膀。 （二）電磁特性 1.有些奈米材料具有特殊的電磁特性，例如 電子穿隧特性、高矯頑磁力、高附著力 等。 2.電子穿隧特性可應用於穿隧式電子顯微 鏡。3.高矯頑磁力特性可應用於磁記錄媒體。 4.高附著力特性源自於分子間凡得瓦力。 5.分子間凡得瓦力可應用於原子力顯微鏡 6.分子間凡得瓦力可發現於壁虎攀壁。 （三）力學特性 1.有些奈米材料具有特殊的力學特性，例如 高強度、高韌性等。 2.高強度可應用於碳纖維球拍 3.高韌性可應用於奈米陶瓷碗盤 （四）熱學特性 1.有些奈米材料具有特殊的熱學特性，例如 高熔點、高熱導、耐燃性等。 2.高熔點可應用於陶瓷材料燒結。 3.高熱導可應用於電子元件散熱。 4.耐燃性可應用於防火材料。 （五）表面特性 1.有些奈米材料具有特殊的表面特性，例如 高吸附性、高催化性、高親水性、高疏水 性等。 2.高吸附性可應用於燃料電池的儲氫材料。 3.高催化性可應用於奈米光觸媒殺菌。 4.高親水性可應用於建材防污與防霧。 5.高疏水性源自於蓮葉效應，可應用於建材 防污與防霧、奈米布料、奈米馬桶等。
四、製程（授課時數 4 小時）
（一）由小做大 1.奈米材料的製備可分類為由小做大和由 大做小兩種方式。 2.由小做大的奈米製程包含化學製備、物理 製備、原子操控術等。 3.化學製備例如化學氣相沉積法、水熱合成 法、沉澱法、水解法、氧化還元法、溶 膠凝膠法、電解等。 4.物理製備例如濺鍍法、蒸鍍法、磊晶、電 弧放電、雷射鍍膜、奈米球自組裝等。 5.原子操控術的工具有原子力顯微鏡、掃描 穿隧式顯微鏡等。 （二）由大做小 1.由大做小的奈米製程包含微影 蝕刻術、 物理粉碎法、奈米壓印法、熱分解法、機 械研磨法等。五、檢測
（授課時數 4 小時）
（一）探針式 1.奈米材料的檢測方法包含探針式、光學 式、電子式。 2.掃描穿隧式顯微鏡、原子力顯微鏡、近場 光學顯微鏡等均是以探針式方法檢測奈 米材料的表面特性。。 3.掃描穿隧式顯微鏡可測定材料的表面原 子影像 4.原子力顯微鏡可測定材料的表面形貌。 5.近場光學顯微鏡可測定材料的奈米尺度 光學影像。 （二）光學式 1.X 光繞射儀、近場光學顯微鏡、光譜儀等 均是利用光學式方法檢測奈米材料特性。 2.X 光繞射儀可以測定材料的晶體結構、粒 徑大小。 3.近場光學顯微鏡可以測定材料的奈米尺 度光學影像 4.光譜儀可測定材料的發光特性。 （三）電子式 1.掃描式電子顯微鏡、穿透式電子顯微鏡是 利用電子式方法檢測奈米材料特性。 2.掃描式電子顯微鏡可測定材料的表面形 貌 3.穿透式電子顯微鏡可測定材料的粒徑大 小和晶體結構。六、應用（授課時數 8 小時）
（一）民生用品 1.奈米科技可應用在民生、生物醫學、軍 事、環保、工業等領域。 2.奈米科技可應用於民生用品上，例如家 電、衛浴設備、化妝品、食品、奈米建材、 奈米布料等 （二）生物醫學 1.奈米科技可應用於生物醫學上，例如檢驗 試劑、疾病治療、仿生系統等。 2. 應 用 奈 米 科 技 的 檢 驗 試 劑 例 如 生 物 晶 片、量子點螢光標籤、奈米金驗孕試片、 奈米探針等。 3. 應 用 奈 米 科 技 的 疾 病 治 療 例 如 基 因 治 療、藥劑載體、組織修復等。 4.應用奈米科技的仿生系統例如人造紅血 球等。 （三）軍事 1.奈米科技可應用於國防軍事上，例如奈米 隱形塗料、生物戰劑及檢測等。 （四）環保 1. 奈米科技 可應用於 環保 上例如水 質淨 化、分解有害有機物、燃料電池等。 （五）工業 1.奈米科技可應用於工業上，例如光電工 業、機械工業、石化工業、半導體工業等。
七、衝擊（授課時數 4 小時）
（一）影響 1.奈米科技可能對社會、健康、生態等方面 造成衝擊。 2.應用奈米科技於基因改造可能對社會倫 理造成衝擊。 3.應用奈米科技可能製造出傷害人體的物 質，對人類健康造成衝擊。 4.應用奈米科技可能製造出污染環境的物 質，對生態造成衝擊。 （二）需要 1.針對奈米科技所造成的衝擊，必須在法 規、教育與倫理等方面設法因應。 2.因應奈米科技的衝擊，須修改法規，建立 新標章。 3.因應奈米科技的衝擊，須改革教育，訂定 新教材。 4.因應奈米科技的衝擊，須提升倫理，建立 新道德規範。 優質的課程發展有賴課程概念的指引， 然後再設計有效評量工具的檢驗，而課程概 念圖的發展與概念的命題陳述可提供奈米科 技課程及活動設計，以確保高中學生所應具 備奈米科技知能的標準依據。繼而以此命題 陳述開發評量工具，確保在課程發展過程 中，發揮檢驗與把關的功能及課程發展的品 質。伍、結論
高中自然科學領域新課程將現代科技納 入課程綱要，其中包含了當前最熱門的「奈 米科技」簡介，然高中教科書對奈米科技只 做概念性的介紹，雖啟發了學生對最新科技 之興趣，但深入瞭解奈米課程內容便顯現其 不足之處。高中自然科教師若要針對『奈米 科技』做系統性之介紹，亦面臨對現代科技 之認知不足以及缺乏專家對疑難問題之解 惑。藉由本研究的結果，包含高中奈米科技 七大單元主題與各主題的學習目標、概念 圖、命題陳述等，可作為未來依據探究教學 策略開發高中奈米相關課程的依據。相信對 於在高中奈米科技概念教育的紮根工作與社 會大眾對奈米科技概念的瞭解會有長遠的影 響。 優質的奈米科技課程，是科技教育成功 的主要關鍵，課程概念的指引可以建立有效評量工具的檢驗，這是達成優質課程的依據 與保證，如此才能培養出具備多元能力的學 生，達成培育國民「奈米科技」核心素養之 目標。
致謝
本研究承蒙行政院國家科學委員會資助 （NSC98-2120-S-018-001-NM），僅此敬致謝 忱。感謝本計畫研究團隊與專家群的鼎力相 助。參考文獻
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Construction of Concepts and Proposition Statements in High
School Nanotechnology Curriculum
Jang-Long Lin 1
Yu-Tai Shih
1Jong-Ching Wu
1Lance Horng
1Yu-Der Wen
2Chun-Chuan Chang
3Fu-Mei Lin
41
Department of Physics, National Changhua University of Education
2
Department of biology, National Changhua University of Education
3
Natiional Sihu Senior High School
4
Natiional Chunan Senior High School
Abstract
To develop the high school nanotechnology curriculum and to enhance the understanding of the nanotechnology concepts for high school students in Taiwan, we organized a research team with nanotechnology experts, science education experts and senior high school teachers. Through literature review, we held many regular meetings of experts and senior high school science teachers to develop the concept maps of experts, Propositional statements in the high school nanotechnology curriculum in Taiwan. We also have completed checked the validity of experts by external experts, senior groups of high school teachers, The results include: 1. the expert concept map of high school nanotechnology, 2. the propositional statements developed by the high school nanotechnology concept map, and 3. the development of nanotechnology high school curriculum from the literature analysis. In addition to the Introduction, it contains the most important sections included the seven unit topics: (1) nanometer scale, (2) properties, (3) the characteristics, (4) fabrication (5) testing nanostructures (6) applications, (7) human health and the environment and social impact. Finally we developed the learning objectives of cognitive development to offer the development of nanotechnology to use for reference in the future.
