中小學科學課程中「物質的粒子概念」之研究

(1)

中小學科學課程中「物質的世子概念J 之研究

中心、學科學課程中

「物質的粒子概念」之研究

理學院化學系

王澄霞﹒楊永華

摘要

本研究收集並分析國內外(中、美、英、日.)各階使(小學至高中〉有關 f 物質的粒子性」主題概念活動，研討實驗活動所包含的化學概念，建立主題概念的發展順序。分析與比較其所舍的科學過程與科學聽度，並探討本主題單充實驗活動與概念的銜接問題。特別針對「物質的粒子性」中有關量的處理之實驗活動進行評鑑 '經由質做過程獲得具體結果並提供建議。 _481_、

(2)

師大學報第三十期

中小學科學課程中

「物質的粒子概念」之研究

理學院化學系

王澄霞﹒楊永華

自 IJ .~ 宇宙由物質組成，人類所接觸的世界亦由物質組成，人類j司圓的生活環境脫離不了物質的存在。物質不僅是人類生活中重要的資頓，而且也是人類文明存在與發展的基礎自然科學的研究對象中，物質單元是重要而且分量極大的研究項目之一 o 化學為研究物質變化現象與原理的自然科學，其在物質單元的學習目標，除了觀察物質在各種情境中的變化現象，並從其中歸納出原理、法則與定律等抽象概念。從化學課程觀點看物質單元中各種概念的發展，有以各種可被觀察或感覺的現象(即巨觀性質)做為學習基礎，也有以婦法觀察或感覺，必須以心智推理做為概念的學習基礎 o 因此，物質在化學科教學方面?不僅可以提供具體事實化的證攘，而且能夠發展抽象化的概念 o 由於人類語知能力的發展係由「具體操作期」發展至「形式操作期 J '而物質單元概念兼具巨磁性質與微觀性質 o 因此，在化學課程安排方面，亦宜遵循「具體至抽象」的概念、發展原則一一即是先學習「物質的巨觀性質 J '再學習「物質的微觀性質 J 0 化學領域中的「物質的微觀性質 J '是以粒子所具有的性質做為概念學習基礎 o 它包含形成此一單元所需的各種巨觀性質及微觀性質 E 也包含化學研究的要素一一「計量化學 J 0 從對各種物質的計量處理，使學習者體會化學變化的關係，推理化學反應原理，並獲得應用能力 D 物質單元所包含之概念繁多，本研究以「物質的粒子性 j 為主題單元，它包含化學領域中物質常見且主要的各種概念，對人類生活有重大影喃者 o 本主題單元由物質的巨觀性質所屬之概念發展至微觀性質所包含的概念、 o 化學講求實證，各種理論(知能方面)須仰顧實驗所提供的證攘做為基礎，並且經由實驗中所提供的實做過程培養學習者的科學技能，使其體會科學過程並培育其科學態度 o r 物質的粒子性」主題單兀自日:是經由實驗活動來達成上述之目標。本研究搜集中外各國(中、美、英、日)各階陵(小學、國中及高中)有關「物質的粒子性 j 主題單元所包含的實驗活動，分析嘆包含之化學概念以建立其主題概念發展順序，並分析與比較各實驗活動所包含的科學過程與科學態度，進而探討本主題單元在各階段的連貫性與適用性，以及討論主題概念的銜接問題 o 特.別針對「物質的粒子性 J 主題單元中有關量的處理(如原子量的測定)的實驗活

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-482--中 4、學科學課程-482--中「物質的缸子概念 JZ 研究動，根接下列七項原則評鑑其連貫性與適用性: (1)實驗活動的結果能否提供足夠的實驗證攘以形成主題概念之不同階設的主題概念是否連貫? (2) 實驗內容(程度)能否配合學生的認知能力? (助學生的舊有經驗(含技能)能否能夠與實驗內容配合? (4) 實驗的安全性? (5)實驗使用的器材是否容易獲得且價廉? (6) 實驗能否在適當的時間內完成? (7)實驗費用是否合乎經濟原則? 本研究選出或設計合乎本主題概念單元的實驗活動，進行試做與修訂後，在各級學校進行小規模試敬，經由實做過程提供具體研究結果，以供實驗改進之依攘，並做為編寫各階段「物質的粒子性」主題單元教材之參考。

臺、結果與討論

「經由分析與整理各國各階設之本主題單元實驗活動內容，分別列於表 -1 ，表一

2

，表-3 與表 -4 0 由上述四種流程得知，各國本單元之概念發展皆起自「空氣 J (氣體) ，再逐次導進原子、分子等概念，進而延伸至量的處理。由以上流程可知各國本單元概念發展流程不盡相同，但包含許多有關「物質的粒子性」之主要概念，諸如粒子，原子(分子)與原子量(分子量)等。二主針對「物質的粒子性」主題單元之各實驗活動中涉及「量的處理 J 者，特別列車於衰-5 ，其中的特點如下: 1.本單元對「量的處理 J 之最終目標為導致原子量與分子量之概念。因此，小學由熟知的週遭環境物質一空氣 λ閃，認識粒子表現的巨觀性質，培育學生比較不同氣體重量的能力;國中階毆則導入認識物質的粒子性質的概念，以原子為學習物質特些與變化的基礎，瞭解物質反應前後的質量(或體積)變化關係; 高中階殷則以定量方式測定原子量及分子量，進而發展理論化的原子及分子學說。 2. 英國國中階殷使用氧與鎮化合為氧化鎮，測定簇的原子量 o 此一實驗活動在此一階段的成故不佳，因學生之操作過程不完美而產生。因此，宜將此活動移至高中階殷實施 o 三本單元之實驗活動，各國教材各具特色。茲以我國的實驗活動為中心，外國教材則只列舉其特點的方式研討各階殷實驗內容: 1.小學: (I)我國:小學階殷見童以顏色，形狀，大小等瞭解物體的特自塾，用感、官知覺去辨認物體，區別物體的相異點。倒如:以能被見童感官察覺的空氣做

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~483--前大學報第三十期

為學習對象，探究空氣中氧的含量，氧和臘燭反應會發生變化而產生

不能助燃的二氧化碳。 (2)美國 :CD 以醋酸和大理石反應產生二氧化碳 o @食鹽溶解於水中一暸解物質是由粒于組成。 @染料糟於水一探究粒子的擴散現象。 @日.本 :CD 瞭解空氣具有體積，其體積大小隨溫度的變化而改變。 @在牛奶盒中填裝二氧化碳氣體並稱其質量 o 2. 國中: (1)我國:繼闡發展小學階段的概念，進而導入粒子概念，學習抽象的元素符號，探討化學反應中反應物之間的質量關係，推演質量不戚定律 o (2)美國:(1)在塑膠袋(密閉)放置鹽酸和貝殼，使它們反應，比較系統反應前後的質量關係 o @推演化學物質的化學式。 (的英國:本主題單元之實驗活動全部在國中階段實施，其特點為: @過蜢酸鐸晶體溶於水一估計過蜢酸根粒子的大小。 @鎮帶和空氣中的氧反應一推論氧化簇的化學式。 @在 Orstat 管中使氫氣和氯氣反應一探討氣體反應之幢積關係 D (4) 日本:將空氣(混合物)裝於噴霧罐中，測其質量與體積一認識物質具有質暈 o 3. 高中 (I)我國:分為「基礎理化 J 和「高中化學 J 兩個階陵。 CDf 基礎理化 J ， :學習元素(金屬元素與非金屬元素)的性質，由探究氣體行為瞭解亞佛加厥定律與道耳吞分壓定律。 @r 高中化學 J :繼續發展國中階陵對於氧、氮、二氧化碳等物質的概念，並配合「酸與鹼」主題單元認識物質的性質，自日氧化物具有酸性或賣會性;經由氣體的擴散現象學習擴散定律，進而導致原子量與分于量等量的學習 o 本階毆藉原子量概念認識化學變化中的質量關係，以及由凝固點下降的實驗活動測定物質的分子量。 (2) 美國:不分階殷 D 鎮帶和鹽酸反應:探討反應物的質量和所產生氣體體積量的關係口 (前日本:分為「理科」與「化學」兩個階毆 o CDr 理科 J :為一般常見的實驗活動，如二氧化碳的檢驗。其特色為 1. r 鋁和鹽酸反應 J 研討金屬質量和氣體生成體積之

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~484-中小學科學課程中「物質的種子概念j 之研究關係。 2. 硫之同素異形體的製備及其性質。 @f 化學 J :碳酸鈣和鹽酸反應，測反應物( CO

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) 的質量。 4. 就本主題單元諸實驗活動所包含的技能，包含天平的使用、測量氣體體積、加熟，檢驗氣體、測量氣體的分壓等，皆為化學實驗方面常用的技術。而本單元的技能亦與物理科之技能密切相關。 5. 各國本單元實驗活動所需器材除一般玻璃器血外，尚2頁使用特殊器材(如氫氣和氯氣反應的 Orstat 管)口因此，可觀經濟能力選用適用器材實施活動。 6. 就實驗活動所需時間因實驗內容與難易程度而言，一般皆為一小時的實驗活動，需時較長者的實驗活動之故量較小 o

7. 由於部份實驗使用的藥劑特殊，如氫氣(易爆〉、氯氣(毒性大)、鎮帶(強

光)等，必須指導學生做好安全防護措施。同經由分析與比較，歸納各階段「物質的粒子性 J 實驗活動，選出或設計其適用教材，其所含知能，技能，精密度及性質異同分類方法列於表 -60 1.此適用教材是依「定性至定量、具體至抽象、巨觀至微觀 j 的原則編排而成，以衝接本主題單元自小學至高中等階殷的知能與技能，使教材連貫一致。 2. 本主題單元適用教材經學校實習後，其成效如下:

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2.3

氣體的擴散: 格雷木定律

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2 5

中接固點的下降

9

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」一 L一一一 ~ (I)由上表得知，本主題單元適用實驗活動的平均值在八十分以上 o 高中「凝固點的下降」得分較低，可能為其實驗儀器不易獲得足夠的觀察資料所致，由其標準差 (0、=

1.1

)之集中性，可推知學生在學習上較有困難。 (2)由上表可知圈中和小學階陵的標準差之差距較高中階段者為大。可知小學及

(6)

-485-師大學報第三十期國中學生的學習成績分佈較廣。高中學生因經過入學考試篩選，使其標準差之範圍小 o

貳、結

論 -弋綜觀世界各國「物質的粒子性 J 主題單元實驗活動，因化學為研究物質變化之科學，其為化學實驗的重心自不待言 o 本主題單元在小學階陵以學習物體的外觀與巨觀性質，探究物體與物體之間所發生的交互作用，建立其操作型定義。國中階段則認識物質的特性，以物質為對象探究物質之間所發生的變化，並從巨觀現象導入微觀的學習，從而建立「物質的粒子性」之概念，並以定量方式研討物質中的粒子行為。高中階段綜合國中階陵之概念，導入各種有關「物質的粒子性 J 之定律或原理，並以定量方式加以驗證 D 三各國各階段的實驗活動與概念配合方式是由具體至抽象，由巨觀至微觀，由定性至定量之原則編排。儘管各國之概念發展順序有差異，但各階陵之實驗活動能符合學生的認知能力。三各國本主題單元實驗活動偏重於闡釋學說或原理，比較忽略與生活素材的配合，因此，所選用的實驗活動主題以日常生活有關的現象和物質(如空氣、氧、二氧化碳、肥料等)為對象，以吸引學生並增進其學習興趣。用各國就同一實驗活動所安排實施的階段大致相同，顯示各 l竭所預期的學習水準與概念大致相同。再者，各階戲之實驗活動所要求之精密度水準大致相似，顯示各國湖莘學生的學習成就水準相同。再者，各國有關「量的處理」實驗活動大多自園中階段關始發展，此因圈中階段開始原子、離子與分子等理論的教學。豆豆我國本主題單元的實驗活動數量多，內容豐富，概念銜接方式亦合理，但高中之教材遠比其他各國深入，如擴散定律，癡固點的下降等，此部份之教材可移至大一普通化學階段賞施。美圈教材在質量方面遜於我國;英圈圈中階段的實驗活動與我國相當;日本教材注重實用價值，而且自小學階段聞學習慣j 定空氣(或二氧化碳)的質量，建立物體(物質)具有「質量」的概念。六本主題單元在概念的橫向聯繫方面，牽涉能量、溶液、酸與鹼等單元中的概念，因此，在整體課程設計上須妥善安排。寸之本研究所設計之適用實驗活動，經實做評估其成效，由其平均值顯示可以達成實驗所欲發展的知能和技能，以及培養其科學過程與科學態度的目標。致謝本研究承蒙圈科會專案補助，計畫編號 N

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'謹此致謝。

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(12)

J ‘ mH 明 EE 各國「物質的粒子性」主題單元有關「量的處理」之實驗內容

陳忠

學國中高 _中中測空氣中氧氣的含量。 L 鋼綿氧化的質量變化。 l 比較 CO

₂

與

O

₂

的質量比(基礎理化)。

Z

質量不被定律;氯化鍋和硝酸銀溶

2.

HCf 與 NH

_a

的擴散速率。波在錐形瓶中反應。 a化學變化中的質量關係。國 a碘化鉛的生成。 ₄凝固點的下降。美測定甲醇、乙醇及其他醇類的沸點與「錶帶和鹽酸反應J 測定所生成氣國其所含碳原子數的關係。體的體積和鎮帶長度的關係。英 _{l 以模型表示同一克原子之不同元素} 的質量。 Z 氧化簇的分子式。 3. 氫氣與氯氣化合時的體積比。國

4.

NH

a

和_{HCf 反應之反應方程式。} 日 31<牛奶盒中二氧化碳氣體質量。 L 在噴霧罐中通入空氣，求空氣的質 l 不同長度的鋁帶和鹽酸反應;測生量。成之體積。(理科 1

)

Z 鋼絲絨燃燒前後的質量。 Z 碳酸鈣和鹽酸反應前後的質量。( 理科 1

)

本 3. 化學變化的質量關係。(化學〉表 5 軾億 N 「科啊輛輛也叩組垃 M酬品帶』 nT 閥臨時時快甜甜， ?"τ

(13)

3 ‘苟同的 2 ，、「物質的粒子性」主題單元適用實驗活動內容分析表

請殷愿\目

實驗活動名稱知能 _實 _驗主 _要內容技能 _精密度異同分類處理方法溶液所溶解的物質變成 l 食鹽溶於水，測杯中各部 l 嚐溶液物理定性小學溶波

粒子

_{Z 過}

分味鐘道。

_{酸紳溶於水中之顏色。} Z 觀察顏色國物質由粒子組成 l 擴散作用溪水及二氧化碳的擴散作用。被驗二氧化物理定性 Z 物質是由粒子組成

_碳

物質粒子右多大物質粒子具有大小硬脂酸分子的大小測量面積士 1

cm

2 _物理定量化學反應相似的元素族從類似的溶液間反應，找出

檢驗離子反

顏色區分化學定性具有共通性質的同一族元素應物(顏色〉元素的分類 l 元素根攝相似的反應性質區分元 _分類元素化學定性 Z族，素化學反應的質量關係質量守恆定律在密閉系中使鹽酸和大理石

i

_稱量 ::1: 0.01 克化學定暈反應，比較反應前後的質量中氧化簇的化學式

l 分子

燃燒鎮帶，求氧化簇的化學

_稱量士 0.01 克化學定量

2.

1t澤式式高氣體定律一

l 分子量

比較二氧化碳及氧氣的質量 l 使用天平土 0.01 克 _物理定量亞佛加厥定律 Z 亞佛加厥定律 _{Z 測量體積} _{士 1}

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氣體的擴散→

_{1 分子量}

_{測 NH}

a

及

HCl 之擴散速率測定時間士 1 秒物理定量格雷木定律 Z 格雷木定律 '. 中凝固點的下降 l 分子量測環己悅及環己婉溶液的沸 _測凝固點 _{土 O.l}O C 物理定量 Z 凝固點點表 6 接+川縣醋峙州吋 M 叭糧

(14)

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0 _515_

(15)

師大學報第三十期

中小學科學課程中「物質的粒子概念」之研究

中心、學科學課程中

「物質的粒子概念」之研究

理學院化學系

王澄霞﹒楊永華

摘要

中小學科學課程中

「物質的粒子概念」之研究

理學院化學系

王澄霞﹒楊永華

臺、結果與討論

2

為學習對象，探究空氣中氧的含量，氧和臘燭反應會發生變化而產生

z

7. 由於部份實驗使用的藥劑特殊，如氫氣(易爆〉、氯氣(毒性大)、鎮帶(強

隘的?活動輔

49

85 2

20

89.7

物質粒子有多大

20

85.6

5.9

20

85 7

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20

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5.2

10

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2.3

9

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貳、結

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