從科學史的出發探討自然科學素養導向課程與評量－以高中「莫耳」概念為例

(1)

從科學史的出發探討自然科學

素養導向課程與評量─

以高中「莫耳」概念為例

曹雅萍

*

教師

張均瑋教師

賴筱婷教師

姚月雲教師

臺北市立中山女子高級中學臺北市立建國高級中學臺北市立中正國民中學國立政治大學附屬高級中學

壹、前言

十二年國教課綱上路，為了跟上世界的脈動與快速變化，課綱以「自發」、「互動」、「共好」出發，希望可以培養具備核心素養的終身學習者。而自然領域為符應素養教學之所需，亦希望可以融入科學史的發展歷程，將科學家解決問題的思維設計於課程中，期望學生能在學習化學概念的同時，亦能學習科學的演繹與歸納能力，有助於培養學生自學與解決問題的能力。故本份教學案例，以科學史的發展歷程為學習脈絡，設計「莫耳」這個化學數量單位的素養導向課程，期能在學習「莫耳」這個單位的同時，可以了解科學家解決問題的思維，並於相對應的評量中，跳脫「莫耳」的數學計算，以跨科的概念的思維，了解「莫耳」存在的意義，並做到有效的學習遷移。

* _{yapingtp@gmail.com}

(2)

貳、科學史與素養導向教學

將科學史融入教學在 99 課綱實施以後，為符合課綱的目標，已漸漸出現在教科書中，一般是在課本中提供簡短的科學史料，例如：片段的科學歷史事件、科學演進的編年史或是科學家的偉大事蹟（科學家小傳）等，科學發展歷程或是科學史在目前的教學現場中，很少提及科學概念的發展歷程，常讓學生誤以為科學概念是科學家的靈光一現，與其他科學概念發展無關，並對科學本質有了錯誤的認知，認為科學是客觀、偉大的，科學是顛撲不破的真理等。然而學者呂紹海曾統整將科學史融入教學，應會有以下優點（呂紹海，2007）：一、科學史可以幫助學生了解科學、社會與文化之間的交互用。二、科學史可以呈現瞭解科學家在面對問題時的思考或實驗探究的歷程，有助於學生領悟解決問題的方法。三、科學史有助於學生了解科學是動態演變的過程。四、科學史可使學生更了解科學概念之間的關連性。五、科學史有助於學生了解科學的本質。六、科學史有助於教師預測學生的迷思概念，並協助教師進行教學的設計。其中尤以第二點和第六點最有助於將科學史融入教材時的課程設計。當仔細研究科學發展史時，可發現不同的科學理論或是相關知識雖然在發展過程中會有類似的問題解決步驟，例如：觀察、歸納定律、提出理論、推論假設、再進一步透過符合假設的預測以支持理論，或假設錯誤修改理論等，但科學家們並不是用同樣的思維方式來了解並解決問題的。因此將科學發展史融入課程，可以讓學生透過學習各種解決方法與科學家創造這些方法的過程，進一步培養解決問題與系統思考的能力。此外，許多學生學習科學時易產生的迷失概念，大多曾經出現在科學發展的歷程中，例如：化學發展早期科學家對於反應快慢（反應速率）和反應多寡（化學平衡）、原子和元素等概念，也花費許多時間釐清，所以利用科學概念的發展過程與科學理論發展平行的特質設計教學，應可協助學生進行概念改變（傅麗玉，1996）。但到底要如何將科學史的資料融入課程設計，以利科學概念的澄清與建立呢？ Brush（1989）的研究中指出，如果我們要增進學生對科學的了解，必須處理歷史的材

料，使之顯出科學的特質，以哈佛開發的專案物理課程（Harvard Project Physics）為例，

課程中不僅提出科學史上重要研究的結論，而且也說明這些結論是如何獲得的。課程並不完全依賴文本，而是包括一系列的實驗（包含歷史實驗的類比）、演示、影片和其他資源等，以說明這些結論與科學概念的來由。亦即利用科學史進行課程設計，並不是將

(3)

科學史料直接放入課程中當作閱讀資料，而是經過規劃後，讓學生以不同方式理解科學家的思考方式、策略和過程。同時，經由課程活動的設計，讓學生主動參與學習，以提高學生學習科學概念的興趣，並增進學生對科學概念更深入的理解。

參、「莫耳」的素養課程設計

根據以上文獻資料，共備團隊在利用科學史進行素養課程設計時，希望引入科學家思考解決問題的歷程，讓學生經由一系列有組織的提問後，可以自行理解化學概念的意義。本次選擇的概念為「莫耳」，希望藉由課程設計，讓學生了解「莫耳」這個數量單位的產生緣由、必要性與重要性，並體會科學家解決問題的歷程，以呼應庫恩在第 17 屆國際科學史會議上指出：「科學史的功能之一，就是讓不懂科學的外行人理解科學。」其思考步驟如下所示：

一、步驟一：主題訂定─選擇較為抽象而不易教學的概念

進行素養課程設計時，常會不小心變成以活動設計與實作去教授簡單的概念，在教學時數不足的情況下，容易被現場教師質疑，且較未顧及思考智能的培養。故在主題選擇時，決定以「莫耳」作為本課程設計的重點。莫耳，為12年國教課綱高一必修化學習內容，是一個抽象的化學概念，而在目前的講述式教學下，常常會將重點放在莫耳的數學計算上，學生在艱難的數學計算打擊之下，開始對學習理化失去信心，同時也因為不知道學習「莫耳」到底有什麼用？而對科學的學習產生質疑與反感？故本課程想以此概念為起點，配合化學史上的發展歷程，以回答以下問題：為什麼要有這個單位？這個單位是如何訂出來的？這個單位有什麼用？

二、步驟二：課程設計─澄清學生起點與可能出現的迷失概念

進入課程設計後，首先須澄清容易產生的迷失概念與學習起始點。學生在學習「莫耳」前，已學習質量守恆定律、定比定律、倍比定律、氣體化合體積定律和原子說，對於物質具有固定質量和個數的組成，有相當程度了解。但在學習莫耳單元時，則會產生以下的困難和迷思概念（Crippen, Curtright, & Brooks, 2000; Fraser, 2001; Sanabia, 1993; Shanthi, 1994）：

（一）無法看到的原子、分子，和大到無法測量的粒子個數，對於學生而言是微觀而抽象的科學概念。

（二）對於相對原子質量的意義並不清楚，因而無法理解什麼相同數目的原子具有不同的質量？常會誤以為兩物質只要莫耳數相等則其質量、分子量或原子量都會相等。

(4)

（三）不能明白為什麼科學家選用如此巨大的數量作為單位？而此單位和日常生活中，可以用來明確計數的數量單位並不同，因而容易造成混淆。（四）因為進行原子的定量操作時，通常是測質量而非數量，所以學生無法釐清莫耳到底是數量還是質量？（五）對數學的焦慮，在「質量」與「莫耳數」、「分子數」與「莫耳數」相互轉換之計算能力不足，後者表現更為明顯。綜合以上可發現，學生的迷失概念和莫耳概念的發展歷程息息相關，多源於不清楚莫耳概念是如何出現？如何定義？以及定義此概念可以解決哪些問題？但現場教學並未說明此部分，反而將教學重點擺在細節且不重要的莫耳和個數之間的數學換算，從而造成學生的學習意願低落且學習成就偏低。故本課程設計將從原子量的訂定出發，逐步引導學生推論莫耳概念的產生。

三、步驟三：確認課程大概念

因為「莫耳」為化學科的專有名詞與概念，如何讓學生於學習過程中，不拘泥於化學，而能有更上位的概念，並做到跨科的學習遷移，亦為本課程設計的重點之一。因為莫耳的本質為計算微小粒子時所使用的數量單位，故決定課程設計的重點之一為將「莫耳」的認識聚焦於：跨科概念1_{─尺度與數量，亦即教學時需澄清，「莫耳」是科學} 家為了解決問題，而在微小尺度下，所建立的數量單位。

四、步驟四：課程設計─釐清科學史發展歷程

在科學發展歷史上，很多科學家都訂定過原子量，而原子量訂定後，和原子量等重的原子數量即為 1 莫耳。所以從史料的爬梳中，應可回答：「莫耳」是如何建立？到底有什麼用？再來則多方蒐集相關的科學史料，並將科學史料區分成四大部分：原子量的基準轉換、原子量如何訂定、莫耳單位的產生和莫耳數的測量實驗。並依課程的特性不同，進行不同類型的課程設計。

五、步驟五：課程設計─發展課程進行模式

上述四部分經討論後，依內容特性的不同，而有不同的課程設計，形式分別如下：（一）原子量基準轉變─課前文本閱讀預習、（二）原子量如何訂定─探究活動、（三）莫耳單位的產生─引導式的探究問題、（四）莫耳數的測量實驗─實驗實作（探究式實驗）。

(5)

另外，因本課程的設計將融入跨科核心概念─「尺度與數量」，所以在莫耳單位的產生部份，會強調莫耳產生的緣由與可解決的問題，同時釐清不同尺度下，使用不同單位的必要性，以達到學習遷移的效果。而莫耳數的測量實驗部分，則因教學時間限制，可能無法放入一般教學流程中，可設計成探究與實作的實驗歷程。

六、步驟六：評量─重視形成性評量學習單

目前的評量理論通常著重於三大考量：一是評量能力而非只是知識，二是重視學生學習的歷程而非只是成果，三則是確保學生學習成效的水準與品質。而重視教學與學生學習歷程回饋的形成性評量（

formative assessment

）更是為各國所重視，其主要是指教學歷程中，透過學生的各種表現進行評量，例如：口頭提問與回答、學習單意見表達、角色扮演等用以了解學生的學習現況與能力表現，並可作為老師調整教學的依據。促進

學習的評量（

Assessment for learning

）即為常用的教學和學習方法，可以創建反饋，然

後用於改善學生的表現，並可更積極參與學習過程，根據上述目的所設計的學習單示例如圖

1

：

圖1

肆、課程實踐與分析

一、素養導向課程設計說明

本課程設計是以十二年國教自然學習領域課程綱要的學習重點，及十二年國民基本教育課程綱要總綱的核心素養等元素為基準，設定學習目標後，再依照國教院提出之四

(6)

項素養導向課程設計原則：「整合知識、能力與態度」、「重視情境與脈絡的學習」、「重視學習的歷程、方法及策略」和「強調實踐力行的表現」（洪詠善、范信賢，2015）。

二、將科學史轉化成素養課程提問

將科學史上發展時，真正出現的問題，經過梳理後，轉化成符合課程目標的評量問題如表 1、2、3：

表1 原子量的訂定與驗證

科學史歷程如果不同原子的差異為質量不同，哪如何決定原子的質量呢？有沒有更好的方法，決定元素的原子量？如果有兩套原子量的數值，哪要如何處理呢？何者方便使用呢？現代測量原子量的方法改變後，原子量的標準需要修改嗎？以最輕的氫，作為原子量標準，輔以物質反應時的質量比，從而訂出原子量。以金屬化合物多的氧，作為原子量標準，測定原子量。但設定氧的原子量為100。以氧 100 為基準時，雖然方便，原子量數值大而不方便。所以綜合後，以氧原子量16 為基準。現代以質譜儀進行測量後，需討論同位素穩定度與含量問題，所以改以碳－12為原子量基準。課程提問設計核心問題：如何知道各原子的質量大小呢？ 1. 在道耳頓提出原子說後，即提出不同原子的質量應該不同，此為原子的主要特徵。如果要由當時已知的實驗數據，找出原子的相對質量關係，需要先做什麼呢？ 2. 試由已知的實驗數據，例如：1 克的 H，可以 8 克的 O 形成推論出下列單一原子的相對質量（即原子量）H＝1 C＝？ N＝？ O＝？ 3. 所以原子量是直接測量出的嗎？為什麼無法直接測量呢？為什麼沒有單位？ 4. 由上述的活動中，你可以判斷出 1 個 H：1 個 C：1 個 O：1 個 N 的質量比為多少嗎？ 5. 如何由更多的實驗數據，驗證你求出來的原子量是正確的呢？ 6. 原子量的基準為什麼會轉變呢？

(7)

表2 莫耳數的介紹

科學史歷程如何通過稱重，計算原子個數呢？為了元素或化合物差異，而必須使用不同_{的計量名詞是不方便的，該如何解決呢？} 為了通過稱重計算原子個數，化學家逐漸發展出「克原子量」和「克分子量」的概念。

克原子量：

gram atomic mass

克原子：

gram atom

例如：

C

原子量為

12

、

O

2原子量為

32

1

克原子量的

C

即為

12

克的

C

；

1

克分子量的

O

2即為

32

克的

O

2。為了分辨原子、分子和離子等，而有克原子、克分子和克離子等名詞，但是多種名詞會造成混淆而且並不方便，所以

1896

年

Wilhelm Ostwald

從拉丁詞

mole

Kinetic molecular theory

Electric Charge Method

0.05mL

油的質量？如果已經知道硬脂酸的分子量（

1

莫耳硬脂酸質量）是

284

，可以估算出

1

莫耳物質的粒子數？計畫與執行─

pe-

Ⅴ

c-2

能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器，能適度創新改善執行方式。能進行精確的數值量測。

(9)

四、課堂實踐方式說明

此次課程主要試教內容為建立莫耳概念與原子量基準轉變的部分，此為99 課綱國中化學課程，所以試教時以中正國中八年級學生為試教對象，學生人數共35 人。以下針對幾個重要概念試教進行說明。

圖2

（一）原子量的訂定

在之前的學習中，學生知道道耳頓的原子說提出：原子的特徵為質量不同。多數的學生在這個部分，會因為粒子太小、太抽象，肉眼無法察覺且無法秤得質量，而有學習困難，所以教師在此可以先給不同的類比，或以電子秤直接秤量小質量的物品，讓學生可經由討論提出，為了使用方便須以相對質量的方式表示，並可提出訂定原子量基準的想法。之後再提供科學史上的實驗數據，經由實物的操作，可訂定出個別原子量，並設法驗證原子量的正確與否。

（二）原子量基準轉變

當學生以上述方式訂出原子量後，會發現現行的教材提到目前的原子量基準為C-12，為釐清學生概念，因而以個人閱讀自學、小組協同討論的方式，讓學生了解原子量基準的轉變歷程。在這個部分的課程設計中，主要希望了解「學生是否可以找到影響原子量基準轉變的主要因素」，並從中了解「科學並非不變的真理」，而非著重科學史的背誦，故過程中需提示學生找到原子量基準轉變的脈絡與優、缺點分析，引導完成形成性評量的學習單，再透過彼此答案的討論與修正，達到自我評估與修正的目的。

(10)

原子個數相等的

C

原子應該是多少克？此評量問題的主要目的為釐清質量與個數的關係，故教師應於此時追問或探詢學生此兩者的差別，同時可以日常中的類比，進一步說明。當學生建立概念後，則可進一步提問：莫耳這個單位的用處為何？和一般的數量單位有何異同？請學生在學習單上自行整理，以利檢核是否掌握本單元的核心概念，並可與自身經驗產生連結，提高學習的深度。

圖4

（四）莫耳數的大小

當上述單元內容完成後，請學生試著思考：如果你是科學家，你會想要知道什麼事情？進而理解測量莫耳數大小的動機。而測量莫耳數方法的介紹，可以影片的方式簡單帶過，或是將實驗擴增為探究實作的方式，讓學生自行實驗設計，並求出莫耳數的大小。學生在學習本單元的最大困難為數學計算的焦慮，故在這個部分的課程設計中，主要目的為希望學生的學習能聚焦於：「理解測量

6

ൈ

10

23_{的目的」、「}

_1mol

_＝

₆

_ൈ

₁₀

23_個粒子為一個科學上的估算值」以及「莫耳的適用性」，而非著重在枝節的計算部分，以達到十二年國教領綱將科學史融入課程，但不拘泥於複雜計算的目標。

(11)

五、結論

總結上述，本文依據十二年國教自然領域課程綱要學習重點設計的素養課程設計，主要關注點有以下部分：

（一）針對學習表現

以科學史的科學概念發展脈絡情境為基礎，將科學家面臨的問題情境轉換為教學的提問鷹架，試著引導學生以科學家的思路解決問題，當問題解決後，再引導學生進一步提出新的問題並加以解決，以培養學生科學思考的能力。

（二）針對學習內容

課程設計時主要的關注點是概念，同時將數學保持在必要的最低限度，對於化學概念的理解優先於複雜的數學計算；且課程設計時針對學生在學習此概念時的困難與迷失概念加以分析，並加以澄清。素養導向教學與評量的要素之一為情境脈絡的鋪陳，筆者分享共備社群如何利用科學發展脈絡中科學家所面臨的問題，適當地轉化為教學中的提問鷹架。這樣的課程設計與以往較大的不同為結合真實的情境，並以評量問題驅動學生學習，以符合評量即教學的精神；同時除了學習內容外，更強調學習表現的融入，以達成整合知識、能力與態度的素養課程設計理念，後續則將再設計總結性的評量，與針對學習表現的評量，使課程更加完備。素養課程的設計，需改變目前課程設計思考慣性，因而讓多數老師產生恐懼，恐懼則往往隱藏在憤怒當中，但若認清憤怒，並克服恐懼，大家的力量將會增長，而更能面對108 課綱的挑戰。

(12)

參考文獻

吳璧純（

2013

）。從三種評量類型看多元評量的意義。新北市教育季刊，8，

20-24

。呂紹海（

2007

）。國小自然與生活科技教科書中科學史內容的分析研究（未出版之碩士論文）。國立新竹教育大學，新竹。傅麗玉（

1996

）。科學史與臺灣中等科學教育之整合─問題與建議。中等教育輔導叢書，

165-193

。（

2012

年

12

月

16

日）

1

匙油平湖面？重現富蘭克林把戲【新聞群組】。取自

從科學史的出發探討自然科學素養導向課程與評量－以高中「莫耳」概念為例