大氣壓力之引導探究式教學活動設計 71
物理教育學刊
2008, 第九卷第一期, 123-136 Chinese Physics Education2008, 9(1), 123-136
大氣壓力之引導探究式教學活動設計
顧炳宏
國立彰化師範大學 科學教育研究所 （投稿日期：民國97 年 7 月 30 日，修訂日期：97 年 8 月 4 日，接受日期：97 年 8 月 13 日） 摘要：在中學階段，針對大氣壓力概念的教學已存在許多表現大氣壓力效果的實驗和 活動。然而，一方面由於大氣壓力乃為一抽象概念，欲解釋這些實驗現象所需的思路 頗為複雜；另一方面這些實驗絕大多數屬於單一的例子之呈現，各個例子之間並無太 大關聯，使得學生不容易產生學習的遷移。這兩個原因會使得這類實驗變成一種僅止 於展示性質的教學活動(即示範實驗)，除了容易流於驗證式的實驗外，一般多認為此 類示範實驗亦存在許多教學與學習上的問題。據此，研究者一方面參考既有之實驗活 動，一方面也針對學生不容易進行抽象思考的問題，發展出由具體至抽象、互相連結、 有結構性的數個探究導向的活動。活動設計首要重點就是要讓學生切身的感覺到大氣 壓力，將大氣壓力由抽象的描述轉為具體的感受，讓學生從實際體會與嘗試的過程中 理解關於大氣壓力的科學概念。試圖藉由搭建出一個接一個、循序漸進引導的活動， 意圖透過實際的操作讓學生對大氣壓力的感覺更具體之外，俾使學生可以透過討論獨 力對這些現象進行解釋，以獲得較有效的學習。 關鍵詞：大氣壓力、引導探究式教學壹、前言與文獻探討
在中學階段，針對大氣壓力概念之教學 已存在許多表現大氣壓力效果的實驗和活動 ( 方 金 祥 ， 2003 ； Gardner, 1999; Kazachkov, Kryuchkov, Willis, & Moore, 2006; Louviere, 1989; Shamsipour, 2006)。這些教學活動經常 會使用水、杯子、氣球、寶特瓶、吸盤…等 器材，藉以展現大氣壓力的效應。例如，用薄片壓住裝滿水的水杯，倒過來之後薄片和 水 卻 不 會 灑 落 ( 方 金 祥 ， 2003 ； Kazachkov, Kryuchkov, Willis, & Moore, 2006)；將塞入寶 特瓶內的氣球吹大，開口的氣球竟不會消掉 (Louviere, 1989; Shamsipour, 2006)；或者讓吸 盤「黏」在平面上等，都是常見的可展示大 氣壓力現象的活動。 雖然都是利用大氣壓力的概念去解釋這 些現象，然而，由於大氣壓力乃為一抽象概
念，欲解釋類似上述的實驗現象所需的思路 頗為複雜。換句話說，針對初期學習大氣壓 力概念的學生而言，要求學生一開始就進行 複雜的思考去解釋那些現象是不容易的。以 前述的例子來解釋，寶特瓶內的氣球不會消 掉乃是因為內外大氣壓力差的關係，但對初 期學習者而言，空氣是看不見的，因此並無 法知覺到瓶內外的大氣壓力有何差別；倒轉 過來的水杯，薄板不會掉下來也是因為大氣 壓力的緣故，但對學習者來說，因為不曉得 大氣壓力為何可以撐住水壓，也不了解大氣 壓力可以撐住多大的水壓，所以也無從解釋 起。 另外，這些實驗絕大多數屬於單一的例 子之呈現，各個例子之間並無太大關聯，因 此學生不容易產生學習的遷移。舉例來說， 學生即使知道倒翻的水杯其薄板不會下落的 原因，面對「氣球不會消掉」的問題，他們 很可能還是無法解釋其中之緣故。 以上兩個原因，會使得這類實驗變成僅 止 於 一 種 展 示 性 質 的 教 學 活 動 ( 即 示 範 實 驗)。除了容易流於驗證式的實驗外，許多研 究已經證明，單純的實驗室示範和實驗活 動 ， 對 於 學 習 成 效 的 幫 助 極 為 有 限 (Roth, McRobbie, Lucas, & Boutonn é , 1997; Roth, 2006)。因之教師雖然經由實驗活動呈現出大 氣壓力的效應，但最後往往依然是老師向學 生解釋形成這些現象的原因，學生並無太多 進行獨立思考的空間；如此一來學生依舊仍 屬被動學習者的角色，這樣的學習也會大大 降低這些教學活動之價值。 據此，研究者一方面參考既有之實驗活 動，一方面也針對學生不容易進行抽象思考 的問題，發展出由具體至抽象、互相連結、 有結構性的數個探究導向的活動。各個活動 緊緊相扣，由活動一的經驗與結論可做為活 動二的開頭，且活動二產生的想法能加深活 動一所產生的概念，以引導學生產生完整的 概念，尤其能符合正確的科學概念。藉由搭 建出一個接一個、循序漸進引導的活動，研 究者除了意圖透過實際的操作讓學生對大氣 壓力的感覺更具體之外，更重要的是，學生 可以透過討論獨力對這些現象進行解釋，以 獲得較有效的學習。限於篇幅的關係，本文 雖列出完整的教學活動設計方案，但僅針對 部份主要的活動設計與其所要傳達的重要概 念提出完整的說明，其餘則僅提供簡要的描 述。
貳、教學活動設計
研究者認為，大氣壓力的概念之所以顯 得抽象和困難，乃是源自於幾個主要原因： 第一，由於空氣看不見，從空氣衍生而來的 大氣壓力概念自然顯得更為抽象；第二，由 於人體內本身亦存有氣體，因此無法感受到 外界空氣所造成之「壓」的感覺，亦即對於 大氣壓力的感受已鈍化；第三，相當程度導 因於前兩個原因，學生無法知覺到「內」與 「外」，壓力的差別，是造成各種大氣壓力現 象的主因。 一般而言，關於壓力的教學多先從固體 壓力的介紹開始，再來是液體的壓力，最後 才是氣體壓力概念的教學。從認知心理學的 角度看，這樣的安排確實有其道理；因為固 體和液體壓力均可透過感官感受或觀察到， 相對來說，大氣壓力就較為抽象而不具體。 研究者即是以這樣的脈絡作為出發點：第 一，先以水壓探測器薄膜的變化，作為引介 大氣壓力概念的伏筆，使得大氣壓力開始具 體化；第二，利用真空罐的多種現象，以及 使用煙霧象徵空氣的存在和進出，妥善安排 使得大氣壓力的效應越來越鮮明；第三，透 過真空罐相關的各個活動，開始讓學生知覺到「內」、「外」壓力的差別；第四，透過「吸 飲 現 象 」 的 概 念 改 變 教 學 活 動 ( 顧 炳 宏 ， 2007)，除了讓學生發覺本身的迷思概念及其 可能失效的狀況，同時也會讓學生對「內」 與「外」之壓力差別的概念達到更為深刻的 瞭解。 本研究所設計之引導探究式活動，其目 的在於希望讓學生經過討論的方式，不斷檢 視與修正自己原先的概念，且將實際的事物 帶到實驗室中。學生能看、能聽、能動手操 作，不但能使學生運用以前的經驗提出意 見，還能依照活動中所見到的現象，不斷加 深與融入自己的思考中。此外，藉由小組合 作學習的方式，能使學生學習其他不同的能 力，例如語言表達、互相合作、解決問題、 尊重他人等其他重要的能力，使學生科學概 念的學習，能在全人教育目標下得到完全的 發展。 如前所述，由於大氣壓力頗為抽象而難 學，吾人難以期望用某種單一個活動即能解 決學生學習上的困難，因之本引導探究式教 學設計共含十二個活動，分屬三大部分：其 一為「充分感受到大氣壓力的存在」，其二是 「吸飲現象之原理」，其三則是屬於較經典的 托里切利相關實驗活動。限於篇幅的關係， 本文主要在詳細說明第一部份的教學活動設 計，並於附錄一附上教學工作單；有關第二 部份之教學因收錄於本刊前期之教學短文中 (顧炳宏，2007)，此處僅就重點部份稍加描 述；至於第三部份雖然較為常見，但研究者 仍然提供了一些改進和建議，亦有助於教師 教學之參考。
活動一：縮骨神功
本活動乃援引自中學常見的水壓力教學 活動。利用簡易的水壓探測器(如圖 1)，讓學 生可以觀察到水壓在薄膜上所引起的形變效 應，亦即探測器所在的水位越深，薄膜凹陷 的程度越大。此活動屬於複習性質，活動意 義在於讓學生回憶起「水壓探測器之功用」 及其受水壓作用時會產生之現象，而薄膜的 形變也有助於壓力的「具像化」，以作為下一 活動的伏筆。活動二：凹凸有緻
承接上一活動，同樣將水壓探測器放入 水中，經由吹氣與吸氣使薄膜產生變化(圖 2、圖 3)，讓同學思考使薄膜產生變化的原 因。過程中，教師可以向同學詢問：「如果水 壓可以讓薄膜凹陷，那麼為何吹氣或吸氣可 以讓薄膜往外凸或往內凹陷的更厲害？」以 此暗示空氣似乎也具有一種和水壓類似的力 量，讓同學初步的、模模糊糊的感受到空氣 壓力。此活動除作為連接水壓力和大氣壓力 的中介活動外，更重要的是藉由水壓力和薄 膜的具體變化使無形的大氣壓力「現形」。 圖1：水壓探測器 圖 2：吸氣時薄膜收縮 圖 3：吹氣時薄膜膨脹活動三：舉一反三
在活動二學生初步感受到空氣壓力的存 在後，本活動則希望藉由一些圖形之間的類 比，維持住學生對於大氣壓力的感覺，並作 為承接下一活動之用。準備一真空罐(如圖 4)，在罐中放入適度充氣的氣球(圖 5)。請同 學根據活動二的結論，想像：如果罐中氣球 可接上一條管子，那麼在管子上吹氣、吸氣 後氣球會如何變化；與活動二又有什麼樣的 聯繫(如圖 6)。藉由強調此想像圖與上一活動 各項裝置上的對應關係：真空罐彷彿是剛剛 的水槽，罐中空氣可對應至水槽中的水；氣 球則好比是水壓探測器，氣球變化則可對應 到薄膜變化，將有助於學生將抽象的大氣壓 力具體化。上述都可以幫助學生思考水壓和 大氣壓力之間的關連。活動四：縮放自如
延續活動三，使用抽氣棒將罐內空氣抽 走，此時氣球會變大；按進氣鈕讓空氣進入 罐中，此時氣球會再變小(圖 5、圖 7)。過程 中在罐中先加入一些煙霧，以此象徵空氣的 存在和進出，亦有利於空氣壓力的具像化。 藉由上個活動學到的觀念，延伸出去。以探 討抽放真空罐空氣過程中氣球變化背後之原 理，正式將同學帶入大氣壓力的領域中，並 開始讓學生知覺到「內」、「外」壓力的差別。 另外，真空罐抽氣之後蓋子會打不開，也許 學生會發現此現象而提出問題。由於此問題 正是活動五的內容且當下較難理解，為免使 本活動問題複雜化，此處先不提及，留待下 個活動再討論。活動五：蓋神降臨
將罐中的氣球去除，進一步討論蓋子為 何在抽完真空罐的氣體後，無法打開的原 因。讓同學在知道大氣壓力及它如何作用 後，初步看到大氣壓力的神奇魔力。本活動 僅單純就蓋子打不開的原因進行討論。與活 動三不同的是，罐中並不放入氣球。減少問 題的複雜度，乃是希望讓同學單純就此問題 有較深入的討論。活動六：大「瓶」包小「瓶」
準備兩個真空罐(一大一小，其中小真空 罐可以放進大真空罐中，如圖 8)。重複一次 活動五的步驟，使小真空罐蓋子無法打開， 接著將小真空罐放入大真空罐中，再對大真 空罐抽氣，稍微搖晃一下後，原本打不開的 小真空罐竟然在大真罐中自己打開了(如圖 9)。本活動除了可以將大氣壓力的神奇魔力 及其存在性表露無遺外，亦可深化學生對於 圖4：真空罐和抽氣棒 圖 5：真空罐放入氣球 圖 6：水壓和氣壓對應圖「內」、「外」壓力差別概念的理解。學生若 能從討論與解釋此現象的過程中了解其中的 原因，將能使其對大氣壓力的概念更為精緻 化。 活動六之後，即是屬於本教學設計第二 部分－「吸飲現象」的教學(顧炳宏，2007)。 研究者在此部份主要是利用概念改變的教學 策略為設計之主軸，同樣逐一安排許多有趣 且會引發概念衝突的活動，除了讓學生逐步 的瞭解「內」與「外」之壓力的差別，是造 成各種大氣壓力現象的主因之外，對於大氣 壓力的存在也會有更深一層的感受。
活動七：節節高升 PART 1
將切半的寶特瓶局部浸入水槽中，如圖 10。請學生在管口處吸氣和吹氣，這時瓶內 的水位會有升降的現象；讓學生描述其觀察 到何種現象，並根據他們討論的結果解釋關 於前述現象的成因。 接下來，將寶特瓶盛水半滿，如圖 11， 並使瓶內空心管的管口離開水面些許距離。 請學生預測可否吸到瓶內的水，並解釋其想 法。接著，經由試驗的結果，學生將發現在 「吸」的過程中，瓶身將逐漸壓縮並可以將 水「吸」上來。請學生描述其觀察到的現象， 並根據他們討論的結果解釋關於前述現象的 成因。最後，請學生針對圖九與圖十的關聯 性，同樣進行討論與解釋。活動八：節節高升 PART 2
將活動七的寶特瓶置換成玻璃瓶，如圖 12。同樣再請學生預測可否吸到瓶內的水， 並解釋其想法。接著，學生將經由「吸」的 試驗結果發現，這次將無法將水「吸」上來。 請學生描述其觀察到的現象，並根據他們討 論的結果解釋關於本次實驗現象的成因。最 後，請學生針對圖 10、圖 11 以及圖 12 的關 聯性，同樣進行討論與解釋。活動九：節節高升 PART 3
對於依然不願改變其另有概念的學生來 說，活動八無法吸到水的原因可能是因為瓶 中的玻璃管並沒有碰到水面或插入水中。所 以，本活動即設計將玻璃瓶裝滿水，如圖 13。 與上述活動進行程序均相似，先請同學預測 並解釋，再針對試驗結果討論與修正其理論。活動十：現學現賣
本活動完全屬於「概念應用」之性質。 目的在促使學生可以綜合前面所學，將這些 學習遷移到對日常生活鋁箔包或飲料罐吸飲 現象的理解。 圖7：抽氣後氣球變大 圖 8：大小真空罐 圖 9：小真空罐的蓋子打開活動十一：我吸、我吸、我吸吸吸…
本活動重要性在銜接前一系列活動與托 里切利實驗的概念。用薄片壓住裝滿水的水 杯，倒過來之後發現薄片和水卻不會灑落； 再將此水杯長度加長至 1~2 公尺發現薄片和 水依然不會灑落。接下來真的讓學生實際用 細水管可以將一樓的水往上吸，試驗看看是 否可以將水吸到四樓高。最後再用抽氣機試 試看理想上應該可以將水吸到多高。這些都 會促使學生放棄其原本所持「吸」的想法， 嘗試以新的觀念去解釋相關的現象，進而對 大氣壓力能有真正的體會和瞭解。活動十二：經典實驗時間
經過前面一系列活動之後，最後安排托 里切利實驗，作為大氣壓力概念最後的統整 與總結。 由於活動一至活動六雖然可以讓學生 「充分感受到大氣壓力的存在」，以及對「內」 與「外」之壓力差別有所體會，但「吸飲現 象」的教學才真正能挑戰學生的迷思概念， 以及使學生完整的瞭解「大氣壓力現象乃是 內外壓力差的效應」。教師在完成活動一至活 動六後，理想上應繼續進行「吸飲現象」的 教學，如此將有助於達成較全面的教學，學 生也才有機會學習更為完整的大氣壓力概 念。最後，學生才能真正理解為何大氣壓力 的量值等於 76 公分水銀柱或 1033.6 公分水 柱，也才更有利於後續大氣壓力量化計算的 學習。詳細有關「吸飲現象」教學建議請參 閱本刊前期之教學短文(顧炳宏，2007)。參、試教結果
研究者以本教學活動設計進行試教的結 果發現，學生普遍認為以這樣的方式學習， 原本抽象的大氣壓力概念變的有趣且容易理 解。舉例來說，當老師於活動三問到：「為什 麼抽氣之後氣球會變大呢？」學生都會爭先 恐後的回答：「因為罐子裡面空氣變少，空氣 的壓力變小了，所以氣球就會脹起來了」；而 當進行到活動五，學生在看到小罐子的蓋子 竟然自己打開後，雖然都發出驚嘆聲並覺得 不可思議，然而多數在討論過後，也都能理 解那只是內外壓力差所展現出來的一個「魔 術」現象。使用過本教學活動的老師也認為， 只要能適時的給予學生提示或提問等引導策 略，學生確實大多均能透過討論而獨力對一 連串的現象做出適當的解釋，亦從中學習到 正確的科學概念；不論是在實驗或討論的過 程，透過小組合作的方式，學生在各項社會 技能上面都有明顯而長足的進步。在教學的 過程中總結了一些結果與建議，簡述如下： 1.水壓探測器的製作，請參閱黃寶鈿和李武 勳(2000)所提出的簡易製作方式。另外，研 究者發現水壓探測器薄膜的材質好壞，是 決定實驗活動效果的關鍵因素。研究者曾 使用剪開的手術用手套或氣球進行測試， 圖10 圖 11 圖 12 圖 13但最後發現兩種材質的效果並不明顯，最 後發現以保險套做為薄膜的材料效果極 佳，水深 10 公分左右即可觀察到薄膜的變 化。 2.教師在進行到活動六時，可對學生提問： 「如何在不碰觸小真空罐的情況下，使其 蓋子打開？」以引發學生的思考。 3.在進行完活動六之後，教師可以再找一個 杯子或碗，利用真空罐的蓋子，做出類似 馬德堡半球的裝置，藉以說明馬德堡半球 以及吸盤的概念。 4.教師如果覺得學生程度許可，可以再引導 學生學習有關pv=定值的觀念。於真空罐中 放入一頗重的錐形體，經過抽氣而氣球變 大後，使錐形體撞擊氣球並觀察氣球凹陷 的程度，藉此讓學生感受到氣球似乎變的 比原來更軟。此時就可以引導學生繪製力 圖，最後說明氣球變大的過程中，氣球內 的壓力也同時在變小，並且內外壓力會達 到一個平衡的狀態。
肆、討論與結論
本教學設計的每個活動，均著重於如何 將大氣壓力由抽象的描述轉為具體的感受， 讓學生從實際體會與嘗試的過程中理解關於 大氣壓力的科學概念。 前述提到，示範性質的教學活動，往往 容易變成老師向學生解釋現象的單向教學。 為了避免這樣的問題，除了設計適當的實驗 活動之外，將這些教學活動做有效的組織與 安排，使學生可以在其能力範圍內進行適當 的探究與討論，便是本教學活動設計的重要 考量。或許某些活動單獨看起來並無特別獨 到之處(如活動四、五、八、九)，但是如何 在這些活動之間安插入具導入性、作為一銜 接點的活動(如活動二、三、七、十)，活動 之間的順序安排(為什麼活動六要在活動三 之後，又為什麼活動七要在活動十一之前)， 以及將這些活動轉化成具引導功能的工作 單，就需要相當程度的創意和巧思，而這也 正是使得這些平凡活動展現出不平凡效果的 獨到之處。 由於大氣壓力與水壓力相形之下，顯的 更為抽象，所以先讓學生體會水壓的存在， 再藉此切入大氣壓力，利用水壓力讓大氣壓 力『現形』，由具體而抽象，可以更容易讓學 生瞭解。而探討氣球和真空罐的各種現象， 從單純到複雜，則可以使得學生對於大氣壓 力的概念更為精緻化。此即本教學活動大略 之流程架構。 由試教的結果也顯示，從這樣的活動流 程中，教師只需做一些引導性發問，多數學 生均可以經由相互討論的過程中，自己就能 作出對於各個實驗活動現象的解釋，亦即， 學生有許多可獨立思考的空間，而成為一主 動的學習者。因此，本教學活動設計與探究 教學之精神應屬一致。參考文獻
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