粒子觀點之引導探究式教學活動設計 49
物理教育學刊 Chinese Physics Education 2007, 第八卷第一期, 49-62 2007, 8(1), 49-62
粒子觀點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 96 年 2 月 12 日，修訂日期：96 年 8 月 15 日，接受日期：96 年 8 月 21 日) 摘要：原子、分子等粒子觀念是科學發展中相當重要且關鍵的基本概念，在各個 領域中，粒子觀念的使用乃是用來解釋眾多自然現象的首要策略。因此，在中學 階段的自然與生活科技領域中，有關原子、分子等微小粒子概念之教授亦屬理化 課程相當重要的部分。文獻指出，學生在學習以粒子觀點解釋眾多巨觀現象時， 真正的困難乃是源自於他們無法感覺到原子的微小。雖然相關文獻指出學生學習 的困難乃源自於難以感受到微小粒子的存在，但並無提出較具體的實務上之教學 建議。換句話說，針對學生在初期進入抽象的微觀粒子世界時所面臨的困難，對 於「微小粒子的存在」沒有真正的“
感覺”，並無提出較為妥善的解決方案。本文 旨在描述如何設計出正常課室教學中可行的探究教學活動，從具體到抽象引導學 生，讓學生對微粒的感覺更具體，進而有利於往後關於原子、分子結構概念的學 習，並藉由試教過程之紀錄與評量之結果，檢視本教學活動設計之效果。 關鍵詞：原子與分子、粒子觀點、引導探究式教學壹、前言
原子、分子等粒子觀念是科學發展中相 當重要且關鍵的基本概念，尤其是在物理 學、化學，甚至是生物學的領域中，粒子觀 念的使用乃是用來解釋眾多自然現象的首要 策略(林財庫，2004)。因此，在中學階段的 自然與生活科技領域中，有關原子、分子等 微小粒子概念之教授實屬理化課程相當重要 的部分。學生在學習許多科學概念時，最後 亦必須從巨觀的現象進入到微觀粒子世界， 並藉以培養其抽象思考的能力。 由此觀之，在學生從巨觀進入微觀的過 程中，如何幫助他們通過此過渡期，對「物 質均由微小粒子所組成」這樣的概念能有真 正的體會、真正的“有感覺”，應為一重要之 課題。然而，可惜的是眾多教學活動均集中 在原子結構或分子結構模型之建立(Keiffer, 1995; Leisten, 1995; Cherif, Adams, & Cannon, 1997; Skamp, 1999; Mèheut, 2004; Pringle, 2004)，針對此部分之教學建議目前尚屬貧乏。(黃寶鈿和李武勳，2001) 因「九年一貫」精神內涵之一乃在鼓勵 教師自編教材，希望教師從單純的課程執行 者變成為專業的課程設計者，並且更重要的 是，課程的編寫與教學必須能從學生學習的 觀點出發，與學生的生活經驗相結合(教育部, 2000)。因此如何設計出既符合探究導向、又 能引導學生主動學習的教學活動，便成為教 材發展研究者或教學活動設計者的重點工作 之一。 綜合上述，基於九年一貫課程鼓勵探究 導向教材之開發，且針對如何協助學生自巨 觀現象過渡到微觀粒子觀點的教學建議仍屬 貧乏。因此本文旨在描述如何設計出正常課 室教學中可行的探究教學活動，從具體到抽 象引導學生，讓學生對微粒的感覺更具體， 進而有利於往後關於原子、分子結構概念的 學習。
貳、文獻探討
針對學生對於「組成物質的粒子」所容 易產生的迷思概念或另有概念 (Anderson, 1990)，多數研究都集中在如何使用木塊、保 利龍、氣球、厚紙板、LED…等器材，設計 出一些具體的原子、分子結構模型(Keiffer, 1995; Leisten, 1995; Cherif et al. 1997; Skamp, 1999; Mèheut, 2004; Pringle, 2004)。另外亦有 利用色素或紅糖等溶解擴散之現象(黃寶鈿 和李武勳, 2002; Mèheut, 2004)，希望能讓學 生感受到粒子的微小。前者在教學時多直接 灌輸學生「物質是由微小的粒子－我們稱為 原子－所構成」，接著就專注於利用模型解釋 原子或分子的結構，如此便忽略了學生一開 始從巨觀進入微觀時所面臨的困難；後者對 溶解現象之利用雖然立意良好，但是仍偏向 於單一的例子呈現，似乎難以彌補具體與抽 象之間的落差。 組成物質的微小粒子叫分子，分子又是 由更小的粒子－原子－所組成，而原子中甚 至還有更小的次原子粒子(電子、質子等)， Cherif 等(1997)認為由於這些粒子微小到根 本無法從日常現象中直接的經驗，因此學生 很難真正感覺到這些微小粒子的存在。 黃 寶 鈿 和 李 武 勳 (2002) 認 為 ， 因 為 原 子、分子等粒子極為渺小而不可見，大部分 學生仍無法或較難跨過具體操作期，因此不 容易以抽象思考的模式去理解。 Pringle(2004) 對 此 也 表 示 了 類 似 的 觀 點，她認為在教授中學生有關原子和原子結 構時，學生所面臨的困難其實是來自於他們 無法感覺到原子的微小。 另外，Gable 和 Sherwood(1984)在研究 莫耳概念的類比工作時(analog tasks)就指出 了學生感到困難的原因：因為此概念所涉及 的粒子數目非常巨大，而它們在自然界中又 是以極微小的狀態存在，因此學生無法以微 觀(microscopic)層次的化學概念(指巨大的粒 子 數 目 ) 來 表 徵 實 際 存 在 於 化 學 藥 品 架 (chemical shelf)上的物質。 研究者認為，前述之文獻大多僅指出學 生學習的困難乃源自於難以感受到微小粒子 的存在，但並無提出較具體的實務上之教學 建議。少數文獻所提供的教學設計對於學生 在後期學習原子、分子概念時確實能產生實 質之幫助，但儘管如此，學生在初期進入抽 象的微觀粒子世界時所面臨的困難，即對於 「微小粒子的存在」並沒有真正的”感覺”， 並無提出較妥善的解決方案。 顧炳宏和陳瓊森(2006)曾經設計引導探 究式的活動來幫助學生體會「莫耳」的概念， 在「聚沙成台灣」的活動裡，先假設全台灣 在海平面以上的土地都是由一般的沙子所構 成，教師引導學生想辦法算出全台灣是由多少粒沙子所構成，其結果非常令人驚訝，竟 然只有將近 10 莫耳。這個研究一方面說明莫 耳之大，學生很難體會，另一方面也同時反 映學生要體會原子和分子之小的困難。 要幫助學生建構抽象的知識，首先必須 讓 學 生 可 以 在 透 過 手 到 (hands-on) 和 心 到 (minds-on)的教學活動中，對於真實的自然現 象能有所體會。因此，本文旨在發展正常課 室教學中可行的探究教學活動，從具體到抽 象引導學生，讓學生對微粒的感覺更具體。
參、教學活動設計
由於研究者曾任職國中理化教師，深刻 感受到關於微觀粒子教學之困難。循此之 故，研究者於就讀研究所期間，汲取多方資 料，如舊版理化教科書、物理系陳瓊森教授 授課講義及化學通史(趙匡華，1992)等資 料，並融合探究教學之精神，作為本教學活 動設計之依據。 研究者認為，從科學史的角度來看，原 子的概念並非憑空產生，而是經過許多實驗 現象中慢慢衍生出來的。舉例來說，許多液 體和氣體都會有擴散的現象，而許多關於氣 體化學反應的實驗結果，也都顯示出其反應 過程會遵守特定的規則，如氣體反應體積定 律及質量守恆定律等。透過許多對於液體和 氣體動態擴散現象的了解，和對於眾多氣體 反應結果的思考，科學社群慢慢的對粒子的 存在有了共識之後，最後才由道爾吞提出了 創造性的「原子說」。因此，這樣的科學歷史 軌跡便成為本教學活動發展時的重要參考依 據。 研究者從上述的概念出發，根據既有之 文獻研究結果，一方面採用前人所提之建 議，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、 有結構性的數個引導探究式活動。整個教學 活動的結構，乃是依照固體、液體、氣體之 程序，每一個活動均緊扣著前一個活動而進 行，循序漸進引導學生慢慢地對粒子的存在 能有所體會和感覺。 活動的設計均儘可能的活潑，而活動的 目的除了主要在協助學習者主動進行概念的 建構之外，也希望藉由小組合作學習的方 式，培養學生更多與人溝通、與人合作的社 會技能。詳細活動設計之工作單請參閱附錄 一，以下就針對各個活動設計與其所要傳達 的主要概念，進行簡要的說明。活動一：我切，我切，我切切切
本活動一開始準備一塊體積約為 2 ㎝ × 2 ㎝ × 1.5 ㎝的馬鈴薯塊，先讓學生預測這樣 大小的馬鈴薯塊用小刀切最多可以切成幾 塊。再請學生以小刀持續對半切馬鈴薯塊， 每切一刀，就只要將剩下的一半拿來對半切 即可，然後請小組發表他們總共可以切幾 刀。最後老師向學生說明切一刀就可以分成 2 塊(21)、切兩刀就是 4 塊(22 = 4)、切三刀就 是 8 塊…以此類推，所以學生大約可以切到 20~22 刀左右，也就是說，最後可以只用小 刀將馬鈴薯塊切成兩百萬至四百萬個小塊， 與學生預測的數字有相當大的差距。本活動 目的主要想讓學生在肉眼能力所及情況下， 感受到物體可以被切割成極微小的顆粒。 活動最後教師可以詢問學生：「如何把最 小的那個小塊切成更多的小塊」，藉以引發學 生討論之動機。老師可以回答學生：「用水 切」，以此作為下一個活動的伏筆。活動二：我跑，我跑，我跑跑跑
本活動先準備傳統雜貨店販售的紅色色 素粉：紅花米，先讓學生用小刀撥撥看，並 用放大鏡觀察此固體粉末。接著將粉末同時灑入兩杯溫度不同的水中，觀察粉末擴散的 情況，比較兩杯擴散的情況有何不同，並且 試著歸納出原因。本活動目的主要試圖藉由 固態粉狀顆粒在水中擴散的情況，讓學生感 受即使已經是極微小的顆粒依然可以再被 「切割」成更小的顆粒，希望由具體的圖像 訓練學生抽象思考的能力；此外也可以讓學 生稍微了解在不同環境下，顆粒的運動速度 會有所不同。
活動三：我跑，我跑，我跑跑跑 (PART 2)
本活動為「我跑，我跑，我跑跑跑」之 延續活動。將紅花米與重鉻酸鉀個別灑入兩 杯溫度相同的水中，觀察擴散的情況，比較 兩杯擴散的情況有何不同，並且試著歸納出 原因。本活動目的在讓學生稍微了解在相同 環境下，顆粒的運動速度也會有不同，而這 可能是因為顆粒大小不同的緣故。活動四：到底是誰在跑？
活動開始前，先準備一杯氨水放在講桌 上。等待幾分鐘後，詢問學生有沒有聞到奇 怪的味道，接著再問「氨水並沒有被移動， 但是為何還是可以聞到氨水的味道？」，鼓勵 學生彼此討論與發表，並可彼此辯論。本活 動希望藉由日常生活氣味的經驗，培養學生 觀察、推理、討論的能力，並引導學生發揮 抽象的想像力，想像有微粒在周圍運動。活動五：神奇的相遇！
本活動乃是利用無色的氨(NH3)及氯化 氫(HCl)反應會產生白色的氯化銨(NH4Cl)所 設計而成。在透明塑膠管兩端塞入沾有氨水 和鹽酸的棉花，然後過幾分鐘就可以觀察到 靠近鹽酸的一端產生白色的煙霧。本活動延 續「到底是誰在跑？」，同樣鼓勵學生彼此討 論、發表與辯論，試圖引導學生對微粒的感 覺更具體。 活動最後並附上固體、液體、氣體的粒 子觀點示意圖，教師可以協助學生藉由回溯 先前固體和液體的學習，與最後的氣體觀點 進行整體粒子概念的整合。此舉亦有助於學 生進行統整學習。肆、結果
本教學活動進行試教的結果，學生普遍 覺得有趣且容易理解。更重要的是，以往教 學進度到此相關單元時，因為傳統講述教學 模式的關係，學生通常較為沉默而顯得死氣 沉沉，但教師在實際執行此教學活動之後， 均認為學生經由動手操作與討論的過程中表 現出熱烈的反應，教室學習氣氛也變的活潑 起來。 研究者於九十四學年度時曾擔任中部某 國中之自然科教師，並利用暑假為三年級學 生進行理化科複習課程之期間，檢視本教學 活動設計之施行效果。從前測發現，多數學 生在粒子觀點概念方面的學習成就表現不甚 理想；但藉由此教學活動之進行，從後測和 6 周後的延宕測驗的結果發現，學生普遍能 達到教學目標，亦即學生能學習到有關粒子 概念的基本知識，相當程度地證明本教學活 動設計可有效解決大部分有關前述文獻所提 及之問題。 以下即另外就本教學設計中各個活動試 教之結果與建議，作進一步的敘述： 活動一：開始時先讓同學預測，可以增 加學生對於實際切割結果之震撼感。教師可 以利用切塊示意圖(如圖 1)，使學生容易了解 切一刀等於 2 塊(21 )、切兩刀等於 4 塊(22 = 4)…的原因。讓學生把切完的小塊依序黏貼 在黑色或深色紙板上，如圖 2，可以讓「顆 粒」的感覺更為強烈。最後，針對嘗試多種材料的結果，橡皮擦可能會是不錯的選擇， 不過因為馬鈴薯可以溶解於水中，較符合下 一個活動之需要，當然各有優缺點，教師可 針對不同需要自由選擇。 活動二：試圖延續活動一的固體顆粒觀 點，從固體顆粒提升至液體顆粒之概念，因 此挑選容易溶解的粉末便是首要的考量。在 試用過幾種食用色素之後，傳統雜貨店所販 售的紅色色素粉：紅花米溶解時所呈現出的 視覺效果最為良好。除此之外，粉末溶解時 會有過重而迅速沉澱的問題。試驗結果發 現，若想呈現較佳的溶解視覺效果，最好可 以讓粉末可以藉由水的表面張力漂浮在水面 上。因此在加入少許粉末前可以事先將其研 磨過，實驗結果如圖 3。 活動三：需要表現出固體溶解擴散和液 體擴散的差異，因固體的紅花米實際上屬混 合物，因此，以化合物作為另一項溶液的材 料應是較適當之選擇。一般而言，具顏色且 濃度高的溶液觀察時較容易表現出差異，視 覺效果較好，如圖 4。由於重鉻酸鉀目前屬 管制毒化物，因此教師需要留意廢液的回收 問題，或者以紫色的過錳酸鉀溶液代替重鉻 酸鉀溶液。 活動四：承續液體顆粒的觀點，並作為 發展氣體粒子觀念的中介點。因為有這樣的 特性，所以具氣味的高揮發性液體為適合的 選擇。學生通常會覺得氨水的味道太臭且嗆 鼻，因此香水也是可供替代的素材。 活動五：乃取材自舊版本的經典實驗。 起先看似無異狀的透明管中最後竟出現白色 環狀類似煙霧的物質(NH4Cl)。試教的經驗顯 示學生普遍感到驚奇和有趣，也都能積極去 思考與推論可能的原因，對於無法看見之物 質所可能包含的粒子感覺也相當強烈。根據 教師試用的結果，發現利用空心細玻璃管效 果亦佳。先在空心玻璃管兩端塞入適量的棉 花，再利用針筒將兩溶液分別注入其中，如 圖 5。約過 1~2 分鐘即可觀察到白色煙霧狀 氯化銨的產生，如圖 6。原本工作單中所設 計的大型空心管可用以示範實驗時使用，以 作為實驗器材不足時之替代性策略。
圖 1：切塊示意圖
圖 2：
切塊展示圖 圖 3：相同物質在不同水溫下的擴散狀況 圖 4：不同物質在相同水溫下的擴散狀況圖 5：白色氯化銨煙霧實驗裝置圖 圖 6：白色氯化銨煙霧生成處
伍、討論與結論
本教學活動設計之定位乃在藉由搭橋與 鷹架策略，降低學生從巨觀現象進入微觀抽 象粒子世界的困難度。儘管活動中所使用的 某些觀念在理論上可能有些牽強，如馬鈴 薯、紅花米等屬混合物；重鉻酸鉀、氨、氯 化氫等屬化合物，但並無損其作為粒子呈現 在活動中，而真正起到幫助學生作用之價 值，且相關問題可以藉由之後原子與分子的 教學過程再進行澄清。 本教學設計大多取材自價格低廉、一般 生活中容易取得之材料，經由適當有趣的動 手做任務，讓學生在較輕鬆的情境下學習本 為非常抽象、難以親近粒子概念。學生透過 教師的引導，同儕之間的討論、分工、合作 等良好互動行為，不只學習到基本的科學概 念，也培養了自身的抽象思考、觀察、推論… 等科學過程技能。 另外研究者也發現，教師實施本教學模 組時需要搭配相當程度之合作學習策略，才 能使課室探究活動流暢的進行，否則可能會 使教學情境過於混亂或失去控制，而浪費過 多教學時間以致影響教學進度。參考文獻
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