行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
科學創意教學實驗與教材發展－以國小六年級自然科為例
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計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2511-S-110-001- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學教育研究所 計畫主持人： 鄭英耀 共同主持人： 林煥祥，王文中 計畫參與人員： 顏嘉玲、陳秋蟬、郭旭展、劉昆夏 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 95 年 6 月 1 日
科學創意教學實驗與教材發展－以國小六年級自然科為例
Creative Instruction Experiment and Subject Matter Developmentin Science：Natural Science of Six Grade in Primary School 計畫編號：NSC 94-2511-S-110-001- 執行期限：94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日 主持人：鄭英耀 國立中山大學教育研究所 共同主持人：林煥祥 國立花蓮教育大學科學教育研究所 共同主持人：王文中 國立中正大學心理學系 研究助理：顏嘉玲、陳秋蟬、郭旭展、劉昆夏 一、中文摘要 科展績優教師所開發的科學創意教材能有效應用於自然科教學，提昇學生的 創造力和問題解決能力(鄭英耀、劉昆夏，2005)。本研究延續先前國科會計畫｢ 科學創意教學實驗與教材開發—以國小自然科例｣的研究，進一步開發國小六年 級自然科教材，並舉辦自然科創意教學工作坊，培育創意教學種子教師。創意教 材的開發成員包括七位國小自然科教師，其中有五位教師曾獲五次以上之高雄市 國中小科展第一名，而且七位教師之中有三位是國小教科書的撰述委員，兼具專 業的教材開發能力。
科展績優教師首先根據｢創意思考教學模式｣(Creative Thinking Instruction Model, CTIM)撰寫出三個教案--｢簡單機械｣、｢燃燒｣、｢天氣的變化｣，再經由定 期的聚會討論，加以修正為更完整的教案，以利推廣運用。科展績優教師所開發 之國小自然科創意教材的特色包括：以創意思考教學模式為教材設計的架構、將 學生的生活經驗融入教材作為教師佈置問題情境的主體、以學生合作學習與實際 操作的方式進行教學活動。此創意教材以｢簡單機械｣、｢燃燒｣與｢天氣的變化｣ 三個單元作為教學設計的主題，不僅符合九年一貫自然與生活科技學習領域的能 力指標，亦與坊間各版本教科書的主題相呼應，有利於教育現場實務教學之運 用，以及促進創造力教育之推廣。 關鍵詞：創意思考、教材開發 Abstract
Subject matter in science developed by awarded teachers could be applied to the science teaching effectively and facilitate students’ creativity and problem solving (Cheng & Liu, 2005). Following the previous finding of National Science Council study “Creative Instruction Experiment and Subject Matter Development in
Science：Natural Science in Primary School”, the purpose of present study intended to develop science subject matter of six grade. After finishing subject matter development, teachers training workshop would be launched to share the ideal of creative thinking and to nurture teachers’ ability of designing creative teaching activities. Seven awarded teachers were invited to organize a team of subject matter development in science. The team members included five teachers who had been awarded champion more than five times in science competition in Kaohsiung city and three of seven awarded teachers are writing committee members of science textbook.
Awarded teachers in science develop three units according to Creative Thinking Instruction Model. The team of subject matter development in science discuss regularly. The team members modify three units over and over again to complete subject matter. The results indicate that characteristics of this creative teaching material include: designing frame of subject matter according to creative thinking instruction model; arranging problem situation correspond with life experiences of students; proceeding activities of teaching by cooperative learning and authentic practice. Three units were selected in this subject matter that not only fit in competence indicators of science and technology learning area in 「Grade 1-9 Curriculum」but also correspond to the subjects of science textbooks of popular versions. It is favorable to apply and promote creative teaching in authentic educational fields.
Keywords: creative thinking, teaching material development 二、緣由目的
隨著社會的急速變遷與知識經濟時代的來臨，創新（innovation）已是國家 競爭力的重要指標。Torrance 和 Goff（1989）便指出，創造力是「學習如何學 習」與有效因應變遷和未來教育的核心。因此，教育部於2002 年首開全球先例， 頒布《創造力教育白皮書》，以打造創造力國度(Republic of Creativity, R.O.C.)為 願景，全面推動各級教育之創造力培育工作(教育部，2002)；在 2004 年更是以 「創意台灣、全球布局」作為2005-2008 年的教育施政主軸(教育部，2004)，並 於2005 年全面啟動「地方創造力教育推動計畫」，將創造力教育落實於各縣市及 各級學校的教學現場。可見，創造力已成為當前台灣教育的核心價值。 要成功發展學生的創造力，建立一個有效培養創造力的學習環境是很重要的 （蘇懿生，2003；Peterson, 2002；Cropley, 1997），而教師又是學生學習環境的設 計者，在許多研究中都發現教師的思考與教學行為，會影響學生思考能力的發展 （Barell, 1991；Costa, 1991；Houtz, 1990；Howe, 1996）。孫仲山（1996）也指出， 學校教師在班級教學歷程中所呈現之單元教材內容、教學方法、教學設計與師生 互動式都是直接影響教學品質的關鍵。鄭英耀、王文中（2002）的研究發現，科
展績優教師的創意思考歷程與教學行為有助於學生高層次思考歷程的習得。鄭英 耀、李育嘉（2003）的研究亦發現，科展績優教師的師生互動品質與間接影響行 為皆明顯高於一般教師，而其學生在創造力與問題解決能力上也明顯優於接受一 般教師教學的學生。因此，有系統地將科展績優教師內隱的創意思維，具體轉化 為便於分享的外顯知識(Nonaka & Takeuchi, 1995)，進而開發一套實用的創意思 考教學模式與創意教材，以培育更多具有高度創造力的教師乃是當前推動創造力 教育刻不容緩之務。
然而，培育創造力的最佳教學方法為何呢？Torrance 於 1972 年和 1983 年分 別針對促進創造思考技巧的教學方案進行分析，結果發現創造性問題解決 (Creative Problem Solving, CPS)教學模式是所有教學法當中，提升創造力的最佳 方式（Torrance, 1986）。Scott、Leritz 和 Mumford(2004)以後設分析(meta-analysis) 的方式，分析過去的研究發現，「促進創造思考的訓練」是最被大家所接受並用於 培育創造力的方法。他們的結果亦發現，最有效的創造思考訓練方案似乎都聚焦 於發展創造性問題解決技巧、運用啟發式教學技巧與結合領域的實作練習等方 式。基於此，鄭英耀、王文中、張川木（2003）進一步邀集科展績優教師，成立 國小自然科創意教材發展團隊，希望藉由這些科展績優教師所組成的創意團隊， 透過知識分享平台，將其內隱的創意思維，轉化成具體的教材形式。該團隊經過 17 次的討論與共識建立，依據創造性問題解決(CPS)模式，結合探究式(Inquiry) 教學以及STS(Science/Technology/Society)教學的精神，建構出適用於國小自然與 生 活 科 技 領 域 的 創 意 思 考 教 學 模 式 （Creative Thinking Instruction Model, CTIM）；並依據創意思考教學模式設計出國小五年級自然與生活科技領域之創意 教材。接著再透過創意教學工作坊的舉辦，培訓創意教學種子教師。鄭英耀、王 文中、林煥祥（2005）進一步將科展績優教師所開發完成的創意教材，藉由先前 所培育之種子教師，進行為期10 週的創意教學實驗，並進行實驗後 6 個月的教 學效果追踪。結果發現，接受10 週創造性問題解決教學之學生在圖形創造力、 問題解決能力及自然科學業成就的整體表現皆顯著優於對照組學生；6 個月後的 教學效果追蹤分析發現，實驗組學生在語文創造力的表現明顯優於控制組的學 生。可見，科展績優教師所開發之創意思考教學模式以及教材，透過創意種子教 師的教學實施，有助於提升學生的創造力、問題解決能力與學科成就。 為延續研究者自1998 年至今長期投入科展績優教師之研究成果和國小五年 級自然科創意教材的開發經驗，並呼應我國《創造力教育白皮書》明定各學習階 段之創造力教育政策與措施應相互銜接（教育部，2002）之政策。本研究再次集 結先前開發國小五年級教材之科展績優教師，根據創意思考教學模式(CTIM)， 繼續發展國小六年級自然與生活科技領域之創意教材，一方面提供一套完整的國 小高年級自然與生活科技領域創意教材，以銜接國小升國中的創造力教育，並規 劃於本研究第二年進行創意教學實驗，以檢驗創意教材之教學模式與學生學習成 效是否因教材主題或學生年級的不同而有所差異，以期達推廣創意教學、提升教 育品質與培養學生創造力之目的。
三、研究方法 (一) 研究對象 國小自然科創意教材發展團隊：包括國小科展績優教師與高雄市自然科教學 輔導團等七人。此七位教師(3 男 4 女)皆具有國小自然科豐富的教學實務經驗， 教學年資由15 到 30 年，平均教學年資為 24 年，其中有五位教師曾榮獲五次以 上之高雄市國中小科展第一名，且七位教師之中有三位是國小教科書的撰述委 員，兼具專業的教材開發能力，如表一。 (二) 研究步驟與時程 邀請先前國科會計畫—鄭英耀、王文中、張川木（2003）｢科學創意教學實 驗與教材開發—以國小自然科例｣，開發國小五年級自然科創意教材的科展績優 教師，繼續透過定期的會議研討國小六年級自然與生活科技領域創意教材；依教 材研發成員的專長與興趣，分配編擬單元教材及蒐集相關資料；透過創意教材開 發團隊定期會議，由各主題教案撰寫教師進行教學演示，以及其他團隊成員的交 互檢核，修正教材之內容，詳細期程分述如下﹕ 1.教材開發準備期(2005 年 8 月至 2005 年 10 月) (1)搜集教材開發相關文獻。 (2)調查國小六年級教育現場自然科創意教材之需求。 (3)規劃適當之教材開發方式與進程。 (4)舉辦教學分享與教材設計工作坊，集結創意教學之教案。 2.教材開發工作坊(2005 年 11 月至 2006 年 5 月) (1)建立開發自然科創意教材之共識。 (2)規劃與擬定教材發展時程。 (3)建構教材編寫之架構。 (4)決定教學主題、組成責任單元教材編擬小組。 (5)教材編寫、討論與修正。 (6)教師演示、評估、再修正與確定教材。 3.種子教師培訓(2006 年 6 月至 7 月) (1)創意教材展示與科展績優教師教學演示。 (2)分組討論與創意教案實作。 (3)小組發表、回饋與修正。
四、結果與討論 (一)教材特色
1. 以創意思考教學模式（Creative Thinking Instruction Model, CTIM）為教材設計 架構：本研究的教材設計架構是使用鄭英耀、王文中、張川木（2003）科學 創意教學實驗與教材發展之國科會計畫所開發之創意思考教學模式（Creative Thinking Instruction Model, CTIM），該教學模式分為設計情境、發現問題、 提出假設、設計驗證、解釋結果、及推廣應用等六個階段來進行單元主題內 容的設計。 2. 以學生的生活經驗為主體，設計問題情境引發學生思考：教師以學生的生活 經驗設計情境，並以開放式問題及情境引導學生觀察、發現、討論與探究， 協助學生從主動建構知識的學習過程中，啟發其創造力及問題解決能力。例 如在教學主題—「簡單機械—簡單的施力工具」中，以掛書包遊戲做為引發 問題的情境： 從掛書包遊戲中切入，遊戲後讓同學提出發散或循序問題與想到或遇到的問題，再 針對課程內容的安排作收斂思考，引入到所要探討的主題。 (附錄 1-1：簡單機械—簡單的施力工具，頁 2) 3. 以學生合作學習與實際操作的方式進行教學活動：教學活動以學生分組的方 式進行，包括發現問題、提出假設、設計驗證、解釋結果等階段。例如在教 學主題—「簡單機械—腳踏車」中： 讓學生小組合作利用教具模仿腳踏車的構造，組合兩組輪軸。 請各組討論並利用教具說明腳踏車上輪軸組的構造在何處？ (附錄 1-2：簡單機械—腳踏車，頁 11) (二)教材內容 1.主題挑選配合各版本之內容 在單元挑選方面，考量到必須有利於教育現場實務教學之運用及推廣，所以 須與坊間各版本教科書的主題相呼應，故選取坊間教科書共有的三個單元--｢簡 單機械｣、｢燃燒｣、｢天氣的變化｣。 2.教學目標符合九年一貫能力指標 (1) 簡單機械 2-3-5-3 瞭解力的大小可由形變或運動狀態的改變程度來度量。 2-3-5-4 藉簡單機械的運用知道可由槓桿、皮帶、齒輪、流體等方法來傳動。 2-4-5-7 觀察力的作用與傳動現象，察覺力能引發轉動、移動的效果。 7-3-4-2 察覺許多巧妙的工具，嘗試簡單科學原理的應用。 (2) 燃燒 1-2-4-1 由實驗的資料中整理出規則，提出結果。 1-2-5-1 能運用表格、圖表(如解讀資料及登錄資料) 。
1-3-1-1 能依規劃的實驗步驟來執行操作 1-3-3-1 實驗時，確認相關的變因，做操控運作 2-3-1-1 提出問題、研商處理問題的策略、學習操控變因、觀察事象的變化並推測可能的因 果關係。學習資料整理、設計表格、圖表來表示資料。學習由變量與應變量之間相 應的情形，提出假設或做出合理的解釋 2-3-3-2 探討氧及二氧化碳的性質；氧的製造、燃燒之了解、氧化(生銹等)，二氧化碳的製造、 溶於水的特性、空氣污染等現象 5-2-1-2 能由探討活動獲得發現和新的認知，培養出信心及樂趣。 6-2-3-1 養成主動參與工作的習慣。 (3) 天氣的變化 2-3-4-2 認識天氣圖上的高、低氣壓線、鋒面。觀察（資料蒐集）一個颱風的興衰 2-3-4-3 知道溫度高低不同，使水的形態改變，是形成霜、露、雲、雨、雪的原因。 2-3-4-4 知道生活環境中的大氣、大地與水，及它們之間的交互作用。 3.教學活動設計依據學生思考學習架構 本創意教材之教學活動設計以引發學生思考、促進科學探究與問題解決為主 要目的。整個教學活動的進行，包括教師的創意與學生的創意兩部分，前者即是 由教師依據學生的生活經驗，設計有趣的問題情境；後者為學生在教師適時的引 導下，透過分組討論與發表的方式，從問題情境中發現問題、提出可能的假設、 設計實驗驗證假設、解釋實驗結果以及應用結果於日常生活中。以教學主題―「天 氣的變化」為例，教學流程的設計共分為「善變的水」、「雲霧DIY」、「露霜DIY」、 ｢奶茶冰棒DIY｣、｢空氣的對流｣、｢天氣變變變｣以及「小小氣象主播」七個小活 動，並依據每個活動的教學目的，設計不同的思考學習階段，以引導學生進行有 系統的科學探究，請見附錄教案--「天氣的變化」所依據的思考學習架構。 (三) 教材內容討論 在此以教學主題「腳踏車」為例，進行教案分析、討論。本教學主題之教學 流程設計主要分為「腳踏車是雙輪軸組合的運用」、「鏈條能把前組輪軸的力傳到 後組輪軸上」與「雙輪軸組變!變!變!」三個小活動，依據每個活動不同的教學目 的設計不同的思考學習階段，幫助學生進行有系統的科學探究(詳見附錄)。以下 便依據創意思考教學模式依序說明如下： 活動一「腳踏車是雙輪軸組合的運用」： 藉由騎腳踏活動中，探討腳踏車上有哪些構造讓它成為可以動的交通工具。 藉由騎腳踏車的活動引發學生觀察腳踏車上有哪些構造，並推測那些構造有何用途? 請大家騎腳踏車時想一想，腳踏車為什麼會動？腳踩在腳踏板上，為什麼是後輪在 動呢？還沒輪到騎腳踏車的人可以先觀察腳踏車上有哪些構造……等。 (附錄 1-2：簡單機械—腳踏車，頁 10) 在「設計情境」部分，此處教師透過日常熟悉之騎腳踏車活動，以學生生活
經驗為出發點，藉由營造開放、安全及自由的氣氛，引發學生之學習興趣，並引 導學生對腳踏車之構造進行觀察(例如：腳踏車上有哪些齒輪與輪軸的構造？輪 軸間需藉助什麼來進行力量的傳動？)。透過開放性的問題引導，讓學生對問題 產生發散性的思考，引發學生主動「發現問題」，再協助學生歸納出主要問題。 在發現問題的過程中，特別強調教師必須要能接受、容忍學生各種不同的想法及 不急於下判斷(Cropley, 1997)。另外對於學生所產出的不平凡的想法和回答也要 給予支持及鼓勵。接著引導學生「提出假設」並利用輪軸組的實物操作及小組合 作的方式，讓學生自行設計實驗，「驗證」假設，以發表的方式分享不同的設計， 並以小組討論的方式歸納實驗結果，進行「結果解釋」。 活動二「鏈條能把前組輪軸的力傳到後組輪軸上」： 討論如何讓兩組輪軸同時走動 (附錄 1-2：簡單機械—腳踏車，頁 11) 延續著活動一的教學，在活動二中則是透過教具的輔助，讓小組發揮創思， 設法使兩組輪軸轉動，再以實品的呈現向大家解說自己的創意連結方式。 活動三「雙輪軸組變！變！變！」： 討論如何改變輪軸組，使它可以省力或在駛後可以使輪軸轉快一點 挑戰如何施力在輪軸上，會比較省力或轉動的比較快呢？ (附錄 1-2：簡單機械—腳踏車，頁 12) 透過小組的共同合作組合改變輪軸組讓學生了解輪軸省力、費力的概念。並 且將學生原有之迷思概念(腳踏車是省力工具)與之對照，此時教師製造了衝突情 境。當問題結果與學生原有概念相悖時，對學生而言不但能促進學生思考，其所 產生的學習經驗也會更加深刻，在此即運用了Williams（1970）在認知與情意創 造思考教學模式中所介紹的教學策略—矛盾法，透過提出一些模糊的事實概念， 讓學生發現一般我們認為對的概念，並不一定完全正確。最後在透過下述之教學 活動，針對腳踏車主題進行「推廣運用」。 1. 請大家就先前的學習經驗，說說看：當我們想讓小朋友騎的腳踏車，(他嬌小、 無力、又不容易控制)，要讓他騎哪一種腳踏車呢？ 2. 相信大家都看過變速車，你可成想過：在平地時要調到哪裡？爬山時又要調到哪 裡呢？ (附錄 1-2：簡單機械—腳踏車，頁 13) 透過以上的活動設計，期望學生能將改變後雙輪軸組的特性應用於生活中的 腳踏車上，引導學生將腳踏車的學習結果與過去之生活事件或學習經驗相連結並 能運用至生活中解決生活中的問題。
(四)綜合討論
本研究自 94 年 11 月至 95 年 5 月止，由七位科展績優教師所組成之創意教 材研發團隊透過為期七個月的定期聚會，形成一個自我組織小組(self-organizing) 並以團體腦力激盪的方式透過知識社群(community of knowledge)分享彼此內隱 的知識，以產生新觀念的方式將內隱知識轉換成易於分享傳播的外顯知識 （Nonaka & Takeuchi, 1995/1997），研發出三份教案—｢簡單的施力工具｣、｢燃燒 ｣與｢天氣的變化｣。而另外為了彌補靜態教材所能呈現創意的侷限性，教師們亦 透過實際的教學演練示範將無法具體化的隱性知識加以呈現討論，以豐富教案內 容的完整性。 此外，科展績優教師所開發之國小自然科創意教材的特色包括：以創意思考 教學模式為教材設計的架構、以學生的生活經驗作為教師佈置問題情境的主體、 以學生合作學習與實際操作的方式進行教學活動。不僅符合九年一貫自然與生活 科技學習領域的能力指標，亦與坊間各版本教科書的主題相呼應，有利於教育現 場實務教學之運用，以及促進創造力教育之推廣。 五、計畫成果自評 本研究為二年期之計畫，此為第一年之研究成果，基本上，本研究小組乃依 循原先的研究計畫--｢科學創意教學實驗與教材開發—以國小自然科例｣，邀集科 展績優教師以及教材開發專家，完成國小自然科創意教材之開發。預計六月底透 過創意教學工作坊的方式，完成種子教師之培訓。此外，先前有關國小五年級創 意教材開發之研究結果亦已發表於國內外學術研討會，包括在 2005 年 8 月 12 日彰化師範大學舉辦的「培養新世紀的國民」學術研討會發表｢創造性問題解決 教學效果之研究─以國小自然科為例｣以及｢創意思考教學模式之建構─以科展績 優教師為例｣二篇。並於 2005 年 1 月 4-7 日美國夏威夷舉辦的 3rd Hawaii International Conference on Education poster ”The effect of the development of innovative science teaching material on instruction in elementary schools.”以及 ”A study of creativity and problem solving competence of elementary school pupils in Taiwan.”二篇，可謂成果豐碩，所有研究內容，預計未來繼續改寫投稿至學術期 刊。 本研究團隊將會持續努力投入創造力教育的推廣，希冀提供一套完整的國小 高年級自然與生活科技領域創意教材，以銜接國小升國中的創造力教育，未來的 研究將辦理工作坊推動創意教學理念，並且深入教室，觀察種子教師實施此創意 思考教學的情況，作為創意教材精緻化的參考，並透過嚴謹的教學實驗，比較接 受種子教師與非種子教師教學的學生，在創造力、問題解決能力與學業成就上的 差異，作為此創意教材之有效教學的依據。
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表一 國小自然科創意教材發展團隊 成員 任教 年資 學歷 經歷 何夏枝老師 27 ●國立高雄師範大學 數學教育研究所結 業 ●高雄市大同國小教師 ●高雄市國教輔導團自然科輔導員 ●國小教科書撰述委員 ●榮獲高雄市國中小科展第一名18 次 ●榮獲全國國中小科展第一名6 次 吳紫雲老師 18 ●國立高雄師範大學 化學系畢業 ●高雄市四維國小教師 ●高雄市國教輔導團自然科輔導員 ●國小教科書撰述委員 ●榮獲第40 屆高雄市國中小科展第二名 曾秀玉老師 21 ●國立高雄師範大學 數學教育研究所結 業 ●高雄市大同國小教師 ●高雄市國教輔導團自然科輔導員 ●國小教科書撰述委員 ●共榮獲10 次高雄市國中小科展第一名、6 次 全國國中小科展第一名 萬家睿老師 28 ●國立高雄師範大學 英語系畢業 ●高雄市新上國小教師 ●高雄市國教輔導團自然科輔導員 ●教育部九年一貫模組教學設計特優 ●共榮獲四次全國國中小科展第二名榮獲7 次 高雄市國中小科展第一名 葉安琦老師 23 ●國立高雄師範大學 科學教育研究所畢 業 ●高雄市愛國國小教師 ●高雄市國教輔導團自然科輔導員 ●共榮獲9 次高雄市國中小科展第一名、3 次全 國國中小科展第一名、兩次全國科展第二名 謝惠聰老師 30 ●國立屏東師範學院 畢業 ●國立高雄師範大學 數學教育研究所結 業 ●國立中山大學教育 研究所進修中 ●高雄市信義國小教師 ●高雄市國教輔導團外聘講師 ●共榮獲10 次高雄市國中小科展第一名、全國 國中小科展第一、二、三名各2 次 ●榮獲2004 年日本世界青少年發明獎台灣區優 等第一名並在日本榮獲大會傑出獎 ●榮獲94 學年度高雄市特殊優良教師-師鐸獎 魏汎百老師 15 ●國立台北師範學院 初等教育學系畢業 ●高雄市大同國小教師 ●榮獲第42 屆全國國中小科展第三名 ●92 年台南市國中小科展評審
附錄 1-1 簡單機械—簡單施力工具
簡單的施力工具
一、單元目標 （一）由背書包遊戲解槓桿原理。 （二）以實驗方式來解釋槓桿原理的省力與費力。 （三）各種的滑輪與輪軸的應用工具，經過觀察分析、測量、實驗，發現它們都 是槓桿原理的應用。 （四）由槓桿原理進一步應用在腳踏車上：實際操作齒輪組的模型，指出齒輪組 上或加上鏈條的齒輪組有哪些功能。 二、能力指標 2-3-5-3 瞭解力的大小可由形變或運動狀態的改變程度來度量。 2-3-5-4 藉簡單機械的運用知道可由槓桿、皮帶、齒輪、流體等方法來傳動。 2-4-5-7 觀察力的作用與傳動現象，察覺力能引發轉動、移動的效果。 7-3-4-2 察覺許多巧妙的工具，常是簡單科學原理的應用。 三、教學時間：320 分鐘 四、教材分析 （一）適用對象：國小五、六年級 （二）學生已有的學習基礎： 一年級：風車與水車轉動了。 三年級：力的大小和方向。 四年級：測量力的大小，風與風箏 已有力的大小概念做為本單元之學習基礎。 （三）本單元的科學概念如下： 1.施力的大小可以由彈簧秤指出的力度來表示。 2.工具在工作時有一固定不的支點，此類工具的工作原理稱為槓桿原理。 3. 槓桿原理：施力臂大於抗力臂時會省力，反之費力。 4.滑輪、輪軸都是槓桿的應用。五、教學指導要領 教學 流程 思考 階段 教 學 活 動 教學 資源 學習 目標 課程 分析 注意 事項 利 用 掛 書 包 遊 戲 來 感 受「槓 桿 原 理」。由 實 際 操 作 ， 發 表 實 驗 發現 設 計 情境 活動一：簡易翹翹板--掛書包遊戲書 包離肩膀距離不同時的感受： ◎全班同學兩人一組，第一位同學把 棍子挑在肩上，一端以雙手重壓住棍 子，第二位小朋友把書包掛在棍子的 另一端，並且移動書包所掛的位置， 棍子都要平衡，感受雙手所施的力 量。 兩人互換再做一次。 ◎針對學生施力的情形做發散或循 序思考。 1.書包掛在另一端，你的手要不要施 力？ 2.書包離肩膀距離不同時，你施力的 感覺會相同嗎？ 3.你手握棍子不同位置，施力大小感 覺也不同嗎？ 喔 ！ 這 個 遊 戲 跟 槓 桿 原 理 有 關 係 嗎？ 老師整理全班小朋友的意見引入「槓 桿原理」。與學生共同指出肩膀就是 雙手握住的地方、書包掛的位置有關 的專有名詞—支點、施力、抗力點 點。 小朋友可不可以再用簡易翹翹板來 說明？ 書包 棍子 1-1 能 體驗並 能說出 書包離 肩膀不 同距離 時感受 ◎遊戲後 讓同學提 出發散或 循序問題 與想到或 遇到的問 題（學生 創意），再 針對課程 內容的安 排作收斂 思考，引 入到所要 探討的主 題（老師 創意）。 ◎ 由 同 學 操 作 當 中 來 體驗，如 何 施 力 使 兩 端 平衡，用 掛 書 包 的 活 動 來 引 導 切入「槓 桿 關 係」。 ◎ 專 有 名詞：肩 膀 就 是 支點 ，雙手握 住 的 地 方 是 施 力點，書 包 掛 的 位 置 是 抗 力 點。 利 用 模 型 操 作 瞭 解 施 力 臂 、 抗 力 臂 與 「 槓 桿 原 理 」 關 發 現 問題 提 出 假設 設 計 ◎學生討論決定要探討的問題。 為什麼書包距離肩膀遠近、雙手的施 力就會有大小不同？ ◎老師針提出問題，引導小朋友做最 核心的假設： 雙手握住棍子的定點，書包愈接近肩 膀，雙手施力的情形如何？ ◎小朋友用直尺放在鉛筆上做翹翹 直尺 鉛筆 橡皮 擦 1-2 能 利用模 型 操 作，來 說出掛 書包遊 戲的原 理。 ◎ 鼓 勵 學 生 針 對 問 題 思考，推 想 其 原 因，進而 做 出 適 當 的 假
係。 驗證 解 釋 資料 板模型，模擬書包遊戲的情境： 小朋友手指固定壓在尺的一端，橡皮 擦放在另一端，並且由遠端向支點推 進，感覺手指的用力是否愈來愈輕或 重？ ◎所以書包距離肩膀愈近時，施力較 少，為什麼？ ◎學生討論後順勢引出主要探討問 題。 1.書包距離肩膀愈近則施力是否愈 小？反之則反。 2.雙手握的棍子距離肩膀愈近則施力 是否愈大？反之則反。 ◎由小朋友已知施力點、支點、抗力 點又引導到施力臂、抗力臂這些「槓 桿關係」是否就是「槓桿原理」？ 第一節結束 設。 尋 求 槓 桿 原 理 「 力 」 的 呈 現 方式。 物 重 多 少 ， 可 以 用 彈 簧 秤 來 測量。 發現 問題 提出 假設 設計 驗證 活動二：槓桿原理「力」的呈現。 ◎槓桿作用中手下壓，與掛上書包， 可以觀察槓桿原理「力」的呈現方式 嗎？我們如何知道手所用的力量的 大小？ ◎小朋友你曾經看過人家利用過什 麼來測量力的大小？我們曾經利用 彈簧秤、砝碼、橡皮筋等等來測量 過，力的大小？(注意事項) ◎小朋友可不可以利用有洞的尺（桿 子）模擬翹翹板方式，掛砝碼與彈簧 秤來測定力的大小？ ◎以有洞塑膠尺、彈簧秤、蝴蝶釘、 紙板、繩子和砝碼等器材自行創作組 有洞 塑膠 尺、 彈簧 秤、 蝴蝶 釘、 紙 板、 繩子 和砝 碼。 2-1 能 實驗出 槓桿原 理「力」 的呈現 方式。 2-2 能 用力矩 方式來 呈現力 的大小 ◎引導學 生的創 意，用舊 經驗測量 力方法， 例如彈簧 秤、砝 碼、橡皮 筋等等。 來結合， 「力」 的呈現 方式。 ◎ 經 活 動 一 之 後，小朋 友 如 何 使 所 用 的力，可 以 用 數 據 呈 現 出來。 ◎ 支 點 不 在 中 間 也 是 槓 桿 原 理，勿讓
合。(老師與學生共同討論) 1.可不可以有不同呈現方式？ 2.如何呈現「力」的方式？（珍珠板 上畫力矩圓圈線與所拉的弧形，表現 會不會更明確？） 小 朋 友 有 迷 失 概念。 喔！原來有這幾種？ 支點在中間 支點在旁邊 由學生自由懸掛與測量，能歸納並說 出理由。 3.小朋友做完施力臂＞抗力臂時，施 力的大小為何(是省力或費力)？ 施力臂＜抗力臂時，施力的大小為何 (是省力或費力)？ ◎依實驗結果可由小朋友說明槓桿 的省力和費力原則。 ◎創意： 圓圈的大 小代表力 臂大小。 弧線長短 施力程 度。 ◎ 如 何 讓 小 朋 友 有 具 體 呈 現 力 的 大 小。 設 計 用 彈 簧 秤 實 測 槓 桿 作 用 ， 並 能 說 明 省 力 與 費 力 情 形。 解 釋 資料 ◎從實驗的結果(彈簧秤數據)來解釋 書包省力費力的情形： 施力臂＞抗力臂時(手下壓的力量)是 否省力？ 施力臂＜抗力臂時(當書包往後移時) 是否費力？ ◎由此實驗也可知道： 用手拉動的距離〈施力點移動距離〉 大於物體拉動的距離〈抗力點移動距 離〉時是否省力？ ◎用手拉動的距離小於物體被拉動 2-3 能 說出實 驗結果 ◎ 整 理 小 朋 友 實 驗 結 果： （1）施 力 臂 與 抗 力 臂 長 短 來 說明。 （2）手 拉 動 重
的距離時是否費力？ 物 的 距 離 來 說 明。 因 為 兩 者 都 由 實 驗 結 果 解 讀 出來。 研討符 合槓桿 作用生 活中的 用具 。 推 廣 應用 ◎試試看符合槓桿作用的日常使用 工具：剪刀、老虎鉗、開瓶器、剪指 甲刀、夾子、扳手、定滑輪、動滑輪， 它們是否省力？ 大家試完後發表省力的原因？ 為什麼不省力用具我們還會用它？ 第二節結束 剪 刀、 老虎 鉗、 開瓶 器、 剪指 甲 刀、 夾 子、 扳 手、 定滑 輪、 動滑 輪 2-4 能說出 生活中 的用具 哪些符 合槓桿 作用。 ◎ 哪 些 屬 於 省 力 用 具。 哪 些 不 屬 於 省 力 用 具。 探 討 滑 輪 的 功 用。 設 計 情境 活動三：滑輪運用 ◎大家觀察吊車的定滑輪、動滑輪吊 重物上下高樓的圖片，找出定滑輪與 動滑輪。 老師依據吊車吊重物，拉重物上升的 滑輪結構，提出疑問。 1.把東西搬上高樓時用哪些工具？ 2.這些滑輪有甚麼特別的作用？ 3.支點在哪裡？ 小朋友發表見解，老師整理學生見解 後，引入所要的問題： 吊車 圖片 定滑 輪、 動滑 輪 3-1 能 說出滑 輪的功 用 ◎ 從 吊 車 吊 重 物 上 下 高 樓 的 圖 片 中，找出 定 滑 輪 與 動 滑 輪，它通 通 稱 滑 輪。 ◎ 除 了 兩 個 滑 輪 不 同 外 還 有 甚 麼 不
同 ？ 老 師 繼 續 追問。 找 出 定 滑 輪 、 動 滑 輪 的用處 發 現 問題 提 出 假設 設 計 驗證 ◎吊車為什麼使用定滑輪、動滑輪能 將重物吊上或下高樓？ 請小朋友依滑輪用途提出看法： ◎請問小朋友，並請小朋友提出假設 1.甚麼是定滑輪？省不省力？可不可 以改變方向？ 2.甚麼是動滑輪可不可以省力？可不 可改變方向？ 3.滑輪組可不可省力？可否改變用力 方向？ ◎請小朋友把用支架、滑輪、砝碼、 彈簧秤、細繩等分別研究、裝置不同 的三種滑輪。 1.如何裝置？ 2.如何測量三者的施力方向、施力多 少、手拉動的距離和物體移動的距 離？ 請小朋友操作。 支 架、 滑 輪、 砝 碼、 彈簧 秤、 細繩 3-2 能 找出各 種滑輪 的功能 ◎ 以 彈 簧 秤 顯 示 的 刻 度 與 所 掛 的 重 量 來 比 較 可 知 省 力 否。 所 拉 的 方 向 與 重 物 移 動 方 向 就 可 知 有 否 改 變 用 力 方向。 實 作 結 果 證 實 定 滑 輪 、 動 滑 輪 、 滑 輪 組 功能 1.定滑輪 2.動滑輪 定滑 輪 動滑 輪 3-3 能 架勢出 定、動 滑輪、 滑輪組 ◎ 定 滑 輪 拉 重 物 時 ，在滑輪 的 另 一 邊 須 用 多少力 ？ 實 驗 部 步 驟 如 何 進 行： 1 用 彈 簧 秤 稱 重物，記 下 刻 度。
2. 再 記 下 彈 簧 秤 拉 動 彈 簧 秤 的 刻 度。 3.滑輪組 滑輪 組 3. 比 較 重 物 的 重量，與 在 彈 簧 秤 上 用 力 的 情 形。 設 計 滑 輪 實 驗 並 能 說 明 省 力 與 費 力 情形。 解 釋 資料 小朋友根據操作後的數據發表滑輪 的作能： ◎定滑輪 可 否 改 變 方 向 〈 向 下 拉 物 體 向 上 移〉。省不省力。（用力拉的距離等於 物體上升的距離）？ ◎動滑輪 可不可改變方向？〈向上拉物體向上 移，向上拉的距離是物體上升距離的 兩倍，拉的力是物體重量的一半此物 重包括動滑輪本身的重量〉。省不省 力？ ◎滑輪組 可不可以改變用力方向？〈向下拉物 體向上移，向下拉的距離是物體上升 距離的兩倍，拉的力是物體重量的一 半 ， 此 物 重 包 括 動 滑 輪 本 身 的 重 量〉。省不省力？ 3-4 能 發表各 種滑輪 的功能 ◎ 動 滑 輪 手 向 上 拉 動 的距離 ，與重物 上 升 的 距 離 實 驗 進 行： 1.將尺 固定在 滑輪旁 邊。 2.量出 繩子向 上拉動 距離與 重物上 升距 離。 ◎ 滑 輪 組 結 合 定
滑 輪 和 動 滑 輪 但 施 力 朝下。 研討符 合生活 中的用 具 推 廣 應用 ◎小朋友：電動扶梯、升降機、塔式 起重機是不是滑輪的運用？ 第三節結束 思 考 回 答 日 常 使 用 工 具 還 有 哪 些？ 看 誰 轉 得動？ 設 計 情境 活動四：輪軸的應用 大家來玩輪軸遊戲： ◎請兩位身材差不多的小朋友徒手 分握球棒兩端，朝不同方向扭轉，誰 比較容易轉動球棒？ 問：球棒較粗的一端較容易轉動或較 不意轉動（省力或費力）？ ◎大家試用有柄螺絲起子與無柄螺 絲起子轉螺絲釘。 1.有柄螺絲起子或無柄螺絲起子較易 轉動？ 2.以上兩遊戲原理是否相同？ 球棒 有柄 螺絲 起 子、 無柄 螺絲 起子 轉螺 絲 釘。 4-1 能 分辨輪 與軸關 係。 ◎輪與軸 關係可由 球 棒 粗 細、有柄 螺絲起子 與無柄螺 絲起子轉 螺絲釘操 作 來 感 受。 ◎ 輪 軸 因 在 外 圈 的 大 輪 和 中 央 的 軸 是 一 體 所 以 是 同 步 轉 動。勿讓 小 朋 友 有 迷 失 概念。 輪 與 軸 轉 動 距 離 不 同 與 施 力 臂關係 發 現 問題 提 出 假設 設 計 驗證 ◎為什麼握粗的一端較容易轉動球 棒？ 請小朋友思考討論回答： ◎老師與小朋友一起歸納並提出假 設： 球棒的粗端較容易轉動細端，也就是 大輪較易轉動小輪，是否輪較容易轉 動軸？ 是不是就是槓桿原理的施、抗力臂的 關係？ ◎請小朋友設計實驗：用輪軸、砝碼 彈簧秤、尺、細線等 1.如何組成輪軸井中取水實驗裝置 (加菲貓)？ 2.當物體掛在軸上，手拉輪用力的情 形如何？並比較手拉動的距離與物 輪 軸、 砝 碼、 彈簧 秤、 尺、 細線 4-2 能 說出輪 軸的傳 動方 式，輪 與軸轉 動距離 不同。 4-3 能 用力的 距離和 物體移 動的距 離來比 ◎ 提 醒：常常 看 到 電 視 演 出 古 代 利 用 輪 軸 井 中 取 水 的 情 形。 ◎ 拿 尺 放 在 輪 軸 實 驗 裝 置 後 方，測量 砝 碼 和
體移動的距離？ 3.當物體掛在輪上，手拉軸的用力情 形如何？並比較手拉動的距離與物 體移動的距離？ 4.輪和軸同步轉動，輪轉一圈的距離 大於軸轉一圈的距離，輪轉動軸，會 不會省力？反過來呢？ 較，解 說輪軸 省力原 理。 彈 簧 秤 （ 手 拉 動距離） 移 動 距 離。 輪 軸 原 理 和 槓 桿 原 理 的關係 解釋 資料 ◎做完大圈輪軸帶動小圈輪軸後， 再做小圈輪軸帶動大圈輪軸，小朋友 發現甚麼？ ◎用槓桿原理來解釋輪軸省力費力 的情形(是輪帶軸或軸帶輪)？ 4-4 能 說出輪 軸省力 原因。 輪 與 軸 關 係 可 由 球 棒 粗細、有 柄 螺 絲 起 子 與 無 柄 螺 絲 起 子 轉 螺 絲 釘 到 井 中 取 水 都 是 輪 軸 省 力 原理。 研 究 日 常 生 活 中 ， 輪 軸 應 用 實例 推廣 應用 ◎小朋友日常使用輪軸原理的工具 有哪些？ ◎小朋友日常使用工具有些輪帶動 軸外，有哪些軸帶動輪？ 第四節結束 4-5 能 說出輪 軸在日 常生活 用途。 ◎ 電 扇、旋轉 木馬。門 把、水龍 頭、駕駛 盤、削鉛 筆機、喇 叭鎖。
附錄 1-2 簡單機械—腳踏車
腳踏車
一、設計理念： 上腳踏車構造時，發現學生經過半年的時間，已經忘了槓桿和輪軸是怎麼回事？倒是 很能朗朗上口大輪帶小輪是省力，小輪帶大輪是費力，在腳踏車上似乎看得到大輪帶小輪， 發現竟有 90%以上的人發現腳踏車上大齒輪帶小齒輪走，是大輪帶小輪，是省力的構造， 他們幾乎只察覺到大輪帶小輪，不管它是不是輪軸構造，因此今年設計課程時，特別著重 對輪軸與齒輪的區別，探討完輪軸與齒輪的關係與特色，腳踏車的問題也迎刃而解了。為 了讓學生學習活潑有創意達到教學目標，「腳踏車」單元教材設計理念如下： (一) 為了讓學生在學習過程中能夠培養其「創意思考」及「問題解決」之能力，本教材 以「思考學習環」及「創意思考教學」之教學模式進行設計教學。 (二) 透過其腳踏車、齒輪教具的操作，激發學習動機並引發學習問題。 (三) 利用腳踏車發展史引領學生的好奇，並以實際操作實驗方式突破時空的限制，激發 學生的興趣來進行教學。 二、單元目標： ＊能明確分辨輪軸與齒輪組的差異性。 ＊能理解透過實驗理解齒輪組因增加鏈條後，造成前後齒輪轉動方向方相同。 ＊能比對齒輪大小證明腳踏車是一種費力省時的工具。 三、教學時間: 5 節 四、教學對象：高年級 五、能力指標： 2-3-5-3 了解力的大小可由形變或運動狀態的程度來度量。 2-3-5-4 藉由簡單機械的運用知道力可由槓桿、皮帶、齒輪、流體(壓力)等方法來傳動。 六、教學指導要領： 教學 流程 思考 階段 教 學 活 動 學習目標 注意事項 教學資源 情境 設計 活動一：腳踏車是雙輪軸組合的應用 1. 小朋友！騎腳踏車快又方便，我們來 觀察它的構造，是不是很眼熟？我們 剛學完滑輪與輪軸， 觀察看看，它的結構 像哪一種呢？ 2. 在哪裡？怎麼組合？ 1-1 能 觀 察 並 說 出 腳 踏 車 上 有 齒 輪 與 輪 軸的構造 由騎腳踏活 動中，探討 腳踏車上有 哪些構造讓 它成為可以 動的交通工 具。 發現 問題 3. 腳踏板帶動齒輪是一組輪軸，小齒輪 帶動後車輪，也是組輪軸 1-2 能 觀 察 出 兩 組 單 獨 的 輪 軸，需要藉助 鏈 條 來 傳 動 此 刻 最 好 準 備 腳 踏 車 讓 小 朋 友騎，以生動教 學。 （同時製作 ppt 附 有 腳 踏 車 構 造圖片的，於進 行 教 學 共 同 討 論使用）提出 假設 4. 腳踏車上有兩組輪軸組 力量 設計 驗證 1.利用這些教具，你 會模仿腳踏車的構 造，組合出兩組輪軸 嗎？ 資料 解釋 1. 請各組小朋友上台簡介實驗設計。 2. 請各組討論並利用教具說明腳踏車上 輪軸組的構造在何處？ 3. 教師進行歸納： @輪軸是由兩個不一樣大的輪與軸緊緊 連結在一起，同時轉動的構造。 @腳踏車上有兩組輪軸的構造 1-3 能 比 較 兩 組 輪 軸 以 鏈 條 或 齒 輪 來 帶 動時之差異 學 生 設 計 實 驗 時，可提醒騎腳 踏 車 上 哪 裡 有 輪 軸 ， 怎 麼 組 裝？ 記 錄 時 請 將 實 驗 器 材 裝 置 畫 出來，並註明哪 裏是輪軸組，如 何 使 兩 組 輪 軸 動 呢 ？ 以 圖 片 畫出，方便解釋 資料。。 提出 假設 活動二：鏈條能把前組輪軸的力傳到後組 輪軸上。 1. 小朋友！看腳踏車上的兩組分開輪 軸，它們兩個是靠什麼來傳動力量的 呢？ 2. 看起來應該是鏈條，難道只有鏈條使 這兩組輪軸轉動嗎？ 討論如何讓 兩組輪軸同 時走動呢？ 設計 驗證 3.我們再組合看看，試試看哪些方法可以 使兩組輪軸轉動呢？ 2-1 能透過觀 察 腳 踏 車 轉 動的方式，聯 想 使 兩 組 輪 軸的方法。 2-2 能利用教 具 組 合 輪 軸 組。 2-3 能與同學 @ 本 活 動 可 與 活 動 一 相 連 貫，同時做完。 @活動中，讓小 組發揮創思，設 法 使 兩 組 輪 軸 轉動，再以作出 的 實 品 像 大 家 解 說 自 己 的 創 意連結方式。
資料 解釋 2. 請各組小朋友上台簡單介紹實驗設計 及結果。 3. 要使兩個輪軸組同時運動的方式有： @利用鍊條：兩組輪軸轉動方向相同， 而且可以拉大兩者的距離。 @利用橡皮筋(繩圈)：兩組輪軸轉動方 向相同，而且可以拉大兩者 的距離。 @利用齒輪的溝槽：齒與齒緊緊相扣可 以帶動另一組輪軸上，但是 兩組輪軸運動方向相反，且 兩組的距離必須很接近。 合 作 完 成 使 輪 軸 轉 動 的 結構。 2-4 能利用實 物 解 說 輪 軸 組 轉 動 的 方 式。 提出 假設 活動三：雙輪軸組變!變!變! 1. 小朋友！學會了怎麼組合雙輪軸組， 今天讓我們挑戰如何施力在輪軸上， 會比較省力或轉動的比較快呢? 2. 還記得你學過的輪軸組，大輪帶小輪 是省力的，小輪帶大輪是費力的。 3. 你們認為該怎麼調整雙輪軸組的大小 來做個省力的組合呢？ 設計 驗證 1. 利用雙輪軸組不同的組合試試看， 怎樣可以做到省力的組合？ 2. 怎樣又可以組合使後輪軸轉速快的 方法呢 ? 3. 把想到並組合好的作法畫在白板 上，並寫下組合後的好處(例如： 省 力….)也寫下壞處(例如：慢…) 4. 這種組合最適合設計在那兒呢？ 5. 發表小組的想法和大家分享 討論如何改 變雙輪軸 組，使它可 以省力或駛 後輪軸可以 快轉一點 資料 解釋 1. 請各組發表 2. 教師進行歸納： @前齒輪大後齒輪小，可使後輪轉動 得較快。 @前齒輪和後齒輪等大時，前輪踩一 圈，後輪轉一圈。 @前齒輪小後齒輪大，前輪轉一圈後 輪轉比一圈少，後輪轉得較慢。 3-1 能利用輪 軸 的 大 輪 帶 小省力，小輪 帶 大 輪 費 力 的概念，改變 雙輪軸組。 3-2 能正確的 解 釋 改 變 後 雙 輪 軸 組 的 特性。 @ 本 活 動 也 必 須 由 小 組 共 同 合作完成。 @ 教 師 可 利 用 此 時 複 習 輪 軸 的概念，或以圖 片 讓 學 生 恢 復 記憶。 @ 至 於 如 何 判 斷 省 力 ？ 我 們 多 輪 的 大 小 來 比較之，快慢也 是。
討論腳踏車 上是使用哪 一種組合 推廣 應用 4. 請大家就先前的學習經驗，說說看： 當我們想讓小朋友騎的腳踏車，(他嬌 小、無力、又不容易控制)，要讓他騎 哪一種腳踏車呢？ 5. 相信大家都看過變速車，你可成想 過：在平地時要調到哪裡？爬山時又 要調到哪裡呢？ 6. 3-3 能將改變 後 的 雙 輪 軸 組 特 性 應 用 在 生 活 中 的 腳踏車上 此 刻 再 把 腳 踏 車 搬 出 來 討 論，做最後的結 論。
附錄 2-1 燃燒—思考學習架構
｢燃燒｣思考學習架構
思考階段 探 究 過 程 情境設計 觀看「浩劫重生」鑽木取火片段 發現問題 木材為什麼會燒起來？燃燒需要什麼條件？ 提出假設 燃燒需要空氣、可燃物、達到一定的溫度。 設計驗證 以蠟燭來檢驗燃燒所需要的條件﹕ 1. 用放大鏡聚光到蠟燭上點燃 2. 用鑷子夾住蕊心，蠟燭熄滅 （1）以不同可燃物來替代蠟，自製蠟燭 3. 用廣口瓶罩住燃燒的蠟燭 （1） 製造及檢驗氧氣 （2） 製造及檢驗二氧化碳 解釋 燃燒需要具備可燃物氧氣及達到燃點三要素 推廣應用 1.紙火鍋—未達燃點 2.防火巷—隔開可燃物 3.火種引火—燃點低容易燃燒 4.滅火器—隔絕空氣 5.水滅火—降低燃燒溫度，未達燃點附錄 2-2 燃燒
燃燒
一、設計理念： 你見過許多燃燒的現嗎？燃燒是生活中的小事件，只要經過仔細的觀察和思考，都會 有重大的發現。本教案以蠟燭的燃燒來引發科學性的探究。學生可由此事件來察覺燃燒的 條件與原理，瞭解及應燃燒的性質。知道燃燒的三要件（燃點、可燃物、助燃物－氧氣）， 並根據此三要件，了解常見的滅火原理以及火災發生時的處理方法，與應變措施。最重要 的是讓學生對「燃燒」能更進一層的認識，進而做適度的推廣及應用於生活中。單元教材 設計理念如下： （一）以「思考學習環」及「創意思考教學」之教學模式進行設計教學，可培養學生「創 意思考」及「問題解決」之能力。 （二）以資訊融入的手法，用「浩劫重生」影片激發學生對燃燒的興趣，知道燃燒的三要 件。 （三）利用蠟燭的實作來驗證燃燒的三要素，學生可以實際操作並且發展其創意空間。 二、教學目標： ＊了解燃燒需要什麼條件，分析出燃燒所必須的三要素？ ＊觀察蠟燭、了解燃燒現象。 ＊透過各種實驗，了解燃點的定義及對燃燒的影響。 ＊了解製造氧氣和二氧化碳的方法。 ＊藉由一些實驗和範例明白滅火的原理和方法。 三、教學對象：高年級 四、教學時間：200 分鐘（五節課） 五、能力指標 1-3-1-1 能依規劃的實驗步驟來執行操作 1-3-3-1 實驗時，確認相關的變因，做操控運作 2-3-1-1 提出問題、研商處理問題的策略、學習操控變因、觀察事象的變化並推測可能的因 果關係。學習資料整理、設計表格、圖表來表示資料。學習由變量與應變量之間相 應的情形，提出假設或做出合理的解釋 2-3-3-2 探討氧及二氧化碳的性質；氧的製造、燃燒之了解、氧化(生銹等)，二氧化碳的製 造、溶於水的特性、空氣污染等現象 1-2-5-3 能由電話、報紙、圖書、網路與媒體獲得資訊。 5-2-1-2 能由探討活動獲得發現和新的認知，培養出信心及樂趣。 6-2-3-1 養成主動參與工作的習慣。 1-2-5-1 能運用表格、圖表(如解讀資料及登錄資料) 。 1-2-4-1 由實驗的資料中整理出規則，提出結果。六、教學指導要領： 教學 流程 思考 階段 教 學 活 動 教學 資源 學習 目標 課程 分析 注意 事項 燃燒需 要什麼 條件？ 情境 設計 活動一：舉例電影「浩劫重生」的燃燒事件 和學生討論「燃燒需要什麼？」（30 分） 1. 教師說明影片內容 2. 教師播放剪接的影片（需考慮版權問題） 教師和學生討論影片中情節 發現 問題 3. 教師引發學生思考問題：男主角如何鑽 木取火？ （1） 男主角最初鑽木取火為何失敗 （2） 男主角取火前把木材弄成什麼才可 以成功取火 （3） 取火前為何冒煙？ （4） 男主角做什麼動作火勢才成功保留 下來，有何功用？ （5） 在開始著火時男主角可以丟入大木 材嗎？ 5.觀察蠟燭引發學生思考以下問題 （1）你所用的蠟燭有哪些構造？ （2）如何點燃蠟燭，如何使點燃的蠟燭熄 滅 教師可以提醒學生在蠟燭各個構造上動手 腳：例如用吹熄、蠟燭的蠟燒完；用夾子夾 住燭蕊，用杯子蓋住 剪 接 影 片「浩劫 重生」 蠟燭、打 火機 1-1 從 影 片 中 察 覺 出 燃 燒 三 要 素 的概念 利用影片引 發學生的興 趣（教師的 創意） 用蠟燭的 燃燒及熄滅 來聚焦，精 緻教學，和 影片中的燃 燒要件作呼 應。 蠟燭熄滅的 方法可以激 發學生創意 ※上課前 準 備 好 視 訊 教 材 提出 假設 提出假設：冰塊接觸蠟燭會熄滅，是因為溫 度沒有達到燃點（40 分鐘） 活動二： 1. 教師介紹燃點，引發學生思考蠟燭中的 蠟或是燭蕊的燃點較高？ 2. 學生發表判斷二者燃點高低的方法 體 驗 燃 點、認識 燃點、 比 較 燃 點 的 高 低 設計 驗證 3. 教師引導學生設計實驗驗證結果 （1）將一根蠟燭抽出蕊，再用打火機點燃 無蕊的蠟燭及蕊—比較看看哪一個較 容易點燃？ （2）將燃燒的蠟燭用冰塊接觸看看，蠟燭 會繼續燃燒嗎？ （3）用放大鏡聚光到蠟燭上點燃，你有什 麼發現？ 4.教師引導學生歸納結果 ＊燭芯燃點比蠟低，因此不能直接在 蠟上點燃而是在芯上點燃。 ＊蠟燭接觸冰塊，較不易點燃。 ＊放大鏡聚光不易達到燃點，所以 不會燃燒 結果： （1） 蠟燭 放大鏡 打火機 2-1 察 覺 燃 點 的 影 響 2-2 思 考 燃 點 對 蠟 蠋 燃 燒 的影響 教師創意﹕ 認識燃點 用放大鏡 聚 光 到 蠟 燭 上 的 實 驗 ， 因 為 不 可 能 點 燃 ， 只 要 實 驗 五 分 鐘 即 可 結 束
資料 解釋 5.教師引導學生思考問題 （2） 各種物質的燃點高低是否有不同 （3） 燃點高的物質是否較不容易著火 （4） 燃點低的物質是不是易燃 （5） 加油站及廚房附近要放置燃點高 的物質理由為何 推廣 應用 6. 教師引導學生說明擴大應用 (生活中 的應用) （1） 舉例說明營火晚會時烤肉時為何 不直接在木炭中上點火，而是用火種 引火。 認 識 可 燃物 提出 假設 提出假設：用夾子夾住燭蕊是因為沒有可燃 物 活動三：（40 分鐘） 1. 教師引發認識可燃物的定義及學生 思考蠟燭中的可燃物為何？ （1） 請學生討論燭芯也是一種可以燃 燒的物質為何不適合當可燃物 設計 驗證 2. 教師引發學生思考蠟燭中的可燃物 是否可用其他物質代替 3. 教師引發學生實際實驗改變可燃物 的變化 （1） 將蠟燭的燭芯抽出，置入猪油或 其它動物脂肪，觀察燃燒的情 形，並和蠟蠋燃燒比較 4. 教師引導學生歸納結果 ＊ 用猪油燃燒的火焰較小，較無黑 煙 5. 教師引導學生擴大應用日常生活中 有沒有其他的蠟燭是改變原有的可 燃物 ＊ 環保蠟燭是改變原有的可燃物 ( 推廣 應用 6. 教師說歷史故事﹕董卓死後人們將 其肚皮點燃燒了數天天夜，因此肚皮的 脂肪是可燃物 猪油 其 他 油 脂 蠟燭 5 -1 了 解 可 燃 物 是 什麼？ 1 教師的創 意﹕如何使 用 其 他 燃 料 ? 歷 史 典 故的應用。 2 學生的創 意﹕有何其 他物質如猪 油 、 羊 油 等； 3. 過程中注 意散發Æ收 斂 4. 製作蠟燭 過程中可培 養問題解決 能力
從 悶 熄 蠟 燭 之 現 象 了 解 空 氣 對 燃 燒 的影響 提出 假設 提出假設：用蓋子悶熄蠟燭是因為沒有空氣 活動四：實作並觀察悶熄蠟燭之現象（25 分） 1.將燃燒的蠟燭用杯子蓋上，燭火會有何 變化？ （1）為什麼蠟燭會悶熄？是缺少什麼，使 得蠟燭不再燃燒？ （2）是空氣中的哪種氣體在幫助燃燒。 3.如何使杯中的蠟燭繼續燃燒？各組發表 想法。 4. 教師歸納整理結果。 （1）燃燒需要空氣 蠟燭 火柴 蠟 燭 記 錄卡 透 明 杯 子 玻 璃 片 2-1 察 覺 蠟 蠋 燃 燒 需 要 空 氣 各組發表想 法（學生的 創意） ※此活動 最好配合 蠟燭記錄 卡進行 活動五：空氣中氧氣可以幫助燃燒 （15 分鐘） 1.教師引發學生思考空氣是一種純物質或 是混合物； 空氣中的哪一種成分對燃燒有何影響。 2. 學生討論如何比較空氣的成分對燃燒的 影響。 3. 教師引發學生設計實驗驗證如何製造氧 氣和二氧化碳。 6-1 使 學 生 明 白 空 氣 中 的 氧 氣 可 以 幫 助 燃燒。 空 氣 中 的 哪 種 氣 體 可 以 幫 助 燃燒？ 氧 氣 如 何製造 設計 驗證 活動六：製造氧氣（40 分鐘） 1.教師引發學生思考如何製造氧氣 （1）.產生氧氣是由雙氧水還是由還是由 胡蘿蔔 （2）有哪些東西可以取代胡蘿蔔？ 2.學生實際實驗胡蘿蔔加到雙氧水中有什 麼現象發生？ 3.教師引導學生討論 （1）為何各組製造氧氣的速度不同？ （2）如何驗證收集的氣體是氧氣？ （3）將點燃的線香放進錐形瓶裡線香有 何變化？ 4. 教師引導學生歸納結果 ＊線香在二氧化碳中會熄滅 ＊二氧化碳使澄清石灰水變混濁。 線香 胡蘿蔔 雙氧水 火柴 7-1 使 學 生 實 際 操 作 製 造 氧 氣 及 檢 驗 的 方法。 實驗過程中 可以培養學 生解決問題 的能力 學生討論過 程可培養分 析判斷的能 力
活動七：二氧化碳如何製造及檢驗？（40 分） 1.教師引發學生思考如何製造二氧化碳 （1）介紹二氧化碳製造的方法。 （2）讓學生討論製造二氧化碳所需器材及 收集方法。 2. 學生實際實驗進行二氧化碳製造。 （1）用醋酸和小蘇打粉製造及收集二氧化 碳 （2）用點燃線香及澄清石灰水 3.教師引導學生討論及驗證如何檢驗二氧 化碳 4. 教師引導學生歸納結果 ＊線香在二氧化碳中會熄滅 ＊二氧化碳使澄清石灰水變混濁。 5.教師引導學生擴大應用日常生活中有沒 有其他的 物質中也有二氧化碳。 醋酸 小 蘇 打 粉 線香 澄 清 石 灰水 火柴 8-1 使 學 生 實 際 操 作 製 造 二 氧 化 碳 及 檢 驗 的 方 法。 教 師 引 導 過 程 可 培 養 連 結 能 力 實驗過程中 可以培養學 生解決問題 的能力 推廣 應用 活動八：比較氣體對燃燒的影響 1.教師引發學生思考氧氣二氧化碳及空氣 的差別 2. 教師引導學生實驗辨別三種氣體 （1）.三支點燃的線香分別置於氧氣瓶及 二氧化碳瓶和空氣中，並比較其燃燒 的差別。（10 分） 3. 教師引導學生歸納結果 ＊ 氧氣使線香燃燒更旺盛。 ＊ 二氧化碳使線香熄滅 ＊ 空氣是混和物 9-1 使 學 生 能 夠 區 分 氧 氣 二 氧 化 碳 及 空 氣 學生辨別過 程可培養分 析判斷的能 力 二 氧 化 碳 對 燃 燒 的 影 響 為 何？ 如 何 滅 火？ 推廣 應用 活動十：如何滅火？ 1.教師引發學生思考燃燒三要素中缺少可 燃物會如何？ （1）說明成語「斧底抽薪」的意義。 （2）用夾子夾住蠋芯，阻礙蠟油，蠟燭的 燃燒會有何變化。 （3）舉例說明建築物要設防火巷。 2 教師引發學生思考燃燒三要素中缺少可 燃物會如何？ （1）舉例說明紙火鍋為何燒不起來？ 3 教師引發學生思考燃燒三要素中缺少氧 氣會如何？ 4 教師 說明火災種類與常見滅火器簡介。 10-1 使 學 生 能 夠 明 白 滅 火 的方法
附錄 3 天氣的變化
天氣的變化
一、設計理念： 縱觀目前自然與生活科技各審定版在「天氣的變化」課程設計中，課程內容實驗設計及教 學方式仍以課程知識學習為主體，學生透過教師講授指導方式進行學習。而進入知識經濟時 代，除了基本的科學知識學習之外，更重要的是培養學生「創意思考」、「問題解決」、「資訊應 用」能力及主動學習的習慣。 因此設計課程時，特別著重生活經驗的結合及資訊應用之融入，以學生為學習主體探討不 同天氣現象形成的原因，並設計實驗操作驗證，透過分享討論提昇學生之思維廣度。為了達到 創意適性、快樂學習的教學目標，本單元教材設計理念如下： (一) 以「創意思考教學」教學模式進行設計，培養學生「創意思考」及「問題解決」之能力。 (二) 透過生活觀察及實驗設計操作，激發學習動機並引發學習問題。 (三) 採分組合作學習，由學生主動探索進行實驗操作，提供「創意思考」、「問題解決」之學 習活動，以提升學生「創意思考」、「問題解決」能力。 (四) 配合資訊課進行資訊融入教學，引導學生分析應用網路相關資源，激發學生學習興趣主 動學習。 二、單元目標： ＊藉由發表討論及實驗操作，理解雲、雨、霜、露、冰雪是水在不同溫度下呈現的不同形態。 ＊由中央氣象局網站查尋各種氣象圖表，認識高、低氣壓和鋒面的符號，並能加以應用說明。 ＊認識颱風，學習如何防颱。 三、教學時間: 12 節 四、教學對象：高年級 五、能力指標： 2-3-4-2 認識天氣圖上的高、低氣壓線、鋒面。觀察（資料蒐集）一個颱風的興衰 2-3-4-3 知道溫度高低不同，使水的形態改變，是形成霜、露、雲、雨、雪的原因。 2-3-4-4 知道生活環境中的大氣、大地與水，及它們之間的交互作用。 五、教學指導要領： 教學 流程 思考 階段 教 學 活 動 學習目標 注意事項 教學資源 由觀察拍攝 於自然界中 不同形態的 水的照片， 討論水在自 然界中有那 些不同形態 情境 設計 活動一：善變的水－自然界中水的不同形 態 1. 小朋友！照片中是自然界中不同形 態的水，你知道它們正確的名稱嗎？ 2. 再想想，在哪個情形下可以觀察到它 們？ 3. 請仔細想想它們以什麼形態存在於 自然界？（固態、液態、氣態） 1-1 能正確說出自然 界中不同形態水 的名稱（水、雲、 雨、露、霜、冰、 雪） 自然界中不同 形態的水的照 片（同時製作 ppt 於進行教學 共同討論使用）發現 問題 4. 這些真的都是水形成的嗎？ 5. 為什麼水會有這麼多不同的形態 呢？ 提出 假設 6. 可能是溫度高低不同會使水的形態 產生改變。 1-2 能了解溫度高低 不同會使水的形 態產生改變 提出 假設 活動二：雲霧 DIY 1. 小朋友！大家都看過天上的雲和白 茫茫的霧，它是怎麼形成的？ (大氣中水蒸氣遇冷凝結形成雲霧) 設計 驗證 2. 既然我們知道溫度會影響水所呈現 的狀態，那麼接著請依發給各組的實 驗器材，討論設計操作一個模擬雲霧 的實驗，並繪圖記錄在學習單上。 （實驗器材：透明玻璃量筒 1 個、線 香 2 支、冰塊 1/3 包、透明塑膠袋 1 個、70℃熱水） 討論雲霧是 如何形成的 資料 解釋 3. 請各組小朋友上台簡單介紹實驗設 計及結果並比較哪些實驗設計效果 較好。 4. 請各組討論水形成雲霧的過程加以 繪圖說明。 5. 教師進行歸納統整。 水 蒸發 加熱 Æ 水蒸氣 凝結 冷卻 Æ 小水滴(雲、霧) 1-3 了解水<加熱、蒸 發 > 之 後 形 成 水 蒸氣，在空氣中< 冷卻、凝結>形成 小水滴（雲霧） 學生設計實驗 時，可提醒其線 香之功能。 記錄時請將實 驗器材裝置畫 出來，並註明熱 水、冰塊及線香 扮演的功能。 討論露霜是 如何形成的 提出 假設 活動三：露霜 DIY 1. 小朋友！看過露珠嗎？在什麼情形 下看到的？（地點、時間） 2. 你們見過在大自然中的霜嗎？它在 家中何處看得到呢？ 3. 你們認為它們是從哪兒來的？ (大氣中水蒸氣遇到冰冷的物體表面 而形成露霜) 1-4 了解水<加熱、蒸 發 > 之 後 形 成 水 蒸氣，在物體表 面<冷卻、凝結> 形成小水滴（露） 或碎冰狀的結晶 注意請先將各 個杯子加入同 樣多的水，其中 一個作為對照 組，其餘兩個杯 子請討論要加 入乾冰、冰塊… 等作為實驗組。
設計 驗證 4. 大氣中已經充滿水蒸氣，我們可否直 接利用這些水蒸氣來進行露霜 DIY 實驗？ 5. 接著請各位小朋友利用各組的實驗 器材，討論設計操作模擬露和霜的實 驗，並記錄在學習單上。 （實驗器 材：200 ㏄量杯 1 個、杯子 3 個、乾 冰數顆、冰塊 1/3 包、水、鹽 100 公 克、可測至-50℃之溫度計 3 支） 資料 解釋 6. 請各組小朋友上台簡單介紹實驗設 計及結果並比較哪些實驗設計效果 較好。 7. 請各組討論水蒸氣形成露霜的過程 加以繪圖說明。 8. 教師進行歸納統整。 水蒸氣 凝結 冷卻 於物體表面 Æ 小水滴(露) Æ冰晶(霜) （霜） 記錄時請將實 驗器材裝置畫 出來，並特別註 明溫度下降至 攝氏幾度時在 杯子表面形成 露及霜。 提出 假設 活動四：奶茶冰棒 DIY 1. 小朋友！學了這麼多，今天讓我們挑 戰不用冰箱做冰棒！ 2. 你們認為該怎麼讓液態的奶茶變成 奶茶冰棒呢？(置於 0℃以下的環境 讓奶茶結冰) 設計 驗證 3. 今天特別準備了美味的鮮奶茶讓各 位 DIY 奶茶冰棒，請各位小朋友利 用各組的器材，討論設計操作不用冰 箱做冰棒的實驗，並記錄在學習單 上。 實驗器材：保麗龍盒 1 個、冰棒盒 1 個、冰棒棍 6 支、乾冰數顆、冰塊 1 包、鹽 200 公克、可測至-50℃之溫 度計 1 支） 討論冰是如 何形成的 資料 解釋 4. 請各組小朋友上台簡單介紹實驗設 計及結果並討論哪些實驗設計效果 較好。 5. 教師進行歸納統整。 水在 0℃以下<冷卻、降溫>形成冰。 1-5 了解水在 0℃以 下<冷卻、降溫> 形成冰。 記錄時請將實 驗器材裝置畫 出來，並特別註 明各組自製冰 箱溫度變化情 形。
討論大自然 中水的不同 形態可以讓 我們可以了 解天氣的變 化 推廣 應用 6. 請大家就先前的學習經驗，說說看： 當我們看到雲、雨、霧、露、霜、雪 時，當時天氣可能的溫度、溼度。 7. 現在讓我們透過全台景點網路攝影 機看看大家的說法對不對！ 1-6 了解由雲、雨、 霧、露、霜、雪 這些天氣現象我 們可以了解天氣 的變化。 利用全台景點 網路攝影機之 資料進行比對 說明 情境 設計 活動五：空氣的對流 1. 請看自然界中水的各種形態圖，你會 說明嗎？ 2. 在圖中有哪些東西會在空氣中上 升、下降呢？ 發現 問題 3. 為什麼會在在空氣中上升、下降呢？ 提出 假設 4. 是什麼力量讓它們在空氣中上升、下 降呢？ 設計 驗證 5. 現在大家來做一個實驗，看看大家說 的對不對？ 6. 請各位小朋友利用各組的實驗器 材，討論設計空氣對流實驗組。 （實驗器材：廣口瓶 2 個、墊板 1 塊、乾冰數塊、70℃熱水） 7. 把實驗結果繪製記錄在學習單上。 1-7 了解冷熱空氣產 生空氣對流現象 （熱空氣上升、 冷空氣下降）。 自然界中 空氣的流動 資料 解釋 8. 請各組上台簡單介紹實驗設計及結 果並討論哪些實驗設計效果較好。 9. 教師進行歸納統整。 （熱空氣上升、冷空氣下降） 記錄冷熱空氣 流動的方向。 比較垂直及水 平的冷熱空氣 對流方向。 情境 設計 活動六：天氣變變變 1. 這是昨天台灣地區上午 10 時的衛星 雲圖、地面天氣圖、雨量圖，請問你 知道如何解讀嗎？ 發現 問題 2. 請問大家說說看你有那些看不懂的 地方？ （圖表上的各種符號、顏色代表什 麼意義？） 天氣圖 與 天氣變化 提出 假設 3. 這些氣象圖表應該可以告訴我們天 氣的現象及天氣的變化。 2-1 認識天氣圖的符 號。 配合資訊教師 進行資訊融入 教學。 配合台灣特有 天氣型態設計 學習單。
