以「化學尋寶」實驗活動培養學生解決問題的能力

一、前言：

化學是一門實驗的科學，學生經由參與 以探究為中心的實驗活動，培養化學興趣， 熟悉科學方法，增進個人解決問題、自我學 習 、 邏 輯 推 理 等 高 層 次 思 考 能 力 。 學 者 M i l l a r ( 1 9 8 9 ) 曾指出實驗教學活動的三種功 能：第一，教師藉由實驗教學活動，幫助學 生了解科學概念的理論意義。第二，實驗教 學可以使學生學習到科學研究歷程中的實用 技術及一般策略。第三，實驗活動使學生有 機會嘗試解決問題的方法，了解解決實際問 題不能固守一套刻板的思考模式。國內學者 林陳涌(民 84)歸納出良好的實驗教學應具備 的積極條件，第一，能提供學生展現其現存 科學知識的機會。第二，實驗教學的設計及 進行應顧及學生的現有概念，並鼓勵學生自 行設計實驗。第三，實驗教學活動的目的不 僅在求得知識驗證，更應重視學生對活動結 果的詮釋與討論協商。 高中學生在高一基礎化學的課程中，學 習到生活中常見物質，如離子化合物、分子 化合物、電解質及非電解質等。這些物質在 水中的溶解度、導電性及化學反應性均有多 樣的變化。目前高中化學各版本的教科書都 以敘述性內容編寫此單元，教師多半以課堂 講授的方式，向學生介紹這些不同型態的物

以「化學尋寶」實驗活動培養學生

解決問題的能力

洪志明　蔡曉信

國立臺灣師範大學　化學系

質之物理性質及化學性質，少數會以簡單的 示範實驗輔助說明。因此學生在學習時，絕 大部分將其視為記憶性知識，以背誦法來記 憶，學校中的考試評量也引導學生依循此種 學習方法。雖然經由記憶學生很容易獲取高 分，但許多學生常反應他們不喜歡死背這些 溶解度規則，甚至不知道這些規則有何重要 性。

二、活動設計：

『化學尋寶』實驗活動取材自國立台灣師 範大學科學教育中心舉辦之台北地區創意競 賽題目，經由高中化學教師修正設計為實驗 探索活動，它有別於傳統食譜式實驗，學生 必須運用在課堂上學到的化學知識，自行設 計實驗，辨識未知的藥品。利用未知溶液的 相互作用，觀察可能產生的顏色變化、沉澱 或 氣 泡 等 多 樣 的 化 學 反 應 ， 運 用 智 慧 及 耐 心，來識別這些未知化合物。藉由未知藥品 的辨識過程，學生可觀察到各種豐富的化學 變化，學習如何活用溶解度規則進行邏輯推 理。藥品的種類可多可少，視實驗時間長短 及學生程度而定。在藥品的選擇上，以實驗 室中常見、無重大危險性及毒性者為主，此 外其組合搭配應有化學上特殊比較的意義， 如:含同種陰離子或含同族陽離子的鹽類等。

教師可自行依教學上的需求自由取材，最重 要的是藥品的組合，能提供學生多樣化的思 考方向，引發學生各種不同的解題思路。如 此學生可藉由此活動，學習將課堂上學得之 化學概念，有效遷移至實驗活動中的問題解 決上，對於學生高層次思考能力的提昇，有 極大的助益。 本實驗活動設計於八十九學年度下學期 在台北地區某高中高一數理實驗班化學專題 研究課程中實施，所有的學生均予以高度的 評價，有半數以上學生認為這是他們所參與 過最難忘、收穫最多的化學課。

『化學尋寶』實驗活動設計

█ 請 利 用 所 提 供 的 器 材 及 藥 品 ， 找 出 編 號 1~18 的化學藥品分別是何種物質。這 18 種 物質為:白糖、麵粉、氯化鈉、硝酸鈉、硫 酸鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉、硫代硫酸鈉、氯 化鋇、硝酸鋇、氫氧化鋇、硫酸鈣、碳酸 鈣、硝酸鉛、碘化鉀、硫酸銅、硫酸鋅、硫 酸亞鎳。(提示:善用教師所提供的溶解度規 則表) 實驗完成後，請寫出你的解題思路及實驗方 法，盡可能把你觀察到的所有現象完整紀錄 下來，最好能將實驗紀錄圖表化，並列出所 有相關的化學反應方程式。

器材及藥品:

硝酸銀、 0.1M 硝酸、 0.1M 鹽酸、 0.1M 氫氧化鈉、 0.1M 硫酸、石蕊試紙、鋁片、銅 片、鋅片、電池、導線及燈泡。

三、學生解題策略預測

在實驗活動實施之前，研究者預期，多 數 學 生 可 能 會 採 取 所 謂 「 向 後 做 」 的 策 略 (working-backward)，即「搜尋驅動」(search-d r i v e n ) 或「資料驅動」((working-backward)，即「搜尋驅動」(search-d a t a - (working-backward)，即「搜尋驅動」(search-d r i v e n ) 的策略 (Chi et al.,1982)(引自楊坤原，民 88)。亦即 學生根據所提供的藥品及器材漫無頭緒地開 始進行實驗，將各種藥品互相進行反應，再 根據反應的結果決定下一步該如何進行，這 種解題方法不僅耗費時間，而且不一定能得 到正確的結果，這也正是一般所謂的「生手 慣用的策略」。事實上，較合適的解題方法 應該是「向前做」策略(working-forward)，即 所謂「知識發展」(knowledge development)的 策略，這十八種藥品的辨識，需要建立一套 有效率、且符合化學邏輯的思考策略，學生 也必須在實驗的過程不斷地檢視自己的策略 是否適當、是否需要改變方向，並且不斷搜 尋 可 用 的 外 在 資 源 及 利 用 已 獲 得 的 實 驗 訊 息。

四、結果與討論：

課程實施的結果，驗證研究者所預期的 學生表現。以下以三組學生所用的解題思路 舉例說明。 範例一：A 小組的解題策略 1.先觀察藥品的外觀。 2. 將所有藥品配成水溶液，以石蕊試紙檢測 其酸鹼性。 3.將 NaOH ， H₂SO₄， HCl 及 AgNO₃分別與 18 種溶液反應，觀察其變化。(結果列於下 表)

4. 依所學過的化學知識及老師所發的常見物 質溶解度規則來判斷各編號可能為何種藥 品。 評論：A 小組所用的解題策略，類似生手常 用的嘗試錯誤法，屬於典型的「資料 驅動」策略(data-driven)。由於對所有 藥品的相關性質了解有限，只能由最 基本的觀察著手，再試探性地將所提 供的已知藥品逐一與 18 種物質進行反 應，得出一個實驗紀錄表。在此紀錄 表中，雖然提供不少解題訊息，但因 表一　A 小組的實驗結果記錄 註:「外觀紀錄」一項此處略去不列，其他欄位中空白者表示無法判斷或無反應。 學生缺乏足夠的化學知識，面對如此 龐雜的資訊，無法有系統地加以分類 及進行進一步的比較實驗，最後只是 徒 然 耗 費 許 多 實 驗 操 作 的 時 間 ， 而 無法得到有意義的實驗結果。此外， A 小組由於未花較多的時間構思解題 計劃，且在解題過程中並未根據已學 過的化學知識進行邏輯思考或推理， 因此無法成功地解題。

範例二：B 小組的解題策略 1. 觀察：NaOH 會潮解、含水的 CuSO₄呈藍 色、麵粉加水呈糊狀、 NiSO4 呈綠色。 2.加 H₂SO₄，產生沉澱者有三種，再比較其酸 鹼性。 3.加 HCl ，冒氣泡者為 CaCO₃ 及 Na₂CO₃，再 比較其溶解度。 4.加 AgNO₃，生成黃色沉澱者為 KI 。 5.加 KI 水溶液，生成黃色沉澱者為 Pb(NO₃)₂ 6.加水， 評論：分析 B 小組的解題思路，可看出除了 「資料驅動」策略外，學生嘗試以「知 識發展」的思考方式來解題。從上述 1-5 的實驗步驟中，均顯示合理的化學 邏輯思考。但在步驟 6 ，因對於可溶 性物質的酸鹼性判斷錯誤，把中性的 硫酸鈉及硝酸鈉視為酸性；以及將可 溶的硫酸鋅誤判為無法溶解，因而導 致後續的解題過程失敗，無法辨識出 所有的藥品。由此可驗證「知識發展」 的策略有利於解題，但解題者需具備 豐富正確的學科知識。此外， B 小組 忽略「交叉驗證」(cross-examination) 的重要性，當實驗結果與解題者本身 所認知的事實不符時，如能另闢解題 途徑，比較不同方法所得結論之間的 差異，就能找出矛盾之處，克服解題 過程的盲點。 範例三：C 小組的解題策略 1.先觀察 18 種藥品的外觀，藍色的是硫酸銅 晶體，綠色的是硫酸亞鎳，易潮解的是氫 氧化鈉。 2.剩餘 15 種藥品依下列流程圖加以區辨，如 圖一所示。 評論：由 C 小組的解題思路可以看出，他們 先針對所有藥品的物理及化學性質進 行分類，以「在水中的溶解度」、「酸 鹼性」、「是否為電解質」、「與特定 化合物的反應結果」進行符合化學邏 輯、有系統的分類實驗。此外學生懂 得利用已找出的藥品來辨識出其他未 知物，顯見其思考推理相當嚴謹與完 整。由此可驗證，學生能將所學的化 學知識有系統的加以組織，遇到問題 的情境，能經由縝密的思考，不盲目 地利用嘗試錯誤法，而能自己發展出 有效率的解題策略。如此的解題思路 證明學生能運用邏輯思考，從已觀察 到的反應中推理下一步應採取的實驗 方法，可視為相當成功的「知識發展」 策略。

五、結論與建議：

從 這 三 組 代 表 性 的 範 例 及 評 論 可 以 看 出，像「化學尋寶」這一類的實驗活動，可以 引導學生將化學知識具體應用至解決問題的 情境，學生在思考、解題的過程中，可能會 遭遇許多難題及困境，他們必須設法自行發

展出適當的策略來解決問題，此外堅持及毅 力也是必須的。這種具有挑戰性和啟發性的 教學方式絕不是課堂上板書式的解題技巧講 授所能做到的。建議教師們在設計此類實驗 活動時，可由簡入深，從 5-6 種藥品開始，隨 著藥品種類的增加而提高難度，學生可逐漸 自我發展出有效的解題方法，從接受挑戰中 培養自信心，從而建立樂在化學解題之中的 成就感。化學教師如能在教學中，多設計此 類解題取向的學習活動，將可引導學生主動 建構所學概念，活用程序性知識和概念性知 識 ， 透 過 成 功 的 解 題 經 驗 來 導 正 學 習 的 方 式，建立有效率的解題策略。如此方能協助 學生有效遷移所學知識，應用在實際情境中 的問題解決。

六、參考文獻：

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