符合科学本质的教学设计以蜡烛燃烧单元为例.docx
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符合科学本质的教学设计以蜡烛燃烧单元为例
符合科學本質的教學設計--以「蠟燭燃燒」單元為例
張志芳
台北縣立重慶國民中學
TEL:
（02）29557640
E-mail:
gehona@.tw
林瑞文
高雄市立左營國民中學
TEL:
（07）5820052.0929173883
E-mail:
elelim@.tw
梁寶堂
台中縣立后綜完全中學
TEL：
（04）25577173
E-mail:
lbt1023@
洪振方
高雄師範大學科學教育研究所
TEL:
（07）7172930轉3050
E-mail:
t1873@nknucc.nknu.edu.tw
摘要
本研究旨在探討教師利用科學本質觀的理念，據以設計一以蠟燭燃燒為實例之符合科學本質的國中理化教材，其適用範圍包含國中理化課程關於氣體、空氣等之特性。
該設計課程以模組化可組合之特性不必侷限於時間，並可依任課時間之多寡組合運用。
其中科學本質十五個命題係引自洪振方（2001）「建構學習社群及評鑑系統促進數學與自然科學教師素質之研究—建立符合科學本質的教學理論模式」研究中所探討的科學本質敘述，依據其內容屬性，該命題分屬於科學哲學、科學社會學、科學心理學、科學史等四個範疇，而將該命題依研究者認為之符合科學本質理念組織而成科學本質結構圖，據此以作為科學教師教授科學知識時對於科學本質思考後設認知之依據，並以此理念設計實驗教學，其中透過引導、鼓勵學生思考作答、預測及實際觀察、操弄實驗、解釋現象，激發學生反思，以促進概念的成長和改變。
文中並述及設計理念、教學方法及教學評量。
近來教育當局正大力推行九年一貫的政策，然省視其自然與生活科技學習領域中包含其中一項指標主軸正是科學本質，且在各階段中更以國中階段的八項所佔最重，因此研究者期望以具體化教材設計一符合科學本質之教學模式。
企求使教師真正瞭解科學本質轉換到教學與學習是如此容易，並使其內化，然後落實於教學活動中，以提昇教學品質，並同時讓置身於此教學活動中的學生體會到科學本質在學習上的意義，而促進其科學學習。
關鍵詞：
科學本質、教學模式、課程設計
1、前言
學生在學習科學的過程中，需要理解科學是它歷史的反映（BenchmarksforScienceLiteracy,1993;NationalScienceEducationalStandards,NRC,1996），科學是一個處在不斷變化之中的事業，因此教學課程的設計如何兼顧科學本質、科學知識的延續性、及整體性便是教學者亟需加強的。
本文以此理念為設計的主軸，並依據洪振方（2001）之科學本質轉換至教學策略的十五項命題，及其根據WilliamF.McComas與JoanneK.Olson（1998）針對八個國際科學教育標準文件中有關科學本質部分所分析、統整出的科學本質敘述（洪振方，2000）中，經研究者反思、組織而成本文所提之符合科學本質的教學模式圖（如圖一所示），並參考「蠟燭燃燒」之教學實例（修改自林瑞文，2000），據此設計成研究者認為具符合科學本質理念的教學活動。
並期望透過科學本質觀的改變，啟發教學思考與教學方式的改變，也啟動教材設計的修正或引導學生學習方式的改變，使學生擁有高層次的思考能力、創造能力、發現問題、解決問題的能力，進而提升科學知識的效率、及對科學態度的轉變。
二、符合科學本質的教學模式
由於許多研究顯示，教師對科學本質的看法會影響其教學表現（Lederman,1995；Lantz&Kass,1987；Gallagher,1991），然而若教師無法將其科學本質轉換成教學策略及模式，則在科學教學時，恐流於只是科學本質的知識傳授，而忽略科學本質理念對教師教學與學生學習的重要意義。
基於此，特將本教學設計之理念分述如下：
（一）教學設計理念
本教學設計採用轉換科學本質於教學策略與模式，並結合預測—觀察—解釋的活動形式進行教學。
本教學活動的特色是本著教學過程中以學生為主角，並運用生活化之議題，由小問題探求大觀念之建立，並進而擴及將學習到的知識，運用至生活中藉以解決問題。
也許目前之理化課無此一完整單元，但研究者認為若基於教學時間的現實考量，亦可將此模組作濃縮，只要教學者以圖一為符合科學本質教學的後設認知之基礎，亦可將科學本質轉換至教學活動，而不損其對學生學習的功效。
對於符合科學本質的教學模式圖，其中各命題參見圖一。
本教學活動設計共符合圖一的15個命題，在此，將該模式圖與本教學活動設計的理念分述如下：
設計之初需考量學生的起點行為，故以命題四選擇合適的教學時機和方法，來適應學生的特定需求為開始，因此決定以預測—觀察—解釋的教學方法進行，其理由是該教學法正是如命題十五根據學生的思考方式與概念想法，創造與經營有利於學生精煉思考、澄清，與擴展之學習環境。
因此在教學設計上，便要求學生於實驗右側寫出預測及觀察結果。
與學生思考的命題平行下，研究者再歸納整理出四個向度分別是平行的：
（1）根據學生學習；
（2）對老師而言；
（3）實驗操弄；
（4）社會性活動。
在學生的思考方式之擴展學習中，「根據學生學習」以下再分為，以命題一不以科學知識為真理的權威方式進行教學，要鼓勵學生提出自己的想法或疑問，給予不同意見接納及回饋。
並以命題七引導學生發表新學習的成果,而其解釋和推理應合乎邏輯,前後一致，與命題五平行。
對於本教學動實驗問題內容的設計，均以上述兩項命題為根據。
「對老師而言」中，要以命題二設計推理性的問題引導學生進行深度觀察,以發現事物之間的關係和發展的模式,並嘗試從理論上認識和解釋所觀察到的關係和模式，為主軸。
以下再區分為命題六針對不同程度的學生提問不同難度的問題，使不同程度的學生都有機會參與與討論，相互啟發和分享。
在此命題中，由於本教學活動設計了十個不同難度的問題情境，也就是希望各種程度的學生都有機會參與探究與討論。
與命題六相平行的是，命題三提出對立性的問題創造機會去激發學生的思考,來培養學生以懷疑作審視的出發點,以及提出理由,為理由而辯護的思考方式。
關於此，在本教學活動的實驗設計及教學方法中，已經明確提出對立性實驗設計，及對稱性的觀點，希望學生在回答問題時，能自我發覺其差異性。
在學生實驗操弄的過程中必須是結合生活化，使學生瞭解實驗與生活是一體的，故引入命題十二科學教學所要採取的主要做法，是從學生所親歷的生活世界中，產生一些與科學知識相關的實際問題進行探究，以該命題為主軸設計實驗過程。
將命題十四提供學生相關科學儀器或模型的操作經驗,使其透過科技儀器及其運作方式的了解來認識自然現象，為基礎，教導學生詳實的記錄探究的過程與結果,以利教師或其他同學進行評價,評價的內容包括實驗的過程、所得的證據、錯誤的推理、及過度的推論,以及重新提出的證據和解釋，上述即為命題八的內涵。
以上三個命題組合成一個「生活化」教學的主要綱要。
接下來，針對以上之「學生學習」、「老師教學」及「生活化」教學，配合命題十三以個人和社會視角所見的科學、科學的歷史、和科學的本質為背景,來引導學生學習科學,幫助學生看到科學事業是富含哲理的、是充滿人性的、是一種社會性的活動，其中本教學活動設計即是將科學本質轉換至教學模式與活動中，以使學生體會命題十三之意義。
在命題十三下含攝的命題十中，.提供學生學習將不同的經驗、單元、或學科之連結機會，以培養學生的想像力與創造力。
本教學活動設計經過四個向度的的探討後，希望能達到命題九藉由學生對觀察現象所作的解釋或預測，診斷出學生的可能想法和可能存在的問題，據此構思後續教學的方向和策略，之目的。
因為教學不外乎要經由教師的教學學生能自行建構，對教學者而言，亦要能藉以診斷出學生之認知架構及迷思概念。
所有的教學最後均期望能達到命題十一的目的，引導學生在不同情境中思考、解釋或解決問題，使其有機會擴展他的想法、了解他的想法可能存在的問題，並適時營造出可以引起學生認知衝突的問題會情況來激發學生反思，以促進概念的成長和改變。
此即是本教學活動成效之依據。
（二）符合科學本質教學模式圖
依據洪振方（2001）之科學本質轉換至教學策略的十五項命題，經研究者反思、組織而成本文所提之符合科學本質的教學模式如圖一所示：
圖一：
符合科學本質的教學模式
三、教學設計與教學方法
（一）教學設計
1、單元名稱：
蠟燭燃燒
2、活動目標：
藉由蠟燭的燃燒情形，了解空氣受熱產生的對流現象，及二氧化碳的特性及氣體。
3、實施問題及觀察結果：
（如表一）
表一：
教學實驗設計問題及流程
實施裝置及問題
預測及觀察結果
問題1
如圖：
將兩長短不一的蠟燭固定在桌上點燃後，用燒杯蓋住（密閉）。
你認為那A、B蠟燭燃燒情形將如何呢？
我的預測：
（）
（1）A蠟燭先熄滅。
（2）B蠟燭先熄滅。
（3）同時熄滅。
（4）都不會熄滅。
因為：
實驗結果看到：
我認為這是因為：
問題2
如圖：
將四支長短不一的蠟燭固定在桌上點燃後，用燒杯蓋住（密閉）。
你認為那A、B、C及D蠟燭燃燒情形將如何呢？
我的預測：
（）
（1）A、B、C中任一蠟燭先熄滅。
（2）D蠟燭先熄滅。
（3）A、B、C同時熄滅。
（4）全部一起熄滅。
（5）都不會熄滅。
因為：
實驗結果看到：
我認為這是因為：
問題3
如圖：
將四支長短不一的蠟燭固定在桌上點燃後，用燒杯蓋住（密閉）。
你認為那A、B、C及D蠟燭燃燒情形將如何呢？
我的預測：
（）
（1）A、B、C中任一蠟燭先熄滅。
（2）D蠟燭先熄滅。
（3）A、B、C同時熄滅。
（4）全部一起熄滅。
（5）都不會熄滅。
因為：
實驗結果看到：
我認為這是因為：
問題4
如圖：
（承第一題）蠟燭都熄滅當時，在A及B兩點同時抽等量氣體，再導入等量的澄清石灰水中，何者較混濁？
我預測：
（）
（1）A處會較混濁。
（2）B處會較混濁。
（3）一樣混濁。
因為：
實驗結果看到：
我認為這是因為：
4、同學討論及發表：
1.由學生自行統整，個人上台發表。
2.教師亦可請程度較好的同學，將實驗結果原因呈現及報告。
3.教師可透過引導，協助同學歸納出正統概念。
問題5
如圖：
將兩長短不一的蠟燭固定在燒杯中點燃後，你認為那A、B中哪一個蠟燭會先熄滅呢？
我的預測：
（）
（1）A蠟燭先熄滅。
（2）B蠟燭先熄滅。
（3）同時熄滅。
因為：
實驗結果看到：
我認為這是因為：
問題6
如圖：
將兩長短不一的蠟燭固定在燒杯中點燃後，倒入可樂（倒至A蠟燭的2/3高度）。
你認為那一個蠟燭會先熄滅呢？
我的預測：
（）
（1）A蠟燭先熄滅。
（2）B蠟燭先熄滅。
（3）同時熄滅。
（4）都不會熄滅。
因為：
實驗結果看到：
我認為這是因為：
問題7
如圖：
將兩長短不一的蠟燭固定在桌上點燃後，由下方通入CO2。
你認為那A、B中哪一個蠟燭會先熄滅呢？
我的預測：
（）
（1）A蠟燭先熄滅。
（2）B蠟燭先熄滅。
（3）同時熄滅。
（4）都不會熄滅。
因為：
實驗結果看到：
我認為這是因為：
問題8
如圖：
（承上題）將兩長短不一的蠟燭固定在燒杯中點燃後，若點兩支香，你認為那A、B的香，其煙流向如何，請在下圖中畫出？
我的預測：
煙的流向為如左圖我畫的情形。
因為：
實驗結果看到：
（1）我認為C處的煙，如此飄是因為：
（2）我認為D處的煙，如此飄是因為：
5、同學討論及發表：
1.由學生自行統整，個人上台發表。
2.教師亦可請程度較好的同學，將實驗結果原因呈現及報告。
3.教師可透過引導，協助同學歸納出正統概念
問題9
如圖：
將兩長短不一的蠟燭固定在桌上點燃後，用燒杯蓋住在熄火前將杯子上提2公分。
你認為那A、B中一個蠟燭會先熄滅呢？
我的預測：
（）
（1）A蠟燭先熄滅。
（2）B蠟燭先熄滅。
（3）同時熄滅。
（4）都不會熄滅。
因為：
實驗結果看到：
我認為這是因為：
問題10
如圖：
承上題。
若杯子有一破洞，你認為下圖中的香，其煙流向如何，請在下圖中畫出？
我的預測：
煙的流向如左圖我畫的情形。
因為：
實驗結果看到：
我認為這是因為：
6、同學討論及發表：
1.由學生自行統整，個人上台發表。
2.教師亦可請程度較好的同學，將實驗結果原因呈現及報告。
3.教師可透過引導，協助同學歸納出正統概念。
（二）教學方法
本單元之教學法以預測—觀察—解釋的方式，在圖一符合科學本質的教學模式之架構下，充分由學生自己思考與動手作來認識蠟燭燃燒中各種現象背後的意義。
將教學流程一一分述如下：
（1）本教學希望藉由學生自己思考與動手作實驗，亦即先行預測可能的結果，再由實驗探求自己的推理是否正確。
因此教學時，教師作適度的問題引導，並要求學生務必將自己的預測及原因作詳細的論述。
接下來便由學生進行動手操作。
（2）問題一的實驗是一般蠟燭燃燒的預測，只要求學生將何者先熄滅及原因寫出，要學生寫出原因其目的，是希望能診斷出學生的迷思概念。
而在實驗結果的回答，是希望學生能將造成該結果的原因據理推測出，在此學生的推測並不一定就是正確，也可能與原先的預測相矛盾，但本教學活動的設計，即是希望學生能經由一連串的認知衝突，透過自我協調，來探求燭燃燒之各種現象蘊含的意義。
（3）問題二的實驗，和問題一的實驗具有對立性，因為若學生在問題一的原因論述中若非科學概念，則將此觀念遷移至問題二時，將立刻產生矛盾。
（4）問題三的實驗設計，與問題二兩者之間具有對稱性，並可以說明問題一，只要學生能合理解釋問題一至三，則使蠟燭熄滅的真正原因，便很容易理解。
（5）問題四的實驗設計，是針對問題一至三進行，目的是在做實驗結果之原因及假設的推理驗證，並經由化學實驗使學生了解燒杯中二氧化碳含量的分佈情形。
總結問題一至四是屬於密閉系統中的燃燒實驗，若在開放或半開放系統的蠟燭燃燒則於以下陳述。
（6）教師可透過引導同學討論及發表，或由學生自行統整，個人上台發表。
教師亦可請程度較好的同學，將實驗結果原因呈現及報告，並協助同學歸納分析出問題一至問題四的科學概念。
（7）問題五的實驗設計，與問題一是完全對立的開放式燃燒實驗。
此問題原本是非常簡單，但學生經常因為過度引伸而答錯。
（8）問題六的實驗設計，藉由生活化的可樂中所含的氣體引入滅火的觀念。
（9）問題七的實驗設計，是要引入二氧化碳比空氣重的觀念，並要學生預測當二氧化碳接觸到火焰時將如何，以及二氧化碳對流時又將如何？
此設計比問題六更為直接與問題其有異曲同工之妙，並證明問題六的生活化。
（10）問題八的實驗設計，是要驗證問題五的推論，並藉由煙的流向引導問題五中空氣對流的情形。
（11）教師可透過引導同學討論及發表，或由學生自行統整，個人上台發表。
教師亦可請程度較好的同學，將實驗結果原因呈現及報告，並協助同學歸納分析出問題五至問題八的科學概念。
（12）問題九的實驗設計，與問題五具有對立性及對稱性，因問題九之空氣是由下方傳入。
（13）問題十的實驗設計，是問題八的延伸，及空其流動的真實情形，其中引入煙囪效應，此與教學評量中的火災議題相聯結，具有生活化的特色。
（14）教師可透過引導同學作總結性討論及發表，或由學生自行統整，個人上台發表。
教師亦可請程度較好的同學，將實驗結果原因呈現及報告，並協助同學歸納分析出問題一至問題十的科學概念。
本教學活動設計主要是生活化，並不要求學生有大容量的記憶，應是要運用到生活中，並讓學生覺得，學習對於生活中的問題解決是有用的，如此學生才會樂於學習。
4、教學評量
（一）設計理念
基於前述的教學活動設計，及符合科學本質的教學模式中的命題十一「引導學生在不同情境中思考、解釋或解決問題，使其有機會擴展他的想法、了解他的想法可能存在的問題」與命題五「引導學生學習使用所學的科學知識去合理地解釋自然現象」，而設計以下學生日常生活中可能遭遇到的生活化問題，並期望學生瞭解學習到的科學知識是能活用於生活中，而不是用一般傳統記憶知識為主的評量。
其中採用開放式試題亦希望增加學生創意思考的機會，並使教學者有反思及改進教學的依據。
教學評量試題如下之
（二）。
（二）實驗評量
1.
當火災發生時，若你在滿是濃煙的屋內移動，你應採取何種逃生措施呢？
（你覺得和上述哪一圖較為接近呢？
並請說明理由。
2.一般冰箱的冰庫是放在上方（如右圖二），你覺得這種情形好嗎？
若將冰庫改在下方會更好嗎？
請詳述其理由。
3.經過本實驗教學你的心得及感想為何？
5、結語
燃燒的觀念在國中教材散見於各章之中，其中包含之觀念在日常生活中更是常見，本教學活動提供了一種將燃燒觀念整合於同一單元的可能性。
再者，教育當局正大力推行九年一貫的政策，省視其自然與生活科技學習領域中包含的八項能力指標，其中第三項指標主軸正是科學本質，而在四個學習階段中科學本質的比重分別由第一階段的兩項、第二階段的三項、第三階段的五項、及國中第四階段的八項，由以上分佈不難看出逐年加重，當中期望學生學習到的科學知識是經由探究的過程獲得，並強調依據科學理論作推測以獲得知識、及運用想像構思解釋自然現象。
由以上可知，設計一符合科學本質的教學實例，使教育當局強調之科學本質不致淪為口號，且是兼具實務工作者的設計，對九年一貫的推動實更具意義。
其實，一般教師經常認為要使教學活動兼具科學本質並不容易，但在研究者實務研究過程中發現，在尚未接觸科學本質時可能會覺得艱難，但是仔細省視本研究之符合科學本質的教學式圖，可以發現在教學過程中，其實是能夠蘊含科學本質的概念，只是一般教師不知如何將其科學本質觀轉換至教學活動。
綜觀現今之教學設計，鮮少特別將科學本質轉換成教學的組織中，因此本教學活動設計，實是深具參考價值。
再者，本研究之符合科學本質的教學式圖，亦可作為一範例，提供教師轉換與組織科學本質於教學活動中的參考。
此外，教師可以用所建構之符合科學本質的教學模式作為反思教學的參考架構，以改進其教學。
研究者希望藉此教學活動的具體呈現，使教師真正瞭解科學本質轉換到教學與學習是如此容易，並能將此理念內化，然後落實於教學活動中，以提昇自己的教學品質，同時讓置身於此教學活動中的學生體會到科學本質在學習上的意義，而實質促進其科學學習（洪振方，2000）。
（本研究承蒙國科會NSC90-2511-S-017-011專案支助，特此致謝）
六、參考文獻
林瑞文（2000）：
有趣的蠟燭實驗。
康軒自然通訊，第18期，3-4。
洪振方（2000）：
建構學習社群及評鑑系統促進數學與自然科學教師素質之研究—建立符合科學本質的教學理論模式：
高中理化（1/3）。
行政院國家科學委員會專題研究計畫期未報告（NSC89-2511-S-017-022）
洪振方（2001）：
建構學習社群及評鑑系統促進數學與自然科學教師素質之研究—建立符合科學本質的教學理論模式：
高中理化（2/3）。
行政院國家科學委員會專題研究計畫期未報告（NSC90-2511-S-017-011）
國民中學「理化」課本第一冊（2001），國立編譯館主編。
國民中學「理化」課本第二冊（1996），國立編譯館主編。
國民中學「理化教師手冊」課本第一冊（2001），國立編譯館主編。
國民中學「理化教師手冊」課本第二冊（1996），國立編譯館主編。
國民中學「選修理化教師手冊」課本第一冊（2001），國立編譯館主編。
國民中學「選修理化教師手冊」課本第二冊（1996），國立編譯館主編。
AmericanAssociationfortheAdvancementofScience.（1993）.BenchmarksforScienceLiteracy.NewYork:
OxfordUniversityPress.
NationalResearchCouncil.（1996）.NationalScienceEducationStandards.Washington,DC:
NationalAcademyPress.
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