第六章第六章發展學生對化學概念的理解發展學生對化學概念的理解

黃湃翔整理 林函霓繕打黃湃翔整理 林函霓繕打

學生雖然學習了許多有關事實的訊息學生雖然學習了許多有關事實的訊息 (factu(factual information)al information) ，但是，他們並未發展出一，但是，他們並未發展出一套概念架構來幫助他們了解其他的化學概套概念架構來幫助他們了解其他的化學概念和現象。雖然學生不能如化學博士班發念和現象。雖然學生不能如化學博士班發展出一套統整的化學概念，但是學生們仍展出一套統整的化學概念，但是學生們仍應具備某種化學理解程度做為學習其他相應具備某種化學理解程度做為學習其他相關化學與科學概念的基礎。關化學與科學概念的基礎。

派恩斯派恩斯 (Pines)(Pines) 和衛斯特和衛斯特 (West)(West) 將「個人將「個人知識」比喻為「自發性知識」知識」比喻為「自發性知識」 (Spontaneo(Spontaneous Knowledge)us Knowledge) 。它們將自發性知識描述為。它們將自發性知識描述為個體的創造力和個體企圖意義化所處的世個體的創造力和個體企圖意義化所處的世界。界。– Pines & West, 1986Pines & West, 1986

「科學知識」如同「正式知識」或「學校「科學知識」如同「正式知識」或「學校知識」。他們描述正式知識是他人世界詮知識」。他們描述正式知識是他人世界詮釋的知識，對大多數學生而言，這種知識釋的知識，對大多數學生而言，這種知識是由學校設計好的課程及出現在教科書中是由學校設計好的課程及出現在教科書中的知識。的知識。– Pines & West, 1986Pines & West, 1986

沸騰沸騰學生們對於沸騰有許多不同解釋，有些人學生們對於沸騰有許多不同解釋，有些人認為所產生的氣泡式由空氣或氫氣、或養認為所產生的氣泡式由空氣或氫氣、或養氣所製成！其他學生則認為是蒸發現象，氣所製成！其他學生則認為是蒸發現象，但他們並未以分子的觀點加以解釋。此例但他們並未以分子的觀點加以解釋。此例顯現出，雖然學生使用科學的術語，但他顯現出，雖然學生使用科學的術語，但他們並未理解基本的科學概念。們並未理解基本的科學概念。

燃燒燃燒如果學生觀察到鋼棉在空氣中燃燒，許多如果學生觀察到鋼棉在空氣中燃燒，許多人會說這是化學變化。但是他們並不能預人會說這是化學變化。但是他們並不能預測燃燒之後產物的質量增加。如果我們詢測燃燒之後產物的質量增加。如果我們詢問為何質量會增加，有些學生會說鋼絲絨問為何質量會增加，有些學生會說鋼絲絨轉變為碳，而碳比鋼棉重。學生對於燃燒轉變為碳，而碳比鋼棉重。學生對於燃燒是物質與空氣中的氧產生化學反應，形成是物質與空氣中的氧產生化學反應，形成新的物質的概念欠缺理解。新的物質的概念欠缺理解。– Andersson,1986Andersson,1986

當我們要求學生定性的當我們要求學生定性的 (qualitative)(qualitative) 解釋物解釋物理和化學的現象，學生通常使用一些科學理和化學的現象，學生通常使用一些科學術語，例如，蒸發、凝結、或反應；但是術語，例如，蒸發、凝結、或反應；但是他們並不能解釋背後的物理和化學概念。他們並不能解釋背後的物理和化學概念。– Ben-Zvi et al.,1982,1987Ben-Zvi et al.,1982,1987 等人等人

理解化學反應理解化學反應4Fe4Fe(s)(s)+3O+3O2(g)2(g)→2Fe→2Fe22OO3(s)3(s)

許多高中生可平衡鐵燃燒的化學方程式。許多高中生可平衡鐵燃燒的化學方程式。然而，當要求學生解釋此反應式的內部反然而，當要求學生解釋此反應式的內部反應過程，許多學生無法用分子皆曾解釋此應過程，許多學生無法用分子皆曾解釋此反應。僅有少數學生能解釋氧氣中間的化反應。僅有少數學生能解釋氧氣中間的化學鍵斷裂與鐵產生新的鍵結。學鍵斷裂與鐵產生新的鍵結。如果學生觀察到鋼綿在空氣中燃燒，許多如果學生觀察到鋼綿在空氣中燃燒，許多人會猜測燃燒產物的質量較原先未燃燒前人會猜測燃燒產物的質量較原先未燃燒前的不變或減少。的不變或減少。– Furio Mas, Perez, & Harris, 1987Furio Mas, Perez, & Harris, 1987

化學家對化學反應的理解化學家對化學反應的理解「概念架構」「概念架構」 (conceptual framwork)(conceptual framwork) 來解來解釋個體所發展出概念和概念之間的關連。釋個體所發展出概念和概念之間的關連。在一個學科領域裡專家較生手發展出更多在一個學科領域裡專家較生手發展出更多的概念和概念之間的關連。的概念和概念之間的關連。專家有較精緻的統整的概念架構。有些認專家有較精緻的統整的概念架構。有些認知心理學者將此個人的概念架構解釋為知心理學者將此個人的概念架構解釋為「概念生態」「概念生態」 (conceptual ecology)(conceptual ecology)– Anderson,1987Anderson,1987 等人等人

2H2H2(g)2(g)+O2+O2(g)(g) →2H →2H22OO(g)(g)

當一個化學家看到氫燃燒的反應當一個化學家看到氫燃燒的反應

化學反應的結構方面化學反應的結構方面化學家對化學符號的表徵會想到分子模型。化學家對化學符號的表徵會想到分子模型。如上例，如上例， OO22和和 HH22分別代表氧分子是由兩個分別代表氧分子是由兩個氧原子鍵結而成，氫分子亦同，而氧原子鍵結而成，氫分子亦同，而 HH22OO 分分子則由子則由 22 個個 OO －－ HH 鍵所組成。鍵所組成。

化學反應的相互作用方面化學反應的相互作用方面化學家體認到化學反應是一連串的鍵結的化學家體認到化學反應是一連串的鍵結的斷裂與形成的反應。在上述的例子中，氫斷裂與形成的反應。在上述的例子中，氫分子和氧分子的鍵結必須要斷裂，而新的分子和氧分子的鍵結必須要斷裂，而新的HH 和和 OO 的鍵結必須形成。的鍵結必須形成。

化學反應的動態方面化學反應的動態方面化學家也體認化學反應是一個與時間相關化學家也體認化學反應是一個與時間相關的過程，這包含了粒子間動態的相互反應。的過程，這包含了粒子間動態的相互反應。

化學反應的量的方面化學反應的量的方面化學家體認化學反應中有關量的方面的訊化學家體認化學反應中有關量的方面的訊息，例如，兩莫耳的氫和一莫耳的氧產生息，例如，兩莫耳的氫和一莫耳的氧產生兩莫耳的兩莫耳的 HH22OO 。。

學生對化學反應的理解學生對化學反應的理解學生無法想像出化學反應是一連串鍵的斷學生無法想像出化學反應是一連串鍵的斷裂和形成的過程；相反的，他們視化學反裂和形成的過程；相反的，他們視化學反應為將反應物加在一起而形成的產物。例應為將反應物加在一起而形成的產物。例如，當如，當 HH22與與 OO22反應，則反應，則 OO22加上加上 HH22。。 HH22分分子中鍵的斷裂並未形成。子中鍵的斷裂並未形成。

研究中有研究中有 1414位學生並不了解他們自己為何位學生並不了解他們自己為何要如此的做。他們並不了解方程式中係數要如此的做。他們並不了解方程式中係數與元素符號下的數字所代表的意義，並且與元素符號下的數字所代表的意義，並且相信方程式中的箭號與等號相差無幾。相信方程式中的箭號與等號相差無幾。當要求學生用圖表是平衡的方程式，學生當要求學生用圖表是平衡的方程式，學生們並不能用圖做正確的表徵。們並不能用圖做正確的表徵。

學生對化學概念的理解學生對化學概念的理解

在學生進入高中修習化學前，許多學生對在學生進入高中修習化學前，許多學生對在求學期間有些學生能轉變為粒子模型來在求學期間有些學生能轉變為粒子模型來解釋物質；縱使如此，他們仍缺乏動力的解釋物質；縱使如此，他們仍缺乏動力的模型來解釋物質。模型來解釋物質。

學生對物質微粒子性質的理解學生對物質微粒子性質的理解

Vapor Model Cloud ModelVapor Model

Particle Model

蒸氣模型蒸氣模型訪談者：如果你可以看到燒瓶中的空氣，訪談者：如果你可以看到燒瓶中的空氣，畫出你想可能看到的東西。畫出你想可能看到的東西。學生１：（學生畫出他的模型並說明）如學生１：（學生畫出他的模型並說明）如同空氣四處漂浮。同空氣四處漂浮。訪談者：只是空氣，只是四處漂浮？訪談者：只是空氣，只是四處漂浮？學生１：對。學生１：對。訪談者：你畫了一些連續的線，這些連續訪談者：你畫了一些連續的線，這些連續的線代表什麼？的線代表什麼？學生１：就是空氣。學生１：就是空氣。

雲霧模式雲霧模式訪談者：你可否解釋所畫的圖。訪談者：你可否解釋所畫的圖。學生１：這是我在燒瓶中可看到的空氣。學生１：這是我在燒瓶中可看到的空氣。訪談者：那麼你覺得這像什麼？訪談者：那麼你覺得這像什麼？學生１：像一團彎彎曲曲的雲。學生１：像一團彎彎曲曲的雲。

粒子的模型粒子的模型訪談者：如果你能看見燒瓶中的空氣，畫訪談者：如果你能看見燒瓶中的空氣，畫出其可能的樣子。出其可能的樣子。學生３：（學生畫出她的模型並說明）。學生３：（學生畫出她的模型並說明）。這些小粒子會上下移動。這些小粒子會上下移動。

學生對於物質發展出一套個人的模型，此學生對於物質發展出一套個人的模型，此模型是持續不易被改變。日常的生活經驗模型是持續不易被改變。日常的生活經驗幫助我們支持連續性的模型。一段銅線看幫助我們支持連續性的模型。一段銅線看起來是連續的，縱使化學家們會說這些是起來是連續的，縱使化學家們會說這些是由銅原子所組成。其他的固體液體物質看由銅原子所組成。其他的固體液體物質看似都是連續的。似都是連續的。

學生溫度和熱的理解學生溫度和熱的理解對於溫度和熱能（對於溫度和熱能（ heat energyheat energy ）的了解，）的了解，提供日後修習吸熱和放熱反應、熱形成、提供日後修習吸熱和放熱反應、熱形成、反應熱、溶解熱、蒸發熱反應熱、溶解熱、蒸發熱 ---- 這是了解物理這是了解物理和化學反應過程中能量變化的核心概念的和化學反應過程中能量變化的核心概念的基礎。不幸的是許多高中生仍不能區分熱基礎。不幸的是許多高中生仍不能區分熱量與溫度量與溫度

100ml 80℃ 40ml 80℃

冷卻到室溫，何者損失熱量較多？

學生對進階化學概念的理解學生對進階化學概念的理解學生不能描繪當強鹼滴定強酸的分子繩層學生不能描繪當強鹼滴定強酸的分子繩層面。這研究證明出雖然學生會解文字題目，面。這研究證明出雖然學生會解文字題目，但是他們缺乏對隱藏的背後化學概念的理但是他們缺乏對隱藏的背後化學概念的理解。解。大多數的學生對於基本的鍵結和結構概念大多數的學生對於基本的鍵結和結構概念持另有的想法，例如鍵的極性和分子的形持另有的想法，例如鍵的極性和分子的形狀。狀。

學生修習化學，包括平衡的概念，很難理學生修習化學，包括平衡的概念，很難理解化學平衡中動態的性質。在動態的平衡解化學平衡中動態的性質。在動態的平衡中，正反應和逆反應不斷的發生以達到一中，正反應和逆反應不斷的發生以達到一個平衡的速率，學生所持有的化學平衡異個平衡的速率，學生所持有的化學平衡異於上述的說明，他們認為平衡是一個均衡於上述的說明，他們認為平衡是一個均衡的狀態，沒有任何反應在進行。的狀態，沒有任何反應在進行。

化學教學的新趨勢化學教學的新趨勢(1)(1) 不了解基本化學概念不了解基本化學概念(2)(2) 不會將化學概念與化學現象相連結不會將化學概念與化學現象相連結(3)(3) 背誦化學名詞而加以理解背誦化學名詞而加以理解(4)(4) 背誦如何解題背誦如何解題學生學到一些事實的資料；但是，他們並學生學到一些事實的資料；但是，他們並未發展出統整的概念架構以幫助他們理解其未發展出統整的概念架構以幫助他們理解其他化學概念和現象。他化學概念和現象。

僅告之學生化學家的模型而不考慮學生所僅告之學生化學家的模型而不考慮學生所具備的個人理解，將導致他們背誦「學校具備的個人理解，將導致他們背誦「學校知識」而沒有發展出統整性的理解。對有知識」而沒有發展出統整性的理解。對有些學生而言，背誦方式幫助他們考高分；些學生而言，背誦方式幫助他們考高分；但是，背誦並不能引導學生應用化學概念。但是，背誦並不能引導學生應用化學概念。

概念改變數學順序，由柴夫和歐德漢修訂 (Driver & Oldham,1986)

學生描繪他們的理解

學生重新結構他們的理解

學生和老師交換和澄清理解

藉由矛盾事件將學生置於衝突情境

學生建構新的理解

學生建構新的概念連結

學生應用新的理解

學生比較新的與舊的理解

1.1. 概念改變教學假設學生已知的概念對於他們未來概念改變教學假設學生已知的概念對於他們未來發展化學家概念有很大的影響。化學教師必須體發展化學家概念有很大的影響。化學教師必須體認學生們的先前概念往往阻礙了他們學習正確的認學生們的先前概念往往阻礙了他們學習正確的化學概念。化學概念。-Posner et al.,1982-Posner et al.,1982 等人 等人

2.2. 概念改變的教學重視讓學生表達他們的想法與解概念改變的教學重視讓學生表達他們的想法與解釋自然現象所持的理由。釋自然現象所持的理由。

3.3. 概念改變的教學亦要求學生懷疑他們目前的想法，概念改變的教學亦要求學生懷疑他們目前的想法，學生們必須體認他們目前的想法不能解釋自然現學生們必須體認他們目前的想法不能解釋自然現象，且此想法亦不適切。象，且此想法亦不適切。

在概念改變教學前學生對燃燒的想法在概念改變教學前學生對燃燒的想法研究者：你對燃燒的定義為何？研究者：你對燃燒的定義為何？學生１：這個嘛，你利用熱，這細繩燒起來，學生１：這個嘛，你利用熱，這細繩燒起來，然後碳和氣體被釋放。這就像是當熱被加到物然後碳和氣體被釋放。這就像是當熱被加到物體上，那些東西會變為氣體或能量或者也許有體上，那些東西會變為氣體或能量或者也許有些東西轉變為氣體。些東西轉變為氣體。學生２：一個物體被熱改變學生２：一個物體被熱改變研究者：什麼叫改變？研究者：什麼叫改變？學生１：這個形狀改變，有時候是化學的改變。學生１：這個形狀改變，有時候是化學的改變。

-Bou Jaoude, 1989-Bou Jaoude, 1989

概念改變教學法實施後概念改變教學法實施後學生對燃燒的理解學生對燃燒的理解

學生１：這個（燃燒）是當氧和物質反應後學生１：這個（燃燒）是當氧和物質反應後產生新的物質，有些時候有些物質釋放像新產生新的物質，有些時候有些物質釋放像新的東西！的東西！學生２：燃燒是使用燃料讓它和氧反應，它學生２：燃燒是使用燃料讓它和氧反應，它通常會給一些東西……它與其他東西反應產通常會給一些東西……它與其他東西反應產生其他東西，並不一定都是氣體。生其他東西，並不一定都是氣體。

-Bou Jaoude, 1989-Bou Jaoude, 1989

使用新科技使用新科技新科技的發展提供化學教學使用的有效工新科技的發展提供化學教學使用的有效工具。這些工具包含了電腦基礎實驗室（具。這些工具包含了電腦基礎實驗室（ micmicrocomputer-based laboratoryrocomputer-based laboratory ，簡稱，簡稱 MBMBLL）、繪圖軟體、縮影世界的微電腦模擬、）、繪圖軟體、縮影世界的微電腦模擬、電子通信（電子通信（ telecommunicationstelecommunications ）和互動）和互動的影碟（的影碟（ videodisksvideodisks ））

電腦基礎實驗室和繪圖軟體電腦基礎實驗室和繪圖軟體MBLMBL提供學生利用電腦與電子探測連結做提供學生利用電腦與電子探測連結做為實驗室工具。可探究測量溫度、電壓、為實驗室工具。可探究測量溫度、電壓、光的強度、或光的強度、或 PHPH 值，在探測的同時電腦可值，在探測的同時電腦可直接記錄和繪圖。直接記錄和繪圖。

縮影世界的電腦模擬縮影世界的電腦模擬互動式電腦模擬可允許學生藉由一電腦模互動式電腦模擬可允許學生藉由一電腦模型的交互作用來了解世界的某一層面。研型的交互作用來了解世界的某一層面。研究者（究者（ Vosniadou & Brewer,1987Vosniadou & Brewer,1987 ）預測）預測物理模型（物理模型（ physical modelphysical model ）是協助學生）是協助學生重新構造他們概念理解的方法之一。重新構造他們概念理解的方法之一。

影碟科技影碟科技互動的影碟科技結合了影像、動畫、電影互動的影碟科技結合了影像、動畫、電影繪圖和互動的電腦輔助教學來呈現教學單繪圖和互動的電腦輔助教學來呈現教學單元。這些呈現方式可提供學生看到化學反元。這些呈現方式可提供學生看到化學反應和進行的真正時間（應和進行的真正時間（ process in real timprocess in real timee），這些實驗可能是太危險、太費時或太），這些實驗可能是太危險、太費時或太貴。貴。– Smith & Jonse, 1988Smith & Jonse, 1988

概念圖概念圖概念圖（概念圖（ Novak & Gowin, 1984Novak & Gowin, 1984 ）允許學）允許學生將想法和概念作相關連和連接以幫助學生將想法和概念作相關連和連接以幫助學生建構統整的理解。概念圖是一個二維的生建構統整的理解。概念圖是一個二維的階層圖，顯示出概念間以及和前概念中彼階層圖，顯示出概念間以及和前概念中彼此的連結。在概念聯結中有層級的區別，此的連結。在概念聯結中有層級的區別，在下層的概念被上層概念含攝，亦為上層在下層的概念被上層概念含攝，亦為上層概念之基礎。概念之基礎。

重新描述分子層面的化學問題重新描述分子層面的化學問題GabelGabel提議，如果能讓學生重新描繪化學問提議，如果能讓學生重新描繪化學問題到分子的層面，也許會幫助學生變為較題到分子的層面，也許會幫助學生變為較佳的解題者，並能了解題目背後所涵蓋的佳的解題者，並能了解題目背後所涵蓋的化學概念。化學概念。– Eylon & Linn, 1988Eylon & Linn, 1988

運用類比運用類比類比提供了學生一個將過去經驗與新概念類比提供了學生一個將過去經驗與新概念連接的方式，使學生能主動的建構有意義連接的方式，使學生能主動的建構有意義的知識。研究者（的知識。研究者（ Vosniadou & Brewer,19Vosniadou & Brewer,198787）認為類比可幫助學生重新建構他們的）認為類比可幫助學生重新建構他們的概念理解。化學教育學者已鼓勵化學教師概念理解。化學教育學者已鼓勵化學教師在教學中利用類比，特別是教授莫耳概念。在教學中利用類比，特別是教授莫耳概念。

師資培育蘊涵之意義師資培育蘊涵之意義職前與在職化學教師必須了解到，學生先職前與在職化學教師必須了解到，學生先前的理解對於他們在課室中的學習扮演非前的理解對於他們在課室中的學習扮演非常重要的角色，因此教師們必須不要將學常重要的角色，因此教師們必須不要將學校的知識與他們的個人知識分隔。他們必校的知識與他們的個人知識分隔。他們必須體認學習化學並非僅僅學到一些片段的須體認學習化學並非僅僅學到一些片段的分散的化學概念，而是學到統整的知識。分散的化學概念，而是學到統整的知識。

修森和修森（修森和修森（ Hewson & Hewson, 1987Hewson & Hewson, 1987 ））認為要視教學為協助學生建構或重新建構認為要視教學為協助學生建構或重新建構理解，教師本身必須要經過概念改變的過理解，教師本身必須要經過概念改變的過程，教師要重新架構他們的教學觀，亦即程，教師要重新架構他們的教學觀，亦即教師原本認為化學的教學內容只是教完化教師原本認為化學的教學內容只是教完化學章節的觀念，要改變為教化學是要教學學章節的觀念，要改變為教化學是要教學生發展概念。生發展概念。

結論結論要求學生利用定性的方式解釋物理的變化要求學生利用定性的方式解釋物理的變化（如將鹽融於水）或化學反應（例如，糖（如將鹽融於水）或化學反應（例如，糖的燃燒）時，顯示出學生雖然會使用名詞，的燃燒）時，顯示出學生雖然會使用名詞，但缺乏概念的理解。但缺乏概念的理解。概念改變教學將焦點放在學生個人的理解，概念改變教學將焦點放在學生個人的理解，並強調學生質疑他們的理解，這方法顯示並強調學生質疑他們的理解，這方法顯示出幫助學生發展與化學家看法一致的概念出幫助學生發展與化學家看法一致的概念基礎非常有效。基礎非常有效。

不論是職前或在職教師必須要改變他們對不論是職前或在職教師必須要改變他們對教學的看法，由傳統的傳授課程主題，到教學的看法，由傳統的傳授課程主題，到重視學生的統整概念發展，而教學變為一重視學生的統整概念發展，而教學變為一種協助學生概念改變的過程。種協助學生概念改變的過程。

古代文明對物質構成說法古代文明對物質構成說法中國古代以「金、木、水、火、土」「五中國古代以「金、木、水、火、土」「五行」來說明各種物質的基本性質或「成行」來說明各種物質的基本性質或「成份」。份」。亞理斯多德則提出「火、氣、水、土」亞理斯多德則提出「火、氣、水、土」「四性」之說，「四性」之說，阿拉伯人則以「鹽、硫、汞」為「三要阿拉伯人則以「鹽、硫、汞」為「三要素」。素」。

http://www.phy.ncu.edu.tw/dcc/History/5Chemistry.htm

燃素燃素西方古來對「燃燒」有一種「燃素」（西方古來對「燃燒」有一種「燃素」（ phlphlogistonogiston）的說法：物體中含有「燃素」的）的說法：物體中含有「燃素」的才會燃燒，「燃素」燒盡，燃燒便停止。才會燃燒，「燃素」燒盡，燃燒便停止。例如：硫磺被認為是純的「燃素」，因其例如：硫磺被認為是純的「燃素」，因其燒後留下的灰燼不多。這也解釋了木材燒燒後留下的灰燼不多。這也解釋了木材燒成灰後，不能再燒，而且重量減輕的現象。成灰後，不能再燒，而且重量減輕的現象。

http://www.phy.ncu.edu.tw/dcc/History/5Chemistry.htm

四元素說四元素說

火火 空氣空氣 水水 土土

正四面體正四面體 正八面體正八面體 正二十面體正二十面體 正六面體正六面體