生物體內的化學反應-沉浮的葉子小艇

資料來源
科學研習月刊57-10


吳沛穎 /桃園市私立新興國際中小學教師
 
以往學生面對光合與呼吸作用時僅以片段的方式記憶,忽略了這些化學反應在細胞中扮演的角色與關係,因此在具體操作中引導學生整合科學概念,將零散的陳述記憶轉化成知識架構,從寫作中洞見學生看待世界的視野,從回饋中發掘教學的價值。

 學生生活經驗與知識結構的阻礙


光合作用與呼吸作用為國中生物重要之概念,卻是生物科學中常造成學習困難的主題之一,主要原因在於學生對於「植物行光合作用的原料」、「消耗及產生的氣體」和「植物與能量之間的關係」等概念不清楚。以兩概念為例,依國中生物課文文本第二章說明動植物細胞胞器的功能,學生得知葉綠體可行光合作用,而粒線體可利用呼吸作用將養分轉換成能量,並了解細胞是生物體構造和功能的基本單位,不過到了第三章的養分獲取時卻缺乏將概念整合成知識系統的能力,學生須由文本隱含的邏輯關係推演出概念之間的關聯,對部分學生會造成理解上的困擾。再加上學生可能從日常經驗、錯誤的類比或與生俱來的理解方式學習,這些經驗建構出的概念若與學校正式課程知識發生衝突時,將會影響學生學習新知,造成學習困難。

圖1.學生概念衝突成因示意圖。(以邱美虹教授文字修改製作,2000。)

筆者發現國中階段的學生常見的光合、呼吸作用另有概念有:
(1)綠色植物的光合作用只發生在白天;
(2)呼吸作用不會發生在有光照射的時候;
(3)當綠色植物沒有光能,停止進行光合作用時,它們還是持續呼吸和散發氧氣。

這部分的結論與Treagust在1995年發表的結論部分雷同,因此可知,學生要改變自己原有的科學概念,其過程中是相當困難的,因為科學概念常是抽象、複雜,且與生活經驗不同。

十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要中提到國中階段課程需由具體操作切入後,引進抽象思考連結具體操作。筆者以呼吸作用作為起始進行跨概念整合,引導學生了解生物呼吸作用產生的氣體可作為光合作用原料,初步建構碳循環概念。藉由科學文本提供學生對於光合作用的初步概念,從中歸納出影響光合作用速率的變因並著手進行實驗,最後根據實驗結果與問題討論反思整個實驗流程,撰寫成科學報告。期盼透過此課程促進國中學生學習興趣,以提升科學素養與學習成效。


  教學目標與流程

為求切合學生學習需求,教案設計必須針對學生先備知識著手規劃。在國中七年級的課程中,教學目標著重於使學生了解光合作用及呼吸作用進行時所需的反應物與產物。實驗的安排企圖讓學生從觀察中初步形成科學概念,並能利用產物推測反應是否進行。藉由實作的活動,培養學生科學探究與問題解決的方法與能力。最後引導學生認識科學寫作方式,並嘗試撰寫實驗報告。

筆者針對國中生物概念進行整合,設計出光合作用與呼吸作用之探究型課程模組實驗,搭配分組合作之教學策略,並以各組任務提供學習情境,茲將模組設計步驟進一步說明如下:

一、 呼吸作用-使用石灰水證明人吐出之氣體具有二氧化碳

以七年級生物第六章章節實驗活動觀察人體呼出之氣體是否內含二氧化碳,教師先行說明石灰水混濁之化學反應,接著請學生操作實驗並點明實驗觀察要領。

二、 光合作用科學閱讀-討論影響光合作用之因素並設計實驗組/對照組

課程設計之初期望培養學生科學閱讀能力,故分組策略上採 JigsawⅡ拼圖法二代合作學習模式分派學習任務,分成合作小組及專家小組。拼圖法二代是由原始拼圖法結合其他小組學習方法所發展出來的(黃政傑、林佩璇,1996),其主要差別在於拼圖法中每位專家部分都是一個獨立而完整的單元,而拼圖法二代則整合這些獨立單元,並增加在合作小組與專家小組中的閱讀時間。詳細實施步驟如下:

(一)、 合作小組:
小組人數建議4~6員,依序分配組員職務,如組長、紀錄員、資料員、風紀員等,並請資料員上台拿取任務袋。任務袋中有4~6項子任務(依小組人數而定),待組員分配完子任務後,先留在合作小組閱讀教材,教師需提醒學生留意關於自己子任務的資訊。
(二)、 專家小組:
閱讀完資料後,將相同子任務之組員分派至專家小組中,各專家任務即為深入探究自己負責的主題,此時教師巡視各組並適時介入,筆者建議教師可入坐於學生組內聆聽。本次課程使用之閱讀文本(子任務) 包含:葉片結構基本介紹、水生及陸生植物、英吉曼水綿實驗、不同生長環境 C3 植物、不同生長環境 C4 植物、不同生長環境 CAM 植物。每一子任務皆有學習單須完成。
(三)、 原合作小組分享:
教師給予學習單,學生將於專家小組中討論出的內容與原小組分享,使原合作組別內夥伴都能獲得討論重點,並回答學習單問題。在此學習單的問題設計需呼應下一教學流程,以便學生能夠整合出影響光合作用的變因。
(四)、 發表光合實驗影響變因:
教師引導學生根據討論內容羅列影響光合作用實驗之變因,並上台發表。在此課程中學生討論出的變因如下:二氧化碳對光合作用的影響(加入二氧化碳與否、吐氣之量)、不同物種葉片(植物種類、厚薄、重量)。

三、 沉浮小艇-根據實驗設計進行操作,分析實驗數據撰寫實驗報告

(一)、 全班授課提問:
以「如何證明植物曾發生光合作用」問句,引導學生歸納出驗證方法可視產物是否產生作為依據。在課文中已使學生得知植物產生之養分除直接供給植物使用之外,亦會經由酵素轉化為澱粉形式儲存,並可利用碘液測試。
(二)、 操作實驗:
實驗器材如圖2,包含:燈源、葉片、培養皿、50ml針筒、打洞器及吸管,可根據學生選擇之變因調整實驗材料,此實驗操作步驟引用自阿簡生物筆記之實驗流程,如圖三所示。

圖2.沉浮小艇實驗器材


圖3-1沉浮小艇實驗步驟1:使用打孔器打出葉錠,投入20ml 水中。拿著吸管對水裡吹氣,將含二氧化碳的水倒入針筒內。


圖3-2沉浮小艇實驗步驟2:把葉錠裝在針筒裡抽真空。


圖3-3沉浮小艇實驗步驟3:用手指頭壓住針筒出口,活塞往後拉數秒,重複數次,直到葉錠都沉入水底。


圖3-4沉浮小艇實驗步驟4:把兩組裝置都放在光源下照光,計算半數葉錠浮起時間。

(三)、 分析實驗數據並討論:
教師提供兩份實驗報告作為對比,請學生找出相異處,如圖4,從差異處帶領全班整理實驗報告架構,並將此架構作為評分依據。

圖4.分析實驗報告示意圖

(四)、 各組發表:
教師根據各組實驗討論進行評析。

四、 科學寫作

學生實驗報告課程結束後,學生根據實驗撰寫架構整理出組別報告,並各自回答問題討論,方式不拘,如圖5所示。
  
圖5.學生科學報告寫作範例

 求新求變-活動過程中遇到的問題

本課程經筆者實際於校內生物實施探究課程,利用4堂課約180分鐘的時間,初步引導學生建構碳循環概念,並藉由科學文本歸納出影響光合作用速率的變因並著手進行實驗,反思流程後撰寫科學報告。在授課過程中發現學生提出之議題與課程遭遇之困難,以下提供筆者的觀察:

1. 即使呼吸作用產物檢測較偏向食譜式實驗,學生仍會糾結於石灰水量、導管方向或呼氣次數,建議以反問方式讓學生思考實驗的可能性,並比較不同的變因下與他組的應變變因是否不同。

2. 在進行合作教學分組時,筆者建議實施分組必須加強任務連結,以學習任務為導向設計合作學習單,避免學生未能確實針對主題討論,或討論內容脫離學習概念。

3. 學生進行討論時為避免偏離主題,或無法及時切入核心概念,教師可入桌觀察與討論,適時調整討論節奏與方向。

4. 操作沈浮小艇實驗時僅少數小組的葉錠成功浮起,建議即使實驗失敗,亦可引導學生在實驗結束後討論出幾個可能因子,例如:葉片種類、打洞時間與面積大小、溶液比例、光源種類(本實驗使用鹵素燈,亮度高且光源集中,唯易發熱)、自身操作手法不熟練等,可進一步根據因子設計實驗,增加學生與學習概念的互動,延伸實驗廣度及深度。

5. 雖然學生在傳統講述及紙筆測驗中能正確回答科學概念,但從實驗報告的論述裡仍會發現迷思。例如在科學方法單元學生曾學到設計實驗時需將組別分為實驗組與對照組,兩組之間只能存在一操作變因,但從實驗報告中依舊能發現,若請學生針對一假設設計實驗時會出現一個以上的操作變因;抑或是針對問題提出之討論未全盤設想,如圖6所示。筆者以實驗結果進行反問,企圖使學生產生認知衝突,引發內在動力思索並解決問題。
 
圖6.科學論述迷思概念範例

 結語

進行完探究教學後,筆者嘗試探討課程實施前後的學習成效,以不同班級之段考成績作為指標發現班級間無明顯差異,但若將其科學寫作的敘述進行比較可發現不但內容豐富多元,且能以科學性的字眼描述。這也更加證實實行探究教學必須搭配適宜的評量工具,藉由多元、實作評量來檢視學習成效。寫作內容不僅可用以檢視學生科學概念的準確度,也可以分析其論證推理的品質(Champagne & Kuoba, 2005)。因此本課程以科學寫作進行概念統合,梳理探究實驗中的脈絡,並從學生文章中修正教學,體現「從寫作中洞見學生看待世界的視野,從回饋中發掘教學的價值」之真正意涵。

 參考文獻

1. Champagne, A. B., & Kouba, V. L. (2005). Writing to inquire: Written products as performance measures. In J. J. Mintzes, J. H. Wandersee, & J. D. Novak (Eds.), Assessing science understanding: A human constructivist view. Burlington, MA: Elsevier Academic Press.
2. Tregust, D. F. (1995). Diagnostic Assessment of Students’ Science Knowledge. Mahwah: New Jersey.
3. 邱美虹(2000)。概念改變研究的省思與啟示。科學教育學刊,8(1),1-34。
4. 黃政傑、林佩璇(1996)。合作學習。台北:五南。
5. 簡志祥(2011)。用浮沈葉錠測量光合作用和呼吸作用。阿簡的生物筆記。2018 年 4 月 7 日,取自 http://a-chien.blogspot.tw/2011/10/blog-post_6314.html。
6. 國家教育研究院(2014)。十二年國民基本教育課程綱要。取自 http://www.fssh.khc.edu.tw/UpLoadFiles/E2AEA34.pdf。