文/黃琴扉、葉凡愉
前言
由於全球環境變遷，全世界的人們為了學習與現今的地球共生共存，並達到永續發展的平衡，跨領域教育及統整思惟被高度需求，並快速獲得重視(Ballew, Omoto, & Winter, 2015; Chankrajang & Muttarak, 2017)，從聯合國(UN)於2015年提出人類未來可持續發展之17項方針中可以發現，未來世界的每一個問題，都是錯縱複雜的，無法以單一面向進行問題解決。以第七項的「可負擔能源」為例，能源危機問題的背後，涉及了現有能源的盤點(例：科學、科技)、人類對能源使用狀況的統計(例：科學、科技、數學)、替代能源的開發(例：科學、機械、科技)、經濟利益的平衡(例：科技、數學)、生活美學與創意發想、社會共享機制與政治管理等各種層面，這些真實世界的問題無法用單一面向進行思考與決策。換句話說，未來人們若要邁向此永續發展，勢必要強化跨領域統整能力，而STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics)即是培育跨領域人才重要核心教育策略之一。
所謂的STEM意指整合科學、科技、機械、美學、數學多元化知識面向與概念，形成融合式基礎教育，讓學習者能將知識進行統整與應用；許多研究發現，學生採用STEM方式進行整合式學習時，其學習動機與認知能力均有長足的進步(Cromley, Kaplan, & Perez, 2017)。為了協助中、小學自然與生活科技教師於課室內落實推廣STEAM教育模式，並且更環保、減廢減量、方便、安全地操作各種化學反應，達到綠色化學目標，因此本團隊自行研發了一套STEM綠色化學教具，稱為「可攜式泛用微型反應器」。
由於許多化學反應需要攪拌、冷卻、洩壓、收集氣體等。因此，開發一套泛用型微型化學反應器，將是化學實驗課十分重要的教具需求。有鑑於此，本團隊自行研發了「可攜式泛用微型反應器」，其特色包含：
(一)減量減廢：運用微型裝置，讓化學反應物、產物及廢棄物減少，達到綠色化學環保概念。
(二)攜帶方便：該裝置體積小、好攜帶，讓授課老師攜帶方便，有助於實驗演示的便利性。
(三)泛用實驗：本裝置整合多項化學實驗需求，可使用一套教具演示多項化學實驗，對教師演示實驗將有極大助益。
(四)符合STEM特色：本團隊整合科學、科技、工程、數學多元化STEM知識面向，並融入問題解決歷程為教學模組，讓「可攜式泛用微型反應器」與教材教法，可以使學習者能將知識進行統整與應用。
「可攜式泛用微型反應器」教具說明
為了協助教師於課室內更環保、方便、安全地操作各種化學反應，本團隊開發了符合STEM概念的「可攜式泛用微型反應器」。透過「可攜式泛用微型反應器」搭配中、小學的自然與生活科技課程，讓學生更能理解一些艱深的科學原理，並且能清楚觀察到實驗結果與化學反應的現象，在此課程中培養學生探究實作與問題解決的能力。
「可攜式泛用微型反應器」其核心觀念，包含酸鹼中和化學反應的科學原理(S:科學)、電動磁石攪拌系統(T:科技)、熱水式緩速加熱、洩壓、氣體收集等多功能化學及化學工程反應(E:工程)，以及測量壓力與溫度數值的變化(M:數學)，分析如表1。
表1. 本課程教具、核心原理及STEM連結對照表
「可攜式泛用微型反應器」教材教法設計
在本課程教材教法的設計上，運用問題導向學習(problem-based learning, PBL)歷程(表2)為教學模組，以強化STEM課程的適切性。綜觀許多國內外學者都廣泛的研究解決問題步驟，因此，問題解決的歷程已被改良出多樣化的模式，但主軸都圍繞著以下這幾個階段：發現問題、確定問題、形成策略、執行實現、整合成果、推廣應用（黃茂在、陳文典，2004），其各階段問題解決歷程中所運用的能力表徵如表2所示。
表2. PBL歷程中所運用的能力表徵
學生在透過問題解決的過程中，可以將學過的知識重新組合、以科學的方法搜尋證據以及評鑑其結果，這是有助於學生學習經驗的遷移（楊坤原，1999；Helgeson, 1992）。學生根據一個問題的初始情境運用其先備知識、技能和理解能力來滿足此情境的需要，並且重組自己擁有的所有資訊，發展新的方法來解決問題，此解決問題的過程即是問題的中間狀態；若學生能達到問題解決的目標狀態，則表示學生已完成此問題解決，而這整體的過程即稱為問題解決歷程（黃琴扉，2012；楊坤原，陳建樺，張賴妙理，2011；張俊彥、翁玉華，2000；Robertson, 2001; Sternberg & Lubart, 1999）。
「可攜式泛用微型反應器」之教材教法設計，採用以STEM活動融入PBL問題導向學習(如表3所示)，探討STEM課程統整模式運用於國中自然與生活科技教學上，培養學生良好溝通技巧、實驗操作、解決問題及創意能力，更透過實驗操作，進而設計出一個問題解決的對策，讓科學、科技、工程、數學相結合，成就創新行為。
表3.「可攜式泛用微型反應器」教材教法說明表
本課程運用國民中學自然與生活科技第四冊(八年級下學期)的酸鹼中和反應進行示範實驗，實驗採用酸性的鹽酸(HCl)與鹼性的氫氧化鈉(NaOH)進行實驗。該實驗的反應式為：
HCl + NaOH → NaCl + H2O + 熱
在使用「可攜式泛用微型反應器」時，可先將圖1中的上蓋打開，並以刮勺加入0.08g NaOH，並利用最上方的針筒量測純水的體積，注入80mL的水；透過電動磁石攪拌，使NaOH均勻溶解，完成1M濃度的氫氧化鈉水溶液。接著，再於溶液中加入石蕊指示液，並運用電動磁石攪拌，使溶液呈現淡藍色，並可看出攪拌的漩渦，如圖2，讓學生可以完整觀察顏色變化與溶液攪拌現象。
接著，再由圖1的另一個針筒處，注入1M的HCl，並運用電動磁石攪拌，透過HCl緩慢注入後，觀察石蕊指示液的變化，待看到顏色由淡藍色轉為淡粉紅色時，立即停止實驗。學生即可進行表格數據紀錄，並推算鹽酸的用量、莫耳濃度與誤差值。
結語
隨著環境變遷、知識與科技爆炸，生活中存在的資訊量瞬息萬變，人們對於環境保護的意識獲得高度重視，因此微型化學與綠色化學概念廣被重視。如何運用多元、跨領域的創意思維，將化學反應微型化、環保化、安全化、便利化，以服膺環保意識、落實課室教學，將是化學教育未來備受重視的課題之一。本文以自行研發之「可攜式泛用微型反應器」為例，將攪拌、冷凝、抗高壓、抗酸鹼等功能集聚一體，協助教師方便攜帶與教學，減少反應用量、提升安全性，並運用透明玻璃讓學生可以完整觀察到內部化學反應狀態，期望此一設計分享拋磚引玉，引發更多化學教育先進的互動交流，以推廣微型化學。
黃琴扉
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所助理教授
葉凡愉
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所碩士