教學評量：由趣味化學實驗談化學試題
100/06/02
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蕭次融｜
財團法人大學入學考試中心研究發展處處長
化學是屬於物質科學的一門，是探究物質的性質和變化的科學。化學的內容和生活息息相關，因此理應受學生喜愛，事實上卻相反。
日本的學生不喜歡化學是怕 3K：kiken（危險）、kitanai（骯髒）、kitsui（辛苦）。我國的學生除了上述的 3 項因素外，最主要的原因可能是化學要記憶很多東西才能應付考試，導致學生學習化學的興趣缺缺。有的學生說在高中學了 3 年的化學，沒動手做過實驗，甚至也沒看過教師演示化學實驗。在現今的升學壓力下，有些學校不得不犧牲實驗教學移作模擬考試，更使學生學習化學的興趣低落。
任何學習都要有動機，有趣的教學內容和方法可激勵學生的學習意願。筆者從事化學教育多年，深感簡而有趣的化學（plain and attractive chemistry, PAC）實驗能提高學生學習化學的興趣，因此模仿文獻中已有的趣味化學實驗並加以改良，進而自行開發多件 PAC 演示實驗，把成果運用在教學上，頗獲稱讚，甚至有命題教授引用為入學考試的命題素材。
歷年來在企業界，創新是一個必備的核心競爭力，即使在學校，創新教學也顯得格外重要。宏碁創辦人施振榮先生的成功名言「Me too, is not my style」，也就是要「Do something in a new way」。筆者曾多次在科學教育的研討會上，藉由和教師動手實際操作實驗，共同構思如何運用 PAC 演示實驗於實際教學上，以演示實驗創新教學，提高教學效果。同理，升學考試的試題也要創新，以引導考生挑戰新試題，擴張其思維，避開重複演練舊試題。
筆者在多次演示化學實驗時，發現最能夠引起學生關注的現象是顏色的變化及劇烈的化學反應，例如發光或起火。本文報導做為升學考試命題素材的兩個 PAC 演示實驗，一是指示劑的顏色改變，另一是鐵粉的自燃，並由測驗結果分析現今高中化學教育的缺失。
神奇的杯子
98 年指定科目考試第 6～7 題題組的命題內容屬於顏色的改變，素材取自教學資源「神奇的 7 個杯子」（blog.xuite.net/siegel/jokes/5979633，2006 年 4 月 14 日），但改為 5 個杯子，實驗目標還是酸與鹼反應，使溶液的顏色變化。
PAC 演示實驗所用的試劑以及實驗步驟，如試題中的說明，至於試題的設計，是測驗考生有關酸與鹼的最基本概念。原試題如下：
本題組與下述酸鹼實驗有關。
步驟：
一、在五個 150 mL 的燒杯中，依表 1 分別滴入試劑。
二、在各杯內滴入試劑後，倒 80 mL的蒸餾水於5號杯，得無色溶液。
三、將 5 號杯的無色溶液，全部倒入 1 號杯，則溶液立即呈現粉紅色。
四、將 1 號杯的粉紅色溶液倒 60 mL 於 2 號杯，結果溶液褪為無色。
五、將 2 號杯的無色溶液 60 mL 全部倒入 3 號杯，結果溶液變為Ｘ色。
六、將 3 號杯的Ｘ色溶液倒 20 mL 於 4 號杯，結果溶液變為紫色。
參考指示劑的顯色，回答第6～7題。
6. 試問Ｘ是什麼顏色？
（A）黃 （B）綠 （C）藍 （D）紫 （E）粉紅
7. 將作完步驟六後的所有杯中溶液倒在一起，結果溶液會呈現什麼顏色？
（A）黃 （B）綠 （C）藍 （D）紫 （E）粉紅
試題分析 本題組測驗考生對於酸與鹼的基本概念，以及指示劑在酸與鹼的溶液中顏色改變的了解程度。考生可從試題中（表 2 指示劑的顯色）判斷溶液的顏色，因此不需要記得指示劑的顏色也可回答本題組。至於酸鹼中和反應的計算，只是簡單的算術問題。
本題組的難度屬於中偏易，具有高鑑別度的特性。通常為了檢驗試題難易度 P（又稱通過率或答對率）和鑑別度 D，常把考生分為高分組（成績在前 33％）與低分組（成績在後 33％），而一試題的鑑別度要在 0.3 以上才可以說具有鑑別度。
第 6 題的答案是（A）黃色，通過率 P＝ 68％，其中高分組的通過率是 90％，低分組的通過率只有 40％，而鑑別度 D 高達 0.50，可說是很好的試題。不過令人擔憂的是，如此簡易的概念試題，還是有 32％ 的考生未能得分。
第 7 題涉及兩種指示劑的顏色疊加效果，試題問把表 1 中的所有試劑混合在一起可得什麼顏色？所用的試劑 NaOH 共 5 滴，HCl 只有 2 滴，很顯然地可以知道鹼多於酸，因此混合液呈鹼性。而溶液中有兩種指示劑，溶液在鹼性時 BTB 呈藍色，PP 呈粉紅色，因此溶液呈現藍色和粉紅色的混合顏色，也就是紫色。
第 7 題所測驗的化學概念比第 6 題難，在約 3.8 萬考生中有 14％ 的考生（約 5,300 人）放棄作答，相對於第 6 題只有 6％ 考生棄答。因此可推測像第 7 題這種要轉個彎才能求答的試題，考生比較沒耐心思考作答。
微細鐵粉的自燃
十多年來「奈米」一詞已成為家喻戶曉的用語，許多商品掛上奈米，好像就意味著超好、超高效率等具特別功能的品質。高中生幾乎都知道奈米是長度的單位，是 10-9 米，也熟悉奈米大小的物質具有許多特性，但甚少看到有關奈米特性的實驗。
筆者曾經設計一個在一般的普通教室就可製備鐵的「微細粉末」的實驗，並把鐵釘、細鐵線及鋼絲絨放進酒精燈的焰火中，比較燃燒的情形後，就演示所製備的微細鐵粉自燃。方法是把所製備的微小鐵粉從試管口倒出，使其在空中落下時發出閃閃火花，著地後引起鋪在鋁箔上的面紙起火燃燒，著實壯觀，學生很喜愛這個 PAC 演示實驗。鐵的「微細粉末」的製備和演示操作，如 92 年指定科目考試第 25～27 題中的說明。
25～27 題為題組
以下敘述一個實驗，你或許未曾見過，但不用擔心。試題設計的主要用意，在於測驗考生是否會應用曾經做過的化學實驗，由其觀察、推理與判斷所得的經驗，找出正確的答案。
取約 5 克的草酸鐵（FeC2O4．2H2O）放入試管，用酒精燈加熱。結果黃色粉末的草酸鐵逐漸變為灰黑色。把試管移出火焰外，冷後塞緊試管，以磁鐵靠近試管，可看見試管內有些微細粉末會隨磁鐵移動，有的不會。打開試管塞，高舉試管，使粉末從試管口落下，可看到閃閃火花。
25. 用酒精燈加熱草酸鐵時，下列中的哪些物質，有可能以氣體的狀態從試管口逸出？（3 分）
（A）C （B）C2H2 （C）CO2 （D）H2O （E）H2O2
26. 試管內的黑色粉末，有可能含有下列中的哪些物質？（3分）
（A）Fe （B）FeO （C）FeO2 （D）Fe2O3 （E）Fe3O4
27. 下列中的哪一種物質，從試管口落下時最有可能發出火花？（只選一項）（3分）
（A）Fe （B）FeO （C）FeO2 （D）Fe2O3 （E）Fe3O4
試題分析 本題組旨在測試考生如何運用所學的化學知識挑戰未曾見過的新試題，希望考生由所描述的實驗操作和結果，推斷試題的正確答案。因屬於創新的題型，考生不習慣而放棄作答的比率相當高，尤其第 27 題棄答率高達 22％，約 5 位考生中就有 1 位棄答，相當嚴重。至於整體的答對率，則只有第25題是 75％，即使低分組的考生，也答對 54％，不過其鑑別度 D=0.38 甚佳，是不錯的試題。但其他的兩題，第 26 與 27 題則不甚理想，答對率一是 13％，另一雖高一點，也只有 21％。
考後，最讓從事化學教育者驚訝的是第27題，選項中除了正答的（A）Fe外，其餘 4 個選項都是鐵的氧化物，換句話說都是鐵銹。因此，即使以常識來推理，鐵生了銹就變成了鐵的氧化物，而鐵的氧化物在空氣中還會發出火花嗎？鐵的氧化物是鐵在乾燥空氣中的最終產物之一，怎還能和空氣接觸發出火花？讓化學教育者不解的是，高分組有 33％ 考生選 FeO，幾乎連高分組的學生，3 人中就有 1 人選 FeO。
由本題組考生的作答結果，可看出考生不習慣這種在考古題所未曾見的試題，尤其第 27 題，棄答率高達 22％，連高分組的考生也有 17％ 考生棄答。因此可推測學生學習化學的方法還是多憑記憶，導致對於化學不感興趣，對新題型就束手無策了。
現今的化學教育
由上述試題分析，會令人擔憂現今的化學教育不重視實驗教學，未讓學生從操作化學實驗中學習化學，學生也就無法親眼目睹有趣的化學變化，無法驗證化學的實在性，也無法具體領會化學反應的趣味性。學生很在意升學考試，因此重複演練考古題，教師的教學也就多以升學為導向，對於化學實驗，充其量也只是所謂的「黑板實驗」。教師在黑板講解實驗，怎能引起學生學習化學的興趣？俗語說百聞不如一見，但筆者認為百見還是不如一試，學生實驗的重要性不可忽視。
曾有教育學者認為教學是藝術，也是技術。藝術重視創意，技術則要求創新，因此教學要兼具創意和創新。筆者認為學生實驗最重要，一個能引起學生興趣而不占太多教學時間的方法，是在教室內教師配合教學進度，適時演示 5 分鐘以內的 PAC 實驗。筆者曾在國外的化學教育雜誌上，見過 Demistry 一詞。這是由 Chemistry 中的頭 4 個字母 Chem 與 Demonstration 中的頭 3 個字母 Dem 替換，代表化學演示，可見 PAC 演示在化學教育上所扮演的重要角色。
在中學階段的化學教育理應重視具體的化學實驗，即使屈於現實的升學導向，教師也不宜只讓學生鑽研考古題以應付考試，因為長此以往，學生的聰明才智和發展會受到嚴重的壓抑。
現代社會的發展，所需要的人才應是一個主動進取，善於發揮自己的學習潛力，而且具有創新精神的人。因此教師要教導學生探究性問題的解題思路，仔細分析，力求舉一反三，觸類旁通，以應付大考試題逐漸出現的新題型。此外，要把化學與趣味性、科學性和創新性結合，以此為原則，把握化學的思維方法和解題規律，培養學生分析問題和解決問題的能力才是正道。也唯有如此，才能使學生對未曾見過的創新試題不害怕，不放棄作答，從而迎刃而解。
化學教育也是培養學生的能力比灌輸知識重要的學科，教師平常的教學不可只針對應付考試，而要給學生能帶著走的化學能力。
最後，筆者期與第一線的教師共勉，萬事皆知易行難，唯有踏出創新教學的第一步，跳脫舊有的思維並堅持下去，化學才可恢復原貌成為有趣的科目。只要學生容易親近，學習效果就會倍增。
