以虛擬實驗輔助實際操作 Flash教學小程式把理化變簡單

這間實驗教室裡看不到量杯、滴管或酒精燈，只有一臺臺電腦並排，加上電子白板與投影機，如同一間電腦教室，實驗室裡的學生人人都可以使用電腦上的教學軟體，看見抽象的物理原理如何運作，探索顯微鏡也難發現的化學分子活動。這裡不是大學的研究中心，而是臺北市龍山國中理化老師鄭志鵬的e化科學實驗室。

以動畫教材軟體呈現抽象理化知識

鄭志鵬運用電腦進行各式各樣的虛擬實驗，走進他的理化實驗室，你會看見學生自己繪製眼球構造進行光學實驗，以軟體模擬化學分子碰撞過程，操作互動式Flash小程式研究浮力效應。藉由這些軟體的模擬，不僅使實驗更接近理想情境，學生也能看見程式模擬抽象觀念的運作過程，因而把理化變簡單了。

在傳統的紙本教學環境下，學生只能藉由課本圖片與文字理解化學反應的理論教條，但這些知識往往距離現實生活的經驗很遙遠，學生無法想像分子碰撞的過程，因而聽不懂老師的解說，覺得無聊而瞌睡連連。鄭志鵬決定帶著學生走出課本，用軟體模擬分子碰撞及化學反應，讓學生眼見為憑。

這堂課是化學分子介紹，當你走進鄭志鵬的理化課堂，會看見他使用科羅拉多大學PhET互動科學網站提供的「化學反應和反應速率」虛擬實驗小程式，這個程式可以用動畫呈現分子碰撞發生化學反應的過程，還可以手動改變碰撞實驗的環境變因，例如改變分子的碰撞速率，鄭志鵬要求學生觀察這些變因如何改變反應速率，就像傳統理化實驗，會改變操控變項，來觀察實驗結果。

課程一開始，鄭志鵬先解說分子碰撞引發化學反應的基礎知識，然後才在電子白板上開啟化學反應和反應速率小程式，這個程式的畫面可以分為呈現模擬過程的虛擬實驗區，自動繪製實驗報表的圖表區，以及可操控的設定區等。使用者只要在設定區裡調整實驗條件，虛擬實驗區會以動畫呈現出分子碰撞的過程，並將數值變化的結果顯示在圖表區上。

只見鄭志鵬透過軟體操控鈕增加了化學分子的數量，虛擬實驗區的模擬動畫視窗中，立刻冒出一顆顆小分子緩慢地交錯碰撞。這個變化引起學生的好奇，紛紛交頭接耳討論觀察，課堂氣氛活絡起來了。虛擬實驗一開始，分子碰撞的速率很慢，效果不明顯，所以，鄭志鵬另外提高了實驗環境的溫度。隨著溫度提升，小分子變得更不安分，交錯碰撞的速度加快了，有些小分子甚至忽然就結合為更大的分子，引起學生的驚奇而一陣騷動，鄭志鵬趁機詢問學生，觀察到了哪些現象，並要求他們用自己的想法試著推論這些現象的成因。

鄭志鵬繼續增加分子數量，只見動畫視窗內布滿更多小分子，顯得擁擠不堪，分子碰撞的機率大幅增加，反應速率再度加快。鄭志鵬向學生解釋，分子數量增加，代表著分子濃度越高，學生一眼就能看到數量增加會加快反應速率，不用強記課文內容中濃度與反應速率的關係，藉由觀察模擬情境可以看到規則的效果。

鄭志鵬講解完示範操作，接下來是學生盡情揮灑的時間，每個人都可以自己動手操作軟體進行虛擬實驗，自行調整各種變因，來觀察不同的規則變化。

全班學生操作完畢後，鄭志鵬請學生上臺分享自己發現的現象與推論，並利用遠端桌面遙控軟體TeamViewer，直接將學生所用電腦的螢幕畫面投影到電子白板上，讓學生自己一邊操控模擬畫面，一邊向同學解說自己的實驗作法及新發現，臺下同學都專心聆聽。

虛擬實驗可排除誤差，使實驗結果達理想值

除了協助學生理解抽象的觀念之外，用軟體做虛擬實驗還能避免真實世界中，實體實驗環境容易發生的誤差，來創造出理想的實驗環境，學生不用耗費太多時間來排除干擾因素，能更專注於思考抽象的知識，像是摩擦力實驗就是最好的例子。

傳統上，當學生實際操作摩擦力實驗時，先將木塊放置於不同材質的平臺上，再施力拖拉木塊上連結的彈簧秤，當木塊開始滑動前的瞬間施力，就是最大靜磨擦力，不過，實際實驗中常遇到的困難是，木塊與平臺接觸表面的摩擦力不盡相同，導致重複實驗的數據與理論值之間的誤差甚至高達3成，老師很難用這樣的數據向學生證明摩擦力理論，所以，鄭志鵬改以PhET網站提供的「一維空間中的作用力」Flash小程式，來進行虛擬的摩擦力實驗。

每次虛擬實驗課一開始，鄭志鵬都會先介紹摩擦力理論和程式功能。哪個區域的畫面可以呈現物體的反應，哪邊是實驗參數的設定區等。他同樣先示範操作，讓學生觀察不同設定條件改變時，這些變因如何影響磨擦力。然後再讓學生自己操作，逐一調整物體的質量、重力與摩擦力係數的操控鈕。

曾有學生令鄭志鵬相當驚喜，這個學生透過逼近的方式，不斷改變讓物體滑動時的施力大小，來更精準地估算最大靜摩擦力。例如，施力147牛頓，物體無法滑動，學生就會逐漸提高施力數值，直到148牛頓時，物體開始滑動，學生就能得結論，最大靜摩擦力是介於147牛頓與148牛頓。

鄭志鵬說：「這種課程最棒的地方是，8成學生能夠全程投入，即使功課不好的學生也願意全程參與，而且不少學生能夠自己發現實驗的變化規則。」虛擬實驗提供的理想實驗環境讓學生更容易進行原理規則的推衍，這是實際操作的實驗難以實現的教學。

一人一臺電腦，自己做實驗

以軟體做虛擬實驗還有一項好處是，學生人人都能自己完成實驗。為了給予每位學生獨立完成實驗的體驗。過去，許多理化實驗需要器材或設備才能進行，但一般學校實驗室的器材套數有限，實驗材料也不多，實驗只能分組進行，例如整班學生每6人分為一組，每組操作一套設備，多數學生很難從頭到尾親手做實驗，有些學生甚至直接抄襲組員的數據，無法體驗做實驗的思考歷程。

於是鄭志鵬決定在進行實體實驗之前，先讓每一個人透過電腦來進行虛擬實驗。他將整班學生帶進電腦教室，一人配置一臺電腦，接著使用雲林縣西螺國中老師涂維聖開發的浮力實驗Flash小程式。這個浮力實驗小程式，畫面就像傳統實驗那樣，在彈簧秤下懸掛著小量杯，可以注入液體，量杯下方則綁著金屬圓柱，圓柱當中是裝滿液體的大量杯。

學生可以利用液體和金屬圓柱的體積與密度的資訊，比較彈簧秤上的讀數，來計算出小量杯空杯和內裝液體重量、金屬圓柱重量、大量杯液體浮力的資訊。另外，Flash小程式也提供測驗模式，會隱藏彈簧秤的讀數，學生要了解密度、體積、重量和浮力的關係後，自己推算所有數值，輸入Flash小遊戲中的空格進行驗證，全部正確才能完成這個浮力實驗。

由於每次Flash小程式執行時，會亂數產生初始條件，例如金屬圓柱的密度與空杯的重量每次都不相等，所以每一個學生要進行的浮力實驗環境條件不會和其他同學重複，只能自己獨立完成。也因為如此，鄭志鵬必須隨時巡視學生的實驗操作狀況，萬一學生還不理解浮力知識，或不熟悉軟體操作方式，鄭志鵬可以個別指導，也讓那些還不了解課程的學生能被老師看見。

鄭志鵬會安排先完成實驗的學生擔任小老師，指導進度較落後的同學，甚至有些學生會自己拿起滑鼠當作彈簧秤，以鉛筆盒當作金屬塊，主動向隔壁同學解說浮力原理。

在虛擬浮力實驗中，學生更容易理解浮力原理，甚至是自己發現浮力原理，改變以往老師先提出結論，讓學生透過實驗印證的教學模式。鄭志鵬說：「虛擬實驗雖然捨棄了讓學生實際操作器材的經驗，但較有助於學生進行抽象思考，甚至主動討論自己的發現，這是老師在教學上必須取捨的地方。」

做虛擬實驗前，學生要快速上手軟體操作方式

一旦老師選擇用軟體做虛擬實驗，學生就無法體驗實際操作的科學實驗技能，像是操作器材、排除誤差及實驗設計等，但對學生而言，虛擬實驗有助於理解更多抽象的理論知識，而不受實體實驗的各種變因干擾。

為了兼顧兩者的優點，鄭志鵬會在整學期開始前，條列科學教育所需傳授的科學技能，像是評鑑能力、實驗結果處理及分析、儀器使用及操作等技能，規畫各項科學技能在不同授課單元中的占比，盡可能地平均分配，也以此來評估哪些單元適合藉助資訊融入教學，哪些實驗適合以軟體取代實際操作。

經過多次實際嘗試，鄭志鵬發現：「抽象難懂的理論知識、實際操作誤差難以掌控、適合個人操作，適合藉助軟體做虛擬實驗。」

不過，老師決定用軟體做實驗，必須克服的挑戰是，如何在很短的時間內，讓學生快速學會操作軟體。鄭志鵬每次都會在學習單上詳細說明軟體使用方式，在課堂上，他會逐一解說軟體操作介面上的圖形、按鍵與數據的意義，並示範軟體操作方式。學生動手操作軟體時，鄭志鵬會巡視每位學生的操作狀況，協助電腦技能較差的學生。他說：「老師要用最短時間協助學生克服軟體操作的障礙，才能進入真正的教學內容。」

複雜抽象的理化學科曾是不少國中生的夢饜，但鄭志鵬用資訊輔助理化教學，甚至以軟體做虛擬實驗，解決實際操作的問題，引領學生走進理化世界。鄭志鵬說：「讓學生印象深刻的方法是，讓他們自己付出專心和努力，願意認真投入，而資訊融入教學就是為了讓學生認真投入的門檻低一點。老師只是引誘者，引起學生的動機，後面若要持續下去，老師必須交替使用不同的教學方式，直到學生自發性地覺得念書、做實驗好玩，才能成為主動學習者。」

鄭志鵬也將在理化課中運用各種電腦軟體、虛擬實驗、Flash小遊戲等經驗，分享到「小p老師的理化遊戲房」部落格上，他希望可以讓更多老師體會資訊融入教學的樂趣和成就感。

在鄭志鵬的理化課中，每一組的學生都熱切地想上臺分享虛擬實驗的心得，一堂課下來，學生在臺上的時間，往往加起來比鄭志鵬的解釋還要久，他點出很多老師忽略的關鍵，「不能光有軟硬體，更重要的是，老師的心態要改變，願意把講臺讓出來給學生」。鄭志鵬說。

用虛擬實驗呈現抽象的知識理論

鄭志鵬運用電腦讓學生進行各式各樣的虛擬實驗，圖為化學反應中的分子碰撞虛擬實驗，學生可以自行調整實驗環境的參數，來嘗試不同變項對化學反應的影響。

虛擬理化實驗可達成的6大效益

效益1

將抽象或難以看見的科學現象具體化

有很多科學現象過於抽象或難以在現實生活中看見，透過虛擬實驗程式的呈現，可幫助學生理解，例如圖為PhET「化學反應和反應速率」虛擬實驗，以動畫呈現分子碰撞到產生化學反應的過程，學生還可自定實驗條件。

效益2

創造理想實驗環境，減少實驗誤差的干擾

真實世界的理化實驗經常會有誤差，學生反而不易從實驗數據來推論理論規則，例如摩擦力實驗，可利用像PhET「一維空間的作用力」，來提供理想的實驗環境，讓學生更容易歸納出實驗結果。

效益3

初始條件人人不同，讓學生獨力完成實驗

虛擬實驗可以亂數設定實驗的初始條件，例如浮力實驗的Flash小遊戲，每次載入時的初始條件都不同，每個人看到的金屬圓柱密度、空杯重、液體密度等都不同，學生必須自己獨力完成實驗，因此可立即測驗學習成效。

效益4

人人可進行理化虛擬實驗，不受器材侷限

過去受限器材不足，理化實驗必須分組進行，往往只有少數人能實際操作，現在只要有電腦，學生每一個人都能進行虛擬實驗，透過學生親自動手操作，也讓老師發現需要補救教學的學生。

效益5

用電子白板投影實驗畫面，讓學生上臺分享

利用TeamViewer遠端桌面遙控軟體，可以將學生所用電腦的畫面投影到電子白板上，讓學生上臺分享實驗操作過程和發現，並與臺下同學互動討論課程內容。

效益6

先完成者擔任小老師，協助其他同學

由於每位學生都自己做實驗，先完成實驗者可以擔任小老師，指導進度較落後的同學，甚至有些學生會自己拿起滑鼠當作彈簧秤，以鉛筆盒當作金屬塊，主動向隔壁同學解說浮力原理。

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