指導學生科學展覽和獨立研究的態度與方法 / 曾鶯芳

星期日 , 1, 五月 2016 Leave a comment

指導學生科學展覽和獨立研究的態度與方法

曾鶯芳

國立高雄師範大學附屬高級中學(退休教師)
if1@tea.nknush.kh.edu.tw

其實,我比較喜歡稱「科學展覽」為「獨立研究」,因為獨立研究顧名思義就是研究者要有自己的想法,自己設計方法去解決問題,不是按照指導老師一個指令一個動作去完成研究。我更希望科展(獨立研究)不是只做一次或一屆,因為研究成果是無止境的,沒有做完之時,只有更深入發展的空間,如果能持以長期經營與持續不斷的研究態度,這對於研究者對研究主題及研究能力必定有更進步的瞭解與建立。

作者於教學之餘對化學之「探究與實作」甚感興趣,在退休之前曾指導過多位高雄師大附中學生進行校內獨立研究,並將其成果提出參加國內和國際科學展覽(詳見附錄) ,茲將本人指導學生科展與獨立研究之心得與經驗與各位化學界同好分享。

n  獨立研究流程

獨立研究有一定的流程,如圖1所示,並介紹各階段如下:

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1:指導學生專題研究流程

一、   決定研究領域

研究主題的尋找需要先決定研究領域,不同型態的比賽所區分的領域各有不同。

(A)   全國中小學科學展覽會

●   國中組和國小組,科別有:數學科、物理科、化學科、生物科、地球科學科、生活與應用科學科。

●   高中職組,科別有:數學科、物理與天文學科、化學科、地球與行星科學科、動物與醫學學科(含微生物、生物化學、分子生物)、植物學科 (含微生物、生物化學、分子生物)、農業與食品學科、工程學科(一)(含電子、電機、機械)、工程學科(二)(含材料、化工、土木)、電腦與資訊學科、環境學科(含衛工、環工、環境管理)。

(B)    臺灣國際科學展覽會

●   展覽科別有:數學科、物理與天文學科、化學科、地球與環境科學科、動物學科、植物學科、微生物學科、生物化學科、醫學與健康科、工程學科、電腦科學與資訊工程科、環境工程科、行為與社會科學科。

二、   收集分析資料

收集資料的方法如下

●   找書本:包含教科書(如大學用書、教師手冊等)、科學刊物及學術論文等。

●   網際網路:由關鍵字及關鍵詞蒐尋開始;我最常請學生上「國立臺灣科學教育館」的「臺灣國際科學展覽會」及「全國中小學科學展覽會」網頁中觀摩「歷屆參展作品」,或「臺灣網路科教館」的「科展群傑廳」一樣可以找到歷屆科展的作品。甚或高階一點的尋找「國家圖書館」裡「資源查詢」中的「臺灣碩博士論文知識加值系統」。

●   找專家:學校老師 (包括校內的科老師、大學教授等)、研究機構研究員(中研院、工研院、生技中心)

這階段的優勢條件是有強的外語能力。

決定研究領域之後,開始大量閱讀有興趣的文獻資料,慢慢縮小範圍至鎖定某一研究主題,然後搜集相關文獻資料以確立研究方向;如果在此階段一直無法鎖定研究主題,則必須回到上層(決定領域)重新來過。

三、   構想階段

構想階段主要的目的決定進行研究的目的(為什麼做?)、稍微訂定研究的方向(大致的題目)(做什麼?)以及了解相關資源

科展主題「創意」是重點,而創意有兩類:「主題的創意」與「方法的創意」。

四、   決定研究方向與進行實驗

這階段的目的是獲得實驗數據,步驟如下:

●   按「研究計畫書」的步驟進行實驗。

●   由初步數據/結果 開始做判斷,並時時檢視實驗方法與假說是否要修正、實驗結果與目前的認知是否有出入,亦即要不斷地與實驗目的及架構做比對。同時每一實驗要有對照組且至少須三次重複,以確定結果的再現性。

●   繼續資料蒐集與分析。

五、   整理數據

這階段儘量數字說話(If you want to say anything, say it in numbers!,數據的處理力求精簡、清晰、扼要;要有好的繪圖及文書能力;了解實驗重覆次數是否有統計上的意義;儘量使用圖表呈現結果,如果圖與表不能並存,那優先選擇以「圖」呈現。

六、   撰寫報告

研究報告的書寫是將研究動機、過程與結果串連成一篇引人入勝的故事,要力求簡潔並控制篇幅長短(由主辦單位/評審/編輯決定);結果與討論的書寫技巧是構思實驗的架構,說明要具層次感;要能解讀圖中曲線(或圖形)所代表的涵義,解釋得當,不僅可讓假設獲得印證,還可讓自己的結論加分。全部內容都書寫完畢之後才寫摘要,並為整個研究主題訂定一個吸引人的題目。

在整理數據與撰寫報告階段,優勢的能力是有流暢精闢的文字表達能力。

如果整個研究流程在某一環節有疑問或矛盾,都應再從上一層次進行檢討後決定後續研究方向。

n  指導心得分享(以生活中之清潔劑去污為例)

凡事起頭難,指導科展研究最難的就是研究主題的尋找;歷屆科展作品是不錯的參考資料,或許有人會認為,那都是已經做過的題目,還有甚麼可以參考的呢?其實我們可以從中學習它的研究方法與研究架構,找出此研究主題做過甚麼還有甚麼值得深入探討的。一件作品可以提供參考的內容其實有好多好多,當我們仔細咀嚼之後,必定有所發現與啟發。

●   確立研究方向

縱使是老掉牙的作品,其實也可以「舊瓶裝新酒」;以下舉例即是「方法的創意」:曾經有學生迫於學程需要,必須提出一件獨立研究作品,在作品截稿前二週來找我,此時我只求結構完整,因此請這位同學參考正在展出的校內科展作品,他選擇了「市售清潔劑清潔效果的比較」,以一個高中生而言,這「題目」明顯過於簡單而且是一做再做的老題目。不是做過的題目就不能再做,我先請這位同學告訴我,他看到的這件小學作品哪裡做得不好?(觀察解讀與學會批判),他告訴我:結果是定性的描述乾不乾淨,他覺得不客觀,我趕緊問:那你可以怎麼做?他回答:我想用數據說明清潔劑的清潔效力(不錯喲!有概念,這是將結果定量,可以有較客觀的說明)。

●   確立研究方法

可是怎麼取得清潔劑在布料污垢的清潔能力的數據呢?我們就在本校學長的研究說明書上找到利用影像軟體(PhotoImpact)利用色階處理的方法來處理每一個結果。他的數據取得方法詳述如下:

為了能夠更清楚的定量各種清潔劑的去污能力,遂以電腦軟體處理拍攝後的相片,取代單純的肉眼觀察。

處理方法如下:

1.        PhotoImpact軟體開啟相片,如下圖2(左)所示。

2.        使用「臨界值」功能。本實驗取臨界值75,使用後,整張照片明度於75以上的區塊,將變為白色;反之,明度於75以下者,變為黑色,其明度值越大,顏色愈淺;反之亦然,如圖2(右)所示

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2:處理前(左)和處理後(右)

3.        再以PhotoShop軟體的「色階分布圖」功能,即可得知黑色區塊占整張圖面積的百分比,如上圖2(右)之黑色區塊即占25.28%

4.        以同樣的步驟,完成所有照片的處理。

取明度75的原因:墨汁本身是非常難洗的污漬,因此沒有一種清潔劑能將布恢復成原狀,縱使本次實驗已將墨汁稀釋也依然如此。在經過幾次測試後,發現採用明度75最能比較出六種清潔劑其間的差異,因此以明度75作為是否洗淨的標準。

因為每張圖(每塊布)的面積都是10公分見方,因此藉由每張圖黑色區塊的增減,即可得到黑色區塊面積v.s.時間的關係圖,再由此圖來比較各種清潔劑的去污能力、去污速率以及反應曲線。

最後,還以數學斜率的觀點來探討清潔速率(見圖3),由圖中可知,斜率的絕對值(│m│)愈大,代表方程式圖形愈陡,也就是清潔速率越快。所以清潔速率由快到慢排列為:「潔白」>「超酵氧」>「清水」>「20 g / 200 mL米漿」>「30 g / 200 mL米漿」>「10 g /2 00 mL米漿」;更由實驗結果中,發現一匙靈超酵氧去漬靈的去污力最好且最迅速,於是將其面積百分比vs.時間所得如圖4(左)所示,尋找趨勢線得 y = x0.853 × 17.9,(R2 = 0.903)。

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3:以數學斜率的觀點來探討清潔速率

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4超酵氧清潔墨汁之面積%對時間關係圖(左)和速率對面積%關係圖(右)

方程式y = x0.854 × 17.9代入Excel中(x為時間,y為面積百分比),推導出清潔劑之去污速率,以速率vs.面積百分比作圖,結果如圖6(右)所示;由此圖中的曲線,得方程式:y = x2.62 × 0.0184,亦即

rate = 0.0184 × [A%]2.62

由反應速率級數來看,可以推論一匙靈超酵氧去漬靈的去污速率約2.6級的反應,濃度愈高的污漬,其去污速率愈快。

研究報告至此已擺脫以往的窠臼,有了新的風貌而且具有新的創意!這件作品就在短短二週內完成,並獲得高雄市科展高中組第三名。由此可知,舊瓶可以裝新酒,不要怕研究主題已經有人做過,只要有新的研究方法,進階的研究結果,都是佳作!

指導學生做科展,教師必須有一個認知:這是學生的作品,不要強握主導權,得獎與否也與教師無關,只需要站在支持、解惑及引導的立場即可。研究是無止境的,因此一件好的作品需要花費許多時間在追求細節與完美,即使是一再遭遇挫折與瓶頸而毫無所獲,這時指導老師的態度是關鍵。我常認為沒有結果也是一種結果,前人的研究總是提供給後進一些指引,所以用心的作品,必定存在啟發與貢獻的種子在裡面。而參與科展的學生則必須體認,做好一件作品必須花掉你許多時間,包括睡覺、休閒、讀書等,你必須做好時間的規畫與分配。近來,臺灣的國際科展成績可以當作學生保送大學的參考,但前提是你必須是代表出國的選手,如果你沒有取得出國選手資格,縱使在國內得獎無數,仍舊沒有實質上的幫助,所以建議不要把做科展當成保送大學的階梯,而是藉著研究過程認真學習科學技能,如:搜集資料、解讀資訊、實驗技能、整理結果、繪製圖表、成果發表與口頭報告等能力,這些能力將使妳(你)一生受用不盡。

最後,分享我個人的心得。

(一)我對科展的態度

●   把指導科展當成老師的天職做得甘願、做得開心。

●   把科展納入自然科教學中增加教學內容的寬度與深度。

●   過程比結果更重要態度與思考力可以決定發展的深度與廣度。

(二)科展的重要意義

●   增進師生互動,張顯教師「引導而不領導,建議而不主導」的原則。

●   引導學生對科學產生興趣,學到科學方法與精神態度(見圖5);由做中學進而學以致用。

●   開發學生潛能與自信,提升優質的後續發展。

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5:指導學生進行研究()與比賽前一晚的賽前練習()

n   致謝

退休多年後,忽然接到「創意微型實驗」的泰斗方金祥教授的邀稿,實在受寵若驚。本人一向筆拙,指導科展過程也常常動口多於動手,因此接受邀稿的同時,一則以喜一則以憂,喜的是老師的肯定,憂的則是擔心有負老師所託。

一直以來,方金祥教授是我學習的對象,他的不斷研究、時時創新的精神令人感佩。

此篇文章就是在他循循指導與潤筆下誕生,讓我的「一科展一故事」生涯,在退休之後有了分享的舞台,謝謝老師給我學習與成長的機會。

n  參考資料

有關獨立研究流程,主要參考在20071020日在國立臺灣科學教育館舉辦的「臺灣2008年國際科學展覽會宣導座談會」,座談會主題:如何撰寫研究報告,由黎耀基教授(大葉大學生物科技暨資源學院院長)和李文獻教授(國立中央大學物理學系)主講。

n  附錄

本人歷年來指導學生校內獨立研究參加國內科展與國際科展之部份成果如下所述。

作品名稱:以彈性體模型評估心血管疾病之新方法初探A1

●   作品作者:鄭玉希;指導教師:曾鶯芳、簡聿成

●   2007年臺灣國際科學展覽會工程學科第二名、獲選香港正選代表、赫伯特胡佛青年工程獎第一名

●   2005年獲邀前往美國洛杉磯2005 APS March Meeting發表論文「Diagnosing Aorta Stiffness by Temporal Analysis of Echocardiographic Images

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A12005年獲邀前往美國洛杉磯2005 APS March Meeting發表之論文(左)和鄭玉希於臺灣國際科學展覽看板前留影(右)

二、   作品名稱:為「世紀之毒」找解藥!探討以Pseudomonas mendocina菌株降解污染土壤中戴奧辛與戴奧辛類化合物之效能A2

●   作品作者:李雅廷;指導教師:曾鶯芳

●   高雄市第47屆科展,高中組生活與應用科學科第三名

●   2009年韓國KIWIE婦女發明獎,獲銀牌獎

●   2008年旺宏科學獎,獲銀牌獎

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A2:李雅廷的實驗過程

三、   作品名稱:向氧說不!談油脂的自氧化及抗氧化劑A3

●   作品作者:袁于婷、李佳臻、賴昱融;指導教師:曾鶯芳

●   高市39屆科展高中組化學科第一名,全國科展第三名

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A3:比賽前於看板前作最後指導

四、   作品名稱:以科學玩具氫氧槍來探討無彈殼槍枝A4

●   作品作者:劉文豪;指導教師:曾鶯芳

●   2006年第五屆旺宏科學獎最高榮譽「旺宏獎」

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A4:頒獎後合影留念(由左至右:劉文豪媽媽,指導老師曾鶯芳,劉文豪,旺宏科學獎召集人李家同教授)

五、   作品名稱:綠能新希望!纖維酒精有效製程之研究A5

●   作品作者:鄭丞舜、陳子雄;指導教師:曾鶯芳

●   高雄市第49屆科展高中組生活與應用科學科第一名、全國科展第三名

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A5:比賽後於看板前師生合影

六、   作品名稱:瓦斯熱水爐一氧化碳觸媒轉化器之研究A6

●   作品作者:蔡辰葳;指導教師:曾鶯芳

●   2006 美國ISEF國際科展大會化學科首獎(Best of Category – Chemistry)、大會化學科一等獎、美國化學學會二等獎、美國海巡署二等獎、安捷倫科技公司暑期實習獎

●   2006 臺灣國際科展化學科第一名、美國第五十七屆國際科技展覽會正選代表

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A6:蔡辰葳於美國ISEF國際科展會場看板前留影,手中之分子模型為最佳形態之觸媒分子

七、   作品名稱:終結保麗龍污染!利用保麗龍廢棄物處理重金屬廢水之研究A7

●   作品作者:鄭玉辰;指導教師:曾鶯芳、鄭龍

●   2004 美國ISEF國際科展大會環境科學科三等獎

●   2004 臺灣國際科展環境科學科第一名、美國第五十五屆國際科技展覽會正選代表英特爾環境健康與安全獎第一名

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A7:鄭玉辰於美國ISEF國際科展會場看板前留影

八、   本文作者參與國際科展(見圖A8-1)、全國中小學科展(見圖A8-2)、旺宏科學獎(見圖A8-3)獲頒之部分獎狀、獎牌與獎座

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A8-1:指導國際科展獎狀

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A8-2:全國中小學科展資深優秀指導教師獎牌

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A8-3:旺宏科學獎指導教師獎座

 

 

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