帶領學生走在科展的這條路上 / 江慧玉

星期四 , 11, 五月 2017 Leave a comment

帶領學生走在科展的這條路上

江慧玉

北一女中化學科老師

chy506@gmail.com

『江老師,您是怎麼帶領學生做科展的啊?』這是最近常被詢問的問題…。

連續三年帶領不同學習成長背景的學生進行科展研究,在北市及全國科展比賽中皆有斬獲。每每被問及指導科展的要訣,我想重要的應該就是耐心與毅力吧!從確立研究主題、基本的實驗操作、檢測實驗方法的安全性,乃至於建立學生學習歷程及腦力激盪發想等,即使過程中師生常受實驗結果不如預期而產生挫敗情緒,但也因為點點滴滴心血累積,造就出一件完整作品的呈現!以【青青紫「金」–染料敏化太陽能電池之效能分析】(註1)科展作品而言,學生一開始滿腔熱血,興致勃勃來到我面前,然而她們對於研究主題卻沒有概念,因為學生們總認為─『老師應該會給予研究主題』,也因此確定主題的磨合期足足花了半個月的時間,後續的研究歷程更是一連串的考驗。以下就以此件作品為例,針對研究主題的萌生、實驗過程及參與比賽等歷程,分享經驗及注意事項。

n  科展主題的確立

「萬事起頭難」!確定研究主題往往是最棘手的部份,這個環節通常會耗去一至二週的時間。我常反問學生:「你們為什麼想做科展?」、「你們想研究什麼樣的主題呢?」,因為強烈的研究動機是學生遇到挫折時可以堅持下去的最大動力。在青青紫「金」】作品中,學生初始說道想進行新科技領域的探究實驗,主題方向並不明確,因此我舉例了數種奈米材料,例如奈米碳管、石墨烯或碳六十等,並且簡要敘述材料的性質及現今發展的應用方向,同時給予一些參考網站(2-4)提供她們瀏覽相關實驗的內容,期許她們從資料中獲得啟發。

沉寂了約莫十天,學生選擇石墨烯為探究主題想進一步瞭解其特性與應用;然而當實驗內容已探詢過相關領域教授的意見後,三位學生卻出現意見相左,爭執己見的窘境。經過數次討論後,她們更換了實驗方向,改以校內可操作且具現成材料的染敏電池為主。這個討論過程我沒有干涉太多,因為實驗探究過程是要學生自己理性進行的,三人必須有所共識才能協力合作,經過充分的磨合才能了解彼此處事的方法,對未來實驗操作的分工合作很有助益。

n實驗操作過程

確定研究主題與探討方向後,實驗模組的建立是完成研究最關鍵的因素。一開始,學生需重複文獻資料中所載錄的操作方法,瞭解文獻中實驗結果的產出及過程中應注意的細節,從過程中不斷修正實驗方法,並發展建立出自己的實驗模組。例如文獻中記載染敏電池的二氧化鈦須以高溫燒結1小時才能鍍佈在導電玻璃上,然而礙於高中實驗室設備較為不足以及安全性的考量,我們改採常溫且自行調和奈米二氧化鈦糊狀物以進行塗佈。實驗之初鈦薄層極易脫落,效果不如預期,接著我們探討溫度與時間的交叉關係,發現使用實驗室烘箱在80 ℃下進行烘烤10分鐘,可以得到貼附性極佳的二氧化鈦鍍膜(1)。這個鈦薄層的操作方法確立後,我們逐步改變染料種類、溶液酸鹼值以及添加奈米材料等變因,特別是添加奈米材料,此項巧思是來自吳欣芳同學,因為她曾在高一特色選修課程中操作過奈米金溶液的製備,學習到奈米粒子的量子效應,此項特性激發我們嘗試將奈米金添加至染敏電池裝置中;經過不斷地實驗改良及修正,果真如預期提高光電轉換效率的成果。科學探究連結到學生的學習經驗,展現知識活絡於應用的驗證,探究的歷程真是一連串的發現與驚喜呢!

青青紫「金」】作品到研究後期,我們進一步尋求大學端的儀器進行檢測,比對精密儀器檢測與高中實驗模組所產出數據的可靠度與可信度,藉此增加研究內容的深度與廣度。結合高中實驗操作與大學高端儀器的檢測,藉由實驗結果的相互比對及思辨,可讓學生更進一步瞭解研究的內涵及後續應用發展的可能性。

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1 塗佈二氧化鈦薄層

2 量測實驗樣品組之電壓

3 奈米金與染料的吸收光譜

在比對實驗失敗與曙光中來回交戰,為了佐證校內實驗結果的再現性,學生必須重新配製奈米金溶液,明明是相同的配方與操作,重複了數次卻無法得到粒徑一致的紅色奈米金,焦慮及沮喪感使實驗進度擱置了一星期,經過沉澱心情整理情緒後,我與學生陷入思考與反覆操作、討論的膠著期,終於找出實驗的關鍵,果然是界面活性劑品質的問題!恍然大悟的興奮情緒終於趕走了多日沉悶懊惱的低氣壓,經過這次事件後,她們更加珍惜彼此情誼,也因此淬鍊出團隊的整體默契!

n數據整理撰寫

一連串實驗數據產出後,如何將這些數據整理成有意義的語言,需要經驗累積、觀察力及數學敏銳度。在青青紫「金」】實驗過程中,學生以三用電表量測樣品組的電壓與電流,並輔以數學運算得到其輸出功率;然而染敏電池的效用良劣需以能量轉換效率來評估,因此運用功率數值進一步換算成光電轉換效率,並採用雷達圖分布來呈現,如下圖。如何將龐雜的數據轉換、收斂成有意義的文字論述,這需要師生間充分溝通討論,建議可以讓學生多練習處理數字的電腦軟體,例如excel,揣摩以瞭解實驗數據背後所隱含的規律與奧秘。

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4 實驗樣品組的電池輸出功率

5 不同染料種類的光電轉換效率

確立實驗數據呈現的方式後,接著最重要的功課就是撰寫研究報告書。從實驗初始,學生必須每週帶著實驗日誌(實驗紀錄本)找老師討論,一方面是確認學生記錄實驗操作的觀察,另一方面則是與學生進行階段性的結論,尋求完整化實驗結構的方向,這些實驗日誌的內容最終將成為研究報告書的架構與內涵。研究報告書的呈現,學生通常是採取分工處理不同的階段,以青青紫「金」】來說,兩位同學負責整體的文字架構,另一位同學則專責處理數據及圖形,再逐步將實驗內容收斂成完整且有序的結論!

n海報編排與口頭報告

不論是校內、縣市或是全國科展,海報內容與口頭講述都是比賽時最重要的關鍵。比賽海報的規格通常是三個版面,如下圖左;我個人覺得研究作品最重要的內容是實驗操作與結果討論,因此我建議從「實驗結果」與「討論」這兩部分著手,將兩者其一置放於海報正中央的版面,並採連續步驟呈現。海報編排時文字內容不要太多,盡量多以圖形及表格來呈現,且在討論區塊中只要重點式地做一小段落的著墨,而結論的部分則是以條列式文字呈現即可。

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6 臺北市科展比賽海報規格

7青青紫「金」】作品海報及作者三人

(由左至右:陳咨彣、許天鈞、吳欣芳)

此外,學生的口頭報告是吸引評審注意的關鍵,短短十分鐘內要將自己的研究菁華盡出,這需要老師賽前與學生多加琢磨練習。通常我會仿真且嚴肅地提問實驗相關問題,訓練學生的科學論述與臨場反應,模擬結束後再與學生歸納整理需改進及注意之處。值得欣喜安慰的是,一女中的孩子具備娟秀氣質及沉穩的台風,其中許天鈞同學(青青紫「金」】科展作者之一)是校內接待外賓的綠衣使節,陳咨彣同學是班上演說的常勝軍,她們講述研究作品的口條及台風令人如沐春風,這些孩子們真是令人激賞佩服!

n  比賽期間的注意事項

全國科展比賽的賽程為期一週:第一天布展,第二天安全審查、第三、四天評審,第五天成績揭曉。通常學生在第二天晚上最緊張,此時老師除了與學生反覆練習科展講述內容外,鼓勵振奮士氣十分重要,同時也要讓學生有充分的休息。第一次評審結束之後,師生需針對評審教授所提問的問題共同討論及尋求解答,於第二天評審時對教授進行解說及補充說明,此時正可以展現學生對於科展作品的負責及實驗的完整性,同時給予評審教授良好且深刻的印象!

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8 青青紫「金」】三位學生作者參賽的開心模樣

比賽成績揭曉之際是最讓人期待又怕受傷害的,展內繚繞幾家歡樂幾家愁的氛圍,但是學生明白在這五天科展的過程中,能夠與全國年齡相仿且熱愛科學的同儕相互觀摩學習,這是多麼難得的經驗啊!此外,進行科學研究的這個歷程,學生能習得科學精神與態度,並且擁有解決問題的能力,這才是從事科學探究最珍貴的寶藏;給予學生正確的思考、想法與態度,這也是教師指導科展研究的另一要務!

在這個人才濟濟的綠園裡,總會發現令人驚艷驚喜的孩子,例如【甜蜜來『靛』靛胭脂的氧化還原反應】(5)這件作品的學生,一位是自然組學生(李惟慈),另一位則是社會組的學生(郭恩佳)。恩佳同學在高一時就已踏入科學活動的領域,當時在校內科展獲得佳作的鼓勵下,縱使高二時因為個人志向考量而選擇文組,但仍然繼續實驗探究。在討論過程中,我發現恩佳的科學思維不亞於理組學生,反倒是更主動發問並探詢原理脈絡,是的!主動性,就是這個確切顯著的特質,讓我覺得不論是什麼樣背景及身分的孩子都是可以探究科學奧秘之美。在本校除了數理資優班的學生外,其他學生進行實驗研究都是利用課餘或假日的時間進行實驗,因此學生的特質與主動性是成就具體完整作品的最大主因。

 

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9 55屆全國中小學科展(台南)
(
由左至右:郭恩佳、江慧玉、李惟慈)

10 【甜蜜來『靛』靛胭脂的氧化還原反應】

 

 

 

 

 

 

n  結語

「得天下英才而教之」是每個老師最為嚮往的喜樂,在一女中,學生的優秀、聰穎自然不在話下,甚至是站姿直挺挺的氣質、有條不紊的口說表達,這些都是成就學生於科展比賽中致勝奪冠的因素。學生主動積極的動力、老師用心的引領指導,相信在科學探究領域中會逐漸綻放出一朵朵盛開芬芳的花、纍成一顆顆結實壯碩的果實!

n  附註

1:第54屆全國中小學科展:作品名稱:青青紫「金」染料敏化太陽能電池之效能分析

2:國立臺灣科學教育館(科學展覽) http://www.ntsec.gov.tw/User/index.aspx

3:國家圖書館全球資訊網(資源查詢)http://www.ncl.edu.tw/

4:北一女中圖書館(歷屆數資班專題研究專輯)

5:第55屆全國中小學科展:作品名稱:甜蜜來『靛』靛胭脂的氧化還原反應

 

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