創意化學實驗:如何培養學生的實驗創意? / 劉敏瑛

星期四 , 5, 七月 2018 Leave a comment

創意化學實驗:如何培養學生的實驗創意?

劉敏瑛

國立彰化師範大學化學系
myliu@cc.ncue.edu.tw

 

在大學中,如何在共同實驗課程中帶領學生做有創意的實驗,如何改變傳統的講述教學方式?如何能讓學生熱情且積極的參與實驗活動?而不只是照著〝食譜〞做完指定的實驗,然後繳交報告。如何能讓自己的研究主題有創意?筆者一直思考著這些問題,最近讀了三篇文章,提到有關實驗創意的來源,覺得收穫頗多,希望與讀者們分享。

n  例一:如何在大學的化學課程中培養學生的創意1

AscheronKickuthMake your mark in scince2 文章中提到對於許多新的科學研究者來說最大的挑戰和障礙是需要有想像力和創意也就是需要新的研究方向或是找到新方法來解決舊問題。Cope3 提出:創意被認為是化學家最珍貴的資產,Lakatos4 也認為:在科學中有創意的想像力勝過一切,包括實驗數據和發現的事實。

〝創意(creativity)〞到底是什麼?雖然化學家們覺得很重要,但是許多人並無法具體地在自己的研究實行。許多化學家認為〝創意〞是一種靈感、預感或頓悟。

這篇文章主要是要幫助教育者瞭解〝創意〞在化學教育中所扮演的角色。其內容包含:(1)化學家在做些什麼事,(2)化學家的創意,(3)大學生的化學實驗課和創意,以及(4)一個在實驗課中學習真實研究經驗的範例。

(1)化學家在做些什麼事

對於一個化學系的大學生來說,一個化學家的研究就是:由原子、分子及化合物組成的物質以及它們的化學反應和物理變化。經由一般共同的實驗課程,學生學到如何使用天平、有刻度的錐形瓶、燒杯,以及簡單的實驗技巧如過濾和蒸餾等。在進階的課程中,學生學到現代化的儀器和複雜的實驗技巧。但是對於大學生們來說,知道一位化學家的研究主題,及他所使用的實驗器材和技巧,並無法使他們真正了解化學家在做什麼,以及化學家如何產生新的化學知識,其實大學生們並不清楚一位科學家是如何進行研究。大約50年前,Kuhn5,6 指出大部份時間,化學家主要是參與普通科學(normal science)活動,例如:改進已知的事物,增加一個儀器的準確度,合成一個新的化合物,或是增加一個分析方法的可信度,就像是玩拼圖遊戲一樣。很多化學教育者審視自己的教學方式和所設計的教學活動後也贊成Kuhn的觀點。

(2)化學家的創意

化學家又是如何玩拼圖遊戲呢?AscheronKickuth1 提到這可能包含構思研究題目,規劃研究內容,設計實驗步驟,分析結果,思考如何展現研究成果和說服讀者等。

這兩位學者同時也指出,研究題目的產生是一種創意的呈現,很多年輕學者還沒具備這種能力。著名的科學家Max Planck提到:一位科學家的新研究主意需藉由生動及藝術化的想像力來產生,而不是由已知的事實推論產生。

PlattBaker7 提出幾個培養出新主意的情況:一個人積極的思考一個問題,蒐集資料,及分類資料,有些時間遠離這個問題,然後下意識的大腦活動,也可補充有意識的推理。這個過程或許要花很多時間,然後突然的你開始有了問題的解答。我們的大腦進行很多下意識的工作,是我們所不知道的,而這也就是我們解決大部分問題的方式。

(3)大學生的化學實驗課和創意

一般而言,化學系大學部的實驗課目標為:熟悉主題物質,發展實驗技巧,獲得有關科學本質(Nature of Science)的洞見,培養對科學的興趣,學習獨立工作或與人合作,及發展科學推理的技巧。實驗課的教學方式影響學生的創意發展,有四種主要的實驗課教學型態:詳述(expository)、探索(inquiry)、發現(discovery)、問題導向(problem-based)。其中,實驗結果未定的只有探索,實驗步驟可由學生自訂的為〝探索〞和〝問題導向〞,而教學方法使用歸納方式的為〝探索〞和〝發現〞。大部分的實驗課以〝詳述〞進行,學生們遵照一個已知的實驗步驟,加上推理能力,來達到一個已知的結果。這種方式的優點是教學活動有邏輯性,而且同時可讓很多學生進行實驗,而授課教師的參與度可達最低。而早於1987年,TobinGallaher8 就提到這種教學方式是〝無意義的學習〞,因為學生們花較多的時間去想他們是否的到正確的結果,而不是去思考科學原理。很多提倡創意教學法的化學教育家也指出這種〝詳述〞式教學法的缺點(Ascheron and Kickuth2Drake et al.9Zielinski10Scott11)。盛行的〝詳述〞教學法就像是科學家們〝複製〞其他科學家的工作,然後再驗證實驗結果。

Kuhn提到,一個真正的科學發現,改變了我們的世界觀。就教學來說,與指導或非指導的〝探索〞教學法最接近。Gallet12 也指出幫助學生發展想像力,科學創意和智力自主遠比累積冷知識(cold knowledge)重要。真正的研究包含獨立和開放式的思考,實驗失敗的挫折感,從失敗中學習的挑戰,及偶爾實驗成功的快樂。

(4)一個在實驗課中學習真實研究經驗的範例

The Ohio consortium for Undergracluate ResearchResearch Experience to Enhance Learning (OCUR-REEL) Project這個Undergracluate Research Center (URC) 得到美國國家科學基金會National Science Foundation20062011年間的經費補助。這個計劃包含Ohio State很多所大學的化學家。REEL的中心目標是在課堂中提供真實的研究機會給很多學校的大學生,藉以轉變大學的科學教育。

有一個REEL計劃的例子是有關環境化學的探討。在超過3年的期間,在同一所大學中約有1000個學生收集和分析一個大都會區的泥土樣品。這個研究計劃的巨觀問題是找出城市中受到重金屬污染的地區,及探討人為因素(例如:高速公路、鐵路或工業等)與重金屬汙染的關聯。學生們分組進行實驗,產生自己的研究問題,也同時貢獻整體的研究結果。例如:學生們比較現代化和具有歷史性教堂的泥土,比較河川附近和人工湖附近的泥土,也分析機場附近、建築工地、及墓地或學校的泥土。學生們收集並分析泥土的方法應用環境保護單位的標準方法,也產生高品質的結果。這個方式需要很多層面的創意,包含教師設計研究計劃,學生群組產生自己的研究問題,以及學者在學生們產生的實驗數據中尋找有價值的結果等。

REEL計劃的策略是希望將教學從傳統的講述方式轉變成積極活潑學習的實驗課。REEL計劃的特性為:(1)取代35週的傳統實驗課,(2)強調學生對一個研究計畫的擁有權,(3)學生貢獻於一個整體且真實的研究計劃,(4)學生與同學們組成群組,並得到教師或助教的指導,(5)實際動手操作現代化儀器,(6)將實驗發現做成結論,發表於期刊,或以口頭或海報方式發表,(7)而與非REEL課程比較,參與REEL課的學生較有可能依照自己的想法設計活動,與同學辯論有關數據的解釋,對結果產生不同的解釋,或是彼此互相討論以促進學習。而非REEL課程的學生較有可能藉著記憶科學事實,或靠著教科書來學習科學。

n  例二:Aizenberg教授提出個人職業發展的三個經驗談

在一個非正式的訪問中Informal talk highlights the need for creativity in science13Prof. Aizenberg 提到有關個人職業發展的三個經驗談

(1)   不要讓自己過得太舒適

Prof. Aizenberg認為擁有與一般觀念不同的想法是成功的研究最重要的關鍵。她認為在完成博士學位後,進入不同領域做研究,幫助她日後做研究時具有獨創性(originality)。她建議學生們去學與你之前的工作不同領域的實驗技巧,並且是能令自己覺得興奮的事物。

(2)   從業界到學界工作

Prof. Aizenberg到哈佛大學教書前,曾在貝爾實驗室工作,目前領導一個有50名研究人員的研究室。早期她在許多不同的文化環境(俄羅斯、以色列及美國的許多州)受教育及工作。Prof. Aizenberg的研究是屬跨領域性質的,她相信未來的科學研究所需要的是跨領域,及一個多元文化的團隊,她也認為研究團隊裡的人際關係及多元性,不管是個人還是工作上的,對於整個團隊的工作表現是極具重要性的。

(3)   工作與生活的平衡

Prof. Aizenberg認為雖然維持工作與生活的平衡,有它的挑戰性和困難度,但是我們還是應該盡量去實踐。她也鼓勵一個較快樂的工作文化和較好的壓力處理方式,以及較有組織地處理工作和個人生活中的責任義務。她提到與生活伴侶的合作,是件不容易的事,但在不同的生涯階段中,我們得視情況調整工作和個人生活的優先次序,Prof. Aizenberg的丈夫也在化學界工作,而她目前也享受與孩子和孫子們相處的時間。

n  例三:一位在哈佛大學博士生

Magie Li是位哈佛大學博士班二年級的學生主修化學和化學生物(chemistry and chemical biology14 雖然美國的公立學校目前並不致力於推動藝術教育Li早期所受的教育讓她擁有創意的思考也讓她覺得藝術與科學其實是息息相關的。Li童年讀的是所非傳統公立小學(the McCarthy Towne school),這所小學很注重實驗和藝術。這段經歷影響她日後的大學教育,她選擇兩個主修;化學和藝術史。雖然她並不準備朝著藝術方向發展,但Li覺得她擁有創造性,讓她現在願意去探索較為現代化的主意。Li所受的教育讓她經歷創意研究,及願意去探索未知的心,也因此讓她找到了自己的路哈佛大學的化學和化學生物的博士學程。Li認為化學生物是個相當新的領域,化學生物在科學中所扮演的角色尚未界定,但是個令人興奮的領域。Li說在化學生物的研究中,我們想的是操作生物系統,而不是研究生物系統。自然界能進行很多事,那我們能利用這些事來做我們想要的嗎?Li的研究興趣主要是傳遞蛋白質進入細胞中。Li早年所受的教育是不拘一格的,也讓她對於學習新事物保有恆久的熱忱。她說小學時候沒有課業,沒有考試,我們讀自己想要讀的書,這使得學習非常有趣。

n  參考資料

1.        Clark T.M. (2015) Fostering Creativity in Undergraduate Chemistry Courses with In-class Research Projects. In: Charyton C. (eds), Creativity and Innovation Among Science and Art. Springer, London.

2.        Ascheron, C., & Kickuth, A. (2005). Make your mark in science. Creativity (presenting) publishing, and patents. A guide for young scientists. Hoboken, New Jersey: Wiley.

3.        Cope, A. C. (1961). Encouraging creativity (editorial). Journal of Chemistry Education, 38(12), 589.

4.        Lakatos, I. (1970). Falsification and the Methodology of Scientific Research Programmes. In I. Lakatos & A. Musgrave (Eds.), Criticism and the growth of knowledge (pp. 170–196). London: Cambridge University Press.

5.        Kuhn, T. S. (1962). The structure of scientific relations. Chicago: University of Chicago Press.

6.        Kuhn, T. S. (1970a). Logic of discovery or psychology of researchIn I. Lakatos & A. Musgrave (Eds.), Criticism and the growth of knowledge (pp. 1–24). London: Cambridge University Press.

7.        Platt, W., & Baker, R. A. (1931). The relation of the scientific hunch to research. Journal of Chemistry Education, 8(10), 1969–2002.

8.        Tobin, K., & Gallagher, J. J. (1987). What happens in high school science classroomsJournal of Curriculum Studies, 19, 549–560.

9.        Drake, B. D., Acosta, G. M., Wingard, D. A., & Smith, R. L, Jr. (1994). Improving creativity, solving problems, and communicating with peers in engineering and science laboratories. Journal of Chemistry Education, 71(7), 592–596.

10.    Zielinski, T. J. (2009). Fostering creativity and learning using instructional symbolic mathematics documents. Journal of Chemistry Education, 86(12), 1466–1469.

11.    Scott, J. (2010). Training chemists in the United Kingdom. Journal of Chemistry Education, 87(4), 353–354.

12.    Gallet, C. (1988). Problem-solving teaching in the chemistry laboratory: Leaving the cooks. Journal of Chemistry Education, 75(1), 72–77.

13.    Informal talk highlights the need for creativity in science. Harvard University, June 15, 2015. https://www.ch.cam.ac.uk/news/informal-talk-highlights-need-creativity-science.

14.    Creative Chemistry. A background in art helps a PhD student push the creative boundaries of chemical biology, April 11, 2012). https://gsas.harvard.edu/news/stories/creative-chemistry.

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