校本必修與多元選修:中山女高多元選修:專題研究法 / 曹雅萍

星期四 , 9, 1 月 2020 Leave a comment

校本必修與多元選修:中山女高多元選修:專題研究法

 

曹雅萍

台北市立中山女子高級中學

教育部高中化學學科中心

yapingchem@gmail.com

 

n   前言

108課綱正式上路後,總綱明定:學生需修習「跨領域/科目專題」、「實作(實驗)」或「探索體驗」等課程類型之相關課程,至少合計 4 學分。資賦優異相關之特殊需求領域課程綱要更是明訂獨立研究為數理資優班的課程學習內容,並分為一般探索、研究方法訓練、獨立研究實作三大主題。為因應此一變化,而設計此一多元選修課程,主要對象為數理資優班的學生,期許未來能推廣到對獨立研究有興趣的一般班學生。

n   課程設計理念

為了配合培養學生獨立研究的目的,本課程著重面向如下:

1.      建立學生正確的學習方法與態度,培養學生自學與團隊合作的能力。

2.      學習並了解完整研究方法,以奠定科學研究學習的基礎,期許學生具有進行專題研究的能力。

前面3周課程主要目的在培養學生的自學能力,內容包括:介紹如何運用合適的關鍵字,並以搜尋引擎或學術搜尋引擎蒐集資料;介紹獨立研究經常用的資料庫,例如碩博士論文系統和台灣雲端書庫等;最後則介紹如何將蒐集到的資料進行分類整理與儲存,並說明如何引用參考資料,與參考資料的引註格式。此部分的教學是在電腦教室中進行,讓學生進行實際上線操作。

之後,則選用適當的科展報告為主題,讓學生拆解並分析科展報告主要的架構,並以他人的科展報告,製作概念圖與摘要。主要目的除了瞭解獨立研究報告的組成元素外,還希望訓練學生的閱讀理解與摘要能力。

數據處理能力與專題研究能力的培養,則是課程接下來的主要目標。分別是由數學老師說明如何以excel處理數據,如何有效運用圖表解釋數據,以及誤差的意義;科學老師則以浮冰和反應速率為主題,說明為何要進行實驗設計,以及如何進行實驗設計;最後再以CER(claimevidencereasoning)架構,介紹如何對數據進行論證與解釋。

至於評量方面,除了過程中以學習單,進行形成性的評量外,會再根據不同的主題單元,以不同形式進行總結性的實作評量,共包括以下幾個部分:

1.      應用所學的資料蒐集方式,尋找自己有興趣的研究主題,將資料閱讀整理後,參考科展基本架構(不包含實驗結果、討論與結論)寫出專題實驗計畫書,並需以正確格式引用參考資料。

2.      2人一組,以團體合作的方式,進行實驗設計,並將實驗主題、實驗目的、實驗設計、實驗記錄(自行設計表格)和實驗結果(圖表呈現)完整以海報呈現,並以3分鐘時間進行口頭發表。

3.      應用所學的CER論證架構,完成學習單。學習單內容則提供台灣周遭歷年海水溫度變化、歷年烏魚產量與區域圖關係,以及不同立場的大陸烏魚進口相關報導文章。

18週課程設計如下表一,以下將針對實驗設計與CER的課程,簡介課程實施狀況。

表一:18週課程單元與內容綱要

週次

單元/主題

內容綱要

1~2

自主學習策略

1.      資料整理工具介紹。

2.      資料蒐集網站介紹。

3.      自主學習工具介紹(雲端資料儲存、資料庫和資料整理等)

3

 

資料蒐集與整理
實作

1.      以自己有興趣的議題出發,蒐集相關資料並整理。

4~5

專題報告
大綱解析

1.      以科展作品賞析出發,介紹專題的內容與流程

2.      閱讀策略-擷取資訊與概念圖介紹

6~8

數學建模
與資料處理

1.      介紹如何以不同的圖表類型,呈現不同的數據。

2.      一維數據分析:以班級成績為例。

3.      資料分析實作:以女性年齡與骨質密度為主題,介紹二維數據的相關性,建立數學模型。

4.      分析二維數據的線型關係:以製作硝酸亞鈷的檢量曲線為例。

5.      數學模型建立與資料分析實作。

10~11

實驗設計(1)

以浮冰為主題,討論如何設計實驗。

12~13

實驗設計(2)

以丙酮碘化實驗,探討濃度對反應速率的影響,介紹各種變因與如何設計實驗。

13~14

專題計畫書
撰寫實作

1.      結合以上各週次所學,介紹如何擬定專題研究計畫。

2.      專題計畫撰寫實作。

15~16

CER論證

1.      介紹CER的論證架構。

2.      以達爾文的演化論和陳情表為例,練習CER的論證架構。

3.      以烏魚的報導為例,實作CER的論證架構。

17~18

表達力

文書編輯/投影片製作/影像處理介紹與練習

 

n  以浮冰為主題介紹實驗設計

實驗設計是獨立研究一個很重要的部分,大部分的學生在國小、國中階段,就已經知道操縱變因、控制變因和應變變因,但卻不清楚為什麼需要進行實驗設計?如何實驗設計?所以本課程先以科學史的演變為架構,簡介實驗設計的假說演繹法,讓學生了解實驗設計是科學家共同的語言,利用假設、演繹和確認預測進行科學論證的標準流程。再以壞血病的治療為例,說明操縱變因、控制變因和應變變因的關係。最後,則讓學生以浮冰熔化為主題,發展想探討的問題,並進行實驗設計。

假說演繹法(Hypothetico-deductive-method)是以觀察和分析為基礎提出問題,再經過文獻探討(資料蒐集)釐清問題,並提出假設,且根據假設進行演繹推理。之後再設計實驗檢驗演繹推理的結論,若實驗結果與預期結論相符,就證明假說是正確的,反之則說明假說是錯誤的(見圖一)

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圖一:假說演繹法(Hypothetico-deductive-method)

 

以浮冰問題進行實驗設計時,需思考如何將大自然現象經過合理的簡化,而設計出實驗;此外,應變變因的測量方式,也相當考驗學生的創意。例如,某組學生認為浮冰融化,會造成海水鹽度與溫度改變,可能會對洋流的流動產生影響,因而做出的實驗假設為:溫差越大,造成洋流的流速越快。實驗設計時,除了以冰塊的有無,製造出實驗組和對照組的溫度差之外,更發揮創意,以鋁箔紙摺出小船,再利用小船的移動,定量計算出洋流的流速(見圖二)

 

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圖二 學生根據浮冰現象,提出想探討的問,並進行實驗設計與報告。

n   以丙酮碘化反應為主題介紹實驗設計與數據處理

丙酮碘化反應是一個純化學性的實驗主題(圖三),所以在實驗設計時,著重的重點與浮冰實驗並不相同。丙酮碘化反應反應式如下所示:

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圖三:丙酮碘化反應所使用的器材包括:碘酒、丙酮、2M 鹽酸和蒸餾水。

 

本課程探討的問題為濃度對反應速率的影響,所以實驗的操縱變因為丙酮、碘或催化劑-氫離子的濃度,應變變因則為測量反應時間,再進一步求出反應速率。實驗過程中學生常出現的盲點包括:控制變因未維持不變;設計紀錄表格時,未能清楚表達實驗內涵;或是數據處理作圖時,X軸和Y軸的項目誤植,座標設計不良等。

 以控制變因未維持不變為例:因為此實驗步驟為將適量的HCl(aq)、丙酮和碘酒混合後立即計時,待反應由黃色褪成無色時即停止計時,即可求得反應速率

RD[I2]/ Dtime

若要探討[H]對反應速率的影響,實驗設計時應改變[H](操縱變因)[CH3COCH3][I2]應維持不變。學生常見的反應物用量設計如下表二,但此表格中顯然因為總體積改變之故,混合液中[丙酮][I2]無法維持固定,亦即控制變因的控制並不確實。

表二:錯誤的實驗設計,控制變因[丙酮][I2]並未維持固定。

實驗次數

丙酮(mL)

碘酒(mL)

2M HCl

1

2.0

2.0

0

2

2.0

2.0

5

3

2.0

2.0

10

 

經說明與討論後,學生可以了解實驗設計應修改成表三,並進一步理解實驗時,除了改變操縱變因外,更應該檢查實驗組與對照組中,控制變因是否確實維持不變。

表三:正確的實驗設計,操縱變因為[H];控制變因[丙酮][I2]則維持固定值。

實驗次數

丙酮(mL)

碘酒(mL)

2M
HCl (mL)

(mL)

1

2.0

2.0

0

1.0

2

2.0

2.0

0.5

0.5

3

2.0

2.0

1.0

0

 

除了實驗設計外,實驗表格的設計和數據處理的實際應用,也是本堂課的重點。而經過嚴謹的討論後,將有助於獨立研究時,實驗結果的討論與傳達(圖四)

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圖四:實驗過程中,學生的實驗過程、實驗紀錄與呈現的海報。

n   結語

十二年國民基本教育總綱中提及,在高級中等學校教育階段,期待以分科教學為原則,再透過跨領域/科目專題、實作/實驗課程或探索體驗等課程,強化跨領域或跨科的課程統整與應用 (國家教育研究院, 2019)。本專題研究法課程即是在此一目標下,希望學生能經由課程設計,在學習過程中逐步培養「人際關係與團隊合作」、「系統思考與解決問題」和「規劃執行與創新應變」三個向度的核心素養,並培養好奇心、探索力和思考力,讓學生願意以積極的態度、持續的動力進行探索與學習,從而奠定獨立研究的基本能力。期望在大家的共同努力下,老師和學生一起成為二十一世紀昂首闊步的終身學習者。

n   參考資料

國家教育研究院(2019)十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域2019/05/05引自https://is.gd/rhHGEG

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