臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan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 本期專題, 第三十五期/2020年1月 在〈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〉中留言功能已關閉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
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。而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(claim、evidence、reasoning)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
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週次 |
單元/主題 |
內容綱要 |
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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)。 |
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3
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資料蒐集與整理 |
1. 以自己有興趣的議題出發，蒐集相關資料並整理。 |
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4~5 |
專題報告 |
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 |
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6~8 |
數學建模 |
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。 |
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10~11 |
實驗設計(1) |
以浮冰為主題，討論如何設計實驗。 |
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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。 |
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13~14 |
專題計畫書 |
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。 |
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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。 |
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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)。
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：
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
R＝D[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]和[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]和[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]和[I2]並未維持固定。
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實驗次數 |
丙酮(mL) |
碘酒(mL) |
2M HCl |
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1 |
2.0 |
2.0 |
0滴 |
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2 |
2.0 |
2.0 |
5滴 |
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3 |
2.0 |
2.0 |
10滴 |
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]和[I2]則維持固定值。
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實驗次數 |
丙酮(mL) |
碘酒(mL) |
2M |
水(mL) |
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1 |
2.0 |
2.0 |
0 |
1.0 |
|
2 |
2.0 |
2.0 |
0.5 |
0.5 |
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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)。
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。