臺灣化學教育

融入科技力提升化學探究與實作之問題解決

李易澄¹、陳昱嘉²、洪士勛¹、曾致豪²、黃琴扉^1,＊

¹國立高雄師範大學

²P&C科學教育中心
^＊[email protected]

n  摘要

為了讓學生具備面臨未來生活需要的科學能力，許多國家都在教育方向上作出調整，教育部108課綱–自然科學領域也以素養作為基本理念並藉由探究實作來建構學生的科學素養。本文在探討八年級學生在進行科學探究的過程中，從決定探究的主題、發現問題並以自身的科學知識解決問題，再輔以新科技將實驗結果由主觀的人為判斷進展到更為客觀的數據的歷程。研究結果發現，學生在探究實作過程中，主動融入日常生活中使用的新興科技，不僅提升學習意願、成就感，並能改變內在本質。

n  前言

身處在科技、資訊、社會變遷的時代，現代人面臨了許多需要具備科學知識去理解並解決的議題，為了得知學生是否具備因應未來生活上面臨問題與挑戰時的決策能力，經濟合作暨發展組織OECD(Organisation for Economic Co-operation and Development )所發展的國際學生評量計畫PISA(Programme for International Student Assessment )從閱讀、數學和科學素養來對15歲的學生進行評量，其中PISA2006和PISA2015以科學素養為主要評量的領域(彭開琼、張佳雯、李瑞生，2017)，而台灣學生的科學素養在國際間表現均十分優秀。

即使科學素養表現亮眼，但評量結果也指出，台灣學生缺乏在科學問題上延續探討的學習，對於將問題形成假設、找出變因、設計實驗的經驗較少(佘曉青、林煥祥，2017)，PISA執行研究團隊也針對台灣學生在PISA2015的成績上提出建議，認為在中學階段應該更加著墨於科學探究與實驗課程(林煥祥等，2016)，並應以解決生活上情境式的問題為架構(圖1)，來檢驗學生是否在既有的科學知識中具備解決問題的態度與能力，作為教育方向的改善參考依據。

除了PISA評量所帶來的啟發外，美國在2011年公佈了K-12科學教育架構(Framework for K-12 Science Education)，進一步於2014年發展出新世代科學標準(The Next Generation Science Standards，NGSS)，其內涵也是期望以情境學習為基本，藉由跨科實作來建構並理解科學知識。李驥與邱美虹(2019)更指出，「十二年國民基本教育課程綱要－自然科學領域」恰與NGSS具有相同的核心概念，都重視探究與實作的進行。

由上述國內外的資料分析中可以發現，教育部擬定之108課綱內涵，即是期許能透過教育模式引導學生在面對未來生活中和科學相關的資訊與問題時，能夠理解、思辨、分析，進一步使用科技來協助問題的處理，其中探究與實作的能力是學生建構科學素養的要素(教育部，2018)。探究實作是學生將學習內容以及科學能力展現的一種方式，藉由此歷程來建立學生智能思考與問題解決的能力(表1)，要讓學生認知到科學知識建構的方式，則必須對探究的過程、脈絡以及結論進行評量與建議(Driver, Newton, & Osborne, 2000;Duschl & Osborne, 2002;Kuhn
& Reiser, 2005)。為了提供學生主動探究學習與解決問題的機會，教育部首先在高中階段增列必修學分數三分之一的自然科學探究與實作課程，期望學生在生活中發現問題，要讓學生了解現實生活的問題如何與科學知識連結，情境式的問題顯得重要(仰威融、林淑梤，2020)，再經由問題解決的探究過程培養科學技能與強化科學素養，進而提升科學態度以及學習動機。國中教育會考、大學學測、大學指考以及統測也因應新課綱的調整，除了一定比例的學科概念題型外，增加與生活情境相關的素養題型，在真實情境脈絡中融入跨領域的新議題以促進學校培養學生的科學素養(臺師大心測中心，2019、林淑梤，2019)，與PISA科學素養評量架構十分相似；下一步，也期待將探究實作的精神落實到中小學跨科教學中，讓科學教育跨域學習、從小紮根。

圖1 PISA科學素養評量架構圖(引自PISA科學應試指南，2011)

表1 探究能力學習表現架構表(改編自教育部，2018)

此外，在新興科技快速發展的二十一世紀，使用新興科技來驗證並解決科學問題是科學學習的趨勢，在科學、科技教育中融入新科技的使用並且提升新科技帶來的相關議題的判斷能力需要被重視(何妙桂，2014)。以下就一組八年級學生進行科學探究與實作活動的過程進行討論，並說明科技運用在探究與實作上的助益：

n  學生透過探究與實作過程進行問題解決

科學研究的方法為七年級自然與生活科技課程的內容，本文內參與探究活動的學生皆對其有基本概念；在探究活動開始之前，教師與學生討論過程中需要注意的部分，為了讓學生在實驗過程中以及活動結束後能有重新檢視的依據，特別提醒實驗流程與數據記錄的方法。教師與學生討論後，發給學生不同顏色的便利貼，上面需要記錄想研究的主題名稱、簡述內容、吸引自己探究的亮點以及實驗操作上有哪些優點及限制。每位同學至少提出一個主題，並蒐集相關資料留待討論(表2)。

表2 探究活動準備流程

項目 內容 事前準備 了解實驗日誌的使用方法：要詳實保留研究推進歷程。 討論實驗限制：器材取得、研究時間、操作難度…。 蒐集資訊 藉由觀察或上網蒐集想探討的主題。 初步盤點探究主題需要的資源與協助。 提出觀點 各自說明主題內容以及想要探究的原因。 討論各主題的可行性與限制。 凝聚問題 表決選定主題後，蒐集更多相關資訊。 從蒐集到的資料中，找出與問題相關的變因。

 

    本探究活動由表2啟動問題意識，協助學生凝聚科學問題，並引導學生探討可行的解決策略。學生們經過文獻回顧與思索後，自行擬定「如何提高無字天書實驗中比色法的客觀性」問題，以下將進行詳細說明。

(一)                學生自行擬定之探究主題–如何提高比色法的客觀性

在本探究活動中，講師引導學生提出各自想做的主題，並進行組內說明以及討論，學生在蒐集相關資料的過程中發現「無字天書」有許多實驗資料以及相關討論，但實驗的過程以及記錄的方法並不夠嚴謹，因此產生對實驗結果信度的疑慮。尤其在實驗結果記錄中的優劣排序常用的是字形或是圖形的清晰程度作為判斷標準，通常以顏色越深代表效果越好，但對於烤紙後顏色深淺判斷多是傳統肉眼比色的主觀排序，實驗結果較不準確。接著以比色法作為討論重點，提出幾項提高比色客觀性的方法，包含：請更多同學協助比色評分，再將同學判斷結果平均後排序、利用色卡進行比對、使用電子設備協助比色…等，其中使用電子設備的客觀程度較高，再經過資料收集後決定成本較低的平板搭配app應用程式作為比色工具。 (表3)。

表3 學生探究與實作學習歷程–發現問題(改編自教育部，2018，p40)

發現問題 探究學習內容 學生從資料分析與實際實作中發現問題 觀察現象 蒐集資訊 形成或訂定問題 提出可驗證的觀點 在資料蒐集的過程中發現，許多資料中對塗上果汁的紙加熱烤過之後，會出現黃褐色痕跡，痕跡越清楚代表效果越好，但顏色的深淺為實驗者目測結果，學生目測的感受與作者不同，因此產生疑惑。

(二)                學生自行擬定之問題解決策略–運用手機科技提高比色法的客觀性

產生沉澱物、產生氣泡、顏色變化…等，是國中階段常用來判斷化學反應的條件，其中顏色變化多以傳統的目視比色法為主，在教師的挑戰與引導下，學生均認同在顏色變化程度不大的狀況下，容易形成誤差，所得的實驗結果也無法進行量化比較。由於八年級理化課程中有教到三原色的背景知識概念，為了讓實驗結果更具說服力，學生討論後決定以具有照相功能的手機輔以colour軟體進行RBG顏色分析。

實驗流程如下：在白紙上均勻塗抹果汁後，距離桌面19公分處來回加熱相同時間，利用平板拍照後，以colour軟體針對顏色最深處進行RBG顏色比對，記錄數值後，將三項數值加總，並以總分作為比較數值，顏色越深則總合值越小(表4)。

表4 學生探究與實作學習歷程–規劃與研究、論證與建模(改編自 教育部，2018，p40-41)

n  教師引導探究與實作活動之反思回饋

本活動與108課綱「探究能力學習表現架構表」進行比對(表5)，符合國民中學教育階段學習重點－第四階段學習表現。教師作為協助以及引導學生進行思考與討論的角色，而學生則是知識的主動建構者。在本活動中，學生自行討論並設計學習內容，從過去實驗中發現問題並在過程中學習如何使用新科技colour應用程式解決問題，符合探究導向的教學模式(Wheeler,2000；Anderson,2002；Bybee,2006)。在書面審查與口頭報告時，教師以108課綱–自然科學課程綱要中，科學探究歷程的四個項目：「觀察現象」、「規劃與研究」、「論證與建模」以及「表達與分享」對學生進行書面審查以及口頭簡報作為評量(教育部，2018，p40-41)。

表5 學生探究能力學習表現與架構表(改編自 教育部，2018)

 

課程中，學生雖然在訂定主題、實驗時遇到操作上或數據量化的困難，但在教師的協助下，組員們一起想辦法解決而不是抱怨與放棄是最大的進步。學生並不只是學習到了多專業領域的內容，更強化了獨立思考與解決問題的能力，我們期望藉由科學探究與實作的過程，讓學生主動融入生活週遭所運用之新興科技素材與能力，提升學生的科學學習知能並改變學生的內在本質。

108課綱強調以素養導向教學為基本理念，其中探究與實作課程是自然科學領域的核心概念之一，從學生天馬行空的想像中，教師的思維也跟著擴展開，學生的想法不再被立即性的標準答案否定，師生間的互動關係、上課的氣氛、學生的學習意願以及成就感都有所提升是最大的收穫。

n  謝誌

感謝國立高雄師範大學產學合作團隊P&C科學教育中心舉辦科學探究與實作競賽，本文由得獎作品「迷蹤道－隱之水果斬」指導教師共同參與撰稿，感謝得獎團隊學生：黃士豈、林子源、王奕翔、陳泓翰，以及指導教師：陳昱嘉、曾致豪老師授權同意將實驗過程作為本文的範例作品。

n  參考資料

1.      教育部.(2018).十二年國民基本教育課程綱要 自然科學領域. 臺北：教育部.

2.彭開琼、張佳雯、李瑞生(2017)。OECD國家與臺灣之教育績效比較：以PISA科學素養為例。教育科學研究期刊，62(4)，145-179。

3.      李驥、邱美虹(2019)。NGSS和12年國民基本教育中探究、實作和建模的比較與分析。科學教育月刊，421，19-31。

4. 林煥祥、洪振方、佘曉清、李松濤、李暉、秦爾聰(2016)。PISA 2015。發表於 第三十二屆科學教育國際研討會。臺中市:中華民國科學教育學會。

5.      佘曉青、林煥祥(2017)。PISA2015台灣學生的表現。心理。

6.      林淑梤(2019)。探討學生科學能力與教師探究教學實務的關係。科學教育學刊，27(4)，251-274。

7.      何妙桂(2014)。以計劃行為理論探討國小學生新興科技使用意圖。工業科技教育學刊，7，60-69。

8. Driver, R., Newton, P., & Osborne, J. (2000). Establishing the norms of scientific argumentation in classrooms.Science Education, 84, 287-312.

9. Duschl, R. A.,& Osborne, J. (2002). Supporting and promoting argumentation discourse in science education.Studies in Science Education, 38(1), 39-72.

10.    Kuhn, L., & Reiser, B. (2005). Students constructing and defending evidence-based scientific explanations. Paper presented at the annual meeting of the National Association for Research in Science Teaching, Dallas, TX.

11.    Bybee, R. W., Taylor, J. A., Gardner, A., Van Scotter, P., Powell, J. C., Westbrook, A., et al. (2006). The BSCS 5E instructional model: Origins and effectiveness. Colorado Springs, CO: BSCS.

12.    Wheeler, G. F. (2000). The three faces of inquiry. In J. A. Minstrell & E. H. van Zee (Eds.), Inquiring into inquiry learning and teaching in science (pp. 14-19). Washington, DC: American Association for the Advancement of Science.

13.    Anderson, R. D. (2002). Reforming science teaching: What research says about inquiry. Journal of Science Teacher Education, 13(1), 1-12.