臺灣化學教育

高中自然科學探究與實作：中山女高自然科探究與實作實施經驗分享

蘇芳儀¹、許哲瑜²、曹雅萍³

臺北市立中山女子高級中學

¹[email protected]、²[email protected]、³[email protected]

• 緣起

     本校於106學年度開始，為因應新課綱的改革趨勢，而於106學年度開始，由生物科與化學科合力，進行為期兩年的課程模組研發，並於高一開設多元選修課試行。歷經兩年蒐集經驗，並彙整相關資料於108學年修正後，109學年度則在高二的探究與實作課程正式實行。

    本課程經生物與化學教師共同討論後，決定以生活息息相關的「食物」為主題，並以此主題共備，釐清各主題的課程大綱與各自課程設計重點。而後再由各科老師分別負責課程模組的教案編寫，底定課程的主要內容。109學年度則由兩位生物老師與兩位化學老師協同授課，並可以各自的上課模式與節奏，在課程主軸與主要內容不變的條件下，進行課程的微調與編排，以下則針對各階段的課程試行與修正經驗進行說明。

• 探究與實作學習重點了解與分析

為因應自然科的探究與實作課程實施，所以在106學年度時以特色課程的方式，自然領域四個科別分別設計課程模組並試行，以了解課程設計與實施時，可能遇到的狀況，與待解決的難題。課程設計之初，安排了增能研習讓所有老師都對探究與實作的學習重點有所了解，而依據課綱自然科學探究與實作的學習重點分為「探究學習內容」和「實作學習內容」兩部分：

「探究學習內容」著重於科學探究歷程，可歸納為四個主要項目：發現問題、規劃與研究、
論證與建模、表達與分享；「實作學習內容」為可實際進行操作的科學活動，例如：觀察、測量、資料蒐集與分析、歸納與解釋、論證與結論等。

而過程中，大家也意識到雖然探究學習內容是一致的，但是實作學習內容卻有許多種變化，故在同樣的探究主軸下，應該可使用不同的實作學習內容，避免所需培養的學習表現與技能，不斷重複的問題(共備情形見圖1)。以下則為討論並分析後，不同主題下的學習內容重點主要差異(參見表1)：
表1  不同主題下的學習內容重點主要差異比較

探究學習內容	化學科實作學習內容著重點	生物科實作學習內容著重點
發現問題	1. 運用感官辨識物體和現象的特性。 2. 整理並提取適當的資訊。 3. 當有多個問題同時存在時，能分辨並選擇優先重要之問題	1. 著重從學習活動進行多方觀察。 2. 依據觀察所得，進一步提出適合科學探究的問題。
規劃與研究	除完整的實驗規畫與研究流程外，著重流程圖的敘寫，和實驗紀錄方式規劃。	除完整的實驗規畫與研究流程外，著重定量實驗設計與器材設計選擇。
論證與建模	除完整論證與建模歷程，著重於實驗記錄與描述。	除完整論證與建模歷程，著重於實驗數據的處理，和平均值、標準差等概念呈現。
表達與分享	製作海報分組分享，即以文字、圖像呈現自己的研究成果。	製作投影片分組分享，即以口語呈現自己的研究成果。

 

圖1：社群增能研習與共備

• 特色課程實施與修正

    當對學習重點有了認識後，即開始討論並確認課程主題。經協調後決定生物與化學科合科教學，且討論過程希望能以兩科可共同涵蓋的部分為主題；且此科目為不分文理組學生皆需修習的科目，故亦希望主題並非太過艱深的科學概念，且可引發學生學習興趣。故經討論後決定以「料理科學」為主題，生物科和化學科分別以「愛玉」和「海藻酸鈉晶球」做為探究對象。

    而為了讓學生可以循序漸進的培養探究實作的能力，故此次的課程模組設計先以結構式探究和引導式探究為主，各四週的課程規劃如下(參見表2)：

表2  四週的課程規劃表

科別	生物科課程模組	化學科課程模組
第一周	實驗設計的介紹 愛玉實驗試作 提問：如何做出硬度較高的愛玉？ 根據問題設計實驗，並提出器材清單	分子料理簡介與摘要試寫 晶球試吃，經由觀察進行提問練習 分辨何為可探究的問題 將分子料理食譜改為實驗步驟流程圖
第二周	根據問題試作愛玉凝膠 硬度實驗的測試 實驗修改並提出修正計畫書	晶球製作 根據上週所提出的可進行探究問題，分組設計實驗，並提出器材清單
第三周	進行實驗	執行實驗
第四周	結果報告	說明與分享

經過一學期的課程試行後，發現幾個需要調整的部分，在生物科的課程部分發現，受限於學生經驗，若要定量的測量愛玉的硬度，需要更多的時間思考設計，而以目前的課程時間無法讓學生收集到具有足夠可信度的定量數據。而在化學科部分，則是因為學生有發現問題出發，所以課程時間不足，學生也無法足夠時間修正實驗。故針對以上的不足，再次進行課程修正，並擴大加入以學生為主體的開放式探究課程。

• 修正後多元選修模組設計
  

107學年度擴增為18週課程再度試行課程，此次課程針對上階段試行時的問題，主要進行以下兩點修正：

1.   生物科為了解決難以蒐集量化數據的問題，所以將主題改成「醃漬－滲透壓」，學生較容易發揮創意，以質量、體積等定量滲透壓的變化。

2.      而為了讓學生可以循序漸進的培養探究實作的能力，並可將此能力真正應用於真正的科學任務上，故將課程依不同探究類型循序漸進，由基本能力養成，再進階到結構式探究與引導式探究，最後階段則是學生自行主導的開放式探究。以下則依時間安排分為四個階段，課程內容大綱說明如下表3：：
第一階段：基本探究能力養成(3週)
第二階段：探究食品中的物質變化–晶球(5週)
第三階段：探究食品中的生物學–滲透(4週)
第四階段：課程統整與應用(3週)

表3  十五週課程內容大綱說明

週次	第一階段：基本探究能力養成(3週、共六節)
第一週	濃度	理解生活中常見的濃度表示法 認識實驗室常見器皿 學習配製特定CM濃度溶液 練習序列稀釋特定溶液
第二週	迷思探究	理解事實與觀點的差異 閱讀富氫水文章，判斷事實與觀點 以科展國小組 飲用水PK賽–找出好水來，部份實驗與富氫水文章中的觀點比較 學習圖表呈現方式與判讀
第三週	閱讀理解	閱讀分子料理文章、寫摘要： 起–問題何在、承–有何對策、 轉–實施效果、合–個人意見 針對閱讀分子料理文章時產生疑問–搜尋資料，將看過的資料記錄在文獻篩選資料表中。
	第二階段：探究食品中的物質變化–晶球(5週、共十節)
第四週	發現問題 －觀察現象 －形成或訂定問題 －提出可驗證的觀點	利用市售晶球，描述五感觀察及體會到的現象 ．測試在不同環境中晶球的狀況，並記錄 ．由上述的實驗，提出假說
第五週	規劃與研究 －尋找變因或條件 －擬定研究計畫 －收集資料數據	延續自己組別前一週的假設 提出問題設計變因  提出實驗器材清單 撰寫實驗步驟、規劃實驗表格
第六週 第七週	論證與建模 －分析資料呈現證據 －解釋和推理	修正計畫、執行計畫
第八週	表達與分享 －表達與溝通	製作海報並報告
	第三階段：探究食品中的生物學–滲透(4週、共八節)
第九週	發現問題 －訂定問題 規劃與研究 －尋找變因或條件 －擬定研究計畫 －收集資料數據	活動：紫高麗菜與小黃瓜灑鹽巴，觀察並比較其變化。學生預測變化，並說明原因。 滲透與滲透壓基本概念教學 簡介等張溶液濃度測定方法 了解重量改變法         設計進階實驗：挑素材、選擇溶液、設定水分進出量化標準，並完成實驗設計。
第十週   第十一週	論證與建模 －分析資料呈現證據 －解釋和推理 －提出結論	進行實驗，並紀錄數據與結果 初步整理原始數據，必要時進行數據轉換 ．利用Excel繪製圖表與趨勢線         了解標準差的意義         利用Excel計算平均值與標準差
第十二週	表達與分享	每組報告ppt 5分鐘+提問2分鐘
	第四階段：課程統整與應用(3週、共六節)
第十三週 第十五週	開放式探究－學生自行決定題目，設計實驗，進行專題研究，完成後繳交報告，並做分享。
評量	課程中學習單、各階段期中分享、各階段期末分享

有別於一般的化學和生物課，學生雖然很忙、很累，但因為自己是學習的主角，所以都全神貫注樂在其中，不會出現發呆與空白的時刻。而這堂課對老師最大的挑戰除了不間斷的學習單，更有各組不同的實驗設計，需要耗費授課教師大量精力批改，並給予合適的建議，學生上課情形參見圖2至圖6。

圖2：探究食品中的生物學–滲透課程剪影  圖3：探究食品中的物質變化–晶球課程剪影

圖4：學生實驗設計學習單      圖5：學生海報分享報告     圖6：學生口頭發表分享

• 學生作品分享
  

當三個階段的課程完成，學生對於探究實作有了一定了解後，第四階段的課程則以開放式探究的形式，讓學生自行尋找有興趣的問題，自行設計實驗，蒐集足夠的資訊去下結論，並於期末進行分享。

為了讓學生可以比較有方向找到可以探究的題目，所以提供了幾個可行的方向：

一、從第一階段的事實和觀點的學習中，找出日常生活中有趣的迷思想法，自訂題目驗證迷思。

二、從第二和第三階段的主題實驗過程中，找到可以進一步延伸研究問題。

三、從第二和第三階段的期中報告中，根據老師和同學提供的修改建議，設計驗證實驗回應。

四、從科展作品中找到晶球相關的作品，進行作品解析，並比對自己的實驗設計討論可行的修正方式，茲摘錄學生的作品如附錄。

• 結語

最近常有人在twitter上轉傳這句話：

Students don’t need a perfect teacher. Students need a happy teacher, who’s gonna make them excited to come to school and grow a love for  learning.

學生不需要一個完美的老師，學生需要的是一個快樂的老師，他會讓他們興致勃勃地來到學校，增長對學習的熱愛。

探究與實作課程，即是這樣的一個課程。

在課程執行的過程中，老師並未教導學生太多的科學概念，但提供了很多機會，讓學生實作、練習，學會學習的方法，和自學過程中所需要的工具和能力，學生懷抱探索的熱情，再將所學的一切，投注在有興趣的主題上。

雖然作品並不成熟，但學生確實學會了如何分辨事實與觀點，並將之運用在日常生活中，有助於養成批判思考的習慣；也學會了如何蒐集資料，運用別人的智慧，解決自己面臨的問題；而在進行專題探究時，也懂得如何將所學到的實驗技巧、數據處理方式，用在結果的表達與溝通上，而這些都是適應現代生活所需的能力。

課程進行中最大挑戰則是老師負擔問題，授課老師在過程中除了改不完的學習單外，如何針對學生個別的實驗發想，給予最適當的回應與討論，而能鼓勵學生繼續前行，不至於因為無助而放棄，是老師急需面對的課題。目前109年高二探究與實作課程的大規模實施，即發現了當學生人數急遽上升時授課教師的為難與窘境。如何讓學生可以有最適當的成長，但又不會讓授課老師疲於奔命？這將是之後授課與配課的重要議題之一。然而治本的方式，則更需要有關單位仔細思考配套措施，以讓此有意義的探究實作課程不只是施行，而能確實出現成效。

• 附錄