高中自然科學探究與實作:咖啡牛奶的探究與實作課程 / 鐘建坪、鍾曉蘭、謝東霖、許舜婷

星期六 , 6, 3 月 2021 Leave a comment

高中自然科學探究與實作:咖啡牛奶的探究與實作課程

鐘建坪1、鍾曉蘭*2、謝東霖3、許舜婷2

1新北市立錦和高中國中部理化科教師

2新北市立新北高中化學科教師

3台北市立陽明高中化學科教師

* chshirley2007@yahoo.com.tw

    日前公告的108課程總綱強調自然科學的學習能夠進行跨科統整的探究與實作,/除了著重學生動手操作之外,亦希望協助學生進行有系統地探究相關主題(教育部,2013)。自然科學領綱呼應總綱並提供探究與實作的不同階段與施行步驟,包括:發現問題、規劃與研究、論證與建模以及表達與分享(圖1)(教育部,2018)。新北市化學科課程發展中心參考國家教育研究院任宗浩研究員的演講資料之後(任宗浩,2018),著手將影響熱咖啡加牛奶的溫度變化主題與自然領綱探究與實作的步驟整合,設計學習單與教師操作說明,實際進行教學,形成教學上可操作與研習推廣的教材內容。

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1:自然領綱提供之探究與實作階段與步驟

 

         目前咖啡飲品在臺灣市場日漸普及,高中學生對於咖啡並非陌生,在其日常生活中常可聽到咖啡搭配牛奶的不同商品,再加上此主題可從化學、物理角度出發探討不同變因的影響,實屬適切可開發的主題,茲將目前操作內容與讀者分享。

n  咖啡牛奶課程

    課程時間的規劃依照探究與實作四階段進行,初步課程規畫表如表1。第一階段著重在發現問題,時間為12節課,強調如何導入情境、蒐集相關資訊、形成可驗證的問題;第二階段著重在規劃與研究,時間預設為4節課,強調如何協助學生設計與實際操作實驗;第三階段著重在論證與建模,時間預設為4節課,強調協助學生解釋數據、提出結論、建立模型等;第四階段著重在表達與分享,協助學生製作海報/簡報,對自己與他組的成果進行省思與評價。

1  咖啡牛奶的初步課程規劃表

週次(時間)

主題:單元

內容綱要說明

1

生活現象的探究與實作:咖啡牛奶篇

Part 1

試做咖啡牛奶

 

跨科概念: 物質與能量、科學與生活

[發現問題]

l   觀察現象(生活情境引導):觀察咖啡加入牛奶的溶液溫度變化情形,藉以引發探究的動機。

l   形成或訂定問題:探究咖啡牛奶溫度的影響因素與可能關係,提出WhetherWhatWhyHow等不同類型的研究問題。

l   蒐集資訊:學習從具效度之參考資料庫找尋可驗證的觀點與可能原理為何?

l   提出可驗證的觀點:請學生說明所挑選的影響因素,推測影響實驗結果的原因?

2-3

Part 2

咖啡牛奶實驗

[規劃與研究]

l   依據上週的實驗,找出影響咖啡降溫的可能原因:寫下研究的實驗假設,說明挑選的影響因素,是如何影響實驗結果的?

l   依據你的實驗假設,開始設計一個實驗:實驗的變因為何?說明要如何測量應變變因?預計做幾組實驗?說明每組實驗的初始條件與實驗設計為何?並完整寫出你的實驗流程。

l   設計一個方便記錄你們觀察數據的表格,詳細紀錄實驗結果。

4-5

Part 3

實驗結果與討論

[論證與建模] 實驗數據處理與分析、實驗結果與討論

l   依據整理後的資料數據,製作圖表:確認哪一項變因為X軸、Y軸,確認變因單位與範圍,學習使用軟體與繪製圖表,畫出關係圖,計算或分析不同時期的溫度變化量。

l   解釋和推理:詳細描述測量所觀察的現象,由資料數據的變化趨勢看出其蘊含的意義;討論結論背後可能的因果關係或影響因素,並形成解釋。

l   提出結論或解決方案:由探究結果形成結論或論點;針對既有的數據、質性或量化關係、結論等不足之處決定是否有重複實驗或實作之必要?

l   建立模型:以結構或系統的經驗將數據、資料或概念以圖像呈現,以建立質性或量化的模型;分析小組所建立模型適用的條件與限制。

6

Part 4

口頭報告實驗成果

[表達與分享]

l   表達與溝通:請各組整理前幾周的資料,完成一份探究與實作的海報/簡報,並準備8分鐘為限的口頭發表。

l   合作與討論:在各小組分享的過程中,提出問題與回饋。

l   評價與省思:在聽完各組提供的回饋之後,針對各組的回饋與問題進行回覆,進而反思並修正自己的各階段內容,亦可重新設計新的思考實驗。

註:本課程模組修改自:任宗浩(20186月)。咖啡加牛奶。科學素養導向評量工作坊,臺北市立中山女子高級中學。

n  發現問題

        在此階段希望學生能從生活現象中觀察,進而提出問題與可驗證的觀點。教師一開始詢問學生咖啡飲品的相關問題,並現場演示將熱咖啡加入牛奶,詢問學生加牛奶的時機點是否會影響最後咖啡溶液的溫度(見圖2)。學生觀察教師演示之後,須先猜想在兩杯熱的黑咖啡中加入牛奶的時機點是否會影響最後兩杯咖啡溶液溫度。若是,需再提出何種因素會影響最後溶液的溫度;若不是,亦須說明不影響的原因。接著讓學生查詢具公信力的網路資料(如:科技大觀園、科學研習科學月刊臺灣化學教育等),再讓學生說明所挑選的影響因素可能如何影響實驗結果,而常見學生的迷思概念說法如下:「熱的黑咖啡中加入牛奶的時機點不會影響最後兩杯咖啡溫度,因為兩杯溶液皆在相同的環境中,兩杯黑咖啡分別在相同時間下與牛奶達到熱平衡。」

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2:黑咖啡不同時間點加入牛奶後測量溫度示意圖

 

n  規劃與研究

    在此階段協助學生將發現階段的問題與探討的因素轉變成可操作的實驗內容。首先讓學生回憶上次提出的研究問題與可檢驗的觀點內容,並思索相關的變因中何者是操作變因、應變變因與控制變因(如表2)。接著讓學生嘗試設計想要收集實驗的資料表格(如表3)、須做幾組實驗、每組實驗的次數規劃幾次與相關的實驗器材與操作注意項目。再讓學生寫下實驗流程,並在實際操作時拍照記錄作為之後表達與分享的內容。最後讓學生實際操作實驗,讓學生實際觀察與紀錄實驗數據,並思索是否可以找到混合牛奶後咖啡牛奶溫度能最高的條件。

2  各種實驗的不同類型變因說明

變因類型

實驗一

實驗二

實驗三

操縱變因

 

 

 

控制變因

溶液總質量、咖啡杯、溫度計、環境溫度及濕度、無風環境等

應變變因

 

 

 

 

3:實驗記錄表格示例

時間()

咖啡液溫

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

8.0

8.5

先加牛奶 (℃)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

後加牛奶 (℃)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n  論證與建模

        分析資料數據以提出科學主張或結論、發現新知或找出解決方案。發展模型以呈現或預測各因素之間的關係。檢核資料數據與其它研究結果的異同,以提高結果的可信度,並察覺探究的限制。分為四大學習內容:分析資料和呈現證據、解釋和推理、提出結論或解決方案及建立模型。

分析資料和呈現證據需引導學生思考如何將數據轉為合適的圖表,包括X軸為操縱變因,Y軸為應變變因;X軸與Y軸要標明單位,若數據過大要使用省略符號。依據要表達的目的,使用合適的圖。解釋和推理需引導學生思考:如何由資料數據的變化趨勢,看出其蘊含的意義;描述測量所觀察的現象,如當咖啡溫度與室溫相差越多時,每秒溫度的下降率越多、前五分鐘時溫度下降率為x℃/min等(示例見圖3)。由資料數據顯示的相關性,推測其背後可能的(因果)關係,發現實驗結果的異同處,可查詢資料,提出產生異同的可能原因,如牛頓冷卻定律、比熱、蒸散作用等。建立模型則需嘗試由探究結果建立合理模型以描述所觀察的現象:以結構或系統的經驗將數據、資料或概念以圖像呈現,以建立質性或量化的模型;察覺模型的侷限性:分析小組所建立模型適用的條件與限制,如確認所建立的模型在初溫(溫差)何種範圍內才適用。

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n  表達與分享

       運用適當的溝通工具呈現重要發現,與他人分享科學新知與想法,推廣個人或團隊的研究成果。分為三大學習內容:表達與溝通、合作與討論及評價與省思。

表達與溝通是請各組整理前幾週的資料,完成一份探究與實作的海報/簡報,並準備8分鐘為限的口頭發表;一般完整的報告,須包含研究動機、研究目的、研究問題、研究假設、實驗設計、實驗流程、實驗數據與分析、實驗結果與討論、結論、心得與反思等部分。合作與討論可引導學生思考幾個層面,例如:變因的設定上是否符合假設?實驗流程是否符合變因?數據和圖表的關係是否有矛盾?討論和結論的邏輯性是否合理?結論是否有符合他們的假設?整個實驗的限制性是否明確?評價與省思則是聽完各組提供的回饋之後,回頭去修正自己的各階段內容,並針對各組的回饋與問題進行回覆;可引導學生思考幾個層面:哪些問題是你們可以回答的?哪些問題是你們歷程中疏忽要修改的地方?哪些問題是需要近一步設計實驗的?課後心得與反思則可引導學生思考探究過程所遭遇的問題或困難、如何解決及待解決的問題,亦可重新設計新的思考實驗。

n  課程修正與反思

咖啡牛奶模組經過在新北高中試行一學期後,教師們在教學歷程中發現學生剛開始對於形成與訂定問題、提出可驗證的觀點及提出實驗假說方面表現不佳,因學生過去缺乏相關的學習經驗,導致此部分表現不佳需再加強,而教師也需要提供更多的學習鷹架,經由教師與小組之間不斷進行對話,以釐清學生的錯誤想法或做法。此課程的共備社群教師在多次討論後,預計將目前規劃的6週課程,延伸成9週課程,延長發現問題主題之課程時間,並將論證與建模分成初步與進階兩階段(參見附錄一),在課程規畫表中加入更多的教師指導語作為教學時輔助學生的學習鷹架(參見紅字部分),並在規畫與研究中引入初步的CER論證模式(C是主張、E是證據、R是推論),以期培養學生論證的能力。

n  結語

 目前學校已進行一學期以上的自然科學探究與實作的課程,但仍有許多教學現場的問題待釐清與改進,例如:如何進行不同學科之間的協同教學、如何促進自然領域的教學共備、課堂中如何進行課程觀察與多元評量、如何依據學生的能力修改教學規畫表與課程內容、如何設計探究與實作的紙筆測驗試題、課程的實驗器材的採購、存放與經費來源等,以上都是很多現場教師亟待解決的問題,教師可以積極參加相關研習與閱讀文章,以找出解決問題的方法。本文提供生活現象的探究與實作模組,從一開始設計的6週課程,經過實施後協同教師的共備與反思,後續將修正為9週的課程規劃表,並提供教師指導語,便於教師進行教學的鷹架,期望提供教學設計的示例,以供現場教師規劃課程時參考。

n  參考文獻

任宗浩(20186月)。咖啡加牛奶。科學素養導向評量工作坊,臺北市立中山女子高級中學。

教育部(2013)。十二年國民基本教育總綱綱要。臺北:教育部國家教育研究院。

教育部(2018)。十二年國民基本教育自然領域課程綱要。臺北:教育部國家教育研究院。

n  附錄一

 附表:咖啡牛奶的課程規畫表修正版本(9週課程)

週次

單元/主題

內容綱要

1-2

生活現象的探究與實作:咖啡牛奶篇

Part 1

試做咖啡牛奶

 

跨科概念: 物質與能量、科學與生活 

[課程說明]

l  說明上課方式、課程主題與內容、評量方式與規準、分組與座位規劃表等

l  簡易說明探究與實作的探究學習內容(發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享)

[發現問題]

l  觀察現象(生活情境引導):觀察咖啡加入牛奶的水溫變化情形,藉以引發探究的動機。(引導學生思考自己或家人喝咖啡的經驗,何種情況下能夠喝到溫度比較高的咖啡,可以讓學生試做實驗,從觀察現象發現可能的影響因素。)

l  預測可能影響因素與關係:影響咖啡牛奶最後溫度的因素可能有什麼?變因之間的可能關係是什麼? (讓學生自行思索可能影響最後咖啡牛奶的溫度,可能是加入的時間、加入牛奶的類型等等。)

l  形成或訂定問題:探究咖啡牛奶溫度的影響因素與可能關係,提出WhetherWhatWhyHow等不同類型的研究問題。(儘量提出How的問題,問題中要包含操縱變因與應變變因。)

l  蒐集資訊:學習從具效度之參考資料庫找尋可驗證的觀點與可能原理為何? (請學生提供查詢的參考資料來源與網址等)

l  請學生說明所挑選的影響因素,推測影響實驗結果的原因?(教師此時協助學生判斷何種問題是可驗證,並且想要做的問題是哪一個。)

3

Part 2

咖啡牛奶實驗

[規劃與研究]

l 尋找變因或條件:依據上週的實驗,找出影響咖啡降溫的可能原因:寫下研究的實驗假說(或實驗假設),說明挑選的影響因素,是如何影響實驗結果的?(請用肯定句,句子中只能包含一個影響因素,並且定量描述結果。)

l 請挑選一個影響因素,並寫下你決定要研究的實驗假說,請學生寫出小組提出的CER論證模式(此處可引入初步的CER論證模式,培養學生論證的能力。)

l 依據你的實驗假說,開始設計一個實驗:實驗的變因為何?(包含操縱變因、控制變因及應變變因)

l 依據你的實驗假說,開始設計一個實驗:實驗的變因為何?說明要如何測量應變變因?預計做幾組實驗?說明每組實驗的初始條件與實驗設計為何?並完整寫出你的實驗流程。(溫度計怎麼固定?如何判讀溫度計讀數?測量溫度的頻率為何?加入牛奶後是否立刻測量溫度?)

l 設計一個方便記錄你們觀察數據的表格,詳細紀錄實驗結果。(表格中需要包含操縱變因、觀察變因、單位及數字:實驗進行中的每個步驟,都要拍照記錄。)

4

Part 3

實驗數據處理與分析

[論證與建模] 實驗數據處理與分析

l  依據整理後的資料數據,製作圖表:確認哪一項變因為X軸、Y軸,確認變因單位與範圍,學習使用軟體與繪製圖表,畫出關係圖,計算或分析不同時期的溫度變化量。(引導學生思考如何依據要表達的目的,使用合適的圖,畫出關係圖,計算或分析不同時期的溫度變化量。)

l  解釋和推理:詳細描述測量所觀察的現象,由資料數據的變化趨勢看出其蘊含的意義;討論結論背後可能的因果關係或影響因素,並形成解釋。(描述測量所觀察的現象,如當咖啡溫度高於室溫越多時,每秒溫度的下降率越多;發現實驗結果的異同處,可查詢資料,提出產生異同的可能原因,如牛頓冷卻定律、比熱、蒸發作用、熱容量不同或牛奶中油脂之影響等。)

5

Part 3

實驗結果與討論

[論證與建模] 實驗結果與討論

l  提出結論或解決方案:由探究結果形成結論或論點;針對既有的數據、質性或量化關係、結論等不足之處決定是否有重複實驗或實作之必要?)(請同學思考解釋與討論是否能回應研究目的與研究問題)

l  建立模型:以結構或系統的經驗將數據、資料或概念以圖像呈現,以建立質性或量化的模型。(量化模型可由趨勢線中,找出關係式,比較從實驗數據建立的關係式與牛頓冷卻定律關係式的異同,藉此分析不同變因是否對關係式產生不同的影響。)

6

Part 4

第二次實驗設計&數據分析

[規劃與研究] [論證與建模]

l  依據上週的實驗,找出第二次實驗想要探究的變因,如溫度差、蒸散作用、比熱、油脂及質量等,提出第二層實驗的實驗假說。

l  依據你的實驗假說,重新設計新一輪的實驗(第二層驗證實驗):實驗的變因為何?說明要如何測量應變變因?預計做幾組實驗?說明每組實驗的初始條件與實驗設計為何?並完整寫出你的實驗流程。(學生宜說明第二次實驗設計與第一次實驗設計之間的關係,藉以訓練學生的邏輯推理與表達能力。)

l  設計一個方便記錄你們觀察數據的表格,詳細紀錄實驗結果。

7

Part 4

兩次實驗結果分析與討論

[論證與建模]

l 提出結論或解決方案:由探究結果形成結論或論點;針對兩次的數據、質性或量化關係等分析,進行兩次實驗結果異同的比較?第二次實驗結果是否能支持或反駁第一次實驗結果?( (此處可再次進行的CER論證模式,培養學生進階論證的能力。)

l 建立模型:以結構或系統的經驗將數據、資料或概念以圖像呈現,以建立質性或量化的模型;分析小組所建立模型適用的條件與限制,如確認所建立的模型在初溫(溫差)何種範圍內才適用?哪一項變因是如何影響牛頓冷卻定律的關係式?

8

Part 5

製作實驗報告與簡報

[表達與分享]

l  表達與溝通:請各組整理前幾周的資料,完成一份探究與實作的海報/簡報,並準備8分鐘為限的口頭發表。(請同學再次檢查,研究問題是否皆已討論,討論是否合宜等)

l  一般完整的報告,須包含研究動機、研究目的、研究問題、研究假說、實驗設計、實驗流程、實驗數據與分析、實驗結果與討論、結論、心得等部分。

l  以上各部分均可在學生前幾週的學習單紀錄中找到對應。

9

Part 5

口頭報告實驗成果

[表達與分享]

l  合作與討論:在各小組分享的過程中,提出問題與回饋。(可以配合投影片給予學生一些提示。若老師覺得學生對於這些因素不夠熟悉,可自行設計小組互評單,幫助學生釐清思路。)

l  評價與省思:在聽完各組提供的回饋之後,針對各組的回饋與問題進行回覆,進而反思並修正自己的各階段內容,亦可重新設計新的思考實驗。(在各組發表結束後,老師可以針對各組不同的變因,和學生探討組間的比較)

l  課後心得與反思:反思探究過程所遭遇的問題或困難、如何解決及待解決的問題,亦可重新設計新的思考實驗。(學生宜說明學習到哪些知識、能力與小組合作的情形、對未來學習的影響等)

 

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