國中自然科學彈性課程設計與教學:發展探究與實作取向的水質檢測彈性課程 ∕ 鐘建坪

星期日 , 3, 9 月 2023 Leave a comment

國中自然科學彈性課程設計與教學:發展探究與實作取向的水質檢測彈性課程

鐘建坪

新北市立錦和高級中學
hexaphyrins@yahoo.com.tw

n  前言

   環境永續發展是全人類應該重視的課題,其牽涉的範圍涵蓋經濟、社會與環境。聯合國於2015年發布永續發展目標Sustainable Development Goals, SDGs),期待人類在滿足現今需求的同時,又不損害後代人類的發展模式。透過教育,以素養進行推動,讓學生能夠面對當代環境議題,擴展國際視野,並進行在地行動UN, 2018)。

12年國教期待學生成為終身學習者,著重「自主行動」、「溝通互動」,以及「社會參與」。總綱揭示在社會參與面向期待學生具備環境意識,主動參與公益活動與關懷生態環境。自然領綱更進一步認為可以透過相關議題的學習,了解生活周遭的居住環境,以增加學生主動探索的機會(國家教育研究院,20142018)。

彈性學習課程為學校規劃之全校、全年級或班群的學習活動,主要希望提升學生的學習興趣以及落實學校本位特色課程。彈性學習課程可以跨領域/科目結合各項議題,發展「統整性主題/專題/議題探究課程」,能夠強化不同的知能與議題整合能力(國家教育研究院,2014)

自然領綱設定的探究與實作課程著重學生能夠進行問題的發現、實驗的規劃與研究、數據結果的論證與建模,以及師生、生生之間表達與分享,透過這些歷程進行科學探究主題的課程。雖然國中沒有將探究與實作設定為實際的科目,但是自然領綱強調國中小應該發揮探究與實作的精神進行主題探究。因此,本研究嘗試讓學生透過對環境議題的理解,發展彈性學習課程,以水質檢測為主題,培養學生相關的能力,以促進學生整合相關領域的機會。

n  探究與實作取向水質檢測彈性課程

一、探究與實作

    科學的學習方法著重探究歷程,讓學生從發現問題、確認變因關係、搜尋資料、尋找器材組織設備,接著進行資料收集與數據分析,最後形成論點與結果,讓學生從中統整學習相關概念知識、探究能力與正向的科學態度。因此,自然領綱期望各學習階段應該重視並貫徹「探究與實作」的方法,提供學生學習自然科學(國家教育研究院2018)。名義上國中課程沒有探究與實作的科目,但是可以藉由彈性課程的設計進行議題式的探索與實踐,讓學生發展探究與實作的機會。

二、水質檢測相關教學研究

    河川與我們生活息息相關,但因工業發展、垃圾增量等因素影響,造成水質下降。為確保河川水質,目前使用河川汙染指標監測河水的水中溶氧量Dissolved Oxygen, 簡稱DO)、生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand, 簡稱BOD)、懸浮固體Suspended Solids, 簡稱SS),以及氨氮NH3-N等四項水質參數之濃度值,經計算轉化數值之後判定為未受汙染、輕度汙染、中度汙染以極重度汙染(行政院環境保護署全國環境水質監測資訊網,2020)。

    目前國內進行水資源學習的相關教學設計仍屬少數,其進行的方式主要以高中校定必修課程為主(張明絹、吳德鵬,2020;鍾曉蘭,2015)。張明絹與吳德鵬以桃園地方文化特色,發展以埤塘為主題的跨領域課程,藉由試劑與導電度計測量埤塘的溶氧量與導電度大小,以確認埤塘水質汙染程度(張明絹、吳德鵬,2020)。鍾曉蘭則以淡水河左岸為主題的跨學科課程,在學校附近進行生態調查以及水質檢測,探討許多因素,包括:優養化、熱污染、濁度、酸鹼度、導電度、溶氧量等地改變對生態的影響(鍾曉蘭,2015)。然而,目前文獻中所研發的課程較著重在技能的學習,缺少以國中學生程度的課程開發。

三、理念與架構

    探究與實作包含發現問題、規劃與研究、論證與建模,以及表達與分享等階段步驟,每個階段並非直線歷程,而是可依照主題穿插轉換不同階段順序。教師在教學上提供議題為主的探究學習能夠協助學生深入主題的概念內容、發展相關的探究能力,以及促進正向的科學態度NRC, 1996; 2000)。

    本課程模組區分2個階段,首先嘗試讓學生預測學校附近溝渠水質情況出發,導入環境永續議題讓學生對生活周遭溝渠的地理環境有所認識,藉由探究與實作的架構進行探究學習,讓學生設計簡易的導電度計與水質收集器,並與數位導電度計收集到的數據進行確認、比較,並進行分享回饋。接著再以環保署資料庫的資料分析確認不同水質收集地點的水質狀況(圖1)。

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1:課程架構(引自Jong, 2023)

四、教學規劃與實施

    教學設計主要依據議題式教學進行,強調讓學生在學習歷程進行探究學習。首先進行環境永續指標與淡水河紀錄影片的介紹,說明環境議題的重要性,讓學生具有環境意識,並對居住地附近的河川進行認識(2)。接著讓學生思索影響學校附近溝渠水質的影響因素,繪製變因關係圖(3),確認相關研究問題,進行問題確認。

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2 觀看淡水河歷史紀錄片

3 進行心智圖繪製

4 簡易導電度計設計圖

為結合STEM(Science, Technology, Engineering, Mathematics),從眾多的影響因素中,選擇導電度因素進行水質探討。學生在有限的材料提示下,需先繪製簡易導電度的設計圖(4),過程中教師逐步提示(5),而非直接給予材料包讓學生組裝。當學生完成設計圖之後,才能開始組裝簡易導電度計(6)

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5小組討論設計圖

6 組裝簡易導電度計

7 測試簡易導電度計

因為學生對於電阻接點仍未熟悉,因此簡易導電度計的工具實作需要時間進行組裝(7)。經過簡易導電度計的設計與組裝,學生對於集水器較能駕輕就熟,並實際練習收集水體的可行性(8),練習後實際採集並收集(9)相關數據進行分析(10)

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8 設計與實作簡易撈水器

9 實際至溝渠撈水

10 簡易導電度計量測

由於簡易導電度計只具有質性亮與暗程度的區別,因此,學生會進行數位導電度計的水質檢測以進行比較(11、圖12)。接著依據結果進行說明(13)。因為溶氧量的數位計與檢測方式昂貴或其原理超過國中學生程度,但為求學生能有系統的了解,接著利用環保署實際收集的資料庫進行不同地點水質的分析與比較(14、圖15),讓學生知悉水質檢驗的項目與過程,並讓學生上台分享分析結果(16)

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11 數位導電度計量測

12 測量不同組別的樣品

13 上台發表試驗結果

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14 分析資料庫數據

15 進行數據分析

16 上台口頭報告

n  教師如何規劃學活動與協助學生優化學習內容

一、提供與學生經驗連結的探究題材

    本研究以探索受試學生校園附近溝渠水質出發,進行水質預測、設計工具、進行組裝、實際收集資料,並進行數據分析,讓學生能夠藉由校園附近溝渠的水質,並且經由環保署公開的資料庫數據讓學生分析新店溪不同取水地點的水質差異,讓學生知悉環保署有持續在監控河川水質,並且藉由分析知道不同地點的水質情形。

二、依據探究歷程設計不同階段的探究活動

    本研究以自然領綱探究歷程為基礎,規劃發現問題、規劃與研究、論證與建模,以及表達與分享四個階段為基礎。在發現問題部分,先讓學生觀看淡水河相關歷史,並藉由google map讓學生知悉二八張溝的流向與新店溪、淡水河的關係。接著讓學生繪製心智圖,提供學生思考不同影響二八張溝水質的關係。再以導電度為例讓學生實際設計一個簡易的導電度計與撈水器,並進行組裝。從取得的溝渠水,進行簡易導電度計與數位導電度計的試驗,讓學生分析結果並上台進行發表。再說明環保署資料庫的數據,讓學生實際分析不同地點收集到的數據進行比較分析,評估不同地點水質差異的原因。

三、搭配學習單,讓學生有所依循並紀錄所學內容

    因為探究的時程並非只是13節課的簡單實驗活動,而是期待能夠呈現給學生完整的探究歷程,因此教學的過程中,搭配學習單,讓學生在課堂中記錄不同階段的學習成果,一方面教師能夠藉由學習單輔助說明教學的內容,另一方面學生亦能夠藉由學習單紀錄自己的學習成果。

四、設計與組裝所需器材,教師著重鷹架提供,而非單純材料包組裝

    簡易導電度計與撈水器的設計與組裝,主要是在有限的材料之中,由教師每次逐步提供線索,先讓學生思考可行的設計方案,再開放小組討論,而非單純教師直接教導學生如何組裝材料包的器材。經由學生主動思考過後再進行小組討論,學生能夠更加深入思考彼此間的想法與設計的異同。

五、注重差異化,讓每位學生在課堂皆能夠積極投入

    本探索活動有思考心智活動,亦有動手操作的組裝活動。過程中教師採用逐步增加線索的方式協助學生思考設計方向,能力佳者能在教師提供的前12次線索中思索到設計的方向,而能力中、低者亦能在後續的線索中大致知悉完整的規劃方向。在進入小組討論前,每位同學皆是有初步想法能夠貢獻自己的觀點。

n  課程實施後學生想法與收穫

    整學期的課程圍繞在如何進行水質的檢測,包括:利用變因關係圖協助探討影響二八張溝水質的因素,以水體的導電度為例,設計並實作簡易導電度計,設計並實作水體收集器,再讓學生實際比較簡易導電度計與數位導電度計的差異,並將數位導電度計的檢測結果繪製關係圖,小組討論整理之後進行報告。學生認為整學期的課程是有趣不枯燥,能夠協助他們發現問題與解決問題,尤其對於簡易導電度計的設計與實作印象極為深刻,能夠從中理解不同元件之間的關係。另外,學生認為極有助益的在於小組合作,一起進行資料蒐集與報告,藉由報告過程反思自己整個學期的學習歷程。

一、發現問題階段

    學生針對影響學校附近二八張溝水質進行發想,並將相關影響因子繪圖呈現彼此之間的連結關係。學生陳述在此階段「學到了如何畫圖」、「了解如何進行假設」,以及「把流程先擬定好」等內容。因此,藉由視覺化的過程能夠協助學生統整影響水質的相關因素,確認出不同因素之間的影響關係,以作為研究假設的基礎。

二、規劃與研究階段

    雖然學生探討許多影響水質的因素,課堂的活動引導主要探討水質的導電性,讓學生能夠在有限的材料範圍內,基於自己先前對於電解質的概念,在教師逐漸引導與提示之下,能夠設計並製作出簡易的導電度計與水質收集器。學生認為過程中不僅可以透過設計進行學習「實驗的設計和手作能力提升」,亦促進手做能力「透過實作來發現一些事情」、「知道該如何製作簡易導電度計與水質收集器」、「學習規畫與研究檢測二八張溝的水質簡易導電度計」。同時,過程中學生亦能針對組裝進行修正與不斷地進行改善「組裝後發現不良,然後改善」。

三、論證與建模階段

    學生初始藉由簡易導電度計收集質性數據,再藉由數位導電度計實際測量導電數值,能夠評估工具的效度。接著讓學生實際分析環保署資料庫的數據,評估學校附近新店溪華中大橋與秀朗大橋的水質差異情形。學生認為過程中可以「比對預期和實際的差別」了解粗略估計與實際檢測之間差異,並且能夠「學會整理數據」、「學會依照表格,觀察出數據之間的關聯」,甚至在分析時「學到可能影響水質的原因」。

四、表達與分享階段

    當學生實際收集完二八張溝水質並進行分析之後,學生進行第一次上台發表,學生認為透過發表的過程能夠「思考變因之間的關係」、「將實驗數據完整的報告」,使得學生能夠思考數據結果與假設之間的差異「讓我能透過數據實證假設」、「學會去做比較,也知道其他水溝水的數據」,同時,也促進學生自己分析數據與上台發表的能力「學會與大家分享自己的所做的成果」、「分析數據和上台報告能力提升」。

n  結語與建議

    本課程以水質檢測作為主題,以探究與實作架構進行課程發展,以發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享交互進行,讓學生學習水質檢測的概念並培養相關的探究能力。本課程為一個具體實踐的方案,可作為國中彈性課程進行跨領域或是探究與實作課程的參考。未來實施相關建議如下:

一、如何有效協助不同能力學生,積極投入課程學習

    本課程設計的主題式探究涵蓋探究歷程的心智訓練與手動操作,雖然期待能夠符應不同學生的學習準備度,但是實際操作時,授課教師仍需思考如何在課堂之內,能夠讓每位學生不僅動機能夠增長,而且涵蓋相關知識、技能與態度的促進。

二、如何透過探究歷程外顯化,協助學生將探究形成思考架構

    探究不僅是學生探索科學的歷程,也應該是能夠內化於心的思考架構。雖然課程所設計的學習單有外顯化探究歷程,但是如何評量學生探究思考架構,以及學生如何將探究與其相關的議題探索結合需要更細緻的探討。

三、讓學生探索居所附近議題,結合在地化與全球化的概念,形成在地全球化的思考模式

    探索學生能夠接觸的議題,則能引起學生較大的關注。本課程嘗試以探究模式讓學生針對自己學校附近溝渠水質的好壞進行工具設計、製作與實測,再結合環保署水質調查資料讓學生進行相關分析。讓學生從學校附近的溝渠水質出發,進而提升對臺灣河川等水源品質進行關注。

n  參考文獻

行政院環境保護署全國環境水質監測資訊網2020)。河川汙染指數(RPI)。檢索日期:202245日。取自https://wq.epa.gov.tw/EWQP/zh/Encyclopedia/NounDefinition/Pedia_37.aspx  

國家教育研究院2014)。十二年國民基本教育課程綱要總綱。新北市:國家教育研究院。

國家教育研究院2018)。十二年國民基本教育課程綱要:自然科學領域。新北市:國家教育研究院。

張明絹、吳德鵬2020)。武陵高中校定必修:千塘桃花源。臺灣化學教育,35。網址:http://chemed.chemistry.org.tw/?p=36337

鍾曉蘭2015)。跨學科科學課程設計—「淡水河左岸」專題研究課程。臺灣化學教育,7。網址:http://chemed.chemistry.org.tw/?p=6973

Jong, J. P. (2023, July). Implementing inquiry-oriented school-development curriculum to develop students’ inquiry abilities regarding water quality. Paper presented at the 9th International Conference of Network for Inter-Asian Chemistry Educators (NICE), July 28 – July 30, Kuching, Malaysia.

       National Research Council. (1996). National Science Education Standards. Washington, DC: National Academic Press.

       National Research Council. (2000). Inquiry and the National Science Education Standards. Washington, DC: National Academic Press.

       UN. (2018). The sustainable development goals report 2018. https://
unstats.un.org/sdgs/files/report/2018/TheSustainableDevelopmentGoalsReport2018-EN.pdf

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