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查理定律創新教學實踐: 從實驗操作到概念理解的探究之路 / 沈秀君、鍾曉蘭、鐘建坪、游珮均

Tuesday , 2, September 2025 Comments Off on 查理定律創新教學實踐: 從實驗操作到概念理解的探究之路 / 沈秀君、鍾曉蘭、鐘建坪、游珮均

查理定律創新教學實踐: 從實驗操作到概念理解的探究之路 沈秀君1*、鍾曉蘭2、鐘建坪3、游珮均4 1康橋國際學校林口校區;2 新北市立新北高中 3新北市立錦和高中國中部;4桃園市立內壢高中 *shen58146111@gmail.com 摘要:本研究探討如何透過創新教學實踐,將查理定律由抽象公式轉化為具體可觀察的學習經驗。課程設計源自於觀摩外籍教師的課程啟發,融入實驗操作、模擬活動與數據分析,使學生能親自建構對氣體體積與溫度關係,進而理解與分辨真實氣體與理想氣體之間的異同。課堂中,學生從乒乓球、氣球體積如何隨溫度變化等生活情境引入,接著進行空氣柱實驗設計與實作,進行資料蒐集,透過Excel 作圖與操作PhET 模擬器建構體積與溫度的線性關係及如何找出絕對零度。過程中,學生不僅面臨裝置設置與縮減實驗誤差等挑戰,也在逐步改善操作與比較數據的過程中培養批判思考與科學探究能力。最終成果顯示,學生對查理定律有更深刻的理解,並提升數據分析、圖表製作與論證能力的,印證以探究實作為核心的教學確能促進深度學習與發展科學素養。 設計動機 2023 年,第一作者有幸觀摩一堂由外籍教師主導的自然科學課。這堂課的主題是查理定律,教師透過實驗具體呈現氣體體積與溫度之間的線性關係。第一作者關注學生在過程中主動觀察、記錄、分析並提出推論時,內心深受啟發,也反思自身對查理定律的教學方式過於偏重公式與理論,而忽略了學生對氣體「不可見」本質所產生的學習障礙。由於氣體行為難以直接觀察,學生往往只能死記氣體定律公式,而無法真正理解其意義。 因此,第一作者與其餘作者一起共備探究式教學教案,重新思考並設計查理定律單元的教學流程,加入更多「實驗設計與操作」與「模擬變因改變的探究實作」等環節,透過數據記錄蒐集、分析與建立關係圖(建模),讓學生從操作中建構對氣體行為的科學理解。這次的課程目標不只是讓學生建構關係式,更希望他們能「觀察」氣體體積如何隨溫度改變,進一步推導出查理定律的實質意義與絕對零度的概念,並且從真實的實驗與模擬軟體的數據與關係圖,理解真實氣體與理想氣體之間的異同。 教學流程與課堂實踐     共同備課完成之後,由本文第一作者實際進行教學與新北市化學課發中心的公開觀課,以下說明教學過程與反思。 一、課堂導入 課堂開始時,從生活中常見的情境切入:詢問學生一顆被壓凹的乒乓球,「怎麼讓它恢復原狀?」學生紛紛提出用熱水泡的方法(見圖1)。接著,讓學生觀看氣球在加熱後膨脹的實驗影片,並引導他們從粒子的角度解釋乒乓球的體積為何會增加。此活動可以幫助教師瞭解學生對於氣體粒子模型的先前概念,並藉由生生或師生的互動中,修正學生的另有概念。                圖1凹陷的乒乓球氣體行為示意圖 一、課堂實施 在這一階段,教師強調實驗的目的和重要性,並引導學生如何確認實驗變因、空氣柱製作、測量不同溫度下氣體的體積變化。學生們在小組中討論,確認實驗變因、制定實驗流程,並準備實驗材料(見圖2)。這一過程不僅讓學生們學會了如何設計實驗,還培養了他們的團隊合作能力和問題解決能力。 圖2 學生實驗操作過程 1.閱讀引導實驗設計 利用閱讀實驗內容引導學生進行實驗設計的變因判斷(見圖3),在探究式教學中讓學生自學探究文本中的操縱、應變及控制變因是很重要的,有別於傳統教學直接告訴學生此探究式教學可讓學生印象深刻而進行深度學習。 圖3 實驗裝置說明及示意圖 2.空氣柱的製備 教師先播放自錄的空氣柱製作示範影片,並於影片播放過程中適時引導學生留意製作過程中的關鍵變化,同時思考其可能原因。教師透過提問檢查學生是否能有效觀察相關現象並進行初步解釋,並要求學生將觀察與推論書寫於學習單中(見圖4)。隨後,教師安排學生分享其思考與解釋,以促進同儕間的想法交流與修正。此設計旨在引導學生不僅停留於現象的紀錄層面,還能進一步探究背後的成因。在接續活動中,學生需自主規劃實驗裝置並實際操作,以建構與深化對相關科學概念的理解。                        圖4 空氣柱製作提問 3.實驗裝置與實驗操作 在實驗裝置的規劃部分,教師為確保學生能正確掌握裝置的操作方法,提供實驗裝置的示意圖作為參考。同時透過引導式提問,促使學生思考並辨識操作過程中應注意的關鍵細節,進而理解如何藉由調整或改進裝置設計,以降低實驗操作可能產生的誤差(見圖5)。                          圖5 實驗裝置提問 4.實驗數據分析及討論 鑑於現階段高中學生於實驗數據的圖像化表徵,與可視化處理能力方面仍然不足,本次教學特別設計學習任務,引導學生自主依據實驗數據進行圖表繪製與分析,期待能有效提升科學數據處理和解釋能力。這個實驗最終目的是希望學生對於空氣的體積如何受溫度影響及趨勢變化有更深的了解。如圖6所示,課堂中一組學生利用實驗數據作圖外延並利用公式找出絕對零度為攝氏34.4℃(圖6上),另一組實驗數據則找出的絕對零度為攝氏-14.25℃(圖6下)。鑑於高中學生對於數據的選擇及作圖的不熟練,以及實際的數據實驗與理論值有相當差異,另讓學生操作PhET模擬器,名稱為「Gases Intro_氣體概念介紹」的實驗以模擬的方式找出絕對零度。 圖6 學生數據紀錄及作圖 三、PhET模擬器名稱「Gases Intro_氣體概念介紹」實驗 學生透過操作PhET 模擬器「Gases Intro_氣體概念介紹」,改變自變數以探討溫度對氣體體積的影響(見圖7),並根據實驗數據進行繪圖,以推算絕對零度的溫度。在此歷程中,學生同時學習使用Excel進行資料視覺化與線性回歸分析,進而利用攝氏溫標下的氣體壓力-溫度關係,外推凱氏溫標零點(絕對零度) 。學生操作模擬器中的不同變因,包括:壓力、溫度、粒子個數與分子輕重,獲得容積寬度(對應為氣體體積)的數值,再利用Excel中的趨勢線求出方程式。如圖8的實驗編號1為例,操縱變因為溫度0至100 ℃,應變變因為容積寬度,控制變因為壓力25.6atm、輕分子、200個粒子分子。共取11個模擬數據進行作圖,求出Y=0.0337X+9.0684後,將氣體寬度為零(X=0)代入方程式並求得到Y= -270.4℃。學生共模擬4~6組實驗(每組11個數據),並比較模擬結果,找出絕對零度最接近-273.15℃的條件。學生能從模擬結果理解真實氣體如果要接近理想氣體時的條件為高溫、低壓及輕粒子。 圖7 Gases Intro_氣體概念介紹 […]

開發以會考試題為基礎的探究教學 / 鐘建坪、鍾曉蘭、沈秀君

Friday , 6, December 2024 Comments Off on 開發以會考試題為基礎的探究教學 / 鐘建坪、鍾曉蘭、沈秀君

開發以會考試題為基礎的探究教學 鐘建坪*1、鍾曉蘭2、沈秀君3 1新北市立錦和高中國中部 2新北市立新北高中 3新北市康橋中學林口校區 Email:1*hexaphyrins@yahoo.com.tw 前言 探究教學是以學生為中心的教學策略,強調讓學生親身經歷各種科學探究過程來學習。不僅著重學生在學科知識上的進展,還重視其探究能力、問題解決、和科學素養的發展。透過實際操作、觀察、數據分析及推理,期待學生能夠自主發現和解釋自然現象,培養科學思維模式,並促進對科學知識的內化和應用。 108課綱強調學生的整體發展,目的在提升學生的思考智能與探究能力,使其在未來能夠應對更複雜的問題情境,進而發展出能夠解決實際生活問題的科學素養。這種素養不僅限於對知識的理解,更包含了學生面對問題時,能夠運用所學進行分析、評估並提出解決方案的能力。透過探究學習,學生能逐步發展批判思考與創造力,作為終身學習的基礎。 然而,學生的學習成效需要通過評量加以檢視,以追蹤其在概念掌握和技能運用上的進步。國中教育會考是根據「國民小學及國民中學學生學習評量辦法」設立,目的是為了評估國中畢業生的學力品質。由於考試在教育系統中具有導向作用,會考試題的設計與趨勢對教師的教學內容和策略有舉足輕重的影響。在探究導向的課程中,如果教師結合會考評量試題的精髓,不僅能幫助學生在探究過程掌握概念與技能,還能提升應對評量的能力。 會考試題命題依據與結構 會考自然科的命題是依據「十二年國民基本教育課程綱要」中自然科學領域。評量涵蓋「學習表現」與「學習內容」。自然科試題的取材注重生活化,試題除了檢測學生對基本科學知識和概念的掌握,並適當融入環境教育、海洋教育、能源教育與防災教育等相關議題的學習目標,也特別強調學生在閱讀與理解科學資料、解決科學問題,以及規劃與執行科學探究活動方面的能力(國中教育會考,無日期)。 臺師大心測中心針對會考的試題結構說明,提及自然科的試題本結構主要有:具備基本的自然科學知識與概念、科學資料的閱讀與理解、解決科學問題所需的推論與應用能力,以及進行科學探究活動所需的規劃、執行與數據分析能力(臺師大心測中心,2022、2023、2024)。試題結構顯示會考試題從111年至113年基本的自然科學知識與概念分別僅佔約24%、30%、34%,其餘皆與探究能力的運用有關,再再顯示所楬櫫的會考試題特色為重視科學探究能力,以符應自然科學領綱的對學習內容與學習表現的期望。 元素符號與其擴增訊息內容 元素符號是用來表示一個化學元素的簡易符號,例如:氫的符號是 「H」,而氦的符號是 「He」。然而,元素符號在化學式、週期表或核反應方程式,常伴隨著質量數、質子數、電子數等,以擴增該元素的詳細內容資訊。 其中質量數表示的是一個原子的質子數與中子數的總和。質量數寫在元素符號的左上角。例如,碳-12 的符號可以寫作 12C,其中 「12」代表質量數。質子數表示原子核中質子的數量,它決定了元素的種類,也稱為原子序。質子數寫在元素符號的左下角。例如,碳的質子數是 6,因此可以寫作 6​C。每種元素的質子數都是唯一的,不同元素即有不同的質子數。 大多數的元素是以得失電子的形式進行分解與化合等反應而存在於自然界。對於質量數為 23 的鈉離子,符號可以寫作2311Na+,其中「23」代表質量數,「11」 表示質子數,而右上角的 「+」表示這個鈉原子失去了1個電子,形成陽離子。這種符號表達方式能清楚顯示出一個元素的原子核內與原子核外資訊,對於理解原子的結構、化學反應,以及同位素的區別等至關重要。 教科書的設計主要以 來呈現元素符號與原子結構內不同粒子的數量標示,其中X代表元素符號,Z表示原子序,A表示質量數。教材內文多以常見元素(如氫、碳、氧等)為例,介紹元素符號的標示方法,幫助學生建立對原子結構內質量數、質子數、中子數、電子數等的具體認識,以理解這些基本粒子之間的關係。再藉由試題的練習加深學生對元素符號與原子結構各組成部分的理解。而此內容對應自然領綱國民中學教育階段學習內容標示為「Aa-IV-5元素與化合物有特定的化學符號表示法」,內容陳述讓學生知道元素符號及化合物命名的簡單規則,並以日常生活中常出現的簡單物質為限(國家教育研究院,2018)。 含有擴增內容的元素符號會考試題分析 近10年會考試題針對擴增內容的元素符號約略每年1題,著重判別是否為相同元素、電中性、帶電粒子的質量數、質子數、電子數、中子數的整合概念,同時著墨這些數字在週期表的意義為何。以近5年試題為例,圖1為113年會考試題,其中A選項主要測試學生是否能夠知悉週期表中,元素符號相關附註內容的意義。圖2為111年會考試題,學生需要知悉原子電中性、失去電子帶正電形成陽離子,或獲得電子帶負電形成陰離子時,原子內質子、電子、中子的數量關係。圖3為108年會考試題,學生需要從原子序與電子數的意義,依據表格數據判別是否為電中性、是否為相同原子,以及質子數、原子序與電子數的關係。   圖(三)為元素週期表的一部分,無法從圖中知道下列何項資訊? (A)氯原子與氬原子的質子數分別為多少 (B)氖原子與氪原子是否有相似的化學性質 (C)氦原子與氪原子在自然界中含量何者比較多 (D) 1莫耳的氯氣(Cl2)與1莫耳的溴(Br2 )何者質量比較大 (引自113會考試題) 圖1:113年會考試題舉例 31. 有一個帶電的離子含有 X、Y、Z 三種粒子(質子、電子、中子,未依照順序排列),且 X、Y、Z 的粒子數目依序為 NX、NY、NZ 。已知 X 粒子的質量最小,關於此離子的說明,下列何者最合理? (A)若為陽離子,且 NY>NX=NZ,則 Z […]

探究與實作課程之外—師生的教學相長 / 劉獻文

Thursday , 5, December 2024 Comments Off on 探究與實作課程之外—師生的教學相長 / 劉獻文

探究與實作課程之外—師生的教學相長 劉獻文 國立臺南第一高級中學 Email: betterman0925@gmail.com     新課綱上路,探究與實作課程已逐漸成為培養學生批判性思維與解決問題能力的重要途徑。對於學生與教師而言,如何通過後續活動加深和擴展學習,成為教育中的一項課題。謹以敝校為例,分享學生在探究實作課程之外,如何透過微課程、撰寫小論文等開放式探究歷程,持續深化學習。同時教師在教授學科課程時,也可根據探究與實作中的探究學習內容,設計結構或引導式的探究課程模組,以促進學生的探究能力。 開設微課程 在探究與實作課程中,學生透過各個探究主題,學習如何通過「發現問題」、「規劃研究」、「論證建模」、「表達分享」來系統化他們的探究成果。 探究實作課實施一段時間後,部分學生對於探究主題有強烈興趣,而敝校週三第5、6節為彈性學習時間、第7節為社團活動,有足夠的額外時間加深、擴展學習。於是筆者與自然科好夥伴們討論後,分別於高一、高二彈性學習時間開設微課程,其中高一微課程讓學生針對校內的探究主題繼續優化探究成果。若學生因此啟發對專題研究的熱情,高二微課程便以專題為目標,結合學術性社團活動,於週三5至7節進行加深、加廣的專題探究。 舉例來說,敝校學生在探究「泡泡」主題時,對於二氧化碳泡膜縮小的現象很有興趣,他們利用微課程時段,改良實驗裝置並成功量化此縮小現象,例如:將二氧化碳泡泡打入雙邊皆開通的量筒,以此將泡泡的形狀固定為圓柱狀,藉由量筒的刻度,計算泡泡隨時間經過的體積變化。此裝置較流量計簡單,可直接定量二氧化碳泡膜的縮小速率。接著改變不同操作變因,如泡泡體積、截面積、濃度差、外加電場、清潔劑種類等,討論泡膜的縮小受何因素影響,裝置圖如圖1所示。另一組學生則是改變不同氣體種類,進一步對泡膜縮小之過程做出模型論述(學生作品請見附錄1)。 圖1:學生以塑膠針筒將氣體打入兩端皆開通的量筒     而在「鑑識科學」主題中,學生以寧海德林顯現指紋,發現蘿蔓紫的顯色隨時間變深,此意味著網路查詢到的製程,有反應尚未完全、藥品浪費等問題。於是學生在以濾紙、微量滴管等器材改良指紋的顯色步驟,利用手機錄影並紀錄羅蔓紫顏色的RGB (Red, Green, Blue)值,換算成灰度值後,成功量化寧海德林顯現指紋的顏色深淺。接著呼應綠色化學原則,提出製程的修改建議,成功達成藥品減量、節約能源、催化反應等目標(學生作品請見附錄2)。 撰寫小論文 通過撰寫小論文,學生可以在一定的格式規範下,學會撰寫動機、引用資料、設計實驗流程,有系統地呈現實驗結果、表達自己的觀點等。而筆者將小論文網站提供之範本加以修改,以空白模組的格式(保留標題並對其加註寫作說明),引導學生在數週內逐步完成小論文。小論文作品不僅系統性整理學生的探究歷程與成果,亦可做為學生精彩的學習歷程檔案。 探究式教學 新課綱將原子模型的教材內容,分別列入物理科「自然界的尺度與單位」、「量子現象」、化學科「物質組成與元素的週期性」、「科學發展的歷史」等單元(教育部,2018),筆者參考洪振方教授提出探究類型的三個向度(洪振方,2003),設計以下結構式、半封閉式的探究式教學,將原子模型的教材跨科整合,並搭配探究學習內容中「發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享」,設計以下教學活動: (1)先將學生以3~4人分組,由教師引言回顧組成原子的粒子,接著請小組閱讀課本內容,如下圖2,請各組找出課文中有關質子、中子、電子的各項描述,將其分類為定性/定量、靜態/動態描述,整理學生發表內容如圖3。此活動可呼應探究學習內容中的表達與溝通、發現問題等。 圖2:請學生分類課文中有關質子、中子、電子的各項描述 (圖文引用自南一書局化學課本#1-4 原子的結構) 圖3:整理課文描述原子的定性/定量資料(筆者自製簡報)   (2)根據上述定性/定量資料與靜態/動態描述,以6W分析(who、when、what、where、why、how)產出相關問題,請小組討論可能原因、判斷哪些是科學可驗證的問題,如圖4。此活動可呼應探究學習內容中的訂定問題、表達與溝通。 圖4:根據各種描述,以6W分析法產出相關問題(筆者自製簡報) (3)以圖4中how為例,引導學生討論問題:「如何證明電子是物質組成粒子?電子電量、質量如何測得?」接著讓學生閱讀物理課本中,有關湯姆森陰極射線實驗、密立坎油滴實驗相關教材(原子的尺度與結構),讓各組判斷各實驗驗證的科學問題為何?例如陰極射線實驗可驗證電子的受力情形、油滴實驗可驗證帶電油滴的飄浮情形。接著針對問題:「電子的電量、質量如何測得?」讓學生討論陰極射線實驗的研究計畫,例如:控制、操作、應變變因為何?實驗結果如何測量?實驗裝置、流程為何?如圖5所示。此活動可呼應探究學習內容中的訂定問題、擬定研究計畫等。 圖5:整理陰極射線實驗的研究計畫,如目的、變因、實驗方法等 (筆者自製簡報、其中實驗示意圖引用自南一書局物理課本第二章-原子的尺度與結構) (4)針對陰極射線的實驗結果,讓學生依CER論證模型,從各項實驗證據中作出主張,並完善其中的推理過程。例如,射線經過障礙物後形成陰影、射線使小輪軸轉動、射線使螢光物質發光…屬於證據,而射線直線前進、具有粒子特性、帶負電是推理得出,接著結合「在不同金屬中獲得相同實驗結果」等證據,作出主張:「陰極射線是由一束具有質量、且帶負電荷的粒子所組成,為原子的基本組成粒子之一」。另外「電子的電量、質量如何測得?」此問題,可引導學生討論出:單由陰極射線實驗僅能獲得電子的荷質比,無法單獨測得電子的帶電量或質量。如圖6所示。 圖6:以陰極射線實驗結果整理出CER論證模型(筆者自製簡報) 湯姆森根據陰極射線實驗提出原子模型:原子是一個帶正電的球體,其中有帶負電的電子均勻分布於其中,就像葡萄乾灑在布丁上面一樣。針對此模型進一步提出新問題,讓小組討論、察覺模型的侷限處,最後引導學生了解原子模型的修正與發展(西瓜模型à核原子模型à氫原子模型à軌域…)。如圖7所示。此活動可呼應探究學習內容中的論證建模。 其他的課程單元例如共價鍵理論的發展、氣體性質的實驗設計、理想與非理想溶液比較等,實施探究教學的效果亦佳,老師們可鼓勵學生事先閱讀文本、踴躍發表(避免教師直接教授)。透過小組的探索、解釋、交流、評價,除了活化教學氛圍、複習探究實作學習內容外,更能刺激學生將課本知識重新梳理,使之更具邏輯、程序性,進而不斷練習、培養帶的走的探究能力。 圖7:提出新問題,引導學生了解原子模型的修正與發展(筆者自製簡報) 結語 探究與實作課程為學生與教師提供了一個持續成長的機會。對於學生而言,微課程與小論文的撰寫使其在開放式探究中得到進一步的深化與擴展。對於教師而言,根據探究與實作的教學經驗,開發相呼應的探究教學,不僅提升了教學的靈活性,也為教育創新提供了契機。 致謝 本文感謝敝校自然科探究團隊,透過多次共備提供6W分析、CER論證…等教學模組,並感謝南一書局同意筆者引用部分課本圖文以便說明。 參考文獻 王名儒(主編)(2023)。自然科學領域物理課本(第三版)。南一書局。 洪振方(2003)。探究式教學的歷史回顧與創造性探究模式之初探。高雄師大學報,15,641-662。 教育部(2018)。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域。臺北市:教育部。 葉名倉(主編)(2023)。自然科學領域化學課本(第三版)。南一書局。 附錄 附錄1:「逸」猶未盡―量化探討不同氣體穿透泡膜速率不同之因素 作品介紹影片https://www.youtube.com/watch?v=l8C4aCp88N4 附錄2:指紋鑑識長見識 作品介紹影片https://www.youtube.com/watch?v=05O2X8pcHto

數位工具在科學探究課程中扮演的角色/鄭志鵬

Sunday , 2, June 2024 Comments Off on 數位工具在科學探究課程中扮演的角色/鄭志鵬

數位工具在科學探究課程中扮演的角色 鄭志鵬 臺北市龍山國中 jjpong@lsjh.tp.edu.tw 前言 隨著數位化世界到來,且逐漸成熟茁壯,加上ChatGPT橫空出世,讓所有的人,包含教育界,都在討論數位工具要如何運用。當然教育界在意的事情,就是如何在課堂中運用數位工具讓學生的學習更快、更深、更廣,期待能更符合學生的學習需求,希望隨著學習工具的進步,帶動學生學習的效果。和所有其他學習工具一樣,其使用的方向應該取決於學生學習目標;但也和其他工具一樣,教學者非常容易被工具牽著走,以至於在創新教學設計上,工具的使用常常模糊了學生學習的目標。 廣義來說,教學本來就是一直運用不同科技來輔助的,誰說黑板和粉筆、白紙和原子筆不是科技產品呢?如果一名國小中低年級的數學老師,在黑板上用粉筆隨機出10題二位數的加法問題,讓學生用白紙和原子筆計算,這時候觸控大屏加上平板與觸控筆,不見得是更好的教育科技產品。所以我們理所當然應該思考的事情是: 1.學生的學習目標是什麼? 2.要達到這樣的目標,最佳的工具是什麼? 3.有沒有可能因為工具的突破,以至能提升原本設定的目標? 教學技術、工具與學習目標 在談論教學技術和工具的革新時,有時技法和工具本身反而會成為新的學習目標,例如教師使用「合作學習法」來設計教學,學生運用合作學習學會了二位數的加法之外,我們也希望學生同時能學會許多和他人合作的方法與態度;教師使用「探究教學法」來教學生學習光與顏色的關係,學生不但應該要學會光與顏色的關係,還應該學會科學探究的某種概念、方法和態度。那麼在近年大家談論比較多的「科技運用」,其實是各種數位軟體硬體的運用,所謂的科技運用,是指數位科技運用。例如教師使用大屏搭配電子課本、使用iPad搭配觸控筆,使用Padlet、Google meet、classroom、酷課雲、均一等許多數位硬體或平台。大部分的情況下,我們並不會把「學會使用Padlet」設定為學生學習的目標。在這一波數位學習的浪潮中,和之前談論合作學習、翻轉學習或探究式學習略有些不同。 近幾年來,科學教育現場明確的將學習目標,從知識論逐漸擴大到方法論上了,學生應該學習的不只有科學知識,還應該學會科學方法、態度與科學本質。這樣的論述也很明確的寫在九年一貫乃至於十二年國教的領綱當中,也確實在近幾年中小學科學教育圈有大量的思考、討論與實踐,所以科學教師們,也應該逐漸將課程設定的目標,從學生習得知識慢慢調整成知識、方法和態度並重。 若要教師運用不熟悉的數位科技輔助時,常常會將科學教師打回只重視知識的課堂原形。如果科學教師正在轉型,嘗試設計探究式的課程,嘗試將科學的思考智能和問題解決的目標,有意識、有序的放入課程設計中,但還不熟練,此時如果再指派教師任務說:「給你一部大屏和30台iPad,請你設計教學讓學生運用數位工具來學習」,這時候往往教師能設計出來的課程,是運用這些工具來輔助學生科學知識的學習,而不是科學方法的學習。這就不免令人擔心數位工具的運用,對於科學探究學習的推動,暫時會是干擾而非助力。 所以教師設計課程時,首要思考這段課程的目標是什麼?例如我們希望學生「能以粒子模型思考物質三態」,其中「認識物質三態」是屬於科學知識上的目標,「能以模型思考」就是屬於課綱中「思考智能」的目標。目標定出來之後,老師可能會想要讓學生實際觀察物體巨觀的三態變化,於是用了冰塊加熱變成水進而沸騰成水氣,將碘加熱昇華成碘蒸汽,把蠟燭加熱熔化成蠟油。也可能想要讓學生看一下:水在低壓時候,會有低溫沸騰的情況。於是買了真空抽氣罐,將放置熱水的燒杯放進去之後,用溫度計監測溫度,並且開始抽掉空氣,讓學生觀察到水低溫低壓沸騰的情況,作為三態變化現象延伸學習。 接著老師跟學生討論:我們是如何定義物質三態的巨觀描述的?我們可以用物質的體積與形狀是否容易改變來區分三態。那麼如果將物質想像成由許多粒子組成,又要怎麼用粒子來解釋物質三態呢?這時老師可能覺得這樣的概念太過抽象,所以使用由科羅拉多大學開發的PhET網站,讓學生觀察可互動的動態粒子模型,讓學生看到物體的粒子彼此之間有吸引力,可以相互吸引聚集成一個群體。受熱時,粒子振動會變得劇烈,當振動劇烈到某種程度時,就會脫離彼此的吸引力而產生相變化。學生能以粒子思考,並以粒子模型來描述物質三態,可能就達成了「認識物質三態」以及「能以模型思考」的學習目標。 老師在巨觀現象的教學階段,運用了實體的實驗讓學生觀看真實的現象,並且想辦法運用非數位的科技工具ー真空罐,展示三態變化的延伸現象。接著運用數位工具扮演互動模型的角色,幫助學生學習較抽象的粒子模型,希望學生能以粒子來思考物質的組成與振動,甚至能以粒子振動猜想其他物質的現象。 這樣的教學設計,就是教師運用了數位工具幫助學生以粒子模型思考物質三態,將粒子模型連結到既有已知的經驗,預測未知的現象,並且運用實體的實驗來驗證想像的結果。教師以三態變化作為學習內容的目標,建立模型作為學習表現的目標,並且選用實體的真空罐作為取得實驗證據的器材,運用數位工具來輔助學生建模。若是缺少了數位工具,教師只能運用靜態的繪圖來表達粒子觀點,對於學生來說可能太過抽象,學習難度較高。此時引進數位科技的工具輔助建模,對於學習效率的提升就有加分的效果。 在數位科技的輔助下,我們有越來越多的數位科技工具可以輔助探究課程的進行,不同的課程內容搭配不同的學習目標,數位科技工具所扮演的角色也會不同。以下整理了一些在工具運用上的思考與使用的模式提供參考。 數位工具在科學探究課程中扮演的角色 科學探究因為探討的問題類型不同,層次不同,而會有不同的探究方式,可分為描述性、相關性和實驗性研究(洪振方,2024),也有人把研究分成探索性、描述性、相關性、解釋性研究(蘇宇暉、羅凱揚,2019)。有些研究,是對自己有興趣的自然事件或現象仔細的觀察後,進行描述;有些研究是嘗試找到現象之間的相關性;而有些研究可以以人為方式介入系統,操作變因來確認因果關係。這些研究,有可能只是為了認識或瞭解某個自然事物或現象,有些可能是想印證某些理論的真偽,但這些都是有價值的研究。 在國中小學科學課程的內容中,也會有不同的探究方式。例如:將高濃度的鹽酸打開後,會觀察到鹽酸的發煙性;將硫酸與水混合,可以觀察到硫酸溶解會釋放大量的熱;洋蔥表皮細胞有細胞壁;植物的葉片排列有不同的形式;光會有反射、折射的現象,這些類型的學習內容,大多是讓學生體驗、觀察,並將這些觀察到的現象作整理,就足以達成課程的目標。在這類型的課程中,我們就可以讓學生針對某特定主題仔細觀察後,察覺現象的特徵、比較差異、比較相似處或辨認趨勢。 如果我們希望學生瞭解不同物質吸收相同的熱,溫度上升的程度會有不同,學生可能就會需要學習設計實驗:如何在相同的加熱條件下,加熱不同種類的物質後,收集數據來進行分析。從實驗結果中看出不同物質吸熱之後,溫度上升的趨勢確實有不同。 又或者我們希望學生可以以粒子碰撞的模型來思考化學反應速率,我們就可以在課堂上運用粒子模型,請學生以模型來進行預測及推論,再進行實驗來作驗證。例如高濃度的鹽酸和低濃度的鹽酸,和小蘇打粉反應產生二氧化碳的速率何者較快呢?先以粒子碰撞的模型預測與說明後,再到實際的實驗室中觀看反應結果,取得支持或反駁粒子碰撞模型的證據。這類的課程,可以讓學生學習到以模型進行想像與預測、根據預測決定要進行的實驗或觀察的現象、從實驗結果或觀察到的現象來推論猜想是否正確。 將課程目標中的科學知識與其對應的探究知識與技能釐清後,再來思考如何運用數位科技來協助學生學習與課程進行是非常有幫助的。數位工具在科學探究上的運用,我認為大致上可以分為四個方向:實體實驗工具、展示工具、虛擬實驗、建模工具。另外運用WebQuest、Padlet這類的學習平台輔助學生自學或教師教學的工具,也是重要且廣泛運用的,但不在本篇文章討論的範圍。 一、實體實驗工具 實體實驗的意思,就是我們原本理解的,在實驗室中操作實驗器材,根據學習目標取得實驗數據或結果來達成學習目標。例如用酒精燈加熱100毫升的水,要用溫度計測量加熱過程中的溫度變化。我們可以選用傳統的煤油溫度計,讓學生讀溫度計的刻度,也可以用電子式溫度計,讓學生直接讀取數值,或是使用Arduino寫程式搭配數位溫度計,讓溫度數值直接呈現在電腦上,並且自動記錄。 數位工具作為實體實驗,大致可分為兩個方向,第一種是「輸入」,第二種是「輸出」。輸入的意思,就是感測、測量。例如測量環境溫度、濕度、亮度、壓力、聲音大小等等。輸出的意思就是產生現象或訊號,例如讓喇叭發生特定的聲音、控制馬達振動或轉動、讓LED燈發出特定顏色或強度的光、控制閘門開關或是釋放鐵球等動作。 以數位工具作為輸入測量工具的例子有很多,例如以手機、平板來說,可以作為「拍照」、「攝影」工具記錄現象,或是運用App來徵用手機平板裡面內建的許多感測器,例如:氣壓計、磁力計、加速度計、聲音感測(麥克風)、光強度感測(照相鏡頭),就可以將手機平板變成實驗器材,讓學生測量許多的數值,phyphox(註1)就是具代表性的App,在教學上也早有許多的應用,教學上也有顯著的成效(陳輝雄,2024)(吳泰煌、許勝源,2016)(曾耀寰,2018)。 再進階一點,就是使用arduino、esp32這類的微控制器,搭配適合的感測器與程式撰寫來取得實驗數據。這個方式的門檻比較高,使用者要學會微控制器的使用、感測器的挑選,還要有基本程式撰寫的能力才能運用自如,學生學習此工具的門檻也較高一些,教師使用此工具多是運用在科展專題這類課程上。但近年來由於scratch這類積木程式的普及,加上像是高師大跨域統整學習扎根計畫(註2)中,將scratch結合arduino,開發了相關的程式與硬體,在自然科課程運用上,就像是單純學習一種新的實驗器材一樣,將工具使用的學習門檻降低,讓教師和學生可以很容易的取得諸如溫度、壓力、加速度、相對亮度等數值。 數位工具也可以拿來做為輸出工具,例如我們可以讓phyphox輸出特定頻率的聲音,讓學生聆聽不同頻率的聲音聽起來有何差異。或是用arduino控制紅、綠、藍三種顏色的LED燈,讓學生用眼睛觀察不同顏色的組合可以混合出哪些不同的顏色。 數位工具作為實體實驗器材,能夠增進課程的面向通常在於「取得精準數據」、「提升取得數據的效率」、「節省取得數據的時間」、「方便儲存紀錄」、「方便轉譯成其他形式」、「方便與精準的控制與調整輸出訊號」等等。 數位實驗工具雖然方便,但在教學的運用上,也有需要提醒的部分。以加熱物體觀察溫度上升的探究活動為例,不管是哪一種讀取溫度的方式,目的都是讀取溫度之後,分析溫度上升的速度有何差異,所以數位工具扮演的角色,就會和傳統溫度計的角色相同。但由於數據的準確度高、取得數據、傳輸、儲存紀錄、轉譯為統計圖的方便性大增,數位工具就能夠增進課堂的效率。當然,這邊要提醒的事情是:如果讀取有「刻度」的數據,並且評估估計值,是學生尚未學會或熟練的技能,那麼這時候傳統煤油溫度計就變成必要的工具了,教師在課程的編排上,可能就需要花時間讓學生再多練習刻度的讀取與評估估計值。數位工具會便利地完成一些工作,同時也代表跳過了一些學習,教師挑選工具時。要注意這些被跳過的學習,是否屬於不重要、已精熟或是未來會訓練精熟的,才不會因為效率與便利而忽略重要的學習目標。 無論將哪一類的數位工具作為實驗測量器材,取得的大都是屬於「量化」的數值,也就是用數字來描述自然現象。若教師評估學生以數字來理解自然現象會更為清楚具體,或是希望學生能在實驗中取得量化數據來學習如何閱讀或分析數據,那麼引進數位化實驗工具,來大幅降低取得實驗數據的難度,就有可能讓教師有可能規劃更多實驗與數據分析的課程。不管是在描述性、相關性或是實驗性的課程內容,都有可能因為較方便的數位實驗工具的引入,而降低學習的難度。 但在國中小階段,許多學習內容都只停留在定性理解的階段,由於學生智能發展階段的限制,確實不宜太早運用數學模型來描述自然現象。但使用數位工具來取得實驗數據,不代表在課程中就要運用數學模型。在課程中也可以運用數字來觀察比較大小、趨勢的定性變化,設計符合學生發展階段的課程。 二、展示工具 在自然科學中,若想要展示的物體尺度過大、過小,或不適合觀察實體的時候,我們常常會以繪圖的方式來呈現。例如地球板塊、細胞、原子、分子或人體循環系統中的心臟、血管等等。繪製的圖形常常是根據教學目標進行了簡化,讓想要呈現的訊息可以被突顯出來。實際以肉眼觀察細胞,當然無法看到,若以顯微鏡觀察細胞,其實也很難看到清楚的胞器結構。這時候使用圖片展示,經由簡化和調整過的細胞示意圖,就對學習很有幫助。我們也不可能讓學生實際觀察人體體內循環系統的運作,心臟的收縮以及血液的流動,所以常常需要繪製圖片來解說 在這個項目中,數位化工具和傳統工具的最大差異,應該就來自可操作性或互動性。以細胞為例,傳統工具僅能將畫面像是上圖一樣,清楚的呈現出來。但若是在iPad上操作就能旋轉不同角度,對局部畫面放大、縮小建構整合不同尺度的模型。下圖是Tinybop公司出品的人體探密app,其中一個功能是觀看人體的循環系統,可以在畫面中看到血液流動方向的示意圖,也可以操作讓主角跑步,觀看運動時心臟會有什麼反應。也可以點擊心臟,觀看心房、心室的搏動(圖1)。 圖1 人體心臟示意圖(引自tinybop的人體探秘app) 在PhET中的‪Build a Molecule_建立一個分子 (註3),可以讓學生自行組合不同的原子成為分子,並觀看分子立體模型(圖2)。 圖2 甲烷分子模型(引自PhET,Build a Molecular) 這一類的工具在教學上,大多是用在幫助老師講述已知的發現或是科學表徵,也可以幫助學生建立想像中物體的型態、構造、功能或運作方式。如果傳統紙本、靜態的圖文表徵,還不足以讓學生快速認識了解所學的內容,那麼找到合適的數位化表徵,提高可操作性、互動性或是能展現更多不同樣貌,都有可能幫助學生了解對應的學習內容。 三、虛擬實驗 虛擬實驗的意思,是使用各類型的電腦程式,用程式中規劃好的環境來進行實驗。程式設計的實驗環境,依照設計的理念不同,操作的自由度也會不同。最受限制的設計,可能會把所有實驗參數都設定好,使用者無法調整,只能按下「開始」,觀看整個結果。也有一些程式,會提供較大的自由度,讓學生可以調整一些參數進行特定主題的實驗,例如由美國科羅拉多大學建置的,著名的虛擬實驗平台PhET,裡面的「繩波(註4)」單元,就是可以讓學生操作並觀察繩波的現象。若選擇裡面的「電路組裝套件:直流電(註5)」,則會看到一個相對更開放的電學實驗室,這個互動程式裡面提供了一些電學的元件,例如電源、導線、電阻、開關、迴紋針、保險絲、鉛筆、橡皮擦等等物件,可以讓學生進行不特定類型的電學實驗。從檢測不同物質是否導電到各種電路串聯、並聯的效果差異、歐姆定律、電流熱效應等實驗都可以進行。 除了以上這種專門為特定科學主題設計的程式可以進行虛擬實驗之外,還有一類的軟體是自由度更大的,可以讓使用者更自由的建構物理世界,依照需要建置不同的實驗環境,並且操作觀察實驗結果。以Algoryx(註6)公司出品的免費軟體Algodoo為例,你可以在這個具有重力、空氣阻力的2D物理世界裡面,自己設置實驗環境來進行運動學、單擺、虎克定律、摩擦力、碰撞、浮力、機械甚至光學實驗。這一類的軟體操作的自由度非常高,相對的學習和使用的門檻也會比較高。 以虛擬實驗來進行學習,有什麼好處呢? (一)解決時間或空間跨距尺度過大的現象難以實驗的問題:有些尺度過大的自然現象,難以在教室中重現,更難以操弄實驗條件,可以用虛擬實驗的方式來讓學生操作探究。例如上面提到的「天擇」,天擇的概念常常跨越的時間尺度很長,也常常難以用人為的方式介入系統來觀察實驗結果,但藉由虛擬實驗的方式,就可以讓學生操弄環境變因,觀察改變之後的結果,用來了解自然界中的天擇是如何運行的。又例如地質作用、太陽系的行星運行等等,都是由於尺度過大,難以在課堂上進行實驗,學生也較難想像,這時候以虛擬實驗來模擬,可以降低學習難度。 […]

竹山高中多元選修: 創意科學志工 ∕ 陳映辛、馮松林、劉融諭

Wednesday , 2, March 2022 Comments Off on 竹山高中多元選修: 創意科學志工 ∕ 陳映辛、馮松林、劉融諭

竹山高中多元選修:創意科學志工      陳映辛1、2*、馮松林1、2、劉融諭1 1國立竹山高級中學;2教育部高中化學學科中心 *cs60006@gm.cshs.ntct.edu.tw 前言 竹山是位處南投縣南部之偏鄉,各項活動及資源貧乏,學生在知識上的刺激也比較少,尤其對科學的學習更是力不從心。學生視自然科學為高深及難以親近的學科,尤其學生缺乏接觸和學習科學的環境,一直是學習科學的弱勢,因此想用「動手做實驗」這個面向下手,安排一些簡易且趣味性較高的實驗,讓學生克服做實驗的心理障礙,並藉由簡易實驗讓學生習得實驗技巧。 本課程是以科學實驗探究及生活科學實驗為主體,讓學生從簡易且趣味性高的實驗,學習基本實驗操作能力開始,進而學習如何做科學探究(實驗開放度會逐漸增加),並結合生活中相關之科學實驗,讓學生能於日常生活應用科學。 課程最後是以科學活動引導學生做科學探究,透過辦理「竹山高中科學宅急便」科學闖關活動,學生自己設計科學實驗做為闖關實驗關卡,經由小組合作優化關卡內容,並且以服務學習之精神用科學做志工服務。訓練學生善用一技之長、一己之力來服務社會,並從中得到學習科學的成就感,這與12年國教基本理念自發、互動、共好互相呼應,完全落實。 課程設計理念     學生在學習科學的學習成就不高,所以課程設計以簡單、趣味、實驗基礎訓練、日常生活中的實用性及最後科學志工活動為主軸,課程設計說明如下: (一)設計理念 1.     課程分為實驗基礎訓練、植物萃取及其應用、科學志工服務學習三部分。 2.     安排趣味性較高的實驗,幫助學生克服做實驗的心理障礙,並藉由簡易實驗讓學生習得實驗技巧。 3.     讓學生利用動手做來認識科學之美。 4.     介紹日常生活常見的化合物及精油,經由簡單方法萃取並檢驗之,並製作成生活用品。 發揮創意將趣味及科學原理結合,發展成關卡,並應用於科學志工活動中。 (二)學習目標 1.     帶領學生認識科學基本知識及實驗中常用的器具及方法 2.     訓練學生動手實作、撰寫報告及表達的能力並提升學習科學的興趣 3.     培養學生思考及解決問題的能力並發揮團隊合作精神 4.     帶領學生認識常用的化合物、簡易的萃取法並檢驗之,最後製作成生活用品  5.     帶領學生了解竹山高中科學志工的活動及使命。能夠運用自己的一技之長,帶領國小、弱勢團體的學生透過科學闖關活動來認識科學原理及其應用,進而提升對科學的興趣。 課程規劃     本課程在竹山高中,已經實施5年以上,課程分為三部分,其中第一部分的「實驗基礎訓練課程」和第三部分的「科學志工服務課程」是固定的(陳映辛、馮松林,2020),第二部分課程是可以彈性調整,今年選用「常見物質分離方法及其應用」,以下將依序說明三部分課程。   課程一:實驗基礎訓 第一個部分的課程為實驗基礎訓練如下附錄一,內容從認識實驗室開始,接著為了延續後面科學志工的計畫,讓學生學習相關的基礎實驗技能。而後則以不同的化學實驗主題進行實驗實作,以讓學生更熟悉科學技能,並了解更多化學概念與實驗類型,讓學生能於後續實驗設計上更為得心應手。其中「食鹽水分層」及「七彩指示劑」為每年固定課程,旨在訓練學生使用電子秤、配藥品及稀釋濃酸、濃鹼,其餘依當屆學生程度調整。評量方式包含學生的實驗報告及實作能力,實驗報告主要看學生撰寫的完整性、實驗結果及歸納能力,實作能力部分則觀察學生主動性、實驗態度、細心度及實驗操作正確性。舉例說明,以食鹽水分層實驗,若分四層,即為60分,多一層就多10分,以此類推。 課程二:常見物質分離方法及其應用     第二部分「常見物質分離方法及其應用」如附錄二,先讓學生操作「從茶葉中萃取咖啡因」之後,了解萃取的原理及方法後,開始進入今年的主題,「尋找日常生活中的醛類–香茅醛、檸檬醛」,讓學生了解香茅醛、檸檬醛化學結構,查資料了解哪些植物、精油中含有香茅醛、檸檬醛?如何由植物中萃取出香茅醛、檸檬醛?如何檢驗是否有效萃取?如何尋找好的展開液?     最後,將這些萃取物加以應用,製成日常用品,讓學生了解化學是很貼近我們的生活並常在日常生活中應用之,生活中處處有化學。 評量方式包含學生的實驗報告、學習單及實作能力,實驗報告及學習單主要看學生撰寫的完整性、實驗結果及歸納能力,實作能力部分則觀察學生主動性、實驗態度、細心度及實驗操作正確性。例如層析法原理及應用系列課程中,學生找到展開液比例及分離效果可以給予不同分數,最高給100,最低給70。 課程三:科學志工服務學習     第三部分的「科學志工服務課程」如附錄三,讓學生可以經由上面的培訓後,自己蒐集資料尋找趣味科學實驗,以安全、有趣、動手做為主,再加入小組的創意,自行設計有趣的關卡,需要學生們討論和腦力激盪,也考驗學生們的表達能力。評量方式為自行設計的趣味創意關卡內容、展示趣味創意關卡的流暢性及安全性、學生的實作能力。 課程教學的實施情形及成果 上述三個部份的課程教學實施情形與成果分述如下: 一、      實驗基礎訓練     實驗基礎訓練,以培養學生基本的實驗能力,例如:使用電子秤、安全吸球、配藥品、濃酸、濃鹼稀釋等,學會最基本的配藥品後就開始簡單有趣的實驗,如食鹽水分層、七彩指示劑、藍晒、膨糖等,其中學生最喜歡的是藍晒和膨糖,因為可以發揮自己的創意,學生自己去研究糖和水及小蘇打的比例,還試圖加入不同果汁想試試不同水果味的膨糖,最後,還是覺得原味最好吃(圖1)。 圖1學生活動與成品照片分別為指示劑、藍晒與膨糖課程 二、      […]

三級警戒下的線上探究與實作: "線在”我們一起-Meet in Gather Town ∕ 陳維倫

Wednesday , 1, December 2021 Comments Off on 三級警戒下的線上探究與實作: "線在”我們一起-Meet in Gather Town ∕ 陳維倫

三級警戒下的線上探究與實作: “線在”我們一起-Meet in Gather Town 陳維倫 新北市立錦和高中 wskyfly@yahoo.com.tw   ■前言 全球受COVID-19疫情肆虐的影響,各種習以為常的生活皆受到不小的影響,在教育現場,也因為那一日的消息,出現了重大的轉變……。從2020年越趨嚴重的疫情,各級學校都陸續有相關因應停課的配套與措施,就在安然度過2020年後,新學期開始一段時間,臺灣疫情增溫,真正的遇到首次學期中的停課:「教育部110年5月18日宣布自5月19日起至5月28日全國各級學校及公私立幼兒園停止到校上課」。雖有萬全準備,但不免擔心了起來,「探究與實作」課程進行了一半,這非常需要動手做的課程,臨到遙遙無期的停課與線上教學,該怎麼辦?孩子們雖然已幾近完成實驗,但之後的實驗報告該怎麼辦?危機就是契機,讓我們第一次運用了非實體的方式執行「探究與實作」,一場有趣又新奇的課程就此展開……。 n  課程,錦好    自然科學探究與實作首見於108課綱,是一個深具特色的課程,其學習成果,亦是高中學習歷程重要的部分,很多大學在招生選才時會特別重視和採計,111年申請入學招生計有68所大學院校、2195個學系(組)參加,其中617個校系(28.1%),採計自然科探究與實作(大學招生委員會聯合會,無日期),學習內容著重於發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享四個探究過程(教育部,2018)。在課程的安排上,我們亦著重這樣的課程安排,讓孩子們能建立起相關的素養與能力。 一、規劃     疫情爆發前,課程已經進入規劃與研究階段,有了上學期建立起的默契與熱情,同學們十分認真與積極的做著實驗,收集數據,而課程安排上,恰逢第二次段考,以及段考後的畢業旅行,因此將數據分析、論證與建模、表達與分享的課程安排至畢業旅行後進行,也與孩子約定,這次的期末研究成果報告要用實體研討會的形式進行。     孩子們從未有過實體研討會的經驗,這次舉辦的規劃是以調課的方式,利用一個週五的半天(本校週五第一、二節為班週會,且第三節多排課給班導師),授課的4個班級在學校大禮堂實體報告,並請各班邀請班導師、各任課老師,我與協同教學的老師也一併邀請校內的主任、組長、自然科教師(含探究實作教師)、校外的教師夥伴、已畢業的校友(大三、大二、大一)參與本次實體成果發表。 二、預料之外     高二同學甫結束快樂的畢業旅行,返回台北後的第一個上課日,一場記者會,一紙公文,到來的可能是台灣教育史上第一次因為疫情在學期中的停課,雖然,在疫情爆發的2020,我們都已經有了心理準備與因應方案,但是,這突如其來的狀況,仍讓人措手不及,打亂了原本的課程安排。     僅剩的一天停課部署,原先已建立的班級LINE群組發揮了聯繫功能。成立Google Classroom 授課群組是當天最即時的處置,並立即與教學的夥伴商討因應之策,思索遙遙無期的復課狀態,該怎麼讓這實作甚是重要的課程進行下去。 三、軍來將敵     課程已進行一半,實驗數據多數組別已收齊,課程無法用實體的方式繼續,我們選擇用即時線上的方式授課,拜科技之賜,Google Meet讓這樣的授課能夠進行,為了疫情購買的視訊鏡頭派上用場,不受疫情與場地限制,進行無遠弗屆的「探究與實作」教學: (一)線上協同教學 1.與教學夥伴利用Google Meet進行每次的課程安排、課後的修正調整、討論與交流意見。課程進行方式,由本文作者主講與主持,講授課程和控制時程進度,而Google Meet的對話框中的對談與點名,則由協同教師為主。因此,由我開啟Google Meet,每次上課將連結網址與登入密碼於上課前20分鐘透過LINE班級群組向同學宣布,每次皆有錄影,並上傳YouTube與學校的線上教學平台,作為缺課同學補課的管道。 2.授課方式是以講授和線上互動為主,同時將投影片、影片、學習單分享呈現;課後作業,則利用Google Classroom出題與繳交。停課後,利用這樣的方式安排了變異數分析、報告演示、Gather Town平台練習、成果發表預演、成果發表等課程。 (二)To give a presentation or not, that is the question 1.上學期的期末報告,已經讓孩子們以一個班級為單位,著正式服裝,邀請導師、任課老師、組長、主任們,正式的、慎重的實體期末報告;這學期初,訂定了一個更高標準與規格的期末報告模式,將參與人數拉大至授課的三個班級(兩個社會組、一個自然組),以論壇的規格辦理,讓孩子們嘗試人生中第一次的實體研究成果發表,與教學夥伴討論了許久,預計利用調課的方式,利用一個半天,在學校的大禮堂,三個班總共36組(表1),以題目的共通性分三大場次,場次與場次間共有兩次的中場交流時間(見圖1),孩子們還需做出海報,設立攤位,在這個時間和與會的同學、師長交流,並著手規劃研討會常見茶會形式的餐點。 表1 分組表 組別 學生發表的探究與實作主題 分區小會場 […]

自然科學探究與實作試題初探 / 翁群評、吳國良、周建儒

Wednesday , 4, November 2020 Comments Off on 自然科學探究與實作試題初探 / 翁群評、吳國良、周建儒

自然科學探究與實作試題初探 翁群評、吳國良*、周建儒 大學入學考試中心  學科研究員 kl0001@ceec.edu.tw* 前言 探究與實作是科學研究的必經歷程,也是培養國民科學素養的重要環節。新課綱期待透過探究與實作的學習方式,讓國民具備科學知識、能力與態度,以面對日常生活中各種與科學有關的問題。課程、教學和評量彼此關係密切,屬於總結性評量的大學入學考試(以下簡稱大考),因在大學選才中佔有一定比例的成績計算,故如何因應新課綱的變革亦受到關注。大學入學考試中心(以下簡稱大考中心)在素養導向命題上有四個重點方向,分別是情境化、整合運用能力、跨領域或跨學科、表達說明能力,在此架構下的自然科學探究與實作試題的命製亦奠定了基礎,未來的挑戰則是持續精進命題與如何測驗考生更多元的能力表現。 簡介 十二年國民基本教育(以下簡稱十二年國教)下的自然科學領域課程綱要(以下簡稱自然領綱)(教育部,2018),強調各學習階段應重視並貫徹「探究與實作」的精神與方法,提供學生統整的學習經驗,並強調跨領域科目間的整合。為強化上述目標,自然領綱特於高級中等學校教育階段增列「自然科學探究與實作」課程內容,並規定應佔自然科學領域部定必修學分數三分之一。 課程的實施有賴教學與評量的相輔相成。在自然科學探究與實作的教學上,課綱提出了綜合理解運用的七項跨科概念(物質與能量、構造與功能、系統與尺度、改變與穩定、交互作用、科學與生活、資源與永續性),自然科學領域課程手冊亦提供不少教學單元案例。在自然科學探究與實作的評量上,和教學一樣都強調多元與適性,課程手冊也告知自然科學探究與實作課程宜用多元評量,才能同時評量學生學習的探究歷程與成果,更提及可採用實作評量(Performance Assessment)和檔案評量(Portfolio Assessment)方式進行。 然多數人提到評量就會直接聯想到考試,也就是常見的紙筆測驗,無論是學校的小考、段考、模擬考,或是與升學有關的大考,都以紙筆測驗方式進行。紙筆測驗行之有年,是一個相對純熟的評量機制,其試題的形成與施測皆有標準化流程可以依循,並透過測驗統計來檢視其結果的信度與效度。大考中心每年都會分析試卷的信度與效度,以學測自然考科為例,信度指標(Cronbach’s alpha)更在0.9以上,屬於相當好的表現,另透過專家判斷亦具有良好的效度。但是,過於單一或不當的評量方式是影響學生學習動機與興趣的因素之一,雖本文聚焦於紙筆測驗的命題精進,但在自然科學探究與實作課程的教學上,是鼓勵老師採多元評量的。 題型規劃與命製 為呼應自然科學探究與實作的課程精神,大考中心召集自然科學領域各學者專家(含大學教授與高中教師)執行學測自然考科試題研發計畫,依循本中心素養導向命題的四個重點方向:(1)情境化、(2)整合運用能力、(3)跨領域或跨學科、(4)表達說明能力,進一步精進學測自然考科試題的命製。 試題研發小組在發展自然科學探究與實作試題時,認為除了傳統的選擇題與非選擇題外,「混合題型」亦適合發展自然科學探究與實作的試題。所謂混合題型是在題組各小題的組合上,混合選擇題與非選擇題,此一設計能涵蓋較多面向的測驗目標,加強測驗考生的統整、歸納、分析、說明、表達等重要核心能力,也較能對應到自然領綱中自然科學探究與實作的學習內容。而混合題型亦是大考中心在研究素養導向命題時,提出有別以往學科能力測驗與指定科目考試的新題型。 自然科學探究與實作試題的命製與發展素養導向試題一樣,其過程可概分為三階段(如圖1)。階段一:在掌握學測自然考科測驗目標與熟悉課綱探究與實作學習內容的前提下,尋找合適的命題素材(生活情境、媒體報導、期刊論文等);階段二:設想素材如何轉化試題,試題形式不受限於單一類型,例如可單題或題組,而題組又可區分為選擇題題組、非選擇題題組及混合題題組。若為題組則需進一步適當配置試題的提問順序,例如第1小題先引導解題所需的思考方向,第2小題則深化提問內容,以結構化設問來測驗考生不同層次的能力;階段三:在命題原則的規範下完成試題的初步命製後,須經過計畫小組多次會議進行試題的討論與審修,除了試題文字校對與雙向細目表(測驗目標與學習內容)檢核外,也確保試題可以達到原先設定的測驗目標與測驗效果。另須強調的是,自然考科測驗目標的擬定是試題研發小組整合了自然領綱的「學習表現」和自然科學探究與實作的「學習內容」而成的,志在掌握新課綱的科學素養精神。   圖1、試題命製三階段 試題研發小組在自然科學探究與實作的命題方向上,亦能與外界呼應。大考中心於2017年選才電子報第278期,以專題型式邀請各領域專家分享對自然科學探究與實作的看法。臺灣大學陳竹亭教授(2017)在文章中認為紙筆測驗下的「非選擇題」可以呈現較寬廣的檢測彈性與空間。非選擇題的設計主要在於評量考生的表達說明能力,關於資料彙整、作圖、製表、論述、解釋、分析、建模等核心的學習表現,皆屬非選擇題的重要評量方向。如何設計合宜的非選擇題以評量考生的學習表現,以及如何提供適當的評分標準作為閱卷的基礎,在經由閱卷的評分標準訂定會議,以及試閱會議達成評分者間的一致性。這些命題與閱卷的操作流程,是在設計非選擇題時,所需要深思與考量的地方。當然,「探究與實作」也並非不可以使用選擇題,但若能伴隨以題組、題群增加內容的思考連結或思辨過程,必然會更切合學習時的情境。 另外,國立臺灣師範大學附屬高級中學洪逸文老師(2017)在文章中認為探究與實作不僅是科學研究必經的歷程,也是培養個人科學素養的起點,所以在思考怎麼對「探究與實作」進行測驗,就與素養導向的命題方式脫離不了關係。素養導向的測驗則是檢測學生在一個較開放的系統中,是否能運用其已經習得的知識、能力,在情境中進行推理、分析與統整來解決問題。因此,素養導向的考題便具有「情境化」與「生活化」的特徵。 試題舉例與分析 在試題研發小組奠定自然科學探究與實作試題的命製基礎後,本中心的108年學測自然考科研究用試卷、111學年度起適用之學測自然考科參考試卷、109試辦考試學測自然考科則依循此三階段流程進行相關試題的命製。以109試辦考試自然考科試題為例(大考中心https://www.ceec.edu.tw/ 首頁/學科能力測驗/109試辦考試),物理和地科跨科共同命製了海洋冰(第49-52題),生物和化學跨科共同命製了塑膠材質(第53-56題),這兩道題組皆為混合題型,每道題組為2道選擇題+2道非選擇題。這兩個題組的題幹議題亦符合自然領綱中綜合理解運用的跨科概念,涵蓋了物質與能量、交互作用、資源與永續性。 進一步解析這兩道題組,可測驗考生部分的自然科學探究與實作能力,一是測驗考生是否具備探究學習內容中「發現問題–蒐集資訊」所對應的實作學習內容「閱讀與理解資訊內容,整理並提取適當的資訊」;二是測驗考生是否具備探究學習內容中「規劃與研究–尋找變因或條件」所對應的實作學習內容「判定與研究問題相關的影響因素,並分析因素間的關係」;三是測驗考生是否具備探究學習內容中「論證與建模–分析資料和呈現證據」所對應的實作學習內容「由探究過程所得的資料數據,整理出規則,提出分析結果與相關證據」。 上述能力可透過選擇題或非選擇題方式命題,然而非選擇題可進一步測驗考生是否真的理解問題並能有條理且具科學性的陳述答案,而不像選擇題有猜答的機會,或不確定答對的背後思考邏輯是否正確,這是學測自然考科導入非選擇題,並進一步整合成混合題型的主要原因。唯檢視混合題組下非選擇題的提問設計與評分原則,避免考生的作答情形過於開放不易計分,試題的提問仍偏向封閉式的簡答。  結論 僅從紙筆測驗結果是無法得知考生自然科學探究與實作能力的全貌,如劉湘瑤教授(2017)文章中所提,紙筆測驗雖能檢測學生形成問題、設計研究和推理的能力,但較缺乏診斷解題的動態過程以及溝通互動的能力。不過,本中心在試題的命製上會不斷改善與精進,例如在非選擇題的提問上,既會兼顧評分的公平性,又能讓考生發揮更多的探究思考與統整表述能力。 對於學生自然科學探究與實作能力的培養,我們希望依循課綱的精神往共同的方向前進,讓學測自然考科的命題不會牽絆了教學,也期待教學不以考試成績為唯一的目標。未來,⼤學招⽣選才機制會納入學生的在校學習歷程,將有助於⾃然科學探究與實作課程在⾼中落實,也可看見學生在自然科學探究與實作的多元表現。 參考資料 1.          洪逸文(2017)。「探究與實作」怎麼考?-以溫室效應為例。大學入學考試中心選才電子報,第278期專題。 2.          陳竹亭(2017)。探究與實作的課程評量。大學入學考試中心選才電子報,第278期專題。 3.          劉湘瑤(2017)。探究與實作重在培養學生帶得走的能力而不是考試。大學入學考試中心選才電子報,第278期專題。 4.          教育部(2018)。十二年國民基本教育課程綱要(國民中小學暨普通型高級中等學校)─自然科學領域。

以108課綱架構比較八年級自然科學教科書跨科議題內容 / 鐘建坪

Thursday , 3, September 2020 Comments Off on 以108課綱架構比較八年級自然科學教科書跨科議題內容 / 鐘建坪

以108課綱架構比較八年級自然科學教科書跨科議題內容 鐘建坪 新北市立錦和高中國中部 hexaphyrins@yahoo.com.tw     12年國民教育已於108學年度正式實施。自然領綱搭配總綱的課程目標期待啟發學生科學探究的熱忱與潛能、建構科學素養、奠定持續學習科學與運用科技的基礎、培養社會關懷與守護自然之價值觀與行動力,以及為生涯發展做準備等項目(國家教育研究院,2018)。雖然國民中學七至九年級同屬於第四學習階段,生物、理化、地球科學可依照特定比例分配教學節數,不必限定在特定年級,然而因為學校排課、教師專長等因素,教科書的內容編排目前國一以生物為主,國二以理化為主,國三則為理化與地球科學搭配。     自然領綱規定自然領域學習時數為每周3節,教科書須依照生物、理化與地球科學不同比例編制,且規定教科書每學期應至少包含1個跨科單元,用以實施跨科主題整合的探究與實作學習。實務上,教科書是許多教師教學參考的重要依據,因此教科書編撰的內容與呈現方式,影響各校教師的選納與採用。本文首先探討探究與實作的內涵,說明四階段13步驟的內容,接著說明自然領綱與美國下一代科學標準(Next Generation Science Standards, NGSS)提及的跨科概念(crosscutting concepts),最後分析最新(2020年9月)國二上學期的不同版本自然教科書跨科主題單元內容,作為教師教學參考與未來單元編修建議。 n   探究與實作     自然領綱認為探究與實作的目的,在於培養學生針對物質與生命世界,發現待解決的問題,提出適切的問題解決策略,進而提出結論與精煉溝通表達的能力。關於探究與實作的實施,領綱在普通型高中增列跨科目之主題式探究與實作課程內容(國家教育研究院,2018),強化高中階段探究能力的培養。雖然其他學習階段未有相同明確的課程內容,然而領綱亦期待各個學習階段應重視並貫徹探究與實作的精神與方法,提供學生統整學習的經驗,強調跨科或跨領域間的整合。領綱同時揭示在國民中學教育階段,每學期應該包含至少一個跨科單元,藉以施行跨科主題的探究與實作學習(國家教育研究院,2018)。     探究與實作區分出探究學習內容與實作學習內容兩部分,其中探究學習內容著重在發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享,而實作內容強調對應探究學習內容進行可操作的科學活動,例如:針對觀察所得,提出適合的探究問題(國家教育研究院,2018),摘要探究學習內容如表1。 表1:自然領綱探究學習內容(國家教育研究院,2018) n   跨科概念     跨科概念是指可以橫跨科學領域應用的概念,用以連結不同的科學領域(NGSS Lead States, 2013)。美國下一代科學標準(NGSS)認為跨科概念具有:模式(Pattern)、因果關係(Cause and Effect)、尺度、比例與數量(Scale, Proportion, and Quantity)、系統與系統模型(Systems and System Models)、能量與物質(Energy and Matter)、結構與功能(Structure and Function)、穩定與改變(Stability and Change)等。NGSS提供不同跨科概念在不同的學習階段須達成的學習內涵,以及跨科概念所含涉特定科目的核心概念。以系統和系統模型為例,NGSS認為6至8年級應該認識模型是作為系統與系統交互作用的表徵,系統可與其他系統產生交互作用,以及模型僅呈現有限度地呈現目前系統的樣態等。而9至12年級,則要求需要界定系統的範圍與邊界,不同的模型可用於模擬系統與其交互作用,以及模型可有限度的預測系統的行為等。     自然領綱認為跨科概念具有物質與能量、構造與功能、系統與尺度、改變與穩定、交互作用、科學與生活與資源與永續等。同時期待能夠藉由探究與實作精神與方法,透過議題或是主題方式進行跨領域或是跨科的統整,讓學生理解與運用相關的跨科概念(國家教育研究院,2018)。領綱提供3個跨科主題作為參考,包括:從原子至宇宙、能量與能源、全球氣候變遷與調適。以全球氣候變遷與調適為例,牽涉的次主題及涵蓋能量的形式與轉換,溫度與熱,生態系中能量的流動與轉換,生物與環境的交互作用,科學技術及社會的互動關係,環境汙染與防治,與氣候變遷之影響與調適(國家教育研究院,2018)。 n   不同版本跨科主題     與先前課程綱要不同之處在於,自然領綱要求新編制的教科書,每學期至少包含1個跨科主題,透過跨科主題的探索,連結不同學科,打破學科知識之間的藩籬。由於今年(2020年)9月是新綱關於國二理化教科書跨科主題的首次呈現,因此本文嘗試分析市售包括:康軒、翰林與南一三個版本教科書的跨科主題(見表2)並進行比較,以下分別簡稱為K版、H版以及N版進行說明: 表2:不同版本跨科主題比較 註:市售三家版本分別以K、H、N代表康軒、翰林與南一。     K版跨科主題為水與空氣的重要性。區分為兩個次主題,包括:水的淨化與再利用,及空氣的組成與空氣汙染(圖1),連結的學科包括化學與地球科學。首先,水的淨化再利用接續混合物分離的概念,於此規劃先讓學生動手自製1個簡易濾水器,蒐集資料了解作為過濾物質的棉花、活性碳、石英砂與麥飯石各有何功用。當學生已有製作經驗之後,再思考如何優化自製濾水器。課本提供假設、變因設定、設計濾水器與觀察紀錄結果的引導,讓學生完成之後,再與班上同學交流分享,並嘗試統合全班實驗結果,重新設計過濾效果最佳的濾水器。藉由提問自製濾水器可否處理家庭廢水,引導出家庭汙水的處理方式,並思索水資源的再利用與珍惜水資源。     第二個內容次主題為空氣的組成與空氣汙染。在此先介紹空氣中主要氣體的成分與性質,再進行氧氣的製備與性質探討的實驗。氧氣的製備實驗是藉由雙氧水與二氧化錳反應,以排水集氣法收集,再用點燃的線香分別置入氧氣瓶與空氣瓶,比較燃燒情況,並說明二氧化碳的製備與性質。接著,說明空氣汙染與空氣品質指標,最後探索活動了解口罩與生命吸管的構造,用以理解過濾原理的應用。 […]

液面上的華爾滋 清潔劑液面的彈跳現象 / 劉曉倩

Saturday , 6, May 2017 Comments Off on 液面上的華爾滋 清潔劑液面的彈跳現象 / 劉曉倩

液面上的華爾滋 清潔劑液面的彈跳現象 劉曉倩   國立彰化高級中學教育部高中化學學科中心 torrina01092002@yahoo.com.tw Honey 會跳舞 黏滯性高的蜂蜜如果由適當高度流下,形成一細小的流動液柱,在流體接觸到平面時,常會自行螺旋捲曲成為中空圓柱狀的繩捲型態,稱為蜂蜜線捲(honey coil)或液體繩捲(rope coil)。這是個容易觀察、卻牽涉到力學與流體力學的複雜物理現象。繩捲現象的正式學術研究可以追溯至1958年,由巴恩斯(George Barnes)與伍德考克(Richard Woodcock)兩人首先發表「液體繩捲效應」 (Liquid Rope-Coil Effect) 一文, 其中提到流體看起來是繞著一個垂直於接觸平面的軸線旋轉,但是液體粒子本身其實並沒有繞著軸旋轉。兩人以力學的角度,針對此一現象作系統性的討論,發現從不同高度垂落而下的蜂蜜會折疊、堆積,形成各式各樣的「舞姿」,至於形成原因正有待我們去研究。(如圖1)。            圖1: 蜂蜜繩捲現象(圖片來源:龍騰出版社) 清潔劑也跳華爾滋? 然而所有黏滯性高的液體都會有這種現象嗎?筆者的學生觀察到,把洗碗精的塑膠壓瓶壓頭打開拉高距離液面一段距離,成細流而下的洗碗精一開始也有繩捲纏繞現象,但接著底部會形小隆起,隨後出現一條束狀濺射,甚至彈跳半可達10公分之遠,如同跳華爾滋般華麗而壯觀。這些奇妙的現象激起我們高度的好奇心,於是上網查找資料及參閱書籍,得知此彈跳現象稱為「凱氏效應」(Kaye effect)。但是,是否每一種清潔劑都會有彈跳現象呢?          圖2:常見的清潔劑結構(長鏈脂肪酸金屬鹽)(圖片來源:龍騰出版社) 界面活性劑的介紹 原理 界面活性劑主要是讓兩個互不相溶的接觸面,不再排斥彼此靠近的物質。人類最早使用的清潔劑為肥皂,又稱作長鏈脂肪酸金屬鹽(如圖2),如:硬脂酸鈉(C17H35COONa)及軟脂酸鈉(C15H31COONa)。現今常用的人工合成清潔劑組成則為長鏈烷基硫酸鹽類,如:正十二烷基硫酸鈉(C11H23CHOSO3Na), 以及長鏈烷苯磺酸鹽類(  R-C6H4-SO3Na), R=-C9H19~-C15H31),如:正十二烷基苯磺酸鈉。 種類 生活中舉凡食品、藥品、肥皂、洗碗精、清潔劑、洗衣粉、洗髮精、潤絲精、沐浴精、化妝品、殺蟲劑都有界面活性劑的存在。依其在水中親水端的帶電性,大致可分為陰離子界面活性劑、陽離子界面活性劑、兩性離子界面活性劑、非離子界面活性劑,如表1所示。 種類 陰離子界面活性劑 陽離子界面活性劑 兩性離子界面活性劑 非離子界面活性劑   脂肪酸鹽,如椰子油脂肪       例子 酸鉀;烷基硫酸鹽,如月桂醇聚醚硫酸脂鈉鹽 (SLES)、烷基聚氧化乙 脂肪銨鹽,如溴化十六烷三甲基銨 甜菜鹼類,如椰油醯胺丙基甜菜鹼 如聚氧乙烯烷基醚 (AE)、聚氧乙烯- […]

POE教學策略融入科學營隊活動對高中生 奈米概念學習之影響(上) 丁信中1, *、陳東煌2 1嘉南藥理大學兒童產業服務學位學程 2國立成功大學化學工程學系 *thc@mail.cnu.edu.tw n  前言 科學探究活動通常是問題解決活動,需要學習者本身的知識整合,包含:連結、區辨、組織及建構科學現象模式的動態過程,有效的教學應該培養學生擴展、修正、再構、再連結及再排序他們的認知模式(Linn, 2000;Clark & Linn, 2003)。良好的科學探究有助於學生知識的整合,然而Linn和His(2000)指出學生鮮少進行知識的整合,原因是課堂的科學知識無法與他們所知道的事物相連結,Linn與His建議透過科學活動的鷹架將可以使學生參與在科學探究的過程中,進一步理解科學知識。 在升學導向的課程進度壓力之下,學校的制式科學教材往往無法反映今日科學進步及科技生活化的速度。為了提升學生對於真實科學的認識與興趣,科學教育推廣活動的假日實施與辦理就顯得非常重要;若是能應用已成熟的科學教育理論融入推廣活動,將使得科教活動的實施有更具體的成效。本研究的目的即在於探討POE (prediction-observation-explanation) 教學策略融入奈米科技教育推廣活動的實施成效與可行性。 本研究與成功大學微奈米科技研究中心合作規劃各項科學實驗模組,期望藉由生活化學實驗活動模組的實施,引導高中生對奈米科技能有親身經歷的探索與了解。透過動手操作的科學實驗活動讓學員親自體驗真實科學,應該有助於提升他們的科學學習興趣,以及對真實科學的正面認識。本研究開發的科學實驗活動模組,將提供成功大學微奈米科技研究中心作為高中生參觀時的課程活動資源。 n  科學探究 科學探究(Scientific inquiry)活動接近真實的科學研究,亦是學生發展知識和理解科學想法的問題解決活動(NRC, 2000)。Trowbridge和Wbyee(1986)指出科學探究是確定研究問題、描述假說、設計實驗方法、收集數據與結論等過程。在科學探究活動中,學生可以經歷的科學技能包括:構思問題、形成假設、設計並執行實驗、用公式表示及修訂解釋、溝通並為主張作辯護(Krajcik et al., 1998)。 本研究以奈米科技研究的成果推廣為主軸,規劃出生活化學系列科學實驗活動模組,希望能讓中學生了解微奈米知識與國內奈米科技的研究成果,因此相關活動的舉辦時間為週末假日或寒暑假,以梯次的方式舉辦。基於上述客觀條件的限制,考量科學探究活動的精神,將以POE教學策略融入模組活動辦理之。由NRC(1996)學生在完整探究活動所應完成的任務來看,雖然參與本計畫的學員無法在每梯次的活動中自行設計研究,但是透過POE教學策略的設計,學員們仍可以在POE的預測(prediction)階段—思索各項實驗的可能問題,藉由POE的觀察(observation)階段—收集示範實驗或是動手實驗的數據,最後於POE的解釋(explanation)階段—找出問題的答案,遇到預測與觀察之間的矛盾時,則進行討論並嘗試解決概念衝突。 n  POE概念教學策略 Gunstone和White(1981)所發展的POE模式,修改自Champagne等人在1980年發展出來的DOE(demonstrate-observe-explain)模式,兩者之間的差異是第一階段demonstrate與prediction的不同;Gunstone和White認為預測(prediction)對於學生先備知識的調查更為合適。White和Gunstone(1992)主張POE程序可以作為探究學生概念改變的模式,POE策略能有效地鼓勵學童應用自己原有的概念去進行推理及解釋,也較能探測出在真實情境中學童的認知結構和應用知識的能力。許多研究顯示,POE概念教學策略可以協助教師瞭解學生的先備知識與迷思概念(Palmer, 1995;Liew & Treagust, 1995;Kearney, Treagust & Zadnik, 2001;王淑琴、郭重吉,1994;許良榮、蔣盈姿,2005)。簡言之,POE教學策略是讓學生用自我的感官與知覺去探究科學概念,讓他們有機會深入概念的想法,藉由預測與觀察所產生矛盾或是衝突的調整解釋,來促成學生的概念理解。學生在POE教學策略的各階段任務,如下說明: 1.        預測(Prediction):必須對某些現象做預測,並且說出他們預測的理由。 2.        觀察(Observation):必須觀察實驗的結果,具體的描述他們所觀察到的現象。 3.        解釋(Explanation):當觀察結果和預測不符時,必須解決預測與觀察之間的衝突。 近二十年來,國內外已有許多關於POE教學策略的相關科學教育研究成果,POE教學策略是一個成熟度高且為科學教育領域所熟知的理論,適合做為此次科學教育推廣活動規劃的基礎理論。 在科學探究模組的活動規劃方面,參考White與Gunston(1992)實施POE策略之事例選擇原則的建議包含: 1.        配合學員的認知程度提供可預測的情境或實驗,避免無意義的猜測。 2.        提供真實的實驗情境與相關問題給學童,以及相關支援的線索或是解說。 3.        讓學員有機會進行直接的/可行的觀察。 4.        配合實驗情境提供學員適合的預測方式,例如:勾選、開放式問答等,讓學員能夠表達出自己的想法。 n  […]

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