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 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。 […]

跨領域的科學活動: 以「澱粉」主題為例 潘俊宏 臺北市立介壽國中教師 petersonpan1@yahoo.com.tw 12年國民基本教育課程綱要即將於108年開始實施，在自然科學領域除了強調問題解決之「探究能力」外，更需要有跨領域議題的探究與實作學習。在此探究的科學活動希望能夠培養學生有系統思考、創意思考、問題解決、表達溝通等多元的能力，進而使學生具有相當的能力與素養去面對未來快速變化的日常生活議題，這些學生應必備的能力並非只是單純的學科知識，且更非由教師單方面的知識給予，必須由學生於課堂中經實際的觀察、探究、思辨和溝通，進而培養出學生的基本素養。基於此概念，便設計一跨科/領域的科學探究活動。以下我們介紹一個以澱粉為主題，所設計的跨領域科學探究活動。 n  「澱粉」專題科學活動: 「澱粉」是人類飲食中最常見的碳水化合物，平常所吃的食物中很容易所看見「澱粉」的存在，因此便設計相關的活動使同學對生活中常接觸的「澱粉」有更深入的認識，本科學活動主要針對國中階段的學生設計一系列活動，活動首先讓同學知道哪些農產品(或產品部位)中含有澱粉，進而引導同學如何生產(製作)澱粉，經由活動產出的澱粉和日常生活中的澱粉產品進行觀察，分辨其物理性質和化學性質的特性與差異。此外，利用種子的發芽過程讓同學觀察、探究種子內的澱粉含量的變化，引導同學藉由活動的結果觀察、思辨、而瞭解澱粉在種子發芽時所扮演的角色。由於澱粉為人類主要的糧食之一，所以活動最後便指導同利用不同植物所生產的澱粉(如:太白粉、麵粉、糯米粉…等)來製作食物～麻糬，由產出的食品外觀、Q度和口感等性質，來瞭解不同種類澱粉經加熱發生澱粉糊化現象後有不同的結果，期使同學對澱粉與其糊化現象有更深刻認識。 本活動透過以學生為中心的自主學習教學法，過程中採用POE (預測–觀察–解釋)教學法與合作教學法進行，教師在旁引導同學進行活動，而活動設計主要有以下幾個特色: 一、家庭科學實驗:活動中所採用的材料或物品大部分來自家庭中常見或隨手可得的物品，以期活動操作結束後，有興趣的同學仍可進一步自己再進行探索研究。 二、活動與課程結合:本活動和目前國中自然與生活科技及綜合(家政)領域的課程有高度相關，所以本科學活動可當作跨科/領域課程來進行，亦可配合教學課程進行課後活動來實施。 三、差異化教學方式:本教學設計主要配合國中自然與生活科技領域的課程所設計的科學活動，對於不同能力(或年段)的同學可著重教材不同學習成就，對能力較差的同學而言，主要在於化學變化的現象瞭解與動手作的部分，而對能力中等的同學而言，可進一步探討澱粉其他的原理(如:分子結構、澱粉分解…等)，而對能力較佳的同學而言，可鼓勵同學進一步對澱粉探究(如:抗性澱粉..等)。除此之外，亦可針對不同能力的學生，在教材上作一深入探討，或對此仍有興趣的同學，再作探究式學習的科學活動。 本科學活動主要強調學生的主動探究與學習，其活動內容大綱如表一所示。本科學活動主要分成四大單元，分別為:澱粉的製作、澱粉在植物中的祕密、澱粉的特性和美味的澱粉。 表一: 澱粉主題活動的活動內容大綱。 澱粉科學活動 活動單元 澱粉的製作 澱粉在植物中的祕密 澱粉的特性 美味的澱粉 活動內容大綱 讓同學探究澱粉主要儲存於植物何處，並進一步讓同學能製作出不同來源的澱粉，如：番薯、馬鈴薯…等。 觀察花豆或其他豆類在種子發芽前後，種子內儲存的澱粉的變化?並探究其主要原因。 觀察澱粉和一些化學藥品的反應與透過顯微鏡進一步瞭解澱粉的種類與物性和化性 利用不同來源的澱粉，如:糯米粉、太白粉、玉米粉…等，讓同學利用簡單的製作方式去製作出美味的麻糬。 與國中相關科目 理化(化學)、家政、生物 理化(化學)、生物 理化(化學)、生物 理化(化學)、家政 活動時數 (小時) 1~2 1~2 2~3 2~3 活動的內容探究難度可視學生活動狀況作一調整，其科學活動內容描述如下: 一、澱粉的製作:本單元先引導同學判斷在哪些農產品中那些富含澱粉，接著以碘酒進一步檢測農產品中所含澱粉，進而找出富含澱粉的農產品，最後再和同學討論如何從農產品中將澱粉分離出來。 二、澱粉在植物中的祕密: 此活動可配合目前生物教材進行，分別準備已泡水的和巳發芽的種子(如:花豆…等)，同學預測二種不同狀況種子的澱粉分布，再利用碘液測試和顯微鏡觀測來驗證自己的預測，也能在教師的引導下，解釋發芽前後澱粉的差異及造成差異的可能原因。 三、澱粉的特性:本活動可接續澱粉的製作單元，活動中利用同學所製作出的澱粉和教師提供不同的澱粉，引導同學探究不同澱粉的性質有何不同，例如:利用碘液配製不同濃度之溶液進而觀察顏色差異(如圖一和圖二)，也可於澱粉加碘液後,利用顯微鏡加以觀察探究(圖三)。   圖一:不同濃度的支鍵澱粉在碘液下所呈現顏色  圖二:不同濃度的直鍵澱粉在碘液下所呈現顏色 圖三:支鍵澱粉加碘液在顯微鏡下所呈現情況  四、美味的澱粉單元:同學經由初步對澱粉認識後，最後教師將經由麻糬的製作來介紹澱粉的糊化現象，首先，教師可引導同學用不同的澱粉來製作麻糬(如圖四)，進而由同學自行設計最美味的麻糬食譜。 圖四:不同來源的澱粉所製作而成的麻糬  n  科學探究活動始終來自日常活動 經由此系列科學探究活動的同學對澱粉的概念有基本的認識，同學也學會探究事物的能力，但要設計一個完美的科學活動，仍需更多專業教師的共同討論、備課、試行與再修正(見圖五)，以設計出更好的科學活動，以提高同學的探究興趣，利於同學於課後或假期進行個人的專題計畫或學習，進而增進學生個人日常解決問題能力以及具備科學素養的生活能力。 圖五:同學們設計自己的美味食譜