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。

共同備課的意義：話學思享佳之探究與實作課程共備開發之經驗分享  陳慧真¹*、陳家蓉¹、 藍偉瑩² 台北市立育成高中¹  台北市立麗山高中² iamyy0612@yahoo.com.tw* 自102學年度成立共同備課社群 台北市化學跨校社群自102學年度成立後一直以化學必修與選修課程為範疇，進行共同備課，並在104學年度完成各單元的學習共同體學習單設計。105學年度起，除了延續課程實施的經驗分享外，為了幫助每一位成員面對新課綱上路後的課程變化，所以社群展開了新的計畫，那便是完成自然探究與實作的課程設計。 話說，自從108課綱(以前是107課綱)被提出來之後，許多人對於其中的授課時數下降都憂心忡忡。對於自然科教師來說，這刀砍下去還真的是蠻痛的。因為我們必修基礎科學學分數從現今的16減為12學分，而這12學分當中，屬於基礎科學課程的只有8學分，但另外4學分卻變成了探究與實作課程。乍聽到這個課程名稱，我想很多人心裡也許都會跟我有一樣的疑問是”那是要每個學校都來教如何做專題的意思嗎?”然後就一頭霧水的等待專家學者跟我們解說到底探究實作要教些甚麼、做些甚麼。 因為知道大家的困惑與不安，所以在105年8月1日的全臺北市自然科跨校社群暑期研習辦理了一場關於探究與實作的課程介紹。一開始，我們依照自己的學科認知將領綱中關於探究與實作的「課程目標」部分進行文字的修改，希望藉此能讓大家在設計課程時，能夠選出更合適的課程目標來規劃課程。這樣的活動由討論、整理再到發表，大概就要花上一、兩個小時。然後將各科、各社群分組，針對探究與實作設定一個主題來開發、設計課程，最後再集合進行發表。 發展水的探究與實作課程 在那次的活動中，我們社群也選定了「水」作為我們探究與實作的課程主題。當時我們要完成的工作是這樣的：我們要在兩個小時內設計出一個為期九週的課程雛形，然後每一週都有不同的目的，在當週課程中還要說明概念分析。這樣的工作剛聽到時很令人感覺慌張，因為探究與實作對我這樣沒有長期在帶專題或科展的老師來說，真的很難想像到底要如何完成課程設計。但因為有著麗山高中藍偉瑩老師與龍山國中鄭志鵬老師當年度帶領學生在科教館進行的水質檢測實驗計畫可以參考，所以我們很快速地訂出每週的課程單元與概念分析，參見表一。                                               表一 水的探究與實作的九週課程主題表 周次 單元名稱 概念分析 1  資料檢索與彙整 蒐集篩選資料→閱讀理解資料→整理資料成報告→提出問題與互評 2 形成研究問題 表達與分享→反思提問→修正問題→評分與數據處理 3 自製檢測器 電路組裝→濃度計算與溶液配置→測量與數據收集→數據分析(至表格) →製作圖表 4 數據分析與判讀 整理數據→製作圖表→判斷資料數據變化→找到適當的問題解決方法 5 餘氯的測定 文本閱讀→實驗實作(自製檢測器) →數據處理→問題探究 6 資料分析與判讀 閱讀→分析可信度(事實句子與詮釋句子的區分) →查資料驗證→小組討論→小組發表 7   研究問題的確定與規劃 問題聚焦與文獻蒐集(課前) →研究目的與研究問題的區辨→研究假設與研究問題的關係→研究計畫與工作的分配(含時間規劃) 8 實驗研究 實驗預報→實驗操作→收集數據→分析數據、解釋推理、提出結論(課後) 9 成果報告 實驗成果(課前) →交叉提問→提問回應→完成簡報            當天的時間很有限，但因為參加當天研習的化學科教師幾乎都是我們社群的夥伴，在有資料可參考、有講師可協助及有夥伴一起努力的優勢下，我們算是做的比較快的科目。而且，就算沒有做完我們也不會擔心，因為帶回到社群中，我們還有一整年的時間可以慢慢發展。 當開學後回到社群準備繼續要發展這個課程時，我們的規劃是這樣的：每次共備的前半段就是先分享之前設計的學習單的使用狀況，後半段的時間才是進行探究與實作課程的小組討問。一開始因為大家對於學習單還是有很多教學上的狀況想要討論，所以都大概只能留下約莫半小時時間給探究與實作。以我自己所參與的小組為例，我們在每次的討論中，都會從原來的雛型中，找到一個關鍵的概念或目標，然後針對這個觀念或目標進行課程與問題的設計。由於我們這組的夥伴老師們很多都有多重的身分在身上，以至於無法每次都參與課程討論，所以我們會把這次修改過的部分以其他顏色標記，再將設計理念以小方框進行說明。這樣，就可以讓每位夥伴即使缺席了也能了解大家的設計結果。 另外一方面，我們也要隨時關注前一週的小組夥伴老師所設計的課程，因為如果他們有提過的概念，那我們就可以繼續發展或省略不提，因此，後半年開始，我們就逐漸拉高小組設計課程在共備中的比例，然後利用最後的半小時時間進行各組的報告。雖然我每次遇到這種時間就備感壓力，一方面擔心我們設計的課程不夠有深度，另外一方面是感覺自己似乎一直抓不到探究與實作課程的理念，所以擔心設計得不好。每次報告時，夥伴們總會提出許多問題，比如說「這樣做得完嗎?」、「實驗器材清單要學生多久以前繳交?」、「來得及準備嗎?」…等等這類很實際的問題。這些問題我們在設計課程時或許曾有夥伴提出來，可是大家意見不一，所以還是規劃進去了。可是當我們發表時被提問，就會發現我們的想法可能太過天真，在實際操作面上也會有困難。大家或許在聽到別人對自己努力設計的課程有這樣的提問時，會有點感到不開心。但事實上，我們的小組夥伴在聽到這些意見時，我們沒有不舒服的感覺，因為過去這些年共備的經驗讓我們知道，夥伴們提出來的，是因為已經在想像當他們要操作這些課程時，有可能遇到的困境。所以他們所提出的意見是擔心而不是批評。但也因為有這些疑問的提出，我們才能知道要怎麼樣設計才能減少學生在時間上的浪費，然後也能思考如果這個課程真的要應用時，我們要先做哪些準備才不至於手忙腳亂。 我們也會把大家有興趣且方便操作的實驗設計想法搬到共備的現場來操作看看。比如說，因為我們課程中探討水質時有提到一個名詞叫做「TDS」(Total […]

武陵高中自然科探究與實作前哨站 – 溫室氣體對全球氣候變遷之影響   吳德鵬 國立武陵高級中學 教育部高中化學學科中心 depeng.tw@gmail.com 壹、前言      依照十二年國民基本教育課程綱要–自然科學領域草案1裏指出，科學學習的方法，應當從激發學習者對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學習者能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力，並強調跨領域學科之間的整合，以綜合理解運用自然科學。為強化上述目標，教育部於高中教育階段增列自然科學探究與實作課程必修學分，這門課不限單一科目授課、不限主題及方式，但是必須引導學生懂得自己發現問題、蒐集資料並進行分析、找出解決方案；有些教師沒有相關經驗，對開課感到焦慮。筆者學校武陵高中自然科的教師，曾以綠能科技為主題共同執行高瞻計畫，結束計畫後組成了共備社群，為期一年的社群運作討論出以『全球氣候變遷』為主題，作為108學年度開設的探究與實作課程的基礎，並將於106學年度在高一開設多元選修課程以試跑此課程，筆者在此先提供目前本校的規畫架構，並詳述其中溫室氣體影響的實作單元的操作方式，以提供老師作為一個討論的實例。 貳、開課架構      目前本校預計開設的選修課程為2學分，是由物理、化學、生物、地科等共8位教師共同開課，分別授課兩班每班各24位學生，授課主題內容大致上如下: 氣候變遷的聯想:(1)『便利貼』活動(2)影片介紹 (3)分組（訂定報告主題） 科學文章閱讀：《農業排放氣體與溫室效應的關係》與《北極植物也覺得熱了》兩篇，教師挑選及擷取適當的文章，並共備設計學習單，引導學生閱讀學習基本概念。 溫室氣體影響實驗: (1)CO2(2)H2O。 顏色與融冰關聯實驗。 分組主題報告，讓學生報告有興趣的相關主題，並共同討論。 科學文章寫作教學，小論文產出。 氣候變遷辯論賽，『川普是對的嗎?』為主題，仿青年尬科學方式進行。 叁、溫室氣體的影響之探究與實作     二氧化碳目前存在大氣的比例，以及預估未來會排放的量，對全球暖化的影響可能最大，到底全球暖化是否是個騙局?又二氧化碳的濃度與溫室效應的影響程度有何關係?以下提供了相關課程，讓學生能進一步探討這疑問。      首先實驗裝置使用了一個大型密閉樂扣箱，準備兩個寶特瓶放在兩側，在兩個寶特瓶內相對應的位置，再各裝置一個可測量溫溼度的傳感器，利用Arduino套件收集兩個密閉寶特瓶的溫濕度變化，此對照實驗組可以一邊充填溫室氣體，另一邊為正常空氣，並在兩個寶特瓶正中間裝置燈泡模擬太陽能，實驗裝置如圖一。此裝置是筆者藉由化學學科中心與高師大自造者基地合作辦理，於去年年底至今年年初一系列的研習活動所製作的，也歡迎老師們參加由化學學科中心，為探究與實作所舉辦的一系列教師增能研習，交流相關教學經驗。 圖一、定性分析的實驗裝置，設定每10秒偵測一次寶特瓶內的溫濕度變化 以下說明溫室氣體的影響之探究與實作兩節課的教學流程。 第一節課 (1)   先由教師示範實驗操作，步驟為左邊以鋼瓶充入CO2 40秒，右邊為空氣對照組，轉緊瓶蓋並將大樂扣箱加蓋後，ARDUINO主機連接電腦，觀察兩個密閉寶特瓶內讀取的溫溼度是否平衡達一致，然後開燈25分鐘後再關燈，由電腦紀錄過程的溫溼度數據變化。 (2)  再請各組討論並上網尋找相關資料15分鐘，預測左右兩組寶特瓶，開關燈後可能的溫度變化情形，並請各組先將討論結果填寫在黑板上，後再請各組說明預測的理由，並在FB群組分享找到的參考資料，過程如如圖二~四，讓學生學習小組討論、蒐集有用資料以及訓練表達能力。本過程大致上使用了POEC的教學策略2，藉由此相關活動讓學生預測、觀察、解釋、比較，溫室氣體對溫室效應的影響。 圖二、學生分組預測，填充溫室氣體與空氣的寶特瓶，哪一個開關燈後，溫度上升及下降較快? 圖三、藉由小組討論，分別上網找尋相關資料，以提供預測的相關證據。 圖四、上台解釋目前預測的依據，並上傳相關的參考資料於臉書等社群分享。 第二節課 (1)   在實驗前藉由兩個保特瓶都裝入正常空氣，開關燈後觀察，兩邊溫溼度變化是否相同，以此作為實驗器材校正的依據，並確定實驗數據的可信度，例如圖五的測試發現兩邊的溫濕度變化幾乎是一致的。 圖五、在實驗前教師須先校正實驗器材，並先作圖觀察。 (2)   為實驗數據整理的部分，將上節課ARDUINO偵測的實驗數據，整理成EXCEL的檔案給各小組，請各小組將兩寶特瓶內溫度及相對溼度隨時間變化的數據，利用EXCEL作圖分析(如圖六)，實驗後的結果大致上可以觀察到，含有較高濃度的CO2寶特瓶，在開燈後溫度的上升(橘色線)比一般空氣(黃色線)高，若實驗的結果與各小組預測的不同時，可使用學習單規劃，請其討論是否為實驗器材與操作條件的問題，用以完成POEC教學策略裡觀察、解釋與比較的部份。 圖六、讓學生分析溫濕度變化的情形，並輔導其製作圖表，以利實驗數據的分析與判讀。   目前設計了三週，每週各2節的課程，分別探討以下溫室氣體及其交互的影響: 1. 乾燥二氧化碳與乾燥空氣對照實驗組:比較CO2對溫室效應的影響。 2. 潮濕空氣與乾燥空氣對照實驗組:可藉由加入少量水，來比較H2O對溫室效應的影響。 3. 潮濕與乾燥二氧化碳對照實驗組:比較CO2混合H2O對溫室效應的交互影響。      本課程還能加入CO2濃度感測器(圖七)，讓有興趣的學生，更進一步作定量分析，也能再擴充感測器的數目及種類，讓學生組裝設計不同的實驗。其中創客技術的使用，使得實驗器材的選擇更自由，能隨所需的實驗目的而調整及擴增，並且還有便宜而易於推廣等優點。 圖七、定量分析的實驗裝置，除了溫溼度的偵測外，再增加CO2濃度的感測器。 肆、結語      […]