教學設計

科學史教學主要可分為附加式(add-on approach )教學以及整合式教學(integrated approach)，附加式教學是當非科學史的科學課程教授完畢後，再將科學史料附加、補充，

科學史史料是非必要的；整合式教學是將科學史整合進科學內容的研究中，介紹的不只 是被接受的歷史，還表現出歷史上的爭論(Matthews, 1994)。本研究之科學史教學設計，

採用整合式科學史教學，並結合互動式科學小故事(Interactive Historical Vignettes, 簡稱 IHVs)的兩個元素─「中斷故事進行」以及「二元對立」，前者製造懸疑，以提升學生學 習興趣，後者則誘導學生認真思考，產生解釋(Wandersee, 1985)。將科學史史料依照歷 史脈絡編列成教材，以投影片上課。為了課程進行的流暢，本研究所設計之科學史教學 課程，目的並不是以明示的方式改變學生科學認識觀，而是依照科學歷史脈絡，將適合 討論之議題融入，故並非將所有學生該學習之認識觀融入，而是根據歷史脈絡將恰當的 認識觀融入課程。課程主要分成四個階段：光的本質說、光電效應的發現、假說的提出 以及科學社群的看法。

第一階段 光的本質說。

此階段目的為帶領學生快速回憶科學家描述光現象的兩派說法─微粒說和波動說，

教師分別介紹兩派各自能解釋的部分以及不能解釋的部分，接著請學生閱讀學習單上文 章，學習單上閱讀資料是三則關於光本質的著名實驗，分別是楊氏(T. Young, 1773-1829) 的雙狹縫干涉實驗、帕松亮點(Poisson spot, 圓盤繞射)、傅柯(J. B. L. Foucault, 1819-1868) 測定水中光速，文章參考自郭奕玲與沈慧君(1996)所著之物理通史，學習單內容見附錄 三，此三個實驗均支持光是波動的理論。學生從教師上課的內容和學習單的閱讀資料回 答自己的想法。將從課程中了解同一現象會有不同理論作出解釋，理論間會互相競爭，

並討論影響理論被接受條件。本階段提問問題：

1. 「波動說以及微粒說，哪派學說(理論)對你來說比較有說服力？為什麼？」

本題目的讓學生依據上課資訊或閱讀資料，提出說明哪個理論較有說服力，由於學 生上個章節所學習的即為光的波動性質，故本題預期學生將多數回答波動說較有說 服力，並指出閱讀資料的實驗即為有說服力的理由。

2. 「依你的看法，接受一個學說(理論)需要什麼條件？哪個條件最重要？」

本題目的在觀察學生接受理論的一般性理由，由於一般教師對實徵性的重視，本題 預期多數學生會回答實驗證據最重要。

第二階段 光電效應的發現

此階段介紹各科學家在赫茲(H. Hertz, 1857-1894)發現光電效應之後，科學家是如何 設計實驗，並且一步步了解光電效應性質的。課程從描述當時科學界普遍認為光本質是 電磁波，再進入赫茲發現紫外線對放電現象有所影響，接著介紹兩位科學家霍爾瓦克斯 (W. Hallwachs, 1859-1922)和斯托列托夫(A. Stoletov, 1839-1896)的試探性實驗，發現金屬 照射紫外線後，導致帶負電粒子從金屬表面中離開，經由湯姆生(J. J. Thomson, 1856-1940) 設計實驗證實此負電粒子為電子，最後由雷納(P. Lenard, 1862-1947)統整了光電效應的性 質，課程最後介紹光電效應和波動說相互牴觸的論點，預期讓學生瞭解科學家如何發揮 創造力探索未知的現象，以及實驗的另一種功能─產生問題。本階段課程設計目標是帶 領學生從發現光電效應現象開始，講解當時科學家使用了哪些方法探索、歸納光電效應 的特性，故教學策略採用講述法，並在介紹每位科學家工作後進行簡單提問，請學生課 堂上思考並回答，例如介紹完霍爾瓦克斯和斯托列托夫的實驗後，請學生思考這兩者的 實驗結果擁有什麼含意；介紹完雷納的實驗後，請學生思考雷納做出來的實驗圖表有什 麼樣的特性。本階段學習單提問問題是：

「如果你是科學家，當理論和實驗結果衝突時，你會怎麼做？」

本題欲探討學生當理論和實驗結果衝突時，會傾向於懷疑理論或懷疑實驗，還是保持中 立，並要求學生寫出其作法和理由。

第三階段 假說的提出及驗證

此階段介紹雷納及愛因斯坦對光電效應所提出之假說，及密立坎對光電效應所做的 實驗以及假說的驗證。教學採講述式教學法，先回顧上一階段波動說和光電效應的矛盾，

接著告訴學生有兩位科學家提出解釋，此時不讓學生知道是哪兩位科學家，僅描述假說 內容以及被當時學界反駁的理由，接著告訴學生一位是獲得諾貝爾物理獎的科學家─雷 納，另一位是專利局職員─愛因斯坦(A. Einstein, 1879-1955)，讓學生猜猜這兩位科學家 可能是誰，並思考哪一個假說較有說服力，接著介紹愛因斯坦光量子假說的內容，再介 紹密立坎(R. A. Millikan, 1868-1953)對愛因斯坦光電方程式的實驗驗證。學生在此階段看 見假說的提出並不一定需要實驗、實驗驗證對假說的重要性以及科學假說的可測試性。

本階段提問問題是：

「假說一(觸發假說)和假說二(光量子假說)，哪個對你來說較具說服力？為什麼？」

本題目標同第一階段第一題提問，將分析學生接受假說理論的理由，本題由於愛因斯坦 的名聲，預期多數學生選擇光量子假說。

第四階段 科學社群的看法

本階段主要介紹密立坎對光量子假說的看法，密立坎在發表驗證光電效應方程式的 實驗時曾質疑光量子假說的正確性，且當愛因斯坦因光量子假說獲諾貝爾獎後，密立坎 獲諾貝爾獎時發表演說表示，對光量子假說持保留態度。課程主要介紹這段史料，並請 學生思考科學家的客觀性。學生在此階段看見科學家對實驗結果的詮釋仍受到他先入為 主的觀點所影響，也同時瞭解理論與定律的區別。本階段提問問題：

1. 「科學家從什麼角度理解光？」

本題目標為讓學生回想科學家以波動和微粒兩種類比，描述光這個現象。預期學生 能回答出波動和微粒這兩個答案。

2. 「科學家對光電效應的研究發展歷程中，實驗、假說、和學說(理論)之間有何關係？」

本題目標讓學生回想整個光電效應課程，所有的實驗、假說、學說間的關係。由於 課程呈現的方式，預期學生回答「由實驗產生假說，假說經驗證後成為理論」。 3. 「課堂中老師教到密立坎因堅信波動理論，雖驗證了光電方程式，仍不認同光量子

假說，為什麼？科學家在從事科學研究時都是客觀的嗎？」

本題目標為讓學生思考科學家的主觀性，並從密立坎的話中判斷出為什麼他不認同

微粒說 V. S. 

波動說  第一階段

科學知識的暫時性  科學知識的經驗性  科學主張的可測試性

赫茲到雷納─

關於光電效應 的發現  第二階段

觀察的理論蘊含  科學知識為創造力產物 

科學知識的經驗性 

觸發假說 V. S.

光量子假說  第三階段

理論發展的不同進路  地位對科學知識的影響 

科學社群的接 受 

密立坎對光 量子假說的

看法  第四階段

觀察的理論蘊含  科學知識的經驗性  科學主張的可測試性 

理論和定律的差別 

階段  教學策略  教學內容  科學本質 

圖3- 2 科學史課程教學流程

二、科學概念教學

科學概念的教學內容為研究者和合作教師共同討論，目標為傳授光電效應的現象和 光量子假說的內容，主要可分為：(1)金屬表面因受光照射而釋放電子的現象，稱為光電 效應；(2)學習新名詞的涵意─「照射光強度」、「照射光頻率」、「光電子」、「光電流」、「截 止電壓」、「功函數(束縛能)」、「截止電壓」、「光電子動能」、「低限頻率」；(3)光電效應 現象的產生與否和照射光強度無關，和照射光頻率有關；(4)照射光強度越強，則產生之 光電流越大；(5)學習光量子假說內涵─將光視為是一個個光量子組成，稱為光子，每一 個光子的能量大小正比於光頻率大小；(6)當照射光於金屬表面後，光子將能量完整傳遞 給電子，當電子獲得之能量大於金屬功函數時，電子將離開金屬；(7)認識光電效應實驗 之光電流電壓對電流圖，以及照射光頻率對光電流電壓圖。教師將使用板書配合講述法 教導上述光電效應單元內容，講解完畢後，即開始練習光電效應單元例題，不另補充與 討論科學史料。

三、對照組之傳統式教學

傳統式教學內容為合作教師自行編排，課程目標同科學概念教學目標，讓學生理解光電 效應單元之概念：(1)金屬表面因受光照射而釋放電子的現象，稱為光電效應；(2)學習 新名詞的涵意─「照射光強度」、「照射光頻率」、「光電子」、「光電流」、「截止電壓」、「功 函數(束縛能)」、「截止電壓」、「光電子動能」、「低限頻率」；(3)光電效應現象的產生與 否和照射光強度無關，和照射光頻率有關；(4)照射光強度越強，則產生之光電流越大；

(5)學習光量子假說內涵─將光視為是一個個光量子組成，稱為光子，每一個光子的能量 大小正比於光頻率大小；(6)當照射光於金屬表面後，光子將能量完整傳遞給電子，當電 子獲得之能量大於金屬功函數時，電子將離開金屬；(7)認識光電效應實驗之光電流電壓 對電流圖，以及照射光頻率對光電流電壓圖。教師依據教科書、講義上課，僅提供教科 書上的科學史料，不另補充，傳統組的學生學習本單元以題目的練習最多。教科書和講 義上關於光電效應的科學史料有：(1)赫茲發現光電效應現象；(2)古典波動理論無法解 釋光電效應；(3)雷納統整的光電效應特性；(4)愛因斯坦提出光量子假說解釋光電效應，

獲得諾貝爾物理獎；(5)密立坎的驗證。