第三章 研究方法
第四節 教材與教學設計
本研究以翰林版高中選修物理(上)的第一章熱學與第五章物理光學做為實 驗教學的範圍。「一般教學組」採用翰林版高中選修物理(上)教科書做為科學概 念教學的教材，此外，採用吳永和老師所編輯的講義做為課堂上例題講解與課後 練習用的教材。「科學史教學組」除使用上述兩份教材外，在相關科學概念教學 結束後，使用研究者自行編寫的「科學史教材」進行科學史教學。
由於本學年度高三期末考時間較往年提早一、兩週，為了控制教學進度，減 少板書的書寫時間，「一般教學組」與「科學史教學組」上課所使用的教材內容 均製做為 PPT 檔案，以單槍將教材內容投影在螢幕上，輔以教師的解說、師生 間的互動與問答，藉由上述的方式進行課室教學。
一、科學史教材編寫
科學史融入教學內容的教材設計有「附加式」與「整合式」兩種不同的方式 (Matthews,1994)，其中，「附加式」(add-on approach)是以教科書為主體，先進行 教科書概念的教學，再另闢單元以補充教材的方式介紹科學史的內容。邱奕華 (2011)指出恰當的科學史教學順序對於學生的學習能產生正向的助益，並建議先 進行相關科學概念的教學後，再進行科學史的教學。因此，本研究在科學史教材 設計上採用附加式的方式，與教科書獨立分開，並將科學史教學活動安排在相關 的科學概念教學完成之後。
高中選修物理上冊共有六章的內容，分別為：第一章 熱學、第二章 波動、
第三章 聲波、第四章 幾何光學、第五章 物理光學、第六章 靜電學。在人力、
時間有限的前提以及並非每個章節均可挑選出合適的科學史用以融入教學的兩 個考量條件下，應挑選那些章節進行科學史融入教學與編寫科學史教材，成為首 要的問題。
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張宗婷(2007)建議進行科學本質教學教材的編寫時，挑選科學史小故事的選 擇準則為：
(一) 選定能彰顯在科學史中科學概念發展過程的內容，讓學生瞭解科學家研 究的過程、遭遇的困難與科學家間想法的差異性。
(二) 內容需含有現今教科書所學內容未呈現的面向，讓學生認識科學概念改 變的歷程、科學理論或模式的改革。
(三) 展現科學知識的特性，例如：假設性、暫時性、侷限性。
(四) 科學研究需仰賴科學社群的合作、努力及評價。在理論發展過程中，不 同的科學家或研究團隊亦會遭遇想法分歧的情形。
此外，林陳涌、鄭榮輝與張永達(2009)在科學史融入高三生物教學的研究 裡，也對於高中科學史教材的編輯，提出寶貴建議：
(一) 在科學概念理解上，呈現科學知識的多元並強調科學知識的暫時性。
(二) 在科學過程理解上，呈現科學實驗裡科學家思考、探究、推論及做結論 的過程。
(三) 在科學情境理解上，呈現影響科學發展的外在因素，如心理、社會、文 化...等因素。
基於上述原則，研究者在選擇熱學與物理光學做為研究教學單元，原因在於：
在科學知識的發展過程中，從前的科學家們對於熱的本質與光的本質都曾經具有 不同的觀點、看法；持有不同科學觀點的科學社群甚至因此而相互辯論與衝突。
在以往教科書內容中鮮少提及到這些部分，然而，透過這些科學史小故事能讓學 生對於科學的本質有更深刻的認識，因此，研究者在本次研究中，將熱學與物理 光學做為研究教學的單元，並搜尋合適的科學史小故事，做為科學史融入教學的 教材。表 3-6 為本研究所設計的科學史教材中採用的科學史素材相關簡介，及研 究者選擇做為教材內容的原因：
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才會引發許多科學家們的注目。ICARUS 實驗研究團隊透過微 中子數的能量光譜並沒有如預期的減少，而認定 OPERA 實驗
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發展過程的完整性，另一方面，也因為學生即將面對學測，而「光電效應」
與「光的波粒二象性」是許多學生反應在高一基礎物理部分比較不瞭解的 單元，在這兩個因素的考慮下，研究者在第五章物理光學原本只有三個單 元的內容中，額外增加了 5-4 光電效應與 5-5 光的波粒二象性兩個單元。
在第二階段科學史課程的設計上，除安排科學史料閱讀與科學本質問題思考 之外，根據學生在學習感受問卷的建議，對於光粒子說與光波動說兩個不同科學 理論間的爭論，透過分組討論與合作的方式，進行「光的本質探索活動」單元，
並且調整課程內容完整地呈現光本質相關科學知識的發展過程，本研究設計的科 學史教材所引用的科學史資料乃依據：
1. 吳國盛(2010)。科學的歷程。台北市：科技圖書。
2. 張光熙、宋佳麗(2002)。科學的故事。台中市：好讀。
3. 山田大隆(2004)。從故事看科學（王蘊潔譯）。新北市：世潮。
4. 姚珩、張嘉泓、施華強、李重賢、鍾彩霞、陳東閔(2012)。選修物理上冊。
台南市：翰林
上述書籍均可做為一般社會大眾輕鬆閱讀的科普讀物，在科學史小故事內容 的呈現上，也對於當時的社會背景、科學知識與科學家在研究過程中的心境，提 供足夠的資訊。此外，研究者選用的教科書，相較於其他版本，提供的科學史故 事，除了數量較多、內容較豐富外，多半是從前的教科書中未呈現的科學史故事。
基於上述原因，研究者從這些書籍資料中，選擇較容易引發學生興趣的故事，並 依據故事的內容所蘊含的科學本質，設計適合學生討論的科學本質問題，做為科 學史教學活動的教材。
二、教學設計
在考量熱學與物理光學的課程性質與教學時間壓力等因素，本研究選擇採用 兩種不同科學史融入教學的模式，進行兩階段科學史實驗教學。
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在第一階段熱學的部分，主要是在相關科學概念教學過後，提供學生科學史 教材，透過教師帶著學生一起閱讀科學史素材，對於科學本質問題進行討論、思 考，並記錄下個人的想法，將科學史以附加式的方式，融入原有的教學課程中，
期待學生能透過這樣的科學本質教學模式，能夠在科學本質的觀點方面有所改變。
在第一階段熱學的課程教學時間規劃上，「科學史教學組」及「一般教學組」均 規劃三週、12 堂課的教學時間，在「科學史教學組」部分共進行 4 次的科學史 融入教學，每次約佔 10 分鐘左右的教學時間；在例題的演練部分「一般教學組」
會比「科學史教學組」給予學生多一些思考的時間，如此方能控制兩個班級的教 學進度維持一致，圖 3-3 為第一階段教學流程示意圖，如下方所示。
圖 3-3 第一階段教學流程示意圖 1-1 熱容量與比熱
1-2 物質三態與潛熱
1-3 熱功當量實驗
1-4 熱膨脹
1-5 壓力與大氣壓力
1-6 理想氣體方程式
1-7 氣體動力論
科學史教材 01
科學史教材 02
科學史教材 03 (1/2)
科學史教材 04
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在第二階段物理光學的部分，教學時間與第一階段相同，也是大約三週、12 堂課的教學時間。第二階段物理光學的教學規劃，首先在前一個教學單元 4-5 薄 透鏡成像結束後，於「科學史教學組」進行科學史教材 05「伽利略的望遠鏡」
的相關教學活動，利用 10~15 分鐘的時間，教師帶著學生一同進行科學史素材的 閱讀、要求學生對於科學本質的問題進行思考，並將個人的想法記錄在學習單。
光的本質到底是什麼？17、18 世紀與牛頓、海更士同時期的科學家們會依 據哪些科學證據、會依據哪些不科學的因素來判斷光究竟是粒子抑或是波動？為 了讓學生對於這些科學知識產生的過程能夠擁有更深刻的體會，在 5-1 光波動說 的發展單元中，研究者先在課堂中進行部分光本質概念的教學，讓「科學史教學 組」的學生對於光波動說與光粒子說的內容有基本概念之後，再開始進行科學史 教材 06 的教學活動，以下為科學史教材 06 教學實施流程示意圖，如圖 3-4 所示：
科學史教學組學生
光粒子說 光波動說
17、18 世紀所能觀察到的光學現象，包含 反射、折射、部分反射部分折射、色散、光線直進
分 組
提出解釋
討論兩種光本質理論對於上述光學現象所做解釋的合理性
猜測 17、18 世紀的科學家會選擇相信哪一種光的本質說 並討論科學家們判斷科學理論正確性的根據為何？
圖 3-4 科學史教材 06 教學活動流程示意圖
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在科學史教材 06「光的本質探索活動」結束後，研究者接續著進行 5-1 單元 的課程內容教學，使「科學史教學組」學生能夠將討論的結果與教科書內容對照、
比較。「一般教學組」在 5-1 單元的教學中，依照教科書所安排的內容，逐一介 紹「光波動說」及「光粒子說」對於各種光學現象所做的解釋。
接下來的兩個單元 5-2 光的干涉與 5-3 光的單狹縫繞射，由於這兩個單元需 要帶領學生對於干涉、繞射圖樣進行相關公式推導，原本就屬於需要比較複雜的 計算，因而僅在「科學史教學組」上課所用的教材中，增加部分科學史小故事，
例如：楊格在進行雙狹縫干涉實驗前，對於牛頓所提出的質疑：「儘管我仰慕牛頓 的大名，但我並不因此非得認為他是萬無一失的。我很遺憾地看到他也會弄錯。而他的權威也許 有時甚至阻礙了科學的進步。」...等，希望藉此能讓學生對於科學家的個性以及科學 發展的歷程有更加深刻的體會。
此外，在第二階段物理光學教學內容安排的部分，兩組學生均增加 5-4 光電 效應以及 5-5 光的波粒二象性兩個單元，額外加入這兩個單元的原因有二：一是 為了讓學生能夠完整地認識光的本質觀知識的發展過程；另外，由於學生即將面
此外，在第二階段物理光學教學內容安排的部分，兩組學生均增加 5-4 光電 效應以及 5-5 光的波粒二象性兩個單元，額外加入這兩個單元的原因有二：一是 為了讓學生能夠完整地認識光的本質觀知識的發展過程；另外，由於學生即將面