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第三章 研究方法

第三節 科展培訓教學模組設計

本研究設計一學期 16 節課的科展培訓模組以文獻評析結果為基礎,科展培訓 教學模組並涵蓋美國奧勒岡州教育部門提出科學探究四個面向、三層次評分指標 形成的十二個科學探究能力分項,如表 3-3-1 所呈現。模組實施採用協同教學,由 研究者與另兩位同校自然科老師進行教學,三位老師分別屬於物理、化學、生物 專業背景教師,學期初教師們共同討論出教學架構,並在上課前一周確認細節。

模組以明示教學為主要理念之一,每次學生活動結束之後,教師必定會引導學生 討論該節課學習到的概念或經驗所在,鼓勵學生說出自己的想法,再由老師歸納 學生意見並下結語。茲將各課程簡述如下:

一、發散思考與概念圖

教師先示範概念圖與腦力激盪法的簡介,利用生活化的的「水」為主題,讓 學生進行小組討論,並從中整理可以成為科展題目的概念並進行小組發表。學生 可從活動中練習從科學概念形成合適的研究問題。

二、變形磚

教師示範「玉米粉水」受到壓力時會凝固的現象,學生必頇自行設計實驗步 驟找尋不施壓時具有流動性,施壓則會凝固的最佳比例。從此活動讓學生練習設 計針對研究問題且有效率的實驗步驟。

三、如何想出好題目

教師丟出數個歷屆科展研究題目,讓學生去討論哪些是好的科學問題,如果他們 是研究者,可以從這個研究主題中想到那些問題的發展。從討論中引導學生一個 好的研究問題是可以藉由數據的蒐集與分析來回答或是驗證假說。

四、生物科展介紹

介紹歷屆生物科展得獎作品以及參與該遵守的規則,並引導學生發現生物科 展作品常見的特徵。

五、實驗設計

參考余尚芸(2003)研究使用的教學設計。利用科學發展上的典範實驗,例如凡 赫芒的光合作用實驗以及植物開花「光週期」的實驗,丟出科學家提出的假設,

要求學生針對這些假設設計出合適的實驗步驟並進行發表,發表內容必頇包含變 因的分析以及實驗步驟。由同儕與教師評析這些實驗內容是否符合研究問題,以

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及設計的實驗步驟是否有受到其他變因干擾的可能性。

六、數據分析

課程參考 Newsome(2002)、Windschitl 等(2008)的教學設計,以單擺實驗為主 題(詳細教學教案見附錄一 數據分析活動教案與學習單),教師先讓學生預期擺長、

擺錘重量、擺角對單擺週期之影響,接著讓學生分組操作 PhET 軟體中單擺模擬 實驗(如圖 3-3-1),數位模擬實驗可以扣除真實實驗中所含的環境誤差與測量工具 造成的誤差,不考慮摩擦力與空氣阻力等因素,操作該軟體可能存在的只有學生 肉眼觀察利用軟體中碼表功能計時造成的人為誤差,但學生可以藉由「慢動作播 放」這個功能減少人為誤差的影響,完成數位模擬實驗後由教師帶著學生討論如 何詮釋實驗數據,並探討模擬實驗仍可能存在的誤差。下一節課則讓學生進行實 際的單擺實驗,由於實際實驗會受到更多的誤差影響因素而干涉實驗結果,因此 各組的實驗數據明顯比數位模擬實驗差距要大。教師藉由公布實驗理論值,讓學 生比較自己的實驗值與理論值間的差異,來進一步引導學生說出本實驗可能存在 的產生誤差之因素及各組實驗數據不一的原因。例如:學生能夠說出產生誤差之 因素有:「因為前一、兩次對實驗操作不熟悉」、「固定繩子打結時影響繩長」、「實 驗室有空氣流動造成的風」等,之後再引導學生歸納出誤差來源可以分為系統誤 差(包含環境誤差、測量工具誤差、人為誤差等)以及隨機誤差兩大類及其意義。

圖 3-3-1:PhET 單擺模擬實驗軟體截圖

27 七、實驗除錯練習

以上學期學生以組裝過的「千人震」為主題,教師給予每組學生部分已損壞 的零件,要求學生找出壞掉的零件有哪些,並進行修復。藉由活動讓學生練習以 具邏輯性的方式,找出實驗裝置有問題的地方。

八、科展範例分析

給予學生兩篇科展作品局部內容,此兩篇科展的研究主題都是在探討溶液酸 鹼值與導電性的關係,然而兩組實驗的數據得到的推論會有所不同。學生藉由別 人實驗的數據表格,練習如何詮釋研究結果,並藉由兩篇科展內容的比對,由教 師進行引導讓學生探討為何兩組實驗步驟相似,但研究的結果與討論卻有相異之 處。同時讓學生了解實驗設計與執行實驗過程對結果的重要性。

九、學生專題計畫發表

學生小組進行科展專題研究計畫發表,計畫內容必頇包括「研究動機」、「研 究問題」、「變因分析」、「實驗步驟」、「設計實驗裝置」等項目,並藉由教師回饋 與同儕互評,修正後繳交科展專題計畫書。

十、蠟燭燃燒實驗

此教學活動是利用暑假研究者與其他同校教師指導學生從事科展活動時進行,

教學時間為三小時。教學設計參考鄭豐順(1996)、張容君與張惠博(2007)的研究,

由教師帶領學生回憶小學自然科學課學到的氧氣佔空氣中五分之一的概念,並示 範蠟燭燃燒實驗,並讓學生觀察到蠟燭熄滅後水面並非上升到瓶子五分之一高度 的事實。要求學生針對此觀察現象提出假設,帶學生發表假設後真實進行實驗,

並檢驗實驗結果是否能驗證自己提出來的假說,最後進行結果發表並由教師引導 學生下結論。

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