素養導向課程設計與實踐
—以酵素科學探究與實作課程為例
張珮珊 博士候選人
李昇翰 博士
溫媺純
*副教授
國立彰化師範大學科學教育研究所 國立臺灣大學公共衛生學院環境衛生研究所 國立彰化師範大學科學教育研究所壹、前言
十二年國教以「核心素養」做為課程發展主軸，素養導向的課程即是將知識、能力 和態度整合運用於情境化的學習歷程，重視真實情境中的實作表現，是以素養導向之課 程設計與實施應需掌握：一、整合知識、能力與態度；二、重視情境與脈絡的學習；三、 關注學習的歷程、方法及策略；四、強調實踐力行的表現等四大原則（洪詠善，2018）。 自然領綱（草案）呼應總綱而強調科學學習方法應貫徹科學探究與實作而增列「自然科 學探究與實作」之必修課程，學習重點包括發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達 與分享等探究內容，及相應之實作活動（國家教育研究院，2016）。然而課程中如何兼 顧各種實作活動？各種實作比重為何？國際評量結果分析或許能作為課程規劃的參考。 我國學生於 PISA 2015 的表現亮眼，「科學素養」平均高居第四名，然學生的「評 量及設計科學探究」表現則相對較弱，分析學生問卷後發現，有五成以上的中學生表示 從來沒有或幾乎不曾進行「實驗設計」與「對實驗進行辯論」（佘曉清、林煥祥，2017），*本篇通訊作者：溫媺純，通訊方式：mlwen@cc.ncue.edu.tw。
顯示培養學生設計實驗，並在探究歷程中整合論證思考活動，應為「自然科學探究與實 作」課程設計所需納入的實作向度。 筆者於之前的課程研究（張珮珊、賴吉永、溫媺純，2017）即嘗試讓學生練習形成 科學問題、設計實驗，然基於學生探究實驗經驗不足及時間限制，部分難度較高的實驗， 授課教授會提供材料比例做為設計參考，加上缺乏實驗設計的分享與討論，部分學生會 直接接受參考比例；啟發式科學論證寫作的研究結果亦發現，學生的論證表現有顯著的 個別差異，推測可能是討論階段採自願發表而造成對話不等量所致。有鑑於此，筆者於 新年度試行階段，藉由強化表達與分享之探究向度，提供學生評量及設計科學探究之機 會，並規劃學生科學寫作成果發表以整合口頭與寫作論證，因有別於筆者先前研究（張 珮珊、賴吉永、溫媺純，2017）之課程規劃，此新年度試行之課程是為「酵素科學探究 與實作」課程設計 2.0。
貳、「酵素科學探究與實作」課程設計2.0
新年度試行課程以科學探究社團之方式於 106 學年度上、下學期（共計 72 小時） 實施。「酵素科學探究與實作」課程包含前導單元、兩大酵素探究單元及三場科學講座。 前導單元「愛玉凍裡乾坤」從學生生活經驗出發，藉手作愛玉凍引導學生主動探索影響 愛玉凝膠之因素及科學原理。酵素探究單元含單元一「漆氧化酶催化的最佳條件」及單 元二「漆氧化酶催化反應曲線」，詳見張珮珊、賴吉永與溫媺純（2017）之研究，不過 新年度試行課程略有調整，筆者將兩大探究單元劃分為數個實驗活動，讓同學逐一針對 各操縱變因進行實驗設計，於實驗前安排實驗設計分享，寫作後舉辦科學寫作成果發表 會，讓學生能藉由「說科學」培養批判思辨的能力。科學講座則邀請專家分享科學探究 歷程與成果，詳細課程規劃如表 1。表1 「酵素科學探究與實作」課程規劃（以上學期為例）
課 程 學習內容 說明 時 數 相見歡 社團幹部遴選與分組 探究單元與實驗任務預告 2 前 導 單 元 實驗活動 愛玉製作 引導學生進行影響愛玉凝膠之因素的討論 各組自討論的因素中挑選一個實驗變因（操縱變因）進行實 驗設計 詳細規劃實驗設計步驟（包含實驗組對照組差異） 手作愛玉並記錄愛玉凝膠結果 2表1 「酵素科學探究與實作」課程規劃（以上學期為例）（續1）
課 程 學習內容 說明 時 數 科學文獻閱讀 與賞析 愛玉結果分享 與原理介紹 閱讀愛玉科學探究文章（全國科展作品），並提供「論證架 構評析」學習單，讓學生解析科學文獻，以了解論證寫作要 點 小組討論文章提及之愛玉凝膠原理，上台分享其理解之原理 （關鍵酵素及相關化學步驟），教師再補充說明 2 愛玉實驗討論 與口頭論證 比較各組愛玉實驗結果（呈現全班結果表格） 請同學嘗試以科學原理來分組說明實驗結果之合理性（二組 為一大組，交互為發表者與評審） 2 前 導 單 元 愛 玉 凍 裡 乾 坤 愛玉實驗討論 與口頭論證 比較各組愛玉實驗結果（呈現全班結果表格） 請同學嘗試以科學原理來分組說明實驗結果之合理性（二組 為一大組，交互為發表者與評審） 實驗相關背景 介紹 實驗活動一 pH 值對酵素 催化影響之實 驗設計 實驗設計分享 會 pH 值實驗 學生嘗試上臺說明影響酵素催化活性之因子及漆氧化酶催 化原理 引導學生進行影響酵素催化因素的討論 學生聚焦單一因素：pH 值，思考研究假設，並釐清各實驗 變因（操縱、控制、應變變因）以利進行實驗設計 小組各自進行實驗設計，於執行前進行實驗設計演示與同儕 評量演練（二組為一大組，交互為發表者與評審） 小組微調實驗設計後，進行 pH 值對酵素催化影響試驗 3 pH 值實驗結 果分析 實驗問題定義 與分析 實驗活動二 溫度對酵素催 化影響之實驗 設計 實驗設計分享 會 小組內討論、判讀實驗結果，思考如何記錄實驗結果、分析 結果以撰寫小結論 提供「實驗大小事」之問題反思學習單，協助小組討論、定 義科學探究歷程中遇到的問題（如實驗設計、結果判讀等） 學生聚焦溫度因素，思考研究假設，釐清各實驗變因以進行 設計 小組於實驗前進行實驗設計演示 2 探 究 單 元 一 漆 氧 化 酶 催 化 的 最 佳 條 件 溫度實驗 溫度實驗結果 紀錄 實驗問題定義 與分析 pH 值、溫度因 素之實驗討論 與綜合討論 小組微調實驗設計後進行試驗 討論、判讀實驗結果，記錄分析並撰寫小結論 以「實驗大小事」學習單定義相關問題 呈現全班結果表格、回應「實驗討論」問題，「綜合比較」 實驗結果異同之因 3表1 「酵素科學探究與實作」課程規劃（以上學期為例）（續2）
課 程 學習內容 說明 時 數 儀器操作 微量滴管操作與 序列稀釋演練 實驗相關背景 介紹 教師說明微量滴管之設計原理與操作守則 微量滴管操作與序列稀釋演練 學生說明酵素、受質濃度如何影響酵素催化反應 2 實驗活動三 酵素、受質濃度 對酵素催化影響 之實驗設計 實驗設計分享 會 聚焦酵素與受質濃度因素，思考研究假設，釐清各實驗變因 以設計實驗 小組於實驗前進行實驗設計演示 教師再強化酵素、受質最終濃度之計算 2 酵素、受質濃 度實驗 酵素、受質濃 度實驗結果記 錄 實驗問題定義 與分析 小組微調實驗設計後進行試驗 討論、判讀實驗結果，記錄分析並撰寫小結論 以「實驗大小事」學習單定義相關問題 2 酵素、受質濃 度實驗之實驗 討論與綜合討 論 呈現全班結果表格、回應「實驗討論」問題，「綜合比較」 實驗結果異同之因 科學小論文 教師說明如何撰寫「啟發式科學寫作」，請同學嘗試將三個 探究實驗活動加以整合以撰寫一篇科學論證寫作 2 科學寫作成果 發表會 學生以組為單位進行其科學探究與寫作之發表（發表會前將 學生啟發式科學寫作之作品掃描以利投影），邀請三位評審 予以專業回饋 學生整合評審及同學建議再編修其論證寫作 6 科學講座 探究新視界 學者分享學習生涯與海外研究工作經驗 2 探 究 單 元 二 儀器操作 LabQuest 2 比色計、溶氧度 計 專業講師指導學生操作微型電腦 LabQuest 2、比色計、溶氧 度計以利探究單元二之進行 2參、參與人員
一、教師
教師專業社群是推動課程改革的關鍵，筆者於學校組織「探究與實作」課程發展社 群，成員包含國、高中自然領域教師共八人、國文教師一人，平均教學年資八年以上， 此外，邀請一位專職科學實驗之校外教師參與本課程。筆者與社群教師協同教學，於課 前討論課程內容與引導方式，課程中引導探究實作、討論並給予回饋，於課程後討論及 評量學生學習表現。二、學生
筆者邀請對科學探究有興趣之高一學生 17 人共同組成科學研究社。學生年齡約 15 歲，2～3 人一組進行探究與實作活動。學生在教師引導下，進行閱讀、設計與執行探究 實驗、實驗討論、科學寫作、口頭論證等科學實作。肆、課程工具、資料收集與分析
一、課程教材
本課程學習教材為「酵素概念暨科學論證寫作簿」及科學講座學習單，「酵素概念 暨科學論證寫作簿」包含「探究活動單」與「啟發式科學寫作元件」（張珮珊、賴吉永、 溫媺純，2017），於上學期課程結束後，回收學生的科學講座學習單及「酵素概念暨科 學論證寫作簿」共 17 份，以了解學生的學習表現。二、課程回饋單
本課程為了解學生對於課程設計的感受，以李克特氏四點量表設計包含「探究實驗 教材（講義）」、「課程設計」、「探究實驗活動」、「探究實驗學習成果」、「啟發式科學寫 作」及「口頭論證發表」等六大向度的課程回饋單，選項為非常同意（4 分）、同意（3 分）、不同意（2 分）與非常不同意（1 分）。課程結束後以此回饋單收集學生意見，藉 單一樣本 t 檢定分析學生持正向回饋之顯著性（檢定值 2.5）。伍、教學實踐與成果
一、前導單元：愛玉凍裡乾坤
（一）教學實施現況
實驗活動 愛玉製作圖1-1 實驗前凝膠變因的討論
圖1-2 手搓愛玉
科學文獻閱讀與賞析圖1-3 學生閱讀、解析科學文獻
圖1-4 「論證架構評析」學習單
愛玉結果分享、原理介紹、實驗討論與口頭論證圖1-5 學生嘗試說明愛玉凝膠原理
圖1-6 學生討論實驗結果之合理性
（二）學生成果
學生親自手搓之愛玉為主要成果，學生搭配百香果、檸檬等在課程中享用，並於探 究活動單元講義中記錄相關結果，是為另一學習成果（如圖 1-7）。圖1-7 學生撰寫「酵素概念暨科學論證寫作簿」之探究活動單
（A）實驗設計、（B）實驗結果記錄與描繪體驗感受
（三）課室觀察
以生活化題材作為前導單元是不錯的起始點，學生對愛玉凝膠變因的討論踴躍，但 由於學生是第一次自己選擇變因來試驗，多數組別對實驗變因的概念不甚清楚，準備材 料與設計時，尚有許多因素待考量，故學生於實驗設計階段花費較多時間，而實驗結果 紀錄則多以直觀方式（口感）描述；學生閱讀文章速度稍慢，論證解析學習單主要於課 餘時間完成，學生先備知識有限（如酯化反應），故果膠酯酶、愛玉凝膠原理於閱讀完 仍需要較長時間討論；分組發表階段，學生多能自主討論後嘗試以科學原理來解釋其研 究結果的合理性，口頭論證歷程熱絡；在比較、討論全班結果後，學生發現許多問題尚 無定論而理解愛玉實驗（非純酵素、受質）於結果解讀之限制。二、探究單元一：漆氧化酶催化的最佳條件
（一）教學實施現況
實驗活動一、二 實驗背景介紹與實驗設計圖2-1 學生說明漆氧化酶催化原理
圖2-2 學生研究器材、進行實驗設計
實驗設計分享會與 pH 值實驗圖 2-3 學生進行實驗設計演示
圖 2-4 學生進行溫度影響試驗
實驗結果分析、實驗問題定義與分析圖2-5 學生進行實驗結果記錄與分析 圖2-6 學生以回饋單定義實驗遭遇問題
pH 值、溫度實驗之實驗討論與綜合討論
圖2-7 學生嘗試提出模型來回應問題
圖2-8 學生撰寫探究單之實驗討論
儀器操作 微量滴管操作與序列稀釋圖2-9 學生練習微量滴管操作
圖2-10 教師引導學生濃度計算
實驗活動三 實驗背景介紹與實驗設計圖2-11 學生說明濃度對酵素反應影響
圖2-12 學生進行實驗設計
圖2-13 學生進行實驗設計演示
圖2-14 學生進行濃度影響試驗
實驗結果分析、記錄、實驗問題定義、實驗討論與綜合討論
圖2-15 教師引導實驗結果判讀與分析 圖2-16 學生以回饋單定義遭遇問題
科學寫作成果發表會
圖2-19 學生科學探究與寫作之發表
圖2-20 教師針對發表內容提出問題
（二）學生成果
探究單元一之成果為學生於「酵素概念暨科學論證寫作簿」之探究活動單的相關紀 錄（圖 2-6、2-8、2-12、2-16、2-17、2-18 等），而科學寫作成果發表會表現及啟發式科 學論證寫作也是主要學習成果（如圖 2-21）。圖2-21 學生撰寫的啟發式科學寫作（1）
（A）問題與實驗設計、（B）實驗結果與紀錄
圖2-21 學生撰寫的啟發式科學寫作（2）
（C）主張與證據、（D）比較與反思
（三）課室觀察
本課程嘗試讓學生介紹實驗科學原理，然因涉及化合物結構，因此多數學生對同學 的介紹感到困惑。酸鹼值的實驗設計階段，部分組別對實驗變因仍有疑惑；分享實驗設 計時，學生第一次進行此活動，報告者無法掌握設計重點來說明，同儕亦為實驗新手， 能給予的建議不多，然經數次演練後，上述情況有顯著改善，針對討論的歧異點，學生 會主動探詢他人設計理由來調整己身的實驗；實驗執行階段，學生初始有較多操作問題 （滴管倒置、針筒刻度誤判等），在溫度實驗亦有改善，當然每個新試驗都有新挑戰， 例如濃度計算，即使教師已安排試算演練，多數學生仍無法真正理解。實驗記錄部分最 大問題是結果的判讀，教師需引導學生檢視結果照片、錄影紀錄，來思考結果判讀與觀 察記錄之重點。科學寫作也是一大挑戰，由於課程延宕，因此鼓勵學生運用假日時間嘗 試撰寫第一份科學論文；寫作發表時，學生面對評審與同學的提問雖會緊張，但仍嘗試 回應問題；而部分同學於論證歷程有情緒反應，教師介入並指出高品質之科學論證尚蘊 含傾聽與理解之特色說明，並肯定發言者對己身想法的表達後，同學較能平和的聚焦於 議題。三、科學講座：探究新視界
圖3-1 學者介紹其研究
圖3-2 學生與科學家的對話
圖3-3 科學講座之課程反思（1）
四、探究單元二：漆氧化酶催化反應曲線
儀器操作 LabQuest 2、比色計、溶氧度計圖4-1 講師說明溶氧度計之操作與校正
圖4-2 學生進行儀器操作演練
五、學生對「酵素科學探究與實作」課程的感受
將 17 位學生的回饋單進行單一樣本 t 檢定分析，結果如表 2，以「探究實驗學習成 果」向度平均分數最高，「啟發式科學寫作」、「口頭論證發表」平均分數略低一些，不 過學生對課程各向度所持有之正向回饋均達一定顯著性。表2 「自然科學探究與實作」課程回饋分析
單一樣本 t 檢定 課程設計向度 M (SD) t p 探究實驗教材 3.41(0.31) 12.005 <.001 課程設計 3.49(0.35) 11.495 <.001 探究實驗活動 3.49(0.40) 10.258 <.001 探究實驗學習成果 3.60(0.40) 11.393 <.001 啟發式科學寫作 3.27(0.58) 5.443 <.001 口頭論證發表 3.30(0.56) 5.858 <.001陸、教學反思與教學建議
協助學生自科學探究與實作中培養科學素養是重要教育目標（教育部，2016），然 而對學生而言，藉各種實作來學習科學並不是慣用的方式，教師放慢上課節奏、提供適 當學習鷹架是實施此類課程的必要條件。 在每次課程中，學生總需要一定時間來處理新問題，筆者與協同教師除臨場予以引 導外，於課後都要反思課程中所觀察的現象以調整課程，例如在前導課程中，學生對實 驗變因理解含糊，探究單元一則以三次實驗活動逐一探討影響因素以協助學生釐清變因；為強化操作儀器的準確性，則規劃儀器操作演練課程，讓學生聚焦於探究歷程，亦 避免學生將不如預期之結果僅歸因於操作不當，而忽略探究結果所呈現的真實意涵。 對話與協商是科學探究的另一大特色，為讓多數學生都有「說科學」的機會，本課 程多以兩小組為一大組進行相互發表與批判，起始階段建議教師能請發表、討論完整的 組別做示範，或引導如何探詢問題來協助同學澄清實驗設計的目的；多次發表中，教師 可視需求重編大組，讓學生均有機會面對不同組同學以增加對話的多元性。科學寫作需 要投入相當心力，學生負荷較大，筆者為鼓勵學生嘗試創作論文，以「科學寫作成果發 表會」作為驅使學生進行科學寫作的誘因，於學生編修後予以回饋，或以論證評分表評 量（張珮珊、賴吉永、溫媺純，2017），並將作品發表於「科學實作專欄」，以激勵更多 學生投入科學寫作，進而理解寫作在知識轉化與科學社群溝通的重要性。
