趣味科學實驗融入國中理化課程
楊明獻
苗 栗 縣 立 大 湖 國 民 中 學壹、前言
自 從 九 年 一 貫 制 度 實 施 以 來 ， 我 國 的 國 民 教 育 體 制 產 生 重 大 變 革 ， 除 了 教 科 書 開 放 、 重 視 學 校 本 位 、 教 師 專 業 自 主 、 課 程 彈 性 外 ， 最 重 要 的 是 由 以 往 的 單 一 科 目 改 變 為「 領 域 教 學 」，因 此 教 師 的 教 學 方 式 都 必 須 因 應 時 代 的 進 步 而 有 所 調 整 ， 教 師 已 經 不 能 再 以 傳 統 的 教 學 方 式 教 育 新 一 代 的 學 子 ， 陳 美 玉(1997)指 出 一 個 因 應 多 元 社 會 的 專 業 教 師 ， 應 是 能 靈 活 轉 換 教 學 策 略 並 對 學 習 者 的 學 習 條 件 掌 握 得 宜 者 。 其 中 理 化 課 程 的 科 學 教 育 長 期 以 來 一 直 是 我 國 相 當 重 視 的 教 育 環 節 ， 臺 灣 學 生 參 加 世 界 級 的 科 學 競 賽 能 有 出 色 的 表 現 ， 皆 與 我 國 長 期 注 入 心 血 有 關 ， 然 而 從 近 來 的 學 測 成 績 及 教 學 狀 況 中 發 現 ， 學 生 對 理 化 科 學 習 意 願 低 落 、 學 習 成 效 不 彰 ， 有 鑑 於 此 ， 研 究 者 認 為 欲 提 昇 學 生 對 理 化 科 的 學 習 成 效 ， 必 須 使 學 習 者 能 有 興 趣 地 主 動 參 與 學 習 過 程(Coker & White， 1993)，故 以 趣 味 科 學 實 驗 的 教 學 方 式 ， 增 進 學 生 的 學 習 興 趣 及 意 願 ， 進 而 從 實 驗 當 中 闡 述 高 深 的 科 學 原 理 ， 讓 學 生 易 於 體 會 科 學 意 涵 ， 如 此 一 來 ， 學 生 便 不 會 恐 懼 學 習 理 化 課 程 ， 亦 能 提 升 學 生 創 造 思 考 的 能 力 。貳、科學實驗設計之探討
從 國 內 外 的 研 究 顯 示 ， 將 趣 味 科 學 實 驗 應 用 於 自 然 科 的 教 學 有 助 於 提 高 學 生 的 思 考 能 力 及 創 造 力(Trollinger， 1977)， 學 生 透 過 參 與 科 學 實 驗 的 過 程 能 夠 了 解 科 學 的 原 理 知 識 。 鄧 文 華(1995)則 指 出 科 學 實 驗 通 常 是 先 有 一 個 想 法 ， 並 努 力 為 這 個 想 法 找 一 個 答 案 。 陳 惠 芬(2000)則 認 為 趣 味 科 學 實 驗 便 是 一 種 寓 教 於 樂 教 學 方 式 ， 同 學 可 從 實 驗 中 體 會 科 學 原 理。郭 騰 元(2000) 則 強 調 趣 味 科 學 實 驗 的 重 點 在 於 製 作 與 「 玩 」 的 過 程 中 ， 對 學 生 所 產 生 的 思 考 行 為 。 所 以 對 不 同 年 齡 層 的 學 童 ， 應 設 計 不 同 的 科 學 實 驗 ， 最 好 材 料 取 得 容 易 、 製 作 方 法 簡 單 、 科 學 原 理 易 懂 ， 且 易 於 改 進 及 創 新 。 由 上 述 的 研 究 得 知 ， 趣 味 科 學 實 驗 具 有 特 殊 的 教 育 功 能 ， 可 以 跨 多 元 學 科 的 學 習 ， 可 以 結 合 不 同 課 程 的 需 求 ， 可 以 在 實 驗 與 玩 樂 中 鼓 勵 學 生 進 行 學 習 ， 可 以 增 加 知 識 並 強 化 思 考 智 能 ， 故 趣 味 科 學 實 驗 在 學 校 的 理 化 課 程 中 佔 有 相 當 重 要 的 地 位 ， 所 以 現 今 教 育 環 境 已 不 容 許 教 師 仍 只 有 使 用 傳 統 的 教 學 方 式 ， 趣 味 科 學 實 驗 融 入 理 化 課 程 教 學 是 可 以 讓 師 生 互 動 良 好 、 消 彌 課 程 壓 力 的 教 學 方 法 ， 故 趣 味 科 學 實 驗 的 設 計 便 顯 得 相 當 的 重 要 。 市 面 上 的 科 學 實 驗 叢 書 甚 多 ， 許 多 的 實 驗 只 是 單 純 地 教 學 生 做 出 成 品 或 觀 察 現象 ， 比 較 適 合 國 小 學 童 教 學 使 用 ； 亦 有 許 多 的 科 學 實 驗 單 純 作 為 競 賽 之 用 ， 如 ： 迴 旋 標 、 紙 飛 機 等 ， 學 生 只 知 道 如 何 贏 得 比 賽 卻 未 必 能 夠 了 解 競 賽 內 容 的 科 學 原 理 ， 甚 至 有 些 科 學 原 理 遠 超 過 國 中 的 教 學 範 圍 (如：白 努 力 原 理)；有 些 則 是未 經 過 設 計 ， 無 法 引 導 學 生 對 科 學 原 理 提 出 探 討 ， 因 此 ， 大 部 份 的 科 學 實 驗 未 必 適 合 用 於 國 中 理 化 科 的 教 學 上 ， 故 仍 須 由 教 學 現 場 的 國 中 自 然 科 教 師 設 計 一 套 適 合 國 中 教 學 的 科 學 實 驗 ， 本 研 究 則 是 採 用 Coble and Hounshell(1982)的 科 學 實 驗 設 計 流 程 進 行 設 計(圖 一 )， 以 期 能 設 計 符 合 教 學 需 求 的 實 驗 。
參、研究方法
本 研 究 的 目 的 在 於 設 計 趣 味 科 學 實 驗 並 融 入 於 理 化 課 程 的 教 學 之 中 ， 並 透 過 行 動 研 究 的 模 式 來 解 決 教 學 上 面 臨 的 問 題 ， 進 而 提 昇 學 生 的 學 習 興 趣 。 研 究 者 首 先 利 用 內 容 分 析 的 方 式 ， 了 解 理 化 課 程 中 可 進 行 那 些 科 學 實 驗 ， 而 這 些 科 學 實 驗 如 何 增 加 趣 味 化 、 競 賽 化 ， 有 別 於 一 般 的 實 驗 ， 並 融 入 現 行 的 理 化 課 程 之 中 。 挑 選 可 實 施 的 理 化 單 元 後 ， 再 進 行 實 驗 的 設 計 與 改 良 ， 並 運 用 於 二 、 三 年 級 的 課 程 教 學 之 中 ， 以 達 到 教 學 的 目 標 。 研 究 者 根 據 行 動 研 究 的「 計 畫Æ行 動Æ觀 察Æ反 省 Æ修正 」 等 五 大 步 驟 不 斷 地 循 環 ， 以 改 進 科 學 實 驗圖 一 、 趣 味 科 學 實 驗 設 計 流 程(Coble & Hounshell， 1982) 設 定 教 學 目 標 學 生 的 參 與 方 式 (分 組或 個 別 ) 決 定 進 行 方 式 (競 賽、 體 驗 、 解題) 設 定 實 驗 規 則 完 成 實 驗 設 計 試 教 並 修 正 完 成 最 後 設 計
設 計 及 教 學 方 法 ， 並 整 理 學 生 對 此 教 學 改 進 的 回 饋 資 料 及 研 究 者 的 反 省 改 進 資 料 ， 最 後 根 據 資 料 作 出 歸 納 分 析 。 研 究 對 象 選 定 筆 者 任 教 的 國 二 班 級(35 人)， 作 為 進行 教 學 實 施 的 班 級 實 驗 的 內 容 會 依 照 不 同 的 教 學 方 式 進 行 設 計 ， 以 配 合 該 單 元 的 特 性 。 本 研 究 期 間 會 進 行 學 生 晤 談 、 收 集 學 生 的 學 習 單 及 問 卷 ， 而 研 究 者 則 藉 由 所 收 集 的 資 料 ， 刺 激 研 究 者 反 省 以 進 行 下 一 步 的 教 學 動 作 ， 以 瞭 解 學 生 的 學 習 感 受 及 成 效 。 本 研 究 的 趣 味 科 學 實 驗 設 計 工 具 乃 是 根 據 Coble and Hounshell(1982)研 究 的 趣 味 科 學 實 驗 設 計 流 程 ， 並 配 合 理 化 課 程 的 單 元 進 行 編 修 ， 進 而 將 設 計 或 編 修 完 成 的 趣 味 實 驗 融 入 課 程 教 學 之 中 。 本 研 究 步 驟 流 程 如 下(圖 二)。 研 究 者 乃 是 根 據 市 面 上 的 科 學 叢 書 、 科 學 研 習 月 刊 、 輔 導 團 研 習 手 冊 等 參 考 文 獻 ， 並 配 合 課 程 單 元 之 教 學 目 標 ， 加 以 編 修 設 計 趣 味 科 學 實 驗 ， 將 它 融 入 教 學 單 元 之 中 。 研 究 者 對 趣 味 科 學 實 驗 的 設 計 與 選 定 原 則 是 依 據 單 元 的 相 關 性 進 行 融 入 ：(一 )從 原 本 教 科 書 中 的 實 驗 進 行 改 編 設 計 ，( 二 ) 從 教 科 書 中 所 提 及 的 原 理 概 念 ， 進 行 創 新 設 計 。 所 以 ， 本 研 究 所 設 計 的 趣 味 科 學 實 驗 盡 可 能 與 課 程 單 元 有 高 度 相 關 性 ， 以 免 實 驗 與 課 程 產 生 學 習 上 的 落 差 ， 並 兼 顧 趣 味 性 與 實 用 性 。 圖 二 、 本 研 究 步 驟 流 程 圖 選 定 適 合 的 教 學 單 元 學 生 訪 談 資 料 收 集 教 學 中 觀 察 問 卷 調 查 資 料 建 檔 與 分 析 結 果 與 討 論 選 定 研 究 對 象 及 情 境 學 生 回 饋 修 正 教 學 策 略 修 改 教 學 方 式 設 計 趣 味 實 驗 並 融 入 教 學 單 元
本 研 究 在 進 行 趣 味 科 學 實 驗 過 程 中 不 斷 地 收 集 及 分 析 資 料 ， 以 作 為 下 一 步 修 正 行 動 的 參 考 ， 本 研 究 所 收 集 的 資 料 包 括 ： 上 課 實 況 記 錄 、 學 生 訪 談 記 錄 、 學 生 在 實 驗 中 的 表 現 等 ， 在 收 集 資 料 的 同 時 ， 並 運 用 三 角 校 正 法 校 正 事 例 的 確 實 性(黃 瑞 琴，1997)，最 後 將 這 些 資 料 加 以 編 碼 ， 並 進 行 歸 納 分 析 及 解 釋 資 料 所 呈 現 的 意 義 ， 以 協 助 研 究 者 修 正 實 驗 。
肆 、 國 中 理 化 課 程 之 趣 味 科 學 實 驗
設計
一、密不可分
(一 ) 適 用 對 象 ： 國 中 二 年 級 學 生 (二 ) 融 入 單 元 ： 「 認 識 物 質 的 世 界 」— 物 質 的 密 度(南 一 版) (三 ) 融 入 時 間 點 ： 在 學 習 國 中 理 化 的 過 程 中 ， 學 生 首 先 遇 到 的 概 念 就 是「 密 度 」。由 於 學 生 剛 從 一 年 級 升 上 二 年 級 ， 剛 接 觸 學 科 難 度 僅 次 於 數 學 的 理 化 科 ， 難 免 心 生 恐 懼 ， 故 教 師 在 教 導 學 生 第 一 個 單 元 時 ， 必 須 先 建 立 學 生 的 自 信 心 。 如 何 將 「 密 度 」 講 述 清 楚 又 能 讓 學 生 對 學 習 有 信 心 ， 考 驗 著 教 師 的 教 學 能 力 ， 各 版 本 的 教 科 書 中 對 於 密 度 的 內 容 非 常 淺 少 ， 以 南 一 版 為 例 ， 課 本 僅 提 及 ： 單 位 體 積 內 ， 所 含 物 質 的 質 量 稱 為 密 度 ， 再 配 合 一 題 計 算 例 題 及 一 個 「 水 的 密 度 」 實 驗 ， 就 匆 匆 帶 過 該 單 元 教 學 。 通 常 教 師 都 會 針 對 密 度 的 部 份 進 行 延 伸 教 學 ， 至 於 教 學 的 深 度 則 端 看 教 師 個 人 想 法 而 定 。 本 研 究 設 計 的 趣 味 科 學 實 驗 ， 讓 學 生 從 趣 味 競 賽 實 驗 中 熟 練 「 密 度 」 的 定 義 及 計 算 ， 等 實 驗 完 成 後 ， 學 生 不 需 要 死 背 公 式 且 已 經 把 各 類 物 質 的 密 度 算 法 學 會 ， 透 過 趣 味 競 賽 設 計 的 方 式 ， 把 生 硬 的 課 程 趣 味 化 ， 學 生 就 如 同 偵 探 般 依 線 索 解 答 所 有 的 問 題 ， 也 在 無 意 中 培 養 了 學 生 探 索 科 學 的 態 度 。 (四 ) 教 學 步 驟 ： 1. 本實驗的教學目標是為了讓學生了解密 度的計算方法及密度在生活中的應用。 2. 實 驗 的 進 行 方 式 是 採 分 組 競 賽 式 的 方 式，先 將 全 班 分 為 六 組，每 組 六 人，並 選 出 一 人 為 小 組 長 。 3. 教 師 先 準 備 十 二 種 待 測 物 (包 括 液 態 及 固 態)， 例 如 ： 各 類 金 屬 塊 、 酒 精 、 沙 拉 油、石 頭、乒 乓 球、軟 木 塞 等，並 予 以 編 號(圖 三 )。 4. 每 樣編 號 物 品皆 有 一 個 提示，提 示 中包 括：密 度 公 式、測 量 的 注 意 事 項 等，使 學 生 可 依 提 示 進 行 解 題(圖 四)。 5. 教 師準 備 好 工作 後，請 各組 派 一 人 上臺 抽 籤，依 籤 號 取 走 待 測 物，並 翻 開 提 示 牌(只 能 看 一 次 )， 看 完 後 蓋 回 原 處 ， 並 回 各 組 進 行 密 度 測 量，測 量 結 果 填 於 學 習 單 上 。 6. 每 樣待 測 物 測量 時 間 限 時 5 分 鐘，時 間 一 到 就 必 須 把 待 測 物 放 回 講 臺，再 重 新 抽 籤 換 另 一 物 測 量，每 5 分 鐘 輪 一 次 ， 直 到 實 驗 結 束 ， 教 師 收 回 所 有 的 學 習 單 ， 答 對 最 多 的 組 別 為 優 勝 者 。(五 ) 學 生 反 應 ： 經 研 究 者 實 際 試 教 後 發 現 ， 大 部 份 學 生 都 能 從 實 驗 中 學 習 到 密 度 的 定 義 及 推 算 方 法 ， 但 有 少 部 份 程 度 較 差 的 學 生 在 小 組 競 賽 中 無 法 配 合 小 組 的 步 調 ， 無 法 在 競 賽 中 做 出 有 效 的 貢 獻 ， 故 學 習 效 果 較 差 ， 若 要 每 位 學 生 都 能 夠 有 效 學 習 ， 建 議 以 個 人 競 賽 取 代 小 組 競 賽 ， 缺 點 則 是 實 驗 時 間 恐 怕 會 過 長 ， 且 教 學 效 率 太 差 ， 研 究 者 認 為 可 從 以 下 方 法 進 行 改 進 ： 1. 情 況 可 以 允 許 下，小 組 人 數 不 可 過 多 ， 建 議3~4 人，如 此 每位 組 員的 參 與 度 會 提 昇 。 2. 每 樣 待 測 物 指 定 只 能 由 小 組 中 某 一 人 進 行 測 量，其 餘 組 員 只 能 協 助，使 每 位 組 員 都 能 真 正 成 為 競 賽 的 主 導 者 。 3. 實 驗優 勝 者 應得 到 實 質 獎勵，學 生 才會 有 求 取 勝 利 的 動 力 。
二、熱量大考驗
(一 ) 適 用 對 象 ： 國 中 二 年 級 學 生 (二 ) 融 入 單 元 ： 「 冷 暖 天 地 」— 熱 量 與 水 溫 變 化(南 一 版) (三 ) 融 入 時 間 點 ： 學 生 在 學 習 「 溫 度 與 熱 」 的 章 節 時 ， 首 先 遇 到 的 第 一 個 單 元 是「 溫 度 」，其 次 則 是 「 熱 量 」。「 熱 量 」 一 詞 對 學 生 來 說 並 不 陌 生 ， 學 生 常 聽 到 廣 告 中 的 詞 語 ， 並 且 了 解 熱 量 所 代 表 的 意 義 ， 然 而 學 生 卻 不 清 楚 食 物 熱 量 的 多 寡 及 如 何 推 算 得 到 ， 課 本 中 提 及 ： 熱 量 代 表 一 種 傳 送 或 流 動 的 量 ， 所 傳 遞 的 能 量 多 寡 稱 為 熱 量 。 … 熱 量 的 單 位 是 卡 路 里 ， 簡 稱 為 卡(cal)。質 量 1 克 的水 溫 度 上 昇 1℃ 所 需 要 的 熱 量 為 1 卡 (南 一 版)。從 以上 文 字敘 述，我 們可 以 發 現 課本 對 「 熱 量 」 的 描 述 相 當 的 精 簡 扼 要 ， 對 於 程 度 較 佳 的 學 生 大 概 不 成 問 題 ， 但 對 於 程 度 較 差 的 學 生 就 未 必 能 理 解 文 字 的 意 涵 ， 更 遑 論 將 「 文 字 」 意 涵 轉 換 成 可 被 應 用 的 「 公 式 」，即 使 把 公 式 死 背 起 來 也 不 知 道 如 何 應 用 在 生 活 上 ， 故 研 究 者 認 為 可 以 把 無 趣 的 公 式 及 定 義 以 趣 味 科 學 實 驗 的 方 式 表 現 出 來 。 圖 三 、 十 二 種 待 測 物 體 圖 四 、 待 測 物 體 提 示 牌教 師 可 以 先 進 行 講 述 教 學 法 ， 把 「 熱 量 是 一 種 能 量 ， 能 量 是 可 以 流 動 傳 遞 」 的 概 念 講 述 清 楚 ， 再 者 以 瘦 身 減 肥 的 新 聞 議 題 引 發 學 生 對 食 物 熱 量 的 興 趣 ， 教 師 再 引 入 本 研 究 的 趣 味 實 驗 ， 讓 學 生 自 己 動 手 研 究 零 食 的 熱 量 到 底 有 多 少( 學 生 必 然 會 問：熱 量 怎 麼 求 得 ？)，而 教師 可 在 實 驗進 行 的 過 程 中 導 入 熱 量 的 計 算 方 法 ， 雖 然 熱 量 算 出 來 的 結 果 並 不 精 確 ， 但 學 生 卻 可 從 實 驗 中 體 會 熱 量 的 確 實 存 在 及 在 無 形 中 學 會 熱 量 的 粗 略 推 算 方 法 。 (四 ) 教 學 步 驟 ： 1. 本 實 驗 的 教 學 目 標 是 為 了 讓 學 生 了 解 熱 量 的 計 算 方 法 及 在 生 活 中 食 物 所 含 的 熱 量 多 寡 。 2. 實 驗 的 進 行 方 式 是 採 合 作 學 習 的 方 式，先 將 全 班 分 為 六 組，每 組 六 人，並 選 出 一 人 為 小 組 長 。 3. 教 師 先 請 學 生 準 備 市 售 洋 芋 片、餅 干 、 花 生 等 三 種 零 食 ， 並 予 以 編 號 。 4. 每 組學 生 先 將洋 芋 片、餅 干、花 生 各取 一 片(粒)進 行 稱重 ， 並 記 錄之 。 5. 請 每 組 取 三 根 試 管 ， 管 內 分 別 裝 入 50 ml 的 水，並 放 入溫 度 計 測 量起 始 水 溫， 並 記 錄 之 。 6. 以 夾 子 將 洋 芋 片 夾 起 ， 並 以 酒 精 燈 點 燃 ， 點 著 後 置 於 某 試 管 下 方 作 為 加 熱 源 ， 等 洋 芋 片 完 全 燒 完 後(中 途 熄 滅 可 再 重 新 點 火 燃 燒)， 記 錄 試 管 內 溫 度 計 末 溫(圖 五 、 六)。 7. 重 覆上 述 5,6 步 驟，依 序 完成 餅 干及 花 生 的 燃 燒 。 8. 請 學 生 估 算 每 一 片(粒 )零 食 的 熱 量 ， 並 記 錄 之，教 師 必 須 說 明 以 上 做 法 忽 略 熱 量 散 失 不 計，只 是 粗 略 推 估 的 方 法，並 請 學 生 發 表 那 一 種 零 食 的 熱 量 最 高 。 (五 ) 學 生 反 應 ： 經 研 究 者 試 教 後 發 現 ， 學 生 在 實 驗 中 學 習 到 熱 量 的 計 算 方 式 及 了 解 到 各 種 零 食 所 含 的 熱 量 多 寡 ， 各 小 組 都 能 夠 正 確 地 推 算 各 類 零 食 的 熱 量 ， 尤 其 是 洋 芋 片 的 效 果 最 好 ， 建 議 可 以 將 實 驗 改 成 「 洋 芋 片 熱 量 大 考 驗 」， 也 可 貼 近 學 生 的 生 活 。 研 究 者 認 為 這 個 實 驗 的 目 的 並 非 透 過 各 小 組 間 的 競 賽 來 達 到 教 學 目 標 ， 而 是 圖 五 、 洋 芋 片 燃 燒 測 熱 量 圖 六 、 讀 取 溫 度 計 末 溫
冀 望 學 生 在 實 驗 的 過 程 中 體 會 熱 量 的 意 涵 ， 並 知 道 生 活 中 零 食 含 有 相 當 多 的 熱 量 ， 過 度 攝 取 零 食 可 能 會 造 成 身 體 上 的 負 擔 ， 進 而 在 學 習 理 化 的 同 時 也 學 習 如 何 健 康 過 生 活 。 本 實 驗 最 大 的 缺 點 在 於 無 法 精 準 推 算 零 食 的 熱 量(各 組 數 據 差 異 頗 大 )， 因 為 在 燃 燒 的 過 程 中 熱 量 散 失 無 法 估 計 ， 如 果 教 師 只 是 希 望 學 生 熟 練 熱 量 的 推 算 方 法 及 各 類 零 食 熱 量 多 寡 的 性 質 比 較 ， 此 單 元 不 失 為 一 個 有 趣 又 實 用 的 科 學 實 驗 。
三、誰是大力士？
(一 ) 適 用 對 象 ： 國 中 二 年 級 學 生 (二 ) 融 入 單 元 ： 「 力 與 壓 力 」 — 大 氣 壓 力 (三 ) 融 入 時 間 點 ： 在 國 中 理 化 課 程 中 ，「 壓 力 」 單 元 闡 述 的 內 容 包 括 了 固 體 壓 力 、 水 壓 力 與 大 氣 壓 力 ， 該 單 元 的 內 容 相 當 多 且 繁 雜 ， 而 且 是 排 在 「 力 與 壓 力 」 章 節 中 得 最 後 一 個 單 元 ， 當 學 生 上 完 許 多 「 力 」 的 單 元 後 ， 又 得 再 學 一 個 與 「 力 」 截 然 不 同 的 「 壓 力 」 單 元 時 ， 學 生 總 是 會 產 生 混 淆 及 吸 收 不 良 等 問 題 ， 在 「 壓 力 」 單 元 中 ， 又 以 「 大 氣 壓 力 」 最 抽 象 且 現 象 最 不 易 觀 察 。 在 課 本 中 介 紹 的 托 里 切 利 實 驗 及 馬 德 堡 半 球 實 驗 ， 雖 然 可 以 闡 述 大 氣 壓 力 的 內 涵 ， 但 在 實 際 教 學 中 卻 不 易 做 到 ， 原 因 在 於 找 不 到 適 合 的 器 材(金 屬 球 與 馬 匹 )與 顧 及 實 驗 的 環 保 性(水 銀 )， 故 研 究 者 發 展 了 一 組 趣 味 科 學 實 驗 ， 該 組 實 驗 中 有 三 小 項 的 科 學 實 驗 ， 每 項 科 學 實 驗 的 材 料 皆 能 從 生 活 中 、 實 驗 室 中 輕 易 取 得 ， 而 且 兼 具 趣 味 及 安 全 的 特 性 ， 學 生 能 透 過 實 驗 的 過 程 中 ， 了 解 大 氣 壓 力 的 本 質 ， 並 思 考 生 活 中 是 否 有 其 它 使 用 大 氣 壓 力 的 實 例 。 在 教 學 的 安 排 上 ， 研 究 者 認 為 教 師 應 先 施 行 科 學 實 驗 後 ， 再 進 行 講 述 教 學 。 換 言 之 ， 教 師 在 介 紹 「 大 氣 壓 力 」 的 內 容 之 前 ， 可 以 先 分 組 進 行 三 項 科 學 實 驗 ， 讓 學 生 在 實 驗 中 分 組 討 論 其 中 的 科 學 原 理 ， 俟 實 驗 完 成 後 ， 請 各 組 學 生 發 表 意 見 及 想 法 ， 最 後 教 師 再 針 對 學 的 意 見 提 出 正 確 的 說 明 ， 教 師 在 解 答 學 生 問 題 的 過 程 中 導 入 「 大 氣 壓 力 」 的 內 容 ， 如 此 一 來 ， 學 生 便 對 此 章 節 印 象 深 刻 ， 教 師 也 在 無 形 中 達 到 教 學 的 目 標 。 (四 ) 教 學 步 驟 ： 1. 本 實 驗 的 教 學 目 標 是 為 了 讓 學 生 體 驗 大 氣 壓 力 確 實 存 在 及 大 氣 壓 力 在 生 活 中 的 應 用 。 2. 實 驗 的 進 行 方 式 是 採 分 組 合 作 學 習 的 方 式，先 將 全 班 分 為 六 組，每 組 六 人 ， 每 位 學 生 都 必 須 動 手 體 驗 實 驗 。 3. 「 報紙 大 力 士」 實 驗 ： (1)取 一支 冰 棒 棍放 在 桌 子 上，一 端 突 出 桌 緣(圖 七)。 (2)在 冰棒 棍 上 先蓋 上 一 張 鋁箔 紙，鋁 箔 紙 一 邊 與 桌 緣 切 齊 。 (3)將 鋁箔 紙 延 著冰 棒 棍 邊 緣壓 緊，讓 鋁 箔 紙 與 冰 棒 棍 間 沒 有 空 隙 。 (4)在 鋁箔 紙 上 蓋上 二 張 全 開的 報 紙，並用 力 壓 緊 。 (5)用 手或 硬 物 敲擊 冰 棒 棍 突出 的 部 份。 (6)請 學生 觀 察 結果，冰 棒 棍是 否 斷 裂 ？ 報 紙 是 否 移 動 ？ 4. 「 吸管 大 力 士」 實 驗 ： (1)取 一支 吸 管，將 吸 管 剪 成適 當 長 度 ， 吸 管 二 端 皆 剪 為 平 口 。 (2)取 一種 硬 質 水果，譬 如：西 瓜、芭 樂、 柳 丁 等 。 (3)用 手握 住 吸 管向 水 果 刺 下去，觀 察 吸 管 是 否 插 入 水 果 中(圖 八 )。 (4)如 果將 吸 管 用手 握 住，再用 姆 指 頂 住 吸 管 的 另 一 端 ， 使 吸 管 密 閉 。 (5)再 用吸 管 一 端向 水 果 刺 下去，觀 察 吸 管 插 入 水 果 的 情 況 。 (6)請 同學 想 想 看，二 者 的 差別 在 哪 ？ 原 理 為 何 ？ 5. 「 試管 火 箭 」實 驗 ： (1)取 二支 試 管，一 支 口 徑 稍大，一 支 口 徑 稍 小(口 徑 大 小應 相 近)。 (2)將 口徑 大 的 試管 裝 滿 水 。 (3)將 小 試 管 管 口 朝 上 放 入 口 徑 大 的 試 管 中 。 (4)大 試管 中 的 水會 溢 出 無 妨，小 試 管 會 半 沉 浮 在 大 試 管 中(圖 九 )。 (5)此 時將 持 試 管的 手 反 轉，將 大、小 試 管 管 口 全 部 朝 下(圖 十)。 (6)大 試管 中 的 水會 流 出 來，但 是 小 試 管 會 如 何 ？ 圖 七 、「 報 紙 大 力 士 」 實 驗 圖 八 、「 吸 管 大 力 士 」 實 驗 圖 九 、 大 、 小 試 管 反 轉 之 前
(五 ) 學 生 反 應 ： 經 研 究 者 試 教 後 訪 談 學 生 的 結 果 顯 示，大 部 份 學 生 對 研 究 者 所 安 排 的 三 項「 大 氣 壓 力 」 趣 味 科 學 實 驗 充 滿 興 趣 ， 而 且 在 實 驗 完 畢 後 都 能 清 楚 地 闡 述 實 驗 背 後 的 科 學 意 義 ， 教 師 透 過 科 學 實 驗 的 教 學 方 式 ， 不 但 節 省 的 講 述 教 學 的 時 間 ， 同 時 也 將 理 論 性 的 知 識 融 入 於 生 活 應 用 之 中 。 然 而 透 過 觀 察 學 生 實 驗 過 程 及 訪 談 結 果 得 知 ， 研 究 者 所 安 排 的 科 學 實 驗 仍 有 許 多 可 探 討 之 處 ： 1. 在「 報 紙 大 力士 」實 驗 中，因 為 冰 棒棍 不 易 與 報 紙 緊 密 貼 合，如 果 不 先 蓋 上 一 張 鋁 箔 紙，在 蓋 上 報 紙，空 氣 會 從 縫 隙 進 入 而 導 致 實 驗 達 不 到 預 期 效 果，教 師 也 可 以 請 學 生 嘗 試 使 用 一 張 或 半 張 報 紙 的 差 別，根 據 壓 力 定 義，P(壓 力)=F(總 力)/A(接 觸 面 積)，大 氣 壓 力一 定 時，報 紙 接 觸 面 積 越 大，所 受 空 氣 的 總 力 也 會 越 大，教 師 可 於 實 驗 完 畢 後 加 以 說 明 及 探 討 。 2. 「 吸 管 大 力 士 」是學 生 最感 到 興 趣 的實 驗。由 於 吸 管 是 軟 質 物 體，在 正 常 的 情 況 下 難 以 刺 入 硬 質 水 果 之 中，但 是 在 大 氣 壓 力 的 加 持 之 下，吸 管 就 變 成 猶 如 利 刃 般 的 堅 硬，一 舉 插 入 水 果 之 中，學 生 對 此 現 象 非 常 好 奇 而 且 躍 躍 欲 試，教 師 可 以 在 旁 導 引 學 生 嘗 試 使 用 不 同 的 吸 管、不 同 的 刺 法，讓 學 生 思 考 氣 體 壓 力 的 應 用 方 法 。 3. 「 試 管 火 箭 」的 實驗 則 是利 用 水 流 出試 管 時，造 成 雙 管 之 間 的 短 暫 真 空 狀 態 ， 而 大 氣 壓 力 則 趁 此 時 將 小 試 管 向 上 一 推，形 成 試 管 抵 抗 重 力 而 上 升 的 不 可 思 議 現 象。學 生 初 次 看 到 此 現 象 都 覺 得 是 種 魔 術 或 障 眼 法，經 教 師 講 述 原 因 後 ， 學 生 親 手 嘗 試 實 驗 都 能 得 到 良 好 的 學 習 效 果，但 是 此 實 驗 須 特 別 注 意 二 個 試 管 口 徑 必 須 相 近，如 此 才 能 造 成 短 暫 真 空，否 則 實 驗 可 能 會 容 易 失 敗 而 無 法 達 到 教 學 目 的 。 4. 本 研究「 大 氣壓 力 」科 學實 驗 的 優 點在 於 材 料 取 得 容 易，教 學 內 容 十 分 貼 近 生 活，故 學 生 在 學 習 上 不 會 有 距 離 感，缺 點 則 是 教 師 必 須 在 實 驗 中 隨 時 進 行 科 學 原 理 的 教 學，但 是 學 生 會 因 為 忙 於 實 驗 而 沒 把 重 要 的 觀 念 聽 進 去，教 師 的 教 學 負 擔 會 因 分 組 講 解 而 相 對 增 加 。 圖 十 、 大 、 小 試 管 反 轉 之 後
四、跑跑卡丁車
(一 ) 適 用 對 象 ： 國 中 三 年 級 學 生 (二 ) 融 入 單 元 ： 「 力 與 運 動 」 — 牛 頓 第 三 運 動 定 律 (三 ) 融 入 時 間 點 ： 在 國 中 「 力 學 」 的 課 程 中 ， 讓 學 生 最 感 到 困 惑 的 章 節 便 是「 牛 頓 第 三 運 動 定 律 」 與 「 兩 力 平 衡 」 概 念 的 迷 思 ， 二 者 之 所 以 不 同，是 在 於 作 用 力 的「 對 象 」不 同，「 兩 力 平 衡 」中 二 作 用 力 是 作 用 在「 相 同 物 體 」 上 ， 但 是 「 牛 頓 第 三 運 動 定 律 」 中 的 作 用 力 是 分 別 作 用 在 「 不 同 物 體 」 上 ， 所 以 造 成 「 兩 力 平 衡 」 的 結 果 是 物 體 平 衡 靜 止 ， 而 「 牛 頓 第 三 運 動 定 律 」 的 結 果 則 是 物 體 以 反 方 向 移 動 。 教 師 可 藉 由 本 研 究 的 科 學 實 驗 讓 學 生 體 驗 「 牛 頓 第 三 運 動 定 律 」 的 威 力 ， 教 師 也 可 在 實 驗 中 澄 清 「 牛 頓 第 三 運 動 定 律 」 的 迷 思 概 念 ， 讓 學 生 思 考 作 用 力 的 對 象 是 誰 ？ 反 作 用 力 的 對 象 又 是 誰 ？ 二 者 所 承 受 的 力 量 是 否 相 同 ？ 同 時 也 培 養 學 生 對 事 物 的 觀 察 力 及 創 造 力 。 (四 ) 教 學 步 驟 ： 1. 本 實 驗 的 教 學 目 標 是 為 了 讓 學 生 了 解 牛 頓 第 三 運 動 定 律 及 作 用 力 與 反 作 用 力 在 生 活 中 的 應 用 。 2. 實 驗 的 進 行 方 式 是 採 分 組 競 賽 式 的 方 式，先 將 全 班 分 為 六 組，每 組 六 人，並 選 出 一 人 為 小 組 長 。 3. 教 師請 每 組 學生 準 備 2~3 個 600ml 保 特 瓶 及 數 個 瓶 蓋、光 碟 片、筷 子、吸 管 、 竹 籤、重 物、膠 帶、美 工 刀、鑽 孔 器 及 熱 融 膠 條(槍 )等 物品 。 4. 教 師首 先 講 述「 牛頓 第 三運 動 定 律 」的 基 本 概 念，並 請 學 生 利 用 保 特 瓶 等 材 料 設 計 一 個 能 夠 跑 得 最 遠 的 車，並 將 設 計 圖 畫 在 紙 上 。 5. 車 子設 計 要 求： (1)僅 能以 一 個 600ml 保 特瓶 作 為 可 供 打 氣 的 完 整 車 身，車 身 的 裝 飾 或 加 長 可 利 用 其 餘 保 特 瓶 組 合(數 目不 拘)。 (2)車 子必 須 要 有輪 子(數 目 不拘)，製 作 輪 子 的 材 料 及 型 式 不 限(不 可 拿 市 面 販 賣 的 半 成 品)， 車 輪 必 須 要 能 夠 轉 動 。 (3) 可 於 車 身 上 加 裝 重 物 ( 重 物 形 式 不 拘)，以 利 車 子 能平 衡 行 駛 。 (4)車 子 90%必 須 是 自 行 創 作 或 製 作 ， 不 可 拿 市 售 半 成 品 組 合 。 6. 學 生 依 照 設 計 圖 及 所 提 供 的 材 料 進 行 車 子 製 作，並 於 完 成 後 進 行 車 輛 測 試 ， 學 生 再 依 測 試 後 的 結 果 進 行 小 組 討 論 並 加 以 修 正(圖 十一)。 7. 競 賽規 則 ： (1)每 組有 二 次 發射 的 機 會，可 以 使 用 二 台 車 或 者 同 一 台 發 射 二 次 。 (2)每 台 車 內 先 裝 入 水 (水 的 多 寡 自 行 控 制)， 並 在 車 尾 鎖 上 發 射 頭 ， 再 將 車 子 扣 入 發 射 架 上(發 射 頭 及 發 射 架 與 水 火 箭 裝 置 相 同)。 (3)調 整發 射 架 的角 度，並 使車 輪 著 地 ， 發 射 後，車 子 必 須 在 規 定 內 範 圍 移 動 (圖 十二)。 (4)每 組 取 二 次 發 射 中 最 好 的 一 次 距 離作 比 較 ， 距 離 最 遠 者 為 優 勝 。 (5)車 子偏 離 規 定範 圍 者，其距 離 以 起 點 至 出 界 點 距 離 為 準 ； 車 子 離 地 飄 起 者，則 重 新 發 射 一 次，若 車 子 再 次 離 地 ， 則 以 起 點 至 離 地 點 大 約 距 離 為 準 。 8. 每 組學 生 參 與競 賽 後，教 師 可 給 予 每組 不 同 的 意 見 ， 學 生 再 依 教 師 所 給 的 建 議 ， 進 行 改 造 及 修 正 。 9. 實 驗進 行 完 畢後，請 學 生回 到 課 堂 上發 表 意 見 。 (五 ) 學 生 反 應 ： 經 研 究 者 訪 談 學 生 的 結 果 顯 示 ， 學 生 對 「 跑 跑 卡 丁 車 」 的 實 驗 充 滿 期 待 ， 透 過 學 生 動 手 製 作 與 競 賽 的 過 程 ， 學 生 不 僅 了 解 「 作 用 力 」 與 「 反 作 用 力 」 的 意 義 ， 對 於 「 牛 頓 第 三 運 動 定 律 」 也 有 更 深 入 的 體 會 。 大 部 份 學 生 認 為 該 實 驗 的 趣 味 性 及 娛 樂 性 十 足 ， 學 生 對 於 學 習 理 化 並 不 會 感 到 無 趣 ， 但 也 有 少 部 份 學 生 認 為 該 實 驗 雖 然 立 意 很 好 ， 但 是 有 點 浪 費 時 間 ， 恐 怕 會 擔 誤 學 生 的 課 程 進 度 。 研 究 者 認 為 課 程 進 度 壓 力 ， 長 期 以 往 都 是 教 師 及 學 生 無 法 克 服 的 現 實 問 題 ， 本 實 驗 因 為 有 創 作 歷 程 之 故 ， 的 確 需 要 花 費 較 多 的 課 堂 時 間 ， 如 果 教 師 欲 順 利 進 行 本 實 驗 ， 則 必 須 挪 用 其 它 課 堂 時 間 進 行 教 學 或 擠 壓 其 它 理 化 單 元 的 實 驗 課 程 ， 否 則 進 度 將 大 受 影 響 。 不 過 整 體 而 言 ， 大 多 數 學 生 仍 正 向 肯 定 該 實 驗 對 學 習 的 成 效 提 昇 的 功 能 性 。 教 師 談 到 「 牛 頓 第 三 運 動 定 律 」 時 ， 第 一 個 想 到 科 學 實 驗 必 然 是「 水 火 箭 」，「 水 火 箭 」 的 確 能 夠 清 楚 地 表 現 作 用 力 與 反 作 用 力 的 一 項 活 動 ， 然 而 水 火 箭 運 用 到 的 原 理 或 技 巧 卻 不 多 ， 學 生 通 常 只 要 把 氣 打 到 滿 就 可 以 獲 得 很 好 的 競 賽 分 數 ， 如 此 一 來 便 失 去 讓 學 生 思 考 問 題 的 機 會 ， 研 究 者 認 為 本 趣 味 實 驗 有 別 於 以 往 的 「 水 火 箭 」 實 驗 ， 其 差 别 在 於 實 驗 規 定 車 子 不 可 騰 空 飛 起 ， 且 必 須 在 一 定 的 路 徑 範 圍 內 行 駛 ， 故 增 加 的 競 賽 的 難 度 ， 除 了 運 用 到 「 牛 頓 第 三 運 動 定 律 」 之 外 ， 仍 須 考 慮 摩 擦 力 、 車 圖 十 一 、 車 輛 測 試 及 修 正 圖 十 二 、 車 子 與 發 射 架 組 合
輪 的 對 稱 性 與 滾 動 的 順 暢 性 、 車 子 的 重 心 及 重 量 等 ， 把 之 前 在 「 力 與 壓 力 」 章 節 學 過 的 概 念 應 用 在 此 項 實 驗 之 中 ， 故 一 個 成 功 的 實 驗 除 了 要 有 主 要 的 科 學 概 念 之 外 ， 更 要 能 夠 引 入 其 它 次 要 的 科 學 概 念 ， 如 此 對 學 生 科 學 概 念 的 統 整 才 會 有 所 助 益 。
伍、結論與建議
研 究 者 在 課 室 中 觀 察 學 生 從 事 趣 味 科 學 實 驗 的 過 程 中 發 現 ， 每 組 參 與 實 驗 的 學 生 雖 然 對 實 驗 充 滿 的 高 度 興 趣 ， 但 由 於 學 生 程 度 不 同 ， 每 個 人 對 小 組 的 貢 獻 度 也 有 差 異 ， 程 度 好 的 學 生 能 夠 主 動 找 出 問 題 並 與 課 本 內 容 作 連 結 ， 程 度 中 等 的 學 生 只 能 夠 從 實 驗 中 獲 得 片 段 、 瑣 碎 的 科 學 原 理 ， 程 度 差 的 同 學 至 多 只 能 依 指 示 操 作 實 驗 而 已 ， 譬 如 ：「 密 不 可 分(密度 的 測 量)」 及 「 熱 量 大 考 驗(熱 量 的 計 算 )」 的 實 驗 ， 絕 大 多 數 的 學 生 都 能 夠 完 成 實 驗 ， 但 在 實 際 計 算 密 度 及 熱 量 部 份 ， 卻 只 能 依 賴 組 內 數 學 程 度 好 的 同 學 負 責 計 算 ， 其 實 這 部 份 的 計 算 並 不 困 難 ， 只 是 許 多 學 生 自 認 為 無 法 辦 到 ， 便 放 棄 學 習 的 機 會 ， 頗 為 可 惜 ， 反 觀 「 誰 是 大 力 士 」 及 「 跑 跑 卡 丁 車 」 單 元 無 關 計 算 能 力 問 題 ， 反 倒 能 引 起 大 多 數 同 學 的 認 同 ， 但 是 科 學 仍 舊 須 重 視 基 本 能 力 的 訓 練 ， 故 部 份 程 度 差 的 同 學 便 只 願 意 在 某 些 單 元 中 進 行 學 習 ， 故 趣 味 實 驗 雖 然 提 高 了 學 生 在 課 堂 上 對 自 然 科 學 習 的 興 趣 ， 但 卻 未 必 會 反 映 在 課 業 的 學 習 上 ， 尤 其 是 我 們 的 教 科 書 仍 讓 許 多 學 生 不 得 其 門 而 入 ， 故 教 科 書 的 改 革 仍 是 學 生 學 習 的 關 鍵 。 此 外 學 生 能 夠 持 續 維 持 積 極 的 學 習 態 度 ， 有 很 大 因 素 在 於 學 生 「 期 待 」 下 一 次 課 堂 的 驚 喜 ， 若 這 樣 的 「 驚 喜 」 不 能 轉 換 為 長 期 且 正 向 的 知 識 學 習 動 力 ， 一 但 驚 喜 感 消 退 ， 學 習 態 度 將 變 得 消 極 。 研 究 者 認 為 趣 味 科 學 實 驗 對 增 進 學 生 的 科 學 知 識 、 提 高 學 習 興 趣 及 態 度 仍 有 正 面 的 幫 助 ， 但 是 部 份 學 生 對 趣 味 實 驗 的 科 學 意 涵 並 不 是 十 分 了 解(雖 然 認 為 有 幫 助，卻 說 不 出 所 以 然)，趣 味實 驗 只 能 被當 成 「 遊 戲 」 看 待 ， 只 有 少 數 學 生 會 認 真 思 考 活 動 背 後 的 科 學 意 義 ， 這 是 值 得 研 究 者 注 意 的 地 方 ， 如 果 趣 味 實 驗 不 能 帶 給 多 數 學 生 較 深 刻 的 教 育 意 義 ， 那 活 動 本 身 的 存 在 性 就 會 備 受 質 疑 ， 尤 其 現 今 學 校 及 家 長 講 求 升 學 及 效 益 ， 若 趣 味 實 驗 不 能 發 揮 應 有 的 實 質 成 效 ， 而 只 是 嘩 眾 取 寵 ， 最 後 恐 怕 只 會 無 疾 而 終 。 要 解 決 學 生 在 理 化 科 中 學 習 成 效 的 問 題 ， 必 須 從 教 科 書 改 革 、 教 師 專 業 能 力 再 提 昇 著 手 ， 然 而 礙 於 學 校 的 升 學 導 向 與 課 程 壓 力 ， 頗 為 滯 礙 難 行 ， 這 是 有 待 教 育 單 位 探 討 與 解 決 之 處 。 最 後 ， 研 究 者 針 對 在 教 學 上 遇 到 的 難 題 提 出 以 下 建 議 ： (一) 研 究 發 展 新 的 教 學 方 式 或 趣 味 科 學 實 驗 ， 需 要 花 費 相 當 的 多 的 時 間 ， 各 校 或 各 縣 最 好 能 責 成 研 究 團 隊(或 是 自 然 科 輔 導 團)，定 期 研 發 新的 趣 味 課 程 ， 供 老 師 學 習 應 用 ， 並 鼓 勵 教 師 從 事 此 方 面 的 研 究 與 討 論 。 (二) 科 學實 驗 融 入 理化 課 程 教 學， 最 大 的 難 題 仍 在 於 課 程 時 間 不 夠 ， 教 師 可 能礙 於 進 度 壓 力 而 心 有 餘 力 不 足 ， 建 議 學 校 以 彈 性 課 程 增 加 自 然 科 的 授 課 時 數 ， 挑 選 部 份 單 元 進 行 融 入 教 學 。
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