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以奈米科技教學初探學生建模能力之發展
李賢哲
* 吳信輝 樊琳
國 立 屏 東 教 育 大 學 應 用化 學 暨 生 命科 學 系 【 轉 載 自 ： 中 華 民 國 第 二 十 三 屆 科 學 教 育 學 術 研 討 會 合 集 論 文 】摘 要
本 研 究 藉 認 知 師 徒 制 教 學 方 式 ， 規 劃 奈 米 科 技 相 關 議 題 之 書 報 討 論 課 程 ， 利 用 自 編 奈 米 科 技 問 卷，收 集 學 生 於 教 學 前 後 對 奈 米 科 技 概 念 瞭 解 之 改 變；另 輔 以 學 生 報 告 內 容、 互 評 與 自 評 內 容 和 教 室 觀 察 ， 歸 納 學 生 在 建 構 與 內 化 科 學 概 念 ， 所 善 用 與 遵 循 的 模 式 ， 即 所 謂 建 模 歷 程 。 初 步 研 究 結 果 顯 示 ， 學 生 建 模 於 本 體 論 部 分 ， 過 程 中 需 要 以 數 學 關 係 來 對 應 特 定 事 物 之 描 述 ， 而 針 對 事 務 之 連 結 較 以 特 定 方 式 為 之 ； 於 方 法 論 部 分 ， 學 生 往 往 需 要 藉 助 實 體 過 程 與 圖 像 ， 方 得 以 建 構 其 具 體 之 概 念 瞭 解 。 而 奈 米 科 技 的 應 用 與 實 際 可 能 引 起 之 效 應 與 影 響 ， 例 如 隱 私 權 的 顧 慮 和 環 境 生 態 的 隱 憂 ， 較 易 引 起 學 生 的 迴 響 ， 顯 示 其 建 模 仍 以 功 能 性 作 為 取 向 。 關 於 學 生 在 獲 取 相 關 的 建 模 知 識 部 分 ， 由 於 課 程 規 劃 需 學 生 自 行 搜 尋 相 關 資 料 ， 網 際 網 路 成 為 不 可 或 缺 的 工 具 之 一 。 然 而 ， 資 訊 獲 得 的 容 易 程 度 與 數 量 之 龐 雜 ， 對 於 學 生 進 行 有 意 義 的 學 習 與 建 立 科 學 模 型 是 否 有 積 極 正 向 的 提 升 ， 值 得 進 一 步 探 討 。 關 鍵 詞 ： 奈 米 科 技 、 認 知 師 徒 制 、 建 模 能 力壹、研究背景
Brown, Collins & Duguid （1989） 提 出「 認 知 師 徒 制 」（cognitive apprenticeship, CA）的 教學 模 式，認知 師 徒制 承 襲 了 傳統 師 徒 制 的 學 習 模 式 ， 強 調 知 識 應 在 真 實 的 情 境 中 學 習 ， 為 了 落 實 情 境 學 習 的 理 念 ， 對 於 應 情 境 化 學 習 環 境 之 安 排 尤 應 重 視 。 藉 具 備 專 業 、 實 務 經 驗 的 師 傅 （ 專 家 ） ， 經 由 師 傅 （ 專 家 ） 的 示 範 及 適 時 地 提 供 鷹 架 協 助 ， 讓 學 徒 （ 生 手 ） 在 一 個 真 實 的 生 活 情 境 中 透 過 觀 察 、 主 動 學 習 以 及 反 覆 省 * 為本 文 通 訊 作者 思 和 練 習 ， 使 學 徒 （ 生 手 ） 主 動 建 構 知 識 和 技 能 的 歷 程（Rogoff, 1990）。認 知 師徒 制 不 僅 強 調 傳 統 師 徒 制 對 於 技 術（physical skill） 的 學 習 模 式 ， 同 時 也 著 重 一 般 學 校 教 育 中 所 強 調 的 認 知 層 面 。 以 目 前 科 學 發 展 與 學 習 過 程 中 往 往 需 要 個 人 學 習 經 驗 的 傳 承 ， 在 許 多 大 學 的 教 學 與 學 習 過 程 中 ， 礙 於 軟 硬 體 建 設 的 缺 憾 ， 可 以 相 對 的 透 過 網 際 網 路 資 料 搜 尋 與 虛 擬 實 境 來 彌 補 。 以 書 報 專 題 討 論 為 例 ， 這 是 大 部 分 科 學 學 系 重 要 課 程 之 一 ， 而 奈 米 科 技（nanotechnology）又 是目 前 科 技發
以奈米科技教學初探學生建模能力之發展 -3- 展 中 炙 手 可 熱 的 議 題 。 爰 此 ， 本 研 究 希 望 藉 由 認 知 師 徒 制 來 進 行 奈 米 科 技 相 關 議 題 之 書 報 討 論 課 程 ， 藉 由 此 教 學 方 式 ， 收 集 學 生 於 教 學 前 後 之 學 習 表 現 、 對 於 奈 米 科 技 相 關 議 題 之 報 告 內 容 以 及 自 評 與 互 評 之 論 點 ， 加 上 透 過 課 堂 觀 察 與 記 錄 ， 檢 視 學 生 於 本 課 程 學 習 與 建 立 科 學 概 念 模 型 之 特 性 與 考 慮 面 向 ， 以 瞭 解 其 學 習 歷 程 並 增 進 學 生 之 科 學 學 習 效 能 。
貳、研究方法
本 研 究 探 討 以 認 知 師 徒 制 的 教 學 方 式 ， 學 生 於 學 習 奈 米 材 料 概 念 之 改 變 ， 例 如 基 本 理 論 、 製 備 方 式 以 及 應 用 部 份 。 藉 由 量 化 與 質 化 資 料 的 收 集 作 為 學 生 學 習 成 效 的 比 較 。 樣 本 為 第 一 類 組 、 大 四 修 習 化 學 書 報 討 論 的 學 生 ， 透 過 紙 筆 問 卷 和 教 室 觀 察 方 式 蒐 集 資 料 ， 以 作 為 歸 納 分 析 樣 本 科 學 建 模 能 力 發 展 之 依 據 。一、研究樣本與課程
以 認 知 師 徒 制 進 行 奈 米 材 料 專 題 之 教 學 共 有 五 位 大 四 學 生 參 與 ， 此 課 程 共 十 八 週 ， 學 生 並 未 事 先 被 告 知 此 教 學 實 驗 之 進 行 。二、研究設計
本 研 究 先 由 授 課 教 師（ 師 父 ），藉 其 對 奈 米 科 技 發 展 與 實 際 從 事 研 究 之 經 驗 ， 進 行 教 學 引 導 與 經 驗 傳 授 。 教 師 再 設 定 奈 米 材 料 相 關 研 究 主 題 範 疇 ， 分 別 由 五 位 樣 本 訂 定 議 題 並 搜 尋 重 要 相 關 資 料 ， 透 過 師 徒 討 論 、 課 堂 報 告 與 撰 稿 ， 作 為 課 程 進 行 之 主 要 歷 程 ， 學 生 的 專 題 研 討 主 題 如 表 一 所 示 。 文 獻 搜 尋 及 報 告 撰 擬 期 間 ， 教 師 會 給 予 諮 詢 並 提 供 相 關 意 見 ， 猶 如 師 傅 與 學 徒 的 關 係 。 教 學 前 後 以 自 編 之 紙 筆 問 卷 給 予 學 生 施 測 ， 瞭 解 學 生 在 教 學 前 後 對 於 奈 米 概 念 的 改 變 。 每 位 學 生 的 報 告 過 程 中 ， 彼 此 進 行 自 評 及 互 評 ， 評 分 的 向 度 有 內 容 深 度 、 組 織 架 構 、 報 告 條 理 、 同 學 互 動 及 實 用 程 度 。 表 一、學生於奈米科技專題報告之主題一覽 學 生 主 題 S1 奈米粒子應用在雷達吸波材料之研 究-以參雜氧化鐵和聚苯胺為例 S2 以 奈 米 科 技 觀 點 探 討 材 料 自 潔 現象 與 應 用 S3 奈米級二氧化鈦光觸媒介紹及製備 S4 奈 米科 技 蓬 勃 發展 下 的 潛 在危 機 S5 奈 米 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 作 用 原 理 與其 應 用三、研究工具
研 究 工 具 為 教 學 前 後 測 的 紙 筆 問 卷 及 自 評、互 評 表。紙 筆 問 卷 是 根 據 文 獻 探 討， 找 出 學 習 奈 米 材 料 科 學 重 要 概 念 ， 藉 由 這 些 概 念 編 製 一 份 問 卷 。參、初步結果與討論
本 研 究 結 果 先 以 例 題 方 式 呈 現 ， 樣 本 之 原 始 回 答 資 料 歸 納 於 後 ， 而 建 模 能 力 之 分 析（ 邱 美 虹, 2007; 吳 明 珠, 2007;周 金城 , 2007; 林 靜 雯 和 邱 美 虹 , 2007; 張 淑 女 ; 2007）， 則 以 條列 方 式 說 明。 例 題 一 ： 何 謂 奈 米 科 技 （ nanotechnology） 和 奈 米 材 料 （ nanomaterials ） ？ 請 舉 例 說 明 。 自 然 界 中 有 例 可 循 嗎 ？科學教育月刊 第309 期 中華民國九十七年六月 -4- 學 生 針 對 教 學 內 容 之 回 答 ： 包 括 奈 米 科 技 即 是 加 工 範 圍 以 10-9 米 為 量 測 尺 寸 單 位 、 因 尺 寸 導 致 於 量 子 尺 寸 效 應 、 自 潔 功 能 如 自 然 界 中 的 蓮 花 表 面 和 光 催 化 功 能 如 光 觸 媒 消 除 細 菌 （ 除 臭 ） 的 功 能 。 關 於 奈 米 材 料 之 教 學 模 型 建 構 ： 1. 可 以 用 數 學 式 來 對 應 特 定 事 物 之 間 的 關 係 （ 本 體 論 ） 2. 模 型 可 以 用 來 描 述 特 定 的 事 物 或 現 象 （ 功 能 ） 3. 模 型 可 以 用 來 模 擬 特 定 的 事 物 或 現 象 （ 功 能 ） 4. 模 型 可 以 用 來 解 釋 特 定 的 事 物 或 現 象 （ 功 能 ） 例 題 二 ： 你 知 道 奈 米 科 技 對 於 你 目 前 生 活 或 是 未 來，可 能 造 成 影 響 的 層 面 嗎?這 部分 你 最 關 心 之 議 題 為 何 ？ 學生針對教學內容之回答包括：正向部 份，奈米粒子製成之化妝品；仿蓮花效應建 築物外觀之自潔；光觸媒殺菌；醫療用途之 抗癌和奈米級之資料讀取。較負向部份：軍 事用途；穿透皮膚直接造成健康影響；吸入 性肺部傷害和奈米粒子回收不易。 關 於 奈 米 材 料 之 教 學 模 型 建 構 ： 1. 模 型 的 建 立 應 包 含 事 物 或 現 象 的 組 成 與 結 構 （ 建 模 ） 2. 模 型 可 以 用 來 解 釋 特 定 的 事 物 或 現 象 （ 功 能 ） 3. 模 型 可 以 用 來 描 述 特 定 的 事 物 或 現 象 （ 功 能 ） 4. 模 型 可 以 是 特 定 的 事 物 或 現 象 的 動 態 呈 現 （ 功 能 ） 5. 模 型的 組 成 可 以是 概 念 （ 方法 論 ） 6. 模 型的 組 成 可 以是 過 程 （ 方法 論 ）
肆、致謝
本 研 究 承 國 科 會 計 畫 （NSC 95-2511 -S-153-011-MY2） 之 經 費 補 助 ， 整 合 型 暨 子 計 畫 主 持 人 邱 美 虹 教 授 研 究 群 ， 張 淑 女 教 授 、 周 金 城 教 授 、 吳 明 珠 教 授 和 林 靜 雯 博 士 鼎 力 協 助 與 指 正 ， 謹 此 致 謝 。伍、參考文獻
邱 美 虹 (2007)。模型 與 建 模能 力 之 理 論架 構。論 文 發 表 於 96 年 中 華 民國 科 學 教 育 學 術 研 討 會 ， 高 雄 ， 台 灣 。 吳 明 珠(2007)。 科 學 模 型 本 質 剖 析 ： 認 識 論 面 向 初 探 。 論 文 發 表 於 中 華 民 國 科 學 教 育 學 術 研 討 會，高 雄，台 灣。 周 金 城(2007)。 探 究 中 學 生 對 科 學 模 型 的 分 類 與 組 成 本 質 的 理 解 。 論 文 發 表 於 中 華 民 國 科 學 教 育 學 術 研 討 會 ， 高 雄 ， 台 灣 。 林 靜 雯 和 邱 美 虹(2007)。 從 認 知 /方 法 論 之 向 度 初 探 高 中 學 生 模 型 及 建 模 歷 程 之 知 識 以 真 實 性 評 量 探 究 建 模 能 力 。 論 文 發 表 於 中 華 民 國 科 學 教 育 學 術 研 討 會 ， 高 雄 ， 台 灣 。 張 淑 女(2007)。 以 真 實 性 評 量 探 究 建 模 能 力 。 論 文 發 表 於 中 華 民 國 科 學 教 育 學 術 研 討 會 ， 高 雄 ， 台 灣 。Brown, J. S., Collins, A., & Duguid, P. (1989). Situated cognition and the culture of
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