自然科學素養導向課程設計與實踐
─以國中理化能源主題為例
詹惠雪
*副教授
陳美如 教師
國立清華大學教育與學習科技學系 新竹縣立自強國民中學摘要
科學教育已由知識本位導向轉變成素養導向的教學,強調以「實作」、「探
究」來理解科學原理,重視手腦並用學習科學,培養學生具備科學素養。十二
年國民基本教育課程提出「核心素養」做為課程發展之主軸,並於 2018 年實施,
如何進行國中自然科學素養導向課程設計值得探究。本文先藉由文獻分析科學
素養內涵,探討自然科學素養導向課程設計的原則,再以國中理化課程能源主
題為例提出課程實踐可行途徑:一、以主題涵蓋的概念,進行相關教材的聯結
及統整;二、聯結實際情境脈絡,發展主題課程內涵;三、結合科學玩具進行
探究式教學活動,包含提問、實作、探究、發表及評量等歷程。
關鍵詞:素養導向教學、科學素養、十二年國民基本教育
*本篇論文通訊作者:詹惠雪,通訊方式:chan@mail.nd.nthu.edu.tw。
Curriculum Design and Practice
Oriented by Natural Science Literacy
Approach - An Case Study on Topic of
“Energy” in Junior High School
Hui-Hsush Chan
*Associate Professor
Mei-Ju Chen Teacher
Department of Education and Learning Technology, National Tsing Hua University of
Education
Hsin Chu County Tzu Chiang Junior High School
Abstract
Science education has been transformed from a knowledge-based orientation to
a competency-based instruction. It emphasizes the method of practice and inquiry to
realize the principles of science and focuses on hands and brains, along with
learning science, developing a student’s scientific literacy. The 12-year Basic
Education Curriculum of Taiwan proposed “Core Competency” as the spindle of
curriculum developmental, and is scheduled to be implemented in 2018. The way to
conduct junior high school-science literacy-oriented design is worth further
discussion. The Study herein analyzed the scientific literacy connotation by
literature review, discussed principles, further suggesting feasible approaches of
course practices via a case study on topic of science subject in a junior high school:
1. Connect and integrate related teaching materials through topic-contained concept;
2. Develop topic course connotation by linking real circumstance and context; 3.
Combine science toys for inquiry-based teaching activities including but not limited
to ask, practice, discussion, presentation and assessment.
壹、緒論
教師創意的「教」與學生主動的「學」,是學校教學最重要的核心,十二年國教的 基本精神為「自發」、「互動」、「共好」,強調學校教育應善誘學生的學習動機,引導學 生開展自我、與他人、與社會及自然的互動能力,協助學生應用及實踐所學、體驗生 命意義,致力社會、自然與文化的永續發展,共謀彼此的互惠與共好(教育部,2014)。 十二年國教力倡素養導向的教學,就自然領域而言,科學教育已由知識本位導向轉變 成素養導向的教學,創新思考與解決問題才是學生未來最重要的能力(林慶隆,2016)。 美國國家研究協會(National Research Council, NRC)2013 年實施「新一代科學教育標 準(Next Generation Science Standards, NGSS)」即強調以「實作」、「探究」來理解科 學原理,重視手腦並用學習科學,以達到人民皆具有科學素養之目標(鄭文星,2003; NRC,2013)。但臺灣科學教育以往偏重記憶不重視實作探究,學生對科學的學習只懂 科學理論,無法應用在生活中,更遑論具有科學素養。在十二年國教的改變契機下, 筆者不斷思索如何改善課堂的現況讓學生的學習動起來?如何運用素養導向的理念重 新思考自然領域的課程設計與教學?本文主要在探究相關文獻,詮釋自然科學素養課 程設計原則,再以國中理化課程能源主題為例,規劃主題課程,融入科學玩具進行探 究教學,透過教學實踐歷程,分析學生學習情況及省思教學,提出自然科學素養導向 課程設計與教學的可行途徑。貳、素養導向的科學教育
世界各國科學教育的發展趨勢已由過去讀、寫、算的精熟學習,轉變為培養學生 的科學素養,期待科學教育能教導學生適時地應用科學,以解決生活所面臨的問題。 我國 1990 年以前實施的科學課程,傾向「學科知識結構導向」,學習重視解題的正確 性以及不斷進行機械式的重覆計算;2011 年施行九年一貫課程後,科學課程試圖打破 學科界限,以重要科學概念或議題為主題進行課程的統整,此時的核心主張為:「以培 養學生的基本能力為課程目標,取代偏重邏輯知識系統的獲得」,課程內容開始轉向為 「科學能力導向的課程」;十二年國教課綱,更重視自然科學的知識內容可以應用在生 活上,以解決生活的問題,將九年一貫的能力導向提升為素養導向,強調每位學生接 受基本教育後,應具備接受未來生活挑戰所需之知識、能力和態度。強化領域內科目 的連貫與科目之間彼此的統整(邱美虹,2016;林慶隆,2016)。「科學素養」指的是人們經由科學的學習,而獲得知識、能力、態度等各方面智 能的增進(陳文典,2005)。孫維新(2013)則認為科學素養的定義與內涵應該包含: 要具備思考和判斷科學現象的知識、辨別與解決生活中科學問題的能力與積極面對生 活中的疑難,並作出理性判斷和決定的態度。科學素養除了是一種能力的展現外,曾 志朗(2013)提出「科學素養是一種文化、更是生活態度,是融入在這個社會的生活 方式裡,藉由語言、文字和外界溝通,而語言、文字影響我們的思維及分析事物的方 式。」可見科學教育除了培養學生具有解決問題的能力外,同時應涵養科學態度。 科學教育希望培養學生的科學素養,亦即科學教育應改變過去填鴨式的教學,讓 學生不斷考試練習的學習方式,呼應現在各國新潮流,以素養導向的科學教育來培育 未來的科學人才。Roberts(2007)提到素養導向的科學教育有三個重點:一、科學本 質重點─科學探究:學生探究有關事物本質的核心問題,寛廣的探索、深入的聚焦 的研究。二、科技重點─解決問題:學生用創新的方式應用科學知識來尋找現實問 題的解決方案。三、社會科學議題重點─做出決定:學生辨認出問題或議題,追求 能夠澄清議題的科學訊息。可見素養導向的科學教育是統整性的,是朝向公共性的發 展,其內涵除了科學知識和方法外,還擴及科學問題解決,以及以科學訊息澄清議題、 做決定的能力。 綜合上述,素養導向的科學教育,最大的特色是學生學習的知識是實踐的、學習 的方式是多元的、學習的歷程是豐碩的、學習內容是適切的、學習表現是成長的,在 素養導向的科學教育中,最可貴的是學生自己可以透過學習單、實驗報告等看見自己 的成長,讓學生主動的探尋知識,追求卓越,成為具有科學素養的人。
參、自然科學素養導向課程設計的原則
林永豐(2017)提出核心素養課程與教學設計的四個基本原則:一、連結實際的 情境脈絡,讓學習產生意義;二、強調學生參與和主動學習,得以運用與強化相關能 力;三、兼顧學習的內容(學習內容)與歷程(學習表現),以彰顯素養乃包含知識、 技能、情意的統整能力;四、針對不同核心素養項目,應有不同設計重點。 而在自然科學素養導向課程設計方面,黃茂在、吳敏而(2017)以熱學為主題, 提出的設計原則有:一、以大概念做為教學設計為主軸;二、協助學生看見自己的學 習成果;三、多元學習模式,豐富學習經驗;四、鷹架協助,轉化獨立探究學習;五、 多元的形成性評量。分析上述課程設計原理,研究者以主題式課程作概念的統整,再結合科學玩具實 作驗證科學原理,並以探究式教學活動帶領學生深入理解科學原理,以下提出自然科 學素養導向的課程設計原則:
一、以主題統整知識概念,組織科學探究的網絡
素養導向的課程是連貫規劃的,包括認知發展的連貫、主題概念的連貫,以及科 學探究能力的連貫;同時課程也是整合實踐的,每一次的探究,每一個活動,每一個 階段的學習都要有一致性(alignment
)與同調性(coherence
)的學習經驗(National
Research Coucil
,2014
)。採主題設計可以有效統整知識概念,主題在提供一個大概念, 讓知識串聯起來,組織成一個有系統的網絡,概念與概念間彼此關聯發生作用,網絡 愈密集,代表所能提取的知識愈豐富,愈能培養獨立思考,擁有解決問題的能力。本 文嘗試以單一學科領域進行統整,先分析八、九年級的學習內容,以相同的知識概念 進行統整,選定適合發展的主題,接著將此主題所涵蓋的內容進行分類,歸納出次概 念,以這些概念為軸心,發展與設計實作的教學活動,闡述明確又清晰的科學原理, 讓課程具有一致性,容易被理解,讓科學概念成為有用的知識與能力。二、連結實際情境脈絡,使科學學習產生意義
傳統以知識內容為導向的教學最大問題在知識脫離了其所處的脈絡,造成理論與 實務的斷裂,使得學生空有知識卻不知如何運用與實踐(林永豐,2017
)。素養導向教 學強調知識與情境脈絡之間的連結,期望學生在真實場景中能動手完成工作,能解決 問題,也能創造新意念。如果要達致這樣的目的,學生應在學習歷程中,有豐富的機 會學習真實世界中的種種現象,並且思考如何解決真實的問題,因此本文以能源為主 題,在課程與教學中並不排斥學科內容,而是以能源與生活的關聯,透過與情境脈絡 的連結來建立學習意義,並有助於將所學應用到所需要的情境。三、透過探究式教學,獲得深刻的理解
在科學教育的改革潮流中,「探究」(inquiry
)是最重要的課題,強調科學教育結合「動手活動」(
hands-on activities
)與「動腦經驗」(minds-on experiences
)的主動探究學習方式就是培育科學素養最重要策略(
NRC
,1996
)。Bybee
(2000
)也指出美國國家科學教育標準的「探究」有兩個意涵,一為內容的理解,學生建構概念、創造意 義以及解釋他們的經驗;另一為技能與能力,包括提出問題、形成假說、設計實驗、 提出科學論證等。探究式教學的層次,依據
Staer
,Goodrum
與Hacking
(1998
)實驗學生也知道答案為何,只是照步驟操作確認一次;1 層次是教師準備實驗器材與步驟 讓學生藉由實驗找出解答,屬於引導式探究;若教師不提供操作步驟,則屬於開放引 導式探究,其中又細分為 2a 與 2b 層次,2b 是進一步地讓學生的學習任務多一項,必 須自己準備器材,提昇自主性,減少對教師的依賴;3 層次則是開放性的探究。本文 建構的探究式教學活動,主要為教師引導式探究,讓科學原理透過一系列的實驗來探 索,讓學生自行思考,發揮創意去製作、設計,並解決問題,達到教師所指定的實作 任務,透過探究,讓學生獲得深刻的理解。
四、融入科學玩具,鼓勵學生主動參與學習
科學探究是透過一系列的實驗探索科學原理,但實驗的進行常受限於場地、器材 等必須進行分組實驗,若能運用科學玩具進行實作,則能做到實驗微型化、人人一套 實驗器材,能自己驗證科學現象,思考科學原理。科學玩具既是以科學原理製作或用 於學習科學原理,又具備玩具的趣味性,其功能便結合玩具和教具的功用,能夠作為 啟發兒童科學思考,幫助兒童學習科學活動(成映鴻,1998;楊忠樵,2001),若能運 用在課堂上,必能增添課堂的色彩,讓學生能保有高度的學習熱情。賴慶三、王錦銘 (2010)運用科學玩具實施教學活動,認為科學玩具在自然科的教學的功能有:(一) 可以建構概念;(二)使科學觀念具體化;(三)有助於記憶;(四)提高兒童學習興 趣;(五)印證科學理論;(六)培養兒童創造力;(七)幫助說明科學與技術的整合。 Stein 和 Miller(1997)的研究也指出,利用玩具來教學,可以建構科學概念、幫助記 憶、讓科學與技術結合,這正是十二年國教課程期待達成的目標,能跨科統整、運用 所學,來豐富生活,開創生活。因此本文教學設計運用科學玩具融入,科學玩具融入 課程的時間很彈性,可以在教學前引起動機、可以在教學中學習科學原理,也可以於 教學後進行多元評量,激發學生主動參與學習,也可以作為課後專題討論的題材,讓 學生進行更深入的研究。肆、素養導向課程的設計與實踐歷程─以能源主題為例
本文嘗試以國中自然領域九年級理化課程的「能源」概念為主題,以下分述素養 導向課程發展及教學實踐歷程。一、以主題涵蓋的概念,進行相關教材的聯結及統整
以往國中理化的學習常因教科書的編排關係,相關的概念分散在不同的章節,學 生往往是分割來學習的,因此會覺得理化科很難,有很多現象要學習。零碎的知識容 易令人忘記,脈絡清晰的完整概念則較容易理解,較佳的學習方式應為建立完整的科 學觀念。因此筆者整合教材內容,以概念形成主題,幫學生建構完整的概念,讓理化 的脈絡變得清楚,建立學生科學概念。以九年級的「能源」主題概念為例,筆者即統 整理化科第五冊「功與能」與第六冊「能源」的課程內容,再結合八年級的「熱與熱 量」、「化學反應」等相關單元,設計成「無所不能」主題課程,主要概念及涵蓋教材 內容如表 1。表1 「無所不能」主題之主要概念與涵蓋的教材內容
主題 名稱 統整原理 主要概念 涵蓋章節 無 所 不 能 能 源 能源種類與 發電方式 第三冊:3-4 多變的聲音、4-2 光的反射、5-1 熱與熱量。 第四冊:1-1 化學反應、6-2 摩擦力。 第五冊:3-2 動能與位能。 第六冊:5-2 常用的能源、5-3 再生能源。 能量轉換 第五冊:3-2 動能與位能、3-5 能源的型式、4-2 電壓。 第六冊:5-5 能源的未來發展。二、聯結實際情境脈絡,發展主題課程內涵
「無所不能」主題的主要概念是能源,此概念與生活息息相關,課程設計藉由同 學對能源的認識,能體會能源得之不易,進而對我們共同生活的環境具有關懷的情感 與愛物惜物之品德。 本主題需要教師先教導定義的科學概念只有「功」的定義、動能與位能、以及能 量轉換的概念,其餘的課程重視如何執行操作,驗證科學原理。首先課程第一單元「耳 熟能講」,主要在建構能源知識,學習目標是能源的分類方式與臺灣各種發電的方式, 這單元的內容屬於科普知識,適合學生自學成長,同時能源的課程屬於校本課程,學 校製作了五個看板,清楚地簡介臺灣各種發電的方式,提供學生很好自學與自主表現 的機會。接著第二、三單元則讓學生進行實作體驗,藉由「熟能生巧」單元,讓學生 熟練能量的轉換,並讓學生操作科學玩具來驗證能量轉換;「欲罷不能」則融入校本課 程,以騎腳踏車發電來學習電能的計算。最後以「難能可貴」單元進行本主題的發表 與學生製作再生能源發電作為本主題總結性評量。主題課程內涵及活動如圖 1。圖1 「無所不能」主題課程內涵及活動
三、結合科學玩具進行探究式教學的實踐歷程
十二年國教自然領域的學習重點為實作與探究,本文以科學玩具融入主題課程 中,帶領學生於講述過程中進行實作,讓科學現象具體化。並於科學原理講述後,讓 學生進行探究實驗,再就實作任務進行總結性評量。教學實踐歷程包括:提問、實作、 概 念 學 習 目 標 科 學 玩 具 融 入 探 究 教 學 活 動 單 元 建構能源知識 耳熟能講 難能可貴 能源實作體驗 落實節能行動◎
認識各種不 同的能源 ◎區別再生能源 與非再生能源 ◎思辨核能的優 缺點 ◎說明各種發電 的方式 利 用 影 片 介 紹 各 種 不 同 的能源 認識核能並以 福 島 核 災 為 例,思辨核能 的優缺點。 分組合作學習 臺 灣 的 發 電 方 式 及 其 設 備和優缺點。 ◎操作科學玩 具 ◎說出能量轉 換的型式 ◎提出科學玩 具實作的最 適條件 ◎了解節能的 措施 ◎實踐綠能的 行動 ◎說明校本課 程節能方案 ◎實作氫燃料 車 ◎實證能量轉 換 ◎體會發電不 易 ◎能知道節能 的重要 介 紹 能 源 轉 換的型式,並 操 作 校 本 課 程 之 能 源 設 備,體驗能源 轉換的意義。 統 整 力 學 與 能 源 融 入 科 學 玩 具 鳥 轉 乾 坤 的 實 作 探究。 熟能生巧 參觀校 本課 程設備,了解 學 校 節 能 的 措施。 提 出 家 庭 能 實 踐 的 節 能 方式。 新興能源:燃 料 電 池 的 介 紹 與 科 學 玩 具的操作。 欲罷不能 結 合 校 本 課 程,讓同學藉 由 腳 踏 車 發 電 來 完 成 三 種實作任務, 體 會 發 電 不 易。 腳 踏 車 力 學 原 理 的 複 習 與 能 源 概 念 的整合。(一)提問:以「耳熟能講」單元,學生自己提問建構臺灣的發電型式
本單元的學習目標是認識臺灣發電的方式,課程淺顯易懂,所以嘗試放手讓學生 自學與自己提問。先以自製的 ppt 讓學生了解能源的分類,初步認識各種能源。接著 讓同學進行拼圖法的合作學習,學習各種發電的方式。專家小組分為太陽能發電組、 風力發電組、水力能發電組、核能發電組、火力發電組,每小組的成員都要負責一個 發電方式的解說,教材來源是學校能源教材大看板。學生先在專家小組進行 10 分鐘的 小組共學,之後每位同學要回到自己的小組講解剛剛共學的成果,必須教會其它同學, 當每位同學都解說介紹後,組內開始進行提問,並將提問的題目寫在紙卡上,每組必 須提供 10 題作為題庫,以利進行全班搶答。 此活動筆者發現同學提問是有層次的核心概念,能符合發電方式的學習目標,學 生提出好的問題包括: 1. 臺灣目前的用電主要以什麼方式來進行? 2. 風力發電的能量來源為何?哪些環境適合架設風力發電機? 3. 請舉例說明臺灣目前如何以水力能來發電,將優缺點各分述一項? 4. 太陽為何能夠持續穩定發出巨大能量來供給地球所需? 5. 簡述核能發電的連鎖反應,並說明損失 1 克的鈾核能產生多少的電能? 本單元的活動希望老師講解的比重少一點,同學展能多一點,因此設計了拼圖法 的合作學習,學生們透過專家小組共學,組內分享的方式自學,輔以小組競賽激勵同 學力爭上游,教師適時地補充知識,以彌補組內分享的個別差異,這樣的方式,讓學 生自己沉浸在提問與解惑之間成長,學到受用的科學素養。(二)實作:以「熟能生巧」單元學習「力學能守恆定律」
前一單元的發電型式,筆者並未刻意提及各種發電方式是屬於能量轉換的概念, 而將這樣的概念將於單元先以實作來理解能量轉換,再讓學生類比思考水力發電、火 力發電、風力發電、太陽能發電、地熱發電,其能量的來源是不同的,但最後都能以 電的型式供給使用,代表不同的能量之間可以互相轉換。本單元進行四個實作,以了 解能量轉換的來龍去脈。 1. 操作科學玩具─鳥轉乾坤學習功的定義 筆者先在黑板畫「功」的定義,讓學生以看圖說故事的方式,一步步自己講出 「功」的定義為:對物體施力讓物體沿著施力方向產生位移。接著讓學生操作曲柄以 熟悉「功」的定義,先講原理後操作,接著操作鳥轉乾坤時不斷轉動橡皮筋,讓學生 強烈地感受施力作「功」可以轉為能量。2. 操作科學玩具─循軌蹈矩學習動位能轉換 筆者先透過教室布置的圖片讓學生建構出只要物體在動,就具有動能,只要物體 離地面有高度就具有位能的概念,概念形成後,才發下科學玩具「循軌蹈矩」,學生用 手指彈出彈珠時很明確知道是給予動能,而彈珠繞壓條旋轉至最高點時,立刻能回答 是動能轉換成位能,這樣的學習效果顯著。 3. 「鑽木取火」學習動能轉換成熱能及「魔鏡魔鏡」學習光能轉換成熱能 藉由鑽木取火讓學生上下壓動木棍,觀察木頭發生的現象,學生操作沒兩分鐘, 就喊累了,研究者問學生:那怎麼辦?學生回答:聚光。於是研究者請同學設法處理。 有學生用凸透鏡在太陽下聚光在樹葉上,有冒煙;也有人拿凹面鏡在太陽下聚光在衛 生紙上,點著了衛生紙……透過實作讓學生看到科學現象存在的事實,有效學會抽象 的科學原理。
(三)探究:以「欲罷不能」單元學習「能量轉換」原理
學生在提問階段理解了能源的重要,也在實作階段學會了對物體作「功」後能夠 轉換成能量的觀念,接著將兩者結合在一起,以「欲罷不能」的單元讓學生知道能源 得之不易,進而讓學生學會珍惜能源與節約能源。 1. 利用人力踩腳踏車發電,體驗能量轉換 此活動讓學生體驗自己發電的可能性,用騎腳踏車把「動能」轉換成想達成的事, 全班共分為五組規劃自己想要發電完成什麼需求,規劃好之後全班分組各站進行。依 據學生討論,共分成打果汁、聽音樂、烤麵包、玩賽車、魚兒力爭上游等項目等。活 動以分站方式進行,一開始場面紊亂,果皮亂飛,果肉未打均勻、麵包掉地上等;但 經同學自行檢討改進後,漸漸地不再聽到互相責備的聲音,他們懂得找體力好的同學 踩腳踏車,找學業成就高的同學想策略,這些點點滴滴都在訓練學生解決問題,並透 過小組同學不斷地對話來協調改進事項,雖然最後冠軍只有一組,但頒獎時,筆者能 感受各小組都是很努力的,也不再聽到同學間互相責怪的話語出現。 2. 利用人力發電踩腳踏車,習得電能得之不易 接續上個活動,接下來讓同學瞭解 1 度電如何得之不易,請同學計算踩腳踏車 50 圈,將 50 圈的動能先蓄電,再轉換成收音機運轉時所需要的電能,以收音機運轉的時 間與電功率來換算所需的電能。活動後帶學生計算出一度電必須快踩腳踏車 10 小時, 同學紛紛表示會累死,要回歸簡樸的生活,要節約用電,少打電腦吹冷氣。此活動後 許多同學課後的學習單中提及相同的心得:認為以前都不覺得電很珍貴,總覺得開關 打開燈就亮了,沒想到要節約。但騎了腳踏車後,覺得發電好難,很累,踏很久的腳長了知識、成熟了技能,最重要的是態度的涵養,讓學生自發性地關心能源議題、實 踐節能行動。 3. 發表:以「難能可貴」的單元進行節能實踐活動的發表 科技時代的生活,對能源的依賴與日俱增,解決辧法只有二個:一為開源,一為 節能。開源方面,筆者讓同學以校本課程的設備,騎腳踏車來發電,同學感到電能得 之不易,所以就必須以節能來要求自己,才能成為綠能大使,為地球盡一分心力。課 堂一開始,筆者帶同學參觀學校的節能設備,一路上看到了學校的屋頂的太陽能發電 的集電板、太陽能熱水器、太陽能充電設備、門口的風光互補設備、雨水回收設備、 水撲滿淨水處理,這些都是學校節能的重要設施。參觀後,請同學計劃執行並發表自 己的節能計劃,希望同學實踐自己的節能計畫,從學校的生活做起,漸漸地推廣到家 庭生活。 S4 說:我每天下課都會去樓下騎腳踏車耶!讓田徑隊晚上練習時有電可以用,我 貢獻良多。 S19 說:我爸說,假日減少開車出去玩,改走路爬山或騎腳踏車這樣最省能源又 省錢,然後說不要讓我用電腦也會很省電,並叫我每天晚上睡覺時,都把全家不 用的插頭拔掉,這樣是節能的好措施。也有同學提到每次想買手搖飲料時,就想 一下打果汁時的辛苦,而選擇放棄不買,多喝水就好。 學校教育的宗旨是解決生活問題,現在面臨能源短缺,與其上課時不斷地呼籲要 省電,不如讓學生體驗發電不易後,能落實節能的行動,有感而發的行動力,是自主 的、而不是被迫的,讓生活裡處處都落實科學精神,人人才能具有科學素養。 4. 評量:製作再生能源發電之科學玩具─車子大賽 經過前面的探究,最後筆者讓同學設計製作利用再生能源發電,作為本單元總結 性評量。首先讓同學觀看網路上製作的再生能源教具,再請學生發揮自己的創意,從 水力發電、動力發電、太陽能發電、風力發電等選擇一項製作,將製作後的成品進行 電能轉換的應用。在講解各項原理與製造大綱後,多數同學選擇製作動力(手搖)發 電與太陽能發電,學生探索的動力十足,製作過程跟筆者討論的問題是有內涵的,他 們懂得考量變因後主動執行改進,證明學生不再只是找老師解除疑問,而是根據科學 定律的解釋(質量愈小,加速度愈大)與操作時發生的現象不同(珍珠板車較木板車 跑不快),想探求為何會如此?我想這是學習的驅動力,透過科學玩具來引發深度的探 究,學生學習能量變強大了。
最後,讓每位學生建構主題的統整概念圖如圖 2,由學生 S15 的作品可以清楚知 道學生學會組織科學的架構,分類科學知識,並運用圖表能力與科學符號來進行統整, 並推論理論的適用性。
圖2 學生繪製無所不能統整概念圖
伍、教學歷程的省思
一、透過提問、實作、探究、發表和評量等歷程,學生有自主表現的機會,
促進互助合作共同成長
能源主題課程的原理涵蓋科普知識,這樣的內容淺顯易懂,很適合增加學生的自 我成長與表現的機會,依循教師給予的教材,學生必須自己學習如何找到重點,仔細 觀察比較與歸納,進而提出問題、操作科學玩具,最終得到結論。在此歷程中,教師 扮演搭鷹架的工程師,給予學生支持的力量,協助同學發現問題,思考科學原理,鼓 勵同學對能源產生新的發想與實踐的創意。透過「耳熟能講」的單元,藉由專家小組 共學成長與課程內容的分享講述,使同學們對臺灣發電方式具有豐富知識而能侃侃而 談;然而發電方式就是能量不斷地轉換,但這是非常抽象的概念,於是藉由「熟能生 巧」的單元,讓學生體驗不同能量之間是如何轉換的,由光能轉熱能的實作一開始是 不易成功的,學生必須思考如何改變變因,從每次的操作中得到經驗,進行微調與修 正,最終順利地操作出光能與熱能的轉換、動能與位能的轉換、動能與熱能的轉換。 這些成功經驗加速帶領學生追求與臺電相同的發電能力,於是師生間進入了「欲罷不目的是讓學生感受,能源得之不易,落實節能減碳才是面臨能源短缺的根本解決之道。 在這趟能源的旅程中,學生最後討論運用再生能源發電來設計製作出科學玩具。透過 這樣的歷程,學生成為學習主體,自主參與學習活動,展現其創意與科學素養。
二、從教師提問改變成由同學分組合作學習後提問,有效促進學生求解問
題的企圖心
學習的主角是學生,加上能源概念對學生而言並不陌生,因此透過分組合作學習 的方式進行共學後,讓學生自行提問,學生所提出的問題能大多能切合臺灣發電方式 的核心概念,例如:燃煤發電的方式最可能造成臺灣何處產生什麼樣的公害?這個題 目的設計,學生必須先了解燃煤發電屬於火力發電,而火力發電的煤燃料會造成固體 懸浮微粒的污染,由於火力發電主要集中在中部地區,因此會對中彰投地區形成 pM2.5 的空氣污染。一道試題就有許多科學知識的陳述,顯然學生已經能掌握住學習的重點 並透過同學間的問與答而能達成學習目標。三、以畫圖說故事說明物理量的定義,再操作科學玩具實作驗證科學理
論,有助建構出具體化的科學原理
操作科學玩具能觀察到科學現象,但要依據觀察到的現象來推敲科學原理,實際 上很難達成這樣的目標。教學時筆者會先以畫圖說故事的方法讓全班接力描述建構出 科學原理,再讓同學操作科學玩具來驗證科學現象,例如:在「鳥轉乾坤」的活動, 筆者先畫圖讓學生學會說出「功」的定義後,再舉例子讓同學判斷何者是有作「功」 的情況,建構了基本的觀念後,讓同學操作曲柄,操作時同學很快就會懂原來這樣是 作「功」,到了探究階段時,繼續應用「功」的觀念去騎腳踏車學習更高層次的能量轉 換。這樣的學習方式學生自己所建構出來的科學概念是比較容易接納的,否則對一個 新的定義時,學生存在的既定印象就是「難」,但當科學玩具融入學生自己建構的描述 句後,學生看到了科學現象,不再害怕這些抽象的概念,也因此願意投入更多的心血 去研讀理化,更積極地面對自己不會的題目。四、實作課程只給予任務提示,不告訴學生操作的細項,逐步培養學生解
決問題的能力
在實作的活動,筆者循序漸進地讓同學先操作「鳥轉乾坤」學習「功與能」的定 義,再讓學生操作魔鏡魔鏡學習光能轉換成熱能,接續讓同學操作循軌蹈矩學習動能 與位能的轉換,過程中沒有直接告訴學生操作步驟,而是不斷與學生對話,幫學生架 構出如何改進實驗才容易成功,每一次的對話視學生碰到的問題給予建議,學生要自己調整變因,進而成功地做出結果。以這樣的方式也使學生熟悉學習的主人是自己, 有困難時就要調整,而非冷眼旁觀,透過教師不斷激勵學生:「再試試看」,這樣的過 程能夠累積真正的解題的能力,同時也激發學生的創造力。
五、發表的內容由課程內的知識擴大至生活中的實踐歷程,學生能將課程
所學身體力行
此主題的發表,著重在學生實踐節能措施後的討論。與同學分享自己的小妙招, 並且經由同學們的分享,讓原先可能沒想到的同學也能身體力行,當大家生活中都節 能時,再回到校園生活,就會產生節能的舉動,如學生能於午餐時間關燈、能於水槽 下方用水桶接漏水、知道專心讀書能減少補考卷印製時的耗能、先開窗通風再開電扇 等,培養學生時時刻刻關心生活裡的科學,應用科學知識解決生活問題,提升科學智 能。陸、結語
本文以素養導向的理念,建構一個國中理化主題課程方案,首先分析聯結教材的 概念,形成主題的大概念,再以實作和探究為主的教學方式,引導學生用實證的方式 學習科學概念。在引導的過程中,嘗試著將學習權還給學生,讓學生有展現多元思考 的機會,不僅僅只是在操作一個食譜式的實驗。在這歷程中,筆者深入研究科學玩具 融入課程之時機與運用方式,讓實作與探究的教學增添許多的驚奇感與趣味性,吸引 著學生對課程保有新鮮感與好奇心,透過新穎的課程方案讓教學者從「心」出發,看 見學生的亮點,改變自己的教學風格,嘗試多元評量,讚賞學生的表現,讓課堂重現 學習的生機,呈現師生共學的學習風景。讓筆者深切感受到有魅力的課程就有學習力, 有根的課程就會枝葉茂盛。參考文獻
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