成功開啟課堂對話之鑰: 以熱力學為例 71 物理教育學刊
2008, 第九卷第一期, 1-16 Chinese Physics Education2008, 9(1), 1-16 物理教育學刊
2011, 第十二卷第二期, 119-128 Chinese Physics Education2011, 12(2), 119-128
成功開啟課堂對話之鑰: 以熱力學為例
張慧貞 逢甲大學 光電系/物理教學研究中心 （投稿日期：民國100 年 07 月 28 日，修訂日期：100 年 09 月 09 日，接受日期：100 年 09 月 20 日） 摘要：引導「課堂對話」，對於物理教學是一件重要卻困難的任務。本文首先根據 文獻，簡述「課堂對話」對物理教學的重要性及預期成效。接著，分享五段作者 教授普通物理之「熱力學」單元時，所經歷的「課堂對話」摘錄，分析教師在引 導對話過程，所面臨的困境，及扭轉困境所採取的策略。最後，綜合出成功引導 對話的要素：包含教師提問應具體明確、變因盡量簡化、搭配其它科學工具(如： 圖表，或示範器材)、充分的思考時間、給予錯誤作答更正的機會、對話內容與評 量緊密結合...等。藉由實例的分享，希望能鼓勵更多物理教師，投入心力以挑戰 此項重要的教學任務，進而享受「有問有答」的教學樂趣。 關鍵詞：課堂對話、互動教學、熱力學、形成性評量壹、前言
受到「建構主義」的影響，強調學習參 與(learning engagement)的重要，引入「課堂 對話」的教學策略，已逐漸受到物理教師的 重視。引入「課堂對話」的目的，包含(1)協 助教師了解學習盲點，以調整後續之教學設 計 ， 即 所 謂 的 「 形 成 性 評 量 」(formative assessment) (Bell & Cowie, 2001)；(2)強化學 生的認知參與，藉由問與答的過程，促進學 生 動 腦 推 理 ， 以 釐 清 物 理 概 念 (Hake, 1998)，並熟悉科學表徵(如術語、圖表)之意 義與用法 (Chang, 2011a; Roth & McGinn, 1998)；(3)在演講過程中，穿插問與答，可以 活化課堂活動，使上課變得有趣，注意力更 加集中。 然而，成功引導課堂對話，卻是一件相 當不容易的任務。教師在提問之後，所面對 的往往是一片靜默的窘境，若抽點學生回 答，則很可能是不符合教師所認定的「正確 答案」。面對這樣的教學困境，很多教師會歸 咎於學生程度，或學習動機的低落。這可能 是事實，但也可能與物理知識的本質有關， Driver 等人（1994, p.6）強調：科學概念是 由科學社群所建構(social construction)，故科 學 知 識 不 可 能 透 過 個 人 的 實 證 性 探 究 (individual empirical inquiry) 而 發 現 (discovery)。科學教師的角色須能為學生引介(mediate)科學知識的工具與規範，而不是任 由學生個人創造想法，來解釋外在的自然世 界。因此，教師教學時，須能提供充分的科 學工具(如：圖表、公式、示範器材)，學生 才 能 進 行 符 合 科 學 規 範的 思 考 (Airey & Linder, 2009; Leach & Scott, 1995）。
另外，根據「社會文化觀」的「情境化 學習」（situated learning)的主張，認為科學知 識常常是條件化的（conditionalized）（Lave & Wenger, 1991），同一個科學概念、術語，在 不同的情境中，其意義、詮釋、及推論結果 會有所不同，學習科學須能是逐漸根據情 境，掌握知識的合宜性與限制條件。而知識 的「合宜化」（appropriation）往往超越絕對 的「對錯」（absolute correctness），因此，面 對學生作出不同於「預期推論」的回答時， 教師須審慎回應，琢磨其作答背後的根據， 避免直接否定(張慧貞, 2009)。這一點概念會 在「實例四」作詳細的詮釋。 作者投入物理互動教學超過 10 年(張慧 貞2007;Chang, 2005)，琢磨物理課堂對話的 技巧。透過本文，分享幾段真實課課堂的對 話，分析所面臨的困境與所採取的策略，並 歸納出成功對話的要點。
貳、本文
教師提問後，所不樂意見到的回應，包 含「一片沉默」及「答錯」兩種。本文針對 這兩類回應，分享「熱力學」的五段課堂對 話，以詮釋教師如何扭轉教學困境，帶領學 生，進行有效的科學推理(scientific reasoning) 與對話。 實例一：何謂「比熱」? 首先，若教師的提問卻換來一片沉默， 則可能是問題過於籠統，需要補充以使問題 更明確、或提供更多暗示，以誘導其思考的 方向，開始對話之後，還需進一步引導，使 其知識更加精緻化。例如: T11: 比熱是什麼? S1: … T2: 水的比熱是多少? S2: 1 T3: 1 代表什麼意思? S3: … T4: 1 的單位？ S4: 克… T5: (寫出 1 )，克是在分母或 分子? S5: 分母 T6: 那分子是什麼? S6: 卡 T7: 分母還少一項什麼？ S7: 度 C T8: 好! 所以比熱單位怎麼唸? S8: 卡克度 C T9: 分子與分母需做區隔 S9: 卡每克度C T10: 好 ! 所 以 比 熱 之 定 義 應 為 Q/m⋅∆T (單位質量，升高單位溫度，所 需的熱量) T11:分母的地方是溫差，不是溫標， 所以單位應修改為… S11: C 度(而非度 C) T12:正確 上述的對話顯示，T2, T4, T5, T6，皆針 1 T 表教師，S 表學生，S1, S2…之編號，表示對 話之順序。i f V i V Vf P isothermal f P i P 對T1, T3 的提問，補充更多的線索，以開啟 有效的對話。而T9, T10, T11 則引導學生對 「比熱」的定義，更加精緻化。 實例二： 比較材料之熱導係數 有時候，學生無法作答是由於問題過於 複雜，或變因過多。此時，教師可將變因簡 化，以促成有效之思考。例如： T1: 請比較下列材料的熱導係數大 小: 1.金 2.銀 3.鐵 4.鋁 5.冰 6.水 7.木頭 8.空氣 S1: … (30 秒，無人回答，故需簡化 變因) T2: 1234 會比 5678 大還是小？ S2: (全班)大 T3: 沒錯。所以，固體、液體、氣 體，之熱傳導係數之關係為 何？ S3: 固體>液體>氣體 T4: 對! 現在先來比較 1234 的大小 S4: (等待 10 秒… 指名作答) 2>1>3>4 T5: 只錯了一個地方，給你更正的 機會…，修改一個你較無把握 的順序 S5: (等待 20 秒…) 2>1>4>3 T6: 非常好，完全正確。通常材料 越貴熱導越大，但銀的熱導最 好，銀比金大 T7: 同時，鋁比鐵大很多，故電器 的散熱片，大多是鋁片，而不 是鐵片。 本題之答案為：銀>金>鋁>鐵>冰>水> 木頭>空氣，教學目的為統整材料熱導係數之 重要知識，包含: 1)固>液>氣，2) 銀的熱導 最好，3)鋁的熱導比鐵好，為散熱片之主要 材料。上述對話顯示，教師藉由 T2 使問題 簡化，獲得了S3 的正確回應。同時，教師對 於S4 的錯誤並未直接更正，而是藉由 T5 給 予學生暗示及修正的機會，成功彌補了 S4 的錯誤，進而突顯出T6 及 T7 之教學重點。 上述兩個實例，皆為記憶性的問題，以 下實例則需要學生進行思考推理，屬於較高 階層的認知操作。 實例三：等溫線與絕熱線 對 於 概 念 較 抽 象 或 推 理 較 複 雜 的 問 題，往往需要教師1)提供具體的科學工具(或 稱「知識表徵」)、2)給予學生充分的思考時 間、3)在其答錯之後，補充更多暗示與引導， 才能達到成功的課堂對話，促成有效的思 考。例如： 熱力學第一定律(Q=W+∆U)單元，涉及 等 溫 之 「 作 功 」 推 演 ( i f
V
V
nR
PdV
W
=
∫
=
T
⋅
ln
)。在教師持續推 導約20 分鐘之後，可引入以下對話，以活化 課堂活動，維持學生之注意力，促進思考， 並連結「等溫」與「絕熱」之關係。 圖1：等溫過程的 P-V 關係圖T1: 圖 1 顯示「等溫膨脹」的 P-V 關係圖，若由 i 點狀態開始， 經過「絕熱膨脹」，則應落於等 溫線之上方或下方? 原因為何? 安靜想1 分鐘，答對者加分 S1: (自動舉手作答) 上方 T2: 為什麼在上方？(錯誤答案，但 先不判定其對錯) S2: 因為絕熱 Q=0；還有膨脹作正 功W:+ … T3: 推論方向是正確的，你是想從 哪一個定律來推導？ S3: 第一定律 T4: 好! 先列出定律公式 S4: Q=W+∆U T5: 所以 Q=0，W 為正，則… S5: ∆U 是負的 T6: 沒錯，所以絕熱線應落於等溫 線之上或下? S6: …(約 20 sec)，應該改成下方 (註: ∆U 是負的表示氣體溫度 下降，因此P-V 曲線會降等溫 線之下) T7: 答對了，你原先雖然答錯，但 推論的依據正確，最後還是可 以發現自己的錯誤，做修正。 教師進一步引用圖 2(摘自 Serway & Jewett, 2006, p. 545)，比較「等溫」、「絕熱」、 「定容」、「定壓」等四個過程之關係。 整題對話費時4 分鐘，藉由教師與單一 學生的問答與修正，成功刺激了班上多數學 生的思考，複習了「第一定律」之概念。在 T1 及 T4，教師主動提出(或引導)熱力學的兩 項重要科學工具，包含「P-V 關係圖」及「第 一定律公式」，作為學生思考之必要媒介。同 時，教師並未直接點出S1 之錯誤，反而順勢 引導其推理(S2~S5)，進而發現並更正自己原 先的錯誤(S6)。 課堂對話若搭配示範實驗，則更能吸引 學生參與的意願，但生活現象所涉及的變 因，往往更加複雜，故難度反而高於純理論 之推算，如以下之實例。 實例四：CO2上升或下沉？ T1: 兩根長短不同的蠟燭，燃燒後 何者先熄滅？ S1: 高的… 低的… T2: 大家的意見不同，讓我們來表 決。 S2: 高的先熄(約 25 人)，低的先熄 (約 8 人) (全班 55 人) T3: (點名作答) 你為何認為低的會 先熄？ S3: 因為 CO2比較重，會下沉 T4:（CO2）比誰重？ S4: …比空氣重 Fi 1 10 圖2：熱力學四種不同過程之 P-V 關係圖 圖3：蠟燭燃燒學「理想氣體方程」
T5: 有 道 理 ， 因 為 空 氣 包 含 O2 及…? S5: N2 T6: 對，所以 CO2比空氣重，CO2 會 下沉，低的會先熄，讓我們看 看 結 果…( 結 果 高 的 蠟 燭 先 熄，違反S3 之推論) T7: 同學的推論邏輯沒錯，但卻與 實驗結果不同。這是因為還有 另一項與前面推論相衝突的 變因，才會造成相反的結果。 大家想一想，另一個變因是什 麼？找出一個能涵蓋這兩個 變因的公式，用來做推論…。 此時，教師發下預先準備好的學習單(共 6 小題)，進行小組討論(約 20 分)，並指定六 組學生，分別上台作答。 本題涉及浮力原理，密度高的會下沉， 而密度(ρ)由理想氣體方程(PM=ρRT)決定。其 中分子量(M)與溫度(T)互為衝突變因。S3 雖 考慮分子量M 之影響，做了符合物理概念的 推理(
ρ
∝M )，但卻忽略之另一更關鍵變 因：T ⇒ T M ∝ρ
，故M 與 T 為影響 ρ 之衝 突變因。 透過現象與推論(S3)的衝突，教師再作 引導(T7)，包含「多重變因」、及「引用公式 推理」、鼓勵同儕討論、給予學生充分的時 間、再搭配問題單、重複練習同一原理…等， 均是促成有效對話，強化學習的媒介。同時， 藉由T1~T7 的鋪陳，學習單的討論，變得更 加熱絡，而上台作答的結果也優於以往。 最後一個實例，則取材自原文教科書所 附的習題(problems)，透過課堂對話，統整「熱 學」與「電學」之生活實例，突顯原理的應 用價值，也補充了教科書對習題敘述的不足。 實例五：熱機與發電廠 「熱機」(heat engine)與「發電機」有何 關係？看似獨立的兩部機器，卻在現實生活 中密切相關。以下對話逐漸引出兩者之關聯 與差異： T1: 發電廠通常建在什麼地點？ S1: … T2: 台中 用的 電， 是從哪 裡 送來 的？ S2: …工業區 T3: 不是喔! 發電廠會有大煙囪，有 沒有印象，在什麼地方看過發 電廠的煙囪？ S3: 海邊 T4: 答對了，那為什麼發電廠要建 在海邊呢? S4: 因為要利用海水冷卻 T5: 很好! 那發電廠為何會排熱呢? S5: 因 為 發 電 廠 要 燒 煤碳 ， 產 生 熱… T6: 沒錯，但燒煤碳，產生熱的目 的 是 要 變 成 電 ， 不 是 為 了 排 熱… S6: … T7: 發電廠如何由熱→? →電? 請 問發電機是將? →電? S7: …動能 T8: 很好!動能來自作功。所以熱→ 電的過程，需拆解為熱→作功 (動能)→電 T9: 其中動能→電是發電機，那麼 熱→功需要哪一種機器? S9: 熱機(engine) T10:沒錯，所以發電廠=熱機+發電 機 T11:那為什麼要浪費海水來排熱呢?S11: 因為海水不用錢… T12: 可是，「熱」是花錢燒出來的 S12: (約 10 秒…) 因為效率<100% T13: 正確! 所謂「效率」是指哪一 台機器呢? (手指著: 發電廠= 熱機+發電機) S13: 熱機 T14: 很好! 大家翻到講義(如下圖) 寫上 發電廠=熱機(熱→功)+ 發電機(功→電)， 其中的熱機效率必<100%，這 是 符 合 卡 諾 定 理(Carnot Theorem) 的限制，但發電機 理論上可以100%將 功→電。 T15: 課本的指定作業題，需用到上 述的觀念，先推算熱機(engine) 的效率(efficiency)，再求出發 電廠排到海水的熱流速，過程 需假設發電機可100%將功→ 電。 全部對話，在5 分鐘內完成，利用一連 串的問與答，穿插在冗長的講解與推算之 中，可以令學生耳目一新，並激發其好奇心。 ㄧ個看似純計算的習題，經過設計，可以成 為活化理論的生活化題材。，挑戰學習盲點 (S4, S5)，並連結了「熱學」與「電學」。 上述對話中，教師用了三個問題(T1~T3) 才順利引入主題，再用T7~T9 順利結合兩部 機器，並在T11~T13 比較兩者之差異。最後， 再連結指定之作業題，提昇課後練習的動 機，也突顯課堂對話的價值。
參、結論與討論
由以上五個實例，詮釋出進行課堂對話 的種種困難，及扭轉困境的可行策略。首先， 要刺激學生願意開口，就是一件困難的任 務。除了實例四(蠟燭示範)之外，其餘的情 況，都無法在第一個提問時，就獲得回應， 但是透過問題的聚焦、具體化，大多能順利 提高學生的回答意願。 其次，學生一開始的回答常出現錯誤， 或過於粗糙。面對學生的不當回應，應避免 直接否定(尤其是單一學生的回答)，而是提 供引導及暗示，給予修正的機會(如:實例二 T5; 實例三 T2)，以提高其成就感。教師所 提供的引導或協助，除了口頭敘述，還可以 是公式、關係圖、示範器材，甚至是手勢或 動作..等(Roth & McGinn, 1998)。第三，課堂問答的問題可分為記憶性與 推理性兩類，前者可快速地問與答，但對於 需要思考或運算的問題，則需給予學生充分 的空白時間作推論(time for thinking)，並明確 告知(如實例三 T1, 實例二 S5)，同時，給予 Ex: 發電廠與熱機:
1. 發電廠為何常設於海邊或河邊? 2. 發電機與熱機之功能各為何? 如何
的思考時間，教師應避免中途插話。 第四，問答可分為自由作答與指定作 答，兩者可靈活穿插，以豐富課堂活動之形 態，提高參與感，至於分數誘因(作答結果加 減分)，則須謹慎使用，以免扼殺了學習興 趣。作者通常在難度較高，且自願作答時， 才會給予加分。 最後，為了突顯課堂對話的重要性，對 話內容需能：1)連結後續之教學主題(如：實 例一)、2)複習前一單元之意義與用法(實例 四)、3)詮釋物理概念在生活之意義與應用(實 例三、五)、4)與講義內容、作業、或考題相 關(實例一~五)。如此，才能強化課堂對話的 價值，誘導學生參與的意願，甚至好好地於 課後，釐清課堂對話之概念與邏輯。將課堂 對話的「生活實例」題材，融入考題設計的 更多範例，請參閱作者的專書 (張慧貞，2007, p. 157-162) 及期刊論文(Chang, 2001b)。 成功進行「課堂對話」，是一件充滿挑 戰的任務，但其背後所帶來的教學成效，卻 相當誘人，一段精彩的對話，可以使冗長枯 燥的課堂，頓時活絡，值得物理教師們努力 嘗試。經過多年的開發與經驗累積，課堂對 話已成為作者教學的常態，每堂課必備幾個 「腳本」(有時搭配道具)，並持續修改。藉 由本文的分享，希望教師們能淺嚐其中的要 訣與樂趣，但非依式套招。有些成功的「腳 本」，換個班級卻無法施展。因此，課前周延 的準備，與真實課堂的琢磨，才能漸入佳境， 享受「有問有答」的教學樂趣。
致謝
本 文 內 容 承 蒙 國 科 會 專 案 研 究 計 畫 (NSC97-2511-S-035-001-MY3) 之 補 助 , 僅 此 誌謝.參考文獻
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Strategies to Successfully Conduct In-class Dialogue: Episodes of
Thermodynamics
Wheijen Chang
Feng-Chia University
Abstract
Conducting in-class dialogue is crucial but challenging to physics instructors. This paper starts from describing the pedagogical reasons and expected outcomes of conducting in-class dialogue for teaching physics based on the literature. Then, the author shares five episodes in teaching thermodynamics, analyzing the challenges the instructor has encountered and the strategies to overcome the teaching barriers. Last, features of successfully conducting in-class dialogues are summarized, which include specifying the questions, simplifying the related variables, providing multiple scientific tools to facilitate reasoning, giving students opportunities to amend their responses, and merging the content of in-class dialogue to assessment design to highlight the status of in-class dialogue.
