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中國磁學科技史料融入國小自然科教學之行動研究

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第一章 緒論

本章分為四節,分別說明研究背景與動機、研究問題、名詞釋義與研究限制, 茲分述如下。

第一節 研究背景與動機

壹、研究背景 1980 年代末期的科學教育,整合科技史於科學教育已成一重要的國際科學教 育趨勢,並已擴及小學階段的科學教育(傅麗玉,2001)。聯合國教科文組織(UNESCO) 也早已認為科技教育是普通課程中的一個學門(康自立、蔡錫濤,1987);美國國際 科技教育學會(International Technology Education Association) 也在 2000 年 公布科技素養標準(Standards for Technological Literacy),宣示科技教育是國 民教育的重要一環,因此,如何培養具備科技素養的國民,成為科技教育重要的課 題。科技史融入教學在國小兒童的科學教育中,已日益受到重視。

1985 年美國科學促進會(American Association for Advancement of Science) (簡稱 AAAS)主導的 2061 科學教育改革專案(Project 2061)也曾指出基於以下 理由,建議將科學史納入學校科學課程之中:(一)科學教育若缺乏實例,就無法 將科學運作的方式傳遞給學生;(二)科學史於文化傳承具極大的意義,科學史是 科學教育改革中不可或缺的部分(傅麗玉,2000;陳勇志,1997)。美國 1996 年所 公布的 National Science Education Standards 也敘明運用科學史在小學自然科 學教育中,應強調科學史中人類的探索經驗,經由科學史讓兒童知道科學是全人類 不同世代共同努力的結果,包括不同性別、不同種族文化的人們對科學的貢獻;並 鼓勵兒童從科學史的材料中,學到一些有關科學探索的故事,以及那些著名的科學 家們,如何從事科學探索工作,從中得到工作的樂趣與成就感,以及眾人的尊重 ( National Research Council,1996)。1989 年英國的國家科學課程教育委員會

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在其國家科學課程之目標第 17 項「科學本質」中,指出學生應了解並學到科學是 如何發展演變,及科學的應用發展是如何受到社會、道德精神、及文化的影響 (British National Curriculum Council,1989,引自傅麗玉,1999)。

近年教育部所頒行的九年一貫課程綱要中,即明確指出自然科學的學習,在於 提升國民的科學與科技素養,故明列「自然與生活科技領域」為七大學習領域之一, 將科技素養列為普通教育的一環,其課程目標中也提出要能「察覺和試探人與科技 的互動關係」。此外「科學本質」、「科學態度」、「科技的發展」、「科學應用」、「設 計與製作」也為自然與生活科技領域所需學習培養的八大科學素養的要項中。且其 教材內容細目中亦有主題為「科學與人文」、「創造與文明」(教育部,2003),其目 的無不希望透過教導科學發展、發現的過程及科學家的故事及認識歷史上重要的科 技創新與發明、瞭解科技與社會的關係來達成國民科學素養的養成。 貳、研究動機 科技教育學者 Maley(1989)指出,人類發展與利用科技的歷史遠早於對科學知 識領域以及科學應用的探索;人類文明形成的歷史幾乎是科技發展的歷史。自有文 明的形成以來,人類即知道如何發明工具,藉工具的使用來利用各種能源材料以改 善居住環境。傅大為(2001)也指出科技是人類與自然、社會互動所發展出來的實踐 知識,它提供我們反思、借鏡、比較、與可能學習的參考。我們可以發現,不同的 社會所發展的科技會反應其社會文化風貌, 同時, 社會文化也會限制其科技的發 展(McAlister,2003)。科技發展往往也是決定社會與經濟發展的重要因素,在社 會進步的同時,科技發展又往往受到社會價值、經濟結構、組織型態以及個人認知 因素改變的影響。回顧歷史,科技發展不但促進經濟進步與社會繁榮,同時也是促 成文化發展的重要因素之一(Maley,1989)。 由前述的介紹可知目前科學教育已相當重視科學發展過程及人與科技、社會文 化的互動關係,劉君燦(1999)亦指出科技的發展不能脫離人,也就是脫離不了人所

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處的文化社會,進一步來說,科技與人文是互動的,交互影響與相即相離的,我們 應該透過教育使下一代認識到這一點。而要能達此目的最直接的有效方法之一就是 將科技史融入教學中,科技史有助於人們從科技發展的歷程中,尋找解決問題的議 題,將科技史引進科技教育中將可發揮提升科技素養的作用(蔡東鐘,2006)。 因另外根據傅麗玉(2000)研究各國的自然科學教科書材料亦指出目前國內科 學教材中科學家的故事偏重西方科學家,且中國古代的科技成就未受到應有的重 視。根據研究者的本身的教學經驗,也發覺或許是受教科書的內容及課外閱讀書籍 的影響,學生往往是比較熟悉西方的科學成就及其科學家,對中國古代的科學成就 則比較陌生,為什麼國內的教科書、兒童科學書籍大都是介紹國外的科學家呢?號 稱有五千年悠久歷史的我國,難道都沒有屬於本國的科學史可向學生介紹嗎?因此 研究者認為有其需要將中國古代科技的成就,融入於國小自然科的教學中,讓學生 認識中國科技的發展及中國古代科學家的智慧。有鑑於此研究者以中國四大發明之 一的指南針為主題,配合探索指南針奧秘的歷程,來啟發學生相關知識的認知與成 長。

第二節 研究的重要性與目的

壹、研究的重要性 從前述的背景與動機,此節再分別以下列三點陳述本研究的重要性。 一、提供一個以中國科技史料為導向的教學實例 許良榮、侯志洋(2002)指出國小科學教師從事科學史教學其主要動機還是在 於引發學生學習興趣為主,其困擾點則在於教師們普遍缺乏「科學史相關知能」。 李隆盛(2001)亦曾提到科技史教育的重要性雖已被國內外教育界所重視,但在國 內,這樣的理念並未為擔任第一線教職工作的教師所瞭解,尤其小學階段的教師更 是陌生,主因為國內的小學階段的師資訓練內容未能涵蓋科技教育師資,導致小學

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階段的科技教育仍然薄弱。而現行的自然科教學,雖說教師擁有彈性的空間去選擇 採用何種教學方法及教學內容,然而科學教師將科學史融入科學教學時,常有不知 如何去尋找所需的科學史資料,也因為自己對科學情境的不了解,而對科學史的體 會有所限制,不知如何由科學史料中找出關鍵點,如何擷取科學史料,以適當的方 式融入科學教學中(劉靜嫻、黃世傑、王國華,1999)。劉廣定(1997)也認為當 今推動科學史於科學教學,除需配合課程標準與另編教材外,最大的問題是教師本 身缺乏科學史的背景知識,多數大學生在學時沒學過正確的科學史,也少從科學史 教材中得到相關的啟發。很多人不認識科學史的重要性,也不知從科學史角度教學 的優點,於是等他們成為科學教師後,很少願意用科學史教學,且現今國小的自然 科,仍有不少由非數理背景教師擔任自然科教學,即使教師對科學史教學傾向正面 的態度,然而一旦要教師實施科學史教學時,卻持保留態度,一則可能認為自己欠 缺科學史的知識背景,同時也認為自己缺乏在自然課中運用科學史教學的認識。因 此,提供教師在融入科學史教學所需的相關資源,對教師來說,是一件重要的事, 而研究者從事此中國磁學科技史料融入教學的研究,便是希望能藉此提供給其他教 學現場老師一個以中國科技史料為導向的教學實例參考。 二、科學史料融入教學,對孩子學習科學的重要性 科學史在科學教學中具有多元性的功能,已頗為受到學者肯定(許良榮、李田 英,1995;Kauffman,1991)。如科學史可以提供學生對科學本質較豐富的省思 (Jenkin,1989);能增加學生對於科學家及其工作的興趣和鑑賞(Klopfer & Wastson, 1957);對科學本質的了解以及使科學教育具人文思想之價值(傅麗玉,1999);可 以幫助學生知覺到自己的觀念,並提供建構新概念之學習的方法(Schecker,1992); 可以讓學生了解科學理論的暫時性和不確定性(Garrison&Lawwill,1993);且可 以讓學生瞭解科學理論持續改變著,使學生能開闊心胸接受錯誤;讓學生了解科學 與社會間的關係,縮小科學與社會的距離(Oldroyd,1977)等等。洪振方(1997)

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在教學方法上也指出教師可以將科學史的知識當作是學生的認知結果,進一步引導 學生學習,並且預期到學生在概念的學習與理解上將發生的困難,進而透過科學史 的幫助讓學生認識到本身概念的限制,激發學生嘗試去重建其新觀點。 綜合言之,融入科學史教學的功能有:提高學生的學習興趣、使教材人性化、 增進科學本質的瞭解,了解科學的暫時性與不確定性、了解科學概念間的關聯、幫 助學生對科學方法的認識、以科學家作為學生學習的典範等等,因此善用科學史教 學應可以達到是當教學成效的提昇。 三、融入本國的科技史料,增進學生對本國科學文化的體認與瞭解 科技教育學者 Maley(1989)指出,人類發展與利用科技的歷史遠早於對科學知 識領域以及科學應用的探索;人類文明形成的歷史幾乎是科技發展的歷史。自有文 明的形成以來,人類即知道如何發明工具,藉工具的使用來利用各種能源材料以改 善居住環境。傅大為(2001)也指出科技是人類與自然、社會互動所發展出來的實踐 知識,它提供我們反思、借鏡、比較、與可能學習的參考。我們可以發現,不同的 社會所發展的科技會反應其社會文化風貌,同時社會文化也會限制其科技的發展 (McAlister,2003)。科技發展往往也是決定社會與經濟發展的重要因素,在社會進 步的同時,科技發展又往往受到社會價值、經濟結構、組織型態以及個人認知因素 改變的影響。回顧歷史,科技發展不但促進經濟進步與社會繁榮,同時也是促成文 化發展的重要因素之一(Maley,1989)。 因此科學史教學應不僅是學習科學層面上的教材,科學亦是文化的一環,科學 的發展和文化層面是息息相關的,但環顧目前國內科學史的教學大都著重在西方的 科學史,對本國的文化認知是深切不足的,故教學中適時的融入屬於自己國家的科 學史事例是有必要的,藉此我們可讓孩子瞭解文化與科學的相關性,以增進其對本 國文化的體會與認同。

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貳、研究目的與問題 本研究主要目的在探討如何將中國磁學科技史料融入國小自然科教學,並檢視 研究歷程中遭遇的問題、解決的策略與研究者本身之專業成長。因此,本研究的研 究問題主要包括下列三項: 一、如何設計中國磁學科技史料融入國小自然科的教學活動? 在教學活動設計方面教學素材的規劃,需要考慮哪些因素?在教材內容上,教 師選擇科技史料的原則為何?教材補充資料的編寫要注意哪些事項? 另外該用何 種的方式來融入科技史教學呢? 二、教學的過程中所遭遇到的問題及解決方法為何? 教師在教學過程中,會遭遇哪些問題?該如何克服?如教材編寫、教學方式如 何調整?如何來引導其課程活動?以及教學時間、活動的安排等 三、在研究過程中,教師的反思以及個人的成長為何? 行動研究中研究者本身的反思與個人的心路歷程與成長,亦是一項重要的觀察 要項之一,而這也正可藉此來檢視自己的成長與從事研究的經過。

第三節 名詞釋義

壹、中國磁學科技史料 在本研究中,為配合國小自然與生活科技課程及其國小學生程度,故所選擇的 中國磁學科技史料範圍主要以中國古代發現磁石、指南針之過程與歷代應用磁石、 指南針的事例及應用技術為主。

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貳、國小自然科 研究中「國小自然科」的指稱,係指根據教育部於民國八十二年九月頒布之「國 民小學自然與活科技課程標準」所編輯的國小自然科課程為主。

第四節 研究限制

由於行動研究的目的在於實務情境中研究並能同時解決問題,因此本研究的結 果,不宜做過多的推論。然而讀者們卻可透過研究情境及過程詳細的描述與探討, 以做為讀者們運用中國磁學科技史料融入目前國小自然教材課程中,從事教學與課 程設計的參考。而本研究因人、時、地、物等內外在環境的因素,可能存有如下限 制 壹、研究者的限制 本研究採取行動研究,教師兼研究者,因此研究者對教學過程的詮釋,極可能 為本研究最大的限制。且因本研究是針對一位教師、一個學習情境、經過一段時間, 透過這個研究歷程所得到的心得,難以將之類推至其他教師身上。不過,質性研究 的目的,在於對一個事件做詳細描述,並不在於做普遍性的類推,因此本研究在於 做類似教學的參考,而不在於結果的類推。 貳、教學課程的限制 本研究係採用「探索指南針」為主題,配合中國磁學科技史料的融入來進行教 學活動,受限於現有教科書單元的限制,無法真正融入班級的自然科課程中,故教 師是以額外挪出教學時間的方式來進行該課程教學活動,本教材內容雖可適度的融 入於現有教科書內磁鐵與指南針的教學中,但仍不可過度的類推其結果。

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參、研究樣本的限制

本研究係以研究者任教之彰化縣某國小五年級一班及二組學生為樣本進行研 究。以行動研究方式進行,經由研究者的自省和學生的回饋來修正整個課程的設 計,故本研究基於研究樣本的限制,不宜過度推論至其他群體。

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第二章 文獻探討

本研究旨在探討運用中國磁學科技史料融入國小自然教學的可行性,因此本章 的文獻探討著重幾個方面來整理。首先,探討目前科技史與科技教育的功能與原 則;第二節針對科技史教材設計來做討論與介紹;第三節探討科技史教材概況與國 小磁鐵教材現況;第四節則介紹中國磁學科技史料的發展與應用。

第一節 科技史與科技教育

科學對科技的發展起著明顯的推進作用,以致科學與科技間的界線日漸淡化 (劉青峰,1988)。科技教育有技術教育的成分,也有科學教育的成分,是兩者的有 機組合,在科技教育的過程中,除了傳授學生有關科學與技術的基礎知識和方法 外,還培養他們用所學到的科學技術知識去解釋和處理日常生活中的實際問題的能 力(亓殿強,1998)。科學(science)與科技(technology)在本質上雖是不同的,但也發 現學生在區分科學與科技上是相當困難的(Trowbridge & Wandersee,2002)。因此本 研究在探討科技史主題時,是融合科學與科技二者觀點,涵蓋科學和技術這兩個領 域的。 壹、科技史教學的功能 由於本研究科技史的教學功能涵蓋了科學史與科技史的範圍,故下面分別針對 科學史與科技史來探討其功能。 一、科學史的教學功能 Roger(1982)曾指出,學生藉由科學史中體會的各種經驗,是無法從學校其 他各類科學活動得到;科學史可以幫助學生了解科學知識發生了什麼改變?什麼時 候改變的?以及為什麼改變?因此可以藉由科學史的教學,讓學生從科學史的角度

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了解目前我們所知道的科學知識是怎麼形成的。

Matthews(1997)在其著作《Science Teaching:The Role of History and Philosophy of Science》中,指出要將科學史融入教學的功能有:(1)科學史可以提升學生對科 學概念的了解;(2)科學史連貫了學生自我思考的過程與科學原理發展過程的相似 性;(3)科學理論的演化性及革命性的開創性讓學生了解以後,對其往後的學習有很 大的助益;(4)藉由科學史可以提升學生對科學本質的了解;(5)科學史闡述了科學 原理發展的過程,適時提醒學生真正的科學本質。因為大部分教科書之中只描述科 學原理之發展結論,省略了其發展過程,導致學生誤認為科學是具權威性而不可挑 戰;(6)科學史描述了科學家的生活及那個時代的社會背景,人性化的學習內涵可以 讓學生較願意致力於學習科學家的思考過程。另一方面,也使抽象單調的科學概 念,成為較為社會化、生活化的課程內容;(7)透過科學史的教學,學生較易了解不 同科學概念之間以及不同學科之間的相關性。換句話說,科學史可以襯托出不同科 學領域成果之間高度的相依性。 Oldroyd(1977)認為利用科學史教學的優點有:(1)科學理論的歷史發展大多相對 應於該理論的邏輯結構,例如沒有原子的概念,就不會導引出電子、質子、中子的 發現;(2)由科學史可以了解科學家面對問題時的思考或實驗探索的歷程,有助於學 生領悟解決問題的方法;(3)適當的科學史例,可幫助學生領悟科學家創造的過程; (4)讓學生了解科學理論是持續的改變著,因而使學生能開闊心胸,接受錯誤;(5) 讓學生了解科學與社會之間的關係,縮小科學與人文的鴻溝(許良榮、李田英,1995)。 劉廣定(1997)整合吳大猷先生的觀點, 認為在教科書中加入科學史,可以引發 學習興趣,因為一些簡易的「仿古」實驗,可以增加學生對相關課題的好奇與認識; 幫助學生了解科學,從科學史角度說明科學發現、發展的的經過與科學原理的建 立,比直接陳述結論會讓學生獲得更完整而深入的了解;掌握科學方法,從歷史上 科學發展的實例說明現象、解釋成因,更是學習理解科學方法的好素材。

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向:(1) 科學本質層面,了解科學理論完整與脈絡性、兒童科學概念發展與科學史 的發展類同、科學本質的瞭解、學習科學觀念、滿足學習認知的需要、科學理論的 邏輯結構、科學知識是怎麼形成的。(2) 科學方法層面,引發學生對於科學探討過 程的理解、學習科學方法、領悟解決問題的方法、領悟科學家創作的過程、激發學 生批判思考的能力。(3) 科學態度層面,使學生能開闊心胸、願意承認與改變自己 的錯誤、較有接受別人意見的雅量、對科學家的喜愛和工作的鑑賞。(4) 人文層面, 對世界的認識獲得深層意義的理解、人文思想價值、瞭解科學對人類生活的貢獻、 培養良好的公民、縮小科學與人文的鴻溝。 二、科技史的教學功能 科技教育是培養學生具備有效思考的能力、溝通表達的能力、正確做判斷的能 力,及對文化傳統價值的認知能力,目標是要學生瞭解人類發展技術,及利用資源 提供現代化社會生活所需一切的相關知識,以教導學生如何有效利用各種方法、工 具來擴展能力(王鼎銘,1999),所以透過科技教育傳達正確的理念自然成為人類生 存發展的重要關鍵。 Wright(2001)認為小學階段的學生對新、舊科技系統,無論其對社會的影響 是正面的或負面的都要有所認識,換句話說,並非所有的科技對人類的生存都是好 的;學生可以透過討論瞭解他們喜歡的科技,以及這些科技可能已經傷害了某些 人,顯然的,這些對話可以建構在像是槍、電腦、汽車的發明等主題上。Maley(1989) 也指出,人類發展與利用科技的歷史遠早於對科學知識領域以及科學應用的探索; 人類文明形成的歷史幾乎是科技發展的歷史,所以,科技發展往往是決定社會與經 濟發展的重要因素,而科技發展也會受到社會價值、經濟結構、組織型態以及個人 認知因素改變的影響,回顧歷史,科技發展不但促進經濟進步與社會繁榮,同時也 是促成文化發展的重要因素之一,因此,以科技文化為核心課程來銜接人文與科 技,及平衡科學與人文的互動對學生而言是重要的通識教育(李大偉,1993)。

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再者,科技史可以促進學生瞭解科技及科技演變所牽動的社會變遷,更進一 步,可以讓學生瞭解科技不是所有人類問題的答案, 科技必須由人們做適當的應 用(Slaby,1973)。科技的過程是累進的,過去的知識與現在的知識有密切的關係, 過去的知識可以真實有效地應用於發展創新的科學技術與新知識(Slaby,1973)。科 技的發展往往是科技專家發現問題,再運用創造力思考克服問題的過程,所以社會 需倚賴科技專家思考選用適當的方法來解決問題(黃能堂,1994),專家解決問題的 創意展現在適當的流程設計,及運用可資利用的資源解決問題的歷程上,這些科技 史中科技專家發現問題的材料即可做為教學運用的資源,讓兒童在想不到解決問題 的時候,可以學習科技專家的解決方法,此可視為創造能力的一種表現(魏明通, 1981)。 因此,以科技史做為教學主題引導兒童認識科技,並幫助兒童串連既有的觀念 與新的抽象觀念,使兒童在學習過程更容易理解新的概念(傅麗玉,2001),另外, 也可以在科技史例中獲得科技文化的內涵,了解科技如何推動人類社會文明的進 展。所以,學生經由科技史例的引導,學生可能會改變其科技態度,更加關注生活 週遭因科技發展所導致的各種變化,並且培養正確科技價值觀念。 小結 從科學史與科技史教學功能的討論中我們可知,科學史對科學本質、科學方 法、科學態度、人文層面上是有其教育功能的。而科技史方面,多數的專家學者認 為科技史融入到教學中,對培養學生正確科技價值觀念,刺激學生思考的潛能,提 高學生探索問題的興趣,了解科技和人類社會文明的進展及由科技史提供的示例中 學到問題解決的方法等..都是有所助益與幫助,由此更可見其整合科學史與技術史 融入教學的重要。

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貳、科技史料的運用原則 科技發展史的學習,是可以協助人們透過科技的發明與創新,來理解科技是如 何演進的,以及如何循序地建立了人們生活周遭的世界;在研究過去的科技發展事 件時,有助於個人開始瞭解預測未來的模式。所以,透過科技史的方法來學習科技, 能夠讓學生對科技及其在社會所扮演的角色做出更可靠的決策(ITEA,2000)。 從科技快速發展的趨勢來看,科技教育並不在於它呈現了科技成果的多樣性, 而要著重科技內在發展結構的一致性的了解,因為豐富多樣科技成果,是無法在人 類有生之年可以窮盡的,但其內在的運作機制之基本原理,卻可以幫助我們理解這 些生生不息的增長現象,進而推論科技發展的未來趨勢(Fang & Tsai,1998)。因此, 科技教育內涵之重點亦不在於呈現豐富多樣的科技題材,或是過度分化零碎的科技 發展現象,而應從生活中篩選相關的科技題材,做為發展教材的主軸,將歷史上關 鍵的科技發展現象串聯起來,形成一個嚴謹的科技時序結構,並引申此結構中轉折 發展的過程,以誘導學生擴展思維領域。 但是在科技教育中,要把握科技發展史轉折期的思想變革,並非易事。為了能 獲得好效果,必須透過有效的方法,把科技發展的時代背景、社會條件、文化因素 和科學家與發明家的個人特殊貢獻融合在一起,進行實事求是的、合情合理的介紹 和評論。探究科技發展的途徑、方法、手段上突破的思想根源,尋找科技結構發生 變化的邏輯依據,固然是探討科技發展轉折期思想變革的邏輯依據,但科技發展並 非單獨、孤立存在的,它們是在社會中產生的(Fang & Tsai,1998)。

任何科技發展的研究,都離不開對時代背景、社會條件、文化因素的考察,離 不開對科學家的個人特殊成就的分析。不能把探究科技發展的途徑、方法、手段上 突破的思想根源,科技結構發生變化的邏輯依據,只作為“解釋性"的工作來進 行。而必須與激發創造性思維相聯繫,要真正道出科技發展史上重要的轉折思想精 髓,以激發學生其創造性思維(Fang & Tsai,1998)。且由於科技史以一種有意義的

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方式描述科技與其他力量對人類日常生活影響的經驗(Slaby,1973)。因此,當我們 關心什麼樣的教材可以促進科技教育的效果,什麼樣的教學活動,可以使學生在面 對科技教學時,有足夠的動機來參與學習,就變成科技教育要面對的課題。 小結 由上我們可知在運用科技史了融入教學的原則,應避免以「解釋性」的方式過 度分化零碎的科技發展現象,而應從生活中篩選相關的科技題材,試著將將歷史上 關鍵的科技發展現象串聯起來,做為發展教材的主軸,來引導誘發學生的思維。 參、科技史料融入教學的方式 科學史納入科學課程的進行方式(傅麗玉,2000),有以(1)著名的科學歷史事件 為研究對象,如歷史個案研究、互動式歷史小品、歷史調查研究、富有想像力的科 學史寫作等;(2)重演科學史大事,如角色扮演、歷史對話、重複科學史上的重要實 驗;(3)探訪科學古蹟或參觀博物館;(4)科學家事蹟研究,如科學家傳記閱讀,參 觀科學家遺產。洪振方(1998)認為融入科學史教學的方式有兩種:一是以科學史的 發展為主軸,再將科學概念融入;另一是以課本的科學概念為主軸,再以事件的方 式將科學史融入; 兩者均強調科學發展過程的探討與見習科學家如何解決問題, 強調科學概念的理解、澄清與問題的思辨,及批判思考能力的培育。 在科技史料融入教學方面,可以對特定的科技範疇,將發生的相關事件內容, 依時間關係繪製成科技時序圖,以表達科技演進的歷程來進行教學融入,而所謂的 相關事件,可以是一項發明、一項革新、一個定理的發現、一個科學研究的突破, 或是任何形式可促成科技變革的事件皆能做為科技時序圖建構的主角。這種科技時 序圖,提供了以歷史觀與演進觀的科技學習機會,同時也彰顯是項科技對人類的貢 獻(楊宏仁、蘇順德,1993)。也就是說以科技史料進行教學,可從科技史料的引用 範圍來選擇適當的教學方式融入。

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說科技發展有關的故事也是一種教學方式。不過,「說故事」當然不是過去許 多「不負責任地引誘學生進入科學大加工廠」式的宣傳品。深一層的說故事得仔細 檢討「說什麼故事」及「怎麼說」等問題(傅大為,1994)。尤其科學異例的故事是 重建學生科學知識的催化劑;異例造成認知衝突,衝突觸發知識的好奇心,激發潛 能與動機,以尋找新訊息或試圖重組調整先前概念,來消弭異例引發的衝突(洪振 方,1994)。 由於科技史觀點的教學,可以從狹獈的技術演進觀點切入,也可以廣泛到統整 其他領域知識,因此,運用科技史料的教學應以教學者的教學目標來設計適當的融 入教學方式。 小結 本研究中所採用的科技史教學方式為顧慮到融入現有磁鐵、指南針教學的可能 性,故採用類似洪振方(1998)所題的第二種融入方式,先以磁鐵、指南針的科學 概念為主軸,再配合中國磁學科技史上相關特定事件的演進事例來將其科技史料融 入。過程中配合資料介紹、說故事、實驗實作等方式來進行。

第二節 科技史的教材設計

科技史料做為教學主題的功能與價值,已受到肯定。但在九年一貫課程的自然 與生活科技領域中要如何規劃教材,以貼近課程目標,符合課程設計理念,達成培 養學生科技素養的目的,是值得思考的一個課題。 壹、學習領域綱要中的科技史內容 九年一貫自然與生活科技學習領域強調自然、科學、技術三者息息相關,前後 貫通。課程設計強調要以「學生為主體」,以「生活經驗」為重心的架構下來發展

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課程,課程規畫則認為要提高自然與生活科技的學習,應以「探究」及「實作」的 方式來進行,強調手腦並用、活動導向、設計與製作兼顧、知能與態度並重;以學 習者的活動為主體,重視開放架構和專題本位的方法;培養科學與技術的精神及素 養(教育部,2003)。具體能力指標在於培養學生具有:科學探究過程之心智運作能 力(下稱「過程技能」),科學概念與技術的習得(下稱「科學與技術認知」),對科 學本質之認識(下稱「科學本質」),瞭解科技如何創生與發展的過程(下稱「科技的 發展」),處事求真求實、感受科學之美與力及喜愛探究等之科學精神與態度(下稱 「科學態度」),資訊統整、對事物作推論與批判、解決問題等整合性的科學思維 能力(下稱「思考智能」), 應用科學探究方法、科學知識以處理問題的能力(下稱 「科學應用」),以及如何運用個人與團體合作的創意來製作科技的產品(下稱「設 計與製作」)等(教育部,2003)。 而在學習領域的教材內容中,小學階段可資運用發展科技史主題的內容包括: 次主題 520「科學的發展」,其包含的教材內容細目有: 一、科學家及發明家的故事: (2a)在適當時機介紹科學家的研究事蹟 (2b)指出台灣、中國著名科學發明家的故事 二、科學發展的過程: (2c)在適當時機,介紹科學研究的過程,以暸解科學發展需有賴於有毅 力及勇於創新的科學從業人員的努力, (2d)介紹人類利用科學改善生活的演進史 (3b)在適當的教材上,介紹科學發現的過程以瞭解科學中實驗與理論間 的關係 三、科學家的故事: (3a)介紹中國及西方科學家(如李時珍、孟德爾等)的研究活動。 而次主題 531「科技文明」:內亦有(2a)認識科技的內涵及重要性,(3a)認識農

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業時代的科技,(3b)瞭解工業時代的科技,(3c)瞭解資訊時代的科技,(3d)認識史上 重要的科技創新與發明,(3e)了解各個時代的生活方式。此等都是直接涉獵科技史 的綱要內容(教育部,2003),由此也可看出目前新課程綱要中對科技史融入教材的 重要性。 貳、科技史料教材的選擇與教學設計 一、 教材的選擇 對教師而言,豐富的教學資源,將有助於教學上的準備。然而面對龐雜繁複的 科技史料,教師應該如何去選擇?對教師來說是一種困擾,該選擇哪些科技學史? 哪些史料是可用的?哪些又是要忽略不教的?實在是兩難的問題。Brush(1974)指出 在科學教學使用歷史教材的時候,必須是有選擇性的;同時 Brush(1989)指出教 師往往不知如何選擇合適的科學史,亦不知如何將科學史適切的運用在教學過程 中。 許良榮(1999)也曾指出歷史教材的選擇,明顯是個困難的問題,除了必須考 慮學習上的功能,避免只是「描述性歷史或是編年史的歷史」,也必須謹慎考慮歷 史材料的「真實性」。歷史材料的真實性不只包括年代、姓名、地點、事件,也包 含對歷史的詮釋。以歷史學家的角度而言,這些資料必須包含科學家出版或未出版 的書籍、論文、日記、筆記等等的「第一手資料(primary source)」,但是第一手資 料有時並不可得,甚至牽涉語文的問題,因此可建議採用歷史學家的「第二手」考 證的資料。至於選擇那一種歷史或是那一位歷史學家的詮釋?基本上科教學者在選 擇歷史材料時,應至少參照、比較二位以上不同歷史學家的著作,如果有衝突,可 以選擇不教(假設不是主要的教學目標之一),也可以再考察其他歷史學家的研究結 果,再行判斷如何敘述。 而在科技史料融入教材的選擇,陳佩正(2002)也曾說明科技史教學不應只是提 供科技史材料中的稗官野史資料,因為如果科技史只是說說阿基米德在浴室意外發

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現王冠的秘密,或是伽利略在比薩斜塔進行拋物體的實驗,或是世界上重大發明都 是中國人之所為等事實,充其量也僅是課程中的花瓶角色而已。陳佩正(2002)認為 科技史教材的選擇應強調典範轉移過程,探討典範轉移過程中新舊典範間強烈的懷 疑與辯論,然後將它當作自然與生活科技的主軸。 徐光台(1994)建議,科學史的介紹必須注意到科學哲學觀點的演進,邏輯實 證主義的哲學觀點認為科學的進步在於知識的累積,科學史也就是記載科學家成就 的歷史。但是孔恩的歷史主義觀點則認為科學的進步在於新舊典範的更迭,而科學 家所組成的科學社群正是主導新舊典範更迭的重要依據,故科學是一個與社會脈絡 息息相關的活動。因此科學史在科學教育的功能不是只在於介紹偉大科學家們的成 就,而應介紹科學家在當時的社會文化脈絡是如何進行探討科學的工作。 以上所言,教師在選擇教材時,就其科技史料的真實性,在無法取得第一手資 料的情況下,最好使用歷史學家的考證資料,且根據其教學目標選擇科技史料,以 避免因不當的教材,傷害學生對科學的信念,不至於誤導學生對科學發展的理解。 二、 教學的設計 在以科技史為設計導向的教材中,ITEA (2000)有一種小品設計範例可供參考, 三至五年級的科技史教材為例,在《不同時序訊息傳播功能之比較(a time line comparison of communicating a message)》活動中,探討傳播科技史,並提供學生發 展及使用科技演進對人類歷史關係的知識之機會。所以,當學生對新科技所知有限 時,讓學生理解歷史觀點變得很重要。 ITEA(2000)引用的科技史教學小品,可以將其活動流程歸納如下圖 2-2-1。 從範例中可以發現,活動內容以科技史為背景,用來引發學生的學習動機,透過科 技史呈現的不同科技型式之探討,讓學生認識歷史上已知的科技成就,再以科技活 動體驗科技的實際功用,使學生由實作中去理解科技對文化社會變革之影響,這種 教學活動的設計也符合國小學生的認知能力。

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圖 2-2-1 科技史教學小品活動流程 資料來源:出自蔡東鐘(2006:40) 另外在探討科技史料融入教學時所營造的教學方式時,陳佩正(2002)曾提出有 一需注意的事項是「介紹科技史料的演進歷程,有時候與我們目前熟悉的實驗教學 幾乎是相衝突的」。以往科學實驗教學往往都是先教導其相關理論後,再以實驗來 驗證所學的知識,然而在科技發展的脈絡中則往往是相反的。以中國指南針的發明 為例,中國人會發明指南針並不是先知道了地磁的與指針間的有交互作用的關係原 理後,才發明出指南針的,而是由生活中無意的發現了磁石的指極特性後,才將磁 石應用在指向上面,如相傳中國最早的指向儀器「司南」的發明,一開始便是因古 人由一支磁勺放到光滑面上發現到會有固定指向某一方向的特性,於是才有後來種 種改良的指向儀器出現(戴念祖,2002)。讓我們將這樣的科技進展做個分析,可 史料介紹 科技形式探討 結果分享(分組報告) 實作 實作結果討論 理解科技對社會 文化變革之影響 結果滿意 結果不滿意 (討論優缺點及 改善方式) 分組討論

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以發現,中國古代並不是先知道標準的科學知識,而是先有個可以反覆嘗試驗證的 方向,經歷探索過程後,再改良、應用其發明,隨之大量運用後所帶來各式各樣的 影響就為之展開。歸納這樣的科技發展,可以發現一種簡單的循環機制,也就是「探 索-介紹-運用」的機制,這個循環機制運用到教學上,就成了學習循環(learning cycle)的策略(陳佩正,2002)。 而在科學史的課文設計方面,許良榮(1995)指出科學知識具有「辯護知識」 與「發現知識」的本質,科學課文的設計,應著重「知識發現」的歷程。劉仲康(1999) 認為編寫科學史最主要的目標便是將過去所發生的重要科學事件忠實無誤的寫出 來,但是一位作者仍會因個人的價值觀和知識背景而做出一些主觀的判斷或評論。 通常較容易被忽略的是以「對現代科學理論之貢獻為標準,評判過去的科學家」, 也就是以現在的價值標準去看歷史,而沒有探索科學家提出問題的動機、社會情 境、思考過程等等(許良榮,1999)。寫作科學史較好的作法是,應該盡量以當時 代的知識水準與背景來詮釋此科學事件,只有在引發爭論或解釋不清的狀況下,才 輔以現在的知識加以說明,如此才能明瞭事情爭端的原因,以及為何以往無法解決 此爭端。但即是如此,在使用現代化之事實,應該避免使用太專業化的現在名詞(劉 仲康,1999),此外許良榮(1999)也認為課程設計者或教學者不宜以肯定的語句 要求學生接受某種特定的結論,也就是採取一種比較中性而非絕對性評價的敘述。 洪振方(1996)認為在設計科學課程時,不但不應過度簡化科學課程的情境, 更應維持科學學習的豐富性與複雜性,使得學生得以認識其間的關係和結構而形成 意義。許良榮(1998)認為科學課文應呈現科學家對自然界的本質觀,因此在設計 課文時,應描述科學史上科學家曾經有過哪些認識,並描述認識的改變歷程,如此 應可期待學生由科學史的替代(vicarious)經驗,認識科學家對這個世界的認識, 獲得深層的理解,也就是說科學課文的設計應特別著重於「深層意義的理解」,以 協助學生建立穩固的「情境模式或心智模式」。如果在教學上,我們只是單純的提

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且在其研究中根據文獻探討建立六項設計科學史課文的原則:(1)以符合科學發 展史的順序呈現科學理論。(2) 必須呈現科學理論的「背景知識」。(3) 必須 呈現科學理論之「先決條件」。(4) 必須描述科學家不同觀點的差異性或是衝突。 (5) 以知識發現的角度描述科學理論的建構過程。(6) 避免以現有的科學知識 說明科學理論。 小結 總結其上,科技史在自然與生活科技課程教學方式,應都不是在教學生有關歷 史的課程,在自然與生活科技學習領域中,我們應從生活中找尋和科技有關聯的項 目介紹給學生,然後清楚的講解這種科技發展的過程,再讓學生做一次相同的發 明,以協助學生對課程內容的理解。而本研究中所採用的科技史料融入教材的方 式,首先考量其史料的真實性,整理出的中國古代磁鐵、指南針發展脈絡與應用。 再配合目前新課程綱要中磁鐵、指北針上的教學概念需要。透過「情境引導」的方 式,適時的將相關科技史料介紹給學生。教學過程中透過「探索、介紹、運用」的 學習模式,經由資料介紹、說故事、實驗實作的教學進行以達到將磁學科技史料融 入教學的目的。

第三節 科技史教材與國小磁鐵教材概況

本節主要陳述目前科技史教材的運用概況,以及針對國小自然與生活科技學習 領域中磁鐵教學的教材現況來進行整理、分析,以做為研究者後續教學之所需。 壹、 科技史教材的運用概況

1985 年美國科學促進會(American Association for Advancement of Science)主導 的 2061 專案(Project 2061)指出,科學史是科學教育中不可或缺的部分,其他國家

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如澳大利亞、丹麥和英國,也將科學史納為科學教育的重要層面,然而,臺灣小學 自然科教科書中的科技史材料幾乎為零,反而兒童課外讀物中有較多的科技史材 料,兒童在課外讀物中有更多機會接觸到科技史材料(傅麗玉,2001)。同時,我們 也發現,雖然經常可在教科書上看到有關著名發明家的傳記小品,但是這些穿插在 教科書中的傳記史料,對提升科技本質的理解似乎起不了太大的作用,因為其中缺 乏有關科技發展的社會、經濟與自然科學等背景資料(Mackinnon,1999;傅麗玉, 2001)。 根據傅麗玉(2000)的研究,分析台灣、大陸、香港、日本、南韓、美國、英國 幾個國家的教材,自 1950 年代到 1990 年代出版的國小自然教科書中呈現科學史 材料的方式,提到有著以下的特點: 一、科學家故事偏重西方科學家,主角以男性居絕大多數。 二、中國古代的科技成就未得到應有的重視。 三、日本與韓國兩國以鄉土文化古蹟,傳遞其本土的科學與技術史。 四、科學家是聰明人,從小即不同於一般人。 五、科學史故事已過世的科學家居多,似乎偉大的科學發現都已被古人完成。 六、以特定的一群科學家為主,一再重複特定的科學家印象:牛頓、伽利略等。 七、引用的科學史材料錯誤,易誤導教師與學童。 八、過度簡化扭曲科學史上的實驗,誤導教師與學生的實驗安全。 九、與史實不符的故事,普遍存在於不同地區的國小自然科學教科書中。 十、內容的呈現,則以科學家或發明家的幼年故事、工作內容、成就,及相關 的事蹟文物為介紹重點 十一、評論這些史料的表現方式是過度簡化,而且偏重在人物的描述,對於啟 發學生的學習動機而言幫助不大。 Duschl(1990)認為教科書單純的呈現科學假說、事實、理論的設計,會有以

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下的危險:(1)有簡化科學理論的結構和與其他理論互動,使學生認為所有的科學 知識或理論均有相同的角色、地位;(2)將科學理論孤立於社會、文化之外,使學 生認為科學是科學家獨立運作的產物;(3)會使學生對科學的本質沒有正確的認識, 誤以為所有科學的研究過程具有一致性、科學知識具有絕對性的對錯、科學知識是 一種線性累積的過程(許良榮、李田英,1995)。 陳淑媛(2000)指出現行高中基礎理化教科書編寫有關科學史的部分,不僅所 佔篇幅少,亦以片斷故事呈現,學生閱讀之後的印象僅止於故事,再者教師因授課 時數的考量和考試的壓力,偏向科學知識的傳授,而忽略融入科學史教學的重要 性,或有引入科學史以提高學生聽課的興趣,卻未能發揮科學史融入教學的更大功 能。傅麗玉(2000)認為教科書呈現科學史材料的目的,應該在於加強說明這些科 學家的科學研究成果內容,然而洪振方(1997)的研究指出,目前國內理化及化學 教科書中對科學史的敘述,僅止於年代、人名、事件的簡單敘述,忽略了動態、多 元且注重批判、創造、想像的科學發展過程。呼籲,應在教科書中加入包含一些科 學理論演變過程的科學史教材,而非僅是人名、年代、最終事件的敘述。 楊淑芬(1992)指出在科學教科書中,總是以現代理論觀點的對錯為標準,這 是人類科學發展中「去蕪存菁」的結果,以此為架構不能產生一個連貫的故事,自 然不利學生的學習,科學課程應將注意力放在科學史上,讓學生體驗知識的發展, 誠實的告訴學生真實的「故事」:科學家如何經過一番爭辯方得以建構今日被接受 的理論,而「故事」最好的題材則存在於真實的科學史中。 林煥祥(1999)研究發現,許多教師對科學史的來源,大多來自教科書或新聞 媒體,閱讀教科書往往受書中的片斷措辭或不完整敘述而遭受誤導,甚至自行擴大 應用或解釋,導致不正確的科學本質觀。 小結 從科技史運用的現況來看,整合科技史的教育已成為先進國家重要的教育趨

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勢,國內外愈來愈重視科技史融入教學的重要性,但以現有國內的教材而言,科技 史料的運用並不普遍,而且多偏重在人物與西方科技的介紹(傅麗玉,2001),故對 學生學習科技、瞭解科技本質的功能也因此受限,故本研究嘗試將中國科技史融入 教學更顯示其重要性和迫切性。 貳、國小磁鐵教學教材的現況 依據教育部 92 年版自然與生活科技學習領域課程綱要中所提到有關磁鐵教學 的部分,在其教材內容細目中次主題「電磁作用」的所提到的內容如下: 次主題 222 電磁作用: 磁鐵 1a.察覺磁鐵會吸引含鐵的物體,且能隔空透過紙、木片、玻璃來吸引鐵釘。 磁性 3a.察覺磁鐵具有兩極,同性極相斥,異性極相吸。 載流導線產生磁場 3b.知道指北針的偏轉是磁針與磁場(地磁或導線通以電流)交互作用的結果。 電與磁的關係 4d.探討電與磁的關係(例如電流會產生磁的作用、磁場的改變會產生電動勢、載流 導線在磁場中會受力)。 也就是說依據課程綱要的部分, 一、二年級需學到「察覺磁鐵會吸引含鐵的 物體,且能透過紙、木片、玻璃來吸引鐵釘」, 五、六年級需學到「察覺磁鐵具有 兩極,同性極相斥,異性極相吸」及「知道指北針的偏轉是磁針與磁場交互作用的 結果(如地磁、導線通以電流)。而七、八、九年級需學到「探討電與磁的關係(如 電流會產生磁的作用、磁場的改變會產生電動勢、載流導線在磁場中會受力)」。 而依據此綱要,目前各教科書商所出版的教材,對磁鐵教學的課程單元及教學 內容,研究者整理如表 2-3-1 ,由表中我們也可看出,各版本將磁鐵與指北(南)

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針原理的介紹大都是分開來介紹(牛頓版除外),而「磁鐵」的單元則大都放在中 年級來教導,有些版本會把中年級的磁鐵和「力的作用」放在一起成同一單元來探 討。但「指北(南)針」的原理介紹則都是放在高年級來教導。 表 2-3-1 各版本關於磁鐵教學的課程單元與教學內容 版本 年級 單元名稱 單元內容 備註 南一 三年級 上學期 力的作用 z物體受力時發生的變化 z力的大小和方向 z磁力的探討 95 年版 南一 六年級 下學期 奇妙的電磁 世界 z為什麼指北針會指向南北方向? z通電的導線會具有磁性。 z怎樣製作磁性較強的電磁鐵。 z電磁鐵妙用多。 94 年版 翰林 三年級 上學期 奇妙的磁鐵 z磁鐵的秘密 z磁鐵的應用 z好玩的磁鐵 94 年版 翰林 六年級 上學期 電磁作用 z指北針與地磁 z電磁鐵 z電磁鐵的應用 94 年版 牛頓 三年級 下學期 生活中的力 z力的作用 z力的大小方向 z磁力和浮力 z力的應用 94 年版 牛頓 五年級 下學期 力的世界 z力與運動 z電和磁 94 年版 康軒 三年級 上學期 磁力玩具 z好玩的磁鐵 z有用的磁鐵 95 年版 康軒 六年級 上學期 電磁作用 z指北針與地磁 z電磁鐵 z電磁鐵的用處 94 年版 另外各版本中和本研究磁鐵與指北針有關的教材部分,其教學重點為何呢?有 無出現關於磁鐵或指南針的科學史料呢?研究者再整理細分出有關磁鐵和指北針 的教學重點並加以註記有無出現相關科學史料於教材中,如表 2-3-2

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表 2-3-2 各版本關於磁鐵和指北針的教學重點 版 本 年級 單元名稱 活動名稱 教學重點 科 學 史料 南 一 三年級 上學期 力的作用 活動三: 磁力的探討 1. 生活中哪些地方會用到磁鐵 2. 磁鐵會吸鐵製的物品 3. 磁力也有大小和方向 無 南 一 六年級 下學期 奇妙的電 磁世界 活動一: 為什麼指北 針會指向南 北方向? 1. 由指北針和磁鐵的交互作用推 論指針是小磁鐵。 2. 利用磁鐵設計製作指南針。 3. 介紹地磁的概念。 4. 介紹中國的四大發明之一:指南 針的發展故事。 有 翰 林 三年級 上學期 奇妙的磁 鐵 活動一: 磁鐵的秘密 活動二: 磁鐵的應用 活動三: 好玩的磁鐵 1. 瞭解磁鐵能吸鐵製物品。 2. 察覺磁鐵同極相斥、異極相吸的 特性。 3. 瞭解磁鐵吸力不受物品阻隔。 4. 探索如何增加磁力。(加兩片鐵 包住磁鐵) 有 翰 林 六年級 上學期 電磁作用 指北針與地 磁 1.知道影響指北針的偏轉原因。 2.瞭解指北針的磁針也有磁性,是 由磁鐵製成的。 3.認識地磁,並瞭解地磁是造成指 北針指向固定的主因。 無 牛 頓 三年級 下學期 生活中的 力 活動三: 磁力和浮力 1.認識磁力相吸相斥的作用。 2.能比較磁力的大小的方法。 無 牛 頓 五年級 下學期 力的世界 活動二: 電和磁 1.認識磁鐵具有兩極,且同性極相 斥異性極相吸。 2.知道指北針受地磁影響而指向 南北方。 無 康 軒 三年級 上學期 磁力玩具 活動一: 好玩的磁鐵 活動二: 有用的磁鐵 1. 察覺磁鐵能吸鐵製物品。 2. 知道磁鐵同極相斥、異極相吸 的特性。 3. 察覺磁鐵加鐵片可增加磁力 無 康 軒 六年級 上學期 電磁作用 活動一: 指北針與地 磁 1.察覺指北針的指針就是磁鐵。 2.知道地球具有磁性使指北針的 箭頭能指向北方。 3.學習設計製作簡易指北針。 無

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上表中出現磁鐵、指南針科學史料的部分,再詳列出各版本科學史的教學內容如 為表 2-3-3: 表 2-3-3 各版本出現磁鐵和指北針的科學史內容 版 本 年級 單元名稱 出現在 科學史內容概述 翰 林 三上 奇妙的磁鐵 單元最後面 的科學小百 科中 1. 史記記載秦始皇用磁石製作一磁 石門來吸鐵器,也就是說我們的祖 先在兩千三百年前已經發現磁石 具有吸鐵的特性。 2. 約二千多年前,在歐洲的馬格尼 夏(Magnesia)發現了天然磁鐵, 英文磁鐵(magnet)的由來即是來 自於該地名。 南 一 六下 奇妙的電磁 世界 活動一的課 文中 1.在戰國末期中國已發現磁石可吸 鐵,東漢初年又繼續發現磁石可 指向南北,於是利用它做指南針。 2.介紹司南、指南魚。 3.指南針是中國的四大發明,介紹指 南針用於航海對人類航行的貢獻 小結 由上表的整理中我們可發現各版本針對九年一貫課程綱要所設計的教材單元 其實差異度並不大,但如細察其教學內容重點我們仍可察覺一些值得注意與省思的 地方,陳述如下: 一、依照自然與生活科技學習領域課程綱要後的教材內容細目 222 次主題「電磁 作用」中的要項來看,磁鐵的教學應只需分配在低、高年級教材中介紹即可, 也就是說三、四年級的教材應該是不需要教磁鐵這部分的,但令人弔詭的是 目前市面上的各版本的教材中卻大都將磁鐵單元安排在中年級的教材中(從 上表 2-3-2 可知只有一版本沒有將磁鐵單元明列在教學單元中)。 二、各版本高年級的教材中為符應課程綱要中教材內容細目的需求,都會介紹到

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指北針指向的奧秘在於「指針磁性與地磁作用」的結果,且有些版本會實作 簡易型的指南針,但可惜的是對於製作指南針中指針受磁鐵摩擦而產生的 「磁化現象」則都沒有討論,只是提供說磁鐵摩擦鐵製物品即會有磁性的說 法,這點學生在學習的時候會不會有相關的疑問呢? 三、依目前各版本的課程安排「磁鐵單元」都是在中年級的教材中,高年級則以 指北針、地磁與電磁鐵結合在一起教學為主,這樣的安排真的是最恰當嗎? 若將中年級的磁鐵教學與高年級的指北針教學結合在一起於高年級教導,而 將電磁鐵的部分獨立出來,這樣的課程安排應是比較符合課程綱要中教材內 容細目對年段上的安排架構,而本研究的課程設計便試著朝向此一架構來安 排。 四、各版本中出現磁鐵、指南針相關科學史料的部分只有兩個版本有在教材中呈 現。 五、指南針是我國古代的四大發明之一,各版本在介紹到指北(南)針的相關原 理時卻大都欠缺對這方面的介紹(只有一版本有提到此相關知識),由此也 顯現出版社對本國科技文化的漠視與輕忽。

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第四節 中國磁學科技史

本節主要將中國古代磁學相關的資料與指南針的發展演進作一介紹,最後再將 中西磁學發展的重要事例做一比較表,概分為四部分,分別為中國磁學發展的介 紹、中國古代磁鐵的應用、指南針的發明與中西磁學發展之比較。分述如下 壹、 中國磁學發展介紹 一、中國古代對磁鐵的認識 我國遠在春秋時期,便已知道如何使用鑄鐵的技術,也因此人們需要甚多的金 屬原料,因此礦產的採掘和冶煉工業得到了蓬勃的發展(華覺明,2003)。礦工們 在鐵礦的開採與加工中,常常和磁鐵礦打交道,逐漸認識到它那奇妙的吸鐵性質, 因而給予特別的注意。在《管子、地數篇》等先秦古書中,曾有 “ 上有慈石者,其 下有銅金。” 的記載。當時人們已覺察到磁石往往和鐵礦儲存在一塊。 (一)慈石的由來 在春秋戰國的著作中,便屢屢記載到磁體的吸鐵性質了。如西元前三世紀的《呂 氏春秋、精通篇》上的“慈石召鐵,或引之也",時代相隔不遠的《鬼谷子》上的“慈 石之取針"等都是。這個時候大概已經比較普遍地認識到磁鐵的性質了,而之所以會 以「磁」寫為「慈」,乃是古人把磁石的吸鐵性比喻作「母子相戀」,像是慈愛的母 親對子女的吸引(張勉之,1999)。東漢的高誘在註釋《呂氏春秋》時便曾提到: “石,鐵之母也。已有慈石,故能引其子; 石之不慈者亦不能引也 "其意思是說石是鐵的母 親,但石又有慈和不慈的,慈愛的石,能吸引它的子女(鐵),不慈的石則不能吸引。 所以漢以前都把磁石寫成「慈石」,就是「慈愛石頭的意思」。

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(二)磁石吸鐵的特性 當然人們不免也用磁石試著去吸引其他的金屬或物體,結果如何呢?西漢時期 的《淮南子》一書寫道:“若以慈石之能連鐵也,而求其引瓦,則難矣,及其於銅則不通"。 《三國誌·吳書》中記載:“虎魄不取腐芥,磁石不受曲針"。所謂「曲針」,大約指的 是金、銀、銅之類軟金屬的針(戴念祖,2002)這當然是不受磁石吸引的。這些記 載,說明漢代前已經認識到磁石只能吸引鐵而不能吸引其他東西的特性。 (三)磁力強弱與相吸、相斥特性的發現 磁鐵的磁性有強弱之分,有的磁體對鐵的吸力大,有的小。西元五世紀左右, 南北朝劉宋時代的著作《雷公炮炙論》裏曾寫到:“夫欲驗者,一斤磁石,四面只吸鐵 一斤者,此名延年沙;四面只吸得鐵八兩者,名曰續未石;四面只吸得五兩已來者,號曰磁石", 此即以已經懂得按照吸鐵重量的不等,把磁石分別命名。稍後,著名的醫生、科學 家梁代陶弘景對此作了研究。他在《名醫別錄》中指出:“今南方亦有好者,能懸吸針, 作虛連三、四為佳。"此說明出優質的磁石出產於南方,磁性很強,能連吸三根或四 根鐵釘,就是使幾根針首尾相連成一條線吸掛在磁體上。宋代的蘇頌在《本草圖經》 提出了更高的標準:“能吸鐵虛連十數針,或一、二斤刀器回轉不落者尤真。"他指出,質 量最好的磁石,甚至能連吸十根以上的鐵針,或使一、二斤重的鐵刀迴轉也不掉落。 這不但指出了磁性有強弱之分,而且可以說是世界上關於磁力測量的最早的文字記 載!從這些記載可以看出,古人十分關注磁性的強弱,並且在不同的時代都進行過 仔細的定量研究。 另外磁鐵的另一特性是一磁鐵上必定會同時出現有 N、S 兩極,且異性極相接 近會互相吸引,同性極相接近則互相排斥。這個現象在西漢時期就被發現了,當時 有個「方士」名叫樂大,搞了兩個磁體,樣子很像是棋子,互相接近,抵說不但能 移相吸,還能夠「相拒不休」,就是互相排斥。這就是所謂「鬥棋」的把戲,他把 這個把戲表演給漢武帝看,可把那皇帝逗樂了,因此獲得一個「五利將軍」的官位。

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(四)磁力的穿透性與磁屏現象的發現 磁體只能對磁性物質(鐵、鎳、鈷)有力的作用,且這種作用力是有穿透性的, 是很多物質所不能阻隔的。磁力的這一特點,宋代的陳顯微已經指出過:“磁石吸 鐵,皆陰陽相感。阻礙相通之理,豈能測其端倪哉"。他說磁力可以「阻礙相通」即說明 磁力的穿透性。張君房的《雲笈七籤》說得更明白,所謂「磁石吸鐵,間隔潛應」。 在西方,這個現象遲至英國吉爾柏特 (William Gilbert)西元1600 年「磁論」出版才較 有系統的正式記載,晚約我國六百年。(王錦光、洪鎮寰,1984) 磁力是不是真的能穿透過一切的物質呢?奇怪的是,只有鐵族物質倒能夠阻隔 磁力的作用。這個奇特的規律,遠在三百多年前就被發現了。清初一位名叫劉獻廷 的,在《廣陽雜記》中記載著這樣一件事:“或問余曰:『磁石吸鐵,何物可以隔之?』 猶子阿孺曰:『惟鐵可以隔之耳』"。有人問他,什麼東西可以阻隔磁石對鐵的吸力。 他的一位過房兒子名叫阿孺的代他回答說,只有鐵可以阻隔。那人對此很感興趣, 回去就動手做試驗,果然不差,十分高興。第二次來說,他已經試過了,這是千真 萬擁的。劉氏的這位阿孺世兄可說是我國最早發現「磁屏」的人,固然可佩,但那 位提出問題的先生,也確實富有鑽研精神,他不但能提出這樣新奇的問題,而且能 用實驗的方法去驗證人家的話,可說是具有科學頭腦,實在可敬。至於劉獻廷本人 也有功績,首先他能把此事記錄下來,為科學史保存一條重要的材料。(王錦光、 洪鎮寰,1984) (五) 磁鐵的指極特性 我們的祖先大約在戰國時代發現了磁體的指極性。當時的著作《韓非子‧有度 篇》裏就有“先王立司南以端朝夕"的話。「司南」就是指南的意思,「端朝夕」就是 正四方的意思。此後,在這方面有很多發明,到了明代的李豫亨的《青烏緒言》中 也記有堪輿家懸鐵條使它指向的方法:“近遇地師汪弄丸者,始知以鐵杖不拘鉅細,繫繩 懸之,以手擊之旋,旋定必指南,即羅經法也,余試之良然。",大意是說一個姓汪的人,

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把一根普通的鐵杖橫著懸掛起來,用手一擊,使之旋轉,待靜止後,鐵杖必定指向 南北。這裏所說的究其實也是磁體的指極性問題。因為一根鐵杖放到地球磁場裏, 久而久之受到感應,產生了磁性,成為磁體,因此表現出指極性來,此也是一種利 用地磁磁化鐵棒的展現。(戴念祖,2002) (六)磁偏角與磁傾角的發現 磁傾角的存在,遠在北宋初年就發現了。那時的一本軍事書《武經總要》,在 敘述人工磁化的時候就特別指出“以尾正對子位,蘸水盆中,沒尾數分則止",也就是說 被地磁場磁化的鋼魚,在加熱之後,當浸到冷水時,要使魚尾略向下傾。這是意識 到我國的地磁力略有傾斜,故使魚尾下傾,正對磁力,可以充分發揮地球磁力的作 用,使鋼魚更好地被磁化。我國各地的磁偏角雖然十分微小,但在北宋時代竟也被 發現了。沈括的《夢溪筆談》中十分明確地記載說,磁針能夠指南,但“常微偏東, 不全南也"。明白無誤地說明了磁偏角是向東的。這是世界上關於磁偏角的最早記載 (張勉之,1999)。 (七)對磁力來源的解釋 磁能吸鐵,但為什麼能吸鐵?或者說磁的本性是什麼?古代人關心者多,而認 真研究者卻很少(戴念祖,2002)。如西漢時期的董仲舒提過:“磁石取鐵,奇而可怪, 非人所意也"。對其道理無法解釋,只說「磁石取鐵」,「奇而可怪」,那道理是人所 不能了解的。到了東漢王充《論衡》中曾指出:“頓牟(玳瑁)掇芥,磁石引針,皆以 其真是,不假他類。他類肖似,不能掇取者,何也?氣性異殊,不能相感動也。"王充富有創 見地把「磁石引針」與「頓牟掇芥」兩個現象緊緊地聯繫起來。這就是把磁現象和 靜電現象聯繫在一起,且認為都是因為「氣性」相同,互相感動的結果。而後宋代 的陳顯微也曾在《周易參同契解》說:“磁石吸鐵,皆陰陽相感。阻礙相通之理,豈能測 其端倪哉。"他感覺到了,單用陰陽來解釋是不夠的,因為在磁鐵和鐵之間用一物隔

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來解釋:“神與氣和隔閡相通,猶如磁石之吸鐵也。"此皆是宋代人試著用古代的陰陽五 行理論去解釋,認為「磁石吸鐵」是「陰陽相感」,是「神和氣合」的結果。 此些論述學者胡化凱認為這是中國古代長期的科學認識活動中,所形成了一種 感應論自然觀,認為自然界許多事物的運動變化都是由相互感應引起的。自然感應 論是在古代元氣本體論基礎形成的一種樸素自然觀,對古代科學認識活動有著廣泛 而持久的重要影響。(胡化凱,1997) 小結 從上面的說明我們可知,從西元前四世紀開始,我國就發現了磁石能夠吸鐵, 而且只能吸鐵。後來,還能對磁性的強弱作定量的測量,從漢代開始,發現了磁體 互相接近時,可能相吸,也可能相斥。清初發現了鐵的「磁屏」作用。磁體的指極 性,遠在戰國時期就知道了,最晚在北宋就發現了磁偏角與磁傾角,這些皆是我國 發現磁鐵特性的紀錄,很可惜的是對磁力來源的解釋則大都以感應論的方式來解釋 其源由,這些解釋都是非常模糊的,並沒有觸到問題的要點,而沒能追根究底下去, 這也某方面的限制了中國古代的科學發展。(胡化凱,1997) 二、人造磁鐵的出現 中國是人工磁化鐵針技術的發源地,早在西元前 1000 年左右,便知道磁石具 有吸引力(張光熙、宋加麗,2002)。拿一根本來沒有磁性的鐵釘,靠近或接觸一 塊磁體,或者用磁體在它上面順著一個方向磨擦幾下,這根鐵釘就可以吸引另一根 鐵釘,這就叫人工磁化,而對某些材料來說,一經被磁化久了後,雖然離開磁體後, 也能保持磁性,就成了磁鐵了。我國古代就曾提出幾種人造磁鐵的方法。 (一)地磁法 北宋曾公亮《武經總要》即有詳細的介紹利用地磁現象的磁化方法:“魚法以 薄鐵葉剪裁,長二寸,闊五分,首尾銳如魚形,置炭火中燒之,候通赤,以鐵鈴鈴魚首出火,以

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尾正對子位,蘸水盆中,沒尾數分則止,以密器收之。"用鋼片做成一條「魚」,魚肚內凹, 能浮於水面,放在炭火裏燒得通紅,然後用鐵鉗夾著魚頭,拿出火外,把魚尾正對 北方,浸入水中。這樣鋼魚就帶有磁性了;然後把它收藏在一個密閉的盒子裏,大 概是把這「磁魚」放置在一塊天然磁體旁邊,讓它繼續磁化或保持磁性。 另外我國關於地球磁場可以磁化鐵物的記載,還見於明代的一些著作中,如方 以智的《物理小識》卷八《指南說》的注中引滕揖的話:“鐵條長而均者,懸之亦指南。" 明代李豫亨的《青烏緒言》中也記有堪輿家懸鐵條使它指向的方法:“近遇地師汪弄 丸者,始知以鐵杖不拘鉅細,繫繩懸之,以手擊之旋,旋定必指南,即羅經法也,余試之良然。" 以上的說法,從現代科學知識看,都是利用地磁磁場而使之磁化的方法,尤其 是指南魚的作法十分簡便,它比歐洲同樣的磁化方法早了四百多年(劉昭明, 1987)。 (二)摩擦法 北宋科學家沈括在《夢溪筆談》一書裏 437 條記載了一種人造磁體的方法。“方 家以磁石磨針鋒,則能指南,然常微偏東,不全南也。"當時專門研究藥物醫理的人,即所 謂「方家」,常用磁石去磨擦針鋒,就能使針帶上磁性。這種方法也是利用磁體的 磁性使針磁性化,摩擦使物質內磁分子得到規則排列,以使分子的磁性相互加強而 顯出磁性來。這個方法就更加簡單了,而且磁化效果比地磁法好得多,這種方法的 發明,使磁體的實用成為可能,所以它的意義是極其巨大的! 小結 由上面的介紹,可見我國從西漢時期就出現了人造磁體,最遲在北宋時期就掌 握了利用地磁進行磁化與利用磁體磨擦生磁的方法。磨擦生磁法甚至在今天還在使 用。這兩種方法可能都是我國所首創的。比歐洲同樣的磁化方法早了約四百多年。

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貳、 中國古代磁鐵的生活應用

一、

軍事上的應用 很多史書都提到秦始皇統一中國後,在陝西咸陽建造了一座很大的很華麗的阿 房宮,為了防備刺客暗殺,用大塊大塊的磁石建造北闕門,如有暗藏武器的人經過 其門。就會被強大的磁石所吸住,即刻予以逮捕。另外《晉書·馬隆傳》還記述了 公元 279 年晉代的名將馬隆也曾把磁石用於軍事上。有一次,他的部隊和羌人作戰, 對方的士兵身披鐵甲,非常勇悍,他的部隊傷亡很大。馬隆就設下一條計策:在一 條狹窄的小路兩旁堆放了大量磁力很強的磁石,命自己的士兵只穿上皮革製的護身 衣,依計而行。一天對陣,部隊故意敗退,把敵人引進這條小道。由於羌人身披鐵 甲,受了磁石強大的吸力,動作極感困難。而馬隆的士兵,由於身穿皮革服,沒有 受到吸力,故進退自如,行動敏捷。那羌人以為他們是神人下降,不禁大為驚恐, 士無鬥志,爭先逃命。於是,馬隆打了個大勝伏(王錦光、洪鎮寰,1984)。還有 前述北宋曾公亮《武經總要》提到於戰爭中利用地磁法製作指南魚來指引方向的事 例。此些皆是所謂軍事上的用途。

二、

工業生產上的應用 在古代手工業生產中,也常巧妙她利用了磁石吸鐵的特點應用於生產上。清朱 琰著的《匋說》記有古代燒白瓷器的故事,在我國陶瓷的工業已有很悠久的歷史, 製作出來的瓷器,潔白而細膩,真是精美絕倫。但在生產過程中有一個問題曾使人 大傷腦筋。那就是在釉水中往往含有鐵屑,上了瓷面燒製出來後就會使可愛的瓷器 表面出現點點黑斑。製瓷工人,應用磁石來過濾釉水,將釉水中的鐵屑吸附在磁石 上,加以清除,解決了這個問題。另外我國長期的中醫製藥工作中,常常用鐵製的 梓臼搗碎藥材,這樣不免會有鐵屑留在藥裏,吃下去有害於病人的腸胃。這時人們 也常用磁石吸去鐵屑,使得藥物潔淨。(王錦光、洪鎮寰,1984)

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三、

醫藥上的應用 中國古代也將磁石應用到醫療事業上。晉代葛洪在《肘後備急方》中記載:“治 小兒誤吞針:用磁石如棗核大,磨令光,鑽作竅,絲穿令含,針自出。"這是將磁石做為器具 的。磁石做為藥物,在中醫裡應用得更為廣泛。明代李時珍的《本草綱目》上《石 部》列有「慈石」這位藥物,並且記載:它主治"周痺風濕,肢節中痛,不可持物,洗 洗酸痟,除大熱煩滿及耳聾",有"養賢髒,強骨氣"的功能,可以"益精除煩,通關節,消 癰腫鼠瘺,頸核喉痛","治筋骨羸弱,補五勞七傷、眼昏……止金瘡血。"李時珍介紹了自 己給一位讀書人治療眼疾的事例。這位讀書人常患眼病,漸漸感覺兩眼昏花生翳。 李時珍讓他吃慈石硃砂丸,兩個月便治癒了。李時珍的《本草綱目》裡還搜集了一 些用慈石治病的單方,如:"金瘡出血,慈石末傅之,止痛斷血";"諸般腫毒,吸鐵石三 錢,金銀籐四兩,黃丹八兩,香油一斤,如常熬膏,貼之";"大腸脫肛","用慈石末,麵糊 調塗囪上,入後洗去";"小兒驚癇,慈石煉水飲之"等等。在現代,磁性療法已經發展 成了一種專門的醫療手段,對眼疾和關節炎等病顯示出良好的療效。但這與古代中 醫學積累的豐富、寶貴的經驗是分不開的。現代有所謂磁化水治病,讓水通過一定 強度的磁場,即成為磁化水,它可用於治療結石症和驅治蛔蟲,頗有成效。在我國 古代,也有用磁化水治病的。南北朝時期的陶弘景就說過,"煉水,亦令人有子"。「煉 水」就是指磁化水,可用於醫治不育之症。無疑,這是人類使用磁化水治病的最早 記載。(劉昭明,1987)。 小結 由上面介紹可以知道,我國古代不但對磁體性質了解很多,而且在實際應用方 面,也開始得很早,在軍事、生產和醫療三個方面都曾有巧妙的實際應用實例。

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參、 指南針的發明與演進 我國「四大發明」之中,指南針的發明便利了人們的旅行,尤其使遠距離的海 上交通成為可能,促進了世界各地經濟文化的交流,有力地加速了人類社會的進 展。而指南針是根據物理學上的磁學原理創製出來的,它的發明更說明了我國古代 有著豐富的磁學知識。(張勉之,1999) 一、指南針與指南車傳說故事 提起指南針,往往聯想起一些傳說。最有名傳說是黃帝和嗤尤的戰爭:遠在四 千多年前,我國南方九黎部族的首領蚩尤,帶領人馬和黃帝率領的黃帝族和炎帝族 的聯合部隊,在今河南省琢鹿進行激烈戰鬥。蚩尤有點法術,在戰鬥中作起「五里 霧」來,伸手不見五指,黃帝的軍隊迷失了方向。正在危急之中,黃帝發明出一種 指南儀器來指示方向,遂使他的軍隊不再迷路,戰鬥也取得了勝利,此原始出處為 古今注》卷上〈輿服〉中所記載:“大駕指南車,起於黃帝。帝與蚩尤戰於逐鹿之野,蚩尤作 大霧,士皆迷四方,於是作指南車以示四方,遂擒蚩尤而即帝位,故後常建焉。" 古今註上的另外一個傳說是相傳指南車是周公所作,崔豹《古今注》云:“指 南車,舊說雲周公所作也。周公理致太平,越裳氏重譯來獻,使者迷其歸路,周公錫以 車五乘, 皆為司南之製,使越裳氏載之,週年而至其國。故常為先導,示服遠人,而正四方也。"在三千 多年前的西周時期,南方一個叫做越裳氏的部族,派遣使臣,帶了禮物向周王朝貢, 那使臣完成了任務要返回去時,周公怕他迷失方向,特地造了一架指南儀器送給他。 此些傳說已有學者提出黃帝造指南車只是傳說,同樣周公造指南車也只是傳 說,均非事實,因為黃帝、周公還未進入鐵器時代(尚未有磁石的發現)且當時也 還未有用車的跡象。(李書華,1959) 另外傳說故事中黃帝造的指南車是利用磁石的指向原理還是機械性的指向儀 器呢?此爭議也有學者蔡仁堅(1983)於「指南車與指南針之辯」一文中提出一些 結論說明:

數據

圖 2-2-1 科技史教學小品活動流程  資料來源:出自蔡東鐘(2006:40) 另外在探討科技史料融入教學時所營造的教學方式時,陳佩正(2002)曾提出有 一需注意的事項是「介紹科技史料的演進歷程,有時候與我們目前熟悉的實驗教學 幾乎是相衝突的」。以往科學實驗教學往往都是先教導其相關理論後,再以實驗來 驗證所學的知識,然而在科技發展的脈絡中則往往是相反的。以中國指南針的發明 為例,中國人會發明指南針並不是先知道了地磁的與指針間的有交互作用的關係原 理後,才發明出指南針的,而是由生活中無意的發現了磁石的指極
表 2-3-2  各版本關於磁鐵和指北針的教學重點  版 本  年級  單元名稱  活動名稱  教學重點  科 學史料 南 一  三年級 上學期  力的作用  活動三:  磁力的探討  1
表 2-4-2  中、西指南針的發展演進事例  指南針的發展  中國年代、事例  西方年代、事例  備註  指南針和指 南車的發明  ¾  黃帝大戰嗤尤的傳說 ¾  西周周公製造的指南儀器  ¾約西元二世紀東漢王充 在《論衡.是應篇》說: 「司南之杓,投之於 地,其柢指南」 。  指南針用於 航海的最早 紀錄  ¾北宋朱彧《萍洲可談》 「舟師識地理,夜則觀星,晝則觀日,陰晦觀指南針。」 ¾西元 1123 年,徐競出使 到朝鮮也曾提到用指 南針來決定南北方向。 ¾  西元 12 世紀後 歐洲航海家和採礦家開始
圖 4-1-1 教材設計流程圖 設計情境、引導探究 相關文獻探討 評估與回饋 z教學錄影 z學習單 z問卷  z自我評量表 z訪談 z研究日誌  z協同研究者回饋 考量運用中國科技史料 融入教學設計 學生為學習主體和生活經驗結合結合中國科技史素材學習單、教學補充資料中國古代相關科技史發展演進歷程現行課程的能力指標、內容細目 思考學生探索、學習情境的主題規劃學習活動單元主題、學習目標設計蒐集配合
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參考文獻

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