教育部教學實踐研究計畫成果報告
Project Report for MOE Teaching Practice Research Program
計畫編號/Project Number：PMS107043
學門分類/Division：數理
執行期間/Funding Period：2018/8/1~2019/7/31
設計性研究式物理實驗
實驗物理學(三)、實驗物理學(四)
計畫主持人(Principal Investigator)：黃旭明
執行機構及系所(Institution/Department/Program)：國立中山大學物理學系
設計性研究式物理實驗
1. 研究動機與目的(Research Motive and Purpose)
1.研究背景與動機 幾乎每一所大學的理工科系，在大一階段都會修普通物理實驗學。每間學校都有其作法，以本校 為例，即課堂前，學生必須閱讀實驗操作手冊，在課堂上，則依序著實驗步驟進行「食譜式」的操作， 課堂後，繳交一份實驗結果的報告，我們稱這一類的實驗課程叫「食譜式」的實驗課程。這樣的上課 方式，管理容易、變數少，學生也能立即地瞭解各類「物理常數」的測量方法，但仔細去思考這類的 上課模式，可以發現有其不健全之處。 我們可以發現「食譜式」的實驗課程雖然可以讓每位學生都得到初步的實驗結果，但由於操作步 驟太過制式，使得學生常有數據作假，抄襲的情況發生。這樣的結果，只是讓學生得到字面上的科學 知識，並無法實際提升現代國民科學素養，也無法有效得為學習專業知識做準備。即學生只學到科學 知識與概念的理解（Product of science），卻缺乏科學探究能力的訓練（Process of science）和科學態 度（Attitudes toward science）【1】，這都將影響之後在研究所階段的研究能力。更進一步說明，即 「食譜式」的實驗課程，缺乏讓學生提出假設、設計實驗過程、推論實驗結果、以及反思批判思考的 過程。 此外，「食譜式」的實驗課程在評分方式也有失標準。因為這類的實驗往往不是由教授親自指導， 而是由研究生協助大學生進行實驗，再由大學生的結報進行成績的評比，這些的評分方式其實太過表 面，我們並無法確定學生是否在該領域有傑出的表現，這些問題都來於師生的互動過少，評分的模式 太過單一所致，這結果往往會讓有心於普通物理實驗的學生抱怨評分不公。 本人近年來承接本校大三的實驗學，發現即使到了高年級的課程，實驗課依舊是類似大一普通物 理實驗的「食譜式」的實驗課程，但我認為這樣的學習方式的沒有成效的，致使我想改革本校的大三 實驗學，並透過教學實踐研究的計畫，去觀察、反省實驗學改革之成效，並作後續的調整，最後是希 望學生能透過實驗學的課程，真正學習到科學探究能力與正確的科學態度。 2.研究主題與目的 有鑑於本校的實驗學有諸多不利於發展專業知能的問題，本人參考國內外各大學改革實驗學的情 況，安排了一系列的研究規劃。以中國復旦大學為例，他們的物理系實驗學分成四個層次，分別是： 基礎性物理實驗、設計性探索式物理實驗、設計性探究式物理實驗、設計性研究式物理實驗。我們將 仿照這樣的課程安排，但時程壓縮為一學年的時間實施，上學期，我們將進行基礎性物理實驗和探索 式物理實驗，在下學期進行探究式物理實驗和研究式物理實驗。我們希望透過物理辯論和心得回饋， 觀察學生的研究動機、探究能力和科學態度是否隨著不同的課程模式而提升。 此外，本次的實驗學改革也針對本校高教深耕計畫做設計。本校近年來積極發展總結性課程與專 業實務課程，這些課程都強調課程必須能讓學生學以致用，能有實務操作的經驗並與產業有所連結，
因此我們在實驗課程的規劃上，最後加入設計性研究式物理實驗，乃希望學生可以發揮想像力、探索 自己有興趣的主題，透過先前的訓練，完成一個正式的學術壁報，並藉由成果發表會展現。 我們預期進行一項研究式物理實驗的課程，可以提升本科系學生的創新能力，以呼應本校「大學 生學習成效評量(COLA)系統」統計資料中，企業對於本校學生在「創新能力」可再提升之需求，如表 1。 我們也預期這樣一個課程能提升師生之間的互動關係，改善本校學生與老師在討論有關課程的主 題之互動經驗偏低的問題，如表 2。【2】
2. 文獻探討(Literature Review)
一、國內外物理實驗的教學現況 近年來，國內外有許多大學針對「食譜式」的實驗課程進行課程改革，「食譜式」的 實驗課程即實驗前，教師或助教會說明實驗目的與方法，學生在依照制式的實驗步驟操作， 得到數據後再進行簡單的誤差分析，但這樣的學習其實是被動的，並無法真正啟發學生對 於科學的思判與興趣。【3】 下列舉例國內外的物理實驗之教學現況以做為本次設計物理實驗之參考。國內部分，我們 參考臺灣大學在 2009 年首次辦理的「臺大普通物理實驗創意實驗設計競賽活動」，此活動 辦在下半學期，並有助教從旁協助構想實驗，提供相關物理知識，但不並參與整個實驗的 操作，也明訂了可以借用的實驗器材與報帳作業。【4】這樣一個模式我們認為可以適用在 我們下學期的研究式物理實驗中，學生可以借用課程中所使用過的儀器，也可以透過報帳 作業購買他們所需之耗材，最後在以壁報的方式呈現學生的研究成果，並以競賽的方式挑 選傑出的作品，這些作品甚至可以更進一步的寫成研究計畫，並代表本校參與大專學生研 究計畫研究創作競賽。 國外部分，我們參考復旦大學物理系大三學生的選修課程-「設計性研究式物理實驗」。 設計性研究式物理實驗特別之處在於學生必須在一些參考資料中，自行選擇實驗儀器、設 計實驗步驟，觀察並記錄實驗現象和數據，最後對實驗結果進行分析和探究。復旦大學對 於實驗記錄是非常講究的，該校規定進行每次的實驗都應該記錄想要解決的問題、所需的 實驗儀器、具體的實驗步驟、實驗數據、分析整理和下一次實驗的規劃。【5】我們將參考 復旦大學的實驗紀錄之規定，規定學生該如何正確填寫一份清楚的實驗記錄。 二、落實高等教育深耕計畫 高等教育深耕計畫可以說是邁向頂尖大學計畫的一種延續，但不同於邁向頂尖大學計 畫，深耕計畫特別強調教學品質的改善。這其實呼應了「高等教育改革論壇：迎向大學的 挑戰」中，各界對於高等教育資源優先目標中，最需關注的在於提升大專校院的教學品質 （41%），這乃是檢討過去邁向頂尖大學計畫所產生的問題，即各大學為了爭取經費，而重 研究、輕教學。【6】 中山大學本身在教學品質的改善有許多策略，其中特別強調在於推動總結性課程，落實學 用合一。因此，此次的實驗課程之改革，希望能將原本制式化的實驗課，改革成「先學習、後創 新」的課程模式，即上學期學習基本的實驗儀器之操作，下學期透過上學期所學的知識，設計一 個有創意的實驗，並以學術壁報呈現實驗結果。此外，實驗課程之改革不單只有課程模式，還有 課程內容。我們將替換多數現有的測量儀器，以 Labview 軟體結合 Arduino 取代，這乃是鑒於 21 世紀對於會寫軟體的人才之需求。三、教學實踐研究的理論基礎 由於我們所規劃的實驗課程是有階段性的，我們認為這很適合進行教學實踐研究。教 學實踐研究即行動研究，行動研究講究的是研究者要對自己的教學做觀察，瞭解自己所遭 遇的實際問題，透過反思並訂下解決問題的方式，並從經驗中學習，是一段實際解決問題 的歷程。因此，我們希望可以透過上學期的基礎實驗課程，瞭解學生的學習成效和師生的 互動情況，以做為下學期的課程內容之依據，該給予學生多少實驗幫助？主題的難易度？ 研究範圍的廣度？都是我們需要先瞭解實際的教學現況再來訂定的。 因此，我們要如何有效瞭解學生的學習成效和師生的互動情況在教學實踐研究中就顯 得格外重要。我們參考「行動研究的理論與實踐」一文中，作者建議研究者必須不斷地做 紀錄與保持登錄，即研究者最好保持每天做筆記的習慣，而筆記內容可以記錄下軼事資料、 行程記錄資料、個人觀點、觀念澄清等，這些資料都可以用來定期回顧檢視行動歷程與結 果。【7】其實這樣一個紀錄並不困難，我們可以藉由每週學生繳交的實驗報告，觀察課堂 上學生的學習情況，來得知我們教學上的問題。這些問題的解決之道都將併入到下學期的 研究式物理實驗。我們預期，學生在師生互動、批判思考與創新能力能有正面成長。
3. 研究方法(Research Methodology)
1.研究架構 在行動研究的理論與實踐一文中，說明了要進行一個教學實踐研究的首要工作是陳述自己 所關注的問題，在確認自己所關注的問題之後，開始規劃可以解決問題的策略以及尋找可以合作 的對象。而這些規劃出來的策略將實際運用在往後的課堂上，並透過蒐集學生的學習成果與回饋， 驗證策略之成效。我們可以觀察出，一個教學實踐研究是一個持續性的研究過程，透過不斷的修 正，以達到教學的最大成效。 教學實踐研究流程圖：2.研究假設 本次的教學實踐研究配合著課程設計進行，我們蒐集上學期的實驗報告作為我們的參 考組，以下學期的壁報發表作為我們的對照組，我們將比較學生在兩份報告中，「實驗目 的」與「分析與討論」的內容。 我們預期下學期的「實驗目的」部分，學生將有更明確的陳述，學生清楚知道他們的實驗 在做什麼，該操控什麼變數，這些都是「食譜式」的實驗課程無法達成的。在「分析與討 論」的部分，我們預期學生的內容品質也將有所提升，由於學生著手的是自己所設計出來 的實驗，關注的方向不同，所引發的實驗方向亦然不同，可避免學生抄襲的問題。 3.研究範圍 本次的教學實踐研究，我們所關注的問題在於傳統的「食譜式」的實驗課程會使學生常有 抄襲、數據作假的情況發生，且學生在探討實驗誤差時，常以儀器誤差、測量誤差來說明 實驗值與理論值的差異，這樣一個分析其實是表面的，並沒有實際去思考實驗的變數為何？ 這也是因為學生認為只要按照實驗手冊的的操作步驟，就可以得到課本上的理論數值，而 沒有深入去探究實驗過程中，可能影響實驗的因素。 如何避免學生抄襲、數據作假或做出膚淺的實驗分析的情況發生，成為我們課程改革的主 要目標，而我們將從本校物理學系的實驗學三、四著手，並將研究階段分為四個時期，即 實驗學三、四各分兩個階段。 在實驗學三的第一週的課堂上，我們會先將學生分成兩班，於兩個時段授課，每一班再分 成八組，而這些組別將持續到實驗學四，並告知每位學生我們整年的實驗學之規劃，包含 我們上學期我們在期末要繳交一份報告，下學期要進行一處物理辯論和壁報發表等。 第二週之後，我們將進行第一階段的實驗學，為期八週。這個階段的教學目標在於讓學生瞭解 Labview 的使用方式，這個階段的課程目的不在是啟發學生思考，而是讓學生瞭解我們如何利用 Labview 來控制我們的實驗儀器，進而得到實驗數據，所以課程內容會偏向介紹 Labview 中，各 套件的使用方式、使用時機與使用限制，例如：瞭解布林（Boolean）元件的使用規則、比較 While 迴圈和 For 迴圈之差異、如何使用 Waveform Chart 和 Waveform Graph 繪圖、如何使用 Sub VI 進 行模組化程式設計和檔案輸出等技巧。【8】 第二階段於上學期的期中考後實施，這階段我們試著讓學生利用前八週所學的 Labview 套件去控 制現有的儀器，主要有光譜分析，二極體的 IV 曲線之比較等，並透過 Labview 來呈現實驗結果。 這階段的結束會有一個實驗報告，內容為比較各光源的光譜或各類二極體的 IV 曲線，我們預期， 學生在這份實驗報告中並不會有太多的探究內容。這份報告將作為我們教學實踐研究的參考組， 待與下學期的成果發表做比較。 第三階段於下學期的期初開始，為期八週。這個階段我們將 Labview 結合 Arduino 去取代原本設 計好的測量儀器，利用 Arduino 的感測器套件，並以 Labview 控制、分析與處理數據。
最後一個階段，在下學期的期中考後實施，我們希望學生可以自行尋找有興趣的題目（題目由兩 班學生共同決定，方能進行後續的物理辯論），並利用過去所學的或是自學的 Arduino 套件配合 Labview 去控制、分析與處理數據而發展一個過去沒有做過的實驗，我們可以提供些許範例，例 如歷屆 IYPT 的題目、「臺大普通物理實驗創意實驗設計競賽活動」的得獎作品讓學生做延伸性的 實驗。 在下學期的期末之際，我們將舉行一連串的活動。首先，我們會先舉辦一場物理辯論，由相同題 目的兩組同學上臺進行交叉辯論，分別提出他們的觀點和針對別人的實驗提出盲點。之後，我們 將要求學生將實驗成果做成一張壁報，與物理年會的壁報發表形式類似，並於公共場合展示給其 他非物理學系的師生閱覽。我們希望透過這些活動，來提升學生的表達能力，而且在透過討論的 互動關係，讓學生真實瞭解自己實驗上的缺陷與盲點，更深入地探究整個實驗結果。我們相信都 將使學生在進入業界中，有助於他們進行研發等工作。 4.研究對象 本次的教學實踐研究配合本校物理系三年級的必修課－「實驗學三、四」，這些學生在二年級已 修畢「實驗學一、二」，不同的是，實驗學一、二主要是大一普通物理實驗的延伸，而實驗學三、 四則偏向軟體學習與有關近代物理的實驗。 5.研究方法及工具 我們將透過教室觀察記錄、學生作品和自我省思雜記作為我們研究的參考數據。在教室觀察記錄 的部分，我們將分別蒐集上下學期的教學意見調查表，並關注在「這門課能讓我達到表達與溝通 能力」和「這門課能讓我達到探究與批判思考能力」等問題上，我們希望在這些問題中，「非常 同意」的比例能有所增加。 至於學生作品和自我省思雜記的部分，我們希望透過這些內容來瞭解學生是否在分析與探索領域 有所進步，即學生在分析實驗時，能避免「操作誤差」、「實驗誤差」等表面的字眼出現，取而 代之的是深入瞭解實驗本身的缺陷，與未來能改善的地方。 6.實施程序
7.資料處理與分析 我們將蒐集全班的教學意見調查表，並針對「這門課能讓我達到表達與溝通能力」和「這門課能 讓我達到探究與批判思考能力」兩大問題，去統計「非常同意」、「同意」、「有點同意」、「普 通」、「有點不同意」、「不同意」、「非常不同意」的比例與分析上下學期的差異。 另外，我們也將針對「這門課主要讓我達成哪些校基本素養與核心能力」做蒐集，我們想瞭解「表 達與溝通能力」、「探究與批判思考能力」、「創造力」、「合作與領導能力」的達成人數有沒 有因為上課方式的改變而有所增加。 在學生作品方面，我們將比較上下學期的報告中，「操作誤差」、「實驗誤差」等表面的字眼的 出現機率是否有所降低。這些資料，都將佐證我們的論點：探究性研究式物理實驗能使學生學習 到更深層的科學素養。
4. 教學暨研究成果(Teaching and Research Outcomes)
1.完成之教學成果 在學生在經歷一年的實驗學培訓後，有能力自己編輯一組 Labview 程式去控制他們所選定的 Arduino 套件來進行他們有興趣的題目，且在實驗結果的分析上面，能有更深入的探討，學 術表達方面能亦有所長。 2.達成之學生學習成效 透過我們對教學意見調查與學生作品的分析，這樣一個教學能讓學生學習到不只是科學知 識與概念的理解，還有過去的實驗學所長期缺乏的，科學探究能力的訓練和科學態度的培養。 3.教學成果公開發表分享之規劃 中山大學近年來積極推動教學改革，尤其在總結性課程方面，更是本校發展之重點。我們 願意分享這次的教學實踐研究之結果，給予有意願嘗試開設新的總結性課程的教師一個範本 與建議，讓這股風氣能夠延續。 4.教學成果對教學社群可能產生之影響與貢獻 由於我們的研究式物理實驗的題目選材有來自歷屆 IYPT 的題目，若其他學校也有進 行 IYPT 的實驗，我們便能進行一場跨校性的物理辯論，這有助於使各校物理學系的學生有一 個交流的機會。另外，我們也可以挑選幾篇優秀的實驗成果，作為本系學生申請科技部大專 生計畫的題目，讓實驗能夠更加完整，以爭取大專學生研究創作獎等榮譽。
一. 參考文獻(References)
【1】大學物理實驗教學的思維. 文/傅昭銘 【2】國立中山大學 高等教育深耕計http://c19.nsysu.edu.tw/bin/home.php 【3】如何進行探究式教學？ http://best-pdm.blogspot.tw/2007/04/blog-post_19.html 【 4 】 普 通 物 理 實 驗 創 意 實 驗 設 計 競 賽 活 動 http://web.phys.ntu.edu.tw/gphyslab/cre-con/2010.html 【5】复旦大学物理教学实验中心 Fudan Physics Teaching Lab http://phylab.fudan.edu.cn/doku.php【6】高等教育深耕計畫 0712 說明會簡報 【7】行動研究的理論與實踐
【8】LabVIEW Pro http://labviewpro.net/
