第二期

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SCIENCE

ake t rue

第二期

2016 05

物理 地科

生物

培養一個會思考的高中生-

以滲透實驗為例 P1

化學

探究與實作分享-

結晶大賽 P9

Biology 如何進行引導式探究- 以酵母菌的酵素

與呼吸作用為例

謝宜君 老師

交通大學教育所科學教育組碩士班 國、高中生物兼課老師

angeflying76@gmail.com

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前言

科學探究是一個科學研究的過程,包含形成 研究問題、提出假設、找出變因、設計研究方 法、驗證假設、整合與形成知識,同時從中發展 科學態度。有別於傳統以老師為主的教學方式,

探究課程著重以學生為中心,老師為提供鷹架、

輔助與引導的角色,但老師究竟應該提供多少鷹 架與輔助呢?由於形成研究問題往往是探究過程 中最困難的,因此當學生對探究還不是那麼熟悉 之前,老師可以先給學生一個研究問題,然後鼓 勵與引導他們想辦法一步一步地去完成後續的過 程(提出假設、找出變因…),這種模式的探究 稱為引導式探究(guided inquiry)。它與老師們 所熟悉的做科展有點像,但有個不同的地方,科 展是學生與老師雙方都還在探索、不清楚結果的 研究,所需時間多;而引導式探究則是學生尚不 知結果、但老師已知的研究,可以設計出在一節 課內結束的課程。

接下來讓我們一起來看一個引導式探究的例 子吧!

以酵母菌的酵素與呼吸作用 為例

一、老師決定探究問題

利用酵母菌為實驗材料可同時達到對呼吸作 用與酵素的探討。93年度高中學科能力競賽的決 賽試題即為「酵母菌的發酵作用與型態觀察」,

此題目也很適合給所有學生進行研究,其中包含 兩個主要概念的結合:

1 酵母菌的呼吸作用:

1

有氧呼吸:

1C6H12O6+6O2

酵素 6CO2+6H2O

+(36 or 38) ATP

2

無氧呼吸:

1C6H12O6

酶素 2CO2+2C2H5OH+2ATP 2 酵素的反應速率又會受到溫度、酸鹼度、受

質濃度及重金屬等影響。

找出想要教學的概念後,老師便可以設計研 究主題。因為溫度是藉由影響酵素活性而間接影 響呼吸作用的效率,為了不使學生混淆因果關 係,所以題目可以明確訂為「溫度對酵母菌酵素 的影響」,並引導學生思考以觀察呼吸作用產生 二氧化碳的速率來推論酵素的活性。此外老師也

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Biology

此實驗可以現有的實驗器材進行(圖一),

也可以參考阿簡生物筆記網站中阿簡老師所設計 的點眼瓶與可彎吸管組合(如本文實驗設計,見 圖二)。將吸管的一端深入水中即可計算酵母菌 產生的二氧化碳氣泡數量。

圖一:以實驗室裡現有 的實驗器材進行實驗

圖二:以點眼瓶與可彎 吸管進行實驗

而水可以換成澄清石灰水,除了可計算氣泡 數量(定量)以外,同時可以觀察混濁度(定 性),在一般教室內非常方便操作。

二、學習單的秘密

引導式探究的特色是一步一步地依序完成,

因此可將一份完整的學習單(圖三)剪開分成幾 張:第一張包含探究問題、假設與變因;第二張 為實驗設計;第三張為實驗記錄與結果討論。

在進行探究課程時,學生必須先完成第一張給老 師看過之後才可以拿到第二張,雖然老師會辛苦 一些,但是可以及時回饋、引導學生思考、改正 或給予讚美,如此一來也可以讓全班進度比較同 步,以及避免學生跳著寫、亂寫或是未思考清楚 就往下進行實驗。

圖三:引導式探究學習單。老師可先將學習單剪開,讓學生先完成假設與變因的部分(第一張學習單)後才 能進行實驗設計(第二張學習單),以達一步步引導之效

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Biology

科學探究 MIT - 生物

三、課程開始

1. 概念複習:

首先帶學生了解或是複習前述的兩個概念。

2. 第一張學習單:

發下第一張學習單後說明探究題目是「溫度 對酵母菌酵素的影響」,接著讓學生進行小組討 論,寫下假設與變因為何(圖四)。

第一次進行探究實驗可以先舉其他題目為 例,讓學生了解假設的寫法:「若(自變因)愈

○○,則(應變變因)愈××。」之後就可讓學 生自行判斷假設與變因為何。以酵母菌實驗為 例,列舉以下幾種假設的可能寫法:

1

若溫度愈高,則酵素活性愈高,呼吸作用產 生氣泡的速率愈高。

2

若溫度愈高,則酵素活性愈低,呼吸作用產 生氣泡的速率愈低。

3

若溫度愈高,則酵素活性愈高,呼吸作用產 生氣泡的速率愈低。

4

若溫度愈高,則酵素活性愈高。

5

若酵素活性愈高,則溫度愈高。

圖四:從變因是否正確或完整以了解學生的狀況

1與2雖然不同但都可作為實驗假設,讓學

生了解不同人可能會有不一樣的假設,而實驗結 果也可能與假設不符,所以不用在此步驟改成老 師心中的正解,大多時候若學生發現假設與實驗 結果不符,反而印象會更深刻。

3則是學生對酵母菌的酵素與呼吸作用兩個

概念有不清楚的地方,老師可協助其在此步驟釐 清觀念。4為正確的假設寫法,但老師仍然可以 引導學生進一步連結酵素與呼吸作用,以利後續 設計實驗。5則是學生對因果關係及變因判斷不 清楚,老師在此步驟可協助釐清觀念。學生也許 在剛接觸探究實驗的前幾次還不能寫對或寫好,

但多練習後會愈寫愈快,愈寫愈好!

3. 第二張學習單:

發下第二張學習單後說明有哪些實驗器材與 藥品,學生可利用提供的資源進行小組討論如何 設計實驗,本次實驗器材與藥品如圖五。

每組可能會設計出不同的實驗,例如溫度 設定可以是10℃、20℃、30℃,也可以是0℃、

50℃、100℃。要量化氣泡產生的速率,可以計 算每分鐘產生幾顆氣泡,也可以記錄產生50顆氣 泡需要多少分鐘。實驗設計是可以鼓勵學生發揮 所學與創意的部分,但要注意是否合理,有無實 驗組與對照組的設計。

圖五:實驗器材與藥品

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Biology

4. 第三張學習單:

發下第三張學習單後進行實驗並記錄數據,

注意是否有進行實驗重複及安全性。實驗步驟 為:

1

取定量的酵母粉加入點眼瓶內。

2

加入定量2%葡萄糖水溶液後上下搖一搖。

3

盡 快 將 已 套 好 可 彎 吸 管 的 點 眼 瓶 口 裝 回

(此步驟要注意吸管不可太細,否則就算 用膠帶黏住兩者也難以成功,如圖六及圖 七。)

4

將吸管的一端放入澄清石灰水中。

5

計時與計算氣泡數量、觀察澄清石灰水的 混濁程度。

前幾次探究實驗時可以提供學生表格以記錄 數據,待學生熟悉之後可以讓其自行設計表格以 呈現實驗結果(如表一)。

5. 小組進行數據分析與結果討論:

讓學生討論與解釋數據如何解讀才恰當,結 果是否符合假設,若不符合可能是什麼原因,是 概念需要改變還是人為的誤差。

6. 全班結果分享與討論:

這個步驟相當重要與有意思,各組因實驗設 計的不同或操作不同,結果可能一致或不一致,

一致時可以形成共同的結論,不一致時可討論是 什麼原因,有時候還可以從中發現一些新的探究 問題或科展主題呢!

7. 整個過程當中,老師的任務便是在各組巡視 與提示、協助。

圖六:注意吸管不可以太細,否則實驗難以成功

圖七:搖一搖與注意吸管與點眼瓶口的密合程度 表一:數據記錄表格的填寫示範

20℃ 40℃ 60℃

第一次實驗 第二次實驗 第三次實驗

平均 溫度 氣泡數量

(30s)

實驗次數

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科學探究 MIT - 生物

四、將課本既有的實驗改造成引導式 探究實驗吧!

在看過酵母菌的酵素與呼吸作用實驗後,有 沒有覺得探究與實作課程其實不難設計呢?只要 把握幾個原則:

1 清楚想要教給學生的概念是什麼。

2 以概念設計題目與預做實驗並改良,確定做 得出來再讓學生做,才不會大家白忙一場喪 失信心。

3 讓學生學習寫假設、變因,給予多一些自行 設計實驗的時間與空間,並且一定要花點時 間討論結果。

要教給學生的主要概念常常出現在課本現有 的實驗中,因此老師們利用上述三個原則,就可 以把較傳統、食譜式的課本實驗改造成有趣的探 究實驗了。

例如「花粉萌發的觀察」活動,常是老師依 照課本的建議提供不同濃度的蔗糖水溶液,再讓 學生觀察花粉在哪個濃度下較容易萌發,但我們 也可以將其改成探究「蔗糖水溶液濃度與花粉萌 發的關係」,讓學生自行提出假設、設計實驗、

配置自訂濃度的蔗糖水、分析數據與解釋實驗結 果,相信會更有樂趣與意義。

結語

探究教學與PISA2015

國 際 學 生 能 力 評 量 計 畫 (P r o g r a m f o r International Student Assessment, PISA)在科學素 養架構的能力(competencies)面向當中,定義 應具備三種科學能力:

1 能科學地解釋現象。

2 能評估與設計科學探究。

3 能解釋科學資料及證據。

而能力除了受個人的科學知識影響之外,也 受科學態度的影響(對科學的興趣、對科學探究 方法的重視、對環境的意識);此外合作的能力 也備受重視,無論是提升科學能力、科學態度或 合作能力,引導式探究都是好朋友。當學生熟悉 此種探究模式以後,老師們可以在探究與實作課 程中做更多的變化或是鼓勵孩子自行想題目,教 學相長,期待我們與學生的眼睛都能更常發亮。

本篇的酵母菌實驗有幸 能有機會錄製成影片以供老 師 們 參 考 , 影 片 放 置 於 臺 灣2015 PISA國家研究中心 網站的相關資源中(http://

pisa2015.nctu.edu.tw/pisa/

index.php/tw/resource/36-scienceinquiry),或掃 描QR code(圖八)連結教案影片。影片中使用 溴瑞香草酚藍測定二氧化碳,但以點眼瓶內少量 的酵母菌在短時間內所能產生的二氧化碳,不易 造成明顯的顏色變化,因此建議可改用澄清石灰 水。網站當中也有許多老師針對不同科目與主題 的示範。筆者望能拋磚引玉,若有需改正之處希 望老師們能包涵與不吝指教。

圖八:本篇實驗 的教學演示影片

圖片來源

圖一∼圖八:謝宜君老師提供

參考資料:

1 酵母菌探究實驗:

阿簡生物筆記酵母菌的科學探究活動

http://a-chien.blogspot.tw/2013/10/blog-post_10.html 2 引導式探究:

Leslie W. Trowbridge & Rodger W. Bybee (1996), ch12.

Investigation and Problem Solving 3 PISA 2015:

PISA 2015 Draft Science Framework, March 2013

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