壹、前言

十二年國民基本教育課程綱要總綱(以下稱108 新課綱)各領綱已於108 年8 月施行。108 新課綱在自然領域中更著重素養導向教學與探究實作課程發展，以作 為台灣基礎科學教學之根基。但是，以目前台灣中小學普遍仍以考試成績或國中 教育會考為導向的教學，許多任教自然領域教師在教學上，或因不熟悉素養導向 理念與探究實作課程、過度偏重板書與講述法教授自然學科的教學型態、或因囿 於實驗設備不足、不易改變慣用的教學模式等因素，以致學生不易理解抽象或艱 澀的科學概念，也降低了科學學習動機。

再者，許多各出版社發行的科學遊戲叢書，或網路上可蒐尋到的眾多科普活 動，這些偏向以「科學啟蒙」為本位的書籍與活動，固然生動有趣可增進學生學 習興趣，然而這些遊戲式的科普活動卻多獨立於教科書所教導的教學內容之外， 也難以結合該階段學生的科學學習與評量內容，尤其這些科學遊戲與科普活動也 不以「科學概念為本位」，而缺乏自然領域學習的邏輯與脈絡，也僅止於採用食 譜式實驗觀察有趣的自然現象，無法進一步提供讀者探索變因、深入較高層次的 推理思考或生活應用。

綜觀上述關於新課綱在教師教學、學生學習與評量等三方面的困境，我們或 可不侷限於自然領域教學之範疇、跳脫教學型態之窠臼、並結合時事與生活情 境，定錨於每一項教科書中的教學單元或核心概念，採用「跨域學習進行探究實 作課程」而發展有趣又富認知性的教材教法，不僅能提供學生具有廣度的學習與 提升學習動機，也能緊扣住教科書中核心概念的教與學，如此便能兼顧趣味與多 元化的教學、生活情境化的學習以及評量。

筆者近20 多年來發展許多科普活動，因著新課綱在這4 年來逐步將這些已 動手做或趣味本位的科普活動予以精緻化與量化，轉換成在國中小課室內可實踐 探究實作課程之教學心得與實例，作為拋磚引玉提供予自然領域教師參考。

 貳、光學探究實作課程之教材教具

菲涅爾透鏡(如圖1 與圖2 所示)、6 色手指燈、光柵(如圖3 所示)、合光稜 鏡(如圖4 所示)、可見光的光譜圖。

 叁、光學探究實作課程之教材教法

一、菲涅爾塑膠鏡片(Fresnel Lens)

（一）菲涅爾塑膠鏡片之簡介



菲涅爾透鏡（Fresnel lens），又稱為螺紋透鏡，如圖5 與圖6 所示！此種透鏡 由法國物理學家Fresnel 發明的一種類似凸透鏡的鏡片。此設計原來被應用於可 建造(1)大孔徑、(2)重量與體積小、(3)材料用量少、(4)焦距短、(5)更薄之燈塔。 因此，可傳遞更多的光，使得燈塔即使距離相當遠仍可看見。相比傳統的球面透 鏡，菲涅爾透鏡將透鏡劃分出稱為「菲涅爾帶」的眾多同心圓紋路，以達到相同 的光學效果，同時節省了材料的用量，缺點為成像品質下降許多。

（二）菲涅爾塑膠鏡片之教學運用—凸透鏡的成像性質與光的三原色
 

1.尋找焦距與焦點以及實像與虛像的教學

方法1.以「窗外景色」為光源
將室內燈光關掉，讓學生調整菲涅爾透鏡與屏幕 (例如牆壁或白紙)之距離， 試著在屏幕成一清晰的「倒立的縮小實像」。因為菲涅爾透鏡的「焦距」遠小於 「窗外風景與菲涅爾透鏡的距離」，物距可視為無窮遠，故可視為「菲涅爾透鏡 與屏幕之距離」=像距(且近似於焦距)。
若進一步以實驗室裡的「凹透鏡」，演示無法將窗外景物的光線會聚在屏幕 上，但是透過凹透鏡卻能看見窗外景物，這種無法在屏幕上成像卻看得見的像就 稱為「虛像」。

方法2.以教室內「日光燈」為光源
因為菲涅爾透鏡的「焦距」遠小於「日光燈與透鏡之間的距離」，讓學生調 整菲涅爾透鏡與桌面上「作為屏幕的教科書或白紙」的距離，物距可視為無窮遠， 故可視為「菲涅爾透鏡與屏幕之距離」=像距(且近似於焦距)。

方法3.以「手指燈或手電筒」為光源
將室內燈光關掉，讓學生分組並由一位學生手持手指燈或手電筒為光源，調 整菲涅爾透鏡與屏幕(例如牆壁或白紙)之距離，試著在屏幕聚光成一清晰的「亮 點」。此「亮點」即為焦點，而屏幕上之「亮點」位置與菲涅爾透鏡之距離=焦距。 而且手持手指燈或手電筒為光源的學生離透鏡愈遠，相當於物距愈遠，屏幕上之 「亮點」愈小、愈清晰！
也可以讓學生單人操作，一手高舉手指燈(或手電筒)、一手持菲涅爾透鏡， 當高舉的手指燈(或手電筒)離菲涅爾透鏡愈遠，菲涅爾透鏡逐漸靠近桌面時，相 當於物距愈遠，桌面上之「亮點」愈小、也愈清晰，如圖7 所示。
進一步將物距與像距「量化」的教學方法:亦即將長尺橫放，屏幕與手指燈或 手電筒置於透鏡兩側，這時學生會發現，當物距愈遠，亦即手指燈光源與凸透鏡 (或菲涅爾透鏡)距離愈遠，調整透鏡與屏幕的適當距離，就能看見非常清楚明亮 3 的焦點，如圖8 所示。



方法4.以「投影機的強力燈光」為光源
教師直接以「投影機的強力燈光」為光源，調整菲涅爾透鏡與投影屏幕之距 離，試著在屏幕聚光成一清晰的「亮點」。此「亮點」即為焦點，而屏幕上之「亮 點」位置與菲涅爾透鏡之距離=焦距。
若進一步以「凹透鏡」教學演示，則無法將「投影機的強力燈光」會聚在屏 幕上，而且整個強光被凹透鏡給發散了，投射在屏幕上的光線也變得更模糊！但 是，我們如果透過凹透鏡卻仍可看見「投影機的強力燈光」，這種無法在屏幕上 成像卻看得見的像就稱為「虛像」。
澄清迷失概念:許多學生從方法1，會認為「以窗外景色為光源的照度太弱」 以至於光線無法透過凹透鏡在屏幕上成像。但是，藉由此教學方法4 與上述方法 1 進行比較，即使採用方法4 之投影機投射的燈光，遠比方法1 以窗外景色為光 源的照度強數倍，經由凹透鏡的發散，仍無法在屏幕上成一個清晰的像。

方法5.以「太陽的日照」為光源
讓學生到戶外，以「太陽的日照」為光源，即物距(太陽與菲涅爾透鏡的距離) 視為無窮遠，調整菲涅爾透鏡與地面上的衛生紙之距離，試著在衛生紙上聚光成 一清晰的「亮點」。此「亮點」即為焦點，而衛生紙上之「亮點」位置與菲涅爾 透鏡之距離=焦距，這時衛生紙塗黑部分可能燃燒。
如果陽光強烈時，將衛生紙中央部分以黑色白板筆塗黑，這時衛生紙塗黑部 分更容易燃燒。

 

2.凸透鏡成像性質教學應用
筆者在教學之前習慣先讓學生自行拿著菲涅爾透鏡「自由探索」，無需急著 教導正確的科學概念，待其探索後，根據筆者的教學經驗，通常學生「自然而然」 衍生以下幾個問題:

(1)為什麼將透鏡貼著眼睛觀看，看到的景象都是「正立又模糊」的影像呢？

(2)為什麼將透鏡逐漸遠離眼睛看同一物體，又變成「倒立的縮小」影像呢？
細心的學生也會觀察到遠方物體，不僅「上下顛倒」還「左右相反」呢？

(3)承上述，為什麼透鏡在某一位置上，觀察的物體「消失」呢？

從上述提供學生自由探索之後，學生具備了一些操作經驗並發現問題，教師 再逐一提出討論與說明科學概念。但是，假如學生無法提出上述問題，也可以由 教師「引導」他們觀察，例如以下「探索式的指導語」:

(1)你先「將透鏡貼著眼睛」看教室裡遠方的時鐘，你發現什麼現象？

(2)你慢慢「將透鏡遠離眼睛」並注視遠方的時鐘，你發現什麼現象？

(3)你將透鏡遠離眼睛並慢慢靠近課本的字，有沒有發現什麼現象？

(4)你將透鏡慢慢靠近課本，透鏡與課本在某個距離，課本好像消失了！你發現了嗎？為什麼呢？

(5)你將透鏡慢慢靠近隔壁桌同學的眼睛，有沒有發現什麼現象？

＊參考解答，如附件一之1 所示

從上述第1 點可求得菲涅爾透鏡的焦距，進一步學習「物距對於成像性質與 像距」之影響。例如:

(1)觀察非常遙遠的物體—成像性質:＿＿＿、＿＿＿、＿＿＿。

(2)觀察焦距與兩倍焦距間的物體—成像性質:＿＿＿、＿＿＿、＿＿＿。

(3)觀察兩倍焦距上的物體—成像性質:＿＿＿、＿＿＿、＿＿＿。

(4)觀察焦點上的物體—成像性質:＿＿＿。

(5)觀察焦距內的物體—成像性質:＿＿＿、＿＿＿、＿＿＿。

＊參考解答，如附件一之2 所示

 

3.凸透鏡運用於光的三原色與會聚白光的教學應用
首先，提供每一組或每一位學生「可見光之光譜圖」，如圖9 所示。



可見光的「七種色光之波長」比較為:紅光>橙光>黃光>綠光>藍光>靛光>紫 光。透過光柵來觀察白光，即類似彩虹形成的概念，波長愈長的色光會呈現在最 外圈，反之，波長愈短的色光會呈現在最內圈，如圖10 所示。



如圖10 所示，將紅、藍、綠共三色手指燈同時照射凸透鏡或菲涅爾透鏡時， 如果三色光的強度或照度相當，將藍光放在距離凸透鏡(或菲涅爾透鏡)最遠處、 其次為綠光、紅光距離透鏡最近，則能發現三色燈在屏幕上可以會聚成白光！
1.將藍光移開，則只留下紅光與綠光，在透鏡背後的屏幕上會聚成黃光！
2.將紅光移開，則只留下藍光與綠光，在透鏡背後的屏幕上會聚成青光！
3.將綠光移開，則只留下藍光與紅光，在透鏡背後的屏幕上會聚成洋紅色光！
進階探究實作活動:
1.以洋紅色光與綠光兩種色光經凸透鏡亦可會聚成白光！如圖11 所示。
2.改以黃光與藍光兩種色光經凸透鏡亦可會聚成白光！如圖12 所示。



請學生解釋為何上述兩種色光也能夠約略地會聚成白光呢？
＊參考解答，如附件一之3 所示

進一步說明:
人類的色錐細胞(錐狀細胞)主要感應紅藍綠三種顏色，紅光與綠光並非可以 組成或會聚成黃光，而是兩種色光的疊加結果「等效」於我們所認知的黃光，因 為我們所認知的色彩，不僅受到色光刺激色錐細胞所產生的「色覺」，同時也受 到大腦對於色彩的解釋，更何況色光的頻譜範圍較大(不存在單一波長的色光)、 背景顏色(若非全黑的環境之光害的影響)等因素，皆影響我們對於顏色的判讀。

二、光柵與合光稜鏡的教學應用

（一）光柵的性質 複合光投射到光柵各刻槽之衍射又相互干涉就會色散成單色光。光柵每 單位長度內的刻痕數量決定於分光的波長範圍，單位長度內的刻痕多，色散 度越大。光柵的分辨本領決定於刻痕多少。一般所說的「光柵」是指利用繞 射對光進行調製的「繞射光柵」，本實驗所使用的光柵就是屬於一種「繞射 光柵」。例如，白光被色散成七種色光，如圖13 與圖14 所示。但是，如果 有多個不同色光的點光源，則紅光、藍光、綠光等三種色光幾乎不會色散， 呈現單一色光，而且會呈現清晰的多個圖案成像，如圖15 所示。

（二）光柵的色散性質教學運用
採用有趣的光柵圖像作為教材融入教學，不僅相當「吸睛」能提升學生 學習動機與興趣之外，更能藉由探究實作活動的設計提供學生理解「光的三 原色」以及色散等概念。

1.分別將紅、綠、藍三色手指燈放置在遠方，便可視為「點光源」，以光柵 貼著眼睛觀察遠方的紅、綠、藍三色光則會發現，紅、綠、藍三色光都 不會色散，可視為「單色光」。

2.改將洋紅色、黃、白三色手指燈同樣放置在遠方，再以光柵貼著眼睛觀察 遠方的此三色光則會發現:

3.由教師改用雷射筆照射光柵，雷射光在光柵的各刻槽產生繞射與干涉的結 果就能夠將光柵裏頭的圖案投射在屏幕上！
注意:上述活動建議由教師操作，不宜由學生來使用。

4.進階說明「為何透過光柵觀察白光時，色散後的色光由外而內分別為紅、 橙、黃、綠、藍、靛、紫七種色光」呢？

＊參考解答，如附件一之4 所示

（三）合光稜鏡的性質
現代所使用投影機裏頭的合光稜鏡，是由四顆三角柱組成的四方體。為 了避免黏著部份的濾光鏡面之對位不正確所造成的暗線及重影，需要很高的 加工精度及黏接技巧。其實合光稜鏡涉及光的干涉性質而分光，因本篇文章 主要應用於國中小自然科教學並限於篇幅字數，故僅就其教學應用加以說 明，至於較複雜的概念就不再詳述。

（四）合光稜鏡之色散與合光性質的教學運用
教學方法1.以白光通過第一顆合光稜鏡色散後，使之折射產生藍光、黃光、綠光三 種色光。如圖16 所示。 教學方法2.再將色散後的黃光通過第2 顆合光稜鏡，並且轉動第2 顆合光稜鏡，檢 視黃光色散後的色光顏色，如圖17 所示。
探索結果:1.白光經第1 顆合光稜鏡:白光色散成藍光、綠光與黃光；2.黃光 經第2 顆合光稜鏡:黃光色散成綠光與紅光。
教學方法3.先以第一顆合光稜鏡分別色散出藍光、綠光與黃光後，再以另 一顆合光稜鏡測試上述三種色光是否會色散?
探索結果1:不論如何轉動角度，藍與綠光不色散，黃光色散紅光與綠光!
探索結果2:白光經合光稜鏡(左側)色散產生紅綠藍三道色光，再將藍光通 過另外一顆合光稜鏡(右側)時，不論合光稜鏡如何轉動也不會色 散其他色光。
教學方法4.白光經合光稜鏡色散紅光，以另一合光稜鏡測試紅光是否色散?
探索結果:不論另一顆合光稜鏡如何轉動角度，紅光不會色散!

 肆、結語

許多在教學現場的自然領域教師，面對108 新課綱所著重「素養導向教學」 與「探究實作課程的發展」，不僅感到不知如何設計活動或課程，也常因無法尋 得有趣又能結合教科書內容的教材而感到困擾，既憂慮每週有限的3~4 堂理化課 進度不足與隨之而來的段考壓力，又想發展生動活潑的探究實作活動或校本課 程。或許，可從本文所提供的跨域教材與教法之簡介，獲得一些課程設計上的靈 感與啟發。

以本文所舉之光學單元教材教法為例，雖然教科書所附實驗記錄本能針對如 透鏡成像、色散與光的三原色等核心概念，提供學生實作而加以驗證，但是這些 食譜式實驗缺乏更開放的操縱變因提供學生探索，便難以增進學生更高層次的推 理思考，也無法提升學生的科學學習動機與生活情境的科學應用。

因此，如能定錨於教科書所應教導的核心概念，透過跨領域的教材研發並配 合教學方法的改變，除了有別於單一變因、枯燥與制式的食譜式實驗，而提升學 生的學習興趣之外，更能進一步擴增其科學學習的廣度與深度。希冀藉由本文的 拋磚引玉與科學同好們一起為台灣的科學教育而努力。

 附件一

「附件一之1」參考解答
(1) 無法成像(眼睛只看到模糊的像) 。
科學解釋:因為眼睛的水晶體雖然屬於變焦系統，但是透鏡貼著眼睛仍無法 在視網膜上成像！
(2) 時鐘成縮小的倒立像(實像) 。
(3) 課本的字體放大且正立(虛像) 。
(4) 無法成像 (或成無窮大的正立虛像) 。(無法在屏幕上成像)
(5) 同學的眼睛變大(正立的虛像) 。

「附件一之2」參考解答
(1) 縮小 、 倒立 、 實像 。
(2) 放大 、 倒立 、 實像 。
(3) 等大小(等高) 、 倒立 、 實像 。
(4) 無法成像 (或成無窮大的正立虛像) 。(無法在屏幕上成像)
(5) 放大 、 正立 、 虛像 。(無法在屏幕上成像)

「附件一之3」參考解答:
1.洋紅色光等效於紅光與藍光組成的色光，加上「綠光」即可會聚成白光！
2.黃光等效於紅光與綠光組成的色光，加上「藍光」即可會聚成白光！

「附件一之4」參考解答:
因為可見光的「七種色光之波長」比較為:紅光>橙光>黃光>綠光>藍光>靛光 >紫光。類似彩虹形成的概念，波長愈長的色光會呈現在最外圈，反之，波長愈 短的色光會呈現在最內圈。