壹、探究與實作的課程特性

探究與實作課程在108課綱中為部訂必修課程，是高中學習歷程中重要的課程學習成果，很多大學在招生選才時會特別重視和採計，課程的學習內容著重於科學探究過程，主要四個主要項目：發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享，使用的教材各校多為自編。

建中在高一實施探究與實作課程，上、下學期各2學分，共4學分，分成物地組和化生組，每班兩位任課教師，採協同教學方式。為什麼不像大多數高中是在高二，而是在高一新生入學就實施呢？因為建中做高中三年的課程規劃時，希望高一就能培養好的探究與實作態度，好的態度會有以下優點：

1.對未來高中的專業科目學習，更容易深入理解。

2.研究作品較有充裕時間產出，能精進學習歷程2021年5月中，依學期初規劃，大多數高中剛考完第二次定期考，但此時中央流行疫情指揮中心因應國內COVID-19疫情持續嚴峻，臺北市、新北市陸續發生感染來源不明的病例及群聚事件，宣布雙北市進入第三級警戒區域至5月28日（五），而雙北市市政府也宣布自5月18日（二）停課至5月28日（五），教育部則宣布全臺各級學校自5月19日（三）停課至5月28日（五）。

原以為僅是短暫的離開校園10天，能很快地重新回到校園，但是疫情仍持續延燒，指揮中心又宣布全國第三級警戒延長到6月14日（一），教育部也宣布，全國停課同步延長，直至端午假期結束。

但疫情的結束似乎沒這麼順利，指揮中心於6月7日宣布全國疫情警戒第三級延長至6月28日，教育部也宣布停課延長到7月2日，讓所有學生就直接停課至放暑假了！

至此，原本的光學望遠鏡的探究與實作課程規劃完全被打亂了，也不得不進行線上教學了，這段期間，我們絞盡腦汁，研究探究課程該如何線上進行下去。

 貳、設計能符合探究與實作的線上作業

因為學生在家線上學習，無法一起動手組裝望遠鏡拍照，所以我們決定朝著讓同學了解望遠鏡孔徑、接收光線與繞射極限等關係，來設計探究的主題。

我們設計分組探究的問題如下：

臺北市大佳河濱公園自行車道旁有座歡樂牆（圖一），此牆約長350公尺，牆上有65幅男女老少的笑臉，由馬賽克磁磚拼貼而成。馬賽克的神奇之處在於，近距離觀看時很模糊，不容易看出笑臉的主人是誰，但往後退個數十公尺就可以看出輪廓了。

試問若想清楚的分辨笑臉的主人，需站在離牆多遠距離觀賞或拍照為「最佳距離」？並設計一個找出最佳距離的實驗來驗證。


圖1. 馬賽克磁磚拼貼而成的人臉

 參、學習成果

一、理論計算

在自然科學的先備知識與技能上，建中學生的起點行為（Entry Behavior）相對於同年紀的高中生算是較高的，能接受反思與挑戰，樂意去建構知識。

為了計算多遠能看清楚人臉，大部分的學生一開始會先去瞭解解析力與繞射極限等理論，如圖二所示，θ為人眼張角（rad），對馬賽克的邊長a、人眼瞳孔的孔徑d、觀測到光源的波長λ作出假設，以討論得出最佳距離L（以上長度單位一致）。最佳距離的計算公式如下：


圖2. 影響解析力大小的重要參數示意圖



雖然同學們所使用的理論大致相同，但是針對這三個參數（邊長a、瞳孔孔徑d、波長λ）的選擇，做出最佳判斷，大家在分組討論中，提出了許多不同的想法與討論，例如：馬賽克磁磚的顏色和間距如何影響視覺效果、人的視力、當時的背景光源等，這些變因可能都會影響最佳距離。
 

二、 實驗設計：以下舉三組同學作品為例

作品一： 這組學生考量到住家空間有限，將題目中馬賽克磚等比例縮小，完成一個可在家觀測的實驗。
四位同學分別列印邊長1mm、2mm、3mm、4mm的正方形、圖案相同的馬賽克圖。四位學生觀察馬賽克圖的數據（表一）與觀測最佳距離-馬賽克大小關係圖（圖三）。由表一可以約略看出最佳距離與馬賽克磚的大小有接近正比的關係，若視最小分辨角為定值，則結果符合式2。

表1.觀察馬賽克的實驗數據表



圖3. 馬賽克邊長與觀測最佳距離關係圖

但實際求出來的值，等比例放大後，卻與預測結果不同（但在同一個數量級），同學因此猜測造成這樣差異的原因為何？

學生們試著討論後認為：「在理想狀況下，意即光強度均勻、無空氣中粒子干擾、在過程中沒有其他光波造成相長或相消干涉、眼睛瞳孔在相同時間點無明顯的放大或縮小等條件下。實驗結果應當呈現完全正相關，但在日常生活中，有很多的變數，所以在上圖所呈現的圖表中的些微差異」，同學認為是「光子在行經較長距離時強度衰減使得辨別的距離縮短，抑或所處環境較為陰暗或明亮導致瞳孔縮放造成最小觀測角的變化，因而導致數值的些微偏差。」

作品二：這組學生運用控制變因、取多個數據的觀念，設計一個在歡樂牆現場進行的實驗。
邀請25位視力介於0.9-1.0的受試者（圖四）。每五人一組，一組一組的輪流觀測牆面，從距牆垂直距離1.5m處開始，以0.5m的間隔沿直線漸漸往後退，直到7.5m。每站在一個定點，都讓他們從清楚（5分）到模糊（1分）的五張圖卡中，選出與視野中看起來最接近的圖卡。本實驗的特殊之處在於學生意識到「認出臉孔」是很抽象的，每個人可以認出的標準可能不同，因此運用5張由模糊到清楚的同圖案卡片試圖量化受試者所觀測到的景像。


圖4. 歡樂牆現地實驗示意圖（由102班易莅翔、林子鈞、林益弘、林睿璿同學提供）

蒐集完數據以後，以組為單位，把所蒐集到的距離與評分紀錄製表，畫成評分-距離關係圖，可求出最佳距離，並與理論值比較。

作品三： 這組學生認為每個人的視力、瞳孔大小都不盡相同，不如利用手機的人臉辨識軟體來實測，直接判斷式1中的角分辨度。
這組有一位學生專程跑到河濱公園，舉起手機，從牆面逐漸向後退，利用手機在辨識到人臉時會出現方框的特性，定義「方框會出現並框住人臉」時所站的位置為「可辨識的範圍」（圖五）。學生選了兩張臉，記錄了手機可辨識為人臉的距離（表二）。


圖5. 手機相機辨識到人臉識出現方框的畫面（由111班林伊彥、林奕亘、姚翰澤、范皓鈞同學提供）

表2. 臉孔的大小與手機可辨識範圍


透過這個實驗，學生也意識到：離太遠的時候手機也無法辨識人臉，同理以肉眼觀測時也不是越遠越好，要找到的最佳距離是可以將馬賽克臉孔看成一體、景象又不至於太小無法辨識的距離。

 肆、線上教學省思

由上述例子可見，即使題目相同，學生也會考量不同的因素，提出解決問題的方法，產生好奇，進而設計出自己的實驗。成品各異其趣，也體現了學生「發現問題」、「規劃與研究」、「論證與建模」與「表達與分享」的能力。

探究與實作很難使用紙筆測驗，尤其是線上教學，我們多元評量是利用線上作品問診式的形成性評量，善用表單做質性描述和Rubric量化表現。當然，學生在線上學習的成效差異化會更大，因為不能直接要求其探究過程和實作作品在教師面前呈現，但相對地，若是自動自發的學生，線上自我學習能有更充分的思考時間和資料蒐集機會，去解決他們想要解決的問題。

疫情期間，感謝同學們樂於彼此分享和參與，大家停課不停學，大都能珍惜線上彼此教學相長的機緣。