有關自然科領域新增的探究與實作課程為何?我們可以在教育部公告之《十二年國民基本教育課程綱要》中一窺究竟[2],在自然科領域基本理念中提到:「科學學習的方法,應當從激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點,引導其從既有經驗出發,進行主動探索、實驗操作與多元學習,使學生能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力。各學習階段應重視並貫徹『探究與實作』的精神與方法,提供學生統整的學習經驗,並強調跨領域/科目間的整合,以綜合理解運用自然科學領域七項跨科概念,為強化上述目標,特於高級中等學校教育階段增列自然科學探究與實作課程內容,佔自然科學領域部定必修學分數三分之一。」因此,整體而言,此課程涵蓋了物理科、化學科、生物科及地球科學科;同時強調跨科目之主題式探究與實作課程內容。這樣的內容有基本上的難處,因為高中現行教學制度,長期以來均採用獨立各科教學;更何況長期以來在分科師資生培育養成過程中,本就比較缺乏跨科及跨領域的養成教育。因此,要求現職師進行跨科跨領域的加深加廣,或是多位教師協同教學,在操作面確實有一定的難度與挑戰,尤其相關教案的籌備、教材的支援與教法的磨練等等,都是讓多數教師觀望,而無法輕易推動探究與實作課程的原因。
科學趣味競賽題目融入探究與實作課程
遠哲科學教育基金會長期以來投注在中學生科學實作競賽,從1994年開始每年舉辦中學生的科學趣味競賽,競賽中每年推出三到四項科學競賽項目,競賽項目均由遠哲基金會科學團隊資深教師命題,題目則著重動手做之內容,過程中更需要透過科學探究,才能達到各項成績最佳化的結果,截至目前已經累積了一百多項科學實作競賽題目,主要題材包含物理科與化學科的項目,無疑這是國內推動科學實作的最佳典範之一,正好可以在108課綱中所推動的自然科領域的探究與實作課程中,提供做為參考的教材。
茲以2015年(第21屆遠哲科趣)的題目之一「翻滾吧!阿信」為例(請見附錄一)[3],該題目屬於物理科的內容,參賽者以規定的材料製作翻滾仔和軌道座,使得翻滾仔的兩支軸心在齒狀軌道上逐格翻滾,參賽者必須能動手製作,並經由調整質量分布、重心位置、軸心距離、軌道傾斜角度等等,使得翻滾仔在不同活動項目中,分別以最慢或最快的速度翻滾而下,競賽中學生要能夠熟練動手技能,瞭解科學原理,進而啟發創造力及訓練解決問題的能力。此類競賽項目的優點為製作容易,大部分學生均能夠動手製作,主辦單位也透過拍攝短片,提醒參賽者相關細節,有關本題目請參考網路[4],然而要達到最佳效果則是除了投注時間嘗試錯誤外,更需要探究的過程,從基礎物理原理出發,針對重心、力矩、轉動慣量、慣性、摩擦力、最短時間曲線等提示切入,但是要達到最佳效果不是一件容易的事。因此,類似的題目很適合作為中學生的探究與實作課程中使用,尤其使用的材料簡便,容易取得,教師也可以轉化相關競賽題目,做為探究與實作教學之用;也得以在著重「動手技能」的部分實施本項實驗的教學於國中及國小,以便及早從小養成動手做,且具潛在探究思考的能力。
有鑑於遠哲科學基金會已經累積了上百件科學趣味競賽題目,適合轉化作為108課程綱要中的探究與實作課程參考教材之用;本文作者更進一步結合彰化師大理學院各系部分同仁,加上遠哲科學教育基金會長期參與科趣命題之資深教師同仁,在國教署的支持下,於108課程綱要實施之前一年,開始建置探究與實作教案協作平台,發展與轉化相關競賽題目與推廣教學,作為中學可行的探究與實作課程之教學模式,在編寫教案上,基本上有兩種做法:參與之同仁以本身長年從事探究與實作推廣教育之經驗,編撰適合之教案;轉化相關的競賽題目,包括來自遠哲科學趣味競賽、國際青年物理辯論錦標賽(自從1988年開始舉辦,每年17道題目,目前已累積500道題目;請見本期另一篇由徐鏞元教授撰寫之專文)、及類似國內外科普推廣題目。同時,為了集思廣益,在推動計畫執行中,也透過策略合作學校及年度常態會議,邀請各地方推動著力較深之教育工作者,共同規劃屬於一到十二年級「探究與實作課程」的參考教材與教法資料庫。
建置探究與實作教案協作平台
事實上,目前網路上充滿了很多可資參考的探究與實作教學內容、教材與教法。但是,一個適合的教案需要考量包括教學內容的適切性、材料的取得與試作及探究向度的可能引導,因此需要轉化的過程,以適合現場教師參考採用。有鑑於如此「參考」與「採用」的差距與實際需求,本團隊結合各自然學科專家學者與現職中小學教師,共同發展與轉化相關教案,並建置與上傳到專屬網站:全民科學平台[5],首頁如圖1所示。
圖1.全民科學平台首頁。
教案的學習內容均可以提供現場教師參考使用,同時也得以提供作為學生自我學習之用。基本上,「探究」與「實作」兩個面向密不可分:探究能力是在於儲備經驗知識,著重於科學探究歷程,可歸納為四個主要項目:發現問題、規劃與研究、 論證與建模、表達與分享;實作是可以實際進行操作的科學活動,從活動進行中養成過程技能,例如:觀察、測量、資料蒐集與分析、歸納與解釋、論證與作結論等。因此,學習重點在於引導學生以科學方法學習解決問題、熟稔切題討論與實證或證論的過程。換言之,本平台建置之教案不再侷限於操作傳統的食譜式實驗,也不僅是動手玩科學,而是以學科知識當作學習載具,來體驗發現問題、規劃研究、論證建模、表達分享的過程和探究技能。事實上,探究與實作課程雖屬於中學端的新領域課程,但是能力養成需要日積月累,無法一蹴可及,探究與實作能力的培養必須向下扎根,才能有充足的時間進行發展,累積足夠的經驗知識技能後,才能有機會激發學生創新與發想的可能。因此,本平台所規劃發展完成的探究與實作課程,進一步地縱向向下研發推動,提供可適用推廣到國中小學之各級學校,增加國中小學生紮實的實作經驗與能力,如此得以順利銜接下一個學習階段的學習,各級學校銜接與基本精神如圖2所示。
圖2.建置自然科領域探究與實作課程主軸,並兼顧各級學校之銜接與建置之教案分別有獨立分科與跨領域之相關教材。
本探究與實作課程網路平台的特色為:這是一個協作平台,已上傳教案提供教師與學生參考採用;使用者得以回饋使用心得與任何修訂,進一步共同創作更適宜之教材與教法。平台採用創用CC授權之模式,建立教材與教法資料庫,集合大家的力量,共創資料平台。平台教案區分為各單科及跨科教案,惟使用者有機會可以因地點及現場需求,結合某些單科的教案,統整發展出跨科教案,藉由現職教師的積極主動參與,學生的實際操作,期待開發出更多的合適教案,以廣為大家(教師與學生)的參考採用。目前的協作方式分為向平台申請帳號,自行修訂,參與者需要學習相關操作方式;另外則是反應到平台人員,由平台人員代為修訂。
所有平台教案均涵蓋「探究」與「實作」兩大部分,使用者可以先從探究下手,才開始動手操作的部分;也可以從動手實作開始,過程中進行探究。採用方式則是針對使用者的喜好與程度而定,可以說探究與實作沒有那一項先,或那一項後的問題,尤其在學習初階,更是可以重視由動手做切入,逐步經由有趣的操作,進而探究。因此,本平台的各項教案得以視使用者的能力養成階段,進行採用,例如針對國中小的使用對象,可以採用動手實作型內容居多的教案。基本上,平台中也針對國中、小使用者設計相關教案,期望從小扎根做起,但是其操作的內容也可以作為中學生的參考使用。
有關本協作平台建置教案的方式,茲舉例說明其中的一項教案:磁煞作用,請見附錄二。在相關的科學場館經常可以看到展示磁煞現象,就是一顆強力磁鐵掉落於非鐵金屬管中時,磁鐵會輕飄飄地緩慢降落,好似重力減少似的,相當吸引觀眾目光,一般就是以法拉第電磁感應及冷次定律說明,因為這是磁通量變化時,在線圈中產生電流的結果,也是發電機背後的物理機制。然而,就探究與實作的成分確實不足,因此,本教案從部分引導開始,也建議部分數據作圖的概念,實作與探究兼顧。但是,部分內容尚且需要參考使用者用心投入,例如如何追蹤磁鐵在管中的掉落過程、如何控制單一變數等等問題;而操作過的人可以回饋提供可能作法,如此則會在平台上累積更多的經驗與作法,以供更多人參考採用,這也是協作平台最大的意義。
結語
在網路資訊快速成長的今日,教師及學生可以在網路上查到很多可以作為探究與實作課程的參考資料,但是大多數資料需要投入心力,才能轉化作為可用教案,更何況轉化後之教案還需要試教等過程。因此,我們建置一個協作平台,集合具有多年探究與實作經驗之專家學者,依據自身多年教學經驗編撰合適教案,或是轉化各項相關參考資料,建置成可以參考採用的教案,例如轉化遠哲科學教育基金會舉辦之科學趣味競賽題目,且經過統整及試教後成為教案,並採用創用CC授權之模式,建立教材與教法資料庫,提供各界參考採用,也期望使用者可以回饋實作改進意見,達成共同創作的目標,協助達成108課程綱要設定之探究與實作課程的目標。最後,本研發團隊要感謝教育部國民及學前教育署的計畫支持,使得本自然科領域探究與實作課程之協作平台可以順利建置,提供中小學教師與學生參考採用。
參考文獻