以開放性問題融入探究與實作課程


文/徐鏞元

 物理思辨課程的開端


台師大物理系利用開放式問題進行探究與實作課程(簡稱物理思辨課)的發想,起源於2009年引入台灣的「國際青年物理辯論錦標賽」(International Young Physicists’ Tournament, IYPT),IYPT是屬於高中生的競賽活動,而且競賽都是採用沒有確切物理解釋的開放式題目,其中也不乏從刊登於研究期刊的論文演變而來的題目,因此在舉辦了三年的國內IYPT競賽活動之後,成效良好,因此希望推廣到大學端,藉由舉辦大學生版的IYPT競賽,推動大學生的探究與實作活動。挾著在高中端IYPT競賽的熱烈迴響,推動團隊原先對於推動到大學端的類似競賽活動,抱持相當大的信心,但是一開始舉辦就發現到相當多的問題,最直接的問題就是大學生的參加動機不足,在檢視原因時發現:除了因為豐富的大學課外活動,吸引大多數學生之外;另一個最大的問題是,學生不知道怎麼開始進行研究。為了建置一個適合大學生進行探究式研究學習的環境,並開發教學資源,隨後在台師大物理系開設「物理思辨」的探究與實作課程。經過七年的嘗試和修正,這門課程成功地吸引了學生的青睞,已經成為大一的熱門選修課程,也引發他們對研究的興致,增加了學生自主加入研究室進行專題研究的意願。
探究與實作課程要用什麼樣的教案一直都備受討論,如果採用已經有明確研究課題解答的題目,對於指導老師的負擔相對比較小,因為整體的準備雖然比起正常課程繁重一些,但是整體的思維還是一致的。如果採用的是沒有正確答案的開放式題目,準備和執行的過程就比較具有討戰性,也會讓人有心驚膽跳的感覺,因為一方面會擔心學生基礎還不夠深入,另一方面又怕在指導上需要花費很多時間,力不從心。可是基於物理思辯課的基本精神,我們沒有任何猶豫地選擇了後者,主要的原因就在於希望藉由「沒有正確答案」這個因素,誘發學生的探究慾望,希望可以引起進一步的求知慾,用來消解在大學生之間常常看到的缺乏學習動機的問題,至於課程準備和進行的難題,則先採用指導學生進行專題研究的小組討論方式,一組一組的進行討論,在開課前兩年的每學期中,投入三到四位老師的人力,以實驗方式進行,並且採用前一年的IYPT問題,以減少學生查詢問題資料的難度。但是經過兩年的試行,在進入第三年就慢慢浮現一些問題:一方面因為選課學生多達45人,老師的人力負擔明顯增加太多;另一方面則是因為有前一年的IYPT競賽資料做為參考,有大約1/2的學生就直接以再現高中IYPT選手的結果為目標。因此,整個探究活動就變成「套用」前一年IYPT選手的報告內容,也變得只是類似網路查資料的活動而已,雖然不是全部的學生都採用輕鬆的方式進行,但是課堂的確開始出現「混過去」的氣氛。因此四年前開始我們開始直接採用最新的IYPT問題,這樣的問題果然獲得相當的解決,但是參考資料和實驗設計的問題就成了直接需要面對的問題。所幸這兩年我們找出了可行的解決方法—既然IYPT競賽需要提供選手和培訓老師參考資料,不如就由我們組織已經修過課的活躍學生一起在暑假先行搜尋,在網頁上提供給所有的人參考。這兩年進行的結果看起來我們提供的參考資料的確可以引導學生的研究進行,而且學生的自發性研究創意也普遍的有相當深入的延伸。因此一個讓學生不會也不能依賴網路資訊作為「解答」的題目是探究課程的重要起點。
兩年前台師大物理系為了開設國際文憑大學預科課程(International Baccalaureate Diploma Program, IBDP),指派了5位老師參加IB課程的線上培訓。事實上,IB課程是個廣為人知以探究與實作為核心的教學課程,而物理思辨課程的作法和目標與IB的探究實作精神一致,因此參與物理思辨課程的老師們順理成章地被推派參加IB課程。在接觸IB課程之前,我們也參考中正大學物理系有關探究式課程的TEAL(Technology-Enabled Active Learning)課程內容細節,原以為這兩個課程類似,藉由討論與觀看示範實驗或模擬進行教學活動的課程,實際開始接觸訓練課程之後才發現,整個課程相當著重傳授的知識和應用的結合,為了充分結合知識和操作經驗,課程安插了非常多的實作實驗,而開放式的實作研究專題則安排在課程的後半段。這個專題的取向和物理思辨課採用的開放式題目研究相當,只是類型上除了一般專題研究會採取的類型之外,也包含單純以分析公開數據資料的課題,不同於IYPT 題目的進行,全部需要自己進行實驗測量和理論推導或模擬,但是在整個參與訓練課的經驗,對於當時在物理思辨課的執行問題有相當正面的啟發。
對比於以發展學生的天賦能力為主的西方想法,我們傳統上的教育概念比較接近利用後天的學習,啟發需要學得的能力,也就是說只要學生有足夠的學習動力,他的能力可以透過學習的經歷而得到改變。雖然背後的概念不太一樣,但是在實務層面上,維持學生的學習動力是所有教師的重要課題。在措施方面,IB課程在學生具備有最基本的力學、熱學、光學和電學等能力的階段,才讓學生開始進行開放式的研究,為了滿足適性選擇的需要,學生只需要在自然科學的科目中選一個領域進行專題。對比到我們面臨的狀況,大一學生都已經具備基本的物理知識,但是我們希望全部的學生可以藉由探究活動普遍養成物理研究素養,因此在適性選擇方面,我們採用的方式是利用思辨課原來設計上提供的多元題目,並且鼓勵同一組的學生彼此之間透過分工完成實驗和模擬等活動,以應對學生的不同興趣。

 課程經驗整理


因為長久以來台灣的高中教學都被以升學為目的,大部分的學生很少有接觸動手操作的經驗,不管是實驗或是程式模擬,除了面對考試的問題,鮮少以研究的觀點直接面對科學的問題,因此若要進行開放式的問題研究實在需要籌措或尋找相當多的配套資源。這不僅是高中課程要進行探究與實作活動面臨的狀況,在大一的物理思辨課程也面臨類似的問題,因為學生除了上網搜尋示範影片、搜尋以簡介為主的解釋、或是網購採買之外,對於組合手邊資源架設實驗等實務工作沒有多少概念,因此如何讓學生具備養成研究素養需要的實務能力,怎麼讓相關的知識或資源配套到位,也成了探究與實作課程面臨的最大問題,尤其在課程開設初期階段。
截至目前為止的準備和執行經驗整理如下:

1.事先需要準備的事項(各種領域常見的基本研究設置、基礎理論需求)
採取最新的IYPT問題作為研究課題最大的挑戰,就在於怎麼準備課程需要的配合資源。因爲這些事前準備的資源有一部分跟推廣IYPT的競賽活動互相重疊,因此我們當然直接讓兩者的資源互相流通:徵求已經參加過物理思辨課的同學一起進行課程前的準備,準備後的資料則提供為IYPT國內選手選拔賽TYPT的公開參考資料。
準備資料的第一項就是「參考文獻」,包含實驗架設、理論模型建構都需要參考資料輔助。在最初的課程設計上,我們讓學生自己去搜尋需要的參考資料,結果針對部分題目,學生主要找得到的就以示範影片為主,很不容易找到適當的論文參考資料,結果使得他們的研究結果呈現過於簡單的結果,也沒辦法讓他們獲得足夠的成就感以誘發科學研究的興趣。
從2017年暑假開始,我們在IYPT的題目公布之後,就開始招集可以幫忙的學生,先用公開徵集的方式收集各個題目的參考資料,包含文獻、影片、解說網頁等對題目研究有幫助的資訊,最後在集合參與老師和同學做總結整理之後公布在TYPT的網頁[1]。這個網頁也會在課堂上介紹可以選用的題目之後,直接介紹給學生,讓他們可以在看過參考資料之後選擇題目。這麼做的目的,最主要是希望可以讓學生一開始就有深入研究討論問題的視野,至於搜尋資料等能力的養成,就由他們研讀參考文獻時,自己搜尋其中專有名詞作為練習的起點。
準備工作的第二項就是可能會用到的實驗架設,這方面的準備當然有相當的題目針對性,不同的問題不但有不同的架設,即使同一個實驗架設的方法也可以有完全不同的樣貌。而且這部分也是我們希望學生儘量自己發揮的部分,因為架設過程中所碰到問題和解決問題的過程就是重點,所以準備上就需要相當大的彈性。目前我們採用的方式在概念上可以說是先提供一個有基本資材的倉庫,再配合提供預算讓學生採買需要的材料。其中「倉庫」的一部分當然就是由教學實驗室可以借用的器材為主,例如鐵架、小檯燈……等,另一部分就是利用IYPT培訓的資材倉庫,下面將針對截至目前碰到的題目種類和大致需要準備的實驗器材做介紹。
基本上需要的實驗器材,除了特定的課題之外,大都沒有需要高價格器材(如超高速攝影機、超高壓電源供應器等)的狀況,但是有可能會用到一些單價偏高(在數千元到兩、三萬元)的器材,例如隨身型數位相機、可調速的馬達、光學鏡片……等。

(a) 汎用性器材:
首先是具有泛用性的開源硬體器材Arduino [2],因為開源的特性,所以除了官方的硬體之外,也很容易找到平價的硬體, Arduino硬體電路配備的數位和類比I/O接點可以連接各種感測器或是擴充電路板進行測量或是儀器控制,Arduino本體可體透過USB和電腦連接用Arduino Software IDE [2]進行控制,也可以輕鬆地找到其他支援Arduino控制的軟體。從去(2019)年開始我們在物理思辨課上要求學生儘量利用Arduino作為測量的介面,因為Arduino本身可以做為Data Acquisition (DAQ)讀取感測器的輸出訊號,因此可以完成大部分課程需要的自動量測,簡化學生要進行深入討論的數據需求;另一方面,在電子材料行或網路商店可以找到各種平價的感測器,也可以有效減少教師準備上的負擔,也很適合讓學生自己去尋找適合的感測器。這也可以讓學生建立起「有效率地進行實驗」的觀念,也就是儘量以自動記錄的方式進行實驗,多留一些時間進行數據分析和物理含義討論,以加深研究深度和廣度。

(b) 力學、運動學::
運動學的問題通常一定會需要進行物理運動狀態的紀錄,用以計算速度、加速度和所受到的合力,最方便的方法當屬利用數位相機錄影,配合免費軟體TRACKER [3]進行影像分析,擷取物體的位移等運動參數。雖然很多人推薦利用手機的錄影功能進行錄影,但是因為手機的攝影機通常只具備單一焦距的廣角鏡頭,只適合拍攝一般大範圍的運動狀況。大多數手機需要透過第三方軟體才能進行手動控制,而且因為機械結構的限制通常只能控制曝光時間和感光度,因此建議可能的話儘量以隨身型數位相機進行攝影,可以有比較完整的操作控制,例如鏡頭焦長、實體光圈、曝光時間、感光度等控制。另外近兩三年的型號通常都有附帶短時間的高速攝影功能 [4],幾乎可以完成所有的攝影記錄需求。

圖1.推薦用於標示追蹤點的圖形,影像分析追蹤需要有足夠大、且明顯可以精確定位的特徵,圖中的藍色和黃色可以是任何對比明顯的顏色        

而在拍攝方面最常見的問題,應該就是運動中的物體無法拍出清晰的影像會「糊成一條線」,最主要的問題癥結就單格畫面的曝光時間太長,只要能有效地縮短曝光時間,就可以讓畫面中的物體變得清晰,解決的方式主要就是增加拍攝時的照明亮度,配合增加相機的感光度,但是要小心增加感光度造成的對比降低和雜訊增加,後兩者都會讓接下來的影像分析不容易進行。要增加照明亮度除了可以利用攝影專用的補光燈或補光板(兩者單價都很高),平價的方法可以利用手邊可得的檯燈或是高亮度的LED手電筒,最好物體所在處的照度可以達到約1000 LUX的亮度。
在利用TRACKER進行影像分析方面,很重要的一個重點:務必要用「auto tracking」的方式做物體位置追蹤。因為通常每一個影片的拍攝時間都長達1分鐘以上,如果以目前較低階的每秒30格計算就有1800個畫面,如果不能用auto tracking進行分析,將會花掉大量寶貴的時間,因此在拍攝時就要設法讓每個畫面的物體影像都是清晰的,而且追蹤用的標記足夠明顯,圖1為推薦使用的標記圖形之一。
力學另一個常見的測量需求是測量「力」,因為測量的環境條件限制很多樣,所以測量方式也需要針對性地設置,所幸Arduino有很多用於測量「力」或是「壓力」的感測器或套件可以選擇,可以進行自動讀取的量測。另外可以進行半自動量測的方法:利用攝影記錄彈簧、簧片的變形量,利用校正實驗和影像分析也可以測量受力。

(c) 熱力學問題:
測量溫度的變化在熱力學相關的實驗是最重要的基礎量測,對於緩慢變化且短時間的溫度量測通常直接用人力記錄就夠了,但是在IYPT問題常常碰到的是要長時間或是快速記錄溫度變化,或是需要體積小的溫度計,或是需要同時測量多個溫度,因此如果可以自動記錄就可以讓實驗的操作難度大幅度降低。因為大部分的溫度測量區間都在水的冰點到沸點之間,所以除了可以使用Arduino的溫度測量套件,另一個可以方便操作的溫度計就是電子材料店可以輕鬆買到的「CPU溫度計」(圖2),不包含液晶顯示器的可以配合溫度-電阻曲線資料利用Arduino進行溫度量測,包含液晶的套裝則適合直接肉眼讀取或是利用攝影記錄。


圖2. CPU溫度計,溫度感測部分是包覆在圖片中橘黃色膠膜中的半導體,通常都會附送有校正曲線的說明,有包含液晶顯示器和不包含兩種包裝。        

另一個常用的溫度感測元件是熱電偶,尤其是應用在水的沸點以上的溫度量測,但是要注意熱電偶的參考溫度端是怎麼設計的,這會影響溫度的絕對讀取值的準確度,在環境溫度變化比較大的環境下,連相對值的準確度都可能會變。
紅外線測溫槍或是紅外線熱影像儀是另一種常會想到的溫度測量方式,其測量方式大部分是接收8-12 μm紅外線,由光強度和手動設定的表面發射率計算出被測量物體的表面溫度。紅外線測溫槍通常測的是前方特定張角內的平均溫度,因此要注意測溫槍的測量接戒收範圍是否包含了被測量表面之外的區域。市面上最便宜的紅外線熱影像儀應該是搭配手機使用的FLIR公司的ONE系列,透過手機軟體可以將可見光影像和紅外線影像互相嵌合,但是對於比較近的物體會有明顯的視差問題(可見光和紅外線影像不完全疊合),而且紅外線測得的溫度明顯受設定的表面發射率影響,然而物體表面的的紅外線波段發射率無法由可見光顯現的顏色判斷,所以在實務操作時要非常小心溫度的校正問題。

(d) 光學問題:
光學問題研究會用到的鏡片通常來說可以借用物理實驗室的鏡片,否則就需要向廠商購買,一般來說除非會用到大功率的雷射光源(約500 mW以上的雷射),不然光學樹脂鏡片應該就夠用了。通常比較傷腦筋的是「光源」的問題,尤其是類似點光源的放射狀光源,目前我們找到好用的光源是裸裝的LED。如果實驗要討論顏色相關的問題,就要注意白色或黃色的LED都是利用螢光材料二次發光的,其光譜分布在特定的波長可能特別強或特別弱。

(e) 電學問題:
電學問題最常碰到的架設問題,不外乎就是電壓和電流的測量,一般來說配合分壓電路就可以利用三用電錶測量高達1-2萬伏特的電壓。但是如果想要利用Arduino的類比輸入測量電壓,就要注意整體迴路中的地線問題,而這也是學生普遍會萌生疑問的地方,因為在高中課程中所教的直流電路並沒有地線定義的必要,再加上缺乏實驗操作的實務經驗,學生完全不知道「必須定義地線」在電子儀器操作產生的問題,換句話說地線在真實電路中的重要性需要鄭重地跟學生介紹。

(f) 磁學:
磁性相關的問題,通常不可避免的會遇到「磁場」或是「磁力」的測量。磁場的測量當然最直接的可以用高斯計(Gaussmeter)或是Arduino的霍爾效應(Hall effect)模組達成,但是關於磁力的測量,就需要注意通常會是隨位置快速變化的函數,因此如果利用懸臂(cantilever)加上小磁鐵直接量力要注意懸臂變形造成的位置變化造成力強度和方向的變化,通常這會讓整個測量架設變得複雜甚至龐大,因此要注意妥協地取捨。另一個測量磁力的方式可以用計算出「磁場的梯度」乘上所用磁鐵的磁矩大小達成,這種測量方式在自動化上比較容易達成,只要將霍爾效應模組架在用可以在空間中平移的架子上就可以量出磁場在空間的分布,進而算出磁場梯度的分量,如果再配合程式控制的馬達就可以變成自動的量測。

(g) 流體:
流體最常碰到的量測需求就是流速和黏滯係數,如果是大致均勻且足夠開闊的空間,或是管中的液體流速基本上可以用Arduino找到相當不錯的測量方案,但是碰到不適合接上流量計的狀況,大概就只能以測量壓力差套用模型的方式估計流速。至於黏滯係數的測量,建議可以用毛細管的流速和壓力差關係測量,或是也可以利用受阻尼簡諧震盪(damped oscillation)的頻率和震幅衰減計算得到。

 

2. 掌握學生對課程的心態:
因為物理思辨課程期望學生抱著積極的、開放的心態透過探索活動養成自學的能力和物理研究的素養,因此對學生所抱持的心態要有相當的把握,依此設計採取的措施,讓課程活動順利達成目的。
即使物理思辨課已經開設多年,課程的進行狀況應該已經透過學長姐傳達給新生,但是每年來參加課程的學生,在一開始的階段大多都有期望可以「學到」新東西的想法,也就是期望透過詢問老師,由老師「教」會他們各種探索過程碰到的問題:該怎麼架設實驗、現象要怎麼解釋、理論模型的方程式怎麼解……等。當然直接告訴他們答案就跟「探究式」的課程概念相左,但是完全沒有任何導引的放任式探索則有教學效率太低的問題,所以課程操作設計的主要概念就在於:利用恰當的引導讓他們在儘量開放的狀況下自行學習(探索)並且獲得基本以上的成就感,形成有助學習的回饋迴路。
為了讓學生能有正確的心理準備,學期開始時會先把課程負擔明確地告訴選課學生,包括他們需要完成的任務、花費的時間、一定要參加的活動……等要求。最主要的目的,就是希望同學不要抱持錯誤的期待前來,以免對課程活動或是對其他同學的心態造成負面干擾。因為課程研究對象是開放式的問題,而且要求學生們自己設計實驗、模型分析,負擔絕對不算輕鬆,加上強調要求他們互相合作,包括同一組之內和不同組別之間,所以如果參加課程時沒有恰當的心理準備,很容易因為預料之外的負擔散播負面的情緒。當然在課程表現的掌握和要求方面,也要注意學生的士氣狀況,適當地緩解壓力或施加推力。

3. 要先講清楚的事情(對學生、對老師)
進行物理思辯課這類用開放式問題研究的課程,因為沒有一個明確的類似教科書,所以對參加的學生而言,常常有不知道以什麼為目標的問題,因此在課程的最開始,需要將他們預期達成的工作明確傳達,例如在物理思辨課我們的具體要求是:在學期末前有一場物理辯論賽,全部學生都要參加,然後期末有海報發表會。因此,為了達成這個目標,會要求學生每週進行進度報告,而研究相關的工作就有一大部分會變成類似回家作業,要在課外時間進行。這三年以此方式進行,發現對於學生進行探究活動的動機有相當的鼓舞及維持作用。
類似的事前心理準備也有一部分是與老師有關,因為問題的研究方式沒有類似傳統實驗課程的進行步驟或是目的,所以學生看完參考資料之後不會得到跟預想完全一樣的研究方式,甚至會有些太過天馬行空的聯想,這時候要注意的就是他的想法是否朝著解答問題的方向前進,可以先觀察看看,如果還是擔心,就把擔心的部分透過理性分析和學生討論,討論的重點不在說服他們採用某一個特定的方式,而在於讓他們知道那些是需要擔心的重點。
簡單來說,這個課程不僅是由老師單方教導學生,比較像是老師和學生透過討論進行問題的研究,並且學得相關的知識技術和素養。因為這點跟傳統的課程或是科展研究等有相當的差異,所以是需要特別注意,並且反覆進行心理建設來維持的。

4. 課程的安排
首先開學會先介紹課程內容,當然也會多次強調期末的辯論賽(可能是校際賽,也可能是校內賽)以及海報發表,重點在讓同學知道課程的負擔。並且為了能夠比較學習成就,設計了問卷作為課程前測,期中測和後測。
接著為了讓學生可以掌握TRACKER的使用和SciDavis的分析及畫圖操作,所以指定了一個作業,讓他們拍攝一個自行選定時間約為1分鐘的變加速度的運動,擷取運動的軌跡後用SciDavis繪圖並分析速度和加速度隨時間的變化。
在介紹完可以選用的題目概要和參考資料的網頁後,在第二到三週之間,要求他們查閱參考資料後決定研究的題目,並且在接下來一兩週作進度報告,簡單呈現問題的現象或是介紹設想的研究方法(不論是實驗方法或是理論模型皆可)。
接下來的一個半月的上課時間,主要都是藉由進度報告推進各組學生的探索研究進度,在這個過程中,為了培養學生對於進度掌握得能力和眼光,我們設計了一份簡單的評論問卷,讓台下學生針對台上的同學報告內容填寫,主要的問卷內容包括報告內容的大綱、可理解性以及台下同學想要提出的問題或建議。在這個期間,為了讓學生有足夠的諮詢和支援資源,我們招募了約五到十名曾經修過課程的學長組成助教群,並且每週有兩天晚上開放教學實驗室,讓學生進行實驗或是問題諮詢。因為台師大物理系的學生有一半左右需要通勤,因此開放實驗室對他們集合組員進行實驗有非常正面的幫助,同時也提供他們一個諮詢的時間可以一邊進行實驗同時提出問題討論。
在期中考之後,開始介紹物理辯論賽會採取的形式,以及各個角色需要進行的工作。為了讓他們確實掌握競賽時Reporter和Opponent需要做的工作,所以除了提供兩個角色如何準備的影片網頁讓他們參考,也出了一份作業讓他們以整理出自己進行研究的題目擔任Reporter時的報告大綱,以及如果擔任此題的Opponent進行討論的綱要。
競賽舉行的時間大約是學期結束前一到半個月的時間,主要作為學生在課程表現評估的部分依據。前年課程的競賽採取的是校際賽,去年則採校內賽,初步的觀察看來,校際賽會讓學生感受到比較大的成就壓力。
最後期末的海報發表則是針對全系師生的公開發表,也會邀請研究生和老師前來參觀並且協助評分。因為發表時間和辯論賽有兩週左右的時間間隔,足夠學生進行部分結果的補強或是修正,這部分也是另一個評分的重點。


 總結


物理思辨課是台師大物理系為了開發探究與實作課程的一個實驗課程,經過將近七年的嘗試和修正後,目前課程的執行方式大致已經確定下來,歷年來選修學生的人數一直都維持在第一學期約40多人,第二學期將近20人的規模。而且近三年,修過物理思辨課的學生也對科學研究保有相當高的好奇心,加入研究室進行專題研究的人數相較前幾年也有明顯增加。
除了持續改進課程的內容和措施,目前正在著手把手邊的資源和整理成可以分享的形式,支援作為其他同樣採用IYPT題目進行探究與實作的活動。另一方面也計劃設計適當的評估系統用以評估參加學生的表現狀況,作為措施微調修正的依據,以及教學研究的材料。

 參考資料與註解:
[1] 參考文獻網址
[2] 開源科學硬體,維基百科解說ARUINO官方網站
[3] TRACKER軟體官方網站
[4] 這些高速攝影通常都會以比較低的解析度拍攝而且拍攝的時間長度都受到限制,而且也需要搭配高速記憶卡,最高的可達960 fps或1000 fps。

徐鏞元
國立臺灣師範大學物理學系副教授