因此,在沒有指定的教材狀況下,顯然需要各校自行研發,想必這也是新課綱的精神之一,各地學校可以因地制宜,自行發展各自的特色課程。臺南一中在規劃108「探究與實作」的課程時,為了從更多面向,確認未來推動的成效,也嘗試將紙筆測驗列為評量的一部份;課程則是排定在高一上、下學期實施,其中上學期有三週的基礎訓練,接著進行四個主題的探究;下學期則有三個規模較大的探究主題。評量的部分則採多元評量概念,除了課間評量之外,也在期中、期末舉行紙筆測驗定期考查。
由於學生在國中階段操作實驗的經驗並不普遍,所以在課程初始的前三週,要建立學生對於實驗室安全、儀器認識、實驗的信度與效度、數據的處理等的知能,這部分是經由情境式的實驗設計,培養學生的實驗素養,例如:用不同的器材量取50cc的水,之後以電子秤來驗證,藉此訓練學生區分信度與效度;讓學生量測單擺的擺角與週期的關係,用此數據來教學生計算平均值、標準差等。完成基本訓練後,學生再經歷四個主題的探究課程。因為探究與實作有四大學習內容,我們將每個主題的學習主軸分別對應四個學習內容,依序為:主題「橡皮筋」對應「規劃與研究」;「吹泡泡」對應「發現問題」;「蠟燭燃燒」對應「論證與建模」;「酵素」對應「表達與分享」。但是學生對每個主題的探究依然必須經歷完整的探究歷程,只是會針對該主題對應到的學習內容,進行更強化與完整的學習。
依我們長期的教學實務經驗,確認「探究與實作」的紙筆測驗在期中考舉行,考試時間80分鐘。有關此類科學素養的命題有兩個重要的原則:第一是問題要契合真實情境;第二是要對應學習表現。以下針對這兩點來說明我們發展試題的過程。首先,在開學之初的自然科共備時,任課老師們已有共識,在課程進行時必須盡量記錄學生上課時特定的行為,從發問、對談、實驗設計、錯誤樣態……等等,而後在每兩個星期的共備會議中,針對學生的問題進行討論,同時也交換教學的心得。所以老師們命題時都已經有許多「真實情境」下的案例。再者,為了讓試題具有精準的測驗目標,所以命題的另一個原則就是試題必須對應「探究與實作」的學習內容。例如,如果要出「發現問題」的題目,命題者要精準設定命題的內容是對應發現問題之下的那一個指標--是「觀察現象」、「搜集資訊」、「形成或訂定問題」還是「提出可驗證的觀點」?如果是「發現問題-觀察現象」,接著要繼續設定是「實作學習內容」下的那一指標?例如,設定的是「發現問題-觀察現象-推測所觀察現象的可能原因」,那試題設計就要符合所設定的指標的精神。
在共備會議中,任課老師分組命題,每組有一位具有素養試題命題經驗的教師擔任組長,並提供老師們一些範例試題,根據以下兩個原則命題:(1)題目的情境請以課堂曾經發生過事情為腳本再做適當地轉換;(2)每個題目只能對應探究與實作的40條學習內容中的某一個指標。每位老師在兩個星期內要出一個內含四個小題的題組,每一個題目都是四選一的單選題;接著重新分配題目做交叉審題,將冗長的題目做修整,有疑義的題目做討論;最後組題定稿,於期中考施測。
【第1題至第4題為題組題】
某日小黑準備打開便當大快朵頤時,發現今日的橡皮筋特別的難拉開,仔細一看,原來是老闆將兩條橡皮筋合併在一起套住了便當盒,小黑的探究實作魂因此被點燃,決定對橡皮筋好好研究一番! 首先,他嘗試將橡皮筋施力拉拉看,並將觀察到的結果記錄下來。
小黑靈光一閃,想起了以前學過所謂的「虎克定律」:F=-kx提出彈簧所受外力與形變量之間的關係,其中的k為彈簧的彈力常數。小黑進一步想研究如果將橡皮筋串聯在一起,是否會影響其受力與形變量的關係?為了可以更深入了解這個問題,小黑規劃了實驗,並以下列步驟完成實驗並收集數據。

1. 請問下列選項,並非小黑所觀察到的現象?
(A)當橡皮筋被拉長後,橡皮筋本體會變細。
(B)橡皮筋之成分應為一混和物。
(C)對橡皮筋施越大的力,橡皮筋形變越大。
(D)將橡皮筋拉開後放手,橡皮筋會彈回。
2. 小黑在準備材料及規劃實驗時,下列何種做法較符合科學概念?
(A)為降低誤差,實驗中每次讀取數據最好皆為不同人,並用不同的測量工具進行量測,以確保可得到精確的數據。
(B)設計實驗裝置時,除了考慮整體穩定性外,在更換測試橡皮筋的部分,也要容易替換,不影響其他結構。
(C)小黑在收集材料橡皮筋時,只要外觀規格差不多,實驗前不必逐一測試並確認每條橡皮筋之特性。
(D)小黑預測橡皮筋之間的連接方式對於實驗結果影響不大,故橡皮筋之間的連接方式不必統一。
3. 若小黑在整理數據時,想由所得之數據去了解A、B兩種橡皮筋組合是否符合虎克定律,並找出相關的彈力常數k值,請問小黑應該選擇下列哪種圖表來呈現數據較為適合?

4. 從實驗數據以及上面正確的圖表中,可以得到的結論是什麼?
(A) A橡皮筋組當受力越大時,其彈力常數並不會改變
(B) B橡皮筋組當受力越大時,其彈力常數也跟著變大
(C) 只要外力大小相同時,A、B橡皮筋組內每一根橡皮筋伸長量都會一樣
(D) 在受力80gw以內,A、B橡皮筋組受力越大時其伸長量也越長。
以上四題是依據前述命題的兩個原則,描述的內容都是來自於上課的情境,而且這四題分別對應探究與實作的學習內容是:
(1)發現問題-觀察現象-運用感官或儀器辨識物體和現象的特性;
(2)規劃與研究-收集資料數據-正確且安全的操作器材設備;
(3)論證與建模-分析資料和呈現證據-依據整理後的資料數據,製作圖表;
(4)表達與分享-表達與溝通-有條理且具科學性的陳述探究成果。測驗完畢後,以學生的作答資料進行試題分析。
以下分成幾個部分做陳述,最後提出整體的建議。
首先,關於命題的過程,給予教師簡單的原則以及充分的時間、提供範例試題以及有經驗的教師給予諮詢,教師普遍反應是沒有問題的。但是從審題過程中可以看出以下幾個現象:
1. 教師會用大量的文字來描述情境,導致文字量遽增。為了刪減不必要的文字,的確費了一番工夫。而每位教師的文字能力不盡相同,導致試題的敘述方式各異,光是在審題、組題時,就花了不少時間統一每個題目的敘述方式。
2. 教師在出題時是描述某一情境,而課程本身就是教師與學生共同所經歷的,所以縱使題目描繪得不夠清楚,但是學生可以從文字中去想像發生的狀況。但一旦時間久遠,學生還能記住這個場景嗎?或是完全沒有經歷過這個情境的學生,可以從文字中去了解教師想要表達的情境?
3. 一開始要求每位教師一個題組要有四個子題,每個子題需涵蓋一個探究的學習內容,所以一個題組就可以從「發現問題」一直到「表達與分享」。但是事後經過專家校正題目的指標,在35個題目中「發現問題」共有11題;「規劃與研究」共有13題;「論證與建模」共有8題;「表達與分享」卻只有3題。老師出題的面向明顯傾向已經曾經上過的課程;對於還沒有上過的課程老師仍無法掌握出題的精神。
4. 縱使要求教師須在兩個原則下命題,但依然有教師會命題到跟學科知識相關的題目,例如,在第29題中,觀察泡泡膜的外觀,會產生很多五彩繽紛的色紋,此色紋的產生與下列哪種現象的發生原理一樣? 在第33題中,小陳欲在針筒中分別產生與收集定量的氧氣、二氧化碳,並滿足反應容器易清理、藥品相對安全、反應條件室溫即可進行…等實驗考量,下列反應試藥之規劃何者最適當?雖然學生可以從上課老師的敘述或是上課的情境中獲得答案,但無可諱言,這些題目都是需要知道相關領域的學科知識才能回答的。
5. 以總共35題,皆為四選一的單選題,考試時間80分鐘,但總字數高達8,788字;考生普遍的反應是很輕鬆地完成考試,是偏向簡單的考題。
臺南一中探究與實作試題測驗分析
我們於108學年度上學期的第二次定期考試中,進行了首次的探究與實作段考施測(https://reurl.cc/b68193),該試卷總共 35 題,均為四選一的單選題,考試時間80分鐘,一共有臺南一中一年級 16 個班級的 582 名學生作答,統計數據如下:
表2. 總分與高中低組描述性統計
由表2可看出該次測驗有約占一半(53.1%)的學生落在中分組,中分組的學生平均分數為71.43,另外低分組的人數約四分之一(24.9%),平均分數為57.43。高分組的平均分數為83.23,人數比例為22%。所有考生的平均分數為70.4分,顯示整份試卷的難度等級屬於容易。
表3. 「探究與實作四大學習內容類型試題」描述性統計
該試卷的命題架構是以探究與實作的四大學習內容類型來進行規劃,而經過預試與修題之後,挑選組卷的試題經過最後確認統計,發現四個類型的題目數量並沒有平均分配,其中的「發現問題」與「規劃與研究」這兩類的試題數量較多,而「表達與分享」這一類的試題偏少,這也顯示「表達與分享」這類試題的命題難度較高,這是未來命題過程中值得探討如何改進的地方。這四種類型試題的作答數據彙整於表3與表4,統計資料顯示「發現問題」及「規劃與研究」這兩類試題的平均答對率較高,均超過七成,而「表達與分享」這類試題的平均答對率則低於五成,惟該試卷此類試題數量不足,尚不能解讀為學生在表達與分享的能力較弱勢。
表4. 「探究與實作四大學習內容類型試題」之難度、鑑別度及標準差
表5顯示的是每一道試題的古典鑑別度、難度、點二系列相關與標準差,可看到第 1-3、8、14、17、19-22以及29題(灰底色表格),共有11題的古典鑑別度低於0.2,屬於鑑別度較差的試題,進一步了解可發現其中有7題的答對率超過九成,也就是說這7道試題太過簡單,導致鑑別度較低,第19題的全體考生答對率甚至高達99%,另外則是有兩題(第 3 及 22 題),則是因為答對率只有18%,也就是這兩題太過困難,大多數人答錯而導致鑑別度較差。
表5.各試題古典難度、鑑別度、點二系列相關及標準差
接著我們來看一看試題內容,嘗試探討其原因:
【第 19 題至第 22 題為題組】
志明與春嬌認識了一段時間,偶然的機會志明在公園看著小孩吹著泡泡,因此抱著探究的心態,研究了泡泡的相關主題,希望與春嬌分享泡泡之美。於是志明以體積比例為水:清潔劑:膠水 = 4 : 2 : 1 配製泡泡水,並選用針筒觀察泡泡注入定量的氣體體積,觀察到下面幾個現象:
1.使用針筒吹出的泡泡直徑約 3 公分,泡泡會過一段時間破掉。
2.若是吹出的泡泡直徑超過 3 公分以上,泡泡馬上就破掉。
3.泡泡破掉的位置,先從上端開始變薄,會產生旋轉的紋路而慢慢破掉。
最後志明將上述觀察的結果,邀請春嬌來體驗泡泡產生的過程,最後在整個泡泡的體驗過程中,針對泡泡會破掉的觀察,因此兩人討論了下面幾的問題,請針對每個題目選擇最適合的答案。(註: 泡泡破裂只考慮客觀因素,不考慮人為因素,且每次推針筒的力道皆固定)
19. 根據上文,下列描述何者是在志明觀察泡泡中所發現的現象?
(A)使用不同泡泡產生器,泡泡破裂時間不同。
(B)泡泡的成分界面活性劑,因此它特殊的極性結構會去影響泡泡破裂的時間。
(C)泡泡可以添加較黏稠的成分,應該能讓泡泡比較不容易破。
(D)泡泡破掉的位置,先從上端開始變薄且產生旋轉的紋路。
20. 志明試著尋找泡泡破裂的變因或條件,下列何者不是泡泡會破裂的可能原因?
(A)因為泡泡的內外氣體壓力差不一樣。
(B)因為泡泡水的配方皆為水:清潔劑:膠水 = 4 : 2 : 1。
(C)因為泡泡破裂時,泡泡上端開始變薄。
(D)因為泡泡在破裂之前,泡泡上端會產生旋轉的紋路。
21. 春嬌試著解釋泡泡破裂,下列何者不是泡泡破裂的可能推論?
(A)泡泡在直徑超過3公分會破掉,可能是內部壓力超過外部氣體壓力。
(B)泡泡只要直徑超過3公分就會馬上破掉,可能是泡泡直徑最大只能到3公分。
(C)泡泡破裂之前,先從上端開始變薄,可能是上端的界面活性劑成分有較少所造成。
(D)泡泡在破之前會產生旋轉的紋路,可能是泡泡內部或是外部氣體的流動所造成。
22. 志明想要深入了解會影響泡泡破裂的原因,因此詢問了四位好友,以下是他們分別給志明建議。以下四個建議中哪一個可以協助志明形成或訂定問題?
(A)泡泡成分會影響,尤其是果糖感覺比較黏稠,加入後應該能讓泡泡比較不容易破。
(B)吹氣速度會影響,先前經驗用力吹氣時會讓泡泡容易破。
(C)吹氣工具會影響,在相同泡泡水用粗細不同吸管吹出等大的泡泡,結果泡泡破掉時間不一樣。
(D)泡泡破掉的位置,先從上端開始變薄,因為上端的成分發生變化。
表6為第19-22題的作答數據分析,粗體字為該題的參考答案,表中可看到第19題的答案是D,而有高達98.6%的學生選了正確答案,其他三個選項選答的人數極少,造成本題無論高分群或低分群,都幾乎能答對而導致古典鑑別度較低;然而由上方的試題內容可看出本試題的文字閱讀量不低,且考生須掌握到本題的關鍵敘述為觀察現象,方能答對本題。,由本題的作答數據可看出臺南一中同學普遍的閱讀能力與理解能力都很不錯,也顯見未來臺南一中的命題調整方向須提高其他選項的誘答力方能提高此類試題的鑑別度。
表6. 作答數據分析
另一方面,第22題也是令人好奇的試題,本題全體考生的答對率只有18.4%,導致鑑別度不佳,試題內容不難看出本題是評量學生針對形成與訂定問題的能力,而領綱中的實作學習內容即敘明需要能 「提出適合科學探究的問題」,本試題的選項A、B所提到的泡泡 「容易破」 或 「不容易破」都不是具體可量測的現象,選項D提及的 「成分發生變化」也是無法直接量測的猜測,只有C選項有較明確的操縱變因(吸管粗細)與應變變因(泡泡破掉時間) ,值得一提的是選項D居然有將近一半的學生選答,而此題的點二系列相關為 -0.04,顯見此選項的誘答力很不錯,而本題正確選項C的點二系列相關將近 0.2,應屬鑑別度尚可的試題。
另外,表5中以文字方框標示的第6、9、12、30、32、34、35等七題則為古典鑑別度超過0.4的優良試題,尤其是第6題與第12題,古典鑑別度分別高達0.59與0.6,探討其中的原因,除了難度都接近非常理想的0.5,試題內容又有怎樣的特別之處,我們來看一下:
【第 5 題至第 7 題為題組題】
小智想要驗證橡皮筋是否可以像彈簧一樣符合虎克定律。利用手邊的橡皮筋兩條(A 與 B)、紙杯、竹筷子、量筒、棉線等器材,規劃了實驗裝置(裝置如下圖所示):

實驗步驟:
(1)、將橡皮筋 A 掛在兩竹筷子間,在紙杯內加入不同水量 20、 40、 60、 80、 100gw時, 測量橡皮筋的伸長量△x。
(2)、換成橡皮筋 B,重複步驟 1。


5. 小智將實驗數據畫在空白方格紙上時,下列何者為作圖時兩軸座標與變因搭配?
(A) x 軸(操作變因): 水量 ; y 軸(應變變因): △x
(B) x 軸(應變變因): 水量 ; y 軸(操作變因): △x
(C) x 軸(操作變因): △x ; y 軸(應變變因): 水量
(D) x 軸(應變變因): △x ; y 軸(操作變因): 水量
6. 根據小智的實驗數據,下列哪一項應為小智的推論?
(A) 串聯後斜率變大,因此 k 值變大
(B) 串聯後斜率變大,因此 k 值變小
(C) 串聯後斜率變小,因此 k 值變小
(D) 串聯後斜率變小,因此 k 值變大
7.小明在班上針對「橡皮筋是否符合虎克定律」的探究課程進行結果發表,小明這組探究的操作變因是「橡皮筋使用次數」,他們想探討在橡皮筋使用次數不同的狀況之下,對橡皮筋彈性係數的影響,在經過兩堂課的設計實驗以及獲得實驗結果後,針對整理過的數據對全班進行結果分享。以下是他們分享的內容:「我們使用一條橡皮筋進行實驗,將橡皮筋套於竹筷上,橡皮筋下使用棉線連接著紙杯。接著針對橡皮筋使用次數對橡皮筋的伸長量的影響進行探究,我們的控制變因是水重和拉的長度,每次拉長 15公分,水重為 50 公克。操作變因是拉長的次數,每拉長 5 次針對橡皮筋伸長量做一次測量。右表為他們所得到的數據。以下何項敘述有可能是他們所發表的內容?
(A)將橡皮筋拉長了幾次之後就彈性疲乏了。
(B)在使用相同一條橡皮筋進行實驗,在拉長 20 次之後橡皮筋的伸長量一樣。
(C)以橡皮筋長度為 x 軸、拉長次數為 y 軸做出此次實驗的圖形。
(D)以橡皮筋長度為 y 軸、拉長次數為 x 軸,得到趨勢線的斜率即為此橡皮筋的彈性係數。
第6題為第5-7題組中的第二題,第5題考的是座標與變因的搭配,答對率高達九成,顯見絕大多數的南一中學生這個部分的概念是清楚的;有趣的是表6中顯示第6題答案為B,有53.8%的學生答對,卻有35.5%學生選了A選項,C、D兩個選項則各有5.7%以及4.5%的選答比例,顯示這兩個選項較無誘答力,這也顯示選A選項的這些學生知道斜率變大,卻對 k 值在圖形中的意義產生誤解,導致選錯答案,也顯示出本試題需對於 k 值有正確理解方能答對,也是本試題能有如此高鑑別度的主要因素。
另一題鑑別度極高的試題(第12題),屬於題組11-12的第二小題,試題內容如下:
【第 11 題至第 12 題為題組題】
小明測量並記錄一條橡皮筋長度與受重如下表,依下表數據做出主張:「一條橡皮筋在水重 20~60gw 時。表現出的行為符合虎克定律。」

11. 欲討論不同受重情況下,橡皮筋的伸長量,下列變因之說明何者正確?
(A)水重為整數易控制,為控制變因。
(B)橡皮筋長度可人工測量,為操作變因。
(C)探討虎克定律時,應以橡皮筋長度為橫軸, 水重為縱軸,將各數據標示分析之。
(D)探討虎克定律時,應以水重為橫軸,橡皮筋伸長量為縱軸,將各數據標示分析之。
12. 承上題,將各數據點標示後,應如何求得此橡皮筋之彈性係數?
(A)考量彈性限度應取水重 20~60gw 之數據做迴歸直線(斜率=m),推得橡皮筋 彈性係數=m。
(B)考量彈性限度應取水重 20~60gw 之數據做迴歸直線(斜率=m),推得橡皮筋 彈性係數=1/m。
(C)考量數據完整性應取水重 0~100gw 之數據做迴歸直線(斜率=n),推得橡皮 筋彈性係數=n。
(D)考量數據完整性應取水 0~100gw 之數據做迴歸直線(斜率=n),推得橡皮筋 彈性係數=1/n。
本題組與第5-7題組有類似的情形,第11題評量的重點在於變因與座標軸的概念,也是答對率非常高的情形(92.6%),再次顯示學生們在這個部份觀念清楚正確。緊接的12題也是以A、B選項有較高的選答比例,這道試題答對的關鍵仍是在於明白彈性係數相當於時研數據圖形中的斜率倒數,而C、D兩個選項選答的比例個別只有7.1% 以及 6.0% ,顯見多數學生知道需要考慮彈性限度,卻未必理解彈性係數在數據圖形中代表的意義,這也是未來在教學上可以加強釐清的重點。
肆、 結語
在108課綱實施的第一年,真正實施探究與實作課程的學校並不多,臺南一中嘗試將探究與實作列為定期考試的考科,並發展相關試題,雖然本次測驗仍有許多改善的空間,仍可作為各校未來進行探究與實作課程時,評量與測驗的參考資料,經過學生做答的數據分析,更可了解探究與實作的教與學有何優劣之處,值得作為未來修正與精進的參考,也希望讀者有任何想法或建議,不吝聯繫、指教。
何興中
台南一中物理科教師
李麗偵
國立高雄師範大學科環所
林蓓伶
國立臺灣師範大學科教中心
盧政良
國立高雄師範大學物理學系