新課綱自然科學探究與實作的理念與實踐


文 / 簡麗賢

 從一篇短文談起


六歲的德國小朋友梅林寫信給航太中心,說明他很喜歡行星,覺得冥王星很可愛,但為什麼冥王星不是太陽系的行星了?他問媽媽,媽媽說因為冥王星太小了。梅林不解地說:「我也很小,但我還是一個人啊!為什麼冥王星就不行呢?」「我想冥王星一定很難過!」。
梅林的童言童語,聽來符合邏輯。然而,引發讀者共鳴,卻是航太中心的科學家收到信件,不是晾在一旁,擱著不管,而是當作很重要的信件,鄭重其事地回覆,以淺顯易懂的文字,搭配最新拍攝的冥王星照片,解釋冥王星的大小、表面成分和公轉軌道,說明它為什麼被除名。信末,科學家安慰梅林:「我們覺得冥王星不會很難過。」更鼓勵梅林:「繼續保持好奇!」
這篇短文能感動眾多讀者,在於科學家真誠溫馨又「接地氣」地解答小朋友的疑惑,沒有用例行公事和制式答案敷衍了事。更令人讚賞的是,科學家以「繼續保持好奇」鼓勵提問和追求知識。
筆者讀完這篇中研院蘇慧婕研究員翻譯自德國航太中心的短文,感觸良多,援引大意談「自然科學探究與實作」的想法。

 想像力和好奇心是探究的動力

「想像力比知識重要」是愛因斯坦的名言,筆者認為激發學生的好奇心和想像力則是探究的動力。
十二年國教新課綱納入必修的「自然科學探究與實作」,最主要的精神應是啟發學生對科學的好奇和興趣,激勵學生勇於提問,並且發表自己的見解。不論自己的看法如何膚淺,想像如何天馬行空,都是「自然科學探究與實作」的開始,科學的進步來自好奇與想像。
自古以來,生活中處處有科學。北宋沈括撰寫的《夢溪筆談》是很早的一本科學書,內容多元,涉及天文、物理、化學、地質、醫學、氣象等領域,例如磁鐵、磁極和指南針的概念,描述凹面鏡聚光起火和聲音共振的現象,探討冬至日短、夏至日長的原因等。
對自然現象好奇而能探索科學是一件愉悅的事,唐代杜甫在〈曲江二首〉提到:「細推物理須行樂,何須浮名絆此生。」這兩句詩可解釋為「仔細推敲與探究世間萬物變化的道理,是一件追尋快樂的事,不需要用世間浮華的名利牽絆自己的一生。」說明追求科學過程中「仔細推敲與探究」的快樂。這種快樂,諾貝爾獎得主最能體會。
2015年諾貝爾生理醫學獎得主屠呦呦被稱為「青蒿素之母」,念書期間並沒有追求熱門科系,而是依據興趣選擇當時較不被重視的中草藥學領域。她大學畢業後致力尋覓「對抗瘧疾」的草藥,從閱讀中找尋研究方法,古籍中的一段話:「青蒿一握,水二升漬,絞取汁,盡服之」,啟發她萃取青蒿葉中的青蒿素,但在萃取過程中始終找不到竅門。就在快放棄時,她重新思索,頓悟古文含意,將「高溫加熱」的步驟更改為「低溫萃取」,最後成功取得對抗瘧疾的青蒿素。
屠呦呦面對困境,鍥而不捨,憑藉的是好奇心和想像力,以及理性客觀的科學態度,終於掌握萃取青蒿素的關鍵就是「溫度」,用正確的科學方法,避免高溫破壞而使用乙醚低溫萃取,從青蒿葉子中成功取得青蒿素。這樣的研究歷程,可以做為自然科學的探究與實作之典範。

十二年國教課綱強調「自發、互動、共好」,課程發展重視核心素養。「自然科學探究與實作」從「發現問題」、「規畫與研究」、「論證與建模」、「表達與分享」四項指標培養學生「思考」、「提問」、「探究」、「實作」、「分析」及「表達」等能力,這些教學歷程都緊扣科學態度與方法,厚植科學素養。我們科學教師務必念茲在茲,掌握探究與實作的教學目標。

發現問題」的內涵包含觀察現象、蒐集資訊、形成或訂定問題,以及提出可驗證的觀點。課程發展歷程中,我們應引導學生基於好奇、求知或需要,能觀察生活周遭和外在世界的現象,察覺可探究的問題,促使我們能蒐集整理資訊,釐清並且訂定可解決或可測試的研究方法,預測可能的結果,提出想法、假說或模型。
規畫與研究」的重點在於尋找變因或條件、擬定研究計畫、搜集研究資料數據。在此項的學習歷程中,學生應學習根據提出的問題,擬定研究計畫和進度,分析影響結果的變因,選擇與設計適當的工具或儀器觀測,俾能獲得有效有用的數據,或根據預期目標,測試得到最可能的好成果。
論證與建模」的涵義是指分析資料和呈現證據、解釋和推理、提出結論或解決方法、建立模型。這項重點主要是讓學生學習分析資料數據以提出科學主張或結論,能發現新知或找出解決方案。發展模型可以呈現或預測各因素之間的關係。檢核資料數據與其他研究結果的異同,則能提高結果的可信度,了解研究的限制與不足。
表達與分享」的重點包含表達與溝通、合作與討論、評價與省思。「表達與溝通」是以適當的口語、文字、圖像、影音或實物等表達方式,呈現探究過程與結果,學會運用科學名詞、符號或模型,能言之有物、言之有序、言之有理,陳述探究結果。「合作與討論」在於學會傾聽,並能提出具體的意見或建議,能評估別人的探究過程,找出優點和限制,也提出合理的懷疑及改善的方案。「評價與省思」是指能反思探究成果的應用性和限制性,能體驗科學探究重視實作經驗與證據。

簡言之,自然科學探究與實作的設計與評量應掌握發現問題、規畫與研究、論證與建模、表達與分享四向度,從學習歷程中培養學生的科學態度與方法,使學生具有科學素養。

 北一女中探究與實作的實踐


北一女中的部定必修課程如物理、化學、生物和地球科學安排在高一上、下學期,採取「學期對開」方式,一半的高一班級上學期上物理、生物各2學分,每週上物理、生物各兩堂課,另一半的班級則是上化學、地球科學各2學分;下學期課程交換,教師則是對應換班級。因此高一學生一學年後,習得四科必修科學課程8學分。
另外部定必修物理、化學、生物和地球科學各1學分安排在高二上、下學期,以跨科教學呈現「探究與實作」的精神,涵養科學態度與方法。學校排課採以校內跨科協同的師資,安排探究實作A和B,有一半高二班級在上學期學習探究實作A課程,下學期則學習探究實作B課程;另一半高二班級在上學期學習探究實作B課程,下學期則學習探究實作A課程。學年結束後高二學生習得部定必修自然科學課程4學分。
北一女中探究與實作A、B的共同主題為能量。以自然科學探究實作A為例,主題以「能量」為探究主軸,跨科實作,物理和地球科學教師協同教學,藉由「自然界及宇宙的能量」二大主題,帶領學生認識光、熱、電、磁等能量議題,探究範疇擴及地球環境和宇宙。課程設計和架構脈絡的核心理念強調「實驗設計情境」的跨科對話,體驗測量技術的原理和演進,進而提案設計與實作討論。
教學大綱的主題內容如課程介紹--科學探究法與演進、科學檢測能力養成—基本電子元件檢測(圖1)、量測電池內碳棒電阻(圖2)、磁鐵質量測量及磁力隨距離變化(圖3)、電與磁的交會、地球磁場的探索、地球能量的探索、儀器的數位化及自動化數據擷取、手機感測器、微專題論文撰稿與製作(包含發現問題、規畫與研究、論證與建模、表達與分享)等(圖4與圖5)。
以探究實作B而言,由化學和生物教師跨科協同教學,單元主題如獲取能量的探討---生物界的能量從何而來?葉綠素的秘密、如何測量酵母菌能量獲取作用的化學反應速率?離子滴定實驗(圖6)、生物螢光反應與煙火七彩焰的探討與觀察、生活中燃料的燃燒效能與空氣健康品質等議題。
評量指標包含學習態度(圖7)、實作能力(圖8)、學習單撰寫、成果發表、同儕互評,各有百分比例。
教師的協同教學架構包含基礎課程設計、進階課程設計和科學傳播三方向,掌握課綱強調的發現問題、規畫與研究、論證與建模、表達與分享四項指標,學生經由教師協同教學,能獲得較深廣的統整能力。


圖1. 基本電子元件探究與實作課程          


圖2. 學生量測電池內碳棒電阻         


圖3. 學生課堂量測磁作用力         


圖4. 學生課堂表達與分享,說明遇到的困難          


圖5. 學生課堂討論,規畫與研究          


圖6. 學生課堂操作離子滴定實驗          


圖7. 教師觀察學生操作的學習態度與方法          


圖8. 學生課堂化學主題探究實作          


 克服課程規劃的困境


「凡事豫則立,不豫則廢」、「工欲善其事,必先利其器」、「說一尺不如行一寸」,這幾句耳熟能詳的話,正好說明學校究竟該如何面對十二年國教新課綱,如何將「探究與實作」融入必修的自然科學課程中。只有及早行動,才能解決接踵而至的隱憂和顯憂。
究竟有那些隱憂和顯憂?各校「探究與實作」計畫需要送教育部審核,這是顯明的憂慮,有其時效性。師資結構如何調整、課程如何安排、資源是否充裕、教學是否生動有趣,都是新課綱實施後的隱形憂慮。因此不論是普通型、技術型或綜合型高中必須未雨綢繆,依據學校屬性、學生程度、人力物力資源等,及早深謀遠慮和實地演練,才能知道理想與實際有何差距,如何克服。
鑑於此,北一女中三年前即規劃部定必修和校訂必修課程規劃與設計,成立核心研議小組和教師課程社群團體,討論與規劃課程方向與實際做法,先從高一選修的特色課程實地選課和教學,逐年修正方向,微調教學主題和上課方式。坦白說,透過實驗教學後,才能真正體悟課程設計的問題有哪些,怎樣的課程設計是學生喜愛的模式,什麼是學生最想知道和最想學習的主題,如何選擇學生未來會面對的問題,教會學生解決問題的能力等(圖9)。
籌備和規劃與試辦的期間,教師不知開過多少次討論會(圖10),辦過多少場工作坊,重點都在發現問題、解決問題和迎接挑戰。
2019學年度正式實施新課綱,學校面對的問題包含如何排課、師資結構、空間運用、學生選課等,這些問題已在前三年試辦時思考過,也已有應變方法。即使是探究與實作的跨科協同教學,可能出現教師基本教學節數和實際授課節數核實支鐘點費的問題,但也透過「高級中等學校課程規劃及實施要點」的辦理原則,得到明確的解釋和清楚的解決方向。


圖9. 教師引導學生思考解決問題的能力          



圖10. 教師社群討論探究實作課程          


 成如容易卻艱辛(代結語)


「自然科學探究與實作」列入部定必修的自然科學課程中,因此也是大學入學考試中心學測的命題方向。究竟如何針對「探究與實作」命題?要考學生什麼?確實是許多人關心的議題。命題和教學皆如王安石所言「看似平凡最奇崛,成如容易卻艱辛」,教師敬業與專業,坐而言起而行,帶領學生「發現問題、規畫與研究、論證與建模、表達與分享」,實踐探究與實作的核心素養,相信學生面對升學試題也能展現科學的態度與方法。


 參考文獻

https://news.ltn.com.tw/news/world/breakingnews/1386853
https://www.naer.edu.tw/files/11-1000-1582.php?Lang=zh-tw
www.rootlaw.com.tw/LawArticle.aspx?LawID=A040080071000900-1070221
https://www.edu.tw/News_Content.aspx?n=9E7AC85F1954DDA8&s=74CACEB2C305CDAF
http://newsletter.edu.tw/2019/05/10/主題引言%EF%BC%9A「新課綱之自然科學探究與實作面面觀-2/
https://www.ceec.edu.tw/xcepaper/cont?xsmsid=0J066588036013658199&qperoid=0J116396760367302379&sid=0J116496646909723984


簡麗賢
臺北市立第一女子高級中學物理教師