科學趣味競賽融入多元選修課程之高中教學現場經驗談


文/柯瑞龍

 好的結果提供繼續的動力


第一次接觸遠哲科學趣味競賽是在12年前,在去(2019)年也正好是第12次帶隊參加遠哲科學趣味競賽,終於在12生肖都跑完的豬年,帶隊參加的學生終於獲得了中區的第一名,更包辦了中區前12名中的8名獎項,以及獲得了科技創意獎項(如圖1),在現場司儀不斷地唸出學校名稱過程,心中的感動讓我覺得這麼做就對了!雖然還在等待全國賽的到來,但學生的表現已經是突破以前的參賽學生,也希望將這樣的喜悅與過程,跟同在教育界服務的先進們分享筆者在教育現場的做法。



圖1. 上圖為第一名頒獎照片,下圖為遠哲科學競賽中區得獎名單(圖片來源:遠哲科學教育基金會網站)


 新課綱對於高中現場教師的衝擊


在教育部推出新課綱以來,高中學校幾乎都面臨極大的挑戰,但也提醒了老師們應該要調整教學方向與教材/教法。幸運的是:在高中優質化輔助方案與前瞻計畫等相關措施補助經費的協助下,各校早已有推動新課綱的準備。筆者恰好參與高中優質化計畫,也因此透過經費輔助之下,可以有許多額外的支援來協助課程設計與修正。

在新課綱中有著很重要的元素--素養與能力指標,在課程的設計中會不斷地被提醒要加入這些元素,此外探究與實作課程更已經正式獨立變成必修學分,不同於以往課程中編列實驗,而是要學生學習到更完整的研究流程與想法;對身為自然科教師的筆者,當然也需要進行教學提升,以往筆者經常帶隊參加遠哲科學趣味競賽,也一直要求學生往這個方向去學習,學生們在過程中會遇到一些挑戰,好些部分都有待加強,但不試怎麼會知道自己行不行呢?踏出去就對了!就秉持著這個信念,近幾年配合學校準備新課綱,開始嘗試以遠哲科學趣味競賽作為主題的探究與實作科學課程,經過兩年的試行與運作,發現成效良好,目前已排入多元選修課程,讓高一的學生進行選修,也從表現優秀的學生中挑出學校代表隊,參加遠哲科學趣味競賽,配合自己帶隊的經驗,提醒學生競賽時需要注意之處,讓去年的學生在中區賽以勢如破竹的氣勢取得了佳績。

 學實作與新課綱的關聯


探究與實作已經列入新課綱中一門重要的必修課程,也說明了科學課程不再只是紙上談兵,因此筆者透過高中優質化計畫的支持,進行新課綱中的多元選修課程,以單元式的課程,預期讓學生在學習過程能夠習得並提升以下幾種能力:

一、閱讀理解能力
在遠哲科學趣味競賽的題目中,介紹與活動說明都相當的詳細,而學生在參與活動前往往只想知道要做什麼,可以怎麼做,但是缺少了閱讀的耐心與理解競賽過程,也或許跟現在資訊更替速度太快,許多問題只求和答案有關,筆者在進行活動前會要求學生先進行閱讀,在針對科學原理、製作方法、競賽規則、評分標準的部分進行抽問,也透過抽問完後的結果,請學生反思閱讀完後的想法,藉以引導小組進入團隊分工與合作的第二階段。

二、資訊蒐集能力
在進入實作之前,蒐集相關資訊是減少過多測試時間的一項技巧,高中生的學習時間很珍貴,如何善用時間很重要。資訊爆炸的時代,網路上有太多前人留下的技巧與經驗可以參考,例如去年的題目是紙橋,光是關鍵字搜尋就足以讓人眼花撩亂,學生要如何精簡範圍找到需要的資訊,可以藉此訓練學生蒐集資料的能力。

三、溝通協調能力
進入實作過程,小組常會有實作能力與想法溝通的問題,小組討論是一個重要的過程,也會是團隊整合的關鍵,老師可以扮演著公正人士,適度地調節以減少衝突。小組的向心力越大,團隊成績就會更好。

四、實驗設計能力
實作的過程如實驗課程一樣,會存在著許多科學的變因,學生的實作想法就是動機,如何實作就是實驗的步驟,在過程中的操作變因與控制變因不像標準的科學實驗來得容易控制,但也因為更難控制,在這樣的訓練過程中,當學生能做到單一的操作變因時,也代表著他對於實驗變因的認識與控制達到一定的水準之上。舉例而言,以去年遠哲科趣的題目在進行紙橋的載重測試,學生透過搜尋資料、簡易實作測試和確定橋的型態後,就會開始進行實作的測試,在測試過程中,學生是邊修邊做,調整橋的長短、角度、紙張的耐重測試……。當達到一定的水準後,學生就會開始進入研究階段,這個過程中最難被控制的就是製作的過程,而學生透過多次的製作,就在減少這個部分的誤差,在測試結構承重過程中,瞭解對容易形成斷面處進行補強,或是改變結構角度進行結構增強,以提升載重成績。

五、創造力
趣味競賽的特色就是在於可以發揮創造力,當規則定義出來後,每組可以在規則要求的範圍下加入天馬行空的創意設計,藉以提升競賽的成績,但創意的範圍在那裡,很難被清楚地定義,這也是這項比賽中大會與參賽選手最大的角力處,站在教育的立場,一定是鼓勵學生跳脫框架,在不違規的情況下去思考,成績也往往會比只參考大會基本作法的隊伍來得高分,老師若能試著引導學生去突破框架,學生真的是有許多的巧思,相信創造力也是可以被教育出來的,如果還有更多天馬行空的想法,也可以在這個比賽中的創意作品進行評比展出,讓學生可以盡情發揮(如圖2)。


圖2.學生們腦力激發出來的創意式吊橋式結構,在競賽中獲得好的成績

 課程設計與實施經驗分享


在設定了五項能力的方向後,可以參考愛思客團隊提供的幾個面向進行課程設計(如圖3):以學習者為中心、以解決生活問題為目標、跨領域的整合與系統性;筆者進行的課前課程設計、課間進行說明、評量重點三個步驟,說明如下:


圖3.跨領域素養導向課程設計的轉化重點(圖片來源

一、課前課程設計

(一) 選定實作主題:可以參考遠哲科學趣味競賽歷屆試題、智慧鐵人歷屆試題,這兩項的競賽都很悠久(至2019年分別為25年與17年),累積的題型很豐富,教師可以挑選自己比較擅長或有興趣的主題進行設計,再找到同好的教師進行討論與實作,比較能找出這個活動要表達的科學原理,配合學生具有的先備知識進行引導。

(二)設計學習單:了解學生的先備知識後,設計讓學生能透過討論去回想自己學習過的知識,引導學生寫下觀察,並能試著回答出相關的科學概念,可以找相關的科目老師協助回答看看,會有更明確的回饋。

(三)分組活動:先協助進行簡單的小組分工,例如組長需要擔任主要發言人、組員需要協助記錄……等,讓彼此就算不熟悉,也可以知道自己在小組內的工作有那些。

(四)利用網路資源開課程空間:目前在Google中有Classroom的網路空間(如圖4),可以讓學生進行選課與發表的地方,可以簡單的就進行開課,對於教師使用上相當方便,可以多加利用。



圖4. Google中Classroom的網路空間圖示。

二、課程進行(基礎練習5節+進階活動3節)

(一)閱讀討論(50分鐘):選定一個主題後,請各小組進行約15分鐘的閱讀分工,並記錄閱讀內容的重點,進行組內分享與記錄,再透過共同發表,讓各小組發表自己的看法,鼓勵學生提出不同的想法。

(二)蒐集製作資訊(50分鐘):小組進行網路搜尋,找出與本次活動相關的資訊,也鼓勵學生可以進行英文的搜尋,往往會有許多令人驚嘆的驚喜作品,讓小組分享搜尋成果,並分享觀看後心得。

(三)科學實作體驗(50分鐘):材料的取得會是較困擾的部分,所以在一開始選定就可以針對生活中容易取的題材,例如竹筷、紙張、橡皮筋、厚紙板……,工具也盡量以美工刀、剪刀為主,會讓活動進行較為順利;在課程開始先要求學生畫簡易的設計圖與想法,讓學生確認方向後再開始進行操作,除了可以減少學生在製作過程的失敗,也可以記錄每一次的作品尺寸與概念,以方便進行下一次的修正與測試(如圖5)。



圖5. 小組之間的分工合作,要先經過彼此討論才得以順利進行

(四)競賽活動(50分鐘):競賽過程是最歡樂也最不易掌握秩序的一部分,因此,在進行競賽活動前,一定要讓每一組了解自己的工作與責任;活動進行分四大組別如下:等待組--請務必確實在等待位置,預備組--請務必提早就位在預備區並做好競賽的準備,操作組--依照規則的操作方式進行評分測試,裁判組--務必熟悉規則與評分方式。因此在學生熟悉相關規定後,競賽得以順利進行(如圖6)。



圖6. 當學生熟悉進行時的工作,秩序會比較好掌握

(五)成果討論(50分鐘):記錄完每一組的成績後,發表各組的成績,可以讓學生彼此比較各自成果,並進行小組檢討自己作品的優點與缺點,並進行5~10分鐘的成果發表,分享各小組的設計想法,最後進行小組的精進作法討論,讓各小組再進行第二次的設計草圖,如果時間允許,可以再重複該競賽活動,比較各組第二輪的成績是否較前一次進步,並寫下最後的心得感想。


在近年美國OZY網站的一篇文章”The Place That Doesn’t Believe in Female Scientists”亦指出某些國家(例如丹麥) ,依舊存在著科學家應該都是男性的性別偏見迷思。據美國國家科學基金會2008年調查美國大學的一項結果發現,物理學博士班的女性畢業生低於30%,而進一步繼續進修,升任物理相關領域專任教授的女性約只10%。而在國內,根據2015年中研院和台大理工系所教授的性別比中我們可以觀察到中研院有85.7%的院士為男性,14.3%為女性;台大理工系所教授性別比則更加懸殊,有92.1%皆為男性,僅7.91%為女性。由此可見不僅僅是在國外,在台灣的科學和科技界也存在著性別比例失衡的現象。

三、評量重點

(一)閱讀重點評分(20%):以各小組發表的閱讀重點數量與全班發表數量的關聯性進行評分,依照最優、優等、佳作、尚可、待加強進行五等地的評分,讓各小組都能有一定的分數。

 

(三)作品成果的評分(15%):進行實作後,根據設計圖與實際作品進行比較,依完成度給予最優、優等、佳作、尚可、待加強五等地的評分,讓各小組都能有一定的分數。

(四)競賽活動的評分(30%):可以將最後競賽成績進行排名,再依照各隊的排名順序給予轉化成課堂的學習成績,例如:第一名95分,第二名90分……依序遞減,可以事先向學生說明清楚。

(五)小組發表的評分(20%):上台的台風、簡報說明設計、內容關聯性,讓小組進行互評的工作(如圖7)。



圖7.學生上台報告成果,台下聆聽與評分

(六)作品進步評分:進階課程可以再新增成績進步最多的最佳作品,並給予進步的隊伍有額外加分的成績,鼓勵學生用心製作。


 一器多用,大家輕鬆


新課綱中學生需要上傳學習歷程檔案,對於高中生又是一項新的挑戰,所以在設計課程的過程中,讓學生不僅有學習過程也有成果可以記錄上傳,參加比賽也有機會可以留下獲獎紀錄,不更妙哉!在去年新課綱的實施第一年,遠哲基金會的報名不僅隊伍數多,更是近幾年來最快額滿的一次,多少也是因為許多老師們在幫忙學生找尋參與活動的機會,除了遠哲科學趣味競賽外,還有許多相似的比賽,例如:智慧鐵人大賽、思源科學創意大賽、世界機關王大賽……等,筆者在課程後均鼓勵學生能夠應用在課程習得的知識,去參加相關的比賽,為自己留下挑戰紀錄。

 用心做好一件事


教學過程提供給學生學習的各種知識,無非就是希望學生要能有解決問題的能力,學生透過參加科學趣味競賽,有明確的練習方向,透過規則將個人的成果展現出來,再加上與其他學校的競賽交流,也讓學生能夠有更多的想法被激發出來,讓自己不斷的進步,這是身為指導老師最樂意看到的事。

遠哲科學趣味競賽中的得分設計,主要是鼓勵學生做好一件事,把一件事情做的很好是很重要,但在高中生的求學階段其實不容易,有太多的科目要去努力,有太多的作業要去完成,學生往往是顧此失彼,也正是許多高中生不敢參與比賽的因素之一,在此筆者認為老師們其實不用太強迫學生要參加什麼比賽,想要唸書的作好念書這件事,想要參加比賽的作好比賽這件事,其實都是在努力做好自己想做的事情,能堅持做好自己想要的學生,在上大學之後都可以找到自己明確的方向,筆者認為若能指引學生找到自己想要的路,相信就是給學生最好的教育了!

 參考資料

柯瑞龍
臺中市私立立人高級中學物理教師