文/李宥霖
《十二年國民基本教育自然科學領域綱要》中重視學生問題解決能力的培養,透過探究與實作引導學生從實作中進行探究活動。本文針對探究與實作設計了風力發電機的探究教學教具,藉由多變因的探討與實驗,引導學生建構出科學學習歷程。
十二年國教重視探究與實作
108課綱於2019學年度正式上路,從九年一貫的能力導向教學,轉變為十二年國教的素養導向教學,目標培養學生適應現在生活及未來挑戰,所應具備的知識、能力與態度,教學主體從教師移轉至學生身上,希望培養學生自發、互動、共好的三大理念(教育部,2014)。
在十二年國民基本教育自然科學領域課綱中,重視「探究能力-問題解決」能力的培養,並針對「探究能力-問題解決」提出四大向度,分別為:觀察與定題(o)、計劃與執行(e)、分析與發現(a)、討論與傳達(e)(教育部,2018)。此外,經濟合作暨發展組織(OECD)亦提出科學素養能力向度分為:解釋科學現象的能力、評量及設計科學探究的能力、解讀科學數據及舉證科學證據的能力,兩者皆重視探究的歷程與對於探究結果的解釋(臺灣2015 PISA國家研究中心,2015)。
筆者為國中現職教師,在理化科教學現場發現,現今國中教科書中的科學實驗多為驗證式實驗,學生從實驗中驗證上課所學,實驗過程從定題、實驗步驟、實驗數據分析及實驗結果呈現都由教師設計讓學生依照實驗步驟完成,學生無法經歷發現科學的過程,也難以培養問題解決的能力。因此筆者想嘗試以探究式實驗教學,讓學生在教師的引導下獨自完成科學探究,藉此培養學生問題解決的能力。
再生能源-離岸風力發電的興起
自然科學與生活息息相關,探究的主題更是不勝枚舉,筆者希望將理化與環境教育的議題進行連結,因此特別選擇了我國目前致力推動的再生能源-離岸風力發電為探究主題。
我國政府於2012年公布「千架海陸風力機」計畫,離岸風力發電成為現今台灣致力發展的再生能源,根據國際工程顧問公司4C Offshore在2014年發布的全球「23年平均風速觀測」研究中發現,全球風況最好的20處離岸風場,台灣海峽就占了16處,前十名中有9處在台灣領海。2010年美國太空總署(NASA)利用遙感探測資料發現台灣彰化外海是全球罕見的優質風場(第二期能源國家型科技計畫,2018)。
筆者希望讓學生認識風力發電及離岸風力發電的異同及優缺點,對於台灣新興能源能有更深入的認識,並藉由風力發電機變因的探究與實作教學,引導學生建構探究學習歷程,藉由觀察與實驗解釋科學現象。
風力發電機探究式教學教具
風力發電機探究式教學教具(見圖1)係利用3D列印設計扇葉轉子,此扇葉轉子(見圖2)可立即組裝拆卸元件改變扇葉葉柄排列方式、角度、數量等變因,也可以黏貼紙板改變扇葉面積、形狀等變因,增加學生探究實驗學習操作的變項,探討不同變因對於風力發電的效能影響,將扇葉轉子黏貼於發電馬達上,當扇葉受力時發電馬達便會開始轉動,搭配麵包板及LED燈電路,讓學生直接觀察到風力發電讓LED發亮的效果,再利用雷射切割製作出風車外底座。學生可根據變因找出實驗中的自變項、應變項等,經由探究的過程,嘗試改變不同的變因與變量,尋找出發電效果最好的風力發電機模式。風力發電探究式教具可以探討的變因如表1。
圖1.風力發電探究式教具
圖2.扇葉轉子及扇葉葉柄
表1.風力發電探究式教具可以探討的變因
一、改變葉片數量進行探究
如圖3,藉由改變葉片數量進行風力發電機發電效能探討,學生可以嘗試改變葉片數量,記錄不同葉片數量產生的發電效果,進行分析與討論,並提出發電成效最好的葉片數量。
圖3. 改變扇葉葉片數進行探究
二、改變葉片排列方式進行探究
如圖4,藉由改變葉片排列方式進行風力發電機發電效能探討,學生可以嘗試改變葉片排列方式,記錄不同葉片排列方式產生的發電效果,進行分析與討論,並提出發電成效最好的葉片排列方式。
圖4.改變扇葉葉片排列方式進行探究
三、改變葉片角度進行探究
如圖5,此風力發電機扇葉轉子可以讓葉柄進行轉動,因此可以改變扇葉與風向的角度,藉由改變扇葉的角度進行風力發電機發電效能探討,在此可訓練學生如何量測扇葉角度的能力,學生可以嘗試改變扇葉角度,記錄不同葉片角度產生的發電效果,進行分析與討論,並提出發電成效最好的葉片角度。
圖5.改變扇葉與轉子面的角度進行探究
四、改變葉片形狀進行探究
如圖6,藉由改變扇葉葉片的形狀進行風力發電機發電效能探討,學生可以嘗試改變扇葉葉片的形狀,記錄不同葉片形狀產生的發電效果,進行分析與討論,並提出發電成效最好的葉片形狀。
圖6.改變扇葉葉片形狀進行探究
五、自行設計葉片及組裝葉柄達到最好的發電效果
如圖7,學生在進行一連串的探究活動後,藉由探究過程的發現,推測可能影響風力發電的變因,並尋找出發電效果最好的可能因素,最後改良風力發電機,設計出發電效果最好的風力發電機,並進行解釋與討論原因。
圖7.學生進行探究後設計的風力發電機扇葉
風力發電探究式教學
在風力發電探究教學課程開始之前,筆者透過簡報介紹了現今台灣重要的再生能源,並針對風力發電與離岸風力發電進行介紹。課程中教師藉由不斷地提問,引導學生進行思考與討論,例如:可提問問題如下:
生活中有什麼機器會使用到扇葉?
扇葉的形狀及數目又是如何?
這樣設計的目的可能原因是?
筆者也針對風力發電機的構造進行介紹,讓學生觀察現今風力發電機的樣態,並探討可以如何設計及改良風力發電機,希望在教師的引導下,能建立學生先備知識及對風力發電機的認識。
探究課程開始時,筆者提供了許多探究變因所需的器材,讓學生從器材中自行選擇想要探究的變因並自行寫下本次實驗的操縱變因、控制變因及應變變因等,再進行實驗設計。課程開始時學生較多選擇葉片數量與葉片長短等較容易發現的變因,隨著扇葉的拆裝及實驗後,部分學生開始發現葉柄可以自由轉動,部分學生選擇改變扇葉角度進行探究活動。在每一次的探究活動後,筆者引導學生進行結果討論,探討那一個變量能讓風力發電效果最好,並進行解釋。
經過了三次改變不同變因的探究活動後,由學生根據先前的探究活動,設計出發電效果最好的風力發電機扇葉,並寫下設計理念與根據後,再進行測試。最後上台發表各組的設計理念及研究成果(圖8)。
圖8.學生透過不斷的實驗與同儕討論完成探究活動
活動紀錄
在探究與實作學習單中,筆者規劃了兩項要觀察的應變變因,分別是「觀察扇葉轉動速率快慢」及「風力發電機可以讓幾顆LED發光」,希望透過這兩個應變變因的測量紀錄,讓學生選擇正確的量測方法,並瞭解到進行正確地記錄也是探究活動中不可或缺的能力。此外,透過探究與實作學習單,協助學生建立科學探究的學習歷程(圖9),亦期望能從實驗分析、設計、記錄、解釋等過程,培訓學生能獨立完成探究活動。
圖9.學生按部就班建構科學探究的歷程
在活動最後學生設計了效果最好的風力發電機,從中會發現學生在經歷過三次改變控制變因的探究活動後,能找出探究活動中效果較好的變因與變量(圖10),並在最後設計風力發電機的扇葉時,進行改良。
圖10.學生藉由探究實驗找到不同變因時效率最好的變量進行扇葉設計
教學省思
要培養學生問題解決及探究實作的能力,透過探究實驗可以讓學生經歷科學研究的過程。有別於以往課本中的驗證式實驗,探究式實驗課程需要花費教師更多的時間與心力準備課程,無論是操縱變因的設計、應變變因的選擇等,都是教師需要花費更多心力的地方。
在課程開始前,筆者本來擔心理化學習較弱的學生,對探究課程會沒有興趣,但在課程實施的過程中,發現平常程度好的學生,很容易受到理論或生活連結的框架影響,會受限於理論的結果而設計實驗。反觀平常程度不佳的學生,對於探究的過程有更寬廣的自由度,不受限於任何理論,而是在實作過後,找尋解釋實作結果的可能原因,在這過程中也看到了其問題解決能力及實作能力的展現。筆者也期待未來在考試或者教學方式上,可以漸漸藉由探究與實作培養學生問題解決的能力,讓考試不再只是知識層面的題目,能夠融入更多的能力試題,以達到十二年國教素養導向的宗旨。
筆者在教學時常常受限於要教授給學生的學科知識很多,但授課時數很少的窘境,而無法經常採用探究式教學。探究式教學往往需要花費較多的上課時間,驗證出一個簡單的結果,但在探究的過程,學生能學到的是帶得走的能力,在這次的風力發電機探究與實作課程中,筆者深刻感受到學生在探究過程中對學習的樂趣,也期許未來能讓學生有更多探究與實作的機會,藉此將自身經驗分享給各位讀者。
後記
筆者在完成風力發電機探究教學後,繼續研究與理化課程相關的探究式教學,並設計了其他探究式實驗活動,例如摩擦力、彈力等。在設計過程中,筆者認為只要能夠有多個變因與變量的探究實驗,都能設計成探究與實作課程,讓學生從許多的變因及變量中,藉由實作找到最好的實驗結果並進行探討。探究課程最迷人的地方莫過於是沒有一定的答案,更重要的是探究的過程及探究結果的解釋。
參考文獻