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Arduino色散、折射、全反射實驗創作過程分享

文/張敏娟、吳翼翀 本文背景 2020 年12 月13 日，在台北市科教館一樓大廳前，聚集了許多參加2020第三屆全國科學教具創意設計競賽的參賽選手們。經過了一天的決賽之後，大家坐在椅子上等著公布名次，依照慣例，壓軸放在最後。司儀：現在宣布最佳人氣獎，獲獎的是…，接著宣布佳作、第三名、第二名，眼看只剩下最後兩個獎項，突然間聽到司儀喊了我們，意外獲得了第二名 (圖一)。 圖1.2020 第三屆全國科學教具創意設計競賽，獲得第二名的照片。頒獎者為台師大駱芳鈺教授（左），吳翼翀（中）與指導教授張敏娟（右）。 一、研究光學實驗的起因 設計這個作品時，主要想讓有興趣接觸幾何光學的學生們，用簡單的方法與工 具，以幾百元就可以做出普物實驗室等級的光學實驗。整個實驗的架構示意 圖，如圖二，左邊是Arduino模組、可變電阻、電阻、LED、麵包板，組成光 源。中間是自製單狹縫盒子。右邊是白板、自製量角器、半圓柱透鏡。我們利 用Arduino開發模組（圖三），透過程式撰寫（附錄），將Arduino腳位以 PWM(脈寬調變)的方式調整輸出電壓（圖四），進而控制LED的亮度。用直徑 5mm的LED做為光源（圖五），除了便宜、小巧、好固定，還容易置換成不 同顏色的LED。 圖2.實驗架構圖。左邊是Arduino模組與可變電阻、麵包板、電阻、LED組成光源。中間是自製單狹縫盒子。右邊是白板、自製量角器、半圓柱透鏡。 圖3.使用的Arduino開發模組，由江翠國中賴雲立老師所設計。 圖4.將Arduino腳位以PWM(脈寬調變)的方式調整輸出電壓。 圖5.用直徑5mm的LED做為光源（左），接上Arduino模組發光（右）。 二、單狹縫盒子設計 一開始用簡單的盒子，上面固定LED燈，後方加一個厚紙板做成單狹縫，過濾 LED燈所發出的光，但是LED光源的發散角很大，於是改用珍珠板，切割後用 保麗龍膠黏成長方形的盒子（圖六），盒子前方黏上兩塊方形板子，形成一個 單狹縫，另一個方形板子挖一個洞放LED（圖七）。這個珍珠板盒子過濾光源 的效果優良，組裝又簡單。 圖6.以珍珠板切割後，用保麗龍膠黏成長方形的盒子。 圖7.黏上兩塊方形板子，形成一個單狹縫（左），挖一個洞放LED（右）。 三、光路測量設計 在網路上找到無版權的量角器圖片，影印下來黏在厚紙板上，小心的裁切厚紙 板，就完成一個量角器。量角器下方放一個白板（圖八）。 圖8.光路測量設計。打開電源後，以可變電阻調整給LED的電壓（左），光 通過單狹縫之後，射出路徑可由自製量角器觀察（右）。 四、實驗內容 實驗分成兩個部分，一個是色散與折射，另一個是全反射。 1.關於色散與折射實驗，已知空氣的折射率，我們藉由觀察入射角跟折射 角，理解Snell定理， 。若要找出半圓柱透鏡的折射 率，以入射角為操縱變因，折射角為應變變因，透過數據分析 。知道探究原理之後，開始實作。想要改變入射光與半圓柱玻璃透鏡表面 的夾角𝜃"，有兩種辦法，一種是旋轉入射光源保持半圓柱玻璃透鏡不動，另一 種是反過來，旋轉半圓柱玻璃透鏡而保持入射光源不動。兩者相比，旋轉入射 光源太麻煩，而旋轉半圓柱玻璃透鏡卻非常簡單，所以我們採用後者。從0 度 開始，旋轉半圓柱玻璃透鏡，為了更好控制旋轉以及避免量角器滑動，我們加 上了一個圓形小磁鐵，讓小磁鐵同時吸住量角器與白板（圖九）。半圓柱玻璃 透鏡旋轉時，其實是透過旋轉量角器一起帶動，讓光的入射角每次增加10度， 觀察對應的折射角度，記錄於實驗表中（表一）。再把實驗表的數值輸入 execl，得出𝑛"的擬合斜率（圖十）。因為光會色散的關係，寫實驗數據時，紀錄 白光的中間位置角度，將白光色散的角度當作系統誤差值，一起紀錄。之前試 過壓克力稜鏡，色散的角度較大，光也較暗，因此捨棄不用。 圖9從0度開始，旋轉半圓柱透鏡，觀察入射角與折射角（左）。右圖為壓克 力稜鏡，色散的角度較大，光也較暗，測量誤差較大。 表一.同時驗證Snell’s Law 與光的可逆性。半圓柱玻璃透鏡旋轉，觀察對應的 折射角度。左邊表格，光從密介質到疏介質，右邊表格是為了驗證光的可逆 性，反過來，讓光從疏介質到密介質。 圖10.以線性函數擬合的半圓柱玻璃透鏡折射率，。 2.關於全反射實驗，跟上一個折射實驗類似，只不過這次我們用了紅色、綠 色、藍色玻璃紙，產生紅光、綠光、藍光，慢慢旋轉半圓柱玻璃透鏡，直到折 射光不見了，記錄此時全反射的臨界角度，如圖十一。以Snell定理推估此時的 半圓柱玻璃透鏡折射率，跟上一個實驗比較（表二），結果與白光差異在2% 以內，達到普物實驗的水準。（改用紅光、綠光、藍光LED也可以） 圖11.全反射實驗，旋轉半圓柱玻璃透鏡，直到折射光不見了，記錄此時全反 射的臨界角度（左）。以全反射計算透鏡折射率的推導過程（右）。 表二.紅光、綠光、藍光，產生全反射臨界角的角度。跟折射實驗的白光結果 1.5377相比，。表中結果表 示，差異在2%以內。 問題與討論 一、 為什麼紅光的臨界角最大，而藍光的臨界角最小? 折射率n 跟光波的速率有關，不同顏色的光波，波速不同，折射率也不同。 折射率 ，𝒄為光速= ，𝒗為光波在介質中的速率。 紅光能量最小，波長最長，波速最快，折射率n 較小，因此臨界角較大。 藍光能量最大，波長最短，波速最慢，折射率n 較大，因此臨界角較小。 二、 為什麼在色散實驗中，藍光偏折角度最大，紅光偏折角度最小? 同上一題，藍光的波速最慢，紅光波速最快，所以藍光的折射率比紅光的折射 率大， ，代表藍光或是紅光的折射率， 為空氣的折射率= 𝟏。 。在相同入射角𝜽𝟏下，越大 也越大， 越大的值也越大。 在色散實驗中，藍光的折射角最大，所以偏折角度也最大。紅光的折射角 最小，所以偏折角度也最小。 附錄 Arduino 開發板驅動程式碼如下： #include //引用程式庫 LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 3); //16列4行 byte potPin = A0; //analog腳位 byte ledPin = 5; //nano可以PWM的腳位 int potValue = 0; //設定A0讀取變數為potValue，類比輸出值 byte analog = 0; //儲存轉換範圍值 double V = 0; //全部都能用double來，可以取很多小數點 boolean state = 0; //宣告一個按鈕狀態的變數 void setup() { pinMode(4,INPUT_PULLUP); //特定輕觸型按鈕要打INPUT_PULLUP /////////////////////////////////////////////// lcd.begin(); //開始 lcd.home(); //游標設定在原點 lcd.setCursor(0,0); //游標設定在(0列,0行),可選擇一個用就好 lcd.print("Hello"); //標好游標後輸出文字 delay(500); lcd.setCursor(1,1); //游標設定在(1列,1行) lcd.print("Wellcome to System"); //接再"hello world"後輸出文字 delay(800); lcd.clear(); //lcd螢幕清除 /////////////////////////////////////////////// pinMode(ledPin, OUTPUT); //led腳位輸出 Serial.begin(9600); //讀取數值速度(鮑率) ////////////////////////////////////////////// } void loop() { potValue = analogRead(potPin); //讀取A0的值代入 analog = map(potValue, 0, 1023, 0, 255); //0~1023是Arduino輸入的範圍， 0~255是調整範圍 Serial.print("analog="); //電腦監控視窗跑的數字 Serial.println(analog); //電腦監控視窗跑的數字 ///////////////////////////////////////////////////////// analogWrite(ledPin, analog); //給led輸出多少 ///////////////////////////////////////////////////////// lcd.setCursor(0,0); //lcd游標再(0列,0行) lcd.print("analogRead="); //lcd顯示"analog=" lcd.print(int(analog)); //lcd在"analog="後顯示變數analog，記得用 double之類的 ///////////////////////////////////////////////// V =(double(analog))*5/255; //要把0~255數值轉換成輸出電壓0~5V lcd.setCursor(0,1); //lcd在(0列,1行) lcd.print("Output V="); //lcd顯示"Output V=" lcd.print(V); //在"Output V="後顯示V的數值 Serial.print("V="); //電腦監控視窗跑的數字 Serial.println(V); //電腦監控視窗跑的數字 delay(50); lcd.clear(); //////////////////////////////////////////////// boolean state = digitalRead(4); //設定一個變數測量狀態 Serial.print("state="); //顯示變數結果 Serial.println(state); //顯示變數結果 if (state == 0) { lcd.setCursor(1,2); lcd.print("push!"); } ///////////////////////////////////////////////////// } 張敏娟 指導教授 輔仁大學物理系 副教授 吳翼翀 學生 輔仁大學物理系 光電物理組 四年級

跨域學習探究實作課程之教材教法—光學篇

文/謝甫宜 壹、前言 十二年國民基本教育課程綱要總綱(以下稱108 新課綱)各領綱已於108 年8 月施行。108 新課綱在自然領域中更著重素養導向教學與探究實作課程發展，以作 為台灣基礎科學教學之根基。但是，以目前台灣中小學普遍仍以考試成績或國中 教育會考為導向的教學，許多任教自然領域教師在教學上，或因不熟悉素養導向 理念與探究實作課程、過度偏重板書與講述法教授自然學科的教學型態、或因囿 於實驗設備不足、不易改變慣用的教學模式等因素，以致學生不易理解抽象或艱 澀的科學概念，也降低了科學學習動機。 再者，許多各出版社發行的科學遊戲叢書，或網路上可蒐尋到的眾多科普活 動，這些偏向以「科學啟蒙」為本位的書籍與活動，固然生動有趣可增進學生學 習興趣，然而這些遊戲式的科普活動卻多獨立於教科書所教導的教學內容之外， 也難以結合該階段學生的科學學習與評量內容，尤其這些科學遊戲與科普活動也 不以「科學概念為本位」，而缺乏自然領域學習的邏輯與脈絡，也僅止於採用食 譜式實驗觀察有趣的自然現象，無法進一步提供讀者探索變因、深入較高層次的 推理思考或生活應用。 綜觀上述關於新課綱在教師教學、學生學習與評量等三方面的困境，我們或 可不侷限於自然領域教學之範疇、跳脫教學型態之窠臼、並結合時事與生活情 境，定錨於每一項教科書中的教學單元或核心概念，採用「跨域學習進行探究實 作課程」而發展有趣又富認知性的教材教法，不僅能提供學生具有廣度的學習與 提升學習動機，也能緊扣住教科書中核心概念的教與學，如此便能兼顧趣味與多 元化的教學、生活情境化的學習以及評量。 筆者近20 多年來發展許多科普活動，因著新課綱在這4 年來逐步將這些已 動手做或趣味本位的科普活動予以精緻化與量化，轉換成在國中小課室內可實踐 探究實作課程之教學心得與實例，作為拋磚引玉提供予自然領域教師參考。 貳、光學探究實作課程之教材教具 菲涅爾透鏡(如圖1 與圖2 所示)、6 色手指燈、光柵(如圖3 所示)、合光稜 鏡(如圖4 所示)、可見光的光譜圖。 叁、光學探究實作課程之教材教法 一、菲涅爾塑膠鏡片(Fresnel Lens) （一）菲涅爾塑膠鏡片之簡介 菲涅爾透鏡（Fresnel lens），又稱為螺紋透鏡，如圖5 與圖6 所示！此種透鏡 由法國物理學家Fresnel 發明的一種類似凸透鏡的鏡片。此設計原來被應用於可 建造(1)大孔徑、(2)重量與體積小、(3)材料用量少、(4)焦距短、(5)更薄之燈塔。 因此，可傳遞更多的光，使得燈塔即使距離相當遠仍可看見。相比傳統的球面透 鏡，菲涅爾透鏡將透鏡劃分出稱為「菲涅爾帶」的眾多同心圓紋路，以達到相同 的光學效果，同時節省了材料的用量，缺點為成像品質下降許多。 （二）菲涅爾塑膠鏡片之教學運用—凸透鏡的成像性質與光的三原色 1.尋找焦距與焦點以及實像與虛像的教學 方法1.以「窗外景色」為光源 將室內燈光關掉，讓學生調整菲涅爾透鏡與屏幕 (例如牆壁或白紙)之距離， 試著在屏幕成一清晰的「倒立的縮小實像」。因為菲涅爾透鏡的「焦距」遠小於 「窗外風景與菲涅爾透鏡的距離」，物距可視為無窮遠，故可視為「菲涅爾透鏡 與屏幕之距離」=像距(且近似於焦距)。 若進一步以實驗室裡的「凹透鏡」，演示無法將窗外景物的光線會聚在屏幕 上，但是透過凹透鏡卻能看見窗外景物，這種無法在屏幕上成像卻看得見的像就 稱為「虛像」。 方法2.以教室內「日光燈」為光源 因為菲涅爾透鏡的「焦距」遠小於「日光燈與透鏡之間的距離」，讓學生調 整菲涅爾透鏡與桌面上「作為屏幕的教科書或白紙」的距離，物距可視為無窮遠， 故可視為「菲涅爾透鏡與屏幕之距離」=像距(且近似於焦距)。 方法3.以「手指燈或手電筒」為光源 將室內燈光關掉，讓學生分組並由一位學生手持手指燈或手電筒為光源，調 整菲涅爾透鏡與屏幕(例如牆壁或白紙)之距離，試著在屏幕聚光成一清晰的「亮 點」。此「亮點」即為焦點，而屏幕上之「亮點」位置與菲涅爾透鏡之距離=焦距。 而且手持手指燈或手電筒為光源的學生離透鏡愈遠，相當於物距愈遠，屏幕上之 「亮點」愈小、愈清晰！ 也可以讓學生單人操作，一手高舉手指燈(或手電筒)、一手持菲涅爾透鏡， 當高舉的手指燈(或手電筒)離菲涅爾透鏡愈遠，菲涅爾透鏡逐漸靠近桌面時，相 當於物距愈遠，桌面上之「亮點」愈小、也愈清晰，如圖7 所示。 進一步將物距與像距「量化」的教學方法:亦即將長尺橫放，屏幕與手指燈或 手電筒置於透鏡兩側，這時學生會發現，當物距愈遠，亦即手指燈光源與凸透鏡 (或菲涅爾透鏡)距離愈遠，調整透鏡與屏幕的適當距離，就能看見非常清楚明亮 3 的焦點，如圖8 所示。 方法4.以「投影機的強力燈光」為光源 教師直接以「投影機的強力燈光」為光源，調整菲涅爾透鏡與投影屏幕之距 離，試著在屏幕聚光成一清晰的「亮點」。此「亮點」即為焦點，而屏幕上之「亮 點」位置與菲涅爾透鏡之距離=焦距。 若進一步以「凹透鏡」教學演示，則無法將「投影機的強力燈光」會聚在屏 幕上，而且整個強光被凹透鏡給發散了，投射在屏幕上的光線也變得更模糊！但 是，我們如果透過凹透鏡卻仍可看見「投影機的強力燈光」，這種無法在屏幕上 成像卻看得見的像就稱為「虛像」。 澄清迷失概念:許多學生從方法1，會認為「以窗外景色為光源的照度太弱」 以至於光線無法透過凹透鏡在屏幕上成像。但是，藉由此教學方法4 與上述方法 1 進行比較，即使採用方法4 之投影機投射的燈光，遠比方法1 以窗外景色為光 源的照度強數倍，經由凹透鏡的發散，仍無法在屏幕上成一個清晰的像。 方法5.以「太陽的日照」為光源 讓學生到戶外，以「太陽的日照」為光源，即物距(太陽與菲涅爾透鏡的距離) 視為無窮遠，調整菲涅爾透鏡與地面上的衛生紙之距離，試著在衛生紙上聚光成 一清晰的「亮點」。此「亮點」即為焦點，而衛生紙上之「亮點」位置與菲涅爾 透鏡之距離=焦距，這時衛生紙塗黑部分可能燃燒。 如果陽光強烈時，將衛生紙中央部分以黑色白板筆塗黑，這時衛生紙塗黑部 分更容易燃燒。 2.凸透鏡成像性質教學應用 筆者在教學之前習慣先讓學生自行拿著菲涅爾透鏡「自由探索」，無需急著 教導正確的科學概念，待其探索後，根據筆者的教學經驗，通常學生「自然而然」 衍生以下幾個問題: (1)為什麼將透鏡貼著眼睛觀看，看到的景象都是「正立又模糊」的影像呢？ (2)為什麼將透鏡逐漸遠離眼睛看同一物體，又變成「倒立的縮小」影像呢？ 細心的學生也會觀察到遠方物體，不僅「上下顛倒」還「左右相反」呢？ (3)承上述，為什麼透鏡在某一位置上，觀察的物體「消失」呢？ 從上述提供學生自由探索之後，學生具備了一些操作經驗並發現問題，教師 再逐一提出討論與說明科學概念。但是，假如學生無法提出上述問題，也可以由 教師「引導」他們觀察，例如以下「探索式的指導語」: (1)你先「將透鏡貼著眼睛」看教室裡遠方的時鐘，你發現什麼現象？ (2)你慢慢「將透鏡遠離眼睛」並注視遠方的時鐘，你發現什麼現象？ (3)你將透鏡遠離眼睛並慢慢靠近課本的字，有沒有發現什麼現象？ (4)你將透鏡慢慢靠近課本，透鏡與課本在某個距離，課本好像消失了！你發現了嗎？為什麼呢？ (5)你將透鏡慢慢靠近隔壁桌同學的眼睛，有沒有發現什麼現象？ ＊參考解答，如附件一之1 所示 從上述第1 點可求得菲涅爾透鏡的焦距，進一步學習「物距對於成像性質與 像距」之影響。例如: (1)觀察非常遙遠的物體—成像性質:＿＿＿、＿＿＿、＿＿＿。 (2)觀察焦距與兩倍焦距間的物體—成像性質:＿＿＿、＿＿＿、＿＿＿。 (3)觀察兩倍焦距上的物體—成像性質:＿＿＿、＿＿＿、＿＿＿。 (4)觀察焦點上的物體—成像性質:＿＿＿。 (5)觀察焦距內的物體—成像性質:＿＿＿、＿＿＿、＿＿＿。 ＊參考解答，如附件一之2 所示 3.凸透鏡運用於光的三原色與會聚白光的教學應用 首先，提供每一組或每一位學生「可見光之光譜圖」，如圖9 所示。 可見光的「七種色光之波長」比較為:紅光>橙光>黃光>綠光>藍光>靛光>紫 光。透過光柵來觀察白光，即類似彩虹形成的概念，波長愈長的色光會呈現在最 外圈，反之，波長愈短的色光會呈現在最內圈，如圖10 所示。 如圖10 所示，將紅、藍、綠共三色手指燈同時照射凸透鏡或菲涅爾透鏡時， 如果三色光的強度或照度相當，將藍光放在距離凸透鏡(或菲涅爾透鏡)最遠處、 其次為綠光、紅光距離透鏡最近，則能發現三色燈在屏幕上可以會聚成白光！ 1.將藍光移開，則只留下紅光與綠光，在透鏡背後的屏幕上會聚成黃光！ 2.將紅光移開，則只留下藍光與綠光，在透鏡背後的屏幕上會聚成青光！ 3.將綠光移開，則只留下藍光與紅光，在透鏡背後的屏幕上會聚成洋紅色光！ 進階探究實作活動: 1.以洋紅色光與綠光兩種色光經凸透鏡亦可會聚成白光！如圖11 所示。 2.改以黃光與藍光兩種色光經凸透鏡亦可會聚成白光！如圖12 所示。 請學生解釋為何上述兩種色光也能夠約略地會聚成白光呢？ ＊參考解答，如附件一之3 所示 進一步說明: 人類的色錐細胞(錐狀細胞)主要感應紅藍綠三種顏色，紅光與綠光並非可以 組成或會聚成黃光，而是兩種色光的疊加結果「等效」於我們所認知的黃光，因 為我們所認知的色彩，不僅受到色光刺激色錐細胞所產生的「色覺」，同時也受 到大腦對於色彩的解釋，更何況色光的頻譜範圍較大(不存在單一波長的色光)、 背景顏色(若非全黑的環境之光害的影響)等因素，皆影響我們對於顏色的判讀。 二、光柵與合光稜鏡的教學應用 （一）光柵的性質 複合光投射到光柵各刻槽之衍射又相互干涉就會色散成單色光。光柵每 單位長度內的刻痕數量決定於分光的波長範圍，單位長度內的刻痕多，色散 度越大。光柵的分辨本領決定於刻痕多少。一般所說的「光柵」是指利用繞 射對光進行調製的「繞射光柵」，本實驗所使用的光柵就是屬於一種「繞射 光柵」。例如，白光被色散成七種色光，如圖13 與圖14 所示。但是，如果 有多個不同色光的點光源，則紅光、藍光、綠光等三種色光幾乎不會色散， 呈現單一色光，而且會呈現清晰的多個圖案成像，如圖15 所示。 （二）光柵的色散性質教學運用 採用有趣的光柵圖像作為教材融入教學，不僅相當「吸睛」能提升學生 學習動機與興趣之外，更能藉由探究實作活動的設計提供學生理解「光的三 原色」以及色散等概念。 1.分別將紅、綠、藍三色手指燈放置在遠方，便可視為「點光源」，以光柵 貼著眼睛觀察遠方的紅、綠、藍三色光則會發現，紅、綠、藍三色光都 不會色散，可視為「單色光」。 2.改將洋紅色、黃、白三色手指燈同樣放置在遠方，再以光柵貼著眼睛觀察 遠方的此三色光則會發現: 3.由教師改用雷射筆照射光柵，雷射光在光柵的各刻槽產生繞射與干涉的結 果就能夠將光柵裏頭的圖案投射在屏幕上！ 注意:上述活動建議由教師操作，不宜由學生來使用。 4.進階說明「為何透過光柵觀察白光時，色散後的色光由外而內分別為紅、 橙、黃、綠、藍、靛、紫七種色光」呢？ ＊參考解答，如附件一之4 所示 （三）合光稜鏡的性質 現代所使用投影機裏頭的合光稜鏡，是由四顆三角柱組成的四方體。為 了避免黏著部份的濾光鏡面之對位不正確所造成的暗線及重影，需要很高的 加工精度及黏接技巧。其實合光稜鏡涉及光的干涉性質而分光，因本篇文章 主要應用於國中小自然科教學並限於篇幅字數，故僅就其教學應用加以說 明，至於較複雜的概念就不再詳述。 （四）合光稜鏡之色散與合光性質的教學運用 教學方法1.以白光通過第一顆合光稜鏡色散後，使之折射產生藍光、黃光、綠光三 種色光。如圖16 所示。 教學方法2.再將色散後的黃光通過第2 顆合光稜鏡，並且轉動第2 顆合光稜鏡，檢 視黃光色散後的色光顏色，如圖17 所示。 探索結果:1.白光經第1 顆合光稜鏡:白光色散成藍光、綠光與黃光；2.黃光 經第2 顆合光稜鏡:黃光色散成綠光與紅光。 教學方法3.先以第一顆合光稜鏡分別色散出藍光、綠光與黃光後，再以另 一顆合光稜鏡測試上述三種色光是否會色散? 探索結果1:不論如何轉動角度，藍與綠光不色散，黃光色散紅光與綠光! 探索結果2:白光經合光稜鏡(左側)色散產生紅綠藍三道色光，再將藍光通 過另外一顆合光稜鏡(右側)時，不論合光稜鏡如何轉動也不會色 散其他色光。 教學方法4.白光經合光稜鏡色散紅光，以另一合光稜鏡測試紅光是否色散? 探索結果:不論另一顆合光稜鏡如何轉動角度，紅光不會色散! 肆、結語 許多在教學現場的自然領域教師，面對108 新課綱所著重「素養導向教學」 與「探究實作課程的發展」，不僅感到不知如何設計活動或課程，也常因無法尋 得有趣又能結合教科書內容的教材而感到困擾，既憂慮每週有限的3~4 堂理化課 進度不足與隨之而來的段考壓力，又想發展生動活潑的探究實作活動或校本課 程。或許，可從本文所提供的跨域教材與教法之簡介，獲得一些課程設計上的靈 感與啟發。 以本文所舉之光學單元教材教法為例，雖然教科書所附實驗記錄本能針對如 透鏡成像、色散與光的三原色等核心概念，提供學生實作而加以驗證，但是這些 食譜式實驗缺乏更開放的操縱變因提供學生探索，便難以增進學生更高層次的推 理思考，也無法提升學生的科學學習動機與生活情境的科學應用。 因此，如能定錨於教科書所應教導的核心概念，透過跨領域的教材研發並配 合教學方法的改變，除了有別於單一變因、枯燥與制式的食譜式實驗，而提升學 生的學習興趣之外，更能進一步擴增其科學學習的廣度與深度。希冀藉由本文的 拋磚引玉與科學同好們一起為台灣的科學教育而努力。 附件一 「附件一之1」參考解答 (1) 無法成像(眼睛只看到模糊的像) 。 科學解釋:因為眼睛的水晶體雖然屬於變焦系統，但是透鏡貼著眼睛仍無法 在視網膜上成像！ (2) 時鐘成縮小的倒立像(實像) 。 (3) 課本的字體放大且正立(虛像) 。 (4) 無法成像 (或成無窮大的正立虛像) 。(無法在屏幕上成像) (5) 同學的眼睛變大(正立的虛像) 。 「附件一之2」參考解答 (1) 縮小 、 倒立 、 實像 。 (2) 放大 、 倒立 、 實像 。 (3) 等大小(等高) 、 倒立 、 實像 。 (4) 無法成像 (或成無窮大的正立虛像) 。(無法在屏幕上成像) (5) 放大 、 正立 、 虛像 。(無法在屏幕上成像) 「附件一之3」參考解答: 1.洋紅色光等效於紅光與藍光組成的色光，加上「綠光」即可會聚成白光！ 2.黃光等效於紅光與綠光組成的色光，加上「藍光」即可會聚成白光！ 「附件一之4」參考解答: 因為可見光的「七種色光之波長」比較為:紅光>橙光>黃光>綠光>藍光>靛光 >紫光。類似彩虹形成的概念，波長愈長的色光會呈現在最外圈，反之，波長愈 短的色光會呈現在最內圈。 謝甫宜 高雄市立陽明國中理化教師 中華民國物理教育學會副秘書長

以數學建模在STEAM教育中創價數學文化

文/楊凱琳 由於近年來科技與人工智慧的快速發展，改變不僅僅是人們的生活模式，還有職場上需要複雜且創新的技能。為了符合未來社會環境的需求，數學教育學者以減少學校與社會的落差為目標提出因應方針。其中，數學建模即是一個有效的教學模式。此外，整合科學、科技、工程、藝文與數學 (Science, Technology, Engineering, Art and Mathematics, STEAM)或整合科學、科技、工程與數學(STEM)的教學取向也已納入許多國家的課程改革中，成為促進21世紀技能的重要教育目標之一。本文將以STEAM表示STEAM與STEM。 在STEAM整合教育的潮流中，許多學者也紛紛投入STEAM教育的相關研究。例如：STEAM的學習歷程與成果(Kang, 2019; Perignat, & Katz-Buonincontro, 2019)、STEAM技能或素養的評量(Gao, Li, Shen, & Sun, 2020)、STEAM師資培育與教師專業發展(Booher, Nadelson, & Nadelson, 2020; Chai, 2019; Rinke et al., 2016)等。雖然有些研究已表示STEAM整合的教學是有利於提昇學生的數學學習動機與應用能力；但是較少研究探討如何透過STEAM教育促進數學概念發展以及如何透過數學教育來提昇STEAM技能與素養。本文即欲提出除了強調數學是其它理工學科的基礎或工具應用外，還可以採用數學文化的觀點與STEAM其他學科整合。 十二年國教課綱中數學素養的基本理念除了培育學生能使用數學工具外，也強調「數學是一種實用的規律科學，教學宜重視跨領域的統整。」與「數學是一種人文素養，宜培養學生的文化美感。」。前者意指數學教育的目標不僅限於數學領域內的連結，也需兼顧數學與其它領域的整合以應用於現實中。後者則表明數學涉及人文藝術亦是一種人類的活動，不局限於抽象性和驗證性的數學成果。如同Kimberly Elam著作的《設計幾何學》，以幾何觀點預想、察覺或反思設計過程，除了創新設計外也藉以觀察體現自己與作品的真正價值。 以數學文化的價值之觀點反思數學在STEAM教育中的角色時，我們所要關注的不再是數學知識與工具等數學產物，而是數學的發展歷程。因為數學文化即是人類發展數學的歷程所累積與延續而成，數學價值即在累積與延續的創新與應用過程中得以窺見。現象是啟動數學發展的要素之一，而數學思維則是解讀現象並且進一步形成與解決現象中的問題之推手。例如：科學與工程中常遇見的費米問題(Fermi problems)，是有關於數量估算的問題。這類的問題需要在不足的資訊中形成合理的假設並進行估測；有時還需要將原本的大問題分解成若干個或不同層面的問題，先各個估算後再進行整合。一個經典的費米問題是估測芝加哥有多少位鋼琴調琴師，為了解決這個問題，需要先提出若干假設或問題，例如：平均每個家庭的人口數、平均多少家庭擁有一檯鋼琴等，為了更精準的估算也可能調整假設或測量方法(Efthimiou, & Llewellyn, 2007)。而這樣在現象中以數學思維形成與解決問題的歷程也可視為數學建模歷程。 首先，建模中的模式是一個包含被操作的元素(例如：各種植物)、操作規則(例如：依照某些特性將植物分類)及元素或規則間具關係性的系統，此系統可有效的用來描述、解釋或預測被操作的元素之運作方式；而數學模式所包含的被操作元素通常已經不同於原有的物質或狀態，改以具有一般化、特殊化或簡化後的表徵形式呈現原有的物質或狀態(Lesh, & Doerr, 2003)。數學建模歷程是一種透過瞭解、分析和探索現象來形成問題、產生猜想、建立數學模式或發展數學方法解決問題、再透過現實脈絡檢驗與釐清數學解答的有效性或進一步修改數學模式的過程 (Blum, & Leiß , 2007; Lesh, & Doerr, 2003)。也就是說，數學建模的關鍵元素可分為現實域(reality)和數學域 (mathematics)，關鍵的歷程包含在這兩個元素之間的轉變：即將現實域數學化(mathematizing)或將數學域脈絡化(interpretation)；以及在現實域中瞭解、簡化或結構情境問題或模式(形成現實問題)，在數學域中解決數學問題或探討數學模式的性質(提出數學方法)。 以圖一展示數學建模歷程的四種主要狀態與八個主要歷程，主要狀態包含情境問題、數學問題、數學解、情境解，主要歷程包含界定問題、轉化系統、發展策略、分析推測、解讀與詮釋、批判反思、評估修正、調整方向。雖然圖中所呈現的數學建模歷程有一理想上的順序，但是學生實際建模時則可能是跳越或來回的歷程(Lin, & Yang, 2005)。讓學習者在此建模過程中體驗概念化的瞭解、嘗試數學化的資訊處理、詮釋數學模式和現象間的轉化及意義應是數學建模教育的核心目標。 圖1. 數學建模歷程 如此，數學建模歷程提供學生需要在現實中界定問題，依據情境資訊將情境問題轉化成數學問題(轉化系統)，運用數量化、圖像化、函數化、程序化、結構化等數學思維在現實與數學之間搭建橋梁以形成或選用數學模式進行分析或推測，並藉由批判或反思技能檢驗數學解的有效性以及透過情境推理解釋或詮釋數學解的合理性，必要時再參考情境的需求重新評估或修改原始的情境與數學問題，或者是進一步調整或延伸原始的情境與數學問題。 國際著名數學教育研究者也共同指出數學教育應提供學生在真實世界脈絡中發展所需的21世紀技能之學習機會，包含四個主要的學習面向：(1) 察覺現象中哪裡可以應用數學，(2) 將實際問題轉化成數學問題，(3) 解決數學問題，(4) 詮釋與評估結果(Gravemeijer et al., 2017)。這四個面向與數學建模的歷程相互呼應，也突顯學習數學建模的必要性。再者，數學建模歷程包含啟動數學發展的要素之一：現象，並需要以數學思維形成與解決現象中的問題，這樣的特點也正是STEAM整合教育的一種方法：從真實問題出發。因此，本文主張透過數學建模教學應有助於在STEAM教育中體現數學文化的價值。 Bishop（1988）認為數學是具有文化底蘊與價值承載的知識，例如：東方和西方文化對數學不同的價值判斷分別發展重「演算」和重「演繹」的數學知識；而歸納猜想、演繹證明、社群辯證屬於數學知識產生的三階段，各階段的數學文化亦皆涉及價值的判斷 (劉柏宏，2016)。Ernest (2016) 也指出數學文化的價值除了真實性(truth)、理論性(rationalism)、普遍性(universalism)與客觀性(objectivism)之外，物化(objectism)、善化(ethics)、美化(beauty)與純化(purity)也是數學文化的價值。當數學建模以現象作為起點引發情境問題的形成與解決時，這些數學文化的價值更有機會在現實域、數學域與兩者間的轉化中具體實踐。 從解決真實問題出發是STEAM的跨域整合教育的方法之一，當真實問題是一種現象中的情境問題而且可運用或發展數學思維來解決問題時，即可將數學建模作為STEAM教育的一種教學模式。但是，從既有的或STEAM教育研究中，有些研究者發現數學通常不是主角，甚至只將簡單測量或數字計算視為數學的串場(English, 2015; Martin-Paez et al., 2019)。這樣的簡單測量或數字計算不同費米問題，在解決問題時並不需要藉由數學思維先形成假設或子問題的。如何藉由數學建模讓數學文化的價值在STEAM的跨域整合教學中偶爾變身成主角，以擴展學生對數學的知識觀與認識觀呢？ 針對哪些情境可製造數學模式的產生或發展，Thompson與Yoon (2007)提出六種不同的情境需求：測量、決策、複製、預測、解釋或操弄變因等，見圖2。在測量建模中，需要先瞭解系統的性質再選擇或發展測量方法的模式；在決策建模中，需要在系統的各種選擇中建立決策的方法模式；在複製建模中，需要建立一個可對應參照原系統的新系統之模式；在預測建模中，需要建立一個可從系統中預測結果的模式；在解釋建模中，需要建立一個可從結果反推系統的模式；在操縱建模中，需要瞭解如何操弄系統中的哪些變因以產生預想的結果。將系統視為聚焦或簡化的現象後，這六種情境也可作為設計數學建模活動以利數學在STEAM整合教學中扮演重要的角色以增強數學文化的價值。 圖2.六種數學建模的情境 針對各種建模需求，提供STEAM的情境範例如下： 1.測量建模：估測地球大小。從這個活動中，學生有機會發展或應用比例、平行、相似等數學概念，並需要從自然現象中形成假設並特殊化為數學模式以進行估算。在總結活動時，可比較歷史上的測量方式，深入瞭解數學在解決真實問題中化繁為簡並以簡馭繁的思維價值。 2.決策建模：評估幾種不同的發電方式，尋找既能減碳又可行的最佳組合。從這個活動中，學生有機會透過蒐集與分析資料發展或應用平均、變異、隨機與期望值等統計概念，並需要從各種發電方式中形成有關成本、污染與風險等相關假設並量化為數學模式以進行模擬評估。在總結活動時，可比較臺灣能源政策的演變，深入瞭解數學在決策過程中的理性思辯價值。 3.複製建模：製作地球的平面地圖。從這個活動中，學生有機會發展或應用球面上的直線與距離、非線性變換、球面投影等數學概念，並需要在真實與複製的系統中形成可對應的關係假設並抽象化為數學模式以進行模擬。在總結活動時，可比較不同的投影方式，深入瞭解數學在協調現實與理想中的變通與創造價值。或是近來自動駕駛的碰撞探測器之研發，即模擬蝗蟲的神經元反應。 4.預測建模：以既有已發生的新冠肺炎之相關數據，預測各國未來的個案數與致死率。從這個活動中，學生有機會發展或應用不同的統計模式，並需要在現象中歸納和個案數與致死率的相關因素再轉化成預測變數，藉由預留的結果變數之數據檢驗、比較與調整模式。在總結活動時，可讓學生探尋應用類似的統計模式解決問題之現象，並從現象中再次經驗界定與釐清問題等數學建模歷程元素，完整體驗數學文化的一般化價值。 5.解釋建模：師大數學教育中心推廣的「數字神蹟」之奠基進教室活動。從這個活動中，學生的好奇心被一個魔術現象所引動，進而想要破解該魔術暗藏的玄機，探究老師如何知道我們心中的數字，數字如何透過冥紙灰呈現出來，以及這樣的方法為什麼是有效的(算術至代數思維)。在總結活動時，可讓學生自製魔術的玄機，調整或延伸既有的數學模式，並改變數字的呈現方式，如此可具體實踐數學文化的創造價值。 6.操縱建模：改善手執滑翔機。從這個活動中，並非從做一個滑翔機開始，而是從比較一些已做好的滑翔機中探討如何以及哪個可以飛最久，並進一步思考從哪些地方改善可以作出飛更久的滑翔機。在這個活動中，學生有機會發展或應用向量、內積與三角比等數學概念。在總結活動時，可讓學生實作自己理論上的改善分析並進行檢測，除了深入瞭解現實與數學的差異，也可具體實踐數學文化的應用價值。 本文主要介紹數學建模歷程，並主張其可作為STEAM整合的教學策略以實踐數學文化的多種價值。並針對六種不同的數學建模情境需求，提供參考活動設計的想法。但是，對於在教學現場落實與檢驗活動對數學文化的知識性與認識性價值仍有待不同領域的教師與教育學者之合作。 參考文獻 劉柏宏(2016)。從數學與文化的關係探討數學文化素養之內涵─ 理論與案例分析。臺灣數學教育期刊，3(1)，55-83。 Booher, L., Nadelson, L. S., & Nadelson, S. G. (2020). What about research and evidence? Teachers’ perceptions and uses of education research to inform STEM teaching. The Journal of Educational Research, 113(3), 213-225. Chai, C. S. (2019). Teacher professional development for science, technology, engineering and mathematics (STEM) education: A review from the perspectives of technological pedagogical content (TPACK). The Asia-Pacific Education Researcher, 28(1), 5-13. Bishop, A. J. (1988). The interactions of mathematics education with culture. Cultural Dynamics, 1(2), 145-157. Blum, W., & Leiß, D. (2007). How do students and teachers deal with modelling problems. In C. Haines, P. Galbraith, W. Blum, & S. Khan (Eds.), Mathematical modeling: Education, engineering, and economics (pp. 222–231). Chichester: Horwood. English, L. (2015). STEM: Challenges and opportunities for mathematics education. 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Characterizing STEM teacher education: Affordances and constraints of explicit STEM preparation for elementary teachers. School Science and Mathematics, 116(6), 300-309. Thompson, M., & Yoon, C. (2007). Why build a mathematical model? A taxonomy of situations that create the need for a model to be developed. In D. K. Lyn, & D. English (Ed.), Handbook of international research in mathematics education (pp. 193–200). Mahwah, NJ: Routledge. 楊凱琳 國立臺灣師範大學數學系教授

「今天飛不飛？」－金門高中生活議題之探究實作課程分析

文/丁于真、李育賢、黃琴扉 你是否曾經在金門機場等待起飛時，突然廣播傳來「因濃霧影響，機場將暫時關閉」的經驗呢？為什麼濃霧時，機場就要關閉呢？什麼情況下飛機會停飛呢？ 飛機停飛、取消、延遲可謂金門航空站的日常，但這些生活常見的現象背後的原因，你曾經發出疑惑嗎？你曾經動手去找出答案嗎？現在就讓金門高中的同學們帶領我們一起體驗探究與實作吧～ 由美國提出的「新世代科學標準」（The Next Generation Science Standards，NGSS）課綱中，一開始就提到「當人們要了解時事、應用科技甚至是抉擇重要的健康照護，科學理解皆扮演重要的角色（NGSS Lead States, 2013）；換句話說，日常生活中經常需要用科學的態度與方法解決問題，而這樣的問題解決能力在環境快速變遷的當代是日益重要的。教育部（2018）在《十二年國民基本教育課程綱要－自然科學領域》也指出，科學學習的方法應當從激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學生能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力。 科學探究重視學生經由思考與實作，探究科學現象或問題，並藉此發展科學知識與理解科學概念（Minner, Levy, & Century, 2010），更進一步來說科學探究是個體運用邏輯與詮釋能力解開科學問題的過程，包含形成問題、提出假設、設計解決方案、選擇合理的解釋等等，因而被視作培養科學素養的有效方法（Windschitl，2003）。美國國家科學研究委員會 (National Research Council)也曾指出探究是多面向的活動：觀察、提問、以所知概念及實驗資料檢視資訊，使用工具蒐集、分析、解釋資料，提出解答、解釋、預測並溝通所獲得結論。探究需提出假設、使用批判、邏輯思考、及溝通不同的觀點（National Research Council [NRC], 1996）。因此，自然科學課程應引導學生經由探究、閱讀及實作等多元方式，習得科學探究能力、養成科學態度，以獲得對科學知識內容的理解與應用能力（教育部，2018）。 在自然科學領域課程中「學習表現」與「學習內容」兩者關係密切，前者為預期各學習階段學生面對科學相關問題時，展現的科學探究能力與科學態度之學習表現，如表1。後者則展現各階段學生，認識當前人類對自然界探索所累積的系統性科學知識，也是作為探究解決問題過程中必要的起點基礎（教育部，2018）； 表1.學習表現架構表 普通型高級中等學校「自然科學探究與實作」課程旨在以實作的過程，針對物質與生命世界培養學生發現問題、認識問題、問題解決，以及提出結論與表達溝通之能力（教育部，2018）。不僅如此，亦將自然科學探究與實作的學習重點分為「探究學習內容」和「實作學習內容」兩部分。「探究學習內容」著重於科學探究歷程，可歸納為四個主要項目：發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享。「實作學習內容」為可實際進行操作的科學活動，例如：觀察、測量、資料蒐集與分析、歸納與解釋、論證與作結論等。 科學探究學習內容與實作學習內容的關鍵素養，不僅是完成課堂操作的實驗，更必須讓學生了解科學問題具有多種解決途徑（Lederman, 2009），其探究過程中，學生也必須掌握有意義的數據，進而深度掌握資訊的判讀與詮釋等（陳育霖，2016）。因此，本文金門高中學生以能見度與班機取消率進行探究，正是從生活中發現問題，深度探究、實作學習、進行有意義數據的判讀與詮釋之統整學習實例。金門高中師生團隊因著平時氣象記錄與觀察而產生興趣，進而發現問題、提出假設、設計實驗、進行實驗、分析結果等過程，一步步踏在實踐探究能力的道路上。以下將依此架構介紹金門高中探究與實作的課程案例。 探究學習內容－發現問題 學生們為學校氣象觀測志工，常會利用課餘時間觀測天氣，有測量溫度、濕度、土溫，或觀察雲量變化等等，在金門高中老師引導下，學生們日復一日的觀察，漸漸對天氣現象產生興趣。發現在起霧日時拍攝的照片會有模糊的現象（如圖1），相對濕度值也會比較高，同時也發現天空出現飛機的情況大大減少了許多，因此學生們假設「霧會影響能見度，能見度影響飛機起降」，再進一步查詢The GLOBE Program學生觀測資料庫同一日溫度、濕度的氣象記錄（如圖2），試圖推測此二變因可能是影響飛機起降的因素。但是溫溼度記錄顯示除了當日下午1-2時，相對溼度下降至86%左右時，能見度提升至900m以上，其餘時間機場都是關閉狀態，因此推測溫、溼度可能不是影響飛機起降的主要因素。為了進一步確認，又查詢全年的溫溼度資料與機場飛機起降之數據進而比對。 由校內GLOBE氣象觀測站全年溫度（圖3）、相對溼度（圖4）記錄發現，夏季溫度較高，且相對濕度也略為下降，由數據得知溫度會影響溼度，但仍無法確認溫溼度和飛機起降之間的關係。金門整體而言在第一季、第二季相對溼度較第三季、第四季高，但全年相對濕度都在50%以上，因此發現僅以學校GLOBE氣象站的溫度和相對濕度數據，無法判別金門航空站的飛機是否容易停飛，因為「能見度」亦可能是影響飛機起降的重要因素。 圖1.西元2019年3月21日中午12點校園南方天空模糊 圖2.西元2019年3月21日之溫度（紅線）、濕度（藍綠線）、風向（紫線）記錄圖（金門高中GLOBE網站） 圖3.西元2019年校園氣象站每日平均溫度 圖4.西元2019年校園氣象站每日平均相對濕度 因此學生們開始大量搜尋資料，並由金門民航局提供的每日能見度記錄，經過調查推翻之前的假設，並提出新的假設「溫度和相對濕度與飛機起降沒有絕對關係，只有能見度有影響」。但能見度又是如何影響飛機起降，則成為接下來探討的問題之一。 此外，學生們在資料搜尋過程中也意外地發現飛機起降落能見度標準在2019年底調降至750m，因而產生新的疑問：飛機起降落之能見度標準是否影響飛機來往台灣兩地的運行呢？不僅是台灣遙遙相望的離島、同時也是學生們的家鄉－金門，飛機是來往兩地不可或缺的交通工具，而4、5月份西南風將富含水氣的暖濕空氣沿臺灣海峽向北傳遞，此種平流霧經常影響位於大陸沿岸的金門，進而影響飛機的起降作業和安全，有智慧的前人們發明了一套【觀山測霧】的方法，只要看得到大武山上的石碑-毋忘在莒，就代表飛機可以飛，如今在科技的推動下我們甚至不用看到石碑，飛機就可起降，到底是那些因素影響飛機起降呢？ 探究學習內容－規劃與研究、實作學習內容－資料蒐集與分析 由前述資料初探，釐清影響飛機起降之可能的主要影響因素後，擬定研究題目及研究方法。 一、研究目的 分析2005～2019年金門航空站的氣象資料和飛機停飛、延後和起飛次數的數據資料，並找出之間關係、再進一步探討能見度調降是否也對其中的關係有所影響？ 1.找出小時數、天數和飛機延誤、停飛、起飛之間的關係。 2.找出能見度標準調降對飛機的延誤、停飛、起飛的影響。 3.本研究將藉由2005-2019年間的數據結果，推測飛機能見度調降至750m後，對於飛機延誤、停飛、起飛的影響。 二、研究方法與資料分析 將從金門民航局網站上和交通民航局網站上蒐集到2005-2019年第1、第2季的資料進行整理，汰選無用的氣象資料，並利用Microsoft EXCEL建立表格並分析討論。 (1)華信和立榮航空起飛誤點率（取消、延後和停飛的班機數）。 (2)能見度小於等於750m、小於等於900m、小於等於1200m的總小時數和天數。 （一）資料分析－資料收集 金門高中師生之資料收集主要來自兩處 1.交通部民航局。使用每年各季（3個月為一季)華信航空和立榮航空的飛機起飛和停飛和延誤次數數據。 2.金門航空站。使用2005至2019年的氣象觀察資料。 （二）資料分析－資料取捨 金門民航局在2019年12月調降起降能見度（如表2），由於學生們期望由往年數據預測未來若再調降能見度標準對飛機起降的影響，若可以建立預測模式，也許會對金門交通產生影響。 在資料取捨的過程，學生們決定刪除在2019年12月13日宣布停飛的遠東航空和在2018年6月29日破產的復興航空，並排除過年加班機。再者，金門航空站每日最早的航班為6:50從金門出發，最後航班為晚上8:10分，加上每年1到6月為金門霧季，是影響班機起飛、停飛和延誤班次較顯著的季節，另外發現降落所需能見度比起飛標準高，飛機若能降落金門機場就能再順利起飛(金門航空站不停放飛機)，因此決定採用2005到2019年第1、2季（1至6月）早上6點到晚上8點的整點資料。 表2.金門航空站起飛、降落能見度歷年標準 因金門氣象站的能見度觀察資料與全班候，因此金門高中師生們只針對飛機有起降的時間，來做整理由下表可觀察出，除少數季節(2009第二季、2011第一季、2017第一季、2018第二季、2019第一季)，每季的低於能見度總時數(能見度小於等於1200m)約略在50-100小時，因此可以初步推測飛機起降的能見度下修對於班機取消率是有明顯改善。 實作學習內容－歸納與解釋 因為此研究沒有典範亦沒有科學模型，因此較偏向實作學習之歸納及解釋，也就是論文研究中結果與討論的部分。 將2005~2019年飛機起飛誤點率（含停飛、延誤和起飛次數）及每月降落能見度小於等於750m、小於等於900m、小於等於1200m的小時數和天數為標準進行統整。由於交通部民航局網站所提供的資料為3個月一筆資料，所以製作表格時，以每年的1月和4月為基準填上各季的資料，再進行比較以找出小時數、天數和飛機停飛、延誤、起飛的相關性。 由表3約略可以看出，2010年以前，班機取消率約在5%-10%左右，但是在2011年調降能見度標準以後，班機取消率明顯降至5%以下。觀察表4發現除少數季節（2009第二季、2011第一季、2017第一季、2018第二季、2019第一季），每季的低於能見度總時數（能見度小於等於1200m）約略在50-100小時，雖然飛機起降的能見度下修對於班機取消率勢必有明顯改善，但卻很少研究探討兩者之間的相關性，這也是引發了本研究的好奇。 表3.2005～2019年第1、第2季華信及立榮航空起飛誤點率 表4.2005～2019年第1、第2季小於等於750、900、1200m能見度出現小時數 金門高中師生們對數據的討論觀點 一、班次取消與誤點之比較 比較分析後發現，低於能見度天數和飛機的停飛、延誤、起飛次數沒有絕對的關係。假設某月有10天小於等於能見度標準，但低於能見度小時數卻只有10小時，而另一個月只有3天是符合標準的，但卻有18個小時，而結果呈現的是有18個小時的那個月飛機停飛、延誤的次數較多，起飛的次數較少，所以可以得知是低於能見度小時數和飛機的停飛、延誤、起飛有相關性，而且當小時數越多時，停飛、延誤次數也隨之增加，起飛次數則隨之減少(表5)。 表5.2019年2月及3月之能見度小於等於900m天數小時數及班機取消、延誤次數 由表5發現，在能見度小於900m天數只差1天的情況下，兩月間能見度小於900m的小時數相差了8小時，航班取消次數也相差16次，延誤次數相差1次，由此可知，小於能見度天數與飛機運行無太大關係。表中低於能見度小時數和延誤次數之間的關係又更明顯，推測應為航空公司在小於起降能見度標準的情況下，所採取的步驟應都是先延誤起飛，且不到與標準相差過多和持續很長時間的情況時，應也會繼續延誤起飛的指令。再根據歷年第一季立榮航空班機取消率及延誤率知，2011年起取消的比例明顯較2010年前低，但延誤的比例卻稍有提升（圖5），可以推論因為降落標準降低，讓原本會被取消的班次可以再多等待以順利起飛。 圖5.歷年第一季立榮航空班機取消及延誤率 二、各年各季起霧時數 前述小於等於能見度標準的小時數，亦可看成起霧時數，因此由歷年第一季750m、900m、1200m的起霧小時數（低於能見度標準）（圖6）發現2010年時能見度標準由1200m調降至900m時，其小時數有明顯的差距，而2019年底，由900m調降至750m則沒那麼明顯，因此對於2020年起飛機取消的比例是否能再明顯下修？還需要持續記錄觀察。 圖6.歷年年第一季起霧時數 圖7.歷年第二季起霧時數 因為起霧的時數每年還是會有明顯的波動，因此金門高中師生們觀察第二季的起霧時數，發現在2006、2008、2010年，及下修標準後的2012、2014、2016年起霧時數是較為接近的，把這些年第二季的取消率做整理就可以明顯觀察出下修標準後，在相同的起霧時數下，取消率會有明顯的下降（圖7, 圖8）。 2009年和2017年兩年起霧時數為何驟減，學生們推測可能是聖嬰現象導致，但搜尋發現這兩年聖嬰現象並不嚴重，因此仍無法得知造成歷年第二季班機取消率下降的因素。 圖8.歷年第二季起霧時數飛機取消率 探究學習內容－表達與分享 此探究與實作活動在這部分要做個結論： 一、藉由2005年至2019年資料的統整得知，低於能見度標準的小時數和飛機的延誤、停飛次數呈現正相關，和起飛次數則呈現負相關。 二、2006、2008、2010年和2012、2014、2016年，這幾年起霧時數相當的第二季資料比較，發現能見度標準下降的2011年起，飛機降落的能見度標準調降使班機的運行更順利；但能見度調降的標準如何被制定出來的?這可能將是下一步可以持續探究與討論的方向。 建議 金門高中學生從生活中觀察並發現問題、探究可能原因，在老師的引導下進行資料蒐集、分析、試圖找出規律模型，此思維與架構已經踏在探究與實作學習的路上，雖然分析、論證和建模的部分尚未發現規律性，因此不易提出具體的結論與預測，但研究主題與生活密切相關，研究發想具有創意，十分值得肯定。(本作品學生在2020年參加The GLOBE Program 2020 GLOBE International Virtual Science Symposium獲得最高榮譽4顆星回饋，參考網址：https://www.globe.gov/web/national-kinmen-senior-high-school/home/contact-info) 致謝 本文感謝金門高中師生提供金門地區第60屆中小學科學展覽會作品(高級中等學校組環境學科類別，作品名稱：金門航空站能見度與班機取消率之探討)予以分享探討，特此感謝。 參考文獻 1.教育部（2018）。十二年國民基本教育課程綱要：國民中小學暨普通型高級中等學校─自然科學領域。台北，台灣：教育部。 2.陳育霖（2016）。教育現場為什麼需要探究與實作課程？。科學研習月刊，55(2)，19-27。 3.Lederman, J. S. (2009). Teaching scientific inquiry: Exploration, directed, guided, and opened-ended levels. National Geographic Science: Best Practices and Research Base, 8-20. 4.Minner, D. D., Levy, A. J., & Century, J. (2010). Inquiry‐based science instruction—what is it and does it matter? Results from a research synthesis years 1984 to 2002. Journal of Research in Science Teaching, 47(4), 474-496. 5.NGSS, Lead States. (2013). Next generation science standards: For states, by states. In. Washington, DC: The National Academies Press. 6.National Research Council. (1996). National science education standards. Washington, DC: National Academy Press. 7.NASA. The globe program. 8.Windschitl, M. (2003). Inquiry projects in science teacher education: What can investigative experiences reveal about teacher thinking and eventual classroom practice? Science Education, 87(1), 112-143. 丁于真 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所/研究生 李育賢 國立金門高級中學/教師 黃琴扉 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所/副教授

臺灣科學節創意實作科學營推廣與省思

文/洪偉清 壹、活動的緣起 2020首次辦理臺灣科學節全國科普推廣活動，國立臺灣科學教育館特別邀請陸官科普團隊，協助策劃一系列創意實作科學營的活動，為首屆臺灣科學節科普推廣點燃啟航信號燈，活動推廣活動規劃於10月中旬至11月初，推廣活動預期辦理的地區包含馬祖、桃園及台北等地，馬祖地區預期規劃辦理國中小教師研習營、國中志工培訓營及國小創意實作科學營；桃園地區規畫辦理高中志工培訓營及親子創意實作科學營；台北地區則高中志工培訓營及國高中探究實作暨科普關關競賽營，希望透過系列性的辦理大型推廣活動，讓更多民眾與學子一起參與活動，有效宣傳臺灣科學節科普推廣新亮點，更藉此結合在地的學校的資源、科技部及教育部等科普計畫資源，經辦優質的科學教育推廣活動，希望以多元有趣各式活動重新喚起大家心中的科學魂，讓國人一起關注臺灣科學節誕生的重要與意義。 貳、科普活動的深耕與發展 2008年起我們積極鼓勵陸官老師一同參與科學教育推廣活動，並組成陸官科普團隊協助國內辦理多次教學研討會與全國性科學競賽，老師們都有一個共通點就是對於物理科學教育充滿熱情，利用假日帶領官校學生一起為國內科學教育推廣而努力。多年來我們發現科普教育可透過生活中的事物來解說物理科學，利用深入淺出的演示實作很快地捉住學習者的目光，讓學習者能快速瞭解其中的科學原理，藉此能有效培養學生表達能力及激發自我學習的動機。因此2009年起我們將科普教育推廣列入學系教育發展的指標之一，希望將科普推廣的「科學性」、「創造性」、「趣味性」及「驚奇性」等元素融入課程，並建立以「知識服務社會」的概念，培育官校學生利用所學回饋服務社會，進而推廣至全國各學校，以有效提昇國人科學素養為目的。也期許透過科普活動的推廣，讓科學教育更貼近生活並能於實作中真實的體驗其中原理，以激發學生自主學習科學的動機。 2020年8月於逢甲大學舉辦的台中光谷論壇，本人受光電科技工業協進會(PIDA)邰中和董事長邀請，在台中光谷論壇上分享物理教育推廣經驗，希望引起更多企業界願意投入成為科學教育推廣重要推手，善盡企業對科學教育社會責任，當時本人以科普教育推廣與人才培育~「心」、「欣」、「新」、「興」為主題，分享多年來科學教育推廣與經營的理念，並分享如何協助國内科學教育札根，從創意實作到引發學子自主學習，從高中與大學物理教育的連結到互相交流，而熱情是成就科學教育推廣成敗的重要關鍵，有一群老師不計代價，來自陸軍官校、高雄大學、嘉義大學、臺東大學丶東華大學、屏東大學、科教館、科博館及科工館等多位老師，僅憑藉者對科學教育的一份熱情，一步一脚印由偏鄉科普推廣開始，在經費不足的條件下，這群老師常常自費投入科學推廣教育行列或提供個人研究計畫資源合作辦理，這份無私的心也促成更多的大學教授願意投身於科普推廣，也讓更多大學願意投入教育資源支援科普活動推廣以盡社會責任。 這群教授為何可以犧牲假日，深入全國偏鄉為孩子們演示科學？因為在孩子身上我們找到更大的支持能量來源，當孩子告訴你原來科學是如此有趣，原來課堂上的知識是有用的時，科學種子植入每個孩子心中，我們到任何一所學校，都可能只是認識其中一位熱情師長或是這校的校長很注重科學教育，團隊就會到校為該校辦理營隊，多年的經營也讓科學營隊成為孩子期待參與的活動，每一次看見孩子驚奇、喜悦與認真的表情，其實都轉化成這群教授最大的熱情補充品。 2017年已知未來將探究實作納入教學系統，我們學會開始思考如何協助高中落實探究實作，透過集思廣益設計一套新型競賽模式，目標是要讓更多學子有機會投入科學探究，並能協助課綱能落實推動，物理教育學會籌辦首屆全國高中物理探究實作競賽，以素養題型做初賽、探究實作做複賽與物理辯論做決賽，每年吸引數千位高中學生報名参加，也成功引起家長及學校重視，競賽產出的題目、教材皆能直接融入教學，競賽歷程也成為學子重要學習經歷。 透過物理教育學會、探究與實作學會、物理學會及科學教育學會等單位的合作，集結更多的教育資源，也透過物理教育推動聯盟，成功鏈結大學、高中、博物館、民間團隊、企業組織，讓能量聚集成為科學教育推廣最重要支柱，如智榮基金的施振榮董事長，每年都贊助獎金也親自出席頒獎典禮，給予師生莫大鼓勵，也讓大家看見企業對科學教育的重視與支持，如光電科技工業協進會邰中和董事長也積極投入基礎科學教育，讓數位光學的概念與實作融入科學營，以深植學子心中，希望未來有更多的企業投入吸引更多青年學子投入科學研究。 參、臺灣科學節活動規劃與設計 2020臺灣科學節全國科普推廣活動，計畫主持人陸官大學部部主任洪偉清教授、黄仁偉教授、物理教育學會理事長余進忠教授、科教館及科工館曾瑞蓮等科教團隊，共同合作辦理馬祖地區創意實作科學營，本次活動原預劃在馬祖南竿、西莒、東莒、東引及北竿等四鄉五島，辦理教師研習、國中志工培訓及國中小科學營，因天候不佳東引無法前往，最後我們推廣團隊完成四鄉四島活動。本次活動結合教育部及科技部科普活動等計劃，透過介壽國中陳建輝主任大力協助連繫，有效鏈結介壽國中小、東引國中小、敬恆國中小、中山國中及塘岐國小等在地學校共同合作，讓馬祖地區能在臺灣科學節啟動前，即能成功推辦全縣科學推廣活動，成功為2020臺灣科節揭開第一場科學教育推廣活動的序幕。 在教師研習課程由科工館曾瑞蓮科教團隊研發設計，以光學為主題設計三原色光源教具製作、色光合成、彩色影子、色光分解、手機顯微鏡DIY及簡易萬花筒，所有的課程都可直接鏈結國中及國小課程，讓參與的老師能在參加教師研習後即能運用課堂演示或進行探究實作，在志工培訓與創意實作科學營課程設計， 由陸軍官校、高雄大學及科教館科普團隊負責規劃設計，課程內容包含搶救乒乓、空氣砲、念力碗、光碟氣墊船、色光變變變、透鏡成像、繩上球、光碟溜溜球、旋轉音管、隔空辯字、氣球火箭、迴旋紙飛機及乒乓陀螺，在志工培訓上以能製作教具、會操作及能說明原理為訓練重點，在國小科學營則以趣味實作、操作體驗與闖關PK賽為設計原則。 對於國高中的探究實作競賽暨科普闖關規劃，包含趣味科普闖關、主題式探究實作、成果分享與學習歷程創意影片等項目，其中趣味科普闖關除提供參賽學員闖關外，同時也開放當日進館的民眾一起參加科普闖關活動，主題試探究則由趣味闖關中的其中八關為探究主題，各組需完成初步實驗現象觀察、理論分析、探究議題訂定、變因分析、實驗設計與測量、結論等項目，最後以簡報方式進行報告，同時也必須完成各組創意影片結合影像、音樂及文字等元素，製作成片長90秒的學習歷程影片，這個競賽最難得是可讓來自不同學校的學生，能在最短時間從彼此認識到分工合作，也能提供學生體驗探究實作歷程與樂趣。 肆、創意實作科學營活動歷程 第一場教師暨科學營連續兩日（10/5-10/6）在南竿國中小舉辦，共吸引近150位師生報名參加，介壽國中吳健忠校長非常重視科學教育，也鼓勵學生利用志工服務，培養自己實作與科學表達能力，並做為學弟、妹最好的榜樣，未來更希望延續成為學校的特色活動。連江縣政府教育處學務管理科曹琇君科長也特別出席開幕典禮，代表教育處歡迎所有科教團隊，也感謝陸官、物理教育學會、科工館、科教館及高雄大學連續三年到馬祖辦理科學教育推廣活動，也為2020臺灣科學節在馬祖推廣做最好的見證。 圖1.介壽國中科學志工培訓營 圖2.南竿科學營介壽國中吳健忠校長親自體驗 第二場臺灣科學節科普推廣活動，連續兩日(10/7-10/8)巡迴至馬祖西莒島為敬恆國中小辦理教師研習及學生科學營，提供全島師生一次難得有趣的科學實作課程。西莒敬恆國中小陳紫開校長特别出席志工培訓並親自體驗各項闖關，並鼓勵九年級的志工保握難得的學習機會，運用課堂所學的知識來理解各科普闖關的背後原理，也期許同學認真學習以做好志工角色，做為學弟妹的最好表率。 圖3.西莒敬恆國中小教師研習 透過教授有趣的演示與原理說明，成功激發學生的好奇心，看教授行雲流水的演示非常簡單有趣，但輪到自己操作卻發現教具完全不受控制，這個反差的實作，讓孩子們因此更專心注視教授操作示範，終於在多次嘗試與教授指導後，皆能正確成功操作，臉上的喜悦表露無遺，同學們也更有信心能勝任科學志工的任務。國小部陳恩慈同學心得分享表示，這次最大的收獲是，他發現竟然可利用一般的生活用品就可製作出有趣好玩的教具，原來只需多加一些創意就可了。國中黄思媛志工同學表示，原來課堂所學的知識是重要且有用的，可以幫助自己快速尋找出操作的要領。最後洪教授也特別安排PK賽做為學習的驗收，所有孩子都非常認真為團隊爭取佳績。在一天的認真闖關後，學員都非常開心也通過所有關卡，因此都取得科教館準備的證書，一起為首屆臺灣科節科普推廣做最佳的見證與宣傳。 圖4.西莒敬恆國中小科學營教師也熱情參與 圖5.馬祖北竿中山國中科學志工培訓 第三場臺灣科學節科普推廣活動，連續兩日(10/9-10/10)巡迴至馬祖北竿中山國中及塘岐國小辦理，在國慶日連續假期，提供偏鄉師生一次有趣創意實作假期營隊。為讓此活動更加多元且能實質協助偏鄉科學教育的活化，因此也邀請科工館曾瑞蓮團隊，結合學校課程進度以"光"為主題，設計一套適合轉用於國中小課堂的教材，並透過教師研習，提供給教師能學以致用融入教學。在創意實作科學營設計，則分別以電與磁、力學及光學為主題，並結合探究實作競賽所開發的教具所設計而成，共區分13關，採定時輪帶方式進行科學闖關，讓每位學生都能深入體驗每一關，最可貴的是志工都由在地國中學子擔任，讓科學種子在地播種。當天雖是國慶假日，中山國中及塘岐國小師生都報名參加這次教師研習與科學營，開幕時中山國中蕭建福校長及塘岐國小陳功德校長也都親自出席，除奬勵同學們能在假日主動報名這場難得的科學營，也藉此感謝陸官洪總召、各位教授及博物館團隊犧牲假期，為馬祖科學教育推廣努力札根。一週的推廣活動，在天候不佳的條件雖無法前往東引，但多日的推廣也為10月底即將開始的“首屆臺灣科學節“做了最佳行銷與宣傳。 圖6.馬祖北竿塘岐國小科學營 圖7.桃園高中科學志工培訓 第四場臺灣科學節科普推廣活動，連續兩日(10/16-10/17)巡迴桃園地區，於10/16完成桃園高中68位同學志工培訓，共設立有24關親子科普闖關，鼓勵家長陪孩子一起成長與學習，共同體驗探究實作的樂趣，此場預劃僅開放150人，因報名太熱烈，最後特別增加至300人，但仍然秒殺，共吸來自80餘所學校的學生及家長報名參加，為即將開始的2020臺灣科學節做提前暖身。本次活動主要的目的是希望以科普推廣的方式慶祝首屆臺灣科學節，開幕時科教館劉火欽館長、桃園市政府教育局林明裕局長、陸軍官校大學部洪偉清部主任、陸軍官校黃仁偉教授 、嘉義大學蘇炯武教授、物理教育學會余進忠理事長、萬能科技大學周鑑恆教授、中央大學朱慶琪教授及桃園高中游文聰校長都親自出席為本活動做最好的見證。科教館劉火欽館長及教育局林明裕局長於開幕特别表示，這次活動在桃園地區已造成一股參加科學實作的熱潮，也為臺灣科學節提供最好的推廣與宣傳成效，更讓桃園地區的學生及家長一起體驗充滿趣味與科學內涵的親子科學營。 圖8.桃園高中親子創意實作科學營 圖9.科教館臺灣科學節探究實作科學營開幕 第五場臺灣科學節科普推廣活動，分別於11/1及11/8於國立台灣科學教育館舉辦志工培訓營及創意實作暨科普闖關競賽營，由陸軍官校大學部洪偉清主任帶領陸官創意科學社同學，舉辦首屆臺灣科學節探究實作暨科普關關競賽營，慶祝首屆臺灣科學節的誕生，也為探究實作競賽做推廣宣傳目的，更提供高中學子難得的體驗機會。這次活動共有來自46校75位志工及來自65校共150位學員報名参加。科教館推廣組吳中益主任在開幕典禮致詞時表示，感謝洪主任領帶陸官學生支援活動志工，讓民眾有機會看到軍校學生強健體魄與端正儀態，更看見軍校生的科學涵養與表達力，為活動帶來熱情、活力與亮點，也感謝所有高中志工的付出與努力提供所有参加學員及民眾最佳科普體驗活動。這場活動探究主題，由科普闖關中抽取8題做為探究素材，每一組皆需自行訂定探究的議題，透過原理分析後設計實驗並藉由數據來驗証提出的假設是否正確，更能進一步提出更有趣的操控與演示方式或提升更佳的競賽學習方法，並在成果報告時能現場表演。這場成果發表利用科普音樂劇的舞台，同時開放民眾参觀，對學員是非常難得學習歷程。最後競賽績優的隊伍及志工，也特别由科教館劉火欽館長親自頒奬，每位學員也順利取得研習證書，為首屆臺灣科學節留下最佳的足跡與美好的記憶。 圖10.科教館劉火欽館長親自頒發探究實作科學營績優獎狀 伍、推廣成效與省思 這系列結合2020臺灣科學節科普推廣活動，共辦理3場國中小教師研習、5場科學志工培訓營、5場創意實作科學營，共吸引1134師生參加科學營及956民眾參加科普闖關，成功敲響首屆臺灣科學節啟動的鐘聲，也成功鏈結馬祖地區學校一起推動科普活動的契機。 科普活動每年在馬祖的場次並不多，主要的原因是交通不便，差旅經費所需較高，一般科普計畫若無其他的經費補助，實際上是相當難長期執行。這次的經驗我們發現當地的老師參與度非常高，大部分的教師除參加教師研習外，在辦理創意實作的科學營時，這些老師也都積極參加，各校的校長有都親自體驗每一關，並表示未來期望能將這個活動變成學校的特色活動，因為他們看到國中的志工同學在經過培訓後，同學變得更加有自信，面對學弟妹也能將所學的科學知識完整的表達與演示，這是課堂上很難得看到的成果，因此馬祖地區的學校也非常期待我們團隊能再一次安排來到馬祖辦理科學營。 這次的活動師生反應都非常熱烈，因此科教館劉火欽館長在臺灣科學節感恩茶會上，也特別允諾今年5月至6月間，將會再為馬祖地區學校辦理科學營，讓科普的種子可以在馬祖生根發芽，也希望透科普計畫及結合國家博物館資源，讓科普的觸角延伸至全國偏鄉。 洪偉清 陸軍官校物理系教授兼大學部部主任

女孩們，FUN科學！

文/黃真瑱、呂玉環、林琦峯、蘇萬生 圖/黃真瑱 圖1.2020臺灣再現日月合璧課程，科教館蘇萬生博士、天文館林琦峯講師及金華國小師生合影 國立臺灣科學教育館(以下簡稱科教館)於108年8月至109年7月進行為期1年的科技部女性科技人才培育計畫。本計畫利用學校晨光時間進行教學，透過學習科學相關的實作課程，激發國小女學生對科學研究的興趣，以提升探索科學的能力與科學素養，進而增進學生探究問題的能力。本文即係科教館藉由女性科技人才培育計畫，入校推廣科學實作的課程，透過與臺北市金華國小合作，推動高年級女學生探究與實作課程的教學實況。 壹、臺灣十二年課綱自然學習領域中天文課程實施現況 在臺灣自然學習領域中，學習主題共有植物奧秘、奇妙的磁鐵、空氣和風、溶解、水的現象與變化、動物奧秘(含昆蟲）、天氣與生活、太陽與月亮位置與變化、生態、環境與自然資源、運輸工具與能源、電磁作用與燈泡等21個。根據調查，「太陽與月亮位置與變化」及「星空」僅有4.3%教師選擇此一主題進行跨領域教學設計(呂玉環，2021)。探究其原因，諸如:觀測一整個月的月相變化，受到時間及環境的限制、針對日食與月食的模擬又需要三球儀等相關設備、再不然就是要在天氣狀況良好的夜晚才能實際認識星座及觀測天象等。由此可知，天文教學受到時間及空間的影響甚大，讓天文教育的推動難上加難，造成老師在講臺上拼了命的描述，學生只能發揮自己的想像力去理解這些抽象的概念(吳昌任、林詩怡，2005)。 然而，十二年國民基本教育課程綱要(以下簡稱十二年課綱)自然領域基本理念即提到，科學學習的方法，應當從激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學生能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力(教育部，2018)。本研究即以「2020臺灣再現日月合壁」、「眼見不為憑」及「日偏食觀測活動」等三個教學活動，說明天文課程中引導學生探究與實作的教學策略，落實十二年課綱基本理念，供實務教師教學參考運用。 貳、自然領域天文課程實施策略 本推動計畫於108學年度第一學期已經進行六次課程及一次校外教學( (黃真瑱、蘇萬生，2020)。109年3月規劃三場，皆利用晨光時間分散實施。一次一堂課，一堂課40分鐘。另外，增加一場戶外的日偏食觀測活動，時間在109年6月21日上午10點至下午5點。推動對象為金華國小高年級各班老師推薦女學生組成，約30位的高年級女學生。 一、2020臺灣再現日月合璧 本課程以古時候的觀星、近地點與遠地點、日食介紹及日環食觀察注意事項進行教學，教導國小高年級女生建立正確的日食概念及安全觀察日食的方式。以下就其教學流程做簡單說明： （一）古時候的觀星 首先，介紹清代徐揚所畫「日月合璧五星聯珠」罕見天象圖，主要描述當時觀象臺欽天鑑所預測，清乾隆二十六年正月初一（1761年2月5日）將出現「上御極之二十六年正月初一日，午初一刻。日月同在元枵宮，躔女宿，如合璧。水星附日，躔牛宿。木火土金四星，同在娶訾宮。躔危室二宿，如聯珠。」的天象，並利用數位模擬還原259年前發生的天象，引發學生好奇與學習動機。同時了解當時所謂的日月合璧，僅止於太陽與月亮同時升起，並不像2020年6月21日臺灣會發生日環食。另外，五星聯珠的現象，並不是指水、金、火、木、土這五大行星連成一直線(其機率極低)，只要它們在天空中分布的範圍的角距離在30度以內，就算是五星聯珠了。 （二）近地(日)點與遠地(日)點 由於天體運行的軌道大都以橢圓形繞行，在太陽系中月球繞地球的公轉軌道是橢圓形的，地球繞太陽公轉軌道也是橢圓形的，所以就有所謂的近地(日)點和遠地(日)點，近地(日)點看的月亮(太陽)就比較大，遠地(日)點看的月亮(太陽)就比較小，這些相對位置正是影響日食發生的時間長短及遮蔽率大小的原因。由此推測，要發生最長時間日環食的條件，除了太陽、月球及地球成一直線外，還有月球需位於遠地點(最小新月)，及地球位於近日點(太陽看起來最大)。 （三）日食介紹 日食發生的條件則是太陽、月球和地球在同一條直線上，但是在地球上若要能觀測到日食，必須位於日食帶中，也就是月球影錐經過的範圍；竟然透過現在的衛星雲圖也可以清楚看到月球影子掃過地球表面耶！真是驚人！ 全世界每年發生日食，有2-5次，平均100年共發生236.7次日食，其中偏食、環食各占三分之一，其次為全食，全環食則只有4-5次。但在固定地點平均3年可以看見一次日偏食，而平均每300-450年才能看見一次日全食。以日環食為例，上一次日環食在2012年5月21日，若2020年6月21日沒看到日環食的話，就得等195年後，2215年6月28日才能再見到日環食了(天文館，2020)。 （四）日環食觀察注意事項 可以利用針孔成像、投影法、減光法(注意：絕對不可在毫無任何保護裝置之下，用肉眼直視太陽)和攝影法進行觀測。 圖2.日月合璧教學流程圖 圖3.第一類針孔成像 圖4.第二類投影觀測法 二、眼見不為憑 本課程以光的折射、視覺不精確、視覺暫留及數學謎題等，透過科學的小遊戲，讓學生實作、觀察並思考，藉此能夠培養對科學疑問的好奇心，進而願意主動去了解原理。其教學流程如下： （一）光的折射：「銅板不見了」、「箭頭隨身變」 利用光折射的原理讓銅板消失，當然銅板並沒有真的消失，而是銅板影像發生全反射現象，改變了成像的位置。還有，我們也讓向左邊的箭頭變成向右邊。 我們知道水和玻璃都會使光線折射，燒杯加水之後，成為一個凸透鏡，因此會使物體放大、縮小等現象。當物體放在凸透鏡的焦距內，產生的影像是「正立放大」的虛像；但如果物體放在凸透鏡的焦距外，產生的影像是「倒立縮小」的實像。因此，將箭頭放在加水的燒杯焦距外，就可以形成倒立的現象，這就是箭頭顛倒的原因。 圖5.曾曉琪老師示範「箭頭隨身變」 圖6.箭頭真的左右顛倒了 （二）實作演練（視覺不精確）：消失的「小精靈、兔子、小鳥」 首先，先觀察並數數看小精靈有幾個，共有15個小精靈，然後按照虛線，將圖形剪下，左右對調後，再數一次，咦！發現疑問，是不是少了一個，只剩14個小妖精呢？兔子和小鳥的遊戲也一樣操作。都有類似於小精靈的結果出現。 圖7.數數看小精靈的數量 圖8.視覺暫留小遊戲 圖9.學生實際操作色塊 圖10.觀察後發現實平而彎 （三）視覺暫留： 就是事物對眼睛的刺激停止後，它的影響還會留在眼睛的視網膜上有一定的滯留性。我們把同樣大小的黑色色塊，稍微錯開而已，竟然產生「實平而彎」的現象！ （四）幾何版「消失的小精靈」： 實際操作，留給孩子回家想想看！為何四小塊可以組合成二種直角三角形，二個三角形的底都是13，高都是5，但是其中一個三角形，卻多了一個空格呢？ 圖11.幾何板的三角形實作 圖12.學生拼出的三角形 圖13.眼見不為憑教學流程 三、日偏食觀測活動 本課程以天文館的日食觀測扇進行實作觀察，目的在於讓學生使用正確的方法觀察日食，並加深對於天文課程的知識和興趣，教學流程摘述如下。 （一）引起動機 藉由報章媒體報導有關日環食2020年6月21日登場的消息引起學生學習動機。臺灣出現罕見天象日環食，下次還想在臺灣本島看見就要等到2215年。 臺灣本地日環食於當日14時44分4秒由金門開始「初虧」，至17時26分43秒於臺東「復圓」結束，大約歷時2小時又42分鐘，臺灣的日環食帶從本島通過金門、澎湖北側、雲林南部、嘉義縣、嘉義市、臺南市北側、高雄市北側、南投縣、花蓮縣南側及臺東縣北側，共10縣市都可見到1秒至58秒的日環食，其他地區則能看見日偏食。我們身處的臺北市可看到日偏食。 （一）教學流程 1.將2020臺灣再現日月合璧的課程加深加廣。 介紹日食分為四種，包括日全食、日環食、日偏食和全環食，其中較罕見的是全環食，只發生在地球表面與月球本影尖端非常接近的情形下，這時不同地區會出現日偏食、日全食和日環食三種不同的日食。 2.指導學生製作日食觀測箱觀察及使用觀測扇觀察。 學生利用鋁箔紙、紙箱、剪刀、白膠或雙面膠、針、白紙製作簡易的日食觀察箱。同時，複習光的直進與光的反射概念，討論還有沒有其他的觀測方式。 3.舉行日偏食觀測活動(鼓勵學生於當日到校觀測或是自行在任何地區觀測)。 圖14.日偏食觀測活動教學流程圖 圖15.使用自製觀測箱觀察日偏食 圖16.使用觀測扇觀察日偏食 圖17.學生自行在家巷口觀測 圖18.利用不同工具觀測 參、推動成效 本研究期望透過天文課程的推動與實施，讓高年級女生瞭解天文存在於日常生活之中，並學習操作道具，透過觀察與探究，發現大自然的奧秘。在「2020臺灣再現日月合璧」課程實施後，學生表示：「我最有興趣的是如何觀測日食，以及觀測日食所使用的道具。透過老師解說，我可以簡單了解日食的種類;透過老師介紹，明白原來天文館還有這麼多有趣的活動可以參加，下次有機會也要試試到天文館參加觀星活動。」另一名學生於日偏食觀測活動後：「光是在教室聽講解不夠好玩，我最喜歡到戶外操作，謝謝學校舉辦日偏食觀測活動，事先讓我們和同學自製觀測箱，教務處曹曦主任也幫我們申請天文館的觀測扇，讓我們在觀測日偏食時，一次可以使用兩種道具。重要的是，跟同學一起學習很有趣。」為利讀者瞭解，本研究推動成效彙整如附錄一。 肆、結論與建議 就本研究推動一年之執行情形，提出下列結論與建議： 一、「玩」科學，新體驗 為提高學生對於科學的興趣，上學期我們特別設計了一系列的課程是每堂都能動手製作，我們的確從學生的操作中，發現學生對於科學獲得更多的樂趣，也發揮了更多的創意。108年度下學期，我們加入了「玩」的元素，讓學習更活潑，玩科學，理解科學，操作的部分也占課堂的大部分，大量的讓學生邊做邊想。 二、利用晨光課餘時間學習更為寶貴 108年度下學期的課程實施時間皆為晨光，學生對於晨光時間抽離學習新的東西，很有興趣，針對這三次的入校實施，導師預告上課時間後，發現當日有降低晨光遲到的情況。另外，由於高年級學生多半晨光時間抽離出去校隊練習、擔任糾察隊巡視、合唱團練唱，原本留在教室的學生就不多，導師也多半無法進行額外課程，學生也通常是學習上較低成就的，因此當學生被抽離出來上課，又有可以玩科學，學生有大部分表示十分願意，並期待下次課程。 三、配合入校課程延伸發展假日科學活動 培養學生科學的能力除了學校教育既有課程外，若能配合入校推廣課程，發展假日科學活動，讓親師生一起來玩科學，相信會更能啟發學生的興趣，學校在辦理親子活動上也可更多樣化，讓親師生建立良好的教與學互動，家長和學生都能獲得成就感，鼓勵親子一起邁向學習成長。 四、學校行政的支持 老師有熱情，家長有意願，學生有興趣，若能加上學校行政支持，提供場地，提供資源，課程的推展也比較容易，較能支持老師的教學熱情，持續發展相關有趣的自然課程，對學生定當是佳音。 參考文獻 1.天文館 (2020，6月15日)。2020/06/21 錯過再等200年的日環食! http://www.tam.museum/astronomy/forecast_detail.php?lang=tw&id=389 2.呂玉環 (2021)。臺灣偏鄉小學推動STEAM教育經驗與模式之個案研究，國立臺灣師範大學博士論文，未出版。 3.吳昌任、林詩怡 (2005)。臺灣的中學天文教育概況與展望。國際天文奧林匹亞競賽專輯。 4.教育部 (2018)。十二年國民基本教育課程綱要自然領域。 5.黃真瑱、蘇萬生 (2020)。嘿！JUST FUN，金華女孩們！女力探索科學。科學研習月刊，59(2)。 附錄一.推動成效彙整表 黃真瑱 臺北市立金華國民小學教師 呂玉環 國立臺灣師範大學教育學系博士候選人 教育部人事處專員 林琦峯 臺北市立天文科學教育館副研究員 蘇萬生 國立臺灣科學教育館推廣組薦任編輯

「點實成今」-中小學科展一甲子特展紀實

文/蘇珮婷 中華民國中小學科學展覽會60年了！你曾經參加過嗎？ 中華民國中小學科學展覽會（簡稱中小學科展）為教育部體認科學教育的普及與發展是國家的施政重點，自民國49年起由國立臺灣科學教育館（以下簡稱本館）承辦至今。成立宗旨在於激發學生對科學研習之興趣與獨立研究的潛能，藉由競賽提高學生對科學之思考力、創造力與技術創新能力，透過展覽會交流形式增進師生研習與倡導中小學科學研究風氣。迄今平均每年參加的學校作品約1萬5,000餘件，經初選參加地方展覽的作品約5,000餘件，每年投入科展之師生多達數萬人，是一項層級性的競賽活動，也是全國中小學師生科學探究與實作能力展現的舞台。 本館為展現一甲子累積的成果及影響，邀請大眾一同認識「創新思考」、「解決問題」以及「合作學習」的科展精神，紀錄與見證60年的精彩風華，特別在109年7月於3樓展出「點實成今-中華民國中小學科學展覽會60週年特展」，特展規劃以「科學展覽會」及「60年歷程」為兩大主軸，藉由諧音的六個「時、實、什、拾、思、石」，分別就「歷程演進的時間軸」、「實施辦法及實驗精神」、「什錦紀實」、「人物誌的淬鍊拾取」、「思考與溝通」、「基石與展望」等六大架構作為展覽核心。將還原歷史脈絡、彙整累積的研究能量及競賽作品，展現至今日所孕育的科學人才及科學成就，形塑臺灣的科學教育及科學發展的價值。 圖1.「點實成今-中華民國中小學科學展覽會60週年特展」入口 展示設計的呈現，特別以車站和搭火車的概念作為情境佈置，引導參觀民眾在參觀展覽的同時，彷彿是搭上一台火車，車程行經六個站點，也代表了中小學科展60年旅程。參觀指南：跟著「科展時光號」列車長-阿智，在總站候車並搭乘時光列車，途中行經六個停靠站，一起探索科展60週年特展！ 第一站：科教館總站 你參加過科展嗎？也許你曾經參加過，也許你從未聽說過。請你先在候車處停留，帶著探索、好奇與期待的心情，搭上科展時光號列車。 第一站設計採火車站總站的方式，搭配電視螢幕播放「科展一甲子 隨十挑戰」街訪影片，讓對科展陌生的觀眾能快速秒懂科展，也讓曾參加過科展的師生能重新回味憶起當年。 圖2.總站設計採火車站票亭的概念，將六個站點置入其中 第二站：時光車站 中小學科展自創辦之初至今走過60年的歲月，這一站，將帶領你進入時空旅程，細數科展時光的重要時刻，列車已經抵達，請準備你的好奇心，一起上車吧！ 此站特別將中小學科展自源起至今，因應教育制度變革、國際情勢與科展脈絡發展等事件，以時間軸的方式區分為「科學教育萌芽期1920-1960」、「科展草創期1960-1980」、「蓬勃發展期（與國際接軌）1981-1990」、「國際科展的分水嶺1991-迄今」等階段，搭配歷史文物及廣播錄音等物件展出，讓民眾能一目了然地瞭解科展歷史。 圖3.1960班次列車到站，邀請民眾上車 第三站：實驗室站 回憶起曾參與過科展的激昂心情，想告訴大家不要害怕科學，其實探究與實作可以很有趣，跟著科展的舉辦原則來入門吧！ 此區展示歷年累積各式科展影片、作品，將場景設定為實驗室，彷彿走進科學世界親身體驗。特別將本館拍攝製作的｢科展實作指導影片｣展示播出，包含科展主題搜尋、實驗設計、實驗誤差、實驗記錄、科展表達等五個單元，提供師生參考，以精進科展實作能力。 圖4.展示三件優勝作品及提供電腦查詢歷屆作品 第四站：細說科展站 科展經過了60個年頭，總有留下一些歷史痕跡，這些珍貴的紀錄，值得停留欣賞。 場景打造成懷舊書房與大戲院，讓觀眾走進時代回憶中，此區也特別與民眾徵集歷史文物。你知道嗎？中小學科展在各縣市輪流辦理時，承辦的縣市都會製作屬於當屆的形象服和紀念品，將縣市在地特色融入於標誌LOGO設計當中！ 圖5.衣櫃抽拉的設計將數屆形象服置入其中讓民眾可以自由觀賞 第五站：英雄榜站 曾經參加過科展，對你有什麼影響？每年投入科展研究的師生多達10餘萬人，又有多少人在科學研究的道路上至今仍努力不懈？沒參加過科展的你，也可以一起來了解曾參加過的老師、學生和評審的心得！ 此站展示內容為本館委託國立臺灣師範大學科學教育研究所劉湘瑤教授於105年所進行的一項針對曾參加科展者的追蹤調查研究。藉由從書中拾得知識、獲得解答為發想，以製作大型展開書牆方式將研究資料以圖文形式搭配呈現。另外也將策展時所訪談的幾位科展傑出人物，將人物誌的故事轉化為漫畫風格呈現，目的在於激勵和鼓舞，讓參觀者對於科展不再感到抗拒或是迷惑。 圖6.英雄榜人物誌展區 第六站：科展大講堂站 參觀展覽到這裡，你已經對科展有一些認識了。這一站，要讓大家透過隨機的問題，站在不同角色立場互相交流。 此區設計與觀眾互動體驗，特別於展覽摺頁上設計一張車票形式的問卷，讓觀眾能模擬和想像自己就是參與科展的其中一個角色，選擇角色後翻閱講堂的題目指引，跟著車票上的題目填寫，完成後將車票撕下並掛在布告欄上。還可以蓋上車站紀念印章留念喔！ 圖7.老師、學生、評審，三種角色模擬進行思考 終點站也是中繼站：科學轉運站 中小學科展走過60年歲月，大會形象標誌也與時俱進的更新，既有象徵科學探索的標誌，在第60年融入現代元素，期待未來，科展能注入源源不絕的科學發展與創新能量。 科學源起於人類對生活周圍的好奇或需要，觀察研究各種現象與變化，運用科學來解決問題、適應環境及改善生活。身處於資訊和知識爆炸的時代，培養學生具備科學素養，善用科學知識與方法，增進探究實作與科學論證溝通能力顯得重要。適逢60週年，中小學科展的識別標誌亦與時俱進的更新，原以梅花、顯微鏡、原子符號為標誌的圖形，象徵著科學探索的精神。109年，將識別標誌以S、！、+、望遠鏡做結合，象徵探索科學、創新、源源不絕。 將此展區空間設定為轉運站，代表前往下一個科展六十的中繼站，打造雜誌封面拍照區，目的是希望「借鏡他人、追求自己」，未來自己也能成為他人心目中的楷模對象，你也可以成為下一個封面人物！ 圖8.科學研習月刊封面人物區 希冀未來，科學展覽會能成為一種科學探究潮流。如同點石成金般，將科學既定的困難艱澀印象，轉為具有探究精神、培養好奇心、融入於日常生活。使全國科展成為每年科學研究分享交流平台，以符合當代科學創新與永續發展的指標與實踐，這也是策劃「點實成今」特展最重要的目的。此展於本館自109年7月15日起至110年2月16日止展出，期間累計超過5萬人次參觀。110年將配合第61屆中小學科展，將移展至嘉義文創園區展出，預計展出日期是6月至8月，詳細日期與地點可至第61屆中小學科展官網查詢。 “Those who can imagine anything, can create the impossible.”– Alan Turing 蘇珮婷 國立臺灣科學教育館行政專員

偏鄉教學：昆蟲主題之跨領域大單元課程實施

文/陳采如、楊正澤、楊清豐 緣起 國立臺灣科學教育館辦理「『愛』迪生出發」公益學習活動~到校服務扎根計畫，藉此能將科學教育向下扎根，啟發偏鄉學童學習科學的興趣，提升科學素養，並增進偏鄉教師科學知能及校際間的科學交流，以縮減城鄉科學教育資源落差。南投縣秀林國民小學位於竹山鎮東南方秀林里，距離繁華的市區不到十分鐘車程。學校依山闢建，進入校園蟲鳴鳥叫不絕於耳，儼然是森林裡的一座小學，一下課，學生總喜歡在草地間找尋昆蟲的身影。少子化及人口外流的影響下，全校學生僅有二十多位，為了讓學生有更多多元的學習課程，學校積極申請規劃不同領域的課程，在楊清豐校長的鼓勵下:「只要對學生好，我們都可以試著申請。」於是本校於106年申請，並與在學術界及科學教育推廣經驗豐富的國立中興大學昆蟲學系合作，以校園昆蟲生態特色出發，以大學昆蟲學基礎課程，加上以蟋蟀鳴蟲聲音行為特性及其鄉土文化特色，編寫適用於該校的輔助教學教案，規劃以「昆蟲」為主的跨領域科學課程。中興大學以大學社會責任出發，把大學資源及學生人力投入，因應企業社會責任的愛迪生公益基金到校服務的要旨，本計畫提案之初，時任館長朱楠賢與當時的科教委員對此案模式寄予厚望，希望未來可做為全臺偏鄉學校參考之模式；今年已邁入第四年的「『愛』迪生出發」到校服務扎根計畫，希望透過本文可以將本校推廣科學教育的經驗與大家分享。 課程特色 湯瑪斯•愛迪生(Thomas Edison)曾說:「驚奇就是科學的種子」。校園中的「昆蟲」這種小生物，具有多樣的生態與種類，隨處可觀察，常常讓學生感到無比的好奇。於是，我們試著將大學昆蟲學課程轉化成小學科學學習課程，透過輔導教授規劃與諮詢，行政端的支援，及邀請校內教師共同來教與學(圖1)。 圖1.計畫團隊人力工作分配圖（作者提供） 課程目的在於: (一)學習實作技能來認識昆蟲，了解昆蟲生物多樣性與環境保育。課程引導校園與在地田野觀察，引起好奇心，主動觀察，調查進而實證。(二)學生透過動手做，以現代昆蟲學知識趣味化與普及化，培養閱讀、書寫心得文字及口語表達等整合課程融入。(三)學習以科學探究，培養勇於嘗試與創新的思考能力，加強以科學方法解決問題的訓練，提升科學素養。 課程規劃 以106年「校園昆蟲資源調查」為例，規劃每一學年共兩學期至少60小時的科學課程，分上下學期各三主題: 昆蟲資源調查、昆蟲標本製作、認識昆蟲、昆蟲飼養與觀察、昆蟲與人類、聲音調查等共六個主題，每個主題進行3-4週的時間。以生活中常見的昆蟲，激發學生探究的好奇心，自由去探索問題，並把知識運用在生活中。以跨領域結合不同學科進行學習(圖2)，透過動手做，學習主導權回到學生身上，讓學生有意願投入自己的學習，並且在過程中練習不放棄、嘗試錯誤及解決問題。 圖2.課程規劃以校園昆蟲相調查為主軸，在探究實作課程中培養科學知能、態度、技能、行動、覺知的能力。（作者提供） 除此之外，108年計劃裡，更與廣達設計學習計劃做結合，以「永續」為主題設計多元跨領域課程，進行STEAM(Science, Technology, Engineering, Art, and Mathematics)跨領域學習。從「人與文化」、「人與生活」、「人與自然」、「人與科技」層面出發，由第一年及第二年的科學學習課程實施為基礎，希望科學學習課題延伸與人(尤其是家人)、環境，甚至世界，產生更多的互動及連結，培養對社會文化、土地情感及全球視野，建立「共好」、「互動」、「自發」的學習歷程，培養學生珍愛生命、愛護自然、珍惜資源，學習做一個「地球公民」。從中培養學生5C能力-溝通協調能力（communication）、團隊合作能力（collaboration）、解決問能力(complex problem solving)、獨立思辨能力(critical thinking)、創造力(creativity)。 課程實施 學生進行課程時採取跨齡分組，希望以「大手牽小手」高年級學生帶領低年級學生學習，增加小組合作學習、溝通與協調的能力。教師採用問題導向學習法(PBL，Problem-Based Learning) 的探究和實作課程，以開放性問答，引導學生發問「什麼（what）、何時（when）、如何（how）、為什麼（why）以及做什麼（what to do）」等問題，以便有助學生內容訊息提取關鍵概念的能力，提高學生高層次思考及判斷力。此外，為提升學生閱讀素養，加入繪本、影片及科普網站等科學閱讀（圖3），提供更多學生獨立學習、發表分享的機會。 課程活動強調學生學習歷程，每位學生都有一本「觀察記錄本」，每次上課，學生必須書寫自己的記錄本，運用文字、圖表或繪圖方式記錄上課內容及心得，不但可以提高上課專注力，對於記錄、書寫和口語表達能力有增強效果。透過記錄本，老師可以瞭解學生的學習成效，亦可作為教學改進的參考。另會安排學習成果的口頭發表，以了解學生的應用能力與學習態度。 圖3.環境教育綠繪本的閱讀與分享（作者提供） 課程發展-以昆蟲採集發展為環境教育育及生命教育為例 昆蟲學家為了知道棲地中會有哪些昆蟲種類，會透過合理採集，有系統的調查，認識生活在周遭的昆蟲，牠們的棲息環境，及在生態中所扮演的角色。昆蟲資源調查方式很多，我們使用中興大學昆蟲分類研究室發展的方法。在設定樣區裡，設置花生醬誘集器、掉落式陷阱杯、吊網採集法等(圖4)，另輔以定量掃網方式，採集草叢間的昆蟲。為讓學生了解「合法合理採集」並非因一時喜好而任意去採集昆蟲，而是需要向校方提出採集申請，包含採集的目的、欲採集的昆蟲種類等，達到環境生態保育教育並遵守法規進行採集探索。 圖4.學生在設定樣區內，動手設置花生醬誘集器、掉落式陷阱杯、吊網採集法。（作者提供） 透過昆蟲資源調查，可以更了解校園的昆蟲多樣性，建立校園昆蟲相。從這些採集的昆蟲，除了當作自然史存證標本，採集製作標本時也同時利用機會向學生傳達尊重生命、自然倫理說明生命價值觀念，使採集之標本是當保存，不斷被使用，發揮最大效能，成為永遠的「生命教師」。 課程延伸 1.昆蟲科學繪圖 利用昆蟲標本，進行「昆蟲科學繪圖」。學生對於第一次進行科學繪圖，非常有興趣，也展現他們的耐心及觀察力。學生作品在成果發表會中，進行互評，藉此讓學生欣賞他人作品，以提昇自己的繪圖與觀察能力。學生能畫出昆蟲的頭、胸、腹部三節，除上之外的特徵：頭部的觸角、複眼、口器，胸部三對足，兩對翅，也能準確畫出。有學生畫出昆蟲的生態，如覓食行為、棲息行為等。 圖5.昆蟲科學繪圖展示（作者提供） 2.昆蟲生態箱製作 此單元主要從校園昆蟲，認識昆蟲的形態及其棲息環境後進行昆蟲箱藝術創作。108年更結合廣達設計學習計畫，以任務導向創作2030年未來里山「生態箱」展覽(圖6)，從「美」出發，結合科學，認識生活環境的美，感同身受後，進而能化為行動，愛護家鄉。學生透過戶外體驗或觀察，在佈置昆蟲箱時，發現他們更了解昆蟲的棲息環境，對於昆蟲形態的掌握也更精確，甚至有食物網的概念出現。 圖6.「再•轉•存」展覽中，學生以「生態箱」傳達對里山的關懷。（作者提供） 3.昆蟲童詩創作 邀請校內語文專長老師進入參與計畫並撰寫教案，經過一學期的昆蟲觀察，學生對於昆蟲的行為、生態等應有所認識，以昆蟲為主軸結合語文課程，讓學生運用語文修辭技法進行童詩創作與發表。 圖7.童詩創作啟發學生的想像力，並用文字及圖畫記錄下來。（作者提供） 4.昆蟲小書編輯 藉由閱讀昆蟲科普書籍，找出自己想介紹的昆蟲。撰寫「昆蟲小書」計畫表，規劃小書的內容與架構後，利用半開雲彩紙，製作八格小書。在期末時，上台同學分享自己的昆蟲小書(圖8)。在過程中，學生從閱讀中，擬定小書主題與撰寫內容，以繪本方式，從書名命名，封面、內頁、封底構圖與繪製，最後發表與互評。從小書中，發現學生對昆蟲觀察入微，圖文並茂，內容描述完整，能運用科學寫作方法，如：研究動機、研究方法、結果與發現等陳述。上台報告時，學生能大方有條理，以平穩清晰口氣進行發表，讓學生學得科學報告應有的態度。 圖8.昆蟲小書創作是結合科學、藝術、語文等領域（作者提供） 實施本課程之影響 本校屬於偏鄉小型學校，自然環境豐富，由校園出發，從觀察周遭的昆蟲，增加師生對校園環境的關懷，提昇對事物的好奇心與對自然知識的求知慾。以學習「昆蟲」 為主軸的生物科學知識外，結合校內教師專長，加入語文領域、資訊領域、藝術領域等，讓學生學習更多元化及完整性。透過學生的觀察紀錄本、學習單、動手操作、提問等課堂教學紀錄，我們發現學生的改變(圖9)。 圖9.透過課堂記錄及發表，學生可以展現邏輯思考及創意表現。（作者提供） 1.解決問題能力-動手解決真實世界問題的學習方式：跨科主題會與生活情境相結合，啟發學生的好奇心與探究欲望，並且讓學生「動手」把想法具體實踐、建造出原型，來試驗方案是否能解決需求，學生能改變學習態度，提升能力，面對生活挑戰。 2.團隊合作能力：「動手做」任務導向合作學習的課程設計，大多需要同儕互助合作，以求順利完成，因此學生需要人際互動及溝通技巧。過程中，學生會遇到問題，可由向組員討論或老師協助，使問題獲得解決。透過學生彼此互動及責任分擔，為達共同的學習目標，能積極主動參與學習，進而提升學習成效。 3.獨立思辨能力-鼓勵嘗試和錯誤的學習過程：在動手建造解決方案的過程中，犯錯與失敗是必經但珍貴的過程，因為失敗之後必須反思失敗原因，再據此修正作法，接著再嘗試、面對再次失敗、再檢討、又再摸索的嘗試勇氣，直到找到成功的方法解決問題。除了能在學習中提高耐心與挫折忍受力，也提升學生獨立思考並為自己的行為負責。由實務操作中，建立科學知識，透過體驗試誤學習，也可得到問題解決的能力。 4.溝通協調能力-團隊中學習表達與接納：小組的方式進行活動，讓學生在團體裡腦力激盪、集思廣義來討論出方案，並分工合作完成專題。過程中，學生彼此可以激發出更多創意，並運用協商溝通等人際互動技巧來進行小組決策，進一步學習尊重與接納、欣賞與自己不一樣的聲音與想法。學生也能透過語言、文字、肢體等方式表達自己的想法和理解對方想法。也鼓勵學生表達意見及團體互動，提高主動參與與討論的意願，增加其自信心。 5.創造力：教學引導是「感受」與「知識」的碰撞，透過五感的體驗並覺察問題，學生創意是「抽象」到「具象」的轉化，學習過程中師生「創生（再）」思考和創意源源不絕。 未來發展 愛迪生到校扎根計畫在本校已執行三年，感謝全校師生、科教館、廣達文教基金會及中興大學昆蟲學系的全力協助。教師經過三年科學知能增進，自行改變教法，設計課程教材，製作教學器材，已然在科學教育課程教學上有所增能。今年，將以愛迪生第一年課程「昆蟲採集」、「昆蟲標本製作」、「昆蟲箱製作」為主題，帶領學生由第一階段開始，教師們再一次以跨領域方式，尤其與藝術專長教師合作，共同檢視教學教案，發展新的教材，進行科學繪本製作，將愛迪生計畫在秀林國小所執行的昆蟲課程，以繪本方式呈現，配合教學教材及教案，除學生可以自行閱讀及實驗操作外，也能成為教育現場教師的昆蟲教學手冊。 參考文獻 教育部，2017，十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校─自然科學領域。 楊正澤。2015。從昆蟲小博士到昆蟲學博士 法布爾在臺灣。科學月刊 541：50-55 陳采如 南投縣秀林國民小學教師 楊正澤 國立中興大學昆蟲學系教授 楊清豐 南投縣秀林國民小學校長

夜訪大自然之夜間生態觀察

文/湯谷明 國立臺灣科學教育館自2011年開始，為了推廣科學教育普及的核心價值，落實偏鄉與弱勢族群的教育平權，持續辦理近十年的「『愛』迪生出發」公益學習活動，結合科學或博物展館、科技產業及陽明書屋戶外科學研習基地，安排各式解說活動及體驗課程，啟發學童對科學的興趣及拓展視野。 圖1.偏鄉學童於科教館前合照(科教館提供) 過夜的行程中，「夜間觀察」是許多學童的初次體驗。活動初期，講師們先入為主的刻板印象，總以為來自偏遠地區的孩子因生活環境相對自然，應該熟悉各種蟲魚鳥獸，但實際狀況卻是因為缺少師長的引導或是隔代教養的生活形態，他們鮮少有夜間自然觀察的經驗，對夜間活動的生物反而是陌生、甚至懼怕的，比如青蛙跳到腳邊就嚇到跺腳哭泣。 有鑑於此，教學的首要步驟就是降低孩童對黑夜的恐懼，並維護大家的安全，除了詳細的行前通知外，現場更必須佈達安全規範並要求學童嚴格遵守： 1.穿著長袖衣褲、寬沿帽子及包鞋，嚴禁穿拖鞋或涼鞋。以免被蚊蟲叮咬、觸碰到有毒植物或昆蟲。 2.一定要帶手電筒（手機的手電筒效果不佳），並教導手電筒正確使用方式，手電筒最重要的功能是協助看清楚道路與周圍環境，確保自己的安全，也不可照射別人的眼睛，以免造成視覺的不舒服。 3.不可以發出奇怪的聲音或突如其然驚嚇他人的惡作劇行為。 4.注意行進時的安全，一定要走在講師的後面，不可以獨自行動，並走在步道上，不踩踏草地，以免傷害到小動物。 5.雙手不可以放在口袋，以隨時應付突發狀況。除非在老師的帶領下，不可以觸摸任何枝條葉子。 6.看到動物不可以直接用手抓，以免讓自己或小動物受傷。告知老師，由老師判斷是否適合觸摸觀察。 夜間觀察的教學引導 夜間觀察是戶外教學的一種方式，戶外教學的本質以「啟發」、「探索」為重，而非「知識傳遞」為主，所以在規劃夜間觀察的課程時，不是講述多少生物知識或認識多少物種，而是以引導觀察、提問思考等方式，帶領學童利用各種感官探索黑夜的世界。 引導1、隨時隨地都在培養觀察能力 觀察對象不只限於動物、植物、星象等，對遠道而來的學童，第一個可以感受到天氣的不一樣。請小朋友說出家裡跟陽明山的天氣有什麼差別？大部分可以馬上回答比較冷、很潮濕、或是風很大…。再請小朋友回答，喜歡這樣的環境嗎？為什麼？在這樣的過程中，可以讓學童認知氣候受地理位置及地形影響，當環境不一樣時，有人喜歡、有人不喜歡，就像生物也有自己適應的棲息環境及分布範圍。 人是日行性的生物，且大部分人都習慣以視覺為主。夜間觀察即使在手電筒的幫助下，也不盡然能看見生物，因此往往是先用耳朵聽，當越安靜時，就越能聽見動物的叫聲、或跳過草地落葉的聲音,,,,，再循聲找物，相對容易許多。因此講師會先選一處安全的空地，請大家都關掉手電筒、閉上眼眼睛，安靜地仔細聆聽一分鐘，數一數聽到多少種不同的聲音？聲音從那個方向傳來？是從樹上還是地上？這一個過程除了可以讓學童從興奮的情緒中安定下來，更可以在來回問答的過程中，讓小朋友逐步學習觀察的重點。 大部分小朋友對生物模樣的認知，僅是從書本或電視、電腦裡的平面影像；再加上缺少夜間觀察的經驗，往往一開始都找不到任何生物，然後覺得無聊、沒有信心，就開始分心聊天。因此講師必須先引導學員觀察動物可能出現的環境、耐心觀察草叢間的動靜，練習在一片草木間分辨出生物有不同的顏色或型態。有些觀察敏銳的小朋友，可以很快的發現各種生物：蝗蟲 蜘蛛、蟑螂、青蛙…等，此時講師一定不忘稱讚一番，因為引起興趣與成就感是學習重要的動力，同時也鼓勵其他人自己嘗試找到生物。但是很多習慣被直接灌輸知識、欠缺耐心及探索的精神的小朋友，即使手電筒的亮光已經停在動物的身上，還是一直焦急地喊著「在哪裡？在哪裡？」，而這種只想馬上得到答案的反應，也正反映出我們平日的教育只注重「速成」及「答案」。 圖2.夜間生態觀察 引導2、令人花容失色的蟑螂，是印證課本知識的最佳主角 偶遇天氣不佳連動物都躲起來時，至少還可以看到山區裡常見的臺灣原生種蟑螂—東方水蠊，當小朋友驚呼「好噁心」的時候，引導觀察更是重要，畢竟大部分人從未好好正眼瞧過蟑螂。 問：你覺得他跟家裡的蟑螂哪裡不一樣？ 答：顏色不一樣、形狀比較圓…等等，或是知道不一樣但是又說不出來。（最顯而易見的是東方水蠊沒有翅膀，但家裡的蟑螂成蟲後有翅膀會飛--與生活經驗結合）。 問：這些蟑螂有的是咖啡色、有的是黑色，是同一種嗎？提出你的看法？（若蟲顏色較淺、成蟲為黑色） 問：剛剛在哪些地方發現東方水蠊的蹤影？跟別的昆蟲相比，觀察到的數量多還是少？（在枯枝落葉堆下、或是駁坎的排水管中都很容易看見） 此時，大部分小朋友已經聚精會神地仔細觀察，早已忘記蟑螂是噁心恐怖的生物。再鼓勵小朋友可以摸摸看，是硬的還是軟的？讓小朋友透過實際的觀察觸摸，逐一印證自然課本中的知識：昆蟲有堅硬的外骨骼、有些屬於「不完全變態」、並不是所有昆蟲都有翅膀….等等。 還可以再提問：為什麼討厭家裡的蟑螂？單純只是因為覺得噁心就想打死？看到東方水蠊想打死嗎？這些比較深度的問題，主要是引導小朋友不要從外表來評定一個事物，瞭解萬物皆有其存在的功能，所以要學會欣賞及尊重。 圖3.東方水蠊 引導3、好奇心與純粹冒險的樂趣，是戶外教育的本質 盲蛛也是夜間觀察的「常客」，小小的身體配上極為細長的八腳，移動時身體上下晃動，乍看如星際太空船一般。講師先讓盲蛛移動到手上（不用手抓，以免造成傷害），雙手輪流如搭橋般讓盲蛛行走，請小朋友觀察其活動時有無特殊之處：盲蛛會用第二對最長的腳先在前面探測及計算距離，若前面無路可行，就會轉個方向繼續探索，猶如導盲杖的功能。 再詢問小朋友是否願意讓盲蛛在手上活動，往往有一兩位膽子特別大的孩子自告奮勇嘗試，而其他孩子馬上問：有什麼感覺？癢不癢？若第一位說：一點感覺也沒有，立刻所有小孩都伸出了手，爭先恐後搶著體驗；但若回答好癢或是好可怕，大部分的小孩就會卻步。這也反映出傳統教育下，師長總是以「因為我有豐富的經驗，所以聽我的沒有錯」來告誡，殊不知阻撓了小孩旺盛的好奇心，造成只會「盲從」他人的經驗及指導。愛因斯坦曾說：「我沒有特殊的天賦，只是擁有熱切的好奇心。」在夜間觀察的課程裡，講師特別重視鼓勵小朋友多嘗試，激發其對每一件事物的好奇心，探索已知或未知的世界。 圖4與盲蛛親密接觸 引導4、打破刻板印象重新觀察，培養科學研究的精神 一般人對蟾蜍的第一個印象就是「有毒，很醜」，所以當講師捉起一隻肥胖的蟾蜍時，大部分人的反應都是：你不怕中毒啊，並投以崇拜的眼光。蟾蜍的確有毒，但是大部分人只採取敬而遠之的態度，卻沒有好奇心追究如何才會中毒？ 講師先把蟾蜍跟青蛙放在一起，問兩者有何差別？體型、身體表面的顆粒、眼睛後方的耳後腺…。再解釋蟾蜍的毒液集中在耳後腺，除非用力擠壓才會滲出，即使皮膚接觸也不會中毒，而是要吃進肚子裡；讓小朋友先打破刻板的印象，再引導利用觸覺觀察。 圖5.白頷樹蛙 請小朋友用手握住自己另一隻手腕約10秒鐘，然後再輕輕的把手放在蟾蜍的背上或腹部，感覺有何不同？有人說蟾蜍的皮膚上有疙瘩、粗粗的，而我們是滑滑的；有人說蟾蜍的皮膚冰冰的，我們比較熱。 再問：為何蟾蜍的皮膚冰涼？而我們是溫熱？有人馬上聯想到課本上的「冷血動物」（外溫動物）。再請大家思考，我們在什麼季節比較容易看到青蛙或蟾蜍？是否跟體溫有關？ 圖6.盤古蟾蜍 圖7.觀察與觸摸蟾蜍皮膚 蟾蜍的外觀特徵也是觀察重點之一，請大家算一算前、後肢各有幾趾？哪裡有蹼？蟾蜍不但自備「蛙鞋」、還有「蛙鏡」--瞬膜，這些構造都可以幫助其游泳。蟾蜍又是如何走路的？像青蛙一樣跳的又高又遠嗎？實際觀察蟾蜍走「台步」後，結果發現蟾蜍走得十分緩慢，就算跳躍也是很短的距離，請大家思考原因？有人提出因為太胖所以跳不動、有人則認為是腳太短沒有力…，當然也有人提出正確答案—因為有毒。但不論答案是否正確，這都是邏輯思考的訓練，讓小朋友從各種觀察結果找到彼此間可能的關連。 在經過一連串的引導後，大家都不再害怕蟾蜍了，甚至覺得十分可愛，還曾有隨隊老師說想養一隻當寵物。科學研究的步驟：觀察、假說、實驗、學說，觀察是最重重要的第一個步驟，打破對事物的刻板印象、重新觀察檢驗，將會有更多新的發現。 結語 自然主義教育哲學的代表人盧梭（Jean-Jacques Rousseau）指出「我們的啟蒙老師便是自己的腳、手和眼睛。如果用書本來替代這一切，無非是教導我們去使用他人的推理、判斷。」在其所著”Emile”（愛彌兒）一書中，更提倡「一切在自然中學習」，主張從「做中學」，鼓勵與實物接觸，以及從事觀察及探索的教育理念。 夜間觀察的課程設計，即是稟持這樣的理念，激發學童與生俱來的好奇心，並鼓勵其勇於嘗試與探索。雖然看不到立即、有形的教學效益，但是開啟他們新的視野，用不同角度來看待世界，正是課程最重要的目標。 圖8.夜間生態觀察與學生討論 湯谷明 夜間觀察講師

花非花、果非果—親子觀察植物形態

文/王美芬 引言 大自然的運行充滿了規則、原理、有序、分類、功能。我們居住的地球被生物和非生物環繞著。它們有長期和短期的改變和穩定，也有宏觀和微觀的靜與動。不論地球樣貌如何改變，都可以發現自然物質的循環和平衡。 何以自然科學被歸為大學的「理學院」?日文的自然科稱為理科；英文的science辭源是拉丁文「知識」之意。大凡自然學科：生物、物理、化學、地球科學的知識內涵，總能理出「因」「果」關係和邏輯軌跡，這便是「理」之精華所在。自然科學中的原理原則，不受人治而改變，因此自然科學這門學問是客觀、理性、講理的學問，只要有數據，便可以解釋或預測、可證明。 本期的「科學研習月刊」，以生物為主題。筆者鑽研國小自然科教材教法三十年。我國近三十年來的課程標準，有三次重大改革：一、民國82年公告課程標準，國小自然科課本也由國家編寫改由民間編寫，於民國85年上市，由國小「自然」課本一上冊逐年上市至六下冊。二、民國97年公告「九年一貫課程綱要」，國中小「自然與生活科技領域」課本，於民100年由三上冊開始，逐年至國中三下冊。三、目前則是實施「十二年國民教育課程綱要」的新編課本，於108年各級學校一年級開始使用新課本。但國小「自然領域」是三年級才有的課程，故，將於本學年度開始使用新課本，逐年上市至六下學期。 筆者完整參與這三次課程改革的自然科學教科書編寫，對於國小階段的教材至為熟悉。在師培機構亦教授多年自然科教材教法，接觸的都是職前教師、國小老師、學生；這使我聯想到，家長被置身度外，他們也應該熟悉國小教材呀! 當家長陪孩子走出戶外時，能夠和孩子一起觀察自然，不只增近親子關係，為了跟孩子說明一些植物形態，家長也需有足夠動機去認識植物。 本文主旨有別於系統化植物知識的介紹，而是提醒家長，和孩子們在戶外觀察植物時，應有的正確知識，避免孩子產生迷思概念，又可增添觀察的趣味性。 花非花？ 臺灣處處可看見整年開花的九重葛。它的花色種類多而艷麗，這些艷麗的顏色，常被誤認為是花色。其實，它是變態葉，葉子含很多的色素，掩蓋了少量葉綠素，真正的花是位於中央的白色小花(圖1 )。聖誕紅也是類似的情形，美麗的紅色，不是花瓣，是變態葉(或稱苞片)。真正的花是在變態葉叢中心部分的小花。 圖1a.九重葛變態葉和花 圖1b.聖誕紅之花 「花」是繁殖器官，它有大蕊或/和小蕊(圖 2a )。大蕊會生成果實種子(雌花)，小蕊會產生花粉(雄花)。各種花的大蕊柱頭形狀不同。用力看看圖片中的四季秋海棠，它是雌雄異花，所以某朵花只有大蕊(圖2b)，另一朵花只有小蕊(圖2c)。當你觀察一棵植物的花時，可以查看一朵花只有大蕊或只有小蕊，稱之單性花。日常所見大部分植物花是兩性花，亦即，同朵花有大蕊在花中心部位，小蕊在外圈圍著大蕊，再外圈才是花瓣，最外圈是花萼。如果觀察花朵時，分不清是甚麼部位，用這個由內而外的構造，可以很容易地分辨出花的構造。 圖2a.鬱金香的大小蕊 圖2b.四季秋海棠雌花 圖2c.四季秋海棠雄花 圖2d.百合花 圖2e.粉撲花 圖2f.白鶴芋火焰花序 圖2d(林永春提供相片)中百合花，只有3片花瓣、3片花萼，請用上述原則，分辨大蕊、小蕊、花瓣和花萼吧！百合花有6個小蕊，上面有滿滿的花粉，他的大蕊雖然只有一個，位在花的最中心部位，但注意看，大蕊的柱頭形狀，好像3個半圓形。百合花的構造都是3或3的倍數。許多植物花的構造，常和3 或3的倍數，5或5的倍數一致。大蕊的構造能增加沾黏花粉，能提高後代的繁延機率，所以各種花有各自最適合的柱頭。圖2e是粉撲花(又稱美洲合歡)，看似一朵，其實是很多朵長在一個花枝上，形成球狀的頭狀花序，長長的小蕊花絲構成一個粉撲狀的紅花。圖2f 白色葉狀部分並非花瓣，而是苞片，每一苞片保護很多不起眼的小花，它們長得像火焰，稱為火焰花序。 見過竹子開花嗎？竹子是臺灣很常見的大型單子葉植物，它的莖又硬又高大，生物學上它是屬於草本植物、不是木本植物。理由是，竹子莖沒有形成層，它不會年年增粗，當然沒有年輪。當竹筍發芽時，它有多粗/細，長大後還是同樣粗細。你愛吃市場賣的粗大麻筍，還是細長的桂竹筍呢? 它們在發芽階段和長成大竹時，是差不多粗細(圖3a)。 竹子的空心莖拿來當存錢筒，是筆者小時候的玩意。竹子體態優美，是國畫中很受歡迎的作畫素材。竹子很少開花；有傳說看見竹子開花，可能有災難。其實，竹子生長數十年後，在乾旱或衰老時才會開花(圖3b)，開完花、完成傳宗接代就死了；這是自然現象。竹子花不明顯、也不艷麗，就如稻禾一樣，沒有艷麗好看的花瓣，但是有傳宗接代的主角：大蕊和小蕊。 觀看竹子的高聳挺拔，總能聯想到樹林間的樹木，樹幹總是筆直高大直衝天際。筆者年少時，父親比喻說，人要像樹林一樣，在有競爭的環境下，努力向上，才會出人頭地，不要像種在開闊地方的樹，沒有競爭，無法長得高聳。競爭帶給人們努力的原動力。(圖4) 圖3a.筆直的竹子 圖3b.竹子開花了 圖4.林木間的筆直樹幹給了我們甚麼啟示 果非果？ 美麗的臺灣欒樹，看來好像花開滿了整棵樹。其實，這也不是花，而是果實。臺灣欒樹於秋天開花；一枝花枝開了很多小黃花，形成一個圓錐狀，稱為圓錐花序。小花謝了以後開始結果時，果實不是圓圓或長長，而是由三片苞片包圍著黑色種子。這個苞片剛開始是粉紅色，後來變成紅磚色，此時，煞是好看! 最後變成褐色。苞片列開後，黑色種子裸露，沒有果肉保護。同一顆樹在不同時日有的開花、有的結果，整棵樹非常美麗，是臺灣名列前茅的美麗之樹。(見圖5) 圖5a.臺灣欒樹花 圖5b.臺灣欒樹果實 圖5c.裂開的果實 (圖5a 和 5b圖片來源：CC BY莊溪-非商業性-禁止改作2.5臺灣授權條款釋出) 在雲林、嘉義地區，春末時節常可見，超級大花生垂掛在臘腸樹上。它的果實形狀像洋香腸，原產非洲，早年引進臺灣作為觀賞樹。以外形來看它的果實，和花生真像爺孫關係呢 !看看圖中超級大花生和真實花生長得很像吧(見圖6 )。花生是果實，長在土下；花生植株開花三至五天後，會從花柄靠近節的地方長出果柄，慢慢長入土中，最後長成花生。這也為什麼稱為「落花生」的原因。這種地上開花、地下結果的植物不多呢! 圖6a.臘腸樹的果實 圖6b.和花生比較外形和大小 「無花果」顧名思義，好像不會開花就結果！非也。一顆無花果是由許多沒有花瓣的小花開在杯子狀的花托內面，這個杯子狀的花托，只留一個小洞，讓小昆蟲可以進出授粉。這個花托漸漸長大形成一顆果實(圖7a )。類似的植物，還有榕樹果實(圖7b )、菩提樹果實。讀者沒有看過榕樹開著美艷的花吧；它們都是由沒有花瓣、只有雌雄蕊的多朵小花集合長成的果實。可撥開掉落地上的榕樹或菩提樹的果實來看，像不像無花果的內部。這麼多花隱藏並長在一枝花軸上，是隱頭花序。鬼針草(圖7c)的黑色果實，常黏在行人的衣服上。揀一根用放大鏡看一看，它有甚麼秘密，可以黏在衣服上! 圖7a.無花果 圖7b.榕樹果實 圖7c.鬼針草 菜園裡的蔬果 對於都市孩子而言，餐桌上的蔬果和田裡的蔬果常有距離；若媽媽沒有提供讓孩子認識炊煮前後的蔬果，那麼就帶著孩子到菜園看看吧！植物莖的分類，有木本莖、草本莖和藤本莖。食用瓜果蔬菜的種類很多樣。圖8顯示花椰菜、茄子、大頭菜、胡瓜、西瓜，藤架上苦瓜和百香果 圖8a.花椰菜 圖8b.茄子 圖8c.大頭菜 圖8d.胡瓜 圖8e.西瓜 圖8f.苦瓜 圖8g.百香果 同樣是豆，皇帝豆和碗豆身材差這麼多(圖9a)。 田中的禾本科糧食類植株，在植物形態上也不盡相同，如玉米是雌雄同株、雌雄異花。頂部是雄花，下方是雌花、也就是會長成玉米的部位。雄花產生的花粉，被風吹到下方雌花柱頭上(圖9b)。授粉後長成玉米，每一顆玉米，都是由一朵小雌花發育成的。另外不常見的高粱、紅藜(圖9c、9d)，生長環境不像水生稻米，它較耐乾旱，這些都是雌雄同花結成的果實。 圖9a.皇帝豆和碗豆 圖9b.玉米 圖9c.田中的高梁 圖9d.原住民愛吃的紅藜植株 葉子形態的觀察 國小學童中年級已學過植物的外形構造，孩子可能比家長還熟悉呢！觀察葉子，可從葉形、葉緣、葉脈、葉序、單複葉等方面著手。家長或可問問孩子中年級學過的植物身體構造，還記得哪些。戶外親子觀察時，可以複習所學。葉子形態多樣化，當觀察各種葉形時，讓孩子想像葉子形狀像甚麼，像手掌、船、愛心、針、盾牌等等(圖10a & b)。可以用各種不同形狀和顏色的葉子，拚成某種物品、一種動物或一幅風景圖，例如拼成蝴蝶、水族箱，以增加趣味。觀察下圖(圖10 c & d)，為什麼叫二葉松(兩根葉子一束)、五葉松(五根葉子一束)，仔細看，圖片中的松葉，二或五葉是從同一個節長出來的喔。 圖10a.掌形葉 圖10b.臺灣區最大的單葉--姑婆芋 圖10c.二葉松 圖10d.五葉松 其他 我們喝的咖啡是由咖啡果實，經過去除果皮、乾燥、烘焙研磨再沖泡成為咖啡飲料。見過咖啡樹的長相嗎(圖11a)? 咖啡花又是甚麼樣子呢? (圖11b；甘漢銧提供) 圖片中的每一顆咖啡果實內有2顆種子，就是咖啡豆；樹枝上長了那麼多咖啡果，可以想像，咖啡果實的前身----白色咖啡花也是開得密密麻麻。 圖11a.咖啡果實(內有咖啡種子) 圖11b.咖啡花 有些植物的葉子會被某些特定種類的昆蟲刺激，而產生增生得像一個包包或一顆小果實的樣子，稱為蟲癭。某種昆蟲產卵時刺激葉子產生蟲癭，而昆蟲的幼蟲就在蟲癭裡面發育，直到成熟才離開。當你看到蟲癭時，可以觀察看是否有昆蟲在裡面。有的蟲癭看起來像葉子染病了。蟲癭的多樣性(圖12)，促使學者投入研究這個專門學問，臺灣曾於2018年舉辦國際蟲癭研討會，可見它是有趣又值得研究的主題。 圖12a.葉子上腫了好幾個包包 圖12b.像小果實的蟲癭 圖12c.看起來葉子生病了 結語 生物世界物種極多，幸有「分類學」的建立，使得植物物種能分門別類，有利於觀察研究，易於找出個體間的異同。透過觀察植物可以了解「植物形態學」這門學問的實用和趣味；也能「理出」地表物質的循環和平衡、構造和功能互相配合的奧妙。透過親子共同觀察植物，使十二年國民基本教育課綱中強調的「素養和學習表現」能根植於孩子的科學能力中。 致謝 本文圖5a及5b圖片來源引自莊溪「植物面面觀」個人網站，該網分享豐富且多元的植物圖片及相關資料，並採創用CC非商業性用途授權釋出，提供於學術研究及教育推廣上之使用，推薦中小學教師、家長可參考該網教學資源的地方。 王美芬 前臺北市立教育大學自然科學教育系退休教授

以珍古德傳記繪本初探跨領域和跨議題教學

文/劉淑雯、孫郁雯 一、初心 現今在十二年國民基本教育的推動下，重視培養學生在適應現在生活及面對未來挑戰時，所應具備的知識、能力與態度，亦即「核心素養」。課程逐漸強調學習不宜以學科知識及技能為限，反而應關注學習與生活的結合。每天充斥各種訊息，如全球病毒的危險等，要瞭解這些與生活息息相關的主題，擁有單一的知識並不足，我們需要會運用跨領域、跨學科的綜合知識。「如何幫助孩子培養學習興趣、擁有素養，最終邁向跨領域、跨學科的探究？」是當前教育最需迎頭趕上的重點。劉淑雯（2018）提到對於低年級的孩子來講，因為他們較缺乏生活經驗與日常體驗，在科學的理解上，過多的文字性傳達和專有名詞可能會限制孩子的學習興趣，因此藉由繪本圖像能讓兒童更容易理解，也讓學習成效更加分。帶孩子入門的方法就是透過廣泛的閱讀和探究，因為諸多研究都指出，多文本的閱讀對自然科學領域的學習有極大的效果。而運用繪本指導兒童學習各種科學知識是一項有效的策略，例如：從「可可冰」中延伸出自然領域凝固與保冰；「石頭湯」可以學習自然領域的浮力概念；「鬆餅鬆餅」可透過觀察了解麵團的變化，甚至帶出酸鹼中和與發酵作用的相關知識；「旗魚王」、「爺爺的大漁船」、「捉鎖管」結合海洋議題，展現漁船或相關捕魚用具構造與功能。 十二年國民基本教育課程綱的的「議題」具有時代性、脈絡性、變動性與討論性的特點，如運用多文本閱讀的策略和跨領域的角度去探究，從教學設計中實踐，可以獲致較寬廣的覺察與理解（劉淑雯，2020）。以別平等的議題為例，刻板印象認為，STEM這些領域常由生理男性一手包辦，相對而言，生理女性在STEM領域中的貢獻時常被漠視，甚至被認為是潛力不足。但從古至今，歷史上其實有許多偉大的女科學家，她們運用自己的好奇與興趣，創造出許多不可思議的發明。若我們可以帶領孩子，認識這些女科學家、瞭解她們的故事，勢必能給孩子們在STEM領域一個典範支持的力量（劉淑雯、孫俐婷、郭妍希、蔡佳蓁，2020）。在國外有相當多關於傳記繪本教學相關書籍，因此本次教學將借力外國教案進行兩次共備研討。此次教學的傳記繪本是實施對象是國小二年級的學生，教學目標為向科學家學習「敏銳觀察」特質和認識女性科學家，依實施班級的特性及年齡進行課程微調整，以 【我…有夢(Me…Jane)】女性傳記繪本電子書搭配動畫，採用師生對話式閱讀策略實施跨域教學。原國外教案觀察活動的設計為讓學生觀察幽靈蝦，但實際去水族館找，發現這種蝦子太小隻，加上牠身體透明又喜歡躲起來，擔心不適合才剛學習觀察的二年級學生，決定將觀察對象改成富士櫻的葉子，葉子不會動的特性，加上可以拿在手上近距離查看，讓學生體驗仔細敏銳觀察。 二、教學目標及流程 教學目標共有四個：1.能說明「觀察敏銳」的意思。2.能說出「觀察敏銳」的人格特質。3.能正確圖解富士櫻的葉子。4.能辨別動植物生存模式的異同。課程則以四個層次實施，分別是預測活動繪本討論觀察階段解釋階段。其中會融入三個議題，有性別平等教育議題的「覺察性別角色的刻板印象，了解家庭、學校與職業的分工，不應受性別的限制。」和「了解不同性別者的成就與貢獻。」環境教育議題的「覺知生物生命的美與價值，關懷動、植物的生命。」、「了解人與自然和諧共生，進而保護重要棲地。」和「覺知人類的生活型態對其他生物與生態系的衝擊。」閱讀教育議題的「能在一般生活情境中，懂得運用文本習得的知識解決問題。」、「培養喜愛閱讀的態度」和「願意廣泛接觸不同類型及不同學科主題的文本。」 （一）【預測活動】：猜猜看各式生物的生存模式一樣嗎？ 1.世界上有哪些生物？ 2.大家的生存模式一樣嗎？ 3.都需要食物、水和氧氣嗎？ (二)【繪本討論】：讀讀看Me…Jane這本書要告訴我們什麼故事？ 1.為引起興趣，討論繪本前先讓學生猜主角Jane Goodall珍古德是男生還是女 生？(過半數的學生猜是男生！) 2.介紹繪本＆提問 (三) 【繪本導讀】： 講述年幼的珍古德常帶著兒時黑猩猩玩偶朱比利去觀察大自然，他們爬上大樹、紀錄動植物、好奇的躲在雞舍看蛋從何而來……珍古德從小就夢想著要跟所有的動物住在一起，和牠們做朋友，並幫助牠們。20年後，她真的夢想成真，成為世界上最偉大的動物學家、環境保育家、人道關懷者、以及聯合國和平大使長大後。珍古德不只幫助了動物，更改變了世界。 麥當諾（Patrick McDonnell）以溫馨的風格，講述幼年珍古德和她的故事。學生可以透過此書了解珍古德在夢想實現前，做了哪些事？懷抱著哪些理想？並且從中感受到珍古德從小就擁有科學家特質--觀察敏銳。 (四) 【提問】： 1.封面 (1)珍古德在哪裡？(在正中間) (2)他在做什麼？(手上抱著猩猩娃娃) (3)在封面看到哪些東西？(大象、長頸鹿、獅子……) (4)猜猜看接下來故事會怎麼介紹珍古德？珍古德做了什麼事？(講她在叢林冒險的故事、她在叢林裡長大、她是獸醫……) 2.內文 (1)珍古德怎麼認識這些動植物？(在庭院裡觀察、自己找書來看……) (2)她做的筆記是按照自己的想像嗎？還是有根據的？(有根據!事實際觀察和看書之後才畫出來的~) (3)為什麼雞舍要有乾草堆？(讓人躲藏、幫雞保暖、保護蛋不要破掉) (4)從哪裡看得出珍古德真的很喜歡大自然，展現出科學家的特質？ (她會自己跑去研究動植物的書籍、觀察蛋怎麼來、幫樹取名字、對很多動植物都很有興趣，會花很多時間觀察、躺在草地上感受風……) (5)看完泰山這本書，猜猜看珍古德的夢想是什麼？(當泰山、成為探險家) (6)珍古德想去哪裡探險？想研究什麼？海洋？外太空？(叢林，研究動植物) (7)從哪邊可以證明珍古德想去叢林冒險，而且想研究的對象是動植物？(她很喜歡動物，叢林有很多動物、在封面就畫出珍古德根很多動植物在一起……) (8)珍古德最後夢想成真了嗎？她在做什麼呢？(有~~她在非洲研究黑猩猩) 3.補充說明珍古德的事蹟 (1)介紹珍古德的生平，帶學生了解在那個時代背景下，其實對女性存在不公，珍古德是突破層層難關以及性別的限制，才有現在的成就。【融入「性別平等教育」議題，讓學生覺察性別角色的刻板印象，了解家庭、學校與職業的分工，不應受性別的限制，並了解不同性別者的成就與貢獻。】 (2)分享珍古德研究黑猩猩的照片，以及她曾說過的名言，帶學生反思要如何保護環境、愛護動植物，如此人類才能跟許多生物共存，共創美麗家園。【融入「環境教育」議題，帶領學生覺知生物生命的美與價值，關懷動植物的生命、了解人與自然和諧共生，並覺知人類的生活型態對其他生物與生態系的衝擊，進而有保護重要棲地的意念。】 (3)介紹珍古德的相關繪本，有些是從第三人稱的視角去講述珍古德的故事，有些是珍古德從第一人稱的角度去闡述自己的想法，建議學生可以搭配著看，如此將更全面認識珍古德這名女性科學家。【融入「閱讀教育」議題，讓學生能在一般生活情境中，懂得運用文本習得的知識解決問題，從中培養喜愛閱讀的態度，並更願意廣泛接觸不同類型及不同學科主題的文本。】 圖1 繪本教學進行情形 (五)【觀察階段】：畫畫看富士櫻的實際樣貌吧！ 1.靜靜觀察富士櫻的葉子 (1)先帶學生回顧生活課程第一單元觀察植物，複習觀察時的注意事項。諸如：安靜，才不會打擾動植物或同學。專注，仔細看細節。不放嘴巴、不隨意觸碰，因為不確定是否有毒。若要聞，要用手搧味道……。 (2)一組發下一片富士櫻的葉子，放整組中間，給全班三至五分鐘的時間靜靜觀察。 2.畫下富士櫻葉子的圖解 (1)先介紹圖解和自由繪畫的差異，利用珍古德的筆記來示範正確的圖解。 (2)請學生在學習單上畫出富士櫻葉子的圖解。 3.寫下對富士櫻葉子的疑問 (1)事後蒐集所有學生的提問，並把問題羅列在布告欄一周，讓學生有機會和時間去細想同儕提出的疑惑。 圖1. 2003年攝於希臘雅典的日行跡，以44張下午4時的照片疊合而成 (六)【解釋階段】：說說看葉子構造以及動植物的生存模式！ 1.澄清葉子的真面目 (1)用平板連結大屏，把葉子放大，帶著全班一起分析葉子。【科技融入教學】 (2)學生用紅筆在原先圖解上做增修。 2.介紹葉子的相關知識 (1)葉脈、葉敘、葉形、葉緣的種類。 (2)讓學生一邊對照富士櫻的葉子。 3.解答提問(問題共分成三類) (1)葉子本來就有各種樣態：為什麼葉子上有刺？而且刺的頂端黑黑的？為什麼葉子上有黑點點？為什麼葉脈沒有連在一起？為什麼葉子會被蟲咬？為什麼葉子的邊邊是鋸齒狀的？ (2)有科學證據： 1)為什麼會有葉脈？(輸送水/養分) 2)為什麼葉子是綠色的？(葉綠素) 3)為什麼背面的顏色比正面淺？(葉綠素要行光合作用，正面向陽，4)所以葉綠素會聚集在正面居多。) 5)為什麼葉脈在不同邊？(平均輸送到左右的葉片) 6)為什麼葉子摘下來會變黑？(缺水) 7)為什麼下面有像眼睛的東西？(那叫腺體，葉子用來保護自己不被蟲吃的獨特構造。) (3)尚未找到證據的提問：為什麼葉脈中間那一根會特別粗？為什麼背面的葉脈比正面明顯？ 4.認識動植物的生存模式 (1)怎麼獲得食物？ 1)動物/人類自己主動獵食、種植 2)植物等待別人給予(被動) (2)如何長大？ 1)動物/人類食物、睡覺、運動 2)植物水、陽光、肥料 (3)需要水嗎？動植物都需要！ 5.辨別動植物生存模式的異同 (1)利用文氏圖表整理動植物和人類的生存模式。 (2)發現 1)動植物/人類共同處皆需要水、養分 2)只有植物有的特徵無法自行移動 圖3.解釋階段實施情形 三、成效討論 原先預期學生要達到的目標有四個：1.能說明「觀察敏銳」的意思。2.能說出「觀察敏銳」的人格特質。3.能正確圖解富士櫻的葉子。4.能辨別動植物生存模式的異同。而實際實施教學後，發現這四個目標學生通通達成了！學生可以說出「觀察敏銳」是「能夠觀察到小細節或是注意到其他人容易忽略掉的地方」，並且提出「細心、耐心、仔細、有好奇心」是「觀察敏銳」的人格特質。 且在融入議題方面，學生也確實命中議題的實質內涵，好比介紹珍古德的背景時，學生能覺察到性別角色的刻板印象，了解家庭、學校與職業的分工，不應受性別的限制，也了解不同性別者的成就與貢獻（性別平等教育議題）。在分享研究黑猩猩的歷程後，學生也能覺知生物生命的美與價值，關懷動植物的生命，和人類的生活型態對其他生物與生態系的衝擊，進而了解人與自然和諧共生和保護重要棲地的重要性（環境教育議題）。最後額外簡介珍古德相關繪本，學生顯露高度的意願去接觸不同類型及不同學科主題的文本，且從共讀討論中，發現學生在一般生活情境中，懂得運用文本習得的知識解決問題，培養出喜愛閱讀的態度。 至於在教學前最擔心的圖解，孩子們居然也表現得超乎意料的好！教學者原本想說小學二年級的孩子光是畫出葉子圖形就很困難了，還要搭配文字、箭頭進行說明，幾乎是不可能的任務吧!? 結果看到孩子們的成品，都很驚豔！即便因為小二的孩子還沒有正式接觸自然課，所以有一些葉子結構的專有名詞會搞錯，但大致上葉子的構造、細節，孩子們都有觀察出來，並把實際觀察到的現象用圖解的方式記錄下來，讓教學者感到非常的訝異！ 而且在辨別動植物生存模式的異同時，因為採用小組討論全班討論的模式，發現個別學生拋出的知識都隸屬不同的領域，但集合起來就形成了完整的知識網。好比有學生對海洋生物很熟悉，他分享魚也要喝水，只是跟我們人不一樣，魚是「用皮膚喝」(後來我有補充這個叫做滲透作用)；有學生對植物比較有研究，他提到植物是用根吸水，「如果有陽光的話，植物會比較健康」(我補充說明這個叫光合作用，有水有陽光就能讓植物的葉片行光合作用，然後會產出養分。)接著全班再一起總結，發現不管是動物、植物還是人都需要水！所以一開始認為最抽象、最遠離學生生活經驗的辨認動植物生存模式，靠著東一個學生拋出自己的知識，西一個學生丟出自己的經驗，教學者再延伸說明、補充，竟也出乎意料的順利獲得完整知識。 在觀察葉片的這個活動中，教學者以外國教案提供的評量層次(未成熟、起步、發展中、穩健)將學生的行為＆作品做分析，得到以下結果(表1)： 表1.評量層次表 張淑玲（2006）的研究結果指出，科學家故事繪本電子書教學提升了學生對科學的態度、科學本質，繪本電子書生動的動畫也吸引學生目光，使其清楚了解科學家的實驗過程，進而提升學生思考與批判能力。陳靜美（2014）的研究結果也提到，以繪本為媒介之科學探究教學使學生在科學探究的能力上有顯著成長。這次的教案整體實施下來，發現用傳記繪本進行教學除了能夠讓學生了解一位名人的故事外，還能讓學生實際感受和體驗當科學家的歷程，並培養學生對科學的興趣！ 另外在實施過程中，善用電子科技的功能確實能提升學生學習動機和專注度，甚至是學習成效。好比用電子動畫將原先在同一頁的畫面拆開呈現，中途讓學生就僅有的一點畫面進行預測和推敲，再慢慢呈現完整畫面，這樣的過程除了讓學生覺得有趣外，也讓學生邊聽故事邊動腦進行思考，這對學生的推理和連結能力都有正面的助益。段承汧（2015）的研究就指出，利用電子繪本教學能降低大部分幼兒不專注的行為，亦即能有助於提升幼兒的專注力，達到相當之改善效果，且幼兒在經由電子繪本教學後，有助其閱讀興趣的提升。周宛璇（2019）的研究結果也提到電子繪本對於國小二年級學童在整體閱讀動機和閱讀行為的提升效果上優於紙本繪本。由此可見，科技融入繪本的教學，對學生學習是有幫助的！ 四、教學省思 (一)達成預定的教學目標 學生在這三堂課當中，確實從繪本中獲得樂趣、了解珍古德這位名人、實際體驗當科學家進行觀察的經歷、學到專業知識(特別是植物中的葉子結構)、探討議題(時代背景對性別的想法/人類與環境、生物的關係)，整體而言的實施成效很不錯！ (二)發現學生的興趣，從而思考下次可增修的教學內容 實際實施後，教學者發現學生最感興趣的面向有兩個： 1.觀察葉子並進行圖解。 學生很享受專注觀察某事物，特別是他們都想當一個觀察敏銳的人，所以一直很專心、很仔細的想發現其他人都沒發現的細節！再者因為該班本來就有做筆記的習慣，所以學生會認為圖解就像筆記，可以盡情的使用箭頭/線段等等把自己的觀察記錄下來很有成就感。 2.不同時代背景下，人們有哪些不同的思維？ 可能是因為無法跟過去的人接觸，而且發現那些人的想法跟現在社會差很多，所以學生會非常好奇，譬如：以前的人居然認為女生不用讀書？因此教學者省思下次再實施這份教案時，可以增加的部分是--介紹各個不同時代背景下的文化和價值觀，讓學生和現在所處的社會價值觀做比較，並帶學生去探討為什麼在那樣的時代背景下，人們會有這樣的想法或觀念？最後問他們支持什麼樣的價值觀？為什麼會選擇支持這種價值觀？進而提升學生的批判思考能力！ (三)教學遇到的困境 這份教案實施起來的最大困難處就是：學生的生活經驗太少。好比介紹到珍古德看完泰山這本書之後很有共鳴、因而產生夢想時，大概有九成的學生露出疑惑的表情，原來是因為他們沒聽過泰山的故事！所以無法理解為什麼看完泰山這本書會讓珍古德有這樣的念頭出現？為了讓學生理解來由，教學者只好中途再穿插說明泰山的故事，這樣學生才能明白珍古德為什麼看完這本書後會產生共鳴？ 教學者後來反思出在教學中可以替換教材，用一個現在孩子看過的故事來作比擬，像是【與森林共舞】這部影集跟泰山的情節極為類似，一樣都提到人類孩子被動物養大的歷程，而因為這部片是近幾年上映的，孩子們比較有機會接觸，就能較為順利的類推經驗。 (四)教學者自身能力的重要性 孩子的聯想力真的潛力無窮！原先認為生活經驗尚少的二年級學生，可能無法對繪本內容有太多的共鳴，但其實他們都能用自己僅有的生活經驗去對繪本內容進行聯想，教學者發現只要允許他們盡情發想、討論，學生就不會害怕自己會不會講錯話、不會擔心問題是否有標準答案。當教室營造出開放多元的氛圍時，不同學生的生活知識和體驗，就會緊扣在一起，為全班編織出一張來自不同生活背景的學習網，這是教學中最美麗風景！惟本次有結合自然領域，在準備相關自然知識時就幾經困難，教學者必須不斷增強專門知識和專業知識，才能帶給學生完整且深入的學習內容。如能和各個領域的專任老師合作教學，將使跨域教學更為完善且美好。 (五)多文本學習的相關繪本推薦 以下五本繪本是從第三者的角度去詮釋珍古德的生平故事，畫風童趣、內容易讀，適合剛入手閱讀傳記繪本的讀者。 1.黑猩猩的好朋友（作者/繪者：貞娜‧溫特Jeanette Winter) 2.大自然的守護者－珍古德（作者：周姚萍、繪者：李昱町） 3.Ｉ am Jane Goodall（作者：Brad Meltzer、繪者：Christopher Eliopoulos） 4.Who is Jane Goodall？（作者：Edwards,Roberta） 5.Jane Goodall : My First Jane Goodall（作者： Maria Isabel Sanchez Vegara） 另外五本繪本是珍古德以第一人稱的方式去介紹自己的經歷，從中可以更了解珍古德的真實樣貌，也能更貼近珍古德本人的信念。 1.小奇與大亨（作者：珍古德Jane Goodall、譯者：蔡書璿、繪者：亞蘭．馬克斯Alan Marks） 2.愛的十大信念（作者：珍古德Jane Goodall、麥克貝克夫Marc Bekoff） 3.Reason for hope : A Spiritual Journey（作者：珍古德Jane Goodall） 4.Through a window : My Thirty Years with the Chimpanzees of Gombe（作者：珍古德Jane Goodall） 5.In the shadow of Man（作者：珍古德Jane Goodall） 參考資料 教育部：《十二年國民基本教育課程綱要，議題融入說明手冊》，臺北：教育 部，2019 年，頁 12。 劉淑雯(2019)，STEM 領域女力崛起--讀出女孩超能力，科學研習月刊， 58(02)。臺北：科教館。 劉淑雯(2019)，如何為孩子選擇科普書？劉淑雯推薦四大類書籍。親子天下。 劉淑雯(2018)，簡單6步驟，幫助孩子愛上科學。親子天下。 劉淑雯(2020)，性別平等教育議題與多文本閱讀，國語文教育電子報，第30期。 劉淑雯、孫俐婷、郭妍希、蔡佳蓁(2020)，STEM領域女力崛起--讀出女孩超能力，科學研習月刊， 58(03)。臺北：科教館。 劉淑雯(2020)，在繪本中發現漁船的構造與功能－像科學家一般的閱讀，科學研習月刊， 59(05)。臺北：科教館。 劉淑雯(2020)，可可冰之跨域教學研究，科學研習月刊， 58(02)。臺北：科教館。 劉淑雯(2020)，讀繪本習料理科學，科學研習月刊， 58(02)。臺北：科教館。 段承汧（2015）。電子繪本教學對幼兒專注力及閱讀興趣影響之行動研究（碩士論文）。取自博碩士論文知識網。 張淑玲（2006）。科學家故事繪本電子書教學對科學學習影響之研究（碩士論文）。取自博碩士論文知識網。 陳靜美（2014）。以繪本為媒介之科學探究教學對低年級學童科學探究能力與科學學習興趣影響之研究（碩士論文）。取自博碩士論文知識網。 周宛璇（2019）。國小二年級學童使用電子繪本與紙本繪本之閱讀動機與閱讀行為影響差異之研究（碩士論文）。取自博碩士論文知識網。 劉淑雯 臺北市立大學師資培育及職涯發展中心助理教授 孫郁雯 臺北市立三玉國民小學教師

歷史與現代結合-戰國弩STEAM高中教學課程

文/楊佩臻、丁于真、黃琴扉 前言 108課綱在2020年正式上路，新課綱中提到素養導向為目前新課綱中的發展主軸，而從細部中檢視，在自然科學領域中提到，科學是源起於人類對生活周圍的好奇或需要，而在科學學習的方法上，我們應當在課程中從激發學生對於科學的好奇心和主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進而學習主動探索、實驗操作及多元學習，讓學生能夠具備科學的核心知識、探究實作與科學論證溝通能力（教育部，2018）。在教育上將科學素養定義為「民眾生存於當代科技社會中不可或缺的基本知識與能力(靳知勤，2007)」，其中又包含了三項重點，分別是「使用科學作為職業」、「利用科學來解決問題」，以及「利用科學來做決定」。因此，以素養導向為目的的科學課程，不再只是為了學習關於科學知識，更重要的是如何應用科學及發展科學的學習，而探究與實作是也成為培養公民科學素養的關鍵途徑(教育部，2018)。 為了能夠培養學生的科學素養，許多學者致力研究如何能夠讓學生能夠在學習上提升科學素養及探究實作能力，而美國國家科學委員會在1986年發表過關於STEM的報告，此報告中明確的提出「STEM」四大核心，往後也被視為STEM的教育開端。那STEM又是什麼呢? STEM是將 Science科學（S）、Technology科技（T）、Engineering工程（E）、Mathematics數學（M）四大核心結合而成，其內涵則包含跨領域、解決問題、動手做、生活應用、五感學習；而在幾年後的教育界也將STEM的核心發展多加一項Art藝術（A）讓STEAM成為目前科學教育的五大核心新概念(MindDuo親子共讀，2020)。 總結上述，在STEAM教育中推動的核心有：跨領域、動手做、生活應用、解決問題、五感學習五大核心，致力推動自我學習及思考；而現在不僅世界多數國家均在推動STEAM教育，在國內新課綱中也致力推動探究與實作。整體而言，探究是在學習歷程上很重要的一部分，如果能夠培養學生在探究的課程設計，加強學生知識的建構和學習目標將有正向助益(陳育霖，2016)。有鑑於此，本課程以高中生為主，課程內容希冀學生能夠從課堂上吸取老師說的原理，到自己可以動手去操作完成並驗證，這樣不僅能夠讓學生對於原理更加熟悉，也可以讓學生在學習上更加完整。本團隊近年來致力於開發STEAM教學教具以及教學教法， 並於2020年開發以戰國時代的戰國弩為主題之STEAM教具，在教具教學過程中，讓學生透過閱讀組裝手冊中學習2D圖像轉換成實際組裝的3D立體成品，整體歷程不僅能引導學生建立出2D到3D的概念，更希冀能達到科學探究學習及思考培養出科學素養(表1)。 戰國弩教具與教學策略分析 戰國弩各部件 (圖1、圖2) 圖1.戰國弩零件內容及配件 圖2.戰國弩組裝成品 表1.戰國弩連結STEAM概念 結合STEAM概念與探究實作的戰國弩教學設計 本課程設計分為「弩的歷史與演進」、「探究與實作」、「課程反思回顧」三大主軸，在課程的初始階段，本團隊設計以歷史闡述的方式，講述一段戰國弩的起源及歷史上的應用，啟發學生對於戰國弩的興趣與學習動機。學生對於戰國弩的用途印象普遍是戰爭時期拿來射擊使用的但卻不瞭解是從哪個時代所發明的，依據歷史記載，傳說為戰國時代說發明的，在古代戰爭時期，弓與弩對當時的武器是佔據非常重要的位置，因此武器的好與壞成為戰爭中重要的關鍵角色，而課堂中藉由起源故事引起學生學習動機後，教師會利用時間軸介紹每個朝代所使用的弩武器，讓學生可以了解每個朝代所使用弩的變化(圖3)。而利用弩本身的組裝、射擊出的子彈及彈射感，進一步與學生討論戰國弩適合的射擊距離及弩的組裝上細節如何掌握(圖3)。 圖3.黃琴扉老師向高中生介紹戰國弩由來及戰國弩組裝注意事項 表2.戰國弩組裝範例、步驟與注意事項對照表 在探究與實作的課程中，最重要的事情是要讓學生能夠學到可以隨手就能帶走的知識，而不是還需要藉由考試才能來評斷學生的吸收度；探究實作不僅是科學教育活動的主要核心，也是結合各種領域的核心課程。而在這次的戰國弩課程中，讓學生自己閱讀組裝說明書，並從2D的圖片轉為3D物件拼裝來加強學生對於空間概念的思考，在組裝的過程中並非想像中的簡單；除了在組裝的過程中需要分辨零件的正確組裝位置，組裝過程中還必須建立自己的立體空間概念。在課程上會希望學生在組裝時能夠實踐探究與實作的精神，發現到困難點和問題可以勇於嘗試自己操作，若無法排除的問題才會由講師協助完成(圖3、圖4)；而自己也能和同學交流作品之間的差異或是利用觀察來了解自己在組裝上的問題，在組裝完成後，老師會和學生藉由組裝成品來探討成品對於STEAM的各項連結及利用課程來檢視有沒有達到108課綱所提到的「科學探究與實作」精神。 最後，本課程的目的不僅培養學生的解決問題能力耐心、同時藉由歷史演進讓學生對於弩的演進更加了解，引導學生對於課程的興趣，也能夠提升學生在探究與實作的解決問題能力和STEAM的認知及素養，並加強在2D轉換成3D的立體空將思考能力。 圖4.學生閱讀說明書完後自行組裝 課程實施注意事項 一、戰國弩試射時勿射擊人類及生物，因此在課程進行時須提醒學生射擊的安全距離和規則。 二、在射擊上容易用力過度或操作不當導致斷裂折損，因此須提醒學生用適當力度去操作。 結論 本課程因為是射擊類系列的STEAM教具，對於大部分的學生來說是一堂非常新奇的課程，所以在課程上更能夠提升學生在學習上的動機及興趣；但在進行戰國弩的課程當中，因為組裝過程較為複雜且部分零件組是需要一些技巧才能組裝完成的，部分學生會組裝到一半就萌生想放棄的念頭，也或者是學生未按照老師或組裝說明書上的步驟去執行組裝，導致零件組裝錯誤或是零件不牢固而導致零件脫落。因此老師在上課時必須先提醒學生在組裝過程的注意事項，且耐心的帶領學生一個步驟一個動作去組裝讓組裝零件牢固；組裝一個段落時，得協助學生檢查作品有無零件安裝錯誤或是牢固，並也能讓學生之間互相交流討論，而在這樣的課程中也不僅讓學生在組裝中提升了解決問題之能力，也落實對學生STEAM教學及科學探究與實作的精神。 致謝 本標準弩(戰國弩)教具之開發與製作，感謝創藝天時科技股份有限公司團隊的全力支援。 本STEAM科普課程感謝國立高雄師範大學理學院全力支持與辦理。 參考資料 1.教育部（2014）。十二年國民基本教育課程綱要總綱。台北，台灣：教育部。 2.教育部（2018）。十二年國民基本教育課程綱要：國民中小學暨普通型高級 中等學校─自然科學領域。台北，台灣：教育部。 3.教育部十二年國教新課綱推動專案辦公室(2017)。從領綱研修理念談自然科學探究與實作課程設計。台北，台灣：教育部。 4.大學入學考試中心（2018）。探究與實作重在培養學生帶得走的能力而不是考試。台北，台灣：大學入學考試中心。 5.靳知勤（2007）。科學教育應如何提升學生的科學素養－台灣學術精英的看法。科學教育學刊，15(6) 6.黃琴扉、葉凡愉（2020）。STEAM音樂摩天輪STEAM創意課程。科學研習月刊，59(5)。 7.黃琴扉、陳彥妃、李雅君（2020）。STEAM創新教具設計與教學實踐-恐龍鎖。科學研習月刊，60(1)。 8.黃琴扉、鄭雁翎（2020）。融合STEAM理念，創發「自製扭蛋機」課程。科學研習月刊，59(6)。 9.陳育霖（2016）。教育現場為什麼需要探究與實作課程？。科學研習月刊，55(2)。 10.MindDuo親子共讀（2020）。什麼是STEAM教育？川普、歐巴馬都重視的教育趨勢！20210318索引自https://mindduo.benq.com/what_is_steam/. 楊佩臻 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所碩士生 丁于真 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所碩士生 黃琴扉 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所副教授