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探究教學的實踐與理論

探究教學的實踐與理論. 高雄師範大學 科學教育研究所 洪振方 2011/07/09 于南京師大. 1. 大 綱. 一、探究教學的實例 二、探究能力的評量 三、學生在探究教學中的成長 四、探究教學的相關學理. 2. 一、探究教學實例. 重新佈局與佈題以改編課本的食譜式實驗 教科書中的實驗其實驗條件及步驟均已設 定，我們的做法就是將這些實驗條件及步 驟均開放給學生思考與討論。 這樣做的好處是不會增加老師太大的教學 負擔。 以初中二上 教科書的第 5 章「溫度與熱」 及 我們設計的探究教學 為例做說明。. 3.

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探究教學的實踐與理論

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  1. 探究教學的實踐與理論 高雄師範大學 科學教育研究所 洪振方 2011/07/09 于南京師大 1

  2. 大 綱 一、探究教學的實例 二、探究能力的評量 三、學生在探究教學中的成長 四、探究教學的相關學理 2

  3. 一、探究教學實例 • 重新佈局與佈題以改編課本的食譜式實驗 • 教科書中的實驗其實驗條件及步驟均已設 定，我們的做法就是將這些實驗條件及步 驟均開放給學生思考與討論。 • 這樣做的好處是不會增加老師太大的教學 負擔。 • 以初中二上教科書的第5章「溫度與熱」及 我們設計的探究教學為例做說明。 3

  4. 實驗 5-1 加熱時間與水溫上升 目的：了解加熱時間、上升水溫與水量三者間的數量關係。 器材： 4

  5. 步驟： 1. 取一個250ml燒杯加入100公克 ( 或100ml ) 的水，利 用溫度計測量並記錄水的初溫 T0 ( 圖 、 )。 2. 將盛有水的燒杯置於陶瓷纖維網上，以酒精登加熱 ( 圖 )，每間隔1分鐘記錄水溫 ( T ) 一次，連續記錄 五次。 3. 另取一燒杯加入200公克 ( 或200ml ) 的水，使其初溫 與100公克的水相同，並重複步驟2. ( 圖 、 )。 4. 以水的上升溫度 (T – T0 ) 為縱軸，加熱時間為橫軸， 將水的上升溫度與加熱時間的關係，描繪於方格紙上 ；並將兩杯水的實驗點，分別以一斜直線 ( 非折線 ) 來代表。 讓實驗點在此斜直線上方的點數，大約等於下方的點 數，且斜直線要通過原點。 1 3 4 2 3 ! 5

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  7. 問題與討論： 1. 同一杯水，上升溫度與加熱時間有何關係？ 2. 若加熱時間相同，兩杯水的溫度何者上升較高？ 3. 若要使兩杯水上升溫度 ( T-T0 ) 相同，哪一杯水需 要較長的加熱時間？ 4. 由以上三個問題所得的結果， 預測哪一杯水會較快 沸騰？ 7

  8. 實驗 5-2 物體受熱後溫度上升的比較 目的：質量相同的水和油，當加熱時間相同，溫度上升情形 會不會一樣。 器材： 8

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  11. 問題與討論： 1. 由方格紙上所描繪的五個加熱時間實驗點，比較水 與油獨溫度高低。 2. 由方格紙上所描繪的兩條直線，試著描述：使水與 油上升到相同溫度時，所需加熱時間何者較少？兩 者加熱時間的比值為何？ 11

  12. 科學家定義：使1公克的物質上升1℃所需的熱量，為此物質的比熱，單位為卡/克．℃。油的比熱就是使1公克的的油，溫度上升 1℃所需的熱量。和水相比，欲使1公克的油上升1℃所需的熱量，將會小於1卡。 12

  13. 根據式5-1，使物質的溫度上升所需的熱量，與物質質量、根據式5-1，使物質的溫度上升所需的熱量，與物質質量、 上升溫度二者成正比，可以表示為： H = m × s × ( T – T0 ) (式5-3) 其中 H 表示所需熱量，m 表示物體質量，s 表示比熱， ( T – T0 ) 表示上升溫度。 由上式可知，物體溫度升高所需之熱量，不只與質量大小和溫度上升多少有關，還與物體本身比熱有關。 常見的物質比熱如表 5-1 所示。 13

  14. 我們設計的探究教學 (一) 使學生投入條件開放的實驗活動，自行決 定實驗的各項變因 (二) 經由各組的發表，發現相同的觀察事件有 不同的結果，引起好奇和反思可能的原因 (三) 確認各種影響因素，依據重要性排列出來 (四) 選擇一個影響因素做探索，包括形成研究 假設、設計實驗、蒐集與分析資料、檢驗 研究假設和發現規律性 14

  15. (五) 交流與評估各組的實驗設計與結論，確 定存在的一些規律性，並反思交流前、 後的想法是否改變及理由 (六) 學生回顧他們的探究與學習，包括學習 到什麼、如何學習、及思考進一步的研 究問題等 15

  16. 以完全開放條件的情境，使學生體驗到：「影響水溫上升的因素有很多」以完全開放條件的情境，使學生體驗到：「影響水溫上升的因素有很多」 有使用擋風版，水裝得比較多 有使用擋風版，水裝得比較少 16

  17. 以完全開放條件的情境，使學生體驗到：「影響水溫上升的因素有很多」以完全開放條件的情境，使學生體驗到：「影響水溫上升的因素有很多」 沒有使用擋風版，水裝得比較多 沒有使用擋風版，水裝得比較少 17

  18. 問題一：用條件完全開放的活動，考驗學生是否已經 學會如何記錄實驗資料，並加以分析的能力 有些小組的記錄稍微詳細一點，但還是不夠精細 18

  19. 問題一：用條件完全開放的活動，考驗學生是否已經 學會如何記錄實驗資料，並加以分析的能力 有些小組已經學會使用詳細的文字及繪圖，來描述自己的實驗經過，包括實驗所需的器材、實驗步驟及結果，能都描述清楚。 19

  20. 第一次探究之後，進行第一次的發表交流 整理實驗資料準備第一次發表交流 20

  21. 第一次探究之後，進行第一次的發表交流 將探究所得的實驗資料，報告給同學聽，發表交流 21

  22. 問題二：各組學生將第一個活動（問題一），探究所 得到的資料向全班報告，比較異同之處 學生在聽完各組的發表之後，發現到「影響水溫上升的因素有很多 」，進而察覺到「控制變因的重要」 。 22

  23. 問題三：學生在小組討論之後，把影響水溫上升的 因素，依據重要性排列出來 依照重要性來排列影響水溫上升的因素，藉此讓學生練習收斂思考，也為下一個活動佈局，讓學生挑選一個他最有興趣的因素來做研究。 23

  24. 問題四：各小組選擇自己想要研究的變因、提出假說、 設計實驗來蒐集資料、並根據資料提出結論 （第二組）想研究的變因 根據變因提出的研究假設，此即為探究之後可能被發現的Pattern 能詳細寫出進行探究活動所需的器材，並設計出實驗步驟 能根據探究活動所蒐集到的資料，分析資料以形成結論 24

  25. 問題四：各小組選擇自己想要研究的變因、提出假說、設計實驗來收集資料、並根據資料提出結論問題四：各小組選擇自己想要研究的變因、提出假說、設計實驗來收集資料、並根據資料提出結論 （第五組）想研究的變因 根據變因提出的研究假設，此即為探究之後可能被發現的Pattern 只用簡單的文字敘述及繪圖來說明自己的實驗設計。 能根據實驗蒐集到的資料，形成結論 25

  26. 問題四：各小組選擇自己想要研究的變因、提出假說、 設計實驗來收集資料、並根據資料提出結論 （第四組）想研究的變因 根據變因提出的研究假設，此即為探究之後可能被發現的Pattern 能詳細寫出進行探究活動所需的器材，並設計出實驗步驟 能將實驗蒐集到的資料，整理資料，畫成圖表。 能根據實驗蒐集到的資料，形成結論，並做出推論。 26

  27. 根據自己想研究的變因、提出假說、設計實驗、進行探究活動，收集資料來驗證自己的想法根據自己想研究的變因、提出假說、設計實驗、進行探究活動，收集資料來驗證自己的想法 第四組選擇的變因是「容器材質的不同」，依據此變因產生的假說是「用鋁杯和玻璃杯來裝水加熱，鋁杯中的水溫上升較快」。這個假說也就是學生在進行探究活動之後，可以發現的Pattern。 玻璃杯 鋁杯 27

  28. 整理實驗資料，準備第二次發表交流 28

  29. 第二次探究所得的成果 第四組的發現是「用鋁杯和玻璃杯來裝水加熱，鋁杯中的水溫上升較快 」。 由實驗資料產生的，進一步的推論 29

  30. 進行第二次的發表交流 在發表之後，接受同學的提問 30

  31. 在發表交流之後，觀摩比較各組的報告資料 在各組發表之後，將各組的報告，陳列於教室前面，讓同學互相比較，並回顧整個探究歷程 31

  32. 問題五：再次進行小組討論，並確認自己的想法是否 有改變 聽過各組報告之後，把影響水溫的主要因素，做最後的確認 在經過探究活動之後，驗證自己的想法，確認想法不需改變 32

  33. 問題六：回顧本探究活動及探討可進一步研究的問題問題六：回顧本探究活動及探討可進一步研究的問題 能體會到自己的知識來源：來自自己的探究所得、來自與其他人的交流 進一步延伸的研究問題 33

  34. 教學建議 一、使學生投入條件開放的實驗活動，經由 各小組的發表，發現相同的觀察事件有 不同的結果，以引起學生好奇和問為什 麼； 二、以上述因實驗條件開放引起的問題為始 ，誘發學生進行探究； 三、連結學生的探究經驗與科學思考策略的 明示教學。 四、給學生時間投入思考的任務、利用非預 期的思考機會、促進班級或小組討論、 要求學生辯護和解釋他們的想法。

  35. 二、探究能力的評量 • 科學探究能力的內涵包括發現問題、形成 另有假設、評價及選擇假設、設計實驗、 預測實驗結果及解釋等五個元素，由此構 成科學探究能力測驗的試題結構。 • 評分標準 35

  36. 在研究物質的冷卻特性時，某班同學做了如右圖之實驗：在研究物質的冷卻特性時，某班同學做了如右圖之實驗： 1. 將燒瓶中的水加熱至沸騰 2. 插入溫度計並蓋上瓶塞 3. 用風扇對燒杯不停地吹風，以保證燒杯 最後溫度為室溫 4. 每隔1分鐘記錄水溫一次 實驗結束後，依據實驗數據作圖－「時間與水溫」 關係圖。 36

  37. 班上同學出現了如圖A、圖B中兩類圖形。 請回答下列問題： 水 溫 （℃） 水 溫 （℃） 吹風時間（min） 吹風時間（min） 圖A 圖B 37

  38. 一、比較圖A和圖B，你發現到什麼可疑的問題呢？一、比較圖A和圖B，你發現到什麼可疑的問題呢？ 二、針對這個可疑的問題，請你提出至少二個不同 的假設，來暫時解釋這個可疑的問題。 三、在你所提出的不同假設中，你認為哪一個假設 最有可能解釋這個可疑的問題？為什麼？ 四、如何設計一個實驗來測試你所選擇的假設是不 是對的？請將你的實驗設計寫在下面，若有必 要，可以用文字和圖形一起說明。 五、根據你所選擇的假設和設計的實驗，你預期實 驗的結果是什麼？請詳細說明你的理由。 38

  39. 第四題評分標準︰ 依照學生「是否能依據他所挑選的假設來設計實 驗、設計的實驗是否有做到操縱變因與控制變因」 來給分，實驗設計越詳細，得分就越高。因此，學 生在第四題的作答情況，也可以細分成0～4分。 1.有配合假設設計實驗，並有明確的操縱變因與控 制變因，給4分。 2.配合假設設計實驗，有操縱變因但無控制變因， 或操縱變因與控制變因不夠明確者，給3分。 3.配合假設設計實驗，僅有操縱變因或控制變因， 但不夠明確者，給2分。 4.無明確的實驗設計或未針對假設設計者，給1分。 5.空白未作答或無效答案，給0分。 39

  40. 三、學生在探究教學中的成長 培養科學創意人的個性和氣質(強烈的好奇心、頑強、堅持、狂熱、持續專注)、以及運用心智的習慣(於不疑處有疑、著迷於探索事物如何運作、持續沉思與反思)。 培養科學家般思考的特徵。 40

  41. 科學家般思考的特徵（Kida, 2006）： 1.保持心胸開放，對於任何未經證實的主張存疑。 2.確保某項主張或想法是可被檢驗的。 3.評鑑支持某個想法的證據品質。 4.嘗試否證某項主張或想法。 5.考慮替代性解釋。 6.在其他條件相等的狀況下，選擇能對現象提出最 簡單解釋的主張或想法。 7.在其他條件相等的狀況下，選擇與已確立的知識 不相牴觸的主張或想法。 8.依照支持或駁斥那個想法的證據數量來調節自己 的想法。 41

  42. 四、科學探究教學的相關學理 1. 科學探究的類型 2. 探究教學的三維架構 3. 探究教學的共同階段 4. 科學探究與概念建構 5. 情境興趣（situational interest） 6. 科學思考策略 7. 後設策略知識（meta-strategic knowledge） 8. 明示教學與內隱教學（explicit vs. implicit） 9. 分散式鷹架（distributed scaffolding） 42

  43. 1.科學探究的類型 (1)「哪一個（哪些）」 類型： (a)哪些因素影響著Ｘ？ (b)哪一個Ｘ對……是最好的？ (c)哪一個設計對……是最好的？

  44. (2)「什麼」類型： (a)Ｘ與Ｙ之間有什麼關連？ (b)如果……則將發生什麼？

  45. (3)「如何」類型： (a)Ｘ如何隨著Ｙ而改變？ (b)Ｘ如何影響Ｙ？ (c)不同的Ｘ如何影響Ｙ？

  46. 封閉式 (一個正確解答、一條途徑) 結構式 一個正確解答、數條途徑 學生導向 教師導向 非結構式 開放式 (許多可能解答、許多途徑) 2.探究教學的三維架構（Wellington & Ireson, 2008）

  47. 3.探究教學的共同階段(NRC, 2000) (1) 使學生接觸問題、事件、或現象，藉機 製造衝突事件； (2) 經由形成假說與測試假說的過程，以探 討所提出的解釋之合理性； (3) 分析及詮釋實驗數據，綜合各部分的想 法，建立模型； (4) 應用所學到新的情境； (5) 回顧與評估學到什麼及如何習得。 47

  48. 探究階段與探究層次 探究階段 探究層次 層次0 層次1 層次2a 層次2b 層次3 驗證式 引導探究 開放式 引導探究 開放式 引導探究 開放式探究 標題名稱 給予 給予 給予 給予 開放 旨趣 給予 給予 給予 給予 開放 問題目的 給予 給予 給予 給予 開放

  49. 探究階段與探究層次(續) 探究階段 探究層次 層次0 層次1 層次2a 層次2b 層次3 驗證式 引導探究 開放式 引導探究 開放式 引導探究 開放式 探究 器材的名稱 及規格 給予 給予 給予 開放 開放 張羅器材 給予 給予 給予 開放 開放 組裝器材 給予 給予 給予 開放 開放

  50. 探究階段與探究層次(續) 探究階段 探究層次 層次0 層次1 層次2a 層次2b 層次3 驗證式 引導探究 開放式 引導探究 開放式 引導探究 開放式 探究 操作步驟 給予 給予 開放 開放 開放 結果 給予 開放 開放 開放 開放 解釋道理 給予 給予 開放 開放 開放

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