科學研究之 「 一步一腳印 」

1. 科學研究之「一步一腳印」 王瑋龍 國立彰化師範大學生物學系

2. 1.科學研究之實驗目的、架構制訂2.設計實驗、步驟及問題之修正3.老師講50分鐘，學生討論25分鐘，志願或抽籤請同學上台分享25分鐘1.科學研究之實驗目的、架構制訂2.設計實驗、步驟及問題之修正3.老師講50分鐘，學生討論25分鐘，志願或抽籤請同學上台分享25分鐘 內容

3. 雖然不一定每個人都是『愛迪生』卻都有別出心裁的『小創意』雖然不一定每個人都是『愛迪生』卻都有別出心裁的『小創意』

4. 大綱 • 對學生做宣導 • 做科學展覽的準備 • 做法 • 實驗題目的尋找 • 如何開始 • 研究題目的訂定 • 如何進行實驗

5. 一、對學生做宣導 • 參加科展對學生有哪些幫助？ • 目前高中會採計承認的比賽有 … • 各項比賽的時間

6. 目前會採計承認的比賽 • 全國中小學科學展覽 • 國際科學展覽 • 全國科學能力競試

7. 二、做科學展覽的準備 • 學生方面 • 老師方面 • 家長方面 • 學校行政方面

8. 心理準備 • 有閒、有心有給孩子機會的心進取學習研究的心非應付的心。 • 學校給予最大的支援

9. 學生的基本能力 • 基礎：發現問題、資料的蒐集、觀察、記錄、描述、基礎電腦的運用等。 • 進階：實驗的設計與操作、簡易器材蒐集或製作、記錄表格的設計、統計圖的應用、各項變因的概念與控制、討論及撰寫報告的能力、電腦的應用等。

10. 教師的準備 • 科學研究的基本方法及流程 • 變因的控制觀念 • 統計圖及電腦的應用 • 細心的觀察、耐心的傾聽 • 信任學生的能力 • 不斷的充實、學習 • 犧牲奉獻的精神

11. 三、做法 • 暑假一開始選定題目和指導老師 ↓ • 暑假中完成實驗、資料蒐集和討論。 ↓ • 上學期完成報告書寫。 ↓ • 寒假完成版面製作和解說訓練

12. 四、實驗題目的尋找 • 符合安全規則的研究 • 符合教材程度與鄉土性(國際科展除外) • 未被詳細研究過的題目 • 索尋主題相關的研究狀況 • 範圍不宜過大而主題明確 • 研究範圍適合其規劃時程

13. 四、實驗題目的尋找 1.小題大作 2.有創意﹝教授沒想到的，先模仿，再創新﹞ 3.歷屆科展專題 4.平時教學觀察 5.實驗現象的探討 6.儀器方法的改進 7.報章雜誌，牛頓，Discovery頻道

14. 8.書本中產生疑問 9.有趣的現象 10.常見卻被忽略的問題 11.熱門話題數據化 12.流行運動工具為題材 13.修改他人的實驗重新解釋結果 14.選定理論、設計新的實驗方法加以連合

15. 15.新的模型或教具組合 16.觀察到異常現象 17.將相關的幾個實驗綜合 18.當下流行的話題 19.生活中：時事、物品、器具、遊戲、玩具、現象

16. 如何收集資料？ • 課本 • 課外讀物 • 報刊雜誌 • 網際網路 • 請教學者專家

17. 五、如何開始 • 從粗略觀察結果中建立想達到的假設目標，設計詳細且有計劃的觀察 • 產生疑問？ • 瞭解實驗器材的使用和原理 • 修改假設 • 訂定實驗目的和研究題目 • 預備實驗、修正方向 • 正式實驗的進行

18. 基礎問題： • 實地觀察、實際製作、基本操作、釋義 繪製概念分析圖 進行概念分析(文字) 依材料、現象、原因等方向思考 重點問題：主要變因探討 形成研究問題 綜合或應用：結合前述之變因 研究問題的形成 利用「概念分析」的方式來形成「研究問題」的架構

19. 六、研究題目的訂定 • 主標題：具有震撼性並且讓人印象深刻。 • 子標題：讓人了解要證明的事實。 • 例如：千面人反應 ─ 雙氧水與鹵鹽之催化分解反應 作怪的煙魔 ─ 空氣污染對植物的影響

20. 主題選擇檢核 • 學生進行口頭報告：每位小組成員針對自己所蒐集到的研究主題做一報告分享，報告內容包括：「主題名稱」「我已經知道的」「我很想知道？」。 • 教師提供對主題檢視的問題及選擇的思考方向

21. 檢視評分表的運用：籠統的檢視問題，並無法立即協助小組從一、二十個研究主題中找出可行性高並適合的研究主題。因此，小組成員藉由較具體的檢視項目來予以每一個主題評分，如下表範例：檢視評分表的運用：籠統的檢視問題，並無法立即協助小組從一、二十個研究主題中找出可行性高並適合的研究主題。因此，小組成員藉由較具體的檢視項目來予以每一個主題評分，如下表範例：

22. 各小組共同討論初步選擇決定研究主題2個 (1)每一位小組成員將小組所提之每一個主題分別合計10個檢視項目之得分，並找出自己所評分之前五名高分。再一起統計所有成員所列之前五名之主題總得分。 (2)經過綜合統計得分後，依所得總分高低選擇出3～4個主題。 (3)最後再從這篩選後的主題中，以表決或推薦的方式共同決定2個主題，一個主要的研究主題，另一個為預備主題。

23. 七、如何進行實驗 • 注意操縱變因與控制變因之間的關係 • 假設要與實驗符合，盡量是新的見解 • 學生要了解參考資料中引用的部分 • 學生要能夠在5分鐘內完成作品說明 • 〝一回生二回熟〞

24. 設計實驗→操作 • 著重科學概念，強調變因的控制 • 共同討論設計→器材準備→實驗操作

25. 問題出現 • 重新探索資料 • 討論、修正 • 請教

26. 進行實驗考慮事項 • 時間 • 學生：a.學科能力 b.實驗毅力﹝會推委的，反而做不出來﹞ c.語文能力 d.團隊精神﹝要團結，莫計較﹞ e.家庭背景﹝家長支持度﹞ f.人數

27. 地點：學校 • 研究日誌撰寫 ：a.工作計畫，預期結果，實驗數據記錄，實驗處理 b.節外生枝，加深加廣，討論事項，基本資料記錄(溫度、溼度) • 重複性 • 準確性：理化科特別著重，誤差過大不予採計

28. 進度掌握 • 器材：a、學校儀器：顯微鏡照相、生長箱、 烘乾機，數位相機 b、附近大學借用 c、DIY：五金行

29. 學生訓練 注重學生的實際參與從收集資料 →討論 →設計 →操作 →寫報告 →解釋

30. 化腐朽為神奇！

31. 經過一番激戰！！！ 斬將過關 ½… 入選啦！ 恭喜！恭喜！ 『佳作』以上囉！ 別急！還要做『展示版』

33. 流程 • 主題的蒐集 →確定主題 →探討研究目的 →資料的蒐集 →設計實驗(包括記錄表格) →器材製作準備 →進行實驗、控制變因 →結果記錄、數據整理及統計圖應用 →討論、結論 →電腦打字 →作品完成 →講解訓練

34. 作品

35. 科別：物理與天文學科作品名稱：黑與白的邂逅科別：物理與天文學科作品名稱：黑與白的邂逅 -探討黑條紋與白條紋升溫降溫的變化

36. 研究動機 • 精簡而扼要地描述本研究的重要性 • 目前的研究概況 • 研究主題創新性 • 所擬研究的方法、強調其創新性

37. 研究儀器及材料 • 擇要列出名稱與數量 貴重的儀器 主要的工具 必要的材料 • 實驗的量測方法(方塊圖) • 研究步驟的細節及參數

38. 研究方法 • 科學研究有導循的方法 • 成果不會因人、時、地而異 • 結果具有重現性 • 數理論証需合乎邏輯 • 實驗觀測要嚴謹 • 明確描述演導的條件及方法 • 客觀有系統的實驗觀測 • 合適的儀器及器材使用 • 單一變因或條件的實驗

39. 摘要 斑馬的黑白條紋被認為可能會降低溫度，由實驗發現，黑白條紋組的內部溫度上升速度較黑組與白組慢，白組又比黑組慢。測量表面溫度時，黑白條紋組外部的白條上升速度比黑條快，內部黑條比白條上升速度快。溫度上升時，大瓶升溫的速度較小瓶快；下降時，大瓶與小瓶的降溫速度無顯著差異。改變黑白條紋的方向、粗細，不會影響上升與下降的溫度變化，而條紋寬度在0.5~1.5公分時，內部溫度較其他組別低。另外將白條紋換成銀色，升溫時，銀組速度最慢，銀黑組次之，黑白組最快，降溫時亦相同。將黑白條紋底層再加一層銀色有較佳的緩升溫效果。最後，觀察煙的對流實驗發現黑白條紋組表面空氣具有對流的存在，並推測造成黑白條紋組升溫較緩慢有四種對流可能性。

40. 壹、 前言（含研究動機、目的）

41. 一、研究動機 自然課中有提到：黑色易吸光，溫度上升快，白色易反光，溫度較不易升高，這時腦中冒出一個問題，斑馬身上的黑白條紋的溫度變化效果又是如何？剛特．鮑利在《藍色革命》一書提及：斑馬與生俱來的黑白條紋，讓我們見識到有別於以往的表面控溫技術，牠交互作用所產生的氣流，能為身體表面的溫度降低攝氏10℃。我們都知道白色會反光，可以降溫；黑色會吸光，提高表面的溫度；所以，白條上方的空氣會比黑條上方的空氣涼爽，黑條上的熱氣會上升，和白條上的高氣壓形成壓差，因此衍生小氣流。這樣的巧妙設計，讓我們不用使用機械通風系統就可以輕鬆降低表面溫度。究竟牠的黑白條紋下有什麼奧秘，來幫助牠適應非洲炎熱的環境，於是，我們做了模擬斑馬紋路的實驗來驗證。

42. 二、研究目的 (一)、實驗熱源穩定性的研究。 (二)、探討黑色瓶、白色瓶、黑白條紋瓶升溫及降溫的比較。 (三)、探討黑白瓶內外黑紋及白紋的升溫、降溫情形。 (四)、探討改變瓶子大小，黑白條紋瓶升溫、降溫情形。 (五)、探討改變條紋方向，對升溫、降溫的影響。 (六)、探討改變條紋粗細及密度，對升溫、降溫的影響。 (七)、探討白色條紋改為銀色條紋的結果如何？ (八)、探討黑白條紋內加不同底色，對升溫、降溫的影響。 (九)、探討黑白條紋表面對流的情形。

43. 二、研究過程與方法 • 在此新增第一個項目符號 • 在此新增第二個項目符號 • 在此新增第三個項目符號

44. (三)探討黑白條紋瓶內、外表溫的比較 • 將大黑白條紋瓶(2000ml)割開一個6cmx6cm大小的開口，在瓶內黑條紋的部分和白條紋的部分，分別黏上兩根溫度探測器，外部相對應的兩個位置也黏上兩根，以透明膠帶黏補割開的缺口，再以黑色和白色膠帶黏回原本的黑白條紋(圖3、4)。我們將這四個測量位置分別稱之為： • 內黑組：溫度探測器在瓶子內側黑色條紋區 • 內白組：溫度探測器在瓶子內側白色條紋區 • 外黑組：溫度探測器在瓶子外側黑色條紋區 • 外白組：溫度探測器在瓶子外側白色條紋區 • 重複實驗(二)步驟2和3的升溫降溫實驗，共重複五次。 • 以上數據使用SPSS 17.0版做同質性檢測及單因子變異數分析(ANOVA) 圖3瓶內溫度計放置示意圖 圖4將切口復原示意圖

45. (六)改變條紋粗細及密度 1.改變條紋粗細： • 將3瓶寶特瓶做以下3種處理(圖7)： • 黑白組：表面貼上黑白相間的電火布(黑:白=1:1) • 細黑組：表面貼上1/2倍黑條與一般白條(黑:白=1:2) • 粗黑組：表面貼上2倍黑條與一般白條(黑:白=2:1) 2.改變密度: • 將6瓶寶特瓶以相同寬度的黑、白電火布處理： • 寬度分別為0.25、0.50、1.00、1.50、1.80、10.8公分(圖8) • 重複實驗二步驟2和3的升溫降溫實驗，共重複五次。以上數據使用SPSS 17.0版做同質性檢測及單因子變異數分析(ANOVA) 圖7不同粗細條紋瓶身裝置圖 圖8不同密度的黑白條紋瓶裝製圖

46. (九)黑白條紋表面對流的情形 • 在密閉空間裡，將均温箱，加熱器墊高，下面放置一排點燃的香，分別以電熱器加熱黑白瓶、黑瓶、白瓶，藉由煙的流動來觀察各瓶周圍的空氣(圖11)，並用高速攝影機(Nikon 1)每張1/200秒拍攝煙擾動的情形。 圖11煙霧實驗裝置圖

47. 科別：生物科作品名稱：天空的舞者 -探討槭樹種子的飛行模式

48. 摘要 槭樹種子的外表型態有常態分佈的現象，翅果長分布在1.08〜2.02公分，又以1.32〜1.56公分最常見，寬分布於0.22〜0.72公分，以0.32〜0.50公分為最常見。厚度的大小依序排列為：種子＞肋＞翅膀；肋的厚度大小依序排列為：肋前＞肋中＞肋後。重量分布於0.012〜0.046公克，以0.022〜0.032公克最為普遍。槭樹種子飛行模式的時間具有一定的規律性；我們把飛行時間大約分成四大類，分別是：啟動期、旋轉期、滯空期和飄移期。質量小的種子較質量大的種子能散播得遠，尤其是高度在100公分以上時較明顯。槭樹種子飛行時，除了種子本身的旋轉(自轉)外，種子亦繞著一圓心飛行(公轉)。

49. 壹、研究動機 • 在校園中行走時，一陣強風過去，把槭樹上的種子吹下來。我們停下腳步，專注的看著它，發現它的飛行很特別，種子先在空中飄盪一陣子，當它翻轉到某一個角度時，才會開始旋轉。我們小心翼翼的從地面上拿起它，仔細的看著它的構造；此時，我再次向上拋，看到的是相同的情況。突然，心中產生了許多的疑問：它是如何旋轉的呢？旋轉的高度會不會影響到它旋轉的速度？大小不同的種子，會不會影響它的飛行？我們看著它，突然想到老師說過的白努利定律。白努利定律因為上下距離的不同，但空氣通過的時間必須相同；所以使距離較長的一方速率較快，造成上浮的力量。但我們初步推測槭樹種子傳播原理不只有這個。為了解答我們心中的疑惑，便開始一連串的實驗。

50. 貳、實驗目的 一、觀察槭樹四季的變化。 二、了解槭樹種子的構造及測量槭樹種子的大小和重量。 三、探討槭樹種子飛行時，旋轉角度對飛行的影響。 四、探討槭樹種子傳播距離。