教育現場為什麼需要探究與實作課程(inquiry and practice)?

文/陳育霖

《科學研習月刊》，55-2期，19-27，2016

        自然界的現象，交互作用的個體數量每上推一個層級就是一個截然不同的領域，難以化約到兩個原子來窮究全宇宙[1]。所以實驗結果才是造物者給的線索。探究是認知心理學指出學習者建構知識的必經歷程，探索未知的特性則是直直針對台灣學生習慣的學習方法。

數學與自然科學最大的不同點來自於科學的層級結構關係(如圖一)[1]與學科的內在邏輯。經驗發現，如果學生的外在能力表現是一棵樹的高度，在數學與自然科學呈現相同的高度樹木，根部的深度其實不需要相同。一般說來，自然科學的樹想要長多高，根就需要多深。數學則不需要深，就能與自然科學有相同的樹高。

圖一 改編自[1]的科學層級架構，向上化約到數學，向下則貼近真實世界。

意思是說，數學因為內在邏輯性較強，靠人類心智演繹結論的可能性較高，所以數學的學科表現被認為與學習者天份似乎較有關係。自然科學則是描述人類周遭環境事物的運行規則，所以必須知道更多真實世界運作的原理和原則，否則靠著內在邏輯得到的結論，不一定是外在世界的道和理。學習自然科學需要比數學透過更多動手實驗、實作的機會與自然定律溝通，瞭解大自然運作的規則，否則研究學習的知識難以完整也不正確。

1972年，諾貝爾物理獎得主，菲利浦安德森(P. W. Anderson)在《科學》(Science)雜誌上發表一篇名為「多者異也」(More is different)的文章[1]，提醒大家，自然界不同尺度層級裡，需要有不同的科學理論來描述現象，形成科學的層級結構，沒辦法把宇宙中所有事情都化約成兩個原子之間的交互作用。舉例來說，「分子生物學家力圖將人體組織或機能完全化約還原為化學，範圍遍及普通的感冒、各種精神疾病一直到宗教本能。人類行為學與DNA之間的組織層次，顯然要比DNA與量子電動力學之間的層次要多，並且每個層次皆要求全新的概念構架。」作者在文章最後引用經濟學觀點，「量變會引起質變」來加強說明「多者異也」。由此可知，實驗與實作的重要性，針對研究範圍設計的實驗結果才能真實呈現宇宙的樣貌，縱使我們在中學課堂裡總是能夠在黑板前面感受物理、化學老師們粉筆底下運作的方程式，無遠弗屆地連結古今所有知識，但是這顯然不夠。

孔恩(Thomas Kuhn)的科學革命架構指出，科學演進的歷程，並不是靠線性的知識累積[2]。典範轉移模式(paradigm shift)或科學理論的演變是以「革命」的強烈方式出現。就知識演進的歷程看來，真實情境的探究與實作培養學生面對未知問題，凡事客觀面對、堅持是非，才能夠符合科學演進的歷程、促進知識的創新與發展。

認知發展論(Theory of Cognitive Development)告訴大家[3]，知識實際上是靠學習者自行建構得到，而不是外在灌輸(knowledge is constructed not transmitted)。探究是學習過程中最重要的歷程，因此有探究精神的課程設計，符合學生的知識建構與學習方向。另外，台灣學生長期對於未確定解答的問題普遍缺乏面對的勇氣，探究的課程訓練，能夠幫助學生習慣面對未知的問題。

實務經驗發現，不論天份資質，包含數理資優學生在內，依數理課程學業成就看來，台灣學生理論部分的表現差異遠大於實驗及實作部分。在數理教學課堂中，學生差異兩極化的當下，由於學生的學習起點行為在實驗、實作方式進行的課程中差異化較小，似乎是幫助教師有效教學的重要選擇。

每個學生各有天賦，需要老師幫忙每位學生開啟屬於自己的門窗，找到自己窗外的藍天，找到自信，找到一個適合自己的人生。理論課程與紙筆測驗可以幫助擅長閱讀、抽象運思的學生透過學業成績、定期考試分數，發現自己的專才。我們需要更多元的課程實施方式，幫助學生瞭解自己，找到自己的天空，探究、實驗與實作課程是生涯發展歷程的重要輔助，發掘學生的未來，對國家整體社會的發展至關重要。

「以學生學習為中心的教學策略(learner-centered teaching)」，由1996年Nolan的研究可以看出成效[4]。Nolan發現學生在課堂中學著去教會其他同學的同時，自己的學習效率可以高達95%，其次是學生透過親身體驗，學習效率可以達到80%，透過與他人討論，學習效率還是有70%。Fink的教學改善模式(Teaching improvement model)則強調學習者在獲得外在的訊息(Information)與想法(Ideas)之後需要透過兩個主要的內化過程來達成學習改變，分別是親身經驗(Experiences)－實作、觀察，模擬真實情形與內心反映(Reflection)－與同儕一起體會什麼是學習與如何學習 [5]。近年來，課堂翻轉(flipped classroom)與學習共同體(learning community)想要體現的正是這樣的精神，課堂中教師角色的改變，也由教學轉成幫助學生學習，由傳達課程內容變成揭示學習方法。探究與實作課程，實質就是以學生為中心的教學歷程，希望幫助學生探究、建構知識。

長久以來，社會大眾的認知與媒體報導常常討論台灣的學生擅長理論，不擅長實驗，即使是數理資優學生仍然未見例外[6]。台灣學生在科學學習上直接區分成理論與實驗，有些不盡完整，同時這項學生特性可能是課程架構編排需要優先考慮的重點[7]，尤其是當此工業4.0與創客大行其道的年代。

台灣學生包含一般學生及數理資優生的幾項科學學習特點分別是，(一) 擅長直線化單向推理計算，尤其是套用公式；(二) 擅長依循課本理論推演方向思考，速度極快；(三) 不擅長非食譜式步驟實驗操作；(四) 不擅長機率或排列組合之類的問題。

由以上角度切入，顯然不單純是理論與實驗的問題，歸納其中的規律發現，台灣學生擅長確定性的(determined problem)問題。所有答案，依據標準解題步驟與方法，能力極佳。解答步驟盡出，答案水到渠成。從中學到普通物理實驗，依照食譜式的實驗操作步驟得出實驗模型預測的數據，心裡就十分踏實。更用功者還能夠改進實驗過程，將有效數字位數再推進。然而同樣是理論計算，台灣學生對於需要考慮各種可能性與多面向的計算問體，顯得畏懼不喜歡。關於實驗，換成未知結果的探索，總想翻翻課本，尋找相關理論或者前人的解答，不喜歡抽絲剝繭，探查各種可能的因果邏輯。

這樣的結果應該是起因於學生在受教育的過程當中，多數的課程在方法上及內容屬性上都要求直線單方向思考，學生習慣跟隨這樣的模式，做完實驗最關心的問題是實驗結果跟理論的“誤差”是多少[8]，就像解完題目之後，看解答、對答案一樣。由於實驗比起理論所需的相關知識更加龐雜，學生討論實驗結果一向習慣模仿悔過書型態單向檢討實驗儀器精確度及實驗技巧不夠謹慎純熟。難以從更廣的角度，更多元的可能性來探求問題的本質。

此外，就學生特質而言，無論實驗或者理論，台灣學生不擅長未確定性的問題(undetermined problem)，這對於台灣產業多年來試圖想要轉向研發或者文創相當不利，台灣學生喜歡跟著老師的指定步驟，相信答案總有一天會到手，不論實驗或理論，即使過程千辛萬苦，確定性的問題或實驗讓台灣學生感到安心，反之則否。

由此，課程設計者必須注意，探究不一定需要實作，而實作實驗也不一定就必然具有探究精神。文章至此，具備探究精神的實作課程，似乎是台灣學生需要的課程型態。

大自然的複雜與尺度，上推一個尺度，就是個不同的領域[9]。實作與實驗的課程設計，能夠增加學習者與自然定律溝通的機會，同時了解真實世界的運作方式[10]。對於來到眼前的科學問題，能有恰當的謙和態度去面對，避免過度使用化約論，誤判或輕忽問題的本質，是科技或相關領域從業人員重要的必備素養。

無論是理論或實驗課程，探究與實作設計概念，運用自然界的未確定性，可以引導學生面對問題的自信與勇氣，連結知識與真實並且培養實作、思辨與表達的重要科學技能[10]，尤其是面對每天遊走實境、虛擬的滑世代學生，似乎是可行的選擇。

新北市立永和國中數理資優班理化專題研究課程，運用探究與實作的精神設計課程，平時課程利用實驗、實作訓練學生與自然定律溝通、學習科學研究需要的過程性技能、熟悉實驗驗證並分析問題的方法，同時建構新的知識。課程設計同時注意學生探究的歷程，培養學生面對未知問題的勇氣，並且重視問題設計是否有意義，邏輯順序是否能幫助學生達成有效學習。每一次實驗、實作結果及學生針對過程的討論，必須即時向同學報告，老師及同學認為推想無誤、說理完整，才算實驗完成。

數理資優班專題課程的目標之一是希望能夠引發學生對科學研究的熱情，從中發掘學生自己感興趣的題目來鑽研，進一步正面幫助數理資優生積極參與奧林匹亞科學競賽、科學展覽。由於對科學有天分的數理資優生不必然對科學研究、探索擁有積極熱情。需要教育工作者透過課程與情境的提供不斷地提醒、引發、喚起。真正重要的目的是訓練學生動手能力、發掘並瞭解學生的專長志趣做為進一步引導及課程設計參考、培養學生對自然現象的直覺、改善學生文字以及口語表達上的邏輯論證能力、提供團隊合作的學習機會。

另外，數理資優班學生入學的時候，學生各自的背景知識及學科程度差異不小，尤其是數理理論方面的程度落差大，理論課堂進行當中需要不斷針對學生程度差異化進行修正調整。但是實驗、實作課程中，學生的差異化小，學生即使學過特定實驗的理論，實地進行操作執行則往往還有許多細節須要克服、考慮，同時也難以全盤知道實驗過程當中所有結果。為了達成“探究”問題的本質並適應數理資優生喜歡挑戰的特性，筆者在課程規劃當中設計實驗難度略高於學生能力，但是以學生角度看起來又似乎可以達成的問題供學生實驗、探索。另外，題材還考慮實境案例，提高學生的學習興趣並且進一步瞭解自然界的現象，擴增視野。為了強調欣賞自然及科學本質的美感，安排音樂物理、科學透視與拓樸結構、尺度分析。運用跨國合作的大型科學研究計畫實例進行國際多元文化教育及學習科學社群溝通技術，像是有效率的電子郵件格式及團隊合作雲端文件建置技巧。

實作課程單元設計的目標

1. 利用生活經驗或實境案例引發科學熱情

2. 概念連結實作

3. 培養實驗技巧

4. 導入分析技術

5. 介紹研究工具

6. 傳遞知識

探究課程設計流程

1.相信任何單元都可以設計探究課程

2.決定學習者預計達成的核心概念或過程性技能(有時候是先看到一個適合探究的好題材，才去想相關的核心概念或過程性技能)

3.找尋核心概念與科學、科技領域的關聯及知識的發展過程，有時候是科技史、有時候是相關研究文獻或技術手冊

4.利用模型建構或現象結果歸納的邏輯順序來鋪陳學生的探究劇本的走向，可以是動手實作實驗也可以是實境數據分析

5.因應學生特性來設計有意義的問題

6.實地執行

7.檢討課程並進行改進，如果難度高於學生程度太多，則須將問題再細切，引出更多提示引導，幫助學習者跨上更高層次概念的階梯。

例如，研究計算全球地面望遠鏡，接力觀測短時間天文現象的時間週期；探究降溫時間曲線與自由落體運動位置時間曲線的差異；原住民鄒族風笛與馮卡曼渦街及白努力原理的關係；輻射計(光風車)光壓及氣體動力論觀點原理探究；最小方差法得水星公轉軌道。依據重要的科學或工程研究方法當作課程主幹來選取實境問題來挑戰激發學生的參與，重點是學習研究方法累積學生觀察自然的工具與觀點，訓練探究的過程。

特別應該注意的是，實驗實作課程不必然有探究精神，如前述食譜式的標準實驗流程，或者某些吸引學生目光的趣味實驗，並不真正具有探究精神，需要經過有意義的問題流程設計，幫助學生進入探究情境。然而，探究活動也不見得一定牽涉實驗，挑選過、有意義的數據、資訊形成問題也可以是探究活動的可能形態。

設計各種不同實驗過程技能需求的實作實驗，幫助學生練習各種實驗需要的技巧，同時幫助學生瞭解自己的專長特點，例如電路板焊接、剪紙、拆解打火機、手搖鑽鑽孔、剝電線、試算軟體、符號運算軟體、數據處理與統計技巧、數據擷取技術與攝影記錄技巧。

實施方法是學生七在、八年級，前後兩年的專題研究課，仔細挑選的實驗、實作內容，是針對國中數理資優學生較不常見或者結論較無法以公式推算預測的實驗，例如流體力學實驗就相當適合。過程當中學生對某些主題有興趣，科展、青少年科學人才培育計畫、國際科展就由此延伸發展，另外有一部份學生也由此瞭解自己適合各科學奧林匹亞競賽的形式，所以更深入進行理論內容的學習。

為了讓學生學習更完整豐富，並且實現資優是公共財的理念，每年在校內舉辦「魔術師的科學帽」校園科學實驗演示活動，向一般學生展演解說學生自己設計的科學實驗及其原理。另外在校外進行新北市科學園遊會、「小實驗大學問」及偏鄉學校科學營隊，學生同樣自己設計實驗，幫助小學生學習科學。此外，也在學習過程中，利用電烙鐵焊接學校實驗室裡鬆脫的鱷魚夾接頭，學習服務社會。

實施的成效 [10]，由學生近五年永和國中數理資優班學生的各項科學表現可以看出，探究精神下的實驗實作，可以幫助學生增進科學能力。過程照片及「魔術師的科學帽」校園科學實驗演示活動影片公告在永和國中數理資優班網頁及實驗頻道。

探究與實作是研究科學的方法，同時也是科學史進展的基本精神。在中學課程當中執行，可以激發學習熱情，幫助學生形成建構知識的方法、態度，學習的歷程當中希望能夠培養學生面對未知問題的勇氣，在資訊數據量大、經濟局勢變革快速的今日，顯然是刻不容緩的重要議題。

參考文獻

1. P. W. Anderson, “More Is Different”, Science, 177, 1972, 393-396

2. T. S. Kuhn, “The Structure of Scientific Revolutions”, Chicago, IL, University of Chicago Press, 1962

3. G. H. Wheatley, “Constructivist perspectives on science and mathematics learning”, Science Education, 75, 1991, 9-21

4. J. F. Nolan, “An evaluation of the professional development system”, master clinical teacher project. Presented at the Annual Meeting of the American Educational Research Association, New York, 1996

5. L. D. Fink, “Creating Significant Learning Experiences: An Integrated Approach to Designing College Courses”, New York, Jossey-Bass Press, 2003

6. “國中科奧1金5銀我排全球第五”，聯合報，2014年12月12日

7. 陳育霖，“普通物理實驗是理論課還是實驗課?”，2015兩岸四地物理教育研討會

8. 陸健榮，“誤差分析的認知負荷”，2015年中華民國物理教育聯合會議

9. Y. L. Chen, “Experimental physics curriculum design for gifted student's topical research”, PSROC 2015 Annual Meeting, Hsin Chu

10. 陳育霖等，“數理資優生校園物理實驗演示”，物理教育學刊, 15, 2014, 15-24