探究與實作:科學遊戲導向
作  者╱
許良榮
出版社別╱
小五南
書  系╱
學習高手
出版日期╱
2020/03/23   (1版 1刷)
  

I  S  B  N ╱
978-957-763-811-3
書  號╱
YI0A
頁  數╱
248
開  數╱
正20K
定  價╱
360 (特價 284)



☆十二年國教「自然科學領域」必備素養   
☆每一項實驗都有實驗影片QRC,提供讀者下載觀賞

「探究與實作」是十二年國教自然科學領域中很重要的改革。
本書以具有趣味性而且器材簡易的科學遊戲為例,提供讀者了解與學習如何進行「探究與實作」。全書包含有關「探究與實作」的:意涵、實例、主題引介等三大部分,其中分別有二十個實例以及主題引介。
本書是作者執行科技部研究計畫的成果之一(計畫編號:MOST- 107-2511-H-142-005),部分內容經過國立大學科學教育教授的審查與修訂,實驗也經過實際的操作,確認結果的可靠性。

適用對象—
國小高年級以上學生可自行閱讀與實作,也適合中小學教師作為「探究與實作」之教學的參考。

許良榮
學歷
國立台灣師範大學化學系學士(1982)
國立交通大學應用化學研究所碩士(1986)
國立台灣師範大學科學教育研究所博士(1997)
經歷
現職:國立台中教育大學科學教育與應用學系教授
曾任:國中教師、國立台中教育大學助教、講師、副教授、系主任
研究領域
科學遊戲、科學玩具、科學概念診斷與學習、科學史與科學本質
個人網頁:http://www.ntcu.edu.tw/scigame/index.html(科學遊戲實驗室)
榮譽與服務事蹟
1.獲「教學優良教師」以及多次「學術研究特殊表現」獎勵。
2.歷年擔任國內學術研討會、學術期刊、教育局論文徵選等等之論文審查委員。
3.歷年擔任全國中小學科學展覽評審委員、大學評鑑委員以及金鼎獎評審委員。
4.曾任「中華民國科學教育學會」理事以及「科學教育學刊」(TSSCI之一)執行編輯。
5.著作《玩出創意2:48個酷炫科學魔術》一書(五南出版),榮獲2012年第36屆金鼎獎(兒童及少年圖書獎─科學類)。

Part Ⅰ 探究與實作的內涵

1.發現問題
2.形成假說:
3.實驗設計
4.資料處理與解釋
5.論證與建模
6.表達與分享

Part Ⅱ 探究與實作實例

1.紙花
2.紙蜻蜓
3.一柱擎天
4.投石器
5.啄木鳥
6.聽話螺旋槳
7.白板筆的奧秘
8.下坡玩偶
9.滑降玩具
10.反泡泡
11.以小縛大
12.懸崖勒馬
13.白糖變黑蛇
14.波動現形記
15.旋轉管的奧秘
16.空中灌籃
17.跳舞水珠
18.靜電動力球
19.薄膜指紋
20.不出軌的輪子

Part Ⅲ 探究與實作主題引介

1.會打結的水
2.交替盪鞦韆
3.吸管風車
4.懸浮轉子
5.音波管
6.竹蟬
7.磁鐵動力車
8.自動站立的筒子
9.珠鍊噴泉
10.馬格努斯效應
11.尖叫氣球
12.燒不壞的紙
13.彈跳玩具
14.水錘效應
15.水鐘與水幕
16.酒的眼淚
17.孿生渦流
18.磁鐵歐拉盤
19.浮空飛輪
20.奇妙的裂痕

附錄 趣味科學實作
1.水到渠成
2.簡易吸管幫浦

中小學生的交友
煩惱
中小學生的戀愛
煩惱
中小學生的網路
SNS
專門用來打好四
則運算基礎的數
學課本《第5級

專門用來打好四
則運算基礎的數
學課本《第4級

專門用來打好四
則運算基礎的數
學課本《第3級





Part I
探究與實作的內涵

十二年國教課程綱要中,「探究」的學習內容,包含四個主要項目:⑴發現問題;⑵
規劃與研究;⑶論證與建模;⑷表達與分享。「實作」的學習內容則包括:觀察、測量、資料蒐集與分析、歸納與解釋、論證與作結論等。課綱中,探究與實作學習內容各個項目並沒有固定的步驟或順序,可依探究的主題和實作活動採循環或遞迴等方式進行。由於探究與實作牽涉多項內涵,因此首先說明各項探究程序中重要名詞的意義。
以下各項名詞,「形成假說」、「論證與建模」為較高階層的概念,適合至少國中以
上,其他各項適合國小高年級以上。更低年齡的學童與幼兒,建議不必要求理解以下各項的意涵,只需在親師的指導下進行動手操作與觀察即可。
1. 發現問題
「探究」基本上是進行「研究」,而「研究」的本質是「為問題尋求解答」,因此進
行探究就需要先確定要研究的問題是什麼?設計探究問題牽涉到:研究問題有沒有價值?是否已經被解答?是否具有可行性?等問題。由於在教學上主要在培養學生進行探究的能力,而非發表論文,因此建議著重在可行性與安全性即可。另一方面,要注意探究問題是否具有「可驗證性」?避免難以客觀檢驗或過於籠統的問題,例如:
⑴ 「探究鐵的生鏽快慢為何?」:不是恰當的探究問題,因為沒有指明要探究的「操縱變因」(實驗變因)是什麼?
⑵ 「探究不同酸鹼性的鐵有何差異?」:沒有指明要測量的「應變變因」為何?也是不恰當的探究問題。
⑶ 「探究不同形狀的鐵,生鏽的多寡有何差異?」:操縱變因「不同形狀的鐵」必須先釐清與定義,說明有哪些形狀是值得研究?而「生鏽多寡」如何測量?具備實際操作的可行性嗎?
2. 形成假說
「假說」(hypothesis)是「暫時性的解釋」。當我們對於一個現象初步觀察之後,對
於會影響現象的變因或原因,形成一個「假說」,然後再設計實驗進一步確認,以實驗結果來決定是要「接受假說」或是「拒絕假說」,也就是屬於一種「假說-驗證」的歷程。
例如:在觀察了石蕊試紙、廣用試紙之後,形成「遇到酸鹼會變色的物質,酸性都是呈現紅色」的假說。進一步實驗其他酸鹼指示劑,發現酚酞遇到酸是無色,違反了這個假說,因此就必須拒絕這個假說,修訂假說以符合實驗結果。
科學發展過程中,科學家經常會提出假說,例如:亞佛加厥假說、大陸飄移假說。當
累積的實驗證據反覆肯定這些假說,確認到某個程度就可以成為「理論」(theory)(通常由科學社群共同決定);如果已經確認到不可能錯誤,就再提升為「定律」(law)。例如:道爾頓提出的「原子說」現在已經被稱為「原子論」,達爾文的「演化說」也已被稱為「演化論」了,而牛頓的「萬有引力理論」則已經被稱為「萬有引力定律」。請留意成為「定律」的科學解釋,也未必保證都永遠正確。科學發展強調的是「求真」的精神,只要有合理的證據,任何科學理論或定律都有可能被修正。
在形成假說時,如同「探究問題」也要注意「可驗證性」(能設計實驗驗證),避免提出不需要驗證或是不容易設計實驗驗證的假說。例如:「酸性越大,鐵的生鏽速度會越快」的假說,具有可行性與明確性。而「不同地點的鐵生鏽速度會不同」的假說過於籠統,因為「不同地點」包含了海拔高度、濕度、降雨量等變因,難以一一釐清。再例如:
「不同顏色紙蜻蜓的掉落時間會有不同」,此假說不必做實驗也可以推論紙張顏色不會影響掉落時間,因此不是有價值的假說。
另一方面,hypothesis常被翻譯為「假設」,很容易造成混淆。例如:「理想氣體:假
設氣體粒子沒有體積、粒子間作用力為零」這句話的「假設」是指assumption,其意義是
「一種條件或狀況的設定(或定義)」,也就是說所謂的理想氣體是指「氣體粒子體積為零、粒子間作用力也為零」,這句話並不是對於理想氣體提出「暫時性的解釋」,而是定義理想氣體的條件。
3.實驗設計
形成假說之後,要設計實驗來考驗假說。而設計實驗要考慮三大變因:操縱變因、應
變變因以及控制變因。通常一個研究問題或是假說,其敘述內容就包含了操縱變因以及應變變因,例如:
研究問題:紙蜻蜓的紙翼角度不同,紙蜻蜓的掉落時間有何差異?
形成假說:紙蜻蜓的紙翼角度越大,掉落時間越長。
以上的問題與假說,操縱變因都是「紙翼角度」,應變變因則是「掉落時間」。而控
制變因呢?控制變因包括各種可能影響(或干擾)的變因。以下說明三大變因的意義:
⑴ 操縱變因
也稱為實驗變因或自變因,是指研究者決定要探究的實驗變因(研究者操弄的變
因),也就是實驗中改變的變因。例如:「探究不同酸鹼值,鐵的生鏽速度差異」,「酸鹼值」(不同pH值)就是操縱變因。
⑵ 應變變因
也稱為測量變因或依變因,是實驗中要測量的變因(實驗結果)。例如:「探究不同
酸鹼值,鐵的生鏽速度差異」,「生鏽速度」就是應變變因。應變變因應儘量選擇可以客觀測量或精確測量的變因,例如:「生鏽速度」可以記錄不同時間的生鏽情形(可用照片比對分析)。如果改為測量「生鏽形狀」,則不容易客觀的紀錄與描述。
進行測量時,要選擇恰當的測量工具,並正確解釋其意義。例如:「分貝計」測量的
是「音量」,而不是「噪音值」(音量必須大於一定分貝數才是噪音),更不是頻率或波長。另一方面,如果探究問題牽涉到難以客觀測量的應變變因,例如:「探究不同煮法的米飯,好吃程度有何差異?」,「好吃程度」為個人主觀判斷,可以採用問卷調查方式,統計調查對象對於好吃程度的評分,再分析比較評分的差異性。
⑶ 控制變因
實驗過程中控制不變,保持一樣的變因。因為實驗要探究的是實驗變因對於應變變因
的影響,需要排除其他變因的影響或干擾,因此控制變因通常包括很多變項。例如:「探究不同酸鹼值,鐵的生鏽速度差異」,控制變因就包括了溫度、酸鹼溶液的量、鐵的大小尺寸形狀、實驗地點等。甚至光線、實驗容器、空氣濕度等,也要考慮成為控制變因。
4. 資料處理與解釋
資料處理包括實驗時記錄資料,實驗後資料的整理歸納與解釋。以下舉例說明常見的
問題:
⑴ 有效位數必須一致
表1的資料記錄有二個問題,一是記錄表沒有註明測量的溫度單位(攝氏或華氏);二
是有效位數不一致,有的記錄到整數,有的記錄到小數點二位。
有效位數必須一致的原因是:同一測量工具的「精密度」不會改變。因為一個測量值包括了「正確值」加「一個位數的估計值」。以圖1為例,溫度應記錄為23.8℃,其中23℃是「正確值」(可以確認23℃是正確的),接著估計下一位數為0.8℃,因此記
錄為23.8℃。如果記錄為23.7℃可以嗎?答案是:可以!因為0.8或0.7都是估計值,人為的估計就會有變異性。
由上述可知,「同一個測量工具」有效位數必然會一致,如果表1的測量工具和圖1相同,則應修訂記錄為表2。由正確記錄的資料,也可以傳達測量工具的「精密度」,例如:表2就傳達了溫度計的最小刻度是1℃。
⑵ 實驗資料的圖形表達
實驗數據是否需要畫成圖形(條狀圖、折線圖、圓餅圖等等),並沒有一定的規範,
完全由研究者視表達的需要來決定。如果數據很單純,以數字表達已經很明確,就沒有必要再畫成圖形。如果想要表達數據的變化特徵或程度差異(例如:線性變化、比例關係、分布百分比差距),就以圖形的視覺效果強化表達的意圖。
⑶ 語詞表達注意精確性
科學講求精確客觀,對實驗結果的描述或下結論,必須避免使用模糊性的語詞。例
如:測量分貝數之後,結論:「共振筒的長度和發出聲音的大小並沒有關係」,這個結論有二個問題需要釐清:一是「聲音大小」改為「音量大小」會更為明確;二是「沒有關係」是指相關是0,還是關係很小?請留意:差異很小≠沒有關係≠沒有影響。如果實驗數據很接近,變動不大,描述「差異很小」即可,不宜結論說沒有影響或沒有關係(除非數據完全一樣,變異數為0)。