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

玩出創意3:7
7個奇趣科學玩

電腦:看圖解成
為資訊高手
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
給中小學生的P
ython:初
學程式設計也能
快速上手




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)。