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主要內容

[资料库] 科学教育示例 --「科学与生活」

 

科学教育示例 --「科学与生活」

 

第一辑及第二辑课程简介:

本增益课程的设计者明白资优学生具有敏锐的观察力和较强的思考能力,简单及机械式的实验活动并未能完全满足资优学生的好奇心及强烈的求知欲,这些学生喜欢进行更深入、更全面的探究活动,从中发掘一些新的现象,吸收更多的知识,并用来解决与日常生活相关的问题上。所以,他们设计了「科学与生活」课程,不但能满足资优学生的需要,并能配合科学教育的发展方向。根据科学教育课程指引,「科学是通过有系统的观察和实验,去探究我们周围的现象和事件。」(课程发展议会,2002,页3) 学生透过科学教育,吸收所需的科学知识和技能,培养科学思维习惯,学习取证、定量分析、逻辑推理、创意和处理不明确事物的技巧,帮助他们决策和解决问题,使他们能够参与涉及科学、科技和社会的公众讨论。本示例中的课程设计是以科学教育的整体目标为基础,培养资优学生的科学探究能力。「科学与生活」课程共分两辑,每辑六个教节,每教节一小时三十分钟。第一辑的对象是小五至小六年级资优学生,六个教节分别是「酵母也疯狂」、「植物的生长」、「液体混合」、「净化污水」、「温室」、「磁的特性及应用」。第二辑的对象是中二至中三年级资优学生,六个教节分别是「神奇的酵母」、「心无二用」、「神奇的乳化剂」、「物质溶解时的热反应」、「温室」、「温室效应」。六个教节的设计,涵盖了科学教育的不同范畴(即科学探究、生命与生活、物质世界、能量与变化及地球与太空),借以加强资优学生的科学探究能力,包括归纳、推论、假设、分析和作出结论的能力。资优学生透过一连串的科学探究活动,既能够有效地掌握不同范畴的科学知识,亦能发挥高层次思维技巧(运用记忆、综合、理解、应用、分析、合成和评鉴),还发展了他们在创造力、想像力、独立学习、协作和解决问题方面的能力。为切合资优学生的特质及需要,这两辑课程示例在内容方面,跨越了相关核心课程的深度与广度。课程采用了问题为本及学生主导的教学策略,并提供了大量探究式学习活动,使参与的资优学生有发展及发挥潜能的空间,借著观察、假设、试验、求证、讨论、设计实验等活动培养科学探究的技能与精神,并从实践中建构知识,成为自我导向的学习者。

对象:第一辑:小五至小六年级资优学生
 第二辑:中二至中三年级资优学生
  
目标:学生能够
  1. 对科学学习的兴趣更浓厚;

  2. 掌握一些与日常生活及环境问题相关的科学概念和理论,并巩固已掌握的知识;

  3. 掌握一些基本的科学探究技巧,包括观察、分类、找寻规律、作出假设、设计实验、记录、资料汇报、资料分析和作出结论等;

  4. 从知识、理解、应用、分析、综合和评鉴等不同的层次,深入思考将要探究的课题;

  5. 以科学态度解决问题。

学与教过程:

整个学与教过程以问题为本(problem-based),并以学生为中心的教学策略施教。在学习每个课题的过程中,教师均以日常生活经验来引发学生的学习动机,再让他们从实验中探索和领悟个中的科学概念和原理。课程又以探究式学习模式来训练学生的科学探究能力。另外,课堂活动以小组形式进行,以加强学生之间的协作。课程并提供网上参考资源,以鼓励学生使用资讯科技及作课後延展学习。

第一辑(对象是小五至小六年级资优学生):

  1. 第一辑的课题除了涉及小学常识科的「自然世界」和「科学与科技」范畴外,其内容与科学教育课程架构中的各个范畴有密切的关连。

  2. 在第一节「酵母也疯狂」活动中,学生从实验中找出酵母在制造面包的过程中所发挥的作用,从而了解酵母使面包发大的特性。他们又尝试改变酵母的份量及发酵过程的温度,以观察这些因素对面包质素的影响,从中学习处理变因、记录及观察结果等科学探究能力。

在第二节「植物的生长」活动中,学生栽种种籽以观察种籽发芽的生长状况,又另外设计实验,在泥土中加入不同浓度的污染物(洗洁剂、消毒药水、酸、盐水等物质)以探究土壤污染对植物生长的影响。此外,学生须量度及记录种籽各部分的生长变化,并分析所得资料及总结实验结果。在第三节「液体混合」活动中,学生先通过观察找出不同液体(油和酒精)与水混合的特性。然後提出实验假设预测把各种液体混合後可能会发生的现象,最後进行实验以证明假设是否正确。在第四节「净化污水」的活动中,学生自行使用不同的材质设计及制造一个滤水器,然後进行实验以测试其效能,并尝试改良设计,以提高滤水器的净化功能。在第五节「温室」活动中,教师首先以温室图片引发学生的动机,继而与学生讨论一些有关温室的基本知识,再引导学生思考温室的贡献和限制。其後学生学习如何使用数据提存器,然後用它来模拟温室温度与光度之间的关系,最後学生利用电脑和数据提存器,收集改变温室内某些变因(如光度)对温室温度变化的影响,学习运用资讯科技进行科学探究,并通过观察和数据分析整理出调控温室变因对温室温度的影响。在第六节「磁的特性及应用」活动中,学生先进行一些有关这两种磁铁特性的活动(例如两极相近有何现象、指南针如何被磁铁影响、电磁铁的特性等)〔参考 工作纸(一)〕,然後探究「磁浮」这种现象,最後再探讨应用磁浮於交通运输系统上的原理、好处及遇到的困难。

第二辑(对象是中二至中三年级资优学生):

第一节「神奇的酵母」活动内容与在第一辑为小五至小六资优学生设计的「酵母也疯狂」相同。学生从实验中比较加入酵母和没有加入酵母的面粉制造出来的面包质素,找出酵母对制造面包的作用,然後与学生讨论发酵的科学原理。学生接著自由列举不同因素(例如酵母的份量及发酵的温度)对酵母的作用,之後提出假设,继而自行设计及进行实验以验证自己的假设,并深入探究不同因素如何影响酵母。之後,全组同学讨论实验结果及尝试合理地解释结果,并评鉴实验设计。最後学生应用以上所得的资料,制造一个大面包。这节课与「酵母也疯狂」的分别,不在於课程内容,而在於教与学的过程。初中学生的知识与能力较高小学生为高,故此教师在评鉴学生的意见、假设、实验设计、结果分析与结论时,都须作相应的调节。比如在设计与测试不同变因对酵母的作用时,初中学生应该可以考虑到不同的温度及不同的酵母份量所产生的影响。因此,如学生的设计太简单,教师会给予适当的引导与回馈。教师对初中学生探究能力的要求,亦较高小学生为高。教师会根据学生的表现引导他们作更深入的资料分析及更合乎科学理论与逻辑的结论。

在第二节「心无二用」活动中,教师以模型及猪心标本介绍心脏的结构及功能。透过操作气泵比较心脏与气泵在操作上的相若之处与分别。学生在理解心脏的构造及功能後,根据心脏的操作原理,用气泵制作心脏及血液循环系统模型,再透过操作模型,领悟推论出心脏病的成因及评估心脏病发的後果〔参考工作纸(二)〕。

在第三节「神奇的乳化剂」活动中,教师以如何把铁制万字夹浮於水面的难题作引子,引发学生对表面张力原理的学习动机。之後,学生透过不同的活动,作出改变表面张力的假设,并试验不同的日常生活物质(清洁剂、蛋黄、肥皂)如何改变水的表面张力,以验证其假设,教师接著与学生讨论实验结果,从中导出乳化剂的作用,并分析及比较不同的日常生活物质作为乳化剂的效能。在第四节「物质溶解时的热反应」活动中,学生先找出不同物质(CuSO4、CaCl2、NaCl、KNO3、NH4NO3)溶解时的热反应,再利用所得的资料,自行设计及制作发热敷袋。在第五节「温室」活动中,学生以简单材料制造一间小型温室,并从温室的操作中比较不同仪器(例如传统温度计和数据提存器)的准确度,学习如何恰当地运用不同的仪器(例如电脑和数据提存器)收集及分析数据(温室温度的变化),并从中理解温室的特性。在第六节「温室效应」活动中,学生要探究二氧化碳与温室效应的关系。他们用醋和梳打粉制造二氧化碳,再将二氧化碳注入透明的容器(模拟温室环境),经灯泡照射後以数据提存器测量容器内、外的温度,以比较二氧化碳和空气的「储热」差别(参照图一)。

图一:初步实验设计

当实验结果未有产生预期的温室效应时,学生便深入检讨刚才的活动,并研究改良实验的步骤和装置,例如在透明容器中加入黑豆(黑豆能有效吸收光能,然後以热幅射的形式发散出来),并添加一个注满空气的透明容器,加入相同数目的黑豆,作为对照实验(参照图二)。经过实验的验证後,学生与教师一起讨论温室效应对环境的影响。

图二:改良後的实验设计

学习成效:

  1. 完成这个科学探究的课程後,无论是小五、小六或是中二、中三年级的资优学生,都能够对一些科学概念和理论有较广泛、较深入的理解,亦能掌握基本科学探究能力(包括观察、量度、找寻规律、作出假设、设计实验、验证假设、记录结果、资料分析、资料汇报、作出合理的结论等。)此外,两个级别的资优学生都学会使用一些基本仪器和运用资讯科技进行科学探究。透过与生活相关的课题,学生明白到科学与生活息息相关,而科学知识与技能,可用以改良生活之用。此外,本课程的活动是以问题为本并以学生主导(并非内容主导)的方式进行。因此,学生对科学的兴趣大增,并学会以科学态度去解决问题及从生活中学习科学。

  2. 在这两个课程中,学生所学的科学知识涉及不同范畴。例如小五、小六年级的资优学生,认识到酵母的特性、土壤污染对植物生长的影响、「磁浮」现象及交通运输系统应用「磁浮」的好处和遇到的困难、温室的特性等。而中二、中三年级的资优学生则能探讨发酵所涉及的科学原理;明白心脏的操作原理并探讨心脏病的成因及评估其後果;利用对乳化剂的认识,自行设计及制作发热敷袋;使用数据提存器暸解温室的特性并找出二氧化碳与温室效应的关系。

  3. 本课程的实验活动十分注重培养学生良好的科学探究精神。在一连串的活动中,学生能够在科学探究中运用高层次思维技巧。他们透过发现问题、提出假设、验证、作出结论及检讨、改良实验等科学探究流程,力求得出更公正可信的结果。以温室探究为例,这个活动超出一般高小学生的能力。对资优学生而言,亦有相当的挑战性,他们要有过人的分析能力和逻辑思维,并须对温室的概念有一定的理解,才能有系统地归纳出实验结论。这些小五、小六年级的资优学生,在反覆改变温室内某些变因(例如光的强弱)的过程中,探究不同变因对温室温度变化的影响,并记录有关数据,从数据中分析出温室的温度和光度之间的关系,最後得出调控温室温度的结论。透过初次使用数据提存器,学生从中学习如何精确、有系统地观察及记录结果,进一步体会搜集科学数据的方法。他们卓越的能力因而得以发挥,不仅产生学习的满足感及乐趣,还从中掌握科学探究的能力。至於在初中资优学生的活动中,学生不仅要认识温室的运作,还要探讨温室效应的成因,所学的内容较高小的课程更深更广,实验的设计及验证过程更具难度,但参加活动的中二、中三年级资优学生却乐於接受这项挑战。从图一及图二可以看到他们全情投入。当他们发现实验结果未产生预期的温室效应时,便立刻作深入的检讨,继而自发性地改良实验装置,在透明容器中加入黑豆(黑豆能吸收光,然後以热幅射的形式将能量释放出来),并添加一个注满空气的透明容器,加入相同数目的黑豆,作为对照实验。该课程引证:若教师能提供适当的学习环境、切合学生需要的活动与教学法,学生可以从实践中建构科学知识,转移已掌握的科学知识来解决问题,并培养出坚毅的探究精神。