2003逢甲大学中学物理教师教学研习会.pdf

2003 逢甲大學中學物理教師教學研習會逢甲大學中學物理教師教學研習會 會議手冊會議手冊 中華民國九十二年十一月中華民國九十二年十一月 教育部顧問室 92 95 基礎科學教育改進計畫 教育部顧問室 92 95 基礎科學教育改進計畫 物理組 高中生輔導與網站建置 物理組 高中生輔導與網站建置 九十二年度 B 類計畫執行成果九十二年度 B 類計畫執行成果 中學物理教師教學研習會 中學物理教師教學研習會 會議手冊 會議手冊 執行單位 逢甲大學光電物理所暨物理中心 執行單位 逢甲大學光電物理所暨物理中心 計畫主持人 林泰生教授計畫主持人 林泰生教授 中華民國九十二年十一月 2003 逢甲大學中學物理教師教學研習會 i 2003 逢甲大學中學物理教師教學研習會逢甲大學中學物理教師教學研習會 一 活動主題 一 活動主題 物理教材與教法之多元化與實務運用 二 主辦單位與計劃名稱 主辦單位與計劃名稱 主辦 逢甲大學光電物理所 物理中心 補助 教育部顧問室 基礎科學教育改進計畫 三 參加對象 三 參加對象 中部各縣市公私立中等學校教師 四 參加人數 四 參加人數 名額以六十位為限 五 活動日期 五 活動日期 日期 九十二年十一月十五日 星期六 時間 下午一時三十分至五時三十分止 六 活動地點 六 活動地點 逢甲大學理學大樓理 201 多功能物理教室 七 七 本研習活動得計研習時數共本研習活動得計研習時數共 4 小時小時 發給研習證明發給研習證明 參加者並將獲贈一份實用物理教具材料 參加者並將獲贈一份實用物理教具材料 ii 2003 逢甲大學中學物理教師教學研習會 活動議程活動議程 主持人 周哲仲主持人 周哲仲 老師老師 時 間 活 動 內 容 主 講 人 地點 13 10 13 30 報到 逢甲大學理學大樓 理 201 多功能物理教室 13 30 13 40 開幕式 逢甲大學光電物理 所 物理中心 林泰生 所長 逢甲大學理學大樓 理 201 多功能物理教室 13 40 14 30 生活化題組之開發與引用 原則與策略 逢甲大學光電物理 所 物理中心 張慧貞 副教授 逢甲大學理學大樓 理 201 多功能物理教室 14 30 15 20 以類比促進物理概念學習 壓力的認識 彰化師大 物理系 林建隆 助理教授 逢甲大學理學大樓 理 201 多功能物理教室 15 20 15 40 能量補給站 補充能量大家一起來 15 40 16 30 以動手做揣摩科學大師 法拉第的舊電瓶 高雄師大 物理系 周建和 副教授 逢甲大學理學大樓 理 201 多功能物理教室 16 30 17 30 教學實務心得與策略交換 林泰生 所長 周建和 副教授 林建隆 助理教授 張慧貞 副教授 逢甲大學理學大樓 理 201 多功能物理教室 17 30 頒 獎 相約明年再相會喔 2003 逢甲大學中學物理教師教學研習會 iii 活動主旨活動主旨 身為第一線的物理教學工作者 或許多會同意 物理的教學是一 項極具挑戰的任務 除了自身需對相關的物理原理有周延的理解之 外 還需能掌握學生學習上的困難與瓶頸 提供適合的教學設計與策 略 以協助學生概念的發展 更需要適時地引入生動的生活實例 科 學家故事 或示範實驗 以提振學習的興趣 並擴展同學對 物理 的視野 不僅是紙上談兵的純理論知識 也是與日常生活 社會發展 息息相關的 本活動主題為物理教材與教法的多元化 並著眼於教學實務的應 用 三位主講者之演講內容均根據多次真實課堂實施後的結果修正而 得 活動共包含四項單元 一 敘述如何由現有資源 設計並包裝生活化物理觀念題 包含包裝 流程與課堂實施策略 二 以類比的方法 藉由學生較熟悉的現有概念 引導到較為陌生抽 象的物理原理 以促進其概念之理解 三 介紹科學家之故事 並藉由教具器材 讓學生體驗科學家當年實 驗的摸索過程 經由動手與問答 達到學習的目的 四 教學實務心得座談 教材資源與教學策略分享 由參與教師與教 授群共同對話 iv 2003 逢甲大學中學物理教師教學研習 會 目錄目錄 計畫書計畫書 活動議程活動議程 活動主旨活動主旨 目錄目錄 1 生活化觀念題之開發與引用 原則與策略生活化觀念題之開發與引用 原則與策略 張慧貞張慧貞 17 以類比促進物理概念學習 壓力概念的認識以類比促進物理概念學習 壓力概念的認識 林建隆林建隆 41 以動手做揣摩科學大師 法拉第的舊電瓶以動手做揣摩科學大師 法拉第的舊電瓶 周建和周建和 2003 逢甲大學中學物 教師教學研習會 1 張慧貞 師 張慧貞 師 學 學 美國俄亥俄州 大學物 碩士 西 國 懷卡多大學博士 經 經 美國俄亥俄州 大學 助教 大同工學院 講師 逢甲大學物 中心 講師 現任逢甲大學 光電物 所 副教授 專長專長 物 教育 建構主義 合作學習 研究方向研究方向 工科大一普物課程內容及教學法之革新 及探討大學 工科學生之學習觀 2 生活化觀 題之開發與引用 原則與策 會 生活化觀 題之開發與引用 原則與策 生活化觀 題之開發與引用 原則與策 張慧貞張慧貞 副教授副教授 逢甲大學光電物 所逢甲大學光電物 所 摘要摘要 物 課程生活化似乎已成為物 教育學界所認同的方向 本文將探討引進生活化 教材之 基礎 同時並根據研究者多 之實務經驗 敘述生活化教材之設計 程 基礎為建構主義學習觀 強調學生在物 概 發展 程的複雜性 凸顯 出學習者須主動 與認知操作的重要性 也衝擊到傳統教師在課堂上所扮演的角 色 除 提供清晰的講解之外 須提供能 激思考的問題 引導學生在課堂 中用心琢磨 引進生活化觀 題 只為 提高學習興趣 是賦予概 意義的必 要因素 但這 型問題在一般教科書中仍嫌 足 有待物 教師主動 與開發 基於過去五 的積極投入 作者對生活化觀 題的研發提出幾點心得 包含研發 的可能 程 並介紹 項現有之教學資源 同時也探討引入課堂的方式與時機 與實施後的修正 等 本文同時分享一份作者已研發成熟的題組 引引引引用用用用生生生生活活活活化化化化教教教教材材材材之之之之學學學學 基基基基礎礎礎礎 物物 課課程程生生活活化化的的改改革革趨趨勢勢 似似乎乎已已獲獲得得多多 人人的的認認同同 然然而而 每每個個人人對對於於教教材材 引引進進生生活活實實 所所持持的的 由由可可能能 盡盡相相同同 多多 的的物物 教教學學實實務務工工作作者者可可能能著著眼眼於於 情情意意的的面面向向 藉藉由由引引進進學學生生所所熟熟悉悉的的生生活活相相關關主主題題 或或是是以以多多元元化化之之教教材材呈呈現現方方 式式 以以達達到到提提高高學學習習興興趣趣的的目目的的 然然而而 建建構構主主義義學學習習觀觀則則著著眼眼於於認認知知的的觀觀點點 物物 概概 以以學學生生所所熟熟悉悉的的生生活活化化情情境境做做包包裝裝 單單是是為為 提提昇昇興興趣趣 而而是是為為 賦賦 予予物物 概概 意意義義的的必必要要因因素素 eg Posner Strike Hewson and Gertzog 1982 再再根根據據晚晚近近的的社社會會建建構構學學習習觀觀 s so oc ci ia al l c co on ns st tr ru uc ct ti iv vi is st t v vi ie ew w o of f l le ea ar rn ni in ng g 學學習習物物 的的 過過程程已已 再再被被侷侷限限為為單單純純的的認認知知活活動動 學學者者指指出出許許多多學學生生的的學學習習困困難難是是導導因因於於 恰恰當當的的學學習習觀觀 如如 Gunstone and White s 1981 發現部分大一學生並未對其 計算結果與示範現象間所顯示的分歧提出質疑 課堂 與真實生活似乎形成 相關的 個世界 因此 如果學生認為物 知 與真實世界無關的話 師所 示範的 象 anomaly 恐怕難以達到挑戰學生另有概 的目標 因此 適當的 知 解釋 另有概 堅韌而難以克服的原因 McCloskey 1983 因此 社會建 構學習觀道出 物 教材生活化在非認知 域的重要性 體體會會物物 與與生生活活之之 相相關關性性 促促使使學學習習者者能能 用用生生活活經經驗驗或或觀觀察察現現象象 協協助助自自己己對對科科學學概概 的的 解解 另另一一方方面面 與與純純 的的教教材材相相較較 生生活活化化教教材材通通常常涵涵蓋蓋多多項項物物 原原 或或定定 需需 在在探探討討過過程程中中主主動動 想想並並相相互互檢檢驗驗 這這項項任任務務雖雖然然對對學學習習者者可可能能帶帶 高高挑挑戰戰 但但卻卻也也能能促促使使學學生生體體會會 同同概概 間間之之關關係係 警警覺覺到到彼彼此此 和和諧諧的的詮詮釋釋 進進而而尋尋求求 2003 逢甲大學中學物 教師教學研習會 3 概概 的的修修正正 重重要要的的是是藉藉由由這這些些生生活活化化教教材材 促促使使其其能能體體會會物物 知知 間間統統整整性性 與與和和諧諧性性的的重重要要 將將物物 知知 視視為為彼彼此此密密 合合的的概概 網網 而而 是是 碎碎而而 相相干干 的的 這這種種較較為為深深入入的的知知 將將可可引引導導學學習習者者採採取取較較適適當當的的策策 學學習習物物 有有 於於學學習習成成效效 部部分分物物 教教師師可可能能對對引引入入生生活活實實 包包含含演演示示示示範範實實驗驗 的的目目的的著著眼眼於於 驗驗證證 物物 原原 這這種種實實證證主主義義的的觀觀點點與與建建構構主主義義的的知知 是是有有明明顯顯差差 的的 後後者者認認為為 物物 知知 並並 是是摒摒除除主主觀觀意意 地地去去發發覺覺宇宇宙宙的的真真 而而是是基基於於觀觀察察結結果果歸歸納納出出一一 個個最最恰恰當當的的詮詮釋釋 而而 史史的的發發展展與與社社會會 文文化化的的習習俗俗對對 的的適適當當性性扮扮演演著著決決定定 性性的的影影響響 Harr 1988 為為 提提高高物物 教教學學成成效效 除除 教教材材引引入入生生活活題題材材之之外外 傳傳統統的的傳傳輸輸式式教教學學也也是是需需 要要大大幅幅修修正正的的 個個人人建建構構的的觀觀點點強強調調學學習習者者個個人人在在概概 發發展展上上需需要要認認知知上上的的努努 以以建建構構出出有有意意義義的的概概 凸凸顯顯出出促促進進學學生生在在課課堂堂內內動動腦腦思思考考的的重重要要性性 另另一一方方 面面 社社會會建建構構的的觀觀點點則則認認為為科科學學知知 是是為為科科學學社社群群所所共共同同建建 V Vy yg go ot ts sk ky y所所提提出出 的的社社會會文文化化學學習習觀觀 s so oc ci io oc cu ul lt tu ur ra al l v vi ie ew w o of f l le ea ar rn ni in ng g 即即宣宣稱稱 高高層層次次的的心心智智操操作作需需要要 社社會會化化的的工工具具做做媒媒介介 B Br ru un ne er r 1 19 98 85 5 這這些些媒媒介介包包含含科科學學社社群群所所慣慣用用的的語語言言 符符 號號 工工具具 常常規規 習習俗俗 等等 Hennessy 1993 而而這這些些媒媒介介的的意意義義 用用法法 與與規規範範 卻卻往往往往與與日日常常生生活活的的經經驗驗大大相相逕逕庭庭 因因此此需需要要在在課課堂堂中中藉藉由由教教師師或或較較有有經經驗驗之之同同 儕儕的的引引介介 以以協協助助生生手手逐逐漸漸熟熟悉悉科科學學上上的的用用法法 並並體體會會其其與與日日常常生生活活之之差差 因因 應應上上述述的的學學習習觀觀 物物 課課堂堂引引入入師師生生或或同同儕儕間間的的互互動動 以以提提供供生生手手必必要要的的協協助助成成 為為教教師師重重要要的的任任務務 綜綜合合而而 無無 是是個個人人的的認認知知操操作作 或或是是人人際際間間的的互互動動 是是學學習習物物 所所必必須須的的任任務務 呼呼應應此此一一多多元元的的學學習習任任務務 教教學學者者除除 講講授授之之外外 也也 應應提提供供充充足足且且吸吸引引人人的的觀觀 性性問問題題與與時時間間 引引導導學學生生進進 課課堂堂對對話話或或小小組組討討 S Sc co ot tt t 1 19 99 98 8 建建議議 物物 課課堂堂應應在在教教師師的的演演講講 s sp pe ee ec ch h g ge en nr re e 與與提提供供對對話話 d di ia al lo og gu ue e 間間取取得得平平衡衡 因因此此 為為 實實物物 知知 的的學學習習成成效效 生生活活化化教教材材除除 可可以以提提供供演演講講時時 提提供供原原 解解 時時的的 證證之之外外 重重要要的的功功能能應應是是提提供供學學生生思思考考 討討 的的題題材材 將將生生活活實實 包包裝裝成成問問題題組組 以以誘誘導導學學生生進進 必必要要的的個個人人與與社社會會化化學學習習過過程程 以以促促進進物物 知知 概概 的的發發展展 4 生活化觀 題之開發與引用 原則與策 會 演演演演講講講講與與與與示示示示範範範範實實實實驗驗驗驗的的的的教教教教學學學學成成成成效效效效 生生活活化化教教材材或或示示範範實實驗驗 僅僅搭搭配配單單向向灌灌輸輸式式教教學學 而而缺缺乏乏提提問問以以引引導導學學生生進進 思思考考或或對對話話 則則其其預預期期的的教教學學成成效效將將大大打打折折扣扣 Crouch Fagen Callan Etkina van Heuvelen Brookes R Ro ot th h e et t a al l 1 19 99 97 7 與與作作者者之之研研究究均均發發現現傳傳統統演演講講式式教教學學 僅僅提 提供供學學生生示示範範實 實 驗驗 未未給給予予問問題題與與時時間間供供學學生生進進 對對話話 則則學學生生在在學學習習相相關關概概 時時將將面面 多多方方面面 障障礙礙 首首先先是是學學生生 掌掌握握教教師師示示範範的的重重點點 難難以以區區分分信信號號與與雜雜訊訊 容容 想想到到 相相似似的的情情境境 而而未未察察覺覺適適用用 之之差差 如如將將轉轉椅椅現現象象 想想至至 椅椅 前前者者是是 用用角角動動 守守恆恆原原 而而後後者者則則為為反反作作 用用 定定 R Ro ot th h e et t a al l 1 19 99 97 7 作作者者的的研研究究 也也發發現現許許多多學學生生將將適適用用於於能能 守守恆恆的的射射 標標槍槍示示範範 想想至至 槍槍發發射射引引起起後後座座 的的情情境境 在在修修畢畢 學學單單元元後後 受受測測的的 6 64 4 位位大大一一學學生生中中 高高達達 6 69 9 的的學學生生錯錯誤誤 地地引引用用動動 守守恆恆的的原原 而而只只有有 1 11 1 能能正正確確地地使使用用能能 守守恆恆 解解題題 錯誤錯誤 其其次次 學學生生傾傾向向於於以以較較為為熟熟悉悉的的工工具具 解解釋釋現現象象 如如 企企圖圖以以 解解釋釋轉轉 椅椅的的現現象象 而而忽忽 較較陌陌生生但但關關鍵鍵的的工工具具 矩矩 R Ro ot th h e et t a al l 1 19 99 97 7 另另外外 本本研研 究究中中 作作者者也也發發現現許許多多學學生生在在探探討討太太空空船船的的 繞繞 速速 與與 脫脫 速速 時時 將將 前前後後所所需需的的 同同工工具具 的的分分析析 與與 能能 守守恆恆 混混淆淆使使用用 在在靜靜電電學學中中 場場 的的概概 常常被被視視為為高高難難 之之單單元元 現現有有文文獻獻大大多多著著眼眼於於認認知知觀觀點點 提提出出學學習習困困難難的的 原原因因與與改改進進之之道道 e eg g Tornkvist Pettersson Viennot Etkina et al 2002 Roth et al 1997 最最後後 除除 教教學學模模式式需需配配合合修修改改之之外外 評評 內內容容與與方方式式也也須須做做因因應應 呼呼應應課課堂堂教教 學學之之題題材材與與著著重重之之 示示範範與與考考試試無無關關 無無視視於於概概 與與現現象象之之分分歧歧 考考試試應應著著重重相相 關關原原 的的闡闡釋釋與與推推導導過過程程的的合合 性性 而而非非侷侷限限於於正正確確答答案案的的獲獲得得 上上述述的的討討 一一方方面面闡闡述述 物物 教教學學引引進進生生活活化化教教材材的的學學 引引出出 教教材材生生活活化化的的 由由 另另一一方方面面則則探探討討藉藉由由生生活活化化教教材材教教學學時時 學學生生常常面面 的的學學習習障障礙礙與與誤誤解解 凸凸顯顯出出單單向向式式的的解解 加加演演示示 並並 足足以以達達到到促促進進科科學學概概 發發展展的的目目的的 基基於於以以上上 由由 教教師師應應將將生生活活化化題題材材經經過過適適當當的的包包裝裝 設設計計成成引引導導學學生生進進 思思考考 討討 的的 問問題題組組 並並藉藉由由學學生生的的回回應應 提提供供後後續續的的講講解解 以以下下 作作者者將將綜綜合合文文獻獻與與實實務務之之經經驗驗 探探討討生生活活化化題題目目之之設設計計準準則則 包包裝裝模模式式 引引入入時時機機與與方方式式 並並提提供供部部分分較較嚴嚴謹謹之之 考考資資源源 6 生活化觀 題之開發與引用 原則與策 會 生生生生活活活活化化化化題題題題目目目目設設設設計計計計準準準準則則則則 呼呼應應上上述述的的討討 設設計計生生活活化化題題目目應應符符合合下下 幾幾項項準準則則 1 1 題題材材生生活活化化 與與學學生生所所熟熟悉悉之之經經驗驗結結合合 如如 探探討討 線線圈圈燈燈泡泡在在電電磁磁 上上發發光光的的原原 可可使使電電磁磁感感應應的的概概 具具體體化化 有有 於於概概 的的 解解 同同時時 生生活活化化的的題題材材 也也常常 比比實實驗驗的的器器材材 能能引引起起同同學學的的好好奇奇心心 有有助助於於學學習習動動機機之之 提提昇昇 2 題題目目應應避避免免繁繁雜雜計計算算 以以概概 澄澄清清為為主主 強強調調 語語言言的的 述述在在學學習習物物 之之重重要要性性 除除 徵徵求求答答案案之之 外外 還還需需要要求求針針對對背背後後的的原原 詳詳加加闡闡述述 如 如圖 左右 個沙 的質 相等 則將右邊的沙 倒 置 在天秤上測得的重 大小應該何者較大 或是 者相等 由為何 此此題題之之三三種種可可能能答答案案 有有其其背背後後之之物物 原原 支支持持 實實際際測測 結結果果則則隨隨測測 之之時時 機機而而變變 在在課課堂堂上上引引入入這這 型型題題目目 可可以以凸凸顯顯原原 闡闡述述對對推推 的的重重要要 並並讓讓學學生生 體體會會些些微微之之情情境境變變化化對對原原 選選定定之之關關鍵鍵影影響響 3 3 挑挑戰戰常常 之之瓶瓶頸頸概概 如如 慣慣性性 的的迷迷思思 最最大大靜靜摩摩擦擦 誤誤用用為為靜靜摩摩擦擦 電電位位與與電電位位能能的的混混淆淆 等等 如如 作作者者在在 其其課課堂堂以以右右圖圖為為檢檢測測 慣慣性性 迷迷思思的的工工具具 要要求求學學生生畫畫出出 物物體體在在 Q Q 點點所所受受的的所所有有 的的方方向向與與名名稱稱 有有超超過過一一半半的的學學生生 認認為為有有向向 3 3 的的 存存在在 多多 學學生生稱稱之之為為 慣慣性性 4 4 新新工工具具 符符號號的的引引進進 包包含含使使用用方方法法與與規規則則的的敘敘述述 並並提提供供機機會會讓讓學學生生逐逐漸漸 熟熟稔稔於於此此一一工工具具的的用用法法 功功能能 與與重重要要性性 如如轉轉動動運運動動之之向向 定定義義 場場與與通通 外外積積運運算算的的方方向向 等等 如如 陀 受重 作用為何 會倒 a 目前的自轉角速 方向 b 重 對轉軸之 矩方向 c 角動 變化之方向 此題之學習重點 但在於牛頓第二定 dt Ld v v 與角動 v v IL 之 解 在於協助學生熟悉轉動運動向 之方向定義與用法 5 相關變 敘述 宜過於系統化 以杜絕機械式地套用公式 部分屬於基本常 之變 也可 去 提 如同生活上所面 的問題一般 以提高題目之挑戰性 如 從 約飛往西雅圖的飛機 受到地磁的作用 其電荷將如 何分 試估計此效應在機翼 側造成的電位差 此題涉及磁 定義BvqFB v v v 但所需之地磁在水 平與鉛直分 之變化並未在題目中提及 需要學生 2003 逢甲大學中學物 教師教學研習會 7 主動進 分析 才能做後續之推 這 題目因需要 主動知 故難 較 一般教科書內之習題難 高出甚多 6 題目情境需要創新 novelty 以杜絕背誦 並 激學生發揮其 想與推 能 此一考 對大學階段的教學尤顯重要 因為經由中學階段之物 學習 可 能記住一些 熱門 實 但卻並未深入體會相關原 成 之 由 如 本研究發現 受測之大一學生 N 54 有63 的學生能正確地 用動 守恆原 解 釋上圖實 中速 與質 成反比之關係 相對地 另一 組大一學生中 N 118 卻只有13 的同學正確地答 出下圖之速 將保持 變 而有 1 3的學生誤用動 守恆 推 上圖難 較低 很可能是因為情境與高 中物 重複 使學生得以根據背誦作答 導致題目失 去 激思考 挑戰概 解的功能 因此 持續性地開發生活化題目 是維持題 目情境創新的唯一途徑 所 考的資 源越 僻 如原文之科技文章 或甚至 由教師所獨創 則越能保有其獨特性 允許較長期的教學引用 7 設計生活化問題時 也可顧及多重物 原 之 結 雖然複雜 增高 但卻 可達到引導學生進 概 統整之教學任務 協助學生建構其物 概 網 而非僅 傳授 碎之知 如 僅受繩子 作用的球 做 旋軌道運動 則隨著半徑的減小 速 為何會變快 請分別以能 與角動 之觀點提出解釋 此題符合角動 守恆之條件 但也可用 的向 分析解釋 速 增加之原因 或是以繩子張 作正功 解釋動能增加之 由 藉由此題 但可同時引入三項動 學重要概 之意義 協助學生體會三者間之關係與差 可顯示 同物 定 之間諧和性 coherence 的特質 進而誘導學生主動調和 reconcile 同 間所顯現之矛盾 8 最後 設計生活化題目能考慮上述之幾項特徵 則此 題目對學生而言之 挑戰性 通常 亞於複雜之計算題 生活化的題材往往包含複雜的情境 作者建 議在設計題目時 應配合學生的反應 適時地簡化相關之變因或情境 以凸顯主 題 提供必要的資訊 但又能杜絕套招 如 在前一陀 進動之實 中 學生 的回應已顯得困難重重 因此 比陀 複雜之迴旋儀問題是否應引進 則須斟 酌 生生生生活活活活化化化化問問問問題題題題之之之之包包包包裝裝裝裝 生生活活化化題題目目在在設設計計過過程程中中 還還可可針針對對相相關關題題材材做做包包裝裝 一一 可可使使情情境境具具體體化化 協協助助學學生生以以感感官官體體驗驗題題目目之之意意義義 同同時時 也也因因教教材材之之呈呈現現 具具變變化化性性 而而提提 高高學學習習 與與之之動動機機 題題目目包包裝裝之之可可能能 型型包包含含以以下下幾幾個個種種 1 1 相相片片 圖圖片片 這這 型型的的包包裝裝應應是是最最容容 獲獲得得的的 也也最最 受受到到教教室室設設施施的的限限制制 或或花花費費額額外外課課堂堂時時間間 如如 8 生活化觀 題之開發與引用 原則與策 會 配 配合合核核彈彈爆爆炸炸的 的圖圖片片 探探討討其 其形形 與與顏顏色色變 變化化之之成成因因 可 可檢檢驗驗學學生生對對熱 熱 學學 第第一一定定 之之瞭瞭解解 並並與與空空氣氣之之彈彈性性波波 音音爆爆的的概概 統統整整 某某些些題題目目也也可可搭搭配配 手手繪繪圖圖 如如前前述述之之載載水水 進進之之問問題題 2 2 實實物物示示範範或或實實驗驗演演示示 這 題目包含動態現象的 預測與靜態實物的觀察 種 主要的任務皆在 激學生探討其中之相關原 動態現象如前述之陀 進動 電磁 點燈 旋加速球 等現象之演示 靜態觀察實物的 子 如以太空專用筆探討其設計 原 並可將議題擴展到人 執 太空任務時在物 上需面對的挑戰與克服的方法 此題的內容可在萬有引 單元中引用 但 同時也可統整其它原 如大氣壓 黏滯係 等 3 3 剪剪接接電電影影之之片片段段或或是是 用用動動畫畫 包包裝裝成成觀觀 題題 也也往往往往可可以以達達到到很很好好的的 引引導導學學習習目目的的 電電影影的的劇劇情情有有些些涵涵蓋蓋 正正確確的的物物 概概 但但也也常常發發現現違違反反物物 原原 的的情情況況 如如 著著名名的的災災難難片片 酷酷斯斯 正正確確引引用用 飛飛彈彈的的紅紅外外線線熱熱 感感應應原原 以以變變種種蜥蜥蜴蜴的的奇奇 體體溫溫結結構構 解解釋釋飛飛彈彈無無法法打打中中 酷酷斯斯 的的 由由 另另外外 在在I ID D 4 4則則出出現現荒荒謬謬的的逃逃亡亡場場景景 片片中中主主角角竟竟能能 用用隧隧道道內內之之小小角角 順順 逃逃過過爆爆炸炸火火球球的的吞吞噬噬 無無視視於於熱熱 射射的的威威 多多 合合 的的電電影影場場 景景 則則 在在 MMo ov vi ie es s w wi it th h B Ba ad d P Ph hy ys si ic cs s 網網 站站 上上 介介 紹紹 網網 址址 為為 設設計計製製作作之之外外 國國外外的的E Ex xp pl lo or re eS Sc ci ie en nc ce e網網站站也也提提供供許許多多 緻緻高高品品質質的的教教學學 單單元元 供供教教師師免免費費下下載載使使用用 其其網網址址為為 4 4 新新聞聞事事件件 或或是是科科學學家家的的故故事事 也也 可可以以用用 包包裝裝出出具具有有教教學學功功能能之之題題 目目 如如 太太空空梭梭爆爆炸炸悲悲劇劇之之新新聞聞摘摘 如如附附註註 A A 可可引引導導學學生生解解釋釋空空氣氣阻阻 對對太太空空站站軌軌道道內內移移的的原原因因 並並進進一一步步推推測測其其 學學能能之之變變化化 另另外外 前前述述之之 慣慣性性 迷迷思思問問題題 教教師師可可以以在在此此時時介介紹紹牛牛頓頓當當 建建構構 學學三三大大定定 時時 受受此此迷迷思思困困擾擾 2 20 0 之之 程程 Steinberg Mazur 1996 這些題目已上網分享給所有物 師 但謝絕學生 使用 以確保其評 之功效 其網址為 http galileo harvard edu 另外 還還有有 華華盛盛頓頓州州 大大學學研究群所 心研發之討 題組 McDermott Strike K A Hewson P W 將 燈泡改為 則哪一燈泡較 2 聖誕燈含 100 個小燈泡 具 5 段之閃爍 示範 a 可能之線 圖為何 並 或 並 之組合 如何將含有 並 的線 出一條長 b 每一燈泡電阻為30 則總電阻為多少 消耗之電功 為多少 c 燈泡閃爍的原 為何 d 有燈泡損壞 則其它燈泡的 是否改變 其原因為何 3 如右圖之A B 電燈泡其燈絲之粗細 同 則其功 之大小 WA WB 其電阻之大小RA RB 4 如右圖 三個燈泡皆相同 則電 IA IB 功 PA PB Pc 5 如右圖中之 個燈泡皆相同 則當圖中之開關接通後 A 燈泡 之 應增加 減小 變 或完全熄滅 B 燈泡之 應增加 減小 變 或完全熄滅 16 生活化觀 題之開發與引用 原則與策 會 2003 逢甲大學中學物理教師教學研習會 17 林建隆老師 林建隆老師 學歷學歷 彰化師範大學科研所碩士 彰化師範大學科研所博士 經歷經歷 現任彰化師範大學 物理系 助理教授 專長專長 物理教育 研究方向研究方向 以類比協助學生物理概念的建構 18 以類比促進物理概念學習 壓力概念的認識 以類比促進物理概念學習以類比促進物理概念學習 壓力概念的認識 壓力概念的認識 林建隆 國立彰化師範大學物理系 Tel 04 7232105 3311 Fax 04 7211153 E Mail Phljl cc ncue edu tw 壹 緒論 類比推理 analogical reasoning 是人類學習新知的重要機制 它的作用不 只是在已知與未知之間搭起一座橋樑 更是人類在探求大自然時擴大視野 開拓 知識的原動力 例如 萬有引力的現象被類比於電荷間相互作用力的現象 描述 弦振動的偏微分方程被類比於水 電 聲波的波動過程 太陽系模型被類比於原 子模型等 雖然 類比是經由特殊事件推理到特殊事件 其結果有其不確定性 但是 從科學發展的角度來看 類比推理常常是導致重要發現的推理形式之一 例如 凱勒 Kekule 對苯環 benzenering 的發現過程 是藉助於蛇狀手鐲類比環狀 結構 等 因此 對於類比推理的機制 是值得我們做進一步的探索與開發的 經由分析過去國內外學者對於類比推理的研究 可以發現 類比推理對於科 學概念的學習 Duit 1991 Harrison Brown Clement 1978 抽象概念的理解 Harrison Keane 1996 Novick 1988 Novick Stavy 1991 圖 形類比 Bean Singer Brown 1992 Fortman 1993 郭人仲 民 83 模型類比 Harrison Wong 1993 陳瓊森 民 82 類 比橋 Brown Brown 1992 1994 Clement 1993 1994 等 在較大系統的類比轉移 類比教材的設計 應用單一類型的類比物對於較複 2003 逢甲大學中學物理教師教學研習會 19 雜的科學概念學習其實有其限制 雖然有研究者建議在研究設計上可融合多種類 比類型來設計 以充分發揮類比教學的成效 因為圖形類比可協助學生建立具體 的類比心象 而模型類比可讓學生經由實際操作中 獲得更具體的瞭解 類比橋 的運用可以降低學生對於概念間認知的落差 若能適當的應用多重類比物 則將 更有效的協助學生對於所學習的概念加以連結 而教師對於科學概念間相互類比 的教學 能有促進學生對於概念活化的功能 貳 本文 一 合作學習的類比學習環 合作學習的類比學習環 是由類比推理歷程的確認 檢索 映射及評估四個 步驟所構成的 應用於教學時 先由教師針對教材內容之綱要 與類比推理機制 作重點提示 然後實施分組 接著進入源領域的合作學習 在討論 操作 協商 和解題之活動下 完成第二階段的類比學習環 之後再進行靶領域的學習 並以 同樣的過程完成第三階段的類比學習環 經由合作學習後 加以總結並製成結 論 上台報告並接受評鑑 教師最後作出總結並協助解決疑難問題 其流程方塊 如圖1 1 二 類比推理在教學與學習上的角色 本節中先就Zeitoun 1984 所提出的類比教學的一般模型 the general model of analogy teaching 簡稱 GMAT模型 加以說明 再就介紹Glynn等人所發展 出TWA teaching with analogy model 模型 最後 針對過去對於類比教學與學習 20 以類比促進物理概念學習 壓力概念的認識 之研究加以歸納 並提出使用類比推理的限制事項 類比教學的一般模型 GMAT模型 Zeitoun 1984 參考Rumelhart Clement 1978 Clement 和 Brown 1984 3 類比可以引起學生的 學習興趣與動機 Duit 1991 4 類比能協助學生建立抽象的概念和原則 Remington 1980 5 類比能協助學生解決問題 Black Clement 1978 Middleton 1991 6 類比能增進學生的記憶 增加對概念的心智映像 協助學生瞭解新的 概念 Fortman 1993 1994 Middleton 1991 7 類比推理能造成有效的學習 Klauer 1989 8 類比是促進科學發明與發現的重要因素 Middleton 1991 Thagard 1992 二 類比的誤用可能造成另有概念 Glynn等 1989 曾提出類比推理如果使用得當 那麼可以發揮正面的效果 反之 如果使用不當 那反而會造成嚴重的負面影響 因此稱類比為雙面刃 Treagust 等 1992 的研究結果指出 在科學教學環境中使用類比教學 必須事 先小心謹慎的準備 並且以學習者的觀點 讓學生們自己來建構他們自己的知 2003 逢甲大學中學物理教師教學研習會 25 識 因此類比的使用必須讓學生對類比物能完全瞭解並且適當的加以引導 避免 學生為表面上相似的屬性所誤導 Duit 1991 例如在講解氫原子與氧原子組 成水的模型時 我們常把木球當做原子 並且把氫原子塗上藍色 把氧原子塗上 白色以利辨識 但事實上氫原子不是藍色 氧原子也不是白色 又如許多生物教 科書在畫血管時把動脈用紅色表示 靜脈用藍色表示 導致許多學生誤以為有藍 色的血液在體內流動 三 類比橋 bridging analogy Brown 和 Clement 1987 在研究的過程中 發現學生在學過牛頓第三運 動定律 即作用與反作用定律後 仍然具有一些另有概念 因此 就設計了連續 的類比橋 進行教學研究 結果讓學生有效的克服了另有概念 此外他們也分析 了四個個案的晤談資料 並初步整理出在運用類比推理克服另有概念時 會影響 類比橋使用成敗的可能因素 有 一 首先必須找到一個學生熟悉 可作為泊定 anchor 的例子 二 必須標示出作為泊定的例子與目標情境之間的類比關係 例如橋引 bridging 的技術 三 在教學環境中 學生必須具備雙向交互作用 進行類比推理 而不是只 在課文或教師的講演中提到類比 四 在教學過程中 這些策略必須用來幫助學生將靶領域知識或概念 形成 他們自己的概念模式 由於源領域與靶領域之間的概念 往往有很大的差距 因此 Brown 和 Clement 1989 就設計連串的類比橋 有效的協助學生達成概念改變 因此類 比橋是以學生的正確直覺 correct intuition 為基礎 再透過細心尋找能啟發正 確直覺的例子 作成一個連續性階梯式範例的教材 Brown 1992 曾設計類比 橋 來有效糾正學生認為 靜止的物體不會施力 的另有概念 他強調教師必須瞭 解 對教師來說很有力的例子或類比 未必能吸引學生 因為教師的先前知識較 為豐富 故所採用類比的相似關係對某些學生來說很可能並不清楚明白 因此 教師必須盡力發展自然現象之可以看到的定性機械模型 以幫助學生理解現象背 後的抽象概念 圖2 4所示為Brown利用 類比橋 來幫助學生產生概念改變 26 以類比促進物理概念學習 壓力概念的認識 激發正確直覺思考 橋引策略 目標學習物的泊定例子 圖2 4 類比橋設計實例 學生本來不相信置於桌面上的書本對桌面施力 但學生瞭解彈簧受力會變 形 Brown就利用 彈簧受力會變形 來當作泊定 以 書會使柔軟的桌面變形 當 作橋引範例 來學習 書本會對堅硬的桌面施力 的目標概念 透過這樣的程序 彈簧對手施力的關係 漸漸的就能轉移至桌子與書的關係了 類比橋的應用能夠有效的幫助學生做連結思考 因此 若能有效的應用學 生的泊定概念 作為類比橋的起始點 是一項幫助學生學習的利基 Brown 1992 1994 Clement 1993 以類比橋的類比教學模式做實證研究 結果皆 顯示能有良好的教學成效 並達成學生的概念改變 另Camp和Clement 1994 也將力學領域內運動定律 相對運動 摩擦力 等幾個單元中 有關類比橋的設 計整理成書 供教師與研究者設計參考 因此本研究採用類比橋的設計 作為教 材設計之依據 以減輕學生之學習負擔 四 合作學習對於類比學習的影響 Johnson 與 Johnson 1994 曾主張個體必須透過與社會上的人們進行溝 通 互動與協調才能建構出適於環境的知識 而且Vygotsky學派也認為知識是社 會的 是經由群體合作努力的學習 透過解決問題的過程中所建構而成 因此 透過人與人之間的互動來進行學習 應比個體單獨地進行學習要來得有效 近年來也有許多科學教育學者站在社會建構的立場 支持讓學生透過如合作 學習的活動 來進行科學知識的建構 例如Cohen 1994 的互動學習 Johnson 與 Johnson 1994 的合作學習 張靜嚳 民84 以問題為中心的教學等 均強調 同儕互動在科學學習上的重要性 而學生與學生之間的互動才是教學的重心與研 究的重點 因此安排適當 有效的合作學習對於學生的學習會有著相當重要的助 益 合作學習與一般傳統的分組學習有很大的不同 一般理化科做實驗時 通常 2003 逢甲大學中學物理教師教學研習會 27 採用的就是小組學習 它的特色包括 一 不講求異質性小組的組成 二 小組領 導人通常是指派的 且其領導能力通常沒有特別的訓練 三 只著重單一學習任 務 而合作學習的六個特質分別是 異質分組 積極互賴 面對面互動 評鑑個 人績效 人際技巧 和團體歷程 黃正傑 林佩璇 民85 此外Linn 與 Burbules 1993 也提出小組學習可能產生一些流弊 一 學生傾向於只接受第一觀點 而不會去統整不同的意見 以形成較好的 結論 二 佔優勢的組員會脅迫其它組員與自己想法一致 三 容易強化出誰通常擁有最好的想法 於是就以此人的觀點為準 不再從 事進一步的磋商與討論 四 在科學學科的領域中 當衝突概念產生時 學生日常的對談 discours 策略 並不適合作為推論之用 五 學生對學科內容的對談模式一般來自教科書或教師 而這兩種來源都沒 辦法用來澄清或解決對談時所產生的爭論 合作學習和小組學習有很大的差異 合作學習的小組有嚴密的結構 且教師 必須有完整的計劃 以避免發生小組學習活動的弊病 經由合作學習 學生除了 必須學會課程的內容之外 同時也要幫助其他同組組員學習 組員間相輔相成 休戚與共 唯有全組的成功 才能有個人的成就 因此 在合作學習的活動當中 學生得同時練習各種基本社會技能 兼顧團體的互動 才能達到合作的目的 而對於合作學習的類比學習環的學習 透過操作 討論 協商和解題的社會活動 下 小組成員對於類比推理的確認 檢索 映射 評估的學習過程 才能克服另 有概念的產生 落實有意義的學習 參 設計實例 一 類比推理教材設計及實驗器材發展過程 一 合作學習類比教材的設計 本教材的設計 是依據合作學習的類比學習環的模式 並結合類比橋 多重 類比等策略加以設計 底下先就整體的設計理念 再依題號次序 對本教材的設計加以說明 本 28 以類比促進物理概念學習 壓力概念的認識 教材的主要目的在於引導學生 透過類比學習環的理論 經由合作學習的溝通討 論過程 根據先前知識與日常生活的經驗及具體的實驗操作過程 進行源領域的 固體壓力概念學習 再進一步映射至靶領域液體壓力概念的學習 並在學習過程 中進行確認 檢索 映射 評估的階段 對所要學習的課程內容 加以操作 討 論 協商 比較 推理與解題 以利學生進行有意義的學習 整體教材的設計 包含學習源領域 固體壓力概念 的三個迴圈與靶領域 液體壓力概念 的兩個迴圈 其中源領域的第一迴圈 問題一到六題 與第二 迴圈 問題七至十四題 是屬於定性的描述與比較階段 主要是經由學生已具 有的先前知識及日常生活中的經驗 透過具體的實驗操作進行源領域固體壓力的 學習 其類比橋的設計 第一 二迴圈是採用 當物體置於海綿或桌上時 可以 實際觀察到海綿的凹陷映射至無法看出桌面的凹陷 引導學生體會出 雖然桌面 無法觀察到形變但是仍受到物體的施力 亦即雖然桌面與海綿的表面表徵有所不 同 但是兩者受力情形的深層表徵卻是一樣的 皆有受力 只是受力的材質不同 所致 接著問題十二 十三屬於定量的量化階段 讓學生將前面定性階段所討論 的結果 進一步應用在實驗操作的大 小木塊上面 求出木塊對桌面之施力與壓 力 並進行比較 評估 讓學生體會到大 小木塊雖然施力 重量 不同 但是 對桌面的壓力是相等的 因而體會到力與壓力概念的差別 第三迴圈 問題十五 到十八題 是屬於源領域的量化階段 主要是引導學生將前兩迴圈所學習的固 體壓力公式 經由具體的實驗操作 由一塊大木塊加以推廣至三塊大木塊疊加在 一起 對桌面所施的壓力 再進而以大木塊放入燒杯中 對杯底產生的壓力 映 射到求出沙對杯底所產生之壓力 並觀察沙之側壓力 以利作為液體靶領域學習 的仲介 其類比橋的設計是當木塊置於桌上與燒杯中 雖然桌面與杯底的表面表 徵不同 但木塊對桌面或杯底所造成壓力概念的深層表徵是一致的 再把此一概 念映射至置於燒杯中的沙 來求出沙對杯底所產生的壓力 而不受表面表徵差異 的影響 接著說明靶領域液體壓力概念的問題設計 靶領域的第一迴圈 問題十 九到二十一題 是屬於量化階段 主要是引導學生先行確認有關液體的先前知 識 如液體的體積 質量 重量與密度等概念 透過具體的實驗操作 進行靶領 域液體壓力的學習 並針對液體壓力的特性 以水壓觀測器 讓學生由實驗中體 會物體在液體中的壓力是來自四面八方 與固體壓力具有固定方向是不同的 其 類比橋的設計 是採用以沙對杯底的壓力映射到水對杯底的壓力 沙與水表面表 2003 逢甲大學中學物理教師教學研習會 29 徵雖然不同 但就形成壓力概念的深層表徵而言是相同的 問題二十二的設計 則以實際錐形杯子裝水的例子 啟發學生探究壓力公式 P F A 與 P HD 兩者的 適用情境與原因 做更深入的評估 以瞭解液體壓力的特徵 靶領域的第二迴圈 問題二十六到二十九題 也是屬於量化階段 主要是利用軟木塞與木塊的不 同材質特性 當軟木塞疊加於木塊上面對桌面的壓力 可映射到不同液體如油與 水疊加時的壓力 此為一類比橋的設計 讓學生經由固體的具體概念 來學習液 體的壓力概念 最後問題三十 則是對所學習的固體與液體壓力的評估與統整相 關概念的整合性 類比推理實驗教材設計如表 3 7 所示 表 3 7 類比推理實驗教材設計 題 號 問題內容 學習 領域 類比學 習機制 問題目的 問題 一 二 a 把裝滿水的保特瓶 重物 分別正立 及倒立於海綿上 觀察海綿凹陷的 程度有何不同 為甚麼 b 分別用兩手的指頭 同時壓住鉛筆 的筆尖及另一端較平的部分 並讓 鉛筆保持不動 觀察兩邊手指凹陷 的情形 確認 讓學生經由各種不同角度觀 察泊定物 喚起學生對於固 體壓力的正確直覺 問題 三 假設若取兩塊相同的磚塊 一平放 一豎立 一起放在海綿上 請猜想海 綿可能的凹陷情形 檢索 讓學生藉由檢索問題一 二 之可觀察具體現象後 能討 論出當重量相同 但接觸面 不同時 海綿凹陷程度之差 異 問題 四 將磚塊豎立及平放於桌上 請仔細觀 察 試問 何者對桌面造成的壓迫較 大 為什麼 映射 類比橋 將問題三海綿凹陷的情形映 射至桌面上 並將前項之檢 索結果映射至本問題 問題 五 六 a 為什麼被同一人 穿高跟鞋踩到 會比她穿平底鞋踩到來的比較 痛 b 試討論當物體的重量保持一定 時 物體所造成的壓力 P gw cm2 與接觸面積 A 有何關係 源 領 域 固 體 的 第 一 迴 圈 描 述 與 比 較 階 段 評估 檢視前項之映射結果 並進 一步評估 重量相同時 接 觸面愈小是否凹陷愈深 30 以類比促進物理概念學習 壓力概念的認識 表 3 7 類比推理實驗教材設計 續 問題 七 若兩塊相同磚塊疊在一起 與只有一 塊