物理双月刊(廿八卷三期)2006年6月.pdf

物理雙月刊 廿八卷三期 2006 年 6 月 573 大學物理實驗教學的思維 文 傅昭銘 物理是一門重視實驗實證的科學 物理學中的任何創新成果都必須經過實驗的檢驗 物理學本身及理工應用科學的發展 無不與物理實驗密切聯繫 因此 實驗教學在物理教學中佔有重要的地位 一方面為使學生鞏固所學理論知識和加深對物理 現象和規律的理解 另一方面又可培養動手解決實際問題技能及提高觀察和分析能力 成為培養科技創造性的重要訓練 本 文介紹物理實驗教學的相關科教理論背景及舉述近年國際著名大學的物理實驗教學變革 其中建構學習觀 探究性和創造性 實驗能力 提示問題教學 人本素質教育等為現行物理實驗教學所必要的觀念元素 科學探究能力與創新思維的教學目標 需要仰賴改革性實驗課程與創意化的教學模式 前言 實驗物理在物理學發展的角色 物理學一詞的英文 Physics 早先是源於希臘文 原意是指自然 整個物理學的發展為人類 不斷探索企圖瞭解自然的思惟進程 希臘哲學家亞里 斯多德 Aristotle 十分重視經驗 認為 事實 facts 為從諸觀察中歸納而來的普遍敘述結果 到了十七世 紀 自然研究者以事實做為分析與評斷經驗的基礎 強調經驗中最精純的部分才是 事實真相 matters of fact 法國哲學家笛卡兒 Descartes Rene du Perron 認為研究者在報導實驗時會為了適應自己的原則而扭 曲結果 主張唯有透過嚴格的方法才能得到事實 1 物理學其現代內涵已泛指研究物質與其動力學的 一般規律 探索物質基本結構與原理 及相關應用的 科學 現代內涵物理學的概念和規律是通過現象觀 察 從事詮釋 推理 歸納 再藉由其他證據反覆驗 證予以回饋修 以建構出普適性的定律 歸納與演繹 為建構物理科學理論系統的方法 而數學的運用才將 定性現象發展為定量數理模式 數學由基本公設出發並具嚴謹演繹性 已成為物 理科學非常得力的推論演繹工具 現在所有物理學理 論通常以數學的形式表達 而微分方程則為普遍接受 的動力學理論表述形式 理論物理運用數理邏輯推導 得到的理論 也發現預測過不少新的現象和規律 並 後來經由實驗設計所證實 愛因斯坦把物理理論稱之 為 理想實驗 的結果 物理科學的進展過程中 理論物理與實驗物理相 輔相成地配合 然而理論上美妙的假設或推理 要成 為被公認的物理規律 都必須通過實驗的驗證 任何 的理論 在未經實驗證實前都只能當作猜測 反之 理論內所涉及的必要觀念 必需可以真正被實驗測量 出來 即 現象事實 是檢驗物理模型及確立物理規 律的終審裁判 也即物理實驗在物理科學的發展有其 重要性 物理學科由原先的探究自然現象規律發展至微觀 物質世界的理解並為理工生醫等學科的基礎 其知識 領域分為力學 熱學 電磁學 光學 近代物理等範 疇 近年熱門的奈米科技 光電產業技 生物醫學等 也有物理領域的參與貢獻 物理學逐漸的發展已經改 變了和正在繼續改變著整個世界的面貌 由社會需求 角度來看 近世紀科技研發與產業技術能力主導國家 競爭力與基礎民生發展 增進學生 對科學本質的瞭 解 成為世界先進國家之科學教育領域所重規的目 標 因此現代各階級教育皆將物理當成必要基礎科 目 以此達到培養科學知識及科學方法的目標 物理學既為理 工 生醫等學科之基礎 物理教 學自然負有教育現代國民科學素養及為學習專業知識 準備的教育責任 學生所受教育被認為應包括 科學 知識與概念的理解 Product of science 科學探究能 力的訓練 Process of science 科學態度 Attitudes toward science 其中科學探究能力的訓練則包含各種 實驗操作技巧 如提出假設 設計實驗過程 收集數 據 作圖 推論 以及反思批判思考等能力 2 物理雙月刊 廿八卷三期 2006 年 6 月 574 理科課程教學發展 中古世紀學院派一直以自然哲學的名義延續人類 累積的智慧資產 理科課程在西方國家學校教育中有 所發展 主要是從 19 世紀末開始 在 20 世紀理科課 程改革受重視 導致各種課程理論此起彼伏 各種改 革嘗試層出不窮 綜觀 20 世紀科學教育的歷程 可以 粗略地把它劃分為三個階段 即 知識本位 knowledge based 方法本位 methodology based 和 人本本位 personality based 階段 3 在知識本位階段 科學教育的重心在科學知識本 身或 科學內容 science content 約在 20 世紀的 20 30 年代 人們開始強調 科學過程 science process 的指導思想 關心于科學家在研究活動中遵 循的方式 科學教育從以科學知識為重心轉向以科學 方法為重心 美國在的 60 年代科學課程改革明顯地反 映出這一特徵 新的理科課程改革發源於美國 接著 波及英 法 德 蘇 日等國 這場課程改革以 科 學素養 scientific literacy 為中心 通過在理科課程 中引進現代科學成就 使學生以內發性動機接受學科 的結構 體驗探究學習的過程 以此掌握科學的基本 概念 發展科學概念 以人本本位觀念科學教育的興起是 20 世紀 70 年 代中期以後 教育家思考科學技術雙刃劍帶來的社會 問題及其發展帶給人類可能的負面影響 提醒科學教 育不能僅僅是頸部以上的教育 應該考慮完整的倫理 道德 價值觀教育 因此科學教育從單一科學知識教 育演變為包括科學知識 科學方法 科學態度 科學 精神 科學價值觀 科學史等複合的科學素養教育 科學方法的教育成為對所有學生的普遍要求 因為沒 有科學的思維習慣 就很容易成為教條主義和胡言亂 語的騙子們的犧牲品 使用既有慣性思考以簡單直覺 判斷方法解決複雜問題 綜觀科學物理教材發展 初期的內容編寫重心在 科學知識本身或 科學內容 之後再以不改變科學知 識為教材邏輯主體的情況下 插入有關科學方法的知 識內容 或將科學知識史緊密地融合在一起 使科學 方法的教育更具操作性 4 典型例子例如美國物理 科學研究委員會 PSSC 編制的物理學課程 在物理教 材引入光模型的建立 先以光的粒子模型 合理地運 用於解釋幾何光學行為 卻於解釋繞射現象遇到困 難 因此面臨必須引入光的波動模型解釋光繞射行 為 據此使學生瞭解物理史上的光模型建立 並有助 於體會科學探索的思維方法 在此理念背景下的教學模式 不是要把科學知識 當作為教學目的 而要求掌握科學方法的手段 使學 生在探索過程中學習建立假設和驗證等過程技能 因 此需要透過實物示範教學及動手實驗與課程配合施 行 藉著實物演示操作可使課堂中師生互動討論 具 有可以修正學生迷失概念並達到自我建構學習 動手 實驗可藉安排獨立的實驗課程進行 或在講授課程中 穿插配合施行 通過動手做促進積極學習 hands on active learning 近代的資訊動畫媒體與網際網路資 源 也為教學開啟新的教學運用與增加模擬探究學習 向度 從過去實徵性研究發現 教育環境 科學教師及 教科書並未跟上科技時代發展的社會需求及科教目 標 單向式灌輸的教學法仍然是國內無論是中學或大 學物理課堂的主流 大專校院教師往往根據自己過去 的學習經驗來設計教學策略 在教學時多數採系統化 概念陳述及進行理論推導和例題演示 而學生在課堂 中大多是沉默地被動聽講及抄筆記 不論教材版本新 舊型式 課堂教學模式的共同特徵 仍幾乎是直述呈 現科學者研究結論的成果及建構形成的理論模型 以 邏輯教學模式將基本概念建立數學形式及系統化推理 演繹步驟 普通物理學教材內容豐富 涵蓋力學 熱學 電 磁學 光學 近代物理等 教師多反應學期課程時間 幾乎不夠完整講述 課堂上難以討論互動的教學模式 進行說明探索和發現的思想形成或演變的過程 教學 模式客觀上引導學生向記憶型式的形式化學習 理工 科教學受到教學條件而囿於示範教具資源限制 教學 物理雙月刊 廿八卷三期 2006 年 6 月 575 品質難能提高 教師同時肩負研究等任務 造成改進 教學時有心無力等瓶頸 時代的發展和科技的進步對 教學提出了越來越高的要求 對學生創新思維和實踐 能力的培養需要一種趨向創意化的教學 至於科學探 究能力訓練的目標 則需仰賴改革性物理實驗課程與 教學模式來配合達成 這兩年來 台灣在教育部等單 位支持下 投入大筆經費進行大學理學院基礎課程改 進 有些物理系己開始投入培養學生設計並製作新實 驗儀器能力的計劃 另外也有學系為了增進學習物理 概念成效 製作示範實驗的設計等 在投入的硬體設 施方面的成果已使物理教學及物理實驗教育獲得改進 機會 大學普通物理實驗教學 物理是一門重視實驗實證的科學 物理學本身及 相關應用科學的發展和創新無不與物理實驗密切聯 繫 物理學中的任何創新成果都必須經過實驗的檢 驗 因此 實驗教學在物理教學中佔有重要的地位 一方面可使學生鞏固所學理論知識 和加深對物理現 象和規律的理解 另一方面又為培養動手解決實際問 題技能 及提高觀察和分析能力 成為培養學生創造 性的重要訓練 整理國內多數大學普通物理實驗課程 各校間其 實驗內容與儀器有多數相同 一般而言 實驗項目包 括實驗誤差分析 有力學 熱學 電學 光學及近代 物理等內容的基礎性實驗 實驗的屬性分為驗證性實 驗和測量性實驗 驗證就是驗證理論定律 測量就是 測量物理常數 就教學而言 實際上是處於普通物理 課堂教學的從屬地位 作為教科書上基本物理規律 定律的驗証 實驗手冊的內容包含實驗相關理論 儀 器操作及原理 實驗操作步驟 及相關探究問題等 實驗步驟多予以條理詳盡敘述 使學生可按部就班去 做 像烹調書籍按表操作則會有數據或現象產生 實 驗套數僅有部分學校足夠全班學生分組進行 多數學 校套數不足必須分組每周輪換進行實驗 筆者過去於執教學校負責的普物實驗課從事學生 問卷或晤談 根據意見擇反應較多前五項條列如下 1 對按表操作的實驗方法感到枯燥無味 2 儀器簡陋易壞 實驗數據誤差大 3 實驗相關理論的先備知識不足 4 套數不足無法配合普物課程進度進行實驗 5 疑慮實驗單元無法反應前沿科學 希望採用 新進科技儀器與電腦介面操控實驗 上列中意見比例最眾者為第一項 即學生對按實驗手 冊操作的學習感到興趣度不高 或比較期望開放式實 驗探索 物理實驗的本來功能 除了測量和驗證 還 有更重要的功能就是發現與探究 一般的普通物理實 驗教學的模式 會對物理概念 儀器原理及操作示範 說明 部分高中物理為了升學考試而過度強化解題技 巧 往往忽略實驗學習 而對剛考上大學的新鮮人 按部就班依照教材條列步驟操作 雖然學生較易獲得 測量數據 從事驗證性實驗 但若教師未對實驗設計 的意義或歷史背景等多未作分析講解 學生不易體會 物理實驗中較深化的概念 也無法體會實驗探究方法 論的本質 部分學校可能受限於經費限制或課程設計未有前 述考量 實驗儀器未能彈性供給或替代器材 無法使 學生進行設計性實驗及另類探究方案 而未能施行實 驗創新設計訓練及培養實驗探究方法的目標 更阻礙 了學習的探究性和創造性 也有長年以來實驗教學設 備套數不足 未能增設甚或汰舊更新 因此儀器精準 確性低使實驗數據誤差過大 致使學生對實驗對理論 的印證功能懷疑 對實驗失去原懷有的期待 甚至誤 解課堂所學理論僅為極端理想條件的結果 在現實中 甚難實現 或以為實驗一定需要昂貴儀器才能完成 另一方面 實驗儀器套數不足 多數學校進行分段 分組循環實驗 導致實驗教學設計必定難與普通物理 課堂講授進度配合 學生於部份實驗項目所需基礎知 識或儀器相關理論的先備知識不足 這些困難多發生 在下學期的電磁學及近代物理的實驗項目等 幾乎擔任物理實驗的教師或多或少了解上述實驗 教學缺失 但改善實驗教學需要整體教學系統與經費 物理雙月刊 廿八卷三期 2006 年 6 月 576 配搭 近年來 教育部等單位投入經費進行大學理學 院基礎課程改進計劃 對部分學校改進普通物理儀器 及從事專題研究性實驗已獲得許多成果 國外在高等 教育方面各自有特點 近年美國與中國大陸大學物理 實驗教學改進十分積極 當台灣正在為建設一流大學 及建立卓越先進的教育體系而努力之際 借鑒國外大 學先進的教育思想及創新教育方式的做法 有助我們 從事教育改造興革邁向卓越 而近數十年來國際間科 學教育在學習理論與科學知識本質觀點發展的學理基 礎 已對物理教育之教學實務有許多啟示貢獻 4 其科教理論與教學模式亦可運用於物理實驗教學之參 考 科教理論教學模式啟示 教學模式乃受著其對知識本質及教育哲學的信念 所影響 5 根據客觀本質論來看 科學原理可由控 制實驗及客觀獨立觀察發現 藉由邏輯推理或數學推 演而得的科學知識 被視為可藉由傳輸的方式由教師 精 確 地 傳 授 給 學 生 6 另 一 方 面 行 為 學 派 behaviorism 學習論認為 知識可由傳輸過程逐漸儲 存或深化在腦中 此兩理論勉強成為支持物理課堂仍 採取傳輸式教法的理由 7 於 1970 1980 年間 科學教育的主流研究集中於 探討學習者的另有概念 alternative conceptions 8 另 有概念經常與專家認定的科學概念歧異 因學習者執 持固有信念並構成堅固架構 而影響對科學知識的學 習 另有概念指示出學習的複雜性 科學概念無法由 上述客觀知識論與傳輸式教導 而必須由學習者思維 而後獲得 此引示出建構學習觀