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亞太科學教育論壇，第七期，第一冊，文章三(二零零六年六月) 蘇詠梅 小學科學探究學習的探討 |
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亞太科學教育論壇，第七期，第一冊，文章三(二零零六年六月) 蘇詠梅 小學科學探究學習的探討 |
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肆. 研究結果
1. 探究想法的產生
小學生在報告中提及他們探究想法的來源，主要有以下九方面：包括從日常生活經驗、從用品中得到啟發、曾經學習的知識、學校生活經驗、閱讀參考資料、對環保的意識及新聞時事。此外，亦有是學生的個人興趣及屬純個人創作。在十六個探究研習中，有六個研習的想法是單一方面的，而其餘十個研習的想法則啟發自多於一個來源(表一)。
表一：研習的探究想法
在多於單一想法來源的十個研習中，有半數的想法起源自一個靈感，再依據這靈感而啟發整個研習的意念。以下是一個例子：
研習4「幻想時空」：「我們在一個日本玩具展覽中，看見一款多彎路窄的火車路軌配件玩具，引發出我們製作此模型的靈感。我們記得在六年級上學期常識科學過『力的種類』和『簡單機械』的原理。」這個研習的想法源自玩具的啟發，學生把意念聯繫到課堂中所學到的科學知識。 有五個研習的想法是同時受多個來源影響的，以下是一個例子：
研習11「環保樂器shake shake洋娃娃」：「我們喜歡吃麥當勞的shake shake 薯條，當我們把薯條和調味料放入紙袋中，然後搖動，就發出shake shake 的聲音…我們對音樂很有興趣，所以想做一件獨一無二的樂器，既方便又環保，同時又可以奏出悅耳的音樂，給大家欣賞之用。」學生從日常生活經驗、對環保的意識和學生的個人興趣而誘發得來的研習想法。 從分析中發現學生的探究想法雖然各有不同，但都是為解決所遇到的問題作為出發點，從而進行探究。Krajcik, Czerniak 及 Berger (2003)在介紹幫助學生發展探究問題時也指出，提供及創造環境讓學生進行觀察和讓他們找出已有的知識都是重要的。
2. 探究設計
2.1 陳述目的、提出問題及建立假設﹕
除一份研習沒在報告內展示探究目的，其餘所有研習都有陳述探究目的，然而大都未有系統地構想可測試的問題或建立合理的假設。只有一份(研習8的綠化「天台」[2] 降溫環保計劃)能夠清楚陳述探究目的、建立假設和提出問題；三份報告既陳述探究目的又提出問題；一份報告陳述目的和建立假設；一份報告只建立假設和提出問題，卻沒有陳述目的。此外，學生較少提出一連串的問題來引導探究的進行，十六個探究中只有五個提出一連串問題，例子如下：
研習3﹕神奇的水控帳篷
- 電磁鐵上的磁力是如何產生？
- 電磁鐵如何令帳篷放下？
- 如何將帳篷拉回原位？
- 槓桿原理如何配合滾珠開啟開關按扭，將閉合電路切斷？
- 為什麼滾珠和帳篷會向下跌？
這一連串相關的問題對研習3的學生來說意外重大，能夠幫助學生得出整個研習的藍圖。Krajcik, Czerniak 及 Berger (2003)也曾討論為研習的主問題發展連串次問題及介紹教師如何指引學生發展次問題。
同樣地，學生也不擅於建立假設來引導探究的進行，十六個研習中只有三個曾建立假設來進行探究，其中只有一份設有多個假設。例子如下：
研習8﹕綠化「天台」降溫環保計劃
- 假設「在屋頂花園種植物、設置有水的儲水缸能降低室內的溫度；沒有栽種植物或設置有水的儲水缸的樓宇，室內溫度是不會降低的。」
- 假設「屋頂花園有儲水缸的樓房室溫較低。」(第一階段實驗二)
- 假設「屋頂花園種有植物的樓房室溫較低。」(第一階段實驗三)
- 假設「植物的覆蓋範圍越大，越能降低樓房的室溫。」(第一階段實驗三)
- 假設「屋頂花園種植物和有儲水缸能更有效降低室溫。」(第二階段實驗三)
分析展示本研究的學生並不著重假設的建立。其實在探究設計時，除探究問題外，建立假設是有助學生源著自行既定的方向進入探究之路，就所得數據確定或否定先前預作的假設。這個發現對教師引導學生進行探究時多誘導學生作假設有極大意義，因為教師可以此為鑑，加強對學生的指引，讓學生在日後的科學探究中，從不斷的假設上應用或理解更多科學的知識。
2.2 學生獲得有助探究資料的途徑
由分析可見，在十六個研習中，除了一份研習沒有列明參考資料外，其餘都顯示學生透過不同途徑取得所需的資料。當中可見學生所得到的參考資料來源頗多元化，但主要集中於向老師發問(12份)、閱讀兒童科學叢書(9份)和瀏覽網頁(7份)；而向家長(3份)、同學(2份)和學校技術人員發問(3份)及閱讀課本(3份)為較少。
全部研習都沒有在內文中引用或標明他們參考資料的來源。其中十份研習報告，學生在「學生感想」、「致謝」及「參考資料」部份透露出他們曾得到他人的指導和列出他們曾閱讀過的參考書目和網頁名稱。雖然全部報告都沒有使用完整的引證系統(如書目名稱、作者、出版年份、出版地點、出版社、參考頁數、網頁名稱等)，但從學生在報告中向他人的教導和所提供的意見的致謝，顯示同學曾參考與研習主題有關的其他資料。由此可見同學透過發問和聆聽來得到額外的參考資料，可惜的是報告都沒有提及他們發問的內容。
3. 探究測試
3.1 選用合適的用品
在科學探究中，學生經常使用家中的日用品以量度或收集數據，有需要時也使用其他的用具或儀器。如：研習13 (乒乓球發球器)，學生使用不同級數的馬達和電池來打出乒乓球，並分別使用冰條棒、廁紙筒、塑膠湯匙作測試以推出乒乓球往不同方向。以下歸納出十六份研習經常使用的用具﹕
- 日常用品：響鬧鐘、電池、海棉、刷子、沙紙、小型吸塵機、棉花等。
- 玩具：四驅車、積木、橡皮彈珠、滾珠等。
- 廢棄物：化妝品膠瓶、塑膠水瓶、沙石、牛奶瓶、舊雜誌、冰條棒、紙皮、紙包飲品盒等。
- 植物：三裂蟛蜞菊。
- 實驗用品：鐵棒、溫度計、燒杯、玻璃棒、濾紙、過濾網、熱溶膠、石蕊試紙等。
- 文具：黏膠帶、剪刀、尺子、切割刀、圓規、漿糊、白膠漿等。
- 電子儀器：強力馬達、轉向按鈕、電路開關按鈕、電線、測溫儀、感應按鈕、顯示燈、電晶體等。
分析顯示學生們不單善用日常生活中的用品如玩具和文具，還應用了簡單的實驗用品和電子儀器，來進行他們的科學探究活動。
3.2 公平測試
十六份研習的探究方式集中在「實驗測試」和「設計與製作」，有十三份研習使用「實驗測試」；而全部研習都採用「設計與製作」，當中有五份研習曾進行兩次或以上的測試。
另外，除了三份研習只採用「設計與製作」的探究方式外，其餘的都採用兩種或以上的探究方式，當中有八份研習同時使用「實驗測試」和「設計與製作」；四份研習採用「實驗測試」、「設計與製作」、「公平測試與比較」三項的探究方式；一份研習用了「實驗測試」、「設計與製作」、「公平測試與比較」、「找出規律」四項的探究方式。
由此觀之，雖然沒有研習採用「分類與鑑別」和「探索」的方式進行探究，但是學生大都懂得透過設計實驗和製作來進行探究。同時，我們發現學生在進行探究時均有嘗試控制變項，如使用不同的材料進行測試。3.3 控制變項
雖然只有五份研習採用「公平測試」與「比較」的探究方式，但從這五份研習中可見學生理解變數及懂得運用控制變項。他們能夠在改變一個因素及維持其他因素不變的情況下進行實驗測試，從而加以比較。例如﹕用相同份量的水、相同重量(或數量或大小)及種類的物料來做測試；在進行測試時也懂得把其他因素(如時間、高度、面積、測試次數、測試方法、收集數據的方法、量度器具及外在環境因素)維持不變。由此可見，學生懂得把這些項目維持不變，來取得可靠、準確的探究結果和重要性。
以下是使用不同物料和在不同情景進行測試用以比較的例子﹕
a. 用不同物料作比較﹕
- 用塑膠水管和硬卡紙作比較，找出最適合製作「旋轉滑道」的材料。(研習4﹕幻想時空)
b. 在不同情景進行測試﹕
- 測試在禮堂屋頂灑水和不灑水的降溫散熱功用。 (研習8﹕綠化「天台」降溫環保計劃)
本研究中只有三份之一的科學專題研習有運用控制變項進行測試來找出最佳的解決方案，而其餘三分之二的作品都欠缺較公平的測試。尤其是涉及設計與製作的研習，採用不同物料、時間或其他因素作測試，很可能會得出不同的效果。在分析其他沒有採用控制變項的研習時發現學生都需要採取重複探究或改變探究方式來改善他們的探究。
3.4 重複探究或改變探究方式的原因
約百分之七十研習都有重複探究或改變探究方法以取得更可靠數據或得出更滿意的效果。當中最常見的改變就是在「實驗測試」和「設計與製作」這兩方面，全部曾採用「實驗測試」和「設計與製作」的研習報告都有重複探究或改變探究內容以改善其製成品。而他們的改變原因以解決在製作時所遇到的問題為最常見，以下是一些例子：
- 把配件貼在膠板上會脫離馬達轉軸，遇上摩擦力又會停下，故改用塑膠水瓶蓋。(研習2：萬能小幫手)
- 磁石邊緣會相吸，故採用鑲嵌和阻隔的方法。(研習6：磁力公園)
- 卡紙的硬度不足，使推動「手推」時甚為費力，而加厚卡紙又阻礙轉動，故改用木塊。(研習7：賽龍舟)
- 把銅管改成一個個連接的圓形以加大接觸面積，這便可以收集更多熱能及提高熱能交換器的工作效率。(研習9：節省能源浴缸)
- 馬達轉數太強使發泡膠架承托不起，改用木板作為乒乓球發球機的支架。(研習13：乒乓球發球器)
從各研習在重複探究或改變探究方式部分來看，歸納出以下五方面的改變方向，包括改善用品的方便使用程度、增加設計的美感、改用更有效的用品、改用對人體影響較小的物品及改用價錢較便宜的物品。
a. 改善用品的方便使用程度
- 飼料下墜時與地面碰撞而四彈，故利用塑膠水瓶先收集飼料，以縮短飼料與地面的距離。(研習1：keep feed 新態度)
- 拉篷式設計難於控制，故改用滾動式的帳篷。(研習3：神奇的水控帳篷)
b. 增加設計的美感
- 只利用多塊鏡子組成的迷宮，趣味性及玩意成分不濃，故把其變成一座堡壘迷宮。(研習5：夢幻魔鏡迷宮)
- 書包外圍裝置了鬧鐘、天秤、電子感應器看起來不美觀，可把這些儀器合成一個，放於書包的底部，不外露。(研習14：聰明書包)
c. 改用更有效的用品
- 把配件貼在膠板上會脫離馬達轉軸，遇上摩擦力又會停下，故改用塑膠水瓶蓋。(研習2：萬能小幫手)
- 以彈珠代替鐵珠，以解決鐵珠過重使薄荷片承托不住的問題。(研習3：神奇的水控帳篷)
- 玻璃黏合劑和釣魚線都不能黏合塑膠水瓶，最後以熱熔膠來黏合塑膠水管。(研習10：萬用疏氣傘架)
- 冰條木棒產生的力度不足以發球，最後改用尺子作發球棒。(研習13：乒乓球發球器)
d. 改用對人體影響較小的物品
- 紅外線熱能感應按鈕會影響視力，對人體有害，故放棄使用。(研習12：座無虛設)
e. 改用價錢較便宜的物品
- 光線感應按鈕安裝複雜、價錢昂貴，故放棄使用。後來選擇利用人體重量，配合磁力同極相斥的特性和「閉合電路」的原理，來顯示座位有否被佔用。結構簡單而且成本低，準確度也高。 (研習12：座無虛設)
- 馬達耗電量大，用乾電池作電源，既不環保而且價錢昂貴，改用濕電會更好。(研習13：乒乓球發球器)
4. 數據闡釋
4.1 有系統地收集數據
學生透過科學儀器和觀察，有系統地收集數據，包括收集清潔的效能、使用的方便度、溫度、重量、聲音、速度、氣味及試紙的改變。以下是他們收集數據的方式：
- 清潔的效能(研習2：萬能小幫手及研習8：綠化「天台」降溫環保計劃) ；
- 使用的方便程度(研習1：Keep feed 新態度及研習3：神奇的水控帳篷) ；
- 溫度(研習8：綠化「天台」降溫環保計劃及研習9：節省能源浴缸) ；
- 重量(研習12：座無虛設及研習14：聰明書包) ；
- 聲音(研習11：環保樂器shake shake 洋娃娃) ；
- 速度(研習4：幻想時空、研習13：乒乓球發球器及研習16：磁浮飯車) ；
- 氣味(研習15：濾水再生匣)；及
- 試紙的改變(研習15：濾水再生匣)。
4.2 資料的整理
全部學生都使用文字來展示數據和記錄探究的過程及成果。除了一份研習(研習5：夢幻魔境迷宮)只運用文書處理外，其餘的都同時使用其他展示方法，且圖文並茂。約有四分之三的研習多以相片展示資料，有一半的研習選擇自行或利用電腦繪圖。明顯地，同學使用這些方法不但使說明更清楚易明，也增添了報告的色彩。
另外，也有少數學生選擇以表格(4份)(如研習15：濾水再生匣)、一份用統計圖表(研習8：綠化「天台」降溫環保計劃)和一份用列算數式(研習16：磁浮飯車)來展示數據。使用表格、統計圖和列算數式可以把數據重點展示出來，令數據資料更清晰、簡潔。
4.3 分析數據及作出結綸
學生在科學探究中曾使用「公平測試」與「比較」這兩種探究方式，都能夠透過分析資料數據而得出合理的結論和提出建議。另外，使用「設計與製作」這方式的報告都作出了科學性的解釋，且與小學課程有關。以下是一些學生作分析的例子：
a. 作出合理的結論
- 使用四層設計的濾水器較三層設計的濾水器能更有效去除雨水中的異味，因這濾水器的最底層是海沙，它可以減慢雨水的流速，使雨水有更長時間在活性碳濾層停留。(研習15：濾水再生匣)
b. 作出科學性的解釋
- 當電路閉合時，有電流通過由漆皮線做成的線圈，產生磁力，使鐵棒成電磁鐵，攝著帳篷的鐵棒，固定帳篷的位置。為了省力，開關按鈕需連接一枝長長的棒桿。棒桿長度需要加長，是因為要將力點與支點之間的距離增加。(研習3：神奇的水控帳篷)
其他研習的科學性解釋包括完整電路、力的作用、滾輪原理、磁力、槓桿原理、齒輪原理、熱的傳導、聲音的產生及水的功用。
c. 作出合理的建議
- 地產商在設計樓宇時若能加入以儲水缸、種植植物(特別是大葉片的植物)的方法來降溫，不久的將來能在地少人多的香港見到「空中花園」。(研習8﹕綠化「天台」降溫環保計劃)
4.4 搜集到新的資料數據時提出新問題
只有研習8（綠化「天台」降溫環保計劃）在搜集資料後再提出新問題。學生比較在屋頂花園上種植大葉片植物和小葉片植物的平均室溫後，發現葉片較大的植物能令室溫較低，於是再從這搜集到的資料中，決定在植物旁設置儲水器，再做實驗去找出新問題和知識。5. 科學理解
所有研習的學生都能夠在探究過程中，透過不同資料來源幫助理解和學習科學。有些學生根據之前所學的想出新意念；有些從書本和互聯網取得新的知識；有些從探究實驗中獲得更穩固的理解；有些則在結論部分能深入闡釋科學概念。學生理解的科學概念分別有﹕完整閉合電路(6份)、作用力和反作用力(1份)、地心吸力(3份)、滾輪原理(1份)、槓桿原理(1份)、磁力(3份)、光線的反射現象及平面鏡子中的反射影像(1份)、齒輪原理(1份)、熱的傳導(1份)、聲音的產生(1份)和水的作用(兩份)等。表二詳列當中涉及的科學理解。
表二：研習所涉及的科學理解
科學原理 科學理解 研習事例 完整電路 剪去鬧鐘之蜂鳴器，把電線接到四驅車的電路上。 1：Keep feed 新態度 運用馬達原理來轉動清潔用的刷、海棉、吸塵機等配件，進行小規模清潔。 2：萬能小幫手 電路閉合時，電流通過線圈，產生磁力，成功控制帳篷的升降。 3：神奇的水控帳篷 在座椅內裝置彈簧、銅片等……乘客的體重會令兩片銅片相接觸，形成閉合電路，下層顯示屏連接這座椅的燈泡就會亮起，表示這座位已坐有乘客。 12：座無虛設 利用閉合電路令馬達轉動，把乒乓球打出。 13：乒乓球發球器 J.P KRAUSS 所設計的電子線路，當磅的指針觸及體重指示針，這線路會使紅色顯示燈亮起，表示書包的重量超於學童體重的比例。 14：聰明書包 力的作用 作用力=反作用力﹕「當到達預設時間，本應流到蜂鳴器的電流會流至四驅車，令車輪轉動，與此同時，車底下用以阻擋狗糧跌下的橫板亦開始橫向移動。」 1：Keep feed 新態度 利用塑膠水樽先收集飼料，以縮短飼料與地面的距離，縮減回撞力。 1：Keep feed 新態度 木箱內的狗糧因地心吸力而跌下。 1：Keep feed 新態度 滾珠和帳篷因地心吸力而向下跌。 3：神奇的水控帳篷 由於地心吸力的緣故，滾珠會跌入一條旋轉滑道。 4：幻想時空 承托力。 10：萬用疏氣傘架 滾輪原理 為了令橫板的滑動過程更暢順，在橫板下放了滾珠。 1：Keep feed 新態度 磁力 電磁鐵是由鐵棒圍上漆皮線做的線?造成，當通電之後，就會產生磁力，電磁鐵的?數增加，磁力也會增強。 3：神奇的水控帳篷 電磁鐵所產生的磁場不能做到排斥/吸引的效果，令帳篷放下。 3：神奇的水控帳篷 磁力與底板的磁石互相排斥，產生動彈力及轉動力，令玩家在空中彈跳及旋轉。 6：磁力公園 「磁浮飯車」是利用磁鐵同極相斥及異極相吸的原理，使磁鐵具有抗拒送飯車速度，然後運用線型馬達的推動前進。 16：磁浮飯車 槓桿原理 當滾珠接觸到底部的搖搖板，利用槓桿原理，玩家要控制搖搖板的力度。 4：幻想時空 光線的反射現象 光線射在平滑表面時，會有規則地反射，形成清晰的影像。 5：夢幻魔鏡迷宮 平面鏡子中反射影像大小和形狀與實物一樣，但方向卻是左右對調。 5：夢幻魔鏡迷宮 齒輪原理 在划槳上裝嵌小齒輪，而小齒輪又與大齒輪接合，在大齒輪軸心接上滾輪，當划動龍舟槳時，小齒輪會帶動大齒輪，以發揮較大的動力。如此，龍舟的滾輪便沿著軌道前進。 7：賽龍舟 熱的傳導 在一個封閉的系統內，熱能會從高溫到低溫區域，最後令整個封閉的系統溫度一致而達至熱平衡。 9：節省能源浴缸 鐵和銅等金屬材料的導熱性能好……「節省能源浴缸」的設計是適當地利用材料不同的導熱性能來製造有效的熱能交換器和熱能保存系統以達到利用剩餘熱能和節省能源。 9：節省能源浴缸 聲音的產生 聲音是由物件振動而產生，物件和空氣都可以傳送聲音。振動力越大，發出聲音越大，反之亦然 11：環保樂器shake shake洋娃娃 水的特性與功用 水份可以吸收部分熱能，達到降溫散熱的功用。 8：綠化「天台」降溫環保計劃 水的酸鹼度、水的軟硬度、水的淨化。 15：濾水再生匣 內容分析中又發現，約三分之二的專題研習往往涉及多於一個科學理解。例如：研習1(keep feed新態度)，學生的專題設計牽涉的科學理解包括完整閉合電路、力的作用和滾輪。又例如研習3(神奇的水控帳篷)，設計利用了磁力、完整電路和力的作用等。當然，活動中也有一些研習作品把重點放在一個科學理解上，例如研習11(環保樂器shake shake洋娃娃)的聲音產生；研習5(夢幻魔鏡迷宮)的光線反射現象；研習9(節省能源浴缸)熱的傳導。研究得出例證顯示透過專題設計和探究活動，同學能夠獲得一些新的科學知識及理解。
6. 日常生活的應用
十六份研習中，有四份研習是為了娛樂，其餘都為解決日常生活中所遇到的問題或困難而進行探究。以下是一些例子：
a. 娛樂
- 遊樂設施供公園遊人遊玩，從而認識磁石的特性，且有助參與者發揮合作團結精神。(研習6：磁力公園)
b. 解決生活中的困難
- 只要調較好時間，飼料便會定時倒給寵物，減少人們因工作關係不能照顧寵物而把牠們遺棄的機會。(研習 1：keep feed 新態度)
- 不用登上巴士上層都可知道其座位情況，方便乘客找座位。(研習12：座無虛設)
c. 解決學校生活問題
- 學生使用這書包會知道自己的書包有否過重。(研習14：聰明書包)
- 減輕送膳工友搬運飯盒的辛苦。(研習16：磁浮飯車)
d. 保護環境
- 節省能源，利用使用過的熱水來提高冷水的溫度。(研習9：節省能源浴缸)
- 經過濾的水可用來灌溉、清潔等，可為學校省錢，亦可改善地球的污染問題。(研習15﹕濾水再生匣)。
本研究分析得出所有研習都可以應用在日常不同的層面，無論是娛樂或是解決生活中及的困難或是保護環境的行為方面。顯示探究學習與生活的密切關係。符合眾科學教育學者如Krajcik, Czerniak 及 Berger(2003) 和Anderson(2002)對探究學習的要求。
7. 反思學習
學生均在研習報告結尾時分享他們在科學探究中的感受及想法。從學生的反思中發現科學探究活動對於學習科學是極其重要，以下是學生反思的主要範疇﹕
a. 注意合作和團體精神﹕
- 「我親身體驗到原來大家一起合作構想一件事是可以很快的。」
- 「我們更學到互相合作，還增進了彼此的關係呢！」
- 「學懂同學間合作要互相體諒包容和互相欣賞。」
- 「這件事令我再次明白到團結就是力量！」
b. 改變學習態度
- 「只要肯思考和運用腦筋，多留意身邊的事物，就可做出一些以前 從沒見過的東西。」
- 「我們透過活動加深了對科學的興趣，我們決定在往後的日子裏，繼續努力學習，製作更多有趣的科學發明給大家欣賞。」
c. 勇於應付問題和解決困難
- 「我學到了解決困難的能力。」
- 「我學了……要面對困難，不要因小小困難就放棄。」
- 「我們經過多次的實驗失敗和改良，使我們明白處事要有耐性和毅力。」
- 「我學會了一個道理，就是凡事親力親為。」
- 「我學會了要經過嘗試才會得到一個好的經驗。這就算是失敗，這次當是拿經驗或教訓。」
- 「我們遇到很多困難，如搜集有關的資料、同學間的溝通問題……但我們都憑著努力克服種種困難。」
- 「透過試驗然後失敗，然後再試驗，方才會找到成功的路。」
d. 建立探究能力
- 「我學會了……創造！」
- 「身邊有很多無用的東西可以循環再用，這是我平常沒留意的。……原來多留意身邊的事物，多發問，自己會得著更多，也是科學的精神。」
- 「我從這活動中學到怎樣用測溫儀來測量氣溫。」
- 「我在這製作過程學會了如何過濾雨水，如何收集雨水等等。」
e. 獲得樂趣
- 「我覺得這次的設計十分有趣。」
- 「有機會參與『幻想時空』的設計，我感到十分高興。」
- 「我能夠參加到這次的活動，我很開心。」
學生完成研習後不單在能力方面有提昇，如建立了探究能力，在學習態度方面的改變如注意合作和團體精神及勇於應付問題和解決困難也有裨益。此外，從活動及學習中獲得樂趣更助進一步的學習。
Copyright (C) 2006 HKIEd APFSLT. Volume 7, Issue 1, Article 3 (Jun., 2006). All Rights Reserved.
