教出科學探究力

推薦序  原來是探究 藍偉瑩
推薦序  找回探究赤子心 林莞如
前言 我那不太「探究」的學生生活

PART1、科學教育為什麼需要探究？

地上怎麼會有一灘水？
客廳怎麼突然出現那麼多螞蟻？
電風扇的風怎麼變得那麼小?
在日常生活中，我們無時無刻都在「探究」，
所以更該好好的學探究！
探究不是新概念
認識108課綱中的科學素養
日食是因為「太陽被天狗吃掉了」？
缺乏「探究」的教學現場
動搖國本的教育改革？
用探究補完科學教育
｜小P老師聊天室｜孩子對自然課沒興趣，該怎麼幫助他？

PART2、探究是怎麼練成的？

「探究」就是要做很多實驗與實作?
「探究式教學」一定要靠正課之外的STEAM課程?
為什麼教學已經調整了，學生卻依然找不到專題題目?
教學生探究會不會讓學生成績變差?
本篇將破解教師常見困擾的癥結及背後迷思。
在探究的旅程開始之前
科學課為什麼要做實驗
我們應該教導「正確」的科學觀念嗎？
探究，得先退回無知的位置
「叫學生探究」就是「教學生探究」？
數學並非科學之母，觀察才是
「科學取向」和「科技取向」的課程有什麼不同？
一直教學生探究，可以應付考試嗎？
｜小P老師聊天室｜如何開啟孩子的探究能力？

PART3、如何在課堂上教探究？

「讓學生做探究」，不等於「教學生做探究」。
透過適當的教學設計，提供剛剛好的學習鷹架，
幫助孩子跨出探究的第一步！
階段1：尋找因果與關聯——「What」到 「How」
●    開始之前：營造情境，建立連結
●    步驟一、觀察：察覺差異、提出猜想
●    步驟二、計畫：根據猜想，擬定實驗計畫
●    步驟三、執行：運用設備器材測量、觀察與記錄
●    步驟四、分析、發現與傳達：整理實驗結果，發現關聯或因果後加以描述

階段2：理論發想、驗證與建立——用「How」去驗證 「Why」與「What」
●    步驟一、想像創造、定題與推理論證
●    步驟二、計畫與執行、分析與發現
●    步驟三、討論與傳達、推理論證、批判思辨
●    步驟四、建立模型
｜小P老師聊天室｜如何陪伴孩子面對大考的素養題？

PART4、「探究與實作」課程示例

示例1  以「問題解決」為主的課程示例
——國中八年級上學期課程「比熱」
示例2  以「思考智能」為主的課程示例
——國中八年級下學期課程「化學反應速率」

結語
致謝
附錄1：國小以上孩子自然科課外讀物推薦
附錄2：培養孩子探究力的線上自學網站推薦

 

推薦序

原來是探究    

　　想一想，你是不是也常如此：看見人事物很習慣地下判斷、遇見不同想法就表示不同意、面對挑戰很習慣性地做防備，或對於不確定事物便提出假設。你是否想過你為什麼不是如此：看見人事物習慣地展現好奇、遇見不同想法能夠分享發現、面對挑戰很習慣性地進行反思，或對於不確定事物便提出問題，這都是因為「探究」的習慣從我們的生活中消失了。

　　我們是什麼時候失去好奇，又何時開始不再對這個世界與我們的生活進行探究了呢？我們開始失去學習的熱情，也導致學習動機的下降，長大後的我們更可能失去了改變這個世界的理想與行動。

　　要改變「無動力世代」，找回學習動機是第一步。要讓學生產生學習動機，首先，學習的內容是與自身有連結。再者，學習的內容對於學生而言是可能靠自己便可以解決的。最後，學習的內容是能與同儕共同探究的。「探究」是人類學習與成長最自然的歷程，探究歷程是學習者為解決問題而採用較主動的學習方式，探究歷程將學習所需技能進行問題解答與延伸探索，使學習者最終可學習到相關的知識與概念。探究是產生知識的歷程，是專家們探索人文或自然世界，並基於自身研究所得證據形成解釋的活動；另一方面，學習者也可以透過如同專家了解人文或自然世界的過程，發展對人類世界共有概念的理解。無論是生活中的生存本能，或是學術界的研究發展，「探究」都是其中關鍵的關鍵。

　　當我們提到108課綱，熱搜字中必定會有「探究」，無論是高中的自然科學探究與實作課程，或是社會領域的探究活動或是探究實作，加上國中小彈性學習時間的跨領域探究課程等，或許也期待著能改變教學現場吧！這樣說似乎會讓人以為「探究」兩個字從來不曾在台灣教育圈存在一樣，但真是這樣嗎？有許多教師早在新課綱推動之前就已經將探究在課堂中實踐，其中一位就是小P。

　　從2014年認識小P起，就知道他是很鬼才的國中理化老師，聽到很多人提到他的上課很特別，讓學生動手做科學，但不是上完課後做實驗證明課本理論的那種，而是讓學生動手發現科學理論。對於一個跟我有一樣理念與實踐的老師，我當然要認識，果然見面後一開口聊起，每一句話都離不開科學探究的精神與歷程，永遠都是如何進行課程的改良。小P更厲害的是將科技運用於科學探究之中，讓他的課堂克服了許多困難，讓很多實驗都能在國中教室裡發生。

　　認識小P不久後，便陷害他來參加我和幾位朋友共同組織的國中理化教師社群，私心的期望能將這個社群託付給他，除了因為我同時還要參加高中自然領域各科的社群，以至於分身乏術外，更重要的是想藉由他豐富的國中經驗，讓社群的老師能夠跨出舒適圈。不僅如此，心中另一個心願是如果小P的東西能透過教學現場的回饋，漸漸調整、修正而更加成熟，應該能讓更多人認識他的理念與行動，讓這樣的實踐更貼近大家，有更多的機會推展與影響。無論是我的私心或是我的心願，很開心地都實現了，小P發揮了廣大的影響力，不僅協助許多人，鼓舞許多人，更持續陪伴著許多科學教師們。當聽到他出版了這本書，心裡更覺得終於出了，如果能更早出版，會讓更多老師少走冤枉路。

　　雖然這本書是以「科學探究」切入來探討，但探究不僅存在科學教室裡，就如同我最初所談的，探究存在於生活中與各領域的學術研究中。如果我們用更簡單的方式來轉化與描述它的話，則課堂中所營造的探究歷程依序為：引起學生參與、促進學生探索、鼓勵學生解釋、提供學生應用、引導學生反思，讓學生能夠熟悉這樣的歷程，並成為一名探究者。

　　這本書的論述使用了許多科學教室裡的用語，但所有的歷程是各領域都適用的，同樣適用於父母陪伴孩子的過程中，如果能好好保護與發展孩子的探究能力，對於他的長期發展是相當有益的。

　　向大家推薦這一本充滿探究歷程的探究書，一起進入小P老師探究科學教育的故事中。
推薦序

找回探究赤子心
           
　　因為工作需要，小P和我、及Bell（吳月鈴老師）有個三人聊天群組，常常會在上面處理我們要辦理的探究研習相關想法、協調各個工作項目、互相提問辯論與回覆。雖然我是這個教育部大型計畫的共同主持人，但是往往從他們兩位身上學到更多關於「科學探究教學」的知能。

　　近十年的合作下來，我和Bell常常讚嘆小P有顆像小孩子一般的好奇心、以及像哲學家一樣的智慧，他經常會發現大家習以為常的bug，會去挑戰我們認為理所當然的教學慣性，然後提出一個從未想過的新觀點來驚艷大家，這簡直就是台灣科學教師社群中的「人間清醒」。於是我們好奇的問他從小是怎樣被教導，才長成今天這個樣子的？後來，小P就開始寫起回憶錄、話說童年，然後這本書就慢慢生出來了！

　　我和Bell有幸參與小P的寫作過程並成為第一個讀者，可以看到他漸漸成形的整本書中充滿了問號，連章節大小標題也多是問號，而這就是小孩子的特徵：在大自然面前謙虛的知道自己只是個孩子、正向的直面自己的不足，然後敢去追根究柢，於是就會有一連串的問號產生：為什麼會這樣？那是什麼？我怎樣可以……？

　　本書第一章是問：「Why？」我們三人都參與十二年國教新課綱中的自然領綱修訂，所以在新課綱推行之初常常被詰問：「以前這樣教就好了！你們幹嘛要一直講探究、探究、探究？」所以第一章就是在談：科學教育為什麼需要探究？這是小P反問自己、問許多前輩或同好之後，整理歸納出來的一些想法，看得出他不是要給讀者「標準答案」，而比較像是陳述一段科學探究教學的心路歷程，沒有要說服誰，也沒有要建立一言堂，但企圖建立更多相互理解的管道。

　　第二章談了很多的「What？」雖然標題為探究課程是「怎麼」練成的（How come），但內容更多在處理：科學探究課程「是」長得什麼模樣？跟其他似是而非的名詞相較之下又「不是」什麼？科學探究課程「不只是」實驗、終點「不是」追求標準答案、根基「不在」數學而在觀察、和「科技教學」也有所不同。什麼樣的科學教學才是「教」學生探究、而不是只會「叫」學生探究？這一連串的問號當初也炸得我頭疼，但正因如此，就會試圖絞盡腦汁一起想想到底科學探究教學是什麼？而這也成為我規劃系列教師研習的主軸之一。

　　第三章就是「How？」了。擁有再多的理想，若都在雲端高來高去，只是不食人間煙火的孤芳自賞，探究教學只有落實在真實的校園課室，才能確認其可行性。如何在課堂上教探究？小P列出多年練就的教學經驗：從「觀察因果與關聯」、到「理論的發想與假設」、到「實作驗證與分析發現」、最後去「討論與傳達結果」。第四章更附上課程示例，可用來佐證這一系列的課程作法，讓本書增加更多參考價值，具備部分教學工具書的功能。

　　最後，我也用問號來做個結尾：你的赤子之心還剩多少？想找回嗎？讓我們一起來閱讀這本書吧！
 
作者序

我那不太「探究」的學生生活

　　有人說：「每個孩子都是天生的科學家」，回想起來我小時候還真的有點像科學家。雖然距離現在年代有點久遠，記得國中放學時，父親有時候臨時起意要來接我下課，但總是接不到人。因為我每一次走路回家的路線常常不太相同，我爸總是無法預測這天會走哪一條路，於是就「相堵不到」。我已經忘記當時怎麼想的了，或許是想透過嘗試不一樣的走法，看看會有什麼不一樣的風景。

　　我也清楚記得，小時候的我曾經為了試試看插座裡的「電」到底是怎麼回事，手上握著一把「超級小刀」就往插座的其中一個孔插進去。那是一把從握把到刀身全部都是金屬的折疊小刀。很便宜，一把可能不到十塊錢吧！

　　插座的兩孔中，一個孔是火線，一個孔是中性線。小刀如果碰到火線會觸電，碰到中性線則不會觸電。我很幸運，剛好選中那二分之一的機率，刀片插進去後一陣酥麻的電流感立刻源源不絕傳來！

　　我第一時間的直覺反應，就是想讓手從刀片上鬆開，卻發現沒辦法做到。當通過肌肉的電流超過2毫安培時，肌肉會發生不自主的收縮，讓手把刀片握得更緊。就這樣不知過了多久，我才好不容易費盡力氣的把手鬆開。於是我深刻體驗到什麼叫做「110V的電壓」，什麼叫做「肌肉觸電時的麻痺感和收縮感」，也從此對於有電的東西非常非常小心翼翼。當然，這是完全錯誤的實驗方式，大家千萬不要學。

　　探究，萌芽自對世界的好奇與熱情

　　我們家是《牛頓雜誌》的忠實讀者，從創刊號就開始訂閱，所以我從小就從第一期開始把每本都從頭看到尾。雖然許多內容其實還看不太懂，但總是能夠興致盎然的把雜誌讀完，也時常找其他科學類書籍來閱讀。記得某次看到關於「電解」的實驗，我便決定要在房間裡玩玩電解。電解需要的電池和導線都很容易取得，但還需要石墨棒作為電極。當時的我應該已經知道碳鋅電池裡面有碳棒，也有拆過電池的經驗。於是我就把家裡的廢電池用刀片和尖嘴鉗給解剖，抽出裡面的碳棒當作電極，連接上電池盒，並且選擇家裡最容易取得的電解質──食鹽，把它溶解到水中，通上電就開始了我的電解實驗。

　　一通上電，就看到泡泡跑出來時，真是讓人無比興奮，而且過一陣子，還會看到有一些綠綠的東西長出來。我已經忘了當時有沒有測試產生氣體的性質，只記得我把電解裝置放在房間裡面電解，然後關起房門人就離開，想說就讓它持續通電一陣子吧。沒想到過一陣子之後，當我一打開房門，一種像是消毒水的味道撲鼻而來，不僅如此，整個房間看起來還有點綠綠的。後來我才知道，房間裡的氣體是毒性很強的氯氣，還好乾電池輸出的電流不大，房間的氯氣濃度還不算太高，不然可就慘了。

　　長大之後，當我成為人師，偶爾會聽到家長抱怨他的孩子很調皮，常常搞破壞，都不知道要怎麼教。聽了這些孩子們的「事蹟」，我常常都是會心一笑，總會想到自己小時候也是破壞力不小的孩子呢！當然，後來等我自己也當了家長，對於父母們的煩惱就更能感同身受了。

　　當代知名天文物理學家奈爾．德葛拉斯．泰森（Neil deGrasse Tyson，1958~）曾不只一次提到類似這樣的例子：「當一個孩子不顧一旁父母的警告，難以自拔的把腳踏進路面積水時，事實上他正在進行一種流體力學實驗。」當孩子把腳踏進積水、水花向四面八方噴濺，就微觀角度而言可能有一百萬個現象在這瞬間發生。這時的他還小，還沒有辦法做什麼厲害的物理分析，大人當然也不期待他能從中領悟什麼高深的定律。但是這一次次的經驗，會在他的小腦袋瓜裡面留下一次次的印象，進而成為他未來更深入探索自然世界的經驗基礎。

　　父母需要付出的成本其實並不高，頂多就是得多幫孩子換洗一套衣服（當然成本也可能是搞砸什麼很重要的聚會就是了）。在安全許可的範圍內，如果願意接受孩子這些很原始的、探索自然的衝動，進而累積起更多的經驗，一段時間後，孩子就會開始發現有些現象好像跟過去歸納的既有經驗有些衝突與矛盾，在分辨「尋常」與「不尋常」之後，他就會開始問：「為什麼？」所以，觀察是探究的源頭，累積愈多觀察的經驗，就有愈多啟動探究的機會。

　　對我來說，小時候的記憶有些模糊、有些清楚，有些或許是遺忘了之後又自己腦補而成的記憶。但無論如何，我永遠記得小時候的自己，是一個對於科學的故事、推理、現象、理論和動手作實驗，都懷抱著極大熱情的小朋友。

　　被澆熄的學習興趣

　　然而隨著年齡漸長，不知從什麼時候開始，我不再動手作實驗，對於新的科學現象與知識，也不再感到那樣興奮了。漸漸的，我成為了大家眼中的「好」學生及考試勝利組。

　　高中時，我讀到費曼（Richard P. Feynman）的兩本傳記：《別鬧了！費曼先生》和《你管別人怎麼想》，一讀就入迷。我喜歡書中提到費曼從小到大的趣味機智故事之外，也對於他提及的許多科學素養感到印象深刻。例如他提到，理論如果和實驗結果不符，那個理論就沒有價值；或是他提到他父親的教育理念，讓我更加認識與理解科學的本質。然而在此同時，我依舊努力沉浸在每一次的考試解題當中，無暇去質疑解題理論背後的價值或精確程度，更無從去感受學習科學新知的興奮。

　　我想大家都曾經歷過這套漫長、枯燥的解題訓練：首先，在課堂上學習一些規則、把這些規則記住，然後在看到題目的瞬間判讀這題牽涉哪些規則，最後套用正確的規則來找出「出題老師心目中」的正確答案。

　　當然，當時的我還不知道正確答案可能只存在出題老師的心中，而不存在於真實世界。無論如何，我和我的同學們就在這樣的遊戲規則中成為了佼佼者，卻也愈來愈像費曼書中描述的那群書呆子──一群精熟微積分的麻省理工學院學生，卻不知道曲線最低點的切線就一定是水平線。

　　就這樣，我考上了台大化學系，迎接我的是更多艱難且難以應付的科學內容，只好繼續這樣囫圇吞進肚子裡了。在各式各樣的實驗課中，我努力在最短的時間內做出標準答案交給助教了事，最好能用兩、三個小時的時間做出「標準實驗結果」，就可以為自己賺到半天空閒時間。那個時期的我，已經不再感受到小時候對科學的那種興奮，幾乎已經忘記自己在房間裡面胡搞瞎搞一些亂七八糟的東西之後，那種經由發現與探索而得的成就感。

　　認識失敗的價值

　　幸好，到了大四進入實驗室進行專題研究時，接受很多專業的訓練下，遇見了改變的契機。當時台大化學系的鄭淑芬教授讓我去台大化工系萬本儒教授的實驗室，進行奈米金對一氧化碳氧化的觸媒製作實驗。我進行這個實驗將近一年的時間，耗費了不知道多少昂貴藥品，然而沒有一次的結果是成功的！為此，我感覺到非常挫敗，在離開實驗室之前，我向萬教授道別並道歉說：「對不起，做了這麼多次實驗、浪費了這麼多藥品，但是都沒有成果。」

　　萬老師當天的回應讓我至今回想起來仍印象深刻，他說：「為什麼你會說『沒有成果』呢？你做的那些失敗的結果，對我們來說都是很珍貴的，這代表我們不需要再重複一次你的設定，因為你已經告訴我們那不會成功，所以可以排除、另外想別的設定。」

　　現在回想起來，這段話對我來說意義極其重大，因為它打破了我十幾年來學習科學時，以為「題目就是要算對，實驗就是要做出正確答案才有價值」的思考習慣與價值觀。是啊，我過去從沒想過原來「失敗是有價值的」。然而被升學制度制約已久的我，當時並沒有戲劇性的就此幡然醒悟，並狠狠的敲掉「迅速找到正確答案」的慣性，回轉到孩提時那個樂於嘗試、無畏失敗的自己。直到我當老師的這十幾年歲月中，萬老師的話才慢慢發酵，不斷的跳出來提醒我：應該讓學生在我的課堂裡面，有機會學習「怎麼失敗」。

　　記得大四快畢業時，我對未來陷入深深的迷惘：「我真的還要在純化學這個領域繼續下去嗎？」我的成績沒有很好、樂趣沒有很高，對科學似乎也沒有像小時候那麼有興趣。確實已經學了很多化學知識和技能，但還要持續玩化學三、四十年嗎？我就沒那麼確定了。

　　除了化學，我在大學期間也玩了一些別的東西。例如花在管樂團練樂器的時間，可能和花在化學系課堂的時間差不多，但似乎也稱不上專業到可以餵飽自己的程度。左思右想，就是找不到那個真正值得一輩子投入的事情。面對未來的抉擇，感覺真的很恐慌。當時想了很久，才有個念頭是覺得自己或許可以當老師吧？畢竟我國、高中成績還可以，「教學生那些自己已經會的東西，應該不太難吧……」基於這樣的想法，我進入師大化學研究所，把相關的教育學分修完，接著順利通過教甄，成為一名國中理化老師。

　　在教學中重新找回探究精神

　　我當老師的第一年，剛好是九年一貫施行的第一年，當時的我突然發現，當國中科學老師和以前想像的好像有些不同。「帶著走的能力」是什麼？我以前可沒有學過這些東西。聽了許多研習，隱約覺得能夠認同課綱的理念，但對於「實際上怎麼作才對」，則依然毫無頭緒。

　　到了真正開始實際教學時，看起來又和我原本熟悉的教學模式沒什麼太大差別。課綱中那些「重大議題」、「能力指標」等詞語，對我而言似乎只是文件上的專有名詞，完全沒辦法和自己的教學思考連結在一塊。

　　當時我考上的是台北市龍山國中數理資優班的理化老師。在我之前擔任這個職位的是一個代課老師，然而他在我進學校前就已經離開，於是我完全沒有任何可以參考與模仿的對象。換句話說，這還真是個「全新的開始」、一切都要從頭靠自己去摸索。

　　能夠在龍山國中數理資優班服務，對我來說是運氣很好的開始。對一個菜鳥來說，最簡單的上課方式就是複製以前自己當學生時老師上課的方式。但因為面對的是資優班，我心裡產生一個很強烈的期許：「我想要去作費曼先生說的那種真正的科學教育，我想要去作那個可以讓學生嘗試失敗的科學教育。」這樣的企圖心給了我一個開發新課程的理由和動力，也非常感謝學校一直給予我很大的空間和自由度去進行各種嘗試。

　　從九年一貫開始到如今108課綱的實施，我透過多年來無數次的課程設計與調整，逐漸理解並認同課綱一直想傳達的「帶著走的能力」或「素養導向教學」；同時體會到，這恰恰就是科學教育中最珍貴的部分，也是最值得傳達給中學生的學習內容。培養學生帶著走的探究能力，提升學生的科學素養，目的是讓他們未來更能遷移所學的知識與能力，不管他們是否將成為專業科學工作者，都能對他們產生幫助，讓他們更有能力成為自己想要的樣子。

　　同時，國民平均的科學素養愈高，專業科學工作者的種子自然就愈多，未來能夠投入開創性科學研究，為台灣甚至全世界貢獻科學研究發現的可能性也就愈大。公民科學素質愈高，同時也代表公民在民主國家中做出決定時，更有能力理解其中科學的訊息，也更有能力以科學的方式進行思考與判斷。因此，提升群體的科學素養，就提升了科學國力。

　　只是，人的天性總是追求穩定，要改變過往習慣的模式，總是困難重重。在投入新課綱編修任務的那天起，我就意識到「教育改革其實是社會改革」。教育思維的改變與調整，挑戰的幾乎是整個社會的價值，教育思維的改變也一直刺激著整個社會重新思考科學教育該有的樣貌。

　　從九年一貫到108課綱，無論在教育現場或社會上總會聽到許多抗拒、困惑與迷惘的聲音。但在實施108課綱的現在，除了抗拒與困惑之外，我聽到更多對過往教育方式的檢討及改革的渴望，同時也聽到更多在教學現場對於實務操作技術的需求。

　　本書整理了我這十幾年來對科學教育的思考與實踐，以及不斷反思改進的歷程。那是一段困難重重的旅途，不僅需要不斷充實自己，同時還要突破許多自己的心魔。經過這些年的辛苦探尋，我希望藉由本書幫助現場老師理解「科學探究課程是什麼？」，而且不僅是知其要點，更能勇敢的嘗試並帶入自己的班級課堂之中。

　　除此之外，本書也特別為有心了解科學教育的民眾，或是想陪伴孩子學習的家長們而寫，我希望用深入淺出的方式讓社會大眾更接近科學教育。這是我答應為親子天下撰寫本書的原因，也是我內心誠摯的期盼。