2018年3月10日 星期六

用水蚤心跳實驗結果學習科學圖表

前言 :
探究與實作(inquiry and practice) 107課綱108課綱的一門新課程,希望提供學生利用科學核心知識,透過科學探究歷程 (發現問題、規劃研究、論證與建模、表達與分析),在這過程中,認識科學的本質,並且以此作為問題解決方式之一。
我們在各學習階段的科學課本的第一章節,就是教導學生科學方法,就是觀察、提出問題、提出假說、實驗、分析數據、討論、結果概論、形成學說這一套。但是如果受過國民教育的學生真的將科學方法學習成為自身的內涵的話,現在社會上也不會出現許多荒誕不堪的言論。這種的訊息,是提醒科學教師,學生並沒有將科學思考,成為自己生活中想要追求答案時的助手,而是視為艱澀困難並且只有在實驗室使用或是科學家的工具。過往的學習沒能達到的,就是我們可以前進的方向。
但我認為這樣的科學素養,不必然要等新課程來建立,不必然要一段教學過程中達成一個完整的科學歷程
利用現有的課程,逐次建立學生科學思考步驟,或許學生反而能更容易掌握教師想教的少數基本概念。重要的是,一次做好一件事情,也容易建立成就感 (我是說老師的XD)

課程設計與目標
水蚤心跳實驗是高中生物中,有明確數據結果以及操縱變因的實驗。數據取得簡單,並且變因就是水溫。基本上學生做完就會歸納,在實驗中水溫越高心跳越快。
所以活動很簡單,實驗,交報告,改報告 ,最後在課堂上與學生討論到底製作科學圖表時,該注意哪些事情 (只有最後這一節課是原本課程設計中沒有的)
利用全班11組學生,測量出高中低溫水溫中,水蚤心跳的33組數據,請學生以個人為單位用一張A4紙繳交一個表以及一張圖。這樣而已,不用討論,不用寫其他的文字可以用電腦分析,也可以手繪分析,因為我只是想了解,到底學生會如何以科學圖表來呈現實驗結果,而不是要進行excel軟體教學。
我事先沒有教要用哪一種圖,應該怎麼畫座標軸,只是讓學生去以自己的想法嘗試交報告,而後藉全班討論,來讓她們自己知道,自己的圖表可以怎麼改進。先自己實際思考操作過後,就算可能犯錯的,也會更深入理解自己的思路中,哪個地方是癥結點。

這一次課程中,想達成的目標,就借用探究與實作課程綱要的內容來說
分成

論證與建模
一、分析資料和 呈現證據
1.
使用資訊與數學等方法,
有效整理資料數據
2.
依據整理後的資料數據,
製作圖表
3.
由探究過程所得的資料數據,整理出規則,分析結果與相關證據。
4.
比較自己、同學與其他相關的資訊或證據的合理性與正確性。

二、解釋和推理
1.
由資料數據的變化趨勢,看出其蘊含的意義。
2.
由資料數據顯示的相關性,推測其背後可能的因果關係

表達與分享
一、表達與溝通
1.
適當利用口語、文字、
圖像、影音或實物等表達方式, 呈現自己或理解他人的探究過程與成果。
2.
正確運用
科學名詞、符號或模型,呈現自己或理解他人 的探究過程與成果。
3.
有條理且具科學性的陳述探究成果。 
文字上感覺很困難的目標,但實際上我認為透過水蚤心跳實驗圖表報告,就可以完成。

課程內容
主要以學生作業中看到的錯誤去提出問題,並且讓學生思考圖表的意義。
重點一何時會使用圖表?
重點二圖表的目的結果數據的呈現à緊扣實驗目的
  實驗目的 (試著用一個問句表示)
à設計實驗操縱變因、控制變因
à操作
à結果呈現圖表製作
à結論 (用一句話回答實驗目的)
以本次實驗為例
l  目的
    不同溫度下 (操縱變因—X)
    水蚤心跳的變化 (應變變因—Y)
l  實驗設計時的控制變因有甚麼?
l  結論是甚麼?
重點三數據的處理與選擇
l  原始數據 v.s. 以統計方式篩選的數據 : (篩選數據不是為了設定好的目標)
l  平均値 :(代表甚麼)
l  標準差: (代表甚麼)
l  有效數字 :(不是越多位越好)
以本次實驗為例
l  數據的選擇:本組、全班平均哪個好?
l  生物實驗常採用多樣本、多重複,why
l  如何呈現各組間數據的差異?
l  為何各組會有差異?
重點四製作圖的方式
l  手繪:方格紙、尺規
l  Excel
重點五:圖的類型
l    結果怎麼呈現才能回答目的的提問?
l    平面、立體
l    長條圖 bar :不同處理下的結果
l    折線圖 line X軸有連續性量的變化
l    圓餅圖 pie :各組別間並沒有連續關係
重點六:圖的完整性
l    圖名稱
l    X軸、Y軸名稱
l    單位
重點七:圖表上常常外加上的線條
l    標準差
l    迴歸曲線

這個活動中,我希望以學生先自行做作業,然後再將作業內容在上課討論一番,並且盡量由學生去挑選,在同學中,這麼多個圖表表示方法,哪一個適合用來表示實驗結果。

以下是作業的範例,以及我用來說明上述重點的那一點。這些作業是用來提醒我,在目前的教學中,學生到底缺少了哪一部分,還有我們在教科學的時候,帶給了學生哪些錯誤的印象。


重點三
寫了高中低溫,單位是度C,這時候我想反而直接寫出 35度C 25度C或15度C反而比較好

重點三  平均後位數無限採用







重點三
在數值分析中加入平均與標準差,來表示各組間數據的差異性,數學課已經學過的標準差,但實際上只有一兩位學生寫出來。

重點四 
手繪或是電腦繪圖都沒有關係 但還是需要用尺規來標準化

重點四  
簡單使用手繪圖,就可以很好的呈現結果。有時候使用電腦繪圖,會採用立體繪圖(但不一定有意義),還有若不熟悉軟體,採用的數據可能是電腦自行選取,下圖中的便是電腦自行將該組與平均數據加總,反而造成錯誤的數據處理。



重點四
用電腦繪圖的好處之一,是可以利用軟體自行算出各種統計的線條,例如迴歸曲線。用手繪圖,要先經過運算後再精準的用尺規畫出正確的斜率,難度較高。所以常可以看到學生自行直接用"""直覺""繪出了迴歸曲線。

重點四與七
學生利用電腦繪圖,找出了迴歸曲線。但實際上圖中的X軸是組別,Y軸是心搏次數,兩者間並沒有相關聯。做出迴歸曲線當然R值會很低。重點是,學生不一定了解迴歸曲線的意義,卻將自己不懂的東西放到圖上,我寧可他少放也不要放自己根本不了解的資訊。我想在科學教育中,學生感受到要呈現完整與大量結果的期待,已經超過呈現正確與完全了解的資料的想法,如果一直想要學生很好不會犯錯,還有他所看到與被期待要做到的報告,要有很完整的結果與很厲害的分析,就會有這樣的結果出現。

重點四
在EXCEL軟體中,有一種很特別的作圖方式,就是表在圖的下方,並且表的第一列就是圖的X軸,我似乎在科學文章裡沒有看過這樣的方式
另外,不論是表格或是圖,單位常常被忽略,大量的數據出現,卻沒有單位,或是不完整的單位,都不足以使人理解這個圖表。













重點五
以上圖例,都是學生各種呈現作業的方式。在討論哪一個圖才是最適切的圖示之前。先確認到底實驗目的與主要的實驗結果是甚麼。請學生用一句話說出實驗目的 "水蚤心搏次數與水溫度的關係"。實驗結果必須回答實驗目的,基本上作圖前學生就大致由數據知道,水溫越高,心搏次數越快。如果用很簡單的概念說明,操縱變因在X軸,而應變變因在Y軸。之後再請學生挑選,哪一個圖可以正確又清楚的看出實驗結果?並且討論後說明為何選擇該圖。


重點六
圖的完整性包括必須標上圖的名稱。蠻多作業是忽然出現一個圖,卻沒有圖說。這個圖有附上很有趣的圖說






重點六
圖的完整性中,XY軸的名稱與單位,常常不完整或是根本沒有。

重點二
如果清楚實驗結果要緊扣實驗目地,那會將操縱變因放在X軸,而應變變因放在Y軸。



重點二 重點五
大部分學生所繪的圖,都是將全班各組所有溫度的數據放到同一張圖上。
這樣的圖我認為也反應學生太害怕缺漏,用力追求完整性,卻忘了作圖是為了讓其他人與自己更清楚實驗結果的科學表達。這是我覺得在科學教學上,我們可能太講求正確、完整、甚至於完美的方式,導致於學生乾脆把所有的東西統統放上去,就應該比較不會錯的概念出現。

重點二 重點五
為了完整,把所有數據放上去,還加上了平均的直線,於是電腦繪圖中,出現兩個X軸。一開始拿到這個作業我研究了一下,才發現平均是用右邊的座標軸,各組數據是用左邊的座標軸。





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