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) 是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,也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軸)
    水蚤心跳的變化 (應變變因—Y軸)
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。





2018年2月13日 星期二

整付新鮮的豬內臟觀察


這次課程外的實驗,主題是將 整付的豬內臟,生的,給學生實際觀察


去年給學生吃完內臟之後,因為都是切成片的,雖然好吃,但缺乏了整體器官的概念
在網路上看見不少生物老師有拿生的豬器官給學生看,加上高三課程中本來就有的豬心豬腎實驗,配合起來剛好在期末學完所有動物系統的時候,可以完整與課本的知識對應。畢竟豬的內臟是我們台灣常有的食材,又與人體相似性高,對於學理與生活的理解都可以更加確切。之前小吃無法整組到齊的遺憾,這次都彌補了
當然,豬的器官不完全跟人相同,例如脾臟形狀就不同。但這是最接近生活中(盤中XD) 也容易取得的材料。若能提示之間可能有的差異,我認為是很鄉土也很有趣的材料

# 本實驗所使用的材料是一般市場攤販都有在販售的內臟,而不是自行犧牲動物


這個活動的問題有三

一 、放置時間不可以過久

其實這個實驗在我們學校之前也實施過,無防腐,課間放冰箱保存。
但是如果放超過三天(就算班與班之間都放在冰箱)
消化系統的胃與小腸,還有生殖系統的味道,
比較"""濃厚"""  (請各位觀眾自行想像那般的嗅覺刺激 XD )

而且內臟放入冰箱多少會堆疊擠壓,當上課觀察時,又會表面略為乾燥,使得組織變硬或變色,與原來狀態有差異。若利用酒精防腐,組織會因為蛋白質變性,顏色與彈性會改變更多。

為了減少味道與組織變性,將實驗課程移動到一付豬內臟使用兩天,另外,每次課堂觀察前我會將內臟上灑上生理食鹽水保持濕潤,放進冰箱保存時,除了灑水之外,也另外用保鮮膜封住塑膠盒的開口,減少組織脫水。

(某班值日生看見我在對豬內臟灑水還以為我在進行甚麼邪惡的宗教儀式 =.= )


二、真實內臟與課本內容對應不起來  老師要在內臟旁邊講解

但是當時有豬心實驗同時進行,老師有時候也要注意各種安全與爆走狀況,如果必須在旁邊一直講解,就無法處理實驗課其他狀況。
(實驗課最刺激的就是永遠有無法預料的事情會發生,更不要說手上有揮舞著解剖儀器 )


我的解決方式是以下3種同時並行
1.印出圖片,護貝後放在內臟盆的旁邊,學生一邊對照一邊自己打撈內臟確認
   每班上完課之後,護貝的圖片都要用抹布擦過血水 =.=
   所以沒有護貝應該第一班用完就浸泡血水稀巴爛 (各位觀眾也可以自行想像畫面)

2. 請值日生先看圖片,自己找內臟後,用標籤紙加上大頭針,定位器官名稱
   每班上完課都會重新清理一次,因為標籤紙會濕掉
 
    讓每一班值日生都練習看圖自己找器官也可以訓練連接圖片與真實器官的能力

3.請先做完豬心實驗的一批學生,先聽我講每一個器官,之後一人負責講解一盆內臟

    順便讓學生自己練習怎麼講一個實體的構造


三、到底該怎麼分內臟   (標題好驚悚=.=) 


整條豬的內臟非常多,先前從豬販那邊拿來的時候,是一大袋全部在裡面,光是與其奮戰分割就花掉不少準備時間

該以系統區分還是位置區分,也是考慮的點。以系統區分必須由老師拿到材料之後,再進行拼湊 (特別是消化系統橫跨胸腔與腹腔),才會變成課本上連貫的器官等。

但真實的豬內臟許多系統是有結締組織將其連結,
例如  心臟與肺臟連在一起
          生殖系統與大腸頭還有膀胱是原本連在一起的
          膽與肝相連
          橫膈也與肝臟相連。
如果認為橫膈與呼吸有關,將橫膈分在與肺臟一起,那似乎無法表示橫膈台語稱為 "肝連" 的精妙。

我自己的方式是考慮系統,更考慮相關位置。
所以消化道的食道與氣管放置於肺,而不另外切割下來與胃小腸放置一起。我認為系統的學習是方便理解,但實際上不同系統的器官會排在旁邊,這樣立體空間位置的建立,只有透過真實的器官觀察才能知道,所以在處理的時候,會刻意留下不同系統器官間的結締組織,不完全切割開來,使學生知道內臟們塞在胸腔跟腹腔的相對位置關係。
             
    
這次跟豬販取材料的時候,已經先依照上述方式分類,整理起來比較快速。


課程主題 : 整付新鮮的豬內臟觀察


時數 : 兩小時  (搭配高中原有的豬心與豬腎觀察實驗)

目地 :  1. 實際觀察內臟間的相對位置關係
            2. 配合圖片,學生可以自行觀察
            3. 請學生講解,練習口語表達

 材料 : 1. 一付內臟,大約使用兩天

            2. 請豬販拿內臟的時候,已經大約分為

                (1) 心臟 (含有圍心膜及周圍脂肪)、肺臟 (連著喉頭、氣管、食道)
             
                (2) 肝、膽、橫膈 (肝連)
         
               (3) 豬舌

               (4) 胃 (豬肚)
   
               (5) 小腸、大腸
   
               (6) 大腸頭接肛門、膀胱(小肚)、卵巢、輸卵管、子宮、陰道
 
               (7) 腎臟 (腰子) 一對  + 脾臟 (腰尺)
                      (腎切開一個,可以找輸尿管或腎動脈靜脈)
                      (另一個腎完整包括外面包覆的結締組織跟圍心膜)
                     
               (8) 豬腦  (無敵幹事說的秘訣 : 一定要請豬販另外放,要不然拿到的都是破碎的腦) 
           
                     *  這要感謝我們設備組的無敵幹事,幫我們前置作業處理得很好
                       ,這次的材料完整漂亮又好整理 (灑小花)

步驟 :

1. 事前準備 : (1) 各內臟裝盆子,倒出血水,可灑上生理食鹽水防止內臟乾燥

    將解說的圖片放在旁邊。

    腎臟一副可以切開一個,另一個保持脂肪包覆住的原狀

    肺也可以切開 一部分 (但很可惜就從氣管灌水或吹氣使肺膨大的效果就會變差)

(2) 請當天值日生大約4~8人,看解說的圖片,幫忙將器官用大頭針釘上名字

(3) 學生進來後先進行豬心實驗,先結束的組別,可以抓到後面來解說內臟

(4) 每班結束後,將內臟灑水冰入冰箱。(我們學校的冰箱不大但是稍微塞一下可以全部放入)

(5) 最後一班學生開放讓她們切開所有器官觀察裡面的組織。


解說用的圖片










              實戰情況



每組器官放在塑膠盆中,旁邊放解說,上課前請值日生提早到,用大頭針加上解說牌
 1.泌尿系統




                     腎臟一個切開 看切面 另一個保持脂肪包裹的樣子 旁邊是豬的脾臟 又叫做腰尺

輸尿管蠻清楚的 動脈跟靜脈就要靠運氣在一片脂肪海中打撈



脾臟開出漂亮的油花 上面有網西 (豬腹膜)
這個是台灣料理中做蝦捲或是肉捲常用來包裹材料取代腐皮的外層




 影片截圖

                                                       
這一套比較複雜 包括生殖系統的子宮 (俗稱生腸) 卵巢 
泌 尿系統的膀胱 (俗稱小肚) 
還有大腸末端 (俗稱大腸頭) 連接肛門   








卵巢不大,按壓起來蠻有彈性的,也可以看到一顆顆的泡泡在邊緣
大約只有一元硬幣的大小



                                                                   同樣有彈性的膀胱




消化系統從豬舌開始 




胃 (俗稱豬肚)


胃也有網油


         打開胃觀察  黃色的顆粒感覺似乎有吃玉米飼料



 學生非常愛玩油花 =.= 還跟我說油花以後可以當頭紗 =.=



這一盆主要是消化系統的小腸與大腸


小腸比較細而裡面料比較多

腸繫膜與上面的血管可以看得蠻清楚的
看過腸繫膜之後 比較能理解為什麼數公尺長的小腸不會輕易打結

通常12指腸的小腸段比較鼓,而且裡面大概都是膽汁的顏色


     打開大腸後的看到內側
     一般市面上的大腸都是翻轉之後清洗,所以吃大腸麵線看到的大腸是內外翻轉相反的
     所吃的大腸裡面油油的應該是外面附著的脂肪



消化系統中的肝、膽與呼吸系統的橫膈(俗稱肝連) 連在一起


分成數葉的暗紅色很大塊的豬肝 中間黃黃的是膽囊 右邊的肉是橫膈


                           右邊可以比較清楚看到結締組織包裹肌肉的橫膈



肝切開可以看到其中的管道 




                                              呼吸系統的喉頭、氣管(脆管) 、肺
                                              循環系統的心臟
                                              消化系統的食道
                                              這些器官相連在一起


這是腹面觀  可以看到有圍心膜包起來的心臟就位在兩邊肺臟中間



                                         圖左的管子是氣管,實際按壓可以感受到C型軟骨回彈的力量


圍心膜包起來的心臟


圍心膜去除的心臟

肺臟切面,可以看到很清楚的支氣管,用手去按壓也有彈性
肺臟摸起來的質感很特別,很像濕潤的化妝海綿

大動脈 在這一堆裡也可以找到

食道 切面 又俗稱軟管 在氣管的背面 
管子側面看肉色




有腦當思無腦之苦
之前拿到的豬腦像是豆花打爛的樣子XD
這次的腦子很棒,紋路形狀都算完整,但可惜腦幹的部分好像不多
整體大概一個少女的拳頭大


趁紋路清楚的時候拍下來的
隨著冰藏與學生手癢戳戳戳,後來就快爛掉了
我後來把一塊腦子撥到旁邊,讓學生可以按按看,其他部分不可以再戳了



學生在觀察豬舌的時候,看著旁邊兩塊肉,摸著自己的臉頰  XD

分成數桌,這樣全部學生可以分散到不同組聽同學解說

最後一班的學生,在我宣布可以自由取材料切割觸摸之後,拿了一盤內臟buffet

班與班之前會冰進冰箱,但冰箱會有些脫水,位置也不足
所以可以把軟的器官放在硬的器官上面
灑上些水 包上保鮮膜,防止脫水

到這一班腦子都快壞了