特別企劃

【自然】科技導入自然領域自主學習

臺中市翁子國小 楊宗榮老師

學生們與生俱來就對世界充滿好奇心,在這個動力驅使下,開始探索周遭的知識。因此,「自發」成為12 年國教課綱中最基礎的出發點。近幾年數位科技大幅進步,網路及行動載具已成為居家必備的學習工具,學生很早就會利用Google搜尋資料或觀看Youtube影片來獲得資訊。

科技導入的自主學習

不過,這些未經思考整理的資料很難形成有體系的概念,需要教師加以引導,幫助學生有脈絡的學習。有學者提出「科技輔助自主學習」的概念,利用「學生自學」、「組內共學」、「組間互學」、「教師導學」四個階段,運用數位平臺討論困難的概念,形成共識,達到有效率的學習。

自然科學領域的數位學習

自然科學領域的學習表現主要由「知識概念」、「思考與探究」、「科學態度」三個面向組合而成,從自主學習的觀點來看,除了科學知識的架構外,重點還是在於「探究過程」。

因為學科的特殊性,所以在自然科學領域的自主學習應該包含「學生自學」、「問題導入」、「實驗驗證」、「組間討論」、「教師導學」、「診斷評量」六個階段:

1. 學生自學:教師分配數位任務,讓學生利用科學教學影片、課本等工具先預習,摘錄學習重點,形成初始概念。例如教師可利用教育部「因材網」平臺發布「影片學習任務」,學生透過影片掌握初步的科學知識。

2. 問題導入:引導學生對迷思概念提出主要問題,例如「要怎麼增加電磁鐵的磁力呢?」再拆分成幾個研究問題,例如「增加線圈圈數會增加磁力嗎?」、「增加串聯的電池數量會增加磁力嗎?」。

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3. 實驗驗證:學生根據研究問題來設計實驗,操作器材進行實驗,以行動載具拍照、錄影等方法記錄觀察重點,上傳到數位平臺,例如「因材網」、「Google classroom」。對於抽象概念,則可以操作數位軟體來驗證,例如學生對星體運行的規律很難理解,就可操作星空軟體(Stellarium)來幫助了解星體間的相互關係。

4. 組間討論:各組利用投放功能或數位平臺的討論區,將實驗紀錄或觀察證據呈現在大螢幕上,說明實驗過程及結論,其他組可提問,報告組成員則運用所學概念或實驗數據進行解釋,澄清迷思概念。例如有組別進行「串聯多顆電池會增加電磁鐵磁力嗎?」實驗,結果吸起的迴紋針數量均一致,經過反思並與其他組別的數據相比對,發現是電線接觸不良所造成。

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5. 教師導學:經過組間討論後,教師較能發現學生的學習難處,可適時採用證據,或利用數位工具幫助學生澄清迷思。例如學生搞不懂「電磁鐵可以改變N、S 極」這個概念,教師可用實物投影功能示範「電流方向改變,使電磁鐵的磁極改變」實驗, 或是利用PhET平臺進行電流方向改變的模擬實驗,把抽象的概念變得具體化。

6. 診斷評量:為了了解學生的學習狀況,教師能利用「數位診斷工具」讓學生進行短時間的測驗,測驗結果能被記錄下來。學生可以了解自己的程度,教師也能當作調整教學的參考。例如教師可發布「因材網」的診斷測驗、Kahoot 即時測驗、Google classroom 線上問題。

基於探究的數位工具

數位科技讓教師可以將細微的實驗放大到整個螢幕,也能將抽象的概念具現化出來,讓學生跟教師達到同步理解的狀態,以下分為「數位投放功能」、「數位學習平臺」、「PhET 模擬實驗平臺」、「Google 試算表」、「數位軟體」來介紹自然科學領域常使用到的數位教學工具。

1. 數位投放功能

前瞻基礎建設計畫補助中小學建置「數位教室」,目前學校大都有智慧電視及教室內「無線網路環境」,能夠支援行動載具投放到螢幕上的功能。學生可以各自在平板電腦上進行記錄,立即投放到電視上跟全班共享。例如以前使用顯微鏡只有一個學生可以觀察到黴菌,現在利用平板電腦和手機顯微鏡,就能同步呈現不同學生看到的黴菌構造。

2. 數位學習平臺

數位學習平臺有許多種,筆者以教育部開發的「因材網」為例,介紹適合自然科教學的功能。「因材網」的教學影片是以97 課綱的能力指標來製作,每支影片約5 ∼ 10 分鐘,搭配2 題練習題,依照各版本及單元歸類,教師及學生可用OPEN ID 登入平臺。教師端可發布影片學習任務,隨時查詢每位學生的完成度,還能從影片的瀏覽紀錄中發現學生看不懂的知識點,當作教學的參考。學生端可進入觀看影片、製作學習筆記,之後可與實際實驗操作相互驗證,增加學習的效率。

3.PhET 模擬實驗平臺

PhET平臺 提供科學與數學的互動式模擬教材,學生可隨時改變線上的實驗變因,得到立即性的模擬實驗結果,進行數位探究。例如電池與電路對中年級學生來說,有操作及理解雙重困難,接好電路後應該會亮的燈泡卻不會亮,有可能是電線沒有連接好所造成,為了避免操作失誤帶來的影響,可用PhET 上的「電路組裝套件:直流電」教材讓學生進行數位模擬,了解電流移動方向及電路概念,為六年級電流磁效應概念打好基礎。

4.Google 試算表

自然科學領域相當重視圖表的判讀,尤其是將實驗紀錄轉換成圖表的能力。Google 試算表可進行同步編輯,學生用各自的行動載具登錄實驗數據,教師只要預先設定好函式,就能彙整數據輸出為長條圖或折線圖,學生能立即看到實驗結果,用來當作結論的佐證。

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5. 數位軟體

Stellarium 星空軟體能模擬天空中的恆星、行星及衛星,拖動時間軸則能看到其運行的軌跡,將抽象的天體運行概念,用很直觀的方式讓學生看到。Quiver 是一款3D 擴增實境的模擬遊戲, 教師可以到Quiver 的網站下載有關科學的圖案卡,學生則在平板電腦上安裝Quiver 的App,利用鏡頭掃描圖案卡,螢幕上就會出現立體的動物,可以從不同視角觀察牠。例如用手機掃描金剛鸚鵡的圖案卡,螢幕就會出現彩色的鸚鵡,點選牠就會飛翔,移動手機到不同角度,可以觀察牠飛行的各種姿態,很適合用在「動物構造與運動」的教學活動中。

診斷式數位評量工具

1. 「因材網」診斷功能

教育部的「因材網」具有學習診斷的功能,教師可以發布測驗,學生進行線上填答,系統會回報師生測驗結果。此外,教師還可以發布「縱貫性測驗」,如果上位科學概念不會,系統會自動派送前一個概念題目,直到答對為止,這種測驗結果能讓教師知道學生的程度。例如教師發布高年級電流磁效應的題目,學生答錯,接著系統再測中年級電流的題目,學生也答錯,代表教師必須先幫學生建構電流概念。

2. Kahoot !

限時問答遊戲Kahoot 是一款互動式問答測驗,教師預先將題目及答案建置在Kahoot 平臺上,測驗前啟動題目,產生教室代碼,學生只需連到Kahoot 網址並輸入教室代碼及暱稱,就能和全班同學同時答題,每次答題後都會出現各選項答題人數,如果錯誤率太高,教師可即時澄清學生的迷思概念。目前教科書出版社大都有建置對應課本的Kahoot 測驗卷,教師可在教學活動結束進行即時線上測驗。

3. Coggle 線上心智圖

實驗紀錄和筆記有助師生了解科學概念建構的情形,不過紙筆記錄較花時間,也不易分享。當學生進行自學的時候,可以採用Coggle 線上心智圖整理科學概念,再輸出成JPG 圖檔,如果要補充,也可以隨時修改。

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數位讓學習更有效率

有些自然科的抽象概念不易理解,經常造成教與學的困難,可以利用數位工具來模擬真實世界,建置科學心智模型,之後再操作實驗,學生較能理解科學概念。此外,科學強調記錄、求證、思考、解釋,運用數位科技實現協作式學習,線上統整各組數據並進行即時分析,以無線投放方式呈現觀察證據,讓學生更容易抓住報告重點,進行有效的論證反思。學習後立即測驗能幫助師生了解教學成效,運用數位工具來評量能有效節省時間,達到精準教學的效果。