置頂

物理與化學是很有趣的兩門學科,對我來說這兩類的學問幾乎就是許許多多有趣的遊戲。也許有人覺得物理與化學太專門或者太嚴肅,對這一點我想說得是:當你很喜歡這個遊戲的時候,你自然就會慢慢變得很專門,你也會很認真,甚至有時候會很嚴肅。
但是別忘了其中的樂趣,這些樂趣是吸引了許多人投入這個領域的極大誘因。 如果你喜歡這兩門學科那很好,請好好的玩它!如果你沒有那麼喜歡,那也無妨,你還是可以從中獲得一些樂趣。

2017年6月28日

探究式的教學與系統化知識架構的教學

一般而言*,在國中階段或者到至少高一這個階段的科學教育,大家會認為有兩大方向的教學目標。其一是培養國民基本科學常識和能力;其二是為了培養未來可能成為專業科學人士的預備。



2017年6月11日

摩擦力怎麼教

以下的教法,是屬於非常物理角度切入的教法,但又不是傳統上從精準定義描述出發的那種教法。

首先,在教這些力之前,最重要的是物體靜止時,是處於力平衡的狀態。就是不管有多少力施加在物體上,總之最後是平手。先不要談物體等速度運動的事情。如果對於物體靜止時,合力就為0有所認識的話,那就可以藉由這個觀察去認識未知的力,例如摩擦力。

第一部分:觀察

假設有一個物體放在水平桌面上,結果保持不動,那合力是多少?

「零」

那如果我用手以10gw的力從側面把物體往右推,結果物體還是沒動,那合力是多少?

「零」

那抵抗我的力量有多大?往哪裡?

「10gw向左」

如果我用了20gw的力,從側面把物體往右推,結果物體還是沒動,那合力是多少?

「零」

那抵抗我的力量有多大?往哪裡?

「20gw向左」

看得出來,這個抵抗我的力,是從物體和桌面接觸的地方來的嗎?接下來我們要幫這個力取一個名字,你們覺得叫什麼名字?

「摩擦力」

好,取名字這種事情,其實正常來說不應該從學生口中說出來,不過因為他們對於摩擦力三個字其實是很熟悉的。我講的是名字很熟悉,不是對性質很熟悉。所以要他們說出名字是沒問題的。

接下來,我如果把推力降低到10gw往右推,物體沒動,這時候摩擦力有多大?(這是重複問了,但是把專有名詞引進來了。另外這邊可以故意把10gw講成10g,然後修正說法為10gw,讓g與gw的用法更清楚一點)

「10gw向左」

那如果我不推了,也就是推力為0gw的時候,物體沒動,這時候摩擦力多大?

「.......」

這邊會出現第一個迷思概念,也就是物體放置在水平的粗糙表面時,有沒有摩擦力?很多人的直覺是表面粗糙當然是有摩擦力。或許這不叫做迷思概念,而是我們平常對「靜摩擦力」和「最大靜摩擦力」並沒有仔細釐清的關係。不過這種沒有釐清名詞的習慣,在日常生活上或許無妨,但如果要在科學(課堂)上有良好的溝通,那就必須說清楚。使用者自己就視情況切換嚴謹程度就行。

上面那個問題的答案是「零」,但有學生會覺得粗糙表面會有摩擦力,就會回答「有摩擦力,但是不知道多少」或者就是支支吾吾說不太出來,這時候老師就可以推他一把說:「你覺得有摩擦力,但是不知道多少是嗎?」

他如果回答是,老師就可以追問:「多大沒關係,你覺得方向向哪裡?」

這個問題就會挑戰到他們已經可以運用的力平衡概念。假如有摩擦力,也有一個方向,但是合力還是為零,這些情況就會產生衝突。逼著他們承認這時候的摩擦力是0。另外一個強力的引導是,在物體不動的時候,施力大小一直都是等於摩擦力的大小的(前面的幾個問例),那當施力為0的時候,依照這個規律性,摩擦力也應該等於0才對。

好,接下來要進行下一步了。

問題:當我們的施力越大,如果物體還是保持靜止,那麼摩擦力就和施力持續保持相同囉。但如果有一天,我們的施力夠大到超過摩擦力的上限,贏過了摩擦力的話,會發生什麼事情?

「物體就會動啦」

東西動起來之後,還有沒有力量在阻止你推動東西?也就是東西動起來之後,還有沒有摩擦力呢?

「有啊」

然後是連結生活經驗:當你們拖或推一個有點重的櫃子時,是從靜止要開始推動比較困難,還是推動之後要持續讓櫃子保持移動比較困難?

大部分的學生大概都會有過搬東西的經驗,而且大部分的學生搬比較重的東西時,選擇都是用拖拉推的方式,而不是把東西抬起來。所以大多會有經驗,而且這個經驗是符合理論的也就是動起來之後要保持運動比較容易。

好,接下來又是取名字時間:東西還沒動起來之前,那個摩擦力叫做「靜摩擦力」;動起來之後叫做「動摩擦力」;那靜摩擦力的最大值,就叫做「最大靜摩擦力」囉(其實很直白對吧)。記得!先看現象,釐清現象,再談名詞與定義!


如果讀者有注意的話,我在這段文章的開頭寫的是「觀察」。

是的,以上可以說都是「觀察」。觀察什麼呢?就是關於摩擦力的種種性質。觀察除了在課堂中觀察實際發生的現象之外,也可以回溯自己的生活經驗。用系統化的方式,將原本散亂的觀察整理起來。

那觀察之後呢?是定題。定什麼題?在前面的觀察活動中,找一個可以研究的主題。上述的內容中,其實範圍不大,能研究的東西大概就是最大靜摩擦力和動摩擦力而已。然後這邊老師就直接訂了吧:研究最大靜摩擦力受哪些因素影響這樣...


最大靜摩擦力影響了我們要推拉拖一個東西,最少需要花多大的力氣才能讓東西動起來。有些情況下,我們希望最大靜摩擦力小一點。如果你需要把一個裝滿書的大書櫃移動到另一個房間時,你一定希望最大靜摩擦力小一點。But how? 如果你正在用鍵盤打字,那你一定希望鍵盤和桌面的最大靜摩擦力大一點,不然你邊打字鍵盤就會邊跑來跑去。But how?

這些問題,即使不作實驗,大家也可以說出答案的。所以如果不作量化實驗,單純探討現象,或者簡單的用質性實驗來做一下,快速得到結果也不錯。然後就可以跳到這個課程的最後一部分:談論生活中的哪些地方,用了哪些方式來增加或減少最大靜摩擦力。

不過因為我是用非常物理的角度切入來設計課程,所以這邊我就讓學生繼續進行量化的實驗囉。


第二部分:定題

剛剛說的定題,其實定的是「應變變因」,也就是最大靜摩擦力,是這個實驗的應變變因。然後接下來要問的就是「操縱變因」。學生能想出哪些因素會影響最大靜摩擦力嗎?這其實很簡單,要說出接觸面性質和物體重量,是容易的。(要不要把重量換成正向力,之後有機會再說)接下來就要討論如何改變接觸面性質?如何改變重量?這實驗操縱變因好處理,應變變因不好處理。今年的上法,我都快速帶過了。也就是快速交代實驗的作法和想法。


大概有幾個眉角可以讓實驗數據好看一點。首先,不要用彈簧秤,直接用裸彈簧。可以避掉彈簧秤上常常會卡住的問題。彈簧直接測量伸長量就行,如果學生前一階段的虎克定律有學好的話,這邊只要把伸長量乘上彈性係數就是力了。

再來,之前作實驗的時候,都說要慢慢把彈簧拉長,然後觀察「動的瞬間」來看最大靜摩擦力,這實在很困難ㄟ。我覺得可以放棄多一點精密度,讓學生每一次讓彈簧伸長1cm,看看最大靜摩擦力介於彈簧伸長多少公分到多少公分之間。以我手上的彈簧來說,伸長一公分大約是10gw,也就是把精密度降低到10gw。這樣測量上的難度會比較降低一些。

也有學生覺得可以用錄影回放的方式來收集數據,當然也是可以啦


好,收完數據後,就一樣可以畫圖,分析斜率和截距。談論斜率代表的意義,其實就是物體的粗糙程度,這樣一來,我們就可以把粗糙程度用這個方式量化,然後取個名字叫做「摩擦係數」。就像之前把彈簧的鬆緊取了一個名字叫做「彈性係數」一樣的意思。

這個實驗數據不太好收集,但今年學生實驗的狀況還不錯,在重量與最大靜摩擦力的關係中,大多可以收到決定係數0.98以上的數值。所以要聲稱最大靜摩擦力和重量成正比,還算蠻有說服力的這樣。

用這些數據就可以談論不同的接觸面性質,最大靜摩擦力不一樣;重量不同,最大靜摩擦力也不一樣等等。

然後課本還說了一個變因叫做「接觸面積」。也有學生說出來不同接觸面積的最大靜摩擦力應該是不同的。不過這實驗實在很難做,而且我每次作的結論都是「接觸面積越小,最大靜摩擦力越大」所以我這個不太愛作實驗,但今年也有一組學生作了。作了就做了也沒關係。得到的結論確實就是接觸面積會影響最大靜摩擦力。但是其實實驗數據不太充足,結論也不算強烈。我不想唬弄學生太多,只跟他們說摩擦力實際的情況其實超級複雜的,不太能三言兩語講清楚,有很多東西國中課本也不可能講清楚。我可以用一些想法告訴你為什麼課本說接觸面積不影響,考試的時候記得就好。離開考試之後就記得,實際情況比課本描述的複雜太多。

不要怕實驗結果和課本的說法不同,學生要調適也沒那麼難啦

第三部分:與生活連結

其實第一部分的觀察,就已經與生活連結了,第二部分經歷的較嚴謹的科學實驗步驟,然後最後再拉回到生活中

這部份的結論得到了之後,接下來就是談論生活中各種增加或減少摩擦力的策略和效果。像是我教室裡面有個磁吸的板擦(實際上任何磁鐵都可以啦)將板擦吸在垂直的白板上,問學生板擦受力的狀態;問學生腳踏車的煞車,哪些地方用到了摩擦力?如何使最大靜摩擦力增加?腳踏車的輪子和輪軸之間也有摩擦力,我們希望那邊的摩擦力大還是小一點?我們採取了什麼策略?

最後可以用mythbuster的電話簿摩擦力實驗做個結尾




啊計算題呢?有空再說吧...


2017年6月6日

亮點計畫上海參訪記錄-復旦五浦匯實驗中學

龍山國中在上海的參訪,第三天早上來到上海復旦五浦匯實驗中學。這所學校才新成立兩年,今年是第三年。目前只有招收六、七年級兩屆的學生。是屬於復旦大學系統下的一所實驗中學。名為「實驗」有許多想要創新教學,革新教育的意味在其中。

2017年5月23日

科學問題與科技問題

當學生認識一個新的現象或新的物質時,最常問什麼樣的問題?「這是什麼(現象)?」「為什麼會這樣?」「這東西從哪來的?」「這(現象)可以拿來做什麼?」

然後就有了科學和科技兩個探究的方向

例如看到C2H6時,問這個是什麼?性質是什麼?怎麼分類?為什麼會有這些性質?



C2H6 有什麼用?如何取得?

或是認識槓桿原理時,去思考

為什麼施力和抗力會有這樣的關係?支點扮演什麼角色?



槓桿原理可以怎麼應用?哪些地方用到槓桿原理?它能幫我們解決什麼問題?

就是科學和科技兩個探究的方向。兩個方向都很珍貴,但兩個方向也都需要適切的教學引導。並不是只是讓問題發生之後就給個答案,甚至問題還沒發生就把答案通通給了。讓學生問出問題,釐清問題後,然後在有限的時間內進行一系列的實作與探究。

等到學生手上有了一些自己的答案後,再提供我們手上有的答案。這樣對比才有意思

2017年5月21日

乾餾,怎麼教?

最近因為沉迷在arduino 和 三d列印的關係,這邊的文章比較少寫了。來寫一篇老東西熱身一下好了。

「怎麼教」和「教什麼」其實是幾乎一樣重要的,後者是真正的教學目標,前者是達成目標的手段。

手段很差,目標無法好好達成;
目標錯了,手段再好也是白搭


對我來說,更關注的其實是教學目標。看到很多老師很用心的做了很多教具,開發很多新的教法,但目標一旦搞錯,再努力都是白搭。舉例像最近有一首很好聽週期表歌,老師可以讓學生親近週期表甚至可以背下來一張週期表好了。手段很棒很有效,但我不知道老師有沒有問自己要教學生把這玩意兒背起來做什麼?很多人在這首歌出來後,說「要是以前有這首歌,我的化學就不會那麼爛了」。請相信我,不管有沒有這首歌,不管你會不會背週期表,都跟你對化學有沒有興趣沒太多關係的。