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7月29日

STEAM課程思考

在STEAM的研習中,強調的其中一件事情就是讓學生去嘗試,去失敗,在失敗之後去調整自己的策略。也強調要給學生空間、時間和素材,讓他們有足夠的自由度去嘗試。
學生失敗之後,也不要給學生答案,讓他們繼續嘗試。這樣他們可以從失敗中學習到很多經驗。
我覺得這個部分對台灣來說似乎特別重要,其中一個原因是這部分「情意」部分的教育在台灣確實太缺乏。學生也好老師也好家長也好,都處於一種非常怕錯的狀態。所以在教學現場,可以藉由專案進行當中提供一些情境與機會練習失敗。足夠的時間空間和素材在台灣普遍的教學來說,也是相對缺乏的。

2017年7月14日

為什麼國中科學課程看起來就是沒什麼用?

在很多個研習的場域或網路群組的討論中,常常會出現討論學生學習某個科學知識概念「有什麼用」的問題。例如了解牛頓三大定律、化學計量、光合作用或是分辨正斷層逆斷層這些物理化學生物地科的知識。想一想,如果僅止於國中科學的知識傳遞,讓學生把這些東西弄懂(國中程度的懂),甚至用一些口訣把內容背起來,對學生來說到底有什麼「用」?

2017年7月10日

我們需要一本好課本嗎?

前一陣子看到曾世杰教授談的這篇,也有跟到藍偉瑩主任提出的質疑和曾教授的回應。這篇報導加上裡面的連結,我想裡面的想法表達的足夠清楚了

https://udn.com/news/story/6913/2494415

然後剛好昨天,因為某些原因,辦公室的同事提到以前書商可不像現在一樣提供那一大堆的備課資料、教學計畫範本、補充教材。甚至連題庫光碟也都幫你做好。老師簡直什麼也不用準備,就是照著書商規劃好的東西上課就好了,那教師的專業在哪裡?。

我也曾經聽到一些很厲害也很有經驗的老師提到書商提供越多這些資源,教師專業就被綁架。一段時間之後,教師就會失去專業了。

哇,這些想法果然各自不同,有些衝突矛盾之處。



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...