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自然科學的實作與探索-以國際青年物理辯論賽為範本-

---一種思辨的教學方式---

吳仲卿彰化師大物理系

大綱：

1. 國內長期的教學與評鑑模式

2. 科學過程技能教學的重要性與必要性

3. 107課綱的亮點與學校可能的因應

4. 何謂IYPT

5. IYPT及網路題目範例

6. 近幾年參與推展狀況

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傳統的評鑑方式

學子們在一張張小小的方桌上，揮汗如雨，以紙和筆奮勵疾書，在規定時間內，完成各類指定科目的考試------這是台灣教育學者最熟悉的一種評量方式。

為了公平起見，試題要有明確答案，避免爭議！追求標準答案下的結果是…絕大多數的贏家都是一個樣！

考試引導教學：造成只注重達成學習目標(?)的現象

問題已存在多年，為何現在要檢討(?)….

美國前副總統高爾在去年一場TED演講*中提到：甘迺迪總統於1961年提出十年內登陸月球計畫時，所有人都反對。結果在八年兩個月後，尼爾·阿姆斯壯搭阿波羅十一號登陸月球。…演講中提到一件重要的事：在當時NASA系統控制中心的人員平均二十六歲，…..

*Al Gore: The Case for Optimism on Climate Change (TED 2016)發佈日期：2016年2月25日https://www.youtube.com/watch?v=u7E1v24Dllk

問題已存在多年，為何現在非檢討不可(?)….主要原因：

1. 其實，別的國家已發展多時…..2. 全球化與資訊化的結果，國際競爭更趨激烈，更需要智慧型的戰鬥力。

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1980年的研究中，預估2000年的手機使用數90萬，但是實際數為1億多。

全球化與資訊化快速發展案例

~2015年的手機使用戶總數76億

全球化與資訊化快速發展案例

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已發展及發展中國家的手機門號使用數逐年成長狀況：

全球化與資訊化快速發展案例

學習目標很重要，但是學習過程更重要！

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科學過程技能教學*(Science Process Skill Instruction)：科學過程技能教學是指可以幫助學習者學習並應用各種動手操作(doing)的科學技能之教學策略、過程和技術。….…..

*國教院的網站http://pedia.cloud.edu.tw/Entry/Detail/?title=科學過程技能教學

基本技能

1. 觀察(Observing)2. 測量(Measuring)3. 應用空間/時間的關係(Using space time relationships)4. 傳達(Communicating)5. 分類(Classifying)6. 預測(Predicting)7. 應用數字(Using numbers)8. 推論(Inferring)

統整技能

1. 控制變因(Controlling variables)2. 下操作型定義(Defining operationally)3. 解釋資料(Interpreting data)4. 形成假設(Formulating hypotheses)5. 設計並執行實驗(Experimenting)

科學過程技能教學相關論題

1. 教師還是學生主導學習2. 結構化的教學活動還是開放式的教學活動3. 系列化的教學活動4. 間隔的教學5. 多重科學技能的教學活動6. 對過去、現在與未來的分析7. 個別化的探究或團隊式的探究活動

科學過程技能教學相關問題

1. 教師需詳細了解科學過程技能，以指引學生的學習活動2. 科學過程技能教學須有足夠的時間3. 科學過程技能教學需有適當的學生數目，不可太多4. 科學過程技能教學須有足夠的教具、設備與資源5. 科學過程技能教學進行前，需先給予相關的指導，否則教師需做大量的補救教學6. 需有一些彈性時間7. 科學過程技能教學需要行政人員大力的支持

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107年課綱：1040818 公聽會版本(國民中小學及普通型高中)

..（六）高中課程中規劃一科「自然科學探究與實作(共 4 學分)」新課程；本課程強調統整性之跨科概念，為科學核心素養能力之實踐。

問題是：在升學壓力下，「我們」怎麼面對…「我們」包括學校行政、老師、學生與家長

新目標：達成升學目標，也達成知能養成的目標！

終於…國內開始重視實作與思考能力的培養

教師端的挑戰：

1. 教材在哪裡？時間夠不夠？

2. 如何兼顧實作與課業成績？

3. 變成常態的教學模式---擴大展示與討論模式！

4. …..

學生端的挑戰：

1. 與考試之間的相關度？

2. 是否影響課業成績？

3. 養成常態的學習模式---加強探索與自學能力！

4. …..

學校與家長端的挑戰：

1. 需要適應？

2. 學習成效？

3. …..

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磁剎 Magnetic brakes (IYPT 2014)When a strong magnet falls down a non-ferromagnetic metal tube, it willexperience a retarding force. Investigate the phenomenon.

彈跳球 Bouncing Ball (IYPT 2013)If you hold a Ping-Pong ball above the ground and release it, it bounces. Thenature of the collision changes if the ball contains liquid. Investigate how thenature of the collision depends on the amount of liquid inside the ball and otherrelevant parameters.

落下的彈簧 Slinky Drop

範例：豐富的IYPT資料庫與網路資訊

彈跳球 Problem of IYPT 2013Bouncing BallIf you hold a Ping-Pong ball above the ground and release it, it bounces.The nature of the collision changes if the ball contains liquid. Investigatehow the nature of the collision depends on the amount of liquid inside theball and other relevant parameters.

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將一個裝滿水之乒乓球由距離地面高度1公尺處靜止釋放，乒乓球落地時反彈，視碰撞狀況，乒乓球會再持續如此落下反彈數次，直到靜止在地面上。下圖所示為該乒乓球在地面上幾次

反彈過程中之高度(y)和時間(t)之關係圖y(t)。請回答下列兩子題，作答時請取三位有效數字。a) 請求出由靜止釋放後三秒內之平均速率為( )b) 請忽略該乒乓球落下與反彈過程中可能遭受到之空氣阻力作用，求出第一次碰撞時之恢復

係數*為 ( )*所謂恢復係數(coefficient of restitution)是指，當兩物體碰撞時，碰撞後與碰撞前兩物體相對速度之比值：其中當該比值為1時，表示兩物體做彈性碰撞；另外則由0到小於1的值描述各種非彈性碰撞的狀況。

0102030405060708090

100

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

y(cm

)

t(s)

試題範例：

26% / 2316

參考解答：

a) 平均速率 行經總路徑經過時間

= 169 cm/s (誤差2 cm/s 均可)

b) 恢復係數 碰撞後相對速度碰撞前相對速度

乒乓球與地球碰撞，地球速度可視為零

因此，恢復係數為乒乓球碰撞前速度與碰撞後速度絕對值比值

忽略全程空氣阻力作用力，由能量守恆率，動能與位能互換，得知

mgh 12因此，所求恢復係數為第一次反彈高度(73 cm)與原靜止高度(100 cm)比值的根號值

0.854 (誤差0.002 均可)

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磁剎 Problem of IYPT 2014Magnetic brakesWhen a strong magnet falls down a non-ferromagnetic metal tube, it willexperience a retarding force. Investigate the phenomenon.

https://www.youtube.com/watch?v=eCMmmEEyOO0

Slinky Drop

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y = 2.2714x2 - 36.477x + 8.9102R² = 0.999

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

y(cm

)

t(s)

何謂『國際青年學生物理辯論錦標賽』

International Young Physicists’ Tournamentwebsite : www.iypt.org

International 國際---因此官方語言是英文Young Physicist 年輕物理學家---定位在高中生每年公布十七題開放性題目---題材豐富

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• 競賽開始於前蘇聯時代，由莫斯科大學開始發展• 某一學校的學生以一個特定的問題挑戰別的學校學生• 1990年代IYPT開始國際化• 1994 年荷蘭是第一東歐以外的國家主辦IYPT• 1998 第一次非歐洲國家主辦IYPT(澳大利亞)• 現今，每兩年會一次由非歐洲的國家主辦(2013年台灣主辦)• 亞洲國家參與積極度高，且成效卓著。

IYPT歷史點滴

• 超過四十個國家曾經參與過IYPT競賽• 每年約有25 – 30個國家參加• 幾乎涵蓋各洲各國歐洲參與的國家眾多

亞洲：台灣、中國、新加坡、韓國、伊朗與前蘇聯解體後在的亞洲一帶的國家

澳洲: 澳大利亞和紐西蘭非洲: 肯亞和奈及利亞北美洲: 美國和墨西哥南美洲: 巴西

International (國際)

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XIII. TYPT隊伍排名（The final team ranking of the TYPT）參賽隊伍前十三名（由TSP高低決定）的學生與領隊老師/教練可以獲得獎牌。在進入決賽的隊伍將授予金牌獎證書、金牌與新台幣十五萬元獎金；未進入決賽前五名隊伍授予銀牌獎證書、銀牌與新台幣六萬元獎金；排名前十三名隊伍可獲得銅牌獎證書、銅牌與新台幣三萬元獎金；10名個人傑出表現獎。所有參與辯論賽的隊伍成員將頒發參加證書。

所有參與辯論賽的隊伍成員將頒發參加證書。

2009年：國立臺灣師範大學物理系與財團法人徐有庠先生基金會共同主辦『徐有庠盃-第一屆臺灣青年學生物理辯論競賽』， TYPT

總獎金100萬元！

物理可以辯論嗎??！

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每隊輪流扮演三種角色，重視的是團隊合作。每回合(Round)約一小時，因此每場(Physics Fight)共約三小時。

開放性，生活化且和物理相關，但是不容易有標準答案！

可以用實驗證實，也可以用模擬方式演譯!

Reporter Opponent

Reviewer

競賽現場

題目的特性

準備

Competition競賽

17 題在競賽前一年的七月選出來

春季時各國舉辦國內賽

七月時參加國際賽

題目

秋季時各國負責人開始準備

IYPT

Schools

國內的競賽

在學校中的學生開始想辦法解問題

每年的行事曆

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• 五名學生組成一隊三或四名學生也可以組隊

• 三或四隊參加每一回合的辯論賽反辯者(Opponent)以一個特定的題目挑戰報告者

(Reporter)評論隊(reviewing team) 評量兩隊的表現若有第四隊參與，會擔任觀察者的腳色，沒有評分

• 評審給三隊的分數5 – 10 位老師或研究學者擔任評審(各國的方式不同)評審依據評分標準給分

Physics Fight (辯論賽)

Scheme of the fight (辯論流程)

每次辯論流程中，學生上台的時間要嚴格遵守規定

對手以特定的問題挑戰報告者

對手釐清問題 ( 2 minutes)

對手準備與報告者進行討論( 3 minutes)

報告者準備報告(5 minutes)

報告隊五員之一上台報告12 minutes

Preparation

Challenging

Preparation

Report

Questions

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… continued

對手(opponent)之一隊員做報告4 minutes, might be shorter

評論者報告( 3 minutes)

報告者(Reporter)做總結( 2 minutes)

報告者(Report )與對手(Opponent)進行討論10 minutes + remainder from the previous stage

評論者問雙方問題 (3 minutes)

Discussion

Opposition

Remarks

Questions

Review

Scheme of the fight (辯論流程)

Grading

Jury members ask questions 評審提問5 minutes, 15 seconds for question, 30 seconds for answer

The whole round takes about one hourA fight consists of three (or four) rounds, every team taking every positionThe competition consists of several fights (5 + finals on IYPT), teams meet different teams and juries

Questions

Jury members reveal their grades to all teams 評審給分Similar to figure skating system

Explanations Jury members explain their extreme gradesA few minutes 極端分數之評審解釋

Scheme of the fight (辯論流程)

… continued

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2011 IYPT在伊朗 http://iypt.ir/

近幾年參與推展狀況

1.高中端2.大學端

高中端：彰女、彰中、中女、彰商、興大附中

2016年初在高雄中山大學的兩岸大學生比賽

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北京師大、南京大學、彰化師大選手與老師

IYPT評分表

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評分表

這樣的科學過程技能教學，

希望能向下延伸到國中端！

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Rocking bottle (IYPT 2012)Fill a bottle with some liquid. Lay it down on a horizontal surface and giveit a push. The bottle may first move forward and then oscillate before itcomes to rest. Investigate the bottle's motion.

Shaded pole (IYPT 2015)Place a non-ferromagnetic metal disk over an electromagnet powered by an ACsupply. The disk will be repelled, but not rotated. However, if a non-ferromagneticmetal sheet is partially inserted between the electromagnet and disk, the disk willrotate. Investigate the phenomenon.

Problem of IYPT 2012Rocking bottleFill a bottle with some liquid. Lay it down on a horizontal surface andgive it a push. The bottle may first move forward and then oscillatebefore it comes to rest. Investigate the bottle's motion.

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copper disk

aluminum plateelectromagnet

Problem of IYPT 2015Shaded polePlace a non-ferromagnetic metal disk over an electromagnet powered byan AC supply. The disk will be repelled, but not rotated. However, if anon-ferromagnetic metal sheet is partially inserted between theelectromagnet and disk, the disk will rotate. Investigate the phenomenon.

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clockwisecounterclockwise