素養導向的科學課程架構－以「自主探究專題」課程為例 （上篇）
論科學研究的架構
科學的起源始於最單純的觀察。從古至今，科學行為的產生都來自觀察自然現象後產生的好奇，進而做了有系統的觀察歸納或實驗以解決心中的疑惑。這一連串解決問題的行為，縱使作法有些差異，其大架構並不改變。就是依循「發覺問題」、「思索問題」、「蒐集資料」、「設計實驗」、「實驗操作與分享」的脈絡進行。我曾將這個過程依序轉化為學生能理解的五種超能力：覺察力、想像力、分析力、規劃力與實踐力等五項，並運用於平日的教學中。以這樣的科學流程獲取科學知識，一直是科學教育所強調的方法。但科學流程並不只適用於科學的探究，事實上，科學流程的更大概念是「解決問題的能力」，將科學流程與其他學科解決問題的方式相比較，會發現概念是相似的，只是名詞有所不同。
圖、科學實驗的流程。
現代科學的目標是透過實驗和觀測，明白物質世界的起源、結構、性質、反應、運動、演化和其他知識，藉由基本的原理和定律加以闡明（池內了，1996）。隨著科學逐步的演進，人類越來越能夠探索問題更根源處，但問題的根源可能是牽涉層面更廣更複雜、或是根源更加微小單一。無論哪個，這些問題都是離平日生活更遠的。更危險的，在我們越來越了解事物運作的原理時，我們擁有了改變事物的能力，這或許讓人類生活更加便利（諸如提煉金屬、石油的技術），但也可能讓人類的生活更加緊張（像是核武的製造、新病毒的產生）。科學進展遠離了日常生活、加上科學發展造就出的危險性，終究讓民眾對於科學更加排斥。也因此，縱使教學上，我們仍然使用著科學的方法來探究知識，學生其實是越來越不知道自己為何而學，甚至認為不值得去學。但科學進展是必須的，尤其在科學開發到快要無法控制的現代，我們更該有一批擁有良好科學倫理的科學家去平衡人類生活與自然運作、也需要具有批判思考能力的民眾隨時監督科學的進展，有鑑於此，「科學素養」扮演了重要的角色。在教育部發布的科學教育白皮書（2003）中提及一段：
「科學教育是教育的一部分，它的特徵是『科學素養』的養成。其理念即為：科學教育是一項全民教育，涵概所有的國民；強調培養全民的科學素養，發展每個人的『創新、創造能力』與『關心、關懷態度』。經過『第一次全國科學教育會議』之討論與研議，我國的科學教育目標擬定為：使每位國民能夠樂於學習科學並了解科學之用，喜歡科學之奇，欣賞科學之美。這項目標至少表現在三個方面：（一）使科學紮根於生活與文化之中；（二）應用科學方法與科學知識解決日常生活問題，理性批判社會現象，並為各項與科學相關的公共事物做出明智的抉擇；（三）藉不斷提升科學素養，貢獻於人類世界的經濟成長及永續發展。」
也就是說，現今的科學教育很注重科學態度的養成，並強調將能力拉回日常生活中使用。科學教育並不因科學的進展而與人有疏離，反而是要在科學繼續進展的過程中，讓人們知道自己為何最初要學科學、知道自己對科學的理解程度、並知道自己想要對科學有多大的理解（有基礎認知就好？或是想要繼續深入研究？）
「自主探究專題」的課程規劃
會想要開啟這樣的課程，主要是覺得「時候到了」。怎麼說呢？歷經快一年的科學社，在上學期全部由我決定每次上課的主題，大多都是一次上課就能完成的活動，到了學期中後段，從《假昆蟲偽裝大賽》到後來的《彈珠軌道製作》，專題的時程拉長，難度升高，卻發現學生也能夠駕馭這樣的課程了。他們已經習慣先聽我快速的講完活動注意事項，然後被賦予很長的自由時間自己尋找材料與工具，然後動手實作。
這些孩子對科學的興趣依舊熱情，常會告訴我想做什麼研究，我想到，既然他們有那麼多想做的實驗、他們也有善用自由時間的能力了，為何不讓他們自己選題目來做呢？這樣每個人都能做到自己想做的實驗、老師也不用每周苦思哪個實驗能滿足眾多學生的口味。更重要的是，若每次都是由我決定要做什麼，哪天我不在他們身邊了，難道這樣做實驗的快樂氛圍就消失無蹤了嗎？於是我為這學期的社團課訂下了幾個目標：
- 學生能夠自己找到有興趣的科學題目。
- 學生能夠主動的探索問題、設計實驗來解決問題。
- 學生能夠有自信的向大家分享。
表、第一次自主探究專題操作時程表
一、 科學題目的決定與規劃
這是第一次讓學生自己去找尋想要做的題目，這樣的進行與平日他們在課堂中體驗到的課程會非常不同，因此我有必要先為他們建立幾項「先備知識」：
- 認識科學的分類，以及各項子主題。
- 知道幾個找科學題目的管道。
開場投影片，我介紹了科學的類別大致可以分成物理、化學、生物、地球科學、與生活應用五大類。概括來說，我的這些科學類別，與國中小科學展覽的類別相同，只是刪除了數學。數學暫不列入科學類別，一來是因為我的課程並沒有預設要學生在課堂中純粹探索數學問題，二來，我覺得數學是理解科學所必備的「語言」，它應流動於科學之中。相對於數學，比較特別的該屬於生活應用類，它是為解決生活議題而衍生出的綜合應用類別。
知道了科學的分類後，我對學生的思維預設是：「我知道了分類，但還是不知道要怎麼找題目，因為我一無所知！」為此，我總括通常找尋科學題目常用的三個管道，包含（一）從平日生活中、或自然課的實驗中找尋靈感，（二）從科學書籍中找出自己感興趣的實驗，（三）從網路上搜尋科學題目。針對第一管道，我想除非學生平日就有極度好奇的問題，或是特別喜愛自然課的某個活動，否則很難從中找出想做的題目。這時，管道二與三就是最好的方法。我們學校的圖書館正好在上學期引進了很多本新的科學書，能讓學生從中找實驗來做；另外，我也推薦學生到《科學遊戲實驗室》的網站，或是到youtube搜尋有興趣的科學實驗，這些管道獲得的，不外乎是「食譜式」的科學專題，也就是他人已經整理好步驟的科學實驗，很適合給沒有太多科學實驗經驗的學生操作。
圖、科學的類別。
圖、科學題目的搜尋管道。
二、 科學題目活動前報告
為了不讓學生只是盲目的跟著「食譜」操作，必須設計一些活動，而「實驗前的海報製作與口頭報告」就是我的處理方式。海報的內容要包含：主題名稱、組員姓名、活動（實驗）內容、相關插圖、分工方式、預期目標、所需材料、需要幫助等資訊。學生的任務是做好海報後在老師面前報告，以說服老師同意這個活動進行，也同時說服老師提供部分器材。「說服」會是整個自主探究專題很重要的能力之一，一來是學生必須知道老師沒有理由無條件地提供幫助，二來也希望他們在提出需求的同時，已經很清楚知道需求背後的所有脈絡。所以「說服力」說穿了就是考驗他們是否有「深思熟慮」。
在學生口頭報告的過程中，老師需再藉由提問讓學生的實驗更加聚焦。尤其在「設定目標」一項，學生的實驗目標通常會很不精確，老師可以與學生討論、凝聚目標，或是直接幫學生增加／刪減目標。例如，有個組別要做法老之蛇，預期目標是要燒出長達20公分的碳蛇，但是根據經驗，第一次做法老之蛇並沒有那麼容易，所以縱使該組的目標很精確，提及了準確的長度作為目標，我當下仍請他們將目標設為10公分就好（實際上，該組最後也只做出3公分左右的碳蛇）。
圖、實驗前的海報製作（左），與上台口頭報告（右）。
三、 科學活動操作
活動操作過程最重要的應是時間、空間與安全性三點。確保學生在有限的時間內完成、每組都有足夠的空間操作實驗或活動、並且過程中沒有任何危險的意外發生，學生才能在各自挑選的題目中學到更深的知識或能力。
時間與空間的規劃主要由老師決定，因為首先，學校的課程是有時間限制的，若要讓學生真正體驗到完整的科學探究實作過程，需要靠老師有意識的調控課程前進的速度；再者，學校的空間也有限，要如何讓各組都有足夠的活動空間，除非是老師帶領學生一起討論空間規劃，否則時間壓力下，老師可直接根據題目性質，幫學生分配最適合的活動位置。以我的課程為例，有些組別要做紙火鍋、科學霜淇淋，我就會分別給予他們一個大的實驗桌，並且離水槽近一些，方便準備滅火用水，以及清洗實驗器材；有些組別作投石器、竹槍，這些需要拋射的科學題目，我會讓他們在教室外操作，空間較大也不容易破壞到周遭物品。
圖、科學實驗空間分布案例。
圖、根據科學實驗的性質，選擇應該在室內或是戶外進行。
自主探究專題不外乎希望讓學生具有「自主」的能力，囊括對自己的實驗負責、以及對他人保持尊重兩個面向。我在每次的教學投影片中，都會放上幾個以圖像為主的觀念提醒：動腦想想、安靜操作、互相幫忙、注意安全與做好分類。希望每次學生遇到問題時不會只依賴老師給予幫助，而是先自己想辦法、找同學幫忙、找尋各種解決管道後，才來找老師求助。
圖、實驗操作注意事項。
四、 科學成果報告
成果報告是整個探究過程中重要的收尾，在這個階段，學生必須設計一個完整的報告來分享這段時間的成果。海報內容包含：主題名稱、組員姓名、科學原理介紹（搭配插圖）、實驗器材清單、設定目標、實驗結果（須包含實驗過程中的照片記錄）與心得。這樣的海報架構是希望學生能在整個實驗過程中，有意識的理解科學原理與實驗細節。
與實驗前報告不同的地方在於，成果報告內容更加完整，也因此報告程序上會設計得更加正式，以增加臨場感。報告形式上，所有組別在上課開始的十分鐘有練講的時間（但是平日各組可以提前練習），接下來老師隨機抽籤讓各組上台報告，每組五分鐘，包含問答時間。問答時，台上的組別至少都要收到三個問題，而每一組在整個報告過程中，應該向台上的組別問至少三個問題。這些設計的用意一是要求在正式報告前，每組學生都是充分準備好的，用意二是希望學生能在各組上台報告時，能夠用心聽、並提問。
圖、台上學生在接受台下學生提問的現況。
大體上學生只要能夠好好地按照海報設計的流程報告，都能有模有樣。而針對口頭表達不流利的組別，老師可以事前設計罐頭講稿，讓學生先練習替換講稿主詞的狀況下，將整個報告「唸完」，不過問題最大的部分還是「聆聽」與「提問」。
報告過程中，屢次能觀察到台下學生分神發呆甚至與旁邊的人講話的狀況，下課時詢問這些人針對台上有人報告時，他應該做什麼？學生能回答要尊重講者。但繼續追問什麼樣的行為是對講者的尊重？學生回答安靜不要說話。再追問安靜不說話，然後呢？會發現學生竟然是選擇「等待」。也就是說，這些學生還沒有建立起真正聆聽的習慣，認為台上的人講的事跟他無關，於是就安靜在台下等，直到輪他上場。再來就是提問時間，會發現學生會不自覺針對該組操作時的錯誤質問，甚至到了「雞蛋裡挑骨頭」的狀況，而與實驗原理有關、或是實驗結果有關的問題，都被忽略不談。這說明了學生不知道如何問出好問題，也不知道如何討論科學的本質。
（下篇待續）
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