指導「物理競賽」與「科研活動」模組化與效益探討

指導「物理競賽」與「科研活動」模組化與效益探討

盧政良^1,2、張鴻傑¹、*蕭儒棠³

¹高雄市立高雄中學，高雄市，807
²台灣大學 物理學系，台北市，106
³國家教育研究院 測驗及評量研究中心，新北市，237
*e-mail: d95222006@ntu.edu.tw

摘要

物理課程艱澀難懂，高中物理教學也往往被詬病為考試導向、升學主義嚴重影響教學。然而中學的物理教學過程之外，目前已發展出許多物理相關的研究競賽活動，這些課程以外的參與過程對學生學習意願的提昇以及科學能力的建立都有很大的幫助；作者分享十餘年來，在中學的物理教學過程中，從不間斷地陪伴學生參與各種物理競賽(物理學科能力競賽、物理奧林匹亞競賽、力學競賽、青年學生物理辯論賽、旺宏科學獎…)與科學活動(高中物理資優培育計畫、科學展覽、吳健雄科學營…)的一點經驗與心得，以及經過多年嘗試，致力於將每年例行的這些科教活動以模組化的訓練、培養，讓學生具備獨立研究與發掘問題的能力，近年來已逐步看到成效，而這些課程以外的參與過程對學生學習意願的提昇以及科學能力的建立都有很大的幫助；進一步也嘗試分析探討這些活動的優缺點以及對學生造成的影響與效益並提供建議。

關鍵字：物理競賽、模組化、效益探討

1       前言

台灣的中學生在正規的物理教學課程之外，近年來陸續發展了許多與高中物理教學有高度相關的一些競賽與科研活動，其中有官方舉辦的科學展覽(1961至今) 、科學能力競賽(1985至今)、物理奧林匹亞(1994至今)，還有各大學及研究機構開設的高中物理資優培育計畫，以及力學學會舉辦力學競賽、企業贊助的物理辯論賽 (TYPT)，還有許多諸如遠哲科學趣味競賽、高溫超導磁浮創意競賽、抗震盃競賽、機器人大賽…等等^[1]，然而在充實的教學時數當中還要抽空陪著學生參與這些活動實在是物理老師的沉重負擔。指導學生的過程雖不是教學的主體，所花費的精神與時間卻絕對不比正規教學來得少，導致許多教師對於指導學生參加這些活動大多敬謝不敏，甚或質疑參與這些活動隊學生是否有幫助，然而進行這些活動對於學生所產生的效益究竟有多少? 似乎仍缺乏相關的研究與探討。

2       高中物理教學與科研活動指導模組化

    大家都唾棄『考試領導教學』，卻又企圖以考試想要改變教學，導致總是適得其反。身為教師的我們，如何引導學生能從認真學習中得到學習的樂趣，能因熱愛而真正投入學習，才是教學的根本目的^[2]。觀察高中物理實驗課，普遍流於制式的實驗操作步驟和填寫數據表格，導致學生在一個實驗課程中，只是像參照說明書般依樣畫葫蘆的做物理實驗，並不會去思考為什麼要這樣做？也更遑論了解實驗背後物理原理之應用，因此學生在實驗過程中通常缺乏獨立思考的機會，也失去物理實驗的真正用意所在^[3]。高中物理教育的目的不在協助學生解決考試難題或幫助學生熟悉應考各類型的難題，而應該著眼於訓練學生能經由已習得的知識，當他們面對從來沒遇到過的問題時，能獨立自主的運用已知的知識，去思索解決這些問題的方法及步驟。這樣才能讓學生得到真正成功解決問題的體驗，享受成功學習的愉悅，激發學習的熱情和興趣^[4]。

    在正規的教學中不只學生有學習上的壓力，物理老師的壓力絕對不小於學生，這是多數在高中任教的物理教師的心聲，然而評估物理教學成效的工具似乎大多侷限於考試的成績高低，讓第一線的教師不得不針對學生的考試能力盡可能地去加強，這也是許多批評的聲音中最被質疑的面向；在許多的物理教學檢討與建議中，獨立思考與解決問題的能力是許多人認為物理教學中學生應具備的能力，然而大多數的物理教學活動設計上卻大多是教學演示或是照本宣科的實驗單元，這些過程當然遠不及讓學生自己針對一個未知的現象自己動手做進行相關的研究，這卻是課堂上極不容易去進行的，尤其是以目前台灣的高中階段一個班大約45個學生的教室中，幾乎不可能。反而是在指導學生參與物理相關研究競賽活動時，發現這正是訓練學生具備這些能力的最好歷程。然而如何在繁重的教學負擔之餘，還能指導學生參與相關科研活動，而能將效益達到最大化，以下即為這些年來我們教學團隊不斷嘗試與改進而應用於目前每年例行的指導、培訓學生的規劃安排，將培訓的過程模組化，以期能減輕老師們的負擔並使學生有最大的收穫，近年的成效也逐漸顯現出來，希望能與各位教學先進分享。

1       物理相關研究競賽

    目前台灣的這些物理相關研究活動與競賽，除了一些比較偏屬於工程上的應用以及趣味競賽之外，大致可以分為兩大類:

l  能力測驗 : 自然科學能力競賽，物理奧林匹亞，力學競賽
考試方式各有些差異，但主要都是在一定時間內(通常約二至三小時)藉由筆試或實驗操作的方式測驗學生相關的能力

l  研究成果 : 科學展覽，英文物理辯論(TYPT)，旺宏科學獎
可以長時間進行研究，最後以書面或多媒體方式呈現其研究成果

各項競賽簡介及舉辦時程

(1)  物理學科能力競賽：每年十月舉行，選出五名代表學校參加十一月舉辦的全市競賽，擇優
   參加全國競賽，取3-5名加入選訓營集訓

(2) 物理奧林匹亞競賽：(台灣師大主辦)
   每年十一月舉行初選，選出300人左右，參加次年二月之複試，再選出25-30人參加選訓營。
   以上兩項再決選出10人，正取8人、備取2人，參加亞洲賽再最後評選5人，參加國際賽。

(3) 全國力學競賽：
   每年四月舉辦初賽，取200名於五月參加決賽，取金牌10名、銀牌20名、銅牌50名及優
   勝獎，金、銀牌可參加兩岸力學競賽。

(4) IYPT物理辯論比賽：(徐有庠基金會，台灣師大主辦)
   每年約10月底可開始報名，3月參加台灣區比賽，從各區選手中選出參予國際賽 
   http://phys171.phy.ntnu.edu.tw/TYPT/

(5)  全國科學展覽：
   每年五月參加高市科展，擇優七月參加全國科展。

(6) 國際科展：
   每年十一月報名，次年二月評審，四－七月擇優參加各項國際比賽。

(7)  旺宏科學獎：
   3月1日至102年5月31日報名截止日前繳交創意說明書，始算完成報名。 
   7月初公佈佳作及決賽入圍名單。
   11月份舉行決賽; 12月份舉行頒獎典禮暨作品發表

2           指導培訓過程經驗分享

以下將以高雄中學為例，分享物理教師指導協助學生參與各項活動的規劃與經驗

2.1           培訓規劃

經過許多年的摸索與調整，目前已建立了一套輔導學生參與科研的流程:

l 宣導期 : 開學初期可利用新生訓練、社團時間以及物理教師課堂上宣導，尤其是高一新生，鼓勵學生利用課餘時間參加相關活動，同時須善用學長姐的這些資源，利用學長們的現身說法，以及輝煌的比賽成果，對學弟妹們是最大的誘因。

l 培訓期 : 基本上將學生分為兩種類型－測驗型與研究型

2.1.1  測驗型的競賽培訓(自然科學能力競賽，物理奧林匹亞，力學競賽…)

期初會先舉行考試，甄選出大約五十名學生進行進階課程的訓練，由所有物理科老師分配主題幫學生上課，課程內容涵蓋奧林匹亞初試、學科能力競賽以及力學競賽的命題範圍，讓學生具備準備這些測驗的基本知能，並鼓勵學生自行研讀與思考，藉由參加這些競賽檢驗自己的學習成效。

2.1.2  研究型的競賽培訓(科學展覽，物理辯論，旺宏科學獎…)

基礎課程: 利用課餘時間傳授學生科學研究所需的基本能力(例如: 數據分析、誤差
          估算、資料蒐集、報告撰寫…)
培訓期: 以當年度IYPT提供的十七道問題為主軸(也可自訂研究主題)，分配學生研
        究方向，定期(ex: 每周一、三、五中午時間)讓學生上台報告研究進度並給
        予指導與建議

模擬競賽: 學生進行一段時間後(約兩個月)，待每一位同學都上台報告過自己的研究
          內容，開始進行分組，參考IYPT的模式讓學生進行物理問題的討論與問
          答，藉由學生討論的過程可以了解學生的思考模式與基本概念是否正確，
          並藉以調整自己的研究方向以及改進實驗方法

比賽期:  a. 組隊參加TYPT(約每年的三月初)
b. 報名參加科學展覽(約每年的三月底)
c. 推薦較富有原創性與發展性的研究報名旺宏科學獎(約每年的五月底)
d. 未成熟的以及具發展潛力的作品可以考慮參加國際科展(隔年的十一月)

詳細的培訓時程表如下:

表1 科學競賽時程簡表

4.2      創造傳統、傳承經驗
    多年的經驗累積與優秀學生的養成，在在都醞釀出學校潛在的資源，許多經歷這些寶貴經驗甚至獲得輝煌成績的學長姐們往往也都會對學弟們有更高的期待，尤有甚者，常常有升上大學的學長們會自願在假期或寒暑假回到母校指導學弟們，他們的態度和投入比起指導老師們更是有過之而無不及，同學們的進步更會是一日千里。

4.3   培訓成果

近年來輔導學生參與各項競賽皆有不錯的成績，每年約2-30位學生通過奧林匹亞初試(總共錄取300人)，近五年共獲得亞洲物奧一金二銀一銅以及國際物奧二金的成績；物理辯論賽(TYPT)曾獲得團體金、銀、銅牌與個人獎數次，參賽的四年以來有六位同學獲選代表台灣參加國際物辯論賽(IYPT)，為國爭光並獲得佳績，今年第六屆TYPT的比賽結果，高雄中學還創造了一金二銀的輝煌紀錄；近年的科展市賽均獲能得前三名的名次，力學競賽每年均有多位學生獲得金、銀、銅牌獎的佳績，高雄中學更是多次獲得團體特優第一名的最高榮譽；每年的科學能力競賽與更是穩定地能有亮眼的成績。

當然獲獎是對學生與老師的一種肯定與鼓舞，然而我們要強調的是成績並不是評估效益的主要考量，真正重要的是去檢驗學生參與的過程中獲得了甚麼? 指導學生的過程應重視的是學生能力的獲得與提升，而非為了追求獲獎的汲汲營營，那就不是正確的態度，也無法持續保有研究的熱情了。畢竟，科學教育若是以「培養諾貝爾獎得主」為宗旨，那就是不走正道了^[5]。

圖 1：高雄中學代表隊獲得第六屆TYPT金牌

1       效益評估

    參加競賽活動的好處，普遍的看法除了有獲得獎項的機會以外，在參與的過程，學生可以學到很多的東西，包括可以把課本之中片段的知識整合運用、學習與其他同學分工合作，完成一項研究，甚至在比賽進行當中，還能認識到許多志同道合的新朋友^[6]。然而對於這些非正規教學過程的學習效益來探討，對於學生所獲得的能力，我們希望找出客觀合適的指標來探討這些過程對學生各項能力是否能有較積極正面的幫助，以下列出美國最近提出的兩種思維^[7]

1.1      「二十一世紀技能策略聯盟」(The Partnership for 21^st Century Skills)
    根據「21世紀技能策略聯盟」(The Partnership for 21st Century Skills)在2007年於國家新聞俱樂部(National Press Club)所發表的議題，認為美國學校教學應當以「21世紀技能」的建立為優先。調查結果認為現今學生需要之能力與20年前大不相同。美國人普遍認為現今學校教育所教導學生的技能，並不足以幫助學生面對全球經濟之挑戰。88%的受訪者相信學校應當將新世紀之技能融入課程，另有66%的受訪者相信學生需要的不僅是讀、寫、算「三R」(reading, writing, arithmetic)之傳統技能概念。21世紀之四大技能內容，概述說明如下：

1. 瞭解整個世界
    現今的孩子都是全球化的公民，無論他們是否意識到這點，他們長大後都必須沿著這條軌道前進。美國UPS快遞公司CEO邁克.埃斯庫曾表示，他們需要的員工是擁有國際貿易知識、對外國文化有敏銳意識、能用不同語言進行交流的人才，在這方面美國學生的競爭力並不強。如今在美國的高中生中，選修外語的學生不到一半，而社會學課也主要集中在美國歷史上。

2. 跳出思維局限
    美國國家教育與經濟研究中心的負責人塔克表示，在新經濟形勢下的工作，對創造性和革新性提出了更高要求，要求你在別人只看到一片混亂的地方看出規律。而這正是美國學校目前面臨的問題。如今的孩子們必須學會在不同科目間進行交錯思考，因為現在越來越多的突破都是多學科交叉取得的。

3. 聰明地對待新資訊來源
    在現今資訊爆炸的時代，孩子們需要對所接觸的資訊進行迅速處理，區分出哪些資訊是可靠的，哪些是不可靠的。美國21世紀技能主題的一位研究成員表示，對於學生來說，知道怎樣處理、解讀和分析這些資訊，並採取相應的行動是非常重要的。

4. 發展良好人際關係
    在現今的工作中，情商(EQ)和智商(IQ)對於成功已經起著同等重要的作用。洛克希德.馬丁公司前首席執行官諾曼.奥古斯丁曾表示，如今大部分的發明創造都涉及到大規模的團隊成員。我們必須強調溝通技能，強調團隊精神以及和來自不同文化的人相處的能力。

1.2   「新世代科學標準」(The Next Generation Science Standards, NGSS)

美國國家研究院(National Research Council)於2010年公布「下一代中小學科學教育標準」("Next generation science standards for K-12 education)理論架構草案(a draft of a conceptual framework)，並於2011年初提出最後版本，交由政府及相關機構發展新科學教育標準的參考。

新科學教育標準理論架構草案主要針對四個領域:生命科學(life science)、地球與太空科學(earth and space science)、物理科學(physical science) 、工程與技術(engineering and technology)。該草案著重於重整下一個新世代的科學教育標準，挑選新世代在科學、科技與工程領域上所需之科學知識技能，要求所有學生在中學畢業之前都必須習得與精熟，並期許科學教育能達到一個整合性的願景(move science toward a more coherent vision)。

美國國家研究委員會(NRC)提出了科學上所須精熟能力之願景，科學的觀點建立在必須同時以知識為主體以及證據為基礎，輔以模型和理論的建立，不斷延伸，提煉，並修訂知識。他們提出了幾個標準，結合起來形成三個面向：

三個面向

一、 動手做(Practices)
1. 提問(科學)－定義問題(工程)
2. 建立並使用模型(model)
3. 計畫並執行研究工作
4. 分析和解釋數據
5. 用數學與計算思考
6. 構建解釋（科學）－設計解決方案（工程）
7. 由證據進行論證
8. 獲取，評估和交流資訊

二、跨領域概念(Crosscutting Concepts)
1. 因果：機制與解釋
2. 尺度，比例，數量
3. 系統與系統模型
4. 能源與物質（流動，循環，保育）
5. 結構與功能
6. 穩定與變革

三、核心學科理念(Core Disciplinary Ideas)
1. 物理科學
2. 生命科學
3. 地球/空間科學
4. 工程學

我們發現在陪伴學生研究與學習的過程中，學生們所需要發展的各項能力顯然就是以上所提及的這些技能，尤其有許多面向都是在正規課程中不容易甚至完全無法讓學生學習或建立的。這也是我們認為教師在教學過程可以思考我們希望學生需要具備的能力似乎大多不容易在課堂上的教學中以及大多數的考試測驗中可以期待學生能建立的。

參照這些標準與向度，有許多能力是課堂上無法傳授或指導的，藉由陪伴學生進行這些課餘的研究活動與競賽準備對學生的各種能力的提升有相當大的幫助；另一方面，並非每一位學生將來都會念物理系，因此教師們在物理課程的教授過程中希望能讓學生具備哪些能力，真的是值得教學者思考與探討的重點。

2       結論與建議

綜合以上的討論與分析，在這裡還是要強調這些活動的過程還是無法取代正規的教學課程，畢竟紮實的學科基礎還是學生進行研究最強大的武器；這幾年的經驗發現，往往學科成績非常頂尖的，在研究過程中吸收能力會較同儕來得快，訓練之後解決問題能力與獨立思考的能力也都非常出色，並非一般認為的書呆子只會讀書而不會解決問題，不過還是要經過訓練的這些過程。

另一方面，我認為各種能力都很重要，然而藉由這些活動，學生可以依自己的興趣或優勢選擇對自己最有競爭力的部份去專研，也可以針對自己較弱的部份去提升；最後，還是感謝有這些舞台給學生們盡情發揮，在進行自己有興趣的科學研究之餘可以有和其他人交流競賽的平台，這是非常重要的助力，也希望在未來還有更多更優質的科學研究競賽活動可以讓學生盡情參與，更能享受自己喜歡的科學研究。

3       參考文獻

1.        盧政良．「高中物理教學」搭配「物理競賽」與「科學活動」之相輔相成．2013中華民國物理教育聯合會議 

2.        邱韻如．高中物理與大學普物之間的學習鴻溝．2012中華民國物理教育聯合會議論文集．2012，p.64-67

3.        謝孟翔．由指定考科題目看物理實驗教學．2013中華民國物理教育聯合會議 

4.        褚德三．高中新物理課綱的教學建議．2006

5.        劉源俊．論高中的物理教育．物理雙月刊．2009．31 (4):384-389

6.        黃嘉郁．給有意從事科展的青年學子— 如何完成一件優秀的科展作品．2003．265:31-36

7.        蕭儒棠．二十一世紀能力與新世代科學教育標準下的論證評量概念．2013中華民國物理教育聯合會議