探究與實作：科學遊戲導向（2版）

Part　I 探究與實作的內涵

十二年國教課程綱要中，「探究」的學習內容，包含四個主要項目：⑴發現問題；⑵
規劃與研究；⑶論證與建模；⑷表達與分享。「實作」的學習內容則包括：觀察、測量、資料蒐集與分析、歸納與解釋、論證與作結論等。課綱中，探究與實作學習內容各個項目並沒有固定的步驟或順序，可依探究的主題和實作活動採循環或遞迴等方式進行。由於探究與實作牽涉多項內涵，因此首先說明各項探究程序中重要名詞的意義。
以下各項名詞，「形成假說」、「論證與建模」為較高階層的概念，適合至少國中以
上，其他各項適合國小高年級以上。更低年齡的學童與幼兒，建議不必要求理解以下各項的意涵，只需在親師的指導下進行動手操作與觀察即可。
1. 發現問題
「探究」基本上是進行「研究」，而「研究」的本質是「為問題尋求解答」，因此進
行探究就需要先確定要研究的問題是什麼？設計探究問題牽涉到：研究問題有沒有價值？是否已經被解答？是否具有可行性？等問題。由於在教學上主要在培養學生進行探究的能力，而非發表論文，因此建議著重在可行性與安全性即可。另一方面，要注意探究問題是否具有「可驗證性」？避免難以客觀檢驗或過於籠統的問題，例如：
⑴ 「探究鐵的生鏽快慢為何？」：不是恰當的探究問題，因為沒有指明要探究的「操縱變因」（實驗變因）是什麼？
⑵ 「探究不同酸鹼性的鐵有何差異？」：沒有指明要測量的「應變變因」為何？也是不恰當的探究問題。
⑶ 「探究不同形狀的鐵，生鏽的多寡有何差異？」：操縱變因「不同形狀的鐵」必須先釐清與定義，說明有哪些形狀是值得研究？而「生鏽多寡」如何測量？具備實際操作的可行性嗎？
2. 形成假說
「假說」（hypothesis）是「暫時性的解釋」。當我們對於一個現象初步觀察之後，對
於會影響現象的變因或原因，形成一個「假說」，然後再設計實驗進一步確認，以實驗結果來決定是要「接受假說」或是「拒絕假說」，也就是屬於一種「假說－驗證」的歷程。
例如：在觀察了石蕊試紙、廣用試紙之後，形成「遇到酸鹼會變色的物質，酸性都是呈現紅色」的假說。進一步實驗其他酸鹼指示劑，發現酚酞遇到酸是無色，違反了這個假說，因此就必須拒絕這個假說，修訂假說以符合實驗結果。
科學發展過程中，科學家經常會提出假說，例如：亞佛加厥假說、大陸飄移假說。當
累積的實驗證據反覆肯定這些假說，確認到某個程度就可以成為「理論」（theory）（通常由科學社群共同決定）；如果已經確認到不可能錯誤，就再提升為「定律」（law）。例如：道爾頓提出的「原子說」現在已經被稱為「原子論」，達爾文的「演化說」也已被稱為「演化論」了，而牛頓的「萬有引力理論」則已經被稱為「萬有引力定律」。請留意成為「定律」的科學解釋，也未必保證都永遠正確。科學發展強調的是「求真」的精神，只要有合理的證據，任何科學理論或定律都有可能被修正。
在形成假說時，如同「探究問題」也要注意「可驗證性」（能設計實驗驗證），避免提出不需要驗證或是不容易設計實驗驗證的假說。例如：「酸性越大，鐵的生鏽速度會越快」的假說，具有可行性與明確性。而「不同地點的鐵生鏽速度會不同」的假說過於籠統，因為「不同地點」包含了海拔高度、濕度、降雨量等變因，難以一一釐清。再例如：
「不同顏色紙蜻蜓的掉落時間會有不同」，此假說不必做實驗也可以推論紙張顏色不會影響掉落時間，因此不是有價值的假說。
另一方面，hypothesis常被翻譯為「假設」，很容易造成混淆。例如：「理想氣體：假
設氣體粒子沒有體積、粒子間作用力為零」這句話的「假設」是指assumption，其意義是
「一種條件或狀況的設定（或定義）」，也就是說所謂的理想氣體是指「氣體粒子體積為零、粒子間作用力也為零」，這句話並不是對於理想氣體提出「暫時性的解釋」，而是定義理想氣體的條件。
3.實驗設計
形成假說之後，要設計實驗來考驗假說。而設計實驗要考慮三大變因：操縱變因、應
變變因以及控制變因。通常一個研究問題或是假說，其敘述內容就包含了操縱變因以及應變變因，例如：
研究問題：紙蜻蜓的紙翼角度不同，紙蜻蜓的掉落時間有何差異？
形成假說：紙蜻蜓的紙翼角度越大，掉落時間越長。
以上的問題與假說，操縱變因都是「紙翼角度」，應變變因則是「掉落時間」。而控
制變因呢？控制變因包括各種可能影響（或干擾）的變因。以下說明三大變因的意義：
⑴ 操縱變因
也稱為實驗變因或自變因，是指研究者決定要探究的實驗變因（研究者操弄的變
因），也就是實驗中改變的變因。例如：「探究不同酸鹼值，鐵的生鏽速度差異」，「酸鹼值」（不同pH值）就是操縱變因。
⑵ 應變變因
也稱為測量變因或依變因，是實驗中要測量的變因（實驗結果）。例如：「探究不同
酸鹼值，鐵的生鏽速度差異」，「生鏽速度」就是應變變因。應變變因應儘量選擇可以客觀測量或精確測量的變因，例如：「生鏽速度」可以記錄不同時間的生鏽情形（可用照片比對分析）。如果改為測量「生鏽形狀」，則不容易客觀的紀錄與描述。
進行測量時，要選擇恰當的測量工具，並正確解釋其意義。例如：「分貝計」測量的
是「音量」，而不是「噪音值」（音量必須大於一定分貝數才是噪音），更不是頻率或波長。另一方面，如果探究問題牽涉到難以客觀測量的應變變因，例如：「探究不同煮法的米飯，好吃程度有何差異？」，「好吃程度」為個人主觀判斷，可以採用問卷調查方式，統計調查對象對於好吃程度的評分，再分析比較評分的差異性。
⑶ 控制變因
實驗過程中控制不變，保持一樣的變因。因為實驗要探究的是實驗變因對於應變變因
的影響，需要排除其他變因的影響或干擾，因此控制變因通常包括很多變項。例如：「探究不同酸鹼值，鐵的生鏽速度差異」，控制變因就包括了溫度、酸鹼溶液的量、鐵的大小尺寸形狀、實驗地點等。甚至光線、實驗容器、空氣濕度等，也要考慮成為控制變因。
4. 資料處理與解釋
資料處理包括實驗時記錄資料，實驗後資料的整理歸納與解釋。以下舉例說明常見的
問題：
⑴ 有效位數必須一致
表1的資料記錄有二個問題，一是記錄表沒有註明測量的溫度單位（攝氏或華氏）；二
是有效位數不一致，有的記錄到整數，有的記錄到小數點二位。
有效位數必須一致的原因是：同一測量工具的「精密度」不會改變。因為一個測量值包括了「正確值」加「一個位數的估計值」。以圖1為例，溫度應記錄為23.8℃，其中23℃是「正確值」（可以確認23℃是正確的），接著估計下一位數為0.8℃，因此記
錄為23.8℃。如果記錄為23.7℃可以嗎？答案是：可以！因為0.8或0.7都是估計值，人為的估計就會有變異性。
由上述可知，「同一個測量工具」有效位數必然會一致，如果表1的測量工具和圖1相同，則應修訂記錄為表2。由正確記錄的資料，也可以傳達測量工具的「精密度」，例如：表2就傳達了溫度計的最小刻度是1℃。
⑵ 實驗資料的圖形表達
實驗數據是否需要畫成圖形（條狀圖、折線圖、圓餅圖等等），並沒有一定的規範，
完全由研究者視表達的需要來決定。如果數據很單純，以數字表達已經很明確，就沒有必要再畫成圖形。如果想要表達數據的變化特徵或程度差異（例如：線性變化、比例關係、分布百分比差距），就以圖形的視覺效果強化表達的意圖。
⑶ 語詞表達注意精確性
科學講求精確客觀，對實驗結果的描述或下結論，必須避免使用模糊性的語詞。例
如：測量分貝數之後，結論：「共振筒的長度和發出聲音的大小並沒有關係」，這個結論有二個問題需要釐清：一是「聲音大小」改為「音量大小」會更為明確；二是「沒有關係」是指相關是0，還是關係很小？請留意：差異很小≠沒有關係≠沒有影響。如果實驗數據很接近，變動不大，描述「差異很小」即可，不宜結論說沒有影響或沒有關係（除非數據完全一樣，變異數為0）。

Part　I 探究與實作的內涵

十二年國教課程綱要中，「探究」的學習內容，包含四個主要項目：⑴發現問題；⑵
規劃與研究；⑶論證與建模；⑷表達與分享。「實作」的學習內容則包括：觀察、測量、資料蒐集與分析、歸納與解釋、論證與作結論等。課綱中，探究與實作學習內容各個項目並沒有固定的步驟或順序，可依探究的主題和實作活動採循環或遞迴等方式進行。由於探究與實作牽涉多項內涵，因此首先說明各項探究程序中重要名詞的意義。
以下各項名詞，「形成假說」、「論證與建模」為較高階層的概念，適合至少國中以
上，其他各項適合國小...

Part Ⅰ 探究與實作的內涵

1.發現問題
2.形成假說
3.實驗設計
4.資料處理與解釋
5.論證與建模
6.表達與分享

Part Ⅱ 探究與實作實例

1.紙花
2.紙蜻蜓
3.一柱擎天
4.投石器
5.啄木鳥
6.聽話螺旋槳
7.白板筆的奧秘
8.下坡玩偶
9.滑降玩具
10.反泡泡
11.以小縛大
12.懸崖勒馬
13.白糖變黑蛇
14.波動現形記
15.旋轉管的奧秘
16.空中灌籃
17.跳舞水珠
18.靜電動力球
19.薄膜指紋
20.不出軌的輪子

Part Ⅲ 探究與實作主題引介

1.會打結的水
2.交替盪鞦韆
3.吸管風車
4.懸浮轉子
5.音波管
6.竹蟬
7.磁鐵動力車
8.自動站立的筒子
9.珠鍊噴泉
10.馬格努斯效應
11.尖叫氣球
12.燒不壞的紙
13.彈跳玩具
14.水錘效應
15.水鐘與水幕
16.酒的眼淚
17.孿生渦流
18.磁鐵歐拉盤
19.浮空飛輪
20.奇妙的裂痕

附錄 趣味科學實作
1.水到渠成
2.簡易吸管幫浦

Part Ⅰ 探究與實作的內涵

1.發現問題
2.形成假說
3.實驗設計
4.資料處理與解釋
5.論證與建模
6.表達與分享

Part Ⅱ 探究與實作實例

1.紙花
2.紙蜻蜓
3.一柱擎天
4.投石器
5.啄木鳥
6.聽話螺旋槳
7.白板筆的奧秘
8.下坡玩偶
9.滑降玩具
10.反泡泡
11.以小縛大
12.懸崖勒馬
13.白糖變黑蛇
14.波動現形記
15.旋轉管的奧秘
16.空中灌籃
17.跳舞水珠
18.靜電動力球
19.薄膜指紋
20.不出軌的輪子

Part Ⅲ 探究與實作主題引介

1.會打結的水
2.交替盪鞦韆
3.吸管風車
4.懸浮轉子
5.音波管
6.竹蟬
7...