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2021年5月30日 星期日

如何讓學生經歷科學家的思考歷程?以碰撞為例


今天是宣布遠距後的第一次線上家教課,我透過google文件共編+line視訊通話,完成了一堂自己很滿意的課程。這篇文章要分享的是我如何透過素養導向的碰撞課程,讓學生經歷科學家的思考歷程,並且完整地記錄學生的學習(思考)。學習單請點這裡


目錄


課程目標、理念與脈絡
課程基本資訊
教師課後反思


課程目標、理念與脈絡


這堂課的課程設計目標,其實也被我寫在學習單上,當作引言和結語,請直接給他看下去。

學習單引言


碰撞是很經典的力學應用問題,在前面的章節我們學會了力、動量、動能之間的關係。

今天,我們將會運用動量與動能等概念,先根據生活經驗/觀察,來分析常見的碰撞現象;接著嘗試在簡化、理想的條件下,建立一套通則/理論/模型,以數學來描述理想的碰撞;最後,再看看這個通則,是否能在特定條件下,推導出與生活經驗/觀察相符的特例

學習單結語


科學家的思考歷程

今天的課程,看似在學習碰撞的知識,但我們其實一起經歷了物理學家的思考歷程

當我們根據生活經驗/觀察來分析現象,我們在做的事其實跟「實驗物理學家」很像,從真實的自然現象開始,嘗試歸納出大自然的規則;當我們假設某些理想條件,再推導、建立起理論/模型,我們在做的事其實跟「理論物理學家」很像。

實驗和理論,總是相輔相成的,我們現在學到的這些物理知識,都是過去的物理學家使用類似的方法,逐漸研究、累積而來的智慧結晶,當然,真實的研究歷程絕對是更加艱辛幾十、幾百倍。

課程脈絡

引言
第一部分、根據生活經驗/觀察來分析「碰撞的現象」
第二部分、在理想條件下建立「碰撞的理論/模型」
第三部分、「理論/模型(通則)」與「生活經驗/現象觀察(特例)」的交集
結語:科學家的思考歷程 
專有名詞、相關例題 (for考試) 
課程統整與回饋


課程基本資訊


【學科知識】高二下、選修物理、碰撞
【學生身分】三類組、高二 (就讀4A1B高中,成績在班上大概是中段)
【課程時間】兩小時
【課程種類】一對一線上家教
【教學方式】透過google文件共同編輯學習單,我可以即時看到學生思考的產出、也可以給予即時回饋。因為是一對一家教,所以直接使用line視訊通話,也可以透過line分享螢幕畫面,和學生一起看碰撞現象的小影片。


教師課後反思


建議可以先看過我的學習單

整體而言,我覺得今天的課程非常成功,以下是我覺得自己做得很好的地方。

一、連結的生活經驗


從學生的生活經驗出發,比較能夠感受到物理與自己的關聯性,而且最後發現自己根據生活經驗的預測理論的計算結果非常接近時,會有一種很爽的感覺。

舉個例子,以下是學生針對「質量很小、初速為V1的小球,與質量很大、靜止的大球」,兩者碰撞後速度的描述:(*斜體字為學生思考後的產出、括號內則是我的補充/引導)

根據__人去撞大卡車的現象__(生活經驗),我預測一號球的末速度V1'<V1(量值差不多但方向相反),二號球的末速度V2'=V2=0。 

根據一維彈性碰撞公式,一號球的末速度為V1'=-V1,二號球的末速度為V2'=V2=0。 
與我根據生活經驗的預測 相符,因為理想碰撞不考慮動能的散失,所以(理論計算結果是)V1'=-V1。

當她根據彈性碰撞公式,計算出和原本預測幾乎一模一樣的結果後,學生的臉上真的是充滿驚嘆和滿足,我可以感覺的到這位不太喜歡物理的學生,在那個時候有體會到學習物理的樂趣,或許也有稍微開始欣賞物理學的美麗之處,而這樣的反應對我來說無疑是極大的支持。

課程尾聲,當我問她「今天的課程設計,有哪一部分是讓你特別喜歡/印象深刻/恍然大悟的?」學生也給我以下的回饋:

先用生活中觀察到的碰撞情況,整理初速、末速變化,再跟理論模型比較。

並表示今天的課程很有趣,希望以後也可以常這樣上。

二、不否定學生的生活經驗


當我請學生根據其生活經驗,對一個物理現象做預測時,學生並不一定能夠說出合理(或者說符合現有物理知識)的預測,作為物理老師,遇到這種情況總會有想要告訴她正確答案的衝動,但我有忍住這個衝動。

再舉一個例子,以下是學生針對「初速為V1的球,與靜止的另一顆球,兩者質量大約相同」,兩者碰撞後速度的預測

根據__小時候玩車車的經驗__(生活經驗),我預測一號球的末速度V1'<V1 也<二號球,二號球的末速度V2'<V1但接近V1。V1>V2'>V1'。

有學過碰撞(或看過牛頓擺)的人應該知道,兩質量相同的物體,碰撞後應該是互相交換速度,也就是V1'應為0。但學生根據小時侯玩車車的經驗,確實就觀察到小車碰撞後,仍然繼續前進,因此我當下覺得不應該否定她的生活經驗。

事實上,當她發現邏輯上沒問題的碰撞理論,計算出來的結果竟然和她親身經歷的生活經驗不符時,才會感受到物理學的迷人之處在產生認知衝突的地方尋找理論和實驗(觀察/生活經驗)不符的原因。

而當我請她思考「計算結果是否與你根據生活經驗產生的預測相符?若不相符請說明原因」時,她也在我的引導下寫出:

與我根據生活經驗的預測不相符,因為車子有彈簧,不會馬上停下來;在理論模型中,不考慮動能的散失,所以V2'=V1。

說明她小時候玩的車子是裡面是有裝彈簧的,所以即是發生碰撞,仍然持續有彈力位能轉換成動能,因此她才會預測V1'不等於零。

三、考量學生興趣


由於這位學生很喜歡棒球,我特別在課程一開始設計了跟棒球有關的碰撞問題,雖然這依然不太算是真實情境(只能算是應用或學術情境),或許也沒有辦法真的提升學生「學習物理」的動機。

但是我想這就是教學機器跟教師的差別吧,這樣的課程設計,對教學或許是無效的,但對於師生關係來說一定有加分的效果。如果以人本主義的觀點來思考,那麼當學生感受到教師的用心、關心與支持,就會有能力繼續成長、自我實現了。


後記


這兩個小時的家教課,我大概設計了六、七個小時吧,但過程真的很有趣,我不斷問自己:「我想要學生獲得的學習經驗是什麼?」然後透過一個又一個提問,串聯學生的學習經驗、物理知識與科學本質。

設計完課程真的會恨不得趕快上課,我總會很期待看到學生的反應,並且看看學生是不是真的有經歷到我安排的學習經驗。透過課後回饋與反思(請看學習單最後一頁),我也從學生的回饋中得到很大的支持,支持我繼續設計這樣的課程,將我對物理的熱情分享給學生

不過這個課程放在一對一家教還是有一點點可惜,畢竟當老師對學生來說就是知識的權威,也就是說老師和學生之間,其實沒有什麼「討論」的空間,因為老師說出來的東西,對學生來說並不是「老師的看法」,而是正確答案,而當答案出現、探究就會停止

真的很期待未來獨立帶班時,可以看到學生熱烈地進行小組討論、分享生活經驗、收斂歸納出物理現象的規律、思考理論與其生活經驗的異同。

然後讓學生即時打下自己的想法真的是個不錯的方式,我想未來就算家教課恢復面對面上課,也可以繼續維持科技融入教學