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活動目的探究元素設計原則測試模型評估方法建議活動流程

Parachute Model-making

落傘模型設計

活動目的

科學探究是科學範疇中一個重要的學習過程。透過設計降落傘模型,一方面可讓學生了解和體驗科學探究過程的重要性,另一方面則可引發學生更主動投入參與。

 

探究元素

涵蓋的科學概念
地心吸力、空氣阻力、降落傘的設計

涵蓋的探究技巧
i. 科學過程技巧:界定變因、控制變因、觀察、提出假設、記錄數據、分析數據、作出結論
ii. 實驗技巧:儀器操作、選擇合適的儀器、實驗誤差、減低誤差的方法

降落傘的設計要求
1. 墜下時要穩定(內在因素)
2. 著地所需的時間愈慢愈好(內在因素)
3. 著地地點要準確(外在因素 + 內在因素)

影響降落傘效能的內在因素
降落傘的面積、降落傘所用的形狀、降落傘所用的材料、降落傘所需要的繩索數目、繩索的長度、降落傘頂孔的大小、降落傘頂孔的形狀、降落傘內支撐桿的排列、降落傘內支撐桿的材料、懸墜物放置的位置。

影響降落傘效能的外在因素
環境條件(例如:風力的大小、風向)、人為條件(例如:投下降落傘的技巧)。

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設計原則

比賽目的是讓學生更投入參與,但活動重點在於科學探究過程。雖然大多數教師都希望以較開放、獨立的模式,讓學生自主地進行,但是科學探究是一個很複雜的過程,所以適當的支援是十分重要的。在科學的範疇上,科學探究過程是評核重點,強調問題的“因果”關係,所以每項設計都要有理據支持。

在探究的過程中,由於影響降落傘效能的因素很多,每個因素的影響程度各有不同,學生要懂得判斷它們的差別,因為一個設計並不能同時滿足所有條件,要根據其影響力而作出取捨(見下圖)。

進行探究時須運用科學過程技巧和實驗技巧,因此學生要在此活動前學習相關技巧(可參考活動一至八)。本活動主要分為兩部分,第一部分是設計及測試,讓學生運用科學過程技巧和實驗技巧;第二部分是比賽,讓他們展示研習的成果,目的是增加他們的投入感。因此,活動的第二部分是附加環節,教師可因應實際需要,決定是否進行比賽。

教師可因應學生的能力,訂下設計要求,收窄研究範圍。例如:

  • 限制測試變因的數目,只須探究最重要的三個因素

  • 量度降落傘從指定高度墜下所需的著地時間,最慢著地的降落傘為優勝者,目的是測試研究成果

  • 各參賽設計進行兩次測量,選取時間較長的一次作準,目的是減低人為因素的影響

  • 以禮堂為比賽地點,目的是減低風對測試時造成的影響

在推行時,教師應注意以下事項:

  • 何時讓學生學習與降落傘相關的概念和設計?

  • 學生如何辨別影響降落傘效能的因素?

  • 學生根據什麼理據作為設計準則?

  • 學生的能力是否可以應付?

  • 比賽形式是哪一種(班際、組別、個人)?時間和資源安排是否可以配合?

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測試模型

進選擇行測試的地點十分重要。首要的條件是有足夠的高度,否則結果的差異便會不明顯,增加分析的困難。影響降落傘效能的因素有內在和外在兩種。如要測試內在因素,就要減低外在因素的影響。最常見的問題是降落傘打不開,因此投下的技巧是十分重要。如果不能確保每次降落傘打開的方式一樣,會影響探究內在因素的準確性。其次是風太大亦會影響降落傘打開的過程。雖然這兩個因素都是問題中的變因,但是因為研究的著眼點是內在因素,所以它們往往會被忽略。為了讓學生順利進行,教師須要事先跟他們討論,令他們思考這兩個因素的重要性。

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評估方法

教師可根據以下範疇評估學生在本活動的表現:
  1. 科學理據
  • 設計及測試模型的原理
  • 例如:測試各因素的影響;根據測試結果進行設計
  1. 科學探究技能(對應LOFKS3一欄)
Common Competencies

評估準則例子

Predict
  • make further predictions based on available experimental evidence.
 
  • 如果模型(最後版本)的測試結果不是最好,學生會否探討當中的原因?能力稍遜的學生不會發現這個問題;能力一般的學生會解釋原因,根據已有的實驗結果,提出論證支持,而能力較強的學生還會進行實驗,驗證自己的解釋。
Plan
  • propose hypotheses for investigation;
  • plan and carry out scientific investigations consistent with scientific processes; e.g. the concept of a "fair" test;
  • select appropriate apparatus and justify choice;
  • suggest experimental procedures and methods that are appropriate to the questions being explored;
  • understand what empirical evidence will support or refute claims.
 
  • 提出假說,並清楚指出操縱和應變變因。
  • 除確保不保變因不變外,還要確保所有測試在相同的實驗條件下進行,例如:同一日進行、同一地點測試等等。
  • 選用容易找到的材料和儀器,並要考慮實驗安全的問題。
  • 清楚列出各實驗步驟,並建議提高實驗準確性的方法。
Define variable
  • devise experiments with control variables where appropriate;
  • define operationally physical quantities and qualities.
 
  • 能力較強的學生懂得控制不變變因及解釋保持不變的原因。
  • 清楚界定和控制變因。
Information gathering - Observe
  • observe objects and/or events systematically;
  • understand factors that might influence the quality of their observations.
 
  • 細心觀察測試時的情況,注意影響實驗結果的環境因素,建議改善的方法。
Information gathering - Measure
  • make measurements accurately using a variety of instruments;
 
  • 運用合適的儀器,並懂得進行重複測試,增加數據的準確性。
Classify
  • classify according to external features and observed chemical and physical properties
 
  • 分辨內在和外在的影響因素。
Record data
  • make systematic and accurate notes and drawings of observations;
  • compile and display data in a variety of formats; e.g. tables and bar graphs.
 
  • 記錄測試時的情況,可用文字和圖畫描述。
  • 能力強的學生會運用圖表,找出變因的影響,以及變因之間的關係。
Interpret
  • identify similarities, differences, patterns or relationships in a variety of forms of data;
  • suggest explanations for observations that are consistent with the evidence.
 
  • 根據測試結果,清楚指出各變因的變化。另外,還懂得作出預測,找出最理想的參考值。
Conclude
  • combine findings of different investigations in drawing conclusions.
 
  • 能力較強的學生除歸納各實驗結果外,還會指出變因之間的關係。
  1. 模型效能
  • 例如:穩定、著地時間最慢等
  1. 模型外觀
  • 外形美觀、製作精美等

為了清楚了解學生的測試過程,教師可要求學生提交所有有關實驗的資料,例如:測試項目及實驗結果、設計修改的部分及原因等,以便全面評估學生的學習過程和成果。提交的模式可選用書面報告及學習日誌。書面報告詳細記錄從實驗所得資料,以及當中所考慮的因素;而學習日誌則記錄進行的過程,每階段工作的情況,例如:遇到的困難及解決辦法。教師可根據這些工具評核科學探究的過程。

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建議活動流程

流程圖一為科學探究活動的一般程序,列出在各階段常用的科學技能。現就降落傘 設計活動作詳細的描述(參考降落傘設計活動流程圖)。

設計階段:

  • 考慮模型各部分對其效能的影響
  • 界定所有變因及提出假說
  • 擬定實驗步驟及選用合適的材料,驗證假說的真確性
  • 實驗設計一定要符合公平測試的原則

測試階段:

  • 在測試時,要注意一些影響觀察的因素,例如風向會否影響觀察的結果
  • 將觀察結果有系統地記錄下來,如須量度數據,要選用適當的儀器準確地量度,並把有關數據展示在數據記錄表或圖表中

分析階段:

  • 在分析實驗結果時,找出各相關變因的影響和變因之間的關係,並根據各項數據變化形式的異同,解釋觀察結果
  • 綜合各實驗的結果,作出總結
  • 根據實驗總結,評估及修正實驗設計的效能及設計所涉及的假說,如有需要,應再作進一步的驗證
  • 根據實驗總結,找出最合適的設計,製作最後修定的降落傘,並進行測試;測試結果理應是最好的,如果不是,須要作出合理的解釋。

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