Transcript 科學研究
追真求理 追 追 追根究底 追本溯源 科學展覽 追 報告人：台北市 明德國小 自然科教師 吳 柏 菱 中華民國100年9月29日 破題 什麼是科展？ 誰是研究者？ 為什麼要參加科展？ 打算投入多少心力或時間？ 報告大綱 何謂『科學研究』 如何找科學研究的題材 科學研究如何進行與展現 何謂『科學研究』 科學研究之目的是為了解答疑惑與解決問題， 追求真理。從事研究可以找答案，也可以發掘 新問題，因此科學研究是一連串的假設疑問的 驗證歷程。 用精準的科學態度與方法驗證假設與解決問題， 每個障礙就會成為一個學習與精進的機會。 科學研究包含4個步驟 1.觀察：觀察是借助一種或多種感官和儀器從環境中獲得 資訊的歷程。各種問題都來自觀察，觀察的結果 可能是定性的或定量的。 2.假設與推論：假設是對觀察結果提出的解釋。推論是指 以現有的資訊為基礎，運用邏輯思考推導出結論 。假設和推論皆有可能正確，也可能錯誤。 3.預測：根據假設與推論，再運用想像力對可能發展的結 果做出猜測，稱為預測。預測可能正確，也可能 錯誤。 4.實驗與驗證：科學家用觀察或進行實驗來蒐集新的訊息 ，以決定假設是否恰當，預測是否正確。 如何找科學研究的題材 訂定研究主題的原則 以學校課程所學為基礎 自己真的好奇或是感興趣 符合安全考量 符合時空能力 考慮器材費用 大題小作→小題大作 例： 螢光棒 → 影響螢光發光的因素 → 影響螢光發光亮度的因素 植物 → 蕨類 → 栗蕨 → 影響栗蕨在硫磺谷分布的因素研究 研究主題的來源 課本內容的延伸 注意書報期刊的報導 日常生活周遭自然現象探討 當年度熱門話題 由歷屆科展中尋找靈感 課本內容的延伸 課本上的實驗受時間限制，多半只能探討 1至2個變因，且驗證次數或樣本數並不足 夠，如果透過討論後能激發出更多疑問， 這便是發展成為科展主題的最佳題材。 41屆全國_生活應用科學：變色筆DIY 〈水溶液的酸鹼性〉 48屆全國_地科：照過來！看我為太陽能板擺POSE 〈太陽高度角〉 注意書報期刊的報導 在科學期刊或是報紙上常會刊載一些科學 專題報導，由這些報導中，找尋與課程相 關、符合學自己能力的研究主題。 由觀看各種科普節目、或是參加針對某些 主題的科學活動中，亦可以獲得一些靈感。 40屆北市_生物科：拈花惹草愛『香』隨〈自製香水〉 48屆全國_化學科：染出一片光明〈太陽能發電〉 『…DIY』的操作步驟是最佳設計嗎？ 生活周遭自然現象探討 此類研究最能反應學生應用所學，關懷 環境的精神。 鼓勵自己對生活點滴要有feel！ 留意在地文化、自然資源或產業，亦是 可以參考的方向！ 46屆全國_生物：攀簷走壁祕技大發現〈爬牆虎〉 40屆北市_物理：量身訂做『濃、純、香』〈霜淇淋〉 關注當年流行的話題 此類的研究主題每年都出現不少，因其 為新的主題，往往都能得到評審青睞。 培養實事求是的科學態度，用科學的方 法追求流行！ 32屆全國_生物：向登革熱挑戰 40屆全國_地球科學：不可思議的地震 45屆全國_生物：螞蟻世界大不同 40屆北市_地球科學：CSI『二氧化碳謀殺冰山』案 件調查實錄 今年流行什麼話題呢？ 由歷屆科展中尋找靈感 思考作品的研究範圍、研究儀器設計、 實驗對象…等還有需要改進的地方嗎？ 思考已有的研究技術或成果可以轉化運 用在其他領域的研究嗎？ 48屆全國_化學科：染出一片光明 → 綠色奇蹟 49屆全國_ 化學科：亮不亮？有關係！ 〈靈感源自維他命B2研究〉 42屆北市_ 物理科：閃閃發亮的危機 〈靈感源自螢光變色研究〉 中華民國中小學科學展覽優秀作品 查詢方式：國立台灣科學教育館 → 臺灣網路科教館 → 科展群傑廳 → 全國中小學科展 → 全國中小學科展作品 延伸研究主題的思考向度 研究主題 文獻探討 釐清關鍵字、詞定義 環境因素 物質特性因素 覺察空白研究中 呈現的各種現象 操作因素 將可能影響因素適當排序後 逐一進行科學假設驗證實驗 落地生根 營養繁殖 營養繁殖… 光線、土壤 葉片大小、品種 營養繁殖失敗現象 葉片擺放、澆水 葉片成熟度(大小)、提供外在營養(水、土、光)與否 、水分多寡、擺放方式(正反面朝上、平擺與直立)… 科學研究如何進行與展現 『科展作品說明書』包含的內容項目 就是進行方式的引導 說明書各內容項目的內涵 呈現說明書各內容項目的可行方式建議 科展作品說明書的內容項目 摘要 壹、研究動機 貳、研究目的 參、文獻探討 肆、研究設備器材 伍、研究過程或方法 陸、討論 柒、結論 捌、參考資料 壹、研究動機 內涵 表達對於學校課堂學習中產生的疑惑或特別 感興趣的內容想做更深入或更廣泛的探究 想將所學概念應用於發明、改良等其他方面 生活中或學習中的偶然觀察或經驗所帶來的震撼 對流行的發明趨勢或熱門話題與產品的好奇 ‧‧‧ 呈現方式 以一篇300的短文呈現，其中必須包括：與學校課 程單元或活動的相關性、引發興趣與動機的事件敘述、 以及研究者想進一步探究的方向。 範例：照過來！看我為太陽能板擺POSE 在上自然課的「能源應用和空氣污染」單元時，我們得知 太陽原來是地球上最主要的能源，只要太陽一出來，就提 供給大地上所有生物最基本的能量。此外，現在全球爆發 嚴重的能源短缺危機與空氣污染破壞環境等問題，因此近 年來人類投入很多心力在研究新興能源「太陽能」，特別 是太陽能板只需接受太陽光的照射，就可以無污染、無廢 棄物的產生電能；而且可以承受風吹日曬雨淋，陰天也能 發電，使用上更不會有危險，是個很值得研究的新能源。 所以我們覺得自己也應該對太陽能板如何吸收太陽能轉換 成電力的現象多一些了解。後來回顧五年級自然課的「太 陽的觀測」單元時，我們也對太陽位置的變化有一些基礎 認識，所以引發我們產生了想要研究「如何擺放太陽能板 位置，才能讓太陽能板產生最多的發電量」的念頭，因此 便開始了我們的研究。 貳、研究目的 內涵 對可能影響研究主題的變因進行基礎觀察、資料 蒐集或比較影響程度。 將感興趣的變因分類探討其與研究主題的關係。 將上述研究成果延伸與運用，以產出具體成品。 ‧‧‧ 呈現方式 以條列式方式呈現。 每一個目的皆為直述句。 例： （觀察、比較、探討、分析、製作…）（某一影響 因素）對 （研究主題）的（影響、變化情形）。 目的範例： 觀測一天中太陽高度角與方位角隨時間變化的規律 探討在戶外環境中調整太陽能板傾斜角〈太陽光入射角〉 對太陽能板發電量的影響 觀察將放大鏡聚光在太陽能板上是否能夠增加太陽能板 的發電量 製作可以精確測量太陽高度角和方位角的觀測儀器 調查比較硫磺谷景觀區內栗蕨與芒草的分布消長情形 觀察分析栗蕨在硫磺谷地熱景觀區域內的生長環境特徵 觀察栗蕨的外型與各部位構造特徵 觀察栗蕨利用孢子繁殖的歷程 參、文獻探討 內涵 針對研究主題的關鍵詞，根據文獻資料進行定義釐清。 將類似或相關研究的結果加以整理比較，提出已知的概念 和待研究的的變因。 指出不同研究的結果矛盾處，以作為自己研究設計的根據， 突顯研究的價值。 ‧‧‧ 呈現方式 分項作陳述。 內容包括『文獻的論述重點』以及『對研究者的啟發』。 若是比較兩份以上的文獻，可以表格形式做比較呈現。 文獻範例： 在「爬牆虎」的網頁中看到「爬牆虎它的莖汁有甜味， 可直接榨汁飲用；也可將莖汁水分蒸發，並析出結晶以做 為砂糖的代用品。」讓我們對莖之間的甜味產生了興趣與 猜測，因為我每次在吃路邊賣的棉花糖時，都因為沾到水 而弄得黏黏的，所以，爬牆虎可能是因為莖本身具有糖份 加上植物原本就有水分，所以糖加水會黏黏的，便有可能 是吸盤所分泌出具有吸附力的黏液。 從「第42屆國中生物組的『獅頭山蕨饗』」文中，我們 看到了他們是以「整座山」的蕨類分布進行研究，而我 們因時間、技術考量，無法對整座陽明山進行研究，所 以選擇「硫磺谷」為觀察地點；並參考獅頭山蕨饗中的 做法，將調查區依路線每50m為一個區段做調查統計。 肆、研究設備器材 內涵 說明研究器材的名稱、材質規格、數量。 說明研究環境的設計安排。 將器材依據『運用情形』加以分類。 自製器材的組裝原理 呈現方式 以表格形式並按功能分類或分項呈現。 自製儀器可放置照片，並搭配構造解說。 環境調查器材 方位距離測量 Google地圖 15cm鐵尺.5m.30m捲尺、指南針(指北針) (水及土壤)酸鹼測試 土壤酸檢測試筆、水溶液酸鹼測試筆、廣 用試紙 露水收集 小玻璃罐(20ml)、滴管 空氣特徵調查 電子式濕度溫度計、Ecolog高互動科學實 驗記錄儀 量筒、電鍋、 鋼杯、微量天平 鋼鍋、鋼碗、電磁爐、 計時器、研缽、研杵 這是我們的蒸飯器具。 把米蒸熟後，我們必須依據 做實驗之前，我們必須先把 每個實驗的需求，把米搗碎、 生米蒸熟，才做其他的測試。加熱攪拌。 鐵棍，放在夾子中，將 漱口杯懸掛住 上下兩個漱口杯各穿三 個洞，用迴紋針將兩個 漱口杯接在一起。 鐵盤，盤中墊著抹布， 以防漱口杯掉下來時種 物彈出及發處聲音 支撐架，將鐵棍放在夾 子中的凹槽 漱口杯的正中間要穿兩 個洞，以便將鐵棍從洞 穿過支撐。 塗抹黏劑的 位置。 重物放置處，將砝碼、 迴紋針放入，以便秤出 漿糊承受的重量 這是我們自製的測黏力裝置，使用方式如下： 我們把熬煮好的漿糊塗在兩個小量杯之間。上方的量杯以 鐵棒固定，架在支撐架上；下面的量杯以迴紋針連著另一 個小量杯，（共三個量杯）然後在串連著的量杯中加重量。 以微量天平量出漿糊所能承受的重量（g）。 實驗對象 名稱 水溶液 數量 名稱 實驗工具 容量 名稱 數量 名稱 數量 蛤蜊（蜆仔） 75個 鹽水 300c.c 透明淺盤 5個 漏斗架 3座 蛤蜊（文蛤） 75個 糖水 300c.c 量杯 5個 漏斗 5個 白醋 300c.c 滴管 5個 溫度計 1個 水 300c.c 濾紙 5個 微量天平 實驗裝置擺設情形 微量天平操作情形 大文蛤 蜆仔 1個 伍、研究過程或方法 內涵 根據『研究目的』，設計一系列觀察或實驗進行探究。 各實驗間的順序安排應有相依或邏輯關係。 為達成一個研究目的，可能不只進行一項實驗。 每個實驗皆應符合科學假設驗證的精神與歷程，並充分 運用課堂所學。 ‧‧‧ 呈現方式 一個完整實驗應包含的基本架構。 伍、研究過程或方法 假設驗證實驗〈每一個實驗皆須包含下列項目〉 實驗假設：猜測操縱變因和應變變因的關係 （是否有關係？何種關係？）亦可提供實驗動機與假設依據。 變因操控：操縱變因、保持不變的變因、應變變因 實驗步驟：依時間前後順序，以條列式詳細說明， 包括：1.實驗前的器材準備、儀器製作… 2.實驗中的操作流程、定量控制… 3.實驗結果測量紀錄方法、測量次數或頻率… 實驗觀察紀錄：根據實驗的操縱變因與應變變因規劃設計 並以表格、圖文並呈的方式紀錄。 實驗結果：說明假設是否成立，實際關係為何？ 變因控制嚴謹、操作步驟確實、觀測技術精確、 記錄完整豐富、結果有重現性、論証合乎邏輯 陸、討論 內涵 針對與實驗假設不符的結果，分析可能的因素，提出合 理的解釋或進一步研究的規畫。 針對實驗設計上的缺失進行檢討反省，以提供後續相關 研究做參考。 針對一系列相關實驗結果進行比較、做聚斂式的歸納異 同或是演繹式的推論、分析各項因素的影響關鍵程度。 ‧‧‧ 呈現方式 依據討論涵蓋範圍大小或研究發展的順序，逐項說明相 關思考歷程。 範例： 實驗對象的挑選 •在準備實驗用植物時，因為每盆植物的樣子都不可能一模一樣，所以為了讓實驗結 果更加準確，我們只能在同一時間，向同一家店的同一批貨源中挑選高度、色澤、葉 片大小、茂密度…等生長外貌相似的植物。另外一個可能方法就是把同一株茂密的植 物分株，這樣就能讓植物的品種與原本生長條件保證相同，但是必須分株一段時間讓 植物確定生長良好後才能進行實驗，要花更長的時間做研究。 與科學文獻的比對、探討 •實驗所得到的結果：大部分的植物照了紫外線後，葉背紫色都比原先的紫色還要深 。這項結果輔合了文獻上所提到「紫外線會促使花青素生成」這項論述，所以我們證 明了紫外線光的確會改變植物葉片花青素產生的多寡。 •在做實驗一時，B區的植物照射UVB紫外線後，我們發現植物的葉片都變小了，尤其 是紫鳳凰，經過文獻的證實「紫外線會抑制植物生長」，所以實驗後期再去花市添購 新的紫鳳凰時，我們才注意到實驗用的紫鳳凰葉片都已經比原本的紫鳳凰葉片小了許 多，與文獻上的情形相輔。 結果分析的可信度 •從各個實驗所得到的結果，越多的紫外線光，能促使越多花青素生成，但是楓葉卻 是在較少紫外光的秋天變紅，跟我們的實驗結論剛好相反，經過文獻查證，資料提到 楓葉變紅的原因是：「到了深秋，葉子的葉綠素不斷減少，葉子的綠色褪去，而花青 素卻不斷增加，紅色增強，於是就變成鮮紅可愛的樹葉了。日光愈強，植物產生的花 青素就愈多，溫差越大，葉綠素降得越低，葉片的顏色變得越紅。…因此，楓葉變紅 的程度與日照、氣溫、乾旱…有關。」表示了雖然到了秋天紫外線較弱，但是花青素 並沒有因為紫外線不強，就停止生成，只是生成量較少。楓葉變紅的原因，並不是因 為沒有紫外線會產生更多的花青素，而是葉綠素的減少凸顯了花青素，所以也符合了 我們實驗所得到的結果。（楓葉變紅了，天然色素的顏色化學 http://www.nsc.gov.tw/_NewFiles/popular_science.asp?） 柒、結論 內涵 針對『研究目的』逐項說明研究結果與發現。 說明研究結果的價值與運用時機。 建議未來進一步研究的可行方向。 分享科學研究歷程中的學習所得與心得感想。 ‧‧‧ 呈現方式 再次簡要說明整個研究架構與研究目的。 呼應研究目的：以條列式再次簡要說明各項研究的結果與 發現。 捌、參考資料 內涵 提供研究歷程中所蒐集與參考的所有詳細相關資料。 呈現方式 參考資料的書寫規格參閱APA格式。