書名：動手做科學探究：輕鬆運用生活中的材料，培養提問、設計實驗、邏輯思辨與表達能力

作者簡介

姓名：蔡任圃
人稱艦長，國立臺灣師範大學生物學碩士，現任北一女中生物科教師。獲教育部師鐸獎、臺北市特殊優良教師、科展優良指導老師等榮譽，曾擔任臺北市高中生物科輔導團、中山女高數理資優班召集人。

創立蟑螂實驗室（動物行為與生理學實驗室），帶領學生從事昆蟲研究；開發與推廣跨科科學探究活動，與發起「生物學學理解碼運動」；培育科學人才，以「培養科學素養，訓練科學技能，累積科學知識，建立科學態度」為使命。

著有針對高中生的《生物學學理解碼》和《生物學學理解碼2》（皆為紅樹林出版），並獲選「文化部中小學生優良課外讀物」。

相關著作：《生物學學理解碼2：從生物化學、細胞、生理、演化到遺傳，完整剖析35個高中生物學疑難案例》《生物學學理解碼：從研究史、生態、生理到分子生物，完整剖析39個高中生物學疑難案例》

書籍目錄

自　序　依邏輯架構，從做中學習
推薦序　培養獨立研究能力的第一步　

實驗設計：以邏輯辯證的方式證明特定因子的效應

研究資料的種類、數據處理與科學圖表

動手做科學：科學探究活動

01 任務主題︱BMI大比拼與跳動的銅板：取樣與平均
初階活動︱身高體重指數的調查與比較
進階探究︱擲錢幣之各種結果的機率
高階研究︱肥胖程度與年齡的關係

02 任務主題︱英雄氣長：人體憋氣時間的測量與影響憋氣時間的因子
初階活動︱肺內殘餘空氣量對最長憋氣時間的影響
進階探究︱套袋呼吸與過度換氣對最長憋氣時間的影響
高階研究︱分段呼氣是否會增加最長憋氣時間

03 任務主題︱彈指之間：手指敲擊頻率的測量與影響手指運動速度的因子
初階活動︱手指敲擊頻率的個體差異與左右手的比較
進階探究︱溫度高低對手指敲擊頻率的影響
高階研究︱兩指與單指敲擊頻率的比較

04 任務主題︱眨眨眼：眼瞼反射的性質與影響其調節作用的因子
初階活動︱雙眼或單眼、全張或半開對不眨眼最長時間的影響
進階探究︱戴上蛙鏡或滴生理食鹽水對不眨眼最長時間的影響
高階研究︱光強弱對不眨眼最長時間的影響

05 任務主題︱紙潛艇：影響紙張密度與氣體在水中溶解度的因子
初階活動︱影響紙張密度的因子
進階探究︱影響氣體在水中溶解度的因子
高階研究︱溫度對紙片沉入水中現象的影響

06 任務主題︱看遠看近：看清楚之最近距離的測量與影響眼睛聚焦的因子
初階活動︱慣用眼的判斷
進階探究︱性別、年齡對「可看清楚近物的最近距離」的影響
高階研究︱眼鏡對「可看清楚近物的最近距離」的影響

07 任務主題︱白江起雲霧：酸鹼質變化對豆漿產生固形物的效應
初階活動︱哪些物質可引發豆漿產生固形物
進階探究︱豆漿在哪個pH值時會產生凝集
高階研究︱已凝集的蛋白質可否再度溶解

08 任務主題︱苗小葉大：葉片大小與在植株上分布的關係
初階活動︱如何測量葉子的大小
進階探究︱影響葉子面積與質量的環境因子
高階研究︱單葉、裂葉與複葉的比葉面積比較

09 任務主題︱黑白碘：維生素C與雙氧水的氧化還原能力
初階活動︱維生素C與其他物質的抗氧化能力比較
進階探究︱如何量化抗氧化力
高階研究︱接觸空氣的時間長短對蘋果汁抗氧化力的影響

10 任務主題︱我的心兒碰碰跳：人體心跳率的測量與探討影響心跳率的因子
初階活動︱姿勢與憋氣對心跳率的影響
進階探究︱潛水反射與倒立對心跳率的影響
高階研究︱溫度對脈搏頻率的影響

11 任務主題︱冷水熱油：探討水與油的熱量傳導與散失等性質
初階活動︱吸熱能力與表面積對溫度改變速率的效應
進階探究︱攪拌對水與拉沙油散熱速率的效應
高階研究︱水面的油是否會使水溫度下降的速率變慢

12 任務主題︱酸鹼合度：蛋白質溶液的酸鹼緩衝性質
初階活動︱加入酸性或鹼性溶液對水之pH值的影響
進階探究︱加入酸性或鹼性溶液對脫脂牛奶之pH值變化的效應
高階研究︱比較脫脂牛奶與豆漿的酸鹼值緩衝範圍

13 任務主題︱綠舟浮沉：影響植物光合作用產氧的因子
初階活動︱光線是否會影響葉子行光合作用的速率
進階探究︱綠色的植物構造都會行光合作用嗎
高階研究︱溶液的酸鹼值對光反應的影響

14 任務主題︱水流面面觀：如何測量流體的流量、流速與截面積
初階活動︱供水器的製作與流量、流速的測量
進階探究︱注水器的流量與流速會隨時間改變嗎
高階研究︱推算各種燒杯的截面積

15 任務主題︱聲形傳意：嘴形與隆巴德效應在聲音訊息傳遞中所扮演的角色
初階活動︱嘴形在訊息傳遞中所扮演的角色
進階探究︱聲音的干擾是否會改變說話者的頻率
高階研究︱干擾音對說話者之聲音頻率的影響

16 任務主題︱魚躍龍門：以虹吸現象探討水管內徑與長度對水流阻力的效應
初階活動︱水盆的高度對排水速率的效應
進階探究︱水管的內徑與長度對水流阻力的效應
高階研究︱比較不同黏滯度之流體的阻力

17 任務主題︱照得住：太陽方位與葉片受光量的關係
初階活動︱如何測量植物葉片的主要面向
進階探究︱植株葉片的主要面向會隨著太陽的東昇西落而改變嗎
高階研究︱不同緯度或不同季節對植物葉片朝向方位與仰角的影響

18 任務主題︱氧碳調：測量動物與植物組織的耗氧與產二氧化碳速率
初階活動︱測量生物樣本的耗氧速率
進階探究︱測量生物樣本的產二氧化碳速率
高階研究︱計算呼吸商以判斷代謝物質

19 任務主題︱尿尿小童：水瓶漏水的孔洞數量、位置與大小對排水水柱性質的效應
初階活動︱孔洞的數量與位置對排水現象的效應
進階探究︱不同高度的孔洞，排出的水柱角度與距離有何不同
高階研究︱孔徑大小對水柱的距離與切線角度的影響

20 任務主題︱汽水真有氣：影響碳酸溶液釋出二氧化碳速率的因子
初階活動︱不同材質對引發汽水冒氣程度的效應
進階探究︱酸鹼值與表面張力對引發汽水冒氣程度的效應
高階研究︱是否濕潤與溫度等因子對汽水冒氣程度的影響

科學報告的撰寫

推薦序/導讀/自序

培養獨立研究能力的第一步
龔雍任
12年國民教育希望能把學生培養成終身學習者，為了達到這個目標，從國小到高中都強調要利用生活情境來教學和評量，各種以「素養導向」為名的課程與題型突然變成最熱門的教育關鍵字。學生想要盡早做出架構良好的獨立研究，而教師需要構思各種建構學生能力的課程，不過我們大家都準備好了嗎？
身為在12年國教裡擔任最後一棒的高中生物老師，我必須承認，高中自然科老師在面對這個史無前例的任務時，除了要自己設計課程與教材，還要跨科授課以及符合科學素養等各項挑戰，許多人是手足無措的。另一方面，高中生雖然已經學了9年的自然科學，但是問問他們「你有辦法自己設計一套研究流程，以解決某個疑問嗎」，大部分人也是搖搖頭。台灣的教育理念持續進步，讓人欣喜且自豪，但我們真的很需要先行者給予大家一個範例、一個方向，讓大家可以站在他的肩膀上看得更遠、走得更穩。這個時候，還好我們有蔡任圃老師。
蔡任圃老師（a.k.a 艦長）是我加入師大生物系林金盾教授實驗室時認識的學長，還記得他為了探討各種參數對於蟑螂觸角擺動模式的研究，利用瓦楞紙板自製蟑螂觀測儀器，以紙門控制燈光、空心保麗龍作為跑步機，建構出這個設計起來可能要數萬元的裝置，讓我在心中默默稱他為「實驗裝置的魔術師」。然而，這僅不過是蔡老師的初啼之聲，成為高中老師之後，他持續利用各種手邊容易取得的材料，透過精確的學理作為基礎，設計出一個又一個有趣且極具探究意義的實驗，集結起來便成為這本寶典。
此書適合國小生閱讀，可以從小建構起正確的研究觀念，並用許多生活化的手做小實驗充實暑假與社群時間；此書適合國中生，結合理化、生物與地科的各種實驗，不僅可以配合初階、進階及開放性的探究活動一層一層深入核心，甚至可以以此為基底發展出自己的研究方向；此書也適合高中生，每個看似簡單的活動背後都有不簡單的科學原理剖析，可以從中找到喜歡的關鍵字，上網查資料並爬梳成完整的科普文章，寫出條理清晰的小論文作為自主學習的成果；此書更適合老師參考，不管是科學社群（社團）活動、科學文本補充、跨科探究與實作的演練或是多元選修課程、微課程、校本課程的設計，這本書稱為寶典絕非言過其實。
我認識蔡老師，我相信他不僅是想讓這本書變成孩子的課本、老師的教材，他更想讓此書成為打火機，讓每個看到此書的人都被啟發並且熊熊燃燒。這本書裡有各種有趣的實驗、精準正確的學理探索，更有蔡老師對於科學研究的滿腔熱血。期待大家跟隨艦長的腳步，一起動手做科學探究，厚植台灣的科學研究實力！
（本文作者為臺中市立臺中一中生物科教師兼任第五屆、第十二屆科學班導師）

文章試閱

自序
依邏輯架構，從做中學習
科學探究能力是國家競爭力的基礎，多次教改皆對科學探究能力有著不同的詮釋與期許，但科學探究並不好教，也不好學，這是為什麼呢？科學探究能力的教學並不是只有理論、原則的陳述，而是須透過實際演練來訓練研究設計、實驗操作、邏輯思辨與表達分享等能力，且不同的性質的實作經驗旨在訓練不同的探究能力。簡單的說，科學探究能力是一門「依邏輯架構，從做中學習」的學門。若提供科學知識與實驗設計的原則，卻無法在操作中實踐，會讓學習者知其然而不知其所以然，成為知識的承載者而非創造者；但若讓學習者盲目地進行操作，又會淪落成依指令行事的技術員而非能獨立思考的研究者，依然無法習得探究的技能。因此科學探究能力的訓練，應是在建立理論、學理、規則的基礎上，進行有計畫性、經設計的實驗操作，最後透過歸納結論而分享、批判，與回顧檢討而自省、除錯，慢慢訓練成能獨立思考、邏輯辯證、解決問題、分項共進的科學探究人才。本書期望能提供科學知識與實驗設計原則，同時也提供多個科學探究活動的指引，使學習者可學、做兼備。
本書內容包含四個章節：「實驗設計」、「研究資料的種類、數據的處理與科學圖表」、「動手做科學-科學探究活動」與「科學報告的撰寫」，期待能從建立科學探究的基礎概念、知識，到透過實作來演練各種探究技能，最後介紹如何將研究成果撰寫成專業的科學報告，來訓練國小高年級至國中階段的孩子，厚實其科學探究能力。本書的編排與設計具有以下的理念與精神：

一、由簡而難，先實後虛
先透過食譜式的實驗活動，先引導學習者熟悉實驗操作的過程，了解各項工具的特性與限制，也先練習數據的收集、紀錄與整理方法，之後才依不同的任務，探討指定變因與規劃實驗設計，或是自行尋找變因與研究方向。

二、探究不是漫無目標的創意發想，而是精心設計的教學活動
透過預先設計的探索歷程，甚至預先設計相關的變因讓學習者在探究時得出不合理的結論，再透過科學學理上的邏輯思考與辯證，健全學習者的邏輯思辨與解決問題的能力。若無法掌控學習者的探究過程，引導者不易從中給予適當指導，而易流於放牛吃草，不但浪費教學時間，學習者在探究過程可能出現違反科學技能，甚至違反科學精神的想法或做法。

三、按部就班的量化技能訓練
科學探究需以數學工具作為基礎，讓數據為科學探究發聲。在科學探究的課程中，必然需一併訓練數據紀錄、處理、運算、甚至統計等數學技能，但若一開始就使用複雜的式子運算，不但學習者無法理解其原理，也會懼怕複雜難懂的計算而減少探索的動機。本書規劃的科學探究活動，透過操作說明與數據紀錄表的設計，訓練學習者從簡易的數據運算開始練習，並逐漸增加運算的複雜程度。

四、重視探究歷程而非研究結果
科學探究課程的學習，主要發生在科學探究的歷程，而非實驗結果的發現。為了加強探究歷程的教育功能，在探究活動後的問題討論，透過詢問：在實驗操作的過程中，哪一步驟的挑戰最大？你覺得還可以如何改良或設計實驗？等問題，讓學習者自行組織實驗結果與自我檢討，讓學習者能從錯誤中學習，累積自我評估、修正的經驗與能力。

訓練科學探究能力需要精心設計的課程規劃與相對應的教材教法，也需考慮器材與場地的限制。本書期望能提供科學探究所應先建立的基本觀念與知識，再透過多種不同性質的科學探究活動演練各項能力，這些科學探究活動有以下幾個特色：
一、器材容易準備、價格便宜，且操作活動的場地限制小，在教室或家中皆可執行。
二、操作技巧的門檻低，國小學生即能操作，但背後可探討的科學學理可由淺至深，故即使是高中或大學生，亦能作為訓練科學探究的教材。
三、各科學探究活動的主題，皆設計有初階、進階與高階的探究任務，從具體易行的食譜式實驗，逐漸提升至較為複雜、具挑戰的開放性任務。
四、不局限於單一自然科科目的概念，而是橫跨物理、化學、生物，甚至是數學的領域，使科學探究的學習能更加廣泛全面。
五、兼具質性比較與量化分析的訓練，亦練習不同科學表格與圖形的紀錄與繪製，並藉由問題討論，使學習者統整探究的過程與成果，以培訓各種科學探究技能。
六、各科學探究活動後，皆提供相關的科學學理說明，讓師生在探究的過程中，有相關理論與機制的支持，幫助師生在詮釋研究成果時能具有科學學理深度。

科學探究能力的培訓課程，因為所要教授的知識、技能與態度實在博大精深，即使很努力想編寫入本書，仍有許多遺漏、不足。本書期望能拋磚引玉，喚起大眾對科學教育重視，尤其是對下一代科學探究能力的培養。