如何引導學生觀察與定題(下)—以反應時間測定為例

       上集提到小P老師邀請我擔任研習的助教，讓他在帶理化老師們現場實作po(問題解決-觀察與定題)、pe(問題解決-計畫與執行)的探究共備時，我可以分擔生物老師這邊的共備，且使用他提供的工具Arduino來教學。

圖片取自「小P老師的教具工作坊」

     我的首要之務是決定單元。

        因為目前七年級生物大概都還在上「協調作用」，所以我決定用目前生物老師們最有感的這一章來找「適合探究」的部分。
        所謂適合探究，擺明了：不是每節課、整節課都適合學生進行探究實作，真要那樣做大概就永遠上不完、效果也不一定好了。所以小P老師先說明如何界定「目標」，根據此目標來選擇挑哪一段出來讓學生探究？
        例如：有些小節的「知識」，用傳統講述法、學生筆記法、心智圖教學法都能有效處理整章的概念，但如有些地方講述無效、非得「實作」才能懂(例如學游泳一定要下水)，所以不是每小節概念都適合拿來做探究實驗，但多半是會落在「課本原來就要做實驗」的地方。

       翻開教科書商的教師指引，不管哪個版本的教科書，都會呈現類似「概念地圖」、心智圖這種東西，一目了然要教哪些「知識」。但對於「能力」通常不會提太多。所以我改從「自然新領綱」去找，看看這一章哪裡的「核心知識」會建議老師透過探究實作來處理？
        下面是我把課綱中找到的相關部分，就整理提供給當天研習的老師們：

學習內容：(這個資料怎麼來的？請看文末附註)

主題	次主題	學習內容	學習內容說明
生物的構造與功能(D)	生物體內的橫定性與調節 (Dc)	Dc-IV-1  人體的神經系統能察覺環境的變動並產生反應	1-1認識從刺激到完成反應所需的元件，包括受器、動器、傳遞訊息的路徑、控制中心...等，協助學生了解人類神經系統的運作。
			1-2以實作方式體驗人類能覺察不同形式的環境刺激、並有其限制。
			1-3認識神經系統運作的方式和重要性

         請注意：這三條「學習內容說明」中，第二點其實已經明白寫出要「實作」，這通常就是教科書會放實驗的地方。那我們目前教科書都放了什麼呢？查了一下：有「感覺疲勞」的實驗、有「反應時間測定」的手接尺實驗。那重點來了！我要選哪個實驗？我想找個比較會有「量化數據」出現的，那就是後者了！但，如何把食譜式活動變成探究實驗？

       這裏有個問題要注意：傳統的手接尺實驗，其實不算是實驗，因為沒有操縱變因、沒有控制變因、也沒有應變變因，只有「照課本步驟來做做看」之後的數字統計，甚至還要花很多時間處理「接尺距離如何對照、換算成反應時間」這種偏離學習主軸的事。所以嚴格說，來這只是「活動」、還算不上「實驗」。那怎麼改呢？

      這時腦中閃出我之前在彰德國中任教時、帶學生做的一個科展，就是把反應時間測定方式，從課本的接尺實驗，改成除了用「眼睛」看尺掉落、用手去接，再加上用「耳朵」聽到某個聲音立刻揮手切斷紅外線感測，甚至加上碰觸「手或腳」來接收訊息再做反應的。不只「手」的揮動可以做出反應，還可以用「腳」踏去反應。只是當時我跟學生還沒有辦法處理到以「口」發出聲音來反應，但無論如何我們找了上百學生來做實驗，比較數據之後也得到一些很有趣的結果，當年作品也得獎了！

       事隔多年，今天的教學現場已經有Arduino可以更快處理這些變項，不需要再花時間換算「接尺的距離」到「反應時間的秒數」，而且可以裝led燈發出光、蜂鳴器發出聲音、震動器發出震動，再以亂數設定的延遲時間來產生各種視覺、聽覺、觸覺的訊號。當學生一接收到訊號「立刻」按掉計時器，螢幕就會顯示反應時間是多少豪秒(ms)，這比之前精確直接許多！

       於是研習前，小P老師卯起來寫程式、設定好六台Arduino並校正好時間差，拿來測反應時間的操作方式請見下面影片(反應時間測量裝置)：https://www.youtube.com/watch?v=rNM2p_W1nIM&t=6s

        那如果想測的反應不是手的動作、而是「嘴巴喊出聲音」呢？小P老師介紹我下載「Audacity」 軟體(http://blog.xuite.net/yh96301/blog/50904600)，可以用無線滑鼠在受試學生「遠遠的背後」按下左鍵啟動筆電上的Audacity開始錄音鍵，學生一「看到」音軌跑、就要叫一聲「又!」， 我們立刻就可以看到「起始」到錄到學生叫聲之間隔了幾毫秒。

       若要測聽覺，則可以把無線滑鼠放到學生背後、靠近他耳朵的地方去按，學生閉上眼睛背對筆電，聽到滑鼠按鍵聲立刻喊「又！」。同樣，若要測觸覺，就改用滑鼠左鍵去按壓學生的膝蓋、或手肘。

       這個活動是要讓學生理解：人類能覺察不同形式的環境刺激、做出反應，但反應是有時間差的，這個時間差跟「神經反應傳導途徑」有很大的關係。而且學生普遍的迷思概念是：他們對「秒差」是無感的，通常以為自己看到、聽到之後就「立刻」按掉！其實感覺不出那個「立刻」還是有快有慢，人類的反應再怎麼快都還存在著「反應時間」(迅雷不及掩耳)，這就是開車騎車需要預留「安全煞車距離」的原因。

        反應時間的快慢固然因人而異，但同一個人的不同動作也會有反應的快慢之分。例如眼睛看到的訊息，要透過視神經傳到位於「後腦杓」的大腦視覺接收區，會比聽覺遠、也比較慢，因為耳朵聽到聲音要傳到位於「耳朵旁邊」的大腦聽覺區，相對近一點、反應時間就會比較快。

        再例如：大腦發出的指令要傳到手去做出反應(按掉計時器)，這條神經傳導路線比起傳到嘴巴要遠、所以反應會比較慢。相對的，大腦要嘴巴去反應(大叫一聲)的神經傳導路徑比較近、所以反應時間也比較快。(所以會「脫口而出」、「口無遮攔」？哈哈！)

       以上這些其都是在處理上篇文章中所提的「直接給學生最快、最簡便的方法以得到應變變因」，換句話說：「用什麼工具測反應時間」這件事不需要給學生探究，那部分是老師們共備時就要先處理好的，先 try 出最快、最簡便、最直觀、最有把握得到準確數據的方法，教給學生，讓他們直接學起來用就好。

       講到這裡，還沒進入「實驗」唷！還只是工具介紹及反應時間的說明。下面才開始談怎麼教學生探究的「觀察與定題」。
        首先我們看一下新領綱中要學生學到什麼能力？(請先暫時放下關於一堆神經系統反應時間的「知識」)：

學習表現：(雖然很多，但這次先聚焦po、pe的第一條)

觀察與定題 po	po-IV-1	能從學習活動、日常經驗及科技運用、自然環境、書刊及網路媒體中，進行各種有計畫的觀察，進而能察覺問題。
計畫與執行 pe	pe-IV-1	能辨明多個自變項、應變項並計劃適當次數的測試、預測活動的可能結果。在教師或教科書的指導或說明下，能了解探究的計畫，並進而能根據問題特性、資源（如設備、時間）等因素，規劃具有可信度（如多次測量等）的探究活動。

       我們回到上一篇提到的策略：第一件事就是先把一堆亂七八糟的變因加起來，弄兩個反差很大的現象讓學生去觀察。怎麼弄？

        既然我們要學生體驗、了解人的各種反應是有不同反應途徑的，且大腦是反應中樞，受器動器距離大腦的距離，會影響反應的快慢(反應時間的長短)。那我們就要挖洞讓學生去觀察到「反應途徑」這個變因。

        於是把我所有已知影響反應時間的變因，加上自己聯想的各種「雜訊」變因，組合成一個強烈對比情境：
(1)一個短小精幹的運動健將男同學，讓他在聽到Arduino蜂鳴器響了之後、立刻大叫一聲，用Audacity程式錄這兩個聲音，測時間差就是反應時間。
(2)再找一個手長腳長、比較胖、不愛運動又感冒或前晚熬夜的女老師，做「膝蓋感受到Auduino延伸震動器、立刻手按掉計時，看時間差」。
(3)理論上前者秒數(耳朵->大腦->口)會小於後者(膝蓋->大腦->手)，於是問學生為何兩者時間差這麼大？

       學生就會開始提出「多個自變項」，有性別、年齡、高矮、是否擅長運動、有沒有感冒或熬夜、以及老師最想聽到的：「接收刺激的器官不同」、「做出反應的部位不同」等等。最後面這兩個變因就是老師想挖給學生跳的坑，所以就引導學生將這些變因分類，篩掉做不到、不方便做的，想方設法「引君入甕」，讓學生決定去做不同「受器」、或不同「動器」的這兩個變因就好，至於性別、年紀、高矮、胖瘦...等變因都要控制一樣才好比較。(其實最好就是從頭到尾都同一個人做測試，但這點老師不要先破梗、就留給學生去發現)。

      再來老師就從學生提的諸多變因中，選一個來示範「操縱變因、控制變因」的實驗設計，例如找幾個同班男學生、女學生來測，除了性別、其他變因都要一樣。老師示範完，就讓學生開始自行根據他們自己所選的操縱變因、來設計他們自己的實驗，且必須做到兩個以上的控制變因。至於怎麼得到結果(應變變因)，前面已經提過這是不需要探究的，老師教他們的Ardiuno或Audaciyt就好。

       當我說明完這個範例，交給研習的老師們去體驗那六台Arduino及現場帶去的兩台灌有 Audacity的筆電，老師們就開始練習以這個模式去設計探究實驗，甚至有老師們從下一章「恆定性」去找類似適合探究的題材，最後的發表看到許多精彩的成果，我就知道老師們抓到那個點了！當下覺得：搞了這麼久，辛苦還是有代價的。

       謝謝月鈴老師打前鋒摸索著探究研習比較有效的模式，謝謝小P老師協助提供Arduino及介紹Audacity，謝謝橘子蔡老師在研習之後提供更多聚焦的脈絡。

        po、pe之後就要進行pa數據分析了！感謝之前阿簡老師在我們這個計畫開了幾場專門處理pa的研習，也寫成一系列部落格(我的研習心得：http://biotop-pikawan.blogspot.tw/2017/06/blog-post.html)，希望這個計劃能越來越清晰地開創出探究教學研習的模式，以因應實施在即的十二年國教新課綱。謝謝當天三十多位國中組夥伴們與我們一起冒險嘗試，這條路不好走，但有伴就輕省許多，不是嗎？

附註：國中階段學習內容代號說明

主題	次主題	學習內容
A. 物質的組成與特性 B. 能量的流動與型態 C. 物質的構造與功能 D. 生物的構造與功能 E. 物質系統 F.  地球環境 G. 演化與延續 H. 地球的歷史 I.   變動的地球 J.  物質的反應、平衡、與製造 K. 自然就的現象與交互作用 L.  生物與環境 M. 科學、科技、社會、與人文 N.  資源與永續發展	Da 細胞的構造與功能 Db 動植物的構造與功能 Dc 生物體內的恆定性與調節	Dc-IV-1  人體的神經系統能察覺環境的變動並產生反應。  Dc-IV-2  人體的內分泌系統能調節代謝作用,維持體內物質的恆定。  Dc-IV-3  皮膚是人體的第一道防禦系統,能阻止外來物,如 細菌的侵入;而淋巴系統則可進一步產生免疫作用 Dc-IV-4  人體會藉由各系統的協調,使體內所含的物質以及各種狀態能維持在一定範圍內。 Dc-IV-5  生物能覺察外界環境變化、採取適當的反應以使體內環境維持恆定,這些現象能以觀察或改變自變項的方式來探討。