中學以下的素養教育與經驗談:國二上自然科,測量篇

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每篇都要再次說明,所有的教學方法與手段,完全要看:
  1. 個人因素
  2. 社經背景
  3. 對應教材與年齡
沒有百分百適用,也不會有一招行天下的密技,最大差異在於針對個人或是多人數上課。而且不管多好的教材,只要學生本身完全沒有學習的意願,都是沒有用的,這時候就得要換其他方式,不能只看教材與方式。

自然在國二正式進入理化篇,中學生最感到痛苦的一門科目,痛苦指數甚至超過數學。這不是唬爛,因為理化從過去聯考年代,就一直很接近素養題的概念,理化的題目只要稍微有點難度,都要結合語文能力,以及平時對自然的習慣程度,不然看到題目,陌生感極大。
理化用到的數學程度其實不高,但一般人沒辦法整合到文字敘述中,換言之理化的門檻,其實是看懂題目、抓出重點,其次才是怎樣解題。
不過,看懂題目跟抓重點,筆者只能請各位讀者回去看小學篇,要從小培養才可以,這真的沒有速成辦法。若有家長小孩還小,就先看到國中篇,那個人強烈建議,買一些科學自然類的百科書刊,漫畫的也可以,先讓小朋友早一點習慣科學語言
總之,筆者在教育篇章,只能著重在怎樣破題,透過經驗談讓家長找到孩子哪邊出問題,老師可以知道怎樣教學會更有效果,其他包含後設認知的東西就先算了,太多東西沒有面對面解釋,或是師徒制帶一陣子,沒辦法就是沒辦法。
好了,進入第一個部分。

一、測量

雖說是理化第一章,但一開始就放棄的學生不在少數,請家長尤其是老師留意,不要一開始就帶入太多科學語言,請學著用平鋪直敘,並把科學術語轉化成一般常識可理解的敘述法,這很花教師時間去訓練,但一定要會。家長就先把重點放在,看出孩子哪邊沒學懂上。
第一章測量的重點大概放在物理量定義、估計值、密度三個上面。感覺很多,那是因為起步出錯,後面全死。

單位換算

物理量的定義,分為長度、質量,使用直尺跟天平,長度大致上不會有問題,會出狀況的是「單位換算」,例如:
  • 1m=100cm=10^2cm
    =1000,000um=10^6um
    =1000,000,000nm=10^9nm
簡單說,通常是指數不會,數學的科學記號不會,不是看不懂怎麼換算,除非他沒有背定義,例如1m=1000,000,000nm,這就沒轍,只能死背。
天平的問題以前很多,包括怎樣使用等臂天平跟三樑天平,現在幾乎都沒有了,剩下的是砝碼的使用原則,或是等臂天平的騎碼刻度怎樣看。依照這幾年的經驗,多看兩次應該就懂,若同學是沒有實物就無法理解的,請拿天平到班上給同學看。
物理量的定義,比較麻煩的是要解釋清楚,經驗上會遇到兩個狀況。第一個,是單位換算出錯,最常見的是kg/m^3換算g/cm^3,這非常經典,請不要直接去背它,要先讓學生懂單位的概念,建議這樣做:
範例:請把kg/m^3換算成g/cm^3
首先,讓學生理解,一個完整的測量是包含「數字跟單位」的,也就是看到一個單位,你要想到他有數字,也就是實際上這個換算應該是這樣表示:
  • kg/m^3=_________g/cm^3
學生大致上,這時還不懂為何可以乘1000或是除1000,請麻煩換成這樣敘述:
換言之,學生要可以理解,是因為數字都是1所以省略,並不是沒有這玩意,單位「單獨存在是沒辦法換算的,有數字才可以」,師長可以想想,我們講換算的時候,是說「公斤等於1000公克」,還是「公斤等於1000公克」?
這個步驟,筆者大概十年前用下去後,很明顯地對提升中段學生的興趣,跟鋪好後面理化的路,效果很不錯(前後段的就……)。

估計值

下一個問題,就是估計值,依照課本教法,照道理是不會有問題的,那麼問題往往出在哪裡?解題。筆者認為,這是因為課本的解釋會讓學生可以聽懂,但不懂應用,大部分理化的解釋,很難用字面上去理解。估計值最常見的問題,叫做誤解跟單位換算出錯:
答案:14.70cm
常見的錯誤,第一種是太習慣用感覺做題目,他會寫成「14.7cm」,道理很單純,他看到單位是cm,又只記得估計值是多一位,直覺就把看到的cm當成測量,後加一位當估計值。
第二種,是寫得出14.70cm,但如果題目改問「多少m」、「多少nm」,馬上就倒掉。這種答案就會千奇百怪,但綜整起來,大部分是太擔心害怕的結果。也就是,其實你先寫出14.70cm,這個就不要動,換成公尺就是除以100變成0.1470即可,但同學會看到這麼長的數字,整個感覺就不對,有的人會多一個0,有的會少。單位換算的問題,只能透過練習克服那種「怪異感」,怪異感多半是一般人不熟悉理工語言,必須慢慢習慣。

密度

最後的是密度,堪稱第一個鬼門,很多理化老師無法理解為何學生不懂。原因出在公式:
d(密度)=m(質量)/v(體積)
筆者直接說清楚,學生無法處理三元未知數,如果今天我們拿著a=b/c,學生大部分還可以算,但是加入定義後,突然又變成一團未知的東西。也就是學生的腦袋瓜處理程序,並不是處理一個簡單的一元一次有分數的方程式,而是全部都未知數。
坦白說,這種數字跟文字定義無法同時處理的現象,真的沒有特效藥,因為不會的就是不會,我們只能就為了成績,儘量補救。不是筆者沒辦法,而是若不是想當科學家,願意花時間打底,為了考試跟升學,請不要浪費時間,真的。

以實例減少未知數進行練習

解決方法兩種,第一種就是把未知數的數量降低,通常老師都是這樣教,公式列出後,將題目中有的代進去,變成一元一次方程式,如下。
範例:某物質的質量是10g,體積為5cm^3,請問密度多少?
答:d=10g/5cm^3=2g/cm^3
範例:某物質的質量是10g,密度為2g/cm^3,請問體積多少?
答:2g/cm^3=10g/v,v=10g/(2g/cm^3)=5cm^3
範例:某物質的體積是5cm^3,密度為2g/cm^3,請問質量多少?
答:2g/cm^3=m/5cm^3,m=2g/cm^3╳5cm^3=10g
過程記得單位都要移動跟消除,建立正確的觀念。各位應該可以發現到,即便是有一個個未知數,學生面對分數需要交換與否的題目,表現也有差,這就是數學在分數四則運算的熟練度,此時已經很難救了(編按:這問題可上溯到小學)。

以比較來熟悉

第一種做法可以透過練習,但一定有不少同學,因為數學轉彎失敗始終弄不懂。所以第二種作法,適合在數學的那根筋實在接不上的同學,有助於接上那條線,這方法就是比較法。
範例:某物質的質量是10g,體積為5cm^3,請問密度多少?
因為密度的定義是,水在4℃時質量為1g、體積為1cm3,密度為質量與體積的比值:
  • 水 1g:1cm^3=1g/cm^3
  • 某物質 10g:5cm^3=10/5*g/cm^3=2g/cm^3
會覺得這樣太慢的同學,大致上都不屬於前面說的那種數學接不上線的。這種比較法雖然很慢,每次都要反覆說「質量比體積為X:X,所以比值會多少…」,但這真正的目的不是在幫助計算,筆者再次強調,這只是為了幫助學生把「那根筋接上去」。
範例:某物質的體積是5cm^3,密度為2g/cm^3,請問質量多少?
  • 水 1g:1cm^3 = 1/1*g/cm^3
  • 某物質 m:5cm^3 = 2g/cm^3,m:5cm^3=m/5cm^3:2/1*g/cm^3
真的到這步還是看不出來,請加一個步驟:
  • m:5cm^3 = m/5cm^3:2/1*g/cm^3 = m/5cm^3:10/5*g/cm^3
經由這種比較法,個人經驗上來說,中段的同學,數學很難運用到理化上的那種,應該有一半的可以跟上,開始習慣數理合併的閱讀、運算法。
真的還是不行的呢?總人數來看大概有一半人是這樣,筆者只能說,人類不是人人都可以讀理工讀很好的,做不到就是做不到。但就成績來講,反正要拿B並不困難,請把理化重點放在記憶一些可以記憶的性質,密度這種需要計算的,就學會認識定義,以及一些應用,例如:
  • 「密度較大的固體會沉入密度較小的液體內。」
  • 「照圖表來看,這個物質的密度會對到X,所以密度比水小,會浮起來。」
生活上用得到的,上課教書當然對同學不是這種態度,但家長跟老師,尤其是家長自己要心裡有數,理化本來就不是人人都念得懂的,真的沒有科學家、工程師的底,那就拜託不要硬撐,這才會害死孩子(但明明可以卻硬是裝死的學生,另當別論)。
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