科學教育(二):實體與虛擬實驗室

編譯| 國立臺灣大學科學教育發展中心 葉承効
責任編輯|國立臺灣大學物理學系 王名儒

wO7Num3y6sAo28M_450x450-1
學生可以透過實體實驗室,來學習觀察科學現象、使用工具、蒐集數據資料和科學理論知識;他們也可以在虛擬實驗室中取得類似的成就。(圖片來源:維基百科)
這個世界需要將科學視為一生志趣,具備技術與熱情的年輕科學家。為了確保未來會有這樣的年輕人,就必須讓學生能夠對科學實驗產生興趣,並受到啟發。今日的學生可以透過實體實驗室,來學習觀察科學現象、使用工具、蒐集數據資料和科學理論知識;他們也可以在虛擬實驗室中取得類似的成就。在比較兩種實驗室的優點分析後,本文希望可以提出如何結合兩者,來為學生建構出更好的科學教育。
全世界的決策者與科學調查都得到一個共同的結論:學生如果能夠動手去學習,成果絕對比只依靠老師的教學和示範好。在科學教育的歷史中,實體實驗室的教學價值是有目共睹的,但是虛擬實驗室卻展現出一個新的教學途徑。
學生在實驗室中可以學習到科學精神、團隊合作、培養對科學的興趣、觀念的認知和培養相關操作技能的知識。實體實驗室提供學生更加貼近真實科學研究的機會,讓他們實際動手完成科學研究的過程,包括器材的準備與校正,從而體驗科學家常常遇到的困境。相較之下,虛擬實驗室則是強調省略這些事前的準備工作,讓學生有更多的時間去操縱變數,進行修正,並觀察許多實體實驗室無法觀察到的轉變過程。
許多教育研究者對此進行實驗,雖然兩者的優勢不盡相同,但是他們發現實體實驗室和虛擬實驗室的成功關鍵都在於研究過程的紀錄與教師的指導。學生可以預測實驗結果,並比較個人想法與結果之間的關係。學生也可以學習如何從眾多複雜的訊息中,擷取出自己需要的部分。實驗所留下來的紀錄檔案能提供教師準備符合學生需要的課堂討論,並找出需要幫助的學生。
另一個研究成果顯示實體實驗室與虛擬實驗室的結合,對學生的幫助與學習會比只利用單一種實驗室來得好。實體實驗室的優點顯而易見,虛擬實驗室的強項則是在於幫助學生吸收觀念性的知識。雖然可以節省實驗時間,讓學生專注於實驗的核心觀念,但是最近也有研究指出這樣會讓學生在沒有教師指導的情況下,出現研究架構過於鬆散的問題。教師如何調和虛擬實驗室幫助學生專注於觀察實驗結果及變數操作,與實體實驗室提供學生基本實驗操作技術訓練的特色,規劃出適當的實驗過程,並提出指導與訓練將是未來科學教育的重點。在一項與基因遺傳有關的實驗中,便有學者指出先運用虛擬實驗室,再以實體實驗室會比先實體實驗室,後虛擬實驗室更有成效。
雖然運用許多先進技術的虛擬實驗室,無論在經費與資源的使用量上都遠比實體實驗還少,同時又可以記錄下無法視覺化的實驗程序,但是卻無法取代親手進行實驗所帶來的喜悅與興奮。最終,教師如何在實體與虛擬實驗室的分配選擇中,規劃出最好的實驗程序來展現出兩種實驗室的特色,同時配合完整的指導與紀錄系統,才是未來科學教育成功的關鍵。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)
來源:Science  2013, 340(6130) special issue “Grand Challenges in Science Education"《Physical and Virtual Laboratories in Science and Engineering Education》
本文首發表於科技大觀園

Related posts

Leave a Comment


*