培養良好科學習慣的 3 個簡單感應器實驗

作者：Vernier 科學教育

開學的前幾週為接下來的一整年定下了基調。在學生投入複雜的探究活動之前，他們需要機會來練習科學家的習慣——提出問題、做出預測、收集數據和解釋證據。他們也需要時間來熟悉科技工具並建立信心。

最近，Vernier Trendsetter 兼高中科學教師 Cassie Whitecotton 與 Vernier 化學專家 Nüs Hisim 一起參加了我們的研討會「開學季的簡單感應器實驗」。他們在會中分享了一些他們最喜歡的感應器活動，幫助學生從第一天起就建立這些基本技能。

無論您教的是中學科學、高中化學或物理，還是大學先修課程，這三個探究活動都很容易設置，能立即吸引學生，並且旨在建立學生整年都會依賴的科學和科技技能。

教師提示：以預測開始每一個探究活動

在學生收集任何一個數據點之前，讓他們使用 Vernier Graphical Analysis^® 中的「預測」(Prediction) 功能來描繪他們認為圖表會長什麼樣子。在探究之後，學生可以將他們的預測與測量數據進行比較，並討論哪些部分符合他們的預期——以及哪些部分讓他們感到驚訝。

正如 Whitecotton 所分享的：「在我的教室裡有一個規定，學生在收集數據之前必須做出預測。我不在乎對錯，我只想讓他們思考正在發生的事情。」

我們的目標不是讓學生完美預測圖表——而是讓他們有理由在開始前先思考探究內容，並為之後討論結果提供一個起點。

^{要在 Graphical Analysis 中新增預測，請點選「圖表選項」(Graph Options) 並選擇「新增預測」(Add Prediction)。學生在收集數據前先畫出預期的圖表，然後再與結果進行比較。}

1. 使用 Go Direct 溫度探針建立繪圖信心

Go Direct^® 溫度感應器是最容易介紹的感應器之一，因為它幾乎不需要設置，而且學生從日常經驗中已經憑直覺了解溫度。這是一個低風險、高成功率的好方法，能讓任何程度的學生都能自在地使用探針軟體、解讀圖表，並掌握數據分析的基礎知識。

挑戰學生建立三種不同類型的圖表：

• 具有正變化的線性圖表
• 具有負變化的線性圖表
• 非線性圖表

學生很快就會發現，只要用手溫暖探針、用冰水冷卻探針，或嘗試使用其他教室材料（吹風機、紙巾等），就可以產生不同的圖表模式。在收集數據後，讓他們手動計算變化率，然後將結果與 Graphical Analysis 中的線性迴歸進行比較。

為什麼有效：

• 最少的課堂設置
• 立即的視覺回饋
• 加強繪圖和數據分析技能
• 輕鬆適用於從中學到大學的課程

尋找更結構化的探究活動？ 讓學生在受歡迎的「熱手」(A Hot Hand) 活動中比較不同手的變暖速率，並討論為何圖表會有所不同。

2. 使用 Go Direct 運動探測器讓學生動起來

有時候了解圖表的最好方法就是成為圖表的一部分。

使用 Go Direct 線性運動感應器，學生只需走向或遠離感應器，就能建立位置對時間的圖表。當他們看著圖表即時出現時，他們開始將身體動作與數學表徵連結起來。

從簡單的繪圖挑戰開始：

• 以等速遠離感應器。
• 走向感應器。
• 在探究過程中改變速度。

一旦學生能夠自在地解讀圖表，鼓勵他們提出新的問題。如果把球丟下會發生什麼事？振盪的彈簧會如何呈現？你能創造一個符合夥伴預測的圖表嗎？

這些開放式的探究活動鼓勵了實驗精神，同時為未來關於速度、加速度和運動的課程奠定了基礎。

為什麼有效：

• 學生成為探究活動的主動參與者。
• 圖表即時更新，使因果關係易於觀察。
• 鼓勵協作和科學討論。
• 只需要很少的設置時間。

尋找延伸探究活動？ 「圖形匹配」(Graph Matching) 活動提供學生一個目標圖表，讓他們用自己的動作來複製。這是一種結構化的方式來深化圖表解讀能力，並促使學生更精確地思考位置和速度。

3. 使用 Go Direct 氣體壓力感應器引入新的數據收集模式

大多數學生第一次收集數據的經驗都是基於時間的。他們只要按下收集鍵，看著感應器數據對應時間的 X 軸繪製圖表。Go Direct 氣體壓力感應器是在學年初向他們展示還有另一種方法的絕佳機會，而且開始使用同樣簡單。

為了探究波以耳定律 (Boyle's Law)，學生將壓力感應器連接到注射器，並在 Graphical Analysis 中以「事件輸入」(Events with Entry) 模式手動輸入體積數據來記錄壓力。學生不是在即時圖表中連續收集數據點，而是使用即時儀表觀察壓力測量值，並決定何時擷取每個數據點。這是一個直觀的轉變，一旦學生理解了，他們就可以準備在今年接下來的課程中，使用相同的方法進行滴定、氣體定律變化和其他非基於時間的探究。

設置只需要感應器和隨附的注射器。學生壓縮和膨脹裡面的空氣，記錄每個體積下的壓力，然後在 Graphical Analysis 中應用不同的曲線擬合來決定壓力和體積之間的關係。

為什麼有效：

• 及早引入「事件輸入」數據收集模式，讓學生準備好全年使用
• 最少的材料：只需要感應器和隨附的注射器
• 讓學生控制何時以及如何記錄數據
• 適用於從初階化學到 AP 和大學程度的課程

^{在 Graphical Analysis 中使用事件輸入模式記錄的氣體壓力數據。}

尋找延伸探究活動？ 「探索氣體的性質」(Exploring the Properties of Gases) 引導學生使用相同的感應器和數據收集模式來完成所有四個氣體定律——波以耳定律 (Boyle’s law)、給呂薩克定律 (Gay-Lussac’s law)、查理定律 (Charles’ law) 和亞佛加厥定律 (Avogadro’s law)。事件輸入方法也直接轉移到其他核心實驗，例如在學年後期使用 Go Direct pH 感應器進行的酸鹼滴定。

建立受用一整年的技能

年度的頭幾個探究活動不一定是最複雜的——它們只需要提供學生探索、提問和熟悉工具的機會。

從預測開始，鼓勵學生在收集證據之前先投入他們的想法。簡單的感應器探究則幫助他們將那些預測與現實世界的數據進行比較，分析模式並提出更好的問題。這些是他們在接下來每一個探究活動中都會用到的技能。

想尋找更多可以在課堂上直接使用的想法嗎？觀看我們的「開學季的簡單感應器實驗」研討會，觀看這些活動及更多活動的示範，聆聽前課堂教育工作者的教學技巧，並存取可下載的實驗檔案，與您的學生一起使用。

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