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科學自然

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2017.11.17
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面對新課綱新命題,如何學好高中物理



 圖片來源:Designed by creativeart / Freepik


文/簡麗賢(北一女中物理教師)

十二年國民基本教育的新課綱即將在108學年度實施,亦即在108年8月1日的新學期開始執行醞釀和討論已久的新課程。新總課綱及各科領域課綱,強調高中生的核心素養,重視閱讀理解與表達溝通的能力,因此未來學校的期中期末成就評量和升學考試的命題,必然融入閱讀理解和分析評論的素養試題。

素養試題究竟是什麼面貌的試題?這是目前理科老師積極投入研究和發展的工作,也是挑戰特別多的教學研討方向,因為開發素養試題並不容易,題目通常必須呈現學科的特性和跨領域融合,題目往往會比較長,才能給學生足夠思考與判斷的依據。

既然良好的素養試題必須引導考生依據提供的資料來思考與判斷,而不是純粹考記憶知識的能力,題目的文字難免較長,考生需要耐心閱讀文字和圖表,再根據內文敘述和文字圖表分析與判斷,這樣才能達到新課綱揭櫫的閱讀理解素養之目標。

身為現行課綱的高中生和未來新課綱的學生,該如何自我充實和提升「閱讀理解等素養」呢?多閱讀書報是最好的方法,包含耐心閱讀學校的課本,長期閱讀科學雜誌,平時閱讀科學普及(科普)書籍等,盈科後進,有恆心毅力,養成耐心閱讀的好習慣,大抵是不二法門。

目前的學測中,自然科試題大都安排兩三題較長文字較長的閱讀理解與科學推理題,答題時需要耐心仔細閱讀,找出關鍵字詞,整合圖表與文字內容,理解後才能找出正確答案。未來新命題方向,將研發用手寫表達的題目,如未來的分科測驗,試題將呈現問答題,此時必然考驗學生的閱讀理解與表達能力。閱讀與理解、表達的能力絕非一蹴可幾,是長期累積的成效,是「不積跬步,無以致千里」和「臺上十分鐘,臺下十年功」的印證。因此能培養閱讀科普書籍和雜誌的習慣,是高中生重要的課題。

幾年前有一則新聞報導,至今仍令人印象深刻。

2008年7月29日《聯合報》頭版報導,五名優秀的高中生榮獲國際奧林匹亞物理競賽金牌獎。其中兩名高中生特別對記者說,他們在國小、國中時閱讀天下文化出版的《觀念物理》等系列的科學普及書籍,並且表示,閱讀科普書不僅能享受閱讀的樂趣、增進科學知識和素養,更能啟發思維,對於學習高中物理課程助益良多。

這樣的閱讀經驗,並不是只有這幾位國際物理奧林匹亞的選手才有此心得,這幾年來我參與科學奧林匹亞國手的培訓工作,與每一屆的國手代表閒聊閱讀的書籍,發現天下文化出版的科普書籍是他們最常選擇的科普書,其中還包含天下文化本土作者高中老師撰寫的學習系列觀念書籍,如如何學好中學數學如何學好中學物理如何學好中學化學等書籍。他們認為在國中階段就閱讀,可以提前理解該如何學習高中課程,具備高中程度的自學能力,再以良好的基礎進階閱讀其他科普書籍,可以提升閱讀理解的能力。

「閱讀科普書籍、雜誌,對學習高中物理幫助很大」,我相當認同這樣的看法。事實上,我所教過的學生對物理學產生興趣,大抵啟蒙自閱讀科普書,原因之一可能是科普書的寫法比教科書有趣,讓學生能在有趣的閱讀中吸收科學知識。

讀科普書,才能對物理概念有更完整的認識

當我教授北一女高一的基礎物理課程時,會設計一項「專題寫作」的電子作業,要求她們閱讀一本與物理有關的科普書後,再寫成摘要、評論與心得。不少學生閱讀的書籍除了觀念物理物理馬戲團物理與頭腦相遇的地方物理之美——費曼與你談物理外,有些學生會選擇規範與對稱之美——楊振寧傳》費曼的六堂Easy物理課,或者是《科學月刊》、《科學人》雜誌等。

與北一女學生閒談中,我了解到高中生閱讀科普書籍可以幫助他們對於高中物理學的某一主題獲得較完整的認識。因為高中物理教學有節數限制,教科書也礙於頁數和課綱的規定,無法針對主題完整介紹。因此,閱讀科普書籍正好可以彌補這些限制與缺憾。

例如高中物理課程提到「共振」,讓學生了解物體都有其固有的自然頻率,若外來的聲波的頻率恰與該物體的自然頻率相同,即可產生共振,發出聲音即為共鳴。談到共振時,除了理解課本所舉的例子外,我鼓勵學生閱讀相關科普書提到的「共振」,例如天下文化出版的觀念物理IV—聲學、光學,可進一步探究。此外,我也從網路上找相關的影片給學生欣賞,看完影片後再探討影片傳達的物理想法,鼓勵學生以文字表達,寫成一段文字。以下兩段文字是我科普寫作的兩小段文字,示範給我的學生閱讀,表達科學現象與概念。(註:以下文字改寫自作者所寫科普書生活物理SHOW

吊橋怎麼無緣無故倒塌了?這是一個很知名的案例。1940年7月,美國華盛頓的一座吊橋,Tacoma吊橋,在一陣強風來襲後,竟然劇烈振動後倒塌。據說,當年是用最好的建材建造Tacoma吊橋,為何弱不禁風,不堪一擊呢?加州理工學院物理系的研究團隊建造極逼真的風洞實驗模擬強風襲擊狀況後,找到最可能的答案。原來吊橋附近風波的頻率恰好與吊橋的自然頻率相同,因此風波與吊橋產生共振,使吊橋劇烈振動而倒塌。(註:也有物理及工程學者認為共振雖然是最可能原因,但也可能存在其他因素,或許並沒有被發現。)

聲波的共振也是常被討論的有趣主題,國外歌手男女高音唱破高酒杯便是一例。臺灣的綜藝節目主持人張菲先生的一集節目中,曾有一段女高音唱破高腳杯的畫面,讓現場的觀眾嘖嘖稱奇。唱破高腳杯或燒杯,並不是特異功能,而是聲波頻率與杯子的自然頻率相同,造成聲波與酒杯共振而將酒杯震破。

又如以下的描述是有關物體轉動的力學概念,如果能閱讀科普書籍,相信可從日常生活現象理解這段文字描述的意義。(註:以下一段文字取自本文作者寫的科普書木星上的炸薯條最好吃?)

每隔四年舉辦一次的冬季奧運,總是引起全球關注,尤其競賽項目之一的女子花式滑冰,被喻為最美麗的戰爭。我們會在電視轉播畫面上看到參賽選手在冰面上劃出美麗的圖形,表演高難度動作,讓電視機前的觀眾看得如癡如醉。這些高難度的動作蘊藏物理學原理哦!

當選手只以單腳接觸地板為轉軸點,雙手靠攏往上舉或環抱在胸前時,轉速會快到讓觀眾難以辨別五官;但當他們將雙手往兩側伸出時,轉速就立刻變慢,可以看清楚選手自信的臉龐。

為什麼只靠雙手一縮一伸就可以改變轉速?這與物理轉動力學的「角動量」和「轉動慣量」有關。

我們先了解一下什麼是「角動量」。轉動時,針對一個轉軸點旋轉,那麼旋轉中的物體對這個轉軸點(俗稱支點)的角動量表示為:

角動量=旋轉物體質量 × 轉動半徑 × 旋轉速度

如果半徑、質量和速度越大,角動量就越大。騎腳踏車和轉陀螺,都是因為具有轉動時的角動量,才能轉得穩定。

滑冰選手在滑冰時,腳底與地面的接觸幾乎可以視為沒有摩擦力,也就是沒有受到外力造成的力矩影響,角動量不會改變。

面對新課綱新命題方向,如果國中生和高中學生都能勻出時間閱讀科普書籍,「寓學於樂」,長期累積實力,提升閱讀理解和表達的能力,自然能耳濡目染將知識融入思維和行動中,呈現高中生基本的核心素養。

養成長期閱讀科普書籍的習慣,提升閱讀和理解的能力,是學習高中物理的好方法。

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