北一女中物理科／簡麗賢教師 撰
十二年國民基本教育強調培養「科學素養(Scientific Literacy)」。什麼是「科學素養」？具有科學素養的人是怎樣的人？筆者嘗試用自己的思維和語言描述這些概念。
素養，是一個人在日常生活中表現出來的修養和行為，包含內在的思考和外在的表達、行為和技能等。科學素養是一個人在日常生活中表現出來的科學思維和表達能力，包含科學態度和方法，以及科學分析和評論等。一個有科學素養的人，能理解科學觀念，以科學態度運用科學方法探索問題，並能知道科學的侷限性，能求真求實，但不會偏執，能謙卑而非傲慢。
科學素養乃長期耳濡目染所形成，非一蹴可幾，誠如唐朝詩人杜甫的詩句「隨風潛入夜，細雨潤無聲」，短時間內不容易看出來，久而久之，科學素養就在靜觀思維裡，在語言表達中，在生活行為的範疇。
邇來，面對新課綱、新課程和新入學考試方式，高中教師的研習呈現有關素養命題的主題，大考中心的主任、副主任亦受邀至各縣市說明「新課程素養命題方向與探究實作評量」等議題。究竟該如何開展與研發「科學素養命題」？確實是高中教師需要積極主動了解的課題，畢竟如何命題、如何設計評量方式，是教學歷程中非常重要的任務，更是教師應長期關注與積極提升的教學知能。
觀察與分析大考中心一年來的指考和學測試題，已有部分試題合乎科學素養命題方向，高中教師與學生可以透過這些試題了解什麼是「生活情境的素養導向試題」。筆者舉幾題106指考和107學測題為例，提供參考。
(一)近年科學家發現某一顆巨大的類地球行星，其質量為地球的17倍、直徑為地球的2.3倍，它像地球一樣擁有堅固的表層，因此被天文學家歸類為「巨無霸地球」。假設該星球與地球皆可視為均質的球體，則該行星表面的重力加速度約為地球的多少倍？ (106年指考物理科試題)
上述題目評量考生是否知道基本的科學定律和生活現象，從新聞報導的科學新聞中取材，經過設計成為情境素養試題，了解考生是否能理解星球表面的重力加速度與星球的質量和半徑有關。
(二)在飛機發生空難沉入海中後，飛機上的黑盒子會發出頻率為33千赫茲的超聲波，以提供搜救船隻利用聲納探測其位置。已知海水中的聲速約為1500公尺/秒，則此超聲波的波長約為多少公尺？(106年指考物理科試題)
上述題目敘述的情境大抵可從新聞報導空難訊息中獲得，經過命題委員設計成情境素養試題，評量考生是否知道基本的科學現象，了解考生是否了解超聲波波速與波長、頻率的數學關係。
(三)有一登山隊員攜帶一個圓筒形鍋子上山，此鍋子蓋上鍋蓋後可以只靠鍋蓋重量而完全密閉，煮飯時在高山營地中測得當地氣壓為720毫米水銀柱，若要使鍋內的水恰在100°C時沸騰，而圓筒鍋的內直徑為20公分，則鍋蓋約需為多少公斤重？（1大氣壓 = 760毫米水銀柱 = 1.03 x 103公克重/公分2 = 1.01 x 105牛頓/公尺2）(106年指考物理科試題)
上述題目的情境，無庸置疑，是緊密結合生活情境的素養試題，是登山客熟悉的情境，也是生活知識。山頂上煮食的「壓力鍋」概念，經過命題委員設計成情境素養試題，評量考生是否知道基本的科學現象，是否知道當P =1大氣壓=1.03 x 103 (gw/cm2)時，水沸點為100°C。由
的關係式推論解出答案，並運用物理量與國際單位的科學概念表示答案。
107年學測試題中也有幾道試題具有結合生活情境的科學素養題，包含2017年諾貝爾獎「重力波」相關題組，以及「福衛五號」人造衛星軌道和週期問題等，舉例如後：
(四)臺灣首枚自主研製的高解析度遙測衛星「福衛五號」，於2017年8月順利升空在距地表720公里處繞地球作接近圓軌道運轉。一般在此高度繞地心作等速圓周運動的衛星，其週期約100分鐘。已知地球半徑約為6400公里。若為特殊目的發射一新衛星，使其沿圓軌道繞行地球一周所需時間約為800分鐘。則此新衛星離地面的高度約為多少公里？(107年學測自然科試題)
上述題目命題概念來自高中課綱的「克卜勒行星運動定律、等速圓周運動、萬有引力與人造衛星」等單元，命題委員取材最新的時事新聞，設計成生活情境的科學素養題，評量考生是否深入理解「克卜勒行星運動第三定律(週期定律)」的內涵，是否能應用基本的數學關係式解出衛星的高度。
據筆者的教學經驗判斷，這一題對一般程度的高中考生應有難度，即使高分群的考生，也未必能解出正確答案，主要是考生要仔細閱讀題目的情境，並且能了解「衛星軌道半徑是從地球中心算起」，因此本題提到「新衛星離地面的高度」，評量考生是否完全理解物理定律的內涵，且必須正確運算。若依循回答問題的順序，考生必須知道「福衛五號距離地表720公里，也就是距離地球球心6400＋720＝7120公里」，再從克卜勒行星第三運動定律思考，若新衛星距地心r，則列出數學關係式
，能解出正確的r＝28480公里，最後能再解出「新衛星離地面的高度＝28480－6400＝22080公里」。
以上四題呈現大考中心很典型的生活情境素養試題，高中教師可取材為思考設計期中考模擬考題的範例。
今年學測成績出爐後，大考中心劉孟奇主任表示，未來的命題趨勢將以素養、生活及整合、跨域等理念規劃命題，並呼籲學校應從期中考命題著手，讓學生適應素養命題方向。從學測的「素養題」內涵來看，就是能結合生活議題和時事新聞，誠如劉主任舉例：「飲料罐上也有成分標示，這就是自然，我們的考題就是要引導學生培養看懂生活的能力。」
劉主任進一步說明，針對十二年課綱，命題需要打破學科藩籬，未來世代面對網路等大量文本，同時需要在短時間內簡報，等於需要很強的整合和表達能力；孩子面對的挑戰並非考試，而是現實生活、未來就業等，在考試領導教學的社會氛圍中，命題形式要改變，素養命題要呈現，唯有大考中心改變，才能具體體現課綱的精神。
誠哉斯言，在臺灣「考試領導教學」的氛圍中，大考中心此番「語重心長」的說明，確實必要。
筆者淺見，高中教師面對新課綱與新課程「自然科學探究與實作」，提升結合生活情境的科學素養命題能力，刻不容緩。強化命題表達與敘述能力，廣泛蒐集素材，多實作命題，教師互相觀摩切磋，謙虛接納意見，應是可行作法。
究竟如何設計生活情境的科學素養試題，筆者以親身經驗提供參考。
第一題命題靈感來自新聞報導和《科學月刊》。試題設計如下：
(一)2017年11月新聞媒體報導「跨年夜的臺北捷運影響地球磁場」，內容說明位於陽明山國家公園的地磁觀測站長期在特定時間記錄到明顯的擾動訊號干擾幅度約為3至5nT(奈特斯拉，nano-tesla)。經研究發現，地磁觀測站長期受到擾動是臺北捷運系統供電和回流電流不平衡造成。研究團隊經討論後大膽假設與小心求證，設立幾處接近捷運系統的地磁觀測站，長期監測數據，證實捷運系統營運期間，電流洩漏至地下，媒體記者稱之為「雜散電流」。研究團隊在距離淡水線6.4公里的地磁觀測站偵測到3至5nT的地磁擾動，推估經由軌道洩漏電流大約300安培。研究團隊表示，洩漏電流的強度與驅動列車的電流強度成正比，故在跨年夜的臺北捷運系統的尖峰時段，直流電流的強度可從穩定的2000安培升高至5000安培。依據大家從國中自然與生活科技課程到高一基礎物理課程學過的「安培定律」概念，當有電流通過一條導線時，在導線附近會產生一個環狀磁場，而且該地點產生的磁場量值與電流大小的一次方成正比，與導線垂直距離一次方成反比。依據安培定律，可以想像捷運系統的營運，的確會造成地球磁場擾動。
以上的研究報告論文已登上國際期刊。「捷運系統運轉造成地球磁場擾動」的議題值得進一步關注。
(參考資料取自2017年11月5日聯合報新聞網及2018年1月份《科學月刊》)
題組1至5題。回答下列問題。
1.根據文章內容及高中教材，「特斯拉(tesla)」是下列何者物理量的SI單位？
(A) 汽車排氣量 (B) 磁場 (C) 電功率 (D) 電位差 (E) 電流
2. 根據文章敘述，研究團隊推論臺北地球磁場測站偵測出臺北捷運系統在跨年夜運輸期間影響地球磁場的主要原因為下列何者？
(A) 大氣層帶電粒子侵襲臺北 (B) 地球磁場倒轉 (C) 地球內部岩漿擾動 (D) 中國大陸霾害侵入 (E) 捷運軌道洩漏電流
3.依據下列哪一定律，可以知道當有電流通過一條導線時，在導線附近會產生一磁場？
(A) 歐姆定律 (B) 牛頓運動定律 (C) 安培定律 (D) 法拉第定律 (E) 庫侖定律
4.根據文章的內容敘述，同一條載電流的金屬導線在其正下方的一點，若電流增為原來的2倍，距離縮短為原來的一半，則推論該點的磁場量值將變為原來的多少倍？
(A) 8 (B) 4 (C) 2 (D) 1 (E) 0.5
5.根據文章所述，研究團隊認為「跨年夜的臺北捷運影響地球磁場」的最主要原因與下列哪一項物理概念有關？
(A) 電流磁效應 (B) 電磁感應 (C) 地球自轉的科氏力效應 (D) 光電效應 (E) 都卜勒效應
以上閱讀題材和題組題是筆者閱讀新聞和科學雜誌報導後設計而成，目的是結合新聞報導和高中物理課程單元「電流磁效應」，設計與生活情境結合的素養試題，引導學生關注身邊的生活議題，並能思考課本單元的內容，將物理生活化，在生活中思考物理。題目難易度屬於「易」與「中」，只要考生能耐心閱讀題目，具有基礎的物理概念，應能選出命題者設計的參考答案。
第二題設計取材自筆者參與2015年在韓國大邱市舉行的科學奧林匹亞競賽之理論試題，並結合2018年2月在韓國平昌舉行的冬季奧運滑雪競賽情境，設計題目如後：
(二)2018年韓國平昌冬季奧運在二月底閉幕，比賽期間為平昌帶來觀光榮景。跳臺滑雪是冬季奧運競賽項目之一，競賽的山丘賽道場地由助滑坡、跳臺、飛行段和著陸坡構成，場地和競賽流程如下圖所示。選手先從助滑坡的起點向下沿斜面滑行起跑，抵達水平的跳臺後，以最大水平速度飛出，降落在斜坡山丘上，達成最遠的射程成績。
比賽時，選手在起滑階段，要把摩擦減到最小，獲得最大加速度，讓起跑速度達到最大值，這個速度量值會影響跳躍的長度。若以 θ、 s 和 h 分別代表助滑坡的傾斜角度、斜面長度和高度；H 和 N 分別代表從跳臺到著陸山丘斜坡底端的垂直高度和水平長度；ｋ是著陸坡的傾斜度，且
1， g 是重力加速度。假設跳臺水平，選手離開跳臺時的速度為水平速度，回答下列問題：
1.若忽略空氣阻力的影響，已知選手的起跳速率為v0，從水平跳臺的起跳點到著陸坡的著陸處，這段期間的飛行時間 t 為多少？(以ｋ、g、和 v0 表示答案。)
2.若忽略空氣阻力的影響，已知選手在助滑坡底端的速度為 v，則雪橇與雪坡之間的動摩擦係數為多少？(以 h、g、s、v 和 θ 表示答案。)
上述試題取材自新聞報導和參考科學奧林匹亞試題素材，設計成生活情境的科學素養試題，結合高中課程的拋體運動與能量守恆概念。第1小題測驗目標層次為「理解」，難易度「中」。考生必須能知道基本的科學現象、規則、學說、定律，知道忽略空氣阻力後的運動學概念，水平方向是等速度運動，垂直方向是等加速運動，列出水平位移(射程)和垂直位移(高度)的數學關係式，以此解出第1小題的答案。
第 2小題的設計概念是能量守恆，測驗目標層次為「應用」，難易度「中偏難」，評量學生是否能由圖形、文字敘述等資料找出其特性和關係。考生若能知道「依據能量守恆的概念，減少的力學能等於摩擦力做(負)功」，並能引入動摩擦係數，寫出正確的數學關係式，再解出正確答案，即能得到滿分。
設計生活情境的素養試題，引導與培育學子科學素養，是正確的教育方向。儘管設計素養試題「看似平凡最奇崛，誠如容易卻艱辛」，我們仍要積極投入，鍥而不捨，持續研發科學素養的試題。
