一、理想
由於科技日新月異，造成網路的興起，社群媒體的蓬勃發展，加上臺灣遇到少子化、人口老年化等社會結構性問題，是一〇八課綱發展的背景。因此學者在討論107 年發布的自然領域課程綱要必修課程中提出「探究與實作」的課程，占有一定的學分數。以自然領域而言占了三分之一（必修4 學分），社會領域在加深加廣課程中每一個學科有2 學分課程安排，希望藉此提升下一個世代全球競爭的實力，以利於國家未來的發展，而加強對基礎科學素養能力的建立。因此「探究與實作」是自然科學教學改革的一個切入點，希望讓自然領域的課程設計和教學更貼近自然科學發展的精神，強調科學素養與解決問題的能力，同時也提高老師的自主性、可以自編教材，老師得以逐步改進教學方式，進而提升教學效率。藉由老師和學生學習自主性的改善而可以教學相長，得以實踐讓「師生」達到終身學習的目的。自然科高中教師們得以期待一〇八課綱的教學，讓自然領域教學模式可以擺脫考試的束縛，全面提升國民的科學素養，的確令許多人振奮；但不諱言，這是一個理想性很高的期待。
的確「探究與實作」的內涵確實是符合學術研究、問題解決的歷程，以目前比較正式的研究學習，學生們多半是在研究所接受相關的研究歷程訓練，進行進階的探究與實作的能力培養後，再進入到職場。其中有一小部分的人可能還有機會繼續進行學術研究，不少是進入業界工作，去解決實務上的問題，甚至是去解決從未遇過的問題。如果沒有充足的「知識」、「能力」和「態度」等作為基礎，要去解決職場上的問題是有相當的難度，如果缺乏對於問題理解的知識和經驗，而認識不到問題重點，是無法解決問題的。如果沒有找出問題癥結點的能力和實作的能力，在解決問題尚將有難度！若教學時數佔有三分之一必修的「探究與實作」課程，被利用來進行知識學習、能力養成和態度培養，類似上述職場問題解決的反向操作，是有一定的難度。誠如自然領域課程綱要所述「引導其從既有的經驗出發進行主動探索實驗操作與多元學習很重要」，而目前的自然領域教學時數不足，現場的老師必須利用這三分之一的「探究與實作」去獲得知識、獲得能力和培養態度，有可能是一個難以實現的理想！
二、準備與實施
國人對於教育相當重視，擔任父母者無不關心子女的學習。學生甚至有超前學習的現象，且在家長安排下，自主學習的意願相當高。不少學校排名前段的學生，在新課綱的規範下多了自主、彈性學習的時間，還有「探究與實作」的課程協助發現問題、理解如何面對選擇與解決問題。再加上教育部國民及學前教育署經年所推動的科展、學科能力競賽、數理學科奧林匹亞等競賽，還有民間舉辦的遠哲科學競賽、探究實作競賽等活動的刺激下，這些在名校的高端群學生，有更多的同儕間的刺激，增加學習動力和探索、研究時間，在老師的引導下向既定的規劃目標衝刺，通常也都有很好的成績，老師相對有所成就，如「得天下英才而教育之，三樂也」。師生相互成長受益匪淺，也會讓老師在輔導過程中，看到學生不一樣的學習。不少明星高中，成立學生社團是由學生擔任講師，每學期安排課程，社團輔導老師也會受益不淺，在同儕激勵下不少學生都曾參加相關競賽，並獲得不錯的成績。參加競賽也是一種「探究與實作」過程，也是一種不錯的評量方式。
在一般的高中、或者是社區高中，通常學生學習動機較弱，老師的教學和引導是相當重要的。加上目前課程設計動機弱、或投機取巧的學生選課方式會讓數理學科學習時數減少，這讓學生數理基礎能力較弱，從而讓許多學生對於數理學科產生退縮的想法，也間接造成近年以來願意進入大學數理、資訊和工程學群等的科技領域人數減少。在教師準備課程方面，根據國教院2019年的調查結果，實施自然領域「探究與實作」課程可能面臨三項困難：
「第一，普高首次實施探究與實作課程，教師缺乏經驗，跨科社群議課可能不易達成共識。第二、課程需具跨科主題式規劃，在實際課程設計可能不容易著手。第三、教師不熟悉探究與實作課程如何評量。」在普通高中執行此課程初始時是有一些困難，也的確考驗老師的能力。為了能在高三之前完成此課程以應付學測，通常是在高二上下學期開設，也有約一成是在一年級的時候開設。雖然在民國102 年就提出「探究與實作」課程的實施，並在108年正式上路。雖然準備期間許多老師努力發展，校方也有相當的時間去準備，但是課程規劃有很高的自由度，沒有事先進行整體的培訓和課程規範，難免在實施上考驗著自然學科老師們的各種能力——能否有跨科能力？能否有將課綱議題融入教學主題的能力？如何進行評量？——這些都是自然學科的老師要面對的問題，然而有趣的是學校課程委員會的功能之一是「審查全年級或全校且全學期使用之自編教材及進行課程評鑑等……」。猶記得以前部編的教科書，討論更新、進行試教後最後進行審查和定稿，如今的方式好像是自編教材、試教、審查和定稿一次完成。
三、課程建議
2016年中等教育自然領域教學研究中心就提出與自然科學領域＂探究與實作＂的課程建議。國外的中小學，經常要進行所謂的Project（翻譯為企畫、或可以是主題）或是Problem翻譯為問題、或可以是議題）的方式進行部分課程，也就是所謂的Project-based Learning或Problem-based Learning 的課程設計。這類的教學方式，適合引入「探究與實作」的新課程中，讓老師和學生共學。尤其是參加相關的課程活動，隨時隨地都在發想問題、進行企劃和解決相關問題，因此一〇八課綱可以將這樣的教學方式融入現行的探究與實作教學課程中。不論是針對師資培育、在職教師培訓，或是學生學習歷程，都可以考量和參酌國內外活動的型式，也就是可以是「主題」或「議題」的方式進行教學和學習，讓老師和學生針對相關的問題，以討論和辯論的方式，熟習於探究與實作的研究歷程。雖然探究與實作的教學模式也類似於國外的Project-based Learning或是Problem-based Learning 的方式進行教學，但是有礙於中學客觀的因素（如器材、人力配置和教學環境），課程規劃上應先偏向於保守，再逐漸開放。基本精神是先由傳統實驗進行教學，漸次引進引導式探究教學，最後希望老師學生都可以進入完全開放式的教學。
在探究與實作課程實施的規劃方面，班級人數應減少至25人以下，建議依授課的主題、或是議題分組，不同主題或議題，和不同的同學進行，且儘量以3-5人為一組。
課程的內容分成為基礎篇、探究之主題訂定篇（主題式、或議題式）、實作篇和評量篇，以下分條列明各篇的培訓內容。
A：基礎篇
基礎篇包含5件學習工作，1~3 項為基本需要學習的重要基礎，強調安全與數據的處理，而4~5視探究與實作所選定的主題建議必須教授的課程。
1. 現代科學量測的技術（包括實驗的安全介紹）
2. 數據的處理（不準度的概念）
3. 使用紀錄本（實作紀錄、實驗紀錄等），記錄過程，將所有的探究與實作過程用實體或是雲端方式作記錄而4~5 項是開放的軟硬體，可以找專家學者來授課，培養老師和學生的基礎能力。
原則上視探究與實作所選定的主題和議題的需要，並依照執行者的特性，來設計選擇所需要學習之軟體與硬體工具。如何選取適當的軟硬體進行學習，也會隨著科技進步，隨之改進，目前是以電腦、平板和手機和開放軟體進行實務教學。
4. 開放軟體應用教學，例如影片數據處理軟體Tracker、科學數據繪圖用SciDAVis軟體、scope示波器軟體、Audacity 聲音軟體，影像數據處理軟體Image J 和影像設計GIMP 軟體等，數學運算軟體GeoGebra 和Mathics，也還有VPython 等模擬軟體等，和製作及拍攝後剪輯影片等相關軟體。
5. 開放硬體教學，如Arduino、Raspberry pi，甚至平板、手機、3D 列印、測量的軟硬體等相關應用教學。
以上是基礎課程，針對探究與實作過程中，所需要的基礎工具與能力。最後如果有必要，可以安排教授科學論文寫作課程，將所有的成果以文字的方式顯現。PDF、PPT和文書處理軟體也是必要的學習，其中不少融合資訊的能力。
B 探究之主題訂定篇：
這是課程設計的重中之重，坦白而言，這是一個很重的考驗，但如前所述：課程規劃上應先偏向於保守，而且是以課程內容為首選再逐漸開放，所以也不需要一蹴而成，畢竟學生們以往的訓練，多半都是用探究和實作的方式進行學習的。
1. 可採用自然領域課程手冊中所提示、或提供之實驗、或是實作的主題。
2. 也可以採用國際科展、學科能力競賽實驗、國際數理奧林匹亞競賽的題目作為參考，也可以由相關教學期刊，如化學教育期刊、物理教育學刊等等，甚至是國外的期刊，例如免費的Science in School 期刊等尋找相似的主題，轉化成相關的主題和議題來授課。
3.網路上的數據分析，如NASA天文數據、地球暖化、氣候變遷等議題的相關數據，議題式進行討論。
4. 老師們曾經開發的課程，例如高瞻計畫開發之課轉換為探究主題，或是與大學合作所開發的主題。
5.生活中有趣的題目，或是危害議題，如食品安全等，或是配合生活中的3C裝置，進行簡易實用儀器製作與改進。或實用儀器設備製作與改進，也可以是科學性的玩具開發，這些都可以成為主題。
6.自然學科老師討論之合科或是跨校探究主題。
C 實作篇：
這部分會與現代的科技做比較緊密的結合，例如計時器就可以用手機來測量，但是不容諱言，有好的一面就有壞一面，需要老師們多費心。
1. 視主題進行規劃或實驗設計，如是用開放軟體、電腦、Arduino 等相關的物件進行設計。
2.模擬實作，可多利用開放或是自由軟體，例如VPython，和其他相關模擬軟體。（很多科學機構都公佈相關研究數據，也可以用以分析，例如天文的數據等。）
3. 利用金工、或引進3D 列印，進行儀器裝置的製作，或改進相關器件。探究的主題會影響實作的設計，相關科學大數據的模擬與整合也是很好的主題。建議先以簡單的主題入手，日後如果有可能再擴大為各式議題。
D 評量篇：
方式主要是以口語、影像和文字表達為主，較符合現代學習模式，如果學生英語能力不錯，可以建議以英文為表達的語言。發表方式除了傳統的研討會、論文發表，可以利用相關的社群媒體進行發表。以下簡述評量的方式：
1. 科學論文寫作，如同寫科學論文，而非報告型式。
2. 以中文、或是英語進行成果發表、或參加校外活動，如競賽、辯論等活動。
3. 影片拍攝，針對探究的主題，以中、或英語進行影片拍攝，類似於學習歷程的發表，必須是1 個研究歷程簡潔而完整的說明。
最終的評量，是要讓學生們能夠有自信和能力對於所探究的問題能明白的陳述，這部分必須與上述的工作相連接，才會有功效。目前有許多機構舉辦全國性的成果發表，鼓勵師生參加高中競賽活動，尤其是疫情期間，有全國性的網路科展，video競賽等。老師也可以鼓勵學生將好的成果以公開形式發表，例如基礎科學教育相關的研討會、或者是相關的期刊中發表。上述所有的記錄都可以是學生學習的歷程，如果大學端能夠思量他們的招生特色，招收有興趣的學生申請進入他們的學系。
四、結語
上述的課程設計不難看出「探究與實作」課程，老師有很大的潛力可以對教學現場進行改善，也讓學生的學習可以更好的發展；但是將此四個學分僅規劃在自然科學領域的必修學分是否是一個最恰當選擇？尤其是「探究與實作」課程設計中，需要應用資訊、需要學習數學、某些學習主題（如氣候變遷）還牽涉到科技、人文與國際社會。
讓我們看一下自然科學領域的課程綱要所提出的學習重點，其中指出自然領域的三個學習重點的內涵是：
（1）提供學生探究學習、問題解決的機會，並養成相關知能的科學探究能力
（2）協助學生了解科學知識產生方式，養成應用科學思考與探究習慣的科學的態度與本質
（3）引導學生學習科學知識的核心概念
若將此三個學習重點的內涵中的「科學」改掉：
（1）提供學生探究學習、問題解決的機會，並養成相關知能的探究能力
（2）協助學生了解知識產生方式，養成應用思考與探究習慣的態度與本質
（3）引導學生學習知識的核心概念
不難看出這也是各個領域學習重點的內涵，不僅僅是科學領域，每一個領域的教學與學習都是要去進行「探究問題」和培養「解決問題」的能力。仔細去查看各領域的課綱，數學課綱有39 次提到探究一詞，科技領域的生活與資訊有65 個探究搜尋，並說明工程方面還需要設計、進行實驗測試和實作等，而藝術領域也提到探究一詞有45 次，同時也提到實踐。社會科學領域更明白的指出要將探究與實作的課程安排在加深加廣的學習中，且社會領域探究與實作有以下的規劃：<
探究與實作：歷史學探究（2 學分）
探究與實作：地理與人文社會科學研究（2 學分）
探究與實作：公共議題與社會探究（2 學分）。
說明：上述各科目可彈性安排為一學期2學分或兩學期各1 學分。
這些領域也都強調「探究」、「實踐」或者是「實作」都有其必要，且須要進行教學，足見「探究與實作」應該是各個領域都需要且都是重要的學習內涵。很早期的大學，講述的課程各個領域都有，後來由於工業革命，分工精細，同時大學也進入分工的階段。而今人工智慧的發展，人工精細的分工工作將會被機器取而代之，故整個社會發展方向由專精融合到不同的領域，也讓跨領域的教學愈顯重要，「探究與實作」就是一個跨領域的課程。例如以氣候問題而言就是一個很現實的問題，就須融合許多領域。
目前的自然科學領域的規劃是將「探究與實作」規劃在必修的三分之一學分，是強調其重要性以其改善現場的教學模式、進而改變考試領導教學的想法，是一個良善的善意，但是課程時數減少，不利於學習是一個不爭的事實。這對於目前要改善臺灣「五缺」中的「缺人才」以及加強基礎人力培養的政策，十分不利。要改善上述現象，在短期規劃上，十分建議將探究與實作設計於加深加廣的課程中，讓其對於現行的課綱衝擊較少，而長期規劃應該將探究與實作整合在總綱架構中。如何在未來的總綱內考量學校人力、地方特色、國家的需要和國際社會的發展，而整合出一個融合不同領域的「探究與實作」的總綱規劃，將考驗著大家的智慧！
本文由國立臺灣師範大學物理系教授 賈至達 撰寫