先備知識與科學解釋

一、 先備知識的重要性

先備知識可以被解釋為結合了學習者原先所擁有的態度、經驗和知識。學習的行為 每一個人從初生嬰兒期就開始，隨著成長持續不斷的在學習，而孩童的學習大多都來自於 感官經驗(Driver, Guesns, & Tiberghien,1985)。Piaget 認為學習源自於學習者與環境 交互作用下的結果，例如「觀察」，就是一個基本的學習方式，觀察能使學習者透過視覺 來形成知識(Wadsworth,1989)。而學習者本身所獲得的感官經驗，會變成為學習者個人的 先備知識；在有關先備知識的研究中，發現某些先備知識往往與科學社群所認同的知識有 所不同(王美芬，1998)，而這些先備知識往往具有頑固性，即使是經過教學之後，學習者

仍舊會存有、或是不放棄這些先備知識(Champagne, Gunstone, & Klopfer,1983;

Taber,2000)。先備知識常影響著學習者的學習歷程，教學者若能充分瞭解學習者的先備 知識，並據以適當的引導應有助於提升學習成效。例如，奧蘇貝爾曾提到「前導組體」的 概念即學生的認知結構，是學習新知識時的基礎。根據奧蘇貝爾的解釋，概念分為要領概 念：是個人對整體事務的認識，也就是個人的先備知識。另一為附屬概念：是個人對事物 特徵的細部記憶。認為老師應在教學前，應先呈現一可以聯結學生已有知識與新教材，比 新教材更高一層概念為內容的學習材料，如此方能產生有意義的學習，將所學習的新教材 融入已有的認知結構中，亦即新舊知識產生聯結。除此，教學重視學科領域知識，強調老 師的教學應先瞭解學生對於所要教導教材的已有概念，作為引導的依據，不僅可以與既有 的認知結構結合，形成有意義的學習，也有助於錯誤概念的導正。也就是說，在學生學習 新知識時，教師應該先把新知識中的主要概念提出來，與學生的先備知識結合，如此則能 幫助學生助於學習。布魯納與奧蘇貝爾的學習理論同樣都強調學生先備知識和內在認知結 構在學習中的重要性，以及學生應該要主動學習。

在科學和數學上研究學生的先備知識，開始於 20 世紀的 70 年代，至今以產生相當多 關於這方面的文獻（Confrey,1990; McDermott,1984; Eylon & Linn, 1988）。Alexander 與 Kulikowich（1994）認為在科學教育的研究中，先備知識一直被學者們認為是影響學 生學習科學最重要的因素之ㄧ。一些科學家以及哲學家(Black,1962; Kuhn,1970;

Toulmin,1972) 和歷史學家 (Miller,1986； Nercessian,1988)指出科學是一項建設性的 活動。其材料都是取自於學習者熟悉的形象以及隱喻的先備知識（Lightman,1989；

Miller,1986）。郭重吉（1992）也提及先備知識是影響學習最重要的因子之一，知識的建 構強調的「以學習者為中心」，與「注重學生個人知識主動建構」為主。建構主義強調學 生的知識是透過學生與外界交互作用而產生的，並非由老師的教學直接傳遞過來，學習者 除了主動建構知識外，在學習過程中還必須要瞭解概念間的關連性，而非只是記憶知識。

Roschelle（1995）認為大量的研究顯示，學習主要的收穫來自於學生的先備知識，而對

於教材的教學僅止於第二位。

二、先備知識與科學解釋的關連性

有許多研究指出，學習者是帶著本身既有的不同經驗來學習新的知識（West ＆ Pine,1985； Novak,1990；林清山譯，1991）。但先備知識常會誤導學生做出不正規的解 釋行為。研究先備知識的文獻中常見的是學生在解決物理及數學所產生的錯誤，Roschelle

（1995）約談這些學生後發現，學生產生的錯誤，並不是偶然的，而是源自於基本概念。

舉例來說，要求學生解釋一顆球比直的拋向空中的過程為何時？學生會描述物體移動的過 程，是指球一開始將會得到一個向上的力，這個力會慢慢的減少，當球到達移動軌道的最 頂端時此力會與地心引力平衡。而對照物理學家的解釋是指球在移動的軌道會受到一個固 定的力－地心引力，而在軌道中球的動量會逐漸的改變，往上的過程中球的動量為正且逐 漸減少，當到達頂點時，動量是零，由頂點往下的過程球的動量為負且逐漸增加。研究者 由這個問題去分析學生的思考發現，學生發生錯誤的解釋不只會出現在這個問題，學生在 這一方面的解釋通常會出現「給它一個力」、「消失」、「平衡」（diSessa,1993）。由此說明 學生從日常生活中所得的知識，可以對各種情況做出無窮的解釋。但在許多情況下，學生 的解釋並不符合傳統的牛頓力學。（Roschelle,1995）

Roschelle（1995）指出當研究者要去研究學生已存在先備知識對之後的概念學習的 情況時，大多數的研究者都是在傳統的科學課程當中去探討先備知識的影響，大部分都是 要經由分派學生任務來探討學生的學習情況，若其任務是屬於程序性的運算，則學生便能 不受先備知識的干擾而得到正確答案。不過如果其任務是要求學生進行預測並進行解釋，

或者要求學生使用不同的方式來表達，研究表示其先備知識是會妨礙他們進行的。diSessa (1982)舉例說明，在麻省理工學院中物理學屬於 A 級的大一學生，大多數卻不能正確的解 釋球拋到空中的力學過程，因為學生經常會使用它們的先備知識去構成不正規的科學概念 理解。有許多的研究也指出因為先備知識的連結所造成的誤解不僅是在物理學上，兒童的

概念是不同於科學家的概念例如：在生物學(Carey,1985; Keil,1979)、在熱及溫度 (Lewis,1991)、在電力(Cohen, Eylon, & Ganiel,1983; Gentner & Gentner,1983)、在 數學(Resnick, & Ford,1981; VanLehn,1989)、在概率(Shaughnessy,1985)和電腦程式 (Spohrer, Soloway, & Pope,1989)，以及兒童在進行科學解釋遇到困難時。

三、結論

每一個人由一出生便開始累積自己的先備知識，先備知識雖很重要，但許多研究顯示 學生的先備知識並不一定能支持學生做出正確的科學解釋，尤其是在學業上普遍認為較優 秀的學生，其解釋科學現象的能力並不一定正比於學業上的成績，這種現象值得我們去深 思，教學者在教學上如何暸解學生的先備知識後進行教學，讓學生能真正學習到正確的科 學知識是重要的。

第參章 研究方法與設計

本章包括五節，第一節說明研究方法，第二節說明研究樣本，第三節說明研究工具與 設計，第四節說明研究流程，第五節說明資料分析與處理。茲分述如下：