名詞解釋

本研究所使用之科學史融入教學，為整合式科學史教學，融合互動式科學小故事 (interactive historical vignettes)的特色，互動式科學小故事的步驟為：(1)選擇有趣、適合 學生的單元；(2)產生二元對立的衝突；(3)發展故事；(4)化解衝突；(5)評鑑(Roach &

Wandersee, 1995)。本研究以科學史脈絡為主軸，使用投影片教學，由光的微粒說、波動 說間辯論出發，經19 世紀的實驗描寫光電效應發現背景，接著介紹各科學家對光電效 應所設計的實驗、雷納和愛因斯坦提出不同假說解釋光電效應、並由密立坎以實驗證明 光電方程式，最後介紹當時密立坎以及科學學界對於光電效應的看法。課程中每段落將 請學生討論關於科學本質問題並寫在學習單上。教學上視段落需要將採講述、問答、討 論等教學策略促進學生學習。

二、科學本質與科學認識觀

本研究所指之科學本質(nature of science)代表著科學發展過程的各項特性，關於科 學本質並沒有一個明確的定義(Abd-El-Khalick & Lederman, 2000)，而本研究所發展之科 學史教學課程目標參考Abd-El-Khalick, Bell, 與 Lederman(1998)所提出之科學本質：(1) 科學知識的暫時性─科學知識有改變的可能；(2)科學知識的實徵性─科學知識是基於自 然界的觀察；(3)科學知識的主觀性（理論蘊含）─每件科學知識的背後包含著科學理論；

(4)科學知識是人類想像力、創造力的產物；(5)科學知識受到社會與文化的影響；(6)觀

察和推論的區別；(7)理論和定律的功能與關係(Abd-El-Khalick & Lederman, 2000)。而本 研究所指之科學認識觀，又稱科學本質觀，代表個人對科學與知識建構的理解，指的是 Conley, Pintrich, Vekiri, 與 Harrison(2004)所提出之四項科學認識觀：知識的來源(source)

─檢驗關於「知識源於外在的權威」的信念；理論的驗證(justification)─檢驗關於「實 驗的角色和知識的驗證」的信念；理論的確定性(certainty)─檢驗關於「知識只有單一答 案」的信念；科學知識的發展(development)─檢驗關於「科學是會演化的且不斷改變」

的信念。前兩項代表知曉的本質(nature of knowing)，後面兩項代表知識的本質(nature of knoeledge)。

三、科學認識觀階段

學者研究學生之科學認識觀之發展(如 Perry, 1970; Belyenky et al. 1986; Baxter Magolda, 1992; King and Kitchener, 1994; Kuhn, 1991)，發現科學認識觀均從知識菲對及 錯之二元論開始發展，最終發展成接近建構論的想法─知識是人類建構之產物。本研究 將利用Baxter Magolda(1992)的認識論反思(epistemological reflection)模型，評鑑學生學 習單之作答，是屬於較佳的認識觀階段或較差之認識觀階段。Baxter Magolda 將學生的 認識論分為四種認識階段，分為絕對性認識(absolute knowing)─認為知識是為確定的並 相信權威了解所有的知識；過渡性認識(transitional knowing)─開始認為有些知識是不確 定的，且希望能了解某些知識的適用情形；獨立性認識(independent knowing)─質疑權威 是否是唯一的知識來源，將自己的意見和知識視為是平等有效的；情境性認識(contextual knowing)─能在情境中使用證據建構自己的觀點(Baxter Magolda, 2004; Hofer, 2001;

Hofer & Pintrich, 1997)。

四、科學學習動機

學習動機(motivation to learn)是指引起學生學習活動、維持學習活動，並導致該學習 活動趨向教師所設定目標的內在心理歷程，本研究所指之科學學習動機是Tuan, Chin, 與Shieh(2005)所提出之六個項目之總和，自我效能(self efficacy)─對自我能力的了解及

完成任務的信心；主動學習策略(active learning strategy)─在學習中主動地選擇策略建構 知識；科學學習價值(science learning value)─學習動機高代表個體認為科學能學習到問 題解決能力、體驗探究活動、促進思考、並發現日常生活和科學的相關性；表現目標導 向(performance goal)─表現目標導向是和其他同學競爭並想獲得教師注意；成就目標 (achievement goal)─學生在因學習過程中增長了能力和成就而感到滿足；學習環境誘因 (learning environment stimulation)─表示影響學生學習動機的誘因。

五、微粒說

由十七世紀牛頓所提出，此派學說認為光的本質為一顆顆不同顏色之微粒，在空間 中直線前進，碰撞到障礙物及進行彈性碰撞。此派學說優點：能夠描述光走直線、反射、

折射、顏色、全影半影等現象，非常直觀。但無法說明微粒如何產生、光與光為何不會 碰撞、以及繞射現象。由於是牛頓所提出，故到十九世紀前，光的本質說均由微粒說所 稱霸。

六、波動說

代表人物為和牛頓同時期之科學家─惠更斯。提出著名的惠更斯原理─將波前上每 一點均視為一點波源，利用波的合成，能夠解釋繞射現象，此學說也能說明光的折射、

反射。但因為依據當時想法，每種波的傳遞必須要有介質─光的介質當時稱為乙太，但 沒有乙太存在的證據，且日常生活上無法觀察到繞射現象，故學說落沒，直到十九世紀 的重要實驗產生以及馬克斯威的電磁波理論才翻身，變成光本質說的主流。

七、光電效應

由十九世紀科學家赫茲所發現，赫茲在驗證電磁波實驗中發現─紫外線對放電現象 有所影響，但並未仔細追究。之後由許多科學家研究後了解，光電效應為金屬照光後放 出電子的現象。最後經科學家雷納進行實驗並整理光電效應性質，發現光電效應的產生 和光的頻率有關，和光強度無關，這對於當時光的本質─波動說來說是不可思議的現象，

因為根據波動說，光能量大小和強度有關，和頻率無關，所以強度大的光應該越是能產 生光電效應，這和實驗數據不合；且能量是具有累積性的，能量不足的情況下照射久一 點也應該能產生光電效應─也和實驗數據不吻合。關於光電效應，當時有兩個著名的假 說提出，一是雷納依據實驗結果提出觸發假說，認為光和原子中的電子發生共振，才導 致電子從原子中離開，導致光電效應；二是愛因斯坦於1905 年，經由普朗克的量子論 和理論推導提出光量子假說，愛因斯坦將光視為一顆顆光量子，每一顆量子能量為頻率 的倍數，故頻率越高的光，其每顆光量子能量越高，當光量子撞擊到原子裡的電子，即 將所有能量傳遞給電子，電子以此克服原子束縛能而離開原子。學界起初普遍接受觸發 假說，光量子假說後經由密立坎設計實驗驗證其中的光電方程式，但密立坎發表實驗結 果時宣稱不同意量子假說。後愛因斯坦於1921 年因光量子假說獲頒諾貝爾獎，1924 年 密立坎獲得諾貝爾獎時表示，對光量子假說持保留態度，顯示光量子假說當時遭受到巨 大的阻力。