在我們日常生活之中，無時無刻存在各式各樣的問題等著我們去解決，例如，出外 遊玩，如何規畫行程，安排食宿交通;如何烹煮一頓美味可口的大餐等。因此不管是為 了將來的職業準備，或是適應目前的生活，學校教育不應只注重課本的知識與技能的習 得，更應該重視如何將知識與技能應用於問題解決。提出「學習的共同體」觀念的日本 佐藤教授指出，傳統學習方式，孩子雖因為背誦累積許多知識，但卻無法將知識活用。
學習應該是透過活動，讓孩子充分運用學到的知識及技能，在失敗時，再一次反省並思 考知識的原理，如此孩子才能真正了解知識的道理，並有能運用其知識的能力(許芳菊，
2011)。九年一貫課程也強調，知識的價值不在於記憶知識本身，而在於透過知識，啟 發孩子多元的智慧，以培養終身帶著走的能力，該課程提出學生適應將來生活、面對未 來世界，須培養十大基本能力，而其中一項即是「問題解決能力」。
透過問題來學習解決問題能力的模式，可追溯至古老的時代。「問題」一直是人類 製作器具、發明事物、發展宗教、法律、科學、工程、商業的動機，幾乎所有現代科技 和社會機構的演進，都是由「問題」來推動。而人類至今發展了兩項方法，來吸收新知 與創新生活方式，這兩項方法分別是科學與工程學，而科學與工程學又是建基於「疑問」
和「問題」之上(劉曉樺譯，2011)。圖 2-3-1 說明了疑問與問題在科學、工程學中所扮 演的角色。
圖 2-3-1 科學與工程的問題解決法 資料來源:修改自 Raizen(1995)
科學家用嚴謹的科學實驗方法來驗証解釋或假說，來確認問題的答案；而工程師則 是發明模型或新設計來驗證解決方案的成效。但科學不只是一種知識的本體，它也包含 一套可建立、延伸、更新科學知識的實踐工作；同樣地，工程也涉及到知識與科學實踐。
工程的最主要目標是要解決為滿足人類的需求或慾望而衍生出的問題，為了解決問題，
方案。因此，《科學教育框架》提出了「作為實踐的科學 」（Science as A Set of Practices），並由圖 2-3-2，說明「科學與工程實踐」如何運用至科學探究與工程設計。
圖 2-3-2 科學與工程實踐要素圖
（譯自：NRC，2012）
由上圖 2-3-2 可知，科學與工程實踐被區分為三個面向，說明科學家與工程師在三 個面向所從事的活動。左邊是調查探究部分，包括觀察現象、測量、提出研究問題、設 計實驗、收集數據、確立研究工具等。右邊是理論建構（科學）或制定設計方案（工程）， 通過想像、推理、數學計算、預測，來修正原有理論、或發展新理論、或建立新模型。
中間區域為評鑑部分，科學家或工程師運用批判性思考對左右兩個面向的所進行的活動 批判思考，三個面向間的活動彼此互動、相互影響。《科學教育框架》指出，在幼稚園 至高中階段，科學教育應培養學生以下八項科學、工程實踐能力，其內容如下所示（NRC，
1、提問和界定問題（Asking questions for science and defining problems for engineering)
2、建立和運用模型（Developing and using models）
3、規畫和執行實驗（Planning and Carrying Out Investigations）
4、分析和解釋數據（Analyzing and Interpreting Data）
5、使用數學和計算思維（Using Mathematics and Computational Thinking）
6、建構理論和設計解決方案（Constructing Explanations and Designing Solutions）
7、根據證據論證（Engaging in Argument From Evidence）
8、取得、評價和溝通資訊（Obtaining, Evaluating, and Communicating Information）
下表 2-3-1 研究者整理自《科學教育框架》、《Next Generation Science Standards:
For States, By States》及《Science and Engineering Practice in K-12 Classrooms:
understanding a framework for K-12 science education》，將針對上述八個科學與 工程實踐的內涵及國小中高年級學生所應達成的能力做概略的說明。
表 2-3-1 科學與工程實踐內容介紹
學生應學會如何問問題並辨別疑問(question)和問題(problem) 之間的差 異。在科學方面，學生應學習會相互質問，問題的來源可以是閱讀過的文章內容、
續表 2-3-1 科學與工程實踐內容介紹
續表 2-3-1 科學與工程實踐內容介紹
續表 2-3-1 科學與工程實踐內容介紹
九年一貫自然與生活科技領域課程目標之一是培養學生具備獨立思考、解決問題的
傳 達
1.能運用表格、圖表(如解讀資料及登錄資料) 2.能傾聽別人的報告，並能清楚的表達自己的
意思。
3.能由電話、報紙、圖書、網路與媒體獲得資 訊。
提問和界定問題
建立和運用模型
規畫和執行實驗
分析和解釋數據
運 用 數 學 和 計 算 思維
建 構 理 論 和 設 計 解決方案
取得、評價和溝通 資訊
資料來源：研究者分析整理
茲將上述的分析比較，以圖 2-3-3 的箭頭做關聯性的說明。
由表 2-3-2 及圖 2-3-3 研究者的歸納分析可知，九年一貫過程技能與科學工程實務 在實質內涵上，兩者具有關聯性。
蔡錫濤(2002)認為「設計」是一種以目標為導向，持續不斷解決問題的過程，也可 以說是一種有計劃性的創造心智活動；而「製作」是利用各種可能的資源或加工方法，
將設計的結果成品化，也是一連串問題解決的實踐歷程。故研究者擬編寫科學玩具「設 計」與「製作」教案，探究教師如何指導學生解決問題。雖過程技能與科學工程實務兩 者息息相關，但教案是根據九年一貫課程中年級能力指標編製，所以本研究解決問題所 運用的技能仍以九年一貫第二階段對過程技能的詮釋為主。
第參章 研究方法
本研究為一行動研究，旨在探討一位國小老師如何提升自己課程設計與實施的專業 知能，讓中年級學生更善用科學過程技能於問題解決的歷程。研究者經由文獻探討綜合 整理歸納出問題解決的歷程應包含「問題輸入」、「問題解決」、「成果評鑑」，並以此為 架構設計出三個科學玩具製作教案，由研究者進行實際教學工作。研究者採用行動研究 法的理念來進行資料蒐集與分析，以質性資料為主。茲將本章分成五節，依序如下所示：
第一節為研究方法的選取與設計；第二節為研究對象與情境；第三節為研究設計與流 程；第四節為研究工具；第五節為資料蒐集與分析。