學生的科學解釋之解釋融貫性分析

在序列性 POE 實驗的設計原則中，提及「每個後續實驗，只改變前一個實驗的一 個變因」，其目的是要了解學生的科學解釋是否具有解釋融貫性。基於上述原則，本研 究所設計的五個 POE 實驗中，POE 實驗一設計的目的是要了解學生對大氣壓力的基本 解釋能力，未涉及到表面張力的因素，因此，POE 實驗一不列入解釋融貫性分析的範疇；

實驗二、三、四、五是與「表面張力」、「大氣壓力」有關的實驗，實驗二與實驗五之間

（有無使用紗網與是否傾斜）、實驗三與實驗四之間（是否傾斜與有無挖洞），皆涵蓋兩 個變因，因此，亦不予討論。本節僅分析單一變因的兩個實驗之學生的解釋融貫性，符 合單一變因的兩個實驗有 POE 實驗二與 POE 實驗三、POE 實驗二與 POE 實驗四、POE 實驗三與 POE 實驗五，以下將分別分析理工與非理工背景學生之解釋融貫性。

本節中的解釋融貫性分為預測階段與解釋階段來分別說明。以 POE 實驗二與 POE

表 4-5-1 （續）

表 4-5-1 （續）

平衡」，均認為表面張力未受到破壞，仍維持在平衡狀態中，因此，不會改變其原有的 想法。此外，S011 在實驗二的解釋理由為「內聚力大於水的重力」，在實驗三預測水會 流下來，其所持理由為「內聚力被破壞」，皆以科學術語「內聚力」來進行解釋。

在預測階段未具有「解釋融貫性」的有 12 人，其中，有 7 人未持續考慮「表面張 力」的因素，顯示出學生在預測階段忽略了實驗二所提及之「表面張力」因素，同時，

有 5 人提及「因杯子傾斜而導致左右側水壓有所差異」。

在解釋階段的解釋融貫性的結果為：有 5 人具有「解釋融貫性」，未具有「解釋融 貫性」則有 15 人。在具有「解釋融貫性」的 5 位學生中，有 4 人能持續考慮實驗二所 提及之「表面張力」因素，而其中 S007 在解釋階段與實驗二相同，均以「膜」的狀態 來進行解釋。

在解釋階段未具有「解釋融貫性」的學生中，有 8 人忽略了實驗二所提及之「表面 張力」因素，而以「大氣壓力」、「水壓」、「壓力」等因素進行解釋，從晤談結果發現有 6 位學生認為水會流下來是因為左右水壓不平均所導致的，忽略了「表面張力」的因素。

由上述可知，理工背景學生在預測階段有 8 人具有「解釋融貫性」，在解釋階段具 有「解釋融貫性」的則有 5 人，此結果顯示出預測階段具有「解釋融貫性」的人數較多。

預測錯誤者在預測階段所持理由與實驗二的解釋相同，不僅無法察覺兩實驗間變因的改 變，而且不會改變其原有的想法，所以具有「解釋融貫性」。另外，學生無論在實驗三 的預測階段或解釋階段皆容易忽略實驗二所提出之「表面張力」的因素，而且以「大氣 壓力」、「水壓」、「壓力」等因素進行解釋，而不具有「解釋融貫性」。

二、非理工背景學生 POE 實驗二與 POE 實驗三解釋融貫性之分析

茲將非理工背景學生於 POE 實驗二解釋理由與 POE 實驗三之預測理由、解釋理由 以及解釋融貫性整理如表 4-5-2。

表 4-5-2 非理工背景學生 POE 實驗二與 POE 實驗三解釋融貫性之整理表

表 4-5-2 （續）

融貫性」的有 9 人，未具有「解釋融貫性」則有 11 人。

在預測階段的解釋融貫性方面，非理工背景學生在了解 POE 實驗二的實驗結果是

「水不會流下來」之後，有 8 人（40%）能以「表面張力」的因素進行解釋，其中，只 有 3 位（15%）學生在實驗三能持續考慮「表面張力」的因素進行解釋，例如 N012 在 實驗二認為「水的張力作用在網子上，形成水膜」，實驗三則提出「空氣跑進去，表面 張力被破壞，水往低處流」的預測理由，均考慮「表面張力」的因素。另外，有 5 位（25%）

學生持續以實驗二所提及之「大氣壓力」、「水壓」、「壓力」等因素進行解釋，例如 N011 在實驗二認為「水壓相同，平均分布於網子上」，實驗三則提出「水壓不平衡，右側水 壓大」的理由，均考慮「水壓」的因素。

非理工背景學生在 POE 實驗三預測階段有 3 人（15%）預測錯誤，其所持有的理由 與 POE 實驗二相似；可能學生未意識到杯子傾斜的影響，認為實驗情境與 POE 實驗二 相同，並無改變任何變因，因此持有與實驗二相同的理由來進行解釋，例如 N014 在實 驗二認為「大氣壓力向上的作用力大於水的壓力」，水不會流下來，實驗三預測水不會 流下來，亦認為「大氣壓力大於水壓」。

在預測階段未具有「解釋融貫性」的學生中，有 6 人忽略了實驗二所提及之「表面 張力」因素，而以「大氣壓力」、「水壓」、「壓力」等因素進行解釋，例如 N015 在實驗 二認為「水的張力作用在網子上，形成水膜」，實驗三則提出「水壓不平衡」的理由，未 持續考慮「表面張力」的因素。此外，N001 實驗二提及「水壓」的因素，而實驗三未 提及「水壓」的因素；N002、N004、N007 實驗二所提及的概念與實驗三不同，因此，

未具有「解釋融貫性」。

在解釋階段的解釋融貫性結果為有 7 人具有「解釋融貫性」，未具有「解釋融貫性」

則有 13 人。在解釋階段具有「解釋融貫性」的情形與預測階段相似，能持續考慮「表 面張力」因素的僅有 2 人。另一方面，持續以「大氣壓力」、「水壓」、「壓力」等因素進 行解釋的則有 5 人，雖然忽略了「表面張力」的因素，但能持續考慮「大氣壓力」、「水

壓」、「壓力」的因素進行解釋，例如：N101 在實驗二所持解釋理由為「網子、水跟大 氣作用，形成一股壓力，孔隙小，這股力量讓水能夠停留在上面」，實驗三所持理由為

「壓力不平衡，左側空氣壓力大，右側水壓大」，發現其均忽略了「表面張力」的因素，

且以「壓力」的觀點來進行解釋，具有「解釋融貫性」。

在解釋階段未具有「解釋融貫性」的 13 位學生中，有 6 人忽略了實驗二所提及之

「表面張力」因素，例如 N103 在實驗二提及表面張力可以支撐水，在實驗三未提及「表 面張力」的因素，而以「每一點水本身的重量和壓力不同，空氣想擠進去的力量」來解 釋。此外，N001 忽略在實驗二所提及「水壓」的因素，N003 則忽略在實驗二提及之「大 氣壓力」的因素。

在實驗二時，非理工背景學生提及「表面張力」的因素與提及「大氣壓力」、「水壓」、

「壓力」等因素各有 8 人，到實驗三的預測階段、解釋階段，忽略「表面張力」因素超 過 15 人，而以「大氣壓力」、「水壓」、「壓力」等因素進行解釋，解釋呈現出「情境相 依」的現象，也造成在實驗二提及「表面張力」因素的學生未具有「解釋融貫性」，在 實驗二提及「大氣壓力」、「水壓」、「壓力」因素的學生具有「解釋融貫性」。

綜合上面所述，在預測階段有 9 人具有「解釋融貫性」，在解釋階段具有「解釋融 貫性」的則有 7 人，此結果顯示在預測階段具有「解釋融貫性」的人數較多。多數的非 理工背景學生在實驗三仍會忽略了「表面張力」，其解釋呈現出「情境相依」的現象；

有一部分學生在實驗二與實驗三均考慮「大氣壓力」、「水壓」、「壓力」等因素，並進行 解釋。

貳、POE 實驗二與 POE 實驗四之解釋融貫性分析

一、理工背景學生 POE 實驗二與 POE 實驗四解釋融貫性之分析

茲將理工背景學生於 POE 實驗二解釋理由與 POE 實驗四之預測理由、解釋理由以 及解釋融貫性整理如表 4-5-3。

表 4-5-3 理工背景學生 POE 實驗二與 POE 實驗四解釋融貫性之整理表

表 4-5-3 （續）

由表 4-5-3 可以看出，理工背景學生在預測階段的解釋融貫性的結果為具有「解釋 融貫性」有 5 人，未具有「解釋融貫性」則有 15 人。

理工背景學生在實驗二的解釋理由，有 17 人（85%）能以「表面張力」的因素進 行解釋，這 17 位理工背景學生在實驗四的預測階段只有 3 位（15%）學生持續考慮「表 面張力」的因素來解釋實驗現象，這顯示出這些學生缺乏「解釋融貫性」，而且只有 2 人（10%）能夠同時考慮「表面張力」和「大氣壓力」的因素來進行解釋，其解釋分別 為「水壓加上大氣壓大於一個大氣壓力，再強的薄膜也抗拒不了地心引力」、「裡面水壓 加上大氣壓力，足夠抗衡表面張力」。

在預測階段具有「解釋融貫性」的學生有 5 人，其中，有 2 人在實驗四持續考慮實 驗二提及之「表面張力」的因素，例如 S006 在實驗二認為「表面張力支撐水的重量，

使水不會流下來」，在實驗四則提出「裡面的水壓加上大氣壓力，足夠抗衡表面張力」

的理由；有 3 人在實驗四持續以實驗二所提及之「大氣壓力」、「水壓」、「壓力」等因素 進行解釋，例如 S005 在實驗二認為「裡面水壓與外面的大氣壓平衡，紗網似塑膠片，

所以水不會流下來」，在實驗四則提出「杯內水壓和大氣壓力大於外面的大氣壓力」的 理由。

在預測階段未具有「解釋融貫性」的學生中，忽略實驗二所提及之「表面張力」的 有 11 人。他們能夠察覺到空氣的進入，增加了大氣壓力，原本往下作用力的來源只有 水壓，現在再增加了大氣壓力往下的作用，而未考慮實驗二所提及之「表面張力」，換 言之，僅注意到改變的變因對整個情境的影響，對原本存在的「表面張力」未提出解釋。

這亦顯示出學生對表面張力的基本認識是不足的，無法將概念有效的遷移到相關的情境 中，解釋呈現出「情境相依」的情形。在實驗四預測錯誤的 2 位（10%）學生，均未具 有「解釋融貫性」，S009 預測階段所持的理由只考慮到「施力不平均」，而未考慮實驗 二所提及之「表面張力」的因素；S011 未持續考慮實驗二所提及之「內聚力」、「重力」

的因素。

理工背景學生在解釋階段的解釋融貫性的結果為具有「解釋融貫性」有 5 人，未具

表 4-5-4 （續）

表 4-5-4 （續）

驗四預測階段未提及「水壓」的有 3 人，例如 N011 在實驗二的解釋為「水壓相同，平

表 4-5-5 （續）

表 4-5-5 （續）

由表 4-5-5 可以看出，理工背景學生在預測階段的解釋融貫性的結果為：具有「解

由表 4-5-5 可以看出，理工背景學生在預測階段的解釋融貫性的結果為：具有「解