5E學習環教學模式相關概念與研究

5E 學習環於 1960 年由科學課程改革研究(Science Curriculum Improvement Study, SCIS) 所提出。其理論基礎源於為建構主義理念及 Piaget 發展理論，視科 學學習為一種概念的轉變，採用建構主義理念觀點，認為人類主動建構所持有的 知識，建構過程需要學習者心智上的投入(王靜如，1997)。

學習環將教學活動分隔為階段性的探索、概念發明、概念擴展是根據於 Piaget 發展理論 「心智功能概念」(mental function concept)(引自羅廷瑛，2002) 的同化、失衡、調適與組整。在 Marek 等人引述 Renner 在詮釋學習環理論和 Piaget 理 論 的 學 習 機 制 (learning mechanism) 中 ， 學 習 環 教 學 理 論 的 探 索 (exploration)其目的便是達成吸收同化(鍾聖校，2000)。

（一）建構主義理論

建構主義強調知識是學習者主動建構，在此情境下學習者先備知識能促進或 阻礙後續的學習。「學習者主動建構的過程」和「重視學習者原有的想法」是該 理論對科學教育最大的影響。教學者必須留意經由透過瞭解學童的起點行為，給 予個別人、適性化的方式引導學童學習幫助學童主動地投入所學習的教材，才會

形成有意義的學習策略，並思考所學內容的潛在結構。經過有意義學習的教材可 較長時間保留且成為後來學習的基礎(王美芬、熊召弟，1995)。

建構教學下的教師定位於知識的中介者、教學環境的設計者、教學氣氛的維 持者、教材內容的提供者、學童學習的輔導者，而非傳授知識者。強調學童定位 於「主動參與者」，其在在知識建構過程中主動的必要性，並具備有分享經驗知 識的能力。以至於學童得以建構知識、檢視概念、整合所學，並使其理解的概念 精緻化。

因此，教師應能：(1)營造適當情境刺激學習者進行主動學習。(2)配合教學 活動的操作或示範，讓兒童進行類似科學家探究的活動。(3)理解學童先備知識，

以利教學的安排。

(二) Piaget 認知發展心理學理論

Piaget 認為生物的發展出對環境適應是一種歷程，而此歷程是由天賦與後天 環境交互作用，屬於動態及自我調節性的。其重要概念如下：

(1)基模

基模為認知理論的基本單位。基模為個體與環境接觸時，為了瞭解事物的性 質所產生的基本行為模式。其表現方式可為外顯的身體動作，或是內蘊的認知架 構。學習者對科學知識進行理解屬於認知系統在學習歷程中產生變化，是故教師 對學童基模知識的瞭解相當重要。認知心理學一直不斷強調人腦裡的知識非鬆散 的，而是具有意義性的系統架構中。個體在接觸外在訊息與刺激時，此組織性的 建構就如分類化程序一般，根據相似性或是系列性的訊息，來形成基模(羅廷瑛，

2002)。

(2)影響認知發展的因素

認知成長是多方面影響的整體結構，在認知發展的過程中，平衡作用是最重

要卻不是唯一的影響因素。一般而言影響認知發展的因素有下列四項：成熟、經 驗、社會傳遞與平衡作用，其中最為廣為教育學者討論之因素為平衡作用。個體 本身回復平衡狀態會採取下列兩種途逕：一為同化作用，為促進基模成長或量的 改變，將所遭遇的新刺激融入原有認知系統中，並以現有的認知結構去吸收、解 釋外界的刺激；另一種是調適作用，能促進基模發展或質的改變，也就是改變現 有認知操作模式來符合新的經驗，以適應外界的刺激。當個體接觸新知識時，發 現舊認知系統無法解釋，便修正其舊有的認知結構，以容納新的事物(郭生玉，

1998)。

(3)認知發展階段

兒童的認知發展是漸進的、順序不變的，均必須完成一階段的能力後，才能 進入下一階段。他將兒童依年齡及思考能力依序分為具體運思期、形式運思期四 個連續階段，前一階段與後一階段的差異不在於數量或功能上的差別，而是結構 的不同。

基本上，「探究導向的教學」是符合建構主義的一種教學方法。學習環教學 法也是一個典型的建構主義取向教學的代表（Duit & Treagust, 1998）。至今已經 過了四十多年，許多的研究證實學習環在探究教學上是一種具成效的教學方法

（Wilder & Shuttleworth, 2005），也是一種能有效幫助學生喜歡科學、理解科學 內容、以及應用科學過程和概念到其他情境上的教學方法（Colburn & Clough, 1997）。因此，本研究中將採用學習環的教學模式進行教學。

二、學習環的發展

學習環教學法是一種採取建構取向教學法的典型代表（Duit & Treagust, 1998）。1960年代由 J. Myron Atkin and Robert Karplus 於小學科學課程提出學習 環教學模式，一開始為初探(Preliminary Exploration)、發明(Invention)和發現 (discovery)三個階段（Atkin & Karplus, 1962）。而學習環(Learning Cycle)這一 個詞的首次出現是在1970 年美國加州大學所發展的科學課程改進計劃（Science Curriculum Improvement Study, SCIS）課程之教師手冊內。隨後Karplus針對在教

育情境中許多教師對“發明(Invention)”、“發現(Discovery)”兩者在區分真正 意涵上有所困難的情境下，將三個階段修正為：初探(Exploration) 、概念介紹 (Concept Introduction) 、概念應用(Concept Application)。

在學習環理論的發展過程中，三階段的名稱仍是經過一些修改，有各自不

（Exploration）

發明

（Karplus &

Lawson）

探索

（Exploration）

概念引介

（Concept-Introduction）

概念應用

（Concept-Application）

1988

勞森等

（Lawson et.al.）

探索

（Exploration）

名詞引介

（Term-Introduction）

概念應用

（Concept-Application）

三、5E 學習環的內涵

5E 學習環是建構主義學習模式數種意涵的其中之一，是由美國生物科學課 程研究機構 (Biologi Science Curriculum Study, BSCS）於 1980 年代提出以探究為 基礎的 5E 教學模式(Trowbridge & Bybee, 1990)，又稱作 5E 學習環。所謂的 5E 學習環依序為 E1 投入(Engagement)、E2 探索(Exploration)、E3 解釋 (Explanation) 、 E4 精緻化(Elaboration) 與 E5 評量 (Evaluation)，五個與認知理論一致的教學活動 階段，流程如圖 2-1-1 所示。

圖2-1-1 BSCS 5E 建構式教學模式

(Engagement)

以活動或問題引起學生參與學習，以幫助學生連結所知 和能做的事， 澄清先備知識。

2.探討(E2) (Exploration)

由生活中情境讓學生思索，以合作實做方式來探討概 念， 並在老師引導下澄清主要概念和技能。

3.解釋(E3) (Explanation)

老師介紹概念後，學生解釋所學概念和過程， 教師再澄 清學生的理解和介紹新概念。

4.精緻化(E4) (Elaboration)

製造情境問題激發學生應用所學的概念，建構 自己概念的架構， 擴展知識及技能。

5.評量(E5) (Evaluation)

學生自評他們的知識、概念和能力，教師評鑑學生的進 展。包含形成性及總結性評量。

5E 學習環與傳統教學法的差異主要在於概念形成的過程與實驗的模式(紀 雅芳、溫媺純，2008)。5E 學習環是以學生為中心發展出由實驗過程中建構概念，

傳統式教學則是將實驗定位於說明概念的實證，以教師傳授概念為主體。其差異 如表 2-1-3 所示

E1 投入：澄清先備知識，發現問題

（Engagement)

E2 探討：主動參與 (Exploration)

E5 評量：檢驗評鑑 (Evaluation)

E4 精緻化：概念延伸

（Elaboration)

E3 解釋：詮釋概念 (Explanation)

表2-1-3 5E學習環與傳統教學差異表 (林曉雯，1997)

教 學 法 內 容

教 學 流 程

1.學習環教學法模式 以學生中心思考，著重現象的探究，及對情境的解 釋而獲取結論， 同時也注重實驗方面的能力培養。

探索→ 概念引介→ 概念應用(由“資料數據” → “ 概念” ) 2.傳統教學法模式 以教師中心思考，注重科學知識的吸收、資料收集

將所學概念預測並印證在實驗結果中。

告知→ 驗證→ 練習(由“ 概念” → “ 資料數據” )

四、5E 學習環的策略

5E 學習環教學模式的特點是以學生為主，考量學童心理認知能力，由情境 活動帶動學習。學童先自行建構、解釋所學概 念，隨後教師引進新名詞或做概念 澄清，並進一步應用新概 念於不同情境或延伸變化。評量則涵蓋整個教學活動歷 程中，方式不僅是一般施 行的紙筆測驗，更包含教師評量學童學習過程中概念改 變情形、知識的擴展或採用學童自評、互評自己與同儕的學習。

因此，在運用 5E 學習環教學模式時需考量到一些與傳統教學不同的環節，

如 Lawson 等人認為在實施 5E 學習環各階段步驟的內容分述如下：（Douglas, 2005）

(一)參與（Engagement）：此一階段老師介紹課程的目標並在教學活動中引發 學生的學習興趣。1.教師描述課程目標方面，是讓學生理解在活動學習之 後要怎麼介紹課程主題與表達對學習上的期望；2.提升學習興趣方面，經 由 教 師 設 計 引 起 興 趣 的 示 範 (demonstrations) 及 歧 異 事 件 (discrepant events)，使學生產生好奇心而探究事情的現象並願意主動參與活動，將經 驗與課程內容相連結。3.過程中，並非全盤地同化學生既有的理解。而是 經由提問、定義問題與呈現矛盾的結果等方式（歧異事件）創造認知失調

(cognitive dissonance)，或皮亞傑提及的失衡 (disequilibrium)，引出問題與 探討主題的方向。

(二)探索（Exploration）：學生發現問題、提出假設進而由實做進行驗證，過 程中需要是在充足的時間與沒有老師的指導下進行。1.觀察、紀錄資料時，

經由討論與分工合作建構出共同的、一致的經驗。2.在班上學生不同背景 經驗下，教師以此共同經驗為基礎，建立起公平的概念和過程技能學習平 台。學生也能彼此交換經驗以增廣視野。

(三)解釋（Explanation）：1.使用探索中所得到的觀察及紀錄作為資料，先由 學生利用相關資料說明詮釋概念或過程技能。2.接著，老師用口語或教學 媒體等易懂的方式介紹科學概念，讓學生能夠產生同化的情形，而後老師 進一步詳述科學名詞、定義。3.並在此階段運用學生先前經驗來解釋概念，

以矯正學生可能在活動產生的迷思概念。因為在學生經由先前經驗與概念 改 變 中 建 構 出 新 的 認 知 與 想 法 ， 這 一 個 階 段 有 時 又 稱 為 “ 概 念 建 立”(Concept Development) 階段。

(四)精緻（Elaboration）：藉由延伸新概念的運用至新的日常生活情境或問題 中，強化學生對新概念的認知。學生也在此階段來修正對新概念的理解，

由學生間互動，營造學生互相合作討論的學習環境。並且在分享回饋之中，

得以建構個人的理解認知。

(五)評量（Evaluation）：學生經過先前探索與解釋後，需要評量所學到的概念 或能力，作為回饋及提供教師瞭解學生學習的情形。1.教師可以在教學活 動過程中提出形成性評量，經由深入的問題根據學生在知識進展或迷思概 念破除的表現上作為判斷、分析以及評鑑，2.也可讓學生自我評量或是互

(五)評量（Evaluation）：學生經過先前探索與解釋後，需要評量所學到的概念 或能力，作為回饋及提供教師瞭解學生學習的情形。1.教師可以在教學活 動過程中提出形成性評量，經由深入的問題根據學生在知識進展或迷思概 念破除的表現上作為判斷、分析以及評鑑，2.也可讓學生自我評量或是互