第二章 文獻探討
第二節 探究式教學相關理論及教學策略研究
一、 探究式教學的相關理論
在目前的自然領域教學環境中，不只強調學生必須習得應有的科學知 識，更加強調如何運用已有的知識在未來的生活中做最有效的應用，在強調 全人教育的精神裡，想要培養學生成為一個能為社會、自然與文化的永續發 展，謀求彼此互惠與共好的公民(教育部，2014)。為了達到此目的，教導學 生學會如何主動學習、探索知識、與人合作等能力是未來12年國教的主要目 標，也是自然與生活科技領域中探究式教學方法的重要意涵。
(一) 探究式教學法的重要性
從九年一貫課程開始，一直就是強調學生帶著走的能力，自然科的教 學更甚，不只要教導學生習得科學知識，更希望學生擁有科學的思維方式及 運用科學知識於生活中的能力。直到近年來教育部提出十二年國民基本教育 的基本理念在於以「自發」、「互動」及「共好」，強調學生是主動的學習 者，學校教育必須能引出學生的學習動機與熱情，引導學生應用實踐所學應
用於社會中，使生活環境更美好(教育部，2014)，在自然與生活科技領域的 範疇中，也更加希望學生能主動探究科學知識，強調生活與科學、科技的結 合。
美國科學促進學會(American Association for the Advancement Science, AAAS, 1989)指出，科學探究活動就是讓學生從一個現象的問題開始學習，
在過程中，他們能主動參與、提出假設，然後收集並分析證據，進而設計及 研究的過程 (鄒玉鈿、張景媛，2012) 。要在課堂中教授這些知識與能力就 必須運用教學方法，在許多的教學方法中，最適合用於自然科教學，又能達 成期望目標的方法即以探究式教學法為最佳選擇(Shaheen, Alam, Mushtaq, &
Bukhari, 2015)。
(二) 探究式學習與建構式主義
建構式教學（Constructivist teaching）乃是源自教育心理學二位大師 Piaget與Vygotsky的教育思想理念所發展出之教育教學的新典範(陳啟榮，
2006)，對後世的教育影響相當深遠。
探究式學習是以建構主義為主要的理論架構，因建構式主義強調學習 者必須主動有意義的學習，知識是無法從教學者的腦中直接轉移或灌輸進 入學習者的腦中，唯有透過學習者主動的「想要」學習，學習對學習者而 言才會產生作用。因此教學者必須先引發學習者的好奇與興趣，而從學習 者的生活經驗中切入是最佳的方式。
以下就二位大師Piaget與Vygotsky的教育思想理念簡略描述：
1. Piaget 認知發展理論
Piaget (1978)認為知識是經由學習者本身主動建構之結果，並無法假借 他人之手來完成，重視知識是如何形成的，是一種思維模式，屬於「個人建 構理論」。其原則為：
(1) 主動原則：
知識是學習者主動建構而來，並非被動接受。
(2) 適應原則：
認知的功能是適應性，調整認知結構以順應環境的需要。組織是內部機
制，適應為外顯行為。
(3) 發展原則：
主張認知是藉由學習者本身已知的基模(Schema)為發展基礎，透過對新 事物不斷的同化(Assimilation)與調適(Accommodation)的一連貫反思的歷程，
建構屬於學習者自己的知識(圖2-2-1)。
因此在 Piaget 的認知發展理論中個體為因應環境變化而改變其認知結構 的歷程是個體自發性的發展，教師應該依據學生的思維方式實施教學，並循 著學生的認知發展歷程設計適合學生的課程(Cakir, 2008)。在此也強調學生 先備知識的重要性，教師必須在學生既有的學習基礎上教學，且根據學生能 力安排學習活動，讓學生的學習有較高的成功機率。
另外，Piaget 發現個體自出生到成長的這段期間，成長時的認知發展中 具有連續性呈現出階段性的特徵，稱之為「認知發展階段論」，即個體為因 應環境變化改變其認知結構，此一歷程是自動自發的，並帶有生物科學觀的 色彩，強調個體成熟的重要性。Piaget 也強調各個時期間並非跳躍式改變，
而是連續中呈現階段現象，且各期特徵的出現會因人而異（個別差異大），
但大致上四個時期的前後順序不變，表 2-2-1 的內容即為 Piaget 認知發展期 的簡單說明。
同化（將事物納入現有的基模）
↓
局部平衡
↓
現有基模不能處理的新經驗
↓ 不平衡
↓
新基模 ← 調適（改變現有基模以適應世界）
圖 2-2-1 Piaget 認知發展歷程(整理張春興，1994)
表 2-2-1 Piaget 的認知發展期
期別 年齡 認知特徵
感覺運動期 0-2 歲
1. 憑感覺與動作以發揮其基模功能。
2. 由本能性的反射動作到目的性的活動。
3. 對物體認識具有物體恆存性概念。
前運思期 2-7 歲
1. 能使用語言表達概念，但有自我中心取向。
2. 能使用符號代表實物。
3. 能思維但不合邏輯，不能見及事物的全面。
具體運思期 7-11 歲
1. 能根據具體經驗思維以解決問題。
2. 能理解可逆性的道理。
3. 能理解守恆的道理。
形式運思期 11 歲以上
1. 能作抽象思維。
2. 能按假設驗證的科學法則解決問題。
3. 能按形式邏輯的法則思維問題。
資料來源：張春興， 2008
由上表得知，國小高年級學生的認知發展大多屬於具體運思期，在學習 時尚需要動手操作與用眼觀察等運用五官的感官來學習新知，因此在自然課 程的安排中，實驗佔了非常重要的一環，而探究式教學中強調的觀察、實作 即與Piaget認知發展期相互呼應。
2. Vygotsky 社會建構式教學 (Social constructivist teaching）
Vygotsky主張知識是學習者在社會互動與合作之下，藉由共同討論而 獲得共識之結果，知識的獲取要透過與他人（包含父母、教師與同儕）的互 動方可產生真正之學習(陳啟榮，2006、Cakir, 2008)，Vygotsky非常強調學 習者必須使用語言與他人或自己溝通，藉由溝通的過程激發創意，同時也強 調透過成人的幫助可以提升學習者的認知程度，教師的任務就是製造一個情 境任學生可以藉由情境的討論，或有認知衝突須加以解決，或由同儕學習增 加知識(Hugerat, Najami, Abbasi, & Dkeidek , 2014)，而且運用同儕討論方式 比聆聽教師講課更能讓學生學到更多的知識，因為在小組討論中，尤其是異 質分組的小組中每個人都擁有不同的知識背景，在不同的討論主題裡可以發 揮不同的功效。
Vygotsky 認為影響學生在校學習的概念有二，知識的關聯性與團體的 互動，而這兩種發展都是經由日常生活的經驗衍生出來的，兩者間的區別在 於有無經過系統性的組織(Cakir, 2008)，所以透過教師將知識有系統的組織 後，經由課堂講授、引導觀察、實驗、與小組成員的合作討論等，都能有效 幫助學生學習，這也是一種探究的精神表現。
二、探究式教學的模式
許多的論文中都提及使用探究式教學在學生的學習成效、科學概念、
科學學習動機、學習態度、觀察、思考、解釋能力等都能有效提升(林如敏，
2013、胡俊康，2013、黃理仁、2013、顏郁菁，2013、朱志強，2014、涂馨 友，2014、陳燕嬋，2014、陳淑玲，2015) 。甚至能將探究式教學融入各種 教學模式，或電子書、或電子手寫板、或科學遊戲，增加學生美感、文化認 同等，甚至直接教授有關科學本質內容，再再都能有效的成果。
以下就最常見的幾種探究式教學法簡述之：
(一) POE教學
POE 是「預測(Prediction)－觀察(Observation)－解釋(Explanation)」的簡 稱。該教學序列最初源於Champagne, Klopfer與Anderson於1980年所發展 DOE (Demonstration-Observation-Explanation ) 的研究工具，主要用以瞭解大 一學生學習古典力學時，對於物體運動的另有概念。老師在展示實驗過程中，
會要求學生觀察並記錄，然後再回答相關物體運動的問題。其中有些題目會 要求學生於實驗前先進行預測，雖DOE未強調該預測的步驟，但相較於傳統 講述教學，該預測的步驟較能引發學習者的興趣。
Gunstone（1990）將之延伸發展出POE，POE 雖與DOE 有相近的步驟，
但其更強調了觀察前的「預測」，以讓學生能於該活動中將其所學的知識運 用出來(楊凱悌、邱美虹、王子華，2009；吳怡慧，2014)。所強調的是學習 者藉由預測與觀察，產生認知上的衝突，可以使學習者進一步討論、探索，
最後解釋觀察到的現象與自己想法之間的差異，進而將原有的概念重新建構，
產生主動探索，有意義的學習。
(二) 5E學習環
學習環源自於Piaget的認知發展理論，是由美國「生物科學課程研究」
(Biological Science Curriculum Study，簡稱 BSCS)發展出的建構式教學法
─5E學習環教學模式，有很多研究都證實學習環在教學上對學生的學習是有 幫助。其中共為成五個教學階段：「投入（E1）→ 探究（E2）→解釋（E3）
→精緻化（E4）→評鑑（E5）」五個階段(熊召弟，王美芬，1995)。
(三) 5Why鷹架式教學提問策略
5Why鷹架式教學提問為科學探究教學的一種，「鷹架」概念源自於 Vygotsky的學習理論，在教學課堂中藉由教師以學習者的生活經驗現象開始 提問，隨著一連串的提問過程，引導學習者一層層提問、回答問題，找出核 心問題並提出解決策略(盧秀琴、洪榮昭、蔡春微，2008)。
綜合以上，以自然科探究教學法而言，POE 教學法與5E學習環均能幫 助國小學生進行探究活動並進一步獲得新知(鄒玉鈿、張景媛，2012)，對於 學生的學習成就與學習動機都要正向的助益。而5Why鷹架式教學提問則不 侷限於自然科的教學，任何一科的學習都可以適用，但以探究的精神而言，
POE教學與5E學習環似乎更適合國小學生。
然而本研究主要採以 POE 教學策略的基本架構，進行些微修正，因 POE 教學首先強調「預測」，引發學生的好奇心，也是邀請學生進行學習 的一種方式，接著透過觀察，想藉由學生在實驗中實際的觀察獲得新知，在 國小階段是否動手實作，對尚處於具體運思期的學生而言是相當重要的，他 們必須藉由實際操作的過程中發展新的認知。也因為動手做的過程可以引發 學生對學習的興趣與好奇，使得學習變得更具體、有趣。最後也希望藉由對 學習興趣的提升，可以讓學生學習成就跟著提升。
三、探究教學的原則
OECD (2013)所提出的 PISA2015 科學素養與合作解決問題的架構中提 及探究學習是一種精神，主要是讓學習者透過與生活經驗連結，依據自身原 有的先備經驗進行科學學習，許多有關探究式教學的研究都指出教學者在授
OECD (2013)所提出的 PISA2015 科學素養與合作解決問題的架構中提 及探究學習是一種精神，主要是讓學習者透過與生活經驗連結，依據自身原 有的先備經驗進行科學學習，許多有關探究式教學的研究都指出教學者在授