一、探究教學的意涵
「探究」為多面向的活動，包括觀察、提出問題、蒐尋資料、計 畫研究活動、藉由實驗證據來驗證、使用工具收集分析與詮釋資料、
提出解釋及答案並作出預測及與他人進行實驗結果的溝通等(NRC, 1996)。在探究學習的過程中重視學生和同儕、教師的互動學習，教 師協助學生主動的探索自然界的事物與現象，並提供學生在探究學習 過程中與他人分享討論的機會。
教育部(2008)強調科學教學應該要引導學生做科學探究，透過個 人或小組合作的學習模式，培養學生探究及分工合作的能力，養成學 生主動的態度，並獲得科學智能及習得各種操作技能。十二年國民基
本教育對自然科學核心素養也強調要引導學生學習科學知識的核心 概念，提供學生探究學習和問題解決的機會，使學生了解科學知識產 生的方式和養成科學思考與探究的習慣(國家教育研究院，2016)。
Furtak (2006)認為課室教學模式，可呈現成像光譜般連續性的型 態(圖 2-1-1)，在光譜的兩端分別是傳統教學與開放式探究教學，而在 兩端間為不同開放層次的引導式探究教學。傳統教學是教師以邏輯實 證或經驗主義為設計原則，教師的教學活動是依照設計的步驟程序來 驗證既存的知識，忽略學生的探究及問題解決能力的培養。學生通常 是以記憶的方式來學習科學，因此，所學到的科學概念往往無法在情 境間產生遷移的效果。開放式探究教學則是教師以建構主義為設計的 原則，學生有如科學家般對所學的內容自主性的進行設計及探索，以 建構出有意義的知識。
開放式 探究教學
傳統教學 引導式探究教學
圖2-1-1 科學教學形式(Furtak, 2006)
探究取向的教學可以從教師介入和學生自主的的程度而有不同 的樣貌(NRC, 2000)。從表 2-1-1 可以發現越靠左側為教師介入較少學 生有較高自主的程度，屬於越開放的探究教學；相反的，越靠右側則 為教師提供較多的支持，學生自主程度較低的結構式探究活動。
表2-1-1 課室探究的基本特徵和活動型態的差異(NRC,2000)
2001)。透過探究的活動學生可以體驗到知識建構的過程，經驗到科 學本質而能對科學具有較正確的態度。因此，本研究預期探究教學對 有助於概念學習。
二、實驗活動與探究學習
實驗活動是自然科學課程的一大特色也是科學教育不可缺少的 一環。教育部(2008) 強調科學學習的探究方式應該特別以實驗活動 及實地觀察的方式進行，實驗活動可培養學生的科學態度、理解科學 本質、發展認知建立科學概念及過程技能，實驗活動能讓學生以合作 的方式參與學習，並可以提供學生進行知識的建構，是有意義的學習 (許榮富、趙金祈，1987；Kipnis & Hofstein, 2008 ; Tobin, 1990)，在 科學學習中包含有高度抽象及複雜的主題，對於未達形式運思的學生，
在沒有操作機會時是無法瞭解科學的內容(Tamir, 1976)。因此，透過 實驗活動可以培養學生的科學推理技能、實驗技巧、團隊合作的能力 及了解科學過程及本質的模糊不確定性(NRC, 1996)。
林陳涌(1995)主張好的實驗教學應該是要提供機會讓學生表現 出學習內容的現存知識。在實驗設計與進行時應該要讓學生有機會參 與實驗設計。而實驗活動的結果是要成為學生討論及協商以賦與意義 的素材。因此，好的實驗教學能給學生具體的學習經驗，讓學生能實 際建構知識，使實際觀察所得的結果與科學理論和概念發生連結 (Tobin, 1990)，而使學生能了解科學探究的意涵並能獲得與探究相關 的經驗(Elizabeth, 1990)。此外，教師也應該要將科學知識是如何發展 出來的實際過程展現出來，讓學生在實驗課程中有機會討論及協商證
據所代表的意義，實際體驗建構理論的過程(鄭榮輝、林陳涌，2015)。
Staer, Goodrum 與 Hacking (1998)將 Herron (1971) 所主張的四個 探究實驗活動層級中的第二層又區分成兩類，因此，探究實驗依開放 情形可分為五類型(表 2-1-2)。最低層級是老師將問題、實驗步驟及答 案均提供給學生，學生只需要按照步驟去驗證已知的結果，是驗證式 的實驗。第1 層級是未提供學生答案，但仍提供問題、方法及步驟給 學生，學生依照方法去做實驗即可找到答案，為結構性的探究。第2 層級為老師僅提供實驗問題，但未提供解決方法，由學生思考及研究，
為引導式的探究。第3 層級是學生提出自己的實驗問題，並自行設計 實驗解決問題，是屬於開放性的探究。
表2-1-2 探究實驗的開放層級(Staer, Goodrum & Hacking,1998)
層級 問題 器材 步驟 結果 類型
0 給予 給予 給予 給予 驗證式
1 給予 給予 給予 開放 結構式
2a 給予 給予 開放 開放 引導式
2b 給予 開放 開放 開放 引導式
3 開放 開放 開放 開放 開放式
在第0 層級的驗證式實驗活動中，實驗活動是進行一定的步驟蒐 集資料以驗證課程所學的科學理論。學生是依據老師的指導進行實驗 活動，將所獲得的實驗結果與已知的結果做比較。林陳涌(1995)認為 驗證式類型課程會造成兩大迷思：一是只要累積足夠的經驗證據，即
可得到科學知識與理論。另一是由經驗證據直接去比對科學理論即可 驗證科學知識或理論。但是事實上，由經驗證據形成知識和理論是需 要有創造性的想像。在驗證式的教學中，學生的思考是被動的，其所 注意的焦點往往僅是做完實驗，對於實驗的目的、設計及結果的解釋 卻經常忽略，因此無法促進學生思考，而學生也就常認為實驗是不需 要思考的(郭文禎、張文華，2000)。
結構式探究是老師高度指導的探究活動(Martin-Hansen, 2002)。
其情境是老師給予學生一個不知道答案的問題，而學生則由老師所提 供的器材及步驟去實驗去找出問題的答案。目的是希望提升學生對於 課本教材內容的理解以建構科學概念，及培養學生的基本科學探究技 能(Blanchard et al., 2010 )。此外，老師在結構式探究教學較能有效的 掌控時間。同時也可以使學生對於未知的恐懼與對實驗結果不理想時 所產生的挫折感降低(Trautmann, MaKinster, & Avery, 2004)。但是，
結構式探究因為是線性的探究過程，對於學生理解科學的本質是不足 夠的(Zion & Mendelovici, 2012)。
引導式探究是老師提供學生問題去研究，但是不提供解決問題的 方法，而是要由學生自己去思考如何解決。學生在探究過程中要決定 資料的蒐集及處理，並獲得結果與結論，老師在過程中仍要引導學生 進行有意義的實驗設計並非是消極不作為(Banchi & Bell, 2008)，目的 是希望能培養學生主動的進行問題解決的獨立學習能力。
開放式探究則是學生自己去發展實驗問題，並設計實驗去解決自 己所提出的問題。其目的是希望學生能夠具有高階思考能力並能了解 科學的本質及素養。Renzulli 與 Reis (2003)認為由學生自己選擇探究
的問題對於學生學習是很有幫助的。因為探究問題可以協助學生聚焦 於研究的方向及連貫性，也能指出研究的界限。學生在學習過程中需 要投注自身的知識與創意，因此對於知識的內容與學習的方法會有更 深的瞭解。
綜合上述的文獻可以得知不同層級的探究實驗活動可以達成不 同的教學目標。教師可以視學生的情況進行不同層級的活動推展，對 於初學者可以給予較多支持的結構式探究實驗活動，隨著學生對於實 驗活動的熟悉而可以漸次減少協助，而改以更開放的實驗活動讓學生 能達成獨立進行開放式探究活動的目標。本研究即基於學生已有結構 式探究的經驗，擬欲了解轉換為開放式探究型態進行學習對學生在學 習上所會產生的影響。
三、探究教學的模式
探究式教學必須要從尊重及激發學生的興趣出發 (Dembrow &
Molldrem, 1997)，課程需以合乎學生生活經驗且找出與真實世界的關 係，呈現出探究實務和理論之間的關係(Pataray-Ching & Roberson, 2002)。NRC (2000)認為探究教學可以分為五個階段：
(一) 辨識與提出問題(Identifying and Posing Question)：學生經由接觸 問題、事件或現象，以組織、分類或比較等方法提出可探討的問 題，以及具因果關係的假設。
(二) 設計與執行研究( Designing and Conducting Investigations)：規畫 實驗流程及選擇適合的實驗器材，並根據其自行規劃的實驗流程 進行實驗。
(三) 分析資料及證據(Analyzing Data and Evidence)：學生分析實驗所 得資料，依照不同的自變項繪製簡易表格紀錄實驗結果。
(四) 使用模型與解釋(Using Models and Explanation)：學生找出資料 及證據間的通則性或因果關係，以歸納及解釋實驗結果。
(五) 交流發現的研究結果( Communicating Findings)：學生清楚地和 他人溝通其所進行的科學探究過程與成果。此外，也能在聆聽他 人報告時察覺研究所產生的問題，並提出合理的質疑。
探究教學的模式會因為教師專業知識、課程目標、學生背景及能 力等的不同，而發展出不同的探究教學模式。只要教學方法符合探究 教學的意涵，能協助學生進行科學概念、探究技能與科學本質的學習，
模式間並沒有優劣之分(王美芬、熊召弟，2005；鍾聖校，2000)。許 多科教學者也提出許不同的探究教學模式，分述如下：
(一) 實驗式探究教學(Inquiry by Experimentation)
此教學模式是由 Esler與Esler (1989)提出，教師使用新情境引起 學生的困惑及待探索的問題，在探究過程當中，學生會經歷發現問題、
指出變因、形成假設，並根據控制變因的原則自行設計實驗，進一步 執行實驗以驗證假設，如同科學家的探究過程(圖2-1-2)，因為須要用 到的過程能力較為複雜，所以較適用於國小高年級以上的學生。(王 美芬、熊召弟，1995) 。
圖2-1-2 科學家的探究過程(王美芬、熊召弟，1995)
(二) 5E學習環
Trowbridge與Bybee (1997)提出的探究教學模式，包括五個階段：
參與(Engagement)、探索(Exploration)、解釋(Explanation)、精緻化 (Elaboration)與評量(Evaluation)，各階段的內容如下:
1. 參與(Engagement)：教學活動能將學生的經驗與課程內容相連結，
1. 參與(Engagement)：教學活動能將學生的經驗與課程內容相連結，