從前一節對於自然領綱的探討可以得知，新課程所規劃的探究與實作其內 涵與NGSS 中的探究一致，故本節將探究與實作視作探究，進一步探討其內涵 與教學上的內涵，並從實施探究與實作相關的研究切入，分析目前探究與實作 教學的現況。
一、科學探究的內涵
對科學探究內涵的描述，可從較早的全美科學教育改進學會所出版的 Science: A Process Approach(AAAS, 1964)窺探，文件提到學生需要具備問題解決 能力、發現及科學地思考等能力，而其中的進行觀察、分類、測量、溝通、預測、
推論等都被視作關鍵的能力。Shulman 與 Keislar (1966)則將這些技能置入問題 解決過程的脈絡，使科學探究不僅只關乎技能的培養。問題解決的過程以覺察一 個問題作為起始，共經歷四個步驟，包含：(1)問題覺察；(2)定義問題；(3)針對 問題進行搜尋，建構假設及探索可能的解決方案；(4)問題解決。
然而此種定義雖然已經對探究的內涵劃分出一個明確範圍，卻不免陷入一種 狹隘的觀點，僅將之視為科學方法，認為探究是一種線性的問題解決過程 (Etheredge & Rudnitsky, 2003)。Krajcik 與 Czerniak (2007)則建構一個科學調查網 絡(the investigation web)(圖 4)重新論述一個非線性及循環且動態的科學探究觀 點，其中包含：(1)初始著手(messing about)；(2)提問並精煉問題；(3)計畫及設計 實驗；(4)執行實驗工作；(5)使資料有意義；(6)尋找資料；(7)與他人分享。由圖 中複雜的網絡可以得知，學生可能在其中的某幾個部分不斷來回，而這模型其實
更接近真實的科學實務，是一種非線性且充滿混亂(messy)的過程。雖然科學調查 網絡有非常多的成分，但Krajcik 與 Czerniak 也提醒每個探究的成分對於學生的 學習都很重要，需要同步同時(in concert)的練習。
圖 4 科學調查網絡 (引自 Krajcik & Czerniak, 2007)
課綱標準裡也能見到對於探究的論述。如《國家科學教育標準》(NSES)中將 科學探究分為兩種不同的群體活動，其一是科學家在研究真實的自然世界，並從 研究工作中基於證據所提出的解釋；另一則是指學生理解及發展科學知識的活動，
同時在活動中也能理解科學家是如何在真實世界中從事科學的工作(NRC, 2000)。
而標準中也進一步為探究給予定義：「探究是一個多面向的活動，其中包含進行 觀察、提出問題、從書本及其他來源以確認已知的資訊、計畫如何調查、檢視已 知的實驗證據、使用工具去蒐集分析及詮釋資料、嘗試對問題提出解答、解釋與 預測，並與其他人溝通整個實驗的結果(NRC, 1996)。」而《新一代科學標準》
(NGSS)則以八個不同的實作(practices)定義了科學探究，而實作則反映了科學家 及工程師的真實工作，包含(1)提問與定義問題：從一個關於現象的問題開始，並
發展一些解釋問題的理論；(2)開發與使用模型：利用各種模型以解釋自然現象，
或者用來檢驗假設；(3)規劃與執行調查：計畫和進行系統性的調查，並使用蒐集 到的觀察資料和數據來測試現有的理論和解釋；(4)分析與解釋數據：使用工具如 圖表或圖形等不同策略辨識數據中的重要特徵及模式；(5)使用數學和運算思維：
建構模擬、統計分析數據以及識別、表達和應用定量關係；(6)建構解釋和設計解 決方案：依據理論及證據條件提出有條理的解釋；(7)從證據中形成論證：透過推 理與論證說明數據如何支持主張；(8)獲取評估和交流資訊：透過書面或口頭等形 式進行溝通與分享，學習科學家交流研究發現的過程(NRC, 2012)。
Llewellyn(2011)將科學探究的流程分作三階段及七個部分(圖 5)，分別是第 一階段：問題，包括(1)探索現象；(2)專注在一個問題。第二階段：過程，包括(3) 計畫一個調查活動；(4)執行該調查活動。第三階段：結果，包括(5)分析資料及尋 找證據；(6)建構新知識；(7)溝通新知識。此流程展現一系列認知技巧及學習表現 的機會，使教師可以更熟悉科學探究的過程，同時也可成為轉化傳統食譜式實驗 為探究式實驗的基礎，且能提供成為評量可使用的框架。
圖 5 科學探究的三階段七個部分 (引自 Llewellyn, 2011)
綜上所述，探究的過程雖然有許多不同模式與細節，但其共同特徵皆包含需 要有來自觀察現象的問題，並對問題作定義及思考如何規劃與設計實驗過程，接 著蒐集與分析資料，並從資料發展為證據成為與他人分享結果的基礎。其特徵基 本也可以對應臺灣的自然領綱中，對探究與實作的四項學習表現：發現問題、規 劃與研究、論證與建模、表達與分享。而探究的內涵豐富，綜觀以上的研究至少 有三種不同的內涵，前兩種如 Flick 與 Lederman (2006)所言：「探究代表了現代 的科學是如何進行，其中包含多元的過程與思考方法成為發展科學新知的重要基 石。另一則是，探究本身是為一種科學本質，展示一種知識敘明了科學家如何發 展科學知識的過程。因此，對學生而言探究可視為兩種不同的學習成果，一是關 於如何進行科學的能力，二是關於科學形成過程的知識(p. ix)。」第三種內涵則 是關於科學教師如何利用探究的方式教導科學內容，亦如Flick 與 Lederman(2006) 接續說道：「學生如果能透過如科學家的探究過程進行學習，在科學上的學習成 效將會非常好。」而關於探究教學的內涵，將於次小節繼續作進一步的介紹。
二、探究教學的內涵與策略 (一)探究教學的內涵
NRC(2000)在 NSES 中定義探究內涵作為學生學習成果後，隨即也進一步針 對教師提出如何透過探究進行教學的議題，在此議題上則舉出六項的科學教學標 準(Science Teaching Standards)供指引：
標準一、科學教師能為學生規劃以探究為基礎的科學學程：例如能發展短期或 長期的學習框架；能依學生的經驗、知識、興趣、能力發展適合的科學課程；能 掌握有效的教學或評量策略幫助學生理解且形塑一個科學學習的社群。
標準二、科學教師能引導且促進學生的學習：例如能支持學生進行探究活動；
能精心設計如何與學生進行科學討論的對話；能引導且鼓勵學生都能投入科學的
學習中；幫助學生建立科學探究的技巧以及科學的態度如好奇心、對任何想法保 持開放與懷疑。
標準三、科學教師能對自己的教學及學生的學習隨時進行評量：例如使用各種 方式蒐集學生已理解的證據；引導學生能自我評量；能從學生回饋、自己的教學 紀錄或其他同事的觀察回饋中反省改進自己的教學實務。
標準四、科學教師能經營一個適合的學習環境，包含為探究學習所需的時間、
場地及資源：例如能規劃足夠進行探究的時間；能提供學生支持探究的環境、器 材；能引入校外的其他資源。
標準五、科學教師能為學生建立社群以進行科學的學習：社群裡能包容呈現各 種不同的想法；能讓學生對自己的學習負責；能培養學生之間的合作經驗；透過 同儕影響建立正確的科學探究的技巧與態度。
標準六、科學教師能建立學校層級的科學學程：例如能規劃學校的科學學程以 最大化教學資源；能規劃使自己與同事在探究教學上的專業成長。
六項科學標準指引科學教師實施探究教學的各種條件，從自身的教學規劃到 與學生的科學學習上的互動，再到更大範圍地將其他教學夥伴也納入成立校級的 科學學程以最大化教學資源。除此之外，NRC(2000)也指出一個進行探究的教室 該有的五項特徵：(1)學習者能提出科學導向的問題；(2)學習者學會判別用以回 答問題的證據；(3)學習者能從證據中形成解釋；(4)學習者能建立科學知識與解 釋之間的連結；(5)學習者能傳達及辯證所提出的解釋。而依據此五項特徵可依據 學生自主性與教師引導的程度區分為不同的層次，如表 3 所示。
表 3 課室內科學探究的特徵與差異
基本的特徵 差異
1. 學習者能提
(NRC, 2000，引自高慧蓮，2018)
NRC(2000)所描述探究特徵變形，將其中角色拉出能符合 Llewellyn(2013)對 學習者與教學者角色的分析：學習者依自我引導的程度多寡可將學生分為研究者 (researcher)、問題解決者(problem solver)、方向遵循者(direction follower)及觀察 者(observer)；而教學者則依引導多寡可分為顧問(mentor)、引導者(facilitator)、教 練(coach)、協助者(motivator)。而其中探究的型態也可分作四種類型：開放式探
究(open inquiry)、引導式探究(guided inquiry)、結構式探究(structured inquiry)、食 譜式實驗(confirmation) (Tafoya, Sunal & Knecht, 1980)。
(二)探究教學的策略
Etheredge 與 Rudnitsky (2003)指出教師在發展探究教學的單元時可以遵循的 七個步驟，包含(1)考慮學生的背景；(2)描述系統中的變項；(3)於起始階段創造 一個沉浸式的體驗；(4)產出一個可研究的問題；(5)執行該研究；(6)設計一連串 的任務；(7)評量學生的理解。而 White 與 Schwarz(1998)則從學生的角度提供探 究環(inquiry cycle)展示探究所經歷的五個過程：(1)提出問題；(2)建立假設；(3) 設計實驗並執行；(4)建立模型；(5)結果的評估。
Trowbridge 與 Bybee(1990)基於建構主義的觀點提供 5E 學習環(5E learning cycle)的框架，亦可作為探究的一種教學策略，五個步驟包括：(1)投入(Engage)；
(2)探索(Explore)；(3)解釋(Explain)；(4) 精緻化(Elaborate)；(5)評鑑(Evaluate)。而 生物科學課程研究(Biological Science Curriculum Study, BSCS)中則進一步論述學 生及教師兩角色的行為於此模型中，如表 4所示。
解釋 向別人提出可能的解釋；仔細聆聽
Krajcik 與 Blumenfeld(2006)建議以專案導向(project-based)的形式進行科學 探究的學習，並透過與學生切身相關且有意義的問題驅動學習的過程，其中的關 鍵為驅動性問題(driving question)的使用(Krajcik & Mamlok-Naaman, 2006)。驅動 性問題需要經過縝密的設計，不只對學生是重要且有意義，也能引發後續更多的 學習活動，其包含六個特徵：(1)可行性(feasibility)；(2)價值性(worth)；(3)脈絡情 境(contextualization) ； (4) 意 義 (meaning) ； (5) 倫 理 道 德 (ethical) ； (6) 永 續 性 (sustainability)。將各項特徵的內涵整理於表 5所示。
表 5 驅動性問題(driving question)的特徵
特徵 描述
可行性 學生可以設計並發展自己的實驗來回答此問題；
發展實驗的材料是方便取得的；
該問題與學生發展的程度是適切的；
該問題可以延伸出更多子問題
價值性 該問題與科學家探究的問題相似；
該問題富含科學的概念；
該問題幫助連結科學的概念；
該問題符合課綱的標準
脈絡情境 該問題觸及了真實世界的議題；
該問題在真實世界中確實導致了某種結果
意義 該問題對於學生而言是有趣且重要的；
該問題與學生的真實生命經驗有交會，包含生活或文化；
該問題所觸及的現象能引起學生的興趣
倫理道德 對問題進行探究的過程中不會傷及無辜的生物或環境
永續性 該問題使學生願意投入更多時間於其中 能使學生在探索問題時獲得更多深入的細節
永續性 該問題使學生願意投入更多時間於其中 能使學生在探索問題時獲得更多深入的細節