第貳章 文獻探討
第一節 探究與探究教學 一、探究意涵與歷史發展 一、探究意涵與歷史發展
探究一詞的意涵在科學教育中廣泛地使用(Anderson, 2002; Barrow, 2006)。探究的內涵可以由 許多名詞而界定，包括：科學方法、科學推理、批判性思考、科學問題解決、探究技能、科學過 程技能以及包含於內的社會情境(Etheredge & Rudnitsky, 2003)，甚至是學習的統稱(Posner et al., 1982)。NRC (2000)認為探究是瞭解自然與物質世界現象以及學習科學的一種方式，不僅學習者 能構思問題、界定問題以及能夠利用已知的概念架構而提出有可能解決方案，最後作適當評估，
以展現出探究過程中的科學精神。Hosfstein 和Lunetta (2004)定義探究是一種擷取自科學家使用 証據去研究自然世界而研讀、思考與詮釋的方法，強調學習者能夠主動研究、提出觀點、基於證 據而詮釋結果並且為自己陳述做辯駁。
最早提出探究學習想法的學者，目前認為可以追溯至 20世紀初期的Dewey(Bybee, 2004;
DeBoer, 2004)。20世紀之前，學者認為學生可以直接經過教學而學習科學知識(洪振方，2003)。
不同於之前學者看法，Dewey強調在學習的教育環境中，應該透過探究的方式，發展學生思考與 推理的能力以理解科學的發展歷程(Dewey, 1910；引自DeBoer, 2004)。在經歷兩次世界大戰以及
兩大強權分裂的影響，讓學界愈來愈重視科學學習的效果(National Society for the Study of Education [NSES], 1960；DeBoer, 1991)。也因為蘇聯發射人類第1顆人造衛星，使得60年代的教 育環境充滿塑造科學家的想法。透過實際操作的活動，除了學習科學知識之外，更讓學生體會科 學家研究科學知識的歷程，繼而發展科學過程技能(Rutherford, 1964; Schwab, 1962)。然而數篇研 究報告指出60年代科學教育強調「形塑科學家」目標的缺失(e.g., Harm, 1977; Harms & Yager, 1981;
Stake & Easley, 1978; Weiss, 1978)。Harms和Yager (1981)認為課程內容過於艱深，一昧強調發現 式探究與過程技能的學習，忽略大部分學生群體必須經由鷹架的輔助以及透過情境理解才能達到 學習效果。因此，許多的研究開始著重探討科學家與學生在探究學習上的差異(Chinn & Brewer, 1993, 1998; Thagard, 1992)。Thagard認為學生的知識內容與概念結構不若科學家豐富而深厚，無 法將科學家與學生作等同類比，而只能強調學生的學習機制與科學家發現知識的歷程是相似 (Thagard, 1992)。Chinn和Brewer經由文獻回顧後，認為一般學生遇到認知衝突時，主要採取忽略、
擱置的行為，而科學家會設想如何進行概念改變(Chinn & Brewer, 1993, 1998)。90年代之後，美 國教育開始著重全民科學素養的養成，思考學生如何能夠從探究的歷程之中獲得學習(NRC, 1996)。NRC (2000)提出學生參與探究時具備的五項特徵，包括：(1)提出科學性的問題；(2)基於 證據以發展與評價解釋；(3)從證據中形成解釋；(4)基於另有解釋，評價目前的解釋內容；(5)溝 通與證成所提出的解釋。整個探究歷程包括形成問題、設計實驗以回答問題、收集數據、組織數 據產生結論、測試結論的合理性，並且在整個過程中進行社會性的互動，透過解釋與證成自己發 現與接受他人建設性的評論。
二、探究學習三階段論
探究學習在學習科學知識的歷程中相當重要，不僅學習者能構思問題、界定問題以及能夠 利用已知的概念架構而提出有可能解決方案，最後作適當評估，以展現出探究過程中的科學精神 (NRC, 2000)。許多學者曾對探究學習的歷程提出階段性的分割方式(e.g., 周金城，2002；Bybee, 1997; Doherty & Evans, 1983; Schwarz & White, 2005)。學習環模式的探究學習階段分割主要是以
探究的動作做區分，例如：Bybee (1997)提出5E探究學習環，透過參與、探索、解釋、精緻化以 及評鑑方式讓學生獲得科學概念，而Schwarz和White (2005)則將科學探究的學習步驟區分成問題、
假說、研究、分析、模型以及評鑑等歷程；以學習環探究模式的區分方式多以直線模式進行，彷 彿科學探究的歷程會以直線的方式進行問題即可獲得，然而實質上並非如此(Halloun, 1996)；另 外部分學者提出的探究階段主要以時間區段做出分割，例如：Doherty和Evans (1983)曾對於類似 進行科展活動之獨立研究的階段設計提出三階段論，分別包含教師引導階段、獨立研究階段以及 專題討論階段，而此三階段的設計無非是希望獨立研究者能夠透過不同階段的設計，引導其在探 究過程中逐步達成探究的目標；而周金城 (2002)依據科展學生的真實科學研究歷程將科學探究 依據時間序列區分為三個時期，包括：選擇與評估期、解決與執行期以及結果評估期。其中選擇 評估期主要的工作在確認研究問題；當研究問題確認之後開始進行持續地假設驗證為解決與執行 期；而將所獲得結果與理論證據作一整合判斷是為結果評估期。
如表2-1-1所示，本研究綜和參照Doherty和Evans (1983)以及周金城 (2002)所提出的三階段論 的精神，延續其真實性探究階段的概念，以不同的時間區段為主而非以探究的動作做切割，主要 原因是可以探討區段時間內科展學生的所有行為，同時將教師的引導工作融入每個階段之中，學 生在不同歷程中都會實際歷經建立、評估與修正等步驟，成為初始階段、執行階段以及完成階段 等三個階段。在初始階段，學生評估實驗題目的適切性，猜想假說模型，並經由實際操作測試並 評估研究的可行性，如果可行，則進入下一階段，如果不可行則持續再猜想假說模型與測試。在 執行階段，學生依據實驗目標，更換不同的實驗變因，將實驗結果記錄、繪圖，尋找數據中規則 性的趨勢。完成階段時，學生從數據結果中所獲得的趨勢結果，檢證假說模型的適切性，評估實 驗結果與假說模型的差異性，並找出研究結果的限制條件，最後完成科展報告與他人溝通研究成 果。
表2-1-1 綜合比較探究工作三階段內容
獨立研究三階段論a 探究工作三階段論b 本研究三階段論c
階段1 教師引導階段：引導學生尋找主題以及
訓練學生的研究能力。
選擇與評估期：確認研究問題 初始階段：學生剛開始參與探究活動、尋找
題目、完成初步的實驗架構規劃。
階段2 獨立研究階段：訂定主題、擬定研究計
畫、進行研究以及提出成果。
解決與執行期：持續地進行假設驗 證。
執行階段：依據不同的變因更換，學生規則 性地操作與紀錄數據、將結果製作成表或 圖，尋找數據中規則性的趨勢。
階段3 專題討論階段：提供學生討論的機會與
擬定新的研究計畫。
結果評估期：將所獲得結果與理論證 據作一整合判斷。
完成階段：比較結果找出研究的限制、整理 資料以及進行報告寫作。
資料來源：a.Doherty和Evans (1983)；b.周金城 (2002)；c.本研究之三階段
三、不同層次的探究教學
探究教學可以依據學生在科學學習的自主性或教學者介入的程度，可以區分為四種類型 (Bell, Smetana, & Binns, 2005)，如表2-1-2所示：包括驗證性的探究(Confirmation inquiry)、結構化 的探究(Structured inquiry)、引導性的探究(Guided inquiry) 以及開放性的探究(Open inquiry)。以階 層2為例，教師主動提供學生探究的問題，學生依據欲探討的主題確認假說、進行實驗，獲得結 果；引導式與開放式探究的差異在於教師是否主動提供學生可研究的問題讓學生從中選取感興趣 的部份；與結構化探究型態的差異在於教師是否主動提供研究問題的解決方式。階層愈低代表學 生學習的自主性愈低，而教師介入的程度愈高；階層愈高代表教師介入程度低，且學生愈能夠自 行完成整個探究的學習工作。
表2-1-2 探究活動的四個層次（Bell et al., 2005)
探究活動的四個層次 提供探究問題 提供解決方法 提供正確答案
階層 0 驗證性的探究（Confirmation inquiry） V V V 階層 1 結構化的探究（Structured inquiry） V V
階層 2 引導性的探究（Guided inquiry） V 階層 3 開放性的探究（Open inquiry）
四、探究教學的成效
以探究學習的觀點進行的教學模式即是探究教學，而實施探究教學主要著重在引導學生發展 出主動發現及解決問題的能力(楊秀停、王國華，2007)。強調以探究為主的教學模式，實施多年 之後是否具有正向的學習效果？不置可否地，許多研究提出探究教學在許多方面的學習比起傳統 教學更具有正面的效果(Barrow, 2006; Flick, 2000; Haury 1993; Schroeder, Scott, Tolson, Huang, &
Lee, 2007; Wise & Okey, 1983)，包括提升學習動機(蔡執仲、段曉林，2005；Kempa & Diaz, 1990)、
產生正面學習態度(Gibson & Chase, 2002；Shrigley, 1990)、提高學習成就(毛松霖、張菊秀，1997；
Kempa & Diaz,1990)、科學過程技能(毛松霖、張菊秀，1997；楊秀停、王國華，2007; Germann, Aram, 1998; Germann, Aram, & Burke, 1998; Roth & Roychoudhury, 1993)、科學本質(高慧蓮，2006；
Lederman, 1992; Schwartz et al., 2004)、思考推理與對資料的解釋(毛松霖、張菊秀，1997；謝州 恩、吳心楷，2005；Tamir, Stavy, & Ratner, 1998; Zuckerman, Kieffer, & Knee, 1998)方面比起傳統 式教學具有更顯著的效果，然而研究亦發現純粹讓學生自我探索的發現式探究教學並非能夠促進 學生學習，必須強調在探究歷程中教師的輔助角色以及適切的鷹架提供才行(Krajcik et al., 1998;
NRC, 2000)。
五、實施探究教學的困難
雖然許多文獻報導在教學中進行探究教學能夠具備成效，但是因為探究教學的意義不明，使 得探究教學的成果往往只著重在科學知識的探索或是科學方法的學習，忽略發展學習者對於科學 本質的理解(Bell, 2006; Lederman, 2004; Lederman, Wade, & Bell, 1998)。廣泛而不明確的探究意 涵，容易使學校環境中師生只知覺到探究即是科學方法，僅僅從事於動手做的探究活動，將探究 學習視為去情境化的科學方法，與特定概念的學習無關(Etheredge & Rudnitsky, 2003; Windschitl et al., 2008)，造成學生只有動手操作而無心智思考運作，只專注在步驟學習或是去情境化的過程 技能學習而非是以情境方式促進學生概念的建模與遷移(Tang, Coffey, Elby, & Levin, 2010)。
研究發現教師執行探究教學的困難面向，包括：教師個人是否能夠理解探究的本質、學生是 否 具 備 足 夠 的 先 備 知 識 與 技 能 以 及 有 限 的 教 學 時 間 之 內 如 何 實 施 探 究 教 學 活 動 (Kracjik, Blumenfeld, Marx, Bass, Fredricks, & Soloway, 1998; Welch, Klopfer, Kikenhead, &, Robinson, 1981;
Zion, Cohen, & Amir, 2007)。在教師面向，應該多提供教材教法或是研習活動促進教師反思探究
教學的意涵，額外強調探究教學不僅是科學方法或是學科知識的學習更是科學本質觀念的促進 (Akerson & Hanuscin, 2007; Bell, Matkins, & Gansneder, 2011; Zion et al., 2007)。在學生能力面向，教師應在不同探究歷程提供學生多種鷹架，促使學生能夠適切找出問題、控制變因、分析數據間
教師應在不同探究歷程提供學生多種鷹架，促使學生能夠適切找出問題、控制變因、分析數據間