教學特點與異同比較

(一)專題導向探究組與建模導向探究組相異之處

為進一步比較兩種教學策略，以下將分析兩者之間的異同。

1. 專題導向探究聚焦於單一現象之探究，而建模導向探究涵蓋廣泛的科學模型建構 歷程:

由表3-3-3兩種歷程對應中，可以看出在「模型的描述與選擇」及「模型的建 立」這兩項歷程，可以對應到多項「探究與實作」的項目。可以看出「探究與實 作」綱要著重對單一現象的探索，對此方面的學習有較為細節的描述。其課程規畫 重點在於培養學生觀察及察覺可探究問題的能力，並依據提出問題規劃符合科學原 則的研究計畫，經實際探究後分析結果提出論點或主張。

另一方面在「模型的分析」、「模型的應用與調度」以及「模型的修正與轉 換」等歷程，「探究與實作」的項目幾乎沒有跟建模關聯性比較強的對應，表示 「探究與實作」的綱要在學生形成探究結果之後，提供較少的機會讓學生體驗類似 科學家一般使用所建立的理論模型去解決新的問題，發現模型的限制進而去修正模 型，甚至建立新的模型。Nersessian(2008)指出，在科學史上創新概念的產生經常包 含建立、檢驗及修正模型就培養學生對科學本質的認識而言，能夠實際運用探究結 果解決問題，從而發現科學理論可行或有其限制需要改變，都是十分重要的體會。

而運用建模導向的探究可以讓學生在此一部分有較深入的學習。

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因果關係

 根據探究結果形成解釋 提出結論或解決方案  由探究所得的解釋形成論點

建立模型  由探究結果建立合理模型以描述所觀察的現象

論證與建模

分析資料和呈現證據

 比較自己、同學與其他相關的資訊或證據的合理 性與正確性

 由探究過程所得的資料數據，整理出規則，提出 分析結果與相關證據

模型效化

利用模型的相關成分 進行不同形式的評 估，檢驗或修正模型 內部的一致性 提出結論或解決方案

 檢核自己、同學的結論與其他相關的資訊或證 據的異同

提出結論或解決方案  由探究結果形成結論、新的概念或問題。 模型分析

利用已完成效化的模 型進行問題的解釋與 分析

表達與分享 評價與省思  反思探究成果的應用性、限制性與改進之處。

模型應用與調度 利用已效化的模型於 新的問題情境中

模型修正與轉換

察覺已效化的模型部 分失效，必須增加或 減少成份（物件）與 關係或建立新的模型

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本研究受限於授課的節數，對於學生的開放式的建模歷程探究，先聚焦 於模型選擇、模型建立及模型效化。模型分析、模型應用及調度及模型修正 與轉換則引用全國科展學生作品運用已知的科學理論(完成效化後的模型)進行 探究時，所進行的分析、應用與修正歷程，提供學生討論與學習。

圖3-3-1 建模導向探究組以科展作品介紹模型分析、應用與修正歷程 2.專題導向探究組介紹研究方法，建模導向探究組著重模型的操作

由於專題導向探究組課程規畫重點在於培養學生觀察及察覺可探究問題 的能力，並據以提出符合科學原則的研究計畫，經實際探究後分析結果提出 論點或主張。因此在課程的安排上，專題導向探究組先讓學生討論如何形成 可探究的問題，再介紹自然科學經常使用的觀察法及實驗法，引導學生在規 劃其研究計畫以進行探究。圖3-3-5顯示專題導向探究設計的活動，讓學生學 習觀察法及實驗法等方法。

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圖3-3-2 專題導向探究組課程設計觀察法及實驗法等活動

而建模則著重知識由學生個人透過操作模型所建構，因此建模導向探究 組在教學活動設計上，除先介紹模型的本質與功能，讓學生了解科學家將模 型作為協助進行科學的抽象思考的工具外，後續的教學活動亦引導學生學習 如何操作模型。如變因的尋找就操作模型而言即為模型成分的描述、由資料 數據推測變因可能的因果關係就模型操作而言即為模型成分關係的描述。

學生透過操作模型，找尋模型的成分、關係及系統，建立初步正確的模 型。之後再透過模型的相關成分進行不同形式的評估，檢驗或修正模型內部

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的一致性，形成一個經過效化的模型。

3. 建模導向探究較為結構化、專題導向探究較為開放性

比較建模導向探究與專題導向探究，可以發現建模導向探究歷程較具有 方向及結構性。從邱美虹(2016)對於建模歷程的描述：建模導向探究歷程強調 學習者應基於個人既有的知識架構形成一個可以運作的模型，爾後檢測其有效 性、再精緻成為一個具可信度的模型，進而應用模型進行解釋與預測。可知探 究的起點是個人既有的知識架構，依據問題的特徵，找到可對應之模型的成 分、關係與系統，藉由不斷操作模型使其更有效、精緻，以解決問題或更增進 對現象的認識。

若以Pedaste等人的分類，此一探究方式接近第二類的探究方式，學生對 於探索目標有具體的(通常是理論負載)的想法，知道要調查的方向，透過定向

→產生假設→實驗→資料詮釋→結論(產生假設→實驗→資料詮釋之間的循環 可能重複數次，但也有可能在第一次的資料詮釋後直接進入結論；每一個階段 都可以加入溝通和反思)等歷程進行探究。

本研究在建模導向探究的教材設計，透過搭設鷹架方式，提醒學生目前所 處的狀態是屬於建模歷程的哪一個步驟，協助學生更加了解建模的歷程，也讓 學生可以在進行探究的過程中，知道那些步驟已完成，接下去要需進行那些工

圖 3-3-3 建模導向探究組課程設計操作模型進行探究

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作，教材提示的設計如圖3-3-7所示。

圖3-3-4 建模導向探究活動提示建模步驟

另一方面在專題導向探究，學生探究的起點是從觀察現象、形成問題開 始。由於在此探究的過程中沒有特定的研究問題，因此學生探究較為開放，沒 有特定的探究方向。若以Pedaste等人的分類，此探究方式接近第一類探究方 式。若學生對於探索目標無特殊想法，應從比較開放性的問題開始進行探索。

此種類型的學生探索屬於問題驅動(question-driven)的途徑。其探究的程序可 能是定向→提問→探索→提問→探索→資料詮釋→結論。(提問與探索之間的 循環可能重複數次，但也有可能在第一次的探索後直接進入資料詮釋)。

對於專題導向探究，則利用在每一項目前，例如規劃研究項目，以流程圖 3-3-8 的方式提示學生這一個項目需進行的步驟，讓學生保留其探究問題的獨 特與開放性，但同時能清楚每一個項目探究與實作的流程。

圖 3-3-5 專題導向探究活動提示研究步驟

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(二) 專題導向探究組與建模導向探究組相同之處

根據洪振方(2003)分析美國國家科學教育標準(NRC,2000)的趨勢，發現探究 教學已成為強調「調查和分析科學問題的活動」、「作為論證和解釋的科學」、

及「將想法和結論與同學公開交流」的學習活動。透過與同學相互討論的過程，

能學生協助將內隱的想法陳述出來，藉由與其他同學互動的過程中，建構屬於自 己的知識。因此，本研究兩組的教學在每一個階段皆透過設計活動引導學生進行 討論與探究，圖3-3-9 為建模導向探究組與專題導向探究組的教學討論活動。

圖3-3-6 建模導向探究組與專題導向探究組的教學討論活動

另外，在教學流程第六節至第十節的實作活動，亦以小組方式進行。由同一

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小組的學生進行討論要探究的題目、規劃研究計畫或建模規劃，最後成果報告也 以同組學生合作方式進行。

2. 兩組探究活動皆結合電腦動畫進行探究

根據預試施測的結果，高一學生未學習過彈簧週期的單元，不清楚鉛直彈簧 振盪周期的大小與那些因素有關，適合讓學生作為建立模型時尋找模型的成分與 關係的探究，或是在專題導向探究組尋找變因與關係的探究。因此本研究在建模 導向探究組之建立模型的步驟以及專題導向探究組的尋找變因與條件的步驟，皆 利用PhET網站 mass & spring 動畫讓學生進行探究，動畫界面如圖3-3-10。運用 電腦動畫的優點是讓學生可以集中注意在所設計的活動中，不會被其他的因素干 擾，如學生實驗技巧不佳，或實驗器材不良等，但缺點即無法透過實作活動培養 學生的實作技能。考量本研究授課節數及研究目的，故讓學生採用電腦動畫進行 探究活動。

圖3-3-7 PhET網站 mass & spring 動畫界面

在此一動畫中，學生可以更改的變因包含懸掛砝碼的質量、摩擦力的大小、

彈簧的強度、重力大小等。同時動畫中提供尺規量測震盪距離、碼表量測時間、

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直方圖顯示能量變化的情形以及即時或慢動作的時間功能。由於上述變因有些與 鉛直彈簧振盪周期的時間長短有關(砝碼的質量、摩擦力的大小、彈簧的強度)，

有些不相關(重力的大小)，適合讓學生尋找出與鉛直彈簧振盪周期時間的變因。

圖3-3-8 運用mass & spring 動畫進行探究

兩組的活動皆請學生在摩擦力為零的條件下量測動畫中懸吊已知質量(50、

100、250公克)的砝碼的週期，測量完畢後運用excel繪製所得數據的散布圖，再 以擬合的方式求出週期與砝碼質量的關係，預試時學生探究作圖如圖3-3-12。當 學生找出關係後，再請學生懸掛未知質量的砝碼(紅色、綠色或黃色砝碼)量測彈 簧週期，請學生運用所找到的關係回推此砝碼的質量。完成運用動腦動畫進行探 究的學習。

圖3-3-9 用excel作圖找出週期與砝碼質量的關係