研究動機與背景

第一節 研究動機與背景

物理一直都是學生學習感到困難的科目，東吳大學劉源俊(2009)教授指出，物理是 自然學科中最基礎，卻是最抽象，故最難學。除了不容易學習之外，物理教學上也常常 將情境去除，只教物理概念，例如清大歷史所傅大為(2001)教授提到，當他是理科學生 時，感受到的物理教育是G 級的(general 或 gymnastic audience)，代表乾淨、純真、體操 運動型的。「乾淨、純真」如同一般人對於物理的觀感，「體操運動」說明著物理教學上 不斷練習，就像在練習體操動作一般。國內的物理教學模式，常常是物理教師自編教材 授課，或使用仿間講義上課，接著學生不斷練習解題，這些教材常將概念條列式、重點 式寫出，程度好的學生能接受這樣的上課方式，但程度不好的學生卻無法從重點中建構 物理概念(杜鴻模，2002)。靳知勤(2007)訪談了台灣 12 位的學術菁英，其中九位提到台 灣的教育常以準備考試為主，以致於學生學習常是片段性的知識，而忽略過程技能、基 本原理、及情意目標。綜上所述，研究者思考，除了這些傳統考試導向的教學方式之外，

是否有不同於傳統，能夠破除學生對物理學習既定形象，並且能提升學生學習理解以及 學習動機的物理教學呢？

在99 年高中課程綱要實施之後，相較於之前的 95 年高中暫行綱要，高一基礎物理 最大改變即是加入了較新的物理發現及理論，例如夸克、光電效應、物質波、宇宙學等 新的名詞和理論，這些科學概念是日常生活中無法體驗的，對學生來說更是陌生，也更 加困難。99 年高中課程綱要基礎物理中課程目標之一是：「介紹物理學的基本精神及物 理學的範圍……使學生體認物質科學的發展對人類生活和環境的影響與其重要性……。」

在高中基礎物理教科書中可發現，為了符合這樣的學習目標，課文中加入了科學史料，

在章節最後也有科學家小傳，教師手冊中更補充許多科學史料供教師教學上使用。但遺 憾的是，教科書常只使用單一科學家歷史事件或單一科學知識或概念，進行教學，且一 般教師在教學上十分倚賴教科書，很少能呈現科學家的工作及影像(林陳涌、鄭榮輝、

張永達, 2009)。教學上也常因時間關係只能在教學中穿插一小段科學史事件，教科書又 只提及科學史的片段和科學家小傳，造成學生以為知識的發展是依靠單一科學家，或科 學知識的發展是獨立於其他科學知識情境的，對科學本質(nature of science)產生不恰當 的迷思。

McComas(1998)列出了十項學生對科學本質的迷思：(1)認為假設(hypotheses)將成為 理論(theories)再成為定律(laws)，呈現一種直線關係；(2)科學定律是絕對的(absolute)；

(3)假說是根據經驗的猜測；(4)有一個舉世通用的科學方法存在；(5)證據的累積將導致 正確的知識；(6)科學和科學方法提供了絕對的證明；(7)科學是程序性的(procedural)，不 須創造力；(8)科學和科學方法可以回答所有的問題；(9)科學家特別地客觀；(10)必須經 過實驗才能成為科學知識。McComas 並指出這些對科學的迷思可能源於教師缺乏哲學 方面的訓練、教科書提供有缺點的觀點或有所遺漏。有鑑於傳統考試導向教學，學生對 於科學的認識常是片段的、且充滿迷思的，為了避免上述傳統教學對學生的不利影響，

研究者認為科學史融入教學(後稱科學史教學)是恰當的上課方式之一，例如學者呂紹海 (2007)分析科學史教學相關文獻，指出其相關功能主要有六項：(1)幫助學生了解科學、

社會及文化間的交互作用；(2)呈現科學家面對問題時的思考、探究歷程；(3)幫助學生 了解科學為動態演變過程；(4)幫助學生了解相關科學概念間的關聯性；(5)幫助學生了 解科學本質；(6)助於預測學生迷思概念，並協助教師進行相關實驗設計 (引自李明昆、

劉靜怡、洪振方，2011)，以上可發現科學史史料是呈現科學本質的良好教材，故為了 讓學生學習恰當的科學本質觀、破除科學的迷思，科學史教學將是非常適合的教學方 式。

關於科學史教學主要探討的項目參考自賴淑婷(2007)的研究，其收集了 1997 年到 2006 年共 34 篇國內科學史教學文獻，這些文獻集中討論四個項目：科學學習成就、科 學態度(scientific attitudes)、對科學的態度(attitude toward science)以及科學本質。而國外 的科學史教學文獻中則多數討論科學本質觀(如 Abd-El-Khalick & Lederman, 2000 ; Rudge & Howe, 2009 ; Kim & Irving, 2010; Monk & Osborne, 1997; Solomon, Duveen, &

Scot, 1992 )。由此可見，科學史教學的研究中，科學本質觀的變化是科學史教學非常重

要的成果之一，故本研究中將著重於學生科學本質觀的變化。而科學史教學對學生學習 成就的影響，則不是本研究的主要探討目標，但為了消除合作教師對科學史教學的疑慮，

本研究將簡易分析學生小考成績，比較不同組學生的學習成就是否有所差異。

文獻中除了概念學習成就和科學本質的探討外，尚有科學態度及對科學態度。科學 態度是指學生的學習過程中，所表現出類似於科學家的思考方式、策略、或過程；對科 學的態度是指學生接觸科學的過程中，對科學的一切所形成的態度、意見、信念等。以 上兩項態度特質，均和學生的表現較無直接的關係，也就是說，科學態度及對科學態度 良好的學生未必學習表現較佳，故研究者尋求研究另一項和學生學習表現有密切相關的 特質─學習動機。學習動機是指引起並維持學習，且朝向學習目標的內在驅力，相較於 科學態度及對科學態度兩項特質，學習動機對學生表現的影響較為直接，學習動機強的 學生較可能在學習表現上較優秀。又在科學教育的領域中，很少研究和學習動機有關(段 曉林、靳知勤與謝祥宏，2001)，在科學史教學中的文獻更是少，故本研究藉此探討科 學史教學對學生學習動機的改變，也就是討論科學史教學對學生學習動機之影響。

關於教學單元的選擇，科學史教學的文獻集中在古典物理的科學史料(如:鄭子善，

2000；李玉真，2000；王月春，2004；徐錦美，2004；陳麗鴻，2005；引自許峻豪，2009 )，

近代物理的科學史教學集中在原子的單元(如：林兆聖，2003；王月春，2004；引自許 峻豪，2009；Justi, 2000)。和古典物理比較起來，近代物理中常提到許多科學家所做的 實驗、發現歷程，例如在高一基礎物理課程中，康熹文化版本教科書在介紹電子的波動 性時，提到：「西元1924 年德布羅意(Louis de Broglie，法國，1892～1987 年)提出了一 個新穎的理論，就是運動中的物質可以表現出干涉與繞射的波特性，稱為物質波。」同 一段文字又提到：「1927 年戴維森(Clinton Davisson，美國，1881～1985)與革末(Lester Germer，美國，1896～1971)使用鎳晶體座電子繞射的實驗，第一個成功證實物質波的 假設。電子的雙狹縫干涉實驗在 1961 年由約生(Claus Jönsson，德國，1930～)完成。」

在同一個段落提到許多科學家的姓名、實驗及理論，可看出科學史料在近代物理的教學 上似乎有其不可替代性，如果學習近代物理勢必要接觸科學史料，那麼科學史教學就可 能擁有促進學生學習的潛力。

在高一基礎課程中，共分為緒論、物質的組成、物體的運動、物質間的基本交互作 用、電與磁的統一、波、能量、量子現象、宇宙學簡介此九個章節，其中量子現象主軸 介紹波粒二象性和量子的行為，該單元學生普遍認為相當困難，而光電效應是學生先接 觸到的單元，那麼關於光電效應，教科書上的科學史料是否恰當呢？Niaz, Klassen, McMillan, 與 Metz(2010)指出六項光電效應的歷史中應該提到的重點：(1)雷納為了解釋 光電效應現象所提出的觸發假說；(2)愛因斯坦提出的光量子假說；(3)科學社群對光量 子假說的不認同；(4)密立坎利用實驗證明了光電方程式的正確性並計算了普朗克常數；

(5)密立坎對光本質的預設；(6)科學史哲對歷史事件的解釋。Niaz 等檢查 103 本大學的 物理教科書發現，對於光電效應歷史的描述，只有三本教科書是尚可接受，沒有教科書 包含上述六項重點，顯示教科書對歷史事件的不重視。類似情形也發生在高一基礎物理 的教科書中，教科書只提到愛因斯坦提出光量子假說，未提及雷納的觸發假說、科學社 群對光量子假說的不認同、密立坎利用實驗證明光電方程式的正確性、密立坎對光本質 的預設及科學史則對歷史事件的解釋，顯示教科書只重視光電效應的物理概念理解，而 不注重科學史實。

本研究重點是科學史和科學概念的教學順序，關於研究教學順序的源起，是當研究 者讀到 Kuhn 故事時，了解到 Kuhn 原先是物理學博士，為了傳授一堂科學史的課而踏 入科學史界，因而成為一位重要的科學史哲學者，研究者此時產生一個想法：從物理領 域踏入科學史哲領域和從科學史哲領域踏入物理領域，兩者間似乎難易程度不一，相較 之下前者的似乎較後者容易，那麼在學習上不同的順序是否可能有不同的難易程度呢？

也就是說科學史和科學概念的教學順序，是否擁有較佳的組合呢？

那 麼 是 否 有 相 關 文 獻 是 關 於 教 學 順 序 呢 ？ 在 科 學 史 融 入 教 學 的 研 究 中 ， Abd-El-Khalick 與 Lederman(2000)的研究中，以 166 位大學生、研究生，以及 15 位職前 教師為受試者，發現如果受試者持有部分科學認識觀，則可以讓後來的科學史課程在強 化科學本質方面更有效果，所以建議在進行科學史融入教學之前，可先進行明示的科學 本質教學，可增加科學史教學的效果。上述研究顯示科學認識觀的教學和科學史融入教 學有某程度的交互作用，但一般教學現場並不會特別設計教授科學認識觀的課程，而是

著重於科學概念的理解，故研究者好奇是否在科學概念學習課程和科學史教學課程間也 有如此的交互作用？

在 科 學 史 融 入 教 學 的 文 獻 中 ， 課 程 編 排 方 式 可 分 為 附 加 式(add-on) 和 整 合 式 (integrated)兩種方式(Matthews, 1994)，附加式課程排是在無科學史料的科學課程結束後，

再進行科學史教學，科學史教學不是必要的部分，且前後兩種課程間是獨立而無關聯的，

整合式課程則是以科學史為主軸，將科學概念和科學史料整合至課程中。那麼文獻中這 兩種課程編排方式何者較佳呢？賴淑婷(2007)分析了 34 篇科學史融入教學的文獻，發現

整合式課程則是以科學史為主軸，將科學概念和科學史料整合至課程中。那麼文獻中這 兩種課程編排方式何者較佳呢？賴淑婷(2007)分析了 34 篇科學史融入教學的文獻，發現