研究背景與動機

第一章 緒論

本章分為四節，依序說明研究背景與動機、研究目的與研究問題、名詞 定義、研究範圍與限制。

第一節 研究背景與動機

近年來，國內外的科學教育皆強調探究學習、科學解釋及科學論證的重 要性，強調學生要培養邏輯思考、溝通及科學解釋的能力（American

Association for the Advancement of Science[AAAS], 1993; National Research Council[NRC], 1996）。然而，科學教育多年來常被詬病的缺失之一是：學生 經常只是學習到片段的知識，缺乏科學推理、解釋資料的能力（許良榮，2005）。 科學教育研究資料庫（2007）在數學與教育成就趨勢調查（TIMSS）2003 與 2007 年的分析，顯示台灣八年級學生在科學知識得分都優於應用與推理。由 此可見，學生在學習科學時，偏重於知識的記憶。

讓學生學習透過科學理論來解釋自然現象，是科學教學的重要目標

（Sandoval, 2003）。「解釋」指的是說明現象如何或為什麼發生（Chin & Brown, 2000）。Pallrand（1996）認為：解釋是科學教育的中心，是學生展現對現象的 瞭解，所以解釋自然現象的能力是一種過程技能。如同 Duschl 和 Osborne（2002）

也指出科學解釋和論證是科學探究基礎的活動。而學生在科學學習的過程中，

若能利用證據連結到因果關係或主張，並在過程中推理，在這樣科學解釋的 學習中，不但能學習相關科學概念，也更能瞭解科學知識產生的本質（Sandoval

& Reiser, 2004）。另一方面，進行科學解釋的活動，增進學生科學解釋能力，

可讓學生的科學概念更清楚，建構對科學內容知識更深層的了解（謝州恩、

吳心楷，2005；Bell & Linn, 2000）。

然而，科學解釋的學習是一種形式上的運作（Bass & Maddux, 1982），較 為抽象，因此大多數的科學教育學者將科學解釋能力視為統整的過程技能，

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待學童進入形式運思期才發展；大部分關於研究科學解釋建立的研究對象，

都是以國、高中生為主，只有少數的研究者（例：Lehrer & Schauble, 2010；

Metz, 1991）進行幼稚園到國小六年級階段孩童的科學解釋能力研究。但是，

Bass 和 Maddux（1982）的研究發現學生在具體操作時，也能產生複雜的科學 解釋，建議在學生具體操作期時，教師就可以開始進行關於科學解釋的教學。

此外，美國教育政策的報告：“Taking Science to School”（NRC, 2007）所提 出課程架構，也提到國小科學的學習中，學生要能夠提出和評估科學證據和 解釋，並且有效能的參與科學活動和討論。說明了年紀小的學生不但有建立 解釋的科學實踐能力；而且建立解釋的學習應該在中學以前就開始。然而，

在學習科學解釋的過程，資訊的龐雜，容易造成學生的學習負擔，學生無法 自然而然學會，這些能力需要教師有系統的教學來引導（NRC, 2007）。

儘管教師也認為學生學習建構解釋是重要的，但許多研究發現，科學教 師本身並沒有足夠的科學解釋能力。例如：巫少岑（2007）以五個「大氣壓 力、表面張力」相關聯的 POE 實驗對國小科學教師進行訪談，探討國小科學 教師的科學解釋能力發現在五個實驗中，只有第一個實驗有 16 位教師（80%）

能夠提出符合科學的解釋之外，在其餘的四個實驗中，能出提出符合科學概 念理由者皆未達全部受訪教師人數的 40%，顯示國小科學教師對於「大氣壓 力、表面張力」相關現象之解釋能力有待提升。在 Sampson 和 Blanchard（2012）

訪談國中教師的研究中，也發現很多教師在解釋實驗結果的時候，會依賴他 們原先具有的學科知識去解釋，而非使用實驗中的數據來作為證據，而且沒 辦法解釋現象與主張之間的關聯性。

此外，Zangori 和 Forbes（2013）的研究中發現，許多教師對於科學解釋 定義模糊不清，把「描述證據」當作一個完整的「解釋」，於是在指導學生建 構科學解釋時，經常只是讓學生描述證據而非學習建構科學解釋，而且當教 師本身對「建構解釋」的概念說明有困難時，對於支持學生學習解釋的建構

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也會有困難。McNeill 和 Krajcik（2008）研究教師科學解釋教學與學生學習成 效的影響時，也發現教師在科學解釋的教學時，較常使用「示範科學解釋」

及「說明科學解釋的定義」，較少「運用推理」，同樣的，學生在科學解釋時，

「運用推理」的表現也較弱。由此可知，教師本身的科學解釋的能力，以及 使用不同解釋類型的教學，對學生科學解釋的學習會造成不同的影響。

如何解釋自然現象與其具備的科學概念有密切的關係，因為進行「解釋 說明」必頇運用心智中既存的科學知識或概念，若先備知識不足，則難以期 望能提出合理、合邏輯的解釋（許良榮、羅佩娟，2009）。以往師範學院的學 生以非理工背景者居多，2002 年師資培育法的修訂以後，開放師資多元化，

不同學習背景的教師開始進入學校任教，雖然國小師資主修數理比例較為提 升，但也僅占 25.4%（吳麗珍、鄭碧雲、段曉林、郭重吉，2011）。目前國小 的教學採用包班制，自然科教師的安排不會特別考量教師的學科背景，為了 配課的方便性，每個老師都有可能會教授到自然與生活科技這門課。陳俐娟

（2008）探討一位非理工背景之國小自然科教師運用教學策略於教學時，發 現該位教師由於對 POE 教學策略的不熟悉及學科內容知識薄弱，產生教學上 的困難。自然科是國小教師們普遍認為較難以勝任的科目，自然科的教學除 了要具備基本的學科知識，亦要有處理科學活動的學科教學能力，因此不同 背景教師由於學科學習經驗的不同，對於自然現象的解釋能力是否會有所差 異？是值得探討的問題。

此外，在科學教學中，科學教師常常需要對科學現象或實驗過程加以解 釋說明，在解釋說明的過程，為了讓學生能夠理解，以及教材的特質，自然 產生許多不同的解釋類型。Dagher 和 Cossman（1992）以 20 位國中科學教師 為對象進行研究，將科學教師解釋的類型區分成十種類型；黃達三（1998）

採用了 Dagher 和 Cossman（1992）的分類方式，觀察國小低年級教師自然科 教學時的口語解釋，發現了六種解釋類型；大部分以教師為對象的研究，都

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是探討教師在科學教學時的解釋類型為主，關於教師本身的科學解釋類型的 研究卻很少。

為了了解國小教師的科學解釋情形，本研究以「重心、平衡」的現象為 主題，利用 White 和 Gunstone（1992）發展的 POE 策略（Predict-Observe-Explan）

由研究者事先設計示範性的實驗，讓受訪者預測可能發生的現象，並說明理 由，接著進行實驗，讓受訪者觀察並指出原先的預測原因與觀察結果之間的 異同。

文獻中有些學者以「科學解釋」的角度說明學生概念的不穩定性或變動 性，例如 Nakhleh 和 Samarapungavan（1999）研究學生對於物質的信念，發 現學生缺乏真札的說明架構（true explanatory frameworks），而當學生知識的 概念不清楚時，其解釋現象時會有不融貫的情形，因此，本研究除了探討國 小教師的科學解釋能力，並探討不同背景教師其解釋融貫性（explanatory coherence）是否會因背景知識的不同，而有所差異。由於單一個 POE 實驗沒 有辦法知道受訪者對於相同原理，但是不同的現象時，其概念是否會產生改 變？以及，是否會因情境的不同，而對現象產生不同的解釋？所以本研究採 用許良榮（2005）「序列性 POE（Sequential Predict-Observe-Explain；S-POE）」

的策略，序列性 POE 實驗設計是許良榮（2005）以 POE 策略與 Thagard（1992）

所提出解釋融貫性的理論為根基，改變一連串 POE 實驗中的一個變因，可以 從中了解受訪者對於每一個只改變單一變因的自然現象如何提出解釋。

「重心」與「平衡」是我們日常生活中很容易觀察到的現象，也是常使 用的語詞，然而，大家對其原理未必瞭解，因此本研究設計與「重心、平衡」

有關的五個 POE 實驗，讓受訪者進行預測、觀察與解釋，以個別晤談的方式 來探究理工及非理工背景之國小教師對於「重心、平衡」現象之科學解釋能 力、解釋類型以及解釋融貫性（explanatory coherence）的特徵。

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