研究背景與動機

本章將分為六節，依序說明研究背景與動機、研究目的與問題、名詞解 釋、研究範圍與限制、研究倫理以及研究的重要性。

第一節 研究背景與動機

科學教育學者認為教師的解釋本質一定會影響學生對科學本質的解釋 (Bybee, Ellis, ＆ Mathew, 1992)。目前以我國國民小學採包班制教學的前提 下，每位教師均有機會接觸到自然與生活科技領域的教學(楊仁理、彭玉美、

林愛華，2002)，根據黃文吟(2000)的研究顯示，教師想在自然科課堂上進行 有效的教學，促使學生理解和學習正確的知識，必須在教師的解釋行為與學 生的思考架構模式相互配合之下才能達成。因此，自然科學教師在教學時的 解釋本質對於學生在建構正確的科學概念、態度與方法上，以及在科學的應 用層面即扮演相當關鍵性的角色。

一、 科學過程技能—科學解釋能力之提升

目前「科學過程技能」是科學教育中相當重要的教學目標之一，因為日 常生活中的許多問題，可經由運用過程技能而進一步提出解決的方案。換言 之，科學過程技能的重要性在於它可以加以轉化成為「帶得走的能力」。

Finley(1983)即提出科學過程技能的規準為：(ㄧ)每一個過程是一種特殊的心 智技能，為所有科學家所使用，並可應用到對任何現象的了解；(二)每一個 過程都可以在科學家探討的行為中發現，並可以被任何學生學會；(三)這些 過程技能可以普遍應用到不同的學科內容中，並有助於日常生活中的理性思 考。根據 Abruscato 的「自然與科技領域教材教法」(莊奇勳譯，2005)指出:

美國的 2061 計畫非常強調將科學過程技能教給學生(p.61)，由此可知學生的

科學學習，已由強調「知識內容」的教授轉化為強調「過程技能」的培養，

亦即除了提供學生學習科學知識之外，也應該讓他們培養科學過程技能。

檢視我國在 1992 年公佈的第二次國際數理科學教育的評鑑(International Assessment of Education Progress，簡稱IAEP)結果發現，無論是 13 歲級或 9 歲級學生其數學及科學的筆試成績，在美、英、加、法等參與的二十個國家 之中都是名列前茅，僅次於韓國。根據參與此IAEP研究的教授楊榮祥(1994) 指出，雖然參賽學生在學科知識(knowledge level)上得分甚高，但在科學的本 質上以及解決問題的能力上，卻有較差的表現。我國的學生似乎只重視知識 的記憶而缺乏科學方法的訓練，不少學生在區別觀察和推論時產生困難，而 在自創方法和以實作方式解決問題上的能力差。由上述結果可知：國內學生 對於科學知識的學習偏重強記片面的概念知識，無法深入了解科學的本質和 內涵，進而提升科學素養，遂難以將所學之科學知識應用於周遭環境或生活 層面，使得科學知識僅是作為考試得分的工具，卻未能協助學生解決和解釋 日常生活所碰到的疑問和難題，這些現象的確值得科教學者及教師憂心。

Pallrand(1996)曾提及解釋是科學教育的中心，學生藉此展現對現象的了 解，以提供老師了解學生知識的組織和想法，因此，科學解釋能力可視為一 重要的科學過程技能。科學過程技能最早是由美國科學促進協會(AAAS)所提 出，其中的統整過程技能之一「解釋資料」意涵為：組織資料並提出結論，

能對觀察所得給予合理的解釋，目的在進一步產生推理、預測及假設；狹義 而言，是指能夠對採用特殊方式和技術傳達的資料，做口語化說明的能力(王 美芬、熊召弟，1995)。又根據九年一貫課程「自然與生活科技」學習領域課 程綱要(教育部，2003)指出，國民之科學與科技素養，依其屬性和層次來分 項，「科學過程技能」為七大學習內容類別之一，由其底下的分段能力指標「歸 納與推斷能力」與「傳達能力」中不難發現應用適當的方法分析、推論資料，

並合理詮釋資料以解釋科學現象的能力，是受到重視的科學過程技能之一。

綜合以上所述，顯示我國科學教育雖然長久提倡以科學方法教學，亦讓 學生動手做實驗，然而學生的科學過程技能仍不如人，因此針對科學過程技 能之提升，如：培養學生透過科學方式探討與辯證，養成科學思考與科學處 理能力，以及具備提證據、講道理的科學態度等方面，仍需要科學教師和科 教學者的共同檢討和努力，以培養出具有科學素養的未來公民為目標。

二、 科學教師解釋行為與學生學習

教學是師生共同參與而產生交互影響的動態過程，在自然科教學過程 中，教師經常扮演引導和溝通的角色，Duit(1997)在研究中提及學生以他們 既有的經驗或知識去面對新的問題和情境，而教師也是依據其科學概念架 構 ， 猜 測 學 生 的 理 解 狀 況 ， 並 據 以 跟 學 生 對 話 ， 以 至 於 經 常 發 生 誤 解 (misunderstanding)的情形，亦即迷思概念的來源有可能是由老師在教學過程 中所提供的錯誤信息所引起的。一些研究(Bar＆Travis,1991; Fisher,1985；

Osborne & Cosgrove,1983)指出，教師是迷思概念的來源。Bonder(1991)亦曾 提及：老師有可能在教學過程中，因為錯誤的詮釋、缺乏科學知識本質上的 瞭解或是企圖簡化概念，而提供對於概念的描述，如此皆可能使學生產生迷 思概念。

此外，國內一些針對國小教師所作的概念研究(洪淑淩，2007；張敬宜，

1994；黃萬居，1996；蘇育任，1999)，亦發現國小教師普遍持有迷思概念。

鄭麗玉(1998)將有關迷思概念的研究發現加以闡述，探究其改變的可能性、

促進概念改變的教學策略和相關因素，有以下幾點發現：(一)學習者帶著各 種迷思概念進入學習情境；(二)小學教師也可能具有迷思概念；(三)傳統的 教學法可能不易改變迷思概念。

綜合以上學者的論點發現，自然科學教師是知識的呈現者和引導者，學 生所持之概念可能會經由教師授課過程中產生，教師本身所持有之概念是否 正確，是否能在教學時幫助學生在既有架構上修正和統整，是很值得探討的

議題。正如同Sandoval(2003)所述：科學解釋對於科學理論的重要性，透過科 學定理解認識自然現象，是科學教學的重要目標，也顯示教師的科學解釋能 力在科學教育研究中是不容忽視的領域。

研究者本身在自然課程的教學過程中，常常會碰到學生提問的情形，例 如學生會問：散佈在桌面上的水滴為何不會散開，而是成圓球形？為何將杯 中的水倒滿，水會在杯子最上層形成一種微鼓起來的水層，卻不會溢出來？

諸如此類的問題，大部分的老師會給予直覺的解釋--因為「表面張力」的原 因，待學生再繼續追問：「何謂表面張力？」許多教師必定皆有相同的經驗和 察覺，原來我們知道的僅是表面張力的結果，但對於表面張力其作用方式卻 存在著模糊的概念，因此在回答學生提問的問題時，極可能無法提出合理且 符合邏輯的解釋，以致解釋常流於片段而呈現不完整的現象。

因此，研究者深深覺得教師對自然現象或科學概念所能提出的「解釋能 力」，在教學中扮演著相當重要的角色，現今科學教育重視學生科學過程技能 的培養，美國的「National Science Education Standards」(NRC,1996)即建議 應教導學生「評估證據與考量邏輯以決定最佳的解釋」(p.175)。國小學童在 學習階段其心智功能尚在發展，在學習上需要經由老師的引導，彼此之間對 於現象的探討、相互陳述看法，進行科學對話，以學得科學社群所確認的知 識，並且學習運用科學話語(discourse)模式來解釋科學現象，以培養國小學 生科學過程技能中「解釋資料」的能力。故站在教學第一線的老師，其本身 是否具備科學過程技能的能力和科學素養是不容忽視的議題。

三、 序列性 POE(Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE)

國內外已有許多研究顯示，POE 策略能廣泛運用在科學教育上，能協助 教師探索學童的先存概念或迷思概念(Gunstone ＆ White, 1981；Methembu, 2001；王玉龍，2005；洪淑淩，2007； 陳志偉，2004；蔣盈姿，2004)；亦 是一種有效的教學策略(White ＆ Gunstone, 1992；Liew & Treagust, 1995；

Kearney,Treagust,Yeo ＆ Zadnik, 2001；邱彥文，2001；張宗義，2003)。

王淑琴、郭重吉(1994)於研究中曾提及 POE 晤談的實施，除了可找出受 訪教師的另有想法之外，在過程中亦發現教師有以下三項特徵：(ㄧ)想法會 同時具有或矛盾共存的；(二)觀察會受到主觀想法的影響；(三)想法會因觀 察實驗現象而有所改變。又以 POE 概念晤談探究受試者的迷思概念有下列幾 項優點(Gunstone & White, 1992；王淑琴、郭重吉，1994)：(一)可促使受試 者對現有的概念知識產生反省；(二)有助於刺激受試者的思考；(三)可引導 受試者深度學習並發展多樣的觀察、提問與思考的方法；(四)可引導受試者 學習正確的科學觀察；(五)有助於深入探究受試者的迷思概念。

由以上之相關研究以及文獻可歸納出：學者所採用的POE策略多半是單 一實驗或是無關連性的多次POE活動，僅能診斷出受試者的概念特徵或概念 改變的歷程，卻無法了解受試者對於某種科學知識(概念)的理解是正確的且 符合前後一致性的情況。

基於此，本研究為參與許良榮教授(2005)於國科會研究計畫中所發展之

「序列性POE(Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE)」策略，擬採設計前 後具相關連性，與「大氣壓力、表面張力」有關的五個POE實驗，讓受試者 進行預測、觀察與解釋，以此研究探討國小科學教師對於自然現象之科學解 釋能力、解釋類型以及「解釋融貫性(explanatory coherence)」的特徵。研究 者發現教師對於此部份的解釋常混淆「表面張力」的意義與作用，且對於「大 氣壓力」的角色與本質也不甚清楚，故所提出的解釋經常流於片段、缺乏邏 輯一致性(融貫性)，因此本研究選擇「大氣壓力、表面張力」作為研究主題，

使用「序列性POE」的策略進行質性研究，以深入探究國小科學教師的科學 解釋能力、解釋類型與解釋融貫性之特徵。