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第二章 文獻探討

第二節 科學探究教學設計

本節分成科學探究教學的原則、國內科學探究教學研究評析以及以實驗為教學情 境的的科學探究教學三部分,詳述如下:

一、科學探究教學的原則

Schwartz, Lederman 與 Crawford (2004)認為學生容易缺少正確的科學本質認 識,其原因可能來自於缺少科學實作經驗,因此,透過探究活動融入在科學教學 中,可以幫助學生對科學本質的體認。Schwartz 等人提出在科學探究課程設計上 應該要注意的幾個面向問題:(一)內隱或外顯的教學方法-教師選擇將教學意圖 隱藏在探究活動中,或是藉由討論和引導將科學本質加以外顯;(二)探究為基礎 的課程-從過往的教學研究發現內隱式教學成效往往較差;(三)教師的科學探究 經驗也會影響到學生對於科學探究的認知與教學活動的成敗;(四)科學探究應是 在真實情境下進行活動,藉由教學者的引導讓學生進行實際的實驗研究。由上述 四點可知,教師知能與教學設計在探究教學中扮演了重要的角色。在進行學生專 題研究引導時,教師可設計科學探究教學模組,並根據教師風格、學生學習狀況、

教材選擇、現有教學資源等因素採用不同的教學策略,以配合各種環境下的探究 教學(Keys & Bryan, 2001)。Colburn (2000)指出,科學探究活動並非是均一化地被 創造,它可以分做四種形式:結構化探究(Structured inquiry)、指引式探究(Guided inquiry)、開放式探究(Open inquiry)、學習環(Learning cycle),在開放式探究中,

學生必頇要進行研究設計並選擇實驗程序,並在老師批准後進行實驗並下結論,

科展活動的歷程正符合開放式探究活動的性質,然而在先前的培訓教學中,可以 引入不同層級的探究教學。

11 表 2-2-1:Colburn 的四種科學探究活動形式

科學探究活動形式 說明

結構化探究 (Structured inquiry)

教師給予學生指令化的步驟,包含設計好的實驗變因與圖 表格式,學生紀錄他們所觀察到的。

指引式探究 (Guided inquiry)

給予學生實驗所需材料,並給予第一部分實驗的指示。確 認學生完成第一部分的實驗,再給予後續實驗內容的提示。

開放式探究 (Open inquiry)

給予學生實驗所需材料,僅告訴他們實驗目的是探討那些 變因之間的關係,學生頇自行設計實驗。

學習環

(Learning cycle)

學生依循引導完成實驗,教師參與實驗結果討論。並給予

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13 三、以實驗為教學情境的的科學探究教學

探究教學除了能培養學生具有基本的科學技能與知識外,亦能達到培養學生 具有批判性思考、問題解決、觀察自然現象以及提升科學素養等教育目的,而學 生探究的成果除了以紙筆測驗外,亦可透過口頭及寫作的方式展現;教學的場域 同時可在「實驗室」與「課室」場景中實施(蔡執仲、段曉林,2005)。由此可知,

實驗活動在科學探究教學過程中是不可或缺的部分。然而目前國內科學實驗課程,

幾乎是食譜式實驗,並沒有探究與創造力的實驗課程,學生無法體驗科學探索的 樂趣(曹淇峰 et al., 2009)。Newsome(2002)提出數種提升學生科學本質與科學探究 的科學教學法,其中之一是以單擺實驗為主題,利用擺放位置(擺角)、擺重以及擺 長等不同變因進行分組,詢問學生在 15 秒內擺動次數長短與變因之間的關係,得 到相同時間內擺長越長、擺動次數越低的結論。Windschitl, Thompson 與 Braaten (2008)在涉展類似以單擺為主題的課程則提出在探究時教師所引導的流程:(一)提 示我們那些是我們知道的?那些是我們想知道的?(二)產生可測詴的假說;(三)尋 找證據;(四)架構出討論。

實驗情境常應用在科學探究活動過程,然而真實操作實驗往往費時且教師不 易管理。Limniou(2009)指出數位虛擬實驗具有讓學生可以迅速收集實驗數據,進 行驗證或否決假說的優點。陳素芬(2010)針對 5 個科學教學網站中 233 個虛擬實驗 室(virtual laboratory)網頁進行分析,發現 80%的虛擬實驗室是理想狀態,也就是不 考慮阻力與摩擦力的狀況,而 99%的虛擬實驗室不要求學生去思考誤差來源或是 誤差在實驗設計上的考量,陳素芬並指出非擬真的虛擬實驗會讓學生喪失發展部 分物理探究學習能力的機會。近期一些虛擬實驗則詴圖將誤差來源融入當中,例 如Tłaczała(2006)等人設計出考慮溫度對電阻造成影響的虛擬電路設計界面,使學 生在操作上更接近現實。

綜合上述相關文獻探討給本研究的啟發有以下五點:(一)科學探究教學應以 明示教學為呈現方式-眾多科學探究教學相關研究皆顯示出明示教學優於內隱教 學,尤其在明示教學可增強學生科學探究時的後設認知能力。探究的明示教學有 兩種方式:一是提供學生程序性的科學探究背後的思考策略,另一則是提供學生 科學思考背後的思考策略,也就是探究的後設認知(洪振方,2010);(二)設計可 涵蓋科學探究過程與能力的教學模組-AAAS(1967)提出的SAPA 課程包含八項

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基本科學過程技能以及五項統整過程技能被廣為接受(Jaw, 2006),本研究並配合美 國奧勒岡州教育部門提出科學探究能力評分指標,將科學探究的能力分為:「形成 問題或假說」、「設計研究」、「蒐集並呈現數據」、「分析並解釋結果」等四個能力 向度,作為一學期課程設計的主要脈絡;(三)著重設計實驗與實驗數據處理的培 養課程-黃福坤(2004)指出「一般學生在實驗操作過程中若出現測量誤差過大之情 形會直接修改數據,或歸咎於儀器損壞及測量儀器不夠精準,而忽略了實驗過程 中可能的系統誤差(systematic error)與隨機誤差(random error)等因素(取自

http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/html.php?html=Notes/dataProcess)。」,學生對於實驗誤差 在實驗上扮演的角色往往不是忽略就是認為是無法避免也無法控制的,因此必頇 在課程上強調對實驗誤差的認知;(四)質性研究的工具發展-質性研究需要多方 的研究工具才能確保研究資料以及結論的可靠性,質性研究工具包括受詴者學習 紀錄、實作檢核表、錄影、錄音、問卷、晤談等方式,藉由適當的編碼方式將不 同的資料經三角校正後獲得具體結論;(五)學生的學習來自多個面向-綜合上述 研究,學生對於科學探究能力的獲得可能來自於教師的引導、探究實驗設計與操 作、與小組成員的對話、與其他小組成員的辯護與闡明自身想法等,探討學生科 學探究概念的形成機制也是本研究的重要問題之一。

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