科學探究

近年來，教育不斷改革，由封閉走向開放的趨勢，由傳統以教師為中 心的教學方式，轉變為以學生為中心的特質，於是過去以訓練、記憶、背 誦為重點的教學，已將焦點轉變為啟發思考、創意及潛能開發(高強華，

1998)。

一、探究的本質

Abd-El-Khalick(2004)提出，以在科學中探究(inquiry as mean；inquiry in science)的角度而言，探究是一種教學的方法及過程，幫助學生發展科學概 念。若以探究科學(inquiry as end；inquiry about science)的角度來看，探究 是教學的成果，學生學習在科學內容中探究，發展出對科學本質及科學知 識的認知以及有意義的探究技能。

劉宏文、張惠博(2001)提到，雖然學生所從事的科學活動、所經驗的情 境，可能與科學家真正的科學工作有些差距，然而卻是極富啟發意義的探 究經驗，是抽離情境下的科學教學所難以比擬的。

(一)科學素養

在教育部公佈之「國民中小學九年一貫課程綱要」的「分段能力指標」

說明中，進一步闡釋自然科學的學習，主要目的為提昇國民的科學素養。

所謂「科學素養」是經由科學性的探究，自然科學的學習使學生獲得相關 的知識與技能。學生若能經常依照科學方法從事探討與論證，養成科學的 思考習慣和運用科學知識與技能，便能提升解決問題的能力。當長期從事 科學性的探討活動，將會更認識經由探究方式建立的知識之本質，養成提

出證據和講求道理的處事習慣，在面對問題、處理問題時，持以好奇與積 極的探討、瞭解及合理解決的態度，這些知識、見解、能力與態度即為「科 學與科技素養」(教育部，2003)。

(二)探究過程技能

科學學習的目的不只在於接受目前已知的科學解釋，更重要是經由探 究過程形成科學解釋，當問題發生時，便會運用探究的過程來解決問題，

探究過程如下：

1.起始、觀察、操作

2.提出問題、精緻問題、提出或討論科學調查的主題 3.計畫與設計來解決問題、設計科學調查活動

4.進行實驗工作

5.使資料有意義、資料分析與討論 6.尋找資訊、產生產品

7.分享想法、解釋、溝通

在探究過程中，需要應用到「觀察、分類、測量、預測、推論、編寫 假設、溝通、辨別變因、設計實驗」等過程技能。所謂的觀察包含了定性 觀察與定量觀察；分類即是找出相同與相異點；測量是適當地運用工具進 行量度，利用熟悉事物作量度標準顯示結果；預測為預期所將觀測到的事 物；推論即是根據事實做合理猜測；假設是預測變數之間的相互關係，設 定需要收集的數據；溝通是為了表達意見及情感。而科學探究步驟是選取 變因(操縱、控制及應變)、假設及預測、設計實驗、記錄、用圖表找出關係、

結論、實驗的準確性及可信性。設計實驗是進行探究時很重要的一種技能，

重點是去改變一些因素，繼而量度這個改變對其他方面的影響(HKIEd HAS Centre，1998)。

(三)實驗與探究活動

探究進行的形式也有很多種，例如實驗活動、論證與討論…。但現行 的實驗活動不一定能達成「探究」的理想目標，有些主要是教授科學概念，

透過問題引導學生按步驟歸納出預期的答案。這與科學研究情況有一些矛 盾的地方：

1. 要求絕對答案：為了方便掌控進度、批改作業或達成某些特定的教學目標，

所探究的問題甚至有所謂的標準答案。

2. 有限時間：受限於進度及課程時間，探究的時間必須被壓縮或切割。

3. 經歷過程但未設計過程：學生依規劃好的實習活動一口令一動作，其實只有 快速地經歷流程，體驗不夠深入。

4. 跟著指示進行即會成功，未提及檢討及修正：如此一來，會造成學生對科學 不正確的認知，易將科學過度以簡單化。

二、科學探究能力

在教育部頒行之97年「國民中小學九年一貫課程綱要(自然與生活科技學習 領域)」中，將國民科學與技術的基本能力，依其屬性和層次分成八個要項(教育 部，國民中小學九年一貫課程綱要自然與生活科技學習領域，2008，頁1-3)：

1.過程技能：增進科學探究過程之心智運作能力；

2.科學與技術認知：科學概念與技術的培養與訓練；

3.科學與技術本質：科學是可驗證的、技術是可操作的；

4.科技的發展：瞭解科學如何發現與技術如何發展的過程；

5.科學態度：處事求真求實、喜愛探究之科學精神與態度、感受科學之美與 影響力；

6.思考智能：對事物能夠做推論與批判、解決問題等整合性的科學思維能 力，以及資訊統整能力；

7.科學應用：應用科學知識以及探究方法以處理問題的能力；

8.設計與製作：能夠運用個人與團體合作的創意來製作科技的產品。

在這八個要項中，第1項、第5項、第6項、第7項都和科學探究相關，足見能 國民科學與技術的基本能力中，將科學探究列為很重要的能力。

而美國國家研究委員會(National Research Council)出版之《探究與國家科學 教育標準》(Inquiry and the National Science Education Standards, 2000)中，認為 9~12年級(相當於國三~高三)學生所應具備科學能力有提出問題(Question)、計畫 執行(Plan)、分析詮釋(Analyze)、建構解釋和模式(Model)及溝通分享

(Communicate)五個方向，並訂有能力標準(NRC，2000)，整理如表2-1.1。

表2-1.1 美國國家科學教育標準中 9~12 年級學生的能力標準

能力 能力標準細目

提出問題 Question

Q1.學生能形成一個可測試的假說

Q2.學生可說明假說的科學觀念與實驗設計間的邏輯關係 計畫執行

Plan

P1.能澄清問題、方法、操作及變因 P2.能組織並展示資料

P3.能修正方法及解釋

P4.將結果公開展示並接受其他同學的批評回饋 分析詮釋

Analyze

A1.整合儀器設備於科學調查中

A2.使用電腦來收集、分析、展示資料

A3.在探究過程中，能應用數學來分析詮釋及展示資料及其關 係

建構解釋和模 式

Model

M1.能依據資料形成解釋或模式

M2.在回答問題的過程中，學生能根據科學知識、邏輯及科學 調查的證據參與討論，並修正解釋或模式

M3.根據分析討論，檢查現有的知識、證據的比重、邏輯的思 考來決定哪一個才是最佳的解釋及模式

溝通分享 Communicate

C1.學生能正確及有效率的溝通：寫、跟隨指示步驟、表達觀 念、檢查資料、總結資料

C2.適當使用語言及圖表解釋統計結果

C3.解釋統計分析、清楚及邏輯的表達、建立一個理性的討論、

對批評議論能適當回答

Hsu等(2008)將上述的五種能力，再將科學探究能力歸納為四個面向，分別

為「提出問題與假說」、「計畫」、「實驗與資料蒐集分析」及「詮釋與結論」。 (NRC,2000 ; Hsu,Yang,&Tsai,2008)

探究型態的變異

探究型態的變異

基本特徵 面向 較多←←←←←←←←←學生導向的程度→→→→→→→→→較少 較少←←←←←←←←教師或教材導向的程度→→→→→→→較多 他們的解

釋作交流 及辯護

E 評估 ReA回應

的及邏輯的論 證以交流解釋

發展交流的方 法

的指導以學習 如何交流

的步驟和程序

(二)探究的開放程度

除了學生導向或教師導向外，也可依探究的開放程度來分類探究的層次。

Herron(1971)依據探究時，探究問題、操作程序以及解答的提供與否，提出探究 開放程度的四個層次，分別為驗證層次、引導式探究層次、開放引導式探究層次 以及開放性探究層次。

1.第 0 層次：為驗證層次（confirmation/verification），問題、操作方法、操作步 驟以及答案均提供給學生，學生僅依步驟進行操作，目的為驗證已知結果 2.第 1 層次：為結構式探究(structured inquiry)層次，問題以及操作的方法及步驟，

學生只需依步驟去進行操作，就可以得到結果。

3.第 2 層次：為引導式探究(guided inquiry)層次，由教師給予問題，學生使用自 己設計或選擇的步驟解決問題

4.第 3 層次：為開放性探究(open inquiry)層次，學生探索與主題相關的問題，所 探究的問題是由學生在選擇、設計的程序中所產生的。

(三)探究與傳統的組合

在實際教學過程中，探究式教學可以與傳統教學方式結合，這種結合其本質 仍可以歸為探究式教學，唯有在「學生導向與教師導向」的程度上有所差異。洪 振方(2003) 以探究的「學生導向與教師導向」、「開放式與封閉式」、及「非結構 式與結構式」三個向度，畫出如圖2-1.1所示。圖中，結構式向度程度越高，指的 是給予學生越多的引導、壓力，在探究活動的計劃、設計、實施和評量上也是越

具組織性。

圖2-1.1 探究活動的向度(引自洪振方，2003，第 659 頁)

(四)引導式探究(guided inquiry)

引導式探究的層次只提供學生任務(問題)，而讓學生自行選用實驗器材 進行實驗設計、操作，並提出解答。學生探索教師所展示的問題，但學生 必須自己設計或選擇的步驟解決問題，以學得其中的科學相關知識。

探究並非只有一種型式，可將科學探究想成直線，一端為傳統、直接 講述式，一端為開放式探究，那麼，引導式便是介於傳統講述與開放探究 之間的探究形式(Furtak，2006)，如圖 2-1.2 所示。

圖2-1.2 引導式探究的定位

傳統直接

講述式  引導式探究  開放式探究 

教師可以用生活上的問題來與學生互動，引導學生發現重要的概念，

這種引導式的教學方式比傳統教學活動更活潑，可使學生更積極參與學 習，從依賴教科書轉變成獨立探究，教師則轉為教學過程中的協調者，營 造熟悉的生活情境，從中培養學生獨立思考的科學能力(翁榮源、陳定威、

施信宏，2006)。

(五)開放式探究

開放式探究指的是，從研究問題的形成、研究方法及所需器材皆由學 生自行提出，而從研究過程中歸納出研究結果。在以色列高中的 Biomind 課程，即為一套讓學生經歷開放式探究的新生物課程。

一般課程中含有印證式探究(食譜式)、結構式探究、引導式探究及開放 式探究，其中開放式探究所佔的比例最少。而過多的食譜式實驗無法達成 探究的目標，也無法讓學生在過程中統整真正重要的概念或培養正向的科 學態度。

近幾年來，科學教育專家已認同發展高階統整性科學過程技能的重要 性(Roberts，2001)，而且，以探究方式來進行學習或研究對科學知識的發展

近幾年來，科學教育專家已認同發展高階統整性科學過程技能的重要 性(Roberts，2001)，而且，以探究方式來進行學習或研究對科學知識的發展