第二章 文獻探討
第三節 科學探究能力
一、 科學探究能力
我國九年一貫自然與生活科技學習領域課程綱要表示：學習科學，讓我們學會如何 去進行探究活動：學會觀察、詢問、規劃、實驗、歸納、研判，也培養出批判、創造等 各種能力。特別是以實驗或實地觀察的方式去進行學習，使我們獲得處理事務、解決問 題的能力，也瞭解到探究過程中，細心、耐心與切實的重要性。自然與生活科技之學習 應以探究和實作的方式來進行，強調手腦並用、活動導向、設計與製作兼顧，知能與態 度並重。自然與生活科技之學習應以學習者的活動為主體，重視開放架構和專題本位的 方法(教育部, 2008)。
美國奧勒岡州教育部門(Oregon Department of Education, 2002)提出針對 6~8 年 級學生科學探究能力評分指標(Scientific Inquiry Scoring Guide )，將探究的能力 分為四個面向：（1）形成問題或假說：基於觀察和科學概念，提出或形成可透過科學方 法探究的問題與假說。（2）設計研究：設計一個研究以回答科學問題或假說。（3）蒐集 並呈現數據：蒐集、組織並展示有效的數據以支持分析。（4）分析並解釋結果：摘要並 分析包含可能來源或誤差的數據，說明結果並提供合理和適切的解釋。每一能力面向再 分成應用科學知識、溝通與表達、科學探究本質三個層面，產生十二個分項。
美國國家科學研究委員會(NRC, 2000)所提出的《探究與國家科學教育標準》
(Inquiry and the National Science Standard)中，指出 5~8 年級學生所應具備的科 學探究能力為：（1)提出可透過科學研究回答的問題；（2）設計並進行科學實驗；（3）
使用合適的工具和技巧，以收集、分析和解釋數據；（4）使用證據以發展描述、解釋、
預測和建立模型；（5）批判性地及邏輯性地詮釋證據和解釋之間的關係；（6）瞭解並分 析可能的解釋和預測；（7）溝通及解釋科學程序；（8）在科學探究的各方面中使用數學。
經濟合作暨發展組織(OECD)自 1997 年起籌劃的「國際學生能力評量計劃」(PISA) 國際評量，其目的是為了針對 15 歲的學童進行大範圍的跨國評量，藉以了解各國推動 教育的狀況，並反映出該國學童在「閱讀素養」、「數學素養」與「科學素養」上的能力 (OECD,2000)。OECD (2000)將科學能力定義為「此能力包含使用科學知識、定義問題和 陳述以證據為基礎的結論，可用來理解和幫助關於自然世界的決定和透過人類活動而能 創造改變」。而科學素養評量的「能力」可被整合為:(1)形成科學議題（Identify science
17
issues）：要求學生從所提供的資訊之中，擬訂可以透過科學方法解決的研究問題；(2) 解釋科學現象（Explain phenomena scientifically）：針對日常生活中常見的現象，
如石雕受酸雨侵蝕，解釋其發生的原因；(3)科學舉證（Use scientific evidences）：
利用科學證據來支持本身的主張或論點。
18
二、 科學探究能力教學
(一)、 科學探究教學之意涵
我國九年一貫課程綱要揭示，激發學生主動探索和探究的精神、培養獨立思考與解 決問題的能力為課程目標與基本能力之一。「主動探索與研究」能力的培養：整個學習 的活動，均應建立在對自然現象的好奇及意圖探究其真相的基礎上。運用觀察、蒐集資 料、比較、分類、統整、歸納、研判、推理等科學方法以獲得知識和技能，使每進行一 個單元的學習，都能增進其對科學方法的應用能力。「獨立思考與解決問題」能力的培 養︰教學中，宜設計以「學生為活動主體」的形式，經由探討問題、處理問題的過程中，
養成學生遇到問題能主動且自主的思考，尋求解決之道，並採取實際行動(教育部，
2008)。
Anderson (2002)對 National Science Eduation Standars (NSES)所提出之科學探 究教育的功能進行更深入的探討，分成科學探究、探究學習與探究教學三面向，描述如 下：
1. 科學探究：科學探究是科學家運用各種不同的方式對自然界進行研究，並根據 研究所得的證據提出解釋。強調科學概念內容的多元性以及統整性，注重科學 知識的形成過程，讓學生參與對於知識的論辯過程，藉以瞭解科學的本質並形 成自己的知識論。
2. 探究學習：NSES 指出科學探究是一個學生主動的學習過程，學生藉由討論自然 現象、觀察、提問、對自然現象提出可能的解釋，以各種方法檢驗這些解釋，
並與他人溝通想法。過程中除了“動手做”，更要“用心想”，是故科學探究 學習，是一種強調學生在學習的過程中，主動找尋議題進行探究進而建構知識 的歷程。
3. 探究教學：探究是科學學習的核心，在科學教學中是被強調的重要目標之一。
而探究教學的方式是多樣化的，教師可以用不同的方式來進行探究教學。另外，
學生探究的問題必須是從生活經驗中所形成的真實問題，教師依此概念設計教 學活動，提供符合學生生活經驗的學習情境，藉以引導、評量學生並規劃課程，
讓學生從探究活動中發展知識，理解科學想法並體會探究的本質
19
(二)、 科學探究教學層次
Herron (1971)將科學探究教學依照教師是否給予實驗問題與假設、實驗步驟、實 驗結果分類，由易到難分成四個層次，如表 2-3-2 所示。第零層次為確認知識層次，學 生僅根據實驗步驟驗證結果，所使用的探究能力最少；第一層次為簡單實驗層次：學生 根據教師給予的實驗問題與步驟找出實驗結果；第二層次為實驗活動層次：教師提供實 驗問題，由學生設計步驟找尋答案；第三層次為完全探究層次：實驗問題、步驟與結果 均由學生自行設計與探究。
表 2-3-2：Herron 提出探究實驗的四個層次
層次 實驗問題或假設 實驗步驟 實驗結果
0 O O O
1 O O X
2 O X X
3 X X X
註： O：教師提供相關說明 X：教師不提供相關說明
到 Staer、Goodrum 與 Hacking (1998)在分類項目中再加入實驗器材，並將 Level 2 細分成 2a 由教師提供器材及 2b 由學生自行尋找器材。此時的探究活動分層定義，如 表 2-3-3 所示。Level 0：確認層次，學生根據教師給予之實驗問題、器材及步驟確認 課本知識。Level 1：引導性探究層次，教師提供問題、器材及步驟，由學生找出答案。
Level 2：開放引導性探究層次，教師只提供問題，器材可由教師提供(2a)，或學生自 行尋找(2b)，由學生自行進行探究活動，設計實驗步驟及觀察實驗結果。Level 3：開 放性探究層次，由學生自己找出問題、規劃流程，找出問題答案。
表 2-3-3：探究活動的層級(Staer、Goodrum & Hacking ,1998)
層級 實驗問題 實驗器材 實驗步驟 實驗結果 一般名稱
Level 0 O O O O 確認
Level 1 O O O X 引導性探究
Level 2a O O X X 開放引導性探究 Level 2b O X X X 開放引導性探究
Level 3 X X X X 開放性探究
註： O：教師提供相關說明 X：教師不提供相關說明
20
(三)、 國內外科學探究教學實徵性研究
近年來在國內外教育變革中，越來越重視科學探究能力的教學，國內外學者針對探 究教學的研究，亦多所著墨，顯示出不同形式之探究教學對各項探究能力都能有所助 益。
在學習動機與態度方面：陳裕政(2012)探討國小六年級學生，學習動機、科學態度 和科學探究能力的關係，發現國小六年級生學習動機愈高，科學探究能力愈好；不同程 度的科學態度，在科學探究能力的表現有顯著差異；學習動機與科學態度可有效預測科 學探究能力。陳柏宇(2012)探討「探究式教學」對學生「學習環境偏好」之影響，以國 八上學期「溫度與熱」為例。研究結果顯示：探究式教學能夠使學生的「學生中心」學 習環境偏好增加，「教師中心」學習環境偏好減少；同時提升學生的「自然科學習態度」
及「學習自然科的興趣」。研究中亦指出若學生的「學習環境偏好」與「學習環境」越 符合，則有助於提升學生的學習態度與學習成效；建議教師在教學上，適時並適度的使 用「學生中心」學習環境教學，有助於學生學習。
在解釋能力方面：Wilson、 Taylor、Kowalski 與 Carlson (2010) 以關於生物睡 眠與生物時鐘的內容，進行引導式探究教學，研究此教學法對學生學習的影響，實施4 週後發現探究式教學組學生於科學知識、推理與論證能力等方面都比口述式教學組學生 高。 Ruiz-Primo、Li、Tsai 與 Schneider (2010)分析學生於探究情境中筆記本寫作 所展現的科學解釋(包含宣稱、證明和推理)，並探討學生筆記本中科學解釋能力與學生 學習表現間的關係。研究發現僅18%的學生可以呈現較佳的科學解釋能力，但是也同時 發現學生若可以展現較佳解釋能力，其學業成績表現也較佳。Songer 與 Ho (2005) 探 討科學探究學習循環對4-8年級學生科學解釋能力與概念學習的影響，利用BioKIDS介面 設計是以線性、圖像的方式在PDA上呈現，引導學生學習生物。研究結果發現：生物概 念測驗前、後測及科學解釋能力前、後測也達顯著差異。學習者在探索過程中，會利用 各種探索工具以及與同儕互相討論，來推論對生物的假設，並且能整合自己對生物的瞭 解和其他同儕的發現，反映在其他推論結果上。
在實驗設計能力方面：郭泓男(2013)採用開放式真實操作的斜面滑車實驗作為診斷
21
學生探究能力的科學探究能力實作評量。發現接受科展培訓教學模組的實驗組學生，在 培訓前後之在科學探究能力實作評量的「實驗設計」、「實驗操作」、「數據處理」、「分析 詮釋」四個面向的得分皆達到顯著差異，且在總得分上達到高效果量。學生在科學探究 能力實作評量操作過程中明顯進步的行為特徵包括：(1)正確地操弄操作變因；(2)操作 變因的控制改變具有規律性；(3)刪除誤差過大的數據；(4)將實驗圖表做正確的詮釋。
在探究能力改變方面：洪振方、封中興(2010)以「探索－論證－評價」(EAE)的探 究教學模式進行理化科單元教學，分析此教學模式在國中自然科之教學成效，包括對學 生的科學學習動機、科學探究能力及自然科學期總成績改變之探討。在國中八年級上學 期的理化課程中，每一章挑選一小節單元內容在實驗組進行 EAE 活動，一次活動進行 3
在探究能力改變方面：洪振方、封中興(2010)以「探索－論證－評價」(EAE)的探 究教學模式進行理化科單元教學，分析此教學模式在國中自然科之教學成效，包括對學 生的科學學習動機、科學探究能力及自然科學期總成績改變之探討。在國中八年級上學 期的理化課程中，每一章挑選一小節單元內容在實驗組進行 EAE 活動，一次活動進行 3