科學推理與類比推理

在科學教育的研究中，除了瞭解學生是如何建構知識之外，對於學生科學思考能力 的探究，也是近年來科學教育的重要任務之一。整體而言，推理(Reasoning)是指經由觀 察的現象，來推論出其原因與結果；而科學推理(Scientific reasoning)意指運用科學方法 (包括：觀察、分類、操弄具體實物、控制變因、假設與推理等)，來建構出科學知識的 過程。就科學推理的種類又可區分為：「歸納推理(Inductive reasoning)」與「演繹推理

(Deductive reasoning)」，而在科學教育的領域中所指的推理，大部分都是演繹推理 (Vousniadou, 1989)。

在測量學生推理能力的研究中，大多採用了Lawson (1978, 1987, 2002)所編製的科 學推理測驗(Classroom Test of Scientific Reasoning)，此測驗卷共有十二題二階層的選擇 題，題目所欲測驗的科學概念依序為：重量守恆(Conservation of weight)、體積守恆 (Conservation of displaced volume)、比例思考(Proportional thinking)、進階比例思考 (Advance proportional thinking)、定義與控制變因(Identification and control of variables)、

可能性思考(Advance probabilistic thinking)、相關性思考(Correlation thinking)、假設演繹 思考(Hypothetic-deductive thinking)，給分方式為每一題的兩個階層都必須答對才給予一 分，只答對其中一階層則不記分。

Lawson(2002)的研究中將學生的科學推理能力分成四個層次，Level 3-描述性層次 (Descriptive level)，測驗得分為 0-3 分，與皮亞傑的具體操作期相似，只能使用描述性 (Descriptive)的概念；介於 Level 3 與 Level 4 之間-轉變層次(Transitional level)，測驗得 分為4-6 分；Level 4-進階層次(Advanced level)，測驗得分為 7-10 分，與皮亞傑的形式 運思期相似，可使用描述性和假設性(Hypothetical)的概念，但只能以具體可見的物體進 行假設；Level 5-更進階層次(More advanced level)，測驗得分為 11-12 分，可使用一些 理論的概念進行假設，所以此階段的學生具備描述性、假設性和理論性(Theoretical)的 概念。

Hogan, Nastasi, & Pressley(2000)從社會建構論來探討學生的科學概念建構歷程，在 其研究中針對12 位八年級的學生進行訪談，並將其回答的內容依據科學推理，區分為 六個層級：(1)概述(Generativity, G)：學生以直接觀察的結果或質樸概念，來說明待解答 的現象；(2)精緻化(Elaboration, EL)：學生以正確科學術語辭彙或科學方法，如運用測 量、估計、數字關係等，來敘述待解答的現象；(3)辯證(Justification, J)：可分為「證據 取向」與「推論取向」兩種，學生以證據與推論，來判斷與回答待解答的現象；(4)解 釋(Explanation, EX)：學生以科學作用機制，來說明待解答的現象；(5)邏輯演繹(Logical

確性，主要在判斷學生所做的判斷與解釋，是否按照原本的假設進行邏輯演繹而得；(6) 綜合(Synthesis, S)：學生對現象的論述中包含了整合相反的觀點，以評斷學生是否具有 高階思考能力。

Tytler & Peterson（2003）指出多數的研究結果都低估了學生的推理能力，其認為多 數的學生的能力都足以進行更高階的科學推理任務。因此Tytler & Peterson（2003, 2004）

的研究提出了四個向度，用來探討國小學生的科學推理能力，並深入瞭解國小學生的科 學推理能力發展的過程。四個向度分別為：(1)探究的本質(The nature of exploration)、(2) 知識處理過程的深度(The depth of processing)、(3)處理競爭知識回應的能力(Responses to competing knowledge claims)、(4)操作變數(Handling variables)。在 Tytler & Peterson

（2004）的研究中，根據其所提出的科學推理能力的架構，針對孩童從事科學任務的訪 談資料進行分類，結果發現學生具有不同層次的科學推理能力，並且在進行不同的科學 任務時，所展現與使用的科學推理能力是不同的。研究結果更進一步的指出，國小學生 的科學推理與其是否能從事較高層次的解釋能力之間，有著密切的相關性。She & Lee

（2008）其研究以雙重情境學習模式與科學推理為理論基礎，進行設計之網路互動式學 習課程顯示，其有助於促進學生科學概念的建構、概念改變與科學推理能力的提升。

本研究在教學設計上針對兩種不同的類比架構純粹比對類比(pure matching)與傳達 屬性類比(carry over)的理論為主軸，並結合多媒體與網路互動式學習環境，在開放式的 質化研究中(教學前、後、追蹤測訪談)進行學生概念與科學推理過程的分析。在判斷學 生的科學推理層級上，則修改Hogan, Nastasi, & Pressley(2000)的科學推理層級，以對學 生在回答訪談問題時所使用的科學推理層級，進行質化的分析。以下為科學推理的四個 層級之詳細敘述：(1)不相關(None, N)：學生的回答中完全不包含任何與問題相關的論 述；(2)概述(Generativity, G)：學生對自然現象做直觀的描述或以質樸概念來回答；(3) 精緻化(Elaboration, EL)：學生能以正確科學術語辭彙或科學方法，如運用測量、估計、

數字關係等，對問題相關的現象進行說明；(4)辯證(Justification, J)：在「證據取向」方 面，學生能利用實驗變因和結果之間的關係來說明現象；在「推論取向」方面，學生能 利用簡單的線性因果關係演繹推論來解釋現象。

二、類比推理

類比推理是許多科學家在進行科學探索與研究時，最為關鍵性的啟發步驟，而且類 比推理不僅可以引導學生進行學習，還可以結合邏輯的推理，來進行問題的解決 (Nersessian, 1992)。Vosniadou(1989)認為類比推理就是，從一個已知的來源(Source)到一 個未知的標的系統(Target system)之結構訊息的判定(Identification)與轉移(Transfer)的過 程，而此種知識的轉移需經由配對(Mapping)或比對(Matching)的過程，去找出兩個系統 之間的相關性。其又將類比推理區分為兩種，一種是「領域間的類比(Between-domain analogies)」，即類比物與標的物兩個系統的概念和理論是不同的，基本上是屬於不同或 有很大差異的系統，但彼此之間卻又有一些相似且能共同解釋的部分，例如原子與太陽 系兩者之間的概念和理論不同，但是兩者在系統的結構上卻是相似的；另一種是「領域 內的類比(Within-domain analogies)」，意指兩系統之間彼此之間非常相似或非常接近的 概念領域，例如可以利用塑膠杯來類比推理陶製茶杯，無論是外型、功能都極為相似。

在類比學習的過程中，學生必須進行類比推理，由已存有的基礎概念知識去推論欲 學習的新標的知識之間的關係，並且將兩者之間的相似概念做連結（Driver & Bell, 1986）。如果學生能將過去熟悉的概念與新概念之間，予以正確的連結，則學生對於新 概念將能做有意義的理解，因此類比推理是協助學生將過去保存的知識與新知識做統整 的有效方法之一(Glynn, 1991)。依據 May, Hammer, & Roy (2006)的研究指出，國小學生 是具備有類比推理能力的，並建議在小學的科學教學中，科學教師應該多注重學生類比 推理能力的培養，以促進學生科學學習的成效。

當學生在學習新知識的同時，常會根據其所具有的先備知識與經驗，來當作學習新 知識的基石。類比推理可以協助學生連結已存有的概念知識與新標的概念之間的關係，

並且促使學生能在新概念與舊有的概念知識之間，進行反覆的思考與比對(May, Hammer,

& Roy, 2006)。

而在判斷學生的類比推理層級上，則參考 Gentner(1989)與 Vosniadou(1989)對類比 學習機制的定義，將類比推理區分成五個層級，以對學生在回答訪談問題時所使用的類

N)：學生的回答中完全不包含任何與問題相關的論述；(2)表面屬性相似(Surface attributes similarity, SAS)：學生能依據類比物與標的物在表面的性質或特質上的相似處，對問題 的相關現象進行說明；(3)表面屬性相異(Surface attributes dissimilarity, SAD)：學生能依 據類比物與標的物在表面的性質或特質上的相異處，來說明類比限制的現象；(4)結構 關係相似(Structure relations similarity, SRS)：學生能依據類比物與標的物之間相關結構 的相似處，去推論與解釋待解答的現象；(5)結構關係相異(Structure relations dissimilarity, SRD)：學生能依據類比物與標的物之間相關結構的相異處，來解釋類比限制的現象。

然而，科學推理與類比推理同樣都是屬於推理能力的範疇，當學生在經過類比推理 的教學之後，其科學推理能力是否也會有所提升呢？亦是本研究所欲探討的要點之一。

第四節 建構視覺成像概念的困難