科學推理與類比推理

除了了解學生如何獲得知識之外，要如何培養學生科學式思考的能力，則是近來科 學教育中重要的任務之一。因此除了了解學生的知識架構之外，我們更配合了類比推理 的理論架構，來設計學生的學習事件，期望學生透過有系統的學習情境設計，除了可以 在概念的學習上更正確，另一方面也增進學生科學推理之能力。

一、推理的定義

一般而言推理(reasoning)包括了運用觀察、分類、操弄具體實物、控制變因、假設 與推測的思考過程；就種類來說，推理可以分成歸納推理(inductive reasoning)與演繹推

論推理(deductive reasoning)。

其中歸納推理主要是依據人類的觀察而得到可能的結論，並歸納出一個概括性的原 則或原型，再以此原則或原型去解釋或判斷所觀察到的事情，一般來說是不具邏輯性 的，例如小孩子看到一些鳥會飛，就得到結論說鳥一定會飛，但某天當小孩看到一些鳥 與企鵝的時候，發現企鵝無法飛，就會提出有些鳥例外沒辦法飛。歸納推理常用的方法 為因果推論(casual reasoning)與類別推廣(categorical reasoning)，前者是依據手邊的的資 料與觀察，去得到可能的因果推論；後者分成由上而下(top-down)與由下而上

(bottom-up)，其中「由上而下」，是指根據問題的結構特徵作分類，趨近結構特徵與抽 取原理原則，且剔除與解答無關的訊息，並在解決問題時，可以根據問題的結構條件進 行推衍，最後解答問題；而「由下而上」是指趨近易引起注意的問題之表現特徵，為確 實掌握問題的潛在的結構，故當面對問題時，若對問題之分類不盡理想，那麼就容易受 到問題的表面特徵相似之干擾(Chi, et al., 1982；Ross & Kennedy, 1990；Suhumacher &

Czerwiski, 1992)。

另外演繹推理則是根據一個普遍承認的原則（或定理），去推演特定的事例，且是 依據邏輯命題（proposition）而來，進而可以形成計畫、決定假設、假說的過程、形成 規則、理論、追求論證與協商、評估數據、決定競爭理論，進而解決問題的過程 (Johnson-Laird & Byrne, 1991)。一般來說可以分成條件推理(conditional reasoning)與三段 論法推理(syllogistic reasoning)。前者，根據倘若-則(if-then)命題得到結論，例如小丸子 用功讀書，則小丸子就會再考試得到高分；後者包括主要命題（大前提）、次要命題(小 前提)與結論，可分為線性演繹法(linear syllogism)，例如大象體型比獅子大，獅子體型 比貓大，則可以得到結論大象的體型比貓大，另一種為分類演繹法(categorical

syllogism)，例如所有老師都是畫家，所有畫家都是運動家，那麼所有老師都是運動家。

其中Johnson-Laird(1983) 提出心智模式(mental model)為代表，認為邏輯推理係個 體透過直接的知覺，或間接的語言理解，依前提的內容，建構類似於真實世界的心理表 徵，不需運用邏輯法則，心智模式建構的歷程，亦是訊息處理歷程(Polk & Newell, 1995)，

因此兒童需要運用訊息處理能力，如注意、知覺、語意、記憶、比較、序列、搜尋、監 控、後設認知(Overton , Byrnes & O’Brien, 1985；Ruffman, 1999；Sternberg, 1980; Wright

& Dowker , 2002 )，心智模式認為推理歷程分為三階段：(1)理解階段：理解前提的語意 與訊息，加以編碼，建構初始模式。(2)發展階段：繼續整合前提，處理隱含、複雜或負 荷較大的關係，發展、減縮、延伸或修正模式，此階段可能形成結論。(3)驗證階段：搜 尋所有可能的模式，以驗證結論是否錯誤，若發現結論錯誤，可能回到理解或發展階段 而重新編碼。其中理解和發展階段是基本的歷程，可交互運作，而驗證階段則為重要的

歷程，兒童可能是後設認知的限制，而較少進行驗證。心智模式適用於三段論邏輯推理 和關係邏輯推理( Johnson-Laird, 1983; Johnson-Laird & Byrne, 1991)。近來許多研究認為 心智模式比法則取向論點，更適合解釋兒童的推理歷程 (Halford, 1993；English, 1993 , 1997, 1998)。

二、科學推理

近幾年來，科學教育學家一直致力於培養學生進行科學式思考的能力，但在實際情 況中，學生與科學家的思考方式其實存在著許多的差異性。學生在遭遇新訊息時，首先 會根據本身具有的先有經驗，來對新訊息進行評價或調整，而如何讓學生以科學方式，

進行思考與推理並終至獲取符合科學的結果，一直是科學教育的主要教學目標。相同地，

協助學生發展對於科學知識的正確觀點，也成為學校教育在教授科學知識的主要目標 (Lederman, Abd-El-Khalick, Bell, & Schwartz, 2002)，其中 Hogan & Maglienti (2001)也認 為學生個人知識觀點的架構是科學推理能力中不可缺少的重要因素。

Hogan & Maglienti (2001)整理相關文獻後，提出學生與科學家思考方式有著兩點重 要的差異，第一點是學生對於自然現象具有許多與科學解釋不同的另有概念(Alternative conceptions)；第二點是科學家與非科學家建立新知識的推理過程有所不同。雖然科學家 和一般人具有相似的思考過程，但比起科學家而言，學生在進行推理的過程中存有更多 的缺點，例如無法有系統地產生假設或測試假設、忽略重要的變項，或是僅想獲得最後 的結果而非解釋所得到的結果和數據資料，因此學生在缺乏科學知識觀以及不足的推理 能力下，導致在推理的過程中產生更多的迷思概念(Magara, 1996)。

在認知觀點方面的研究中，多著重於學生對於理論和證據間的協調一致性、科學推 理能力的發展限制因素等。Piaget 的認知發展論中，將兒童的認知發展過程階段化後，

提出兒童的認知發展能力會隨著不同的年齡階段而有所限制，這樣的觀點使得許多學者 開始爭論初等的科學教育應該著重於具體事物的分類、描述和操作，而非包含假設、變 項的控制及推論思考的實驗，也就是說學生對於科學實驗和推理的邏輯能力必須到青少 年時期才會具備。

承接了Piaget 心智架構(mental structure)的想法，Lawson, Adey, Head, & Shanger (1988)曾說明學生另有概念及推理能力之間的關係，另有概念大多來自個人過去的經 驗，如何才能夠否決這些另有概念，首先學生必須對科學概念產生覺醒，產生新的假設，

接著要對證據和推理覺醒，了解證據如何支持科學概念並與另有概念相衝突，藉由資料 收集、實驗、邏輯演繹的推理和辯論方式，對假設進行驗證。當邏輯推理能力增加時，

另有概念的數目自然也就降低了。另外Lawson(1992)提到科學本質與學生推理能力之間

的關聯性，也就是說當考量不同假設性的概念型式時，會呈現出多樣的心智基模能力，

如控制變數、相關性、機率等的推理，學生若能培養到高階的科學推理能力，便能輕而 易舉的回答推理層級較高的相關問題。

Lawson, Alkhoury, Benford, Clark, & Falconer (2000)的研究中把科學推理分成四個 層次，Level 3-描述性層次(descriptive level)，與皮亞傑的具體操作期相似，只能運用描 述性的概念；過渡階層(transitional level)，介於 Level 3 與 Level 4 之間；Level 4-進階層 次(advanced level)，相似於皮亞傑形式運思期，可運用描述性和假設性的概念，且只能 以具體可見物體進行假設；最後，Level 5-更進階層次(more advanced level)，可運用一 些理論(theory)的概念進行假設，也就是說此階段的學生具備描述性(descriptive)、假設性 (hypothetical)和理論性(theoretical)的概念。

但Tytler & Peterson(2003)卻認為多數研究結果都低估了青少年的推理能力，其認為 多數的學生有足夠的能力進行比在學校所教授的課程中更為高階的科學推理，因此許多 研究學者也開始探索其它影響學生科學推理能力發展的因素。

從社會文化的理論觀點而言，不同的學習背景也會影響學生科學推理能力的發展 (Faulkner, Joiner, Littleton, Miell ,& Thompson, 2000)，Gerber, Cavallo, & Marek(2001)探索 非正式的學習環境、科學教學程序和學生科學推理間關係的研究結果中發現，學生具有 豐富的非正式學習經驗以及在探索式科學教室環境中學習，對於學生的科學推理能力發 展有顯著的助益，在同儕及合作學習的環境中對於孩童推理能力的發展也有所影響。

若在科學課程中適時的引導，可以使兒童有更多的機會操作推理的技巧，對兒童心 智的成長當有一定的助益，從Vosniadou & Brewer(1994)對兒童觀點的地球形狀之後續 研究中，歸納出兒童所建構的地球形狀有矩形、圓碟形、扁平和球體並存、中空球體、

扁平球體和完整的球體等不同的型式，以中空球體模型為例，兒童在形成這個模型的過 程中，運用了他們學得的知識(地球是球體)和既有日常生活的經驗(地面是平的)來進行 推理，建構地球形狀的模型，在這個過程中，兒童調和兩個衝突的概念，完整的融合入 自己概念架構中，使他們所建立模型具有解釋力，解決了概念衝突所造成的不滿足。儘 管他們所建立出來的模型不合於現今科學社群所公認的科學概念架構，但是他們在整合 概念過程中，已表現出具備了一定的推理能力，是不爭的事實。

從知識的觀點來看，學生個人的知識觀點，也會影響學生的科學推理能力，在 Hogan(2000a)的研究中指出學生個人知識觀點的標準對於學生科學推理有極為重要的影 響，他指出學生對於知識的觀點會引導科學推理中的計畫、監控和評估等執行的控制過 程。Kuhn(1993)認為個人進行科學推理思考的過程恰似一場理性的辯論，無需像一般對 話式的辯論般強烈表達自己的主張，只要依個人原有的信念，從已知的正、反證據中進

行判斷性思考，得到最後結論或做出判斷。

Keys(1995)將科學推理的技巧分成四類共 11 種，包括提出 1.評估科學現象的既有模 型：提出預測(posting prediction)、預測的評價(evaluating predictions)、解釋—判斷預測 (explaining-justifying predictions)；2.針對科學現象產生新的模型：觀察到事件之評估 (evaluation observations)、原型與性質之定義(identifying patterns and properties)、提出結 論(drawing conclusion)、模型的形成(formulating models)；3.擴充模型到新的情境上：推 斷(inferring)、比較與對照(comparing/contrasting)；以及 4.支持其他形式的推理：討論概 念 的 意 義(discussing concept meaning) ， 以 及 定 義 相 關 的 資 訊 (identifying relevant information)，詳述於下。

1.評估科學現象的既有模型

(1)提出預測：以個人直覺觀念、先備知識或特定的資料中判斷未來事件可能的結果，

在此過程中可以同時考慮多個預測的假設。

(2)預測的評價：判斷自己或同儕所提出預測之適切性。

(2)預測的評價：判斷自己或同儕所提出預測之適切性。