科學解釋

自從 Hempel 與 Oppenheim (1948)發表了關於科學解釋的經典文章─「解釋的 邏輯之研究(Studies in the Logic of Explanation)」之後，許多不同領域的研究者紛 紛嘗試解析與研究怎樣算是科學解釋、科學解釋應具備那些結構等科學解釋的相 關議題(吳佳蓮, 2005; 林正弘, 2007; 陸健體, 1994; 謝州恩, 2004; Ohlsson, 1992) 。本研究將針對科學解釋進行探討，以提供教學及學習明確的架構與指標，

然而對於解釋不同面向的定義、特性、類型等在此不加以贅述。

以下將針對關於科學解釋的相關研究，分為四個面向進行探討與分析。首先，

先定義出本研究所使用的科學解釋之意涵；接著嘗試區別科學解釋與論證之間的 關係與差異，以釐清本研究所欲探討的面向；並針對本研究所使用的科學解釋架 構之成分進行論述；最後綜合相關文獻，統整出判斷科學解釋的品質標準，以訂 立出本研究用以評價科學解釋品質的「評價標準」，亦將其作為教學模式的一部 分。

科學解釋的定義 一、

所謂「解釋」是針對「為什麼」及「如何」的問題，進行分析並說明事件、

現象的原因或機制，其目的與功用可傳遞知識概念的內容，指出事件之間的關聯，

具有使人清楚瞭解事件的真相及內部機制的功能(Chin & Brown, 2000; Ohlsson, 1992)。在日常生活及各個學術領域中，不論是人與人、社群與社群或是個人與 社群之間的表達意見、概念釐清、知識傳遞、觀點溝通或想法互動，時常藉由解 釋達到瞭解、澄清、傳遞、溝通及激發等目的。而在科學教育中，有許多概念抽 象不易理解，此時解釋所扮演的角色也更加重要，教師必須藉由不同方式，解釋 科學概念或原理，讓學生理解知識、澄清想法，也可依據學生對概念的解釋，知 道學生的理解程度及想法，進一步適時調整、回饋，協助學生學習；而學生若能 藉由不同的方式，將主動建構的科學概念經由消化整理，形成個人的解釋，便是 有意義的理解與學習(Krajcik & Czerniak, 2007; McNeill & Krajcik, 2012; McNeill et al., 2006; Sutherland et al., 2006)，也可經由與他人的溝通，修改自己的理解與 解釋，進一步學習精緻化個人的解釋(Ohlsson, 1992)，深化學習並使其更具意義，

就如同 Pallrand (1996)提出「解釋是科學教育的中心」，在科學課室中教師進行解 釋以及學生產生解釋都是科學教育中十分重視的部分。

解釋也是科學的基礎(Pallrand, 1996)，在科學課室中教師進行的解釋大多是確 定且非暫時的，然而在科學研究中的解釋，時常是暫時性的且尚未完善，亦被稱 作「科學解釋(Scientific Explanations)」，跟解釋有類似的目的與功用，亦是提供 現象發生的理由或機制，並說明事物運作的原因(林正弘, 2007)。但不同的是，

科學家們針對現象試圖回答「為什麼」及「如何」的問題時，需要依據所蒐集到 的觀察、資料及數據，並且要有邏輯的連結理論與觀察所產生的解釋，才能稱作 科學解釋(陸健體, 1994; NRC, 2000; Ohlsson, 1992)，就如美國《國家科學教育標 準》所強調的，「基於神話、個人信念、宗教價值、神秘的靈感、迷信或權威而 產生有關自然世界如何改變的解釋，可能是個人有用及社會相關的，但這些解釋

均不具科學性(NRC, 1996, p. 201)」，所有科學的想法皆須來自實驗與觀察，否則 終將只是個人或社會的想法。因此，特別是在科學研究的過程中，所形成的科學 解釋是需要依據實驗所得的觀察、資料或數據，以進行理論與觀察的邏輯連結 (Hempel & Oppenheim, 1948; Ohlsson, 1992)。

綜合以上文獻之觀點，可將「科學解釋」定義為依據證據，針對事件或現象 發生的原因或機制所做的描述(林正弘, 2007; Krajcik & Czerniak, 2007; NRC, 2000)。故本研究所採用此定義，以清楚明確的引介科學解釋之定義，使學生能 簡單明瞭的理解科學解釋之內涵。

科學解釋與論點、論證 二、

自從 1980 年代末期，論證在科學教育的領域中逐漸受到重視，論證相關的教 學設計之研究也持續增加(Cavagnetto, 2010; Lee, Wu, & Tsai, 2009)，卻也引發了 論證與科學解釋的混淆及相互交替使用的情形，缺乏一個明確的澄清(Osborne &

Patterson, 2011)。何謂論證?論證與科學解釋的差異為何?此部分先針對論證的定 義進行探討，再釐清其與科學解釋之間的差異。首先由文獻中可知，在論證的議 題裡所使用的論點(Argument)可定義為含有理由的主張(Toulmin, 1985)；而論證 (Argumentation)是指在社群中去比較、支持、辯護與反對不同的主張，使得主張 相互競爭及驗證的活動(McNeill, 2008)。

由此可知，論點是指其內容本身，而論證則是指建構論點的過程(Duschl &

Osborne, 2002)，論點的建構可以是個人自行建構，也可以是透過多人辯護產生 (Driver et al., 2000; McNeill, 2008)。人們為了不同的目的產生論點，雖然主要目 的是辯護或驗證，但也可以是基於其他目的而產生(Toulmin, 1985)，就像是科學 家或學生為了要回答問題，而建構論點去解釋科學現象，亦即所謂的科學解釋 (Driver et al., 2000; McNeill, 2008; McNeill et al., 2006)，因此可以將個人所建構的 科學解釋視為一種自行建構的論點，如同 McNeill (2008)所述科學解釋可視為科 學論點的一種。

然而除了定義上的不同之外，綜合 Berland 與 Reiser (2008)、Osborne 與 Patterson (2011)與 McNeill (2008)等人所述，可以整理出論證與科學解釋有本質上、

目的上及順序上的不同。以本質來看，科學解釋的本質是用以回答問題，來自說 明現象或問題之需求，是較不被懷疑的，而論點的本質是驗證科學解釋的有效性，

來自說服或改進知識之需要，是尚待被驗證的(McNeill, 2008; Osborne & Patterson, 2011)。以目的來說，科學解釋的目的在於說明原因或機制，使人明白，論證的 目的則在於驗證論點或主張，使人信服(McNeill, 2008; Osborne & Patterson, 2011)。

但是當科學家或是學生在進行科學研究時，針對科學現象想要提出新的解釋時，

經過實驗與觀察後，依據資料及先前知識會產生暫時性的論點，此時的論點主要 目的是依據證據說明探究時所觀察到的現象，並非是在驗證不同主張的有效性，

可視為暫時性的科學解釋(Osborne & Patterson, 2011) ；而當提出者要試圖說服同 儕時，科學家或學生便投入論證中，運用足以支持的證據為所提出的科學解釋進 行辯護，或反駁與說服他人，經由科學解釋間的相互競爭去證明主張的合理性，

導致科學解釋被認同、修改或推翻，直到科學解釋更為完善(Berland & Reiser, 2008; Osborne & Patterson, 2011)。

由此可知，其實科學解釋與論證皆為科學探究及科學知識產生的一部分，只 是發生的先後不同，完善的科學解釋是可以透過論證去發展，而論證的基礎是科 學解釋，兩者的實務是息息相關卻又不全然相同的，但亦會有模糊重疊的地帶 (Osborne & Patterson, 2011)。科學解釋是對於問題或現象的說明，以獲得更多的 理解；而論證則是驗證主張，以取得他人的認同(Osborne & Patterson, 2011)，論 證較科學解釋更多了社群及論點間的互動。因此依據以上觀點，在本研究的教學 模式中，雖有提供學生評價科學解釋及小組討論的機會，但主要是希望能經由辨 識、評價與合作學習，使學生理解好的科學解釋之結構與內容，藉以協助其建構 出較完整的科學解釋，而非著重在學生進行科學解釋的說服或驗證，因此本研究 採用科學解釋一詞，作為研究與教學的主軸。

科學解釋架構 三、

在之前的許多文獻中，都嘗試著找出科學解釋的基本特徵或結構，以協助科 學家在從事實際研究的過程中能產生有效的科學解釋(陸健體, 1994)，也能應用 在科學教學中，讓學生能嘗試建構較完整的科學解釋，因此本研究所使用的科學 解釋成分主要採用 Sutherland 等人 (2006)及其他相關的研究所提出的科學解釋 架構(Scientific Explanation Framework)，包含三個成分：適當的主張、相關的證 據與推理，其科學解釋架構如下所述：

(一) 主張(Claim)：

定義為學生對於現象理解、調查或實驗的結果或其他數據的陳述，能以完整 的句子陳述，可以是問題的回答，也可以是描述變數之間的關係。

(二) 支持主張的證據(Evidence That Supports the Claim)：

來自學生或者他人的調查結果、所做的觀察，或其他研究者所做的報告等其 他來源所產生的未加工之數據，當這些數據被用來支持特定的主張時，便成為證 據。

(三) 連結證據與主張的推理(Reasoning That Links the Evidence to the Claim)：

其為學生判斷數據是否能用來支持主張所做的說明。推理一直是最困難且複 雜的部分，涉及建立主張與證據間的邏輯關係，呈現出此連結如何具邏輯性且符 合科學原則。

雖然此科學解釋架構主要是參考 Toulmin 所提出的論證模式及 Krajcik 等在過 去的相關研究(McNeill & Krajcik, 2009, 2012; Moje et al., 2004; Sutherland et al., 2006)，但在相比於其他科學解釋文獻中所提出的觀點與結構，存在許多相似性。

如同 Hempel 與 Oppenheim (1948)延續 Carnap 的解釋結構，提出演繹-法則模式 (Deductive-Nomological Model，即 D-N 模式)，亦同樣將解釋的成分分為待解釋 項(Explanandum)與解釋要素(Explanans)，待解釋項為描述欲說明的現象，是依循 解釋要素的邏輯推論所得，就是針對現象所提出的說法，亦即 Sutherland 等人

(2006)所定義的主張；而解釋要素則為用來說明現象的一系列句子，是包含一般 定律或是理由、是經由實驗或觀察所得的，其中經由實驗或觀察所得的句子即為 科學數據或資料，亦即 Sutherland 等人 (2006)所定義的證據；而解釋要素中一般 定律或提及理由的句子，其實就是說明如何由科學數據或原理推論出待解釋項，

亦即 Sutherland 等人 (2006)所定義的推理。換句話說，在科學解釋的組成成分中，

待解釋項便是主張，解釋要素包含證據與推理。

然而並非所有的科學解釋皆能以演繹-法則模式涵蓋之，如概率模式中的解釋 要素未能依循邏輯而得到待解釋項，而是考量或然率的不確定性。但即便如此，

各種類型的科學解釋基本上皆含有解釋要素與待解釋項，只是所遵循的邏輯不同 (陸健體, 1994)，解釋要素與待解釋項的結構被視為科學解釋的一般模式(Hempel

& Oppenheim, 1948)，也表示科學解釋基本上是由主張、證據及推理所構成。

& Oppenheim, 1948)，也表示科學解釋基本上是由主張、證據及推理所構成。