科學解釋能力的評量及相關研究

近期國外科學教育改革的文件中，比方說科學素養的基準（Benchmarks for Science Literacy）、美國國家科學教育標準（National Science Education

Standards），以及最近的科學教育相關研究報告－Taking Science to School中，

都強調讓學生在科學實務的課程中學習科學解釋（Braaten & Windschitl,

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2011）。科學解釋對科學理論有一定程度的重要性，透過科學定理來解釋自然 現象，是科學教學的重要目標（Sandoval, 2003），謝州恩（2005）認為此種解 釋自然科學現象的能力是一種過程技能，可以提供教師與研究者進一步了解學 生的概念與想法，並建議科學解釋能力應受重視並及早訓練。在本節中將介紹 科學解釋能力的評量及科學解釋的相關研究，供本研究的結論做探討。

一、科學解釋能力

科學教育學者常將科學解釋作為評鑑學生概念的工具，Sandoval（2003）

指出形成科學解釋的必要條件包括：提出問題、產生數據、解釋數據以及形成 結論，同時說明如果要產生品質較好的科學解釋，必須擁有較強的自我建構知 識的能力。其並提出評量學生科學解釋的標準如下（Sandoval & Reiser, 2004；

Sandoval & Millwood, 2005）：

1.原因的一致性：需描述原因的機制來解釋現象、因果關係需具一致性。

2.證據的支持：能從資料反映出主張。

3.排除另有解釋：學生必須說明拒絕其他解釋的理由。

4.說明解釋的限制：意即說明該解釋需在某些條件下才可進行。

而另一學者Sutherland（2002）則提出在科學探究中，好的解釋標準：

1.對問題提出主張。

2.對主張提出證據。

3.提供連結證據與主張的推理。

4.使用詳細且精準的科學語言做解釋。

針對以上學者的觀點，謝州恩（1995）認為是極為相似的，只是Sutherland 將科學解釋的標準定位在「寫」的部分，而且用比較有順序的步驟描述。

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站在邏輯實證的角度，Zuzovsky & Tamir（1999）提出解釋的評量標準有：

1.物理學解釋必須出現完整的D-N 模式或D-N 模式的輪廓。 Sandoval & Reiser

（2004）

○ ○

Sandoval &

Millwood（2005）

○ ○ ○

Kuhn & Reiser

（2004）

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由以上的研究可以了解，在科學解釋的七項能力中，指出因果關係、使用 證據、提出主張及語文傳達解釋是很重要的能力。由於以上的研究多是在課程 進行中評量學生科學解釋能力的成長，而本研究則是設計五個POE的題目，由 題目中提供情境，採用半結構式晤談，由晤談的資料去研究受訪者的科學解釋 能力，考量本研究所設計的POE問題與情境，研究者綜合以上學者的研究結 果，所訂定的科學解釋能力為：

1.解釋應描述因果機制：在活動中被要求建構解釋，提供因果關係，說明事件 發生的理由。

2.解釋要符合觀察的資料：受訪者的解釋需描述到在特殊狀況或現象中，與理 論連結的部分。

二、科學解釋的相關研究

謝州恩（2005）指出科教學者常將科學解釋作為評鑑學生概念的工具，不 過卻少有人研究科學解釋的本質。但本研究發現國內外學者曾進行不少有關學 生科學解釋情形的討論，現將研究發現分述如下

（一）教學策略對學生科學解釋影響：

Smith & Reiser（1997）利用電腦程式輔助學生科學解釋的建構，以天擇 為探究課程主題，研究結果顯示，經過上述課程活動之後，學生能從複雜的資 料中找到線索，並能建構具有因果一致性解釋，且較不會做出沒有證據支持的 結論。

Kuhn & Reiser（2004）設計探究課程，並利用以下三個問題作為協助學生 建構解釋的鷹架：1.答案是什麼？2.為何此答案於科學上具意義？3.你如何知

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道你的答案是正確的？研究結果顯示，學生可利用證據使結果更具意義，但卻 無法明確說明證據與推論間的關係？

謝州恩與吳心楷（2005）研究國小六年級學童在探究活動中其科學解釋能 力的成長。研究結果發現：不同探究階段，有助於不同解釋能力的成長，核心 能力以指出因果關係成長最多，相關能力則以學生提出主張成長最快。

以上研究可看出探究活動有助於提升學生建立具有因果關係的解釋，亦能 學習使用證據，但正確使用證據說明結論仍有待加強。

（二）對於科學現象所提出的解釋情形：

Zuzovsky & Tamir（1999）分析四年級和八年級在TIMSS測驗科學解釋的 研究發現：學生的解釋通常是簡單的、不完整的、缺少科學詞彙，有的沒有詳 述先行條件，也有的沒有提及相關的規則，而且提出的解釋通常是描述或是目 的論的解釋，而非具有因果關係的解釋。

Sandoval & Reiser（2004）利用電腦提供概念與技能，以天擇為題設計以 科學解釋為導向的探究，研究結果顯示，學生於課程進行後，會討論如何詮釋 資料，而較少討論如何使用資料來支持解釋，即對過程或機制的描述較不清楚。

劉月智（2007）研究理工背景及非理工背景大學生的科學解釋情形發現：

對於現象所提出的解釋多為描述現象，而非因果關係的解釋；此外，理工背景 的學生會運用科學術語來進行解釋，但是解釋不一定恰當且容易出現誤用科學 概念的情形；非理工背景的學生則傾向使用日常生活用語來進行解釋，且觀察 能力較差，僅能描述出整體概觀的現象。

Zangori & Forbes（2013）的研究中指出，許多教師對於科學解釋定義模糊 不清，把「描述證據」當作一個完整的「解釋」，於是在指導學生建構科學解 釋時，經常只是讓學生描述證據而非學習建構科學解釋。而且當教師本身對「建

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構解釋」的概念說明有困難時，對於支持學生學習解釋的建構也會有困難。

以上研究可得知不同階層的受訪對象常常會將描述現象當作科學解釋，且 使用詞彙會受日常生活影響，而偏向日常用語或誤用科學概念的現象。

（三）教師引導或使用鷹架對科學解釋的影響

McNeill, Lizotte, Krajcik, & Marx（2006）設計一個針對七年級學生，為期 八週，以學習目標導向的化學教學模組，其中最主要的學習目標之一就是建構 科學解釋。結果顯示當教師討論解釋背後的科學原理，並且示範如何產生科學 解釋，對於學生建構科學解釋有正向的影響。

簡錦鳳（2008）探討使用文字鷹架對七年級學生學習科學解釋的影響，並 且分析鷹架的褪除與科學解釋能力成長的關係。研究結果發現，找出證據和推 理解釋對學生而言是較困難的科學解釋能力，學生無法正確使用證據，常以直 觀經驗說明科學現象；經過科學解釋課程後，以找出證據的能力成長最明顯；

持續的完整文字式鷹架教學對學生在學習提出主張的能力上幫助最大，過早褪 除鷹架造成學習退步。