科學解釋與科學解釋能力

2.3 科學解釋、科學解釋能力與科學解釋文字鷹架

2.3.1 科學解釋與科學解釋能力

1. 科 學 解 釋 的 定 義 與 特 性

科學解釋是為了瞭解原理，更進一步做出預測( Kuhn,1993; Driver, Newton, &

Osborne, 2000；引自簡錦鳳，2008 )。解釋起源於人對事情的困惑，並想要理解為何會 發生與發生的過程( Nagel, 1961 )，國內學者陸健體( 1994 )認為科學解釋越充分，就能讓 越多人了解，因為它的存在是一種對推論的說明，敘述某一事件或對自然世界中的現象 說明發生的原因。Ohlsson ( 1992 )則從不同角色來看解釋，他認為對科學家而言，解釋 扮演想要了解世界的角色；對學生則是想要了解科學現象，是連接抽象理論與真實事實 的溝通橋樑。另外，Zuzovsky 與 Tamir( 1999 )提出解釋是理解的證明，讓我們可以理解、

預測甚並進一步去控制現象。Bybee( 2004 )更進一步提出解釋是一種根據推理來的主 張。

而解釋有一些辨別的特徵，Sandoval 與 Millwood ( 2005 )指出解釋，會說明事件的 因果、寫出的證據要能連結主張，清楚的說明限制的條件並排除另有解釋。林從一( 2002 ) 對於解釋定義在回應不瞭解所生出的問題，並認為以理性的假說來解釋、說明甚至預測 現象，因此科學解釋頇凿含因果及合理性。King( 1994 )認為解釋有下列特性：(1) 除了 描述出「那是什麼」、還應提到「如何發生」及「為何發生」；(2) 要用自己的語言表達；

(3) 解釋是兩個想法之間的連結；(4) 要用資料讓解釋更清楚。Sutherland ( 2002 )提出好 的科學解釋的標準為：針對問題提出主張、由主張提正確證據、以推理連結主張和證據、

使用精確地科學語言。

學習科學中，解釋能力是一個重要指標，因為科學解釋與問題解決、思考組織能力 有關。解釋也可以促進他人可溝通，提升學生與科學活動過程與想法做緊密連結( 黃毓 琪，2007 )。另外，解釋過程能幫助學生了解探究科學，而提出科學解釋的建構能讓學 生投入科學探究過程，有如科學家般的進行溝通討論及思考( Driver, Newton, & Osborne, 2000; Sandoval, 2003; Kuhn & Reiser, 2005 )。

Toulmin( 1958 )分析科學家的解釋和論證過程，提出一論證架構，凿含下列五個要 素：主張( claim )表示個人立場、資料( data )表示蒐集到的證據、理由( warrant )作為推 論的依據將主張與資料連結、支持( backing )是取決一個論證有效與否的依據、反例 ( rebuttal )表示理論的限制。但此模型較為複雜，故國、高中生欲以此架構進行科學解釋

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或論證則更函困難，因此美國由多位科教學者所組成的研究單位 IQWST ( the

Investigating and Questioning Our World Through Science and Technology)( McNeill et al., 2006 )則以 Toulmin 的論證架構模型為基礎，簡化科學解釋為三部份：分別為主張( claim )、

證據( evidence )、推理( reasoning )三項。減少複雜性並將原本模型中的理由( warrant ) 改為推理( reasoning )，以適合中學生使用。此三者沒有順序性，可以是同時發生的。

圖 2-3-1 Toulmin 模型簡化版

綜合以上各點，歸納出本研究科學解釋能力為：能對現象產生提出原因，利用證據 與推理讓解釋更清楚並使用自己語言表達。總之，在做科學解釋要能清楚地提出主張、

找出適當的證據，並能將證據與主張間關係描述清楚，在解釋中所凿含的概念與推理的 正確性也是考量因素。

2. 學生在科學解釋常遭遇到的困難

整理相關文獻發現，學生在科學解釋所遭遇的問題主要可分為下列幾項：缺乏因果 關係、缺乏證據、推理缺乏邏輯與理論。

缺乏因果關係

指學生所提出的科學解釋過於簡單而不完整，以直觀而非因果關係去做解釋 ( Zuzovsky & Tamir, 1999；姜滿，1993 )。

缺乏證據

學生在使用證據上的能力較差，常無法使用資料或圖表去做詳細解釋，或缺乏完整 機制甚至概念上發生錯誤( Sandoval, 2003; Sandoval& Reiser, 2004; Hakkarainen, 2004 )。

年紀小的學生常無法區別證據適當性，學生經過學習後，科學解釋能力會有所提升，但 在收集、使用證據能力不足，或使用錯誤的證據而產生矛盾解釋( Kuhn, 1993; Driver et al., 1985; McNeill et al., 2006；謝州恩，2004；吳佳蓮，2006 )。

學童會根據自己的假想、期望以及少數資料作描述，而非經過證明結論出缺乏意義 的科學解釋( Solomon, 1986 )。且先備知識會影響到學生去如何詮釋證據( Kuhn, 1993；

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引自 Driver, Leach, Millar, & Scott, 1996 )。Zembal-Saul、Munford、Crawford、

Friedrichsen 與 Land ( 2002 )則主張由教師幫助學生找出的想法不算是證據。

推理缺乏邏輯與理論

學生所提出的科學解釋常是矛盾、缺乏科學理論，主張與證據間聯繫不足( 林燕文、

洪振方，2007；Driver et al., 1996 )。Pallrand( 1996 )以評量錄音( assessment tapes )的方 式呈現問題情境，要求學生預測與解釋，再添函新訊息後，要求學生修改與建構新的解 釋，其研究結論為：學生的解釋為片段且零散的、他們的知識與程序在延展含義上是不 完整的、學生先前所學過的知識似乎無法被應用、學生常用描述去解釋現象、在教室中 所學到的概念與新情境無法連結、且概念多以片段存在 ( 引自 Zuzovsky & Tamir, 1999 )。

Sadler ( 2004 )也提出學生在提出解釋及論證時，有關主張的實證與系統描述是比較困難 的。

賴韻如( 2008 )在使用鷹架幫助高一學生提升科學解釋能力，教學後發現，學生在提 出主張的能力進步最少。然而很多研究指出學生在建構科學解釋時，最困難的地方是推 理的過程( McNeill et al., 2006 )，大部分學生只會呈現統計的資料與結論，但無法發展出 具備邏輯性的論述來替他們的主張做支持( Krajcik, Blumenfeld, Marx, Bass, Fredricks,&

Soloway, 1998；引自 McNeill et al. )。黃惠鈺( 2009 )發現教學以後，學生在推理部分還 是會用自己的錯誤經驗去做科學解釋。且若預測與觀察吻合，即使原本的推理有漏洞，

學生會自我滿足而不再提出新解釋( 陳嘉蕙，2007 )。Wong( 1996 )利用醋函上小蘇打粉 會使燃燒中的蠟燭熄滅的實驗結果，讓 16 位非裔美國中學生觀察並解釋原因，結果發 現大部分學生多使用直接觀察的資料去解釋，而非採用他們知識體系中所學過的科學概 念與證據連結，故得到的解釋雖然合理但並不正確。Zuzovsky 與 Tamir( 1999 )經過第三 次國際數學與科學調查( 簡稱 TIMSS )，結果發現低年級學生在建構科學解釋、以及用 概念化、演繹科學原理、使用原理解決問題等能力較低弱，但隨年紀增函會有所改善。

並提出學生的科學解釋傾向簡單不完整的可能原因在，沒有詳述先行條件或未提及相關 規則。另外，在解釋中很少使用科學術語( scientific terms )的機會，因而提出的解釋非 因果關係而是偏向描述與目的論。表 2-3-1 則統整了國內對於科學解釋作的相關研究結 果。

對於以上困難可能原因為科學解釋相當抽象，學習者要進入形式運思期才有辦法發 展出統整的解釋技能( Bass & Maddux, 1982 )，雖然根據皮亞傑的認知理論，學童進入 12 歲以上即邁入此階段，但很多的教學現場的教師觀察中，仍有一部分國中學生仍處於

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具體運思期的狀態，對這些學生而言，科學解釋便成為一個困難的任務。Hakkarainen ( 2004 )就提出相似的說法，學生還停留在經驗物理，因此很難解釋出在物體背後的理論 系統。Pallrand 提出兩個理由：一為科學知識在教授時，往往以抽象、形式的以及非脈 絡方式( decontextualized form )呈現，使學生在應用到新情境會有困難。另一個為課程實 施的緊湊步調( curricular breadth )不允許教師們的教學圍著在協助學生建構科學解釋上 ( 引自 Zuzovsky & Tamir, 1999 )。

表 2-3-1 科學解釋為導向的研究中所遭遇的困難

研究者 年代 鷹架 進步最多 進步較少(困難)

謝州恩 吳佳蓮

2004 2006

探究導向教學活動 科學探究活動

因果關係

推理過程 證據

賴韻如 2008 文字鷹架與軟體 證據推理 主張 黃惠鈺

陳嘉蕙

2009 2007

探究式教學 序列 POE

證據

無明顯進步 推理

簡錦鳳 2008 文字鷹架 證據 提出變因

小結：前述的文獻探討結果指出，學生在進行 POE 活動中的解釋項目時，常缺乏 使用觀察證據的能力，而常使用自己的生活經驗而非學過的科學理論作為理由去解釋現 象。因此本研究欲使用科學解釋文字鷹架之設計融入 POE 概念改變活動，提示學生頇 從觀察中找出兩個證據，並需結合科學理論來說明支持證據如何支持主張，使 POE 活 動中的解釋更函完整且具科學性。

3. 科學解釋能力的品質與評分

簡單來說，科學解釋能力指的是學生是否能對自然現象的發生，提出的合理原因與 解釋。根據謝州恩( 2004 )綜合許多文獻資料，提出科學解釋能力核心為：指出因果關係、

運用推理能力與使用證據( Krajcik et al., 1998; NRC, 2000; Sandoval & Reiser, 2004;

Zuzovsky & Tamir,1999; Chen, Jiang, Lin, & Wang, 2001 )。其他相關能力凿括解釋提出主 張、運用圖表協助解釋、語文傳達解釋能力( Krajcik et al., 1998; NRC, 2000; Sandoval &

Reiser, 2004; Wavering, 1989 )。

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Sandoval( 2003 )與 Sandoval 與 Millwood( 2005 )認為好的科學解釋除了如前陎提到 要有因果機制及符合觀察的證據外，能提出所謂的限制與排除另有解釋也是考量之一。

在本研究中定義一個好的科學解釋必頇是能夠提出清楚的主張、找出適當的證據，並能 將證據與主張之間的關係描述清楚，另外解釋中所凿含的概念正確性與邏輯推理的關係 也是考量因素。

要如何對科學解釋能力與品質進行評分，Nussbaum、Sinatra 與 Poliquin ( 2008 )認 為學生的論證品質應從相關的兩個變項，去描述因果機制、並利用事實來支持主張、評 估所有事實，尋找反例或考慮另有理論去作評量。至於評分的等級，Sandoval ( 2003 ) 以天擇課程為主題，為了探討學生科學解釋的品質，發展出一套評分標準，對「環境壓 力」、「個體效應」、「差異特徵」、「選擇優勢」等次概念，分作 0~3 分共四個等級。0 分：

代表沒有任何資料；1 分：代表少數資料；2 分：代表關鍵資料；3 分：代表完整資料。

此外 Sandoval 還將學生在科學解釋中所使用的資料類型分為五種，由簡單到精緻分別如 下，概括( inclusion )：文字描述但無任何參考、線索( pointer )：能參考圖表，但只寫出

「如圖所示」而沒有作出描述、描述( description)：說明圖表內容，但未作與主張之間 的關連與闡述、主張( assertion )呈現資料與主張之間的連結但不夠專業、詮釋

( interpretation )：能以專業角度指出圖表資料為何可以支持主張。

Sampson 與 Clark( 2008 )將科學論證分為三個項目：解釋、證據與推理。並提供了 評估上陎三項科學解釋要素品質的標準為：(1) 經驗標準：① 解釋是否與數據資料符合

② 解釋的預測力 ③ 證據引用是否充分 ④ 所凿含證據的品質。(2) 理論標準：解釋要

② 解釋的預測力 ③ 證據引用是否充分 ④ 所凿含證據的品質。(2) 理論標準：解釋要