第四章 研究結果
第三節 科學過程技能之學習成效
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本節就引導式探究教學方案實施後，研究參與者在形成假說及控制變因做 實驗此兩項過程技能上的學習成效。
壹、引導式探究教學之歷程
本研究方案依三個階段（介紹、探索、探究）、六個步驟（形成問題、進行 推理、形成假說、辨識變因、進行實驗、解釋結果）執行後，確認此模式，可 以幫助學生學習探究技能。但進行教學時，需配合學生的能力及課程的目標，
依據實驗的內容，在提供給學生的材料上事先進行處理與挑選，使學生能在材 料品質較佳及有限的操作範圍中，發覺教學者預定實驗變因，才不致於無法形 成可驗證的假說，或者因材料品質不佳所衍生出變因控制上的困擾。
貳、公道杯單元過程技能之學習成效
兩位學生的實驗裝置都能成功展示水的虹吸現象後，研究者就探索階段發 生的事件，期望能從實際測量每個杯子的水量不同後，思考影響杯子水量的因 素為何，再預測哪個因素會影響水量，來幫助學生形成假說，並進行控制變因 的實驗，以驗證假說是否成立。
一、兩位學生皆無法形成假說
學生的觀察結果對推理的方向造成很大的影響，他們認為吸管的形狀是影 響水量的因素，以致於無法形成可供驗證的假說。
學生受到水裝到滿會產生虹吸現象這個想法的引導，所以他在測量水 量時，他的觀測重點都放在「水平面還差多少會滿出來」，而不是「水
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平面到杯子的哪裡時，才會產生虹吸現象」(省 1050429-1)
二、兩位學生皆能辨識相關變因，並觀測應變變因
由於學生無法針對研究者預設的變因去探究杯中的最大水量，研究者提供 學習單，請學生針對不同的實驗設計進行選擇。確認他們皆能根據各組實驗設 計中的差異，找出製作實驗裝置時要調整的部位。研究者也透過提問的方式，
確認學生知道「哪些因素需保持不變」。
R：好，那我們要調整的是短側的長度，為了要確定短側吸管的長度會 不會對水量造成影響，所以我們要把其它的因素固定，你覺得有哪 些因素需要保持一樣？
S1：外部吸管（觀 1050505-2）
研究者讓學生依照實驗設計動手實驗並記錄結果，在這個階段中，研究者 需指導學生如何去調整實驗裝置達到變因控制的目的。從學生的反應中，可以 知道，學生對於操縱變因的項目非常清楚，但是在實際調整實驗裝置的技巧 上，則需要練習。因為有時變因的調整是會產生互動，學生並沒有注意到，當 他在調整吸管彎曲處的位置時，同時也會讓外部吸管的長度改變了。
R：好，除了外部吸管之外，我們的彎曲的角度、杯子的大小…都要保 持三個設計是一模一樣的，只有短側吸管長度不同，那你要怎麼 做？
S1：（動手開始彎曲吸管）這樣…
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R：你做得是哪一個？
S1：5 公分的這個
R：你怎麼知道你的短側是 5 公分？
S1：用尺量量看（動手拿尺） （觀 1050505-3）
R：…那你要怎麼調整呢？
S2：（彎曲吸管）這樣…
R：然後呢？
S2：放進去…
R：你做的是哪一個？
S2：5 公分的
R：可是你怎麼知道要放到哪裡才是 5 公分呢？
S2：用尺量…
R：很好…
S2：（用尺在量吸管長側的長度）
R：S2，我們不是要調整吸管彎曲處最高點到杯子底部的距離嗎？跟吸 管長度有關嗎？為什麼需要量吸管的長度？
S2：不用（觀 1050505-7）
R：我們要調整吸管彎曲處距離杯底的距離對不對？那表示，除了這段 距離可以調整外，其它的都要一模一樣，所以，吸管的彎曲、短側
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的長度、整根吸管是不是都要一樣？
S2：嗯…（觀 1050505-9）
S2：這樣可以嗎？【除了彎曲處最高點與杯底的距離有變動，其餘如 短側的長度、彎曲的角度都相似，但外部吸管的長度不一樣長】
R：除了彎曲處與杯底的距離外，其它都一樣了嗎?
S2：一樣了
R：外部吸管的長度要不要一樣?
R2：要…《動手把外部吸管的長度修剪成一樣的長度》
R：好，那你可以用黏土把洞補起來了。（觀 1050505-14）
最後，研究者要求學生就實驗中所蒐集的資料進行解釋。學生無法觀察兩 變項之間的關係，研究者需要進行說明、提示，並且根據學生語文的能力，提 示適合表示變項相關的句型（Ａ愈來愈…，則Ｂ愈來愈…），協助他們進行表 達。
R：吸管短側是 5 公分的時候，它的容量是 150（ml），是 4 公分的時 候，是 160（ml），3 公分的時候是 150（ml），如果光看這兩排，
有沒有表示什麼？
S1：沒有
S2：表示那個吸管短側的長度是 5 至 3 公分…
R：表示吸管短側的長度，會不會影響到最大水量？
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S2、S1：不會（觀 1050512-11）
S1：一排那個…就是 3 乘以 2 等於 6
R：3（短側吸管長度）乘以 2（剩餘水量的個位數）等於 6（剩餘水量 的十位數）喔…沒啦…有這個關係嗎？
S2：沒有（觀 1050512-13）
雖然提示了學生變項變化的趨勢，學生還是無法就趨勢的變化去發覺兩變 項的關係。
R：這樣沒告訴你們什麼事嗎？
S1：就是說愈來愈小、變愈來愈多
R：《等 5 秒》就這樣？只有看到變化而以，只有看到它愈來愈少變愈 來愈多，阿只有看到吸管從長的變成短的，這兩個之間沒有互相影 響？
S1：沒有、啊就從愈來愈少變愈來愈少 R：愈來愈少變愈來愈少？
S1：那個…22 也很少（觀 1050512-18）
較讓研究者意外的是，在結束這個單元時，學生竟然能以虹吸現象的原 理，說明公道杯中的吸管位置，如何對杯中水量造成影響。
R：好，請問一下，水裝到哪裡的時候會漏?《打開電子白板》
S1、S2：最高點
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S1：吸管的最高點
R：吸管的最高點這個地方《指吸管的下緣》這裡、《指吸管的上緣》
還是這裡
S1、S2：那裡（吸管上緣）
R：喔、還不錯嘛。為什麼會到這邊才會漏 S1：因為它已經最高了
S2：因為那個最高的，所以它會流下來
R：裝到吸管最高的時候就會流下來喔，為什麼裝到這邊（水裝到吸管 短側的高度）的時候不會…
S2：因為它的水量還不夠
S1：就是這裡（吸管最高點），它裝下去，就流出來（觀 1050513-46）
R：…水就會流出來，就會產生這個虹吸現象，所以水會一直流，流到 什麼地方才會停？
S1：流到那個…喔《往講台上移動》這裡《手指吸管短側開口》
R：嗯，為什麼？
S2：因為水不到
S1：因為吸管已經沒有水在裡面了。（觀 1050513-47）
R：那為什麼不是只有超過的那些水流出來而以，會一直流到這裡?
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S1：因為你說的…什麼手牽手的（研究者在教學時，以擬人化的手法 說明水分子會像手牽手一般的移動），它流下去的時候，會牽手…
所以就會一直流…（觀 1050513-48）
公道杯這個單元中，在研究者提供實驗設計的情況下，學生能辨識相關變 因。透過探究過程中，研究者指導學生進行變因控制，以及測量所需的能力 後，學生能觀測應變變因。最後，根據所獲得的資料，由研究者指導學生觀察 數值變化的趨勢，再利用預測的策略，說明變項間的關係。
參、不定時炸彈單元過程技能之學習成效
學生能成功操作實驗裝置後，研究者提出挑戰，就學生測試的過程中，學 生採取的行動，判斷學生在形成假說與控制變因做實驗的表現。
一、學生在形成假說方面的表現有差異
從學生實驗設計的內容中，可以發覺，S1 針對「如何讓爆炸所需的時間變 多」的問題，他先以「小蘇打粉 10 克、檸檬酸水溶液 20ml」進行測試，接下 來則是以「小蘇打粉 3 克、檸檬酸水溶液 20ml」進行測試。後來，他又根據 S2
「小蘇打粉 6 克、檸檬酸水溶液 12ml、爆開時間 8 秒」的實驗設計結果，以
「小蘇打粉 4 克、檸檬酸水溶液 12ml」進行測試，由此可以推測 S1 可能是根 據「炸彈裡的火藥量少，爆炸威力就小，那小蘇打粉的量，也可能會對爆炸的 時間造成影響」，形成「小蘇打粉愈少，爆炸的時間就愈慢」的假說。
R：…阿你（S1）粉是幾克？
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…(部分觀察與對話內容省略)…
S1：8 克好了…
R：8 克喔!
S1：不要、用 10《將小袋子放入大袋子裡》
…(部分觀察與對話內容省略)…
S1：《搥下》【袋子開始澎脹】《S1 要撿入桶中，卻失手》【袋子在桌上 爆破】
R：2 秒，你太緊張了吧，有沒有記下來？現在你要讓它晚一點爆，2 秒太快了…你想要調整什麼？
S1：小蘇打粉。
R：那你要用多少？
S1：那我用 3 克。
R：那水呢？
S1：還是 20 （觀 1050528-58）
但是 S1 未在「小蘇打粉愈少、爆炸時間愈晚」的假說上，持續驗證。從他 採取的實驗設計中，似乎形成了另一個「檸檬酸水溶液的水愈少，爆炸的時間 愈晚」的假說。
S1：《搥了一下》【袋子開始膨脹】《丟入桶中》
【袋子爆開】
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R：7 秒
S1：喔〈興奮的語氣〉
R：來換你（S2）
S2：老師、可以…
S1：老師、他用 4 克…
R：4 克，你（S1）剛才用幾克？3 克、7 秒，你（S2）要用幾克？
S2：我用 3 克好了
R：那你（S2）用 3 克，不就跟他（S1）一樣，他（S1）是水 20、小 蘇打 3 克嘛，你（S2）咧？
S2：4 克
R：S1，你再做一個試試看。
S1：3 克嗎？
R：3 克、你做過啦!
S1：老師、可以水少一點
R：你（S1）要水少一點，那要多少？
S1：15（觀 1050527-62）
相較 S1 的表現，S2 也認為小蘇打粉及檸檬酸水溶液的量會影響爆開的時 間，但 S2 同時針對小蘇打粉及檸檬酸水溶液進行調整，未能形成可供驗證的假 說。
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【S2 剛完成小蘇打粉 6 克，檸檬酸水溶液 20 毫升的這組實驗，爆開 時間為 2 秒，他在準備下一組實驗時，決定要把小蘇打的量減為 4 克，但一不小心把小蘇打粉倒超過預期的量，研究者協助他把小蘇打 粉減量】
R：…好了啦…4 克
S2：《準備把檸檬酸水溶液倒入量筒中》
R：阿你的水是幾克？
S2：我可以倒 10 克嗎？
R：你兩個都要調喔？你粉跟水都要調喔？
S2：欸…調調看（觀 1050527-63）
也許 S2 認為兩個因素都會影響爆開的時間，我該不該在此時去向他說 明，一次只進行一個變因的改變，才能看出此變因與應變變因的關係 呢?如果他最後分別驗證出，兩個因素都會影響爆開時間，和他一次調 整兩個變因，也會得出相同的結論呀!這個主題好像不太適合用來說明 此過程技能。(省 1050527-2)
S1 似乎以「小蘇打粉愈少，爆開所需的時間愈長」的假說，調整實驗裝 置。但試著請他提出假說時，他卻無法（或不願意）表達。
【S1 注意到 S2 的檸檬酸水溶液是 12ml、小蘇打粉為 6 克時，爆炸秒 數為 8 秒，為目前最接近目標的秒數，故他決定檸檬酸水溶液也要用
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12ml，同時決定小蘇打粉要用 4 克】
R：可以告訴我為什麼你的小蘇打粉要用 4 克嗎？
S1：因為好像會成功
R：為什麼你覺得 4 克會成功？你之前也有用 5 克、6 克、7 克呀。為 什麼要選擇 4 克？我知道你的檸檬酸水溶液的量是參考 S2 的實驗
R：為什麼你覺得 4 克會成功？你之前也有用 5 克、6 克、7 克呀。為 什麼要選擇 4 克？我知道你的檸檬酸水溶液的量是參考 S2 的實驗