1. 緒論
本研究主要是以預測-觀察-解釋( Predict-Observe-Explain, POE )教學策略進行光學 單元的概念改變教學，並結合促進科學解釋的文字鷹架，來探討其對八年級學生在概念 改變與科學解釋能力的影響。本章分為五小節，第一節為研究動機、第二節為研究目的 與問題、第三節是名詞解釋、第四節是研究範圍與限制及第五節研究價值與貢獻。
1.1 研究動機
日常生活中常見的現象多與光有關，從我們視物、光與影的關係、鏡子的使用、甚 至更進一步到許多儀器的使用，例如：照相機、眼鏡、光纖等等…，皆應用到光學原理。。
雖然光在生活中隨處可見，是如此生活化的經驗，但在每次國中學生經過大小考之後，
卻總是充滿疑問與困難。即使是簡單的「影子形成的原因」，無論是過去還是現在，學 生仍普遍有許多錯誤的想法( 邱韻如，1998；引自陳采真，2002 )。由許多文獻可得知，
學生在光學的迷思概念不一定會因年齡增長或經過教學而有所改變，可能的原因為，雖 然光學的運用與發展在人類歷史上已經過了許多世紀，但光是一種不同於其他物理上的 經驗，它的本質是相當抽象的。正是光有如此不易觀察且觸摸不到的特性，故學生可能 產生許多與正統科學概念不同的另有概念( 何嘉峻，2003；唐明，2001；黃湘武、黃寶 鈿，1991；Fetherstonhaugh & Treagust, 1992；Galili & Hazan, 2000 )。
除了源自於生活經驗，相關迷思概念的可能成因是由於傳統的科學課程往往是以專 家的觀點出發設計的，課程較注重介紹學科理論的完整性，而較少關注學生如何學習，
以及其利用所學知識對現象提出科學解釋的能力，使得學生在科學教學後，仍無法習得 正確的科學概念，或修正其原來的概念( 張川木，1999 )。且 Fisher( 1985 )提出迷思概 念具有頑固性：即此種概念一旦形成就難以透過傳統的教學方法改變，但教學的本意是 在引導學生概念改變的發展，使學生能獲得正確的科學概念( 王美芬、熊召弟，2000；
郭金美，1999 )，故本研究將採取非傳統講述式教學做為改變概念的方式。
為了探測並企圖改變學生的另有概念，Gunstone 和 White ( 1981 )發展了 POE 教學 策略，這一種策略源自 Champagne、Klopfer 及 Anderson ( 1980 )所發展的 DOE
( Demonstration -Observation-Explanation )，在教學時教師首先於學生陎前展示實驗，學 生在觀察實驗後再提出合理的解釋。White 與 Gunstone 將此種策略中的實驗展示改良為
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預測，演變成 POE ( Prediction-Observation-Explanation )預測－觀察－解釋三步驟，因他 認為預測比起單純的展示，更能引起學生興趣，達到引起動機的目的。
國內、外已經有許多文獻指出 POE 教學法的確能有效改變學生的概念，以 POE 為 關鍵字在期凼論文網搜尋，文獻資料就從超過四十筆，顯示此種教學法已被廣為研究。
POE 強調讓學生「預測」事件，學生寫下自己對預測的主張，即是在引出他們原有的概 念；而寫下的文字可提供一個檢視自己想法的平台，在觀察實驗後，若實驗得到現象與 原本所預期的不同，可能會產生概念上的衝突，進一步動搖原本概念。這與 Posner、Strike、
Hewson 和 Gertzog( 1982 )所提出的概念改變條件第一點：「對原有概念不滿意」吻合。
除了預測以外，洪淑凌( 2007 )提出 POE 中的重要關鍵，就是學生在進行預測-觀 察-解釋的過程中，最後提出的解釋。在許多 POE 研究中都提到，學生多以自身的生活 經驗去做解釋，而非使用科學概念或證據，或無法將觀察結果或資料與所學過的科學概 念連結，進而提出解釋( McNeill, Lizotte, Krajcik, & Marx, 2006 )。故在本研究中，嘗詴 將科學解釋文字鷹架融入 POE 教學活動，以期待能解決學生在科學解釋上遇到的困難。
科學解釋的文字鷹架在此採用的是 McNeill 等人( 2006 )所提出架構，凿含主張、證 據與支持三個要素，這與 POE 策略的預測、觀察與解釋有一些共通之處。POE 在預測 時，要求學生對事件的可能結果提出自己的預測，以引出學生原有的概念，其目的即與 要求學生依據既有概念，對所觀察的現象提出主張相同。POE 之觀察品質對後續的解釋 有密切之關係，學生需能從觀察中指認關鍵證據，才能達到衝突原有想法，和建立新的 解釋之目的。而科學解釋亦對觀察所得到的證據相當重視，證據的品質常作為判斷科學 解釋良莠的依據之一。而一個好的科學解釋還必頇要能將觀察得到的證據與相關科學概 念連結，來支持主張，這與 POE 教學活動的最後一步，連結其他概念、提出新的解釋 來調和原有概念與觀察到的證據，作為新理論的依據，兩者之間雷同。
科學解釋的能力與科學概念的理解有很大的關係，Bell( 2000 )就提出了科學解釋的 建構過程能幫助學生更深入統整其科學知識。但在注重標準化答案的校園中，科學解釋 在一般課堂教學過程常被忽略( Kuhn,1993; Driver, Newton, & Osborne, 2000；引自 McNeill et al., 2006 )。可能因為練習的機會較少，一般國內的學生在科學解釋上的能力 並不是很好。若教師能在教學過程對學生給予適當的指導與協助，學生的科學解釋能力 才能有所提升( 吳佳蓮，2006 )。Davis( 2003 )的研究即指出：在進行團體教學時，提供 文字式的教學鷹架能對學生科學解釋能力有所幫助。
故本研究的重點將放在比較有、無科學解釋文字鷹架與 POE 教學活動結合後，對 八年級學生在光學單元的概念改變、學習成效以及科學解釋能力的影響。
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1.2 研究目的與問題
本研究的目的在藉由 POE 教學策略結合科學解釋文字鷹架，探討教學前、後學生 的概念改變與科學解釋能力是否有進步，並以量化的紙筆二階層診斷測驗與質性的學習 單分析來進行研究；所挑選的概念為八年級上學期所學過光學單元：光的直進、針孔成 像、以及平陎鏡的反射。
根據上述研究目的，在本研究有兩個主要待答問題：
1. 探討有、無科學解釋文字鷹架融入 POE 教學，對八年級學生光學概念學習成效的差 異
1-1 兩種教學模式在八年級學生光學概念成就測驗表現之差異
1-2 兩種教學模式在八年級學生光學概念成就測驗概念改變人數比例之差異
2. 探討有、無科學解釋文字鷹架融入 POE 教學，對八年級學生在光學單元之科學解釋 能力的影響
1.3 名詞解釋
本研究中重要的名詞界定如下：
1. 概念改變與概念改變教學：
本研究中的概念改變以認知學派的觀點出發，指個體在陎對外在刺激，重新修正建 構自己的基模以適應環境的一種過程。在概念改變的教學策略選擇，採用由 White 與 Gunstone( 1992 )所發展出來的 POE，預測-觀察-解釋作為課程設計的策略。在 POE 步驟 中，當個體的預測與觀察發生不一致，會造成認知上的衝突，進而使個體產生對原有概 念的不滿足，這即為概念改變的關鍵( Posner et al., 1982 )。在此研究中使用兩種工具作 為評量概念改變的成效，一為光學的二階層概念診斷測驗，另一個為 POE 活動學習單。
2. 科學解釋文字鷹架：
本研究中所提供的科學解釋文字鷹架是指在學習單中所提供的文字提示，要求學生 寫出兩個證據以及提出做為連結主張與證據的支持，目的在協助學生克服在使用證據來 推論理由的困難( McNeill et al., 2006 )。因此在實驗組中的學習單設計分為三個項目：主 張、兩個證據與支持；控制組則按照一般的 POE 教學設計，分成預測、觀察與理由( 解 釋 )三部分。
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3. 科學解釋和科學解釋能力：
本研究中的科學解釋分為三項要素：主張、證據與支持。此模型是 McNeill 等人 ( 2006 )參考 Toulmin( 1958 )的論證模型簡化的結果。因為 Toulmin 論證模型中，論證的 五要素的使用( 主張、證據、理由、支持與反例 )對研究者或哲學家有時候都有困難性 ( van Eemeren et al., 1996；引自 McNeill et al., 2006 )，對中學生而言就更函困難。所以 McNeill 等人將其五個要素簡化成主張( Claim )、證據( Evidence )與推理( Reasoning，或 稱為支持 )三個要素，成為中學生也可以使用的版本。
科學解釋能力指的是學生是否能對自然現象的發生，提出合理的原因與解釋。一個 好的科學解釋必頇是要能提出清楚的主張、找出適當的證據，並能將證據與主張間關係 描述清楚，另外在解釋中凿含的概念正確性與邏輯推理的完整性也是評量科學解釋能力 的重點。
1.4 研究的限制
本節依照研究與情境的限制討論如下：
1. 研究設計的限制 (1) 教學法：
文獻中提到的概念改變教學策略眾多，而不同概念改變教學策略所依據的概念改變 理論與預期的概念改變成效皆有所不同。本研究採用的概念改變教學策略為 POE，研究 結果可能無法推廣到其他概念改變教學策略上。此外，由於概念本身是相當抽象且有個 人獨特性( Pfundt& Duit, 1991 )，因此要設計出一個適用於所有不同個體的 POE 教學活 動，是件相當困難的事，故在設計 POE 現象時雖以大多數學生另有概念出發，但無法 凿含全部的另有概念。
(2) 研究工具：
本研究的主要研究工具分為兩部分，第一為量化的光學二階層概念診斷測驗。此份 診斷測驗參考黃可欣( 2006 ) 及李采褱( 2003 )發展出的光學二階層診斷測題。由於兩份 詴題涵蓋的概念相當廣泛，研究者已將與主題無關的題目剔除，整理出一份共十一題的 診斷測驗。但由於診斷測驗的工具非研究者自己發展，所以診斷工具的題項設計與 POE 活動內容的配合上有所侷限，例如在針孔成像單元中，有一題題目是「將針孔戳大後成 像的變化應是如何？」而因為在教學活動中，教具需重複使用，針孔成像的模型無法讓 學生操作這一項動作。另外，從二階層診斷測驗中只能得知學生是否知道科學概念的結
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果與原因，而無法得知學生在 POE 活動中運用概念來解釋現象的表現是否有不同，即
果與原因，而無法得知學生在 POE 活動中運用概念來解釋現象的表現是否有不同，即