PBL係於1960年代中期由加拿大的醫學教育者Howard Barrows所發展，透過 遭遇病人的實際問題，讓醫學生以臨床推理技能進行小組合作解題（楊坤原、張 賴妙理，2005）。Chin and Chia（2004）也指出PBL本來是在醫學院裡發展的一 個教學模式，後來適用於小學和中級學校；在PBL中，「問題」在學生的活動與學 習中扮演刺激和聚焦的角色。在學生尋找問題答案的過程中，這種學習方式是有 目的和動機的，使得學生在原本的知識脈絡上得以積極專注地學習。追溯其起源 和研究PBL各學者的觀點，可以由以下幾個PBL交互關聯的哲學與認知心理學的理 論來說明（引自楊坤原、張賴妙理，2005）：
一、杜威的實用主義
就其思想淵源而言，PBL 與以往的問題教學法（problem method）皆源自杜 威的實用主義觀點（pragmatism）（Delisle, 1997; Trop & Sage, 2002)。杜 威認為教學重在思考的訓練，教學不僅在傳授知識和經驗，更要使學生經歷科學 的方法，教師應讓學生有機會主動利用先前經驗來解決問題或適應環境，並藉以 增加知識。
二、認知建構主義與社會建構主義
Piaget 的認知論指出，知識是由學習者以基模(schema)為基礎，不斷地透過 同化(assimilation)與調整(accommodation）的認知歷程，主動建構而成；
Vygotsky 指出，人類心智能力的發展是社會互動與社會經驗的結果。學習者從簡 單的心智功能轉化到能表現抽象思考、邏輯推理和自律(self-regulation)等高 層心理歷程，都是利用語言與文化中其他人進行溝通、分享等社會性交互作用，
再由此互動所習得的訊息來進行思考與學習。
三、訊息處理理論
Gagn’e在1977年將人類的學習依複雜的程度由基本層級的訊號學習、刺激反 應聯結學習、連鎖作用、語文聯結，到複雜層級的多重辨別、概念學習、原則學 習到最高層級的問題解決，較高層級的學習需以較低層級的學習為基礎（黃郁 雯，2005）。根據訊息處理理論，人腦猶如訊息處理器，訊息自外在環境透過接 受器(receptors)進入訊息處理器後，在感覺記錄器稍作停留後，被加以注意的 訊息會到達工作記憶(working memory)或短期記憶(shorterm memory)。
四、情境學習理論
根據情境學習的原則，教師應提供以學習者為觀點的「學習課程」(learning curriculum)並透過引導性的參與，使學習者在日常生活的實務中接觸、使用並 組織各種學習資源進行學習，獲得處理未來生活中可能面臨之複雜問題的能力。
五、合作學習理論
所謂的「合作學習」是一種透過小組分組，互相鼓勵以增進個人與小組其他 成員合作學習的成效，可運用於各學科內容的教學，強化個人與小組學習的認知 過程，以提升學生的學業成就（尹曼萍，2004；黃政傑、林佩璇，1996）。
綜合以上有關 PBL 的理論與各個學者的觀點，將 PBL 運用於日常生活中及解 決生活上的相關問題是一個重要的課題。PBL 教學確能提昇學生學習的動機及興
趣，同時透過小組合作解題、全班討論的過程，讓學生具有批判及思考的活動，
改變教室學習的氣氛（朱江文，2003）。因此，教師應透過 PBL，培養學生成為有 效的學習者，達到問題解決教學的目的。
Delisle（1997）認為問題本位學習的歷程包含以下的步驟：（1）連結問題；
（2）確定問題結構；（3）深入討論問題；（4）再深入討論問題；（5）實作與 結果；（6）評鑑結果與問題。洪榮昭(2001)認為 PBL 運作的基本步驟必須包含：
（1）專業知識運用；（2）目標設定；（3）問題解決；（4）評量。而黃明月（2000）
亦曾提及，PBL 之課程設計可依下列基本流程來進行：（1）選擇一個問題；（2）
以此問題界定可能涵蓋的知識領域；（3）基於此問題選擇相關的事件提供給學習 者；（4）學習者從事件中去界定問題；（5）將問題化為一系列的疑問去尋找答案；
（6）蒐集資料並應用於問題之解決。
此外，洪榮昭（2001）亦曾依學生自學、小組討論、與教師討論和全班討論 等流程的先後，歸納出 PBL 的四種運作方式。至於要採用那一種方式則須視學生 程度與問題深度而定。
1.學生自學→小組討論→與教師討論→小組再討論→全班分組討論。
2.學生自學→小組討論→與教師討論→學生自學→小組再討論→全班分組討 論。
3.小組討論→學生自學→小組討論→與教師討論→全班分組討論。
4.小組討論→與教師討論→學生自學→與小組討論→全班分組討論。
綜合以上學者的理論，研究者特別歸納 PBL 教學運作的基本流程（如下圖 2-2-1）為：拋出問題、界定問題、小組討論、教師引導、小組討論、問題解決、
評量等。以上教學流程作為本次研究中科學遊戲教學設計的標準與依據，茲說明 如下：
1.佈題：老師以開放式、無固定答案的問題，讓學生自行思索問題。
2.界定問題：學生依據老師所拋出的問題，界定問題的範圍和方向。
3.小組討論：透過小組討論，擬定解決問題的方法和策略。
4.教師引導：學生有疑問之處可透過與老師討論及老師的引導，再次聚焦問題 之所在。
5.小組再討論：透過小組討論，再次擬定解決問題的方法和策略。
6.問題解決：依據所擬定的方法和策略來解決問題，若無法解決可再次思索問 題之所在。
7.評量：教師針對問題解決的過程實施評量，瞭解學生問題解決的方法、策略 及思考模式。
圖 2-2-1 PBL 教學流程圖
經過長時間整理目前各種科學教學與學習的模式相關文獻，PBL 教學與學習 模式的設計，融合杜威的實用主義、認知與社會建構主義、訊息處理、情境學習、
合作學習等各項理論，以定義模糊的問題來作為學習情境，作為教學的開端，由 師生分別扮演認知教練和問題管理員的角色，透過小組合作學習與自我指引學 習，使學習者歷經真實之科學問題解題歷程，期盼學生能展現多元的學習成果。
根據以上專家學者對於 PBL 的詮釋，更加確定 PBL 是一種可以運用於課程與 小組合作學習的教學模式，以下歸納幾個有關問題本位學習的相關研究，如下表 2-2-1，作為研究者進行本研究的參考和建議。
產生新問題
佈題 界定 問題
小組 討論
教師 引導
問題
解決 評量 小組
再討論
產生新問題
表
第三節 科學遊戲教學與問題解決
教育的目的主要在培養學生如何運用知識，去思考問題與解決問題；即在強 調學習與思考必須並重，才能提高學習成效，進而達成九年一貫課程「自然與生 活科技」領域的學習目標（洪文東，2004）。而且各國的科學教育均以培養熟悉 關鍵的科學概念，能將科學概念與日常生活相關聯並應用於做決定或解決問題之 科學素養的未來公民為目標（教育部，2003a； AAAS, 1993； NRC, 1996）。