POE 教學對學生科學解釋能力之影響

POE 最初是由美國 Pittsburgh 大學的 Champagne，Klopfer 和 Anderson 於 1980 年 發展的 DOE（Demonstrate-Observe-Explain）概念晤談教學策略改良而來的，Gunstone

& White (1981) 認為預測的理由能呈現學生原本的認知架構，又能引發學生的學習 興趣，而預測階段對了解學生概念及提升教學成效具有重要性，因此將 DOE 策略 設計改良成 POE 教學策略，以期更富教學成效。

POE 教學是由White 和Gunstone(1992)提出的，其主要目的是用來探測學生的先 前概念。POE 分別代表Prediction（預測）、Observation（觀察）以及Explanation（解 釋）。簡單說來，POE 教學就是由教師設計一個與學生實際生活有關的情境或問題，

接著讓學生寫出他們的預測以及支持預測的理由，以便了解學生是採用何種知識立 場來作預測。下一步，則是讓學生進行實際操作及觀察，當學生發現觀察到的現象 與其預測不一致時，便能與同學進一步討論、探索，最後解釋自己的想法與觀察到 的現象之間的差異，進而將原先固有的概念重新建構（黃台珠等譯，2002）。因此，

POE 教學是先引起學生先前概念，接著由教師設計及製造概念衝突的情境，此一模 式可以有效達到概念改變的目的（江淑卿、陳昱蓁、潘于君，2008；盧莉閔，1998）。

POE 基本的程序是設計某一情境讓學生進行「預測」會有何結果或現象發生（例 如大 氣壓力 、 表面張 力 ），要求學生寫下自己的預測以及理由之後，接著實際操 作讓學生「觀察」有何現象發生？觀察之後寫下自己的觀察結果，如果與預測的不 一樣，請學生「說明」原因或理由。此歷程具有認知衝突(cognitive conflict)的特色，

即設計的情境是學生常具有的迷思概念（觀察到的現象與預測的不一樣），進而探 索學生如何解釋自己的觀點與現象之間的差異。

此外，進行 POE 時應注意的是（White & Gunstone, 1992）：（1）要提供一個學生 可以預測，而且能基於個人理解進行推理的情境或實驗，若純粹只是猜測則將失去 其價值；（2）要提供真實情境與問題給學生，才有助於 POE 的效果，至少也要提供 學童一些支援的線索或說明；（3）要讓學童的觀察是直接可行的，亦即觀察的實驗 結果是清晰可見的；（4）可以用勾選的方式，提供幾種可能的情況讓學童做預測，

用開放的反應模式，讓學童自己表達想法。

POE 教學策略由 White 與 Gunstone（1992）著作 Probing Understanding 一書中所 提及。POE 教學策略為「預測（Prediction）—觀察（Observation）—解釋（Explanation）」

三個步驟的縮寫，主要說明學生必須先針對事件進行事件結果之預測（在化學教育

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上通常為實驗結果之預測），並提出理由；預測結束後，讓學生正式且詳細的觀察 事件（實驗）過程與結果；最後要求學生對實驗結果進行解釋。

在進行 POE 教學策略時，學生必須自行決定運用何種推理，且需要運用自己的 推理進行預測，而預測的結果通常都會與觀察結果相反，再由這樣的認知衝突中進 行學習，換言之 POE 教學策略用於含有認知衝突情境的教學中特別有效。White 與 Gunstone（1992）提到，POE 教學策略與演示實驗教學廣為連結，並有許多優點。

現今化學教育中，特別注重「做中學」的重要性，特別是十二年國教實施後，學生 的升學壓力降低，照本宣科式或大量練習式的教學方式將會式微，而科學教師必須 在教學過程中帶入大量的實作實驗，然而化學實驗對於不同年齡的學生而言會有不 同程度的危險性，也因此許多教師習慣將危險性較高的實驗帶到教室演示，甚至直 接用實驗影片的方式進行教學，因此更凸顯了 POE 教學策略的重要性。而當教師要 求學生對實驗進行預測時，學生將更能理解實驗情境；而學生進行預測過後，對實 驗的觀察將更具焦點；針對觀察前後的差異進行討論將使學習更有價值。而許多研 究都使用 POE 作為研究中的教學策略（Costu, Ayas & Niaz, 2012 ; Palmer, 1995），且 POE 教學策略也在實行於教學現場並被應用（許良榮、蔣盈姿，2005；楊凱悌、邱 美虹、王子華，2009）。

第三節 科學解釋

一 、科學解釋的意義

在瞭解「科學解釋」之前，我們要先認識「解釋」。根據哲學辭典裡 對解 釋的定義：解釋（explanation）源自拉丁文 explanare（展開、伸展、說明）。一般來說，

是使某事成為可理解、合理的或熟悉的（引自段德智、 尹大貽、金常政譯， 2005）。

邱美虹與林秀蓁（2004）亦發現教師若提供學生更多預測和解釋的機會，則學生 學習成就較高。因此「解釋」在科學教學活動中有其重要的 地位，探討「解釋」

對科學教育研究，應有一定的貢獻。

如果將它應用在學習上，解釋就是連結學生已知的概念 去學習未知的事物。

透過讓學生學習解釋的建構，是鼓勵學生積極主動建構知識的有效方式（McNeill &

Krajcik, 2007） 為自然現象提出合理的解釋，是科學研究者的目標。針對某一個自然 現象，能給予學生適當的解釋，則是教育工作者或科學教育研究者的目 標。「解釋」

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在日常生活和教室中是常見的行為，尤其在需要討論自然現 象成因的科學教育，更 是不可或缺（湯偉君，2008）。

在所有的解釋中，「科學解釋」便具有此能力。科學解釋似乎有其權威性（陳 恆安，2005），一個解釋如果冠上「科學」的標誌，對於普羅大眾而言，就代表了 正確、合理、令人 信服。雖然科學解釋有其權威和說服力，但在科學教室中，學 生並不會因為科學解釋的強大理性而完全的信服和瞭解，這是科學學習心理學 研究中所常探討的。本文不擬深究為何科學解釋之所以難被一些學生接受的議 題，我會探討自己自編 POE 教學設計活動流程、以課本為主傳統教學活動流程、

科學教室，甚至課程綱要裡，也就是實際科學教室現場裡，可能具備哪些不同的解 釋類型。換言之，本文擬從解釋類型此一角度分析科學教學，並期望能提供科學教 師新的角度來反思自己的教學歷程及提升學生科學解釋能力。

解釋的看法沒有像哲學家那麼嚴謹和連貫，而解釋的理論模型也較哲學領域不 嚴謹，在科學研究中的科學解釋建立在以下幾個的假設上：（1）描述與觀察常連結 在一起，但他們和理論是不同的；（2）於教學時，解釋的特性中所蘊含科學本質 的 觀點能夠達成不同的課程目標，且教師的角色會因課程目標的不同而有 所改變；

（3）對於現象所做的解釋可用來評量學生的理解程度（Edgington）。其中第三個假 設也使得科學教育學者常以科學解釋作為評量學生概念理解的程度。由上可知，科 學解釋就是敘述說明某些科學現象為什麼會發生的活動，而如果這些解釋在被大眾 接受認同之後，就會形成理論，成為科學知識。以教育立場來看，藉由學生的科學 解釋可了解其概念發展的情形。

學生如何解釋自然現象與其具備的科學概念有密切的關係，因為進行「解釋說 明」必須運用心智中既存的科學知識或概念，將相關的概念進行合理的組織之後，

提出被認為最合理的解釋。因此，如果先備知識（既有概念）不足，則難以期望能 提出合理、合邏輯的科學解釋。文獻中有些學者以「科學解釋」的角度---說明學生 概念的不穩定性或變動性，例如Sandoval & Reiser（2002）發現學生在「設計實驗」

與「結果解釋」有很大的困難，而其困難經常是由於學生對實驗活動的瞭解不足，

以及綜合判斷能力有待加強frameworks）。許良榮和蔣盈姿（2005）以POE 策略探 究小學至高中學生對於物質之可燃性的另有概念，研究結果除了發現學生普遍持有 的另有概念之外，也發現學生缺乏科學解釋的能力。謝州恩（2004）的研究則指出

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學生的科學解釋困難，包括：（一）科學術語的運用有困難；（二）較不會使用證 據；（三）過程或機制的描述不清楚…等等。由此顯示學生的科學解釋能力，是值 得科教學者重視的一環。。張俊彥和翁玉華（2000）研究我國高中生的問題解決能 力與科學過程技能之相關性，結果發現；問題解決高、低能力不同者，在「科學過 程技能總分」或「解釋資料」等，高能力者皆顯著優於低能力者。所以探究學生的 科學解釋能力，POE 是值得努力的研究。

二 、科學解釋形成原因

要產生一個完整的科學解釋是不容易的，目前已知學生在科學解釋能力的 難處有:

(一)指出因果關係:未指出因果關係、不完整的解釋(姜滿，1993)。

(二)運用推理能力:缺乏推理機制，使用非邏輯的推理。(姜滿，

1993;Sandoval&Reiser,2004)。

(三)使用證據:缺乏證據、實驗數據與理論相違(Solomon,1995)。

(四)解釋提出主張:解釋時並未提出主張、主張與解釋內容相違(姜滿，1993)。

(五)運用圖表協助解釋:課本無法提供圖表轉換之過程學習;有些圖表與符號會造 成學童學習的困擾(Wavering,1989;Bowen&Roth,2002)。

(六)語文傳達解釋能力:在口語傳達峙，可能隱含錯誤，造成誤解，或缺乏完整、

清楚的敘述(毛松霖，1987;李暉、郭重吉，1998)。

(七)評鑑解釋:對評鑑本身的意義與科學解釋各項暸解有限 (Sandoval&Reiser, 2004)。

從事理解概念的研究經驗也發現，學生在科學解釋的能力方面相當缺乏，值得 注意改進。例如許良榮、蔣盈姿（2005）以 POE 探究中小學的燃燒概念，研究發現：

雖然某些學生經由 POE 活動調整了他們原先的看法，但是僅有少數學生能以科學原 理 加 以 解 釋 ， 許 多 學 生 仍 持 有 原 先 的 另 有 概 念 ， ， 而 呈 現 所 謂 「 偽 說 明

（pseudo-explanation）」的形式，如同 Taber（2001）研究發現學生對於自然現象的說 明，經常只是徒具形式（form）而缺乏實際說明能力的「偽說明」。例如某位學生國 中九年級學生認為擺角與擺錘的質量不會影響週期，是「擺長」的關係，另一位國 中九年級受訪學生認為擺角與擺錘的質量是會影響週期 。因此顯示學生的說明能 力是教學上值得注意改善之處。該研究也指出學生缺乏應用知識解釋的能力，其原

（pseudo-explanation）」的形式，如同 Taber（2001）研究發現學生對於自然現象的說 明，經常只是徒具形式（form）而缺乏實際說明能力的「偽說明」。例如某位學生國 中九年級學生認為擺角與擺錘的質量不會影響週期，是「擺長」的關係，另一位國 中九年級受訪學生認為擺角與擺錘的質量是會影響週期 。因此顯示學生的說明能 力是教學上值得注意改善之處。該研究也指出學生缺乏應用知識解釋的能力，其原