探討中學生在不同想像力層次之理化與生物問題解決歷程與成效之研究

國 立 交 通 大 學 教 育 研 究 所

碩 士 論 文

探討中學生在不同想像力層次之理化與生

物問題解決歷程與成效之研究

Explore the impact of scientific problem solving with

different level of imagination on 8

th

grade students’

performance of problem solving

研究生：李汝紋

指導教授：佘曉清 博士

探討中學生在不同想像力層次之理化與生物問題解決歷程

與成效之研究

Explore the impact of scientific problem solving with different level of

imagination on 8

th

grade students’ performance of problem solving

研 究 生：李汝紋 Student：Ju-Wen Lee

指導教授：佘曉清 博士 Advisor：Hsiao-Ching She, Ph. D

國 立 交 通 大 學

教 育 研 究 所

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Institute of Education College of Humanities and Social Science

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master

in Education

July 2011

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

i

探討中學生在不同想像力層次之理化與生物問題解決

歷與成效之研究

研究生：李汝紋 指導教授：佘曉清 博士 國立交通大學教育研究所論文研究計畫

摘要

本研究期望探討學生的先備知識與問題解決有效性、創造力開放性、獨創性、 標題能力對於其解決兩種不同想像力層次(仰賴想像力及不仰賴想像力)的生物 與理化共四個問題解決活動的解題歷程影響。期望深入了解仰賴想像力及不仰賴 想像力之問題解決活動之解題歷程異同，生物與理化學科分別在仰賴想像力問題 解決活動和不仰賴想像力問題解決活動之解題歷程異同。本研究之研究對象為新 竹市某國中的國二學生，共三十三人，其中男生為 16 人，女生為 17 人。全部的 學生在參與此兩種問題解決活動前，均接受科學概念測驗、新編問題解決測驗及 威廉斯創造力測驗，而後均進行兩種不同想像力層次的生物和理化共四個問題解 決活動。在兩種不同想像力層次的問題解決活動中，全部的學生皆先進行「不仰 賴想像力問題解決活動」(生物及理化兩個活動)後，再進行「仰賴想像力問題解 決活動」(生物及理化兩個活動)。 研究結果顯示，在兩種不同想像力層次的問題解決活動中，學生在不仰賴想 像力的理化問題表現優異於生物學科。但在仰賴想像力的問題解決活動中，則以 生物學科的表現優異於理化學科。根據研究結果也指出科學概念測驗、新編問題 解決測驗(有效性)及創造力測驗(開放性、獨創性與標題)與兩種不同想像力層次 的生物與理化問題解決表現有相關。而迴歸結果發現科學概念成績對於不同想像 力層次問題解決最具影響力。進一步研究顯示，科學概念測驗對兩種不同想像力 層次的生物及理化問題之解題歷程影響均達顯著性差異。同時此結果顯示高成就 的學生在問題解決的連結概念、解釋及產生可行方法均優異於低成就的學生。 關鍵字：科學問題解決、先備知識、國中生

iii

Explore the impact of scientific problem solving with different level of

imagination on 8

th

grade students’ performance of problem solving

Student：Ju-Wen Lee Advisor：Hsiao-Ching She, Ph. D. National Chiao Tung University, Institute of Education

Abstract

This study explores how prior knowledge, problem solving ability and creativity affect the students’ performance in problem solving. The purpose of this study is to investigate the impact of scientific problem solving with different level of imagination (imagination dependent problem and imagination independent problem) on 8th grade students’ performance in problem solving. These two levels of imagination problem, including biology and physics, consist of four activities. There were 33 junior high school students involved in this study from Hsinchu City of Taiwan, of which 16 are boys, 17 are girls. All of the students received the science concept test, problem solving test and creativity test before they participated in two different levels of problem solving activity (total of four activities). In this study, all of the students first participated in the unimaginative problem solving activity (biology and physics), and then participated in the imaginative problem solving activity (biology and physics).

Results showed that the unimaginative physics performance of students was better than biology. However, the imaginative biology performance of students was better than physics. According to the results, science concept test, problem solving test (effectiveness) and the creativity test (openness, originality and topic) were related to students’ performance in two different levels of imagination problem solving. The regression results found that the impact of science concept to different level problem is much higher than other tests.

In addition, the impact of science concept test to two different levels of biology and physics problem was significant.The results also showed that high-achieving

students’ linked concepts, explanations and methods during problem-solving were better than low-achieving students.

v

誌謝

人生就是一段又一段的旅行，而不可思議的這段交大學海之旅也即將畫下句 點。還記得當初來到交大，陎對一切的未知，興奮、期待又戰戰兢兢的心情。一 千多個風風雨雨的日子過去了，曾經幾度以為自己會走不到終點，看不見這背後 的美好風景。幸好，這段旅行中有許多的夥伴，陪我走完這一趟想忘也忘不了的 美好。 在這段旅程中，最要感謝的便是導遊佘曉清老師，老師總是對我不離不棄， 在研究的路上，指引了我許多方向，讓我有機會一窺研究的迷人風采。當然，在 805 奮戰的日子裡，也少不了老師的噓寒問暖，老師的爽朗笑聲也彷彿還迴盪在 耳邊。此外還要感謝楊文宗老師、張秀澂老師在研究中測驗及問題解決活動的指 導與建議，幾個月的討論，逐字逐句修改，還借我學生做 pilot，以及林裕民老師 在施測時的大力幫忙，讓我在上課時間把學生借出來訪談，讓我深深感受到老師 們的實力與熱情。還有謝謝 Kevin 老師撥空幫我修改的英文摘要，真是讓你辛苦 了！此外，還要感謝口詴委員張文華教授與邱國力教授對於論文提供了許多寶貴 意見，並且細心的針對論文中的疏忽之處給予指正，讓我的論文能更臻完善。 也感謝領隊們文己學長、聖昌學長、莉郁學姐及

明樺

學長，在研究及統計 碰到瓶頸時，總是能夠提供我另一個思考方向，有你們在實驗室一起奮鬥的時光 總是特別令人安心。尤其是

明樺

學長，在口詴前的特訓，統計上的指導，還有 在口詴時幫忙打點一切，只能說，我們真是太幸運了！也特別感謝兩位夥伴，米 珊和筱嵐，很喜歡我們一起熬夜念書，然後在課堂上胡言亂語，想盡辦法偷時間 去大吃大喝、玩樂跟瘋狂抱怨的時光。謝謝妳們早起陪我搬器材，然後在大家都 爆炸的時期陪我到學校訪談學生，想起那段不知道怎麼過的日子，很慶幸有妳們。 特別是蕭米珊這一路教會了我許多事，若要細數，大概可以出一本書了吧！還要 感謝君婷學姐，在最後這段撰寫論文的日子陪著我，不斷的鼓勵我、督促我，讓 我有信心能夠完成這不思議的旅程。我們都畢業了，真好！還有另外兩位的科教

夥伴晏如和力升，一起修課在 MSN 上比晚下線的日子已經過去，謝謝晏如總是 在夜深人靜捎來溫暖的問候，論文函油！期待你們的好消息~ 另外感謝老師的助理群，思瑋、佩樺、秉叡跟諠謄，幫我處理了大大小小 的瑣碎事務，還能夠適時的在我跟老師 meeting 完後給予函油打氣。還有所辦的 嘉凌姐、佩萱姐跟雅怡姐，這三年來真的受到你們的照顧了。也要感謝梅香學姐、 佩蓉學姐還有婷婷在口詴的幫忙，有妳們的幫忙，讓我更函感受到 SHE 實驗室 的溫暖！當然少不了高中學弟李泱寰，慶幸在新竹的七年裡有你的陪伴，總是能 聽我抱怨東抱怨西，還可以在我需要發洩時陪我打球，現在也是你的論文關鍵期， 不管未來決定怎麼走，請函油。 最後要感謝一直陪伴在我身邊給予我最大支持的家人，謝謝爸爸媽媽當初鼓 勵我考研究所，無條件的支持我，總是在我一身疲憊回到家時，用滿桌的好菜替 我函油打氣，也謝謝肥二姐、肥妹跟肥弟，和我分享家裡大大小小一籮筐蠢到爆 炸的傻事，讓我沒有機會錯過家裡的點點滴滴。我愛你們！ 新的冒險又即將啟程，謝謝這一路上的貴人，帶著你們的祝福，我會勇敢前 進。 百年 仲夏 汝紋

vii

目錄

中文摘要 ... i 英文摘要 ... iii 誌謝 ... v 目錄 ... vii 表目錄 ... ix 圖目錄 ... xi 第一章 緒論... 1 第一節 研究背景與研究動機... 1 第二節 研究目的... 2 第三節 研究問題... 3 第四節 名詞釋義... 4 第五節 研究範圍與限制... 6 第二章 文獻探討... 7 第一節 問題解決... 7 第二節 科學問題解決... 9 第三節 創造力... 12 第四節 想像力... 16 第三章 研究方法... 19 第一節 研究對象... 19 第二節 研究設計與架構圖... 19 第三節 研究工具... 21 第四節 仰賴想像力及不仰賴想像力之問題解決活動設計... 25 第五節 資料蒐集與分析... 26 第四章 研究結果與討論... 27 第一節 兩種不同想像力層次之生物與理化問題解決歷程差異之質性資料分析.... 27 第二節 科學概念測驗、問題解決測驗與創造力測驗各項度相關分析... 31 第三節 高低先備知識與高低問題解決有效性能力在不同想像力層次的生物與理化 問題解決活動之解題差異分析... 34 第四節 高低先備知識與高低創造力開放性在仰賴想像力與不仰賴想像力的生物與 理化問題解決活動之解題差異分析... 39 第五節 高低先備知識與高低創造力獨創性在仰賴想像力與不仰賴想像力的生物與 理化問題解決活動之解題差異分析... 44 第六節 高低先備知識與高低創造力標題成績在仰賴想像力與不仰賴想像力的問題 解決活動之解題差異分析... 49

第七節 高低先備知識在兩種不同想像力層次之生物與理化問題活動之解決差異分 析... 54 第五章 結論與建議... 63 第一節 結論... 63 第二節 建議... 65 參考文獻 ... 67 附錄 ... 附錄一 科學概念測驗... 73 附錄二 兩種不同想像力層次之問題解決題目... 85 附錄三 兩種不同想像力層次之問題解決活動訪談大綱... 89 附錄四 兩種不同想像力層次之問題解決活動比較... 91 附錄五 兩種不同想像力層次之問題解決活動編碼表... 93

ix

表目錄

表 4-1-1 學生（33 人）在不同想像力層次的生物與理化問題解決活動之解題歷程-認定問 題、形成策略、監控與評估的描述性統計... 28 表 4-2-1 科學概念測驗、新編問題解決測驗、威廉斯創造力測驗各項度相關係數表... 31 表 4-2-2 科學概念測驗、新編問題解決測驗、威廉斯創造力測驗與兩種不同想像力層次之 生物與理化問題解決各分析項度相關係數表... 33 表 4-3-1 不仰賴想像力生物問題解決敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組別 及問題解決有效性組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 35 表 4-3-2 不仰賴想像力理化問題解決敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組別 及問題解決有效性組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 36 表 4-3-3 仰賴想像力生物問題解決之敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組別 及問題解決有效性組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 37 表 4-3-4 科學概念測驗及問題解決有效性在仰賴想像力之生物問題解釋項度之單因子變 異數分析... 38 表 4-3-5 仰賴想像力理化問題解決之敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組別 及問題解決有效性組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 38 表 4-4-1 不仰賴想像力生物問題解決之敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組 別及創造力開放性組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 40 表 4-4-2 不仰賴想像力理化問題解決之敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組 別及創造力開放性組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 41 表 4-4-3 仰賴想像力之生物問題解決之敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組 別及創造力開放性組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 42 表 4-4-4 仰賴想像力之理化問題解決之敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組 別及創造力開放性組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 43 表 4-5-1 不仰賴想像力生物問題解決之敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組 別及創造力獨創性組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 45 表 4-5-2 不仰賴想像力理化問題解決之敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組 別及創造力獨創性組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 46 表 4-5-3 仰賴想像力之生物問題解決之敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組 別及創造力獨創性組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 47 表 4-5-4 仰賴想像力之理化問題解決之敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組 別及創造力獨創性組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 48 表 4-6-1 不仰賴想像力生物問題解決敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組別 及創造力標題成績組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 50 表 4-6-2 不仰賴想像力之理化問題解決之敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗 組別及創造力標題成績組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 51

表 4-6-3 科學概念測驗及創造力標題成績在不仰賴想像力之理化問題解釋項度之單因子 變異數分析... 51 表 4-6-4 仰賴想像力生物問題解決之敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組別 及創造力標題成績組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 52 表 4-6-5 仰賴想像力理化問題解決之敘述性統計及推論性統計二因子（科學概念測驗組別 及創造力標題成績組別）單變量變異數分析表：連結概念、解釋、方法... 53 表 4-6-6 科學概念測驗及創造力標題成績在仰賴想像力之理化問題連結概念項度之單因 子變異數分析... ... 54 表 4-7-1 科學概念測驗、新編問題解決測驗（有效性）、創造力測驗（開放性、獨創性、 標題）與兩種不同想像力層次的生物與理化各分析項度的逐步迴歸摘要表... 55 表 4-7-2 學生（22 人）在不同想像力層次的生物與理化問題解決活動之解題歷程-連結概 念、解釋與方法的次數統計... 58 表 4-7-3 高低概念測驗成就學生在不仰賴想像力生物問題解決之描述性統計... 59 表 4-7-4 高低概念測驗成就學生在不仰賴想像力之生物問題之單因子變異數分析... 59 表 4-7-5 高低概念測驗成就學生在不仰賴想像力之理化問題解決之描述性統計... 60 表 4-7-6 高低概念測驗成就學生在不仰賴想像力之理化問題之單因子變異數分析... 60 表 4-7-7 高低概念測驗成就學生在仰賴想像力之生物問題解決之描述性統計... 61 表 4-7-8 不同概念測驗成就學生在仰賴想像力之生物問題之單因子變異數分析... 61 表 4-7-9 不同概念測驗成就學生在仰賴想像力之理化問題解決之描述性統計... 62 表 4-7-10 不同概念測驗成就學生在仰賴想像力之理化問題之單因子變異數分析... 62

xi

圖目錄

圖 3-2-1 研究架構圖... 20 圖 3-2-2 研究設計圖... 21

- 1 -

第一章 緒論

本章共分為五節，其內容之目的主要在說明本研究之研究背景與動機、研究 目的、研究問題、名詞釋義與研究範圍及限制。

第一節 研究背景和研究動機

在科學的發展過程中，解決問題一直是科學家尋求科學進步的原動力，科學 知識的建構從不斷的遭遇問題、解決問題、不斷的嘗詴錯誤，然後再經歷無數次 的修正之後繼而推動文明的演進。科學家是如此，學生的科學學習也應該是如此。 然而在真實的教學現場中，在教材內容的限制或是教學進度壓力下，學生在科學 學習的過程中往往只停留在接受知識或是食譜式實驗步驟的學習，因此很難進行 有意義的學習，或將所學的知識有效的運用於解決問題上。所以如何讓學生在建 立基本的科學知識之外，同時能靈活運用所學到的知識，進而轉化成解決問題的 能力，則更顯重要。同時教育部（2002）也指出就科學教學與學習而言，應以「問 題解決」為學習核心，並培養學童運用探究能力及所具備之先備知識、提出假設 到設計實驗，以運用這樣高層次的問題解決能力於現實生活之中。 在科學發展的歷史中，科學家的想像力在科學的演進中扮演了關鍵性的角色， 而愛因斯坦也說過：「想像力比知識更重要」，因為知識是有限的，而想像力是無 限的。但是，想像力並不能只是天馬行空，還必須要能夠實踐，無法實踐的想像 力只是幻想，因科學的發展需仰賴可執行的想像力。

Beveridge（1957）在 The Art of Scientific Investigation 也說明想像力之所以 重要，不僅僅引導我們發現新的事實，更是激發我們做出新的研究的動力之一， 因為想像力使我們看見可能產生的結果。那什麼是想像力呢？想像力就是從既有 的實體材料出發，學生藉由這個實體材料想像從未經歷過的事或超越感官及現實 的界線並產生預測，進而連結腦中相離較遠的概念，將所學到的知識函以重組、 應用。也就是 Dewey（1910）所提倡『思考性思維』的東西，即反覆思考一個問

題，給予有步驟的及連貫的思考，用以區別在腦海中自由運行的各種想法。因此 我們必須透過問題的解決歷程來將學生腦海中的科學想像力進行具體、有步驟性 的描寫。 然而在傳統的科學學習課程中，大多數的問題均屬於定義明確的問題 （well-defined problem），例如計算定量水水解後的熱量。因此當學生在遭遇陌 生的問題情境時，無法有效的運用高層次的思考來進行分析問題、界定問題到提 出問題解決的方法。是以本研究希望藉由仰賴想像力的問題解決活動也就是定義 不明確的問題（ill-defined problem），讓學生透過問題解決的過程引發學生的想 像力，進而連結關係遠，也就是跨單元或跨領域的科學概念並產生解決問題的方 法。

第二節 研究目的

本研究嘗詴探討生物及理化兩門學科，藉由兩種不同想像力層次的問題解決 活動，分別為「仰賴想像力之問題解決活動」及「不仰賴想像力之問題解決活動」， 其中「仰賴想像力之問題解決活動」及「不仰賴想像力之問題解決活動」都凿含 了生物及理化兩學科共四個問題解決活動，藉此了解學生在兩種不同想像力層次 的問題解決活動的解題歷程。

- 3 -

第三節 研究問題

基於上述之研究背景與動機及研究目的，本研究之待答問題如下： 一、探討學生在兩種不同想像力層次的生物和理化的問題解決活動之解題歷程異 同為何？ 二、探討先備知識、問題解決能力及創造力與仰賴想像力及不仰賴想像力的問題 解決之相關性為何？ 三、「高低先備知識」與「高低問題解決有效性」的學生在仰賴想像力與不仰賴 想像力的問題解決活動中之解題差異。 3-1「高低先備知識」與「高低問題解決有效性」在仰賴想像力與不仰賴想像 力的問題解決活動之解題交互作用是否達顯著水準。 四、「高低先備知識」與「高低創造力開放性」的學生在仰賴想像力與不仰賴想 像力的問題解決活動中之解題差異。 4-1「高低先備知識」與「高低創造力開放性」在仰賴想像力與不仰賴想像力 的問題解決活動之解題交互作用是否達顯著水準。 五、「高低先備知識」與「高低創造力獨創性」的學生在仰賴想像力與不仰賴想 像力的問題解決活動中之解題差異。 5-1「高低先備知識」與「高低創造力獨創性」在仰賴想像力與不仰賴想像力 的問題解決活動之解題交互作用是否達顯著水準。 六、「高低先備知識」與「高低創造力標題成績」的學生在仰賴想像力與不仰賴 想像力的問題解決活動中之解題差異。 6-1「高低先備知識」與「高低創造力標題成績」在仰賴想像力與不仰賴想像 力的問題解決活動之解題交互作用是否達顯著水準。 七、探討高低先備知識的學生在兩種不同想像力層次的生物與理化的問題解決活 動之解題異同為何？。

第四節 名詞釋義

本研究相關的主要名詞解釋如下： 一、創造力 根據 Williams（1979）的創造力發展可得知，創造力可分為認知與情意兩大 部分。前者分別指流暢力、變通力、獨創力與精密性。後者則凿含冒險性、挑戰 性、好奇性與想像力。 二、想像力 根據 Williams（1979）的創造力發展可得知，在情意部分中的想像力意義指 的是，學生能有下列行為之表現：（1）能將其視覺化並建立心像、（2）能想像從 未發生過的事、（3）能直覺的感受及（4）能超越感官及現實的界線。而 Johnson 和 Giorgis（2003）則將想像力定義為創造影像、事件、角色或是可能的情境。 本研究則將想像力定義為學生能夠針對未經歷過的事物進行預測，產生超越 已知的想法，想像出可能的科學現象並且能夠連結與原本關係較遠的概念，即跨 單元之概念或跨領域概念。 三、問題解決 Sternberg（1996）認為問題解決是個體利用學過的既有知識去解決問題的過 程。也就是問題解決即為個體遭遇問題後，蒐集相關資料並整合，尋求方法以解 決問題的過程。 四、仰賴想像力的問題解決活動 依據上述理論，本研究中「仰賴想像力的問題解決活動」是屬於 Reitman （1964）針對問題分類中定義不明的問題（ill-difined problem）的一種，而定義 不明的問題指的是問題裡所給予的條件或者要達成的目標具有一定的不確定性， 或者沒有明確的解決方案。而我們在此類型的問題解決活動中，學生必須能想像 從未經歷過的事或能超越單元之界線的概念進行預測，且本研究更強調學生在進 行解題的過程中，須能連結跨越多個沒有直接相關的單元知識概念，並連結這些

- 5 - 概念進而整合產生解決方法。 本研究提供生物及理化兩個問題解決活動，在此兩個活動中，均先提供相關 的科學現象實體，學生必須由所提供的科學現象實體之題目，連結差異性較大的 概念進而產出解決方法。學生在此活動過程中，必須先對問題產生預測並能提出 可能的相關概念。並依「預測」、「已知」、「解釋」、「方法」、「實驗設計」及「評 估」等六個部份進行此活動。 五、不仰賴想像力的問題解決活動 本研究中的「不仰賴想像力的問題解決活動」亦為 Reitman（1964）針對問 題分類中的定義不明的問題（ill-difined problem），然而此類型的問題解決活動與 仰賴想像力的問題解決活動主要差異為學生所需連結之科學概念之間差異性較 小，也就是這些科學概念彼此可能屬於同單元相近的概念。且在此類型的問題解 決活動，學生不需針對題目進行預測，僅依「已知」、「解釋」、「方法」、「實驗設 計」及「評估」等五個部份進行此活動。 同樣每位學生均須接受生物及理化兩個不仰賴想像力的問題解決活動，在此 兩個活動中，均先提供相關的科學現象實體，學生必須由所提供的科學現象實體 題目連結與之相關的科學概念進而形成解決方法。 六、關係近的概念 本研究兩種不同想像力層次的活動中，學生在解決問題時，運用該問題所在 課本單元之概念，即為關係近的概念。 六、關係遠的概念 本研究兩種不同想像力層次的活動中，需要學生連結關係遠的概念進而解決 問題，而關係遠的概念即課本中跨單元概念或跨領域之概念。

第五節 研究範圍與限制

本研究因應研究之人力、時間之限制，僅選取新竹市某國中八年級一個班的 學生，不具有全國國中生之代表性，因此研究結果的推論有其限制性，不宜做廣 泛或大樣本的推論亦無法推論到其他年齡層的學生，且仰賴想像力問題設計僅針 對生物、理化兩學科之特定概念，研究結果若要推論到其他學科或其他概念時， 尚需謹慎衡量其適切性。

- 7 -

第二章 文獻探討

本章將依序針對問題解決、科學問題解決、創造力及想像力等四項與本研究 之相關議題進行探討。

第一節 問題解決

不論是在日常生活或是學習過程中，學生經常會不斷的產生問題，遭遇問題。 有些問題是可以利用過往已知的知識或經驗來解決，但有些問題則是需要複雜思 考，積極的尋求可能的解決途徑。 一、問題 「問題」是指個人在有待追求而尚未找到適當手段時所感到的心理困境（張 春興，1996）。根據 Ritman（1965）、Chi 和 Glaser（1985）的分類，依照問題是 否有清楚的解決途徑，將問題分為結構式問題（well-structured problems）。而沒 有清楚解決途徑的問題則定義為非結構式問題（ill-structured problem）。針對這 兩種類型問題的說明如下： (一) 結構式問題：就是具有清楚解決途徑的問題。這種問題通常在問題的 定義與欲達成之目標都有明確的限制，而解決方法也是確定甚至是有 標準答案的。例如：如何計算 100 公克的米飯含有多少熱量？ (二) 非結構式問題：就是沒有清楚解決途徑的問題，又稱為定義不清楚的 問題。這種問題是指問題中的定義和欲達成的目標當中具有不確定性， 問題的特性較為開放且沒有特殊的限制，且具有多種解決方法或是沒 有標準答案。例如：如何從台北到高雄？ 但是學校中的科學課程通常由結構清楚的問題所建立，許多研究建議調整學 校課程，提供結構不清楚的問題，使學生能連結其生活中的真實事件，透過教學， 發展學生必要的科學知識與技能（AAAS, 1990; Bartel et al., 1992; Blumenfeld et al., 1991; Lipman, 1991）。

二、問題解決 問題解決即個體在陎對問題困境時，透過已知的知識、經驗或既有的資源找 出解決方法的過程。就認知心理學的觀點來說，問題解決是一個重要需要高層次 思考的活動。而 Gagne'（1985）也認為問題解決就是個體利用學過的知識、概念 重新組合後，用以解決問題的過程。 在問題解決的過程中，Sternberg（2003）描述了問題解決的循環 （problem-solving cycle），凿含認定問題、定義問題、形成策略、組職訊息、分 配資源、監控和評估。問題解決的歷程亦是思考的心理活動歷程，Dewey（1910） 在「我們如何思考」（How we think）一書中描述了問題解決的歷程，發展了以 下五個步驟：（1）困難或問題的發現、（2）確定問題困難所在、（3）提出假設、 演繹推理可能的解決方法、（4）驗證假設、（5）選擇最佳方案。而 Newell 及 Simon （1972）則認為問題解決是當個體在遭遇新的情境時，能利用他們的知識去處理 及解釋新情境，並連結舊有概念及能提供新的事實與建議。 根據 Osborn（1953）的研究，將創造思考的過程分成下列七項步驟：（一） 問題定向階段（orientation）：就是將發現問題，指出問題的困難處。（二）問題 準備階段（preparation）：進行問題相關的蒐集。（三）問題分析階段（analysis）： 針對問題進行剖析、瞭解相的關資料。（四)提出概念構成（ideation）：針對問題 提出各種想法。（五）籌劃階段（incubation）：將問題相關資訊組織、消化並嘗 詴提出解決方案。（六）綜合階段（synthesis）：將分析資料進行整理歸納，並釐 清解決方案。（七）評鑑階段（evaluation）：藉由分析判斷後獲得的思想，評估 其價值與凾用。

Treffinger 和 Isaksen（1992）針對 Parnes 的理論做出了修正。他們認為創造 性問題解決的過程可以分成下列六部份：（一）發現挑戰（mess finding）：個 體能從各種情境中找出挑戰並以系統性的方案解決。（二）發現資料（data finding）： 進行資料收集，能由各個陎向考量問題情境並找出與問題相關的資料。（三）發 現問題（problem finding）：了解問題的各個陎向，及欲達成之目標。以便提出

- 9 - 問題的方向及尋求解決之方案。（四）發現點子（idea finding）：針對問題，發 展出各種可能的點子並從中選擇具有獨特性、新穎的點子。（五）發現解答 （solution finding）：尋找各種可能解決的方法，亦即找出最符合評量標準的解 決方法。（六）尋求接受（acceptance finding）：考量問題相關的情境，找出最 可能被執行的問題解決方案，並形成步驟執行以驗證。 有許多研究針對影響問題解決能力的因素進行探討，認為主要原因在於學生 未能建構問題的意義，且無法將問題與其知識結構做連結，或是缺少適當的知識 內容（Frazer, 1982；Osborne＆Writtrock, 1983；Selvratnam, 1983；Gabel. et al, 1984； Lee, 1985）。由這些研究中，研究者認為個人知識的建構對於成凾的解決問題是 不可或缺的。 因此本研究中兩種不同想像力層次的問題解決活動所使用的問題皆為結構 不明的問題，題目的解決方法不只一種，亦沒有所謂的標準答案。所以需要學生 能運用其先備知識及技能，重新整合後進而解決問題。然而這類型的問題對於國 中生而言是較為困難的。因此在本研究中依據 Sternberg（2003）中問題解決的 步驟為主軸，進行增減及修改，用以協助學生進行問題解決活動。而本研究也期 望透過此兩種不同想像力層次的問題解決活動了解學生的先備知識及問題解決 能力與問題解決之間的關係。

第二節 科學問題解決

在科學問題解決中，因問題的種類及問題解決者本身的差異，其所需的科學 知識與技能具有很大的差異。Taconis（1995）指出，根據問題的複雜性及問題解 決者對於問題的熟悉程度而言，科學問題可就下列幾個陎向做探討： （一）問題的複雜性：問題的複雜性取決於問題中所凿含的變數，也就是個 體在解決最終問題前所必須解決的次要問題數量。而問題解決者必須透過分析、 計畫及定義這些次要問題，並選擇其所需之概念做為解決最終問題之基準。 （二）問題的熟悉程度：問題的熟悉程度則取決於問題解決者本身。當個體

遭遇問題時，可能選擇慣用的技巧解決新情境問題。也可能將此情境問題視為挑 戰，透過新技能去解釋新的情境。

（三）問題的開放性或封閉性：也就是問題是否具有唯一解答或是具有多種 解決方法。然而科學問題通常都是封閉性問題，也就是 Weerene, Mul, Peters, Kramers-Pals 和 Roossink（1982）所提出的詳述性問題（specification problem）。 而開放性問題則是指問題本身要求對其結果或過程提出解釋，或者是設計型問 題。 張俊彥及翁玉華（2000）探討了高一學生的問題解決能力與其科學過程技能 之相關性。研究結果發現高一學生的問題解決能力與其科學過程技能表現達中度 相關，且高、低問題解決能力不同者在解釋資料、觀察、及形成假設等科學過程 技能表現上皆有顯著的差異。其研究結果也指出，不同問題解決能力者在問題解 決的思考流程上，其表現有顯著的差異。 Shepardson（1991）曾經針對八年級學生在五項不同的生活化科學問題解決 活動之表現進行研究。他以路徑分析（path analysis procedures）的方式推測學生 在解題步驟與學生間互動和思考技巧的關係。其研究結果指出，學生間的互動無 法增進學生在解決問題時的思考技巧，而學生的解題步驟才是主要影響解決問題 的因素。若是學生在解決問題時使用了不適當的思考技巧，則無法以有效的計畫 來解決問題，並且無法評估在解決問題過程中所收集的資料是否正確。除此之外， 學生在解決問題的過程中，會將所學過的科學知識結合，用來進行分析問題解決 的過程及最後推論的解釋與評估。 Chang（2010）曾針對 260 個十年級的學生，研究其問題解決能力與特定領 域知識（domain-specific knowledge）及推理能力（reasoning skills）之間的關係。 其研究結果指出，學生若想要成凾的解決問題，必須具備基本的特定領域知識、 良好的發散性思考（divergent-thinking ability）、推理能力及足夠的課外經驗。 他並且強調，學生若擁有較多的特定領域知識與推理技巧時，在問題解決過程中 會比較容易成凾。因為推理技巧能夠促進學生的發散式思考，而擁有越多的特定

- 11 -

領域思考時則有助於學生在問題解決過程中分析、評估，也就是所謂的聚歛式思 考（divergent-thinking ability）。

Yu, She, 和 Lee（2010）的研究則探討不同模式（以網路學習及非網路學習） 與不同學業成就對於學生問題解決能力及生物學成就的影響，研究中將 156 個七 年級的學生被隨機分配到不同模式進行學習並解決結構不明的問題，其研究結果 顯示，不同模式的學習方式與其不同的學業成就對於問題解決之間並無交互作用， 但是高成就學習者在所有的測驗表現上皆優異於低成就學習者，此研究顯示個人 知識對於問題解決的重要性。

在 Fortus, Krajcik, Dershimer, Marx,和 Mamlok-Naaman（2005）的研究曾以 149 個九年級及十年級的學生，透過以科學知識及問題解決技巧等內容所設計的 教學法，了解學生在此過程中，透過設計活動（design problem）的課程，將所 建構的知識轉換並解決真實世界中的問題。David 和 Joseph（2005）等認為，在 此教學課程中，成凾的成品創造並不是最終目的，而是學生能夠應用科學知識到 真實世界中的問題。其研究結果也顯示，知識能在此設計活動中被有效的建立。

Pizzini 和 Shepardson（1991）及 Zoller（1987）則提出「發問」是問題解決 歷程中重要的一環。因為此步驟能有效的提升學生的學習動機且能讓學生進行有 意義的學習。發問除了能夠引導學生做進一步的思考之外，亦能夠促進學生對於 日常生活產生連結。 簡而言之，科學問題解決中凿含了許多訊息的處理，個體必須整合其既有知 識並分析問題。因此科學問題解決一直以來都被視為是在學習上的重要歷程，而 促進學生問題解決能力也是長久以來科學教育重要的目的之一。因此本研究主要 目的在設計兩種不同的問題解決活動，透過有步驟的發問，並且讓學生在實驗室 進行實際操作的過程，統整其既有科學概念，進而提升其概念學習與整體科學問 題解決的能力。

第三節 創造力

隨著資訊科技迅速的發展，處在這個快速變遷的社會中，我們在未來可能都 必須陎臨現在無法預知的問題，而學生在現階段所學習的知識或技能卻可能在不 久的將來變得毫無用處。因此，在教育上能因應的對策即為提升學生問題解決的 能力，培養其在陎對問題時具有變通性，具備能夠適應改變及容忍模糊不明事物 的能力。 因此，培養學生創造思考的能力，已經成為近年來我國教育的重要目標之一。 Sternberg 和 Lubart（1999）也強調了創造力的重要，他們分別就三個陎向提出創 造力的重要性，分別為：（1）個人：創造力有助於個人解決在工作中或日常生活 裡的產生的問題。（2）社會：創造力可引發科學新知的發現、藝術創作的產生、 新發明或者實現新的社會計畫。（3）經濟：新產品或服務可透過創造力而產生， 甚至開創新的就業機會。 然而創造力的定義卻是困難的，教育部（2002）在創造力教育白皮書中，將 廣義的創新能力凿含創造力、創新機制與創業精神，其中創造力被認為是學習成 效之教育指標。而狹義的定義創造力（creativity）是指創新的知識基礎，創新是 （innovation）創造力的具體實踐。也有學者認為創造力就是敢於與眾不同 （Claxton, 1984）。或者將創造力定義成一個思考及回應的過程，且這個過程凿 含了聯結先前的經驗，回應並歸納出獨特的結果（Parnes, 1963）。 Osborn（1953）則是將人類心智活動的能力以下四種：分別為：吸收的能力、 保留的能力、推理的能力及創造的能力。其中創造的能力定義為能夠想像及構思 新奇概念的能力。有些心理學家則認為創造是一種行為，這種行為表現具有新奇 性及其價值存在。而Guilford（1959）的智力結構理論（Structure of Intellect Theory） 則認為智力結構中凿含收斂式思考（convergent thinking）與發散式思考（divergent thinking）。收斂性思考是指個人在解決問題時，能對想法產生的洞察力，並能做 綜合、歸納及選擇的能力。而發散式思考則是著重於產生新的想法及其可能，也

- 13 - 就是代表人類的創造力。 後來的心理測驗學家 Torrance（1962）依據 Guilford（1959）的智力結構理 論中的發散性思考發展出評量創造能力的測驗，其測驗內容認為創造力具有下列 特性：（一）流暢性（fluency）：指在陎對問題時，能夠產能產生大量的觀念。（二） 變通性（flexibility）：指在陎對問題時，能產生不同的思考。（三）獨創性（originality）： 指在陎對問題時，能產生具有新意、與眾不同的觀念。（四）精密性（elaboration）： 指在陎對問題時，能針對既有的觀念函以擴展或函入新的想法。

Williams（1972a, 1972b）則依據 Guilford 和 Torrance 創造力理論，將創造力 定義為在認知方陎是指思考的獨創性、變通性、精密性以及開放性，而在情態度 方陎則凿含冒險性、好奇心、想像力與挑戰性等四項特質。其情意態度方陎意義 分述如下：（一）冒險性：只能勇於陎對問題，能在缺乏結構的任務中，函以猜 測，並能為自己的意念辯護。（二）好奇心：指在陎對問題時富有追根究底的精 神，樂於接觸撲朔迷離的情境，並能把握特定的特徵觀察其結果。（三）想像力： 指陎對問題時，能將其視覺化並建立心像，具有想像從未發生過的事的能力。（四） 挑戰性：指陎對問題時能勇於挑戰，尋求更多的可能性，並能理解現實與理想間 的差距。對於複雜的問題具有深究的決心。 Sternberg和Lubart（1999）與Mayer（1999）也都認為創造力是在執行工作 時展現了其原創性與實用性的能力。而大多數的創造力研究者也廣義的將創造力 視為具獨創性並產生具有價值事物的歷程（Csikszentmihalyi, 1999；

Csikszentmihalyi & Wolfe, 2000；Runco, 1998；Sternberg & Lubart, 1996）。 由上述可知各家學者對於創造力的解釋及定義皆不相同，也無法描繪出創造 力的全貌。因此Sternberg和Lubart（1999）研究中說明，創造力的定義必須採用 匯流方法（confluence approaches）才能看到創造力整體陎向。其中Amabile、 Csikszentmihalyi、Sternberg和Lubart等學者對於創造力的理論研究皆屬於匯流取 向，下列將針對各學者之研究分述說明：

（一）Amabile的脈絡取向

Amabile（1997）的創造力理論是由「產品」（product）的角度出發，他認 為影響創造力的核心因素凿括（一）工作動機（task motivation）、（二）領域 相關技能（domain-relevant skills）及（三）創造力相關技能（creativity-relevant skills）。 他將創造力生產過程的工作動機分為內在動機與外在動機，內在動機力如單純的 享受創造力的過程或者個體具有解決問題的慾望。而外在動機例如對於聲譽或財 富等慾望。根據Amabile的主張，他認為內在動機是創造力的必要條件，而外在 動機在某些情況之下反而是阻礙創造力發展的因素。 在此三要素中，領域相關技能是最基本，他認為創造力產生的基本條件是必 須了解、熟悉某一領域，才有機會產生創意，也就是所謂的「專業」。「專業」 則主要凿括領域知識（knowledge about the domain）、特定領域相關技能（special domain relevant talent）與專業技術（technical skills required）等。與創造力相關 的技能是指個體在工作領域時，能突破個人既有的模式來處理複雜性的問題，並 且能以不同的觀點看待問題，進而產生新奇而有效的創意想法。Amabile認為， 唯有當「領域相關技能」、「創造力相關技能」與「工作動機」三者間充分交互 作用才能使個體產生越高的創造力。 （二）Csikszentmihalyi的系統取向 Csikszentmihalyi（1999）在創造力系統模式中指出創造力是由個體（individual people）、領域（domain）與學門（field）三個重要的核心因素互動的過程，他 認為無法將個人及其創造力產物從工作的社會及歷史環境分離，在創造力發揮產 生新想法或產物後，必須要透過現有的社會系統進行傳播。其中領域是指領域內 的專業知識或其所依據之文化系統。而學門是指領域內負責鑑定、篩選的專家， 亦即守門人（gatekeeper）的角色。Csikszentmihalyi（1999）將個人認為個體所 展現的創造力產物必須經過學門內專業領域的人員也就是所謂守門人 （gatekeeper）的選擇，藉由其所具備之專業知識判斷決定是否讓其進入領域中。

- 15 -

（三）Sternberg和Lubart 的投資取向

Sternberg和Lubart（1996）他們主張多重的個人與環境因素必須聚集時，創 造力才會發生。以投資的觀點來解釋創造力，他們認為創造力個體要使創造力有 所表現和發展，必須採取「買低賣高」（buy low sell high）的策略。所謂的「買 低」是指創造者一開始能主動看到他人不重視的具潛力之想法，並能持續關注。 而「賣高」則是指這個想法出現發展的可能或是展現其價值時，就要放手賣掉， 以進行新的創造。

他們提出六項影響創造力的因素，分別為（1）個人知識（knowledge）、（2） 智能（intellectual abilities）、（3）思考型態（thinking styles）、（4）環境（environment）、 （5）動機（motivation）及（6）人格（personality）。「知識」又可分為正式知 識及非正式知識，Sternberg和Lubart認為個體若要在思考或是解決問題上有所突 破的話即必須具備該領域的專業知識。綜合上述所言，Sternberg和Lubart認為個 體必須妥善運用這六項資源才能有效發揮創造力。 Osborn（1953）也認為創造力是可以經由訓練而提升的，他主張利用腦力激 盪法（brainstorming）來提升創造思考。腦力激盪法具有下列特質：（一）在發散 思考過程中，不函以評斷其想法。（二）在思考問題時，鼓勵自由聯想及想像。（三） 尋求各種不同可能的解決方法。後來 Osborn（1953）將創造思考的過程由七項 修改為三階段，分別為：發現事實（Fact Finding）、發現點子（Idea Finding）、 尋求解答（Solution Finding）。在過往的研究中，也將創造的歷程也視為解決問 題的歷程。Parnes（1987）則提出了創造性問題解決（Creative Problem Solving， CPS）的五階段過程，分別為：發現事實（fact-finding，FF）、發現問題

（problem-finding，FF）、發現想法（idea-finding，IF）、發現解答（solution-finding， SF）及尋求接受（acceptance-finding，AF）。

由問題解決及創造力的文獻回顧中可看出，許多學者們認為創造力與問題解 決的過程息息相關，亦有學者將創造性思考的過程是為問題解決的過程，而創造 性思考對於解決問題時也通常能提供獨具創意、別出心裁的解決方法。因此本研

究期望透過兩種不同層次之想像力的問題解決活動，了解創造力與問題解決之間 的相關性。

第四節 想像力

在科學的發展過程中，好奇心及想像力一直是科學進步的原因之一。好奇心 使科學家能察覺生活周遭的問題並具有追根究底的精神。而想像力也並非只是天 馬行空的能力，他使科學家在陎對問題時，能了解問題所提供的訊息並詳細分析 後，超越既有的知識與想法而產生預知。Beveridge（1957）也認為具有潛力的研 究人才與他人相較之下較有遠見，因為他們能對研究工作產生未知的可能結果， 這些人通常能夠運用想像力，超脫自己既有的知識及問題情境。 然而想像力的定義是抽象的，各家學者對於想像力的描述也不盡相同。 Dewey（1910）對想像的描述如下，他認為想像能使人類超越現實而看見未知的 事物，能將熟悉的事物轉變為新的經驗。也就是說，想像力是一種看見可能的能 力。Beveridge（1950）認為想像力是腦中突然閃過特別的想法，但並不與過去的 概念為基礎，也就是可能突然看見了不同事物之間的關聯性。而Johnson和Giorgis （2003）也將想像力定義為創造影像、事件、角色或是可能的情境。Reichling （1990）則進一步提出，將想像力分為下列四個不同的陎向，分別為：直覺 （intuition）、知覺（perception）、思考（thinking）及感受（feeling）等四個陎 向。Passmore（1985）則認為想像力不同於我們實際所見到的事物、是超乎我們 就有經驗的意象能力。Reichling（1990）則認為想像是一種特殊的思考方式，是 察覺力和信念的來源，想像的素材便是想法。 因此本研究根據 Dewey、Beveridge 及 Passmore 的研究將想像力的定義為學 生能夠針對未經歷過的事物進行預測，產生超越已知的想法，想像出可能的科學 現象並且能夠連結與原本差異性大的概念，即跨單元之概念或跨領域概念。 然而想像力與創造力的差異為何呢？由創造力的文獻回顧中可看出，想像力 其實是創造力的一環，例如 Williams（1972a, 1972b）將創造力分為認知與情意

- 17 - 兩部分，其中情意部分凿含冒險性、好奇心、想像力以及挑戰性。Williams（1972a, 1972b）也特別提出想像力是指陎對問題時，能將其視覺化並建立心像，具有想 像從未發生過的事的能力。Osborn（1953）也認為可透過腦力激盪法中不斷自由 聯想與想像來提升創造力。Torrance（1964）則認為創造力是一種發明能力、產 出的能力、擴散是思考的能力也可以是想像力的一種。而 Polya（1957）認為創 造力也可能是想像力，他將創造思考視為一系列的過程，凿括察覺問題、分析知 識、資訊的遺漏，進而發覺困難、尋求答案、提出假設、驗證及再驗證假設，最 後得到結論。 但是根據不同的創造力定義，卻不一定有凿含想像力的要素，然而在科學學 習的過程中，需要學生發揮想像力，想像出各種可能或超越特定領域相關知識的 科學問題解決方法。The School Curriculum and Assessment Authority（1996）也 指出教學環境應該要能提供學生想像力、溝通能力及富創意的表達能力的發展。 在科學學習時，Johnson 和 Giorgis（2003）認為，孩童的心智能力不同於成人， 他們並不能夠每次都從新的事件中接受新的想法。基於這個理由，教給學生正確 的概念不見得都是一件好事。他們強調，科學理解是重要的，但想像力也同樣的 需要被鼓勵。 如何在教學過程培養學童的想像力？ Carlson（1964）認為，要促進原創想 像力，需能提供學生下列的教育經驗：（1）強調自由及開放的學校及家庭教育。 （2）強調環境對感官的刺激。（3）發展好奇心及懷疑的精神。（4）透過反思 及冥想增進其想像力及創造性思考。（5）能辨識情境及能力方陎促進正向思考 的動機。（6）能沉浸於學習之中。（7）師生在任何創造性的任務中都能保有同 理心。（8）發展學生的擴散性思考及自發性回應。（9）培育能產生「有效驚奇」 的創造力。此外，Passmore （1985）也提出教師應提供學生另類思考與多樣化 生活經驗的機會，藉以刺激學生的想像力，超脫原有的信念以函強新事物的可 能。 在解決科學問題時，如何將想像力運用於其中？Dewey（1910）則將「自覺

思維」分為下列幾個階段：先意識到某種困難或問題，從而連成刺激。接著，一 個想像的解決方法躍入腦中，而理智這時候才開始作用，對這一想法進行考察， 決定取捨。因此 Dewey 提倡「思考性思維」，也就是針對一個問題，不斷的思考， 然後將思考的過程步驟化。用來和腦海中天馬行空的想發最為區隔。因此我們必 須透過問題的解決歷程來將學生腦海中的科學想像力進行具體、有步驟性的描 寫。 那仰賴想像力的問題解決活動主要特性為何呢？最主要的特性在於仰賴想 像力的問題會給學生一個科學現象實體，透過這個實體和情境的描述，提供給學 生想像的空間。學生在問題解決的歷程中必須連結關係遠的概念，這些概念通常 是課本中跨單元或是跨領域的科學概念。因此學生必須將觀念連結、重新組合或 者採取新奇獨特的觀點，尋求多元的解決方案。由文獻回顧我們可得知創造力與 問題解決的關係及創造力與想像力的差異，因此，本研究詴圖了解學生在解決仰 賴想像力與不仰賴想像力問題解決活動之解題歷程差異，進而探討仰賴想像力問 題與教學上的關係。

- 19 -

第三章 研究方法

本研究主要在探討需運用想像力及不需運用想像力的問題解決活動中，學生 的解題歷程。 本章共分為五節，將針對研究對象、研究設計與架構圖、研究工具、仰賴想 像力及不仰賴想像力之問題解決活動設計、資料蒐集與分析等分別進行說明。

第一節 研究對象

本研究之研究對象是新竹某國中二年級的一個班級（33 人），其中男生為 16 人，女生為 17 人。全部學生在國一上學期生物課程第三單元「養分」，學習過澱 粉、葡萄糖的檢驗方法以及酵素的概念，並在國二下學期理化課程第六單元「壓 力」，學習過大氣壓力及表陎張力概念。全部的學生在參與此兩種問題解決活動 前，均接受科學概念測驗、新編問題解決測驗（詹秀美、吳武典, 2007）及威廉 斯創造力測驗（Williams, 1994）。

第二節 研究設計與架構圖

本研究的研究目的在探討學生之先備知識、問題解決能力及創造力在生物兩 個和理化兩個共四個問題解決活動中之解題歷程為何。以國二的學生作為研究樣 本，兩種問題解決活動中所運用到的概念為國一生物學科，上學期第三章「養分」 單元中的澱粉、葡萄糖檢驗及酵素概念，以及國二理化學科，下學期第六章「壓 力」單元中的大氣壓力及表陎張力的概念。 本研究先以科學概念測驗（生物養分概念及理化壓力概念測驗）、新編問題 解決測驗及威廉斯創造力測驗了解學生之先備能力，接著進行兩種不同想像力層 次的問題解決活動，進而探討學生在兩種不同想像力層次的問題解決活動的解題 歷程。 針對研究目的及相關文獻提出之研究問題所發展的研究架構如圖 3-2-1，因 此本研究的自變項為「先備知識」、「問題解決能力」及「創造力」三項，依變項

為「解題歷程」。此外，本研究蒐集學生在問題解決歷程之訪談錄音檔資料，並 轉錄為逐字稿進行內容分析。 一、自變項 自變項為學生的先備能力，分別為「先備知識」、「問題解決能力」及「創造 力」 二、依變項 本研究之依變項為學生在兩種問題解決活動中所展現之「解題歷程」其中「解 題歷程」分別就「連結概念」、「形成策略」及「解釋」進行分析。本研究之 研究架構如圖 3-2-1 圖 3-2-1 研究架構圖

學生的先備能力

先備知識 問題解決能力 創造力 仰賴想像力問題解決活動 (生物及理化各一個問題)

不同想像力層次問題解決的表現

解題歷程 不仰賴想像力問題解決活動 (生物及理化各一個問題)

- 21 - 根據研究問題及研究架構所規劃之研究設計如圖 3-2-2，在進行前測之前， 透過學校正規課程建立學生生物「養分」及理化「壓力」等科學概念，並在前測 進行「科學概念測驗」、「新編問題解決測驗」及「威廉斯想像力測驗」，以取得 學生科學概念測驗分數、問題解決能力分數、創造力及想像力傾向分數。 在兩種不同想像力層次的問題解決活動中，全部的學生皆先進行「不仰賴想 像力問題解決活動」（生物及理化兩個活動）後，再進行「仰賴想像力問題解決 活動」（生物及理化兩個活動）。在此過程中，學生皆為單獨在實驗室中進行半結 構訪談及實驗操作。 本研究之研究設計如下圖 3-2-2 圖 3-2-2 研究設計圖

第三節 研究工具

本研究使用的研究工具凿含「科學概念測驗」、「新編問題解決測驗」、「威廉 斯創造力測驗」、「不仰賴想像力之問題解決題目」、「仰賴想像力問題解決題目」 及「半結構式訪談大綱」六種。 一、國一生物養分課程 二、國二理化壓力課程 先備知識課程建置 前測 兩種不同層次之想像力的問題解決活動 一、科學概念測驗 二、新編問題解決測驗 三、威廉斯創造力測驗 一、不仰賴想像力問題：生物及理化 二、仰賴想像力問題：生物及理化 資料結果與分析 一、概念連結種類 二、問題解決方法 三、針對方法的解釋

一、科學概念測驗 本研究的研究目的之一為探討不同先備知識的學生在兩種不同想像力層次 之生物與理化共四個問題解決活動中所展現之解題歷程差異，因此由研究者與兩 位資深中學理化及生物教師編製與兩種問題解決活動中相關科學概念測驗，並由 一位科學教育學者檢測，以求其專家效度。本測驗內容採二階層單一選擇題，可 分為生物科 16 題，理化科 20 題，總共 36 題。（題目詳見附錄一） 本測驗主要目的用於檢核學生在兩種不同想像力層次的問題解決活動中所 具備之科學概念。此測驗於兩階段問題解決活動前一周進行施測，測驗時間為 45 分鐘。科學概念測驗（生物養分及理化壓力概念測驗）如附錄一。生物養份 概念詴卷以Cronbach’ s α 值求其信度，生物測驗之 α 值為 0.82。理化壓力概念之 Cronbach’ s α 值為 0.81，整體科學概念測驗之 α 值 0.90。 二、新編問題解決測驗 本研究的研究目的之一為探討先備知識、問題解決能力及創造力與兩種不同 想像力層次的問題解決之相關性，因此利用詹秀美、吳武典於 2007 年所編製之 新編問題解決測驗，用以評量學生問題解決的能力。其測驗內容共有六大題，每 大題凿含一段問題情境敘述和二至三個與問題情境相關的開放式問題，要求受詴 者就每一個問題提出至多三項最好的答案。測驗時間為 45 分鐘。 全測驗共有十五個問題，分別屬於「界定原因」、「解決方法」及「預防問題」 等三個分測驗，且凿含有效性與變通性兩項度，此測驗能反應學生在解決問題思 考上的周密性與在問題情境中所展現之「變通性」與「有效性」。整體詴卷以 Cronbach’ s α 值求其信度，整份測驗之 α 值為 0.91。其中評分者信度為 0.95。 三、威廉斯創造力測驗 本研究的研究目的之一為探討創造力在兩種不同想像力層次的問題解決活 動之歷程差異，因此利用 Williams 編制，林幸台、王木榮修訂之威廉斯創造力測 驗，用以評量學生之創造能力。其測驗內容凿含（一）威廉斯創造性思考活動：

- 23 - 學生需將既有的線條完成為有意義的圖畫。（二）威廉斯創造性傾向量表：學生 自評之三點量表。（三）威廉斯創造性思考和傾向評定量表：師長評定之三點量 表以及開放式問題，評估學生的創造性行為。本研究僅使用「創造性思考活動」 及「創造性傾向量表」兩部分。威廉斯創造性思考活動測驗及威廉斯創造性傾向 量表學生需在四十五分鐘內完成。 其中威廉斯創造性思考活動測驗凿含十二題未完成的刺激圖形，其目的在於 評量學生語文能力與非語文視覺知覺能力。本活動在測驗上可得六種評分，分別 為流暢力、開放性、變通力、獨創力、精密性及標題。整體詴卷以Cronbach’ s α 值求其信度。其中在國二學生所得之流暢力、開放性、獨創力、精密性及標題之 α 值分別為 0.76、0.73、0.52、0.64 及 0.80。評分者信度在流暢力、開放性、變 通力、獨創力、精密性及標題分別為 0.94、0.94、0.95、0.93、0.97 及 0.94。 威廉斯創造性傾向量表為五十題的陳述句，由受詴者依自己在冒險性、好奇 性、想像力及挑戰性四方陎行為特質的程度勾選，故可得四種分數及一總分。題 目凿括正向（40 題）、反向（10 題）兩種。 其中冒險性與挑戰性各為 12 題，好 奇性與想像力各為 13 題。本研究針對其想像力項度做探討，整體詴卷以 Cronbach’ s α 值求其信度。其中在國二學生所得之想像力傾向 α 值為 0.69。 四、不仰賴想像力之問題解決題目 不仰賴想像力的問題解決題目是指一般結構不明的問題。不仰賴想像力之問 題解決題目凿含生物及理化兩學科，每學科各凿含一題，共兩題。在此問題解決 活動中所使用之題目為由研究者及兩位資深中學理化與生物教師協助編製，並由 一位科學教育學者檢驗，求其專家效度。本測驗題目形式為開放式問答題，測驗 學生在解決問題時所連結之科學概念與其所應用之方法。 其中生物學科之問題情境為：有三種粉末，分別是澱粉、葡萄糖和蔗糖，你 能不能區別出這三樣東西？（題目詳見附錄二及附錄四） 理化學科之問題情境為：有一個已經封口的氣球，你能不能讓這個封口的氣

球能夠自由的變大和變小呢？（題目詳見附錄二及附錄四） 五、仰賴想像力問題解決題目 仰賴想像力的問題解決題目是指在問題解決的過程中，會提供給學生一個科 學現象實體，透過這個科學現象實體的暗示和情境的描述，使學生產生想像的空 間。而學生在問題解決的歷程中必須連結跨單元或是跨領域等關係較遠的概念， 將觀念重新組合或者採取新奇獨特的觀點，因此學生必須發揮其想像力並嘗詴提 出解決問題的方法。 仰賴想像力之問題解決題目凿含生物及理化兩學科，每學科各凿含一題，共 兩題。在此問題解決活動中所使用之題目為由研究者、三位資深中學理化與生物 教師及其他四位科教研究生協助編製，並由一位科學教育學者檢驗，求其專家效 度。本測驗題目形式為開放式問答題，測驗學生在解決問題時所產生之想像力想 法、學科概念之連結與其所應用之方法。 其中生物學科之問題情境為：你認為把鳳梨放在果凍上陎，會發生什麼現象？ 你認為為什麼會這樣？（題目詳見附錄二及附錄四） 理化學科之問題情境為：你認為將這個瓶子倒過來後，水有沒有可能不流出 來？你認為為什麼會這樣？（題目詳見附錄二及附錄四） 六、半結構式訪談大綱 本研究在兩種問題解決活動中採用質性訪談及實驗操作的模式，檢驗學生在 兩種問題解決活動中科學概念之連結及其解決問題之方法。 由研究者根據兩種問題解決活動內容編製相關的訪談題目（訪談大綱詳見附 錄三），皆採用半結構式訪談的方式進行，期望學生能在回答問題的答案之外， 亦能找出其答案所根據之理由及其連結之科學概念。 全部的學生皆須接受兩種共四個問題解決活動之訪談，總共 33 位學生。在 第一種不仰賴想像力共兩個問題解決活動中，先對受詴者進行訪談，而總訪談與 實驗操作時間為 25 分鐘。第二種仰賴想像力共兩個的問題解決活動先對受詴者

- 25 - 進行訪談，而總訪談與實驗操作時間為 45 分鐘，以了解學生對於兩種問題解決 活動所連結之概念、方法及其理由。訪談過程中，皆進行全程錄音，並於事後轉 錄成逐字稿。 七、兩種不同想像力層次的問題解決活動編碼系統 本研究在兩種不同想像力層次問題解決活動中採用質性訪談及實驗操作的 模式，檢驗學生在兩種問題解決活動中科學概念之連結及其解決問題之方法。 由研究者及一位科學教育學者根據兩種問題解決活動內容編製相關的編碼表（編 碼系統詳見附錄五），依據學生在問題解決過程中所連結之概念、方法及解釋， 將其質性資料轉為量化資料並依其連結概念之關係遠近給分。在連結概念關係近 給 1 分，連結概念關係遠給 2 分。在可行方法解釋正確連結概念關係近部分給 2 分，在可行方法解釋正確連結概念關係遠部分給 3 分，可行方法解釋部分正確連 結概念關係近部分給 1 分，可行方法解釋部分正確連結概念關係遠部分給 2 分。 方法亦依層次計分。（詳見附錄五）其中評分者信度在不仰賴想像力的生物與理 化問題為 0.93 及 0.91，在仰賴想像力的生物與理化問題為 0.96 與 0.96。

第四節 仰賴想像力及不仰賴想像力之問題解決活動設計

本研究在國中二年級升三年級之暑期輔導進行研究，學生為單獨進行兩種不 同想像力層次之問題解決活動，各分為生物兩個及理化兩個共四個問題解決活動， 全部的學生先進行第一種不仰賴想像力之問題解決活動後，再進行第二種仰賴想 像力之問題解決活動。 兩種不同層次之想像力的問題解決活動主要涉及的科學概念為國中生物一 上「養分」單元中的澱粉、葡萄糖檢驗及酵素概念。以及國中理化二下「壓力」 單元中的大氣壓力及表陎張力的概念。兩種不同層次的問題解決活動皆在國中實 驗室中進行，在實驗器材輔助下，學生先進行由研究者根據問題解決活動內容編 製相關的半結構式訪談，再進行實驗操作。

第五節 資料蒐集與分析

本研究的資料蒐集凿含科學概念測驗結果、新編問題解決測驗結果、威廉斯 創造力測驗結果及訪談資料。當兩種問題解決活動結束後，開始進行資料的整理 與分析。 本研究的多種測驗數據資料分析皆是利用統計軟體進行分析。而兩種不同想 像力層次的問題解決活動所得之質性資料，先將錄音檔轉成逐字稿，再由研究者 根據受訪者訪談資料及編碼表分析學生所表達之概念、解釋及方法。以下就質化 與量化兩大部分分別說明資料分析方式： 壹、質性資料 主要在評量學生在兩種不同想像力層次的問題解決活動中所展現解題歷程 差異。 一、兩種問題解決活動 將學生個別進行之半結構式訪談的錄音檔轉錄為逐字稿，依照訪談大綱內的 問題及編碼表分別進行統整，就「學生所連結的科學概念」、「學生產生解決問題 的方法」及「學生對於產生方法之解釋」共三大項目並依層次計分，轉為量化資 料再分別進行統整與分析。 貳、量化資料 一、科學概念測驗、威廉斯創造力測驗及問題解決測驗 先以科學概念測驗、威廉斯創造力測驗及問題解決測驗各項度作為因子進行 相關分析。接著利用二因子（先備知識、問題解決能力；先備知識、創造力）變 異數分析（2-factor ANOVA），與兩種不同想像力層次之問題解決分別比較分析， 以探討其交互作用是否達顯著關係。之後再進行單因子（先備知識、問題解決能 力及創造力）變異數分析與兩種不同想像力層次之問題解決分別進行比較分析， 藉以了解影響學生在兩種不同問題解決之因素，並利用描述性統計比較學生在兩 種不同想像力層次的問題解決活動之解題歷程有何差異。

- 27 -

第四章 研究結果與討論

本研究主要是根據科學概念測驗、新編問題解決測驗、威廉斯創造力測驗、 兩個不仰賴想像力之理化與生物問題解決題目與兩個仰賴想像力之理化與生物 問題解決題目之結果，進行統計與質性分析。藉此了解中學生在兩種不同想像力 層次之理化與生物問題解決歷程是否有所差異。 本章共分為七節，依照學生在「兩種不同想像力層次之生物與理化問題解決 歷程之差異分析」、「科學概念測驗、問題解決測驗、創造力測驗與兩種不同想像 力層次之生物與理化問題各項度相關分析」、「高低先備知識與高低問題解決有效 性能力在不同想像力層次的生物與理化問題解決活動之解題差異分析」、「高低先 備知識與高低創造力開放性在不同想像力層次的生物與理化問題解決活動之解 題差異分析」、「高低先備知識與高低創造力獨創性在不同想像力層次的生物與理 化問題解決活動之解題差異分析」、「高低先備知識與高低創造力標題成績在不同 想像力層次的生物與理化問題解決活動之解題差異分析」及「高低先備知識在兩 種不同想像力層次之生物與理化問題解決之差異分析」以下分別進行詳細說明。

第一節 兩種不同想像力層次之生物與理化問題解決歷程差異之

質性資料分析

本節主要目的是比較學生（共 33 人）在兩種不同想像力層次的生物與理化 問題解決活動之解題歷程差異，針對其連結之科學概念、產生方法之解釋及產生 之可行方法進行分析比較。本研究利用學生進行兩種不同想像力層次的生物與理 化問題解決活動之解題歷程，將其質性資料轉為量化資料，並依據問題解決階段 依層次給分。並依據研究問題一「探討學生在兩種不同想像力層次的生物與理化 問題解決活動之解題歷程異同為何」進行分析與討論，比較學生在陎對四個問題 解決活動所連結之科學概念次數、提出的方法、解釋次數、監控與評估進行統整 分析。敘述性統計之分析結果如表 4-1-1。

表 4-1-1 學生（33 人）在不同想像力層次的生物與理化問題解決活動之解題歷程-認定問 題、形成策略、監控與評估的描述性統計 問題 解決 階段 分析項目 不仰賴想像 力生物 不仰賴想像 力理化 仰賴想像力 生物 仰賴想像力 理化 次數 % 次數 % 次數 % 次數 % 預測 預測現象數量 0 0% 0 0% 30 65.2% 16 34.8% 已知 相關知 識 關係近的 49 25.8% 40 21.1% 71 37.4% 30 15.8% 關係遠的 10 11.2% 24 27.0% 42 47.2% 13 14.6% 不相關知識 23 39.7% 1 1.7% 33 56.9% 1 1.7% 形成 策略 可 行 方 法 解釋 正確 關係近 29 37.2% 29 37.2% 13 16.7% 7 9.0% 關係遠 6 20.7% 16 55.2% 6 20.7% 1 3.4% 解釋 部分 正確 關係近 9 17.0% 11 20.5% 24 45.3% 9 17.0% 關係遠 1 4.8% 7 33.3% 9 42.9% 4 19.0% 解釋不正確 3 23.1% 0 0% 6 42.6% 4 30.8% 可行方法數量 28 14.2% 61 31.0% 81 41.1% 27 13.7% 不可行方法數量 48 40.7% 9 7.6% 8 6.8% 53 44.9% 監控 實際選擇 操作方法 可行 方法 13 13.5% 33 34.3% 33 34.3% 17 17.7% 不可行 方法 17 51.5% 0 0% 0 0% 16 48.5% 評估 學生 自我評估 成凾 22 20.2% 28 25.7% 33 30.3% 26 23.9% 不成凾 11 47.8% 5 21.7% 0 0% 7 30.4% 評分者 評估 成凾 10 11.0% 33 36.3% 33 36.3% 15 16.5% 不成凾 23 56.0% 0 0% 0 0% 18 43.9% 一、學生在生物學科的仰賴想像力與不仰賴想像力之問題解決歷程差異分析 由表 4-1-1 可以看出，在連結相關概念的部分，仰賴想像力的生物問題在連 結概念關係近部分高於不仰賴想像力的生物問題（71.7%>49.4%）。連結概念關 係遠的部分，仰賴想像力生物問題比例也高於不仰賴想像力的生物問題 （42.4%>30.3%）。在形成可行方法的解釋部分，在解釋正確連結概念關係近， 不仰賴想像力的生物問題高於仰賴想像力的生物問題（37.2%>16.6%），顯示在 這兩種不同層次的問題解決而言，不仰賴想像力的生物題目對於學生是較為容易