建構高中學生探究能力之影響模式：從學習經驗、科學好奇心以及科學投入的因素進行探討

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所博士班博士論文. 指導教授：吳心楷博士. 建構高中學生探究能力之影響模式：從學習經驗、科學好奇心以及科學投入的因素進行探討 A Structural Models of the Influence on Secondary School Students’ Inquiry Abilities: Investigating the Relationships among the Learning Experiences, Inquiry-related Curiosity, Engagement, and Inquiry Abilities of Students. 研究生：吳百興. 中華民國 107 年 2 月.

(2) 建構高中學生探究能力之影響模式：從學習經驗、科學好奇心以及科學投入的因素進行探討. 中文摘要近年來的科學教育改革浪潮中，尤其是《十二年國民基本教育課程綱要》特別地著重於學生探究能力的養成。然而，探究能力的養成除了課程影響之外，是否存在其他因素影響著學生的探究能力。因此，本論文的旨在探討學生的科學學習經驗、科學好奇心以及科學投入對其探究能力的影響關係，希冀能從中建構出高中學生探究能力之影響模式。為達到此一目的本論文以兩項研究，採分層隨機抽樣的方式分別自北北基的高中，抽樣 1,090 名 (研究一)以及 605 名 (研究二) 11 年級學生來進行施測，並透過結構方程模式的分析方式。藉此探討影響高中學生探究能力發展的因素及其關係。研究一：主要是探討高中學生的科學學習經驗、探究相關的好奇心及科學活動的投入狀態對學生探究能力的影響關係。研究結果發現學生的好奇心與對實驗活動的投入是中介學習經驗與探究能力之間的重要因素；並發現在好奇心驅使之探究學習歷程中，學生的投入不僅具有直接影響探究能力的效果，同時也扮演著中介的角色來影響他們的好奇心對探究能力的關係。研究二：根據研究一建立之好奇心驅使探究能力表現的模式進行研究，其探討在好奇心趨動下，認知、行為、情意以及社會互動等不同的投入對探究能力表現的影響效果為何，以及實驗活動中不同的投入之間是否具相互影響的關係。透過結構方程模式的分析，發現四種投入扮演部分中介的角色去影響好奇心對探究能力的關聯；此外並發現學生對感到好奇的事物，會透過不同的實驗活動之投入來激起學生對所參與的活動的喜好，並願意使用更多的認知策略去完成該活動，可能是培養學生探究能力重要的方法。藉由上述的系列研究，本論文嘗試釐清高中學生之學習經驗、科學好奇心以及科學投入等因素影響其探究能力的關係，並試圖提出影響學生探究能力表現的實徵模型，以提供科學教育研究領域與科學教育者在從事相關研究與教學時的參考與依據，並希冀藉此能夠促進學生在科學探究能力的培養。關鍵字：多媒體導向探究能力評量、投入、科學好奇心、科學探究能力、科學學習經驗、結構方程模式、試題反應理論. i.

(3) A Structural Models of the Influence on Secondary School Students’ Inquiry Abilities: Investigating the Relationships among the Learning Experiences, Inquiry-related Curiosity, Engagement, and Inquiry Abilities of Students. Abstract The emphasis on scientific inquiry has increased the importance of developing the fundamental abilities to conduct scientific investigations, and has highlighted the need for a model of students’ inquiry abilities. This dissertation addresses the issue of the development of students’ inquiry abilities by examining the interplay among students’ inquiry-related curiosity, engagement, and inquiry abilities, and investigates how their learning experiences associate with such interplay. In addition, this article also concern about how the relationships among the types of engagement in activities of laboratory during the development of students’ inquiry ability. To realize these purposes, two studies were conducted to examine the relationships among variables by employing structural equation modeling to analyze data collected from 1,090 (study 1) and 605 (study 2) 11th graders, including their performance on a multimediabased assessment of scientific inquiry abilities and their responses to items in an online questionnaire. The results revealed that both formal and informal experiences were associated with the laboratory engagement of students through curiosity. Furthermore, the analyses showed that inquiry-related curiosity was associated with their inquiry abilities, and that the association was mediated by their inquiry-related laboratory engagement. Moreover, the results of the relationships among the types of engagement in the study 2 shown that both the behavioral and social engagement played a completely mediated role to associate the influence from emotional engagement to cognitive engagement. Through the paths of behavioral and social engagement, that is, the cognitive strategy use in laboratory activities would be reinforced by their emotions about laboratory activities. Taken together, this dissertation provides structural models to support the importance of having curiositydriven engagement, and suggests that the science educational community should collaborate to offer secondary school students such learning opportunities in formal and informal science learning settings.. Keywords: engagement, inquiry-related curiosity, item-response theory, learning experience, multimedia-based assessment of scientific inquiry abilities, scientific inquiry ability, structural equation modeling ii.

(4) 目次中文摘要 .................................................................................................................................... i Abstract ...................................................................................................................................... ii 第一章 . 緒論 ................................................................................................................. 1 . 第一節背景與動機 ............................................................................................................. 2 第二節論文的研究重要性 ................................................................................................. 4 第三節目的與架構 ............................................................................................................. 6 . . 論文目的 ......................................................................................................... 6 . . 論文架構 ......................................................................................................... 7 . 第四節範圍與限制 ........................................................................................................... 10 . . 研究範圍 ....................................................................................................... 10 . . 研究限制 ....................................................................................................... 10 . 第五節名詞釋義 ............................................................................................................... 11 . . 多媒體導向探究能力評量 (Multimedia‐based Assessment of Scientific . Inquiry Abilities；MASIA) ................................................................................................ 11 . . 正式科學學習經驗 (Formal Science Learning Experience) ......................... 11 . . 非正式科學學習經驗 (Informal Science Learning Experience) .................. 11 . . 科學探究能力 (Scientific Inquiry Abilities) .................................................. 12 . . 探究相關的好奇心 (Inquiry‐related Curiosity) ........................................... 12 . . 科學探究投入 (Engagement in Scientific Inquiry) ....................................... 12 . . 行為的投入(Behavioral Engagement) .......................................................... 12 . . 認知的投入(Cognitive Engagement) ............................................................ 13 . . 情意的投入(Emotional Engagement) ........................................................... 13 . . 社會互動的投入(Social Engagement) .......................................................... 13 . 第二章 . 文獻探討 ....................................................................................................... 15 . 第一節探究能力 ............................................................................................................... 15 . . 探究能力的定義 ........................................................................................... 16 . . 科學探究能力的內涵與評量(實徵研究) ..................................................... 27 iii.

(5) . 本論文所採用之探究能力 ........................................................................... 30 . 第二節好奇心 ................................................................................................................... 32 . . 好奇心的定義 ............................................................................................... 32 . . 探究相關的好奇心與實驗室投入對探究能力的影響 ............................... 34 . 第三節學習投入 ............................................................................................................... 36 . . 學習投入的定義 ........................................................................................... 37 . . 學習投入的各個構念 ................................................................................... 40 . . 學習投入與學習表現的關係 ....................................................................... 42 . . 各項構念之間的關係 ................................................................................... 47 . . 總結：形成投入相關的模式 ....................................................................... 49 . 第四節科學學習經驗 ....................................................................................................... 51 . . 學習類型及其定義 ....................................................................................... 51 . . 學習經驗對科學學習的影響 ....................................................................... 52 . 第五節變數導向的結構方程模式 ................................................................................... 55 . . 理論先驗性 ................................................................................................... 55 . . 整合多種分析技術 ....................................................................................... 56 . . 同時處理測量與分析模式 ........................................................................... 56 . . 透過共變異數的運算方式 ........................................................................... 57 . . 重視多重指標 ............................................................................................... 57 . 第三章 . 科學學習經驗、探究相關好奇心與科學活動的投入對探究能力的影響. (研究一) . 59 . 第一節研究目的與問題 ................................................................................................... 59 第二節理論模式 ............................................................................................................... 60 第三節研究方法 ............................................................................................................... 61 . . 研究對象與抽樣方法 ................................................................................... 61 . . 多媒體導向探究能力評量設計 ................................................................... 62 . . 測量工具 ....................................................................................................... 64 . . 資料分析 ....................................................................................................... 68 . 第四節研究結果 ............................................................................................................... 71 iv.

(6) . 測量模式 ....................................................................................................... 71 . . 結構模式 ....................................................................................................... 75 . . 小結 ............................................................................................................... 78 . 第四章 . 好奇心驅動下投入對探究能力的影響(研究二) ......................................... 81 . 第一節研究目的與問題 ................................................................................................... 82 第二節理論模型 ............................................................................................................... 83 第三節研究方法 ............................................................................................................... 84 . . 研究對象 ....................................................................................................... 84 . . 探究實作能力評量設計 ............................................................................... 86 . . 測量工具 ....................................................................................................... 90 . . 資料分析 ....................................................................................................... 94 . 第四節研究結果 ............................................................................................................... 95 . . 學生探究能力估計 ....................................................................................... 95 . . 試題分析 ..................................................................................................... 100 . . 測量模式 ..................................................................................................... 101 . . 結構模式 ..................................................................................................... 103 . 第五節小結 ..................................................................................................................... 112 第五章 . 討論與建議 ................................................................................................. 115 . 第一節結論 ..................................................................................................................... 115 . . 研究一之結果 ............................................................................................. 115 . . 研究二之結果 ............................................................................................. 115 . 第二節討論 ..................................................................................................................... 116 . . 探究學習過程中好奇心與投入之間的相互關聯 ..................................... 116 . . 科學學習經驗對探究相關的好奇心與投入的關聯 ................................. 118 . . 在好奇心驅動下不同投入之間的相互關聯 ............................................. 119 . . 台灣學生對反向論述之量表試題的反應 ................................................. 121 . 第三節建議 ..................................................................................................................... 123 . . 對探究與實作教學之建議 ......................................................................... 123 v.

(7) . 對未來研究之建議 ..................................................................................... 124 . 參考文獻 ............................................................................................................................... 127 附錄 ....................................................................................................................................... 140 . vi.

(8) 表次表 2-1-1 美國奧勒岡州教育部之課室科學探究教學所需之必需特徵及其類別.................................................................................................. 21 表 2-1-2 十二年國民教育課程綱要之探究能力架構表 .......................... 26 表 2-1-3 科學探究活動中學生所展現的探究能力整理 .......................... 28 表 2-1-4 本研究所使用之探究能力及其次項能力描述 .......................... 30 表 2-3-1 不同投入類型之定義及其包含之構念統整表 .......................... 40 表 2-5-1 不同統計分析技術之間的差異比較表 ...................................... 55 表 3-3-1 平衡不完全區塊之題本設計 ...................................................... 64 表 3-3-2 背景問卷中各測量工具之潛在變項及其指標試題 ................. 67 表 3-4-1 各試題的相關矩陣 (n = 1,090) ................................................. 73 表 3-4-2 初始模式與修改後模式之測量模式檢定結果 ......................... 74 表 3-4-3 測量模式之區辨效度 ................................................................. 75 表 3-4-4 觀察指標之路徑參數表 .............................................................. 76 表 3-4-5 探究相關好奇心對探究能力之標準化效應參數 ...................... 77 表 3-4-6 學習經驗對探究相關實驗室投入之標準化效應參數 .............. 78 表 4-3-1 受試學生之學校分層分布表 ...................................................... 86 表 4-3-2 評量架構之各分項能力及其子能力描述 .................................. 87 表 4-3-3 各探究實作能力之評測題數 ...................................................... 88 表 4-3-4 實驗室活動的投入問卷之觀察變項指標及其試題描述 .......... 92 表 4-3-5 實驗室活動的投入問卷各分項量表之信度、效度列表 .......... 93 表 4-4-1 各試題的相關矩陣 (n = 605) .................................................... 96 表 4-4-2 試題難度列表 .............................................................................. 98 表 4-4-3 學生探究能力估計值 .................................................................. 98 表 4-4-4 實驗室活動的投入問卷之信度分析 ........................................ 100 表 4-4-5 初始模式與修改後模式之測量模式檢定結果 ....................... 103 表 4-4-6 觀察指標之路徑參數表 ............................................................. 104 表 4-4-7 探究相關好奇心對探究能力之標準化效應參數 .................... 106 表 4-4-8 三種投入對認知投入之標準化效應參數 ................................ 108 表 4-4-9 探究相關的好奇心對實驗室活動的各項投入之標準化效應參數........................................................................................................ 109 表 4-4-10 不同投入對探究能力之標準化效應參數 ............................... 111 表 A-1-1 探究能力相關碩博士論文整理列表 ....................................... 140 表 A-2-1 次數分配之敘述統計表 ........................................................... 143 表 A-2-2 次數分配統整表 ....................................................................... 143 . vii.

(9) 圖次圖 1-1-1 理論模式 1：科學學習經驗、科學好奇心與實驗室投入對探究能力的影響模式................................................................................ 8 圖 1-1-2 理論模式 2：好奇心驅動之探究能力模式 ................................. 9 圖 2-1-1 NGSS 揉合三個項度的科學課程 (引自，Krajcik, 2015) ......... 23 圖 2-1-2 科學家與工程師常用之探究與設計的歷程及其活動 (引自： NRC, 2012，頁 45) ............................................................................. 24 圖 2-3-1 影響學習投入的因素及其影響因素關係示意圖 (整理自 Fredricks, 2004) ................................................................................... 43 圖 2-3-2 理論模式 1：科學學習經驗、科學好奇心與實驗室投入對探究能力的影響模式.............................................................................. 50 圖 2-3-3 理論模式 2：好奇心驅動之探究能力模式 ............................... 51 圖 2-5-1 結構方程模式的特性 .................................................................. 58 圖 3-2-1 理論模式 1：科學學習經驗、科學好奇心與實驗室投入對探究能力的影響模式.............................................................................. 60 圖 3-3-1 MASIA 之試題範例 ..................................................................... 63 圖 3-4-1 結構模式及其路徑參數 .............................................................. 76 圖 4-2-1 理論模式 2：好奇心驅動之探究能力模式 ............................... 83 圖 4-3-1 MASIA 試題之 Wright Map 分布圖 (n = 2031)......................... 89 圖 4-4-1 研究二中 39 題之 Wright Map 分布圖 (n = 2615) ................... 99 圖 4-4-2：實驗室活動的投入模式及標準化參數估計值 ...................... 105 . viii.

(10) 第一章緒論科學學習的方法，應當從激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學生能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力。各學習階段應重視並貫徹「探究與實作」的精神方法，提供學生統整的學習經驗，並強調跨領域與跨科目之間的整合，以綜合理解運用自然科學領域七項跨概念。 <<引用自 (教育部，2015。頁，1)>>. 我國教育部正研擬將要推行的十二年國民基本教育，其中自然科領域課程中強調應從激發學生對科學的好奇心與自主的學習，重視並貫徹「探究與實作」。而近年來，提升學生科學探究能力正逐漸被各國的科學教育機關視為重要的改革要點之一。無論是美國的《國家科學教育標準 (National Science Education Standards, NSES)》 (NRC, 1996)，抑或是我國的《十二年國民基本教育課程綱要 (以下簡稱十二年國教課綱)》均積極推動科學探究課程的發展，並強調學生在透過這些課程活動中養成其科學探究的能力 (教育部，2014)。除此之外，科學探究能力亦被國際間教育評比視為主要預期的能力展現之一 (例如：OECD, 2013)。因為學生透過課室中的探究活動，能體驗類似科學家的思考問題與解決問題的歷程，從發現問題、提出假說到設計實驗乃至數據分析、資料詮釋到提出解釋等一連串的探究歷程，來發展其建構科學知識的方法與解決真實情境問題的能力。然而，過去科學探究相關的教育研究雖然不少，但大多均著重於強調透過探究活動課程之發展來促進學生建構與理解科學知識 (例如：Krajcik & Czerniak, 2007; Myers & Burgess, 2003; 洪振方與陳毓凱，2011; 蔡錕承與張欣怡，2011)，鮮少研究是探討影響學生探究能力表現之可能因素進行探討。因此，為了更有效提升學生的探究能力，本論文關注的焦點在於高中學生所處之教學環境中，可能有哪些因素會影響並如何影響學生的探究能力表現，而且在這個影響關係中各個因素所扮演之角色亦是本研究所關注的。以下本章將分別就問題背景與研究動機、研究目的與問題、研究限制與範圍、名詞釋義等部分加以說明。. 1.

(11) 第一節背景與動機要探討影響學生探究能力表現的因素，首先可以從學生學習情境中的實驗經驗著手。雖然，實驗室的工作或任務表面上看起來僅在訓練學生完成實驗的技能，而這些實驗室的技能也不能全然的等同於探究能力，因為探究能力不僅僅是完成實驗的過程技能，其中亦包含建構科學知識的認知歷程 (NRC, 2000)。但在尚未真正推動探究與實作課程之前，實驗課程是國內現行的科學課程相對較為接近科學探究課程。因此本論文首先從學習情境中的實驗課程著手，作為探討影響學生探究能力表現的因素之一。然而，對於科學實驗的角色在中學科學教育場域中長期被低估的狀態，Freedman (1997)針對九年級學生的物理實驗課程進行前後測比較之準實驗研究設計，其研究發現接受實驗教學的學生不僅其物理成績顯著高於沒有接受實驗的控制組 (p < .01)，並且具有較高的正向對科學的態度 (r(有實驗組) = .14 > r(無實驗組) = .25)。由此可知，實驗教學所訓練的實驗操作技能並非獨立於科學知識之外，還具有促進學生內在情意面的動機或好奇心 (Hofstein & Lunetta, 1982)。為了探討更多學習情境上可能影響學生的探究能力表現之因素，本論文也將探討是否正式與非正式兩種不同形式的科學學習經驗藉由探究相關的好奇心來影響學生在學校課室的實驗室投入。雖然過去研究中的定義與分野對於正式與非正式科學學習從場域、嚴謹度與學習主體的區分有著十分明確地規範 (Wellington, 1990)。近年來的相關研究則強調應該將這兩種的不同形式的科學學習視為整體，並以此種綜合的學習觀認為此二者對學生的科學學習的影響同等重要或具互補之效，例如：正式學習經驗之學校實驗課程雖然僅為驗證理論概念，但可以有組織地呈現學科單元的科學知識，反之科博館的實驗較缺乏組織但較符合真實的生活情境 (Falk et al., 2015)。由此是故，本論文將同時針對此兩種不同形式的學習經驗與學生在學校課室的實驗室投入有所關聯，且這個關聯是否會受學生的對科學活動的好奇心所中介。 2.

(12) 教育心理領域亦提出許多研究嘗試透過心理計量的技術來探討各種學生內在特質如何影響其外在學習成效，例如好奇心 (Tamir, 1978)、動機 (Skinner & Belmont, 1993)。其中，當學生對其外在事物現象產生好奇時，會激發想要了解現象背後原由的意願，並以此好奇心作為驅動其進行探索的動力，影響其外在主動的投入於課程參與的行為表現中，進而可能促進學生在學習成效上的表現 (Hidi & Renninger, 2006; Krapp, 2002)。雖然過去針科學的好奇心在科學學習的相關研究中均指出，學生在好奇心之驅使下，提升了對相關科學知識的興趣並引發其投入從事相關探討行為以從中習得知識，但這些研究並未提供足夠的證據去支持好奇心與投入對學生在探究能力表現上的重要性 (Gauld & Hukins, 1980; Jirout & Klahr, 2012)。因此，本論文特別將探究相關的特定領域的好奇心視為影響學生探究能力表現的因素之一，並探討透過該好奇心的驅動下，如何影響他們在實驗室活動的投入，並對探究能力的影響情形。其次，學生的學習投入也是教育研究者所關注的重要議題，許多研究均發現學生對學習的投入狀況，對於他們學習成果的表現 (Shernoff et al., 2016)與職業志向的選擇具有顯著的影響 (Eccles & Wang, 2012)。故而，為了提升學生的學習成效，過去許多研究均投注關心於探討影響學習投入的成因，以及學生的投入對學習結果所產生的影響。其中，Fredricks 與她的同僚 (2004) 針對學習投入進行相關研究之文獻回顧，即整理了學校層級、教室情境以及個體需求等三個面向的因素之影響學習投入的成因，其中包含有：學校教學理念與目標設定、教師與同儕的支持、教室結構與學習任務的特徵以及學生求知與自主學習的需求；同時 Fredricks 等人並指出投入對學習結果所產生的影響包含有：學習成就以及輟學率。雖然，相關研究均已證實投入對學生學習扮演著重要的中介角色。然而，卻鮮少研究針對學習經驗、學生的好奇心以及學習投入之間的影響關係進行探討，例如：學生的科學學習經驗是否會透過探究相關的好奇心對其學習投入產生影響，更遑論是針對學生在科學學習歷程中對其探究能力表現的影響關係。因此，為了探討學生探究能力的表現之影響模式，本論文除了將探究相關的好奇心視為影響學生 3.

(13) 探究能力表現的因素之一，同時亦將學生在實驗活動中的投入視為另一個重要的因素，並探討透過該好奇心的驅動下，學生在實驗活動中的行為上、認知上、情意上以及社會互動上不同種類之投入對他們探究能力的影響情形。綜上所述，本論文的目的有二：首先，探討學生的科學學習經驗，透過探究相關好奇心的驅動下對高中學生實驗室投入的影響關係，並藉此了解這些影響因素對學生探究能力表現的影響情形。透過探究能力影響模式的建立，來釐清在探究學習的特定範疇下，學習經驗如何透過刺激學生個體的好奇心或對科學相關事物現象產生求知的慾望，並且探討學生在實驗室投入的行為如何藉由其自身好奇心趨動下去促進對探究能力的表現產生影響。其次，探討學生的行為投入、認知投入、情意投入以及社會互動投入在好奇心驅動之探究能力影響模式中，相互影響的關係為何，並藉此提出第二個影響模式來釐清這些相互關係如何引發學生探究能力的表現。希冀透過這些探究能力的影響模式能夠為教育現場的科學教師們提供一個啟迪，透過本論文所揭露的影響因素及其關係後，日後探究能力的教學上能更有效提升學生的探究能力。. 第二節論文的研究重要性本論文的研究重要性可從三個方面進行討論，在實驗教學方面，可以協助高中的科學教師重新了解實驗相關的科學學習經驗對學生科學探究能力的影響；在學生情意面的好奇心方面，可以透教學情境的促發學生內在趨力之提升，進而提升探究能力的表現；在探究能力方面，可以透過結構模式的建立來探討影響高中學生探究能力表現的因素及其之間的關係。首先，針對實驗教學對學生科學學習的相關研究已然證實實驗教學可以輔助學生建構科學知識 (Freedman, 1997)、提高對科學的態度(Fraser & McRobbie, 1995)以及增進同儕互動 (Hofstein & Lunetta, 1982)。然而，亦有不少研究指在實驗教學在教學現場推行的困難處，例如：Walberg (1991)指出實驗教學並非高學習效益與低經費支出的教學活動；Tobin (1986)則認為食譜式的實驗缺乏讓學生自 4.

(14) 己設計實驗與詮釋資料的機會，是故致使教學現場的教師們對於實驗教學並不具太高的信心與意願去推行。因此，本論文透過從實驗相關的科學學習經驗到實驗室投入影響探究能力模式的建立，來重新揭示實驗室教學活動在科學學習的重要性，尤其是對高中學生的探究能力表現上。其次，在科學相關的情意面表現上，多個國際評比的大型測驗結果均顯示臺灣地區的學生即便在科學成就上有不錯的表現，但在情意面向的各項表現普遍偏低。例如：在 TIMSS 的國際評比結果顯示國內學生具有「高成就、低自信」的現象 (李哲迪，2009)；而 PISA 的國際評比結果亦顯示國內學生的表現出「高成就、低興趣」的現象 (OECD, 2016)。此外，許多研究亦發現隨著年紀的增長，個體內在對科學的喜好與興趣有隨之遞減的趨勢 (Hoffmann, 2002; Krapp, 2002)。 Yager 與 Penick (1986)就科學價值觀進行的追蹤研究，發現多數 (90%以上)的小學生認為學習科學對其未來是有用的；而到了 7 年級與 11 年級的百分比則下降到 75%以及 70%；及至長大成人之後僅只剩下 20%的受試者還抱持這樣的想法。因此，本論文透過從實驗相關的科學學習經驗到實驗室投入影響探究能力模式的建立，期待能夠從中提升高中學生在科學相關的情意面表現。最後，從當代科學教育改革趨勢可以發現無論是美國的國家科學教育標準 (NRC, 2000)，還是臺灣的十二年國教課綱 (教育部，2014)均強調提升學生的探究能力以做為科學教育改革的重點之一。此外，除了教育改革與相關政策的推動之外，國內外也有許多的研究者著重於探究導向科學課程的開發，希冀能藉由科學探究課程的教學，來提昇學習者的探究能力，進而希望學生能運用這些能力解決其生活中所遭遇的問題 (Krajcik & Czerniak, 2007; Myers & Burgess, 2003; 洪振方與陳毓凱，2011; 蔡錕承與張欣怡，2011)。然則，雖然有許多的研究與課程活動是針對透過探究活動課程之發展來促進學生建構與理解科學知識，卻鮮少研究針對影響探究能力的相關因素進行探討。因此，本論文透過從實驗相關的科學學習經驗到實驗室投入影響探究能力模式的建立，來探討影響高中學生探究能力表現的因素及其關係。 5.

(15) 第三節目的與架構從上述之背景與重要性，大致勾勒出本研究的問題與目的，在此將具體說明。根據先前的研究所提供的理論架構，可以統整出與學生探究能力具有關關聯的因素可能來自於教學情境的學習經驗、個體內在的驅力促發外在的相關行為。因此，為協助學生在課室裡或是生活養成具有問題解決的能力，本論文旨在了解影響高中學生的探究能力表現之影響因素，透過結構方程模式 (structural equation modeling，簡稱 SEM)來建立從實驗室課程到實驗室投入影響探究能力模式。本論文將探討正式與非正式兩種不同形式的科學學習經驗，是否藉由探究相關的好奇心來影響學生在學校課室的實驗投入，進而對其探究能力產生影響。雖然過去研究中的定義與分野對於正式與非正式科學學習從場域、嚴謹度與學習主體的區分有著十分明確地規範 (Wellington, 1990)。近年來的相關研究則強調應該將這兩種的不同形式的科學學習視為整體，並以此種綜合的學習觀認為此二者對學生的科學學習的影響同等重要或有相輔相成之效 (Falk et al., 2015)。有鑒於此，本論文將針對此兩種不同形式的學習經驗與學生在學校課室的實驗投入之關聯進行探討，且這個關聯是否會受學生內在的好奇心所中介。. 論文目的本研究的目的有二。首先，將探討正式與非正式兩種不同形式的科學學習經驗，是否藉由探究相關的來影響學生在學校課室的實驗投入，進而對其探究能力產生影響。其次，將探討在學生內在好奇心的驅動下，不同的實驗投入對於其探究能力的影響影響情形。綜合上述觀點，本論文將分別以兩項研究來探討學生的課程學習經驗、科學好奇心以及科學投入對其探究能力的影響關係，希冀能從中建構出高中學生探究能力之影響模式。. 6.

(16) 論文架構依據上述的研究目的，本研究將以兩項研究設計分兩階段進行資料收集，分別針對臺灣北部地區 (包含臺北市、新北市以及基隆市)的公私立高中進行抽樣施測，藉此探討中學生的科學學習經驗、探究相關的好奇心以及實驗室投入對其探究能力的影響關係，如圖 1-1-1 所示。故此，本論文的呈現架構將先以第二章進行文獻探討，以建立出本論文所欲探討之影響探究能力的理論模式；隨後兩章則分別呈現兩個研究的研究設計及其研究結果；第三章將呈現第一項研究，探討科學學習經驗、探究相關好奇心與實驗室投入對學生探究能力的影響；第四章則呈現根據研究一之結果結合文獻建議加以修正之第二項研究，主要係將研究一之實驗室投入延伸至認知投入、行為投入、情意投入以及社會互動投入等四種投入，並探討好奇心驅動下不同投入對探究能力的影響。以下簡述本論文的內容及結構：第一章緒論：針對本論文之背景與動機、整體的研究重要性進行一個簡單的描述，以未整體之研究脈絡提供一個完整的說明。第二章文獻回顧：則分別就先前之研究與文獻發現進行整理，以幫助研究者釐清本論文所關注之各個影響因素的定義以及相互間可能存在的變因關係。各因素定義之釐清可以有助於發展研究所需的量表試題，以便收集學生在該變因的真實反應；變因關係的釐清則方便理論之假說模型的建置，以利後續分析探討的檢驗。其中，本章分別包含了探究能力、好奇心、學習投入、科學學習經驗以及變數導向的結構方程模式等主題的探討。第三章 (研究一)：如圖 1-1-1 所示，本論文所設計的第一項研究主要在是探討高中學生的科學學習經驗、探究相關的好奇心及科學活動的投入狀態對學生探究能力的影響關係。透過 1,090 名 11 年級學生在多媒體導向的探究能力評量的施測，以試題反應理論的技術估計其探究能力的表現。並透過結構方程模式的分析方式來探討科學學習經驗、探究相關的好奇心與科學活動的投入對其探究能力的表現關係。 7.

(17) 圖 1-1-1 理論模式 1：科學學習經驗、科學好奇心與實驗室投入對探究能力的影響模式第四章 (研究二)：如圖 1-1-2 所示，本論文之第二個研究係立基於研究一建立的模式之好奇心驅動之影響之探究能力發展模式，再進行進一步的研究探討。其中將探究相關的實驗室投入以實驗室活動中學生的「認知投入」、「行為投入」、「情意投入」以及「社會互動投入」等四種投入置換。藉此探討在科學好奇心的驅使下，這些不同種類的投入對學生探究能力表現的影響效果為何。研究採分層隨機抽樣的方式，抽取 605 名 11 年級學生進行多媒體導向探究能力評量的施測。其評量結果透過試題反應理論來估計其試題難度與先前大樣本施測所建立的能力量尺對應以估計其探究能力。再將所估計之探究能力視為依變項進行結構方程模式的分析，來探討學生的科學好奇心與四個投入構念對其探究能力的影響關係及效果。透過此兩項研究的設計與分析來探討在科學學習經驗、探究相關好奇心、實驗室投入與探究能力表現等四項變數間，對學生探究能力發展與表現可能的影響因素，並透過影響模式的建構來釐清各因素之間的關係為何。藉此，為當前教學場域及學生探究能力發展提供依歸。因此，最後在第五章的部分本論文將統整前述兩項研究之發現，進行綜合討論並對為來研究與相關的探究教學提出建議。 8.

(18) 圖 1-1-2 理論模式 2：好奇心驅動之探究能力模式. 9.

(19) 第四節範圍與限制研究範圍本研究之研究對象係針對臺灣北部地區(包含台北市、新北市以及基隆市)之公私立高中二年級學生採分層隨機抽樣進行施測。透過電腦化的多媒體導向探究能力評量蒐集受試學生之各項背景資訊及其探究能力的表現，並以結構方程模式的統計方法進行分析，藉此探討學生從環境之實驗相關的科學學習經驗，經內在好奇心的驅動下對其外在的實驗室投入乃至探究能力表現的影響情形。. 研究限制本研究之研究限制有三，分別為研究主題、研究對象以及研究方法上的限制。以下分別陳述之：. (一) 研究主題上的限制本研究所探討的探究能力僅著重於「觀察與定題」、「計劃與執行」、「分析與發現」以及「推理與論證」等四項探究能力，並未涵蓋所有探究過程中學生可能展現之相關能力，例如：對同一數據資料進行分析並評估另有解釋 (McNeill, 2011)，以及同儕之間互動分享的溝通與分享的能力，也由於電腦化試題設計的侷限未在本研究探討之探究能力的範圍。故此，研究所得之結果不宜過度推論。 (二) 研究對象上的限制本研究之研究對象係針對臺灣北部(北北基)之公私立高中二年級學生進行分層隨機抽樣。雖然本研究在進行統計分析前，對每位學生的資料藉由抽樣設計予以適當加權 (OECD, 2009; 簡晉龍與任宗浩，2011)，以得出正確的參數估計值，並且能適當地推論至母群，但仍屬未涵蓋台灣地區所有母群的抽樣。故此，研究所得之結果在推論上應特別注意，不宜過度推論。. 10.

(20) (三) 研究方法上的限制本研究之分析方法之一係透過結構方程模式的統計技術進行各潛在變項間關係的探討。然而，結構方程模式在參數估計時，對該參數之標準化係數並沒有進行顯著性考驗，雖然本研究採用「Fay 氏平衡重複取樣法」 (Fay’s Balanced Repeated Replication, Fay’s BRR)來估算各參數估計值的標準誤 (OECD, 2009)。因此，研究所得之結果在推論上應特別注意，不宜過度推論。. 第五節名詞釋義多媒體導向探究能力評量 (Multimedia-based Assessment of Scientific Inquiry Abilities；MASIA) 係指藉由電腦化的多媒體作為媒介之評量試題，用以檢驗學生的探究能力。而本研究係採用 Kuo 等人 (2015) 所發展的多媒體導向探究能力評量 (Multimedia-based Assessment of Scientific Inquiry Abilities；MASIA)，主要是透過多媒體的方式呈現評量任務以了解受試學生之探究能力 (Kuo, Wu, Jen, & Hsu, 2015)。. 正式科學學習經驗 (Formal Science Learning Experience) 係指個體在學校場域中參與各種活動時的科學學習經驗 (Dierking & Falk, 2003)。而本研究中所指稱之正式學習經驗則是泛指所有在學校、課室中所進行之所有科學學習活動與課程。. 非正式科學學習經驗 (Informal Science Learning Experience) 係指個體在非學校場域中參與各種活動時的科學學習經驗。其中本研究中所指稱之非正式科學學習經驗包含家庭與日常的活動經驗、博物館與科學中心的參訪以及課後與青年團的活動 (NRC, 2009)。. 11.

(21) 科學探究能力 (Scientific Inquiry Abilities) 係指稱學生為解決在科學探究活動所遭遇的各式問題與任務時，所展現的各種能力 (Krajcik et al., 1998; NRC, 1996; 2000)。其中本研究所指稱的科學探究能力著重於提出問題、設計實驗、分析數據以及形成解釋等四種能力上，並統稱為科學探究能力。. 探究相關的好奇心 (Inquiry-related Curiosity) 由於過去研究中尚無研究者針對探究相關的好奇心提出相關定義。係以本研究根據 Jirout 與 Klahr (2012)的定義將好奇心視為「對所處環境之未知事物渴望理解的門檻值 (頁，150)」。此外，Jirout 與 Klahr 並指出學生的好奇心是可以針對特定領域，並據此引領其在此一領域中各項探討行為。本研究中所指稱之探究相關的好奇心則是特指學生在探究活動的特定領域中所持有的好奇心。. 科學探究投入 (Engagement in Scientific Inquiry) 本論文所關注之學生投入係指稱學生在參與實驗室的教學活動時，所投注的學習意願、參與、專注力及伴隨的情感，並獲得有意義的學習經驗和成果，其中包含了學生個人的行為、感覺與思考的歷程。而本研究係採用 Fredricks 等人 (2016)之定義並將只著重於參於實驗室活動中學生在認知上、行為上、情意上以及社會互動上的投入。. 行為的投入(Behavioral Engagement) 本論文所關注之行為投入是指參與學校課室裡實驗活動中，學生所的行動與參與 (Newmann et al., 1992)。其中包含學生正向的專注、持續以及投入學習時間等行為 (Kuh, 2009)；同時也包含負面的投入行為，如：分心、逃避與放棄學習活動的行為 (Archambault et al., 2009)。. 12.

(22) 認知的投入(Cognitive Engagement) 本論文將認知投入定義為學生在參與實驗活動時，對完成任務要求的熟練度、學習策略的運用與學習成效的追求 (Greene et al., 2004)。其中包含學生對學習任務的反覆驗證、使用的學習策略、連結舊有知識 (遷移)；同時也包括認知上的逃避行為 (Wang et al., 2016)。. 情意的投入(Emotional Engagement) 本論文所指稱之情意投入係指學生在參與實驗活動時，對教師、同儕與教材的正負面觀感 (Fredricks et al., 2004)。其中包含學生對實驗任務的觀感，並考量學生對學習的興趣與評價。常見之因素涉及學生對學習活動的期待、享受在學習活動中或感到自在；同時也有負面的對學習活動感到無聊、沮喪、焦慮與逃避的感受。. 社會互動的投入(Social Engagement) 社會互動的投入係指在實驗活動的過程中，學生與其他學生的互動行為 (Järvelä et al., 2016)。包含學生在學校社群裡與其他成員的互動。其中含括學生受他的想法的啟發、嘗試理解他人的想法、接受他人或提供他人幫助以及給予或接受他人的分享的行為。. 13.

(23) 14.

(24) 第二章文獻探討長久以來，許多科學教育學者已針對探究活動的課程以及提升學生探究能力進行研究，也提出不少影響因素，諸如對特定學科的熱情與興趣、各種科學學習經驗等因素對學生學習成就的影響 (Stocklmayer, Rennie, & Gilbert, 2010)。為說明影響學生探究能力的影響因素進而幫助本論文進行影響模式的建立，以下將針對過去學者所提出相關影響因素及內涵進行深入探討。. 第一節探究能力「科學探究能力」係指稱學生為解決在科學探究活動所遭遇的各式問題與任務時，所展現的各種能力 (Krajcik et al., 1998)。有鑑於此，美國《國家科學教育標準》 (National Science Education Standards, NSES)則強調科學課程應透過發展科學探究的活動來讓學生也可以透過如同科學家問題解決過程，並從中發展科學探究的基本能力，以幫助他們解決所遭遇的問題與建立對科學概念的理解 (National Research Council, 2000)。當學生在課室中使用探究活動來學習科學時，即代表她/他們投入與科學家所進行相似的活動與思考過程，並據此可建立對科學知識的理解。而我國的十二年國教所欲推動之「自然科學探究與實作」的新課程即亦「強調透過實作的過程，針對物質與生命世界培養學生發現問題、認識問題、解決問題，及提出結論與溝通表達的能力」 (教育部，2015，頁 34)。進而使學生在其日常生活中再次遭遇相關議題或其他問題時，能夠遵照合乎科學的方法進行有系統的調查之後，在形成合理的結論來幫助他們做決策。然而，探究活動是一個多面向且複雜的歷程，係整合了多種認知技能與科學方法的科學學習活動 (Germann, Aram, Odom, & Burke, 1996)。因為探究所涉及的活動並非僅僅侷限於使用科學方法來建立調查活動的過程技能，同時也包含了對資料數據的分析與詮釋，進而從調查結果中找出證據來支持結論或主張的科學推理過程。美國奧勒岡教育部門 (Ohio Department of Education, ODE)於 2007 年 15.

(25) 所出之報告更指出科學探究是指科學家依據不同的需求會採取不同的探究步驟，因而也將科學課室的依據這些需求區分了不同的步驟，以其學生能夠從中習得解決該目的所需之探究能力。其中描述式科學探究的歷程 (descriptive scientific inquiry)包含直接觀察、辨認可能的變因、提出假說或問題；實驗式科學探究的歷程 (experimental scientific inquiry)包含辨認、控制與操弄相關變因並據以設計調查活動；分析式科學探究的歷程 (analytical scientific inquiry)包含資料的蒐集與分析以及形成結論並能與他人溝通分享等數個不同種類的活動，透過這些活動的參與與施做可以幫助學生建立科學探究的基本能力，並從中建構對自然世界的理解並其內含的科學知識 (ODE, 2007)。因此，培養學生的科學探究能力是科學教育領域中，逐漸被強調的重要學習成果之一。以下將針對探究能力的定義及其內涵進行深入探討，並探討這些探究能力的內涵及其評量。. 探究能力的定義「科學探究能力」係指稱在探究歷程中，學生為了完成學習任務與解決科學問題所展現出的能力。例如：White 與 Frederiksen (1998)學生透過對事物現象的觀察或文獻資料的調查提出一個精鍊過、有價值性且可被探討的研究問題，並能透過其先前所習得經驗與科學知識進行預測問題可能的答案；Penner、Lehrer 與 Schauble (1998)則著重於學生能設計正確、複雜的操縱變因及控制變因的實驗，並能驗證其所涉及的相關變因；McNeill (2011)針對探究調查所得之實驗數據如何進行詮釋以達到說明該現象所包含的變因關係。再者，由於科學探究為問題導向的知識建構過程，涉及多樣的活動。而其中作為達到這些活動所需之重要基本能力，探究能力的養成已然是近年來各國科學教育改革的重要目標 (Abd-ElKhalick et al., 2004)。然而，正因為涉及多樣的活動致使不同的課程標準所著重的分項能力可能不盡相同。以下分別針對國內外各個課程標準中所定義之探究能力及其所著重之分項能力進行探討：. 16.

(26) (一) 能力導向的課程標準 1. 《國家科學教育標準》 (National Science Education Standards, NSES) 《國家科學教育標準》(NSES)將探究定義為「一個多面向的活動，涉及進行觀察；提出問題；檢視書本及其他來源以確認已知的資訊；計畫科學調查 (investigations)；藉由實驗證據 (experimental evidence) 來驗證已知的資訊；使用工具以整合、分析並解釋數據；提出答案、解釋及做出預測，並與他人溝通實驗結果」 (NRC, 1996, p. 23)。據此定義與統整學者們所提出探究模式中所強調的能力可將探究活動整理出主要四個探究活動中所包含能力：提出問題、設計實驗、分析數據以及形成解釋。NRC (2000)所提出 9-12 年級 (高中階段)之基本探究能力共有六項，其中包含辨認問題 (identify questions)、設計科學調查 (design and conduct scientific investigation)、收集與分析數據 (collect and analyze data)、形成或修改科學解釋 (formulate and revise scientific explanations)、了解與分析另有解釋 (recognize and analyze alternative explanations) 、溝通與辯證科學論證 (communicate and defend a scientific argument)，以下分別針對此六項能力進行詳細說明。 (1) 辨認問題 (identifying questions) 在探究活動中學生所欲進行探索的科學問題，可以是學生透過觀察與討論自主提出的，也可以是來自師長、教材或其他來源所給予的 (NRC, 2000)。透過初步的觀察或思考後，學生可能對其日常生活中所感到興趣或好奇的事物現象提出問題，再經過對此一問題做出預測或提出假說來精緻化其問題 (Koslowski, 1996)，並判斷問題的可行性與合理性 (Krajcik, Czerniak, & Berger, 2003)，以便後續的實驗設計與調查活動的執行。 (2) 設計科學調查 (designing and conducting scientific investigation) 過去許多的研究證實學生在實驗設計上之所以容易失敗或感到受挫，往往是在於其變因控制的步驟產生錯誤 (Germann et al., 1996; Klahr & Carver, 1995)。因此，實驗設計需要有系統地控制和操縱變因，以獲得可信的數據。而美國《國家 17.

(27) 科學教育標準》則明確指出在設計實驗或執行調查活動時，應確認並檢驗問題所包含之變因關係，透過有系統的觀察、精確的測量與控制變因等方法來進行實驗步驟的設計與規劃，以利相關數據資料的搜集，並從這些數據資料中透過分析以形成對於探究問題的解釋 (NRC, 1996, 2000)。 (3) 收集與分析數據 (collect and analyze data) 藉由實徵證據來探索自然世界的運行，科學家從觀察與測量中得到證據，而證據的正確性可藉由重複的觀察與測量，或搜集相同現象中的不同資料來進行驗證，使得科學成為一個具有可信度的知識 (AAAS, 1989)。由於調查活動的目的是形成對探究問題的解釋與解決問題，因此強調的是運用科技與數學來蒐集與分析數據的能力，透過統整、轉化的方式將所收集的資料數據形成證據，並用以支持分析所得的可能解釋 (NRC, 1996)。 (4) 形成或修改科學解釋 (formulate and revise scientific explanations) 所謂解釋，係指的是藉由連結先備知識和調查活動所得數據，找出探究問題所關注之事物現象背後的成因或關係 (NRC, 2000)。即為應以先備知識為基礎結合數據，進而產生新的理解或概念，以回答原先提出的探究問題。透過符合實驗數據所提供的證據的合理推論，以建立證據和結論之間的關係。如此所提出之解釋必須具備說明現象背後的成因或問題解決的方法 (Krajcik et al., 1998)。 (5) 了解與分析另有解釋 (recognize and analyze alternative explanations) 此一能力跟形成解釋很像，同樣需要去檢視證據與結論之間的關係。然而，了解與分析另有解釋則是需要讓學生知道同一組實驗結果的數據，可能可以形成數種不同的解釋，並強調藉由現有的科學知識的審視、證據邏輯性的檢查來決定哪一種解釋對當前的實驗結果是最好的 (NRC, 2000)。 (6) 溝通與辯證科學論證 (communicate and defend a scientific argument) NRC 強調學生應該發展能夠精確和有效的溝通能力 (NRC, 2000)。為達到有效的溝通與分享，學生必須要能夠描述自己探究的歷程，統整資料以圖表的方式清楚呈現證據，使用適當的語言清楚並有邏輯的表達所形成的科學論證，最後也 18.

(28) 要培養學生能適度地給予並接受他人具批判力的意見 (Krajcik et al., 2003)。透過這六項基本能力涵蓋了學生透過對周遭生活環境的細心觀察，從發現問題並提出假說到設計實驗並蒐集數據，進而從中實驗結果形成可能之解釋與結論的完整探究過程。除此之外，藉由這些探究能力學生可以訓練合理的懷疑以及有系統的調查過程來尋找證據與科學主張之間的連結，更重要的是可以讓學生知道科學結果是暫時性的，是可以被不同的證據與詮釋方式所修改的 (ODE, 2002)。 2. 奧勒岡州教育部 (Oregon Department of Education, ODE) 依據 NRC 的課程標準，美國奧勒岡州教育部 (Oregon Department of Education, ODE)則提出了形成問題或假說 (forming the question or hypothesis)、設計調查活動 (designing the investigation)、收集與表徵數據 (collecting and presenting data)以及分析與詮釋結果 (analyzing and interpreting results)等四項能力 (ODE, 2002, pp. 35-36)。 (1) 形成問題或假說 (forming the question or hypothesis) 利用相關的科學背景知識與初步觀察的結果對所關注的事物現象提出可以聚焦的基本原理，藉此提出假說以及形成可以回答或透過科學調查所檢驗之探究問題。由於係以先前經驗與背景知識對所觀察的現象所涉及的變因提出可能的假說關係 (例如：相關、相依、因果)，故而其所形成的可探究的問題可能會包含了這些假說關係。 (2) 設計調查活動 (designing the investigation) 依據所形成的問題與假說關係來設計科學的調查活動，藉此收集充分的實驗數據來回答提出的問題或檢驗假說關係。即為應用科學調查的過程來考慮包含相關的變因，建立一個可控制並與先前所接受的科學訓練相符的實驗設計，藉此獲得回答問題或檢定假說所需之足夠的有效數據設計。 (3) 收集與呈現數據 (collecting and presenting data) 執行一系列的程序來收集、組織並展示調查活動所得之科學數據，以輔助學生進行科學性的分析與實驗數據的詮釋。藉著紀錄符合複雜步驟的適當數據，並 19.

(29) 依需要排除不適當數據，合理有組織地用合適單位對觀察或測量建立精確的呈現 (例如：實驗記錄表)。進一步轉換數據成為可清楚顯現可被分析解釋的關係，或有助於科學分析的形式 (例如：直方圖或折線圖)。 (4) 分析與詮釋結果 (analyzing and interpreting results) 統合與分析所收集到的數據，藉以對調查結果進行解釋並提供合理及正確的詮釋與結論，其中所提出之解釋應該是被調查數據與科學知識所支持，並可以回應先前所提出探究問題與假說關係。也就是說應用科學概念、模式、原理正確分析解釋研究關係，明確分析研究結果作支持問題假說或研究關係的結論。進一步依據結果分析評論設計和步驟，作有洞察力的修正和延伸。此外，ODE 並於 2007 年更進一步結合開放式探究與結構式探究的維度，提出該州施行之探究能力的細部指標，共分三類分別為形成問題或假說 (Forming)、設計與收集 (Designing and Collecting)以及分析(Analyzing)；其中又細分為提出科學性的探究問題 (scientifically oriented questions)、形成適當的證據來回應探究問題 (gives priority to evidence in responding to questions)、從證據中形成解釋 (formulates explanations from evidence) 、將解釋連結到科學知識 (connects explanations to scientific knowledge)以及傳達與辯證所形成的解釋 (communicates and justifies explanations)等五項探究能力，並依據學生實際進行探究活動的自主程度，由自行決定到教師給予區分了四個等級程度，形成了 20 項不同的能力表現之標準 (ODE, 2007)，如表 2-1-1 所示。由上述文獻可知，ODE 所提出之探究能力架構乃按照進行科學探究的過程所制定，其與 NSES 及國內課程標準提到的探究技能大致符合，亦與許多研究提到的探究階段相符。故此，過去許多研究在探討學生之探究能力時，亦有不少是採用此一能力架構；而欲發展探究教學活動及制定相關的評分準則者，亦多有參照. 20.

(30) 表 2-1-1 美國奧勒岡州教育部之課室科學探究教學所需之必需特徵及其類別必需特徵. 類別形成問題或假說. 學生自主程度開放式探究. 結構式探. 提出科學性的探究問題. 學生提出探究問題. 依據教師所提出的探究問題再提出新的問題. 設計形成適與收當的證集據來回應探究問題分析從證據中形成解釋. 學生決定那些數據是證據並自行收集. 教師指派學生去收集實驗數據. 在統整出證據後學生自行形成解釋. 教師引導學生從證據形成解釋的過程. 將解釋連結到科學知識. 學生獨立的檢驗不同的科學知識與解釋之間的連結學生形成合理與有邏輯的主張去傳達他們的解釋. 教師指派特定領域的科學知識讓學生去做連結. 傳達與辯證所形成的解釋. 教師訓練學生去發展他們的溝通分享能力. 究由學生精緻化教師、教材或其他資源所提出的探究問題教師給予實驗數據但要求學生自行分析. 教師、教材或其他資源提出探究問題教師給予實驗數據並解釋如何分析. 教師給予可能的方式讓學生從證據形成解釋的過程教師給予學生可能的連結. 教師提供學生證據. 教師引導學生如何進行溝通分享. 教師給予學生步驟或程序讓學生進行溝通分享. (翻譯自：ODE, 2007). 3. 小結透過上述之文獻整理，可知科學探究係為一問題導向的知識建構過程，其中涉及了多樣的活動歷程，而各項活動亦需要學生展現不同的能力。此外，不同的課程標準 (諸如，NRC, 1996; 2000 與 ODE, 2002; 2007)及不同的學者所著重之探究能力及其次項能力之間雖不盡然全然一致。然則，若以探究活動的歷程做基準來整合各學者與課程所關注的探究能力，則可以統整出探究能力可包含提出探究問題、設計實驗活動、資料蒐集與分析、形成解釋以及溝通分享等能力。當然， 21.

(31) 其中亦包含現象觀察、文獻調查、變因操控、儀器操弄…等次項的探究能力。因此，透過這些能力的養成後，學生可以自行在其生活中藉此來解決所遭遇的各式問題與困難。 (二) 改革中的課程標準有鑑於能力取向之課程標準已經提出 15 年以上，再者欲以新的課程標準讓學生藉由科學課程來培養欣賞科學之美，透過科學探究來探索自然世界，並發展符應當代科學與科技社會所必備之公民素養。因此，近年來許多國家的教育機構，如美國的 NRC (NRC, 2012)與我國的教育研究院 (教育部，2015)開始朝著進行科學課程的改革，開始朝著為了讓學生養成了解科學貢獻及其限制性，能夠運用適合的科學知識與方法去解決日常生活所遭遇的問題，並以理性評論與判斷科學性社會議題，進而對公共政策做出決策。為了達成上述的目標，這些課程強調跨領域或跨科目之間的整合，以求讓學生能透過綜合運用的方式來面對真實社會中可能存在與科學與科技相關的議題及問題。同時，這些課程亦延續先前能力導向的探究能力學習的觀點，主張科學學習應從真實情境中的探究活動出發，透過對生活情境中所遭遇的事物現象產生好奇心，並據此能以類似科學家或工程師在理論發現或產品研發時所採用之實務行為，來主動的對學生自身關注的事物現象進行探索及相關實驗調查，以釐清與建立關於該現象的變因關係，進而幫助學生建構科學知識。故此，無論是 NRC 還是教育部所推動的新課程標準均著重於探究與實作，以期讓學生透過科學家與工程師們所實際操作的科學實務歷程，來培養未來面對多元且變化快速的科學與科技社會中公民所需具備的基本素養，以應付可能存在之各式問題。以下分別針對新一代的課程標準 (Next Generation Science Standards, NGSS)與十二年國民基本教育課程綱要所提出的課程標準進行論述： 1. 新一代的課程標準 (Next Generation Science Standards, NGSS) NRC (2012)提出一個實務取向的新架構稱之為新一代的課程標準 (Next Generation Science Standards, NGSS)，其中強調科學課程的發展及其編排應考量 22.

(32) 到學生的學習進程，透過跨年段、跨領域的課程來幫助學生建立科學的實務 (Scientific Practices)、應用橫斷領域的概念 (Crossscutting Concepets)，進而發展統合各年段的核心概念 (Core Ideas)。此外，NGSS 的新課程架構亦著重於科學與工程學的結合，透過這些應用科學的沉浸期望可以使學生從中學習核心概念知識並體認科學與科技的實務。科學課程透過將科學實務、橫斷領域的概念與核心概念三個項度的整合，而非各別片段的課程設計來讓學生發展並應用科學與科技的想法，強調以科學與科技的實務行為作為媒介，讓學生透過跨年段、跨領域科學知識的運用，來組織與發展符應真實世界的科學理解，如圖 2-1-1 所示。. 圖 2-1-1 NGSS 揉合三個項度的科學課程 (引自，Krajcik, 2015). 其中，NGSS 延續 NSES 的定義強調科學課程中的學習活動應該是類似科學家在進行科學探究或工程師產品設計的歷程。如圖 2-1-2 所示，學生在從事探究活動時依據其在真實世界所建之觀察來提出問題並設計實驗進行量測，以達到收集資料或進行產品設計之效，此為第一個階段的探究歷程─「調查」。其次，在第二階段「評估」的歷程中，學生將依據先前所習得之科學理論或模式並隨著真 23.

(33) 實環境之條件與情境進行修正或微調，以針對所收集到的實驗數據進行分析與評論。最後，第三階段「發展解釋與解答」的歷程中，學生會將所資料分析所得之主張與科學理論之間進行推理以獲得證據來形成他們的假說或藉此找出問題的解答。. 圖 2-1-2 科學家與工程師常用之探究與設計的歷程及其活動 (引自：NRC, 2012，頁 45). 透過此三個階段的探究歷程，NGSS 提出了八種從幼稚園到 12 年級 (K-12) 之科學與科技課程中必備的實務行為。分別為： (1)提出與定義問題：科學家最基本的實務即為提出可檢驗的問題，透過對自然現象的提問可以開啟其探索自然的其他行為； (2)發展並使用模式：透過已知之科學模式可以幫助科學家或學生提出假說已進行實驗調查的設計； (3)計劃與執行調查活動：可在實驗室裡或圖書館中進行依據假說檢定之變因關係調查； (4)分析與詮釋資料：透過圖表分析等策略方法來賦予實驗數據意義； (5)使用數學與計算的思考方式：藉由數學與計算的工具來表徵變因關係； (6)建立解釋與設計解答：依據理論及分析所得之數據意義提出一個具解釋性的說法； (7)從證據中形成論證：透過推理與論證的 24.

(34) 方式來找出實驗數據對目標現象之最佳解釋； (8)獲得、評估與溝通資訊：如果科學家不將其研究發現對他人溝通分享則科學將不會進步，因此溝通分享是科學探究中最重要的實務。由上述論述可知，NGSS 所提出所提出之科學實務架構雖然是強調科學家與工程師實際進行科學探究以及工業設計時所執行的實務行為。然而，細究其內涵仍可與 NSES 所強調的科學探究過程相符應，透過這些科學實務的執行讓學生從探索、檢驗以及解釋的探究過程中，藉著核心與跨科概念的此用來了解自然界裡科學現象的發生的成因及其發生的機制。也正因為 NGSS 的課程是強調三個項度的揉合，因而對於學生學習的預期表現上著重在知識的應用 (knowledge-in-use)。故此，其評量方式亦須要先針對三個項度進行解構之後，再據此發展評量任務以及評分標準 (Krajcik, 2015)。 2. 十二年國民基本教育課程綱要我國之《十二年國教課綱》則預計將課室中的科學探究定為科學科目的必修課程之一，其中為了強調探究的歷程是科學領域中必要之基本能力，透過相關議題的結合可以同時涵蓋不同科學科目的概念，並且透過實務上的執行科學探究歷程可以讓學生了解科學知識產生的方式以及養成應用科學思考的習慣 (教育部， 2015)。因此，在課綱中對科學課程的設計，不僅著重於科學探究歷程，同時也強調實際進行操作的科學活動。此外，如同 NRC 與 ODE 對科學探究能力的定義，《十二年國教課綱》也強調探究能力不僅只是學生在執行調查活動時的方法技能，更包含了認知上的思考推理的能力 (NRC, 1996; 2000; ODE, 2007)。故此，課綱將探究能力分為思考智能以及問題解決兩個部分。其中，思考智能的部分，包含想像創造、推理論證、批判思辨、建立模式等能力；問題解決的部分，包含觀察與定題、計劃與執行、分析與發現、討論與傳達等能力，如表 2-1-2 所示。. 25.

(35) 表 2-1-2 十二年國民教育課程綱要之探究能力架構表項目探究思考能力智能. 子項想像創造. 推理論證. 批判思辨建立模型. 問題解決. 觀察與定題計劃與執行分析與發現討論與傳達. 範例(高中階段的能力表現) 以創新設計的方法來檢驗自生活中所察覺問題的成因，並能根據已知的科學知識提出解決問題的各種假設想法。運用簡單的數理演算公式及單一的科學證據或理論，理解自然科學知識或理論及其因果關係，或提出他人論點的限制，進而提出不同的論點。比較與判斷自己及他人對於科學資料的解釋在方法及程序上的合理性，並能提出問題或批判。將探究結果的數據透過比擬或抽象的方法以模型的形式呈現，來有系統地描述所探討的科學現象。依據觀察、蒐集資料、閱讀、思考、討論等，確認並提出生活周遭中適合科學探究或適合以科學方式尋求解決的問題。能辨明多個的自變項或應變項後進行調查活動的規劃並運用科技儀器來執行與輔助記錄合理運用思考智能、製作圖表、使用資訊與數學等方法，有效整理資訊或數據；並從中獲知變因關係、形成解釋以解決問題或是發現新的問題。以各種媒材形式將探究過程與結果呈現，並能在理解他人的探究過程與結果後給予合理且完整的疑問與意見。 (整理自：教育部，2015). 雖然，《十二年國教課綱》中將探究能力提出了思考智能與問題解決兩種類別的能力，這樣類似行為與思考的區分。然則，細究其中可能的原因或許是為了強調探究活動所蘊含的能力不僅止於動手操弄的實驗技能，同時也應該包含對實驗所蒐集的資料進行推理論證的運思能力，此一部分類似於 NGSS 所提出科學家或工程師在發展解釋與解答的階段中，透過想像、推理與預測等策略來形成假說或提出解答 (如圖 2-1-2 所示)。而且在進行探究活動的歷程時，並無法全然的只使用其中某一種能力，舉例來說：當學生想要設計一個實驗來驗證某個假說是否成立時，可能就需要發揮其想像創造的能力去思考假說可能涵蓋的變因極其之間的關係，並據此訂定對應之控制與操縱變因並設計出可執行之研究流程。從上面的 26.

(36) 例子可以看到，每一個探究活動的歷程中，思考智能與問題解決的能力都是需要的。同樣的道理，若學生針對某項感興趣的議題 (如海水溫度與颱風生成的關係)，而針對過去十年的氣象資料進行探勘以了解兩者之間的關係，過程可能藉由圖表的繪製將兩項數據資料相互對照，最後獲得關於海水溫度與颱風生成的合理結論。其實這個過程中，學生並沒有實際的去動手做實驗，然而整個探索的過程卻還是符應科學探究。因此，Norris 與 Phillips (2003)亦指出即便是文獻探討或是二手資料的再分析也是一種科學探究的歷程，其中還是需要學生展現觀察與定題、想像創造、批判思辨、推理論證乃至分析與發現以及最終建立模型等能力。由此可知，課綱雖然羅列了許多的能力，但也強調在實際課程編排與活動設計上各項能力未必有固定的步驟順序，可依主題和活動採循環或遞迴等方式進行。 3. 小結從上述的文獻整理可知，無論是美國的 NGSS 抑或是我國的《十二年國教課綱》所推動探究與實作課程不僅同樣依循能力導向的探究能力學習的觀點，強調科學課程中透過探究活動的歷程來讓學生能夠自主的建構科學知識。為了培養學生面對未來科學與科技導向的複雜社會，前述兩個新課程標準亦都著重於生活情境中的探究歷程，透過現實情境的複雜議題來達到跨科整合之效。同時也都重視課程教材及其學習目標應注重於跨年段間縱向的連貫以及跨科目間橫向的統整。. 科學探究能力的內涵與評量(實徵研究) 為了提升學生的探究能力過去有許多的研究依據上述之課程指標來設計相關的科學探究課程，並據此設計相對應的評量方法與試題 (Buffler, Allie, & Lubben, 2001; Pine et al., 2006; Songer, Lee, & McDonald, 2003)。例如：Lorch 及其同僚透過所發展的紙筆測驗的形式來評測學生使用變因控制策略的能力 (Lorch et al., 2010)；Myers 與 Burgess (2003)亦發展了一個評量工具透過實際的操弄，來評估學生實驗設計與資料詮釋的能力。然而，一個有效的評量其首要的步驟就是評估並設計該工具所檢測的構念 (American Educational Research Association, 27.