國小自然與生活科技領域教科書「電磁學概念」單元活動之內容分析~以5E學習環為例

國立臺中教育大學科學應用與推廣學系

科學教育碩士學位夜間在職進修專班碩士論文

指導教授：葉聰文博士

國小自然與生活科技領域教科書

「電磁學概念」單元活動之內容分析

~以 5E 學習環為例

研究生：蘇怡芳 撰

國小自然與生活科技領域教科書「電磁學概念」

單元活動之內容分析~以 5E 學習環為例

中文摘要

本研究採用「內容分析法」（content analysis）及 5E學習環教學模式分析國小「自 然與生活科技」不同版本教科書中電磁學單元活動設計的差異。本研究利用「電磁學概 念相關單元之呈現分析表」、「電磁學單元活動之過程技能分析項目表」和「電磁學單元 活動之5E學習環分析項目表」等工具，以分析各版本電磁學概念與電磁學單元活動設計 之差異性。本研究之主要結果為：各版本涵蓋電磁學相關概念的個數大致相同，且對圖 形相當重視；在各版本「電磁學單元」中，五項過程技能之運用百分比差異性大，以「歸 納與推斷」之運用百分比最高，依序為「傳達」、「組織與關連」、「觀察」，最少的為「比 較與分類」；各版本電磁學單元活動之編排符合5E學習環各階段之順序與內容。 關鍵字：教科書、自然與生活科技、5E 學習環、內容分析

A Content Analysis on Elementary Nature Science and Technology Textbook，s “Electromagnetics Concept” Unit Activity：Using the 5E Learning Cycle as an Example

ABSTRACT

We employ the content analysis method and 5E learning cycle to analyze the differences of electromagnetics unit activity design contained in four published versions of textbooks of Nature Science and Life Technologies. We utilized the Presentation Analysis Table of Units Related to Electromagnetics Concept, the Process Skill Item Analysis Table of Unit activities Related to Electromagnetics Concept, and the 5E Learning Cycle Item Analysis Table of Unit activities Related to Electromagnetics Concept. We analyze the differences in the distributions of electromagnetics concepts and electromagnetics unit activity design contained in the textbooks. The main results of the study are listed as follows. Each version contains an equal amount of electromagnetics concept units. By the order of the used percentage of the process skill classifications, the induction and deduction skills are the highest. The second to fifth order are the communication, the organization and correlation, the observation concepts, and the comparison and classification skills, respectively. The layouts of the electromagnetics activity units of the surveyed four versions are consistently organized with the 5E learning cycle.

Key words: Textbooks、Nature Science and Technology、5E Learning Cycle、Content

目 次

中文摘要

... I

英文摘要

...

II

目 次

...

III

表 次

...

V

圖 次

...

VIII

第一章 緒論 ... 1

第一節 研究背景與動機 ...1 第二節 研究目的與待答問題...3 第三節 名詞界定...4 第四節 研究範圍及限制 ...5

第二章 文獻探討... 7

第一節 自然與生活科技領域教科書 ...7 第二節 過程技能...11 第三節 建構主義教學策略 ...16 第四節 5E 學習環 ...21

第三章 研究方法與設計 ... 35

第一節 研究方法...35 第二節 研究對象...36 第三節 分析工具...46 第四節 資料蒐集與分析 ...56 第五節 研究流程...60

第四章 研究結果... 61

第一節 「電磁學的概念涵蓋範圍」之分析 ...61 第二節 單元過程技能之分析 ...80 第三節 5E 學習環階段符合程度之分析 ...103

第五章 結論與建議... 141

第一節 結論 ...141 第二節 建議 ...147

參考文獻 ... 151

中文文獻.... ...151 英文文獻.... ...155

附錄 ... 157

附錄一 各本版教科書基本資料 ...157 附錄二 電磁學專家概念圖-電荷...158 附錄三 電磁學專家概念圖-磁場...159 附錄四 電磁學專家概念圖-電磁感應 ...160 附錄五 電磁學專家概念圖-勞倫茲力 ...161 附錄六 各版本電磁學概念相關單元之呈現分析表 ...162 附錄七 三、四年級各版本電磁學單元活動過程技能分析項目表 ...164 附錄八 五、六年級各版本電磁學單元活動過程技能分析項目表 ...165 附錄九 各版本電磁學單元活動之 5E 學習環分析項目表 ...166

表 次

表 2-2-1 九年一貫課程過程技能各分段能力指標 ...13 表 2-4-1 學習環之發展沿革...22 表 2-4-2 5E 學習環各階段教師及學生應做的事...27 表 3-2-1 各版本教科書電磁學單元名稱...37 表 3-2-2 翰林版自然與生活科技教科書「電磁學」單元活動設計及目標...38 表 3-2-3 康軒版自然與生活科技教科書「電磁學」單元活動設計及目標...40 表 3-2-4 南ㄧ版自然與生活科技教科書「電磁學」單元活動設計及目標...41 表 3-2-5 牛頓版自然與生活科技教科書「電磁學」單元活動設計及目標...43 表 3-2-6 「自然與生活科技」學習領域有關電磁學之教材內容細項 ...45 表 3-3-1 電磁學命題陳述表...47 表 3-3-2 第二學習階段過程技能能力指標...51 表 3-3-3 第三學習階段過程技能能力指標...52 表 3-3-4 5E 學習環分析類目 ...53 表 3-3-5 5E 學習環分析類目之教科書用語舉例...54 表 3-4-1 評分者間一致性分析表 ...59 表 4-1-1 各版本「電磁學概念範圍分析表」...62 表 4-1-2 各版本「電磁學相關概念命題陳述」之呈現分析表 ...64 表 4-1-3 各版本「電路概念範圍」分析表 ...69 表 4-1-4 各版本「電路學相關概念命題陳述」之呈現分析表 ...71 表 4-1-5 93 與 97 學年度各版本教科書電路概念數改變之差異來源分析表 ...74 表 4-1-6 電磁學相關概念呈現方式分析表（一）-教學時間分析總表 ...75 表 4-1-7 各版本「電」的概念之教學時間分析表 ...76 表 4-1-8 各版本「磁」的概念之教學時間分析表 ...77 表 4-1-9 各版本「電與磁的交互作用」概念之教學時間分析表 ...77

表 4-1-10 電磁學相關概念呈現方式分析表（二）-圖形呈現分析 ...79 表 4-2-1 第二學習階段各電磁學單元過程技能分析項目表...86 表 4-2-2 第三學習階段各電磁學單元過程技能分析項目表...95 表 4-2-3 第二、第三學習階段包含能力指標次數總和表...97 表 4-2-4 第二、第三學習階段培養過程技能可達成能力指標項目總和表...98 表 4-2-5 各版本「電磁學單元」各過程技能使用次數及百分比分析表...99 表 4-3-1 各版本電磁學單元活動之「5E 學習環分析類目」符合次數統計表...104 表 4-3-2 各版本教科書在分析類目 E-1-1 運用次數比較分析表 ...106 表 4-3-3 各版本教科書在分析類目 E-1-2 運用次數比較分析表 ...106 表 4-3-4 各版本教科書在分析類目 E-1-3 運用次數比較分析表 ...107 表 4-3-5 各版本教科書在分析類目 E-2-1 運用次數比較分析表 ...107 表 4-3-6 各版本教科書在分析類目 E-2-2 運用次數比較分析表 ...108 表 4-3-7 各版本教科書在分析類目 E-2-3 運用次數比較分析表 ...109 表 4-3-8 各版本教科書在分析類目 E-2-4 運用次數比較分析表 ...109 表 4-3-9 各版本教科書在分析類目 E-3-1 運用次數比較分析表 ...110 表 4-3-10 各版本教科書在分析類目 E-3-2 運用次數比較分析表...110 表 4-3-11 各版本教科書在分析類目 E-3-3 運用次數比較分析表... 111 表 4-3-12 各版本教科書在分析類目 E-3-4 運用次數比較分析表... 111 表 4-3-13 各版本教科書在分析類目 E-4-1 運用次數比較分析表... 111 表 4-3-14 各版本教科書在分析類目 E-4-2 運用次數比較分析表...112 表 4-3-15 各版本教科書在分析類目 E4-3 運用次數比較分析表...113 表 4-3-16 各版本教科書在分析類目 E-4-4 運用次數比較分析表...113 表 4-3-17 各版本教科書在分析類目 E-5-1 運用次數比較分析表...114 表 4-3-18 各版本教科書在分析類目 E-5-2 運用次數比較分析表...114

表 4-3-21 5E 學習環各分析類目運用百分比分析表 ...125

表 4-3-22 H 版本電磁學單元活動之「5E 學習環呈現步驟」分析表...127

表 4-3-23 K 版本電磁學單元活動之「5E 學習環呈現步驟」分析表...128

表 4-3-24 N 版本電磁學單元活動之「5E 學習環呈現步驟」分析表...129

圖 次

圖 2-4-1 5E 學習環教學模式流程圖...25 圖 2-4-2 NRC 探究教育五階段與 5E 學習環教學模式五步驟關係圖 ...30 圖 3-1-1 本研究內容分析步驟...36 圖 3-5-1 研究流程圖...60 圖 4-2-1 「同一個版本不同過程技能」使用百分比綜合圖表 ...100 圖 4-2-2 「不同版本相同過程技能」使用次數綜合圖表...102 圖 4-3-1 「5E 學習環精熟度」單元量尺（不含教學指引）...117 圖 4-3-2 「5E 學習環精熟度」單元量尺（含教學指引）...118 圖 4-3-3 「5E 學習環精熟度」版本量尺 ...120 圖 4-3-4 5E 學習環各分析類目運用百分比...126 圖 4-3-5 H（1）第二單元「5E 學習環層次」量尺 ...131 圖 4-3-6 H（3）第四單元「5E 學習環層次」量尺 ...132 圖 4-3-7 H（7）第三單元「5E 學習環層次」量尺 ...133 圖 4-3-8 K（1）第二單元「5E 學習環層次」量尺 ...134 圖 4-3-9 K（4）第四單元「5E 學習環層次」量尺 ...134 圖 4-3-10 K（7）第四單元「5E 學習環層次」量尺 ...135 圖 4-3-11 N（1）第二單元「5E 學習環層次」量尺 ...136 圖 4-3-12 N（3）第四單元「5E 學習環層次」量尺 ...137 圖 4-3-13 N（7）第四單元「5E 學習環層次」量尺 ...137 圖 4-3-14 T（2）第二單元「5E 學習環層次」量尺...138 圖 4-3-15 T（3）第四單元「5E 學習環層次」量尺...139 圖 4-3-16 T（6）第三單元「5E 學習環層次」量尺 ...139

第一章 緒論

本章共分為四節，第一節將針對研究之研究背景與動機加以描述，第二節為研究目 的與待答問題，第三節將界定本研究所使用的名詞，第四節為研究範圍與限制。

第一節 研究背景與動機

建構式教學為近來科學教育熱切探討的課題。欲在教學中落實建構式教學不只老師 的教學方式需要創新，學生的學習方式需要改變，教科書的內容與設計也應當有別於傳 統教科書內容的編寫方式。傳統教科書內容以文字敘述為主，以「教師為中心」觀點為 課程內容設計的主要依據，在此編寫方式下學生缺乏主動學習的機會，進而影響個人建 構其科學概念。為改進傳統教科書的缺失，當今教科書的編寫方式，強調以「學生為中 心」的方式進行編寫，讓學生有機會透過動手操作，以建構科學概念(王美芬、熊召弟， 1995)。教科書的編寫方式會出現這樣的變革與九年一貫課程綱要的實施有很大的關 係。九年一貫課程綱要指出：「學習科學讓我們學會如何去進行探究活動：學會觀察、 詢問、規劃、實驗、歸納、研判，也培養出批判、創造等各種能力。特別是以實驗或實 地觀察的方式去進行學習，使我們獲得處理事物、解決問題的能力，也了解到探究過程 中，細心、耐心與切實的重要性。」（教育部，2003） 探究活動在「自然與生活科技」領域扮演著重要的角色。古淑玲（2008）指出，科 學家探究方式就是科學過程技能，教育部九年一貫課程綱要明定：「自然與生活科技學 習領域所培養之國民科學與技術的基本能力，依其屬性和層次分成八個要項，其中ㄧ項 就 是 過 程 技 能 。 」 過 程 技 能 一 詞 最 早 由 美 國 促 進 科 學 協 會 （ AAAS ） 在 編 寫 SAPA(Science——A Process Approach)實驗課程時提出，其課程目標在培養兒童從事科 學研究的過程技能，即進行科學研究的能力。他們將科學家探究科學的活動分為八個基 本過程：「觀察」、「應用時間或空間關係」、「測量」、「應用數字」、「分類」、「傳達」、「推

理」、「預測」，和五個統整過程：「下操作型定義」、「形成假設」、「解釋資料」、「控制變 因」、「實驗」。九年一貫課程則將過程技能分為：「觀察」、「比較與分類」、「組織與關連」、 「歸納與推理」和「傳達」等五項。 然而這些過程技能，該如何透過教學活動讓學生習得呢？楊龍立（2002）指出，經 由探究活動，可以讓學生操作過程技能，在自然與生活科技領域教科書中，和探究活動 有最直接關係的部分就是操作活動。綜觀現行各版本自然與生活科技教科書，我們不難 發現，教科書的內容多以操作活動及問題來串連所要傳達給學生的概念，因此操作活動 的設計，將會影響學生過程技能和概念的學習成效。傳統的操作活動（食譜式實驗）偏 重於老師講解，學生只要照著老師的步驟一步一步做，就可以得到實驗結果，當實驗結 果和課本不相同時，老師也很少給學生時間去發現問題，只是叫學生將實驗結果背下 來，這樣的學習方式容易造成學生的操作技能低落（王亢沛，1985），或造成學生對科 學概念產生誤解。 為了解決上述問題，教科書做了許多變革，九年一貫課程綱要指出：「自然與生活 科技之學習應以探究和實作方式來進行，強調手腦並用、活動導向、設計與製作兼顧及 知能與態度並重」（教育部，2003）。探究之基礎理念源自於建構主義，因此教師如何 藉由探究活動之教學，來達成學生主動建構知識之目的，將是教學成功與否之關鍵。 高新建（1991）指出，國內90%以上的國小教師『經常按照課本進行教學』。對教 師而言，教科書是教師組織教學及教學實務的主要依據；對學生來說，大多數學生至少 有75%的課堂時間及90%的家庭作業時間是花費在教科書上（Armstrong & Bray,1986）。 教科書在教學上扮演著極為重要的角色，它不只是教師教學時主要的工具，更是學生學 習的主要來源。基於上述原因，如何編寫一本符合建構理念及探究精神的自然與生活科 技教科書以提供教師教學時之協助，將是當前的要務。

國小「自然與生活科技」教科書力學概念之分析研究；劉俊宏（2006）九年一貫課程自 然與生活科技教科書電路學內容分析；另外許雅婷（2008）對台灣國小高年級自然與生 活科技領域教科書中各種探究式策略進行分析；王彩芬（2004）則對我國小學「自然與 生活科技」教科書中過程技能、科學與技術認知、科學態度、思考智能與教學策略的設 計等五方面進行分析。除此之外，還有針對自然與生活科技領域教科書中環境議題、STS 議題、生物多樣性概念…等進行內容分析。然而針對自然與生活教科書中的單元操作活 動進行相關研究者仍為少數。Duit 和 Treagust（1998）指出，學習環是依據建構式教學 目標而發展之活動模式的典型代表，且5E學習環各階段內容詳盡且明確，因此研究者認 為若能利用符合建構式教學理念之5E學習環教學模式來檢視國小三~六年級自然與生活 科技教科書電磁學相關概念單元之單元活動，應當可以適度地瞭解當前教科書關於科學 教學活動的設計方式是否符合建構式教學的理念，並希望本研究能提供教師選用「自然 與生活科技」教科書或出版商編定「自然與生活科技」教科書時參考的依據。

第二節 研究目的與待答問題

基於上述研究動機，本研究之主要目的如下： 一、瞭解各版本教科書「電磁學概念」之分布。 二、瞭解各版本教科書電磁學相關概念單元中「過程技能」的涵蓋情形。 三、瞭解各版本教科書電磁學相關概念單元活動在 5E 學習環階段的符合程度。 基於上述研究目的，本研究之主要問題如下： 一、各版本教科書所介紹「電磁學概念」之分布為何？ 二、各版本教科書有關電磁學相關概念單元運用哪些「過程技能」？

第三節 名詞界定

本研究旨在探討各版本教科書電磁學概念之分布、過程技能之涵蓋情形及各電磁學 相關概念單元之單元活動是否符合5E學習環教學模式各階段的內容，為使研究變項概念 能更清楚明確，茲就研究所涉及的主要名詞界定如下：

一、5E 學習環教學模式

本研究所稱之「5E學習環教學模式」是指美國生物科學課程研究BSCS(Biological Science Curriculum Study)在1980年代發展出的5E習環教學模式，包含以下五個階段：「投 入(Engagement)→探索(Exploration) →解釋(Explanation) →精緻化(Elaboration) →評量 (Evaluation) 」。

二、電磁學相關概念

「電磁學相關概念」在本研究中是指：國小三到六年級「自然與生活科技」教科書 中，內容中涵蓋有關（1）電的基本概念、（2）磁的基本概念、（3）電與磁的交互作用 及（4）勞倫茲力之概念。

三、單元活動

本研究所稱之「單元活動」是指單元中有關學生活動之內容，除了實際動手操作外， 觀察、討論、查詢資料亦包含在內。

四、九年一貫課程

本研究所指的「九年一貫課程」乃依據民國九十二年教育部所公布之「九年一貫課 程綱要」編定之課程。分為語文、數學、健康與體育、自然與生活科技、社會、藝術語 人文、綜合活動等七大領域，並以培養具備人本情懷、統整能力、民主素養、鄉土與國 際意識，以及能進行終身學習之健全國民為其基本理念。

五、過程技能

本研究之「過程技能」是指民國九十二年教育部所公布之「九年一貫課程綱要」中 所列的五項過程技能，包含觀察、比較與分類、組織與關連、歸納與推斷及傳達等五項。

六、專家概念圖

概念圖通常將某一主題的相關概念置於方框中（節點），並用連接線將兩個概念連 接起來，連接線上標上連接語，表示概念和概念間的關係，形成一幅網狀結構圖。本研 究之專家概念圖指的是依據九年一貫自然與生活科技領域課程標準所列之電磁學概 念，並參考電磁學相關書籍後，整合完成之圖，並經由專家審核評定之「電磁學專家概 念圖」。

七、國小自然與生活科技教科書

本研究所指的「國小自然與生活科技教科書」係指九十七學年度上、下學期，出版 商依據民國九十二年教育部發布「國民中小學九年一貫課程綱要」修訂完成，並通過國 立編譯館審核通過之國小各版本教科書，包含課本、學生用習作、教學指引或教師手冊。

第四節 研究範圍及限制

ㄧ、研究範圍

本研究對象為97年通過教育部審定通過之四個版本的自然與生活科技教科書，分別 為：H版、K版、N版及T版四個版本。針對其中「電磁學」相關概念單元，分析各版本 關於「電磁學」概念所涵蓋的範圍及單元活動所包含之過程技能，並利用5E學習環教學 模式檢視單元活動是否符合5E學習環各階段之內容。研究結果不宜推論至其他版本教科 書或教師自編教材。

二、研究限制

本研究考量時間與人力因素，只針對國小三-六年級自然與生活領域教科書電磁學 相關概念單元進行內容分析，研究結果不宜作為其他領域或範圍之實際延伸與推論。

第二章 文獻探討

本章旨在說明本研究之理論基礎，第一節探討教科書的涵義、重要性及自然與生活 科技領域教科書之課程沿革與編審制度；第二節介紹過程技能之重要性及九年一貫課程 中，過程技能之內涵及分段能力指標；第三節介紹建構主義之心理學基礎、派別及常見 的教學策略；第四節介紹學習環之發展、5E 學習環之內涵及相關研究並探究 5E 學習環 和科學探究之關係。

第一節 自然與生活科技領域教科書

ㄧ、教科書的涵義與重要性

「教科書」ㄧ詞在教育部國語辭典的定義為：教學活動中，在一定範圍內，專門編 寫給學生上課用的課本；在台灣中華書局發行的《辭海》定義為：依照法定科目，選擇 適當材料，編輯成書，用以教授學校學生者，稱教科書。學者黃光雄（1990）則將教科 書視為設計人員為學生所設計的書面材料，以引導學生學習各科目的內容，除學習內容 外，尚可能包括目標、重點、練習題、活動建議、評量工具等；國立編譯館館長藍順德 (2006)則將「教科書」的定義分為狹義和廣義，狹義的教科書係指依據政府公佈之課程 綱要所編輯之學生課本；廣義的教科書包括課本、學生習作、教學指引、教學媒體、實 驗器材等教學設備。 由以上資料看來，我們對教科書定義不再侷限在「印刷的書面資料」，電視、電腦、 CD、錄影帶…等視聽或電子媒體皆可視為教科書的一種形式。在資訊發達的 21 世紀， 許多商品都以電子型態來呈現，就連教師的教學活動與學生的學習方式也深受影響， Warming（1982）曾預測教科書會因為電腦的普及而地位下降，但事實上，在國中、小

學階段的教學現場，我們可發現教科書仍然是教師主要的教學材料、學生學習的主要來 源，此現象就如同 Apple（1995）所說：對中小學教育而言，教科書是課程主要的傳輸 機（major conveyer）。 除了來自教學現場的實際狀況可了解教科書的重要性外，研究顯示︰國內 90%以上 的國小教師「經常按照課本進行教學」（高新建，1991），美國教師的教學活動，大約 70% 至 90%是根據教科書來進行的（吳正牧，1994）。由此可知，不管是國內或是國外，僅 管電子或視聽媒體在教學上之使用有日益增多的趨勢，教科書仍然在教學具有一定的地 位與重要性。 美國國家科學基金會所委託的報告亦指出：「百分之九十的教師，於百分之九十的 教學時間是在引用教科書」（引自鍾聖校，1998），由此可知，教科書之內容決定了學生 的學習材料，學生在學校習得的經驗與體驗到的學習活動多由教科書來決定。教科書之 所以重要，正因為教科書具有下列功能（陳伯璋，1987；吳正牧，1994；方德隆，1999； 陳中德，2002）： （一）中小學教師多依據教科書或教學指引規劃授課內容與教學活動。 （二）教科書是學生最早接觸的正式學習書籍，是學習知識和技能最基本的工具。 （三）教科書由專家學者共同編輯，品質優於教師自編教材，教師亦可將編輯教材 的時間省下，將時間與精力用於教學活動之準備與學生之學習輔導上。 （四）教科書的內容編輯有一定的系統性與邏輯性，有助於教師教學之方便性、學 生概念學習之完整性，亦可做為家長了解學生學習與學校教學之媒介。 綜合以上學者的看法，教科書在教與學中實在扮演著不可或缺的角色，但值得注意 的是，教科書並非教師教學唯一的選擇，更非學生知識唯一的來源。教師在使用教科書 時，應依據學生特質、教學需要做彈性的調整，以免造成對教科書過度的依賴（陳明印，

二、自然與生活領域教科書之課程沿革與編審制度

我國教科書編審政策隨著時代變遷，分為九年國教實施前（民國 57 年以前）、九年 國教實施後（民國 57 年）至民國 78 年、民國 78 年~民國 84 年以及民國 85 年至 90 年 代四個時期來討論自然與生活科技領域教科書的課程沿革與編審制度。

（ㄧ）九年國教實施前（民國 57 年以前）

九年國教實施前，政府鑒於國際科學技術快速發展及時代需求，明訂民國 43 年為 「發展科學年」，致力於推動科學教育。在此階段，教育部成立科學教育委員會，ㄧ方 面修訂課程標準，另ㄧ方面研究美國最新科學教材並正式執行（林靜雯，2007），此時 期科學教科書採編審並行制，偏向ㄧ綱多本的政策（楊龍立，2005）。

（二）民國 57 年~民國 78 年

民國 57 年實施九年國教後，教育部重新訂定並公布國民小學課程標準。此時期遵 照九年國教一貫之精神，教材綱要著重觀察和實驗，概念發展也力求一貫（鍾聖校， 2000）。 民國 61 年，成立國民小學科學教育實驗研究指導委員會，及自然科學課程研究小 組，針對世界先進國家，尤其是美國，積極展開自然課程之研究。因此於民國 64 年頒 布的「自然科新課程標準」即是受到美國科學課程改進研究（Curriculum Improvement Study，簡稱 SCIS）、小學自然科學研究（Elementary Science Study，簡稱 ESS）以及科 學過程探討研究（Science-A-Process Approach，簡稱 SAPA）三種課程之影響，此自然 科新課程標準及其後開發的教材於 67 學年度由一年級開始，逐年實施新課程。直到 85 學年度「國民中小學自然課程標準」實施前，我國中小學課程皆以此課程標準為依據， 實施時間將近有二十年的光景（林靜雯，2007）。九年國教實施後，國中小學之科學教 科書採部編本全面ㄧ綱ㄧ本政策。

（三）民國 78 年至民國 84 年

民國 83 年，教育部公布新的國民小學課程標準總綱，其中含有將於 85 學年度實施 的「國民中小學自然課程標準」（鍾聖校，2000）。民國 78 年政府公布「改進高中暨國 民中小學教科用書編輯方式實施要點」，開放與升學無關的科目，教科書由書商編輯後， 經國立編譯館審查上市，自此我國教科書兼有一綱ㄧ本與ㄧ綱多本兩種政策（楊龍立， 2005）。此時期的科學教科書屬升學科目，因此不在開放範圍，仍由國立編譯館主編， 屬部編本教科書。

（四）民國 85 年至 90 年代

民國 85 學年度實施「國民中小學自然課程標準」（包含於民國 83 年公布之新課程 標準），並於民國 86 年成立「國民中小學九年一貫課程發展專案小組」，研訂九年一貫 課程總綱架構。民國 87 年 9 月完成「國民中小學九年一貫課程總綱綱要」，確定七大學 習領域分別為語文、健康與體育、社會、藝術與人文、綜合活動、自然與生活科技及數 學等七大領域，並完成課程架構，同年成立「各學習領域綱要研修小組」，負責研訂「國 民教育各學習領域課程綱要」。民國 88 年 12 月成立「國民中小學課程綱要審議委員會」， 負責審議並確認各學習領域課程綱要內容之適當性（王彩芬，2004）。 民國 89 年 9 月公布「國民中小學九年一貫課程暫行綱要」，並於同年 12 月決定實 施期程分為四個階段，第一階段：ㄧ年級；第二階段：ㄧ、二、四、七年級；第三階段： ㄧ、二、三、四、五、七、八年級；第四階段：ㄧ~九年級，第一階段於 90 學年度開始 實施，四年內全面實施。九年一貫自然與生活科技領域課程綱要也於 92 年 2 月 27 日公 布實施，其課程目標如下： 1.培養探索科學的興趣與熱忱，並養成主動學習的習慣。 2.學習科學與技術的探究方法和基本知能，並能應用所學於當前和未來的生活。

4.培養與人溝通表達、團隊合作及和諧相處的能力。 5.培養獨立思考、解決問題的能力，並激發開展潛能。 6.察覺和試探人與科技的互動關係。 （教育部，2003） 至於此時期自然與生活領域教科書之編審制度如下： 1.民國 85 年起，配合國小新課程標準的實施，國小升學科目教科書也逐年開放書 商編輯（林靜雯，2007），全面兼有ㄧ綱ㄧ本和ㄧ綱多本兩種政策（楊龍立，2005）。 2.民國 90 年起，由於教科書廠商及民意代表的壓力下，教育部決定不推出官方版教 科書，教科書全部皆由民間廠商負責編輯，國立編譯館僅負責審查工作，此時期 為ㄧ綱多本政策（無官方部編本）（楊龍立，2005）。 3.民國 92 年起，為解決對於民間廠商負責編輯的教科書出現的批判聲音，教育部於 92 年 1 月舉辦教科書制度公聽會，結果家長代表幾乎全數支持部編與民編並行， 因此 94 學年度開始，教育部委請國立教育研究院籌備處編印「數學」與「自然 與生活科技」教科書（林靜雯，2007），因此教科書又回到ㄧ綱多本和ㄧ綱ㄧ本 兩種政策（楊龍立，2005）。但「國小」教科書僅有「數學」領域有部編本教科 書；自然與生活科技領域教科書皆為民間廠商編輯，國立編譯館審定通過之教科 書，無所謂官方部編本教科書。

第二節 過程技能

科學過程技能最早由美國科學促進會（American Association for the Advancement of Science，簡稱 AAAS）提出，其所發展的「科學-一種過程取向」（Science- A Process Approach，簡稱 SAPA）課程即強調培養學生科學過程技能，SAPA 課程將過程技能分

應用數字、測量、傳達、預測、推理；四年級以上則再加入五種統整過程技能：下操作 型定義、控制變因、形成假設、實驗及解釋資料（辜憶昌，2006）。

一、科學過程技能之重要性

科學過程技能就是學習科學必須具備的研究方法和技巧，也就是科學家研究科學時 所使用的方法，可以有邏輯的、有條理的知道如何解決問題（許雅婷，2008）。透過過 程技能的使用，不僅解決科學上的問題，更期望學生能將此技能應用於生活中，解決發 生在自己周遭的問題。

台灣於 2006 年參與由經濟合作暨發展組織（Organisation for Economic Co-operation and Development，簡稱 OECD）所委託的國際評量計畫（The Programme for International

Student Assessment，簡稱 PISA），此次評量計畫針對科學領域進行施測，評量除了要求

學生應用科學概念了解及判斷自然界的現象，亦測量學生對科問題的辨別能力，是否懂 得運用證據作科學化的推論，並將結論與人溝通，評量所測量的科學概念與學生身處的 世界有密切關係，這些概念包括科學在日常生活、健康、環境和科技各方面的應用（資 料來源：http://pisa.nutn.edu.tw/default.htm）。由其內容可發現，測驗不僅評量學生科學 知識，也評量學生所具備的科學過程技能，學生不僅要了解科學概念，更要應用概念， 並使用科學過程技能來解決生活中的問題。 科學教育學者對過程技能的重視始於 1950、1960 年代，當時美國科學教育改革就 已發現科學學習不應該只有認知的傳遞，主張培養學生科學的探究能力，然而，對當時 的科學教育來說，探究能力的培養指的即是科學過程技能的培養，美國三項著名的科學 改革課程：「科學-過程取向」（SAPA）、「小學科學研究」（ESS）、「科學課程改進研究」 （SCIS）等均強調科學探究過程技能的培養（毛松霖、張菊秀，1997；顏弘志，2004）， 此外，Bruner、Schwab 和 Gagne 也強調培養學生科學過程技能（謝甫佩、洪振方，2004）。

和運用科學知識與技能以解決問題的能力。」由上述內容可知，不管是國內或國外學者 均強調科學過程技能的培養，過程技能在科學教育上之重要性亦可由此窺見。

二、九年一貫課程之過程技能

教育部（2003）指出九年一貫課程綱要自然與生活科技學習領域的主要目標在提升 國民的科學與科技素養，「素養」蘊含於內，即為知識、見解與觀念；表現於外，即為 能力、技術與態度，依其屬性和層次來分項，可分為過程技能、科學與技術認知、科學 本質、科技的發展、科學態度、思考智能、科學應用及設計與製作等八項。「過程技能」 為科學探究過程心智運作能力的增進，分為觀察、比較與分類、組織與關連、歸納與推 斷、傳達等五種過程技能，其詳細內容如下： 表 2-2-1 九年一貫課程過程技能各分段能力指標 過程 技能 階段 分 段 能 力 指 標 一 1-1-1-1 運用五官觀察物體的特徵（如顏色、敲擊聲、氣味、輕重…） 1-1-1-2 察覺物體有些屬性會因某些變因改變而發生變化（如溫度升 高時冰會融化） 二 1-2-1-1 察覺事物具有可辨識的特徵與屬性 觀 察 三 1-3-1-1 能依規劃的實驗步驟來執行操作 1-3-1-2 察覺一個問題或事件，常可由不同的角度來觀察而看出不同 的特徵 1-3-1-3 辨別本量與改變量之不同(例如溫度與溫度的變化)

一 1-1-2-1 依特徵或屬性，將事物歸類（如大小、明暗） 1-1-2-2 比較圖樣或實物，辨別相異處，說出共同處（如兩棵樹雖然 大小不同，但同屬一種） 二 1-2-2-1 運用感官或現成工具去度量，做量化的比較 1-2-2-2 能權宜的運用自訂的標準或自設的工具去度量 1-2-2-3 了解即使情況一樣，所得的結果未必相同，並察覺導致此種 結果的原因 1-2-2-4 知道依目的(或屬性)不同，可做不同的分類 比 較 與 分 類 三 1-3-2-1 實驗前，估量「變量」可能的大小及變化範圍 1-3-2-2 由改變量與本量之比例，評估變化程度 1-3-2-3 依差異的程度，作第二層次以上的分類 一 1-1-3-1 由系列的觀測資料，說出一個變動的事件（如豆子成長的過 程） 1-1-3-2 將對情境的多樣觀察，組合完成一個有意義的事件（如風太 大了葉子掉滿地，木板吹倒了…） 二 1-2-3-1 對資料呈現的通則性做描述(例如同質料的物體，體積愈大則 愈重…) 1-2-3-2 能形成預測式的假設(例如這球一定跳得高，因…) 1-2-3-3 能在試驗時控制變因，做定性的觀察 組 織 與 關 聯 三 1-3-3-1 實驗時，確認相關的變因，做操控運作 1-3-3-2 由主變數與應變數，找出相關關係 1-3-3-3 由系列的相關活動，綜合說出活動的主要特徵

一 1-1-4-1 察覺事出有因，且能感覺到它有因果關係 1-1-4-2 察覺若情境相同、方法相同，得到的結果就應相似或相同 二 1-2-4-1 由實驗的資料中整理出規則，提出結果 1-2-4-2 運用實驗結果去解釋發生的現象或推測可能發生的事 歸 納 與 推 斷 三 1-3-4-1 能由一些不同來源的資料，整理出一個整體性的看法 1-3-4-2 辨識出資料的特徵及通則性並做詮釋 1-3-4-3 由資料顯示的相關，推測其背後可能的因果關係 1-3-4-4 由實驗的結果，獲得研判的論點 一 1-1-5-1 學習運用合適的詞彙，來表達所觀察到的事物（例如水的冷 熱可以用燙燙的、熱熱的、溫溫的、涼涼的、冰冰的來形容） 1-1-5-2 嘗試由別人對事物特徵的描述，知曉事物 1-1-5-3 養成注意周邊訊息做適切反應的習慣 二 1-2-5-1 能運用表格、圖表(如解讀資料及登錄資料) 1-2-5-2 能傾聽別人的報告，並能清楚的表達自己的意思 1-2-5-3 能由電話、報紙、圖書、網路與媒體獲得資訊 傳 達 三 1-3-5-1 將資料用合適的圖表來表達 1-3-5-2 用適當的方式表述資料(例如數線、表格、曲線圖) 1-3-5-3 清楚的傳述科學探究的過程和結果 1-3-5-4 願意與同儕相互溝通，共享活動的樂趣 1-3-5-5 傾聽別人的報告，並做適當的回應 自然與生活科技學習領與教科書內容除了傳達正確的科學知識與觀念之外，也應透 過探究活動培養學生過程技能，因此上表之九年一貫過程技能第二及第三學習階段具體 目標也將成為本研究內容分析的項目。

第三節 建構主義教學策略

建構主義主張知識是由學習者主動建構的（Driver & Bell, 1986; 郭重吉,1995; 張靜

嚳, 1996），符合九年一貫課程所欲達成的課程目標為「激發主動探索和研究的精神」（教

育部，2003），因此若能將建構的精神落實於教學中，將有助於九年一貫課程目標之達 成。

ㄧ、建構主義之心理學基礎與派別

建構主義非ㄧ家之言，許多研究者從哲學、心理學、神經生理學觀點探討其背景， 一般認為建構主義深受Piaget 和Vygostky 的理論影響，許多建構主義者根據Piaget或 Vygotsky的理論，分別從不同的的觀點提出他們的詮釋（吳穎沺、蔡今中，2004）。

（ㄧ）Piaget 認知發展論

皮亞傑認為，知識來自行動（Ginsburg & Opper, 1988； Wadsworth,1996），兒童一 出生便利用自身的認知結構和基模與環境互動，探索未知的世界，透過經驗和互動，主 動建立起意義系統與對現實之瞭解的歷程，藉由同化與調適來處理新事物（Devries, 1997）。同化是依據個體原有之基模來了解新事件的歷程；調適則是個體修正原有之基 模，以適應新事件。在同化與調適的過程中，個體不斷經歷失衡與恢復平衡的歷程，兒 童也獲得學習與成長的機會（張文哲譯，2005）。 皮亞傑將兒童認知發展分為四個時期：感覺動作期、前運思期、具體運思期及形式 運思期，每個時期都會有新的智能展現出來，而智能的展現有賴於基模的失衡，為了消 除不平衡，兒童必須發展出新的基模或修改原有基模，在這過程中，兒童便需不斷的同 化與調適新訊息，主動建構知識（Anderson, 1989）。

建構主義是一種知識的理論，甚至是獲知的理論，他從皮亞傑的觀點說明知識與外在世 界的關係，提出建構主義的四項基本主張：(1)知識並非被動地接受，而是認知個體所主 動建構出來的；(2)社會交互作用對認知個體知識的建構有重要的影響力；(3)認知的功 能在於能夠適應環境；(4)認知的目的是幫助個體將所經驗的世界加以組織，而不是去發 現客觀存在的現實世界（引自林曉雯，2001）。

（二）Vygotsky 社會觀認知發展

Vygotsky（1962）以社會認知心理學的角度，主張個人知識應包含自發的知識和正 式的知識，也就是人自己建構的知識和學校或團體介入建構的知識（引自顏弘志、段曉 林，2006）。根據 Vygotsky 社會觀認知發展觀點發展出的建構主義派別為社會建構主義 （social constructivism）。社會建構主義強調人們的知識建構是互為主觀的，並與他人進 行社會互動且經協商達成共識，社會互動及文化情境如價值觀、意識型態對人們知識建 構有決定性的影響（楊志隆，2005）。 建構主義應用在學習上，有三個受到大家共識的原理；第一個原理：知識是學習者 主動的建構，而不是被動的接受或吸收。第二個原理是認知的功能在適應，是用來組織 經驗的世界，不是發現本體的事實。第三個原理則是知識是個人與別人經由磋商與和解 的社會建構（張靜嚳，2000）。根本（個人）建構主義、社會建構主義（social constructivism） 便是依據第二與第三個原理而來，除了上述兩個廣為人知的建構主義派別，還有傳統建 構主義（trivial constructivism），此建構主義支持著第一個原理。傳統建構主義認為， 知識是認知個體主動建構，不是被動的接受（王雅玄，1998）。

二、建構主義教學策略

建構主義強調以學習者為中心，學生在進入學習情境前，已有所謂的「先備概念」， 這些先備概念會影響學習者學習，而非如同白紙一般，任由教師灌輸新的知識與概念（吳

穎沺、蔡今中，2005），當新概念與原有概念相衝突時，認知衝突隨之產生，為了協助 學生能順利轉換新概念，教師需要以一個諮商者與引導者的角色介入學生的學習。但必 須注意的是，教師非以強行灌注知識的方式強迫學習者「背誦」與「記憶」，而是以教 學環境設計者、教學氣氛維持者、教材提供者的角色來輔助學生自行建構知識（楊龍立， 1998）。九年一貫課程綱要（教育部，2003）也強調以「學生為中心」進行「主動建構 的學習」，因此教師若能利用建構主義的理念來教學與設計課程，九年一貫的精神就能 真正落實在課堂中。

國外學者Driver, Asoko, Leach, Mortimer, & Scoti（1994）認為「建構主義教學」 （constructivist teaching）一詞可以簡單的表示教師們以建構式的觀點營造學習的環境， 協助學生建立概念或概念改變的教學。為了使建構主義教學從口號轉化為實際行動，國 內外教育研究學者提出許多以建構主義觀點來進行教學課程設計，以促進學習者的科學 學習的教學策略，常見的建構主義教學策略有5E學習環、學習環、概念構圖教學、建構 主義五階段教學模式、POE教學策略、科學-科技-社會課程（STS）教學模式及概念改變 與類比教學模式……等（整理自何俊青，2003；吳穎沺、蔡今中，2005；林靜雯、邱美 虹，2005；黃松源、王美芬，2001），以下就這些教學策略做介紹：

（一）5E學習環

美國生物課程計畫(Biological Sciences Curriculum Study，簡稱BSCS)小學課程根據 三階段學習環的理念，發展出合乎建構主義特性的5E學習環教學模式，其步驟為投入-探索-解釋-精緻化-評量。Duit等人（1998）指出5E學習環可以說是建構教學的一個典型 代表，且其各階段之內容較為詳盡與完整，因此，本研究將以5E學習環來檢視國小自然 與生活科技教科書之電磁學相關概念單元活動是否符合學習環五個階段的內容。

（Exploration）、發明（Invention）、發現（Discovery），後來Karplus又將它修改為探索 （Exploration）、概念引介（Concept introduction）、概念應用（Concept application），此 三階段教學步驟常被應用於科學課程題材與教學策略。Karplus認為小學的自然科學學習 以學習者本身的經驗和觀察為基礎，學習者主動發現問題，並從解決過程中累積新訊息 於既有的知識系統中，並將新資訊與已建立的知識架構互相連結，而學習環的教學步驟 剛好合乎此ㄧ理念。

（三）概念構圖教學

概念圖（concept map）是美國科學教育學者 Novak 及 Gowin 發展出來的，概念圖 通常將某一主題的相關概念置於方框中（節點），並用連接線將兩個概念連接起來，連 接線上標上連接語，表示概念和概念間的關係，形成一幅網狀結構圖，而建構概念圖的 歷程即為「概念構圖」（concept mapping）（王美芬、熊召弟，2005）。從學習者所繪製 的概念圖可以了解學習者原有認知結構、教學後概念建構情形，也可藉由概念圖診斷學 生迷思概念及概念改變情形。

（四）建構主義五階段教學模式

建構主義五階段教學模式為Driver & Oldham（1986）於兒童學習科學課程發展計 畫（Children’s Learning in Science Project﹐簡稱CLIS）中提出，其五個階段分別為確定 探討的方向、引出學生的想法、學生概念的重組（澄清交換-衝突情境-建構新概念-評 鑑）、應用新概念、回顧概念的改變。

（五）POE教學策略

POE教學策略是改良「Demonstrate（示範操作）-Observe（觀察）-Explain（解釋）」 （簡稱DOE）策略而來的，White和Gunstone（1981）認為讓學生在觀察前先預測可能 的實驗結果，可以幫助教師了解其原本的認知結構，又能引發學生的學習興趣，因此預 測階段有助於教學成效的提升且能找出學生的另有概念及了解其概念改變，所以White

和Gunstone（1992）提出了「預測（predict）－觀察（observe）－解釋（explain）」（簡 稱POE）的教學程序。 1.預測：現象發生前請學生依其原有的認知來預測結果，並寫下預測的理由。 2.觀察：現象發生後後請學生將觀察結果（真正發生的現象）寫下。 3.解釋：請學生解釋預測與觀察之間的差異。這個階段是POE教學策略中最重要的 一個步驟，由於POE策略所選擇的事件通常是學生常出現的另有概念，因此當預 測與觀察結果不相同時，認之衝突隨之產生（許良榮、劉正華，2004），學生必 須在預測與觀察中不斷協調而達概念改變之目地。

（六）STS教學模式

STS（科學-技術-社會）教學模式的基本理念是在自然科教學中，融入社會議題（如 環保問題、能源問題）或是引起爭議的社會事件，透過討論、辯論、小組合作、價值澄 清等策略，尋求問題解決的最佳方式（鍾聖校，1998），其教學分為四個階段，分別為 邀請-探索、發現、創造-提出解釋和解決-採取行動（王美芬、熊召弟，1995）。Abruscato （1992）、Penick（1994）認為STS課程強調學生的學習中，除了認知行為外，也應重視 情意的意義與價值，並主張科學學習主題應包含事實、概念與價值。若將STS的教育理 念和以培養學生科學概念及過程技能為主的傳統教育相比，STS教學模式更重視價值澄 清的討論。

（七）概念改變與類比教學策略

Posner, Strike, Hewson, & Gertzog（1982）主張要讓學習者產生概念改變需有四項 條件：（1）不滿足（Disatisfacation）-學習對現有概念不滿意；（2）可理解的（Intelligible）

-新概念對學習者而言是可理解的；（3）合理的（Plausible）-學習者認為此概念是可理

無法解決的問題，而新概念又符合後面三個條件的狀況下，概念改變才會發生。 類比教學法是概念改變教學策略中常見的方法，類比教學法的步驟為：介紹標的 物、辨識相似處、確認標的物與類比物之間特性的相關、標識相似處、對於標的物提出 理論及指出類比何時失效（引自王美芬、熊召弟，1995）。 由以上內容可以知道，有很多教學策略都能符合建構主義之理念，本研究之所以選 擇5E學習環來分析科書單元活動的編排，其主要原因為5E學習環教學模式有明確的教學 步驟，且各步驟之內容有詳盡的依循標準，適合用來檢視教科書單元活動內容之編排流 程是否符合建構主義之精神。

第四節 5E 學習環

ㄧ、學習環之發展

學習環已不是新名詞，學習環之理念最早在1962年由J. Myron Atkin及Robert Karplus提出，其發展一套 “guided discovery”（引導發現）的教學法，他們將學習分為 “發 明-新觀念的起初引入”（invention-the initial introduction of a new concept）、“發現-驗證” （discovery-verification）及“擴充”（extension）。此時，尚未有“探索”（exploration）或“學 習環”（learning cycle）這些名詞。同年夏天，Karplus到教育服務中心的小學科學教育部 門工作，他發現兒童需要時間去探究一個實驗，探究之後才進行“發明”（invention）與“發 現”（discovery）。1967年，Karplus與Thier出版一本著作，書中以布魯納的發現學習理論 為 基 礎 ， 提 出 一 套 三 階 段 之 教 學 步 驟 “ 探 索 ”-“ 發 明 ”-“ 發 現 ” （Exploration-Invention-Discovery），此三階段教學步驟在1970年代中期SCIS課程完成 時，以“learning cycle”這個名詞出現於教師手冊中，學習環教學模式正式被提出（許榮 富、楊金文、洪振方，1990；姚珩，1994）。期間經過多位學者的修改，雖然在名稱上

有所不同，但在內容及基本觀念上是相同的（鍾聖校，1998）。今將其整理如表2-4-1（參 考鍾聖校，2000；許順欽，2003）：

表 2-4-1 學習環之發展沿革

年代 學者 學習環之名稱

1967 Karplus & Their

探索 發明 發現

1977 Karplus & Lawson

探索 概念引介 概念應用 1979 Erikson 經驗 發現異例 重整概念

1981 Novick & Nussbaum

呈現別種概念想法 製造概念衝突 鼓勵認知調適

1983 Renner et. al.

經驗 詮釋 概念深入

1984 Smith & Good 等

經驗 詮釋

表2-4-1 學習環之發展沿革（續）

1988 Lawson et. al.

探索 名詞引介 概念應用

1989 Carin & Sund

探索 概念引介 概念應用 1991 Hackett 導入 探索 發展 應用

1993 Bybee & Landes

投入 主動探索 解釋說明 精緻化 評量

1994 Westhrooks & Rogers

解釋 驗證假設 設計實驗

Karplus在1967提出學習環三階段後，由於許多教師對“Invention”、“Discovery”這兩 個階段在真實的教育情境中代表的真正意涵有所疑問，因此在1977年，Karplus將學習環 三階段改為 “探索- 概念引介- 概念應用”（Exploration-Concept Introduction- Concept Application）。 A. E. Lawson在1988年對此學習環第二階段提出質疑，Lawson認為教師

僅能引介“名詞”（Term），不能教導“概念”（Concept），因此其將學習環第二階段改為“名

詞引介”（Term Introduction），並發展「概念形成與改變的一般化模式」，將學習環分成 三大類，分別為描述型學習環、經驗外展型學習環、假設演繹型學習環（許榮富、楊金

（1）描述型學習環

師生僅描述其觀察到的現象，並未對現象作進一步的解釋。

（2）經驗外展型學習環

利用學習者已有的先備知識，在概念探索階段提出和其先備知識有關的因果問題， 學習者藉類比推理以轉換原有概念到新情境中。

（3）假設演繹型學習環

使學童使用高層次的推理能力或過程技能，學習者就該因果問題提出假設，進而收 集資料、嘗試驗證。最後這些概念及推理模式在新情境中再被應用。 學習環是一種很有彈性的教學模式，在不同階段可使用不同的教學策略與學習型 態，例如討論、實驗、講解、閱讀、影片欣賞等，但必須注意的是，學習環各階段的學 習型態可以任意變換，但各階段的順序卻不能任意改變，甚至刪除其中之一，若學習環 的順序改變或任一階段被刪除，此教學模式即非學習環。

二、5Ｅ學習環之內涵

美國生物課程計畫(Biological Sciences Curriculum Study，簡稱BSCS)小學課程在 1980年代修改三階段學習環理念，發展出五階段學習環模式，分別為投入、探索、解釋、 精緻化和評量，此具有建構主義特性之五階段學習環教學模式即是所謂的「5E學習環教

學模式」（熊召弟等譯，1996）。今將5E學習環教學模式之內容整理如下（林曉雯，2001；

黃建彰，2006；Bybee & Landes，1988）：

1、投入（engagement）：教師以活動或問題引起學生好奇心與反應並與學生舊經驗作 連結，使學生有興趣主動參與教學活動，除此之外，教師也能透過問題或活動了解 學生的先備知識。

E3：解釋（explanation） 【提出解釋，學習新概念】 E5：評量（evaluation） E4：精緻化（elaboration） 【應用新概念】 E2：探索（exploration） 【學生探索，澄清概念】 E1：投入(Engagement) 【連結舊經驗、發現問題】 的想法為基礎，幫助學生澄清概念，並介紹正確的科學概念或技能。 4、精緻化（elaboration）：讓學生將學得的新概念應用於新的情境或問題中，並將科學 概念與過程技能應用在日常生活與事件中。 5、評量（evaluation）：教師評量學生進步情形，也鼓勵學生自評他們學到的概念或技 能。並提供學生應用科學概念或技能的機會，也可使學生重複學習環不同步驟，以 促進其概念與技能之成長。 其活動流程如下圖所示（游淑媚，1996；引自黃松源、王美芬，2001）： 圖 2-4-1 「5E 學習環教學模式」流程圖 圖中虛線部分是指在投入、探索、解釋、精緻化及評量五個階段後，再次循環探索、 解釋、精緻化過程等階段，亦可在進行投入、探索、解釋、精緻化四個階段後，即再次 重覆探索、解釋、精緻化過程等步驟以達成教學的目的，也就是說，在一個新概念的教 學中，教學者可視學生的學習情形不斷重複學習環的教學步驟，以達學生自行建構知識

的目的（黃松源、王美芬，2001）。除此之外，在每個主概念下細分的小概念學習時， 可不需完整經歷學習環五階段，但階段順序不可更改。在 5E 學習環的每個階段中，教 師及學生都有其要做的事，說明如表 2-4-2： 本研究的目的之ㄧ為「瞭解各版本教科書電磁學單元活動在 5E 學習環階段的符合 程度」，教科書為教師上課時引導學生學習的工具，因此各版本教科書的文字敘述多為 教師引導學生討論、操作之用語，綜觀現今各版本教科書可以發現，教科書多以簡單的 文字和語句呈現內容，在這樣的情況之下，教師在教學時很難掌握出版商在編輯教科書 時真正想表達的內涵或用意，因此出版商會編印一本教師手冊，內容中詳細說明教學流 程及注意事項，以供教師教學之參考與使用。從上表可知，學習環各階段老師有其應做 的事，基於此，教科書或教師手冊如能在文字、用語與內涵的呈現上符合其理念，也就 能符合學習環各階段的要求。

表 2-4-2 5E 學習環各階段教師及學生應做的事 學習環階段 教師應做的事 學生應做的事 投入（E1） ●引起興趣。 ●產生好奇心。 ●提出問題。 ●引出學生的回應，而此回應可發現 學生對此概念/主題的了解或想法。 ●提出問題，如：為什麼會發生這 情況？關於此情況我已經知道些 什麼？ ●對所探討的主題感興趣。 探索（E2） ●鼓勵學生在沒有老師直接教導下共 同工作/操作。 ●觀察與傾聽學生的互動。 ●必要時詢問深入的問題以改變學生 研究方向。 ●提供學生思考問題的時間。 ●扮演諮詢者的角色。 ●在活動範圍內自由思考。 ●驗證預測及假設。 ●形成新的預測與假說。 ●嘗試其他方法並與他人討論。 ●記錄觀察及想法。 ●暫時不作判斷。 解釋（E3） ●鼓勵學生解釋概念並用自己的話下 定義。 ●要求學生提出理由（證據）與意義 澄清。 ●正式提出定義、解釋與新符號。 ●以學生先前的經驗作為基礎來解釋 此概念。 ●向他人解釋可能的解答或答案。 ●批判地傾聽他人的解釋。 ●對彼此的解釋提出問題。 ●傾聽並嘗試理解教師提供的解 釋。 ●解釋時提到先前的活動。 ●解釋時應用到觀察時的紀錄。

表2-4-2 5E學習環各階段教師及學生應做的事（續） 精緻化（E4） ●期待學生運用先前提供的正式符 號、定義及解釋。 ●鼓勵學生應用或延伸此概念及技巧 在新的情境中。 ●提醒學生另外的解釋。 ●指導學生展現資料及證據並問學 生：你已經知道什麼？為什麼你認 為…？ ●在相似的情況中應用新的符號、 定義、解釋及技巧。 ●應用先前的資訊來提問、提出解 答、下結論並設計實驗。 ●根據證據提出合理的結論。 ●紀錄觀察結果與解釋。 ●檢查同儕間的認知理解。 評量（E5） ●觀察學生應用新的概念與技能。 ●評量學生的知識和/或技能。 ●找出學生已改變其想法或行為的證 據。 ●讓學生評量自己的學習及團體過程 技能。 ●詢問開放性的問題，如：為什麼你 認為…？你有什麼證據？你如何解 釋X？關於X你知道什麼？ ●利用觀察結果、證據及先前接受 的解釋來回答開放性問題。 ●表露出對概念或技巧的理解或知 識。 ●評價自己的進步與知識。 ●提出對未來研究有幫助的相關問 題。

資料來源：BSCS(1997). Biology: A Human Approach。BSCS 版權所有，Kendall/Hunt 出 版公司出版。引自 Llewellyn, D. (2005)

實作方式來進行」。由此可知，科學探究在學校科學課程中具有一定程度的重要性（洪 振方，2003），然而欲使學生培養科學探究之能力，教師的教學方式亦需改變，也就是 說，傳統的講述式教學法需要重新被審視與改革，以期符合探究之精神。教科書是教師 在教學上重要的教學工具之一，因此教科書之編輯方式若能符合探究之精神，將有助於 探究教學之落實。 在1990年之前，多數的教育學者認為科學由知識所組成，因此藉由教學可以將這些 科學知識傳授給學生。在1909年，美國著名的教育思想家John Dewey對此觀點提出批 判，他認為科學教學太過強調訊息的累積，卻欠缺科學即是思考的路徑及心智態度這方 面的教育。因此，Dewey（1910）認為，學生學習科學不僅是學習知識，同時也應學習 過程或方法，然而Dewey所強調的過程或方法即是今日我們所謂的科學探究。 在探究與全美科學教育標準（NRC，2000）一書中指出，探究取向的科學教育應 包括下列五個階段（陳均伊、張惠博，2008。洪振芳，2003）： （一）階段一（發現問題）：使學生接觸問題、現象或事件，藉機製造與其想法衝突之 事件。 （二）階段二（試驗）：學生經由動手操作的過程，檢驗假說、解決問題，並探討所提 出的解釋之合理性。 （三）階段三（結果分析）：學生分析數據並詮釋實驗結果，綜合想法，建立模型，藉 著教師或其他來源的科學知識，澄清概念與解釋。 （四）階段四（解釋與應用）：學生能將所學及理解應用於新的情境之中。 （五）階段五（評鑑）：學生自我評估或教師評鑑學生所學，及如何習得。 在上一節的討論中提到 5E 學習環教學模式的五個階段及其內容，研究者今將美國 國家研究委員會（NRC）所提出的探究教育五階段與本研究所採用 5E 學習環教學模式 五階段兩者間的關係，整理如圖 2-4-2：

NRC 探究教育五階段 5E 學習環教學模式五階段 圖 2-4-2 NRC 探究教育五階段與 5E 學習環教學模式五階段關係圖 由上圖可知，本研究所採用的5E學習環教學模式五個階段和美國國家研究委員會 （NRC）所提出的探究教育五階段，雖然在名稱上有所不同，但內容本質上卻是相同的。 因此，在1980年代由BSCS發展出來的5E學習環教學模式五階段即使歷經時代的變革， 仍為一符合探究精神之教學法。

四、5E學習環教學模式在自然科課程之相關研究

（一）5E學習環教學模式在自然科課程之應用

階段一：發現問題 階段二：試驗 階段三：結果分析 階段四：解釋與應用 階段五：評鑑 階段一：投入 階段二：探索 階段三：解釋 階段四：精緻化 階段五：評量

教學的一種工具，它利用一組精心安排的基本概念，也就是幾個主要的變量來解釋課堂 教學裡的師生活動（吳棠，1992）；教學模式也是一種可以用來設置課程、設計教學材 料、指導課堂或其它場合的教學計畫或類型（趙中建等，1992）。因此，教學模式常被 用來發展課程，對於學習環在課程設計上的應用，已有許多國內外學者進行相關研究， 研究者整理近五年內國內有關學習環在科學教育課程上之研究有： 許順欽（2004）以國小四年級學童為研究對象，探討以操作科學玩具進行毛細現象 單元的學習方式，並結合Hackett的「導入、探索、發展、應用」四階段學習環理論及創 造性問題解決的教學策略，是否可以促進學生創造性問題解決能力的研究中發現：以科 學玩具輔助教學與結合創意思考教學的學習方式，可以促進學生創造性問題解決的能力 且學生經由教學活動可以深入了解科學知識、概念及其應用、開發創造力解決問題。 陳裕方（2005）以準實驗研究法探討國小六年級學童經過5E建構式學習環概念改 變教學後，學童對「生鏽」單元迷思概念改變情形，並比較接受5E建構式學習環概念改 變教學策略與接受傳統教學學童在教學後學習成效的差異。研究結果顯示：雖然在前、 後測比較中，控制組略優於實驗組，但在前、延宕測驗及後、延宕測驗的比較中皆可發 現實驗組優於控制組。另外，比較後、延宕測驗後的晤談，發現實驗組概念改變符合科 學家概念題數較多，概念變差題也較少。可見5E學習環教學有助於學生概念之改變，學 習成效也較好。 曾燕玲（2006）以所羅門四組準實驗研究探討國小六年級學童實施5E學習環教學 輔以KWL圖表之策略後，學童在「燃燒」概念改變之情形，並比較5E學習環教學策略 與一般教學對學童學習後燃燒概念持續之影響。研究結果發現：接受5E學習環教學之學 童在燃燒迷思概念二階層診斷測驗得分顯著高於接受一般教學之學童(P<.05)；接受5E 學習環教學之學童在燃燒概念構圖得分顯著高於接受一般教學之學童(P<.05)；接受5E 學 習 環 教 學之 學 童 在燃 燒 概 念學 後 延 宕測驗 得 分 顯 著高 於 接 受一 般 教 學之 學 童 (P<.05)。由此結果可知5E學習環在教學之成效。

侯佳典（2008）以準實驗研究法探討對國二學生實施5E探究式學習環教學後，學 生對於浮力迷思概念的概念改變成效如何。研究結果發現：以5E探究式學習環教材進行 教學的實驗組，浮力迷思概念的改變情形明顯優於以一般教材進行教學的控制組，兩者 診斷試題的進步分數達顯著性差異（***p＜0. 001）。而5E探究式學習環對克服浮力迷 思概念、學習科學概念具有很好的成效；5E學習環造成實驗組學生浮力概念改變的機制 集中在「探索」、「解釋」階段，主要為『解釋』階段，其次是「探索」階段。 林佳儀（2008）採用準實驗研究法探討對國一學生實施5E學習環教學策略後，學 生對於演化概念的學習成效及學生知覺感受的差異。研究結果顯示：在演化迷思概念問 卷及演化開放式問卷中，實驗組得分顯著優於對照組（p＜.05）；實驗組中能應用達爾文 四個理論要素完整解釋生物演化過程的學生高達63％，對照組則只有12.9％；兩組學生 在學習環境量表上的表現，實驗組在「探究」和「學生參與」兩個份量表上得分顯著高 於對照組（p＜.05）。由此研究結果顯示學生透過5E學習環教學策略所設計的探索活動 及演化模擬實驗的進行，較傳統講述式教學法更能促使學生課堂的參與，經過探究的活 動學生建構他們能接受且能應用的知識，改善演化迷思概念，並更瞭解生物演化的過程。 由以上研就可以發現，5E學習環策略在改善學生迷思概念上有顯著的成效。針對 5E學習環在電磁學單元的研究有林淑靜（2006）以兩個九年級班級為研究對象，實驗組 實施結合5E教學環及科學寫作的開放式探究教學；對照組實施結構式探究教學，探討兩 班在「磁與電流」單元的概念理解程度、科學教室環境氣氛及學生自行設計實驗能力等 三方面的改變情形。研究結果發現：實驗組在「磁與電流」概念理解程度及自行設計實 驗能力皆顯著優於對照組；在教室氣氛量表(WIHIC)中的參與、探究、任務取向、合作、 平等、教師支持等六個向度的感受程度，亦相對顯著優於對照組。 黃欣玲（2008）對任教的一班國中三年級學生「電學」單元實施5E探究式教學，

度，得分提升且達到顯著差異；學習成就方面，電學成績得分提升且達到顯著差異；由 科學教室環境量表前後測的結果分析可以得知：學生在「同學親和」、「學生參與」、 「探究」、「合作」、「平等」等向度，得分提升而且達到顯著差異。 5E學習環除了可以提生學生學習成究之外，在提升學生科學學習態度、學習動機、 觀察力之表現亦有助益（魯慧敏，2005；林姿妙，2006；邱榮章，2007；楊仕熙，2008）。 林世苗（2007）、楊仕熙（2008）、林建隆和徐順益（2007）、林姿妙（2006）、邱榮章（2007） 則以行動研究的方法探討以5E教學模式發展課程時所遭遇到的困難與解決方式，研究發 現：研究者（教學者）對5E探究教學模式不熟悉、學生不知如何進行探究教學活動、教 學進度難以掌控、分組學習產生的問題、教學資源不足等為主要遭遇的困難，針對上述 困難，則以適合落實於課室教學之策略為主要解決方式。

（二）5E學習環教學模式與本研究之探討

綜合以上研究可以發現，5E學習環常被拿來當作概念改變教學模式或利用5E學習 環符合建構的理念來發展課程，然而在實際的教學現場，研究者（教學者）在發展課程 上卻有其困難存在，基於此，若是教科書本身能以5E學習環教學模式的理念來設計與編 排，將有助於教學者之使用。現今中小自然與生活科技教科書之編輯以九年一貫課程綱 要做為依據標準，因此對於教科書之內容是否符合九年一貫課程綱要之要求已有許多研 究者做過相關研究，但國內至今尚未有研究者利用5E學習環來分析教科書之單元活動， 因此，本研究擬以5E學習環檢視教科書單元活動編排方式是否符合學習環之五個階段。

第三章 研究方法與設計

第一節 研究方法

本研究要探討各版本教科書「電磁學」概念分布範圍、各版本電磁學相關單元操作 活動是否符合5E學習環教學模式及包含哪些過程技能，因此採用內容分析法做為本研究 之研究方法，藉由內容分析法「質」與「量」並重之特性進行各版本教科書之內容分析。

ㄧ、內容分析法之內涵

內容分析法的誕生可追溯到十八世紀瑞典之「錫安歌集的爭論」（王石番，1996）。 內容分析法發展於二十世紀初，最早被應用在報紙之分析研究，隨著研究技術的成熟， 已成為大眾傳播和社會科學最常使用的一種研究方法（曾郁庭、李隆盛，2005）。內容 分析法又稱為資料分析、文件分析或檔案研究法，近年來已成為教育研究常使用的一種 方法，研究對象逐漸擴及教科書課程材料，且教材的內容分析已成為當前課程研究的重 要領域之ㄧ（黃光雄、簡茂發，1991）。 內容分析法是一種量化的分析過程，但並不表示是一種純粹「量的分析」，它是以 傳播內容「量」的變化來推論質的變化，因此是一種「質」與「量」並重的研究（黃光 雄、簡茂發，1991）。歐用生（1997）認為內容分析法是透過量化的技巧以及質化的分 析，採客觀與系統的態度，進行文件內容的研究分析，藉以推論文件內容意義的一種研 究法。 由以上的敘述可知，內容分析法是一種「質」與「量」並重，且適用於教科書分析 之研究法，也是本研究採用之原因。

二、研究步驟

本研究之內容分析步驟如下（參考王石番，1991；呂文靜，2005）: 圖 3-1-1 本研究內容分析步驟

第二節 研究對象

本研究以九十七學年度通過教育部九年一貫課程綱要審定之自然與生活科技教科 書（包含課本、學生習作及教學指引/教師手冊）中，內容涉及「電磁學」相關概念之單 元作為研究對象進行分析。檢視各版本三~六年級自然與生活科技教科書，其內容涉「電 磁學」相關概念之單元總計有四個版本，分別是H版、K版、N版和T版，共計十二個單 元，各版本之詳細資料如附錄一。研究者將我國現行各版本「自然與生活科技」領域課 選定分析對象 形成問題與假設 建構類目 界定分析單位 建立量化系統 建立信、效度 分析內容編碼 資料分析 解釋與推論 撰寫報告

程中，包含電磁學概念之單元名稱整理如表3-2-1，為了瞭解各版本自然與生活科技領域 教科書「電磁學相關概念」單元活動設計之內容及所欲達成之目標，再將各單元活動名 稱及目標詳列於表3-2-2~3-2-5。除此之外，根據九年一貫課程綱要自然與生活科技學習 領域有關「電磁學」之教材內容要項，整理成表3-2-6。 表 3-2-1 各版本教科書電磁學單元名稱 版本 年級 單元名稱 H 版 K 版 N 版 T 版 三上 奇妙的磁鐵 磁力 力的作用 - 三下 - - - 生活中的力 四上 燈泡亮了 - 電路 DIY - 四下 - 通電的玩具 - 燈泡亮了 五上 - - - - 五下 - - - 力的世界 六上 電磁作用 電磁作用 奇妙的電磁世界 - 六下 - - - - 註：1.「-」表示無「電磁學」概念相關單元。

表 3-2-2 H 版自然與生活科技教科書「電磁學」單元活動設計及目標 年級 (冊數) 單元 單元活動名稱 單元目標（教學重點） 三上 （一） 二 、 奇 妙 的 磁 鐵 2-1 奇妙的磁鐵 2-1-1 認識磁鐵磁極 2-1-2 觀察磁鐵靜止時指向 2-1-3 認識磁力特性 2-2 磁鐵的應用 2-2-1 生活中常見的磁鐵 2-2-2 察覺增強磁力的方法 2-3 好玩的磁鐵 2-3-1 設計磁鐵遊戲 2-3-2 賽船遊戲 1.察覺磁鐵有同極相斥、異極相吸 的特性。 2.察覺磁鐵的兩極吸力最大。 3.察覺磁鐵靜止時，磁鐵的兩端會 指向同一個地方。 4.察覺磁鐵隔著物品仍能吸引鐵 製品。 5.能觀察生活中應用磁鐵的地方。 6.察覺磁鐵加了鐵片可以增加吸 力。 7.能利用磁鐵進行遊戲。 四上 （三） 四 、 燈 泡 亮 了 4-1 讓燈泡亮起來 4-1-1 發亮的燈泡 4-1-2 使燈泡更亮 4-1-3 讓兩個燈泡一起亮 4-1-4 簡易開關 4-2 會動的玩具 4-2-1 會動玩具的秘密 4-2-2 製作會動的玩具 4-3 電池妙用 4-3-1 各式各樣的電池 4-3-2 電的功能 1.認識通路、斷路的概念，並認識 燈泡串聯、並聯，以及電池串聯、 並聯的接法。 2.利用容易導電的物品製作簡易 開關，並應用電路及簡易開關和小 馬達來製作會動的玩具。 3.了解電池的種類及用途，並知道 電池回收的重要性。