以序列性POE探究國小科學教師之科學解釋的研究-以「大氣壓力與表面張力」為例

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(1)國立臺中教育大學科學應用與推廣學系碩士論文. 指導教授：許良榮. 博士. 以序列性 POE 探究國小科學教師之科學解釋的研究－以「大氣壓力與表面張力」為例. The Study of Exploring Elementary School Science Teachers’ Scientific Explanation by Using the S-POE Strategies –An Example on “Atmospheric Pressure and Surface Tension”. 研究生：巫少岑撰中華民國九十六年十二月.

(2) 以序列性 POE 探究國小科學教師之科學解釋的研究－以「大氣壓力與表面張力」為例摘要本研究之目的為利用「序列性 POE（Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE）」策略，設計前後具相關連性，與「大氣壓力、表面張力」相關的五個 POE 實驗，讓國小科學教師進行預測、觀察與解釋，探討其對於「大氣壓力、表面張力」相關現象之科學解釋能力、解釋類型與解釋融貫性（explanatory coherence)的特徵。本研究為質性研究，以個別晤談的方式蒐集資料，資料來源包括訪談內容和實驗活動單，採用立意取樣的方式，選取台中市 20 位國小科學教師作為研究樣本。由研究結果發現：（1）在五個 S-POE 實驗活動「解釋」階段理由的部分，除了在實驗一有 16 位國小科學教師（80％）能夠提出符合科學的解釋之外，在其餘的各個 POE 實驗中，能夠提出符合科學概念理由者皆未達全部受訪教師人數的 40％，顯示國小科學教師對於與「大氣壓力、表面張力」相關現象之解釋能力有待提升。（2）國小科學教師所提出的解釋類型包括有：機械的、實用的、套套邏輯（循環論證）的、直覺的、日常生活用語的、和無法提出說明的六種解釋類型。（3）在兩個實驗之間，國小科學教師提出的理由達到解釋融貫性者皆未超過 13 人（65％），其中教師在實驗二與實驗三之間所提出的理由能符合解釋融貫性者最多，而在實驗二與實驗四之間能提出符合解釋融貫性理由者最少。（4）教師在提出解釋時最容易忽略「表面張力」的因素，使得理由未能符合解釋融貫性的原則，而呈現出情境相依（context dependence）的現象。研究者依據研究結果針對科學教育與未來研究方面提出若干建議。關鍵詞：大氣壓力、解釋融貫性、科學解釋、序列性 POE、表面張力. I.

(3) T h e St u d y o f E x p l o r i n g E l e m e n t ar y S c h o o l S c i e n c e Te ac h e r s ’ S c i e n t i f i c E x p l a n a t i o n by Using the S-POE Strategies –An Example on “Atmospheric Pressure and Surface Tension” Abstract The purpose of the study was to explore elementary school science teachers’ abilities of scientific explanations, types of explanation and explanatory coherence based on some natural phenomenon of “atmospheric pressure and surface tension” by using the S-POE（Sequential Predict-Observe-Explain）strategies. The study was a qualitative research. The researcher collected data by conducting individual interviews and utilizing experimental activity sheets. With purposeful sampling, twenty science teachers from elementary schools in Taichung city were selected as the subject. The main findings of this study were as follows:（1）There were sixteen science teachers（80％） who can bring up scientific explanations in the first experiment, in the rest of POE experiments, people who can bring up scientific explanation are less than 40 ％ of the total interviewed teachers. It revealed that science teachers lack of the ability to explain the natural phenomenon of “atmospheric pressure and surface tension.” （2） Science teachers’ explanations could be categorized into six types, i.e., mechanical, practical, tautological, intuitional, colloquial and “can-not-explain” types.（3）From the research results, the investigator also found that less than thirteen teachers（65％） who can bring up scientific explanations to correspond with the explanatory coherence between two experiments. The major part of the teachers presented well between the second and the third experiment, while a small minority answered well between the second and the fourth experiment.（4）Teachers could easily neglect the factor of “surface tension” when explaining, and that makes their reasons not correspond with the requirements of the explanatory coherence but display the context dependence. Suggestions were submitted for science education and future studies.. Keywords: Atmospheric Pressure, Explanatory Coherence, Scientific Explanation, S-POE（Sequential Predict-Observe-Explain）, Surface Tension. II.

(4) 目次第一章. 緒論 ..................................................1. 第一節. 研究背景與動機 ..................................... 1. 第二節. 研究目的與問題 ..................................... 6. 第三節. 名詞解釋 ........................................... 6. 第四節. 研究範圍與限制 ..................................... 8. 第五節. 研究的重要性 ...................................... 10. 第二章. 文獻探討 .............................................11. 第一節解釋與科學解釋 .................................... 11 第二節. 解釋類型 .......................................... 17. 第三節. 科學解釋相關實徵研究 .............................. 25. 第四節科學解釋的評量 .................................... 32 第五節. 解釋融貫性 ........................................ 35. 第六節. POE 的理論基礎與相關研究 .......................... 39. 第三章. 研究方法 ..............................................51. 第一節研究設計 .......................................... 51 第二節研究對象 .......................................... 55 第三節研究工具 .......................................... 56 第四節研究流程 .......................................... 59 第五節. 資料蒐集與分析 .................................... 62. 第四章結果與討論 ............................................67 第一節. 初探性訪談之省思 .................................. 67. 第二節. S-POE「預測」階段之分析 ........................... 70. 第三節. S-POE「解釋」階段之分析 ........................... 87. 第四節. 國小科學教師解釋之類型 ........................... 118. III.

(5) 第五節. 國小科學教師解釋融貫性之分析 ..................... 136. 第五章結論與建議 ............................................169 第一節結論 ............................................. 169 第二節建議 ............................................. 173 參考文獻 ......................................................175 一、中文部分 .......................................... 175 二、翻譯書部份 ........................................ 177 三、英文部份 .......................................... 178 附錄 ..........................................................184. IV.

(6) 表次表 2-6-1. POE 教學策略教師與學生的任務 ............................... 41. 表 2-6-2. 國內 POE 之實徵研究 ......................................... 49. 表 2-6-3. 國外 POE 之實徵研究 ......................................... 50. 表 3-1-1. 正式研究 S-POE 實驗設計 ..................................... 52. 表 3-1-2. S-POE 實驗活動變因的變化與目的.............................. 54. 表 4-2-1. 國小科學教師針對 S-POE「預測」結果正確與否表................ 70. 表 4-2-2. 國小科學教師於 POE 實驗一「預測」階段所持的理由 ............. 72. 表 4-2-3. 國小科學教師於 POE 實驗二「預測」階段所持的理由 ............. 74. 表 4-2-4. 國小科學教師於 POE 實驗三「預測」階段所持的理由 ............. 77. 表 4-2-5. 國小科學教師於 POE 實驗四「預測」階段所持的理由 ............. 80. 表 4-2-6. 國小科學教師於 POE 實驗五「預測」階段所持的理由 ............. 83. 表 4-3-1. 國小科學教師於 POE 實驗一之「解釋」階段所持的理由 ........... 87. 表 4-3-2. 預測正確之國小科學教師於 POE 實驗一「解釋」階段所持的理由 ... 89. 表 4-3-3. 國小科學教師於 POE 實驗二之「解釋」階段所持的理由 ........... 91. 表 4-3-4. 預測錯誤之國小科學教師於 POE 實驗二「解釋」階段所持的理由 ... 95. 表 4-3-5. 國小科學教師於 POE 實驗三之「解釋」階段所持的理由 ........... 99. 表 4-3-6. 預測錯誤之國小科學教師於 POE 實驗三「解釋」階段所持的理由 .. 103. 表 4-3-7. 國小科學教師於 POE 實驗四之「解釋」階段所持的理由 .......... 106. 表 4-3-8. 預測錯誤之國小科學教師於 POE 實驗四「解釋」階段所持的理由 .. 109. 表 4-3-9. 國小科學教師於 POE 實驗五之「解釋」階段所持的理由 .......... 112. 表 4-3-10 預測錯誤之國小科學教師於 POE 實驗五「解釋」階段所持的理由 .. 115 表 4-4-1. 國小科學教師於 POE 實驗一之科學解釋類型與人次表 ............ 118. 表 4-4-2. 國小科學教師於 POE 實驗二之科學解釋類型與人次表 ............ 121. 表 4-4-3. 國小科學教師於 POE 實驗三之科學解釋類型與人次表 ............ 124. 表 4-4-4. 國小科學教師於 POE 實驗四之科學解釋類型與人次表 ............ 127. 表 4-4-5. 國小科學教師於 POE 實驗五之科學解釋類型與人次表 ............ 131. V.

(7) 表 4-4-6. 國小科學教師於五個 S-POE 實驗「解釋類型」的分佈情形 ........ 134. 表 4-5-1. 國小科學教師於實驗二與實驗三「解釋融貫性」之分析表 ........ 136. 表 4-5-2. 國小科學教師於實驗二與實驗四「解釋融貫性」之分析表 ........ 145. 表 4-5-3. 國小科學教師於實驗三與實驗五「解釋融貫性」之分析 .......... 155. VI.

(8) 圖次圖 3-4-1. 研究流程圖 .......................................... 61. 圖 3-4-2. S-POE 實驗活動流程圖 ................................ 62. VII.

(9) VIII.

(10) 第一章. 緒論. 本章將分為六節，依序說明研究背景與動機、研究目的與問題、名詞解釋、研究範圍與限制、研究倫理以及研究的重要性。. 第一節. 研究背景與動機. 科學教育學者認為教師的解釋本質一定會影響學生對科學本質的解釋 (Bybee, Ellis, ＆ Mathew, 1992)。目前以我國國民小學採包班制教學的前提下，每位教師均有機會接觸到自然與生活科技領域的教學(楊仁理、彭玉美、林愛華，2002)，根據黃文吟(2000)的研究顯示，教師想在自然科課堂上進行有效的教學，促使學生理解和學習正確的知識，必須在教師的解釋行為與學生的思考架構模式相互配合之下才能達成。因此，自然科學教師在教學時的解釋本質對於學生在建構正確的科學概念、態度與方法上，以及在科學的應用層面即扮演相當關鍵性的角色。. 一、科學過程技能—科學解釋能力之提升目前「科學過程技能」是科學教育中相當重要的教學目標之一，因為日常生活中的許多問題，可經由運用過程技能而進一步提出解決的方案。換言之，科學過程技能的重要性在於它可以加以轉化成為「帶得走的能力」。 Finley(1983)即提出科學過程技能的規準為：(ㄧ)每一個過程是一種特殊的心智技能，為所有科學家所使用，並可應用到對任何現象的了解；(二)每一個過程都可以在科學家探討的行為中發現，並可以被任何學生學會；(三)這些過程技能可以普遍應用到不同的學科內容中，並有助於日常生活中的理性思考。根據 Abruscato 的「自然與科技領域教材教法」(莊奇勳譯，2005)指出: 美國的 2061 計畫非常強調將科學過程技能教給學生(p.61)，由此可知學生的. 1.

(11) 科學學習，已由強調「知識內容」的教授轉化為強調「過程技能」的培養，亦即除了提供學生學習科學知識之外，也應該讓他們培養科學過程技能。檢視我國在 1992 年公佈的第二次國際數理科學教育的評鑑(International Assessment of Education Progress，簡稱IAEP)結果發現，無論是 13 歲級或 9 歲級學生其數學及科學的筆試成績，在美、英、加、法等參與的二十個國家之中都是名列前茅，僅次於韓國。根據參與此IAEP研究的教授楊榮祥(1994) 指出，雖然參賽學生在學科知識(knowledge level)上得分甚高，但在科學的本質上以及解決問題的能力上，卻有較差的表現。我國的學生似乎只重視知識的記憶而缺乏科學方法的訓練，不少學生在區別觀察和推論時產生困難，而在自創方法和以實作方式解決問題上的能力差。由上述結果可知：國內學生對於科學知識的學習偏重強記片面的概念知識，無法深入了解科學的本質和內涵，進而提升科學素養，遂難以將所學之科學知識應用於周遭環境或生活層面，使得科學知識僅是作為考試得分的工具，卻未能協助學生解決和解釋日常生活所碰到的疑問和難題，這些現象的確值得科教學者及教師憂心。 Pallrand(1996)曾提及解釋是科學教育的中心，學生藉此展現對現象的了解，以提供老師了解學生知識的組織和想法，因此，科學解釋能力可視為一重要的科學過程技能。科學過程技能最早是由美國科學促進協會(AAAS)所提出，其中的統整過程技能之一「解釋資料」意涵為：組織資料並提出結論，能對觀察所得給予合理的解釋，目的在進一步產生推理、預測及假設；狹義而言，是指能夠對採用特殊方式和技術傳達的資料，做口語化說明的能力(王美芬、熊召弟，1995)。又根據九年一貫課程「自然與生活科技」學習領域課程綱要(教育部，2003)指出，國民之科學與科技素養，依其屬性和層次來分項，「科學過程技能」為七大學習內容類別之一，由其底下的分段能力指標「歸納與推斷能力」與「傳達能力」中不難發現應用適當的方法分析、推論資料，並合理詮釋資料以解釋科學現象的能力，是受到重視的科學過程技能之一。. 2.

(12) 綜合以上所述，顯示我國科學教育雖然長久提倡以科學方法教學，亦讓學生動手做實驗，然而學生的科學過程技能仍不如人，因此針對科學過程技能之提升，如：培養學生透過科學方式探討與辯證，養成科學思考與科學處理能力，以及具備提證據、講道理的科學態度等方面，仍需要科學教師和科教學者的共同檢討和努力，以培養出具有科學素養的未來公民為目標。二、科學教師解釋行為與學生學習教學是師生共同參與而產生交互影響的動態過程，在自然科教學過程中，教師經常扮演引導和溝通的角色，Duit(1997)在研究中提及學生以他們既有的經驗或知識去面對新的問題和情境，而教師也是依據其科學概念架構，猜測學生的理解狀況，並據以跟學生對話，以至於經常發生誤解 (misunderstanding)的情形，亦即迷思概念的來源有可能是由老師在教學過程中所提供的錯誤信息所引起的。一些研究(Bar＆Travis,1991; Fisher,1985； Osborne & Cosgrove,1983)指出，教師是迷思概念的來源。Bonder(1991)亦曾提及：老師有可能在教學過程中，因為錯誤的詮釋、缺乏科學知識本質上的瞭解或是企圖簡化概念，而提供對於概念的描述，如此皆可能使學生產生迷思概念。此外，國內一些針對國小教師所作的概念研究(洪淑淩，2007；張敬宜， 1994；黃萬居，1996；蘇育任，1999)，亦發現國小教師普遍持有迷思概念。鄭麗玉(1998)將有關迷思概念的研究發現加以闡述，探究其改變的可能性、促進概念改變的教學策略和相關因素，有以下幾點發現：(一)學習者帶著各種迷思概念進入學習情境；(二)小學教師也可能具有迷思概念；(三)傳統的教學法可能不易改變迷思概念。綜合以上學者的論點發現，自然科學教師是知識的呈現者和引導者，學生所持之概念可能會經由教師授課過程中產生，教師本身所持有之概念是否正確，是否能在教學時幫助學生在既有架構上修正和統整，是很值得探討的. 3.

(13) 議題。正如同Sandoval(2003)所述：科學解釋對於科學理論的重要性，透過科學定理解認識自然現象，是科學教學的重要目標，也顯示教師的科學解釋能力在科學教育研究中是不容忽視的領域。研究者本身在自然課程的教學過程中，常常會碰到學生提問的情形，例如學生會問：散佈在桌面上的水滴為何不會散開，而是成圓球形？為何將杯中的水倒滿，水會在杯子最上層形成一種微鼓起來的水層，卻不會溢出來？諸如此類的問題，大部分的老師會給予直覺的解釋--因為「表面張力」的原因，待學生再繼續追問：「何謂表面張力？」許多教師必定皆有相同的經驗和察覺，原來我們知道的僅是表面張力的結果，但對於表面張力其作用方式卻存在著模糊的概念，因此在回答學生提問的問題時，極可能無法提出合理且符合邏輯的解釋，以致解釋常流於片段而呈現不完整的現象。因此，研究者深深覺得教師對自然現象或科學概念所能提出的「解釋能力」，在教學中扮演著相當重要的角色，現今科學教育重視學生科學過程技能的培養，美國的「National Science Education Standards」(NRC,1996)即建議應教導學生「評估證據與考量邏輯以決定最佳的解釋」(p.175)。國小學童在學習階段其心智功能尚在發展，在學習上需要經由老師的引導，彼此之間對於現象的探討、相互陳述看法，進行科學對話，以學得科學社群所確認的知識，並且學習運用科學話語(discourse)模式來解釋科學現象，以培養國小學生科學過程技能中「解釋資料」的能力。故站在教學第一線的老師，其本身是否具備科學過程技能的能力和科學素養是不容忽視的議題。三、序列性 POE(Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE) 國內外已有許多研究顯示，POE 策略能廣泛運用在科學教育上，能協助教師探索學童的先存概念或迷思概念(Gunstone ＆ White, 1981；Methembu, 2001；王玉龍，2005；洪淑淩，2007；陳志偉，2004；蔣盈姿，2004)；亦是一種有效的教學策略(White ＆ Gunstone, 1992；Liew & Treagust, 1995；. 4.

(14) Kearney,Treagust,Yeo ＆ Zadnik, 2001；邱彥文，2001；張宗義，2003)。. 王淑琴、郭重吉(1994)於研究中曾提及 POE 晤談的實施，除了可找出受訪教師的另有想法之外，在過程中亦發現教師有以下三項特徵：(ㄧ)想法會同時具有或矛盾共存的；(二)觀察會受到主觀想法的影響；(三)想法會因觀察實驗現象而有所改變。又以 POE 概念晤談探究受試者的迷思概念有下列幾項優點(Gunstone & White, 1992；王淑琴、郭重吉，1994)：(一)可促使受試者對現有的概念知識產生反省；(二)有助於刺激受試者的思考；(三)可引導受試者深度學習並發展多樣的觀察、提問與思考的方法；(四)可引導受試者學習正確的科學觀察；(五)有助於深入探究受試者的迷思概念。由以上之相關研究以及文獻可歸納出：學者所採用的POE策略多半是單一實驗或是無關連性的多次POE活動，僅能診斷出受試者的概念特徵或概念改變的歷程，卻無法了解受試者對於某種科學知識(概念)的理解是正確的且符合前後一致性的情況。. 基於此，本研究為參與許良榮教授(2005)於國科會研究計畫中所發展之「序列性POE(Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE)」策略，擬採設計前後具相關連性，與「大氣壓力、表面張力」有關的五個POE實驗，讓受試者進行預測、觀察與解釋，以此研究探討國小科學教師對於自然現象之科學解釋能力、解釋類型以及「解釋融貫性(explanatory coherence)」的特徵。研究者發現教師對於此部份的解釋常混淆「表面張力」的意義與作用，且對於「大氣壓力」的角色與本質也不甚清楚，故所提出的解釋經常流於片段、缺乏邏輯一致性(融貫性)，因此本研究選擇「大氣壓力、表面張力」作為研究主題，使用「序列性POE」的策略進行質性研究，以深入探究國小科學教師的科學解釋能力、解釋類型與解釋融貫性之特徵。. 5.

(15) 第二節. 研究目的與問題. 本研究旨在運用「序列性 POE」策略，輔以晤談錄音的方式，以探究國小科學教師對於「大氣壓力、表面張力」自然現象的科學解釋能力和解釋融貫性的歷程。並嘗試從研究對象晤談的質性資料中，分析歸納出教師解釋的能力、類型和解釋融貫性的特徵，以提供國小師資培育機構之科學教育相關課程設計以及國小教師實施教學之參考。本研究之主要問題如下：. 一、國小科學教師對於「大氣壓力、表面張力」相關現象的預測結果為何？二、國小科學教師對於「大氣壓力、表面張力」相關現象的科學解釋能力為何？三、國小科學教師對於「大氣壓力、表面張力」相關現象的解釋類型為何？四、國小科學教師對於「大氣壓力、表面張力」相關現象之「解釋融貫性」的特徵為何？. 第三節. 名詞解釋. 本研究中重要名詞界定如下：一、序列性 POE(Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE) POE 是依照 Prediction(預測)-Observation(觀察)-Explanation(解釋)三個步驟，在實驗情境中讓受訪教師說明自己的預測以及所持之理由，隨後觀察實驗過程與結果，讓受訪教師比對先前預測結果與觀察結果，以提出適當的解釋。序列性 POE 為許良榮教授（2005）延續 POE 的理念所發展而成，擬設計前後具相互關連性的實驗，而所有實驗活動所涵蓋的科學概念，總計以不超. 6.

(16) 過三個為原則。本研究包含五個 S-POE 的實驗活動，實驗內容以「大氣壓力、表面張力」為主要概念，其設計原則如第三章之研究方法中所述，每個後續實驗只改變前一個實驗的一個變因，旨在讓受訪教師依據每一個實驗活動進行預測-觀察-解釋，藉此探討其對於單一變因(現象)的科學解釋能力與解釋融貫性之情形。. 二、國小科學教師(the elementary science teacher) 國小科學教師是指任教於國民小學「自然與生活科技領域」課程年資達三年以上之教師而言，由於國小自然科課程有些學校由級任教師教授，有些則是由自然科任教師教授，因此，本研究所指之國小科學教師係指教授國小「自然與生活領域」課程的級任或科任教師稱之。. 三、科學解釋能力(the ability of scientific explanation) 本研究所指的科學解釋主要針對國小科學教師的科學解釋能力而言，探討其能否對於自然現象提出符合合理性與正確性的解釋，在此依據Reiser, Tabak, Sandoval, Smith, Steinmuller & Leone(2001)所提出的觀點(引自謝州恩，2005)，作為分析教師之科學解釋能力之理論依據，茲將科學解釋的標準定義如下： (一)解釋應描述因果機制：在活動中被要求建構解釋，提供因果關係，說明事件發生的理由。（二）解釋要符合觀察的資料：受訪教師的解釋需描述到在特殊狀況或現象中，與理論連結的部分。在本研究中，即讓受訪教師針對實驗活動情境於預測和觀察後提出解釋，說明其所持的理由為何，並分析他們所運用的概念或理論與實際觀察相互結合的情形，研究者依據上述標準，以此判定與探討受訪教師之科學解釋能力。. 7.

(17) 四、解釋類型(the types of explanation) 參閱一些教師解釋類型之相關研究(如梁惠玉，1995；黃達三，1998)，皆以Dagher ＆ Cossman(1992)所提出之科學教師口語解釋的分類作為理論依據，因此本研究係參照Dagher提出的十種科學教師解釋類型，作為判定國小科學教師對於「大氣壓力、表面張力」相關現象之解釋類型的依據。科學教師解釋的類型區分成：類比的、擬人化、功能的、追溯的(genetic)、機械的、形上的、實用的、理性的、套套邏輯(tautological)和目的論的十種類型(各類型之分類意涵和定義，請參閱第二章第二節內容)。. 五、解釋融貫性(explanatory coherence) 在Thagard(1992)的「概念革命」一書中提到，當我們試圖去解釋一件懸疑的事情，或是為了解釋一些已知的事實而提出假說，通常會有好幾種可能的解釋，但最後勝出的總是其解釋融貫性最佳的一個。在本研究中，讓受訪教師針對五個具相關連性的S-POE實驗活動，依序進行預測—觀察—解釋的步驟，根據其對於每一個實驗活動所隱含的概念和觀察之現象所提出的解釋，探究在五個接續的實驗活動中，受訪教師的解釋和具備的想法(概念)是否達到前後一致性(融貫性)的情形，並據此分析其解釋融貫性的特徵。. 第四節. 研究範圍與限制. 本研究採用質性研究法，研究目的並非要形成某種理論或是普遍的共同原則，而是讓讀者在面對特定的情境與背景時，提供研究結果以增進對問題的了解，並能進一步思考解決方案。因考量人力、經費、受試者與時間等種種因素，研究之範圍與限制如下：. 8.

(18) 一、研究範圍（一）研究樣本的範圍本研究所指的國小科學教師，係指教授國小「自然與生活領域」課程的級任或科任教師稱之。研究對象採立意取樣，選擇台中市教學年資 3 年以上的國小科學教師為研究對象，並未以隨機、大樣本方向做廣度的取樣，而是從研究者所服務及熟悉的學校中選取 20 位科學教師作為 S-POE 活動之正式研究對象，並另外選取 2 位國小科學教師作為初探研究的部份；因此研究範圍有限，研究結果不宜過度推論。（二）研究內容的範圍本研究所設計的序列性 POE(S-POE)實驗活動，其內容範圍以「大氣壓力」與「表面張力」兩大科學概念為主軸，研究過程中，為針對上述內容探求國小科學教師的科學解釋能力、解釋類型與解釋融貫性之特徵。研究結果適用於本研究設計範圍內之研究對象的解釋，而不宜針對本研究所設定之範圍以外的對象進行推論。. 二、研究限制（一）研究工具的限制本研究為參與許良榮教授(2005)於國科會研究計畫中所發展之「序列性 POE（Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE）」策略，擬採設計前後具相關連性，與「大氣壓力、表面張力」有關的五個POE實驗，讓受試者進行預測、觀察與解釋，以此研究探討國小科學教師對於自然現象之科學解釋能力、解釋類型以及解釋融貫性的特徵。本研究先由初探研究建立可行性之基礎，擬在S-POE實驗活動設計確定之後，先進行非正式晤談(2位國小科學教師)，經由受訪教師的反應和訪談內容進行初步的改進以及省思，並比對初探研究之結果，查驗探索策略設計和訪談技巧之恰當性，之後再進行國小科學教師之. 9.

(19) 正式晤談，因以個別晤談的內容和情境記錄為主要探究方向和重點，不宜過度推論。（二）研究結果的限制本研究結果僅限於部分國小科學教師有關「大氣壓力、表面張力」之概念及解釋能力之分析探討，在有限的施測工具及晤談時間內進行研究，因此文字或言語的表達都可能無法全盤包含研究對象的所有概念，因此本研究結果的範圍有限，不宜做過度推論。. 第五節研究的重要性本研究為研究樣本數較少之質性研究，除了上述研究本身的範圍與限制外，有下列三點重要性：一、提供國小科學教師於自然與生活科技領域教學策略（S-POE）與教材呈現之參考。二、提供國小科學教師進行相關「大氣壓力、表面張力」概念課程設計與教學時之參考。三、提供教育相關單位於擬定職前及在職師資培育課程之參考。. 10.

(20) 第二章. 文獻探討. 本章共分為六節：第一節探討解釋與科學解釋的意涵；第二節分別介紹哲學家、教師和兒童之解釋類型；第三節探討國內外有關科學解釋之實徵研究：第四節探討科學解釋的評量；第五節探討解釋融貫性的意涵及原理；第六節介紹 POE 的理論基礎、起源、意義、目的、實施和國內外相關實徵研究，以此作為本研究之理論基礎。. 第一節解釋與科學解釋科學教育者與哲學家一致認為「解釋」本身即是科學真正的目的，同時亦普遍地被運用於評鑑學生的理解上。哲學家、物理學家、科學教育學者對於科學解釋所持的觀點是分歧的。哲學家的科學解釋，傾向於分析「解釋」裡的實用因子與邏輯結構；物理學家將科學解釋視為科學知識產生過程中的規則(rules)，而此部份指稱的規則與日常生活所使用的規則有所區別;而科學教育學者則站在較寬鬆的哲學家的定義上，研究學生的科學解釋本質部分(Edgington, 1997)。茲就解釋與科學解釋之意涵分述如下：一、解釋的意涵 Solomon(1986)提出科學即是對大自然所發生的一切要盡可能去解釋。Ohlsson(1992)認為「解釋」扮演了科學家們想要了解世界的主要角色，亦即透過對現象或原理的合理詮釋、解釋，以達成對科學的理解。 Lipton(1993)對「解釋」的看法是：當我們對於生活週遭產生疑惑而感到不滿足時，想要進一步尋求「為什麼」時，我們可以運用推理來提供解釋。如：一個人對周遭現象不了解而提出疑問時，我們可以將待解釋的問題做以下的處理：要增加什麼樣的知識來促進了解？(引自謝州恩， 2005)。陸健體(1994)從兩個層面說明「解釋」的意義與內涵，一是作為推論 11.

(21) 的說明(explanation)，即對一個「為什麼」這種形式的問題所做的回答；另一個層面則是作為傳遞行為的說明(explaining)。在科學教室裡，教師對學生解釋科學的概念，即屬於後一個層面的行為，而本研究屬於前一個層面的說明（解釋）意涵，目的在探討受訪者針對自然現象所提出的解釋。黃達三(1998)認為「解釋」就是對事件、現象的分析說明，使人有解惑及了解事件的真相及現象發現的內部機制的功能。 Scriven(1988)將解釋與理解之間的關聯性加以精緻化：無論一個解釋的目的何在，既然可以被稱為解釋，它就必須使我們對於之前不明白的事物能增加理解或是產生理解，並且，他認為解釋與描述的不同在於：解釋導致理解達到已知的或是推論的狀況。 Friedman(1988)提出以下三種透過解釋引發理解的方式：（一）藉由預測，（二）藉由熟悉的現象解釋不熟悉的現象，以及（三）將許多個別現象的解釋化約為一個理論。然而 Hempel(1965)不接受上述熟悉的標準，他主張：理解時常是藉由使用反直覺、不熟悉的理論實體來解釋熟悉的現象而獲得。而哲學辭典中對於解釋的定義為：解釋(explanation)一詞源自拉丁文 explanare(展開、伸展、說明)。一般而言，是指使某事成為可理解、合理的或熟悉的。針對現象的解釋，不同於現象的證明，在於如果一個人要求一種解釋，這就假定有被解釋的現象存在。而如果一個人要求一種證明，即假定這個事物可能並非已經出現，必須提出它們出現的某種證據。而不同的解釋亦有其不同的意義，彼此之間存在差異性，如下所述(段德智、尹大貽、金常政，1999)：（一）功能的解釋(functional explanation)：用描寫一個事物在其存在時，各成份之間相互聯繫的活動（功能、作用）來對現象作出解釋。如：對「為什麼會有心跳？」作出功能性解釋，就是以諸如血液循環和作為心跳基礎的心臟和肉體的那些部分的物理、化學的功能來說明心跳。 12.

(22) （二）整體的解釋(holistic explanation)：用整體（形式、總體、統一體）的功能(目的、特性、活動)對現象作出解釋，認為整體是它的部分指導原則。用整體的功能來解釋整體的各部分活動。（三）機械的解釋(mechanistic explanation)：描寫在一個複合體中，一個部分如何與其他部分發生機械的相互作用。（四）有機論解釋(organismic explanation)：這種解釋把一個整體的特性看作是有別於個體部分（或部分的群組）的特性，以及對於解釋某些事物是必不可少的，就如對各個部分的相互作用分析對於它的解釋是必不可少的一種。整體被認為不僅僅是其各個部分的量的總和，而且在質上與它們總和有別。（五）目的論解釋(teleological explanation)：1.按某物所完成的某種目的 (結果、目標)所做出的解釋。2.用達到某種目標或某種目的的活動所做出的解釋，通常這種目標或目的是預定或計畫好的。3.以涉及某物所正在追求的，或為了這種追求而發生的過程，以走向未來的事情(目標、目的、終結、結果)而解釋現在和過去的事情。它用先在的條件解釋現在的和任何未來的事件。4.適合用於(適應於、協調於、相應於、適當於、相當於) 完成整體的目的和需要這個整體的各部分的相互關係結構和活動而做出的解釋。（六）科學解釋(scientific explanation)：通過描寫一個事物的結構和過程是什麼，而使某物成為可理解的，和(或)表明一個事物如何完成它的活動。科學解釋的基礎是：1.用歸納-演繹方法(inductive-deductive methods) 從事(經驗觀察)形成概括化(generalization)理論。2.把這些事實與這種前後一致的和系統的概括化體系聯繫起來，也和已經累積和為人們所接受 (已被肯定、已得到證實)有關的事實連結起來。3.引出對概括化體系論這些事實可能具有的邏輯和經驗的涵義和系統。4.建構一種對這些事實和概括化的辯解(justification)、認證(confirmation)、驗證(verification)。5.表 13.

(23) 明這種事實是可以在數量上被計算(被推演)的，或可從這種概括化測到的。上述對於「解釋」之意涵各有不同的定義，但可從中發現其共通性：「解釋」即為透過推理的過程對於現象或問題提出說明，扮演了人們了解自然現象的角色，正如同 Zuzovsky & Tamir(1999)提出的想法，解釋在科學家追求認識與理解自然世界，以及學生追求學習與了解科學現象的過程裡，扮演著核心的角色。因此，解釋是理解的呈現，而且是提供個人思考的一扇窗。二、科學解釋的意涵與其他種類的解釋相比，「科學解釋」有其特定的模式和意涵，並非所有的解釋皆為科學解釋，陸健體(1994)認為科學解釋是科學理論的一種運用。Sandoval(2003)也提及科學解釋對於科學理論的重要性，透過科學定理來解釋自然現象，是科學教學的重要目標。因此，本節將從各個角度探討「科學解釋」的意涵，以作為探討教師科學解釋研究之依據。科學解釋能夠讓我們了解自然現象發生的原因，因此才能預測與控制它們。在實徵科學主要的分枝中，我們尋求的不僅是描述所經驗到的現象，更需要對於這些現象提出解釋或是理解這些現象(Hempel,1965)。 Pitt(1988)提出教師於科學教室中所使用的口語解釋，被判定為科學解釋者，其必須符合以下兩部份的準則，即（一）被解釋項(explanadum): 對一個現象的或問題的描述。（二）解釋項(explanas):對現象的說明或是對問題所給的答案。 Ohlsson(1992)認為提出科學解釋的能力為一種特殊應用技巧，他稱為「理論連結(theory articulation)」。理論的連結不同於認識抽象的理論原理，它是指在原理與具體事實之間架構橋樑的能力。科學解釋就像是理論中的主軸，其中的因果推論使許多理論能彼此串聯，所以理論的連結需要特別的訓練，然而只知道相關的定理與原理是不夠的，因為成功的解釋必 14.

(24) 須奠基於典範的解釋模式，以運用在具體的現象上。 King(1994)針對解釋提出以下四點：（一）解釋不只是告訴別人那是什麼，或描述而已，應告訴他人事情是如何發生，與為什麼會發生。（二）解釋應用自己的語言說出，而不僅只於重複已知的和記憶的部分。（三）進行解釋時，常運用資料以讓解釋更加清楚(如：將我們已知的部分和新的資訊做比較)。（四）解釋像是將兩件事、想法作連結，或是將想法與過程加以結合。 Sutherland(2002)清楚的提出，在科學探究中，好的科學解釋的標準：（一）對問題提出主張；（二）對主張提出證據；（三）提供連結證據到主張的推理；（四）寫的清楚，能使用詳細的、精準的科學語言。 Sandoval(2003)提出學生科學解釋的標準，分述如下：（一）原因的一致：通常包含科學解釋的兩個知識目標： 1.描述原因的機制來解釋現象。 2.因果的連鎖合乎情理的一致。（二）證據的支持：從資料中反映從解釋建構出的想法，也就是用資料反映主張。針對以上學者提出之觀點，謝州恩(1995)提到Sutherland提出的要點與上述Sandoval所提的科學解釋的標準是極相似的，只是Sutherland將探究中的科學解釋寫得更清楚，其中他先將科學解釋的標準定位在「寫」的部分，而且用比較有順序的步驟描述。此外，Weaver(1958)討論到科學家皆曾經歷欲將研究發現準確地傳達給那些非科學家時所遭遇困難的經驗，他主張兩種條件決定了精確的傳達（accurate communication）：第一，接收解釋者能達到更深入和正確的理解，第二，不準確和簡單化不會阻礙未來的學習（引自Horwood,1988）。 Martin(1970)針對教學上解釋的本質提出其深入的見解，她明確指出「解釋事物」和「對某人解釋事物」之間的分別，前者為研究活動，主要 15.

(25) 目標在尋求事實的真相;而後者為教育活動，主要目標在促進一般人對未知事物的理解。Martin認為當一個科學教師向學生解釋事物時，這個解釋行為和科學家在解釋一項科學研究時是不相同的，依據學生的年齡和程度，教師的解釋有可能被加以刪節、省略甚至竄改以滿足學生和解決他們目前當下的問題，有時還必須犧牲解釋的完整性來增進學生的理解，而這也是教師解釋最重要的必要條件。因此Martin ＆ Weaver皆強調能達到學習者心智狀況上正向的改變才是最重要的，解釋的敘述應該為將來的學習鋪路，至少不至於阻擋學習者將來獲得更進一步的解釋。截至目前為止，科學教師已被認定成為說明和重述由他人所發現的解釋，以促進學生更深入的理解的角色。另一方面，學生如何解釋自然現象與其具備的科學概念有密切的關係 (Driver, Leach, Millar ＆ Scott, 1996)，進行「解釋說明」必須運用心智中既存的科學知識或概念，將相關的概念進行合理的組組織之後，提出被認為最合理的解釋。因此，如果先備知識（既有概念）不足，則難以期望能提出合理、合邏輯的科學解釋。三、科學解釋與描述科學教育應該能促成學生理解這個世界的能力，而描述事物和解釋事物是達成這個目的相當重要的活動。Horwood(1988)在研究中檢驗了「描述」和「解釋」在科學教學上的應用情況，包括本身文字上的使用(”describe” 和”explain”）以及它們在科學教育實施上所扮演的活動的角色（”describing” 和”explaining”），他進一步喚起大家注意到在教學上，「解釋」和「描述」這兩個詞語經常被互為混用，及缺乏一致性的情形，並以此提醒教師，這種情形將使得學生在理解「解釋」和「描述」的本質上產生困擾。 Bateson(1979)提出「描述」和「解釋」之間的區別，描述僅是資訊 (information)，且每個資訊是互不相關而獨立的；而解釋則產生於資訊之間所產生的連結，解釋一件事物就像在因果關係的邏輯系統上繪製一幅地 16.

(26) 圖。同時，他認為那些被稱為non-explanation(指較為草率和非正式的）解釋形式雖然不被科學家所接受，對於一般人卻能產生通則化 (make generalizations)的效益。綜合Bateson, Horwood ＆ Weaver所述，教師在使用describing和 explaining時經常是不嚴謹的，兩者經常被交互使用或共同使用，而這也將造成學生在學習方面，對於「描述」與「解釋」意義理解上的混淆甚至誤用，教師在教學時應當更加謹慎，加以區別使用。. 第二節. 解釋類型. 一、哲學家的科學解釋類型 Zuzovsky & Tamir(1999)以哲學之觀點提出三種科學解釋類型：（一）在物質科學與地球科學中，大多數的問題是「為什麼」問題的形式，以找尋一條規則或原理，並加以應用於解釋特定的現象。典型的解釋結構為演繹-規律模式（deductive-nomological［D-N］model）(Hempel,1965； Hempel ＆ Oppenheim,1988），它包含兩種形式的語句：說明項（explanans）和被說明項（explanandum）。被說明項是指欲解釋的現象，而說明項則包括特定先行條件的敘述以及引出被說明項之普遍定律的敘述。D-N 解釋的結構必須滿足某些邏輯與實徵的條件。它的被說明項必須是說明項的邏輯結論，說明項則必須涵蓋普遍定律，而這些定律不論是實徵的通則化原理 (empirical generalizations)或是理論的定律，至少在原則上都必須能夠被實驗或觀察所檢驗，並且構成說明項的語句必須為真，換言之，說明項為證據所支持。藉由普遍定律所產生的解釋創造出解釋與預測之間的對稱性，亦即解釋可被視為事後的預測(ex post facto prediction）。機率解釋也可用 D-N 模式來形構，但是它們只提供機率的預測。. 17.

(27) （二）目的論的解釋（teleological explanation），亦即藉由提出某種目的或結果以解釋有機體的特徵，而不是以原因進行解釋，普遍運用於生物學中，雖然目的論的解釋缺乏邏輯上的效度與 D-N 的結構，但這種解釋被視為可以探知因果的決定因素之有用的啟發式工具 (Hempel ＆ Oppenheim,1988)。（三）功能的解釋（functional explanation）是目的論解釋的延伸，為生命科學的例子裡典型的解釋類型。此一類型藉由特性所扮演的角色，來理解此一行為的型式或性質。這一類的解釋經常是針對一個蘊含著尋求理由或論證來辯證一性徵之發生的問題，而提出的回答。陸健體(1994)認為科學說明又叫做科學解釋，是科學家試圖回答「為什麼」問題的活動，同時他也強調解釋在科學中所佔的地位，其重要性並不亞於科學研究活動，遂將科學之解釋類型和定義歸納如下：（一）演繹模型：演繹解釋具有演繹推理的形式結構，在這種科學解釋當中，被解釋項(即要被解釋的事件)是說明性前提的邏輯必然推論。演繹解釋經常被視為科學解釋的典範或理想形式，科學史上海王星的發現就是演繹解釋的典型案例。演繹解釋的一般結構以下圖表示： L1,L2,……,Lr 一般定律（科學定律）. 解釋項. C1,C2…….,Cr 先行條件句. 被解釋項. E. 推論. 待解釋的現象演繹的科學解釋即為借助於先行條件將解釋現象歸入一般定律。必須滿足三個邏輯條件： 1.被解釋項必須是解釋項的邏輯結論。 2.解釋項中至少必須包含一條科學定律。 3.在解釋項中至少還應包含一個先行條件句。. 18.

(28) （二）概率模型：概率科學解釋又被稱為統計科學解釋，在這種科學解釋中，解釋項並不邏輯地蘊涵被解釋項，因而解釋項的真不是被解釋項為真的邏輯充分條件。概率性定律是基於統計的基礎而建立，它所表達的概率值是在一個相當長的時間和相當廣的空間範圍內 A 是否為 B 的平均值，因此在進行概率型解釋時，要盡可能的全面完整地獲得有關被解釋項的資料。遺傳學和氣體的分子運動皆為概率形式解釋的例子。（三）因果模型：此種解釋是通過揭示被說明事件發生的原因來解釋被說明事件的發生，任何因果解釋都預先定了某些科學定律，為科學研究和日生活中使用最多的一種解釋形式。（四）目的模型：目的的解釋又稱為功能解釋，表明待解釋事件對它之後發生的事件或對將要發生的事件所產生的影響，目的的解釋是指向未來的，與其他類型的解釋皆指向過去不同，常見於生物學、社會學(如歷史學和行為科學)的研究之中。（五）發生模型：發生解釋是將待解釋事件視為某一發展序列的後繼階段，而以對該系統的各發展階段的敘述作為對該事件的解釋，應該挑選哪些是建構成一個事件序列以作為解釋項呢？這有賴於進行解釋時所採用的一般假定，這裡的一般假定也許不像科學定律那般經過檢驗或可檢驗，它們可以是明確的，也可能是某種隱含而未被明確表達的東西。二、教師的解釋類型在 Dagher ＆ Cossman(1992)的研究中，她參考了解釋在教育上、科學哲學和日常生活方面之相關研究，探討國中科學教師在教室中所使用的解釋的本質。20 位教學 7 年級和 8 年級生物和物理學科的公立學校教師參與此一計畫，研究結果依據 40 堂課堂上之口語錄音轉錄而成的逐字稿作分析。最後以持續比較法的方式將科學教師解釋的類型區分成十種類型： 19.

(29) （一）類比的(analogical):將一個熟悉的情境以提供解釋的方式類推至說明一個不熟悉的現象。這種解釋是在『類比的情境』和『真實的現象』之間假定存在著相對應的關係。（二）擬人化的（anthropomorphic）:一個現象藉由將人類的特質歸因於非人類的事物上稱之。（三）功能的（functional）:依據立即性的結果和功能以解釋現象。這種將功能歸因於現象可被自然的歷史事件所支持，例如：自然天擇（natrual selection）;也可被有意志的(人為的)歷史事件所支持，例如：經由人類意識所設計而成的製品（artifacts）。（四）追溯的（genetic）:藉由將先前的事件依照順序聯繫起來而成的解釋。僅說明事件如何發生，卻未說明事件為何發生。（五）機械的（mechanical）:這種解釋訴諸於物理本質上的因果關係。此一關係可能是（a）一個科學定律簡短的陳述句，也可能是使用(b) 上述的科學定律和其他以更深入去論述無法直接觀察的事件所形成的一個發展良好的解釋架構。（六）形上的（metaphysical）:這種解釋是將現象發生的原因當作是由一個超自然的作用者（supernatural agents）所造成的。在這種情況下，解釋者解釋自然的原因超越了解釋的主體，轉換成外在的作用者，如：神、上帝、佛祖、天主等。（七）實用的（practical）:涉及說明如何執行肢體上或心智上的操作的解釋稱之。換言之就是解釋者對傾聽者說明「如何做」（how to）的解釋。（八）理性的(rational):此種解釋為提出證據和正當的理由，藉此宣稱使他人不得不去相信和接受。（九）套套邏輯/循環論證（tautological）:此種解釋為將「如何」「為什麼」的問題或句子加以重組而已，並未在內容裡加入任何新的訊息。 20.

(30) （十）目的論的（teleological）:依據一個現象其如何致成立即性的結果（功能），透過協調其他生物和物理系統的現象，以獲得可信之終極的結果（目標/事實的目標）之解釋稱之。此一現象可能協調成目標（涉及高級脊椎動物的意識），或者協調成事實的目標，如：電子的或機械的意義，（如：狀態的經驗儲存於動物的記憶中，而訊息儲存於 DNA 密碼、電腦程式中）。根據黃達三(1998)與張綺砡(2002)參考國外學者 Wallace(1974)的想法指出，針對「目的論」的解釋和「因果關係」的解釋之間的不同做了以下區分，因果的解釋是造成結果和先前或至少是同時的原因，而目的論的解釋則是把自然的過程歸因成一個未來的目標（goal）。黃達三(1998)探究國小一、二年級教師在自然科(科學)教學時，口語解釋類型(types)的研究，參考並採用 Dagher(1992)對於科學教師口語解釋的分類方式，研究結果得到六種類型：類比的、實用的、擬人化的、套套邏輯/循環論證、功能的與形上的，茲舉各類型及教師口述之實例，呈現如下：（一）類比的：「植物和我們人類一樣要喝水才能生存下來」（二）實用的：「大家注意啊！現在請小朋友，把剛才發的塑膠袋拿出來。好！現在請你們把塑膠袋的口張開，然後把空氣裝進去……」（三）擬人化的: 「S:為什麼飛蛾到了晚上會飛進屋裡，要躲在電燈那裡？ T:因為飛蛾喜歡亮亮的光，只要下雨的時候，有些飛蛾會飛到屋裡來，繞著燈管跑呀、飛呀。」. 21.

(31) （四）套套邏輯/循環論證（tautological）：「T:為什麼花是有生命的？. S1:它會開花。. T:還有呢？. S2:它生小孩。. T:還有呢？. S3:它會長大。. T:還有呢？. （沒有學生再回答）. T:你們說的都很對，但最重要的一點，每位小朋友都要記得哦！就是花是生物！」（五）功能的：「各位小朋友，這朵花美不美麗？（學生回答：美麗），你們知道這部份叫什麼名字嗎？（教師手指這朵花的花瓣）哦！沒有小朋友知道，老師告訴你們，這叫做花瓣，它很美對不對？（學生回答：對）哦，花瓣可以保護花蕊，它的顏色可以吸引小蜜蜂、蝴蝶來採花蜜喔！」（六）形上的：「花要繁殖下一代呀，自然界有一主使者就使得生物有生殖能力呀！」梁惠玉(1995)參照 Dagher 及陸健體兩位學者所提出的解釋類型，以此作為研究的分析架構之依據，針對四位高中化學教師在實際教學情境中所呈現的口語解釋，進行深入探討，研究結果發現：教師的口語解釋類型有七種，分別為演繹、概率、因果、目的、發生、類比及舉例的口語解釋模式。此外，林曉雯(1994)以一國中生物教師為對象，探討其教學表徵的形式，形成過程及影響個案教師形成教學表徵的知識成份及其內涵。研究結果發現，個案教師所呈現的教學表徵形式具多樣性，包括：類比、隱喻、因果說明、範例說明、名詞定義、圖表說明、展示說明、示範說明、問答引導、問題討論、學生操弄、模擬遊戲及家庭作業等。 22.

(32) 三、兒童的解釋類型學生在進入正式教育之前所持有的概念是單一影響學習最重要的因素，而學生經常會帶著他們對於這個世界原有的概念進入到學習的環境中 (Osborne, 1984; Solomon, 1986)，因此學生在解釋科學概念或現象時，與其先存概念和日常生活經驗有關。皮亞傑和他的追隨者(Fuson,1976;Stepans ＆ Kuehn,1985)將兒童的科學解釋類型分類如下：（一）萬物有靈論（animism）:兒童認為自然萬物是有感覺、意識和感情的。例如：一個二年級的女孩聲稱：「下雨是因為雲受到傷害而悲傷，所以他們哭了。」（二）人為論（artificialism）:兒童覺得所有的事物都是為了人類的利益而創造的。例如：一個二年級的女孩聲稱：「風的產生是因為它想要讓人們覺得涼爽和舒適。」（三）決定論（finalism）:兒童會強迫自己去解釋自然事件，或者他們相信自然界的現象皆為一個合乎日常生活常識的簡單的結論（finality），與這個現象的起源和結果僅有一些關連。例如：一個一年級的男孩聲稱：「春天、夏天、秋天和冬天是四季的名稱，而它們各自有不同的氣候並且會變化。」（四）人造論（human-made）:兒童認為自然現象是由人類的力量所造成的。例如：一個四年級的女孩聲稱：「山有兩種類型，一種是由人類所造，你所看到的那些高山遊樂公園都是由人類所造的山;另一種山則是有自然所形塑而成。」（五）神造論（god-made）:兒童相信自然線像是由神的力量所造成的。例如：一個五年級的女孩描述說：「海神掌管雨，每個春天它就會釋放雨水滋潤大地，使得農作物得以生長。」（六）機械論（mechanism）:兒童運用機械的過程解釋自然現象而屏棄了 23.

(33) 人類特質的部份。例如：一個六年級的男孩描述說：「當地球繞著太陽行走，它阻擋了太陽光照射到月球上，因此，月亮的形狀因此有陰晴圓缺的變化。」（七）科學想法論（science ideas）:兒童所持有的想法是科學家和教師所公認的想法。姜滿(1993)研究兒童對於地球科學的另有想法，結合研究中的訪談資料分析，將兒童科學解釋的特徵擴充為十二項，分別為：（一）個人的 (personal)。（二）不連續的(inconsistent）。（三）固著的(stable)。（四）運用邏輯思考（use logical thinking;ideas make sense to subject）。（五）結果和原因混淆(confuse causes and effect）。（六）運用非邏輯性思考，想法不具關聯性(use illogical thinking;the idea have no relationships）。（七）主題混淆了資訊(subject mixed information）。（八）由正確的解釋導向錯誤的解釋 (explanation begins correctly but ends incorrectly）。（九）由錯誤的解釋導向正確的解釋(explanation begins incorrectly but ends correctly）。（十）不一致的(incoherent)。（十一）同時提出兩種解釋(give two kinds of explanations simultaneously）。（十二）以因果關係描述(uses description as causality）。張綺砡(2002)探討個案學生對於生活中微小粒子的科學解釋及其影響因素，研究結果發現：個案學生對於生活中微小粒子的先存概念以具體經驗為主，且依據可觀察的特徵進行推理。以小組合作學習時，低學業成就學生的科學解釋會受到高學業成就學生的影響而產生變化，而其所持有的解釋類型以原因論與非宗教決定論(finalism)為主，偶而伴隨著萬物有靈論與宗教決定論的解釋類型出現。由上述文獻可知，透過科學定理解釋科學現象，是科學教學很重要的目標，而科學解釋對於科學理論的傳達和理解深具重要性。一些研究指出學生的先存概念來自自身經驗、日常生活語言、隱喻、文化的傳達、同儕或父母的信念、教學和信仰背景 (Driver,1981; Solomon,1986 ）。而 24.

(34) Solomon(1986)提到學童的解釋往往無法很科學，他們仍然常常基於自己的假設與想像去描述，卻不經證據證明。正如同姜滿(1993)的研究中發現學生在科學解釋上有以下的問題：如前後矛盾、不連貫，同時提出兩種解釋，主題混淆了資訊，使用非邏輯的推理，結果和原因混淆等。教師會依據課程內容不同而呈現不同的科學解釋類型，主要目的皆在促進學生對於現象或事物的理解，以及對於疑問的解答，教師在教學時所給予的解釋，對於矯正學生的先存概念顯得格外重要，尤其是學生的科學概念深受其先存概念所影響，又教師的科學概念和提出的科學解釋也與學生的科學概念發展與解釋息息相關，在張綺砡(2002)的研究結果中提及：師生間的對話方式以及教學策略影響著個案學生的科學解釋，因此，教師的科學解釋是否能達成學生對於定律的理解或者修正其先前概念，將是科學教學重要的目標之一。. 第三節. 科學解釋相關實徵研究. 一、科學解釋、教學與學習就科學教學活動而言，口語行為在教師的教學行為中，佔了大部分的時程，其中又以口語的科學解釋行為，對於學生在建構科學本質的了解上扮演著重要的角色(Lederman,1992; Lederman ＆ Zeidler,1987)。 Sutton(1992)根據科學語言在科學教學上的使用方式，將科學語言所扮演的角色分為兩類：（一）解釋系統(interpretive system) 解釋系統語言使用的型態是以各種不同的方式解釋同一個概念，語言的目的是用以解釋概念，「文字」不具固定意義。在學習方面著重讓學習者能夠以自己的方式對一概念提出解釋，文字本身的意義隨著情境而有所不同，因人而異。. 25.

(35) （二）符號系統(labelling system) 符號系統是將語言視為一種描述、傳遞科學概念的工具，當科學家有一些發展之後，便以一個文字去描述此一現象或事實。因此，在某一特定情況下，「文字」即具有固定意義。在教學方面，即是指教師使用這些概念性文字清楚地傳達給學生。 Duit(1997)指出科學教室裡欲進行有效的教學，使學生獲得學習與成長，必須在教師的解釋行為與學生的思維模式是相互共鳴的情況下，才能讓學生從良好的互動與溝通中建構知識。而 Cook(1985)提到老師在科目的基本論點方面，缺少了著手強調科目的計畫，因此發展了一個基模(scheme) 使得教師在發展解釋時，可以運用此基模來強調論點的角色。 Roberts(1982)發展了一個科學的課程重點(curriculum emphases），在課程中，他定義了一系列有關科學本質的訊息給學生，總共分成七個不同的重點，其中的三個重點與「解釋」有關，分別是：正確的解釋(correct explanation)、科學的結構(structure of science)和解釋者本身(the self as explainer)。正確的解釋重點在於知道現行的標準和接受科學理論和科學解釋的主體，在課程中，老師的職責是在運用研究社群所認可之解釋的陳述方式向學生解釋一件事物；科學的結構則是讓學生知道科學是有關證據和理論的相互作用，解釋的陳述可作為檢驗其適當與否，並知曉科學是一種傾向錯誤的和自我修正的事業，在這邊老師的角色為解釋事物，但是解釋必須隨時不斷地被加以詳細檢驗，也應瞭解解釋隨時都有可能變動以提供新的證據和改善的論證；解釋者本身強調科學的個別性和文化性，科學解釋的主體會受到時代的影響而有不同的解釋存在，而有關人如何去解釋他們的周遭世界也被列入科學的範疇中，老師必須花更多心思於學生扮演解釋者的活動上。 Jungwirth(1979)發現很高比例的高中生持有將「目的論」、「擬人化」的解釋視為等同「因果的」解釋之傾向，這個結果令人值得憂心。他認為 26.

(36) 這樣的研究結果應當為師資培訓課程所重視，因為教師口語的表達和反應對於學生來說(無論是口語上或是書寫上)，都將決定是否能夠逐漸排除研究中所呈現令人擔憂的現象。根據許良榮和蔣盈姿(2005)以 POE 策略探究中小學生的燃燒概念之研究發現：雖然某些學生經由 POE 活動調整了他們原先的看法，但僅有少數學生能以科學原理(概念)加以解釋，許多學生仍持有原先的另有概念，或是以其他的另有概念來解釋物質的可燃性，而呈現所謂「偽說明（pseudo-explanation）」的形式，如：一位國二學生認為冰糖會燃燒，是由於冰糖會熔化的關係，而另一位受訪學生則認為雙氧水不會燃燒，是由於雙氧水是水的一種，由此可見學生無法以合乎科學原理的理由提出科學解釋。上述研究結果正如同 Taber(2001)研究發現：學生對於自然現象的說明，經常呈現徒具形式而缺乏實際說明能力的「偽說明」。因此，顯示學生科學解釋的能力相當缺乏，是科學教師在教學上值得注意和改進之處。該研究也顯示學生較缺乏應用知識解釋的能力，可能是由於一般課程設計較著重於給學生陳述性知識(declarative knowledge)，而運用程序性知識 (procedural knowledge)的機會較少，例如教授燃燒概念的時候僅給學生「燃燒的三個必要的條件是要有可燃物、助燃物及溫度要達到燃點」的定義，學生雖然了解其定義，但是面對不同情境時，學生卻不曉得如何去運用這些概念。因此建議在教學設計上應該多給學生運用知識的機會而不僅是學習概念和定義而已，舉例而言，在給學生「燃燒的三個必要的條件是要有可燃物、助燃物及溫度要達到燃點」的定義之後，能夠再給予一些實際的例子讓學生能有應用其所學的知識去做判斷以及說明和解釋的機會。. 二、科學解釋能力 Edgington ＆ Barufaldi(1995)提到可觀察之(物理)事件的科學解釋 27.

(37) 是：根據一個理解的整合觀點來探索科學概念的有力工具。而科學家亦努力藉著使用目前被接受的科學原理，或與科學原理一致的方式發明解釋，使得現象的觀察具有意義(Science for All Americans, 1990, p. 7)。 McCubbin(1984)針對一群通過大學物理入學考試的學生，對其正確的科學解釋能力進行評量，主要內容為能否從研究者所提供之有關小學電學現象的一些陳述句子中辨別出有根據的解釋(valid explanations)，研究結果顯示大學生未能選出正確的解釋，且傾向選擇不正確的解釋，不僅無法達到給予正確的解釋的能力，也未能將錯誤的解釋陳述句與正確的陳述句加以區分。 Tobin(1986)研究學生在進行過程取向(process approach)的科學活動行為時，列出九項行為，隨機選定學生作為記錄的對象，結果發現在「設計」和「解釋資料」時，學生的行為是隱性的(covert)，而顯性的(overt) 行為只有發生在「收集資料」的時候。同時發現具高形式推理能力的學生傾向於作解釋資料的工作，低形式推理能力的學生傾向於理解的工作，研究結果建議教師於設計科學活動時，應讓學生有較多顯性的參與行為。 Wong(1996)在比較學生與科學家的解釋之後，提出學生產生科學解釋失敗的理由。他點出科學概念知識的重要性，並且強調情境因素將導致學生低落的解釋成就，一方面提及社會語言規範(norms)，另一方面則言及學校社群的期望、價值觀與互動(dynamics)。Wong 在社會語言規範方面，主張解釋的適切性可藉由特定的目的(滿足好奇心、展現競爭力等)相稱的程度、準確性以及所需要的熟練程度來判定。因此在學校情境中，學生會依據老師的要求而進行解釋，他們傾向於簡短的回答，這樣的情形有可能是假定教師無論如何都了解這些回答，或不願意顯露出含糊不清的狀態，亦有可能是在掩飾他們是欠缺知識的。同時，學生在熟練與深度上會產生困惑，轉而提出替代的、口頭的和較為瑣碎的描述。. 28.

(38) Wong 進一步指出學生不佳的解釋可能歸因於學校情境的社會因素。例如：學生為了尋求團體歸屬感，會相當重視順應與和諧，而這些標準常與注重批判、協商與修正解釋的科學談論之常規運作相反，由此可知，學生在學校情境中所產生的解釋類型是不佳的。李暉、郭重吉(1998)探討科學話語與科學概念之學習，研究結果發現，教室對話中學生所使用的科學陳述(術語)和這些話語所代表的意義之間，有多種關係存在。包括：(一)科學陳述大致符合一般科學用語，且其指稱之意義符合教科書的意義。(二)用法適當，但不符合教科書的意義。 (三)能夠正確理解科學概念，卻用錯科學術語，如：學生在問卷中將功率解釋為作用的速率，但在隨後的訪談中卻能確切說出功率是同樣時間做多少功。此外，對於排斥學習，不參與討論的學生，亦出現有幾乎完全無法使用科學術語，且對其意義一無所知的情形。整體而言，藉著科學語言的使用及主動參與討論，在科學概念的建構上有正面的助益。 Zuzovsky & Tamir (1999)從第三次國際數學與科學研究(the Third International Mathematics and Science Study，簡稱 TIMSS)所得到的資料，研究四年級與八年級學生對科學現象的解釋，結果發現：(一)概念化、演繹科學原理、使用原理解決問題，以及建構科學解釋等能力在四年級間是低落的，但是似乎隨著學習的年齡而有改善。(二)當學生沒有機會去研讀內容，他們會使用一些直覺型式的解釋(intuitive patterns of explanation)，通常是一種通則化的型式(generic type)，而這樣的形式在一些例子裡是相當多的。然而，在反直覺的學科領域中(如物理學)，這些直覺規則是不適當的。(三)學生愈熟悉問題中的情境，他們愈能預測，並選擇適切的規則來支持他們的預測。(四)學生的解釋傾向簡單。值得一提的是在兩個年齡群(四年級與八年級)中的共通點有：得到的許多解釋是不完整的，缺乏詳述先行條件，或是未提及相關規則，很少使用科學術語，時常提出描述與目的論的解釋，卻鮮少提出因果關係的解釋。 29.

(39) 而上述 TIMSS 的結果與 Pallrand(1996)研究的發現相符合：使用評量錄音帶來提出問題的情境，要求學生「預測與解釋」，並根據額外的資料來「修正與建構新的解釋」，做出以下結論：(一)呈現在大多數解釋裡的知識是高度零散的，由許多細碎、片段的資料所組成。(二)延伸含義所需的知識與程序是不完整的。(三)學生似乎無法應用他們之前所學過的一切知識(四)當被要求解釋不同的現象時，學生時常訴諸描述而非解釋。(五) 學生似乎無法將其在教室中被教導的一切與新的、不一樣的情境產生連結。(六)學生所知道的似乎都以孤立的單位(units)存在。黃文吟(2000)從內容取向與認識取向兩方面，探討高中學生解釋物理現象的表徵與評價，研究結果顯示學生對於物理現象的解釋可從兩方面加以說明，一是將科學解釋視為傳達理念的工具，學生普遍喜歡作圖的、簡捷公式化的以及易於想像的動態解釋模式；二是學生顯現出對解釋本身合理性的要求，包括與自己生活經驗比較，認為解釋內容應與現象具有因果關係，且解釋方式必須能符合針對不同情境的解釋一致性要求等等看法。謝州恩(2005)探討國小六年級學童在探究活動中其科學解釋能力的成長情形，研究發現學生在經過一系列探究活動課程的學習之後，在科學解釋「核心能力」方面，以指出因果關係成長最多，其次是運用推理能力，最後是使用證據能力；而在科學解釋「相關能力」方面亦有不等的成長，其中以學生解釋提出主張成長最快。值得一提的是學生在進行科學解釋時，在使用證據上仍是困難的，此部份與Sandoval ＆ Reiser(2004)的研究結果相近，學生對於過程或機制的描述較不清楚。另一方面，學生並未時常提到科學較常用的術語，如：控制變因、操縱變因等，他們大多以描述取代科學術語的使用，此部份與李暉和郭重吉(1999)研究學生科學話語的結果相似。此外，亦有以科學家與教師為研究對象之相關研究，如：Edgington ＆ Barufaldi(1995)研究高中物理教師與從事研究工作的科學家兩組社群，如 30.

(40) 何對科學現象進行解釋。研究過程是以牛頓擺(Newton’s Cradle)為觀察的素材，分別讓三位教師與三位科學家進行科學現象的解釋。研究發現，兩個群體所做的解釋，皆符合科學解釋的D-N 模式，亦即提出解釋所依據的理論，並界定問題的狀況，再依據理論對結果作預測、解釋。唯科學教師與科學家在解釋的深度與複雜度方面有所不同，主要表現在下述之情況： (一)對於解釋的目的與本質的領會不同：在研究過程進行當中，即使研究者已提醒受訪教師，此問題的回答與教學無關，部分受訪教師仍假設學生是他解釋的對象，也就是將牛頓擺視為學校科學概念（能量守恆與動量守恆）的教學演示品。然而，科學家的解釋則不以教學為目的，只是分享他對科學現象做解釋的想法。(二)教師與科學家用來描述現象所持用的理論派典(paradigm)並不完全相同。教師多以動量與能量守恆解釋牛頓擺，而科學家甚至可將牛頓擺的擺動與碰撞現象聯想到行進波的理論。(三)教師精熟於用代數運算解決問題，但是對於每個代數指稱的物理量並沒有清楚的交代。(四)在認識取向方面，科學家對於其據以解釋牛頓擺現象所持用的理論，在應用前或應用之後，皆會對其適切性與正確性做評估，而教師則鮮少能做到這一點，通常他們認為問題僅有一種解決方式。綜合上述文獻可歸納出：對於自然現象，學生普遍存在著迷思概念，遂難以提出完整、正確的科學解釋，尤其在物理現象方面，所具備的科學解釋能力明顯不足；此外，科學教師對於現象的解釋與科學家所持的觀點亦不盡相同，甚至一些研究發現國小教師也存在著許多另有概念(洪淑淩，2007；黃萬居，1996；蘇育任，1999)，而學生所持之概念可能會經由教師授課過程中產生，因此，教師本身所持之概念是否正確，是值得注意與研究的。 Ogborn, Kress, Martins, & McGillicuddy(1996)指出科學的學習不僅涉及概念的理解，也包含了語言的理解與應用。科學教室裡的教學活動，在科學社群、教師與學生三者之間，彼此進行交流並相互影響，在此過程中， 31.

(41) 語言即是溝通與促進理解的重要橋樑。因此，針對教師在課室中的科學解釋能力作更深入的研究，增進對於科學教師其解釋特徵與能力的理解，進而能提升學生的學習成效，是不容忽視的議題。. 第四節科學解釋的評量科學解釋的評量同時包含兩個層面：解釋之邏輯結構性的評量，以及對解釋之陳述性的評量，亦即科學解釋所傳達之對現象理解的程度。分別提出一些相關的評量標準如下：一、解釋之邏輯結構性的評量（一）D-N 模式是最普遍用來評量解釋結構完整性之標準：指一個論證涵蓋了列舉某先行條件與定律之語句的說明項，因此可以解釋或預測一個現象。這個結構同時滿足邏輯與適當的實徵條件。許多的解釋並未堅持此一結構，缺乏某一部份之說明項的語句被認為是不完整的解釋。一些學者對這種不完整性抱持較寬大的立場。舉例來說， Scriven(1988)承認在一些科學情境中，某種資料超越問題之外，因此，他提出完整的解釋不一定要符合 D-N 結構，它可以隨著不同的脈絡而改變，端視提出解釋之群體的先存知識而定，只要它維持邏輯的功能（雖與結構不符），並提出理解，解釋將被認定是完整的。（二）科學解釋品質的「統一性(unification)」標準：有關於解釋之化約與理解特徵的觀念：Feigl(1970)提出依據最少量之概念與假定以理解最大量事實和規率性(引自 Zuzovsky & Tamir,1999)。Friedman(1974) 則提出藉由化約我們所接受的現象，來理解這個世界。 Schulz(1993)將簡單的解釋與複雜的解釋加以區分。簡單的解釋即圍繞較小的概念群而產生，且表徵出較少連結的知識；複雜的解釋則包含較. 32.

(42) 多的概念。簡單的解釋在本質上較常出現因果關係，反之，複雜的解釋則對自然現象提供較一致的且組織良好的觀點。 Kuhn(1991)亦對單一原因(single-cause theories)與多重原因的理論 (multiple-cause theories)做類似的區別。其所提及的「理論」與所述之「解釋」的意義相似。在單一原因理論裡，許多的因果關係被整合為一，而在多重原因的理論中，這些因果關係是以平行或是另有的方式存在。Kuhn 發現產生多重原因理論(解釋)者不需要像持有單一原因理論(解釋)者一樣，將大範圍的概念整合到自己的理論中，但是他們的多重原因理論反映出：對於他們所推論之現象的因果關係複雜性有較好的覺察。因此，「統一性」與因果關係複雜性的覺察，皆為好的解釋之象徵。 Zuzovsky & Tamir(1999)總結適當解釋的結構與邏輯標準如下：（一）在物理解釋中，必須具備完整的 D-N 模式或至少是 D-N 模式之概述（二）統一性：從化約解釋為最可理解的基本原因，或是從多重原因整合成單一的因果關係結構而獲得統一性。（三）反思因果關係的複雜性，以提供另有多重原因的關係。（四）在功能解釋的範例裡，表達出為了系統（s）的適當功能，特徵（i）的必要性是滿足某必然條件（n）。（五）在演化解釋的範例裡，區別近因與終極因，並提及兩者皆是為了產生生物學之解釋。二、解釋之陳述性的評量科學解釋經常以書寫、敘述的形式呈現。書寫的解釋被認為是一種特殊的語言類型，不同於科學描述(scientific description)。在科學教室裡，報告或是科學描述是較常見的寫作方式(Sutton, 1992)。 Halliday ＆ Martin(1993)認為解釋不同於報告，在兩方面有所不同：解釋具有(一)高百分比的行為動詞，而且通常是描述一個過程；(二)行為是以邏輯次序組織而成的。 33.