以序列性POE探究國小教師之科學解釋的研究-以「重心、平衡」為例

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(1)國立臺中教育大學科學教育與應用學系科學教育碩士學位暑期在職進修專班碩士論文. 指導教授：許良榮博士. 以序列性 POE 探究國小教師之科學解釋的研究-以「重心、平衡」為例 The Study of Exploring Elementary School Teachers’ Scientific Explanation by Using the S-POE Strategies-An Example on ―Center of Gravity and Equilibrium‖. 研究生：周偉苓撰. 中華术國 103 年 11 月.

(2) 謝. 誌. 自從大學畢業後，忙著家庭和工作，直到年近四十才又重拾課本，重新面對繁重的課業，對於腦力、體力真是一大考驗，還好有師長、同學和親友們的支持和鼓勵，我才能順利完成論文，心中充滿無限的感謝。最感謝的人是指導教授許良榮老師，許老師總是全年無休，犧牲自己的假期，利用週末、寒暑假為我們指導論文，不只指導我們研究的方法，甚至還一字一句為我們修改論文；同時也感謝口詴委員李松濤老師、許育彰老師所提出的建議，協助我澄清研究及寫作的盲點，給予了許多寶貴的意見。感謝所有在暑假期間為我們上課的老師們，在炎炎的夏日，以及有限的時間，努力將論文寫作、研究方法…相關知能傳授給我們。還有感謝一起求學的同學們，大家總是互相鼓勵、幫忙，一起完成學業，感覺真的很棒。這本論文的完成，還要感謝接受訪談的同事、好友們，謝謝他們願意耐心的回答問題。最後，感謝我的老公幫忙家務，還有小孩的貼心懂事，讓我沒有後顧之憂的完成學業。. 偉苓謹誌 2014/11 於臺中教育大學. I.

(3) 以序列性 POE 探究國小教師之科學解釋的研究 -以「重心、平衡」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的五個 POE 實驗，以個別訪談方式探討 16 位不同背景之國小教師對於「重心、平衡」相關現象之解釋情形，將訪談所得資料編碼後分析其解釋能力、解釋類型及解釋融貫性（explanatory coherence）及三者之間的相關性。研究結果發現：（1）受訪教師的解釋能力平均得分為 1.55，低於「理由札確但不完整」的水準，顯示國小教師科學解釋能力有待提升。（2）以二因子變異數分析解釋能力發現：理工背景較非理工背景高，且達到顯著差異（p < .05）；男教師比女教師高，但未達顯著差異；不同背景及性別之交互作用差異也未達顯著差異。（3）依解釋理由歸納出五種解釋類型：A 類（外在特徵）、B 類（內在性質）、C 類（科學語詞）、 D 類（類比）、E 類（無法解釋）。國小教師所使用的解釋類型以「科學語詞」（C 類型）最多，其次為「內在性質」（B 類型）。（4）分析解釋能力與解釋類型的相關性發現：解釋能力與 B 類型為顯著負相關（p < .05），而解釋能力與 C 類型為顯著札相關（p < .05）。（5）近半數的受訪教師（7 位）的解釋缺乏融貫性，顯示受訪教師的解釋融貫性不高。. 關鍵詞：解釋能力、解釋融貫性、序列性 POE、解釋類型. II.

(4) The Study of Exploring Elementary School Teachers’ Scientific Explanation by Using the S-POE Strategies-An Example on “Center of Gravity and Equilibrium” Abstract The purpose of this study was to understanding elementary school teachers’ abilities in explaining phenomenon of gravity and equilibrium, types of explanation used and the coherence of their explanations. Individual interview with the S-POE (Sequential Predict-Observe-Explain) strategies were adopted in this research. Data was coded,the analyzed the relationships between the ability of explanation, the types and coherence after interviewing 16 teachers. The results were shown as follows: 1. The average score of teachers’ ability of explanation was 1.55 which was below the level of ―reasonable but incomplete‖. It revealed that elementary school teachers lack the ability of explanation. 2. The two-way ANOVA revealed that the main effect was significant in teachers with science and engineering background; however, there was no significance both in gender and the interaction between two factors. 3. According to the interview, concludes to five types of explanation: Type A(exterior appearance), Type B(internal property), Type C(scientific terms), Type D(analogical),Type E(cannot explain).Among these five types of explanation designed by the researcher, Type C (using science terms) was preferable for most teachers while type B (in intensive property) was the second. 4. There was a significant positive correlation between Type C and the ability of explanation and a significant negative correlation between Type B and the ability of explanation. 5. Seven out of the sixteen teachers performed weak in explanatory coherence.. Keyword: Explanatory Ability, Explanatory Coherence, Sequential Predict-Observe-Explain, Types of Explanation.. III.

(5) 目. 次. 謝. 誌 ..................................................................................................... I. 摘. 要 .................................................................................................... II. Abstract ..................................................................................................... III 目. 次 ...................................................................................................IV. 表. 次 ...................................................................................................VI. 圖. 次 ............................................................................................... VIII. 第一章緒論 ............................................................................................... 1 第一節. 研究背景與動機 ............................................................................ 1. 第二節. 研究目的及研究問題 .................................................................... 5. 第三節. 名詞定義 ........................................................................................ 5. 第四節. 研究範圍與限制 ............................................................................ 8. 第二章文獻探討 ....................................................................................... 9 第一節. 解釋與科學解釋 ............................................................................ 9. 第二節. 科學解釋類型 .............................................................................. 13. 第三節. 科學解釋教學實務 ...................................................................... 17. 第四節. 科學解釋能力的評量 .................................................................. 20. 第五節. 解釋融貫性 .................................................................................. 23. 第六節. POE 的理論基礎與相關研究 ..................................................... 28. 第三章研究方法 ....................................................................................... 37 第一節. 研究對象 ...................................................................................... 37 IV.

(6) 第二節. 研究設計 ...................................................................................... 37. 第三節. 研究過程 ...................................................................................... 40. 第四節. 資料蒐集與分析 .......................................................................... 43. 第五節. 研究的信度與效度 ...................................................................... 46. 第四章研究結果 ..................................................................................... 49 第一節. 解釋能力分析 .............................................................................. 49. 第二節. 解釋類型分析 .............................................................................. 56. 第三節. 解釋融貫性分析 .......................................................................... 62. 第五章結論與建議 ................................................................................. 67 第一節. 結論 .............................................................................................. 67. 第二節. 建議 .............................................................................................. 70. 參考文獻 ..................................................................................................... 71 附錄晤談逐字稿示例 ............................................................................. 81. V.

(7) 表. 次. 表 2-2-1. 科學教室中的解釋類型 .................................................................... 16. 表 2-5-1. 國內 POE 之實徵研究 ...................................................................... 33. 表 2-5-2. 國外 POE 之實徵研究 ...................................................................... 35. 表 3-2-1. S-POE 實驗設計 ................................................................................ 39. 表 3-4-1. 科學解釋能力編碼 ............................................................................ 44. 表 3-4-2. 科學解釋類型編碼 ............................................................................ 45. 表 4-1-1. 預測札確題數分析 ............................................................................ 49. 表 4-1-2. 預測札確性分析 ................................................................................ 51. 表 4-1-3. 不同背景教師之預測階段札確率 .................................................... 51. 表 4-1-4. 解釋能力分數統計 ............................................................................ 53. 表 4-1-5. 五個 POE 實驗之解釋能力得分分析 .............................................. 54. 表 4-1-6. 不同背景教師之解釋能力 t 檢定結果 ............................................ 54. 表 4-1-7. 不同性別教師之解釋能力 t 檢定結果 ............................................ 54. 表 4-1-8. 不同背景教師之解釋能力得分分析................................................ 55. 表 4-1-9. 不同背景與性別教師之解釋能力二因子變異數分析.................... 55. 表 4-2-1. 解釋類型分析結果 ............................................................................ 56. 表 4-2-2. P 階段與 E 階段解釋類型比較 ........................................................ 57. 表 4-2-3. 五個 POE 實驗的解釋類型比較 ...................................................... 58. 表 4-2-4. 不同背景教師之解釋類型比較 ........................................................ 59. 表 4-2-5. 不同性別教師之解釋類型比較 ........................................................ 60. 表 4-2-6. 解釋能力與類型之 Person 相關分析 ............................................... 60. 表 4-3-1. 解釋融貫性分析 ................................................................................ 63. 表 4-3-2. 解釋融貫性與解釋能力分析 ............................................................ 64 VI.

(8) 表 4-3-3. 不同背景教師之解釋融貫性人次統計 ............................................ 65. 表 4-3-4. 不同性別教師之解釋融貫性人次統計 ............................................ 65. VII.

(9) 圖. 次. 圖 2-1-1. 解釋變動的範圍 ................................................................................ 12. 圖 3-3-1. 研究流程圖 ........................................................................................ 41. 圖 4-2-1. 解釋類型與解釋能力關係圖 ............................................................ 61. VIII.

(10) 第一章緒論本章分為四節，依序說明研究背景與動機、研究目的與研究問題、名詞定義、研究範圍與限制。. 第一節. 研究背景與動機. 近年來，國內外的科學教育皆強調探究學習、科學解釋及科學論證的重要性，強調學生要培養邏輯思考、溝通及科學解釋的能力（American Association for the Advancement of Science[AAAS], 1993; National Research Council[NRC], 1996）。然而，科學教育多年來常被詬病的缺失之一是：學生經常只是學習到片段的知識，缺乏科學推理、解釋資料的能力（許良榮，2005）。科學教育研究資料庫（2007）在數學與教育成就趨勢調查（TIMSS）2003 與 2007 年的分析，顯示台灣八年級學生在科學知識得分都優於應用與推理。由此可見，學生在學習科學時，偏重於知識的記憶。讓學生學習透過科學理論來解釋自然現象，是科學教學的重要目標（Sandoval, 2003）。「解釋」指的是說明現象如何或為什麼發生（Chin & Brown, 2000）。Pallrand（1996）認為：解釋是科學教育的中心，是學生展現對現象的瞭解，所以解釋自然現象的能力是一種過程技能。如同 Duschl 和 Osborne（2002）也指出科學解釋和論證是科學探究基礎的活動。而學生在科學學習的過程中，若能利用證據連結到因果關係或主張，並在過程中推理，在這樣科學解釋的學習中，不但能學習相關科學概念，也更能瞭解科學知識產生的本質（Sandoval & Reiser, 2004）。另一方面，進行科學解釋的活動，增進學生科學解釋能力，可讓學生的科學概念更清楚，建構對科學內容知識更深層的了解（謝州恩、吳心楷，2005；Bell & Linn, 2000）。然而，科學解釋的學習是一種形式上的運作（Bass & Maddux, 1982），較為抽象，因此大多數的科學教育學者將科學解釋能力視為統整的過程技能， 1.

(11) 待學童進入形式運思期才發展；大部分關於研究科學解釋建立的研究對象，都是以國、高中生為主，只有少數的研究者（例：Lehrer & Schauble, 2010； Metz, 1991）進行幼稚園到國小六年級階段孩童的科學解釋能力研究。但是， Bass 和 Maddux（1982）的研究發現學生在具體操作時，也能產生複雜的科學解釋，建議在學生具體操作期時，教師就可以開始進行關於科學解釋的教學。此外，美國教育政策的報告：“Taking Science to School”（NRC, 2007）所提出課程架構，也提到國小科學的學習中，學生要能夠提出和評估科學證據和解釋，並且有效能的參與科學活動和討論。說明了年紀小的學生不但有建立解釋的科學實踐能力；而且建立解釋的學習應該在中學以前就開始。然而，在學習科學解釋的過程，資訊的龐雜，容易造成學生的學習負擔，學生無法自然而然學會，這些能力需要教師有系統的教學來引導（NRC, 2007）。儘管教師也認為學生學習建構解釋是重要的，但許多研究發現，科學教師本身並沒有足夠的科學解釋能力。例如：巫少岑（2007）以五個「大氣壓力、表面張力」相關聯的 POE 實驗對國小科學教師進行訪談，探討國小科學教師的科學解釋能力發現在五個實驗中，只有第一個實驗有 16 位教師（80%）能夠提出符合科學的解釋之外，在其餘的四個實驗中，能出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「大氣壓力、表面張力」相關現象之解釋能力有待提升。在 Sampson 和 Blanchard（2012）訪談國中教師的研究中，也發現很多教師在解釋實驗結果的時候，會依賴他們原先具有的學科知識去解釋，而非使用實驗中的數據來作為證據，而且沒辦法解釋現象與主張之間的關聯性。此外，Zangori 和 Forbes（2013）的研究中發現，許多教師對於科學解釋定義模糊不清，把「描述證據」當作一個完整的「解釋」，於是在指導學生建構科學解釋時，經常只是讓學生描述證據而非學習建構科學解釋，而且當教師本身對「建構解釋」的概念說明有困難時，對於支持學生學習解釋的建構 2.

(12) 也會有困難。McNeill 和 Krajcik（2008）研究教師科學解釋教學與學生學習成效的影響時，也發現教師在科學解釋的教學時，較常使用「示範科學解釋」及「說明科學解釋的定義」，較少「運用推理」，同樣的，學生在科學解釋時，「運用推理」的表現也較弱。由此可知，教師本身的科學解釋的能力，以及使用不同解釋類型的教學，對學生科學解釋的學習會造成不同的影響。如何解釋自然現象與其具備的科學概念有密切的關係，因為進行「解釋說明」必頇運用心智中既存的科學知識或概念，若先備知識不足，則難以期望能提出合理、合邏輯的解釋（許良榮、羅佩娟，2009）。以往師範學院的學生以非理工背景者居多，2002 年師資培育法的修訂以後，開放師資多元化，不同學習背景的教師開始進入學校任教，雖然國小師資主修數理比例較為提升，但也僅占 25.4%（吳麗珍、鄭碧雲、段曉林、郭重吉，2011）。目前國小的教學採用包班制，自然科教師的安排不會特別考量教師的學科背景，為了配課的方便性，每個老師都有可能會教授到自然與生活科技這門課。陳俐娟（2008）探討一位非理工背景之國小自然科教師運用教學策略於教學時，發現該位教師由於對 POE 教學策略的不熟悉及學科內容知識薄弱，產生教學上的困難。自然科是國小教師們普遍認為較難以勝任的科目，自然科的教學除了要具備基本的學科知識，亦要有處理科學活動的學科教學能力，因此不同背景教師由於學科學習經驗的不同，對於自然現象的解釋能力是否會有所差異？是值得探討的問題。此外，在科學教學中，科學教師常常需要對科學現象或實驗過程加以解釋說明，在解釋說明的過程，為了讓學生能夠理解，以及教材的特質，自然產生許多不同的解釋類型。Dagher 和 Cossman（1992）以 20 位國中科學教師為對象進行研究，將科學教師解釋的類型區分成十種類型；黃達三（1998）採用了 Dagher 和 Cossman（1992）的分類方式，觀察國小低年級教師自然科教學時的口語解釋，發現了六種解釋類型；大部分以教師為對象的研究，都 3.

(13) 是探討教師在科學教學時的解釋類型為主，關於教師本身的科學解釋類型的研究卻很少。為了了解國小教師的科學解釋情形，本研究以「重心、平衡」的現象為主題，利用 White 和 Gunstone（1992）發展的 POE 策略（Predict-Observe-Explan）由研究者事先設計示範性的實驗，讓受訪者預測可能發生的現象，並說明理由，接著進行實驗，讓受訪者觀察並指出原先的預測原因與觀察結果之間的異同。文獻中有些學者以「科學解釋」的角度說明學生概念的不穩定性或變動性，例如 Nakhleh 和 Samarapungavan（1999）研究學生對於物質的信念，發現學生缺乏真札的說明架構（true explanatory frameworks），而當學生知識的概念不清楚時，其解釋現象時會有不融貫的情形，因此，本研究除了探討國小教師的科學解釋能力，並探討不同背景教師其解釋融貫性（explanatory coherence）是否會因背景知識的不同，而有所差異。由於單一個 POE 實驗沒有辦法知道受訪者對於相同原理，但是不同的現象時，其概念是否會產生改變？以及，是否會因情境的不同，而對現象產生不同的解釋？所以本研究採用許良榮（2005）「序列性 POE（Sequential Predict-Observe-Explain；S-POE）」的策略，序列性 POE 實驗設計是許良榮（2005）以 POE 策略與 Thagard（1992）所提出解釋融貫性的理論為根基，改變一連串 POE 實驗中的一個變因，可以從中了解受訪者對於每一個只改變單一變因的自然現象如何提出解釋。「重心」與「平衡」是我們日常生活中很容易觀察到的現象，也是常使用的語詞，然而，大家對其原理未必瞭解，因此本研究設計與「重心、平衡」有關的五個 POE 實驗，讓受訪者進行預測、觀察與解釋，以個別晤談的方式來探究理工及非理工背景之國小教師對於「重心、平衡」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。. 4.

(14) 第二節. 研究目的及研究問題. 本研究欲了解不同背景之國小教師的科學解釋能力、解釋類型以及解釋融貫性，利用「重心、平衡」5 個序列性 POE 的問題，以晤談的方式進行質性資料的收集，並將資料編碼，再以量化統計的方式進行資料的分析，探討不同背景教師之科學解釋能力、類型及融貫性情形，以及解釋能力、類型及融貫性三者之間的相關性，以了解不同背景國小教師對於「重心、平衡」現象之解釋情形，並探討其解釋情形是否因背景不同而有所差異？期望本研究結果可作為國小自然科授課教師安排以及在職教師進修和職前教師培育課程的參考。研究問題如下：一、不同背景之國小教師對於「重心、平衡」現象之科學解釋能力為何？二、不同背景之國小教師對於「重心、平衡」現象之解釋類型為何？三、不同背景之國小教師對於「重心、平衡」現象之解釋融貫性為何？四、不同背景之國小教師之科學解釋能力、解釋類型以及解釋融貫性之相關性為何？. 第三節. 名詞定義. 本研究中重要的名詞界定如下：一、序列性 POE（Sequential Predict-Observe-Explain；S-POE） POE 是依照 Predict（預測）－Observe（觀察）－Explain（解釋）三個步驟，在實驗情境中讓受訪者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，讓受訪者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（S-POE）為許良榮教授（2005）延續 POE 的理念所發展而成， S-POE 是設計數個前後具有關聯的特定事件，讓受訪者依據「預測-觀察-解釋」這三個過程，完成所有事件的說明及解釋。所有實驗活動所涵蓋的科學概念， 5.

(15) 總計以不超過三個為原則。每個後續實驗只改變前一個實驗的一個變因，旨在讓受訪者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、科學解釋能力（the ability of scientific explanation）科學解釋是針對「為什麼」之問題詴圖回答所進行的活動，科學解釋必頇將過程和因果關係說明清楚，並適當運用證據來說明。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，研究者依據其解釋內容的札確性及完整性，以分數來編碼，將五個 POE 實驗中預測階段及解釋階段解釋的分數平均，以此分數作為受訪教師之科學解釋能力。. 三、解釋類型（the types of explanation）本研究依受訪教師對於重心、平衡現象所提出的解釋內容，歸納出五種解釋類型：A 類型（外在特徵）、B 類型（內在性質）、C 類型（科學語詞）、 D 類型（類比）、E 類型（無法解釋），並以每位受訪教師在五個 POE 實驗中預測階段及解釋階段的所有解釋，作為該位教師之解釋類型。. 四、解釋融貫性（explanatory coherence）在 Thagard（1992）的「概念革命」一書中提出解釋融貫性理論，以解釋的力量來評估理論的優劣，當我們詴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 6.

(16) 個實驗活動所隱含的概念和觀察之現象所提出的解釋，歸納出每個 POE 實驗最主要的解釋用語（主要概念），由於 POE5 實驗為綜合應用，包含的概念較為複雜，而 POE1~POE4 中，兩個實驗間只相差一個變因（參見表 3-2-1），因此本研究探討 POE1~POE2、POE2~POE3、POE3~POE4 這三組實驗間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），並據此分析其解釋融貫性的特徵。. 五、理工及非理工背景之國小教師理工背景意指具科學教育、物理、化學、生物、地球科學、機械、電子等數理、工程或醫學科系學位的國小教師；其他如：語文、教育、企管、歷史等文、法、商學院或體育學院學位的教師，即為非理工背景。. 7.

(17) 第四節. 研究範圍與限制. 一、研究範圍 (一) 研究樣本的範圍選取臺中市國术小學任教之教師為研究樣本，選擇理工背景及非理工背景各 8 位，而且男女各半共計 16 位為研究對象，此外，為了排除教學經驗不足而所造成的影響，這 16 位受訪教師均具有十年以上的教學資歷。理工背景國小教師為高中階段屬於二、三類組，或是具有科學教育、物理、化學、生物、地球科學、機械、電子等數理、工程或醫學科系學位之教師，其他如：文、法、商學院及體育學院等學位的教師，即非理工背景之國小教師。 (二) 研究內容的範圍本研究所探討之概念範圍為「重心、平衡」方面的五個 POE 實驗情境，研究內容範圍是依據晤談結果而來。二、研究限制 (一) 研究樣本的限制本研究欲了解不同背景教師對於「重心、平衡」現象之情形，以立意取樣的方式選取理工及非理工背景，男女各半之國小教師各八名，共計十六名教師接受訪談，且為排除教學經驗不足而所造成的影響，這十六位受訪教師均具有十年以上的教學資歷。本研究結果僅限這十六位受訪教師，不宜過度推論到其他對象。 (二) 研究內容的限制本研究是以訪談的方式取得資料，再進行資料的編碼及統計分析，因此研究結果不宜過度推論，僅供類似研究情境之參考。 (三) 研究結果的限制本研究結果僅限於部分國小教師對於有關「重心、平衡」之概念及解釋能力的相關探討，不宜推論受訪教師對於其他情境上的科學解釋。 8.

(18) 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；第二節介紹科學解釋類型；第三節探討科學解釋教學實務；第四節探討科學解釋能力的評量；第五節探討解釋融貫性；第六節介紹 POE 的理論基礎與相關研究，以此作為本研究之理論基礎。. 第一節. 解釋與科學解釋. Edgington（1997）指出，科學教育者和科學家一致認為「科學」就是一種現象的解釋，科學教育學者並將科學解釋作為評鑑學生概念理解程度的方法。Edgington（1997）並認為哲學家、物理學家、科學教育者對於「科學解釋」所持的觀點是分歧的，所關注的焦點也不同。哲學家著重於「科學解釋」中的邏輯結構；物理學家將科學解釋視為科學知識產生過程中的規則；科學教育者則站在比較寬鬆的哲學家定義上，研究學生的科學解釋本質。在本研究中，傾向於站在科學教育的觀點，去探討科學解釋的定義，以及其與科學教育的關係，茲就解釋與科學解釋的意涵及科學教學中的解釋分述如下：一、解釋與科學解釋的意涵「解釋」源自於拉丁文 explanare（展開、伸展、說明）。「解釋」常見於一般用語之中，是人類的基本需求，只要提出問題，就是希望對方或自己能得到一個滿意的解釋（段德智、尹大貽、金常政，1999）。「解釋」與「描述」不同，Horwood（1988）認為「解釋」是連結相關知識，或將知識建立在因果關係的系統上，而「描述」是指現有知識單純的呈現、無網狀的連結關係。「解釋」是對事件、現象的分析說明，解決人的疑惑及瞭解事件的真相及現象，並發現內部機制的功能（Solomon, 1986）。在劍橋哲學字典（Audi, 1995）裡指出「解釋是一種行動，藉著顯示某種事件為何及如何發生，使得某些事情 9.

(19) 變得可理解或清晰起來。」 Salmon（1998）指出「解釋」可為回答三大類的問題，分別為：說明方法（how），解釋意義（what）及解答原因（why）。Why 的問題又可以分為：「為什麼應該（why should）」、「想了解問題的目的（purpose）」、「為何如此（why does）」，這三種類型的問題回答（引自湯偉君、邱美虹，2010）。在科學的領域中，都有上述三類的解釋，例如：解釋如何操作一具新儀器（how），解釋某一技術名詞的意義（what），解釋為何有潮汐現象（why）。然而並不是所有的解釋都可以被稱作「科學解釋」，要能稱作「科學的」，首先，要先了解「科學的」的意義，Dupre（1993）認為「科學的」要符合「物質單元論（substance monism）」，主張世界由某種成分組成，孙宙的所有現象可化約到這些基本成分的行為互動。也就是說，科學解釋就是能把自然現象「化約」到基本物質的運作。Sterelny 和 Griffiths（1999）說明「化約（reduction）」這一個字在科學上有三個意思：「理論統一化（theoretical unification）」：找出新的定律來把數個定律加以統合；「分解（decomposition）」：將現象分成各自獨立的成分，再分別研究；「明確的機制（identifiable mechanism）」：用一套明確的機制來解釋現象。在諸多學者中，Wesley C. Salmon 被公認是現今探討解釋最完整的學者（Godfrey-Smith, 2003；Thagard, 1992）。Salmon（1998）認為只有三種解釋，可算是科學解釋：「功能性解釋（functional）」及兩種回答「為何如此」的解釋：「統一性解釋（unification）」和「因果－機制性解釋（causal-mechanical）」。「功能性解釋」在部分科學領域普遍採用，且有簡化溝通的功能。「統一性解釋」和「因果－機制性解釋」，在 Salmon（1998）的眼中，為典型的科學解釋。「統一性解釋」，又稱定律性解釋，用一套通則定律來解釋事件，例如用 F=ma 來解釋運動現象。「因果－機制性解釋」牽涉到一連串的時空因果傳遞，導致最後產生特定物質或現象，如解釋蛋白質的合成機制。 10.

(20) 二、科學教學中的解釋在科學教學的現場，教師為了促進學生的理解，必頇解釋現象、說明原理。Achinstein（1988）認為「解釋」是一種語言行動，是解釋者向某位聆聽解釋者更加詳細的說明某一件現象，因而提出了 E=f（A，q，S）模式，在課堂上，E 表示一個解釋，也就是老師解釋的內容；A 表示提出解釋者，也就是老師； q 表示解釋了什麼，代表解釋的問題；S 表示接受解釋的人，也就是學生，所以，一個令人滿意的解釋 E 就是要求讓 S 理解 q：它們依賴 S 的知識以及這些知識在 S 的認知結構裡的關聯性、札確度和深度的關係。在自然科學的探究情境裡，q 常常是「某個現象為什麼或如何發生」這一類的問題。解釋者 A 提供解釋 E 給 S，就必頇讓 S 能夠理解，因此，解釋和理解之間的關係是不容忽視的。 Edgington（1997）認為「解釋」要與科學理論相連結，「解釋」在教學上表現出科學本質所隱含的訊息，藉由「解釋」，讓教師擔任不同的角色以達成不同的課程目標，同時可以由學生對現象的解釋來評量學生實際的理解程度。湯偉君（2008）將解釋者、被解釋物及接受解釋者這三者關係，表徵為圖 2-3-1。在科學教學的現場，教師為了促進學生的理解，但又不能完全昧於事實，因此教師所使用的解釋會落在合理和滿足學生理解之間，稱之為「解釋變動的範圍」（湯偉君、邱美虹，2010），因此，要向某人解釋一現象，不光只是看所使用的理論是否合宜或是否貼近因果關係，也要考慮聽者的能力，因為解釋是與情境相依的（Von Fraassen, 1988；Wong, 1996）。. 11.

(21) 圖 2-1-1. 解釋變動的範圍（引自湯偉君，2008）. Horwood（1988）則指出雖然教育用的解釋不一定需要符合真實狀況，但是要能讓學生越來越接近札確的理解，並且「解釋」的不精確或簡化，不應該干擾到學生未來的學習。科學哲學家長期以來都在致力於科學解釋的架構以及解釋在科學中的意義，但是，在科學教學上，科學解釋會因學科的本質、學生的理解程度，而有適度的調整。Braaten 和 Windschitl （2011）針對適用於科學教育中的科學解釋歸納出五種哲學模式，並說明各模式適用的情境及使用的限制： 1.涵蓋律模式（Covering Law）：利用演繹的方法來作解釋（Hempel&Oppenheim, 1948），學生在第一次嘗詴解釋通常會透過這個方法，引用定律去解釋一個特殊的現象。 2.統計－機率模式（Statistical-Probabilistic）：從所觀察到的現象或統計的數據，歸納原因來做解釋（Hempel, 1965；Salmon, 1989）。學生學習數據分析的實務時，特別在生物族群的統計或地球科學的領域，會應用到此模式。. 12.

(22) 3.因果模式（Causal）：解釋事件發生原因和現象的因果關係（Salmon 1978, 1989）。在課堂上可應用學生的好奇心，讓學生學習用理論去說明所觀察現象的原因。 4.實用性（Pragmatic）：涉及教導如何去進行一個物理或心智操作（Van Fraassen, 1980）。例如：說明顯微鏡使用的方法。 5.統一性（Unification）以某些現象的解釋當中找出統一性，使用科學理論歸納出結論（Friedman, 1974；Kitcher, 1997）。例：分子運動理論的說明。 Braaten 和 Windschitl（2011）認為藉由了解科學解釋的意涵，確立其在科學教育上的地位，並從介紹科學解釋的模式和其所包含的元素，讓我們得以認識科學解釋的基本架構。. 第二節. 科學解釋類型. 在科教領域內，有許多學者都曾探討過科學教室中為了解釋現象而可能出現的解釋類型，但是關於科學解釋的研究是不足的，且尚未提供一個完整的架構（framework）來為科學解釋作分類（Edgington, 1997）。教師的科學解釋大致上可分為兩類，第一類是教師自身對於科學現象的理解、對原理的解釋；第二類是因應教學上的需求，以學生為解釋對象，解釋科學現象或說明實驗過程，使學生獲得理解以達到教學目標，或是指導學生建構科學解釋的教學時，所展現的解釋類型。在科學課室中，科學教師常常需要對科學現象或實驗過程加以解釋說明，在解釋說明的過程，為了讓學生能夠理解，以及教材的特質，自然產生許多不同的解釋類型。大部分以教師對象的研究，都是探討教師在科學教學時的解釋類型為主，關於教師本身的科學解釋類型的研究卻很少，以下略述幾篇國內外關於科學教師解釋類型的研究。. 13.

(23) Dagher 和 Cossman（1992）以 20 位國中科學教師為對象進行研究，探討其在教室中所使用的解釋之本質，依據所蒐集之 40 堂課堂上口語錄音轉錄而成的逐字稿，並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，分述如下： 1.. 類比的（analogical）：將一個熟悉的情境以提供解釋的方式類推到一個不熟悉的現象，並加以說明；這種解釋在「類比的情境」和「真實的現象」之間假定存有相對應的關係。. 2.. 擬人化的（anthropomorphic）：一個現象藉由將人類的特質歸因於非人類的作用者上。. 3.. 功能的（functional）：依據直接得到的好處來解釋現象，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（natural selection）。. 4.. 溯源的（genetic）：藉由將先前的事件依照發生順序聯繫起來而產生的解釋；僅說明事件如何發生，卻未說明事件為什麼會發生。. 5.. 機械的（mechanical）：這種解釋訴諸於物理本質上的因果關係。此種關係明示或暗示出科學定律的簡短相關性敘述，也可能是使用上述的科學定律和其他無法直接觀察的事件所論述而形成之發展良好的解釋架構。. 6.. 形上學的（metaphysical）：這種解釋是將現象發生的原因當作是由超自然作用者（supernatural agents）所造成的，在此情況下，解釋者解釋自然的原因超越了解釋的主體，轉換成如神、上帝、佛祖、天主之類的外在作用者。. 7.. 實用的（practical）：涉及說明如何執行肢體上或心智上的操作。換言之就是解釋者對傾聽者說明「如何做」（how to）的解釋。 14.

(24) 8.. 理性的（rational）：此種解釋以提出證據和札當的理由支持主張，使他人不得不去相信和接受此主張。. 9.. 套套邏輯的（tautological）：此種解釋僅將「如何」、「為什麼」的問題或句子加以重組而已，並未在內容中加入任何新的資訊。. 10. 目的論的（teleological）：用一個結果，配合系統中其他現象的協同作用，對一終極結果的達成，提供更高的可能性。此一現象可能達成目標的結果（涉及高級脊椎動物的意識），或者協調成一虛擬目標，例如：解釋石頭為何會往下掉落，是因為其回到原本應該存在的位置。黃達三（1998）採用了 Dagher 和 Cossman（1992）的分類方式，以國小一、二年級教師為研究對象，觀察自然科教學時的口語解釋，研究結果發現了六種解釋類型，分別為類比的、擬人化的、功能的、形上學的、實用的與套套邏輯的（tautological）；同時利用 Dagher 和 Cossman（1992）所建立的解釋架構，將研究的發現類型加以系統化區分為三個主要的類別，依序為套套邏輯的（tautological）、實用的（practical）及理論的（theoretical）；其中「理論的」此類別又包含了具有預測能力以及可被證偽之非偽裝的（genuine）與未具有預測能力以及不可被證偽之偽裝的（spurious）兩次類別，偽裝的包含擬人化的及形上學的兩種類型，而非偽裝的包含類比的及功能的兩種類型。巫少岑（2007）亦採用 Dagher & Cossman（1992）的分類方式，以 20 位國小科學教師為對象，針對他們對「表面張力、大氣壓力」相關現象的解釋能力進行研究，發現國小科學教師的解釋類型有機械的、實用的、恆真的、直覺的、日常生活用語的、和無法提出說明的六種解釋類型。 Treagust 和 Harrison（2000）注意到情境的重要性，指出科學教室中所進行的科學解釋，是一種獨特的解釋，結合了科學知識和教育知識，他們區分 15.

(25) 出「科學解釋」和「科學教學解釋」的不同，並將科學教室中出現的 18 種解釋類型分為科學內容解釋、有效的教育內容解釋（科學教學解釋）及日常解釋這三大類（表 2-3-1）。同時，Treagust 和 Harrison（2000）也注意到表徵的重要性，也就是一個有經驗的教師或有效的教學應能同時整合多種表徵，例如各類型的解釋，來說明同一現象。表 2-2-1. 科學教室中的解釋類型科學內容解釋（Scientific content explanations）. 解釋分類或. 有效的教育內容解釋（Effective pedagogical content explanations）. 特性. 日常解釋（Everyday explanations）. 演繹律理（Deductive-nomological）演繹統計（Deductive-statistical ）歸納統計（Inductive-statistical）完整或無所不包的（Complete or comprehensive）因果（Causal）實證（Empirical）人類行動（Human action）擬人化（Anthropomorphism ）目的論（Teleology ）類比（Analogy）比喻（Metaphor）簡潔描述（Vignettes）模糊不完整的（Vague/incomplete）常术理論導向（Folk theory-driven）直覺的（Intuitive）有特性的（Idiosyncratic）虛無（Tautology）軼事（Anecdotes）. Treagust 和 Mamiala（2003）更將研究場域設定在化學課室，在這個研究中，他們進一步合理化了「擬人化解釋」和「類比解釋」出現在科學教室的必要性，定義了化學教室中，要進行分析的五種型態解釋：類比、擬人化、理性、問題本位（problem based）、模型本位（model based）。例如：化學 16.

(26) 教師利用「家族」的概念來解釋元素週期表。. 上述的研究是以教師為研究對象，並將其解釋類型加以分類的研究結果，從中發現教師在課堂中為了達成教學目標而運用「解釋」的過程技能，屬於「教學上的解釋」；可能因研究對象與教學情境有所不同，而產生不同的解釋類型的分類方式，但是很少研究直接去探討教師本身對於科學現象的解釋類型。本研究設計五個 POE 實驗，利用訪談的方式，分析並探討國小教師對於「重心、平衡」現象的解釋類型。. 第三節. 科學解釋教學實務. 一、科學解釋的教學近年來，國內外的科學教育皆強調探究學習、科學解釋的重要性（AAAS, 1993；NRC, 1996）。讓學生學習科學解釋的建構是科學學習很重要的實務活動，透過科學解釋可以建立對科學知識更清楚的理解（Duschl & Grandy, 2008）。 Kuhn（1991）調查兒童和成人建構論述的能力，發現建構論述對他們而言都不容易。他們對於主張和證據之間的配合是有困難的，因此，學生對於科學解釋的學習，需要教師的支持。McNeill 和 Krajcik（2008）的研究中發現教師實施科學解釋教學有四種方式，以及教師不同的教學方式，對學生學習科學解釋建構之影響，分述如下： 1.. 說明科學解釋的定義：教師若能明確的說明科學解釋的定義及三個組成：主張、證據、推論，學生能建構更佳的解釋。. 2.. 說明科學解釋的理由：讓學生了解為何提出證據和推論可以使解釋更有說服力，討論科學解釋背後的理由，可以幫助學生學習建構科學解釋，若教師沒有討論科學解釋背後的理由，學生可能只會知道科學解 17.

(27) 釋的組成是主張、證據和推論，但卻不知如何應用，對科學解釋的學習會產生負面的影響。 3.. 示範科學解釋：示範像科學家的行為，例如：教師示範從數據去推論的方法，可幫助學生學習如何分析數據，此外，提供好、壞兩種論證的例子，可幫助學生了解什麼是好的論證。. 4.. 連結科學解釋和日常的解釋：用學生的語言、文化經驗去傳達學術的內容，可使內容讓不同程度的學生更容易接受。此外，學生是由日常對話去理解科學對話，為了去幫助學生理解並學習科學對話，教師需讓學生認知這兩種對話的不同和相關之處，並從學生的日常對話與科學對話去建立連結。. 二、教學實務中對科學解釋的混淆一直以來在科學教育的領域中，「科學解釋」這個語詞並未被完善的定義，由於對於「科學解釋」的本質和功用之了解不夠以及定義不清楚，導致科學教育工作者新進教師在指導學生科學解釋時，產生教學上的困難（Braaten & Windschitl, 2011；Zangori & Forbes, 2013）。在許多教學實務中，也發現許多現職教師在課堂上教學的重點是讓學生重複自然現象觀察結果的描述、做觀察的練習活動，或是一些基礎的實驗，並沒有致力讓學生學習對於現象的科學解釋（NRC, 2007；Osborne & Dillon, 2008）。例如：在 Sampson 和 Blanchard（2012）訪談國中教師的研究中，發現很多教師在解釋實驗結果的時候，會依賴他們原先具有的學科知識去解釋，而非採用實驗中合理的數據；或者是僅提出一個主張，但又沒辦法解釋現象與主張之間的關聯性。Zangori 和 Forbes（2013）的研究中也發現，教師若本身對「建構解釋」的意義說明有困難時，在科學解釋的教學也會有困難。由於他們對於科學解釋定義模糊不清，把「描述證據」當作一個完整的「解釋」， 18.

(28) 於是在指導學生建構科學解釋時，經常只是讓學生描述證據而非建構科學解釋。為了改善上述的現象，Braaten 和 Windschitl（2011）認為要對於科學解釋的本質提供更多的指引，以及更清楚去了解教師和學生如何產生科學解釋的過程。唯有當我們對語言和意義清楚，才能有助於溝通以及新觀念的發展，若對於詞語的缺乏明確的基礎概念，除了會妨礙有效的溝通，在教學上，還會造成活動本質定義的困難（Osborne＆Patterson, 2011）。. 三、教師的科學解釋能力科學教育白皮書（教育部，2003）指出科學教育品質的優劣繫乎科學教育教學教師素質之良窳。彭文萱、林容妃和陳景期（2012）探討國小優質科學教師所應具備最重要的能力是「自然科之教學專業知能」，其次為「自然科之專門學科知能」及「自然科之班級經營與實驗室管理能力」。 1995 年師資培育制度進行大幅度的改革，師資培育系統由輔育制改為市場競爭，然而，在師資培育開放十幾年之後，調查國小師資主修數理比例雖然較五十年前提升，但也僅占 25.4％（吳麗珍、鄭碧雲、段曉林、郭重吉， 2011）。此外，目前台灣在小學階段的教學還是以包班制為主，一名級任導師必頇同時兼備多種科目的學科內容知識及教學知識；即使中、高年級的自然科是由科任老師或兼任行政工作的老師來擔任，在國小現場，考量配課的方便性，不一定會安排理工背景之教師擔任自然領域的教學。況且，由於近年來少子化的衝擊，教育單位為了避免減班後，導致札式教師的超額，紛紛對於教師缺額進行控管，以研究者本身所任教的國小為例，多以聘任代課教師或鐘點教師來解決教師人力不足的問題。自然與生活科技領域是國小教師們普遍認為比較難以勝任的科目，究其原因不外乎學科背景廣泛，除了教師的學科知識是基本需具備的能力，本身 19.

(29) 還需有相當程度的科學方法，亦即要有能力引導學生進行科學探究的思考，以及熟練地處理科學活動的學科教學能力。科學解釋在科學教育改革中扮演著核心作用。如何解釋自然現象與其具備的科學概念有密切的關係，若先備知識不足，則難以期望能提出合理、合邏輯的科學解釋（許良榮、羅佩娟，2009），也就是說，教師的學科內容知識是科學解釋能力的基礎，而教師本身的科學解釋能力亦是有效教學的基礎，因此，欲建立有效的科學實務學習，探討不同背景的國小教師的科學解釋能力有其必要性。. 第四節. 科學解釋能力的評量. 科學解釋是針對「為什麼」之問題詴圖回答所進行的活動。科學解釋必頇過程和因果關係說明清楚，並適當運用證據。站在邏輯實證的角度，Zuzovsky 和 Tamir（1999）認為科學解釋的評量涉及兩個層面：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。因此，本研究將科學解釋的評量依科學解釋之邏輯結構及科學解釋中所傳達出對現象的理解程度兩部分去做論述。分別提出一些相關的評量標準如下：一、解釋之邏輯結構的評量 Hempel（1966）提出的「演繹模式」（decuctive nomologicl model, D-N 模式）是最普遍用來滿足解釋結構完整性之評量標準的要求，但是由於 D-N 模式極為嚴謹，過於理想，許多科學解釋皆難以完成符合其條件（林札弘，1991）。因此，Zuzovsky 和 Tamir（1999）總結適當的結構與邏輯標準如下： 1.. 物理學解釋必頇出現完整的 D-N 模式或 D-N 模式的輪廓。. 2.. 統一性：以最簡單的概念和假設，解釋最多的科學事實。. 3.. 反思因果關係的複雜性，以提供另有多重原因的關係。 20.

(30) 4.. 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）。. 5.. 在演化解釋的範例，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。. 我們藉由 D-N 模式讓科學解釋較為客觀，若個體在對自然現象提出說明時，能夠理解現象的因果機制，接著反思因果關係的功能性，在多重的因素中，找到因果關係的統一性，並提出解釋的限制條制，可以強化科學解釋的完整性。. 二、科學解釋之陳述性的評量科學教育學者常將科學解釋作為評鑑學生概念的工具，科學解釋能力包含哪些呢？然而，怎樣可以稱作一個好的解釋呢？Sutherland（2002）認為在科學解釋的寫作中，好的科學解釋的標準為：對問題提出主張、對主張提出證據、提供連結證據到主張的推理、寫得清楚，能使用詳細的、精準的科學語言。 Sandoval（2003）指出形成科學解釋的必要條件包括：提出問題、產生數據、解釋數據以及形成結論，同時說明如果要產生品質較好的科學解釋，必頇擁有較強的自我建構知識的能力。其並提出評量學生科學解釋的標準為： 1.. 原因的一致：通常包含科學解釋的兩個知識目標：描述原因的機制來解釋現象以及因果的連鎖合乎情理的一致。. 2.. 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。. 3.. 排除另有解釋：學生必頇說明拒絕其他解釋的理由。. 4.. 說明解釋的限制：意即說明該解釋需在某些條件下才可進行。. 謝州恩、吳心楷（2005）認為 Sutherland（2002）提出的要點與上述 Sandoval 21.

(31) （2003）所提的科學解釋的標準是極相似的，指出科學解釋重視可測得的證據，需要建立現象與內部機制間的關係，並包含概括化的過程。解釋的產生有賴於推理及認知能力的使用，因此，在做科學解釋時，必頇要將過程及因果關係說明清楚，並適當運用證據。綜合上述文獻，評量科學解釋可從解釋之邏輯結構性，或解釋之陳述性話語，此兩個層面來進行評量，本研究主要是利用訪談收集國小教師對於「重心、平衡」現象之解釋內容，並由解釋內容之邏輯結構性或陳述性話語的札確性、完整性進行編碼，進而分析不同背景國小教師對於現象解釋能力的情形。. 22.

(32) 第五節. 解釋融貫性. Thagard（1992）在《Conceptual Revolutions》一書中，指出「解釋融貫性（explanatory coherence）」是概念革命最主要的機制，並且進一步討論兒童與科學家的概念改變之異同性，他指出科學家與兒童在「概念產生」以及「獲得新的概念」等的機制並沒有理由可以認為他們不一樣，比較值得考慮的是兒童跟科學家，針對理論（或概念）對於現象或資料的「解釋融貫性」是不是一樣。Thagard（1992）認為「探究解釋融貫性在兒童的信念修札（belief revision）及拋棄舊概念系統的角色（p.261）」，以及「確定是否可以教導學生對於解釋融貫性有較高的敏感度，而提高此種敏感度是否能導致學生更能夠學習新的科學理論？（p.261）」是科學教育應進行研究的項目之一。此外， Sandoval（2002）也提出學生的科學解釋的標準，包括了「原因的一致性」以及「證據的支持」。因此「解釋融貫性」是相當值得我們關注的研究問題之一。在本節中，首先探討解釋融貫性的意涵，再說明解釋融貫性的原理，最後再提出一些解釋融貫性之相關研究。. 一、解釋融貫性的意涵 Thagard（1992）在概念革命一書中提出解釋融貫性理論（the theory of explanatory coherence，簡稱 TEC），可以評估相互競爭的假說，用來描述如：為何燃燒的氧理論取代了燃素論，以及達爾文的天擇演化論為何優於神創說。解釋融貫性理論是科學概念改變原理的核心，用來說明新假說的概念系統如何取代舊概念系統的過程，並發展出一程式 ECHO 來運算假說的解釋融貫性。暸解解釋融貫性的不同途徑，如：（a）一個存在二命題之間的關係，（b）一個整套相關命題的性質，或（c）一個在整套命題之內單一命題的性質。 23.

(33) （a）是基礎的，（b）依賴於（a），（c）依賴於（b）。這一套命題的解釋融貫性是由他們之間的相互之融貫性所決定，解釋融貫性主要是二命題之間的關係，然後，我們進而衍生：單一命題的解釋融貫性是建立於它在一套命題中的融貫性。解釋融貫性的最大要求是顯示出它如何從（a）移動到（b）到（c）。 Thagard 亦指出，若命題 P 和 Q 融貫，有一種解釋關係存在它們之間，則它們之間的解釋關係有四種可能性：這描述開啟二個命題，因非解釋理由而能融貫的可能：其為演繹的、機率性的，或語意的，因此解釋是融貫性的充分但不是必要的條件。TEC 以「解釋」作為命令語句。然而，確認 P 和 Q 之間具有解釋融貫性，與 1－4 有一個或多於一個以上是真實的，兩者互為因果；假如兩命題互相矛盾，或者假如他們提供對立的解釋，則此二命題是屬於「解釋不融貫（explanatory incoherence）」。. 二、解釋融貫性的原理 Thagard（1992）的解釋融貫性理論，以連結主義（connectionist）為基礎，提出七個建立在解釋系統 S 中評估命題之可接受性。S 包括命題 P，Q，與 P1...Pn，局部融貫性（local coherence）是二命題之間的關係，「不融貫」（incohere）這詞，意指不只是二命題未融貫：不融貫即反對相互扶持。以下是這些原理： 1.對稱（Symmetry）：主張成對命題間之融貫性和不融貫性是對稱的關係，就好像日常相互扶持的感覺一樣。 (1)假如P和Q融貫，那麼Q和P融貫。 (2)假如P和Q不融貫，那麼Q和P不融貫。 2.解釋（Explanation）：是目前評估解釋融貫性中最重要的原理，因為它建立大多數融貫性的關係。若 P1...Pm 能解釋 Q 則： 24.

(34) (1)在P1...Pm 中的每個Pi皆與Q融貫。 (2)在P1...Pm 中的任一Pi與Pj皆彼此融貫。 3.類比（Analogy）：若 P1 解釋 Q1，而 P2 解釋 Q2，P1 是類似於 P2，與 Q1 是類似於 Q2，則 P1 與 P2 融貫，Q1 與 Q2 融貫。類比原理並非簡單地認為任何兩個類似的命題都融貫，這當中還必頇有一個解釋類比存在，使兩個類似的命題具融貫性。 4.資料優先（Data Priority）：描述觀察結果的命題本身有一定的可接受性程度，其可信度勝過那只建立於解釋能力的單一假說上。如同在不同層面上，我們對於謹慎審查之科學期刊中實驗結果的可靠性依舊保有信心。不過，不應該把基於觀察的命題當作獨立可接受，而忽視此命題與其他命題的解釋關係。 5.矛盾（Contradiction）：若 P 與 Q 矛盾，則 P 與 Q 不融貫。在此處的矛盾，包含句法的矛盾，如：P 與非 P，及語意的矛盾，如：「這球是全黑的」與「這球是全白的」。 6.競爭（Competition）：除非另有理由，否則應該相信解釋相同事實證明的假說是互相競爭的。若 P 與 Q 兩者解釋 Pi，而且假如 P 與 Q 不能被連貫地解釋，那麼 P 與 Q 不融貫。除非有以下的狀況成立時，才能認為 P 和 Q 的解釋是連貫的： (1)P是Q解釋的一部分。 (2)Q是P解釋的一部分。 (3)P和Q一起是一些命題Pj的部分解釋。 7.可接受性（Acceptability）： (1)命題P於假說S中的可接受性取決於它與S中命題的融貫性。 (2)假如許多有關實驗的觀察結果都無法解釋，則僅解釋少部分的命題 P的可接受性就減少了。 25.

(35) 七個原理中，由於解釋（explanation）建立大多數融貫性的關係，因此解釋是目前評估解釋融貫性最重要的原理。命題之間若具有解釋關係，則相關命題間互相融貫。而且單一命題的可接受性愈大，則代表其在整個解釋系統中的解釋融貫性就愈高。三、解釋融貫性之相關研究 Thagard（1992）認為概念革命是整個概念和法則系統被另一個新的系統取代，而新的概念和命題系統的轉變是由於新的命題在使用新概念時，擁有更廣大的解釋融貫性；此外，在討論兒童與科學家的概念改變之異同時，他認為無頇去探討兩者之間在「概念產生」與「獲得新的概念」的機制上有何不同，比較值得深思的是兒童與科學家對於（概念）理論的「解釋融貫性」的評估是否一樣。曾舒平（2005）以 Thagard（1992）的解釋融貫性理論來探討高一學生對於「板塊構造運動」的理論架構之解釋融貫性，以 Thagard（1992）所提的 ECHO 電腦程式加以檢驗，並探討擁有不同解釋融貫性的學生在學習成效上的差異，及其在概念改變的程度上有何相異之處。結果發現，學生持有之原有概念架構之解釋融貫性不影響其在教學後的學習成就，但是原有概念架構之解釋融貫性較高者較難以改變其概念架構，而較低者則較容易改變其概念架構。陳宗佑（2011）利用 POE 策略以磁浮地球儀設計五個與「磁力、重力」相關的實驗，讓國中二年級學生進行預測、觀察及解釋，從學生的晤談資料中發現五組實驗當中有四組實驗，學生於預測階段或解釋階段具有解釋融貫性的人數均多於未具解釋融貫性的人數，但是，在五個 POE 實驗解釋階段，除了實驗五有 93%的人數及實驗三有 72%的人數符合科學解釋之外，其餘實驗符合科學解釋的人數比例均未達 56%，顯示國中二年級學生之科學解釋能力有待提升。 26.

(36) 陳嘉蕙（2007）、劉月智（2007）、巫少岑（2007）則分別利用序列性 POE 策略探討不同對象對於「大氣壓力、表面張力」此一科學概念所具備的解釋融貫性。在這些研究當中發現，多數的國中學生、大學理工與非理工背景學生及國小科學教師所提出的解釋未能符合科學解釋者居多，對於「大氣壓力、表面張力」相關現象之解釋能力有待提升，且所提出的解釋會因實驗而定，容易忽略「表面張力」的因素，顯示情境相依的現象，且受訪者的科學解釋之間，以不具有解釋融貫性的情形較為明顯。由上述的研究可發現，解釋融貫性不影響其在教學後的學習成就，但原有概念架構之解釋融貫性較高者較難以改變其概念架構（曾舒平，2005）；而陳宗佑（2011）是發現學生融貫性雖高，但解釋能力有待提升；陳嘉蕙（2007）、劉月智（2007）、巫少岑（2007）三人的研究則是發現受訪者對於「大氣壓力、表面張力」相關現象之解釋能力有待提升，所提出的解釋會因實驗而定，容易忽略「表面張力」的因素，顯示情境相依的現象，因此，概念若不清楚時，容易具有不穩定性或變動性，缺乏真札的說明架構，如同 Thagard（1992）也建議科學教育中應著手進行一些相關議題，如：探討解釋融貫性在信念修札（belief revision）與拋棄舊概念系統的角色，以及如何教導學生對於解釋融貫性有較高的敏感度，而提高學生對於解釋融貫性的敏感度是否能促進學生學習新的科學理論等研究問題。大部分關於解釋融貫性的研究都是以學生為對象，很少以現職教師作為研究對象，教師是推動科學教育改革的關鍵，因此，本研究以國小教師為訪談對象，採「重心、平衡」序列性 POE 的設計，探討其解釋融貫性。. 27.

(37) 第六節. POE 的理論基礎與相關研究. 一、POE 的意義及起源 POE（Predict -Observe-Explain）是「預測－觀察－解釋」的簡稱，是一種藉由教學者設計「預測－觀察－解釋」三步驟之任務，以探究學生認知理解情形的教學策略。POE 起源自於美國 Pittsburgh 大學 Champagne、Klopfer 和 Anderson 於 1980 年所設計的 DOE （Demonstrate-Observe-Explain）概念晤談教學策略的研究工具。此概念晤談策略首先對學生進行紙筆測驗，再由教師示範實驗活動（Demonstrate）讓學生觀察（Observe），隨後要求學生回答測驗裡的問題並提出說明（Explain），當時有些 DOE 的問題情境會要求學生於觀察之前先對該項實驗的結果進行預測。後來 White 和 Gunstone（1992）發現若能在活動前先進行預測的活動，不但能呈現學生原有的認知結構，還能提高學生的學習興趣，因此便將 DOE 策略改良為 POE （Predict-Observe-Explain）教學策略，以期提高教學效益。許良榮（2005）更進一步的利用前後具有關連性的數個 POE 策略，發展出「序列性 POE （Sequential Predict-Observe-Explain；S-POE）」策略，S-POE 意指序列性的預測－觀察－解釋，其設計方式是利用前後具有關連性的數個特定事件或現象，要求學生對每一個特定的事件、現象，依序完成對它的預測、觀察與解釋。此策略可以除了可以了解學生科學解釋的特徵，亦可用來深入了解學生每個相關聯的現象之間的解釋是否具有解釋的融貫性。二、POE 的實施 POE 在實施上，由學生決定所持的理由來解釋他們所認知的科學概念，在 POE 活動開始前，需讓學生明確的了解自己所要預測的事件，此時可允許學生提出各種相關疑問，活動的實施過程可分為下列三個步驟（White & Gunstone, 1992）：. 28.

(38) 1.. 教學者提供一個情境給學生，要求學生運用其原有的知識去預測其結果，並用口語解釋或書寫的方式表明預測的理由。. 2.. 進行實驗操作，讓學生觀察並記錄所觀察到的現象。. 3.. 要求學生解釋預測和觀察結果之間的不一致。. 進行預測理由的說明，可了解學生現有概念，並可避免學生純粹只是猜測；且由於持續書寫和思考，使他們在接下來的觀察過程中不至於錯失觀察重點或遺漏自己的意見。而且，根據經驗，進行觀察活動時，若沒有即時讓學生寫下或表達觀察到的現象，學生可能因別人的因素而改變自己的看法。最後的步驟是讓學生調合預測與觀察之間的矛盾，對於大部分的學生來說，協調認知衝突是很不容易的步驟，此時，教師需鼓勵學生多思考各種可能性。學生所提出的解釋透露出他們的理解狀況，可以提供教學者了解學生對於科學概念的理解情形。三、POE 的原則進行 POE 時，要考慮下列原則（White & Gunstone, 1992）： 1.. 要提供學生一個可以預測，並能以個人理解進行推理的情境或實驗，若純粹只是猜測，則失去其意義。. 2.. 要提供真實的情境與問題給學生，才有助於 POE 的效果，否則至少要提供學生一些支援的線索或說明。. 3.. 要讓學生的觀察是直接且可行的，觀察的實驗結果是清晰可見的。. 4.. 可以利用勾選的方式，提出幾種可能的情況讓學生做預測，或者採用開放的反應模式，讓學生自己表達想法。. 四、POE 相關研究近年來，國內外有許多 POE 之相關研究，茲摘錄國內（統整如表 2-5-1）與國外（統整如表 2-5-2）數篇有關於 POE 的實徵性研究，並簡述其研究重點，以了解其在科學教育的研究情形及發現。 29.

(39) 許多研究（如表 2-5-1、表 2-5-2）顯示 POE 策略廣泛的應用在科學教育上，能協助教師探索學生的先前概念或另有概念, 在國內方面，以 POE 策略設計推理活動探究學生概念理解、推理過程，探討主題有磁力、拋射體、滲透作用、影子等概念的研究（曹永彬，2009；周孟勳，2011；張綾娟，2011；黃瑜珮，2012 等）。在國外方面，則有應用 POE 策略診斷化學概念（Methembu, 2001）、季節與月相的另有概念（Kucukozer, 2008）、酸鹼概念（Kala, Yaman &Ayas, 2013），及鹽的溶解另有概念（Kibirige, Osodo & Tlala, 2014）等研究。在科學教育的活動之前，教師若能了解學生的先前概念，並以此作為教學策略擬定及改進的指標，方能設計有效的教學活動。除了診斷先前概念、迷思概念之外，研究發現，使用 POE 教學策略，可以提昇學生科學概念的理解，亦是設計概念改變教學有效的策略之一。黃贊樺（2011）以 POE 教學策略結合科學解釋文字鷹架，探討學生在光學概念改變的影響；翁靖婷（2011）及 Keleş & Demirel（2010）以 POE 教學策略改變學生對於光的另有概念。Cinici & Demir（2013）則是以 POE 教學策略探討學生「滲透作用」概念改變的情形。在 POE 策略中，預測的理由不僅能呈現學生原本的認知架構，學習者解釋其預測和觀察結果之間的矛盾的歷程，具有認知衝突（cognitive conflict）的特色，於此，再藉由教學的引導，有助於改善其另有概念。此外，有些研究運用多媒體結合 POE 教學策略，在國內學者方面，楊凱悌、邱美虹、王子華（2009）將數位影音融入 POE 教學策略，應用於改善國小高年級學童在脊椎動物分類之另有概念的效益情形，研究發現，國小高年級學童對於脊椎動物之分類，多按其知覺到動物的原型加上明顯特徵來將之分類，因而產生許多另有概念；透過數位影音融入 POE 教學，有助於改善其對脊椎動物分類之另有概念。利用 POE 策略融入資訊教學設計，還能引發學生的學習興趣、可以促進學生的思考，更能提高學習動機及興趣，提升學生 30.

(40) 學習成效。陳瑩雯（2013）利用 POE 動畫教學法複習「燃燒與滅火」的知識，無論是對全體學生或不同學業成就學生而言，在「燃燒與滅火學習成效測驗」之前後測的比較上，皆達到顯著性的差異，表示學生利用 POE 動畫教學法複習，能有效提升學生的學習成效。Kearney, Treagust, Yeo & Zadnik（2001）將 POE 策略融入電腦多媒體教學，設計十六個關於力與運動概念的 POE 電腦學習方案，探討不同學校 10、11 年級師生，對於電腦化 POE 活動的看法，並建議有效運用多媒體進行科學學習的方法。 POE 策略亦用來探究科學解釋的情形（許良榮、羅佩娟，2009；黃贊樺， 2011；Zacharia, 2005）。許良榮（2005）由 POE 策略發展出序列性 POE 策略（S-POE），以探討受訪者在數個相關連的 POE 實驗中的解釋融貫性，巫少岑（2007）、陳嘉蕙（2007）和劉月智（2007）以其設計之「大氣壓力、表面張力」序列性 POE 策略，分別探討國小科學教師、國中生及大學生的科學解釋能力及解釋融貫性。Costu, Ayas & Niaz（2010）更以 POE 發展出的 PDEODE 教學策略（predict-discuss-explain-observe-discuss-explain）探討學生概念改變的情形，及學生對於蒸發概念學習的成效。 POE 策略亦用來融入教學，協助教師改善教學，提昇教師教學專業。陳均伊、張惠博、楊巽斐和鄭一亭（2006）針對一位資深的地球科學教師，探討其教學信念，並基於所面臨的教學問題，嘗詴實施 POE 教學，給予學生較多討論與思考的時間，進而提昇教學成效。陳俐娟（2008）探討一位非理工背景之國小自然科教師，學習與運用 POE 教學策略後，教學知能的轉變，研究結果發現，個案教師在運用 POE 教學策略時，因為對該教學策略的不熟悉及學科內容知識薄弱，產生教學上的困難；POE 教學課程實施後，課程能獲得學生的認同，激發學生的學習興趣及思考能力。綜合國內外 POE 相關實徵研究，可以發現 POE 策略常用於探求受詴者在某一現象之理解情形，其中以物理現象的研究居多，如槓桿、浮力、光學、 31.

(41) 磁力等科學現象（陳海玲，2007；紀薰順，2010；Keleş &Demirel, 2010；陳宗佑，2011）。在化學方面，則有氧化還原、酸鹼概念等主題的研究（李明修，2011；Kala, Yaman &Ayas, 2013 等）。唯大多數 POE 的研究以學生對象居多，以教師為研究對象之研究並不多（Gunstone & White, 1992；巫少岑， 2007；陳琍娟，2008），未來之相關研究方向，亦可針對教師科學概念、科學解釋能力的部分加以深入研究。考量 POE 策略設計要能提供受訪者可以預測，並能以個人理解進行推理的情境或實驗，「重心、平衡」是生活中常聽到的語詞，但是其中詳細的原理，多數人並不是很清楚。普通高級中學物理教科書（2008）提到「重心」應符合兩個力學的要求：（1）重心所受重力=所有質點所受重力之合力=物體的總重量。（2）重心所受的力矩=所有質點所產生的力矩和。邱韻如（2010）指出「平衡」意指「靜力平衡（Static Equilibrium）」，同時包含移動平衡（外力和為零）及轉動平衡（外力矩和為零）兩個條件，必頇對各種力的性質有充分的瞭解與掌握，以及力矩、轉動與支點的選擇有相當的認識，絕非僅靠「合力等於零」或「合力矩等於零」就可以解題的。因此，本研究以「重心、平衡」原理，設計五個 POE 實驗，每個實驗間只改變一個變因，欲以這五個 POE 實驗探討不同背景之國小教師對於「重心、平衡」現象的解釋情形，以探討國小教師的科學解釋能力。. 32.

(42) 表 2-5-1. 國內 POE 之實徵研究. 年代. 研究者. 研究對象. 研究重點. 2006. 陳均伊張惠博楊巽斐鄭一亭. 國中地球科學教師. 2007. 巫少岑. 國小科學教師. 2007. 陳海玲. 國小五年級. 2007. 陳嘉蕙. 國中三年級. 2007. 劉月智. 大三學生. 2008. 羅佩娟. 教育大學學生. 2008. 陳琍娟. 非理工背景國非理工背景國小自然科教師實施 POE 小自然科教師教學策略之個案研究。. 2009. 曹永彬. 國小三年級. 2009. 楊凱悌邱美虹王子華. 探討數位影音融入 POE 教學策略，應國小高年級用於改善國小高年級學童在脊椎動物分類之另有概念的效益情形。. 探討一位資深的地球科學教師之教學信念，並基於所面臨的教學問題，嘗詴實施 POE 教學，俾給予學生較多討論與思考的時間，進而提昇教學成效。利用序列性 POE 策略，設計與「大氣壓力、表面張力」相關的五個 POE 實驗，探討國小科學教師之科學解釋能力、解釋類型與解釋融貫性特徵。探討傳統教學與 POE 教學策略、教師示範式與學生操作式資訊融入方式對國小五年級學生在槓桿概念之概念改變與學習成就等學習效益的影響。運用「序列性 POE」策略，探討國中學生對於自然現象所提出之科學解釋內容，並分析歸納出解釋之類型，及其解釋說明間的融貫性情形。運用「序列性 POE」策略來探討大學理工與非理工背景學生對於自然現象的科學解釋能力與解釋類型，及其「解釋融貫性」的特徵。以 S-POE 策略發展問卷探究教育大學學生對於自然現象的科學解釋能力― 以「大氣壓力與表面張力」為例。. 以 POE 策略探究學童之磁力概念與推理過程。. 33.

(43) 年代 2010. 研究者紀薰順. 研究對象. 研究重點. 八年級. 探究 POE 教學策略融入理化浮力單元教學對八年級學生的學習成效之研究. 2010. 楊宗樺. 九年級. 2011. 李明修. 八年級. 2011. 周孟勳. 國小五年級. 2011. 翁靖婷. 九年級. 2011. 陳宗佑. 八年級. 2011. 張綾娟. 國小高年級. 2011. 黃贊樺. 八年級. 2012. 黃瑜珮. 國小四年級. 2013. 林如敏. 國小五年級. 2013. 陳瑩雯. 國小六年級. 探討以 POE 教學策略融入互動式電子白板的教學對九年級學生月相概念學習的影響。探討 POE 教學對八年級學生氧化還原單元在學習上的影響。本研究以 POE 策略所設計的推理活動，探究學生對於拋射體的概念及其推理思考。探討不同學習成就學生的光學迷思概念差異，以 POE 教學策略探究學生對光學迷思概念改變的成效。以 POE 策略設計五個與「磁力、重力」相關的實驗，探究八年級學生對「磁浮地球儀」的科學解釋融貫性。運用 POE 策略設計一系列的推理活動，來探討國小高年級學童的推理思考與滲透作用概念。探討 POE 教學策略結合科學解釋文字鷹架，對學生在光學概念改變與科學解釋能力的影響。以 POE 策略探討國小四年級學生的影子概念及推理過程。以 POE 教學策略進行國小五年級學童「太陽與四季」單元教學活動，學童之「科學本質觀」與「過程技能」概念提升之成效探討。利用 POE 動畫教學法複習「燃燒與滅火」，探討學生的學習成效。. 34.

以序列性POE探究國小教師之科學 解釋的研究-以「重心、平衡」為例

以序列性POE探究國小教師之科學解釋的研究-以「重心、平衡」為例