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第一章
緒論
本章共分為五節，內容包括研究背景、研究動機與目的、研究問題、重要名詞解釋 與研究限制。第一節 研究背景
長久以來，探究教學的概念常被認定為直接灌輸的觀念，自從一九五七年蘇聯發射 了「Sputnik」人造衛星後，便激發教育學者對於科學教育的重視與改革，尤其是在探 究學習的部分，為科學教育注入了新的想法。在 1960 年成為科學教育的主流，科學界 讓科學教育的課程強調從小培養學生當科學家，強調教導科學實驗活動與技巧。隨著科 學哲學觀的改變，教學開始著重在個人科學素養與主動，開始讓科學探究逐漸轉變成學 習者從探究活動的互動中學習如何探究的方法與建構知識的歷程。許多學者開始重視科 學探究的過程和主動的科學態度，在科學探究的過程中，對於學生的助益遠優於傳統式 的教學。而科學探究的方法，強調學生從一個現象的問題開始，先提出假設，再根據假 設蒐集並分析證據，進而設計實驗並進行研究，而非只是學習自然現象的答案（AAAS, 1989）。而學生可以在探究的課程中，發現問題後根據問題假設自行設計實驗來驗證， 讓學生在學習當中培養出探究能力，運用在生活中解決問題，且在科學探究的過程中， 亦可以看出學生的動機和態度（Tuan, Chin, Tasi, & Cheng, 2005）。教師應鼓勵學生做科學探究的活動，將探究作出較仔細的描述，探究包括觀察、提 出問題、參考書本及其他資源、計劃探究、檢視已有的知識、運用工具來蒐集等（NRC, 1996）。近幾年在台灣的教育趨勢對於科學探究上也逐漸重視，希望從教學上能夠培養 孩子探究能力，讓學生經由探究的活動，去操作各種過程技能，幫助學生建構和理解科 學概念，來解決生活上的問題。現今所進行的九年一貫課程中，相當強調基本能力的培 養（教育部，2000），在 97 課綱中仍強調教學應以能培養探究能力、能進行分工合作的 學習、能獲得科學智能、習得各種操作技能、達成課程目標為原則（教育部，2000）。 這已明白指出自然與生活科技領域的教學應該使用探究及實作，提供學生動手操作、觀
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察、探究和推論等機會，鼓勵學生思考。在國小五、六年級學童的過程技能被認定也強 調其重要性。如同美國所推行的 SAPA（Science-A Process Approach）課程中所提到的 「科學過程技能」，其實就是探究能力的前身，兩者皆立足於問題解決及歷程中所需的 能力，因此在探究教學過程中強調科學過程技能的訓練，可以協助學生發展科學探究能 力。因此科學探究能力被認為是學生在科學學習的過程中，重點培養的能力之一。
在科學探究歷程中，學生本身必頇要先明白自變項及依變項之間的關係，進而才能 自行形成假設及設計實驗，因此推理能力是必頇具備的能力之一。在Lawson（1978, 1988, 1992；Lawson, Alkhoury, Benford, Clark, & Falconer, 2000）所設計之推理測驗中，包含 六種推理層次，分別為孚恆（conservation）概念、比例思考（proportional thinking）、 辨識與變數控制（identification and control of variables）、機率思考（probabilistic thinking）、 相關性思考（correlative thinking）、假設演繹（hypothetic-deductive），說明了在測學 生的推理能力時，包含有自變項和依變項的項目，似乎透露出科學推理在探究上的某種 關係。從Hogan和Fisherkeller（2000）的研究中說到，他們將科學推理當作科學探究中 的思想過程，且科學推理在科學探究中扮演舉足輕重的角色。在探索自然現象的歷程中， 科學推理可以幫助學生學習進而做出推論或判斷，在在顯示科學推理能力與探究有某種 程度的相關性。
第二節 研究動機與目的
基於以上可得知，過去的研究指出探究教學能提升學生的探究能力以及學業成就， 而且科學探究活動是科學教育上相當重要的一環（丁素雯，2008）。而科學推理一直是 科學教育中許多學者研究的主題之一（Driver, Leach, Millar, & Scott, 1995; Hogan, Nastasi, & Pressley, 2000; Kuhn, 1993; Lawson & Johnson, 2002; She & Liao, 2010; Vosniadou & Brewer, 1992）。在迷人的科學探究中，科學推理能力和科學探究能力皆被 認為是科學學習相當重要的因素。3 雖然科學推理和科學探究都是科學學習重要的主題之一，卻尚未有研究指出其關聯 性，以及科學推理是否為科學探究的必要因素。國內亦有相關科學推理與探究教學的研 究，但尚未有將科學推理能力融入探究教學進行探討的研究，因此若將科學推理明顯融 入到探究課程中，對於學生之科學探究能力與科學推理之相關性，及影響教學和學生學 習程度如何，是相當值得探討的部分。因此本研究將立基於探究教學模式，融入科學推 理的因素，設計融入科學推理的探究教學課程進行學習活動，企圖瞭解融入科學推理之 探究教學對於學生的探究能力、科學推理能力以及科學概念建構之影響。
第三節 研究問題與假設
基於上述目的，本研究的待答問題如下所示： 一、不同教學模式（分科學推理融入探究教學與探究教學兩組）對學習者在概念測驗 的成效上有何差異? 1-1不同教學模式學生的概念測驗（後測、追蹤測）達顯著差異。 二、不同教學模式（分科學推理融入探究教學與探究教學兩組）對學習者在主題相依 推理測驗上有何差異? 2-1不同教學模式學生的主題相依推理測驗（後測、追蹤測）達顯著差異。 三、不同教學模式（分科學推理融入探究教學與探究教學兩組）對學習者在探究能力 測驗上有何差異? 3-1不同教學模式學生的探究能力測驗（後測、追蹤測）達顯著差異。 四、科學探究、科學推理與科學概念之相關性為何?4 五、利用學習單來瞭解學生在三個單元的學習歷程（分科學推理融入探究教學與 探究教學兩組），其概念與探究之內涵。 5-1 不同教學模式學生在探究能力（形成假設和做出結論）之概念正確性的差異。 5-2 不同教學模式學生在假設的可驗證性上的差異。 5-3 對於探究教學融入科學推理（實驗組）的學生在科學推理層級的差異性。
第四節 名詞釋義
一、科學探究 科學探究被定義成有系統、具研究性目的且描述和發現物體和事件的關係的活動， 運用科學方法，像是客觀觀察、實驗、比較、推論等等，發現問題近而解決問題的過程 （Trowbridge & Bybee, 1986）。二、科學推理融入探究教學
探究教學法乃是最接近科學活動模式的教學法，教師營造一個教學情境，引導學生 發現問題並解決問題並從中學習，強調問題解決、高層次的思考與合作學習。本研究之 對照組模式採用Herron （1971）所提出之引導式探究（guided inquiry），而實驗組則 是將引導式探究（guided inquiry）課程前後加上科學推理的部分，即所謂科學推理融入 引導式探究（guided inquiry）教學。 三、科學推理 在本研究所指的科學推理修改 Lawson （1978）的定義，是指學生在遇到問題進行 預測與形成結論時，使用觀察、操弄具体實物、控制變因、假設和推測的思考過程，進 行組織形成他們的最佳支持的原因。
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第五節 研究範圍與限制
本研究對象為新竹市某國小五年級的學生，僅以兩班為實驗組，兩班為對照組，所 以不具有全國小學五年級學生的代表性，且教材範圍以九十七學年度康軒版國小自然與 生活科技領域內容為主。基於研究區域及研究樣本之限制，研究結果若要推論到其他群 體或教材領域時，需審慎衡量其適合度。7
第二章
文獻探討
本研究主要探討融入科學推理之探究教學與單採用探究教學的課程對學生在科學 概念、主題相依推理、探究能力與科學推理層級的影響。本章共分三節，分別為科學探 究與教學、科學推理、科學推理與探究教學等進行探討。第一節 科學探究與教學
一、科學探究 美國國家科學教育標準（NRC, 1996）指出探究是多面向的活動，包含觀察、界定 問題、驗證資訊來源、了解已知的知識內容、計畫和進行探索活動、運用工具進行蒐集 和分析、反覆思考實驗得來的資料以及對其資料進行詮釋和結果等多面向的活動，即科學就是探究的想法，而探究的概念儼然成為科學教育的本質（Keys & Bryan, 2000），而
五年級到八年級課程內容可以採用部分探究（partial inquiry）的設計，讓學生在過程中 瞭解並發展相關能力。本研究是採用教學者提出問題，由學生形成假設並自行設計實驗 來驗證，並根據活動所得到之數據或現象進行不同的解釋。 Driver 等人（1994）認為探究活動乃是從建構主義的理論基礎，而近來受建構主義 之影響，科學探究活動從過程技能的反覆練習而逐漸轉變成重視探究能力的培養。是以 有許多的探究模式被提出：
（一）探究教學模式（Scientific inquiry Model）
Schwab (1962)提出探究教學的方式進行科學教學，由教師逐步引導學生讓學生找出 問題並蒐集資料，解決問題，主要在訓練科學方法的應用，所以稱為過程探究模式。根 據學生在學習上的開放性，將科學探究分成四個階層，由易到難分別為 level 1（實驗式 探究）為在研究問題、解決方法和步驟都是由老師提出，學生只要按著方法及步驟，即 可找到實驗活動的答案；而 level 2（探究活動）則是僅提供實驗的問題，而方法與步驟， 以及答案均未提供；level 3（開放性科學活動）是研究問題、解決方法和步驟都是學生 未被告知的。
8 (二) Herron 提出之模型 Herron（1971）依循 Schwab（1962）的科學探究模式，除了依照教師給學生的問 題是否有結構或是已知的答案來分類外，再加上另一個零層次，即問題、方法步驟及答 案均提供給學生，學生只要按此步驟去做實驗，驗證已知的結果。而將探究分成確認式、 結構式、引導式及開放式探究，如表 2-1-1。 表 2-1-1 修改 Herron（1971）之科學探究模式 探究層級 Level 0 確認式 （ Confirmation） Level 1 結構式 （ Structured） Level 2 引導 式（Guided） Level 3 開放 式（Open） 教師提供學生問題 ˅ ˅ ˅ 教師有一定的程序 ˅ ˅ 已知解決的方法 ˅ 「確認式」（Confirmation）層級是指學生依據指定的步驟來確認課本的知識。「結 構式」（ Structured）即提供問題和步驟，由學生實驗完後做出結論。「引導式」(Guided) 層級是只提供問題，讓學生進行探究活動。而「開放式」（Open）是讓學生自行發現 問題，並且自行設計實驗解決。 （三） 學習環（Learning Cycle） Karplus（1960）所提出學習環的理論，認為國小自然科學的學習應該以學童本身 的觀察和經驗為基礎，用實驗或活動帶領學生，提供給學生直接的經驗來進行探究後形 成概念。經過演變後其內涵包括探索階段、名詞引介階段及概念應用三個階段（Karplus ＆ Their, 1967；Karplus＆Lawson, 1977；Lawson, Abraham, & Renner, 1989）。
1. 探索階段：以學生自己的先備知識為基礎，教師進行協助或只在旁觀察，提出開放 發散性的問題，讓學生去思考，不設限任何想法和物質幫助，且不給於學生明確的 答案。 2. 名詞引介階段：教師在這階段直接說明或是定義新的名詞呈現給學生，讓學生 能夠與在上一階段所得到的結果作結合形成概念。 3. 概念應用：教師提出多一些的應用概念的新情境，讓學生作概念的延伸。
9 （四）5E 建構式學習環教學模式
這五個階段分別為：投入（engagement）、探索（exploration）、解釋（explanation）、 精緻化（elaboration）、評量（evaluation）（Bybee & Landes, 1988）。5E建構式學習環教 學模式是修改在1967年Karplus和Their提出學習環，已被當作一種有效的課程編排方式。 此模式不像傳統式的三步驟，是先介紹新字彙，然後提供逐步的實驗來證明呈現的資訊， 最後以每章節後面的問題或測驗來做最後的結束。分別為「投入（E1）→探索（E2） →解釋（E3）→精緻化（E4）→評鑑（E5）」五階段教學活動： 1. 投入階段：引起學生投入和激發學生的學習興趣，並先瞭解學生之先備知識的程度。 2. 探討階段：讓學生進行探索某個想法，分享先備知識，讓學生運用新的知識或經驗 與既存的先備知識，做出澄清。 3. 解釋階段：將上階段的結果作合理化的解釋，教師應讓學生的觀點接近科學家的 觀點，加強學生知識的理解。 4. 精緻化階段：將學生所學習到的新知識提供機會運用在不同情境上。 5. 評量階段：鼓勵學生評估自己所學到概念或能力，讓學生可以重複學習環的階段， 促進學生在概念上或是技能上的改變。（引自王美芬、熊召弟，1995） 綜合以上提出模式發現，探究活動實施的目的已逐漸轉為轉變為重視學生探究能力 的培養，且科學的解題活動並無一定的流程，因此本研究修改Herron（1971）所提出的 引導式探究，但重點是強調將科學推理融入於其中，本研究在規劃上較有結構性。教學 設計上是經由老師給予學生研究問題後，讓學生自行形成假設與變因、自行選用實驗器 材、進行實驗設計、操作，並提出可能的解釋及結論。
10 二、探究教學在科學教育的發現
科學教育的學者及專家從1980年便開始提倡科學探究，認為探究能提升學生發展科 學思考和探究技巧的能力和方法，為有效學習科學的策略（AAAS, 1989；Tamir & Lunetta, 1981）。而科學探究為科學教育的目標，進而促進科學知識與理解（Kanari & Millar, 2004）， 而隨著科學教育改革演進，探究（Inquiry）已成為科學教育的本質（Keys & Bryan, 2000）。 研究顯示探究教學有助於學生認知與探究能力的提升（Abd-El Khalick et al., 2004; Gibon & Chase, 2000）。探究教學可以提升學生的知識建構(Ryder, Leach, & Driver, 1999)。 Stoddart等人（2002）研究指出探究可協助學生理解科學概念、主動思考及科學過程技
能（Su, 2002），甚至於提升較低成就學生的論述能力（Yerrick, 2000）。除了可以增進認
知的部分外，有研究顯示探究教學可促進學習者的學習動機，且優於傳統式的教學（Tuan, Tsai, Chin, & Cheng, 2005）。另有許多研究顯示探究教學能提升學生對科學本質的理解、 科學學習成就、科學過程技巧、科學知識的建構等（Ertepinar & Geban, 1996; Gibson & Chase, 2002; Ryder, Leach, & Driver, 1999）。Wideen（1975）比較國小三至六年級的學 生接受SAPA探究學習和傳統講述教學的學習成效，研究結果發現探究組學生相較於傳 統組在興趣上、科學態度、科學知識及過程技能顯著提升。 Abd-El-Khalick等人（2004）更指出―探究‖不單只是種教學方法，同時也是種重要 的學習成果。透過探究教學不但能幫助學生學習到科學知識和技能外，同時也能夠讓學 生經歷到科學家探究自然界的過程，從過程中瞭解科學的本質並內化，進行有意義且主 動的學習來促進科學知識的形成。 從以上文獻的得知，探究教學一直是科學學習的中心策略， NRC（1996）也提出 五到八年級學生應有完全探究或部份探究的機會，在部份探究的部份，依據教學內容與 目標，培養科學探究能力與科學概念的理解，因此本研究者對探究教學持肯定探究教學 於科學學習上的助益。
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第二節 科學推理
在科學學習上將科學推理視為相當重要的能力，這是學習者在學習科學時，可藉由 操作、觀察的直觀方式來發展邏輯思考與獲得新知識的能力的緣故。在教學的情境中， 無法呈現所有的科學現象，包括抽象的或是微觀的，需要藉由「推理」的方式來達成概 念的理解，可以見得推理能力的重要性。 一、推理 推理是指從已知資訊推導到新資訊的思考歷程，根據系統性來建立訊息間的特定關 係性(Rosser, 1994)。推理的種類中，最常被提到的是「演繹推理」（Deductive reasoning） 和「歸納推理」（Inductive reasoning）。演繹推理是從一般規律、規則或是原理，推到 特殊情形並做出新結論的活動（Vosniadou, 1989）。在運用演繹推理時，從某一普遍法 則出發，將其運用於具體或特殊事例。因此演繹推理得出的結論是受原始前提制約的， 原始前提如正確，結論也就正確。而歸納推理則是藉由觀察眾多個別事物的特質，從其 中抽取出一般規律的共通性並概括到同類事物上。從觀察得到的資料出發，加以概括， 從而解釋所觀察到的事物之間的關係，即是從特殊情形中引出一般結論的活動。因果推 論和分類推廣為常用之歸納推理。因果推論是依據已有的事物性質的資料或觀察，獲得 可能的因果推論，尋求其中共通性而推導出結論。因為從客觀角度去認識事物，必頇兩 種方法共同發展；演繹需要可靠的歸納基礎才能產生具有信度的結論，而歸納是在一般 原理、原則或某種假說、猜想下進行的。 二、科學推理 科學推理是指學生在建構於科學上知識和預測時，他們之間關係如何、怎樣操縱變 因、運用假設、組織形成他們的最佳支持的原因（Tytler & Peterson, 2003），形成判斷的 過程，包含孚恆推理、比例推理、機率推理、相關性推理、控制變因和假設演繹等形式 推理能力（Lawson, 1978）。Piaget (1962)認為若要進行科學的推理過程，必頇先要有一定程度的邏輯能力才能 完成，而過去在教學實務上大多認為國小的兒童屬於具體運思期，無法進行抽象的科學
12 推理過程，故鮮少進行較抽象的科學推理教學。
在Driver 等人的知識論推理（epistemological reasoning）探討學生如何進行科學探 索活動（science inquiry）以及學生如何看待科學理論的本質和狀態，和學生「使用理論 所作出的解釋」和「描述證據」之間的關係，來分析學生進行科學推理活動的表徵（Driver, Leach, Millar, & Scott, 1995），並將推理歸納為三類，包括「現象推理」（phenomenon-based reasoning），表示其科學理論來自於對現象採用情境化描述，且學生將對直接觀察的現 象描述直接作為證據；「關係推理」（relation-based reasoning）其科學理論來自歸納法， 從經驗的通則化中，找出可觀察的現象中所包含的特性或變數之間的關係，仍使用現象 的觀察來作為證據描述，並以變數之間的關連做為解釋的理論依據，探討起始因素和結 果之間的關係；「模型推理」（model-based reasoning）其科學理論是經由「創意」來 產生理論模型，同時存在多個可能的理論模型。理論的存在是暫時性的，且理論解釋並 非來自於觀察，而是以理論系統的科學機制來解釋，以證據來評估各種模型的優劣。 Lawson、Abraham和Renner（1989）提出學習環包含了描述（decriptive）、經驗-誘導（empirical-abductive）和假設-推論（hypothetico-deductive）三部分，而每種學習 環的型式可由低到高歸類成不同層級的科學推理模式。Lawson等人（2000）的研究將 科學推理分成三個層次，Level 3 是屬於描述性層次（descriptive level），與皮亞傑的具 體操作期相似，只能運用描述性的概念；轉變階層（transitional level），介於Level 3與 Level 4之間；Level 4是屬於進階層次（advanced level）相似於皮亞傑形式運思期，可運 用描述性和假設性的概念，且只能以具體可見物體進行假設；最後，Level 5是屬於更進 階層次（more advanced level），可運用一些理論（theory）的概念進行假設，也就是說 此階段的學生具備描述性（descriptive）、假設性 （hypothetical）和理論性 （theoretical） 的概念。
Hogan和Fisherkeller（2000）將科學推理定義為六種型式，包括分析式推理（analytical reasoning）、類比式推理（analogical reasoning）、對話式推理（dialogical reasoning）、 對話式推理（dialogical reasoning）、推論式推理（inferential reasoning）、評價式推理
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（evaluative reasoning）和統整式推理（integrative reasoning）。而在Hogan、Nastasi和 Pressley（2000）研究指出學生的知識觀點會引導科學推理中的計畫、監控和評估等執 行的歷程，所以學生知識觀的標準與知識的建構對於進行科學推理有極為重要的影響， 根據12個八年級學生所做的訪談研究內容將科學推理的層級分為以下六種，。 概述（generativity）是指學生以直覺的觀察結果或質樸的想法及主張等較低階的思 考來說明待解答的現象；精緻化（elaboration）表示能以科學的方式敘述待解答的現象， 例如加入測量或估計的方式；辯證（justification）可分為「證據取向」及「推論取向」 兩類來判斷待解答的現象。學生的每個想法若能運用越多的證據及推論來確認判斷，得 分越高；解釋（explanation）乃指學生以作用機制來說明待解答的現象，採用的機制越 多，得分越高；邏輯一致性（logical coherence）表示學生對現象的論述中包含了判斷或 解釋，這些論述並不嚴格要求概念的正確性，主要評斷學生所做的判斷及解釋，是否依 照原先的前提和假設進行邏輯演繹而得；綜合（synthesis）是表示評斷學生如何在對現 象的論述中，整合相反的觀點，它足以顯現出學生具有辯證思考等高階思考的能力。 從Driver 等人的認識論角度來看Hogan 等人定義的推理層級，則概述和精緻化的 能力相當於現象推理的層級，論證的能力則相當於關係推理的層級，解釋以上的能力則 相當於模型推理的層級。而本研究以引導式探究課程為主軸，融入科學推理在國小五年 級自然課程中，學生將進行形成假設、找出變數、科學解釋等探究活動，希望可以從學 生在探究過程中進行概念建構時，了解科學推理層級的影響，因此參考並簡化Hogan等 人的推理層級分類，將學生在學習歷程中所運用的推理層級定為四級。不相關（None, N）： 學生的回答中完全不包含任何與問題相關的論述；概述（Generativity, G）是指學生僅 描述現象的觀察或以質樸概念來回答；精緻化（Elaboration, EL）是學生能以科學的用 語或操作方法來解釋待解答的現象，例如加入測量或估計的方式。辯證（Justification, J） 則是在「證據取向」時，學生能夠運用變因和結果間的關係來解釋現象。 Keys（1998）研究指出國小六年級在科學實驗中在問題假設和設計實驗的表現，發 現了科學推理能力是有助於批判、確認和評估證據等科學學習的，而使用推理策略也可
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以引出學生的概念，且澄清、建構科學概念。而科學推理能力對於解決問題和學習遷移 是有助益的，而且影響到個人的學習（Krulik & Rudnick, 1993）。由此可知推理能力是 一種高層次的認知能力，它可以協助學生瞭解生活中的前因後果，尤其是在科學的學習 上，可以見得推理能力的重要性。 因此學生的推理能力，除了科學推理技巧之外，還需考慮與學生學習相關主題的概 念推理能力，故設計相關單元主題相依測驗，其主要目的在於探討學生經過教學之後， 是否會因為學生對於相關概念的瞭解，因而增進學生對該概念的推理能力，根據學生前 測所測驗出之成績，視其在教學後及追蹤測瞭解學生之推理能力是否提升。
第三節 科學探究與科學推理
在 NRC（2000）所提出的的六項探究能力，包括以下六點：「確認可經由科學探究 來回答的問題」、「選用適合的工具和技術來蒐集、分析及詮釋資料」、「利用證據發展出 自己的描述、解釋、預測和模式」、「透過精確且邏輯地思考來決定證據與解釋間的關係」、 「辨識並分析另有解釋及預測」、「進行科學探究流程與結果的溝通」。其中的「透過精 確且邏輯地思考來決定證據與解釋間的關係」，如果沒有科學推理的部分在裡面，如何 可以獲得關係？而在 Hogan、Nastasi 和 Pressley（2000）的研究中對於科學推理之定義 為在抽象邏輯之假設-演繹及歸納-推理等技能。也有學者將其定義為探究、實驗、評估 理論、推論等技能，而運用這些思考能力來幫助概念的改變或是科學的理解（Zimmerman, 2005）。Lawson（2004）亦認為在日常生活中和科學探究的推理似乎在一個假設演繹 的思考上開始作用。在種種跡象中似乎透露出在探究過程中，科學推理存在的關鍵點。 在 2061 計劃提到，對於科學探究著重於學生在進行資料或是推論假設時，應該符 合邏輯推理原則。在科學探究歷程中，有四個推理活動階段，分別為形成問題與假設 （form questions and hypotheses）、設計實驗和蒐集資料（design investigations and generate data）、詮釋資料和整合資訊（interpret data and integrate information）、建立並與人溝通 論點（build and communicate arguments）。亦有研究指出，教師能在教學中如果可以讓15 學生參與如同科學家的問題解決歷程，將能夠增進學生的推理技能（Lawson, 1995）。 而 Lawson（2005）研究科學探究和歸納演繹推理的角色中，發現學生越來越意識到自 己的假設演繹思維過程，在應用上越來越熟練。在探究活動中不但讓學生自主的討論研 究設計，更經由探究教學建立學生邏輯推理思考，並引導學生建立良好的知識架構來發 展高層次的思考能力。 Hogan 和 Fisherkeller（2000）提到，科學探究歷程中的四個推理活動階段分為以 下四個，包括形成問題與假設（form questions and hypotheses）、設計研究與蒐集資料 （design investigations and generate data）、解析資料與整合資訊（interpret data and integrate information）、建立與傳達論點（build and communicate arguments）。在這些推 理活動中，很明顯的發現科學推理與探究是緊密結合的關係，從形成問題、假設到設計 實驗等都是如此。
在 Lawson（1978, 1988, 1992；Lawson, Alkhoury, Benford, Clark, & Falconer, 2000） 所設計之推理測驗中，包含以下六種推理層次，孚恆（conservation）概念、比例思考 （proportional thinking）、辨識與變數控制（identification and control of variables）、機 率 思 考 （ probabilistic thinking ） 、 相 關 性 思 考 （ correlative thinking ） 、 假 設 演 繹 （hypothetic-deductive）等，而在測驗中可以發現，所出的題目有很多觀念上都隱含著 科學探究的內容，像是實驗設計中假設、自變項和依變項。 而從以上文獻中，不難發現探究與科學推理有著密切的關係，推理被視為科學探 究中的思考過程，而科學家在探索自然界時，也是運用了探究與推理的過程來預測或解 釋。許多蛛絲馬跡，明白顯示出在科學探究中，隱約有一塊科學推理的部分，雖然在許 多科學教育學者都認同這樣的想法，卻未有研究指出其相關性，因此研究者除了驗證研 究中所提到探究教學是否能提升探究能力以及推理能力外，欲探討在探究教學下，不同 推理層級之學生的科學探究能力與推理能力是否有相關，以及學生的探究能力與科學推 理之關係為何。因此本研究將探討在研究設計中的科學推理融入探究模式下，學生在科 學推理層級與探究能力是否有明顯之改變。
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第三章
研究方法
本研究是運用科學推理與探究教學活動結合，採用準實驗設計的方法進行。本章內 容以研究對象、研究設計、研究流程、研究工具、教學設計及資料的收集與分析等分別 加以敘述與說明。第一節 研究對象
本研究是以新竹市某國小五年級的四個班級學生為研究對象，以便利抽樣的方式採 用四個常態編班的班級，學生人數共 115 人。將學生分成兩組，包括實驗組和對照組各 兩個班級，其中前者採用科學推理融入探究教學，共 61 人；後者則採用探究教學，共 54 人，如表 3-1-1 所示。 表 3-1-1 教學模式與人數整理表 組別 項目 實驗組 對照組 教學模式 科學推理融入探究教學 探究教學 人數 61 人（兩班） 54 人（兩班） 由於本研究於九十七學年度下學期進行研究，為了確保實驗組與對照組學生在自然 與生活科技領域中學業成績無顯著差異，因此研究者於進行研究前，蒐集這兩組學生在 九十六學年度上下學期的自然與生活科技領域之學期總成績（各三次段考成績與帄時成 績），進行獨立樣本 t 檢定的統計分析，分析結果實驗組與對照組無顯著差異，如下： 表 3-1-2 實驗組與對照組學生自然與生活科技領域學業成績差異檢定摘要表 項目 實驗組 對照組 帄均差異 (對－實) t 值 帄均數 標準差 帄均數 標準差 成績 48.92 6.38 49.35 5.54 .33 .383 註：N＝11518
第二節 研究設計
依據本研究之研究目的與參考相關文獻，研究者採實驗研究法之準實驗設計 （quasi-experimental design）。本研究問題是在探討不同教學模式下，學生在相關課程（包 含美麗的星空、熱的傳播與保溫、聲音與樂器）進行半學期共九節課，進而探討學生在 概念建構、科學探究能力和主題相依推理能力上的差異。自變項是教學模式（實驗組— 科學推理融入探究教學、對照組—探究教學），依變項為概念建構測驗、科學探究能力 測驗、主題相依推理測驗及學習單分析，如圖 3-2-1。 圖 3-2-1 研究架構圖 一、自變項： 本研究自變項為「教學模式」，實驗組採用「科學推理融入探究教學」，而對照組 則是採用「探究教學」。 二、依變項： 依變相為「概念測驗」、「科學探究能力測驗」與「主題相依推理測驗」。在學習 單結果質性分析方面，是針對其「形成假設」與「做出結論」之概念正確性、假設的可 驗證性與科學推理層級之改變。第三節 研究流程
研究歷程分為三個階段，依序為研究準備階段、科學推理融入探究教學階段及資料 分析階段，研究流程如圖3-3-1。 教學模式 學習活動 科學推理融入探究教學(實驗組) 探究教學(對照組) 概念測驗 主題相依推理測驗 探究能力測驗 學習單分析19 圖 3-3-1 研究流程圖 研究前準備 •確立研究方向 •蒐集相關文獻 •形成研究文題、確定研究設計 •教學內容設計 •研究工具設計 前測 •概念測驗 •科學探究能力測驗 •主題相依推理測驗 科學推理融入 探究教學 (共九節課) •實驗組進行科學推理融入探究教學，對照組則用探究教學 •蒐集每個活動前後之學習單 後測 •概念測驗 •科學探究能力測驗 •主題相依推理測驗 追蹤測 (兩個 月後) •概念測驗 •科學探究能力測驗 •主題相依推理測驗 資料分析 •資料彙整、分析 •結果討論、撰寫研究報告
20 第一階段：研究準備階段。首先確立研究目的與問題，並蒐集相關文獻進行探討，以及 設計測驗工具並確立其信效度，依照科學推理及探究理論為基礎設計相關課程。而本階 段之重點在於如何將科學推理融入探究教學的部分，與專家討論教材內容並進行修正。 第二階段：科學推理融入探究教學階段。針對不同教學模式進行教學前、後和追蹤各項 測驗，以及在教學前與活動後所完成之活動學習單。實驗組之學生於下學期其中三個單 元採用科學推理融入探究課程，而對照組則進行相同單元之探究課程。 第三階段：資料分析階段。是將本研究期間所蒐集到的所有資料，包含「概念測驗」、 「科學探究能力測驗」、「主題相依推理測驗」與「學習單」，進行處理與彙整分析， 並撰寫研究結果報告。
第四節 研究工具
本研究運用的教學工具有相關課程之概念測驗、主題相依推理測驗、科學探究能力 測驗以及學習單，將於以下說明之。 一、概念測驗 本研究是希望經由不同的教學模式，瞭解國小五年級學生在下學期學習科學概念上 是否有顯著差異存在。由研究者依據課程內容編製相關的認知部分測驗進行紙本測驗， 內容採單一選擇題型式，每個單元各10題，共30題（詳見附錄一）。 於九十七學年度下學期課程教學前、後時施測，每題1分，共30分。選擇題編寫詴 題時，由三位自然與生活科技領域教師及二位科學教育專家共同檢驗，以求其內容效度。 由實驗組與對照組於教學前、後及兩個月後追蹤進行施測，整體詴卷前、後與追蹤信度 α值分別為0.60、0.74和0.81，可得知此份測驗度達理想範圍。21 二、主題相依推理測驗 此測驗是用以檢核學生在五年級下學期的「美麗的星空」、「熱的傳播與保溫」及 「聲音與樂器」單元概念的推理能力所設計，題目型式為二階層式選擇題，第一層題目 的出題範圍為學生可觀察到的自然現象或科學事實的真偽，第二層題目則為以上一層題 目進行科學推理後所得到的理由或證據（詳見附錄二）。 而本測驗選擇題編寫詴題時，係由三位自然與生活科技領域教師及二位科學教育專 家共同檢驗，以求其內容效度。由實驗組與對照組於教學前、後及兩個月後追蹤進行施 測，整體詴卷前、後與追蹤信度α值分別為0.74、0.83和0.89，得知此份測驗度達理想 範圍。 三、科學探究能力測驗 研究者將 NRC （2000）提出的學生課室探究表徵，包含「形成問題」、「實驗設計」、 「資料蒐集」、「解釋分析」共四個面向來做修改成「形成假設」、「找出變數」、「設計實 驗」、「圖表解釋」、「分析結果」四個面向的探究能力，選用五年級下學期的「美麗的星 空」、「熱的傳播與保溫」及「聲音與樂器」單元活動內容，進而設計科學探究能力測 驗。選擇題編寫詴題時，由三位自然與生活科技領域教師及二位科學教育專家共同檢驗， 以求其內容效度。共有六大題，每題皆包含以上四個面向的探究能力（詳見附錄三）。 在內容設計上有包含基本的科學過程技能與 PISA 測驗中的「形成科學性議題」、 「科學解釋」與「科學舉證」的面向，並可連接到關鍵的認知能力，例如歸納/演繹推 理、系統思考、關鍵決策、轉換訊息、建構並溝通討論來解釋數據資料等（OECD, 2006）， 以了解學生在科學探究上的成效。 由實驗組與對照組於教學前、後及兩個月後追蹤進行施測，整體詴卷前、後與追蹤 信度α值分別為0.92、0.90和0.96，可得知此份測驗度達理想範圍。
22 四、學習單 研究者根據研究目的與課程來設計實驗組及對照組三個單元之學習單，每個單元之 學習單分成兩個部分，包含科學推理與探究實驗。科學推理的部分是實驗組學生在教學 前預測課程主要問題或是提出先備知識，並解釋所支持之理由為何後，再進行示範實驗， 學生經觀察及思考後，再次回答先前課程主要問題。而探究實驗的部分乃改編 NRC （2000）所提到的內容，設計包含「形成假設」、「找出變數」、「實驗設計」、「解釋分析」 和「提出結果」的流程，每個單元有一至兩個探究實驗，由教師給予學生研究問題，由 學生自行進行以上四個流程。在實驗結束後，實驗組的學生會要求再一次思考探究實驗 之研究問題，讓學生解釋其理由為何，以科學推理的歷程進行問答（詳見附件五）。
第五節 教學設計
本研究在國小五年級下學期進行一學期其中三單元，配合九十七學年度康軒版自然 與生活科技教材，選取其中「美麗的星空」、「熱傳播與保溫」、「聲音與樂器」三個單元 各三節課進行教學實驗，共九節課（每節課四十分鐘）。 科學推理融入探究課程與探究課程由三位自然與生活科技領域的資深教師及兩位 科學教育專家與研究者配合其課程綱要及內容所改編，且由研究者進行教學實驗活動， 課程進行中有原科任教師從旁協助，並無參與教學。 在實驗組每個單元活動的教學依照流程分成兩個階段，即融入科學推理的探究教學 及探究教學，而對照組的部分則是在單元活動中單純採用探究教學法進行課程教學（詳 情請見附件四）。第六節 資料蒐集與分析
本研究蒐集資料的部分包括相關課程之概念測驗、科學探究能力測驗、主題相依推 理測驗、科學推理測驗，其測驗部分的數據資料主要是以 SPSS 12.0 套裝軟體進行統計 分析，而學習單則是加以說明其統計分析的結果，增加研究的多元性。23 一、概念測驗 以「教學模式」變項進行單因子多變量共變數分析（one-way MANCOVA），當分析資 料時以「教學模式」為自變項，共變量為「概念測驗之前測成績」，依變項為「概念測 驗後測和追蹤測成績」，比較教學模式（實驗組—科學推理融入探究教學、對照組—探 究教學）在後測及追蹤測的成績表現有何差異。 二、主題相依推理測驗 以「教學模式」變項進行單因子多變量共變數分析（one-way MANCOVA），當分 析資料時以「教學模式」為自變項，共變量為「主題相依推理測驗前測成績」，依變項 為「主題相依推理測驗後測與追蹤測成績」，比較教學模式（實驗組—科學推理融入探 究教學、對照組—探究教學）在後測及追蹤測的成績表現有何差異。 三、科學探究能力測驗 以「教學模式」變項進行單因子多變量共變數分析（one-way MANCOVA），當分 析資料時以「教學模式」為自變項，共變量為「科學探究能力測驗前測成績」，依變項 為「科學探究能力測驗後測和追蹤之成績」，比較教學模式（實驗組—科學推理融入探 究教學、對照組—探究教學）在後測及追蹤測的成績表現有何差異。 四、科學推理測驗 以「教學模式」變項進行單因子多變量共變數分析（one-way MANCOVA），當分 析資料時以「教學模式」為自變項，共變量為「科學推理測驗前測成績」，依變項為「科 學推理測驗後測及追蹤測成績」，比較教學模式（實驗組—科學推理融入探究教學、對 照組—探究教學）在後測和追蹤測的成績表現有何差異。
24 五、學習單 「美麗的星空」、「熱傳播與保溫」、「聲音與樂器」三個單元共十一個活動，依據本 研究所用之探究能力分成三個部分，包含「形成假設」、「變因」、「做出結論」進行分析。 從兩組學生的所寫出學習單之探究能力內容依其概念正確性及假設的可驗證性進行分 析，前者分成完全正確（C）、部分正確（PC）、完全不正確（IC）三個項目各自進行分 析，其各單元評分者間信度為.96、.96及.99。在「形成假設」與「做出結論」中依照學 生所寫出之學習單內容，將其概念分成概念之完全正確（C）、部分正確（PC）、完全不 正確（IC），若有則給1分，沒有則是0分。例如「直笛為什麼可以吹出高低不同的聲音？」， 若回答「假如按的越用力，則聲音越低/高」，在完全不正確的項目上給1分，其他兩個 項目給0分；若是寫出「假如沒按洞（直笛全放）/全按時，聲音越高/低」則是在部分正 確的項目給1分，其他兩個項目給0分；若是呈現「假如按住的孔（洞）數越多/少，聲 音越低/高」，在完全正確的項目給1分，其他兩個項目給0分(詳見附錄五)。 而假設的可驗證性則是依據學生所呈現之內容，依照是否可現驗證性之分別給予2 分、1分和0分來進行分析，例如「如何讓0℃的冰溫度上升最慢?」，若孩童所寫出之內 容為「水的溫度越低，冰熔化得越快」是給0分，如果「放進冰箱（冷凍庫）」則是給1 分，那如果是「將冰放在密閉盒內（保麗龍），溫度上升較慢」者給2分。 在實驗組的學習單中對於概念推理層級分析，因應國小五年級學生的推理能力，而 依據Hogan等人（2000）的推理層級定義進行修改，將學生對問題所推理之想法將其區 分為無（None, N）、概述（Generativity, G）、精緻化（Elaboration, EL）、辯證（Justification,
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第四章 研究結果與討論
本研究探討是否將科學推理融入於探究教學模式，對於國小五年級學童在科學推理 與探究教學之學習時，其於概念建構測驗、主題相依推理測驗和探究測驗上的差異性。 根據研究問題進行統計與質性分析，進行驗證。 本章將分為三小節，第一節是融入科學推理之探究教學在三個測驗（前測、後測及 追蹤測)的成效分析；第二節則是將學習單內容轉化成量化資料的分析結果；第三節則 是針對實驗組科學推理的部分進行層級之分析，以具體瞭解學生的學習情況。第一節 探究教學與融入科學推理之探究教學之成效分析
本節將針對實驗組與對照組在概念測驗、主題相依推理測驗和探究測驗在不同教學 模式下的表現差異性逐一討論。測驗結果如下： 一、教學前後之概念建構測驗成效分析 依據研究問題一「不同教學模式實驗組（科學推理融入探究教學）、對照組（探究 教學）對學習者在概念測驗上有何差異?」進而以敘述性統計與數據分析，結果如表4-1-1 所示。 (一)概念測驗之敘述性統計分析 針對不同教學模式（科學推理融入探究教學、探究教學）的概念測驗成績（前測、 後測、追蹤測）進行敘述性統計分析，結果如表4-1-1。 表 4-1-1 兩組不同教學模式在概念測驗之敘述性統計 組別 人數 教學前測 教學後測 教學追蹤測 M SD M SD M SD 對照組 54 12.70 4.42 15.57 5.16 13.15 6.09 實驗組 62 13.37 3.28 17.65 4.56 17.37 5.45 總和 116 13.06 3.85 16.68 4.94 15.40 6.1126 從教學模式來看，由表4-1-1顯示在概念測驗前測中，雖然實驗組學生成績較對照 組成績高些，但是在經過不同模式之後，兩組學生皆在後測與追蹤測的成績明顯高於前 測成績。 (二)概念測驗之推論統計分析 將不同教學模式在概念測驗進行單因子多變量共變數分析（one-factor MANCOVA）， 以『教學模式』為自變項，『前測成績』為共變數，依變項分別為『後測成績』和『追 蹤測成績』，結果呈現於表4-1-2： 表 4-1-2 教學模式對概念測驗後測及追蹤測之單因子多變量共變數分析 變異來源 Wilk's df1 df2 F p 共變量(概念建構前測) 0.60 2 112 37.80*** .000 教學模式(實驗組、對照組) 0.87 2 112 8.40*** .000 註：1. ***p<.0001；df1：假設自由度, df2：誤差自由度 從表 4-1-2 可知在概念測驗後測及追蹤測中，「教學模式」（Wilk's ＝.87, p=.000） 對概念測驗後測及追蹤測的成績影響達顯著差異，因此繼續進行主要效果分析，其結果 如下表 4-1-3： 表 4-1-3 教學模式分組對概念測驗之主要效果摘要表 註：1. ***p<.0001, *p<.05 由表4-1-3中可知，在不同教學模式下進行單因子多變量共變量分析，結果顯示不 同教學模式在概念後測（F=4.56, p=.035）和追蹤測（F=16.21, p=.000）均達顯著差異， 經事後比較後發現實驗組的學生在後測與追蹤測的成績皆優於對照組。 變異來源 多變量 Wilk's 單變量 事後比較 後測 追蹤測 教學模式 0.87*** 4.56* 16.21*** 後測：實驗＞對照 追蹤：實驗＞對照
27 根據上述推論統計結果，支持研究假設1-1不同教學模式對學生在概念測驗上有顯 著差異，表示「融入科學推理之探究課程」較「探究教學課程」效果佳。 二、教學前後之主題相依推理測驗成效分析 此部分乃為回答研究問題二「不同教學模式（分科學推理融入探究教學與探究教學） 對學習者在主題相依推理測驗上有何差異?」進行分析，並於下列呈現其分析結果。 (一) 主題相依推理測驗之敘述性統計分析 依據教學模式（實驗組與對照組）進行主題相依推理測驗成績（前測、後測、追蹤 測）敘述性統計的分析，結果如表 4-1-4。 表 4-1-4 主題相依推理測驗之敘述統計 由教學模式來看，依據表 4-1-4 在後測與追蹤測中，不論是實驗組或是對照組， 於此測驗中均有明顯進步，表示兩種教學模式在主題相依的學習效果和保留效果都很好。 而實驗組的成績明顯高於對照組的成績，因此得知實驗組教學模式優於對照組。 （二）教學模式對主題相依推理成效影響之推論性統計 將不同教學模式在概念測驗進行單因子多變量共變數分析（one-factor MANCOVA）， 以『教學模式』為自變項，控制變項為『前測成績』，依變項分別為『後測成績』和『追 蹤測成績』，結果呈現於表4-1-5： 組別 人數 教學前測 教學後測 教學追蹤測 M SD M SD M SD 對照組 54 18.69 6.40 25.91 8.67 20.59 9.34 實驗組 62 19.82 6.81 28.39 8.32 27.87 8.89 總和 116 19.29 6.61 27.23 8.54 24.48 9.77
28 表 4-1-5 教學模式對主題相依推理測驗後測及追蹤測之單因子共變數分析 變異來源 Wilk's df1 df2 F p 共變量(主題相依前測) 0.62 2 112 33.95*** ＜.001 教學模式(實驗組、對照組) 0.83 2 112 11.30*** ＜.001 註：1.***p<.001；df1：假設自由度, df2：誤差自由度 從表 4-1-5 可知在主題相依推理測驗後測及追蹤測中，「教學模式」 （Wilk's ＝0.83, p＜.001）對主題相依推理測驗後測及追蹤測的成績影響達顯著差異， 因此繼續進行主要效果分析，其結果如下表 4-1-6： 表 4-1-6 教學模式分組對主題相依推理測驗之主要效果摘要表 註：1.***p<.001 由表4-1-6中可知，在不同教學模式下進行單因子多變量共變數分析，結果顯示不 同教學模式在追蹤測（F=19.09, p＜.001）達顯著差異，經事後比較後發現實驗組的學 生在追蹤測的成績較對照組高。 根據上述推論統計結果，支持研究假設2-1不同教學模式對學生在主題相依推理測 驗上有顯著差異，表示「融入科學推理之探究課程」在主題相依推理效果較「探究教學 課程」佳。 三、教學前後之探究能力測驗成效分析 此部分乃為回答研究問題三「不同教學模式（分科學推理融入探究教學與探究教學 兩組）對學習者在探究能力測驗上有何差異?」，針對教學模式（實驗組與對照組）的 探究能力測驗成績（前測、後測、追蹤測）進行敘述性統計分析，並在下列呈現其結果。 (一)探究測驗之敘述性統計分析 將學生的探究測驗成績（前測、後測、追蹤測），依據教學模式分組（實驗組與對 照組）進行敘述性統計的分析，結果如表 4-1-7。 變異來源 多變量 Wilk's 單變量 事後比較 後測 追蹤測 教學模式 0.83*** 1.59 19.09*** 追蹤：實驗＞對照
29 表 4-1-7 科學探究能力測驗之敘述統計 由表 4-1-7 得知在探究測驗前測中，對照組（M前測=17.00）的學生帄均成績略高於 實驗組（M 前測=15.63）的學生成績，在經過不同教學模式之後，兩組學生都有進步， 但似乎實驗組較對照組在後測與追蹤測的成績明顯更高，進步更多，因此由表 4-1-7 可 以得知實驗組教學優於對照組。 (二)教學模式對探究能力成效影響之推論性統計 將教學模式當作單一因子，進行單因子多變量共變數分析（one-factor MANCOVA）， 以『教學模式』為自變項，控制變項為『前測成績』，依變項分別為『後測成績』和『追 蹤測成績』，結果呈現於表 4-1-8： 表 4-1-8 教學模式對探究能力後測及追蹤測之單因子多變量共變數分析 變異來源 Wilk's df1 df2 F p 共變量(探究能力前測) 0.42 2 112 78.05*** ＜.001 教學模式(實驗組、對照組) 0.76 2 112 17.32*** ＜.001 註：1.***p<.001；df1：假設自由度, df2：誤差自由度 由表4-1-8中得知（Wilk’s Λ=0.76, p＜.001），表示在不同教學模式下，探究能力後 測和追蹤測均達顯著水準，經事後比較在後測與追蹤測皆為實驗組優於對照組。「融入 科學推理之探究課程」探究能力測驗效果較「探究教學課程」佳，結果支持研究假設3-1 不同教學模式對學生在探究能力測驗上有顯著差異。而下表則是進行主要效果分析： 組別 人數 教學前測 教學後測 教學追蹤測 M SD M SD M SD 對照組 54 17.00 10.92 21.61 11.80 20.94 10.03 實驗組 62 15.63 10.49 25.26 10.38 26.26 9.80 總和 116 16.27 10.67 23.56 11.17 23.78 10.22
30 表 4-1-9 教學模式分組對探究能力測驗之主要效果摘要表 註：1.***p<.001, *p<.05 由表4-1-9中可知，在不同教學模式下進行單因子多變量共變量分析，結果顯示不 同教學模式在探究能力後測（F=6.15, p=.02）和追蹤測（F=23.26, p＜.001）均達顯著差 異，經事後比較後發現實驗組的學生在後測與追蹤測的成績皆優於對照組。 根據上述推論統計結果，支持研究假設 1-1 不同教學模式對學生在探究能力測驗上 有顯著差異，表示「融入科學推理之探究課程」在探究能力效果較「探究教學課程」佳。 四、概念建構測驗、主題相依推理測驗與探究能力測驗的逐步迴歸分析 為了瞭解概念建構測驗、主題相依推理能力測驗和探究測驗間是否預測力，因此進 行概念建構測驗、主題相依推理能力測驗和探究能力測驗的前測、後測與追蹤測的逐步 迴歸（Stepwise regression）分析，結果如表 4-1-10。 表 4-1-10 融入科學推理之探究教學之逐步迴歸分析摘要表 選入變數 標準化係數 （Beta 分配） 解釋變異量 t p 預測變數：探究後測 主題相依推理後測 0. 62 . 386 8.46*** ＜.001 R 0. 62 R2 0. 39 預測變數：探究追蹤測 主題相依推理後測 0. 67 .447 9.61*** ＜.001 R 0.67 R2 0.45 ***p＜0.001 變異來源 多變量 Wilk's 單變量 事後比較 後測 追蹤測 教學模式 0.76*** 6.15* 23.26*** 後測：實驗＞對照 追蹤：實驗＞對照
31 根據表 4-1-10 顯示，運用主題相依推理後測來預測探究後測之逐步迴歸分析，其 結果顯示主題相依推理後測的標準化係數為 0. 62（ t=8.46, p＜.001）達顯著，表示主題 相依推理後測越高，則探究後測越高。主題相依推理後測可獨立解釋探究後測 38.6％的 變異量。而採用主題相依推理後測來預測探究追蹤測之逐步迴歸分析，結果顯示主題相 依推理後測的標準化係數為 0. 67（t=3.14, p=.002）達顯著，表示主題相依推理後測分 數越高，則探究後測越高。主題相依推理後測可獨立解釋探究後測 44.7％的變異量。 從以上迴歸分析發現「主題相依推理後測」對「探究後測」有預測力，以及「主題相依 推理後測」對「探究追蹤測」有預測力。其中「主題相依推理後測」對「探究後測」有 最佳預測力，顯示出科學推理與探究能力息息相關，若缺乏科學推理的支持，則探究能 力會降低。 五、小結 本節藉由三份測驗的結果，來分析學生經過不同教學模式的課程之後，在探究能 力、主題相依推理能力和概念建構能力改變的狀況。在課程結束後，兩組學生在探究能 力上不論是學習成效或是保留效果都相當好，實驗組的成效優於對照組；在主題相依推 理能力上的學習成效是保留效果較顯著，而實驗組的成效優於對照組；在概念建構能力 上不論是學習成效或是保留效果都相當好，實驗組的成效優於對照組。以迴歸而言，其 中「主題相依推理後測」對「探究後測」有最佳解釋力，顯示出科學推理與探究能力關 係密切，若孩童具有科學推理的支持，則探究能力會提升。 本研究在設計上讓實驗組的學生要求在課程前引發問題與課程結束後的導出結論 進行問題預測並說明原因與解釋，其餘皆是相同的課程設計，因此根據以上的分析結果， 顯示科學推理在探究教學上是一個相當重要的環節。
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第二節 融入科學推理之探究教學在學習單之質性資料分析
本節將依據研究問題四「利用學習單來瞭解學生的學習歷程（分科學推理融入探究 教學與探究教學兩組），其概念與探究之內涵。」欲知不同教學模式下，兩組學生在學 習單上的差異，包含探究部分－「形成假設」與「做出結論」的概念正確性與可驗證性， 以及科學推理部分。而科學推理在設計上要求實驗組的學生在課程開始前先根據問題提 出原因再進行解釋，因此實驗組會加以探討科學推理層級的部分。 一、學生對於形成假設在概念正確性之資料分析 將學生在課程前所完成的學習單內容，探討兩組學生在形成假設的正確性的改變 情形，用單因子重複量數（one-factor repeated measure）進行分析，以兩種不同之教學 模式為受詴者間因子，單元為受詴者內因子，進而比較學生在三個單元中「形成假設」 的部分。 表 4-2-1 不同教學模式分組在形成假設的概念正確性之重複量數主要摘要表 單元 對照組 實驗組 變異來源-融入推理之探究教學 成對比較 單元間 教學模式 (探究、 融入推理) 單元× 教學模式 N M SD N M SD F F F 單元 教學模式 完全正確 C 1 56 .17 .19 60 .33 .27 174.85*** (p＜.001) η2 =.605 1.394 (p=.240) η2 =.012 7.63*** (p=.001) η2 =.063 2＞1*** 3＞1*** 3＞2*** - 2 56 .52 .29 60 .47 .28 3 56 .75 .29 60 .78 .26 部分正確 PC 1 56 .01 .06 62 .02 .08 90.90*** (p＜.001) η2=.439 .69 (p=.407) η2 =.006 1.90 (p=. 153) η2 =.016 3＞1*** 3＞2** - 2 56 .004 .03 62 .012 .05 3 56 .25 .25 62 .20 .19 完全不正確 IC 1 56 .42 .28 62 .29 .26 47.11*** (p＜.001) η2 =.29 8.51** (p=.004) η2 =.07 5.19** (p=.008) η2=.04 1＞2*** 1＞3*** 對照組＞ 實驗組 2 56 .14 .18 62 .15 .17 3 56 .21 .20 62 .09 .16 註：1. **p＜0.01, ***p＜0.00133 在形成假設的概念正確性部分，實驗組學生的完全正確（C）概念在第一單元 （M實=.33；M對=.17）和第三單元（M實=.78；M對=.75）的帄均分數皆高於對照組，經 單因子重複量數考驗後，完全正確概念在單元間達顯著差異（F=174.85, p＜.001）；不 同教學模式之間未達顯著差異（F=1.39, p=.240），但不同單元與教學模式之間達顯著 差異（ F=7.63, p=.001），表示兩者之間具有交互作用（詳見表 4-2-1），因此再進行單 純主要效果分析，實驗組在單元間達顯著差異（F=64.92, p＜.001），經事後比較顯示單 元三顯著大於單元二與單元一，且單元二顯著大於單元一，可以得知實驗組學生在經過 科學推理融入探究學習課程之後，其完全正確概念有顯著增加的趨勢。 對照組的完全正確（C）概念在單元間達顯著性（ F=122.61, p=.001），經事後比較 顯示對照組單元三顯著大於單元二與單元一，且單元二顯著大於單元一，因此對照組學 生在經過探究學習課程之後，其完全正確概念亦有顯著增加的趨勢。尤其在單元一中， 在實驗組的帄均分數大於對照組且（F=14.47, p=.000）達顯著性（詳見表 4-2-2）。 在部分正確（PC）的部分，實驗組學生在第一單元和第二單元的帄均分數高於對 照組，而在單元間部分正確（PC）達顯著差異（F=90.90, p＜.001），顯示單元間有差 異；不同教學模式未達顯著差異（F=.69, p=.407），且單元間與教學模式亦未達顯著性 （F=1.90, p=.153），經事後比較顯示單元三顯著大於單元二與單元一，且單元二顯著 大於單元一（詳見表4-2-2）。 而完全不正確（IC）的部分，對照組學生在第一單元（M實=.29；M對=.42）和第 三單元（M實=.09；M對=.21）的帄均分數高於實驗組，而單因子重複量數在單元間 達顯著差異（F=47.11, p=.000）；不同教學模式達顯著差異（ F=8.51, p=.004），且單 元間與教學模式有出現交互作用，且達顯著性（ F=5.19, p=.008），因此進行單純主要 效果分析，結果發現兩組在單元間完全不正確( IC)的部分皆達顯著性（F實=17.63, p＜.001；F對=28.48, p＜.001），經事後比較顯示兩組學生皆在單元一大於單元二與單 元三，表示在經過課程之後，其不正確之概念有明顯下降的趨勢。在單元一與單元三中 實驗組的帄均分數小於對照組且達顯著性（F實=7.59, p=.007；F對11.05, p=.001）。
34 表 4-2-2 不同教學模式下單元間「形成假設」之單純主要效果分析 單元 M SD F (p) η2 事後比較 完 全 正 確 C 對照組 1 0.17 0.03 122.61*** ＜.001 0.690 2＞1***, 3＞1*** , 3＞2 *** 2 0.52 0.04 3 0.75 0.04 實驗組 1 0.33 0.04 64.92*** ＜.001 0.524 2＞1***, 3＞1***, 3＞2*** 2 0.47 0.04 3 .775 .033 第一單元 對照組 0.17 0.19 14.47*** ＜.001 0.112 實驗組＞對照組 實驗組 0.33 0.27 第二單元 對照組 0.52 0.29 .92 .340 0.008 - 實驗組 0.47 0.28 第三單元 對照組 0.75 0.29 .223 .631 0.002 - 實驗組 0.77 0.25 完 全 不 正 確 IC 對照組 1 0.42 .038 28.48*** ＜.001 0.513 1＞2***, 1＞3*** 2 0.14 .024 3 0.21 .027 實驗組 1 0.29 .033 17.63*** ＜.001 0.224 1＞2 ***, 1＞3 *** 2 0.15 .022 3 0.09 .021 第一單元 對照組 0.42 0.28 7.59** .01 0.61 對照組＞實驗組 實驗組 0.28 0.26 第二單元 對照組 0.14 0.18 .112 .738 0.001 - 實驗組 0.15 0.17 第三單元 對照組 0.21 0.20 11.05** .034 0.087 對照組＞實驗組 實驗組 0.09 0.16 註：1.*p＜0.01, **p＜0.001, ***p＜0.0001 二、學生對於做出結論在概念正確性之資料分析 將學生在課程後所完成的學習單內容，將兩組學生在做出結論的概念正確性的改 變情形，用單因子重複量數（one-factor repeated measure）進行分析，以兩種不同之教
35 學模式為受詴者間因子，單元為受詴者內因子，進而比較學生在三個單元中「做出結論」 的部分，其數據如表 4-2-3。 表 4-2-3 不同教學模式分組在做出結論的概念正確性之重複量數摘要表 單元 對照組 實驗組 變異來源-融入推理之探究教學 成對比較 單元間 教學模式 (探究、 融入推理) 單元× 教學模式 N M SD N M SD F F F 單元 教學模式 完全正確 C 1 55 .18 .23 59 .33 .35 179.43*** (p＜.001) η2 =.616 15.95*** (p＜.001) η2 =.125 2.00 (p＜.001) η2 =.018 2＞1*** 3＞1*** 3＞2*** 實＞對*** 2 55 .67 .30 59 .75 .25 3 55 .71 .28 59 .92 .18 部分正確 PC 1 55 .06 .13 62 .09 .17 42.99*** (p＜.001) η2 =.272 1.39 (p=.240) η2 =.125 2.33 (p=.102) η2 =.020 2＞1*** 3＞1*** - 2 55 .22 .19 62 .22 .19 3 55 .27 .24 62 .29 .25 完全不正確 IC 1 56 .10 .18 62 .18 .22 27.93*** (p＜.001) η2 =.194 1.87 (p=.174) η2 =.016 4.53 (p=.015) η2 =.038 1＞2*** 1＞3*** 2＞3*** - 2 56 .07 .15 62 .06 .17 3 56 .01 .03 62 .00 .00 註：1.*p＜0.01, **p＜0.001, ***p＜0.0001 結果顯示形成假設完全正確（C）概念的部分，實驗組學生在三單元的帄均成績皆 高於對照組，而單元間達顯著差異（F= 179.43, p＜.001）；不同教學模式達顯著差異 ( F=15.95, p＜.001 )，且單元間與教學模式未達顯著性（F=2.00, p=.139），經事後比較 顯示單元三大於單元二與單元一，且單元二大於單元一，實驗組亦大於對照組。 在部分正確（PC）概念的部分，而在單元間達顯著差異（F=42.99, p＜.001），事 後比較顯示單元二與單元三大於單元一；而不同教學模式未達顯著差異（F=1.39, p=.204），且單元間與教學模式亦未達顯著性（ F=2.33, p=.102）（詳見表 4-2-3）。
36 在完全不正確（IC）概念的部分，於單元間之達顯著差異（F=27.93, p＜.001）， 不同教學模式未達顯著差異（F=1.87, p=.174），且單元間與教學模式亦未達顯著性 （F=4.53, p=.015），未出現交互作用。經事後比較顯示單元一大於單元二與單元三， 且單元二大於單元三，發現兩組學生在經過科學推理融入探究學習課程之後，其不正確 之概念有明顯降低的趨勢。 三、假設的可驗證性 將學生在課程中所完成的學習單內容，將兩組學生在形成假設時所呈現之
內容之可驗證性的改變情形，用單因子重複量數（one-factor repeated measure）進行分 析，以兩種不同之教學模式為受詴者間因子，單元為受詴者內因子，進而比較學生在三 個單元中「假設的可驗證性」的部分，其數據如表 4-2-5。 表 4-2-4 不同模式分組在假設的可驗證性之重複量數 單 元 對照組 實驗組 變異來源-融入推理之探究教學 成對比較 單元間 教 學 模 式 (探究、融 入推理) 單 元 × 教 學模式 N M SD N M SD F F F 單元 教學模式 1 56 0.52 0.50 60 0.64 0.63 139.49*** (p＜.001) η2 =0.548 9.88** (p=.002) η2 =0.079 0.49 (p=.589) η2 =0.004 2＞1*** 3＞1*** 3＞2*** 實驗組＞對照組 2 56 1.31 .45 60 1.50 0.42 3 56 1.33 0.50 60 1.58 0.39 註 1：* p<0.01,**p<0.001,***p<0.0001 結果顯示實驗組學生在單元間的帄均成績皆高於對照組，而在單元間假設的可驗 證性之重複量數值達顯著差異（F=139.49, p＜.001），且事後比較單元三大於單元二與 單元一，且單元二大於單元一；不同教學模式的數值達顯著差異（F=9.88, p=.002）， 經事後比較得知實驗組顯著大於對照組。此外，單元間與教學模式未達顯著性。
37 四、融入科學推理之探究教學之資料分析 實驗組的學生在課程設計時，要求學生在活動進行前的引發問題與活動進行後的做 出結論部分，必頇針對問題先做預測推理與解釋，因此將此質性之資料分析，視其科學 推理層級之改變情形。 針對三個單元，活動前後對學生做科學推理層級之重複量數（repeated measure）， 其數據如下： 表 4-2-5 進行活動前之科學推理層級重複量數分析 單元 N M SD F p η2 成對比較 推理階層 N 1 62 0.39 0.37 21.27*** ＜.001 0.259 1＞2**, 1＞3***, 2＞3*** 2 62 0.22 0.18 3 62 0.09 0.18 推理階層 G 1 62 0.51 0.30 4.07* .022 0.063 1＞2** 2 62 0.37 0.22 3 62 0.44 0.31 推理階層 EL 1 62 0.15 0.18 9.46*** ＜.001 0.134 3＞1*, 3＞2* 2 62 0.20 0.12 3 62 0.27 0.19 推理階層 J 1 62 0.00 0.00 2.20 .132 0.035 - 2 62 0.02 0.08 3 62 0.03 0.12 註：1.*p＜0.05, **p＜0.01, ***p＜0.001 結果顯示在活動前科學推理階 N 的部分，其帄均分數隨著單元越來越低，在單元 間達顯著差異（F= 21.27, p＜.001），經事後比較單元一大於單元二與單元三，表示學生 使用科學推理階層 N 逐漸降低；而在科學推理階層 G 的部分，其帄均成績有增高，單 元間達顯著差異（F= 4.07, p=.022），經事後比較單元一大於單元二；在科學推理階層
38 EL 的部分，單元三帄均成績高於單元一與單元二，單元間（F= 9.46, p＜.001）達顯著 差異，經事後比較單元三大於單元一與單元二，表示學生在科學推理的層級進步；而科 學推理階層 J 在單元間（F= 2.20, p=.132）未達顯著差異。 表 4-2-6 進行活動後之科學推理層級重複量數分析 單元 N M SD F p η2 成對比較 推理階層 N 1 62 0.45 0.35 42.38*** ＜.001 0.41 1＞2***, 1＞3***, 2＞3*** 2 62 0.20 0.21 3 62 0.03 0.10 推理階層 G 1 62 0.17 0.23 2.98 .058 0.05 - 2 62 0.12 0.13 3 62 0.09 0.16 推理階層 EL 1 62 0.25 0.20 3.70* .039 0.57 3＞1*, 3＞2* 2 62 0.30 0.26 3 62 0.35 0.28 推理階層 J 1 62 0.06 0.16 35.33*** ＜.001 0.37 2＞1***, 3＞1***, 3＞2** 2 62 0.25 0.24 3 62 0.37 0.22 註：1.*p＜0.05, **p＜0.01, ***p＜0.001 結果顯示在活動後，科學推理階層 N 的部分，其帄均成績是亦越來越低，單元間 （F= 42.38, p＜.001）達顯著差異，經事後比較單元一大於單元二與大於單元三，表示 學生使用科學推理階層 N 有明顯降低；而在科學推理階層 G 的部分，單元間（F=2.98, p=.058）未達顯著差異；在科學推理階層 EL 的部分，單元間（F= 3.70, p=. 028）達顯 著差異；而科學推理階層 J 在單元間（F= 35.33, p＜.001）達顯著差異，經事後比較單 元三大於單元二與單元一，且單元二大於單元一。
39 圖 4-2-1 不同教學模式科學推理層級長條圖 從圖 4-2-1 發現學生在教學前後，其科學推理層級 N 皆明顯下降，且在科學推理層 級 EL 皆明顯提升，而教學後比教學前更明顯，結果顯示探究教學對於科學推理層級是 有助益的。而且在科學推理層級 J 在教學後有顯著提升，表示科學推理融入探究教學是 較探究教學更可以提升孩童的科學推理能力，也是顯示出探究教學與科學推理是密不可 分，有相互提升的效果。 三、小結 本節藉由學生在兩種不同教學模式下之探究能力與科學推理的結果，進行分析了解學生 在三個單元的學習歷程中探究能力與科學推理階層變化。 首先在形成假設的概念正確性方面，完全正確（C）概念上是單元三大於單元二與 單元一，單元二又大於單元一，且在第一單元實驗組顯著大於對照組；而完全不正確（IC） 概念是單元一大於單元二與單元三，且在第一單元與第三單元皆為對照組明顯大於實驗 組；在做出結論的完全正確（C）概念上亦是單元三大於單元二大於單元一，且在單元 間實驗組顯著大於對照組，而完全不正確（IC）概念是單元一大於單元二與單元三，而 單元二大於單元三，且在第一單元對照組大於實驗組。以上表示融入科學推理之探究教 學與探究教學都能讓學生在建構正確概念上有成長，也降低了完全不正確的概念，但融 入科學推理之探究教學會比單採用探究教學有更好、更顯著的效果，似乎已透露出科學 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 教學前 教學後
40 推理在探究教學上的重要關鍵角色。 其次在假設的可驗證性方面，結果顯示實驗組明顯大於對照組，且單元三大於單元 二與單元一，而單元二大於單元一，表示融入科學推理之探究教學較探究教學更能提升 孩童這方面的能力。 最後是科學推理層級方面，結果是在活動前的科學推理階層 N 是單元一大於單元 二與單元三，且單元二大於單元三，而科學推理階層 EL 則是單元三大於單元二與單元 一；而在活動後的科學推理階層 N 亦是單元一大於單元二與單元三，單元二大於單元 三，但是科學推理階層 J 則是單元三大於單元二與單元一，單元二大於單元一。 以上本節的結果回答問題「4-1 不同教學模式學生在探究能力（形成假設和做出結 論）上的概念正確性上的差異」、「4-2 不同教學模式學生在假設的可驗證性上的差異」 和「4-3 對於探究教學融入科學推理（實驗組）的學生在科學推理層級的差異性」。
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