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以科學新聞發展國中生的科學解釋實務

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Academic year: 2021

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士班 碩士論文. 指導教授:吳心楷博士. 以科學新聞發展國中生的科學解釋實務 Using Science News to Develop Ninth Grade Students’ Explaining Practices. 研究生:翁 雪 芳. 中華民國 102 年 1 月 I.

(2) 誌謝 沒想到...我竟然真的能夠走到這一步!回想一開始,僅是憑著想到台北胡亂闖 盪的心情,懵懵懂懂的連打聽一下都沒有,就這樣背井離鄉,離開了熟悉的人事 物,可能是逃避,可能是放逐,也可能重新想找回自己,更可能是想發掘不同的 自己跟可能吧! 在研究所的日子過得很慢又很快!由於自己的很多基礎已經不再,來了之後 才發現原來有滿滿的英文文章等著我,幸好那時有富閔跟家綺,陪我一起分章節 讀,合作學習減輕了我許多負擔,還有我們班的同學們感情很好,還記得我們的 第一次認識、運動會、歡唱、交換禮物,以及每一次搞笑耍呆、歡唱聚餐、分享 討論、共同奮戰,都讓我抒發壓力跟找到歡笑。謝謝碩一夥伴們。那時幸好有心 楷老師帶著我們讀英文文章,也會分析文章跟語句的結構,讓我學習到原來閱讀 不只是閱讀,學習不只是學習,也種下了不解之緣-所以老師成為了我的老闆。 於是便展開一段追逐論文的旅程。,從一開始的霧裡摸索,一直很擔心會被 砍題目或換題目;到逐漸有個雛形時,還傻傻地問老闆是否真的能做下去;接著 與老闆約會裡,時常讓老闆皺著眉頭、駿佾愣在旁邊、義芬忍不住搖頭的悲慘情 況下度過;感謝我同學鍇瑩、義芬借學生讓我進行預試、學妹慧珊跟他同事借我 學生施測,也很感謝三芝國中的校長、行政單位及同學的幫忙與配合;感謝駿佾 願意幫忙我超級無敵複雜編碼表的同意度,義芬頭暈眼花的分擔我另一份編碼表 的同意度,更是感謝老闆總是不厭其煩的陪伴、提醒與協助,還有佳承學長、偉 瑩學姊、文馨學姊與頌沛學長的討論與提點;總於到最後又開始漸漸形成一點點 輪廓的樣貌,但才剛度過撞牆期的我,還未真正凝聚自己心裡的想法與方向,只 好將論文帶回高雄,邊工作邊寫。很感謝有韋彤的陪伴、卉珍學姊的相互打氣, 還有義芬的關懷開導,以及幾乎全年無休的百興守衛充滿生氣的提醒幫助,更感 謝是所上的每位老師的用心教學,關心我們學生的生活健康,帶領我們徜徉探索 科教的領域,更引領我們去思考、批判,還有美雅姐、靜瑀姐的協助與關懷。於 是乎,我繼續我追逐論文之旅。 我來回到高雄。然而,邊工作邊寫論文的日子,能使我支持下去的大概就能 讓我宣洩壓力、紓解情緒的朋友們、畢業社團的卉珍(組頭)、義芬、富閔跟駿佾 的鼓勵與打氣、以及老闆的關心與督促。而能讓我有無後顧之憂,努力打拼論文 的輔導室主任以及一同工作夥伴們,謝謝您們不分你我的協助我也輔導我,以及 班上積極認真的學生,還有我最最親愛的家人們,包容我的一切好與壞,讓陪我 耍冷,讓我總是能回到溫暖又歡樂的避風港。在過程中也很感謝我們 group 的助 理瑩慈協助我奔跑到遙遠的三芝施測,還有哲宇給我溫暖的協助跟統計諮詢的幫 助。要在工作與論文權衡之下,要兼顧有些難度,但有更多更多要感謝的人了。 謝謝在這一路上曾經陪伴我的人以及我的老闆!謝謝您的一切,還有您告訴、教 導我,沒有您,也不會有這篇長篇大論跟現在的我!!. II.

(3) 中文摘要 科學解釋實務是 K-12 教室中八大科學實務重要的一環。發展國中生的科學 解釋實務有助於培養他們未來生活所應具備的能力,提供國中生面對科學新聞的 學習機會,可能有益於增進他們社會參與所應擁有的素養。故本研究設計一個以 「改編的」科學新聞為教材的「辨識(Recognize)-評價(Evaluate)-建構(Construct)」 教學模式(簡稱 REC 教學模式),讓學生進行科學解釋的辨識、評價與建構,藉 以發展學生科學解釋的相關實務。 本研究採用混合研究法中的嵌入式設計,參與者是來自新北市某所國中的 50 位九年級國中學生,以科學解釋評量作為前後測,將科學新聞搭配教學活動 製作成學習單,探討 REC 教學前後,學生科學解釋實務的發展與轉變。本研究 並蒐集學生國文科與自然科學業成就,以預測科學解釋實務的後測表現。此外, 挑選 17 位焦點學生進行前後訪談,欲了解科學解釋中評價標準對於科學新聞的 品質判準之影響。 由研究結果可知,科學解釋的辨識、評價與建構實務在經過教學後皆有所進 步,而由學生作答的分析,也同樣發現學生科學解釋實務的增長,並往正確辨識、 使用評價標準及高程度品質的科學解釋之趨勢移動。而國文科學業成就對於科學 解釋三項實務具有預測力,但自然科學業成就則無。科學解釋實務之發展受到情 境與成分的影響,推理是最難學習的成分,主張則是最容易學習的成分;而科學 新聞情境較為複雜,因而較難以學習。然而由量化與質性結果發現學生能夠將評 價標準應用至科學新聞的品質判準上,顯示只要學生對於科學解釋實務的理解足 夠時,便可能在跨情境的情形下進行科學解釋的實務。 綜合上述結果,REC 教學模式確實能有效協助國中學生發展科學解釋的實 務,亦能使學生將評價標準應用至科學新聞中。結果亦顯示科學解釋實務與語文 學業成就的密切關係。期望本研究的教學設計與研究結果,能提供教學者與研究 者一個設計之參考。 關鍵詞:REC 教學模式、品質判準、科學解釋、科學新聞、混合研究 III.

(4) 英文摘要 Constructing scientific explanations and understanding science news are important parts of scientific literacy. This study thus designed a teaching model -Recognize, Evaluate, Construct (referred as the REC Model) to develop an instructional unit, and used adapted science news as materials to develop students' practices of scientific explanation. Fifty ninth graders participated in this study and multiple sources of data were collected including the pre- and post-tests of explaining practices and students’ science and Chinese language achievement tests in order to find out the variables that affected students’ performances in explanation post-test. 17 students were interviewed to examine whether and how they applied the evaluation criteria of scientific explanations to evaluate the quality of science news. The results showed that students’ practices of scientific explanation significantly improved after the instructional unit; students were more able to accurately identify explanations and apply the evaluation criteria to evaluate explanations. Additionally, students’ Chinese language achievement had predictive power on students’ post-test, but their science achievement did not. Finally, after the instructional unit, students could apply the evaluation criteria to different contexts, including using t he crit er ia to evaluat e t he qualit y o f science news. Together, the results suggest variables that affected students’ performances on constructing, evaluating, and identifying science explanations. Also, this study indicates that REC Teaching Model indeed effectively supported students’ development of explaining practices. The results provide insight into the design of effective instruction and the development of science practices. Keywords: REC Teaching Model, Quality criterion, Scientific explanation, Science News, Mixed research embedded design IV.

(5) 目次 第一章 緒論…………………………………………………………………… 1 第一節 研究動機………………………………………………………………..1 第二節 研究重要性……………………………………………………………..3 第三節 研究目的與問題………………………………………………………..5 一、 研究目的 ......................................................................................... 5 二、 研究問題 ......................................................................................... 5 第四節 名詞界定………………………………………………………………..5 第五節 研究範圍與限制………………………………………………………..6 第二章 文獻探討………………………………………………………………9 第一節 科學解釋………………………………………………………………..9 一、 科學解釋的定義 .............................................................................10 二、 科學解釋與論點、論證 ................................................................. 11 三、 科學解釋架構 .................................................................................13 四、 科學解釋品質的評價標準 .............................................................15 第二節 科學解釋相關研究……………………………………………………19 一、 科學解釋之相關教學研究 .............................................................19 二、 科學解釋實務:建構、評價與辨識科學解釋 ...............................21 三、 科學解釋實務之困難與相關影響因素 ..........................................23 四、 文獻建議的教學策略 .....................................................................26 第三節 REC 教學模式…………………………………………………………29 一、 投入(Engage) ..................................................................................29 二、 辨識(Recognize) .............................................................................30 三、 評價(Evaluate) ................................................................................30 四、 建構(Construct)...............................................................................31 五、 修正(Revise) ...................................................................................31 六、 溝通(Communicate) ........................................................................32 第四節 科學新聞………………………………………………………………33 一、 科學新聞的定義及其影響 .............................................................34 二、 科學新聞的結構與類型 .................................................................35 三、 科學新聞的使用 .............................................................................37 四、 科學新聞品質的判準 .....................................................................39 第三章 研究方法……………………………………………………………..41 第一節 研究設計與流程………………………………………………………41 一、 研究設計 ........................................................................................41 二、 研究流程 ........................................................................................43 第二節 研究者的立場與角色…………………………………………………46 V.

(6) 第三節 研究情境與對象………………………………………………………46 一、 參與學校及班級背景 .....................................................................47 二、 教師背景 ........................................................................................48 第四節 科學新聞的挑選與改編………………………………………………48 第五節 教學活動………………………………………………………………50 一、 投入 ................................................................................................50 二、 教學主體 ........................................................................................51 三、 溝通 ................................................................................................54 四、 修改 ................................................................................................54 第六節 資料蒐集………………………………………………………………55 一、 學習單 ............................................................................................56 二、 科學解釋評量 .................................................................................59 三、 訪談 ................................................................................................61 四、 自然與生活科技領域與國語文領域的學業成就 ...........................64 第七節 資料分析………………………………………………………………65 一、 質性資料 ........................................................................................65 二、 量化資料 ........................................................................................75 第四章 資料分析與研究結果………………………………………………..83 第一節 科學解釋實務之試題量化分析………………………………………83 第二節 辨識科學解釋之實務發展……………………………………………84 一、 主張 ................................................................................................85 二、 證據 ................................................................................................88 三、 推理 ................................................................................................91 四、 綜合主張、證據與推理的辨識情形 ..............................................95 第三節 評價科學解釋之實務發展……………………………………………97 一、 主張 ................................................................................................98 二、 證據 .............................................................................................. 103 三、 推理 .............................................................................................. 108 四、 綜合學生使用主張、證據與推理評價標準的情形 ..................... 113 第四節 建構科學解釋之實務發展…………………………………………..114 一、 主張 .............................................................................................. 114 二、 證據 .............................................................................................. 120 三、 推理 .............................................................................................. 127 四、 綜合學生形成主張、運用證據及產生推理的內容 ..................... 136 五、 總結 .............................................................................................. 137 第五節 逐步多元迴歸分析…………………………………………………..137 一、 探討國文科及自然科學業成就對科學解釋實務後測之預測力 .. 138 二、 探討國文科及自然科學業成就對辨識、評價與建構實務後測之預 VI.

(7) 測力 …………………………………………………………………… .. 139 三、 總結 .............................................................................................. 142 第六節 新聞品質評價判準之改變…………………………………………..143 一、 科學新聞品質判準的改變 ........................................................... 143 二、 整體趨勢 ...................................................................................... 144 三、 個人分析 ...................................................................................... 150 四、 綜合整理 ...................................................................................... 154 第五章 結論與建議…………………………………………………………155 第一節 結論…………………………………………………………………..155 一、 科學解釋實務的發展 ................................................................... 155 二、 學業成就對科學解釋實務的預測力 ............................................ 156 三、 評價標準應用至品質判準 ........................................................... 156 第二節 討論…………………………………………………………………..157 一、 科學解釋實務的發展 ................................................................... 157 二、 學業成就對科學解釋實務的預測力 ............................................ 159 三、 評價標準應用至品質判準 ........................................................... 160 第三節 建議…………………………………………………………………..161 一、 研究方法之建議 ........................................................................... 161 二、 未來教學之建議 ........................................................................... 161 三、 未來研究之建議 ........................................................................... 162 參考文獻……………………………………………………………………………165 一、 中文部份 ...................................................................................... 165 二、 西文部份 ...................................................................................... 166 附錄………………………………………………………………………………… 173 附錄一:教案 ........................................................................................ 173 附錄二:教學海報................................................................................. 177 附錄三:學習單 .................................................................................... 179 附錄四:訪談大綱................................................................................. 189 附錄五:在評量工具中,科學新聞中的科學解釋相關句子之標示 .... 192. VII.

(8) 表次 表 3-4-1 本研究 REC 教學模式的教學活動過程及所對應的教學模式與學習困難。 .................................................................................................................................55 表 3-5-1 學習單之雙向細目表。 ............................................................................56 表 3-5-2 活動三的學習單中「真的熱壞稻米了!」 的六個研究資料之性質與差異。 .................................................................................................................................57 表 3-5-3 科學解釋評量之雙向細目表。 .................................................................59 表 3-5-4 科學新聞試題中「持續縮小範圍的北極冰原」的六個研究資料之性質與 差異。 .....................................................................................................................63 表 3-6-1 學生辨識他人建構的科學解釋所圈選句子類型之編碼表(1) ..................67 表 3-6-2 學生辨識他人建構的科學解釋之編碼表(2) .............................................68 表 3-6-3 學生評價他人建構的科學解釋之考量依據的編碼表(簡表) ....................69 表 3-6-4 學生建構科學解釋的編碼表-依成分分類 .............................................70 表 3-6-5 學生評價科學新聞的品質判準之編碼表 .................................................74 表 3-6-6 三項科學解釋實務的評分表。 .................................................................77 表 3-6-7 研究問題與資料蒐集、分析方法之對應表 .............................................82 表 4-1-1 科學解釋評量前後測相依樣本 t 考驗之摘要表......................................84 表 4-1-2 科學解釋各次項目表現之前後測相依樣本 t 考驗 ..................................84 表 4-2-1 學生辨識主張的類型 ................................................................................85 表 4-2-2 學生辨識證據的類型 ................................................................................88 表 4-2-3 學生辨識推理的類型 ................................................................................92 表 4-3-1 學生評價主張時,有無使用評價標準的統計表 ......................................98 表 4-3-2 學生評價證據時,有無使用評價標準的統計表 .................................... 103 表 4-3-3 學生評價推理時,有無使用評價標準的統計表 .................................... 109 表 4-4-1 學生主張的建構類型之次數及次數百分比統計表 ................................ 115 表 4-4-2 學生所使用/挑選的證據類型之次數及次數百分比統計表 ................... 122 表 4-4-3 學生所建構的推理類型之次數及次數百分比統計表 ............................ 129 表 4-5-1 科學解釋評量前測、國文科與自然科學業成就預測學生科學解釋實務表 現之逐步迴歸分析摘要表 .................................................................................... 138 表 4-5-2 辨識實務前測、國文科與自然科學業成就預測學生辨識實務表現之逐步 迴歸分析摘要表 .................................................................................................... 139 表 4-5-3 評價實務前測、國文科與自然科學業成就預測學生評價實務表現之逐步 迴歸分析摘要表 .................................................................................................... 140 表 4-5-4 建構實務前測、國文科與自然科學業成就預測學生建構實務表現之逐步 迴歸分析摘要表 .................................................................................................... 141 表 4-6-1 比較前後測學生的品質判準有無使用評價標準之統計表 .................... 143 表 4-6-2 科學解釋品質的評價標準與科學新聞的品質判準之前後測結果比較 . 145 VIII.

(9) 表 4-6-3 學生在前後訪談中對於科學新聞的品質判準類型之描述性統計表 ..... 151. IX.

(10) 圖次 圖 2-1-1:「辨識(Recognize)-評價(Evaluate)-建構(Construct)」教學模式的流程 33 圖 3-1-1 研究設計示意圖(引自 Creswell, 1994)………………………………….. 42 圖 3-1-2 本研究之研究流程……………………………………………………….. 45 圖 3-4-1 本研究所進行的順序為投入、教學主體(辨識、評價與建構)、溝通、修 改…………………………………………………………………………………….. 50 圖 4-2-1 科學解釋各成分在不同學習階段的辨識類型之分布圖………………... 96 圖 4-3-1 主張的評價標準之使用差異(全部答題人數為 50 人)…………………...99 圖 4-3-2 證據的評價標準之使用差異(全部答題人數為 50 人)…………………. 104 圖 4-3-3 推理的評價標準之使用差異(全部答題人數為 50 人)…………………. 109 圖 4-6-1 評價標準與品質判準的前後測比較之泡泡分布圖……………………. 149. X.

(11) 第一章. 緒論. 第一節 研究動機 在 1950 年代後期「科學素養(Scientific Literacy)」被提出,直到 20 世紀開始 被廣泛的關注及討論(DeBoer, 2000)。在科學教育中所應培養的科學素養,許多 學者的看法雖各有不同,但對於科學素養的重視是相同的(Laugksch, 2000)。其中, 國際學生評比計畫(the Programme for International Student Assessment [PISA], 2003) 所定義的科學素養是「使用科學知識、定義問題和描述基於證據的結論之 能力,以理解自然世界及透過人類活動所造成的改變,並幫助做相關之決定」, 並將科學素養分為三個部分,包含科學知識或概念、科學過程以及情境或脈絡, 其中的科學過程涉及描述、解釋和預測科學現象,理解科學調查,以及詮釋科學 證據和結論;同樣地,在美國《國家科學教育標準》(National Science Education Standards [NSES])中也可發現到相似的觀點,學生應該要能閱讀科學相關的報導、 能進行科學探究、能發現及獲得問題的解答、能解釋並溝通,並且要能運用至社 會參與中(National Research Council [NRC], 1996);之後 Duschl, Schweingruber, 與 Shouse (2007)更針對科學學習訂定出明確的四大學習目標中,清楚的指出學生 應該要能知道、使用並詮釋科學解釋,也應該要能產生與評估科學的證據與解釋, 以及有效能地參與科學實踐與論述。現今社會與自然環境所面臨的議題是跨越學 科領域,交錯複雜且具有不確定性的,使得學校的科學教育不再只是強調以往的 概念知識而已,而是應該要能夠讓學生可以閱讀科學相關報導,接觸更接近真實 的科學,並且擁有相關的科學素養及科學思維去進行探究、解讀、詮釋、分析、 評價及溝通。 如同 DeBoer (1991)在「科學教育觀點的歷史:實踐的啟示」中所提到的,我 們在科學教育中應該強調科學思維能力的培養、科學本質觀的發展、主動探究、 應用未來的知識學習、以探究活動為主的教學,其中有一面向即為發展科學思維 1.

(12) 的相關能力,如仔細觀察、客觀評估證據和從數據進行推論,以培養學生在科學 領域及日常生活中能有效的處理及解決問題之能力;另一面向是探究活動的教學, 其具備的五個重要特徵中,我們發現有四項特徵與科學解釋有關(NRC, 2000); 而科學解釋(Scientific Explanation)的建構、評價、辨識及溝通是探究活動中最重 要的一部分,有科學素養的公民與學生應該要能辨認主張是否有證據及科學推理 的支持(Krajcik & Czerniak, 2007),以避免過於信任他人所提出似是而非的主張或 是媒體所報導的資訊。從事科學解釋的相關活動,除了能深入理解科學知識概念 及現象之外,亦可改變對科學本質的觀點、增加想法的溝通及評估、可從中獲得 學生學習資訊作為教學回饋或加強(Bell & Linn, 2000; Pallrand, 1996)。NRC(2011) 針對這些在科學教育中所強調的目標以及我們所欲培養學生應具備的知識與能 力,提出了 K-12 教室中的「八大實務」 ,而科學解釋的相關活動便是其中重要的 實務。由此可知,科學解釋實務的培養不僅是科學探究與科學教育及改革中重要 基礎(NRC, 2012),也是科學素養中公民面對科學新聞或社會性科學議題時所欠 缺的面向,更是教師除了傳授科學課程內的內容知識之外所必須努力的目標。 然而根據研究指出學生所寫出的科學解釋普遍不佳,並且學習的過程中也時 常遭遇困難(Krajcik & Czerniak, 2007; Moje et al., 2004; Nicolaidou, Kyza, Terzian, Hadjichambis, & Kafouris, 2011),且受限於科學知識、情境與閱讀表達等的影響。 但是在學校教育中常發生的現象是,限於時間關係,而無法提供學生關於科學解 釋實務的學習。不過若學生所擁有的科學知識與閱讀表達能力能夠準確預測其科 學解釋實務的表現,或許能藉由培養學生相關知識與能力,進而提升學生科學解 釋實務的表現;若能提供學生學習科學解釋實務的機會,可協同自然科與國文科 相關教師,共同設計、進行教學活動,使學生的學習更為完善。 參考許多研究的建議-提供科學解釋的範例-作為從事科學解釋實務的練習 (吳佳蓮, 2005; Krajcik & Czerniak, 2007; Sutherland, McNeill, Krajcik, & Colson, 2006)。考量範例應該需要具備引起學生共鳴、增加投入興趣並連結生活經驗的 特質,因此在進行科學解釋教學設計時,可將學生每天獲得知識的文章或例子作 2.

(13) 為使學生投入科學實務的考量(Krajcik & Czerniak, 2007; Sutherland et al., 2006), 其中最適合的便是每天唾手可得的科學新聞,這是學生最容易接觸到的資訊來源, 更是他們離開學校後主要獲得科學知識的來源,然而科學新聞中具有複雜、不完 整且混淆的訊息,甚至隱含了發布訊息者的引導,也意味著學生容易受到科學新 聞中這些混雜資訊的影響,進而影響到他們的想法與決定(Pellechia, 1997; 教育 部, 2002)。如此一來,教育他們如何面對、分析與看待科學新聞也是十分重要且 不可或缺的一環,學生能夠學習以不同的角度看待科學新聞,讓自己在面對如科 學新聞中的複雜議題時,能保有自己個人的想法與客觀求證、評判,不隨意取信 於各類媒體,這將不僅只是與個人生活有關,還可能會影響到科學、社會、環境 甚至是國家的決策。因此本研究欲藉由「改編的」科學新聞作為教材,開啟學生 用客觀、創新的眼光,並參考科學解釋相關研究的教學策略(Krajcik & Czerniak, 2007; McNeill & Krajcik, 2012; Sutherland et al., 2006),以不同的角度與觀點提出 「辨識(Recognize)-評價(Evaluation)-建構(Construct)」教學模式(簡稱 REC 教學模 式),使學生能在科學新聞中,辨識、評價及建構其中的科學解釋,亦可讓學生 能從中提取所需訊息,以進一步分析評判科學新聞的品質,且探討自然科與國文 科對科學解釋各實務的預測力,以提供欲發展學生科學解釋實務的現場教師一些 相關的教學建議。. 第二節 研究重要性 科學實踐的核心就是科學解釋(Driver, Newton, & Osborne, 2000),然而以往科 學解釋實務的學習多強調科學解釋的建構(吳佳蓮, 2005; McNeill, Lizotte, Krajcik, & Marx, 2006; Moje et al., 2004; Sandoval & Reiser, 2004; Sutherland et al., 2006; Wu & Hsieh, 2006),但較少提及辨識(Krajcik & Czerniak, 2007; McNeill & Krajcik, 2012)與評價科學解釋(Sandoval & Reiser, 2004; Wu & Hsieh, 2006),然而若欲使學 生建構出好的科學解釋,尚需要透過辨識與評價科學解釋的學習,進而讓學生理 解科學解釋各成分之差異與品質較好的科學解釋之標準(McNeill & Krajcik, 2012; 3.

(14) Sandoval & Reiser, 2004; Wu & Hsieh, 2006),因此經由辨識、評價與建構科學解 釋之實務才能有效協助學生發展科學解釋的品質。且科學解釋的相關教學大多是 透過探究、實驗等方式進行(Krajcik & Czerniak, 2007; Moje et al., 2004; Nicolaidou et al., 2011; Wu & Hsieh, 2006),需要較長期的時間,但學生卻可能迷失目標(Wu & Hsieh, 2006)。因此本研究發展出僅針對科學解釋的教學模式,讓學生學習並從 事科學解釋的辨識、評價與建構實務,透過客觀評估、挑選證據、建構基於證據 的解釋/結論並溝通之等活動,能夠培養學生的科學思維、推理邏輯、評論反思 及二十一世紀的能力等(McNeill & Krajcik, 2009, 2012; Organisation for Economic Co-operation and Development [OECD], 2009)。 科學素養已是當代的教育目標之主軸,而科學實踐與社會參與更是科學素養 中十分重視的部分(DeBoer, 2000)。社會參與的重要媒介就是科學新聞(McClune & Jarman, 2011),因此培養科學素養很重要的一個向度,就是讓學生學習應如何 面對媒體中的科學報導,透過辨認科學相關的主張、證據及推理,閱讀與評估科 學訊息的品質等活動,去發展學生的科學素養、公眾科學之理解、批判思考等能 力(DeBoer, 2000; NRC, 2000)。然而以往科學新聞多作為概念學習、閱讀理解及 論證反思等活動題材(Jarman & McClune, 2002; Kachan, Guilbert, & Bisanz, 2006), 較少讓學生有系統地評價、解析科學新聞中的結構、內容與科學解釋,提供他們 學習如何面對科學新聞、其中的複雜議題及混淆的論述,故本研究將科學新聞作 為科學解釋實務的主要教材,是過去相關領域研究所未有的融入情形,以期能有 效使用科學新聞培養學生科學解釋實務。 據此本研究利用「改編的」科學新聞支持學生科學解釋實務的學習,使學生 練習辨識、評價科學解釋,並讓學生學習如何建構科學解釋。在此提出 REC 教 學模式的設計及實徵證據,可作為科學解釋或科學新聞的教學設計之參考及後續 改良之用,不只為科學解釋及科學教育領域的教學增添不同的設計面向,也為科 學新聞及科學傳播領域的教學提供想法。. 4.

(15) 第三節 研究目的與問題 一、 研究目的 有鑑於科學解釋對於學生科學理解及發展科學素養等重要性,但在學校教育 中卻時常被忽略,且產出科學解釋的過程中學生普遍遭遇困難;而科學新聞不僅 有科學研究的相關資訊,也包含著其他社會或政治等論述,且由於取得方便,學 生在面對複雜混淆的科學新聞,更容易受到科學新聞的影響。因此本研究欲以「改 編的」科學新聞為教材,針對九年級的學生,設計科學解釋之成分辨認、品質評 價及建構科學解釋的教學模式,稱為「辨識(Recognize)-評價(Evaluate)-建構 (Construct)」教學模式(簡稱 REC 教學模式),評估其教學成效及學生科學解釋實 務的發展,並試圖找出能有效預測科學解釋實務的後測表現之變因,且探討學生 經過教學,學會評析科學新聞中的科學解釋後,是否對於判斷其科學新聞的品質 有所影響。. 二、 研究問題 基於上述研究目的,本研究的研究問題如下: (一) 在 REC 教學過程中,學生科學解釋實務的發展情形為何? (二) 國文科與自然科的學業成就對科學解釋實務是否具有預測力? (三) 在 REC 教學前後學生對於科學新聞的品質判準之改變為何?. 第四節 名詞界定 一、 科學解釋 科學解釋是指依據證據,對科學事件或現象發生的原因及機制所產生的描述, 是科學活動重要的產物,其內容包含主張、證據及推理三個成分。. 二、 科學解釋實務 科學解釋實務是指從事或學習科學解釋的相關活動。當學生在產生完整的科 5.

(16) 學解釋時,所需要具備的學習活動分為三大實務:辨識、評價與建構實務,而各 個實務之下又再依不同成分,各自分為三個層面:學生學習辨識科學解釋應學會 能夠辨識主張、證據、推理;而學習評價科學解釋應學會能夠評價主張、證據、 推理;學習建構科學解釋則應學會能夠形成主張、運用證據及產生推理。. 三、 REC 教學模式 「辨識(Recognize)-評價(Evaluate)-建構(Construct)」教學模式(簡稱 REC 教學 模式),其中分為六大階段:投入(Engage)、辨識(Recognize)、評價(Evaluate)、建 構(Construct)、修正(Revise)、溝通(Communicate);整個過程是非線性、具彈性 且可來回不斷重複,以增加學生熟悉度,也可調整或增減步驟,以因應學生學習 情形。. 四、 科學新聞(已改編) 「科學新聞」是指以呈現科學或科技的知識與資訊為主要內容的新聞報導, 其內容依呈現形式及呈現目的而有所不同,在本研究中主要是以科學研究十年內 新發現為主,屬於研究報告式的報導,其呈現的科學知識及原理是屬於國中「自 然與生活科技」課程相關的知識範圍,且因教學考量,而做了大幅修改與調整, 是屬於已改編過的科學新聞。. 五、 科學新聞的品質判準 判準是指對於他人、社群或媒體所陳述的解釋進行判斷的依據或標準,以決 定個人對於其解釋品質的好壞,在本研究中是特別針對科學新聞品質的判斷依據, 故稱之為科學新聞的品質判準。. 第五節 研究範圍與限制 本研究的研究對象是新北市某公立國中九年級的學生,不能推論至其他地區 或其他學校的學生。主要探討的是科學解釋實務,因此其他各個探究能力或是其 他類型的科學素養皆不在本研究的研究範圍內。而研究中所進行的教學主題是科 6.

(17) 學解釋及科學新聞內容之議題,故教學主題及教學的人數、時間也受到限制。 在研究方法上,由於研究者的角色為研究者及教學者,雖然有進行同意者百 分比同意度,也尋求科學教育專家的諮詢與討論,但還是可能帶有研究偏誤,且 資料來源有限,主要為紙筆測驗的科學解釋評量、學習單及訪談,可能無法完整 呈現出學生學習成果的全貌,因此不宜過度推論。. 7.

(18) 8.

(19) 第二章. 文獻探討. 本章分為四節,分別深入了解科學解釋、科學解釋的相關研究、本研究所發 展之教學模式及科學新聞四個部分。本文將於第一節中,由科學解釋的定義揭開 與論證的差異,接著探討其成分及好的科學解釋之標準;第二節則進一步深入探 究科學解釋相關研究、產出科學解釋時所歷經的階段-建構、評價與辨識、常遭 遇的困難與相關因素及文獻中所建議的教學策略;而承襲上述文獻的爬梳,參考 所提出的建議,進而發展出本研究所使用的「辨識(Recognize)-評價(Evaluate)-建 構(Construct)」教學模式(簡稱 REC 教學模式),將於第三節中進行論述;最後本 研究作為引發學生動機、增強生活連結的教學材料及評量工具是科學新聞,將在 第四節的部分由科學新聞的定義作為開端,進而探討其重要性、結構及類型、教 學上的使用及評價品質之判準。. 第一節 科學解釋 自從 Hempel 與 Oppenheim (1948)發表了關於科學解釋的經典文章─「解釋的 邏輯之研究(Studies in the Logic of Explanation)」之後,許多不同領域的研究者紛 紛嘗試解析與研究怎樣算是科學解釋、科學解釋應具備那些結構等科學解釋的相 關議題(吳佳蓮, 2005; 林正弘, 2007; 陸健體, 1994; 謝州恩, 2004; Ohlsson, 1992) 。本研究將針對科學解釋進行探討,以提供教學及學習明確的架構與指標, 然而對於解釋不同面向的定義、特性、類型等在此不加以贅述。 以下將針對關於科學解釋的相關研究,分為四個面向進行探討與分析。首先, 先定義出本研究所使用的科學解釋之意涵;接著嘗試區別科學解釋與論證之間的 關係與差異,以釐清本研究所欲探討的面向;並針對本研究所使用的科學解釋架 構之成分進行論述;最後綜合相關文獻,統整出判斷科學解釋的品質標準,以訂 立出本研究用以評價科學解釋品質的「評價標準」,亦將其作為教學模式的一部 分。 9.

(20) 一、 科學解釋的定義 所謂「解釋」是針對「為什麼」及「如何」的問題,進行分析並說明事件、 現象的原因或機制,其目的與功用可傳遞知識概念的內容,指出事件之間的關聯, 具有使人清楚瞭解事件的真相及內部機制的功能(Chin & Brown, 2000; Ohlsson, 1992)。在日常生活及各個學術領域中,不論是人與人、社群與社群或是個人與 社群之間的表達意見、概念釐清、知識傳遞、觀點溝通或想法互動,時常藉由解 釋達到瞭解、澄清、傳遞、溝通及激發等目的。而在科學教育中,有許多概念抽 象不易理解,此時解釋所扮演的角色也更加重要,教師必須藉由不同方式,解釋 科學概念或原理,讓學生理解知識、澄清想法,也可依據學生對概念的解釋,知 道學生的理解程度及想法,進一步適時調整、回饋,協助學生學習;而學生若能 藉由不同的方式,將主動建構的科學概念經由消化整理,形成個人的解釋,便是 有意義的理解與學習(Krajcik & Czerniak, 2007; McNeill & Krajcik, 2012; McNeill et al., 2006; Sutherland et al., 2006),也可經由與他人的溝通,修改自己的理解與 解釋,進一步學習精緻化個人的解釋(Ohlsson, 1992),深化學習並使其更具意義, 就如同 Pallrand (1996)提出「解釋是科學教育的中心」 ,在科學課室中教師進行解 釋以及學生產生解釋都是科學教育中十分重視的部分。 解釋也是科學的基礎(Pallrand, 1996),在科學課室中教師進行的解釋大多是確 定且非暫時的,然而在科學研究中的解釋,時常是暫時性的且尚未完善,亦被稱 作「科學解釋(Scientific Explanations)」,跟解釋有類似的目的與功用,亦是提供 現象發生的理由或機制,並說明事物運作的原因(林正弘, 2007)。但不同的是, 科學家們針對現象試圖回答「為什麼」及「如何」的問題時,需要依據所蒐集到 的觀察、資料及數據,並且要有邏輯的連結理論與觀察所產生的解釋,才能稱作 科學解釋(陸健體, 1994; NRC, 2000; Ohlsson, 1992),就如美國《國家科學教育標 準》所強調的,「基於神話、個人信念、宗教價值、神秘的靈感、迷信或權威而 產生有關自然世界如何改變的解釋,可能是個人有用及社會相關的,但這些解釋 10.

(21) 均不具科學性(NRC, 1996, p. 201)」 ,所有科學的想法皆須來自實驗與觀察,否則 終將只是個人或社會的想法。因此,特別是在科學研究的過程中,所形成的科學 解釋是需要依據實驗所得的觀察、資料或數據,以進行理論與觀察的邏輯連結 (Hempel & Oppenheim, 1948; Ohlsson, 1992)。 綜合以上文獻之觀點,可將「科學解釋」定義為依據證據,針對事件或現象 發生的原因或機制所做的描述(林正弘, 2007; Krajcik & Czerniak, 2007; NRC, 2000)。故本研究所採用此定義,以清楚明確的引介科學解釋之定義,使學生能 簡單明瞭的理解科學解釋之內涵。. 二、 科學解釋與論點、論證 自從 1980 年代末期,論證在科學教育的領域中逐漸受到重視,論證相關的教 學設計之研究也持續增加(Cavagnetto, 2010; Lee, Wu, & Tsai, 2009),卻也引發了 論證與科學解釋的混淆及相互交替使用的情形,缺乏一個明確的澄清(Osborne & Patterson, 2011)。何謂論證?論證與科學解釋的差異為何?此部分先針對論證的定 義進行探討,再釐清其與科學解釋之間的差異。首先由文獻中可知,在論證的議 題裡所使用的論點(Argument)可定義為含有理由的主張(Toulmin, 1985);而論證 (Argumentation)是指在社群中去比較、支持、辯護與反對不同的主張,使得主張 相互競爭及驗證的活動(McNeill, 2008)。 由此可知,論點是指其內容本身,而論證則是指建構論點的過程(Duschl & Osborne, 2002),論點的建構可以是個人自行建構,也可以是透過多人辯護產生 (Driver et al., 2000; McNeill, 2008)。人們為了不同的目的產生論點,雖然主要目 的是辯護或驗證,但也可以是基於其他目的而產生(Toulmin, 1985),就像是科學 家或學生為了要回答問題,而建構論點去解釋科學現象,亦即所謂的科學解釋 (Driver et al., 2000; McNeill, 2008; McNeill et al., 2006),因此可以將個人所建構的 科學解釋視為一種自行建構的論點,如同 McNeill (2008)所述科學解釋可視為科 學論點的一種。 11.

(22) 然而除了定義上的不同之外,綜合 Berland 與 Reiser (2008)、Osborne 與 Patterson (2011)與 McNeill (2008)等人所述,可以整理出論證與科學解釋有本質上、 目的上及順序上的不同。以本質來看,科學解釋的本質是用以回答問題,來自說 明現象或問題之需求,是較不被懷疑的,而論點的本質是驗證科學解釋的有效性, 來自說服或改進知識之需要,是尚待被驗證的(McNeill, 2008; Osborne & Patterson, 2011)。以目的來說,科學解釋的目的在於說明原因或機制,使人明白,論證的 目的則在於驗證論點或主張,使人信服(McNeill, 2008; Osborne & Patterson, 2011)。 但是當科學家或是學生在進行科學研究時,針對科學現象想要提出新的解釋時, 經過實驗與觀察後,依據資料及先前知識會產生暫時性的論點,此時的論點主要 目的是依據證據說明探究時所觀察到的現象,並非是在驗證不同主張的有效性, 可視為暫時性的科學解釋(Osborne & Patterson, 2011) ;而當提出者要試圖說服同 儕時,科學家或學生便投入論證中,運用足以支持的證據為所提出的科學解釋進 行辯護,或反駁與說服他人,經由科學解釋間的相互競爭去證明主張的合理性, 導致科學解釋被認同、修改或推翻,直到科學解釋更為完善(Berland & Reiser, 2008; Osborne & Patterson, 2011)。 由此可知,其實科學解釋與論證皆為科學探究及科學知識產生的一部分,只 是發生的先後不同,完善的科學解釋是可以透過論證去發展,而論證的基礎是科 學解釋,兩者的實務是息息相關卻又不全然相同的,但亦會有模糊重疊的地帶 (Osborne & Patterson, 2011)。科學解釋是對於問題或現象的說明,以獲得更多的 理解;而論證則是驗證主張,以取得他人的認同(Osborne & Patterson, 2011),論 證較科學解釋更多了社群及論點間的互動。因此依據以上觀點,在本研究的教學 模式中,雖有提供學生評價科學解釋及小組討論的機會,但主要是希望能經由辨 識、評價與合作學習,使學生理解好的科學解釋之結構與內容,藉以協助其建構 出較完整的科學解釋,而非著重在學生進行科學解釋的說服或驗證,因此本研究 採用科學解釋一詞,作為研究與教學的主軸。. 12.

(23) 三、 科學解釋架構 在之前的許多文獻中,都嘗試著找出科學解釋的基本特徵或結構,以協助科 學家在從事實際研究的過程中能產生有效的科學解釋(陸健體, 1994),也能應用 在科學教學中,讓學生能嘗試建構較完整的科學解釋,因此本研究所使用的科學 解釋成分主要採用 Sutherland 等人 (2006)及其他相關的研究所提出的科學解釋 架構(Scientific Explanation Framework),包含三個成分:適當的主張、相關的證 據與推理,其科學解釋架構如下所述: (一) 主張(Claim): 定義為學生對於現象理解、調查或實驗的結果或其他數據的陳述,能以完整 的句子陳述,可以是問題的回答,也可以是描述變數之間的關係。 (二) 支持主張的證據(Evidence That Supports the Claim): 來自學生或者他人的調查結果、所做的觀察,或其他研究者所做的報告等其 他來源所產生的未加工之數據,當這些數據被用來支持特定的主張時,便成為證 據。 (三) 連結證據與主張的推理(Reasoning That Links the Evidence to the Claim): 其為學生判斷數據是否能用來支持主張所做的說明。推理一直是最困難且複 雜的部分,涉及建立主張與證據間的邏輯關係,呈現出此連結如何具邏輯性且符 合科學原則。 雖然此科學解釋架構主要是參考 Toulmin 所提出的論證模式及 Krajcik 等在過 去的相關研究(McNeill & Krajcik, 2009, 2012; Moje et al., 2004; Sutherland et al., 2006),但在相比於其他科學解釋文獻中所提出的觀點與結構,存在許多相似性。 如同 Hempel 與 Oppenheim (1948)延續 Carnap 的解釋結構,提出演繹-法則模式 (Deductive-Nomological Model,即 D-N 模式),亦同樣將解釋的成分分為待解釋 項(Explanandum)與解釋要素(Explanans),待解釋項為描述欲說明的現象,是依循 解釋要素的邏輯推論所得,就是針對現象所提出的說法,亦即 Sutherland 等人 13.

(24) (2006)所定義的主張;而解釋要素則為用來說明現象的一系列句子,是包含一般 定律或是理由、是經由實驗或觀察所得的,其中經由實驗或觀察所得的句子即為 科學數據或資料,亦即 Sutherland 等人 (2006)所定義的證據;而解釋要素中一般 定律或提及理由的句子,其實就是說明如何由科學數據或原理推論出待解釋項, 亦即 Sutherland 等人 (2006)所定義的推理。換句話說,在科學解釋的組成成分中, 待解釋項便是主張,解釋要素包含證據與推理。 然而並非所有的科學解釋皆能以演繹-法則模式涵蓋之,如概率模式中的解釋 要素未能依循邏輯而得到待解釋項,而是考量或然率的不確定性。但即便如此, 各種類型的科學解釋基本上皆含有解釋要素與待解釋項,只是所遵循的邏輯不同 (陸健體, 1994),解釋要素與待解釋項的結構被視為科學解釋的一般模式(Hempel & Oppenheim, 1948),也表示科學解釋基本上是由主張、證據及推理所構成。 相似的科學解釋架構—主張、證據、推理,在先前的研究中,也同樣被重視、 被提出或是被應用。如在 Sandoval (2003)與 Sandoval與 Reiser (2004)相關研究中, 認為科學解釋應包含因果的連貫與證據的支持,而因果的連貫又包含因果機制的 闡明及成因與結果的連貫,此部分則為推理的連結,並以此作為學習軟體之設計 概念。雖然先前有些研究未將科學解釋的成分稱為科學解釋架構,但其實已隱含 相同的概念:在科學解釋中至少含主張、證據、推理三個成分。 許多研究依據科學解釋的三個成分進行相關實徵研究(L. Kuhn & Reiser, 2005; McNeill & Krajcik, 2009; Reiser, Krajcik, Moje, & Marx, 2003; Sandoval, 2003)。接 著最近的文獻又更進一步提出第四個成分-另有解釋(Krajcik & Czerniak, 2007) 或反駁(McNeill & Krajcik, 2012),是屬於較為複雜的成分,且須以前三個成分為 基礎去進行理解與學習的(Krajcik & Czerniak, 2007; McNeill & Krajcik, 2012)。然 而科學解釋的教學與學科的教學相同,遵循由簡單到複雜的規則,逐步改變學生 學習的質與量,可依據學生的經驗、理解與年級,在教學的一開始時先讓學生理 解科學解釋的三個成分:主張、證據、推理;當學生較為理解並能建構科學解釋 時,再加入第四個成分(Krajcik & Czerniak, 2007; McNeill & Krajcik, 2012)。 14.

(25) 因此本研究中所使用的科學解釋架構,是綜合以上相關的研究及考量研究對 象的經驗、理解程度與年級之後,主要採用科學解釋中的三個成分,暫不考慮第 四個成分,並將其分別定義如下: (一) 主張: 關於科學現象、實驗結果、數據資料的理解或是科學問題可能的答案。 (二) 證據: 能支持主張的科學數據或資料,可以是量化或描述性數據,其來源可以是自 己或他人的調查、觀察或是其他研究報告。 (三) 推理: 說明證據如何支持主張,以建立主張和證據間的連結關係,呈現其如何遵循 科學原則。 雖然本研究欲藉由系統性的教學方法,將科學解釋拆成三個成分,以期學生 能夠更容易地學習建構科學解釋;但學生在建構科學解釋時,仍須協助學生將成 分相互連結在一起(Krajcik & Czerniak, 2007),才能寫出一個完整的科學解釋。如 此一來,以明確且易理解的科學解釋架構作為學習的基礎,能使科學解釋的教學 更有效的協助學生建構科學解釋,而學生亦更容易進行有意義的理解及學習。. 四、 科學解釋品質的評價標準 學生在學習建構科學解釋時,若僅單靠科學知識的理解與科學解釋架構的教 學,並不足以使他們理解科學解釋與其成分的意涵和重要性,也無法建構出較完 整的科學解釋,還需要讓學生知道怎樣的科學解釋算是好的科學解釋(Sandoval & Millwood, 2005; Sutherland et al., 2006),才能使學生在建構科學解釋時,有清楚 明確的指標,以供依循,進而透過不斷的調整與修改,以寫出品質較好的科學解 釋。再者,建立科學解釋品質的標準除了能有助於學生學習科學解釋的建構,也 能有助於教師發展科學解釋的評分標準(McNeill & Krajcik, 2012; Sutherland et al., 2006),以檢核學生的成果,並依循標準給予適當的回饋,協助學生不斷改進其 15.

(26) 產生的科學解釋之品質。 因此本研究參考科學解釋相關文獻與實徵研究,依據科學解釋架構的各成分 歸納,進而發展出本研究中教學所使用的科學解釋品質的評價標準(the Critiria of Evaluation),綜合整理如下: (一) 主張 1. 關聯性(Relevance): 主張須與欲探討的現象、主題、研究問題,以及收集到的數據有關聯(Krajcik & Czerniak, 2007; Moje et al., 2004)。當所欲探討的主題、現象或問題是冰原融化 的改變情形時,學生所形成的主張應為冰原融化情形的描述,而非溫室效應的影 響,也就是主張的內容必須與研究主題、現象或問題是有關的,此主張才算具備 高度的關聯性。當所蒐集的數據是溶液的酸鹼性、植物的成長高度等數值,則學 生所產生的主張應是與酸鹼性、植物成長高度有關的陳述,如此一來主張才算是 與數據具有高度關聯。 2. 一致性(Consistence): 主張須與實驗所蒐集到及觀察到的證據符合,具有相同一致的趨勢或變數關 係(NRC, 1996, 2000)。也就是當一個研究有自變項與依變項,主張必須描述出變 數之間的關係,若證據中的變數呈現因果關係,則主張應描述出因果性的關係, 而非僅描述趨勢變化;若證據的數值呈現相關性的關係且為持續增加,則主張應 描述出變數間遞增的趨勢。如同 Wu 與 Hsieh (2006)歸納出,科學解釋應滿足四 個條件中的兩個:明確指出變因間的因果關係且具一致性、使用科學數據為證據 且與主張間具一致性。由此可知主張與證據一致並符合其規律,才能算是好的主 張。 (二) 證據 1. 支持程度(Support): 證據須與主張及研究問題有關,並足以呈現出主張所描述的關係(Berland & McNeill, 2010; McNeill, 2011; McNeill & Krajcik, 2009; Nicolaidou et al., 2011)。也 16.

(27) 就是說,主張與問題若是探討暖化對稻米的影響,則證據應與暖化及稻米有關聯 的研究,且能支持其主張的說法。若主張是屬於因果性的陳述,則證據亦應是屬 於因果性的研究、資料或是數據;若證據是屬於現象的描述,則不足以支持因果 性的主張。而在許多相關文獻的編碼架構中, 「使用適當(appropriateness)的數據」 就是指,學生所使用的數據與主張越有關、越符合、越一致,其支持程度就越高, 代表著相較於其他數據,可視為較適當的證據。 2. 證據來源(Source of evidence): 在現行教學中較少提及的課題是關於證據的詮釋、衡量與評估,Nicolaidou 等人 (2011)認為需要將複雜且多樣的數據賦予意義、權衡其關係及檢驗證據的可 信度等,因此提出四個待加強的部分:考量資料來源、考慮證據呈現、思考證據 與解釋的連結、用先備知識評估。其中考量資料來源是考量證據的來源,包含科 學數據的提供者、研究者所處或所刊登的機構,如國家研究院或報章雜誌等。 3. 證據數量(Number of evidence): 解釋中所呈現證據的組數,或是使用多來源的證據(McNeill & Krajcik, 2012; Moje et al., 2004)。但前述的想法早在十九世紀時便由 Carnap (1950、1962, 引自 Salmon, 1989)提出四個標準:符合待解釋項(Similarity to the Explicandum)、精確 (Exactness)、豐富(Fruitfulness)及簡化(Simplicity),其中的豐富則表示證據的質與 量及推理的內容皆要夠豐富,才能視為完整的科學解釋;而量的部分就是指證據 的數量必須足夠多;還有 Sandoval 與 Millwood (2005)在研究中,針對學生引用 證據的部分,發展出一套評分編碼,分為三個層次的考量,其中第一層的考量就 是引用證據數量的多少。然而除了考量組數的量之外,不同資料類型的來源其結 果若皆與主張一致(Tytler, 2001),更顯示出其堅實性。 4. 數據處理(Use of data): 經由不同方法或標準,將數據進行深入的處理,呈現出與其他數據的差異或 關係,包含數據的轉化、篩選與比較等(Aikenhead, 2005; Gott & Duggan, 1996; Sandoval & Millwood, 2005),數據處理不僅是描述比較的方法,還須說明比較的 17.

(28) 結果,即為 Nicolaidou 等人 (2011)提出待加強的四個部分之一-考慮證據的呈現。 且可藉由學生對數據的處理,揭漏了其對關係的理解或使用證據的方式,是將數 據做重要的比較或是與研究的基準值比較(Sandoval & Millwood, 2005),是挑選無 關數據作為證據還是選出關鍵數據作為證據等,能顯示出不同使用的差異,因此 以此作為本研究的證據品質之主要參考。 (三) 推理 1. 連結呈現(Connection): 建立主張和證據間關係的推論,和呈現這些連結如何遵循科學原則,其中包 含兩個部分:原理連結與數據連結。其中數據連結的部分是呈現特定的數據規律 如何連結特定的主張,說明為何數據能成為證據,或數據被刪去為非證據的理由 (McNeill & Krajcik, 2012),以澄清數據對於問題及主張的關係,也就是 Nicolaidou 等人 (2011)提出待加強的四個部分之一-思考證據與解釋的連結;原理連結的部 分,挑選出與研究問題有關的科學原則,以闡述原因或機制的方式,說明數據如 何支持主張(Hempel & Oppenheim, 1948; McNeill, 2008; Sutherland et al., 2006)。 2. 融貫性(Coherence): 推理須與主張的陳述、證據的內容有連貫,也就是三者相互有關且一致,彼 此環環相扣(Hempel & Oppenheim, 1948; Sandoval, 2003; Sandoval & Millwood, 2005; Sandoval & Reiser, 2004)。也就是推理中所使用的證據及所做的連結說明, 皆須與主張的陳述有關且一致。當學生認為物體落下速度與物體質量無關時,其 挑選的證據中須呈現,物體落下速度與質量的改變沒有固定的趨勢,而推理中則 針對證據加以說明物體質量與落下速度的趨勢,並以科學原理闡述之,闡明由證 據與科學原理如何得到主張,如此一來,經由推理的說明將主張、證據連貫為一 整體,使其具備融貫性,才算是好的科學解釋。 以上各項為本研究整合相關研究所發展出的評價標準,主要用來進行教學, 讓學生依據此評價標準,針對他人所建構的科學解釋,評價科學解釋中各成分品 質的好壞;以及後續分析之主要依據,使研究者能盡可能客觀評斷學生所建構的 18.

(29) 科學解釋之品質。. 第二節 科學解釋相關研究 以往科學解釋的建構是屬於科學探究活動中的一環(吳百興, 張耀云與吳心 楷, 2010),但由文獻可以發現學生在建構科學解釋上感到困難(Sutherland et al., 2006),再加上在執行整個探究活動,學生容易迷失探究的問題與目的,而導致 無法針對研究問題、實驗數據進行科學解釋的建構,但由於科學解釋的建構是科 學教學的中心(Krajcik & Czerniak, 2007),且使學生投入建構科學解釋,也有助於 達到科學探究的目標(Sandoval & Reiser, 1997),因此逐漸有學者將研究與教學的 重心聚焦在科學解釋的建構上,開始以解釋或證據為導向的研究架構,探討對學 生建構科學解釋的發展。 據此,本節將回顧科學解釋的相關文獻,統整以往針對科學解釋所進行的教 學設計與活動,再探討學生在建構科學解釋時,所遭遇的學習困難與影響因素, 並將先前文獻中針對學習困難所建議的教學策略,作為設計出本研究的教學模式 之參考。雖科學探究活動中有包含科學解釋的實務,但本節的回顧將專注於強調 科學解釋的教學活動或研究設計,對於科學探究活動的相關細節則不加以闡述。. 一、 科學解釋之相關教學研究 NRC (2000)強調科學教學標準的中心是探究,提出了課室探究的五項特色: 學習者投入科學導向之問題、學習者挑選出足以發展和評價解釋的證據、學習者 依據證據形成解釋以回應科學問題、學習者評價他們的科學解釋、學習者溝通並 為所提出的解釋辯護。其中後四項特色皆描述學生在探究中所應習得的科學解釋 相關知識與技能,不僅彰顯出科學解釋在科學探究及科學課室中的重要性,也給 予教師在進行科學解釋教學的指標:學生應學會如何挑選證據、如何使用證據發 展科學解釋、如何評價科學解釋、如何溝通與辯護。由於本研究的研究範圍僅止 於前三項指標及如何溝通,因此將針對研究範圍內的指標進行文獻回顧,以作為 19.

(30) 研究中教學模式設計之參考。 Sandoval 與 Reiser (1997)針對「天擇」設計出以解釋為導向的探究課程,以 著重培養學生在探究活動中科學解釋的技能,並利用科技的學習環境與軟體- 「解釋建構者(ExplanationConstructor)」 ,其設計上將呈現出問題、解釋、數據與 因子的權重,以協助學生使用及詮釋數據,並且經由全班討論、批判、評價,使 學生學習精緻化、表達及評價科學解釋,並理解證據的重要。經過一系列的活動, 可以發現透過學習環境與工具的引導及反思好的科學解釋之標準,使得學生能說 明科學解釋及其因果關係,並能引用數據支持他們的主張,產生出具有因果融貫 的科學解釋。但雖然如此,學生有時還是會遺漏背後的機制,或是無法使用一致 的標準,而且當主張看起來很合理時,更容易遺漏證據的引用。延續先前的教學 與研究設計, Sandoval 等人進行一系列的研究 (Sandoval, 2003; Sandoval & Millwood, 2005; Sandoval & Reiser, 2004),不斷的調整、修改,針對「演化」課 程,以已發生的歷史事件為脈絡,要求學生以數據的調查、比較與詮釋,建構一 連串的因果推論,除了同樣使用解釋建構者的軟體之外,還強調證據的使用,並 增加了同儕互評及分析學生的作答內容等等。研究發現,學生能建構出明確因果 關係的科學解釋,表示將科學解釋作為學習的重心,加上學習工具的引導、班級 討論、評價與回饋,才能使學生學會建構科學解釋,能針對因果機制做說明。 由多位美國科學教育學者所進行的 The Investigating and Questioning our World through Science and Technology (簡稱 IQWST)的研究計畫,在符合國家標 準的原則上,以專案本位(Project Based)的科學探究活動,並結合研究的執行, 以促進並探討科學和科學素養的學習,其中建構科學解釋亦是 IQWST 的學習目 標之一。以 IQWST 專案本位的科學課程及科學解釋為參考架構所設計的研究, 包括:Moje 等人 (2004)經由參與者的討論建立出主張、證據、推理及文字表達 的標準,並利用不同的數據表徵及文本,讓學生透過數據蒐集、呈現與分析的引 導,以及呈現範例與示範,讓學生練習建構與評價科學解釋;McNeill 等人 (2006) 利用學生先前所蒐集到的數據與對科學解釋的理解,要求他們先產生解釋,教師 20.

(31) 再領導科學解釋的討論,介紹其架構並示範如何建構,最後讓學生使用這個架構 與範例,修正一開始的解釋,並且在過程中提供不同的寫作提示-一般性提示與 特定性提示-作為教學鷹架,進而探討不同鷹架-持續式鷹架與褪去式鷹架-的 成效;McNeill (2011)以七個課程進行教學,其中有兩個寫作任務,要求學生蒐 集數據,並針對給定的問題寫出其論點,接著利用每天的例子去討論如何建構論 點,向學生介紹科學論證架構-即科學解釋的三成分:主張、證據、推理-及其 定義,再修正先前所寫的論點,過程中持續針對每個任務提供特定的寫作提示。 由這些科學解釋的相關研究發現,其教學方式多以探究活動為主,只是學習 環境、課程內容、協助鷹架或進行方式有所改變,像是以實驗活動去進行探究、 以科技工具或寫作鷹架作為探究的學習支持、或是輔以線上資源或環境探究不同 的主題等。但在這樣的探究活動中,對於學生而言,除了要學習科學解釋的建構 之外,還需學習其他的知識或技能,如:如何設計實驗、如何使用工具或如何有 效進行線上搜尋等等。這可能導致學生的學習負荷過重,也可能造成學生對整體 活動目標的迷失或了解不足(Wu & Hsieh, 2006)。因此本研究將僅針對科學解釋 的部分進行教學與研究探討,其中所使用的資料皆由教師提供,盡可能降低學習 負荷,使科學解釋的教學與學習更有效率及效果。. 二、 科學解釋實務:建構、評價與辨識科學解釋 由上述文獻來看,在科學解釋的實務中,科學家或學生須先針對研究問題與 所得數據歸納形成主張,再依據主張提出所能支持的數據,即為證據,且說明數 據為何成為證據,並使用科學原理闡述證據如何支持主張,因此從事科學報告撰 寫的實踐,需經過形成主張、運用證據及產生推理的階段,才得以建構出科學解 釋。由此可知,學生建構科學解釋時,至少需要具備「形成主張、運用證據、產 生推理」此三個階段。 然而僅只是建構科學解釋,學生有可能流於在形式上,以主張、證據、推理 的順序,有規則地完成一段文字(Sutherland et al., 2006),但這樣的撰寫是無法藉 21.

(32) 由科學解釋的建構,達到教學目標-發展學生概念的理解與應用,以及能力的培 養。學生需要理解何謂好的科學解釋,就如同 Sandoval 與 Millwood (2005)所述, 「建構科學解釋需要理解與應用相關的理論,及理解好的科學解釋標準」(p.32)。 因此可藉由評價各種科學解釋的練習,知道如何寫出完整的科學解釋,才能讓學 生理解他們應達到怎樣的學習目標,不僅能讓學生知道在不同科學內容中,如何 使用科學解釋架構,也使他們思考科學家如何建構科學解釋(Krajcik & Czerniak, 2007; McNeill & Krajcik, 2012; Sutherland et al., 2006)。 但評價具有以人為主的觀點之本質,若僅是以個人觀點評價科學解釋,難免 流於主觀,則無法達到前述之目標,甚至淪為批評或膚淺。因此建立一套評價的 標準與原則是必要的(White & Frederiksen, 1998),以針對科學解釋的內容與成分 間的連結,進行合理、明確且盡可能客觀的評價,並加以設計評價活動,提供教 師示範與學生練習的機會(Wu & Hsieh, 2006)。如此一來,才能使學生透過評價 活動,理解產出科學解釋時的指標,並進而提出確實的建議,以進一步修改、調 整,協助建構出好的科學解釋(Wu & Hsieh, 2006)。 然而評價是以往相關研究中較少被提及的,或是僅以簡易自我評量和同儕評 量的工作單作為使學生反思的工具(Sandoval & Reiser, 2004; Wu & Hsieh, 2006), 但卻未經過教師的引導或示範,去提供學生學習如何評價的機會,其學生的評價 表現自然不佳。但由於評價與評論科學解釋,可訂立學習典範或再次審視,以精 緻化學生的科學解釋,及提供反思與修改科學解釋的機會,因此近年來開始逐漸 受重視(Krajcik & Czerniak, 2007; McNeill & Krajcik, 2012; Sutherland et al., 2006)。 由此可知,學生若要產出好的科學解釋,除了能建構科學解釋外,能以客觀標準 去評價科學解釋,並利用此標準去進行科學解釋的建構,也是十分重要的層面。 但是在評價各種類型的科學解釋時,若學生無法辨識科學文本中科學解釋的 各成分,亦無法達到利用評價發展學生建構科學解釋之目的。因此提供學生辨識 科學解釋各成分的機會,是產出科學解釋的基石,可讓學生思考怎樣算是主張、 證據及推理,有助於學生理解科學解釋的各成分之意涵(Krajcik & Czerniak, 2007; 22.

(33) McNeill & Krajcik, 2012),還能區別與其他描述的不同,也能思考比較主張、證 據及推理的呈現方式,去發掘不同學科領域及情境之下的科學解釋有何相同與不 同處,以協助學生在寫出科學解釋時,知道並理解自己所建構的成分,思考並決 定各成分的呈現或描述方式,才能寫出較適當的主張、證據與推理。 辨識雖是評價與建構科學解釋的基礎,但在以往的相關文獻中更是幾乎未被 提及,然而實際教學現場確實有教師提供學生去辨識科學解釋的各成分,為的就 是讓學生更加理解各成分在科學解釋中的角色與意義(McNeill & Krajcik, 2012), 因此學生可透過辨識科學解釋的培養與奠基,進一步發展學生對科學解釋架構的 理解(McNeill & Krajcik, 2012),以及作為後續科學解釋的評價與建構的根本。 經由綜合上述論點,本研究將科學解釋的實務分為三大階段:辨識、評價與 建構,而各個階段之下又再依不同成分難易,各自分割為三個層面:學生學習辨 識科學解釋應學會能夠辨識主張、證據、推理;而學習評價科學解釋應學會能夠 評價主張、證據、推理;學習建構科學解釋則應學會能夠形成主張、運用證據及 產生推理。. 三、 科學解釋實務之困難與相關影響因素 在學校課程中,並未有科學解釋的相關教學活動,對學生而言,這樣產出科 學解釋的過程是陌生未接觸過的(McNeill et al., 2006)。學生因不熟悉而無法順利 產出好的科學解釋是必定遭遇到困難(Krajcik et al., 1998),但經過科學解釋的教 學後,還是有學生無法建構出完整的科學解釋。這顯示了科學解釋的教學是具有 挑戰的。若欲使學生的科學解釋更加精緻與完整,本研究須針對所遭遇的學習困 難,去設計其教學模式,以有效協助學生學習產出好的科學解釋。綜合先前文獻 的探討與結論,並依據本研究所提出的三大層面,整理出以下的困難之處: (一) 辨識: 學生對於所觀察到的現象與對數據的想法之間,時常分辨不出來,不易區辨 出主張、證據與推理及其之間的差異。且不僅學生甚至是具有專業知識的成人, 23.

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