模型化活動模組對國小學童科學推理能力之促進效果

國立臺灣師範大學教育心理與輔導學系 教育心理學報，民間. 41 卷 ·4 期 '751-772 頁

模型化活動模組對國小學童

科學推理能力之促進效果*

李光烈

劉嘉茹

固立高雄師範大學 科學教育研究所

江新合

本研究的目的是探討模型化活動棋組對國小學童科學推理能力的影響。參加的對象是由高雄市 某國小六年級的班級中，以非隨機分派的方式，選取兩個班共有 72 位學生，一班為實驗組 36 人，另一班為控制組 36 人。活動內容以「水溶液」單元為主，活動期間五週。活動後，兩組分 別施於兩種不同的推理測驗: I 領域特定(水溶液)的科學推理測驗。 2 一般科學推理測驗

(Lawson

,

1978

, 1995) 。結果顯示實驗組在兩種不同的科學推理測驗分數，都顯著高於對照 組。實驗組學生在含有領域特定的科學推理測驗分數較高，其中體積守恆、控制變因的向度， 達顯著↑生差異。本研究建議，當對科學現象的觀察要產生深層的理解時，老師可嘗試讓學生運 用意象推理和說明，以調適預測和觀察之間的矛盾。 關鏈詞:科學推理能力、模型化活動 在過去十年科學教育改革中，模型和模型化( modelling) 在教學與學習的重要性，已經漸增 地被確認( Gier巴，

1991; National Research Council

,

[NR

C],

1996; American Association for The

Advancement of Science

,

[AAA呵，

1993)

.且目前也被考慮整合成為科學素養的一部分(Gilbert

&

Boult缸，

1998)

0 Gilbert 和 Boulter 認為模型可定義為是一種想法、目標( object) 、事件、過程或

者2005a)根據 Hodson 在 1992 年所提的科學教育目標，指出模型和模型化在科學教育上有三個重要

的角色:1.學習科學:學生應該了解主要科學模型的本質、範圍和限制 2. 學習有關科學:學生

應該能夠在科學調查結果的鑑定與傳播中認識模型的角色 (Justi

&

Gilbert

,

2003);

3 學習如何做

科學:學生應該能夠創造、表達和測試他們擁有的模型(

Greca

&

Morei悶，

2000; Harrison

&

Treagust

,

2000)

，要達成這些目標，最關鍵的就是科學模型化(

science modelling) (Justi

&

Gilbert

,

2002a) 。

.本篇論文部分內容會發表在 the

19th ICCE at the Sookmyung University in Seoul

,

Korea

· 752 . 教育心理學報

Justi 和 van Driel 認為模型化活動，可提供老師監控學生從初始的心智模型到建立科學或歷史模型 的理解和進展(

Duit & Glynn

,

1996)

，根據 Sins 、 Savelsbergh 和 van

Joolingen

(2005) 的研究經

由模型化的推理，可使學生對複雜現象有深層的理解。Justi 和 van

Driel

( 2005b

)也提出模型和

模型化在科學教學與學習的理由:(A) 模型在科學扮演著不可或缺的角色，如(吏抽象的實體視覺 化 (Francoeur， 1997)' 提供一種預測構想的基礎 (Erduran，

2001)

0 (B) 模型和模型化特別符合

Hodson 的三個科學教育目的:學習科學，學習關於科學、學習做科學(

Justi & Gilbert

,

2002b) 。所 以經由模型和模型化探討學生科學的學習是值得研究的課題。

通常一般性科學推理的基本型態是以「若 P 則 QJ 的命題形式呈現，是一種條件式推理

(conditional reasoning)

，典型的例子如 Wason

( 1968)

'E 、 K 、 4 、 7

_J

卡片的選擇作業，它需符

合該作業的法則(若卡片的一面有一個母音字母，則它的另一面會有一個偶數數字) ，才可以將卡 片翻面，結果發現只有少於10%的參與者會把正確的'7

_J

翻面，但根據Johnson-Laird、 Legrenzi 和

Legrenzi (

1972) 的研究發現當這個卡片的選擇作業，加入了較有意義的背景情境，有 81%的參與 者正確回答了這個問題， Johnson-Laird 等人認為要達成這種邏輯性的結論，需要先熟悉問題的情 境，就能在問題情境的脈絡中，辨認出因果的關係，不完全需要邏輯法則，也就是說直個體透過 特定領域知識解決推理作業時，能建構出對本身產生意義的心理表徵，就能覺察到變因，推論出 合理的結論。另外，知識和推理的關係研究， Tytler 和 Peterson

(2005

)研究發現知識和推理會相 互作用，當概念性知識在影響學童執行推理作業時，同時，學童對自己的說明如有評價和重新考 慮的能力和傾向，也會嚴重地影響學童的概念成長。是以，探討學生對有無蘊含特定領域知識的 科學推理作業反應，可提供我們更進一步的7 解學生在科學推理時，所遭遇到的問題。 綜合上述，本研究的目的有二: (一)探討「模型化活動」對小六學生科學推理成效之影響o (二)探討領域特定的水溶液知識與一般性科學推理能力之關係。 根據上述研究的目的，本研究的問題如下: (一)模型化活動後，實驗組與對照組學生在兩種不同科學推理測驗是否有差異? (二)實驗組與對照組學生在兩種不同科學推理測驗作答反應的關聯情形? 一、模型化活動的理論基礎 為建立模型化活動的理論基礎，以下先從心智模型的推理歷程、模型化推理歷程加以闡述， 再提出模型化推理歷程的理論模型，以作為活動設計的理論基礎。 (一)心智模型的推理歷程 心智模型的推理歷程研究依目的的不同，主要分為兩類:訊息處理取向和建模學習取向。 1.訊息處理取向的推理歷程 在這方面最具代表性的便是Johnson-Laird

( 1983

)心智模型的推理歷程，他認為當人們經由 直接的知覺或理解語言的敘述後，會建立個人的心智模型，接著，就會仰賴這些心智模型進行推 理，也就是根據前提的意義和一般知識，對前提所敘述的事件狀態建構類似於真實世界的心理表

徵'不需運用邏輯法則 (Polk

&

1、lewell ，

1995)

，其推理歷程分為三階段:(l)理解階段:理解前

提的語意與訊息，加以編碼，建構一些與背景知識有關的視覺化心智表徵。(2) 發展階段:前提

各種模型的隱含、複雜或負荷較大的關係被處理並組合起來形成一個整合的模型(或一組模型)

,

最後被以簡約的模型加以描述，形成暫時性結論。(3)確證階段:搜尋所有可能的反例證或替代

模型，以確證暫時性結論是否錯誤，若發現結論錯誤，可能回到理解或發展階段而重新編碼。上 述心智模型用於關係推理時，個體會透過直接表徵呈現前提(問題表徵) ，如呈現圖畫或操作物，

透過操作能減縮認知容量的負荷，特別有助於關係複雜前提之整合(

Andrew

&

Halford

,

1998) 。

2.建模學習取向的推理歷程

Justi 和 Gilbert (2002a) 基於 Clement

( 1989

)探討心智模型在科學概念理解，所扮演的基礎 角色，而形成的模型建構環(假說發展) :科學假說的形成、評價、修正，以及為達成 Hodson 在 1992 年所提的三個科學教育目的:學習科學，學習關於科學、學習做科學，發展了「模型化的模 式 J

(model of

modeling) 的架構，以促進科學模型化學習的教學，其分成四個階段:(l)選定目 標:人們要形成現存的共識模式(

consensus

model) 、修正已存在的模式，或者是重新產生一個新 的模式，都必須要清楚的知道目標的定位。(2) 心智模式的產生與表達:在選定目標的過程中， 要涉及到一些初始的、直接或間接、質或量以及現象塑模的經驗，以產生有結構圖像(

structure

mapping) 的心智模式 o 對所產生的心智模式可以用實體的、視覺的、口語的或是數學的方式來表 達，而表達的過程可以視為是心智模式一個週期性的發展過程。(3)思考實驗:在心中執行理性 的評價(思考實驗)以探索上述心智模式表徵的意涵，如果覺察到不合理則進行心智模式的修正 或放棄原有的模式。 (4) 經驗測試:思考實驗若是成功則進行實徵的測試，在實徵測試的過程中， 需要實際的操作並且收集資料進行分析，如果錯誤，則模式再進行修正o 上述建模學習取向的推 理歷程，著重在內在的心智運作及理性的評價，促使學生以心智建模的思考方式學習科學。 (二)模型化推理歷程 模型化推理歷程的研究依關注焦點的不同，主要分為兩種:生于觀點和專家觀點的模型化推 理歷程。 1.生于觀點的模型化推理歷程 Sins 等人 (2005 )認為模型化的過程是非常複雜和需要鷹架，所以為了提供適當的支持，此 研究深入了解生于(學生)在物理領域運用推理過程和模型化作業期間所遭過的困難，並提出模 型化的推理歷程，包含五部份: (l)分析 (Analyze) :學生分析正要研究的現象成為模型的一部分 和確認重要的模型元素(如定量或定量之間的關係)，在模型中是可被執行的。大部分的模型化活 動和這個分析的推理過程相關連，是在模型化作業的定向階段完成。(2)歸納推理(

Inductive

Reasoning)

:歸納性推理發生在學生猜測模型的元素如何交互作用和模型將如何起作用的假設時。 (3)量化(

Quantify)

:當學生建構初步的模型，學生對於模型的元素和關係藉由更精確的數學形 式表達他們的想法。(4) 說明 (Explain) :指學生澄清模型的元素相互之間為什麼相關，也就是他 們提出為什麼一個因素會引起其他因素改變的理由。(5 )評價(

Evaluate)

:指學生必須連接他們 所產生的模型和實驗結果，以評價和確證他們的模型。上述的模型化推理，可提昇學生對複雜現 象深層的理解，但在模型化推理的過程中，學生會遭過到困難，需要教師提供適當的鷹架支持o 2.專家觀點的模型化推理歷程 L

凶δ hn旭悶E叮r 、

van

J扣0∞0凶lin呵ge叩n 、 Sav吋叫els油be叮rg剖叭h 和

van

H恥1切ou叭』此t

推理歷程的研究，如對生于推理，採歸納的觀點研究 (H恥og醉an

&

Th加oma拭5丸， 20∞01刊)而基於專家立場，

則採規範的觀點，產生理想想、模型化過程的描述(

de Jong et

al叮 2002) ，並概要出探究式模型化的推

理歷程，其分成五個主要部分:

(

1)定向(

Orientation)

:學習者根據和主題有關的自身經驗或從

課堂獲得的先有知識，再談論所要探究事件中，不同變因的意義。(2) 假設(

Hypothesizing)

:包

含假設的產生和預測結果，是不同精確性的區分(定性和定量)0 (3)實驗(

Experimenting)

:對

·754·

教育心理學報 活動，情形。 (5 )模型評價(

Model evaluation)

:學習者對他們所建造的模型評論。上述專家觀點的 模型化推理歷程，注重在探究過程中，專家們一般常用的推理歷程，是為了有效的解決問題而經 常使用的思考方式。 (三)、模型化推理歷程的理論模型 基於前述對心智模型和模型化的推理歷程的探討，研究者提出了模型化推理歷程的階段，以 作為建立模型化推理活動的理論架構，分成四個主要階段包括:目標呈現和理解，心智模型的產 生和表達、模型的應用、模型的確證和修正等階段(如圖1

)

，說明如下: 1.目標的呈現與理解 教師呈現實物圖像並提供差異性的問題，其目的是使學生以既存的相關經驗察覺問題，和分 析確認重要的變因。此是整合 Johnson-Laird (1983) 的理解階段， Sins 等人 (2005 )的分析階段 和 Lδhner 等人 (2005 )的定向階段。 2.1 心智模型的產生和表達 學生對事件內容與訊息的知覺或語意的理解，加以編碼，建構初始的心智模型，目的是在心 智模型，並讓學生以說的、寫的、畫圓的敘述( narrative) 方式呈現自己的整體想法，目的是能引 發學生形成適當的和整體的構想。此是參考 Johnson-Laird

( 1983

)對心智模型的推理歷程中的理

解階段，並依撮 Sins 等人 (2005 )的歸納推理階段以及 Justi 和 Gilbert (2002a) 對學習的看法， 認為學習者的內在表徵和觀點，經由敘事的方式，口J整體而有脈絡的展現出來。 3.心智建模 教師提出科學社群的呈現或共識的模型，以供學生和自己的模型作比較和模仿，並激發學生 以思考實驗的方式，整合前提，處理隱含、複雜或負荷較大的關係'推論出一個暫時性的結論， 其目的是促發學生能操弄心智思考的推理。此是整合 Johnson-Laird

( 1983

)的發展階段與 Sins 等 人 (2005 )的說明階段以及 Lδhner 等人 (2005 )的設計模擬實驗和模型執行的階段。 4 模型的確證與修正 執行思考實驗後所推論出的暫時性結論和實際所觀察的結果作比較，以測試出和現有的證據 是否相符，作為是否要重構或修正原有的心智模型的依據，如相符合則考慮、新的心智模型的條件 限制與範圈，目的是要學生評價假設(概念)和證據間的合理性。此是整合自 Johnson-Laird

( 1983 )

對心智模型的推理歷程中的確證階段， Sins 等人 (2005 )的評價階段和 L的ner 等人 (2005 )的模 型評價階段，以批判性的評價與確證其模型是否適當。

目標呈現與理解(1，

S

,

L)

J

心智模型產生與表達(1，

S

,

G)

心智建模(1，

S

,

L)

模型的確證(1，

S

,

L)

模型的修正

(1,

S

,

L)

(註:括號中 J 表示引自 Johnson-Laird

( 1983 ) .

S 表示引自 Sins 等人 (2005)

•

L 表示引自 U.ihncr 等人 (2005)

.

G 表示引自 Justi 和 Gilbert (2002a) 。

圖 l 模型化推理歷程的理論模式

二、科學推理的相關研究

科學推理常被視為是科學探究中的思考過程(

Hogan

&

Fisherkeller

,

2000)

，在這方面的科學推 理研究，傳統上常著重在以假說﹒演繹和歸納因果的形式，進行形成假說、設計實驗、控制變因、 進行推論，以及統整理論和數據等一般性科學推理技能的研究(

Kuhn

,

Amsel

&

O'Loughlin

,

1988;

Lawson

,

1995; Schauble

,

1996) 。這些研究是基於傳統的訊息處理模式和 Piaget 的邏輯推理理論，把 這些科學推理技能視為是與內容無關之邏輯操作，而且認為這些邏輯操作使得人們能夠對具體世 界作抽象表徵的運思 (Mintzes，

Wandersee

&

Novak

,

1999) 。由於探究中的思考過程會涉及到知識 結構，而良好的知識結構較能支持高層次的推理(

Hogan

&

Fisherkeller

,

2000)

，所以擴展一般科學 推理的概念，需要關聯到特定領域(domain叩ecific) 理論或概念，例如Tytler 和 Peterson

(2005 )

以縱貫研究的方式，探討澳洲墨爾本國立小學學童在科學推理與概念知識成長之間的關係，研究 發現，當增加與紙螺旋直昇機和降落傘這兩個作業相關的知識時(如空氣和重量的作用會影響飛 行) ，學童探索的方式和確認及控制變因的能力會增長，這兩個作業，不是以傳統科學主題的方式 呈現如「運動學 J' 而是以學童在生活中可經驗到的事件，如類比成真正的降落傘和飛機以及一般 的物體掉落的運動，並從活動中獲得的知識。據此，本研究所謂的科學推理能力，係指個體能利 用知識推理，在新|育境下，進行理解、分析、推論，運用訊息預測結果的能力。 在科學推理測驗方面，大部份把科學推理當做科學認知領域評量的面向之一，就國外而言， 例如，美國全國教育進展評量 (National

Assessment of Educational Progress

,

NAEP) 的科學教育成 就評量架構，由三個主要面向所組成:科學領域(

fields of

science) 和認知領域 (knowing

and doing

science) 。認知領域評量面向分為三個範疇:(I)概念理解一評量運用在科學研究歷程中的基本科

學概念和科學方法; (2) 科學研究 測量學生使用科學方法的能力，包括訂定計劃'運用各種科

學方法取得資訊，傳達研究結果等 ;(3) 實際推理 評量學生在新的、真實世界中應用適當科學

知識、思維和行動來解決真正(日常)問題的能力。另外，國際教育成就調查委員會(

International

·756· 教育心理學報

科學教育成就趨勢調查(

Trends in International Mathematics and Science Study

,

TIMSS

)的科學測驗

中，科學推理也為其評量面向之一，科學認知領域則涵蓋以下三項:

(

1

)事實性知識(

factual

knowledge)

，評量記憶/識別;描述;概念...等技能:(2) 概念性理解(

conceptual understanding)

,

評量區分/比較/分類;描繪等技能 :(3) 推理與分析 (reasoning

and analysis)

，讓學生在不熟悉的

背景下，利用科學推理來解決問題、發展解釋...等。國內部份，全國性的國中基本學力測驗，其 測驗內容是以九年一貫自然學科能力指標「科學認知」所規範的範圍作為命題的核心。其中科學 推理的試題部分，強調學生能依資料推測其屬性及因果關係。綜合上述的探討可知，科學推理和 概念理解是隸屬於「科學認知」的兩個不同部份，而目前在科學教育中，經常被使用的科學推理 測驗，首推 Lawson

(

1978 ， 1995) 的課堂科學推理測驗(

Classroom Test of Scientific Reasoning)

,

它是測量學生一般性科學推理能力(如守恆、比例、確認和控制變因等科學推理技能) ，是一種形 式推理(法則)取向的推理測驗，就如同 Piaget 之前做過的研究一樣，常被當成是一般性推理技 巧的測量工具，並沒有涉及到領域特定的陳述性知識，而且 Lawson (2003) 的研究也指出學童最 少需至 11 歲(形式運思期)才能進行假設演繹思考，有系統的運用法則，以推論出有效的結論。 但是，這種法則取向的一般性科學推理測驗，有可能低估學童關係邏輯推理的能丸，因為根據 Johnson-Laird 等人( 1972) 的研究，當人們對推理作業的情境脈絡，具有相當程度的熟悉時，也 就是說對特定領域的知識有相當的理解時，就能推論出合理的結論，所以，探討學生對特定領域 知識推理的反應，來理解學生在科學學習上的問題，具有其重要的意義和必要性。 研究方法 本研究採準實驗研究法，茲將研究設計、研究對象、研究工具、研究設計與研究步驟說明如

下:

一、研究設計與程序 為探討模式化活動模組對學童科學推理能力的促進效果，本研究採準實驗研究設計。其中， 實驗組進行「模型化活動模組」教學，對照組則依照教學指引的內容與程序實施教學活動，以上 兩組皆採用符合現行九年一貫課程之相同單元教材，自變項為教學策略、依變項為科學推理測驗 的成績。由研究者本身擔任實驗組「模型化活動模組」的教學，研究者曾在科學教育研究所修讀 過相關的課程，並曾經在自己所擔任的班級實際進行過相關主題的教學。而另一班為「對照組」 由有師院數理教育背景的同年段老師擔任教學。 實驗進行的程序為:前測(課堂科學推理測驗)、實驗處理(模型化活動)、後測(課堂科學 推理測驗和水溶液的推理測驗);因本研究採準實驗設計，是以共變數分析(

anaiysis of covariance;

ANCOVA) 之統計控制方法，將課堂科學推理測驗之前測結果作為共變項，調整各組間在實驗處 理之前所既存的差異，再進行後測結果之統計分析，以增加實驗內在效度(吳明隆，2003) 。也就 是經過調整後的變異數分析，以統計控制的方法，將足以影響實驗結果以及無法用實驗控制的方 法加以排除的有關變項，利用直線迴歸分析將這些因素從變異數中剔除，之後，再利用變異數分 析去考驗各組平均數之間是否有顯著差異存在(林清山，1992) 。

二、研究對象 本研究對象以高雄市一所國小六年級學童兩班:一班為實驗組36 人、另一班為對照組36 人， 共計 72 人，進行五週教學(配合實際課程進度時間)。 三、活動模組設計 本研究以教學模組的理念來設計課程，是改編六年級自然科康軒版教科書的「水溶液」單元， 本研究之教學模組的設計係配合小學自然與生活科技中的「水溶液」教材發展階段以及水溶液概 念的結構循序漸進地舖陳問題情境，以引導學習者逐步建構「水溶液」的相關概念，並以模型化 的教學策略，使學生對自然現象巨觀性的觀察後，能「意象」的進入到物質微觀的世界，促進學 生對抽象概念的理解。所謂意象(image) 是指人在心中想像出來的圖象，本研究指學生對現象無 法看見的微觀部分(如物質溶解的情形)，利用想像力把自己認為合理的「圖像」描繪出來。本研 究「水溶液」單元的活動模組考量的層面分為: (一)課程目標:強調與生活的連結、培養學童推論思考與科學過程技能的能力。 (三)教學策略:依據本研究建構的「模型化推理歷程的理論模型J '設計模型化活動的教學策略 (如表 1

)

，進行教學活動，引導學生達成教學目標。 (三)科學概念:以「水溶液」單元的內容結構，循序漸進地舖陳問題情境，主要的概念有:物 質的溶解、水溶液的酸鹼性質、自製酸鹼性試紙、酸鹼中和、水溶液的導電性。 (四)學習情境:為學生營造一個合作學習的情境。 「教學策略」部分:研究者根據所建構的「模型化推理歷程的理論模型 J '設計模型化活動的 教學策略，底下舉水溶液單元中「物質溶解」的例子說明(如表 1 )。而對照組的活動設計則採用 現行教材之相同單元，依照教學指引的內容與程序實施教學活動，並在教學的過程中提出問題以 確認學生是否巳經學會課本上的概念。研究者比對實驗組與對照組在「水溶液」單元的教學設計， 整理出活動內容對照表(如表 2) 。由表 2 可知，實驗組與對照組的教學節數一樣，都是 18 節，共 計七百二十分鐘，兩位老師必須依據教學指引，要達成的活動目標也是一樣的，在「水溶液」單 元所用的教學策略:實驗組為模型化活動的教學策略(如表 1

)

，對照組為一般慣用的教學，其教 學策略包含:觀察、假設、實驗、討論、歸納結果等。兩組之間主要的差異是，實驗組著重在差 異性事件的預測與觀察後，以繪圖說明的方式，呈現出推理性的連環圖，目的是為了對現象無法 看見的微觀部分(如物質溶解的情形) ，利用想像力把自己認為合理的「圖像」描繪出來。 四、研究工具

(一)一般性課堂科學推理測驗(

General Classroom Test of Scientific Reasoning

,

GSR)

本測驗係譯自 Lawson

( 1995

)課堂科學推理測驗(

Classroom Test of Scientific Reasoning)

，其 測驗原有的向度:題一是「重量守恆」、題二是「體積守恆」、題三和題四是「比例」、題五和題六 是「確認變因」、題七和題八是「控制變因」、題九和題十是「機率」、題十一是「組合」、題十二

· 758 . 教育心理學報 是「相關 J '共計十二題。題目型式採二階段(

two-tier)

，第一階段依題意選擇適當的答案，第二 階段為開放性方式說明或解釋第一階段所選擇的答案。本測驗答對一題得一分，最後計算得分與 總分，得分愈高，表示推理能力愈佳。以142 位六年級學生進行預試，信度方面，內部一致性係 數 α 為 .803 '難度指數在 .21 至 .53 之間。 表 1 r 物質溶解」模型化活動的教學策略 階段 教學策略 活動實例 1.提出兩種有差異性的實驗|育境，提 【預測】:在燒杯中，裝有100 毫升的水，分 問誘發學生預測會有何不同?並 別把一平匙和八平匙的棚酸加入後並攪拌，使 說明理由? 目標呈現和 其溶解成水溶液，你猜棚酸在裝有水的燒杯中 2.進行差異性實驗並提醒學生仔細 理解 有什麼變化?為什麼你會有上述的預測? 觀察和比較，操弄了什麼不同變 【觀察】:請比較一平匙棚酸和八平匙棚酸溶 因?並比較實驗的結果有何不 解在水中的情形，有何不同? 同? 以意象推理(思考實驗)的方 式，選擇和整合情境中的訊息、 形成一問題表徵'並推論出一 個暫時性的結論。 心智建模 【說明】:假想你有一雙可「看到」非常微小 利用意象模擬的方式，促發心 心智模型的 的「顯微鏡眼睛.!J '請把上述在「裝有水的燒 智模型產生，並以畫圖和說明的方 產生和表達 杯中.Jl '可能產生了什麼「事件u 才會使「刪 式表達本身初始的心智模型。-酸」發生上述變化的「圖像」描繪出來? 請依下列問題，畫出推理性連環圖? a. 我把「棚酸」剛放入「裝有水的燒杯中」時， 會想像成什麼? (畫圖)

b.

I 棚酸」在「裝有水的燒杯中』會發生了什 麼情形? (畫圖說明) C. 推測「棚酸」看不見的現象是如何造成的? 對所推論出的暫時'[宜結論做新的預根據上述推測的結論，提出新的預測並設計可 模型的確證 測，並設計實驗檢驗。 以測試新預測的實驗並比較看看符不符合? 和修正 如不符合你會把前述的構想，修正成什麼?

教學策略 教學活動 名稱

階段一策略

實驗組

模型化活動 1.目標呈現 2. 心智模型 3.心智 和理解 產生和表達 建模 觀察差異性 意象模擬 意象推理 事件

水?液扣

住嗎溶許

解甜水巾的知

Hf

存道性聲

說還知鹼的

質，麼酸甜

物中怎有川和

ABC

一性

型正一恃

模修一暫 5. ，一正論

一修結

一時

型證一暫

模睛一出論

'， -A 間土口 4--Z 日， YF

推性

策略

對照組

現行九年一貫課程教學指引的教學活動 觀察 J口1 至.n. I限口又 實驗 討論 歸納 結果 A溶解的觀察。 B. 水溶液的酸鹼性。 C.水溶液的導電性。 底下以本測驗的第七題:控制變因，舉例如下: 一般性譯堂科學推理測驗 (GSR)

:

7.如下圖，各有 20 隻果蠅先被放入四個透明試管中，然後把試管口封起來。並在試管 I 和試 管 II 一半的地方用黑紙包起來，試管 III 和試管 IV 則沒有用紙包住 o 每一支試管懸吊在半 空中，並用紅光照射約五分鐘。五分鐘之後，試管內蒼蠅分佈的數量如圖中試管內的數字。 由此實驗可以知道果蠅的分佈數量是受什麼因素影響? 紅光

v

v

v

可

v

v

v

III

II

問

_w

L干

江主三至1J

A _學 A

₄

A

•

紅光

·760· 教育心理學報

(1)受紅光的影響，而與地心引力無關(2)受地心引力的影響，而與紅光無關(3)受紅光 和地心引力兩者因素的影響(4) 與紅光和地心引力兩者因素都無關。

請說明為什麼?

(二)自編領域特定(水溶液)的科學推理測臨(Domain-specific

scientific reasoning

,

簡稱 DSR)

本測驗的目的是評量受試者對領域特定(水溶液)的科學概念理解之情形。 DSR 的測驗係參 考和對應上述課堂科學推理測驗各題的向度和二階段方式編制十二題題目，測驗內容則以「水溶 液」單元的重要概念、為主，其概念、有:物質的溶解、水溶液的酸鹼性質、自製酸鹼性試紙、酸鹼 中和，設計適合國小高年級程度的三階段試題。試題編制完成後，請一位科學教育專家(化學領 域)和兩位國小資深自然科教師進行審題。修正後以 142 位六年級學生進行預試(預試的學生己 學過水溶液單元且不參與實驗組和對照組) .預試的結果，信度方面:內部一致性係數 α 為 .796

'

難度指數在 .28 至 .68 之間 o 底下以本測驗的第七題:控制變因，舉例如下: 「水溶液」推理測驗 (DSR) 7.100C. C 的醋酸水和 50C.C 自守小蘇打水加在一起後，攪拌五分鐘，用紅色石蕊試紙測試的結 果是變成藍色，用藍色石蕊試紙測試的結果不變色。由此試驗可以知道，會影響此水溶液 酸鹼性的因素是什麼?

( 1

)與水溶液體積多少有關，而與物質溶解量無關 o (2) 與物質溶解量多少有關，而與水溶液體積無關 o (3)與水溶液體積和物質溶解量兩者都有關。 (4) 與水溶液體積和物質溶解量兩者都無關。 請說明為什麼?

五、資料分析

首先，是關於整體教學效果的統計分析，由實驗組和對照組在「兩種不同的科學推理測驗」 上所得的結果，進行單因子多變量共變數分析，將教學實驗前所獲得的「課堂科學推理測驗」前 測的成績視為共變量，經排除共變量的影響後，考驗問題一的假設，以探討教學實驗產生的效果 及比較兩組之間的差異情形。 接著，比較實驗組學生在兩種不同科學推理測驗中的「守恆」、「比例」、「確認變因」和「控 制變因」、「機率」、「組合」、「相關」等分測驗作答反應的情形;並根據結果分析進行討論。本研 究將科學推理測驗第二階段開放性回答的資料(如代碼【 DSR 測驗: 6-3-1 】 DSR 測驗代表一般性 課堂科學推理測驗. 6-3-1 代表六年三班 l 號學生) .依推理反應的類型加以分析。類型係參考心 智模式的推理歷程 (Johnson-Laird，

1983)

，分析學童在科學推理可能的反應，四種推理反應的類型 為:

(

1

)無關或沒有反應:與前提訊息無關的反應或無法判斷。 (2) 直觀反應:直接依所知覺的 物體特性進行判斷。(3)經驗反應:根據主觀的生活經驗或信念作判斷。 (4) 理解反應.會根據 問題情境中對特定概念的理解而進行判斷 o 現以學生在「控制變因」推理反應類型為例說明(詳 見表 9) 。上述的分析，採評分者間信度，以確保資料分析結果之一致性，其實際分析的方式如下: 參與評分者除了研究者本身外，還有一位科學教育博士(化學背景) ，研究者首先向這位評分者說

明四種推理反應類型的內涵與判準，然後，先試著任意抽取五位學生的資料進行分類，並討論分 類的結果，最後，正式的分別進行分類學生的資料，結果兩人共同分類的相似度達 98% '顯示資 料分類的一致性相當良好。 研究結果與討論 一、實驗組和對照組學生在兩種不同科學推理測驗的差異情形 (一)共變數分析的基本假定撤測 首先，根據實驗組和對照組在兩種不同的科學推理測驗的表現所獲得的平均數與標準差(如 表 3)' 進行多變量和單變量之變異數同賢世考驗，其 Box 多變量變異數同質性檢定之 F

(1 ' 68)

刃 ， p=.80>.肘，未達顯著水準和 Levene 單變項變異數同質性檢定也未達顯著水準(DSR 測 驗 ;

F (1 ' 68) =

1.

84

,

p=.18>.05 ;

GSR 測驗:

F (1 '

68) 只俑 'p=.78>.05) ， 表示都未違 反變異數同質性假定，意謂實驗組和對照組的離散情形無明顯差別。其次，進行多變量及單變量 之組內迴歸係數同質性檢定，其多變量組內迴歸係數同質性檢定之 Wilks'

A ( 1 '

68)

=冊 'F(

1 '

68) =.50'

p>.肘，未達顯著水準和單變量組內迴歸係數同質性檢定也未達顯著水準(DSR 測驗:

F (1 ' 68) = .63 ' p = .80 > .05 ;

GSR 測驗:

F (1 ' 68)

=品 'p=.36>.05) ， 表示各組迴歸線的 斜率相同，亦即各組受共變量(課堂科學推理測驗前測)影響程度都相同，可進一步進行單因子 多變項共變數分析。 表 3 實驗組和對照組在兩種不同推理測驗前測、後測及調整後之平均數摘要表

GSR

(前測)

DSR

(後測)

GSR

(後測)

人

組耳目

平均數標準

平均數標準差

數平均數標準差

平數均 標準差(調整差(調平均數標準差 (調整

(調整 後) 整後) 後) 後) 實驗組 36

2.11

1.5

5

6

.4

7

3.61

6.23

.532

3.69

2.62

3.24

.174

對照組 36

2.07

1

.4

9

4.75

3.09

4.99

.532

2.16

2.37

2.63

.174

平均

72

2.09

1.5

2

5.61

3

.4

5

2.93

2.60

(二)單因子多變項共變數分析之檢定

由表 4 結果可知，排除課堂科學推理測驗前測之影響，實驗組和對照組在兩種不同推理測驗 之差異達顯著水準 (Wilks'

A (1

,

68)

=.妞 'p<.05 )，表示實驗組和對照組在不同推理測驗的整 體性上有明顯差異，而由單變量F 值可發現，這種差異在「水溶液」推理測驗和課堂科學推理測 驗也都達顯著差異 (DSR 測驗:

F (1

,

68) =2.64'

p=.03

<.肘 ，

MSE=9.98 ;

GSR 測驗:

F (1 '

68) =6.07

'p=.OI

<.肘 ，

MSE=

1.06) 。由表 3 口J知，實驗組和對照組在「水溶液」推理測驗成 績的調整後平均數分數各為:實驗組=6.23>對照粗=4.99 '而在課堂科學推理測驗成績的調整後

·762·

教育心理學報 平均數分數各為:實驗組=3.24>對照組=2.63 '表示「水溶液」推理測驗成績和課堂科學推理測 驗成績上，實驗組都比對照組高。其實驗效果量部分:課堂科學推理測驗(η2 =.081) 、「水溶液」 推理測驗 (η2 =.03 7)，都屬於小效果。此研究結果，肯定本研究所設計的模型化活動在促進學生 科學推理成效上有其效果。 表 4

實驗組和對照組在兩種不同推理測驗之單因子多變項共變數分析摘要表

ssep'

單變量 (F) 變異來源

df

多變量 (A)

DSR

GSR

DSR

GSR

常數

_{U j}

_Uj'

組間

r、

26.35

13.04

2.64*

6.07*

.92*

(排除共變項)

_13.04

₆

_.4

₅

(9.98 )

( 1.

06 )

共變項 (排除實驗

r、

28

94.24

、J

.1

6*

10.35 *

343.86*

設計效果)

194.24

365.33

組內

Ill-llzL

f 4 5

明

45

可J

68

(排除共變項)

99

.4

5

73.31

總和

71

註: I 單變量 e F)小括號內數字為 MSE 值。

2. *p<.05

二、兩組學生在不同科學推理測驗的作答反應 為了探討領域特定的水溶液知識與一般性科學推理能力之關係，本研究以比較兩組學生在不 同科學推理測驗之作答反應情形來回答，但由於篇幅的關係，本研究僅以實驗組在「水溶液」推 理測驗和一般性課堂科學推理測驗達顯著差異(I

(7

0) =4.02'

p<.05) 之各成對于項:體積守 恆 (I

(70) =2.64'

p<.05) 、控制變因 (I

(70) =5.57'

p<.05)' 作為討論項目並以卡方考驗 分別進行「科學推理測驗、組別、推理反應類型」三個類別變項之多重列聯表分析。 (一)體積守恆方面: 由表 5 可知，當以科學推理測驗為控制變項時，在GSR 測驗中，組別與推理反應的類型沒有

顯著不同 ，

i

(3 ,

N

= 72) =2.649 ' p=

.4

81

>.肘，兩組在 GSR 測驗中的推理反應類型分布沒有差

異 D 而在 DSR 測驗中，組別與推理反應類型則達顯著差異 'X﹒(3

'N=72) =8.665

'p=.034<.肘，

由表 6 和表 7 資料可知，實驗組學生在 DSR 測驗中推理反應各經驗(無關、直觀、經驗、理解) 的比例分別為 6% 、 19% 、 53% 、 22% '而控制組的比例分別為 14% 、 44% 、 25% 、 17% '實驗組學 生形成「經驗」和「理解」等類型的人數比例比控制組高。 表 5 「科學推理測驗、組別、推理反應類型」多重列聯表分析結果摘要表 檢驗方式 控制水準 考驗值 自由度 顯著性 以推理測驗為控制變項 Pearson 卡方檢驗 GSR 測驗

2.649

3

.4

81

DSR 測驗

8.665

3

.034*

Tau 非對稱關聯係數 GSR 測驗

011

.512

DSR 測驗

.054

.010*

列聯係數(對稱係數) GSR 測驗

.182

.4

81

DSR 測驗

.328

.034*

以組別為控制變項 Pearson 卡方檢驗 實驗組

15.114

3

.002*

控制組

2.261

3

.520

Tau 非對稱關聯係數 _實驗組

.077

.001 *

控制組

.006

.718

列聯係數(對稱係數) 實驗組

.4

17

.002*

控制組

.174

.520

* p<.05 ; **p<.Ol 以組別為控制變項時，在實驗組中，科學推理測驗與推理反應類型有顯著關聯'l (3 'N=72) 二 15.114' p=.002<.肘，表示實驗組學生的推理反應類型會受到不同科學推理測驗的影響，由表6 和表 7 資料可知，實驗組學生在GSR 測驗的推理反應各類型(無關、直觀、經驗、理解)比例分 別為 28% 、 42% 、 19% 、 11%' 而 DSR 測驗的比例分別為6% 、 19% 、 53% 、 22% '實驗組學生在 DSR 測驗形成「理解」和「經驗」等類型的人數比例較GSR 測驗高。而在控制組中，科學推理測

驗與推理反應類型沒有顯著關聯'i

(3

'N=

72) =2.261

'p=.520>.肘，表示控制組學生受到科

學推理測驗的影響較小。

·764·

教育心理學報 表 6 學生在「體積守』恆」之科學推理反應類型、特蝕與舉例 特徵摘要 類型 無關 或理由和問題內容沒有關 沒有係或沒有說明理由。

反應

體積在直觀上比重量較 不容易被知覺到。 直觀

反應

鹽溶解成水溶液，無法 直觀到鹽在水中的體積。 舉例 「比量筒 l 來的高」【GSR 測驗:

6-3-2

>

「量筒寬度不同」【 GSR 測驗:

6-5-7

>

「水溫高溶的快」【 DSR 測驗:

6-3-34

>

「因攪拌的鹽會變化」【 DSR 測驗:

6-5-37

>

「因為鐵球較重，放下去水裡時，一定比放玻璃球的高。」 【 GSR 測驗:

6-3-27

>

「因為鐵球比玻璃球重，放到水裡時，水位就升的比較高。」 【 GSR 測驗 :6小8 】 「力日鹽在水中不會改變水位的體積，只會改變水的重量而 已」【 DSR 測驗:

6-3-3

>

「因為乙杯放的鹽比較多」【 DSR 測驗:

6-5-11

>

「因為重物壓下，水面會上升，鐵球比較重，壓下時水面 把物體「壓入 J 水中時，水位會 」 當然上升的多 J 【 GSR 測驗:

6-3-27

>

上升;物體「愈重 J '水就會排 」 「物體愈重，推開的水就愈多。」 開愈多。 經驗 【 GSR 測驗:

6-5-26

>

反應 「甲放兩匙的鹽就溶解了，乙放四匙的鹽，當然要放多一 較多鹽加入水中，水要 點水才能溶解。」【 DSR 測驗:

6-3-31

>

加多一點才能溶解。加 「不管溶解多少溶質，只會增加重量，不會增加水量。」 入物質就是增加重量。 【 DSR 測驗:

6-5-5

>

同體積物體沈入水中後，上升的「物品放入水中後水升高，要看體積，而鐵球和玻璃球一 水量和體積有關。 樣大，所以一樣高」【 GSR 測驗:

6-3-1

>

球一樣大就是體積一樣。 I 因為球一樣大」【 GSR 測驗:

6-5-20

>

理解 「因盟監雖然溶解，但還是有重量和體積，所以水會增高。」

反應 鹽溶解後，雖看不見，

【 DSR 測驗:

6-3-38

>

但還是存在。 I 因鹽也占有體積，加到水裡不會不見，只是看不到。」 【 DSR 測驗:

6-5-40

>

表 7

兩組學生在「體積守恆」之科學推理反應類型、人數與百分比

科學推理測驗 GSR 測驗 DSR 測驗 反應類型 無關 直觀 _經驗 理解 無關 直觀 _經驗 理解 實驗組

_{10 人}

的人

7 人

4 人

2 人

7 人

19 人

8 人

組別

(N=36 )

28%

42%

19%

11%

6%

19%

53%

22%

對照組

_{6 人}

_{18 人}

_{10 人}

_{2 人}

_{5 人}

_的人

_{9 人}

_{6 人}

(N=36 )

17%

50%

29%

6%

14%

44%

25%

17%

再進一步以關聯係數來比較，實驗組在模式化活動與形成真有科學的推理反應額型之關聯強 度(1山 =.077 '列聯係數=.41 7)均大於控制組(1山=.059 '列聯係數 =.267) ，更加顯示不同科 學推理測驗的確對實驗組學生在「體積守恆」推理產生影響。 綜上所述，在體積守恆方面的結論為DSR 測驗中，兩組在推理反應類型有顯著差異，實驗組 學生產生「經驗」和「理解」等較佳的推理反應、類型比控制組多。在實驗組中，學生在不同科學 推理測驗所產生的推理反應類型也有顯著差異'DSR 測驗 tt:. GSR 測驗，呈現較多的「經驗」和「理 解」等較佳的推理反應類型。本研究認為在GSR 測驗中，學生大都認為重量較重物體，會使水位

上升的較高，這可能因為體積是形式概念(

Brainerd

&

Allen

,

1971

)在直觀上比重量概念較不容易

被知覺到，以及學生對體積概念缺乏所造成的 (Hewson ，

1986)

，而在 DSR 測驗中，學生會透過並 想像鹽在水溶解後的情境，建立鹽太小看不見，但它還是存在並佔有空間的體積觀念，合理地推 理出水位變高的結論。 (二)控制變因方面: 由表 8 可知，當以科學推理測驗為控制變項時，以GSR 測驗而言，組別與推理反應類型的類 型沒有顯著關聯，X2 汀 'N=72)

=4.685'

p= 1.96> 肘，兩組在GSR 測驗中的推理反應類型分布

沒有差異。另以DSR 測驗而言，組別與推理反應類型則有顯著關聯，

i

(3 ,

N

= 72) = 19.240 '

p=.OOO< 肘，由表 9 和表 10 資料可知，實驗組學生在 DSR 測驗的推理反應各類型(無關、直觀、 經驗、理解)的比例分別為 14% 、 28% 、 36% 、 22% '而控制組的比例分別為 47% 、 42% 、 8% 、 3%

'

實驗組學生形成「理解」和「經驗」等類型的人數比例比控制組高。 如以組別為控制變項時，就實驗組而言，科學推理測驗與推理反應類型有顯著關聯 'i

(3 '

N=72) 二 10.244'

p=.017

<.肘，表示實驗組學生的推理反應類型會受到不同科學推理測驗的影響， 由表 9 和表 10 資料口J知，實驗組學生在 GSR 測驗的推理反應各類型(無關、直觀、經驗、理解) 比例分別為 30% 、 47% 、 17% 、 6% '而 DSR 測驗的比例分別為 14% 、 28% 、 36% 、 22% '實驗組 學生在 DSR 測驗形成「理解」和「經驗」等額型的人數比例較 GSR 測驗高。就控制組而言，科 學推理測驗與推理反應類型沒有顯著關聯 ，

i

(3 ,

N=

72) =3.386

'p=.336>.肘，表示控制組學 生受到科學推理測驗的影響較小，也就是不同科學推理測驗所產生的推理反應類型差異不大。

·766·

教育心理學報

1.

96

.000**

.362

.000**

.196

.000**

3

3

4.685

19.240

.015

.059

.247

.459

GSR 測驗

DSR

測驗 GSR 測驗 DSR 測驗 GSR 測驗 教學中 實驗組

10.244

3

.017*

控制組

33.86

3

.336

實驗組

.045

.021 *

控制組

.026

.139

實驗組

.353

.017*

控制組

.212

.336

表 8 r 科學推理測驗、組別、推理反應類型」多重列聯表分析結果摘要表

檢驗方式

控制水準一一一

考驗值一一一

自由度一一璽畫丘

以推理測驗為控制變項 Pearson 卡方檢驗 Tau 非對稱關聯係數 列聯係數(對稱係數) 以組別為控制變項 Pearson 卡方檢驗 Tau 非對稱關聯係數 列聯係數(對稱係數) • p<.05 ;

··p<.OI

「因酷酸水較易溶解，而蘇打水較不易溶解，所以測出來是鹼d性」 【 DSR 測驗:

6-5-36

>

「因為果蠅有向亮的地方走的習性」 【 GSR 測驗:

6-3-31

>

「因為果蠅會向有光的地方移動」【 GSR 測驗:

6-5-19

>

'100C.C 酷酸水比 50C.C 小蘇打水多 50C.C' 所以水溶液的體積 大小，會影響酸鹼性」【 DSR 測驗;

6-3-31

>

「因鹼性的蘇打水溶液體積大，因此水溶液會變成鹼性」【 DSR 測驗:

6-5-27

>

「因為昆蟲喜歡有光的地方，就會朝有光的地方飛去」【 GSR 測 驗:

6-3-6

>

「因為果蠅不怕光但怕藍光」【 GSR 測驗:

6-5-6

>

「如果加很多檸檬水就更酸了」【 DSR 測驗:

6-3-3

>

「因為醋酸水太濃了，所以會變成酸d性」 【 DSR 測驗:

6-5-3

>

表 9 學生在「控制變因」之科學推理反應顛型、特徵與舉例 類型特徵摘要 舉例 「看不'I董」【 GSR 測驗:

6-3-18

>

「因酷酸水較易溶解，而蘇打水較不易溶解，所以測出來是鹼性」 【 DSR 測驗:

6-3-36

>

「亂想的」【 GSR 測驗;

6-5-2

>

無關 或理由和問題內容沒有關係 沒有或沒有說明理由

反應

直覺生物會向有光的移動 的習性。 直觀

反應直接依水溶液體積大小'

判斷其混合 後的酸鹼性。 經驗常看見小生物，在 反應發亮燈泡周圍盤旋， 藍光看起來較可怕。 經驗中，加檸檬汁 愈多，酸味愈強， 水溶液就愈濃。

續下頁

表 9 (續) 類型 特徵摘要 根據問題的數據判斷因果 關係。無法看出意義。 理解 反應酸性與鹼佳作用， 醋酸溶解在水的量越多， 酸性越強。 舉例 「因為有藍光的地方就有較多的果蠅」 【 GSR 測驗:

6-3-7

>

沒有這類型的學生回答。【 GSR 測驗】 「因 50C.C 小蘇打水裡的小蘇打粉可能比較多，而 100C.C 醋酸 水裡的醋比較少，使水溶液變成鹼l宜，所以和物質溶解在水中的 量有關。」【 DSR 測驗:

6-3-3

>

「因醋酸的成分較多，所以會變成酸性」 【 DSR 測驗:

6-5-34

>

再進一步以關聯係數來比較，實驗組學生在科學推理測驗與推理反應類型之關聯強度(7仰 =.0咐，列聯係數= .353) 均大於控制組學生(7伽 =.0詣，列聯係數 =.212) ，顯示不同科學推理 測驗的確會對實驗組學生在「控制變因」推理產生影響。 綜上所述，在控制變因方面的結論為 DSR 測驗中，兩組在推理反應類型有顯著差異，實驗組 學生產生「經驗」和「理解」等較佳的推理反應類型比控制組多。在實驗組中，學生在不同科學 推理測驗所產生的推理反應額型也有顯著差異 'DSR 測驗比 GSR 測驗，呈現較多的「經驗」和「理 解」等較佳的推理反應類型。本研究認為在 GSR 測驗中，兩組學生都以直接經驗的方式確認變因， 不會利用題目的數據作比較分析，判斷是何種變因影響結果。在 DSR 測驗中，可能因為實驗組學 生在模型化推理活動後，誘發學生心智建模，能「意象」的進入到抽象的微觀世界，並轉換成可 視覺化的圖像，作推理性的思考活動，因此理解了酸性和鹼性水溶液交互作用後的酸鹼性，會和 溶解在水裡的酸性物質或鹼性物質(不可被觀察到的實體)的量有關，所以產生了確認和控制變 因的能力。此呼應了 Lawson (2003) 的研究，當受試者具備對特定的陳述性知識時，口J提升其確 認變困的能力(包含可不口不吋被觀察的實體因素)。

表 10 兩組學生在「控制變因」之科學推理反應類型、人數與百分比

科學推理測驗 GSR 測驗 DSR 測驗 反應類型 無關 直觀 _經驗 理解 無關 直觀 _經驗 理解 實驗組

_{11 人}

_{17 人}

_{6 人}

_{2 人}

_{5 人}

_{10 人}

_{13 人}

_{8 人}

組別

(N=36)

30%

47%

17%

6%

14%

28%

36%

22%

對照組

_{12 人}

_{22 人}

_{2 人}

_{O 人}

_{17 人}

_的人

_{3 人}

_{l 人}

(N=36 )

33%

61%

6%

0%

47%

42%

8%

3%

從上述的結果與討論，研究者分析出在模型化活動中，學生對體積守恆、控制變因等推理方 面的能力會較為顯著地的提升，可能是因為首先在透過差異性事件的預測與觀察活動中，減低直 接依所知覺的物體特性確認變因，其次以意象的運思與推理，增進學生察覺不易從表面察覺的變 因，再以心智模擬(思考實驗)的方式，整合|育境中相關的變因，形成一個暫時性的結論，最後 和實際實驗的結果作比較，以確證或修正先前的想法。

· 768 . 一、結論 教育心理學報 結論與建讀 (一)模型化活動有放促進學生科學推理的思考 本研究模型化活動設計，包含了1. I 目標呈現和理解」 差異性事件的預測與觀察;

2.

I 心 智模型的產生和表達」 意象模擬;

3.

I 心智建模」 意象推理;

4.

I 模型的確證和修正」等四 個不同階段的活動，其主要的目的是為了使學生透過對「水溶液」單元核心概念的理解，建構出 適當和可視覺化的心智表徵'以推理出合理的結論，並因而促進其科學推理的能力。本研究以單 因子多變量共變數分析發現，實驗組和對照組在兩種不同科學推理測驗之差異達顯著水準 (Wilks'

A (1 '

68) 二 .92

'p<.05

)，且實驗組都優於對照組，顯示本研究所設計的模型化活動模組，對 促進學生科學推理能力的整體效益上有其正面的功效。 (二)學生在科學推理測驗的體積守恆、控制變因向度，其作答反應呈現出四種科 學推理反應的頡型，實驗組l:t對照組呈現較多的理解反應頓型 實驗組學生接受模型化推理活動後，整體上「水溶液」推理測驗成績較課堂科學推理測驗成 績之表現為佳，且呈現出顯著差異，其中在「體積守恆」、「控制變因」等向度的推理測驗成績， 達顯著差異。學生在科學推理測驗之「體積守恆」、「控制變因」等向度呈現出四種科學推理反應 的類型:1.無關或沒有反應。2. 直觀反應。 3. 經驗反應。 4. 理解反應。學生對蘊含在形式概念(如 「體積守恆」、「控制變因J) 的特定概念(如溶解、酸鹼性質、酸鹼中和等概念)，因學生對測驗 題目的特定概念有適當的理解和經驗，才較能提高其科學推理能力測驗的分數，這與Tytier 和

Peterson

(2005) 認為概念性知識會影響學童執行推理作業 尤其是對特定領域的科學概念有正確 性的理解，才能覺察到有效性的推理 (Lawson，

2003)

，其結果是一致的。本研究在下一部份依上 述的研究發現與結論提出一些教學上的建議。 二、建議 由於模型化推理活動可使學生對複雜現象產生深層的理解(Sins

et

al叮 2005) ，也可監控學生

從初始心智模型到建立科學模型的理解和進展(

Duit

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1996) 。本研究結果發現，模型化活

動有助於學生對科學抽象概念，會產生較深層的理解表現，是以，模型化活動之心智建模階段， 以「意象」推理策略，促使學童進入到微觀的世界，察覺到不易被觀察的實體因素，以便確認出 口J能的變因。因此，本研究建議老師在進行這項教學活動時，應注意到以下幾點事項: (一)設計具有差異性的事件或現象，而不是單一的觀察事件，使學生可以觀察、審辨 (discern

)

及確認出關鍵性特徵(或變因)。例如， I 一平匙和八平匙的朋酸分別溶解在 100 毫升的水 中，會有什麼不同的情形? J' 而不是「一平匙的朋酸溶解在 100 毫升的水中，會發生什麼 情形? J (二)利用『假想你有一雙口IJ I 看到」非常微小的顯微鏡眼睛」的提問策略，引發學生建構微 觀粒子的心智模型。如「想像棚酸粉溶解在水中時，可能的「圖像」描繪出來? J (三)利用上述建構微觀粒子的心智模型，以推理性連環繪圖( Drawing) 的方式，讓學生在推

理作業的思考過程中，把內在認知情境呈現出視覺化的圖像表徵，以「看出J

(seeing that)

合理或矛盾之處的關係'進而確認出可能的變因，這是因為在關係推理時，所呈現的圖畫或 操作物表徵，能減縮認知容量的負荷，尤其是關係複雜前提之整合。如呈現「棚酸粉溶解在 水中時，發生了什麼變化，才會看不見呢?J 的圖畫表徵。

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Effects of Fostering

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Student's Scientific

Reasoning Ability through Module ofModeling Activities

Kuang-Lieh Lee

Chia-JuLiu

Shing-Ho Chiang

Graduate Institute ofScience Education

National Kaohsiung Normal University

This study investigated the effect of modeling activities on scientific reasoning ability of elementary school students Participants included 72 6th-graders from an elementary school in Kaohsiung who were nonrandomly assigned to an experimental group(n=36) and a control group(n=36). The scientific activity focused on chemical solutions that lasted for five weeks. After the activity

,

the two groups of students took various types of reasoning ability tests: (a) domain司specific

(i.e.,chemical solutions) reasoning test and (b) general science reasoning test (Lawson, 1978, 1995). Results of the study indicated that students in the experimental group scored significantly higher on both tests than students in the control group Students in the experimental group scored higher on the domain-specific scientific reasoning test in general,and significantly higher on dimensions of volume conservation and control variables. Results suggest that when facilitating in-depth understanding of scientific phenomena,teachers may engage students in practices of imagistic reasoning and explanation to adjust the discrepancy between prediction and observation