以「科學玩具」設計科學探究教學之行動研究 -以「懸崖勒馬」及「石在神器」為例

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國立臺中教育大學科學教育與應用學系

碩士論文

指導教授: 許良榮博士

以「科學玩具」設計科學探究教學

之行動研究

-

以「懸崖勒馬」及「石在神器」為例

研究生: 陳敬岦撰

中華民國一○四年七月

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致謝

進修是個挑戰，論文寫作更是個挑戰，但誠如英國首相邱吉爾說

的：

「在戰爭與恥辱中選擇後者，到頭來你還是得面對戰爭」

。從事補

教業近十年，在臺中教育大學科學教育與應用學系進修後，進入浩瀚

無垠的科學教育界後，更深深地感覺到何謂「學然後知不足」

。

我的研究題目是將「科學玩具」與「科學探究」結合，希望能夠

提夠給科學教師另一種的教學設計；不僅讓學生從製作玩具中學習科

學，體驗科學的樂趣，而且藉由探究的流程讓學生了解科學本質。

由衷感謝許良榮教授在這兩年中，不辭辛勞地指導我進行研究、

完成論文；透過教授的指導，讓我充分明何謂「研究」的「價值」與

「精神」，這是一輩子受益的事情。再者，非常感謝口試委員黃鴻博

教授及劉湘瑤教授在口試提出的建議讓論文更加完備！還要感謝莊

秋蘭老師及李永信老師在教學技巧上提供的寶貴的經驗及專業的諮

詢，讓我受益良多。

也要非常感謝臺中教育大學的各位師長：李松濤教授、張嘉麟教

授、游淑媚教授、靳知勤教授的指導，讓我有更豐富的知識及更多元

的視角來投入科學教育。最後要感謝我的妻子俐婷，在我工作及課業

忙得不可開交之際，照顧整個家庭及孩子，讓我沒有後顧之憂，真慶

幸一路上有妳的陪伴！

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以「科學玩具」設計科學探究教學之行動研究

-以「懸崖勒馬」及「石在神器」為例

摘要

本研究目的為利用「科學玩具」設計「科學探究」之教學，以行動研究探討教學歷程中學童之探究能力的學習、學習興趣以及教學遭遇的困難與解決方法，並探討教師的專業成長。本研究以中部國小高年級為研究對象，設計「懸崖勒馬」及「石在神器」兩個科學玩具單元，每個單元為三節課，並進行二階段的教學循環，每次選取一班學生。研究透過蒐集與分析教學錄影、教學札記、活動學習單、學習興趣問卷、協同教師教學觀察記錄檢核表、訪談記錄、科學探究能力評量等相關資料，獲得以下結論：(一)國小高年級學童對於利用科學玩具設計探究教學的活動相當有興趣，第一階段教學的「學習興趣」評量結果，平均分數為 4.52 分(滿分 5 分)，第二階段教學為 4.58 分；(二)「科學探究能力」評量結果(滿分 17 分)，第一階段教學的實驗組平均分數為 10.54 分，第二階段教學則達到 13.29 分，顯示「科學探究能力」的學習成效達到頗佳的成效； (三)在第一階段與第二階段中，實驗組探究能力評量得分皆高於參照組，第一階段參照組的平均分數為 7.76 分，第二階段為 10.50 分，顯示學童經過教學後，探究能力高於參照組。 (四)以科學玩具設計科學探究的教學，能克服教師在探究教學上常遭遇的困難。本研究最後針對「以科學玩具設計科學探究式教學」的教學上以及未來研究發展提出建議，以提供教師及有意從事科學玩具及探究式教學之研究者參考。關鍵詞: 行動研究、科學玩具、科學探究

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Action Research on the Teaching of Scientific Inquiry

with Science Toys: Examples of “Stop at the Precipice”

and “Simple Catapult”

Abstract

The purpose of this study was to design the lessons of scientific inquiry that was based on science toys. This study adopted action research to explore pupils’ inquiry ability learning, learning interests, difficulties in teaching and the solutions as well as the professional growth of teachers. The research subjects are fifth or sixth graders in an elementary school in central Taiwan. Two science toy units of “stop at the precipice” and “simple catapult” were designed. Each unit contains three sessions, and two-stage teaching cycle is proceeded, in which a class of students was selected. The collected data included: recording of teaching, teaching journals, worksheets, learning interest questionnaire, observation recorded by a collaborative teacher, interview records, and scientific inquiry ability evaluation. The following conclusions are summarized. (1) The students were quite interested in the inquiry-based teaching with science toys. The five-point Likert scale learning interest questionnaire at the first stage presents the mean of 4.52 (full score= 5), and it reveals 4.58 at the second stage. (2) The evaluation of Scientific Inquiry Ability (full score=17) shows the average score 10.54 for the experimental group at the first stage and up to 13.29 at the second stage, revealing the favorable learning effectiveness of scientific inquiry ability. (3) The scientific inquiry ability score of the experimental group is significantly higher than the score of the control group (p< .01) at both first and second stages. The average scores of the control group at the first and the second stages appear 7.76 and 10.50 respectively, showing the higher inquiry abilities

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of pupils, after the teaching, than the score of the control group. (4) The scientific inquiry teaching designed with science toys could overcome the difficulties of teachers in the inquiry-based teaching. Finally, several suggestions are proposed for teaching of the scientific inquiry with toys, and the future research of the teachers and researchers who intend to use the science toys to design the teaching of scientific inquiry.

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第一章

緒論

第一節研究背景與動機………1 第二節研究目的與問題………3 第三節名詞解釋………3 第四節研究範圍與限制………4

第二章

文獻探討

第一節科學探究的意涵及重要性………5 第二節科學探究教學相關研究………8 第三節探究教學的教學問題與設計………13 第四節科學玩具………18

第三章

研究方法

第一節研究方法………23 第二節以「科學玩具」設計科學探究之教學設計………25 第三節研究對象與參與人員………27 第四節研究工具………28 第五節資料蒐集與分析………31

第四章

研究結果與討論

第一節第一階段教學………35 第二節第二階段教學………50 第三節教師專業成長………71

第五章

結論與建議

第一節結論………76

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參考文獻

中文部分………78 英文部分………82

附錄

附錄一以科學玩具設計科學探究教學(一)-懸崖勒馬………90 附錄二以科學玩具設計科學探究教學(二)-石在神器………98 附錄三學習單-鳴仁闖關-懸崖勒馬(第一階段) ………105 附錄四學習單-鳴仁闖關-石在神器(第一階段) ………108 附錄五學習單-鳴仁闖關-懸崖勒馬(第二階段) ………112 附錄六學習單-鳴仁闖關-石在神器(第二階段) ………115 附錄七學習興趣問卷 ………119 附錄八協同教師教學觀察紀錄檢核表 ………121 附錄九晤談大綱 ………123 附錄十探究能力評量(第一階段) ………124 附錄十一探究能力評量評分判準(第一階段) ……… 128 附錄十二探究能力評量(第二階段) ……… 131 附錄十三探究能力評量評分判準(第二階段) ……… 134 附錄十四學生訪談舉隅……… 136

表目次

表 2-1-1 美國《國家科學教育標準》對於科學課程提升探究所強調的改變…⋯5 表 2-1-2 國科會「促進學生 3C 素養」區塊研究的「科學探究」之內涵……⋯7 表 2-1-3 科學探究能力內涵之相關文獻 ………⋯ ⋯8 表 2-2-1 科學探究教學相關研究整理………9 表 2-3-1 教師實施探究式教學所需具備的能力與知識………⋯13 表 2-3-2 科學教師不使用探究式教學法的十個最常見理由………⋯14

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表 3-1-1 行動研究主要特徵⋯………⋯…23 表 3-2-1 以科學玩具設計科學探究之教學綱要⋯………25 表 3-5-1 資料代碼說明…………⋯ ⋯………⋯………32 表 4-1-1 第一階段學習興趣問卷統計 ………36 表 4-1-2 第一階段學習單「解釋數據與下結論與溝通」之分析………⋯41 表 4-1-3 第一階段探究能力評量之比較及各題面向及配分 ………⋯ ⋯42 表 4-1-4 第一階段協同教師教學觀察紀錄檢核表 ………44 表 4-1-5 第一階段教學問題及改善方案 ………49 表 4-2-1 學習單「提出探究問題及形成假說」之修訂比較 ………51 表 4-2-2 學習單「實驗設計」之修訂比較 ………51 表 4-2-3 學習單「解釋數據及下結論與溝通」之修訂比較 ………52 表 4-2-4 探究能力評量修訂比較 ………53 表 4-2-5 第二階段學習興趣問卷統計 ………54 表 4-2-6 第二階段探究能力評量之比較及各題面向及配分 ………59 表 4-2-7 第二階段協同教師教學觀察紀錄檢核表 ………61 表 4-2-8 兩階段教學成果比較及改善科學教師不使用探究式教學法的部份理由 ………65 表 4-2-9 第一階段與第二階段學生學習單書寫內容之比較 ………67 表 4-2-10 第一階段與第二階段學生學習單得分之比較………69 表 4-3-1 教具改良表 ………73

圖目次

圖 3-1-1 Kemmis & Taggart(1988)行動研究螺旋圖………24

圖 3-1-2 本研究研究流程 ……… 25

圖 4-1-1 第一階段教室配置圖……… 35

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圖 4-2-2 三大變因部分簡報檔 ……… 52 圖 4-2-3 學生的實驗操作情形 ……… 56

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第一章緒論

第一節研究背景與動機

近半世紀以來，「探究(inquiry)」是科學教育課程改革中，受到相當重視的方向(Anderson, 2002)。《2061 project》（American Association for the Advancement of Science；AAAS,1989），指出「探究」是達成科學素養的核心；除此之外，Keys 和 Bryan(2001)也指出美國的《National Science Education Standards》(National Research Council；NRC,1996)強調「探究」是科學教學的核心。在國內方面，2002 年，教育部與國科會在第一次全國科學教育會議中第一個議題提到，中小學的科學教育主要目標之一乃是在培養學生的「科學探究」能力，使每位學生能運用探究能力及科學知識來解決日常生活問題。《科學教育白皮書》(教育部，2003)也提到科學教育最少應包括，科學探究能力與科學過程技能的訓練，如各種實驗操作技巧、提出假設、實驗設計過程、收集數據、作圖、推論、反思批判思考、以及尋求並累積新科學知識等能力，統稱為科學過程方法與技能。因此「九年一貫自然與生活科技學習領域課程綱要」(教育部，2003)，要達成 6 項「課程目標」的前 2 項為：(1)培養探索科學的興趣與熱忱，並養成主動學習的習慣。(2)學習科學與技術的探究方法和基本知能，並能應用所學於當前和未來的生活。而「分段能力指標」培育的八項基本能力，第 1 項「過程技能」的能力為：增進科學探究過程之心智運作能力。第 7 項「科學應用」的能力為：應用科學知識以及探究方法以處理問題的能力。由此顯示「科學探究能力」的培養在我國中小學科學教育的重要性不容忽視。有很多的學者提出探究對於學生學習科學的重要性，在國外方面 Furtak, Seidel, Iverson 和 Briggs(2012)對 138 組研究進行後設分析，其研究結果指出，探究本位教學對學生的科學學習有正面幫助，且探究式教學對於學生的學習動機具有明確、積極的效果。而在國內，許多學者的研究也顯示，探究本位教學

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對改革學生學習科學有正面的幫助；如蔡執仲、段曉林、靳知勤(1996)指出透過探究教學除了能幫助學生學習到科學知識以及技能之外，同時也能夠使其經歷科學家探究自然界以形成科學知識的過程，從中理解科學的本質，促進科學態度的正向發展，以進行有意義且主動的學習，並能將所學應用在日後的生活經驗中；而楊秀停、王國華(2007)的研究也指出探究式教學的成效包含了：(1)促進和他人溝通的技能；(2)培養學生主動建構知識的能力；(3)學生對科學的學習有更積極正向的態度；(4)提高學生知識及技能方面的學習成效。此外，亦有許多學者(邱榮章，2006；廖祐杰，2006；李志鴻，2006；陳姿妙，2005)的研究結果顯示在國小階段實施探究式教學課程，不論是提升學習動機、科學態度的培養、或是科學學習成效，皆有正面的助益。而探究導向的教學並沒有固定的形式，有啟發式(heuristic device)、引導探究(guided inquiry)式，也有學者強調讓學生「做實驗」。因此，包括學習環、Vee 圖教學(Vee diagram)、專題導向(Project based)探究教學、結構式探究…等教學法，都可以用不同的方式在教學現場具體落實探究式教學。此外， Furtak et.al 在 2012 對 138 組探究本位教學進行後設分析中，也發現教師引導的探究教學活動的平均效應大小(effect size)比學生主導為大，說明學生在引導探究(guided inquiry)的教學策略中能有較好的學習成效。

雖然培養學童的科學探究能力具有不容忽視的重要性，但是近來的研究指出 (Lee, Hart, Cuevas, & Enders, 2004; McDonald & Songer, 2008; van Zee, Bell, Roy & Peter, 2005)，國小教師在進行探究本位的科學教學時遇到困難。教師往往缺乏進行科學探究教學的知識(更高層次的學科教學知識；PCK)，教師也必須對科學本質有更深的理解，以及如何將探究本位的教學應用於課室當中，引起學生的學習動機、營造學習情境(Crawford, 2007; Keys & Bryan, 2001)。 Alake-Tuenter, Biemans, Tobi, Wals, Oosterheert 和 Mulder(2012)也指出學童往往覺得學校的科學課程無聊又枯燥，而且國小教師在尋找可供學生探究的問題時，感到相當困難。Webster, Linda 和 Lisa(1993)也指出學生在進行探究

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教學過程中可能會遭遇到一些困難，例如學生必須同時觀察、做實驗、做解釋、了解新的科學名詞等；因此不易在短時間中學生擁有像科學家一樣的概念(引自林佳昌、楊子瑩、王國華、林凱胤、余安順、楊秀停，2009)。

Piaget, Vygotsky, Bruner,和 Sutton-Smith，指出遊戲可促進兒童的認知發展(郭靜晃譯，1993)，而科學玩具就是遊戲中的工具。O'Brien(1993)以及 Almqvist(1994)主張任何玩具都可以具有教育功能。李戊益(2002)也認為玩具對兒童成長學習的過程有莫大的影響力，可以促進學童在學習過程中快樂的學習。許良榮、周偉苓、彭婷莉(2013)也指出只要能達成培養學生理解科學概念、正向科學態度、養成科學方法，以至於解決問題能力、科學創造力等等，都可以成為一種「科學玩具」。王裕宏(2009)也表示，近年來越來越多的學者提倡藉由「玩具」的製作且結合學校的課程來教學，就可以達到學習的效果。

第二節研究目的與問題

在整理設計科學探究教學的各種不同教學資源或策略文獻後，本研究認為「科學玩具」是設計探究導向課程值得努力的方向，可以提供國小教師簡便可行的教學資源。本研究目的為設計發展適用於國小高年級，培養學生「科學探究能力」為目標的科學玩具探究式教學教案，並以行動研究檢驗、修訂教學設計，以提供國小教師與教學發展的參考。本研究的研究問題如下: (一)利用科學玩具設計科學探究教學，國小高年級學童的學習興趣為何? (二)利用科學玩具設計科學探究教學，國小高年級學童之探究能力的學習為何? (三)利用科學玩具設計科學探究教學，教師所遭遇的困難與解決方法為何? (四)研究者在利用科學玩具設計科學探究教學的歷程中，教師專業成長為何?

第三節名詞解釋

一、探究式教學

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探究教學法(Inquiry Instructional Strategy)強調以學生為主體，給予學

生充分發表、討論與操作的機會，使其透過類似科學家做研究的經驗，體驗與學習到科學知識、科學態度與科學技能(教育百科，2015)。

科學探究沒有一定的步驟與方法，本研究彙整 NRC(1996)、Zimmerman(2000)、 Chinn & Malhotra(2002)、 Martin-Hansen(2002)、洪振方(2003)、高慧蓮 (2005)、鄭湧涇(2008)、白佩宜、許瑛玿(2011)等學者對探究式教學面向界定為： (1)提出探究問題；(2)形成假說；(3)實驗設計；(4)蒐集與分析資料；(5)解釋資料；(6)下結論與溝通。本研究設計的「以科學玩具設計科學探究教學」將以這六面向為綱要進行設計。 二、科學玩具 參考許良榮等人(2013)的文獻，本研究「科學玩具」的界定如下：(1)「玩具」為一個可供把玩(play)的物件(object)。(2)學生有主動操弄該物件的興趣，願意把玩。(3)操弄該物件的現象或變化，能以科學原理或概念解釋。

第四節研究範圍與限制

一、研究情境限制 本研究為教師行動研究，行動研究的目的為研究者在特定時空中，於研究情境中，解決自身遭遇的特定問題，其結論不超出研究者所處研究情境外。教學研究的對象只是研究者所施行教學的學生，本研究資料收集與分析也只針對這些學生，故本研究結果僅限於本研究的特定時空及人事背景下的解釋與結論，不宜做本研究教學場域外的概括性推論。 二、研究者限制 在行動研究中，研究者本身即為研究工具；所以研究者在教案設計、課程設計及教學行動上，將受限本身能力、教學經驗、個人特質等因素而影響成果；另一方面，在資料收集、分析、詮釋過程中，也將受限研究者主觀觀點，而影響到研究結果，造成本研究的限制。

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第二章文獻探討

第一節科學探究的意涵及重要性

根據美國《國家科學教育標準, National Science Education Standards》中對於科學課程提升探究所強調的改變，整理如下表2-1-1(取自NRC, 1996, p.113)：表 2-1-1美國《國家科學教育標準》對於科學課程提升探究所強調的改變分項以往現今 1 以往教學活動重視演示和證明科學的內容。現今強調問題的探究與分析。 2 以往經常限制在一定課堂時間內完成。現今重視延續較長的一段時間。 3 以往過程技能的學習脫離真實情境。現今強調與真實情境相關連。 4 以往分別學習各項過程技能(例如觀察或推論)。現今同時運用多種的過程技能(例如操作、認知、程序性的)。 5 以往的探究重視得出答案。現今重視運用證據和策略以發展或修訂解釋。 6 以往認為科學包括探索和做實驗。現今認為同時包括了論證和解釋。 7 個人或小組在分析和歸納數據時，在以往缺乏對結論進行辯護的機會。現今強調個人或小組對結論能夠進行辯護。 8 以往為了有較多時間學習大量的科學內容，只進行少量的探究。現今為了發展學生的理解、能力、探究的評價和科學內容的知識，鼓勵進行大量的探究。 9 以往探究的最終一步是得到實驗結果。現今將實驗結果再應用於科學論證和解釋。 10 以往重視教材和設備的經營。現今更重視概念和資訊的經營。 11 以往學生將私下的溝通意見以及將結論告訴教師。現今強調學生能公開溝通意見，並與同學合作。而美國依據《幼稚園至十二年級的科學教育架構，Framework for K-12 Science Education》為基礎，發展出一套新的美國科學教育系統的《新科學教育標準》(2012)，內容中也再次強調科學探究要素：

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1. 教育應該要反映出現實情境關聯性：重視學生如何習得與應用科學知識，以及學生如何利用已習得的科學知識去幫助他們認識周遭的世界。這點呼應了探究中觀察、提出問題、操作實驗、做出結論等面向的重要性。 2. 著重於深化的科學理解與應用層面 (deeper understanding and application of content):希冀學生能以專家的方式來學習科學知識。也就是探究教學中，希望學生像科學家般的思考，解決問題。綜合以上整理，美國《新科學教育標準》希望培養學生的科學能力是從觀察、提出問題、操作實驗、像科學家般的思考，融入了科技與工程來解決問題，這些就是科學探究的主要面向。而在國內，2014年國教院的「國家教育研究院自然科學領域教學模組研發研究計畫」的會議記錄也統整理出Framework for K-12 Science Education的七項 practice融入課程概念，也大多跟探究的意涵相對應，例如：(1)問科學的問題以及定義工程問題；(2)規劃並執行研究；(3)分析並詮釋數據；(4)建立科學解釋以及設計工程解決方案；(5)獲取、評估以及與他人溝通資訊。另外國內也有眾多科學教育研究人力投入的國科會研究「科學學習與教學領域區塊研究」，系統的進行科學學習與教學的研究，其中區塊研究已經建立「3C素養能力指標」(鄭湧涇，2008)，「科學探究」能力的面向的如表2-1-2。由表2-1-2可看出探究能力包含的要素相當多面性，包括了科學家進行科學探究所應具備的基本知能。許多學者將「探究」視為科學家進行研究的方法與過程(例如 Hofstein & Lunetta, 2004; Park, Jang, & Kim, 2009) ，包含的面向頗為多樣性。 Zimmerman(2000)認為學生學習科學應能：形成假說、實驗設計、觀察測量、進行推理、以及形成理論。而 Chinn 和 Malhotra(2002)則以認知過程來說明科學探究的成分包含：形成研究問題、實驗設計、預測、結果解釋、發展理論以及閱讀研究報告等。

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表2-1-2 國科會「促進學生3C 素養」區塊研究的「科學探究」之面向定義面向科學探究是獲取科學知識的過程，透過證據之建立與邏輯分析來進行問題解決的活動。科學探究包含提問與假說、研究、實驗與資料蒐集分析，詮釋與結論等四個面向。 1. 提出問題與假說

(Posting Questions and Hypothesis)： (1)能經由觀察的資料，提出問題。(Observing) (2)能提出可以探究的問題。 (3)能使用操作型定義描述概念。 (Defining Operationally) (4)能根據資料形成可以驗證的假設。(Hypothesizing) 2.研究(Planning)： (1)能根據問題提出可以執行的探究研究。(Experimenting) (2)能操弄與研究相關的控制變項。

(Identifying and Control Variables) (3)能控制影響研究結果的干擾變項。 (Identifying and Control Variables)

3.實驗與資料蒐集分析(Experimenting, Data Gathering and Analying)：

(1)能依據研究內容進行實驗。(Experimenting) (2)能應用不同的方式蒐集資料。(Collecting data) (3)能運用不同的工具紀錄資料。(Measuring)

(4)能對蒐集到的資料，進行比較分類。(Classifying) 4.詮釋與結論(Interpreting and Concluding)： (1)能使用科學術語描述與解釋資料。 (Interpreting data) (2)能根據資料形成結論。 (3)能根據資料進行推論。(Inferring) (4)能根據資料進行預測。(predicting) (引自鄭湧涇，2008) 雖然文獻中不同學者對於科學探究所包含的面向有所不同，但是差異性並不大。本研究歸納了文獻資料在國小階段應具備的科學探究能力如表 2，包括了： (1)提出探究問題；(2)形成假說；(3)實驗設計；(4)蒐集與分析資料；(5)解釋

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表 2-1-3 科學探究能力面向之相關文獻出處面向 1 2 3 4 5 6 7 8 1.提出探究問題 ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ 2.形成假說 ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ 3.實驗設計 ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ 4.蒐集與分析資料 ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ 5.解釋資料 ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ 6.下結論與溝通 ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ 註：出處代號：1.NRC(1996)；2. Zimmerman(2000)；3.Chinn & Malhotra(2002)； 4.Martin-Hansen(2002)；5.洪振方(2003)；6.高慧蓮(2005)；7.鄭湧涇 (2008)；8.白佩宜、許瑛玿(2011)

第二節科學探究教學相關研究

探究導向教學並沒有固定的形式，Keys 和 Bryan(2001)指出探究不是一個特定的教學模式方法或課程模式；有些學者則認為教師的教學介入愈少愈好，強調啟發式(heuristic device)設計，以協助學生技能的學習；有些學者強調結構化(有一定程序)的教學活動，例如引導探究(guided inquiry)的教學策略；也有學者強調讓學生「做實驗」，以增進其探究能力(例如 Martin, Kass & Brouwen， 1990； Shepardson, 1997; Sutman, 1996)。因此，包括學習環、Vee 圖教學、專題導向(Project based)探究教學、結構式探究…等教學法，都可以用不同的方式在教學現場具體落實探究教學。雖然這教學策略有不同的形式，但是基本上皆重視：(1)以學習者為中心的學習歷程；(2)以生活世界的現象、議題來形成問題；(3)強化學生的表達機會；(4)增加師生之間與學生之間的意見溝通；(5)重視小組學習。但是在進行探究的教學時，必須注意釐清教學目標，是透過探究進行「概念或其他教學目標的學習」，還是經由實際探究「學習探究能力」？ Bybee(2000)

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以及 Lunetta(1998)指出 NRC(1996)的「探究」有兩種意涵：一是將「探究」視為一種內容的理解(content understanding)，讓學生建構概念、創造意義以解釋他們的經驗；二是將「探究」視為一種技能和能力，學習觀察並提出問題、形成假說、設計與執行實驗、修訂解釋、科學論證的溝通與辯護等等。如同 Abd-El-Khalick et al.(2004)將「探究教學」區分為「方法與目的」(means and ends)；以「方法」而言，將探究作為一種教學方法，其目標為達成學生對科學內容的理解。而「目的」是將探究作為教學目標或成果，學生學習如何進行探究 (to do inquiry)，以發展對科學本質以及科學知識的認識論理解。類似的區分是 Anderson(2007)將「探究」的概念區分為「探究學習」(inquiry learning) 與「探究教學」(inquiry teaching)，前者屬於將探究歸在學習成果的範疇，因此包含了技能的習得以及對探究的理解；而後者屬於教學實施的範疇，有多元教學方法與目標。國外國內對探究式教學的研究資料相當豐富且多元，研究者整理相關研究結果如下表 2-2-1。表 2-2-1 科學探究教學相關研究整理研究者(年代) 主題主要研究發現 Gibson & Chase (2002) 科學探究程序對中學生科學學習態度的影響其研究結果顯示，科學探究程序能提升學生科學學習態度以及學習興趣。 Dunkhase (2003) 探討雙探究循環教學策略作為學生有效學習因素以學生為中心建立雙探究學習環境，以辯論的方式參與探究議題，讓學生自行進行探究歷程，最後師生共同分享結果，在整個過程中教師能看到學生學習的熱忱。 Songer & Ho (2005) 科學探究學習循環對學生科學解釋能力與概念學習的影響生物概念測驗前後測達顯著差異，科學解釋能力前後測也達顯著差異，學習者在探索過程中，能整合自己對生物的瞭解和其他同儕的發現，反映在其他推論結果上。

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表 2-2-1 科學探究教學相關研究整理(續) 研究者(年代) 主題主要研究發現 Furtak et al.(2012) 蒐集 37 個探究式教學之研究的後設分析研究結果顯示探究本位教學方法能夠更有效地幫助學生概念的理解，且對學生學習具有顯著的正向效果。學生投入於教師引導的活動中有更好的影響效果。劉宏文、張惠博(2001) 高中學生進行開放式探究活動之個案研究學生學習到如何形成問題、實驗設計、執行探究、解釋資料，學生所從事的科學活動與科學家真正的科學工作可能有些差距，然而卻是亟富啟發意義的探究經驗。韓順興(2004) 實施創造性探究教學對學生學習動機、學習成效、創造力的影響實施創造性探究教學後，學習動機前後測有顯著差異，概念測驗前後測也達顯著差異，而對學生創造力也有明顯幫助。吳佳蓮、吳心楷(2006) 科學探究活動中國小五年級兒童科學解釋能力及實務認識論經過本探究過程後，學生的科學解釋能力有所成長，學生在探究活動中呈現的實務認識論和指出變數間關係的能力、產生解釋的推理過程的能力間是有關連的。林雅雯、張靜嚳(2006) 國一數學探究教學之行動研究受試班的改變主要有：段考成績進步、教室氣氛大為改善、學生的信念有正向的改變。黃毓琪(2007) 探究活動中科學解釋能力的表現接受 IT 探究式教學與接受 STS 探究式教學之學童在教學前後科學解釋能力皆有顯著成長，而兩種探究式教學之間無顯著差異。楊秀停、王國華(2007) 實施引導式探究教學對於國小學童學習成效之影響。學生在知識的學習、能力的表現及態度的培養等方面的成效有所提昇，也發現學生自行實驗設計的能力，需要教師適度的引導才得以展現。蔡執仲、段曉林、靳知勤(2007) 實施巢狀探究教學模式，與教科書為主的教學模式比較經歷一學期的探究教學，學生的科學學習動機顯著優於傳統的教學，特別是在於主動建構知識的後設認知策略上。

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表 2-2-1 科學探究教學相關研究整理(續) 研究者(年代) 主題主要研究發現陳均伊、張惠博(2008) 一位化學老師實施探究教學的歷程與省思之個案研究個案教師認為探究教學須以學生為中心，考量學生的先備知識與能力，設計學生能力所及的探究教學活動，由教學成效發現學生樂於參與探究教學，亦能學習相關科學知能。盧秀琴、洪榮昭、蔡春微(2008) 5 Why 鷹架式提問提升國小學生學習成就與探究學習能力實驗組學童的科學概念、技巧及科學探究學習能力，均顯著優於對照組學童；實驗組學童能擴散思考各個層面的問題，幫助聚合於核心問題並提出解決策略。蘇育男(2009) 5E 教學模式對學生學習成效、概念改變、學習動機的影響兩組學生在經過教學後，測驗的成績均有顯著提升；在概念改變成效，實驗組優於對照組；在學習動機方面，實驗組學生整體學習動機的提升明顯高於對照組。曾崇賢、段曉林、靳知勤(2011) 探究教學的專業成長歷程教師的專業成長歷程有知識論轉變及學科教學轉變等二個面向，教學反思及支持系統為影響教師專業成長的關鍵因子，而信念的強化是專業成長的重要階段，它影響了教師的轉變且支持教師願意繼續進行探究教學。白佩宜、許瑛玿(2011) 探討不同探究式教學法對高一生科學探究能力與學習環境觀感之影響 (1)探究課程前後，全體學生在「提出問題與形成假說」上有明顯進步。(2)低探究能力學生的探究能力進步顯著多於中、高探究能力者。(3)結構式探究對學生的「提出問題與假說」能力最有幫助，也能增進低探究能力學生的「實驗與資料蒐集分析」能力。(4)引導式探究對中、低探究能力學生的「提出問題與假說」有所助益。(5)開放式探究能增進高探究能力學生的「計畫」能力。張珉甄(2011) 以創造性問題解決融入與「力」相關之科學遊戲的教學成效之研究 (1)教學後，學生的概念認知及科學探究能力顯著成長。(2)教學能引發學生的創意、促進同學間的情誼，受到多數人的喜愛，在活動過程中，學生的發言情形漸有進步，對科學概念更為熟悉。修訂自彭天音(2010)

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綜合以上國內外相關研究發現，不論是以探究能力為教學目標，或是以探究為教學方法學習其他目標，探究式教學的成效頗受眾多學者的肯定。例如 Furtak et al.(2012)以「後設分析」蒐集共 37 個探究本位教學的研究，結果發現平均效應大小(effect size)約為 .50，高於 1980 年後所有的報告數據( .06 到 .43)，接近 Schroeder, Scott, Tolson, Huang, 和 Lee (2007)發現的 .65。 Minner, Levy 和 Century(2010)也蒐集比較探究式教學與其他教學法的差異，發現在 42 個研究中有 23 個(55%)研究發現，實驗組(探究式教學)的表現優於對照組。Furtak et al.(2012)又指出不少研究以實驗研究法或準實驗研究法比較探究教學與其他教學的差異，研究結果顯示探究本位教學，能有效地幫助學生概念的理解。國內學者對於探究教學也投入相當多的研究，並有類似的發現。實施探究式教學的成果，對於學業成績方面、學習能力皆有正面的成效。例如林靜雯與張靜嚳(2006)發現 PCDC 探究教學能提升八年級學生數學科的學習成效。吳佳蓮、吳心楷(2006)發現五年級學童在探究活動中，在變因間的關係，與產生解釋的推理過程能力有明顯的成長。鄒佳芬(2007)則發現探究式教學，對學生科學過程技能與探究能力的學習成效，優於傳統教學法。楊秀停等人(2007)的研究結果也發現，學生在知識的學習、能力的表現，以及態度的培養等方面的成效有所提昇。劉宏文、張惠博(2001)則發現探究活動，提供學生學習與他人合作的機會，學生彼此間對相關問題的不同想法，會透過合作而及時修正，並得到啟發，適度分擔個人的認知負荷，共同發展對新概念的理解。白佩宜、許瑛玿(2011)的研究則指出探究課程前後，全體學生在「提出問題與假說」上有明顯進步。韓順興(2004)、蔡執仲(2007)、蘇育男(2009)的研究皆指出在探究式教學後學生的學習動機顯著優於傳統的教學。黃毓琪(2007)、盧秀琴(2008)、張珉甄(2011)的研究也發現學生的科學概念認知、科學探究學習能力、科學解釋能力皆有顯著成長。韓順興 (2004)、林雅雯(2006)、蘇育男(2009)，也發現學生的概念改變成效、測驗成績在教學後有顯著提升。綜合以上文獻，顯示科學探究的教學具有值得肯定的成效，

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為提升學生科學學習，值得重視與持續發展的方向之一。

第三節探究教學的教學問題與設計

一、教師的問題

雖然促進學生的科學探究能力已成為科學教育的核心目標，但是從相關的實徵研究顯示，探究導向的課程或教學仍有很大的努力空間(Lee, Buxton, Lewis & LeRoy, 2006)。Shymansky 和 Kyle(1992)與 Tobin & Gallagher(1987)的研究指出探究式的科學課程並沒有達到促進學生與科學探究相關的高層次的思考能力-批判思考、邏輯推理與解決問題等，尤其是理論與實務之間的銜接；例如對於探究本位的教學，很多教師對於營造教學環境、協助學生發展恰當的科學探究觀點有困難(Crawford, 2007)。就如同國外學者提出教師實施探究式教學所需具備的能力與知識如下表 2-3-1。由表 2-3-1 中可得知實行探究式教學對於老師而言，不僅僅需要具備豐富的學科知識，尚須瞭解學生的先備知識，才能適度給予的引導，在教學過程中也必須營造良好的探究情境；種種的條件對於教師來說確實是一項挑戰。表 2-3-1 教師實施探究式教學所需具備的能力與知識研究者所需具備的能力與知識 Crawford (2000) 1.更高層次(high level)的學科教學知識(PCK)。 2.教師必須對科學本質有更深的理解。 3.還有更多的了解，在於如何指導，成為學生的良師益友，和學生一起合作(how to coach,mentor, and collaborate with students) Keys &

Bryan (2001)

1.豐富(rich and deeply)的學科知識：教師必須具備豐富的學科知識，這可以幫助學生釐清問題與學習主題的關係，或引導學生思考、或陪同建構歷程與知識、或為學生探究計畫提供關鍵提示。 2.學生學習(student learning)的知識：教師必須了解學生的先備知識(科學認知基礎、科學過程能力)的了解，甚至學生的學習習慣，並依此提供適合的探究方向，並適時提供引導。 3.科學本質(nature of science)：教師了解科學本質有助於教師掌握探究活動的意義，幫助教師扮演好教師在探究活動中的角色，了解科學探究歷程的不確定性，知識的暫時性，重點在於學生探究能力的培養，而不是科學知識的記誦或科學過程技能的操練。

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表 2-3-1 教師實施探究式教學所需具備的能力與知識(續)

4.吸引學生探究(engage students in investigative practices)：教師必須清楚區域文化的差異、學生的次文化、學習態度和學生喜好的學習方式，能引起學生的動機，提供適當的價值吸引，學生能力可及，營造學習情境。整理自顏弘志(2004) 洪振方(2003)更進一步分析探究教學之相關問題，引用 Lawson(1995)分析科學教師不使用探究式教學法的十個最常見理由如表 2-3-1。由表 2-3-1 顯示，如何提供教師合適的教學設計，以降低或克服教師在時間與精力、教學進度、教學習慣、主觀感受等等的問題，是探究式教學中急切需要改善的問題之一。表 2-3-2 科學教師不使用探究式教學法的十個最常見理由 1.時間與精力致力於發展良好的探究單元教材必須花費許多時間，每天五節課要保持熱誠需要太多精力。 2.教學進度太慢我們有學區規定的課程，並且必須涵蓋所有教材，學生將無法涵蓋所有他們必須瞭解的。 3.閱讀困難學生無法閱讀探究取向的書籍。 4.風險太高行政單位不瞭解課室中發生了什麼事：他們會認為我沒有在做教學的工作，我不確定如何使用探究式教學使每一單元產生學習效能。 5.能力分班沒有好的思考者留在普通生物班級。 6.學生的不成熟學生太不成熟，學生浪費太多時間而無法充分學習。 7.教學習慣我這樣教學已經 15 年了，現在沒辦法改了。 8. 具順序性的教科書探究取向的教科書使我們陷於此書籍所編列的順序中，我無法略過任一個實驗，因為太多的新教材呈現於其中。 9.師生的不舒適當我無法掌控課室中正在進行什麼時，會覺得不舒適，學生也覺得很不舒適 10.價錢太高我的實驗室設備不適合探究，我的學區不會購買維持探究取向所需的材料。 (Lawson, 1995；引自洪振方，2003) 另外 Tamir(1991)也認為大多數的教師並未準備好進行有效的實驗教學，除了教師的講述教學習慣之外，主要是受限於食譜式的教學內容，即學生依據教材

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或老師的規定，使用特定的步驟和方式，來驗證書本上記載的事實或自然現象。另外陳均伊(2008)也指出教師對於探究教學的理解不足、不熟悉如何實施探究教學，或者對於探究教學的成效抱持懷疑的態度，也是教師不願實施探究教學的重要因素。二、開放式、引導式或完全結構式？明示或暗示？探究本位教學可依教師的涉入學生學習過程的程度分為開放式、引導式與講述式；或是分為開放式(發現式)、引導式、結構式與印證式(食譜式)(顧炳宏、陳瓊森、溫媺純，2011)。不論何種區分，基本上差別在於：(1)探究的問題與假說：教師給定或是學生自行決定；(2)實驗設計與變因操控：由教師準備與決定或學生自行設計；(3)解釋資料與下結論：有特定解答或非單一解答。由文獻的分析顯示，教師適當的進行引導是達成探究教學成效的重要因素之一。Sandoval 和 Reiser(2004)指出，進行探究學習是以解釋為導向的教學，必須經由教師發問的方式引導學生進行學習，以日常生活中的現象為問題的脈絡，才能連結學生的先前經驗，促進學生的概念轉變，將知識在不同情境中轉移。而 Furtak et al.(2012) 的後設分析結論指出在教師引導的活動 (teacher-led activities)比學生主導的活動有更高的平均效應大小(effect size)，反映了學者認為進行探究本位教學時，如果教師只是從旁觀察，缺乏結構化的教學，其教學價值並不可靠。而國內學者楊秀停等人(2007)的研究也指出學生是具有實驗設計能力的，只要教師給予引導，並給予合適的任務，利用小組合作力量，足以讓學生主動進行探究的。白佩宜(2011)也提出針對不同探究能力學生，不同的探究模式具有不同的教學成效：(1)結構式探究可以增進低探究能力學生的「實驗與資料蒐集分析」能力。(2)引導式探究對中、低探究能力學生的「提出問題與假說」有所助益。(3)開放式探究能增進高探究能力學生的「計畫」能力。由於本研究的教學對象，是常態分班的國小高年級學生，研究者採取引導式探究教學。另一方面，如同科學本質的教學強調應以明示的教學進行，才能有效提升學

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生的理解與學習。Park Rogers(2009)指出在國小實施探究本位教學，學童需要明示的教學，否則學生的學習未必有正向的效果。Kuhn (2005)、 Li 和 Klahr (2006)、Zohar(2004)等學者也建議應以明示教學的方式，引介學生學習與探究相關的科學思考策略，才可發展學生的科學探究能力。這些研究符應了 Krajcik, Blumenfeld, Marx 和 Soloway(2000)，以及 Reiser, Tabak, Sandoval, Smith , Stinmuller & Leone(2001)認為如果課程的設計能提供「學習鷹架」，將可幫助學生投入科學探究的學習。Li 和 Klahr(2006)、 Roberts 和 Gott(2000) 則指出，除非對於研究問題、形成假說、實驗設計、蒐集與分析資料、解釋與論證等探究過程有關的科學思考策略進行「明示的教學(explicit instruction)」，否則多數的學生無法在探究課程中，發展出上述的科學探究能力。洪振方(2010)綜合探究教學的相關研究，指出文獻中很多研究不是以明示的教學，而是以內隱教學(implicit teaching)的方式，將科學思考策略嵌於探究活動中，例如以「你將會改變、測量、保持不變哪些變項？」的問題提示學生，或者要求學生列出操縱變因、控制變因和應變變因，但沒有向學生說明如何進行控制實驗的思考策略。而且近年來，學者們的研究常是選擇某一項科學思考策略進行明示教學，其中以控制變因的研究為最大宗(Toth, Klahr, & Chen, 2000; Zohar & Ben-David, 2008; Zohar & Peled, 2008)，但仍然缺乏使學生投入整個科學探究過程的研究(引自洪振方，2010)。

由上述文獻分析，本研究將以「引導式探究」設計教學，並且以「明示的」教學設計，促使對國小學童對而言是「有意義的探究學習」。

三、引導式探究教學的設計

Duggan, Johnson 和 Gott(1996)指出如果學生缺乏為什麼要蒐集資料的動機，就難以產生明確的學習效果。因此，如何提供恰當的探究主題，是教師必須面對的問題，也是科學教學者必須學習與反思的重要課題之一。值得我們注意的是：探究的問題應該要能引起學生「主動探究」的「興趣與熱情」。例如 Krajcik,

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Czerniak 和 Berger(2003) 在論述專題本位教學模式 (project-based instruction)，就指出驅動性問題(driving question)是教學的起源，此驅動問題扮演專題探究的關鍵角色，必須具備學生(能力)可以做(Feasibility)、值得做(Worth)、意義化(meaning；學生有興趣探索，對學生而言是有意義的)、真實世界的情境等等。由此顯示，探究主題或問題是否能夠引起學生的興趣，是發展教學的關鍵因素之一。陳均伊(2008)也指出探究教學須以學生為中心，考量學生的先備知識與能力，設計學生能力所及的探究教學活動，在觀察、實驗設計與製作模型的歷程中，發展科學探究知能，並由教學成效中發現學生樂於參與探究教學，亦能學習相關的科學知能。。 Milne(2010)以「現象學的美學(phenomenological-aesthetic approaches)」強調美學經驗對於國小學童投入探索自然現象時具有重要性，除了促進概念的理解，也能發展出程序性知識(procedural knowledge)與技能。Milne(2010)以此觀點說明讓學生產生「驚奇(wonder)」的美學經驗包含了三個面向：(1) Wonder about：怎麼會這樣？為什麼會這樣？接下來會怎樣？(2)Wonder at：相當於鑑賞階段(appreciation phase)，學生是否覺得好好玩、很興奮？(3)Wonder whether：包含價值層面的問題，例如：我應該做(實驗)嗎？我必須做嗎？這個重要嗎？這個有比較好嗎？另一方面， Arcus(2003) 說明紐西蘭的科學課程發展中，促進各階層學生的九項「傾向指標(dispositional indicators)」，包括了：對於我們的世界呈現出好奇心、對科學有熱情與興奮、被科學相關活動吸引、對觀察或解釋等等有驚奇感與熱情…等。由上述文獻顯示，在教案設計方面必須考量學生具備的能力，並在教學活動中對於學生產生吸引力與引發好奇心，是促成學生在探究式教學中達到學習成效的最佳原動力。因此本研究以科學玩具為設計科學探究教學的素材，讓學生在「玩玩具」中進行學習，並採取「明示」的「教師引導」探究式教學，是相當具

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第四節科學玩具

郭靜晃(1993)指出遊戲可促進兒童的認知發展為觀點的主要學者有： Piaget、 Vygotsky、 Bruner、 Sutton-Smith。

一、Piaget 理論 Piaget 的認知理論即指個體去適應環境的過程，亦即同化與調適之間的平衡，而遊戲是一種不平衡狀態，且同化作用大於調適作用，所以孩子在遊戲中不用學習新的技巧，他們可以透過遊戲去練習並鞏固最新的技巧，進而達到熟練的程度。二、Vygotsky 理論 Vygotsky 認為遊戲可以直接促進兒童的認知發展，他認為兒童沒有抽象的思想，對兒童而言，意義與實體是不可分的，兒童沒有看到具體的事物便不瞭解它，直到他們約 3-4 歲開始進入想像遊戲並開始使用物品來代替某些東西，此時，意義與實體才開始分離，兒童具有表徵想像的能力才能區別意義與實體，因此表徵想像性遊戲對兒童的抽象思考是很重要的，遊戲可以促進兒童的創造力與變通力。三、Bruner 理論 Bruner 認為從遊戲當中可以嘗試很多新的行為及玩的方法，以便日後應用到實際生活情境，進而解決生活上的問題，遊戲因增加兒童行為的自由度而助長了變通力，透過練習及過度學習的遊戲行為可以加以整合變成日後成熟的行為模式，並學習解決問題的能力。四、Sutton-Smith 理論 Sutton-Smith 認為遊戲中的「假裝是…」，可以幫助兒童打破傳統心理聯想而增加新的想法，這種新的想法可以促進兒童廣收創意，以及將創意連結增加心智的彈性，以幫助其成人後適應生活的目的，也就是國外教育哲學常鼓勵孩子打破傳統，用新奇與創意來嘗試不同的情意和物體，以增加探究的科學精神。

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玩具並沒有特定形式或媒介，一條繩子、一堆土、一片青草，都可用於遊玩、嬉戲(楊忠樵，2001；王美蘭，1994)。維基百科(Wikipedia，2015)則定義玩具為「可以用於玩耍(play)的物件，玩玩具可以訓練兒童在人類社會中如何生活的愉悅方式」。美國玩具工業協會(Toy Industry Association)生產的玩具有104 種的類別，種類繁多。參考Szymanski 和 Neuborne(2004)討論玩具的類型，以及維基百科(2015)中對於教育的玩具(educational toys)的分類以及相關文獻，將玩具歸納為以下七項：(1)角色玩具(character toys)：例如芭比娃娃、士兵玩具。(2)建構玩具(construction toys)：例如傳統積木、樂高積木。(3)電子玩具(electronic toys)：例如掌上型遊樂器、太陽能車、套裝機器人。(4)實物模型(models of real objects)：例如交通工具、動物、玩具鋼琴等模型。(5) 解謎玩具(puzzles)：例如魔術方塊、拼圖。(6)科學實驗(science experiment)：例如套裝的科學實驗組、原子模型組。(7)非結構性玩具(unstructured toys)：例如玩橡皮筋、彈珠、筷子等等。但是Smirnova(2011)在討論「角色玩具 (character toys)」時，認為將玩具定義為「玩耍的物體(object)或工具(tool)」可能過於狹隘，因為兒童在把玩玩具時，經常包含了超越該物體的想像力，如何區分真實物體或虛擬物體?何者才是真正的玩具？因此Smirnova(2011)認為所謂「玩耍的物體」包括了可知覺的實際物體，也包括任何兒童在玩耍時想像產生的物體或人物。玩具在兒童的發展過程具有相當重要的影響(Forschauer, 1993)，Cambre 和Hawkes(2004)在討論玩具的發展歷史，指出玩具可以培養兒童的創造力、問題解決技能以及社交行為等等。Bybee 和 Landes(1990)則認為玩具可使用各種教學階段，例如可以利用玩具增強學生的「投入(engagement)」，以個別或小組合作進行「探索(exploration)」或「精緻化(elaboration)」。國內學者也指出玩具具有不可忽略的教育功能，例如兒童的想像力與創造力則可以藉由玩具、教具來激發(黃天中，1984)。高麗芷、王錦銘(2010)則認為把玩適當的玩具，可促進

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除了文獻研究的重視，在九年一貫課程中也強調玩具的重要性，例如「自然與生活科技」綱要中(教育部，2008)，與「玩具」相關的能力指標有：(1)2-1-3-2 製作各種不同的玩具，體會「力」有多種，力可使物體動起來，或使物體振動發出聲音。(2)2-2-5-1利用折射、色散，電池、電線、燈泡、小馬達，空氣或水的流動等來設計各種玩具。在想辦法改良玩具時，研討變化的原因，獲得對物質性質的瞭解，再藉此瞭解來著手改進。(3)「自然與生活科技」學習領域之教材內容要項：「421-2d-利用電線、電池接成通路驅動玩具馬達。」玩具種類繁多，功能各異，文獻中尚未搜尋到學者對於玩具有完整的分類。以教育的目的而言，Almqvist(1994)提出所謂「教育性玩具(educational toys)」。 Almqvis(1994)指出在1970年代之間有超過三百篇的研究，探討有關於「教育性玩具」對於兒童的教育議題。但是這些研究都沒有探討「教育性玩具」是否比「非教育性玩具」更有教育價值？而部分研究(Roeder & Masendorf, 1979)指出大人的參與和指導，或是兒童的智能發展是影響玩具教育功能的主要因素，而非玩具本身。但是在1980年代，較多的研究專注於玩具對於自然科學、數學和空間概念的學習。研究發現某些玩具(建構玩具，construction toys)能夠促進兒童的科學、數學或空間概念。由此可見，玩具除了在科學學習具有值得重視的功能，如何設計恰當的、具有科學教學功能的玩具，更是值得我們重視的課題。「玩具(toys)」是伴隨兒童成長過程中不可或缺的物件(Swiniarski, 1991)，因此在教育的功能也廣為學者所肯定，例如賀慧玲(1992)指出玩具帶給孩子歡樂、陪伴及自主，能敏銳幼兒感覺、激發幼兒好奇心、增進幼兒的記憶力、想像力、培養幼兒的審美能力和增進幼兒的注意力。李戊益(2002)也認為玩具對兒童成長學習的過程有莫大的影響力，可以促進學童在學習過程中快樂的學習。因此不少學者認為利用科學玩具從事科學教學，讓學童在快樂中學習科學原理，有事半功倍的效果(賴慶三、王錦銘，2010；方金祥，2009)。Goldstein(1994)指出 80 年代有不少關於教育的研究發現，玩具可以刺激兒童對於科學、數學或是空間概

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念的理解。Sarquis, Hogue, Sarquis 和 Woodward(1997)也認為由於科學玩具貼近學生的真實世界，能有助於學生的科學學習。

有鑑於科學玩具的教學價值，不少學者提出各種玩具在科學教學的建議 (Taylor, 1989； Watson & Watson, 1987)。Stein 和 Miller(1997)指出使用玩具教導基本的科學原理有其特殊的成效，有助於科學概念的學習。 O'Brien(1993)認為玩具可以協助將科學中抽象的概念，轉化為學生真實生活經驗的具體概念。Guemez, Fiolhais 和 Fiolhais(2009)則認為在物理教學中，無論以講述或示範，玩具皆可以引發學生的學習動機，並促使學生以科學觀點玩玩具。 O'Brien(1993)和 Almqvist(1994)指出任何玩具都可以具有教育功能，換言之，只要能達成培養學生理解科學概念、正向科學態度、養成科學方法，以至於解決問題能力、科學探究能力等等，都可以成為一種「科學玩具」。以此觀點，本文認為「科學玩具」是一種目標導向的定義，而非玩具本質的定義。亦即任何物件只要能設計為達成科學教學之目標的玩具，就可稱之為「科學玩具」。但是無論如何，成為「科學玩具」的首要特徵是：好玩！亦即必須吸引學生的興趣，願意主動的進行操弄。 O'Brien(1993)在論述科學玩具的教學設計時，就指出首先必須考慮學生是否會覺得該玩具是好玩的(this toy to be fun)？ Morris(1995)也強調以玩具結合趣味以及物理(toys combines fun and physics)。因此在設計科學玩具時，應先確認玩具呈現的現象，能否引起學生的興趣，這也是「教具」與「玩具」的最大差異。本研究所採取的科學玩具設計原則也將參考自許良榮等人(2013)提出的設計原則: 1.趣味性：現象或結果能引起學生的興趣？所謂「興趣」是指玩具的操弄現象或結果能引起學生驚奇，會有主動性把玩的傾向。 2.器材的取得是否方便、經濟：避免需要經過訂製或是過於昂貴，亦即科學玩具所需的材料儘量以家庭常備物品，或是在五金行、文具店能購買

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3.為提升「科學教育」的價值性，設計的玩具必須蘊含科學原理或概念，避免單純「角色扮演」、「虛擬」、「知覺反應」或「形狀辨認」等玩具。 4.應避免在現行的課程中出現過的項目，因為如果該玩具已經在教科書中介紹，則沒有必要重複發展，以避免資源浪費。 5.刪除具潛在危險性之科學玩具：例如可能具有爆炸、劇烈燃燒、酸鹼侵蝕、觸電可能、毒性物品等危險性的操作。 6.應明確建議每項科學玩具的科學概念的難易程度、操作的困難度，提出適合的年齡學習階段。由以上文獻探討，歸納本研究的主張與研究方向如下： 1.由文獻分析不同學者對於科學探究所包含的面向，歸納在國小階段應具備的科學探究能力包括了：(1)提出探究問題；(2)形成假說；(3)設計實驗；(4)蒐集與分析資料；(5)解釋資料；(6)下結論與溝通。 2.如何提供教師合適的教學設計，以降低或克服教師在時間與精力、教學進度、教學習慣、主觀感受等等的問題，是科學探究中急需要改善的問題。 3.在國小宜以「引導式探究」進行探究教學，由教師引導學生進行學習，並以日常生活中的現象為問題的脈絡，以促使學生連結先前經驗。 4.本研究認為應以「明示教學」的方式設計科學探究教學，引介學生學習科學探究的各項能力，促使對國小學童而言是「有意義的探究學習」。 5.增進教學活動對於學生的吸引力與好奇心，是促進學生學習科學探究的最佳原動力。因此本研究以科學玩具為設計科學探究教學的素材，讓學生在「玩玩具」中進行學習。

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第三章研究方法與設計

本研究根據研究目的，採取行動研究，透過實際的行動將理論與實務結合；設計科學玩具進行明示的引導式探究教學，了解學生藉由科學玩具，達到探究式教學的成效，以及嘗試解決實務工作情境中所遭遇到問題。

第一節研究方法

在九年一貫課程的推動下，教師即為研究者，Mckernan(1996)指出實務工作者在實際工作情境中，根據自己實務的經驗，特別是實務上所遭遇到的一些問題，來進行研究，研擬解決問題的途徑以及策略，再加以付諸實施，並加以評鑑與反省(引自蔡清田，2004)。根據蔡清田(2000)、林生傳(2012)對於行動研究的特點，整理出其主要特徵如表 3-1-1。表 3-1-1 行動研究主要特徵蔡清田(2000) 林生傳(2012) 1. 以實務問題為主要導向。 2. 重視實務工作者的研究參與。 3. 從事行動研究者的人就是應用研究 結果的人。 4. 行動研究情境就是實務工作情境。 5. 行動研究過程重視協同合作。 6. 強調問題解決的立即性。 7. 行動研究的問題具有情境特定性。 8. 行動研究的研究是屬於發展性的反 省彈性研究。 9. 行動研究所獲得的結論，只適用於 特定實務工作情境的解放，其目的不在於作理論上一般的推論。 10. 行動研究的結果，除了可改進工作 情境之外，同時也可以使實際工作人員獲得解決問題的經驗，促進專業成長。 1. 行動研究為解決特定問題為導向。 2. 行動研究的問題是在實際的工作中產生。 3. 行動研究不一定具有學術的價值但應具有重大的實際意義。 4. 行動研究是精緻化的教學反思。 5. 行動研究是正式理論的應用過程。 6. 行動研究是建構教育專業實踐理論的過程。 7. 行動研究是自求發展的行動歷程。 8. 行動研究為有系統的探究。 9. 行動研究沒有拘泥任何既定的格式。 10.研究的結果提供行動的檢證與回饋，並作為下一次行動研究設計有力參考依據。

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由整理內容可知，行動研究是工作者在實務工作中遭遇問題而發起的研究工作，行動研究的情境就是實務工作的情境；行動研究是精緻化的教學反思，雖然沒有一定的格式與流程，但是為有系統的探究流程，其中核心精神與原則為：「行動研究中，每一次循環的研究結果所提供檢證、回饋、反思，皆為下一次的行動的修正依據。」；行動研究的結果雖然可以解決研究者遭遇的問題，可改進工作情境，使實際工作人員獲得解決問題的經驗，促進專業成長；但是受限於研究者遭遇的情境及欲解決的問題，所以研究成果不宜過度推論。研究者參考 Kemmis 和 Taggart(1988)的螺旋狀行動研究模式(見圖 3-1-1)。

圖3-1-1 Kemmis & Taggart(1988)行動研究螺旋圖依「計畫－行動(執行教學研究)－觀察(收集資料)－反省－修正」五個步驟不斷進行循環；將教學活動設計付諸教學行動，觀察教師與學生的互動，以及學習反應，反省教學實務中所遭遇的困難與問題，再修正教學設計，再重新進行教學行動。在多次的行動及反省中達成解決問題、增進教學品質，並於研究期間保持開放、反省、批判的態度。本研究的研究流程，簡示如圖 3-1-2。

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圖 3-1-2 本研究流程第二節以「科學玩具」設計科學探究之教學設計一、教學設計綱要本研究以許良榮教授主持的國科會 102 年度計畫「科學玩具的設計與發展」的成果為基礎，選取兩個適合的單元進行以「科學玩具」設計科學探究之教學設計，每一項「以科學玩具設計科學探究式教學」為三節課，共計六節課。教學綱要設計是依據科學探究面向的分項能力指標，如表 3-2-1 所示及下列細項說明: 表 3-2-1 以科學玩具設計科學探究之教學綱要科學玩具探究能力懸崖勒馬將紙馬放在桌面用螺帽拉動，適量的螺帽、適當距離，使紙馬能停在桌邊。石在神器以打包帶末端放置寶特瓶蓋，蓋內放小螺帽當發射物，比較飛行距離。一. 提出探究問題 1.為什麼紙馬會停在桌邊呢？ (Why) 2.紙馬滑行的距離和什麼因素有關呢？(What & How)

1.為什麼小螺帽飛行的距離會不同呢？(Why)

2.有什麼因素會影響螺帽飛行的距離？(What & How)

二 . 形成假說 1. 1.螺帽越重，拉力越大，紙馬 2. 越不容易剎車。 3. 2.桌子表面越光滑，摩擦力越 4. 小，紙馬越容易掉下去。 5. 1. 1.打包帶越長，彈力越大， 2. 因此飛行距離應該越遠。 3. 2.打包帶越多層，彈力越大， 4. 因此飛行距離應該越遠。文獻分析（科學探究、科學玩具等）資料蒐集與分析審查（專家學者）進行教學（行動研究）修訂共二個教學循環研究工具設計（學習興趣問卷等）教學設計（教案、學習單等）

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5. 表 3-2-1 以科學玩具設計科學探究教學之教學綱要(續) 6. 3.車子起始位置離懸崖越遠， 7. 越容易煞車，越不容易掉 8. 下去。 9. 4.馬的腳數目越多，接觸面積越大，越容易剎車，越不容易掉下去。 6. 3.相同的彈力，螺帽越重，因此飛行距 7. 飛行距離應該越近。 8. 4.瓶蓋越小、重心越集中打包帶末端，力量越集中，因此飛行距離應該越遠。三 . 實驗設計 1.操縱變因: 符合假說中要討論的變因。 2.控制變因：例如馬腳的材質、繩子的粗細等等。 3.執行實驗操作 1.操縱變因: 符合假說中要討論的變因。 2.控制變因：打包帶的材質，底部的重量。 3.執行實驗操作四.蒐集與分析資料紀錄、蒐集與分析實驗資料五 . 解釋資料能解釋重量或摩擦力等變因與移動距離的關係。能以彈力及重量解釋影響飛行的距離。六 . 下結論與溝通將結果歸納為通則性結論，並發表尋求認同 (一)提出探究問題研究者利用有趣的科學玩具演示活動，營造出令學童感到驚奇、困惑的情境，引起學童的學習動機，再引導學生提出 Why、What & How 的問題。此步驟為引導式探究教學的火車頭，必須讓學童覺得：「真奇怪!」、「怎麼會這樣!」或是「為什麼呢?」，以及學生互相討論、產生對立意見。例如在懸崖勒馬教學單元中的示範實驗，學生會對於紙馬能停在桌邊而感覺到「真奇怪!」；而在小範圍內改變砝碼數量，依舊能停在桌邊而感覺到「怎麼會這樣!」，進而引起學生學習動機，使學生主動去探究「為什麼呢?」。 (二)形成假說研究者演示實驗後，學童觀察到部分的現象，跟自身的知覺及經驗有所矛盾而產生疑惑，教師引導學生去做暫時性的解釋。但是學生可能提出會一些缺乏理論基礎或是不合理的假設，教師必須將學生的假說引導成有價值、合理的假說。

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(三)實驗設計學童在選定要檢驗的假說後，各組依照其假說討論出實驗器材、控制變因、操縱變因、應變變因、實驗流程、記錄表格。此時研究者可以舉例給學生了解，何者是操縱變因、應變變因及控制變因。可以舉例說明：「我想了解吃宵夜對於體重的影響為何?」實驗中操縱變因是吃消夜，應變變因是體重的改變，控制變因為每天三餐的飲食、飲水、睡眠、運動等等。 (四)蒐集及分析資料各組按照實驗設計進行實驗。詳細記錄實驗中的數據、並從中分析那些實驗資料是有相關，那些數據是相互影響的，以及分析操縱變因與應變變因的關係。 (五)解釋資料引導學生以科學語言為自己蒐集到的實驗資料，用簡短、嚴謹、精確的幾句話作出實驗的結論。例如學生能說明﹕「接觸面的光滑程度會影響馬會不會掉到懸崖下，設計的實驗是利用三種不同的桌面，分別是原本桌子、鋪一層砂紙、塗滿一層油的三種表面，實驗資料顯示：表面越光滑者越不容易煞車，表面越粗造這越容易煞車，蒐集到的資料支持本組的假說。」。 (六)下結論與溝通每一組學生進行實驗成果的發表，並做出總結性的口頭報告，上台發表實驗結論，尋求同儕認同與接受。此階段的教學目標在培養學生的傳達與溝通能力、分辨判斷同儕的訊息，以及能瞭解他人的想法與自己想法的異同等等。每一組提出結論，並試著將自己的結論推廣到其他的應用。

第三節研究對象與參與人員

一、教學及研究對象本研究進行兩次的教學循環，每次教學邀請台中市的國小高年級一個班級進行教學，共計兩個班級，每個班級皆進行兩個單元；並於每階段教學完成後，進行學生訪談。

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二、協同研究教師本研究邀請兩位教學資歷至少20年以上的國小自然與生活科技教師，擔任協同研究教師，在教學現場觀察教學，以提供教學的建議與諮詢，指出教學設計的可能缺失與教學活動應改進之處。兩位教師的學歷、資歷、經歷及得獎事蹟如下： A教師為環境教育研究所碩士畢業，任職於國小自然與生活科技教師超過20年，擔任某國小「創意科學社團」指導老師並計畫「科學四部曲」教學專案、「天文 FUN手玩」教學專案，曾多次獲教育部教學卓越計畫全國佳作、Great Teach全國創意教學優等獎。B教師為自然科學教育學系碩士班畢業，任職於國小自然與生活科技教師超過20年，曾獲臺中縣自然科學優良教育人員，及擔任遠哲科學基金會科學宅急便、夏令營、冬令營講師，並負責多次地方與全國科展國小組物理科評審，且指導學生參加科學創意競賽獲獎。

第四節研究工具

本研究為教師行動研究，除了研究者本身即是研究工具之外，研究者並使用學習單、學習興趣問卷、晤談大綱、協同教師教學觀察記錄檢核表，以及探究能力評量等工具，蒐集相關資料。各項研究工具說明如下：一、研究者在行動研究中，教師即研究者，意即研究者本身就是研究工具。研究者除了進行文獻探討、研究設計、教案設計(附錄一、二)，以及進行教學活動的教學者外，研究者在研究歷程中，持續蒐集教師教學與學生學習的相關資料，包括教學錄影、教學札記、協同教師教學觀察記錄檢核表、學習單、學習興趣問卷、訪談紀錄等，藉由對資料的整理分析、反思歷程，進行對教學設計與教學方法的修正，作為改進下一教學循環的參考並獲得教師的專業成長。二、學生文件 1.學習單(見附錄三、四、五、六) 配合每單元教學活動設計內容所編製，共兩份。此兩份學習單讓學生在兩個

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教學活動課堂中書寫，其目的除了幫助研究者記錄學生的學習歷程外，也包括實驗設計、結果紀錄、小組討論紀錄等等內容。 2.學習興趣問卷(見附錄七) 在每階段兩個教學活動後，為瞭解學生對該單元教學活動的學習興趣、活動進行中參與情況，在每回合教學結束後，立即進行問卷調查。本問卷修訂鄭嘉裕 (2005)所發展的「學童科學學習興趣問卷」，該問卷是由屏東師範學院高慧蓮教授(2002)開發，發展時，經由自然科教師與科學教育家修訂，且內部一致性係數為α= .831，頗為穩定一致。本研究欲瞭解學生之學習興趣，該問卷也是用於探究為主題的研究；另一方面，該問卷所提供的選項僅有「是與否」，但是「學習興趣」應有程度上的差異，因此修訂為Likert五點量表；此外，把內容重複的(例如原問卷第4、19 題)刪除，或題幹敘述過長(例如原問卷第3、13、14、16題)，精簡其敘述。修訂後總題數為20題，在第一階段教學後施測結果，內部一致性係數α= .948（n=51人），顯示本工具相當穩定一致。三、協同教師觀察紀錄檢核表(見附錄八) 協同教師觀察紀錄檢核為提供協同教師觀察檢核研究者教學時使用，針對研究者教學活動中，檢核單元目標之達成情況、研究者教學缺失情形，以及記錄教學情形，以提供本研究修正教學活動設計及教學方法之參考依據。本研究參考黃國維(2000)的檢核標準，檢核程度達成全班人數八成以上為「優」(5分)、七成以上為「良」(4分)、六成以上為「可」(3分)、五成以上為「差」(2分)、五成以下為「劣」(1分)。四、晤談大綱(見附錄九) 本研究訪談內容包括：學生對教學活動的學習成效(收穫)、對教學的難易意見以及學習興趣，期望能深入瞭解學生的學習情況與感受。五、科學探究能力評量工具(見附錄十、十二) 有關「科學探究能力」的評量，文獻中不同學者的評量方式與工具相當多元，