利用POE策略設計推理實驗探討國小六年級學生的成影概念及推理過程

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國立臺中教育大學科學應用與推廣學系

科學教育碩士學位暑期在職進修專班碩士論文

指導教授：張嘉麟博士

利用POE策略設計推理實驗探討國小六年級

學生的成影概念及推理過程

研究生：葉銘軒撰

中華民國九十八年十一月

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利用 POE 策略設計推理實驗探討國小六年級學生

的成影概念及推理過程

摘要本研究旨在利用一系列推理實驗配合晤談，探討國小六年級學生在實驗中的成影概念、推理類型和推理過程。本研究採質性研究法，是以POE （預測-觀察-解釋）策略為基礎，在連續五個關於影子的推理實驗中，針對台中縣某國小六年級學生共三十三人進行半結構式晤談，然後對於晤談錄音、錄影所收集的資料進行轉錄並且整理、分析和歸納，以獲得研究結果。研究結果發現：國小六年級學生對於影子和影子形成的過程，大多以光的行進為判斷依據，並存在許多另有概念，因此推理過程中預測結果的正確率大約只佔總數的三分之一，而且先前概念會影響整個推理過程，分析學生們的解釋，大多傾向接受實驗結果並且結合個人日常生活經驗來形成結論，並使用在預測上。實驗若有特殊條件，學生們會注意條件的影響，並用它來預測和解釋，對於較複雜抽象的實驗條件，六年級學生的推理思考能力尚有其限制。在推理類型方面，學生使用演繹推理次數最多，推理過程中混合運用演繹、歸納、類比、臆測四種方式來完成活動的人數最多。學生們呈現的概念及推理類型表現非常多元，大部份六年級學生雖然已具備推理能力，但是受另有概念、感官、臆測等因素影響，在沒有教師引導下，能否推理出正確的結果卻還是一大挑戰。關鍵詞：另有概念、推理類型、推理過程、POE 策略

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A Study of Sixth-grader’s Concepts and Reasoning Processes on Shadow and Shadow Formation by Using the POE Strategy

Abstract

The purpose of this study was to investigate sixth graders’ concepts, reasoning types, and reasoning processes of shadow and shadow formation by using a series of reasoning experiments. The subjects of the qualitative research consisted of 33 sixth-graders in an elementary school in Taichung County. Each subject’s response was obtained by the semi-structured interview during five experiments designed by the predict-observe-explain (POE) strategy. The interview transcripts were coded and analyzed. The major findings of the present study were as the following. The sixth-graders explained how shadow was formed primarily by the propagation of light. However, they shown a lot of alternative concepts, and therefore in their reasoning processes the ratio of correct predictions was only about one-third. Their preconceptions played a role in their reasoning processes. By analyzing students’ explanations, it was found that most students tended to accept the results of the experiments, and they made conclusions and predictions according to their observations in conjunction with their daily life experiences. When a condition was changed in the experiments, students usually noticed that change and modified their predictions and explanations to correlate with the variable. The sixth-graders’ reasoning abilities were insufficient for more complicated and abstract experimental conditions. In the POE activities, the reasoning type that students used most frequently was the deductive reasoning, although the majority of students adopted four reasoning types in their reasoning process. Finally, most sixth-graders possessed reasoning abilities, however, it was still a challenge for them to apply such abilities correctly without the help of teachers.

Keywords: Alternative Concept, Reasoning Types, Reasoning Processes, POE (Predict-Observe-Explain) Strategy

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中文摘要 ... I 英文摘要 ... II 目次 ...Ⅲ 表目錄 ... IV 圖目錄 ...V 第壹章、緒論...1 第一節研究背景與動機... 1 第二節研究目的與問題... 4 第三節名詞釋義... 5 第四節研究範圍與限制... 7 第貳章、文獻探討...8 第一節科學推理... 8 第二節 POE 策略研究 ... 17 第三節概念發展與改變... 23 第四節成影概念研究... 28 第參章、研究設計...31 第一節研究工具發展與設計... 31 第二節研究流程... 41 第三節研究對象... 47 第四節研究情境與倫理... 47 第五節研究者理念與角色... 49 第六節資料蒐集分析... 50 第七節研究信效度... 52 第肆章、研究結果與討論...53 第一節變化中的影子概念... 53 第二節學生之推理類型與推理能力評估... 95 第三節概念與推理過程... 101 第伍章、結論與建議...119 第一節結論... 119 第二節建議... 121 參考文獻 ...123 附錄 ...131 附錄一國內 POE 的相關研究列舉...131 附錄二國外 POE 的相關研究列舉...134 附錄三實驗紀錄單示例─喚醒活動...135

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附錄四實驗紀錄單示例─活動一...136 附錄五實驗紀錄單示例─活動四...137 附錄六晤談逐字稿示例...138 附錄七推理實驗活動學生所持之相關概念統計...143 附錄八學生推理類型統計表...145 附錄九學生推理過程分析總表...146

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表目錄

表2-2- 1 POE 策略於科學教育上之應用一覽表 ... 22 表2-3- 1 學生另有概念的成因與來源 ... 25 表2-4- 1 兒童對「影子是什麼？」之解釋類型... 29 表3-1- 1 光影推理實驗內容與目的 ... 36 表3-1- 2 光影推理實驗設計圖與科學解釋 ... 37 表3-1- 3 實驗設計與呈現結果 ... 38 表4-1- 1 學生成影先前概念結果統計 ... 53 表4-1- 2 活動四解釋概念與人數一覽表 ... 88 表4-2- 1 各步驟推理類型統計表 ... 97 表4-3- 1 學生預測正確率統計表 ... 105 表4-3- 2 學生預測正確類型統計 ... 106 表4-3- 3 學生解釋概念－推理的類型 ... 107 表4-3- 4 學生 S01 活動推理過程變化... 109 表4-3- 5 學生 S18 活動推理過程變化... 111 表4-3- 6 學生 S10 活動推理過程變化... 112 表4-3- 7 學生 S12 活動推理過程變化... 116

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圖目錄

圖3-1- 1 研究架構圖... 32 圖3-1- 2 左右兩邊不同燈光照射下，產生不同顏色的影子... 33 圖3-1- 3 實驗活動器材圖... 34 圖3-1- 4 研究裝置配置 ... 34 圖3-2- 1 活動流程圖（以喚醒活動和活動一為例）... 45 圖3-4- 1 實驗教室配置圖... 48 圖4-1- 1 喚醒活動預測概念與人數統計... 54 圖4-1- 2 喚醒活動解釋概念人數統計... 57 圖4-1- 3 活動一預測概念與人數統計 ... 59 圖4-1- 4 活動一解釋概念人數統計... 63 圖4-1- 5 活動二預測概念與人數統計 ... 67 圖4-1- 6 活動二解釋概念與人數一覽表 ... 71 圖4-1- 7 活動三預測概念與人數統計 ... 75 圖4-1- 8 活動三解釋概念與人數統計 ... 79 圖4-1- 9 活動四預測概念與人數統計 ... 83 圖4-1- 10 各類型概念比例圖... 93 圖4-1- 11 科學/另有/直覺概念比例圖... 94 圖4-2- 1 推理歷程主類別比例圖... 100 圖4-2- 2 推理歷程次類別比例圖... 101 圖4-3- 1 學生 S01 活動推理過程變化圖...110 圖4-3- 2 學生 S18 活動推理過程變化圖...114 圖4-3- 3 學生 S10 活動推理過程變化圖...115 圖4-3- 4 學生 S12 活動推理過程變化圖...117

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第壹章、緒論

本研究的目的在於利用影子變色推理實驗探討國小六年級學童的成影概念、推理類型和推理過程，檢視學生在自然與生活科技課程上的學習認知和科學過程技能的應用程度，可以作為現行課程教學與教學設計的參考依據；本章分為四小節，分別說明：研究背景和動機、研究目的與待答問題、研究範圍與限制以及名詞解釋。 第一節研究背景與動機 一、 研究背景 人類天生就有探究因果關係的傾向。Goswami 等發展心理學家們發現，兒童在五歲或更早，就會利用事件發生的順序來推論某事件導致了另一事件（羅雅芬譯，2003）。Hogan 和 Fisherkeller（2000）指出：「我們用推理去建構知識，我們也用知識去推理」。兒童和科學家都會追問關於宇宙本質的基本問題和無數他人看似全然細微無意義的問題，所以兒童經常被比擬為科學家，這個「兒童就像科學家」的比喻激發了許多人研究兒童如何形成假設、產生實驗以及解釋他們的資料；同樣的，只有當孩童能夠認識假設和證據之間的關係時，他們對因果的了解才能推動科學與邏輯性思考的發展，但是兒童和科學家的問題解決仍然有相當大的差異。兒童對科學推理中的證據和理論的區分能力如何？Siegler 和 Alibali 等心理學者研究發現兒童通常無法區分事件的結論是經由觀察導出的，還是他們先前本身信念所產生的，所以，實驗導出的結果和先前信念不一致時，他們特別難以解釋（林美珍譯，2004）。從西元1970 年後，科學教育轉移到對個體的重視，此後，無論東西方的科學教育，都在其領域中發展探究教學課程（歐陽鍾仁，1988）。科學教育逐漸將建構知識主體回歸到學生身上，讓學生有時間和機會去面對問

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題、解決問題，科學的學習不再只是科學知識和概念的記憶，而轉向強調科學探索能力和問題解決能力的養成。（丁信中、洪振方、楊芳瑩，2001）。因此現今的學生在科學學習中，推理能力的建立是必要而刻不容緩的。 Hogan 和 Fisherkeller（2000）更強調專家和生手科學思考的差別是科學知識本身，而不是推理能力；雖然專家和生手在知識基礎上真的有重要的差別，但卻無法解釋為何同為生手的學生面對一個他們同樣不清楚的主題，卻在思考和學習上有著不同的差別。舉例來說，有些生手的學生能比別人更易克服自己的天真(naive)概念，以統整新資訊及對現象有更全面且綜合的了解。此類生手的學生事實上是具有較強的推理技能、後設認知能力，以及投入有用的認知，而不是擁有較多的先備知識或較高的基礎認知能力（Klaczynski & Gordon, 1996; Kuhn & Pearsall, 1988, 2000; Stanovich & West, 1998）。因此，在教學中加入「推理」的要素是目前科學教育所提倡的。

美國科學促進協會（American Association for the Advancement of Science，簡稱 AAAS, 1989）提出十三種科學過程技能，推理為基本過程技能之一（王美芬、熊召弟，2005）。其中，八個基本過程技能所包含的「觀察」、「預測」和「推理」，和五個統整技能包含：「形成假設」、「鑑認變因」、「解釋資料」等，即是科學探究和推理的重要技能。AAAS 提出的 Projedct 2061，也認為「科學」即是「探究」，其教育目標便是培養美國全民具有科學素養，並能用科學過程解決問題，為達此目的，必需學習科學的過程技能，培養推理能力。（NRC, 2000）。現行的九年一貫課程綱要，國小自然與科技領域課程中的基本理念也提到－學習科學，就是讓我們學會如何去進行探究活動：學會觀察、實驗、歸納、研判，特別是以實驗或實地觀察的方式去進行學習，使我們獲得處理事務、解決問題的能力。（教育部，2003），所以在三～九年級的科學過程的能力指標中皆包含觀察、歸納和推論的指標。由此可知，在國內亦相

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重視學生的科學過程能力的培養。但是二００七「國際數學與科學教育成就趨勢調查」（Trends in Mathemtaics and Science study ,簡稱 TIMSS）結果指出，雖然台灣學生科學表現居全球第二，計算能力優於美國，可是推理能力卻顯得不足（國科會，2005），而調查研究也指出，台灣學生「正向態度」與「自信心」成績亦低於國際平均（陳政帆，2006）。從建構學習的觀點來看，要讓學生真正從事科學探究學習，並從中得到推理等科學技能和喜悅的成果，現今台灣的科學教學實務上，尚有一段差距需要來彌補。二、 研究動機 Bullock（1991）發現三、四年級學生的確擁有某些系統性的推理技巧。研究者在科學教學中也發現：學生在課堂上的科學探究的過程並非能力不足，對於科學知識普遍都能理解、記憶並充份討論、發表的情況下，在實驗課程中，學生卻常常無法連結實驗結果和自己學過的科學知識，對於實驗目的、控制變因、如何改變操縱變因？欲觀察何種結果？都不甚明暸，最後大部分學生都是把教科書敘述套用在學習評量上，但是對真正實驗結果，尤其和課本結果不符合者，學生所採取的策略是忽略它，或者用一些另有概念來解釋；學生們表現出不相信自己面對的證據，反而是依賴教科書權威的解釋，此態度和科學史中科學家的創作相反，著實令人疑惑。

為了解學生的概念和推理過程，Gunstone 和 White（1992）在 Probe Understanding 一書中談到如何探究學生理解的問題，其中提到「預測-觀察 -解釋」的方法，簡稱 POE 策略，提供一個理解學生概念和推理的有效方法，評量學生如何應用自己的知識來推理解決問題，正符合本研究的需要，所以本研究採用POE 策略流程配合實驗和晤談方法來進行。此外，在幾何光學課程的安排中，成影概念通常被認為是相當簡單的學習單元。然而，很多研究顯示，絕大多數的中小學生，對影子形成的概

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念都存有很多的另有概念，本研究從建構觀點出發，藉由邱韻如（1998）的活動設計，發展了以成影概念為主題的一系列推理實驗活動，在整個活動過程中，學生經由本身概念及問題的引導和觀察現象產生認知衝突，在概念的重整與自我協調中，學生如何形成推理，進而達成概念的改變。研究者結合 POE 策略設計了一系列影子變色的推理實驗，探討國小六年級生的成影的另有概念、推理類型及推理過程，以作為教學上幫助學生提昇科學概念理解和推理能力的參考。 第二節研究目的與問題 本研究目的乃是設計一系列影子變色推理實驗，利用 POE 策略讓學生進行預測活動，提出假設理由，觀察，再由學生對觀察結果和預測結果提出評估解釋；在晤談之後，學生再連結著下一個活動的預測、假設、觀察、解釋。於是，利用此流程來探討學生的科學推理和概念；研究者將從學生晤談的質性資料和 POE 活動單的文本中，整理分析學生以下的研究資料：（一）國小六年級學生對成影過程和影子的另有概念。（二）國小六年級學生對一系列影子變色實驗的推理過程。希望能提供教師在探究性教學或科學活動(例如：科學遊戲…)提供一個參考模組來設計教案內容。故本研究問題如下：（一）國小六年級學生成影過程和影子的另有概念為何？（二）國小六年級學生在推理實驗活動中的推理類型為何？（三）國小六年級學生在推理實驗活動中的推理過程為何？

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第三節名詞釋義 以下就本研究所提及之相關名詞加以解釋： 一、 POE 策略 本研究活動中所採用的 POE 策略分為三個步驟：Predict（預測）、 Observe（觀察）、Explain（解釋）來進行，首先要求學生對於事件的結果進行預測並說明其理由，接著請學生描述並寫下他們實際所觀察到的現象，最後要求學生針對觀察與預測之間的相異做出最後對結果的認知評估、提出解釋或理由來調和認知上的衝突。(White & Gunston, 1992)。藉由此過程中邏輯推理的應用來看概念改變及推理過程結果的影響。 二、成影概念 「光線在行進間受到物體阻礙，無法透過，因此在物體背後形成陰影」為本研究依據之成影概念，在POE推理實驗活動中，本研究將學生呈現的概念分為三種：（一）科學概念本研究所指的科學概念乃是指學生在POE 推理活動實驗中，依據日常生活經驗、學校學習或其他途徑，對於科學現象所產生的認知，與當今科學家所認同的看法與信念相同者。（二）另有概念（alternative conception）本研究所指的另有概念乃是指在學生POE 推理活動實驗中，依據經由日常生活經驗、學校學習或其他途徑所產生的，對於科學現象所產生的認知，與當今科學家所認同的看法與信念不同者。（三）直覺臆測本研究所指的臆測乃是指在學生POE 推理活動實驗中，對於科學現象所產生的認知，乃是依據感官直覺判斷，而沒有形成概念的理由來依據或依照邏輯法則來推理者。

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三、推理策略 本研究所指之推理策略，是指學生在 POE 推理活動實驗中，依據自己背景知識或邏輯來預測和解釋的方法，其中包括：演繹、歸納、類比、臆測四種類型。將各推理類型定義如下：（一）演繹推理(deductive reasoning) 係根據已知的事實或假設條件推理出結論的推理方式，亦即根據普通的原則去確定特殊事例的推理。學生可能以科學概念或另有概念進行推理，運用的概念可能是確定的原則，也可能只是假設性的條件。（二）歸納推理 (inductive reasoning) 從一些特殊的例子或證據引出結論，即以觀察所見多個事例所得經驗為基礎，歸結出槪括性的結論，藉以做為解釋或預測類似事件可能發生之根據。學生可能依循舊經驗，或根據進行中的實驗，將所獲得的資料進行歸納再加以運用。（三）類比推理（analogical reasoning）從新問題與舊經驗間發現有類似之處，比而同之，將以往的經驗用於解決目前問題的方法。雖同樣是運用舊經驗，不同於歸納推理者，乃類比推理有一明確的類推對象。（四）臆測面對新的情境，學生雖能知覺問題的癥結，但沒有心智思考的依據，只能以直覺臆測，說不出具體的緣由，也沒有使用邏輯法則來回答。當學生於 POE 活動之預測與解釋階段，所提出的理由與解釋，並不一定是單一概念或單一推理方式，為了將學生的活動資料能完整呈現，於分析概念與推理類型時，研究者先將學生所提及的概念逐一分析列出，再根據其所運用的概念進行推理類型的分類。

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第四節研究範圍與限制 本研究採質性研究，研究目的在於了解國小六年級學生在POE推理實驗中呈現的成影概念改變和推理過程，以作為教學設計參考之用，由於受到研究時間、人力等種種因素的影響，研究有以下的範圍和限制： 一、研究範圍 （一）本研究將採方便取樣，僅針對台中縣某國小六年級其中一個班級進行研究，人數為三十三人。（二）本研究以日活經驗為基礎，相信每人都有基本的推理能力，所以不考慮性別、家庭背景、學業成就等其他因素所造成的差異。（三）本研究僅針對晤談中所提及之概念與推理做分析，而其它相關變項則不在分析範圍。 二、研究限制 （一）為充分了解學生的概念和想法，本研究主要採用 POE 策略配合半結構式晤談來獲得質性資料，其他方法所得到資料儘提供輔助參考。（二）本研究晤談並非隨機抽樣取得，且樣本範圍有限，因此研究結果的分析僅適用於所研究對象在本研究設計範圍內的解釋。（三）本研究之內容以影子變色、變化為範圍，對於其他光學或物理概念則不宜做過度推論。

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第貳章、

文獻探討

本研究利用 POE 策略配合實驗活動，探討國小六年級學生的成影概念、推理類型和推理過程。本章共分成四節，第一節引介推理科學推理相關文獻，第二節介紹POE 策略及相關研究，第三節說明概念和概念改變研究，第四節呈現目前成影概念的研究。 第一節科學推理 一、 推理與科學推理 推理也稱為邏輯推理，因為有效的推理過程，必須合於邏輯，我們常用邏輯來研究推理，所以認為推理和邏輯思考是分不開的。Klenk 指出推理是我們大部份知識之來源，而研究推理就是要從研究邏輯下手（引自劉福增，1997 譯）。在張氏心理學辭典（張春興，1989）中，「推理」是指按照邏輯規範推理思考的歷程，或是解決問題時合理思考的歷程。但是，另一方面，推理卻也是人們和環境互動下大腦的思考活動過程。馬秀蘭（2007）認為推理是我們處理問題時的反應，是自然而且不由自主的，在日常生活中我們常使用推理而不自知；所謂的推理能力就是從所知證據推出或抽出適當結論之能力，所以在日常生活中相當重要。Angell （1964）指出：推理（reasoning）是人類的一種動態活動，推理是我們做的一些事，它也是一種心理活動，這種活動包括解決問題、想出某事。它有四個特點：1.推理是過程、有目的；2.依據推理目標而採取特定的推理方式；3.屬於個人的；4.是一種心智及內心的活動（引自馬秀蘭，2007）。Lawson （2003）認為「推理」是存在腦中的心智結構和同化基模和環境壓力的互動下，個體經歷的過程，而且因為發現事物、產生喜悅，則心智結構可以完全將輸入訊息同化而具有意義行為，之後行為將深植於心智結構中（劉嘉茹、邱鴻麟，2007）。

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綜而言之，推理是人類的一種心智活動，因某種目的而思考，用已知的事實，去推想未知的結果；推理也是一種心智能力，當面對問題情境時，運用本身已有的經驗、知識做合乎邏輯的思考，解決問題；推理亦是一種學習，解決問題的同時，將新經驗融入舊經驗，或者改變原有的知識架構。（Newell & Simon , 1972; Sternberg, 1995; Holland, Holyoak, Nisbett &

Thagard, 1986; Rosser, 1994, 張春興，1996, Hogan & Fisherkeller, 2000）。在科學領域中，更加需要推理來主導研究發現和科學學習；推理在科學領域的使用稱為科學推理，它是科學研究和科學學習中探究活動的主要角色，但是在不同觀點研究下，對科學推理的定義就有所不同。Zohar 和 Nemet （2002）認為科學推理過程為確認資料來源，接著形成研究問題、產生控制變因，最後下結論。Kanari 和 Millar（2004）認為科學推理乃學習者於科學研究或調查中，資料收集與解釋的過程。此外，個人於科學領域以適切的思考方式，經歸納、演繹、假說之邏輯推理過程，理性且客觀進行探究與驗證，並對結果進行解釋、論證、發現新事實、新理論或形成概括性結論，此過程為科學推理（NRC,2000）。綜合來說，科學推理是個人在探究科學或自然現象過程中依邏輯來思考尋求解釋驗證的過程，包括依據邏輯法則，有效地形成問題、產生假設、預測結果、整理資料、尋求證據、做成結論的過程；而本研究相關部分為學生依據假設、預測、觀察和評估解釋的推理過程來討論之。二、 科學推理的型式 由於推理和個人思考有關，每個個體都有其獨特推理方式和類型，教育百科辭典（1994）中說到：「推理由判斷所組成。可以是由許多特殊情形引出一般結論的活動，即由特殊到一般，這是歸納推理。但也可以是從一般規律、規則、原理到特殊情形並作出新結論的活動，即由一般到特殊，這是演繹推

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理。」陳祖耀（2003）於「理則學」一書中，對於推理形式之分類如下：（一）直接推理：從原命題主詞與謂詞之關係，直接推得一個新的命題，不需要第三者概念作媒介。（二）間接推理：已知的命題與推知的新命題，其主詞謂詞間並無直接聯繫，必須由第三者概念居間作媒介。間接推理又可分為三種： 1. 演繹推理：是由普遍以推知特殊，是概念的運用。 2. 歸納推理：由特殊事實以推知普遍原理的一種思維方法，乃依據部份 既知事物，以論定該事物之全部。歸納推理以經驗為出發點，必須經驗正確，推理又無錯誤，推理所得結論才能確定不移。 3. 類比推理：由特殊事物以推知特殊事物的一種推理。亦即從兩個特殊 事物間發現其有一種或多種類似之處，比而同之，由此一事物的真，推知彼一事物亦或真。張春興（2003）認為「推理」是指在思維時遵循某種邏輯法則，用已知的事實或假設條件為基礎，推演出有效結論，從而對事理間之關係獲得理解的歷程。所以推理是遵循邏輯法則進行的思維歷程，故推理一詞有時也稱為邏輯推理，所以，張春興將邏輯推理分為演繹推理、歸納推理還有類比推理，分述如下：（一）演繹推理演繹推理係根據已知的事實或假設條件推演出結論的推理方式，亦即根據普通的原則去確定特殊事例的推理。他將演繹分為三段論法演繹推理與假設演繹推理兩種。（二）歸納推理歸納推理是以觀察所見多個事例所得經驗為基礎，歸結出槪括性的結論，藉以做為解釋或預測類似事件可能發生之根據的思維歷程。不同的是，演繹推理所得到的結論是肯定的、必然的，而歸納推理所得到的結論卻是不

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能肯定的、是或然的。事實上，在人類經由思維運作獲取知識的整個歷程中，演繹推理與歸納推理二者是交互使用的；有時演繹在前，歸納在後；有時歸納在前，演繹在後。（三）類比推理「類比」是將以往經歷過類似問題的經驗用於解決目前問題的一種方法，類比法之有效必須符合兩個條件：其一是新問題與舊經驗確有類似之處；其二是以往的經驗是成功的。在科學教學的領域裡，也有研究者研究科學探究學習下的推理類型：周家卉（2006）針對進行國小六年級學童科學推理類型研究，將國小學童推理類型分為下列七類，說明如下：（一）概念推理：指學童運用本身已有之概念進行推理，其中可再分為科學家概念推理及另有概念推理。（二）邏輯推理：指學童能夠運用邏輯方式進行推理，如歸納推理。（三）類比推理：指學童能將已有的知識，遷移到另一個新的問題情境，將具有相似性的訊息表徵，進行應對。包含表面特徵類比推理和結構特徵類比推理。（四）實驗技能推理：是指學童能夠運用實驗技能進行推理，可分為為實驗設計推理、變因控制推理以及資料解釋推理。（五）經驗推理：指學童能夠運用過去的印象進行推理，但此經驗並未形成概念或成為技能。包含生活經驗推理及引述推理。（六）字義推理：指學童單就字面意義進行推論。（七）直觀知覺反應：指學生根據直觀知覺進行判斷。李靜等人（1994）也提出科學推理具有間接認知和創造性的特徵。他們認為科學推理分為四種類型：（一）展示理論導向的「演繹」技巧：演繹模式作為一種前提蘊涵結論的推理模式，具有普遍有效性，但

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是其限制是只能從邏輯上保證推理的正確性，若前題非真，則推論就不能正確真實。科學解釋常有運用邏輯來推導，內容包括三部份： 1.定律原理，2.相關條件陳述，3.待解釋內容，這些都需要不斷找到 相關證據來支持，或者使用異例來挑戰推理。（二）擴深認識的「溯因」技巧： 溯因模式必需依賴一些有效性條件，所以要注意：1.逆推設想的理 論原理想與待觀察現象要有邏輯相關，2.逆推的理論是可檢驗的， 不應是特殊設定的條件。因此，溯因模式可做為評論理論的依據。（三）最具創造性的「類比」技巧： 類比有兩種具體形式：1.相似點類比，2.差異點類比；在前提非清晰 並必而依賴背景知識推理情境下，常顯出類比推理的特徵，在科技的發明中，類比是常用的一種方式，並且可應用於理論的間接論證，例如：確證和否證，所以類比可輔佐演繹方式來推理。（四）概括經驗與辯護理論的「歸納」技巧：歸納是從個別知識上升到普遍性知識的推理法，可以從經驗的概括出發，最後達成經驗定律的發現或理論原理的發現；屬於必然可觀察性的為經驗定律，從統計歸納我們也可以發現理論，在科學上常有異例發生，所以所歸納出的結果，常做為假設或條件的命題，而非理論。 Hengan和Keller（1996）認為科學推理通常是科學探究期間發生的思考過程，學生在進行科學探究過程中，獨自思考或小組討論時產生的推理思考模式有以下六種：（一）分析的推理（analytical reasoning）－檢驗整體的每個部分及如何將他們的功能放在一起，包括個人的假設、主張、解釋等推理之成分分析。（二）類比的推理（analogical reasoning）－識別兩個或更多事物的相似點（不考慮其不同處），常常是藉由比較更多熟悉的例子以了解或說明

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故事情境、想法或問題的顯著特徵。（三）對話的推理（dialogical reasoning）－試著以不同觀點來考慮事物的各方架構。對話推理有一部分是辨證推理，意在測試對立觀點孰強孰弱。（四）推論的推理（inferential reasoning）－連結兩個情況做出某些事情是如此，因為…等等的結論。推論思考的模式有兩種，一為歸納思考；一為演繹思考，前者是從一些特殊的例子或證據引出結論，並將其一般化。後者是應用一般的原理或前提推演至特殊事例形成結論。（五）評估的推理（evaluative reasoning）－根據某些表面的準則來審定某事的價值或品質，例如只用這個方法夠不夠？是否還需要其他方法？並評估其根據的合理性。（六）整合的推理（integrative reasoning）－把不同片段的資訊或知識來源整合成一體。 Driver、Leach、Millar和Scott（1996）將學生推理的類型歸納為：（一）以現象為基礎的推理：解釋和描述不顯著，而實驗的目的是要去尋找和查看。（二）以關係為基礎的推理：解釋被視為包含確認和關聯性，在可觀察和認為假定的實體之間，而不是探索其中原因，探究的方法傾向於確證的和不批評的。（三）以槪念為基礎的推理：根據槪念的本質，描繪根本的原因或是較有深度的解釋。本研究希望學生藉由已有的證據配合知識背景與知識去推知新問題的結果，屬於陳祖耀（2003）所舉推理分類之間接推理，包含演繹、歸納及類比推理，也等同於張春興（2003）對推理類型所做的三個分類。再根據周家卉（2006）針對國小學童科學之推理類型研究，將其中「概念推理」與「邏輯推理」歸為演繹推理。「經驗推理」中，若屬假設性概念則屬演繹推理，若有類推之對象則屬類比推理，而「實驗技能推理」與「字義推理」與本研究

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情境較無關，故捨去不取。「直觀知覺反應」之類型，因考量學生思索不出答案或原因時，可能會有此反應，但可能與學生知識結構有關，因此將其列入。綜合上述，並配合本研究情境之需求，將本研究中學生的推理思考模式分為四類，分別為「演繹推理」、「歸納推理」、「類比推理」及「臆測」。三、 科學推理的過程和實徵研究 由於「推理」對於科學研究的發現擁有極大的影響力，而在學生的科學學習上更是離不開推理。在進行科學教學時，發展學生包含學術技能及內容知識的科學推理技能，才能給學生完整的學習（Zimmerman, 2000）。 Novak 和 Gowin（1984）指出良好結構的知識基礎比拙劣結構的知識更能支撐較高層次的推理。因此，在科學學習研究領域裡，科學推理是一個重要課題。在科學學習研究中，尤其是在現今科學探究教學課程中，科學推理的過程也有諸多不同的看法。 Hogan 和 Fisherkeller（2000）認為科學推理乃是科學探究期間所發生的思考過程，包含形成問題和假說、設計研究與收集資料、分析資料與整合資訊、確定結論與溝通爭議，此推理可能發生於個體或是小組討論之時。此外， Lawson（2003）認為科學推理是一種「假說-演繹推理」也等同於「假設-預測推理」，分為暫時性的描述和解釋兩種模式，而以「如果/然後/所以」（If/ Then/Therefore）模式作為推理的方式來讓學生們思考（劉嘉茹、邱鴻麟，2007）。Bruner 等認知心理學家認為兒童有尋找證據、檢驗假設的能力，並且在科學推理的過程中，學習者必須不斷形成自己的假設，並從給予的科學現象或實例中選擇適當的事件或概念來檢驗自己的假設，所以科學推理是概念發展成形的過程，因此，錯誤的科學概念可能是來自兒童在科學推理過程上的缺失。Schauble（1996）研究國小五六年級和大學生的科學推理能力，發現成人在科學推理的工作表現雖然優於兒童，但就連一般大學生的科學推理能力還是有缺失，所以科學推理能力的缺失並

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不會隨著年齡增長，認知能力的成熟、知識經驗的豐富而消除，這點和早期心理學家研究的結果相同（例如：Kuhn, 1989; Song & Black, 1992）。

過去經常僅針對科學推理中的不同過程進行研究，舉例來說，有些研究者提供學生實驗證據或數據，藉此以瞭解學生他們如何產生假設、考驗假設(例如：Kuhn, Amsel & O’Loughlin, 1988)、設計實驗(Case, 1974)，或者形成假設以及評估證據(Koslowski, 1996)，但這並非真實的科學探究中的過程。真正的科學探究過程中，研究對象並沒有辦法選取現成的實例來歸納規則，而是必須自行設計實驗來製造實例，用以檢驗假設的事實資料，以評估假設的正確性（Klahr & Dunbar, 1988; Schauble, 1996）。另一方面， Koslowski（1996）認為任何科學推理的真實情境脈絡中，大量的背景知識和研究的各個過程階段形成都是彼此互相影響的，背景知識都會影響最初的假設、實驗處理的類型以及結果分析的方法。因此，他利用反向的方式將實驗結果為證據研究六年級、九年級和大學生是否覺察到事件的共變性並提出解釋。結果發現人們對於資料的解釋，決定在於是否可以想像出一個可解釋資料的理由，如果人們可以想出一個為什麼兩個變項可能共變的推論道理，那麼一小部分沒有共變的資料不可能讓它們剔除變因共變的假設。相反的，如果他們不能想出任何情況、結構連結兩個變項，那麼一小部分共變的資料也不可能說服他們兩變項有相關。換句話說，人們會把自己的意見當成有用的假設，當一起考慮理論和資料而顯示不合理時，才可能稍微改變他們的想法或概念。從以上研究可知科學推理是一個連續的、動態的過程，其中包含了多個階段的互動，這些過程也是互相影響的。因此，在科學推理為主題的實徵研究中，我們可以依研究內容區分為三種取向：（一）「一般領域取向」（domain-general approach），研究的是與科學思考歷程中有關問題解決與推理的一般性策略(例如：Germann & Aram, 1996; Roth & Roychondhury, 1993)。由於此種一般性的策略不需要擁有特殊的知識背景，因此研究對象

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所展現出的推理策略與其背景知識並沒有太大的相關性，而是可以應用在所有推理情境的一般推理能力。（二）「特殊領域取向」（domain-specific approach），研究內容與某種領域或某個科學概念有關的科學概念改變，例如：研究人們有關自然世界的相關知識，包含鐘擺、天平的平衡、掉落的物體等相關概念（Kaiser, Proffitt & McCloskey, 1985; McCloskey, 1983; Stavy, Strauss, Orpaz & Carmi, 1982），其研究取向的主要工作就是處理關於人們陳述性的知識改變，例如：科學理論方面的知識。（三）「自我導向實驗取向」（self-directed experimentation），是近年來出現了另一種讓研究對象主動參與實驗中推理過程的每一階段的研究取向，這種自我導向的研究取向有別於以往的研究方法，是由研究對象主導推理歷程的每一階段，研究者僅扮演觀察者的角色，並不參與研究對象的推理過程（陳亦媛，2003）。在大部分的自我導向之實驗研究中，研究者會將科學推理的過程分成不同的階段，並運用不同的指標來代表研究對象在各階段的推理表現。例如：Zimmerman（2000）歸納出以下幾個此研究取向的特色：（一）通常由研究者提供一個實驗的情境，找出影響某一結果的變因。（二）研究者可藉由操弄任務中所包含的變因與所要發現的規則，控制研究對象對任務的先備知識（prior knowledge）。（三）實驗進行的時間比一般推理研究長，研究者可在一旁扮演觀察者的角色，或在實驗進行時加入導引性的問題，隨時瞭解研究對象當時的心理狀態，並分析研究對象的推理過程。（四）提供工具讓研究對象做紀錄，以便記錄曾經做過的實驗與結果提供回溯。（五）比起只給研究對象整理過的資料，主動實驗並得到證據的過程提供更多因果的線索。參考了以上資料文獻，本研究將採用特殊領域取向，研究學生對影子的另有概念和推理過程，並綜合以上各家研究科學推理過程的觀點，依據自我導向實驗的研究取向原則來實施，故研究者設計一系列連續的推理性實驗，讓學生發現科學問題後形成「假設」開始，結合學生背景知識來「預

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測」實驗的結果，在問題、假設、原理的引導下，學生經歷了「觀察」，其後如何來「評估」證據並提出支持理由來平衡預測和觀察結果的不同。此因果的推理關係將配合POE 晤談策略來進行，輔以 Lawson「假設-演繹」推理（如果/並且/然後）理論引導，最後將以科學概念和科學推理形式的結合來呈現；進一步說，就是以四個科學推理過程：假設、預測、觀察、評估的觀點，結合概念呈現和「演繹推理」、「歸納推理」、「類比推理」及「臆測」四個科學推理形式來表徵。研究者利用以上的科學推理過程及 POE 策略來探究國小六年級學生的科學推理，希望呈現出學生的科學推理能力做為日後教案或活動設計的教學參考。 第二節 POE策略研究 一、 POE 策略 為了解學生的成影概念、推理類型及過程，本研究採用White 和 Gunstone（1992）在 Probe Understanding 一書中：如何探究學生理解的問題，其中「預測-觀察-解釋」的方法，簡稱 POE 策略，提供一個理解學生概念和推理的有效方法，評量學生如何應用自己的知識來推理解決問題，而且很直接的可以展現學生對事件的理解。

POE策略起源於美國 Pittsburgh 大學Champagne, Klopfer 和 Anderson 於1980 年於所設計「DOE」(Demonstrate-Observe-Explain)概念晤談教學策略，原先是先對學生實施紙筆測驗，了解原有的概念，然後教師示範實驗活動讓學生仔細觀察，最後學生必需回答測驗問題，並提出說明（Champagne, Klofer & Anderson, 1980）。Gunstone 和 White（1981）研究學生學習理解和評量學生認知時發現讓學生進行「預測」的活動，可以反映出學生原本的認知結構，對於瞭解學生概念及學習理解有很大幫助，便將DOE策略改良為「POE」（Predict-Observe-Explain）策略。他們要學生完成三個任務：

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（一）預測：首先是要他們預測一個事件的結果並提出理由。（二）觀察：其次是要學生描述自己看見什麼事情發生。（三）解釋：最後是要他們設法調和預測和觀察可能的衝突。利用這三個步驟及其中過程的變化，不但可以了解學生的概念改變，更可以運用在教學上，成為增進學生學習效益的有力工具（Gunstone & White，1992）。二、 POE 的目的 POE 策略目的在於讓學生學習如何應用他們所得到的資訊去解釋事件和經驗，學生通常被要求就某個概念、現象或情境舉例或提出解釋，本是針對這種知識應用能力的評量方法。但除了強調「預測」外，POE 還有一項關鍵特徵，就是學生必須進行何種推理（White & Gunstone，1992）。在預測-觀察-解釋的過程中，學生經常用日常經驗和信念來支持他們的預測，或者應用跟科學家相異的觀念去解釋現象，所以POE 最重要的關鍵就是讓學生應用所學的知識來推理並提出解釋來調和預測和觀察結果的不同，所以 POE 比一般的策略更能夠獲知學生用來解釋真實事件的信念，並且顯示出在證據之下，如何將結果同化為自己的知識的過程。三、 POE 策略的實施 邱美虹等人（2005）提出 POE 實施步驟如下：（一）向學生說明實驗裝置與實驗程序，請學生預測將會發生的結果，並寫下預測的理由（也可以利用小組討論，讓他們分享彼此的看法）。（二）進行實驗，並請學生觀察現象是否與預測的情形符合。（三）無論是否符合，請學生應提出解釋的理由。此外，尚可加入第四步驟：再將所觀察的現象與之前的預測做「比較」，以便下結論。

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要進行 POE 策略前，最重要的一件事就讓學生都清楚知道他們要預測的情境，所以在這時可以允許學生詢問各種問題，以便次讓他們在預測活動進行之前瞭解狀況。接下來的重點是：讓學生指出他們的預測以及支持預測的理由，這可以在準備好的活動單進行，或用開放的形式讓學生用自己的話自由發揮；在開始觀察之前，務必要讓學生做好這些工作。有兩個理由說明為何學生要在觀察前完成此工作：（一）每個學生都要明白表達自己採用何種適當的知識立場，並加以運用，可以讓教師了解其原先的概念和自我構念的原理。（二）預測可以幫助學生聚焦於問題上，使每個學生都不會錯失對事件的觀察（學生可能處在思考或書寫狀態中而無法自拔）。然後當進行實驗觀察，此步驟要求學生寫下他們觀察到的現象。White 和 Gunstone（1992）指出：根據經驗，即使相同的活動，不同的學生常會看見不一樣的結果，如果沒有要求學生即時寫下他們所看到的現象，他們很可能因為別人的說法而改變自己的看法；最後是讓學生提出解釋，也是對自己的預測和觀察做出評估，學生必須調和在預測與觀察到現之間的差異，對於學生來說這很困難，所以教師這時候的工作就是鼓勵學生思考各種的可能。鼓勵是很重要的技巧，這時候學生提供的說明通常都透露許多他們的瞭解狀況。 Bruce（2000）的研究顯示，POE 策略它可以幫助我們思考幾個方向：（一）書寫 POE 活動單需要時間，所以它可以讓學生放慢腳步去思考，他們正在做什麼、想什麼？因為學生必須去思考這些有趣的現象與可能的理論來加以解釋，如同Keys（1994）所說的學生從事科學寫作可促進其報告行文的科學推理技能的一般效能。（二）「預測」會增加學生的參與感，這讓大部分的學生對於真實的實驗現象更有興趣，特別是當學生自己的預測與多數人的預測不同的時候。（三）POE 策略提供科學課程或課堂討論一個很好的導引，尤其在對於共

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同有興趣的學習材料上。（四）POE 策略的相關教學活動可以成為學生進一步探索科學原理的基礎，例如觀察到的現象有何差異？實驗可以提供哪些解釋？（五）POE 可以呈現學生活動的歷程，作為進一步研究、改進寫作能力或形成性評量的基礎。另一方面，Bruce（2000）也提到如果學生去預測他們很少經驗的主題，學生可能會任意猜測來迎合老師，學生會誤以為目標就是要回答出老師們心中持有的答案，這是需要特別注意的地方。White 和 Gunstone（1992）也認為，學生純粹的猜測是沒有意義的，所以教師要設計一個學生可以預測的情境來提供學生做出有意義的預測。四、 POE 的原則和優點

White 和 Gunstone（1992）指出選擇事例實施 POE 時，基本上要考慮下列原則：（一）要提供一個學童可以預測，而且能基於個人理解進行推理的情境或實驗，若純粹只是猜測是沒有價值的。（二）要提供真實情境與問題給學童，才有助於 POE 的效果；否則至少要提供學童一些支援的線索或說明。（三）要讓學童的觀察是直接可行的，亦即觀察的實驗結果是清晰可見的。（四）可以選擇勾選的方式，提供幾種可能的情況讓學童做預測，用開放的反應模式，讓學童自己表達想法。 POE 的策略要求學童根據自己原有的科學知識對一個科學現象進行預測，然後觀察實驗之進行，再對所觀察到的結果提出適當的解釋，過程中激發學生面對個人原有知識架構與科學現象不一致時，必須重新調適與組織，以形成新的知識體系，達到概念改變，因此，POE 策略具備下列優點（White & Gunstone，1992）：（一）聚焦於特定的概念，可用來探究單一知

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識的本質，（二）可以覺察學童本身既有的概念或信念，（三）適合用來進行診斷性評量與形成性評量，（四）可以了解學童對於現象與概念之間關係的認知，（五）可以顯現學童面對認知衝突時，如何調適。此外，邱美虹（2000）認為：「預測－觀察－解釋」是晤談策略的一種延伸，是用以探測兒童應用知識能力的測量工具，藉由對研究對象完成此三步驟的過程來探究受試者對概念的想法與概念改變的歷程。所以近十年來，許出國內、外利用POE策略的相關研究大都與迷思概念或概念改變有關，皆屬於描述性知識；但是對於應用於程序性知識的科學推理的部份極少，基於上述理由，研究者發現 POE 策略對於探究學生概念及推理過程，應是一種有效的方法，本研究即欲探究學生在「色光」相關的概念及概念改變，故研究者採用 POE 策略，作為研究的主軸。 五、國內外POE 的實徵研究 研究者將國內、外數篇有關 POE 研究進行統整與歸納於表2-2-1，從 POE 策略在科學教育上的運用情形來看，可發現國內、外的研究有的是將 POE 策略融入教學中，以提升教學成效，促進學生的概念學習理解；有的則是將POE策略配合晤談工具，以探測學生的迷思概念或概念改變歷程，惟少數國外的研究在探測學生的概念時，會將 POE 策略與資訊科技相結合。綜觀表2-2-1的相關研究，可得知「POE 策略」能幫助研究者探知學生之科學概念的理解情形，以及概念改變的過程，只是這些研究皆未能與實境實驗操作或資訊相結合，協助學生運用進行有意義的學習，因此，本研究旨在結合 POE 策略、實境實驗操作及推理三者元素，深入探討國小六年級生在實境實驗操作下的概念及推理過程，期望在於科學教學品質的改善與提升及探測學生對科學概念之理解程度方面，能有所貢獻。

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表2-2- 1 POE 策略於科學教育上之應用一覽表 POE策略之應用情形探測概念（結合）研究者年份研究對象 _提升教學晤談資訊概念或主題 White &Gunstone 1981 大學生 V 力學 Searle &Gunstone 1990 大學生 V 電學 Palmer 1995 職前教師和小學生 V 科學教學 Liew &Treagust 1995 11 年級學生 V 物體膨脹 Fekete &Walker 1997 大學生 V 熱力學 Liew &Treagust 1998 9～12 年級學生 V 溶解度與功率 Russell 1999 11 年級學生 V V 建構知識葉辰楨 ₂₀₀₀ 國中一年級學生 V 生物科邱彥文 ₂₀₀₁ 國中二年級學生 V 理化課 Methembu 2001 11 年級學生 V 氧化還原 Kearney et al. 2001 10、11 年級學生 V V 力與運動李家銘 ₂₀₀₂ 國中低成就學生 V 電學陳淮彰 ₂₀₀₂ 國小四、五年級學生 V 水溶液林鼎富 ₂₀₀₂ 國小三、六年級學生 V 靜磁葉淑華 ₂₀₀₂ 高中三年級學生 V 簡諧運動張宗義 ₂₀₀₃ 國小四年級學生 V 水溶液陳雅麗 ₂₀₀₃ 國小五年級學生 V 熱學陳志偉 ₂₀₀₄ 國小四年級學生 V V 浮力陳沛瑩 ₂₀₀₄ 國小六年級學生 V V 熱黃雪錚 ₂₀₀₄ 國小二、四和六年級學生 V 毛細現象蔣盈姿 ₂₀₀₄ 國小六年級、國二和高一 V 物質可燃性張家紘 ₂₀₀₄ 高職一年級學生 V V 直流電路賴碩彬 ₂₀₀₄ 高工二年級學生 V 微波 Kearney 2004 10、11 年級學生 V 物理概念黃誌良 ₂₀₀₅ 國小五年級學生 V 鹽的降溫作用張麟偉 ₂₀₀₅ 國小六年級學生 V 電磁鐵王玉龍 ₂₀₀₅ 國小六年級學生 V 色光姚宗志 ₂₀₀₅ 國小六年級學生 V 月相類比模型紀宗秀 ₂₀₀₅ 國小高年級學生 V 概念改變教學楊之明 ₂₀₀₅ 國小三至六年級學生 V 摩擦力李莘怡 ₂₀₀₅ 國中二年級學生 V 溶解羅焜榮 ₂₀₀₅ 國中三年級學生 V 電流林嘉琦 ₂₀₀₅ 國中二年級學生 V 溶解王盈琪 ₂₀₀₆ 國小三年級學生 V 光劉俊直 ₂₀₀₆ 國小六年級學生 V 地球運動林士峰 ₂₀₀₆ 國小六年級學生 V 鐵生繡劉敏書 ₂₀₀₆ 國小一年級學生 V 聲音洪淑淩 ₂₀₀₇ 國小自然科教師 V 色光林香吟 ₂₀₀₇ 國小六年級學生 V 簡單機械曾美玲 ₂₀₀₇ 國小四年級學生 V 電路 註：詳細整理見附錄一、附錄二

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第三節概念發展與改變 一、 兒童的概念發展 概念是代表一種思維形式，有時是知識的簡單形式架構，有時是指具有相同屬性的集合體，此外，概念還是一種區別事物的能力，而人類概念的發展過程會向於更精緻、更複雜地區辨事物，也因此概念能力會隨著知識的吸收或外界的刺激而愈來愈複雜。（張容君、張惠博，2007）一個概念的內容可能隨著這種複雜化的過程而有所改變，所以概念的內容不會是固定不動的（杜嘉玲，1999）。心理學上，認知學派認為「概念」是一種心智活動，經由學習及經驗而來，並隨著成長而修正的(林清山譯，1996)。黃台珠（1984）指出概念是人類思考和瞭解的工具，是學習的基本單位。張春興（1996）認為：概念是指個體對具同類屬性事物獲得的概括性之單一經驗；而狹義論之，概念是藉由單一概括性的名稱或符號，將具有共同屬性的一類事物的全體加以分類，以名稱或符號代表，所以概念具有歸類與共通性。從古典學派的觀點來看概念發展，Vygotsky 主張個人是環境參與者，在每個發展階段中或多或少都會透過一些方法來使自己獲得成長。年紀較小兒童的概念被限制於某些特定生活實例和直接經驗，年紀稍大時，概念會傾向定義式或有固定規則性的抽象性思考，所以，在兒童成長過程中，概念內容會從具某些典型特質的基礎概念轉向以單一規則為基礎來形成抽象的、理論性的概念。Werner 則認為把概念發展描述成一個組織過程且整體進化的一條前進道路時，在這發展過程中的轉變是從散亂到分明、從整體的到分析的、從融合的到具體的、從固定的到有彈性的、不穩定的到穩定的，而兒童的概念發展會從整體的、無區別性的組織轉變為可區別的特質且有階級的組織方式。Piaget 以邏輯能力的成長作為兒童認知發展的要點，但也認為邏輯推理能力會限制其獲得某些特定範圍的知識，他主張「平

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衡化」（equilibration）原則對心智發展相當重要，當個體獲得一個新概念時，由於還無法明確掌握，常有舉止或思考模式不一致的情形，所以「概念發展」是認知個體思考模式的平衡，進而不斷主動更改概念系統結構的過程（杜嘉玲，1999）。兒童在科學學習過程中，概念的發展來自於課本知識及個人經驗交互作用而形成，對於發展出的概念是否符合科學概念？還是產生了另有概念，這些也是科學教師們關心的課題。二、 另有概念 Pella（1966）認為科學概念是科學家心智創造的產物，是一種對一群科學事實、物件、現象抽象概化的想法，它可能因新事實、物件、現象的出現而加以改變、修飾、甚至放棄概念的原有詮釋，重新創造一新的解釋；他將科學概念以抽象層次分成三類型：（一）分類概念大都為獨立存在的事物，（二）相關概念常涉及兩種以上事物的交互變動，（三）理論概念則為不能呈現事實於眼前的概念。Vygotsky (1986)也將概念區分為：（一）自發概念：是學生根據日常生活經驗自然反應出的概念，（二）科學性的概念：則是學生受學校教育後的產物。學生在日常生活中的各種管道中，形成對事物各式各樣的想法和認知，養成個人的思考，在面對新的事物、學習新的課程時，腦海中已經存在著些屬於個人已經形成的理論和模式，這些理論和模式常常是與目前科學社群所認同的理論和模式互有衝突或矛盾的；這些先存的理論與模式在學術研究上有許多不同的用語，如：先前概念(preconceptions)、另有概念(alternative conceptions)、迷思概念(misconceptions)等（王美芬、熊召弟，1995）。這些都會影響學生對某些新概念的學習。本研究採用廣義定義，凡是與現有的科學概念不相符合的概念，即以「另有概念」稱之。許多學者曾對產生另有概念的可能原因與來源做過研究分析，如下表2-3-1所列舉。

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表2-3- 1 學生另有概念的成因與來源研究者另有概念的成因與來源 Sutton 與 West (1982) 1.直接的實際經驗 2.可使用的日常用語，特別是可使用的隱喻 3.同儕所認同及鼓勵的信念和看法4.正式或非正式的教學 Osbome,Bell 與 Gilbert (1983) 1.學習者易以個人或人類觀點為中心來看事物；只考慮事物本質，直接從日常生活經驗來建構知識2.學習者易對特殊事物給予特別解釋，且不需對不同現象找出合乎邏輯和不矛盾的解釋 3. 社會的日常用語使學習者產生異於科學家的想法，且這些想法不會因年齡成長而改變。 Fisher (1985) 利用晤談及測驗探究造成生物迷思概念的原因： 1.文字的聯想 2.知識的混淆 3.知識的衝突 4.知識的不足 Driver (1985) 1.知覺支配思考，在問題的情境下，學生思考建立在可觀察的特徵上 2.限制性的聚焦，在問題的情境下，學生的注意力集中在特別的知覺特徵上 3.變化勝於穩定，屬於限制性聚焦的一種，學生注意事件的連續或狀態隨時間的變化 4.線性因果推理，當學生解釋變化時，他們的推理傾向於遵循一個線性的因果關係 5.相混淆的概念，有些概念學生使用上無法去詮釋同一種狀況，即不一致引入相同狀況 6.概念依賴情境，學生用不同的概念去詮釋同一個狀況，即不一致概念引入相同狀況 Head (1986) 1.來自日常的經驗和生活中的觀察 2.由類比錯誤所產生的混淆 3.隱喻的使用 4.受同儕文化的影響5.來自一些固有的觀念 Treagust (1988) 1.感覺經驗 2.語言經驗 3.文化背景 4.同儕團體 5.大眾媒體 6.科學教學 Duit (王美芬等譯， 1996) 1.感官的印象 2.日常用語 3.大腦用部構造 4.學生在社會環境中的學習 5.教學 Stepans (王美芬等譯，1996) 1.教師對學童另有概念缺乏察覺心及興趣 2.日常生活語言和隱喻 3.教師認為講述時要涵蓋概念，學生就能立即學會4.「話語用字就可代表是否理解」的假設 5.教科書的誤導 6.過份強調講述法許健將（1991）針對化學另有概念一般性成因，作整理探討，要點如下： 1.學生不同的化學心像 2.機械式的學習策略 3.教科書的誤導 4.引用錯誤的解釋模型謝秀月（1995）針對「熱」與「溫度」另有概念成因，作整理探討，要點如下： 1.生活經驗的影響 2.日常用語的影響 3.學科背景知識不夠 4.教科書與教學上的誤導洪瑞英（1998）研究者綜合許多學者看法和研究提出另有概念的五種主要來源： 1.受先前知識的影響 2.受日常生活直覺經驗及用語的影響 3.受正式教學的影響 4.受非正式教學的影響5.受學生個人因素或特質的影響（資料來源：引自張容君、張惠博2007）回顧過去的研究結果，可知學生主要的另有概念來源有下列三種：（一）知覺經驗，（二）語言經驗，（三）科學教學，無論是個人因素造成，或是外在環境之影響，所形成之另有概念當中，均有一些共同特質將影響學生科學學習過程中概念的轉變。科學教師希望將學生個人信念導正為科學家所能接受的科學概念，所以常常診斷學生的另有概念，但是，更重要的是，教師應去檢測學生何以會發展出這種另有概念才是。

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Fisher（1985）認為另有概念的特性有：（一）此種概念與專家的概念不同，（二）另有概念普遍存在於少數人中，（三）另有概念對於傳統的概念轉變教學，具有很大的阻力，（四）另有概念有時涉及另有信仰系統，（五）另有概念常有歷史典故。吳淑珍（2004）將另有概念歸類以下特性：（一）是零碎不周全的，（二）隨情境而變的動態發展過程，（三）針對個人而有獨特性，（四）某些另有概念具有普適性，（五）穩固不易改變的。 Driver、Guesne和Tiberghien（1985）認為以認知取向的觀點而言，學生是一主動的學習者，因此對於在其周圍的各種現象總是以自己的想法加以解釋，故學生在接受學校課程之前在腦海中就存在許多科學的概念，而這些概念往往與事實有所差別，也就是所謂的迷思概念。對於迷思概念的特性，有下列幾點：（一）是個人的，又同時為多人所共享，具有個別性與不變性，但其與科學概念比較起來又不夠完備，（二）是頑強的，不易為教學所改變，學生會排斥正式的科學概念，傾向以其既有的想法來解釋科學概念，（三）是跨越年齡、能力和國籍的，也就是說不管在任何領域、任何國度、任何年齡的孩子均可能存在迷思概念（四）是個人認定卻又常前後不一致，有時同樣的問題，因其所排列的位置或是答題的順序或所處情境的不同，學生常有許多不同的解釋，（五）非隨機發生的，有的迷思概念具有歷史淵源，類似於科學歷史的演進。參考綜合以上文獻，本研究在另有概念方面針對學生在成影的POE推理實驗活動中，相關概念發展與改變過程進行探究，並配合 POE 策略進行半結構式晤談，來收集資料並且瞭解學生推理思考過程中所形成之概念。三、 概念改變 近年來，在概念學習方面轉以建構論為主流，Driver 與 Bell（1986）曾以建構論的觀點，提出以下對學習的看法：

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（一）學習的結果不僅與學習環境有關，且與學習者的先備知識有關；學習者的概念、目的和動機都會影響他們與學習材料的互動方式。（二）學習主要是內在意義的建構，而意義是由學習者的所見所聞加以同化調適而成。（三）學習者所建構出的意義，與外界多數人認同的意義加以比較的結果，有可能被接受，亦有可能被拒絕。（四）意義的建構是持續且主動的歷程。（五）學習者必須對自己的學習負責。（六）學習者所建構的意義，主要來自於與真實世界接觸的經驗，和經由語言的交互作用所形成。在科學或其它領域裡有許多的概念是以網狀的關係存在的，學童不斷的學習與成長，學生會自己建構起自己的想法，慢慢增加概念、刪減概念、或改變概念關聯的關係，也就是概念改變（郭重吉，1988）。邱美虹（2000）綜合國外概念的相關研究及其本身研究指出，要學童改變其原本的迷思概念是很困難的，其原因有以下幾點：（一）受到個人經驗的影響，（二）概念本身是抽象的，（三）概念本身是複雜的，（四）概念本身是微觀的。Posner 等人（1982）就學習者觀點，提出概念改變必須滿足下列四個條件：（一）學習者必須對現有概念感到不滿意(dissatisfaction)，（二）新的概念必須是可以理解的(intelligible)，（三）新的概念必須是合理的 (plausible)，（四）新的概念必須是豐富的(fruitful)。 Strike 與 Posner（1985）提出了概念生態的想法，包含了異例、隱喻、意象、經驗、認識論、信念、其它領域的知識和相互競爭的概念，並且認為概念生態是概念改變模型的另一要素，強調學童概念並非只是認知不清楚所影響，還會受到週遭因素的影響。耿正屏等人研究（1991）將概念的發展分為四個階段：（一）以原先具有的概念為基礎，（二）接受外來刺激，（三）內在的統整，（四）新概念的形成。郭惠芳（2003）在其研究中發現大部分的

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學生概念改變的情形，在教學後所呈現的是以直觀經驗與教學後獲得之概念相結合調整而成，當教學無法合理豐富的解釋學生舊有經驗時，學童可能不易達到學習的目的，在教學之後，學生也可能僅是短暫記憶教學之內容，一段時間之後，可能又回復到原先之想法。影響概念學習與改變之因素有很多，可能是個人的差異，也可能是外在環境造成的。本研究希望探究學生推理過程中可引起概念的改變，但概念的改變並不一定是遵循預定目標，也不一定形成長期記憶。因此本研究需要瞭解概念學習的原理，從了解學生先前概念出發，安排新、舊概念衝突之情境，引起學生作科學推理，進而發生適當的調整、同化，以促成新概念之機制。 第四節成影概念研究 在國小自然與生活科技課程中，包含在光學課程的成影概念通常被認為是相當簡單的學習單元。在我國國小課程中，影子單元安排在小學中、低年級，包括踩影子遊戲、竿影等活動。然而，很多研究顯示，絕大多數的中小學生，對影子的成因、影子的大小、影子的深淺及影子的顏色等相關問題都有很多的迷思概念（邱韻如，1998）。 Piaget（1930）晤談了 17 位五至九歲兒童，發現影概念的發展有四個階段。第一階段大約五歲左右，兒童認為影子是內在（物體放射出來）與外在（樹、夜晚、角落）因素共同作用，所以無法預測影子投射的方向。第二階段大約六至七歲，兒童認為影子純粹由物體製造，由物體發射出，所以影子沒有特定方向。第三階段大約在八歲，兒童能預測影子方向，也能說出沒有光和太陽時也會有影子，也許兒童還認為影子是由實體發射出來的，第四階段大約在九歲左右，兒童能正確解釋影子的發生。 Guesne（2000）比較十、十一歲和十三、十四歲兒童解釋：「影子是什麼？」、「影子是如何形成的？」，結果顯示十、十一歲的兒童大都只提到光

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源而十三、十四歲兒童比較多同時提到光源和障礙物。 Feher 和 Rice（1988）以臨床晤談方式研究 40 位八至十四歲兒童的影概念，發現只有大約四分之一的兒童清楚知道影子是光受到阻礙而產生的，他們將兒童對「影子是什麼？」的看法整理如下表：表2-4- 1 兒童對「影子是什麼？」之解釋類型類型解釋實例 _百分比光被阻擋或被阻擋後偏離成影子 “影子是光不能穿過之處，所以是黑的” “影子是光被阻擋，不能到達之處” “物體阻礙了光，使光不能穿過，所以形成影子” 27% 光對物體作用造成影子 “光束打在你身上，影子就因此跑出來” “光照到你，你的影子就在地上產生了” “當你在行走時，陽光打在你身上，影子就被打在地上” “陽光反射出你的影子照在地上” “光打在物體，物體反射成影子” 45% 影子是映出的像 “影子是你的映出的像” “影子是自己的影像反射在地上” 18% 影子即是物體的像 “影子是像你的像” “影子是像你的黑白照片” 10%

（資料來源：整理自Feher & Rice, 1988）

此外，在他們的研究中大部份受訪兒童都認為黑暗中影子是看不見的，理由有二：半數兒童認為影子是由光製造出來，黑暗中無光，所以不會有影子；其餘認為黑暗中影子仍存在，只是我們看不見或在物藏體中，直到光碰到物體才將它激發出來。王龍鍚和林顯輝（1992）透過教室觀察和紙筆測驗及臨床晤談研究國小二年級學生的光和影子概念，發現學生對影子形成的迷思概念：（1）光照到物體就有影子；（2）影子是物體的本性，只要有光就可看到影子；（3）影子是太陽的相對產物，只要有太陽就有影子；（4）影子是物體的一個映像；（5）影子是從太陽跑出來的。郭美金（1995）整理過去對國小學童光學概念的研究，其中兒童對影子的先前概念有：（1）影子是一種反射；（2）影子是物體之再生；（3）影

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子是光激發物體所生；（4）影子是暗光。唐明（2001）以團體紙筆測驗兼採部份訪談，研究國小五年級對影子形成的看法，結果發現兒童對影子形成的迷思概念包括：光對物體作用產生影子、影子是物體的複製，具有和物體相同的形狀和紋路、影子的長短和物體的高低有關。張靜儀（2000）與三位國小教師設計概念訪談題綱並配合相關圖片對 65 位 4-6 年級國小學童進行深度訪談，發現學童在影部份之迷思概念有：（1）光源強弱會影響投影的大小和投影的遠近；（2）影子是一種反射、暗色光，是太陽的相對產物，只要有太陽就有影子；（3）光找到物體就有影子，所以影子的形狀與物體相同。張靜儀和李采懷（2004）以圖畫情境的紙筆測驗方式，探究國小三至六年級學童之光迷思概念，研究顯示：學童有關影子形成的迷思概念有：「透明物沒有影子，或為深色黑影」、「影子是由物體反射陽光而生」、「黑暗中依然會有影子」等。從文獻中發現國小學童對於成影過程或影子存有許多迷思概念，研究者本身也發現，在國小自然與生活科技的課程單元中，並沒有單獨探討成影概念的單元，或許這是許多學生存在迷思概念的原因之一，本研究設計一系統影子變色推理實驗，目的除了在了解學生成影概念外，也希望利用推理的設計讓學生能建構出符合科學的成影概念活動，做為教學活動設計的參考。

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第參章、研究設計

本研究主要在於透過一系列推理活動設計搭配POE 策略，探討在「影子變色或變化」下，國小六年級學生對影子現象的成影概念和推理過程。本研究並將配合半結構式晤談，來了解國小六年級學生對影子變色現象下學生的想法。本章共分成七節，依序為：第一節介紹研究工具發展與設計，第二節詳述研究流程進行方式，第三節說明研究取樣和未來研究對象的選取，第四節描述研究情境佈置，第五節界定研究者本身理念與角色，第六節說明資料蒐集分析方法，第七節闡明研究信效度的問題。 第一節研究工具發展與設計 本研究採質性研究法，研究是依據國小自然與生活科技領域中關於「影子」和「光的顏色」的單元的內容，透過一系列推理活動設計搭配POE 策略，探討在「影子變色」活動中，國小六年級學生對影子改變現象的另有概念和推理過程；活動中採用半結構式晤談，先收集國小六年級生對影子的原有概念、再看實驗過程中他們如何假設、預測、觀察和評估，最後分析其成影概念、推理類型及推理過程；為收集廣泛而有效的資料，本研究依照收集到的相關文獻，循序開發研究所需的研究工具。首先參考文獻（邱韻如，1998）設計一組影子變色推理實驗的活動裝置，再發展出「國小六年級影子變色推理實驗POE 活動單」、「國小六年級影子變色推理實驗晤談大綱」，一面並進行初探研究，一方面改良研究工具，另一方面精進晤談巧，以期在學生進行活動中配合晤談方式收集資料，能深入探討研究問題。為了探究國小六年生對於影子變色推理實驗的推理過程，本研究在實驗前要求學生「預測」實驗結果，然後讓學生透過觀察和紀錄來評估自己的預測與觀察結果之間的差異；當學生形成自己暫時理論（假設）後，接著再進行下一個活動的「預測」。經由一系列推理性的實驗和 POE 活動，來了解

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受試者經由「假設、預測、觀察、評估」的推理過程中概念呈現與改變和推理類型。在推理實驗活動中，研究者以錄音、訪談、錄影及研究日誌的方式蒐集資料，針對受試國小六年級學生所出現的假設、解釋進行分析；依據受試者所持之推理類型及概念呈現情形，來瞭解受試國小六年級學生對於科學現象的推理過程，本研究之研究發展和設計內容分述如圖3-1-1所示：前活動預測學生提出假設（背景知識概念依據）實驗處理（觀察活動）學生解釋評估結果（調和認知衝突）學生進行次活動預測圖3-1- 1 研究架構圖