PODE教學模式在資優科學課程設計之應用
趙毓昕
國立臺北教育大學科學教育研究所博士班
摘要
PODE
(Prediction-Operation-Discussion-Explanation)將 POE中之觀察改為操作並加入討論步驟所形成,由學生預測和操作結果的不一致形成概念衝突,再經教
師進行教室中學生的意義分享,引導學生的科學概念朝著簡明、一致且符合科學
社群解釋的方向前進。本文介紹PODE之理論墓禮及實施步驟,提供資優教師在進
行科學課程設計與教學之參考o
關鍵詞:預測觀察解釋(POE) 、科學課程設計、概念改變
Using PODE Teaching Model on Gifted Science
Curriculum Design
Yu-Chi Chao
PhD student
,
Department of Science Education
,
National Taipei University of Education
Abstract
PODE (Prediction-Operation-Discussion-Explanation)
modified 仕omPOE
,
changed
“
Observation" to
“
Operation" and added into
“
Discussion" step. By making cognitive
conflicts between predictions and the results of operation
,
then guided students' scientific
concepts toward parsimony
,
coherence and accepted by the scientific community
,
through
students' shared meanings in classroom arranged by teacher. This paper introduced the
theoretical framework and procedures of PODE
,
providing a reference for gifted edutation
teachers to design science curriculum and teach science.
Keywords: Prediction-Observation-Explanation (POE)
,
science curriculum design
,
conceptual change
壹、前言:資優生的科學學習
概念學習一直是科學教育研究所受到 高度關注的焦點(L凹,Wu
,
&
Tsai
,
2009)
,我 國在 2000年由國科會推動全國性的「學生科 學概念學習研究」之整合型研究計畫(郭重吉 等,2009)
,包含調查學生的科學理解、迷思 概念、概念發展,和因不同教學策略的概念改 變歷程等,以促進學生有意義的科學學習;除 此之外,由經濟合作暨發展組織(Organization
for Economic Cooperation and Development
,
OECD)舉辦的國際學生評量計畫 (Programme
for International Student Assessment
,
PISA)
中,試題架構包含形成科學議題、解釋科學現 象和科學舉證'分別要求學生提出解決方 法、解釋發生原因和提出支持的論點,可發 現以科學概念知識為基礎,進一步培養學生 的高層次思考能力,在國際間持續受到重視。 資優生具備高度智能好奇、能在複雜的 資訊中找到共通性、喜歡進行隱喻式和象徵 性的思考、能將模式和系統視覺化...等等
(Clark
,
2007)
,科學現象具有因果關係、解釋 簡明和一致的通則等特性,正可以滿足資優 生在學習上的需求,同時在科學學習的過程 中培養推理(reasoning) 、探究(inquiry) 、模型 化 (modeling) ,和以證據為基礎 (evidence-based)的科學論證(argumentation) 等高層次思考能力。因此,資優科學課程設 計可進一步對應至 VanTassel-Baska 和Stambaugh
(2006)的觀點,必須包含:科學概 念的理解、探究技能的培養、科學領域的知 識、真實問題的調查,和發展學生科學心 智,避免單純的知識傳輸使資優學生在科學 課堂中得不到挑戰,而逐漸喪失對科學學習 的熱忱。POE (Prediction-Observation-Explanation)
包含預測、觀察和解釋三個步驟,要求學生 預測事件結果,接著透過結果觀察和先備概 念間的矛盾現象進行調和 (White&
Gunstone
,
2004)
,除了最初設計用來調查學 生的科學理解外, POE能有效提升學生的概 念學習以及科學學習興趣(Palmer,1995
;邱 美虹,2000)
,在「臺灣博碩士論文知識加 值系統」搜尋發現,近十年(2000-2009)共有 72篇博碩士論文以POE進行教學研究,內容 分佈在物理、化學、天文和生物(前三項居 多)等領域,當中國小階段(見附錄I )佔 45篇 (62.5%)a POE除前述能有效提升概念學 習和科學學習興趣外,其中的預測步驟引發 學生對科學現象「接下來會發生什麼? J 的 好奇,並接著以「哇!為什麼會這樣? J 促 使學生進一步的思考,對教師而言是一簡單 有效的教學策略,因此廣泛的使用於科學教 學中。 相較於普通班的教學進度壓力,資優班 的科學課程允許學生有更多探究和進行實 驗的時間,筆者依據實驗室教學能有效提升 學生科學概念學習及科學興趣、語言在科學 教室協助學生進行社會建構之重要性,和人 本主義 (Human Constructivism)(Mintz肘,Wandersee
,
& Novak
,
2002
,
2004)之三大主 張,-人類是塑義者 (meaning makers) 、教育 目標是意義分享的建構,和準備充分教師的 主動介入引導能促進意義的分享 J '將觀察 改成操作並加入討論步驟,形成 PODE(Prediction-Operation-Discussion-Explanation)
教學模式(圖 1 )。本文介紹PODE之理論背 景和實施步驟,提供資優教師在科學課程設 計與教學之參考。人本建構三大主張
.
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|實驗室教學之成效|
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一一一百
EE 口 E 一--H 口圖貳、 PODE之理論基礎
PODE為一概念改變之教學模式,本節
將先介紹在科學教育極為重要的概念改變
模式 (Conceptual
Change Model
,
CCM)
,並說明 POE與 CCM關連,接著論述觀察改為操作
並加入討論步驟的依據,以及人本建構主義 在 PODE教學中所呈現之理念。
一、 CCM與 POE
Posner
,
Strike
,
Hewson,與 Gertzog(1982)
以 Kuhn典範遷移的科學革命,和Piaget同化 調適的觀點為基體提出CCM ,認為學生或科 學家在產生概念改變前必須符合四個條 件:
(
I
)對現有概念不滿意 (dissatisfaction),
且新概念是 (2) 可理解的 (intelligible) 、(3) 合理的 (plausible) ,並且是(4
)豐富的 (fruitful) 。以「糖溶解」為例:直觀經驗使 學生在不同年段,均可能產生「糖隨著溶解 在水中漸漸看不見,使溶液也慢慢變輕」的 迷思概念(許良榮與劉政華,2004)
,這時 溶解前後的秤重一「糖不見了重量居然還是 一樣! J 先備概念無法解釋眼睛看到的現 象,形成學生對原有認知架構的衝突(不滿 意) ,開始產生概念改變; CCM 指出新概念 必須是「可理解」且「合理」的,表示其非 為反直觀、且能經由因果關係推導的概念, 在糖溶解的概念中,1(因為)糖溶解(所以) 變甜」、 I( 因為)紅糖溶解後(使)溶液的 顏色改變 J '提供了學習者對新概念的直觀 理解和因果推論關係,開始調適先備概念以 符合新概念;新概念的「豐富性」強調適用 於不同情境的類推,除了糖溶解重量不會改 變之外,鹽在溶解前後的重量也會保持相 同,而且新概念同時能解釋「紅糖加越多顏 色越深、喝起來越甜」的現象。回顧整個概 念改變歷程 J 溶解後重量相同」和「溶解= 不見=變輕」的先備概念間犀生矛盾,引發 學生產生不滿意的認知衝突,新概念的可理 解、合理性和豐富性,在調適學生先備概念 後進一步的同化(類推)至其他經驗後,形 成「糖雖然溶解不見,但還是散佈在水中」 的新概念。 POE 同樣以概念衝突的矛盾情境引發學 習者的概念改變,且由於先備概念的不穩固 性,學生在實驗觀察前通常被要求寫下對事 件的預測結果和理由,避免實驗結束後產生 的新概念掩蓋先備概念,無法仔細比較前後 差異。但多數科學現象並非替製造學生衝突 情境的機會,就會在對現有認知不滿意的情 形,下自動產生可理解、合理且豐富的新概 念,舉前述「糖溶解」之實驗站例,還需要 教學者在熟知概念改變歷程的情形下,設計 適當的教學活動,才能逐步引導學生架構穩 固的科學概念。 二、實驗室教學和語言在科學教室之重要性 實驗室教學一直是科學教學的核心(Hofstein
&
Lunet徊,1982
,
2004)
,實驗室教學提供直接的具體經驗使學生有機會建構 自身的科學概念、充滿挑戰的實務活動使學 生沉浸在科學學習中,且能透過實驗過程培 養如問題解決等的科學方法,在科學概念學 習、科學態度提升和科學方法的養成,均對 學生有所助益。 POE在學生寫下事件預測的 結果和理由後進行實驗觀察,但綜合學者
(Crouch
,
Fagen
,
Callan
,
&
Mazur
,
2004; Roth
,
McRobbi巴,
Lucas
,
& Boutonne
,
1997)看法可發現,教學演示常流於引發學生的娛樂工 具,要是缺乏足夠的解釋、或是只重講解而 缺乏討論,反而容易造成學生的迷思概念 O
Lazarowitz 與 Tamir (1 994) 和 Tamir (1991) 則
進一步指出,教師是引導學生進行實驗活動
有效學習的關鍵角色,但缺乏實驗後的討論 往往是導致實驗室成效不彰的原因之一。
由此本文轉向對語言(language,
discourse
,
talk
,
verbal)在科學教室中之重要性:語言是科學教室中探測並發展理解的關 鍵,同時也扮演描述或記錄事件的角色
(Bennett
,
2005)
,口語化的互動使說者藉著敘 述的過程重新整理原有的認知,聽者則能將 之與自身的理解結合並進一步調和矛盾(Tobin
,
2006)
,在挑戰原有知識的同時,新概念呈現或產生知識的方式也經此重建
(J
ones
,
2000) 。 總結實驗室教學的成效以及語言在科 學教室的重要性,筆者將 POE 中之觀察改為 實際動手操作,加入討論步驟形成 PODE教學模式,並與人本建構主義之三大主張結
合,論述如下。 三、人本建構主義與 PODE Novak以 Ausubel ,-有意義的學習 J (教 材要有意義、學習者的新概念必須適當連結 至舊有經驗、學習者必須白發的整合新概 念)為基礎,提供教師尋找「理解和概念改 變」架構的人本建構主義,其主張包含:( 1 )
人額是塑義者、 (2) 教育目標是意義分享的 建構,和(3)準備充分的教師主動介入引導, 能促進意義的分享 (Mintzeset a
I.,
2002)
,人 本建構主義兼採激進建構主義和社會建構 主義之科學本質觀,既承認可測的外在世 界,又強調理智上的認知作用對外在解釋建 構起有效的解釋(洪振方,2004)
,並視教 師為意義的中介者,目的在使學生透過意義 的分享,能發展出具一致性、簡約且有用的 知識評判價值(Mintzes,et
此, 2004) 。 主張一「人額是塑義者」與建構主義「知 識由個體主動建構」及「認知的功能在於組 織經驗的世界」之觀點一致,且能符合Piaget 「個體為適應環境,認知架構能在同化與調 適間維持平衡」的觀點;主張二「意義分享 的建構」與「知識的成長是與他人磋商形成 共識的社會建構」形成緊密的連結,認為「解 決矛盾」、「尋求簡明」、「澄清知識」的理解, 在互為主體的前提下才有機會產生;主張三 「教師能促進意義的分享J '立論緊扣著主 張三,將人本主義及建構主義的教學觀與之 結合,強調教師必須營造適合學生的學習環 境,同時以有力的教學策略鼓勵學生進行有 意義的學習,是促進意義分享的重要關鍵。 結論三大主張所共同追求的,即「依學習者 的先備知識為基礎,藉由準備充分教師的主 動介入引導以促進意義的分享,達成有意義 學習的目標(趙毓昕,2008b
'頁 567)J 。 人本主義對PODE之歐示如表 1:
,-主張 一」提供應重視學生先備知識及概念建構具 獨特性的觀點,包含在進行預測 (P) 及形 成解釋 (E) 的步驟中,-主張二」強調透過 社會文化及語言功能進行的意義分享的論 點,為將原本 POE 結合討論 (D) 步驟之依 據,-主張三」將教師隱喻為化學反應的催 化劑,以促進者的角色協助學生降低學習的 活化能,說明教師角色在 PODE 教學過程 中,從瞭解學生先備概念、教學活動設計、 予以學生適當的衝突及介入引導、到促進學 生間進行社會互動等環環相扣流程,所扮演 的關鍵性。 與 PODE 之對應 P 預測 E 解釋 D 吉才言侖 PODE 的 環環相扣 對 PODE 之放示 應重視學生之先備概念 概念之建構具其獨特性 以社會文化及語言功能進行 意義分享 教師應如催化劑降低學生學 習時的活化能 組成成分 Piaget 認知發展論:同化一調 通、平衡一一失衡 Vygotsky 社會建構論:社會文 化、語言、 ZPD 人本主義及建構主義之教師 角色 教育的目標是 意義分享的建構 準備充分教師主動 介入引導白色促進意 義的分享 人類是塑義者表 1
人本建構主義與 PODE (修改自趙毓土斤,
2008b )
人本建構主義 三大主張參、 PODE之實施步驟
接續PODE所形成之理論基礎後,圖 2說 明 PODE教學及學生概念改變歷程:學生進 入教師事先進行教學設計的課堂中,以先備 概念對事件的預測結果並說明理由 (P)· 實 驗操作 (0) 後經由預測和操作後解釋 (OE) 之間的不一致進入概念改變階段,此時若對 原有認知架構不滿意則產生概念改變形成 新概念,在檢驗新概念的可理解、合理性和豐富性後,帶著此 °E藉由教師引導進行教室
間的討論 (D) ,在討論歷程中學習者有機會 藉由教室間不同觀點的意義分享,重新檢核 自身概念的可理解性、合理性和豐富性,進 一步的強化正確概念或削弱錯誤概念,形成 討論後的解釋 (DE) 重新存回認知架構中。以下分就PODE階段實施步驟進行說明。
教學設計「 1: 人本蜘蛛
口:步驟或過程
。:決策思考問題
是否滿意T
、
II 先偏概念tt<\原有認真口架構
,-1一一一一一|
|人類是塑義者if-L
『
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一、\是否豐瓷/ 排斥新概念 圖2 PODE 與 CCM
(修改自趙毓析,
2008b)
一、教學設計 科學課程的設計著重概念的連結性,例 如雲與霧的概念必須搭建在對水蒸發現象 的理解上,海陸風的形成必須和熱漲冷縮概 念進行連結。同時,高層次思考如創造力或 問題解決能力,也難以脫離學科內容本質, 必須搭建在學科知識的基體上,才得以應 用、擴展而不致於形成空中樓閣。教學設計 如同引導學生學習的概念地圖,教師必須先 明確的理解要把學生帶往能力可及的教學 目標,目的地確認後回頭檢視學生在地圖上 的不同先備或另有概念,並進一步延伸迷思概念的成因 o 在將學生由先備概念、避免產生迷思概 念,到建構出符合科學社群解釋的課程地圖 設計中,教師對學生概念發展以及改變歷程 的理解,扮演著指引方位的角色。八零年代 左右的國際科學教育研究開始興起大量的 概念學習及概念改變研究,我國也在這樣潮 流的趨勢下和經過基礎研究的阻釀,在 2000 年正式由國科會主導,進行幾乎投入所有科 學教育菁英學者的「學生科學概念學習研
究 J '前後數十年來在國內外期刊 l 、博碩士
論文和國科會資料庫 2 ,持續累積了詳盡的研 究成果,作為科學課程設計、教學與評量的 參考。如此豐厚的資源當然也有助於資優教 師進行科學課程的設計,尤其是在沒有教科 書、又必須符合學生能力提供課堂挑戰的情 形下 o PODE 教學設計強調提供學生在矛盾現 象前後,預測 (P) 和操作後解釋 (Od 產 生認知衝突的機會,這些與先備概念的不一 致可能是「保特瓶外面一直流汗的礦泉水裡 面居然沒有減少」、「碗裡加了水之後怎麼就 可以看見硬幣」或「攪拌居然沒有辦法讓沉 澱在杯底的鹽繼續溶解 J '認知衝突使原本 頑固不易改變的迷思概念搖動之後,教師再 藉此機會持續透過如「你們覺得瓶外的水是 哪來的」、「加水的過程有沒有觀察到什麼」 和「加到什麼時候鹽就不會繼續再溶解」的 關鍵性問題,讓學生進行科學教室間的意義 分享,形成討論後的解釋( DE) 。 圖 3 為「大氣壓力」單元中,先使學生 理解「空氣有重量」的學習單摘錄內容,筆 者接續以此範例說明 PODE 教學實施之流 程 o Ql· 想一想. (空氣)有沒有重量? 口口口 有沒不 為什麼你會這樣認為呢,請寫下你的理由? 有It
Q2
ω
〉
ω
〉
(刺破 a 氣球,天平會變怎樣‘?)
/ / /
口口口 2- 1.為什麼你會這樣預測?請寫下你的理由。 --~一 口口口 2-2.操作後記錄下你所觀察的,並寫下你想法改變或增加的部分O --~一 口口口 2-3.請說明和同學、老師討論後,讓你想法改變、或不變的原因。 --~一圖 3
PODE 學習單示例(修改自趙毓土丹.
2008a )
I
International Journal of Science
Education在2007年曾發行特刊,集結這次的研究成果。二、預測 預測階段的目的主要使學生記錄下先 備概念和寫下推論的理由,在此之前可先使 學生理解預測(如以衛星雲圖「有根據」的 預報天氣)和猜測(如「隨機」或「沒根據」 的猜測骰子點數)之間的差異。預測前教師 陳述問題或展示實驗設備說明流程,對事件 的結果可視學生的能力,使用勾選式的選擇 或開放性的問答;同時為避免影響學生的先 備概念,可將學習單上的關鍵處以空白方式 處理,如圖 3 中 QI 和包括弧之設計:先讓學 生對「空氣是否有重量」進行預測和理由說 明,再由教師展示兩邊掛上氣球的天平,以 避免學生看到氣球天平而「污染」原本對空 氣是否有重量的想法。 三、操作 預測後學生在操作階段自行操作實 驗,記錄(圖 3Q2-2 )下實驗過程中的觀察、 結果,和操作後的解釋 (OE) ,並比較預測
和操作後想法的差異,如「我發現天平向右
傾斜,我原來預測不會變,可能是扁掉的氣 球重量會比較輕的原因」。難度較高的實驗 步驟能由教師示範,但將結果的部分保留給 學生;必要時教師也能在操作後提醒學生實 驗應關注的焦點,再讓學生重複進行實驗。 四、討論 討論階段由教師引導學生發表操作過 後的實驗結果和解釋 (OE) ,並透過「小花 覺得... ,有沒有人可以補充其他的想法」或 「剛剛小花和阿飛講的,你覺得有沒有什麼 不同」等等問題的中介,將問題繼續迴盪教 室中(而非由教師驟下標準答案) ,提供比 較和先備概念間轉變的機會(如「什麼原因 讓你後來會認為空氣有重量 J) ,而經由挑戰 他人觀點的同時使新概念得以持續精緻'逐 步建構出討論後的解釋 (DE' 圖 3Q2-3 )。肆、結語
PODE有助提升學生的概念學習和科學 態度(趙毓昕,2008a)
,以學生先備概念的 預測 (P) 、矛盾現象引發認知衝突的新概念(OE)
,和教室間意義分享的社會建構(Dd所組成,其步驟可由P-OE-D
E
或PI-PrOErDE2
(如圓的等不同循環的問題和實驗活動環 扣所組成。本文同時傳遞教師在進行資優科 學課程設計時,應「考慮、概念、教學活動之 邏輯性,利用過去累積豐厚之科教概念研究 成果作為資源,並將高層次思考能力建立在 學科知識為基礎」之理念,教師在此扮演促 進者的角色,協助學生原本頑固不易改變的 迷思概念,如同物體克服最大靜摩擦力開始 移動,並朝著簡明、一致,且符合科學社群 解釋的方向前進。參考文獻
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