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「影子變色」實驗探討
國中二年級學生的影子概念及推理過程
研究生：陳釀酩
中華民國 九十八 年 十一 月
摘要
本研究的目的在於設計一組「影子變色」實驗，藉以探討國中二年級學 生在此實驗中呈現的概念和科學推理過程。研究者透過一系列「影子變色」 的實驗，並以預測－觀察－解釋（POE）策略配合晤談方式，針對苗栗縣某國 中二年級學生 29 人進行質性研究。資料收集的方式包含有 POE 活動單、晤談 內容及活動過程錄音及錄影等。本研究探討學生在推理活動中所呈現的概 念、推理類型、推理過程，以及概念和推理類型與推理過程之間的關係。研 究結果發現：學生在預測和解釋與評估間常會因預測與觀察的結果是否一致 產生推理依據的改變。在 POE 推理實驗活動中，國中二年級學生使用來做為 推理依據次數最多的是科學概念，計 209 次，占 56%。用來解決在活動中所遇 到的問題的推理策略為演繹推理，計 232 次，占 69.6%。在 POE 活動進行中， 學生除了使用演繹推理來解決問題，同時也會調整推理策略、運用不同類型 的推理方式來調適並解決問題。 關鍵字：推理過程、POE 策略、推理類型 IUsing "shadow color" experiments to explore the eighth-graders’ concepts and reasoning processes
Niang-Ming Chen Abstract
The purpose of this study was to investigate the concepts and reasoning processes presented by the eighth-graders in a series of "shadow color" experiments. The "shadow color" experiments were designed by using the predict-observe-explain (POE) strategy, and the subjects, 29 eighth-graders in the Miaoli county, were interviewed. The empirical data were collected by the worksheets of POE activities and interviews. The data were analyzed for understanding the concepts and the reasoning processes, as well as the interplay between both, that students shown in the reasoning activities. The primary findings of this study were as follows. When there was a conflict between students’ prediction and obsevation, they usually changed their reasons for prediction and explanation. In the POE activities, scientific concepts were most frequently used (209 times, 56%). On the other hand, the reasoning type most frequently adopted was the deductive reasoning (232 times, 69.6%). Meanwhile, students usually adjusted their reasoning strategies for solving problems when they faced with a different situation.
Keyword: POE strategies, Reasoning processes, Reasoning types
目次
中文摘要... Ⅰ. 英文摘要... Ⅱ. 目次... Ⅲ. 圖目次... Ⅴ. 表目次... Ⅵ. 第一章 緒論...1. 第一節 研究背景與動機...1. 第二節 研究目的與問題... ...5. 第三節 名詞釋義...5. 第四節 研究範圍與限制...6. 第二章 文獻探討...9. 第一節 POE策略...9. 第二節 概念與另有概念...15. 第三節 成影概念研究...19. 第四節 推理...22. 第三章 研究設計...37. 第一節 研究樣本... ... ...37. 第二節 研究流程... 38. 第三節 研究發展與方法...43. 第四節 資料蒐集與分析...53. 第五節 研究信度與效度...55. 第四章 結果與討論...57. 第一節 成影概念及活動中的成影概念...57. 第二節 推理類型與推理能力評估... 75. 第三節 概念與推理過程對推理結果之影響...91. 第四節 綜合討論...102. 第五章 結果與建議...107. 第一節 研究結論...107. 第二節 研究建議... 110. 參考文獻...113. 一、中文部分...113. III二、外文部分...115.
附錄一：POE活動單...118.
附錄二：逐字稿範例...123.
附錄三：學生概念圖示－以學生 S29 在活動一中的活動單為例...127.
圖目次
圖3-2-1 研究流程圖...42 圖3-3-1 推理活動裝置-檯燈...45 圖3-3-2 推理活動裝置-彩色燈泡...46 圖3-3-3 推理活動裝置-支架...46 圖3-3-4 推理活動裝置-全圖...48 圖4-1-1 概念比例分配圖...68 圖 4-1-2 概念類形長條圖. ...69 圖 4-2-1 推理類型比較圖...80 圖 4-2-2 概念曲線圖(一)...89 圖 4-2-3 概念曲線圖(二)...90 圖 4-2-3 概念曲線圖(三)...91 V表目次
表2-4-1 推理的定義...23 表3-3-1 影子推理實驗內容與目的...50 表3-3-2 影子推理實驗設計圖與科學解釋...51 表 4-1-1 科學概念與學生人數表...58 表 4-1-2 概念類型與次數比例表...59 表 4-2-1 推理類型次數比例表...80 表 4-2-2 學生 S09 的推理過程...81 表 4-2-3 學生 S01 的推理過程...82 表 4-2-4 學生 S07 的推理過程...83 表 4-2-5 學生 S02 的推理過程...84 表 4-2-6 推理正確性類型表... ...85 表 4-3-1 概念與推理結果類型表(一)... ...92 表 4-3-2 概念與推理結果類型表(二)... ...93 表 4-3-3 概念與推理結果類型表(三)... ... ...94 表 4-3-4 概念與推理結果類型表(四)... ...95 表 4-3-5 概念與推理結果類型表(五)... ...96 表 4-3-6 概念與推理結果類型表(六)... ...97 表 4-3-7 概念與推理結果統計表... . ...98 表 4-3-8 推理類型與推理結果類型表... . . ...100 表 4-3-9 成影概念、推理類型與結果交叉分析統計表... ...101 VI第一章 緒論
本章共分為四節，第一節敘述研究背景與動機；第二節說明研究目的與 問題；第三節為名詞釋義；第四節是研究範圍與限制。第一節 研究背景與動機
在邁入新世紀之後，我們的國家、社會已逐漸轉型成為一個訊息暴增、 民主、多元的社會。在此民主自由的社會趨勢之下，我們的教育必須要讓學 生能透過學習活動，去蒐集、整理、分析、與運用相關資訊，能獨立思考， 並有系統研判問題；而能養成溝通協調、講道理、理性批判事物、容忍不同 的意見、與反省的習慣；並能有效地解決問題和衝突。 近數年來，學校教育的課程內容及其教學法有著顯著的改變。在落實學 習是以兒童為本位的觀點之下，只有在學童主動參與教學活動之中，學習才 會發生；有意義的學習，一定要將課程內容由學生具體的感覺經驗和日常生 活情境著手，並且配合其認知發展，由其自然的想法開始，逐步聯結到形式 的知識；學生由問題發現到收集資料到形成假設，最後解決問題，皆是目前 發展的趨勢。是故，解題 (problem solving)和推理(reasoning)是當今教育 的主流（教育部，2003）。 九年一貫課程教育是台灣邁向新世紀的教育改革課程，其課程理念以生 活為中心，配合學生的身心能力發展歷程；尊重個性發展，激發個人潛能； 培養科學智能，以適應現代生活需要（教育部，2003）。由此，教育部也頒 定了以下十個課程目標： 1. 增進自我瞭解，發展個人潛能。 2. 培養欣賞、表現、審美及創作能力。 3. 提升生涯規劃與終身學習能力。4. 培養表達、溝通和分享的知能。 5. 發展尊重他人、關懷社會、增進團隊合作。 6. 促進文化學習與國際瞭解。 7. 增進規劃、組織與實踐的知能。 8. 運用科技與資訊的能力。 9. 激發主動探索和研究的精神。 10.培養獨立思考與解決問題的能力。 其中的第十個課程目標－「獨立思考」，指的就是期望學生能獨立解決 問題，並培養學生在發現問題時，能獨自去做推理及解決問題的過程。推理 是思考的歷程中，高於回憶之層次，其包含基本的思考、批判性思考，以及 創造性思考（教育部，2003 年）。Hogan 和 Fisherkeller（2000）也認為科 學推理是科學探究活動歷程的思考過程，並且指出：「我們用推理去建構知 識，我們也用知識去推理」。另外 Gagne（1970）也認為問題解決可視為一種 過程，結合且運用先前所學的規則去解決新的情境，並且在過程中產生新的 學習。由此可知，知識的建立與推理之間的關係可謂密不可分。 現今科學教育已將建構知識的主體回歸到學生身上，強調知識建構的主 體是學生，同時也讓學生有時間和機會去面對問題、解決問題。科學的學習 方式現在也由填鴨式的科學知識和概念的記憶，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）。而所謂「解決問題」 需要將許多已知的東西加以組織，運用這些知能找出解決方法或途徑。解題 的「方法（過程）」和「答案（產品）」是同樣重要的。問題的解決的過程包 含五個步驟：瞭解與思考，探究與計畫，選擇策略，尋找答案，以及省思與 擴展問題（教育部，2008）。 但在科學教育的現場中，常常為人所詬病的缺失是：學生經常只學到片 段的知識，卻缺乏科學推理、解釋資料的能力（許良榮，2005）。對於學生
偏向記憶式的學習方式，並且為了配合評量，重視評量的分數高低而忽略科 學過程技能的重要性和能力培養，是科學教育的一大隱憂。 因此我國所公佈的「九四課程新綱」中也特別提到培養學生處理資訊、 使用資訊、應用資訊的能力，使用既有的資訊尋找問題的解決方式（教育部， 2008）。這其中就牽涉、包含推理，當學生在聽講、閱讀、進行實驗時，都 會運用到推理的技能，因此推理是學生必須學習的科學過程技能。 在自然與生活科技領域的課程教學現場中，研究者也發現如同許良榮 （2005）的研究所顯示的現象，亦即學生的學習常常流於片段記憶的學習， 對於科學的過程則較缺少關注。但學生如果能夠了解科學的過程，對他來說， 科學即是有意義的，也有助於他學習科學的內容。
美國科學促進會的 SAPA （Science：A Process Approach）課程中，認為 在自然科學的學習，應包涵科學研究的十三種過程技能：觀察、使用空間和 時間關係、運用數字、測量、分類、溝通、預測、推論、假設、控制變因、 解釋數據、下定義、實驗等步驟，其與科學家進行科學探討的過程相符。而 科學過程技能中，假設到驗證的歷程特色與邏輯推理原則不謀而合。 反觀國內教育的現況，在過去的國際數理資優競賽中，我國學生常能 獲得優異成績表現，雖然我國 9-13 歲學童的科學知識在國際間成就輝煌，但 存在著一個不可忽視的事實，即我國學童一般來說缺乏推理的能力（邱美虹， 1993），研究者在數年的自然與生活領域課程的教學經驗中也發現類似的結 果，特別是在讓學生使用紙筆以外的方式呈現學習成果，或自行操作實驗時 最為明顯。例如讓學生使用輔助教具說明影子的成因：光線是如何被物體擋 住?又是如何在物體後方形成陰影？此時學生往往會不知道如何說明；又如學 生對於自然實驗的結果，會根據自己的概念或所觀察到的現象而進行預測， 但若實驗的結果不符合先前的預測時，則往往不知道如何經由推理來修正自 己先前的預測。即便是預測的結果與自己實驗所觀察到的結果相符，亦無法
從中去正確的推論何以會有這樣的結果。因此學生對於概念的認知以及理 解，往往不若在紙筆測驗中用數字成績那般容易判定，學生如何運用概念、 使用推理來解決問題，更是科學教師所必須關注的。
美國科學促進會（American Association for the Advancement of Science； AAAS）提出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。所以，推理能力在自然科學教育上也是極為 重要的課題。 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。在我國國小課程中，影子單元安排在小學低年級，包括踩影子遊戲、竿 影等活動。然而，很多研究顯示，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（例如： 邱韻如，1998）。但研究者在教學經驗中也發現，學生多能提出對於影子是 如何形成的解釋，也能明白的指出影子的形成是由於光線被物體所阻擋。那 為何學生對於影子的大小、影子的顏色、影子顏色的深淺仍會有許多的另有 概念呢?在使用概念與解決問題之間是否存有其他的推理過程呢? 因此，本研究使用POE策略的方式來了解學生進行推理的過程及推理的類 型，此一策略能運用晤談的方式來了解並呈現學生對於對於某一概念的認 知、理解以及推理過程；並能透過推理活動的安排來呈現學生從概念到問題 解決的結果之間的過程 (White & Gunston, 1992) 。同時也希望能透過此一研 究使科學教師能了解學生如何運用既有的概念與認知來進行推理，並將此運 用於教學之中，期望能減少學生另有概念的產生與建構，並增加以促進教學 的成效。
第二節 研究目的與問題
本研究希望透過 POE 策略的方式，以「影子變色」POE 推理實驗來了解 國中二年級學生對於影子及影子變色的概念為何?由其在活動過程之中所陳 述的對於影子的形成及影子變色的現象的預測與結果的解釋，去歸納其相關 的概念及推理的過程，並經由此一過程能瞭解學生的概念、推理類型、推理 過程間的關係與相互作用的影響。研究問題如下： 1. 國中二年級學生對於影子與影子變色的概念為何? 2. 國中二年級學生對於影子與影子變色的推理類型為何? 3. 國中二年級學生對於影子與影子變色的推理過程為何? 4. 國中二年級學生的影子與影子變色概念與推理過程間有何關聯及影 響？第三節 名詞解釋
一、POE 策略 POE 策略係指使用 P(Predict：預測)、O（Observe：觀察）、E（Explain： 解釋）此三個步驟的教學策略及方式，此一策略可以清楚的了解學生對於某 一概念的認知、理解以及推理過程(White & Gunston, 1992)。首先要求學生對 於事件的結果先進行預測並說明預測的理由，接著進行觀察及描述實際所觀 察到的現象，最後就預測的結果及實際觀察到的結果之間的落差，進行調適 以及解釋。 二、影子與影子變色概念 在本研究中，影子概念所指的是在前活動中，學生所使用來解釋影子是 如何形成的概念；影子變色概念是指學生在 POE 推理活動中，所使用來解釋 影子為甚麼會變色的概念。三、另有概念 本研究所指的「另有概念」乃依據建構主義之觀點，指學生以個人日常 生活經驗、學校學習或其他途徑，對於現象或概念所產生與之認知，而這些 認知與當今科學家所認同的看法與信念不同者。 四、推理類型 本研究所探討的學生推理類型是指學生在進行 POE 活動時，所採用的推 理方式，而本研究所採用的推理類型，是參考張春興(1992)所整理的「歸納 推理」、「演繹推理」和「類比推理」，外加「直覺臆測」 等四種類型進行分 析。 五、推理過程 本研究所指「推理過程」，是指學生在影子變色推理實驗中之 POE 活動中， 對於所觀察到的現象，依據自己原有的知識、概念所陳述之解釋，分析其所 用之推理類型，在整個活動中所呈現的改變。所以在本研究中科學推理過程 包含學生利用推理能力來解決問題時所呈現出來的推理類型，其結果將由概 念來表徵，其方法將由推理策略來表現。
第四節 研究範圍與限制
本研究採質性研究法，由於受到研究時間、人力與物力等因素的影響， 因此研究的範圍與所受到的限制如下： 一、 研究範圍： （一） 本研究採立意取樣，僅針對苗栗縣某國中二年級某班學生為研究對象 來進行，對象為二十九人，因此對於研究結果不宜過度推論。 （二） 本研究以學生學習及生活經驗為主，並相信學生皆有推理的能力，其 他相關生活背景不在考慮範圍之內。（三） 本研究結果僅適用於研究對象在本研範圍內所做之推論。 二、 研究限制 （一） 本研究採 POE 策略的半結構式晤談，假設研究對象均有能力且願意 充分表達自己的意見。 （二） 本研究以「光影變化」概念為範圍，對於其他光學概念不宜做過度 之推論。
第二章 文獻探討
本章節為針對與本研究相關之文獻討論與分析，以下分為四個章節討 論：第一節探討 POE 策略；第二節探討概念與另有概念；第三節為成影概 念研究；第四節則是討論推理。第一節 POE 策略
一、POE 策略的起源1980 年美國 Pittsburgh 大學 Champagne、Klopfer 和 Anderson 設 計了「DOE」(Demonstrate-Observe-Explain)，DOE 的主要目的是希望藉 由此一晤談策略來探討學生的相關概念。這策略分為幾個部分，先對學生 實施紙筆測驗，接著由教師示範實驗活動讓學生進行實際觀察，最後則由 學生回答測驗上的問題並提出說明（Champagne, Klofer & Anderson, 1980），當時有些 DOE 的測驗會要求學生於觀察之前先對實驗的結果進行 預測。
王淑琴（1993）將 Champagne、 Gunstone 和 Klopfer(1985)等人發 展的 DOE 概念晤談教學策略的實施方法整理如下： （一）裝置好一系列的示範實驗儀器，並說明所用到儀器之操作方法。 （二）請學生預測示範實驗可能發生的現象，並且說明他們之所以如此預 測的理由。 （三）在未觀察實驗示範前，讓學生看其他同學所作的預測及解釋，並請 學生指出他人的答案中是使用到哪些概念。 （四）請學生比較自己的想法和其他同學想法異同之處。 （五）施測者進行示範實驗，要求學生仔細觀察，並將他們的觀察描述出 （六）請學生討論他們所作的預測和觀察到的現象有何不同之處。 （七）進一步也可讓學生親自操作實驗，描述他們所觀察到的現象，並請 他們再次提出解釋。
Gunstone 和 White (1981)發現讓學生進行「預測」的活動，除了能 提高學生的學習動機；其預測的理由也反映出學生原本的認知結構。所以 他們認為「預測」對於瞭解學生概念及提升教學成效十分重要，基於上述 理由，便將 DOE 策略改良為 POE 教學策略，以期提高教學效益。White 和 Gunstone (1992)提出了 POE 策略運用於探究學生概念之改變，其策略的 主要步驟有三： （一）預測：學生運用其原有的知識去預測一個事件的結果，其預測必須 要有其支持的理由，才能提出。 （二）觀察：在事件完成之後，學生去描述觀察到的結果。 （三）解釋：由學生解釋他的預測和觀察結果之間的矛盾，通常他會遇到 困難，教學者要鼓勵學生去考慮所有的可能因素；此時鼓勵 是重要的，因為學生在這個步驟中會展現出他們對於事件的 理解。 因此，DOE 教學策略雖然與 POE 教學策略相當類似，但也不全然相同，最 主要的差異點在於 POE 教學策略較為強調預測這一階段的重要性，但 DOE 教學策略則否。 二、POE 策略的目的 教育的重要目的之一，是要讓學生學會如何運用學來的知識，去解釋 事件與經驗，在課堂中「問問題」是一種常見的策略，其目的就是要檢視 學生應用知識的情形，而 POE 則是一種對應用知識能力的測量(White & Gunstone,1992)。因此 POE 比「問問題」更為直接，當我們在提問問題時， 很可能我們的問題之中就會含有對答案的暗示。對學生來說，他的學習也 只是重複操作某一概念來對教師所提的問題做出解釋，這樣的情境學生根 本不需思考。但 POE 所強調的「預測」的部份，與問問題相比，更能讓學
生運用知識去做推理，使用推理去做出解釋，也經由推理讓我們更能了解 到學生所學的知識是如何被運用在真實的情境之中。 葉辰楨(2000)認為，運用 POE 模式，由於作「預測」較少受到「什麼 是正確答案？」的想法影響，運用此一策略，也可使得低成就以及平時不 善表達的學習者較能在教師與同儕鼓勵下發言；而在實驗活動中使用 POE 模式，學習者參與課程和投入的程度亦有所提昇。例如「不同重量的兩個 球，在同樣高度下，哪一個先落下？」這種一般性的問題，在 POE 的過程 中，學生也較有可能以實際觀察到的現象，去評估所學的物理知識如何運 用到真實的情境中(White & Gunstone, 1992)。
李家銘（2001）也發現低成就學生在進行實驗時，由於其實學習成就 就及學習態度的影響，通常只是動手操作而沒有進一步的動腦思考。但若 使用POE策略來進行教學活動，他們的電學概念會有明顯進步，其中最有 意義的是「預測後的解釋和觀察後的解釋」，因為這樣的解釋行為讓學生 會動腦思考問題的答案並評價自己的概念，進而增進學習的成效。 POE 最重要的關鍵是讓學生自己決定推理、預測、解釋所抱持的理由， 在許多活動的經驗中，學生經常由日常經驗或是以曾學過的知識去支持他 們的理由，甚至應用跟科學家相異的觀念去解釋現象。這說明了 POE 比一 般的策略更能探測學生用來解釋科學現象的信念(White & Gunstone, 1992)。 三、POE 策略的實施 Bruce (2000)的研究顯示，許多不同概念、不同階段的科學學習活動 中、都可以運用 POE 策略來作為學習策略，同時 POE 策略也可以很成功的 應用在從幼稚園(利用繪畫與交談)到大學前後的課程，它可以幫助我們思 考幾個方向：
（一）當課程中所學習的是學生有共同興趣的學習材料上，POE 策略提供 科學課程或課堂討論一個很好的導引。 （二）POE 策略可以讓教學者能觀察學生活動的歷程，作為進一步研究、 改進寫作能力或形成性評量的基礎。 （三）由於書寫 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。 （四）「預測」這個動作會增加學生的參與感，這會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。 （五）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？ 然而，Bruce (2000)也提到如果 POE 活動的主題是學生較少經驗的主 題，當要他們進行預測時，學生可能會任意猜測，誤以為學習的目標就是 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。 「預測－觀察－解釋」是晤談策略的一種延伸（邱美虹，2000），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。 邱美虹（2005）接著更提出 POE 實施步驟如下： （一）首先向學生說明實驗程序，並讓學生觀看實驗裝置，接著請學生就 所看到的預測將會發生的結果，並寫下何以會如此預測的理由（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。 一開始要進行 POE 策略時，需確定所有的學生都知道他們要作預測， 這時可以允許學生詢問各種問題，讓他們在預測活動進行之前瞭解狀況。
接下來非常重要的是，讓學生指出他們的預測以及支持預測的理由，這可 以在一張準備好的活動單進行，或者以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。有兩個理由可說明 為何學生要在觀察前完成此工作(White & Gunstone, 1992)：
（一）每個學生都要表明自己採用何種適當的知識立場，並加以運用。 （二）每個學生都不會錯失對事件的觀察（因為學生仍處在思考或書寫狀 態中）。 當活動進行的時候，要求學生寫下他們觀察到的現象，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 (White & Gunstone, 1992)。接下來的步驟是讓學生協調在預測與觀察到 現象之間的差異處，對於學生來說這很困難，教師這時候的工作就是鼓勵 學生思考各種的可能性。鼓勵是很重要的技巧，這時候學生提供的解釋說 明通常都透露許多他們的瞭解狀況，而這些解釋跟說明正好提供機會給教 師來瞭解他們理解的情況。
Fekete 在 1995 至 1996 年間於澳洲雪梨大學(Sydney University) 物理教育研究群(Physics Education Research Group)進行一連串的熱力 學教學改革，提出教師仍為傳統課室教學為中心，學生沒有機會對於他們 原有的概念進行批判思考，研究團隊覺得應該提升學生互動的時間比，營 造一個適合學生的授課環境。於是 Fekete 等人在課堂的講演中加入了 POE 的策略，並利用更多的小組討論機會、網路媒介、相關圖書研究、光碟、 照及影片等資源讓學生有更多參與機會；結果發現學生的評量成績逐漸提 升，而且學生們對於這樣的互動表示更能夠引起他們的學習動機與參與 度，同時也可以學到更多；Fekete 表示，在這樣的情境下，學生學習的 自主性提高，課堂上有更多的互動產生，他都更積極的回答老師們所提出 的問題(Fekete, 1997)。由此可見，POE 策略也能幫助學生提升學習的興
趣。 進行 POE 活動時，對於預測-觀察-解釋的每一個步驟，教師需運用適 當的引導及發問技巧，鼓勵學生清楚的表達自己真實的想法，而且每一個 步驟也應預留充分的時間讓學生確實完成，如此才能有效達到設計 POE 活 動的目的。 四、POE 策略的原則與優點
White 和 Gunstone（1992）提出在選擇適合的事例來實施 POE 時， 基本上要考量下列原則： （一）教師可以提出幾種可能的情況讓學生做預測，讓其利用選擇或勾選 的方式或者採用開放的反應模式，讓學童能充分表達自己的想法。 （二）實驗結果必須是清晰可見的，也就是說要能讓學生能夠直接進行觀 察，欲觀察的實驗結果必須是清晰可見的。 （三）要提供真實的情境與問題給學生，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。 （四）POE 活動的主題要提供學生一個能以個人理解進行推理預測的情境 或實驗，若純粹只是猜測，是沒有意義的。 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。
第二節
概念與另有概念 一、 概念的意義 概念乃是指一種認知過程（cognitive process）的形式或階層，在 認知階層中，以思想的本質、觀點、以及物體間的關係為其特徵，使個體 能夠做比較、概括、抽象及理解的活動，並以語言為其主要的表達工具（歐 陽鍾仁，1999）。 「概念」這個名詞在不同領域被不同的學者專家賦予不同的意義；以 心理學領域的行為及認知兩學派而言，行為學派視概念為一群能產生某特 定反應之相同刺激，而認知學派則視概念為一心智活動。黃台珠（1984） 則指出概念是人類思考和瞭解的工具，是學習的基本單位，概念存在於人 的心智中，當人接觸到世界上的各種事物與現象，會試圖找出其共通性， 將此共通性符號化。該研究提出概念的特性有三： （一）共通性（regularity）：相同物體在事件或其它概念中有共同性， 了解一個概念要能知道其分類的規則，能分辨出何者屬於概念的範 圍，並能分辨出此概念與其它概的差異性與關係。 （二）符號化（symbolization）：概念的命名是人為界定的，為了便於人 與人之間的溝通，以及個體認知結構中概念之使用，常以簡化而抽 象的符號代表之。 （三）文化特異：概念是人所創造的，依其使用者的文化方式來表達，以 方便溝通。 但「語言」等將人類心智轉譯的符號對於確實的「認知」上是有限制 的；而概念的「文化特異性」，是依使用者的認知不同而異，「概念」是依使用者的文化背景來表達實體（reality），每個人都在建構自己的實體， 因此對「概念」的認知、解釋及詮釋會有差異。（引自王美芬、熊召弟， 1995） 張春興（1996）對概念提出了廣義與狹義的定義，就廣義定義而言， 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，可將具有共同屬性的一類事物的全 體加以分類，此名稱或符號所代表者為概念，概念具有歸類與共通性。 Vygotsky (1986)則將概念區分為兩者： (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。 二、 另有概念 學生在日常生活中的透過各種管道，形成對事物各式各樣的想法和認 知，養成了個人的思考方式，在他們面對新的事物，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，而影響學生對 某些新概念的學習。這些先存的理論與模式在學術研究上有許多不同的用 語， 例如先前概念(preconceptions)、另有架構(alternative frameworks)、另有 概念(alternative conceptions)、迷思概念(misconceptions)等。本研究採用廣 義的看法，只要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，例如： （一）王美芬與熊召弟（1995），認為迷思概念可能的來源有： 1.教師對學童的迷思概念缺乏察覺心及興趣。 2.日常生活用語即隱喻的影響。 3.教師持有「只要教，馬上會學會」的假設。
4.教師持有「學生回答正確的字或話語，即代表了解」的假設。 5.教科書呈現錯誤概念。 6.過分強調假設法。 （二）Osborne、Bell 和 Gilbert(1983)提出三點有關學生們的概念與與 專家的概念不同的原因： 1.學生傾向於以自我中心的觀點觀察事物。 2.學生傾向於對某一特定事件的部分解釋感興趣，而較不關心連貫的、合 理的解釋。 3.學生日常所使用的語言和專家們所使用的語言也有些微的不同。 （三）Driver 則列舉七項學生形成另有概念的主要原因(引自樊雪春、陳 慧娟，1996)： 1.思考侷限於感官：在碰到問題之初，學生傾向於以其易見的特徵作為推 論的依據。 2.注意力集中在有限的範圍：學生對於科學概念常只考慮到一些特定物質 情境的有限層次，注意力只集中在感官能察覺到的明顯特徵。和這種傾 向類似的是：學生在解釋一些現象時，常常把物體賦與一些絕對的性質。 3.只注意到改變而忽略穩定狀態：例如學生針對壓力概念，學生通常只考 慮到不平衡狀態時的壓力作用，而忽略了平衡狀態時的壓力。 4.線性因果關係的推理思考：學生在說明改變之所以會發生的原因時，他 們的推理方式常是按照一個有方向性因果順序，亦即它們會假定有一個 「因」的存在， 且由其產生一連串的時間上依序出現的「果」。此種思 考方式會使學生難以體認在系統之間交互作用的對稱性。 5.未分化的概念：孩童所用的一些觀念，其所涵蓋的意念很可能和科學家 所用的有所不同，而且常常範圍更大，含意更為籠統。 6.受到情境因素的影響：與上述相反，學生在了解科學家認為相同狀況的 一些情境時，常因其外觀可察覺的特徵之不同，而應用不同的觀念來說
明，亦即學生的想法會受到情境因素的影響。有時同樣概念的題目，學 生會因情境不同而無法回答。 7.一些明顯的另有想法：對於許多不同的題材，有一些學生的另有想法一 再的重複出現。顯然的，有些想法是相當普遍的存在於學生的腦海，而 且這些想法會影響學生許多不同情境的思考。 另有概念的形成原因，無論是個人因素造成，或是外在環境之影響， 所形成之另有概念均有一些共同特質，這些特質將阻礙學生科學學習過程 中概念的轉變。 Mintzes、Wandersee 和 Novak（1998）則將另有概念和概念理解的特 徵歸納成以下八點： （一） 學習者在科學概念的學習上，一開始並非像白板一樣，而是會帶 著許多對於自然事物的想法來學習，這些想法常常和自然科教師 或教科書有所差異。 （二） 許多的另有概念和年齡、能力、性別、文化等層面有強烈的相關 性存在。這些另有概念在科學課程中包含了生物、化學、物理、 地球與太空科技等，它們都有其特性，通常在個別的日常生活上 都具有其實用的功能性。 （三） 這些想法通常不易被傳統的教學策略所改變，因為它們經常是頑 固的，並且具有抵抗改變的特性。 （四） 另有概念從多樣的個人經驗中產生，包括直接觀察、同儕文化、 日常生活用語及其他大量的媒體等。 （五） 教師也常有和學生具有相同的另有概念。 （六） 一位成功的科學學習者，常擁有一個強力的階層性的、一致的相 關概念架構，並能用較深入和更有原則性的模式來表徵他們的概 念。 （七） 理解和概念改變，是學習者自覺地建構意義認識性的成果；透過
有次序的認知事件，他們可以重建已存有的知識架構，所以，建 構意義是一名成功學習者所必須的。 （八） 聚焦在理解與概念改變的教學策略，是有效的教學工具。 三、 概念改變 Piaget 認為當學習者在學習遇到困難時，會先將新經驗或新知識 納入已經存在於自己的認知結構中，稱之為同化（assimilatiom）；而如 果認知結構不能同化新的經驗或新的知識，學習者為了符合環境的要求， 會主動修改其既有的認知結構，從而達到目的的一種心理歷程，稱之為調 適（accommodation）（張春興，2003）。 Posner、Strike、Hewson 和 Gertzog（1982）認為概念改變需符合 以下四點條件，再透過調適才能使概念重組以達到概念改變的目的（引自 邱美虹，2000）： （一）學習者必須對現有概念感到不滿意（dissatisfaction）：人們除非 感受到自己的概念不具功能性，否則是不會輕易改變他們所用以思 考的概念。換言之，當同化仍然合理時，人們是不會進行調適的。 （二）新的概念必須是可以理解的（intelligible）：新的概念必須是可 以理解的，個體才可能進行概念改變。 （三）新的概念必須是合理的（plausible）：雖然新的概念未必一定為真， 但它至少必須具有成真的可能性。 （四）新的概念必須是豐富的（fruitful）：它不僅有可能解決現有的問 題，而且也應該提供未來探索的途徑及作為產生思考的工具。
第三節
成影概念研究 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。在我國國小課程中，影子單元安排在小學低年級，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。 影子是黑的，是一個顯而易見的現象，也是一個根深蒂固的概念。因此， 大多數人甚至不會認為影子為什麼是黑的是一個值得問的問題。根據過去 的研究，一般學生通常是用「光照到物體就形成影子」或「物體擋住光就 產生影子」等等來解釋影子的成因，這樣的回答並不代表對成影概念的真 正瞭解。皮亞傑指出孩童認為影子形成的物理原因有四類(Piaget & Inhelder,1956)： （一）影子是因為外界的黑暗(如夜晚、樹的陰影等)而產生的。 （二）影子是物體本身所具備的。 （三）影子是物體本身所具備的，光的照射會使得影子發射出去。 （四）影子是因為光被物體遮擋而在屏幕上所形成的。 前三類都是標準的「迷思概念」。第四類的回答則還要透過學生進一 步的解釋或畫圖，才能判定概念是否合乎幾何光學上的解釋。很多研究指 出(Feher & Rice,1988；黃湘武和黃寶鈿,1989；邱韻如,1998)，用「影 像發射」來解釋成影成像，是相當普遍的迷思概念。Feher & Rice(1988) 指出，很多 9 到 13 歲的學童認為影子是存在空間中的一種東西，它屬於 物體，因此形狀會和物體相同，這些學童的想法是，當物體受到光的照射 時，影子會自己投射到屏幕上或被光推動到達屏幕。黃湘武和黃寶鈿(1989) 在一項針對國中生到大學生所做的研究中指出，有些學生認為影子是光照 射到物體後，物體再發射出影像所形成的；也有學生認為投影的現象是由 於光只能照射到物體前方，因此在物體鄰近後方產生一個陰影，此陰影再 投射到屏幕上而形成。 很多學童認為黑色是影子本身的性質，他們沒有“影子是因為那個區 域沒有光線被反射所以才呈現黑的＂的概念。他們通常認為黑色、白色和 其他顏色一樣都是物體固有的性質，光的作用是照射到物體讓我們可以看
到物體的(Feher & Rice,1992)。這些想法和科學史上的舊觀念是一致的， 在牛頓之前的人們也大都是持這樣的看法，因此當牛頓提出白光是有由很 多種色光組成的說法時，並不是一下子就被世人所接受。 在黃子晏（2004）的研究中，以科學寫作的方式探究國中生有關「光」 的迷思概念，研究結果顯示學生對於「影子的形成」存有迷思概念。少部 分學生有「影子的形成是光的反射」、「光被物體吸收產生黑影」；也有部 分學生存著「物體不可以沒有影子」、「有光源就會有影子」、「物體離光源 越近影影子就越小」等的迷思概念。 王龍鍚和林顯輝（1992）則是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概念，也發現到發現學生對影子形成的迷思概 念有：（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。 而蕭倍如（2005）以自行發展之紙筆測驗來台中縣中小學生對於光學 的迷思概念，研究結果發現學生對於影子的迷思概念有（1）影子的顏色 與燈光顏色相同；（2）把光源調暗則影子變大；（3）影子形成的原因是 由於物體反射或偏折光線；（4）黑暗中的物體仍有影子；（5）以十字型 的電燈照射有圓孔的障礙物，則螢幕上出現十字型的亮影。 然而根據何嘉峻（2003）的研究可以發現到國中二、三年級不同性別 學生對於光學 (含「光源」、「光的直線前進」、「光與影子」、「光的折射」、 「光的反射」、「光與視覺」、「光與顏色」）均存在著迷思概念。 黃湘武與黃寶鈿 (1988)以群測及晤談的方式研究國中、小及高中學 生對於光的先前概念，包括：視線與顏色、光的投影以及平面鏡的成像。 與本研究相關的影子概念方面顯示：學生會認為影子是光照射到物體，物 體發射出來影像所產生的。 另外在 Rice 與 Feher (1988)以問卷與訪談的方式來研究學生對於影
子的概念中，發現學生易以反射來解釋影子的生成，影子是一種某物，會 移動到螢幕上，將影子給物質化。 李采褱（2003）針對光學概念進行研究。研究結果顯示在「影子的形 成」的概念上，學童之迷思概念有：「透明物沒有影子，或為深色黑影」、 「影子係由物體『反射』陽光而生」、且「黑暗中依然有影子」。
綜合以上幾個研究中可以發現，學生對於影子的形成的確存在著許多 的迷思概念，例如：「影子的顏色與燈光顏色相同」、「影子是物體發射出 來的」、「影子是因為那個區域沒有光線被反射所以才呈現黑的」等迷思概 念。
第四節
推理 一、 推理的意義 古希臘哲學家亞里斯多德曾說：「人是理性的動物」，指的就是人具有 思考及推理的能力。此一能力不僅能讓人類辨別真偽，更可以讓人類經由 對週遭事物的觀察進而推測其中運作的原理以及法則，並運用在科學之 上。 Guilford (1967）視推理是一種心理能力，認為推理與收斂思考有關，是個 體在思考解決問題時，根據已有知識，循邏輯規則去尋求正確答案。 Lawson （2002）認為存在腦中的心智結構和同化基模和環境壓力的互動下，個體經歷了 推理的歷程，而且發現事物、產生喜悅，則心智結構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。Krulik和Rudnick（1993）認為推理 是思考的歷程中，高於回憶之層次，其包含基本的思考、批判性思考，以及創造 性思考。而學生在學習科學時，也是常藉由觀察、操作的直觀方式來理解科學概 念，但是在教學的情境中，無法在課堂上呈現所有的科學現象，於是就必須藉由 間接的認知來達成概念的理解，而所謂間接的認知正是「推理」。推理（reasoning）是一種動態的人類活動，推理是我們做的一些事， 也是一種心理活動，這種活動包括解決問題、想出某事。它有以下幾個特 點：推理是過程、有目的；依據推理目標而採取特定的推理方式；屬於個 人的；是一種心智及內心的活動。（郭靜芳，1997） 「推理」一詞在張氏心理學辭典（1989）中的解釋是按照邏輯規範推 理思考的歷程，或可謂解決問題時合理思考的歷程；在韋氏（Webster’s） 大譯典（Lexicon Publications, 1976）將推理同樣解釋為一種邏輯性思考或 陳述的歷程。下表則是引自周家卉整理國內外學者對於推理的定義： 表 2-4-1 推理的定義 提出者 推理之定義 Broadbent（1958） 訊息處理模式就是一種以心智處理來思考與推 理的模式，也就是說思考與推理在人類大腦中的 運作便像電腦軟體在電腦裏運作相似。 Newell和Simon（1972） 指出推理是發現解題策略前，對問題情境知識的 發展歷程。 韋氏大譯典（1976） 一種邏輯性思考或陳述的歷程。 Sternberg（1985） 認知發展論中的推理就是個人解題或作決定時， 對整個歷程的理解及監控的能力。 Holland,Holyoak, Nisbet 和 Thagard （1986） 在不確定性之下經由推理擴展知識的歷程。 張春興（1989） 按邏輯規範推理思考的歷程，或說是解決問題時 合理思考的歷程。
張春興（1992） 是以某種原則為基礎，由已知之事項，推求未知 之結果。 Rosser(1994) 推理是由舊資料引出新訊息的思考歷程，個體需 根據系統性的原則，在前提間建立起特殊關係。 Hogan和Keller（2000） 用推理去建構知識，用知識去推理。 心理計量學 推理能力被視為傳統智力的中心因素。 （引自周家卉，2006） 二、 推理與認知 《科學學習心理學》(熊召弟、王美芬、段曉林、熊同鑫(譯)，1996） 中也提出，一個學生在推理一個科學現象時，他可以用人類的資訊處理系 統的成分來發展他腦中的個人心智模式，基本上學生要常常面對一個含有 疑問、觀察和結論的問題解決環境，學生要進行一些認知過程並在架構腦 中工作記憶區的各種關聯性，當學生在工作區中進行推理時，他會將適當 的事實、 原理和技能儲在長期記憶區以備未來使用。此外，Novak 和 Gowin （1984）認為良好結構的知識基礎比拙劣結構的知識更能支持較高層次的 推理，所以認知與推理可謂一體兩面。 Piaget 的理論假定兒童認知是以相同的順序經由四個階段來進展， 分別是感覺動作期(sensorimotor stage)、前運思期(preoperational stage)、具體運思期(concrete operational stage)、形式運思期(formal operational stage)分述如下：(張春興，1996）。 1.感覺動作期 感覺動作期是指兒童從出生到兩歲的階段。在出生時，兒童之認知系 統受限於動作之反射，但是在幾個月之內，兒童以這些反射為基礎發展複 雜的行為，他們開始系統地重複最初無意義的行為，類化他們的行為到其 他情境，並且協調其活動成為行為鍊(chains of behavior)。此時期的兒
童憑感覺和動作發揮基模功能，瞭解簡單因果關係，開始有目的性的行 為，以動作行為對外界形成心理表徵，包括可見或不可見的模仿和延宕的 模 仿 (deferred imitation) ， 進 一 步 形 成 物 體 恆 久 概 念 (object permanence)，對消失在眼前物體形成符號性的心像，考慮到物體連續位 移，會在最後被藏地點尋找，同時也有能力尋找未曾親眼目睹被藏過的物 體。
2.前運思期
這個階段是指兒童約兩歲到六或七歲的時期，又稱象徵(符號)期 (symbolic stage)，其最大成就是表徵技能(representational skills) 的獲得，包括語言、心像及繪畫。兒童表現出延宕的模仿、符號式的遊戲 和使用語言，能夠運作符號，使用符號來學習，具有符號功能(symbolic function)。但是這階段的兒童運用這些表徵技能，便由自己的觀點來看 世界，他們思考邏輯的缺陷在於他們的思考限於自己所「見」，因此他們 的注意力太狹隘，以致時常忽略重要的訊息，也不能適切的表徵轉換 (transformations)，而只能表徵靜止情境(static situation）。其思考 的特性，大致有七點: （1） 具體性:兒童雖能操作符號，但仍依賴具體事物，如要撥弄手指頭 算加減法。 （2） 不可逆性:例如還不瞭解4+8=12和12-8=4是同一件事。 （3） 自我中心性(egocentrism):只能從自己的角度看事物。 （4） 直接推理(transductive reasoning):介於演繹推理和歸納推理之 間，是由特殊到特殊，不觸及普遍性的推理。例如：兒童沒有睡午 覺，卻說「我沒睡午覺，因此現在不是下午」。這時期的兒童推理 不合邏輯，只以事物的表象推理，或以自我看法推論，是一種直接 的推理方式。 （5） 融雜的思考(syncretic thought):它是指把任何鄰近的事物或事件
依它們共有的個別特徵聯結在一起的傾向。 （6） 集中化:兒童觀察事物時，會將注意力集中或固著於某種狀態而不 注意其他方面的條件。他們不會從多方面觀點探索或觀察事物，通 常是以物體的表面作判斷:如以靜態觀點觀察事物、以物種外在屬性 判斷事物的多寡、以簡單的系列順序排列物體長短、以物體表面推 理物的存在性。這個階段兒童的推理是靠直覺與單一向度觀點判斷 事物的。 （7） 因果關係:前運思期兒童因果概念的發展是從外在的結果及影響力 為判斷依據的開始，例如以物體是否影響人類，做為判斷有無生命 的標準．然後再以動態東西表示有生命的物體；又如以事情的結果 推論原因，但不合乎邏輯。這個時期的兒童仍未有具體的因果觀念。 3.具體運思期 本時期的兒童約是六、七歲到十一、十二歲，他們能夠同時考慮多方 面的觀點，經由「可逆性」(reversibility)、「同一性」(identity)、 「互補性」(compensation)三個原則給予保留概念合於邏輯的解釋，能按 物體某種屬性為標準排成序列，進行心理比較運作，區別主類與次類之間 的關係，也明白數學上的可逆性(reversibility)，這使他們能解決許多 涉及具體事物推理的問題；但是他們未考慮到所有合乎邏輯的可能，也不 能瞭解高度抽象概念。Piaget認為學齡階段兒童能運用邏輯的思考於解決 具體的問題上，但是不能應用於抽象的符號問題上。這時期的兒童可進行 多重分類、系列順序、守恆觀念及時空關係的心理運作，並且能做合理的 推理。這一階段的認知思考特徵如下: （1） 算術式邏輯的心理運作:這個階段的兒童已能使用算術法則作推 理，而不再只是以物理的客觀現象推理。此時期兒童具有逆轉的可 逆性思考(reversibility by inversion)，如理解A=B，B=A的現象； 補 償 的 可 逆 性 思 考 (reversibility by compensation) ， 如 理 解
A=B+C，則B和C同時會影響A；恆等式(identity)觀念，如物體的量 不 因 形 狀 或 外 形 改 變 而 有 所 變 化 ， 即 A=A 的 觀 念 ； 守 恆 觀 念 (conservation)，如數量守恆、質量守恆、重量守恆、容量守恆、 長度守恆及面積守恆等概念，即物體各種量的多寡不因形狀或空間 位置改變而有所變化。這些算術邏輯心理運作是兒童解決實際具體 問題的主要思考方式。 （2） 多重的分類概念:這一階段兒童均能從不同角度同時將物體或事件 加以分類，不再只侷限於單一分類方式。 （3） 複雜的系列觀念:這一階段的兒童處理物體差異時，能按照大小的 次序將事物加以排列，以建立其間之不同關係的能力。 （4） 集合內涵概念:具體運思期的兒童能從不同向度分類物體，將物體 分類成各種不同的集合，各個集合之間又有內涵的關係。例如可將 「物」分為「生物」及「無生物」兩類，生物下又分為動物與植物， 動物下又分哺乳動物和非哺乳動物；植物下又分為木本與草本植物 等。 （5） 空間的心理運作:空間的心理運作涉及到物體內部的關係，有別於 算術式邏輯心理運作。空間的心理運作是將某空間的物體視為一個 整體的東西。兒童的空間概念是先受知覺完整性及組織性觀念的影 響，因此前運思期的兒童思考空間的東西，只能根據物體的外形或 最普遍的特徵描述之。而在具體運思期的兒童已能從透視的觀念， 從不同向度建立空間概念。例如兒童能認知線段長短的守恆性、角 度大小守恆性、面積大小守恆性。根據Piaget的觀點：具體運思期 兒童已發展到歐幾里得空間概念的階段，此一階段的兒童已能建立 參考架構，從水平與垂直軸架構確定物體的位置，並且對距離、大 小、角度、平行等概念皆具有守恆概念。 4.形式運思期
這個時期的兒童大約十一或十二歲以上，他們在理論可能性的基礎上， 已能做與具體現實相同的推理，這種可能性使得有解決許多形式問題的潛 能，這是早期階段的兒童所不及的。Piaget比喻形式運思期的推理者為科 學家，他們在理論的考慮下設計實驗，並在邏輯的架構下加以解釋。 形式運思期的青少年不但可從具體事物件推理外，尚可從抽象的語文 形式作假設推理。換句話說，此一階段的學生，其思考方式已可以擺脫知 覺的拘束，而從事類似成人的抽象思考和概念化活動。他們已能夠靠外在 的、立即的具體事物，而運用符號和語言，以進行有系統的和抽象的邏輯 思考，此時期的思考特徵如下: （1） 具有反射性思考(reflexing thinking):此階段的學生思考問題時， 能反覆的回頭思考其曾經想過的問題．並加以評鑑。 （2） 具有演繹推理能力(deductive reasoning):形式運思期學生可以根 據問題性質，提出假設，再根據假設進行演繹推理。 （3） 具有實驗的能力:此一階段學生已能使用實驗方法，進行控制變因 的實驗，以驗證假設的真偽。 （4） 具有科學的歸納能力:此一階段的學生能夠面對問題時，在內心裡 想出各種不同組合的解決方式，並歸納出一個有組織有系統的分類 組合。 （5） 命題思考(prepositional thinking):能處理描述具體事物的陳述 句或命題，即便命題是與事實相反的，也能假定它成立，而據以推 理。 （6） 組合思考(combinatorial thinking）:在解決問題時，能獨立出個 別的因素，並將這些因素做某種組合，來思考問題的解決。 綜合 Piaget 的認知發展階段的思考特徵，兒童隨著年齡的增加，思 考的方式由完全主觀到客觀推理，由動作知覺到抽象概念形成，由具體而 抽象，由呆板而富彈性思考，由外表判斷事理而進入實體空間概念。由集
中固著而進入多元化觀點建立，由靜態而動態思考，由不可逆而到可逆推 理，使認知發展逐漸增加且擴大(陳李綢，1992)。 從皮亞傑的認知發展階段來看，形式運思期(11-15 歲)的學生已能發 展出演繹推理及歸納推理能力 (高廣孚，1989)。Bitner-Corvin (1989) 亦發現國小六年級至高中一年級學生大部分都未表現出形式運思推理的 功能，不過學生在國一結束前明顯地從具體運思推理轉變到形式運思推 理。Ward 與 Overton (1990)的研究則認為：雖然國小六年級至高中三年 級學生的推理表現呈現逐漸進步的情形，但只有約 16％的小學六年級學生 及 80％的高三學生發展到形式運思期。 在推理能力的實際調查研究方面，黃湘武等 (1985)的研究指出國中 學生的推理能力僅約有 50％達到形式運思期。周台傑 (1985)更指出有 90 ％的國中學生停留在具體運思期。 因此我們可以瞭解到人類推理能力是與生俱來的，而且是一種較高層 次的心智能力，再由心理學的認知發展理論可知，人類的推理能力是隨著 年齡的增長，逐漸發展成熟，而 11-15 歲的青少年認知發展已步入形式操 作期，他們能有系統的思考及推理，且他們也能將認知的形像，透過分析 與綜合的反省過程來內化。因此本研究以國中二年級的學生為樣本，欲探 究學生進入形式操作期後，其推理能力的發展情形。 三、 推理的類型 教育百科辭典（1994）中描述「推理由判斷所組成。他可以是由許多 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，這是演繹推理。」 陳祖耀（2003）於「理則學」一書中，對於推理形式之分類整理如下：
（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。直接推理又可分為兩種： 1、加辭（Contribution）：加一個名詞於原命題中，作成一個新的命題。 例如「羊是動物」→「白羊是動物」。 2、轉變（Transformation）：指變換原命題的質或變換一命題主詞與謂詞 的位置。例如「凡馬是動物」→「有些動物是馬」，「有些馬是白的」→「有 些白的是馬」→「有些白的不是非馬」。 （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。由三個命題所組成， 又叫三段推理或三段論法。 （1）定言三段推理：三段推理成自三個定言命題。 大前提 凡動物是生物 小前提 凡馬是動物 結 論 故凡馬是生物 （2）假言三段推理：三個命題中有一個或三個是假言命題。 大前提 如天下雨，則地濕。 小前提 今天下雨。 結 論 故地濕。 （3）選言三段推理：以選言命題做大前提，以肯定或否定大前提中的任 何一個選支作小前提與結論。 大前提 人是男或是女。 小前提 此人是男。 結 論 故此人不是女。 2、歸納推理：由特殊事實以推知普遍原理的一種思維方法，即是依據一 部份既知事物之如此，以論定該事物之全部亦必如此。歸納推理是獲得「經
驗知識」的方法，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。類比推理雖然很簡單，可說是一種原始的推理方法，但 在人類日常生活中，卻佔有極重要的地位。例如兒童本不知火之可畏，但 當其手碰觸燈火感到炙熱以後，再看見類似燈火的東西，便自知逃避了。 類比推理的應用雖廣， 但其所得結論只具有蓋然性（Probability），並 無必然性。類比推理對於兩事物間的類似點須為本質屬性，同時要力求多 數，如此推理所得的結論始可較為正確可靠。 張春興（2003）認為推理（reasoning）是指在思維時遵循某種邏輯 法則，以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。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，張春興將邏輯推理分為演繹推理(deductive reasoning)和歸納推理(inductive reasoning)兩類，另外還有類比推理， 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方式。 （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。張春興 （2003）認為演繹推理所得到的結論是肯定的，必然的；歸納推理所得到 的結論是不肯定的，是或然的。他認為經歸納推理所得的結論，不能像演 繹推理的三段論法那樣稱為有效論證，而只能稱為類推論證。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（張春興， 2003）。 （三）類比推理 類比法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（張春興，2003）。 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。 Hengan 和 Keller（1996） 認為，科學推理通常是發生在科學探究期 間的思考過程，他們分析出當學生在進行科學探究過程中，經由小組討論 或獨自思考時所產生的推理思考模式有以下六種： （一）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相似的例子以了解或
說明情境、想法或問題的顯著相似的特徵。 （二）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，一為演 繹思考；一為歸納思考，前著是應用一般的原理或前提推演至特殊 事例形成結論；後者是從一些特殊的例子或證據引出結論，並將其 一般化。 （三）對話的推理（dialogical reasoning）－試著以不同觀點來考慮事 物的各個面相以及各方架構。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）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。 （五）整合的推理（integrative reasoning）－把不同片段的資訊或知 識來源運用推理的方式來整合成一體。 （六）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。 Driver、Leach、Millar 和 Scott（1996）將學生推理的類型歸納為： （一）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。 （二）以關係為基礎的推理：在可觀察和認為假定的實體之間尋求解釋， 解釋中包含確認正確性和關聯性，而不是探索其中原因，且探究的 方法傾向於確證的和不批評的。 （三）以現象為基礎的推理：此一推理的解釋和描述不顯著，而實驗的主 要目的是要去尋找和查看。 依本研究的性質而論，希望學生藉由已有的經驗與知識去推知新問題
的結果，屬於陳祖耀（2003）推理分類之間接推理，包含演繹、歸納及類 比推理，張春興（2003）亦將推理類型分為此三類。但因考量學生有可能 思索不出答案或無法說出具體的理由，因此增列「臆測」一項。綜合上述 理由，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三 類，分別為「演繹推理」、「歸納推理」、「類比推理」；另外加上「直覺臆 測」一類，以完整呈現學生的思考類型。 將各推理類型依本研究需要定義如下： （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。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。例如當學生提出以下的推 理描述：因為光線是直線前進，被擋住時無法照射到後面那一塊； 因此沒有光線，所以會產生黑色的影子。如此依據某一原則進行推 理即稱之為演繹推理 （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。例如當學生提出以下的推理描述：在生活中所看的影子就是黑 色的。依據生活中曾看到的多個影子的顏色的例子來推論活動中影 子的顏色為黑色的，即稱之為歸納推理。 （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。例如當學生提出以下的推理描述：因為有兩個燈，因為像 是路燈，有好幾個路燈，所以會有好幾個影子。學生利用生活中看
到路燈的例子類比到活動中來解釋影子的數目，即稱之為類比推理。 （四）直覺臆測：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。S06：因為光 的顏色混在一起，不知道，我用猜的。學生S06 在活動一的預測中 認為會出現兩個影子，而且影子都是黑色的。但經過實際觀察之 後，發現影子的顏色預測錯誤，但卻又無法解釋影子顏色的成因， 因此只好使用猜測的方式來做解釋。對於無法說出理由的概念，研 究者便將之列為直覺臆測。 四、 推理的過程 上面幾節談論到推裡的類型以及認知，但根據研究者在小學從事自然 領域教學時發現到一個很有趣的現象：對於某一單元所欲呈現的概念以及 希望學生學習的原理，學生並非是空白的進行課程，通常學生是帶著許多 的先備知識以及概念來進行學習的。而這些知識與概念往往與科學家的科 學知識不同，我們稱之為「另有概念」。而學生在經過學習之後，會有因 所觀察到的現象產生概念的增加或是改變。而學生在本研究的 POE 活動 中，當先備知識無法做出正確的推理時，他們將如何調整或改變推理的策 略便是我們所想瞭解的推理的過程。 過去的研究經常僅針對科學推理中的不同過程進行研究，例如提供 學 生 實 驗 證 據 ， 藉 以 瞭 解 他 們 如 何 產 生 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)，這些與真實情境中的科學探究的歷程並不相同。真實 情境的科學探究過程中，研究對象通常是因為發現了某一個現象，這現象 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）。
因此我們能夠瞭解到，科學推理是一動態歷程，它包含了實驗假設， 實驗設計、驗證並修正假設等幾個過程。這幾個歷程中所包涵的要素是相 互影響的，也因此在本研究的實驗設計中，各活動都包含了以上幾個過 程。從瞭解學生初始概念到觀察學生如何運用既有的知識架構去面對未知 的現象；並利用既有的概念探究學生是如何推理出現象背後原因以及結 果。而經由對推理歷程的瞭解可以幫助自然教師在進行課程活動時，瞭解 到學生所面臨的問題以及原因。
第三章 研究設計
本章共分為五節，依序說明研究發展與設計、研究樣本、研究流程、 資料處理與分析及研究的信度與效度。第一節 研究樣本
一、 研究樣本班級選取 本研究考慮施測及晤談的便利性，加上人力、時間的限制，以及對 於學生的瞭解，樣本的選取採立意取樣。以研究者本身服務學校所在地區 的國中為對象（苗栗縣一所位於市區的智類國中，共有 49 班）。依研究之 設計可分為 POE 活動初探樣本、POE 活動正式樣本，茲將所選取的樣本分 述如下： （一）POE 活動初探樣本：由研究者選擇該校非正式研究之班級，委請該 班自然與科技導師，依據該班國二時自然與科技成績，選取低、中、 高成就各 1 名學生，共 3 名學生進行實驗。由研究者利用時間進行 一對一的施測，以作為正式實驗的參考。 （二）POE 活動正式樣本：挑選該校國中二年級學生一班共二十九人進行 實驗，由研究者利用空餘時間實施一對一的施測。 由於本研究因經費及時間問題的限制，以及研究者對於任教學生班級 的瞭解，所以取樣採立意取樣，因此研究對象皆從作者任職學校所在地─ ─苗栗縣公館鄉──附近國中進行取樣。由於取樣範圍的限制，因此對於 研究結果不宜作過度推論。 二、研究樣本班級描述 本研究所選擇個案班級是位於苗栗縣公館鄉的某國中二年級某班，該班學生共 37 名，其中男生 20 名、女生 17 名。在推理實驗進行之前先徵 詢學生的意願，並發下通知書徵求家長的同意。結果有 8 名學生不願意參 加或家長反對，因此整個研究對象共 29 名，將在計畫發表、通過審核之 後正式進行訪談。該班班級氣氛頗為融洽，而該班導師胡老師雖然國二時 才接任該班級任老師的工作，但因為教授該班的自然與生活科技，因此對 於本研究也頗感興趣，因此願意與研究者合作，由該班學生擔任本研究的 研究樣本。對於學生的學習狀況，他表示該班在自然領域的學習頗為積極 主動，尤其上課時遇有不懂的部份更是會主動請教老師，表現出樂在學習 的態度。但他同時也表示學生獨立學習的能力不佳，通常需要老師在課程 結束之後作總結歸納；此外學生對於實驗時所碰到的狀況無法舉一反三， 因此他認為該班學生的推理能力表現不好，無法實際運用於學習。
