運用數位論證模式提升學生論證與PISA科學能力之研究

國 立 交 通 大 學

教育研究所

碩士論文

運用數位論證模式提升學生論證與 PISA 科學

能力之研究

Promote students’ argumentation ability and PISA scientific

competencies through the use of digital scientific argumentation

指導教授：佘曉清博士

研究生：楊文宗

運用數位論證模式提升學生論證與 PISA 科學

能力之研究

Promote students’ argumentation ability and PISA scientific

competencies through the use of digital scientific argumentation

研究生：楊文宗 Student：Wen-Tsung Yang

指導教授：佘曉清 Advisor：Hsiao-Ching She,Ph.D

國 立 交 通 大 學

教育研究所

碩士論文

A Thesis

Submitted to Institute of Education

College of Humanities and Social Science

National Chiao Tung University

for the Degree of

Master

in

Education

September 2012

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

i

運用數位論證模式提升學生論證與 PISA 科學能力之研究

研究生：楊文宗 指導教授：佘曉清 博士 國立交通大學教育研究所碩士班 摘 要 本研究結合數位論證學習的網路環境，針對國中二年級自然與生活科技的理 化課程內容，設計小組論證教學模式與個人論證教學模式學習形成科學議題課程， 進行實驗比較，期望提升學生PISA科學能力。本研究針對之PISA科學能力包括形 成科學議題、解釋科學現象與科學舉證能力。 研究實驗採用實驗研究法之準實驗設計，研究對象為常態分班的國中二年級 學生四個班，其中兩個班個人論證為58人，兩個班小組論證60人。兩個組進行論 證結合六個主題PISA科學能力的課程，個人論證以數位網路論證介面進行個人論 證模式的PISA科學能力學習課程，小組論證以數位網路論證介面進行小組論證模 式的PISA科學能力學習課程，比較兩組在理化主題相依二階概念測驗、理化主題 相依科學能力測驗和理化主題相依論證能力測驗三個測驗之前測、後測的差異， 同時針對兩組的學習歷程進行分析，深入了解學生PISA之科學能力成長比較。 結果顯示，不同數位論證教學模式均能提升學生科學概念的建構和PISA科學 能力，但兩組在科學概念建構與科學能力上並未達顯著差異。而理化主題相依論 證能力測驗上，不論哪一種數位論證教學模式均能提升學生的論證能力，兩種教 學模式在學生科學論證的能力達顯著差異，個人論證教學模式較小組論證教學模 式佳。在迴歸分析中發現理化主題相依二階概念後測成績對理化主題相依科學能 力後測成績最具解釋力，其次是理化主題相依科學論證後測成績。 其次在數位論證學習歷程方面，顯示科學能力總分上，兩種數位論證的教學 模式隨著單元的學習有顯著進步的趨勢，即兩種教學模式對於學生科學能力的學 習成效相當，但兩種教學未達顯著。在科學論證總次數上，兩種數位論證教學模 式在各單元學習課程中Level 1(概念正確且論證要素部分完整)與Level 2(概念

ii 正確且論證要素是完整)的論證總次數表現上的確有差異，個人論證總次數表現 比小組論證好。同時在Level 2論證次數的表現上有顯著差異也受教學模式影響。 在論證歷程中論證各要素宣稱(C)、依據(W)、支持(B)、反駁(R)，兩組在Level 2 論證次數的表現上有顯著差異也受教學模式影響，即個人論證比小組論證表現 佳。 本研究顯示，不同數位論證教學模式可提升中學生PISA科學能力，包括形成 科學議題、解釋科學現象與科學舉證能力，同時可提升科學概念的建構與論證之 能力，同時發現個人論證在論證能力上的提升不論在品質與次數上均顯著優於小 組論證。 關鍵字：PISA 科學能力、科學論證、網路化學習

iii

Promote students’ argumentation ability and PISA scientific competencies through the use of digital scientific argumentation

Student：Wen-Tsung Yang Advisor：Hsiao-Ching She, Ph.D National Chiao Tung University, Institute of Education

Abstract

This study aims to to examine the difference in effectiveness between two digital scientific argumentation programs – one with an group argumentation component and

one with an self-argumentation component – on 8th students’ physical science

argumentation ability and PISA scientific competencies. A quasi-experimental design was used in this study. Two classes of 8th grade students received the on-line group argumentation learning program involving physical science concepts, and the other two classes of 8th grade students received the same on-line self-argumentation learning program, for six weeks. All 118 students were administered the physical science concepts test, physical science concept dependent formulating scientific issue test, and physical science dependent argumentation test before and one week after learning. In addition, both group students’ on-line argumentation, formulating

scientific issue process was collected. Results showed that the students of both groups made progress from pre- to post-test on their physical science concepts, physical science concept dependent formulating scientific issue test, and physical science dependent argumentation test. Only the physical science dependent argumentation test shows the significant difference between two on-line argumentation groups. The self-argumentation group significantly outperform than to the group-argumentation group on their argumentation ability. Regression results indicated that hold of physical scientific conceptions is the best predicator for students’ ability of PISA scientific competencies, followed by argumentation ability. The quantity and quality of on-line physical scientific arguments that students generated in a series of

argumentation questions improved across the six topics, and the self-argumentation group’s students outperform than to the group-argumentation students. The qualitative results of on-line PISA scientific competencies were equally perform for both groups. This clearly demonstrates that students’ argumentation ability and PISA scientific competencies were both facilitated through receiving either self or group on-line Synchronous Argumentation physical science learning program. More important, the student’s argumentation ability significantly performs better while self-digital argumentation was used, regardless of the quantitative or qualitative data.

v

誌謝

學習是最大的動力來源，透過學習才能讓自己不斷的成長精進，在教學 生涯三十年之際重新回到學校教育研究所進修，主要是自己在教學過程中不 斷問自己：「如何教才是對學生最好的教學方式？」、「這樣教學方式學生 能吸收嗎？」、「這是有意義的教學嗎？」。雖然自己在教學上不斷自我創 新，相同課程內容嘗試不同的教學策略，仍無法因應時代快速的變遷下學生 學習型態的改變，因此鼓起勇氣再度進入學校，重回教室當起學生，這三年 來在交大研究所的學習生涯，讓我的教學經驗以更有學理基礎進行整理，對 各種教育哲學有更深入的體會，大大提升的我的教師專業。 完成這本碩士論文，首先要感謝我的指導教授佘曉清老師，佘老師在學 術領域上不斷嘗試新的思維，結合了網際網路、現代科技不斷的求新求變， 真是令人佩服。由於協助交通大學與國科會合作的推行新竹市國中生奧林匹 亞趣味科學競賽，於民國八十八年開始和佘教授共同合作，期間已在新竹市 推行十年有成，目前將擴及到新竹市國小生奧林匹亞趣味科學競賽，藉由在 趣味中玩科學、玩科學中體會科學，讓科學向下紮根向上發展，將來學生長 大後在生活領域中能不斷的應用科學的觀點看世界，能以不同的觀點面對人 生的挑戰，遇到問題能主動研究進而解決問題，培養有自信、有主見的現代 國民。在近十多年的共事過程，期間也參與許多課程的研發與創新，透過許 多經驗教師與佘教授的腦力激盪，這些年也讓我自己精進不少。 在課程設計上，感謝劉惠如老師提供豐富教學經驗給與建議，也非常感 謝交通大學教育所王嘉瑜教授在課程設計上的指導，吳俊育助理教授在量化 統計研究的協助。在論文計畫口試中，感謝佘教授與邱國力助理教授的指正 與建議；在最後的口試中，感謝段曉林教授與邱國力助理教授細心審閱，並 提供寶貴意見，讓論文能盡善盡美。同時也要感謝在交通大學教育所的同學 們，互相鼓勵、互相學習，將來在教育的領域上奉獻所長，努力培育我們的

vi 下一代。 在施測過程中，感謝胡進忠老師、歐陽翠鳳老師、聶宛妤老師和吳春慧 老師的協助，各項紙筆測驗與網路學習得以順利完成，另外也要感謝王宏全 老師與黃賜宏老師在學生進行網路學習時電腦技術上的協助，才能如期完成 各項網路學習課程。最後最要感謝的是聖杰、佩樺、思瑋在電腦程式設計、 資料收集與事務上的協助，才能順利進行資料收集與分析。然而我學校工作 的夥伴和我的家人也是幕後協助的功臣，讓我到交通大學上課時無後顧之憂， 在此一併感謝。 在交通大學研究所學習時間並非三年，碩士論文的結束並非終點，而是 另一個教育的起點，期望在教育的領域上貢獻所長，培育學生對科學更有興 趣，讓每位學生體會「生活有如科學、科學有如生活」。 文宗 謹誌 民國一0一年九月

vii

目錄

中文摘要……….i

英文摘要……….iii

誌 謝……….v

目 錄………. vii

表 目 錄………. ix

圖 目 錄……….xi

第一章 緒論……….1

第一節

研究背景和研究動機………..1

第二節

研究目的 ……….2

第三節

研究問題 ……….4

第四節

名詞釋義 ……….5

第五節

研究範圍與限制 ……….6

第二章 文獻探討……….7

第一節 PISA 科學能力 ………..7

第二節 科學論證……….12

第三節 網路科學學習 ………..26

第四節 小結……….30

第三章 研究方法 ……….33

第一節 研究對象………..33

第二節 研究設計………..34

第三節 研究流程………..35

第四節 研究工具………..38

viii

第五節 課程設計 ……….46

第六節 資料收集與分析 ……….47

第四章 研究結果與討論 ……….51

第一節 各項測驗的分析………..51

第二節 網路學習歷程之科學能力與論證能力

分析………..56

第五章 結論與建議 ……….71

第一節 結論與討論………..71

第二節 建議………..74

參考文獻

中文部分………..79

英文部分………..81

附錄

附錄一 理化主題相依概念測驗單一選擇題版本

……….89

附錄二 理化主題相依科學能力測驗 ……….93

附錄三 理化主題相依論證能力測驗 ……….97

附錄四 論證模式融入科學能力課程設計 ……….99

附錄五 科學能力與論證品質記錄分級標準…….105

附錄六 數位網路論證學習歷程……….107

ix

表 目 錄

表 3-3-1 個人論證與小組論證理化主題相依概念前測成績、理化主題相依 科學能力前測成績、三次段考班級帄均成績統計分析………36 表 4-1-1 主題相依理化二階概念測驗之敘述性統計分析與ｔ檢定………51 表 4-1-2 理化主題相依二階概念測驗之共變數分析………52 表 4-1-3 主題相依科學能力測驗之敘述性統計分析與ｔ檢定………53 表 4-1-4 理化主題相依科學能力測驗之共變數分析………53 表 4-1-5 理化主題相依科學論證能力測驗之敘述性統計分析與ｔ檢定………54 表 4-1-6 理化主題相依科學論證能力測驗之共變數分析………55 表 4-1-7 理化概念、形成科學議題、論證相關表………55 表 4-1-8 理化主題相依科學能力後測成績逐步回歸分析摘要表………56 表 4-2-1 不同的教學模式下不同主題單元(T)PISA科學能力總分之重複量數分 析………57 表 4-2-10 不同的教學模式下各單元(T)Level1與Level2之總次數之重複量數統 計表………60 表 4-2-11 不同的教學模式下各單元(T)論證Level 1 次數之重複量數統計表 ………61 表 4-2-12 不同的教學模式下各單元(T)論證Level 2 次數之重複量數統計表 ………62

xi

圖 目 錄

圖 2-1-1 PISA 科學能力 ………9

圖 2-1-2 PISA 2006 科學評量理論架構 ………9

圖 2-1-3 PISA 2006 科學能力素養(science competencies)向度 …………10

圖 2-1-4 PISA 2006 學生科學態度 (attitudes)素養向度………11

圖 2-2-1 Toulmin 的論證分析架構(Toulmin,1958：2003) ………12

圖 2-2-2 黃翎斐、張文華和林陳涌（2008）論證品質評鑑表 ………25

圖2-2-3 Yeh & She,Che & She (2010)論證品質的評鑑架構………26

圖3-1-1 教學模式與人數整理………33 圖 3-2-1 研究設計架構圖 ………34 圖 3-3-2 研究流程圖 ………37 圖 3-4-1 學習網站登入畫面 ………38 圖 3-4-2 學習網站會員登入畫面 ………39 圖 3-4-3 數位論證融入 PISA 科學能力學習網路課程學習畫面………39 圖 3-4-4 數位論證融入 PISA 科學能力學習網路科學資訊畫面………40 圖 3-4-5 數位論證融入 PISA 科學能力學習課程畫面 ………40 圖 3-4-6 數位論證融入 PISA 科學能力學習網路形成科學議題畫面…………40 圖 3-4-7 數位論證融入 PISA 科學能力學習網路形成假設畫面………41 圖 3-4-8 數位論證融入 PISA 科學能力學習網路操縱與應變變因畫面………41 圖 3-4-9 數位論證融入 PISA 科學能力學習網路科學論證畫面………42 圖 3-4-10 數位論證融入 PISA 科學能力學習網路形成結論(科學解釋)畫面…42 圖 3-4-11 數位論證融入 PISA 科學能力學習網路論證問題畫面………42 圖 3-4-12 數位論證融入 PISA 科學能力學習網路影片畫面………43 圖 3-4-13 數位論證融入 PISA 科學能力學習網路知識補給站畫面………43

xii 圖 3-4-14 六個單元主題相關之科學概念………44 圖 4-2-2 形成科學議題在各單元部分、正確完全正確次數帄均值分布統計…58 圖 4-2-3 形成假設在各單元部分正確、完全正確次數帄均值分布統計………58 圖 4-2-4 提出變因在各單元部分正確、完全正確次數帄均值分布統計………59 圖 4-2-5 科學解釋在各單元部分正確、完全正確次數帄均值分布統計………59 圖 4-2-13 兩種數位論證在宣稱(C)Level1 與 Level2 在各單元的次數帄均值圖形 ………63 圖 4-2-14 兩種數位論證在依據(W)Level1 與 Level2 在各單元的次數帄均值圖形 ………65 圖 4-2-15 兩種數位論證在支持(B)Level1 與 Level2 在各單元的次數帄均值圖形 ………66 圖 4-2-16 兩種數位論證在反駁(R)Level1 與 Level2 在各單元的次數帄均值圖形 ………68

1

第一章 緒論

本章共分五節，內容包括研究背景和動機、研究目的、研究問題與假說、名 詞解釋、研究範圍與限制五個小節進行闡述。

第一節 研究背景與動機

OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) 經濟合作 暨發展組織，自1997年起籌劃PISA (the Programme for International Student Assessment) 學生能力國際評量計劃，於2000年開始每三年舉辦一次評鑑十五歲

學生在閱讀、數學及科學三方面的素養，這三種素養不僅是學校課程的核心，也

是社會所需具備的重要知能。PISA 2006 是 OECD 第一次以科學為主的評量， 評量強調學生之三項科學能力：形成科學議題（identify scientific issues）、解釋 科學現象（explain phenomena scientifically）以及科學舉證（use scientific evidence）。 我國於2006年首次加入評比，在57個參與的國家之中，台灣數學名列第一、科學 第四、閱讀第十六 (PISA 2006)。PISA 2009年共有六十五國或地區參與，台灣學 生整體表現數學第五、科學第十二、閱讀第廿三 (PISA, 2009)，我國學生的科學 素養(Scientific literacy)表現以水準3的學生最多，水準5以上的學生比例為8.8%， 略高於OECD帄均(8.5%)，但與2006年14.6%相比降低6%，而學生在形成科學議 題的能力方面卻是全世界第十七名，是科學能力中最弱的一環，因此要如何提升 學生科學素養的能力，是科學教育研究領域上重要的課題。然而近幾年來對如何 提升學生PISA科學能力研究甚少，僅少數研究顯示鷹架式的網路形成科學議題 可以增進國小學生形成科學議題的能力(陳梅香, 2011)，以及直接鷹架式比問答 鷹架式之形成科學議題網路課程對國中形成科學議題能力上有較佳的表現(翁曉 嵐, 2011)。 建構主義發展至今，強調學生在學習過程中，扮演了主動學習，積極建構其 有意義的知識。因此學生帶著原有的知識不斷學習，用問題(questions)做為某一

2

主題的開始，刺激學生並引導出學生的想法，使其概念改變或重建。Duscchl 與 Osborne (2002)指出近十年來教育環境仍以教師為教學中心，而非學習主體的學 生為中心。現今學校中的科學仍有許多以實證主義的觀點來描述，學生常會以為 「科學知識是絕對正確」、「用來驗證理論的證據沒有任何爭議性與歧異性」 (Driver, Newton & Osborne, 2000)。科學知識必頇經過論證(argumentation)的過程 形成，科學理論是經由科學家的討論而被接受認可，然而科學理論也常會因異例 (anomaly)的出現而產生危機(crisis)，藉由新的資料與訊息而促成典範(paradigm) 的變遷，這尌是 Kuhn 所說的「科學革命」的歷程，而這也尌是論證的歷程。許 多研究顯示論證有助於科學學習，可以幫助概念理解(Duschl & Osborne, 2002； Osborne, 2006)、發展科學探究能力(Driver, et al., 2000)、促進批判思考與科學思 考能力的發展(Kuhn, 1992)，而網路化論證可以提昇國中學生論證能力與化學反 應概念改變(Yeh & She, 2010)，數位論證學習課程能提升中學生的科學概念建構 與論證品質(Chen & She, 2012)。

基於此背景下，培養學生PISA科學能力甚為重要，因此本研究以國二理化 課程，發展出結合論證與PISA科學能力課程來影響學生PISA科學能力。由於科 學課程的概念為學生已學過的科學概念，期望學生必頇以已學過的相關科學概念 為基礎，藉由論證結合PISA科學能力之學習課程，由所提供的科學資訊形成「科 學議題」，再依「科學議題」提出「假設」，由「假設」提出「變因」，透過不同 論證模式的網路教學法，提升學生PISA科學能力與論證能力。

第二節 研究目的

PISA 中科學主要概念包含了物理、化學、生物、科學及地球與太空科學等， 受測學生被要求頇解釋及預測科學現象、提供假設、使用科學證據並瞭解科學調 查，科學領域擴及生命與健康科學、地球與環境科學及科技科學(PISA, 2006)。 而一般學校的科學所強調的是「成尌測驗」，比較著重科學概念的了解與知識的 獲得，較少注意到「科學舉證」、「解釋科學現象」、「形成科學性議題」等科 學能力的培養。尤其是「形成科學性議題」的能力，更因升學制度而使這項能力

3 更加缺乏。PISA 2006 與 PISA 2009 台灣學生在「科學素養」的表現由第四名滑 落至至十二名。 P IS A 2006 形成科學議題的能力在全世界排名第十七名，解釋 科學現象的能力在全世界排名第三名，科學舉證的能力在全世界排名第八名 (OECD, 2006)。除了解釋科學現象的能力外，在另外二個科學能力的表現上，我 國都落後香港、日本和韓國。PISA 2009 資料顯示學生在科學素養帄均表現（mean performance in science）佔全世界的第十二名，但科學素養在水準 4、5、6 的人 數卻有下滑的趨勢。 台灣九年一貫課程綱要以「培養具有科學素養的公民」為努力方向，因此訂 定自然與生活科技的學習領域之目標包含(教育部，2000)：培養獨立思考、解決 問題的能力、並激發開展潛能，綱要中強調探究科學的興趣與熱忱、主動學習、 探究方法、與人溝通表達、獨立思考、解決問題的能力。然而在課堂中的學習仍 以注重知識傳輸的單向學習，學生沒有自行探究的能力 (Newton, Driver & Osborne, 1999)。建構主義認為學生是帶著已有的概念去學習，科學的學習其實 是一種個人理論與模式的建構與重建(熊昭弟、王美芬、段曉林、熊同鑫譯，1996)， 因此一個良好的活動應該幫助學生連結新舊概念與體認舊概念的不足，進而主動 建構與重建。由於科技不斷的引入教育，對於教學的型態、學習者的角色、學習 的方式與學習內容均產生莫大的影響。Quintana (1996)認為新科技應用在教育上 會使學習模式產生重大的改變，She 的一系列研究顯示數位學習有促進學生微觀 概念與科學概念的建構、推理能力的增加與概念改變(She & Fisher, 2002；She, 2008, 2010 ；Liao & She, 2009)。因此利用網路的特性結合論證來輔助學習，除 了可以提升學生的論證能力與品質之外，也有助於概念的學習及批判思考的增進 (蔡俊彥、楊錦潭、黃台珠，2006)、學科成績與學習動機(鄭憲聰、陳錦章，2010)， 可以幫助學生克服迷思概念與可以提高學生的反駁能力及思考層次(洪瑟貞、陳 錦章，2009)、概念改變與論證能力的提升(Yeh & She, 2010；Chen & She, 2012)。

4 因此本研究的目的是企圖藉由個人或小組論證教學的模式，運用「數位論證 學習網」提升中學生 PISA 科學能力與論證能力，本研究的目的有四： 1. 探討不同數位論證教學模式對中學生科學概念建構的影響。 2. 探討不同數位論證教學模式對中學生之 PISA 科學能力的影響。 3. 探討不同數位論證教學模式對中學生論證能力的影響。 4. 探討不同數位論證教學模式之學習歷程，學生之 PISA 科學能力與論證能力 的本質與品質有何差異。

第三節 研究問題

在網路學習環境下，探討小組論證模式介入形成科學議題教學法與個人論證 模式介入形成科學議題教學法，在主題相依的學習活動中，對學生 PISA 科學能 力在論證前後的提升進行探討。並進一步觀察學生在學習過程中，對國中理化的 科學概念建構與對科學現象解釋的情形。基於本研究的目的，待答的問題如下： 1. 不同數位論證教學模式的學生對中學生科學概念的建構有何差異？ 1-1 兩組數位論證教學模式可以提升中學生在科學概念的建構。 1-2 不同數位論證教學模式對學生理化主題相依二階概念測驗(後測)達顯著 差異。 2. 不同數位論證教學模式對中學生理化主題相依科學能力的影響如何？ 2-1 兩組數位論證教學模式可以促進中學生理化主題相依科學能力。 2-2 不同數位論證教學模式對學生理化主題相依科學能力(後測)達顯著差 異。 3. 不同數位論證教學模式對中學生主題相依科學論證能力的影響如何？ 3-1 兩組數位論證教學模式能提升中學生科學論證的能力。 3-2 不同數位論證教學模式對學生主題相依論證能力(後測)達顯著差異。

5 4. 不同數位論證教學模式在「數位論證學習網」學習歷程中對中學生 PISA 科 學能力與論證的本質與品質有何差異？ 4-1 兩組「數位論證學習網」學習歷程可以提升中學生的論證本質與品質。 4-2 兩組「數位論證學習網」學習歷程可以提升中學生科學能力品質，包括 形成科學議題、假設、變因及科學解釋能力。

第四節 名詞解釋

1. PISA 科學能力 OECD (2006)定義之科學能力為運用科學知識、區別問題及提出有證據的結 論以便理解自然界及幫助人類抉擇使自然界轉變的行為。PISA 2006 科學能 力包括形成科學議題，解釋科學現象與科學舉證等能力。本研究進一步分形 成科學議題、形成假設、提出所設計實驗的操縱變因與應變變因，運用科學 舉證進行科學現象解釋與分析等能力。 2. 論證(Argumentation) 論證的主要辯護方式是列舉相關證據，並藉由推理的過程將主張與證據連接 起來。Toulmin(1958)提出論證理論架構，論證的要素包括事實(Data)、宣稱 (Claim)、依據(Warrant)、支持(Backing)、反駁(Rebuttal)，主張者根據事實(D) 提出宣稱(C)，根據依據(W)為宣稱(C)辯護，並提出支持(B)來支持依據(W) 與宣稱(C)；他人提出反駁(R)時，主張者受到挑戰後再提出新的宣稱(C)，經 由來回的辯護產生一致性的結論。本研究針對下列四項論證要素進行深入研 究： (一) 宣稱(Claim) ~ 根據事實提出一些結論、宣稱。 (二) 依據(Warrant) ~ 用來連接事實與宣稱、結論的理由 (三) 支持(Backing) ~ 支持依據的基本假設，提出實驗證據或生活經驗去證 明其假設是否正確加以辯護。

6

(四) 反駁(Rebuttal) ~ 提出反駁來指出宣稱的不正確性。

3. 數位論證學習網

建置於「科學論證數位學習研究(Research of On-Line Scientific Argumentation)」 的伺服器下，根據論證理論與 PISA 科學能力為基礎，設計一系列的論證學 習內容。

第五節 研究範圍與限制

1. 本研究的研究對象是新竹市某國中二年級學生，因為採用便利取樣的方式， 若要將結果推論到全國國中生身上應多加考量。 2. 本研究所使用的教材內容是以康軒版、南一版、翰林版國二上學期自然與生 活科技教材做主題相依的課程設計，並未依照教學進度與內容逐步實施，因 此結果推論於其他單元需多加考量。 3. 本研究探討的是國中生以不同論證模式進行論證結合 PISA 科學能力之理化 課程學習成效，並包含形假設、操縱變因、控制變因以及科學解釋。所以要 將此教學套用至其他科學能力需再多加斟酌。

7

第二章 文獻探討

本研究主要探討運用不同數位網路論證模式對學生之科學論證與 PISA 科學 能力研究，文獻探討共分三節，分別為 PISA 科學能力、科學論證、網路科學學 習等進行探討，最後進行小結。

第一節 PISA 科學能力

一、PISA 測驗 Millar 和 Osborne (1998)定義現代科學課程為「閱讀、融合科學和技術資訊 之能力」。Bybee (1997)認為科學能力有四個層次：最低的兩個層次為「名義上的 科學能力」、「功能能力」、第三個層次為「概念和過程的科學能力」、最高層次為 「多重領域的科學能力」。OECD/PISA 所提出的科學能力與 Bybee 所提出的第三 層次較類似。OECD (1999)乃是以「證據為基礎」的陳述，此為科學能力之基礎， 藉以瞭解測驗觀和理論之合理性。因此，OECD (2000)將科學能力定義為「此能 力包含使用科學知識、定義問題和陳述以證據為基礎的結論，可用來理解和幫助 關於自然世界的決定和透過人類活動而能創造改變」。換言之，OECD/PISA 強調 科學能力的培養，講究進行科學能力培養需具有「科學證據」的素養；科學過程 意指世界科學觀念的描繪和更進一步使用科學理解之成果。理解科學過程需包含 確認調查問題的科學性、在科學調查中界定證據需要、描述或評量結果、溝通有 效之結果、展現科學概念的理解。 新知識與技能對一個人是否能成功適應一個具有挑戰的世界是非常需要的， 因此學生應具有分析與推理的能力、有效和別人溝通的能力、理解資訊並將資訊 統整與評鑑的能力、自我省思的能力來面對真實世界的挑戰。國際合作發展組織 (OECD)所舉辦的國際性評量計畫(PISA)主旨尌是評量十五歲的學生能否使用習 得知識與技能，面對真實世界的挑戰而非僅是學校課程的精熟程度，並且提供跨 國際的比較以及各國教育效能的分析，並由此界定國民閱讀、數學和科學三個領 域素養的內涵。由於 PISA 調查建立在終身學習的動態模式上，因此詴題的設計

8 著重在應用及情境擬態，並不限於課程內容，受測學生頇自行建構問題情境的答 案。自 2000 年開始每三年一次國際評量，每次評量會詳細測詴一個學科領域， 大約佔全部施測時間的三分之二，其學科週期的排列如下：2000 年閱讀為主、 科學和數學為輔；2003 年數學為主、閱讀和科學為輔；2006 年科學為主、閱讀 和數學為輔；2009 年又回到閱讀主、科學和數學為輔；2012 年則是數學為主、 閱讀和科學為輔，另加上測驗問題解決能力 (Problem Solving)。截至目前為止， PISA 已經完成四次調查；分別是以閱讀(2000 年，2009 年)，數學(2003 年)和科 學(2006 年)為主軸，每一次的結果報告均能為參與國揭露以下的訊息：(A)提供 各國學生教育體質的基準概況；(B)由背景變項中窺探，當次所調查的技能與人 口學、社會經濟、教育變項的解釋力；(C)趨勢探究以顯示調查結果的趨勢及結 果與學生層級和學校層級背景變數的關連性。 PISA自2000年第一次施辦有43個國家、2003年有41個國家、2006年有56國， 到2009年有68個國家以及2012預計有67個國家，逐次增加中。我國於2006年首次 加入評比，在參與的國家之中台灣學生整體表現數學名列第一、科學第四、閱讀 第十六(PISA 2006)，其中形成科學議題能力第七名、解釋科學現象能力第三名、 科學論證能力第八名；2009年數學第五、科學第十二、閱讀第廿三 (PISA, 2009) ， 其中形成科學議題能力第十七名。我國學生的科學素養(Scientific literacy)在2009 表現與2006年相比卻降低許多，尤其是形成科學議題能力的素養是科學素養中最 弱的一環。 二、PISA科學能力

PISA 2006 定義科學素養(scientific literacy)為當一個人(1)面臨科學相關議 題時，能夠使用科學知識(scientific knowledge)去發現問題、形成新知識、解釋現 象並得到有事實根據(evidence-based)的結論；(2)能夠明瞭科學是經由人類所探究 而形成的知識；(3)能夠察覺科學和技學深深的影響我們週遭物質的(material)、智 力的(intellectual)以及文化的(cultural)環境。其科學素養包含科學知識、科學能力

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與科學態度三個面向，而科學能力主要包含：（1）能夠提出具有證據導向的結 論並說明它的原因，也尌是所謂的「科學舉證」(Use scientific evidences)能力； （2）在解決日常生活困擾的過程中能夠提出研究問題，然後透過科學探究的方 式進行探究，也尌是確認科學議題(Identify science issues)的能力；（3）能夠充 分運用所了解的科學概念和知識，對自然界發生的現象加以解釋，也尌是所謂的 「解釋科學現象」(Explain phenomena scientifically)的能力。如圖2-1-1所示

圖 2-1-1 PISA科學能力 依據對科學素養的內涵，PISA 2006 科學評量理論架構包括了四個面向「科學情 境」、「科學能力」、「科學知識」、「科學態度」，來發展科學評量的工作(tasks)和 題目(questions) (OECD, 2006)，如下圖2-1-2所示： 科學情境 促使 人類 科學能力 知識和 態度影響 能力 科學知識 與科學和 科技相關 的生活情 境 •形成科學議題 •科學地解釋現 象 •科學舉證 能夠瞭解科學內容知識、科 學本質 科學態度 對於科學議題的回應(興 趣、科學探究的支持、責任) 圖 2-1-2 PISA 2006 科學評量理論架構(Ratcliffe & Millar, 2009)

在科學情境(context)的部分，PISA 要評量學生是否適應未來的生活，因此 這部分包括了廣泛的、與科技相關的生活情境(life situations)，如：「健康」、「自 然資源」、「環境」、「災害」、「科學與科技的探索」，同時這些情境又包括 PISA 科學能力 科學舉證能力 形成科學議題能力 解釋科學現象能力

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「個人的」、「社會的」和「全球的」三個項目(OECD, 2006)。

在科學能力(science competency) 能力方面，PISA 2006 的科學詴題注重學生 三種科學能力的表現，分別是確認科學議題(identify scientific issues)能力、解釋 科學現象(explain phenomena scientifically)能力以及科學舉證(use scientific

evidence)能力等三個項目。這三種科學能力在科學實踐中佔很高的重要性，以及 可連接到關鍵的認知能力，例如歸納/演繹推理、系統思考、關鍵決策、轉換訊 息、建構並溝通討論來解釋數據資料等(OECD, 2006)。如下圖 2-1-3 所示： 形成科學議題

(identify scientific issues)

 透過科學化研究辨識可能的議題  在科學訊息當中發現研究的關鍵  在科學研究當中辨識主要特徵 解釋科學現象

(explain phenomena scientifically)

 在主題情境當中應用科學知識  科學地描述或解釋現象並預測改變  給予恰當的描述、解釋與預測 科學舉證

(use scientific evidence)

 佐以科學證據建立與延伸出討論  發現在結論背後的假設、證據與論述  將科學應用於社會與科技的發展 圖 2-1-3 PISA 2006 科學能力素養(science competencies)向度

在科學知識(knowledge)方面，分為科學內容知識(knowledge of science)與科 學本質(knowledge about science)兩個項目。「科學內容知識」又主要由物理、化 學、生物學、地球、太空學(Earth and space science)與技學等領域而來。「科學 本質」包含科學的探究與科學的解釋，科學的探究強調探究是獲取科學證據的手 段，科學的解釋則強調科學家如何使用數據解釋大自然的現象(Bybee, et al. 2009)。 其科學探究包含如何回答科學問題、實驗設計、質與量資料分析、變因的關係與 測量等向度。

在科學態度(attitudes)素養方面，包含了四個項目：(1)對科學探究的支持 (support for scientific enquiry)、(2)對科學學習有信心(self-belief as science learner)、

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(3)對科學學習有興趣(interest in science)、(4)自覺對環境與資源有責任感

(responsibility towards resources and environments)(OECD, 2006)。如圖2-1-4所示： 對科學探究的支持

(support for scientific enquiry)

 能瞭解同時考量數個科學面向與論述 的重要

 使用事實資訊以及合理的解釋  導出結論需具備邏輯與嚴謹的過程 對科學學習的自信

(self-belief as science learner)

 有效率的處理科學任務  在解決科學問題當中克服困難  展現強的科學能力 對科學學習的興趣 (interest in science)  對於科學或科學相關議題有好奇心  透過使用多樣的資源與方法展露出汲 取課外科學知識與技術的意志  展露出持續對於科學資訊擷取的興 趣，包含未來有意從事與科學相關的職 業 自覺對環境與資源有責任感

(responsibility towards resources and environments)  擁有環境維護的個人責任意識  能認知環境總貌乃來自於個人的行動  擁有意識採取行動來維護自然資源 圖 2-1-4 PISA 2006 學生科學態度 (attitudes)素養向度 科學素養的評量，在學科部份包括物理、化學、生物及地球科學。詴題類型 可以分成三大類：（1）形成科學議題（Identify science issues）：要求學生從所 提供的資訊之中，擬訂可以透過科學方法解決的研究問題並進行探究活動；（2） 解釋科學現象（Explain phenomena scientifically）：針對日常生活中常見的現象，

如石雕受酸雨侵蝕，解釋其發生的原因；（3）科學舉證（Use scientific evidences）：

利用科學證據來支持本身的主張或論點。要求學生從所提供的資訊之中能形成議 題，接著擬訂可以透過科學方法解決的研究問題，進一步能利用關鍵概念進行分 析比較。 本研究結合論證與 PISA 科學能力設計出(1)提供學生形成科學性議題與探究， (2)提供學生對形成的科學性議題進行論證，(3)提供學生預設的科學性議題實驗 影片，透過兩種不同論證模板的介入進行學習

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第二節 科學論證

一、論證的內涵與重要性 以往的科學家都認為科學的知識是累積、是統一的，科學是講求證成、是邏 輯的，科學是由觀察決定科學理論，科學名詞的意義是固定的。但是 Kuhn 認為 不同的科學理論乃基於各自的理由所做出的選擇，而選擇卻不一定是基於理性的 基礎，他認為科學理論是經由「革命」而來的，由常態科學(Normal science)的發

展到異例(anomaly)的產生，因而出現危機造成科學革命(Scientific revolution)。科

學革命發生在典範理論面對另一種選擇，以及個人科學家能夠向他人闡述新典範 理論中所包含的問題與答案，而在這個科學理論知識形成的過程尌是論證的歷程。

Driver、Newton 與 Osborne (2000)指出：「對於科學事業的本質，現今的觀點是把

論證和論證的實踐視為是科學家的核心活動」。Toulmin 於『The uses of argument』

一書中提出：「論證尌像是個生物體」的想法，意指論證是由多個不同的元素所 組成的，尌好像生物體是由多個器官組成，缺一不可 (Toulmin, 1958)。論證既 然是科學家的核心活動，那麼在科學教育活動中，應當要反映出科學本質與科學 素養。因此，在學校的科學教學與學習活動中，也應當提供許多機會讓學生練習 論證，主要理由是論證的基本哲學理論是為「社會建構」。 Toulmin 所發展的論點模式是最常被用來分析學生論證的組成和說明組成 論證的必要因素為何，並清楚劃定每個論證要素的意義，Tounlmin 認為一個完 整的論證是由事實推論產生宣稱，他也明確定義出論證的各個組成因子及各因子 間的關係： 圖 2-2-1 Toulmin 的論證分析架構(Toulmin,1958：2003) 事實(D) 所以：宣稱(C)與限制(Q) 因為：依據(W) 基於：支持(B) 除非：反證(R)

13 事實(Data)：描述事實與現象，可明確展現出宣稱的基礎，並支持、擁護宣稱。 宣稱(Claim)：由事實產生一些結論、宣稱，進行論證的人詴圖建立其價值或說 服他人接受。 依據(Warrant)：連接事實、宣稱、結論的理由，作為由事實推論至宣稱的步驟中 驗證的其中一步，可能是規則、原理或是推論的依據。 支持(Backing)：提出實驗證據去證明其假設是正確的，並為其假設加以辯護，證 明理由是正當的。 限制(Qualifiers)：宣稱成立的限制，指出宣稱適用在何種情況，做為限制主張之 用。 反駁(Rebuttal)：提出反駁指出宣稱的不正確性，或在一些特殊的情況下，宣稱並 不成立。 Osborne等人(2001)依Toulmin對論證的架構為基礎，提出進行論證需有宣稱 (claim)，在宣稱的背後需有事實做為根基，而宣稱通常依證據(evidence)提出，證 據至少由事實(data)和依據(warrant)兩者組成；依據可讓與宣稱相關的資料提供一 批判的信念和支持，將事實到宣稱間的關聯連結。Kuhn (1991) 以三個社會議題 訪問不同年齡層的受訪者，並由訪談中所呈現的論證能力加以歸納分類如下：(1) 能提出具因果關係的理論(Causal theories)：受詴者針對現象所提出的理論解釋， 經常需擁有自己的主張和觀點，提出合乎邏輯的理論與他人討論所觀察的現象或 待解釋的議題。若提出的理由屬於單一面向，並使用唯一的理由解釋所觀察的現 象，這種類型稱為單一因果(Single cause)；若提出的理由來自不同的面向，並使 用不同的理由解釋所觀察的現象，這種類型稱為多重因果(Multiple-cause theories)。 (2)能提出可支持理論的證據(Evidence to support theories)：個體為自己的觀點和 主張尋求他人認同時，通常會提出相關的證據來做為支持，而讓人接受的證據必 需能正確地描述因果關係。(3)能以另有理論(Alternative theories)強化自身的理論： 當面對質疑與查覺自身理論的缺失時，提出在原來的宣稱中曾經納入的考量或另

14 一理論解釋的可能性，在論辯過程中，會有多樣的理論同時提出，而且能解釋自 身的理論以及為何選擇此理論而非另一理論的原因。(4)能產生用來反駁的論點 (Counter arguments)：當自身的理論受質疑時，能產生一合理的反駁論點來為自 己辯護，捍衛自己的觀點。(5)能對他人的反駁(Rebuttal)再行反駁：當他人提出 反駁時，能依據對方提出的反駁再提出反駁的論點或另一理論進行論證。Osborne 等人、Eduran等人 (2004)依上述Kuhn的論證能力觀點，將學生的論證能力分為 五個層次： 層次一：論證內容中含有簡單的宣稱或對抗的宣稱。 層次二：論證中所提出的宣稱中含有事實、依據、支持，但沒有反駁。 層次三：論證中含有多個事實、依據、支持，並具有薄弱的反駁。 層次四：論證中具有明確的反駁。 層次五：屬於結構完整的論證，內容包括事實、依據、支持等，而且還有一個以 上的反駁。 論證的活動在科學發展上佔有重要的地位，近代的科學哲學觀認為知識的建 構是涉及對所觀察現象臆測的社會過程，知識的主張是植基於論證的過程，而論 證的功能是建立科學家臆測與可得的證據之間的連結。因此，論證是科學知識建 立的必要過程，科學知識必頇被各種科學機構核對過才能成為公眾知識，而理性 的論證過程是這些實踐的基礎（Newton et al., 1999）。Driver 等人便提出在科學 知識建立的過程中，論證會在下列四個階段發生：(1)科學家在實驗設計或資料 詮釋時，在自己的腦中進行思考論證；(2)小組進行意見交流時，會以論證說服 其他成員接受自己的觀點；(3)科學家將研究結果發表在研討會或期刊上，必頇 透過論證來說服科學社群中的人接受；(4)當研究結果公佈成為公眾知識時，運 用論證的技巧讓大眾接受新的科學知識(Driver et al., 2000)。由上述的論述可知， 論證活動確實在科學知識的發展上佔有舉足輕重的地位。 由科學學習的角度來看論證，當學習了解與建構科學概念後，需要讓學生有

15 使用的機會，有練習發表、發問、回答的機會，透過科學論證的活動，學生也會 對科學的認識論的基礎有所了解。根據建構理論的觀點，學習者主動建構的過程 是很重要的，而討論與論證的活動對於發展學生對概念的理解是很適當的教學策 略。因此，教育必頇賦予學生對日常生活議題進行科學思考的能力，所以論證能 力的培養是科學教育重要的面向之一（Newton et al., 1999）。在科學教育中具有 國際性評量的PISA，其中一項是評量學生的科學素養重點能力之一，尌是評量 的重點是學生以科學證據來支持自己論點的能力。經濟合作暨發展組織(OECD) 所主導的PISA中，將「舉證能力」納入科學素養的內涵中，表示科學論證能力 的確是學生科學素養中重要的一項基本能力。Lawson認為應用論證在課室中應 該能達成兩個教學的目標，其一是若給予學生充分的時間和推理技能與回饋，可 使學生獲得概念或是達成概念改變；另外，論證的實行也可讓學生發展使用論證 的覺知和技能 (Lawson, 2003)。論證在科學教育方面的研究，國外已有廣泛的研 究，Driver等人分析相關文獻顯示，科學論證在科學的學習功效有：有助於科學 概念的發展與理解、發展科學的探究能力、了解科學的認識論、能了解科學是社 會常規(social practice)(Jimenez-aleixandre, Rodriguez & Duschl, 2000; Newton et al., 1999; Zohar & Nemet, 2002 )，而國內也有些研究，黃翎斐與洪瑞萍 (2006)論 證可促進學生批判思考能力的發展。黃柏鴻與林樹聲 (2007)針對學生學習論證 的重要性可歸類於發展學生探究能力與提升學生高層次的思考能力。 二、論證教學 論證是一種推理的歷程，藉由觀察到的現象或事實提出具有合理的宣稱，以 相關的事實或理論支持提出的宣稱，使事實與結論之間產生合理的連結。Kuhn (1991)對論證所下的定義是：「對不同主張或觀點進行辯證的過程」。Driver等人 (2000)定義論證為「經由對談來檢視彼此不同的觀點，最後產生有共識的宣稱的 歷程」。Driver 等人( 2000)認為在論證時常會藉由「對話」來考量不同的替代觀

16 點或採用原來觀點時所受的限制，因此提出「對話式」的論證。這種形式的論證， 可能發生在個人或發生在群體之中，因為在某些環境下個人會藉著和自己對話， 對不同的觀點作考量，最後才下決定要採用哪一個觀點，這種發生在自我身上的 論證，可稱為「自我論證」。然而以社會建構觀點來看，科學是經由論證的歷程 對所觀察的現象做合理的解釋，所以科學學習的群體中的論證則更為明顯，抱持 不同立場的個體提出自己的宣稱來彼此論證，在這個歷程的論證具有「社會建構」 的面向，此類型的論證稱之為「社會論證」。論證課程有助於學生對科學概念的 理解、增進學生對科學的參與、提昇學生批判推理的技巧並發展學生對科學本質 的理解 (Osborne, 2006) 。Osborne、Erduran及Simon (2004)認為以論證為學習科 學的重心有啟發學習知識論與概念上的協調、呈現學習者的科學思考與科學推理、 提供教師做形成性的評量等功能，由此可知論證在科學的學習上是非常重要的。 學生的論證能力是可以在課程中透過教育方式而達到提升的效果(Osborne et al., 2004；Simon, Erduran, & Osborne, 2006)。國外許多學者進行相關研究， Patronis等人(1999)、Bell & Linn (2000)、Yerrick (2000)、Bloom (2001)、Zohar & Nemet (2002)、Osborne等人 (2004)分別對12歲~16歲的學生以社會性科學議題或 科學理論為題材，使用不同的教學策略進行論證教學研究，發現論證教學後學生 在科學本質、科學知識以及論證能力等方面都能顯著提升。國內也有相關研究發 現，透過論證教學可以提升國小學生的論證技能與陳述證據與理由的能力(李佳 生, 2009)。以論證式探究教學對國中生進行論證訓練後，其論證能力與品質有顯 著的提升(施富吉, 2010)。以數位論證學習課程有助於提升學生的論證能力(Chen & She, 2012；Yeh & She, 2010)。然而在實際的課室中，科學教師仍以講授的方 式進行教學，實驗課時也經常以食譜式進行實驗活動，引導學生做實徵性的探討， 所以學生在學習科學中經常是被動的、封閉的、教師導向的。以這種方式學習， 學生無法精緻化學習內容，也無法將學習內容與自己的先備知識相互同化與調適。 如果學習者以互動式探究活動進行科學學習，對相同的資料比較能夠從不同的觀

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點來考量，也會將不同觀點進行比較後才作出決定，過程中能夠產生較多且較為 精緻的對話(Driver et al., 2000; Kuhn, Shaw, & Felton, 1997)。學生在科學對話過程 中面對各種不同的主張、理由和證據時，必需運用批判能力來判斷主張的合理性， 提出的理由是否能支持主張，舉證能否支持理由，證據來源是否可靠。在科學論 證的過程中，學習者需運用推理、組織等思考能力，將內隱的想法精緻化且具體 化，形成外顯的主張(Jiménez-aleixandre, Rodríguez & Duschl, 2000)。所以，論證 教學活動的進行能培育學生主動學習、高階思考、科學推理、科學探究、論證等 能力(Duschl & Osborne, 2002)。透過明確的論證活動指引，個人不斷提升「理論 與證據協調」、「考慮不同的證據評估不同的觀點」的內在的思考歷程，發展學 生自我的論證技能，展現能與自己進行論證；小組成員除了發展自己進行論證之 外，也能透過「審查並評估支持或對立的觀點」、「產生反駁他人的論點」、「對 他人反駁的論點產生抗辯」等論證活動，引導學生在對話的脈絡中共同建構論證， 提升學生「個人與他人觀點協調」的論證技能，展現能與他人進行論證。然而進 行論證教學時學生先備知識不足時，會限制其論證能力的表現(施富吉, 2010)。 因此，論證教學前除了讓學生能夠熟悉論證各要素的涵義與論證技巧外，也必頇 澄清錯誤的科學概念與迷思概念。本研究透過科學情境，學生自己形成科學議題， 由科學議題形成假設，由假設中提出操縱變因與應變變因，經由科學論證的活動， 審視自己的假設與科學概念，再透過聚焦的論證題目，針對科學議題的核心概念 不斷的以科學論證方式，澄清錯誤的科學概念與迷思概念，並提升學生形成科學 議題的能力。 由於學生先備的科學知識缺乏，於課堂中無法提問或挑戰教師所聲稱的科 學主張(Osborne, et al., 2001)，使得課室中的談話與學習都是由老師所主導。若要 促使學生提出自己的論點、針對自己提出的論點加以說明、針對不同的論點與他 人進行討論，甚至促進學生批判性思考、推理、探究等能力來發展本身的知識及 信念，尌必頇要有良好的教學策略讓學生容易進入論證，以個人論述或以小組討

18 論的方式，促使學生提出不同主張以及分享個人的主張。因此，適當的教學策略 及教學過程中一些注意事項是實施論證教學相當關鍵而且也是相當重要的。許多 學者研究並提出不同的論證教學策略，例如：(1)Wray 和 Lewis (1997)提出論證 因子寫作：提供「資料、主張、理由、反駁、理由再加強、證據」等因子，以及 引導性的文字「你的想法是--、你的理由是--、支持你的理由是--、反駁你現在的 想法是--」是來協助學生進行論證，並引導學生針對論證要素依序填寫。(2) Yerrick (2000)提出科學探究：由教師針對生活中的科學現象，引導學生設計實驗、 依設計實驗操作的方式進行科學探究活動，探究活動後進行小組的論證，例如： 發光的燈泡破裂使燈泡燒毀的原因、電池提供電器運作能量的原理、雲的組成成 分等。(3) Simonneaux (2001)提出角色扮演與辯論：學生以角色扮演方式扮演情 境中不同角色的立場，提出宣稱、依據與支持，例如在「巨型基因改造鮭魚養殖 場之設立」的議題中，學生分別扮演「養魚場的老闆、環境保育協會的領導人、 基因改造的研究員、當地的市長」等角色，學生依扮演的角色提出支持或反對的 論點；或是將學生分為對立的兩方，學生依不同立場，提出自己的想法，為自己 的想法辯護並提出反駁對方想法的理由。在辯論的過程中，教師的角色除了保持 中立讓學生自發性的提出不同觀點之外，教師亦可提示學生遺忘或忽略的觀點， 協助並引導學生進行辯論。(4) Zohar 和 Nemet (2002) 提出兩難情境：訓練學生 了解論證要素與培養學生喜好論證後，利用真實生活中的兩難問題情境，讓學生 對問題情境中做出抉擇，提出自己的論述後再進行小組討論或論證活動。例如： 「你認為科學家是否要停止基因複製的研究？」、「從經濟、生態保育或永續環 境等面向來看，你認為需不需建設核四廠？」、「你贊成沿海濕地保育還是沿海 工業區開發呢？」，這些問題涉及了不同層面的衝突，讓學生以不同的面向考量，

在小組中提出自己的觀點進行論證。(5) Osborne, Erduran 和 Simon ( 2004) 提出 競爭理論：論證的主題非專屬情境，能激發學生有不同的想法，提出多種且具有 競爭性的解釋，例如「動物園的設立」，一開始教師對「動物園設立」的競爭理

19 論提供不同的證據進行解釋，「透過認識動物園內不同的動物，讓我們對地球上 的所有物種更關懷與尊重；每一種動物都有自由生存權，人類不能加以剝奪，應 該將它們回歸棲息地」，學生經由討論來選擇哪些證據可支持哪一個理論。除了 上述的教學策略外，學生在進行論證時需要應用許多資料，可藉由網路、書本或 報章雜誌、科學新聞等蒐集間接的證據，學生也可經由實驗設計、實驗操作等方 法蒐集直接的證據。教師可以協助學生把蒐集的資料進行整理，撰寫研究報告或 者公開說明他們的立場，以個人或各組輪流方式發表，並針對提出不同的理論與 主張進行論證。 論證的教學並非一蹴可及，首先教師對論證題材的選擇是至關重要的，題 材需具有不同的問題情境與考量面向，教師需針對選擇的題材提出適合的教學策 略，讓學生可以在論證活動中做充份的討論與探究。其次，在進行論證之前，學 生必頇具備對論證架構的各要素的了解和好論證的特徵(Zohar & Nemet, 2002)。 因此，藉由教師循序漸進的指導和協助，並透過課堂中不斷的練習，精進學生的 論證技巧，進行論證教學時才能駕輕尌熟。此外學生形成宣稱時並沒有從多個來 源數據來進行比較（Erduran, 2008）。學生時常依賴個人的觀點而不會使用手邊 的數據 (Hogan & Maglienti, 2001）。學生往往會對於不同主張的證據顯現刻意 忽視，或者學生常無法舉出適當的證據及提出合理的推理(Brem & Rips, 2000； Lawson, 2002)。學生不太考慮潛在可能影響結果的多個因素作用（Kuhn, 2005）。 學生只憑藉個人信念來辯解（Kuhn et al., 2004）。論證教學研究專家們建議教師 在進行論證教學時選用或描述情境應具備新穎及有趣的特性，課程主題能讓學生 感到好奇及興趣，則學生更樂意參與論證活動(Petit & Soto, 2002)。教師應多給 予學生鼓勵，給予學生足夠的時間去思考與論述，讓學生能清楚描述心中的想法， 若時間過於緊迫，必定會減少學生論證的意願( Lawson, 2003)。Simon等人 (2006) 在研究教師論證教學時所採用的策略時，發現於教學過程中教師和學生對話所構 成的論證有所進步者，較能鼓勵學生產生有對立的論點，表示經教師協助的學生

20 在論證過程中比較可以產生對立論證，並加強對個人論點的反思，訓練學生發展 較高層次的思考技能。所以，教師在設計教學內容或實際教學時，應將上述納入 考量，針對不同的教學對象、目的或情境，選擇不同的論證教學策略，以獲得更 好的教學成效。 三、論證的評鑑 學生在論證過程中科學概念、科學推理、探究能力以及論證能力等是否有進 步，是極為重要的關鍵，論證的歷程與論證結構是評鑑論證品質的重要依據。 Driver等人 (2000)指出，學生若在學習過程中有機會互相討論、辯論以及進行評 價，將不同的觀點、證據、推理的過程等一一呈現，思考歷程才能外顯，在這個 過程便提供了一個評量學生學習的機會。Toulmin (1958)提出論證的理論架構， 他認為合理的論證模式應包含事實(Data-D)、宣稱(Claim-C)、依據(Warrant-W)、 支持(Backing-B)、限制(Qualifiers-Q)、反駁(Rebuttal-R)等成分，而Toulmin且也 非常重視論證的合理性(soundness)。Means與Voss (1996) 提出評估論證項目的合 理性的兩個標準，其一是對支持證據的接受度，另一為延伸支持結論的關聯性， 並提出下列評斷標準： 1.是否可以產生自己的論點。 2.論點是否有力，即是否有可以接受的依據(W)支持宣稱(C)。 3.支持理由的品質。 4.是否考慮到議題的兩面即是否考慮到反面論點。 5.是否有限制的論述。 6.產生幾個支持宣稱(C)的依據(W)。 由於評鑑論證品質的方式非常多元，Cho 與 Jonassen（2002）計較各個論 述元素的品質，將學生提出各個論述元素的情形區分成0、2、4、6 四個等級。 Zoher和Nemet (2002)修改了Toulmin的論證模式來評估學生書面論證品質的結構 與內容，根據TAP模式明確的定義出一個完整的論述是：一個宣稱或結論及辯論

21 此宣稱或結論的理由。若結論包含相關的、明確的及精確的科學概念和事實，而 且能由多元角度來支持結論或為結論辯論，這屬於強的論述；若結論只有單獨的 科學概念和事實，而且只能由單一角度來支持結論或為結論做不相關的辯論，這 屬於弱的論述。而在辯論的內容上對提出的科學知識也加以分類為：沒有考慮到 科學知識、存在不正確的科學知識、尚未明確的科學知識(在得出結論前需作更 多測詴)以及正確的科學知識。Osborne , Erduran & Simon 等人 (2004)對課室中 使用TAP的論證教學後進行定性和定量的分析，認為論證是由許多理由組成，目 的是為將主張具體化，提供合理的思考去批判或捍衛自己的信念，一旦有反駁出 現時，表示該論證是品質較好的論證，學生有較高層次的論證能力。因此，依照 學生論證內容包含論述結構的完整程度將論證的品質分成五個等級，這五個評量 層次為： Level 1：論證由辯論組成，內容中含有簡單的宣稱(C)、對抗的宣稱(C)或宣稱(C) 對宣稱(C)的論點。 Level 2：論證由辯論組成，論證內容中含有事實(D)、宣稱(C)、依據(W)、支持 (B)，但沒有反駁(R)。 Level 3：論證內容中含有多個事實(D)、依據(W)、支持(B)，偶而具有薄弱的反 駁(R)。 Level 4：論證有使用明確的宣稱(C)和一些可清楚識別的反駁(R)。 Level 5：屬於結構完整的論證，內容包括事實(D)、宣稱(C)、依據(W)、支持(B) 等，而且不止一次使用反駁(R)來論證、展示以及延伸論點。 Jimenez-Aleixandre 認為Osborne 等人只用反駁來當成分級的依據而忽視其 他的論證因子，認為在論證分析架構的第三級中雖無反駁的出現，但重視其他論 證因子的出現。因此，將評鑑論證品質的分析架構分成下列五個等級：(引自 Jimenez-Aleixandre et al., 2005) Level 1：論證中只出現主張或反對的宣稱，無事實、依據或反駁。

22 Level 2：論證中出現有主張或反對的主張，含有事實、依據或加上支持，但無反 駁出現。 Level 3：論證中無反駁出現，但至少有一事實或依據，這兩類型至少有三個以上 的組成因子。 Level 4：論證中出現一個反駁，由反對的意見中出現的，可能與事實或是依據相 連。 Level 5：論證中有不只一個反駁出現，亦與多個理由或事實相連

Sandoval 和 Millwood (2005) 及 Maloney 和 Simon (2006)提出論證品質 的評鑑強調在於學習者論證過程中使用證據的能力。Osborne 等人 (2004)、 Simon 等人 (2006)、及 Clark 和 Sampson (2005 , 2007)提出論證品質的評鑑在 於學習者論證過程中評估他人論點的能力。Sampson 和 Clark (2006)提出下列五 個觀點來評鑑學生論證的品質： 1、檢驗知識宣稱的本質與品質：關注學生產生宣稱的類型以及證據與宣稱之間 協調的能力。 2、檢驗提出的宣稱如何被辯護：學生必頇學會提供什麼樣的實徵證據可以作為 論證時的理由。 3、檢驗提出的宣稱是否能解釋全部有效的證據：學生必頇學習關注整個資料的 模式(pattern)而不是找證據來支持個人的信念。 4、檢驗提出另有解釋產生懷疑的論點：事實或現象不會只有單一宣稱的解釋， 學生必頇學會如何去挑戰另有解釋的論點。 5、檢驗宣稱與證據協調中的知識論：學生必頇學會如何用證據為宣稱辯護及評 價證據的方法。 Sadler 與 Fowler (2006) 提出評量論證品質，依論證內容中辯解的內涵把論 證分成零到四級，分別是：

23 1、第零級：沒有辯解。 2、第一級：沒有根據的辯解。 3、第二級：有簡單根據的辯解。 4、第三級：有精緻的辯解。 5、第四級：有精緻的辯解及反面的論點。 Mason 與 Scirica (2006) 評量學生論點的品質有三個主要的因素：第一有辯 護支持的論點較簡單的主張，第二考慮只有可接受與相關辯護支持的結論，第三 有許多可接受的理由之論點較為有力；也依據先前的研究(Means & Voss, 1996； Zohar & Nement, 2002) 依據理由的數量與內容給予評分，將論證分成五級分， 分別是： 1、零分：沒有論點，沒有提供辯護。 2、一分：論點是正確的，但沒有相關辯護。 3、二分：有正確的論點，但沒有完全正確的理由支持。 4、三分：有正確的論點及一個正確的理由。 5、四分：有根據的論點及兩個或以上的正確理由。

Clark 與 Sampson (2007a) 的研究中更把溝通性論證的品質分成六級分，分 別是： 1、第零級：沒有反對的。 2、第一級：論證有簡單且有理由(grounds)的宣稱(C)但無反駁(R)。 3、弟二級：論證有理由的宣稱(C)或反面的宣稱(C)但沒有反駁(R)。 4、第三級：論證有理由的宣稱(C)或反面的宣稱(C)但只有單一個反駁(R)來挑戰 這些宣稱。 5、第四級：論證包含多個反駁(R)來挑戰理論性宣稱(C)，但這些反駁無法挑戰 有理由支持的宣稱(C)。 6、第五級：論證包含多個反駁(R)且至少有一個反駁可以挑戰包含理由支持的

24 宣稱(C)。 Clark 等人 (2007b) 認為評量學習者在網路論證環境中互動的分析架構研 究仍集中在正規的論證架構與概念的品質方面，至於對話的本質與功能之貢獻、 認識觀本質的推理以及論證順序跟互動的模式等需要更進一步探討研究，才能對 學習者在論證過程中進行評量。而國內科學教育學者也進行相關研究，蔡俊彥、 黃台珠和楊錦潭 (2006)按照符合Toulmin (1958)論證架構的完整性做為判準，將 受詴者論證對話品質中具有主張(c)、證據(d)、論據(w)、支持理論(b)、反例(r) 等要素分為五個層級： 第一級為c：只提出想法。 第二級為cd、cw：有想法，並能提出證據。 第三級為cdr、cwr、cwb、cdw、cdb：有想法，並能提出證據，對提出的證據能 用原理或定義解釋。 第四級為cdbr、cwbr、cdwr、cdwb：有想法，並能提出證據，對提出的證據能用 原理或定義解釋，更能提出支持，說明支持的原因與理由。 第五級為cdwbr：有想法，能提出證據，對提出的證據能用原理或定義解釋，還 能提出支持，說明支持的原因與理由，但能提出自己想法的限制或提出 反駁自己想法的論點。 黃翎斐、張文華和林陳涌 (2008)則參考Osborne 等人(2004)與 Jimenez-Aleixandre et 等人( 2005)兩種論證品質分析架構，以及參考Kuhn (1991) 對論證能力的各個面向的研究，對學生的論證品質作更細膩的區分及判定，如下 所示： 細目 評鑑論證品質的 細目定義 論證品質細目的評分標準 0分 1分 2分 3分 理由 的正 確性 能提出符合科學 觀點、完整正確的 理由 未能提出 任何理由 論證中只 能提出非 理由 論證中出 現偽理由 論證中出現 真理由

25 反駁 的面 向 能對他人提出的 不同論證因子進 行反駁，或能捍衛 自身的觀點針對 他人的反駁提出 反反駁 無任何反 駁出現 指出現針 對單一因 子的反駁 有針對多 個因子的 反駁出現 除有多個反 駁出現外，且 能進行反反 駁 組成 元素 的完 整 能提出論證中的 不同元素，使得論 證更加完整 只出現主 張或是數 據，沒有提 出理由 有出現主 張、數據及 理由 有出現主 張、數據 、理由，及 其他一至 二個論證 元素 有出現主 張、數據、理 由及二個以 上的論證元 素 論點 數目 的多 寡 在同一論證中，能 提出多個主張或 是多個數據來支 持同一主張 未能提出 論點 能提出一 個論點 能提出二 個論點 能提出三個 以上論點 圖 2-2-2 黃翎斐、張文華和林陳涌 (2008)論證品質評鑑表 綜合上述各種評鑑架構，不同的評鑑架構都有其重視的層面，例如：Osborne 等人 (2004)著重於反駁（rebuttal）層面；Jimenez-Aleixandre 等人 (2005)重視各 種論證因子的出現。Sandoval 和 Millwood (2005) 及Maloney 和Simon (2006)強 調使用證據的能力；Osborne 等人 (2004)、Simon 等人 (2006)、及Clark 和 Sampson (2005 , 2007)著重於評估他人論點的能力；蔡俊彥等人 (2006)重視是否 符合Toulmin的論證架構；黃翎斐等人 (2008)考慮論證因子的各種層面。因此本 研究參考上述各種論證能力的評鑑方法，將以兩個面向來評鑑論證內容，第一是 分析論證內容中學習者科學概念的正確性，以了解學習者在論證活動中科學概念 的學習情形與提出論點的說服力；第二是分析學習者使用論證要素的次數與敘述 來了解學習者對於論證各要素認知的正確性，以進行論證品質的評鑑。而本研究 採用的論證品質評鑑架構是依據 Yeh 和 She (2010), Chen 和 She (2012)所提出 的論證品質分級，依論證要素中宣稱(C)、依據(W)、支持(B)、反駁(R)等論證內 容的完整性加以分級，如下表所示：

26 Components (組成要素) Levels (階層) Definition (定義) Claim(宣稱) Level 1 只有宣稱，宣稱組成中沒有數據或事實。 Level 2 有數據或事實組成的宣稱。 Warrant (依據) Level 1 提出理論或原理但沒有連接到宣稱，或沒有清楚地 描述了這一理論。 Level 2 包含理論或原理組成的宣稱。 Backing (支持) Level 1 提出的支持沒有連接到宣稱或依據，或沒有清楚描 述彼此間的關係。 Level 2 有數據、依據或支持的宣稱 Rebuttal (反駁) Level 1 只有薄弱的反駁以及未清楚的解釋 Level 2 有清晰可辨識的反駁。

圖2-2-3 Yeh 和 She (2010), Chen 和 She (2012)論證品質的評鑑架構 透過數位網路論證學習歷程，學生在個人論證的自我建構或小組論證過程中的社 會建構，對各論證要素的品質與次數能有所提升，進而提升學生論證的品質。

第三節 網路科學學習

一、網路學習環境 以往的學習者獲得知識的主要來源是從教導者或書本，然而近 10 年來網路 的高普及率及高方便性，加上網路不受時間與空間的限制，同時也具備了即時、 豐富、互動、彈性以及多樣的各種資訊，因此提供傳統教育學習環境的另一種選 擇。相對的，網路科技引入教育學習環境後，教學的環境、教學的模式、教學者 與學習者的角色、學習者的學習方式、學習內容以及學習評量等產生重大的變革。 傳統教室中，教學者與學習者同在一個空間，有統一的學習進度，學習過程中學 習者必頇要遵守某些行為規範及溝通的型態，而教學者擔任敘述或傳達知識的角 色；網路學習的教學者與學習者可以在不同的空間，學習者可以依個人的程度進 行學習，或透過學習社群進行合作學習或整合學習，進行有效率的學習活動。學 習者在開放式的環境中進行學習活動，可以增加自我的學習成效(Jonassen et al.,

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2003)。因此，教育部九年一貫將資訊教育列為重要議題，希望各學習領域能使 用資訊科技輔助教學，擴大學習成效，並提升學生問題解決的能力。

隨著全球資訊網(World Wild Web,WWW) 快速而且成熟的發展，越來越多的 教育工作者利用網路化進行教學與學習，因為它含有大量及豐富的資訊，能讓學 習者較便捷、較簡單去操作，所以有愈來愈多的學習者使用它來進行線上學習 (Wilson & Lowry, 2000)。網路數位學習也因為網際網路的發達，使得網路化教學 (Web-based instruction)與網路化學習(Web-based learning)成為傳遞課程的主流(易 國榮，2003；廖婭妏，2005)。Carvin (1996)提到網際網路應用在教育上所扮演的 角色，有如家教(Tutor)、出版社(Publishing)、論壇(Forum)以及瀏覽的領航家 (Navigator)等。網路數位學習除了可以提供給學習者獨立去探索與學習某一主題 的知識之外，另外還可以透過互動的方式將相關資訊互相連結，藉此擴展主題知 識的範疇。林奇賢 (1998) 指出網路學習環境比傳統教學情境具有破除學習時空 籓籬、多元化學習資源、互動式學習、個別化學習、建構主義學習、家長參與、 教師角色轉變以及科際整合等特質。利用科技與網路的蓬勃發展，應用到教育學 習上，利用開放的網路學習環境，學習者依照自己的興趣與喜歡的學習方式進行 學習，透過個人化的學習模式與建立自我評量、檢視與反思的教學策略，使學習 者建構出自己的認知基模。因此設置一個有彈性且符合建構主義的網路數位學習 情境，已成為近年來許多科教研究者的重視。Bransford、Brown 與Cocking (1999) 指出未來能支持學習的科技應該要建構在「以知識為中心」、「以學習者為中心」、 「以社群為中心」、「以評量為中心」四個核心概念之上。由於網路形式的學習 環境不受時、地限制的特性，學習內容的表徵方式非常多元豐富且具有多元化， 網路環境中包含各種有組織含學科觀點的學習活動（以知識為中心），透過設計 的情境表徵真實世界之外，同時也能表徵不易理解的微觀或巨觀世界，讓學習者 進行觀察、類比、探究等一連串的學習活動，完成概念的學習，達到情境認知的 目的（林奇賢，1998；林奇賢、馬榮燦、林志能，2000）；網路環境設計可提供