輔以寫作鷹架的開放式探究學習對國小學生形成實驗問題能力與學習成就的影響

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(1)國立台灣師範大學生命科學系博士論文. 輔以寫作鷹架的開放式探究學習對國小學生形成實驗問題能力與學習成就的影響 The Effect of Open Inquiry with Writing Scaffold on Elementary School Students’ Forming Testable Questions and Achievement. 研究生：陳淑苾 Shu-Bi Chen 指導教授：張文華博士 Wen-Hua Chang. 中華民國 106 年 7 月.

(2) 摘要本研究探討開放式探究教學對於學生學習的影響。學生在開放式探究中形成探究問題上是有困難的，本研究以寫作鷹架協助學生形成實驗問題並進行實驗設計，以利學生進行開放式探究。研究比較學生在輔以寫作鷹架的開放式及結構式探究教學後，其學習成就及形成實驗問題能力的差異，研究並探討不同學習成就學生在開放式探究學習中的學習過程及形成實驗問題能力的差異情形。研究採混合研究法收集量化及質性資料，包括：學習成就的前後及延宕測成績；形成實驗問題能力測驗的前後測成績及實驗組學生晤談資料。研究對象為國小五年級四個班級共 106 人，實驗組(n=52)及對照組(n=54)各兩班分別進行開放式及結構式探究，教學實驗課程為 10 週的自然與生活科技課程。分析結果顯示：兩組學生的學習成就皆有顯著提升但沒有明顯差異，學習保留效果皆良好。在形成實驗問題能力上兩組也都有顯著提升，實驗組是大效果量而對照組為小效果量。比較兩組學生在形成實驗問題能力測驗的差異，實驗組皆優於對照組。中、高成就學生在開放式探究學習的形成實驗問題能力總分、分辨變因和組合變因上優於結構式探究學習。低成就學生在開放式探究的形成實驗問題能力總分及組合變因上優於結構式探究學習。分析晤談資料顯示開放式探究學生認為寫作學習鷹架對於其思考是有幫助的，低成就學生不喜歡主動思考，在形成實驗問題上是有困擾的。研究結果顯示，進行開放式探究教學時老師可在大概念下以核心問題激發學生思考，並以小組討論界定實. I.

(3) 驗問題、設計實驗後執行實驗，以建構學生的科學知識。研究針對結果提出對學生學習與教學設計的相關建議。關鍵字：開放式探究、提問能力、學習成就、寫作鷹架. II.

(4) ABSTRACT This study aims to investigate the effect of open inquiry on students’ learning. During open inquiry, students frequently pose their questions according to their interests. Yet question-posing is too difficult for students to handle. Thus the present study provided a writing scaffold that helps students pose experimental questions and design their own experiments for students’ learning in open inquiry. The present study examined students’ learning achievements and question-posing ability in open inquiry versus structured inquiry in order to learn the effect of open inquiry on students’ learning. Mixed methods were used to collect quantitative. and. qualitative. data. including. students’. learning. achievements before and after open inquiry as well as the follow-up tests, scores of experimental question-posing ability tests before and after open inquiry, students’ opinions on open inquiry obtained by interviews with students in the experimental group. A total of 106 students from four 5th-grade classes were involved in the study. 52 of them were in the experimental group, where they carried out open inquiry activities. 54 were in the control group, where they conducted structured inquiry activities. The intervention lasted for 10 weeks. The results revealed that the students’ learning achievements of both groups had been improved dramatically but there was no significant difference. A good learning retention effect was found. As to the problem-posing ability, both groups showed significant improvement after the inquiry while the experimental. III.

(5) group had a larger increase and the control group showed a smaller degree. The MANCOVA analysis demonstrated that the experimental group had higher total score of the experimental question-posing ability test than the control group on investigation. The students with intermediate and high achievement in open inquiry had a better performance on the total score of the experimental question-posing ability test, the differential variable and the combined variable compared with the students with intermediate and high achievement in structured inquiry. As to the students with low achievement in open inquiry, they had a better performance on the total score and the combined variable compared with the students with low achievement in structured inquiry. The analysis results of the interviews with the students in open inquiry showed that all of the students in open inquiry thought that the writing scaffold is helpful in thinking process while the students with low achievement had trouble in question-posing because that they seldom think actively. Moreover, the result also indicated that teachers can use core problems of teaching practice as a situation to inspire students in open inquiry so that the students can define experimental problems in a group discussion and then design and execute experiments for increasing their scientific knowledge. This study proposed suggestions for student learning and curriculum design based on the results mentioned above. Key words: open inquiry, question-posing ability, learning achievement, writing scaffold. IV.

(6) 目錄第壹章緒論 ........................................................................................... 1 第一節研究的背景與重要性 .............................................................. 1 第二節研究目的與問題 ...................................................................... 6 第三節名詞釋義 .................................................................................. 7 第四節研究限制 .................................................................................. 9 第貳章文獻探討 ................................................................................. 11 第一節探究教學與學習 .................................................................... 11 第二節鷹架與寫作 ............................................................................ 29 第三節學生提問與探究 .................................................................... 39 第參章研究方法 ................................................................................. 61 第一節研究對象與研究情境 ............................................................ 61 第二節研究設計與研究架構 ............................................................ 63 第三節研究方法與研究流程 ............................................................ 71 第四節研究工具 ................................................................................ 73 第五節資料收集與分析處理 ............................................................ 80 第肆章研究結果與討論 .................................................................... 87 第一節學習成就的差異 .................................................................... 87 第二節形成實驗問題能力的差異 .................................................... 93 第三節不同學習成就學生的學習情形 .......................................... 100 第四節開放式探究中學生學習的情形 .......................................... 106 第五章結論與建議 .......................................................................... 131 第一節結論 ...................................................................................... 131. V.

(7) 第二節建議 ...................................................................................... 136 參考文獻 .............................................................................................. 138 一、中文部份 .................................................................................... 138 二、西文部分 .................................................................................... 144 附錄 ....................................................................................................... 169. VI.

(8) 圖目錄圖 2-1-1 科學教學形式 ......................................................................... 12 圖 2-1-2 科學家的探究過程 ................................................................ 19 圖 2-2-1 學生 ZPD 與工作難度的關係 ............................................... 30 圖 2-2-2 知識構成模型 ......................................................................... 38 圖 2-3-1 形成問題的認知歷程模式 ..................................................... 43 圖 2-3-2 問題形成過程模型 ................................................................. 44 圖 2-3-3 問題形成及解決的要素 ......................................................... 46 圖 2-3-4 形成問題的成分模式 ............................................................. 47 圖 2-3-5 曼陀羅思考技法 ..................................................................... 51 圖 3-2-1 兩組探究教學的方式 ............................................................. 65 圖 3-2-2 研究架構圖 ............................................................................. 66 圖 3-2-3 「植物世界面面觀」概念圖 ................................................. 67 圖 3-2-4 「力與運動」概念圖 ............................................................. 68 圖 3-3-1 研究流程圖 ............................................................................. 73. VII.

(9) 表目錄表 2-1-1 課室探究的基本特徵和活動型態的差異 ............................. 13 表 2-1-2 探究實驗的開放層級 ............................................................ 15 表 3-2-1 結構式與開放式的實驗探究課程特徵及差異 .................. 64 表 3-2-2 研究實施程序與時間 ............................................................ 64 表 3-2-3 開放式探究教學活動流程 ................................................... 69 表 3-2-4 結構式探究教學活動流程 ................................................... 70 表 3-2-5 教學單元問題情境及實驗器材 ............................................. 70 表 3-4-1 形成實驗問題學習單的設計與鷹架說明 .......................... 75 表 3-4-2 單元學習成就測驗題目雙向細目表 ................................... 76 表 3-4-3 形成實驗問題能力測驗預試評分標準說明 ...................... 78 表 3-4-4 形成實驗問題能力測驗預試試題項目分析結果 ................. 79 表 3-4-5 形成實驗問題能力正式測驗評分標準說明 ...................... 80 表 3-5-1 研究資料編碼表 ..................................................................... 82 表 3-5-2 晤談學生資料表 .................................................................... 84 表 3-5-3 編碼架構表 ............................................................................. 85 表 4-1-1 兩組學生在學習成就測驗上的得分情形 .......................... 88 表 4-1-2 實驗組探究教學前、後學習成就變化的情形 ..................... 90 表 4-1-3 對照組探究教學前、後學習成就變化的情形 ..................... 90 表 4-1-4 兩組學生知識後測測驗的共變數分析 ............................... 91 表 4-1-5 兩組學生知識測驗的延宕測共變數分析 .......................... 91 表 4-2-1 兩組學生在形成實驗問題能力測驗上的得分情形 .......... 93 表 4-2-2 實驗組學生形成實驗問題能力改變情形 ............................. 95. VIII.

(10) 表 4-2-3 對照組學生形成實驗問題能力改變情形 ............................. 95 表 4-2-4 兩組學生在形成實驗問題能力測驗分數的共變數分析 .. 96 表 4-2-5 兩組學生在選取變因能力面向上分數的共變數分析 ...... 97 表 4-2-6 兩組學生在分辨實驗變因能力面向上分數的共變數分析 ............................................................................................... 98 表 4-2-7 兩組學生在組合變因能力面向上分數的共變數分析 ...... 98 表 4-3-1 兩組的低中高成就學生在形成實驗問題能力測驗上的後測得分情形 .......................................................................... 101 表 4-3-2 高成就學生在不同探究學習上形成實驗問題能力測驗上的差異情形 .......................................................................... 102 表 4-3-3 中成就學生在不同的探究學習中實驗問題形成能力測驗的差異情形 .......................................................................... 103 表 4-3-4 低分組學生在不同的探究學習上形成實驗問題能力測驗的差異情形 .......................................................................... 104. IX.

(11) 第壹章緒論探究學習對提升學生的科學學習成效是顯著的(Bevins & Price , 2016)，科學的探究學習是受到重視的(Abd-El-Khalick et al., 2004; Kuhn, Arvidsson, Lesperance, & Corprew, 2017; Orwat, Bernard, & Dudek, 2014)。學生的提問是學生的興趣所在，而以學生自己的提問進行探究活動對學生而言是有意義的學習(Chin & Osborne, 2008)。相較於傳統的結構式探究教學，實施學生提問的開放式探究並不容易，因為學生並沒有辦法自發性的提出可供探究的實驗問題(King, 1992 )。在探究學習中寫作可用來協助學生學習，讓學生在學習歷程中思考、反思及建構概念(林雅慧、蔡佩穎、張惠博、張文華，2007；Hand, Prain, & Trobe, 1999; Hand＆Wallace, 2004; Rivard, 1994)。研究者希望能透過本研究建構出形成實驗問題的寫作鷹架以協助學生進行開放式探究學習。因此，研究將探討在開放式探究學習中，輔以寫作鷹架對學生形成實驗問題的成效，並同時進一步探討以此提問進行探究活動對學生學習的影響。本章共分為研究的背景與重要性、研究目的與問題、名詞釋義及研究限制四節說明。. 第一節研究的背景與重要性. 教育部在「科學教育白皮書」中指出科學教育的目標在提升及運用探究能力，以解決日常生活中的問題(教育部，2003)，科學課程強調以探究為基礎，讓學生能進行學習及理解自然世界。課室中的探究. 1.

(12) 活動，雖然因為學生認知發展的限制，無法與科學家進行的科學活動相比，但學生仍可經由類似科學家的思考過程，去經歷發現問題、提出假設與設計實驗等一連串探究歷程，以學習科學並培養對科學概念的理解(NRC, 2000)。十二年國教在科學學習上是強調「探究與實作」(國家教育研究院，2016)。小學階段的科學探究學習是以進行實驗活動為主 (王美芬、熊召弟，1995)。實驗活動可以培養學生的科學推理技能、實務技巧、合作能力及對科學本質的了解(NRC, 1996)。但是多數的中小學生對探究學習相當陌生，如果缺少老師的協助，學生很難獨立進行探究活動(Krajcik, Czerniak, & Berger, 2003)。許多研究指出學生進行探究活動時，是需要老師的指導，學生並無法從體驗中直接學到探究的思考方式，也無法有效的發展出科學探究能力(洪振方，2010; Clark, Clough, & Berg, 2000; Zimmerman, 2007)。教師考量學生對探究的不熟悉，在實驗活動的教學現場中多採用驗證式或結構式的探究方式進行。此類探究的實驗情境是由老師提供研究問題，學生依循老師所設計的實驗步驟收集資料及數據，並進行解釋及討論。學生在此學習過程中並不會去注意實驗活動的目的及設計，在學習時常只是動手而不思考，並無法產生有意義的學習(郭文禎、張文華，2000)，對於學生概念的改變並非是有效的方法(Domin, 1999)。為了提升學生的思考，在進行實驗活動教學時，老師應尊重並給予學生展現其現存的知識，在實驗活動過程中，鼓勵學生設計實驗及多提供學生協商、討論及建構經驗證據意義的機會 (林陳涌，1995)。. 2.

(13) 開放式探究是由學生提出探究問題並進行問題解決的探究學習模式，能培養學生的高階思考能力也能提升學生的興趣、責任感及科學素養(Jordan, Ruibal-Villasenor, Hmelo-silver, & Etkina, 2011)。進行開放式探究教學時老師要考慮學生的認知能力，並協助學生解決在探究過程中所面臨的困難(Zion & Mendelovici, 2012)，否則學生會很容易因為面臨無法解決的困難而感到挫折，並很快的耗損學習的熱情 (Berry, Mulhall, Gunstone, & Loughran, 1999 ; Trautmann, Makinster, & Avery, 2004)。 Dembrow 與 Molldrem-shamel (1997)主張進行探究教學時，教師要從學生的興趣出發並找出教學中最關鍵的項目去改變。在開放式探究中，學生的提問是學生興趣所在也是探究的始點。但是因為學校的自然科學教學是聚焦於科學事實的內容的傳授(McNeill, Lizotte, Krajcik, & Marx, 2006)，對於學生的提問學習經常是被忽略的(van der Schee & Rijborz, 2003)。許多研究指出在開放式探究過程中要學生提出科學探究問題是有困難的，學生的提問多為封閉性的問題，需要老師的協助才能發展出具有探索性的問題 (李明昆、洪振方，2010；龍鱗如、謝祥宏，2006；Apedoe, 2008; Chin & Chia, 2006; Zion & Mendelovici, 2012)。林煥祥(2008a,b)也指出臺灣學生在辨識問題及形成科學議題的能力是較不足的，因此我們應該要特別關注如何提升學生的提問能力。 NRC(2012)指出提問是學生在探究學習上的要素，主張學生在科學提問的能力上應該要能形成或修改問題，使其能成為用實徵性研究回答的問題，並以此問題設計探究活動而尋找出答案。在開放式的實. 3.

(14) 驗探究活動中，學生所面臨的是複雜的問題情境，需要以自己的知識為基礎，從情境中去尋找線索並形成界定清楚的問題，再以此問題進行探究活動，才能對於複雜的問題情境有深入的了解。胡瑞萍與林陳涌(2002)主張寫作可以讓學生將內在想法轉為具體的外在表徵，幫助學生連結不同的概念，使學生的思慮能更清晰而促進高階思考的能力。而國小學生在即時性的口語對話過程中很難形成個人的推理脈絡(林雅慧、張文華、林陳涌，2003)。因此採用寫作作為學生的學習鷹架，是符合國小學生的發展及教學所需。在台灣有關於開放性探究的相關研究多是以專題研究或科展的方式進行，以正式課程進行開放式探究的研究較少(白佩宜、許瑛玿， 2011；顏瓊芬、黃世傑，2003)。而以教科書課程內容進行開放式探究學習之國小相關研究並沒有發現。此外，關於學生提問相關的研究相關的文獻研究也不多(Song, 2016)。目前的學生的提問研究多半聚焦在學生的問題數量、類型、層次(李明昆、洪振方，2011；連啟瑞、盧玉玲，1997； Chin, 2002；Heinzen, 1989；Lee & Cho, 2007)、學習環境對於學生提問情形的影響(Colbert, Olson, & Clough, 2007； Kaberman & Dori, 2009)或以教學方式促使學生提出探究的問題(連啟瑞和盧玉玲，2005；Chin & Brown, 2000)。對於引導學生形成科學探究問題並運用於探究教學活動的相關研究並不多，且其研究對象多為高中及大學生(Bielik & Yarden, 2016; Chin & Kayalvizhi, 2005; Lombard & Schneider, 2013)，與研究者所欲探討的國小學生在身心發展上差異甚大。當今的科學教育強調科學探究的學習是實務的學習 (NGSS Lead States, 2013)，主張學生學習科學的方法應該以學生的好. 4.

(15) 奇心與主動性為起點，從學生的經驗出發去進行探索、實驗操作與多元學習(國家教育研究院，2016)。學生應該透過學習社群廣泛的參與在探究活動中，而非僅專注於單一的科學技能中(Kuhn, Arvidsson, Lesperance, & Corprew, 2017)。因此，本研究除了探討在以寫作鷹架協助學生提問實驗問題的成效外，也探討學生以此實驗問題進行探究活動對其學習所產生的影響。雖然許多研究指出探究學習可以提升學生的學習成就，但是研究也指出除非學生已具備有較高的內化知識足以引導學生學習，否則在學習過程中的引導太少對於學生的學習是不利的(Kirschner, Sweller & Clark, 2006)。因此，本研究採用寫作鷹架來協助學生進行開放式探究。而Yoon, Elinich, Wang, van Schooneveld與Anderson(2013)指出不同的學習鷹架對於學生學習的影響是不相同的。而本研究寫作鷹架的主要目標是要協助學生形成實驗探究問題並進行探究活動。因此研究將探討學生形成實驗問題能力的情形。在十二年國民基本教育中的理念是要能成就每一個孩子(教育部，2012)，希望能給予不同學習成就的學生差異化的協助(吳清山，2012)。因此，本研究探討學生在探究教學中的學習成就情況，也更進一步探討不同學習成就的學生在開放式探究活動中的學習情形，以作為未來教學設計時的參考。研究指出探究學習會影響學生的學習成就及探究能力，期盼研究結果能架起研究理論與教學實務間的橋樑，以作為科學教育工作者的教學與研究之參考。. 5.

(16) 第二節研究目的與問題. 本研究的目的在瞭解在國小「自然與生活科技」課程中，輔以寫作鷹架協助學生形成實驗探究問題，並以此問題進行開放式探究活動對學生學習的成效。研究比較進行輔以寫作鷹架的開放式探究(實驗組)和結構式探究(對照組)兩組的學習成效。研究基於此目的所欲探討的研究問題為：. 一、開放式探究學習對學生的學習影響為何？ (一) 學生在結構式與開放式探究學習的學習成就是否有差異？ (二) 學生在結構式和開放式探究的形成實驗問題能力有何差異？. 二、不同學習成就的學生在探究學習歷程中的學習差異為何？ (一) 不同學習成就的學生，在開放式和結構式探究學習中其形成實驗問題能力有何不同？ (二) 在開放式探究學習中，不同學習成就學生在學習過程與形成實驗問題能力的差異為何？. 6.

(17) 第三節名詞釋義. 一、探究學習. 探究是一種多面向的活動，包括觀察、提出問題、利用工具收集及分析資料，並提出解釋及發表溝通等(NRC，1996)。依教師及資源介入情形的不同，實驗活動可分成驗證式、結構式、引導式及開放式等層次的探究(Staer, Goodrum, & Hacking, 1998)。本研究共採用兩種探究教學方式，分別是結構式探究(structured inquiry)與開放式探究(open inquiry)。結構式探究是指學生依循老師的指導進行實驗，實驗問題、器材和步驟都是由老師所提供，老師會引導學生討論問題的結果，是研究者在先前教學經驗中所使用的探究教學方式。開放式探究進行的方式是學生從單元大概念的核心問題情境中，以寫作鷹架形成實驗問題，並經歷自行設計及執行實驗及討論實驗結果等過程，是研究者認為值得深入探討的探究學習方式，也是本研究所進行的開放式探究。. 二、實驗問題. 問題是學生在認知不一致、好奇或想要拓展知識情形下所產生。在本研究中的實驗問題是指在探究學習中，學生必需經由此問題去進行實驗設計及操作，透過收集第一手資料而回答的問題。實驗問題中應該要包含實驗時的相關變因，此外，也需要考量其可行性、挑戰性及倫理等因素。. 7.

(18) 三、學習成就. 本研究的學習成就是指學生在經過教學後，對於學習教材中的科學概念的學習成效。學習成就高低是依據研究者自編的「單元學習成就測驗」的測驗得分為指標，總分愈高代表學生的學習成就愈佳。. 四、形成實驗問題能力. 本研究綜合文獻研究主張，將學生的形成實驗問題能力分為選取關鍵特徵、分辨實驗變因及建立變因間的關係等三項，說明如下： 1. 選取變因的能力：能從情境中察覺適合探討的線索，再將線索轉換成相關的因素而成為關鍵特徵，在實驗問題中的關鍵特徵也就是實驗的變因。 2. 分辨變因的能力：學生能分辨科學探究問題中所要探討的變因，包括實驗的操縱變因、應變變因及控制變因。 3. 組合變因的能力：能建立實驗變因間的關係，並以合適的實驗問題形式呈現學生所想要探討的問題。本研究中的形成實驗探究問題能力是以研究者自編的「形成實驗問題能力測驗」的得分為指標，總分愈高代表學生的形成實驗問題能力愈佳。. 五、寫作鷹架. 鷹架是指教學者在教學過程中所使用的策略或程序上的協助，這些協助能使學習者的實際發展水準提升至潛在發展水準。本研究的學. 8.

(19) 習鷹架是指形成實驗問題的寫作學習單。寫作鷹架設計原則是以引導學生選取變因、分辨變因及組合變因，以協助學生形成實驗問題。. 第四節研究限制. 一、研究對象的限制：研究者是以所任教的學校進教學研究，研究對象是臺北市某公立小學四個五年級的班級。研究結果較適宜推論於同年齡層的學生，對於不同年齡層的學生，不宜做過度的推論。. 二、研究課程的限制：礙於研究時間的限制，僅針對五年級上學期的自然與生活科技課程進行兩個單元作為研究範圍，因此，對於其他學習單元上的適用性需要考量斟酌。. 三、研究設計上的限制：本研究探討輔以寫作鷹架對學生在形成實驗探究問題及進行開放式實驗探究學習的成效。研究是以準實驗設計進行。實驗組為有寫作鷹架形成實驗探究問題的開放式探究學習，對照組是以研究者教學常用的結構式探究作為比較的對象。研究未以無寫作鷹架形成探究實驗問題的開放式實驗探究作為對照組，其原因是因為學生在沒有寫作鷹架協助的開放式探究中並無法進行有效的學習。. 四、研究推論上的限制：本研究因為研究者人力上的限制，僅就研究者所任教的班級學生學習情形進行探討，無法對所有學生進行全. 9.

(20) 面性探討，且在質性部分僅選取標的學生進行訪談。因為參與研究的學生人數有限，所以在資料分析所得的研究結論，不宜做過度推論。. 10.

(21) 第貳章文獻探討本研究旨在探討輔以寫作鷹架對協助學生形成實驗探究問題的影響，以及以寫作鷹架協助學生提問的開放式探究對學生學習的成效。文獻分為探究學習、學生提問及寫作鷹架三部份進行探討。第一節探討探究教學與學生學習的關係。第二節則說明鷹架概念及其與學生學習的關係，並討論以寫作協助學生學習的教學鷹架類型及使用原則。第三節探討問題形成的因素，並由文獻中歸納出實驗探究問題之特徵及學生所必須要具備的提問能力，以作為課程設計上的參考。. 第一節探究教學與學習. 一、探究教學的意涵. 「探究」為多面向的活動，包括觀察、提出問題、蒐尋資料、計畫研究活動、藉由實驗證據來驗證、使用工具收集分析與詮釋資料、提出解釋及答案並作出預測及與他人進行實驗結果的溝通等(NRC, 1996)。在探究學習的過程中重視學生和同儕、教師的互動學習，教師協助學生主動的探索自然界的事物與現象，並提供學生在探究學習過程中與他人分享討論的機會。教育部(2008)強調科學教學應該要引導學生做科學探究，透過個人或小組合作的學習模式，培養學生探究及分工合作的能力，養成學生主動的態度，並獲得科學智能及習得各種操作技能。十二年國民基. 11.

(22) 本教育對自然科學核心素養也強調要引導學生學習科學知識的核心概念，提供學生探究學習和問題解決的機會，使學生了解科學知識產生的方式和養成科學思考與探究的習慣(國家教育研究院，2016)。 Furtak (2006)認為課室教學模式，可呈現成像光譜般連續性的型態(圖 2-1-1)，在光譜的兩端分別是傳統教學與開放式探究教學，而在兩端間為不同開放層次的引導式探究教學。傳統教學是教師以邏輯實證或經驗主義為設計原則，教師的教學活動是依照設計的步驟程序來驗證既存的知識，忽略學生的探究及問題解決能力的培養。學生通常是以記憶的方式來學習科學，因此，所學到的科學概念往往無法在情境間產生遷移的效果。開放式探究教學則是教師以建構主義為設計的原則，學生有如科學家般對所學的內容自主性的進行設計及探索，以建構出有意義的知識。. 開放式傳統教學探究教學. 引導式探究教學圖 2-1-1 科學教學形式(Furtak, 2006). 探究取向的教學可以從教師介入和學生自主的的程度而有不同的樣貌(NRC, 2000)。從表 2-1-1 可以發現越靠左側為教師介入較少學生有較高自主的程度，屬於越開放的探究教學；相反的，越靠右側則為教師提供較多的支持，學生自主程度較低的結構式探究活動。. 12.

(23) 表 2-1-1 課室探究的基本特徵和活動型態的差異(NRC, 2000) 較基本特徵. 學生參與科學導向. 多較學生自己提少出問題. 學生的自我導向程度. 較少. 教師及資源介入程度. 較多. 學生選擇或. 學生能清楚. 教師或其他. 提出新問題. 地理解教師. 資源提供學. 所提出的問. 生參與的問. 題. 題. 的問題. 學生依據. 學生自己決. 學生被指導. 給予學生分. 給予學生資. 問題蒐集. 定哪些資料. 下收集相關. 析資料去進. 料並教導如. 相關證據. 要成為證據. 證據. 行分析. 何分析. 並蒐集學生以證. 學生在總結. 引導學生由. 提供學生使. 提供學生證. 據形成解. 證據後形成. 證據形成解. 用證據形成. 據. 釋. 解釋. 釋. 解釋的可能方法. 學生連結. 學生自己檢. 引導學生到. 給予學生可. 證據到科. 視各種可能. 相關的科學. 能的連結. 學知識. 性，並與解釋知識領域範相連結. 疇. 學生為解. 學習者形成. 引導學生發. 給予學生廣. 釋做論證. 合理與邏輯. 展傳達的能. 泛的指導，以通的步驟和. 的辯論來傳. 力. 增進學生的. 達解釋. 提供學生溝程序. 溝通. 綜合上述可以發現探究學習與由教師單向傳授的傳統教學有很大的不同。在探究學習中，學生是處在社群建構科學知識的文化與方式中，共同建構出對新概念的理解(段曉林，2008；劉宏文、張惠博，. 13.

(24) 2001)。透過探究的活動學生可以體驗到知識建構的過程，經驗到科學本質而能對科學具有較正確的態度。因此，本研究預期探究教學對有助於概念學習。. 二、實驗活動與探究學習. 實驗活動是自然科學課程的一大特色也是科學教育不可缺少的一環。教育部(2008) 強調科學學習的探究方式應該特別以實驗活動及實地觀察的方式進行，實驗活動可培養學生的科學態度、理解科學本質、發展認知建立科學概念及過程技能，實驗活動能讓學生以合作的方式參與學習，並可以提供學生進行知識的建構，是有意義的學習 (許榮富、趙金祈，1987；Kipnis & Hofstein, 2008 ; Tobin, 1990)，在科學學習中包含有高度抽象及複雜的主題，對於未達形式運思的學生，在沒有操作機會時是無法瞭解科學的內容(Tamir, 1976)。因此，透過實驗活動可以培養學生的科學推理技能、實驗技巧、團隊合作的能力及了解科學過程及本質的模糊不確定性(NRC, 1996)。林陳涌(1995)主張好的實驗教學應該是要提供機會讓學生表現出學習內容的現存知識。在實驗設計與進行時應該要讓學生有機會參與實驗設計。而實驗活動的結果是要成為學生討論及協商以賦與意義的素材。因此，好的實驗教學能給學生具體的學習經驗，讓學生能實際建構知識，使實際觀察所得的結果與科學理論和概念發生連結 (Tobin, 1990)，而使學生能了解科學探究的意涵並能獲得與探究相關的經驗(Elizabeth, 1990)。此外，教師也應該要將科學知識是如何發展出來的實際過程展現出來，讓學生在實驗課程中有機會討論及協商證. 14.

(25) 據所代表的意義，實際體驗建構理論的過程(鄭榮輝、林陳涌，2015)。 Staer, Goodrum 與 Hacking (1998)將 Herron (1971) 所主張的四個探究實驗活動層級中的第二層又區分成兩類，因此，探究實驗依開放情形可分為五類型(表 2-1-2)。最低層級是老師將問題、實驗步驟及答案均提供給學生，學生只需要按照步驟去驗證已知的結果，是驗證式的實驗。第 1 層級是未提供學生答案，但仍提供問題、方法及步驟給學生，學生依照方法去做實驗即可找到答案，為結構性的探究。第 2 層級為老師僅提供實驗問題，但未提供解決方法，由學生思考及研究，為引導式的探究。第 3 層級是學生提出自己的實驗問題，並自行設計實驗解決問題，是屬於開放性的探究。. 表 2-1-2 探究實驗的開放層級(Staer, Goodrum & Hacking,1998) 層級. 問題. 器材. 步驟. 結果. 類型. 0. 給予. 給予. 給予. 給予. 驗證式. 1. 給予. 給予. 給予. 開放. 結構式. 2a. 給予. 給予. 開放. 開放. 引導式. 2b. 給予. 開放. 開放. 開放. 引導式. 3. 開放. 開放. 開放. 開放. 開放式. 在第 0 層級的驗證式實驗活動中，實驗活動是進行一定的步驟蒐集資料以驗證課程所學的科學理論。學生是依據老師的指導進行實驗活動，將所獲得的實驗結果與已知的結果做比較。林陳涌(1995)認為驗證式類型課程會造成兩大迷思：一是只要累積足夠的經驗證據，即. 15.

(26) 可得到科學知識與理論。另一是由經驗證據直接去比對科學理論即可驗證科學知識或理論。但是事實上，由經驗證據形成知識和理論是需要有創造性的想像。在驗證式的教學中，學生的思考是被動的，其所注意的焦點往往僅是做完實驗，對於實驗的目的、設計及結果的解釋卻經常忽略，因此無法促進學生思考，而學生也就常認為實驗是不需要思考的(郭文禎、張文華，2000)。結構式探究是老師高度指導的探究活動(Martin-Hansen, 2002)。其情境是老師給予學生一個不知道答案的問題，而學生則由老師所提供的器材及步驟去實驗去找出問題的答案。目的是希望提升學生對於課本教材內容的理解以建構科學概念，及培養學生的基本科學探究技能(Blanchard et al., 2010 )。此外，老師在結構式探究教學較能有效的掌控時間。同時也可以使學生對於未知的恐懼與對實驗結果不理想時所產生的挫折感降低(Trautmann, MaKinster, & Avery, 2004)。但是，結構式探究因為是線性的探究過程，對於學生理解科學的本質是不足夠的(Zion & Mendelovici, 2012)。引導式探究是老師提供學生問題去研究，但是不提供解決問題的方法，而是要由學生自己去思考如何解決。學生在探究過程中要決定資料的蒐集及處理，並獲得結果與結論，老師在過程中仍要引導學生進行有意義的實驗設計並非是消極不作為(Banchi & Bell, 2008)，目的是希望能培養學生主動的進行問題解決的獨立學習能力。開放式探究則是學生自己去發展實驗問題，並設計實驗去解決自己所提出的問題。其目的是希望學生能夠具有高階思考能力並能了解科學的本質及素養。Renzulli 與 Reis (2003)認為由學生自己選擇探究. 16.

(27) 的問題對於學生學習是很有幫助的。因為探究問題可以協助學生聚焦於研究的方向及連貫性，也能指出研究的界限。學生在學習過程中需要投注自身的知識與創意，因此對於知識的內容與學習的方法會有更深的瞭解。綜合上述的文獻可以得知不同層級的探究實驗活動可以達成不同的教學目標。教師可以視學生的情況進行不同層級的活動推展，對於初學者可以給予較多支持的結構式探究實驗活動，隨著學生對於實驗活動的熟悉而可以漸次減少協助，而改以更開放的實驗活動讓學生能達成獨立進行開放式探究活動的目標。本研究即基於學生已有結構式探究的經驗，擬欲了解轉換為開放式探究型態進行學習對學生在學習上所會產生的影響。. 三、探究教學的模式. 探究式教學必須要從尊重及激發學生的興趣出發 (Dembrow & Molldrem, 1997)，課程需以合乎學生生活經驗且找出與真實世界的關係，呈現出探究實務和理論之間的關係(Pataray-Ching & Roberson, 2002)。NRC (2000)認為探究教學可以分為五個階段： (一) 辨識與提出問題(Identifying and Posing Question)：學生經由接觸問題、事件或現象，以組織、分類或比較等方法提出可探討的問題，以及具因果關係的假設。 (二) 設計與執行研究( Designing and Conducting Investigations)：規畫實驗流程及選擇適合的實驗器材，並根據其自行規劃的實驗流程進行實驗。. 17.

(28) (三) 分析資料及證據(Analyzing Data and Evidence)：學生分析實驗所得資料，依照不同的自變項繪製簡易表格紀錄實驗結果。 (四) 使用模型與解釋(Using Models and Explanation)：學生找出資料及證據間的通則性或因果關係，以歸納及解釋實驗結果。 (五) 交流發現的研究結果( Communicating Findings)：學生清楚地和他人溝通其所進行的科學探究過程與成果。此外，也能在聆聽他人報告時察覺研究所產生的問題，並提出合理的質疑。探究教學的模式會因為教師專業知識、課程目標、學生背景及能力等的不同，而發展出不同的探究教學模式。只要教學方法符合探究教學的意涵，能協助學生進行科學概念、探究技能與科學本質的學習，模式間並沒有優劣之分(王美芬、熊召弟，2005；鍾聖校，2000)。許多科教學者也提出許不同的探究教學模式，分述如下： (一) 實驗式探究教學(Inquiry by Experimentation) 此教學模式是由 Esler與Esler (1989)提出，教師使用新情境引起學生的困惑及待探索的問題，在探究過程當中，學生會經歷發現問題、指出變因、形成假設，並根據控制變因的原則自行設計實驗，進一步執行實驗以驗證假設，如同科學家的探究過程(圖2-1-2)，因為須要用到的過程能力較為複雜，所以較適用於國小高年級以上的學生。(王美芬、熊召弟，1995) 。. 18.

(29) 圖 2-1-2 科學家的探究過程(王美芬、熊召弟，1995). (二) 5E學習環 Trowbridge與Bybee (1997)提出的探究教學模式，包括五個階段：參與(Engagement)、探索(Exploration)、解釋(Explanation)、精緻化 (Elaboration)與評量(Evaluation)，各階段的內容如下: 1. 參與(Engagement)：教學活動能將學生的經驗與課程內容相連結，並引發學生的興趣，教師經由提問、定義問題與呈現矛盾的結果等方式，使學生能主動參與教學活動並引出探討主題的方向。 2. 探索(Exploration)：教師給予學生充分的時間與機會進行探索，協助學生經由動手操作的具體經驗發展學習科學概念與過程技能。. 19.

(30) 3. 解釋(Explanation)：有別於直接講述的教學方式，在此階段是教師先請學生提出解釋，之後教師再以學生的想法為基礎，簡單明確的介紹科學概念或技能，並引導學生進入下一階段的活動。 4. 精緻化(Elaboration)：教師營造能促使學生討論以及互相合作的學習環境，分享想法並給予回饋，以建構個人的理解。此外，亦重視學生是否能將其所形成的解釋，應用於新的情境或問題中。 5. 評量(Evaluation)：在學生進行探索與提出解釋後，教師須對學生的理解進行評量或經由學生自我評量以瞭解學習情況。. (三) 啟發式科學寫作(Science Writing Heuristic, SWH) 由Keys, Hand與Prain(1999)所提出，是藉由寫作的方式來引導學生進行科學探究。他主張在實驗教學中可以藉著寫作來引導學生將科學想法或觀念呈現出來，由同儕間的交流可以省思及修正而達到概念改變。所以，SWH重視同儕的討論和資料協商的重要性，鼓勵學生做觀察、推論及證據間的連結。SWH在教學上有教師教學和學生學習的兩種相互搭配的參考準則，其內容如下： 1. 教師設計活動以促進實驗認知的參考準則： (1) 透過個人或小組概念圖以了解學生課前對於學習內容的理解。 (2) 實驗活動前以觀察、討論及腦力激盪等提出實驗問題。. 20.

(31) (3) 參與實驗活動。 (4) 協商階段Ｉ- 寫出實驗活動對個人的意義。 (5) 協商階段II- 在各小組間分享及比較對資料的解釋。 (6) 協商階段III-將自己的想法和教科書或其他出版資源做比較。 (7) 協商階段IV-個人省思及記錄。 (8) 透過概念圖探索教學後的理解。 2. 學生參與實驗活動的參考準則： (1) 初始的想法-我的問題是什麼？ (2) 測試-我做了什麼？ (3) 觀察-我看到了什麼？ (4) 主張-我有什麼主張？ (5) 證據-我是如何知道的？ (6) 閱讀-我的想法和其他人比較起來是如何？ (7) 反省-我的想法是否有改變？改變了什麼？綜合上述的探究教學模式可以發現，雖然探究的模式不相同但是都重視學生的興趣及主動性，在符合學生的認知與生活經驗的情境中. 21.

(32) 進行學習。透過實際操作所獲得的結果，學生須與同儕進行協商討論而建構出科學知識。. 四、探究教學實施的成效與挑戰. (一)探究教學的實施成效. 實施探究學習對於學生的學習在學習成就、學習動機及科學技能等是有正面的效果(Berg, Bergendahl, Lundberg, & Tibell, 2003; Minner, Levy, & Century, 2010; Minstrell & van Zee, 2000; Spronken-Smith, Walker, Batchelor, O’ Steen, & Angelo, 2012)。Furtak, Seidel, Iverson 與 Briggs(2012)的後設分析中指出探究教學較其他教學有較好的學習成效。而李國平(2009)對國內 109 篇「科學探究」的相關研究進行後設分析。發現在科學概念知識的學習與過程技能的表現上探究教學皆優於傳統講述式的教學。今根據探究式教學的研究結果進行概念學習、探究能力、不同探究模式的學習比較和對不同學習成就學生學習的影響等四方面進行說明： 1. 知識概念的學習 Costenson 與 Lawson (1986)發現以探究方式學習的學生，在高層次思考及認知測驗上，都優於未曾使用過探究教學的學生，同時對於科學知識的精熟與保留也有顯著的效果。而 Blanchard 等人(2010) 也有相同的發現，他們指出不論是國中或高中學生以探究實驗方式學習，. 22.

(33) 其學習成就上會較傳統教學的方式為佳，且保留效果也較好。在 Parappilly, Siddiqui, Zadnik, Shapter, & Schmidt (2013)的研究中也發現在開放式探究學習的大學生會較傳統教學學生在實驗報告的內容是較傳統教學方式佳。在劉宏文與張惠博(2001)、楊秀停與王國華(2007)及鄒玉鈿與張景媛(2012)的研究中都指出探究活動中學生是以學習社群而建構知識，因此提供了學生與他人合作的機會。透過討論學生能與他人溝通協調並相互學習，了解他人的觀點並修改自身不同的想法，而發展出對新概念的理解的並提升學習成就。王敏祝(2004)以國二班級為對象進行探究導向的教學對學生概念的改變情形。研究結果顯示探究導向教學對學生的概念理解比傳統講述式教學還好，探究導向教學對學生理解較抽象概念是有幫助的。從以上的實徵性研究中可以發現探究教學對於學生的概念學習是有幫助的。 2. 探究能力的學習 Roth 與 Roychoudhury (1993)的研究中發現在開放式探究的實驗教室中，學生可以有效的發展出高層次的過程技能，包括實驗設計、變因的辨識及解釋分析能力等。洪振方(2010)探討思考導向的探究式學習對國二學生科學探究能力的影響，結果發現實驗組在形成另有假說、評價及選擇假說、設計實驗、預測實驗結果及解釋等探究能力比對照組的傳統教學好，而在形成另有假說及設計實驗的保留效果也較好。. 23.

(34) Kuhn, Arvidsson, Lesperance 與 Corprew (2017)的研究中指出中學生以探究方式進行學習的學生會表現出較佳的探究、分析及論證的技能及對技能的認識瞭解。而從上述的研究中可以發現學生可以在探究學習的過程中提升探究能力。 3. 不同探究學習模式的比較. 由上述的實徵性研究中可以發現，探究式教學對於學生的知識概念及探究能力皆是有提升的。但是，多數探究教學的研究是與傳統的講述式教學進行比較，對於不同開放程度的探究式教學間差異情形的比較相對較少，今將不同探究模式對學生學習影響的研究分述如下： Sadeh 與 Zion (2009) 的研究中比較高中學生以開放式與引導式探究進行生物課程的兩年研究，結果發現開放式探究的學生在探究中的學習改變及探究過程的理解上較引導式為佳。 Chatterjee, Williamson, McCann 與 PeckSadeh (2009)研究大學生對於開放式與引導式探究的看法，結果顯示大部分的大學生是較喜歡結構式的探究。但 Sadeh 與 Zion (2012)研究高中學生在開放式和引導式學習中的差異，卻發現以開放式探究學習的學生認為開放式探究的學習方式對他們的學習較引導式探究有更多的助益。白珮宜與許瑛玿(2011) 探討不同探究方式對高一學生科學能力的影響。結果發現探究活動對前測低探究能力的學生在探究能力上有明顯的助益。不同類型的探究活動對於不同探究能力的學生有不同的成效。結構式探究對低探究能力學生的實驗與資料分析能力上是有效的，而開放式探究對於高探究能力學生的計畫能力有所提升。. 24.

(35) Bunterm 等人(2014)以 239 個中學生為對象探討結構式與引導式探究學習對學生學習的影響，研究結果發現兩種方式對於學生的知識概念和科學技能提昇都是有效的。但是引導式探究對於學生在科學知識內容及科學技能的學習效果提升都較結構式探究為佳。研究認為在結構式探究中學生要專注於能正確的依循老師所引導的實驗步驟，反而忽略了有意義的學習；引導式探究學習的學生因為所接受到的是較情境式的不確定訊息，學生必須要花更多的心力去投入學習中，因此會有較多的知識學習保留與增進科學技能。 Fang 等人(2016)探討電腦輔助教學中的 117 個中學生在結構式和引導式的探究教學中的學習情形，結果發現結構式和引導式的探究模式對學生學習是有不同的影響。結構式探究對學生的學科概念學習成效較顯著，而引導式探究則對學生的探究能力有較明顯的提升。Fang 等人認為差異的原因是因為兩種學習模式的課程廣度不同，在結構式探究中是以精確的學習活動進行特定知識內容的學習，是能使學生的注意力聚焦，因此學生對於特定課程的內容較能夠理解、精進並整合所學的科學概念。而引導式教學涵蓋較廣的概念想法及較通則性的探究活動，因此學生必須要活化及運用其探究能力，因此，對於學生的探究能力會較有幫助，而原先探究能力較佳的學生會在引導式探究中有較佳的表現。由上述研究中可以發現不同的研究所得的研究結果並不一致。推測是因為各研究的研究對象(大學與中學生)不同課程和進行的方式都不相同，因此會有所差異。而本研究探討國小學生，與上述研究的對象在身心發展上有相當大的差異，且探討學生在結構式與開放式學. 25.

(36) 習的差異，在上述研究中並無進行相關的比較，因此是值得進一步進行探討及了解。 4.不同學習成就學生的探究學習. 王敏祝(2004)的研究結果顯示雖然實施探究教學對學生的概念理解是有提升的，但對於低成就學生而言，因探究導向教學較困難，所以研究結果也顯示中、低程度的學生在運用較高層次能力時，仍須在課程設計中給予統整及比較等訓練機會，而蘇麗涼(2002)發現低成就學生其探究能力反而有下降的情形。但是 Mehalik, Doppelt 與 Schuun (2008)的研究中卻發現低成就的學生有最大的進步，Yerrick (2000)的研究也有類似的情形，他發現低成就的高中學生在開放式探究中可以藉由鷹架而發展出科學推理及探究技能。因此，對於不同學習成就學生的探究學習應該要做更進一步的了解，以了解其差異原因所在。 (二)實施探究教學的挑戰. 探究教學對於學生學習雖然有許多正面的成效，但是探究教學是不易實施的教學方式(顏瓊芬、黃世傑，2003；Crawford, 2007; Ireland, Watters, Lunn, & Lupton, 2014; van Rens, Pilot, & van der Schee, 2010)，在實際教學上卻很少落實(Wilson, Taylor, Kowalski, & Carlson, 2010)。影響探究教學實施的限制與困難主要的原因分述如下：. 26.

(37) 1. 學生的動機不足. 探究教學強調學生的主動學習，學生的主動學習會影響學生在學習過程中的投入情形、知識建構中的思考聚焦及學生在問題解決過程中的後設認知等情形(Aksit, Niemi, & Nevgi, 2016)。郭重吉、江武雄與張文華(1997)對 874 位教師進行問卷調查中發現，造成實驗教學困難最重要的因素是學生沒有預習準備及學生的學習動機低落。 Aksit, Niemi 與 Nevgi 認為學生已經習慣以被動式的方式進行學習，被動學習方式對學生而言是比較簡單，卻養成學生不想從舒適圈中移出而也不想負起責任的文化，學生也就對於學習缺乏動機，因此在探究學習教學中如何引發學生的學習熱情成為老師所會面臨的挑戰。. 2. 學生的探究能力不足. 探究學習時，學生需透過觀察獲致解釋，但如果學習者背景知識不足，就有可能無法從觀察到的關鍵現象中做出正確的結論，因此也就無法有效地進行知識建構。吳百興、張耀云與吳心楷(2010)指出學生在探究的過程中，會面臨探究問題的提出、變因的控制、從數據中推論出變因的關係，以及使用證據做論證等困難。江世賓(1998)發現國小五年級學生在進行實驗時，通常只做單純的現象觀察，而對於要探討變項間關係的實驗設計也是有困難的。此外，Arslan(2014)發現職前教師在進行開放式探究學習時，會有形成假設、實驗問題及定義變因上的困難。Arnold, Kremer, & Mayer (2014)的研究中主張在探究過程中需要以鷹架的方式協助學生進行學習，否則學生會因為能力不. 27.

(38) 足而無法在較開放的探究活動進行有效的學習。因此，教師在教學時需要考量學生的能力及如何以鷹架協助學生進行探究活動。 3. 實際學習環境的限制 Lawson(1995)認為在設計探究式學習活動時，需考慮學習環境實際的限制。許多研究指出進行探究教學最常見的困難是授課時間與教學進度不易掌控(王敏祝，2004; 蘇麗涼，2002；Abell & Mcdonald, 2006; Brown, Abell, Demir, & Schmidt, 2006; Keys & Bryan, 2001)。此外，如學習資源設備的限制及安全性等，也是老師在進行探究式活動時所會面臨的挑戰。由文獻的整理可看出，探究活動的進行需要考量學生的動機、背景知識及能力，同時也要考慮環境的限制。因為學生的提問是學生的興趣所在，因此以學生的提問進行探究應該是可行的方式。而學生缺少的探究能力則可以使用鷹架來支持學生的學習。關於教學環境的限制老師則能思考以學校既有的課程內容加以改編，使其具有探究取向的內涵，如此可以免除時間及教學資源設備的限制。而本研究的課程即是以此策略進行相關的設計。. 28.

(39) 第二節鷹架與寫作一、 ZPD和鷹架教學 Bruner(1986)提出鷹架教學(Scaffolding Instructions)的想法，認為老師要提供學生一個可以支持的學習鷹架，讓學生能從自發的概念往科學概念的方向攀爬，使學生不斷在其近側發展區內向上發展。其概念是源自於Vygotsky (1978)所主張的「近側發展區」(zone of proximal development, ZPD)想法，ZPD是指「在個體獨自解決問題的發展層次，相較於透過和他人或心理工具互動所形成的潛在發展層次，兩個層次間的差距」。 Vygotsky認為個體知識的產生來自於生物與文化兩因素間的交互作用。較低層次的心智能力來自於生物本能，而高層次的心智能力則來自於個體與社會他人的互動。兒童在解決問題的過程中，如果在成人或能力較強的同儕的協助下，可以完成高於其現有能力的學習任務。因此，他主張在個體與社會互動的過程中要達成有效的學習，必需以文化符號系統作為工具，經由語言、邏輯、概念、符號、數字或文字等心理工具來學習，藉由與成人或其他有能力的同儕合作互動，積極建構新的心智能力，而逐漸內化成自身的行為方式，以發展出更高層次的心智功能。在學校中，學生往往專注於學習目標，很少會去反思學習過程中達到目標的方法。因此，學習時如果能透過聆聽他人的觀點，或以自己的語言去表達想法，如此能更清楚的理解新知識，所以，心智的發. 29.

(40) 展潛力可以在社會互動中開發，而這種潛力開發的最佳效果產生在 ZPD中。在學生ZPD中的教學並非是提供正確的答案，而是發展的引導，使學生能自發性的不斷往上學習，在學習過程中扮演積極主動的學習角色，所以，鷹架教學是藉由引導(directed)﹣提示(prompted)﹣ 自發(spontaneous)的轉化過程(Mason, 2000)。學生對於學習的內容會有同化、調適或拒絕三種反應，不同的學習反應來自於ZPD與教學內容的距離差異。當教師設計的教學內容難度遠超過學習者的ZPD，因為新的訊息被學習者拒絕，則無論給予何種鷹架，學習者都無法學會這樣的內容。相反的，如果教學內容是低於學生的ZPD，學生已擁有處理的能力，因此，新訊息會被舊的認知基模同化，所以，學習成果有限。所以，如果要使學習者認知基模的擴增(expansion)或產生認知調適，教學內容時應該要位於學習者的 2"5. ZPD內，透過鷹架的搭建，喚起學生仍未成熟的認知狀態，促使其潛在能力的發展，如此，教學才有其意義(圖2-2-1)。. ZPD. 圖 2-2-1 學生 ZPD 與工作難度的關係(改自徐椿樑，2001). 30.

(41) 進行開放式探究時，老師要思考在何時及如何給學生鷹架以引導學生學習，使學生能有足夠的空間可以進行開放式學習，鷹架必須要能創造讓學生有以自己經驗與想法的空間，引導學生以結構的方式進行想法的推進學習，促使學生能在結構與空間中產生進行探究的動力 (Bjønness & Kolstø, 2015; van der Valk & De Jong, 2009)。. 二、鷹架種類及使用原則. 探究學習中常需要使用鷹架來協助學生學習(Hemelo-Silver, Duncan, & Chinn, 2007)。鷹架能減輕學生的認知負荷，使複雜與困難的學習任務能降低到學生的 ZPD 範圍中，而使學生能順利的管理與進行學習。此外，Reiser (2004)也指出鷹架可以使學生能聚焦於重要的面向以解決問題。因此，探究學習與鷹架是有密切的關連。 (一)鷹架種類 Krajcik et al. (1998)認為在教室教學中，鷹架所使用的形式包括有建立模式(modeling)、引導(coaching)、循序(sequencing)、降低複雜度 (reducing complexity)、建立判斷準則(making critical features)和使用視覺化工具(visual tools)等。也就是說鷹架是由教學者建議或提示建構知識的發展技能；或提供一連續的步驟設計，將一個複雜的大任務分解成數個學習者有能力勝任的小任務，並逐步地將小任務完成，等到學習者的能力提升後，再逐步增加任務的複雜度；過程中提供判斷的. 31.

(42) 準則作為學習者思考的依循標準；也可以是透過視覺化的工具幫助學習者瞭解學習任務。研究學者對於鷹架依其觀點上的差異，而有不同的分類方式。 Dyson(1990) 依照鷹架搭建的方式，認為鷹架應包含垂直和水平兩個層面，垂直鷹架強調學習內容必須要配合學習者的需求而結構化處理，透過學習互動培養出學習者對學習內容的應用能力；水平鷹架則強調重視學習者的經驗而給予學習支持。因此，透過垂直與水平鷹架的處理，除了尊重學習者的需求外，並能擴展及延伸學習者進側發展區的發展。通常在課室中，垂直鷹架是指教師與學生的認知鷹架關係，而水平鷹架則是指同儕溝通的鷹架關係(陳月珍，2004)。 Hill 和 Hannafin(2001)將學習鷹架依功能分為概念(conceptual) 鷹架、後設認知(metacognitive)鷹架、程序(procedural)鷹架及策略 (strategic)鷹架四大類。其中概念鷹架如概念圖等，可用來幫助學習者考慮需要的因素，或學習的先後順序；後設認知鷹架提供提示或問題解決模式，幫助學習者評估他們對於學習目標及需求的瞭解；程序鷹架主要是要使學習者在進行學習時，降低程序所會產生的認知負荷；策略鷹架在學習者進行開放式學習的分析、思考及選擇時，可以發揮適時提供建議的功能，產生問題解決的方法。簡錦鳳(2007)參考陳定邦(2004)和Davis與Miyake (2004)的觀點，依據鷹架來源將學習鷹架分為三類： 1. 教學者鷹架：以教學對話來達成學習者的學習，在教學進行時，需有計畫的加入更多互動的本質，增加對話的機會，並鼓勵學習者提出不同的想法，以達成學習的目標(Tharp & Gallimore, 1991)。教學. 32.

(43) 者要營造無威脅的自由學習氣氛，教室的討論應要多元發展，以促使學習者能主動的反省思考並建構概念(McArthur, Stasz, & Zmuidzinas, 1990)，常見的教學者鷹架有討論、示範、教師提問、提示、回饋、嘗試錯誤、鼓勵及讚美等。 2. 同儕鷹架：運用同學間相互合作的方式，相互校正彼此的思考與推理上的缺失，以協助學生提高學習成效並減低學習焦慮，通常是以口語斡旋、討論解釋、類比或譬喻的分享(sharing metaphors and analogies)等方式進行(Jones & Carter, 1998)。 3. 學習工具鷹架：包括學生在教室裡使用學習單、網路及學習軟體等，這些工具幫助學生組織活動，並建構學生在讀寫中的個體認知和社會化過程，工具的使用上強調以學生為學習中心，在學習過程中，教師僅扮演引導或幫助的角色，只有在必要時才介入，讓學生能有足夠的時間與他人合作，促進學生重要的社會化互動發展。 Yoon 等人(2013)曾探討六種不同的學習鷹架對 307 個中學生學習的影響，結果發現不同的鷹架組合方式對於學生的概念知識學習是有差異的，而鷹架對於學生是有正向的影響。此外，研究發現學習中使用最多鷹架可以使學生產生最佳的認知學習效果，但是因為學生的興趣及動機無法被引發，學生的學習行為反而有低落的情形。課室中所使用的鷹架常是多種類型並用，在本研究也是多種鷹架並用，包括教學者鷹架、同儕鷹架與學習工具的寫作鷹架與等，雖然研究聚焦於學習工具鷹架，但是否會影響學生的學習行為表現也是值得關注的。. 33.

(44) (二)鷹架使用原則. 在課室教學中，老師提供鷹架的目的是希望能協助學生解決現存的問題，獲得新的知識、觀點或技能；同時也希望能引導學生成為獨立的學習者(Holton & Clarke, 2006) 。此外，Rogoff (1990)認為激發或支持學習活動的興趣，並減少活動的危險也是很重要的鷹架策略。 Berk &Winsler (1995)認為有效使用鷹架的行為應該要包括： 1. 共同解決問題：學生的認知是建立在活動上，當學生在參與有趣、具文化意義的活動，最佳的學習狀況是在與別人合作積極解決問題時產生。 2. 互為主體性：在學生的ZPD中進行學習活動，要藉由社會互動進行協商以達到共識。 3. 溫暖與回應：快樂、溫馨與安全的學習環境，並回應學生的學習，可以促始學生願意參加活動並接受挑戰。 4. 讓學生保持在ZPD中：建構學習活動環境時，必須要針對學生的需要與能力不斷調整，才能提供學生適當的挑戰和支持的學習環境。 5. 促進自我規範：規範學生的合作活動，以培養自我規範能力，並讓學生承擔做決定和主導活動的責任。例如以問問題的方式，讓學生參與過程，規範學生的活動行為，如此，學生的學習和自我規範就會擴充。 McKenzie(2000)認為教室中的鷹架策略應具有下列幾種屬性： 1. 具體化評鑑和回饋，在活動開始前建立清楚的期望及標準。 2. 澄清目的，幫助學生瞭解活動的目的和重要性。. 34.

(45) 3. 教師要預先考慮學生可能會遭遇的困難，提供指導以減少學生的困惑，並逐步發展教學活動。 4. 提供架構或方案為學生指引學習路線，學生可以決定選擇路線但不能離開學習路徑漫遊。 5. 教師可以提供有價值的資料來源給學生，減少學生的挫折和困惑，但是學生可以決定如何使用。 6. 教師要分析課程以決定可能的問題範圍，並設計課程，以減少不確定性、意外和失望。傳統上，鷹架被視為是建立在一對一的互動基礎上，但是，在真實的教室教學情境中，老師所要面對的是一群學生，所以是一個多樣化的ZPD。Hogan 和 Pressley(1997)認為在大班教學中建構鷹架會面臨一些問題，而對老師而言是一個很大的教學挑戰，這些問題包括： 1. 因為學生人數比較多，會形成多種的ZPD，提高鷹架支持的難度。 2. 學生在文化和語言的異質性，會影響人際互動的表現。 3. 因為教學進度的限制，會讓複雜教材的深度學習會受到影響。 4. 學生的學習情形不一，無法自行互動或掌握互動先機。 5. 教學者要對個別學生深入瞭解，也必須有扎實的學科教學知識。 Stone(1998)認為改善此種多樣化ZPD的挑戰，老師必須要提供多元化和不同類型的學習支持，幫助學生學習，而「分組教學」和「提供學習工具」是可行的策略。研究者認為分組的情形雖然可以改善，但在異質分組的情形下多種ZPD的情形仍是存在，因此，提供學習工具應該是比較可行的策略。因為在教室中，要讓每位學生都有機會和老師充分的溝通想法，是有其限制和困難的，所以，如果能透過寫作. 35.

(46) 讓學生的想法得以呈現，如此老師能更瞭解學生的學習情形，有助於讓老師適時地協助學生，因此，研究者認為寫作可以作為是一個很好的學習鷹架。. 三、寫作與鷹架寫作是將感官印象表徵為有意義的語言(Vygotsky, 1978)， Warwick、Stephenson和Webster(2003)認為在科學的學習上，應該要讓學生藉由寫作的過程進行思考與學習，進而達到概念的理解，並與自己和他人對話。在寫作歷程中，學生會經由文字語彙提供說明，反映出他們對於所運用的語彙的想法(Sandoval & Millwood, 2005)，並提取儲存在長期記憶中的內容知識和歷程知識，與外在刺激產生交互作用(Bereiter & Scardamalia, 1987)。 Emig主張(1977)寫作包含了三種不同的認知活動：主動地 (enactive)學習、圖像(iconic)的學習及符號(symbolic)的學習，是一種多重表徵的學習。同時，寫作也是一組具有階層性思考的過程，寫作者能組織其思維過程(Flower & Hayes, 1980)。Langer與Applebee(1987) 認為老師對於教學的看法，是影響課室中寫作使用方式最重要的關鍵。他們認為寫作能提供三項重要功能：新活動時能提取相關的知識與經驗、整合與檢視新的訊息與經驗、形成及拓展知識。雖然在傳統課室中不乏寫作活動，但卻欠缺讓學生可以發揮和思考的寫作形式。 Freedman (1999)認為許多學校的科學教學，僅是讓學生遵循老師所提供的知識體系，而非提供學生主動探究的機會。在科學課室中的書寫. 36.

(47) 活動本質上多為低層次的複製，如抄錄老師筆記或將實驗室活動記錄下來等，在學習過程中，不一定有意義的形成(Wellington & Osborne, 2001)。但在互動建構的科學教室中，寫作能激發學習的潛能，引導學生發展推理、進行科學對話。因此，在寫作的過程中去描述或解釋一個現象或概念，更是意義化的過程(Hand, Prain, & Trobe, 1999)。在Galbraith與Torrance(1999)的主張中，認為寫作也是知識構成的過程(knowledge-constituting process)，他們認為構成寫作知識的基礎有兩種：分別是寫作者的意向(writer’s disposition)和語言網絡 (linguistic network)。想法的產生來自於當寫作者在寫作時，會與寫作文本間產生意向辯證(dispositional dialectic)，而此過程即為建構新知識所需。而這辯證會受到寫作者的意向(dispositional spelling out)及轉化策略(rhetorical planning)兩因子的限制。在此，寫作者的意向是指寫作者本身概念的複雜程度、活化範圍及修辭技能；轉化策略則會受計劃類型、輸出形式及寫作者的目標而影響。. 37.

(48) 2"6 E. B. A. C. D F. Ａ：語言網絡. Ｂ：語言命題. Ｃ：從表徵到意向的回饋. Ｄ、Ｅ、Ｆ：連續循環中的不同想法圖圖 2-2-2 知識構成模型(Galbraith, 1999). 在 Galbraith (1999)的知識構成模型中(圖 2-2-2)，語義記憶是分散的，不同想法的產生須次概念匯集所形成的整體活化，而個別的單元是回應次概念的特徵。在程序上，當一個單元被活化，它會傳遞給其他的單元，傳遞多少活化的單元取決於該單元連結的強度，而會刺激或抑制則取決於對該單元所產生的效果。當在這樣網絡中的單元因為輸入而被活化，活化狀態在單元和網絡間會被來回的傳遞，直到活化狀態達到穩定。所以，想法並非是外存的，而是隱含在整體網路的瞬間平衡情境中。此外，每個人都有其獨特性的網絡，會與接收的訊息相呼應，而在特定的領域也會有特化性的情形。當起始的寫作產生，則會被加至情節記憶中的外顯論點，而形成. 38.

(49) 提供了一個更進一步的輸入來源，這是作者在情感意向上的回饋(C)。這種回饋增加了一個對於網絡上新的刺激來源，驅使強制補償活化情形產生，然後就可以再產生新的想法，這些重要的特徵使得網絡在不斷的循環中產生不同的想法(D、E、F)，而產生機械性的自動產生思考，因此不需要再重新從主題與任務詳述中輸入，就可以產生一連串的想法。基於此理論模型，研究者認為應該可以透過寫作與擴散思考策略相結合，讓學生產生更多的想法，如此可以達到量變而後質變 (Biggs, 1988)。. 第三節學生提問與探究. 一、學生提問的重要性與影響的因素 (一)學生提問的重要性 Popper (1959)主張科學理論的發展是源自於問題。如果觀察到很重要的事實卻沒有提問，那麼這些事實會很快地就被遺忘與忽略，同時也不會對它進行科學研究，所以探究的始點是從提問開始。學生提問的產生多源自於認知上的不一致或衝突(Graesser & Olde, 2003)，也可能是因為好奇與知識上的拓展(Berlyne, 1954 ; Chin & Osborne, 2008；Taboada & Guthrie, 2006)，或需要在選擇間做出決定(Graesser & Olde, 2003)等。對學生學習而言，提問是解決迷惑及填補知識落差的第一步。學生在提問時可以對學習的內容做一釐清，嘗試與其他想法做連結，如此能產生更進一步的瞭解與思考。所以，學. 39.

(50) 生的提問是有意義的學習(Chin & Osborne, 2008)，也在探究過程中扮演著重要的關鍵角色(林煥祥，2008a, b)。在科學課室的教與學中，學生問題有其重要的功能。對於老師的教學而言，學生問題可以用來診斷學生的瞭解程度(Watts & Alsop, 1995)、評價學生的思考(Chin & Osborne, 2010 a, b)及引發進一步的探索(Chin & Chia, 2004；Keys, 1998)，此外，也可以作為教學的反思 (Watts, Alsop, Gould & Walsh, 1997)。在學生的學習上，學生可藉由提問活化先前知識，專注於所學並且提升他們的知識(Pedrosa de Jesus, Teixeira-Dias & Watts, 2003)，研究指出訓練學生在理解過程中提問，對於學生在理解及學習上是有幫助的(Ciardiello, 1998；King, 1992, 1994)。Chin 和 Osborne(2008)整理多人研究後主張學生的問題可以指引學生學習並產生知識建構、提升課室討論的品質、幫助學生自我評估瞭解及增強學習動機及興趣因為學生問題可以提供多元的學習角色與訊息面向，所以對於學生的提問研究應該要給予重視(Chin＆ Chia, 2004, 2006；Dillon, 1984, 1994；King, 1991, 1992, 1994)。 (二)影響學生提問的因素學生提問會因為學生的性別、年齡(Baram-Tsabari, Sethi, Bry, & Yarden, 2006)、經驗、知識、技巧、老師的因素、主題的特性、獎勵、教室環境氣氛及學習的主題等而有差異(Biddulph & Osborne, 1982)。此外，學生在提問時，並不會去考量問題的必要性及實用性，同時也缺乏資訊收集或溝通的特質(van der Meij, 1990)，因此，學生的提問非常多樣化。而能提問好問題的能力可以產生有趣且有生產力的想法. 40.

(51) 和答案 (Shodell, 1995)，因此，對於學生在學習上是很重要的，它可以維持學生對學習的動機，並享受學習的樂趣(van Der Schee & Rijborz, 2003)。在傳統的課室中，問題多數來自於老師而非學生(Graesser & Olde, 2003)。教室間的對話及提問是由老師所控制的(Chin, 2006)，問問題似乎是教師的特權(Good, Slavings, Kathleen, & Emerson, 1987)，因此學生多半變得消極。Zoller (1987)認為學生在學習過程中會主動產生問題，是一種理想情形而與實際狀況並不相符。由老師或教科書所提供的探究活動，多以「食譜式」進行的實驗室科學探究，很少有機會提供學生提問或設計研究的機會，因此，學習者對於自己知識的缺失是無法主動發現(Good et al., 1987；Graesser & Person, 1994)，所以也就幾乎不會提問。 Graesser 和 McMahen(1993)認為認知失衡後的學生，還會面臨以語言將失衡說明清楚(verbal coding)及在群體中表達問題(social editing)的兩個障礙。因為問題通常必須要以一個豐富或明確的方式提出(Gezels, 1979)，所以，學生的語言能力會影響到提問的能力(van der Meij & Dillon, 1994)。學生在課室中很少問問題，也可能是因為個人、心理及社會障礙，學生必需要在感到安全的環境下才會提問(Watts, Gould & Alsop, 1997)，老師權威、同儕壓力及教育環境的障礙等都會妨礙學生的發問(Dillon, 1988; Good, et al., 1987; Graesser & McMahen, 1993; van der Meij, 1994)。因此，Biddulph, Symington, and Osborne(1986)提議了幾種鼓勵學生發問的方式，包括提供適當的刺激、提供提問模組、增進. 41.

(52) 課室包容的氣氛及評量時加入提問等方式。此外，學生無法產生高品質的探究性問題的一個重要原因，是因為學生並沒有足夠的時間去思考問題的本質與彼此間的關聯，學生通常急於知道答案而不再進一步的思考(連啟瑞、盧玉玲，2005；Galla, 1995)。所以，學生在課室中所發問的問題多屬於事實或程序的封閉性問題，很難自發的問到具有高品質的思考性認知問題(Chin & Brown, 2002 a, b)。Chin(2001)認為學生所問的問題性質與學習方式有關聯，如果學生以淺層性記憶的方式學習，所問的問題就多為事實或程序性的基本資訊問題。相對的，如果提供學生需要深層思考如問題解決的學習策略，那麼學生就能問出與高層次思考相關的理解、預測或應用等問題。綜合上述研究，影響學生提問的原因十分廣泛，含括個人至社會文化層面，從學生的心理、語言能力到學習方式等。學生的提問是一種科學思考的習慣，所以，如欲建立成鼓勵及重視學生發問的教學場域，則必須將課室營造成讓學生不會感受威脅的學習環境。此外，也要提供學生思考的機會和時間，如此才有辦法培養學生具有提問好問題的能力。. 二、形成問題的歷程與因素. (一)形成問題的歷程 Arlin(1975)認為當個體意識到刺激的存在後，會以流暢力或變通力的思考進行處理訊息，接著會進行一連串相關的分化、整合、精緻. 42.