探討數位論證學習課程對中學生科學概念建構與論證能力之影響

國 立 交 通 大 學 教 育 研 究 所

碩 士 論 文

探討數位論證學習課程對中學生科學概念建構

與論證能力之影響

Explore the impacts on middle school students’ scientific

concepts construction and argumentation ability through the use

of a web-based argumentation learning program

研究生：陳倩嫻

指導教授：佘曉清 博士

探討數位論證學習課程對中學生科學概念建構

與論證能力之影響

Explore the impacts on middle school students’ scientific

concepts construction and argumentation ability through the use

of a web-based argumentation learning program

研 究 生：陳倩嫻 Student：Chien-Hsien Chen

指導教授：佘曉清 博士 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 Sciences

National Chiao Tung University For the Degree of

Master in Education January, 2008

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

探討數位論證學習課程對中學生科學概念建構與論證能力之影響 研究生：陳倩嫻 指導教授：佘曉清 博士 國立交通大學教育研究所 摘要 本研究目的是探討數位論證學習課程，對於國中生科學概念的建構、論證能 力以及科學推理能力之影響。研究實驗組學生透過數位論證學習課程後與對照組 傳統教學學生在概念建構、論證能力與科學推理能力的差異。同時針對實驗組學 生的學習歷程與論證內容進行分析，以深入了解學生在數位論證學習課程中概念 建構以及論證品質與本質成長的情形。 研究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，其中兩班實驗組74 人，兩班對照組 76 人。實驗組進行一學期七個主題 共約二十五堂課的數位論證學習課程與對照組進行傳統教學模式進行概念建構 教學，比較兩組學生在理化二階層概念測驗、主題相依論證能力測驗與科學推理 測驗的差異。並同時針對實驗組學生在數位論證課程的個人概念正確性、論證概 念正確性、論證要素分類正確性、論證要素完整性以及參予論證與各論證要素的 使用頻率進行分析。 結果顯示實驗組相較於對照組在經過一學期數位論證學習課程後，在理化二 階層概念測驗、主題相依論證測驗與科學推理測驗均有更好的學習成效。顯示數 位論證學習課程有助於學生概念建構、論證能力與推理能力的增進。 另外針對實驗組在數位論證課程的學習歷程進行分析，結果呈現大多數學生 在數位論證學習課程前後個人概念與論證內容概念的正確性均有顯著成長，顯示 透過此課程學生可以有效建構正確概念。分析參與論證的總次數以及各論證要 素，結果呈現經過一學期的數位論證學習課程，不論在論證總次數或是論證各要 素均有顯著的增加，顯示學習者的論證本質有所成長。再分析論證要素分類正確 性與論證要素完整性，在主題一到主題七之間有明顯的增加，顯示學習者的論證 品質在數位論證學習課程中有成長。從論證內容的質性資料看到學習者可以確實 針對課程主題概念進行論證，顯示數位論證學習課程可以確實提供學習社會建構 環境，並促使學生可針對課程概念進行深入的論證與概念建構。 本研究顯示數位論證學習課程可有效提升概念建構、主題相依論證能力與科 學推理能力以及論證本質與品質。 關鍵字:論證、概念建構、科學推理、數位學習

Explore the impacts on middle school students’ scientific concepts construction and argumentation ability through the use of a web-based argumentation learning program Student：Chien-Hsien Chen Advisor：Hsiao-Ching She, Ph. D

Institute of Education National Chiao Tung University

Abstract

The purpose of this study was to explore the impacts on middle school students’ scientific concepts’ construction and argumentation ability through the use of a web-based argumentation learning program. The quasi-experimental design was used in this study. There are four classes of 8th grade students from a middle school

involved in this study. Two classes of students received web-based argumentation learning program (experimental group) for a semester (about 25 classes periods, each period is about 45 minutes), and the other two classes of students received traditional instruction (control group). All of the students received scientific reasoning test, two-tier physical science test, and content-dependent argumentation test before and after learning. In addition, the qualitative data of the students’ learning at the web also were collected.

Results showed that experimental group’ students significantly outperform than the control group, regardless of scientific reasoning test, two-tier physical science test, and content-dependent argumentation test. The qualitative data of the web-based argumentation showed that students’ scientific conceptions made progress from pre- to post-web questions across seven units. The frequency of students’ participation in the web argumentation also increased across the seven units. Moreover, students’ use of argumentation components all increased across seven units, regardless of data, claim, warrant, rebuttal, and backing. It clearly demonstrates that students’ scientific reasoning ability, argumentation ability and concept construction all can be promoted throughout the web-based argumentation learning program.

Keyword: argumentation、concepts construction、scientific reasoning、web-based learning

誌 謝 終於這惱人的論文要結束了，在孵出這本論文的過程，有歡笑與汗水，再不 結束就要有淚水了。看著自己第一本(或是唯一)學術著作從無到有，心中的感動 筆墨難以形容，更要感謝許多師長、朋友與家人的支持。 首先必須感謝我的指導教授佘曉清老師，研究所與學程共四年的生活，讓我 學習到非常多。除了課業上的指導，老師做人做事的態度與方法也讓我受益良 多。一如江湖的風聲：「佘老師非常認真，跟著她修課、做研究可以學到非常多， 但也非常累。」，在課程與研究上，老師總是走在前端求新求變，也讓我們得以 接觸到許多新的資訊。在繁忙的校內校外會議、大學部與研究所的課、國科會計 畫、寫paper 發表還有最重要的家庭生活，總是滿檔的工作中，還必須撥空指導 我的論文，有時還弄到晚上才能回家，甚至還到老師家中叨擾，佔用到老師的休 息時間與家庭空間，真的很不好意思。除了研究上的指導，老師更在硬體資源、 經費、人力上支持，讓我可以專注於研究之上。以及不時的關心，讓在異鄉求學 的我心裡總是暖暖的。老師，真的謝謝您，謝謝您包容我有時有點莽撞的個性， 教導我使我在教育的領域學習到非常多，讓我在轉換到教育的跑到找到更多的歡 笑與信心。另外也要感謝老師兩個可愛的女兒，感謝妳們借我媽媽的時間與家庭 的空間之餘還對我敞開雙手，下次再還妳們紅綠燈吧。 特別要感謝新竹市立三民國中的楊文宗老師，以豐富的經驗給予我課程設計 上寶貴的意見，對於我的研究百分之百地支持，沒有您的幫忙我絕對無法完成這 個研究。即使因為時間緊迫讓我在過年期間不斷地騷擾您，您還是對我非常友 善。還有因為這個研究佔掉您許多課堂的時間，不同的教學法也受到一些壓力， 為了做測驗還必須運用您的好人緣去借課，讓我真的非常不好意思，您還是依然 對我微笑。在教學上更是傾囊相授，給予我許多機會，也因為我承受了些壓力， 真得很不好意思也真得非常謝謝您。 再來要感謝我的口試委員張文華教授、李松濤博士與吳心楷教授，不辭辛勞 地從南北兩地奔波至此，給予我論文寶貴的意見且細心地逐字閱讀提醒我許多細 節。張教授明確指出缺失之處，並細心做記號，參考文獻也逐筆檢閱，讓我發現 自己的疏忽之處以做改進，謝謝您。李博士對於論證的專業更是提供許多幫助， 指出許多文獻不夠完善之處並肯定此研究，謝謝您。吳教授在計畫書口試時更精 闢地指出設計缺失之處，使我得以修正才能有此研究成果，謝謝您。很幸運我有 這麼棒的口試委員讓這本論文可以更加完善。 對這個論文貢獻非凡的嵐姐，恭喜妳第二本學術著作要出爐了。感謝妳的義 氣相挺，在忙碌的工作之後與休假時間還陪著我一起趕論文，沒有妳我真得無法 在這麼短的時間內完成論文，真得感謝妳。更感謝妳陪我吃吃喝喝一起血拼，聽 我鬼吼鬼叫碎碎念。如你所說，在研究所期間認識妳這個好姐妹是最大的收穫， 雖然你笨了點、宅的點、老人的點，但為了我的Kitty 蜜月遊我還是會努力幫你 找老公的。

還要感謝教育所這個溫暖的大家庭，教育所和藹可親的老師們的教導與關 心，感謝佩萱、雅怡、嘉凌姐在行政上的幫忙與照顧，讓我在教育所的日子很開 心。感謝思瑋，雖然不時收到我統計的騷擾，還是很幫忙地盡量回答我，還有佘 老師的助理群佩樺、富修、裕仁的幫忙，以及伺服器組致銘、嘉濠等人對系統的 維護，讓我在施測時得以無後顧之憂。還有我的戰友們怡仁、羽立在夜深人靜拼 論文時，MSN 不時地傳來打氣的聲音，還有已經畢業的格瑜與很快就要畢業的 新婚冠慧，謝謝你們。 最後要感謝我的家人，老爸、老媽無怨無悔的付出與無條件的支持、鼓勵與 體諒，感謝老哥、老弟在我專注於研究時照顧爸媽，讓我在研究期間可以無後顧 之憂。 原諒我的囉唆因為要感謝的人真的太多，果然是誌謝，這篇有 32 個「謝」 字。最後僅以此論文獻給我最愛的家人、朋友與師長，因為有你們我才能順利完 成學業。雖然碩士生活已經結束，期許自己未來可以學習更多，在教育上可以貢 獻一己之力。 丁亥 立春 倩嫻

目錄

中文摘要...i 英文摘要...ii 誌謝... iii 目錄...v 表目錄...vii 圖目錄... viii 第一章 緒論...1 第一節 研究背景...1 第二節 研究動機與研究目的...1 第三節 研究問題與假說...2 第四節 名詞釋義...2 第五節 研究範圍與限制...3 第二章 文獻探討...4 第一節 科學概念建構...4 ㄧ、論證的定義...5 二、論證教學...7 三、論證的評鑑...11 第三節 網路科學學習...15 一、網路學習...15 二、科學網路學習...16 第四節 小結...19 第三章 研究方法...21 第一節 研究對象...21 第二節 研究設計...21 第三節 研究流程...22 第四節 研究工具...23 一、數位論證學習網...23 二、理化二階層概念測驗...28 三、主題相依能力論證測驗...29 四、科學推理測驗...30 第五節 教學設計...31 第六節 資料蒐集與分析...33 一、測驗資料分析...33 二、數位學習歷程分析...33 第四章 研究結果與討論...36 第一節 數位論證學習課程測驗之成效分析...36

一、概念建構之成效分析...36 二、論證能力學習之成效分析...37 三、科學推理能力學習之成效分析...38 四、相關分析...39 五、小結...40 第二節 數位論證學習歷程分析...40 一、數位論證學習課程學習前後的概念建構...40 二、論證之概念正確性...45 三、論證過程中論證本質與品質的改變...49 四、數位論證質性資料分析...55 五、小結...59 第五章 結論與建議...60 第一節 結論與討論...60 一、數位論證學習課程測驗之成效分析...60 二、數位論證學習歷程...61 三、小結...62 第二節 建議...62 一、對於論證教學的建議...62 二、對於研究的建議...63 參考文獻...65 中文部分...65 英文部分...65 附錄一 論證要素範本...69 附錄二 科學概念測驗...70 附錄三 主題相依論證能力測驗...83 附錄四 科學推理測驗...90 附錄五 數位論證學習課程活動設計...99

表目錄

表 2-1-1 傳統與建構主義式教室環境比較表...5 表 2-2-1 教師口語編碼和分類論證的過程(按照階層性排列)...10 表 2-2-2 論證品質評鑑標準表...14 表 3-1-1 教學模式與人數整理表...21 表 3-1-2 實驗組與對照組學生自然與生活科技學業成績差異檢定摘要表...21 表 4-1-1 理化二階層概念測驗之敘述性統計分析...36 表 4-1-2 教學模式對理化二階層概念測驗之共變數分析...37 表 4-1-3 論證主題相依能力之敘述性統計分析...37 表 4-1-4 教學模式對主題相依論證能力之共變數分析...38 表 4-1-5 科學推理測驗之敘述性統計分析...38 表 4-1-6 教學模式對科學推理測驗之共變數分析...39 表 4-1-7 實驗組概念、論證與推理相關表...39 表 4-1-8 論證後測逐步迴歸分析摘要表...40 表 4-2-1 個人問題概念正確性之敘述性統計與 T 值...41 表 4-2-2 個人概念問題正確性改變統計...43 表 4-2-3 個人問題概念建構人數與比率 ...44 表 4-2-4 實驗前後論證內容概念正確性次數之敘述性統計與 T 值...46 表 4-2-5 論證概念正確性次數改變情形 ...47 表 4-2-6 參與論證的次數重複量數分析...50 表 4-2-7 論證要素分類正確次數重覆量數分析表 ...50 表 4-2-8 論證要素分類正確次數與比率...51 表 4-2-9 論證要素完整次數重覆量數分析表...51 表 4-2-10 論證要素完整次數與比率...51 表 4-2-11 論證要素－事實(D)之重複量數分析...52 表 4-2-12 論證要素－宣稱(C)之重複量數分析...53 表 4-2-13 論證要素－依據(W)之重複量數分析...53 表 4-2-14 論證要素－支持(B)之重複量數分析...54 表 4-2-15 論證要素－反駁(R)之重複量數分析...54

圖目錄

圖 2-2-1 Toulmin 的論證分析架構 ...6 圖 2-4-1 ALEX 論證學習體驗頁面 ...18 圖 2-4-2 DREW 頁面 ...19 圖 3-2-1 研究架構圖...22 圖 3-3-1 研究流程圖...23 圖 3-4-1 學習網站登入畫面...24 圖 3-4-2 概念問題頁面...25 圖 3-4-3 論證學習頁面...25 圖 3-4-4 選擇論證要素頁面...26 圖 3-4-5 選擇論證要素範本頁面...26 圖 3-4-6 論證要素範本填入頁面...27 圖 3-4-7 論證要素範本輸出頁面...27 圖 3-4-8 發言輸出頁面...28 圖 3-4-9 小組論證輸出頁面...28 圖 3-5-1 假設論證頁面...32 圖 3-5-2 變數論證頁面...32 圖 4-2-1 概念改變趨勢圖...45 圖 4-2-2 參與論證次數成長圖...49

第一章 緒論

本章共分成五節，內容包括研究背景、研究動機與研究目的、研究問題、名詞釋義、 研究範圍與限制。

第一節 研究背景

科學教育改革 2061 計劃以「培養具有科學素養的公民」為美國當代科學教育的宗 旨，在台灣九年一貫課程綱要亦以此為努力的方向，因此訂定自然與生活科技的課程目 標為 (教育部，2000) : 1.培養探究科學的興趣與熱忱，並養成主動學習的習慣。 2.學習科學與技術的探究方法和基本知能，並能應用所學於當前和未來的生活。 3.培養愛護環境、珍惜資源及尊重生命的態度。 4.培養與人溝通表達、團隊合作及和諧相處的能力。 5.培養獨立思考、解決問題的能力，並激發開展潛能。 6.察覺和試探人與科技的互動關係。 綱要中強調主動學習、探究科學、與人溝通與解決問題的能力。然而實際課堂卻只 注重知識的記憶與背誦，學生參與度低，學生在科學課程中只是獲得前人的舊知識並未 了解科學知識是如何產生更沒有接受到探究知識的訓練，僅止於單向接受資訊沒有自行 探究的能力 (Newton, Driver & Osborne, 1999) 。當日常生活遭遇問題時，學生沒有能力

運用舊知識來做出最佳的判斷。Duschl 與 Osborne (2002) 更指出近幾十年來教育環境還

是沒有什麼改變，仍然以教師為教學的中心而非學習的主體-學生。此外，社會建構論 者認為科學知識是由社會協商的產物，強調知識既共識，但學校中的科學多以實證主義 的觀點描寫，因此學生常會有「科學知識是『絕對正確』」、「用來驗證理論的證據沒 有任何爭議性和歧異性」的概念 (Driver, Newton & Osborne, 2000) ，如此的教學有礙科 學認識觀的發展，而論證是科學訓練的中心和延伸，在科學教室中應該與科學概念一樣 受到重視 (Duschl & Osborne, 2002) 。根據國內外在論證上的研究，論證有助於科學學 習可以幫助概念理解 (Duschl & Osborne, 2002; Kuhn, 1992; Osborne, Erduran, Simon, & Monk, 2001) 、發展科學探究能力 (Driver , et al., 2000) 、了解科學的知識論（Driver, et al., 2000； Jimenez Aleixandre, Rodrignez, & Duschl, 2000）、促進批判思考與科學思考 能力的發展 (Kuhn, 1992) 。因此目前科學教育上重要的任務是讓學生能在科學的脈絡 下發展論證能力，並去了解和實踐正確的論證方式，孩子能有此了解論證的效力及限制 為何 (Osborne,et al., 2001) 。

第二節 研究動機與研究目的

根據研究背景已了解論證在科學學習上的重要性－科學知識是經由論證的過程而 來的，因此本研究將以論證理論為基礎，以數位論證輔助系統進行討論與資料的收集，

建立「數位論證學習網」進行學習活動，企圖提昇學生科學推理能力與論證能力以促進 科學概念的建構。

第三節 研究問題與假說

基於前述研究動機與目的，本研究待答問題如下所述： 一、不同的教學模式(實驗組-數位論證學習課程、對照組-傳統學習課程)對學習者在科 學概念的建構有何差異？ 1-1 不同教學模式學生的科學概念的建構(後測)達顯著差異。 二、不同的教學模式(實驗組-數位論證學習課程、對照組-傳統學習課程)對學習者在主 題相依論證能力有何差異？ 2-1 不同教學模式學生的主題相依論證能力(後測)達顯著差異。 三、不同的教學模式(實驗組-數位論證學習課程、對照組-傳統學習課程)對學習者在科 學推理有何差異？ 3-1 不同教學模式學生的科學推理(後測)達顯著差異。 四、學生在一學期(七個主題)的數位論證學習課程中科學概念建構之成長? 4-1 數位論證學習課程可促進學生之科學概念的建構。 五、學生在一學期(七個主題)的數位論證學習課程中科學論證的本質與品質有何差異？ 5-1 學生在數位論證學習課程中科學論證的本質達顯著差異。 5-2 學生在數位論證學習課程中科學論證的品質達顯著差異。

第四節 名詞釋義

一、概念建構 根據Vygotsky (1934) 的社會建構論，概念建構是在已有的知識基礎上經由個人與環 境互動來主動建構新的概念。 二、論證(Argumentation) 論證主要的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結起來。

Toulmin (1958) 提出論證理論架構，論證的要素包含事實(D)、宣稱(C)、依據(W)、支持 (B)以及反駁(R)，主張者根據事實(D)提出宣稱(C)，根據依據(W)來爲宣稱(C)辯護，並 提出支持(B)來支持依據(W)與宣稱(C)。他人可能提出反駁(R)，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。論證組成要素說明如下: (一) 事實(Data-D) 可能是資料或數據，描述事實與現象。 (二) 宣稱(Claim-C) 根據事實提出一些結論、宣稱。 (三) 依據(Warrant-W) 用來連接事實與宣稱、結論的理由。 (四) 支持(Backing-B) 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。 (五) 反駁(Rebuttal-R) 提出反駁來指出宣稱的不正確性。 三、科學推理(Scientific reasoning)

Lawson (1978) 提出學生應具備的形式推理(formal reasoning)能力包括守恆推 理、比例推理、機率推理、相關性推理、控制變因、假設演繹等。建構科學知識過程 中，如何運用觀察、分類、操弄具體實物、假設等操控變因和推測的思考判斷過程。 四、數位論證學習網

建製於「科學論證數位學習研究(Research of On-Line Scientific Argumentation )」的 伺服器下，根據論證理論與概念建構教學理論為基礎，設計一系列的問題與論證討論。 學習者在學習活動進行時透過網際網路連線至本學習網，進行概念建構學習活動。

第五節 研究範圍與限制

本研究的對象為新竹市某國中二年級的學生，僅以其中兩個班為實驗組與另外兩個 班為對照組，所以不具有全國國二學生的代表性，且教材範圍以九十五學年度翰林版的 國中自然與生活科技領域內容為主。基於研究地區及研究樣本之限制，研究結果若要推 論到其他群體或教材領域時，需審慎衡量其適合度。

第二章 文獻探討

本章共分四節，將依序針對科學概念建構、科學論證、網路科學學習等三個議題逐 一進行分析探討，最後進行小結。

第一節 科學概念建構

當代的科學教育多認為教學就是教師的結論，把科學知識的建構視為傳遞經驗、刻 板文字以及不變的真理 (Driver, Newton & Osborne, 2000) 。但 Perkins (1991) 指出給予 學生「他們未接受過」的教育已證實是相當無效的做法，因為沒人可以用直截了當的方 式傳承過去未達成的部分。科學的學習其實是一種個人理論與模式的建構與重建 (熊召 弟、王美芬、段曉林、熊同鑫譯，1996) 。建構主義者認為學生是帶著已有的概念去學 習，而非一張白紙。因此一個良好的學習活動應該幫助學生連結新舊概念或體念到舊概 念的不足，進而主動建構或重建。科學教育企圖傳遞的不只是那些知識是什麼(what)的 現象，還有這些知識如何(how)與其它事件有所關聯、為什麼(why)它重要以及這樣的觀 點是如何(how)形成的 (Driver et al., 2000) 。

建構主義思潮以來已發展成許多派流，如Geelan (1993) 以「個人-社會」以及「客 觀-相對主義」把建構主義分成六派，包括：個人建構主義（Personal constructivism）、 激進建構主義（Radical constructivism）、社會建構主義（Social constructivism）、社會構 成論（Social constructionism）、批判建構主義（Critical constructivism）與情境脈絡建構 主義（Contextual constructivism）。本研究者認為在諸多的派別中大致可分兩派:根本(激 進)建構主義以及社會建構主義。 1. 根本(激進)建構主義: 以Von Glaserfeld為代表人物，主張知識不是認知個體被動的接 受，而是主動的建構。認知的功能在於適應，是要用以組織個體所經驗的世界，而 不在於發現客觀存在的現實世界 2. 社會建構主義:Vygotsky為代表人物，主張知識是個人與他人經由協商的社會建構。 概念是由個體所持有的，但在改變所持有的概念過程中，強調同儕的支持與達成共 識的社會因素等的重要性。 綜合前文所述，雖然不同的派別對建構主義所強調部分有所差異，但核心概念不 變，大體來說建構主義者認為：知識是主動建構的、新知識必須建立在原有概念的基礎 上、知識是個人與環境互動的產物。然而，該如何進行建構式教學Driver 與Oldham (1986) 提出建構主義教學模式教學流程應包含：確定探討方向、引出學生概念、學生概念的重 組(澄清與溝通、置於衝突情境、建構新的想法)、概念的應用、回顧所改變的概念 (郭 重吉，1992) 。這樣建構主義式的教學與傳統有何差異呢? Brooks 與 Brooks (1993) 整 理了傳統教室環境與建構主義式教室環境的比較，如表 2-1-1:

表 2-1-1 傳統與建構主義式教室環境比較表 (Brooks & Brooks, 1993) 傳統教室環境 建構主義式教室環境 課程由小(部分)到大(整體)，強調基本 技能。 課程由大(整體)到小(部分)， 強調大概 念。 推崇嚴謹、固定的課程 課程追隨學生的問題 課程活動非常依賴課本及習作 課程活動非常依賴第一手資料及材料 的操作 把學生視為「白板」，仰賴教師刻劃 學生是「思考者」，對世界有一套自己 的理論 教師以教導的方式傳輸資訊給學生 教師用互動的方式做為學生與環境的 中介者 教師以正確答案來確定學生有效學習 教師用學生的觀點來了解學生現有的 概念以準備後面的課程 完全以測驗來評估學生的學習，且與教 學完全獨立 透過觀察學生的表現與學習歷程檔案 來評估，與教學交雜進行。 學生通常獨自運作 學生主要是團體活動 由上表格可知，建構主義強調以學習者為主體，在學習過程中主動建構自己的知識 架構與內容，著重實做經驗與團體活動。學生所建構的知識會受其先備知識以及建構的 方式影響，因此每個學生所建構出來的知識不盡相同，學生可藉由團體討論、互相觀摩、 比較以彌補原來所不足之處。在科學學習的過程中，來自於與他人的對話所得的反思機 會，尤其是對立面的觀點，更有助於學生檢視其立論的合理與否（丁信中等，2001) 。 學生在團體中學習論證對於個人建構論點的鷹架是很重要的途徑，而推理和論證是建構 科學知識宣稱的過程 (Driver et al, 2000) ，因此本研究欲結合實做經驗與論證來達到概 念建構的目的。

第二節 科學論證

ㄧ、論證的定義 論證是科學知識形成的過程，科學理論經由科學家的討論而受到認可。Kuhn (程樹 德、傅大為、王道還、錢永祥譯，1994) 認為科學理論是經由「革命」而來的，從沒有 典範，經過競爭與選擇使某一理論形成「典範(paradigm)」，當此理論成為典範後，在這 個領域的所有活動都會以典範為依據。遵守這個典範的人為「科學社群(scientific community)」，此為「常態科學(normal science)」。但當「異例(anomaly)」出現時，典範 就進入「危機(crisis)」，危機時期百家爭鳴，使得不同的科學家對於典範可以有不同的詮 釋，而鬆弛了常態科學，解放傳統的束縛、供應新的資料，使典範的變遷得以完成，這 種新舊典範的更替就是「科學革命」。Kuhn 所說的「科學革命」的歷程就是論證的歷程。 Toulmin (1958) 提出論證理論架構，如圖 2-2-1，他認為合理的論證模式應包含事實

(Data-D) 、宣稱(Claims-D)、依據(Warrant-W)、支持(Backing-B)及限制(Qualifiers-Q)， 並排除了反駁(Rrebuttal-R)等成分，定義如下: 1. 事實(D):描述事實與現象。 2. 宣稱(C)：由事實產生一些結論、宣稱。 3. 依據(W)：連接事實、宣稱、結論的理由，提出理由原理或提出假設去辯護。 4. 支持(B)：提出實驗證據去證明其假設是正確加以辯護。 5. 限制(Q):宣稱成立的限制。 6. 反駁(R)：提出反駁來指出宣稱的不正確性。 圖 2-2-1 Toulmin 的論證分析架構(Toulmin,1958；2003) Toulmin 非常重視論證的合理性(soundness)，由資料到宣稱的過程要符合邏輯的推 理。因此論證的句子常以這樣的結構當基礎:「因為『事實(D)』…，由於『依據(W)』…， 基於『支持(B)』…，因此『宣稱(C)』…」 (Driver et al, 2000)。要注意的是在討論論證 時常會混淆論點(Argument)及論證(Argumentation)，論點是指事實、宣稱、依據、支持 以及反駁的本體，而論證是指聚集這些要素(辯論)的過程 (Mason & Scirica, 2006) 。 論證可以是個人透過思考與寫作的活動進行，Newton、Driver與 Osborne (1999) 根 據Krummheuer (1995) 把推理(reasoning)的解釋為獨自的論證，是單向的，而許多人推 理的過程則為論證，是雙向的。簡言之，論證是一種「個人企圖向他人來解釋自己推理 的過程」，透過論證可以看到人們的高層次思考以及推理的相關過程 (Kuhn, 1993) 。 論證亦可能是一種特定社群的社會協商活動 (Driver, Newton & Osborne , 2000) 。因 此，論證不只包含認知，還包含社會與文化的互動歷程。由於科學知識的形成是知識建 構社會化的過程，科學家從有效的證據中去想像、推測，從證據推理到宣稱並說明理由 (Newton et al., 1999) 。Lawson (2003) 曾針對假設-預測性(hypothetico-predictive)論證 研究，他認為論證的產生除了提出暫時正確的解釋外，還應包括在特定情況下對解釋的 檢驗、對證據的分析。科學理論的確立必須倚賴證據與解釋的相互配合，兩者缺一不可。 Glassner、Weinstock 和 Neuman (2005) 認為論證目的有兩種，一為理論的解釋，闡明 宣稱的因果關係；二為證據的支持，證明其宣稱的真實性。科學家必須思考提出的理論 因為 依據(W) 事實(D) 基於 支持(B) 所以 限制(Q) 宣稱(C) 除非 反駁(R)

是否得以成立同時必須顧及其他可能推翻自己主張的理由，並針對這些理由予以各個擊 破，才有可能穩固一個理論的合理性與說服力。科學的重要活動就是依照證據作推測的 評估；科學家之間的論證即是決定何種推測能對特定現象呈現最具說服力的解釋。現象 對於不同科學家的意義，會因其背景理論的不同而對現象產生不同的詮釋。由假說的形 成到不同假說之間的競爭而至理論的形成與精煉，科學家們為自己的假說尋求更多證據 的支持之外，在理論形成之後，尋求理論的豐富性與合適性，更不斷地透過問題與預測 來精煉理論（丁信中等，2001) 。因此，當面對一個科學知識的宣稱時，必須評量其可 信度，去決定這個宣稱對於真實世界的解釋是否具有說服力 (Newton et al., 1999) 。由 上述論點，可以了解論證對於科學知識形成的重要性，科學家若想發表自己的科學成 果，還要經由論證的方式與其他科學家來回辯護，才能在科學社群中得到認同。 van Eemeren、Grootendorst 和 Henkemans (1996) 在「論證理論的基礎(Fundamentals of Argumentation Theory)」一書中將論證依其目的不同分成三類型。第一種是分析性 論證(analytical argument)：以邏輯為基礎，從前提經演繹(deductive)或歸納(inductive)的 方法推理到結論的部份。此種論證通常用於科學理論的推導與運用或是符號的推理等， 其為一種形式推理(formal reasoning)的過程。第二種是溝通性論證(dialectical argument): 當團體在討論問題時必須經溝通達成共識，其論述必須包含從前提推理到結論的過程， 但此過程無法只靠邏輯推理達成，中間還牽涉許多考慮的因素，如:判斷與決策等是一種 非形式推理(informal reasoning)的過程。第三種是演說性論證(Rhetorical argument):是個 人提出說服性的理由來向他人進行單方面的演說。Kuhn、Shaw 與 Felton (1997) 欲使學 生從事溝通性論證必須提升學生推理的練習。本研究著重科學理論的推導為分析性論 證，為一種形式推理，藉由演繹或歸納的方法推理到結論。 這種對科學的認識與能力的培養，也就是對科學本質的了解，以及科學素養的提升 (Osborne, 2006) 。學習論證的目的不是要把每個人都變成科學家，而是讓人們在面臨社 會性科學議題時，像是核子反應、能源危機等，可以與各界的專家溝通、論證。因為進 行這些需要相當複雜的背景知識，使人們瞭解專家們的對話與評鑑然後做出較佳的決 定。培養這種以科學觀點來評估證據進而做出決定的能力才是論證的目的 (Osborne, 2006) 。 目前對於論證思考能力不同的學者著重不同的觀點，大致而言，多數學者皆視論證 思考能力為一種可以讓個人在不同解釋與理由中做出選擇，或從實證的證據或其他資料 來源評估宣稱的能力。科學家將所觀察到的現象與數據經過邏輯的推理而提出一套解 釋。這種對科學知識產生過程的學習，可以更深入的檢視由客觀的「觀察結果」推論到 「對自然現象的詮釋」的適切性，進而產生對既有理論批判能力，亦即「科學論證」的 能力。因此本研究設計上著重社會互動歷程，學習者經由與同組成員互動進行論證，論 證活動中強調由證據推理到宣稱並說明理由，論證內容將以Toulmin 的論證架構進行分 析。且企圖進一步了解推理能力與論證能力的關係。 二、論證教學 論證在科學教育中是透過一種目標性的科學探索形成推論(generation)及辯護

(justification)知識的宣稱、信念和活動以及了解本質 (Jimenez Aleixandre, Rodrignez, & Duschl, 2000) 的歷程。根據社會建構論，科學是經由論證的過程得到對現象的合理解 釋。而學習科學是透過合作來共同建構來得有說服力的科學解釋，強調知識既共識。論 證課程有助於學生對科學概念的理解、增進他們在科學的參與、提昇批判推理的技巧並 發展對科學本質的理解 (Osborne, 2006) 。在 Yerrick (2000) 的研究中，低成就的學生在 經過一學年的論證及探究式教學，要求學生提出自己的論點、設計實驗後，學生的論證 更接近科學論證的本質，像是宣稱知識的暫時性、學生會用證據以及關於科學權威的觀 點。Osborne、Erduran 及 Simon (2004) 認為將論證視為學習科學的重心有兩個功能: 1. 啟發學習知識論與概念上的協調。 2. 呈現學習者的科學思考與科學推理，教師可以做為形成性評量。 由此可知論證在科學教育的重要性，許多研究指出論證的能力是可以由訓練與教育 的方式達到提升的效果 (Osborne et al., 2004；Simon, Drduran, & Osborne, 2006) ，但在 實際的課堂間，科學教師很少給予學生發展論證技巧的機會。大部分的時間仍以教師為 主，沒有培養學生對科學議題的省思和討論，由社會建構知識的機會更是少有 (Newton et al, 1999) 。深思舊經驗是發展理解能力與論證工具的重要過程 (Simon et al., 2006) ， 學生在學習科學概念時的錯誤概念可能是來自於不合適或不足的先備知識，不合宜的論 證過程，像是前提與結論並無關聯、證據並不充分等（丁信中等，2001) ，經由與同儕 或教師的對話這種社會建構的過程可以幫助學生練習選擇、權衡證據、解釋文本、評估 科學宣稱的可行性 (Driver et al, 2000) ，如此教師可以了解學生對同一現象造成差異詮 釋的主因，幫助教師認清學生個體將因背後支持理論的不同、引用依據相異而對現象的 看法也就有所不同（丁信中等，2001) ，這是建構科學論證的重要部分。因此如何營造 一個論證的學習環境為科學教師當務之急，在進行論證之前，學生須具備對論證架構的 各要素的了解和好論證的特徵 (Zohar & Nemet, 2002) 。然後教師可以使用小組合作學 習的方式，以科學史或是多元假說競爭的議題為素材，設計正反方的辯論機會，讓學生 經由對立面的交互論證來促進自省思辨的能力，以建立有效的科學概念。同時，教師應 在學進行論證的過程中，適時地加以引導，幫助學生看到衝突點，讓整個科學論證的過 程具備科學探究的精神 （丁信中等，2001) 。Jimenez Aleixandre、Rodrignez與Duschl (2000) 亦建議設計以問題解決為中心的單元與活動來提升論證。而Lawson (1993) 認為 科學教育應該著重在假設-預測性論點的產生與爭論，如此一來可以改變學生概念的理 解與論證/推理的技巧。Hoskins、Stevens以及Nehm (2007) 更提出CREATE，這是透過 第一手資料教科學與科學本質的新方法，強調給學生像科學家般真實的實驗環境。 CREATE是C-考慮(Consider)、R-閱讀(Read)、E-說明假設(Elucidate hypotheses)、A-分析 並解釋數據(Analyze and interpret the data)、TE想下一個實驗(Think of the next

experiment)，在此課程後學生獲得了閱讀以及評論分析科學數據的能力。除此，在 Herrenkohl、Palincsar、DeWater及Kawasaki (1999) 的研究中設計了三原則於教學模式 中，其三原則如下:

1.讓學生從事科學推理的練習，例如用模型來支持自己的解釋。 2.提供學生評量自己或其他人想法的明確準則。

3.讓學生了解科學發展是一連串的修正以培養認識論觀點。 此教學以「培養學生推理能力為未來科學理論建構的基礎」為目標。而在 Engle 及 Conant (2002) 的研究中，發展出一個議題統整的學習環境來讓學生學習如 何使用證據來支持論證，其學習環境包含了四個環節:讓學生選擇題材、給予學生確認與 解決問題的自主權、讓學生對其他同學解釋其準則、提供學生相關資源。關於論證教學 策略的研究很多，因此Zohar 和 Nemet (2002) 對教學上常使用的策略作了整理成以下四 點: 1.學生了解論證的要素和好論證的特徵。 2.經由寫作的方式促進論證。 3.教授對論證的後設認知。 4.使用真實生活中的問題情境。 除了上述的論證模式與環境，Osborne 等人 (2004) 整理了相關資料，建議了幾種 可行的論證的教材: 1.陳述表:針對科學主題(現象)提供學生列表，請學生針對每一個敘述發表看法，說 出同意或不同意的理由。 2.概念圖:給予學生一個由文獻中選擇出過去學生針對科學主題做的概念圖，請學生 討論其中個別概念與連結是否正確，並說明依據的理由 與論點。 3.學生的實驗報告:給學生一份他人的報告，其中可能有資訊不足或需要改進的空 間，刺激學生對該報告的反駁及評論，再請學生提出結論並說明可改進處和理由。 4.漫畫競爭理論:以漫畫呈現兩個以上的競爭理論，再請學生利用其中提供的訊息選 擇出他認為正確的理論，並說明理由。 5.故事競爭理論: 以報紙、故事呈現兩個以上的競爭理論，再請學生利用其中提供 的訊息選擇出他認為正確的理論，並說明理由。 6.想法與證據競爭理論: 給學生一個科學現象，提供兩個以上的競爭理論，同時對 理論提出一些可能支持或反駁理論的證據，請學生在小組中討論這些證據與理論 之間的關係再評量之，然後去選擇大家認為正確的理論並說明理由。 7.建構一個論點:提供學生一個科學現象，並提供數個(四個為佳)解釋，請學生選擇 出他認為正確的解釋，並說明理由。 8.預測、觀察、解釋:介紹一個學生沒有做過的實驗、現象，再請學生經由小組討論 預測結果。由教師示範或學生動手證實，若結果與預期不符則再重新討論出新的 論點詮釋。 9.設計實驗:請學生分組設計實驗來測試假說，詳述說明變項及步驟，並試著提出其 他可行方法。 而教師除了提供適合的環境與教材外，論證過程中教師的用語亦須注意。在Simon 等人 (2006) 的研究進一步分析教師在論證過程中的口語表達，其分類如下表 2-2-1:

表 2-2-1 教師口語編碼和分類論證的過程(按照階層性排列) (Simon, Erduran, & Osborne, 2006)

教師口語論證編碼 教師口語論證分類 鼓勵討論 聽跟說 鼓勵聆聽 定義論點 了解論點的涵義 舉例 鼓勵意見 立場 鼓勵立場 尊重不同的立場 確認證據 以證據辯護 提供證據 刺激辯護 強調辯護 鼓勵更多辯護 假裝唱反調 寫出架構或工作/準備 建立論點 提出角色 鼓勵評估 評估論點 評估論點 使用證據的過程 證據本質的內容 鼓勵預期反面論點 反面論點/辯論 鼓勵辯論(從角色的扮演) 鼓勵反思 反思論點的過程 詢問心態的轉變 在這個研究發現，教師在後期有較高階的表達，如從「聽跟說」到「反面論點」及 「反思」，反映出論證是可以訓練的-學生在辯論前需要學習如何去聽和說、證明其宣稱 的正確性等。同樣地，教師在教學中可以協助有力的反面論點前需要評估和學習如何讓 小組討論並提昇辯論-經由一系列的材料與教學策略可以促進教室內的論證，不只是學 生，教師的論證教學技巧亦然。 然而，即使提供學生一個良好的論證環境，論證在科學教室的推行依然重重阻礙， Ziedler (1997) 認為學生在論證思考的困難點包括了以下五點: 1.正確性:在學生相信某一主張時，即使理由矛盾學生還是容易相信此主 張為真。 2.原始論點的結構:通常學生只選擇支持理論的資料來確認其論點，而忽略 異常的資料。

3.核心信念影響論證:學生常會依據自己的信念來產生自己的論點，如此無法有能力 評估反向的證據。 4.不充分的證據:學生無法確定什麼是有利的證據且會在沒有足夠證據支持下跳到 結論，因為他們缺乏實用的資訊和統計也是障礙。 通常學生即使在，仍會直接產生自己的論點。 5.改變論點跟證據的表徵:通常學生會將支持證據做過度的推論，進而造成論點產生 時的偏見。 除了課堂上的論證，有些課程利用線上論證系統輔助亦有優異的成效，在de Vries、 Lound和Baker (2002) 研究指出同步(synchronous)的系統溝通相較於非同步 (asynchronous)系統可以傳遞更縝密的細節且建構一個普遍分享的論點，但這樣的同步模 式需要學習者有較高的能力來解釋所挑戰的概念。

Zohar & Nemet (2002) 研究結果顯示將論證教學能增強學生科學知識和論證的表 現，提升論證品質，同時學生能將相關背景所學的推理能力應用至日常生活中解決問 題。除此，許多研究都指出論證有助於科學學習可以幫助概念理解(Duschl & Osborne, 2002；Kuhn, 1992；Osborne, Erduran, Simon, & Monk, 2001；Osborne, 2006) 、發展科學 探究能力 (Driver , et al., 2000) 、了解科學的知識論（Driver, et al., 2000； Jimenez Aleixandre, Rodrignez, & Duschl, 2000）、促進批判思考與科學思考能力的發展 (Kuhn, 1992) 。然而論證還是很難在課堂上看到，Newton等人 (1999) 認為課堂中沒有論證的 原因是教師沒有看到學生討論的價值以及課程進度的壓力，對學生而言亦同，學生不了 解論證的價值，常會猜老師想要的答案是什麼?而沒有真正理解並建構知識。 所以本研究於數位論證學習課程開始前先進行前置訓練，使學生了解論證要素的定 義以及完善的論證具備之特徵，課程中經由電腦寫作的方式以舊經驗進行論證，論證問 題配合真實生活中的問題情境，並請學習者設計實驗來證明其宣稱，預測實驗結果，觀 察後再解釋是否與假設相同。 三、論證的評鑑 Clark、Sampson 和 Erkens (2007b) 把測量學習者在線上論證環境中互動的分析架構 大致分為五種。1.正規的論證架構 2.概念的品質 3.對話的本質與功能之貢獻 4.認識觀本 質的推理 5.論證順序跟互動的模式。目前研究多集中在第一種及第二種。學生在論證過 程中科學推理、論證能力是否有進步為關鍵，論證的歷程與結構是評論論證品質的重要 依據。根據Toulmin (1958；2003) 的論證能力指標:從事實得到宣稱(C)、可以提出依據 (W)、支持(B)、限制(Q)並排除反駁(R)，Osborne 等人 (2004) 把論證進一步分成五個等 級，簡述如下: 1.第一級:論證只有簡單的宣稱(C)對反對的宣稱(C)或宣稱(C)對宣稱(C)的論點。 2.第二級:論證包含事實(D)或依據(W)或支持(B)的宣稱(C)，但沒有任何的反駁(R)。 3.第三級:論證有一系列包含事實(D)或依據(W)或支持(B)的宣稱(C)或反對的宣稱 (C)，可能有微弱的反駁(R)。 4.第四級:論證有宣稱(C)及明確的反駁(R)，這樣的論證可能有多個(但非必要地)宣

稱(C)或反對的宣稱(C)。 5.第五級:論證中不只一個反駁(R)延伸論點。 Means與Voss (1996) 評估項目的合理性有兩個標準，對支持證據的接受度及其延伸支持 結論的關聯性提出下列標準評斷: 1.是否可以產生自己的論點。 2.論點是否有力，既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)。 Sadler 與 Fowler (2006) 也提出了論證品質的評量表，把論證分成零到四級，分別 是: 1.第零級: 沒有辯解。例如: 是啊，我是這麼想。 2.第一級: 沒有根據的辯解。例如: 如果他們可以停止病痛，他們當然可以治療疾 病。 3.第二級: 有簡單根據的辯解。例如: 我認為再生的複製是錯的，因為那不是天意。 如果上天希望你有小孩 你應該有小孩，那你就可能擁有一個小孩。但是如果你 不應該有小孩，我想你不應該竄改它。 4.第三級: 有精緻的辯解。例如: 基因改變智力可能發展成許多狀況。像是有貧富 的狀況，他們不ㄧ定可以負擔改變智力的過程，如此將會產生社會問題，我想可 能干涉太多了。 5.第四級: 有精緻的辯解及反面的論點。例如: 我認為基因治療應該謹慎地實行， 因為它有精密的差異性，就像大家現在即使備分了基因，但需要時它不ㄧ定可以 提供我們需要的任何複製品。但雖然如此，它還是有好處的。如果沒有其他的治 療方法時，基因治療也不失ㄧ個方法。但我想除非真的沒辦法了，否則盡量不要 動到某人的基因。 理由越多不絕對是越好的論證，但較多可接受的理由的考量是較有利的，因此 Mason 與 Scirica (2006) 根據先前的研究(Means & Voss, 1996；Zohar & Nement, 2002) 綜 合評估根據理由的數目與內容給予分數，其給分標準與分級制度相似，詳述如下: 1.零分:沒有論點，沒有提供辯護。例如:我不同意他，他錯了。 2.一分:論點是正確的，但沒有相關辯護。例如:我覺得基因改良食品很好，應該 要上市。 3.二分:有正確的論點，但沒有完全正確的理由支持。例如:地球暖化不是因為人 類的活動，在1000 年到 1500 年間溫度也曾上升。 4.三分:有正確的論點及一個正確的理由。例如:我認為基因改良食品很好，因為 它有機、抗蟲、易生長且易栽種。 5.四分:有根據的論點及兩個或以上的正確理由。例如: 我認為無法明確地證明基 因改良食品是有害的，我不認為它幫助開發中國家是因為窮，是因為自然資源的

分配不當而非農業不發達。例如巴西在農產品輸出上全球第三，然而卻有18%的 人口營養不良。因此這不是食物短缺的問題，而是跨國公司把窮國當奴隸，因為 他們懂得如何生產新的有機品。 Mason 與 Scirica (2006) 評斷學生論點的品質有三個主要的因素:第一有辯護支持的 論點較簡單的主張佳，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。

Clark 與 Sampson (2007a) 的研究中更把溝通性論證的品質分成零到六級。 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宣稱 (C)

根據 Osborne 等人 (2004) 、Sadler 與 Fowler (2006) 、Mason 與 Scirica (2006 )以及 Clark 與 Sampson (2007a) 的研究整理論證品質的評鑑標準，請見表 2-2-2:

表 2-2-2 論證品質評鑑標準表 Osborne & Erduran

& Simon (2004) Sadler & Fowler (2006) Mason & Scirica (2006)

Clark & Sampson (2007a) 0 沒 有 辯 解。 0 沒 有 論 點，沒有 提 供 辯 護。 0 沒有反對的 1 論證只有簡單的 宣 稱(C) 對 反 對 的 宣 稱(C) 或 宣 稱(C)對宣稱(C) 的論點 1 沒 有 根 據 的辯解。 1 論點是正 確的，但 沒有相關 辯護 1 論證有簡單且有 理 由(grounds) 的 宣稱(C)但無反駁 (R) 2 論 證 包 含 事 實 (D)或依據(W)或 支 持(B) 的 宣 稱 (C)，但沒有任何 的反駁(R) 2 有 簡 單 根 據 的 辯 解。 2 有正確的 論點，但 沒有完全 正確的理 由支持 2 論證有理由的宣 稱(C)或反面的宣 稱(C)但沒有反駁 (R) 3 : 論 證 有 一 系 列 包 含 事 實(D) 或 依據(W)或支持 (B)的宣稱(C)或 反 對 的 宣 稱 (C)，可能有微弱 的反駁(R) 3 有 精 緻 的 辯解。 3 有正確的 論點及一 個正確的 理由 3 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 4 論 證 有 宣 稱 (C) 及 明 確 的 反 駁 (R)，這樣的論證 可 能 有 多 個( 但 非 必 要 地) 宣 稱 (C) 或 反 對 的 宣 稱(C) 4 有 精 緻 的 辯 解 及 反 面 的 論 點。 4 有根據的 論點及兩 個或以上 的正確理 由 4 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) 等 級 5 論證中不只一個 反 駁(R) 延 伸 論 點 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 宣稱(C)

由表2-2-2可以看到，評鑑論證本質時多數研究者根據正規的論證架構結合概念的品 質並考量提出的次數與完整性來做評斷。大體而言，包含反駁的論點的層次最高，有根 據(可能是依據或支持)的論點的層次次高，僅有宣稱(C)的論點的層次最低。

除了以論證架構的成分予與等級之分，有一部分的研究是以論證模式 (Toulmin’s argument pattern, TAP)來評量論證的品質。在 Simon 等人在 2006 年的研究，以教師為研 究對象分析其論證模式(TAP ，Toulmin’s Argument Pattern)的要素 CD、CW、CDW、 CDR、CWR、CDWB、CDWR 來做分類評量，發現經過一段時間的練習後，其 TAP 越 來越複雜，例如從CD(宣稱-事實)轉換到 CDWB(宣稱-事實-依據-支持)。 相較於Toulmin以依賴事實(D)、依據(W)和支持(B)而為宣稱(C)作正確辯護(Justify) 的論證，Lawson的假設-預測性(hypothetico-predictive)論證研究是以多個解釋的假設-預 測性為基礎，不只對假設進行檢驗，同時也討論幾種另有觀點。因此，Lawson的模式從 推論的正確性與否出發，強調對假設的解釋進行檢驗評估、預測與檢驗結果是否符合以 及結論是否具有說服力等方面，來評估科學論證的品質。在Kuhn與Udell (2003) 的研究 中將論證概念的品質分成三種階層。最低階是「無辨護的論點(nonjustificatory arguments)」，其只有很弱甚至沒有論證的力量。其次是「無功能的論點(nonfunctional arguments)」，這種層次偏重在離題的部份而未討論到核心概念。最高層次是「功能性 論點(functional arguments)」可以討論核心的問題。Zohar與Nemet (2002) 的基因主題論 證研究從討論議題中，學生寫作論證內的辯護理由數目、論證結構與教室對話中，學生 作結論的詳盡與否來評估學生論證品質的好壞，他們認為缺少理由或不正確的回答都不 能算是論證，因此在資料分析上不予計分。好的論證須具備正確、可靠的科學概念和多 個令人信服的理由來支持結論，同時亦能提出另有論證和反駁。Kuhn (1991) 認為周延 的論證，至少須包含三個部份:第一是宣稱的陳述，指一個人對某件事物所持的信念或猜 測；第二是相關的證據，可以用來支持宣稱是否成立的客觀實證資料；第三是相關的解 釋，是一種推理的過程，目的在於說明宣稱與證據之間的因果關係。溝通性論證著重個 體與或團體間企圖說服他人接受且正確的另有概念之互動。學生的對話討論內容若只有 提出理由和證據是不夠的，它必須能夠藉由駁斥他人的觀點來推論思考自己宣稱的合理 性，透過反駁、重新思考、整合、提出新論點等的交叉互動歷程達到理性論證的縝密性。 一個宣稱的確立必須仰賴證據與解釋的力量，兩者缺一不可。 因此本研究將從三個角度來評鑑論證內容，首先考量論證內容的概念正確性，以了 解學習者在論證活動中概念的學習情形與提出論點的說服力。再分析正確使用論證要素 的次數與完整性來了解學習者對於論證的認知是否正確且完整，以進行論證品質的評 斷。最後從提出論證要素的頻率檢視學習者在一學期論證活動中，論證本質是否有成長。

第三節 網路科學學習

一、網路學習 科技在教育上的應用隨著時間的前進，科技的進步而有不同的貢獻，藉由新的媒體 提供不同於以往的學習環境。新科技引入教育後，對於教學的型態、學習者的角色、學

習方式以及學習內容有重大的影響，也改變了傳統的教學與學習型態。Quintana (1996) 認為新科技應用在教育上將會使學習模式產生的重大改變包括：從教室講課變成網路教 育資源(多媒體及全球資訊網)、學生由教育的被動接受者轉變成主動學習者、從個人學 習轉變成小組學習及團體討論與從同質而穩定的教育內容轉變成快速變更的內容且以 不同的型態呈現四點。林奇賢 (1998) 亦指出網路學習環境與傳統教學情境相比具有八 項嶄新的特質： 1.破除學習時空籓籬：學習者可在任何時間、地點進入學習環境。 2.多元化學習資源：網路學習資源具有文字、圖形、聲音、影像及動畫等型態，藉 由資訊精緻化與組織化等方式來增強使用者的長期記憶。 3.互動式學習：藉由網路同步與非同步式的溝通工具來人際互動，以及網路教材編 輯工具提供學習者高互動性的教材。 4.個別化學習：網路學習環境採用學習者控制的設計，可因應學習者提供個別化的 學習路徑、進度、方法、記錄及最適當的教材。 5.建構主義學習：網路學習環境鼓勵學習者主動參與學習並達成自我學習目標，並 強調學習者主導的「內在控制」。 6.家長參與：家長可以藉由網路學習環境來瞭解孩童的學習情形並陪孩童一起進行 學習活動。 7.教師角色轉變：教師必須由消極講述的教學方式，轉變為學習過程中的輔導者、 伙伴和學習資源提供者。 8.科際整合：超媒體資料處理方式靈活，在教學策略與課程設計上可以依據學習目 標來規劃，打破科際間的限制。 由上述可知，運用科技來支援探究教學特別有效，然而科技不是學習的焦點，它提 供一個基本媒介得到學習目的 (Owens, 2002) 。從知識建構的角度而言，其所強調的正 是主體主動學習的過程。不過必須提醒的一點是，既然網路有如此多的優點，那是不是 教師的角色就不重要了呢?答案是否定的。網路教學的這些功用並不代表教師可以把學 習的責任都丟給學生與科技。任何運用科技輔科學學習的過程中，老師在幫助學生學習 探究上，扮演了重要的角色，特別是引導性及鷹架性的角色。 二、科學網路學習 網路與多媒體所具備的功能為科學學習認知一個多元化的、動態的、問題導向的學 習環境。許多研究顯示，科學概念難以理解往往因為微觀或抽象，而在She 一系列運用 網路化的多媒體課程內容於學生理化科學習，均顯示有助於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, 2004, 2005, 2006；游文楓、 佘曉清，2006；She & Liao, 2007；She & Lee ,in press) 。

美國將各科學學科與科技整合於課程中讓學生學習到完整的科學知識，發展科學數 學全球資訊網路線上即時課程，其中網路線上即時性科學探究活動(WWW on-line Inquiry)最大的特色有下列六點 (佘曉清，1997) :

1. 課程內容是最新的:例如有些探究活動正關於天氣或地震，此種資料每秒鐘都在 變化。

2. 課程內容是來自第一手資料:很多資料直接來自美國太空總署，氣象局或其它單 位 3. 資料非常完整:全球網路資料非常豐富，學生可收集到各種不同地方來源的資料 或不同看法的資訊。 4. 資料是以多重模式方式呈現:資料可以是錄影帶、錄音帶、文字、動畫等。 5. 學生可以在網路上發表。 6. 學生可以在網路上彼此合作分享資料看法 針對在網路上的科學探究活動，Linn、Clark 和 Slotta (2003) 更建立一個以網路為 基礎的科學探究學習平台WISE(Web-based Inquiry Science Evironment)提供學生進行網 路科學探究活動，其內容包括調查、辯論、評論、設計等類型的研究主題，學生可以自 由選擇有興趣的主題進行探究學習活動，過程中透過研究資訊的閱讀、提示、筆記、問 答、視覺化的網路工具與網路討論等方式，進行主題探究的活動。WISE 結合了網路素 材、建立溝通管道、提升知識的整合並增加學生合作機會以及引起學生的學習動機。在 Nicolaou、Nicolaidou 與 Zacharia (2007) 的研究中，利用電腦為基礎的研究室進行「相 轉變」探究教學，結果顯示學生在概念建構的能力、對圖片的了解以及對相轉變概念的 了解均有顯著提升。 除了科學探究活動以外，亦有研究利用網路的特性結合論證來輔助學習。在 Hirsch、Saeedi、Cornillon 和 Litosseliti (2004) 的研究中根據 Quignard (2002) 設計一個 「網路輔助合作論證(Computer-Supported Collaborative Argumentation ，CSCA)」環境， 稱為「論證學習體驗(Argumentative Learning Experience ，ALEX)」。

此系統共分四區:選擇區、編輯區、回饋區以及完成區，其功能分述如下。 1. 選擇區:在頁面的上方，共有四種類別-基本陳述、探究、問題、對話，每個種類 有不同的範本，使用者可依自已的需求選擇適合的範本。 2. 編輯區:在頁面中間的左邊，使用者必需選擇要回應的句子編號，然後根據範本 填入文字，表達自已的想法，最後送出到完成區。 3. 回饋區:在頁面中間的右邊，此部分共分兩區，有公共區與個人區，公共區為所 有使用者都會接收到一樣訊息的部分，個人區則針對個人發言回饋。 4. 完成區:在頁面的最下方，提出宣稱和辯論的地方。編輯區送出後既會到此區， 每個句子會有編號以方便回應以及發言者的姓名。

詳見圖 2-4-1。並參考 Corbel (2002) 的「對話推理教學網站(Dialogical Reasoning Educational Web tool，DREW)」設計自動圖示分析系統，可以繪出論點的支持與反對， 如圖 2-4-2。

圖 2-4-1 ALEX 論證學習體驗頁面 (Hirsch, Saeedi, & CornillonLitosseliti ,2004) 選擇區 編 輯 區 回 饋 區 完成區

圖 2-4-2 DREW 頁面

本研究參考此系統設計了「科學論證數位學習研究(Research of On-Line Scientific

Argumentation )」，學生可利用此系統以ALEX 的方式進行論證課程，所有發言紀錄將以 DREW 輸出分析，詳述請見第三章。

第四節 小結

科學學習的目標不再僅止於科學知識與科學概念的記憶，更在於強調科學本質的認 識與問題解決能力的養成，其不單只在於訓練學生形式邏輯與推理的能力，更重要的是 培育學生如何利用這些高層次思考能力來解決問題。綜觀上述可知科學論證強調: 1. 根據已知的概念或證據來解釋未知的現象。 2. 經由與他人的討論來建構新的概念。 極具建構主義精神，與科學知識的形成過程相符。根據先前論述論證可以幫助學生

概念改變，使學生能更深入地將自己的概念參與在活動中，而論證是一種「解釋推理的

過程」，論證的架構其實就是在描述「推理的過程」，因此推理對於論證的建構過程以及

論證的評量具有重要的地位。在進行論證活動時學生須具備對論證架構的各要素的了解 和好論證的特徵才能有好的論證，且現線上論證系統較面對面的論證有更好的論證品質 並強調實做科學(doing science)的重要性(Nussbaum & Sinatra, 2003；Shaw, 1996；Zohar & Nemet, 2002；Jimenez-Aleixandre et al, 2000；Clark & Sampson, 2007a) 。

因此本研究將以論證課程為基礎，並利用數位系統來進行教學研究，希望了解學生 如何針對科學概念與實驗提出宣稱、如何使用理論原則為宣稱進行辯護、如何提出證據 或理由駁斥小組成員的看法以及如何改變小組成員的觀點。過程中以學生課程前後回答 問題的概念來了解學生概念建構的情形，再從論證內容提出論證要素的正確次數與完整 次數進而分析學習者經過一學期的數位論證學習課程中論證的品質是否有成長，同時從 參與論證的次數與論證要素提出頻率了解學習者的論證本質是否有成長。另設計理化二 階層概念測驗、主題相依論證能力測驗與科學推理測驗以評量學習者在數位論證學習課 程與傳統教學課程中，科學概念、論證能力與推理能力是否有差異。

第三章 研究方法

第一節 研究對象

本研究是以新竹市某國中二年級的四個班級學生為對象，學生人數共150人，該國 中為常態編班。將學生分為兩組，包括實驗組與對照組各兩個班，其中前者採用數位論 證學習課程，後者則為傳統講述式教學。實驗組於電腦教室利用網路進行數位論證學 習、於實驗室中分組進行實驗，共74人；而對照組採用傳統教學模式在教室中講述式教 學、於實驗室中分組進行實驗，共76人。如表3-1-1。 表 3-1-1 教學模式與人數整理表 組別 項目 實驗組 對照組 教室 數位論證學習課程 傳統講述教學 教 學 模 式 實驗室 分組實驗 食譜式實驗 人數 74人 76人 由於本研究於九十五年度二年級下學期進行研究，因此為了確保實驗組與對照組學 生在自然與生活科技學業成績上無顯著性差異，研究者蒐集這兩組學生在九十五年度上 學期自然與生活科技的學期總成績(包含三次段考成績及平時成績)進行獨立樣本T考驗 的統計分析，分析結果如表3-1-2。其中新增一位轉學生，缺少上學期自然與生活科技學 業成績資料，因此實驗組實際進行課程為74人。 表3-1-2實驗組與對照組學生自然與生活科技學業成績差異檢定摘要表 實驗組 對照組 項目 平均數 標準差 平均數 標準差 t值 成績 71.63 18.60 71.18 18.79 .150 註:N=149

第二節 研究設計

依據本研究之研究目的與參考相關文獻，研究者採實驗研究法之準實驗設計。本研 究問題是探討不同教學模式學生在理化二階層概念、主題相依論證能力、科學推理能力 上的差異。自變項為教學模式(實驗組－數位論證學習課程、對照組－傳統教學課程)， 依變項為理化二階層概念測驗、主題相依論證能力測驗、科學推理測驗。此外，針對實 驗組學生在論證本質與品質以及科學概念建構的成長進行分析，研究架構如圖3-2-1。

圖 3-2-1 研究架構圖 一、自變項 自變項為教學模式，實驗組採用數位論證學習課程，而對照組則是採用傳統教學課 程。 二、依變項 依變項為「理化二階層概念測驗」、「主題相依論證能力測驗」及「科學推理測 驗」。

第三節 研究流程

本研究流程分為三階段，依序為研究準備、論證教學及資料分析。分述如下： 第一階段：首先確立研究目的與問題並蒐集相關文獻。設計測驗工具並確立信效度，以 論證理論為基礎設計網路論證課程。 第二階段：論證教學階段，針對不同教學模式進行教學前、後各項測驗。教學過程中， 實驗組學生藉由網路進行一學期的論證課程；對照組則是進行傳統教學。 第三階段：對研究期間所蒐集到的所有資料進行彙整分析與結論報告。 研究流程如圖3-3-1: 教學模式 學習活動 數位論證學習課程 (實驗組) 傳統教學課程 (對照組) 科學推理測驗 主題相依論證能力測驗 理化二階層概念測驗 科學概念建構-實驗組 論證品質-實驗組 論證本質-實驗組

階段流程 工作細項 研究準備 1.確立研究方向。 2.蒐集相關文獻。 3.形成研究問題、確定研究設計。 4.教學內容設計。 5.研究工具設計。 論證教學 實驗組教學前置訓練 1.論證能力的基礎訓練。 2.論證網站操作訓練 正式課程 1.教學前測驗 （理化二階層概念測驗、主題相依論證能力測驗、科學推理測驗） 2.實際教學（實驗組進行數位論證課程，蒐集數位個人概念問題與論證 內容紀錄，對照組則進行傳統教學。） 3.教學後測（單元教學後一週內進行理化二階層概念測驗，主題相依論 證能力測驗、科學推理測驗於學期末全部課程結束後進行後測） 資料分析 1.資料彙整、分析。 2.結果討論、撰寫研究報告。 圖 3-3-1 研究流程圖

第四節 研究工具

本研究運用的研究工具有數位論證學習網、理化二階層概念測驗、主題相依論證能 力測驗、科學推理測驗，將於下面篇幅逐一說明。 一、數位論證學習網 為配合數位論證學習課程之概念建構教學，研究者參考Hirsch、Saeedi、Cornillon 和Litosseliti (2004) 的「論證學習體驗(Argumentative Learning Experience ，ALEX)」建 置了「數位論證學習網」。此學習網是以論證理論為依據設計的概念建構學習課程，設 計一系列的問題與論證討論。學習者在學習活動進行時透過網際網路連線至本學習網， 進行概念建構學習活動。

此 學 習 網 建 製 於 「 科 學 論 證 數 位 學 習 研 究(Research of On-Line Scientific Argumentation )」的伺服器下，Web Server 是使用Apache Serv，主要程式是使用PHP 語 言所撰寫的，再配合MySQL資料庫作為資料儲存系統。網頁內容的動畫及互動模擬道具 等功能是以Flash MX 2004及MAYA 程式所製作而成的。網站系統建製完成後，先找數 理資優社團的學生進行實驗教學，以測試系統速度與穩定性並找出相關缺失進行修正。

同時針對網站學習內容，由兩位資深國中理化教師與一位科學教育專家進行校對並給予 建議，以求教學內容之正確性。 學習網各項功能簡介如下： 1.學習網站登入首頁：學習者進入「科學論證數位學習研究」網站時，首先需 輸入個人帳號、密碼，以登入資料庫系統，記錄學習者的學習狀況。網站課程包含學生 課程與教師課程兩部分，學習者進入學生課程後必需根據課程學科點選化學或物理進入 學習單元。學習網站登入畫面請參考圖3-4-1。 圖 3-4-1 學習網站登入畫面 2. 學習事件：當學習者開始進行學習時，即進入網路論證學習的一連串學習事件中。學 習者必須依照畫面呈現的進度一一進行概念問題及論證學習活動。如圖3-4-2及圖 3-4-3。

圖 3-4-2 概念問題頁面 圖 3-4-3 論證學習頁面 3. 論證頁面:論證頁面分成三部分:題目、討論區、輸入區。頁面上面部分列出討論 題目，中間部分為小組討論區，呈現小組成員發言的記錄。頁面底部為個人輸 入區，輸入區上方是論證要素的定義，學習者必需根據定義判斷其發言的類型， 選擇要素種類（如圖3-4-4）再選擇範本(如圖 3-4-5)，或選擇自由輸入，系統就

會出現範本(如圖 3-4-6)，學生僅需填入空格後即可送出(如圖 3-4-7)，送出後發 言後(如圖 3-4-8)即會呈現在同組成員的討論區中(如圖 3-4-9)。論證要素範本是 根據Toulmin (1958；2003)的論證架構分類成:事實(D)、宣稱(C)、依據(W)、支 持(B)、反駁(R)，編製時經由三位國中自然與生活科技領域教師與一位科學教育 專家檢驗(詳見附錄一)。 圖 3-4-4 選擇論證要素頁面 圖 3-4-5 選擇論證要素範本頁面

圖 3-4-6 論證要素範本填入頁面

圖 3-4-8 發言輸出頁面 圖 3-4-9 小組論證輸出頁面 二、理化二階層概念測驗 本研究目的之一是探討經由不同的教學模式，國二學生在二年級下學期學習科學概 念上是否有顯著差異存在。由研究者依據課程內容編製相關的認知部分測驗進行紙本測 驗，測驗時間為四十五分鐘。題目共三十五題，共有七個主題，每一主題各有五題。各

題內容為二階選擇題型式，受測者在作答每一題時，必需先選擇第一階段答案的選項， 然後在第二階段選擇其理由的選項。範例如下: 第一階段:欲點燃同質量的煤塊或煤粉，哪一個較容易? (A) 煤粉容易 (B) 煤塊容易 (C) 一樣容易 (D) 不一定 第二階段:你的理由是? (A) 因為都是煤，有效碰撞一樣。 (B) 煤粉總表面積比較大，產生有效碰撞的機會較大。 (C) 煤粉濃度比較高，單位體積中所含粒子較多，所以易產生有效碰撞。 (D) 煤塊與空氣接觸面積較大，易產生有效碰撞。 計分方式必須兩階段都答對才給予一分，總分共三十五分。測驗編製時經由兩位 國中自然與生活科技領域教師與一位科學教育專家共同檢驗，以求其專家效度。為求構 念效度(construct vality)，則取二年級上學期自然與生活科技成績全班前 33%為高分組， 全班後33%為低分組，以前測成績進行檢定，結果顯示 alpha 值為 0.000，達顯著水準， 由此可之此份測驗構念效度達理想範圍。另經由施測學校四個班級於教學、後施測，其 整體試卷的前、後信度alpha 值分別為 0.86、0.92，由此可知此份測驗度達理想範圍(詳 見附錄二)。 三、主題相依能力論證測驗 本研究目的之二是探討經由不同的教學模式，國二學生在二年級下學期學習主題相 依論證能力上是否有顯著差異存在。Sadler 與 Fowler (2006)在門檻模式理論(Threshold Model of Content Knowledge Transfer) 提出學科知識會影響論證能力，因此本測驗除了 測驗學生對論證要素的認知外亦強調知識內容的正確性。研究者依據數位論證學習課程 內容編製成五個主題的相關測驗題目進行紙本測驗，測驗時間為三十分鐘，每一主題各 有五題共設計了二十五題，且各題內容採兩階段選擇題型式。每個主題均包含十個敘 述，受試者在作答每一題時，第一階段必需根據題目要求選擇出正確的論證要素且科學 概念正確的選項，然後在第二階段選擇何以該敘述為事實(D)、宣稱(C)、依據(W)、支 持(B)或反駁(R)的理由。範例如下: 老師拿出一團鋼絲絨，放在室溫下，數天後，看到此鋼絲絨變成紅褐色。此時，再拿出另一團鋼 絲絨點火，迅速起火燃燒，燃燒後剩下一堆的紅褐色的粉末。 A:我看到老師加熱一下子鋼絲絨就燒起來了。 B:我看到靜置數天的鋼絲絨還是有著金屬光澤。 C:因為鋼絲絨起火燃燒後變成紅褐色粉末，而另一個則靜置室溫數天後 變紅褐色，所以我認為兩者的產物應該不一樣。