以科學遊戲增進學生問題解決能力之行動研究

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(1)第一章. 緒論. 本章最主要的目的在於說明本研究的問題背景、研究動機、研究目的與研究問題、名詞詮釋、研究限制等，以下將分節敘述之。. 第一節問題背景與研究動機壹、問題背景現今科技與教育的蓬勃發展中，「問題解決」是科學教育研究中相當重視的領域課題之一。「問題解決」的研究中不但提供我們許多有關科學學習、科學教育理念的重要訊息，同時更可藉以改進教學的策略和模式。近年來國內外許多課程的改革風潮中，都強調培養學生問題解決的能力，例如美國科學促進會（American Association for the Advancement of Science）提出2061計畫 (Project 2061)的科學素養標準(Benchmarks for Science Literacy)皆把問題解決當作重要的教育目標之一（AAAS, 1993）。而美國國家研究委員會（National Research Council）的國家科學教育標準（National science education standard）也提出學生需從經驗中去學習，設法找到最佳的方法，運用科學的技能來解決所有的問題（NRC, 1996）。經濟合作與發展組織（Organization for Economic Co-operation and Development）2003年第二次策劃的國際學生能力評估計劃（Programme for International Student Assessment, PISA），特別加入了對「問題解決能力」的測驗，代表「問題解決能力」對於現代的學生教育的養成有其重要性（OECD, 2003）。可見，問題解決與能力的訓練一直是現代教育推崇的方向。洪文東（2003）指出，科學教育的目的走向培養解決問題的人，即強調教育. 1.

(2) 的目的主要在訓練學生如何思考問題，運用所學得知識以解決問題，學生的學習過程其實可說是一種解決問題的思考歷程。為了培育學生成為一個獨立思考及解決問題者，必須重視教學的設計和課程的引導；但是，若想要瞭解學生的問題解決能力，則須設計相關的研究，發展解決問題的教學課程，才能對學生的解決問題能力與特質有初步的了解，深入探討解決問題的教學設計是否符合學生的特性，並有效增進其能力。世界上許多國家也都特別將問題解決能力列為各國教育政策或目標。例如，澳洲近年來的教改政策，在培養學生需要七種「關鍵能力」（key competency）中，特別將解決問題及運用科技創造的能力羅列其中（王英明，1997）。又紐西蘭在1994年發展的國家級科技教育課程中，解決問題能力也列為學生技能學習的範圍（王鼎銘，1998）。美國德拉威洲於1990年公佈四到六年級的課程，將培養批判思考、解決問題和溝通技巧列為目標之一（蔡錫濤、蔣秋萍，1998）。而我國教育部在九年一貫課程「自然與生活科技」的課程綱要中也明確指出，教學的目的在培養學生「了解自我，發展潛能」、「主動探索研究」、「獨立思考與解決問題」等能力（教育部，2001）。由此可見，科學教育的最主要任務，除了知識的傳遞與認知、技能的教學之外，如何培育學生問題解決能力，也是學校教育工作者應努力的目標。為了適應資訊發達、生活日新月異的時代，人們不得不培養屬於自己本身的獨特的學習能力。近二十年來，「問題解決能力」一直是教育界強調的學習方針，而「問題解決能力」之培養可仰賴各種教學方式，如「合作學習」、「寫報告、記事」、「科學創造力活動」及「科學遊戲」融入教學等教學方式來培養學生的「問題解決能力」，不管是何種教學方式，都要符合教育部九年一貫課程的綱要和目標。. 2.

(3) 貳、研究動機根據以上之問題背景，以及研究者本身目前正在台中教育大學科學應用與推廣學系碩士班進修，且在學校所擔任教學的是自然與生活科技課程，因此，對這樣的主題產生濃厚的興趣，因此為了促進學生的更強烈的學習動機和注入多元的學習方式，促使研究者針對該主題的關注與重視，進而希望進行研究與探討。本研究的研究動機分述如下：一、九年一貫課程的推動的教育理念民國八十二年國小自然科新課程標準，曾明確指出「要能夠養成兒童主動探索自然現象及周圍事物，養成隨時發現問題、探究問題及自行解決問題的能力」 (教育部，1993)。而隨後發展的九年一貫課程「自然與科技」課程綱要中，明白的指出教學目的在於培養學生「主動探索研究」、「獨立思考與解決問題」等能力（教育部，2003a）。因此，培養兒童面對未來的問題、主動思考、解決問題的能力是刻不容緩的事情。學習科學讓我們學會如何去進行探究活動；學會觀察、詢問、規劃、實驗、歸納、研判，也培養出批判、創造等各種能力。特別是以實驗或實地觀察的方式去進行學習，使我們獲得處理事務、解決問題的能力，也了解到探究過程中，細心、耐心與確實的重要性。而教育部（2003a）九年一貫課程綱要自然與生活科技領域基本理念中提到透過科學與技術的進步，人類善用機具、材料、方法、知識和創意等資源，增強人類解決問題的能力。故爾，人類必需透過學習和教育，教育孩子們善用各種科學和技術，改善和便利未來的生活。二、相關科學創意活動及科學競賽每年各國中小教師和學生積極參與各縣市所舉辦的「中小學科學展覽」競賽，爲的就是讓學生在上課之餘，也能培養探索和主動學習的精神，運用在科學展覽競賽上，期望每年都能夠在台灣科學教育館舉辦的「全國中小學科學展覽」. 3.

(4) 有更好表現。除此之外，尚有很多類似的科學競賽活動，如遠哲科學教育基金會主辦的「科學趣味競賽」，以及「國際數理奧林匹亞競賽」等等，都是多樣性、富有創造力、趣味性與教育意義的比賽，來刺激學生對科學學習興趣的啟發（林堂麗，2003）。三、培養問題解決能力是現代教育的重大課題把「問題解決能力」當成教學的重要目標是近二十年教育界的趨勢。由於現代資訊傳輸發達、生活情境變遷迅速，使得以往注重「穩實的知識與技能的習得」的教育，增加了「終生學習的能力及習慣」及「問題解決能力」之養成（黃茂在、陳文典，2004）。這些改變都顯示出人們在面對生活環境變遷後的迫切需求。四、科學遊戲可引起學生的學習動機科學遊戲要能夠讓學生自由自在的學習和探索，不受任何拘束，完全發揮學生的潛能。所以，進行科學遊戲時教學者必須多傾聽，小朋友可以在自由討論、溝通與合作的情境中進行。亦即教學進行時，教師是引導者與協助者，小朋友可以用自己的方式進行小組規範，合作達成教學目標（林堂麗，2003）。小朋友有充分的發揮空間，即能引起學習動機，主動的探索和進行科學遊戲，期望能達到研究的目標。所以，現代的教育想要培養學生「問題解決的能力」，最有效、最實在的方法就是讓學生有更多嘗試的機會，多磨練所要做的事情，從做中學才能自行去解決問題。. 第二節研究目的與問題本研究最主要目的是想要探討如何設計和實施科學遊戲來增進學生問題解決能力，並深入瞭解科學遊戲設計和教學的過程所遭遇到的困難與解決方式，以及反思研究者歷程中的專業成長，預計所要達成的研究問題有以下四點：. 4.

(5) 一、探討如何設計科學遊戲以增進學生問題解決能力？二、探討科學遊戲實施後的成效，學生問題解決能力是否有增進？三、探討教學過程所遭遇到的困難與解決方式為何？四、整個研究過程中，教師的專業成長為何？. 第三節名詞詮釋壹、科學遊戲本研究之科學遊戲（science game）參考坊間各家出版社及相關研究論文有關科學遊戲所設計的內容，由研究者自行設計和改編的教學活動及教材，引導學生在製作過程中學到科學技能和科學原理，在製作過程和競賽中培養學生思考和解決問題的能力。本研究之科學遊戲界定包含以下之內容：一、科學遊戲需包含動手做的設計過程。二、科學遊戲的過程中需融合遊戲規則和競賽的機制。三、科學遊戲必須蘊含科學原理和知識。. 貳、問題解決能力黃茂在和陳文典（2004）在「科學教育月刊」之問題解決能力一文中曾提及，一個人在遇到問題時，能自主的、主動的謀求解決，能有規劃、有條理、有方法、有步驟地處理問題，能適切地、合理地、有效地解決問題，此種能力為「問題解決的能力」（problem solving ability）。本研究所指的問題解決能力檢核項度是依據教育部（2003b）九年一貫課程綱要中與問題解決能力相關指標，並參考陳佩正所譯（2002）「成為更好的老師」一書中「解決問題的評分指標」修訂. 5.

(6) 而成。總而言之，本研究所指的「問題解決能力」就是讓學生在探索科學遊戲過程中，能自己發現問題、分析問題、有系統解決問題的學習歷程。. 參、教師專業成長許順欽（2003）指出，教師專業成長就是教師在教學中，積極並持續的進行教學活動，並經由反省、改進教學方法，以促進教師專業知識、態度、技能提升與成長的歷程。換句話說，本研究所指的教師專業成長（teacher professional growth）就是研究者在學習和研究的過程中，不斷的改進和增進自己內在和外在的知識技能，並透過主動探索、研究、蒐集和分析相關資料，累積舊經驗以提升專業能力和成長的歷程。. 肆、問題本位學習問題本位學習（problem-based learning, PBL）是指教學者對學習者提出與學習內容相關的真實世界問題作為學習的起點，引起學習動機，目的是促使學習者以自我導向的學習方式，其實施步驟包括為：佈題、界定問題、擬定問題解決所需的相關知能、問題的假設等，並進一步進行相關知能的學習與驗證，最後提出可行的解決方案或實施成果作為學習的結論。. 第四節研究限制根據本研究的屬性，以下分別從研究方法、研究教材與研究樣本來說明研究限制：. 6.

(7) 壹、研究方法的限制本研究係以行動研究的方式進行，需實施多次的課程教學和檢討改進，並針對所蒐集的資料進行質性的深入分析。由於研究情境有所限制，故本研究不宜做過多的類推，但仍可在研究結果中，探討科學遊戲教學研究和科學遊戲課程設計及修改的歷程，以因應不同情境，提供教師作為教學上的運用。. 貳、研究教材的限制本研究教材是參考許多研究者實施之科學遊戲為主，依實際情境不同而做部份內容的修改，並且蒐集科學遊戲相關資料及各大出版社出版的相關科學遊戲書籍或影音資料，以輔助課程不足部分。由於研究者任教之學校為非市區繁華之地，爲使大多數學生有更多的參與感，教材設計上需考慮學生易取得的材料或容易蒐集為考量方向。. 參、研究對象的限制本研究對象有所限制的因素實乃因為研究者本身為科任教師，只擔任自然與生活科技、綜合活動、健康與體育等領域教學，且在研究過程中，需蒐集文獻、錄影、訪談、學習單等資料，並作客觀的分析、研究結果檢證和科學遊戲課程修訂等，考量以上之因素，故本研究以立意取樣的方式，選取已擔任科任教學一年的班級，而且平日互動良好，作為研究的對象，爲配合教學進度，該班大部分進行研究的時間乃利用綜合活動上課時間來實施教學，所以研究取樣無法擴大到其它班級，只能以研究者的班級為考量。. 7.

(8) 肆、教學者的限制由於研究者本身為研究對象班級的科任教師，為了配合教學環境、尋求教學者不易、有效掌握研究時效等問題，所以研究者必須親自擔任教學者的角色，過程中定期或不定期與參與觀察教師開會討論，保持對學生公平、公正、客觀的教學心態，排除外務干擾及預設立場下進行教學及錄影，以求得研究結果的客觀性。. 伍、檢證者的限制研究者找尋同為研究所就讀的四位伙伴擔任本次研究的檢證者，但由於分處各地及時間上的限制，每個月只能利用一天的時間集合討論與檢證，而且每個人平時常有繁雜之事耽誤，不一定每個月都能全員到齊，所以無法全面性檢證研究者的所有研究資料。. 8.

(9) 第二章. 文獻探討. 本研究目的在以科學遊戲教學促進學生問題解決能力之研究，並探討在行動研究的過程中遭遇到困難問題該如何修正及改進，以尋求解決之道。於是將本章文獻探討內容的相關背景資料及理論分成：第一節－遊戲與科學遊戲，第二節－問題本位學習的理論與運用，第三節－科學遊戲教學與問題解決。. 第一節. 遊戲與科學遊戲. 壹、遊戲的定義、理論與特徵其實「遊戲」一詞出現由來已久，許多學者的意見也是相當分歧，在文獻中可以看出每位學者有不同角度的詮釋和看法，很難有一定的論調和共識。所以在整個教學實施前，必定要先對於遊戲了解其定義及理論的發展。因此，本小節先從遊戲的定義、理論、特徵來做探討彙整，並整理歷年來多位學者的遊戲理論和想法，分析研究遊戲教學該如何實施，以期能達到最大的成效。一、遊戲的定義遊戲總是在人類生活中扮演著重要的角色，其實早在大約西元前五百年至紀元五百年之間，諸如柏拉圖、亞里斯多德及西塞祿等多位哲學家，即強調遊戲對兒童成長的重要性。而近幾十年來，「兒童經由遊戲而學習」也一直被教育界奉為圭臬（楊文貴、吳桂芳、卓良芬、周佳信、姜貞竹、徐淳鈴、陳淑珠、陳靜萍、黃美嬌、劉雅鳳、鍾佩君譯，2003）。一個人從小到現在的成長過程，也與遊戲擺脫不了關係，諸如跳格子、玩沙包、辦家家酒、捉迷藏、打彈珠等，都是遊戲的一種，到底什麼才算是「遊戲」？定義為何？其實是眾說紛紜，沒有一定的共識，以下綜合學者主張的定義來做說明：. 9.

(10) Carol 在其著作中《Empowering children：Play-based curriculum for lifelong learning》提及學者 Garvey 對遊戲的看法為何，Garvey 認為要將遊戲定義為某種或某些特定的行為是不可能的事，她建議瞭解遊戲最好的辦法是，先界定什麼不是遊戲，「遊戲」和「非遊戲」之間的主要分別在於行為背後的動機（楊文貴等譯，2003）。所以遊戲是沒有外在目標的，而且在遊戲的過程中，過程比特定的目標或結果還重要，遊戲必須是遊戲者自由選擇的，而且必須是開放的、即興的、有趣的、富有意義的、爲遊戲而遊戲的。以下是綜合各個學者對遊戲的定義，歸納整理如下表 2-1-1：表 2-1-1 學者對遊戲的定義學者. 年代. 楊文貴. 1999. 林堂麗. 2003. 潘怡吟. 2001. Sutton-Smith Garvey. 1979 1977. Johnson. 1992. Carol. 1998. Piaget. 1962. 主張遊戲之定義認為兒童遊戲以微觀而言，除了遊戲歷程的本身，也就是兒童這個有機體的目的之外並無外加的任何目的，其本質是非工具性。遊戲能讓兒童表達自己，發現自己的問題，並促進自我實現的潛能。遊戲可以讓兒童去探索、學習並形成經驗，用來理解周圍事物，當作應付未來實際生活所做的預習。則認為遊戲是一種自願參加、無目標導向的活動。認為遊戲的特性是好玩的、無外在目標的、是自願參加的。提出遊戲是受有機體所導引的行為，但不是要獲得物體的相關訊息，而是因個體的需求及欲望才去遊戲。遊戲是指由兒童主動掌控的活動，對兒童而言，遊戲總是快樂的、充滿趣味的，以及富有意義的。認為遊戲是一種行為，該行為的目的是在獲得快樂，是一種無組織性的行為。. 資料來源：整理自蔡淑苓（1993）；楊文貴等譯（2003）；潘怡吟（2001）；林堂麗（2003）所以，綜合以上學者的主張與想法，研究者認為遊戲是一種很複雜的行為模式，它能激發思考智能，讓兒童能發自內心，自由且主動的探索生活中的經驗，. 10.

(11) 並在過程中獲得樂趣、抒發自我與開發潛能。潘怡吟（2001）認為遊戲的意義並不容易了解及接受，唯有將人類的智慧、思考及活動應用於遊戲中才能進一步地了解。倘若能在生活中融入遊戲之經驗，對於兒童的心智發展、學習行為一定會有更深刻的體驗，所以透過遊戲可以讓兒童認識真實的世界，在過程中培養兒童的認知發展。二、遊戲的理論遊戲和學習是很有關係的，人類甚至於動物的學習，本來就是藉著遊戲來進行，隨著人類的文明進步，遊戲發展出愈來愈多的變化，許多學者的理論也慢慢影響遊戲的發展。所以想要深入探討兒童遊戲，除了要先瞭解遊戲的定義外，對於遊戲的理論也要多加以著墨，從相關研究中顯示，有關遊戲的理論和遊戲在童年生活中所扮演的角色的論點，可以分成兩大類：第一類為古典理論；第二類為現代動力理論。Barnerd Gilmore 在 1966 年對此兩類的定義下了定論：古典理論在嘗試瞭解人們為何遊戲；現代動力理論則探究人們如何遊戲（引自楊文貴等譯，2003）。（一）古典理論從十七世紀到十九世紀末盛行的遊戲理論，如以下說明： 1.精力過剩論（surplus energy theory）：主張人因為工作之餘有剩餘的精力，所以用在遊戲上。所以，精力不是用在工作上，就是用在遊戲上。 2.娛樂放鬆論（relaxation theory）：認為遊戲是爲了製造工作所需要的精力，但是小孩子遊戲絕不是為了補充精力。因為，兒童和成人的生活不同，遊戲是兒童自然的生活表現（郭靜晃譯，1993）。 3.演練論（pre-exercise theory）：兒童之所以遊戲，是為了練習長大後要扮演的角色。如小孩子玩辦家家酒的遊戲，模仿許多角色的扮演，這樣的遊戲是爲了練習日後變成成人時生活的真實呈現。. 11.

(12) 4.複演論（recapitulation theory）：觀點恰巧與演練論背道而馳，認為兒童遊戲和原始人類的行為模式類似，遊戲內容呈現出人類種族進化的各階段。亦即Piaget（1962）所指出的，兒童在遊戲當中練習先人的活動，重演人類行為進化的過程，例如：玩水、追逐，重拾史前人類及遠祖之興趣和工作。（二）現代動力理論 1920 年代之後，現代動力理論取代了古典理論，主要包括：心理分析論、認知論及其它一些特定的理論（吳幸玲，2003；郭靜晃譯，2000）。表 2-1-2 就是這些理論以及它們在兒童發展上所扮演的角色。表 2-1-2 現代遊戲理論理論心理分析論佛洛依德（Freud）艾力克遜（Erikson）認知論皮亞傑（Piaget）維高斯基（Vygotsky）布魯納及桑頓-史密斯（Brunner/Sutton-Smith）其它特定理論其它特定理論柏藍（Berlyne）的警覺理論貝蒂生（Bateson）的系統理論. 遊戲在兒童發展的角色調節受挫經驗接觸內在的自我，以發展自我能力熟練並鞏固所學的技巧由區別意義與實物來提増想像思考在思考及行為上產生變通能力. 增加刺激使個體保持最佳警覺程度提升瞭解各層面意義的溝通能力. 資料來源：引自吳幸玲、郭靜晃譯（2003：15） 1.心理分析論心理分析論認為兒童透過遊戲，來傳達他們無法用言語表達的內心世界。根據 Freud 的看法，遊戲的功能主要是情緒方面的，兒童可藉由遊戲減輕壓力，降低幼兒的焦慮（郭靜晃譯，2000）。而 Erikson 延伸 Freud 的心理分析論，認為具有自我探索的能力，個體可以在遊戲情境中接觸內在的自我，以發現自我的能. 12.

(13) 力（吳幸玲，2003）。每個人從小接觸到遊戲，就是以「遊戲」當作鏡子，探索內心的自我。 2.認知論認知學派認為遊戲可以促進兒童的認知發展，而 Piaget 的認知發展階段（如表 2-1-3）正可說明每一個階段個體認知發展的程度和遊戲發展的型態。依照 Piaget 的看法，遊戲是個體對環境刺激的同化（assimilation），是使現實符合自己原有認知基模（cognitive scheme）的方式（吳幸玲，2003；楊文貴等譯， 2003）。Vygotsky 強調，幼兒可以在遊戲中實現生活中無法實現的願望，對他們來說，遊戲正是想像力發展的起點；Brunner 提出遊戲是行為變化的來源，遊戲的方法及過程比遊戲結果更重要；Sutton-Smith 鼓勵幼兒利用新奇、有創意的方法來遊戲，幫助他們在未來更能適應成人的生活（吳幸玲，2003）。回想小時候的「扮家家酒」、「官兵捉強盜」等遊戲，就是透過模擬與遊戲的情境來達到認知的學習。表 2-1-3 Piaget 的認知發展階段的認知發展階段大概的發展時距. 階段知覺動作期 1.練習與天俱來的知覺動作基模 2.初級循環反應 3.次級循環反應 4.次級循環反應基模的統整 5.三級循環反應 6.透過心理組合以創造新方法. 0~1 月 1~4 月 4~8 月 8~12 月 12~18 月 18~24 月. 具體操作期前操作的次階段具體操作的次階段形式操作期. 2~7 歲 7~11 歲 11~15 歲. 遊戲型態感覺動作/熟練性遊戲. 資料來源：引自郭靜晃譯（2000：57）. 13. 想像性/裝扮遊戲有規則的遊戲有規則的遊戲.

(14) 3、其它特定理論根據 Berlyne 的警覺理論，個體的中樞神經系統經常需要適當的刺激，如果刺激過多，則必須要減少刺激的活動以達到恆定（homeostasis）；而 Bateson 的理論則強調遊戲的溝通系統，兒童在遊戲的互動過程中，彼此溝通訊息並交替協調其角色、物體和活動在遊戲中的意義，以及在真實生活中的意義（吳幸玲， 2003）。所以，遊戲的歷程就是一種溝通，讓兒童的語言與情緒表達更貼近真實生活的情境。三、遊戲的特徵遊戲對於兒童而言是絕對真實的，甚至從各方面來說，就是體驗與學習，也就是說，遊戲就是兒童內心真實世界的呈現。遊戲的定義在各個學派皆有不同的論調，遊戲的特徵也有許多不同的主張。至於什麼是「遊戲」？特徵為何？如學齡期的兒童在遊戲時，使用的是他們所有的能力，他們所進行的遊戲類型反應出他們的能力、興趣和發展狀況（吳麗媛、楊淑朱、楊承達、楊曉苓、林妙徽、林玉霞、粱珀華，2005）。從日常生活教學經驗觀察得知，遊戲的另一個特徵是對運動和比賽的興趣，以及和同儕團體遊戲的興趣。當然，遊戲中也存在著性別上的差異，如男生喜歡戶外、粗野的遊戲，女生則喜歡進行交談與輪流的遊戲，可以知道遊戲的特徵，對於兒童而言，遊戲是主動掌控的活動，可以自行操弄不受約束。當然，遊戲的實際進行中，還需考量環境的影響、兒童的人格特質與發展、年齡的區別、社經背景的不同等因素，而且家長及教師的引導與影響也是不容忽視的因素之一。. 貳、科學遊戲大陸學者張之倉（1998）認為遊戲與科學關係十分緊密，就科學的基本特性而言，早期科學家從事科學的目的是遠離功利，僅是為了滿足其好奇心和求知. 14.

(15) 欲。閱讀相關書籍發現，多數科學家早就把科學當作一種愛好和對大自然的酷愛，比如說哥白尼，就是在童年時代從對神祕星體的觀察中，獲得對天文學的強烈興趣，因此而步入科學殿堂的；牛頓也是一生都在做著各種各樣的遊戲和發明創造，只是他把探索自然奧祕看作是一種最快樂的遊戲和最甜美的滿足。由此可知，科學與遊戲之間，早就存在一種很微妙的關係，科學的研究中有著神秘的好奇心驅使，彷彿是一種遊戲的過程；遊戲中若融合科學的知識與理論，也是一種生活中的新體驗。一、科學遊戲的定義目前坊間有許多有關科學遊戲的書籍，對於「科學遊戲」一詞，各家學者也有不同的主張與見解。牟中原在「動手玩科學」（蕭次融、羅芳晁、房漢彬、施建輝，1999）一書中推薦序提及，科學遊戲就是把科學活動與遊戲結合，寓教於樂，把樂趣找回來。因此學生可以在科學遊戲中體會到科學的原理和知識，從科學遊戲競賽中學會如何思考和運用智慧。蕭次融在「玩科學秘笈」（蕭次融、黃福坤、羅芳晁、吳原旭、房漢彬、施建輝、林如章、謝迺岳，2000）中推薦序提及，每一個科學遊戲背後都蘊含一些科學知識，運用簡單的方式解釋科學原理，使用日常生活中垂手可得的簡單材料，一起動動手、動動腦激發科學思考。所以激發學生思考能力，培養學生良好的科學態度與方法，以提高學生學習科學的興趣，這也是科學教育的重點。以下整理多位學者對於科學遊戲的主張與定義，如下表 2-1-4：表 2-1-4 學者對科學學者對科學遊戲的定義科學遊戲的定義學者. 年代. 許義宗. 1981. 蕭次融. 1999. 主張科學遊戲之定義科學遊戲是「依物質的性質與法則，使之對科學關心、數字產生興趣的遊戲」；由玩弄有形物，而變化出新的有形物，即為科學遊戲。科學遊戲就是把科學活動和遊戲結合，寓教於樂，讓同學可以從遊戲中體會科學原理。. 15.

(16) 學者. 年代. 林堂麗. 2003. 許良榮. 2004. 陳忠照. 2003. 江淑瑩. 2006. 主張科學遊戲之定義科學遊戲乃是結合科學原理，在具有教學目標的彈性規則下，動手操作完成的科學遊戲。因此在過程中，特別注重科學過程技能以及認知、情意、技能等三方面能力的達成。科學遊戲就是蘊含了科學原理或科學概念的活動，能提供學生「玩科學」的機會，而此活動的必要條件就是參與的兒童會認為「好玩」，並且有高度的意願參與。科學遊戲是指利用周遭環境的生活素材，進行的科學性遊戲，具有遊戲喜悅的優點，也含有科學的教育內涵。科學遊戲可以使兒童更接近科學知識的學習，更是讓兒童發展巧思來主動創作的有益活動。. 資料來源：研究者自行整理中央研究院李遠哲院長，曾在一次公開演講提到，科學對小朋友而言，好不好玩是第一個重點，因此科學教育一定要讓小朋友覺得好玩；一旦小朋友覺得好玩，就是好的起點；其次應該教小朋友學習如何玩才能玩的好，然後才教小朋友科學原理（引自蕭次融於「玩科學秘笈」書中推薦序，2000）。故爾，在好玩的科學遊戲中，小朋友自然會產生興趣，有了興趣的刺激，慢慢會學到科學遊戲中蘊含的科學原理和科學知識，這就是科學遊戲的教育意義。二、科學遊戲的特徵許義宗（1981）對於科學遊戲的條件，則比較強調於製作玩具，其界定如下：（一）重點不在製作，而在遊玩製成的東西，以及製作過程之點點滴滴。（二）製出的東西要會轉、會動。如飛機要會飛，水車要會轉，草笛要會響。因為唯有如此，才能達到遊戲的目的。（三）使其對物品的形狀關心。由大小、穿孔、打摺等位置關係的指導，使幼兒對數量、圖形的理解開始萌芽。林堂麗（2003）則將「科學遊戲」界定為：（一）科學遊戲是結合科學原理進行的「規則性」遊戲。（二）科學遊戲是在有目標與解決問題情境下，彈性規則中進行的活動。. 16.

(17) （三）科學遊戲的活動過程中，必須包含一項以上的「科學過程技能」。（四）科學遊戲的設計需包含學習者動手操作的程序。（五）具明確的判斷標準以判斷科學遊戲的完成，而在標準內，接納不同的遊戲結果。（六）科學遊戲教學之流程，需蘊含（imply）三項以上的「自然與生活科技」學習領域之分段能力指標。郭騰元（1990）以自身豐富的教學經驗與研究，觀察並發現有些遊戲是古今科學玩家的設計，但是小朋友對於科學遊戲的玩法跟科學家不一樣。他則根據下列原則，設計出符合學童學習的科學遊戲：（1）能讓小朋友喜歡與驚訝；（2）能運用簡單的科學原理解釋；（3）製作的方法簡單；（4）所用的材料很容易從家裏、超市、文具店或五金行中取得；（5）容易改變或改進。而許義宗（1981）認為科學遊戲如何進行，也有清楚的說明：（1）師生一起遊戲；（2）目的明確，方法正確；（3）鼓勵與適時指導。綜合上述各家學者的主張及定義，本研究主張科學遊戲就是讓學生在玩中學、做中學的遊戲中，體驗科學的原理和知識，並刺激學生思考和促進解決問題的能力。科學遊戲的推廣也能將科學教育與生活緊緊地融合在一起，激發學生學習科學的興趣。. 第二節. 問題本位學習的理論與運用. 近年來，有關問題本位學習的研究相當多，有些學者或譯為「問題導向學習」。然而國外教學上的成功經驗，早已廣為國中小課程所採納 (Delisle, 1997)。目前我國教育改革的重要議題，是如何培養學生獨立思考與解決問題的能力，並能將所學的知識生活化且加以創新應用。PBL 正是活用式的教學方式，採小組教學，是以現有真實案例的實際情境為腳本，學生在老師指導下，練習如何在現實例題. 17.

(18) 中「發掘問題、分析問題並且解決問題」。這是一種鼓勵學習者運用批判思考、問題解決技能和內容知識，去解決真實世界的問題和爭議的教學方法（Levin, 2001）。由此可知，PBL 應用在國中小最能符應當前科學教育改革的需求，有效培育各級學生獲取上述科學教育組織與學者所提出之必備知能。以下就問題本位學習的意義及要素、學習理論的發展與運用做簡要的描述。. 壹、問題本位學習之意義及要素問題本位學習起源於醫學教育，在國外早已行之有年，且普及至法律、商業、教育及行政管理等其他學科領域。Sheella and Kevin（2004）曾說過，運用 PBL 教學，參與的學生能在複雜的真實世界中，密切地合作學習找出問題的解答。一、問題本位學習的意義所謂的 PBL 是指學生在老師的指導下，從練習中學習如何發掘問題、分析問題和解決問題的能力，藉著處理問題的過程，自行搜尋資訊而學到必要的知識，以問題導向學習模式所取得的知識，印象深刻記憶良久，將來在生活中如果實際面臨到問題時，即可模仿此種處理問題的方式來解決問題（蔡學偉，2004）。洪榮昭（2001）指出，PBL 在精神上是以情境學習為基礎，由學習者個人的努力與團隊合作學習來產生新想法、新觀念，所以 PBL 是知識創新中，有效的互動方式之一。在整個過程中，教師應賦予學習者思考及行動的權力(empower)，發展個人的決策能力及信心，幫助學習者成為更好的實踐者（Lang, 1986）。因此，問題本位學習模式事實上就是在訓練學生面對問題和解決問題的能力，使學生終身受用。這也正好呼應了 David, Filip, Piet and Mien（2005）所說的，現今社會的需求，就是學校的畢業生要能夠有效地解決生活複雜問題，PBL 的學習成效與學生問題解決的能力有很大的相關。所以，在學校要如何以 PBL 來培養學生問題解決的能力便成為很重要的課題。根據 Martin 等人（1999）的定義，問題本. 18.

(19) 位學習係指一種課程教學的方法，它著重在讓學生的學習以相關的問題為中心，學生並分成小組參與問題的解決，而這些問題都是學生在過去或未來工作場合中會碰到的問題；簡言之，Ross（1997）認為問題本位學習法即是讓學生專注在以問題解決為重點的課程（引自林淑慧，2003）。 PBL 的意義可由多個面向來加以解釋。蔡學偉（2004）認為 PBL 以學生為主體、以生活經驗為重心、跨學科的、長期的學習活動、整合真實世界的議題和實踐，並透過老師在學習過程中的鷹架引導學習、從真實的經驗中學習，並強調與人合作的學習，獲得並創造個人的知識。Barrows and Tamblyn（1980）將 PBL 定義為使學習者朝向了解或解決一個問題之工作過程來進行學習的歷程，包括讓學生先遭遇問題、呈現問題情境、小組成員應用知識和推理能力開始解題、學生主動確認學習內容並據之以引導個別化研究、將過程經歷所獲得的知識和技能再用於解題、呈現與評鑑學習結果等典型的 PBL 所蘊含的幾個步驟。當參與者在學習概念和知識的同時，PBL 幫助他們發展領導的技巧，這些技巧在影響文化改變及發展學習型組織時，扮演一個很重要的角色。 Sheella and Kevin（2004）則特別說明教師運用PBL教學時的小技巧：（1）在介入引導問題時，要適時的傾聽小組討論的內容；（2）適時提問讓小組的討論能夠更深入；（3）在過程中適時保持沉默，能讓參與者澄清所不瞭解的概念；（4）不要當一個最主要的發問者，而是適時提出一些有效的問題；（5）鼓勵小組的成員要互相討論和分享；（6）不要常修正參與者的想法，讓他們有自由發揮的空間；（7）發展提問的技巧和內容，幫助參與者長期主動的自我學習成長。在小組的互動和教學過程中，藉由小組的分工合作與個別成員的自我研究（self-study），學生需主動確認各項學習需求，並將互動過程與個人研究中所得的新訊息用以完成解題（Albanese & Mitchell, 1993; Trop & Sage,2002）。. 19.

(20) 二、問題本位學習的要素 PBL 中的重要組成元素即是：問題、產出、學習者以及教師，所強調的理念為：學習源自於問題、學習表現以產出來衡量、以學習者為中心—學習是主動參與知識建構與協商的過程、學習是由教師來促進（計惠卿、張杏妃，2001；計惠卿、莊靜圓，2003），茲分述如下：（一）始於真實問題 PBL 強調學習者在未獲得任何教學前，教師提供一個真實世界的、有意義的問題處境（計惠卿，2005）。楊坤原、張賴妙理（2005）也指出，實施 PBL 可使學生在真實性問題(authentic problems)中進行探究，經歷和學習科學知識與科學研究過程所須之管理資料、動手操作(hands-on)、推理、判斷、實驗驗證、提出解答等與解題相關的高層思考技能，亦有助於養成小組合作與溝通能力，促進正向之科學態度。（二）要求產出的學習表現 PBL 強調內在動機、鼓勵合作學習、允許學習者持續或修改他們的作品與教學設計，並要求學習者針對驅動問題，完成一個或一系列的作品（artifacts）、產品（product）或表演之產出（outcome）。（三）由學習者主導 PBL 強調主動建構與分享的學習歷程，由學習者自己產生、推敲、並組織問題。學習者可以主動與同儕共同一起建構知識，並培養批判思考的能力（蔡學偉， 2004；劉為國，2002）。（四）教師扮演學習歷程之促進者在 PBL 學習中，教師只擔任學習協助者或教練的角色，提供必須的學習指引與資源提示，但是不會給予講課或直接知識的傳遞。過程中，適時給予指導和提示，促進學習者改進思考模式和增進學習成效（David, Filip, Piet and Mien,. 20.

(21) 2005）。現今許多學者、研究者或教師在實施PBL教學時，有時因考慮現實的教學情境，有時因為不熟悉PBL的一些教學策略，因而修正部分的PBL執行步驟，使得PBL 的意義與功能也因此而隨之改變。但若從課程與教學之相互依存的關係、課程為學習者的經驗之累積，以及PBL相關研究文獻等論點，PBL應可作為教學、學習和課程設計等三方面的策略、方法和模式，才能突顯PBL在教育上的意義、實用性和重要性。. 貳、問題本位學習理論發展與運用 PBL係於1960年代中期由加拿大的醫學教育者Howard Barrows所發展，透過遭遇病人的實際問題，讓醫學生以臨床推理技能進行小組合作解題（楊坤原、張賴妙理，2005）。Chin and Chia（2004）也指出PBL本來是在醫學院裡發展的一個教學模式，後來適用於小學和中級學校；在PBL中，「問題」在學生的活動與學習中扮演刺激和聚焦的角色。在學生尋找問題答案的過程中，這種學習方式是有目的和動機的，使得學生在原本的知識脈絡上得以積極專注地學習。追溯其起源和研究PBL各學者的觀點，可以由以下幾個PBL交互關聯的哲學與認知心理學的理論來說明（引自楊坤原、張賴妙理，2005）：一、杜威的實用主義就其思想淵源而言，PBL 與以往的問題教學法（problem method）皆源自杜威的實用主義觀點（pragmatism）（Delisle, 1997; Trop & Sage, 2002)。杜威認為教學重在思考的訓練，教學不僅在傳授知識和經驗，更要使學生經歷科學的方法，教師應讓學生有機會主動利用先前經驗來解決問題或適應環境，並藉以增加知識。. 21.

(22) 二、認知建構主義與社會建構主義 Piaget 的認知論指出，知識是由學習者以基模(schema)為基礎，不斷地透過同化(assimilation)與調整(accommodation）的認知歷程，主動建構而成； Vygotsky 指出，人類心智能力的發展是社會互動與社會經驗的結果。學習者從簡單的心智功能轉化到能表現抽象思考、邏輯推理和自律(self-regulation)等高層心理歷程，都是利用語言與文化中其他人進行溝通、分享等社會性交互作用，再由此互動所習得的訊息來進行思考與學習。三、訊息處理理論 Gagn’e在1977年將人類的學習依複雜的程度由基本層級的訊號學習、刺激反應聯結學習、連鎖作用、語文聯結，到複雜層級的多重辨別、概念學習、原則學習到最高層級的問題解決，較高層級的學習需以較低層級的學習為基礎（黃郁雯，2005）。根據訊息處理理論，人腦猶如訊息處理器，訊息自外在環境透過接受器(receptors)進入訊息處理器後，在感覺記錄器稍作停留後，被加以注意的訊息會到達工作記憶(working memory)或短期記憶(shorterm memory)。四、情境學習理論根據情境學習的原則，教師應提供以學習者為觀點的「學習課程」(learning curriculum)並透過引導性的參與，使學習者在日常生活的實務中接觸、使用並組織各種學習資源進行學習，獲得處理未來生活中可能面臨之複雜問題的能力。五、合作學習理論所謂的「合作學習」是一種透過小組分組，互相鼓勵以增進個人與小組其他成員合作學習的成效，可運用於各學科內容的教學，強化個人與小組學習的認知過程，以提升學生的學業成就（尹曼萍，2004；黃政傑、林佩璇，1996）。綜合以上有關 PBL 的理論與各個學者的觀點，將 PBL 運用於日常生活中及解決生活上的相關問題是一個重要的課題。PBL 教學確能提昇學生學習的動機及興. 22.

(23) 趣，同時透過小組合作解題、全班討論的過程，讓學生具有批判及思考的活動，改變教室學習的氣氛（朱江文，2003）。因此，教師應透過 PBL，培養學生成為有效的學習者，達到問題解決教學的目的。 Delisle（1997）認為問題本位學習的歷程包含以下的步驟：（1）連結問題；（2）確定問題結構；（3）深入討論問題；（4）再深入討論問題；（5）實作與結果；（6）評鑑結果與問題。洪榮昭(2001)認為 PBL 運作的基本步驟必須包含：（1）專業知識運用；（2）目標設定；（3）問題解決；（4）評量。而黃明月（2000）亦曾提及，PBL 之課程設計可依下列基本流程來進行：（1）選擇一個問題；（2）以此問題界定可能涵蓋的知識領域；（3）基於此問題選擇相關的事件提供給學習者；（4）學習者從事件中去界定問題；（5）將問題化為一系列的疑問去尋找答案；（6）蒐集資料並應用於問題之解決。此外，洪榮昭（2001）亦曾依學生自學、小組討論、與教師討論和全班討論等流程的先後，歸納出 PBL 的四種運作方式。至於要採用那一種方式則須視學生程度與問題深度而定。 1.學生自學→小組討論→與教師討論→小組再討論→全班分組討論。 2.學生自學→小組討論→與教師討論→學生自學→小組再討論→全班分組討論。 3.小組討論→學生自學→小組討論→與教師討論→全班分組討論。 4.小組討論→與教師討論→學生自學→與小組討論→全班分組討論。綜合以上學者的理論，研究者特別歸納 PBL 教學運作的基本流程（如下圖 2-2-1）為：拋出問題、界定問題、小組討論、教師引導、小組討論、問題解決、評量等。以上教學流程作為本次研究中科學遊戲教學設計的標準與依據，茲說明如下： 1.佈題：老師以開放式、無固定答案的問題，讓學生自行思索問題。. 23.

(24) 2.界定問題：學生依據老師所拋出的問題，界定問題的範圍和方向。 3.小組討論：透過小組討論，擬定解決問題的方法和策略。 4.教師引導：學生有疑問之處可透過與老師討論及老師的引導，再次聚焦問題之所在。 5.小組再討論：透過小組討論，再次擬定解決問題的方法和策略。 6.問題解決：依據所擬定的方法和策略來解決問題，若無法解決可再次思索問題之所在。 7.評量：教師針對問題解決的過程實施評量，瞭解學生問題解決的方法、策略及思考模式。產生新問題. 佈題. 界定問題. 小組討論. 教師引導. 小組再討論. 問題解決. 評量. 產生新問題. 圖 2-2-1 PBL 教學流程圖經過長時間整理目前各種科學教學與學習的模式相關文獻，PBL 教學與學習模式的設計，融合杜威的實用主義、認知與社會建構主義、訊息處理、情境學習、合作學習等各項理論，以定義模糊的問題來作為學習情境，作為教學的開端，由師生分別扮演認知教練和問題管理員的角色，透過小組合作學習與自我指引學習，使學習者歷經真實之科學問題解題歷程，期盼學生能展現多元的學習成果。根據以上專家學者對於 PBL 的詮釋，更加確定 PBL 是一種可以運用於課程與小組合作學習的教學模式，以下歸納幾個有關問題本位學習的相關研究，如下表 2-2-1，作為研究者進行本研究的參考和建議。. 24.

(25) 表 2-2-1 問題本位學習相關研究作者（年代）. 研究題目. 研究對象、研究方法、教學法. 徐崇城（2005）. 「問題本位學習」教學模式對國二學生問題解 1.國二學生 1 個班。決能力與合作學 2.個案研究法。習之影響. 蔡學偉（2004）. 問題導向學習於 1.國一學生 1 個班。網路輔助電腦樂 2.採用文獻分析與系高課程之研究統開發雛型法。. 梁繼權、呂碧鴻、李明濱、謝博生（1999）. 1.醫學院二~四年級以問題為基礎之學生及參與 PBL 教學學習在小班教學之教師。之應用 2.問卷調查法。. 楊坤原、張賴妙理（2005）. 問題本位學習的理論基礎與教學歸納實施PBL之研究。歷程. 朱江文（2003）. 問題導向學習教學策略改善學童 1.五年級1個班。數學態度與教師 2.行動研究法。成長之行動研究. 研究結果與發現 1.在問題解決模式方面，有一人獨自扛起，也有輪流的領導人主動引導小組完成任務。 2.對合作學習方面的意見，學生認同小組表現不錯呈現滿意狀態。 PBL在「電腦樂高」課程上實施的結果能提升學習者的學習動機及學習成效。 1.有70%以上教師認為教材可以「增加學生對科學的了解」、「提供重要知識」、「提供基本知識」、「具趣味性」等。 2.有70%以上學生對學習效果感到滿意。 PBL 能提升學生的學習動機，增進其對科學知識的了解，促進進行小組合作和科學解題的思考與技能，是值得採行的科學教學與學習模式。 1.透過問題導向學習教學策略有助於改善研究班級學童學數學的態度。 2.教師教學方法、教學能力的成長。. 資料來源：研究者自行整理問題本位學習在北美醫學教育行之多年，而在小學教育的應用則是近十年才開始（呂金燮、吳青陵、陳彦瑋、楊翠凌、鄒韻淇，2005）。瞭解國內 PBL 相關研究之後，發現 PBL 可以提升學生學習動機、學習成效、學習態度，也可以促進小組合作和科學解題的思考與技能，是一種值得採行的科學教學與學習模式，但運用在科學遊戲教學尚無類似的研究，故爾，研究者將運用 PBL 的教學模式來實施科學遊戲，探討是否可以增進學生問題解決的能力。. 25.

(26) 第三節. 科學遊戲教學與問題解決. 教育的目的主要在培養學生如何運用知識，去思考問題與解決問題；即在強調學習與思考必須並重，才能提高學習成效，進而達成九年一貫課程「自然與生活科技」領域的學習目標（洪文東，2004）。而且各國的科學教育均以培養熟悉關鍵的科學概念，能將科學概念與日常生活相關聯並應用於做決定或解決問題之科學素養的未來公民為目標（教育部，2003a； AAAS, 1993； NRC, 1996）。. 壹、科學遊戲教學科學遊戲教學可以讓學生實際體驗玩中學、做中學，教學中融入科學的原理和知識，藉此遊戲過程刺激學生的思考能力，進而發現問題所在，小組合作學習嘗試如何去解決問題，以達到九年一貫課程的教育目標。科學遊戲教學的設計和推廣可以將科學教育與生活緊緊地融合在一起，激發學生學習科學的興趣，這正也符合杜威的教育思想：「教育即生活」。在國外學者的研究上，Trollinger（1977）對遊戲應用於學習中指出下列八項見解（引自林堂麗，2003）： 1.藉由遊戲過程中，對有價值的正確知識的使用，是遊戲所要教導的實際知識。 2.某些遊戲能夠提高學生的批判性思考和作決策的技巧。 3.人們對遊戲的活動參與，能夠提昇知識的記憶。 4.在模仿的遊戲中，教師的角色已經從知識的模仿者轉變為知識的推動者、資源者。 5.許多學生也許可以遇見未來生活的相關訊息，然而遊戲通常是真實生活情況的模型。 6.在學習的過程中，透過活動的參與，使遊戲激發學生。. 26.

(27) 7.遊戲是跨多元學科的，遊戲要求在主要的訓練中，運用許多的技巧。 8.遊戲也許能夠適當的結合，不同種類的課程需求。科學遊戲的教學希望培養學生思考的能力，洪文東（2004，11月）研究歸納指出，九年一貫課程「自然與生活科技領域」在思考智能的分段能力指標方面，二百三十二個分段能力指標佔了其中的二十四項，依學習階段次目標可區分為有創造思考、解決問題、批判思考、綜合思考、推論思考等五項（見表2-3-1）。表 2-3-1 思考智能之分段能力指標分類表創造思考解決問題批判思考綜合思考推論思考合計. 階段一 2 3 0 0 0 5. 階段二 2 2 1 0 0 5. 階段三 3 2 1 0 0 6. 階段四 2 2 1 1 2 8. 合計 9 9 3 1 2 24. 資料來源：引自洪文東（2004：248）教育部（2003b）在九年一貫課程自然與生活科技學習領域課程綱要閱讀中提到：思考智能的分段能力指標內容中有關解決問題部分之舉例說明如下表 2-3-2。表 2-3-2 思考智能之分段能力指標有關解決問題部份說明思考智能之分段能力指標有關解決問題部份說明學習階段. 分段能力指標內容. 舉例說明. 6-1-2-1 養成動手做的習慣，察覺自己也可以處理很多事第一階段. 說明：此中「學習」表示可模仿的或嘗試著做看看的意思。. 6-1-2-2 學習安排工作步驟 6-1-2-3 學習如何分配工作. 第二階段. 6-2-3-1 養成主動參與工作的習慣. 27.

(28) 學習階段. 分段能力指標內容. 舉例說明. 6-2-3-2 養成遇到問題時，先試著確定問題性質，再加以實地處理的習慣. 6-3-3-1 能規劃、組織探討活動. 第三階段 6-3-3-2 體會在執行的環節中，有許多有關鍵性的因素需要考量. 第四階段. 6-4-5-1 能設計實驗來驗證假設 6-4-5-2 處理問題時，能分工執掌，做流程規劃，有計畫的進行操作. 說明：這是一種處事的習慣，凡是多思考一下，把事情弄清楚，再實地動手去辦理。例如：橡皮動力車壞了，能找到壞掉的部位，並動手將它修好，不是直接丟掉或拿給別人處理。說明：做事之前，懂得規劃並組織自己的工作流程。例如：若要製作橡皮筋動力車，能針對其結構零件的準備等規劃出工作步驟，並將各步驟組織成完整的製作活動。說明：在教學時，若能由學生親自動手實做，則日久之後學生將發現，做每一件事都會涉及很多變因。因此，培養出細心、周延的思考習慣。例如：橡皮動力車的製作過程中，能注意橡皮筋的彈性、輪子的大小、輪子與第電的磨擦情形、組合的方式...等等每一個製作部份的因素。例如：教學活動中，以小組學習方式進行，鼓勵學生自行規劃工作流程，自行負責完成研習活動。. 資料來源：整理自教育部（2003b）由表中整理可得知，思考智能的分段能力指標中，解決問題的能力在各學習階段有其相當之重要性，遊戲應用於教學上，對於教學與學習方面，也都具有正向的評價。從科學遊戲的設計與教學中，著重學生在問題解決能力的培養，實施過程觀察學生的思考歷程和如何解決所遭遇之問題。當個體在遭遇到問題時，如能運用既有的知識去思考推理，找到適當的方法達到目的歷程，即為問題解決歷程（張春興，1991）。透過科學遊戲的實施，遭遇問題情境、界定假設、發展假設、驗證假設和情境應用的問題解決歷程，相當重要的是要培養問題解決能力，以符合九年一貫課程所訂定的目標。. 28.

(29) 研究者整理有關遊戲與科學遊戲教學的相關研究，如下表 2-3-3：表 2-3-3 遊戲與科學遊戲相關研究作者（年代）. 研究對象、研究方法、教學法. 研究題目. 研究結果與發現. 遊戲型態教學潘怡吟對國小學生「自 1.五年級學生。（2001）然與生活科技」 2.準實驗研究法。學習之研究. 有助於學生學習態度、問題解決能力的增進。. 科學遊戲融入蘇秀玲、國小自然科學謝秀月童的問題解決（2006）能力之研究. 1.四年級 2 個班。 2.準實驗研究法。. 1.實驗組學生在問題解決測驗中大部分優於控制組學生。 2.實驗組學生在問題解決能力量表中的問題解決過程、問題解決情意向度的得分皆達顯著差異。 3.問題解決特徵包含簡單的解題歷程與運用資源解決問題。. 運用 CPS 於模組化科學遊戲楊訪屏之教學行動研（2005）究-以「牛頓第三運動定律」課程為例. 1.六年級 6 個班。 2.行動研究法。 3.創造性問題解決模式（CPS）。. 1.學生於課程中培養創造性問題解決能力，表現得比培養階段還要好。 2.學生在認知、技能、情意有收穫，也有面臨的困難。. 以科學遊戲融入教學探究國江淑瑩小四年級學童（2006）學習成效之研究. 科學遊戲融入林堂麗自然與生活科（2003）技課程之行動研究. 科學玩具遊戲王錦銘教學對國小五（2005）年級學生科學素養之研究. 1.實驗組「科學概念測驗」優於控制組學生。 2.「科學過程技能測驗」，除了 1.四年級學生 62 位。下操作型定義無顯著差異，其餘 2.準實驗研究法。分項皆優於控制組學生。 3.「科學態度測驗」無顯著差異。 1.科學遊戲可以融入自然與生活科技領域。 1.六年級學生 31 位。 2.科學遊戲融入課程影響因素 2.行動研究法。有使用材料、教學干擾、教學彈 3.以質性分析為主。性化、融入時機。 3.研究者的課程設計能力、教學能力、研究能力有成長。在科學學習成就方面、過程技能方面的「觀察」及「傳達」、科 1.五年級學生 107 位。學態度方面的「對自然科課程的 2.準實驗研究法。態度」、「自然科學習動機」、「自然科學習策略」、「對自然科教師的態度」實驗組優於對照組。. 資料來源：研究者自行整理. 29.

(30) 綜合以上相關研究，研究者發現遊戲型態教學有助於提升學習態度和問題解決能力，科學遊戲可以融入自然與生活科技領域教學，而科學遊戲也可以培養學生問題解決能力、學習態度和過程技能。總而言之，研究者若要以科學遊戲增進學生問題解決能力，就要在教學進行中仔細考量如何運用教學材料、如何將影響教學因素降到最低、教學時機何時適合等狀況，才能順利達成研究目的。. 貳、問題解決 Fisher（1987）認為問題解決對人類來說是一個不可或缺的能力，人類的演進是需要成功的適應週遭的環境。所以人類需要具備敏銳的觀察力、應變的能力，而問題解決在教育上即扮演很重要的角色，如何訓練學生使用所學的知識、概念和技巧，就要發展一套訓練的模式，讓學生時時刻刻面臨生活中的問題，都能迎刃而解。一、問題的定義與特徵當人們面臨一種情境，無法立即找出適切的解答，存在一些障礙，即是處於面臨「問題」階段。狹義來說，問題是指人有一定的目標要達成，但現有的概念和規則無法被利用，必須找尋或發現新的規則，才能達到目標所需的刺激情境（邵瑞珍、皮連生，1989）。一般而言，在教學上，問題有三大類型：（1）結構完整的問題（well-structured problems）－陳述清楚，知道解題的步驟，知道評鑑的標準，通常採用算則解題法（algorithm）；（2）結構不完整的問題（ill-structured problems）－問題的陳述，解題的步驟、評鑑的標準都很模糊；（3）議題（issue）－結構不完整而引起強烈感覺的問題，可因人們情緒不同而分為正反二類，主要目的不在決定行動，而是確認議題最合理解釋（鄭昭明， 1993；葉重新，2005）。Fogler and Leblanc（1995）研究指出，問題解決策略最基本的是要界定問題（problem definition），有經驗的人界定問題第一階段. 30.

(31) 需遵循下列四步驟：（1）蒐集和分析資訊和資料；（2）和熟知問題的人多談論；（3）盡所有可能，查閱一手資料；（4）確認所有的發現。接著，才進行下四個階段；（5）決定問題是否該被解決；（6）繼續蒐集資訊和探討文獻；（7）形成簡單假設並且迅速測試假設；（8）腦力激盪潛在因素和另類解決方案。鄭昭明（1993）認為問題是「呈現狀態」（presented stated）和「目的狀態」（goal stated）之間的衝突差異。當期待和理想有落差產生問題時，思考也隨著某個問題進行反覆的、嚴肅的、持續不斷的深思，經過「思索理出個頭緒來」，求得結論，問題便告一段落獲得暫時解決。因此。問題包括下列幾項特徵：（1）條件（given）：問題起始階段包含的條件、對象等訊息；（2）目標（goals）：問題預定達成的階段，解題就是要將問題由起始階段移至目標階段；（3）障礙（obstacle）：由問題的起始階段移至目標階段，解題者並不一定能馬上知道解決的方法為何（Mayer, 1998）。綜上所述，問題只是一個起始點，有了疑問才會產生想法，有了想法才會有思考策略，雖然不一定有解決之道，但有了「問題」就已經是跨出一大步。二、問題解決的定義問題解決，簡言之，可以分成二大類：一是將概念性的知識導入，而不需要數字上的問題，這種較質化的問題解決途徑，稱為「科學化的問題解決」（scientific problem-solving）；相對地，另一種則是教導學生認知技能的遷移，並運用數字為工具，此種較量化的問題解決途徑，稱為「數學化的問題解決」（mathematical problem-solving）（徐新逸，1998）。沈翠蓮（2005）認為當舊經驗和知識基模無法解題時，需要重新調整或同化才足以應付難解的問題，問題解決也意味著新的創意開展，可以創造更多新概念、新情境。問題解決的本質是具備以下三種能力：（1）學習者必須具備知能技巧、規則及概念；（2）基模型式的有組織的語言訊息，使學習者有可能理解問題. 31.

(32) 及評估解決方法是否適當；（3）認知策略使學習者能夠選擇適當訊息和技巧，也使學習者能確定再想解決問題時所選擇和使用的策略最為恰當。換言之，問題解決不能僅靠學科內容知識提升，還需要其它能力配合（趙居蓮譯，1997）。綜上所述，「問題解決」是結合所有的能力和知識，嘗試各種量化和質化的解決策略，運用邏輯概念分析問題，以達到解決問題的目的。三、問題解決的步驟與策略學校教育的主要目的，在於培養學生具有獨立的思考能力。歷年來，我國中小學學校教育偏重智育，大多數學生容易養成記憶教材或機械式解題能力。在傳統教育方式下，不但不利於培養學生的創造力或解決問題的能力，而且很難使學生適應快速變遷的社會，以及生存競爭劇烈的環境。因為學生在學校所學到的知識，將來步入社會之後無法終生受用，唯有具有獨立思考能力，以後遇到任何問題才容易順利解決。Piaget 認為認知發展包括四個階段和三個主要轉換，四個階段為感覺動作期（○~二歲）、前運思期（二~七歲）、具體運思期（七~十一歲），以及形式運思期（十一歲以上）。約在十一歲以後至成人，這個階段個體的認知發展是已能在遇到問題時提出有系統的假設，並能運用資料驗證假設，因而已能運用邏輯思考推理來思考問題（張春興，1989）；詳言之，已能運用假設－演繹思考（hypophetical-deductive thought），除了具體的實物在思考中運作，也能利用抽象命題思考，而且整體而言，思考是系統的，個體可以明確理解變項間的關係，了解組合關係，亦能組合概念，對不相關的變項亦能加以控制（林清山， 1991）。透過思考層面的透析，可以瞭解學生問題解決的想法和模式，因而容易掌握實施科學遊戲教學時的要訣。曾慧敏（2003）認為問題解決即是應用知識和技能去達成某些目標。至於問題解決的步驟，各個學者的主張也略有不同，分別整理如下表2-3-4：. 32.

(33) 表 2-3-4 各學者主張問題解決的步驟學者（年代）. 主張問題解決的步驟 1.界定問題；2.分析問題；3.搜集資料；. Greenfield（1987） 4.提出解決方案；5.嘗試解決6.檢討。 1.確認問題存在；2.認清問題性質；3.蒐集與組織有關問題的資訊；4.研擬或選擇 Sternberg and Grigorenko（2001）解決問題的方法；5.對問題進行沙盤推演；6.採取行動解決問題；7.評估解決問題的性質。 1.發現事實；2.找出問題；3.產生想法； Parnes（1977） 4.形成解決策略；5.尋求接納。 1.了解問題；2.將問題予以表徵；3.設計 Polya（1981）計劃；4.執行計劃和回顧過程。 1.了解問題的存在；2.了解問題的性質；曾慧敏（2003）. 3.蒐集相關訊息；4.形成及執行一個解決方案；5.評估解決方案。. 資料來源：整理自葉重新（2005）；施皇羽（2004）；葉玉珠、高源令、修慧蘭、曾慧敏、王珮玲、陳惠萍（2003）。葉重新（2005）認為解決問題的方法策略為：（一）嘗試與錯誤所謂嘗試與錯誤（trial-and-error），就是面對問題時以各種可能的解決方法逐一嘗試，錯誤了再嘗試新的方法，一直到問題獲得解決為止。（二）固定程序以固定程序來解決問題時，只要依照一定的程序或規則，按部就班就能解決. 33.

(34) 問題。（三）抄捷徑法以抄捷徑法來解決問題，不必依循一定的法則來處理，通常依個人成功的經驗來思考，這種方法比較節省時間、有效率，可是解決困難的問題不一定適用。（四）假設檢驗假設檢驗（hypothesis testing）是指，對所要解決的問題提出各種可能的假設，然後對這些假設逐一去檢驗。四、問題解決的能力劉南坤（2004）認為問題解決能力是指個體運用自己的知識、經驗和技能，蒐集有用的資訊，透過不斷的創造與思考過程，分析判斷出合適的解決方法，再經過嘗試錯誤和修正，以解決問題的能力。詹秀美、吳武典（1991）研究指出，問題解決能力應包含下列五項能力：（1）解釋推論的能力；（2）猜測原因的能力；（3）逆向原因猜測的能力；（4）決定解決方法的能力；（5）預防問題的能力。 Brandsford and Stein（1984）亦提出問題解決能力應包含下列五項能力：（1）定義問題的能力；（2）精確的解釋及呈現問題的能力；（3）蒐集可能的問題解決方法的能力；（4）執行問題解決方法的能力；（5）著重問題解決以後的影響的能力。綜合言之，問題解決能力主要包括：如何思考問題、蒐集資料和解題方法程序等能力。研究者整理有關促進學生問題解決能力的相關研究，如下表 2-3-5，藉由這些研究發現提供研究者促進學生問題解決能力的參考和建議。. 34.

(35) 表 2-3-5 問題解決能力相關研究作者（年代）. 黃偉銘（2004）. 劉南坤（2004）. 王鴻儒（2005）. 季永明（2003）. 研究對象、研究方法、教學法. 研究結果與發現. 1.國二學生 2 個班。 2.準實驗研究法。. 1.在「結構性」及「非結構性」問題的解決能力達顯著差異。 2.良好的「自然科學態度」對接受「問題導向學習法」學生「問題解決能力」有提昇效果。. 1.五年級 2 個班。 2.準實驗研究法。. 1.能提升學生問題解決能力。 2.無法提升學生問題解決態度。 3.對不同性別和不同能力的學生問題解決能力影響相同。. 1.四年級 3 個班。 2.行動研究法。 3.教學者敘說探究。. 1.提高學生學習動機。 2.提高學生發問能力。 3.提高學生解決問題能力。. 1.六年級 3 個班。 2.準實驗研究法。. 1.實驗組學童與控制組在整體問題解決能力上有顯著差異。 2.實驗組學童與控制組在整體問題解決態度上有顯著差異。. 研究題目『問題導向學習』與『傳統教學法』在國中自然科學問題解決能力之比較研究 STS 教學對國小五年級學生問題解決能力和問題解決態度之影響在設計製作歷程中培養學生解決問題能力並持續學習動機之行動研究資訊科技融入問題解決教學活動對國小學生問題解決能力及態度的影響. 我國高一學生張俊彥、的問題解決能翁玉華力與其科學過（2000）程技能之相關性研究. 1.高一學生 153 位。 2.準實驗研究法，輔以質性分析。. 應用全球資訊郭伯銓網培養國中學（2001）生問題解決能力之實驗研究. 1.國一學生 2 個班。 2.實驗研究法。. 1.問題解決能力與其科學過程技能的表現達顯著之中度相關，且高、低問題解決能力不同者在解釋資料、觀察、及形成假設等科學過程技能表現上有顯著的差異。 2.質性數據分析結果亦顯示，問題解決高、低能力不同者在「問題解決的思考流程」上有顯著的不同。應用全球資訊網於問題解決教學較一般問題解決教學，更有助於培養學生的問題解決能力，增進學生的問題解決態度。. 資料來源：研究者自行整理綜合以上研究，研究者發現學生問題解決能力的研究歷年來一直持續進行當. 35.

(36) 中，正好呼應第一章所提的問題解決與能力訓練一直是現代教育推崇的方向。相關研究中，有運用「問題導向學習」、「STS 教學」、「資訊科技融入」、「應用全球資訊網」等方式來促進學生問題解決能力，但尚未發現有運用 PBL 於科學遊戲的教學，所以決定運用 PBL 來進行科學遊戲教學，探討如何設計科學遊戲來增進學生問題解決能力。. 36.

(37) 第三章. 研究方法. 本研究旨在透過行動研究過程以科學遊戲增進學生問題解決之能力，深入探討科學遊戲的設計與實施，並嘗試解決在研究過程中所遭遇到的種種問題與困難，並詳實記錄研究者的成長歷程。本研究採用行動研究法，透過研究過程參與性觀察、科學遊戲設計與規劃、文獻資料、教師自省、研究者手札和深度訪談等方式蒐集資料，再經由所蒐集到的相關資料，進行分析與討論，以達成研究的目的。本章共分成六節，分別說明本研究之研究方法的選取與設計、研究情境與研究對象、研究流程與步驟、科學遊戲設計與規劃、資料蒐集整理與分析、研究的信效度與研究倫理，各節相關內容分別說明如下。. 第一節研究方法的選取與設計壹、行動研究法行動研究在教育上，能促使教師或行政人員針對教學或行政上的實務，做深入的研究和探討；應用於教室和學校情境中，改善有關學校的實務工作，提升工作的效能。故本研究所採用的研究方法為行動研究法，一方面從研究過程中發現問題並找出解決之道；另一方面則朝著研究的目的前進，期望達到研究的目標和成果。蔡清田（2000）提出行動研究是一種教育革新的手段，旨在診療或改善特定情境的教育實務問題，縮短實務與理論的差距，並且提出主要的目的，茲分述如下：（1）增進教育實務工作者因應教育實務工作情境問題的能力；（2）增進教育實務工作者的專業理解；（3）協助獲得「教育實務工作者及研究者」的教育專業. 37.

(38) 地位。王文科（1995）強調行動研究的焦點，不強調理論的發展，也不注重普遍的應用，而是注重即時的應用，故針對此時此地情境中的問題而為，其研究發現，可按適合地方的情形，施予評鑑。因此，行動研究所關注的焦點都在於實務層面上，而且大多數的行動研究問題也都偏重在立即性的問題。. 貳、採用行動研究法的理由一、研究者的因素由於研究者本身為科任教師，且平時對於自然領域的教學有濃厚的興趣，故藉此研究的機會，採用科學遊戲教學，使學生能對課程產生興趣，增進教學的多元化及活潑化。除此之外，也能促進教師的專業成長，累積教育的智慧，增加教學實務的經驗。二、研究問題的因素某些學生對於自然與生活科技領域的課程，有時不感興趣，有時動機缺乏。因此，研究者思索了一段時間，想要突破傳統，以教學趣味化及多元的方式來刺激學生對於課程的動機和興趣，故決定以科學遊戲教學來探討學生學習過程的變化，以不同的課程刺激促使學生學習的動機和興趣，並增加教學內容的豐富性和趣味性。三、研究目的的因素本研究蒐集了相關文獻及研究報告，慎選、設計及編擬科學遊戲的教材，藉此能夠增進學生問題解決能力，並探討研究過程中研究者的專業成長歷程，結合理論與實務經驗，有效解決本研究的問題。因此，選擇了行動研究的方法來達到研究的目的。. 38.

(39) 第二節研究情境與參與人員一、研究情境研究者任教於台中縣忠信國民小學（化名），全校共 27 班，教職員工共 49 人，學校創校至今邁入第十年，是一所年輕、有朝氣的學校，全校教師平均年齡約 30 餘歲，學校位置地處於鄉村，鄰近市區及工業區，家長多半以農、工為主，少數則為從商及擔任公教人員，民風相當淳樸。研究者在學校是兼任行政，並擔任自然與生活科技領域之科任教師。學校每兩年為學生進行一次編班，編班方式依成績採「S」型模式作為學童編班之依據，因此各班學童素質差異性不大。二、研究對象本研究爲了便於就近教學與研究，故直接選擇一個任教班級六年甲班實施教學，為求做到深度的研究，且又考量研究者的環境、時間限制，故隨機選擇一個小組作為研究對象，研究對象的小組成員共有 3 個男生、3 個女生，教學後實施深度訪談和觀察，其餘各組採隨機訪談和觀察，以期能收集更多探索過程的資料，研究過程中以公平、公正的原則來從事教學，以求研究結果的嚴謹性和正確性。教學班級六年甲班共有男生 16 人及女生 17 人，全班共有 33 位學生，是屬於活潑、好動的班級，體育成績表現名列前矛，班上團結氣氛融洽。此外，班上家長、愛心媽媽對於班級事務及學校之各項活動亦頗為支持，常協助班級活動與支援教學工作，此學年也經常辦理全學年性的班親會活動，親、師、生三者相處十分融洽。爲求教學研究之便利及順暢，以及考量各小組之間的互動性，乃選擇自然與生活科技專科教室來實施教學，自然與生活科技專科教室平面圖如下圖 3-3-1，但又考量每一個科學遊戲課程內容的不同，有時則需要走廊、戶外場地等作為實做、練習、競賽的空間。. 39.

(40) 門. 走. 木. 廊. 櫃. 門. 佈告欄. 攝影機. 電視. 藥品櫃. 門. 實驗桌. 實驗桌. 實驗桌. 實驗桌. 實驗桌. 實驗桌. 講桌媒體櫃. 木. 走. 櫃. 廊. 門攝影機. 黑板. 圖 3-2-1 自然與生活科技專科教室平面圖三、參與觀察教師與檢證者爲讓研究順利進行，特商請研究對象之班級導師和實習教師擔任「參與觀察教師」（如表 3-2-1），用多元的角度與研究者一起觀察和研究，以求能更深入探討。研究班級六年甲班 A 老師，教學年資已有 8 年經驗，大多擔任級任導師，因興趣使然，近年來常指導科學展覽，94 及 95 年度皆榮獲佳作之成績，是一個教學相當認真的老師。實習教師 B 老師，在學校已實習過低、中、高年段的班級，深獲輔導教師的好評，學習積極且教學多元化、活潑化，是一位極富熱忱的老師。表 3-2-1 參與觀察教師參與觀察教師簡介教師簡介代號 A 老師 B 老師. 背景資料. 加入參與觀察時間. 研究對象之級任教師，曾參與科展全程參與觀察指導多次皆獲佳績，教學資歷豐富。為本校實習教師，學習相當積極且第一單元第一節教學後加入教學態度熱忱。. 為達到研究結果的客觀公正，另邀請同為台中教育大學科學應用與推廣學系. 40.

(41) 碩士班的四位同學共同組成檢證者（如表 3-2-2），定期開會討論所蒐集的研究資料，並提供研究者寶貴的意見，以作為各循環修正的參考來源之一。表 3-2-2 檢證者檢證者成員簡介檢證者成員. C 老師. D 老師. E 老師. F 老師. 簡介畢業於國立屏東師範學院數理教育學系，現正就讀國立台中教育大學科學應用與推廣學系碩士班，目前服務年資為 11 年，曾擔任過四、五、六年級導師，目前擔任六年級自然與生活科技科任，因本身對科學教育、資訊教育很有興趣，曾獲縣內科展最佳成績優等，平時亦兼任縣內自然與生活科技領域輔導員。畢業於國立新竹師範學院數理教育學系，現正就讀於國立台中教育大學科學應用與推廣學系碩士班，目前服務年資為 16 年，任教以來曾擔任過導師 7 年、省輔導團自然科輔導員 2 年、組長 2 年、主任 5 年，於各領域都有涉獵，尤其是科學教育和環境教育，是一個富有涵養又專業的老師。畢業於國立台中師範學院數理教育學系，現正就讀國立台中教育大學科學應用與推廣學系碩士班，目前任教年資為 5 年，一直是擔任低年級導師，教學方式多元化，態度認真有活力，深獲家長的肯定。畢業於國立彰化師範大學工業教育學系，目前年資為 10 年，現就讀於國立台中教育大學科學應用與推廣學系碩士班，曾擔任過三、四、五、六年級導師七年、自然科任三年及兼任行政職務三年，目前任教科目為自然與生活科技領域，歷年參加過桃園縣科展榮獲生物類佳作等成績，是一個認真又負責的老師。. 研究者與檢證者的教師每個月會聚會一次，討論研究進度與研究資料，但常因距離和時間的因素，不一定每一次都能夠全員到齊，所以在檢證研究資料上有一定的限制，但為求研究的客觀性，盡量排除困難或以網路及電話的溝通交流以補不足之處。四、研究者的經驗、理念、立場與角色蔡清田（2000）指出，教育行動研究鼓勵教育實務工作者，從教育實務工作. 41.