以序列性POE探究國中生之科學解釋的研究-以「重心、平衡」為例

國立臺中教育大學科學教育與應用學系

科學教育碩士學位暑期在職進修專班碩士論文

指導教授：許良榮 博士

以序列性 POE 探究國中生之科學解釋

的研究-以「重心、平衡」為例

The Study of Exploring the Junior High School Students’

Scientific Explanaions by Using the S-POE Strategies:

An Example on“Center of Gravity and Equilibrium”

研究生：彭婷莉 撰

I

序列性 POE 探究國中生之科學解釋的研究－

以「重心、平衡」為例

摘要

本研究之目的為利用「序列性 POE（Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE）」策略，設計前後具相關聯性，與「重心、平衡」有關的五個 POE 實 驗，選取新竹縣某國中 20 位九年級學生作為研究樣本，從中探討其對於「重 心、平衡」相關現象之科學解釋能力、解釋類型與解釋融貫性的特徵。本研 究利用半結構晤談的方式蒐集資料，資料來源包括訪談錄音檔和實驗訪談手 稿，將訪談資料整理編碼後，進行分析並歸納出研究結果。 研究結果發現：學生在五個實驗的預測正確率，除了 POE3 之外，其他 POE 皆達 50%以上。但是全體學生的科學解釋能力平均得分未達「提出正確 理由來解釋」的程度，顯示學生科學解釋能力有待提升。此外，研究結果顯 示出學生具有的「解釋類型」共有六種，分別為：A（外在特徵型）、B（內 在結構型）、C（科學語詞型）、D（類比型）、E（描述現象型）、以及 F（其他 型）。而在「解釋融貫性」方面，多數學生提出的解釋會因實驗情境不同而改 變，呈現出「情境相依」的現象，具有解釋融貫性的學生均未超過受訪人數 的一半。 最後本研究提出教師在指導學生有關科學解釋的教學建議，並提出未來 研究方面的若干建議。 關鍵詞：重心、平衡、解釋融貫性、科學解釋、序列性 POE

II

The Study of Exploring the Junior High School Students’

Scientific Explanaions by Using the S-POE Strategies:

An Example on“Center of Gravity and Equilibrium”

Abstract

The purpose of this study was to explore the junior high school students’ abilities in scientific explanations, types of explanations and explanatory

coherence based on five natural phenomena of “center of gravity and equilibrium” by using the S-POE(Sequential Predict-Observe-Explain) strategies. This study adopted semi-structured interview with 20 ninth-grade students in a certain junior high school in Hsinchu county. Multiple data sources were analyzed: recording and interview script. After coding the analyzed data, the results were concluded.

The findings of this study were as follows: Except for the POE3, other experiments reached at least 50% of correct predictions. But it appeared the fact that students’ abilities in scientific explantions need to be promoted due to the average score of all students didn’t reach the“level”:Students can use the right reason to explain. Furthermore, students’ explanations could be categorized into six types, i.e., A(exterior appearance), B(internal structure), C (scientific term), D(analogical), E(described) and F(other). Finally, the investigator found that more than 50% of students couldn’t bring up coherent scientific explanations between two experiments, and that made their explantions inconsistent with the

requirements of the explanatory coherence but consistent with the context dependence.

Suggestions were submitted for education guidance in scientific explanation and future studies.

Key words: Center of Gravity, Equilibrium, Explanatory Coherence, Scientific Explanation, Sequential Predict-Observe-Explain

III

目次

第一章 緒論 ... 1 第一節 研究背景與動機 ... 1 第二節 研究目的及研究問題 ... 4 第三節 名詞定義 ... 5 第四節 研究範圍與限制 ... 7 第二章 文獻探討 ... 9 第一節 「解釋」和「科學解釋」的意涵 ... 9 第二節 解釋類型的相關研究 ... 18 第三節 科學解釋能力的評量及相關研究 ... 24 第四節 解釋融貫性 ... 29 第五節 POE、S-POE 及相關研究... 34 第三章 研究方法 ... 43 第一節 研究設計 ... 43 第二節 研究對象 ... 46 第三節 研究工具 ... 47 第四節 研究流程 ... 50 第五節 資料處理與分析 ... 53 第四章 研究結果與討論………...61 第一節 學生預測實驗結果與科學解釋能力之分析………....61 第二節 科學解釋類型之分析………...73 第三節 解釋融貫性之分析………78 第五章 結論與建議………...85 第一節 結論………...85 第二節 建議………...89

IV 參考文獻 ... 91 中文部分………..91 翻譯書部分………..94 外文部分………..95 附錄………...101 附錄一 晤談逐字稿示例………..101 附錄二 學生訪談手稿………..106

V

表目次

表 2-1-1 基模模式結構表 ... 17 表 2-2-1 Horwood（1998）所訂出的兩種解釋類型 ... 19 表 2-3-1 科學解釋能力與文獻對照表 ... 26 表 2-5-1 實施 POE 策略時，教師和學生執行的任務 ... 36 表 2-5-2 POE 的相關研究 ... 39 表 2-5-3 大氣壓力與表面張力 S-POE 的相關研究 ... 42 表 3-1-1 S-POE 實驗設計 ... 45 表 3-5-1 科學解釋能力編碼表………54 表 3-5-2 學生的解釋類型分類………...55 表 4-1-1 學生 POE 實驗之預測結果分析……….……….62 表 4-1-2 科學解釋能力分數統計………....63 表 4-1-3 五個 POE 實驗之「解釋能力」得分和預測正確率………65 表 4-1-4 科學解釋能力不同得分之人次統計………65 表 4-1-5 學生由 P 到 E 階段解釋能力得分改變的情形………69 表 4-1-6 不同性別學生之科學解釋能力 t 檢定……….72 表 4-2-1 學生解釋類型統計………74 表 4-2-2 P 階段與 E 階段解釋類型統計………75 表 4-2-3 各實驗之解釋類型統計………76 表 4-2-4 不同性別學生之解釋類型統計………77 表 4-3-1 所有學生的融貫性情形………79 表4-3-2 不同實驗具「解釋融貫性」的學生……….81 表 4-3-3 解釋融貫性組數和解釋能力表現情形………82 表4-3-4 不同性別學生之「解釋融貫性」表現……….…83

VI

圖目次

圖 2-1-1 D-N 模式結構圖 ... 15 圖 2-1-2 機率模式結構圖 ... 16 圖 2-1-3 論證結構圖 ... 17 圖 3-4-1 研究流程圖 ... 52

1

第一章 緒論

本章共分為四節，第一節說明研究背景與動機，第二節說明研究目的及問 題，第三節說明名詞定義，第四節說明研究範圍與限制，茲分述如下：

第一節 研究背景與動機

一、科學解釋的重要性 近年來科學教育相當注重科學素養的形成，而「解釋」是科學素養強調培 養的知能之一。例如：在國際性學生評量 PISA2006 中所定義的科學素養除了 能使用科學知識確認問題、形成新知識、得到有證據支持的結論之外，也包括 了「解釋」現象（Organisation for Economic Co-Operation and Development，簡 稱 OECD, 2006）。建立解釋不僅是了解現象的工具也是從事探究過程的方法 （Kuhn & Reiser, 2004），美國 NRC（National Research Council）的課程標準 中強調科學解釋是了解科學探究的基礎（NRC, 1996, 2000）；在我國中小學九 年一貫課程綱要的分段能力指標中也提到：希望學生能運用觀察、測量、蒐集、 比較、歸類與「解釋」等科學技能，做有計畫的探索（教育部，2008）。此外， 有學者認為解釋和近來備受關注的論證是互相配合的練習（McNeill, 2011）， 在論證中了解和參與解釋是如何建立、質詢、調查以及修正是相當重要的 （Berland & Reiser, 2009）。

在教學現場上，Pallrand（1996）認為解釋是科學教育的中心，學生透過 解釋展現出對現象的理解，提供教師瞭解學生的知識組織架構，進一步瞭解學 生的想法。而進行科學解釋的活動，可以讓學生的科學概念更清楚，使其對內 容知識有更深層的了解（Bell & Linn, 2000）。國際數學與科學教育成就趨勢調

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查 2007（Trends in International Mathematics and Science Study 2007，簡稱 TIMSS2007）則提到科學教育的主要目的是讓學生有所基礎使用科學推理的方 法來解決問題、「給予完整的解釋」、提出結論、作出決策、及延伸他們的所 知於新的情形中（科學教育研究資料庫，2007）。由上述可知，無論國內或國 外，學生是否能對現象做解釋在科學教育中占有舉足輕重的地位。 然而，科學教育多年來常被詬病的缺失之一是：學生經常只是學習到片段 的知識，缺乏科學推理、解釋資料的能力（許良榮，2005）。這個現象在國際 數學與科學教育成就趨勢調查（TIMSS）中可見端倪，TIMSS2003 與 2007 的 結果分析顯示台灣八年級學生在科學知識得分都優於應用與推理（科學教育研 究資料庫，2007），由此可見，學生在學習科學時，偏重於知識的記憶，卻不 知如何將課堂上所學應用在問題解決上。研究者在國中任教五年多經常發現， 當要求國中學生對日常生活中的科學現象提出解釋，他們往往只會述說課本上 的定義或是教師曾說過的內容，一旦脫離課本內容，他們甚至直接回答不知道 或保持沉默。因此，促進學生科學解釋能力的學習，是目前科學教育重要的任 務之一。舉例來說：美國的教育政策“Taking Science to School”的課程架構中提 到：希望學生能夠提出和評估科學證據和解釋（Duschl, Schweingruber, & Shouse, 2007），而且建立解釋的學習應該在中學以前就開始（NRC, 2007）。邱 美虹與林秀蓁（2004）亦發現教師若提供學生更多預測和解釋的機會，則學生 學習成就較高。 二、科學解釋能力 McNeill（2011）將「科學解釋」定義為提供解釋說明一個科學現象是如 何以及為什麼會發生，並且解釋自然世界為什麼會以特別型式運作。而科學解

3 釋能力，是指學生能「科學地描述或解釋現象和預測變動」、「在特定情況中應 用科學知識」、「辨認適當的描述、解釋和預測」（洪曉憶，2010）。除此之外， 科學解釋的特徵之一為解釋是否具有融貫性，在《Conceptual Revolutions》一 書中，Thagard（1992）指出「解釋融貫性」為科學概念改變的核心，當有不 同的說法去解釋事件，最後人們所接受的通常是解釋融貫性最佳的那一個，例 如氧化說取代燃素說、天擇演化說優於神創說。Thagard（1992）並建議科學 教育應進行的研究為「探究解釋融貫性在兒童的信念修正（belief revision）及 拋棄舊概念系統的角色」（p.358），以及「確定是否可以教導學生對於解釋融 貫性有較高的敏感度，而提高敏感度是否能促使學生更能夠學習新的科學理 論？」（p.358）。因此，國中階段學生科學解釋的情形為何？是否能達成「解 釋的融貫性」？成為本研究想關注的研究問題。 三、序列性POE

欲了解學生科學解釋能力的方法有很多種，其中由 White & Gunstone （1992）所提出的 POE 策略包含「預測」（predict）－「觀察」（observe） －「解釋」（explain）三個步驟，可以引出學生的先備知識，給予學生機會去 觀察自己周遭的生活並加以詮釋，並可促進學生進行分享、協商個人的想法 （White & Gunstone, 1992；Liew & Treagust, 1995）。除了能協助教師探索學 童的先存概念或迷思概念（White & Gunstone, 1981），亦是一種有效的教學策 略（White & Gunstone, 1992；Liew & Treagust, 1995）。雖然 POE 對於了解學 生的概念特徵與思考歷程，具有很大的助益（Palmer, 1995），但先前學者所採 用的 POE 皆為單一實驗或是多次無關聯的 POE，對於想了解國中學生解釋的 融貫性情形，實質助益不大（陳嘉蕙，2007）。基於上述理由，本研究採用許

4 良榮（2005）所提出的「序列性 POE」（Sequential Predict─Observe─Explain， 縮寫為 S-POE）策略進行研究，以探討國中生對現象的科學解釋能力和解釋融 貫性的情形。 四、研究主題的設定 想要研究學生解釋的觀點，了解日常生活多種情境中他們的想法是很重要 的。因為文化和語言背景影響了他們的先備知識，而先備知識影響著他們進行 科學練習的程度表現（McNeill, 2011）。基於這個因素，我們舉日常生活中常 常使用的「重心」這個語詞為例：當人們不小心跌倒，常聽到當事者說因為我 「重心不穩」；運動的時候，例如：練習平衡木、鴨子走路，會聽到大家說「重 心低一點比較穩」；一些簡易的玩具，例如：平衡鳥、不倒翁、跳豆等，是利 用重心的原理來製造；國中的數學課程中，有找出三角形重心的單元。這個口 頭上常使用的科學語詞在課堂中學習的情況，陳美玲，白菁汝，黃映慈與洪惠 君（2008）指出在學習物理「重心」單元時，學生常常將焦點放在公式和解題 上，若有適當的引導，學生才能理解重心的意義與對公式產生感覺。因此，本 研究設計以「重心、平衡」為主題概念之五個相關聯的實驗活動，利用 S-POE 策略了解國中生對此自然現象的科學解釋與解釋融貫性情形，此研究結果亦可 供教師選擇教學策略的參考。

第二節 研究目的及研究問題

本研究旨在運用「序列性 POE」策略的方式，以探究國中生對於「重心、 平衡」自然現象的科學解釋能力和解釋融貫性的歷程。並嘗試從研究對象晤談 的質性資料中，分析歸納國中生科學解釋的能力、類型和解釋融貫性的特徵。

5 本研究之主要問題如下： 一、 國中生對於「重心、平衡」相關現象的科學解釋能力為何？ 二、 國中生對於「重心、平衡」相關現象的科學解釋類型為何？ 三、 國中生對於「重心、平衡」相關現象之「解釋融貫性」的特徵為何？

第三節 名詞定義

針對本研究所題及相關名詞，在本節加以闡述。 一、序列性 POE（Sequential Predict-Observe-Explain；S-POE） POE 晤談策略為開始活動之前，先要求受訪者針對所呈現的實驗情境進行 結果預測（Predict），並說明依據的理由，接下來進行實驗操作，要求受訪者 觀察（Observe）並描述結果，最後請受訪者比對先前的預測與實際的觀察不 一致的部分，提出解釋（Explain）說明。而本研究所指的序列性 POE 是許良 榮（2005）以 POE 策略為基礎所發展出的實驗設計，利用數個涵蓋相同科學 概念的實驗，每個後續實驗只改變前一個實驗的一個變因，要求受訪者針對每 一個實驗活動進行預測→觀察→解釋，藉此探討其對單一現象的科學解釋能力 和解釋融貫性的情形。

二、科學解釋能力（the ability of scientific explanation）

本研究依據 Reiser, Tabak, Sandoval, Smith, Steinmuller & Leone（2001）的 觀點（引自謝州恩，2005），將科學解釋能力的標準定義如下：

（一）解釋應描述因果機制：

6 （二）解釋要符合觀察的資料： 受訪者的解釋需描述到在特殊狀況或現象中，與理論連結的部分。 在本研究中，即讓受訪國中生針對實驗活動於預測和觀察後提出解釋，說 明所持的理由為何，並分析他們所運用的概念或理論與實際觀察相互結合的情 形，研究者依據上述標準，以此判定與探討受訪國中生之科學解釋能力。 三、解釋類型（types of explanation） 本研究將國中生對於「重心、平衡」相關之自然現象所提出的解釋說明歸 類出其所屬之型式。將蒐集到的訪談資料資料編碼並分成 A（外在特徵型）、B （內在結構型）、C（科學語詞型）、D（類比型）、Ｅ（描述現象型）、Ｆ（其 他型）六種類型。 四、解釋融貫性（explanatory coherence） Thagard（1992）指出科學概念改變的核心為「解釋融貫性」，當有不同的 說法去解釋事件，最後人們所接受的通常是解釋融貫性最佳的那一個，解釋融 貫性意指各命題之間的關係因解釋之故而得以連結在一起，由於各命題之邏輯 的承續與一致性，使得解釋之間具有相互支持的特性（陳瑞麟，2001）。 在本研究中，讓受訪國中生針對五個具相關連性的 S-POE 實驗活動，依 序進行預測—觀察—解釋的步驟，根據其對於每一個實驗活動所提出的解釋， 探究在前四個接續的實驗活動中，受訪國中生的解釋和具備的想法（概念）是 否達到前後一致性（融貫性）的情形，並據此分析其解釋融貫性的特徵。

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第四節 研究範圍與限制

一、研究範圍 （一）研究樣本的範圍 本研究將研究對象設定為國中生，合計 20 名為晤談的樣本。 （二）研究內容的範圍 本研究所探討之科學概念為「重心、平衡」相關現象的五個 POE 實驗情 境。 二、研究限制 （一）研究樣本的限制 因受到人力、時間等種種因素的限制，本研究的樣本採立意取樣選取研究 者任教的新竹縣某國中三年級學生，因此所得結果不宜過度推論到其他對象。 （二）研究內容的限制 本研究概念是關於「重心、平衡」方面的五個 POE 實驗，不宜推論學生 對於其他情境上的科學解釋。

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第二章 文獻探討

本章共分五節，第一節首先探討「解釋」和「科學解釋」的意涵；第二節 探討解釋類型；第三節探討科學解釋能力的評量及相關研究；第四節說明解釋 融貫性；第五節介紹 POE 的理論基礎，並整理 POE 的相關研究；最後並介紹 本研究所使用之工具 S-POE 的理論基礎，及整理 S-POE 的相關研究。

第一節 「解釋」和「科學解釋」的意涵

解釋是自然科學的基本目的之一（Hemple, 1966），若能讓學生主動參與學 習材料中問題的解釋或說明的活動，則學生的學習成就會較高（Webb, 1989）。 Edgington（1997）指出解釋常被使用在評估學生的理解程度，關於解釋，哲學 家、物理學家和科學教育者持分歧的觀點，所關注的問題也有所不同。在本節 中，研究者先就「解釋」的意涵加以說明，再介紹本研究所關注的焦點「科學 解釋」。 一、解釋的意涵 （一）解釋的意義 解釋（explanation）：源自拉丁文 explanare（展開、伸展、說明）。一般來 說，是使某事成為可理解、合理的或熟悉的。現象的解釋，不同於現象的證明， 在於如果一個人要求一種解釋，這就假定有被解釋的現象存在（引自段德智、 尹大貽、金常政譯 Angeles, 1999）。在劍橋哲學字典裡（Audi, 1995）亦指出「解 釋是藉著顯示出某種事件為何及如何發生，使得某些事情變得可理解或清晰的 行動」。 Wesley C. Salmon 是 當 代 眾 多 學 者 中 最 完 整 探 討 解 釋 的 一 位

10 （Godfey-Smith, 2003；Thagard, 1992），他認為解釋的目的是為了使他人能夠 理解，並區分出三大類的解釋，包括：回答「如何（How）」、「什麼（What）」、 「為何（Why）」問題時所提出的解釋（Salmon, 1998）。從「解釋」的意義與 內涵層面來看，陸健體（1994）提出：解釋可分為兩個層面，一是做為推論的 解釋（explanation），意即回答「為什麼」形式的問題；另一則是做為傳遞行為 的解釋（explaining），比方說在科學教室裡，教師對學生解釋科學概念，即是 屬於這個層次的行為。黃達三與賴玉春（1998）也曾對解釋下了簡單的註解： 「解釋」（explanation）就是對事件、現象的分析說明，使人有解惑、了解事件 真相以及發現現象內部機制的功能。King（1994）對於解釋的定義為：說明事 件「如何發生」與「為什麼會發生」、將事件、想法相互連結或想法與過程做 結合，輔以資料並利用自己的語言說出。 而在教學過程中有關解釋的本質，Martin（1970）提供一些想法：他認為 解釋事物是一種研究活動，幫助我們找尋事實；向他人解釋事物則是教學活 動，幫助促進理解。Ogborn, Kress, Martins, & McGillicuddy（1997）則指出， 當你向他人解釋事物時，代表解釋者可以獲得並了解這個解釋。不過，解釋並 不會轉換為想法，它比較像是想法的材料來源。解釋通常會因為其學科領域、 情境、功能或不同的解釋者而有所差異（Wong, 1996）。因此，Leite, Mendoza, & Borsese（2007）認為：受釋者建構的解釋是遵照解釋者提供的資料，並透 過先前知識、興趣、信念等觀點而形成的。所以教師提出解釋是為了讓學生理 解與滿足，而學生則是學習如何將先備知識和教師提出的解釋進行融合協調， 再建構出自己的解釋。Ohlsson（1992）認為解釋可以使人了解，並提供個人 思考的一扇窗，科學家們透過解釋了解世界；學生則藉由解釋學習與了解科學 現象。因此，提出解釋為主要的科學教學實務之一，使得科學教育能夠增進學

11 生了解這個世界意義的能力（Horwood, 1988）。 （二）解釋與描述 一些學者專家對解釋與描述提出它們的看法，並說明兩者的不同，概述如 下：Bateson（1979）認為「描述」是彼此沒有關連的片段資料，而「解釋」 則是利用像「因此」、「然而」「結果」這些字將各片段資料連結起來，並進一 步說明，產生具有因果關係的邏輯敘述。Horwood（1988）則是將「解釋」與 「描述」加以區別，他認為「描述」是指單純地呈現現有資料，資料彼此間無 網狀的連結關係，而「解釋」則是將相關資料加以連結，或建立具有因果關係 的資料。Edgington（1997）亦提出觀察與「描述」彼此是相關的，且認為「描 述」不同於「解釋」的是：「解釋」與科學理論有所關聯，而「描述」有別於 理論。綜合上述，「描述」是將觀察到的現象或事物做直接陳述，將資訊單純 地呈現；而「解釋」則是運用相關理論對現象做說明或推論，產生符合邏輯的 敘述，藉由表達個人想法，使他人更加清楚明瞭。 （三）解釋與理解 Achinstein（1971）提出了包含教學法考量有關解釋的一般模式：解釋（E） 決定於誰（A）解釋了什麼（q）給誰（S）聽。解釋（E）可能是一項事實， 一個句子，或是使 S 能夠產生理解的任何事物。一個令人滿意的解釋 E 的標準 是要求讓 S 理解 q，這取決於 S 的知識以及這些知識在 S 認知結構裡的關連性、 正確度和深度的關係，這個模式可簡要地表徵為 E=f（A，q，S）。在自然科學 的探究情境裡，q 常是「某個現象為什麼或如何發生」這一類型問題。既然解 釋者 A 提供 E 給 S，其標準是需要讓 S 理解，就引發了什麼是理解的問題。 顯然地，解釋（explain）與理解（understand）間的關係是不容忽視的（引自 Edgington, 1997）。

12

McEvan & Bull（1991）認為解釋並非只針對某事，而且也包含了對誰解 釋，對於一個給定問題產生的可能解釋取決於解釋者的知識以及這樣的知識是 否對受釋者有用。Ohlsson（1992）提出：學生建構解釋可被視為「理論的連 結（theory articulation）」，解釋就好像是原理與具體事實間所架構的連結橋樑。 由於每個人的知識背景不盡相同，所以當向別人溝通我們的發現時，可能 會遭遇一些困難，為此，Weaver（1958）提出了兩個條件：第一、藉由解釋的 行為，受釋者應該更接近正確理解；第二、不能使不夠準確或簡化的解釋阻礙 更進一步的學習。因此，教學現場上，教師在對學生進行解釋時，重點應為造 成學生心智狀態的正向改變，或者至少不會抑制學生在未來裡能獲得改良過的 解釋。而學生藉由提出解釋的歷程，也可檢視他對一事物的理解程度（引自 Horwood, 1988）。 Scriven（1988）將解釋與理解之間的關聯性加以精緻化，並加以說明解釋 是必須增加或產生對事物現象的理解，並非只是使事物現象明確而已； Friedman（1988）則提出可藉由預測、由熟悉的現象解釋不熟悉的現象，以及 將許多獨立現象的解釋化約為一個理論等三種方式來讓解釋引發受釋者的理 解。但 Hempel（1965）則持不同的看法，他並不認為增加熟悉是一個準則， 反而主張理解的獲得經由是使用反直覺、不熟悉的理論本體來對熟悉的現象進 行解釋而獲得（引自 Zuzovsky & Tamir, 1999）。

Zuzovsky & Tamir（1999）提出連結解釋與理解，使得解釋不單單只是科 學教育的目標，亦是展現理解的一種方式，因此要求提出解釋，即是要求展現 出提供適當證據的能力。

（四）小結

13 麼會發生，以協助學生理解；而學生對事件或現象發生的原因所提出的解釋， 也可讓人窺探他的知識架構及理解程度。解釋不僅是科學教育的實務之一，亦 是促進理解並呈現理解程度的一種方式，解釋與理解兩者之間密不可分。因此 要求學生對自然現象進行解釋，不僅是展現學生對自然現象的理解程度，更讓 教師了解學生科學思考過程及其思考模式。 二、科學解釋的意涵 （一）科學解釋的意義 許多的學者指出科學的主要目的之一為「解釋」，科學上所產出的知識， 無論以什麼樣的方式呈現，都必須讓我們得以發展能夠被認同解釋（Pitt, 1988）。最早發展出科學解釋理論的學者為亞里斯多德，他認為：科學應該藉 由原因對事物產生理解，才能從「知道內容（knowing that）」進展到更深層的 「知道為什麼（knowing why）（引自陳嘉蕙，2007）；而最早為科學解釋定下 規範或定義的是 Hempel，在過去論述科學解釋最著名的典範即是他所提出的 涵蓋律模式（covering law model）（Salmon, 1989）。

關於科學解釋的定義，哲學辭典中提到：科學解釋乃「描寫一個事物的結 構和過程是什麼，而使某物成為可理解的，和（或）表明一個事物如何完成它 的活動（引自段德智、尹大貽、金常政譯 Angeles, 1999）。國內學者林正弘（1988） 指出：「科學解釋（scientific explanation）」乃是敘述某一事件或現象之所以 發生的原因。Dupre（1993）則認為科學解釋是能把宇宙中的自然現象化約到 基本物質的運作。 Scriven（1988）以 7 個論點摘要了科學解釋應被考慮的互補觀點，他考量 科學解釋是（引自陳嘉蕙，2007）：

14 1.對「為什麼」問題的解答；

2.遠超過描述（more than descriptions）； 3.主要是與預測相似；

4.真實陳述的組合（sets of true statements）；

5.包括該被解釋的描述（involving descriptions of what is to be explained）； 6.區別解釋與解釋的理由（the distinction between explanations and the grounds for explanation）；

7.解釋的完整性（completeness of explanations）。 亦有學者認為科學解釋是一種應用，概述如下：Van Fraassen（1988）提 出，科學解釋不單只是純粹的科學，而是科學的應用。Ohlsson（1992）認為 提出科學解釋為一種特殊應用技巧。真正的科學解釋活動包括了能在特定情境 中應用理論，如何明確地在情境裡擬出理論的周詳計畫，以及利用理論對情境 進行暗示或說明。陸健體（1994）則將科學解釋當成是科學理論的運用，目的 為消除提問者的困惑，科學解釋不可能單純只有思維，而是解釋者透過說或寫 的模式表達出的語言行為，並與提問者交換信息的過程。 而哲學家、物理學家、科學教育學者對科學解釋分持不同觀點，哲學家認 為科學解釋是以 Hempel & Oppenheim（1988/1948）所說的 D-N 模式作為科學 解釋的基礎，嚴謹而連貫，且充滿了邏輯結構；而物理學家將科學解釋視為科 學知識產生過程中的遊戲規則；並不同於我們日常生活中所使用的解釋，他們 認為解釋需符合邏輯的推論，呈現如何從基本前提推論至現象的過程；科學教 育學者則站在較寬鬆的哲學家的定義上，認為科學中的科學解釋建立在以下幾 個假設上：（1）觀察和描述常連結在一起，他們和理論是不同的；（2）教學 上所使用的解釋，其所蘊含科學本質的觀點能夠達成不同的課程目標，且教師

15 的角色會隨著不同的課程目標而有所改變；（3）對於現象所提出的解釋可用 來評量學生的理解（Edgington, 1997）。 （二）科學解釋的模式 陸健體（1994）強調解釋在科學中所佔的地位，並歸納了幾種科學解釋的 模式與其定義： 1.演繹-規律模式（deductive-nomological〔D-N〕model） 「演繹-規律模式」是將科學解釋視為具有演繹推理的形式結構，由 Carl Hempel 於 1965 提出（引自陸健體，1994）。在 D-N 模式中，被解釋項 （explanandum）是解釋性前提之邏輯的必然推論。此模式 William Dray 提議 亦可稱做「涵蓋律模式（covering law model）」，對一事件的解釋是由某個定律 來「收納」或「涵蓋」此事件（Audi, 1995）。D-N 模式的一般結構如下： 圖 2-1-1 D-N 模式結構圖（資料來源：陸健體，1994） 其中 L 組表示科學解釋必須引用的科學定律，C 組表示除此之外科學解釋 運用到的其他特殊之單一事實，E 則是一個描述已知的特定事件或現象的句 子。在 D-N 模式下，E 奠基於普遍定律與先行條件的基礎上，因此，解釋項與 被解釋項之間是一種邏輯演繹關係，只要我們相信解釋項為真，那麼被解釋項 必然為真，我們對於待解釋的現象就不會感到疑惑，亦即我們科學地解釋了待 解釋的科學現象。 2.機率模式（probabilistic model）

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「機率模式」之解釋項並不邏輯地蘊含被解釋項，其所引用的科學定律式 機率性的，解釋項並非被解釋項邏輯上的充分條件（陸健體，1994），此模式 亦被稱作統計相關模式（statistical relevance〔SR〕model）。Salmon（1970）也 認為一個事件的解釋是以機率或統計的定律來解釋個別事件或現象。 機率模式的一般結構為： 圖 2-1-2 機率模式結構圖（資料來源：陸健體，1994） 其中 r 是指在給定 F 之條件下的 G 的統計機率，括號中的 r 是在給定解釋 項之下，被解釋項之歸納機率。 3.因果機械模式（causal mechanical〔CM〕model） 「因果機械模式」由 Salmon 於 1984 年提出，藉由揭示被解釋項發生的原 因來解釋被解釋項的發生（引自陸健體，1994）。 4.目的論解釋 表明待解釋的事件對它之後發生的事件或對將要發生的事件所產生的影 響。 5.發生學解釋 發生學解釋是將待解釋事件視為某一發展序列的後繼階段，而以對該系統 的各發展階段的描述作為該事件的解釋。 亦有其他學者針對科學解釋提出不同的模式，分述如下： 6.類比模式（analogy model） Thagard（1992）認為當你在建立解釋時，腦中會儲存一個解釋的解釋模 式，而可利用此模式來解釋類似事件，而藉由兩類似事物間的類比可以產生兩

17 者共有屬性的基模。 7.基模模式（schema model） Kitcher（1981）認為理論的解釋是利用基模使現象融貫，提供不同現象的 一致性（引自 Thagard, 1992）。 表 2-1-1 基模模式結構表 資料來源：引用自陳嘉蕙（2007） （三）科學解釋與論證 科學解釋與論證的定義若沒有清楚地區分，將阻礙有效溝通，會讓我們無 法明確和學生定義我們期望他們所從事的活動本質。茲將兩者的特性分述如 下：解釋是嘗試去說明一個給定的現象的原因，結果通常是可驗證的：而論證 則是以個人主張為主，須提出證據來支持論述（Osborne & Patterson, 2011）。 但兩者在科學教育上亦有一些共通的部分，有些學者認為科學解釋包含了三個 元素：宣稱（關於問題的結論）、證據（支持宣稱的數據）、以及推論（說明為 什麼證據能支持宣稱）（Mcneill & Krajick, 2008；Ruiz-Primo, Li, Tsai & Schneider, 2010；College Board, 2009），而此三個元素 Toulmin（1958）定義是 論證的基本要素。 圖 2-1-3 論證結構圖（Toulmin, 1958） 解釋目標 （explanation target） 人們為什麼具有特殊種類的理解行為 （intelligent behavior）？ 解釋型式（explanatory pattern） 人們具有心智表徵（mental representations）。 人們具備演算過程（algorithmic process）對這 些表徵造成影響。應用表徵的過程而產生行為。

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不過兩者定義常常會令人感到模糊的部分在於：一個解釋學說是否能被社 群所接受通常需要經過論證過程（Osborne & Patterson, 2011）。藉由論證與科 學解釋的過程，人們可以把不熟悉的事物轉化成熟悉的事物，並化解探究過程 中在認知方面的衝突與困惑（許育彰，1998）。

（四）小結

藉由了解科學解釋的意涵確立其在科學教育上的地位，並從介紹科學解釋 的模式和其所包含的元素，讓我們得以認識科學解釋的基本架構。科學教育學 家會將科學解釋定為評量工具，評量學生的科學概念（Sandoval & Reiser, 2004）。讓學生對特定現象進行科學解釋，讓我們可以探討他們對此概念的理 解程度及其科學解釋的能力，此即為本研究的目的之一。

第二節 解釋類型的相關研究

Achinstein（1988）指出「解釋」是解釋者向受釋者詳細地說明現象的一 種語言活動。因為解釋是與當時的情境相關，因此向他人解釋一現象，除了考 慮所使用的理論是否合宜或是符合因果關係，也要考量受釋者的能力（Van Fraassen, 1988；Wong, 1996）。從功能上來看，Mackor（1995）將解釋分成物 理解釋（physical explanations）和功能性的解釋（functional explanation）兩種； 沒有描述其功能和目的，只描述其物理系統，稱之為物理解釋（ physical explanation）；描述東西實際或潛在的功能則稱為功能性的解釋（functional explanations）（引自 Harrarinen, 2004）。Horwood（1988）則依照本質的不同， 將解釋分成兩種，如表 2-2-1：

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表 2-2-1 Horwood（1988）所訂出的兩種解釋類型

資料來源：引自湯偉君與邱美虹（2010）

針對出現在科學教室裡的解釋，國外學者 Treagust & Harrison（2000）提 出了以下的見解：它是一種整合科學內容知識與教育內容知識的獨特型解釋， 並區分出十八種的解釋類型（或特性），這些解釋類型可分成三大類：科學內 容解釋、有效的教育內容解釋、日常解釋。每一大類解釋各含六小項類型或特 性，但並未對這些特性或類型加以明確定義。更進一步，Treagust & Mamiala （2003）將研究場域設定在化學課室，在這個研究中，他們將解釋分成類比、 擬人化、理性、問題本位、模型本位等五種型式。 國內學者黃文吟（2000）則根據解釋者或受釋者的不同，亦將在科學教室 情境下的解釋區分成兩種：一種是教師對學生的概念傳授，目的是促進學生的 學習，幫助學生理解、思考科學現象，有時教師並非單純在解釋科學現象，而 是提供學生理解科學現象所需要的資源；另一種是學生希望能夠證明他們的能 力而對自我想法進行闡述。 在科學教室裡的主要角色為老師和學生，國內外學者針對他們的解釋類型 做了不少研究，茲分述如下： 解釋類型 定義 場域 目的 方式 成功判定 對象 研究 解釋一事 研究工作 尋求真 理，找出 新知識和 新發現 邏輯推理 不需考慮 聽眾，只 要能符合 真理 無 教育 解釋一事 給某人 科學教室 和科學學 習場合如 博物館 促進生手 的理解 各種方式 不一定要 符合真實 狀況，只 要能滿足 學生 學生 生手

20 一、教師的解釋類型

教育用的解釋，目的是為了滿足學生的需求（Horwood, 1988），因此教 師在進行解釋時，會使用特殊的解釋類型來促進理解。Smith & Meux（1970） 以中學教師為研究對象，從教學邏輯（the logic of teaching）的觀點進行長期 的教室觀察，而提出了機械性、原因型的、次序性的、程序性的、目的論的、 規範性等六種「解釋」類型（引自黃達三、賴玉春，1998）；另一位學者 Oguntonade （1971）則以科學哲學架構出發，將教師的解釋類型分成下列五種不同的形 式：全稱定律（universal law）、建構（construct）、類比（analogy）、歷史 典故（historical account）、多方面的（miscellaneous）（引自黃達三、賴玉春， 1998）；由以上的結果得知：當研究者以不同的角度分類，同樣的研究主題即 有不同的分類結果。 眾多學者中，Dagher（1991）以 20 位國中科學教師為對象所進行的課室 研究，除了類比的、擬人化、機械的、理性的、目的論的五種和上述進行科學 教室研究的學者有所重複之外，又再細分出其他加起來共十種的解釋類型，國 內大多學者進行解釋類型的研究大多採用其分類方式（例如：黃達三與賴玉 春；劉月智等），現將其定義列舉如下： 1.類比的（analogical）：以學生熟悉的情境來解釋一個不熟悉的現象，而假定 在「類比的情境」和「真實的現象」之間存有相對應的觀點。 2.擬人化的（anthropomorphic）：將人類的特質套用於非人類的作用者上。 3.功能的（functional）：依據直接性的結果或功能來解釋現象，例如：自然天 擇（natural selection），將現象歸因為可被自然的歷史事件所支持；或是經由 設計出來的人工製品，則被歸因為被有意志的（人為的）歷史事件所支持。 4.溯源性（genetic）：依照事件發生順序產生的關聯，解釋一個現象如何發生。

21 5.機械的（mechanical）：藉由明示或暗示科學定律，表現出因果關係；除了 更深入論述不能直接觀察到之事件外，並利用上述的科學定律的簡要陳述， 發展良好的解釋架構。 6.形上學的（metaphysica1）：這種解釋是將現象的起因，訴諸於超自然作用 者，例如天意或神靈所造成的。 7.實用的（practical）：涉及教導如何去進行物理或心智操作，即向傾聽者說 明「如何做」（how to）的解釋，例如儀器的操作、實驗步驟等。 8.理性的（rational）：利用證據或主張來提出解釋，使他人不得不去相信和接 受宣告。 9.恆真的（tautological）：此種解釋僅將「如何」、「為什麼」的問題或句子 加以重組而已，把問題重新架構敘述出來，並未添加新的資訊。 10.目的論的（teleological）：依據現象如何導致結果（功能）所做出的解釋， 現象的存在或所做所為都是為了達到此結果，例如：儲存於動物記憶中的適 應經驗，訊息儲存於DNA 密碼、電腦程式中。 至於國內的研究分述如下；邱鴻麟與梁惠玉（1997）以 4 位高中化學教師 為研究對象，採用 Dagher & Cossman（1992）與陸健體（1994）對科學解釋類 型及定義作為分析架構，分析高中化學教師的口語解釋類型，其研究結果發現 其口語解釋類型有演繹、機率、因果、目的、發生、類比與舉例的口語解釋模 式（引自劉月智，2007）；黃達三與賴玉春（1998）研究國小教師自然科教學 時的口語解釋，採用了 Dagher（1991）的分類方式，其研究結果發現了六種 解釋類型，分別為類比的、擬人化的、功能的、形上學的、實用的與恆真的； 巫少岑（2007）以 20 位國小科學教師為對象，針對他們對「表面張力、大氣 壓力」相關現象的解釋能力進行研究，亦採用 Dagher & Cossman（1992）的分

22 類方式，發現國小科學教師的解釋類型有機械的、實用的、套套邏輯的、直覺 的、日常生活用語的、和無法提出說明的六種解釋類型。 以上是國內外學者以教師為研究對象，並將其解釋類型加以分類的研究結 果。我們發現教師在課堂中常常運用「解釋」以達成教學目標，並且因為情境 的不同，而產生不同的解釋類型。 二、學生的解釋類型 早期國外學者針對不同年齡層的學生解釋類型進行了研究，皮亞傑及他的 追隨者（Piaget, 1972；Fuson, 1976；Stepans & Kuehn, 1985）將兒童的科學解 釋類型分為下列幾類（引自劉月智，2007）： 1.萬物有靈論（animism）：兒童認為自然界的萬物皆有感覺、意識以及情感 的。 2.人為論（artificialism）：兒童覺得所有的事物都是為了對人類有益處而產生 的。 3.決定論（finalism）：兒童認為每件事都有一個解釋，而這個解釋並不一定會 與現象的起源或結果有很大的相關，只是為了解釋而解釋。 4.人創論（human-made）：兒童覺得自然現象是由人類力量所造成的。 5.神創論（god-made）：兒童相信自然現象是由神所造成的。 6.機械論（mechanism）：兒童以一種機械的過程來解釋自然現象，完全不包 含人類的特質。 7.科學的想法（scientific ideas）：兒童持有科學家與教師所公認的的想法。 Zuzovsky & Tamir（1999）研究四年級與八年級的學生，歸納提出三種科 學解釋類型，分別為：

23 1.演繹-理論（Deductive Nomological）型，即D-N型，需描述現象發生的條件 限制並對現象進行邏輯性的解釋。 2.目的性的解釋，參考某些生物體或物體達成的結果與目的，而非發生的原因 來解釋。 3.功能性的解釋，主要參考現象於系統中所扮演的角色與功能，來解釋特性行 為模式或性質。

而 Touger, Dufresne, Gerace, Hardiman & Meatre（1995）以 45 位初學物理 學的大學生為對象，採取晤談方式蒐集學生如何解釋基本力學，並從結果中得 出三種解釋的類型（引自陳嘉蕙，2007）： 1.公式取向（formula-driven）：這類型的解釋是一開始利用公式進行相當多的 代數運算，搜尋記憶中合適的公式或圖表來回答已經問題，但常常後續未能 運用初始的公式或圖表，顯示在初學者的知識庫裡，缺乏相互連結性。 2.直覺的（intuitive）：這些解釋通常是質性的，且大量討論日常生活用語已知 的情況，像是撞擊、慢下來以及沒有走這麼遠等措詞，多過極少被使用的正 式物理語言。 3.階層的（hierarchical）：這些是最像專家的解釋，清楚地確認相關的附屬概 念，並以具結構化的方式應用概念，像是確認能量守恆的初始與最終狀態。 他們包含將數學及視覺表徵與相關敘述整合，展現像專家的能力來使用多重 表徵。 由以上國外學者的研究結果顯示出不同分類結果。而國內的研究有劉誠宗 （2002）以建構論的方法，以問卷及晤談方式蒐集 24 位學生對物種起源的想 法，運用現象學的「整體-部分-整體｣三角循環架構，歸納出 4 種解釋架構類型， 分別稱作「特殊創造型｣、「本質演化型｣、「自發後有滅絕拉馬克型｣、及「自

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發後拉馬克型｣；張綺砡（2002）研究 6 位四年級學生對生活中微小粒子的科 學解釋，其依照 Fuson（1976）的分類，將學生之解釋類型區分為原因論、決 定論與萬物有靈論（引自劉月智，2007）；陳嘉蕙（2007）以 30 位國中生為 對象，針對他們對「表面張力、大氣壓力」相關現象的解釋能力進行研究，採 用 Dagher & Cossman（1992）的分類並加入科學型、似科學型、誤用科學型、 直覺型合計十四種的分類方式，實驗結果歸納出國中生的解釋類型有科學型、 似科學型、直覺型、擬人化、誤用科學型、類比型、套套邏輯型、理性型等八 種解釋類型；劉月智（2007）以 40 位大學生為，針對他們對「表面張力、大 氣壓力」相關現象的解釋能力進行研究，亦採用 Dagher & Cossman（1992）的 分類並加入晤談結果歸納出的科學型、似科學型、生活經驗型、直覺型、其他 類合計十五種的分類方式，發現大學生的解釋類型有科學型、似科學型、生活 經驗型、直覺型、擬人化的、類比的、實用的、溯源的、機械的、以及其他類 等共十種解釋類型。 上述文獻呈現不同情境中學生的解釋，顯現出因為所選定的科學概念相異 ，學生的解釋類型亦有所不同。本研究利用半結構晤談的方式，探討國中生的 解釋類型，並考量研究類型的完整性及本研究的研究情境、研究對象，本研究 科學解釋類型依所蒐集到的資料進行分類。

第三節 科學解釋能力的評量及相關研究

近期國外科學教育改革的文件中，比方說科學素養的基準（Benchmarks for Science Literacy）、美國國家科學教育標準（National Science Education

Standards），以及最近的科學教育相關研究報告－Taking Science to School中， 都強調讓學生在科學實務的課程中學習科學解釋（Braaten & Windschitl,

25 2011）。科學解釋對科學理論有一定程度的重要性，透過科學定理來解釋自然 現象，是科學教學的重要目標（Sandoval, 2003），謝州恩（2005）認為此種解 釋自然科學現象的能力是一種過程技能，可以提供教師與研究者進一步了解學 生的概念與想法，並建議科學解釋能力應受重視並及早訓練。在本節中將介紹 科學解釋能力的評量及科學解釋的相關研究，供本研究的結論做探討。 一、科學解釋能力 科學教育學者常將科學解釋作為評鑑學生概念的工具，Sandoval（2003） 指出形成科學解釋的必要條件包括：提出問題、產生數據、解釋數據以及形成 結論，同時說明如果要產生品質較好的科學解釋，必須擁有較強的自我建構知 識的能力。其並提出評量學生科學解釋的標準如下（Sandoval & Reiser, 2004； Sandoval & Millwood, 2005）：

1.原因的一致性：需描述原因的機制來解釋現象、因果關係需具一致性。 2.證據的支持：能從資料反映出主張。 3.排除另有解釋：學生必須說明拒絕其他解釋的理由。 4.說明解釋的限制：意即說明該解釋需在某些條件下才可進行。 而另一學者Sutherland（2002）則提出在科學探究中，好的解釋標準： 1.對問題提出主張。 2.對主張提出證據。 3.提供連結證據與主張的推理。 4.使用詳細且精準的科學語言做解釋。 針對以上學者的觀點，謝州恩（1995）認為是極為相似的，只是Sutherland 將科學解釋的標準定位在「寫」的部分，而且用比較有順序的步驟描述。

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站在邏輯實證的角度，Zuzovsky & Tamir（1999）提出解釋的評量標準有： 1.物理學解釋必須出現完整的D-N 模式或D-N 模式的輪廓。 2.一致性：以最簡單的概念和假設，解釋最多的科學事實。 3.因果複雜性：能排除複雜的另有因素。 4.生物學的功能性解釋：在n 狀態下，i 特徵表現適當的s 功能。 5.演化問題解釋，說明最終與最接近的因素。 而國內學者謝州恩與吳心楷（2005）綜合多人的研究訂定出科學解釋核心 以及相關能力。核心部分為：指出因果關係、運用推理能力、使用證據。相關 能力為：解釋提出主張、運用圖表協助解釋、語文傳達解釋能力、評鑑解釋。 表2-3-1根據其所提出的文獻對照表為基礎，再加上研究者所蒐集到的相關資料 整理而成。 表 2-3-1 科學解釋能力與文獻對照表 科學解釋能力 作者 指出 因果 關係 運用 推理 能力 使用 證據 提出 主張 運用圖 表協助 解釋 語文傳 達解釋 能力 學生 評鑑 解釋 Sandoval（2003） ○ ○ Sutherland（2002） ○ ○ ○

Sandoval & Reiser （2004）

○ ○

Sandoval &

Millwood（2005）

○ ○ ○

Kuhn & Reiser （2004） ○ ○ ○ IQWST ○ ○ ○ 謝州恩 & 吳心楷（2005） ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 簡錦鳳（2008） ○ ○ ○ ○ ○ 資料來源：修改自李格（2009）

27 由以上的研究可以了解，在科學解釋的七項能力中，指出因果關係、使用 證據、提出主張及語文傳達解釋是很重要的能力。由於以上的研究多是在課程 進行中評量學生科學解釋能力的成長，而本研究則是設計五個POE的題目，由 題目中提供情境，採用半結構式晤談，由晤談的資料去研究受訪者的科學解釋 能力，考量本研究所設計的POE問題與情境，研究者綜合以上學者的研究結 果，所訂定的科學解釋能力為： 1.解釋應描述因果機制：在活動中被要求建構解釋，提供因果關係，說明事件 發生的理由。 2.解釋要符合觀察的資料：受訪者的解釋需描述到在特殊狀況或現象中，與理 論連結的部分。 二、科學解釋的相關研究 謝州恩（2005）指出科教學者常將科學解釋作為評鑑學生概念的工具，不 過卻少有人研究科學解釋的本質。但本研究發現國內外學者曾進行不少有關學 生科學解釋情形的討論，現將研究發現分述如下 （一）教學策略對學生科學解釋影響：

Smith & Reiser（1997）利用電腦程式輔助學生科學解釋的建構，以天擇 為探究課程主題，研究結果顯示，經過上述課程活動之後，學生能從複雜的資 料中找到線索，並能建構具有因果一致性解釋，且較不會做出沒有證據支持的 結論。

Kuhn & Reiser（2004）設計探究課程，並利用以下三個問題作為協助學生 建構解釋的鷹架：1.答案是什麼？2.為何此答案於科學上具意義？3.你如何知

28 道你的答案是正確的？研究結果顯示，學生可利用證據使結果更具意義，但卻 無法明確說明證據與推論間的關係？ 謝州恩與吳心楷（2005）研究國小六年級學童在探究活動中其科學解釋能 力的成長。研究結果發現：不同探究階段，有助於不同解釋能力的成長，核心 能力以指出因果關係成長最多，相關能力則以學生提出主張成長最快。 以上研究可看出探究活動有助於提升學生建立具有因果關係的解釋，亦能 學習使用證據，但正確使用證據說明結論仍有待加強。 （二）對於科學現象所提出的解釋情形：

Zuzovsky & Tamir（1999）分析四年級和八年級在TIMSS測驗科學解釋的 研究發現：學生的解釋通常是簡單的、不完整的、缺少科學詞彙，有的沒有詳 述先行條件，也有的沒有提及相關的規則，而且提出的解釋通常是描述或是目 的論的解釋，而非具有因果關係的解釋。

Sandoval & Reiser（2004）利用電腦提供概念與技能，以天擇為題設計以 科學解釋為導向的探究，研究結果顯示，學生於課程進行後，會討論如何詮釋 資料，而較少討論如何使用資料來支持解釋，即對過程或機制的描述較不清楚。 劉月智（2007）研究理工背景及非理工背景大學生的科學解釋情形發現： 對於現象所提出的解釋多為描述現象，而非因果關係的解釋；此外，理工背景 的學生會運用科學術語來進行解釋，但是解釋不一定恰當且容易出現誤用科學 概念的情形；非理工背景的學生則傾向使用日常生活用語來進行解釋，且觀察 能力較差，僅能描述出整體概觀的現象。

Zangori & Forbes（2013）的研究中指出，許多教師對於科學解釋定義模糊 不清，把「描述證據」當作一個完整的「解釋」，於是在指導學生建構科學解 釋時，經常只是讓學生描述證據而非學習建構科學解釋。而且當教師本身對「建

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構解釋」的概念說明有困難時，對於支持學生學習解釋的建構也會有困難。 以上研究可得知不同階層的受訪對象常常會將描述現象當作科學解釋，且 使用詞彙會受日常生活影響，而偏向日常用語或誤用科學概念的現象。 （三）教師引導或使用鷹架對科學解釋的影響

McNeill, Lizotte, Krajcik, & Marx（2006）設計一個針對七年級學生，為期 八週，以學習目標導向的化學教學模組，其中最主要的學習目標之一就是建構 科學解釋。結果顯示當教師討論解釋背後的科學原理，並且示範如何產生科學 解釋，對於學生建構科學解釋有正向的影響。 簡錦鳳（2008）探討使用文字鷹架對七年級學生學習科學解釋的影響，並 且分析鷹架的褪除與科學解釋能力成長的關係。研究結果發現，找出證據和推 理解釋對學生而言是較困難的科學解釋能力，學生無法正確使用證據，常以直 觀經驗說明科學現象；經過科學解釋課程後，以找出證據的能力成長最明顯； 持續的完整文字式鷹架教學對學生在學習提出主張的能力上幫助最大，過早褪 除鷹架造成學習退步。

第四節 解釋融貫性

在哲學上推論與解釋性假說（explanatory hypotheses）已有長久的討論， 科學家與哲學家不斷地思考著如何以解釋的力量來評估理論，當一解釋性假說 有著最佳解釋的推論，則將被接受；社會心理學上，歸因理論考慮人們如何於 每天生活中形成假說以解釋事件（Fiske & Taylor, 1984）；此外Pennington & Hastie（1986, 1987）則認為陪審團的決定取決於檢辯雙方的解釋融貫性（引自 邱美虹等譯，2003）。當有令人困惑的事情或現象時，常會出現許多解釋或假 說，最廣被人為所接受的總是解釋融貫性最佳的那一個（Thagard, 1992）。Kuhn

30 （2001）亦指出人們在評量個別的論證元素以及做理論性解釋時整個論證的邏 輯時需能夠保持融貫（cohere）。 在本節中，將就解釋融貫性的意義與原理加以說明，最後並整理國內外相 關研究。 一、解釋融貫性的意義

「融貫（cohere）」於日常用語中表示相互扶持（hold together）；Audi（1995） 將「融貫性」定義為：在一個融貫體系中，每一個信念都由其他信念所支持， 且承認不同認定方式，比方說演繹論證、歸納論證或是最佳解釋所得的推論； 解釋融貫性則因為解釋關係而相互扶持。Thagard（1992）在概念革命一書中， 以解釋融貫性理論（the theory of explanatory coherence，簡稱TEC）描述了在 科學史上部分重大理論被取代的現象：如燃燒的氧理論取代燃素論、達爾文的 天擇演化論取代神創說，解釋融貫性理論是科學概念改變原理的核心，相關概 念與命題系統結構的轉變稱之為「概念革命」，這樣的轉變是由於新的命題系 統使用新概念時，解釋融貫性較佳，並發展出一程式ECHO來運算假說的解釋 融貫性。 另外，Thagard亦指出，若命題 P與命題 Q之間存在解釋融貫性，則它們 之間存在四種可能的解釋關係： 1.P是Q之解釋的一部份。 2.Q是P之解釋的一部份。 3.P與Q一起成為某個R之解釋的一部份。 4.P、Q分別是R、S之解釋的一部份，而且P與Q於解釋裡，是類比的 （analogous）。

31 假如兩命題互相矛盾或者假如他們提供對立的解釋，則此二命題是屬於 「解釋不融貫（explanatory incoherence）」。 不同領域對「融貫性」有不同見解，一般具有下列三種類型（Thagard, 1992）： 1.演繹融貫性（deductive coherence）： 取決於整套命題中，各命題之邏輯 的一致與承續。 2.機率融貫性（probabilistic coherence）： 取決於與機率定理一致之整套命 題具有的機率設定。 3.語意融貫性（semantic coherence）： 取決於具有相似意義的命題。 二、解釋融貫性的原理（引自邱美虹等譯，2003） 1.原理1─對稱（symmetry）：此原理主張成對的命題間之融貫性與不融貫性存 在對稱的關係，正如同日常生活中互相支持的感覺一樣。 （a）若 P與 Q融貫，則 Q與 P融貫。 （b）若 P與 Q不融貫，則 Q與 P不融貫。 2.原理 2─解釋（explanation）：假如 P1⋯Pm 可以解釋 Q，則 （a）對在 P1⋯Pm中的每個 Pi 而言，是與 Q融貫的：此指「說明的事 物」與「被解釋的事物」是融貫的。 （b）對在 P1⋯Pm中的每個 Pi 與 Pj而言，Pi 與Pj融貫，亦即兩命題同 時提供解釋，則他們融貫。 （c）在（a）與（b）內的融貫程度是和命題 P1⋯Pm的數目成反比。 解釋是目前評量解釋融貫性中最重要的原理，因為它建立大多數的融貫關 係。科學家傾向於懷疑需要大量特定解釋之假說，Thagard（1978, 1988）主張

32 應偏好用統一核心的假說來產生解釋，並認為單純（simplicity）應是最適當的 科學理論選擇方式。 3.原理3─類比（analogy）：假若P1解釋 Q1，P2解釋 Q2，P1類比於 P2，Q1 類比於 Q2，則P1與 P2融貫，Q1與Q2融貫。 類比是第三個最佳的解釋標準，而原理3不是簡單地認定任何兩個類似命 題都融貫，必須有一個解釋類比，並以兩個類比之命題解釋另兩個彼此類比的 命題。 4.原理4─資料優先（data priority）：描述觀察結果的命題本身具有一定之可接 受性的程度。 資料優先需要很多的解釋和維護。聲明可描述觀察結果的某命題，有某種 程度的可信賴性，但我們不應該將基於觀察之命題視為獨立可接受的，應該還 要重視它與其他命題間的解釋關係。 5.原理 5─矛盾（contradiction）：若 P 與 Q 矛盾，則 Q 與 P 不融貫。 矛盾是很直接的，而且此處的矛盾不僅是句法上的矛盾，如P與非P，就還 包括語意上的矛盾。 6.原理 6─競爭（competition）：假若 P 與 Q 皆解釋命題 Pi，並且若 P 與 Q 不能 被連貫地解釋，則 P 與 Q 不融貫。 若有下列的任何情況成立，則P與Q被解釋地連結一起： （a）P是 Q解釋的一部份。 （b）Q是 P解釋的一部份。 （c）P與 Q一起是某命題 Pi之解釋的一部份。

33 除非有其他的理由存在，否則我們應該假定解釋相同事實證明的假說是互 相競爭的，因此，解釋同樣證據的假說都會被判定是不融貫的。然而，並不是 所有的另有假說都不融貫，因為許多現象是有多重原因的。 7.原理 7：可接受性（acceptability） （a）命題 P在系統 S中的可接受性，取決於此命題與 S內之命題的融貫 性。 （b）若相關實驗觀察的許多結果是無法解釋的，則僅能解釋少部份結果 的命題P，其可接受性會降低。 三、解釋融貫性相關研究 Thagard（1992）討論兒童與科學家的概念改變之異同時，值得深思的是 兒童與科學家對於（概念）理論的「解釋融貫性」的評估是否一樣。 曾舒平（2005）利用Thagard的解釋融貫性理論來探討高一學生對於「板 塊構造運動」的理論架構之解釋融貫性，研究結果發現（一）若能在教學過程 中增加促進自我解釋的活動對於學生所持有之概念架構之解釋融貫性有明顯 的影響。（二）學生持有之原有概念架構之解釋融貫性不影響其在教學後的學 習成就，但是原有概念架構之解釋融貫性較高者較難以改變其概念架構，而較 低者則較容易改變其概念架構。 由此觀之，學生在不同情境下所展現的理解情形，且在概念架構及解釋部 分是否能達成「解釋的融貫性」是相當值得我們關注的問題。 而陳嘉蕙（2007）、劉月智（2007）、巫少岑（2007）則分別利用S-POE策 略探討不同年齡層對「大氣壓力、表面張力」此一科學概念所具備的解釋融貫 性情形為何？研究結果發現：不同年齡層在進行解釋時，以不具有融貫性的情 形較為明顯，且「表面張力」因素常被忽略，而出現情境相依的現象。陳宗佑

34 （2011）採取POE策略進行研究，發現國中生對「磁力、重力」實驗於預測階 段或解釋階段具解釋融貫性人數多於未具解釋融貫性的人數。 本研究亦採取S-POE策略，旨在探討國中生於「重心、平衡」五個相關性 實驗活動中，其所持有的科學概念的穩定性，以及提出的科學解釋是否符合前 後融貫性的原則。

第五節 POE、S-POE 及相關研究

一、POE 的起源

POE策略源自於美國Pittsburgh大學Champagne, Klopfer & Anderson於1980 年所設計的DOE（Demonstrate-Observe-Explain）概念晤談教學策略的研究工 具。此策略遵循三個步驟：先對學生進行紙筆測驗，再由教師示範實驗活動 （Demonstrate）讓學生觀察（Observe），最後要求學生回答測驗裡的問題並提 出說明（Explain）。後來White & Gunstone（1981）發現若能在活動前先進行預 測的活動，不但能呈現出學生原有的認知結構，也能提高學生的學習動機，因 此便將DOE策略改良為POE（Predict-Observe-Explain）教學策略，以期提高教 學效益。

二、POE 的實施過程與原則 （一）POE 實施過程

可分為下列三個步驟（White & Gunstone, 1992）: 1.預測（Predict）

35 先讓學生們知道他們將針對事件或現象進行預測，此部分可利用學習單， 或由教師詢問學生相關的問題，並以開放式問題為主，讓學生用自己的話表 達，提出他們預測的結果及支持預測的理由。進行預測理由的說明可了解學生 現有概念，並可避免學生純粹只是猜測；且由於持續書寫和思考，使他們在接 下來的觀察過程中不至於錯失觀察重點或遺漏自己的意見。 2.觀察（Observe） 確認已完成預測步驟後，即進行實驗活動。活動進行中，學生務必即時表 達出他們觀察到的現象，不同的學生可能會有不同的觀察結果，若沒有即時表 達出觀察結果，可能因別人的因素而改變自己的看法。此外需提供真實情境與 問題給學生，並提供一些支援線索或說明，才有助於POE的效果，且觀察的實 驗結果必須是清晰可見，使學童的觀察是直接可行的。 3.解釋（Explain） 這個步驟對學生而言是比較困難的，他們必須去協調預測結果與實際觀察 間的差異性或衝突，因此，教師應多加鼓勵，刺激學生思考各種可能性，並請 學生提出他們的說明或解釋，以顯示出學生對於概念理解的情形。 （二）POE 實施的原則 1.要提供學生一個可以預測，並能以個人理解進行推理的情境或實驗，若純粹 只是猜測，是沒有任何意義的。 2.要提供真實的情境與問題給學生，才有助於 POE 的效果，否則至少要提供學 生一些支援的線索或說明。 3.要讓學生的觀察是直接且可行的，意即觀察的實驗結果是清晰可見的。 4.可以利用勾選的方式，提出幾種可能的情況讓學生做預測，或者採用開放的 反應模式，讓學生自己表達想法（1-4 引自許良榮，2005）。

36

5.POE 活動設計時應以學生觀點為出發點，選擇與學生相關情境（Liew & Treagust, 1998）。且活動設計，必須將學生的先備知識考量進去，使學生有足 夠的理論基礎可以加以運用，且當學生預測的結果與實際狀況不同時，也有 足夠的理解及能力去協調所有預測與觀察之間的衝突與不協調（黃誌良， 2006；邱美虹，2000b）。 此外，為了避免POE實施過程易產生的錯誤及了解學生的迷思概念，有學 者整理出在實施POE策略時，教師與學生須執行的任務如下表： 表 2-5-1 實施 POE 策略時，教師和學生執行的任務 階段別 教師的任務 學生的任務 預測階段 1. 要求學生針對某事件做出預 測。 2. 要確實清楚學生所做的理論 基礎。 3. 鼓勵學生勇敢預測，不必在 乎是否為正確答案。 1. 針對某一件事件做出預測， 並清楚的寫出來。 2. 要決定使用何種理論來支持 自己的預測，而不是胡亂猜 測。 觀察階段 1. 要求學生觀察實驗的進行， 並在實驗進行時立即寫下觀 察到的現象。 2. 鼓勵學生能將自己所看到的 現象完整記錄下來。 1. 觀察實驗的進行獨自寫下自 己觀察到的現象。 2. 在寫出自己的觀察之前，先 不與他人討論，以避免所觀 察到的結果受他人影響。 解釋階段 1. 要求學生針對所預測與觀察 的現象之間的矛盾處加以提 出解釋。 2. 鼓勵學生多發言，刺激學生 多方面的思考。 1. 針對預測與觀察之間的矛 盾、衝突之處，提出合理的 解釋並試著去調和。 2. 利用已學過的理論基礎來解 釋預測與觀察之間的不調 和。 資料來源：引自李燕文（2011）

37 三、POE 的意義與優點

（一）POE 的意義

由發展出POE的學者White & Gunstone（1992）的研究可知：此策略的目 的在於瞭解學生在某一情境下如何去運用既有的知識和概念去預測、描述與解 釋所看得到的現象。藉由實際發生的真實情境來了解學生的認知結構及應用知 識的能力，與傳統測驗相比，POE策略更能檢測出學生原有的概念與類型，因 為學生是以日常生活經驗去描述他們所預測的理由，並以自己原有的知識進行 推理（李燕文，2011），因此使用POE策略更能夠名副其實的應用知識 （White & Gunstone, 1992）。 POE策略在預測階段強調學生提出預測的理由，較能呈現他們的真實想 法，相較於傳統教學中的問答方式，在教學中利用POE教學策略模式讓學生單 獨進行「預測」時，較不會受到正確答案的影響（葉辰楨，2000），邱彥文（2001） 更指出預測步驟能讓老師更明確地瞭解學生如何將知識運用在真實情境中。邱 美虹（2000b）則認為POE教學策略主要是在激發受試者面對個人既有知識架 構與科學活動結果出現不一致時，重新調適與組織，以形成新的知識體系（引 自田佳立，2008）。除此之外，亦能有效引出學生的另有概念，若設計概念衝 突的情境給學生，將有助於其主動建構或重新組合自己的概念，並引發學生的 學習動機與興趣（楊凱悌、邱美虹與王子華，2009）。 （二）POE 的優點

了解POE策略的意義之後，White & Gunstone （1992）亦指出POE策略的 具有下列優點:

1.針對特定的概念，適合用於單一知識概念的本質探究。

38 3.可以呈現學生本身既有的概念或信念。 4.有助於瞭解學生對於現象與概念之間關係的認知。 5.可以呈現學生對認知衝突時，如何調適。 Bruce（2000）指出POE策略可成功應用於幼稚園到大學階段，有助於我 們思考下列幾個面向： 1.POE 策略進行時，當學生寫字或討論都必須花費時間，它可以讓學生在這個 時候放慢腳步去思索，他們正在做什麼？想什麼？因為學生必須去思考這些 現象與可能的理論來加以解釋。 2.「預測」這個階段可以提升學生對活動的參與感，讓大部分的學生對於即將 發生的真實事件更有興趣，特別是當學生提出的預測和其他人不同時。 3.對於一個設計好的學習教材，POE 策略提供科學課程或課堂討論一個很好的 引導。 4.POE 的活動可以提供學生進一步探索原理的基礎，例如觀察到的現象有何差 異？實驗可以提供哪些解釋？。 5.POE 可以呈現學生教學活動或概念改變的歷程，提供進一步研究、改進寫作 能力或做為形成性評量的基礎。 綜合以上，我們知道POE策略在科學課程中對於了解學生現有概念、他們 如何運用知識及概念改變的歷程是有效的，亦可藉由POE策略，提升學生參與 課程動機及學習興趣，進而達成教學目標。 四、POE策略的相關研究 近年來，國內外有關POE策略的研究，摘錄數篇列舉如表2-5-2，研究顯示： POE策略實施須符合學生先備知識，藉由設計生活化的問題情境，可促使學生

39 的學習和生活經驗相連結（黃萊儀，2012；巫驊軒，2012）；利用POE晤談策 略可探討了解學生科學概念的理解情形，以及促進概念改變（劉芯如，2012； 翁靜婷，2011；林家民，2007）；POE策略應用在教學上不但能提升學生的學 習成效（林如敏，2013；曹永斌，2009；陳釀銘，2009），並對學習有正向幫 助，能激發學生學習動機與興趣（謝佳穎，2011；游岫萱，2009；陳俐娟，2008）， 邱彥文（2001）亦指出POE可幫助老師診斷學生學習狀況，幫助教師教學反省 與改進。由表2-5-2的探討中可知，POE策略對於科學教學的改善、提升教學成 效，以及了解學生對於科學概念理解的程度是有幫助的。 表2-5-2 POE的相關研究 研究主題 研究者 研究年代 研究發現 Ｐ Ｏ Ｅ 實 施 要 項 黃萊儀 2012 教師可運用 POE 策略設計與學生經驗相 結合的科學活動，提供學生生活化的問 題情境與概念衝突的機會。 巫驊軒 2012 1. 根據教學目標選擇適當的單元實施 POE 教學。 2. 進行 POE 教學時提問須符合學生的 生活經驗與先備知識。 邱彥文 2001 1. 影響 POE 教學的因素包括外在環境 以及教師專業知能。 2. 透過參考、模仿或是修改已開發的教 學單元來推行 POE、建立教學資料並 利用工作坊讓老師實作及檢討。 促 進 概 念 改 變 劉芯如 2012 POE 教學對於透鏡成像的概念學習，及 改善另有概念均有明顯成效。 翁靖婷 2011 POE 教學對於改善不同學習成就學生在 光學單元的迷思概念均有顯著成效。 林家民 2007 POE 策略助學生理解「地球運動」單元 概念；並使教學者了解學生存在此單元 的另有概念並能促進學生概念改變。