電腦支援協作知識翻新教學與提升學生科學理論本質理解之相關研究 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學教育學院教育學系碩士論文. 指導教授：洪煌堯博士. 政治大. 立電腦支援協作知識翻新教學與提升學生科學理論. ‧ 國. 學. 本質理解之相關研究. ‧. Exploring the Relationships between. y. Nat. Computer-Supported Collaborative Knowledge. io. er. n. of a Scientific Theories. iv l C n hengchi U. 研究生：李佩蓉中華民國 103 年 06 月 . sit. Building and Students’ Understanding of the Nature.

(2) 謝誌我想，除了本人、指導教授，以及認識這篇論文作者的人以外，幾乎沒有什麼人會在翻開一本僅供參考的未出版論文時，還會看「謝誌」這個東西吧！（如果會的話，謝謝你閱讀得如此仔細。也可能你只是來不及 page down，剛好停在這一頁，看到這個人謝誌開頭寫的跟其他論文不太一樣好像哪裡怪怪的，所以不小心多讀了幾行。）不過謝誌嘛，對我來說就是一個自我整理，回首研究來時路的空白畫板，所以姑且就讓我以自己的方式，重新走一次並感謝一路上遇到的所有人、事、物吧！（提醒只是為了找資料而打開這個檔. 政治大. 案／翻開這本論文的讀者，可以盡情地跳過這個部份了，哈哈！仍然願意繼. 立. 續看流水帳的朋友，感謝你們。）. ‧ 國. 學. 在號稱美食沙漠，地處台北邊緣的貓空大學待了 6 年，從大學到研究所. ‧. 的經驗間，不得不說地使我個人愈來愈相信緣分和「邂逅」（encounter）這. y. Nat. sit. 回事兒。其中最主要穿針引線的貴人，便是從大學時期就擔任我的導師（目. n. al. er. io. 前是印在這本論文封面上的指導教授）──洪煌堯老師。僅僅是在大一上第. i n U. v. 一次見面的導生聚中說了句「我的興趣是寫作」，洪老師便在次年政大成立. Ch. engchi. 「社區學習研究發展中心」時，邀請我擔任中心的公民記者，從此開啟了我的學術書寫與思考之路，也在此期間，開發出不少研究興趣／議題。（中心任務主要著重研究／關心成人教育、社區大學。可惜的是在我大學畢業進入研究所那一年，中心也因為某些原因說再見了）。任職 3 年多間，美麗的陳宥儒學姊、優秀的廖志恒學長以及活潑可愛的張宇慧學姊，在一路上都是協助並引導我一再反思的「精神導師」，非常感謝你們。. 大二，洪老師提及國科會（現：科技部）為鼓勵大學生做研究，有個「大. .

(3) 專生專題研究計劃」補助，且洪老師願意在忙碌中抽身擔任我研究的指導老師。因此在囫圇吞棗中申請且意外通過後，我算是迷迷糊糊地踏上了研究之路。當初研究的主題，也正是這本論文的雛形。. 大三，花了半年時間學習如何面對、處理資料，如何書寫出好的故事。在國科會報告繳交後，獲知通過了大專生研究創作獎初審，某種程度而言，增強了我對自己研究能力的信心（同時也因為到國科會的報告與問答，使我瞭解自己背景知識仍過於淺薄，還有太多太多東西需要學習──當然，現在也還是）。. 立. 政治大. 因為在社區研究發展中心專題、報導書寫的過程中，拓展了對教育議題的廣. ‧ 國. 學. 度；自正式課程中習得的專業知能，加強了在教育知識上的深度。綜合大學期間對研究興趣的開發，大四上，我便毅然決然走上考研究所的道路，然後在他人苦. ‧. 讀我玩樂（這描述沒有錯，真的！）的過程中，考上了政大研究所。. sit. y. Nat. n. al. er. io. 研究所期間可以說是全心／全新地認識學術研究環境的二年。除了與大學截. i n U. v. 然不同，以討論、思辨為主的修課經驗外，也包括參與了系上、外大大小小的學. Ch. engchi. 術活動、講座。更重要的是，洪老師積極鼓勵我投稿並參與國內、外研討會。在幾次的出席國內甚至飛往美國、上海國際研討會的經驗中，都拓展了我對學術圈的認識：不僅是見識了許多優秀的學者，也使我開展並能思考不同學術研究主題的可能。從大四到碩二期間，有幾位老師對我影響特別深，包括指導我書寫關於高等教育中非典型聘僱研究的鄭同僚老師；在大學和研究所期間的課程中，都使我不斷反思教育起點與意義的馮朝霖老師（也感謝老師引領我與華德福「邂逅」。）；其他包括成為我心中多元研究典範的邱美秀老師、展現博學學者風範的詹志禹老師，以及所有在政大教育系大學與研究所期間，指導過佩蓉的所有老師，族繁不. .

(4) 及備載，在此一併致上謝意！. 另一方面，洪老師指導的風格，也使我了解到「研究團隊」的重要性。在這裡也不免要感謝研究所兩年期間，每週碰面，相互給予建議的研究夥伴們：包括跟我同進退，一起做評分者間信度、一起度過口試的儷月；給予我統計技術上指導的奎宇學長；研究團隊夥伴慧萍學姊、倍伊學姊、永康學長、函汝等等（其他礙於篇幅，不一一列出。名字雖未出現，不代表不重要）。. 政治大. 再者，這本論文之所以得以付梓（雖仍屬於未出版，但至少有個精裝印. 立. 刷還擺在圖書館），作者個人之所以能領到畢業證書（哈哈），也要感謝口委. ‧ 國. 學. 梁至中老師與邱國力老師。在兩次的口試中，都提出非常精確且具體的建議，佩蓉因此獲益良多，也得使這本論文能修改得更臻完美。. ‧ y. Nat. sit. 最後，回應到一開始提及所謂的緣分與邂逅，老實說，在我進入大學之. n. al. er. io. 前，教育專業從來不在我的人生規劃當中。當初進入政大教育系，只是為了. i n U. v. 選校不選系。但一路走來遇到的人、事、物，開發了我對教育的關心與對教. Ch. engchi. 育問題的好奇，就這麼把我或推或拉地上了研究所，甚至還可能繼續走下去，真是始料未及。家人也從一開始對我就讀教育系的否定，到現在全心支持我的未來規劃。回憶（流水帳）段落的最後，仍然必須感謝一切於家人。沒有了家人無條件的支持，使我在就學期間不必擔心經濟問題，能全心做自己想做的任何事，則也不會有今天的自己。. 上述回憶過程中恐有遺漏，看到不在文中但是認識我，覺得應該在本人人生旅途中留名的，還是可以連絡我，我把你的名字手寫上去就是了。謝謝. .

(5) 看這位瘋癲作者囉嗦到這裡的你，可以進入正文了。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. . i n U. v.

(6) 電腦支援協作知識翻新教學與提升學生科學理論本質理解之相關研究指導教授：洪煌堯博士研究生：李佩蓉. 摘要本研究旨在探討，基於知識翻新教學（knowledge building pedagogy）所建立的電腦支援協作學習環境，能否協助提昇學生對科學理論本質的理解。研究對. 政治大. 象為 52 位修習「自然科學概論」課程的大學生。教學設計以知識翻新教學法為. 立. 原則，並輔以知識論壇（Knowledge Forum）線上合作學習平台。. ‧ 國. 學. 資料來源包括：（1）學期前後對科學理論本質理解之開放式問卷；（2）平台討論內容；（3）平台活動量(包括貼文數、回文數等數據資料等)。資料分析採用. ‧. 質性內容分析法及量化成對 T 考驗、卡方考驗等方式。. y. Nat. sit. 研究結果指出：(1)經由知識翻新教學，學生於學期後對科學理論本質理解. n. al. er. io. 產生顯著轉變。學生對科學理論本質的觀點，在期初較偏向邏輯實證主義：認為. i n U. v. 理論主要來自於對自然界的觀察、發現；或視理論為絕對客觀、正確的實驗結果；. Ch. engchi. 或認為理論主要是經由科學家個人所產生，並且是一種具有權威性且不可改變的存在。然而，在期末時，學生對理論本質的理解則轉變為比較建構取向的理解：認為理論是科學家或科學社群的發明，其結果受社會與人文因素等影響；或認為理論本身可以透過某些標準被評價，例如解釋力、適當性、邏輯流暢度等，因此理論能夠被不斷翻新修正。(2)學生在學習平台上進行探究活動中呈現的科學概念層次隨時間經過而不斷進步。學生在後半學期能使用更明確而具體的科學訊息、證據，對議題進行討論。(3)最後，學生對科學理論本質理解的轉變，以及其科學探究概念層次的高低，皆與其在平台活動量（如參與程度等）有正向關連。. .

(7) 針對上述結果，本研究提出相關討論與建議，以供現場教師或未來研究者之用。關鍵字：科學理論本質、知識翻新教學法、電腦支援協作學習. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. . i n U. v.

(8) Exploring the Relationships between Computer-Supported Collaborative Knowledge Building and Students’ Understanding of the Nature of Scientific Theories. Abstract The aim of this study was to investigate whether students can develop a better understanding of the nature of scientific theories after engaging in a computer supported collaborative knowledge building environment. Participants. 政治大. were 52 undergraduate students who took a course about nature sciences. The. 立. instruction of this course was designed based on knowledge building pedagogy,. ‧ 國. 學. using Knowledge Forum as a tool for students to construct their theories about scientific phenomena through online collaboration.. ‧. Data sources included: （ 1 ） a pre-post open-ended questionnaire that. Nat. sit. y. investigated students’ understanding of the nature of scientific theories; （2） the. n. al. er. io. content of an online forum in which students posted their ideas; （3） students’. i n U. v. activities in the forum, for instance, number of students’ notes contributed, or number. Ch. engchi. of notes built-on to each other’s notes. Data were analyzed through both qualitative and quantitative methods. From a qualitative perspective, we used content analysis to evaluate the quality of students’ discussion; from a quantitative perspectivea, paired t-test and chi-square were used to examine students’ change of views regarding the nature of scientific theories after the course. The results showed that after a semester, students were able to develop a more constructivist-oriented view toward the nature of scientific theories. Their view shifted from a more positivist-oriented perspective to a more constructivist-oriented one. Further, the finding showed that there was significant improvement in students’ .

(9) scientific inquiry as reflected in the progressively more sophisticated levels of the scientific concepts discussed online.. Moreover,. it was found that there was a. statistically significant, positive correlation between students’ enhanced understanding of the nature of scientific theory and the intensity of students’ online activities. Additionally, the results also indicated that there was a significant, positive correlation between the depth of students’ scientific inquiry ( as reflected in the concepts inquired and discussed online) and the extent of students’ online activities. Some further suggestions and implications were also discussed in the study.. 政治大. Key words: Nature of scientific theories, knowledge building,. 立. computer-supported collaborative learning （CSCL）. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. . i n U. v.

(10) 目錄目錄..……..…………………………………………………………………………... I 表目錄.......…………………………………………………………………………... II 圖目錄.......………..………………………………………………………………… III 第一章緒論..………………………….……………...……………………….…1 第一節研究動機..………………….……………………………………...……1 第二節研究目的與待答問題..………………………………………………... 3 第三節重要名詞釋義..………………………………………………………... 4 第四節研究範圍與限制..……………………………………………………... 5 第二章文獻探討..………………………………………...……………………. 7 第一節科學本質與科學理論本質..…………………………………………... 7 第二節科學本質與科學理論本質在學習上之影響……………………..…..19 第三節電腦支援協作學習……………………………………………………27 第四節知識翻新教學法………………………………………………………30 第三章研究方法……………………………………………...………………..33 第一節研究設計與研究架構…………………………………………………33 第二節教學設計………………………………………………………………35 第三節研究工具………………………………………………………………42 第四節研究流程………………………………………………………………43 第五節資料分析與處理………………………………………………………45 第四章研究結果……………………………………...…………………….….55 第一節學生學期前後對科學理論本質理解之變化…………………………55 第二節學生於知識論壇平台活動內涵………………………………………63 第三節學生理解轉變及科學探究概念層次與平台活動之關聯……………71 第五章討論與建議…………………………………………...…………..……78 第一節結果討論………………………………………………………………78 第二節建議……………………………………………………………………82 參考文獻……………………………………………………………………………..86. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. I . i n U. v.

(11) 表目錄表 2-1 二種對科學理論本質的看法比較…………………………………………..17 表 2-2 本教學設計中傳統科學探究歷程與平台活動對照………………………..26 表 3-1 現階段學生學期前後問卷編碼表…………………………………………............47 表 3-2 學生討論串內文科學概念編碼表….………………………………………..50 表 3-3 知識論壇平台活動類別編碼表….………………………………………….53 表 3-4 科學概念對應評分表….…………………………………………………….54 表 4-1 學生前、後測問卷填答字數………………………………………………..55 表 4-2 學生問卷編碼結果 T 考驗分數……………………………………………..56. 政治大. 表 4-3 議題討論數字統計表…………..……………………………………………65. 立. 表 4-4 學期前後學生平台回應分類次數……………………..……………………65. ‧ 國. 學. 表 4-5 學期前後學生探究概念層次交叉表….……………………………………..66 表 4-6 知識論壇活動記錄…………..………………………………………………71. ‧. 表 4-7 平台活動 Pearson 相關係數…..……………………………………………..72 表 4-8 學生前後測變化與平台活動交叉表………………………………………..73. y. Nat. n. al. er. io. sit. 表 4-9 學生科學探究概念與平台活動交叉表……………………………………..76. Ch. engchi. II . i n U. v.

(12) 圖目錄圖 2-1 對知識的看法：傳統與現今比較圖………………………………………...23 圖 2-2 科學探究歷程循環圖……………………………………….……………….25 圖 3-1 研究架構圖…………………………………………………………………..34 圖 3-2 本教學設計（課堂活動）與知識翻新理念之比較………………………...36 圖 3-3 教學設計概念圖………………………………………………………..……38 圖 3-4 知識論壇主界面範例………………………………………………………..40 圖 3-5 知識論壇貼文界面範例……………………………………………………..40 圖 3-6 知識論壇讀文界面範例……………………………………………………..41. 治政大圖 4-1 A 組學生整學期探討之議題延續情形………………………………………64 立圖 3-7 研究實施流程圖……………………………………………………………..44. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. III . i n U. v.

(13) 第一章緒論本章主要針對研究動機、目的與設計進行說明，共分為四節，包括研究動機、研究研究目的、關乎本研究的重要名詞釋義與可能的範圍限制。. 第一節研究動機美國科學促進協會（American Association for the Advancement of Science [AAAS]）（1989）指出，因為世界性問題──例如人口增長、環境汙染、社會衝突或貧富差距等──加遽，為思考這些現象，科學素養應該成為所有人都具備的素質，而科學教育則是培育科學素養的重要關鍵。近年來，科學教育者與科學教. 治政大 [NRC], 1996），美國科學促進協會及我國九年一貫課程綱要，都將科學素養的立提升，列為科學教育的目標之一。. 育機構開始重視學生科學素養的養成（AAAS, 1993; National Research Council. ‧ 國. 學. 科學素養的核心議題之一是學生對「科學本質」的理解──即根本性地探討. ‧. 科學是什麼，知識、理論從何而來。而這也是科學教育學者、科學教育機構與研. sit. y. Nat. 究者的重要教育目標之一。提升對科學本質理解的優點，學者各有其看法：微觀. io. er. 角度而言，能增進學生學習科學的動機與學習方式，巨觀角度之下，有助於培育. al. 學生對資訊及社會議題的批判思考能力。然而，提升學生對科學本質的瞭解，雖. n. v i n Ch 已成為自然科學教育上的重要目標，但歷來至近年的研究多指出，許多教師仍具 engchi U 備不完整的科學本質觀（許玫理、郭重吉，1993；Abd-El-Khalick, Bell, & Lederman, 1998; Gallagher, 1991）。教師具備的觀念，除與其教學行為及語言有所關聯，更可能進一步影響學生對科學本質認識的面向，甚至學生學習科學的方式，及對科學價值的看法。換言之，對科學本質不完整的認識──對科學持有「絕對客觀、實徵、不變」的觀點──常導致許多學生習慣使用記憶背誦而非理解的方式學習科學。因此，學生常常在習得大量知識後，因為不了解科學與生活以及問題解決的關聯性，不知該如何實際應用，其學習動機降低，最後甚至放棄學習。為此，如何營造一個能使學生靈活及主動學習的教學環境，並使學生在教學活動中，建構對科學本質深層、而非因記憶背誦產生的表面理解，是值得探討的主題。. 1 .

(14) 在科學本質相關研究中，「科學理論」是一個時常被忽略的議題。多數研究著重於科學本質的測量，但 Chuy（2010）等人的研究卻指出，許多學生之所以沒辦法達到對科學本質的完整理解，是因為他們不重視理論在科學本質中的角色（Chuy et al, 2010）。此外，科學作為一種知識產生的過程（NRC, 1996），理論作為科學探究的產出，了解理論被產出的過程，將有助於學生認識與反思「知識」的存在與價值。為此，在科學本質中，本研究著重於理論本質之探究。. 隨著資訊科技與國際化之發展，當世界被轉型為一個「知識社會」（knowledge society）（Drucker, 1968; 轉引自 Hong, Scardamalia, & Zhang, 2010），未來社會. 治政大察趨勢並為事物賦予意義」的人將成為未來社會的主流族群（Pink, 2006）。因立此過去、甚至現今仍蔚為風行的傳統講述法，在考試取向之下，強調使學生記憶所需要的，將不再是只具備「專業技術」的人才，「有創造力、具同理心、能觀. ‧ 國. 學. 背誦以達到紙筆測驗高分的教學方式，要塑造下一代成為二十一世紀具備競爭力的人才，顯然是遠遠不足的。換言之，在強調創造力、合作能力、批判思考的未. ‧. 來需求之下，對學習的認知將必須跳脫「學習作為獲知」（learning as acquisition），. sit. y. Nat. 進入「學習作為知識創造」的時代（learning as knowledge creation）的階段（Hong,. er. io. Scardamalia, & Zhang, 2010）。. al. n. v i n Ch 因此，使學生有機會與能力，思考「知識」所扮演的角色與功能，從科學理 engchi U 論本質中探討理論是什麼、理論的建構過程與想法價值，本研究嘗試顛覆傳統紙本與教師單方面講授的方式，利用建構取向的知識翻新教學法（knowledge building pedagogy），使學生在課程中扮演類科學家的角色進行科學探究，對科學本質中，尤其是科學知識到理論，進行實際觀察、推理、翻新與創造。. 2 .

(15) 第二節研究目的與待答問題本研究之目的在於了解，藉由電腦支援協作學習環境，及以知識翻新教學法為中心規劃的教學設計下，學生是否能在修習課程之後，對科學理論本質產生更傾建構取向的轉變。以此為研究目的，所列研究問題如下： 1.. 藉知識翻新教學法與電腦支援協作學習，學生對科學理論本質理解是否更偏. 向建構取向？ (1) 學生於學期前後，對科學理論本質理解情形如何？ (2) 學生經由本教學設計後，於學期後對科學理論本質理解，是否產生轉變？ 2.. 學生於電腦支援協作學習環境中的活動內涵及科學探究中所呈現的科學概. 治政大 (1) 學生在電腦支援協作學習環境中，科學探究活動情形如何？立 (2) 學生在電腦支援協作學習環境中，科學探究活動中呈現出的科學概念層. 念層次如何？. ‧ 國. 學. 次如何？ 3.. 學生對科學理論本質之理解，與其科學探究中呈現的科學概念層次，和學生. ‧. 平台合作參與程度是否有關連？. sit. y. Nat. (1) 學生在電腦支援協作學習環境中，活動種類如何？. er. 關？. io. (2) 學生對科學理論本質理解轉變程度，與學生在平台活動參與程度是否有. al. n. v i n Ch (3) 學生對科學探究活動中所呈現的科學概念層次高低，與其平台活動參與 engchi U 程度是否有關？. 3 .

(16) 第三節重要名詞釋義 1.. 科學理論本質（nature of scientific theory）科學理論本質，即為對科學理論基本思考如：什麼是理論、理論如何產生、. 理論的功能為何等議題，所具備的詮釋或看法。受到科學哲學的影響，對理論本質也可能有偏向早期邏輯實證取向，或當代建構主義取向的認識。. 2.. 電腦支援協作學習（computer-supported collaborative learning）電腦支援協作學習旨在了解學生如何在電腦的協助之下共同學習。有別於單. 純「在教學中使用電腦」，電腦支援協作學習更強調能夠如何藉由電腦，使學習. 政治大. 者彼此互動，達到共同成長的目的。. 立. 知識翻新教學（knowledge building pedagogy）. 學. ‧ 國. 3.. 知識翻新教學法強調社群（community）共構與想法翻新的重要性。以想法（idea）為單位，關心生活中的真實問題而非教科書內容，認為想法可以透過社. ‧. 群成員間的彼此對話，與社群共同支持而不斷成長。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 4 . i n U. v.

(17) 第四節研究範圍與限制一、. 研究範圍. (一) 研究對象本研究旨在探究植基於知識翻新教學法上，學生於電腦支援協作學習環境中對科學理論本質理解的轉變情形如何。為此選擇之研究對象為臺北市某國立大學，修習「自然科學概論」此門選修課程的大學生，學生構成以教育學系為主。本門課教師受知識翻新教學法薰陶已久，教學設計理念皆以知識翻新教學法為出發點，而學生在課後將於本門課所提供的知識論壇（Knowledge Forum）上進行科學探究、理論建構活動。. (二) 研究內容. 政治大. 立. 教師課堂教學內容以自然科學範疇為主，要求學生於平台上進行自然科學相. ‧ 國. 學. 關問題之討論，其討論內容及平台活動情形，為本研究內容之一。除此之外的研究內容也包含學生於學期初及期末回答的開放式科學理論本質問卷。. ‧ sit. y. Nat. 二、研究限制. io. al. er. 本研究旨在了解學生經由本教學設計後，能否達到對科學理論本質更完整的. n. 理解，研究過程求多方考量，力使結果趨近客觀，然仍未能避免人為或環境因素，相關限制將敘述如下。. Ch. engchi. i n U. v. (一) 研究樣本之限制本研究以方便取樣之方式，選取臺北市某國立大學修習自然科學概論課程之大學生為研究樣本。在未能真正隨機取樣考量下可能產生之誤差，對本研究結果之推論與解釋，有其限制性。. (二) 研究方法之限制本研究主要以量化方式分析學生於平台貼文及問卷回應內容，由於未能取得學生或教師於教室中互動紀錄或學生口述想法，所分析之結果未能解釋學生的改變與否，與平台及教室教學活動交互作用、影響程度如何。換言之，本研究必須 5 .

(18) 考量但未能回答：學生的改變是否單純由平台活動造成，而未有教師教學、教室互動因素參雜其中。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 6 . i n U. v.

(19) 第二章文獻探討本章將回顧對科學本質及科學理論本質的相關文獻，以了解在歷史層面上，科學哲學如何影響過去與現今對科學本質的認識。此外，亦將探討科學本質與理論本質對教師及學生在教學上之影響，以揭露其重要性。再者，將針對本研究所使用的電腦支援協作學習與知識翻新教學法，進行理論背景與其特點之敘述，以利本研究延伸相關論述與實踐。. 第一節科學本質與科學理論本質一、科學本質的定義與演變. 治政大全民科學素養的培育（AAAS, 1993; NRC, 1996）。美國科學促進協會（AAAS, 1989）立於其報告中書寫到具備科學素養的必要性，認為為了能對當前世界性問題──如近年來，科學教育者與科學教育機構開始積極提倡科學教育中，對學生、或. ‧ 國. 學. 酸雨、熱帶雨林消失或貧富不均等──進行思辯、判斷並尋思解決方法，科學素養應是所有人都該具備的能力。. ‧ sit. y. Nat. Abd-El-Khalick、Bell 與 Lederman（1998）認為，科學素養指稱一個人對科. io. er. 學概念、準則、理論與科學過程的理解，此外也是一個人對科學與科技、社會間. al. 關係的覺察，但一個具備科學素養的人，也必須發展出對科學本質功能性的理解。. n. v i n Ch 當美國科學促進學會（AAAS）將科學本質放在其報告書的第一章節，且我國教 engchi U 育部定案的九年一貫課程綱要中，也將「科學本質」列入「自然與生活科技」領. 域的主要目標之一，則科學本質在科學教育及科學素養培育中的重要性，可見一斑。. 然而，什麼是科學本質？其定義雖因哲學家、歷史學家、社會學家或心理學家的出發點或專業而有所不同，但許多人都同意，科學本質是多面向的（Deng, Chen, Tsai, & Chai, 2011; Wen, Kuo, Tsai, & Chang, 2010）。例如，Abd-El-Khalick、 Bell 與 Lederman（1998）認為，科學本質是一種對科學的認識論（epistemology），是一種瞭解（世界）的方式（a way of knowing），抑或是作為發展科學知識的信念與價值觀。 7 .

(20) 美國科學促進協會（AAAS, 1989）則將科學理論分為科學世界觀（scientific world view）、科學探究活動（scientific inquiry）及科學事業（scientific enterprise）三個領域。. Lederman、Abd-El-Khalick、Bell 與 Schwartz（2002）等人則透過發展與分析科學本質看法問卷（Views of the Nature of Science Questionnaire [VNOS-B]），將科學本質分為：（1）實徵的自然科學知識（empirical nature of scientific knowledge）、（2）科學中的推論與理論（inference and theoretical entities in science）、（3）科學知識本質（nature of scientific knowledge）、. 治政 in science）、（6）科學中的主體性（subjectivity in大 science），及（7）社會立與文化影響（social and cultural influences）等七個面向。. （4）科學理論與定律（scientific theories vs. laws）、（5）科學創意（creativity. ‧ 國. 學. Lederman 於其 2007 年的文章中探究各家說法後，認為科學知識的特徵. ‧. 包括（1）暫時性（tentative），即可變動、更改的；（2）對自然世界的實. sit. y. Nat. 徵性觀察，或透過科學探究歷程而來。但雖然如此，科學知識同時卻也是（3）. io. er. 主觀的，蘊含個人背景、偏見與內隱理論，以及（4）必然包含了人類的想. al. 像、創意與詮釋，和（5）受社會、文化背景影響。Lederman 提及，有其餘. n. v i n Ch 兩個重要面向包括要分清（6）觀察與推論之間的分野：前者為直接地，對 engchi U 現象的描述，後者恆跨於現象之上，試著解釋機制或推論模型；此外，也要（7）了解定理與理論之間的關係和功能：前者為對所觀察現象之間的描述，後者則是對所觀察現象的推論和解釋（Lederman, 2007）。. 針對臺灣的研究，Tsai 和 Liu 也分析了臺灣學生對科學的認識，區分為（1）社會論證在科學中的角色（the role of social negotiation on science）、（2）科學中發明與創造性現實（the invented and creative reality of science）、（3）科學的理論蘊含探索（the theory-laden exploration of science）、（4）文化在科學上的影響（the cultural impacts on science），及（5）科學的改變與可被測試性特徵（the changing and tentative features of science）等五個項 8 .

(21) 度（Tsai & Liu, 2005）。此外，我國九年一貫在科學本質的能力指標中，也以 18 條指標作為界定。. 綜言之，科學本質並無明確的定義，或者說其定義百家爭鳴。科學本質發展深受科學哲學的影響，隨著科學哲學觀點的發展，學者的看法也可能隨之改變。以下茲簡略敘述科學哲學歷史及流派之演變。. (一) 從實證論（positivism）到邏輯實證論（logical positivism）在西洋哲學史中，「人如何認識其外在世界？」，一直都是重要而基礎的問. 治政大有感官所感受到的經驗才是真的──深深影響 16 世紀文藝復興後歐洲哲學家的立觀點，並進一步影響再後期實證論的提出。. 題。在探討此議題之下，其中亞里斯多德所持的「經驗論」（empiricism）──只. ‧ 國. 學. 當談到科學哲學時，大抵被公認最早的觀點，可以從邏輯實證論談起。邏輯. ‧. 實證論演變自「實證論」，受到上述提及的經驗論之影響，認為知識當僅限於對. sit. y. Nat. 事實的認識。任何不可見的、形而上的東西，一律在科學之外。然而實證論者所. io. er. 碰到的問題之一，在於數學一直是大家公認最精確、客觀的學問之一，但強調經. al. 驗與現象的實證論方法，如何可以證實普世性的論證（如「1+1=2」）。為此，. n. v i n C h circle）透過羅素《數學原理》一書，認定數實證論繼承者維也納學派（Vienna engchi U 學本身只有形式，沒有內容，故也不需要實證。對數學問題的證明，來自於邏輯和符號定義的檢證。因此，知識其實可以有「邏輯」與「實證」二部分，即後來邏輯實證論名稱之由來。. 邏輯實證論代表人物包括石里克（M. Schlick）、卡爾納普（R. Carnap）等維也納學派學者。其主要思想為馬赫（Ernst Mach）的現象論（phenomenalism）、維根斯坦（L. Wittgenstein）的檢證原則（verifiability principle），及羅素（B. Russel）的邏輯原子論（logical atomisim）所影響。邏輯實證論者認為，首先科學的命題必需是有意義的，為此以檢證原則及語言模型檢證之；再者，科學命題必須要能被證明為真，邏輯實證主義者使用邏輯或直接經驗證實。因此，對邏輯實證論者 9 .

(22) 而言，不能被證實甚至命題上不能說是有意義的形上學等，都不是科學。邏輯實證論視培根（Bacon）的歸納法為唯一一種科學方法，透過證據的質、量，藉此獲得「確定的知識、真理」。. (二) Karl Popper 的證偽論（falsificationism） Abimbola（1983）認為，對邏輯實證論提出批判的 Karl Popper，其「證偽論」，是一種傳統科學哲學與新科學哲學的過渡（Abimbola, 1983; 郭重吉、許玫理，1992）。Popper 摒棄歸納法，因為他指出，一個真的命題，也可能導出假的結論。例如「所有烏鴉都是黑的」這個命題，若以邏輯實證論. 治政大烏鴉都是黑的，但是，「下一隻」烏鴉並不一定會是黑的。因此歸納法有其立限制性。為此，Popper 提出了演繹證偽法。對 Popper 而言，所謂的科學與者的直接觀察檢證，可以說在特定時間中，看到的第一隻烏鴉，到第 N 隻. ‧ 國. 學. 科學命題，先決條件必須是「可被證偽的」（falsiable）：「我摒棄歸納邏輯的主要理由，正在於……它並不提供一個合適的『劃界標準』（Popper，. ‧. 1986）。」（轉引自張巨青、吳寅華，1994，頁 64）. sit. y. Nat. io. al. n. P1→TT→EE→P2. er. 大抵而言，Popper 的演繹證偽法可以下公式／圖表示之：. Ch. engchi. i n U. v. P1 代表問題（problem），TT 表示試探性的理論（tentative theroy）， EE 代表排除錯誤（error elimination），P2 則代表受檢證後產生的新問題。當面對問題，科學家會試著提出各種試探性假說，而此時的假說可以是大膽的臆測，甚至可以是形而上的的思想。假說提出後，以確認理論本身是否符合邏輯（先驗），或透過經驗證據（後驗）等方式檢視並排除錯誤理論，形成另外一個試探性理論並繼續排除錯誤。如此周而復始，此動態過程對 Popper 而言，可以使理論或假說，愈來愈逼近真理。亦即，沒有一種理論是永恆的真理，所有的理論都在不斷的被挑戰的過程之中，當前一個理論無法解釋已知的現象，得以新的理論取而代之。. 10 .

(23) （三） Thomas Kuhn 的科學歷史主義（historism of science） Thomas Kuhn 的科學歷史主義被認為是科學哲學發展中的一場革命。他在 1962 年出版的《科學革命的結構》（The structure of Scientific Revolution）一書中，呈現了典範（或稱之為派典）（paradigm）這個重要的概念：（1）科學發展歷史中，某一時代的科學理論與系統；（2）一種世界觀、看問題的方法，及（3）科學社群（scientific community）：「科學儘管是由個人進行的，科學知識本質上卻是集團產物（Khun，1981）。」（轉引自張巨青、吳寅華，1994，頁 93）認可並遵循某一典範，在該典範觀點之下進行研究活動的一群人，即科學社群。. 治政大以典範這個概念為中心，Khun 的主張大抵可以下式作為理解：立前科學時期→常態科學→科學革命→（短暫的非常態科學）→新的常態科 ‧. ‧ 國. 學. 學……. 前科學時期指各家說法林立且尚未有一個被大家所共同肯認的典範階段。前. sit. y. Nat. 科學時期到常態科學時期的轉換，則透過典範的確立，相對好的典範有幾個標準. al. er. io. （Khun, 1962/1994）：理論的精確性、融洽性、簡明性、成效性，及廣泛性。當. n. 一個被社群所共同肯認的典範出現後，便進入常態科學時期。. Ch. engchi. i n U. v. 常態科學時期中，科學家所進行的任何研究，目的都不在創造新的典範，而是在典範的規範下，收集支持典範的證據、拓展對典範中不明之處的了解。在實驗或檢視證據的過程當中，當結果不能解釋典範，不同於 Popper 的理論取代，在 Khun 的說法中，科學家會相信是因為個人或工具所導致的錯誤，因此並不會對典範產生威脅。然而當研究中所遇到的衝突一再出現，典範無法說明；或此典範的反常對社會造成了極大問題，則典範的轉換，意味著科學革命（scientific revolution）的到來。經歷短暫的非常態科學時期，典範的取代並再次確立新典範後，此一學門又邁入了常態科學時期。. 11 .

(24) Popper 與 Kuhn 觀點的相似之處，在於二者皆認同科學是一動態過程，在被否證或經歷科學革命下翻新進步。. （四） Paul Feyerabend 的極端多元主義方法論從邏輯實證主義、Popper 到 Khun，對 Feyerabend 而言，都是所謂「單一方法論」者：他們都以單一科學方法，作為唯一的科學方法，例如歸納論、演繹證否論，甚至 Khun 也認為，在常規科學時期中，科學方法是特定的（但對於不同的典範間，方法則是多元的）。此外，他們也是「理論一元論者」：一但理論被確立，就只能保留一個理論。. 治政大 Feyerabend 與上述學者持相對看法。他認為，科學必須減少其權威性，理論立愈多，對科學而言才是有利的。他指出，就算是邏輯實證主義視為客觀的觀察， ‧ 國. 學. 其實也蘊含著某種程度的理論，因此就算是對事實的陳述，也可能受到「污染」。為此，多元理論的存在，是必要的。他認為理論間並不衝突，且唯有透過不同理. ‧. 論間的比較，才能找出該理論的弱點，從而尋求進步。因此對 Feyerabend 而言，. sit. y. Nat. 「怎麼都行」（anything goes），甚至所謂形而上的神話、信仰，也都可與以利. io. er. 用，並沒有所謂科學與非科學之分。. al. n. v i n C h這裡，似乎走向了一種極端與不免混亂的主張。當科學哲學到了 Feyerabend engchi U 之後的 Lakatos、Shapere 與 Lauden 等人，則在力求證據的邏輯實證主義，與怎麼都行的多元方法論中，取得了某種平衡。. （五） Imre Lakatos 的科學研究綱領方法論建立與調和 Popper 及 Khun 的主張，Lakatos 提出更加精緻的理論。首先，在 Popper 早期所謂的樸素證偽主義之上，Lakatos 更加認同後期 Popper 轉型的精緻證偽主義：即，理論被否決／取代，不再只是因為舊理論與事實經驗不符，而是因為新的理論比起舊理論，能說明、涵蓋的範圍更廣，並且這些超出舊理論的範圍，也被成功地驗證過了。因此，理論不再只有被「證偽」，「證實」也成了驗證理論的元素之一。此外，早期 Popper 的樸素證 12 .

(25) 偽論中，理論是「一次」就被否決／取代的，但在 Popper 後期及 Lakatos 的論點中，理論的取代應該是「一段歷史過程」。因為當舊理論面臨無法解釋（反常）時，理論會發展出輔助的假說或解釋，如此周而復始。換言之，也代表著當我們評價理論時，面對的不是「一個理論」，而是「一系列」的理論。. 這「一系列」的理論，某種程度也反映著 Lakatos 提出的科學研究綱領方法論。在 Lakatos 的理論中，理論乃是由幾個相互關聯的部件組成的，包括：（1）硬核：理論的原理／定理／原則；（2）輔助帶：為了延伸、調整理論發展而出的輔助性假說；（3）反面啟發法：為了保護硬核，指示科學家「不應該」做什. 治政大科學家可以從事那些研究，可以怎麼做，為此能發展出輔助假說以協助理論發立展。麼，避免研究什麼；（4）正面啟發法：與反面啟發法相對的，正面啟發法指示. ‧ 國. 學. 因此，對 Lakatos 而言，要評價理論，必須連同上述理論相關背景一同納入. ‧. 考量。而回到理論的取代／替換是一段過程的觀點之上，也代表著「判決性實驗」. sit. y. Nat. 是不存在的。相較於 Popper 和 Khun，Lakatos 的理念更加開放、彈性。但又不. al. er. io. 至於走向 Feyerabend「怎麼都行」的相對主義路線。理論的發展不僅是動態的，. n. 而且是長時間性的過程。. Ch. engchi. i n U. v. （六） Larry Laudan 的科學進步理論. 對 Lauden 而言，先前 Popper、Khun、Lakatos 等人用以評判理論優劣的標準，雖然乍看客觀，卻仍無法避免個人主觀的心理因素或先入為主的觀念。因此所謂的「確證度」、「精確性」等，每個人做出的評價都不會是全然理性的。為此，Lauden 提出另一種評價理論的方法：科學的進步來自於理論解決問題的能力。換言之，新的、更好的理論，在於能增大解決問題的能力。. 在 Lauden 的科學進步理論之中，將問題區分為經驗與概念問題。在經驗問題中，又包括：已解決的問題、未解決的問題以及反常問題。科學進步的重點之一，就是要解決未解決以及反常問題。此外 Lauden 認為，有時理論無法解決問 13 .

(26) 題，並非理論之錯，而是在概念問題上的爭論，例如理論中某些基本假定的不清楚。. 此外，Lauden 也提出了「研究傳統」的概念。研究傳統涉及了該研究領域內關於哪些研究能做、哪些不能做的準則。例如站在「光是一種波」此研究傳統的研究者，若同時試圖驗證「光是粒子」，則違背了光是波的研究傳統。在 Lauden 的定義中，研究傳統是一系列的理論，且可以並存。每個研究傳統各自有其信念，彼此之間的差異是可以調和的。因此，所謂科學革命，不是一個理論推翻一個理論，而是將舊理論的成分加以重新組合，提出新理論。. 立. 政治大. 綜言之，對 Lauden 而言，科學的目的不在逼進真理：「如果理性在於. ‧ 國. 學. 只相信我們能夠有理由假定是真的東西，且若我們從理性的經典的、非實用的意義上，給『真理』下定義，那麼科學就（將永遠）是非理性的。」（轉. ‧. 引自舒煒光、邱仁宗，1991）科學的目的，在於能解決問題，愈好的理論，. al. （七） Alfred Shapere 的關聯主義方法論. er. io. sit. y. Nat. 就代表著能更好地解決問題。換言之，Lauden 可說是實用主義的代表。. n. v i n Ch Shapere 認為，無論是存有預設主義──即科學建立在某些永恆不變、 engchi U 先驗並可檢驗的元素之上──的邏輯實證主義，或站在相對主義──理論沒有絕對的評判標準，對理論只能採取自評──的歷史主義，二者皆有其嚴重的片面性。對 Shapere 而言，「背景信念」，才是科學發展的基礎。所謂背景信念，指的是科學發展過程中，在科學觀察與理論推理中所根據的知識背景與信念。背景信念必須是已被證明是成功的、無人懷疑的，並且要和用以研究的領域有所關聯。建立在背景信念所進行的科學活動之上，Shapere 提出了「域」（domain）的概念。. 「域」的發展來自於問題。按照問題，進行尋找與研究，並和其他相關研究／事件進行比較、推理，用以回答問題的答案，就是理論。而上述科學 14 .

(27) 活動，包括觀察的過程、推理的過程，皆不脫離背景信念。此外，隨著科學知識與技術的提升，域也是不斷在變化的。對 Shapere 而言，域的形成與轉變，也就反映著科學的發展。. （八）建構主義（constructivism）建構主義並非由單一一人所提出，而是逐漸發展出來，並在近期受到重視。其重要根源之一，來自 Khun 的思想。就建構主義而言，對知識或科學理論的形成，有三大原則，包括：主動原則、適應原則與發展原則（詹志禹，1996）。. 治政大。個體的心理與認知功能，並非被動接受於外在，而是由個體主動認識、組織而成立能夠調適、建造知識，並經由先備知識的累積，使知識成長、發展。換言之，對. 大抵而言，有別於傳統邏輯實證主義或 Popper 的思想，建構主義認為知識. ‧ 國. 學. 建構主義而言，人是知識的主體。. ‧. 上述科學哲學學說之整理，大抵反映科學界或歷史上，對於科學、知識的認. sit. y. Nat. 知與看法。從最一開始強調經驗、絕對客觀證據與確定不變真理的邏輯實證主義，. io. er. 到近期漸漸將知識或科學理論，認識為一個動態演變與建構的過程。整體而言，. al. 科學本質是一個科學的社會研究，包含哲學、科學史、社會學、心理學等四部分。. n. v i n Ch 以此四個領域對科學做研究與定義，產生了我們認為「科學是什麼」，即科學本 engchi U 質。而認識影響著科學本質演變的科學哲學歷史及觀點，無論是實證或建構取向，皆有助於我們進入本節第二部分，即對科學理論本質的理解。. 二、. 科學理論本質的定義與分類. 科學理論本質有別於科學理論，更著重於理論存在價值與其建構的探討。 Lederman（1996）認為科學的過程比結果更為重要（轉引自 Smith & Scharmann, 1999），理解科學過程，即理論的產生與其價值，在科學本質的教育當中，確實也是不可被忽視的一環。. 1906 年法國物理學家迪昂認為，科學理論是由一個特定假說與許多附加假 15 .

(28) 說構成（張巨青、吳寅華，1994）。Lauden（1977/1992）在其書中提及，若科學疑問是由問題所構成，那麼理論，就成為了解答。理論的功能在於解決科學中的歧義，使事件可理解並可預測。Suppes （1967）則認為，科學理論是一個難以下定義的詞彙，但他仍指出科學理論具有兩個部分，缺一即不完整：其一，是抽象的邏輯推測（abstract logical calculus）；再者，是能為一些較基本及明確的邏輯推測，提供調適用的定義（co-ordinating definitions）和科學性的解釋，而這些解釋是建立在實際根據的規則（ empirical interpretations）之上。上述定義較偏向於「一個科學理論應該具備哪些元素」，但關於科學理論（知識）的建構層面，仍必須回到科學哲學探討之。. 治政大 Palmquist 和 Finley（1997）發展了一份關於科學理論本質的問卷。此立、 Kuhn （1970）、 Lakatos （1977）、 Laudan 問卷係根據 Feyerabend （1978） ‧ 國. 學. （1977）與 Toulman（1953）等科學哲學家的學說發展而來，區分為傳統（traditional）與當代（contemporary）模式：. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 16 . i n U. v.

(29) 表 2-1 二種對科學理論本質的看法比較傳統（traditional）. 當代（contemporary） 1. 「觀察」本身即蘊含理論。 2. 理論是科學家的發明。. 1.理論是直接根據觀察而來的。. 3. 當出現了一個矛盾的事實，並不. 2.新理論可以取代舊理論，主要是因代表必須放棄該理論。 4. 理論是用於描述、解釋與預測科. 為觀察隨著時間改進及增加。科學理論. 3. 當理論與真實現象產生矛盾，則學現象的。. 政治5. 理論符合某些典範。大 4. 理論是被證明為對的假說。 6. 科學家從何開始進行研究，本身立 5. 舊的理論對於科學家而言是沒有即被理論所影響。整個理論為錯。. ‧ 國. 學. 7. 理論經由與其他普遍被接受的理論（典範）來確認。. ‧. 8. 觀察受社會和文化因素影響。. 科學知識的增加源自於觀察的. al. n. 科學知識. 累積。 4.. 科學知識的進展是不連續的。. 2.. 科學知識是暫時性的。. 3.. 科學知識的創造與確認來自於. 4.. 科學家根據先前的知識、觀察與. v i n Ch i U e n g c h科學社群的普遍接受。科學知識的進步來自於觀察的. 累積。 3.. 1.. y. 2.. io. 科學知識直接來自於現實之中。. sit. Nat. 1.. er. 用的。. 邏輯創造科學知識。科學知識能否被證實，是直接被. 觀察所影響。. 5.. 科學知識的暫時性與多少人致. 力於驗證此一知識有關。. 5.. 科學知識是不會改變的。. 6.. 科學資料不能被科學家解釋。. 6.. 所謂的「真相」被定義為對現象. 的精確描述。. 資料來源：修改自 “Preservice teachers' views of the nature of science during a postbaccalaureate science teaching program” by B. C. Palmquist, & F. N. Finley, 1997, Journal of Research in Science Teaching, 34(6), p.611-613.. 17 .

(30) 就上述探討，若根據 Palmquist 和 Finley（1997）的分類，能對科學理論本質有傳統（邏輯實證取向）與當代（建構取向）的看法，則對學生在理解科學（理論）本質與學習上，此二種取向何者較佳？此外，對科學（理論）本質的理解與否，是否對學生在學習科學甚至其他方面有所影響？相關研究將於本章第二節，進行更深入的討論與整理。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 18 . i n U. v.

(31) 第二節科學本質與科學理論本質理解在學習上之影響一、科學本質與學習科學本質為何受到科學教育界的重視？Eldridge（1981）指出，美國科學教育的一個悲劇，在於每天都有新的發現、新的真理與新的科技發明，卻沒有給人們一個選項：「你要接受它們與否？」（轉引自Duschl, 1988）美國科學促進協會（AAAS, 1993）認為，若達到科學本質的理解，有助於人們了解科學家是藉由怎麼樣的工作模式以達到科學共識，因此能使人們對科學結果進行更多思考，而非僅是一味地全盤接受。. 治政大只能在考試上表現好，卻無法發展出整合性的理解（integrated understanding）。立換言之，他們無法將這些學到的東西，應用於生活經驗之外。因此，當人們增進. 此外，Songer與Linn（1991）認為，抱持著固態（static）科學信念的學生，. ‧ 國. 學. 對「科學是如何運作」的概念後，將能以其作為基礎，使用這樣的運作機制，達到對未來學習與生活中的問題解決（AAAS, 1993）。. ‧ sit. y. Nat. Smith和Scharmann（1999）於其文章中提及，增進人們對科學本質理解最重. io. er. 要的原因，在於這種理解，於反思並對個人決策負起責任，以及促成在地到全球. al. 的公民社會，是一個關鍵性的因素。郭重吉和許玫理（1992）的研究中即詳列了. n. v i n Ch 1960年代後，科學教育目標的轉變，認為當代的科學目標，要著重於未來公民的 engchi U 培育，與培育系統性思考、作決斷的技能。另一方面，近代教育界許多研究也注意到，提升學生對科學本質的瞭解，不僅能提升學生對科學的興趣，也有助於達到對科學更深層的理解及對科學議題、訊息的判斷（李悅美，2002；Chuy, et. al, 2010; Deng, Chen, Tsai, & Chai, 2011;Songer & Linn, 1991; Tsai, 1998）。. 縱然了解科學本質對人類，或對科學學習是如此重要，諸多研究卻顯示了教師與學生，在科學教育中對科學本質重要性的忽略。例如Lederman（1992）指出，教師對科學本質的理解，與其在課堂上展現的行為，及學生的學習和觀念產生是 19 .

(32) 有所關聯的。翁秀玉與段曉林（1997）的研究也整理出，不同科學觀點的理解，對科學教育的教學行為及學生會有什麼樣的影響。例如當學生認為科學知識是權威性的，當教師傾向以「講授知識」的方式來教學，學生多會以記憶背誦的方式學習；反之，當學生認為科學知識具有暫時性的特徵，則會傾向以理解的方式學習科學，也更容易地將其應用在生活中。. 既然教師對科學本質的理解影響其教學行為，甚至是學生對知識的學習與應用，則教師對科學本質的理解，將是重要的出發點。然而國內外許多研究指出，多數教師對科學本質的理解仍不完整，或甚至偏向傳統觀點。他們鮮少重視科學. 治政大 1991），如此一來，吉，1993；Abd-El-Khalick, Bell, & Lederman, 1998; Gallagher, 立便易造成制式化或不成熟的教學。教師可能只著重定律、理論或觀念的傳達本質，也幾乎不將對科學本質理解的教學活動，規劃進教案當中（許玫理、郭重. ‧ 國. 學. （Abimbola, 1983; AAAS, 1998），或甚至不會將科學這個科目當中的知識與其他領域相結合（Duschl, 1988）。當對科學的理解無法與自身經驗結合，學生更不會. Nat. sit. y. ‧. 認為科學甚至學習本身是重要的（Songer & Linn, 1991）。. io. al. er. 除上述提及的研究取向，針對科學本質與教師、學生間的研究，Lederman. n. （1992）以文獻整理之方式，將40年間針對科學本質在學習上的研究大抵歸類為四類：. Ch. engchi. i n U. v. (1) 測量學生對科學本質之理解：其中多數研究結果顯示，大抵而言學生對於科學本質較具備不完整的認識。 (2) 針對提升學生科學本質理解的課堂設計之發展、使用及評量：結果顯示，雖然不是全部，但大部分而言，相較於傳統教科書教學，使用多媒介、實驗（實作）、重視想法（idea）、批判性思考（critical thinking）或探究學習（inquiry-based learning）等方式，有助於使學生對科學本質理解的轉變。 (3) 對教師科學本質理解之測量或提升策略之研究：Lederman 引用了 Behnke 的研究指出，許多科學教師仍將科學視為固定不變且權威的存在，且他進一步提到，教師對科學固守的觀念，將使學生對科學產生錯誤的理解（misrepresentation）。. 20 .

(33) (4) 釐清教師（對科學本質）觀念與教室實踐及學生（科學本質）觀念間之關係：其中總結到教師的觀念會影響其行為與語言，並進一步影響學生在科學上的學習。. Deng、Chen、Tsai 與 Chai（2011）的研究對近年來的文獻進行歸納，共整理了 1991 年至 2010 年間針對學生與科學本質觀、科學認識論等共計 105 篇文章。根據研究文章的研究方法，區分為單一向度、多元向度及論證性來源（argumentative sources)，有如下結論： (1) 學生的科學本質觀：多數針對學生科學本質觀的研究發現，學生抱持有混合. 治政大生能引用論證性來源批判性地建構與澄清科學訊息。立 (2) 科學本質觀與人口面向：單一向度研究中，只有 1 篇研究探討此議題。該研. 式（mixed）──即綜合實證與建構──的科學本質觀。在論證性研究部分，學. ‧ 國. 學. 究結果顯示 8 年級的學生，比起 6、7 年級學生，具有更完整的科學本質觀， 6、7 年級間則無顯著差異。在多元向度研究中，多數研究顯示出男性比女性，. ‧. 在科學本質觀的某些向度上──例如創意與理論轉變──持有更建構取向的. sit. y. Nat. 看法。少部分認為沒有顯著差異。年紀方面，16-18 歲學生，比起 9-12 歲學. io. er. 生，傾向持有建構性的科學本質觀。此外，在文化方面，也有顯著差異。. al. (3) 科學本質觀與主修關係：單一向度中只有 1 篇研究，針對不同主修例如物理、. n. v i n Ch 生物主修以及非物理主修間，對科學本質理解的差異，結果顯示並無顯著不 engchi U 同。而多元向度的研究中則顯示出，主修與非主修科學的大學生，對於科學本質不同向度間的認識，有顯著差異。. (4) 科學本質觀與學習關係：單一向度的文獻中，多數研究結果指出對科學本質理解與學習具有正向關係，愈持建構取向的學生，偏好較建構中心的學習環境，也能夠具有較好的後設認知能力。而在多元向度研究中則指出，只有某些向度和學習有顯著關聯，例如對科學方法的觀點，能預測其問題解決策略。論證性方面的研究則顯示出，學生對科學本質觀轉變，不一定其學習策略就跟著轉變。 (5) 課程設計的影響：單一向度中的 2 篇研究探索課程設計與學生對科學本質認識的影響，皆呈正向關聯。使用更加討論性質、多元或辨證活動等方式，有 21 .

(34) 助於學生建立建構取向的科學本質觀。而多元向度的 36 篇研究中，使用外顯的（explicit）教學方式的 17 篇研究，其中 15 篇（88%）有顯著轉變，而內隱（implicit）教學法的 19 篇中，則只有 9 篇（47%）有顯著轉變。論證性研究的 4 篇研究結果指出，透過使學生進入討論、探究、閱讀與反思等活動，學生在某些科學本質向度有所提升。. 綜言之，科學本質的重要性不只呈現在科學學科學習上，而是更進一步地與人類自身及生活、社會議題有所關聯。然而在科學教育中，多數研究卻呈現教師大多具備不完整的科學本質理解，也不了解科學本質如何影響他們. 治政大當教師跳脫出傳統的課本與講述，嘗試使用多元的方式，則有可能在學習情立境中，建構學生對科學本質較完整的理解。. 的教學甚至學生學習科學的動機及方式。但是，上述探討的文獻中也指出，. ‧ 國. 學. 二、科學理論本質與學習. ‧. 目前國內外大多數研究，多針對教師或學生的科學本質理解作了解，很. sit. y. Nat. 少有研究著墨於教師或學生，是如何了解科學理論被發明或建構。郭重吉、. io. al. er. 許玫理（1992）的報告中圖示出，經歷科學哲學的演變，現今對知識的理解，. n. 應當傾向能了解，知識是以一建構取向成形（如圖 2-1）。. Ch. engchi. 22 . i n U. v.

(35) 知識是如何成長的？傳統的看法. 現今的看法. 是由人所發現的真實(或至少是可以驗證的)知識. 是人類所建構出來到目前為止最佳的知識. 知識應是已被驗證成立(或加以驗證的). 知識是無法驗證更無法證明的. 去與未來。彰化師範大學學報，3，531-560。. 學. ‧ 國. 治政大圖 2-1 對知識的看法：傳統與現今比較圖立資料來源：郭重吉、許玫理（1992）。從科學哲學觀點的演變探討科學教育的過 ‧. Carey 和 Smith（1993）的文獻中指出，經由科學知識，達到對科學本質的. sit. y. Nat. 理解上有三個層級。第一層級對科學本質的理解，認為科學知識僅由一些事實所. io. er. 組成；第二層級的理解已脫離了單純對事實的認識，而瞭解科學知識是經過測試. al. 的想法；對科學知識第三層級的理解，已能瞭解科學知識是由科學理論所引導，. n. v i n Ch 所以就算科學知識是由大量對事實的探討所組成，科學知識仍有其不確定性。 engchi U. 但 Carey 等人仍指出，許多學生之所以無法達到科學本質第一層級的理解，是因為他們不重視科學理論在科學或科學探究中的角色，即知識如何產生此一議題，在科學歷程中的重要性（轉引自 Chuy, et. al, 2010）。因此科學作為一種理解的方式，科學理論的建構被視為一種知識建構的過程，重視對科學理論本質的理解，在科學教育之中確實是重要的一環。. Wen（2010）等人特別針對臺灣高中學生對科學理論本質瞭解進行研究，結果指出超過百分之 60 的學生，認為理論來自於發現，而當理論轉變，也是因為「新的發現」。顯見在理論本質上，至少臺灣學生對理論建構的概念，理解尚不 23 .

(36) 完善。Tsai（1998）的研究中指出，當學生對於科學知識持實證，即知識（理論）即事實時，他們會更希望教師以講述概念的方式學習，當自己犯錯時，也展現出更多的焦慮，並且更加依賴教師所扮演的角色。然而，當學生對科學知識抱持有建構的概念時，學生在學習過程中，會試著表述自己已學習到的概念，且以較好的後設認知技巧，來管控自己對想法的建構過程；再者，他們會以更適應性的方式來學習科學，並嘗試以各種不同的方式解決問題，並有較多同儕相互討論的機會。因此，透過文獻探討，本研究假定建構取向的科學理論本質，對學生的學科學習、問題解決與靈活運用知識等方面，或許有更多助益。故期許學生經由本教學設計，對科學理論本質能有更傾向建構取向的理解。. 立. 政治大. 許多研究指出，在科學教育中，教師應營造一個類似於科學家探究──. ‧ 國. 學. 提出問題、假設、調查、分析、建構模型與評估（White, Shimoda & Frederiksen, 1999）──的學習情境（如圖 2-2 所示）（翁秀玉、段曉林，1997；O’Neill. ‧. & Polman, 2004），而非僅是讓學生操作食譜式的實驗步驟。換言之，使學. sit. y. Nat. 生了解科學家是以建構與問題解決的模式進行科學理論的產出，有助於使學. io. al. n. . er. 生達到對科學理論本質較為完善的理解。. Ch. engchi. 24 . i n U. v.

(37) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 sit. y. Nat. 圖 2-2 科學探究歷程循環圖. er. io. 資料來源：修改自”Enabling students to construct theories of collaborative inquiry. al. and reflective learning: Computer support for metacognitive development.” by B. Y.. n. v i n Ch White, T. A. Shimoda, & J. R. Frederiksen,1999, Journal of Artificial i U e n g c hInternational Intelligence in Education (IJAIED), 10, p.154.. 為此，本研究使用電腦支援協作學習與知識翻新教學法，來營造一科學探究情境。並且此處特別言明的是，有別於傳統的科學探究：著重於問題解決的「活動」歷程，本研究所使用的知識翻新教學法，更重視學生「想法」的轉變與品質提升──在科學探究中，想法即等同於理論。換言之，知識翻新教學法與傳統科學探究雖有一定的相似之處，但更著重於「理論轉變／建構」本身之歷程。本教學設計中，藉由電腦支援協作平台知識論壇，使學生進行類科學家的問題解決與理論建構活動。傳統科學探究、知識翻新活動及其於論壇活動之比較，詳如下表。對知識翻新原則的詳細介紹，則待本章第四節。 25 .

(38) 表2-2 本教學設計中傳統科學探究歷程與平台活動對照傳統科學探究歷程. 知識翻新理念. 知識論壇活動. 提出問題. 關心生活中的問題. 我想要了解. 假設. 提出想法. 我的理論. 調查. 愈來愈高層次的想法. 我的理論／新資訊. 分析. 我的理論／我們的想法. 建構模型. 社群共享成長. 評估. 我們的想法這理論無法解釋. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 26 . i n U. v.

(39) 第三節電腦支援協作學習一、協作學習在英文當中，合作學習（cooperative learning）與協作學習（collaborative learning），是兩個截然不同的概念。前者泛指學生將一個學習任務切割為不同部分，成員各自處理一小部分後，再回到小組當中整合與完成整體任務；後者則更強調學生間彼此的緊密連結，因為任務進行中，小組內的每位學生，皆必須參與任務中的每個步驟或環節。換言之，學生是「一起」完成這份任務。. 協作學習是一種合作型態的教學模式，旨在採取異質分組的方式，使學生在. 治政大現於 1700 年代末期，由蘭開斯特（J.Lancaster）與貝爾（A.Bell）於英國施教。立 19 世紀早期，美國也開始推行使用（黃政傑、林佩璇，1996）。學習中彼此教導、協助，以達到共同理解與對學習的提升。協作學習模式最早出. ‧ 國. 學. 若試著了解協作模式在學習中運作的機制及其效能，可以從幾個觀點探討之。. ‧. 就皮亞傑（Piaget）的社會認知衝突理論（socailcongnitive conflict theory）而言，. sit. y. Nat. 學習者自身透過他人觀點與自身觀點的衝突，能有機會調整自身信念，融合或調. er. io. 適出新想法。而維高斯基（Vygotsky）的社會文化論（sociocultural theory）則透. al. 過建構鷹架（scaffolding），由具備有類似認知基礎的同儕引導，更能了解相似. n. v i n Ch 年紀的同學可能遭遇的問題。藉由較高程度學生的協助，引導同儕達到對學習任 engchi U 務的熟悉或解決。另一個觀點來自「對知識的共同建構」（coconstruction of knowledge）（Webb, 2013）。建立在其他學生的想法或解釋之上，同儕彼此貢獻自己所知的一小塊訊息。透過訊息的交換、討論、澄清、修正、添加與連結，學生能以協作的方式，內化並共建出問題解決的策略。. 綜言之，協作學習能逐漸成為教育中的潮流，理由有數：包括協作學習能提升學生的合作能力：在未來強調創意與團體合作導向中，使學生具備合作而非競爭意識，了解到合作的好處，尤其重要；再者，經由社會認知衝突論、社會文化理論、發展理論等學理分析後，發現協作學習有助於提升學習成效；第三，協作學習對學生學習人際互動上，亦有所助益。學生可於共同的問題解決過程中，熟 27 .

(40) 習溝通協調技能。近期著名的教育大師佐藤學，亦提出學習共同體於未來發展的可能與必要性（佐藤學，2012），其書中指出學生如何在協作學習互動中，達到對個體差異性的解決，甚至公民型態的想見。. 二、電腦支援協作學習當人類逐漸進入一個資訊爆炸的時代，科技與大量的訊息不僅改變了我們的生活方式，更催生了教育領域中相應的新教學環境、資源與教學法（Collins & Halverson, 2010; Khan, 1998; Sun, Lin & Yu, 2008; Trilling & Hood, 1999）。當 WWW（即 World Wide Web）進入課堂後，將改變學生. 治政大（Hoffman, Wu, 能力，此外以網絡合作的方式進行學習，也將成為必要的趨勢立 Krajcik, & Soloway, 2003）。學習的本質，大量的媒體與訊息，促使學生必須提升資訊收集及問題解決的. ‧ 國. 學. 然而有研究認為，電腦學習有其缺點。例如 Wallace（2000）等人的研. ‧. 究中指出，讓小學六年級學生使用電腦進行教學，學生們雖然容易學習新科. sit. y. Nat. 技的操作，但當要進行資訊的搜尋，則使用的方式卻過於單純，在資訊查找. io. al. er. 上顯現出困難。Hoffman（2003）等人的研究中也指出類似現象。當學生使. n. 用線上資源學習時，傾向於「尋找答案」而非真的「理解」它們。. Ch. engchi. i n U. v. 但若上述情況，是在學生的「協作學習」之下，情況將可能截然不同。「電腦支援協作學習」，便是在 1990 年代時，人們認為「學生使用電腦學習時，因為軟硬體的關係，基本上是獨自學習」此一質疑之下所興起。電腦支援協作學習旨在了解學生如何在電腦的協助之下共同學習。與單純的「在教學中操作電腦」不同，電腦支援協作學習具備幾個優點，最基本的包括了不限使用者人數、不限時空地點、不一定非得要同步且以線性方式學習、能嘗試各種媒體，以及能接觸與學習使用全球性的資源等優勢（Yang, 2001）。但更深入言之，電腦支援學習環境刺激學生彼此合作，他們並不只是單純地在網路上搜尋資訊或貼訊息給他人，電腦支援協作學習的教學應用也包括學. 28 .

(41) 生在線上、線下共同合作，藉由電腦輔助解決學習任務、辯論、問問題及表達彼此想法（Stahl, Koschmann, & Suthers, 2006）。. 然綜觀目前教師對於網路資訊與教學的應用，多半仍侷限於教師單方面的使用。教師以搜尋網路教學資源為主，進行補救教學為其次，且電腦輔助教學多以教師主導，還無法做到讓學生為主體的主動參與、學習（溫明正，2002）。要真正達到應用網路教學的互動性、開放性，塑造一種友善空間者，除大學課程較有此可能性外，中小學仍難以跳脫傳統式教學與媒體應用方式。但是，要達到國際競爭──包括富有創造力、反思性與團隊合作能力人才的塑造──必須及早培養. 治政大造知識。但此種教學方式要如何應用於臺灣的教育呢？以下探討的知識翻新教學立法，或許可以達到此可能性。. 學生創造思考之能力。一如目前著名的芬蘭教育，即著重於讓學童自行尋找與創. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 29 . i n U. v.