探討以「建模導向探究」及「專題導向探究」的教學策略融入「探究與實作｣課程設計下之學生學習成果

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(1)國立臺灣師範大學理學院科學教育研究所博士論文 Graduate Institute of Science Education. National Taiwan Normal University Doctoral Dissertation. 探討以「建模導向探究」及「專題導向探究」的教學策略融入「探究與實作｣課程設計下之學生學習成果 The study of investigating high school students’ learning performance via the instruction of “modeling-based inquiry” and “project-based inquiry” in “Science Inquiry and Practice” curriculum.. 研究生:蔡哲銘撰 Tsai Che-Ming. 指導教授：邱美虹博士. 中華民國 109 年 9 月 September 2020.

(2) 致謝詞 Acknowledgements 身為一位高中自然科學教師，理應熟悉科學教育。然而真的對於科學教育能夠有所認識，是進入科學教育研究所之後，在師長們的帶領之下，才對科學教育有深一層的瞭解。在此要感謝所裡面的邱美虹老師、張文華老師、張俊彥老師、楊文金老師、譚克平老師、吳心楷老師、許瑛玿老師、楊芳瑩老師、顏妙璇老師，帶領我進入科教的領域。能夠完成這篇論文，要真心感謝邱美虹教授的指導，大家都知道邱老師不僅治學嚴謹，著作等身，同時對化學及科學教育充滿熱情，承擔許多重要的研究、服務及推廣工作，經常透過各種不同方式鼓勵學子學習科學。然而對我而言，老師更令我佩服的地方是她總是知道我何時會卡關、逃避，在關鍵時刻會運用各種神奇的方法把我抓回軌道上來，然後用溫暖的笑容鼓勵我不要放棄、要做學生的榜樣，這幾年我總是告訴自己，老師都沒有放棄我，我怎麼能放棄自己! 老師是我生命中的貴人，也是我學習的榜樣。其次要感謝口試委員洪振方教授、陳竹亭教授、周金城教授、陳育霖教授的指導，指出論文不足之處，同時也給予正向鼓勵，提供修正的方向。老師們在學術上的深厚專業，讓我對科教研究及論文寫作有更深一層的認識與學習。接著要感謝幾位貴人，首先要感謝周金城老師，周老師每看到我一次，就鼓勵我一次，在論文的撰寫上提供寶貴意見，在精神上也提供重要支持。感謝兩位優秀的學弟曾茂仁及謝東霖老師，不但一起參與寫作的討論，也協助許多資料的分析。感謝好朋友葉昭松老師在課程實驗時提供諸多幫助，像是萬能的小叮噹。感謝認知實驗室郭素妙小姐的幫忙，對於一直以來半工半讀的我，素妙的幫忙真是太重要了，讓我省去多次的奔波! 最後，要謝謝我的家人，謝謝爸爸、媽媽的栽培，謝謝兩位弟弟的陪伴，謝謝汶靖、辰鑫、淳伃的無條件支持，愛你們!. i.

(3) 探討以「建模導向探究」及「專題導向探究」的教學策略融入「探究與實作｣課程設計下之學生學習成果摘要隨著「探究與實作」課程被列為部定必修課程，大考中心規劃將重視情境脈絡且能運用科學上的方法論的素養導向試題列為大學考試的命題方向。另一個受到矚目的是學生在課程產出的實作作品，將成為未來申請大學時的重要資料。本研究將兩種教學設計－「專題導向探究」及「建模導向探究」的教學策略融入「探究與實作｣課程。兩組課程大致分成兩個階段。第一階段先由教師利用三周的教學分別協助不同組的學生搭設探究歷程或建模歷程的鷹架，第二階段學生再利用三周的時間進行開放式問題的探究。同時，本研究改編 PISA 試題及歷年全國科展作品，設計科學素養導向測驗。並探討學生在課程前後的科學素養變化以及在課程中產出之實作作品的情形作為學生學習的成果表現。此外，有鑑於科學教育領域對於模型與建模的日漸重視，本研究將比較學生在兩種模式下對於模型本質的了解與建模能力的培養情形。研究結果顯示，專題導向探究組在科學素養測驗在總分、提出可驗證觀點、尋找變因或條件、分析資料和呈現證據、提出結論或解決方案及表達與溝通等項目後測優於前測，且達顯著差異。而建模導向探究組僅在總分、分析資料和呈現證據、及表達與溝通等項目後測優於前測，且達顯著差異。在運用 Johnson Neyman 法比較兩組探究模式在科學素養測驗的表現時，在總分、論證與建模、表達與分享等項目，皆得到專題導向探究教學適合素養評量前測較高的學生學習，而建模導向探究教學適合素養評量前測較低的學生學習的推論。而在發現問題與規劃與研究則以共變數進行分析，兩組無顯著差異。而在模型本質問卷的施測結果，建模導向探究組在模型本體面向、認識面向與方法面向，前後測的 t-檢定顯示後測優於前測，且達顯著差異。專題導向探究組的問卷前後測 t-檢定顯示僅在模型本體面向後測優於前測，且達顯著差異。進 ii.

(4) 一步兩組前後測共變量的分析顯示，在模型本體、認識與方法等三個面向，建模導向探究組的表現皆優於專題導向探究組，且達顯著差異。在建模能力測驗的表現上，使用費雪精確檢定結果顯示，兩組的學生在模型選擇、模型效化兩項度的表現有差異，而在模型建立及模型應用與調度皆未達顯著差異。其中又以建模組在高層級(Level4 與 Level5)的人數多於探究組，可知建模教學有助於提升模型選擇與模型效化之建模能力。在學生實作作品方面，建模導向探究組的學生分為 8 組，其中 2 組的成果能夠利用科學理論驗證模型並應用於其他情境，有 4 組可以建立模型的延伸關係，有 2 組可以建立模型的成分關係。對於開放性探究問題，建模導向探究組的學生能夠掌握選擇正確變因、並且能透過實作找到變因之間的定性關係，但是距離科學社群能夠形成模型解釋實作成果仍有一段差距。在專題導向探究組將學生分為 8 組，有 7 組完成作品，但有 1 組未完成實驗驗證。評量結果顯示，在有 7 組在「提出適合科學探究問題」、有 6 組在「提出符合研究問題的設計」、有 5 組在「能分析數據」、有 5 組在「會製作並應用圖表」、有 7 組在「提出結論或建立模型」方面達到 3 分(可)以上。對於開放性探究問題，專題導向探究組的學生能夠掌握控制變因實驗方法的設計、認為本課程在實驗設計幫助最多，但仍會體會到問題的複雜與不確定性。整體而言，以｢專題導向探究」及「建模導向探究」的教學策略融入「探究與實作｣課程，學生有豐富的學習成效也多能產出實作作品。｢專題導向探究」設計在培養學生科學素養的成果較佳，而「建模導向探究」則在培養學生對模型本質的概念與建模能力有較好的效果。兩組學生對於開放式的真實問題探究，皆體會到問題的複雜與不確定性，必要時教師需要協助對學生的探究調查技巧以及科學背景知識搭設鷹架，才能引導學生克服真實探究問題的挑戰。關鍵字: 探究與實作、專題導向探究、建模導向探究、科學素養、模型. iii.

(5) The study of investigating high school students’ learning performance via the instruction of “modeling-based inquiry” and “project-based inquiry” in “ Science Inquiry and Practice” curriculum. Abstract This study integrates two instructional designs—“project-based inquiry” and “modeling-based inquiry”—into the “Science Inquiry and Practice” curriculum. The two sets of curricula are divided into two stages. In the first stage, teachers spend three weeks scaffloding students the inquiry or modeling process. In the second stage, students use another three weeks to conduct research for investigating open-ended questions. With the “Science Inquiry and Practice” curriculum listed as a required course stipulated by the Ministry of Education in Taiwan, the College Entrance Examination Center has planned to apply literacy-oriented test questions, which are regarded as a context-focused and scientific methodology, to designing test items for national examnination for university admissions. Another focus is the practical works produced by students in their hands-on courses which will serve as an important portfolio used for their future university application. This research has designed scientifically literacyoriented tests adapted from the PISA assesement and students’ works of the annual national science exhibitions. It will also explore the differences of students’ scientific literacy before and after the course and analyze students’ learning performance in light of their practical works produced in the course. In addition, this study will compare the extent to which students understand the essence of models and how teachers cultivate students’ modeling capability under the two modes of inquiry, given an increasing emphasis on models and modeling in the field of science education. The results of this study illustrated that the performances of the project-based inquiry group in posttests were far superior to those in pretests with significant differences in these performances. These performances included “overall scores,” “abilities to give a verifiable perspective,” “the search for variables or conditions,” “analysis of data and presentation of evidence,” “ability to draw conclusions or provide solutions,” and “expression and communication.” Applying the Johnson-Neyman procedure to comparing the two groups of inquiry models in the scientific literacy test, this study discovered that in terms of overall scores, argumentation and modeling, as well as expression and sharing items, the project-based inquiry pedagogy were suitable for students with higher levels of achievement in the scientific literacy test. In addition, this study also found that modeling-based inquiry pedagogy were suitable for students with higher levels of achievement in the scientific literacy test. However, after identifying problems and planning and research were analyzed by covariates, this study found that. iv.

(6) there was no significant distinction between the two groups. In the nature of model questionnaire, the t-test of the modeling-based inquiry group showed that its posttests were better than pretests in terms of the model ontology, cognition and methodology with significant differences among these tests. Based on the questionnaires of the project-based inquiry group carried out by the pre-and-post t-tests, the results showed that the posttests were better than the pretests only in terms of the model ontology, and they reached a significant difference level. However, there is no significant difference in cognitive perspective and methodological perspective. A further analysis of the pre-and-post-test covariates of the two groups revealed that the modelingbased inquiry group outperformed the topic-based inquiry group on model ontological perspective, cognitive perspective, and methodological perspective with significant differences in these three aspects. In the performance of the modeling ability test, Fisher’s accurate test results showed that the two groups of students produced different performances in model selection and model validity, but there was no significant difference in model construction, model use and deployment. Furthermore, students in the modeling-based inquiry group at the higher level (Level 4 and Level 5) outnumbered those in the project-based inquiry group. Therefore, it was apparent that modeling instruction facilitated the modeling ability associated with model selection and model validity. In terms of students’ practical works, students in the modeling-based inquiry group were divided into 8 groups. Among these 8 groups, 2 groups could be able to examine models using scientific theories and apply them to other scenarios. Four groups could be able to build an extended relationship of the model while another 2 groups could be able to form the component relationship of the model. As far as the open-ended questions were concerned, students could select the correct variables ; besides, through hands-on courses, they could find the qualitative relationship among the variables. Nevertheless, there was a large discrepancy between students’ practical works and the models constructed by scientific communities. In addition, students were divided into 8 groups in the project-based inquiry group. 7 groups completed the inquiry works and submitted reports, but 1 group failed to complete the experimental verification. In general, students perform better in “raising questions suitable for scientific inquiry” and “being able to come up with designs that meet research questions,” whereas there is room for growth in “being capable of analyzing data” and “being able to produce and apply charts.”As far as the open-ended questions were concerned, students in the project-based inquiry group could conduct experiments with selecting the correct variables but experience these questions’ complexity and uncertainty. Students feel that this curriculum helps a lot when they design an experiment.. v.

(7) Overall, the students had an abundance of learning outcomes and produced practical works under the “project-based inquiry” and “modeling-based inquiry” teaching strategies integrated in the “Science Inquiry and Practice” curriculum. “Project-based inquiry” designs achieved better results when applied to cultivating students’ scientific literacy, while “modeling-based inquiry” was more effective in cultivating students’ concepts of the essence of models and developing their modeling ability. Dealing with the inquiry of open-ended questions, the two groups of students experienced these questions’ complexity and uncertainty. Teachers need to assist students in scaffolding the skills of investigation and prior knowledge of science wherever necessary so that they can instruct students how to overcome the challenge of investigating authentic problems. Keywords: Science Inquiry and Practice, Project-Based Inquiry, Modeling-Based Inquiry, Scientific Literacy, Model. vi.

(8) 目錄第壹章. 緒論.................................................................................................................1. 第一節研究背景...................................................................................................3 一、科學探究與專題導向探究的研究背景...........................................3 二、科學建模的研究背景.......................................................................5 第二節研究動機...................................................................................................7 第三節研究目的與問題.......................................................................................8 第四節名詞釋義.................................................................................................10 第五節研究範圍與限制.....................................................................................15 一、研究範圍.........................................................................................15 二、研究限制.........................................................................................15 第貳章文獻探討.........................................................................................................17 第一節以探究為基礎的教學.............................................................................17 一、探究教學的源起與內涵.................................................................17 二、不同的探究教學層次.....................................................................19 三、以探究為基礎之學習階段.............................................................21 四、學生在探究學習活動中常見的困難與解決策略.........................25 五、以探究為基礎的教學成效.............................................................27 六、對以探究為基礎的教學的質疑.....................................................28 第二節專題導向探究………………………………………………………….29 一、專題導向探究的理論基礎……………………………………….29 二、專題導向探究課程的特徵……………………………………….31 三、專題導向探究設計「探究與實作課程」符合課綱精神……….32 四、文獻對本研究專題導向探究的啟示…………………………….35 第三節科學素養.................................................................................................36. vii.

(9) 第四節模型與模型導向的教學.........................................................................37 一、模型定義.........................................................................................38 二、模型功能.........................................................................................39 三、學生對模型的觀點.........................................................................43 四、以模型為核心的教學.....................................................................47 五、模型導向的教學成效.....................................................................53 六、小結.................................................................................................54 第五節模型與建模歷程.....................................................................................56 一、模型與建模.....................................................................................56 二、建模歷程.........................................................................................57 第六節建模能力評量與教學.............................................................................63 一、建模能力的評量............................................................................63 二、建模教學的成果.............................................................................67 三、建模教學的挑戰.............................................................................68 第七節十二年國民教育課程綱要探究與實作課程內容.................................69 第參章研究設計.........................................................................................................73 第一節研究對象與樣本.....................................................................................74 第二節研究工具.................................................................................................74 一、模型本質問卷.................................................................................75 二、科學素養測驗.................................................................................77 三、實作作品評量…………….............................................................84 四、建模能力測驗.................................................................................86 五、訪談問卷.........................................................................................88 第三節教學活動設計.........................................................................................91 一、教學目標與課程規劃.....................................................................91 二、教學特點與異同比較.....................................................................97 viii.

(10) 第四節研究流程..............................................................................................108 第五節資料處理與分析..................................................................................110 第肆章. 結果與討論................................................................................................114. 第一節專題導向探究組結果分析..................................................................114 一、專題導向探究組科學素養測驗結果分析..................................114 二、專題導向探究組模型本質問卷結果分析..................................117 三、專題導向探究組實作作品分析..................................................119 四、專題導向探究組實作課程發現..................................................123 第二節建模導向探究組結果分析..................................................................127 一、建模導向探究組科學素養測驗結果分析.................................127 二、建模導向探究組模型本質問卷結果分析.................................129 三、建模導向探究組建模能力測驗.................................................130 四、建模導向探究組實作作品分析.................................................132 第三節建模導向探究與專題導向探究教學方式下，學生模型觀點之比較......................................................................................................140 第四節建模導向探究與專題導向探究教學方式下，學生科學素養測驗之比較..............................................................................................146 第五節建模導向探究與專題導向探究，學生建模能力測驗結果比較......153 第伍章. 結論與建議. 第一節結論......................................................................................................159 第二節反思..................................................................................................... 164 第三節建議......................................................................................................166. ix.

(11) 參考文獻中文部分................................................................................................169 英文部分................................................................................................171 附錄附錄一. 科學素養評量....................................................................178. 附錄二. 模型本質問卷....................................................................193. 附錄三. 實作評量............................................................................199. 附錄四. 建模能力測驗....................................................................200. 附錄五. 訪談題目............................................................................207. 附錄六. 科學素養評量評分標準....................................................208. x.

(12) 圖次圖 2-1-1. 探究活動向度............................................................................................21. 圖 2-1-2. 以探究為基礎的學習架構........................................................................25. 圖 2-2-1. 專題本位學習教學模式圖(陳毓凱和洪振方，2007) ............................33. 圖 2-2-2. 專題導向探究模式與課綱探究學習內容比較圖....................................34. 圖 2-4-1. 模型、心智模式、實體或現象之關係簡圖............................................39. 圖 2-4-2. 推理、理論、科學論證互動示意圖........................................................42. 圖 2-4-3. 模型、心智模式、實體或現象之關係....................................................43. 圖 2-4-4. 模型與建模能力之理論架構圖................................................................46. 圖 2-4-5. Clement 模型導向的學習架構................................................................48. 圖 2-4-6. Buckley & Boulter 模型導向的探究架構...............................................50. 圖 2-4-7. 模型導向的探究架構圖...........................................................................53. 圖 2-5-1. Justi 和 Gilbert 提出之建模架構......................................................... 58. 圖 2-5-2. 建模歷程的相互關係................................................................................60. 圖 2-5-3. 後設建模與建模練習之間關係................................................................61. 圖 2-6-1. 以建模為導向評量之架構........................................................................64. 圖 2-6-2. 建模能力的架構........................................................................................66. 圖 3-1-1. 本研究之研究架構圖................................................................................73. 圖 3-3-1. 建模導向探究組以科展作品介紹模型分析、應用與修正歷程…......100. 圖 3-3-2. 專題導向探究組課程設計觀察法及實驗法等活動..............................101. 圖 3-3-3. 建模導向探究組課程設計操作模型進行探究......................................102. 圖 3-3-4. 建模導向探究活動提示建模步驟..........................................................103. 圖 3-3-5. 專題導向探究活動提示研究步驟..........................................................103. 圖 3-3-6. 建模導向探究組與專題導向探究組的教學討論活動..........................104. 圖 3-3-7. PHET 網站 mass & spring 動畫界面....................................................105. xi.

(13) 圖 3-3-8. 運用 mass & spring 動畫進行探究......................................................106. 圖 3-3-9. 用 excel 作圖找出週期與砝碼質量的關係..........................................106. 圖 3-4-1. 研究流程圖............................................................................................109. 圖 4-1-1. 紙飛機發射器........................................................................................124. 圖 4-1-2. 套圈圈發射器........................................................................................124. 圖 4-1-3. 用銅箔製作的曲面................................................................................125. 圖 4-1-4. 用載玻片製作的曲面............................................................................125. 圖 4-2-1. 學生討論施力對雨傘傘骨支數關係....................................................132. 圖 4-2-2. 學生討論施力對雨傘傘架結構關係....................................................133. 圖 4-2-3. 不同黏著劑對於物體的黏著度因素關係討論示意圖......................134. 圖 4-2-4. 牛頓第二運動定律討論的示意圖......................................................134. 圖 4-2-5. 2 號作品-施力對雨傘結構關係示意圖............................................. 137. 圖 4-4-1. 以詹森內曼法分析兩組學生科學素養評量測驗結果........................148. 圖 4-4-2. 以詹森內曼法分析兩組學生論證與建模分數結果............................150. 圖 4-4-3. 以詹森內曼法分析兩組學生溝通與表達分數結果............................151. 圖 4-5-1. 建模導向組與專題導向組建模歷程結果比較圖................................156. 圖 4-5-2. 建模導向組與專題導向組模型本質問卷結果比較圖........................156. xii.

(14) 表次表 1-1-1 NRC (1996)與傳統探究式教學強調重點比較表...............................4 表 2-1-1. 課堂中探究的基本特徵與探究層次的差異表.................................20. 表 2-1-2. 以探究為基礎之學習架構的階段與次階段.....................................22. 表 2-1-3. 探究活動中常見的困難與解決策略.................................................26. 表 2-3-1. 科學素養內涵比較.............................................................................36. 表 2-4-1. 表徵模型的分類與功能.....................................................................40. 表 2-4-2. 心智模型、表達模型及共識模型之意涵.........................................41. 表 2-4-3 「傳統探究」與「模型導向探究」比較表.......................................52 表 2-4-4. 模型的教學策略.................................................................................54. 表 2-5-1. 邱美虹提出建模歷程架構.................................................................59. 表 2-5-2. 綜觀各家學者對建模歷程的分類方式.............................................62. 表 2-6-1. 以建模為導向的評量工具內涵.........................................................64. 表 2-6-2. 建模能力指標(MAAI)簡表................................................................67. 表 2-7-1 99 普通高中暫行綱要高中基礎物理一示範實驗活動....................69 表 2-7-2. 學習表現架構表.................................................................................70. 表 2-7-3. 領綱探究學習內容架構表.................................................................70. 表 3-2-1. 研究工具與使用目的說明.................................................................74. 表 3-2-2. 模型本質問卷雙向細目表.................................................................76. 表 3-2-3. 素養評量測驗試題分析.....................................................................78. 表 3-2-4. 科學素養試題「生物多樣性」評分表.............................................81. 表 3-2-5. 科學素養試題「空氣汙染」評分表.................................................83. 表 3-2-6. 實作評量規準.....................................................................................85. 表 3-2-7. 建模能力測驗試題與歷程對照表.....................................................87. 表 3-2-8. 建模能力分析指標(MMAI) ..............................................................88. xiii.

(15) 表 3-2-9. 建模能力評量表……………………………………………..…………89. 表 3-3-1. 專題導向探索組施測及教學流程…………………………………..…91. 表 3-3-2. 建模導向探索組施測及教學流程…………………………………..…92. 表 3-3-3. 建模導向探究組課程規劃表…………………………………..…..…..94. 表 3-3-4. 專題導向探究組課程規劃表……………………………………....…..96. 表 3-3-5. 探究與實作學習過程與專題導向、建模導向探究項目對應表……..98. 表 3-3-6. 本研究介紹之全國科展學生作品 ………………………………..…107. 表 3-5-1. 素養評量題目分配及配分表 ……………………………………..…112. 表 4-1-1. 科學素養測驗試題雙向細目表 …………………………………..…115. 表 4-1-2. 專題導向探究組科學素養測驗成對樣本檢定結果……………..…116. 表 4-1-3. 專題導向探究組模型本質問卷成對樣本檢定結果……………..…..118. 表 4-1-4. 專題導向探究組實作作品分析…………………………………..…..119. 表 4-1-5. 專題導向探究組學生實作作品分析表……………………………....121. 表 4-2-1. 建模導向探究組科學素養測驗結果…………………………………127. 表 4-2-2. 促進模型建立與修正的反思問題……………………………………128. 表 4-2-3. 建模導向探究組模型本質問卷分析結果……………………………130. 表 4-2-4. 建模導向探究組建模能力測驗結果…………………………………131. 表 4-2-5. 建模導向探究組學生實作作品分析表………………………………135. 表 4-2-6. 學生對於模型應用與調度晤談反應表………………………………139. 表 4-3-1. 兩種探究教學方式下學生模型問卷前後測比較……………………140. 表 4-3-2. 兩組學生模型問卷整體分數組內迴歸係數同質檢驗表……………141. 表 4-3-3. 兩組學生模型問卷整體分數單因子共變數分析摘要表……………141. 表 4-3-4. 兩組學生模型問卷整體分數單因子共變數相依表…………………141. 表 4-3-5. 兩組學生模型問卷本體論試題分數組內迴歸係數同質檢驗表……142. 表 4-3-6. 兩組學生模型問卷本體論試題分數單因子共變數分析摘要表……142 xiv.

(16) 表 4-3-7. 兩組學生模型問卷本體論試題分數單因子共變數相依表………..…142. 表 4-3-8. 兩組學生模型問卷認識論試題分數組內迴歸係數同質檢驗表…..…143. 表 4-3-9. 兩組學生模型問卷認識論試題分數單因子共變數分析摘要表……..143. 表 4-3-10. 兩組學生模型問卷認識論試題分數單因子共變數相依表…………143. 表 4-3-11. 兩組學生模型問卷方法論試題分數組內迴歸係數同質檢驗表……144. 表 4-3-12. 兩組學生模型問卷方法論試題分數單因子共變數分析摘要表……144. 表 4-3-13. 兩組學生模型問卷方法論試題分數單因子共變數相依表…………144. 表 4-3-14. 建模導向組與專題導向組對於模型本質問卷的施測結果整理表…145. 表 4-4-1. 探究學習內容與科學素養測驗試題對照關係表……………………146. 表 4-4-2. 兩組探究課程學生科學素養測驗前後測比較………………………146. 表 4-4-3. 兩組探究課程學生科學素養測驗整體分數組內迴歸係數同質檢驗表 ………………………………………………………………………..147. 表 4-4-4. 兩組探究課程學生科學素養測驗發現問題組內迴歸係數同質檢驗表 ………………………………………………………………..………148. 表 4-4-5. 兩組探究課程學生科學素養測驗發現問題單因子共變數分析摘要表表 ……………………………………………………………..………149. 表 4-4-6. 兩組探究課程科學素養測驗規劃與研究組內迴歸係數同質檢驗表 149. 表 4-4-7. 兩組探究課程科學素養測驗規劃與研究單因子共變數分析摘要表 149. 表 4-4-8. 兩組探究課程科學素養測驗論證與建模組內迴歸係數同質檢驗表 150. 表 4-4-9. 兩組探究課程學生科學素養測驗溝通與表達分數組內迴歸係數同質檢驗表……………………………………………………………………151. 表 4-4-10. 建模導向探究組與專題導向探究組對於科學素養測驗結果整理表..152. 表 4-5-1. 兩組學生建模能力測驗分項結果……………………….…………… 154. xv.

(17) 第壹章緒論學生學習科學的主要目的之一是獲取目前廣泛被科學社群所接受的科學概念。然而許多研究指出，學生在進入科學課堂之前已從生活的經驗中累積許多先有概念，研究發現學生部分先有概念並不正確，甚至會阻礙學生科學概念的學習（Pfundt & Duit,1991；McCloskey,1983；Vosniadou & Brewer, 1987）。若教師以傳統的講述式方法進行教學，不應樂觀的認為學生能夠完全的吸收與接受。相反的，應該預期學生有可能以不同於教師期待的方式去理解所要教授的概念。因此，如何讓學生透過學習活動讓學生克服不正確的先有概念的阻礙，並且能夠有效獲取科學概念，是科學學習的一項挑戰也是重要的課題。為達上述目的，科教領域許多學者提出不同方法進行研究，如概念改變的理論 (Rumelhart & Norman, 1981；Posner, Strike, Hewson & Gertzog,1982)、以心智模式討論概念概念改變，包含Vosniadou的架構理論(Vosniadou, 1994)、Chi的本體論(Chi, 1992) 以及diSessa的片段的知識觀(diSessa,1988)等。這些研究澄清學習者先有概念與心智模型形成的機制、概念改變過程需要的條件並且說明不同概念發生改變為何會有不同難易程度的理由。研究也認為概念是由學生主動建構，而科學學習活動應該營造條件讓學生發生概念改變，從原有的先有概念轉為科學概念。目前在科學教育領域有兩項協助學生建構正確的概念教學活動持續受到注意，並且在教學研究上有愈來愈多的運用，第一項是科學探究、第二項是科學建模。這兩項教學活動有相同的特徵，都強調學習歷程為學習者主動建構以及讓學習者以如同科學家探究自然界的方式學習科學。由於這兩項教學活動皆包含一連串以學習者為中心的問題探究歷程，因此可發展學生不同能力，研究顯示科學探究與科學建模對於學生探索、了解和傳達科學思考有很大的幫助，在科學學習中扮演重要的角色。(Gilbert, 1993；Zimmerman, 2007；Maia & Justi, 2009；Liu & Chiu, 2010)。在符合科學探究精神的教學方法中，專題導向式探究(project-based inquiry)已在不同領域有廣泛的應用得到良好的成效，且被認為是可以推廣至學校課堂中的學習的方. 1.

(18) 法(Krajcik & Czerniak, 2014)。專題導向式學習強調透過學生調查與合作的過程，探索重要且有意義的問題。一方面讓學生主動承擔更多學習責任，同時也可讓學生在此歷程中學習到核心的科學概念；而科學建模強調模型導向，其歷程除建立模型外，還包含後續的模型的使用與調度、修正與轉換。學生有機會藉由操作模型產生概念改變 (Shen & Confrey, 2007）。在科學建模上，邱美虹(2016)進一步提出建模能力應實踐於探究活動中，讓學生成為建模實踐者。臺灣的科學教育課程的改革也注意到此一趨勢，根據十二年國民基本教育自然科領域課程綱要(以下簡稱領綱)，自2019年開始實施的普通高級中學自然科課程將開設四學分的「探究與實作」課程，強調科學探究的精神融入高中課程。課程規劃的理念是從激發學習者對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學習者能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力(國家教育研究院, 2018)。此為臺灣科學教育的一大變革，引起科學教育界重視，認為此一課程的實施是對傳統灌輸知識、標準答案和食譜式實驗教學的批判反思(劉湘瑤, 2016)。也讓大學教授與高中教師積極因應，辦理許多工作坊與研習為高中教師進行課程設計與實施的增能，以協助新課程順利推動。當｢探究與實作｣正式進入高中課程，學生不再只是藉由聽講，而是透過問題探究與解決的歷程，學習科學過程技能與培養科學素養，這項的教學設計下學生的學習成效如何，是目前高中科學教師十分關心的議題。另一方面，科學建模雖然在研究上已累積豐碩的成果，但目前在臺灣嘗試以建模導向指導進行探究的高中教師仍舊有限，如果將以建模活動設計探究與實作課程，學生的學習成效如何?以上問題皆為本研究所欲探究的重點，研究擬透過專題導向式探究及建模導向式探究等課程模組設計，在高中進行實際教學後討論上述議題，藉以提供未來教學及研究者參考。以下各節將就本研究的背景、動機、重要性、目的與研究問題、名詞解釋及研究限制進行說明。. 2.

(19) 第一節研究背景早期中學的科學課程，學生進行科學探究的機會集中在自然學科的實驗課程，主要為示範實驗及實驗活動。實驗目的主要在配合課程的主題，提供學生觀察現象及操作的機會。這樣的探究包含研究問題、方法、實驗器材等都已事先決定，學生只要依照教師或教材的安排操作即可，缺乏主動探究的機會，對於發展探究能力的成效有限。為了改善上述的情形，英美國家在 1990 年前後陸續將科學探究列入科學課程文件與課程與教學的基準(劉湘瑤，2016)，而臺灣於 2019 年開始實施的普通高級中學自然科課程新開設四學分的「探究與實作」課程，強調將科學探究的精神融入高中課程。且在課程的探究內容中，特別將「論證與建模」列為探究過程中一個重要的階段，將「模型」與「建模」此一在科學上經常被使用的思考工具引入課程之中，讓學生有機會學習在探究的過程中，運用模型協助思考及探索。本節將分為兩部分，第一部分探討科學探究與專題導向探究的研究背景；第二部分探討科學建模的研究背景。一、科學探究與專題導向探究的研究背景根據洪振方(2003)對探究式教學的回顧，探究教學緣起於Dewey (1910)的倡議，認為學生學習科學不只是學習知識而已，同時也應該學習過程或方法。之後歷經幾次的轉變，探究教學從要讓學生學習像個科學家進行探究，逐漸加入應如何設計讓學生進行科學學習的觀點。這樣的的轉變可以從美國國家科學教育標準(NRC, 1996)看出。根據劉湘瑤(2016)分析，美國國家科學教育標準說明科學探究在科學教育的兩重意義，第一重說明科學探究是科學運作的方式與科學知識產生的途徑；第二重則是說明科學探究也可以是學童學習科學的方式或活動。洪振方(2003)討論NRC (1996)與以往的探究式教學之區別如表1-1-1所示：. 3.

(20) 表 1-1-1 NRC (1996)與傳統探究式教學強調重點比較表(引自洪振方，2003) 以往的探究式教學. 美國國家科學教育標準(1996). 強調「演示和證明科學內容的活動」. 強調「調查和分析科學問題的活動」. 強調「作為探究和實驗的科學」. 強調「作為論證和解釋的科學」. 強調「學生只將想法和結論告訴教師」. 強調「將想法和結論與同學公開交流」. 洪振方認為此一改變顯示當今探究式教學的核心在於探索(exploration)、解釋 (explanation)、與交流(communication)。美國國家科學教育標準(1996)對於後續科教學者針對科學探究進行的研究有顯著的影響，例如 White 與 Frederiksen(1998)提出探究環(inquiry circle)，將探究過程分為提問、預測、實驗、模型與應用等五個階段，這五個階段形成一個循環。White 與 Frederiksen (1998)特別提出學生在完成一個循環要進入下一個循環之前，應該先進行反思，檢視所習得之知識是否有所限制、以及在過程中是否有所不足。若學生能經過反思，才進入下一個循環，對於其科學探究能力的學習的提升更有幫助。另外，Krajcik, Blumenfeld, Marx, Bass, 和 Fredricks (1998)提出科學調查網絡 (investigate web)，將探究歷程分為提問、擬定研究計畫、進行研究、蒐集資料、分析資料與展現成果等六個階段，Krajcik 等人強調探究的歷程並非單向、線性的歷程，相反的，探究應該是複雜的、反覆的歷程。專題導向學習(project-based learning)融入科學探究是一個延續將探究作為科學學習的重要內涵的教學模式。藉由讓師生聚焦於解決日常所接觸重要或有意義的問題，來讓學生獲得科學的核心知識，並且培養學生的技能與態度。Thomas(2000)對作為學生學習的「專題」進行說明，認為專題應具備以下五項特徵:1.專題是課程的核心。2.專題聚焦於能驅動學生學習的問題，且學生可透過處理這些問題來學習核心概念。3.學生必須透過建構性調查才能達成專題的目標。4.學生進行專題時，能夠自主進行抉擇。5.專題探討的是真實的情境。Schneider, Krajcik, Marx,和 Soloway (2002)則是說明專題式學. 4.

(21) 習進行過程，指出學生可以透過「提問及重新定義問題」、「設計並執行調查」、「蒐集及分析資訊與資料」、「進行詮釋」、「形成結論」以及「呈現成果」等過程來找到解決真實問題的方法。Krajcik & Czerniak (2014)倡議專題導向探究可進一步推廣於中學的科學課堂中，作為學生主動建構科學概念及學習科學過程的方式。從上述的例子可以看出，探索仍舊是探究教學的核心，因此提問、預測、實驗、分析資料等步驟仍舊是探究式教學的必要步驟，但是包含探究環所提的建立模型以協助解釋或應用，或是科學調查網絡與專題式學習所強調的展現成果以交流分享，都顯示探究式教學更轉向重視學生科學學習的活動。 2019 年開始實施的「探究與實作」課程也呼應上述對於探究式教學趨勢的轉變，將「探究學習內容」分為發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享等四個主要項目。除提供學生探索實驗的機會外，亦強調論證與解釋以及分享與交流的歷程，符合科教領域對於探究式教學的新潮流。二、科學建模的研究背景模型是科學家進行抽象思考的重要工具，科學史上許多重要的科學發現，都是科學家運用模型進行探究的成果。例如原子模型的演進、氣體動力論模型、磁力線與電力線模型、光的波粒二象性的模型、DNA 模型等。對於科學家使用模型進行探究的歷程，科教學者做出描述。洪振方與封中興(2011)引述 Hacking (1983)指出：「科學家以理論來表徵世界，也以實驗來參與世界。透過建立的模型，科學家建構出一點一滴的實驗技術，藉此瞭解抽象的大自然現象。換言之，是模型使我們可以做實驗，發現意想不到的現象」。Halloun(2006)說明﹕「科學家產生、測試以及實體化具備創意或切實可行的想法，再透過一連串模型精緻化的過程來描述與預測現象。」邱美虹(2016)指出: 「在科學史上科學家運用系統性的推理方式發展理論，無異可以視為是一部科學模型發展史。」雖然將模型或建模在科學史上科學家探究中佔有重要的角色，但將其列入中小學課程標準發展較慢。近三十年來，許多學者倡議應將模型與建模列入學校課程(Gilbert 1993；Schwarz & White,2005；Halloun, 2006；Zimmerman, 2007；Maia & Justi, 2009； 5.

(22) Liu & Chiu, 2010；Jong,Chiu & Chung,2015)。特別值得注意的是 2013 年訂定的美國下一代科學標準(Next Generation Science Standards,簡稱 NGSS)，是美國全國性的科學教育標準，目的在整合美國從 K-12 的科學教育目標。NGSS 從三個面向進行目標的整合，分別是學科核心概念、科學與工程的實作以及跨科概念。根據邱美虹(2017)的分析，模型與建模分別出現在學科核心概念以及科學與工程的實作的面向中，NGSS 說明學科的核心概念應強調以模型系統解釋與理解科學知識。而在科學與工程的實作面向中，則應強調學生學習科學家如何探討與使用模型，及運用理論來描述自然現象。根據 NGSS 的標準，K-12 的學生都應學習發展與使用模型。近年來許多科教學者將探究與建模進行結合，如 White 與 Frederiksen (1998)提出探究環(inquiry circle)其中一個步驟即為建立模型；洪振方(2011)運用「以建模為基礎的論證教學模式」；鍾建坪(2010)發展引導式建模導向探究教學架構皆是將建模融入於探究之中，或是以建模為主進行探究的例子。邱美虹(2016)也特別提出建模能力應實踐於探究活動中，讓學生成為建模實踐者。 2019 年開始實施的「探究與實作」課程也將「論證與建模」當成探究過程的一項階段。其屬性較接近將模型或建模融入於探究之中。臺灣新課綱的內容與 NGSS 的標準一致，可見模型或建模逐漸受到的重視。. 6.

(23) 第二節研究動機新課綱將「探究與實作」課程列為自然科部定必修課程。此一改變呼應科學教育趨勢的轉變，然而對教師教學而言是全新的挑戰，全臺灣各高中皆需根據領綱精神開發適合該校學生的課程與教材，因此也是嘗試將符合趨勢的科學探究與科學建模精神融入於「探究與實作」課程的好機會。專題導向的探究在科教領域獲得許多成果，學者如 Krajcik 和 Czerniak (2014)倡議專題導向探究可進一步推廣於中學的科學課堂中。細究專題導向探究學習的精神與進行的過程可以對應並符合領綱對於「探究與實作」課程的要求。而科學建模即是讓學習者運用模型構思，透過界定問題、尋找並確認與問題有關的因素、因素之間的關係，建立具有合理性與系統性的科學模型以解釋現象並學習核心科學概念。邱美虹 (2016)也特別提出建模能力應實踐於探究活動中，讓學生成為建模實踐者。細究建模導向的探究之精神與歷程亦能符合符合領綱對於「探究與實作」課程的要求。故本研究研究擬將這兩種教學設計－「建模導向探究」及「專題導向探究」的教學策略融入「探究與實作｣課程。配合新課綱實施，「探究與實作」課程將納入大學考試的命題範圍。大考中心說明「探究與實作」的題目是較為獨特的情境試題，重視科學上的方法論。部分素養導向試題所評量的能力，符合探究學習內容或實作學習內容。如何透過「探究與實作」課程培養學生的科學素養，成為教學現場教師關心的焦點。另一個受到眾人矚目之處是學生在課程的實作作品。根據大學招生聯合會公布的資料，在 111 學年度亦即新課綱實施第一屆畢業生申請大學時，共計會有 595 個科系將參採自然科「探究與實作」課程學習成果。因此高中學生在此課程中的實作成果，將成為未來申請大學時的重要資料。因此如何在「探究與實作」的課程中協助學生產出作品也成為一個重要的課題。故本研究擬透過兩種不同的教學設計，探討學生在兩種教學設計下的學習成效，包含學生在科學素養評量及實作作品的表現。並將結果提供高中教師參考。此外，有鑑於科學教育領域對於模型與建模的日漸重視，例如美國下一代科學標. 7.

(24) 準(NGSS)說明學科的核心概念應強調以模型系統解釋與理解科學知識，且K-12的學生都應學習發展與使用模型。臺灣新課綱自然科領綱也將探究與實作課程中「探究學習內容」分為發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享等四個主要項目。因此，兩種不同探究模式提供學生對於模型本質的了解與建模能力的培養情形也是本研究想要探討的問題。由於研究指出，若學生對於模型的本質與功能具備應有的理解，則能較有效地將模型視為思考的工具以進行探究。例如Schwarz等人(2009)的研究指出，學習者對模型的本質、模型的目的以及評估與修正模型的條件的理解，在他們進行建模練習時扮演重要的角色。具備對於模型的本質與功能良好的理解的學習者可以更有效率地進行建模的計劃以及評估模型，並且可以更成功的使用模型進行科學推理及反思。研究所討論的兩種探究教學模式，第一種的專題導向探究組不特別強調模型及建模的概念。第二種為建模導向探究組則是依據科學建模的策略，設計以建模為主體的探究教學。本研究將比較學生在兩種探究模式下對於模型本質的了解與建模能力的培養情形，並與文獻進行比較。. 第三節研究目的與問題根據前述研究動機，本研究的目的可以分為四個部分，首先是學生在經歷專題導向探究教學策略後，其學習成效的情形。此一學習成效擬從學生的科學素養、模型觀點的改變及實作作品產出的表現來進行評估。其次是學生在經歷建模導向探究教學策略後，其學習成效的情形。此一學習成效擬從學生的科學素養、模型觀點的改變及實作作品產出的表現來進行評估，同時討論此一教學方式下學生的模型觀點與建模能力的關聯。第三是比較兩種不同的探究教學策略下，學生有關上述學習表現是否會產生差異。第四是比較兩種不同的探究教學策略下，對於學生模型的觀點與建模能力差異。最後希望綜合上述的研究目的，為即將實施的「探究與實作」課程提出建議。針對上述之研究目的，本研究探討的研究問題如下：. 8.

(25) 問題 1:在專題導向探究教學的策略下，學生的學習成效為何? 1-1 在教學前後，學生科學素養的改變情形為何? 1-2 在教學前後，學生模型觀點的改變情形為何? 1-3 經歷教學後，學生實作作品產出的表現為何? 問題 2:在建模導向探究的教學策略下，學生的學習成效為何? 2-1 在教學前後，學生科學素養的改變情形為何? 2-2 在教學前後，學生模型觀點的改變情形為何? 2-3 經歷教學後，學生實作作品產出的表現為何? 問題 3:不同的探究教學方式，對於學生的科學素養改變情形的差異為何? 問題 4:不同的探究教學方式，對於學生模型的觀點與建模能力差異為何? 4-1 不同探究教學方式，對於學生模型觀點的差異為何? 4-2 不同探究教學方式，對於學生建模能力的發展差異為何?. 9.

(26) 第四節名詞解釋一、十二年國民教育基本課程綱要為提升中華民國國民教育水準，符合世界先進國家教育趨勢。民國 103 年由行政院核定「十二年國民基本教育實施計畫」，並由國家教育研究院與教育部訂定「十二年國民基本教育課程綱要」。此綱要規範國民小學、國民中學及高級中學等三個學習階段、十二年國民基本教育課程基本理念、課程目標、核心素養及課程架構，各學習階段皆須依據綱要所揭櫫的理念、精神與架構規劃課程。此綱要除總綱外，亦配合知識結構與屬性將各領域/科目學習內涵另定各領域課程綱要予以規範。二、探究與實作課程根據十二年國民基本教育自然科學領域綱要，普通型高級中等學校自然科學領域需規畫必修4學分的自然科學「探究與實作」課程。以探究自然科學現象的實作體驗過程，落實並提升學生發現問題、認識問題及問題解決，並培養學生提出結論與表達溝通之能力。課程的學習重點分為「探究學習內容」和「實作學習內容」兩部分。「探究學習內容」著重於科學探究歷程，可歸納為四個主要項目：發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享。「實作學習內容」為可實際進行操作的科學活動，例如：觀察、測量、資料蒐集與分析、歸納與解釋、論證與作結論等。三、探究根據劉湘瑤(2016)針對「探究」一詞所作的解釋，其英文字義為「提出問題以收集資訊進而解決問題」，而中文則可拆解為「探詢」和「追根究底」的意涵。在科學教育上，「探究」一詞經常與科學連結，其原因在於科學家嘗試理解自然世界現象及支配這些現象的原理、原則時，經常是透過一系列的探究活動，並由探究所得之各項證據去發展對自然世界的理解。美國國家科學教育標準將探究活動作以下的定義與描述:「科學探究為多途徑的活動，包含觀察、提出問題、蒐集並. 10.

(27) 確認已知的資訊、規劃科學調查、藉由證據來提出解釋，並與他人溝通研究結果」。(NRC,1996)。美國國家科學研究委員會在 2000 年對探究進行二個層面的定義，第一個層面說明科學探究是科學家探索自然世界並基於研究證據形成解釋的活動。第二個層面則是說明學習者也能經由類似科學家理解自然世界的過程，發展對科學概念的理解 (NRC, 2000)。本研究採取 NRC(2000)對探究所作之定義，包含科學家為了解自然世界而進行的各項探索活動，以及學習者經由類似科學家理解自然世界的過程所進行的各項學習活動。四、模型根據Lesh 和 Doeer (2003)的定義，模型包含了以外在符號表徵一個系統的組成、關係、操作以及影響交互作用的規則，其中組成是指從概念上表徵關於系統現象的重要成分，而針對觀察現象會產生出對系統組成、關係、操作及規則的想法，這些想法必須與針對現象觀察後所蒐集的資料一致。而Harrison 和 Treagust(2000) 則提到模型是一種抽象、簡化的表徵，能夠以直接、可視化的方式說明現象的主要特徵，同時可用來產生解釋以及預測。由於模型被廣泛地使用在不同的用途上，因此對不同的研究領域而言，模型的定義並不相同，進一步討論將留待第三章文獻探討說明。上述的定義皆將模型視為抽象的工具協助運作思考，可用來發展、建構、測試和評價想法。但Grosslight等人（1991）的研究發現許多學生所持有的定義是將模型看成實體的複製品，與科學或工程社群所持有的定義有差距。本研究之研究對象為普通高中的學生，研究顯示在教學前中學生對於模型的觀點多停留在具體的層次(Grosslight等人,1991；Gilbert,2004)。研究發展的教學目標在於學生經過教學後，能對模型的觀點能夠提升將模型作為抽象的工具之層次，並能透過建立與操作模型探究科學問題，並能運用模型表徵自己的想法與他人交流、溝通想法。 11.

(28) 五、建模如同前述，模型是科學家及工程家推理及思考的工具。科學家及工程家在解釋現象或解決問題需要進行抽象思考時，會運用模型構思，透過界定問題、尋找並確認與問題有關的因素、因素之間的關係，以建立具有合理性與系統性的科學模型，這樣的過程稱為建模。建模已被科學界及工程界廣泛的運用在分析、設計與預測系統上，近三十年來也受到科學教育界愈來愈多的重視。科教學者分析科學家建立模型的歷程，作為培養學生探究自然現象的學習典範。根據邱美虹(2016)針對建模進行的描述: 「科學家利用模型構思、解決問題、呈現參數之間的關係、尋找規律性，最後經過實驗、收集證據、驗證假設性的模型、檢測模型、修正模型，到形成具合理性與系統性的科學模型，爾後再運用模型解決問題，並了解模型的侷限性，必要時再修正或揚棄原有的模型而建構新模型。這樣的歷程我們視為建模歷程（modeling processes）。」六、後設建模後設建模即建模的後設認知，培養學生建模的能力是本研究關注的焦點之一。許多研究指出，學習者的後設建模與其建模能力的培養有重要關係。例如邱美虹(2106)提出與建模相關的後設認知包含學習者發展計畫、監控、與評估模型的使用的後設認知的知識。培養建模能力之際需同時注意發展後設建模的概念。 Schwarz等人(2009)也指出，後設建模包括模型的本質、模型的目的以及評估與修正模型的條件。擁有良好後設建模的學習者，可以更有效率地進行建模的計劃以及評估模型，並且可以更成功的使用模型進行科學推理及反思。七、建模導向探究建模導向探究意指將科學建模的精神融入在學生探究問題歷程，讓學生有機會將科學建模實踐在實際問題的探究活動。如同前述，模型是科學家思考及解釋的工具，在了解自然界運作的過程中，科學家會建立模型以解釋現象及解決問 12.

(29) 題，科學建模的歷程原本即是科學史上科學家探究問題的歷程。本研究運用邱美虹(2016)所定義的建模歷程－包含模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型應用、模型調度與模型重建等階段融入於課程設計，協助學生了解科學建模的精神並搭設鷹架培養學生建模能力，讓學生運用科學建模的精神進行實際問題的探究。八、專題導向探究專題導向探究是以學生為中心的探究方式，教師讓學生透過一段長時間的工作，從事於調查真實且複雜的問題、困難或挑戰，以獲得知識和技能，目前廣為各領域使用。對於作為學生探究的專題，Thomas(2000)提出所謂「專題」應該具備以下五項特徵:1.專題是課程核心。2.專題聚焦於能驅動學生學習的問題，且學生可透過處理問題來學習核心概念。3.學生必須透過建構性調查才能達成專題的目標。4. 學生進行專題時，能夠自主進行抉擇。5.專題探討的是真實的情境。對於專題導向探究，Kokotsaki, Menzies, 和 Wiggins(2016)的回顧文獻指出有以下三項特徵:1.探究學習是在特定的情境脈絡下進行。2.學習者必須積極的參與在探究學習過程之中。3.透過與同儕的互動及分享彼此的知識和理解以達成學習目標。九、全國科學展覽為提高全民科學素養，輔導中、小學校推行科學教育，國立科學教育館每年舉辦中華民國中小學科學展覽會，簡稱「全國科學展覽」。其宗旨之一即為激發學生對科學研習之興趣與獨立研究之潛能，鼓勵學生從當年教學內容中選擇適當的科學研究主題，進行探究。學生作品必須要先通過學校科學展覽會、地方科學展覽會的評審委員進行書面評審及口頭提問，經過選拔獲得優勝後，才能參加全國科展。因此參賽學生的作品水準優異，可作為相同學習階段學生的科學探究之優秀示例。. 13.

(30) 十、科學素養評量根據經濟合作發展組織(Organization for Economic Cooperation and Development, OECD) 科學素養的定義，其內涵包括：（1）「科學舉證」能力﹕能夠提出具有證據導向的結論，並說明它的原因。（2）「形成科學議題」的能力﹕ 在解決日常生活困擾的過程中，能夠提出一些問題，然後透過科學探究的方式，蒐集證據進行研究來解決困擾。（3）「解釋科學現象」的能力﹕能夠充分運用所了解的科學概念和知識，對自然界發生的現象加以解釋 (林煥祥，2009)。OECD 組織根據上述定義發展試題，進行國際學生評量計畫（Programme for International Student Assessment, PISA）調查各國教育現況與成效，受到國際上各國的重視，被認為是科學素養評量的指標由於OECD所定義的科學素養內涵，與本研究課程目標契合，故本研究仿效 PISA試題方向設計科學素養評量試題，取材自全國科展學生作品為素材設計題目以及PISA2006試題，以評估學生於兩種不同教學設計下的學習成果。. 14.

(31) 第五節研究範圍與限制以下說明本研究的範圍與限制: 一、研究範圍本研究以領綱「探究與實作」課程針對普通高中所訂定之探究學習內容為學習範圍，設計二種探究教學策略。第一種是依照領綱設計的專題導向探究組，第二種是依照科學建模歷程設計的建模導向探究組。課程教材皆以適合普通高中學生程度的探究材料設計。提供未來新課綱實施時高中教師參考。二、研究限制 (一)探究與實作的課程，雖有領綱規範其學習內容，然而實際上所使用的教材及教授的內容僅要符合綱要精神，各個學校可以保有差異。考慮研究可行性，本研究的研究對象為研究者任教之臺北市區的學校高一選修課程的學生，分兩班進行課程，每班人數 30 人。由於各校探究與實作之教學內容有所差異，同時學生特質亦可能有所不同。因此，研究所得之資料不宜過度推論至其他學校或其他地區之學生。 (二)本研究課程由研究者自行授課，以指導學生進行探究與建模為主要目的，所採用之教材內容主要取材於全國科展學生作品、PhET 網站之 mass & spring 動畫以及其他有關高中範疇之科學探究學習內容，其功能在於協助學生了解探究或建模的歷程，之後提供學生自由選擇探究題材。研究結論不適宜推論至其教材內容或教學模組之設計。. 15.

(32) 16.

(33) 第貳章. 文獻探討. 傳統的科學教學經常以教師講述為主，學生在教師的安排下進行各項學習活動，被動的接受教師所傳授的內容，而這些內容經常是科學研究的成果轉成教材，不僅抽象、難度高且與日常的生活經驗並非直接相關，造成學生認為科學學習乏味，因而動機低落。Campbell(2008)也指出對於多數的學生而言，傳統的學習無論是透過何種形式，包含閱讀、講演、觀察示範或是依照程序進行實驗，過程中學生若是被動的告知、沒有主動的思考與建構，都不足以讓學生產生深入的理解與學習。為使學生能主動參與且進行具有意義的學習，從二十世紀開始許多學者陸續提出以探究為基礎的教學、模型導向的教學與建模教學。研究證據顯示，這些教學方式讓學習者有良好的學習成果。臺灣在近年的教育改革，也在探究與模型的概念列入新的十二年國民教育課程綱要，規定在普通高中開設探究與實作的必修課程。本章將分為四小節，分別討論文獻有關以探究為基礎的教學、模型與模型導向的教學、科學建模與建模能力，最後說明十二年國民教育課程綱要在探究教學的改變。. 第一節以探究為基礎的教學一、探究教學的源起與內涵探究式教學的源起，一般被認為 John Dewey 在 1910 年左右對當時科學教育的反省與批判。洪振方(2003)回顧探究式教學的歷史，說明 Dewey 有感於當時科學的學習僅注重知識的學習，太過強調訊息的累積。但科學包含思考的路徑與心智態度，所以科學的學習也應包含過程或方法。之後經過 Bruner、Schwab、 Gange 等人的提倡，「動手做科學」、「學習向科學家一樣的方式做科學」等探究教學的方法逐漸成為趨勢。然而「形塑科學家」的探究教學方式，也曾一度受到挑戰。Harms 與 Yager(1981)認為學生的探究不一定會成功。學生與科學家不同，多數的學生必須有鷹架的輔助且須對情境有所了解才會有學習效果。Costenson & Lawson (1986)也發現，即使學生在探究教學的學習成果良好，許多教師仍不使用此一教學方式。 1990 年代，探究式教學的內涵發生改變，洪振方(2003)從分析美國國家科學教育標 17.

(34) 準(NRC,2000)發現此時探究教學已轉為強調「調查和分析科學問題的活動」、「作為論證和解釋的科學」、及「將想法和結論與同學公開交流」。洪振方認為這些轉變是建立在學習與教學的基礎上，對於學生學習將更有助益。近年來，由於電腦科技的進步，探究教學進一步與網路科技及電腦軟體結合，獲致良好的學習效果 (Maeots,Pedaste,& Sarapuu,2008；de Jong,Sotiriou,& Gillet, 2014)以探究為基礎的教學廣泛成為各國科學教育政策的核心(European Commission, 2007; National Research Council, 2000;國教院, 2018)。現今，探究一詞被科學界廣泛的運用，許多學者也對探究教學的內涵提出看法，大致上包含兩項特徵: (一) 探究是一種讓學生從事類似科學家的活動來學習科學 Sandoval 和 Millwood (2005)認為探究活動是在教室中讓學生在真實的科學問題中，進行類似科學家所進行的活動，經歷知識建構的過程。Keselman(2003)也提出以探究為基礎的教學是一種讓學生追隨專業科學家建構知識方式的學習，可以被定義為學習者學習形成假設，並且透過觀察或執行實驗測試假設以發現新的因果關係。美國國家科學教育標準對探究定義如下:探究是多面向的活動包含觀察、提出問題、從書本及其他資訊來源確認有哪些已知的知識、擬定研究計畫、從實驗證據回顧有哪些已知、使用工具蒐集、分析與解釋資料、提出答案、解釋與預測、與他人溝通結果 (NRC,1996)。臺灣在《國民中小學九年一貫課程綱要》也對探究進行說明：「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。瞭解到探究過程中細心、耐心與切實的重要性(教育部，2000)。」 (二)學生在過程中需要主動探索及建構 Driver等人(1994)認為探究活動是在建構主義的架構下，讓學生透過與外界事物互動的過程中，建構屬於自己的知識。Wilhelm & Beishuizen(2003)認為探究經常被視為一種需要應用多項解決問題的技能的方法，強調學習者必須主動參與並擔負自己學習的責任。在探究的過程中，經常進行以學生導向，學生經歷部分歸納、部分演譯的學 18.

(35) 習過程，進行實驗調查至少一組相依或獨立的變因之間的關係。科學學習的方法，應當從激發學習者對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學習者能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力。二、不同的探究教學層次在設計以探究為基礎的教學策略時，一個重要的考量是根據教學的目標與學生學習的特性設計探究活動的難度或層次。Schwab(1962)將探究區分為實驗式探究、探究活動及開放式探究活動等，由易到難分為四個等級。Herron（1971）依據學生主動探究的程度，將探究分為確認層次(僅確認知識)、結構性探究層次(提供問題及步驟)、引導性探究層次(僅提供問題)以及開放性探究層次(學生自主探究)等四個層次。MartinHansen（2002）根據學生主導程度不同，將探究教學區分為結構探究、並行探究、引導探究、開放探究等四種方式。其中結構探究是學生主導性最低的探究方式，學生依據教師設計好的步驟進行探究活動。引導探究學生的主導性提高，但經常仍是由教師選擇研究問題，提供可行方向並且協助發展研究。並行探究為引導探究與開放探究的混合，先由教師進行引導，之後逐漸轉變由學生主導。開放探究則以學生為中心，學生選擇問題、設計並發展可行的方案，學生主導的程度最高。美國國家研究委員會於 2000 年公布之探究與國家科學教育標準中，則進一步將學生在課堂中探究的基本特徵與探究層次的差異詳細描述，如表 2-1-1。. 19.

(36) 表 2-1-1 課堂中探究的基本特徵與探究層次的差異(NRC,2000；引自洪振方 2003) 基本特徵. 探究型態變異. 學生從事科學學生自己提出. 學生從現有. 由教師和教材或由教師和教. 性問題的探究問題. 問題中做出. 其他來源提供學材或其他來. 選擇據以提. 生問題但仍需學源提供學生. 出新問題. 生自己去洞察和探究的問題澄清問題的意義. 學生根據問題學生自己決定. 學生在指導. 給予學生數據並提供學生數. 來蒐集有關的哪些可作為證. 下蒐集某些. 要求進行分析. 證據. 數據. 據並進行蒐集. 據並告知如何分析. 學生由證據形學生在摘要證. 學生在指導. 給予學生使用證提供學生證. 成解釋. 下由證據形. 據形成解釋的可據. 成解釋. 能途徑. 學生自己對其. 學生在指導. 給予學生可能的. 連結到科學知他訊息來源做. 下朝向科學. 連結. 識. 考察並與解釋. 知識的領域. 形成連結. 和來源. 學生將解釋. 據後形成解釋. 學生為他們的學生形成合理. 學生在指導. 給予學生廣泛的給予學生交. 解釋作交流及的及邏輯的論. 下發展交流. 指導以學習如何流的步驟和. 辯護. 的方法. 交流. 證以交流解釋. 程序. 較多-------------------學生導向的程度-----------------較少較少-------------------教師導向的程度-----------------較多. Bell(2002)也依探究活動的所提供訊息量的多寡，提出一個簡化的區分模式，將學生的探究活動分為四個階層，階層由低至高代表提供的訊息量由多至少。第一階層教. 20.