促使學生善用科學過程技能於問題解決之行動研究—以科學玩具設計與製作教學為例

全文

(1)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：. 黃鴻博. 博士. 促使學生善用科學過程技能於問題解決之行動研究 —以科學玩具設計與製作教學為例 Action Research on Promoting Students to Apply Science Process Skills in Problem-Solving－Using the Example of Scientific Toys Making and Designing. 研究生：林品瑜撰. 中華民國一○三年十一月.

(2) 謝誌「品瑜：聽游老師說你很認真的請教她，修改的部分，大致上可以，有些委員建議，暫時無法做到，就留待未來繼續學習了………」當 11 月 12 日收到黃老師上述回覆的信件後，內心真有說不出的激動，壓在心頭上的大石頭終於可以放下，以後填寫個人文件時，終於可以在學歷欄勾選研究所畢業了。論文能順利完成，要感謝很多貴人的協助。首先，要向指導教授黃鴻博老師表達最深的敬意，感恩他在論文撰寫過程中，不斷給予意見與鼓勵，每次跟黃老師談完以後，總是能豁然開朗，讓我有繼續撰寫論文的動力。而黃老師的幾句名言，例如「行動研究就是做了再說。」「別人是很難改變的，唯一能變的就是自己，所以當老師的人就是要做行動研究，才能提昇自己的專業知能。」學生將永遠銘記在心。再者，要感謝口試委員游淑媚教授、黃茂在教授在百忙之中能細心地審視拙作，能一針見血指出我論文的重大缺失，並針對缺失給予寶貴意見與建議，讓我有機會修正，使論文的內容能更加完整、充實。另外，要感謝吳新欽老師、陳昭洲老師給予課務上的協助，感恩徐媽媽珮柔及二中老同學黃瑞峰不時給予我教學建議。最重要的是感謝四年甲班十二位天真活潑、善良可愛的小朋友們，感謝你們這一年來被林老師「虐待（寫了無數張學習單、檢核表，課後還要接受林老師的訪談）」，沒有你們的熱心參與課程，此論文很難順利完成。感謝同窗好友美琴、麗如、淑炫、倍誠在課業上的相互的砥礪和扶持，使我在中教大學習的歷程上，不感到寂寞，有你們一路陪伴學習，將是我人生中永難忘懷的回憶。最重要的是要感謝家人。謝謝老婆大人婷婷的鼓勵、支持及媽媽不斷的督促；也謝謝爸爸、媽媽的體諒，包容我連續四個暑假在外地求學，無法在家盡孝道的缺失。最後，祝福還在努力的同學，都能順利完成學業喔！品瑜謹致中華民國一○三年十一月十六日.

(3) 促使學生善用科學過程技能於問題解決之行動研究 -以科學玩具設計與製作教學為例中文摘要本研究旨在探討在國小自然與生活科技領域教學，如何促進學生善用科學過程技能解決問題，並檢視教學過程中遇到的困難及解決方式和反思研究者在歷程中的專業成長。研究採行動研究法，研究對象為台南市某國小四年級十一位學生，運用科學玩具設計與製作來實施問題解決教學，在為期八個月研究期間蒐集的資料包含教室錄影、訪談、學習單、省思日誌、檢核表、協同觀察教師記錄等資料，採質性方法進行資料分析，透過三角校正提升研究的信效度。獲致以下成果：（一）使學生善用過程技能解決問題的方法：選擇符合學生製作能力程度的科學玩具題材、運用創思教學法及提供學生解題的鷹架、建構科學玩具設計構想的交流平台。（二）教學過程中遭遇的困難與解決方式：將科學玩具製作視為待解決問題，有實施上的困難，故改為根據範本製作；學生無法理解應用所搜尋的資料，研究者提供適合的讀物供參考；學生尚無力獨立運用「組織與關連」、「歸納與推斷」解題，仍須靠研究者修正教學法與逐步指導。（三）研究者的專業成長：研究期間研究者本身在科學教育專業知識與教法有顯著的成長與改變、並肯定持續經由行動研究自我充實。. 最後根據研究結果，分別對問題解決能力教學的教材教法與課程安排，及未來研究發展提出具體之建議。關鍵字：科學過程技能、問題解決、行動研究、科學玩具. I.

(4) Action Research on Promoting Students to Apply Science Process Skills in Problem-Solving ─ Using the Example of Scientific Toys Making and Designing ABSTRACT The purpose of this research was to explore how to promote students to apply science process skills in problem-solving process in the Science and Technology learning area at elementary school level, the problems encountered and solutions adopted, and further examined the professional growth of the researcher. The researcher applied the action research methods, and eleven 4th grade students at the elementary school in Tainan were selected as research subjects. The researcher adopted problem-solving on the making and designing of science toys. In the eight-month study period, the data researcher collected included video recording in the classroom, interviewing, work sheet, journals, checklist, classroom observations by the cooperative teacher. Qualitative research was used, and through triangulation, the reliability and validity of the research were improved. The following results were follow: The methods on promoting students to apply science process skills in the problem-solving process: selected science toys which students can afford to make、applied creative teaching strategies and provided students with problem solving scaffolding、provided opportunities to let students to communicate ideas about how they design and make science toys. Difficulties encountered in the study and solutions：it was difficulty to carry out teaching when the product steps of making science toys was regarded as a problem, so researcher guides students to make science toys according teaching plan;students can not understand and apply the information they searched, so researcher provided them suitable reference; students can not use "organization and association" skills, "induction and inference" skills to solve problem independently, unless researcher adjusted teaching methods and guided them solve problem step by step. Professional competency growth of the researcher：during the study period the researcher himself had significant growth and change in science education and teaching expertise, and certainly continued to enrich himself through action research. Finally, this study proposes several suggestions on the teaching designs and implementation of problem-solving methods as well as some directions for future research. Keywords: science process skills, problem solving, action research, science toys. II.

(5) 目次中文摘要‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥Ⅰ 英文摘要‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥Ⅱ 目. 次‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥Ⅲ. 表目次‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥Ⅴ 圖目次‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥Ⅶ 第壹章緒論 ............................................................ 1 第一節問題背景與動機 ................................................. 1 第二節研究目的與待答問題 ............................................. 3 第三節名詞解釋 ....................................................... 4 第四節研究範圍與限制 ................................................. 5. 第貳章文獻探討 ..................................................... 7 第一節問題解決 ....................................................... 7 第二節科學過程技能 .................................................. 17 第三節問題解決與科學過程技能 ........................................ 23. 第參章研究方法 ....................................................... 35 第一節研究方法的選取與設計 .......................................... 35 第二節研究情境與參與人員 ............................................ 37 第三節研究架構與流程 ................................................ 42 第四節研究工具 ...................................................... 46 第五節資料整理與分析 ................................................ 49. III.

(6) 第肆章研究結果與討論 ................................................ 55 第一節行動研究的第一循環期-試探期 ................................... 55 第二節行動研究第二循環-調整期 ...................................... 67 第三節行動研究的第三循環-調整期 .................................... 94 第四節研究者的省思與專業成長 ...................................... 122. 第伍章結論與建議 ................................................... 129 第一節結論 ........................................................ 129 第二節建議 ........................................................ 133. 參考文獻 .............................................................. 135 中文文獻 ............................................................ 135 英文文獻 ............................................................ 139. 附錄 ................................................................... 141 附錄一科學玩具設計與製作教案 ....................................... 141 附錄二學習單 ....................................................... 147 附錄三教師省思日誌 ................................................. 155 附錄四訪談大綱 ..................................................... 156 附錄五協同教師課堂觀察記錄表 ....................................... 159 附錄六教師檢核學生運用科學過程技能解決問題檢核表 ................... 162 附錄七學生運用科學過程技能解決問題自我檢核表 ....................... 165. IV.

(7) 表目次表 2-1-1 低結構化問題解決步驟 .............................................. 9 表 2-1-2 不同學者對問題解決的定義 ......................................... 10 表 2-2-1 自然與生活科技學習領域過程技能基本能力指標內容 ................... 20 表 2-2-2 九年一貫課程之過程技能與 SAPA 課程之過程技能比較 .................. 20 表 2-3-1 科學與工程實踐內容介紹 ........................................... 27 表 2-3-2 九年一貫課程過程技能與科學工程實務之比較 ......................... 31 表 3-5-1 資料類別及編碼 ................................................... 49 表 3-5-2 資料編碼與引用說明 ............................................... 50 表 3-5-3 資料轉錄的之符號及代表意義 ....................................... 50 表 4-1-1 學生重新設計「投石器」所遭遇到的問題及解決方法 ................... 63 表 4-1-2 學生前後二次投石器作品比較 ....................................... 64 表 4-2-1 研究者選擇吸管吹箭的理由 ........................................ 69 表 4-2-2 十二思路啟發法介紹 ............................................... 78 表 4-2-3 吹箭頭材質解決方案之比較 ......................................... 87 表 4-2-4 吸管吹箭-運用過程技能於問題解決能力檢核分析比較表 ................ 89 表 4-3-1 研究者選擇吸管飛機的理由 ......................................... 95 表 4-3-2 吸管飛機-運用「傳達」技能所規畫的教學活動 ....................... 103 表 4-3-3 S402、S410 學生第一次發表吸管飛機設計構想 ....................... 107 表 4-3-4 S403、S408 學生第一次發表吸管飛機設計構想 ....................... 108 表 4-3-5 S412 第二次吸管飛機設計構想 ..................................... 113 表 4-3-6 吸管飛機-運用過程技能於問題解決能力檢核分析比較表 .............. 116 表 4-3-7 如何促使學生運用過程技能解決問題的方法一覽表 ................... 119 表 4-3-8 行動研究歷程中所遭遇到的困難與解決方式 .......................... 120. V.

(8) VI.

(9) 圖目次圖 2-1-1 半結構化問題解決步驟 .............................................. 9 圖 2-1-2 實驗式問題解決環 ................................................. 12 圖 2-1-3 工程問題解決方法 ................................................. 14 圖 2-1-4 生活科技教學流程 ................................................. 15 圖 2-1-5 問題解決步驟之應用 ............................................... 15 圖 2-2-1 中年級九年一貫的過程技能和 SAPA 十三項科學過程技能關係圖 ......... 22 圖 2-3-1 科學與工程的問題解決法 .......................................... 24 圖 2-3-2 科學與工程實踐要素圖 ............................................ 25 圖 2-3-3 九年一貫過程技能與科學工程實踐關係圖 ............................. 32 圖 3-1-1 行動研究與傳統科學研究理念比較 .................................. 36 圖 3-2-1 自然專科教室 ..................................................... 38 圖 3-2-2 班級教室 ......................................................... 39 圖 3-3-1 研究架構圖 ....................................................... 42 圖 3-3-2 研究流程圖 ....................................................... 43 圖 3-5-1 資料來源的三角校正圖 ............................................. 52 圖 4-1-1 投石器問題解決教學架構圖 ......................................... 57 圖 4-1-2 投石器製作教學步驟圖 ............................................. 60 圖 4-1-3 學生能設計表格登錄投石器擲遠距離 ................................. 61 圖 4-1-4 學生分析影響投石器擲遠距離的原因 ................................. 61 圖 4-2-1 風力車製作步驟圖示 .............................................. 68 圖 4-2-2 吸管吹箭造型圖 .................................................. 69 圖 4-2-3 吸管吹箭問題解決環 .............................................. 71 圖 4-2-4 吸管吹箭教學架構圖 .............................................. 72. VII.

(10) 圖 4-2-5 學生射擊吸管吹箭 ................................................ 76 圖 4-2-6 學生總結吹箭角度與飛行距離的關係-1 .............................. 77 圖 4-2-7 學生總結吹箭角度與飛行距離的關係-2 .............................. 77 圖 4-2-8 學生總結吹箭角度與飛行距離的關係-3 .............................. 77 圖 4-2-9 吸管吹箭學習單原始設計及預期學生會寫出的答案 .................... 80 圖 4-2-10 學生寫出二種以上可讓吹箭飛行更遠方法 ........................... 81 圖 4-2-11 學生寫出一種可讓吹箭飛行更遠方法 ............................... 81 圖 4-2-12 可讓吹箭飛行更遠的可能方法-經修正後學生填寫結果 ................ 83 圖 4-2-13 吸管吹箭學習單第六題原始設計 ................................... 83 圖 4-2-14 S402(左)、S409(右)選擇實驗器材題目更正前後的填答 ............... 84 圖 4-2-15 S407(左)、S410(右)學習單第六、七題答案 ......................... 85 圖 4-2-16 S412 學習單第六、七題答案 ...................................... 86 圖 4-2-17 學生根據兩次平均距離值得出結論 ................................. 87 圖 4-2-18 康軒版自然與生活科技作業簿題目 ................................. 89 圖 4-3-1 吸管飛機造型圖 ................................................... 95 圖 4-3-2 吸管飛機教學架構圖 .............................................. 97 圖 4-3-3 吸管飛機製作流程簡報 ............................................ 98 圖 4-3-4 吸管飛機大變身製作簡報 .......................................... 99 圖 4-3-5 舊版吸管飛機學習單 .............................................. 100 圖 4-3-6 吸管飛機大變身-研究者預期學生的作品 ............................. 100 圖 4-3-7 吸管飛機大變身-學生實際作品 .................................... 100 圖 4-3-8 吸管飛機教學架構修正圖 .......................................... 104 圖 4-3-9 學生上台報告吸管飛機設計構想 ................................... 105 圖 4-3-10 學生上台發言的評分記錄及競賽成績 .............................. 105. VIII.

(11) 圖 4-3-11 學生設計的吸管飛機 ............................................ 107 圖 4-3-12 學生設計的吸管飛機 ............................................. 108 圖 4-3-13 學生上網搜尋吸管飛機相關資料 ................................... 110 圖 4-3-14 飛行原理教學影片擷圖 ........................................... 112 圖 4-3-15 S412 第二次設計的吸管飛機 ...................................... 113 圖 4-4-1 指導學生打電話至中央氣象局查詢氣象資料 .......................... 123 圖 4-4-2 學生設計的氣球動力車 ........................................... 124 圖 4-4-3 「昆蟲單元」運用「你問我答」解決問題 ........................... 125. IX.

(12) 第壹章緒論本章主要的目的在於說明本研究的問題背景與動機、研究目的與待答問題、名詞解釋、研究限制等，以下將分節敘述之。. 第一節問題背景與動機每個人的一生中都一直不斷面臨各式各樣的問題，等待被解決，我們可以說人類的生活史基本上就是一部問題解決史。因此，在教育的過程中問題解決能力的培養是相當的重要，台大校長楊泮池(2013)就曾表示「學校最重要的不是教學問，而是培養學生解決問題的能力」。我國《國民中小學九年一貫課程綱要》也將「問題解決能力」列為學生要培養的十大基本能力之一。對於問題解決能力的培養，一直是國內外科學教育關注的議題。九年一貫課程綱要對自然與生活科技學習領域的「基本理念」做了如下的說明（教育部，2003）︰學習科學讓我們學會如何觀察、詢問、規畫、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；美國國家科學委員會也指出學習科學的理由之一是「科學也許可以提供在教室裡發展語言、邏輯、解決問題技巧的基礎」(Michaels, Shouse, & Schweingruber,2008)。雖然透過科學的學習可以培養學生的問題解決能力，但有國內科教學者直陳台灣科學教育的缺失。靳知勤（2007）針對「科學教育應如何提升學生的科學素養」訪談國內學術精英，綜合訪談結果，指出台灣學生學習的盲點在於習慣背誦知識，卻很少去思索知識是如何產出，也不會主動去建構知識，缺乏問題解決能力。台灣師範大學科教中心主任張俊彥則指出「台灣學生科學知識豐富，運算、背誦能力也很好，所以成就全球最強的高級代工產業。但下一輪經濟盛世競爭的是創意和創新能力，需要的不只是科學知. 1.

(13) 識，更是問問題、能解決問題的能力，而這剛好是台灣科學教育最弱的一環」（蕭富元， 2010）。研究者也反思自己的教學仍偏向食譜式教學，實驗課是將實驗器材、藥品準備俱全，學生只要按照教師講解或課本指示的步驟按部就班進行，驗證實驗結果是否如課本所述，課程設計缺乏讓自行學生運用「提出假設」、「選擇變因」、「設計實驗」等過程技能解決問題的機會。綜合上述科學教育的目標、科教學者指陳的缺失及研究者針對自我教學的反思，研究者決定實現「教師即研究者」的精神，思索設計提昇學生問題解決能力的課程。張俊彥與翁玉華（2000）的研究曾建議科學教學應融入問題解決活動與科學過程技能的運用，使學生藉由探究活動的過程，提昇學生的問題解決能力。故研究者決定以行動研究方式，透過適當的教學策略來引導國小中年級學生運用科學過程技能於問題解決的歷程，並探討現場的教學實務會遭遇到困難及因應之道。希望行動研究成果可作為研究者或其它自然與生活科技領域教師日後從事問題解決能力教學的參考。. 2.

(14) 第二節研究目的與待答問題本研究最主要目的是要經過行動研究的歷程，探討如何透過課程設計及教學來促進學生善用科學過程技能於問題解決歷程中，並從中了解教學歷程中所遭遇到的困難及反思研究者問題解決方式。本研究要探討的問題有以下三點: 一、探討如何使學生善用科學過程技能於問題解決歷程中？二、探討教學過程中，所遭遇到的困難與解決方式為何？三、研究過程中，教師的專業成長為何？. 3.

(15) 第三節名詞解釋壹、科學過程技能(science process skills) 九年一貫課程自然與生活科技領域將科學過程技能歸類為「觀察」、「比較與分類」、「組織與關連」、「歸納、研判與推斷」及「傳達」等五項，本研究亦依據這五項科學過程技能來加以探討。. 貳、問題解決（problem solving）本研究所指的問題解決係指學習者在面對問題時，能運用研究者指導的過程技能或學習者既有的知識、經驗、技能，藉各種思維及行動來處理問題的歷程，其歷程可分為「問題輸入」、「問題解決」、「成果評鑑」三個階段。. 參、科學玩具（science toys）綜合賴慶三、王錦銘(2010)所提出之科學玩具敘述及研究者的認知，將科學玩具定義為「以身邊容易取得的廉價素材，符合中年級學童的製作能力，讓學童可以經由動手操作及控制不同的變因，啟發兒童科學思考、幫助兒童學習解決問題的器具。」. 肆、行動研究(action research) 所謂行動研究是一種在強調在實務中解決問題，並從中進行反省學習的研究法。而本研究是研究者為精進自己的教學需要所進行的研究，在這一研究過程中，研究者將扮演「教師即研究者」的角色，將「行動」與「研究」二者合而為一，針對自己實務教學活動中所遭遇的實際問題進行研究，研擬解決問題的途徑與策略，並透過實際行動付諸實行，進而加以評鑑、反省、回饋、修正，以解決教學問題(蔡清田，2013)。. 4.

(16) 第四節研究範圍與限制壹、研究範圍一、研究對象：以研究者所任教的國小四年級班級學童為研究對象。二、研究教材：本研究探討科學玩具設計與製作之教學活動，教材的範圍以研究者自編教案為主。三、研究時間：民國 101 年 10 月 5 日~民國 102 年 6 月 27 日. 貳、研究限制一、在研究方法方面本研究採行動研究的方法，在課程的設計、教學的成效、教學的反思上會受到研究者的信念、人格特質、教學經驗及情境的影響，因此本研究的成果僅能提供「自然與生活科技」領域教師對如何協助學生在問題解決的歷程中運用科學過程技能，一個參考與省思的個案，不宜做過度的推論。. 二、研究者之限制在本研究中，研究者同時扮演參與者角色與觀察者的角色，兩種角色的混合，其優點來自於對現場實務能夠深入進行了解與探討，對於研究對象能有較多的教學現場的觀察記錄、非正式訪談的機會與完整文件蒐集。豐富多元的資料蒐集是其優點，但同時也是本研究的弱點，因為研究者本身的研究實務的經驗與技巧、資料分析詮釋的客觀性等，都會影響到本研究的結果。因此研究者在整個研究的過程中，透過文獻的閱讀與協同觀察教師相互討論，對於教學現場的詳實記錄與觀察，力求嚴謹與詮釋的客觀性，以期將研究者本身的偏見與研究技巧不足之處修正到最低。. 三、在研究對象方面研究者僅以自己任教的一個班級內的學童為研究對象，受限於教學情境的不同與教學者本身特質的影響，研究結果能否推論至其他班級，尚待進一步的研究。. 5.

(17) 四、研究資料之限制由於本研究主要的研究資料均來自於教學現場的第一手的觀察、訪談、文件與省思，對於資料的分析與詮釋則全部取決於研究者的方法論、技巧、敏感度和誠實（吳芝儀、李奉儒，2008）。因此研究者在詮釋資料的過程的取捨方式、教學情境的記錄、文件資料的取捨，都會影響研究的成果。. 6.

(18) 第貳章文獻探討第一節問題解決壹、「問題」的定義在探討問題解決（problem solving）之前，必定先有問題的呈現，所以我們必須先明瞭「問題」的定義與類型。對於問題的定義，不同的學者，就有不同的定義。吳德邦(1989)認為所謂「問題」是指個人或團體遭遇到的一種需要解決的狀況，對於這種「狀況」個人或團體沒有明顯的途徑去獲得解決的方法。從問題的本質來看，Hayes(1989) 認為問題的產生來自於個體目前的狀態至個體欲想達到的狀態，這兩者之間橫亙一段鴻溝，而個體不知如何跨越這段鴻溝。認知心理學家張春興(2011)認為，「問題」係指不能憑個人既有經驗獲致答案的刺激情境，必須靠個人將經驗重組，思維運作，始能解出答案。唐偉成、江新合（1998）認為問題就是難題，沒有辦法透過精熟練習或從舊基模尋找答案，是需要花較長時間思索，透過「同化」、「調適」等手段才能產生解決問題的新基模。李隆盛(2005)指出問題是「現實」與「理解」的差距，所以解決問題就是進步；問題解決了，理想常會跟著變動，因而又出現新的問題。Mayer(1991)指出大多數的心理學家都同意「問題」包含以下三個特色： 1.目前狀態(Givens)：問題開始於某一特定的狀態，包含目的、條件、片段的訊息。 2.目標狀態(Goals)：意指問題想要達到之目標，個體或團體須經由思考將目前狀態移轉到目標狀態。 3.障礙(Obstacles)：個體或團體思考以其某種方式要改變問題的目前狀態或目標狀態，但其未確認此種方式是否正確，亦即未能明顯獲得問題解決。綜合上述學者定義，我們可以歸納問題有以下四種特性： 1.現實狀態與理想狀態存有障礙。. 7.

(19) 2.個體或團體必須有動機解決此障礙，否則便無「問題」的產生。 3.問題就是難題，依個體或團體目前的條件暫時無法解決，必須精進知識、技能想出解決問題的策略才有可能克服障礙，達到問題解決的階段。 4.因為理想狀態常會隨著時空變動，所以舊問題被解決，新問題又會產生。. 貳、「問題」的類型在了解問題的定義後，接下來我們必須了解問題的類型，因不同類型的問題其運用的解決方式、思考方式也會不同。美國賓州大學教授艾夫卡(Alfke)將自然科常見的問題分為理論型問題 (theoretical questions)和操作型問題(operational questions)。理論型問題通常以「為什麼(why)」或「什麼(what)」當開頭，例如：「月亮為什麼是圓的?」或「當光穿越三稜鏡，什麼東西使光變成彩虹?」這一類型的問題通常需要較深的理論或複雜的答案才能回答，兒童很難從答案中得到任何助益，因為他們的認知結構或經驗背景尚不足以理解問題的答案。操作型問題是直接或暗示指出：學生怎麼運用科學材料去得到問題的解答。例如：「鐘擺的擺長如果改變，擺動的次數會有什麼變化?」「紙飛機的重量如何影響它飛行的距離?」Wolfinger 認為學生應被鼓勵問操作型問題，因為學生在操作過程中，不僅可以形成科學概念，也能為日後理解複雜理論培養經驗背景（Wolfinger， 1984）。 Gega(1991)根據問題解決的思維方式，將問題分為封閉型問題（closed-ended problem)與開放性問題(opened-ended problem)。封閉型問題可透過收斂性思維解答，此類問題通常只有單一答案或得到較窄的回應，而開放性問題可透過發散性思維解決，此類問題沒有固定的答案，允許答題者做出多種回答。而這二種類型問題在問題解決的練習都扮演重要的角色。 Hatch(1988)曾將生活科技類問題劃分為高結構化(well-structured)、半結構化. 8.

(20) (semi-structured)、低結構化(ill-structured)三種。高結構化問題，牽涉的範圍較窄，學生得使用收斂性思維來求出一個最佳解答，這類型問題對學生發展問題解決能力較無幫助。半結構化問題可能有一個以上的答案，需要用啟發式的方法來解決問題，其步驟如下圖 2-1-1 所示：為先讓學生確認問題，接著針對其促成因素進行分析，再由學生提出可能的解決方案，從中選出最適當的並評鑑其結果。. 圖 2-1-1 半結構化問題解決步驟（譯自：Hatch，1988）至於低結構化問題由於具有多種解答，故教師必須鼓勵學生多運用創造力問題解決技巧才能得出最佳解決方案，其解題過程及各階段可使用的方法，如下表 2-1-1 所示：. 表 2-1-1 低結構化問題解決步驟解決過程. 使用方法. 重新定義問題(Redefining Problems). . 類推、比喻. 分析問題(Analyzing Problems). . 結構、輸入-輸出. 產生想法（Generating ideas）. . 腦力激盪法、屬性列舉法、檢核表技術. 選擇和評估方法 (Evaluating & Selecting ideas). . 決策平衡單. 9.

(21) . 實現想法(Implementing ideas). 評鑑法、查核表法、圖表. 資料來源：譯自 Hatch(1988). Johnson(1987)建議問題解決教學策略要提供學生不同類型的問題，並教授不同類型的問題解決策略。研究者擬在第二階段，與學生探究射擊的角度、吹箭頭的材質等因素對吹箭射擊距離遠近的影響，其問題的性質類似於操作型問題；而在第三階段，運用交流分享設計構想、上網搜尋飛行相關知識的方式，讓學生發揮創意製作吸管飛機，其問題性質類同於半結構化問題。. 參、問題解決的定義許多學者對問題解決的內涵有不同的定義，茲將這些定義整理如表 2-1-2. 表 2-1-2 不同學者對問題解決的定義學者. 問題解決的定義個體找不到一個合適的方法橫跨這段障礙，這過程. Hayes(1989). 包含兩個部份：第一是個體能明白表示出「障礙」，意即理解問題的本質，第二是找出方法解決它。問題解決可視為克服解決問題的障礙所做的一切努. Kahey（1993）力的過程。問題解決是解題者在進行解題活動的一切歷程，其唐偉成、江新合歷程包含提取舊基模，進行類比、分類、組合、分 (1998) 析，以建立解題計畫尋找答案。人們運用既有的知識、經驗、技能，藉由各種思維黃茂在、陳文典及行動來處理問題，使情況能變遷到預期達到的狀 (2004) 態，是心智活動的歷程。. 10.

(22) Herbert. 解決問題實際上進行的方式，就是設定目標，發現. Alexander．Simon. 現狀與目標之間的差異，為減少那些特定的差異，. （引自郭菀琪譯，. 尋找記憶中存在或藉由探索而找出適當或適用的工. 2009）. 具或過程。. 綜合上述學者所言，研究者認為問題解決有幾項重要的內涵，分述如下： 1.個體在日常生活中遭遇到問題並欲解決問題。 2.解決問題的歷程是複雜的心理歷程。 3.問題解決是一種思考過程也是評鑑自我思考的過程，必須運用思考連結先備的知識、經驗、技能才能解決問題。 4.解決問題的過程是一個持續不斷的學習歷程。. 肆、問題解決的歷程蓋聶(Gagne)在 1977 年指出「問題解決可以被看作是一個過程，其中學習者發現可以將以前學過的規則重新組合，並應用解決至新問題。問題解決不單是簡單應用以前學過的規則解決問題，它同時是可以產生新學習的過程。」（Helgeson，1992）。VabLehn 也指出，學生透過問題解決的歷程，可同時經歷知識的應用、科學方法的練習、證據的搜尋與評鑑的經驗等，有助於學習經驗的遷移（楊坤原，1999）。國內外學者都曾分別對問題解決的歷程提出見解，以下文獻是依照年代，列出中外學者對問題解決歷程的詮譯，以供參考。數學教育家 Polya(1985)在著作中《如何解題》(How to solve it)歸納出問題解決的步驟，常用於解決數學問題的思考。 1.了解問題（Understanding the problem） 2.擬定計畫（Devising a plan） 3.實行計畫（Carrying out the plan）. 11.

(23) 4.回顧解答（Looking back）. 楊文金、熊召弟(1996)提出一套實驗式的問題解決法，並指出在日常生活中的問題解決方法實際上與科學中探討科學問題的方法十分類似，它們都涉及相同的問題解決程序。一般而言，實驗的問題解決過程，涉及下列幾個階段: 1.確認問題。 2.將問題轉化為可以實驗探究的型式。 3.設計與規畫實驗的方法。 4.實際執行實驗。 5.記錄實驗所得之數據並加以觀察。 6.詮釋數據與訊息，以便下結論。 7.評鑑實驗的結果，決定是否需要進一步的實驗，或重複做實驗。上述實驗的七個解題階段可以用下圖 2-1-2 來表示：. 圖 2-1-2 實驗式問題解決環. 12.

(24) 資料來源：引自楊文金、熊召弟(1996). 李隆盛（1996）提出解決問題的六大步驟，簡述如下： 1.界定問題：清楚地界定有待解決的問題是什麼，和預期的解決結果。 2.蒐集資料:蒐集有助於釐清問題和尋求解決的資料。 3.發展備選方案：即發展出解決問題的構想。 4.選定最佳方案：權衡各項方案的利弊得失，選出最佳解決方案。 5.執行選定方案：將已擇定的最佳解決方案付諸實施。 6.評鑑結果：即比較實際和預期結果並做必要調整。. Isaksen、Dorval和Treffinger(2011)提出三成分、六階段的創造性問題解決模式，其問題解決模式說明如下: 1.成分一：瞭解挑戰（Understanding the Challenge）:是在明確、建構、聚焦你的問題，使解決有效果。階段一：建構機會（Constructing Opportunities）。階段二：探索資料（Exploring 階段三：架構問題（Framing. Data）。 Problem）。. 2.成分二：產出點子（Generating Ideas）:在產生各種許多不尋常的點子和聚焦點子，尋找創意的可能。階段四：產出點子（Generating Ideas）。 3.成分三：準備行動（Preparing for Action）:下決定、發展或加強被允許的另類想法及計畫成功地實施。階段五：發展解答（Developing Solutions）。階段六：建立認同（Building Acceptance）。. 13.

(25) 美國K-12年級科學教育框架：實踐、跨學科概念與核心概念（2012）（A Framework for K-12 Science Education: Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas，以下簡稱《科學教育框架》）提出工程設計問題的解決方法包含三個核心概念： 1.定義和界定工程問題(Defining and Delimiting an Engineering Problem) 2.開發可能的解決方案(Developing Possible Solutions) 3.選擇最優方法(Optimizing the Design Solution) (Next Gereration Science Standard[NGSS，2013])指出上述三個核心概念並非像科學探究按照既定程序進行，在任何階段，當解決問題者發現原構想無法解決問題時，他可以隨時重新定義問題或產生新的解決方案，其三者的關係如下圖2-1-3。. 圖 2-1-3 工程問題解決方法資料來源：http://www.nextgenscience.org/sites/ngss/files/Appendix I Engineering Design in NGSS - FINAL_V2.pdf. 綜觀上述，雖然各學者對解決問題步驟所劃分的階段及和名稱互有差異，但分析歸. 14.

(26) 納學者的看法可得出解決問題的普遍性歷程。因此研究者參考上述學者的研究，並依據研究者實際教學狀況，擬發展一套簡單易懂、具代表性的問題解決程序。由於本研究的科學玩具製作教學希望以精簡扼要的步驟，方便教師進行教學及增進學生應用科學過程技能於問題解決學習的歷程為目的，而科學玩具的製作是屬於生活科技類問題，生活科技的教學有其泛用模式（陳玫良，1995），其教學流程可將其視為下圖2-1-4。. 圖 2-1-4 生活科技教學流程為配合生活科技教學流程，研究者將問題解決的過程依序為「問題輸入」、「問題解決」、「成果評鑑」。其問題解決流程內涵詳見下圖2-1-5。. 圖 2-1-5 問題解決步驟之應用. 15.

(27) 1.問題輸入階段無問題即無問題解決可言，所以第一階段問題輸入，在於學習者能發現問題並能以明確的語言或文字陳述問題的內容，才對能問題做分析或收集相關資料。例如:「為什麼投石器無法投擲較遠距離?為什麼橡皮彈力車無法跑得又直又快?」 2.問題解決階段第二階段問題解決，研究者擬設計創意思考教學活動，藉由師生問答或同儕間的腦力激盪分析問題發生的可能原因，並逐一擬出相對應的問題解決方案。例如:「吸管吹箭飛不遠的原因可能跟吹箭材質有關，所以可以嘗試更換不同的吹箭材質。」 3.成果評鑑階段在教學的過程溶入科學趣味競賽是一種重要的環節，它可以增進學生應用科學方法解決問題機會(陳惠芬，1999)。游詩蒂(2001)也指出科學創意競賽活動提供兒童運用科學知識及過程技能、發揮創意解決問題的機會。故研究者在成果評鑑階段，舉辦科學玩具競賽活動，由競賽成績評比來讓學生評估前一階段所提出的想法及做法是否正確。. 16.

(28) 第二節科學過程技能壹、科學過程技能的重要性國內學者甘漢銑與陳文典(2005)指出在從事科學性的探究活動中，為了確保所獲得的訊息能確實地如現象所顯示、為了使我們歸納或推理所得的想法不流於偏頗或曲解，我們必須在觀測或度量的技術上有要求、在演繹推理的思維上有規範，這些執行探究的能力我們稱之為「科學過程技能」。Finely（1983）指出科學過程技能有三項特色： 1.科學過程技能是科學家用來了解各種現象的一種特殊心智技能。2.每一項技能都可以科學家探究活動發現，且可以透過學習而習得。3.科學過程技能可應用在不同領域的學科內容，且有益於日常生活的理性思考。Carin 和 Sund (1989)也曾提及一個好的科學課程除了讓兒童練習過程技能外，還能從中學習到科學經驗。且不僅是課堂上的學科，就連生活中的其他問題，科學過程技能也都能夠提供兒童應用的能力，甚至當兒童長大成人後，仍然能夠使用這些過程技能。Bilgin(2006)認為科學過程技能的定義是理解科學探究的方法與程序。他還指出科學過程技能對有意義學習是非常重要的，它有助於個體學會在不同情境下發現、解釋、判斷、整合證據，因此學習機構有必要在提供學習科學過程技能的課程。綜合上述討論可知：科學過程技能本身是一種能力，不但可應用於科學探究活動，也可讓學生在校內或校外會善盡及運用知識，使學生對外來資訊及面對問題，產生適當的問題解決策略(熊召弟，1996)；它對學習者而言是非常重要的學習，在小學階段，甚至比科學知識的獲得更為重要（王美芬、熊召弟，2005）。. 貳、科學過程技能的源起及內涵一九五七年前蘇聯領先全球率先發射史潑尼克號(Sputnik)人造衛星，震驚世界各國，一時之間，有關科學教育的改革漸被提倡。一九五八年美國便通過了國防教育法案，開始以大量經費補助科學教育方面的研究(楊龍立，2002)。而在這一波美國科學課. 17.

(29) 程改革中，科學過程技能的培養被認為是課程的重點，課程專家根據調查科學家從事科學探究所要俱備的能力經因素分析結果，解析成一些科學過程技能(黃鴻博，2000)，希望學生能學習到探究過程中所需要的各式科學過程技能，學習像科學家一樣的思考。其中，最先強調科學過程技能培養應屬美國科學促進協會(AAAS：American Association for the Advancement of Science)所設計的 SAPA 課程，其課程特色之一是依高度結構順序發展出一套科學過程的技巧，其中包含八種基本過程技能與五種統整過程技能，從幼稚園至小學三年級應學習基本過程技能，四至六年級除繼續學習基本過程技能外，還要學習統整過程技能（王美芬、熊召弟，2005）。研究者將十三項科學過程技的意義分述如下（莊奇勳譯，2005）：. 一、基本科學過程技能 1.觀察：指的是用感官來獲得物體和事件的資訊或是數據，觀察是科學最基本的過程，不經意的觀察能引起我們對週遭環的疑問和探究。 2.分類：分類是一個過程，科學家把收集到的物體或事件(依特徵)加以編序。分類的方法被用在科學和其它訓練上，用來確認物體或事件，並且表示出相關性、相異性及彼此間的關係。 3.運用時間與空間的關係：所有的物體在空間占有一席之地，這種過程技能中，使用時/空關聯性，包含辨別及描述-方向、空間排列、移動與速度、對稱及變化率的能力。 4.應用數字：我們需要數字來測量、排序及分類物體。 5.測量：測量就是將觀察給予數量化的方式;測量的技巧不只需要具備正確、適當使用測量工具的能力，也需要具備使用這些測量工具執行計算的能力。 6.傳達：清楚、精確的溝通，對所有人類的努力和基礎來說，非常的重要。科學家們傳達的方式，可用口頭、文字、圖表、數學方程式、以及其它視覺上的展示物來進行溝通傳達。 7.預測：指的就是對要觀察的東西或事件，先做一特定明確的報告。預測的基礎是建立在仔細的觀測、準確的測量、和正確推斷觀察變項間的關連性上。 8.推理：推理就是用邏輯思考，從我們觀察到的物體或實驗上來得到結論。. 18.

(30) 二、統整科學過程技能 9.控制變因：指的是管理某項調查的情況或條件，變因指的是一項可以產生改變的物件或數量。 10.解釋資料：解釋資料的過程包含有從調查的資料中，做出預測、推理、以及假說。 11.形成假設：形成假說:所謂假說就是「根據知識經驗的猜想」，形成假說應建立在觀察、推理上。 12.下操作型定義：當學生在下操作型定義這項過程時，依他們的親身體驗/背景，來為某個術語下定義，亦即他們是從操作中來下定義，而非死背定義。下定義時，要限制列入依考慮的項目不可過多，且該項定義必須是來自實證，而獲得結果者，如此定義才能被接受。 13.實驗：綜合上述基本過程與統整過程的綜合能力，再加上器材及人為的操作。. 三、九年一貫課程之過程技能九年一貫自然與生活科技學習領域定義的過程技能不同於 SAPA 課程的十三項技能，而是將過程技能歸類成「觀察」、「比較與分類」、「組織與關連」、「歸納、研判與推斷」、「傳達」五項，此五項技能的內涵意義詮釋如下（陳文典，2005）： 1.觀察：察覺有意義的訊息，並做量化度量。 2.比較與分類：知道各變因的屬性及作控制變因的操作。 3.組織與關連：由資料探討因果，尋找變因之間的關係。 4.歸納、研判與推斷：定因果關係、解釋資料。 5.傳達：善用各種媒體獲得資訊、能有條理的、科學性的陳述、能與人溝通及善於表達。九年一貫課程在小學階段，將一到六年級學生的學習分為三個階段：第一階段為小學一、二年級；第二階段為小學三、四年級；第三階段為小學五、六年級，由於本研究的研究對象是國小中年級學生，所以研究者只列出「自然與生活科技學習領域」第二階段過程技能基本能力指標，其內容如下表 2-2-1。. 19.

(31) 表 2-2-1 自然與生活科技學習領域過程技能基本能力指標內容程技能. 觀察比較與分類組織與關聯歸納與推斷. 國民小學「過程技能」中年級能力指標察覺事物具有可辨識的特徵和屬性。運用感官或現成工具去度量，做量化的比較。能權宜的運用自訂的標準或自設的工具去度量。瞭解即使情況一樣，所得的結果未必相同，並察覺導致這種結果的原因。知道依目的(或屬性)不同，可作不同的分類。對資料呈現的通則性作描述(例如同質料的物體體積愈大則愈重…)。能形成預測式的假設(例如這球一定跳得高，因…) 。能在試驗時控制變因，做定性的觀察。. 由實驗的資料中整理出規則，提出結果。運用實驗結果去解釋發生的現象或推測可能發生的事。能運用表格、圖表(如解讀資料及登錄資料) 。. 傳達. 能傾聽別人的報告，並能清楚的表達自己的意思。能由電話、報紙、圖書、網路與媒體獲得資訊。. 資料來源：整理自教育部（2003）四、九年一貫課程與 SAPA 課程之過程技能比較研究者藉由比較九年一貫課程過程技能與 SAPA 各項科學過程技能的定義，在「自然與生活科技學習領域」第二階段階段的能力指標將舉例分析說明兩者間的關聯性，詳見表 2-2-2。. 表 2-2-2 九年一貫課程之過程技能與 SAPA 課程之過程技能比較 SAPA 過程技能觀察. 九年一貫過程技能觀察. 第二階段過程技能能力指標察覺事物具有可辨識的特徵和屬性. 20.

(32) 應用數字測量. 運用感官或現成工具去度量，做量化的比較。比較與分類. 瞭解即使情況一樣，所得的結果未必相同，並察覺導致這種結果的原因知道依目的(或屬性)不同，可作不同的分類. 推理分類解釋資料假設. 權宜的運用自訂的標準或自設的工具去度量。. 組織與關連. 對資料呈現的通則性作描述(例如同質料的物體體積愈大則愈重…) 能形成預測式的假設(例如這球一定跳得高，因…). 控制變因. 能在試驗時控制變因，做定性的觀察. 推理. 由實驗的資料中整理出規則，提出結果歸納與推斷. 解釋資料. 運用實驗結果去解釋發生的現象或推測可能發生的事。. 傳達. 能運用表格、圖表(如解讀資料及登錄資料) 能傾聽別人的報告，並能清楚的表達自己的意思能由電話、報紙、圖書、網路與媒體獲得資訊. 傳達. 資料來源：研究者自行整理茲將以上的分析比較，以圖 2-2-1 的箭頭來做相關性的說明。. 21.

(33) 圖 2-2-1 中年級九年一貫的過程技能和 SAPA 十三項科學過程技能關係圖五、本節結語由上述的討論得知，雖九年一貫課程與 SAPA 課程對於科學過程技能各有其詮釋，但經研究者比較九年一貫課程的第二階段過程技能的能力指標與 SAPA 課程的科學過程技能定義，可知兩者間仍有關聯性，其中與 SAPA 課程之基本過程技能有較明顯的關係，但與統整技能卻鮮少有明確關係。惟本研究對象為國小四年級學生，其目前學習所採用教科書仍依據九年一貫程綱要編輯而成，故本研究對於科學過程技能之界定依循九年一貫課程綱要中第二階段對於科學過程技能能力指標之詮釋。. 22.

(34) 第三節問題解決與科學過程技能在我們日常生活之中，無時無刻存在各式各樣的問題等著我們去解決，例如，出外遊玩，如何規畫行程，安排食宿交通;如何烹煮一頓美味可口的大餐等。因此不管是為了將來的職業準備，或是適應目前的生活，學校教育不應只注重課本的知識與技能的習得，更應該重視如何將知識與技能應用於問題解決。提出「學習的共同體」觀念的日本佐藤教授指出，傳統學習方式，孩子雖因為背誦累積許多知識，但卻無法將知識活用。學習應該是透過活動，讓孩子充分運用學到的知識及技能，在失敗時，再一次反省並思考知識的原理，如此孩子才能真正了解知識的道理，並有能運用其知識的能力(許芳菊， 2011)。九年一貫課程也強調，知識的價值不在於記憶知識本身，而在於透過知識，啟發孩子多元的智慧，以培養終身帶著走的能力，該課程提出學生適應將來生活、面對未來世界，須培養十大基本能力，而其中一項即是「問題解決能力」。. 透過問題來學習解決問題能力的模式，可追溯至古老的時代。「問題」一直是人類製作器具、發明事物、發展宗教、法律、科學、工程、商業的動機，幾乎所有現代科技和社會機構的演進，都是由「問題」來推動。而人類至今發展了兩項方法，來吸收新知與創新生活方式，這兩項方法分別是科學與工程學，而科學與工程學又是建基於「疑問」和「問題」之上(劉曉樺譯，2011)。圖 2-3-1 說明了疑問與問題在科學、工程學中所扮演的角色。. 23.

(35) 圖 2-3-1 科學與工程的問題解決法資料來源:修改自 Raizen(1995). 科學家用嚴謹的科學實驗方法來驗証解釋或假說，來確認問題的答案；而工程師則是發明模型或新設計來驗證解決方案的成效。但科學不只是一種知識的本體，它也包含一套可建立、延伸、更新科學知識的實踐工作；同樣地，工程也涉及到知識與科學實踐。工程的最主要目標是要解決為滿足人類的需求或慾望而衍生出的問題，為了解決問題，工程師必須仰賴科學與工程的知識，以及對工程設計過程的理解，視個別問題設計解決. 24.

(36) 方案。因此，《科學教育框架》提出了「作為實踐的科學」（Science as A Set of Practices），並由圖 2-3-2，說明「科學與工程實踐」如何運用至科學探究與工程設計。. 圖 2-3-2 科學與工程實踐要素圖（譯自：NRC，2012）由上圖 2-3-2 可知，科學與工程實踐被區分為三個面向，說明科學家與工程師在三個面向所從事的活動。左邊是調查探究部分，包括觀察現象、測量、提出研究問題、設計實驗、收集數據、確立研究工具等。右邊是理論建構（科學）或制定設計方案（工程），通過想像、推理、數學計算、預測，來修正原有理論、或發展新理論、或建立新模型。中間區域為評鑑部分，科學家或工程師運用批判性思考對左右兩個面向的所進行的活動批判思考，三個面向間的活動彼此互動、相互影響。《科學教育框架》指出，在幼稚園至高中階段，科學教育應培養學生以下八項科學、工程實踐能力，其內容如下所示（NRC， 2012）：. 25.

(37) 1、提問和界定問題（Asking questions for science and defining problems for engineering) 2、建立和運用模型（Developing and using models） 3、規畫和執行實驗（Planning and Carrying Out Investigations） 4、分析和解釋數據（Analyzing and Interpreting Data） 5、使用數學和計算思維（Using Mathematics and Computational Thinking） 6、建構理論和設計解決方案（Constructing Explanations and Designing Solutions） 7、根據證據論證（Engaging in Argument From Evidence） 8、取得、評價和溝通資訊（Obtaining, Evaluating, and Communicating Information）. 下表 2-3-1 研究者整理自《科學教育框架》、《Next Generation Science Standards: For States, By States》及《Science and Engineering Practice in K-12 Classrooms: understanding a framework for K-12 science education》，將針對上述八個科學與工程實踐的內涵及國小中高年級學生所應達成的能力做概略的說明。. 26.

(38) 表 2-3-1 科學與工程實踐內容介紹（一）科學實踐：科學家透過各式各樣的問題來了解世界：為什麼天空是藍色的？石油燃燒會對氣候造成什麼影響？因此科學家基本的工作就是以問題為出發點，發展理論解釋現象背後的成因，並確認那些問題已有解答，那些問題尚未有令人滿意的答案。. 一、提問和界定問題. （二）工程實踐：工程問題起始於某個難題、需求或慾求需要被滿足，例如:國家如何降低對石化燃料的依賴?我要怎麼提高這架飛機的安全性?我們要怎麼利用太陽能加熱，並供應家庭所需要的電力。工程師藉由提問來定義工程問題，並確定答案的標準及其條件限制。（三）應學習的能力：學生應學會如何問問題並辨別疑問(question)和問題(problem) 之間的差異。在科學方面，學生應學習會相互質問，問題的來源可以是閱讀過的文章內容、觀察現象的特徵、經科學調查所得到的結論等;在工程方面，學生要藉由提問來定義要解決的問題及其解決方案的限制規範。（一）科學實踐：科學往往涉及到許多理論模型的建立、使用及模擬，有益於發展出能夠合理解釋自然現象的理論。有些模型所描述的景像或預知的世界是超乎人們的觀察及想像。模組讓「假如…然後…因此」這種型式的預測能夠被製定，以測試假設性. 二、建立和運用模型. 的解釋。（二）工程實踐：工程利用模組及模擬去分析已存在的系統，以便觀察在什麼條件下，可能會出那現那些缺失或用以測試新問題的可能解決方案。工程也使用不同類型的模組去測試所提出的系統及識別設計上的效力及極限。（三）應學習的能力：在小學階段，學生應學會利用繪圖或建置模型來傳達科學概念或設計構想。科學和工程實踐的實務練習可以讓學生以畫圖的方式(例如:畫昆蟲身體構造並其身體特徵、水的三態循環圖等)來傳遞科學知識、製作圖表描述或預測現象或建構簡易的模型(例如:飛機、汽車等)表達設計構想。續下頁. 27.

(39) 續表 2-3-1 科學與工程實踐內容介紹（一）科學實踐：科學探查可以在田野或實驗室中進行，科學家們最主要工作之一是計畫並且執行一份有系統的探查，所謂有系統的探查是當事人必須分辨何種資料是需要被記錄，那個因子要被當作操縱變因及控制變因。觀察記錄和探察所收集到的資料. 三、規畫和執行實驗. 若無法用已有理論解釋的話，則理論必需被修正或發展新的理論。（二）工程實踐：工程利用模型和模擬系統，以挑出工程設計可能發生的缺陷，或用來測試一個新問題可能的解決方案。此調查方法也可幫助工程師瞭解在特定條件下，他們的工程設計的有效度及耐受承度。（三）應學習的能力：能夠與他人合作設計與規畫教師指派或自己感興趣的調查工作，並能使用適當的方法或工具收集、記錄數據以作為調查結果的證據。設計實驗與處理實驗結果的能力須統整所有技能，並運用思考智能達成。（一）科學實踐：因為數據通常不會說話，所以科學調查產生的數據必須進行分析才能彰顯其意義。科學家們使用一系列的工具-包含表格、圖解說明、統計分析-去確認在資料中重要的特徵及型態。. 四、分析和解釋數據. （二）工程實踐：工程師們藉由分析在他們的設計及調查中所收集到的數據，讓他們可以比較不同的問題解決方案及瞭解每個解決方案是否符合設計標準，如此工程師們就可以決定在規範標準下，提出最佳解決方案。（三）應學習的能力：在小學階段，學生可藉由繪圖、寫作、應用數字、口頭報告等型式來記錄觀察結果並與他人交流分享。例如:可練習將觀察資料以表格或其它種的型式的圖表 (如長條圖、圓餅圖等)來呈現觀測結果間的關係，比較不同的組別所收集的數據，並討論的彼此間的相似處及相異處。續下頁. 28.

(40) 續表 2-3-1 科學與工程實踐內容介紹（一）科學實踐：在科學中，數學和計算機運算是計算物理變量及其相互關係的基本工具，它們被用於一系列任務，例如:建立模擬系統、數據的統計分析等。. 五、運用數學和計算思維. （二）工程實踐：工程中一個重要部分是運用數學和計算機對工程設計進行分析測試，例如: 結構工程師運用數學模式分析去研判工程設計所能承受的壓力程度及能否在可接受的預算內完成。（三）應學習的能力：學生應學會選用適當的工具（例如:尺、溫度計、磅秤等）來描述測量值或估算測量值；能定量比較分析工程問題所提出的不同解決方案。此外，應鼓勵學生利用電腦記錄測量結果、分析數據。例如：可用試算表記錄數據並對蒐集到的數據做簡單的數學運算;利用圖表來比較工程問題不同解決方案間的優缺點。（一）科學實踐：科學的目標是建構理論解釋世界萬物運行的道理。一個科學理論若能被接受的前是它比解釋來得有深度及廣度。學生要學習能符合邏輯的解釋這些科學理論. 六、建構理論和設計解決方案. 並學會應用。（二）工程實踐：工程設計是根基於對物質世界的科學知識和模型來建構一套系統化的方法來解決工程問題，提出的所有解決方案必須考慮技術的可行性、經費、安全性、美觀、及是否符合法令的標準。通常沒有一個最好的解決方案，而是一個廣泛的解決方案，至於哪一個是最佳的選擇取決於評估的標準。（三）應學習的能力：能具體清楚描述觀察的結果並闡述觀測結果彼此間的關係。(例如:不同種類的植物在院子分布的情形);能想出多個問題解決方案並比較每個解決方法的優劣處。運用證據（例如：測量結果、觀察結果、模式等）合理解釋現象發生的成因或能夠說出支持工程問題解決方案的理由。續下頁. 29.

(41) 續表 2-3-1 科學與工程實踐內容介紹（一）科學實踐：在科學中，推理及論證不但可判斷一連串的證據的真或偽，也可確認各種自然現象背後成因的最佳解釋。科學家必須有能力捍衛自己的解釋，根據可信的數據提出證據，能審視自己的想法及他人提供的評論，並與同儕合作提出調查現象的最佳解釋。. 七、根據證據論證. （二）工程實踐：在工程中，透過推理和論證可幫助工程師找到問題的最佳解決方案。工程師在在整個設計過程中與同儕之間想法的競爭是激發出解決方案的關鍵點。工程師運用系統的方法去比較替代方案優劣，在測試數據上形成證據，從證據論證，以捍衛自己的結論並審慎評估他人觀點。經由上述論辦的過程，工程師修改他們的設計，以達到最好的解決問題的方案。（三）應學習的能力：學生應開始學習藉由相互詢問來批判、質疑自己或他人的研究發現。在科學方面，學生要學會傾聽某一觀察現象的兩種不同的解釋，並辨別那一種解釋有較好的證據佐證;在工程方面，學生要學會傾聽其他學生提出的問題解決方案，並要求解決方案必須要有充分證據支持。（一）科學實踐：讀寫是學習科學的基礎。如果科學家無法精確且清楚溝通，則科學是無法進步的。科學家除要能以清楚和具說服力的方式傳達他們的研究發現，也要學習從. 八、取得、評價和溝通資訊. 科學文本(例如：報紙、網路、研討會和講座等)吸收其它科學家的研究成果，並有能力整合這些資訊，以評估科學知識的正確性。（二）工程實踐：更新或更好的技術有賴於工程師們能清楚明確的表達、交流彼此產品的優質設計構想。跟科學家一樣，工程師要能閱讀、理解、評估同行的想法，並有效運用它，因此工程師須要有能力以口頭報告、書面報告、表格、圖表、繪圖或模型等方式來表達自己的想法，並廣泛與其它工程師們討論。（三）應學習的能力：教師應鼓勵學生踴躍參與課堂討論，唯有透過這樣的過程，學生才有機會不斷的修正自己的口語表達缺失及不足。在小學階段，學生應學會使用文字、表格、圖形、口頭報告、數學公式、草圖、模型來論述自己的看法或質疑他人的意見，特別是關於他們所進行的科學實驗結論或工程設計的構想。. 30.

(42) 九年一貫自然與生活科技領域課程目標之一是培養學生具備獨立思考、解決問題的能力，過程技能是課程所要培養的科學素養之一，其目的是增進科學探究過程之心智運作能力。研究者將根據過程技能第二階段的能力指標及科學工程實務的內涵，說明兩者之間的關聯性，詳見表 2-3-2。表 2-3-2 九年一貫課程過程技能與科學工程實務之比較過程技能. 觀察. 第二階段過程技能能力指標. 1.察覺事物具有可辨識的特徵和屬性。. 科學與工程實務  . 提問和界定問題規畫和執行實驗.   . 規畫和執行實驗分析和解釋數據運用數學和計算思維建構理論和設計解決方案. 1.運用感官或現成工具去度量，做量化的比較。. 比較與分類. 2.權宜的運用自訂的標準或自設的工具去度量。 3.瞭解即使情況一樣，所得的結果未必相同，並察覺導致這種結果的原因。. . 4.知道依目的(或屬性)不同，可作不同的分類。. 組織與關連. 歸納與推斷. 1.對資料呈現的通則性作描述。 2.能形成預測式的假設。.     . 建立和運用模型規畫和執行實驗分析和解釋數據建構理論和設計解決方案根據證據論證。.  . 規畫和執行實驗分析和解釋數據. 3.能在試驗時控制變因，做定性的觀察。. 1.由實驗的資料中整理出規則，提出結果。. 2.運用實驗結果去解釋發生的現象或推測可能  發生的事。. . 31. 建構理論和設計解決方案根據證據論證.

(43) 傳達.   1.能運用表格、圖表(如解讀資料及登錄資料)  2.能傾聽別人的報告，並能清楚的表達自己的   意思。 3.能由電話、報紙、圖書、網路與媒體獲得資  訊。. . 提問和界定問題建立和運用模型規畫和執行實驗分析和解釋數據運用數學和計算思維建構理論和設計解決方案取得、評價和溝通資訊. 資料來源：研究者分析整理茲將上述的分析比較，以圖 2-3-3 的箭頭做關聯性的說明。. 圖 2-3-3 九年一貫過程技能與科學工程實踐關係圖. 32.

(44) 由表 2-3-2 及圖 2-3-3 研究者的歸納分析可知，九年一貫過程技能與科學工程實務在實質內涵上，兩者具有關聯性。蔡錫濤(2002)認為「設計」是一種以目標為導向，持續不斷解決問題的過程，也可以說是一種有計劃性的創造心智活動；而「製作」是利用各種可能的資源或加工方法，將設計的結果成品化，也是一連串問題解決的實踐歷程。故研究者擬編寫科學玩具「設計」與「製作」教案，探究教師如何指導學生解決問題。雖過程技能與科學工程實務兩者息息相關，但教案是根據九年一貫課程中年級能力指標編製，所以本研究解決問題所運用的技能仍以九年一貫第二階段對過程技能的詮釋為主。. 33.

(45) 34.

(46) 第參章研究方法本研究為一行動研究，旨在探討一位國小老師如何提升自己課程設計與實施的專業知能，讓中年級學生更善用科學過程技能於問題解決的歷程。研究者經由文獻探討綜合整理歸納出問題解決的歷程應包含「問題輸入」、「問題解決」、「成果評鑑」，並以此為架構設計出三個科學玩具製作教案，由研究者進行實際教學工作。研究者採用行動研究法的理念來進行資料蒐集與分析，以質性資料為主。茲將本章分成五節，依序如下所示：第一節為研究方法的選取與設計；第二節為研究對象與情境；第三節為研究設計與流程；第四節為研究工具；第五節為資料蒐集與分析。. 第一節研究方法的選取與設計壹、行動研究法行動研究是一種強調在實務中發掘問題、解決問題，並從中進行反思與學習的一種研究方式。鄭增財(2006)指出行動研究與傳統科學研究在理念上最大的差別在於傳統科學研究中，研究者所研究的議題通常是別人的事，研究的結果通常是以研究報告的形式交付存檔，研究者不參與研究結果後對於事物改進的行動；行動研究則不然，行動研究是研究者在自己工作實務情境中面臨問題時，自己先對問題的初步分析，並接著採取行動，以求突破或改變現狀，進而在行動中蒐集相關資料，以確認自己所採取的行動是否有效。行動研究中行動與研究合而為一，融為一體。研究的報告是研究者對於此項問題解決行動過程的反思與記錄，傳統科學研究與行動研究的研究理念比較可詳見圖 3-1-1。. 35.

(47) 圖 3-1-1 行動研究與傳統科學研究理念比較資料來源：引自鄭增財(2006，頁 181). 貳、採用行動研究法的理由一、研究者的因素研究者本身是自然科專任教師，對於自然科教材教法相關的知識頗有興趣，也自覺自己的教學仍有待改進的空間，希望透過行動研究法擴展個人的專業知識，精進自己的教學實務。. 二、研究問題的因素根據研究者的自然科教學經驗，若教師在課堂上採單向式知識灌輸，很難讓學生對學習內容感到興趣。因此，為引起學生學習動機，研究者設計科學玩具設計與製作課程，希望透過不斷改善研究者的教材與教法，來達到引導學生善用科學過程技能解決問題的目的。. 36.

(48) 第二節研究情境與參與人員壹、研究情境研究者服務學校是位於台南市柳營區內的一所鄉鎮型學校，臨近奇美醫院柳營分院，社區居民多屬務農或工商之小康家庭。由於學校離新營約 5-10 分鐘車程，部份家長存有「就讀大學校的學生將來才有競爭力」的迷思，對本校產生「磁吸效應」，所以有些家長會將子弟送往新營區的小學就讀。但前任校長努力積極辦學，為讓學習多元化，除一般學習課程外，還外聘教師教授書法課、舞蹈課；星期三下午開辦圍棋、心算、直排輪、鋼琴等靜動態社團活動，讓學生有多元學習的機會；為方便雙薪父母接送小孩放學，開辦課後託育班；為鼓勵學童閱讀，參與天下文化基金會所發起的「希望閱讀」計畫。校方的努力得到社區家長的肯定，不但願意讓子弟留在社區學校就讀，也吸引不少鄰近鄉鎮的學生越區就讀，而天下雜誌還曾以「讓偏鄉變成維也納」為題報導學校的辦學成效。目前學校規模是每個學年一個班級，每班人數約 10-20 人左右。. 貳、研究對象研究者負責中年級「自然與生活科技」領域的教學工作，考量學生能力及研究的方便性，研究者選擇四年級實施研究教學。教學班級共有 12 位學生(男生 8 人，女生 4 人)，班級導師將全班學生平分為兩組，透過「代幣制度」建立獎懲標準，讓班上學生的行為舉止有依循的標準;在班級內積極推動閱讀活動，曾獲閱讀推手評選榮獲個人組第一名; 指導學生參與校外作文比賽屢獲佳績。. 參、研究場域學校目前有一間自然專科教室，在 2009 年配合原台南縣政府政策，學校將自然專科教室改為 E 化專科教室（如圖 3-2-1），將傳統黑板改為互動式電子白板，並在六張實. 37.

(49) 驗桌上共擺設 12 台學生電腦，希望藉由 E 化電子白板讓教學有創新變化，提升教師教學品質和引發學生學習興趣。不過礙於電腦會吸引學生注意力，兩張未擺張電腦的實驗桌也無法容納全班學生，且又考量到科學玩具需要走廊、戶外場地作為練習、競賽的空間，爲求教學研究之便利及順暢，所以研究者都選擇班級教室（如圖 3-2-2）實施研究教學活動。. 圖 3-2-1 自然專科教室. 38.

(50) 圖 3-2-2 班級教室. 肆、協同觀察教師爲讓研究順利進行，特商請研究對象之班級的義工媽媽擔任「協同觀察教師」(以下簡稱「協同教師」)，在進行研究教學前，已讓協同教師理解研究目的與教學構想。協同教師畢業於國立臺灣大學，2002 年至台南師範學院修習職前國小師資在職學分班，業已取得合格教師證。協同教師平時除協助班級導師處理班務外，也支援學校教學工作，對研究對象的性情、學習狀況知之甚詳。主要是協助研究者做課堂教學之觀察，並給予教學之建議，指出研究者活動設計上的疏失與盲點，以作為研究者修訂及改進之依據。. 伍、研究者角色研究者畢業於某國立大學理學院，退伍後至師範院校修習國小師資在職學分班取得合格教師證，擔任教職迄今九年。目前擔任學校自然科教師兼網路管理員，目前授課的. 39.

(51) 科目除自然與生活科技領域之外，尚有資訊與健康與體育。為加強科學教育專業知能，研究者於民國九十九年進入臺中教育大學科學應用與推廣所在職專班學習，藉此機會接觸科學教育相關方面的新知，並反思研究者原先的自然科教學情況。雖然國小自然課程裡會安排許多實驗操作或科學玩具製作活動，為吸引學生注意力及提升學習動機，除課本提到的活動外，研究者會另外透過網路搜尋或至圖書館找尋符合相關理論的實驗操作活動或科學玩具製作，當作補充教材。研究者發現學生在進行實驗操作或科學玩具製作時，若遇到困難，不是請求老師協助或乾脆索幸不做，很少會自動尋求問題解決之道。研究者常在課堂上跟學生溝通一個觀念「身為一位老師，對於學生的提問，應該有義務回答，不過學生在提問前也可以先想想看，自己是否有能力獨力解決，說不定學生可以想出比老師更好的解決方案。老師只是書看的比學生多，經驗較豐富，但不見得比學生聰明有創意。遇到困難嘗試自己解決，如此才能提升自己的問題解決能力。」研究者反思學生的行為也許跟教師的教學方式有關。研究者的教學仍是以講述活動為主，進行實驗大都採食譜式教學，通常會先講解步驟，再請學生依序進行，對於問題或實驗問題的思考、與問題的解決方法明顯不足，且過程中很少涉及科學過程技能的教學。雖然大部份的學生自然科成績表現不差，但研究者總覺得科學教育不單是科學知識的傳授，重要的是要培養學生問題解決能力。所以想藉此行動研究改善教學模式，培養學生具有思考解決問題的能力。. 本研究採行動研究，研究者於此研究中扮演角色包括教學者及研究觀察者二個角色，分項詳述於下：一、教學者研究者同時亦為教學者，依照教學設計引導學生進行問題解決能力教學活動，且配合教學時間施予學習單記錄學生的學習情形。二、研究觀察者. 40.

(52) 研究者將教學過程，學生學習情況以及教師之教學困境記錄下來，作為教學方式修正的依據，紀錄方式包括：課堂中以錄影及錄音方式加以紀錄，並於課後描述教學過程及學生反應，另外於課後訪談學生，了解學生對於教學方式接受程度，並且記錄教師教學反思於日誌中。. 41.

(53) 第三節研究架構與流程本研究採行動研究模式，研究過程主要以質的詮釋為基礎。研究主體是透過科學玩具的設計與製作教學來增進國小中年級學生科學過程技能與問題解決之間的關聯性，並運用問題解決法來教學，促進教學效果與專業成長。行動研究架構圖如下圖 3-3-1。. 圖 3-3-1 研究架構圖研究者透過圖書館及網路蒐集科學玩具製作資料，以問題解決法為架構進行教學，並設計學習單，方便學生記錄學習活動的過程與成果。資料蒐集的方法包括教學現場錄影、錄音、學生的學習單、課後訪談學生、研究者的教學反省日誌、協同教師的課堂記錄，並定期與指導教授晤談。藉由所蒐集的資料，瞭解學生學習的情況與學習成效，. 42.

(54) 反省並改進下一次的教學行動。因此，研究的流程共分為下列幾個階段，如下圖 3-3-2。. 圖 3-3-2 研究流程圖. 壹、研究前的準備工作一、確認研究主題並設計教案. 43.