國立臺中教育大學科學應用與推廣學系
科學教育碩士學位暑期在職進修專班碩士論文
指導教授：張嘉麟 博士
以POE策略探究國二學生對「磁浮地球儀」的科學解
釋融貫性
The Study of Scientific Explanation Coherence of Second Grade
Junior High School Students on “Floating Globe” by Using the
POE Strategies
謝誌
憶起在中教大唸書這三年，感謝這四個學期指導我的老師以及陪伴我學習的 100暑碩班的同學，這些日子因為有你們，讓我的生活充滿許多快樂的回憶。 在這段研究所的時光中，因為在職進修，所以學習的時段被分割，在這段學 習的歷程中，總有個無形的壓力督促著自己學習，我一直鼓勵自己要在一團迷霧 中找到一個光明的方向。 論文能順利的完成，最要感謝張嘉麟教授，老師做學問的態度理念，讓初接 觸論文的我，能逐步找到學習的方向，每當我遇到問題，老師總能給我一個最佳 的方案，讓我收穫滿滿。感謝王盈丰老師及簡正忠老師不吝惜經驗的傳承與論文 的指正，給了我許多寶貴的意見，讓我的論文架構更完整清晰易閱讀。在此再次 衷心感激三位老師的細心、用心與耐心的指導。 謝謝親愛的老婆，因為有妳的督促及無時不刻的叮嚀，讓我更能摒除許多外 在因素，為了妳跟彤彤還有兔兔弟弟，下定決心要把論文完成，在這段辛苦的撰 寫過程中，也因為有妳的體貼包容，為家庭辛苦的付出，幫我分擔許多家務及陪 伴著彤彤，讓我能有更多時間，無後顧之憂的去撰寫論文，才能順利完成論文， 謝謝妳，有妳伴我真好。 謝謝彤彤小公主的陪伴，記得在碩二的暑假，媽媽去台北唸書，妳也正在學 爬，爸爸擔心妳會東爬西爬撞到東西，所以為妳做了個沙發城堡，當我在沙發城 堡中辛苦研讀統計學時，妳總是爬到我的旁邊，幫我整理我零散的筆記，因為有 妳的陪伴讓我的學習生活充滿樂趣及拼勁。 謝謝陳小兔，你的到來讓爸爸更加堅定完成論文的決心，感謝有你。 感謝我的爸、媽及所有瞭解我的家人及同學，因為有你們的支持，讓我能順 利的完成論文，謝謝大家。 宗佑謹誌2011.10摘要
本研究主要目的為利用POE策略設計五個與「磁力、重力」相關的實驗，讓 國中二年級學生進行預測、觀察及解釋，從學生的晤談資料中去分析學生之科學 解釋能力、解釋類型以及解釋融貫性的特徵。本研究為質性研究，研究對象為研 究者所任教之台中市山區某國中二年級29名學生，採用一對一晤談進行研究。研 究結果顯示：（1）在五個POE實驗解釋階段，除了實驗五有93％人數以及實驗 三有72％的人數符合科學解釋之外，其餘實驗符合科學解釋的人數比例均未達56 ％，由此顯示國中二年級學生之科學解釋能力有待提升。（2）國中二年級學生 之解釋類型有下列八種：「科學類型」、「類科學類型」、「模糊類型」、「擬 人化類型」、「類比化類型」、「無法提出說明類型」、「功能化類型」和「理 性類型」。（3）在四組實驗中，學生於預測階段或解釋階段具有解釋融貫性的 人數均多於未具解釋融貫性的人數。（4）學生在四組實驗預測階段或解釋階段 中，解釋具有解釋融貫性的人數比例均大於60％。最後，研究者根據本研究之結 論提出若干建議，期能提供科學教育及教學研究之參考。 關鍵詞：解釋融貫性、POE、科學解釋Abstract
The main purpose of the study was to design five experiments which were related with “the magnetic force and the gravity” by using the POE strategies and to analyze students’ abilities of scientific explanations, types of explanation and explanatory coherence. The study was a qualitative research. The researcher chose twenty-nine second-grade students from a junior high school in the mountainous area of Taichung city. The researcher conducted the research by individual interviews. The findings of this study were as follows: (1) Ninety-three percent of students at the fifth experiment and 72% of them at the third experiment could give scientific explanations, while in the other three experiments the percentages were all below 56%. It revealed that students’ abilities of scientific explanation were deficient. (2) Second grade junior high school students’ explanations could be categorized into eight types, i.e., science, science-like, vague, anthropomorphic, analogical, can not explain, functional and rational types. (3) Students who could give scientific explanations with explanatory coherence were more than those who could not. (4) Students who could give scientific explanations with explanatory coherence were greater than 60%.
Keywords: Explanatory Coherence, POE( Predict-Observe-Explain), Scientific Explanation
目錄
謝誌... I 中文摘要... II 英文摘要...III 目錄...IV 表次...VI 圖次...VIII 第一章 緒論...1 第一節 研究背景與動機...1 第二節 研究目的與問題...4 第三節 名詞解釋...4 第四節 研究範圍與限制...6 第二章 文獻探討...8 第一節 解釋與科學解釋...8 第二節 科學解釋類型之相關研究...15 第三節 科學解釋的評量...22 第四節 解釋融貫性的意義及原理...25 第五節 POE之理論基礎和國內外相關實徵研究...28 第三章 研究設計...35 第一節 研究方法...35 第二節 研究樣本...38 第三節 研究流程...38 第四節 資料蒐集與分析...41 第五節 研究的信度與效度...42第二節 POE實驗「解釋」階段理由之分析...64 第三節 解釋之類型...101 第四節 學生之解釋融貫性的分析...116 第五章 結論與建議...137 第一節 結論...137 第二節 建議...141 參考文獻...143 一、 中文部分...143 二、 翻譯書部份...144 三、 英文部份...145 附錄一...149
表次
表2-2-1 Dagher & Cossman（1992）對教師在課堂上文字解釋的分類...18
表2-2-2 Treagust & Harrison（2000）所指科學教室中出現的解釋類型...21
表2-2-3 科學解釋的四個層面內涵...21 表2-5-1 國內POE 之實徵研究...31 表2-5-2 國外POE 之實徵研究...33 表3-1-1 實驗設計...35 表3-1-2 實驗設計之內容...36 表3-4-1 資料轉錄的代碼...42 表4-1-1 國中二年級學生在POE實驗「預測」階段結果正確與否表...44 表4-1-2 國中二年級學生於POE實驗一「預測」階段所持之理由...46 表4-1-3 國中二年級學生於POE實驗二「預測」階段所持之理由...49 表4-1-4 國中二年級學生於POE實驗三「預測」階段所持之理由...52 表4-1-5 國中二年級學生於POE實驗四「預測」階段所持之理由...56 表4-1-6 國中二年級學生於POE實驗五「預測」階段所持之理由...61 表4-1-7 五個POE實驗預測階段預測正確以及符合科學解釋的人數表...64 表4-2-1 國中二年級學生於POE實驗一「解釋」階段所提出解釋所依據的理由...65 表4-2-2 預測錯誤之學生觀察後「解釋」階段所持之理由...70 表4-2-3 國中二年級學生於POE實驗二「解釋」階段所提出解釋所依據的理由...75 表4-2-4 預測錯誤之學生觀察後「解釋」階段所持之理由...78 表4-2-5 國中二年級學生於POE實驗三「解釋」階段所提出解釋所依據的理由...80 表4-2-6 預測錯誤之學生觀察後「解釋」階段所持之理由...84 表4-2-7 國中二年級學生於POE實驗四「解釋」階段所提出解釋所依據的理由...89
表4-2-10 預測錯誤之學生觀察後「解釋」階段所持之理由...100 表4-3-1 國中二年級學生於POE實驗一解釋類型分析之結果...102 表4-3-2 國中二年級學生於POE實驗二解釋類型分析之結果...106 表4-3-3 國中二年級學生於POE實驗三解釋類型分析之結果...108 表4-3-4 國中二年級學生於POE實驗四解釋類型分析之結果...111 表4-3-5 國中二年級學生於POE實驗五解釋類型分析之結果...113 表4-3-6 五個POE實驗解釋類型的人數分佈表...115 表4-4-1 學生於實驗一與實驗二之解釋融貫性分析表...117 表4-4-2 學生於實驗一與實驗三之解釋融貫性分析表...122 表4-4-3 學生於實驗一與實驗四之解釋融貫性分析表...126 表4-4-4 學生於實驗一與實驗五之解釋融貫性分析表...131 表4-4-5 「預測」、「解釋」階段具有跟未具有解釋融貫性的人數統計表...134
圖次
圖3-1-1 磁浮地球儀之地球懸浮圖...37 圖3-1-2 基座上部的線圈...37 圖3-1-3 地球北極內部磁鐵構造...37 圖3-3-1 研究流程圖...40 圖4-4-1 預測階段具有解釋融貫性及未具有解釋融貫性人數比例統計圖...135 圖4-4-2 解釋階段具有解釋融貫性及未具有解釋融貫性人數比例統計圖...135第一章 緒論
本章將就研究背景與動機、研究目的與問題、名詞解釋、研究範圍與 限制分成四節敘述之。
第一節 研究背景與動機
自一九六一年美國國家科學教師聯盟(National Science Teachers Association, NSTA)課程委員會於「七十年代的科學教育聲明」中，提出科學教育的主要目標 在培養具有科學素養的公民以來，科學素養已逐漸成為大多數國家科學教育的目 標與教育的主要目的（許良榮，1991）。科學進步日新月異，正以一種令人無法 想像的高速在成長著，並與人民生活、國家發展息息相關。現今世界各國除了原 本著重的科學精英人才培育之外，提升全民科學素養逐漸成為科學教育的另一項 重點（教育部，2003）。由上述可知，國內外科學教育主要目標在於培養具有科 學素養的國民。 在九年一貫「自然與生活科技學習領域」的課程綱要中(教育部，2003)提到： 自然科學學習所培養之國民科學素養，依其屬性和層次來分項，共分成八個細項 來陳述，包括有過程技能、科學與技術認知、科學本質、科技的發展、科學態度、 思考智能、科學應用以及設計與製作等內涵。由過程技能的各年級分段能力中可 以發現，在「歸納、研判與推斷能力」及「傳達能力」中，學生可以藉由由推論 資料以形成概念，並且將研究的內容作有條理的、科學性的陳述。Pallrand（1996） 認為：解釋是科學教育的中心，學生展現對現象的瞭解，以提供老師瞭解學生知 識的組織，並瞭解學生的想法，因此，科學解釋能力可視為一重要的科學過程技 能。科學過程技能最早是由美國科學促進協會(AAAS)所提出，其中的統整過程 技能之一「解釋資料」意涵為：組織資料並提出結論，能對觀察所得給予合理的 解釋，目的在進一步產生推理、預測及假設；狹義而言，是指能夠對採用特殊方 式和技術傳達的資料，做口語化說明的能力(王美芬、熊召弟，1995)。王美芬、
熊召弟（2005）亦指出「科學過程技能」是科學家使用的方法與技能，不只展現 在自然與生活科技中，也可應用於處理其他事物；且過程技能基本上是一種能 力，有此能力，則知道如何處理問題，因此對學習者而言科學過程技能是非常重 要的，學習者能照著這些方法、步驟去進行科學活動。Hempel（1966）認為實證 的科學在其主要的分枝中，不只是描述我們所經歷的自然現象，而且還要解釋或 了解它們。 科學教育多年來常被詬病的缺失之一是：學生經常只是學習到片段的知識， 缺乏科學推理、解釋資料的能力（許良榮，2005）。科學解釋提供學生反思和檢 視理解的機會，但是學生很重視成績的高低，常用記憶的方式習得科學知識，卻 不瞭解科學知識的真正意涵，因此當老師提出一個開放性的科學問題，學生也較 不擅長科學推理及解釋，這是目前科學教育所遇到的一個大問題。所以，「建立 科學解釋」就是要展現及提供適當解釋能力與理解的證據(Bass & Maddux, 1982)，美國生物科學課程研究BSCS (Biological Science Curriculum Study)在1980年 代發展出5E學習環五個階段的教學模式： (一)投入(Engagement)；(二)探索 (Exploration)；(三)解釋(Explanation)；(四)精緻化(Elaboration)；(五)評量(Evaluation)。 其中提出了鼓勵學生基於先備知識對探討經驗做合理的解釋，協助學生組織，並 且澄清說明，使其接近科學家的觀點；從探討實驗中提供學生使用操作型定義， 發展相關的科學名詞的經驗，以加強學生對科學知識之瞭解，故科學解釋實為科 學教育中極為重要的一環。（引自洪曉憶，2010） 連結「解釋」到「理解」，使「解釋」不僅是科學教育的重要目標，也是學 生表現科學理解的一種方法。所以，「建立科學解釋」就是要展現及提供適當解 釋能力與理解的證據(Bass & Maddux, 1982)。
本研究想要瞭解國二學生的科學解釋能力，並從問卷及訪談錄音資料去分析學生 的解釋類型。 由White 和Gunstone（1992）提出的POE教學策略，包含三個步驟，分別為預 測（Predict）、觀察（Observe）及解釋（Explain），White 和Gunstone將此策略運 用於探究學生概念之改變。過程是由教師提供一個情境給學生，要求學生運用其 原有的知識去預測其結果，並寫下預測的理由，隨後進行實驗操作，讓學生觀察 並紀錄下觀察到的現象，最後要求學生解釋預測和觀察之間的不一致，學生在進 行預測時，除了反映出本身的認知結構外，還可以提高學生的學習動機，在解釋 預測及觀察之間的不一致，調和自身的認知矛盾時，也可以藉機瞭解學生的概 念，以提高教學效益（White & Gunstone, 1992）。所以POE教學策略中的解釋過 程很適合觀察學生的「科學解釋類型」及「解釋一致性」的特徵。 隨著科學普及教育時代的來臨，科學教育界愈來愈重視以動手做的活動方式 來引導學生學習科學，以活動導向的教學來改進傳統的科學教學方式（王美芬、 熊召弟，1995）。將科學玩具遊戲融入教學，就是一個很好的媒介與引導（黃嬿 樺，2009）。科學教育本身的目的之一是要培養學生的創造思考能力，如果能夠 配合經過設計的科學玩具，使科學原理應用在科學實驗和自然科學習上，如此的 學習活動將更加充實。以科學玩具來進行教學活動，教師除了可以在學生操作的 過程中探究其原理外， 還可以在兒童操作的過程中，進行觀察、測量、控制變 因等科學方法進行科學實驗， 而達到寓教於樂的效果，可以說是一舉數得（楊 忠樵，2001）。 電流磁效應概念屬於抽象概念，對於學生來是一個較不易建構的概念，在九 年一貫課程綱要中，電流磁效應是一個很重要的議題，在國小階段欲達到的能力 指標為「知道電流可產生磁場，製作電磁鐵，了解地磁、指北針」，在國中階段 欲達到的分段能力指標為「知道指北針的偏轉是磁針與磁場(地磁或導線通以電 流)交互作用的結果；探討電與磁的關係(例如電流會產生磁的作用、磁場的改變 會產生電動勢、載流導線在磁場中會受力)。」生活中也有一些事物也是利用電
流磁效應來運作其功能的，像馬達、電話的聽筒及磁浮地球儀都是使用電流磁效 應的概念而發明出來的。磁浮地球儀是利用電流的磁效應產生的磁力吸引地球北 極內部的強力磁鐵，此磁力與地球本身所受的重力之間達成力平衡而讓地球儀漂 浮在半空中，對學生來說是一個很新奇的感受。因此本實驗設計以「磁浮地球 儀」，並使用POE教學策略來分析學生的「科學解釋類型」及以及嘗試去找出學 生「解釋融貫性」的特徵，希望學生能從POE教學策略中利用解釋來增進自己對 於科學概念的理解力，並希望以此研究過程、教學方式作為改進教學的參考。
第二節 研究目的與問題
壹、研究目的
本研究旨在運用POE策略以及個別晤談的方式，探討國中二年級學生對於 「磁浮地球儀」相關原理的科學解釋能力和解釋類型。並嘗試從晤談資料中，找 出解釋融貫性的特徵。貳、研究問題
一、國中二年級學生對於「磁浮地球儀」設計原理的科學解釋能力為何？ 二、國中二年級學生對於「磁浮地球儀」設計原理的解釋類型為何？ 三、國中二年級學生對於「磁浮地球儀」設計原理的「解釋融貫性」特徵為何？第三節 名詞釋義
壹、磁浮地球儀
磁浮地球儀由一顆地球及基座所構成，利用基座上部線圈電流的磁效應與地貳、科學解釋能力(the ability of scientific explanation)
所謂科學解釋能力，是要能符合國小學童心智的科學解釋能力，學生能在某 一特定狀況或現象中，能應用科學知識來描述出其發生的原因和推論，進而解釋 和預測（OECD, 2007）。本研究參考Reiser, Tabak, Sandoval, Smith, Steinmuller & Leone(2001)所提出的科學解釋的標準 (引自謝州恩，2005)，其科學解釋清楚的標 準定義如下 ： (一)解釋應描述因果機制：在活動中被要求建構解釋，提供因果關係，說明事 件發生的理由。 （二）解釋要符合觀察的資料：受訪教師的解釋需描述到在特殊狀況或現象中， 與理論連結的部分。 本研究將與國中二年級學生對於「磁浮地球」相關的自然現象之晤談資料， 亦即學生之科學解釋內容，將以上述的科學解釋清楚的標準，加以探討分析學生 的科學解釋中符合因果關係且滿足合理性及正確性的科學解釋能力。
參、解釋類型(the types of explanation)
本研究參考Dagher和Cossman(1992) 將國中科學教師口語解釋分成十種科學 解釋類型，如下所述，虛無的、實用的、形上學、擬人化、類比、機制式、功能、 目的論、理性的及基因性，以及參考Treagust和Harrison（2000）所提學童在科學 教室教室中所進行的科學解釋類型，將國中二年級學生對於「磁浮地球」相關的 自然現象之科學解釋進行分析及歸類，若受訪學生之解釋均無符合上述類型，則 由研究者自行歸類。
肆、解釋融貫性(explanatory coherence)
Thagard(1992)在「概念革命」這本書中提到，當我們嘗試去解釋一個懸疑的 事情，或者我們會為了去解釋一些已經知道的事實而提出假說，這時可能的解釋 通常會有許多種，但是最後勝出的解釋及假說通常是其解釋融貫性最好的一個， 此即解釋融貫性的定義。伍、POE 策略（Predict-Observe-Explain）
在活動過程中，由教學者設計預測（Prediction）-觀察（Observation）-解釋 （Explanation）三步驟的策略，要求受測者在活動中先對所要探究的現象進行預 測，預測完後，接著讓受測者觀察實驗的結果，最後讓受測者就觀察的結果與先 前的預測做解釋，此策略可以用於探究學生的認知理解情形。第四節 研究範圍與限制
本研究屬於質的研究，研究目的在探討研究者所任教學校之國中二年級學 生，其對於「磁浮地球儀」相關自然現象的科學解釋能力及科學解釋類型。研究 結果僅供讀者在面對相似教學情境時，能作為參考之用。受到人力、時間等種種 因素的影響，研究的範圍和限制如下： 一、研究範圍 (一)研究樣本的範圍 本研究對象的範圍，僅限於台中市某國民中學二年級學生，採立意取樣，並 未朝隨機、大樣本方向做廣度的取樣，而是直接自研究者教學的國中二年級學童 中，抽取一班29名學生，利用POE的策略，輔以個別晤談的方式，深入探討國中 二年級學童對於「磁浮地球科學玩具」相關自然現象的科學解釋能力及科學解釋 類型。並從晤談資料中，找出解釋融貫性的特徵。 (二)研究內容的範圍 本研究所探討之概念範圍為「磁浮地球科學玩具」的五個POE 實驗情境， 研究內容範圍是依據晤談結果而來。 二、研究限制 (一)研究內容的限制(二)研究結果的限制
本研究為質性研究，採用晤談的方式蒐集資料，僅限於台中市某國民中學二 年級學生對於「磁浮地球科學玩具」的解釋過程及解釋類型之分析，限於有限的 人力及物力，因此不宜做過度的推論。
第二章 文獻探討
本章共分為六節：第一節探討「解釋」與「科學解釋」的內涵；第二節探討 國內外有關科學解釋之相關研究；第三節探討科學解釋的評量；第四節探討解釋 融貫性的原理及意義；第五節介紹POE的理論基礎、起源、意義、目的、實施和 國內外相關實徵研究，以此作為本研究之理論基礎。第一節 解釋與科學解釋
為自然現象提出合理的解釋，是科學研究者的目標。針對某一自然現象， 能給予學生適當的解釋，則是教育工作者或科學教育研究者的目標。「解釋」是 日常生活和教室中常見的行為，尤其需要討論自然現象成因的科學教育，更是不 可或缺（湯偉君，2008）。 壹、解釋（explanation）
的內涵 「解釋」是解釋者、接受解釋者與被解釋物，三者間的互動，也是科學教室 常見的行為（湯偉君，2008）。Ohlsson (1992)認為解釋扮演了科學家們想要了解 世界的主要角色；是學生學習與了解科學現象的訴求。陸健體（1994）提出就「解 釋 」 的 意 義 與 內 涵 而 論 ， 它 可 以 分 成 兩 個 層 面 ， 一 個 作 為 推 論 的 說 明 （explanation），即對一個「為什麼」這種形式的問題所做的回答；另一個層面 則是作為傳遞行為的說明（explaining）。綜合上述學者的觀點，解釋是一種讓人 們瞭解問題為什麼的原因，解釋者也可以透過解釋來讓接受解釋者更瞭解被解釋 物，以達到瞭解世界的目的。 一、哲學辭典對解釋的定義 劍橋哲學字典裡（Audi，1999）指出「解釋是一種行動，藉著顯示出某種事釋，這就假定有被解釋的現象存在。而如果一個人要求一種證明，則這就假定這 個事物可能並非已經出現，必須提出它們出現的某種證據。而各解釋也有其各種 不同的意義，有所差異，敘述如下（引自段德智、尹大貽、金常政譯Angeles, 1999）： （一）功能的解釋（functional explanation）：用描寫一個事物在其存在時，各成 份之間相互聯繫的活動（功能、作用）來對現象作出解釋。如：對「為什麼會有 心跳？」作出功能性解釋，就是以諸如血液循環和作為心跳基礎的心臟和肉體的 哪些部分的物理、化學的功能來說明心跳。 （二）整體的解釋（holistic explanation）：用整體（形式、總體、統一體）的功 能（目的、特性、活動）對現象作出解釋，認為整體是它的部分指導原則。用整 體的功能來解釋整體的各部分活動。 （三）機械的解釋（mechanistic explanation）：描寫在一個複合體中，一個部分 如何與其他部分發生機械的相互作用。 （四）有機論解釋（organismic explanation）：這種解釋把一個整體的特性看作是 有別於個體部分（或部分的群組）的特性，以及對於解釋某些事物是必不可少的， 就如對各個部分的相互作用分析對於它的解釋是必不可少的一種。整體被認為不 僅僅是其各個部分的量的總和，而且在質上與它們總和有別。 （五）目的論解釋（teleological explanation）： 1.按某物所完成的某種目的（結果、目標）所做出的解釋。 2.用達到某種目標或某種目的的活動所做出的解釋，通常這種目標或目的是 預定或計畫好的。 3.以涉及某物所正在追求的，或為了這種追求而發生的過程，以走向未來的 事情（目標、目的、終結、結果）而解釋現在和過去的事情。它用先在的 條件解釋現在的和任何未來的事件。 4.適合用於（適應於、協調於、相應於、適當於、相當於）完成整體的目的 和需要這個整體的各部分的相互關係結構和活動而作出的解釋。 （六）科學解釋（scientific explanation）：通過描寫一個事物的結構和過程是什麼
而使某物成為可理解的，和（或）表明一個事物如何完成它的活動。科學解釋的 基礎是： 1.用歸納-演繹方法（inductive-deductive methods）從事（經驗觀察） 形成概 括化（generalization）（理論）。 2.把這些事實與這種前後一致的和系統的概括化體系聯繫起來，也和已經累 積和以為人們所接受（已被肯定、已得到證實）有關的事實聯繫起來。 3.引出對概括化體系論這些事實可能具有的邏輯和經驗的含義和系統。 4.建構一種對這些事實和概括化的辯解（justification）、認證（confirmation）、 驗證（verification）。 5.表明這種事實是可以在數量上被計算（被推演）的，或從這種概括化體預 測到的。 劍橋哲學字典裡（Audi，1999）指出幾乎所有事物都可成為解釋的對象，但 哲學裡只注意到兩種事物的解釋：事件和人類行動。個別事件例如：橋的崩蹋， 通常都要找出其起因來做解釋，這是因果解釋的一例。因果解釋回答了「why」 之類的問題，常拿來和第二種解釋：回答「how」之類的問題做比較。後者回答 一事件「如何」發生，只是針對導致事件發生的過程性的訊息描述，不過這種描 述也會牽涉到因果過程的敘述（Audi，1999，p298）。（引自湯偉君，2008） 哲學辭典中的解釋有眾多分類，各分類也都各有不同的定義，我們發現有些 解釋的定義甚至是相對立，而科學解釋是解釋分類中相當重要的一類，也是本研 究所關注的焦點。
二、解釋的定義
我們在日常生活中時常用到「解釋」，黃達三（1998）曾就對「解釋」下了 簡單的註解，他說「解釋」就是對事件、現象的分析說明，使人有解惑及了解事邏輯條件和實證條件（Woodward, 2003）。 （一）邏輯條件 1.待解釋的詞必須是合乎邏輯結果的解釋要素；換言之，待解釋的詞必須從 邏輯演繹所載資料說明解釋要素，否則，待解釋的詞之解釋要素無法構成 足夠的理由。 2.解釋要素必須包含一般規律，而這些待解釋的詞之來歷必須是真正所需 的。我們不會將它作為一個合理解釋的必要條件，但是，解釋要素必須至 少包含一個聲明，一項規則，及一個原因。 3.解釋要素必須有經驗主義的內容，也就是說，它必須有能力，至少在原則 上，通過實驗或觀察的測試。 （二）實證條件 在一個合理的解釋，說明構成解釋要素必須滿足事實正確性的某一條件是顯 而易見的。但是它似乎更合適，規定解釋要素要高度確認所有相關證據，而不是 說它應該是真實的。但是這一規定，導致棘手的後果。假設早期的科學對某一現 象的解釋，解釋要素是當時手邊的證據，但已由最近實證研究結果被高度證明為 不正確。在這種情況下，我們不得不說，原來的解釋是正確的解釋，但當不利證 據被發現之後，它不再是唯一的。基於有限的初步證據，解釋要素的事實真相， 指示我們發表意見，因此，這似乎不符合常見的用法。穩健的解釋是相當可能的， 但更多現在可利用的證據使得解釋要素很有可能不是真實的，因此從未有一個正 確的解釋（Hempel＆Oppenheim, 1948）。 所以我們發現一個邏輯結構完整且滿足事實的正確性的解釋，才能讓解釋能 夠更清楚，使解釋幫助人們找到事實的真相。King (1994)認為解釋有下述這四種 特徵：(一) 解釋不只是告訴別人「那是什麼」，或只是對現象描述而已；應是 告訴他人這是「如何發生的」，與「為什麼會發生」。(二)解釋應該要用自己的 語言說出，不是只有重複已知的和記憶的部分。(三)要常運用資料讓解釋更清 楚，例如：以我們已知的部分和現有的資料做比較。(四)解釋像是將兩件事、想
法的連結，或想法與過程的結合。 Ohlsson (1992)認為解釋扮演了科學家們想要了解世界的主要角色；是學生學 習與了解科學現象的訴求。 因此解釋讓人們表達事實真相以及讓人們瞭解事實，透過因果邏輯關係的過 程，解釋在建構的過程中會將事實及理論連結起來，這一個理論連結的步驟，將 科學解釋運用在自然的現象中，讓大家能瞭解自然現象的成因，此亦即是科學解 釋的能力，也是本研究所要去觀察的科學解釋能力。
三、描述與解釋的差異
有些學者專家對於「描述」和「解釋」的看法是有所不同的，文獻中指出科 學教師在使用「解釋」、「描述」兩詞時，常有混淆或互用的情形。Bateson（1979） 認為「描述」和「解釋」間是有所區別的，「描述」是沒有關聯純粹的片段資料， 「解釋」則是在各片段的資料之間產生連結，且進一步說明，解釋一件事物就像 在因果關係的邏輯系統上繪製一幅地圖；Horwood （1988）引用了Bateson（1979） 的說明來區別描述和解釋之不同，「描述」只是純粹的訊息，且訊息和任一相關 性網路不完全連接（description is purely information and the bits of information are isolated from any network of relatedness），而「解釋」是把一些訊息加以穿連起來 （explanation is given when connections are drawn between and among pieces of information），也就是說去「解釋」某事，便是將之定位（map）到一個因果的邏 輯系統中。 Horwood 在比較描述和解釋的差異時，發現有時我們會用「為什麼」和「如 何」這兩類型的問題來區別「解釋」和「描述」，例如：「解釋為什麼加鹽巴可 防止食物腐敗」以及「描述有絲分裂的過程（有絲分裂如何進行）」。但實則這 種以「為什麼」和「如何」來做的區分，只會在低年級的課程中有所差別，較高程度，只要回答「因為植物有葉綠體」，但在高中階段，要對此一問題做出滿意 的解釋，則必須涉及到「葉綠素所釋出的電子是如何在電子傳遞鏈上傳遞著」。 （引自湯偉君，2008） 由此我們可以知道描述是單純的陳述而不涉及因果關係，但是解釋是將各片 段的資料依照因果關係連結起來，只要是涉及因果關係的，都有可能是解釋。而 解釋的類型有很多種，科學解釋是其中一個重要的一個類別，而我們將在下一段 討論科學解釋。
貳、科學解釋（scientific explanation）的內涵
陸健體（1994）指出，科學解釋是科學家試圖回答為什麼的活動，也可視為 人們藉助於科學的理論來解答實踐過程遭遇到的疑難。 林從一（2002）認為科學解釋是以理性的假說或原則，來解釋經驗或說明、 預測行為，並提出科學解釋包括因果解釋與合理性解釋兩方面。有時，為瞭解一 事件的起因，需要透過經驗的探究，回應一個有關因果性質的問題，而做出因果 解釋。有時，則是為了瞭解一個行動的理由，需要對理由進行探究，回應一個有 關行動理由的問題，而做出合理性的解釋。 Salmon（1984，1998）指出可以用三個概念來看何謂科學解釋： 1、知識論概念（Epistemic conception） 這種觀點最傳統的形式，便是把科學解釋視為一種論證，一種推論的版本。 論證以下效應：一個要解釋的事件，可藉解釋的事實，而可期待其會發生。 因為在定律和先行狀況的一端及另一端的要被解釋事件之間，有邏輯必然性 （logical necessity），也就是說，在解釋項的敘述（explanans-statements）和待解 釋項的敘述（explanandum-statement）之間，要有邏輯必然性。 2、模式概念（Modal conception） 科學解釋做的事情，是在顯示出那些已發生的，本來就必定會發生。秉持的 想法是在先行狀況和待解釋項之間的法則相關，有著律理必然性（nomological necessity）。律理必然性衍自自然法則（the laws of nature），就像是邏輯必然性衍自邏輯法則（the law of logic）。給予特定的先行狀況和自然法則，則待解釋項 必然發生。若用非決定論的哲學觀，則Modal Conception 的立場，會變得薄弱。 3、本體概念（Ontic conception） 把解釋視為展示的方法，把待解釋項配置到自然的模式或規律。在此觀點 下，因果親密地涉及到解釋中，這是一般人對解釋的直覺，也是Salmon 自己比 較支持的看法（Salmon，1998，p320）。（引自湯偉君，2008） 許良榮（2006）指出學生如何解釋自然現象與其具備的科學概念有密切的關 係，進行「解釋說明」必須運用心智中既有的科學知識或概念，將相關的知識或 概念進行合理的組織之後，提出最合理的解釋，如果先備知識不足，則難以提出 合理、合邏輯的科學解釋。 由上述研究可知，科學解釋即是要用科學的概念替自然現象做出一個理性的 解釋，而合理的科學解釋必須滿足因果解釋及合理性解釋兩條件，如果先備知識 不足，則沒辦法做出一個較合理的科學解釋。 Pitt（1988）認為科學解釋必須包括被解釋項與解釋項兩部分，解釋項 （explanans）是對現象的說明，或對問題所給的答案，而被解釋項（explanadum） 是指對一個現象或一個問題的描述。 陸健體（1994）認為科學解釋可分為兩個互相聯繫的層面，其一是作為推論 的說明（explanation），亦即，對於一個「為什麼」問題的回答。另一個層面則 是作為傳遞行為的說明（explaining），即給出回答的過程。 因此科學解釋可以是解釋問題的為什麼，也就是替問題尋找答案；也可以是 對問題作一個事實性的陳述。陸健體（1994）更提出科學解釋需具備的三項要件， 包括： （一）具有嚴密的邏輯結構：科學解釋的推導程序需要符合邏輯推導規則，
科學求實精神賦予科學解釋深刻性。（三）擁有實踐與檢驗的支持：科學解釋是 經過實踐檢驗後的理論推導，其賦予科學解釋科學性和客觀性。由陸健體所提出 的科學解釋三要件，我們可以瞭解到，要構成一個完整的科學解釋需要將自然現 象的因果關係做一個嚴密的邏輯組織，這是一個必備的條件，而先備知識也是相 當重要的一環，如果解釋項沒有相映的科學理論去佐證，則這樣的科學解釋並不 能使人信服，當科學解釋滿足上述的兩個要件之後，還要能經過實踐及陸續的反 省之後讓此科學解釋更具完整性。 當我們認識了科學解釋的要件後，接著我們要探討科學解釋的標準。 Sandoval(2003)提出學生科學解釋的標準，分述如下： （一）原因的一致：通常包含科學解釋的兩個知識目標： 1.描述原因的機制來解釋現象。 2.因果的連鎖合乎情理的一致。 （二）證據的支持：從資料中反映從解釋建構出的想法，也就是用資料反映主張。 Sutherland (2002)清楚的提出科學探究中，什麼才是好的解釋： （一）對問題提出主張。 （二）對主張提出證據。 （三）提供連結證據到主張的推理。 （四）寫的清楚：使用詳細的、精準的科學語言。 針對Sandoval及Sutherland所提出的觀點，我們可以發現Sutherland的科學解釋 的標準第一、二、三點與Sandoval所提出的科學解釋標準相當相似，只有在第四 點的部分，Sutherland強調科學解釋在寫的部分，要表達的清楚並且用精確的科學 語言去表達，這也是本研究從活動單中所要去關注的部分。
第二節
科學解釋類型之相關研究
Salmon（1998）曾在一篇名為：「慧星、花粉和夢境：科學解釋的一些反思」中，把科學解釋的定義，經由科學史例子和學科範疇，擴展了科學解釋的範圍， 把科學解釋區分成三大類：演繹的解釋、統計的解釋、功能的解釋。 （一）演繹的解釋： 以慧星的運作軌跡為例，此類解釋便是Hempel 的涵蓋律模式的傳統。 （二）統計的解釋： 以當年植物學家觀察到花粉的運動為例，花粉的布朗運動，並非來自生物的 內在生命力，而是受到周邊其他分子的碰撞，諸多分子以不同方向的碰撞，造成 了花粉的隨機運動，這種運動來自分子碰撞的統計結果，所以這種解釋屬於不可 化約的統計，相同的例子還有鈾這類放射性物質的半衰期，鈾內的原子會固定放 出α粒子，在固定的時間（半衰期）會有一半的原子放出α粒子，但到底是哪些 原子放出α粒子呢？沒有一定的規律或因子來控制，完全是機率問題，因此只能 做出統計式解釋。 （三）功能性解釋： 引用的例子是著名的佛洛依德的精神分析學派，佛洛依德把夢的產生視作是 為了填補潛意識的需求，因此是一種功能性解釋。（引自湯偉君，2008） 陸健體(1994)認為科學解釋是科學家們試圖回答「為什麼』問題的活動，並 且強調解釋在科學中所佔的地位，因此其將科學之解釋類型及定義歸納如下: （一）演繹模式： 演繹解釋具有演繹推理的形式結構，在此種科學解釋當中，被解釋項是解釋 性前提的邏輯的必然推論。 （二）概率模式： 解釋項並不邏輯的蘊涵被解釋項，因而解釋項的真，不是被解釋項為真的邏 輯充分條件。
（四）目的論解釋： 目的的解釋有時又稱為功能解釋，表明待解釋的事件對它之後發生的事件或 對將要發生的事件所產生的影響。 （五）發生學解釋： 發生學解釋是將待解釋事件視為某一發展序列的後繼階段，而以對該系統的 各發展階段的描述作為該事件的解釋。 由Zuzovsky 和Tamir（1999）認為科學解釋的類型有賴於特定領域的經驗科 學而定，亦和引出解釋的問題型式有關，許多的科學解釋可視為對「為什麼」的 問題提出回答，有以命題邏輯的形式（propositional-logical form）表示之類型的問 題 ， 這 些 問 題 被 稱 為 「 尋 求 解 釋 的 為 什 麼 問 題 」 （ explanation-seeking why-questions），會引出有因果的D-N模式；另一類型的問題是尋求理由來支持 主張，這類的問題被稱為「尋求理由的問題（reason-seeking question）」，透過這 兩類型的問題所要求的解釋，就會牽涉到不同的情境，也會交互地引導出不同類 型的回應。因為情境的不同，會引導出不同的解釋類型，以下茲就教師的解釋類 型以及學童的解釋類型加以探討。
壹、教師的解釋類型
以科學哲學家定義較嚴謹的科學解釋，來解釋現象成因，或許為充分反映出 真理，而忽略了接受解釋者的理解能力。因此在科學教室中，可能出現有不同的 解釋方法或類型， Dagher & Cossman（1992）研究教師在課堂上所使用的文字類 解釋，將其做出如表2-2-1 的分類：虛無的、實用的、形上學、擬人化、類比、 機制式、功能、目的論、理性的、基因性。（引自湯偉君，2008）表2-2-1 Dagher & Cossman（1992）對教師在課堂上文字解釋的分類 解釋類型 定義 例子 虛無的 tautological 把問題重新架構敘述出 來，並未添加任何新的資 訊。 問題：染色體為何能配 對？ 解釋：染色體因為是一對 的，所以他們能配對。 實用的 Practical 涉及教導如何去進行一 個物理或心智操作。 問題：顯微鏡如何使用？ 解釋：首先…然後… 形上學 metaphysical 把現象的起因，訴諸於超 自然作用體。 問題：為何人的精子和獅 子的卵子不能結合？ 解釋：我想這就是上帝的 安排。 擬人化 Anthropo -morphic 把人類的特性套用在非 人類的作用體上。 問題：為何水往低處流？ 解釋：因為水想要往這個 方向動。 類比 Analogical； 以學生熟悉之情境，來解 釋要被解釋的現象。假定 類比的情境和真實的現 象之間，存在著符應關 係。 問題：脊髓的結構。 解釋：就好像電話線或電 線，社區的管路系統內， 有許多個線路，每一條線 分別連至一住戶。就像脊 髓裡頭，有許多個別的神 經。 機制式 mechanical 給出因果相關。這相關可 能包括在：明示或暗示出 科學定律的簡短相關性 敘述；或在一個發展良好 的解釋架構。 因為依據這理論、模型、 解釋（解釋），粒子動得 越來越快，便更快更容易 得到某一空間，而後粒子 再也不能更快的移動了 （問題）。 功能 functional 依據直接得到的好處來 解釋一現象。 問題：為何長頸鹿有長脖 子。解釋：因為長脖子有 助於吃到高處的樹葉。 目的論 用一個結果，配合系統中 問題：為何石頭會往下落
理性的 rational 提供證據或保證來支持 一特定宣告，以迫使他人 接受此一宣告。 問題：獵豹是否為一個優 勢動物？ 解釋：從獵豹奔跑速度天 下第一可以證明。 基因性 genetic 藉著先前事件序列的進 行，解釋一個現象的發 生。 問題：蛋白質如何製造出 來。 解釋：DNA 轉錄出 RNA，RNA 再轉譯出蛋 白質。 （引自湯偉君，2008） 二、兒童的解釋類型 姜滿（1993）在研究地球科學概念的理解時，將12 位國小一~六年級學生解 釋的特徵分類為12 項，分述如下： 1.解釋是個人的（personal）； 2.是不連續的（inconsistent）； 3.解釋是穩定的（stable）；
4.解釋時要使用邏輯思考，且概念是對主題有意義的（use logical thinking；the ideas make sense to subject）；
5.解釋常常會混淆原因與結果（confuse causes and effect）；
6.使用非邏輯思考，且概念間沒有關連性（use illogical thinking；the ideas have no relationships）；
7.將其主題與資料混合一起（subject mixes the information）；
8.一開始是正確的，但最後卻是錯誤的解釋（explanation begins correctly but ends incorrectly）；
9.一開始是錯誤的，但最後卻是正確的解釋（explanation begins incorrectly but ends correctly）；
10.經常是不連貫的（incoherent）；
12.會使用描述做為因果關係（use description as causality）。
皮亞傑和他的追隨者（Piaget, 1972；Fuson, 1976；Stepans & Kuehn, 1985）將 兒童的科學解釋類型分類如下： （一）萬物有靈論（animism）:兒童認為自然萬物是有感覺、意識和感情的。例 如：一個二年級的女孩聲稱：「下雨是因為雲受到傷害而悲傷，所以他們 哭了。」 （二）人為論（artificialism）:兒童覺得所有的事物都是為了人類的利益而創造的。 例如：一個二年級的女孩聲稱：「風的產生是因為它想要讓人們覺得涼爽 和舒適。」 （三）決定論（finalism）:兒童會強迫自己去解釋自然事件，或者他們相信自然 界的現象皆為一個合乎日常生活常識的簡單的結論（finality），與這個現 象的起源和結果僅有一些關連。例如：一個一年級的男孩聲稱：「春天、 夏天、秋天和冬天是四季的名稱，而它們各自有不同的氣候並且會變化。」 （四）人造論（human-made）:兒童認為自然現象是由人類的力量所造成的。例 如：一個四年級的女孩聲稱：「山有兩種類型，一種是由人類所造，你所 看到的那些高山遊樂公園都是由人類所造的山;另一種山則是有自然所形 塑而成。」 （五）神造論（god-made）:兒童相信自然線像是由神的力量所造成的。 例如：一個五年級的女孩描述說：「海神掌管雨，每個春天它就會釋放雨 水滋潤大地，使得農作物得以生長。」 （六）機械論（mechanism）:兒童運用機械的過程解釋自然現象而屏棄了人類特 質的部份。例如：一個六年級的男孩描述說：「當地球繞著太陽行走，它 阻擋了太陽光照射到月球上，因此，月亮的形狀因此有陰晴圓缺的變化。」
學生的科學解釋類型是否會受到情境的影響而有所不同呢？Treagust & Harrison （2000）指出學童在科學教室教室中所進行的科學解釋，是一種獨特的解釋，該 解釋結合了科學知識及教育的內容，以下茲就科學教室中出現的的科學內容解 釋、有效的教育內容解釋及日常解釋的解釋類型進行分類。（引自湯偉君，2008）
表2-2-2 Treagust & Harrison（2000）所指科學教室中出現的解釋類型 演繹律理 （deductive-nomological） 演繹統計 （deductive-statistical） 歸納統計 （inductive-statistical） 完整或無所不包的（complete or comprehensive） 因果 （causal） 科學內容解釋 實證 （empirical） 人類行動 （human action） 擬人化 （anthropomorphism） 目的論 （teleology） 類比 （analogy） 有效的教育內容解釋 比喻 （metaphor） 簡潔描述 （vignettes） 模糊不完整的 （vague/incomplete） 常民理論導向 （folk theory-driven） 直覺的 （intuitive） 有特性的 （idiosyncratic） 虛無 （tautology） 解 釋 分 類 或 特 性 日常解釋 軼事 （anecdote） （引自湯偉君，2008）
依據Toulmin, Rieke 與 Janik(1984)將An introduction to Reasoning(p313-347)的 文章內容，黃毓琪（2007）發現科學解釋可以細分為四個特殊類型。
表2-2-3科學解釋的四個層面內涵 一. 使適合標準的型態、成為一般通則(explanation by type) 二. 認識物質的組成成份(explanation by material composition) 三. 聚焦在事件的來源和發展(explanation by history)
四. 聚焦在未來的目標或成果(explanation by goal) （引自黃毓琪，2007）
科學解釋的類型不僅有賴在特殊實驗科學領域中被考驗或討論，也同時從不 同類型的問題中透露出解釋（謝州恩，2005）。 湯偉君（2008）認為科學解釋的內涵有四個部份：外在形式、內在本質、看 過去事件以及看未來發展這四個層次，可以用此四個層面內涵來檢驗學生的科學 解釋能力表現。 從上述的研究中，可以瞭解學生在進行科學解釋時的解釋類型及解釋層面的 內涵，本研究是針對國中二年級學生的科學解釋能力進行探究，我們將在第四章 的資料的結果與分析中，將學生的科學解釋類型分類，接著從學生的科學解釋類 型及解釋層面內涵去評量學生的科學解釋能力，如何評量學生的科學解釋能力是 我們下一節所要探討的主題。
第三節
科學解釋的評量
Ohlsson ( 1992 )認為解釋扮演了科學家們想要了解世界的主要角色，是學生 學習與了解科學現象的訴求；解釋可以使人了解，並提供個人思考的一扇窗。解 釋的建構和評鑑是科學論證的中心（Sandoval & Millwood, 2005）。Sandoval（2002）提出學生科學解釋的標準為：一、原因的一致，此通常包 含兩個科學解釋的知識目標：描述原因的機制來解釋現象及因果的連鎖合乎情理 的一致。二、證據的支持：從資料中反映出解釋建構的想法，也就是資料反映主 張。Zuzovsky 和Tamir（1999）認為科學解釋的評量涉及兩個層面，解釋之邏輯 結構的評量與科學解釋所傳達出之對現象理解的程度，後者如同對解釋之語文表 達的評量。因此本研究將科學解釋的評量依科學解釋之邏輯結構及科學解釋中所 傳達出對現象的理解程度兩部分去做論述。
壹、解釋之邏輯結構的評量
條件與經驗條件的滿足，由解釋項與被解釋項兩種類型的句子組成，具有四個必 要條件： （一）解釋項至少必須列出一條普遍定律。 （二）解釋項包含的普遍定律是經過高度驗證的。 （三）解釋項的內容必須是真實的。 （四）由前置條件導出結論的邏輯推理必須是正確的，被解釋項必須是解釋項的 邏輯結論。 D-N 模式是最普遍用來滿足解釋結構完整性之評量標準的要求，換言之， 一個論證涵蓋某先行條件與定律之語句的說明項，因此可解釋或預測一個現象， 此結構同時滿足邏輯與適當的實徵條件（Zuzovsky & Tamir, 1999）。
D-N模式又稱為「演繹模型」（陸健體，1994），或「涵蓋律模式」（林正 弘，1988），如果Hempel的想法無誤，則所有跟D-N模式不一樣的解釋都不屬於 科學解釋。事實上，由於D-N模式極為嚴謹，理想亦過高，許多科學解釋皆難以 完全符合其條件（黃惠鈺，2009）。由上述Hempel（1966）所提D-N模式的條件， 以及黃惠鈺（2009）對D-N模式的分析，可以知道D-N模式是嚴謹的，我們如果 以D-N模式去評量科學解釋，有些科學解釋的確不能滿足D-N模式的條件。因此 Zuzovsky & Tamir(1999)總結適當解釋的結構與邏輯標準如下：
（一）在物理解釋中，必須具備完整的D-N模式或至少是D-N模式之概述。 （二）統一性：從化約解釋為最可理解的基本原因，或是從多重原因整合成單一 的因果關係結構而獲得統一性。 （三）反思因果關係的複雜性，以提供另有多重原因的關係。 （四）在功能解釋的範例裡，表達出為了系統（s）的適當功能，特徵（i）的必 要性是滿足某必然條件（n）。 （五）在演化解釋的範例裡，區別近因與終極因，並提及兩者皆是為了產生生物 學之解釋。
Sandoval與Millwood（2005）則認為一個好的科學解釋，需具有以下四個特性： （一）能解釋現象的因果機制。 （二）證據要能連結主張，證據的資料要足夠。 （三）提出解釋的限制條件。 （四）排除另有解釋。 科學解釋是個體與自然現象互動後提出的說明，其過程包含個體的理解，難 以完全客觀（黃文吟，2000）因此我們藉由D-N模式，讓科學解釋較為客觀，個 體在對自然現象提出說明時，能夠理解現象的因果機制，接著反思因果關係的功 能性，從多重的因素中，找到因果關係的統一性，提出解釋的限制條件，強化科 學解釋的完整性。
貳、科學解釋之語文表達的評量
Sutherland（2002）亦曾提出在科學探究活動中，好的科學解釋須具備四項條 件，包括：對問題提出主張、對主張提出證據、連結證據到主張之間的推理，以 及使用詳細精確的科學語言把解釋寫清楚。King（1994）則提及以自己的語言表 達科學解釋，能展現對科學的理解。 Scriven(1988)指出關連性和資料的邏輯時態順序是指，運用像「因此」、「然 而」、「結果」這些字眼在解釋的敘述裡。然而，僅有語言的線索並不足以區別 描述與解釋，他進一步提出區別差異的特徵並非在問題或回答的言辭形式中被找 出，而是在理解的已知或推論狀態，以及提出關於理解的解釋裡被找到的。 學生的科學解釋能力是科學學習成果的一項重要指標，因此培養學生具備好 的科學解釋能力是學生思考組織的再提升，讓學生將過程與想法有緊密的結合， 如何利用科學解釋與他人做「有效的溝通」，是科學教育的重要研究主題。(洪 曉憶，2010）察到的科學現象，但是語文表達能力較差的人，可能就沒辦法把自己完整的想法 用科學語言表達出來。
第四節
解釋融貫性的意義及原理
Kuhn(2001)在「人類如何致知？」一文中指出「大部分因果的知識宣稱判準 都集中於理論性解釋和證據兩者的相關強度上，人們在評量個別的論證元素以及 做理論性解釋時整個論證的邏輯時需能夠保持融貫（cohere）」。Thagard（1992） 於〈Conceptual Revolutions〉一書中提及，當人們試圖去解釋一件令人困惑的現象 或事情時，通常會出現數種可能的解釋或假說，但最後勝出的總是解釋融貫性 （explanatory coherence）最佳的解決方案。Thagard 以解釋融貫性理論說明科學 史上部份重大理論被取代的情形，就像演化論取代神創論，解釋融貫性扮演著最 關鍵的角色。 一、融貫性及解釋融貫性的意義 「融貫性（coherence）」是傳統知識論的重要概念，它是一組命題的性質， 可以化約到兩個命題之間的一致關係（陳瑞麟，2001）。Thagard(1992)認為「解 釋融貫性（explanatory coherence）」理論是科學概念改變的核心，而概念革命的 發生必須有一個能說服人們放棄舊概念並接納新概念系統的機制。「解釋融貫性 （explanatory coherence）」是指各命題之間是由解釋的關係而結合起來的，而且 解釋融貫性特指命題處於解釋的關係中，它可能包含了演繹融貫性、機率融貫 性、語意融貫性等三種基本類型中的一種、兩種或是全部（陳瑞麟，民90）。Thagard （1992）提出相關概念或命題系統結構之轉變，是由於新的命題系統在運用新命題 時，具有更寬廣的解釋融貫性，而且命題系統中的各個命題必涉及到解釋或反駁此 二種陳述的表現，如果各命題之間可以互相解釋，則此命題系統擁有較高的解釋融 貫性。 Thagard(1992)指出解釋融貫性存在以下相關性： （a）一個存在兩命題之間的關係。（b）一個整套相關命題的性質。 （c）一個在整套命題內的單一命題的性質。 其中（a）是解釋融貫性的基礎，而（b）建立於（a）的基礎之上，（c）建 立於（b）的基礎之上。由上述我們知道單個命題的解釋融貫性，取決於這整套 命題的融貫性。 Thagard(1992)亦指出，若命題P 與命題Q 之間存在解釋融貫性，則它們之間 存在四種可能的解釋關係： 1.P 是Q 解釋的一部份。 2.Q 是P 解釋的一部份。 3.P 與Q 一起成為某個R 之解釋的一部份。 4.P、Q 分別是R、S 之解釋的一部份，且P 與Q 於解釋裡，是類似的（analogous）。 如果兩個命題是彼此矛盾或者對同一個現象提供了競爭性的說明（competing explanation），則此二命題是屬於「解釋不融貫（explanatory incoherence）」。 二、解釋融貫性理論的原則 Thagard(1992)認為解釋融貫性理論包含七個原則，這些原則可用以作為評估 命題在解釋系統中可接受性之判準。解釋融貫性理論原則茲列如下： （引自張 育倩，2009） 1.對稱（Symmetry）：兩命題之間的融貫性或不融貫性是呈現對稱關係。 （a） 若命題P與Q彼此融貫，則命題Q與P融貫。 （b） 若命題P與Q彼此不融貫，則命題Q與P不融貫。 2.解釋（Explanation）：解釋原則是評估解釋融貫性最重要的依據，並且在此預 先假定解釋原則是限制關係多於推論，否則任何兩命題皆可被證實為融貫。 （a） 若數個命題皆能解釋同一個證據，則此些命題各自皆與該證據融貫。若
題P1、P2、P3、……Pn能共同解釋同一個證據，則命題P1、P2、P3、……Pn 彼此皆相互融貫。 （c） 解釋某一證據所使用的命題數目愈多，則該證據與命題之間的融貫性愈 低，命題與命題之間的融貫性也愈低。 Thagard 亦主張「簡單性」（simplicity）應是最適當科學理論的篩選標準。 也就是具有較少特定假設的理論其解釋融貫性較高。 3.類比（Analogy）：假如命題P1能解釋命題Q1，命題P2也能解釋命題Q2，此時 若命題P1類似於命題P2，命題Q1也類似於命題Q2，因此若命題 P1與 P2融貫， 則命題Q1與Q2也會相互融貫。 4.資料優先（Data priority）：描述觀察結果而得的命題，此命題在該命題系統中 有一定的可接受程度。 5.矛盾（Contradiction）：兩個語法或語意相互矛盾的命題，它們相互必定不融貫。 也就是說，假若命題P與Q彼此矛盾，則命題P與Q彼此不融貫。 6.競爭（Competition）：假如命題P與Q都可以解釋某一命題R，且命題P與Q之間 不能被連貫地解釋，則命題P與Q彼此被視為不融貫。若要命題P與Q被視為能 相互連貫解釋，除非它們其中之一可以解釋另一方或是P與Q可以共同解釋某 個命題。亦即： （a）P是Q解釋的一部份。 （b）Q是P解釋的一部份。 （c）P與Q共同是某命題的部分解釋。 因此，兩個解釋相同證據的假說，除非它們之間有其他的解釋關係，否則 此兩個假說必然會是相互競爭。 7.可接受性（Acceptability）： （a）一個命題P在命題系統S中的可接受性，取決於此命題P在該命題系統S中 的融貫性。 （b）假如許多相關實驗的觀察結果都無法解釋某一證據，則僅可以解釋部分
證據的命題P，其可接受性也就大為降低了。 從上述七個原則，我們可以知道命題之間如果存在解釋關係，就代表命題之 間會互相融貫，此融貫性即為解釋融貫性，我們可以將這七個解釋融貫性原則， 作為評量解釋融貫性的標準。
第五節
POE之理論基礎和國內外相關實徵研究
一、POE（Prediction-Observation-Explanation）之意義
POE （ Prediction-Observation-Explanation ） 是 一 種 藉 由 教 學 者 設 計 預 測 （Prediction） -觀察（Observation）-解釋（Explanation）三步驟之任務，以探究 學生認知理解情形的教學策略。POE源自於Pittsburgh大學，由Champagne、 Klopfer及Anderson所發展出來，目的用來探討大一新生學習古典力學時有別於正 統牛頓力學的想法，當初所設計的工具名為DOE（Demonstration , Observation, and Explanation）晤談策略，其過程是先對學生進行紙筆測驗，接著教師示範實驗讓 學生觀察，觀察後學生回答測驗裡的問題並針對回答提出說明（Champagne, Klofer & Anderson, 1980）。而後White與Gunstone（1981）發現學生在晤談過程中，學生 對於「預測」比起老師直接講述更能引起學習的興趣，所以White與Gunstone將DOE 晤談策略重新設計並改良此晤談策略，最後設計成POE教學策略。 Bruce (2000)認為，從幼稚園（利用繪畫與交談）到大學畢業生，POE 都可 以很成功地進行，它幫助我們思考幾個方向： 1.因為寫字、討論都需要時間，所以它促使學生慢下腳步去反省他們正在做 什麼？想什麼？ 2.寫下預測這個動作增加了參與的感受，這讓大部分的人更對真實事件有興 趣，特別是自己的預測與多數人不一致時。式評量的基礎。 因此POE策略可以提高學生的學習興趣，也可以增進學生的概念理解，不管 當成教學工具或晤談工具，都可以應用於改進教學效果及提升學生學習成效的方 法。
二、POE（Prediction-Observation-Explanation）之目的
POE 策略的目的就是要瞭解學童在某一情境下，如何使用相關的知識 來做預測、描述和解釋所看到的現象。這個策略主要是在激發受試者面對個人既 有知識架構與科學活動出現不一致時，重新調整與組織，以形成新的知識體系達 到概念改變的目的（邱美虹，2000）。 POE 策略強調學生對事件或現象的預測及其預測理由，除了較少著重在正 確答案與評分的問題外，還鼓勵學生運用自己的原有想法進行推論或解釋，以及 為自己的想法實施辯證過程，如此一來，教師較能探測出學生在某一情境中的認 知結構與解釋事件或現象的經驗、信念，並且，若是POE 策略的觀察步驟與學 生原先的預測發生矛盾時，學生可能會將原本的想法進行再建構與修正，而造成 概念的改變（Searle & Gunstone,1990）。教師在提問時，常常在問題之中就有答案的暗示，或是學生未經思考便以課 文中的概念來回答，這時候學生僅是重複的解釋現象，並沒有應用到思考，要真 正了解學生的理解狀況，應是評量學生是否能應用概念於簡單可觀察的物理現象 中（Goldberg & McDermott, 1987）。
White與Gunstone（1992）指出教育的重要目的之一在於學生能運用所學到的 概念詮釋事件與問題，在課堂中提問是一種常見的策略，其目的就是要檢視學生 概念了解的程度，而POE教學策略則是另一種對概念了解程度的測量。 由上述研究可以發現，POE 策略的其中之一個重要目的即是讓個人去協調 認知衝突，對原本的想法進行重新建構的動作，達到概念改變的目標；同時POE 策略也可以當成評量工具，用以檢視、測量學生概念瞭解的程度。
三、POE（Prediction-Observation-Explanation）之實施步驟
POE 教學活動開始前，需讓學生明確的了解自己所要預測的事件，此時可 允許學生提出各種相關疑問，讓他們在預測前能充分了解狀況。POE策略在實施 上，主要由學生用自己決定的理由來解釋他們所認知的科學概念，以表達對該科 學概念的理解，教學者可以利用設計好的活動單配合活動來進行，同時也可以使 用開放式的晤談，讓學生能確實陳述自己的想法，POE策略步驟如下： 一、首先由教學者提供一個情境給學生，要求學生去預測其結果，並用解釋 或書寫的方式表明預測的理由。 二、由教學者進行實驗操作，讓學生觀察並詳實紀錄所觀察到的現象。 三、最後要求學生解釋預測和觀察之間的不一致，目的讓學生協調預測與觀 察間的一些認知衝突。（White & Gunstone, 1992）在POE策略中，在進行觀察前為什麼都要先進行預測的步驟，White 和 Gunstone（1992）對此做出解釋，指出在進行觀察前，須讓學生先完成預測工作， 其理由有兩個，茲述如下： （一）每個學生都要表明自己所採用的知識立場，如何運用，並讓教師了解 學生原有的知識、概念。 （二）讓學生不會錯失對事件的觀察，因為此時若學生仍在進行思考或是書 寫的活動，將會影響學生進行觀察活動。 而且根據經驗，進行觀察活動時，學生即使是觀察相同事件，但他們寫下的 觀察結果卻不一定相同，若沒有及時請學生寫下或說出觀察到的現象，學生很可 能會因為受到別人說法的影響而改變自己的看法（White & Gunstone,1992）。
最後的步驟是學生必須協調自己在觀察與預測之間的矛盾，對於大部分學生 來說，協調認知衝突比較困難，此時教學者必須鼓勵學生多方向思考，而學生提
四、POE策略之國內外相關實徵研究
以下表列摘錄數篇國內、外與POE相關的實徵研究，依研究的年代逐一簡要 敘述研究之重點（修改自黃雪錚，2004）。 表2-5-1 國內POE 之實徵研究 研究者 年代 研究對象 研究目的 王淑琴、 郭重吉 1994 大學生 利用紙筆測驗和 DOE晤談，探討大學生 在電學方面的另有想法及另有架構。 廖仁宏 1996 國中生 利用紙筆測驗和 DOE晤談，探究國中學 生在浮力方面的另有架構。 葉辰楨 2000 國中生 運用 POE策略設計國中生物科的教學 活動，探討實施的成果與改進。 邱彥文 2001 國中生 探討教師在國中理化課進行 POE教學 的情況，評估其成效及相關之影響因 素。 李家銘 2001 國中低成就生 探討個案學生在 POE教學活動中的電 學概念發展情形。 楊志強 2001 國小五年級生 利用紙筆測驗和 DOE晤談，瞭解學生概 念類型的分佈及教學過程對學生概念 改變的影響情形。 陳淮璋 2002 國小 四、五年級生 利用問卷調查和 POE晤談，探討國小學 生在水溶液方面的認知情形、迷思概念 及其來源。 林鼎富 2002 國小 三、六年級 利用紙筆測驗和 POE晤談，探討國小學 生對靜磁概念的理解情形、迷思概念及 其成因。 張宗義 2003 國小 四年級生 利用 POE教學模式探究國小學生在教 學前後對水溶液概念的理解與改變類 型。 陳雅麗 2003 國小 五年級生 利用 POE教學策略探討國小學生有關 熱學方面的迷思概念及概念改變的歷 程。 蔣盈姿 2004 國小六年級生 國中二年級生 高中一年級生 運用 POE策略和個別晤談，探討中小學 生對於物質可燃性的另有概念及其來 源。黃雪錚 2004 國小二年級生 國小四年級生 國小六年級生 運用 POE 策略探究國小學童對毛細現 象的可能想法，並瞭解不同年級學童的 概念類型、特徵以及差異情形。 王玉龍 2006 國小六年級生 運用 POE 策略探究學生對於色光的概 念及概念改變的歷程。 李莘怡 2006 國中生 運用 POE 教學策略與閱讀教材，探討 學生對於「溶解」迷思概念改變之成效。 蔡佳興 2007 國中生 利用 POE 策略探討國中三年級學生色 光混合之另有概念及推理類型。 劉月智 2007 大學生 以「序列性POE」策略及個別晤談的方 式探討大學理工與非理工背景學生對 於自然現象的科學解釋能力與解釋類 型，並嘗試從中尋找出其「解釋融貫性」 的特徵。 巫少岑 2007 國小教師 利用S-POE策略，設計前後具相關連 性，與「大氣壓力、表面張力」相關的 五個POE實驗，讓國小科學教師進行預 測、觀察與解釋，探討其對於「大氣壓 力、表面張力」相關現象之科學解釋能 力、解釋類型與解釋融貫性（explanatory coherence)的特徵。 羅佩娟 2008 教育大學學生 運用「序列性POE」的理論策略來探討 教育大學學生對「大氣壓力」與「表面 張力」的自然科學解釋能力與先備知識 的相關性，最後再探討不同背景的學生 在科學解釋的能力上是否有差異性。 曹永彬 2009 國小三年級生 探究以POE 策略設計之磁力活動對於 國小三年級學童磁力概念學習的影 響，及學童在POE 活動中的概念改變情 形，並探討在學童的推理能力與磁力概 念的關係。
表2-5-2 國外POE 之實徵研究 研究者 年代 研究對象 研究目的 Searle & Gunstone 1990 大學生 利用以建構主義為基礎的 POE教學策 略，探究大學生對於電學的另有概念及 概念改變之行動研究。 Palmer 1995 職前教師 藉由職前教師對國小學生實施 POE活 動，評估 POE技術在小學科學教學上之 適用性。 Liew & Treagust 1995 11年級生 探討 POE教學策略如何應用在熱與液 體膨脹的主題教學，以及其對學生概念 學習的影響。 Fekete & Walker 1997 大學生 利用包含 POE的教學資料庫對實驗組 班級進行互動式教學，探究大學生對於 熱力學概念學習之準實驗研究。 Liew & Treagust 1998 9~12年級生 探討 POE教學對於診斷學生科學概念 的理解之有效性，並確認學生學習成就 的層次。 Methembu 2001 11年級生 應用 POE策略於化學反應的課程，協助 教師診斷學生的概念以促進學生有意 義的學習。 Kearney et al. 2001 10、11年級生 以結合電腦多媒體的POE教學策略增進 學生對於力與運動概念的學習，並瞭解 師生對此之看法。 Zacharia 2005 教師 以POE策略結合互動式電腦模擬，探討 科學教師對於物理現象，如何建構其科 學解釋，藉由及解釋確認其概念理解情 形。 Kucukozer 2008 職前教師 結合POE策略及3D電腦建模程式，探討 職前科學教師對於季節與月相的迷思 概念及概念改變的情形。 由國內、外關於POE策略的實徵研究中，可以發現POE策略所應用的對象年 齡階層相當的廣，從國小學童、國中生、高中生、大學生、職前教師以及教師都 有，且POE策略在下述層面：（1）評估及學生對於科學概念的理解上，（2）促 進學生的概念學習及改變上，（3）瞭解學生的概念架構上，（4）瞭解學生的解
釋融貫性上，（5）改善科學教育的教學成效上，都富含許多的教育意義，可供 教學研究多面向的參考及精進。 從前述的研究中可知，POE策略常當成教學工具以改善學習成效，鮮少被用 來觀察學生的科學解釋類型及評估學生的科學解釋融貫性，這方面的研究文獻目 前相當少，因此研究者藉由POE策略在評估學生的概念理解架構的優勢上，考量 物理的主題較適合POE策略的實施，所以研究者以POE策略作為蒐集學生的概念 理解的途徑，進行國中二年級學生關於電流磁效應的自然現象的科學解釋能力之 研究，並瞭解學生的科學解釋能力及類型以及嘗試去分析、歸納學生的科學解釋 融貫性的特徵。
