科學史融入高中物理熱學與光學之教學研究

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士班碩士論文. 指導教授：劉湘瑤博士. 科學史融入高中物理熱學與光學之教學研究 A Research on Integrating History of Science into Thermal and Optical Units in Physics Curriculum of Senior High School Education. 研究生：張永昌. 中華民國 102 年 7 月.

(2) 科學史融入高中物理熱學與光學之教學研究. 中文摘要面對十二年國教即將實施，培養學生具備足夠的科學素養，成為高中物理教學的重要目標。本研究針對高三物理熱學與光學兩個章節，透過準實驗研究的方式，將研究者任教的兩個班級分別採用科學史教學(43 人)與一般教學(38 人)的形式，探討不同教學模式對於學生在科學本質觀點及學習成就的影響。透過研究工具「了解科學本質量表」進行相依樣本 t 考驗分析得知，相較於一般教學，學生的科學本質觀點在科學史教學後，有顯著的提升(t = 3.081，p < .05)，且原持有科學本質觀點較接近傳統觀的學生，提升的程度最為明顯；透過 ANCOVA 分析學生在傳統期中考試題的表現得知，成績原本較差的科學史教學組學生在科學史教學後與一般教學組學生的成績差距逐漸拉近，因此，長時間的科學史教學對於學生學習是有助益的；經科學史教學後，學生在 PISA 類型試題的表現優於傳統期中考試題，此結果可做為後續相關研究選擇學習評量工具的參考。雖然大多數(92.3%)學生對於將科學史融入高中物理教學抱持正面與肯定的態度，但是，部分(20.5%)學生認為回答科學史教學活動所安排的科學本質問題是有困難的，此外，超過一半 (61.5%)的學生，在即將面對升學考試的壓力下，認為科學史教學比較適合安排在高一課程，上述學生對科學史教學的反應，以及研究者最後依據研究結論提出幾項建議，可做為後續教學與相關研究參考。. 關鍵字：科學本質、科學史教學、物理. I.

(3) A research on integrating history of science into thermal and optical units in Physics curriculum of senior high school education Abstract In order to adapt to the twelve-year compulsory education to be implemented, to equip students with sufficient science literacy has become one of the important goals in physics education of high school. This research used quasi-experimental design to explore the impacts of adopting two different pedagogical approaches on two classes respectively. By means of teaching physics along with science history (N=43) or with normal lecture teaching (N=38) in two classes, the influence of these two methods on students' views of nature of science and their academic achievement was investigated within thermal and optical units in high school physics curriculum. The t-test analysis was conducted to analyze the data from the research tool "Understanding the Nature of Science Scale", the results showed that the students (t = 3.081; p < .05), who received the method of science history teaching, significantly improved their views on the nature of science. In addition, the positive effect was most significant among the students who initially hold traditional views on the nature of science. By comparing with students’ performance on traditional midterm examination, the one-way ANCOVA analysis showed that the score difference between two classes gradually decreased. This result indicates that science history teaching, with sufficient time, is helpful to students' learning. The students, who received the method of science history teaching, get better performance in the PISA test than that in traditional midterm test. This result can be used as reference to select assessment tools for follow-up studies. Although most of the students (92.3%) hold optimistic and positive attitudes toward the integration of history of science into physics instruction in high school, some of the students (20.5%) considered that answering the open-ended questions about the nature of science in worksheets was difficult. Furthermore, under the pressure of entrance exam, over half (61.5%) students considered that it is more suitable to arrange the history of science teaching in the 10th-grade physics curriculum. These responses and some recommendations can be used for future research.. Keywords：nature of science; teaching history of science; physics. II.

(4) 目錄第一章. 緒論……………………………………………………..................... 01. 第一節. 研究背景與動機………………..………………….................. 01. 第二節. 研究目的與研究問題…………..………………….................. 04. 第三節. 研究範圍與限制………………..………………….................. 05. 第四節. 名詞解釋………………………………………….................... 06. 第二章. 文獻探討…………………………... ……………………................. 09. 第一節. 科學本質與科學本質教學…... ………………….................... 09. 第二節. 科學史教材編輯的相關研究………………………................ 18. 第三節. 科學史融入高中教學的相關研究…………………................ 21. 第三章. 研究方法…………………………....…………………..................... 25. 第一節. 研究設計與研究流程………....………………….................... 25. 第二節. 研究樣本………………………………………….................... 28. 第三節. 研究工具………………………………………….................... 29. 第四節. 教材與教學設計……………....………………….................... 35. 第五節. 資料分析………………………………………….…………... 45. 第四章. 結果與討論…………………………......................………………... 47. 第一節. 科學史融入教學對學生科學本質的影響……………...……. 47. 第二節. 科學史融入教學對學生學習成就的影響………………..….. 60. 第三節. 學生對於科學史融入教學的學習感受……………………… 69. 第四節. 學生在科學史教學學習單的表現…………………………… 74. 第五章. 結論與建議…………………………......................………………... 83. 第一節. 結論…………………………....................………………........ 83. 第二節. 建議…………………………....................………………........ 88 III.

(5) 參考文獻………………………………………………………………………. 91 附錄一科學史教學活動學習單……………………………………………. 95 附錄二 PISA 類型學習評量試題…………………………………..……….. 111 附錄三學習感受問卷………………………………………………………. 127 附錄四科學史教學上課用 PPT…………………………………………….. 129. IV.

(6) 表目錄表 2-1 科學本質在傳統觀點與現代觀點的異同比較………………………... 12 表 2-2 九年一貫課程綱要內與科學本質有關的分段能力指標…………….. 13 表 2-3 與科學本質有關的高中物理學科能力………………………............. 14 表 2-4 各階段應教導學生之科學本質的教學目標………………………..... 16 表 2-5 各階段科學教材中適合放入的科學史教材內容…………………..... 20 表 3-1 一般教學組與科學史教學組班級學生基本資料…………………..... 28 表 3-2 UNOS 各分量表評測目標與正反向陳述試題範例…………............... 29 表 3-3 傳統期中考學習成就評量及科學史教學安排活動簡介…….............. 31 表 3-4 本研究自行設計 PISA 類型試題相關內容簡介…………………....... 32 表 3-5 科學史教學學習感受問卷例題………………………........................... 34 表 3-6 科學史教材所採用的科學史素材相關簡介…………......................... 37 表 3-7 科學史教材中所提出的科學本質思考問題相關簡介......................... 38 表 3-8 光的本質探索活動教材相關簡介……………………......................... 40 表 4-1 一般教學組與科學史教學組前測總分及各分量表分數差異顯著性考驗………………………..................................................................... 48 表 4-2 一般教學組與科學史教學組後測總分及各分量表分數差異顯著性考驗………………………..................................................................... 49 表 4-3 兩組學生前、後測表現在總分及各分量表分數差異顯著性考驗….. 50 表 4-4 不同程度科學本質觀的實驗組學生在 UNOS 前後測分數差異顯著性考驗…………………………………………………………………. 54 表 4-5 不同性別的實驗組學生在 UNOS 總分及各分量表分數敘述性統計資料……………………………………………………………………. 56 表 4-6 不同性別學生組內迴歸係數同質性檢定……………………………. 57 表 4-7 實驗組學生的性別對於調整後 UNOS 總分差異顯著性考驗………. 58 表 4-8 不同性別的實驗組學生經調整後在 UNOS 的總分平均分數………. 58 表 4-9 不同性別的實驗組學生在 UNOS 三個分量表調整後的分數資料…. 59 表 4-10 實驗組學生性別對於調整後 UNOS 各量表分數差異顯著性考驗…. 59 表 4-11 實驗組、對照組及全體學生在傳統類型學習成就前後測敘述性統計資料…………………………………………………………………. 60 表 4-12 實驗組、對照組及全體學生單因子共變數分析組內回歸係數同質性檢定…………………………………………………………………. 61. V.

(7) 表 4-13 實驗組、對照組及全體學生單因子共變數分析變異數同質性考驗……………………………………………………………………... 62 表 4-14 實驗組、對照組及全體自然組學生經調整後在兩次後測的平均分數……………………………………………………………………... 62 表 4-15 以前測分數為共變數，經調整後各組學生在第一階段後測的平均分數比較……………………………………………………………... 63 表 4-16 以前測分數為共變數，經調整後各組學生在第二階段後測的平均分數比較……………………………………………………………... 63 表 4-17 實驗組與對照組學生在 PISA 試題學習成就差異顯著性考驗……... 66 表 4-18 實驗組與對照組學生在 PISA 試題學習成就各試題得分表現…….. 67 表 4-19 實驗組學生對於科學史融入教學學習感受問卷第一部分整理資料……………………………………………………………………... 69 表 4-20 實驗組學生對於第一階段科學史教學問題討論活動喜好統計資料 71. VI.

(8) 圖目錄圖 3-1 研究架構與實驗設計圖………………………………………………. 26 圖 3-2 研究流程示意圖………………………………………………………. 27 圖 3-3 第一階段教學流程示意圖……………………………………………. 42 圖 3-4 科學史教材 06 教學活動流程示意圖………………………………… 43 圖 3-5 第二階段教學流程示意圖……………………………………………. 45 圖 4-1 一般教學組與科學史教學組在 UNOS 總分的前後測表現…………. 49 圖 4-2 一般教學組與科學史教學組在三個分量表前後測的平均得分情形………………………………………………………………………. 51 圖 4-3 不同科學本質觀點實驗組學生在 UNOS 前後測的平均得分情形…. 55 圖 4-4 不同科學本質觀點實驗組學生在三個分量表前後測的平均得分情形………………………………………………………………………. 55 圖 4-5 不同性別的實驗組學生在 UNOS 前後測的平均得分情形………….. 57 圖 4-6 實驗組、對照組及全體學生在三次傳統類型學習成就評量的表現………………………………………………………………………. 61 圖 4-7 以前測分數為共變數，實驗組、對照組及全體學生在兩階段後測的表現…………………………………………………………………. 63. VII.

(9) VIII.

(10) 第一章緒論. 第一節. 研究背景與動機. 對於多數高中自然組學生而言，物理往往是他們學習成就最低落的科目，由歷年大學指定考試成績來看，亦是如此。近 10 年物理均標分數大半低於 30 分，甚至在 91 學年度時，物理的全國均標分數只有 17 分為近年來最低的分數，在升學主義導向的社會氛圍下，這麼低的投資報酬率，對高三自然組學生而言，物理常常成為學生最早選擇放棄的科目，也因為如此，部分學生對於物理課總是抱持著不積極、被動的學習態度。此外，由於過度重視考試的成績，教學現場的物理教師也逐漸地習慣在課堂上只教學生科學知識的內容、公式，忽略科學知識的發展過程，並且將大量的教學時間運用在訓練學生記憶科學知識內容與熟悉解題所需的計算能力(杜鴻模，2002）。這種形式的物理教學僅僅是在訓練學生如何在物理考試中獲得分數，並不能讓學生透過教學活動對於科學擁有一個較完整、全面性的認識。隨著社會環境的變遷，為了培養新世代的公民，教育改革的浪潮不僅使得國中、國小的教育制度與教學環境發生了巨大的變革，為了讓這批完成國民基礎教育的學生，在未來升大學的基礎上，能夠順利獲得銜接，教育部藉由民國 90 年修訂的 95 暫綱以及 94 年修訂的 99 課綱，對於高中的教育制度進行了一系列的調整。在教育部規畫下，學校本位課程的重要性以及教師的專業自主能力，成為 99 課綱強調的重點，學校與教師所扮演的角色，由從前的被動轉換為主動(教育部，2003)。身處在追求改革與不斷變遷的教育環境中，高中教師該如何應對？如何藉由自身的專業能力設計出一套適合學生的課程？在設計課程時，應該加入哪些不同的新元素？在最近數年間，這些從來不曾遇到過的問題，不斷地出現在研究者的腦海中，許多在教學現場的高中教師，也亟欲尋找出這些問題的解答。 1.

(11) 近幾年大學錄取率逼近 100%，考上大學已經不是一件困難的事，存在已久的升學壓力獲得稍微的舒緩；在升學考試部分，最近兩年的大學指定考試由於選擇題部分不再採用答錯倒扣的計分方式，物理科試題的難度也有明顯降低，因而使得 100、101 學年度的物理指定考試，全國的平均分數有了顯著的提高(100 學年度：53 分、101 學年度：59 分)。就升學的角度來看，物理似乎不再是個低投資報酬率的科目，可以吸引學生投注更多的心力於物理的學習。教師在物理課堂上不再需要將大部分的教學時間分配在複雜概念的講解或計算繁複的試題演練上。由於升學制度的多元化以及指考試題難易度的調整改變，高中物理教師的教學壓力已稍稍獲得舒緩，隨著國內教育改革的影響逐漸進入高中，高中物理教學似乎可以開始做些改變。然而，新課綱所規劃的教學時數仍然不夠充裕，要挪出大量的時間，在既有的課程內容中加入大量的新教材或大幅度地更動教學方法，對高中物理教師而言，依舊是一項不易達成的目標。對研究者而言，在考量人力、教學時間以及學生即將面對學測考試壓力的教學現場條件之後，在原有的教學中，融入一個能夠對學生有所助益的新元素，而且不會占用大量的教學時間，也不會造成學生額外學習壓力，就成了研究者在尋找研究主題與設計研究方法時的重要原則。隨著社會、文化的變遷，科學課程設計的理念，由原先的菁英教育，逐漸地轉變成為全民科學素養的培養，如何將學生培養為具有科學素養的公民，成為國內外科學教育學者們的重要課題(鄭湧涇，2005)。因此，許多國家已經將科學本質列入科學教育重要項目之一(McComas & Olsen, 1998)；美國科學促進會 (AAAS,1993)及美國國家科學教師協會(NSTA,1982) 更將對於科學本質認知觀點視為具有科學素養公民的重要指標。此外，英國的國定課程(national curriculum) 也明定將科學史哲融入課程中，以幫助學生學習科學本質(引自王靜如，2006)。. 2.

(12) 在國內，早期雖然沒有明確的將科學本質列入課程綱要中，但是，在九年一貫課程暫行綱要（教育部，2000）以及定案的九年一貫課程綱要（教育部，2003），均正式將科學本質列為自然與生活科技的重要能力指標之一，由此可知，正確的科學本質觀是讓學生具備科學素養的重要因素之一。在高中課綱中，尚未將科學本質明確的列入，然而，我們或許可預期完成九年一貫教育的學生，應具備一些科學本質的基本認識，在進入高中後應該繼續延伸科學本質的相關學習。因此，在高中階段提供學生合適的科學本質教學，成為研究者期望能在高中物理課程原有架構裡加入的新元素。另外，在目前高中物理的學習成就評量試題的設計上，多數的物理試題為了考量計算的便利性，題目所陳述的情況，都是在實際環境裡不容易遇到的現象，學生很少有機會可以將所學的科學知識，應用在現實的生活中。目前在國中教育圈討論的PISA試題，在評量的設計上，透過提供實際生活可能會遇到的問題情境，讓學生利用自身的相關素養，藉由統整性思考找出問題解決的方法。而科學本質為科學素養的一部份，透過PISA情境式試題亦能評量學生的科學素養。因此，研究者希望在研究中能夠設計出這類型的試題，透過這類型的試題，一方面評量學生的科學素養，另一方面給予學生更多應用科學知識解決日常生活問題的機會。在研究者將近十年的高中物理教學生涯中，將許多的心力、精神花費在提升學生的物理學習成就與維持學生的學習樂趣這兩個方向上，因此，諸如：物理現象的電腦動畫模擬、課程相關的趣味小實驗、電腦錄影解題…等，都是研究者曾經嘗試放入教學活動的新元素，然而，既然科學本質是目前科學教育中被大眾所公認不可或缺的重要項目，研究者應該透過什麼方法，才能提升學生對於科學本質的認識呢？在師大科教所進修的過程中，科學史與科學本質的相關課程對研究者產生極 3.

(13) 大的震撼，許多從來沒聽說過的科學史故事內容，不但讓研究者重新燃起對閱讀科學故事的興趣外，更讓研究者對於科學與科學家的認知產生了跟從前完全不同的看法：「課本上的科學理論並不是永遠正確的」、「要推翻原有的科學理論不是憑藉著實驗數據就能證明，還要能夠說服其他的科學家」、「科學家並不是完全客觀理性的，跟平常人一樣是會耍心機的」...等。這些對於科學本質的重新領會，是研究者在進修的過程中所獲得最深刻的收穫。也因為如此，研究者在思索研究題目時，科學史融入教學就成為研究的主要方向，期待能透過本研究編輯合適的科學史教材，融入物理課程中，並設計出明確的科學本質相關問題，提供學生進行思考，希望透過這樣的活動，一方面能提升學生的學習動機與成就，另一方面也讓學生對於科學本質有更深入的認識與瞭解。因此，本研究規劃在高三物理原有的教學活動中，藉由科學史融入教學的模式，引入合適的科學史小故事與相關教學活動，在教學活動後，透過前後測獲得的資訊與採用一般教學的學生相互比較、分析，探討學生對於科學學習的動機、學習成就以及對科學本質的認識，是否因教學模式不同而有所改變，依據研究所獲得的結果，做為規畫後續相關教學活動時的參考依據，藉此豐富的教學內容及活化教學知能，達成教師專業成長的自我期許。. 第二節. 研究目的與研究問題. 一、研究目的：基於研究者所處的教學環境與研究動機，本研究計畫在高三物理教學中，設計出一套不需要占用太多教學時間，對學生科學本質亦具有提升效果的科學史教材，教師透過明示的教學策略，讓學生閱讀數則與課程相關的科學史小故事並針對科學本質問題進行思考後，寫下自己觀點與看法。研究者期待透過上述的科學史教學活動，能使學生對於科學發展的過程有更 4.

(14) 深入的體會，而不是僅僅著重於課堂中的科學知識內容與試題的計算，並因此提升學生的科學本質概念，進而提高學生對於科學學習的興趣與動機。培育學生可以帶得走的基本能力，而不是沉重的知識教材，是近幾年教育政策的重點之一。然而，透過傳統的學習成就測驗，多半只能評量學生是否能夠有效地記憶科學知識內容與熟悉解題過程所需的計算，這類型的測驗並不能夠有效地評量出學生所具備的科學素養，是否因教學而改變。透過科學史教學，學生有更多的機會，可以體會從前的科學家如何應用知識及研究工具，對觀察的現象提出合理解釋並解答問題，這樣的過程，與學生在 PISA 試題所提供的問題情境中，活用自身在閱讀、數學、科學的相關素養尋找出問題的解答方案，是類似的。因此，研究者試圖透過 PISA 類型試題的評量，瞭解科學史教學對於學生利用統整式思考尋求問題解決能力的影響程度。二、研究問題基於上述研究目的，本研究擬討論的問題如下： (一) 融入科學史小故事與科學本質相關問題的閱讀與思考後，學生在科學本質上的改變與一般教學的學生，是否有所差異？ (二) 融入科學史小故事與科學本質相關問題的閱讀與思考後，學生在科學學習成就上的改變與一般教學的學生，是否有所差異？ (三) 融入科學史小故事與科學本質相關問題的閱讀與思考後，學生在 PISA 情境式試題的表現與一般教學的學生，是否有所差異？. 第三節. 研究範圍與限制. 一、研究範圍： (一) 研究對象與研究時間：本研究以新北市某公立高中三年級兩班自然組學生為研究對象，實驗 5.

(15) 組一班，學生人數為 43 人，對照組一班，學生人數為 38 人，於 101 學年度上學期實施。 (二) 研究教材：以高三上學期物理課程中『熱學』、『物理光學』兩章節為研究課程實施範圍。二、研究限制：本研究因受限於人力因素，無法遍及全臺各公私立高中，為方便研究，僅選取新北市某公立高中研究者所任教三年級兩個班級學生，做為研究對象，並選擇高三上學期課程中兩個較適合安排科學史融入的章節進行教學研究。如欲將研究的結果向外推論，需考慮各高中的入學成績、城鄉差距、教師授課風格、學生年紀、授課單元…等因素。. 第四節. 名詞解釋. 一、科學本質：許多科教學者指出，就像是科學知識並不是恆久不變的真理，科學本質的觀點也是具有動態性的，近年來，科學本質的觀點已經由傳統認同的邏輯實證主義轉變為目前主流的建構主義，而且未來仍然有再次改變的可能(Lederman,1996; Matthews,1996)。本研究對科學本質所使用的定義，採用美國科學促進會 AAAS 於 1989 年在「2061 計畫：美國科學全民化」一書中，對於科學本質所做的定義，共分為三個領域(引用自翁秀玉和段曉林，1997)： (一) 科學的世界觀(Science world view) 自然界是可以被理解的；雖然科學知識是可以被改變的，但是要推翻原有的科學知識並不容易的；科學並非萬能的，不能解決所有的問題。 (二) 科學的探究活動(Scientific inquiry) 證據對科學是重要的；科學是邏輯和想像的合成體；科學知識不但能解 6.

(16) 釋自然界的現象，也具有預測的功能；科學家會試著驗證理論並盡量避免發生誤差；既定的科學知識並不具有永恆的權威地位，常態科學會影響科學的研究方向，但是必要時仍會產生科學革命。 (三) 科學的事業(Science enterprise) 科學是不同學科領域的集合；科學事業是由許多機構來進行，例如：大學、工業界、政府；各種不同領域的科學家在世界各地從事科學活動；從事科學活動必須考慮倫理的原則；科學家兼具科學專業及公民的身分；科學家利用科學思考的特性來處理公共事務。二、了解科學本質問卷(Understanding of the Nature Of Science scale, UNOS)：為了瞭解學生在研究前後，對於科學本質的觀點是否有發生變化，在問卷施測部分，研究者選擇使用林陳涌(1996)所設計的「了解科學本質量表 UNOS」，於研究前後進行施測。依據該量表對於科學本質所做的三個向度分類，在「科學方法的本質」方面，本研究期盼能藉由科學史教學讓學生體驗科學知識的建構過程，進而體會從科學方法所獲得的科學知識是會受到研究者本身認知與理念所影響，並不是絕對客觀的。透過 UNOS 瞭解學生對科學方法的非單一性、非固定性、實證性、理論蘊含及非絕對客觀性的認知狀況。在「科學知識的本質」方面，藉由熱與光本質的相關科學知識演進過程，讓學生體會科學知識具有可重覆驗證的性質，卻不是恆久不變的，透過公開發表以及科學社群的討論，舊的科學知識可能會被新知識所取代。透過 UNOS 瞭解學生對於科學知識的累積性、暫時性、可複製性、公開性及創造性，是否與現代觀點相符。在「科學事業的本質」方面，透過相關科學史討論活動讓學生理解科學、科技、社會三者之間是彼此互相影響的，以及科學家所做的一切都會受到科學專業、 7.

(17) 科學社群、倫理道德的規範。並藉由 UNOS 瞭解學生對於科學事業的倫理與道德、科學與科技、科學與社會、科學家的身分、科學社群...等的觀點。三、科學史融入教學：在教學活動中加入設計過的科學史教材與相關教學活動，藉此讓學生瞭解科學家建構科學知識的過程，並體會科學與社會、文化、經濟間的關聯，進而增強學生對科學的認識。科學史融入教學的授課方式有許多類型：角色扮演、故事講述、科學家個案研究、互動式歷史小品...等，教師可考量課程時數、教學目標、學生興趣與程度、師生互動狀態...等因素後，選擇合宜的使用模式。本研究所指的「科學史融入教學」，並未使用特定的科學史融入教學授課模式，而是教師將科學本質視為教學目標，有計畫性的將科學史素材、科學本質相關問題融入教學活動中，期盼學生能因此對科學有更深刻的認識。四、PISA 類型試題：國際評量計畫(the Programme for International Student Assessment)簡稱為 PISA，是由經濟合作既發展組織(Organisation for Economic Co-operation and Development)簡稱 OECD 所委託的評量計畫，PISA 測驗主要評量的是即將完成基礎教育的 15 歲學童，是否在閱讀、數學以及科學等領域方面，已具備良好的素養。與大多數的學習成就測驗不同之處，在於鑑別學生是否有效地記憶學科知識的內容並不是 PISA 測驗的主要內涵，PISA 測驗主要是評量學生是否能夠從不同的角度分析問題，有效地利用學科知識尋找出問題的解決方法 (張惠博、林陳涌等，2009)。研究者透過自行閱讀「PISA 科學素養評量成果手冊」與相關研習活動資料，在對於 PISA 測驗命題有了基本的認識之後，針對本次研究的教學範圍進行 PISA 測驗試題的設計，共有 4 個題組，該份試題在專家審查後經過修改，成為本研究在探討科學史教學對於學生學習成就影響時，除了傳統的期中考成績外，另一種不同類型的學習成就測驗工具。. 8.

(18) 第二章文獻探討為解答本研究的研究問題，藉由收集科學本質的文獻資料與科學史融入教學的相關教學研究結果，做為研究者進行科學史教材設計、科學史教學活動規劃及後續資料分析的參考依據。本章主要分為三節，第一節為科學本質與科學本質教學的相關研究文獻；第二節為科學史融入教學的相關文獻；第三節為科學史融入高中教學的相關研究。. 第一節. 科學本質與科學本質教學. 一、科學本質從文藝復興時期開始，科學企圖脫離哲學，成為一個獨立的研究領域，科學家們藉由對自然的觀察、實證的方法，試著對自然現象找出最合理的解釋。累積了數百年人們對於科學所做的努力，新的科學知識不斷地被創造出來，原有的科學知識也可能因為反例的出現與研究工具的改良，而必須修改原有科學知識的內容甚至是被淘汰。同樣地，人們對於科學本質的定義，也會隨著社會、文化、哲學理論..等時空背景因素而有所調整。科學的本質是什麼？許多科教學者指出，這個問題並沒有固定的答案，就如同科學知識並不是恆久不變的真理，科學本質的觀點也具有動態性的特質 (Lederman,1996; Matthews,1996; 引自翁秀玉、段曉林，1997)，對於科學本質的範疇與內涵，科教學者們各自抱持著不同的觀點與見解。美國科學促進協會 (AAAS,1989)所出版的 Project 2061 研究報告對於科學本質的相關說明，經常被科學本質教學相關研究所引用，該研究報告將科學本質區分為三個不同領域進行說明： (一) 在科學的世界觀(Science world view)部分，強調科學不是萬能的，無法解決所有問題；科學知識是人類對於自然現象理解後的產物，可以被改變， 9.

(19) 但是要推翻原有的科學知識並不容易。 (二) 在科學的探究活動(Scientific inquiry)部分，強調證據對於科學的重要性，科學家會試著驗證理論並盡量避免讓科學知識與自然現象出現不一致的情形；科學知識不但能解釋自然界的現象，也具有預測的功能；既定的科學知識並不具有永恆的權威地位，常態科學會影響科學的研究方向，但是必要時仍會出現科學革命改變常態科學的型態。 (三) 在科學的事業(Science enterprise)部分，強調不同領域的科學家在世界各地從事科學活動，且必須考慮倫理的原則；科學是不同學科領域的集合；科學事業是由許多機構來進行。許多研究均指出教師所抱持的科學本質觀點會影響其教學行為與教學評量的方式，進而影響學生對科學的看法與學習科學的態度 (Brickhouse,1990; Aikhenhead &Duffee, 1992；引自吳美瑩，2004)。許國忠與王靜如(2003)指出學生的科學本質觀會影響其科學學習的方式，與科學學習成就有正相關的關聯，強調科學本質對於科學教學的重要性。近年來 PISA 逐漸受到國內教育學者的重視，其中 PISA2006 是 OECD 第一次以科學為主所做的評量，與其它傳統科學評量的最大差異在於該評量並不侷限測量學生科學概念的精熟程度。在 PISA2006 所定義的科學素養為(張惠博、林陳涌，2012)： (一) 面臨科學相關議題時，能夠使用科學知識去發現問題、形成新知識、解釋現象並得到有事實根據的結論。 (二) 能夠明瞭科學是人類經由探究所形成的知識。 (三) 能夠察覺科學和技學深深的影響我們周遭物質的、符號的、文化的環境。 (四) 願意以公民身分參與和科學相關的社會議題或科學想法。 PISA 根據四個相互關聯的向度對上述的科學素養加以定義，其中的一個向. 10.

(20) 度為「科學知識的素養」，在該向度中包含科學內容知識與科學本質兩個項目。對於科學本質又細分為科學的探究與科學的解釋兩個部分。由上述 PISA2006 對於科學素養的相關定義可知道科學本質在目前國際科學教育評量中的重要性。對於學生所抱持的科學本質觀，有許多相關的研究：林陳涌(1996)調查台北地區 1670 位高中學生的科學本質觀點，認為學生對於科學本質的觀點，主要受到邏輯實證主義的影響，在 UNOS 表現上自然組學生明顯優於社會組學生，因而認為學生對科學本質的理解與修習科學學科的課程量有關。許良榮與蕭培玉 (2007)也在整理近年來許多相關研究後指出多數的學生抱持著不恰當的科學本質觀。然而，近幾年來隨著教育改革的影響，學生對於科學本質的觀點似乎也有些改變，林于湘(2006)透過 Tsai & Liu(2005)所研發之「多向度科學認識觀問卷」，將對科學知識的看法分為建構主義和實徵主義兩端，調查 583 位高二以上自然組學生的科學認識觀，發現高中自然組學生的科學認識觀頗為一致，男女生並無顯著差異且傾向建構觀點。劉錫忠和段曉林(2002)參考科學本質的相關文獻，包含：林陳涌(1996)、翁秀玉和段曉林(1997)、AAAS(1989)、McComas,Clough&Almazroa(1998)、 Benchmark for science literacy(1993)，將上述文獻中關於科學本質的看法，由三個不同的面向，比較「傳統科學本質觀」與「現今科學本質觀」的異同，其分析的結果整理為表 2-1。藉由表 2-1 對於科學本質傳統觀點與現代觀點的比較，可做為在設計科學史教材時的參考依據，針對新舊觀點的不同之處，透過相關的科學史料與科學史教學活動，讓學生對於科學本質的現代觀點有更深刻的體會，提升科學本質教學的效益。林陳涌(1996)在其設計的「了解科學本質問卷」中，將科學本質分為「科學方法的本質」、「科學知識的本質」、「科學事業的本質」三個向度。在本研究中，將採用相同的向度分類，對於學生的科學本質進行前後測的分析比較，探討科學 11.

(21) 史融入教學對於即將面臨升學考試的高三自然組學生，在這三個與科學本質有關向度的影響程度。表 2-1 科學本質在傳統觀點與現代觀點的異同比較(劉錫忠和段曉林，2002，P2~P3) 科學本質的傳統觀點. 科學本質的現今觀點. 相同處. 均認同科學知識具有持續性、精確性以及可確認性. 相異處. 1. 視科學知識為絕對客觀的真理. 科學知識的本質. 1. 科學知識是經由人想像或推論而產. 2. 科學知識的真理可以不斷地累積。. 生的，因此並無絕對真理的存在。. 3. 以科學歸納法做為區分科學與非科. 2. 由於新的工具或反例出現，科學知識. 學的準則。. 有可能因此進行修正或是被推翻，理論的修正是為了更接近事實。科學知識是暫時性、不能累加的知識。 3. 科學理論的發展，需要經由科學社群的考驗。. 相同處. 科學事業的本質. 相異處. 皆認同科學家的工作，是為了瞭解真實世界的奧秘，並且應該誠實地公開研究的成果。科學知識都是來自於真實世界中原本. 科學家的工作是創作、發明，會受到. 就存在的真理，因此，科學工作並不受. 社會文化、科學社群等因素所影響，. 社會、文化、科學信念或科學社群所影. 不可能絕對的客觀；同一派典的科學. 響，科學家是絕對客觀的。. 家們所發展的假設、理論，需經由科學社群討論或辯論之後，方能形成其價值。. 相同處. 科學探究的本質. 相異處. 需透過觀察現象、資料蒐集與分析、建立假說、邏輯的論證…等方法，方能建構出新的科學知識 1. 對於現象進行中立且客觀的觀察，是. 1. 科學觀察並非完全中立、客觀，會受. 所有科學知識的起源。. 到科學家本身的信念、社會、文化…. 2. 探究的模式，需依照固定的步驟：「觀察現象→歸納事實→提出假說. 等因素影響。 2. 面對科學問題時，科學家所採用的科. →檢驗假說→形成理論或定律」. 學方法會因為研究環境、科學信念、. 這樣的模式被視為唯一的科學方法。. 文化素養…等條件，而有所不同。科學方法並沒有固定的模式與步驟，科學家的研究蘊含創造力的成分。. 二、國內教育課程綱要中與科學本質相關的討論教育部於 2003 年所制定的九年一貫課程綱要將「對科學本質之認識」列為重要的科學素養之一。由於分段能力指標的前言說明部分太過冗長，於 2008 年 12.

(22) 再次重新撰寫時，改採用條列式的方式呈現，將自然與生活科技學習領域中，國民科學與技術的重要基本能力，重新編排為八個要項。而「3.科學與技術的本質：科學是可驗證的、技術是可操作的」，這項強調學生對科學與科技本質之認識的基本能力，仍然被條列在第三個要項，該項目的分段能力指標整理如下表 2-2：表 2-2 九年一貫課程綱要內與科學本質有關的分段能力指標(教育部，2003) 主項目. 階段國小一～二年級國小三～四年級. 基本能力說明 3-1-0-1 能依照自己所觀察到的現象說出來。 3-1-0-2 相信每個人只要能仔細觀察，常可有新奇的發現。 3-2-0-1 知道可用驗證或試驗的方法來查核想法。 3-2-0-2 察覺只要實驗的情況相同，產生的結果會很相近。 3-2-0-3 相信現象的變化，都是由某些變因的改變所促成的。. 國小. 3-3-0-1 能由科學性的探究活動中，瞭解科學知識是經過考驗的。. 五～六年級. 3-3-0-2 知道有些事件(如飛碟)因採證困難，無法做科學性實驗。 3-3-0-3 發現運用科學知識來作推論，可推測一些事並獲得證實。 3-3-0-4 察覺在「以新觀點看舊資料」或「以新資料檢視舊理論」時，常可發現出新問題。. 科學與技術的本質. 3-3-0-5 察覺有時實驗情況雖然相同，也可能因存在著未能控制的因素之影響，使得產生的結果有差異。國中七～九年級. 3-4-0-1 體會「科學」是經由探究、驗證獲得的知識。 3-4-0-2 能判別什麼是觀察的現象，什麼是科學理論。 3-4-0-3 察覺有些理論彼此之間邏輯上不相關連，甚至相互矛盾，表示尚不完備。好的理論應是有邏輯的、協調一致、且經過考驗的知識體系。 3-4-0-4 察覺科學的產生過程雖然嚴謹，但是卻可能因為新的現象被發現或新的觀察角度改變而有不同的詮釋。 3-4-0-5 察覺依據科學理論做推測，常可獲得證實。 3-4-0-6 相信宇宙的演變，有一共同的運作規律。 3-4-0-7 察覺科學探究的活動並不一定要遵循固定的程序，但其中通常包括蒐集相關證據、邏輯推論及運用想像來構思假說和解釋數據。 3-4-0-8 認識作精確信實的紀錄、開放的心胸與可重做實驗來證實等，是維持「科學知識」可信賴性的基礎。. 數十年來，由於受到升大學考試的影響，高中的科學課程，在課程目標、課 13.

(23) 程理念及教學方面，都是以升學準備為導向，以學習升學所需的基本知能為主要目標，相較於國中小課程的激烈改變，高中科學課程並未有顯著的改變(鄭湧涇， 2005)。然而，由於大學的普及化，考上大學已經不是件困難的事，隨著高中教科書的編輯制度由統編改為審定，高中科學課程也逐漸地發生了變化。為了讓接受九年一貫課程教育的國中生進入高中時，能夠順利銜接，高中科學課程的目標、理念，甚至是教師的教學，都需要有所改變。九年一貫課程著重於國中小課程的綜向連貫與橫向統整，並強調以學生為教育主體的精神與導引學生適性發展，為了將這樣的理念延續至後期中等學校，教育部於民國 95 年制訂「中小學一貫課程體系參考指引」，做為發展中小學課程綱要的依據，以建構中小學一貫的體系。為了能夠培育學生成為世界公民，提升國民素質與國家競爭力，教育部在「中小學一貫課程體系參考指引」中，列舉出國小、國中、中等後期學校(高中、職業學校)學生的基本能力(教育部，2006)。基本能力可分為一般能力與學科(跨領域)能力，並依照不同年齡的發展階段，劃分為12歲(國小)、15歲(國中)、18歲(高中、職業學校)三個階段。在「中小學一貫課程體系參考指引」中，對18歲的高中學生所設定的四項物理學科能力，其中兩項是與科學本質有關連的，相關敘述如表2-3。表2-3 與科學本質有關的高中物理學科能力(教育部，2006) 物理學科能力敘述內容. 相關的科學本質. 3.能具有近代物理、現代科技的發展及宇宙演化. 科學事業的本質(科學與社會). 的基本知識，並了解其與社會、文化及日常生活的關係。科學知識的本質(暫時性). 4.能了解物理學的目的是尋求對物理現象的合理解釋，在過程中能持有不同的理論觀點。並. 科學事業的本質(科學社群). 能尊重別人的觀點及分辨觀點的正誤，以及能. 科學方法的本質(實證性). 與他人合作，有計畫的進行科學探究活動。. 由此可知，高中物理教師在設定教學目標時，除了課綱所設定的學科知識之 14.

(24) 外，科學本質也是應當設定於教學活動過程中需要重視的教學目標。如此才能與從前以培養科學菁英為目標的教育目標有所區別，才能符合當今的教育潮流－培養學生成為具有科學素養的公民。三、科學本質教學的相關研究許國忠、王靜如(2003)提出，許多學者認為，近年來科學教育界開始重視科學本質教學的原因在於：邏輯實證取向的學生，傾向採用機械式的背誦記憶學習科學；而建構主義取向的學生，比較能夠做有意義的學習。既然科學本質對於學生的科學學習具有如此重要的影響，那麼科學教師在進行科學本質教學時，應該設定哪些教學目標、融入哪些科學史內容？許良榮與蕭培玉(2007)依據林陳涌(1996)對於科學本質內涵所做的三個向度分類，透過大慧(Delphi)調查法，諮詢國內 20 名科學史哲、科學教育學者，歸納出在國小、國中、高中各階段應教導學生之科學本質的教學目標，結果整理在表 2-4。由表 2-4 得知，相較於國小、國中學生，對於高中階段的學生可將更豐富的科學本質內涵設定為科學本質教學的教學目標，透過科學史素材適當地融入課程中，並引導學生對於相關科學本質概念進行思考，增進高中學生對於現代科學本質觀點的認識。隨著科學哲學的觀點由從前的邏輯實證主義轉向當代的建構主義，科學本質的內涵也同樣地發生了改變。但是許多實徵性的研究指出，學生、科學教師以及教科書並未同步地跟上轉換的步調。翁秀玉與段曉林(1997)認為必須透過課程、教師、學生進行全方面的改善，才能提升學生對科學本質的瞭解，並針對「教師在課室教學中應該如何提升學生科學本質」提出數點建議： (一) 對學生而言從科學活動中主動思考科學本質的內涵是不容易的。因此，建議教師必須主動地協助學生連結課程內容與相關的科學本質內涵。 (二) 透過科學史可協助學生瞭解科學知識形成的過程，對科學有更完整的認 15.

(25) 識。建議教師可在教材中融入合宜的科學史素材。 (三) 建議教師營造類似科學家在探究問題時的學習情境。 (四) 教師必須要將科學本質融入教學信念中，惟有重視科學本質的重要性，才可能在課室教學中充分的表現。表 2-4 各階段應教導學生之科學本質的教學目標(許良榮、蕭培玉，2007，P9) 科學本質教學的目標讓學生瞭解「做科學或科學探究」並非只有單一的方法。. 國小. 國中. 高中. ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解科學研究中「觀察是經由理論引導或詮釋」。. 科學方法的本質. 讓學生瞭解科學家在實驗前通常會預設結果，而當結果與預測不同讓學生瞭解研究的過程應包含問問題和解決問題的過程。. ˇ. 讓學生瞭解「數學」在科學探究中的重要性。. ˇ. ˇ. ˇ ˇ. 讓學生瞭解科學方法的客觀性（例如：科學方法的可檢驗性）。. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解科學家常使用的科學方法（例如：歸納法、演繹法）。. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解科學方法的侷限性。. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解科學知識具有暫時性，並非恆久不變。. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解科學知識或理論的產生，並非完全依據觀察。. ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解「定律」和「理論」在科學中扮演不同的角色。. ˇ. 讓學生瞭解新的科學知識應該經由公開、清楚的發表，並接受檢驗。. ˇ. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解科學知識的產生與發展，有賴於人類的想像力和創造力。. ˇ. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解科學具有「逐漸演化」和「革命替代」的特徵。. ˇ. 讓學生瞭解科學知識是被發明的，不是被發現的。. ˇ. 讓學生瞭解科學知識的「可複製性」。. 科學事業的本質. ˇ. 讓學生瞭解科學方法的主觀性（例如：科學信念）。. 讓學生瞭解科學的目標之一，是對自然現象提出解釋。. 科學知識的本質. ˇ. 時，科學家通常不會察覺理論出了問題。. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解科學知識的「可驗證性」。. ˇ. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解科學知識的「可實驗性」。. ˇ. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解科學是社會傳統與人類文化的一部分。. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解科學、社會、科技會相互影響。. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解不同文化背景與行業的人們，對於科學都有貢獻。. ˇ. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解科學家需要正確的保存記錄，並讓同儕檢驗。. ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. 讓學生瞭解科學家的想法受到社會環境和文化背景的影響。讓學生瞭解科學家選擇研究主題和方法時，會受到社會價值和科學. ˇ. 社群的影響讓學生瞭解有關科學的爭議需要透過科學家們共同討論與溝通，來. ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. 獲得解決讓學生瞭解社會上有關科學或科技的決策問題，可以經由社會大眾共同決定。 16.

(26) 由於當前教育的重心逐漸地由從前「培養科學專長的菁英分子」轉變為「培養具有科學素養的公民」。而科學本質是科學素養的重要項目之一，因此，近十多年來，許多科教研究者開始致力於提升科學本質教學的相關研究。謝甫宜與洪振方（2010）認為近年來科學本質教學的相關研究大致可以分為三類型：「隱喻式教學方法」、「歷史取向教學」、「明示性的科學本質教學」。 (一) 隱喻式科學本質教學：將科學過程技能(Science process-skill)融入教學與科學探究活動中，提供學生實做的經驗，讓學生如同科學家一般的進行實驗與探究活動。這類型的教學模式稱為做科學(doing science)的課程，期望學生能在實際體驗科學探究的過程中，增進對科學本質的認識。 (二) 歷史取向教學：透過將科學史融入教學活動中，增進學生對科學本質的認識。洪振方(1998)認為科學史融入教學能夠讓學生體會科學家在面對科學問題時的思考歷程，有助於學生學習解決問題的方法、瞭解科學知識、增進對科學本質的認識，並指出不論是以科學發展史或科學概念做為科學史融入教學的主軸，有兩個重點是必須要強調的：一個是科學家問題解決的歷程，另一個是概念理解、問題辯證的過程。 (三) 明示的科學本質教學： Lederman & Lederman (2004)認為如果在科學概念教學後，能採用明示 (explicit)的教學方法介紹科學本質，較能提升學生對於科學本質的認識。 Rudge & Howe (2009)也指出藉由明示性教學以及反思性活動的方式，將科學史融入教學中，可以加深學生對於科學的認識。謝甫宜與洪振方 (2010)指出，在科學本質教學中，若能明確地指出科學本質，藉由反思探究活動，並將科學本質視為教學目標，是最能夠增進學生科學本質的教學方法。 17.

(27) 為了能夠有效地透過科學史教學活動讓學生對於科學本質現代的觀點有更深刻的體會，本研究將科學史教學活動安排在相關科學概念教學之後，安排相關科學史小故事讓學生閱讀，透過引導學生對於科學本質相關問題進行思考，並在課程的規劃上將科學本質視為教學目標之一，期盼能透過上述科學史教學活動的安排，使學生對於科學本質有更深刻的認識。. 第二節. 科學史教材編輯的相關研究. 在科學教育研究文獻中，有許多學者認為在教學中融入科學史哲，對於學生學習科學是有幫助的(許良榮、李田英，1995；林陳涌、鄭榮輝、張永達，2009； Hodson，2008)。Hodson(2008)綜合許多學者的研究及相關論點，認為將科學史融入科學教學具有三項優點：（引自陳婉. ，2012，P37~P38）. (一) 透過科學史，可以讓學生瞭解課堂上所談論的科學理論、科學概念，都是由一群研究者在當時的時空背景下，基於個人的喜好或是需求，為了解釋特定的現象、回答特定的問題，而發展出來的知識。在課程中可強調研究的動機、企圖、研究過程發生的錯誤、面對新的理論時，科學家內心的掙扎….等，透過上述科學史內容可以讓學生體會科學不再是冷冰冰、理所當然的知識，而是由人所創造出來的知識。 (二) 透過科學史融入教學，可以讓國家的公民擁有基本的科學素養、科學知識、科學技能，讓大多數並非從事科學相關工作的公民，在面臨社會問題時，例如：環境、能源、核四…等，能夠因而做出適合的判斷。 (三) 透過科學史融入教學，可以讓學生知道科學家其實跟一般人一樣，幫助學生打破科學神話與萬能的想法。藉此，讓學生更瞭解科學的本質與培養探究的精神。科學史在科學教育中扮演了多重的功能與角色，能在學生學習科學的過程中，提供許多正面的影響。Oldroyd(1977)認為利用科學史進行科學教學，能夠讓學生 18.

(28) 體會科學家面對問題時的思考模式或實驗探究的歷程，建立解決問題的方法；透過科學理論的發展史，學生能夠瞭解科學理論是不停地持續在改變，現有的科學理論也許在未來會被發現是錯誤的，從而接受自己在科學學習過程中的錯誤；透過合適的科學史案例，學生能夠從中體會科學家創造理論、解釋現象的過程；讓學生瞭解科學並不只是單純的科學，科學、科技、社會是會互相影響的，藉此拉近科學與人文間的距離。(引自許良榮、李田英，1995，P15) 雖然，上述許多學者皆認為藉由科學史融入教學可以提升學生的科學學習以及對科學本質的認識，然而 Abd-El-Khalick & Lederman(2000)主張，除非採取明示的教學策略，否則採用科學史或科學史哲的課程，不容易對於學生在科學本質與科學探究的瞭解產生明顯提升的結果。鄭湧涇(1982)認為科學教材是學生學習與思考的重要依據，科學知識本身的學習應屬於次要的，最重要的應該是人們追求知識與創造知識的過程，透過科學史能夠幫助學生達成這個目標。因此，在編輯科學教材時，科學史是不可或缺的重要成份，如果一份科學教材資料，只呈現科學現象、科學家提出的假說與理論、科學公式...，讓學生依循著一定的步驟，尋找出試題的正確解答，這樣的教學活動，只能算是科學「訓練」不足以被稱為科學「教育」。美國「國家科學教育標準(National Science Education,1996)」中的「科學史與科學本質標準」對於不同學習階段的科學教育，該如何在教學活動中使用科學史與科學本質，有著不同的建議：(引自羅豪章，2004，P4) (一) 幼稚園～四年級：應著重於人類對科學的相關努力 (二) 五年級～八年級：可在課程中加入科學本質與科學史 (三) 九年級～十二年級：再加入科學知識的本質和歷史的觀點 Brush(1992)指出科學史融入教學是需要規劃的。許多國內的教師都有意願在教學中嘗試融入科學史，但卻往往不知道如何選擇合適的科學史教材，也不清楚 19.

(29) 如何將科學史料有效地運用在教學過程中，使得許多教師以為科學史只是個讓課程比較沒那麼無聊的故事，誤認為所謂的科學史融入教學，就只是朗讀課文旁的科學小故事、介紹科學家的生平與相關研究而已，如此一來，自然無法發揮科學史融入教學的效用。既然將科學史融入教學是需要事前規畫的，那麼在設計教學活動時，除了需事先考量課程內容、教學時間、學生程度...等因素外，在各階段的科學教學中，教師應該在科學史教學中放入哪些內容呢？許良榮與蕭培玉(2007)透過大慧調查法，諮詢國內 20 名科學史哲、科學教育學者，歸納出在國小、國中、高中各階段設計教材時可放入教材中的科學史教學內容，結果整理如下：表 2-5 各階段科學教材中適合放入的科學史教材內容(許良榮、蕭培玉，2007，P9) 科學史教學內容說明. 國小. 國中. 高中. 科學家的生平事蹟。. ˇ. ˇ. 科學家如何推理或說明現象。. ˇ. ˇ. 科學家如何歸納整理實驗或現象資料。. ˇ. ˇ. 科學家的研究或實驗記錄手稿。. ˇ. 科學家之間的爭論或辯論。. ˇ. 教材中呈現科學家所使用的儀器、實驗器材等圖片。. ˇ. 說明新舊理論（如地心說、日心說）之間的差異性。. ˇ. 描述「科學」與「宗教」之間曾經發生過的衝突。. ˇ. 描述「科學時代背景」與「科學發展快慢和方向」的關係。. ˇ. 介紹科學發明或發現的過程。. ˇ. ˇ. 科學家的人格特質與思考。. ˇ. ˇ. 對科學革命有重要貢獻之科學家的認識論和方法論思想。. ˇ. 從上表的資料可知，相較於國中階段，高中教師能夠在科學史教學中，提供更多樣化的素材，透過呈現科學家之間在新舊理論的衝突、科學知識的逐漸演化或革命替代、社會文化對於科學知識發展的影響...等，讓已具備基礎科學能力的高中生，對於科學本質產生更深刻的體會。科學史融入教學內容的教材設計有兩種方式(Matthews,1994，引自陳婉. ，. 2012）：「附加式」(add-on approach)是以教科書為主體，先進行教科書概念的教 20.

(30) 學，再另闢單元以補充教材的方式介紹科學史的內容，這種教材設計的方式是將教科書與科學史各自獨立、分開的；「整合式」(integrated approach)，是以科學史歷史的發展順序對科學概念的影響做為主體，教師同時進行科學史與科學概念的教學，這種教材設計的方式是將教科書與科學史相互結合。賴淑婷(2007) 利用統合分析技術，分析國內共 34 篇科學史融入教學的研究報告，其結果顯示科學史融入教學對於學生的科學成就有低程度的提升效果；對學生的科學本質觀有中低程度的提升效果，而科學史教材的類型(附加式、整合式、混和式)為影響成效的中介項。. 第三節. 科學史融入高中教學的相關研究. 早期的科學教育，經常只著重於觀念的講解、公式的推導以及問題的解題技巧，學生總是被要求著不停的演練試題，背誦著老師精心整理過的重要觀念與公式，其他跟科學相關的因素，例如：科學家的人性、科學與社會間的關聯、科學概念的發展過程…等，因為考試不考，所以幾乎都不受到重視。在這樣「純」的、「體操式」的科學教育之下，學生對於歷史上有名的科學家，總是懷抱著偉人式的崇拜態度，似乎這些科學家們都是不食人間煙火，所做的任何事，都是科學的、無私心的(傅大為，2001)。即使到了現在，仍然有許多科學教師認為，使用內容精要、缺乏詳細描述的講義或自編教材，將科學研究的最終結果，以精要、有條理的方式，正確地描述給學生，是最有效率的教學方式。在這種濃縮式的食譜教育方式下，程度好的學生也許只要上課聽懂老師的上課內容，再利用課餘時間多做演練，即可達成教師預期的教學目的；然而，隨著十二年國教的實施，學生程度差異越來越大，反應沒有那麼快的學生，沒辦法同步聽懂老師的授課內容，這些學生很難藉由重新閱讀這些只有綱要的教材，靠自己學會課程內容。 21.

(31) 許多學生對物理的印象常常是公式一大堆、題目看不懂，杜鴻模(2002)認為學生對於物理會有這些印象的原因在於，物理教師經常在教學時間壓力下，為了提升教學的效率，將描述內容詳盡的教科書閒置在一旁，提供學生不合適、內容較精簡的講義教材。此外，物理的概念是人們藉著思索的過程，經由科學社群的努力所建構出來的產品，學習物理的目的並不是背誦重點、記憶公式，定律與公式僅僅是思索過程的最終結果。在學習物理的過程中，伴隨著相關的科學史，能讓學生對於物理概念的思索過程有更深刻的體會，公式與定律自然而然地就成為幫助學生對於相關物理概念與思考過程，做總結的最佳工具。本研究所採用林陳涌(1996) 所發展的「了解科學本質量表」對於學生的科學本質觀點進行前後測的比較，該量表的作者建議高中教師如果想要提升學生對於科學本質的認識，可依據年級與選修類組的不同，著重於不同的地方，其建議為：可在高一的基礎理化、生物、地科教學中增添科學史的介紹，或是對於高二、三的第一類組學生進行 STS 科學課程教學；除此之外，林陳涌(1996)也指出透過 STS 或科學史教學在學生學習科學的程序性知識時，能提供有效的幫助，然而，這類型的教學活動不易在現行教科書文化及高升學壓力下執行，也許是因為上述兩個原因，在提升學生科學本質認識的教學策略上，針對高二、三自然組的學生並沒有提出任何相關的建議。近年來，許多將科學史融入高中教學的相關研究其對象大都是在升學壓力較小的高一學生。陳淑媛、洪振方(1998) 以行動研究的方式，將學生分為實驗組與對照組，透過歷史個案研究、互動式歷史小品兩個模式，進行高一基礎物理光學、熱學兩個單元的教材編寫與教學，根據其研究結果指出，持續地進行科學史融入教學的確能幫助學生更加瞭解科學本質。Galili & Hazan (2001) 將早期科學家們建立光的認識、想法、觀點、概念..等融入課程內容中，並提出經科學史融入教學後，學生在學科知識上的表現獲得提升效果的結論，並指出透過接觸科學各個面向的教材，能正面地影響學生對於科學的觀點，並提升學生的興趣與學習 22.

(32) 動機，這樣的課程才是物理教育，而不是物理訓練。在科學史教學的課程安排上，關於科學史素材與教科書內容的教學順序，邱奕華(2012) 在科學史融入高一基礎物理課程的研究中，探討科學史與概念學習的順序對於學生學習的影響，並指出恰當的科學史教學順序對於學生的學習是有助益的，不恰當的科學史教學順序容易增加學生在學習過程中的認知負荷，因此建議在科學史融入教學前，可先進行相關科學概念的教學。Dagenais (2010)藉由自述回顧的方式，說明自己如何利用一連串的故事，進行中學物理的教學活動，並於文中提出在科學史課程設計時，應根據科學史是否具有社會與經濟影響後果概念以及能體會當代科技技術發展概念的原則，做為融入科學史課程的篩選條件。相較於上述在高一階段進行的科學史教學研究，將科學史融入高二、高三自然科課程的國內相關研究數量較少，姜志忠、張惠博、林淑梤、鄭一亭(2006) 根據 Monk 和 Osborne(1997)所建議的模式，將物理史融入高二及高三的物理教學課程，讓學生討論歷史情節，並於課後提供詳細的歷史資料與反省作業，協助學生學習現代的科學認識觀點，經由長達兩年的教學活動，其結果顯示假若教學時間足夠，物理史融入教學的學生，其科學認識觀將會更符合現代的觀點，尤其是原先保持著傳統科學認識觀的學生，進步更明顯。在科學史教材的設計上，國內多數的相關研究都是以教科書內容為主體，在完成教科書的科學概念教學之後，再將科學史素材以附加補充教材的方式進行教學。林陳涌、鄭榮輝、張永達(2009)則是針對高三分子生物學的單元，將原有教科書的內容與科學史素材整合，編輯為一份完整的科學史教學教材，其教材內容分為五個主軸，藉由呈現科學活動、科學知識與科學社群的動態交互作用，設計相關的科學史課程，歷時約 60 年，包含將近 20 則科學史事件，該研究指出經過科學史教學後，實驗組學生在科學本質觀以及對科學態度的表現上，顯著優於對. 23.

(33) 照組學生。從上述國內科學史融入高中教學的相關研究得知，大多數的研究皆認同藉由科學史融入教學的模式，能夠對學生的科學本質觀點產生影響，而且能夠因此更加接近現代的科學本質觀點。另外，許多現職教師往往擔心學生的學習成就表現會因為原有課程的教學時間減少而受到影響，對於科學史教學恐怕會影響學生學習成就的疑慮，上述相關的科學史教學研究多數認同在教學活動後學生的學習成就表現，並不會因此而明顯的表現不佳，即使是將面對升學考試的高三學生，也得到相同的研究結果。經由文獻探討的過程，研究者對於近幾年國內科學史融入高中教學的相關研究有了基本的認識後，開始進行相關科學史素材的收集，並進行相關課程、教學活動的規劃，期待藉由安排合適的科學史教學活動，能夠對學生的科學本質觀點產生影響，並且使其更接近現代觀點。在國內科學史融入教學的研究中，大多數都是透過傳統試題評量學生的學習成就，然而此類型試題並不能測量學生的科學素養，而科學本質正是科學素養的其中一部分，因此本研究將透過傳統試題以及自行設計的 PISA 試題對於學生的學習成就進行評量，比較在科學史教學之後，學生的表現是否有所差異。. 24.

(34) 第三章研究方法在傳統升學主義環境接受師培教育的教師，如何在長時間重視科學知識記憶與試題計算演練的高中物理教學裡，藉由編寫合適的科學史教材、設計蘊含科學本質的思考問題並且將科學史融入教學活動，提升學生對於科學本質的認識，透過分析學生在教學活動前後對於科學本質觀點與學習成就是否有所改變，並依據學生的學習感受適時地進行課程的調整，依據結果做為研究者後續相關教學的參考。本章主要可分為五節，第一節為研究架構設計與研究流程；第二節為研究樣本；第三節為研究工具；第四節為教材與教學設計；第五節為資料蒐集。. 第一節. 研究設計與研究流程. 本研究採用準實驗研究的設計，教師即為研究者，在確定研究問題的範圍及閱讀相關文獻之後，根據設定的研究教學範圍設計科學史教材，並將研究者任教的班級分為「科學史教學」、「一般教學」兩種教學活動模式，透過觀察「科學史教學」、「一般教學」兩種教學活動模式下學生的表現，並比較不同教學活動模式實施前後學生表現的差異，探討兩種教學模式對於學生的影響。研究者期望能透過本研究瞭解，在融入科學史教學與問題討論、思考等活動的教學之後，學生在科學概念學習與對於科學本質認識的影響程度與一般教學模式的學生是否有所差異？並藉此回答研究問題： (一) 融入科學史小故事與科學本質相關問題的閱讀與思考後，學生在科學本質上的改變與一般教學的學生，是否有所差異？ (二) 融入科學史小故事與科學本質相關問題的閱讀與思考後，學生在科學學習成就上的改變與一般教學的學生，是否有所差異？ 25.

(35) 此外，許多科學史融入教學的相關研究，在探討學生的科學學習成就時，多半採用傳統的學習成就測驗，此類型的學習成就測驗，往往著重於鑑別學生是否有效記憶學科知識的內容與熟練試題解決的計算過程；本研究藉由設計 PISA 類型的學習成就測驗，透過情境式的試題，評量學生是否能夠有效地利用學科知識，尋找出合理的問題解決方法。藉由探討、分析 PISA 試題的評量結果，進而回答另一個研究問題： (三)融入科學史小故事與科學本質相關問題的閱讀與思考後，學生在 PISA 情境式試題的表現與一般教學的學生，是否有所差異？研究者根據前述的研究動機、研究目的、研究問題以及相關文獻分析，提出下列圖 3-1 說明研究架構與實驗設計：. 自變項. 依變項學習成就. 科學史教材教學. 科學本質的認識. 蘊含科學本質問題討論. 學習感受依變項. 前測. 後測. UNOS. UNOS 學習成就. 一般教學模式教學時序. 熱. 波. 聲. 學. 動. 波. 幾何光學. 科學史教學模式科學史教材教學及科學本質問題討論自變項圖 3-1 研究架構與實驗設計圖. 26. 物理光學.

(36) 基於本研究的架構、實驗設計，本研究整體實施流程如圖 3-2 所示：. 擬訂研究目的與研究問題. 蒐集相關文獻. 尋找合適的科學本質量表. 設計教學模式、發展研究工具. 前測及前置作業. 第一階段實驗教學. UNOS (前測). 科學史教材 01~04. 學習感受問卷傳統型學習成就測驗(第一次). 第二階段實驗教學 PISA 類型科學素養試題. 科學史教材 05~06. UNOS (後測) 傳統型學習成就測驗(第二次). 資料分析、分析研究結果與討論. 撰寫研究報告. 圖 3-2 研究流程示意圖. 27.

(37) 第二節. 研究樣本. 研究者任教於新北市立某高級中學(原為國立，後改制為新北市立)，本研究以研究者任教高三班級學生為研究對象，該校學生家庭背景來自於社會各階層，入學時多數學生基測成績介於 PR88~80 之間，該校校風開放，在班級體育競賽、社團活動、班級合唱比賽...等，均給予學生充分自由的表現空間，至於物理課程平時的教學情境，多半採用講義做為主要授課教材，課堂教學模式大半以講授教學、互動問答為主，輔以科學小實驗、資訊融入教學做為提升學生學習興趣的活動。由於研究者所任教的三個班級均為高三學生，經溝通後其中一個班級因考量即將面對升學考試，無意願參與研究教學活動，因此研究者將兩個願意協助參與研究的班級分別採用不同的教學模式，觀察兩種教學模式對學生的影響。「一般教學」組為二類組班級、「科學史教學」組為三類組班級，兩個班級物理上課的時數相同，一周均有五堂物理課，兩個班級均與研究者互動良好，該校於高二時依據學生所選類組重新分班時，均依據高一學業成績進行Ｓ形分班模式。然而，由於類組不同，選修的科目有所差異，兩個班級在物理的學習成就表現也有些許不同，對照組班級自高二下學期開始在定期考試的成績表現一直保持在自然組前兩名，定期考試分數多半會略高於自然組總體平均；而採用科學史教學的實驗組，在定期考試的表現上屬於自然組中間稍微偏後的班級。由於兩個參與實驗教學的班級屬於不同的類組，在學生人數及男女生的比例都有些許差異，參與本研究實驗教學的兩個班級，學生基本資料如下表 3-1：表 3-1 一般教學組與科學史教學組班級學生基本資料組. 別. 一般教學組. 科學史教學組. 升學類組第二類組. 第三類組. 每週物理課堂數. 性別. 總人數. 選修物理. 5. 女生. 6. 輔導課. 0. 男生. 32. 選修物理. 4. 女生. 17. 輔導課. 1. 男生. 26. 28. 38. 43.