鷹架式探究課程對學生心智模式和科學解釋之影響：以板塊構造學說為例

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(1)第壹章. 緒論. 本研究主要探討在鷹架式探究課程前後，高一學生對於「板塊構造學說」（Plate Tectonics Theory）相關內容的心智模式與科學解釋之改變情形，以及所提供之兩種不同鷹架設計的教材是否發揮其效果。以下將介紹本研究的研究動機與背景、研究目的、研究問題、研究的重要性以及名詞釋義。. 第一節研究動機與背景. 2006 年《天下雜誌》所出版的教育專刊以「關鍵能力」當作主題，探討在全球化的時代中，孩子們到底該學習什麼？究竟是一直以來備受重視的學科內容知識？還是發展其他更為重要的能力？該期《天下雜誌》文中提及澳洲早在 1990 年就曾提出七項關鍵能力，其中包含：蒐集、分析、組織資訊的能力；2001 年的歐盟會議提出了八項關鍵能力，其中一項為運用數學與科學的基本能力（許芳菊，2006），相較其他國家，國內自 2001 年起開始從國民小學一年級實施的國民中小學九年一貫課程中，為了達成課程目標便提出了十項基本能力，其中像是：表達、溝通與分享；主動探索與研究；獨立思考與解決問題等，皆為重要的能力（教育部，2003a）。至於科學教育目標的方向，也有此趨勢，國內教育部《科學教育白皮書》中，提及科學教育之目標在於提升、運用探究能力解決日常生活中的問題（教育部， 2003b）。美國「國家研究委員會」（National Research Council, NRC）所出版的《國家科學教育標準》（Nation Science Education Standards）以及《探究與國家科學教育標準》（Inquiry and the National Science Education Standards）都強調科學應以探究為基礎進行學習、理解自然世界，也鼓勵教師藉由探究式教學來引導與促進學生學習（National Research Council [NRC], 1996, 2000）。. 1.

(2) 近年來常被提及的芬蘭，是很值得吸取教育經驗的國家，在 2002 年-2005 年間，芬蘭連續三年被「全球經濟論壇」（World Economic Forum,WEF）評比為全球競爭力第一名(WEF, 2003, 2004, 2005)；自 2000 年開始，由「經濟合作發展組織」（Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD）每隔三年所舉辦的「國際學生評量計畫」（Programme for International Student Assessment, PISA），芬蘭的中學生連續三屆的各項評比都名列前茅（Meyer, Pauly & Poele, 2005; OECD, 2007）。芬蘭今日之所以有這樣的成果，是經過長時間的教育改革所造就出來的。很早以前芬蘭也是採取傳統式的教法，教授的是知識，然而，現在改變教育方式，教孩子如何學習怎麼學習，讓孩子培養自我學習的能力。隨著時代的變遷，教育也應跟隨全球化而有所改變，從各國的教育理念可發現無不都希望孩子能培養各種關鍵能力，以提升自我競爭能力。且從上述各國的教育目標可發現大多從過去以知識為導向，進而轉變成越來越重視各種能力，此外，洪蘭教授（2008，10 月）在一場演講中曾提到一個概念「隨著科技的日新月異，使得在腦神經的研究方面越來越進步，從中可得知若以過去傳統式教法：老師講述、學生聆聽，對於學生在學習上不一定會有所成效」，因此，近年來的教學方式乃由傳統講述式轉變成以探究的方式來帶領學生學習、培養各種能力。學生在進行探究的過程中，主要是以學生為中心進行學習，在此過程中，資料訊息之龐雜，往往超過學生能力可及之範圍，因而造成學習上的負擔，故則需透過些許輔助以幫助學生進行學習，所謂的輔助乃提供具有鷹架設計的教材或工具等以支援學生，藉此提升學習者學習能力（McNeill, Lizotte, Krajcik & Marx, 2006; Sandoval & Reiser, 2004）。鷹架一詞乃Wood, Bruner和Ross（1976）基於維高斯基（Vygotsky）所提出的近側發展區(The zone of proximal development, ZPD)概念，更進一步提出鷹架的構想，希望藉由鷹架的輔助提升學生潛在的能力。在教學情境中，以依照鷹架來源種類大致區分成兩大類：1.鷹架來源以人為主的鷹架策略包括：同儕互動、教 2.

(3) 師引導、師生對話、2.鷹架來源以物為主的鷹架策略包括：學習單、軟體工具（Jackson, Stratford, Krajcik & Soloway, 1996; McNeill et al., 2006; Sandoval, 2003; 毛炳楠，2005；周淑惠，2005；簡錦鳳，2008）。本次研究所提供的鷹架種類將以學習單、軟體工具為主，藉由學習單中的文字引導以及軟體工具來幫助學生進行探究課程。故本研究針對板塊構造學說和臺灣的地體構造，設計探究導向的課程，並以文字提示和軟體工具作為鷹架，並透過開放式問題的測驗與晤談兩種研究工具，來瞭解學生在進行鷹架式探究課程前後心智模式的改變情形與科學解釋的改變情形，進而探討課程所提供之鷹架的影響。. 第二節研究目的. 本研究主要之目的在於瞭解高一學生在進行鷹架式探究課程前後，其心智模式、科學解釋之改變情形，以及檢視兩種不同鷹架設計對學生心智模式和科學解釋之影響所在。期所根據本研究所發現的結果，提出對鷹架式探究課程之設計方針以及推廣此教材的參考建議與改進方法。. 第三節研究問題依據研究目的，本研究具體的研究問題，如下： 1.. 學生在課程進行前後，其心智模式改變情形為何？. 2.. 學生在課程進行前後，其科學解釋改變情形為何？. 3.. 兩種不同鷹架設計的教材對於學生心智模式的形成影響為何？. 4.. 兩種不同鷹架設計的教材對於學生科學解釋的影響為何？. 3.

(4) 第四節研究的重要性. 本研究的重要性可分為以下幾點： 1.. 過去國內外所進行的探究式課程研究，大多主要針對國小及國中的學生所設計，且其中所提供之鷹架形式多以軟體工具為主。本研究則針對高一的學生所設計，並主要以學習單的文字提示及搭配軟體工具做為鷹架設計來幫助學生學習，希望能藉此瞭解文字提示的輔助成效情形。. 2.. 「板塊構造學說」在地球科學領域中，扮演極為重要的角色，然學生於學習此主題時卻遭遇到許多困難，例如：（1）地球內部層狀結構因無法由外部直接觀看到內部，需透過想像來進行理解，故學生對此空間上的結構概念，像大小尺度等較缺乏；（2）熱對流之動態過程無法親眼看到，需透過想像來進行理解，故學生在熱與對流間之交互作用或對流與板塊的運動間之交互作用影響較難理解；（3）地質作用所使用之時間尺度往往較一般生活中常用到之時間尺度還要更長，故學生對此概念較感困難（Ault, 1984; Gobert, 2000; Gobert & Clement, 1999）。此外，每人的認知發展階段成長速度不一定一樣，即使年齡已達皮亞傑所謂的「形式運思期」，仍未必能以抽象的方式進行思考、瞭解。因此本研究試圖探究學生如何在鷹架輔助的探究前後對於板塊運動理解的增長情形。. 3.. 在科學探究過程中，科學解釋能力的建構扮演重要的角色（Smith & Reiser, 1997; Sandoval & Reiser, 2004; Kuhn & Reiser, 2004），而國內外的研究多探討國小及國中學生的解釋能力（McNeill et al., 2006; 吳佳蓮， 2006），本研究則主要探究高一學生在課程前後，其科學解釋改變情形。. 4.

(5) 第五節名詞釋義. 將本研究中所涉及之相關重要名詞與操作型定義，分述如下： 1. 鷹架式探究課程：探究活動涵蓋的內容包括：提出問題、計畫並進行研究、分析資料、形成模式及應用等，而本研究所研發的探究課程重點主要是針對分析資料、形成解釋或模式及溝通等能力培養，並且於探究課程中加入輔助學習的文字提示和軟體工具鷹架，以促進學生心智模式的改變及建構科學解釋。 2. 板塊構造學說： Morgan, Mckenzie, Parker 和 Pichon（1968）提出板塊構造學說，其說明地殼運動及相關現象與成因的一套學說，該學說認為地球表面堅硬的岩石圈破裂成大大小小的板塊，這些堅硬的板塊隨著其下軟流圈的對流推動而移動。此外，還可藉由板塊的運動來解釋地震、造山運動、火山活動等地質作用。本研究所探討的「板塊構造學說」，主要以現行高級中學基礎地球科學所教授之概念為範圍，其主要學習內容包括何謂板塊、板塊運動動力來源及板塊構造學說之各類證據。 3. 心智模式： Johnson-Laird（2001）認為心智模式乃一個人反應出對事件或現象的理解，為一種表徵或圖像（Image），本研究透過開放式問題測驗工具以及晤談，讓學生藉由紙筆以圖及文字的方式來描述其所理解之板塊運動，並從心智模式功能中描述及解釋的觀點及 Chi 和 Roscoe（2002）、 Vosniadou 和 Brewer（1992）的觀點，藉此探究學生心智模式的改變。 4. 科學解釋： IQWST教學模式（McNeill et al., 2006; Sandoval & Reiser, 2004）包. 5.

(6) 含三個要點：（1）說明主張（Claim），主要為描述問題、（2）提出證據（Evidence）：從觀察、實驗數據等，找尋適當可支持主張的資料、（3）推理解釋（Reasoning）：說明資料為何可做為支持主張的證據，並進一步以科學定律連結主張與證據，本研究依據此要點來進行研究工具之設計，並探討此三個要點的改變情形。. 6.

(7) 第貳章. 文獻探討. 本章旨在探討本研究所依據的理論基礎，第一節探討科學探究在教育的定位，再從文獻分析來界定探究形式；第二節探討鷹架學習的理論與策略以及在科學探究教與學上的鷹架設計；第三節討論心智模式的意涵；第四節說明科學解釋及相關模式；第五節先介紹板塊構造學說沿革，再說明板塊構造學說相關研究的重要發現；第六節針對板塊構造學說說明現行的教材設計。. 第一節科學探究. 近年來越來越多課程是以科學探究導向為基礎，也就是說探究於教學中占有一席之地，然而這也不單只是目前科學教育的趨勢，早在距今 100 年前，就曾有不少學者提出此概念。1909 年杜威（Dewey）在美國科學促進學會（American Association for the Advancement of Science, AAAS）中發言，批評過去的科學教育過於強調直接灌輸來累積知識，反而忽略思考過程、方式與態度，他更指出學習科學不單只是習得記憶性知識，同時也應學習過程或方法，並建議 K-12 （Kindergarten through 12th grade）的科學教育使用科學探究（Inquiry）為教學策略（Barrow, 2006；Dewey, 1910；洪振方，2003）。 1960 年，另一位具影響力的學者舒華布（Schwab），主張科學應是以探究的方式教導學生了解科學家是如何形成假說與解釋資料的方法，且鼓勵藉由實驗室來進行科學概念的研究與調查，也就是提倡以實驗研究為上課方式，稱為「探究如何探究（Enquiry into enquiry）」（Schwab, 1962, p.65），學生先利用與閱讀有關科學研究的報告或書籍，之後再如同科學家般，一起針對該研究進行討論，內容包括：研究問題、收集的資料、工具的角色、資料的詮釋和發展任何暫時性的結論。換言之，其實驗活動之科學探究過程包括：探討問題來源、資料收集方法與步驟及結果解釋，故又可分成三層次：最簡單的層次是提供學生問題與方法， 7.

(8) 學生只要去找結果即可；第二個層次則是只提供問題，至於方法與結果則待學生自行尋找；第三個層次則是問題、方法及結果皆由學生自行決定設計和完成。荷倫（Herron）於 1971 年把舒華布（Schwab）的實驗活動層次更加精緻化，增加了一個具高度指導的層次-第零層次，此層次則是問題、方法及結果皆提供給學生，學生只要去按步驟去驗證已知的結果即可。而拉賽福（Rutherford, 1964）則建議探究活動之進行，應過程與內容兩者並重，且當學生瞭解如何發現問題答案的方法時，將有助其未來從事事物的探究，此外也建議科學教師應具備科學史哲的背景，以幫助學生深入進行探究（Barrow, 2006；Rutherford, 1964；Schwab, 1960； Schwab, 1962；Tamir, 1989）。鑒於眾多學者的建議，美國科學促進學會於 1989 年公布一項「2061 計劃：美國科學全民化」（Project 2061：Science for all American），此政策改變了原有的教學模式，其中提及不應強調記憶知識，應學習科學探究與探討科學本質、相關的態度與技能，並訂出全體學生在 12 年級畢業時所需具備的科學能力（AAAS, 1989）。 1996 年，於美國國家研究委員會（NRC）所出版的《國家科學教育標準》中，呼應先前 Project 2061 的主張，並加以蛻變，指出科學能力的總目標為科學探究，提出科學即探究（Science as inquiry）：學生應瞭解何謂科學探究、從過去的經驗中進行科學探究以發展科學能力以及教師應以探究導向的活動為教學策略。到了 2000 年，《探究與國家科學教育標準》一書針對先前提及的探究再補充說明，並指出科學探究的五個基本特徵，意即探究式教學的五個階段包括：第一為提出讓學生檢視原本想法衝突的問題；第二為學生基於想法的衝突，開始形成假說並詴圖解釋；第三為針對各種數據或證據提出解釋並逐漸形成自我的模式；第四為把此模式套用至另一情境；第五為把形成模式的過程與內容與其他學生和教師說明分享（NRC, 1996, 2000）。除了國外改變原有的教育目標外，國內亦提出主動探索與研究、獨立思考與解決問題、提升並運用探究能力解決日常生活中的問題等科學教育目標，希望藉 8.

(9) 此改變原有的教學模式。從上述科學探究的歷史到科學教育的目標，可發現國內外科學教育的趨勢，無不強調科學應是學生透過探究的歷程而習得之，不應只是單向由教師灌輸知識（教育部，2003a，2003b）。。此外，教學中倘若要以探究的方式來進行，其形式不單只有一種，而是可以依照在探究活動過程中，於研究問題、研究方法等方面學生與教師所占之主導情形加以區分，以下簡介兩位學者對於探究活動的分類情形： Colburn (2000)將探究活動區分成三大類，有結構式探究（Structured inquiry）、引導式探究（Guided inquiry）與開放式探究（Open inquiry），其中結構式探究近乎食譜式探究，但不像食譜式提供如此多協助，例如食譜式探究會告知學生研究問題、進行的方式以及最後的研究結果，而結構式探究只告知研究問題與提供進行的方式和所需之器材；引導式探究與開放式探究之差異在於引導式會給予學生研究問題，而開放式探究則讓學生自由尋找。 Martin-Hansen (2002)則將探究活動區分成四大類，有開放式或完全的探究（Open or full inquiry）、引導式探究（Guided inquiry）、並行式探究（Coupled inquiry）與結構式探究（Structured inquiry），其中，開放式或完全的探究屬較高層次的探究思考活動，因教師完全放手讓學生如同科學家般自行進行探究；引導式探究則由教師給定研究問題，並在教師的提問引導下，逐步進行並完成探究活動與解決其中所遇到的困難，包括決定進行研究的方式等；並行式探究則結合引導式與開放式或完全的探究等兩種方式進行探究活動；從事結構式探究時，學生需依照教師的指示來進行類似食譜式的探究活動，以得到最後的結果。從上述文獻可發現，探究可分成如此多類型，然而並沒有哪種類型就一定是最好的教學方式，教師應配合不同課程、不同教學目標，甚至依不同年齡及程度的學生，來選擇適合的探究形式。而為了滿足教師教學上的不同需求，學者也紛紛依照某種教學目標來規劃出各式各樣以探究為基礎的教學模式，以下主要簡介兩種以探究為基礎的教學模式： 9.

(10) 一、探究環（The Inquiry Cycle） White 和 Frederiksen 於 1998 年提出，其視探究的過程為一種循環並把它分成五個階段，且在進入下一階段前，學生需不斷進行自我反思以檢視所學內容：（一）提出研究問題（Question）：學生在教師的引導下，逐步思考並發現欲研究之問題。（二）提出假說或進行預測（Predict）：待學生找到研究問題後，教師請學生先針對問題自行提出初步的假說或先為後續研究可能遇到或發生的事情進行推測。（三）設計和進行實驗（Experiment）：為瞭解於真實情境所遇到或發生的事情，學生著手設計研究的方式並進行實驗。（四）建立模式（Model）：分析實驗所得之資料，並開始建立明確的概念模式，例如：分析整理發現的結果以形成科學定律或模式。（五）應用模式（Apply）：把科學模式或科學定律應用至新的情境中，藉此發現其中是有所限制的，並再提出另一研究問題以解決遇到的問題。二、科學調查網（The Investigation Web） Krajcik, Blumenfeld, Marx, Bass, Fredricks 和 Soloway（1998）認為探究過程並非線性，而是以如同網狀的結構，不斷地來回進行修正，其主要結構可見圖 2-1.1：（一）提出問題（Asking questions）：運用先備知識判斷問題預測之可行性等。（二）設計調查及計畫步驟（Designing investigations and planning procesures）：針對問題來決定研究進行的方式及各項的變因。（三）設置實驗儀器及進行調查（Constructing apparatus and carrying out investigations）：完成實驗設計與設置後，進行相關的觀察及測量。（四）分析資料及提出結論（Analyzing data and drawing conclusions）：分 10.

(11) 析及詮釋所收得之資料並提出結論。（五）合作學習及呈現結果（Collaborating and presenting findings）：與他人分享結果並互相給予回饋。合作學習及呈現結果提出問題分析資料及提出結論設計調查及計設置實驗儀器及進行調查. 畫步驟. 圖 2-1.1 科學調查網之探究歷程簡圖（翻譯自 Krajcik et al., 1998, p.316）. 由以上的教學模式可發現雖然探究的歷程有些許的不同，然而本質大致相同，故本研究參考前述的教學模式，「探究環（The Inquiry Cycle）」及「科學調查網（The Investigation Web）」，再修改謝莉文（2006）所整理出的科學探究過程，包括提出問題、計畫並進行研究、分析資料、形成模式及應用、溝通與合作學習，作為進行課程設計的依據，其中本課程之設計重點則為探究過程中的分析資料、形成解釋或模式及溝通等培養。. 11.

(12) 第二節鷹架學習的理論. 近年來國內外教育界漸由傳統講述式教學法轉變成以建構主義為基礎的教學方式，並鼓勵教師採用探究的方式進行教學，而這意謂著從過去主要由教師提供知識、學生被動的接收學習模式，轉變成為由教師提供可以促進學生主動建構及理解知識的學習情境，然在學生主動建構、探究的過程中，其中資訊往往過於龐雜，造成學生學習上的負擔，此時，則需藉由輔助來幫助學習，所謂的輔助乃提供鷹架（Scaffolding）以支援學生學習。鷹架一詞乃Wood et al.（1976）基於俄國心理學家維高斯基（Vygotsky）所提出的近側發展區(The zone of proximal development, ZPD)概念，更進一步提出鷹架的構想，又Vygotsky所謂的ZPD則為實際原有的能力與經過指導後的表現能力（即潛在發展程度），兩者所顯示出程度的差異距離，又如圖2-2.1所示。. 近側發展區（ZPD）. 潛在發展層次（成人引導或與他人合作下之解決問題能力）實際發展層次（獨立解決問題能力）. 圖 2-2.1 近側發展區（ZPD）概念圖（引自周淑惠，2003，頁 14）. 此外，Wood et al.（1976）認為兒童在成人或能力較強的同儕幫助下，經由結構性對話，提供刺激與引導等暫時性支持，來達到較高層次的目標，此即所謂的鷹架（Wood et al. ,1976；谷瑞勉譯，1999）。由上述文獻可知，倘若在教學中，能提供適當的協助，將可促進學生近側發展區的發展，使其表現超過原先的能力。然而，教學中所提供之協助並非全部皆為鷹架，其應符合一些基本功能或原則。首先，Wood et al.（1976）提出六種鷹架的功能包括：「1. 引起動機；2. 降低學習負擔；3. 持續的指導；4. 指出明顯的特質；5. 挫折的控制；6. 示範」。 12.

(13) Greenfield（1984）則提出教學中所使用之鷹架，應有六個主要原則包括：「1. 實際教學活動中，由專家（教師）以適當能力充當學習者的鷹架。 2. 支持的程度依學習者的程度而調整。 3. 學習者的能力增進時，支持的數量隨之減少。 4. 支持的多少與工作難度成正比。 5. 支持以逐步漸近與隨時校正的方式進行。 6. 支持以導向內在化為目標，逐漸使學習者能夠獨立自主」（引自黃毓翎， 2004，頁18）此外，張莞珍（1998）認為教學中，可藉由教師提供適合學生學習目標與先備知識等支持性的學習鷹架，並透過師生對話等方式，逐步把學習責任遷移至學生，以達促進提升近側發展區的發展。依據上述文獻可發現鷹架具有暫時的支持性，也就是教師藉由搭鷹架與拆鷹架的過程，逐步轉移學習責任至學生。Cazden（1988）引用 Pearson 和 Gallagher 的鷹架模式（如圖 2-2.2）更清楚的說明教學間之學習責任遷移的關係，意即一開始之學習責任主要由教師透過講述或示範等方式向學生說明，當教師藉由引導練習逐漸釋放學習責任時，將可逐漸轉變為學習的責任控制是以學生為主體。於學習責任中所占之比例. 全部由教師負責. 講述、模式、示範等. 部分負責. 全部由學生負責. 引導練習練習或應用. 逐漸釋放責任. 圖 2-2.2 鷹架模式（翻譯引自 Fleer, 1992, p.375）. 13.

(14) 教學中，除了透過師生對話（Bruner & Haste, 1990 ; Fleer, 1992）做為教學的鷹架策略外，亦可採用分享活動、動態或視覺等間接物做為教學的鷹架策略（Bodrova & Leong, 1996），以幫助學生提升原先的能力。不論是使用何種方法做為教學的鷹架策略，Rogoff 認為教學的鷹架策略應有以下六個特性，包括：「1. 引起學生對於學習任務的動機、2. 簡化學習任務，讓學生更易掌控、完成目標、 3. 給予提示，以幫助學生聚焦在學習目標、4. 清楚指出學生的表現與標準或欲解決的問題間之差異、5. 降低學生可能遇到的挫折和危險、6. 示範並清楚定義將執行的活動期望」（引自 Stuyf, 2002, p.3）。透過教學鷹架策略的相關實證性研究，將可清楚瞭解鷹架策略於教學中使用的情形及其影響。以下將列出相關研究之重點摘要，並將其研究歸納如表 2-2.1 所示。首先，毛炳楠（2005）主要探討個案的國小數學教師於教學時，所採用之鷹架策略情形。經研究發現個案教師其使用之鷹架策略非常多元，依性質可區分出檢核性、引導性、挑戰性等三個類別，且可配合學生的反應運用不同的鷹架策略以滿足學生的需求。此外，其鷹架策略運用範圍從教室中的口語對談延伸至使用學習單讓學生獨立學習思考。然而，其並未再探討上述的鷹架策略對於學生學習的影響情形。周淑惠（2005）則分析幼稚園中所實施之課程內容，其所使用的鷹架策略情形。經研究發現所運用到之鷹架策略共有六項，其中又以前四項為主，包括：1. 回溯鷹架-幫助幼兒回憶舊經驗、2. 語文鷹架-透過言談及圖示的方式、3. 架構鷹架-提供思考或活動的框架，以幫助幼兒更易聚焦、4. 同儕鷹架-以混齡或混能的方式進行分組，透過同儕的刺激以幫助學習、5. 示範鷹架-先透過教師的示範，引導幼兒進行活動、6. 材料鷹架-運用多元的材料與表徵策略，例如利用圖示記錄表或是以黏土、繪畫等方式讓幼兒來表達想法。再者，簡錦鳳（2008）主要探討使用文字鷹架對七年級學生學習科學解釋的影響，以及分析鷹架的褪除與科學解釋能力成長的關係。其實施方式為在三個不 14.

(15) 同的班級分別使用不同的鷹架策略：一個班級於三次教學活動中皆採用完整文字敘述的學習單、另一個班級，只在第三次教學活動採用褪除部分文字敘述的學習單、剩下的一個班級，在第二和三次教學活動，即開始採用褪除部分文字敘述的學習單。研究結果顯示，接受持續的完整文字式鷹架教學對學生提出主張的能力幫助最大，太早褪除鷹架則會造成學習退步；不同學習成就學生，中成就學生經接受持續的完整文字式鷹架教學後，科學解釋能力進步最多。 Jackson, Stratford, Krajcik 和 Soloway（1996）主要是探討以學習者為中心所設計之軟體工具架構，以及軟體工具「Model-It」對於支持學生科學模式的形成和模擬之影響情形。其中，軟體工具之架構主要是透過任務、工具及介面的引導設計，以滿足學習者獨特的需求，像是發展（Growth）、多樣（Diversity）、刺激（Motivation）。另外，初步研究結果顯示，其介面所提供之動態和模擬真實的照片，可促使原本不知如何建立模式之高中生，能迅速的建立模式並進行簡單的測詴。其次，McNeill et al.（2006）主要針對七年級學生，設計一個以建構科學解釋為目標的課程。其中提供兩種不同的鷹架，包括持續且詳細的鷹架、隨著課程而逐漸減少提示的消退式鷹架。研究結果顯示，在科學解釋各方面，接受兩種不同鷹架的組別，皆有顯著的進步。但後測中，題目缺少鷹架說明的部分，以接受消退式鷹架的組別，在此表現較好，也就是說當無鷹架時，接受消退式鷹架的學生，仍可有較好的科學解釋能力。最後，Sandoval（2003）設計一種文字提示的軟體工具（ExplanationConstructor）做為學習的鷹架，以幫助學生產生有意義的科學解釋。研究結果顯示，此鷹架能協助學生在進行學習任務時，更聚焦於科學解釋的部分。. 15.

(16) 表 2-2.1 相關文獻中的鷹架策略相關文獻. 鷹架策略. 毛炳楠（2005）. 語言（其中鷹架提供的功能包括：檢核性、引導性、挑戰性）. 周淑惠（2005）. 回溯鷹架（重新回憶舊經驗）、語文鷹架（讀寫鷹架及言談鷹架）、架構鷹架（提供思考或活動的框架）、同儕鷹架、示範鷹架、材料鷹架. 簡錦鳳（2008）. 學習單（文字鷹架）. Jackson, Stratford, Krajcik & Soloway（1996）. 軟體工具. McNeill et al.（2006）. 學習單（文字鷹架）. Sandoval（2003）. 軟體工具（文字鷹架）. 綜合上述文獻，若把教學情境中常使用之鷹架策略（Scaffolding strategy）加以區分，以依照鷹架來源種類大致區分成兩大類：1.鷹架來源以人為主的鷹架策略包括：同儕互動、教師引導、師生對話、2.鷹架來源以物為主的鷹架策略包括：學習單、軟體工具。以及根據上述國內外研究指出，教師於教學中所常運用到的鷹架策略為教師與學生互動之對話，藉由關鍵問句等提供學生思考的方向（毛炳楠，2005；周淑惠，2005），亦可透過軟體工具等促進學生視覺或動態上的刺激以幫助學習（Jackson, Stratford, Krajcik & Soloway, 1996）。因此，在本研究課程中，所提供之鷹架主要參考探究環及科學調查網所提出的教學模式，進行學習單的設計，並以學習單中的文字提示（Written prompt）、軟體工具所提供的視覺鷹架為主以及教師提供指導下，進行探究課程。. 第三節心智模式. 隨著認知科學（Cognitive science）的進步，心理學家逐漸從不同的觀點來解釋或預測個人的內在表徵。最早提出心智模式概念的是 Kenneth Craik 於 1943 16.

(17) 年指出心智模式乃個體藉由過去的經驗，建構出對外在世界的「小尺度模式」（Small-scale model），並藉此模式或表徵來進行預測及推理。Johnson-Laird 於 1983 年則提出心智模式乃反應出個人對日常生活事物的理解及其推理過程，而此心智模式為一表徵或圖像且具特定性。綜合來說，個人的心智模式、外在世界與科學概念三者間有著密不可分的關係（Johnson-Laird, 2001, 2004; Johnson-Laird & Ruth, 2000; Norman, 1983; Perner, 1991），可藉由圖 2-3.1 來說明此關係。首先，外在具體世界則是由具體現象所構成、個人主觀的心智模式為個人從經驗及學習中所建構而成、客觀的概念模式則由科學家所建構而成。因此，當個體的感覺器官收到因環境中的刺激，所產生的訊息後，接著產生感覺，並經由腦統合作用，將感覺傳來的訊息加以選擇、組織並做出主觀解釋，產生概念模式，藉以解釋外在的具體世界。具體的世界覺察；知覺. 真實事物及過程（本質及形成）詮釋. 作用心智的世界心智模式（主觀. 解釋表徵. 概念的世界產生. 的個人知識）理解使神經網絡具體化. 概念模式（客觀的科學知識）轉譯為象徵性形式. 圖2-3.1 心智模式、外在世界與科學概念關係圖（翻譯自Hestenes, 2006, p.10）. 此外，Vosniadou和Brewer（1992）認為心智模式與本身概念有關，且受到限制。而Norman（1983）也認為心智模式會受到背景知識的限制，除此之外，他經觀察許多人在進行任務後，發現心智模式有以下六點特性：1.心智模式為不完備的（Incomplete），即對現象所持有的心智模式常不完全正確、2.運用能力 17.

(18) 至心智模式時受限（Limited）、3.忘記細節，尤其是太久未使用時，故心智模式不穩定（Unstable）、4.相似的機制或操作易混淆，故心智模式沒有明確範疇（Do not have firm boundaries）、5.即使已知沒必要，仍從事不科學（Unscientific）的行為、6.喜歡從事較簡單，甚至是可忽略的行為，故心智模式具簡約性（Parsimonious）。 Norman（1983）還提出心智模式應由下列四種不同事物所組成： 1. 目標系統（Target system）：提供人們學習或使用的系統。 2. 概念模式（Conceptual model）：由教師、科學家等專家所發展出一正確、完整且符合科學知識的表徵，以進行目標系統的教導。 3. 心智模式（Mental model）：學習者在與目標系統進行交互作用後，會建構出表徵系統，且不斷經過修正、精緻化，逐漸形成一個內在的心智模式。 4. 科學家概念化的心智模式（Scientists’ conceptualization）：此為科學家在進行心智模式運思時所反應出之內化的心智模式。綜合上述文獻可知，心智模式的來源之一為個體對外在世界的主觀知覺，且因受主觀的影響，而有其限制。此外，可從科學家概念化的心智模式，瞭解學習者的心智模式情形，並透過分析概念模式，進而為學習者提出目標系統。至於心智模式的功能，Rouse和Morris（1986）認為包括描述性、解釋性及預測性的功能，如圖2-3.2所示。心智模式能描述系統存在的目的及看起來像什麼，並亦解釋系統如何運作及運作情況，以及可預測系統未來的狀態。目的. 系統為何存在？. 功能. 系統如何運作？. 狀態. 系統運作些什麼？. 形式. 系統看起來像什麼？. 描述. 解釋. 預測. 圖2-3.2 心智模式的功能（翻譯自Rouse和Morris, 1986, p.351） 18.

(19) 關於實證研究方面，Chi和Roscoe（2002）分析學生對於血液循環的心智模式，將心智模式分為兩大類，包括：1.非融貫/片段的心智模式（Incoherent/fragmented mental model），學生無法達到全面性的理解及做一致性的解釋、2.融貫性的心智模式（Coherent mental model），可做一致性的解釋。其中融貫性心智模式又可再區分為（1）瑕疵心智模式（Flawed mental model），意指具部分正確的概念，但並不自覺有不理解之處，因此能做出一致性的解釋、（2）正確心智模式（Correct mental model），意即具有正確的科學概念，且能做出一致性的解釋（陳婉茹，2004）。 Vosniadou和Brewer（1992）分析出學童所持有的地球形狀模式，並再加一區分成三大類，包括：1.初始模式（Initial model），主要為日常生活經驗所建構出的模式、2.綜合性模式（Synthetic model），主要是過去的經驗與學習新知間的調適、3.科學模式（Scientific model），即與科學觀點一致的模式。其認為學童從觀察日常生活中的現象，建構出初始的心智模式，之後因學習新知，為了取得平衡，因而進行調適，產生綜合性的心智模式，之後再逐漸形成正確的科學模式。基於上述理論，本研究將透過開放式問答測驗及分析晤談所得之資料，從心智模式功能中描述及解釋的觀點及Chi和Roscoe（2002）所提及之非融貫性或融貫性的心智模式觀點、Vosniadou和Brewer（1992）所區分之初始模式、綜合性模式及科學模式等三大心智模式的觀點，分析學生心智模式的完備性、科學性，並探究其心智模式的運作情形，例如：內在心智模式與其外在表徵是否具有一致性。. 第四節科學解釋. 在探討科學解釋之前，需先瞭解何謂解釋（Explanation）？陸健體（1994）認為解釋可分層兩個層面，包括：1.作為推論的說明（Explanation），意即回答為什麼的問題、2.作為傳遞行為的說明（Explaining），意同在科學教室中，教師對 19.

(20) 學生解釋科學概念。黃達三（1998）則認為解釋是對事件或現象加以說明，讓人有解惑及瞭解事件真相，以發現現象內部的功能。 Scriven（1988）認為解釋主要是讓人更清楚瞭解某事物，又其有兩種不同意義，一種為描述某事物，屬於語言學方面；另一則為回答有關為何之類的問題，包括其主張、結果、推論因果關係等。Salmon 則詳細完整的探討解釋之意義，其認為解釋的目的乃為了使他人能夠理解，因此解釋又可分成三大類，包括：回答「如何（How）」、「什麼（What）」、「為何（Why）」等問題時所做的解釋（Salmon, 1984, 1989a, 1989b）。 King（1994）對於解釋的定義為：告訴他人「如何發生」與「為什麼會發生」、使用自己的語言說出並運用資料輔佐，把事件、想法相互連結或想法與過程做結合（黃毓琪，2007）。綜合以上可歸納出解釋的意涵為描述、說明事件或現象如何發生與為何發生，然而解釋常因學科領域或解釋者的不同而有所差異（Wong, 1996），因此接下來需探討在科學領域中所使用的定義。首先，何謂科學解釋（Scientific explanation）？林正弘（1988）認為所謂「科學說明（Scientific Explanation）」乃是描述某一事件或現象發生的原因。再來，哲學辭典中則提及，科學解釋乃「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。而形成科學解釋的基礎有：1.用歸納-演繹方法（inductive-deductive methods）從事經驗觀察，形成概括化（generalization）的理論、2.把這些事實與這種前後一致的和系統概括化的體系聯繫起來，也和已經累積且為人們所接受（已被肯定、證實）有關的事實連結起來、3.引出在概括化體系中的這些事實，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，或從這種概括化體系可預測到的」（Angeles, 1999, 段德智等譯，引自謝州恩，2004）。 20.

(21) 提及科學解釋（Scientific explanation）則可追溯到 Hempel（1965）的覆蓋律模式（Covering law model），其屬邏輯經驗主義者，主張任何事物都可追溯到最簡單的法則，只要以演繹（Deduction）的方式推測，即可推得正確的結論，此外，在科學探究的過程中，需提出暫時性的假設，再藉由大膽的預測和證據引用來檢驗假設並進行推理。Salmon 則融合科學史及不同學科，增加了科學解釋的範疇，其則把科學解釋分成三大類，包括：演繹性、統計性、功能性（Salmon, 1984, 1989a, 1989b）。另外，Zuzovsky 和 Tamir（1999）則提出科學解釋可分成三大類型，包括： 1.推理（Deductive）-理論（Nomological）型，即 D-N 型，其中需包括描述條件限制及對現象做邏輯性的解釋、2.具目的性的解釋，不以原因進行解釋，而是參考結果與目的來解釋、3.功能性的解釋，主要在解釋特性行為模式或性質，於系統中所扮演的角色與功能（謝州恩，2004）。至於科學解釋需包含哪些條件，Sandoval（2002）提出學生科學解釋的標準包括：1.原因的一致性，需包含描述原因的機制與因果關係需具一致性、2.證據的支持，能從資料反映出主張。 Sandoval 和 Millwood（2005）更進一步提出一個好的科學解釋應具備的條件，包括：1.因果關係的解釋需前後一致，也就是需對現象的因果進行說明，且前後的關係需有一致性、2.有足夠的證據支持主張且兩者需可連結，意即要能把證據與主張做連結、3.能排除另有解釋，也就是能去除其他可能的解釋、4.能說明其限制條件，意即該解釋需在某些條件下才可進行。倘若欲檢視學生進行科學解釋的結構，常使用 Toulmin（1958，引自 Sandoval & Millwood, 2005）所提出的論證模式，此模式包括以下三要點： 1. 主張（Claim）：說明發生什麼事及推論為何會發生。 2. 數據或資料（Data）：所蒐集到以支持主張的數據或資料。 3. 論據（Warrant）或支持理論（Backing）：說明聯結主張與資料的論據，其為何能作為支持主張的推理過程。 21.

(22) 此外，IQWST（the Investigating and Questioning Our World Through Science and Technology）為幫助學生建構科學的教學模式，主要以 Toulmin 的模式為基礎，其包括以下三要點：1. 主張（Claim），同 Toulmin 模式中的主張，主要為描述問題或現象、2.證據（Evidence）：類似 Toulmin 模式中的數據或資料，從觀察、實驗數據等，找尋適當可支持主張的資料、3.推理（Reasoning）：結合 Toulmin 模式中的論據和支持理論，說明資料為何可做為支持主張的證據，並進一步以科學定律連結主張與證據（簡錦鳳，2008）。. 關於實證研究方面，首先，Smith 和 Reiser（1997）利用電腦程式協助學生進行科學解釋，並以天擇為探究課程主題，輔以軟體工具，幫助學生進行學習。研究結果顯示，學生經該課程學習後，可從複雜的資料中找到線索，並做一個具因果性的一致性解釋，且較不會做出沒有證據支持的結論。其次，Sandoval 和 Reiser（2004）則修改先前天擇的課程，讓學生瞭解科學知識是經被建構與辯護所形成。研究結果顯示，學生於課程進行後，多會討論如何詮釋資料，而較少討論如何使用資料來支持解釋。最後，Kuhn 和 Reiser（2004）設計一個探究課程，其中利用三個問題作為協助學生建構解釋的鷹架，包括：1.答案是什麼？（What is the answer?）2.為何此答案於科學上具意義？（Why does that make sense scientifically?）3.你如何知道你的答案是正確的？（How do you know you’re right?）。研究結果顯示，學生可利用證據使結果更具意義，但卻無法明確說明證據與推論間的關係（吳佳蓮， 2006）。綜合上述文獻可知，進行科學探究時，科學解釋的建構為重要角色之一，因此本研究將依據IQWST模式所提出的三要點，包括說明主張、提出證據及推理解釋，來進行開放式問答測驗之設計，藉此探討學生於鷹架式探究課程中，建構科學解釋的過程及改變情形。. 22.

(23) 第五節板塊構造學說概念的相關科教研究. 探討科學教育領域中板塊構造學說相關研究之前，先需瞭解何謂板塊構造學說（Plate Tectonics Theory）？在板塊構造學說出現以前，就有一派科學家認為現在散落四處的各大洲，應該是由一塊面積龐大的「超大陸」分裂的結果，但這種說法很少人能接受。一直到了 1912 年，韋格納（Wegener）提出「大陸漂移學說」，並於 1915 年以德文出版「大陸與海洋的起源」（The Origin of Continents and Oceans）一書後，才引起大眾的注意。韋格納統整早期科學家們的成果，並與同事們引用各種證據來證明所有的大陸最早是相連在一起。他們認為原始大陸在二億年前至二億二千五百萬年前，曾是相連一塊的超大陸，稱之「盤古大陸」（Pangaea）【在希臘文中意指「所有的陸地」】，經過分裂與漂移後，才移到現在的位置。為了支持所提出的學說，韋格納等人找到許多有力的證據，包括地理學和古生物等證據，例如：南美洲和非洲的大陸邊緣彼此吻合、巴西和南非出現相同的化石等，來支持所提出的陸地會移動的說法，然而，卻因當時尚未清楚了解地球內部構造，因此無法詳加解釋大陸漂移的動力來源。第二次世界大戰以後，隨著海洋探測技術迅速發展，以及其他學科如古地磁學、地震學等皆有重大研究成果，促使新的理論誕生。1962 年，海斯（Hess）在一篇名為《洋底盆地的歷史》（History of Ocean Basins）的論文中提出「海底擴張學說」，他認為岩漿由地球內部沿著中洋脊裂谷湧出，然後凝固形成新的海洋地殼，老的海洋地殼受拉張、重力的作用，在海溝處隱沒並隨著地函的對流下沉至地函，並再度回到地函。此概念解決了韋格納「大陸漂移學說」中的大陸漂移之現象說法，然而，海斯仍未找到相關證據來說明擴張的動力來源。到了 1967 到 1968 年間，摩根（Morgan）等人以大陸漂移學說和海底擴張學說為基礎，統整各種說法及證據提出提出「板塊構造學說」。其理論描述地球 23.

(24) 表面堅硬的岩石圈，隨著其下軟流圈的對流而移動，因此板塊能夠在地表發生相對運動，而這也解釋了大陸漂移學說和海底擴張學說的動力機制。其中，支持板塊構造學說的證據包括支持大陸漂移學說和海底擴張學說的證據：古生物的證據、古氣候的證據、中洋脊兩側岩層年代呈對稱分布、地磁倒轉的證據、班尼奧夫帶的發現、軟流圈的發現等。該理論主要貢獻為提出岩石圈與軟流圈的劃分並證明解釋陸地的移動、海底的擴張，以及說明了板塊運動的機制（University of California Museum of Paleontology [UCMP], 1996; U. S. Geological Survey [USGS] , 1996；何春蓀，2002；李旭旦，2007；郭瑞濤，2000；陳建志與馬家齊， 2005）。. 再來，國內外板塊構造學說的相關概念研究，綜合文獻可發現探討內容包括下列四點，詳細內容參閱表 2-5.1： 1.. 不同教學法之設計對學習的影響，例如吳育雅（1995）研究發現運用合作思考的學習方式較演講式教學法更能促進學生學習；陳可恭（2005）研究結果顯示多重類比教學有助於學習，而 RGT 則有助於系統性建構互動式多重類比教學模式；吳家鶴（2006）研究顯示雖然以多重類比與反駁陳述分別進行教學活動，學生的概念改變並無顯著差異，但學生對概念改變的教學活動都有正面的回應；Gobert 和 Clement（1999）研究結果發現在學生閱讀後以圖示描述較有利於學生學習動態及空間方面的知識。. 2.. 知識的理解情形，其中例如 Gobert（2000）研究結果發現學生對於地球內部的構造有不同的類型，像是地球內部無分層、對於火山噴發的原因亦有不同想法，像是火山噴發乃因熱、移動等；Libarkin, Anderson, Science, Beilfuss 和 Boone（2005）研究結果發現學生認為板塊應在地下無法碰觸到的深處、板塊應是平坦的等。. 3.. 迷思概念，其中例如曾舒平（2005）研究結果發現學生認為大陸漂移就是板塊構造運動、軟流圈等同地函等同岩漿；Marques 和 Thompson（1997）研 24.

(25) 究發現有學生認為板塊的移動是因磁極變動所導致、大陸和海底下的山皆由同樣的板塊運動機制所導致；Sibley（2005）研究結果發現在繪製大陸地殼與大陸地殼相互碰撞時，所造成板塊邊界之地質構造，會有兩種常見的迷思； Ford 和 Taylor（2006）研究結果發現學生於各方面皆有迷思概念包括：板塊基本概念、板塊運動及其相互影響、板塊相互影響所造成的結果、板塊物質的循環等四方面。 4.. 心智狀態，其中例如侯依伶（2003）研究國三學生學習板塊構造運動概念時的心智狀態，以及探討心智狀態對概念學習的影響，並藉此瞭解學習困難之處，做為改進教學的依據。其把心智狀態分為四個向度，包括：情緒、意圖、概念內在心智表徵以及概念外在心智表徵，研究結果發現學生心智狀態的強弱情況與學習成就有正相關，且每位學生於學習過程當中，會受到不同心智狀態之影響，其中低分組的學生受意圖向度的影響最大，中、高分組的學生則受概念內在心智表徵向度的影響。. 從上述可發現相關板塊構造學說的研究對於學生心智模式及其解釋情形的探討較少，因此本研究將探討學生於板塊構造學說的心智模式，並參考 Gobert （2000）及 Marques 和 Thompson（1997）所做的研究結果，探究學生於地球內部結構、板塊運動動力來源的心智模式，以及新增一個適合國內學生的向度-臺灣附近的地體構造之心智模式。此外，探討學生的心智模式可瞭解其對該事物的理解情況，然而當要向他人說明自己所理解的情形，則又牽扯到解釋，故本研究除了探討心智模式外，另外再探討學生對於板塊構造學說的科學解釋情形，並藉由以鷹架式探究為基礎的課程設計，逐步帶領學生理解較難之概念，與培養學生學習解釋自己內在的心智模式。. 25.

(26) 表 2-5.1 板塊構造學說相關研究列表研究者（年代）. 研究主題. 研究目的. 研究對象. 研究內容及結果摘要. 吳育雅「合作思考」對（1995）高一學生科學知識學習的影響. 比較不同教學法對科學知識的學習影響. 高一學生. 以學說發展為主題，探討合作思考對學生建構知識的影響，其比較結果發現使用合作思考的學習方式較演講式教學法更能促進學生學習. 侯依伶國三學生板塊（2003）構造運動概念學習之心智狀態研究. 探討學習過程的心智狀態變化. 國三學生. 瞭解學生學習板塊構造運動概念的心智狀態及心智狀態變化歷程與學習成效間的關聯性，其研究結果發現學生學習時的心智狀態會影響概念的成就表現，且不同概念成就的學生其心智狀態之變化也不同. 陳可恭. 從系統典範探. 比較不同. 高一學生. （2005）討板塊構造學教學法對說多重類比教學習的影學-「凱利方格響法」（RGT）之系統性應用曾舒平探討高一學生比較不同（2005）對於「板塊構造教學法對運動」所持有之概念學習概念架構之解釋融貫性吳家鶴探究板塊構造（2006）運動的迷思概念與比較多重類比和反駁陳述對促進板塊構造運動迷思概念改變之成. 進行板塊構造學說教學的情形，其研究結果發現多重類比教學有助於學習，而 RGT 則有助於系統性建構互動式多重類比教學模式高一學生. 的影響比較不同教學法對概念改變及迷思概念的影響. 探討運用多重類比、RGT 法. 探討學生對於板塊構造運動的理論架構之解釋融貫性，其研究結果發現反駁式文本與自我解釋技巧的使用能提高學生之學習成就. 國三學生. 效. 26. 探討學生有關板塊構造運動的迷思概念及比較以多重類比與反駁陳述進行的教學活動之影響，其研究結果雖然兩組並未達顯著差異，但學生對概念改變的教學活動都有正面的回應.

(27) 表 2-5.1 板塊構造學說相關研究列表（續 1）研究者（年代） Marques & Thompson （1997）. 研究主題 Misconceptions and conceptual changes concerning continental drift and plate. 研究目的. 研究對象. 探討概念改變及迷思概念. 16-17 歲高中生. Gobert （2000）. 探討學生板塊運動的迷思概念，其研究結果發現包括：板塊排列很整齊、可從外表觀察到的特徵來證明板塊、板塊的移動乃因磁極變動所導致、大陸及海底的山其成因乃相同的板塊運動機制等迷思概念. tectonics among Portuguese students aged 16-17 Gobert & Clement （1999）. 研究內容及結果摘要. Effects of student-generated diagrams versus student-generated. 探討不. 國小五年. 探討不同教學方式（只閱讀、. 同教學法對知識概念. 級（10-12 歲）. 閱讀後以圖示描述、閱讀後以文字摘要）對學生學習板塊構造學說的因果及動態知識的. summaries on conceptual understanding of causal and dynamic knowledge in plate tectonics. 學習的影響. A typology of models for plate. 探討知識概念. 國小五年級（10-12. 探討學生對地球內部構造及火山噴發的理解情形，其研究. tectonics: Inferential power and barriers to understanding. 的理解情形. 歲）. 結果發現有不同類型包括：地球內部無分層；火山噴發乃因熱、移動等. 影響情形，其研究結果發現包括：閱讀後以圖示描述較有利於學生學習動態及空間方面的知識. （接下頁）. 27.

(28) 表 2-5.1 板塊構造學說相關研究列表（續 2）研究者（年代）. 研究主題. 研究目的. 研究對象. 研究內容及結果摘要. Libarkin, Anderson, Science, Beilfuss, & Boone （2005）. Qualitative analysis of college students' ideas about the earth:. 探討知識概念的理解情形. 大學生. 探討學生對地球的認知情形，其研究結果發現包括：板塊應在地下無法碰觸到的深處、板塊應是平坦的等. 探討視覺能力及迷. 大學生. 探討學生對於板塊構造說的視覺能力及迷思概念，其研究. Interviews and open-ended questionnaires Sibley （2005）. Visual abilities and misconception s about plate tectonics. 思概念. 結果發現在繪製大陸地殼與大陸地殼相互碰撞時，所造成板塊邊界之地質構造，會有兩種常見的迷思. Ford & Taylor （2006）. Investigating students' ideas about plate tectonics. 探討迷思概念. 中學生. 探討學生對於板塊構造說的迷思概念，其研究結果發現學生於各方面皆有迷思概念包括：板塊基本概念、板塊運動及其相互影響、板塊相互影響所造成的結果、板塊物質的循環等四方面. 第六節板塊構造學說之相關課程綱要. 目前於國內國民中小學九年一貫課程綱要中的「自然與生活科技」學習領域之教材，要求學生認識地球內部結構、板塊構造學說的歷史、地質構造與板塊構造運動的關係等，詳細內容整理如下表 2-6.1（摘錄自教育部，2003b，頁 56 及 60）：. 28.

(29) 表 2-6.1 九年一貫「自然與生活科技」學習領域教材內容要項之板塊構造學說主題列表次主題. 內容細目. 岩石圈、氣圈、水圈 110 組成地球的物質（岩石、水、大氣） 4b. 利用模型來認識地球的內部結構地貌的改變 4c. 認識褶皺、斷層等常見的地質構造，詴著解釋台灣地區各種地形的成因 210 地表與地殼的變動. 板塊構造運動 4d. 知道火山爆發、地震、和山脈的形成，主要是由於板塊構造運動引起板塊構造運動 4e. 認識大陸漂移與板塊構造運動，並介紹其學說和演變史. ※內容細目編碼說明：1 代表國小一、二年級、2 代表三、四年級、3 代表五、六年級、4 代表國中一、二、三年級。a、b…為流水號。現行高一基礎地球科學的 95 課程暫行綱要（簡稱 95 暫綱）以及未來高一基礎地球科學的 98 課程綱要（簡稱 98 課綱），所列舉之課程目標包括：學生需知道地球的結構、探測內部結構的方式及了解地球的變動等，詳細內容整理如表 2-6.2（摘錄自教育部，2004，頁 160-161；教育部，2008，頁 268 及 270）：. 表 2-6.2 高中 95 課程暫行綱要、98 課程綱要與板塊構造學說主題相關列表課綱. 主題. 主要內容 1.地球的結構. 內容細目 1-3 固體地球的結構. 預期學習成果  . 95 暫綱. 三、動態的地球. 3.固體地球的變動. 知道固體地球內部有層層結構知道固體地球是由不同種類的岩石所組成. 3-1 火山帶與地震帶. . 知道火山或地震在某些地帶常發生. 3-2 板塊運動. . 知道板塊的基本概念及其與. 3-3 地貌的變化. 29. . 地殼變動的關係了解台灣的地殼變動是因為台灣位在板塊邊界上所造成的（接下頁）.

(30) 表 2-6.2 高中 95 課程暫行綱要、98 課程綱要與板塊構造學說主題相關列表（續 1）課綱. 主題. 主要內容 1.地球的結構. 三、動 98 課綱. 態的地球. 內容細目 1-3 固體地球的結構. 3.固體地. 3-1 火山帶與. 球的變動. 地震帶 3-2 板塊運動. 預期學習成果  . 知道固體地球內部有層層結構知道固體地球是由不同種類的岩石所組成，岩石是由礦物所組成. . 知道火山或地震在某些地帶.  . 常發生知道板塊的基本概念及其與地殼變動的關係了解台灣的地殼變動是因為台灣位在板塊邊界上所造成的. 七、地球環境. 3.探地層. 3-1 固體地球的觀測. 的監測與探索. . 知道觀測地球內部的方法，例如：利用地球物理的方法等. 本研究主要是配合 95 暫綱來設計相關課程，重點為探討板塊的運動及臺灣附近的地殼變動，且其亦符合未來將推行的 98 課綱之目標，此外，於心智模式研究的重點為地球的內部結構及臺灣附近的地殼變動；科學解釋的探討則著重於板塊構造學說的說明及解釋臺灣附近地殼變動的情形。. 30.

(31) 第參章. 研究方法. 本研究採取準實驗研究法，透過測驗、晤談、文件分析等方式收集資料。本章共分五節，主旨在說明本研究使用的研究方法，其中包含「研究對象」、「研究設計與流程」、「研究工具」、「資料分析方法」以及「研究範圍與限制」五個部分來說明。. 第一節研究對象. 本研究參考區塊研究計畫「鷹架式科學探究課程對學生科學學習影響之研究」（2006-2008）所研發的鷹架式探究課程，修改其中「臺灣的地體構造」單元的鷹架設計，用以檢視兩個版本的鷹架設計對學生學習的影響。本研究採樣的方式為便利取樣，樣本為兩班高中一年級的學生，每班各 41 人，總人數為 82 人，但因為其中一班有 1 位學生未參與前測，因此本研究之有效樣本為 81 位學生。因受限於人力以及攝影器材的數量，本研究每班僅各挑選三組學生作為焦點組，每組 4 人，總人數為 24 人，進行課堂學習及活動過程的拍攝與錄音。在兩個隨機指派的班級，分別使用不同版本的學習單，其學習單版本、有效樣本人數如表 3-1.1 所示。表 3-1.1 學習單版本、組別及有效樣本人數表學習單版本. 組別. 有效樣本人數（男生、女生）. A. 完整鷹架組. 40（21、19）. B. 簡單鷹架組. 41（21、20）. 合計. 81（42、39）. 31.

(32) 研究者於本研究中扮演觀察者之角色，大多數的時間負責進行焦點組的教室觀察，必要時才提供學生所需要的協助及處理電腦的問題，此外，研究者並與另外四位觀察者或坐或站於教室後方或兩側進行教室觀察。觀察者中，其中三位每人各負責一臺攝影機拍攝一組焦點組學生在課堂中的討論情形，並使用場記表紀錄該組活動情況、一人則使用一臺攝影機負責拍攝教師教學情況及小組上臺分享時的表現，並搭配使用場記表紀錄教師教學流程與小組報告時的情形、另一人則為機動性，視情況提供必要之協助。完整場記表之內容（以第二週單元一為例）參閱附錄一。. 第二節研究設計與流程. 本研究採準實驗研究法，加上半結構式晤談、開放式問題測驗，探討學生在課程中，心智模式和科學解釋能力的改變情形。研究流程共可分為三個階段，分別為「準備階段」、「資料收集階段」與「結果分析階段」（參閱圖 3-2.1），各階段的工作項目與內容分述如下：. 一、準備階段從 2006 年 9 月到 2007 年 3 月為準備階段。研究者在與指導教授討論研計方向後，並經蒐集相關文獻，確定自己的主題與研究問題後，參考文獻進行研究工具設計(開放式問題測驗、晤談單等)。在發展過程中，經過兩位相關領域專家學者以及一位高中地科教師的審查修正，並在 2007 年 4 月初於臺北市立某高級中學進行前導性測詴（pilot study），以修正課程內容、實施程序、測驗問題、晤談單以及學習單。. 32.

(33) 一、準備階段文獻探討設計題目形成研究問題專家審查. 課程設計蒐集文獻. 前導性測詴. 前導性測詴確定研究問題. 鷹架式探究課程. 發展研究工具. 選定研究對象. 定稿. 開放式問題測驗. 晤談單學習單. 二、資料收集階段. 錄影、側錄、教室觀察. 課程前測. 進行課程課程後測半結構式晤談. 三、結果分析階段. 資料分析. 撰寫論文. 圖 3-2.1 研究流程圖. 33. 錄影、錄音、筆記.

(34) 二、資料收集階段從 2008 年 4 月初到 2008 年 4 月底為資料收集階段。其中的工作內容包括「課程前測」、「鷹架式探究課程教學」、「課程後測」、「後測晤談」，共四個步驟。步驟流程與內容如表 3-2.1 所示，課程總共進行五週。第一週由該高中原地科授課教師說明課程內容並進行開放式問題測驗。教學活動自第二週起至第三週，第二週教學重點為奠定軟體操作的基礎，並學習辨識結果之意義；第二週教學重點是應用已習得之繪製垂直剖面圖、判讀垂直剖面圖等技能進行臺灣地區的地體構造分析；第四週為研究工具的後測，最後，於第五週針對板塊學說前測，選取不同心智模式的學生進行晤談，藉以瞭解不同心智模式的學生其心智模式及科學解釋之改變情形。詳細之活動內容介紹請參閱本章第三節。. 表 3-2.1. 教學流程表. 流程步驟 (週次) 課程前測 (第一週). 時間 (分) 50. 開放式問題測驗. 鷹架式探究課程教學 (第二~三週). 100. 1.單元一：學習使用並運用地震查地科教室詢軟體：以南美洲做例子 2.單元二：運用已學過技巧，分析. 100. 工作內容. 地點地科教室. 臺灣地區的地體構造課程後測. 50. 開放式問題測驗. 地科教室. (第四週) 後測晤談 (第五週). 15/人. 根據不同心智模式進行開放式問地科教室題測驗內容晤談(18 位). 一般教室. 三、結果分析階段從 2008 年 5 月到 2009 年 5 月則為結果分析階段，此階段任務為「資料分析」以及「撰寫論文」。研究者持續進行相關文獻的收集與閱讀，並分析學生. 34.

(35) 的前後測概念學習情形、學習單填寫內容、課堂討論情況，以及將後測的晤談資料轉錄成文字稿加以編碼，進行歸納分析，以了解課程前後學生的心智模式與科學解釋改變情形，最後進行論文的撰寫。. 第三節研究工具. 本研究工具可以分為兩類，分別為教學工具、測驗工具。教學工具即為「鷹架式探究課程」，測驗工具則包括「開放式問題測驗」與「晤談單」。茲將上述各研究工具的發展原則、流程與內容，詳細說明如下：. 一、鷹架式探究課程本研究所使用之課程，主要乃由臺北市立某高級中學地科教師設計主要架構，之後再經由研究團隊討論後進行修改，把學習單中之文字提示，設計為兩種文字提示詳細度不同之版本做為本課程教材。在修改課程之前，先針對國中與高中課程中關於板塊構造學說相關內容進行分析（詳細內容參閱第貳章第七節之介紹），以做為本研究課程設計之參考。經歸納後發現，國內高中相關板塊構造學說的課程重點包括何謂板塊、板塊運動動力來源、板塊邊界類型及臺灣附近的地殼變動等，因其中何謂板塊、板塊運動動力來源、板塊邊界類型為板塊構造學說之相關基本概念；臺灣附近的地殼變動則屬於應用的部分。因此本課程以探討臺灣附近的地體構造為主題，希望藉此瞭解學生如何運用基本概念至另一情境，以形成新的模式。本課程設計原則主要採用「探究環（The Inquiry Cycle）」及「科學調查網（The Investigation Web）」，再參考謝莉文（2006）整理所提出的科學探究過程，包括：提出問題、計畫並進行研究、分析資料、形成模式及應用、溝通與合作學習的課程設計架構，本研究所研究的課程主要著重於分析資料、形成解釋或模式及溝通。課程內容與探究歷程的對應表參閱表 3-3.1。. 35.

(36) 另外，本課程進行時，不論使用何種版本的學習單，皆需搭配使用網際網路上免費提供的「地震軟體 Seismic/Eruption」進行教學（如圖 3-3.1 地震軟體主畫面）【下載網址 http://bingweb.binghamton.edu/~ajones/#Seismic-Eruptions】，作為輔助學習的視覺性鷹架，並讓學生藉由軟體中繪製垂直剖面圖的功能（如圖 3-3.2 繪製垂直剖面圖功能及圖 3-3.3 呈現垂直剖面圖），瞭解並推論解釋臺灣附近的地體構造。. 圖 3-3.1 地震軟體主畫面. 圖 3-3.2 繪製垂直剖面圖功能. 圖 3-3.3 呈現垂直剖面圖. 本研究所使用之課程內容，曾於 2006 年 9 月到 2007 年 3 月經過兩位相關領域專家學者以及一位高中地科教師的內容效度審查與修正，並於 2007 年 4 月初於臺北市立某高級中學進行前導性測詴（pilot study），參與學生為兩個班級共 80 人，並依據前導性測詴之結果再進行課程內容及實施程序的最後修訂，以做為正式施測教學之用。正式實施之課程共有二個單元，每個單元進行時間為各兩堂課 100 分鐘，課. 36.

(37) 程進行期間，藉由學生分組討論、操作地震軟體、填寫學習單及教師講述等方式，讓學生在探究情境中，習得板塊構造學說相關重要概念。各單元內容對應表如表 3-3.1，詳述如下： 1.. 單元一：請學生分享經歷地震的相關感受，並介紹地震與板塊間的因果關係。再配合學習單（一）並使用地震軟體進行南美洲區域地震資料之分析，讓學生探討地震分布情形及原因、地震軟體出現之圖示涵義、板塊運動的方向、板塊邊界類型、其地震震源特性及班尼奧夫帶等，並填寫於學習單上。. 2.. 單元二：請學生運用上次課程所習得之知識與技能，及使用地震軟體來分析臺灣地區的地震資料、進而判斷臺灣地區板塊邊界所在與類型及探討臺灣地體構造之情形，並把結果填寫至學習單（二）。. 37.

(38) 表 3-3.1. 95 暫綱與本研究之課程內容、學習目標與探究歷程之對應表. 高中 95 暫綱課程內容. 學習目標. 探究歷程. 1. 能夠分析南美洲的地震分布剖面圖，進而了解班尼奧夫帶的定義.  分析資料：有意義的歸納資料  形成解釋：依據證據與邏輯推理，形成或修正科學解釋（或模式）. 2. 單元一：學習軟體操作，辨示結果之 3. 含意. 能夠從該地區地震震源深度由淺至深的分布，判斷出班尼奧夫帶的位置.  形成解釋：依據證據與邏輯推理，形成或修正科學解釋（或模式）. 能夠從地震資料出現班尼奧夫帶的現象，判斷出.  形成解釋：依據證據與邏輯推理，形. 該地區為板塊聚合帶三、動態的地球 3.固體地球的變動 3-2 板塊運動 3-3 地貌的變化. 4.. 成或修正科學解釋（或模式）. 能夠從班尼奧夫帶的位.  形成解釋：依據證. 置判斷兩板塊彼此聚合的方向. 據與邏輯推理，形成或修正科學解釋（或模式）. 1.. 能夠從台灣地震資料分析歸納得出台灣地震分布不均，可分為三個地震帶.  形成解釋：依據證據與邏輯推理，形成或修正科學解釋（或模式）. 2.. 能夠從台灣地震深度分.  形成解釋：依據證. 單元二：應用已習得之技能進行臺灣 3. 地體構造分析. 布資料分析得出台灣有兩條班尼奧夫帶. 據與邏輯推理，形成或修正科學解釋（或模式）. 能夠從台灣東北方向外海的班尼奧夫帶分布情形，推論菲律賓海板塊向北隱沒於歐亞板塊之下.  形成模式：綜合結果下結論  溝通：表達科學論點 (能正確引用相關知識和搜尋有用資訊、使用適當語言或圖表、以邏輯推理做清楚表達). 38.

(39) 4.. 能夠從台灣東南方向的班尼奧夫帶分布情形，推論歐亞板塊向東隱沒於菲律賓海板塊之下.  形成模式：綜合結果下結論  溝通：表達科學論點 (能正確引用相關知識和搜尋有用資訊、使用適當語言或圖表、以邏輯推理做清楚表達). 針對不同鷹架設計，設計兩種不同版本的學習單作為本課程之輔助學習鷹架（文字鷹架），包括：完整鷹架版（學習單 A 版）與簡單鷹架版（學習單 B 版），分別提供兩個不同班級進行教學，其版本差異詳述如下及參閱表 3-3.2（學習單內容參閱附錄二）：. 1.. 完整鷹架版（學習單 A 版）：其特色包括-明確告知學生學習任務、採逐漸引導式的問題、教師引導之比例較低。 (1) 學習單（一） 1 明確告知學習單每一小部分之待完成任務 ○ 2 探討南美洲兩處板塊邊界類型：先讓學生思考沿著板塊邊界做垂直剖面與 ○. 垂直板塊邊界做垂直剖面所得之兩種垂直剖面圖結果與判斷板塊邊界類型之關係為何？之後再提示利用地震震源分布情形來推論板塊運動之方向並探討南美洲兩處板塊邊界類型。 3 班尼奧夫帶：提供相關之閱讀資料，讓學生閱讀後標示於垂直地震分布圖 ○. 上。 (2) 學習單（二） 1 明確告知學習單每一小部分之待完成任務 ○ 2 臺灣地區之板塊邊界所在與類型：讓學生使用軟體後把結果繪出並標示於 ○. 39.

(40) 學習單上及思考其原因。 3 班尼奧夫帶：讓學生自行繪製發現臺灣地區附近有兩條班尼奧夫帶，並詢 ○. 問其繪製與判斷的過程中是否遭遇困難，以及請學生描述此區板塊運動之情形與板塊邊界類型和其原因為何。 2.. 簡單鷹架版（學習單 B 版）：其特色包括-未明確告知學生學習任務、採開放式直接提問、教師引導之比例較高。 (1) 學習單（一） 1 未明確告知學習單每一小部分之待完成任務 ○ 2 探討南美洲兩處板塊邊界類型：不探討沿著板塊邊界做垂直剖面與垂直板 ○. 塊邊界做垂直剖面所得之兩種垂直剖面圖結果與判斷板塊邊界類型之關係。以及不提示利用地震震源分布情形來推論板塊運動之方向，而是直接讓學生依照板塊分布情形來判斷板塊邊界類型為何。 3 班尼奧夫帶：不提供相關之閱讀資料，而是在教師講述相關內容後，要求 ○. 學生將其標示於垂直地震分布圖上。 (2) 學習單（二） 1 未明確告知學習單每一小部分之待完成任務 ○ 2 臺灣地區之板塊邊界所在與類型：只要求學生把結果及原因寫下。 ○ 3 班尼奧夫帶：不讓學生自行繪製發現臺灣地區附近有兩條班尼奧夫帶，而 ○. 是直接告知學生臺灣地區附近有兩條班尼奧夫帶；此外，只讓學生描述說明所見板塊運動之情形，並未讓學生再進一步判斷板塊邊界類型及其原因。. 40.

(41) 表 3-3.2 版本差異內容與學習單之題號對應表學習單版本. 學習單（一）. 學習單題號. 差異項目. 完整鷹架版（學習單 A 版，簡稱 A 版）. 簡單鷹架版（學習單 B 版，簡稱 B 版）. 兩版本題號皆為第一大題. 觀察南美洲地震分佈情形：依據地震軟體所任務之描述呈現的資料…（略）（另外獨立於題目明確描述）. 查看網頁上南美洲地震分布情形，觀察該區域地震發生的分布情形…（略）（融入題目描述）. 兩版本題號皆為第二大題. 解釋地震軟體中符號和音樂所代表的意任務之描述義：…（略）（獨立明確提示觀察內容）. 觀察網頁，回答下列問題…（略）（未提示觀察內容）. 做垂直剖面圖來判讀板塊邊界類型：. 兩版本題號皆為第三大題. 任務之描述. …（略）皆有板塊交界帶，請利用垂直剖面圖分析震. （一）運用教師所提供源分佈情形來決定此兩處四張垂直剖面圖… 板塊邊界的類型（融入題（略）（另外獨立於題目描述）目明確描述）. 學習單（一）. 兩版本題號皆為第三大題. 共有三部分：何種垂直剖面圖可以顯示板塊邊界類型的地震震源特性（沿板塊邊界、垂直板塊邊界）探討南美洲、判斷板塊邊界附近地兩處板塊邊震的分佈情形，你會選界類型. 只有一部分： …（略）請利用垂直剖面圖分析震源分佈情形來決定此兩處板塊邊界的類型（直接探討南美洲兩處板塊邊界類型）. 取哪些區域做垂直剖面圖（另外探討沿著板塊邊界及垂直板塊邊界之兩種不同切法的垂直剖面圖對判斷板塊邊界類型之影響）接下頁. ※註：字型說明-新細明體表示學習單之內容括號說明-（）內之標楷體文字表示說明與另一版本的差異處. 41.

(42) 表 3-3.2 版本差異內容與學習單之題號對應表（續 1）學習單版本. 學習單（一）. 學習單題號. 兩版本題號皆為第四大題 A 版題號為. 差異項目. 完整鷹架版（學習單 A 版，簡稱 A 版）. 簡單鷹架版（學習單 B 版，簡稱 B 版）. 認識班尼奧夫帶. 請閱讀「班尼奧夫帶」相關資料後，將「班尼奧夫帶」所在位置標示於…（略）（給文章閱讀）. 將「班尼奧夫帶」所在位置標示於…（略）（由教師講述何謂班尼奧夫帶，但未提供學生閱讀文章）. 決定台灣地區板塊邊. 利用地震查詢軟體. 第一大題的第 1 小題. 任務之描述. B 版題號為學習單第一大題（二）. 臺灣地區. …繪出台灣地區的板塊邊界所在並標示板. 之板塊邊界所. 塊邊界名稱…（略）（需（不需繪出結果則直接進把結果繪出與標示行探討）後，再進行探討）. 界所在與類型：…（略） (Semismic Eruption) 去查（另外獨立於題目明詢台灣地區的地震資料… 確描述）（略）（融入題目描述） …有沒有發現台灣地震發生的地點分布不均…（略）. 在與類型 A 版題號為第一大題的第 2 小題. 學習單（二）. B 版題號為第二大題. 任務之描述. B 版題號為第二大題至第五大題. …先選擇一個區域做垂直剖面圖…（略）（融入題目描述）. …（略）判斷在台灣附台灣地區有兩條班尼奧夫. A 版題號為第一大題的第 2 小題. 利用地震軟體做垂直剖面圖：…（略）（另外獨立於題目明確描述）. 判斷班尼奧夫帶. 近會有哪些班尼奧夫帶…（略）；判斷台灣地區板塊邊界的類型…（略）（逐步探討班尼奧夫帶及板塊邊界類型）. 帶…（略）說明此區域板塊運動的情形…（略）（先直接告知有兩條班尼奧夫帶；只探討板塊運動的情形，而未提及板塊邊界類型）. ※註：字型說明-新細明體表示學習單之內容括號說明-（）內之標楷體文字表示說明與另一版本的差異處. 42.