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中小學專家教師對科學本質與科學史之教學需求性的研究

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Academic year: 2021

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(1)

國 立 台 中 教 育 大 學 自 然 科 學 教 育 研 究 所 碩 士 論 文

指 導 教 授 : 許 良 榮 教 授

中小學專家教師對科學本質與科學史之

教學需求性的研究

A Study of the Necessity for “Nature of

Science” and “History of Science” in

Science Teaching of Expert Teachers

研 究 生 : 謝 薰 靜 撰

中 華 民 國 九 十 四 年 十 二 月

(2)

摘要

本研究目的在了解專家教師對科學本質與科學史的教學目標和教

學內容在中小學科學教學需求性的看法。採用大慧調查法,諮詢 20 位

中小學專家教師,透過三次來回的意見諮詢,最後選取平均數大於 4

且標準差小於 1 之項目,提出中小學科學教學所需教導的科學本質與

科學史。

研究結果歸納出中小學所需教導的科學本質教學目標,小學階段

需教導的有 23 項,國中階段則有 21 項。小學階段比蕭培玉(2004)之研

究歸納的 9 項多了 14 項教學目標。而九年一貫課程關於科學本質的能

力指標中,僅涵蓋本研究所提出的 7 個項目,缺少了『科學方法本質』

5 項和『科學知識本質』4 項,而在『科學事業本質』的部份則全部付

之闕如。

有關需教導的科學史教學內容,本研究在小學階段提出 10 項教學

內容,國中階段則有 7 項,此與蕭培玉(2004)歸納專家學者在小學階段

沒有教學內容達到需求標準不同。再與九年一貫『科學的發展』內容

細目比較,可發現其內涵僅有本研究所提出的 5 個項目,尚有 5 個項

目是專家教師認為應該以『補充教材』方式呈現的。最後本研究提出

專家教師認為中小學科學教學所需教導的科學本質目標與科學史內

容,希望能提供未來教材編製者及科學教師安排教學計畫之參考。

關 鍵 詞 : 科 學 本 質 、 科 學 史 、 大 慧 調 查 法 、 專 家 教 師

(3)

Abstract

The purpose of this study is to understand and investigate expert teachers’ opinions in teaching objectives and teaching contents of “Nature of Science” and “History of Science” for the scientific education necessity of middle and primary schools. By applying a three-stage Delphi questionnaire with 20 Expert teachers, it deduces some education necessity of “Nature of Science” and “History of Science”basing on the average number>4 and standard deviation<1 for them.

The above investigation sum up that there are twenty one items and twenty three items about teaching objectives of “Nature of Science” should be adopted for middle and primary schools respectively. Compared with Shu’ study in 2004, extra fourteen items of teaching objective s are found for primary school in our research. However, there are only seven items about “Nature of Science” in Competence Indicators of Grade 1-9 Curriculum, not including five items of the nature of scientific method, four items of the nature of scientific knowledge and eight items of the nature of scientific enterprise.

There are seven items and ten items for middle and primary schools respectively about the contents of “History of Science” also resulting from above investigation, but Shu has none. Moreover, the “The development of science” of Grade 1-9 Curriculum shows that there only contains five items and additional five “add-on” items suggested by expert teachers in this part compared with the former. At the conclusion, this investigation resulting from expert teachers indicates the education necessity about the objectives of “Nature of Science” and the contents of “History of Science” in middle and primary schools. Meanwhile, this study may be provided and used as a reference for editors and educators responding for designing scientific lessons.

Key words: Nature of Science, History of Science, Delphi Technique, Expert teachers

(4)

目 次

第一章 緒論

第一節 研究背景與動機 ... 1

第二節 研究目的與問題 ... 5

第三節 名詞解釋 ... 5

第四節 研究範圍與限制 ... 6

第二章 文獻探討

第一節 科學本質的哲學觀點及內涵 ... 7

第二節 科學本質的理解與教學 ... 23

第三節 科學史與科學教學 ... 30

第三章 研究方法與設計

第一節 研究方法與架構 ... 47

第二節 研究樣本 ... 49

第三節 研究工具 ... 52

第四節 研究程序 ... 54

第五節 資料統計與分析 ... 62

第四章 研究結果與討論

第一節 第一次大慧調查結果分析與討論 ... 65

第二節 第二次大慧調查結果分析 ... 84

第三節 第三次大慧調查結果分析 ... 97

第四節 綜合討論 ...106

(5)

第五章 結論與建議

第一節 結論 ...140

第二節 建議 ...146

參考文獻

壹、中文部分 ...148

貳、英文部分 ...153

參、翻譯書籍 ...158

附錄

附錄一 第一次大慧調查問卷內容 ...159

附錄二 第二次大慧調查問卷內容 ...169

附錄三 第三次大慧調查問卷內容 ...189

附錄四 本研究所列之科學本質教學目標

與科學史教學內容 ...203

附錄五 本研究找尋專家教師之 E-mail 內容 ...206

(6)

表 次

表 2-1-1

傳統與當代科學本質之模式...

8

表 2-1-2

NAEP 之科學本質年齡層次分類表... 12

表 2-1-3

科學本質能力指標... 17

表 2-1-4

中小學應教導的科學本質項目... 21

表 2-1-5

科學本質內涵整理表... 22

表 2-3-1

次主題『科學的發展』教材內容細目... 33

表 2-3-2

科學史教學功能... 36

表 2-3-3

分析科學教科書中歷史內容的細目表... 44

表 3-2-1

專家教師基本資料表... 51

表 3-4-1

大慧問卷調查實施時程... 59

表 4-1-1

第一次大慧問卷專家對「科學方法本質」之意見

統計表... 66

表 4-1-2

第一次大慧問卷專家對「科學方法本質」之意見

彙整... 67

表 4-1-3

第一次大慧問卷專家意見修正後之「科學方法本

質」教學目標... 70

表 4-1-4

第一次大慧問卷專家對「科學知識本質」之意見

統計表... 71

表 4-1-5

第一次大慧問卷專家對「科學知識本質」之意見

彙整... 73

表 4-1-6

第一次大慧問卷專家意見修正後之「科學知識本

質」教學目標... 75

表 4-1-7

第一次大慧問卷專家對「科學事業本質」之意見

統計表... 76

表 4-1-8

第一次大慧問卷專家對「科學事業本質」之意見

彙整... 77

(7)

表 4-1-9

第一次大慧問卷專家意見修正後之「科學事業本

質」教學目標... 79

表 4-1-10 第一次大慧問卷專家對「科學史教學內容」需求

性之意見統計表... 81

表 4-1-11 第一次大慧問卷專家對「科學史內容」呈現方式

之意見統計表... 82

表 4-1-12 第一次大慧問卷專家對「科學史教學內容」之意

見彙整... 83

表 4-2-1

第二次大慧問卷專家對「科學方法本質」之意見

統計表... 85

表 4-2-2

第二次大慧問卷專家對「科學方法本質」之意見

彙整... 86

表 4-2-3

第二次大慧問卷專家意見修正後之「科學方法本

質」教學目標... 86

表 4-2-4

第二次大慧問卷專家對「科學知識本質」之意見

統計表... 88

表 4-2-5

第二次大慧問卷專家對「科學知識本質」之意見

彙整... 89

表 4-2-6

第二次大慧問卷專家意見修正後之「科學知識本

質」教學目標... 90

表 4-2-7

第二次大慧問卷專家對「科學事業本質」之意見

統計表... 92

表 4-2-8

第二次大慧問卷專家對「科學事業本質」之意見

彙整... 92

表 4-2-9

第二次大慧問卷專家意見修正後之「科學事業本

質」教學目標... 93

表 4-2-10 第二次大慧問卷專家對「科學史教學內容」需求

性之意見統計表... 95

(8)

表 4-2-11 第二次大慧問卷專家對「科學史內容」呈現方式

之意見統計表... 96

表 4-2-12 第二次大慧問卷專家意見修正後之「科學史」教

學內容... 97

表 4-3-1

第三次大慧問卷專家對「科學方法本質」之意見

統計表... 98

表 4-3-2

第三次大慧問卷專家對「科學知識本質」之意見

統計表... 100

表 4-3-3

第三次大慧問卷專家對「科學事業本質」之意見

統計表... 102

表 4-3-4

第三次大慧問卷專家對「科學史教學內容」需求

性之意見統計表... 104

表 4-3-5

第三次大慧問卷專家對「科學史內容」呈現方式

之意見統計表... 105

表 4-4-1

『科學方法本質』第一次至第三次大慧調查問卷

結果分析... 108

表 4-4-2

『科學知識本質』第一次至第三次大慧調查問卷

結果分析... 112

表 4-4-3

『科學事業本質』第一次至第三次大慧調查問卷

結果分析... 116

表 4-4-4

『科學史教學內容』第一次至第三次大慧調查問

卷結果分析... 119

表 4-4-5

『科學史教學內容』呈現方式第一至第三次大慧

調查問卷結果分析... 122

表 4-4-6

中小學需教導的科學本質教學目標... 124

表 4-4-7

本研究歸納歸納之科學本質目標與蕭培玉(2004)

研究之比較... 126

(9)

表 4-4-8

本研究歸納之科學本質目標與 McComas, Clough

& Almazroa(1998)研究之比較... 129

表 4-4-9

本研究歸納之科學本質目標與 Osborne, Colins,

Ratcliffe, Millar & Duschl(2003)研究之比

較... 130

表 4-4-10 本研究歸納之科學本質目標與九年一貫科學本質

能力指標之比較... 132

表 4-4-11 中小學需教導之科學史教學內容及呈現方式.... 134

表 4-4-12 本研究歸納之科學史教學內容與蕭培玉(2004)研

究之比較... 135

表 4-4-13 本研究國中需教導之科學史教學內容呈現方式與

蕭培玉(2004)研究之比較... 136

表 4-4-14 本研究歸納之科學史教學內容與九年一貫『科學

的發展』教材內容細目之比較... 137

(10)

圖 次

圖 3-1-1 研究架構 ... 48

圖 3-4-1 研究程序 ... 61

圖 4-4-1 小學階段科學方法本質教學目標之需求性長條圖 ...109

圖 4-4-2 國中階段科學方法本質教學目標之需求性長條圖 ...109

圖 4-4-3 小學階段科學知識本質教學目標之需求性長條圖 ...114

圖 4-4-4 國中階段科學知識本質教學目標之需求性長條圖 ...114

圖 4-4-5 小學階段科學事業本質教學目標之需求性長條圖 ...117

圖 4-4-6 國中階段科學事業本質教學目標之需求性長條圖 ...117

圖 4-4-7 小學階段科學史教學內容之需求性長條圖 ...120

圖 4-4-8 國中階段科學史教學內容之需求性長條圖 ...121

(11)

第一章 緒論

本章為研究之始,研究者將敘述研究背景、研究動機、說明研究目的與 問題、並對本研究所提之名詞給予解釋,最後列出本研究之範圍與限制。

第一節 研究背景與動機

靳知勤( 2002)指出目前全民科學素養的達成已成為各國科學教育之目 標。例如:美國科學促進會(American Association for the Advancement of

Science)(簡稱 AAAS, 1989)在「Project 2061」出版的「Science for All Americans」中強調科學素養的養成;英國 1988 年提出的國家總課程(National Curriculum),在科學領域中也反映出西方國家所提倡之「全民科學( Science for all)」的精神,以提升社會大眾的科學素養(王夕堯,2003 )。台灣在國 民中小學九年一貫的課程改革中,「自然與生活科技領域」的主要目標之一, 更在於提升國民的科學與科技素養(教育部,2003)。 雖然各國教育政策中的科學素養內涵並非完全一致,但均強調增進學生 對科學本質的了解( Lederman, 1998;Matthews, 1998)及科學史的重視(傅 麗玉,1996)。例如:美國國家科學教育標準(National Science Education

Standards)(NRC, 1996)書中分別在 K-4、5-8、9-12 三個年級階段,明訂出 「科學本質與科學史」的教學標準。英國國家總課程明定融入科學史哲於課 程中,協助學生學習科學本質。九年一貫「自然與生活科技領域」,課程綱 要針對「科學與科技素養」的能力要項裡,科學本質亦羅列其中。而在教材 內容要項的「科學與人文」主題裡,也包含了次主題『科學的發展』。可見, 目前的科學教育重視的不僅是科學知識( Knowledge of science)的學習,更 包括對『科學是什麼?』(What is about science?)的根本認識、科學知識 的發展… … 等等,亦即對科學本質與科學史必須有更進一步的了解。

(12)

(例如:Lederman & Zeidler, 1987;Lederman, 1992;Solomon, Duveen, Scot

& McCarthy, 1992;Matthews, 1994;徐光台,1995;林陳涌,1996;巫俊明, 1997;傅麗玉,1996;許良榮,1996、1998;洪振方,1997;翁秀玉、段曉 林,1997a;鄭秀如、林煥祥,1998;Abd-El-Khalick & Lederman, 2000b)。 許多研究顯示,對當代科學本質的了解會影響科學的教學與學習(Gallagher, 1991;Abell & Smith, 1994),例如:了解科學本質的知識除了提升學生對科 學學習的興趣和理解外,亦增加學習者解決生活問題的能力,進而對公共事 務相關的科學社會議題更容易能參與做決定(McComas, Clough & Almazroa,

1998);科學史在科學教學中的多重角色及功能亦廣為學者所肯定(Matthews, 1994;許良榮、李田英,1995;林樹聲,2001)。例如:縮小科學與人文的 鴻溝、增加學生對科學的興趣、培養學生對科學的正向態度以及開闊學生的 視野能從不同的觀點來看科學……等等,其中使用科學史的教學來增進學生 對科學本質的了解,更被學者認為是值得重視的(Solomon et al., 1992;

Matthews, 1994;巫俊明,1997;Monk & Osborne, 1997)。

雖然科學本質與科學史在科學教學上有其重要性,但學者對科學本質的 定義及其在中小學的適用範圍,還存有爭議(Matthews, 1994;Alters, 1997)。 科學本質內涵包含了科學的哲學、歷史、社會學及心理學,因此不同的哲學 立場,如實在論、約定論、邏輯實證論、否證論、科學歷史論、建構論,對 科學本質的主張呈現多樣性(Alters, 1997;黃鴻博,1998)。從許多不同的 科學本質評量工具,也可看出學者們對科學本質定義的不同(林陳涌,1996; Alters, 1997);另外,Brush(1974)指出科學史的應用是否會讓學生對科學 失去信心、選擇過的科學史在科學教學中是否是一偽歷史的呈現、科學與歷 史在本質上的不同,是否真能在教學上達到一互補的和諧性(引自許良榮, 1999)。這些問題都是中小學在實際面臨科學教學中需要進一步思考討論的。 Lederman(1998)提出在中小學階段,應教哲學家、歷史學家和科學教 育學者認為比較沒有爭議的科學本質,而非讓學生陷入科學哲學家間的爭

(13)

議 。 許 多 科 教 學 者 也 認 為 中 小 學 應 該 教 授 一 些 較 無 爭 議 的 科 學 本 質 (McComas et al., 1998;Smith & Scharmann, 1999;Eflin, Glennan & Reisch,

1999),例如:科學的暫時性、實徵性以及做科學沒有單一的方法……等等。 Osborne, Colins, Ratcliffe, Millar & Duschl(2003)針對科學本質的教學 問題採用大慧(Delphi)調查法,調查 23 位科學教育家、科學家、科學史 家、科學哲學家與科學社會學家的共識,最後專家提出學校教學中需教導的 九大項科學本質。然而這份研究關於不同學習階段應該教導哪些科學本質內 涵,並無進一步的討論。Smith and Scharmann(1999)提醒教科學本質時, 宜調整知識的難易度,使切合學生的知識程度、能力和認知發展。 蕭培玉(2004)也以大慧調查法,調查國內 20 位科學史哲專家、科學 教育專家、環境教育專家、教育行政專家、純科學專家,針對中小學各學習 階段分別需要教導哪些科學本質與科學史進行研究,根據專家的共識,最後 歸納「小學階段」需教導九項科學本質,「國中階段」需教導二十二項科學 本質內涵;另一方面,科學本質教學內容在「小學階段」並無項目達到選取 標準,而在「國中階段」則歸納出五項需教導的科學史內容。 但是,上述 Osborne 等人及蕭培玉的研究均是針對學者專家彙整其對科 學本質及科學史的教學目標及內容之觀點。Bode 主張『課程的差異來自於 三個面向:(1)學科專家的立場;(2)實務工作者(老師)的立場;(3)學 習者的興趣。』(引自 Wiles & Bondi, 2004)。Nott and Wellington(1996)指 出自然科教師是專業科學社群的一份子,他們是教導學生科學本質及科學文 化的先驅(引自 Sorsby, 2000)。在一連串的教育改革中,常為第一線老師所 詬病的,便是專家單以理論上所言,便在象牙塔中勾勒出現場應該的實作狀 況。因此,當我們探討科學本質與科學史在中小學課程的需求性的同時,除 了科教學者專家觀點的彙整外,也應該關心實際教授科學之教師的觀點,畢 竟他們才是實際面對學習者的一環。

(14)

再則,Sorsby(2000)認為是否教科學本質的爭議應該結束,目前重要 的挑戰應該是如何去教!許多研究顯示擁有當代科學本質觀的教師卻無法 在課堂中轉化其科學本質觀點,重要的原因之一是並未將科學本質的教學目 標列入其教學計畫當中(Lederman, 1995;Abd-El-Khalick, Bell & Lederman,

1998;鄭淑妃、劉聖忠、段曉林,2005)、還有將科學本質轉化為教學,是 需要更多專業層級的協助( Akerson & Abd-El-Khalick, 2003),教師需要的是 一些範例,知道如何將科學本質轉換成明確的課程教學。 近年來許多科學教師以科學史融入教學進行傳達科學本質觀點的研究 (陳淑媛,1996;鄭秀如,1996;巫俊明,1997;翁秀玉、段曉林,1997b; 陳淑媛、洪振方,1998;李玉貞,2000;楊燕玉,2001;邱明富,2003;姜 志忠、張惠博,2004;黃惠娥,2004),成效不一,對科學本質教學提出許 多建議,例如,科學史融入科學本質的教學前,須先熟悉該單元教材相關的 科學發展史、課程內容史實應加以求證、明確的教比隱含式的教學有效…… 等等;也提出科學史教學過程中所遭遇的困難,例如,說故事技巧不足、教 具資源的貧乏、學生作業的負荷量增加、課程內容緊湊、使用時間的不足…… 等等。 可見,基於教學上的需求,尋求相關的專家取得共識,將科學本質依據 學生發展的程度,適切的安排在中小學的課程目標裡,是刻不容緩的課題。 而科學史的內容在中小學應該包含哪些教學項目?以外加式或融入式的課 程呈現?均是值得研究者重視的。 本研究欲了解中小學實際擔任科學教學的專家教師對科學本質的教學 目標及科學史教學內容的需求性觀點,以及專家教師對於科學史內容的呈現 方式抱持怎樣的想法。期能提供各版本的課程設計者、辦理科學教師進修的 研習單位及科學教師參考。

(15)

第二節 研究目的與問題

本研究目的在了解,實際擔任中小學科學教學工作的專家教師,對科學 本質及科學史的教學目標和內容在中小學科學教學的需求性之看法。研究問 題為: 壹、專家教師對於「國中」科學教學應教導哪些「科學本質目標」之觀點? 貳、專家教師對於「小學」科學教學應教導哪些「科學本質目標」之觀點? 參、專家教師對於「國中」科學教學應教導的「科學史內容」之觀點為何? 肆、專家教師對於「小學」科學教學應教導的「科學史內容」之觀點為何?

第三節 名詞解釋

壹、科學本質教學目標 本研究所指科學本質教學目標,是以蕭培玉(2004)根據文獻整理, 並分成科學方法本質、科學知識本質與科學事業本質三個向度之科學本 質教學目標,並經兩次專家問卷調查,彙整專家意見後之項目,總共 28 個細項,做為本研究問卷工具的基礎。 貳、科學史教學內容 本研究所指科學史教學內容,是以蕭培玉(2004)根據文獻整理, 並經兩次專家問卷調查,彙整專家意見後之科學史教學內容,共 12 細 項,做為本研究問卷工具的基礎。 參、專家教師 本研究所稱專家教師的條件如下,詳細說明請看第三章,

(16)

一、任教年資六年以上。 二、碩士學歷以上(包含正於碩士班進修者)。

第四節 研究範圍與限制

本研究所指科學本質及科學史的教學,僅限於問卷內容的項目,關於教 學的討論與策略均不包含,對於專家教師的科學本質觀亦不屬於本研究的範 圍。 研究限制包括: 壹、本研究之專家教師以國教輔導團之自然與生活科技領域輔導員為優先 考量,研究結果不宜過度推論至其他科學社群。 貳、專家教師的科學本質觀不予討論。

(17)

第二章 文獻探討

科學本質與科學史在目前的科學教育上佔有不可或缺的地位,本章依序 在文獻中探討科學本質的內涵與科學史在現前科學教育中呈現的教學問 題。全章分成三節,第一節科學本質的哲學觀點及內涵、第二節科學本質的 理解與教學問題、第三節科學史與科學教學。

第一節 科學本質的哲學觀點及內涵

科學本質的內涵反映的是當代科學哲學的觀點,因此本節分成科學本質 的哲學觀點和當代科學本質的內涵兩部分來討論。

壹、科學本質的哲學觀點

自文藝復興以來,強調歸納、客觀、實證方法探求自然界真理的科學觀, 使得人類科技文明快速的發展(黃鴻博,1998),科學幾乎成了真理的代名 詞,然而,『科學是什麼?』卻還是個值得討論的問題(苑舉正,2002)。 十九世紀初期的實證主義(Positivism)繼承傳統的經驗主義,強調知 識的獲得來自於客觀的觀察,從觀察的資料分析比較後,便可以歸納出科學 的理論或知識,科學知識的產生過程是『客觀』的,因此科學知識代表的就 是絕對的『真理』( Truth); 然 而 Popper 在 1959 年提出的『否證主義』 (Falsificationism)認為歸納法有其邏輯上的缺陷,科學知識應開始於問題 的發現而非客觀的觀察,主張一個科學理論必須是有可能被否證的,科學家 的工作便在於試驗理論,從錯誤中學習,如此雖不一定求得真理,但會向真 理逐漸接近(林正弘,1988);可是 Kuhn 在 1962 年出版的《科學革命的結 構》(The Structure of Scientific Revolutions)對科學提出新的論述,以典範 (Paradigm)來解答科學的本質與科學發展特色的問題,主張科學家在典範 下從事常態科學( Normal science)的解謎工作,直到異例產生、危機出現, 新的理論或典範較舊有的理論更能解釋異常現象時,科學革命發生,新的典

(18)

範躍起,新的常態科學工作會再度進行。觀察當然也受典範的影響,對事物 描述是無法純粹客觀的,『真理』並不存在,科學知識有其暫時性。 Abimbola(1983)指出的科學哲學兩大流派,一為邏輯經驗主義,一為 1960 年代後逐漸形成的後實證主義,當中又視否證主義為兩種哲學觀點中 的過渡。Nussbaum(1989)對科學哲學的分類將經驗主義、實證主義、理 性主義均視為傳統的科學哲學觀,而視建構主義為新的科學哲學觀點,其中 的代表人物有 Popper, Lakatos, Toulmin & Kuhn。雖然不同的學者對傳統與當 代科學哲學分類所舉派典不盡相同,然大致的科學哲學觀點演進,仍不脫上 一段研究者所整理敘述的。在這樣的科學哲學觀點演進之下,科教學者對科 學本質的看法當然也會有所改變(Cleminson, 1990)。Palmquist and Finley (1997)根據邏輯經驗論及後實證主義的觀點提出傳統與當代的科學本質之 模式,當中包含理論、科學家的角色(科學家做什麼)、科學知識、科學方 法、定律及普遍性六大面向,研究者將其整理出以下之對照表,如表 2-1-1: 表 2-1-1 傳統與當代科學本質之模式 傳 統 的 科 學 本 質 模 式 當 代 的 科 學 本 質 模 式 1. 理論是直接根據觀察。 2. 新理論可蓋過舊理論,因為觀察 隨著時間改進及增加。 3. 假如樣本是單一的矛盾事件,則 整個理論是作假的。 4. 理論是個被證明是對的假說。 5. 舊理論對科學家來說是無用的。 1. 觀察是理論負載的。 2. 理論是科學家的發明。 3. 一個矛盾事件不必須去放棄一個理 論。 4. 理論是用來描述、解釋、預測科學現 象的工具。 5. 理論符合某種典範。 6.1 科學家開始探究的初始想法是理論 負載的。 6.2 理論經由與其他普遍被接受的理論 來確認。 6.3 觀察是受社會因子所影響的。 1. 科學家透過實證證據評價科學 的宣稱(Claims)。 2. 科學家的所有形象是被 想像成 心胸開闊和客觀的。 3. 科學家是使用傳統科學方法的 人。 1. 科學家的初期行為常常是跳躍的想像 或是創造力。 2. 科學家基於先備知識、觀察、邏輯和 社會因子來解釋結果。 3. 科學家基於先備知識、觀察和邏輯創 造理論。 (接下表)

(19)

傳 統 的 科 學 本 質 模 式 當 代 的 科 學 本 質 模 式 ︿ 4. 科學家努力去發現絕對的真理。 5.1 科學家必須避免受任何“純”科 學的外在影響。 5.2 科學家必須確實地依據他們所 了解的來報告資料。 4. 科學家在科學社群中去評價和關注其 他科學家的工作。 5.1 科學家基於先備知識、觀察及邏輯和 社會因子在探究之前作決定。 5.2 科學家是好奇的。 5.3 科學家與社群的其他成員溝通。 5.4 科學家受過去研究的影響。 5.5 科學家的喜好是試著整合新知識與 舊知識。 1. 科學知識符合真實性。 2. 科學知識藉由觀察的附加而增 加。 3. 科學知識藉由觀察的累積而演 進。 4. 科學知識受觀察的直接影響而 被證明或被否證。 5.1 科學知識不會改變。 5.2 科學數據不須科學家解釋。 1. 科學知識的演進是不連續的。 2. 科學知識是暫時的。 3. 科學知識是經由科學社群普遍接受所 創造及確認的。 4. 科學家基於先備知識、觀察和邏輯來 創造知識。 5. 知識的暫時性與多少人在其中工作有 關聯。 6. 真理是被定義為自然的正確解釋。 1. 科學倚靠謹慎的實驗控制來證 明。 2. 傳統科學方法的使用是發現和 確認理論。 3. 做科學有單一的方法。 4. 是一個步驟、一個步驟的過程。 5.1 方法必須在探究的進展之外來 計畫。 5.2 若科學家使用正確的傳統科學 方法,研究結果是正確無疑 的。 1. 科學家不被強求去使用傳統的科學方 法。 2. 沒有單一的科學方法。 3. 科學家使用的方法是受到環境影響。 4.1 知識能由其他不同的科學方法得到。 4.2 科學家能在研究中調整他們的探究 方法,且仍能達到有確實根據的結 果。 4.3 傳統科學方法是對於探究的一個簡 單的可能引導。 1. 科學定律是在自然中直接被發 現的。 2. 科學家解釋在自然中所發現的 定律。 3. 科學定律可被證明是絕對真實 的。 4. 定律是被證實的理論。 1. 定律是由科學家所創造。 2. 定律在科學社群內受確認。 3. 定律是科學家用來企圖解釋自然的某 些部份。 1. 科學只是發現的一部份稱為科 學知識。 2. 科學解釋是謹慎還原已知知識 的事件。 3. 科學演進是發現一個接近絕對 真理的理論。 1. 科學是幫助我們學習有關自然知識的 組織體。 2. 科學是人類所發展和創造性的部份 (科學是生活)。 3. 科學是為了發現來追尋(科學是過 程)。 (接下表)

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傳 統 的 科 學 本 質 模 式 當 代 的 科 學 本 質 模 式 4.1 科學是做實驗。 4.2 科學的目標是發現絕對真理。 4. 科學包含很多原理和過程。 5.1 科學是個競爭的事業。 5.2 科學知識的普遍性直接與開創此知 識的人的聲望相關。 5.3 科學家接受知識的自在度與此知識 和科學家的典範之密切程度有直接 相關。

貳、當代科學本質的範疇及內涵

關於科學本質的內涵,已有許多學者提出各方面的界定,然而從文獻中 亦可看出學者對所謂的『科學本質』仍有相當多不同的意見,其中仍存在些 許爭議(Matthews, 1994;Alters, 1997;Smith & Scharmann, 1999)。許多國 家在科學教育改革的部分也會制定科學本質的範疇,研究者將近年來國內外 學者及機構提及科學本質的內容依提出年代的先後陳述於下:

一、美國科學促進會(American Association for the Advancement of Science, 簡稱 AAAS, 1989)

AAAS 在「Science for All Americans」書中界定科學與社會、文化關係 的本質,將科學本質分為下列三個領域,並指出其內涵:

(一)科學的世界觀(Scientific world view): 1.自然界是可以理解的。 2.科學知識是可以改變的。 3.科學知識不是很容易就可以推翻的。 4.科學不是解決所有問題的萬靈丹。 (二)科學探究活動(Scientific inquiry): 1.證據對科學而言是重要的。 2.科學是邏輯與想像力的合成體。 3.科學知識除了能說明自然界的現象外,也具有預測的功能。

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4.科學家會試著去驗證理論並儘量避免誤差。 5.既定的科學知識並不具有永久的權威地位,常態科學( Normal science)會影響科學的研究方向,但必要時仍會產生科學革命。 (三)科學事業(Scientific enterprise): 1.科學是許多不同科學領域的集合。 2.科學的事業有許多機構來進行,例如大學、工業界、政府等。 3.各種領域的科學家在世界各地活動。 4.科學活動受到社會價值觀的影響。 5.科學知識因資訊傳播發達而促使科學的進步。 6.從事科學必須考慮倫理的原則。 7.科學家兼具有科學專業及公民的身份,科學家利用科學思考的特性 用來解決公眾事務。

二、美國國家教育發展評鑑小組(National Assessment of Education Progress, 簡稱 NAEP, 1989) 科學本質就是科學領域內所包含的科學知識、價值與原則、方法與過 程,其中針對科學知識部分 NAEP 更進一步列出按年齡層次分類的細項(見 表 2-1-2)。而『科學事業的價值與原則』的項目包含:(一)知識是有價值的; (二)質疑是必要的;(三)資料是基礎的;(四)驗證是必要的;(五)邏輯是重要 的。關於『科學的方法與過程』內容有:(一)觀察、分類與推論;(二)解釋 資料;(三)形成假設;(四)設計實驗;(五)引導探究。

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表 2-1-2 NAEP 之科學本質年齡層次分類表 年齡層次 分類主題與子題 9 歲 13 歲 17 歲

Ø

科學知識是暫時性的(Tentative) 1.科學知識是可以改變。 √ √ √ 2.新證據可以改變目前對大自然現象的說明。 √ √ 3.科學的解釋說明及預測是屬機率性。 √ √

Ø

科學知識是公開性的(Public) 1.科學家必須正確地發表他們所觀察到的科學現象。 √ √ √ 2.科學知識必須公開地發表。 √ √ 3.科學家們必須發表報告支持他們理論學說的資料以及獲得這 些資料的方法。 √ √

Ø

科學知識是實徵性的(Empirical) 1.科學知識是基於觀察的。 √ √ 2.觀察和實驗均為科學的基石。 √ 3.科學知識必須經觀察或實驗的確認方為有效。 √

Ø

科學知識是可複製性的(Replicable) 1.科學家們必須能夠重複做出其他科學家所做出的實驗。 √ √ √ 2.科學家們無論在何時何地對相同之實驗均應能做出相同的結 果。 √ √ 3.證據是由觀察及實驗而來,必須可由其他科學家們重覆來驗 證。 √

Ø

科學知識是有歷史性的(Historic) 1.科學知識是經由時間累積而來的。 √ √ √ 2.現代的科學理論是以過去的理論作基礎而得來的。 √ √ 3.現代的科學理論是由社會、政治、方法、技術等方面日新月 異的進步而取代過去的理論。 √

三、美國國家研究會(National Research Council, 簡稱 NRC, 1996)

NRC 在 1996 年訂定了『國家科學教育標準』(National Science Education Standards)。在科學內容標準架構下,科學本質與科學史屬於第八大項,書 中更為 K-4,5-8,9-12 三個年級階段的學生設定一些需完成的目標,關於

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科學本質和科學史的內容均是本研究的重點,因此以下將科學本質與科學史 一併呈現: (一)在 K-4 年級學生需了解科學是人類的努力: (1).科學與科技已被人們應用了相當的時間。 (2).從科學和科技史可看出男性與女性已做出種種貢獻。 (3).人們使用科學探究已學到許多關於自然的物質和現象,但仍有許 多是未知的,科學是永無止境的。 (4).許多人獻身於科學,並從做科學中得到很多的滿足。 (二)在 5-8 年級學生需要了解科學是人類的努力、科學本質和科學史 1.科學是人類的努力: (1).不同社會及民族背景的人們,致力於各個科學領域的活動及交流。 (2).科學根據不同的研究領域和探究類型,需要不同能力,當中包含 推理、洞察力、熱情、技巧、創造力,及科學性質,如理性誠實、 模擬兩可的包容力、懷疑和開闊的新想法。 2.科學本質: (1).科學家利用觀察、實驗、理論及數學的方法來形成及驗證他們對 自然界現象所提出來的解釋。雖然科學知識是暫時性的,可以被 改變,但大部份的科學知識是經過無數次的實驗與觀察所產生, 所以這些知識也不是很容易被推翻。然而,科學家在面對與現存 理論不符合的新證據時,亦會改變他原先的想法。 (2).不同的科學家對於同一個現象,可能會產生衝突的實驗結果,或 是會從相同的資料中導出不同的結論。面對此種狀況時,科學家 最好一起討論,以便解決不同的意見。 (3).對已經被提出的科學研究、實驗、觀察及理論模式等進行評鑑, 也是科學探究的一部份。科學家可能會不同意對現象的說明、資 料的解釋或敵對理論的重要性,然他們必定同意提問、評論回覆

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及開放的交流是科學過程中不可或缺的。與科學有關的爭議問題 最後會透過科學家間的互動來解決。 3.科學史: (1).許多人對科學的傳統有貢獻,研究這些人可提供科學探究、科學 是人類的努力、科學本質,以及科學和社會之間關係的進一步理 解。 (2).在歷史的觀點中,科學已在不同文化裡被不同的人所應用,高成 就的科學家和工程師被認為是其文化中最重要的貢獻者。 (3).追蹤科學史可以讓我們知道,科學改革者在打破其時代所接受的 想法,以達到目前我們認為理所當然的理論上是多麼困難。 (三)在 9-12 年級學生需要了解科學是人類的努力、科學知識本質和科 學史的觀點 1.科學是人類的努力: (1).個人及團體均會對科學事業持續有所貢獻。從事科學工作為一職 業或嗜好均是既迷人又有益智識的。 (2).科學家擁有倫理上的傳統。科學家珍視同儕評論,對研究的成果 和方法如實的報導,並且公開成果。假若違反這些規範,科學家 會被其同儕所譴責。 (3).科學家會受社會、文化、個人信念和世界觀的影響,科學是社會 的一部分,是無法自社會中分開的。 2.科學知識的本質: (1).科學透過實徵性、邏輯論證及懷疑的使用來區別自己。科學家努 力為自然界提出最好可能的解釋。 (2).科學解釋必須符合確切的判準。首先關於自然的實驗和觀察的證 據必須是一致的,以及在適當時對體制內的研究必須做出準確的 預測。他們必須是邏輯的、尊重證據、開放給人批評、報告方法

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和程序、以及公開其知識。對自然世界如何改變的解釋奠基於許 多不科學的方式,如神話、個人信念、宗教信仰、迷信或是對個 人有益和與社會相關的權力。 (3).因為所有科學的想法取決於實驗和觀察的確認,所以當新證據變 得合理時,所有科學的知識、原理便容易改變。科學的核心觀點, 例如能量守恆或天體運行的法則,已經經過廣泛的確認並不太可 能改變。然而在資料和認識並不完整的領域,例如人類演化、溫 室效應的問題,新的資料可能導致目前觀點的改變或是解決目前 的衝突。在資訊仍然破碎的情況下,科學想法仍不完整是正常的, 然而這也正是個創造偉大突破的機會點。 3.科學史的觀點: (1).在歷史上,不同的文化對科學知識和科技發明都有貢獻。現代科 學在歐洲數百年前迅速展開。在過去兩個世紀,他對西方與非西 方文化的工業化有顯著貢獻。然而,其餘非歐洲文化也發展科學 的想法及透過科技解決人類問題。。 (2).通常科學的改變都是現有知識的小幅修改。科學的日常工作促進 我們對世界的理解,我們的能力滿足人類的需求和渴望。從個別 科學家的研究、他們的日常工作和在他們研究領域中增進科學知 識。 (3).科學和科技的進展在科學和社會中是重要且持久的,這些進展的 範例如下:哥白尼的日心說、牛頓的力學、相對論、地質史、板 塊構造論、原子論、核子物理、演化論、微生物學、工業革命、 分子生物學、量子論、銀河系、醫療健康科技。 (4).科學解釋的歷史觀點證明科學知識如何藉由時間的進展而有所改 變,這些改變幾乎總是奠基於早先的知識。

(26)

四、翁秀玉(1997)對科學本質的看法 翁秀玉(1997)在國小自然科教師傳達科學本質之行動研究中,就科學 知識本質、科學探究過程和科學與生活三個層面,構思出國小階段欲強調的 科學本質內涵: (一)科學知識本質 1.實證性:科學知識是人類對物質世界的解釋,必須經由實驗或觀 察的確認方為有效。 2.暫時性與動態性:科學知識並非真理,必須經常面對質疑、驗證, 是有可能被修改或推翻的。 3.可複製性:科學知識受經驗證據支持,可一再重複被驗證。 (二)科學探究過程 1.科學研究題材:科學研究始於問題,且社會大眾的需求會影響科 學研究的方向。 2.形成假設:科學探究是透過科學家心中的想法來引導。 3.解決問題:解決問題不限單一的方法,運用邏輯、推理、歸納等 科學方法外,亦可有新的開創。 4.減少誤差:科學探究活動不可能達到完全客觀,人類只能盡量避 免誤差的產生。 5.公開性:科學家所提出的看法必須經過科學社群的認可,才會被 當代的科學家稱為科學知識。 (三)科學與生活 1.科學與社會 息息相關,科學的發展除了讓人類更了解自己所生存 的世界,亦會改善人類的生活。

五、McComas, Clough & Almazroa(1998)整理的科學本質內涵

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整理自八個國際科學標準文件中,有關科學本質目標的一致觀點如下: (一)科學知識具有暫時性的特徵。 (二)科學知識有賴於(並非全然)觀察、實驗證據、理性論證以及懷疑 態度(Skepticism)。 (三)「做科學(Doing science)」沒有單一的方法。 (四)科學是試圖對自然現象提出解釋。 (五)定律(Law)與理論(Theory)在科學中扮演不同的角色。 (六)不同文化的人們對於科學都有所貢獻。 (七)新的科學知識應該經由公開、清楚的發表。 (八)科學家需要正確的保存紀錄,並可讓同儕考察(Peer review)以及 可複製性(Replicability)。 (九)觀察是理論負載的(Theory-laden)。 (十)科學家是具有創造性的。 (十一)科學史顯示了科學具有演化與革命的特徵。 (十二)科學是傳統的社會與文化的一部份。 (十三)科學與科技會相互衝擊影響。 (十四)科學觀點受到社會與文化背景的影響。 六、國民中小學九年一貫課程綱要(2003)「自然與生活科技」領域 教育部頒定『科學與科技素養』的能力要項之科學本質的能力指標如下 表 2-1-3 所示: 表2-1-3 科學本質能力指標 階 段 能 力 指 標 細 目 第一階段 3-1-0-1 能依照自己所觀察到的現象說出來。(經驗性) 3-1-0-2 相信每個人只要能仔細觀察,常可有新奇的發現。(創造性) (接下表)

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階 段 能 力 指 標 細 目 第二階段 3-2-0-1 知道可用驗證或試驗的方法來查核想法。(實徵性) 3-2-0-2 察覺只要實驗的情況相同,產生的結果會很相近。(可複製 性) 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。(邏輯 推論性) 第三階段 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。(實 徵性) 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。 (侷限性) 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。(可 預測性) 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。(暫時性) 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。(侷限性) 第四階段 3-4-0-1 體會「科學」是經由探究、驗證獲得的知識。(實徵性) 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。(暫時性) 3-4-0-5 察覺依據科學理論作推測,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。(非單一方法) 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。(可複製性) 註1:第一階段為國小一二年級、第二階段為國小三四年級、第三階段為國小五六 年級、第四階段為七八九年級。 註2:( )內為高慧蓮(2004)針對科學本質能力指標之詮釋。

七、Schwartz, Lederman & Crawford(2004)對科學本質的看法

Schwartz 等人歸結多位學者認為科學本質的普遍性觀點對 K-16 年級的 教育來說是適當的,並提出下列的科學本質觀點:

(一)暫時性:科學知識易受新的觀察及目前觀察的重新解釋而改變。 (二)實徵性基礎:科學知識奠基起源於對自然世界的觀察。

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個人價值、先前經驗所支配。主觀性是不可避免的。 (四)創造性:科學知識從人類想像及邏輯推理創造出來。此創造是基於 自然世界的觀察和推論。 (五)深植於社會文化:科學是人類的努力也受社會和文化的影響。文化 的價值決定怎樣的科學會被實施、解釋、接受及利用。 (六)觀察和推論:科學同時奠基於觀察和推論。 (七)定律和理論:理論和定律是不同的科學知識。 (八)上述觀點的相互依賴:例如:科學知識的暫時性起源於透過實徵性 觀察和推論的創造力知識。這些行動受社會文化影響,同 時也受科學家的個人主觀及理論架構所影響。當新資料數 據被考慮及存在須重新討論的資料時,科學知識可能產生 改變。 從以上的文獻整理,可以看出學者們在其研究中提出的科學本質論述及 教育機構中企圖對科學本質的教學目標提供的具體內容裡,科學本質的內涵 並不盡然相同,關於科學本質在科學教育中教授的爭議並沒有獲得解決,實 徵性的進一步研究有其必要性。

八、Osborne, Colins, Ratcliffe, Millar & Duschl(2003)歸納學校科學課程之 科學本質內涵

Osborne 等 人 認 為 當 代 的 學 校 科 學 課 程 教 哪 些 「 對 科 學 的 想 法 」 (Ideas-about-Science),必須建立一個學術社群的共識,採用大慧( Delphi) 調查法,調查 23 位科學教育家、科學家、科學史家、科學哲學家與科學社 會學家,經過三次的問卷調查,這些專家學者認為必須教的項目如下:

1.科學和必然性(Science and certainty):科學知識的暫時性本質。 2.科學知識的歷史發展( Historical development of scientific knowledge):

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始會受到抵抗,最後還是會被接受的。

3.科學方法和批判的試驗(Scientific method and critical testing):科學使 用實驗的方式測試想法,學生必須學習基本的技能。而單一實驗的結 果很少能成為知識主張。

4.資料的分析與詮釋( Analysis and interpretation of data):科學知識的產 生是經由詮釋的過程,理論的建立需經由複雜的技能。

5.假設和預測(Hypothesis and prediction):科學家是對自然現象做假設 和預測,這基本上是新知識發展的過程。

6.科學想法的相異性(Diversity of scientific thinking):科學沒有單一的 方法。

7.創造性( Creativity):科學是一個包含了創造、想像力的人類活動,並 且科學想法是相當大智慧的達成。

8.科學和問題( Science and questioning):科學家的工作是不停地找尋問 題、尋求答案接著發現新問題,這樣循環的過程是經實徵性考驗的。

9.科學知識發展中的合作(Cooperation and collaboration in the

development of scientific knowledge):科學工作是共同與競爭的活動, 雖然個人會對科學有所貢獻,然而科學工作經常是由群體完成的。新 的知識必須公開、讓社群接受以及經過批判。 九、蕭培玉(2004)歸納之科學本質教學目標 蕭培玉( 2004)認為科學本質的教學目標更應針對中小學各學習階段明 確列出,以大慧調查法,調查國內 20 位科學史哲專家、科學教育專家、環 境教育專家、教育行政專家、純科學專家,經過三次的問卷調查,得出國小、 國中、高中應教導的科學本質項目如下表 2-1-4:

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表 2-1-4 中小學應教導的科學本質項目 應教導的科學本質項目 國 小 國 中 高 中 1.讓學生了解「做科學或科學探究」並非只有單一的方法。 ü ü ü 2.讓學生了解科學研究中「觀察是經由理論引導與詮釋」。 ü ü ü 3.讓學生了解科學家在進行實驗前通常會預設結果,而當結果與預測不 同時,科學家通常不會察覺理論出了問題。 ü ü ü 4.讓學生了解研究的過程應包含問問題和解決問題的過程。 ü ü ü 5.讓學生了解「數學」在科學探究中的重要性。 ü ü ü 6.讓學生了解科學方法的主觀性。(如,科學信念) ü ü ü 7.讓學生了解科學方法的客觀性。(如,科學方法的可檢驗性) ü ü ü 8.讓學生了解科學家常使用的科學方法(例,歸納法、演繹法…等) ü ü ü 9.讓學生了解科學方法的侷限性。 ü ü ü 10.讓學生了解科學知識具有暫時性,並非恆久不變。 ü ü 11.讓學生了解科學知識或理論的產生,並非完全依賴觀察。 ü ü 12.讓學生了解科學的目標之一是對於自然現象提出解釋。 ü ü 13.讓學生了解「定律」和「理論」在科學中扮演不同的角色。 ü ü 14.讓學生了解新的科學知識應該經由公開、清楚的發表,並接受檢驗。 ü ü 15.讓學生了解科學知識的產生與發展有賴於人類的想像力和創造力。 ü ü 16.讓學生了解科學具有「漸進演化」與「革命替代」的特徵。 ü ü 17.讓學生了解科學知識是被發明的,不是被發現的。 ü ü 18.讓學生了解科學知識的「可複製性」。 ü ü 19.讓學生了解科學知識的「可驗證性」。 ü ü 20.讓學生了解科學知識的「實徵性」(Empirical)。 ü ü 21.讓學生了解科學是社會傳統與人類文化的一部份。 ü ü 22.讓學生了解科學、社會與科技會相互影響。 ü ü 23.讓學生了解不同文化背景與行業的人們對於科學都有貢獻。 ü 24.讓學生了解科學家需要正確的保存紀錄,並讓同儕檢驗。 ü 25.讓學生了解科學家的想法受到社會環境和文化背景的影響。 ü 26.讓學生了解科學家選擇研究主題和方法時,會受到社會價值和科學 社群的影響。 ü 27.讓學生了解有關科學的爭議需要透過科學家們共同討論與溝通,來 獲得解決。 ü 28.讓學生了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。 ü

(32)

研究者整理上述文獻,找出當代科學本質一致的內涵,以林陳涌( 1996) 發展「了解科學本質量表」的三個組成面向:科學方法本質、科學知識本質 及科學事業本質為基礎,來歸納分類,整理如表 2-1-5: 表 2-1-5 科學本質內涵整理表 科學方法本質 科學知識本質 科學事業本質 科學內涵 專家學者 實 徵 性 非 單 一 方 法 可 複 製 性 理 論 負 載 暫 時 性 公 開 性 創 造 性 主 觀 性 社 會 與 文 化 科 學 家 工 作 科 學 社 群 AAAS(1989) ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ NAEP(1989) ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ NRC(1996) ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ Palmquist and Finley

(1997) ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ 翁秀玉(1997) ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ

McComas, Clough &

Almazroa(1998) ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ 教育部(2003) ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ

Osborne, Colins, Ratcliffe, Millar & Duschl(2003) ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ Schwartz,Lederman & Crawford(2004) ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ 蕭培玉(2004) ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ 國內外學者均企圖建立科學本質在中小學科學課程的必要內容,由於相 同的議題在設計課程仍需循學童的認知發展順序(張春興,1996),不同學 習階段的學生當有不同的學習任務和內容,因此編製科學課程時,第一線的 專家教師更不能缺席。九年一貫課程改革要求教師須有自己設計課程的能 力,明確的教學目標將能提供教師在設計課程時擁有確切的指引。本研究參 酌蕭培玉( 2004)的研究,欲進一步探討實際接觸學童教學的專家教師對於 小學、國中分別所需要教導的科學本質的觀點,希望能提供科學課程設計 者、辦理科學教師進修的研習單位及科學教師一參考依據。

(33)

第二節 科學本質的理解與教學

長期以來的科學教學目標之一是發展適切的科學本質觀, Lederman (1992)整理了 1950-1990 年代有關科學本質的實徵研究,並將其分成四個 主題討論:(一)評量學生的科學本質觀之研究;(二)提升學生科學本質觀 的課程之發展、使用與評量之研究;(三)評量教師科學本質觀與提升教師 科學本質概念之研究;(四)確定教師科學本質觀、班級實務與學生科學本 質觀間的關係之研究。從中可以看出,了解及提升學生和教師的科學本質理 解,還有對科學本質的課程、教學等研究是目前所重視的。欲提升學生的科 學本質,更須自課程內容、教學目標著手,在本節研究者將分述科學本質的 理解,及科學本質教學的問題。

壹、科學本質的理解

許多文獻指出學生具有不恰當的科學本質觀(Lederman, 1992)。 Tsai (1998)研究台灣國二學生對於科學知識的信念,結果發現大部分學生認為 科學是「被發現的」,而不是「被發明的」。而且傾向於經驗主義(Empiricism) 觀點的學生,會以背誦方式(Rote-like)為學習科學的主要策略。 莊嘉坤(1999)以自編的『國小學童對科學本質的了解與科學的生涯目 標調查問卷』探討科學認同程度不同的國小學童,對科學本質與科學生涯的 想法或知覺。研究發現:學童對科學本質的想法之心智表徵有七個類型,分 別為- (1)視科學為發明、發現或研究的工作;(2)視科學為思考的活動; (3)視科學為科學的方法;(4)視科學為現象、知識或是一門學科;(5) 視科學為物品;(6)科學的價值;(7)其他。另外亦發現,學童們所持的科 學意象,仍然是零碎、不一致且呈現個人天真的想法。

Abd-El-Khalick and Lederman(2000b)研究科學史課程對學生科學本質 觀的影響,研究對象包括 166 位大學未畢業及畢業的學生,還有 15 位職前 中學科學教師。幾乎所有研究對象在研究開始時,都具有數個不適當的科學

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本質觀點,例如:科學知識是最終的真理、有確鑿的資料可用來證明科學宣 稱的真理、觀察是客觀的不受個人、社會或文化影響、科學方法有一特定的 做事方法、理論的改變是因為新的資訊和科技促進了實驗的準確性、科學定 律是已經被證明不會再改變的。在課程結束後,研究對象觀點很少有顯著的 改變,但也有一些研究對象之觀點有明顯的改變,特別是職前科學教師,在 他們參與科學史課程後,他們科學本質的架構與現代科學本質的觀點稍微一 致。 黃鴻博(1998)探討國小教師對於科學本質的信念,研究結果顯示國小 教師對科學本質的觀點如下:(1)科學內容的範圍片面且模糊,對科學的描 述只含科學本質三個向度(科學知識概念、探究方法、科學事業)中之一; (2)科學知識缺乏統整性;(3)在科學探究方法,傾向實證主義取向;(4) 科學事業強調功能性,較少注意科學與社會的關係。 綜合上述文獻,從小學到大學、職前教師到現職教師,在在都可看出目 前師生對科學本質的理解尚不恰當,這些觀點會影響科學的教學與學習,例 如:Lin and Chiu(2004)調查學生科學本質理解及其解題策略間的關係, 發現學生對科學本質有較深入的了解,可能可提高學生的解題能力。柯玉婷 (2000)研究台中地區國小職前與在職教師對科學本質之理解及其對科學本 質的教學態度時,進一步建議小學有關科學本質教學必須有其範圍與選擇 性。Lederman, Abd-El-Khalick, Bell & Schwartz(2002)除了發展科學本質觀 點的問卷,來評量學習者的科學本質概念外,更指出目前科學本質研究的重 點,應以介入個別教室提升學習者的科學本質觀點為目的,而非大量施測、 描述或評量學生的信念。由此更可看出提升學生的科學本質觀是必要的,而 不同階段的學習者需要學習哪些科學本質內容,亦值得研究者重視。

貳、科學本質教學的問題和限制

一、科學本質的傳達

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Abd-El-Khalick and Lederman(2000a)在改善教師科學本質概念的評論 性文獻中提到,將傳達科學本質分成內隱取向( Implicit approach)及明確取 向 ( Explicit approach)。 內 隱 取 向 是 以 科 學 探 究 教 學 ( Science inquiry

instruction)、科學過程技能教學(Science process-skills instruction)、科學 內容課程工作(Science content coursework)、從做中學科學(Doing science)、 或 其 它 學 習 環 境 的 營 造 ( Manipulated certain aspects of the learning

environment)來促進對科學本質的瞭解。內隱取向的教學並不明白指出科學 本質的成分,來增進學生對科學本質的了解。這樣的說法基於兩個固有的假 定。第一個是發展科學本質理解是一種“感性的”學習而非 “認知的”學習成 果。第二個是當學習者致力於科學相關活動時必然發展科學本質的理解。 Abd-El-Khalick, Bell & Lederman(1998)指出 1960 到 1970 年代許多課程採 用內隱取向的學習,強調透過動手做,學生便能從中學到科學本質,然而當 時許多研究(e.g. Durkee, 1974;Tamir, 1972;Trent, 1965;Troxel, 1968)卻 顯示這樣的方式是無效的。

明確取向必須明白地指出科學本質的部分,可以透過科學史、哲的材料 來呈現,以增進學童對科學本質的了解。然而內隱取向與明確取向的不同不 在於用來提升科學本質理解的活動的種類不同,而在於提供學習者概念上的 工具的程度,例如一些科學本質的關鍵觀點(Key aspects of NOS),可以使 學生有能力去思考其從事的活動。

近年來許多研究顯示明確取向是比內隱取向更能增進學習者的科學本 質理解(Abd-El-Khalick et al., 1998;Abd-El-Khalick & Lederman, 2000a、

2000b;Khishfe & Abd-El-Khalick, 2002;陳美雯、王靜如,2004)。正如上 述所言,內隱與明確不在於活動的種類,而在於教學時是否明示,確切給予 學習者概念上的工具(Conceptual tools)。後續研究者的教學方式跳脫僅是 科學史方式或只有探究導向的教學,在不同教學活動中輔以內隱或明確的傳 達方式,研究者將其整理如下:

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Akerson, Abd-El-Khalick & Lederman(2000)在國小科學方法課程的情 境中以反思的、明確的、活動基礎取向來進行科學本質教學,以探討國小職 前教師的科學本質觀。此研究的科學本質內涵包括實徵性、暫時性、主觀性 理論負載、想像力及創造力和社會文化,以及兩個額外的觀點包括觀察和推 論及理論和定律的功能。參與者包括 25 個大學生和 25 個畢業的職前國小教 師。使用開放性科學本質問卷及個別晤談來評估參與者的科學本質觀,包含 前測及後測。大部分的參與者在研究開始時持有質樸的科學本質觀。第一個 星期,參與者被安排於一特殊設計的活動,當中包含明確的科學本質教學。 透過剩下的課程,參與者被提供建構的機會來反思其科學本質的觀點。之後 的教育評量指出參與者在他們一些科學本質觀上有實質的獲得。在社會文化 及主觀性上獲得較少。研究結果支持明確的、反思的科學本質教學是有效 的。也進一步提出,這樣的教學若統整進概念改變取向可能會更有效。

Abd-El-Khalick and Lederman(2000b)探討在學生科學本質觀點中,科 學史課程的影響。以 166 位大學生、畢業生和 15 位職前教師為研究對象, 開設三種課程,包括:演化論課程、科學史概論課程與辯論課程。其中只有 演化論課程是以明確取向的教學方式,來增進學生對科學本質的了解。而 15 位職前教師於研究前參與過科學方法課程。研究結果發現:(1)就全體 研究對象而言,融入科學史的教學,對於科學本質知識的觀點很少有顯著的 改變,但是針對參加過科學方法課程的職前教師來看,他們的科學本質觀與 現今的科學本質觀較為一致。因此建議,讓學習者上科學史課程前先接受科 學方法課程的明確科學本質教學。有了跟科學史一致的經驗,可能可以增加 學生科學本質的豐富性或改變其科學本質觀;(2)若要顯著提昇學生科學本 質觀,在科學史課程中以明確的方式說明科學本質,是比較有效的,但這樣 的方式也是有限;(3)在研究前,學習者所持有的科學本質迷思概念限制了 此科學史課程的影響。因此,一個概念改變的方法(例如:Posner, Srike, Hewson & Gertzog, 1982)可能是更有效的;(4)科學史課程的目標並不以

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教授科學本質觀點為優先,也同樣限制了科學本質的學習。

Khishfe and Abd-El-Khalick (2002)以兩班國小六年級的學生為對象, 探究內隱及明確反思的探究導向教學對科學本質觀的影響,以暫時性、實徵 性、推論、及想像力和創造力為科學本質教學內涵。兩班學童進行相同的探 究活動,在活動後進行討論,以實驗組明確的進行科學本質觀的反思討論, 對照組則無明確的提及。研究前後採開放性問卷輔以非結構晤談來評量學童 的科學本質觀,前測和後測相距 2.5 個月。前測資料顯示,大多數學童的科 學本質觀都是素樸的。對照組的觀點在研究結論後也沒有什麼改變。相比之 下,實驗組在大體上有更多的學生擁有更清楚的當代科學本質觀。研究結果 認為,在提升學習者的科學本質概念上,一個明確的、反思的探究導向方法 是比隱含取向更有效。

Schwartz, Lederman & Crawford(2004)以一相似於科學家研究的探究 情境來了解 13 位中學職前教師的科學本質觀發展,這研究是以一科學研究 的實習課程進行,課程包含真實探究的經驗、明確的科學本質教學、研討會 和帶領反思。研究結果指出實習者在科學本質的知識上展露豐富的發展。在 實習期間歸納出三個影響科學本質發展的重要因素- 透過日誌和討論給反 思明確的機會、研究設置的真實情境和實習者的反思觀點。反思日誌的撰寫 及研討會對科學本質的觀點有極大的影響。科學研究的成分給反思提供一個 情境。而實習者本身的觀點也會影響科學本質發展,持反思立場者科學本質 較易改變,而視自己為科學家者,科學本質觀點改變較少。此研究結果支持 『只提供“做科學”是不足以發展科學本質概念的』,認為透過 K-12 年級的課 堂探究來教科學本質,也可以同樣使用反思的活動、明確的講述,使學生能 在教室探究基礎的情境中,建構其科學本質的理解。 陳美雯和王靜如( 2004)探討透過科學史融入教學時,內隱和明確傳達 科學本質,學生學習成效有何不同。以六年級學童為研究對象,暫時性、社 會性和證據的判斷為科學本質內涵,分兩次不同的教學(內隱和明確),研

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究結果顯示,兩種教學成效的不同,可能與學生個人經驗及期待傳達的科學 本質內容相關,然整體看來仍以明確取向的傳達科學本質的教學成效較高。 綜合上述文獻,明確的傳達科學本質的觀點相對於內隱的方式而言,是 更為有效的,學者們亦建議若能輔以概念改變的方式,先製造概念衝突使學 生對自己的原有概念先不滿足,再提供可理解、似真的、豐富的科學本質觀 點,對學生的科學本質概念的學習可能會更有效。因此研究者認為,要明確 傳達或設計概念改變的教學,首先要先確定各學習階段應傳達的科學本質項 目,進而根據這些項目安排合適的教學情境、設計合適的教學方式。 二、科學本質教學實務上的問題 科學本質的教學問題除了教師未具備當代的科學本質觀外,也有研究顯 示擁有當代科學本質觀的教師,在課堂活動中並未適切的傳達或教學,關於 教學實務的問題,研究者將相關文獻整理如下:

Abd-El-Khalick, Bell & Lederman(1998)研究 14 位中學職前教師,在 編寫教學計劃與教學實務時,影響科學本質概念傳達的因素。科學本質的內 涵包括:實徵性、暫時性、能區別觀察和推論、以及科學中的創造性和主觀 性。研究發現雖然許多職前教師宣稱已透過實際的科學活動教授科學本質, 然而資料分析顯示,他們在其教學計畫與教學實務很少明確提及科學本質。 原因在於他們認為學生從實際的科學活動中就可以不知不覺地獲得科學本 質的觀念,因此他們沒有讓學生充分地討論科學本質的議題。經由晤談結 果,發現阻礙這些職前教師傳達科學本質的因素有:(1)他們認為教學成果 比科學本質概念重要,因此不將科學本質列在重要的教學目標中;(2)對於 本身科學本質的理解感到不自在;(3)缺乏傳達科學本質的資源和經驗;(4) 專注於教室管理與例行的瑣事;(5)教材的設計受到該班指導老師的限制; (6)教學與計畫時間的不足。此外,資料顯示職前教師的科學本質觀、教 學法和教學成果間是錯綜複雜的相互影響。 王靜如(2001)以質性研究法針對 2 位國小自然科教師之教學,探究其

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科學本質概念、教學實務和教學思維,調查結果發現教師持有適當的科學本 質概念,但在教學上未將科學本質列為主要教學目標,在科學本質的傳達上 未能明白地表現出來,教師認為科學本質是隱含在其它的教學成分中,在教 學過程中就能自然地教科學本質。

Akerson and Abd-El-Khalick(2003)以長達一年的個案研究方式,探討 一位有經驗的 4 年級老師在教授科學本質時所遭遇的問題及需要的支持。雖 然個案教師具有當代科學本質觀,也企圖在班上以明確取向進行科學本質教 學,但這種將觀點轉換到教學實務的情況並不是每次都成功,因此研究者在 最後提出三點建議:(1)將科學本質的理解具體化,讓教師們可以自在使用; (2)在各領域的科學內容中找出良機來明確地進行科學本質教學;(3)在 實施教學時考慮到科學本質理解,例如可經由計劃教科學本質、實施明確的 科學本質教學、分享適當明確之科學本質教學方法(經由電視影像或教科書) 的實例,或舉辦教學觀摩。用這些方式來支援教師們擁有適當的科學本質概 念以及擁有教授學生科學本質的意圖。 鄭淑妃、劉聖忠和段曉林(2005)以詮釋性研究的方式,研究一位具當 代科學本質觀的現職國小自然科教師的教學與其科學本質觀之間的關係。研 究結果發現教師在他的教學實務中並未反映出他所持有的科學本質觀點。關 於限制個案教師傳達科學本質觀的因素有教師個人教學目標的限制、現有教 材的限制、教師本身的信心不足、教學時間的限制以及缺乏現成可用的教學 成效檢核工具。 綜合上述文獻所論,教師們的當代科學本質觀雖是必要的,但這還不夠 充分去賦予老師能擁有科學本質的教學方法(Abd-El-Khalick et al., 1998; Lederman, 1999)。科學本質的教學實務還需要教師將它明確的列入教學目 標、寫入教學計畫,並且在不同領域的教材或教學法上的使用時機,還需專 家們協助轉化成合適、具體的範例,以供教師參考,由此看來,更可見對科 學本質具體教學項目的需求。有了明確、適合各學習階段應教授的科學本質

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項目,教師及教材的編製者,將更能思考如何將應教的科學本質項目列入教 學計畫、教學目標及教學活動。

第三節 科學史與科學教學

任定成(2002)為《科學史:新的綜合》一書作序時提到,科學史學史 上,有影響的綜合嘗試,當推惠威爾(William Whewell, 1794~1866)、薩頓 (George Sarton, 1884~1956)和孔恩(Thomas Kuhn, 1922~1996)。惠威爾用 歸納主義科學觀寫了第一部科學通史著作;薩頓試圖用實證主義科學觀撰寫 出包羅萬象的科學人文主義的科學史作品;孔恩用一本小冊子的篇幅,描繪 出一幅科學發展的歷史結構。薩頓在 20 世紀初發展綜合科學史,將以往對 各門科學的分別敘述囊括其中,認為科學史是唯一能體現人類進步的歷史, 並以此促成科學史成為一門獨立學科(袁江洋,2002)。他的工作促使哈佛 大學形成一項包含大學生和研究生兩種程度在內的科學史計畫,1940 年代, 授予了第一個科學史方面的哲學博士學位(Debus, 1984)。 由此可知科學史可說是門新興學科,實際應用於科學教學的時間只有短 短 50 多年,以下本節將分成科學史應用於科學教育的發展、科學史在科學 教學上的理論基礎、科學史在科學教學的角色和功能、使用科學史的問題與 爭議以及科學教科書使用科學史的情況,五個部分來討論。

壹、科學史應用於科學教育的發展

科學史應用於科學教學獲得顯著成效的,首推美國哈佛大學校長 James B. Conant,Conant 在 1940 年代末期發展了一套科學史教材,將科學史以個 案研究導向(Case-study approach)直接應用到大學通識課程裡,認為透過 早期科學發展的事例,可以協助學生理解科學方法,學習科學概念。Klopfer

數據

表 4-1-9  第一次大慧問卷專家意見修正後之「科學事業本 質」教學目標..............................   79  表 4-1-10  第一次大慧問卷專家對「科學史教學內容」需求 性之意見統計表...........................
表 4-2-11  第二次大慧問卷專家對「科學史內容」呈現方式 之意見統計表..............................    96  表 4-2-12  第二次大慧問卷專家意見修正後之「科學史」教 學內容...................................
表 4-4-8  本研究歸納之科學本質目標與 McComas, Clough  & Almazroa(1998)研究之比較................  129  表 4-4-9  本研究歸納之科學本質目標與 Osborne, Colins,
表 2-1-2    NAEP 之科學本質年齡層次分類表  年齡層次  分類主題與子題  9  歲  13 歲  17 歲  Ø  科學知識是暫時性的(Tentative)  1.科學知識是可以改變。  √ √ √ 2.新證據可以改變目前對大自然現象的說明。  √ √ 3.科學的解釋說明及預測是屬機率性。  √ √ Ø  科學知識是公開性的(Public)  1.科學家必須正確地發表他們所觀察到的科學現象。  √ √ √ 2.科學知識必須公開地發表。  √ √ 3.科學家們必須發表報告支持他們理論學說的資料
+7

參考文獻

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