探討POE-Inquiry教學策略對國中八年級學生科學探究能力之影響

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(1)國立臺灣師範大學物理學系碩士班碩士論文. 指導教授：黃福坤博士. 探討 POE-Inquiry 教學策略對國中八年級學生科學探究能力之影響. 研究生：吳怡慧. 中華民國一零三年七月.

(2) 誌謝終於完成了，我的論文！這一路以來，要感謝的人真的太多了！首先，謝謝我的指導教授黃福坤老師，謝謝老師總是願意花很多時間和我討論研究的細節，在每次討論時都能夠指出我思考的盲點所在，正如老師所說，要完成論文必先要脫一層皮。真的，蛻變的過程是辛苦的，但蛻變後的型態是美麗的！謝謝老師一路上的指導與鼓勵。同時感謝盧玉玲教授和吳心楷教授撥冗擔任我的口試委員，給予非常多寶貴的建議，讓我的論文能夠更加完整流暢。謝謝我的好朋友們：謝謝鳳珠老師，有妳的一路相伴，互相討論、打氣、校稿，一起度過了很多個熬夜的晚上。請記得，畢業證書上有八分之一是屬於妳的；謝謝堯昌、小安、妮妮，在我徬徨忙亂的時候，和你們一起吃飯聊天，總是能夠安定心神，補滿體力繼續奮戰；謝謝芳儀，辦公室互相砥礪的好夥伴，假日相約的師大圖書館知性之旅，同時也是隨叩隨上陣的專業紀錄；謝謝佳兒、奕華，兩位學姊學長給予的經驗分享；謝謝百興學長對論文分析方法的指點；謝謝珮芯協助製作評量題目；謝謝學校的長官、同事和學生們的支持和鼓勵，因為有你們的幫忙，讓這篇論文能夠順利完成。最後，謝謝一直愛護我的家人，親愛的爸爸、媽媽、哥哥、阿嬤，在您們的關心和支持之下，我的論文順利完成了。謹將這段時間以來完成的小小成就，獻給我最愛的家人及朋友們！我愛您們！.

(3) 探討 POE-Inquiry 教學策略對國中八年級學生科學探究能力之影響吳怡慧. 摘要本研究旨在探討將 POE(Predict-Observe-Explain)教學與科學探究(Inquiry)教學結合，形成 POE -Inquiry 教學策略(包含 POE 教學及 POEI 實驗設計活動)後，其對國中八年級學生科學探究能力的影響，同時亦探討實驗組學生接受 POE-Inquiry 教學後之學習感受情形。本研究採準實驗研究設計，研究對象為研究者任教之四個八年級班級，兩班為實驗組，以研究者所研發之 POE-Inquiry 教學策略進行教學；兩班為控制組，以傳統講述式教學法教學。教學單元為八年級上學期理化科，第三章波動與聲音、第四章光及第五章熱等三個單元，教學時間為兩個月。本研究之研究工具包含「科學探究能力數位評量」、「POEI 實驗設計活動學習單」、「學習感受問卷」以及半結構式晤談資料。將數位評量前、後測結果進行量化分析，了解實驗組與控制組學生經不同教學法之科學探究能力改變情形；再以 POEI 實驗設計活動學習單做質性與量化分析，了解學生科學探究能力改變的情況。最後整理學生在學習感受問卷的填答結果，輔以晤談紀錄佐證，了解學生對於接受 POE-Inquiry 教學策略之學習感受。研究結果發現：一、在科學探究能力數位評量前、後測表現上，實驗組達顯著差異，控制組未達顯著差異，表示 POE -Inquiry 教學策略能夠顯著提升學生的科學探究能力。二、由共變數分析結果發現，POE -Inquiry 教學策略與講述式教學法對學生科學探究能力的提升無顯著差異。三、由 POEI 實驗設計活動學習單分析及科學探究能力數位評量前、後測檢定結果發現，實驗組學生在「提出問題」、「選擇變因」、「流程規劃」、「資料轉化」以及「產生推理」等五項科學探究能力有顯著進步。四、學生在 POEI 實驗設計活動項目中，感到最困擾的項目排序是 1.寫出結果與解釋 2.提出預測理由 3.提. I.

(4) 出預測結果 4.提出問題 5.寫出實驗變因 6.寫出實驗步驟 7.觀察與紀錄。五、學生對 POE -Inquiry 教學策略持正向感受，多數學生喜愛 POE-Inquiry 教學策略，因為可以自行設計並操作實驗，藉此訓練思考能力，上課生動有趣，提高學習參與感，並希望能多以這樣的方式上課。根據上述結論，本研究做出相關建議，作為現階段國中科學探究教學與未來研究之參考。. 關鍵詞：POE-Inquiry 教學策略、科學探究能力. II.

(5) A Study of the Effect of Implementing POE-Inquiry Teaching Strategy for 𝟖𝒕𝒉 Grades on Science Inquiry Wu Yi Hui Abstract The purpose of this study was to investigate the outcome of. POE -Inquiry teaching. strategy on 8th graders science inquiry. Also, how the POE -Inquiry as a teaching strategy (including POE teaching and POEI expertment design) impacts on students’ perceptions was studied. It is conducted in a quasi experiment. The subjects are four classes of 8th graders that are taught by the researcher. Two groups of the students receive POEI-based instruction on “Wave and Sounds” (Chapter 3), “Light” (Chapter 4) and “Heat” (Chapter 5), while the other two groups were instructed in traditional expository strategy. Data were collected before and after this two-months study. Data sources include “digital science inquiry test”, POEI experimental design worksheets, perception questionnaires and interviews. Pre-test and post-test data demonstrated that POE -Inquiry strategy significantly enhanced students’ science inquiry. Data from groups taught with traditional expository strategy only show insignificant increases. However, on the same topic, ANCOVA analysis suggests no significant differences between POE -Inquiry and traditional expository strategy. Students showed better improvement in ”propose questions”, “identify variables”, “plan experimental process”, ”data transformation”, and ” evaluating alternative explanations” after POE -Inquiry instructions. Besides, to sort the step in POEI experiment design activity that makes students feel difficult are: 1.explain experiment result scientifically. 2. make predict reasons. 3. predict results. 4. propose questions. 5. identify variables. 6. plan experimental process. 7. data transformation. Moreover, data collected from questionnaires pointed out that most of the students in POE -Inquiry group prefer POE -Inquiry teaching over traditional expository strategy. Frequently mentioned reasons for this preference include the fun of designing and operating experiments on their own, being encouraged to do logical thinking, and, in short, “a more interesting class”.According to the above results, this research has proposed relevant advices for the present science inquiry teaching in the junior high school and for further studies of related fields. Keywords：POE-Inquiry teaching strategy、science inquiry III.

(6) 目. 錄. 第一章緒論 .................................................. 1 第一節研究動機 ....................................................... 1 第二節研究目的與待答問題 ............................................. 3 第三節名詞釋義 ....................................................... 4 第四節研究範圍與限制 ................................................. 5. 第二章文獻探討 .............................................. 6 第一節 POE 教學策略 ................................................... 6 第二節 POE 教學之相關研究 ............................................ 10 第三節科學探究能力 .................................................. 16. 第三章研究方法 ............................................. 23 第一節研究背景與對象 ................................................ 23 第二節研究設計與流程 ................................................ 25 第三節研究教材教學設計 .............................................. 27 第四節研究工具 ...................................................... 37 第五節資料蒐集與分析 ................................................ 42. 第四章結果與討論 ........................................... 50 第一節不同教學法對學生科學探究能力的影響 ............................ 50 第二節不同教學法學生在各項科學探究能力的表現差異 .................... 55 第三節 POE-Inquiry 教學策略對學生科學探究能力的影響 .................. 60 第四節實驗組學生對 POE-Inquiry 教學策略之學習感受 .................... 70. 第五章結論與建議 ........................................... 83 第一節研究結論 ...................................................... 83 第二節綜合討論 ...................................................... 86 第三節研究建議 ...................................................... 89 IV.

(7) 參考文獻 .................................................... 91. 附錄 ........................................................ 97 附錄一：TILE 團隊發展之科學探究能力定義表 ............................ 97 附錄二：POE 教學教案示例：3-1 波的傳播 ............................... 100 附錄三：POEI 實驗設計活動教學教案示例：3-4 聲音的反射 ................ 101 附錄四：POE-Inquiry 教學策略-學習單示例(第三章-波動與聲音) .......... 102 附錄五：學習感受問卷 ................................................ 112 附錄六：半結構式晤談大綱 ............................................ 114. V.

(8) 表目錄表 2-2-1：國內外 POE 教學之相關研究 ....................................... 10 表 2-2-2：PEOE 步驟與學習單 ............................................... 14 表 2-3-1：科學探究能力相關研究定義列表 ................................... 17 表 2-3-2：Herron 提出之探究實驗的四個層次 ................................. 19 表 2-3-3：探究活動的層級(Staer、Goodrum & Hacking ,1998) ................. 19 表 3-1-1：實驗組與控制組班級人數有效樣本資料表 ........................... 24 表 3-2-1：研究架構表 ..................................................... 25 表 3-3-1：POE 教學活動之教師任務與學生任務對照表(改編自陳沛瑩, 2004) .... 28 表 3-3-2：POE 教學學習單示例 .............................................. 29 表 3-3-3：POEI 實驗設計活動實施步驟之教師任務與學生任務對照表 ............. 31 表 3-3-4：POEI 實驗設計活動學習單示例 ..................................... 33 表 3-3-5：理化單元教學各章節之教學方式對照表 ............................. 35 表 3-3-6：POE 教學活動步驟、POEI 實驗設計活動步驟及科學探究能力數位評量，三者所對應之科學探究能力比較表。 ................................. 36 表 3-4-1：TILE 科學探究能力評量之科學探究能力定義 ......................... 38 表 3-5-1：本研究之研究問題與統計方法對照表 ............................... 42 表 3-5-2：科學探究能力數位評量之各能力題數與總分分配表 ................... 43 表 3-5-3：POEI 實驗設計活動學習單評分標準與實例說明 ....................... 44 表 4-1-1：科學探究能力數位評量之前測與後測 Kolmogorov-Smirnov 常態性檢定結果表 ........................................................... 51 表 4-1-2：實驗組與控制組之後測成績同質性考驗 ............................. 51 表 4-1-3：科學探究能力數位評量前測、後測之描述性統計資料表 ............... 51 表 4-1-4：實驗組與控制組在科學探究能力數位評量之前、後測成對樣本 t 檢定結果表 ............................................................. 51 表 4-1-5：實驗組與控制組在數位評量前測對後測之迴歸係數同質性考驗結果表 ... 52 表 4-1-6：不同教學法在科學探究能力數位評量之描述性統計資料表 ............. 52 表 4-1-7：不同教學法之單因子共變數分析表 ................................. 53 表 4-1-8：實驗組及控制組在數位評量前測總分之高、中、低分組人數分布及前、後測平均分數表 ................................................... 53 表 4-1-9：實驗組與控制組之高中低分組學生在數位評量[後測-前測]分數資料表 .. 53 表 4-1-10：實驗組之不同分數組別學生在數位評量[後測-前測]之單因子變異數分析結果摘要表 ..................................................... 54 VI.

(9) 表 4-1-11：控制組之不同分數組別學生在數位評量[後測-前測]之單因子變異數分析結果摘要表 ..................................................... 54 表 4-2-1：實驗組與控制組在科學探究能力數位評量提問能力之前、後測成對樣本 t 檢定結果表 ..................................................... 55 表 4-2-2：實驗組與控制組在科學探究能力數位評量實驗設計能力之前、後測成對樣本 t 檢定結果表 ................................................. 56 表 4-2-3：實驗組與控制組在科學探究能力數位評量分析能力之前、後測成對樣本 t 檢定結果表 ..................................................... 57 表 4-2-4：實驗組與控制組在科學探究能力數位評量解釋能力之前、後測成對樣本 t 檢定結果表 ..................................................... 58 表 4-2-5：實驗組與控制組在科學探究能力數位評量各項能力前、後測成對樣本 t 檢定比較表 ....................................................... 59 表 4-3-1：第一次、第六次學習單評分之描述性統計資料表 ..................... 60 表 4-3-2：第一次、第六次學習單總分之成對樣本 t 檢定結果表 ................. 60 表 4-3-3：第一次、第六次學習單描述性統計資料及成對樣本 t 檢定結果表 ....... 61 表 4-3-4：實驗組學生在 POEI 實驗設計活動學習單各項目之高中低能力人數統計表 63 表表表表表. 4-4-1：實驗組學生在學習感受問卷填答結果統計、描述性統計資料表 ......... 70 4-4-2：高中低分組學生在學習感受問卷之平均得分統計資料表 ............... 72 4-4-3：高中低分組學生在 POE-Inquiry 學習感受問卷之單因子變異數分析摘要表73 4-4-4：學習感受問卷開放性問答第一題填答結果統計表 ..................... 74 4-4-5：四位認為 POEI 實驗設計活動對科學學習無幫助之學生在 POEI 學習單及數. 位評量之進、退步分數對照表 ..................................... 75 表 4-4-6：學習感受問卷開放性問答第二題填答結果統計表 ..................... 77 表 4-4-7：學習感受問卷開放性問答第三題填答結果統計表 ..................... 79 表 4-4-8：學習感受問卷開放性問答第四題填答結果統計表 ..................... 80 表 4-4-9：學習感受問卷開放性問答第五題填答結果統計表 ..................... 82. VII.

(10) 圖目錄圖 3-1-1：實驗組與控制組上課情境佈置圖 ................................... 24 圖 3-2-1：研究流程圖 ..................................................... 26 圖 4-4-1：數位評量前測之高中低分組學生在學習感受問卷各題目填答情形分布圖 . 72. VIII.

(11) 第一章. 緒論. 本研究旨在探討 POE -Inquiry 教學策略對國中八年級學生科學探究能力的影響。本章分別以研究動機、研究目的與待答問題、名詞解釋和研究範圍與限制，共四節加以說明。. 第一節. 研究動機. 看到一顆成熟的蘋果從樹上掉下來時，有多少人會好奇蘋果為什麼會落到地面上？牛頓就會。他從這樣一個簡單的現象出發，經過一連串探索與思考，發展了一套新計量方法-微積分，用實驗數據證明：確實所有自由落體都受一種「常數」力量控制，此即重力。當然，他更進一步將重力的概念一般化，終於發展成為科學界重要的萬有引力理論(吳統雄, 2014)，這也就是科學探究精神最偉大的發揮。探究(inquiry)，字義上為探索追究，即是尋找問題和解決問題的過程(教育部, 2014)。而科學探究，便是對自然現象或問題進行有系統的研究或驗證活動(Crossland,1998；Goldsworthy & Feasey, 1997)：透過觀察生活現象，提出問題，規劃實驗，選擇適當工具，並操作實驗以驗證假設，對實驗結果提出解釋等過程，利用這樣探究的技巧來建構新的知識。學習者在各個領域中皆可發揮探究的方法和精神，透過分享、溝通及表達對知識的理解，追求事實與真理，並且培養實事求是的科學態度(Bybee, 2000； NRC, 1996； Alexopoulou & Driver, 1996)。教育部所提出之十二年國民基本教育課程以「成就每一個孩子—適性揚才、終身學習」為願景，期望透過教育啟迪學生學習的動機，培養好奇心、探索力、思考力、判斷力與行動力。讓學生願意以積極的態度、持續的動力進行探索與學習(教育部, 2014)。教育部與國家科學委員會 2002 年所編定的科學教育白皮書中指出：中、小學科學教育的重要目標之一是「培養學生的探究能力」，期望能夠應用科學方法與科學知識解決日常生活問題(教育部與國科會, 2002)。美國國家科學研究委員會(National Research Council，簡稱 NRC)所提出的《探究與國家科學教育標準》(NRC, 2000)，以及美國科學促進協會(American Association for the Advancement of Science，簡稱 AAAS)提出的 Project2061(AAAS, 1989)，均強調科學本質與科學探究能力培養的重要性。經濟合 1.

(12) 作暨發展組織(Organisation for Economic Co-operation and Development，簡稱 OECD) 自 1997 年起籌劃的「國際學生能力評量計劃」(the Programme for International Student Assessment，簡稱 PISA)國際評量，在科學素養評量方面包含「形成科學性議題(Identifying scientific issues) 」、「解釋科學現象(Explaining phenomena scientifically)」、「科學舉證(Using scientific evidence)」三項科學素養能力(OECD, 2006)。由此顯示在國內、外的科學教育變革中，皆越來越強調科學探究的重要性。關於科學探究的教學，Stear、Goodrum 與 Hacking (1998)將探究活動的進行，以教師給予引導的程度分為確認層次、引導性探究層次、開放引導性探究層次及開放性探究層次。Furtak (2006)指出教室中的教學形式就像是一個連續的光譜；光譜的一端為傳統教導式教學，另一端為開放式探究教學，在兩端之間則為不同開放層次的引導性探究。因此要讓學生能從確認層次，提升到開放性探究層次，這中間過程需要教師給予不同程度的引導始能完成。POE 教學是 White 與 Gunstone (1992)所發展的，透過預測觀察-解釋(Predict-Observe-Explain)三步驟而進行的教學模式，用以診斷學生的先前概念或是迷思概念，也可藉由教師的教學設計製造學生的概念衝突，而達到概念改變的目的(李燕文, 2011；尤建捷, 2008)。許良榮(2005)指出雖然 POE 的原始目標不在於教導學生學習預測、觀察與解釋等能力，但是只要經過妥當的教學設計，利用 POE 具備的預測-觀察-解釋之特徵，也能夠提升學生在科學過程技能之學習，期待能進而提升學生的科學探究能力；透過 POE 教學也確實可提升學生的學習動機(謝佳穎,2011)，是故 POE 教學是一種引導學生進行科學探究入門的好方法。基於上述理由，本研究嘗試將 POE 教學與科學探究(Inquiry)教學活動結合，形成 POE-Inquiry 教學策略，藉由前置 POE 教學活動讓學生踏入科學探究大門，同時提升學生對科學學習的動機，再讓學生從事開放性的 POEI 實驗設計活動：由學生自行提出問題、設計實驗、解釋結果等過程，培養學生的科學探究能力，更期待能進一步應用於解決生活上所遇見的問題。. 2.

(13) 第二節. 研究目的與待答問題. 本研究將 POE 教學與科學探究(Inquiry)教學活動結合，形成 POE-Inquiry 教學策略。以國中八年級學生所學的理化課程內容為主題，讓學生透過自行提出問題、設計實驗，在操作實驗前先行預測結果，接著再實際操作，觀察並紀錄實驗，最後對實驗的結果進行科學解釋。結合現階段的理化課程內容之 POE 教學，再透過 POEI 實驗設計的過程來訓練學生的科學探究能力，並且於教學活動結束後，給予學生 POE-Inquiry 學習感受問卷填寫，藉此了解學生對 POE-Inquiry 教學策略的學習感受。本研究之研究目的如下：一、探討 POE-Inquiry 教學策略對國中八年級學生科學探究能力的影響。二、分析實驗組學生對 POE-Inquiry 教學策略之學習感受。根據研究目的所延伸之研究問題如下： 1.. 比較實驗組與控制組學生，在「科學探究能力數位評量」整體表現差異為何？. 2.. 比較實驗組與控制組學生，在「科學探究能力數位評量」各能力向度上的表現差異為何？. 3.. 探討實驗組學生在 POEI 實驗設計活動學習單上，所呈現之科學探究能力的改變情形為何？. 4.. 探討實驗組學生，在實施 POE-Inquiry 教學策略後的學習感受為何？. 3.

(14) 第三節. 名詞釋義. 1. POE-Inquiry 教學策略本研究所設計之 POE-Inquiry 教學策略，以國中八年級理化課程教學內容為主題，分為(1)以教師為主體之 POE 教學活動：透過預測-觀察-解釋等步驟進行概念教學。(2)以學生為主體之 POEI 實驗設計活動：由學生自行提出問題、選擇變因、規劃實驗流程、預測結果並提出預測理由、親自操作並觀察與紀錄實驗，再對實驗結果提出科學解釋。透過教學活動，讓學生親身經歷探究科學知識的過程，培養學生的科學探究能力。 2. 科學探究能力本研究之科學探究能力定義，乃使用科技導入科學學習環境 TILE 研究團隊（2011）所提出之科學探究能力定義，茲分為：(1)提問能力(提出問題、辨識問題、提出預測)，(2)實驗設計能力(選擇變因、流程規劃、誤差控制)，(3)分析能力(組織資料、資料轉化)，(4)解釋能力(提出主張、運用證據及產生推理) 等四大面向，共 11 項子能力。TILE 團隊之科學探究能力定義，詳見附錄一。 3. 科學探究能力數位評量本研究採用科技導入科學學習環境 TILE 研究團隊所研發之「科學探究能力數位評量」作為研究工具，檢測學生的提問能力、實驗設計能力、分析能力及解釋能力等四大面向之科學探究能力。 4. 講述式教學本研究之控制組的教學模式是採用講述式教學，以教師為主體，利用板書方式進行教材內容講解；多為教師講述，學生聆聽的模式，課程進行中較少有學生操作、主動探究思考之活動，如有學生提出問題，便由教師給予解答。 5. 學習感受問卷本研究之學習感受問卷，改編陳英佳(2011)及李宛修(2010)的學習感受問卷。問卷分為第一部分：Likert 五點量表，及第二部分：開放式問答，藉以瞭解實驗組學生對 POE-Inquiry 教學策略的學習感受。. 4.

(15) 第四節. 研究範圍與限制. 一、本研究對象為新北市某國中之八年級學生，故研究結果所能推論之範圍僅適用於有相似社經背景的學生為原則。二、本研究係以 POE-Inquiry 教學策略為教學模式進行，藉以了解此教學策略對國中八年級學生之科學探究能力的影響，研究結果僅適用於類似的學生及教學方法，不適合過度推論至其他的教學模式。三、本研究之 POE-Inquiry 教學策略，僅以國中八年級上學期理化課程之第三章波動與聲音、第四章光及第五章熱等三個單元為教學主題設計，不宜過度推論至其他單元的學習。四、本研究之科學探究能力定義，乃根據科技導入科學學習環境 TILE 研究團隊所定義之科學探究能力，分為(1)提問能力(提出問題、辨識問題、提出預測)；(2)實驗設計能力(選擇變因、流程規劃、誤差控制)；(3)分析能力(組織資料、資料轉化)； (4)解釋能力(提出主張、運用證據、產生推理)，研究結果僅適合類似的探究能力定義，不宜推論至其他的探究能力。. 5.

(16) 第二章. 文獻探討. 本研究旨在探討將 POE 教學與科學探究能力教學結合，形成 POE-Inquiry 教學策略後，其對國中八年級學生科學探究能力的影響。故本章將針對 POE 教學策略、POE 教學策略相關研究以及科學探究能力等相關文獻進行探討。. 第一節. POE 教學策略. 一、POE 的源起 POE 教學策略起源於 1980 年 Pittsburgh 大學，由 Champagne、Klopfer 與 Anderson 所發展的 DOE (Demonstration-Observation-Explanation)晤談策略(Champagne, Klopfer & Anderson,1980)。以紙筆測驗方式，透過教師示範實驗讓學生觀察，再請學生回答測驗問題並提出說明，以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。其後，於 1981 年，Gunstone 與 White 在研究中發現，在活動前先讓學生進行預測(Prediction)，不但能夠了解學生的原有概念，同時也能引起學生的學習興趣。於是將 DOE 晤談策略，改良為預測-觀察-解釋(Predict-Observe-Explain)三步驟之 POE 教學策略，期待能夠提升教學成效 (White & Gunstone, 1992)。二、POE 的實施 White 與 Gunstone (1992)所發展之 POE 教學策略實施三步驟為： (一)預測：要求學生了解他們接下來的問題情境，並請學生針對事件或現象提出他們的預測及所持理由，藉以了解學生原本的認知概念，此步驟是 POE 實施的關鍵。 (二)觀察：進行觀察前，教師要確定每一位同學都已經完成預測步驟。隨即進行實驗觀察活動，學生必須即時寫下他們所觀察到的現象與結果，不同學生會觀察到不一樣的東西，即時記錄能避免學生事後因聽到別人有不一樣的答案而改變自己的想法。 (三)解釋：當預測與觀察到的結果不一致時，學生要試著去協調觀察結果與預測結果之間的差異。此步驟對學生來說是困難的，此時教師應扮演引導的角色，鼓勵學生思考各種可能性並加以說明，透過此過程將能呈現學生的概念理解狀況。. 6.

(17) 三、POE 的目的 White 與 Gunstone (1992)指出，教育的重要目的之一，是要學生學習如何應用所學知識來解釋事件和生活經驗。教師在提問時常常在問題之中就有答案的提示，學生亦經常未經思考便以課本內容來回答問題。進行 POE 教學策略的目的即在於瞭解學生在某一情境下，如何應用相關知識去預測、描述並解釋所觀察到的現象。讓學生單獨進行「預測」動作，相較傳統教學僅有少數人舉手回應，使教師更貼切的了解學生在真實情境中運用知識的情形(邱彥文, 2001)。 Goldberg 與 McDermott (1986)認為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。而 POE 教學策略提供學生一個可預測的情境，讓學生應用原有的知識去推論出一個答案，使 POE 教學策略成為名符其實的應用知識 (White & Gunstone, 1992)。四、POE 的優點 POE 教學策略要求學生根據自己的原有知識，針對某一現象進行預測，再實際觀察實驗結果，最後依據觀察到的結果提出解釋。在 POE 實施過程中，當學生遭遇到認知與結果的不一致，則必須進行概念的調適與修正。因此，POE 教學策略具有下列優點 (White & Gunstone, 1992)： 1. 針對特定的概念，適用於探究單一知識概念的本質。 2. 適合用於診斷性評量與形成性評量，有助於瞭解學生的學習困難。 3. 可以呈現學生本身既有的概念或信念。 4. 有助於瞭解學生對於現象與概念之間關係的認知。 5. 可以呈現學生面對認知衝突時，如何調適。 Bruce (2000)認為 POE 教學策略，從幼稚園(使用繪圖和談話)到大學年紀皆可適用，並提出幾項優點： 1. 幫助學生慢下來並反思自己的想法。書寫、討論需要時間，正好提供學生機會思考有趣的現象和可能的理論來加以解釋。 2. 進行預測可增進學生參與感，這讓學生更專注於課程參與，特別是當自己的預測和大多數人預測不同時。 3. POE 提供一個很好的對話引導，不論是兩人討論、小組討論甚至全班討論。 4. 多樣的預測、觀察和解釋可成為更進一步探究的主題。例如：觀察到的現象有 7.

(18) 甚麼樣的差異？ 5. POE 提供一個讓學生活動歷程記錄的好方法，可以當作進一步研究、改進寫作能力，或做為評量的基礎。五、POE 的注意事項 White 與 Gunstone(1992)認為，在使用 POE 教學策略時，要考慮到幾個不同的原則： (一)事例選擇：POE 教學策略可以被用於不同學科教學，例如歷史、文學和數學。而事例選擇上要考量下列原則： 1. 教師提供的情境要能夠是可預測的，能夠讓學生以個人的先備知識進行理解推論，而非是無意義的猜測。 2. 活動設計應以學生觀點出發，提供與學生相關的真實性情境或生活化問題，以幫助學生順利進行活動(Liew & Treagust, 1998)。 3. 事例選擇要是學生會遇到或想到的，倘若結果經常是學生所無法理解的，容易讓學生產生挫折感或降低學習興趣(林嘉琦,2005；White & Gunstone,1992；Bruce, 2000)。 (二)實施過程 1. 事先設計好學習單，在預測方面可以用選擇或開放式問答的方式進行填寫。 2. 預測前，教師先展示實驗器材，並允許學生發問，可讓學生更精確寫出預測，以免因不理解實驗操作而產生不合理或無關的預測。且在觀察之前一定要先完成預測以及預測理由說明。 3. 要觀察的結果最好是具體的、有明顯差異的，可讓學生直接進行觀察，以避免觀察錯誤而產生迷思概念(陳沛瑩, 2004；林嘉琦, 2005；White & Gunstone, 1992)。 4. 學生進行觀察前，教師應事先告知觀察重點所在，以免學生分心無法正確掌握概念來源(陳沛瑩, 2004)。 5. 教師秉持支持及鼓勵的立場，讓學生從不同角度思考所有的可能性。 6. 每一個步驟都應預留充分時間讓學生確實完成。 (三)教師角色：White 與 Gunstone (1992)、張綾娟 (2011)針對實施 POE 教學策略時的教師角色提出以下建議： 1. 事例敘述應具體明確：教師必須確認每位學生都瞭解他們所要預測的問題背景，因此對於問題情境的敘述應該具體明確。 8.

(19) 2. 發揮發問技巧及適度的引導：教師在說明時避免過多的引導，以免限制學生的思考方向。 3. 鼓勵學習者表達想法：由於 POE 以「預測」及「觀察」引發學習者的解釋與推論，而非觀察現象的「正確性」，因此實施時以「每位學生均能表達想法」為原則，站在支持的立場，鼓勵學生表達意見，達到提升參與度以及強調討論過程的目的。. 綜合上述 POE 教學特色，教師利用讓學生進行預測-觀察-解釋等簡單的三步驟，即可讓學生慢下來反思自己的想法，同時專注於課程參與；教師透過良好的教學設計，提供學生真實性情境或生活化問題，即能夠診斷學生的迷思概念，並且達成概念改變，對科學概念教學而言是一種簡單且明確的教學策略。. 9.

(20) 第二節 POE 教學之相關研究一、. POE 教學之國內外相關研究. POE 教學在國內外已應用廣泛，不論是在探究學生另有概念、迷思概念、概念改變情形等相關議題，或是對科學單元教學的學習成效與學習動機的討論上，都有多篇研究。近年來也出現有研究探討 POE 教學對學生科學探究能力中的推理思考與科學解釋能力的影響，以及利用 POE 教學結合不同教學法之實徵性研究，顯示出 POE 教學應用於科學教學領域中，已非常十分普及。茲將國內外 POE 教學相關研究整理列表如表 2-2-1 所示：表 2-2-1：國內外 POE 教學之相關研究主題. 研究者研究 /年代對象許良榮小六. 研究重點. 研究結果. 運用 POE 策略探究中小學日常生活經驗、學校經驗、直覺的觀點. 生對於物質之可燃性的另是學生另有概念的主要來源之一。多數蔣盈姿國二有概念及其可能的影響因學生可透過 POE 活動調整其對於物質之 2005 高一素。可燃性的判斷，並試圖解釋其原因。. 另有概針對學生的另有架構，教師可應用 POE 念 Methembu 11 年以建構主義為基礎設計 POE 教學活動，診斷學生的教學策略，設計以學生觀點為出發的學 2001 級先備知識及另有架構。習活動，促進學生有意義的學習。探討 POE 策略融入科學玩具磁性手寫板原理探究教郭玲伶小四學前後，探究過程及概念 2011 改變的歷程，及科學學習興趣與信心上的影響。概念改變. 學童在概念或想法上的改變，都以迷思概念或理由的修正與精緻化這個方向發展。以 POE 策略教學活動能夠讓學童在知識與方法上有所收穫之外，同時亦能增進學童科學學習的興趣與信心。. 以 POE 教學策略探究國小提供國小相關課程之設計發展。提出三楊哲棋三年級學生對於力學概念年級學生在學習慣性定律、斜面運動、小三 2008 的迷思概念以及概念改變自由落體運動及作用力與反作用力的先情形。備知識、概念迷思以及概念改變情形。以概念保留型學童最多，概念增加型學以 POE 教學策略探究國小黃鈺鳳童最少。POE 教學提升學童對自然科學的小三三年級的學童學習溶解的 2008 興趣，提供更多學習成功的機會，增進概念改變情形對學習科學的自信。 10.

(21) 探討 POE 對學生學習凸透尤建捷九年鏡成像概念之效果，及教 POE 教學對於學生學習凸透鏡成像的基 2008 級學過程中，學生概念改變本概念，及解決迷思概念均有顯著成效情形。透過 POE 的模式，進行酸. 學習成效. 鹼鹽與反應速率單元的教謝佳穎八年學，探討八年級學生之先 2011 級前概念、學習成效、學習感受及遭遇到的困難與解決方法。. 學生的酸鹼鹽概念學習成效在 POE 教學後顯著提升。多數學生認為 POE 可增加學習科學概念的印象、提升思考能力與激發學習興趣等。而學生遭遇到的困難則認為解釋階段最難，預測階段次之。. 本研究旨在利用 POE 融入 POE 融入學習環教學使國小和國中組在蔡炳訓小四學習環的教學模式, 探究密度概念學習成效上都有所進展，且符 2007 國七四年級和七年級學生密度合 Posner 等四位學者提出的四個概念改概念的學習歷程。變的條件。. 學習動機. 推理類型. 探討 POE 教學策略對國小三年級學生、三年級不同游岫萱小三性別學生、不同學習成就 2009 學生在自然科學習動機之影響。. 學習成就學生的注意力。. 以 POE 策略所設計的推理預測正確較多的學生，平均使用演繹推周孟勳活動，探究國小五年級學小五理次數較多，預測錯誤越多的學生，平 2011 生對於拋射體的概念及其均使用歸納推理次數較多推理思考。教學後，學生概念理解得分皆呈現漸增運用 POE 策略設計一系列的趨勢。在推理思考方面，使用推理思張綾娟的推理活動，來探討國小小五考的人數漸增；臆測的人數也漸減。學 2011 高年級學童的推理思考與生概念理解的高低，與其使用推理類型滲透作用概念。的比率，並無直接相關性。許良榮. 科學解釋. 整體而言， POE 教學對於提升學生之學習動機具有一定的成效； POE 教學對提升男、女學生之學習動機可能有助益，但與性別無關； POE 教學可能有助於高. 運用序列性 POE 策略，探. 整體而言科學解釋能力理工背景的學生皆大於非理工背景的學生，而全體學生. 究教育大學學生對於與大羅佩娟大學在概念問卷中的平均得分大致上成常態氣壓力與表面張力相關之 2009 分布，教育大學的學生對大氣壓力與表自然現象的科學解釋能力。面張力的概念不佳，有待加強。以序列性 POE 探討國小教顯示國小科學教師對於與大氣壓力、表巫少岑國小師對大氣壓力與表面張力面張力相關現象之解釋能力有待提升。 2007 教師之科學解釋能力、解釋類將國小教師解釋類型分為六種解釋類型型與解釋融貫性的特徵。。解釋融貫性者皆未超過 65％。. 11.

(22) 運用合作學習融入 POE 探實驗組經 POED 教學後，迷思概念改變究教學策略（POED）探討顯著優於控制組。研究所加入之「團體朱健智八年學生光的折射之迷思概念討論」步驟能有效提供具迷思概念之學 2011 級及概念改變的情形、迷思習可理解、合理的概念改變情境，進而概念轉變之關鍵步驟為何。促使迷思概念轉變為正確之科學概念。. 結合其他教學法. 經教學後，顯著提升九年級學生的月相探討以 POE 教學策略融入概念理解，且於教學後一個月的延宕測楊宗樺九年互動式電子白板的教學對驗成績無顯著退步，代表學生的月相概 2010 級九年級學生月相概念學習念理解保留程度佳。學生認為此教學能的影響，提高學習動機，變得更專心，有效率。以小組論證融入 POE 教學以「小組論證融入 POE 教學策略」教材曾建城策略，發展光學單元教材進行教學後，概念正確率、概念改變、高一 2009 進行教學，探討學生概念學習成就優於依課本內容安排的一般教改變成效及學習成效。學方式。 Russell,. 將微電腦基礎實驗(MBL) MBL 與 POE 教學策略結合，可提供機會 11 年結合 POE 教學策略，探討讓學生建構科學性的理解，促進概念改 McRobbie 級學生建構物理概念的過程。變。 2003 Lucas &. 結合 3D 電腦建模程式與 Kucukozer 職前 POE 教學策略，探討職前使用 3D 電腦建模程式結合 POE 教學策 2008 教師科學教師對季節與月相的略，對季節與月相的概念改變有其成效。迷思概念及概念改變情形。由表 2-2-1 可知，國內外學者應用 POE 教學於各方面的教學研究，對提升學習者的學習動機、科學概念學習成效、科學推理、科學解釋及迷思概念改變等都有所成效；將 POE 教學策略與其他教學法進行結合研究，對於提升學習者的各方面學習成效及概念改變亦確實可行。羅佩娟(2008)和巫少岑(2007)以序列性 POE 教學分別對大學生及國小教師探討其對大氣壓力的科學解釋能力及解釋融貫性之特徵，顯示 POE 教學除了可探討學習者的迷思概念改變，亦可透過不同的教學設計，探討學習者的科學探究能力。許良榮(2005)亦指出只要經過妥當設計，即可利用 POE 具備的預測-觀察-解釋之特徵，提升學生在科學過程技能之學習。. 12.

(23) 二、. POE 教學之改良發展. 邱美虹等人(2005)提出 POEC (Prediction 預測-Observation 觀察-Explanation 解釋-Comparison 比較，POEC)教學策略，幫助學生澄清自我概念的教學模式，實施程序如下： 1. 向學生說明實驗裝置與實驗程序，請學生「預測」將會發生的結果，並寫下預測理由(也可以利用小組討論，讓他們分享彼此的看法)。 2. 進行實驗，並請學生「觀察」現象是否與預測的情形符合。 3. 無論是否符合，請學生提出「解釋」的理由。 4. 再將所觀察的現象與之前的預測做「比較」，以便下結論。. 許良榮(2005)設計「序列性 POE」（Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE），以連續性的實驗活動，讓學習者進行序列性的預測-觀察-解釋，分析學習者在前後實驗之科學解釋是否達到解釋一貫性之特徵。S-POE 設計原則為： 1. S-POE 中所涵括的實驗，必須具有相互關連性，其現象的解釋涵蓋相同的科學概念。 2. 所有實驗所涵蓋的科學概念，總計以不超過三個為原則，以達到探求學生之「科學解釋能力」的目標。因為涵蓋的科學概念過多，將不容易歸納、推理學生前後解釋的一致性。 3. 每個後續實驗，只改變前一個實驗的一個變因，以達能深入探討學生對於單一變因的科學解釋能力。 4. 在學生完成一個實驗（POE）的說明之後，必須明確讓學生知曉每一個 POE 的實際「實驗結果」，以避免學生對後續實驗落入單純的「猜測」，而失去探究學生之「解釋一貫性」的目的。 5. 每完成一個實驗（POE），才進行後續的實驗（POE），並要求學生不可再修改先前實驗（POE）已完成的作答。. 由 Youth Science Canada(2012)建造之 Smarter Science 網站，提倡 PEOE 教學策略。其步驟與學習單說明如表 2-2-2：. 13.

(24) 表 2-2-2：PEOE 步驟與學習單 PEOE 步驟：情境：如果我們改變. ，相較於我們的控制組，對. 預測. 會發生甚麼事？. 解釋比較你所觀察到的和你所預測的有何差別？. 我們預測…. 你學到了甚麼？. 解釋我們認為這會發生，因為…. 1. 4. 2. 3. 觀察. 用圖像或文字記錄. 1.預測 P-PREDICT . 預測：寫一個預測的事件表。“如果 _________那就_______________。. . 繪製一個你的預測圖。. 2.解釋 E-EXPLAIN . 解釋：以列點的方式，寫出你所預測的解釋理由，可能是從你的理解、經驗、理論、模型或自己的研究主題見解。(背景資訊可能是被提供的或是你自己的研究亦是可接受的).   . 和你的組員或同學分享你的預測。參考小組討論的意見，修改你的預測或解釋。投票. 3.觀察 O-OBSERVE . 觀察：決定你可以收集什麼樣的證據，或你將採取的測量，以檢查你的預測。.  . 小心收集證據，並採取測量。（你可以使用科學研究設備和若干技術）記錄你的觀察 14.

(25) 4.解釋 E-EXPLAIN . 說明：根據你的觀察寫出解釋。使用理論或模型，以幫助解釋你的證據和測量？（背景資料可能提供，或是你必須和你的研究做比較，以支持或反駁你的觀察結果）相信你的觀察-不用擔心什麼是你應該看見的。這是一個給組員記錄的極好的機會。. . 回答每一個從活動中產生的問題。. 綜觀 POE 教學之改良發展，邱美虹等人(2005)設計之 POEC 能幫助學習者加強澄清自己的概念；許良榮(2005)設計之 S-POE 可探討學習者之解釋一貫性特徵；Youth Science Canada (2013)則提倡 PEOE，透過詳細的學習單紀錄表格設計，讓學習者能夠依照學習單之步驟進行邏輯思考。綜合前述關於 POE 教學的文獻探討以及 POE 教學之改良發展，給予研究者的啟示是： POE 教學是一種簡單可行的科學概念教學策略，同時能夠提升學生的學習興趣及課程參與度；妥善的 POE 教學設計，除了可建構學生的科學概念，亦可利用活動步驟之特徵提升學生的科學技能，探討學生的科學探究能力表現；利用 POE 學習單紀錄表格設計，能夠讓學習者根據活動步驟進行脈絡思考。是以，研究者將 POE 教學作為讓學生自主進行科學探究活動的前導教學，事先設計序列性 POE 活動，藉由學習單的步驟脈絡，讓學生進行邏輯思考；利用預測-觀察-解釋等步驟建立科學概念，同時練習以科學語言表達；在兩個序列性 POE 活動後，選出兩實驗中的各項變因，再藉由所選擇之變因寫出此兩實驗所欲探討的科學問題，提升學生的選擇變因及提出問題能力。當學生能夠依據情境提出問題並確認實驗的各項變因後，再進行自主性的科學探究活動，相信能夠讓活動進行更為順利流暢。. 15.

(26) 第三節. 一、. 科學探究能力. 科學探究能力. 我國九年一貫自然與生活科技學習領域課程綱要表示：學習科學，讓我們學會如何去進行探究活動：學會觀察、詢問、規劃、實驗、歸納、研判，也培養出批判、創造等各種能力。特別是以實驗或實地觀察的方式去進行學習，使我們獲得處理事務、解決問題的能力，也瞭解到探究過程中，細心、耐心與切實的重要性。自然與生活科技之學習應以探究和實作的方式來進行，強調手腦並用、活動導向、設計與製作兼顧，知能與態度並重。自然與生活科技之學習應以學習者的活動為主體，重視開放架構和專題本位的方法(教育部, 2008)。美國奧勒岡州教育部門(Oregon Department of Education, 2002)提出針對 6~8 年級學生科學探究能力評分指標(Scientific Inquiry Scoring Guide )，將探究的能力分為四個面向：（1）形成問題或假說：基於觀察和科學概念，提出或形成可透過科學方法探究的問題與假說。（2）設計研究：設計一個研究以回答科學問題或假說。（3）蒐集並呈現數據：蒐集、組織並展示有效的數據以支持分析。（4）分析並解釋結果：摘要並分析包含可能來源或誤差的數據，說明結果並提供合理和適切的解釋。每一能力面向再分成應用科學知識、溝通與表達、科學探究本質三個層面，產生十二個分項。美國國家科學研究委員會(NRC, 2000)所提出的《探究與國家科學教育標準》 (Inquiry and the National Science Standard)中，指出 5~8 年級學生所應具備的科學探究能力為：（1)提出可透過科學研究回答的問題；（2）設計並進行科學實驗；（3）使用合適的工具和技巧，以收集、分析和解釋數據；（4）使用證據以發展描述、解釋、預測和建立模型；（5）批判性地及邏輯性地詮釋證據和解釋之間的關係；（6）瞭解並分析可能的解釋和預測；（7）溝通及解釋科學程序；（8）在科學探究的各方面中使用數學。經濟合作暨發展組織(OECD)自 1997 年起籌劃的「國際學生能力評量計劃」(PISA) 國際評量，其目的是為了針對 15 歲的學童進行大範圍的跨國評量，藉以了解各國推動教育的狀況，並反映出該國學童在「閱讀素養」、「數學素養」與「科學素養」上的能力 (OECD,2000)。OECD (2000)將科學能力定義為「此能力包含使用科學知識、定義問題和陳述以證據為基礎的結論，可用來理解和幫助關於自然世界的決定和透過人類活動而能創造改變」。而科學素養評量的「能力」可被整合為:(1)形成科學議題（Identify science 16.

(27) issues）：要求學生從所提供的資訊之中，擬訂可以透過科學方法解決的研究問題；(2) 解釋科學現象（Explain phenomena scientifically）：針對日常生活中常見的現象，如石雕受酸雨侵蝕，解釋其發生的原因；(3)科學舉證（Use scientific evidences）：利用科學證據來支持本身的主張或論點。我國科技導入科學學習環境 TILE 研究團隊(2011)，所發展之科學探究能力數位評量，為瞭解我國中學生科學探究能力之現況，針對國八生及高二生進行施測。此評量所評定之科學探究能力分為「提問能力」、「實驗設計能力」、「分析能力」、「解釋能力」等四個面向，各面向中再將其分出不同的子能力：（1）提問能力：提出問題、辨識問題、提出假說、提出預測。（2）實驗設計能力：選擇變因、流程規劃、誤差控制。（3）分析能力：組織資料、資料轉化。（4）解釋能力：提出主張、運用證據、產生推理、考慮另有解釋。一共有四大面向，13 項能力。各能力之分項定義及能力高中低之分級定義列表，詳如附錄一。茲將本節提及之各學者對科學探究能力之定義，整理如表 2-3-1。表 2-3-1：科學探究能力相關研究定義列表美國奧勒岡州教育部門(2002) 形成問題或假說. 美國國家科學研究委員會 NRC(2000) 提出可透過科學研究回. OECD (2000) 形成科學議題. 答的問題設計研究. TILE (2011) 提問能力：提出問題、辨識問題、提出假說、提出預測. 設計並進行科學實驗. 設計能力：選擇變因、流程規劃、. 使用合適的工具和技巧. 誤差控制. 溝通及解釋科學程序蒐集並呈現數據. 使用證據的模型. 分析能力：組織資料、資料轉化. 分析並解釋結果. 邏輯性詮釋證據和解釋. 解釋科學現象. 分析可能的解釋和預測. 科學舉證. 解釋能力：提出主張、運用證據、產生推理、考慮另有解釋. 綜觀各學者對科學探究能力之定義，可將其分成四大面向：1.提出科學問題、2.設計實驗、3.分析與呈現數據、4.解釋結果。本研究欲讓學生自行提出問題、設計實驗、收集並分析數據，最後對結果進行解釋，讓學生像科學家一樣從事科學探究的流程，並且評量學生的科學探究能力。故本研究採用 TILE 團隊所發展之科學探究能力定義，探討學生的提問能力、實驗設計能力、分析能力以及解釋能力等四大面向，而本研究的評量工具亦採用 TILE 團隊所研發之科學探究能力數位評量，以評定學生的科學探究能力。 17.

(28) 二、. 科學探究能力教學. (一)、. 科學探究教學之意涵. 我國九年一貫課程綱要揭示，激發學生主動探索和探究的精神、培養獨立思考與解決問題的能力為課程目標與基本能力之一。「主動探索與研究」能力的培養：整個學習的活動，均應建立在對自然現象的好奇及意圖探究其真相的基礎上。運用觀察、蒐集資料、比較、分類、統整、歸納、研判、推理等科學方法以獲得知識和技能，使每進行一個單元的學習，都能增進其對科學方法的應用能力。「獨立思考與解決問題」能力的培養︰教學中，宜設計以「學生為活動主體」的形式，經由探討問題、處理問題的過程中，養成學生遇到問題能主動且自主的思考，尋求解決之道，並採取實際行動(教育部， 2008)。 Anderson (2002)對 National Science Eduation Standars (NSES)所提出之科學探究教育的功能進行更深入的探討，分成科學探究、探究學習與探究教學三面向，描述如下： 1. 科學探究：科學探究是科學家運用各種不同的方式對自然界進行研究，並根據研究所得的證據提出解釋。強調科學概念內容的多元性以及統整性，注重科學知識的形成過程，讓學生參與對於知識的論辯過程，藉以瞭解科學的本質並形成自己的知識論。 2. 探究學習：NSES 指出科學探究是一個學生主動的學習過程，學生藉由討論自然現象、觀察、提問、對自然現象提出可能的解釋，以各種方法檢驗這些解釋，並與他人溝通想法。過程中除了“動手做”，更要“用心想”，是故科學探究學習，是一種強調學生在學習的過程中，主動找尋議題進行探究進而建構知識的歷程。 3. 探究教學：探究是科學學習的核心，在科學教學中是被強調的重要目標之一。而探究教學的方式是多樣化的，教師可以用不同的方式來進行探究教學。另外，學生探究的問題必須是從生活經驗中所形成的真實問題，教師依此概念設計教學活動，提供符合學生生活經驗的學習情境，藉以引導、評量學生並規劃課程，讓學生從探究活動中發展知識，理解科學想法並體會探究的本質. 18.

(29) (二)、. 科學探究教學層次. Herron (1971)將科學探究教學依照教師是否給予實驗問題與假設、實驗步驟、實驗結果分類，由易到難分成四個層次，如表 2-3-2 所示。第零層次為確認知識層次，學生僅根據實驗步驟驗證結果，所使用的探究能力最少；第一層次為簡單實驗層次：學生根據教師給予的實驗問題與步驟找出實驗結果；第二層次為實驗活動層次：教師提供實驗問題，由學生設計步驟找尋答案；第三層次為完全探究層次：實驗問題、步驟與結果均由學生自行設計與探究。表 2-3-2：Herron 提出探究實驗的四個層次層次實驗問題或假設實驗步驟. 實驗結果. 0. O. O. O. 1. O. O. X. 2. O. X. X. 3. X. X. X. 註：. O：教師提供相關說明. X：教師不提供相關說明. 到 Staer、Goodrum 與 Hacking (1998)在分類項目中再加入實驗器材，並將 Level 2 細分成 2a 由教師提供器材及 2b 由學生自行尋找器材。此時的探究活動分層定義，如表 2-3-3 所示。Level 0：確認層次，學生根據教師給予之實驗問題、器材及步驟確認課本知識。Level 1：引導性探究層次，教師提供問題、器材及步驟，由學生找出答案。 Level 2：開放引導性探究層次，教師只提供問題，器材可由教師提供(2a)，或學生自行尋找(2b)，由學生自行進行探究活動，設計實驗步驟及觀察實驗結果。Level 3：開放性探究層次，由學生自己找出問題、規劃流程，找出問題答案。表 2-3-3：探究活動的層級(Staer、Goodrum & Hacking ,1998) 層級實驗問題實驗器材實驗步驟實驗結果. 一般名稱. Level 0. O. O. O. O. 確認. Level 1. O. O. O. X. 引導性探究. Level 2a. O. O. X. X. 開放引導性探究. Level 2b. O. X. X. X. 開放引導性探究. Level 3. X. X. X. X. 開放性探究. 註：. O：教師提供相關說明. X：教師不提供相關說明. 19.

(30) (三)、. 國內外科學探究教學實徵性研究. 近年來在國內外教育變革中，越來越重視科學探究能力的教學，國內外學者針對探究教學的研究，亦多所著墨，顯示出不同形式之探究教學對各項探究能力都能有所助益。在學習動機與態度方面：陳裕政(2012)探討國小六年級學生，學習動機、科學態度和科學探究能力的關係，發現國小六年級生學習動機愈高，科學探究能力愈好；不同程度的科學態度，在科學探究能力的表現有顯著差異；學習動機與科學態度可有效預測科學探究能力。陳柏宇(2012)探討「探究式教學」對學生「學習環境偏好」之影響，以國八上學期「溫度與熱」為例。研究結果顯示：探究式教學能夠使學生的「學生中心」學習環境偏好增加，「教師中心」學習環境偏好減少；同時提升學生的「自然科學習態度」及「學習自然科的興趣」。研究中亦指出若學生的「學習環境偏好」與「學習環境」越符合，則有助於提升學生的學習態度與學習成效；建議教師在教學上，適時並適度的使用「學生中心」學習環境教學，有助於學生學習。在解釋能力方面：Wilson、 Taylor、Kowalski 與 Carlson (2010) 以關於生物睡眠與生物時鐘的內容，進行引導式探究教學，研究此教學法對學生學習的影響，實施4 週後發現探究式教學組學生於科學知識、推理與論證能力等方面都比口述式教學組學生高。 Ruiz-Primo、Li、Tsai 與 Schneider (2010)分析學生於探究情境中筆記本寫作所展現的科學解釋(包含宣稱、證明和推理)，並探討學生筆記本中科學解釋能力與學生學習表現間的關係。研究發現僅18%的學生可以呈現較佳的科學解釋能力，但是也同時發現學生若可以展現較佳解釋能力，其學業成績表現也較佳。Songer 與 Ho (2005) 探討科學探究學習循環對4-8年級學生科學解釋能力與概念學習的影響，利用BioKIDS介面設計是以線性、圖像的方式在PDA上呈現，引導學生學習生物。研究結果發現：生物概念測驗前、後測及科學解釋能力前、後測也達顯著差異。學習者在探索過程中，會利用各種探索工具以及與同儕互相討論，來推論對生物的假設，並且能整合自己對生物的瞭解和其他同儕的發現，反映在其他推論結果上。在實驗設計能力方面：郭泓男(2013)採用開放式真實操作的斜面滑車實驗作為診斷 20.

(31) 學生探究能力的科學探究能力實作評量。發現接受科展培訓教學模組的實驗組學生，在培訓前後之在科學探究能力實作評量的「實驗設計」、「實驗操作」、「數據處理」、「分析詮釋」四個面向的得分皆達到顯著差異，且在總得分上達到高效果量。學生在科學探究能力實作評量操作過程中明顯進步的行為特徵包括：(1)正確地操弄操作變因；(2)操作變因的控制改變具有規律性；(3)刪除誤差過大的數據；(4)將實驗圖表做正確的詮釋。在探究能力改變方面：洪振方、封中興(2010)以「探索－論證－評價」(EAE)的探究教學模式進行理化科單元教學，分析此教學模式在國中自然科之教學成效，包括對學生的科學學習動機、科學探究能力及自然科學期總成績改變之探討。在國中八年級上學期的理化課程中，每一章挑選一小節單元內容在實驗組進行 EAE 活動，一次活動進行 3 節課，活動進行以小組合作討論方式進行，對照組則以食譜式實驗進行活動。經一學期的教學實施後，發現實驗組學生的科學學習動機以及科學探究能力顯著提升，在探究能力的五個子向度上，除了「評價及選擇假設」這個子向度未達顯著水準，在「發現問題、形成另有假設、設計實驗、預測實驗結果及解釋」四個子向度均達顯著水準。在自然科學期總成績改變上，實驗組和對照組則無顯著差異。在探究模式教學方面：張淑惠(2007)透過行動研究的方式，歷經三次的探究式教學活動，針對國小五年級自然與生活科技內容為主體，建構出一套適合研究者的探究式教學模式為，其步驟為：(1)提出問題、(2)確定學習目標、(3)設計驗證、(4)解釋與分享、 (5)評量。研究中亦指出探究式教學確實能顯著提升學生設計規劃、實作驗證、解釋分享、溝通辯證的能力。白佩宜(2009)以「校園氣象觀測」為主題，進行結構式、引導式及開放式三種不同類型的探究教學，探討以不同的探究式教學法對於高一學生科學探究能力成長之影響。結果顯示：(1)結構式探究對於「提出問題與假說」能力的增長最有幫助，也能幫助低分組學生增長其「實驗與資料蒐集分析」能力。(2)引導式探究可幫助中、低分組增長其「提出問題與假說」能力，也對中分組學生在「計畫」向度、低分組學生在「詮釋與結論」向度有所助益。(3)開放式探究能幫助高分組增長其「計畫」能力。綜合上述文獻資料，科學探究是一種學生主動學習的過程，透過探究教學能夠讓學生的學習由以教師中心的被動學習，改變為以學生中心的主體學習，當學生是自主參與活動時，對學生的科學學習動機亦能有所提升。不同的教學模式，能夠提升學生的科學探究能力也不盡相同；如何讓學生從僅會跟著教師步驟確認課本知識，提升到能夠自主從事開放性探究活動，進而增強整體科學探究能力及科學學習動機，則有賴教師教學設 21.

(32) 計的引導，此亦為本研究之目標。本研究結合序列性 POE 教學設計，讓學生從學習活動中學習預測、觀察、解釋、提問及選擇變因等技巧，再讓學生進行 POEI 實驗設計活動。透過學習單各步驟之引導，讓學生自主進行並體驗科學探究之過程，從中培養提問、實驗設計、分析及解釋能力。本研究之探究層次，從教師給予題目、器材及步驟，學生找尋結果的 POE 教學為 Level 1 引導性探究，到由學生自行尋找題目，使用教師提供或自行選擇的器材，獨立設計步驟，並觀察結果與解釋現象的 POEI 實驗設計活動之 Level 2b 開放引導探究與 Level 3 開放性探究，循序漸進，期待能對學生的科學探究能力有所提升。. 22.

(33) 第三章. 研究方法. 基於本研究目的與研究問題，進行相關的教學設計，以探討將 POE 教學與科學探究能力教學結合之 POE-Inquiry 教學策略，對國中八年級學生科學探究能力之影響。以下就本研究之研究背景與對象、研究設計與流程、研究教材教學設計、研究工具及資料收集與分析等部分詳加說明。. 第一節. 研究背景與對象. 本研究為準實驗設計，採立意取樣，由研究者所任教之四個八年級班級學生為研究對象。由抽籤選取兩個班級為實驗組，另外兩個班級為控制組。兩組的任教老師皆為研究者，實驗組以研究者所設計之 POE-Inquiry 教學策略進行單元教學，控制組以講述式教學法進行教學。以下就本研究之研究背景、研究對象及教學情境進行說明：. 一、. 研究背景本研究之研究背景為研究者所任教之新北市某國中，每個年級約 13 個班級，包含. 1 個音樂班、1 個特教班。編班方式為 S 型態編班，每個班級的人數約 29 人。學區家長的社經地位屬中階，校內隔代教養、中低收入戶、單親家庭、外籍配偶子女約佔 19%。學校注重學生多元適性發展，和鄰近高職多有合作，藉以探索學生興趣與專長。每年畢業生升公立高中比率約 2 成，多數學生往高職發展。在自然科教學中，多數老師採用講述式教學法，約六成的自然老師會帶學生進入實驗室進行科學實驗。除一般課程外，學校尚有手球隊、田徑隊及籃球隊，往年比賽中均有優異表現。. 二、. 研究對象本研究之教學對象為研究者所任教的四個八年級班級，經抽籤決定八年 A 班及 B. 班作為實驗組，C 班及 D 班做為控制組，學生人數資料如表 3-1-1。四個班的自然科成績都屬中等，研究者即為此四個班級的自然教師，與四個班的學生教學互動情形良好，上課時有問有答。研究者的上課方式除了講述式教學外，亦多利用實驗示範、活動討論等方式讓學生能更參與科學學習，並以分組合作學習方式進行課程教學，鼓勵學生主動 23.

(34) 發言與討論。上學期第一次段考後，實驗組即利用 POE-Inquiry 教學策略進行三單元的教學，控制組仍以講述式教學法進行教學活動。表 3-1-1：實驗組與控制組班級人數有效樣本資料表班別. 男生. 女生. 班級人數. 有效樣本. 實驗組. 八年 A 班八年 B 班. 16 14. 13 14. 29 28. 56. 控制組. 八年 C 班八年 D 班. 16 14. 14 13. 30 27. 55. 三、. 教學情境. 研究者的教學班級，皆採分組座位，以增進同學間之合作與互動習慣，並會在教學過程中實施小組活動，讓學生互相講解或是一同進行課程實驗，以釐清教師所教學之科學概念。本研究是為探討 POE-Inquiry 教學策略與講述式教學法對學生科學探究能力的影響，僅在教學方法上有所不同，為求兩者之教學情境盡量相同，實驗組及控制組學生皆採分組方式上課。實驗組及控制組的分組方法，皆以每班學生第一次段考理化科學習成績為依據，進行 S 型分組，一組 6 人，共 5 組，不足 6 人則以 5 人為一組，並確保每一組皆有高分組學生與低分組學生。上課教室皆為原班教室，上課前小老師會請同學將桌子就近六張桌子面對面併成小組桌，各組同學再攜帶自己的課本及用具到自己分組的座位上。教室環境安排如圖 3-1-1 所示：. 第. 第. 第. 五. 四. 三. 組. 組. 組. 第. 第. 二. 一. 組. 組講桌講桌. 圖 3-1-1：實驗組與控制組上課情境佈置圖 24.

(35) 第二節. 研究設計與流程. 本實驗採準實驗研究設計，研究架構如表 3-2-1 所示：表 3-2-1：研究架構表組別前測. 實驗組. 控制組. 科學探究能力數位評量 POE-Inquiry 教學策略. 講述式教學. 教學方式 (POE 教學 + POEI 實驗設計活動) 科學探究能力數位評量後測. 學習感受問卷. X. 晤談. X. 本研究欲探討 POE-Inquiry 教學策略對學生科學探究能力的影響，以及實驗組學生接受 POE-Inquiry 教學策略之學習感受。基於此研究問題，以教學法之不同為研究設計，實驗組實施 POE-Inquiry 教學策略，即以 POEI 實驗設計活動搭配 POE 教學活動進行單元教學，控制組以講述式教學法進行教學。教學時間約兩個月，三單元教學內容。從上學期第一次段考後即開始實施，進行第三章波動與聲音、第四章光的單元教學，再於第二次段考後，進行第五章熱的單元教學，共 24 節課，每節課 45 分鐘。兩組在教學前及教學後一周內，都接受科學探究能力數位評量之測驗，以檢驗學生的科學探究能力是否有因為教學法的不同而有所影響。實驗組學生在教學後再施以學習感受問卷填寫以及個別晤談，藉以了解學生對於 POE-Inquiry 教學策略的學習感受。本研究採量化與質性研究方式並行，量化方面以科學探究能力數位評量探討學生科學探究能力進展情形；質性方面以學生 POEI 實驗設計學習單進行評分與分析，同時將評分結果轉以量化資料分析討論，以了解學生在教學活動中科學探究能力改變的情形，最後以學習感受問卷及晤談了解學生對 POE-Inquiry 教學策略的學習感受。本研究之研究流程如圖 3-2-1 所示：. 25.

(36) 形成研究問題. 蒐集相關文獻. 確定研究主題科學探究能力數位評量. POE-Inquiry 教學策略學習單及教案撰寫. 發展及確認研究工具. 研究準備階段. 學習感受問卷. 選定研究對象確認教學情境文獻. 科學探究能力數位評量前測. 探進行研究教學活動. 科學探究能力數位評量後測. 研究收集資料 1. 數位評量前測分數 2. POEI 學習單資料. 學習感受問卷填寫. 3. 數位評量後測分數 4. 學習感受問卷資料 5. 個別晤談結果. 討. 教學實施階段. 個別晤談結果分析階段. 資料整理與分析. 撰寫研究結果完成論文圖 3-2-1：研究流程圖 26.

(37) 第三節研究教材教學設計本研究之教學設計，乃為結合學生目前所學之理化課程內容，同時透過教學活動以提升學生的科學探究能力為目標。Oliva (1992)認為教學策略泛指教師運用提供教材的方法、程序與技術，在教學上採用的策略通常是並用多種程序與技術。教學策略亦可再區分為教師取向的直接教學，和學生取向的間接教學(張春興,1994；Frazee & Rudnitski, 1995)。兩種取向的教學策略各有優點，若教學目標侷限於期望學生學到書本知識，教師取向的直接教學是較佳的選擇。若教學目標是期望學生學到較廣的能力與氣質，學生取向的間接教學則是較佳的選擇(張春興,1994)。在科學探究能力教學方面，NSES(1996) 指出科學探究是一個學生主動的學習過程，透過讓學生自己去做，能對學習如何進行研究有所了解，亦即設計以學生為主體的探究活動，能夠提升學生的科學探究能力。而洪振方(2010)曾指出在科學知識與邏輯基礎都較薄弱的狀態下，要求學生直接以高層次能力思考，有其難度存在。是故必先提升學生的科學知識與基本探究能力，以期讓學生能夠自主進行開放性探究活動。基於上述理由，本研究乃將教師取向的 POE 教學活動及學生取向的 POEI 實驗設計活動結合，形成 POE-Inquiry 教學策略。透過教師設計序列性 POE(許良榮,2005)教學活動進行單元教學，在兩個連續的 POE 實驗之間，僅改變一項變因，讓學生藉由預測-觀察-解釋步驟學習理化學科概念，並在兩個 POE 活動結束後進行選擇變因練習，同時依據所選變因提出這兩個實驗所要探討的科學問題，藉此讓學生先行熟悉相關科學探究技巧。接著再讓學生進行以學生為主體的 POEI 實驗設計活動，透過教師給予研究主題情境後，讓學生自行提出問題，選擇變因、設計實驗，接著預測實驗結果、實際操作、觀察並紀錄結果，最後進行實驗結果的解釋等步驟，讓學生結合自己的生活經驗與知識，自行操作實驗以了解科學探究的歷程與方法，藉以增強學生的科學探究能力。林進材（1991）指出，教學策略是指能幫助學生瞭解課程內容，達成既定教學目標的有效方法。是以 POE-Inquiry 教學策略，即是結合理化課程內容，期望透過教師為主體的 POE 教學活動及以學生為主體學習的 POEI 實驗設計活動，達到提升學生科學探究能力的教學策略。茲將本研究設計之 POE 教學活動及 POEI 實驗設計活動各流程步驟進行說明：POE 教學活動之教師任務與學生任務如表 3-3-1；POE 教學活動學習單示例如表 3-3-2。POEI 實驗設計活動之教師任務與學生任務如表 3-3-3；POEI 實驗設計活動學習單示例如表 3-3-4。POE 教學及 POEI 實驗設計活動之教案示例，如附錄二、附錄三。 27.

(38) 表 3-3-1：POE 教學活動之教師任務與學生任務對照表(改編自陳沛瑩, 2004) 教師的任務. 學生的任務.  清楚說明實驗操作方法與步驟，要求學  針對實驗中的某一事件做出預預生針對實驗中的某一事件做出預測。測，並清楚的寫出預測的結果。測  要確實清楚學生所做預測的理論基礎  寫出預測理由，要決定使用何種，必要時先引導學生回憶先備知識。理論來支持自己的預測，而不是 P  鼓勵學生勇敢預測，不必在乎是否為正胡亂的猜測。確答案。  操作實驗前，先引導學生觀察重點。觀  要求學生觀察實驗的進行，並在實驗進行時立即寫下所觀察到的現象。察. 他人討論，以避免所觀察的角度受他人影響。  記錄觀察結果越清楚詳細越好。.  要求學生就觀察結果加以解釋，運用證據、形成推理以提出主張。解  若學生預測結果與觀察結果不同，要釋求學生就兩者之間的矛盾處加以提出.  就自己的觀察結果進行解釋，運用證據、形成推理以提出主張。  若預測結果與觀察結果不同，針. E. 解釋。  鼓勵學生多發言，刺激學生多方面的思考。.  教學前即設計序列性 POE 活動，兩次提活動之間僅改變一個變因。問  要求學生在序列性 POE 活動結束後，指出不同實驗之間的各項變因。 Q  要求學生根據所指出的變因，形成實驗所要回答的科學問題。. 提問能力＜預測＞.  觀察實驗的進行，並且獨自寫下自己所觀察到的現象。  在寫出自己的觀察之前，先不與.  鼓勵學生將自己所看到現象完整的記錄下來。. O. 探究能力. 對兩者之間的矛盾、衝突之處，提出合理的解釋並試著去調和。  利用已學過的理論基礎來解釋預測與觀察之間的不協調。  比較不同實驗之間的各項變因，並將各項變因進行變因歸類。  根據所寫出的變因，提出實驗所要回答的科學問題。. 解釋能力＜主張＞＜證據＞＜推理＞. 提問能力＜提問＞實驗設計＜變因＞. 在 POE 教學活動中(學習單示例如表 3-3-2)，教師將實驗情境與步驟進行說明後，請學生針對實驗結果進行預測，在「我的預測」中勾選或是書寫預測結果，並在「我的預測理由」中寫下預測此實驗結果的理由。等學生都完成預測工作後，由教師進行實驗，請學生觀察實驗結果，並將觀察到的現象與結果寫在「我的觀察」中，最後根據實驗結果在「我的解釋」中寫下科學解釋。為了讓學生能夠練習以較完整的科學表達進行解釋，在我的解釋中，請學生根據所看到的結果，引用為科學解釋的「證據」，依此證據結合先前經驗或科學原則進行「推理」，再歸納或辨識資料的分布趨勢並提出「主張」，呈現 28.

(39) 變因之間的關係。當兩個 POE 實驗結束後，在「提問高手」步驟中，請學生選出這兩個實驗的操縱變因、控制變因以及應變變因項目，並根據所選的變因來提出這兩個實驗所要回答的科學問題，藉此訓練學生的選擇變因及提出問題能力。POE 教學活動學習單示例如表 3-3-2 所示。表 3-3-2：POE 教學學習單示例. 活動一：波動世界班級. <. 座號. 姓名. 前. IQ 實驗室-彈簧振動觀察一 >. 將彈簧擺在地上，水平拉開，一端固定，另一端左右擺動(以操作者而言)，使彈簧產生一個向前進的波，如教師示範所示。現在，在彈簧中間綁上一條絲帶，代表該點的彈簧，再使彈簧產生一個向前進的波，請問在彈簧中間的絲帶會如何運動呢？. 我的預測：. 我的預測理由：. 絲帶會. .. 左. 右. □原地左右移動，但前後位置不動 □原地前後移動，但左右位置不動 □隨著波向前移動實際觀察絲帶和彈簧的運動，將你所觀察到的結果記錄下來，並根據觀察到的結果提出解釋。(寫得越詳細清楚越好喔！). 我的觀察：. 我的解釋：證據：. 推理：. 主張：是否和預測結果相同. □是 □否. 29. 後.

(40) <. IQ 實驗室-彈簧振動觀察二 >. 前. 接續上個實驗，改將彈簧前後擺動(以操作者而言)，波前進的方向是向前方移動，請問在彈簧中間的絲帶會如何運動呢？. 我的預測：. 我的預測理由：. 絲帶會 □原地左右移動，但前後位置不動. 左. 右. □原地前後移動，但左右位置不動 □隨著波向前移動實際觀察絲帶和彈簧的運動，將你所觀察到的結果記錄下來，並根據觀察到的結果提出解釋。(寫得越詳細清楚越好喔！). 我的觀察：. 後. 我的解釋：證據：. 推理：. 主張：. 是否和預測結果相同. □是 □否.  提問高手從前面兩個實驗中，請將保持一樣的條件(控制變因)打；改變的條件(操縱變因)打；觀察的現象(應變變因)打◎： □彈簧的材質 □彈簧的長度. □絲帶的材質. □彈簧振動的方向. □絲帶振動的方向. 利用操縱變因和應變變因，寫出上面兩個實驗所要探討的科學問題：. 30.