國立臺中教育大學科學教育與應用學系科學教育碩士
學位論文
指導教授：許良榮
博士
以序列性 POE 策略探究大學生對於
「水之表面張力」的科學解釋能力
Using the S-POE Strategy
to
Explore University
Students’
Ability of
Scientific Explanations about the
“
Surface
Tension of Water”
研究生：鄒紫君 撰
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致謝
將近兩年的時間，回想起研究所的生活，要感謝的人實在是太多了， 首先，最感謝的是我的指導教授，許良榮老師，無論平日或假日，老師總 是騰出時間和我討論研究相關問題和論文內容，另外，謝謝老師對我的用 心教導，雖然我常常惹老師生氣，謝謝您沒有放棄我，讓我知道要更加努 力、認真。 謝謝中教大的老師們，謝謝你們在研究所的兩年裡教了我好多東西， 做研究的態度和精神，還有好多是我要再多多學習的，其中，謝謝靳知勤 老師擔任我的口詴委員，謝謝您給的指教，真的受益良多。 再來是我的同學們，謝謝你們從大學一直陪在我身邊，一起上研究所 的課，一起度過每個時期，如果沒有你們，我真的不知該如何撐到現在。 還有我的研究對象們，謝謝你們願意接受我的邀請來參與研究。還有我的 好室友，謝謝妳總是陪伴我度過寫論文的時光，謝謝妳總是督促我，要我 們一起努力和進步，如果沒有你陪伴我，我的論文應該會停滯不前，謝謝 妳總會幫我注意很多小地方，幫我點出問題點，真的是妳陪我一起度過最 難熬的時光，有妳真好！謝謝我的朋友們，謝謝你們忍受我長久以來的騷 擾，總是不厭其煩的唸我，要我快點去寫論文，謝謝你們給的激勵！ 最後謝謝我的家人們，如果不是你們，這條路我真的走不下去，謝謝 你們當我的後盾、我的避風港，謝謝你們的體諒，每次快要撐不下去、放 棄時，謝謝你們總是伸出手來拉我一把，你們是我撐下去的動力。 鄒紫君 2015 年 3 月iii
以序列性 POE 策略探究大學生對於「水之表面張力」
的科學解釋能力
摘要
本研究之目的為利用「序列性 POE（Sequential Prediction-Observation- Explanation）」策略，設計四個前後具相關聯性，皆與「水之表面張力」有 關之實驗，以個別晤談進行資料收集，選取中部地區某大學，理工與非理 工學系之大三學生共 20 名做為研究樣本，以探討大學生對於「水之表面 張力」之科學解釋能力、科學解釋類型與解釋融貫性。 研究結果發現：受訪者在四個實驗的預測正確率，除了 POE1 外，其 他 POE 實驗皆達 50%以上。但在「解釋能力」部分，整體受訪者的平均 得分皆未達「提出正確理由，但解釋不完整」的程度，顯示大學生的科學 解釋能力有待提升。其中，理工背景受訪者之解釋能力平均分數（1.59 分） 高於非理工背景受訪者（1.15 分）。由研究結果顯示，受訪者具有的「解 釋類型」共有五種，分別為：A 類（外部特徵型）、B 類（內部性質型）、 C 類（科學語詞型）、D 類（類比型）、E 類（機制型）。受訪者所採用的解 釋類型以「機制型」（E 類型）最多，其次為「科學語詞型」（C 類型）。此 外，分析解釋能力與解釋類型之相關性發現：隨著「解釋能力」得分的增 加，使用 B 類型解釋的次數隨之減少；而使用 C 類型與 E 類型的解釋次數 則是隨之增加。而在「解釋融貫性」方面，多數受訪者提出的解釋會因實 驗情境的不同而改變，具解釋融貫性的人數未超過受訪人數的五成，由此 可知，受訪者的解釋融貫性是有待改善。最後本研究提出有關科學解釋的 教學建議，以及未來研究方面的若干建議。 關鍵字：表面張力、解釋能力、解釋類型、解釋融貫性、序列性 POEv
Using the S-POE Strategy to Explore University
Students’ Ability of
Scientific Explanations about the
“Surface Tension of Water”
Abstract
The purpose of this study was to explore university students’ ability to formulate scientific explanations, the resulting types of explanations, and their explanatory coherence. The students were required to explain four
natural phenomena of “surface tension of water” using the S-POE (Sequential Predict-Observe-Explain) strategies. Interviews were conducted with 20 juniors from both science and non-science departments in the middle area of Taiwan.
The results of this study show that, except for POE1, the students were able to make around 50% correct predictions in the other POE. However, the findings suggest that the students’ ability to provide scientific explanations needs to be improved, as the average score of all the students did not reach level of correctly reason and incompletely explanation.The students’ explanations can be categorized into five types: A (exterior appearance), B (internal structure), C (scientific term), D (analogical), and E (mechanical). In addition, the analysis of the relationship
between the students’ ability to provide clear explanations and the types of explanations shows that, when their ability to explain improved, the frequency of type B explanations decreased, while the frequency of type C and type E
vi
Finally, the study revealed that more than 50% of the students could not formulate coherent scientific explanations between two experiments. This made their explanations inconsistent with the requirements of explanatory coherence but consistent with context dependence.Suggestions are offered for educational guidance on scientific explanation and future research.
Key words: Ability of Explanation, Explanatory Coherence, Sequential
vii
目 次
第一章 緖論 ... 1 第一節 研究背景與動機 ... 1 第二節 研究目的及研究問題 ... 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 ... 7 第一節 科學解釋的意涵和類型... 7 第二節 解釋融貫性 ... 16 第三節 POE 的理論基礎與相關研究 ... 18 第四節 S-POE 的設計與相關研究 ... 23 第三章 研究方法與設計 ... 27 第一節 研究設計 ... 27 第二節 研究對象 ... 29 第三節 研究工具 ... 29 第四節 研究流程 ... 30 第五節 資料處理與分析 ... 32 第四章 研究結果與討論 ... 37 第一節 科學解釋能力分析 ... 37 第二節 解釋類型 ... 45 第三節 解釋融貫性分析 ... 51 第五章 結論與建議 ... 59 第一節 結論 ... 59 第二節 建議 ... 63 參考文獻 ... 65viii
一、中文部分 ... 65
二、翻譯書部分 ... 68
三、西文部分 ... 68
ix
表目次
表 2-1-1 國內之 POE 的相關研究 ... 20 表 2-2-1 國內之 S-POE 的相關研究 ... 24 表 3-1-1 S-POE 的實驗設計圖與科學解釋 ... 27 表 3-5-1 科學解釋能力編碼 ... 33 表 3-4-2 科學解釋類型編碼 ... 34 表 4-1-1 預測正確性分析 ... 38 表 4-1-2 不同 POE 實驗之預測正確性分析 ... 40 表 4-1-3 不同背景受訪者之預測正確性分析 ... 41 表 4-1-4 科學解釋能力分數統計 ... 42 表 4-1-5 四個 POE 實驗之「解釋能力」得分和預測正確率 ... 43 表 4-1-6 不同背景受訪者之科學解釋能力分析 ... 44 表 4-2-1 解釋類型分析結果 ... 47 表 4-2-2 P 階段與 E 階段解釋類型比較 ... 48 表 4-2-3 四個 POE 實驗的解釋類型比較 ... 49 表 4-2-4 科學背景不同之教師解釋類型比較 ... 50 表 4-3-1 解釋融貫性分析 ... 53 表 4-3-2 各實驗具「解釋融貫性」的學生 ... 54 表 4-3-3 解釋融貫性組數和解釋能力表現情形 ... 55 表 4-3-4 不同背景受訪者之解釋融貫性表現 ... 56x
圖目次
圖 3-4-1 研究流程圖 ... 31 圖 4-2-1 解釋類型與解釋能力關係圖 ... 51
1
第一章 緖論
本章共分為四節，第一節說明研究背景與動機，第二節說明研究目的 與問題，第三節為名詞釋義，第四節說明研究範圍與限制，分述如下：第一節 研究背景與動機
無論國內外，科學教育的主要目標是培養具有科學素養的國民(教育部， 2008；NRC, 2000)。因此，如何培養具有科學素養的國民，是科學課程以 及教學中應努力的方向之一，但如何培養出具有科學素養的國民並未一蹴 可幾，靳知勤(2007)提出，以現今社會中活動所與科學技術相互交涉的程 度，科學素養勢必成為不可忽略的社會活動，人們在其生活中自然不可避 免地需要具備科學素養以供運用。林純雯（2011）也表示，隨著資訊科技 時代降臨，科學素養逐漸成為現代化國民必備的生活技能與不可或缺的生 活素養。 科學素養包含了很多面向，例如：正向的科學態度、正確的科學概念 和知識以及科學過程技能的培養……等；科學過程技能中極為重要的成分 之一為科學解釋，所謂科學解釋為能夠提出恰當的解釋，以及進行科學思 考 與 推 論 ， 美 國 科 學 促 進 會 （ AAAS ： American Association for the Advancement of Science）在西元 1967 年提出一套稱之為 SAPA（Science-A Process Approach）的課程。在 SAPA 課程中，「科學過程技能」和「科學 知識」一樣都是列為學生所應學習的內容。SAPA 課程中的「科學過程技 能」共標示出：觀察、應用時空關係、分類、應用數字、測量、傳達、預 測、推理、控制變因、解釋資料、形成假設、下操作型定義、進行實驗等 十三項技能。此十三項過程技能中所包含的「解釋資料」是值得我們重視 的，Unsworth（2001）則認為：提出解釋（explanation）是科學教育的核2 心。 從現有的文獻指出，學生的科學解釋能力極為重要且需要加強，邱美 虹和林秀蓁（2004）的研究指出教師若提供更多的機會讓學生做預測和解 釋，則學生的學習成就較高。但是學生的科學解釋往往是不經證據證明， 仍基於自己的假設與想像去描述（謝州恩、吳心楷，2005）。而在教學現 場中，科學解釋雖然具其權威性，其並非科學教育者的唯一或常用手段（湯 偉君、邱美虹，2010）。因此，學生對於自然現象的科學解釋能力是值得 去探討的。Sandoval（2003）於研究中表示，透過科學定理來解釋自然現 象，是科學教育的重要目標；由此可見，科學解釋對於科學教育的重要性。 如何探討學生的科學解釋能力有許多不同的研究方法，其中 POE （Predict-Observe-Explain）是值得重視參考的策略與方法，所謂的 POE 就 是於活動中採用預測（predict）、觀察（observe）、解釋（explain）三個步 驟。而在文獻中，POE 被用來做為教學方法，尤其也能用來做為評量的工 具（李家銘，2001；葉辰楨，2000； Gunstone & White, 1981； Liew & Treagust, 1995）。因此，為了探討學生的科學解釋能力，POE 是很值得採用的策略 及方法，但在 POE 的策略中，如果僅用單一個 POE 的實驗來衡量學生的 科學解釋能力，其所獲得的資訊會較為缺乏，因此若以多樣關聯性的 POE 策略來設計探究學生的科學解釋能力是值得發展的方向，許良榮（2005） 曾發展「序列性 POE」（Sequential Prediction-Observation- Explanation； S-POE），羅佩娟（2009）以序列性 POE 探究國小學生的科學解釋能力， 由此可知，S-POE 為值得參考及有效的探究方法。 「融貫」（coherence）在日常生活中代表相互扶持的意思，而「解釋 融貫性」（explanatory coherence）則是指解釋之間的相互支持（Thagard, 1992）。Vosniadou（1994）提出這些解釋的形成會隨著個人的概念架構不 同而異，或許這些解釋有別於科學家的解釋，但卻有自成一格的解釋融貫
3 性（引自劉誠宗，2003）。當學生面對一系列相關的自然現象時，他們針 對前一個實驗進行操作觀察後所提出之科學解釋內容是否會因為後續的 實驗結果而被取代？在前後實驗所應用的科學概念是否一致？而其科學 解釋內容是否會前後呼應？許良榮、羅佩娟（2009）的研究即發現，理工 背景學生「解釋不一致」人數的比例高於非理工背景學生，而且人數比率 都達 36.7%以上；由此顯示解釋融貫性是極待深入探討與研究的問題。 另一方面，學習科學主要的任務之一就是對於自然現象進行解釋，而 「水之表面張力」是日常生活中常見的一種現象，也是科學課程中學習的 重要主題之一，蔡尚芳（2003）認為一般高中與大學普通物理學的教材中， 對表面張力的說法較為簡略，使得學生對於表面張力的某些概念容易引起 混淆或誤解，特別是造成液體表面出現「表面張力」的作用力，究竟是在 什麼方向。陳建偉（2009）於研究中也提到，學生對於「表面張力與浮力」 之概念容易誤用與混淆。因此，本研究以「水之表面張力」做為探討學生 科學解釋能力之主題。 綜合上述，本研究設計對於水之表面力具有關連性的數個 S-POE 實驗， 以探究學生的科學解釋能力。
第二節 研究目的及研究問題
本研究發展「序列性 POE」，設計前後具有相關連；設計與「水之表面張 力」有關的四個 POE 實驗，讓學生進行預測、觀察與解釋，詴著以此探討學 生對於自然現象「水之表面張力」之科學解釋能力以及科學解釋類型，並進 一步探討解釋融貫性的特徵。 待答問題如下： 1. 大學學生中理工與非理工背景學生在「水之表面張力」之「科學解 釋能力」為何？4 2. 大學學生中理工與非理工背景學生在「水之表面張力」之「科學解 釋類型」為何？ 3. 大學學生中理工與非理工背景學生在「水之表面張力」之「解釋 融貫性」為何？
第三節 名詞釋義
一、序列性 POE（Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE）
本研究的序列性 POE（Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE）是指 許良榮（2005）所發展的「序列性 POE」實驗設計，其以 POE 的策略為基 礎，設計一連串相互關係的 POE，用以探討大學生對於自然現象之解釋說明 能力以及「解釋融貫性」之特徵；讓學生依 POE 實驗的先後順序預測結果、 觀察現象並針對現象做出解釋或解釋預測結果與觀察現象之間的衝突。本實 驗中之序列性 POE 實驗設計所涉及的科學概念是關於「水之表面張力」。 二、科學解釋能力（the ability of scientific explanation）
本研究參考謝州恩、吳心楷（2005）所提出關於科學解釋的標準，其標 準為： 1. 核心能力：指出因果關係、運用推理能力、使用證據。 2. 相關能力：解釋提出主張、運用圖表協助解釋。 本研究以晤談方式蒐集大學生對「水的表面張力」之序列性 POE 實驗 的科學解釋內容，並運用上述所提之標準分析所蒐集到之資料，分析學生 對自然現象提出的科學解釋，達成上述標準的情形。
三、科學解釋類型（the type of scientific explanation）
本研究將所蒐集到之資料進行分類，分析學生對自然現象提出的科學 解釋類型為何。將蒐集到的訪談資料編碼並分成 A（外部特徵型）、B（內 部性質型）、C（科學語詞型）、D（類比方式型）、E（機制型）五種類型。
5 四、解釋融貫性（explanatory coherence） 解釋融貫性意指各命題之間的關係因解釋之故而得以連結在一起，由 於各命題之邏輯的承續與一致性，使得解釋之間具有相互支持的特性（陳 瑞麟，2001）。本研究所指的「解釋融貫性」以陳瑞麟（2001）的觀點來 查驗大學生對不同的 S-POE 實驗所提出的解釋是否相互扶持、連貫。
第四節 研究範圍與限制
一、研究範圍 1. 本研究對象範圍為中部地區某大學之學生，在此大學中抽取理工 與非理工背景大三學生各十位，研究對象共二十人。 2. 理工背景學生為科學教育與應用學系學生，而非理工背景學生為 人文或教育類科系之學生。 3. 本研究所探討之概念範圍為「水的表面張力」方面的四個 POE 實 驗情境，研究內容範圍是依據晤談結果而來。 二、研究限制 1. 因受到人力、時間、經費等因素的限制，本研究的樣本僅限於採立 意取樣選取之大學理工與非理工背景大三學生各十名，因此所得結 果不宜過度推論到其他對象。 2. 本研究僅限於中部地區某大學學生有關「水之表面張力」之科學概 念及科學解釋的差異，故不宜將研究結果推論至其他科學概念上。 3. 本研究的研究性質是質性研究，研究的方式主要以晤談為主，因此 研究結果不宜過度推論，僅供類似研究情境參考。7
第二章 文獻探討
第一節 科學解釋的意涵和類型
一、解釋的意涵 （一）解釋的定義 解釋（explanation）一詞，源於拉丁文 explanare（展開、伸展、說明）， 其意義為：使某事成為合理或可理解的活動（Angeles, 1992）。而在解釋某 事件如何發生通常會包括描述致使此事件發生的過程，而這樣的描述可能 涉及某些因果過程的描述，只不過一事件之發生經常有許多不同的因素， 該選擇何種因素為其原因，需依不同的脈絡而有不同的考量（Audi, 1995）。 Liption（1993）對解釋的看法則是：當我們對生活周遭的發現感到不 滿足時，我們想要知道「為什麼？」，且所運用的推理可提供作為解釋之 用。黃達三（1998）亦曾就解釋下了簡單的註解，他認為「解釋」就是對 事件、現象的分析說明，使人有解惑、了解事件的真相及現象發現的內部 機制的功能。 而哲學辭典中對於解釋有許多不同的意涵，各解釋也有其各種不同的 意義，有所差異，敘述如下（引自段德智、尹大貽、金常政，1999）： 1. 功能的解釋（functional explanation）：用描寫一個事物在其存在時， 各成份之間相互聯繫的活動（功能、作用）來對現象作出解釋。 如：對「為什麼會有心跳？」作出功能性解釋，就是以血液循環 和作為心跳基礎的心臟和肉體的哪些部分的物理、化學的功能來 說明心跳。 2. 整體的解釋（holistic explanation）：用整體（形式、總體、統一體） 的功能（目的、特性、活動）對現象作出解釋，認為整體是它的8 部分指導原則。用整體的功能來解釋整體的各部分活動。 3. 機械的解釋（mechanistic explanation）：描寫在一個複合體中，一 個部分如何與其他部分發生機械的相互作用。 4. 有機論解釋（organismic explanation）：這種解釋把一個整體的特 性看作是有別於個體部分（或部分的群組）的特性，以及對於解 釋某些事物是必不可少的，就如對各個部分的相互作用分析對於 它的解釋是必不可少的一種。整體被認為不僅僅是其各個部分的 量的總和，而且在質上與它們總和有別。 5. 目的論解釋（teleological explanation）： (1) 按某物所完成的某種目的（結果、目標）所做出的解釋。 (2) 用達到某種目標或某種目的的活動所做出的解釋，通常這種 目標或目的是預定或計畫好的。 (3) 以涉及某物所正在追求的，或為了這種追求而發生的過程， 以走向未來的事情（目標、目的、終結、結果）而解釋現在 和過去的事情。它用先在的條件解釋現在的和任何未來的事 件。 (4) 適合用於（適應於、協調於、相應於、適當於、相當於）完 成整體的目的和需要這個整體的各部分的相互關係結構和活 動而作出的解釋。 6. 科學解釋（scientific explanation）：通過描寫一個事物的結構和過 程是什麼而使某物成為可理解的，和（或）表明一個事物如何完 成它的活動。科學解釋的基礎是： (1) 用歸納-演繹方法（inductive-deductive methods）從事（經驗 觀察） 形成概括化（generalization）（理論）。 (2) 把這些事實與這種前後一致的和系統的概括化體系聯繫起來，
9 也和已經累積和以為人們所接受（已被肯定、已得到證實） 有關的事實聯繫起來。 (3) 引出對概括化體系論這些事實可能具有的邏輯和經驗的含義 和系統。 (4) 建構一種對這些事實和概括化的辯解（justification）、認證 （confirmation）、驗證（verification）。 (5) 表明這種事實是可以在數量上被計算（被推演）的，或從這 種概括化體預測到的。 Salmon (1998) 以問題的類型，區分出三大類的解釋：回答「how」、 「what」、「why」問題時提出的解釋，其中回答具「通則性」、「機制性」、 「功能性」其認可為科學解釋，科學解釋為本研究所關注的焦點所在。 (二）解釋的類型 1. 哲學家的科學解釋類型
Zuzovsky & Tamir(1999)以哲學之觀點提出三種科學解釋類型： (1) 在物質科學與地球科學中，大多數的問題是「為什麼」問題 的形式，以找尋一條規則或原理，並加以應用於解釋特定的 現象。典型的解釋結構為演繹-規律模式 （deductive-nomological［D-N］model）(Hempel, 1965；Hempel ＆ Oppenheim, 1988），它包含兩種形式的語句：說明項 （explanans）和被說明項（explanandum）。被說明項是指欲解 釋的現象，而說明項則包括特定先行條件的敘述以及引出被 說明項之普遍定律的敘述。D-N 解釋的結構必頇滿足某些邏 輯與實徵的條件。它的被說明項必頇是說明項的邏輯結論， 說明項則必頇涵蓋普遍定律，而這些定律不論是實徵的通則 化原(empirical generalizations)或是理論的定律，至少在原則上
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都必頇能夠被實驗或觀察所檢驗，並且構成說明項的語句必 頇為真，換言之，說明項為證據所持。藉由普遍定律所產生 的解釋創造出解釋與預測之間的對稱性，亦即解釋可被視為 事後的預測(expost facto prediction）。機率解釋也可用 D-N 模 式來形構，但是它們只提供機率的預測。
(2) 目的論的解釋（teleological explanation），亦即藉由提出某種 目的或結果以解釋有機體的特徵，而不是以原因進行解釋， 普遍運用於生物學中，雖然目的論的解釋缺乏邏輯上的效度 與 D-N 的結構，但這種解釋被視為可以探知因果的決定因素 之有用的啟發式工具(Hempel & Oppenheim, 1988)。
(3) 功能的解釋（functional explanation）是目的論解釋的延伸，為 生命科學的例子裡典型的解釋類型。此一類型藉由特性所扮 演的角色，來理解此一行為的型式或性質。這一類的解釋經 常是針對一個蘊含著尋求理由或論證來辯證一性徵之發生的 問題，而提出的回答。 2. 學生的解釋類型 學生對科學概念的解釋，與其既存概念、生活經驗或認知架構有關， 同時會影響其科學概念的發展，以下列舉出幾個國內外以學生為研究對象 的研究。
早期在國外有 Piaget 以及他的跟隨者（Piaget, 1972；Fuson, 1976； Stepans & Kuehn,1985）將兒童的科學解釋類型作了以下的分類：
(1) 萬物有靈論（animism）：兒童認為自然界的萬物皆有感覺、意 識以及情感的。
(2) 人為論（artificialism）：兒童覺得所有的事物都是為了對人類 有益處而產生的。
11 (3) 決定論（finalism）：兒童認為每件事都有一個解釋，而這個解 釋並不一定會與現象的起源或結果有很大的相關，只是為了 解釋而解釋。 (4) 人創論（human-made）：兒童覺得自然現象是由人類力量所造 成的。 (5) 神創論（god-made）：兒童相信自然現象是由神所造成的。 (6) 機械論（mechanism）：兒童以一種機械的過程來解釋自然現 象，完全不包含人類的特質。 (7) 科學的想法（scientific ideas）：兒童持有科學家與教師所公認 的的想法。
另外，國外 Touger, Dufresne, Gerace, Hardiman 和 Meatre（1995）以 45 位大學生為對象的研究，採取晤談方式蒐集學生如何解釋基本力學， 研究結果呈現出學生的解釋是情境相依的，同時證據也指出物理學思考和 真實情境思考的連結是薄弱的，其認為解釋能力是檢視複雜能力的指標， 從結果中得出三種解釋的類型： (1) 公式取向（formula-driven）：這類型的解釋是從公式開始進行 相當多的代數運算，從記憶中搜尋合適的公式或圖表來回應 已知的問題，時常後續的敘述未能運用初始的公式或圖表， 這顯示初學者的知識庫中，解釋物理情境缺乏相互連結性。 (2) 直覺的（intuitive）：這些解釋通常是質性的，且大量討論已知 的情況，使用每天日常生活用語，像是撞擊、慢下來以及沒 有走這麼遠等措詞，多過極少被使用的正式物理語言。 (3) 階層的（hierarchical）：這類型是最像專家的解釋，清楚地確 認相關的附屬概念，並以具結構化的方式應用概念，像是確 認能量守恆的最初與最終狀態。充其量，他們將數學及視覺
12 表徵與相關敘述整合，展現出像專家的能力來使用多重表 徵。 上述文獻以各種不同觀點與面向來探討解釋的類型，本研究以個別晤 談的方式而得學生對於這些自然現象的科學解釋，其過程類似教師在課堂 上以提問的形式與學生進行互動、討論，因此，上述許多文獻之解釋類型 分類可做為分析解釋類型之參考準則。 (三）科學解釋的意涵 亞里斯多德是首先發展出科學解釋理論的學者，他建議：科學該透過 原因來得到對事物的理解，以便從「知道內容（knowing that）」進展到更 深層的「知道為什麼（knowing why）」。而科學的三段論法（scientific syllogisms）即是為「為什麼的問題」提供了解答（Audi, 1995）。 Hempel (1965)為最知名、最早為科學解釋定下定義或規範之人，其涵 蓋律模式(covering law model) 曾是論述科學解釋最著名的典範 (Salmon, 1989)。近年來，涵蓋律模式，已不再被哲學界所全然信服（林正弘，1991； 曹志平，2003）。Godfrey-Smith (2003) 指出涵蓋律模式已成歷史灰燼 (the covering law theory is dead) ，但 Hempel（1965）的 D-N model 和 I-S model， 仍然被認為科學解釋類型之一。 Dupre（1993）曾為「科學的」一詞下了判準，他指出符合「物質單 元論」(substance monism)及符合「科學的」標準，也就是認為科學解釋是 能把自然現象化約到基本物質的運作。物質主義為「化約論」中的一部份， Sterelny 與 Griffiths (1999) 指出化約一詞，其實有三個意思：（1）理論通 則化 (theoretical unification)：此概念指出，科學的目標應是要發展定律系 統或通則 (systems of laws or generalizations) ，把之前數個看似不相關的定 律加以統合（化約），找出新的定律促成科學的發展。（2）分解
13 分別研究，以物質實體或以概念實體來區分、切割。（3）明確的機制 (identifiable mechanism)：此概念指出科學解釋中，必頇存在著明確的機 制。 Salmon (1984, 1989, 1998)指出科學哲學界對於科學解釋有兩大傳統， 第一個傳統便是上述的由 Hempel (1965) 等邏輯實證論者提出的涵蓋論， 他們基本上否定解釋內要談到因果 (Salmon, 1984, 1989, 1998;Thagard, 1992) 。第二個傳統則是認為因果和解釋有強烈的關係，Salmon (1984, 1998)指出「要解釋一個事件，便是要展示出如何使該事件配置到這個世界 的因果結構」換言之，解釋一個事象，便是在找出其起因。 Salmon (1998) 認為在解釋的定義當中只有其中三種解釋，可算是科 學解釋：通則性解釋、機制性解釋和功能性解釋。通則性解釋，又稱為定 律性解釋，用一套通則定律來解釋事件，不需涉及因果傳遞。機制性解釋 這類型的科學解釋牽涉到一連串因果結構，導致最後產生特定物質或現象 出現。功能性解釋有簡化溝通的功能，不同於目的論解釋，不具意識性。 另外，Sutherland（2002）清楚的提出，在科學探究中，好的科學解釋 的標準：（1）對問題提出主張（2）對主張提出證據（3）提供連結證據到 主張的推理（4）寫的清楚，能使用詳細的、精準的科學語言。 Sandoval(2003)提出學生科學解釋的標準，分述如下： 1. 原因的一致：通常包含科學解釋的兩個知識目標： (1) 描述原因的機制來解釋現象。 (2) 因果的連鎖合乎情理的一致。 2. 證據的支持：從資料中反映從解釋建構出的想法，也就是用 資料反映主張。 謝州恩、吳心楷（2005）於研究中提出，在科學解釋時該要具備的核 心以及相關能力這兩部分。
14 1. 核心部分為：指出因果關係、運用推理能力、使用證據。 2. 相關能力為：解釋提出主張、運用圖表協助解釋、語文傳達 解釋能力、評鑑解釋。 本研究參考上述謝州恩、吳心楷（2005）所提出關於科學解釋能力的 標準為基礎，經過指導教授及研究同儕的討論，進行本研究蒐集到的資料 之編碼工作。 (四）科學解釋的類型
Zuzovsky & Tamir（1999）表示：科學解釋的類型不僅有賴於實證科 學裡，引起爭議的特定領域，亦與引出解釋的問題型式有關。許多的科學 解釋可視為對”為什麼”的問題提出回答，例如：為什麼月亮在接近地平線 時，看起來比在高空的時候大？為什麼藍眼父母的小孩總是藍眼的？所有 這類的問題皆以命題邏輯的形式（propositional-logical form）表示，p 是 描述被解釋項的實證陳述，這些問題被稱為「尋求解釋的為什麼問題」 （explanation-seeking why-questions）。另一類型的問題是尋求理由來支持 未預先設定的已知主張（a given assertion which is not presupposed）。例如： 颶風米契將轉向進入大西洋，為什麼會這樣？這類的問題被稱為「尋求理 由的問題（reason-seeking question）」，並以另一種命題型式表示：有什麼 理由相信是 p？或者，為了相信 p 為真，有什麼理由可辯證？ 歸因於不同的脈絡，透過這二類型的問題所要求的解釋交互地引導出 不同類型的回應。在尋求解釋的為什麼問題裡，通常會引出因果的演繹-規律型式（D-N type），在第二個例子中會出現合理的論證（argument）形 式，也就是說提出根本的理由做為解釋。Hempel（1965）認為理由可能包 含假定的結果（例如：將房子建在河邊較好，因為那裡的土壤也許較肥沃）， 對於獲得這些結果之其他方式的有效性所持有的信念，以及對已選擇方式 的批判性評價（Zuzovsky & Tamir, 1999）。
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Zuzovsky & Tamir（1999）除了探討問題與科學解釋之間的關係外， 亦提出了 3 個科學解釋的類型：
1. 在物理科學裡，典型的科學解釋型式為演繹-規律模式
（deductive-nomological［D-N］model）（Hempel, 1965；Hempel and Oppenheim, 1988），它包含二種形式的語句：解釋項（explanans） 以及被解釋項（explanandum）。被解釋項是指欲解釋的現象，而解 釋項則包括特定先行條件的敘述以及引出被解釋項之普遍定律的 敘述。被解釋項必頇是解釋項的邏輯結論，解釋項則必頇涵蓋普遍 定律，而這些定律不論是實證的通則或是理論的定律，至少在原則 上都必頇能夠被實驗或觀察所檢驗，並且構成解釋項的語句必頇為 真，換言之，解釋項被證據支持。藉由一般定律所產生的解釋創造 出解釋與預測之間的對稱性，亦即解釋可被視為事後的預測（expost facto prediction）。機率解釋也具有 D-N 結構，但是它們只提供機 率的預測。 2. 目的論的解釋（teleological explanation），也就是藉由提出某種結果 或目的來解釋有機體的特徵，在生物學中是相當普遍的。 3. 功能的解釋（functional explanation）是目的論解釋的延伸。功能解 釋是藉由判定一個行為在維持一個已知的系統於適當的工作狀態 時所扮演的角色，來理解此一行為的型式或特性。 我們可用不同類型的解釋來說明某一個我們想要說明的現象，而類型 的使用，也可看出學科其某種本質（湯偉君、邱美虹，2010）。而在情境 主義中，不同的解釋方法不需互相競爭，非要從中取一不可，可依照不同 的情境，採用不同的解釋類型（Godfrey-Smith, 2003）。 本研究即是藉由設計一系列有關「水之表面張力」之實驗，讓受測者 預測、觀察、解釋，近而探測大學生對自然現象的科學解釋能力與類型。
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第二節 解釋融貫性
Thagard(1992)在《Conceptual Revolutions》一書中，描述了在科學史 上的一些重大理論被取代的現象，如燃素論的衰微，燃燒的氧理論興起， 或是達爾文的天擇演化論優於神創說等，說明一個假說之所以成立或是被 取代，皆是取決於其解釋融貫性(explanatory coherence)，最後勝出的總是 解釋融貫性最佳的一個。 依 Thagard（1992）認為解釋融貫性理論是科學概念改變原理的核心， 科學家與哲學家長期思考以解釋的力量來評估理論，在哲學上，解釋性假 說（explanatory hypotheses）的接受通稱為最佳解釋的推論，而解釋融貫性 理論意圖說明大範圍的解釋推論，並將分為理論的陳述、演算法的描述與 應用到不同例子顯示出演算法的可行性這三部分，並幫助證實這理論的力 量；解釋融貫性主要是依據兩命題之間的關係，這些命題的解釋融貫性是 由各命題之間的融貫性所決定，換言之，解釋融貫性的最大要求是顯示出 如何將存在於兩命題間的關係移轉到一整套相關命題的性質或命題內單 一命題的性質，而命題間的融貫性由兩命題之間的相互融貫性所決定，且 彼此間的解釋關係是相互扶持（hold together）。 Thagard（1992）綜合在哲學、心理學以及科學方面對於解釋融貫性的 一些探討，提出解釋融貫性理論，旨在說明大範圍的解釋推論，並在解釋 系統 S 中建立評估命題之可接受性。S 包括命題 P，Q，與 P1...Pn。以連 結主義為基礎，發展一個電腦程式 ECHO 以驗證某一假說中各個命題之 間的融貫性，而命題包含了證據與子假說兩類。此程式可以輸入證據與子 假說之間，或是子假說與子假說之間的關係，然後讓輸入的資訊以人工智 慧的方式，進行彼此間的相互影響，進而歸結出這些資訊之間的解釋融貫 性，而其計算奠基於七個原理： （一）對稱（symmetry）：主張成對命題間之融貫性和不融貫性是對稱17 的關係，就好像日常相互扶持的感覺一樣。 （1）若 P 與 Q 融貫，則 Q 與 P 融貫。 （2）若 P 與 Q 不融貫，則 Q 與 P 不融貫。 （二）解釋（explanation）：是目前評估解釋融貫性中最重要的原理， 因為它建立大多數融貫性的關係。若 P1...Pm 能解釋 Q 則: （1）在 P1…Pm 中的每個 Pi 皆與 Q 融貫。 （2）在 P1…Pm 中的任一 Pi 與 Pj 皆彼此融貫。 （三）類比（analogy）：類比並非簡單地認為任何兩個類似的命題都融 貫，還必頇有一個解釋類比，而以兩個類似的命題來解釋彼此 是類似的其他兩個命題。 若 P1 解釋 Q1，而 P2 解釋 Q2，又 P1 類似 P2，與 Q1 類 似於 Q2，則 P1 與 P2 融貫，Q1 與 Q2 融貫。 （四）資料優先權(data priority)：聲明某命題可描述某觀察結果的行為， 有某種程度的可信度，如同在不同層面上，我們對於謹慎審查 之科學期刊中實驗結果的可靠性依舊保有信心。敘述觀察結果 之命題，也就是證據，本身有一定的可接受程度。 （五）矛盾(contradiction)：若 P 與 Q 矛盾，則 P 與 Q 不融貫。 （六）競爭(competition)：除非另有理由，否則應該相信解釋相同事實 證明的假說是互相競爭的。 若P與Q兩者解釋Pi，假如P與Q不能被連貫地解釋，則P與Q不融 貫。若有以下的狀況成立時，這裡P 和Q的解釋就是連貫的： （1）P 是 Q 解釋的一部分。 （2）Q 是 P 解釋的一部分。 （3）P 和 Q 一起是一些命題 Pj 的部份解釋。 （七）可接受性(acceptability)：
18 （1）命題 P 於系統 S 中的可接受性取決於它與 S 中其他命題的 融貫性。 （2）假如許多有關實驗的觀察結果都無法解釋，則僅解釋少部 份的命題 P 的可接受性就減少了。 由以上七個原理，曾舒平（2004）整理歸納出以下幾點： 1. 命題之間若擁有解釋關係，則可以視相關命題為彼此融貫，而這 樣的融貫性稱為解釋融貫性。 2. 在一假說系統中，由於證據命題較子假說命題更能獲得較高之可 接受性，所以與證據命題融貫之子假說命題之可接受性較高。 3. 命題之可接受性越高，則表示其之於整個假說系統的解釋融貫性 越高。 在相關研究方面，許良榮、羅佩娟(2009)在與解釋融貫性相關的研究 中即發現，理工背景學生「解釋不一致」人數的比例高於非理工背景學生， 而且人數比率都達 36.7%以上。
第三節 POE 的理論基礎與相關研究
一、POE 的起源與意義POE 策略是 Gunstone 和 White （1981）改良由美國 Pittsburgh 大學 Champagne, Klopfer 和 Anderson 於 1980 年所設計 DOE
（Demonstrate-Observe-Explain） 概念晤談教學策略的研究工具而來，DOE 概念晤談教學策略是先對學生進行紙筆測驗，再由教師示範實驗活動讓學 生觀察，最後要求學生回答測驗裡的問題並提出說明。後來 Gunstone & White（1981）發現讓學生進行預測的活動，能呈現出學生原有的認知結構， 也能提高學生的學習興趣，亦強調預測對於瞭解學生原有概念及提升教學 成效十分重要，因此便將 DOE 策略改良為 POE 教學策略，以期提高教學 效益。
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POE 是由 White & Gunstone（1992）所提出，為預測（predict）-觀察 （observe）-解釋（explain）的簡稱，是用來探測學生的知識與科學概念理 解的一種策略。POE 的活動過程是由教師提供一個情境給學生，要求學生 運用其原有的知識去預測其結果，並寫下預測的理由，隨後進行實驗操作， 讓學生觀察並紀錄下觀察到的現象，最後要求學生調和、解釋預測和觀察 之間的不一致。 二、 POE 的目的 POE 策略的重要目的之一，是要使學生學習如何運用獲得的知識來解 釋事件與經驗。在課堂上，教師經常以「提出問題」的方式來檢視學生應 用知識之情形，但 POE 因為聚焦在對特定事件（specific events）「解釋為 什麼（explaining why）」，而更能直接地呈現出學生對概念的理解程度，以 及學生應用知識的能力（White & Gunstone, 1992）。POE 策略強調學生對 事件或現象的預測及其預測理由，除了較少著重在正確答案與評分的問題 外，還鼓勵學生運用自己的原有想法進行推論或解釋，以及為自己的想法 實施辯證過程，如此一來，教師較能探測出學生在某一情境中的認知結構 與解釋事件或現象的經驗、信念，並且，若是 POE 策略的觀察步驟與學 生原先的預測發生矛盾時，學生可能會將原本的想法進行再建構與修正， 而造成概念的改變（Searle & Gunstone, 1990）。
三、 POE 相關研究 摘錄國內數篇有關 POE 的研究，統整與歸納出，以了解 POE 策略在 科學教育上的運用情形。分別將國內相關研究列舉如表 2-1-1，由表中分析 出下列幾項，（1）以研究對象而言，主要可分為國小、國中、高中、高職、 大學和教師，其中研究對象又以國小學生居多，共有 32 篇。（2）以研究 之學科區分，包含有理化、生物、電學、地科、浮力、熱學…等學科，在 眾多學科之中，又以電學的研究數量最為最多，共有六篇。（3）以 POE
20 為概念評量或教學策略兩種不同目的而言，以做為教學策略的研究篇數居 多，共 26 篇，主要是用以融入教學中，做為一種教學策略，由此可見 POE 於研究上之應用相當廣泛。（4）在以 POE 為教學策略的 26 篇研究中，其 中有 15 篇顯示 POE 教學對於學生的概念學習或概念改變，甚至科學本質 觀、過程技能…等，都有其正面的學習效益，顯示 POE 有其質肯定的教學 效果。 表 2-1-1 國內之POE 的相關研究 發表年 研究者 研究對象 研究目的 1994 王淑琴 郭重吉 大學一年級 利用紙筆測驗和 DOE 的晤談來探查大學 生在電學方面的另有架構 2001 邱彥文 國中 二年級學生 探討教師在國中理化課進行 POE 教學的 情況，評估其成效與相關影響因素 2002 李家銘 國中 低成就學生 探討個案學生在 POE 教學活動中的電學 概念發展情形 2002 陳淮彰 國小 四、五年級學生 利用問卷調查與 POE 晤談，探討國小學 生在水溶液方面的認知情形與迷思概念 2002 林鼎富 國小 三、六年級學生 利用紙筆測驗與 POE 晤談，探討國小學 生對靜磁概念的理解狀況、迷思概念及其 成因 2002 葉淑華 高中 三年級學生 結合 POE 策略及放聲思考法的精神所設 計的 POE 策略式晤談，探究個案學生有 關「鉛直簡諧運動」的迷思概念、形成迷 思概念的原因、思考歷程的類型、思考歷 程、思考歷程特徵，及兩位學生的思考有 何特色與差異 2003 張宗義 國小 四年級學生 運用 POE 教學模式探究國小學生在教學 前後對水溶液概念的理解與改變類型 2003 陳雅麗 國小 五年級學生 運用 POE 教學模式探究國小學生有關熱 學方面的迷思概念與概念改變歷程
21 2004 陳志偉 國小 四年級學生 利用個別晤談和 POE 策略設計之浮力教 學單元，探討國小學生對於浮力概念的學 習情形與 POE 教學活動的學習成效 2004 陳沛瑩 國小 六年級學生 利用個別晤談與 POE 教學策略，探究國 小六年級學童「熱」概念所可能蘊含之迷 思概念及其衍生的科學概念改變之情形 2004 蔣盈姿 國小六年級 國中二年級 高中一年級 學生 利用個別晤談與 POE 策略，探討中小學 生對於物質可燃性的另有概念及其來源 2004 張家紘 高職 一年級學生 利用個別晤談與 POE 概念改變教學策 略，探討學生的簡單直流電路概念情形， 以及教學策略之成效 2005 黃誌良 國小 五年級學生 設計 POE 策略進行「鹽的降溫作用」概 念教學活動，探討國小五年級學生鹽的降 溫作用相關概念，以及概念改變情形 2005 張麟偉 國小 六年級學生 結合科學寫作與 POE 教學策略探究國小 學生在此教學模式下，有關電磁鐵概念的 學習歷程，以及教師教學的歷程 2005 王玉龍 國小 六年級學生 運用 POE 策略，探究國小學生對於色光 的另有概念及概念改變歷程 2005 姚宗志 國小 六年級學生 利用個別晤談與 POE 策略，探究國小學 生在「月相類比模型」中使用的推理技 巧、概念改變以及概念發展的歷程 2005 楊之明 國小 三至六年級 學生 運用 POE 策略，探究國小學生對於「摩 擦力」概念解釋的各種類型，並探討不同 年級學童之間對此概念的概念類型、特徵 以及差異情形 2005 李莘怡 國中 二年級學生 利用 POE 教學策略與閱讀教材，探討國 中學生對於「溶解」迷思概念改變之成效 2005 羅焜榮 國中 三年級學生 採用 POE 教學策略結合合作學習法，探 討九年一貫自然科課程中國中學生對電 流的化學效應之學習情形與成效
22 2005 林嘉琦 國中 二年級學生 應用 POE 教學策略設計溶解單元教學活 動，探討個案學生在 POE 教學情境中的 表現與學習溶解單元概念改變之情形 2006 王盈琪 國小 三年級學生 利用 POE 教學策略，探究國小學生「光」 概念所可能蘊含之迷思概念，及其教學前 後概念改變之情形 2006 劉俊直 國小 六年級學生 運用融入『科學故事』的天文教材與 POE 的教學策略，探討國小學生有關「地球運 動」的另有概念，及其概念改變的情形 2006 林士峰 國小 六年級學生 運用 POE 教學策略來探討國小學生學習 「鐵生鏽的物質性質」區分的概念類型及 概念改變的情形 2007 洪淑淩 國小 自然科教師 藉由 POE 活動的實施，探究 16 位國小 自然科教師的色光概念，以及概念改變的 歷程 2007 林香吟 國小 六年級學生 藉由融合 POE 探究策略與科學寫作的教 學，探討國小學生有關「簡單機械」的概 念改變、科學過程技能，以及進行自然與 生活科技教學時，教室環境的影響 2007 曾美玲 國小 四年級學生 運用 POE 教學策略融合動態評量與後設 認知所形成的 PODM 策略，探討國小學 生對於「電路」之相關概念的概念學習情 形 2009 楊凱悌 邱美虹 王子華 國小 高年級學生 應用數位影音融入 POE 教學改善國小高 年級學童脊椎動物分類另有概念之效益 研究 2011 黃贊樺 國中 二年級學生 探討科學解釋文字鷹架融合 POE 策略對 概念改變與科學解釋能力影響之研究-以 光學單元為例 2011 楊宗樺 國中 三年級學生 POE 教學策略融入互動式電子白板對中 學生月相概念學習成效之影響 2012 李明修 國中 二年級學生 POE 教學策略在國中二年級「氧化還原」 2012 翁靖婷 國中 三年級學生 POE 教學策略對國中學生光學迷思概念 影響之研究
23 2013 林如敏 國小 五年級學生 應用 POE 教學策略提升國小學童之科學 本質觀與過程技能之研究 --以太陽經緯 儀在「太陽與四季」單元的教學應用為例
第四節 S-POE 的設計與相關研究
一、S-POE 的定義 S-POE 意指序列性的預測－觀察－解釋，其設計方式是運用前後有相 關性的數個特定事件或現象，要求學生對每一個特定的事件、現象，按照 預測－觀察－解釋之步驟，依序完成對此數個特定事件、現象的解釋與說 明。S-POE 的設計除了具有 POE 本身的功用之外，將數個相關性的實驗組 成的序列性 POE，更能深入探究學生對某項特定概念的了解程度，以及學 生如何應用既有的知識提出科學性的解釋。 二、S-POE 之設計理念 S-POE 之設計理念源自於許良榮教授（2005），S-POE 不僅可以如同 單一的 POE 實驗一樣，做為探測學生對科學概念的認知情形，亦可用來深 入了解學生是否能夠運用相同或相似的科學概念，解釋相關的自然現象。 三、S-POE 的設計原則 本研究以及許良榮（2005）之 S-POE 設計原則為： 1. S-POE 中所涵括的實驗，必頇具有相互關聯性，其現象的解釋涵蓋 相同的科學概念。 2. 所有實驗所涵括的科學概念，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、推理學生的前後之解釋的一致性。 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。24 4. 在學生完成一個實驗（POE）的說明之後，必頇明確讓學生知曉每 一個 POE 的實際「實驗結果」，以避免學生對於後續實驗落入單純 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。 四、S-POE 相關研究 摘錄國內數篇有關 S-POE 的研究，進行統整與歸納，以了解 S-POE 策 略在科學教育上及研究中的運用情形。SPOE 是許良榮老師的設計，表 2-2-1 為許老師指導學生的發表，研究結果發現利用 S-POE 策略可進一步了解受 測者的知識、概念和解釋能力，評估受測者的理解內涵及原有概念，同時 也可深入探索受測者對自然現象的解釋和說明之價值。 表 2-2-1 國內之S-POE 的相關研究 發表年 研究者 研究對象 研究目的 主要發現 2007 巫少岑 國小科學 教師 以序列性 POE 探 究 國 小 科 學 教 師 之 科 學 解 釋 的 研 究－以「大氣壓力 與表面張力」為例 能夠提出符合科學概念理 由者皆未達全部受訪教師 人數的 40％，顯示國小科 學 教 師 對 於 與 「 大 氣 壓 力、表面張力」相關現象 之解釋能力有待提升。 2007 陳嘉蕙 國中學生 國 中 學 生 之 科 學 解 釋 及 解 釋 融 貫 性的研究─以「大 氣 壓 力 與 表 面 張 力」為例 學生對於五個活動所提出 的科學解釋仍以不完整、 不恰當的解釋說明居多， 而且部份學生對於大氣壓 力與表面張力之意義與作 用並不了解。 2007 劉月智 大學生 以序列性 POE 探 究 大 學 生 之 科 學 解 釋 的 研 究 — 以 「 大 氣 壓 力 與 表 面張力」為例 理工與非理工背景大學生 對於「大氣壓力」與「表 面張力」所提出的解釋多 為描述現象，並非因果關 係的解釋，以不完整、不 恰當的解釋居多，因此， 大學生的科學解釋能力不 佳，有待加強。
25 2009 許良榮 羅佩娟 大學生 以序列性 POE 探 究 學 生 的 科 學 解 釋能力：以「大氣 壓力與表面張力」 為例 理工與非理工背景學生在 各題的「解釋」皆未達顯 著差異，顯示理工背景學 生雖然有較多的科學學習 經驗，但是並未反應在科 學解釋能力上。 五、水之表面張力 本研究設計的 S-POE 呈現的現象為「水之表面張力」，因為在我們的 日常生活中「水之表面張力」是常見的自然現象之一，例如：吹泡泡時， 泡泡形成完美的球形、水黽可以在水面上行走、水龍頭或滴管緩緩流出的 水滴呈現圓弧的型狀…等，這些現象都和水的表現張力有關。 傅宗玫、陳正平（1990）的研究中提到，表面張力的形成和液體分子 間的作用力有關，為水分子具有極性，分子和分子之間的吸引力非常強， 在液體表面的分子只受到液面下鄰近液體分子的吸引和液面之上空氣分 子的吸引，後者遠小於前者，因此合力指向液體內部，使液體表面的分子 受到由外向內的壓力，好像被無形的彈性薄膜包住了一樣。 而蔡尚芳（2003）於研究中指出，一般高中與大學普通物理學的教材， 對於表面張力的來源與定義，通常比較簡略，因此容易引起混淆或誤解， 而其中一個相當難以掌握的基本問題，就是造成液體表面出現「表面張力」 的作用力，究竟是在什麼方向。陳建瑋（2009）也提到，學生對於液體界 面現象的迷思概念來源有：概念誤用、概念連結有缺失、對定義的不夠了 解。 綜合上述，因此本研究設計與水之表面力具有關連性的數個 S-POE 實 驗，以探究、了解學生的科學解釋能力。
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第三章 研究方法與設計
本研究以「序列性 POE」策略探討大學理工與非理工背景學生對於自 然現象的科學解釋能力，並嘗詴從中尋找出「解釋融貫性」的特徵，為了 深入瞭解大學理工與非理工背景學生內心真正的想法與如何對自然現象 提出解釋，故本研究採取質性研究。研究者在研究過程中，以個別晤談為 主，以觀察札記及文件蒐集等方式來蒐集現場資料為輔，依研究的目的整 理與分析資料，以了解大學理工與非理工背景學生對於與「水的表面張力」 有關的自然現象的科學解釋能力為何與解釋融貫性的特徵。第一節 研究設計
本研究採用質性研究法。根據許良榮（2005）所發展之「序列性 POE （Sequential Predict-Observe-Explain； S-POE）」策略與研究對象進行晤談。 「序列性 POE」策略是以 POE 為基礎，設計一連串相互關連的 POE，企 盼藉此探討學生對於自然現象之解釋說明能力以及歸納出「解釋融貫性」 的特徵。本研究設計 SPOE 的實驗如下表 3-1-1 所示。 表 3-1-1 S-POE 的實驗設計圖與科學解釋 S-POE 實驗設計 問題 科學解釋 實驗一 將痱子粉灑在水面 中央，使用沾了洗 碗精的牙籤輕點水 面中央，你認為痱 子粉會如何改變？ 聚 集 ？ 擴 散 ？ 不 動？請解釋原因。 （註：痱子粉會向 外擴散） 洗 碗 精 會 使 水 之 表 面 張 力 變 小，因此原 本 於 水 面 中 央 之 痱 子 粉 會 向 外擴散。 水 牙籤沾洗碗精 痱子粉 水28 實驗二 將迴紋針平放在水 面中央，使用沾了 洗碗精的牙籤輕點 水面中央，你認為 迴紋針會有何變 動？下沉？不動？ 亂跑？請解釋原 因。（註：迴紋針 會往下沉） 水之表面 張力能支 撐迴紋 針，但洗碗 精會使水 之表面張 力變小，因 此迴紋針 沉下去。 實驗三 將塑膠片下方塗上 洗碗精後，平放入 水面上，你認為塑 膠片會如何移動？ 向前移動？向後移 動？不動？請解釋 原因。（註：塑膠 片會向前往尖端移 動） 洗碗精會 使後方水 之表面張 力變小，故 塑膠片往 上方移 動。 實驗四 將綁有縫衣線的框 圈浸入肥皂水中。 將其中一邊的泡泡 用牙籤刺破後，你 認為縫衣線會如何 移動？向左？向 右？請解釋原因。 （註：縫衣線會往 還有泡泡的一方移 動） 泡泡膜的 表面張力 使縫衣線 往其方移 動。 上述即為 S-POE 之四個實驗活動的圖形與內容，其相關概念為水之 表面張力。首先向被晤談者提出上表中實驗一的問題，然後要求被晤談者 做出預測，並說明預測理由，待研究者了解被晤談者之想法後，接著由研 究者實際操作實驗一，並由被晤談者觀察實驗結果，最後再要求被晤談者 提出其對實驗一之現象的解釋說明。接續的實驗二至實驗四即依照實驗一 的方式進行。藉由被晤談者對此四個實驗的說明過程與解釋內容，來了解 刺破 水 迴紋針 下沉 牙籤沾洗碗精 精 塑膠片 水 洗碗精
29 大學生的科學解釋與解釋間是否具有融貫性。
第二節 研究對象
在研究中，採立意取樣抽取科學教育與應用學系大三學生十名，以及 非理工背景的大三學生十名，合計二十名為正式研究的晤談樣本。企盼能 更加深入及廣泛蒐集大學理工與非理工背景學生內心真正的想法與如何 對自然現象提出解釋，更進一步瞭解大學生對於與「水的表面張力」有關 的自然現象的科學解釋融貫性的特徵。第三節 研究工具
本實驗主要是質性研究以晤談的方式進行。晤談過程將全程錄音，紀 錄受訪者對於四個實驗的預測、觀察與解釋，其中「觀察」程序，是由研 究者進行實際的操作，受訪者觀察。依據「序列性 POE （S-POE）」的設 計原則，擬定的晤談過程與問題如下： 1. 先展示各項實驗器材：實驗器材包括漆包線、縫衣線、迴紋針、 洗碗精、痱子粉、塑膠片、牙籤。 2. 說明每個 S-POE 實驗條件與情境：讓受訪者清楚明瞭 POE 實驗 條件與情境是必要的，必頇確定受訪者都知道他們需要作預測， 此時可允許受訪者詢問相關問題，讓他們在預測活動進行之前確 實瞭解情境。 3. 要求受訪者「預測」實驗結果為何？並加以說明支持預測的理由 或原因：透過預測與說明支持預測理由的過程，可以知曉受訪者 的概念為何，口語表達能力及對自然現象的理解與解釋能力。 4. 研究者進行實際操作，並詢問受訪者「觀察」的結果，以此行動30 確認受訪者確實「觀察」到實驗結果，以便進行接下來的實驗活 動。 5. 要求受訪者解釋實驗結果之原因（原理）為何？如果「觀察」到 實驗結果與其所預測的結果有所不同，需要求受訪者對預測與觀 察結果的不一致情形進一步加以解釋與說明。 6. 確認受訪者表達完整後，研究者已經清楚明瞭其意之後，再接續 下一個 POE。如果研究者對受訪者所說的意思不太清楚，應立即 詢問模糊或不明白之處。 研究者在進入晤談的現場時，研究者不要對受訪者所談的內容作判斷、 注意晤談過程保持真誠和謙虛的態度、仔細聆聽、讓受訪者說出自己的想 法等。對受訪者保證在研究晤談中所說的一切事情會保密，個人所回答的 內容只用在研究上，保證絕不告知他人；澄清此活動並非考詴，不計分， 請盡量說出內心的真正想法。隨即，徵求受訪者同意在晤談過程全程錄音， 此舉是為了避免遺漏其所提供的寶貴意見，故全程錄音。本研究中，晤談 者也是研究者，因此研究者在態度及技巧上的掌握必頇熟練。 再進行正式晤談前，研究者預先進行五個人次的練習晤談，在這些練 習晤談結束後和教授與同儕共同討論修正，進一步精進在晤談的技巧與熟 練度。晤談改進的技巧例如：要能追問（follow up）受測者的回答，不要 重複受測者的回答，多給予等待時間（wait time），受測者回答中避免插 話……等等。由此可見，數次練習晤談對於晤談上的技巧增進具有很大的 幫助。
第四節 研究流程
本研究在選定研究方向與決定研究主題之後，透過文獻蒐集與閱讀關 於科學解釋與解釋類型的研究，根據許良榮（2005）所發展的序列性 POE31 實驗，設計以「水之表面張力」概念為主的序列性 POE 實驗，以探究不同 背景大學生對於自然現象的科學解釋能力、解釋類型及解釋融貫性。先進 行初探性研究，以精進晤談技巧及實驗設計，經檢討修正後，選擇研究對 象，進入正式研究，進行晤談，晤談結束後，研究者立即進行逐字稿的轉 錄與校對，並進行晤談資料分析的整理與分析，最後完成論文撰寫。研究 流程如圖 3-4-1 所示： 圖 3-4-1 研究流程圖 文 獻 資 料 蒐 集 、 閱 讀 與 分 析 選定研究主題 確定研究問題 修正與檢視 S-POE 晤談流程定案 晤談對象確認 進行晤談 晤談資料轉錄 晤談資料分析整理 撰寫論文 1. 確認晤談樣本 2. 晤談時間安排 1. 錄音 2. 過程觀察記錄 3. 教授指導與討論 4. 同儕分享交流
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第五節 資料處理與分析
一、資料編碼處理 本研究主要採用質性研究法，藉由實驗活動的實施與個別晤談，所蒐 集到的資料有 S-POE 實驗活動個別晤談的錄音資料與研究者隨筆札記等， 在研究中進行全程錄音記錄，以確認受訪學生真實的想法，並作現場札記， 因此在訪談後隨即將錄音帶編碼並轉錄為逐字稿，同時與現場札記互相結 合，註明訪談之對象、內容、時間與地點。本研究之受訪者個人及錄音之 編碼說明：首先將受訪者編碼，由一英文字母及三個數字所組成；第一個 英文字母表受訪者身份，理工背景以 S 表之，非理工背景以 N 表之；第 二及第三位為流水號。如【S06】表受訪者為編號 6 號的理工背景學生。 二、資料的分析 蒐集資料並非只是機械式記錄資料，而是必頇同時分析和解釋資料， 並且立即知道這些資料是否互相矛盾，是否需要進一步蒐集更多的資料 （黃瑞琴，1991）。本研究主要採用質性研究法，藉由實驗活動的實施與 個別晤談，在訪談後隨即將錄音檔編碼並轉錄為逐字稿，同時與現場札記 互相結合，註明訪談之對象、內容、時間與地點。遵循上述資料蒐集與編 碼方式，在錄音內容部分，先逐字轉錄，再精簡晤談資料，排除社交的談 話和重複的問題。為排除研究者之主觀意識，分析結果再商請指導教授及 研究者同儕進行檢視，以求其客觀性。 （一）科學解釋能力的編碼 本研究中，參考謝州恩、吳心楷（2005）所提出關於科學解釋的標準 為基礎，經過指導教授及研究同儕的討論，依據本研究活動所蒐集到的資 料完成編碼工作，編碼原則如表 3-5-1，說明： 依據本實驗的特性，所定義的科學解釋能力為解釋應包含「核心能力」：33 指出因果關係、運用推理能力、使用證據。如果受訪者無法提出解釋，得 0 分；受訪者提出理由錯誤或只提出科學語詞而無說明解釋，得 1 分；受 訪者能提出正確理由，但理由不完整或模糊，得 2 分；受訪者能提出正確 且完整的理由，得 3 分。資料分析後，每位受訪者皆會得到兩個解釋能力 的分數，一個是預測階段(P 階段)的分數，另一個是解釋階段(E 階段)的分 數，本研究以 P、E 兩階段解釋能力的平均分數，作為受訪者的解釋能力。 表3-5-1 科學解釋能力編碼 得分 編碼說明 舉例 0 沒有提出理由 無。 1 提出理由錯 誤，或是只提科 學語詞卻沒有 說明 因為洗碗精本身是黏稠性的，會黏住那個 粉，讓靠近洗碗精的粉向內聚集。(N08， POE1) 2 提出正確理 由，但不完整 因為泡泡膜有表面張力，能撐多開就撐多 開，所以還有泡泡膜的那邊會把線推過去。 (N09，POE4) 3 提出正確且完 整的理由 類似像皂飛車，在後線點清潔劑就回往前 跑。可能是因為表面張力，中間沾到清潔劑 的表面張力被減弱，其他還沒沾到清潔劑的 地方的表面張力不變，清水就會拉著痱子粉 走。(S19，POE1) （二）科學解釋類型分析 「科學解釋類型」的分析是將受訪者於所有實驗提出的解釋說明，經 過與指導教授及研究同儕討論後，依解釋內容進行類型的編碼，類型共分 為 A～E 共五類，如表 3-4-2 所示。類型分別為：以實驗材料「外部特徵」 解釋現象的 A 類型；以實驗材料「內部性質」解釋現象的 B 類型；以「科 學語詞」解釋現象的 C 類型；以「類比方式」提出相關例子來解釋現象的 D 類型；以及屬於「機制型」，一連串作用過程來解釋的 E 類型。 資料分析後，因每位受訪者在各實驗的解釋內容的不同，在一個實驗 的解釋當中，可能會出現一個以上的解釋類型；本研究以 P、E 兩階段所
34 有的解釋類型，作為該受訪者的解釋類型。 表 3-4-2 科學解釋類型編碼 類型 種類 解釋內容會提到的特徵 A 外部特徵 粉狀、黏稠 B 內部性質 親水親油、酸鹼性質、密度改變 C 科學語詞 擴散、反作用力、表面張力 D 類比 牙膏船、水黽 E 機制 因為清潔劑塗上去後會和水面起反應，破壞 鍵結而產生一些能量去推動小船往前跑 （三）解釋融貫性分析 本研究設計四個相關聯的 POE 實驗，以探討受訪者的解釋融貫性，融 貫性的分析方法，先從每個 POE 實驗在 P 階段與 E 階段的解釋內容，歸 納出該 POE 實驗中，最主要的解釋用語（主要概念）。在四個實驗當中， 由於 POE2 所包含的概念較為複雜，除了表面張力外還牽涉到浮力，而 POE1、 POE3、POE4 中，兩個實驗間只改變一個變因（POE1 vs. POE3、 POE1 vs. POE4 及 POE3 vs. POE4 三組），因此本研究探討這三組實驗之間 受訪者所提出的科學解釋是否符合解釋融貫性。 解釋融貫性的判定方法如下：如果以 A 因素（粉狀、黏稠）解釋前一 個實驗，則在後續的實驗也應由 A 因素進行解釋之。如果前後解釋的因素 有變動，代表解釋並不融貫。例如：受訪者若以「表面張力」解釋 POE１， 則在 POE3 的現象解釋，由於只是將痱子粉改為塑膠小船，邏輯上也應由 「表面張力」來進行解釋。如果受訪者在 POE3 不再考慮「表面張力」，而 只由「擴散」來解釋，即為解釋不融貫。 三、資料的信、效度 質性研究之信度（reliability）和效度（validity）問題是評鑑研究品質 的依據之一，因此，促進研究之可信性和有效性，是任何研究意圖達成的
35 目標（吳芝儀、李奉儒譯，1995）。信度是指研究結果的一致性、信賴性 和穩定性，本研究關注的是蒐集到的資料之正確性與完整性；效度則是指 研究結果的類推性，亦即研究的真實價值，這可能是本研究的限制，故儘 可能提高資料的真實性以增進之。由於質性研究沒有特定的方法或客觀的 數據用以提供判斷效度與信度，因此，主要以反覆精煉資料比對之方式， 提高研究的信效度。 研究者在進行晤談時，研究者提問的問題不只是受訪學生如何想？ （what 的問題），也提問為什麼如此認為？（how 和 why 的問題），並追 隨（follow up）其回答或想法繼續提問問題，例如學生在回答其對於某現 象的觀點之後，應適時反問如何得知？尤其是針對受訪學生前後實驗之解 釋矛盾不一致，或有待釐清的部份進行進一步之提問，以得到具有研究與 參考價值的結果。 晤談完畢後的資料，研究者將會邀請研究同儕，並抽取兩位研究對象 的晤談資料，請同儕對此兩位研究對象的晤談結果再進行分類、分析，再 檢視同儕與研究者的分析結果是否一致。依據公式（Holsti, 1969；王石番， 1992；楊孝榮，1989），進行信度計算，以此做為進一步的校正方法，增 加研究的信、效度。 （一）評分員相互同意度計算公式＝ ( 2 × M) (N1 + N2) M 為完全同意之數目，即兩位編碼員回答相同的題數 N1 為第一位編碼員應有的同意數目 N2 為第二位編碼員應有的同意數目 （二）平均相互同意度 平均相互同意度=相互同意值的總合/相互比較的次數 （三）評分員信度
36 信度＝ ( n× (平均相互同意度)) (1+[(n−1)× (平均相互同意度)]) n 為參與編碼人員數目 楊孝榮（1989）認為若計算出的信度符合 0.8 甚至 0.9 以上，就達到 內容分析的水準。 本研究的信度計算後，解釋能力的評分員信度為 0.875，解釋類型的 信度為 0.834，都在 0.8 以上，顯示本研究的分析結果穩定一致。
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第四章 研究結果與討論
本研究以「水之表面張力」相關的 S-POE 實驗，以晤談的方式，訪談 不同背景之大學生，分析訪談資料，以了解不同背景大學生之解釋能力、 解釋類型及解釋融貫性。本章分三節來呈現研究結果：第一節分析解釋能 力；第二節分析解釋類型；第三節分析解釋融貫性。第一節 科學解釋能力分析
本研究將受訪者在四個 POE 實驗中，預測階段（P 階段）及解釋階段 （E 階段）的解釋，根據其解釋完整性，進行編碼，得到解釋能力分數， 並以受訪者在預測階段（P 階段）及解釋階段（E 階段）的解釋能力的平 均分數，作為解釋能力的分數。 首先，先探討受訪者在實驗前預測的正確性，接著探討受訪者在預測 階段（P 階段）及解釋階段（E 階段）的解釋能力，最後探討不同背景受 訪者解釋能力。 一、 預測正確性分析 (一) 預測正確分析結果 在本研究中，受訪者於四個 POE 實驗中之預測正確性分析如表 4-1-1。 由表 4-1-1 顯示在四個 POE 實驗的預測中，全部都預測正確的，有 4 位； 答對 3 個，有 5 位；答對 2 個，有 6 位；答對 1 個，有 5 位。 受訪者的平均預測正確題數為 2.4 題，平均正確率為 60%，顯示所有 受訪者的平均答對率達 50%以上。38 表 4-1-1 預測正確性分析 預測正確題數 4 題 3 題 2 題 1 題 正確率(%) 100% 75% 50% 25% 人數(人) 4 5 6 5 (二) 不同 POE 實驗之預測正確性分析 個別的 POE 實驗之預測正確性分析結果如表 4-1-2。由表 4-1-2 可見 POE1（痱子粉）預測正確的人次最少（9 人，45%）；POE3 預測正確的人 次最多（19 人，95%）；而 POE2 和 POE4 的預測正確率皆為 50%。 進一步分析受訪者在預測錯誤所提出的理由，POE1 預測錯誤的 11 個 人中有 7 人認為「痱子粉會受洗碗精影響而向內聚集」，此 7 位受訪者皆 為非理工背景，例如： N08：因為洗碗精本身是黏稠性的，會黏住那個粉，讓靠近洗 碗精的粉向內聚集。 N09：洗碗精本身黏黏的，會黏住那個粉，讓洗碗精周圍的粉 會沾在上面向內聚集。 POE4 預測錯誤的 10 人當中有 6 人的理由為「表面張力」（例如 N09， S19），但解釋錯誤；3 人提出「泡泡膜擴散」的理由（例如 N2）。 N09：因為泡泡膜有表面張力，能撐多開就撐多開，所以還有 泡泡膜的那邊會把線推過去。 S18：一開始的受力是平衡的，把一邊戳破後只是另外一邊， 另一邊泡泡的表面張力就會往外，繩子就會往破掉的地 方移動。 N02：還有泡泡膜那邊的泡泡膜會有擴散作用，因此會往多出
39 來的空間去擴散，所以線會往被戳破的那邊移動。 POE4 預測正確的 10 人當中有 3 人的理由也是提到「表面張力」並正 確的指出表面張力為向內聚集的拉力，此 3 人皆為理工背景。 S14：泡泡膜有個像表面張力的拉力，而去拉動那條線，往還 有泡泡膜的方向移動。 S15：當兩邊都有泡泡膜時，泡泡膜就像表面張力一樣，兩邊 都會想要把線往自己這邊拉，所以一邊破掉後就會打線 往還有泡泡的地方拉。 S19：因為空氣沒有表面張力這方面受力都很平均，但是一體 的表面張力比較大，會產生拉力，維持它的最小體積， 當戳破一邊的泡泡時，表面張力就會讓泡泡聚集在一起， 會讓線往還有泡泡的一方移動。
