營造多元探究情境培養學生
問題解決能力
賴志忠
*教師
臺中市立忠明高級中學壹、前言
近年來筆者在教學現場實施多年的探究教學，發現探究教學搭配小組合作學習進行 探究活動，可促進學生解決問題或是探索科學知識的能力。因合作學習是一種有系統的 教學策略，將不同特質與能力的學生分配在同一小組，在此情境下學生間進行溝通、互 動、分享，可增進個人的學業成就，並達成學習的共同目標或任務；而成員在小組中則 分擔各種角色，為小組做出貢獻（黃政傑、林佩璇，1996
；Johnson, Johnson, & Holubec,
1984
；Slavin, 1985
）。美國國家研究委員會（
National Research Council, NRC, 1996
）認為學生若能夠制定 科學問題，設計並進行調查研究，分析、歸納數據，有利其解決教學現場的任務。在科 學探究教學中，由教師提供任務和目標，並讓學生進行實驗設計、測試、資料蒐集與修 改，進而完成活動目標與任務，此種方式屬於引導式探究教學，也是一種任務或問題導 向的探究，強調學習者的知識應用，學生在解決問題歷程中可形成對知識的理解。引導 式探究可較彈性運用課程時間，對於不常進行探究活動的學生，有明確目標可明顯減少 學生在活動初期感到恐慌或徬徨。此外，Rudolph
（2005
）認為探究教學比一般的傳統 教學更吸引學生的因素，是強調以學生為中心，並將學習目標融入科學活動的過程。先 前研究也發現，在探究教學過程可幫助學生主動參與科學活動，培養解決科學問題的能 力（Bruner, 1960; Bybee, 2000; Thacker, Kim, Trafz, & Lea, 1994
）。目前在校園現況，多數班級是由不同成就學生組成，透過異質性分組來進行探究， 學生間可以產生合作學習，並與同儕進行意見交流，不僅有機會詮釋個人主張，也可獲 得更多的訊息。在小組進行的探究活動中，高成就學生能分享知識原理，而實作能力較 佳的同學（可能包含中或低成就學生），可以分享操作經驗，小組合作方式可以幫助學 生有共同目標，並學習與他人合作的能力，有效率地完成教學任務。 綜上所述，探究教學除了對學生科學認知與技能相關的學習有所助益，亦提供機會 讓學生進行合作學習，對於培養學生問題解決能力也有正向的幫助。本文主要目的為分 享如何在課程中進行不同形式的探究教學設計與實作，幫助學生培養問題解決能力，並 分享學生在探究活動過程的回饋。
貳、探究的意涵與實徵研究
探究教學被視為一種引導學生發現及解決問題的教學方法，以學生的探究活動為中 心，教師安排合適的學習情境，並從中引導學生發現問題，確認問題並提出可能的假設， 擬定可行的解決方案，驗證假設並歸納出結論，經由問題解決的過程，體驗科學知識產 生過程及學習科學過程技能（楊秀停、王國華，2007
）。科學探究是學習者有系統的以 科學方法來回應問題，不僅可培養過程技能，也結合科學推理和批判性思維，發展學生 的科學知識（Lederman, Lederman, & Antink, 2013
）。美國國家研究委員會（
NRC, 2000
）出版之《探究與國家科學教育標準》一書指出， 探究式教學的五個共同階段：階段一：使學生接觸問題、事件或現象，藉機製造概念衝 突。階段二：經由形成假說與測試的過程，探討學生所提解釋之合理性。階段三：分析 及詮釋實驗數據，歸納多元訊息並建立模型。階段四：應用所學到新的情境。階段五： 回顧與評估學到什麼及如何習得。此外，為了促進探究教學的進行，教學過程應強調的 重點包括：一、調查和分析科學問題的活動。二、與情境相關的過程技能。三、運用多 種過程技能。四、運用證據和策略來發展解釋及修改解釋。五、交流並對科學進行解釋。 六、利用小組對數據進行分析和綜合。七、對概念和訊息的管理。八、將想法和結論與 同學公開交流（NRC, 1996
）。 從教育部《國民中小學九年一貫課程綱要》之「自然與生活科技學習領域」內容（教 育部，2000
），主張「教學應以學生活動為主體，引導學生做科學探究，並依照解決問 題流程進行設計與製作專題」，以及「教學應以培養探究能力、能進行分工合作的學習、 獲得科學智能、習得操作技能、達成課程目標為原則」。十二年國民基本教育課程綱要 的課程目標，也提到要「啟迪學生學習的動機，培養其好奇心、探索力、思考力、判斷力與行動力，協助學生以積極的態度、持續進行探索與學習。」，同時「培養學生具備 基本知能，在生活中能融會各領域所學，統整運用、手腦並用地解決問題；並能適切溝 通與表達，重視人際包容、團隊合作、社會互動，以適應社會生活。」（教育部，
2014
）。 從以上文獻可以發現，國內外的教育政策都相當強調將探究教學融入自然課程，顯示使 用探究教學對於學生在不同面向的科學學習有很大的助益。Bruner
（1960
）在《教育的過程》一書強調應鼓勵學生藉由科學探究活動來發展認 知和分析技巧，並認為探究中的發現學習過程，是培養學生問題解決能力的重要基礎。 此外，在實務的研究文獻中也可發現探究教學對學生問題解決能力的影響，Bybee
（2000
） 認為探究式教學能使學生得以了解科學家如何進行實際的科學研究，建構科學知識，並 培養解決科學問題能力。Thacker, Kim, Trafz
與Lea
（1994
）在研究中發現，使用探究教 學在物理教學可以幫助學生形成解决問題的能力，相較於一般教學的對照組，實驗組學 習者可建立更强的概念理解，提升其解決問題的策略。Saunders-Stewart
，Gyles
與Shore
（
2012
）也利用網路搜尋探究教學相關文獻，廣泛地探討學生參與探究的過程和結果， 發現探究教學能幫助學習者培養解决問題的能力。綜合上述文獻，發現透過探究教學的 設計，確實可提升或培養學生的問題解決能力。 關於國內探究教學的研究，楊秀停與王國華（2007
）實施引導式探究教學，利用異 質性分組進行，幫助國小五年級學生（N=31
）提升學習成效。研究者利用量化及質性 資料佐證探究教學對學生學習成效的幫助，研究結果發現學生在知識的學習、能力的表 現及態度的培養等面向成效均有所提昇。蔡執仲、段曉林與靳知勤（2007
）利用研究者 發展的探究教學模式，以小組合作學習的方式進行，幫助國中生進行科學學習，並比較 探究教學模式學生（N=155
）與教科書教學為主的學生（N=144
）對科學學習動機的影 響。研究結果發現，進行探究教學後的學生其科學學習動機有明顯提升，且在主動學習 策略、科學學習價值、自我效能以及成就目標等四個向度有顯著提高。蔡執仲等人認為 透過學習動機的提升，最後可提升學生問題解決能力與有意義的知識建構。 除了上述文獻外，國內已有許多在職教師與學者投入探究教學的研究，並肯定探究 教學對學生不同面向的幫助。從文獻中可以發現探究教學經常使用合作學習，因探究教 學受到建構主義的影響，而合作學習過程可以整合社會建構主義（socio-constructivism
） 和動手做活動（hands-on instruction
），有助於探究教學活動的建構（Rogoff, 1990
）。探 究教學的合作學習過程，能提供機會讓學生學習與同儕互動，學生透過訊息分享與交流得到多元的啟發，進而建構自己對科學概念的理解（楊秀停、王國華，
2007
；劉宏文、張惠博，
2001
），提升學習動機（蔡執仲等人，2007
），並學習到科學社群的本質（Bybee,
此外，俗諺說：「教與學相長」，身為一位教學者，在歷經探究教學過程後，經常也 能提升自我的教學專業。曾崇賢、段曉林與靳知勤（2011）探討具兩年以上實施探究教 學經驗的國中科學教師（N=10），包含 8 位理化教師、1 位生物教師與 1 位地球科學教 師，探究教學的專業成長歷程。研究結果發現教師經歷的專業成長歷程，包括知識論轉 變及學科教學轉變二個面向。在知識論方面，教師在進行探究教學前對知識與教學多持 實證主義觀，在探究教學的成長歷程中，漸漸轉向建構主義觀。在學科教學方面，教師 由傳導式教學模式轉變到能設計彈性的教案並展現多元模式的教學。曾崇賢等人（2011） 認為教師教學反思與支持系統，是科學教師在探究教學的轉變過程中獲得探究教學專業 成長的重要因素。且良好的支持系統能影響教師的知識觀及教學實務轉變，強化教師的 教學信念，支持他們願意持續進行探究教學。
參、自然課程中探究教學實務
一、班級探究活動的進行
要進行教學前須先進行活動設計，以下列舉筆者在班級中進行的引導式探究活動為 例，如下表 1。圖 1、圖 2 為探究活動過程學生製作之成品。表1 探究活動設計簡要說明
活動名稱 活動原理 活動簡介 跑跑卡丁車 牛頓第一定律（慣性定 律 ）、 加 速 度 運 動、摩擦力 1. 本活動利用環保材質製作車子，從光滑斜板上固定 位置滑下，比賽車子的滑行距離。物體在下滑過 程，因下滑力產生加速度運動。物體離開斜面進入 平面後，因摩擦力影響使物體減速。 2. 透過教師的示範與說明後讓學生進行設計及實 作，可以幫助學習者思考不同變因對於依變項（滑 行距離）的影響，培養問題解決的能力。 3. 透過小組競賽方式，激發學生產生對成功的期望， 幫助學生提升科學興趣。 投石器 簡單機械（力矩及機械結構）、虎克定律 （橡皮筋彈力） 1. 本活動以簡易環保材質（竹筷或寶特瓶），運用簡 單機械的力矩及橡皮筋的彈力（或鐵尺、夾子等） 製作出投石器，能夠將老師提供的乒乓球投得最遠 者獲勝。 2. 教師示範與說明後讓學生進行設計及實作，學生可 在測試過程中不斷修正力臂長度、投射角度等進行 變因控制，同時可以應用相關理論在實作中，培養 問題解決的能力。 3. 利用小組競賽方式進行，訓練學生合作學習及科學 過程技能，提升學生學習動機。圖1 跑跑卡丁車製作成品與滑行競賽
圖2 投石器製作成品與投射競賽
二、全年級的探究活動
許多學校會利用科學週活動幫助學生進行科學學習。筆者曾設計探究教學活動，讓 全年級的學生都可以參與，每班由自然科教師挑選出較優秀作品參加競賽，利用班週會 時間進行科學週競賽，活動設計與相關原理，如下表 2。圖 3 為科學週砲彈飛車成品與 競賽過程。除了班會週會時間，國三會考後的課程時間，也是進行探究活動相當適當的 時機。表2 全年級科學週活動範例
活動規則 1. 內容：使用環保材料製作一臺汽車，並以一顆氣球為動力，進行外 型創意設計與跑遠競賽。 2. 原理：前半段，以氣球為動力時符合牛頓第二運動定律，車輛總重 量越輕，汽車可獲得較大的速度。後半段氣球完全消氣時符合慣性 運動，重量較大，可具有較大的慣性。 3. 使用材料：車體與車輪部分儘量使用環保材料，氣球大小、材質不 限，但車體上以一顆氣球為限，車體裝飾材料不限。 競賽方式 1. 裝置說明： a. 車體外型設計不限，可做出各種造型。 b. 氣球出口處可進行吸管加工或不加工，但須固定。 2. 操作說明： a. 跑遠比賽時每位選手汽車打氣可使用自備打氣筒或口吹，打氣過 程氣球破裂視為失敗。 b. 跑遠距離之測量以直線距離為主，比賽過程中若車輛碰撞，以最 終之位置為其測量成績，測量時以車之最末端為其最遠距離，進 行兩次，取平均為其成績。 c. 比賽選手在預備區仍可作維修或修改，進入比賽位置後便不可再 進行維修或修改。表2 全年級科學週活動範例（續）
評分標準與方式 1. 外型評分：美感與創意（5 分）。材料環保與創意性（5 分）。科學 設計的原理性（5 分）。 2. 外型評分日期：請各班級於○月○日星期○當天，將各班五組之學 生姓名、班級、座號及車輛交送到教務處拍照，進行外型評分。 3. 動力評分：依場地畫置之距離區域得分，可得 1-15 分，進行兩次 比賽，取平均為其成績。圖3 科學週砲彈飛車成品進行班級競賽
三、科展專題
科展活動多屬於開放式的探究活動，學生透過教學者的引導，主動找尋欲進行探討 的主題，並進行變因和實驗過程設計、資料蒐集、實驗數據分析與歸納，最後提出實驗 主張與結論，須與探究活動所強調的一致。科展是多數數理科教師曾指導學生進行的課 程，許多學校科展的製作以科學社團方式進行或集中在高成就學生，然而筆者認為中、 低成就學生對於科展過程的操作能力未必會輸給高成就學生。筆者曾以每週一節課的時 間，在課堂中將全班學生分組進行為期一年的科展專題研究，過程中學生需上臺分享研 究內容，並完成科展報告。進行方式可利用下表 3、表 4、表 5 學習單依序進行。首先 讓學生閱讀中小學科展獲獎文章，幫助學生瞭解科展內容（表 3）。其次引導學生擬定欲 進行研究主題的相關問題，閱讀相關訊息並進行實驗研究（表 4），學生可以利用上課或 課餘時間進行討論並記錄內容（表 5），教師安排定時或彈性時間給予回饋。最後，教師 可以從各組專題中挑選出較佳者，指導、協助修改報告內容，並依貢獻程度從中挑選組 員參與縣市科展競賽。表3 科展專題閱讀報告 學習單
論文名稱： 閱讀科別：□物理科□化學科□生物科□地球科學□數學□應用科學 得獎類別：□縣市比賽□全國賽名次：________□其他________ 內容摘要： 分析項目 是 否 可改進的部分 個人心得 研究問題是否清楚 是否研發實驗器材 是否製作流程圖 是否有統計圖 是否有數據表 器材是否有示意圖 是否有實驗及對照組 實驗討論是否清楚深入 內容論述是否有連貫性 是否能凸顯研究價值表4 科展專題 初步計畫學習單
一、科展題目 二、題目說明（為何要作此題目） 三、研究目的（至少三個以上） 四、可能使用的實驗器材（包括：種類、數量） 五、如何進行實驗（人事時地物） 六、預期得到的研究結果為何？（研究價值）表5 科展研究實驗日誌
實驗名稱:____________ 小組編號：_______ 一、日期： 時間： 紀錄者： 二、地點 三、參加人員 四、預計進度 五、完成進度 六、實驗／討論內容 七、實驗／討論結果 八、下次實驗預備事項 九、教師意見回饋四、探究活動成效的評量
在探究教學活動後，如何檢視學生的學習情形，相信是許多教學者想知道的。筆者 建議可透過檢視學習單（如：心得回饋、實驗設計過程、分析探究能力、文字論述的證 據）、使用相關學習量表進行前後測（如：科學動機量表、學習環境量表、探究能力量 表等）、教學錄影觀察學生的參與和投入情形、正式和非正式晤談瞭解學生內心的想法 與感受，透過這些資料間的交叉分析與比較，可確認學生在探究教學活動中的真實感受 與獲得的認知與技能。 最後，筆者統整自然課程中經常使用的探究活動所進行的方式與特性比較，如下表 6。表6 科學課程中探究活動形式比較表
項目 班級探究活動 科學週探究活動 科展專題探究 課程範圍 範圍小，配合單元課程 中間，配合單元或主題課程 範圍大，科目內或跨科目 探究開放程度 引導式為主，開放式較少 引導式為主 開放式為主 進行時間 數節 數節或數週 半年到一年時間 實施難易 容易，時間較易彈性調整 普通，多需年級共同時間 困難，時間長， 完成報告內容需 多元能力表6 科學課程中探究活動形式比較表（續）
項目 班級探究活動 科學週探究活動 科展專題探究 參與學生 班級或小組進行 全年級或跨年級 班級或僅部分學生參與，也可跨 班級進行 教師角色 可提供目標亦可不提供，引導學生進行 提供活動目標，引導學生進行 引導學生尋找探究目標及進行 學校角色 自然教師可單獨進行 自然領域與教務處單位配合或跨領域進行 自然教師與設備組配合五、小組合作學習的進行
探究教學經常透過合作學習的方式進行。在筆者進行的班級探究活動中，小組的組 成通常會依學生的學業成就採異質性分組，讓學生間有機會彼此協助。筆者發現高成就 學生通常能夠分享理論架構，中或低成就學生則可提供探究實作技巧協助。小組成員間 可以彼此交流，並完成探究活動的任務或作品，教師則扮演引導者與協助者角色。活動 最後，筆者經常會讓學生利用作品進行個人或小組競賽，以增加小組成員間的向心力和 凝聚力，同時提升學生的參與動機。此外，探究活動的成品與競賽的表現成果，也可作 為一種實作的評量。 其次，科學週的探究活動，筆者通常亦會利用異質性分組進行，不過不同教學者常 會有不同分組方式。合作學習運作過程與班級探究活動相似，並挑選優秀小組成品進行 班際競賽，學生通常會有更強烈的參與動機。然而，代表班級出賽的成員會有更大的壓 力，未被選上的成員也難免失落，都需要科學教師提供學生心理面向的支持與協助。此 外，競賽規則如何訂定、不同教師的探究教學專業、教學信念的差異，都可能是進行過 程會遭遇到的瓶頸，筆者認為唯有透過溝通與協調方能克服。 最後，科展專題的探究，通常是學生自行分組或由教師分組，有時也會有跨班組成 團隊的情形。若以筆者進行的班級為例，小組的組成與運作與班級探究相似，通常使用 異質性分組。然而，因科展專題持續的時間會較久，需要一學期甚至一年，因此，整個 歷程都可視為對學生學習的形成性評量，完成的科展報告可視為總結性評量。筆者通常 會邀請擔任專任的科學教師一同參與指導學生，並形成小型教師指導團隊，聆聽學生課 堂報告、共同討論、規劃指導進度與內容。筆者歸納與說明自己曾進行分組活動的流程 與具體做法，如下表 7。表7 探究活動中分組合作學習實施說明
教學型態 成員組成方式 分組活動的流程與具體作法 班級探究活動 異質性分組，組 長由教師指派， 並由成員討論成 員工作職掌。 1. 教師以提問或示範教學引起學生動機。 2. 教師進行科學原理說明。 3. 以生活實例說明原理。 4. 探究內容與活動目標說明。 5. 引導學生找出活動變項與實驗設計。 6. 學生進行探究活動。 7. 資料蒐集與分析。 8. 成品競賽。 9. 溝通與成果分享。 10.教師總結與歸納。 科學週探究活動 異質性分組為主 （通常不同教學 者會有不同分組 方式） 1. 由同領域教師擬定競賽主題、標準或進行方式。 2. 由領召代表與行政單位進行協調、溝通進行之時 間、場地安排與敘獎等事宜。 3. 班級小組成員組成，並進行分組活動（進行方式 與班級探究活動流程相似）。 4. 班級內優良作品選拔。 5. 班際競賽進行。 科展專題探究 班級內以異質性 分組為主，跨班 組成團隊通常由 學生自行分組。 1. 教師進行科展活動簡介。 2. 引導學生進行得獎作品文獻導讀。 3. 各組分享閱讀心得與對文獻的評析。 4. 小組研究主題尋找、討論、待答問題擬定、上臺 分享。 5. 學生利用理化課、午休或假日進行科展實作與討 論。 6. 各組分享數據分析與研究成果。 7. 教師引導學生持續對研究數據與成果進行分析 與討論。肆、探究教學中學習者的回饋
社會建構主義理論認為當個體透過對話與提出問題進行互動時，建構自己的知識， 是最佳的學習（Saunders-Stewart, Gyles, & Shore, 2012）。透過探究教學的引導過程可以 幫助學生培養問題解決的能力。筆者以小組合作進行探究活動後學生在學習單中寫道：S1：從實驗中學習如何和同學分工合作，製作的過程有很多困難，藉由同學協助， 成功的完成，非常地開心。組員之間都很和諧，過程都很歡樂，還能互相分享製作 的過程。（跑跑卡丁車學習單心得回饋）
從學生的回饋可以發現在小組合作過程，學生肯定課程中透過合作學習，解決過程 遭遇的困難和問題，完成活動任務。探究教學中透過學生的科學實作，可以更有效地學 習科學概念，讓學生建構自己的知識（
Lederman, Lederman, & Antink, 2013
）。此外，探 究課程中學生有機會在實驗變因之間進行設計、探討與分析，透過變因之間的操弄可以 訓練科學過程的技能，對科學原理間有更深刻的印象，也能培養解決教學情境的問題的 能力。學生在學習單中寫道：S2
：經過這次實驗，我學習到了很多，像是要控制施力臂與抗力臂，如果控制不好， 乒乓球就飛不遠，而且角度也很重要，如果角度太大，球就會打到天花板。實驗可 以幫助我瞭解它的原理，可以讓我更清楚它的原理，應用在更多的例子上。（投石 器學習單心得回饋） 此外，透過小組合作也可幫助學生在交流討論中學習同儕優點，分享知識或操作經 驗，提升學生問題解決的能力。 在學校中進行的科展專題屬於開放式探究教學活動，在教師引導下學生從生活中發 現問題，進行設計與操作，在實驗與研究的過程，建構自己的科學主張，解決研究問題。 學生在科展報告書寫道： 在做這次科展之前，我們覺得科展是一份困難的作業，一開始在尋找題目，就費盡 了許多心思，在設計實驗的時候，也遇到了許多問題，但並沒有就此打住我們的好 奇心。我們反而愈挫愈勇，大家一起討論、互相提供意見，也尋求老師的協助，因 此，我們的實驗漸漸有了雛形。經過這次的科展，我們學到了互助合作，懂得如何 接納與自己不同的意見，更懂得該如何表達自己內心的想法。同時，我們也發現， 其實科展並不難，「不是困難使我們害怕，而是害怕才讓我們感到困難。」我們很 開心，能夠參與這次的科展，謝謝指導我們的老師。伍、結論
探究教學，是一種精神，也是一種理論。教學者應該視其教學情境，如：學習者程 度、課程時間多寡、內容深淺、學習者對探究的熟悉度等因素進行設計與實施，雖然探 究強調學生的主動學習，但過程中教學者要不斷提供協助，引導學習者持續進行。本研 究論述與分享如何在科學課程設計探究教學，培養學生問題解決的能力。筆者因就讀研 究所才有機會接觸探究教學相關理論，也因研究所相同理念的在職老師匯聚，而能形成 探究教學的支持系統，強化自己的教學信念，使自己願意且有能力持續進行探究教學，進而有機會逐漸影響校內科學教師同儕。透過筆者實務的設計與經驗分享，期望協助志 同道合者設計探究活動與施行，提升學生科學概念與技能，同時培養學生解決問題的能 力。除了融合生活化的探究活動外，教學者也可以修改課本中的實驗，使其符合探究的 精神後進行。
