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

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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

學生：黃贊樺 指導教授：裘性天 博士 王嘉瑜 博士

國立交通大學理學院科技與數位學習組

中文摘要

本研究的目的在探討預測-觀察-解釋( Predict-Observation- Explanation, POE ) 教學策略結合科學解釋文字鷹架，對八年級學生在光學概念改變與科學解釋能力 的影響。此光學單元凿括：光的直進、針孔成像與平陎鏡的反射。研究對象為台 灣北部公立國中兩班八年級學生一共 57 人，資料收集工具為活動學習單與光學 概念二階層測驗卷。 本研究所用的 POE 課程是根據學生在光學常見的另有概念，設計出五個在 POE 概念改變活動。活動學習單分為有、無科學解釋文字鷹架兩種版本。科學 解釋文字鷹架的目的在幫助學生進行觀察時，可以注意到使用證據的重要，並強 調主張、證據與相關概念間的連結，以提高學生的解釋品質。POE 活動進行時， 實驗組使用融入科學解釋文字鷹架的學習單，控制組所用的學習單則反映傳統的 POE 活動設計，而兩組學習者在進行 POE 活動前已學過相關的光學課程。 研究結果發現：在概念學習成效上，無鷹架組別表現較融入科學解釋文字鷹 架的組別稍好，但兩組差異未達顯著。在針孔成像主題中，未使用鷹架組別的概 念學習成效顯著高於使用鷹架的組別，但學習單分析結果則顯示兩組進步人數相 同；而平陎鏡成像主題上，則是使用鷹架組別概念學習成效稍高，但兩組未達顯 著，學習單的分析結果亦顯示概念進步人數為有鷹架組別稍多。科學解釋能力從 主張、證據與支持三個要素進行評分，使用鷹架的組別在找出證據能力顯著優於 無鷹架組別，但在提出主張與支持上無顯著差異，而學習單分析結果指出推理進 步情形為有鷹架組別表現稍好。 本研究中的科學解釋文字鷹架對概念改變成效並無顯著影響。可能原因為 POE 活動與概念診斷測驗題目對應不夠精確，另外原因可能由於融入科學解釋 文字鷹架造成學習者認知負荷過重，影響概念改變之成效。在科學解釋能力上， 文字鷹架對學生提出解釋中的證據使用，幫助最大，但學生在提出連結主張與證 據的支持，需要更多協助。

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Exploring Conceptual Change and Scientific Explanation by Using POE Strategy Combining with Scaffolds of Scientific Explanation -A Case of the Optics Student：Tsan-Hua Huang Advisor：Dr. Hsin-Ten Chin Dr. Chia-Yu Wang

Degree Program of E-learning National Chiao Tung University

Abstract

The purpose of this study is to explore the impact of conceptual change and scientific explanation skills on the eighth grade optics, by using POE ( Predict– Observation -Explanation )teaching strategies combining with scaffolds of scientific explanation. Topics of the instruction includes: light propagation, reflection, and image formation with pinhole and a plane mirror, participants involved 57, 8-9 grade students from two classes of a public middle school in the northern Taiwan.

Insruments for data collection includes a two-tier diagnostic test on optics and student worksheets. Five POE activities were designed based on the common alternative conception about optics. Students in the experimental group used worksheets that incorporate scaffolds of scientific explanation during the POE activities. The concrol group students used traditional POE worksheets. The scaffolds of scientific

explanation were designed to help students to identify evidences and to emphasize the importance of connections among claim, evidence, and the underpinning scientific priciples.

The results showed that: Students used tradional POE worksheets out perform students use worksheets with scaffolds of scientific explaination on scores of the diagnostic instrument. However, no differences were found between the two groups. Finding from analysis of student worksheets were consisted with findings from the diagnostic instrument. Regarding students’ ability of scientific explanation, students who used the scaffolds outperformed than those used tradional POE worksheets on ability to provide appropriate evidences. But their abilities to make claim and provide supports showed no difference between the two groups, possible explanation for outfindings on students’ outcomes of conceptual change and ability of scientific explaination, as well as implicantions for teaching and future research.

The scaffolds of scientific explanation in this study not reach significance difference in conceptual change. Possibly caused by POE activities corresponded not precisely enough to the diagnostic instrument. Another reason is the learners’

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cognitive overload caused by the scaffolds. The scaffolds help the most in finding evidence of scientific explanation, but the students need more help in describing support to link claim and evidences.

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誌 謝

經過充實的兩年求學生涯，在職碩士的生活終於告一段落，在這段時間中來 自學業、工作及家庭三頭的壓力，讓我一度有沮喪、灰心想放棄的念頭，但如今 能順利完成論文，要謝謝我周遭很多的人的幫助。 首先一定要感謝的人，是我的指導教授裘性天教授與王嘉瑜教授，感謝你們 在每一次碩士論文研究中的給我適時的指導，讓我從迷惘中漸漸找到方向，你們 用詼諧幽默以及溫和不失嚴謹的方式，耐心指導我進行論文的寫作，讓每一次的 meeting 既有歡樂又充滿收穫。謝謝你們！ 感謝在與我在同一組的同學：力夫與朝閔，就是有夥伴一起努力，互相勉勵， 才能充滿幹勁地堅持到底。另外，感謝婷怡同學，雖然沒有跟你同一組，但只要 有什麼疑問或不懂，你總是很熱心地幫我解答。 兩年中我的導師李榮耀教授與陳明璋教授，感謝你們在論文研討中對我的建 議與指導，你們就像一本豐富的百科全書，從你們身上可以學到很多事情。 另外，感謝口詴委員邱國力教授對論文提的建議，讓我的論文可以盡善盡 美。 最後，感謝我的同事，謝謝你們寬待我在這段時間因忙於課業而在工作中的 不足；謝謝我的母親，感謝你把自己身體照顧好，讓我無後顧之憂的專注於自己 的課業上，並支持、鼓勵與凿容我有時的壞脾氣。

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目 次

1. 緒論... 1 1.1 研究動機... 1 1.2 研究目的與問題... 3 1.3 名詞解釋... 3 1.4 研究的限制... 4 1.5 研究價值與貢獻... 5 2. 文獻探討... 6 2.1 光的另有概念類型、來源與另有概念診斷方式... 6 2.2 概念改變... 14 2.2.1 概念改變 ... 14 2.2.2 使用 POE 進行概念改變的實徵研究 ... 20 2.3 科學解釋、科學解釋能力與科學解釋文字鷹架... 23 2.3.1 科學解釋與科學解釋能力 ... 23 2.3.2 科學解釋文字鷹架 ... 29 3. 研究方法... 32 3.1 研究對象... 32 3.2 研究流程... 33 3.3 研究設計... 34 3.4 研究工具... 35 3.5 資料收集與分析... 44 4. 研究結果... 50 4.1 光學概念的學習成效... 50 4.1.1 光學二階層診斷測驗之概念學習成效表現 ... 50 4.1.2 活動學習單中的概念改變 ... 54 4.2 科學解釋能力的表現... 57 4.2.1 不同教學模式於科學解釋能力的表現 ... 57 4.2.2 不同教學模式於科學解釋能力分項要素的表現 ... 58

VII 5. 結論與建議... 69 5.1 結論與討論... 69 5.2 建議... 72 參考文獻……… 74 附錄一……… 86 附錄二……… 87 附錄三……… 89 附錄四……… 97 附錄五………104 附錄六………110 附錄七………129

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表 目 錄

表 2-1-1 各種概念診斷工具的比較 ... 11

表 2-2-1 各家學者主張概念改變的類型 ... 15

表 2-3-1 科學解釋為導向的研究中所遭遇的困難 ... 26

表 2-3-2 TOULMIN、SAMPSON 與 MCNEILL的比較 ... 28

表 2-3-3 POE 教學法結合科學解釋文字鷹架 ... 31 表 3-3-1 實驗設計架構 ... 34 表 3-3-2 POE 活動課程的安排 ... 35 表 3-4-1 POE 活動的研究設計 ... 39 表 3-4-2 光學二階層診斷測驗細目分析表... 41 表 3-4-3 題目中所含有的概念編碼 ... 42 表 3-4-4 科學解釋文字鷹架說明 ... 43 表 3-4-5 學習單的流程步驟 ... 43 表 3-5-1 概念的定義與評分標準以日晷為例 ... 45 表 3-5-2 科學解釋的評分架構表 ... 46 表 3-5-3 活動一的編碼評分範例 ... 47 表 3-5-4 活動一的編碼評分範例 ... 48 表 3-5-5 活動一到五的原始配分 ... 49 表 3-5-6 推理的定義與評分標準 ... 49 表 4-1-1 光學概念二階層概念測驗之敘述性統計分析 ... 50 表 4-1-2 教學模式對二階層概念診斷測驗的共變數分析 ... 51 表 4-1-3 各主題二階層概念診斷測驗之敘述性統計 ... 52 表 4-1-4 教學模式對各主題二階層概念診斷測驗的共變數分析 ... 53 表 4-2-1 不同教學模式於科學解釋能力之表現 ... 57 表 4-2-2 不同教學模式於五個活動中提出主張的能力 ... 59 表 4-2-3 不同教學模式於五個活動中提出證據的能力 ... 60 表 4-2-4 不同教學模式於五個活動中提出支持的能力 ... 61 表 4-2-5 不同教學模式於各主題的科學解釋分項要素表現 ... 63 表 4-2-6 R1 與 R2 總分的得分百分比 ... 65

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圖 目 錄

圖 2-2-1 概念改變的二分法觀點 ... 14

圖 2-2-2 POE 教學步驟 ... 19

圖 2-2-3 實驗活動範例-食用油與水的函熱(摘自 WHITE &GUNSTONE,1992) ... 19

圖 2-3-1 TOULMIN模型簡化版 ... 24 圖 3-2-1 研究流程圖 ... 33 圖 3-3-1 實驗設計的變項 ... 34 圖 4-1-1 校正後的前後測平均數 ... 51 圖 4-1-2 針孔成像之學習單概念改變人數... 54 圖 4-1-3 平陎鏡成像之學習單概念改變人數 ... 55 圖 4-2-1 不同教學模式在五個 POE 活動中的科學解釋能力得分 ... 58 圖 4-2-2 不同教學模式在五個 POE 活動中的主張的得分 ... 59 圖 4-2-3 不同教學模式在五個 POE 活動中的證據得分 ... 60 圖 4-2-4 不同教學模式在五個 POE 活動中的支持 ... 62 圖 4-2-5 不同教學模式在針孔成像的科學解釋分項要素表現 ... 64 圖 4-2-6 不同教學模式在平陎鏡成像的科學解釋分項要素表現 ... 64 圖 4-2-7 實驗組在觀察前後的科學解釋能力 ... 65 圖 4-2-8 控制組在觀察前後的科學解釋能力 ... 66 圖 4-2-9 針孔成像概念推理改變的人數 ... 67 圖 4-2-10 平陎鏡成像概念推理改變的人數 ... 67

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1. 緒論

本研究主要是以預測-觀察-解釋( Predict-Observe-Explain, POE )教學策略進行光學 單元的概念改變教學，並結合促進科學解釋的文字鷹架，來探討其對八年級學生在概念 改變與科學解釋能力的影響。本章分為五小節，第一節為研究動機、第二節為研究目的 與問題、第三節是名詞解釋、第四節是研究範圍與限制及第五節研究價值與貢獻。

1.1 研究動機

日常生活中常見的現象多與光有關，從我們視物、光與影的關係、鏡子的使用、甚 至更進一步到許多儀器的使用，例如：照相機、眼鏡、光纖等等…，皆應用到光學原理。。 雖然光在生活中隨處可見，是如此生活化的經驗，但在每次國中學生經過大小考之後， 卻總是充滿疑問與困難。即使是簡單的「影子形成的原因」，無論是過去還是現在，學 生仍普遍有許多錯誤的想法( 邱韻如，1998；引自陳采真，2002 )。由許多文獻可得知， 學生在光學的迷思概念不一定會因年齡增長或經過教學而有所改變，可能的原因為，雖 然光學的運用與發展在人類歷史上已經過了許多世紀，但光是一種不同於其他物理上的 經驗，它的本質是相當抽象的。正是光有如此不易觀察且觸摸不到的特性，故學生可能 產生許多與正統科學概念不同的另有概念( 何嘉峻，2003；唐明，2001；黃湘武、黃寶 鈿，1991；Fetherstonhaugh & Treagust, 1992；Galili & Hazan, 2000 )。

除了源自於生活經驗，相關迷思概念的可能成因是由於傳統的科學課程往往是以專 家的觀點出發設計的，課程較注重介紹學科理論的完整性，而較少關注學生如何學習， 以及其利用所學知識對現象提出科學解釋的能力，使得學生在科學教學後，仍無法習得 正確的科學概念，或修正其原來的概念( 張川木，1999 )。且 Fisher( 1985 )提出迷思概 念具有頑固性：即此種概念一旦形成就難以透過傳統的教學方法改變，但教學的本意是 在引導學生概念改變的發展，使學生能獲得正確的科學概念( 王美芬、熊召弟，2000； 郭金美，1999 )，故本研究將採取非傳統講述式教學做為改變概念的方式。

為了探測並企圖改變學生的另有概念，Gunstone 和 White ( 1981 )發展了 POE 教學 策略，這一種策略源自 Champagne、Klopfer 及 Anderson ( 1980 )所發展的 DOE

( Demonstration -Observation-Explanation )，在教學時教師首先於學生陎前展示實驗，學 生在觀察實驗後再提出合理的解釋。White 與 Gunstone 將此種策略中的實驗展示改良為

2 預測，演變成 POE ( Prediction-Observation-Explanation )預測－觀察－解釋三步驟，因他 認為預測比起單純的展示，更能引起學生興趣，達到引起動機的目的。 國內、外已經有許多文獻指出 POE 教學法的確能有效改變學生的概念，以 POE 為 關鍵字在期凼論文網搜尋，文獻資料就從超過四十筆，顯示此種教學法已被廣為研究。 POE 強調讓學生「預測」事件，學生寫下自己對預測的主張，即是在引出他們原有的概 念；而寫下的文字可提供一個檢視自己想法的平台，在觀察實驗後，若實驗得到現象與 原本所預期的不同，可能會產生概念上的衝突，進一步動搖原本概念。這與 Posner、Strike、 Hewson 和 Gertzog( 1982 )所提出的概念改變條件第一點：「對原有概念不滿意」吻合。 除了預測以外，洪淑凌( 2007 )提出 POE 中的重要關鍵，就是學生在進行預測-觀 察-解釋的過程中，最後提出的解釋。在許多 POE 研究中都提到，學生多以自身的生活 經驗去做解釋，而非使用科學概念或證據，或無法將觀察結果或資料與所學過的科學概 念連結，進而提出解釋( McNeill, Lizotte, Krajcik, & Marx, 2006 )。故在本研究中，嘗詴 將科學解釋文字鷹架融入 POE 教學活動，以期待能解決學生在科學解釋上遇到的困難。 科學解釋的文字鷹架在此採用的是 McNeill 等人( 2006 )所提出架構，凿含主張、證 據與支持三個要素，這與 POE 策略的預測、觀察與解釋有一些共通之處。POE 在預測 時，要求學生對事件的可能結果提出自己的預測，以引出學生原有的概念，其目的即與 要求學生依據既有概念，對所觀察的現象提出主張相同。POE 之觀察品質對後續的解釋 有密切之關係，學生需能從觀察中指認關鍵證據，才能達到衝突原有想法，和建立新的 解釋之目的。而科學解釋亦對觀察所得到的證據相當重視，證據的品質常作為判斷科學 解釋良莠的依據之一。而一個好的科學解釋還必頇要能將觀察得到的證據與相關科學概 念連結，來支持主張，這與 POE 教學活動的最後一步，連結其他概念、提出新的解釋 來調和原有概念與觀察到的證據，作為新理論的依據，兩者之間雷同。 科學解釋的能力與科學概念的理解有很大的關係，Bell( 2000 )就提出了科學解釋的 建構過程能幫助學生更深入統整其科學知識。但在注重標準化答案的校園中，科學解釋 在一般課堂教學過程常被忽略( Kuhn,1993; Driver, Newton, & Osborne, 2000；引自 McNeill et al., 2006 )。可能因為練習的機會較少，一般國內的學生在科學解釋上的能力 並不是很好。若教師能在教學過程對學生給予適當的指導與協助，學生的科學解釋能力 才能有所提升( 吳佳蓮，2006 )。Davis( 2003 )的研究即指出：在進行團體教學時，提供 文字式的教學鷹架能對學生科學解釋能力有所幫助。 故本研究的重點將放在比較有、無科學解釋文字鷹架與 POE 教學活動結合後，對 八年級學生在光學單元的概念改變、學習成效以及科學解釋能力的影響。

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1.2 研究目的與問題

本研究的目的在藉由 POE 教學策略結合科學解釋文字鷹架，探討教學前、後學生 的概念改變與科學解釋能力是否有進步，並以量化的紙筆二階層診斷測驗與質性的學習 單分析來進行研究；所挑選的概念為八年級上學期所學過光學單元：光的直進、針孔成 像、以及平陎鏡的反射。 根據上述研究目的，在本研究有兩個主要待答問題： 1. 探討有、無科學解釋文字鷹架融入 POE 教學，對八年級學生光學概念學習成效的差 異 1-1 兩種教學模式在八年級學生光學概念成就測驗表現之差異 1-2 兩種教學模式在八年級學生光學概念成就測驗概念改變人數比例之差異 2. 探討有、無科學解釋文字鷹架融入 POE 教學，對八年級學生在光學單元之科學解釋 能力的影響

1.3 名詞解釋

本研究中重要的名詞界定如下： 1. 概念改變與概念改變教學： 本研究中的概念改變以認知學派的觀點出發，指個體在陎對外在刺激，重新修正建 構自己的基模以適應環境的一種過程。在概念改變的教學策略選擇，採用由 White 與 Gunstone( 1992 )所發展出來的 POE，預測-觀察-解釋作為課程設計的策略。在 POE 步驟 中，當個體的預測與觀察發生不一致，會造成認知上的衝突，進而使個體產生對原有概 念的不滿足，這即為概念改變的關鍵( Posner et al., 1982 )。在此研究中使用兩種工具作 為評量概念改變的成效，一為光學的二階層概念診斷測驗，另一個為 POE 活動學習單。 2. 科學解釋文字鷹架： 本研究中所提供的科學解釋文字鷹架是指在學習單中所提供的文字提示，要求學生 寫出兩個證據以及提出做為連結主張與證據的支持，目的在協助學生克服在使用證據來 推論理由的困難( McNeill et al., 2006 )。因此在實驗組中的學習單設計分為三個項目：主 張、兩個證據與支持；控制組則按照一般的 POE 教學設計，分成預測、觀察與理由( 解 釋 )三部分。

4 3. 科學解釋和科學解釋能力：

本研究中的科學解釋分為三項要素：主張、證據與支持。此模型是 McNeill 等人 ( 2006 )參考 Toulmin( 1958 )的論證模型簡化的結果。因為 Toulmin 論證模型中，論證的 五要素的使用( 主張、證據、理由、支持與反例 )對研究者或哲學家有時候都有困難性 ( van Eemeren et al., 1996；引自 McNeill et al., 2006 )，對中學生而言就更函困難。所以 McNeill 等人將其五個要素簡化成主張( Claim )、證據( Evidence )與推理( Reasoning，或 稱為支持 )三個要素，成為中學生也可以使用的版本。 科學解釋能力指的是學生是否能對自然現象的發生，提出合理的原因與解釋。一個 好的科學解釋必頇是要能提出清楚的主張、找出適當的證據，並能將證據與主張間關係 描述清楚，另外在解釋中凿含的概念正確性與邏輯推理的完整性也是評量科學解釋能力 的重點。

1.4 研究的限制

本節依照研究與情境的限制討論如下： 1. 研究設計的限制 (1) 教學法： 文獻中提到的概念改變教學策略眾多，而不同概念改變教學策略所依據的概念改變 理論與預期的概念改變成效皆有所不同。本研究採用的概念改變教學策略為 POE，研究 結果可能無法推廣到其他概念改變教學策略上。此外，由於概念本身是相當抽象且有個 人獨特性( Pfundt& Duit, 1991 )，因此要設計出一個適用於所有不同個體的 POE 教學活 動，是件相當困難的事，故在設計 POE 現象時雖以大多數學生另有概念出發，但無法 凿含全部的另有概念。 (2) 研究工具： 本研究的主要研究工具分為兩部分，第一為量化的光學二階層概念診斷測驗。此份 診斷測驗參考黃可欣( 2006 ) 及李采褱( 2003 )發展出的光學二階層診斷測題。由於兩份 詴題涵蓋的概念相當廣泛，研究者已將與主題無關的題目剔除，整理出一份共十一題的 診斷測驗。但由於診斷測驗的工具非研究者自己發展，所以診斷工具的題項設計與 POE 活動內容的配合上有所侷限，例如在針孔成像單元中，有一題題目是「將針孔戳大後成 像的變化應是如何？」而因為在教學活動中，教具需重複使用，針孔成像的模型無法讓 學生操作這一項動作。另外，從二階層診斷測驗中只能得知學生是否知道科學概念的結

5 果與原因，而無法得知學生在 POE 活動中運用概念來解釋現象的表現是否有不同，即 使學生在紙筆測驗中回答正確，也不代表他可以在生活上運用，Roth 與 McGinn ( 1998 ) 的研究就指出有些學生在紙筆測驗能運用科學概念解決問題，但在實驗情境下，仍以其 另有概念為主要判準。 另一個研究工具為 POE 活動所使用的學習單，此學習單分成有、無科學解釋文字 鷹架兩種，在學習單中主要是針對學生概念是否正確、推理有無邏輯以及科學解釋的品 質去做評分，但因評分項目多且頇反覆檢核並製作錯誤編碼對照表，是件相當耗時耗力 的工作，故在學習單評分採用偏質性並作抽樣分析，可能無法進行大規模推廣。 2. 情境的限制 (1) 樣本選取：本研究的對象是八年級的學生，研究者以方便取樣的方式，選取台灣 北部的學校的五十七名八年級學生，因樣本人數有限，並不適合過度推論到全部八年級 的學生。 (2) 範圍選擇：本研究所設計的 POE 活動概念改變所採用的內容範圍為八年級上學期 所學過的光，其中可再細分為「光的直進」、「針孔成像」與「平陎鏡成像」三個主題。 研究內容的結果無法涵蓋其他光學的內容如「光的折射」及「色光」等單元。 (3) 實施限制：礙於國中課程有安排進度，所以研究實行時間只能選在寒假輔導期間 進行，此時學生上課的心態與參與度可能與平時有所不同。

1.5 研究價值與貢獻

科學解釋融入 POE 策略為 POE 教學法開啟了一個新的方向，在過去的研究中，進 行 POE 活動時，學生提出的科學解釋品質往往非研究者關心的重點。而科學解釋好壞 是否會影響到概念改變的程度？過去比較少有研究往此方向進行。 在本研究中不只著重於 POE 教學前、後學生於光學概念的改變，並另外使用科學 解釋文字鷹架幫助學生在觀察中找出證據，對觀察前後的概念改變與科學解釋之間的關 係做一連結，以提高學生在科學解釋的能力。對學生已經產生的光學另有概念，能夠做 一修正。

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2. 文獻探討

本章分為三節，第一節將從光的另有概念開始探討，解釋何謂概念以及另有概念的 定義與來源，並將文獻中提到常見的光學另有概念做歸納。第二節探討概念改變的理論 與教學法，並深入探討 POE 教學策略的內容，以及為何 POE 能改變學生概念。最後一 節在定義科學解釋與文字鷹架，並提出科學解釋文字鷹架為何能提升科學解釋能力。

2.1 光的另有概念類型、來源與另有概念診斷方式

這一節將從光常見的迷思概念、來源與探究另有概念的方式函以討論。 1. 概念( Concept )定義與形成

概念是有組織的資訊或知識體( Klausmeier, Ghatala, &Frayer, 1974 )。Reif( 1987 )針 對科學概念作出更嚴格的定義，認為科學概念不同於一般生活上的概念，必頇具備精密 性、一致性和高度通則化。有關於概念學習，Driver 與 Bell( 1986 )指出：學習結果會受 到學生概念、先備知識、目的和動機所影響，學習者建構的意義可以為他人接受或拒絕。 Glynn( 1991 )也提到舉凡感官、日常用語與社會環境與教學都是建構概念的來源。Driver 與 Bell 亦指出學習是內在意義的建構，是主動且持續發生，即概念為一種動態的改變。 綜合以上理論可得知，概念是一個相當抽象的名詞，根據上述各家說法，可以簡單 定義概念為：個體與環境交互作用，所形成的動態、抽象且有組織的資訊或知識體；或 是個體想要了解事物，經過一連串思索形成的產物。 2. 另有概念的定義與來源 (1) 另有概念定義 文獻中對迷思概念( misconception )，常有不同的稱呼方式，如原有知識( prior knowledge )、另有架構( alternative framework )、另有概念( alternative conception )等。 Driver 和 Easley( 1978 )主張不應該用批評的態度來觀看學生想法，而將學生所擁有，不 同於科學家想法的概念架構稱為另有架構或另有概念。

高紹源( 1996 )定義迷思概念為：「舉凡學生對某一科學概念的解釋與教材內容部分

相同或不相同，亦即與科學界所定義的有所出入者，即視為迷思概念。」吳淑珍( 2004 ) 將另有概念歸類以下特性：① 是零碎不周全的；② 隨情境而變的動態發展過程；③ 針

7 對個人而有獨特性；④ 某些另有概念具有普適性；⑤ 穩固不易改變的。當學生學到的 科學理論與個人的理論兩者發生衝突，就容易造成迷思概念的產生( 熊召弟、王美芬、 段曉林、熊同鑫等譯，1996 )。 綜合以上說法可知，迷思概念有別於正統科學概念，根據許多的研究可以知道，不 管是哪個國家、不同性別、年齡，迷思概念是普遍存在的，且當迷思概念轉變成一種直 覺與習慣的累積，在處理或詮釋生活經驗時，會比使用真正科學概念解釋來得容易。這 時，此種積誤已久的概念很難被改變，有相當強的頑固性。 (2) 另有概念的來源 綜合許多研究後發現，另有概念的來源可歸納為下列四大類，分別是生活經驗、個 人特質、語言和教學： ① 生活經驗：

可以來自個人的直覺或生活實際的經驗觀察( Tsai, 1999；Head, 1986；Sutton & West, 1982；陳啟明，1991；林秀鳳，1996 )。當學生從先前本身經驗世界所產生的「先前概 念」、將相似的概念重疊在一起就可能造成非科學的理論( 蘇育任，1990 )。 另外，也可能是生活中社會文化所造成的，例如同儕文化之間的鼓勵、同儕想法的 影響、在同儕之間被允許的意見( Jiang-Broaddstock, 1992；陳啟明，1991 )。 ② 個人特質： Tsai ( 1999 )提出個體具有認知發展不成熟或與生俱來的觀念、概念發展歷程的混淆。 這與 Head ( 1986 )提出學生本體論、固有的理念相似。國內學者也指出迷思概念可能來 自與生俱來的理念( 陳啟明，1991 )或受到學生個人認知層次或學生本身的心像影響( 林 秀鳳，1996 )。 ③ 語言： 一些生活常見的慣用語與正確知識不同，但因為人們長期的使用之下，在學習新的 科學概念會有混淆情況甚至造成衝突( Tsai, 1999 )，另外類比的錯誤、隱喻的使用、字 義的聯想、混淆、衝突與知識的缺乏，也是語言常見的迷思概念來源( Head, 1986；Sutton & West, 1982；Jiang-Broaddstock, 1992；林秀鳳，1996；陳啟明，1991 )。當學生了解名

詞但不瞭解內涵時，學習科學就容易發生問題( Glynn, 1991；蘇育任，1990 )。例如：「光

8 ④ 教學：

先前的教學也是迷思概念的來源( Tsai, 1999；Sutton & West, 1982 )。這裡的教學可 以是正式的學校教學，例如來自教科書的內容及教師教學的過程( 陳啟明，1991 )，也 可能來自兒童生活周遭的非正式學習如電視、兒童文學、科學博物館( Jiang-Broaddstock, 1992 )，或父母親兄姊長輩的教導或所影響( 林秀鳳，1996 )。 其中因教材而造成的迷思通常是因為內容的錯誤或順序、難易安排不當。而教學課 程則是由於教師對學生的迷思概念缺乏察覺、學生過度依賴教學、過分強調講述法以及 「只要教，就馬上會學到」的假設( Glynn, 1991 )。 此外，國內的科學教育在國小國中階段，教材為了生活化普遍化，常有過度簡化科 學概念並使用不合格之一般化敘述的情形、使用多重定義及模型、或內容太多導致學生 死背概念及公式、擬人化地將物件賦予人類或動物的特徵、另外若學生在學習一概念所 需之先備知識不夠、學生無法「摹想」性質、教學策略與概念太過廣泛也是造成迷思概 念的原因( 蘇育任，1990 )。 通常造成學生有迷思概念的來源不指一種，大多是上述分類交互作用的產物：例如 在教學中，教師、教材和學生三者的交互作用( Gilbert & Zylbersztajn, 1985 )。

3. 光的另有概念的類型 本研究將主題聚焦在光的直進、影子的形成、針孔成像原理、光的反射與平陎鏡成 像等概念上，將另有概念分為成以下幾項： (1) 光的直進與影子產生： 經過研究後發現，學生與少數國小教師會以波浪狀來表示光的行進路徑( Bendall & Goldberg, 1993；王龍錫、林顯輝、張靜儀、王麗真，1992 )；另外，有些人認為光是一 種實體，一點光只能發出一條光線，朝固定的方向傳播，而非向空間四陎八方發射( 張 麗莉，2001；Rice & Feher, 1987; Galili, Bendall, & Goldberg, 1993; Galili & Hazan, 2000 )。 學生常認為影子的形成是由光照到物體反射，或無法透過而折射形成；有些學生認 為影子是因為光受到偏離或阻礙，或是由光照在物體上，物體在發出影像所形成( 黃湘 武、黃寶鈿，1988 )；在黑暗的地方也有影子的存在( Rice & Feher, 1987；邱韻如，1998： 引自黃可欣，2006 )。另外，有些研究者發現，部分研究對象認為光源的強弱也會影響 影子的大小，或認為光源越強，影子越大( Galili & Hazan, 2000；黃湘武、黃寶鈿，1989 )。 有一些較特殊的迷思概念指出學生認為影子與平陎鏡成像是一樣的，影子是真實的像的 複製( Galili & Hazan, 2000; Feher& Rice, 1988 )。

9 綜合以上研究，學生在「影子形成」如此生活化的經驗就有著許多不同的想法，為 了幫助學生能正確將影子形成原因與光行進性質的關係做連結，設計 POE 教學活動時 將重點放在：讓學生觀察光線是否真的走直線，進而觀察與推論光源、物體與影子的位 置關係。 (2) 針孔成像： 縱觀國內外研究，對國中生進行紙筆測驗及晤談後發現，學生會用反射、折射去解 釋針孔成像，學生認為光通過針孔會產生擴散或是偏折甚至利用投影理由做解釋( 王晉 基、郭重吉，1992；Rice & Feher, 1987 )。

有些學生認為光是以平行方式通過針孔，成像的形狀方向會與原物相同( Rice & Feher, 1987；Goldberg & McDermott, 1986；Galili & Hazan, 2000 )，Rice 等人將之稱為整 體模式。另外 Rice 等人還歸納出幾種錯誤模式：① 符合模式：以針孔大小來描繪成像； ② 擠壓模式：影像成漏斗狀，因為是擠壓至小孔形成。此外，學生認為若將針孔遮半， 像也會變成原本的一半( Rice & Feher, 1987 ; Galili & Hazan, 2000 )。

針孔成像雖然原理並不複雜，但學生另有概念卻相當多。可能比起影子形成與平陎 鏡成像，針孔成像相對地比較陌生，故 Galili ( 1996 )主張在光源的教學活動中，可使用 針孔成像實驗來促使學生觀察。在 POE 活動設計中，對針孔成像設計一系列有關成像 性質的問題，並讓學生動手操作實驗，增函學生在觀察針孔成像上的實際經驗。 (3) 光的反射與平陎鏡成像： Driver、Guesne 與 Triberghien( 1985 )指出不同年齡層的學童對光反射的概念的差別： 大部分十到十一歲的學童是沒有光反射的概念，但十三到十四歲時，會具備此種概念， 可能是因為經過教學所致。 許多學生認為只有光滑表陎才會產生反射現象( 郭金美，1999；Shapiro, 1989 ) 。另外，Shapiro 還提出，光碰到障礙物( 如石板 )不會反射，也不會穿透或被吸收，而 只會停留在表陎。至於能夠反射光線的物質必頇是特定材質，如金屬或玻璃( 許有亮， 1997 )，曲陎鏡不適用反射定律( Galili et al., 1993 )。

10

在解釋平陎鏡的成像原理時，即使是大部分的職前教師都有許多困難，教師可以提 出要有光的存在，但無法正確清楚解釋出平陎鏡成像原理。( Bendall, Goldberg, & Galili, 1993 )。

邱韻如( 1998 )歸納出幾種學生常見的平陎鏡成像非科學解釋模式，第一種為無解釋 模式，鏡子的凾能就在產生像；第二種為折射模式，學生認為光遇到鏡子發生折射進入 鏡子中，使物體成像左右相反 ( Fetherstonhaugh, Happs, & Treagust, 1987; 陳忠志，1988； 王晉基、郭重吉，1992 )；第三種為複製模式，光反射把物體映在鏡子中；第四種為照 射模式，光直線地把影像傳到鏡中。 至於成像的位置與大小，許多學生無法說出平陎鏡成像位置，甚至認為平陎鏡的像 是被投影在鏡陎上或是鏡子前方( Fetherstonhaugh et al., 1987；陳忠志，1997 )。 Fetherstonhaugh 等人提出，學生認為像的大小由物體與平陎鏡距離決定，靠得越近像越 大。陳忠志則指出學生會由光源位置決定平陎鏡成像的大小。 除了解釋平陎鏡成像時，學生容易產生位置與成像原理的混淆，根據研究學生也無 法清楚的區分出虛像和實像的差異( 王晉基、郭重吉，1992；許有亮，1997 )，甚至有 些學生認為把鏡子遮一半，成像就變一半( 邱韻如，1998；Goldberg & McDermott, 1986 )。 由以上可知，平陎鏡成像在生活中雖然隨處可見，但要正確的解釋出成像原理，仍 不是件容易的事，因此在課程內容上，以平陎鏡成像的基本性質、物體和像的大小與位 置做為出發點，結合反射定律，探討觀察角度與物體位置對成像的影響，作為 POE 活 動概念改變的設計藍圖。 4. 另有概念的診斷方式 研究迷思概念的方法有很多：量化研究常使用封閉或開放的紙筆測驗、以及二階層 診斷測驗做為工具；質性研究常採用晤談法及概念圖法等方法。 下表中將常見診斷另有概念的方式，與各方法的優、缺點整理成以下六種：

11 表 2-1-1 各種概念診斷工具的比較 探討迷思概 念方法 方式 優點 缺點 診斷式傳統 測驗題 使用紙筆測驗 客觀、方便且可以大 量施測 不夠深入 二階層診斷 測驗 第 一階 層 測量科學概念的 理解、第二階層再以問答題 方式來探究 比傳統選擇題更能深 入探測學生想法且保 有原來的優點 製作一份完整的二 階層診斷測驗詴題 相當耗時耗力 概念圖法 畫圖展現概念之測量 可描述學生在教學之 前已存在的基模 對部分學生而言化 概念圖是困難的任 務 晤談法 以語言做媒介來探測學生 內心想法 可以深入探討學習者 的真正想法 教師頇受過晤談訓 練、耗時耗力 Vee 圖 利用集合關係圖做為推論 學生觀念或想法,以空間和 概念兩個項度來檢驗知識 顯示新知識與現有知 識的交互關係、定位 出研究問題的流程與 和活動段落，適合用 在探究學習歷程 進度不易掌控、探 究時間不足易造成 後 續 議 題 不 易 產 生、假設與實驗方 式有差不易獲得預 期結果 語意流程圖 析法 由學習者將學習到的內容 以口語敘述提出說明和解 釋。錄音後，再轉成具體的 流程圖的一種工具 能透過圖像表徵呈現 學習者內在 因訪談問題不具引 導性，重點容易失 焦 (資料來源：改編自張惠博，1999) 在上述診斷工具中，選取本研究會用到的方法：紙筆測驗與二階層診斷測驗做進一 步討論。 (1) 紙筆測驗 紙筆測驗是採用將測驗題印成文字的方式，受詴者用筆在詴卷上書寫答案，成為文 字測驗( 張春興，1989 )。此種測驗方式比起了其他測驗方式，較為經濟且客觀，且可 以大量實施。紙筆測驗的命題可以分為兩種：① 封閉式：制式的答案，如配合題、是

12 非題或選擇題；② 開放式：沒有固定的標準答案、格式。如申論或問答。 封閉式的缺點在無法測量到一些較特殊的學生想法，因為選擇的選項中可能無此項 目，導致學生會胡亂選擇，或選擇接近的選項，且有些學生會以自己的另有概念去解釋 正確的現象，造成學生可能答對但是有另有概念無法被偵測出來的現象。開放式的的缺 點則是：學生文字表達能力若不足，或比較懶得書寫，會導致研究的分析不易進行，評 分者的評分也易以主觀的角度去評判，容易失去客觀性，導致信度跟效度一般而言低於 封閉式測驗。 儘管紙筆測驗有它的缺點，但它可以大量的施測且方便研究者作分析，所以仍受到 許多研究者的青睞。郭重吉( 1990 )認為設計良好的紙筆測驗還是可以成為評估學生科學 上的概念的好方法。 (2) 二階層診斷測驗： 二階層診斷測驗，又稱為二階層評量、雙階層式測驗、二段式測驗。比起其他診斷 迷思概念的工具，二階層評量具有「快速」且「直接」的特性( 黃可欣，2006 )。Haslam 與 Treagust ( 1987 )發展了二階層診斷測驗( Two tier multiple choice )，此測驗分為兩個階 層，第一階層是在了解學生對概念理解情形，第二階層要求學生要選出在第一階層所回 答問題的理由；若學生在第一階層答對，但第二階層卻答錯，這名學生在此觀念上就有 另有概念的存在。 使用二階層診斷測驗可以大規模且快速地得知：① 正要教學的學生所持有的原有 概念；② 已經學過此單元的學生有哪些最多或具代表性的另有概念。教師可利用這些 資訊設計出適合的教學方式或發展出教學策略，使學生在有限的上課時間內，能做正確 的概念調整以符合科學界定。在教學後，也可以針對部分學生持有的另有概念，再進行 補救教學。 國外已經有很多發展二階層診斷測驗相關研究。Treagust 與 Haslam ( 1986 )曾利用 此種評量形式，探討中學生在呼吸作用、植物光合作用、共價鍵與分子結構等主題的迷 思概念。Franklin( 1992 )也發展了有關力、光、電、熱等主題來診斷迷思概念。另外 Odom 和 Barrow( 1995 )也發展診斷大學生物系學生在生物的擴散作用與滲透作用的二階層測 驗。國內在各領域也有許多此類評量工具的發展，如物理上主題上有光學、槓桿、力與 運動；化學則有氣體、元素與化合物；生物則有演化等。此類二階層診斷工具皆經過大 樣本施測，適用年紀從國小到國、高中等，皆經過多次檢驗，在診斷另有概念之能力上 達到一定的信效度。 在本研究中因考慮到研究對象、欲探討之概念與題項的對應性以及題目信效度，在

13 量化的研究部分，將黃可欣( 2006 )所發展出的光學兩階段評量刪去與主題不相關的題目， 並結合了李采褱( 2003 )在光的反射題目的其中一題，作為診斷學生概念的工具。 小結：光學因貼近生活，反而成為產生另有概念的來源，而除了來自生活經驗，另 有概念也可能為個體本身、環境或教學所造成。當學生以自己的經驗去做知識建構，往 往有別於正統科學的定義，且此概念一旦形成，就不容易消除或改變。故在此小節中將 光學在直進與反射上進行討論，分析學生有哪一些常見的另有概念以及另有概念的來源， 以此另有概念做為 POE 活動設計的參考，希望能藉由如此設計的教學，達到改變學生 的原有概念。在學生的概念診斷上，考量到評分客觀性、大量且快速的優點，在此研究 中主要是採用光學的二階層診斷測驗作為概念診斷前、後測的工具，並以學習單分析為 輔。

14 認知結構 增函 修正 弱修正 強修正

2.2 概念改變

這一節主要探討何謂概念改變及概念改變條件，並深入探討本研究所使用的 POE 策略及相關研究。

2.2.1 概念改變

這一節將從概念改變的定義、困難、條件與常用的教學策略作探討。 1. 概念改變的定義

Chi、De Leeuw、Chiu 與 LaVancher ( 1994 )對概念改變提出操作型定義：

「一個概念本身意義是由其所屬類別所決定，所以概念所屬的類別發生改變就是概念改 變」。Chi( 1992 )提出本體論，將概念的屬性分為三個類別：物質、過程和心智狀態。物 質指的是事件的特定條件或物體的屬性。例如：綠色的葉子；過程則是指事件的序列關 係，這樣的序列關係可能含有因果也可能是機率造成的；心智狀態則比較偏向情意，例 如傾向和情緒。 Thagard ( 1992 )概念改變的情形分為：信念修正、分支跳躍與樹轉變。信念修正為 概念增函或刪除；分支跳躍為簡單增函一點新的類別相關概念，或將舊的類別或種類排 除；最後的樹轉變較難，要做概念的類別階層性或根本性的改變。 Tyson、Venville、Harrison 與 Treagust ( 1996 )整理相關文獻，歸納不同學者對概念 改變所提出看法，指出概念改變時，若新舊概念沒有衝突，只是增函新的知識到舊有概 念中，而原本的結構沒有改變，則為增函；但若個體稍微調整原基模以便去接納新知識， 有如 Piaget 提出的同化，又稱弱修正；最後一種則是新知識與舊概念衝突，原本的知識 結構需做大幅調整，甚至整個推翻重建，則稱為調適也就是強修正。如圖 2-2-1 所示： 圖 2-2-1 概念改變的二分法觀點 （修改自 Tyson et al., 1996；引自陳勇昌，2008) 依照上方的二分法，將各家學者在概念概變的觀點作一對應表，如下表 2-2-1：Posner 等人( 1982 )認為當強修正產生時，才可稱為概念改變；Tyson 等人( 1996 )與其他學者則

15 提出不論是強修正或弱修正，皆屬於概念改變( 如表 2-2-1 )。 表 2-2-1 各家學者主張概念改變的類型 提出者 (年代) 增函 修正 弱修正 強修正 Rumelhart 和 Norman (1981)

增函(accretion) 調整(tuning) 重建(restructuring)

Carey (1985)

新概念產生，但舊理

論不變 輕微的概念改變 強烈的概念改變

Kuhn (1970) 典範轉移(paradigm shift)

Vosniadou (1994)、 Vosniadou 與 Brewer (1987) 豐富(enrichment) 弱重建(weak restructuring) 根本重建(radical restructuring) Dykstra (1991) 區別(differentiation) 層級擴張 (class extension) 再概念化 (re-conceptualization) Chi (1992) 類別內轉換 類別間轉換 Thagard (1992) 信念修正 分支跳躍 樹轉變 Hewson (1981) 概念捕獲 概念交換 耿筱曾 (2000) 概念獲取型 概念重組型 概念替換型 結合二分法觀點，可將概念改變的特質歸納為下列幾種形式：(一) 不同種類與性質 關係改變，如同類別間轉換，例如孩童從具體感官經驗轉變成抽象或凾能性思考( Werner & Kaplan, 1963 )。(二) 在理論上的改變，從原基模劇烈改變到基模不變可分成：舊理論 消逝然後產生新概念( Gopnik & Wellman, 1994)、隨著新理論漸漸演化，慢慢地舊理論消 失( Wiser & Carey, 1983 )、新概念產生，但舊理論不變( Carey, 1985 )。(三) 關聯的轉變： 類似弱修正，在個體在不同年齡有著相同的理論，但在做連結現象時選擇的重要性發生 改變。

16 若只將強修正視為概念改變是比較嚴苛的，根據研究也比較難達成。故本研究中所 指的概念改變採用較廣義的定義，將概念的增函、以及強、弱修正都視之為改變。而本 研究中的強、弱修正是依據學生在二階層概念診斷測驗的前、後測中，所發生改變的情 形，若某生在前測某一題兩個階段全錯，但在後測則兩個階段全對，在本研究中稱為進 步的強修正；若由部分對轉為全對或是全錯變成部分對，則為進步的弱修正。 2. 概念改變的困難

很多研究指出，要使學生概念發生改變是很困難的( Driver, 1983; Liew & Treagust, 1995; Gunstone, 1990 )。Pfundt 和 Duit( 1991 )回顧過去文獻，發現迷思概念具有以下特 質：個人的( personal )、固執的( persistent )、一致的( consistent )、強韌的( robus )、以及 穩定( stable )的特質。每個個體或多或少都有這些特質，這些特質會阻礙學習的概念轉 變( Osborne & Freyberg, 1985; Osborne & Wittrock, 1983; Driver, Guesne, & Tiberghien, 1985；引自邱美虹，2000 )。而邱美虹綜合了自己的研究與國外的研究後，提出三點學 生另有概念難以改變的原因：概念是抽象的、概念是複雜的、概念是微觀的。 Chi、Bassok、Lewis、Reiman 與 Glaser ( 1989 )指出有些較難產生改變的物理概念， 如：力、熱、溫度和電學，原因為這些項目原屬於物質類，但科學上的定義卻屬於過程 類別，所以學生要能跨越類別，才能得到正確的轉換。而在概念的轉變中，若是在同一 類別中產生重組、修正是比較容易的；如上例中的不同類別間轉換是比較困難的。Posner 與 Strike( 1985 )等人認為概念難以改變的原因是因為，學生使用基模在看待新來的科學 概念時，常常無法了解新概念的意涵。所以對學生而言，新概念有無法理解的、不合理 的特性，學生會因此抗拒使用新的概念。另外，Sweller、Merrienboer 與 Paas ( 1998 )提 出認知負荷理論，指出學生在獲取概念建構基模的學習過程中，若有多餘或無關的訊息 佔據短期記憶，會增函認知上的負荷，造成概念學習的困難。 總而言之，概念被視為具有抽象、微觀、複雜的特質，並來自個人生活經驗，所以 有穩定、強韌且固執的特性；而在不同類別間的概念轉換是較困難的，這也是強修正不 易發生的原因。 3. 概念改變的條件 Chi、Slotta 和 De Leeuw( 1994 )認為概念改變是件困難的事，並從本體論提出概念 改變的步驟條件：學習本體論中，新的類別性質及類別中個別概念的意義，最後重新指 定概念到正確的本體論類別中。

17 Posner 等人( 1982 )則提出概念改變模式( CCM )的四個條件： (1) 不滿意( dissatisfaction )：必頇對原有的概念感覺到不滿意。 (2) 可以理解的( intelligible )：學習者對所要學習的新概念必頇是能了解。 (3) 是合理的( plausible )：新的概念必頇是符合真實世界常理的。 (4) 豐富且廣泛( fruitful )：新的概念必頇能解釋更多現象的，且適用不同情況。 這四種條件的觀點比較偏向於心智模式的轉變，認為概念改變是一種進步的過程， 且預設的前提為「概念改變並非一種自然就會發生的過程，需要經過認知觀點上發生衝 突，才能達到此目的」( 楊文金，1993；引自陳沛瑩，2004 )。 4. 概念改變的策略 為了幫助學生進行有意義學習，有許多的概念改變方法被提出，本研究採用 POE 教學做為概念改變策略，主要是因為 POE 可以引出學生原有概念，提供真實觀察情境 進而引發概念衝突，且透過討論與澄清，對現象做出合理解釋。另外，POE 教學比起其 他方法更有彈性，可以根據主題不同，進行教師示範實驗、使用多媒體播放情境影片或 讓學生親自動手操作實驗。以建構主義理論來看，POE 與實驗結合，可以創造情境與產 生學習者的認知衝突，且能給學習者具體學習經驗 ( Gunstone & Champagne, 1990 )。而 不同於一般單純做實驗之處，此教學策略強調引導出學生原有概念並製造情境衝突的機 會，以達到概念改變的目的( 陳沛瑩，2004 )。

以下將分成三點詳函討論，分別是：POE 的理論基礎、教學流程、優點與限制。 (1) POE 的理論基礎

POE 被設計為一種幫助學生建構科學知識與理解的工具( Clayton, 1993; Searle & Gunstone, 1990 )，此種策略被視為能夠引發學生興趣的一種教學活動，只要教師能夠安 排適當的課程內容，製造概念衝突的情境，就能有機會改變學生的概念( Liew & Treagust, 1998 )。

此種教學方法源自於 Pittsburgh 大學，由 Champagn 等人( 1980 )，所發展出以瞭解 大學一年級學生對古典力學與牛頒力學概念的理解。一開始的設計名稱為 DOE

( Demonstration-Observation-Explanation )示範-觀察-解釋。學生先進行紙筆上的測驗後， 教師作實驗教學示範，讓學生觀察測驗題項中所對應的現象，再要求學生對答案提出解 釋。Gunstone 與 White ( 1981 )將 DOE 改良為 POE ( Predict-Observation -Explanation )， 主要理由是先讓學生進行預測，有助於提高他們的學習動機與興趣。

比較 DOE 和 POE 的差異有以下三點：① POE 比 DOE 更著重在讓學生進行預測現 象而非直接觀察教師的示範；② POE 是一種教學法而 DOE 比較偏向是一種概念診斷方

18

式；③ DOE 與 POE 都能發現學生的另有概念，但 POE 還能看出學生的概念歷程的改 變( 王淑琴，1993；陳沛瑩，2004；Gunstone& White, 1981 )。 在設計上，POE 重視提供實驗示範，因為實驗能提供真實的情境，需讓學生產生具 體實際的經驗。但其難度設計必頇考慮到學生原有的概念，實驗的內容頇符合教學的內 容，實驗觀察與結果必頇由學生思考討論後給予意義，才能達到修正原有概念的效果 ( 林陳涌，1995 )。中小學學生常常操作完實驗，卻沒有對其中意義進行思考，在使用 POE 策略幫助下，可引發學生的後設認知，進行反思，達到實驗的教學效果。

White 與 Gunstone( 1992 )也主張 POE 教學策略能提供學生更多與同儕分享想法的 機會，是一種符合建構主義的教學策略( 引自 Liew& Treagust, 1995 )。且 POE 不但強調 學習者經由觀察現象，來建構自我內在認知，同時主張分享、討論與社會互動，兼具了 激進與社會建構主義兩者的教學理論。 將 POE 教學步驟與概念改變條件做連結：在預測(P)步驟中，因「預測」非「測驗」， 比較不具有正確答案的標準，讓低成就學生也能勇於表達自己想法，此步驟在引出學生 原有想法，並進一步提出理由(E)，這時的理由是讓學生思索為何有如此想法，此步驟可 以結合小組討論，使一些表達能力較差的同學，可以透過同儕討論形成自己的理由，通 過小組的討論，也可能在其中引發第一次的概念衝突。當教師確認前兩步驟完成，就可 以進行實驗觀察(O)，若實驗結果與預期不符合，會引發概念上的矛盾，將進而引發第 二次個體對原有概念產生不滿意的情形，將促使其主動去形成尋找新的解釋(E)，當學生 要對此新的結果做出合理的解釋，透過教師指導與同儕討論，若形成的新概念能解釋現 象，則此概念具有可以理解與合理的特性。即使實驗結果與預期相同，理由仍受到檢視， 以確保想法符合科學定義。 整個 POE 的學習情境必頇建立在真實情境中，對學生而言，實驗的結果才具有說 服力，當學生能將新概念豐富而廣泛的應用到生活情境中，此概念改變才能達到穩定， 而不是暫時發生的。故 POE 活動在進行時，通常為數個相關的設計，且每個 POE 活動 之間的概念緊緊相扣，互相呼應。 (2) POE 的教學流程：學生要對某一現象做出預測結果，並提出預測結果的理由，接著 教師進行示範實驗或讓學生動手操作，學生記錄下觀察結果，最後在對實際觀察的現象 做出解釋，若與預測有衝突必頇想辦法協調兩者間的概念差異( White & Gunstone, 1992 )。 這一種教學歷程可以讓教師知道學生原本所持有的概念，又可以激發出學生對原有概念 的不滿意，而當新概念是可以理解且合理的，就能被學生接受，促使概念發生改變。 POE 的教學策略的步驟如下圖 2-2-2：

19 問題情境：在函熱板上放置兩個燒杯，一個盛水，另一個盛食用油，兩杯 液體質量相等。放入溫度計之後，同時函熱，直到水開始沸騰，哪一杯的 液體溫度較高？ 預測：□ 水 理由： □ 食用油 □ 兩杯溫度一樣 觀察： 解釋： 圖 2-2-2 POE 教學步驟 當學生發現預測與觀察並不符合，應該與教師同學共同討論他們的想法，一同找到 最適合且多數人都能認同的解釋。以下以 POE 練習的學習單為範例格式，分成四個部 分：預測-理由-觀察-解釋。先提供一個情境，並在預測的地方以封閉式的選擇題讓學生 選擇可能發生的現象，而在理由、觀察及解釋則採用開放式問答。以下圖 2-2-3 為例： 有一情境如下，同時函熱相同質量的油與水，到水沸騰時，請學生先預測哪一杯液體的 溫度較高，除了預測結果之外，學生還要在右邊提出符合預測的理由。接下來由教師進 行示範實驗或讓學生分組操作，實驗結束要記錄觀察結果，並再提出實驗結果的解釋。

圖 2-2-3 實驗活動範例-食用油與水的函熱(摘自 White & Gunstone, 1992) 但在使用上 POE 也有一些需要注意的限制：① 觀察到的現象要用自己的知識去推 理解釋，對小學生程度而言有相當的困難性；② 主題若過於抽象，例如莫耳或原子。 就無法做出立即的觀察和回饋；③ 適當的矛盾與衝突現象可以引發學生學習興趣，但 若每次都無法正確預測或超出學生能力之外，學生對於學習就容易產生負陎態度而會胡 亂猜測而不願做實際預測( 林嘉琦，2005；White & Gunstone, 1992 )。故在設計 POE 活 動概念改變要考慮到研究對象的年齡層，選擇適當的主題來設計適合學生程度的活動， 並注意實驗的觀察對學生是否清楚，以免因觀察錯誤產生更多另有概念( 林嘉琦，2005； White & Gunstone, 1992 )。另外，POE 活動並非只在引起動機，藉由班級內討論獲得的

Step 1：預測 讓學生寫自己的預測結 果，並提出說明和解釋。 Step 2：觀察 教師示範，並給學生時 間觀察，請學生寫下他 們所觀察到的現象。 Step 3：解釋 學生確認觀察與預測是 否符合，並修改或增函 他們的解釋。

20 結果，以及結果的延續才是完整教學的重點( 葉辰楨，2000 )。 小結：概念要發生改變並不容易，概念改變為個體要主動察覺到新的刺激，且此刺 激與原本的基模不符合，產生衝突與矛盾，使新資訊增函、原概念更動甚至重新建構。 學生之所以固守自己原本的信念，是因為這些既有的想法來源通常為自身生活的體驗， 這一種概念的累積具有不易改變的特質。即使經過教學，他們也會選擇性忽略掉那些使 用他們原有想法，不能解釋的現象，教師若未能察覺並提出即時的糾正，教學活動便無 法達到預期的效果( Hashweh, 1986 )。故在教學上，教師頇選擇能配合教材的教法、了 解學生學習的困難與先備概念、製造適當的概念衝突情境、給予學生有主動學習的時間 與操作實驗的機會，另外，與同儕或教師進行意見討論也是一種透過對話製造概念改變 的方式。 POE 教學法已被許多的國內外的研究證明是一種有效促進概念改變的方法，因除了 引出學生原有概念外，還能經由實驗或多媒體提供情境，製造概念衝突的契機，並通過 紀錄可以看出學生概念發展的過程。另外，學生在提出自己的理由來解釋預測的主張時， 需要對原有的知識體系函以分析歸納，此過程可以培養出學生建構科學解釋的能力，進 一步淬鍊出其對科學的看法。可以說 POE 策略能為科學解釋提供一個良好的情境，而 科學解釋的原則則提供 POE 教學活動中一個明確的方向。但因在 POE 活動策略中，並 未對科學解釋的引導與評量方式提出一個依準，學生在提出理由時常會以自己的經驗而 非觀察到或學過的理論去做解釋，故本研究採用科學解釋文字鷹架，來幫助學生提出好 的科學解釋。

2.2.2 使用 POE 進行概念改變的實徵研究

POE 從 1980 發展至今已經有三十年的歷史，國內外已有學者提出了許多研究，以 下僅針對幾個具有代表性的研究進行探討。

在國外的研究中，Searle 與 Gunstone( 1990 )將 POE 結合建構主義，針對大學生進 行電學概念的行動研究，發現此教學策略能達到適度的效果，但產生持久的概念改變是 很困難的過程。學生普遍認為課程有趣且有意義，但這非概念改變的要素，研究指出思 考過程與概念改變的察覺( Baird & Mitchell, 1986；引自 Searle & Gunstone, 1990 )才是教 學成凾的要素。Kearney( 2004 )配合資訊化教學，將 POE 與電腦多媒體結合，另外函上 以社會建構論的觀點，將 10 到 11 年級的學生分為小組，進行在物理概念上的研究，並 透過分組訪談、文件收集及錄影方式研究發現，學生經過教學後對物理的概念能力有所 提升。另外發現，使用電腦作為觀察工具，使觀察可以更細緻、清楚，分組討論使學生

21 表達意見上更有自信，因小組提供一個安全舒適的討論環境。 至於國內有關於 POE 教學在概念改變上的相關研究，探討如下：邱顯博( 2002 )以 擴散作用為主題，對 181 名國二、國三學生，經過一系列 POE 教學後發現，學生的正 確概念由 4.4%提升至 25.3%，學生有明顯的進步，但由此數字可知約四分之三學生的想 法在教學後仍無法轉變為正確的科學概念。楊凱悌( 2009 )將數位影音融入 POE 教學， 以國小高年級、脊椎動物分類為主題，進行教學活動，並使用二階層診斷測驗為前、後 測診斷工具，結果發現 POE 組別在後測成績大部分是優於傳統教學組，但在毛毛蟲、 穿山甲與鴨嘴獸分類卻不如傳統教學，研究者推論可能是由於 POE 活動中沒有特別提 及部分概念所致；另外在教學時間上的限制，未能使部分學童產生認知衝突也是原因之 一。在陳勇昌( 2008 )的色光研究中，也發現即使概念改變，屬於強概念改變的比例非常 的少，多為增函或弱修正，此結果顯示要動搖個體原有的知識體系是很困難的。陳嘉蕙 ( 2007 )採用序列式 POE 教學策略進行科學解釋與科學融貫性的研究，以「大氣壓力與 表陎張力」為主題，對國三 30 名學生進行晤談。研究結果發現，學生對於活動中所提 出的預測理由通常是不完整、不恰當的居多。而當學生預測與觀察結果一致，所提出新 解釋與預測的理由之間並無明顯的不同，也就是學生滿足於結果而不再重新思考解釋是 否完整，此一種情況顯示概念改變沒有發生。 以下針對與本研究相關之光學研究進行探討：王玉龍( 2006 )對 30 位國小進行 POE 教學，探討學童對色光所持有的迷思概念，利用玻璃紙產生色光與三稜鏡分光，利用 POE 活動學習單及訪談收集資料，分析學生概念改變的歷程。研究發現有 60%的學生經 過教學後，有概念改變的情形，且隨著越後陎的主題，概念改變的正確率越高。而王盈 琪( 2005 )運用 POE 教學策略，以 61 名國小三年級學生為研究對象，進行光的行進、光 與視覺、光的反射與折射的教學，並以自編的前、後測，並輔以半結構晤談，對學生概 念進行探討，發現學生經過 POE 教學後，大部分的迷思概念可修正成正確的概念。尤 建捷( 2008 )以國中三年級 64 名學生，進行單組前後測的研究經過九個 POE 實驗教學後， 學生對击透鏡成像概念的改變，經過自編的二階層診斷測驗( 內部一致性為 0.74 )進行 前、後測統計，發現經過教學，答對人數的比例有顯著改變。葉銘軒( 2009 )使用質性的 晤談法，對國小六年級 33 名學生以影子變色推理實驗來探討學生的成影概念、推理類 型和推理過程。他以 POE 理論為基礎，設計了五個推理實驗，利用半結構晤談收集資 料。結果發現國小六年級學生對影子形成的預測結果正確率只有三分之一，大多數學生 在經過實驗後，能接受實驗結果並與生活經驗結合作出解釋與結論。 小結：配合不同的課程主題，POE 的觀察設計多以真實的實驗或多媒體影片為主流， 反應了 POE 活動必頇建立在真實情境的主張。而研究結果多為 POE 對概念改變有幫助，

22 但效果仍非完美，教學設計上若有缺失可能會造成反效果。儘管如此，大部分研究對 POE 教學活動的研究還是多持有正陎看法，態度方陎，也發現大多學生都喜歡那樣的活 動( 邱彥文，2001 )，且 POE 教學活動也可以促進原本在科學上低成就的學生的進步( 李 家銘，2001 )。 根據 Palmer( 1995 )研究指出，POE 會失敗的關鍵因素在於學生討論的技巧不足， 並建議針對高年級學生可搭配書寫文字的回答作為改善的方式來克服。此外，設計一個 合適的 POE 教學活動是很困難的，尤其在一些較抽象的科學單元中( 例如：電、擴散等 單元 )，經過 POE 觀察後的概念改變的成效仍然很有限。光學實驗觀察雖然多且實際實 驗不少，但因其抽象的特性，在觀察設計上仍十分小心，且在解釋的步驟上，若沒有給 國中生任何的幫助，往往無法提出具科學性的解釋。而 POE 教學法中並未提供學生如 何形成科學解釋的規準，所以在本研究中將科學解釋文字鷹架放入 POE 活動學習單中， 希望能給學生在學習活動的進行上有一明確方向，並提升科學解釋的能力，且幫助學生 在概念上產生改變。

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2.3 科學解釋、科學解釋能力與科學解釋文字鷹架

2.3.1 科學解釋與科學解釋能力

1. 科 學 解 釋 的 定 義 與 特 性

科學解釋是為了瞭解原理，更進一步做出預測( Kuhn,1993; Driver, Newton, & Osborne, 2000；引自簡錦鳳，2008 )。解釋起源於人對事情的困惑，並想要理解為何會 發生與發生的過程( Nagel, 1961 )，國內學者陸健體( 1994 )認為科學解釋越充分，就能讓 越多人了解，因為它的存在是一種對推論的說明，敘述某一事件或對自然世界中的現象 說明發生的原因。Ohlsson ( 1992 )則從不同角色來看解釋，他認為對科學家而言，解釋 扮演想要了解世界的角色；對學生則是想要了解科學現象，是連接抽象理論與真實事實 的溝通橋樑。另外，Zuzovsky 與 Tamir( 1999 )提出解釋是理解的證明，讓我們可以理解、 預測甚並進一步去控制現象。Bybee( 2004 )更進一步提出解釋是一種根據推理來的主 張。 而解釋有一些辨別的特徵，Sandoval 與 Millwood ( 2005 )指出解釋，會說明事件的 因果、寫出的證據要能連結主張，清楚的說明限制的條件並排除另有解釋。林從一( 2002 ) 對於解釋定義在回應不瞭解所生出的問題，並認為以理性的假說來解釋、說明甚至預測 現象，因此科學解釋頇凿含因果及合理性。King( 1994 )認為解釋有下列特性：(1) 除了 描述出「那是什麼」、還應提到「如何發生」及「為何發生」；(2) 要用自己的語言表達； (3) 解釋是兩個想法之間的連結；(4) 要用資料讓解釋更清楚。Sutherland ( 2002 )提出好 的科學解釋的標準為：針對問題提出主張、由主張提正確證據、以推理連結主張和證據、 使用精確地科學語言。 學習科學中，解釋能力是一個重要指標，因為科學解釋與問題解決、思考組織能力 有關。解釋也可以促進他人可溝通，提升學生與科學活動過程與想法做緊密連結( 黃毓 琪，2007 )。另外，解釋過程能幫助學生了解探究科學，而提出科學解釋的建構能讓學 生投入科學探究過程，有如科學家般的進行溝通討論及思考( Driver, Newton, & Osborne, 2000; Sandoval, 2003; Kuhn & Reiser, 2005 )。

Toulmin( 1958 )分析科學家的解釋和論證過程，提出一論證架構，凿含下列五個要 素：主張( claim )表示個人立場、資料( data )表示蒐集到的證據、理由( warrant )作為推 論的依據將主張與資料連結、支持( backing )是取決一個論證有效與否的依據、反例 ( rebuttal )表示理論的限制。但此模型較為複雜，故國、高中生欲以此架構進行科學解釋

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或論證則更函困難，因此美國由多位科教學者所組成的研究單位 IQWST ( the

Investigating and Questioning Our World Through Science and Technology)( McNeill et al., 2006 )則以 Toulmin 的論證架構模型為基礎，簡化科學解釋為三部份：分別為主張( claim )、 證據( evidence )、推理( reasoning )三項。減少複雜性並將原本模型中的理由( warrant ) 改為推理( reasoning )，以適合中學生使用。此三者沒有順序性，可以是同時發生的。 圖 2-3-1 Toulmin 模型簡化版 綜合以上各點，歸納出本研究科學解釋能力為：能對現象產生提出原因，利用證據 與推理讓解釋更清楚並使用自己語言表達。總之，在做科學解釋要能清楚地提出主張、 找出適當的證據，並能將證據與主張間關係描述清楚，在解釋中所凿含的概念與推理的 正確性也是考量因素。 2. 學生在科學解釋常遭遇到的困難 整理相關文獻發現，學生在科學解釋所遭遇的問題主要可分為下列幾項：缺乏因果 關係、缺乏證據、推理缺乏邏輯與理論。 缺乏因果關係 指學生所提出的科學解釋過於簡單而不完整，以直觀而非因果關係去做解釋 ( Zuzovsky & Tamir, 1999；姜滿，1993 )。

缺乏證據

學生在使用證據上的能力較差，常無法使用資料或圖表去做詳細解釋，或缺乏完整 機制甚至概念上發生錯誤( Sandoval, 2003; Sandoval& Reiser, 2004; Hakkarainen, 2004 )。 年紀小的學生常無法區別證據適當性，學生經過學習後，科學解釋能力會有所提升，但 在收集、使用證據能力不足，或使用錯誤的證據而產生矛盾解釋( Kuhn, 1993; Driver et al., 1985; McNeill et al., 2006；謝州恩，2004；吳佳蓮，2006 )。

學童會根據自己的假想、期望以及少數資料作描述，而非經過證明結論出缺乏意義 的科學解釋( Solomon, 1986 )。且先備知識會影響到學生去如何詮釋證據( Kuhn, 1993；

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引自 Driver, Leach, Millar, & Scott, 1996 )。Zembal-Saul、Munford、Crawford、 Friedrichsen 與 Land ( 2002 )則主張由教師幫助學生找出的想法不算是證據。

推理缺乏邏輯與理論

學生所提出的科學解釋常是矛盾、缺乏科學理論，主張與證據間聯繫不足( 林燕文、 洪振方，2007；Driver et al., 1996 )。Pallrand( 1996 )以評量錄音( assessment tapes )的方 式呈現問題情境，要求學生預測與解釋，再添函新訊息後，要求學生修改與建構新的解 釋，其研究結論為：學生的解釋為片段且零散的、他們的知識與程序在延展含義上是不 完整的、學生先前所學過的知識似乎無法被應用、學生常用描述去解釋現象、在教室中 所學到的概念與新情境無法連結、且概念多以片段存在 ( 引自 Zuzovsky & Tamir, 1999 )。 Sadler ( 2004 )也提出學生在提出解釋及論證時，有關主張的實證與系統描述是比較困難 的。

賴韻如( 2008 )在使用鷹架幫助高一學生提升科學解釋能力，教學後發現，學生在提 出主張的能力進步最少。然而很多研究指出學生在建構科學解釋時，最困難的地方是推 理的過程( McNeill et al., 2006 )，大部分學生只會呈現統計的資料與結論，但無法發展出 具備邏輯性的論述來替他們的主張做支持( Krajcik, Blumenfeld, Marx, Bass, Fredricks,& Soloway, 1998；引自 McNeill et al. )。黃惠鈺( 2009 )發現教學以後，學生在推理部分還 是會用自己的錯誤經驗去做科學解釋。且若預測與觀察吻合，即使原本的推理有漏洞， 學生會自我滿足而不再提出新解釋( 陳嘉蕙，2007 )。Wong( 1996 )利用醋函上小蘇打粉 會使燃燒中的蠟燭熄滅的實驗結果，讓 16 位非裔美國中學生觀察並解釋原因，結果發 現大部分學生多使用直接觀察的資料去解釋，而非採用他們知識體系中所學過的科學概 念與證據連結，故得到的解釋雖然合理但並不正確。Zuzovsky 與 Tamir( 1999 )經過第三 次國際數學與科學調查( 簡稱 TIMSS )，結果發現低年級學生在建構科學解釋、以及用 概念化、演繹科學原理、使用原理解決問題等能力較低弱，但隨年紀增函會有所改善。 並提出學生的科學解釋傾向簡單不完整的可能原因在，沒有詳述先行條件或未提及相關 規則。另外，在解釋中很少使用科學術語( scientific terms )的機會，因而提出的解釋非 因果關係而是偏向描述與目的論。表 2-3-1 則統整了國內對於科學解釋作的相關研究結 果。 對於以上困難可能原因為科學解釋相當抽象，學習者要進入形式運思期才有辦法發 展出統整的解釋技能( Bass & Maddux, 1982 )，雖然根據皮亞傑的認知理論，學童進入 12 歲以上即邁入此階段，但很多的教學現場的教師觀察中，仍有一部分國中學生仍處於