以POE策略設計推理活動探究國小五年級學生之推理思考及其拋射體概念

國立臺中教育大學科學應用與推廣學系

科學教育碩士學位碩士論文

指導教授：張嘉麟 博士

以

以

以

以 POE 策略設計

策略設計

策略設計推理活動

策略設計

推理活動

推理活動

推理活動探究國小五年級

探究國小五年級

探究國小五年級

探究國小五年級

學

學

學

學生

生

生之

生

之

之推理

之

推理

推理思考

推理

思考及

思考

思考

及

及其

及

其

其拋射體

其

拋射體

拋射體

拋射體概念

概念

概念

概念

研究生：周孟勳

中華民國一百年一月

中文

中文

中文

中文摘要

摘要

摘要

摘要

本研究以 POE 策略所設計的推理活動，探究國小五年級學生對於拋射體的 概念及其推理思考。本研究以質性研究為主，利用拋射體推理活動，輔以 POE 活動單及個別半結構式晤談的方式，蒐集相關資料並進行分析，研究發現如下： 在拋射體概念部分：（1）97%的學生具備角度會影響拋射體飛行距離的概念；（2） 學生對於發射角度與飛行距離關係的回答可分為四種類型，其中有 63%的學生能 做正確的描述；（3）部份學生對角度與距離關係的「轉換」並不了解。在推理部 分：（1）各預測及解釋階段，使用演繹推理人數最多；（2）歸納推理在預測階段 占 8%，在解釋階段提高為 27%；（3）類比推理在預測階段占 14%，在解釋階段 降低為 8%。最後交叉比對發現：（1）預測正確較多的學生，平均使用演繹推理 次數較多，預測錯誤越多的學生，平均使用歸納推理次數較多；（2）第一類型學 生，因對於拋射體角度與距離關係的概念，較為完備，使用原有概念來進行推理， 使用演繹推理次數較其它類型學生高；（3）第三、四類型學生，拋射體角度與距 離關係的概念，並不完整，在活動中透過觀察形成新的想法，使用歸納推理次數 較多。 關鍵字 關鍵字關鍵字 關鍵字：：：：POE 策略、推理思考、拋射體概念

Abstract

The purpose of this study was using the Predict-Observe-Explain strategies to design reasoning activities and investigate fifth graders’ concepts of Projectile and reasoning. This research adopted qualitative methods. The data of this research were collected from semi-structured individual interviews and activity sheets. The main findings of this study are as follows. The findings about student’s concepts of Projectile are: (1) 97% of students had the concept that to shoot projectile at different angle would affect the flying distance; (2) Students’ responses about the relationship between shooting angle and flying distance could be categorized into four types, in which 63% of students were able to describe the relationship correctly; (3) Some students could not understand how flying distances were influenced by shooting projectile at different angles. The findings about student’s reasoning are: (1) In each prediction and explanation stage, most of students used deductive reasoning; (2) the percentage of using inductive reasoning was 8% in the prediction stage and up to 27% in explanation stage; (3) the percentage of using analogical reasoning was 14% in the prediction stage and down to 8% in the explanation stage. Finally, the findings from cross analyses are: (1) On average, deductive reasoning dominated students’ correct predictions, whereas inductive reasoning dominated their incorrect predictions; (2) The first type of students, who possessed the correct concept of the relationship between shooting angle and flying distance, used deductive reasoning more frequently; (3) The third and fourth types of students, who possessed insufficient concepts about the projectile motion, formed new ideas in the POE activity by observation and used inductive reasoning more frequently.

目錄

中文摘要 ... I

英文摘要 ... II

目錄...III

表目錄 ...V

圖目錄 ... VII

第一章 緒論

... 1

第一節 研究背景與動機... 1

第二節 研究目的與問題... 4

第三節 名詞解釋... 5

第四節 研究範圍與限制... 6

第二章 文獻探討

... 7

第一節 推理的意涵及類型... 7

第二節 POE 策略 ... 20

第三節 拋射體概念... 32

第三章 研究方法

... 39

第一節 研究發展與設計... 39

第二節 研究對象... 46

第三節 研究流程... 48

第四節 資料處理與分析... 51

第五節 信、效度... 55

第六節 初探研究省思... 57

第四章 研究結果與討論

... 61

第一節 拋射體概念... 61

第二節 推理類型與推理依據... 80

第三節 綜合討論... 91

第五章 結論與建議

... 99

第一節 結論... 99

第二節 建議... 102

參考文獻

... 105

一、中文部分... 105

二、英文部分... 108

附錄一：POE 推理活動單 ... 113

附錄二：POE 推理活動晤談大綱 ... 115

表目錄

表 2-1-1 國內外學者對推理的定義 ... 8

表 2-1-2 張春興推理類型分類表 ... 13

表 2-1-3 Driver,Leach,Millar&Scott 推理類型分類表 ... 14

表 2-1-4 Hogan & Fisherkeller 推理類型分類表 ... 15

表 2-1-5 陳祖耀推理類型分類表 ... 15

表 2-1-6 周家卉推理類型分類表 ... 17

表 2-1-7 各學者對於推理類型之分類比較表 ... 18

表 2-1-8 學者對於演繹推理、歸納推理和類比推理的定義... 19

表 2-2-1 國內科學教育 POE 策略之相關研究 ... 25

表 2-2-2 國外科學教育相關期刊 POE 策略之相關研究 ... 27

表 2-3-1 九年一貫課程中與拋射體概念相關的教材內容細目... 34

表 3-1-1 拋射體活動內容與目的 ... 45

表 3-1-2 拋射體推理觀察結果與科學解釋 ... 46

表 3-4-1 原始資料編碼對照表 ... 53

表 3-5-1 三角校正內容說明 ... 56

表 3-6-1 初探研究省思及修正 ... 58

表 4-1-1 學生對拋射體飛行狀況描述的分類表 ... 62

表 4-1-2 學生對拋射體飛行狀況的描述內容統計表 ... 64

表 4-1-3 學生對角度與距離關係的回答類型 ... 66

表 4-1-4 學生在 POE 活動中預測與觀察之作答情形 ... 69

表 4-1-5 各活動中「X」及「X」的次數統計表 ... 73

表 4-1-6 原第一、第二類型學生 POE 活動後之想法 ... 77

表 4-1-7 原第三類型學生 POE 活動後之想法 ... 78

表 4-1-8 原第四類型學生 POE 活動後之想法 ... 78

表 4-2-1 受試學生推理類型分類表 ... 83

表 4-2-2 各活動推理類型次數比率統計表 ... 84

表 4-2-3 預測、解釋階段推理類型統計表 ... 85

表 4-2-4 學生推理依據次統計表 ... 89

表 4-3-1 不同答題情形學生平均使用各推理類型次數統計表... 91

表 4-3-2 學生答題情形與推理類型的關係 ... 93

表 4-3-3 各回答類型使用各推理類型的平均次數 ... 94

表 4-3-4 各回答類型其預測答題次數統計表 ... 95

表 4-3-5 第四類型學生晤談內容（角度越大越近、角度越小越遠）... 96

表 4-3-6 第四類型學生 S20 晤談內容（角度越大越遠）... 97

表 4-3-7 第四類型學生 S25 晤談內容（角度越大越遠）... 98

圖目錄

圖 2-1-1 推理意涵示意圖 ... 10

圖 2-1-2 推理與批判性和創造性思考之關係 ... 12

圖 2-1-3 推理之內涵 ... 12

圖 3-1-1 拋射體實驗裝置 ... 43

圖 3-1-2 拋射體裝置角度調整設計 ... 43

圖 3-1-3 拋射體落地位置比較設計 ... 43

圖 3-3-1 研究流程圖 ... 50

圖 3-4-1 推理意涵示意圖 ... 54

圖 3-4-2 POE 推理實驗推理過程分析架構... 54

圖 4-1-1 學生對角度與距離關係的回答類型圓餅圖 ... 67

圖 4-1-2 學生在 POE 活動中預測與觀察答對人數折線圖 ... 70

圖 4-2-1 推理類型及推理依據分析示意圖 ... 80

圖 4-2-2 預測及解釋階段推理類型比率圓餅圖 ... 85

圖 4-2-3 解釋階段演繹及歸納推理之比率折線圖 ... 86

圖 4-2-4 預測及解釋階段推理依據比率圓餅圖 ... 90

圖 4-3-1 不同答題情形學生平均使用各推理類型次數折線圖... 92

圖 4-3-2 各回答類型使用各推理類型的平均次數折線圖... 95

第一章

第一章

第一章

第一章 緒論

緒論

緒論

緒論

本章共分為四節，分別陳述本研究之研究背景與動機、研究目的與問題，並 對重要名詞予以解釋，最後說明本研究的範圍與限制。

第一節

第一節

第一節

第一節 研究背景

研究背景

研究背景與

研究背景

與

與

與動機

動機

動機

動機

教育是人類發展的基礎、國家社會進步的原動力，在各階段教育的過程中， 人們從中獲取各種知識與技能，並能應用於生活中，藉此培養面對生活中挑戰及 解決問題的態度及能力，但是隨著科技進步的日新月異，社會的快速變遷，教育 改革也成為全球化的趨勢。 Lawson（2004）認為：在一些國家中，發展科學推理的能力，已經成為科學 教育的中心目標。個人在科學領域中，以適當的思考方式，經過歸納、演繹、假 說的邏輯推理歷程，理性客觀地進行探究與驗證，並對結果進行解釋、論證，發 現新事實、新理論或形成結論，這樣的過程就是科學推理（NRC, 2000）。顯見在 科學教育領域中，推理能力逐漸受到重視。 美國的 2061 計畫認為：「科學」就是「探究」，科學教育的目標是培養全民 具有科學素養，並能運用科學過程來解決問題，為達成此教育目標，必須學習科 學的過程技能，培養推理的能力（NRC, 2000）。推理是科學探究過程中的重要能 力，在科學問題的思考過程中，科學家們也經常使用推理的能力來進行研究或建 立理論，例如:宇宙及地球形成的學說、史前時代恐龍滅絕的原因，皆是科學家根 據現有的資料及證據，經過討論、反覆思考而產生的推理，可見推理能力在科學 發展過程中有舉足輕重的影響。 在 2007 年 國 際 數 學 與 科 學 教 育 成 就 趨 勢 調 查 （ Trends in International Mathematics and Science Study; TIMSS）的測驗中，在科學領域的部分，將其測驗

題目依據認知領域（Cognitive Domains）分為三大部份：Knowing（認知）、Applying （應用）、與 Reasoning（推理）。在四年級施測內容的比例為：Knowing（40%）、 Applying（35%）、Reasoning（25%），在八年級施測內容的比例為：Knowing（30%）、

Applying（35%）、Reasoning（35%），顯見在國際知名的科學評量中，推理能力 不僅是評量面向之一，依據學生的認知能力的發展，推理能力在愈高年級，也愈 被強調。由此可知，在科學教育的範疇裡，推理能力逐漸成為學生必須具備的基 本能力。 世界各國教育改革的風潮深深影響台灣，台灣也順應此趨勢潮流，進行一連 串的教育改革，檢討我國教育現況的問題，尋找教育的新方向。受到各國教育改 革的影響，我國於民國六十四年，頒布自然科課程標準，課程內容進行大幅修正 與更新，強調各單元科學方法的應用。民國八十年頒布的課程目標中，期許學生 能主動探究自然現象以及周圍事物，養成發現問題、探究問題及解決問題的能 力；在學習活動中，獲得觀察、實驗等科學方法，藉以啟發其獨立思考與創造發 明的能力（周家卉，2006）。而 Lederman（1998）認為科學探究除了傳統的科學 過程技能，還包含結合科學過程技能與科學知識、科學推理、批判思考以發展科 學知識。在強調探究活動的同時，過程中也能間接培養學生推理的技巧。民國八 十二年修訂的國民小學課程標準中，雖沒有將「推理」明訂在總綱中，但已開始 重視推理能力的培養：希望兒童在面對問題時，能建立猜想、推測、形成假說的 能力（柯啟瑤，1994）。在台灣教育改革的背景之下，科學探究漸受重視，培養 學生具備推理能力在科學教育中也成為重要的課題。 九年一貫課程綱要中的十大基本能力（教育部，2008），其中：主動探索與 研究以及獨立思考與解決問題，在其內容說明中皆提及推理能力對於當今教育的 重要性，可見推理能力亦為九年一貫課程中，需要注意及重視的部分，也是教師 必須培養學生帶的走的基本能力之一。在自然與生活科技的課程綱要中，更加深

入的提到，「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（教育部，2008）。現今實施的九年一貫 課程中，也開始強調推理等科學方法的應用。 在科學教育中，引導學生主動觀察並提出問題，提出問題後進行假設，假設 後進行操作及觀察，在這一連串的科學方法中，其實都涉及學生的推理能力。 Zimmerman（2000）認為：進行科學教學時，發展學生包含學術技能及內容知識 的科學推理技能，才能給學生完整的學習。可見「推理」對於科學的學習有其影 響力，而學生在科學學習的過程中更是離不開推理。推理過程是一種內在思考的 運作，看不見、摸不到，但在自然與生活科技領域的學習過程中，各項實驗的進 行與問題的討論，都與學生的推理能力息息相關，學生推理能力的優劣，也影響 著學生的學習過程及其學習成效。 綜合上述，在教育改革的思潮中，不論是在世界各國或在台灣，推理能力逐 漸受到更多的重視，也成為我國教育的目標之一，而推理能力更是學童必須具備 的基本能力，因此台灣學童推理能力的表現如何，也成為研究者想要探討、研究 的議題。 我國 9-13 歲學童的科學知識在國際間成就輝煌，但存在著一個不可忽視的事 實，即我國學童一般來說缺乏推理的能力（邱美虹，1993）。推理能力對於科學 學習日益重要，也有許多教學策略及學習方法，來提供學生推理的機會及思考的 空間。其中 POE 策略（Predict-Observe-Explain），即是採用 Predict（預測）、Observe （觀察）、和 Explain（解釋）三個步驟，藉由讓學生預測、觀察實驗操作過程， 了解學生思考及概念形成的歷程，然而 POE 策略大部份的相關研究，多著重於 另有概念或概念改變的探討，而研究者認為在 POE 策略三個步驟的過程中，受

試者必須應用既有概念來進行預測，從觀察過程中歸納出規律性，並要運用已知 來解釋並提出看法，這些步驟都涉及受試者的推理思考能力，於是本研究擬以 POE 策略來探討學生的推理能力。 在自然與生活科技領域中，國小階段對於「拋射體」的概念，並沒有特別說 明，但在日常生活中，學童可能操作過類似玩具槍等可發射物品的遊戲，而有過 相關的經驗，但卻沒有在課堂中學習過相關概念。而拋射體的拋射角度與其水平 移動距離，有其一定的規律性，可透過本研究設計之拋射體裝置觀察而得，正因 為國小並未接受過相關課程教學，希望學生透過在本活動中的觀察及其原有的想 法，更能了解學生在面對拋射體活動時，是如何進行思考、推理，並從中獲得學 生對於拋射體的概念及其推理思考情形。 本研究擬以國小五年級學生為對象，利用 POE 策略設計的推理活動及半結 構式訪談，探討學生對於拋射體發射角度及其水平位移的推理思考。期能藉此研 究了解學生推理思考，進而讓教師能在教學中適時介入，協助學生建構出正確的 科學概念，促進學生科學學習的理解能力，進而培養學生進行推理思考的習慣， 提升科學推理的能力。

第

第

第

第二

二

二節

二

節

節 研究

節

研究

研究目的與

研究

目的與

目的與問題

目的與

問題

問題

問題

本研究主要的目的為：運用POE策略及半結構式個別晤談方式，並利用自製 拋射體實驗裝置，探討國小五年級學生對於「拋射體拋射角度與水平位移」關係 的想法，並嘗試探尋這些想法的推理思考情形，提供對於學生「拋射體角度與水 平位移」推理思考更深入的了解。 基於上述研究目的，本研究提出研究問題如下： 一、國小五年級學童在「拋射體拋射角度與水平位移」POE活動中，會使用哪些 推理類型？

二、國小五年級學童在「拋射體拋射角度與水平位移」POE活動過程中，推理思 考情形為何？ 三、國小五年級學童在「拋射體拋射角度與水平位移」POE活動前、後，對於拋 射體拋射角度與水平位移之解釋為何？

第三

第三

第三

第三節

節

節 名詞解釋

節

名詞解釋

名詞解釋

名詞解釋

一、POE策略 POE策略是指在活動過程中，讓受試者進行Predict（預測）、Observe（觀察）、 和Explain（解釋）三個步驟，藉由訪談，了解受試者的想法及科學概念理解的方 法。首先呈現情境，請受試者根據先備知識預測結果，並說明他們預測的理由， 接著學生進行實驗操作並觀察所見之現象，最後對於其預測結果與實驗操作後之 觀察，提出合理的解釋。 二、推理 利用已知的知識、訊息，經過內在動態的、符合邏輯的思考過程，而產生新 的想法、結論，這樣完整的過程，就稱為推理。 三、推理類型 演繹推理、歸納推理，為最基本常見之兩種推理類型，而在學習過程中，我 們經常使用類比的方式來推理至相似的學習情境，於是本研究將推理類型分為演 繹推理、歸納推理和類比推理三種。 四、推理活動 本研究所指「推理活動」，是指根據POE策略所設計的一連串活動。學生在 活動中對於所觀察到的現象，依據自己原有的知識、想法為基礎，推測出結論， 並對推測出的結論做出解釋，此活動就稱為推理活動。

五、拋射體活動 本研究將玩具槍固定於自製的發射台上，發射台能調整擊發方向與水平地面 之仰角，球以不同仰角發射，會影響其飛行距離。本研究裝置可以不同發射角度 發射球體，而其飛行距離會受角度影響，藉此讓學生觀察角度與距離間的規律 性，此活動即稱為拋射體活動。

第

第

第

第四

四

四節

四

節

節 研究範圍與限制

節

研究範圍與限制

研究範圍與限制

研究範圍與限制

本研究之範圍與限制如下： 一、 本研究以質性研究為主，採用個案晤談方式進行，以立意取樣選擇研究者任 教班級為研究對象，台中市某國小五年級共 30 位學生為研究對象，研究對 象範圍有其限制，不宜進行過多推論。 二、 本研究內容針對拋射體以不同仰角發射，觀察拋射角度與水平位移的關係， 並未涉及拋射體其他的力學相關概念，研究結果不宜推論至其他拋射體的相 關概念。 三、 本研究之目的並非形成普遍性原則，而是提供相關教學內容及相關教學對象 時，面對相關之問題情境，提供問題的解釋，研究結果僅適用在本研究設計 範圍內的解釋。

第二章

第二章

第二章

第二章 文獻探討

文獻探討

文獻探討

文獻探討

本章共分為三節，第一節探討推理的意涵及類型，第二節說明POE策略的理 論基礎，第三節說明拋射體概念之相關文獻。

第一節

第一節

第一節

第一節 推理的意涵及類型

推理的意涵及類型

推理的意涵及類型

推理的意涵及類型

一、推理的意涵 推理（reasoning）是一種符合邏輯的思考方式，也是一種複雜的心智能力， 更是獲取新知識的重要學習方法。由已知的資料、訊息來推求結論，或由已知的 答案、結果來推求原因，這樣的思維過程皆稱為推理。張春興（2003）認為推理 （reasoning）是指在思維時遵循某種邏輯法則，由已知的事實或假設條件為基 礎，推演出有效結論，從而對事理間之關係獲得理解的歷程。Rosser（1994）認 為推理是由既有的經驗、舊資料引出新訊息的思考歷程，個體需根據系統性的原 則，在前提間建立起特殊關係。 劉見成、張燕梅（2004）認為，推理是根據幾個互有關係的判斷，合乎邏輯 地推出一個新判斷的過程，它都是由前提（premise）和結論（conclusion）兩個 部份所構成，前提是作為推理根據的已知判斷，而結論則是從前提引出的新判 斷，前提與結論存在一種制約關係，也叫作推論關係。推理並非無中生有的想法， 而是根據已知線索，進行邏輯思考，進而發現事件結果或其間關係的心理歷程， 也被認為是一種普遍的思考方式。 推理過程是一種內在思考的運作，看不見、摸不到，但人們在遇到生活中的 問題時，經常根據已知資料、證據，經由內在思考過程，而針對問題預測結果或 推測結論。日常生活中也經常使用推理能力來解決問題，例如：一早醒來，發現 路面上濕濕的（已知資料、證據），根據這樣的訊息去猜測、推論出結果，可能

是昨晚或清晨時下過雨了（結論），進而在出門時攜帶雨具，以免外出時淋雨（解 決問題），由以上例子可知，推理能力與生活息息相關，更是我們解決日常生活 問題時的一種思考方式。 Angell（1964）指出，推理（reasoning）是人類的一種動態心理活動，它有 四個特點：1.推理是有過程、有目的；2.依據推理目標而採取特定的推理方式； 3.屬於個人的；4.是一種心智（mental）及內心（inward）的活動（引自郭靜芳， 1997）。每個人的推理能力是無可取代的，也是一種個人的行為表現，更是人類 生活在世界上，面對生活周遭問題時，一種必備的邏輯思考能力。 國內外研究者對於推理的定義，有不同的觀點，雖有差異但各有其重要性， 將推理的定義整理如表2-1-1所示: 表2-1-1 國內外學者對推理的定義 提出者 推理的定義 Guilford（1967） （引自蔡佳興，2008） 推理是一種心理能力，推理與收斂思考有關，是個體在 思考解決問題時，根據已有知識，循邏輯規則去尋求正 確答案。 Anderson （1990） 推理是一種人類評鑑並產生邏輯論點的歷程。 Krulik和Rudnick （1993） （引自馬秀蘭，2007） 推理是思考的歷程中，高於回憶之層次，其包含基本的 思考、批判性思考，以及創造性思考。 Rosser（1994） 推理是由既有的經驗、舊資料引出新訊息的思考歷程， 個體需根據系統性的原則，在前提間建立起特殊關係。 Angell（1964） （引自郭靜芳，1997） 推理（reasoning）是人類的一種動態活動，推理是我們 做的一些事，也是一種心理活動，這種活動包括解決問

綜合上述國內外學者對於推理的定義，可知推理是一種心理活動，也是一種 尋求事件關係的歷程，面對問題時，運用本身既有的知識、經驗，進行合乎邏輯 的思考，來解決所遇問題的能力，就是推理。如圖2-1-1推理意涵示意圖所示，利 用已知的知識、訊息，經過內在動態的、符合邏輯的思考過程，而產生新的想法、 題、想出某事。 Spitz（1979） 「推理能力」則是指個體具有使用邏輯規範和將先前所 學經驗運用至新情境的能力。 張春興（2003） 推理是指在思維時遵循某種邏輯法則，以已知的事實或 假設條件為基礎，推演出有效結論，從而對事理間之關 係獲得理解的歷程。 張筱珊（2004） 推理能力是由一個或者幾個已知的判斷（知識）推演出 一個新的判斷（知識）的思維形式。 朱水林（1997） 從邏輯的觀點來看：推理是從一個或幾個已知判斷推出 一個新判斷的思維形式。 涂金堂（1999） 推理能力是屬於一種高層次的認知能力，它能協助個體 清楚的知悉所處環境的因果事件。 王美芬、熊召弟 （1995） 推理是由已呈現的結果（包含觀察到的現象）去推想造 成這種結果的原因為何，進而建構出想法與解釋。因此 推理是將結果做解釋、思考、邏輯分析。而推理和觀察 是並行的，觀察應包括推理，推理包含理性的思考。 黃志賢（1996） 推理思考活動是一種尋求因果關係的心理歷程，推理能 力係指個體具有使用邏輯和先前所學經驗運用到新情境 的能力。

結論，這樣完整的過程，就稱為推理。 輸入 輸出 input output 圖2-1-1 推理意涵示意圖 二、推理的重要性 推理是一種高層次的認知能力，它能協助個體清楚的知悉所處環境的因果事 件，不論是在日常生活中，或是學校的課業表現裡，推理能力都是屬於一種相當 重要的能力（涂金堂，1999）。在學習過程中，推理是一種不可或缺的能力，也 影響著學生的學習效果，推理也被心理學家視為是智力中的一部分，學生在學習 過程中，也經常需要運用其自身的推理能力，進行學習或輔助學習，推理更是解 決問題、學習遷移時，經常會運用的思維方式，因此個人推理能力的優劣，也深 深影響著學生的學習成效。在學校教學中，學生對於數學科的基本概念了解後， 進而應用到相似的題型裡；或經由觀察自然科學的現象中，歸納出重要的結論或 原理，都需要使用到學生的推理能力，這也都顯示出推理能力在學習過程中，是 經常使用而且非常重要的。

美國科學促進協會（American Association for the Advancement of Science，簡 稱AAAS, 1989）提出培養科學過程技能的重要，而科學課程應培養下列八種基本 過程技能：觀察、分類、應用時間空間的關係、應用數字、測量、傳達、預測、

知識、訊

息、資料

結論

想法

1、內在心理過程 2、個人認知能力 3、尋求相互關係 符合邏輯思考

推理，其中提到：「能依據自己的知識或理論，進行邏輯性的推論，以預測可能 發生的事。」，這就是科學推理，推理能力被認為是科學教學中重要的一環（王 美芬、熊召弟，2005；李賢哲、李彥斌，2002；林子育，2007）。推理也是一種 學習過程，在解決問題的歷程中，將新經驗結合舊經驗，或者改變原有的知識結 構，來克服、適應所遭遇的問題。 Hogan 和 Fisherkeller（2000）指出：「我們用推理來建構知識，用知識來推 理」，如果沒有推理能力，科學知識的學習無法進行。許多研究也指出，學生的 推理能力，對於其科學學習表現有其影響力：林福貹、 劉曼麗（2007）將推理 融入自然與生活科技學習領域教學中發現：推理教學可以提高學生學習的效能。 張景媛、陳萩卿（2003）在促進推理思考的認知策略中提到：如果能提升學生推 理思考的能力，也可以直接或間接提升學生解決問題的能力。吳佳玲和張俊彥 （2002）在探討學生地球科學問題解決能力與其先備知識及推理能力關係的研究 中發現：學生問題解決能力和他們的推理能力間關係接近中度相關，並提出建 議：教學中需重視推理能力的培養。Keys（1998）研究六年級學生在進行科學實 驗時，發現科學推理有助於批判、反思、評估證據等科學學習，並能澄清或建構 科學概念。綜合上述研究可見推理能力的運用，不論是在日常生活中，或是在學 生學習上，均占有相當重要的地位。 自從九年一貫課程推行之後，學校教育的教學內容及方法，有了大幅度的改 變，權力下放的概念，讓學校教育漸趨開放，學習以學生為主體，希望培養學生 帶的走的能力，讓學生具備「獨立思考與解決問題」的能力，更是九年一貫課程 中，十大基本能力之一。張春興（1991）指出推理與思考的關係，認為思考的過 程與推理有關，因為在某種目的的問題解決情境中，思考與推理是分不開的。推 理能力是一種個人的邏輯思維方式，正符合獨立思考的含意，而解決問題時更是 經常使用邏輯推理的能力，所以推理能力的發展與培養，正能符合九年一貫的基

本理念。

推理和思考（thinking）有其相通之處，Coles 和Robinson（1989）認為推理 思考兼具批判性思考和創造性思考的思考模式，其中批判思考屬於分析性質，而 創造思考則偏重發散歧異性，兩者均屬於推理思考，且為完成問題解決所必須； 其關係如圖2-1-2所示（引自馬秀蘭，2007）。

圖2-1-2 推理與批判性和創造性思考之關係（Coles & Robinson, 1989） 而Krulik 和Rudnick（1993）的觀點指出，思考意指為孩童能從給予的一組 資訊中，推斷出一個合理的（valid）結論；他們（1993,1999）認為推理是思考的 一部分，而且指出那些思考技能涵蓋推理；推理在思考的歷程中，高於記憶之層 次，其階級由低而高包含基本的思考、批判性思考以及創造性思考，其關係如圖

2-1-3所示。（引自馬秀蘭，2007）。

雖然上述兩組學者對於推理與思考的層次關係並沒有相同的看法，但由此仍 可知推理與思考有密不可分的關係，推理是一種思考的方式，而思考時常運用到 推理的技巧。創造性思考、批判性思考也是現在教育中一直強調的部分，更是學 童必須具備的基本能力。 綜合上述：學生的推理能力和學生學習時建構概念有很重要的關係，建構主 義提到：知識是學生主動建構的，而非被動吸收的，由既有概念、舊經驗來推理、 建構出新知，或由推理思考方式來形成新的概念，都是在學習過程中，學生經由 思考建構知識的歷程，由此可知推理是科學探究活動中重要的思考過程，也顯見 推理能力在科學學習中的重要性。 三、推理的類型 推理是一種邏輯思考的方式，但因為其過程中運思方式的不同，也將推理分 成各種不同的推理類型，而國內外學者對於推理能力的分類有不同看法，從不同 的觀點來進行研究、解釋推理，也將推理劃分為不同類型，為了呈現每位學者對 於推理類型分類的層級關係，以下就文獻中提及之推理類型，以表格方式做整理 說明： 表2-1-2 張春興推理類型分類表 張春興（1991）將推理分為演繹推理（deduction reasoning）、歸納推理 （ induction reasoning ） 以 及 另 一 種 不 按 邏 輯 程 序 的 推 理 - 捷 徑 推 理 （heuristic reasoning）三種。簡單述說如下： 演繹 推理 演 繹 推 理 是 根 據 一 個 普 遍 的 原 理 原 則，從而推導到特定 三 段 論 法 （syllogism） 亞里斯多德首創，它的形式包 括三段：大前提（普遍原則）、 小前提（特定事件）和結論。

事件，最後得到一個 肯 定 結 論 的 思 考 方 法。演繹推理又可分 為 三 段 論 法 及 條 件 式推理兩種。 條 件 式 推 理 （conditional reasoning） 以「若p，則q」的形式說明在 某種條 件下 ，會產 生何種 結 果，這是先決條件，然後再根 據提供的狀況，判斷結論是否 有效。 歸納 推理 歸納推理是根據多個特別事例，進而歸結出一個概括性的共同原 則，用以推論解釋觀察到的現象，並做為判斷的思考方法，但結論 並非絕對，只是一種可能。 捷徑 推理 上述兩項推理方式從思考歷程來看，演繹推理所遵循的是程序法 則，而歸納推理所遵循的則是機率法則。但是人在遭遇到待解決問 題時，不一定會遵照邏輯推理來尋求解答，還有第三種法則稱為經 驗法則。所謂經驗法則，是指根據以往個人在實地經驗中累積出來 的一些思考方法。在問題情境中，個人會根據以往解決類似問題的 經驗中所累積的訣竅去推理思考的方法，稱為捷徑推理。 表2-1-3 Driver,Leach,Millar&Scott推理類型分類表 Driver,Leach,Millar&Scott（1996），利用問題來探究學生對科學知識的 觀點，將學生推理的類型歸納為： 以現象為基礎 的推理： 實驗的目的不在解釋和描述，而是尋找及觀察。 以關係為基礎 的推理： 從資料中形成解釋。解釋是可分等級的，是以關係形式 表示，由可觀察的實體間關係形成。 以概念為基礎 的推理： 理論或模式是用來評價證據的觀點，關係被認為是暫時 性的。

表2-1-4 Hogan & Fisherkeller推理類型分類表

Hogan & Fisherkeller（2000）認為，科學推理通常是科學探究期間發生 的思考過程，學生在獨立思考或小組討論時產生的推理思考方式，有以 下六種： 分析式推理 （analytical reasoning） 針對整體的每個部份（假設、主張、解釋等） 加以檢驗其成分分析的推理。 類比式推理 （analogical reasoning） 藉由比較兩個或多個事物的相似處，來了 解、說明或推理出新事物的顯著特徵。 對話式推理 （dialogical reasoning） 對於事物試著以不同觀點來考慮其架構，並 進行辯証推理，目的在了解對立觀點之強弱。 推論式推理 （inferential reasoning） 連結兩種情況的關係，推論原因及結果的過 程，分為演繹思考及歸納思考。 評價式推理 （evaluative reasoning） 根據某些表面的準則來審定某事的價值或品 質，例如只用這個方法夠不夠？是否還需要 其他方法？並評估其根據的合理性。 整合式推理 （integrative reasoning） 把不同片段的資訊或知識來源整合成一體。 表2-1-5 陳祖耀推理類型分類表 陳祖耀（2003）於「理則學」一書中，對於推理形式之分類整理如下： 直接推理： 從原命題主詞與謂 詞之關係，直接推 加 辭 （Contribution） 加一個名詞於原命題中，作成一個新的命 題。 例如：「羊是動物」→「白羊是動物」。

得一個新的命題， 不需要第三者概念 作媒介。直接推理 又分為兩種： 轉 變 （Transformation） 指變換原命題的質或變換一命題主詞與 謂詞的位置。 例如：「凡馬是動物」→「有些動物是馬」， 「有些馬是白的」→「有些白的是馬」→ 「有些白的不是非馬」。 演繹推理： 是由普遍以推知特殊，是概念的運用。由 三個命題所組成，又叫三段推理或三段論 法。 歸納推理： 由特殊事實以推知普遍原理的一種思維 方法。歸納推理是獲得「經驗知識」的方 法，以經驗為出發點，必須經驗正確，推 理又無錯誤，推理所得結論才能確定不 移。 間接推理： 已知的命題與推知 的新命題，其主詞 謂詞間並無直接聯 繫，必須由第三者 概念居間作媒介。 類比推理： 由特殊事物推知特殊事物的一種推理。亦 即 從 兩 個 特 殊 事 物 間 發 現 其 有 類 似 之 處，由此一事物的真，推知另一事物亦為 真。類比推理雖然很簡單，可說是一種原 始的推理方法，但在人類日常生活中，卻 佔有極重要的地位。 類比推理的應用廣，但其結論只具有蓋然 性，並無必然性。類比推理對於兩事物間 的類似點須為本質屬性，同時要力求多 數，如此推理的結論始可較為正確可靠。

表2-1-6 周家卉推理類型分類表 周家卉（2006）進行國小六年級學童科學推理類型的研究，研究發現國小 學童推理類型可分為以下七類，分別說明如下： 概念推理 指學童運用本身既有的概念進行推理，其中包含了科學家概念 推理及另有概念推理。 邏輯推理 指學童能夠運用邏輯方式進行推理，而此種邏輯推理通常又分 為歸納推理及演繹推理。 類比推理 指學童能將已具備的知識，遷移到另一個新的問題情境中。將 具有相似性的訊息，進行比對，並依此進行推理。包含表面特 徵類比推理和結構特徵類比推理。 實 驗 技 能 推理 指學童能夠運用實驗技能進行推理，可分為為實驗設計。包含 實驗設計推理、變因控制推理以及資料解釋推理。 經驗推理 經驗推理即是指學童能夠運用過去的印象進行推理。包含生活 經驗推理及引述推理。 字義推理 指學童就字面意義來進行推論。 直 觀 知 覺 反應 指學生根據直觀知覺進行判斷。 上述各位學者因其研究方向的差異，理論或觀點的不同，其推理類型的分類 方式也有很大的差異，但由上可知，推理思考的方式並非一成不變，而是可以不 同形式來進行推理思考，再根據其運思方式的特點，再分類為各種推理類型。 表2-1-7整理各學者其分類的方向及其研究的相關內容，來了解其推理類型分 類的由來。

表2-1-7 各學者對於推理類型之分類比較表 提出者 特點 Driver、Leach、 Millar和Scott 利用問題來探討學生對科學知識的觀點，經由學生反映出 的科學理論本質與型態，得到學生對於推理的三種類型。 Hogan & Fisherkeller Hogan 和 Fisherkeller 所提出之推理類型是以科學探究為 背景的思考方式，以科學教學現場為主，而非一般生活中 之推理類型，以學童為特定對象。較適合用來評量學生的 推理能力，而非等同於國小學童的推理類型。 周家卉 探討國小學童在面對科學探究時，所運用之科學推理類 型。以學童觀點出發，以台灣學童為對象，較能符合台灣 國小學童之推理類型。 陳祖耀 以語言中，句型的結構來做為分類的依據，主詞、謂詞之 間是否有其它詞語連接區分為：直接推理、間接推理。依 語詞排列方式將直接推理分為：加辭、轉變；間接推理則 依邏輯思考分為演繹、歸納、類比推理。 張春興 張春興所提之三種推理類型以心理學之概念為基礎，以傳 統邏輯思考方式分類為演繹推理及歸納推理，以及另一種 非邏輯思考的捷徑推理，其推理類型較無特定限制對象。 張景媛、陳萩卿（2003）認為，推理思考在問題解決過程中扮演重要的角色， 不但能幫助個人從複雜問題中理出解題規則，也協助個人評估並判斷外在資訊間 的相關性，逐漸建構有效的問題解決歷程，並將推理思考的類型分為：演繹推理、 類比推理和歸納推理三種。將上述多位學者對於演繹推理、歸納推理和類比推理 的定義，整理如下：

表2-1-8 學者對於演繹推理、歸納推理和類比推理的定義 類型 學者 定義 張春興 根據一個普遍的原理原則，從而推導到特定事件，最後得到 一個肯定結論的思考方法。 演 繹 鄉 普遍 推 特 ， 的 。 Hogan & Fisherkeller 推論 推理 結 的 ，推論原 結 的 ， 演繹思考 歸納思考。 演 繹 及 歸 納 推理 學 方 推理，而 推 理 歸納推理 演繹推理。 張春興 根據 個特 事 ， 而歸結 一個 的 原則， 推論 到的 ， 的思考方法， 歸 納 鄉 特 事 推 普遍原理的一 思 方法。 Hogan & Fisherkeller 比 個 個事 的 ， 、 推理 事 的 特 。 鄉 從 個特 事 一 類 ， 一事 的 ，推 一事 。 類 比 學 鄠的 ， 到 一個 的 。 的 ， 比對， 推理。 學者的 類，演繹推理、歸納推理， 最 推理類型， 而 學 ， 類比的方 推理 的學 ，於 推理類型 演繹推理、歸納推理和類比推理 。

四、小結 推理（reasoning）是一種邏輯思考方式，也是一種複雜的心智能力。根據已 知推求出結論的過程，即為推理。在學習過程中，學生經由推理來建構知識，推 理是科學探究活動中重要的思考過程，更是獲取新知識的重要學習方法，可見推 理能力在科學學習中有其重要性。綜合本節對於推理意涵、重要性、推理類型等 文獻探討，以下整理出三項要點： 1. 推理是一種內在思考的過程，其目的是將各項已知資訊加以整合、連結，推求 出欲知的結論、答案。利用已知，透過符合邏輯的思考，產生新的想法，就稱 為推理。 2. 在生活上或在教育情境中，經常使用推理能力來思考並解決問題。推理是學習 遷移的過程，運用所學的知識應用到相似的學習情境中，就是一種推理能力的 展現。國內、外的學者，均將推理能力視為學生所需具備的基本能力。顯見推 理在科學學習中的重要性。 3. 整理多位學者對推理類型的分類，演繹推理、歸納推理，為常見之推理類型， 另外，學生經常使用類比推理於相似的學習情境，於是本研究將推理類型分為 演繹推理、歸納推理和類比推理三種類型。 基於推理能力的重要性，本研究將以POE策略設計的拋射體推理活動，探討 國小五年級學童的推理能力。

第二節

第二節

第二節

第二節 POE策略

策略

策略

策略

一、POE策略的起源與意義 POE策略（Predict-Observe-Explain）是由White和Gunstone於1992年所提出 的，POE是教學者為了引發學生進行思考活動，探測學生認知概念，所設計之教

學活動策略。 POE策略是由DOE（Demonstrate-Observe-Explain）策略改良而來的，DOE 策略是由美國Pittsburgh大學的Champagne,Klopfer 和Anderson，於1980年時，所 發展設計的研究工具。該工具用於探討學生對於運動力學之想法，DOE策略首先 對學生進行紙筆測驗，再來由教師進行實驗示範（Demonstrate），讓學生進行觀 察（Observe），在觀察前會先讓學生預測結果，最後讓學生回答問題並提出解釋 說明（Explain）。在DOE策略的過程中，並不強調預測的部分，而是將重點放在 教師示範與學生解釋上，反觀POE除了強調預測的步驟之外，更重視在預測-觀察 -解釋的過程中，學生提出解釋及思考的歷程，兩者之間雖然相似，卻仍有其明顯 的不同。Gunstone 和 White認為進行預測的活動，能呈現學生原本的認知架構， 又能引發學生的學習興趣，而預測階段對了解學生概念及提升教學成效具有重要 性，因此將DOE策略設計改良成POE教學策略，以期更富教學成效。（引自許良 榮，2005） White和Gunstone所提出之POE策略，用於探討學生概念改變、引發學生思 考，其主要步驟分為三部分： 1. 預測（Predict）：學生運用其已知的知識背景，去預測教師所展示活動的 結果，並能說明其理由根據，將其紀錄下來。 2. 觀察（Observe）：進行實驗操作，學生對於展示活動的結果進行觀察， 並紀錄下來。 3. 解釋（Explain）：學生對於預測結果與觀察結果之間的差異，提出自己的 看法及解釋。 二、POE的實施與目的 POE策略進行之前，所有學生都必須了解接下來所要進行的預測活動，此時

開放學生詢問相關問題，確保學生在預測前了解活動狀況，再來呈現問題讓學生 對於情境進行預測，並提出理由，此時可以用活動單的方式，協助學生用自己的 話將預測結果及理由紀錄下來。 活動進行時，讓學生各自紀錄他們所觀察到的現象，因為每個學生觀察到的 可能有所差異，如果沒有紀錄下來，學生間可能會互相影響，而導致改變自己的 想法及觀察。 最後讓學生協調預測及觀察結果間的差異，通常學生認為此步驟較為困難， 此時教師必須鼓勵學生思考任何可能性，在這階段中，學生提出來的說明、想法， 都顯示出他們對於事件的理解情形。（White & Gunstone, 1992）

Bruce（2003）提出： POE 策略的進行，可以幫助我們思考幾個方向： 1. 因為書寫POE 活動單需要時間，它可以協助學生慢下腳步，並進行反思－他 們正在做什麼？ 2. 寫下預測的步驟，增加了學生的參與，讓多數學生對真實情境的實驗感到興 趣，尤其是當自己的預測與多數人不一致的時候。 3. POE 策略開啟科學課程或課堂討論對話的機會，可使學生對於有興趣的部分 直接產生互動。 4. POE 策略相關教學活動的各步驟，可提供學生進一步探索科學原理的基礎。 5. POE 可呈現出學生學習活動的整個歷程記錄，可作為進一步研究或非正式評 量的基礎。 實施POE策略的目的是為了瞭解學生在真實情境的問題之下，運用相關知識 來進行預測、觀察和解釋所看到現象的情形。由於POE策略強調學生對真實事件 的預測及預測的理由，與一般測驗相比，對於正確答案與評分的問題是較少強調 的，而是希望學生透過POE的三個步驟表達其真實的想法，同時也讓學生去說 明、解釋他們所提出來的理由。從許多POE策略活動中顯示：學生經常以日常生

活的經驗去支持他們的理由，或者應用跟科學原理相異的觀念去解釋自然界的現 象。運用POE策略能有效地鼓勵學生，應用自己原有的知識概念去進行推理及解 釋，也較能探測出學生在真實情境中的認知結構及應用知識概念的能力（White & Gunstone, 1992）。 在POE的活動中，學生不再只是被動的學習者，藉由三個活動步驟的進行， 學生能主動參與活動過程，並能針對問題積極思考，更能提高學生的參與及興 趣。運用POE 策略能有效地鼓勵學生應用自己原有的知識概念去進行推理及解 釋，也較能探測出學生在真實情境中的認知結構及應用知識的能力（White & Gunstone, 1992）。綜合上述，藉由POE策略的實施，提供學生一個真實情境的問 題，使其能應用所學知識來進行思考、推理，藉此了解學生的思考過程，評估學 生的理解及概念，也能提高學生的學習參與及興趣。 三、POE 的原則

White 和 Gunstone（1992）在Probing understanding一書中提到，在選擇適合 的情境問題來實施POE時，要考慮下列原則： 1. 要提供一個能以個人理解，可以進行推理、預測的情境或實驗，純粹只是猜測 是沒有意義的。 2. 要提供真實情境與問題，才有助於POE 的效果；否則至少要提供學童一些支 援的線索或說明。 3. 要讓觀察是直接可行的，也就是觀察的實驗結果是清晰可見的。 4. 可以用選擇或勾選的方式，提供幾種可能的情況讓學童做預測，或採用開放的 反應模式，讓參與者自己表達想法。 POE策略進行的過程中，預測-觀察-解釋的每一個步驟，都必須說明清楚， 讓受試者了解活動進行的內容，此時教師的角色相當重要，需運用適當的引導及

發問技巧，扮演領導者指引著學生，讓學生成為學習的主角，鼓勵學生用已知概 念去思考推理，詳細觀察現象的結果，過程中必須有充分的時間，讓學生能確實 完成每一步驟，並能清楚的表達出真實想法，藉由教師的積極參與及協助，才能 讓學生在活動進行中，符合POE策略的原則。 四、POE 的優點 POE策略讓學童根據已知的科學知識，對科學現象進行預測，然後觀察實驗 之進行，再對所觀察到的結果提出適當的解釋，過程中學生對於個人原有知識架 構與科學現象結果不同時，必須重新調適、組織，以形成新的知識概念，因此， POE 策略具備下列優點（White ＆ Gunstone，1992）：

1. 聚焦於特定概念，可用來探究單一知識的本質。 2. 可以覺察受試者本身既有的概念或信念。 3. 適合用來進行診斷性評量與形成性評量，協助了解學習狀況。 4. 可以了解受試者對於現象與概念之間關係的認知。 5. 可以呈現受試者在面對認知衝突時，是如何調適。 五、POE相關研究 國內外已有許多POE策略的相關研究，本段摘錄國內外數篇有關POE的實徵 性研究，簡要敘述其研究重點及研究發現，以了解POE 策略的運用及成效。國 內POE相關實徵研究，選自國內科學教育相關之學術期刊及近十年之科學教育研 討會論文，國外的POE相關研究則取自國外科學教育相關期刊或相關書籍中。 POE策略多應用於「另有概念」、「迷思概念」等探討學童概念形成或發展 等相關議題（許良榮、劉政華，2004；王盈琪、王美芬，2006；Methembu,2001）。 而近十年來在國內外文獻中，有較多結合POE策略與多媒體或電腦模擬之研究

（楊凱悌、邱美虹、王子華，2009；Kucukozer,2008；Zacharia,2005），也開啟了 POE研究另一個發展方向。另外也有將POE應用於探討其對學生學習成效之影響 （吳穎沺、蔡今中，2005；Liew & Treagust,1998）或應用於探討學生科學解釋的 能力（許良榮、羅佩娟，2009）或探討學生小組學習談話情形（Kearney, 2004） 等，顯見POE策略在科學教育研究領域中，應用十分廣泛、多元。相關研究整理 如下表： 表2-2-1 國內科學教育POE策略之相關研究 研究者 研究對象 研究重點 研究結果 楊 凱 悌 邱 美 虹 王 子 華 （2009） 國小高年 級學童 數位影音 數位影音數位影音 數位影音融入 POE 教學策 略，探究國小高年級學童對 於脊椎動物分類之另有概另有概另有概另有概 念 念念 念。並應用於改善其另有概 念的效益情形。 國小高年級學童對於脊椎動 物之分類，產生許多另有概 念；透過數位影音融入 POE 教學有助於改善有助於改善有助於改善其對脊椎動有助於改善 物分類之另有概念另有概念另有概念另有概念。 吳 穎 沺 蔡 今 中 （2005） 國小五年 級學童 整合了 POE 策略與「「「「衝突衝突衝突衝突 圖 圖圖 圖」」」」的建構主義式的科學學的建構主義式的科學學的建構主義式的科學學的建構主義式的科學學 習 習習 習活動活動活動對於國小高年級學活動 生認知結構的影響，並探討 其對概念學習成效概念學習成效概念學習成效的影響。 概念學習成效 學習者在認知結構中「概念 的數量」與「概念間的連結」 均 獲 致 較 佳 的 科 學 學 習 成 果；有效促進促進促進學習者「電與促進 磁」單元的核心概念學習概念學習概念學習概念學習。 許 良 榮 劉 政 華 （2004） 國小六年 級、國中 二年級與 高中二年 級學生 藉由 POE 策略及事例晤談 方式，探討學生的探討學生的探討學生的探討學生的「「「「溶解溶解溶解」溶解」」」 概念之形成與發展 概念之形成與發展概念之形成與發展 概念之形成與發展，研究對 象包括小六、國二以及高二 學生。 生活經驗與學校經驗是學生 溶解概念發生的重要來源之 一，在低年級，生活經驗有 重 要 的 影 響 ， 隨 著 年 級 升 高，學校經驗影響越顯重要。

許 良 榮 羅 佩 娟 （2009） 教育大學 學生（理 工背景、 非理工背 景） 發展序列性 POE 實驗，探 討學生對於自然現象之科科科科 學解釋能力 學解釋能力學解釋能力 學解釋能力以及解釋一致解釋一致解釋一致解釋一致 性 性性 性的特徵，探討先備知識與 科學解釋能力的關聯性。 學生解釋時，不易以合乎邏 輯的科學思維，將現象的因 與果互相關連起來。理工背 景學生先備知識高，但科學 解釋不一致的比率卻較高。 許 良 榮 （2005） 序列性 POE（Sequential-POE） 是由實際教學發現問題，由 教學問題設計研究，探索學 生在「科學解釋科學解釋科學解釋」的本質與科學解釋 問題。 以相關連的實驗組成的序列 性 POE，應能有效深入探討 學生如何應用既有知識與概 念，以及探索學生如何組織 概念以提出科學解釋。 王 盈 琪 王 美 芬 （2006） 國小三年 級學童 利用 POE 策略探討學童光 的迷思概念迷思概念迷思概念與教學前後概迷思概念 概概概 念改變 念改變念改變 念改變之成效。 研究結果發現：POE 策略有有有有 助於修正學童迷思概念 助於修正學童迷思概念助於修正學童迷思概念 助於修正學童迷思概念，使 其轉變為正確之科學概念。 葉 淑 華 江 新 合 （2002） 高中三年 級學生 本研究旨在透過應用 POE 策略式晤談的方式探究高 三學生的迷思概念，結合結合結合結合 「 「「 「POE 策略策略策略策略」」」及」及及「及「「「放聲思放聲思放聲思放聲思 考 考考 考」」」」的精神的精神的精神的精神。 促使學生對自己以往學習物 理的方式產生反省，引導學 生學習深度和多樣的觀察、 提問和思考方法，有助於深 入探究學生的迷思概念探究學生的迷思概念探究學生的迷思概念探究學生的迷思概念。 葉 辰 楨 （2000） 國中一年 級學生 應用 POE 策略於國中生物 科的單元教學，希望能提昇提昇提昇提昇 學習者參與 學習者參與學習者參與 學習者參與，，，獲得較佳之學，獲得較佳之學獲得較佳之學獲得較佳之學 習成效 習成效習成效 習成效。。。 。 發現 POE 有助於了解學習者 先前概念，並提昇其觀察與 表達想法的能力，也有助於 教 學 活 動 與 生 物 概 念 的 整 合。

表2-2-2 國外科學教育相關期刊POE策略之相關研究 研究者 研究對象 研究重點 研究結果 Gunstone & White （1981） 大學生 針對八個物理情境，依照預 測、觀察、解釋的步驟，探 究學生重力及相關力學概 念。 「預測」活動可以反應學生 原本的認知結構，也能提高提高提高提高 學習動機 學習動機學習動機 學習動機，將 DOE 策略改良 為 POE 教學策略。 Searle & Gunstone （1990） 大學生 基於建構主義的觀點，設計 一套 POE 教學模式，透過 訪談來探究大學生電學的 另有概念 另有概念另有概念 另有概念及概念改變概念改變概念改變歷程概念改變 之行動研究。 POE 有其成功之處，但要學 生進行長期性的概念改變是 困難的過程，研究者推論這 是因為學生對於「概念是否 改變」缺乏知覺所導致。 Palmer （1995） 職前教師 和小學生 讓受過相關訓練的職前教 師，到小學去實施、評量 POE 活動，並從學生的回 饋去評估小學實施情形與 評量 POE 技術。 職前教師對 POE 有正向評 價 ： 可 以 確 認 學 生 了 解 程 度、過程技能的發展，是一 項適用於小學科學教學的技 術，學生也熱衷於 POE 活動。 Fekete & Walker （1997） 大學生 利 用 網 路 教 學 資 料網 路 教 學 資 料網 路 教 學 資 料網 路 教 學 資 料 庫庫庫庫 的 POE 活動 和演示實驗，探 討大學生對熱概念學習及 其學習動機。實驗組進行互 動式教學，對照組接受傳統 的講述式教學。 研究發現，實驗組學生比對 照組更能夠指出課程中的物 理知識與生活經驗的關連， 學生認為 POE 活動讓他們感 到有趣、興奮、有挑戰性、 有收穫，並能引發思考。 Liew & Treagust 9〜12 年 級學生 探討 POE 策略對於診斷學診斷學診斷學診斷學 生科學概念的理解 生科學概念的理解生科學概念的理解 生科學概念的理解與確認 POE 有 助 於 診 斷 學生 對 科有助於診斷學生對科有助於診斷學生對科有助於診斷學生對科 學概念的理解 學概念的理解學概念的理解 學概念的理解，也能確認教

（1998） 其 學 習 成 就 呈 度 之 有 效 性，確認學生學習成就的層 次。 師 的 教 學 或 學 生 的 學 習 成 效。也能參考 POE 策略，進 行概念改變概念改變概念改變概念改變的教學設計。 Monaghan & Clement （1999） 中學生 將POE策略結合 電腦模擬電腦模擬電腦模擬電腦模擬 技術，探討學生對於相對運 動的概念。 發現學生經由線上電腦模擬 的互動，能促進學生在相關 問題上適當的心智模擬。 Methembu （2001） 11 年 級 學生 設計以建構主義為基礎的 POE 教學策略，診斷學生診斷學生診斷學生診斷學生 的先備知識及另有架構 的先備知識及另有架構的先備知識及另有架構 的先備知識及另有架構，並 提供教師針對這些另有架 構，設計適合的教學策略。 教師可以應用 POE 策略，設 計以學生觀點為出發的學習 活動，POE 能促進學生有意 義的學習。 Kearney, Treagust, Yeo & Zadnik （2001） 10、11 年 級學生 將 POE 策略融入融入融入融入電腦多媒電腦多媒電腦多媒電腦多媒 體輔助教學 體輔助教學體輔助教學 體輔助教學中，探討學生對 於力與運動的概念，並探討 師生對電腦化 POE 策略的 看法。 研究結果顯示：POE 策略融 入電腦多媒體，能增進學生 在科學課程中進行有意義的有意義的有意義的有意義的 學習 學習學習 學習。 Russell, Lucas & McRobbie （2003） 11 年級 POE 策略結合微電腦為基微電腦為基微電腦為基微電腦為基 礎的實驗 礎的實驗礎的實驗 礎的實驗（（（（MBL）））），探討 學生與教師互動的情形及 學生建構物理概念知識的 過程。 MBL 結合 POE 策略可挑戰 學生的先前概念，提供學生 機會建構科學性的理解建構科學性的理解建構科學性的理解，有建構科學性的理解 助於促進概念改變，促進學促進學促進學促進學 生知識 生知識生知識 生知識理解之建構理解之建構理解之建構。 理解之建構 Kearney （2004） 10、11 年 級學生 利 用 以 多 媒 體多 媒 體多 媒 體多 媒 體 為 基 礎 的 POE 策略，在社會建構的 以多媒體為基礎的 POE 策 略，能支持學生同儕間的學

學習情境，探討學生小組學探討學生小組學探討學生小組學探討學生小組學 習談話情形 習談話情形習談話情形 習談話情形。 習對話，特別是在 POE 策略 中預測、推理、觀察的階段。 Zacharia （2005） 科學教師 （ 研 究 生） POE 策略結合互動式電腦互動式電腦互動式電腦互動式電腦 模擬，探討科學教師如何建建建建 構其科學解釋 構其科學解釋構其科學解釋 構其科學解釋，藉由其解釋 確認其概念理解情形。 對於科學教師科學性解釋科學性解釋科學性解釋科學性解釋的 品質有正向的影響，有助於 精 緻 化 教 師 們 的 解 釋 與 推 理。 Kucukozer （2008） 職前科學 教師 結合 POE 策略及 3D 電腦建電腦建電腦建電腦建 模程式 模程式模程式 模程式，探討職前科學教師 對於季節與月相的迷思概 念及概念改變的情形。 使用 POE 策略及 3D 電腦電 腦建模程式，在教學前對季 節與月相有迷思概念時，對 於概念改變有其成效概念改變有其成效概念改變有其成效概念改變有其成效。 綜合上述研究，POE策略廣泛應用於各科學領域及各學習階段之學生，給本 研究之啟示整理如下： 1、 POE 是一種有效的教學策略，將 POE 融入教學中，能提升教學成效，教師對 此持有正向看法。 2、 POE 策略能幫助教師探知學生科學概念的理解情形，了解學生的先前概念、 另有概念，促進學生的概念學習理解。 3、 POE 策略是概念改變教學的有效方法，亦可探測學生的迷思概念或概念改變 的過程。 4、 學生認為 POE 策略是有趣的、跟生活相關的，能引發學習興趣。 5、 部分 POE 策略與資訊科技整合來協助學生進行有意義的學習。 大多數研究將POE用以探討概念理解、概念形成，但研究者認為在POE三階 段的步驟中，其實也提供學生應用其推理思考的機會，且結合POE及推理的相關 研究目前不多。且上述國內、外研究中，研究對象多是以中學以上學生為多，以

國小學生為研究對象比率較低，於是本研究擬以國小五年級學生為研究對象，並 將POE策略應用於探討學生推理思考的情形。 六、POE策略與推理 Zachria（2005）的研究以 POE 策略結合互動式電腦模擬，探討科學教師如 何建構其科學解釋，並認為 POE 有助於精緻化教師們的解釋與推理。張美玉、 吳玉明（1999）根據學生在課堂上的實際表現，發現學生進行解釋與推理活動的 方式，有以下五種： （ㄧ）以重新建構的概念進行解釋與推理。 （二）相互辯證解釋，釐清概念。 （三）依舊經驗進行解釋與推理。 （四）以課外獲得的知識進行解釋與推理。 （五）根據實驗結果進行解釋與推理。 在POE策略的解釋階段，學生藉由建構解釋的過程中，個人其實也在運用其 推理能力進行思考，以心中形成的概念來進行解釋與推理，可見解釋是推理能力 的具體展現方式之一。在進行POE策略：預測、觀察、解釋三個步驟中，也都涉 及受試者推理能力。在預測階段：學生能以已知資訊，對於展示情境的結果進行 推測。觀察階段：在這個部分，學生能從展示情境中找尋規律性，歸納、形成自 己的想法、結論。解釋階段：面對認知衝突或所觀察到的結果，能利用已知進行 思考加以解釋，提出自己的看法。 POE策略能提高學生參與，也能了解學生的真實想法，而其過程中受試者也 必須運用推理能力來進行思考。Hogan 和 Fisherkeller（2000）指出：「我們用推 理來建構知識，用知識來推理」。對照至本POE推理活動的過程中，學生運用其 推理能力及活動中觀察活動所見，在解釋階段建構出自己的想法，正如上述「用

推理來建構知識」；而後學生可再運用過程中形成之想法，在預測階段進行推理 思考，預測下一個活動的結果，正如上述「用知識來推理」。由上可知，POE策略 用於探討推理是具體可行的，於是本研究擬採用POE策略設計推理活動來探討學 生的推理思考，並了解學生在過程中對拋物體概念的想法。 七、小結 Palmer（1995）認為POE是一種可以確認學生科學概念理解的方法，從其研 究中發現，學生對於POE活動抱持高度參與、興趣，藉由POE可以發展過程技能 及確認知識理解，也能促進學生對於科學抱持正向的態度。Gunstone 和 Mitchell （1998）也提到此教學方式能營造極高的概念學習情境，讓學生能有比較多的時 間去思考概念間的關係。綜合本節對於POE起源、實施、優點及相關研究等文獻 探討，以下整理出四項要點： 1. POE策略是由DOE策略改良而來，POE策略能探測出學生的認知結構及應用知 識概念的能力，並能引發學生學習興趣。 2. POE策略的三個階段，預測、觀察、解釋的每一步驟，學生都必須清楚自己要 做什麼，學生是學習的主角，教師則提供適時引導。 3. 運用POE 策略能有效地鼓勵學生應用自己原有的知識概念去進行推理及解 釋，POE提供學生運用推理思考的機會。 4. 由國內外研究中發現：POE策略與推理結合的研究較少，且少以國小學生為研 究對象。 POE推理活動中，學生運用其推理能力及活動中觀察活動所見，在解釋階段 建構出自己的想法，而後再運用形成之想法在預測階段進行推理，POE提供學生 運用推理思考的機會。本研究擬結合 POE 策略及推理活動，探討國小五年級學 生的推理思考，期能對於學生推理思考的了解能有所貢獻。

第三節 拋射體概念

一、概念的意義 歐陽鍾仁（1987）認為：概念是一種認知過程的形式，以思想的本質、觀點、 以及物體間的關係為特徵，使個體能夠做比較、概括、抽象及理解的活動。黃台 珠（1984）則認為：概念是對同類事物的各種經驗，而形成的概括性認識，是人 類思考和瞭解的工具，也是學習的基本單位。「概念」是個人依其文化背景來表 達的實體（reality），每個人都在建構自己的實體，因此個人對「概念」的認知、 暸解及詮釋會有差異（王美芬、熊召弟，1995）。由上可知，概念是學習的基礎， 是從學習或經驗中得來，也是人類思考的工具，而每個人對「概念」的認知會有 所差異。 在各個領域中，不同的學者專家也給予「概念」不同的意義，以心理學領域 的行為及認知兩學派而言，行為學派認為概念為一群能產生某特定反應之相同刺 激，而認知學派則認為概念為一心智活動（黃台珠，1984）。張春興（1994）在 其教育心理學一書中提到：心理學家Piaget（1964）的認知發展論認為個體會運 用基本行為模式來對環境做出反應、獲取知識，為了適應環境而改變認知結構的 歷程，其方式有兩種：同化（assimilation）及調適（accommodation）。同化是指 遭遇到問題，會先將新經驗或新事物納入已存在的認知結構中；而調適是指既有 的認知結構不足以同化新的知識時，個體必須改變原來的認知結構以符合環境的 要求。在本研究POE推理活動中，學生對於拋射體概念的預測、解釋，也會有類 似的情況，若學生對此概念有一定的了解，則會以既有的想法，用同化方式來進 行思考；若學生發現，活動觀察到的結果與心中所想像的不符合，學生則可能會 產生調適，改變原有的想法而形成新的看法。所以在本研究中，學生未進行POE 推理活動之前，對於拋射體概念的想法，也成為本研究欲探討的部分之一，如此 才能掌握學生先有的拋射體概念與其推理思考的關係。

朱水林（1997）提到：概念之間存在著不一樣的關係，明確概念之間的關係， 對於我們正確把握概念，做出恰當的判斷，進行正確推理都是非常重要的。對於 某種概念有一定的認識及了解，才能運用此概念來進行推理，可見概念及推理有 其關連性。概念是思維形式最基本的組成單位，有了概念才能構成判斷，而推理 則是由判斷構成，因此，如果概念出了問題，那將波及判斷和推理，思維就不能 正確（朱水林，1997）。陳祖耀（2003）：對於事物的性質或關係，在思維中有 所論定，則稱為判斷，當我們下判斷時，已有推理作用在內，推理乃是由概念與 概念間，間接推得其關係。劉見成、張燕梅（2004）提出概念有三個主要的作用： 1. 概念是思維活動的基本單位，是組成判斷和進行推理的基本要素。 2. 概念是人們認識事物的總結，是對事物進行抽象、概括的結果。 3. 概念可以幫助人們認識事物的同一性及其與其他事物的差異性，亦即具有將同 類事物概括起來，將不同類事物區別開來的作用。 由上可知，概念是進行推理的基本要素，若心中無任何概念，推求出的結果 只是一種猜測，而無法進行推理思考，所以在本研究中學生對拋射體持有的概 念，將會影響其在推理活動過程中其推理思考的情形。學生以什麼知識來進行推 理，經由推理又產生什麼想法，都是本研究探討的重點。 二、九年一貫課程中拋射體相關概念 本研究之實驗設計在讓學生推理拋射體其發射角度與水平位移之關係，因為 單純針對拋射體為主之研究較少，於是本部分文獻探討擬以力學與運動學概念之 角度，來說明拋射體運動的相關概念及其歷史演變，以及拋射體概念在九年一貫 課程中之相關內容。 Keeports（2000）提出，學生藉由觀察日常生活中的物體，歸納、推斷出他 們的想法，而發展出個人的運動理論 （personal theories of motion）。林清涼與戴

念祖（2004）認為力學與生活關係密切，所以在學習物理時，首先必須先學習力 學。全中平認為（1996）力與運動的概念是相互影響，並為一整體的概念架構。 由上可知，力與運動的概念與生活經驗習習相關，而本研究的拋射體也是力與運 動概念中重要的主題之一，雖然在國小階段並沒有相關的課程做深入的介紹，但 學生在生活中經常也有觀察到拋射體的經驗，例如：類似玩具槍等有發射物品的 玩具，其發射的物品發射後即是呈現一種拋射體運動，或者投籃或丟擲球類等運 動，也是拋射體運動的一種。 九年一貫課程中，力與運動的概念佔有不少份量，也是國、高中學習物理時 的重要內容，而本研究的拋射體涉及力與運動的概念，在拋射體運動的教學中， 一般是以動力學的方式來說明，將拋射體飛行的斜向速度依據其拋射角度，分解 為垂直與水平兩分量，以水平、垂直方向來描述拋射體運動，故物體在水平方向 是作等速度運動，在鉛直方向以垂直速度出發後，因受地心引力影響而做等加速 度運動。拋射體的運動情形也受其斜向初速度及拋射角度所影響，因為其相關概 念較為抽象複雜，且涉及三角函數及數學方程式的計算，所以在國小階段並沒有 提到拋射體的概念。九年一貫課程中雖未有直接提及拋射體概念的內容細目，仍 有與拋射體相關的概念，為了解與拋射體概念相關的教材內容細目，以下整理九 年一貫課程中相關的內容（包含國中階段）： 表2-3-1 九年一貫課程中與拋射體概念相關的教材內容細目 課 題 主 題 次 主 題 主要內容 教材內容細目 年 級 壓力 2b.利用壓力可以推動物體（例如用筆管吹紙 團、擠壓裝水的寶特瓶）。 3.4 物體的 位置 2c.知道要表達物體的「位置」，應包括座標、 距離、方向等資料。 3.4 自 然 界 的 作 改 變 與 平 215 運 動 與 力 _速度 3d.運用時間與長度，描述物體運動的速度。 5.6