幼兒的科學探究能力發展情形：大班幼兒參與科學探究模組之研究

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(1)國立臺灣師範大學理學院科學教育研究所碩士論文 Graduate Institute of Science Education College of Science. National Taiwan Normal University Master’s Thesis. 幼兒的科學探究能力發展情形：大班幼兒參與科學探究模組之研究 A Research of Kindergarten Children’s Development of Scientific Inquiry Abilities during a Science Inquiry Module 徐菀娸 Wan-Chi Hsu 指導教授：吳心楷博士 Advisor：Hsin-Kai Wu Ph.D 中華民國 109 年 9 月 September 2020.

(2) 謝辭一開始著手這篇論文的動機是我的兒子，本身為數學教師，在有了另一個新身分後，不可避免的會開始關注更多幼兒階段的科學和數學教育。所以，很感謝我的指導教授吳心楷老師給我這個機會，加入科技部特約計畫，讓我可以更了解幼兒的科學教育。也很感謝婆家和娘家家人的支持，在我資料蒐集和論文撰寫的時候，幫忙照顧我的兒子，讓我可以有更多時間去完成論文。在整個資料蒐集和論文撰寫的過程中，畢竟原本的專業領域是在國中階段，對於幼兒階段的教育非常陌生，所以很感謝計畫的另一位主持人辛靜婷老師，給予我很多幼兒教育方面的指導和幫助。在資料蒐集和分析的過程中，碰到許多難關和挫折，但很感謝團隊中的頌沛學長、助理郁琳、欣穎姐幫助我順利完成。另外，也很感謝研究對象所處的幼兒園、幼兒和教師的配合，讓我可以完整的收集到幼兒的測驗表現和課堂表現相關資料。也特別感謝辛靜婷老師、吳心楷老師和方素琦老師擔任我的口試委員，並給予我許多建議和指導，幫助我完善論文。也感謝百興學長在我報 Proposal 前，和頌沛學長給我許多建議。總之，完成論文的路上受到許多人幫助，我真得很感恩。最後，希望此篇研究可以幫助到對幼兒的科學教育有興趣及熱忱的教育工作者。對幼兒來說，在幼兒園就可以接觸到科學活動是一件很有趣的事情，而幼教老師也不用太害怕，就算不是科學背景那又怎樣，只要教師願意去進行，現在有很多管道和網路資料可以提供幫助。. 徐菀娸謹誌民 109 年 9 月臺師大 I.

(3) 摘要幼兒擁有強大的好奇心，他們會積極主動去探索周遭的世界，教育工作者應該提供讓幼兒可以透過科學探究的方式主導自己學習的機會，因此在幼兒園實施科學探究課程來學習科學知識確實有其重要性。故本研究希望讓幼兒透過參與專題導向科學探究模組的方式，提升其科學探究能力的表現，以此回應兩項研究問題： 1.幼兒在探究模組實施前後，科學探究能力的表現與改變情形分別為何？2.在進行探究模組中，教師採取哪些教學策略協助幼兒發展科學探究能力？本研究採混合設計，蒐集 28 位大班幼兒（平均年齡：6 歲）科學探究能力測驗的前後測表現，以科學探究能力編碼表評分，再進行統計分析；以及蒐集幼兒於科學探究模組的課室觀察，以教師教學策略分析表探討教師所使用的教學策略，並以科學探究能力編碼表評估幼兒的探究能力表現。本研究發現：1.幼兒在科學探究能力測驗的整體表現上有進步，但就本研究所涵蓋的六項探究能力來看，幼兒的系統性觀察、規劃、操作和實驗能力在後測的表現有進步；實驗和分享能力則無證據顯示幼兒有進步。 2.在課堂中，教師最常使用探詢、直述、以及對比與比較幫助幼兒進行系統性觀察。當幼兒以小組的方式進行實驗時，教師會適時採取介入協調和從旁指導協助幼兒完成實驗。另外，教師會使用示範和從旁指導的方式協助幼兒操作計時器進行測量。最後，教師會以提示簡答和探詢的方式，幫助幼兒以階段性的方式向全班分享該組實驗結果。另外，本研究結果亦顯示，在專題導向的科學探究模組下，幼兒可以透過教師的引導與協助，培養科學探究能力。. 關鍵詞：幼兒科學、科學探究能力、科學探究模組、教學策略. II.

(4) Abstract Young children are full of curiosity, and they can explore proactively the world. Educators should provide opportunities for young children to lead their own learning through scientific inquiry. It is indeed important to implement an inquiry-based learning module in kindergartens. Therefore, this study investigates how young children develop their scientific inquiry abilities through participating in a project-based scientific inquiry module, in response to two research questions: 1. Do young children improve their scientific inquiry abilities after the inquiry module? 2. What instructional strategies do the teacher adopt to help young children develop scientific inquiry abilities during the inquiry module? This study is mixed methods data analysis, which collected and analyzed the pre- and post-tests of twenty-eight 6-year-olds young children’s inquiry abilities assessment, and classroom observations of teacher-children interactions during the inquiry module. The results show that young children progressed in the overall performance of the inquiry abilities assessment. Among the six inquiry abilities measured, the performances of "making systematic observations", "making a plan", " employing equipment and tools", and "measuring" abilities were improved in the post-test; however, children did not perform better in "experimenting" and "sharing" abilities. Additionally, during the inquiry module, the teacher often used strategies of probing, lecturing, and comparing and contrasting to help young children make systematic observations. When young children conducted experiments in groups, the teacher intervened, coordinated, and guided them to complete the experiments. The teacher also used demonstrations and guidance to assist young children in employing the timer for measurement. Furthermore, the teacher used questioning and probing to help young children share their experimental results sequentially. The results of this study suggest that with sufficient teacher support and a well-designed learning module, young children can develop important inquiry abilities and show progression throughout the module.. Keywords：kindergarten science、inquiry abilities、inquiry module、instructional strategies. III.

(5) 目次第壹章緒論 ……………………………………………………………………..… 001 第一節、研究背景與動機 …………………………………………………..… 001 第二節、研究目的與問題 …………………………………………………..… 004 第三節、名詞釋義 …………………………………………………………..… 005 第四節、研究範圍與限制 …………………………………………………..… 006 第貳章文獻探討 ………………………………………………………………..… 007 第一節、幼兒的科學教育 …………………………………………………..… 007 第二節、科學探究能力 ……………………………………………………..… 013 第三節、教學模式 …………………………………………………………..… 025 第四節、教師教學行為 ……………………………………………………..… 033 第參章研究方法 ………………………………………………………………..… 040 第一節、研究設計與流程 …………………………………………………..… 040 第二節、研究對象與環境 …………………………………………………..… 044 第三節、科學探究模組設計 ………………………………………………..… 045 第四節、資料來源與蒐集 …………………………………………………..… 052 第五節、資料分析 …………………………………………………………..… 058 第肆章研究結果 ………………………………………………………………..… 073 第一節、幼兒前後測探究能力測驗之表現情形 …………………………..… 073 第二節、科學模組中，幼兒探究能力表現與教師教學策略使用情形 …..… 091 第伍章結論與建議 ……………………………………………………………..… 116 第一節、討論 ………………………………………………………………..… 116 第二節、結論 ………………………………………………………………..… 120 第三節、建議與未來研究方向 ……………………………………………..… 122 參考文獻 ………………………………..………………………………………..… 124 附錄 ……………………………………..………………………………………..… 128 IV.

(6) 表次表 2-1-1 國內幼兒科學表現的相關研究 …...………………..…………………..… 009 表 2-2-1 科學過程技能 …...…………………………………..…………………..… 013 表 2-2-2 科學探究基本能力 …...……………………………..…………………..… 015 表 2-2-3 NSTA 八項科學實務 K-2 能力敘述 …...………..…..…………………..… 017 表 2-2-4 本研究之科學探究能力 …...……………..……..…..…………………..… 022 表 2-2-5 本研究之科學探究能力與科學過程技能、科學探究能力、科學實務和十二表 2-2-5 年國教自然課綱之關係 …...……………..……..…..…………………..… 023 表 2-4-1 本研究之教學策略與參考依據 …...………………..…………………..… 037 表 3-3-1 模組教學目標與涉及之科學探究能力 …...………..…………………..… 049 表 3-4-1 科學探究能力測驗題目範例 …...…………………..…………………..… 055 表 3-5-1 科學探究能力編碼表評分等級範例 …...…………..…………………..… 061 表 3-5-2 教師教學策略分析表 …………………...…………..…………………..… 068 表 3-5-3 探究能力與教學策略之模組實際範例 .....………..…………………..… 071 表 4-1-1 幼兒於科學探究能力測驗前後測整體表現之無母數檢定 …………...… 073 表 4-1-2 科學探究能力測驗各項探究能力表現結果之無母數檢定 …………...… 074 表 4-1-3 幼兒於系統性觀察能力的表現情形 …...…………..…………………..… 075 表 4-1-4 幼兒於規劃能力的表現情形 …………...…………..…………………..… 079 表 4-1-5 幼兒於實驗能力的表現情形 …………...…………..…………………..… 081 表 4-1-6 幼兒於操作能力的表現情形 …………...…………..…………………..… 083 表 4-1-7 幼兒於測量能力的表現情形 …………...…………..…………………..… 085 表 4-1-8 幼兒於分享能力的表現情形 …………...…………..…………………..… 088 表 4-2-1 幼兒於課堂上整體科學探究能力表現情形 ………….………………..… 091 表 4-2-2 幼兒探究能力表現與教師教學策略關係 …………….………………..… 093. V.

(7) 圖次圖 2-2-1 科學家和工程師進行探究和設計的三個活動領域 ...………..………..… 016 圖 2-3-1 探查網 …….………………………………...…………….……………..… 027 圖 2-3-2 方案發展的階段 …….……………………...…………….……………..… 029 圖 2-3-3 探究環 …….………………………………...…………….……………..… 031 圖 3-1-1 研究流程 …………………………………...…………….……………..… 042 圖 3-3-1 模組架構圖 ………………………………...…………….……………..… 046 圖 3-3-2 教案範例 …………………………………...…………….……………..… 051 圖 3-4-1「科學探究能力測驗」之發展歷程 ……...……………..……………..… 054 圖 3-5-1「科學探究能力編碼表」之發展歷程 ……...…………..……………..… 059 圖 4-2-1 系統性觀察與教學策略之關係 ……...………...………..……………..… 094 圖 4-2-2 規劃與教學策略之關係 ……...………...……...………..….…………..… 099 圖 4-2-3 實驗與教學策略之關係 ……...………...……...………...……………..… 102 圖 4-2-4 操作與教學策略之關係 ……...………....……...………..……………..… 105 圖 4-2-5 測量與教學策略之關係 ……...………...……...………..….…………..… 108 圖 4-2-6 分享與教學策略之關係 ……...………...……...………..….…………..… 112. VI.

(8) 第壹章緒論本研究旨在探討幼兒的科學探究能力發展情形，以下分四節，針對本研究的研究背景與動機、研究目的與問題、研究中所提及重要的名詞、以及研究範圍與限制逐一進行說明。. 第一節、研究背景與動機研究者是一位長期接觸數學和科學領域的國中數學教師，同時也是一位新手媽媽，所以開始關注幼兒的數學和科學教育。常常有學生問我：「老師，我們幹嘛要學數學？平常又不會用到方程式，而且買東西的話，拿手機出來算一算就好了啊！」，的確，若不是要當數學家或是要做相關領域的工作的話，方程式、根號和科學記號這些令許多學生頭痛的數學概念是無用的，但我總是跟學生強調，學數學的目的主要是在培養邏輯思考和解決問題的能力，而科學亦是如此。伴隨著科技越來越進步，以及更卓越的技術被發明和創造出來，有許多科學數據和事實被發現或是更新，這也證明了科學的暫時性，如果還一直強調科學的記憶性和背誦性已經不敷使用，這樣形成的知識庫也很容易被淘汰。因此，教育工作者必須將科學視為一種知識體系，幫助學生做好準備，擁有進行批判性思考與解決問題的能力，進而做出影響社會的明智決策。不僅如此，教育工作者還必須幫助學生培養科學態度，例如好奇心、思想的開放、不怕失敗的挫折，以及對科學本質的變革持積極態度 (Gallenstein, 2005)。因此，為了幫助下一代孩子面對與現在不同的挑戰，各國積極進行教育的改革和課程的調整，其中，美國的國家研究委員會(National Research Council, NRC)制定了〈下一代科學標準(The Next Generation Science Standards, NGSS)〉(NRC, 2013)，強調實務(Practices)、跨科概念(Crosscutting concepts)和核心觀念(Core ideas)的整合。臺灣則是於最新的課綱《十二年國民基本教育課程綱要—自然領域科學領域（簡稱「十二年國教課綱」》(2018)中，明確的將科學探究能力視為學生應具備的表現。科學探究是科學教育的基礎，讓學生參與探究有助於學生對於科學概念的理解、瞭解科學本質、以及使用與科學相關的技能、能力和態度(NRC, 1996)。另外，十二年國教課綱更規定高中需有探究與實作的課程和學分，希望學生可以透過探究自然 1.

(9) 現象，提升發現問題和解決問題的能力。 NRC(2000)早在《探究與國家科學教育指標：教與學指引(Inquiry and the national science education standards: A guide for teaching and learning)》中用一個五年級的課堂例子顯示小學生已經能夠在教師的引導下，進行探究。首先，學生「觀察 (makes observations)」到生活中感到有興趣和疑惑的事物或現象：在一間教室外，兒童發現有三棵樹並排，但其中一棵葉片掉光，中間那顆有繽紛的葉子，但大多是黃色，第三顆則都是茂盛的綠葉。接著，教師進行「提問(exhibit curiosity, define questions from current knowledge)」，針對觀察到的現象提出問題：這三棵樹之前看起來都一樣，但為什麼現在如此不同？再來是請學生「提出預測或假說(propose ，即針對問題的答案提出可能的解釋或原因： preliminary explanations or hypotheses)」學生列出清單，提出可能導致樹木改變的原因和解釋。然後，學生進行「規劃與進行探討活動(plan and conduct simple investigation)」：兒童提出眾多原因和解釋中，例如，水、季節、昆蟲、年齡…等等，教師將認為同一個原因的兒童進行分組，讓他們針對自己認為的原因進行探討活動。過程中，「蒐集證據」就很重要了，也就是兒童從系統性的觀察中蒐集和組織相關證據，最後利用證據向其他人說明或解釋自己的想法(explain based on evidence)，並接受其他組別的另有解釋，或是一起思考是否還有別的原因(consider other explanations)，最後是向其他人溝通解釋 (communicate explanation)，兒童聚集不同組別的解釋，跟樹木管理員說明，兒童繼續於明年觀察樹木的生長狀況是否有改變，以此驗證他們認為的解釋是否合理(test explanation)。雖然新課綱主要是針對小學至高中的學生，但早在《科學教育白皮書》(2003) 中即針對幼兒園及中小學科學教育的展望為：提升每位學生的探究能力、創造力及批判思考能力，並培養具好奇心與科學倫理道德之良好科學態度。而周淑惠(1998) 曾經紀錄的一位 18 個月大嬰兒的表現行為為例：（1）18 個月大的嘟嘟坐在地毯上堆疊積木，堆高了後就推倒，笑得很開心。（2）當他一面玩時，一面不時地接過來媽媽遞給他的奶瓶。（3）他玩得太興奮了，不自覺地將奶瓶推倒在地毯上，果汁濺了出來。（4）無意間小嘟嘟把手放在地毯上的那塊濕濕的地方，他覺得很奇怪。（5）他看看自己的手，看看地毯，再去摸一次濕的地毯─觀察。（6）他站了起來再去拿奶瓶，喝了一口，看了看奶瓶，回到地毯上，又摸了地毯上濕濕的那塊地方─推論。 2.

(10) （7）然後，他故意把果汁濺到地毯上，並用手去摸新弄得濕濕處—實驗（測試他的想法）（8）他又重複了一次上述步驟，於是他笑了，喝了兩口果汁之後，就把奶嘴對著地毯擠弄，地毯上的濕處擴散越大，他愈開心，直到媽媽制止─下結論。可以看到在嘟嘟這個年紀，就已經因為好奇而進行探究，並展現一連串的探索行為。幼兒對生活環境中的一切充滿好奇與探究的動力，在不斷發問、主動試驗與尋求答案的歷程中學習。他們需要親身參與，和周遭的人、事、物互動，在其中觀察、感受、欣賞與領會。他們會時刻觀察與探究生活環境的自然與人文現象，主動的理解、思考與詮釋其所探索的現象，尋求現象間的關係，嘗試解決其所面臨的問題(教育部, 2017)。發展心理學家皮亞傑（Jean Piaget，1896-1980）認為幼兒是天生的科學家。周淑慧(1998)認為幼兒就像一個探索者、思考者，幼兒可以像科學家一樣使用科學探究方法，所以教育工作者可以把問題設定在幼兒能夠理解的事物上，讓幼兒保有好奇心，並有能力利用科學的方式去探索和解決問題。而且隨著認知的發展和技巧的熟練，簡單的提問可以發展成創造理論和陳述假設；探索和收集資料也可以變成辨識變因和設計對照組的實驗；觀察和評估證據也可以轉化為使用精確的測量和統計模型(周淑惠, 1998)。NRC(2007, 2012)也認為幼兒有能力去觀察、探索和發現周遭的世界，也已具備構建概念學習、運用推理實踐和探究的能力。只是許多成年人，包括教育工作者，往往低估了幼兒在早期學習科學核心觀念和實務的能力，而且也沒有為幼兒提供可以培養科學技能和建立概念理解的機會和經驗 (NRC, 2007)。另外，為幼兒提供在日常活動中看數學和科學的機會，以促進幼兒對未來的科學和數學學習建立基本的理解和興趣(Lind, 1998)。而幼兒接觸探究式的科學教育能夠開發高年級所須學習的分析、辨識和解決問題的能力(Furtado, 2010)。國內以幼兒科學表現為研究主軸的文獻中，主要是以主題教學(洪文東, 2011; 徐敏琪、李湘凌、高傳正、李元成, 2018)、主題課程(吳淑美、魏淑君, 2012)、科學遊戲(吳淑美、魏淑君, 2012; 徐敏琪等人, 2018)、科學活動(洪文東、黃慧娟、吳玲綺, 2009; 張琪、徐慶雲、林麗玲, 2009)或科學評量(莊麗娟, 2008a, 2008b, 2009)的方式探討幼兒的科學性知識的學習表現，而且內容很明確地是單一學科領域（例如：物理）或是針對某些特別的科學概念（例如：空間、熱），而非整合性的一系列單元或整合性概念。在分析幼兒的科學表現時，過去的文獻較少琢磨於幼兒的科學探 3.

(11) 究課程與科學探究能力的表現，亦不是像 NRC(2000)和周淑惠(1998)所呈現的例子，將幼兒進行探究的整個過程逐一拆解，去細看幼兒的每個行為表現。因此，研究者希望可以透過數堂課組合而成的科學模組，去探討幼兒多個科學探究能力表現。. 第二節、研究目的與問題本研究基於上述的動機，研究者希望讓幼兒透過參與科學探究模組的方式，提升其科學探究能力的表現，首先要先了解幼兒在參與課程前、進行過程中和完成課程後，三個階段的科學探究能力表現為何，再去觀察課程前和課程後的表現差異和改變情形，最後來探討導致幼兒科學探究能力改變的因素和可能原因。因此，本研究旨在探討「大班幼兒的科學探究能力在參與科學探究課程模組後的改變情形」，並藉由二項研究問題（如下）回應之：. 1.. 幼兒在探究模組實施前後，科學探究能力的表現與改變情形分別為何？. 2.. 在進行探究模組中，教師採取哪些教學策略協助幼兒發展科學探究能力？. 4.

(12) 第三節、名詞釋義大班幼兒(Kindergarten Children) 依照幼兒教育及照顧法(2011)的用詞，幼兒是指二歲以上至入國民小學前之人。而依照本研究模組進行期間，大班幼兒是指 5 足歲的幼兒，也就是民國 101 年 9 月 2 日至民國 102 年 9 月 1 日出生的幼兒。. 科學探究(Inquiry) 探究是一個多方面的活動，包含觀察、提出問題、檢驗訊息的來源、設計探討活動、檢驗證據以重新檢視已知的訊息、使用工具去結合、分析和詮釋資料、提出答案、解釋和預測、以及傳達結果。而探究也必須要辨識假設，並使用批判性思維和邏輯思考，以及必須考慮另有的解釋。另外，探究也被視為學生應該發展的能力，以便能夠設計和進行科學探討(scientific investigations)，因此，所有年級的學生應該都要有機會透過科學探究來發展相關的思維和能力，包括提出問題、計劃和進行調查活動、使用適當的工具和技術蒐集資料、以及以批判性和邏輯性的思維去考慮證據與解釋之間的關係，並構建和分析另有解釋與傳達科學論證(NRC, 2000）。. 科學探究能力(Scientific Inquiry Abilities) 科學探究能力是指幼兒在進行科學探究時所表現出的各種能力(NRC, 1996, 。本研究的科學探究能力包含「規劃」、「系統性觀察」、「操作」、「測量」、「實 2000）驗」與「分享」等六項能力，各能力的詳細說明請見第貳章第二節。. 模組(Module）相較於課程(Curriculum)是屬於比較長時間的課程計劃，像是一學期或是一學年，本研究的課程規劃較偏向模組的方式。模組是由數個單元組成，而且不只是短暫幾堂課，而單元是圍繞同一個主題和所期望學生具備的能力上，單元之間有連結性和連貫性，相互建構成完整的課程計畫。. 5.

(13) 第四節、研究範圍與限制本研究受限於研究對象、研究時間和研究方法，其研究結果有以下幾點範圍和限制：. 1.. 本研究對象為一所公立小學附屬幼兒園中的大班幼兒，具有一定的辨識和動手能力，故不宜過度推論至所有幼兒園和所有年齡的幼兒，尤其是非公立幼兒園及混班教學的班級。. 2.. 本研究僅針對大班幼兒的科學探究能力表現進行探討，並未深入分析幼兒家庭的社經背景和性別等其他因素。. 3.. 本研究之科學探究能力僅指本研究定義之「系統性觀察」、「規劃」、「實驗」、「操作」、「測量」和「分享」等六項能力，故此結果不能完全推論至其他研究所指之科學探究能力。. 4.. 本研究的資料蒐集僅限於正式課堂中的教師與幼兒行為，不包含課餘時間教師額外進行的相關活動。. 5.. 本研究之科學探究模組是依據本研究之科學探究能力所設計，故此結果不宜過度推論至所有幼兒科學課程或模組。. 6.

(14) 第貳章文獻探討本研究希望透過讓幼兒參與科學探究模組的方式，探討幼兒科學探究能力的發展。故本章針對幼兒的科學教育、科學探究能力、教學模式和教師教學行為進行文獻回顧。. 第一節、幼兒的科學教育以下針對幼兒的科學學習內涵和科學表現進行文獻回顧，以說明過去實徵研究中，當幼兒在進行科學相關活動或是課程時，已表現出的能力。最後針對目前國內針對幼兒科學表現的研究進行文獻回顧。. 幼兒的科學學習學習科學是一個主動的過程，科學課程或活動的設計必須讓學生親自參與任何的探討活動中、與教師和同儕互動、組織原有的先備知識和新獲得的知識，再將其應用於新問題、進行問題的解決、計劃和決策、以及小組討論(NRC, 1996)。而科學學習的方法，應當從激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導學生從舊有的經驗開始進行探索、操作實驗與多元學習，使學生能具備科學核心知識、探究與實務、以及科學論證的溝通能力(教育部, 2018)。雖然在幼兒階段，對科學知識的概念理解上有限，但幼兒的好奇心和想像力，足以激發他們對學習的熱忱和對許多事物的興趣，而科學學習可以滿足幼兒的好奇心和興趣(Lind, 1998)。另外，幼兒科學學習的重點應著重於幫助幼兒了解如何獲取科學訊息，而不單只是記憶科學事實。幼兒渴望直接參與科學內容，幼兒需要親身體驗，透過觀察、發現問題、蒐集資料、組織、分析、討論和評估科學內容。教育工作者也應該給與幼兒機會進行提問、回答問題和反思的機會，並進行探討活動，學會運用解決問題的技巧。因此，幼兒將主導自己的學習，這也促進幼兒在科學上的自信心(徐敏琪、李湘凌、吳淑美、魏淑君, 2012; Andersson & Gullberg, 2014; Broström, 2015; Feng, 1987; Lind, 1998)。所以，任何幼兒科學相關活動應以幼兒為中心，為幼兒提供各種各樣的學習環境，讓幼兒可以依照自己的節奏和個人的認知能力進行探索。而在幼兒積極探索的過程中，教師要鼓勵兒童仔細觀察、注意相似處和不同處、做出預 7.

(15) 測、進行測試、提出問題、以及與教師互動(Feng, 1987)。對於小學生到高中生來說，學習科學的場域大部分是在教室或實驗室內，但對幼兒來說，實驗室中複雜的化學器材或艱澀難懂的化學藥劑都是過於陌生和危險，生活中隨處可見的事物反而更能吸引幼兒的興趣和注意力(Jirout & Zimmerman, 2015)。. 幼兒的科學表現幼兒在進入小學前，就已經主動開始探索周遭發生的事，這是應付周遭陌生環境的第一步，而且，幼兒也開始應用基本概念，包含觀察、計數、紀錄等方式來蒐集和組織資料以面對遇到的情況(Lind, 1998)。部分的 5 歲以上幼兒甚至能夠開始使用標準測量工具，並且獨立操作和紀錄更多資訊，以及閱讀相關背景資料(Jirout & Zimmerman, 2015; Lind, 1998)。幼兒對於許多科學概念的理解和推理來自於自身經驗(吳淑美、魏淑君, 2012; 莊麗娟, 2008a, 2009)。幼兒會依據先前信念(prior belief)和生活經驗來做出判斷，考慮現有證據對於先前信念的合理性來修改錯誤的先前信念，並且選擇在假設檢驗中使用的方式(Croker & Buchanan, 2011; Koerber et al., 2005)。例如，在 Croker 和 Buchanan (2005)的研究中，訪談者提供的訊息與幼兒的先前信念不一致時（例如，積極的口腔健康行為導致牙齒不健康），幼兒能夠對針對上述假設選擇科學上適當的檢驗（即操縱一個變因）。另外，過去有些研究探討幼兒園幼兒的科學表現，發現年齡越大的幼兒，越可以解釋完整的共變量和非共變量證據(Croker & Buchanan, 2011; Piekny & Maehler, 2013)。幼兒也能夠針對假設進行的簡單實驗和對照實驗，並利用一系列的證據做出正確的歸因或進行預測，或是了解證據和假設之間的關係，並利用證據做出解釋。雖然在分析證據上，幼兒由一法則列出多種證據比從多種證據歸納出一個法則困難，但幼兒已經能夠從證據中找到關鍵的一至兩個變因，做出至少一種正確的預測，並想出多種可能的解釋以進行測試，並有效的判定關鍵性的驗證方式(Jirout & Zimmerman, 2015; Lind, 1998; Piekny & Maehler, 2013; 莊麗娟, 2010a)。. 8.

(16) 國內幼兒科學表現的相關研究國內幼兒科學表現的相關研究主要以幼兒的科學知識為主，尤其是以物理領域相關的知識，研究者統整於表 2-1-1。從文獻中可以得知，幼兒可以判斷和描述出簡單物體的結構（平面或立體）、輕重、方位以及滾動的速度(吳淑美、魏淑君, 2012; 洪文東, 2011; 洪文東等人, 2009; 莊麗娟, 2004, 2007, 2008a)；亦能夠描述出溫度的冷熱變化(張琪等人, 2009)，以及辨識不同圖形(洪文東, 2011)。然而，幼兒在某些科學概念的理解尚未成熟，例如與離地高度有關落體現象(莊麗娟, 2004, 2008b)、遠近概念(洪文東等人, 2009)。科學的能力表現則主要以科學推理為主，莊麗娟(2004, 2008a)認為幼兒主要依據動態的視覺訊息進行邏輯思考與推理。而在針對物體浮沉概念的科學評量中，幼兒依成熟度低至高展現出四種推理機制(莊麗娟, 2007)：無關聯想、隨意線索、並立法則和協調邏輯，而部分大班幼兒已經能達到協調邏輯的程度，也就是幼兒能夠彈性調整線索的使用，也就失當一條線索不適用時，幼兒會改用其他線索進行推論。 (莊麗娟, 2008b)。. 表 2-1-1 國內幼兒科學表現的相關研究研究者與題目. 內容. 研究結果. 莊麗娟(2004). -形式：科學評量 -對象：3~6 歲. 1.當物體的結構或材質較簡單時，幼兒能夠辨識其組成物質。. 三～六歲幼兒對重量概念的認知：本質認知與保留推理. -科學性知識：重量（本質認知）. 2.六歲以上的幼兒能夠理解非物質不具重量的概念。. -科學能力表現：保留推理. 3.幼兒常以視覺感官作為主要的推理依據。 4.幼兒無法有效推論離地高度和冷熱效應與重量的關係，可能這超出三至六歲幼兒的認知限制。 5.有保留推理的幼兒會有同一、補償和可逆性思考，並關注動態轉換的過程和參考線索幫助判斷。 (續下頁). 9.

(17) 研究者與題目. 內容. 莊麗娟(2007). 形式：科學評量 -對象：3~6 歲. 三～六歲幼兒對重量概念的認知：基礎認知與現象推理. -科學性知識：重量（基礎認知）. 莊麗娟(2008a). -形式：科學評量 -對象：3~6 歲. -科學能力表現：現象推理. 研究結果 1.幼兒能夠正確辨識物體的輕重，並了解物體重量所產生的效應，做簡易的預測。而幼兒不會僅用體積來判斷物體的輕重。 2.幼兒對於浮沉有四類推理機制（不相關至相關）：無關聯想、隨意線索、並立法則和協調邏輯。年紀越大的幼兒越能採用協調邏輯。。而基於可視程 1.幼兒會將非物體「物體化」度的不同，幼兒對於洞與影有著不同的表徵模式。. 三～六歲幼兒對 -科學性知識： “物、洞、影”實存「物、洞、影」實存 2.幼兒知道物體佔有空間、具有重量，亦能辨性辨識之試探性性（指認、計數、組識其組成成分，也知道物體經細部切割後，研究成、分割）已非該物體，但仍是原物質。 3.動態的視覺訊息比靜態更能影響幼兒的認知推理。 4.幼兒的推理常來自於自身經驗。莊麗娟(2008b). 形式：科學評量 -對象：3~6 歲. 1.在同樣的運動下，幼兒會隨著不同的情境脈絡，有不同的推理結果。而幼兒的推理存著某種程度的調理性和結構性。. 三～六歲幼兒對 -科學性知識：運動起因與軌跡對運動起因與軌跡 2.幼兒尚未了解落體現象的三因素（支撐、重的認知：自由落的推理（自由落體、量、地球引力），並嘗試以外力解釋物體落下體、單擺與斜面單擺與斜面運動）的原因。運動洪文東、黃慧娟、 -形式： 1.幼兒對於空間的相關概念多來自生活經吳玲綺(2009) 主題課程、科學活動驗。 -對象：小、中、大班 2. 在活動進行中，成人若能適切引導，幼兒幼兒空間主題科（3~6 歲）較能針對問題做出判斷與反應。學活動觀察與個 -科學性知識： 3.幼兒的某些概念上的表現會因年齡而有所別晤談分析：以空間概念（方向、平差異：中班與大班幼兒在邏輯思考、方位、速屏東縣某托兒所面、立體、時間、邏度、圖形辨識和圖形仿繪的表現較佳。而遠及高雄市某幼稚輯思考、肢體動作）近則僅大班幼兒表現佳。園為例 4.幼兒尚未建立完整的遠近概念。 (續下頁). 10.

(18) 研究者與題目. 內容. -形式：科學活動 -對象：小、中、大班 -科學性知識：幼兒熱概念科學熱概念（溫度、天氣、活動的設計與評加熱影響、三態變估化、熱的來源、傳播方式）張琪、徐慶雲、林麗玲(2009). 研究結果 1.幼兒對於熱的概念多來自生活經驗。而市區幼兒的科學表現和科學態度皆優於鄉鎮的幼兒。 2.活動中，幼兒在旁人適時引導下，能對現場狀況作出判斷與反應；但若幼兒背景經驗不足，容易產生另有概念。 3.幼兒的某些概念上的表現會因年齡而有所差異：大班和中班幼兒較能夠說出冰塊遇熱變成水的概念。 4.多數幼兒能夠辨別溫度冷熱的變化，並描述出來。. 莊麗娟(2009). -形式：科學評量 -對象：3~6 歲. 1.在生物學的因果推理中，幼兒出現由抽象到具體的心理本質論。. 三～六歲幼兒對生物本質的認知：內在結構、固有潛質、身分穩定性. -科學性知識：生物本質（內在結構、固有潛質、身分穩定性）. 1.五歲以上的幼兒能夠推測生物的內在結構，了解動植物和機器內在的差異。. 莊麗娟(2010a). -形式：科學評量 -對象：3~6 歲. 1.幼兒能夠從一系列的證據中找到至少一個關鍵的變因，並做出效果的預測。. 三～六歲幼兒的科學性推理：法則的歸納、證據的推衍、問題的驗證. -科學能力表現：推理（法則的歸納、證據的推衍、問題的驗證）. 2.在有因果性的情境中，幼兒能夠依據特定法則推演出支持性證據。. 莊麗娟(2010b). -形式：科學評量 -對象：3~6 歲. 1.三歲以上的幼兒能夠從一系列的線索中，依據特定法則，預測一系列相關的效應。尤. 2.六歲以上的幼兒能夠感知生物的固有潛質，預測動植物的生長趨勢。 3.六歲以上的幼兒能夠理解生物的身分具有穩定性，就算改變外觀，其本質仍一樣。. 3.在單一測試即可驗證的情境中，六歲以上孩子能夠有效判斷關鍵性的驗證方式。. 三至六歲幼兒的 -科學能力表現：其五歲以上的幼兒能夠思考「if-if-if-then」三因果思考：法則因果推理（物理因果層次的關聯條件。推理之法則推理） 2.法則推理具有跨領域的關聯性，隨著推理內涵的不同，其相關也會不同。 (續下頁). 11.

(19) 研究者與題目. 內容. -形式：主題教學 -對象：小、中、大班空間主題教學活 -科學性知識：動對幼兒空間概空間概念（方向、平念學習與認知之面、立體、時間、邏影響輯思考、肢體動作）洪文東(2011). 研究結果 1.幼兒已能具有方向、立體、速度的概念。 2.幼兒對於圖形認知的優劣程度分別是三角形、正方形、長方形和圓形。 3.幼兒經歷教學活動後，在方向、立體、平面、邏輯思考、及肢體動作的概念理解均有顯著進步，只有在時間概念方面無明顯改變。. -形式： 1.在遊戲過程中，幼兒能夠理解物體滾動的主題課程、科學遊戲原理、由來和影響滾動距離的因素。 (2012) -對象：中班（5~6 歲） 2.教師會使用提問、刻意的引導和提供豐富幼兒「滾動」的物 -科學性知識：的探索教具幫助幼兒理解科學性知識。理知識探究歷程物體的滾動 3.當幼兒經驗到正確的實驗態度時，他們會～以「滾動的遊將這樣的經驗沿用與遷移（例如經由教師示戲」為例範後，幼兒在進行實驗時，關注變因的條件是否要相同）。吳淑美、魏淑君. 4.幼兒可以結合生活經驗，並透過實驗、觀察、記錄再統整而得到結論。徐敏琪、李湘凌、 -形式： 1.幼兒在遊戲的探索與體驗中，透過觀察、比高傳正、李元成主題教學、科學遊戲較、分類、操作、思維，發展大小、高低、遠 -對象：中小班（混齡，4~5 歲）. (2018) 科學遊戲融入主題教學之初探-以「沙包玩很大」為例. -科學性知識：重量、接觸面積 -科學能力表現：觀察、比較、分類. 近、面積與重量的概念。 2.在教師的引導下，幼兒能夠創造出不同的沙包玩法。 3.幼兒學習科學的能力主要是透過發現問題、討論澄清問題、解決問題的歷程來建構。. 小結雖然在幼兒階段，幼兒具有的科學知識有限，但幼兒的好奇心促使他們主動探索周遭生活，所以提供幼兒進行探究的環境和機會很重要。另外，幼兒科學相關活動或課程應以幼兒為中心，因為幼兒科學學習著重於幫助幼兒了解如何獲取科學訊息，所以教育工作者應該提供幼兒直接進行科學探究的機會。從文獻中可以看出，大班幼兒（5 歲以上）已經會使用一些能力進行科學活動或是學習科學，像是觀察、計數和紀錄等等，也可以進行簡單的實驗和推理，以及利用證據做出假設或解釋。然而，在國內的幼兒科學表現相關研究中，主要是針對幼兒的科學性知識進行探討，較少針對幼兒的科學能力表現。 12.

(20) 第二節、科學探究能力因本研究探討幼兒園的大班幼兒的探究能力表現，故主要針對符合該年紀的探究能力做文獻回顧。. 科學過程技能(Science process skills) 科學過程被認為是科學家探索自然世界和發展科學解釋時遵循的過程，而科學過程技能是指學生在模擬科學家進行科學過程時所使用的技能(Millar, 2015)。美國科學促進會(American Association for the Advancement of Science, AAAS, 1967)發展一套教授科學的方式，學生將使用各種工具和進行各種過程去更好地理解自然世界，並廣泛應用於 SAPA(Science - A Process Approach)課程計畫中。而 AAAS 提出 12 項過程技能(Idiege et al., 2017; McComas, 2014; Ongowo & Indoshi, 2013; Padilla, 1990)，詳見表 2-2-1。其中前六項為基本(basic)的過程技能，後六項為統整(integrated) 的過程技能，統整過程技能的表現比基本的過程技能更複雜，更具統整性。. 表 2-2-1 科學過程技能科學過程技能. 敘述. 1. 觀察(Observing). 使用感官（五感）蒐集研究對象（物體、生物和事件）的特徵和訊息。. 2. 推論(Inferring). 從觀察結果，或是過去經驗蒐集到的訊息，得出解釋，也就是進行「有根據的猜測(educated guess)」。. 3. 測量(Measuring). 使用標準或非標準度量或描述研究對象的尺寸（包含大小、長度、距離、重量…等）。. 4. 溝通 (Communicating). 使用任何符號、文字或圖像表徵描述研究對象，並與他人分享觀察結果和解釋。. 5. 分類(Classifying). 依據研究對象的屬性和特徵進行整理、分組或排序。. 6. 預測(Predicting). 依據證據，對未來可能發生的結果進行猜測和說明。. 7. 控制變因. 識別可能影響實驗結果的變因，並正確控制變因和操作變因。. (Controlling variable) 8. 下操作型定義. 在未有先前定義情況下，說明如何在實驗中測量變因。. (Defining operationally) （續下頁）. 13.

(21) 科學過程技能 9. 形成假設 (Formulating hypotheses) 10. 詮釋資料 (Interpreting data) 11. 實驗 (Experimenting) 12. 建模 (Formulating models). 敘述說明實驗的預期結果（與預測不同，預測是依據更多確定性的證據）。組織和理解獲取到的資料，表達其中的涵義，得出結論。透過科學方法進行科學探討（包含提出適當的問題、陳述假設、辨識和控制變因…等），以產生可驗證的結果。創造解釋的心智模型或物理表徵，該解釋說明之前觀察的過程或事件. Charlton (2003)提出最適合幼兒學習科學的過程技能是觀察(observation)、比較 (comparison)、測量(measurement)、分類(classification)和溝通(communication)。這些技能能夠讓幼兒透過親自體驗，以實際的經驗累積出來，而教師應該鼓勵兒童質疑和探討活動周遭的現象，讓幼兒在蒐集，組織和記錄資料的時候能夠使用更高級的過程技能，例如：推斷關係、預測結果、做出假設、辨識和控制變因。陳淑芳等人 (2004)認為在幼兒科學教育中，科學過程能力的培養更重於科學事實認知。所以在教師的引導下，幼兒應該要有自行發現問題、探索答案和解決問題的機會，因此提出幼兒階段應培養且具備的科學過程技能為觀察、比較、分類、記錄、測量、實驗、溝通、預測、表達和探索。. 科學探究能力(Scientific inquiry abilities) 科學探究是指科學家研究自然世界，並依據研究結果提出解釋的多種方式。探究亦可指學生發展對科學知識和科學理解，以及了解科學家如何研究自然世界 (NRC, 1996)。科學探究是一個多方面的活動，包含觀察、提出問題、設計探索活動、檢驗訊息和證據、以及傳達結果，並使用批判性思維和邏輯思考。科學探究能力是學生在進行科學探究時，所展現的一系列能力，探究能力亦顯示學生在運用科學推理和批判性思維理解科學時，要將理解的過程與科學知識結合(NRC, 2000)。在科學探究能力的內容標準中，強調學生應該要發展： 1.. 進行科學探究所需要的能力：表 2-2-2 列出幼兒園到四年級(K-4)的學生在進行探究活動會有的基本能力。. 14.

(22) 2.. 對於科學探究的理解：包含（1）科學探討包含提出和回答問題，並將答案與科學家對世界已知的科學知識進行比較。（2）科學家依據想要回答的問題進行不同類型的探討活動。（3）科學家透過簡單的儀器（例如放大鏡、溫度計和直尺）所獲得的訊息比僅靠感覺得到的訊息要多。（4）科學家利用觀察（證據）和對世界已經了解的知識（科學知識）來進行解釋。（5）科學家將探討結果公開，以此讓其他人能夠重複進行探討。（6）科學家針對其他科學家的研究成果進行回顧和提問。. 表 2-2-2 科學探究基本能力科學探究基本能力 1. 提出有關環境中的物體、生物和事件的問題(Ask a question about objects , organisms, and events in the environment) 2. 計畫和進行簡單的探討活動 (Plan and conduct a simple investigation) 3. 使用簡單的設備和工具來蒐集資料，並理解其意義(Employ simple. 敘述學生可以結合自身的觀察，提出問題，並透過科學知識（包含可靠的科學訊息、自身的觀察和探討）回答問題。隨著學生年紀的發展，探討可以從基於系統的觀察至自行設計和進行簡單的實驗來回答問題。學生使用簡單的工具進行測量，例如：使用尺測量物體的長度、使用溫度計測量溫度、使用放大鏡觀察物體和生物…等等。. equipment and tools to gather data and extend the senses) 學生要判斷數據和訊息的優劣，並以此做為 4. 使用獲得的資料建構一個合理的解釋(Use data to construct a reasonable 證據進行解釋。而學生亦應該依據科學知識、經驗和他人的觀察來檢查提出的解釋。 explanation) 5. 溝通探討的過程、結果和解釋 (Communicate investigations and explanations). 學生要針對自己或他人的成果進行溝通、評判和分析，溝通的模式可以是口語、書寫或繪畫。. 科學實務(Scientific practices) NRC(2012)發表的《下一代科學標準(Next Generation Science Standard [NGSS])》中表示希望學生透過科學與工程實務(science and engineering practices)、跨科概念 (crosscutting concepts)和領域核心概念(disciplinary core ideas)三個層面學習科學。科學實務代表了科學家和工程師探索和理解自然與被設計的世界的多種方式(Krajcik & Czerniak, 2018)，實務強調從事科學探討不僅需要技能，而且還需要每種實務所 15.

(23) 特有的知識，更說明什麼是科學探究的意涵，以及進行科學探究所要求的認知、社會和實體實踐的範圍。 Osborne (2014)認為科學活動存有某種結構，表明科學推理具有三個不同的活動階段：實驗（探討物質世界）、建立假設（發展對觀察和發現的事物的解釋和解決方法）和評估證據（評估數據以及作為解釋提供的理論和模型），此結構的示意圖如圖 2-2-1，這與 NRC(2012)認為科學家和工程師進行探究和設計的三個活動領域是一樣的。圖的左側是針對真實世界進行實證研究與探討相關的活動；圖的右側則是發展解釋和解決方法有關的活動；中間以評估連接左右兩個領域，這是一個迭代過程，無論是在進行探討活動或是發展解釋，都要不斷的進行論證和分析。而且，在這三個活動領域中，科學家和工程師都試圖使用最好的工具來支持當前的任務，這表示現代計算技術是科學家和工程式進行探究和設計很重要的一部份。. 圖 2-2-1 科學家和工程師進行探究和設計的三個活動領域（譯自 NRC, 2012, 頁 45）. 實際上，科學家和工程師會在這三個活動領域之間來回運作，NRC(2012)以此結構提出從幼兒園到 12 年級(K-12)所應具備的八種科學與工程實務，而全美科學教師協會（National Science Teachers Association, NSTA, 2013）更針對這八項實務做更詳細的分年敘述，表 2-2-1 呈現幼兒園至二年級(K-2)階段的能力敘述。 16.

(24) 表 2-2-3 NSTA 八項科學實務 K-2 能力敘述（譯自 NRC, 2012; NSTA, 2013）科學實務. K-2 能力敘述. 說明. 1. 提出問題和學生能夠依依據先前的經驗提出問題和定義問題，並發展為可以測試定義問題據觀察提出的簡單描述性問題。可以進行探 - 依據觀察結果提出問題，以找出有關自然和/或被設計 (Asking 的世界的更多訊息。 questions and 討活動活動的問題。 - 提出和/或確認探討活動可以回答的問題。 defining - 定義一個可以透過發展新的或改進的物體或工具來解 problems) 決的簡單問題。 2. 發展和使用學生能夠比依據先前的經驗和發展進行建模，包括使用和開發代表具模型較不同模型體事件或設計解決方案的模型（即圖表，工程圖，實體複 (Developing 的差異，並製品，立體模型，戲劇化或情節提要）。建構簡單的 - 區別模型和其代表的實際對象、過程和/或事件。 and using models). 模型作為後續討論。 -. 比較各種模型以辨別常見的特徵和差異。發展和/或使用模型來表示自然和被設計的世界中的數量、關係，相對比例（更大、更小）和/或模式。依據證據發展一個簡單的模型，以呈現提出的對象或工具。. 3. 計畫和進行學生能夠與計劃和進行探討活動以回答問題。或針對問題，依據先前探討活動同儕合作一的經驗和公平原則進行簡單的測試，該測試提供了數據以 (Planning and 同進行探討支持解釋或設計解決方案。活動，並觀 - 在旁人指導下，與同伴協作計劃和進行探討活動（針 carrying out 對 K）。 investigations) 察、測量和蒐集可用的 - 共同計劃和進行探討活動，以產生數據，作為回答問資料，和進題的證據。行預測。 - 評估觀察和/或測量現象的不同方法，以確定哪種方法可以回答問題。 - 進行觀察（第一手或來自媒體）和/或測量以收集可用於進行比較的數據。 -. -. 對提出的對象、工具或解決方法進行觀察（第一手或來自媒體）和/或測量，以確定其是否解決了問題或達到目標。依據先前的經驗進行預測。（續下頁）. 17.

(25) 實務. K-2 能力敘述. 說明. 4. 分析和詮釋學生以文字依據先前的經驗，分析收集到的數據，並記錄和分享觀察資料或圖畫紀錄的過程。探討活動過 - 記錄訊息（觀察、想法和意見）。 (Analyzing 程中所產生 - 使用和分享相片、圖畫和/或觀察到的文字記錄。 and 的訊息，並 - 使用觀察（第一手或來自媒體）描述自然和被設計的 interpreting 分析數據。世界中的模式和/或關係，以此回答和解決科學問題。 data) - 將預測（依據先前的經驗）與發生的事件（觀察到的）進行比較。 - 分析對象或工具測試的數據，以確定它們的成果是否如預期。 5. 使用數學和學生使用數將數學和計算思維建立在先前的經驗上，並認識到數學是計算機思考字形式紀錄可以用來描述自然的和設計的世界。和描述。 - 使用計數和數字來辨識和描述自然和被設計的世界中 (Using 的模式。 mathematics - 描述、測量和/或比較不同對象的量性屬性，並使用簡 and 單的圖形顯示數據。 computational - 使用量性資料比較兩種可供選擇的解決方法。 thinking) 6. 建構解釋和學生使用觀依據先前的經驗建構解釋和設計解決方案，也就是在構建設計解決方案察到的訊息基於證據的自然現象解釋和設計解決方案時使用證據和 (Constructing 解釋自然現理由。 explanations 象，或使用 - 使用觀察（第一手和來自媒體）到的訊息作為證據，描述自然現象。 and designing 特定工具解決特定問 - 使用工具和/或材料來設計和/或建構裝置，以解決特定 solutions) 題。問題。 - 生成和/或比較解決問題的多個方法。 7. 以證據論證學生能夠判依據先前的經驗和發展進行論證，以比較有關自然和設計 (Engaging in 別有意義的世界的構想和表徵。 argument from 證據，加以 - 辨識有證據支持的論點。分析，並提 - 區分有證據的解釋和沒有證據的解釋。 evidence) 出有證據支 - 分析為什麼有些證據與一個科學性問題有關或無關。持的論點。 - 在自己的解釋中區分觀點和證據。 - 積極傾聽論點，以證據表明同意或不同意，和/或重申論點的重點。 - 依據證據，提出支持宣稱的論點。 - 依據相關的證據，提出關於對象、工具或解決方法有效性的宣稱。（續下頁） 18.

(26) 實務. K-2 能力敘述. 說明. 8. 獲取、評估學生能夠閱依據先前的經驗獲取、評估和溝通訊息，並使用觀察和文和溝通訊息讀適合的文本來溝通新訊息。本以獲取訊 - 閱讀適合年級的文本和/或使用媒體獲取科學和/或科 (Obtaining, 息，並用各技訊息，以確認自然和被設計的世界的模式和/或證 evaluating, 種口頭或書據。 and communicating 面形式與他 - 描述特定的圖像（例如顯示機器工作方式的圖表）如何支持科學或工程的想法。 information) 人溝通想法。 - 使用各種文本、文本特點（例如標題、目錄、詞彙表、電子型錄、圖標）和其他媒體來獲取訊息，這些訊息 -. 將有助於回答科學問題和/或支持科學宣稱。使用有關科學思維、實踐和/或設計思維訊息的模型、圖畫、文字或數字，以口頭和/或書面形式與他人進行溝通、或是構思想法和/或解決方法。. 我國課程綱要教育部亦將科學探究能力視為學生應具備的表現，在十二年國教自然領域課綱中，將「探究與實作」正式納入高中自然領域的課程中，其中探究能力的學習表現分為兩類：思考智能與問題解決。思考智能強調心智運作的方式與功能，包含想像創造、推理論證、批判思辨和建立模型；問題解決則強調類似科學家處理問題、提出解決方案的歷程，包含了觀察與定題、計劃與執行、分析與發現，以及討論與傳達(李驥、邱美紅, 2019；教育部, 2018)。而在探究學習內容則強調科學探究的歷程，分為四個項目(教育部, 2018)： 1.. 發現問題：基於好奇、求知或需要，觀察生活周遭和外在世界的現象，察覺可探究的問題，進而蒐集整理所需的資訊，釐清並訂定可解決或可測試的研究問題，預測可能的結果，提出想法、假說或模型。包含「觀察現象」、「蒐集資訊」、「形成或訂定問題」和「提出可驗證的觀點」。. 2.. 規劃與研究：根據提出的問題，擬定研究計畫和進度。辨明影響結果的變因，選擇或設計適當的工具或儀器觀測，以獲得有效的資料數據，或根據預期目標並經由測試結果檢視最佳化條件。包含「尋找變因或條件」、「擬定研究計畫」和「收集資料數據」。. 3.. 論證與建模：分析資料數據以提出科學主張或結論、發現新知或找出解決方案。發展模型以呈現或預測各因素之間的關係。檢核資料數據與其他研究結果的 19.

(27) 異同，以提高結果的可信度，並察覺探究的限制。包含「分析資料和呈現證據」、「解釋和推理」、「提出結論或解決方案」和「建立模型」。 4.. 表達與分享：運用適當的溝通工具呈現重要發現，與他人分享科學新知與想法，推廣個人或團隊的研究成果。包含「表達與溝通」、「合作與討論」和「評價與省思」。雖然在《幼兒園教保活動課程綱要》(教育部, 2017)中未針對幼兒的科學學習. 或科學探究有明確的界定與說明，但在其認知領域中，強調幼兒應以「擁有主動探索的習慣」、「展現有系統思考的能力」和「樂於與他人溝通並共同合作解決問題」為目標。認知是指處理訊息的思考歷程，強調問題解決思考歷程能力的培養，包含「蒐集訊息」、「整理訊息」及「解決問題」三項認知能力的運用。蒐集訊息是指透過感官、工具測量及紀錄的活動，有系統、有條理的觀察和蒐集訊息。整理訊息則是將蒐集到的訊息利用歸納、分類、比較、找出關係、排序或圖表的形式加以組織和整理，並釐清訊息間的關係。解決問題是指在發現探究性的問題後，與他人討論出可能的解決辦法和其可行性，並經過實作與驗證、檢查結果，進而解決問題。. 小結科學過程技能、科學探究能力和科學實務都可以泛指科學家研究自然世界（科學實務還涉及被設計的世界），並依據研究結果提出解釋的過程或方法。1996 年之前，美國課綱強調學生要使用過程技能學習科學知識；1996 年時，NRC 提出新課綱，以「科學探究能力」取代科學過程技能，但這並不是代表課綱完全捨棄過程技能，而是將它融入在科學探究中，因為科學探究能力不只強調進行科學探究並學習科學知識的方式，還注重將這些方法和科學知識做結合，也就是知道如何使用這些方法，以及理解科學知識如何以及為什麼隨著新證據、或是新的邏輯分析方式而修正(NRC, 2000; Osborne,2014)。而隨著 NGSS 課綱(NRC, 2012)的提出，將科學和工程結合，希望學生透過餐與科學和工程實務了解科學家和工程師進行探究或設計的歷程。NRC(2012)認為唯有讓學生實際參與實務，學生才能認識科學知識的發展，了解用於探討、建模和解釋式解的多種方法，以及激發學生的好奇心和興趣，讓學生更投入學習。科學過程技能強調學生要知道使用哪些(what)技能學習科學知識；而科學探究能力除了要使用這些能力學習科學知識之外，還要知道如何(how)使用這些能力； 20.

(28) 科學實務除了將科學領域和工程領域結合，亦延續科學探究能力的意涵，但更強調學生的親自參與和使用這些實務的目的(why)以及在科學活動上的意義。本研究希望幼兒在進行科學探究時，除了學習科學知識之外，更要知道如何去學習，但未強調實務的部分，所以本研究以「探究能力」表示幼兒在進行科學探究時所使用方式。而研究者亦參考過程技能、探究能力與實務制定出六項探究能力，表 2-2-4，並與十二年國教自然領域課綱所提及的探究與實作歷程進行比較，詳見表 2-2-5。表 2-2-4 為研究者與科學教育背景的專家與博士生各一位共同制定的六項探究能力，分別為探索(Explore)、提問(Question)、預測(Predict)、規劃(Plan and design an investigation)、執行(Conduct an investigation)和溝通(Communicate)，所有主能力共包含 17 項次能力。而本研究僅選取其中六項次能力作為本研究之探究能力，分別為系統性觀察、規劃、實驗、操作、測量與分享，詳細說明請見第三章第一節。「探索」是指幼兒能夠注意到生活中感到有興趣或疑惑的現象，並具體地說出看到的現象，並運用感官去觀察或動手嘗試，包含初步觀察和初步嘗試。「提問」是幼兒依照在探索中所觀察到的現象或嘗試的結果，辨識或是提出可以被科學驗證的問題，包含辨識科學問題、提出科學問題和精緻化問題。「預測」是幼兒能夠結合先備經驗或知識，針對提出的問題預想結果，提出可能的解釋，並從中挑選最有可能的答案，包含提出預測和聚焦。「規劃」則是幼兒要決定探討活動中所需要用到的設備或器材，或是做是當的人力配置，另外，幼兒也要決定探討活動中的流程和辨識不同的變相及判斷資料的可行性，包含規劃和設計。「執行」是幼兒進行一連串有目的性的觀察、蒐集資料與進行實驗，並利用各種表徵將資料或結果記錄下來，以回答提出的問題，包含系統性觀察、資料蒐集、操作、測量、紀錄和實驗。最後是「溝通」，在整個探究過程中，幼兒能夠利用證據去向他人說明和解釋觀察到的現象或是問題的答案，包含分享和討論。17 項探究能力之間並沒有一定的順序，幼兒也可以同時展現兩項探究能力。. 21.

(29) 表 2-2-4 本研究之科學探究能力主能力. 說明. 探索. 注意到生活中感到有興趣或疑惑的現象，並運用感官去觀察或嘗試。. 次能力. 說明. 初步觀察. 應用不同的感官去注意到、感受到生活周遭的現象，並具體地說出看到的現象或變化。. (Make initial Observations) 初步嘗試. 能依照自身的興趣去觀察生活周遭的現象，進而產生疑問，並動手操作或探試。. (Do initial testing) 提問依照在探索中辨識科學問題所觀察到的現 (Identify a science. 從已提供的問題中，挑選可被科學驗證的問題。. 象或嘗試的結 question) 果，提出問題。提出科學問題. 根據觀察到現象，提出有意義且是可以被科學驗證的問題。. (Ask a science question) 精緻化問題. 根據先備經驗（prior experience）或已知的知識，修改問題內容，讓問題更完整（使變因更具體、使用科學語言、或使問題可被驗證）。. (Refine a question) 預測結合先備經驗提出預測或知識，預想 (Make predictions) 可能會發生的狀況。聚焦 (Focus on key ideas) 規劃決定探討活動中所需的設備與器材，列出施行的步驟，並辨識所有變. 規劃. 結合先備經驗或知識，針對提出的問題，說明自己認為可能的答案或結果（提出多種可能的答案或解釋）。（發散 divergent）從眾多可能的答案或解釋之中，挑選最有可能的答案，並決定問題中可能涉及的因素，以進行之後的規劃。（收斂 converge、教師協助學生聚焦）決定探討活動中所需要的材料與設備，若採小組活動，應當作人力資源的分配。. (Make a plan) 設計. 決定探討活動中的施行步驟，包含說明任務進行的順序、瞭解需要的觀察和測量、辨識自變項和依變項、和判斷資料的可行. (Design procedures). 項。. 性以回答問題。. 執行進行一連串的系統性觀察觀察、資料蒐 (Make systematic 集與實驗，以 observations) 找出問題的答案。. 依特定目的（與問題的答案有關或是蒐集資料的一部分），聚焦在特定事物或現象，有計畫性的去注意事物或現象的變化，觀察過程可包含分類、識別、命名、比較、和排序。（續下頁）. 22.

(30) 主能力. 說明. 執行. 次能力. 說明. 資料蒐集. 能夠透過各種管道（系統性觀察、圖書館 (Seek information) 書籍、實地拜訪、實物摸索或有經驗的專家等）找到與問題相關的資訊。操作. 能夠正確的使用相關且合適的設備與工 (Employ equipment 具，來進行探討活動。 and tools) 測量利用相關的設備與工具，並結合簡單的數字判讀和運算得知某特定物品的體積大 (Measure) 小、長度或重量等。記錄. 能夠利用單一表徵或多元表徵（包含文字、符號、圖畫、表格和相片）描述或記下觀察到的現象以及它們的變化。. (Record) 實驗. 透過控制與操作不同的變因，以了解變因對結果的影響。（註：結果與預測的比較或驗證預測，尚未包含於執行能力中。）. (Experiment) 溝通在整個探究過分享程中，不論是 (Share) 對組內成員，. 根據相關證據，將自己的想法或問題的答案透過各種具體、書面或口語的形式解釋給他人知道。（單向）. 或是組外其他討論針對共同感興趣的特定主題或概念，與他人，利用相關 (Discuss) 人互相將自己的想法解釋給彼此，並延伸證據去說明觀更多可能的答案。（雙向）察到的現象和問題的答案。註：粗體字為本研究探討之六項探究能力。. 表 2-2-5 本研究之科學探究能力與科學過程技能、科學探究能力、科學實務和十二年國教自然課綱之關係本研究之探究能力 1 探索 - 初步觀察 - 初步嘗試. 科學過程技能 2. 科學探究能力 3. 科學實務 4. (process skills) - 觀察. (inquiry abilities). (practices). 十二年國教自然課綱 5 - 觀察現象. （續下頁）. 23.

(31) 本研究之探究能力 1. 科學過程技能 2 (process skills). 提問 - 辨識科學問題 - 提出科學問題 - 精緻化問題. 科學探究能力 3. 科學實務 4. 十二年國教自然課綱 5. (inquiry abilities) (practices) - 提出有關環境 - 提出問題和 - 蒐集資訊中的物體、生物定義問題 - 形成或訂定和事件的問題問題. 預測 - 提出預測 - 聚焦. - 預測. - 使用獲得的資 - 計畫和進行 - 提出可驗證料建構一個合理探討活動的觀點的解釋. 規劃 - 規劃 - 設計. - 控制變因. - 計畫和進行簡 - 建構解釋和單的探討活動設計解決方案 - 使用簡單的設備和工具來蒐集. - 尋找變因或條件 - 擬定研究計畫. 資料，並理解其意義執行 - 系統性觀察 - 資料蒐集 - 操作. - 觀察 - 分類 - 應用數字 - 辨識時空關係. - 計畫和進行簡單的探討活動 - 使用簡單的設備和工具來蒐集. - 發展和使用模型 - 計畫和進行探討活動. - 尋找變因或條件 - 收集資料數據. - 測量 - 記錄 - 實驗. - 測量 - 推理 - 控制變因 - 詮釋資料 - 下操作型定義 - 實驗. 資料，並理解其意義 - 使用獲得的資料建構一個合理的解釋. - 分析和詮釋資料 - 使用數學和計算機思考 - 以證據論證 - 獲取、評估和溝通訊. - 分析資料和呈現證據 - 解釋和推理 - 提出結論或解決方案 - 建立模型 - 合作與討論. 溝通 - 分享 - 討論. - 溝通 - 推論 - 解釋資料. - 使用獲得的資 - 以證據論證 - 解釋和推理料建構一個合理 - 獲取、評估和 - 提出結論或的解釋溝通訊解決方案 - 溝通探討的過程、結果和解釋. - 表達與溝通 - 評價與省思. 註 1：本研究定義之科學探究能力（包含主能力和次能力）。註 2：係根據 AAAS(1967)提出的十二項科學過程技能。註 3：係根據 NRC(1996)提出 K-4 階段的學生在進行探究活動會有的探究能力。註 4：係根據 NSTA(2013)提出針對 K-2 階段的八項實務。註 5：係根據十二年國教自然領域課綱(教育部, 2019)中提及之探究學習內容的科學探究歷程。 24.

(32) 第三節、教學模式本研究的教學模式和課程設計主要是依據專題導向學習(project-based learning) 和幼教領域中的方案取向（或稱專題取向 project approach）為主，並融入德國小科學之家的探究環。以下闡述此三種教學模式或教學取向的特徵。. 專題導向學習(Project-based learning) 專題導向的學習促使學生探討他們認為有意義和感興趣的問題，從而激發他們對世界的好奇心。通過探討活動，學生可以運用領域核心概念(disciplinary core ideas) 、科學和工程實務 (scientific and engineering practices) 以及跨領域概念 (crosscutting concepts)來理解觀察到的現象，或是找出解決問題的方法(Krajcik & Czerniak, 2018)。專題導向學習讓學生可以積極的學習科學，除了可以提高學生對世界的好奇心，也可以幫助他們了解科學本質，並發展他們的思維能力、創造力、與他人合作和蒐集訊息的能力，以及提升他們的科學過程技能(Can et al., 2017; Krajcik & Czerniak, 2018; Kubiatko & Vaculová, 2011)。 Krajcik 和 Czerniak(2018)提出專題導向學習的幾個基本特徵： 1.. 建立與學生生活的關聯(Establishing relevance to students’ lives)：專題導向的學習應該與學生的生活息息相關，而驅動問題可以將問題與學生的生活和文化經驗作結合，並維持學生的參與度。在專題進行中，驅動問題有助於學生組織和推動各種活動，而教師和學生也會針對驅動問題進行詳細的闡述、探索和回答。驅動問題(driving question)包含幾個特性：（1）驚奇感(sense of wonder)：驅動問題會激發學生的好奇心和對某些現象的興趣，並促使學生思考，以產生更多問題。（2）可行性(feasible)：學生可以藉由設計和進行探討活動回答問題。（3）有價值的(worthwhile)：問題與科學家的實際行為相關，並涵蓋很多科學概念，甚至可以延伸出更深入的問題。（4）情境化(contextualization)：問題具有實際意義，並與學生的實際生活相關。（5）道德的(ethical)：學生回答問題的方式不會危害任何生物或環境。（6）延續性(sustainable)：問題能促使學生仔細探索自身的想法，並隨著時間找出問題的答案。. 2.. 學生進行科學與工程實務 (Students engage in the practices of science and engineering)：探討活動是科學的本質，同時它也促使學生參與科學實務。探討 25.