運用體驗自然活動培養國小學童環境覺知之行動研究

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(1)第壹章. 緒論. 本章共分為六節，第一節說明研究背景與動機，第二節說明研究目的與問題，第三節說明名詞釋義，第四節說明研究範圍與限制，第五節說明研究假定，第六節說明研究倫理。茲分述如下：. 第一節. 研究背景與動機. 根據 1992 年國際數學及自然科學教育評鑑（International Assessment of Educational Progress，簡稱 IAEP），以及 2003 年國際數學與科學教育成就趨勢調查（Trends in Mathematics and Science Study 2003，簡稱 TIMSS 2003）之結果顯示，我國學生的科學成就表現皆名列前茅。但當我們仔細探討 IAEP 與 TIMSS 中的各項數據時，卻發現令人憂心的問題，例如：在 IAEP 中，13 歲學生於科學本質的評量表現是低於自然科學知識成就的表現，換言之，我國學生對於科學的思考技能，像是觀察、分類、推理、設計實驗…等探討科學的能力並不如記憶科學知識之表現，而且其他各國的學生能觀察許多項目，而我國的學生卻只能觀察最顯著的一、二項，並有不少的學生不會區別觀察與推論（楊榮祥，民 83）；至於在 TIMSS 方面，國二的高層級學生在高科學評價指標，以及對於學習科學有自信之比例，皆低於國際高層級學生的平均百分比，顯示出我國學生在科學學習上較缺乏興趣與信心（邱美虹，民 94）。處於知識爆炸的現代社會裡，許多人為了迎合評量，往往忽略科學過程技能的重要性與學習興趣的培養。而 IAEP 的評鑑結果與 TIMSS 2003 的成就調查正好警醒我們，若要讓學生找回學習的自信與可發揮創意的空間，需提供更多學生可以動手做、參與探索的科學活動，並將科學與生活結合（邱美虹，民 94）。教育部於民國 92 年訂定的國民中小學九年一貫課程綱要，自然與生活科技領域的課程目標：培養探索科學的興趣與熱忱，並養成主動學習的習慣；學習科學的基本知識與過程技能，. 1.

(2) 並能應用於當前和未來的生活，即是期望提升學生對科學的求知慾與過程技能的表現。在美國的中小學課程裡，科學過程技能被認定是一群可轉移的能力，不僅適用於多種科學領域，更可反應出科學家在科學研究過程中，所具有的共同因素（張蘭友，民 91）。美國科學促進會（American Association for the Advancement of Science，簡稱 AAAS）於 1970 年提出科學過程教學的基本理念，將科學家探究科學的繁雜活動，分為觀察、應用時空關係、分類、應用數字、測量、傳達、預測、推理等八項基本過程，另有控制變因、解釋資料、形成假設、下操作型定義、實驗等五項統整過程，統整科學過程技能乃植基於基本科學過程技能之上，基本科學過程技能則可做為學習較複雜之統整過程技能的基礎。其中，解釋資料為統整過程技能之一，其意義為：將各個科學過程所收集到的各種資料，經過整理、分析、研判並加以解釋的過程（魏明通，民 86）。學生面對著瞬息萬變的世界，時常會針對在自然界所觀察到的現象，提出各式各樣的疑問，而當學生嘗試回答這些問題所進行的活動，即為「解釋」（許育彰，民 87）。Unsworth（2001）則認為：提出解釋為科學教育的核心。因此，學生透過「解釋」而理解自然現象之際，不僅是在學習科學過程技能。更可進一步提供教師與研究者了解學生之想法與概念的機會。科學解釋（scientific explanation）又稱為科學說明，是科學家們嘗試回答「為什麼」問題所從事的活動，科學解釋可謂是科學研究中最普遍、最根本的一種活動，因為科學家們在從事科學研究的每一步驟時，皆是不斷地在提出問題，並解答問題（陸健體，民 83）。因此對自然現象提出解釋，是科學社群的主要活動，也是科學研究的目的。學生針對自然現象提出解釋的過程裡，必須運用心智中既存且相關的科學概念與知識，進行組織統整之後，方能對自然現象提出合乎邏輯的說明。因此，學生如何呈現出自身對於自然現象的解釋與看法，乃與其所具備的科學概念與知識體系有密切關係。學生在接受正式教育之前，已累積了一些想法與知識，久而久之，就會對於一些自然現象產生自己的解釋，只是，這些解釋時常不是運用科學證據或理論為其基礎所形成的，而是學生基於自己的假設與經驗去做描述的（謝州恩，民 93）。另有研究指出了：在科學教育的學習過程裡，學生. 2.

(3) 對科學概念的學習，會有正確概念與迷思概念共存於其所形成的概念架構中，而達成一種平衡的狀態（耿筱曾，民 88）。學生會運用此一自然形成的概念架構，對其所面臨的科學概念或問題，進行解釋。然而，此種概念架構經常異於學校所教導的科學概念系統，而且，有時會因為學生的此種頑強概念架構，導致學校的科學教育得不到預期的效果（黃文吟，民 89）。因此，教師們欲達到一定的科學教學成效，應先藉由了解學生在對自然現象進行解釋的活動中，所呈現出的概念架構，然後再透過教學策略，方能使學生產生概念的改變。研究者在國中服務近十年，仍然經常發現，國中學生雖然已接受數年的學校教育，但是他們對基本之科學術語的解釋，常缺乏證據的支持。舉例來說，當研究者提出：何謂比熱？比熱與溫度的升降之間，有何關係存在？通常學生會述說課本以及教師在課堂上所提過的內容。但若繼續問道：請舉例說明比熱與溫度升降之間的關係時，學生常會出現前後矛盾、片段、零亂、缺乏相關性或不合理的例證與解釋，有時甚至還會直接回答不知道或是表現出不知所措的樣子。看到此一現象，引發了研究者欲深入了解國中學生對自然現象所呈現出的「科學解釋」。融貫（cohere）在日常生活中代表相互扶持的意思，而解釋融貫性（explanatory coherence）則是指解釋之間的相互支持（Thagard,1992）。當有令人驚異的事件發生時，人們通常會竭盡所能地產生自己對事件的解釋，Vosniadou（1994）則提出這些解釋的形成會隨著個人的概念架構不同而異，或許這些解釋有別於科學家的解釋，但卻有自成一格的解釋融貫性（引自劉誠宗，民 92）。另外，diSessa（1988）指出兒童不具備解釋融貫性的理論，僅有鬆散、沒有系統，但卻是外在相互連結的概念，而這些概念並不能形成一套原理以提供解釋融貫性之判斷法則（引自 Thagard,1992）。當國中學生面對一系列相關的自然現象時，他們針對前一個實驗進行操作觀察後所提出之科學解釋內容是否會因為後續的實驗結果而被取代？在前後實驗所應用的科學概念是否一致？而其科學解釋內容是否會前後呼應？上述的種種疑惑即是引起研究者欲探討國中學生解釋融貫性之研究的源頭。科學教育的目標在於讓學生運用所學得的科學知識與技能，對現象進行解釋，並可應. 3.

(4) 用於日常生活中，以獲得解決問題的能力。在課堂上，教師時常以「提問」的方式來檢驗學生應用知識的程度，但這樣的方式未能將學生的理解情形完全顯現出來。「預測─觀察 ─解釋」（Prediction─Observation─Explanation，縮寫為 POE）是一種應用知識能力的評量（White & Gunstone, 1992）。POE 可以更直接地顯示出學生的理解脈絡，因為它是利用特定事件或現象，要求學生運用學到的知識，解釋「為什麼」問題的一種評量方式。POE 的實施步驟為：學生針對某一事件或現象，預測其結果，並解釋原因，接著描述觀察到的現象，最後再針對預測與觀察間所引起的矛盾衝突，學生提出解釋，設法了解預測與觀察間的差異性。雖然 POE 對於了解學生的概念與思考歷程，具有重要的助益（Palmer,1995），但在先前的研究以及文獻中，學者所採用的 POE 皆為單一實驗或是多次無關聯的 POE，針對本研究欲了解國中學生之解釋間的融貫性情形，實質助益不大。基於上述因素，本研究採用許良榮（民 94）提出之「S-POE」實驗活動進行研究。「序列性 POE」（Sequential Prediction─Observation─Explanation，縮寫為 S-POE）之設計方式為：運用前後有關聯性的數個特定事件或現象，讓學生針對每個特定的事件或現象，皆依照 POE 的實施步驟進行解釋說明（許良榮，民 94）。透過 S-POE，可以探討學生對一連串自然現象的科學解釋，亦可探究學生對此數個自然現象呈現其科學解釋的過程裡，解釋融貫性的程度。本研究即是利用 S-POE：以「大氣壓力、表面張力」為主題概念之五個相關聯的 POE，來了解國中學生對自然現象之科學解釋與解釋間的融貫性，期望對國中學生應用知識進行解釋的能力，有更深入的認知，而且此研究結果亦可成為科學教師於選擇教學策略時的參考。. 4.

(5) 第二節. 研究目的與問題. 在日常生活裡，大氣壓力與表面張力是學生時有耳聞的兩個科學術語，而本研究即是運用大氣壓力與表面張力之概念所發展出的 S-POE 策略，以國中學生為研究對象，針對學生對五個關於大氣壓力與表面張力之自然現象提出的科學解釋做分析，期望能對他們應用知識呈現解釋的程度，有較深入的理解。基於上述的理念，本研究之研究目的為：一、了解國中學生對「大氣壓力、表面張力」有關的自然現象提出的科學解釋。二、了解國中學生對「大氣壓力、表面張力」有關的自然現象所提出之科學解釋，其解釋間的融貫性情形。根據上述的目的，本研究藉由蒐集到的資料，經過處理與分析後，針對下列的問題進行討論：一、國中學生對「大氣壓力、表面張力」有關的自然現象的預測結果為何？二、國中學生對「大氣壓力、表面張力」有關的自然現象所提出的預測理由為何？三、國中學生對「大氣壓力、表面張力」有關的自然現象所提出的科學解釋為何？四、國中學生對「大氣壓力、表面張力」有關的自然現象所提出的科學解釋，其解釋類型為何？五、國中學生對「大氣壓力、表面張力」有關的自然現象，所提出之一系列的科學解釋，其解釋間是否具有融貫性？. 5.

(6) 第三節. 名詞釋義. 一、科學解釋（Scientific Explanation）科學解釋是針對「為什麼」之問題試圖回答所進行的活動，而不同型式的問題，會獲得不盡相同的解釋類型。即便是針對相同的問題，隨著每個人知識體系的差異性，亦可得到不同的解釋說明。一個成功的科學解釋，不論以何種解釋內容呈現，其功能不僅可以消除人們的疑慮，亦可讓人們理解該現象或事件發生的原由（陸健體，民 83）。對於科學教學而言，科學解釋形式的問題，包含了增強學生高層次能力，以及具備研究學生迷思概念的功能（葉家棟，民 87）。而本研究的目的在於探討與分析國中三年級學生對 S-POE 實驗活動提出之解釋的內容，以了解學生對於這五個實驗現象提出解釋說明的能力。二、解釋類型（Types of Explanation）本研究除了探討國中學生對於相關之自然現象所提出的解釋說明外，亦將這些解釋說明歸類出其所屬之型式。而其分類準則在於參考 Dagher（1992）研究國中科學教師在課堂討論所提出的 10 種解釋類型：類比的、擬人化的、功能的、發生論的、機械論的、形上學的、實作的、理性的、套套邏輯的、目的論的等，另外再依據晤談結果加入直覺型、科學型、似科學型與誤用科學型，總共 14 種型式，以做為歸納學生之解釋說明的類型參考。三、解釋融貫性（Explanatory Coherence）解釋融貫性意指各命題之間的關係因解釋之故而得以連結在一起，由於各命題之邏輯的承續與一致性，使得解釋之間具有相互支持的特性（陳瑞麟，民 90）。Thagard（1992）認為，當我們企圖去了解日常生活中的懸疑事件或自然界中的各種現象時，常會提出許多種可能的解釋，但最終總是以一個解釋融貫性最佳的為主。而且 Thagard 也以解釋融貫性理論說明了歷史上的一些重大理論被取代的現象。於本研究中，解釋融貫性的分析方式是將國中學生於 S-POE 實驗活動中提出的一系列科學解釋內容進行分析研判後，了解學生對於個別 POE 實驗所呈現的科學解釋之間是否會相互支持，達成一致。例如：學生在前一個. 6.

(7) POE 實驗中提及表面張力之因素會影響水是否流出，但在下一個實驗的解釋說明裡卻未持續考慮表面張力之因素，則表示學生的科學解釋不具有融貫性。四、S-POE（Sequential Prediction-Observation-Explanation，縮寫為 S-POE） S-POE 是指序列性的預測－觀察－解釋，此活動可用來探究學生對於科學概念的理解，是屬於片段、缺乏相關性的程度，或是偏向於深入、前後一致的層次。POE 策略是先要求學生對於事件或現象進行結果的預測，並解釋原因，然後再描述觀察到的結果，最後則針對預測與觀察間的不一致，說明其差異性，以了解此事件或現象的發生經過。而 S-POE 之設計，則是運用前後有關聯性的數個特定事件或現象，要求學生對每一個特定的事件、現象，皆遵循預測－觀察－解釋之步驟，依序完成此數個特定事件、現象的解釋與說明。本研究是運用 S-POE 實驗活動，對國中學生進行個別晤談，做為探究國中學生之科學解釋內容，以及解釋融貫性的主要方法。. 第四節. 研究範圍與限制. 本研究以質性研究為主。由於受到研究方法、人力、時間等因素的限制與影響，使得研究結果有其局限性。於是，研究者將研究的範圍與限制整理如下：一、本研究之研究對象，基於方便抽樣的選擇，皆為研究者任教的台中縣某國中三年級的學生，如欲將研究結果推論至其他年級或學校，必須考慮各項條件的差異性。二、本研究所運用之 S-POE 策略，其涵蓋的科學概念是以大氣壓力與表面張力為主，故不宜將結果推論至其他科學概念上。三、本研究係根據三十位晤談對象之晤談結果，經歸納整理而得科學解釋的內容與類型，以及解釋融貫性之結論，研究結果僅能說明部份的情形，未能確定是否還有其他不同類型的科學解釋與解釋融貫性。. 7.

(8) 第五節. 研究假定. 本研究是透過個別晤談的方式，歸納整理出國中學生對自然現象之科學解釋與解釋間的融貫性情形。以下為本研究的基本假定：一、學生在晤談的過程中，均能誠實詳盡地回答研究者提出的問題，學生解釋的內容足以代表其真實的想法。二、學生在接受正式的科學教學之前，即利用既有的經驗、知識與自然環境進行互動學習，也就是說，學生在成為本研究之研究對象之前，已具有對某一科學概念的想法。. 第六節. 研究倫理. 研究對象在接受晤談之前，研究者先向研究對象說明本研究的研究目的、研究方法，以及需要全程錄音等事項，並於取得研究對象的同意後，再實施個別晤談，以便蒐集資料。在晤談過程裡，雖須全程錄音，但研究者必須遵守保密的原則，以維護研究對象的隱私，故本研究所使用的學生姓名，一律採用研究者自行取用的化名。. 8.

(9) 第貳章. 文獻探討. 本研究主要分析國中學生對自然現象的科學解釋，及其解釋融貫性的特徵，運用的策略為五個相關聯的 POE 實驗，因此，本章首節先就解釋的看法與類型加以說明，其次再詳述科學解釋的相關研究，然後說明解釋融貫性的理論基礎，最後則對 POE 做基本介紹、說明 POE 之實施與範例應用，並闡述其在國內、外的實徵研究。. 第一節. 解釋的意涵與類型. Touger, Dufresne, Gerace, Hardiman & Mestre（1995）提出了個體產生解釋的方式可能提供像解決問題（problem solving）一樣的良好標準來評量學生的能力，而且個體所產生的解釋也可以提供有關個體知識庫（knowledge store）中知識的內容與結構的資料。因此，針對學生所提出的解釋來評量學生對教材的理解情形，並依據學生的理解程度調整教學策略是教師實施成功教學的第一步。Webb（1989）指出：學生對學習材料中潛在的問題，若能參與較多的主動解釋或說明的活動，其學習成就會較高（引自洪瑞雲，吳庭瑜，民 91）。所以，在學校的課程裡，學生除了要學習基礎的方法與知識外，教師經常會要求學生解釋各種現象，其目的不僅在於評鑑學生對概念的學習情形，更希望激起學生學習的興趣與成就感。在本節中，研究者先就解釋的意涵加以說明，最後根據解釋的類型做詳細之介紹。. 一、解釋的意涵（一）解釋的意義解釋（explanation）一詞，源於拉丁文 explanare（展開、伸展、說明），其意義為：使某事成為合理或可理解的活動（Angeles,1992）。幾乎任何的事物，例如一個概念、一. 9.

(10) 條規則、一本小說的結構，皆可成為解釋的對象。解釋某事件如何發生通常會包括描述致使此事件發生的過程，而這樣的描述可能涉及某些因果過程的描述，只不過一事件之發生經常有許多不同的因素，該選擇何種因素為其原因，需依不同的脈絡而有不同的考量（Audi,1995）。 Martin（1972）為「一個解釋（an explanation）」這個術語在科學與科學教育裡，辨明了五種含義，敘述如下（引自 Gilbert, Boulter & Rutherford, 1998）： 1.解釋是指一個慣用語在科學情境中之意義的闡明（a clarification of what a phrase means in a scientific context）。它是一個有關此慣用語如何連結到現象的描述。 2.解釋是對某信念或行動的辯證（a justification for some belief or action）。它為為什麼此信念或行動是合理的提供理由。 3.解釋是對某狀態、事件或過程的因果說明（a causal account of some state，event， or process）。它是一個為什麼某事物是怎樣的命題陳述。 4.從一個理論的引證，可能演繹出一個定律（a citation of a theory from which a law may be deduced）。 5.將功能歸屬於一個物體（an attribution of function to an object）。 Bateson（1979）對解釋的看法則是：解釋（explanation）的產生是在片段資料之間建立連結。換言之，對一事物進行解釋（to explain a thing）就是將此事物納入因果關係的邏輯系統內（引自 Horwood,1988）。黃達三、賴玉春（民 87）曾就解釋下了簡單的註解，他說：「解釋」（explanation）就是對事件、現象的分析說明，使人有解惑與了解事件真相及現象發現之內部機制的功能。而陸健體（民 83）則就「解釋」的意義與內涵提出了：解釋可分為兩個層面，一個是做為推論的解釋（explanation），也就是對「為什麼」形式的問題所做的回答。另一個則是做為傳遞行為的解釋（explaining）。在科學教室裡，教師對學生解釋科學概念，可視. 10.

(11) 為後一個層次的行為。本研究則是希望了解學生如何對前一個層次的推論加以說明。一般而言，科學家解釋科學，時常是與科學理論或定律有關，而學生解釋科學現象，則與學生原有的概念或想法有相關。 McEwan & Bull（1991）認為解釋（explanation）是為某人說明某事物，因此，可提供給一既定問題之可能解釋的範圍，視可供解釋者（explainer）利用的知識，以及該知識假定可被受釋者（explainee）得到而定（引自 Edgington, 1997）。 Martin（1970）對教學裡解釋的本質提供有益的洞察。她認為解釋一事物（explaining a thing）是幫助找尋事實的研究活動，而向某人解釋一事物（explaining a thing to someone）是促進外行人理解的教學活動。在研究情境裡，提出解釋（explaining）的目的是增進研究者的新發現與新理解，為了確認，研究者通常會以描述的和解釋的陳述方式（form of descriptive and explanatory statements），與同領域的研究者溝通他們的新發現。而為了能夠解釋某事物，研究者只須找出事物之合乎事實與合理的說明，並不需要關心是否每個人皆已理解此一解釋。但是教師向學生解釋某事物，其目的是為了傳授知識，並促進學生的理解。要滿足學生的需求，並解決學生的問題，教師可能會適度地縮短、忽略，或是曲解說明，因此判斷教師解釋過程（process of explanation）成功與否的標準，是不同於判斷研究解釋（research explanation）或判斷此研究解釋與科學社群溝通成功與否的標準（引自 Horwood,1988）。 Ogborn, Kress, Martins, & McGillicuddy（1997）則是指出了，向某人解釋某一事物時，就此表示此一解釋（explanation）是可獲得的，並且解釋者了解這個解釋，而教師的任務即是讓這個解釋可被學生了解。不過，一個解釋並不會轉換為（transfer）一個想法，解釋的目的是提供材料來建立想法。因此，Leite, Mendoza, & Borsese（2007）就提出了，受釋者必須遵照解釋者提供的資料，並透過某個行動從其先前知識、興趣、信念等觀點（in the light of his/her previous knowledge, interest, beliefs,etc.），再建構這個解釋。當教師所發展與使用的解釋是不同於科學家的解釋時，為了讓學生理解. 11.

(12) 與滿足是教師提出該解釋的特徵，而學生的學習則是將教師提出的解釋與其先備知識進行融合協調，再建構出自己的解釋。科學教育應該增長學生了解這個世界之意義的能力，而提出解釋即為主要的科學教學實務之一（Horwood,1988）。（二）解釋與理解 Achinstein（1971）將教學法的考量包括在一般模式之中，而提出了一個解釋（E）端視誰（A）解釋了什麼（q）給誰（S）聽。E 可能是一項事實，一個句子，或是在 S 中的一個人將找出闡述（illuminating）的任何事物。一個令人滿意的解釋 E 的標準是要求讓 S 理解（understand）q：它們依賴 S 的知識以及這些知識在 S 之認知結構裡的關連性、正確度和深度的關係。這個模式可簡要地表徵為 E=f（A，q，S）。在自然科學的探究情境裡， q 常是「某個現象為什麼或如何發生」這一類型問題。既然解釋者 A 提供 E 給 S，其標準是需要讓 S 理解，就引發了什麼是理解的問題。顯然地，反映出解釋（explain）與理解（understand）間的關係是不容忽視的（引自 Edgington,1997）。 Ohlsson（1992）就提出了：學生建構解釋的能力可被視為「理論的連結（theory articulation）」。理論的連結與了解抽象的理論原理不同，它是指在原理與具體事實之間架構橋樑的能力（引自 Zuzovsky & Tamir,1999）。而 Scriven（1988 ）將解釋（explaining）與理解（understanding）間的關聯性精緻化，他提出：無論一個解釋（explanation）的目的為何，解釋必須增加或產生對某事物的理解，不是只有使此事物明確而已，方可稱為解釋。Friedman（1988）描述了藉由預測、藉由熟悉的現象解釋不熟悉的現象，以及將許多獨立現象的解釋化約為一個理論（theory）等三種方式，可使解釋引發理解。但 Hempel（1965）並不接受被增加的熟悉度（increased familiarity）之判準，他主張理解經常是藉由使用反直覺（counter-intuitive）、不熟悉的理論實體對熟悉之現象進行解釋而獲得（引自 Zuzovsky & Tamir,1999）。由於每個人所具有之科學知識的深度與廣度並不相同，所以科學家在準確地向非科學家溝通他們的發現時，可能會遭遇一些困難，為此，Weaver（1958）提出了二個掌控準確. 12.

(13) 溝通的條件：第一、藉由解釋的過程，受釋者應該被推移至與正確理解更接近的位置。第二、不夠準確或簡化的解釋不能阻礙更進一步的學習。因此，教師在對學生提出解釋時，其主要重點應為造成學生心智狀態的正向改變，或者至少不抑制學生在未來裡，可獲得改良過的解釋。而學生透過自己提出解釋的歷程，則可檢視自我對一事物的理解程度（引自 Horwood,1988）。 Bateson（1979）除了提出對解釋的看法外，亦說明了描述（description）與解釋的不同，他認為描述是的片段資料，而且彼此沒有關聯性。而此關連性以及資料的邏輯時態順序是指在解釋的敘述裡，運用像「因此」、「然而」、「結果」這些字做為信號告知（引自 Horwood,1988）。然而，僅有語言的線索並不足以區別描述與解釋，因此，Scriven（1988）特別指出區分描述與解釋的差異性並非在問題或回答的口語形式中被找出，而是在理解之已知或推論的狀態（in the known or inferred state of understanding），以及提出關於理解的解釋裡被找到的。故藉由確定理解的解釋，其邏輯結構的分析才能區分描述與解釋之不同（引自 Zuzovsky & Tamir,1999）。（三）小結綜上所述，解釋不僅是科學教育的目標之一，也是顯示理解的一種方式，解釋與理解之間具有密切的關聯性。因此要求建構解釋，即是要求展現出提供適當解釋與理解證據的能力。教師以解釋的方式來說明某事件或現象為何發生或如何發生的機制，協助學生理解該事件或現象是教學的主要目的，而要求學生對事件或現象提出解釋，則可窺探學生的知識結構及其內容，以做為設計教學的準則。學生表達出對自然現象的解釋，不僅是展現其對自然現象的理解，更開啟了教師了解學生運用科學思考過程的一扇窗戶。此即為本研究目的之一。. 13.

(14) 二、解釋的類型（一）教師的解釋類型研究已有數個研究指出：在教室裡教師的解釋行為絕不稀少（Bellack, Davitz, Kliebard & Hyman,1968；Smith & Meux,1970。引自 Dagher,1992）。在 Dagher（1992）研究中，她參考了教育學、科學哲學以及日常交談裡對解釋的研究，使用連續比較法（constant comparative method）確認並分析 20 位公立國中科學教師在課堂上討論的轉錄稿，而產生 10 種解釋類型，分述如下： 1.類比的（analogical）：利用類似的熟悉情境對不熟悉的情境提出解釋。而存在於類比情境與實際現象的觀點是被假定有一致性。 2.擬人化的（anthropomorphic）：將人類的特性融入非人類的事物中，使現象以更令人熟悉的方式被表達。此種解釋並沒有目的上的意圖。 3.功能的（functional）：一現象以其直接結果（功能）被解釋。此功能涉及到該現象可能被自然的歷史事件，如天擇的例子，或是與意志力有關的歷史事件，如有意設計之人工製品的例子所支持。 4.發生論的（genetic）：藉由與事件的先前結果產生關連而提出解釋。被告知發生什麼事，而不是被告知為什麼會發生。 5.機械論的（mechanical）：普遍根據自然法則所得到的因果關係。這個關係可能被包含在（1）隱含地或明確地表徵在實際科學定律中的簡要陳述，或是（2）除了更深入論述不能直接觀察到之事件外，一個使用隱含地或明確地表徵在實際科學定律中的簡要陳述，並發展良好的解釋架構裡。 6.形上學的（metaphysical）：現象的原因被確認由超自然力引起。在這個例子裡，暗示原因的本質超越解釋的主體（subject），而來自於客觀的原動力，特別是神靈。 7.實作的（practical）：包括像是如何執行肢體的或心智操作的教學，此種解釋是指導傾聽者如何實施（how to）。. 14.

(15) 8.理性的（rational）：為已知的主張努力地提供證據或支持理由，以獲取信念。理性的解釋包含了給予提出的主張支持，使其他人接受這項主張。 9.套套邏輯的（tautological）：將如何. 為什麼的問題或是陳述（statement）的文. 字排列重組，而未加入任何新的資料到它的內容中。 10.目的論的（teleological）：解釋現象是以現象的直接結果（功能）如何透過與有相同的生物. 肢體系統內的其他現象協同作用，促成一個最終結果（目標）的可能. 獲得。這些現象可能朝向知性的目標被調整（包括較高等脊椎動物的意志力），或者它們可能經由非腦的生物或電學. 機械的方式，朝向實質的目標被調整（例如，. 儲存在動物記憶裡的適應經驗，儲存在 DNA 序列中的資料，電腦程式）。 Smith & Meux（1970）從教學邏輯（the logic of teaching）的觀點，研究教師教學行為的多面性，並於完成教室觀察系統之轉錄稿的分析後，認定了如下的 6 種解釋類型（引自黃達三，民 87）： 1.機械論的（mechanical）：說明某構造或事件的各個部份連結在一起之方式，以便論述該構造或事件。 2.因果的（causal）：論述導致被解釋事件或現象的前置因素、伴隨原因。 3.次序的（sequent）：依照順序列舉造成被解釋事件發生的先前事件。 4.程序的（procedural）：描述出導致某特定結果的步驟或事件。 5.目的論的（teleological）：透過以目的的詞語進行事物或事件的描述 6.規範的（normative）：包含兩種可能性，一種是要求舉例說明或辯證，另一種是指出規則以做為行動、選擇或決定的理由。又 Oguntonade（1972）以科學哲學架構發展出的一套事先建立之解釋系統，將教師的解釋加以歸類，得到教師的解釋類型有下列 5 種型式（引自黃達三，民 87）： 1.全稱定律（universal law）：將定律、學說（例如牛頓的三大運動定律、質量守恆定律、道耳吞的原子說…等等）應用於教學中的解釋。. 15.

(16) 2.建構（construct）：應用建構的定義，例如不同形式的能力或力…等等，有時會和定律連用，但有時只敘述建構的特性。 3.類比（analogy）：運用熟悉的情境協助不熟悉現象的解釋。 4.歷史典故（historical account）：這些典故是科學研究的記錄，例如焦耳的實驗故事…等等。 5.多方面的（miscellaneous）：例如列舉一系統的事件，但與歷史無關，圖例一連串的實驗步驟，簡述測量的方法…等等。 Edgington & Barufaldi（1995）以書面與晤談的方式，研究 5 位中學物理教師討論牛頓的搖籃展示（Newton’s Cradle demonstration）所得的解釋，而發現到這 5 位教師皆將這些事件看待為一系列的互相碰撞，並把該現象與能量和動量的概念連起來，而且均以單一典範做為解釋的模式，但在進行方程式的演算步驟中，卻沒有列舉相關的變因、查驗限制或是適當地定義未知數，甚至於他們的呈現方式像是關於此論點只有一個問題，也只有一個正確答案似的。研究者於是提出了某些教師似乎會自動地將科學相關任務置於科學教學情境中，而當他們這樣做的時候，此假定的情境就和他們實際教學的主題、目標、班級、學生、年級程度有密切關係。因此，這 5 位教師的演算過程就包含了一些通常在專家-生手研究中，歸屬於生手級的儀式概念型式（ritual concepts patterns）。另外，黃達三、賴玉春（民 87）探討 4 位國小低年級教師在進行科學教學時，口語解釋的類型，採用 Dagher（1992）的分類方式，經過詳細的分析結果而得到 6 種解釋類型，分別為類比的（analogical）、擬人化的（anthropomorphic）、功能的（functional）、形上學的（metaphysical）、實作的（practical）、套套邏輯的（tautological）。（二）學生的解釋類型研究國內外除了對於教師的解釋類型已有一些相關的研究，亦有一些針對不同的學生個體群在不同的脈絡中所產生的解釋類型方面的研究。Metz（1991）在探討兒童物理因果關係知識的變化時，查驗了 32 個 3、5、7、9 歲的兒童對一系列的齒輪構形（a series of gear. 16.

(17) configurations）運作時所產生的解釋，而提出 3 個發展解釋的階段： 1.階段 1─物體的功能視為解釋（function of the object as explanation）：結合簡單的力量推理，以及對期望效果之目的論的辯證，並沒有提及任何關於情境中的因果關係。 2.階段 2─關係視為解釋（connections as explanation）：依照齒輪之間的空間關係說明運動的情形。 3.階段 3─機械的解釋（mechanistic explanation）：以齒輪推動齒輪的方式說明齒輪的運動。 Metz 亦分析一個階段發展到下一個階段解釋上的改變，而指出了從階段 1 轉移到階段 2 是屬於完全的替換（radical substitution），因為解釋的內容與形式是完全不同的，相當於一個解釋被另一個解釋取代。從階段 2 轉移到階段 3 是轉變合併（transforming incorporation），因為此種轉移是將前一個階段精緻化，也就是說階段 2 的解釋形成階段 3 之解釋的基礎，但階段 3 的解釋是根據機械架構而得的修正形式，在質性上更適合說明齒輪運作的現象。 Tamir & Zohar（1991）以個別晤談方式探討 28 位高中學生對生物現象的解釋，而發現到高中學生雖然會區分擬人化解釋與事實解釋（factual explanation）之不同，但在生物學上支持將擬人化的解釋（anthropomorphic explanation）視為一種可以使生物學的概念與發生過程變得更容易理解的方法。應用目的論的解釋（teleological explanation）來說明動、植物的生理現象，是相當普遍存在於這些高中學生的解釋類型內。於是，研究者提出了目的論與擬人化的解釋是生物科學中獨特的兩種解釋型式。在 Touger et al.（1995）的研究中，45 位初學物理學之大學學生已通過為期一個學期之以微積分為基礎的力學課程（calculus-based mechanics），然後這些被實驗者（subjects）根據特定物理情境所提出之與基礎力學相關的開放性問題進行解釋，接著研究者分析這些被提出的解釋，而發現到學生應用概念於其解釋裡是情境相依的. 17.

(18) （situation-dependent），並將這些大學學生對物理學的解釋大致上分為直覺的，公式推導，以及階層的等 3 種類型，茲分述如下： 1.公式推導的（formula-driven）：這類型的解釋是從公式開始進行相當多的代數計算，此公式通常在一開始就被寫下，而且顯然是導源於開始的記憶搜尋，為的是回應已知的問題。有時圖表會以類似的方式處理，但時常接下來的敘述未能運用初始的公式或圖表，顯示在初學者的知識庫裡，缺乏相互連結性，特別是在不同的表徵之間。 2.直覺的（intuitive）：這些解釋通常是質性的（qualitative），而且大量討論每天或真實世界之用語裡的已知情況，像是運用撞擊、慢下來以及沒有走這麼遠等措詞，勝過於極少被使用的正式物理語言。 3.階層的（hierarchical）：這些是最像專家的解釋，清楚地確認相關的支配概念，並以相當結構化的方式應用概念，像是確認能量守恆的初始與最終狀態。他們包含將數學與視覺表徵，以及相關敘述整合，展現像專家的能力來使用多重表徵。研究者認為，直覺的解釋可能是疏忽較多的反應，然而階層的與公式推導的解釋是較可能在物理課程中被學到的。（三）其他的解釋類型研究在 Edgington & Barufaldi（1995）的研究中，除了探討中學物理教師所提出的解釋外，亦同樣以書面與晤談方式分析 3 位研究物理學家對牛頓之搖籃展示所提出的解釋，研究者發現到此 3 位研究員不僅將這些事件看待為一系列的互相碰撞，並把該現象與能量和動量的概念連起來，還藉由（1）訴諸多重的可能性與典範（2）查驗這些典範的可應用性（3）在呈現演算之前、後，評量典範的正確性，強調他們欲表現之認識論的理由與理論基礎。雖然 5 位物理教師 3 位物理學家皆視搖籃展示為一系列的碰撞，並將此現象和能量與動量的概念連起來，然而他們所提出之解釋的論證在深度與複雜性方面是相異的。 Angeles 於 1992 年提出 6 種不同的解釋，分別為功能的、整體的、機械的、有機論的、. 18.

(19) 目的論的、科學的，茲將此六種解釋的意義分述如下（引自段德智、尹大貽、金常政譯，民 93）： 1.功能的（functional）：描述一個事物在其存在時，各成份之間相互聯繫的活動（功能、作用）來對現象做出解釋。例如：對「為什麼有心跳」做出功能的解釋時，就得以血液循環以及做為心跳基礎之心臟與肉體間的物理、化學作用進行說明。 2.整體的（holistic）：用整體（形式、總體、統一體）的功能（目的、特性、活動）對現象提出解釋，認為整體是它的部份指導原則。或是用整體的功能來解釋整體之各部份的活動。 3.機械的（mechanistic）：描述在一個複合體中，一個部份如何與其他部份發生機械的交互作用。 4.有機論的（organismic）：所謂的有機論是指任何一種以生命有機體的類比為基礎來解釋宇宙的理論，或是指任何一種把宇宙解釋成整個作用引起與協調各部份活動的理論。而有機論解釋則是將一個整體的特性視為：（1）有別於個體部份（或部份的群體）的特性，以及（2）對於解釋某些事物是不可或缺的，就像是對各個部份之相互作用的分析，對於各部份的解釋是不可少的一樣。整體被認為不僅是各個部份之量的總和，而且在質上與它們的總和有別。 5.目的論的（teleological）：這種解釋有以下幾種定義：（1）按照某物所完成的某種目的（目標、結果）所做的解釋。（2）用於達成某種目標或達到某種目的之活動所做出的解釋，通常這種目標或目的是預定的或已計畫好的。（3）涉及某物正在追求的歷程，或者是為了這種追求所發生的經過，會走向未來的事情（目標、目的、終結、結果）而解釋現在和過去的事情。也就是說，運用現在的條件解釋現在的事件，並能解釋未來。（4）利用適合於（適應於、協調於、相當於、適當於、相應於）完成整體的目的與需要的這個整體之各部份相互關係的結構和活動而做出的解釋。 6.科學的（scientific）：透過描寫一個事物的結構與過程而使該事物成為可理解的，. 19.

(20) 以及（或）表明一個事物如何完成它的活動，即為科學解釋。科學解釋的基礎有：（1）運用歸納-演繹法（inductive-deductive methods）將事實（經驗觀察）形成概括化的理論。（2）將這些事實與前後一致且有系統的概括化理論聯繫起來，並和已經累積，以及已為人們所接受（已被肯定、已得到證實）的相關事實做連結。（3）引出概括化理論說明這些事實可能具有之邏輯的與經驗的含義和系統。（4）建構出對這些事實和概括化理論的辯證（justification）、認證（confirmation）、驗證（verification）。（5）表明這些事實是可以在數量上被計算（被推演）的，或可從概括化理論預測到的。上述不同類型的解釋有其不同的含義，有些甚至是彼此相互對立的。而科學解釋亦為其中的一重要類型，本研究即是以學生對自然現象所提出的科學解釋為研究焦點。（四）小結上述的文獻涉及不同個體群在不同脈絡中所得的解釋型式，隨著研究所選用的概念不同而區別出許多不同類型的解釋。茲將上述解釋類型的相關研究整理如下表 2-1-1：表 2-1-1 解釋類型之相關研究研究者 Metz Tamir & Zohar. 發表年. 研究對象. 1991. 3、5、7、9 歲的兒童. 1991. 高中學生. 資料來源. 解釋類型. 針對齒輪運物體的功能、關係的、機轉而產生的械的解釋對於生物現象的解釋. 目的論的、擬人化的類比的、擬人化的、功能. Dagher. 1992. 於課堂上討的、發生論的、機械論的、論而得的轉形上學的、實作的、理性. 國中科學教師. 錄稿 Edgington & Barufaldi. 討論牛頓的 1995. 的、套套邏輯的、目的論的. 單一典範、教學的、機械搖籃實驗而論的得的解釋. 中學物理教師. 20.

(21) Edgington & Barufaldi. 討論牛頓的 1995. 多重典範、可應用性、正搖籃實驗而確性、強調限制得的解釋. 研究物理學家. Touger, Dufresne, Gerace, Hardiman &. 針對與基礎力學相關之 1995. 公式推導的、直覺的、階特定物理情層的境而得的解. 大學學生. Mestre 黃達三. 釋民 87. 科學教學時. 國小低年級教師. 的口語解釋. 類比的、擬人化的、功能的、形上學的、實作的、套套邏輯的. 由表 2-1-1 可看出學生、教師的解釋類型有許多相異之處，其原因在於每個人組織他們記憶裡的知識的方式，以及運用此知識解決問題的方法上有所差異而造成的（Touger et al.,1995）。通常教師的解釋類型會因解釋的對象與目的而有所不同，學生的解釋則以明白表達自己的想法為主，而本研究的目的即是要探討國中學生之科學解釋的內容。. 三、總結產生清楚簡潔的解釋，在科學領域內是受到高度重視的。雖然國內、外陸續都有進行不同個體群在不同脈絡中，所提出之解釋的研究結果，亦提出了不少的解釋類型，但其多樣性仍不足，特別是探討中學生對於自然現象或事件，所提出之解釋的相關研究是貧乏的。故本研究以國中學生對自然現象所表達的科學解釋為研究的目的之一。此外，本研究亦根據學生於五個 POE 實驗提出的解釋內容，分析其所屬之解釋類型。隨著研究情境與研究對象之不同，自會分析出不盡相同的解釋類型。雖然本研究與 Touger et al.（1995）進行之解釋類型研究皆是利用物理現象的問題引出學生的解釋說明，但學生解釋五個 POE 實驗的發生原由時，並不會運用到數學或是物理學的公式，而且本研究以個別晤談的方式而得學生對於這些自然現象的科學解釋，其過程類似教師在課堂上以提問的形式與學生進行互動、討論，因此，研究者採用 Dagher（1992）歸類得到的 10 種解釋. 21.

(22) 類型，做為分析解釋類型之參考準則。. 第二節. 科學解釋的觀點與相關研究. 在某些科學哲學家的眼中，解釋在科學內是可達成目標的重要手段。至於其他的部份科學哲學家（引自 Dagher,1992）則已提出解釋是科學本身的真正目的。科學家運用目前已被接受的科學原理來創造與科學原理一致的現象解釋，努力讓現象的觀察有意義（Rutherford & Ahlgren,1990）。（引自 Edgington & Barufaldi（1995）。而且科學解釋能夠讓我們了解自然現象發生的原因，因此才能預測與控制它們。故，科學解釋在科學家追求認識與理解自然世界，以及學生追求學習與了解科學現象的過程裡，扮演著核心的角色。在本節中，研究者先對科學解釋的觀點加以說明，然後依據科學解釋的模式做詳細闡述，接著探討科學解釋與論證之間的關係，最後則列舉科學解釋的實徵研究。. 一、科學解釋的觀點（一）科學解釋的意義亞里斯多德是首先發展出科學解釋理論的學者，他建議：科學該透過原因來得到對事物的理解，以便從「知道內容（knowing that）」進展到更深層的「知道為什麼（knowing why）」。而科學的三段論法（scientific syllogisms）即是為「為什麼的問題」提供了解答（Audi,1995）。 Hempel（1965）指出：在實證科學所有的主要分枝中，要找尋的不僅是描述我們經驗世界裡的現象，更需要提出解釋或是理解這些現象（引自 Zuzovsky & Tamir,1999）。林正弘（民 77）也表示了：所謂的科學解釋（scientific explanation）乃是敘述某一事件或現象之所以發生的原因，也就是說，科學解釋是針對「為什麼會發生某事件或現象」所做的回答。. 22.

(23) Van Fraassen（1988）提出，科學解釋不是純粹的科學，而是科學的應用。在許多例子裡，所訴諸的定律或理論之效度沒有被質問，取而代之可能被質疑的是被解釋項語句的根據、描述解釋項的主張或是理論的合適性（引自 Edgington,1997）。 Ohlsson（1992）視提出科學解釋的能力為一種特殊應用技巧。他認為只是藉由重述理論之一般性原理的科學解釋是未完成的。真正的科學解釋活動包括了應用理論至特定情境中，如何明確地為理論擬定周詳計畫到情境裡，以及引出理論對情境的暗示或說明。 Ohlsson 亦論證出科學素養需要學生不僅是學習實證探究的方法，更要學習如何進行理論的連結（引自 Zuzovsky & Tamir,1999）。 Achinstein（1971）指出一個解釋（E）端視誰（A）解釋了什麼（q）給誰（S）聽。 Edgington（1997）根據 Achinstein 的說法提出了自然現象的科學解釋可能被認為是一種 A，q，S，E 模式的特殊情形，在此一情況下，q 是「為什麼一個現象會發生」的問題，A 與 S 則意指共享科學領域裡的知識、語言、文化之人。雖然科學教育學者贊同哲學家所謂的「解釋是科學本身的真正目的」這句話，但大部份我們對現象之科學解釋的理解是導源於科學哲學，從哲學的見解來理解解釋的本質。科學教育學者對科學解釋的理論模式較少涉及，他們真正感興趣的部份是在於應用與擴展這樣的理解至有關教學的特定情況中。不過，Edgington（1997）表示科學教育中科學解釋的研究似乎以下列的假定操作： 1.描述與觀察連結，並且時常被認為是不同於理論的。而解釋則與科學解釋產生連結。 2.使用在教學中的解釋表現了蘊含科學本質的信息，提倡不同的課程目標，以及分派一個不同的角色給教師。 3.主要在專家-生手的傳統中（in the expert-novice tradition），現象的解釋用來評量學生的理解（教師即為專家，學生就是生手）。 Reif & Larkin（1991）定義科學的核心目標為「盡可能對許多觀察到的現象，以最節省的方式提出解釋及預測」。在他們的觀點裡，解釋與預測皆涵蓋了相同的邏輯推論，. 23.

(24) 預測包括從基本前提到觀察到之現象的推論，而解釋則包含觀察到的現象，如何可從基本前提被演繹而得推論（引自 Edgington,1997）。 Scriven（1988）以 7 個論點摘要了科學解釋應被考慮的互補觀點，他考量科學解釋是（引自 Zuzovsky & Tamir,1999）： 1.對「為什麼」問題的解答； 2.遠超過描述（more than descriptions）； 3.主要是與預測相似； 4.真實陳述的組合（sets of true statements）； 5.包括該被解釋的描述（involving descriptions of what is to be explained）； 6.區別解釋與解釋的理由（the distinction between explanations and the grounds for explanation）； 7.解釋的完整性（completeness of explanations）。科學解釋經常以書寫、敘述的形式（written、narrative form）呈現。書寫的科學解釋被認為是一種特殊的語言類型，不同於科學描述（scientific description），這兩種皆為科學寫作型式。在科學教室裡，報告（reports）或是科學描述是較常見的寫作方式（Sutton,1992）。Halliday & Martin（1993）認為科學解釋不同於報告，是在 2 個方面上（引自 Zuzovsky & Tamir,1999）： 1.科學解釋具有高百分比的行為動詞（action verbs），而且通常是描述一個過程； 2.行為是以邏輯順序組織而成的（actions are organized in logical order）。（二）科學解釋的類型 Zuzovsky & Tamir（1999）表示：科學解釋的類型不僅有賴於實證科學裡，引起爭議的特定領域，亦與引出解釋的問題型式有關。許多的科學解釋可視為對”為什麼”的問題提出回答，例如：為什麼月亮在接近地平線時，看起來比在高空的時候大？為什麼藍眼父母的小孩總是藍眼的？所有這類的問題皆以命題邏輯的形式（propositional-logical. 24.

(25) form）表示，p 是描述被解釋項的實證陳述，這些問題被稱為「尋求解釋的為什麼問題」（explanation-seeking why-questions）。另一類型的問題是尋求理由來支持未預先設定的已知主張（a given assertion which is not presupposed）。例如：颶風米契將轉向進入大西洋，為什麼會這樣？這類的問題被稱為「尋求理由的問題（reason-seeking question）」，並以另一種命題型式表示：有什麼理由相信是 p？或者，為了相信 p 為真，有什麼理由可辯證？歸因於不同的脈絡，透過這二類型的問題所要求的解釋交互地引導出不同類型的回應。在尋求解釋的為什麼問題裡，通常會引出因果的演繹-規律型式（D-N type），在第二個例子中會出現合理的論證（argument）形式，也就是說提出根本的理由做為解釋。理由可能包含假定的結果（例如：將房子建在河邊較好，因為那裡的土壤也許較肥沃），對於獲得這些結果之其他方式的有效性所持有的信念，以及對已選擇方式的批判性評價（Hempel,1965。引自 Zuzovsky & Tamir,1999）。 Zuzovsky & Tamir（1999）除了探討問題與科學解釋之間的關係外，亦提出了 3 個科學解釋的類型： 1.在物理科學裡，典型的科學解釋型式為演繹-規律模式（deductive-nomological 〔D-N〕model）（Hempel,1965；Hempel and Oppenheim,1988），它包含二種形式的語句：解釋項（explanans）以及被解釋項（explanandum）。被解釋項是指欲解釋的現象，而解釋項則包括特定先行條件的敘述以及引出被解釋項之普遍定律的敘述。被解釋項必須是解釋項的邏輯結論，解釋項則必須涵蓋普遍定律，而這些定律不論是實證的通則或是理論的定律，至少在原則上都必須能夠被實驗或觀察所檢驗，並且構成解釋項的語句必須為真，換言之，解釋項被證據支持。藉由一般定律所產生的解釋創造出解釋與預測之間的對稱性，亦即解釋可被視為事後的預測（ex post facto prediction）。機率解釋也具有 D-N 結構，但是它們只提供機率的預測。 2.目的論的解釋（teleological explanation），也就是藉由提出某種結果或目的來. 25.

(26) 解釋有機體的特徵，在生物學中是相當普遍的。 3.功能的解釋（functional explanation）是目的論解釋的延伸。功能解釋是藉由判定一個行為在維持一個已知的系統於適當的工作狀態時所扮演的角色，來理解此一行為的型式或特性。國內學者林正弘（民 77）不僅將科學解釋分為兩類─演繹解釋（deductive explanation）與歸納解釋（inductive explanation），亦指出適當的（adequate）科學解釋需具備下列 4 個條件，而且他把這 4 個條件稱為「科學解釋的適當條件」，分述如下： 1.以普遍定律（general laws）及先行條件（antecedent conditions）為前提，必須能推出結論 E，亦即由前提到結論之推論必須是正確的。若推論是錯誤的，則由前提是推不出結論的。 2.必須列出普遍定律。科學解釋的目的是要指明某一事件或現象的發生是符合自然律理的，換言之，該事件或現象乃是普遍定律的一個實例而已，因此，普遍定律是科學解釋的必備要件。 3.列出的普遍定律必須得到高度驗證。 4.先行條件必須為真。而所謂的演繹解釋，除了要符合上述的 4 項條件外，還有 2 項特徵： 1.普通定律皆為全稱語句（universal sentences）。全稱語句的意義為：敘述某一類東西或合乎某一條件的東西都如何。 2.由前提到結論的推論是演繹推論。另外，歸納解釋也是合乎上述的 4 項條件，再外加 2 項特徵： 1.普遍定律中有統計語句，不全是全稱語句。 2.由前提到結論的推論是歸納推論。張綺砡（民 91）利用半結構式問卷與晤談方式，分析歸納 5 位國小學生於自然課程中對生活中微小粒子（the micro-particle）的科學解釋類型，而發現到這 5 位學生的科學. 26.

(27) 解釋類型以因果關係（原因論）與決定論（非宗教）為主，偶爾會伴隨萬物有靈論與決定論（宗教）出現。所謂的決定論意指學生認為每件事都有一個解釋，當提及神力的原由時，即為宗教決定論，不談到神力，即是非宗教決定論。所謂的萬物有靈論是指學生將無生命的事物賦予生命與意念。除了探討學生的科學解釋類型外，研究者亦提到，進行小組合作學習時，低成就學生所提及的科學解釋會受到高成就學生的影響而有不同的變化，而且，師生間的對談方式與教學策略也會對個案學生提出的科學解釋造成影響。（三）小結不同類型的問題所要求的科學解釋型式會有所差異，不過，許多的科學解釋可被視為對「為什麼」的問題提出解答。本研究即是藉由研究者提出一系列之「為何」的問題，探測國中學生對自然現象的科學解釋。提出科學解釋是一種應用適當的理論於特定情境中的能力，亦即連結理論證據到自己的主張中，而教師通常會以此方式來評量學生的理解情形。. 二、科學解釋的模式（一）演繹-規律模式（deductive-nomological〔D-N〕model）「演繹-規律模式」是將科學解釋視為具有演繹推理的形式結構，由 Carl Hempel 於 1965 提出（引自陸健體，民 83）。在 D-N 模式中，被解釋項（explanandum）是解釋性前提之邏輯的必然推論。 D-N 模式的一般結構如下： L1，L2，…Lr（普遍定律或是類似定律之語句） C1，C2，…Ck（先行條件之敘述）. 解釋項（explanans）. _______________________________________________________________ E（被解釋之經驗現象的描述）→被解釋項（explanandum）圖 2-2-1 D-N 模式結構圖（資料來源：陸健體，民 83）其中 L 組表示科學解釋必須引用的科學定律，C 組表示科學解釋運用到的其他特殊之單一事實，E 則是一個描述已知的特定事件或現象的句子。在 D-N 模式下，E 奠基於普遍. 27.

(28) 定律與先行條件的基礎上，因此，解釋項與被解釋項之間是一種邏輯演繹關係，只要我們相信解釋項為真，那麼被解釋項必然為真，我們對於待解釋的現象就不會感到疑惑，亦即我們科學地解釋了待解釋的科學現象。科學史上海王星的發現即為 D-N 模式之典型範例。在此例中，所應用到的科學定律包括牛頓萬有引力定律與運動定律，先行條件則包含海王星的質量、位置及其他的相關特徵，E 則描述了天王星的攝動是受到海王星的影響。在 D-N 模式裡，科學解釋必須引用的不只是科學定律而已，以規則為基礎的系統（rule-based systems）亦可，不過，以規則為基礎的系統並不具備像科學定律般之完整的邏輯複雜性（the full logical complexity），但可以展現有用的近似（a useful approximation）。一個以規則為基礎的系統是指包括一系列由先行條件構成 IF 部份，以及行動構成 THEN 部份之規則，然後藉由吻合的已知資訊與此一系列的規則解釋出一組事實（Thagard & Litt,2006）。 D-N 模式亦被稱做「涵蓋律模式（covering law model）」，是由 William Dray 所提議的。對一事件的解釋是由某個定律來「收納」或「涵蓋」此事件，這就是所謂的「涵蓋律模型（covering law model）」（Audi,1995）。涵蓋律模型企圖顯示所有解釋的共同型式。儘管在日常生活中或是科學上的解釋，鮮少能完全符合涵蓋律模型，但它卻代表著所有解釋必須努力達成的理想。（二）機率模式（probabilistic model） Salmon（1970）認為一個事件的解釋，在本質上是說明該事件發生時，統計相關的因素為何。也就是說，以機率或統計的定律解釋個別事件或現象。例如：我們可能無法預測個別的抽煙者是否會得到肺癌，但是抽煙與肺癌的統計相關則提供一個科學解釋（引自 Thagard,1992）。科學解釋之機率模式有時又稱為統計相關模式（statistical relevance〔SR〕 model），此模式之解釋項並不邏輯地蘊涵被解釋項，因為其所引用的科學定律是機率性. 28.

(29) 的，所以我們只知道被解釋項之描述是很可能的（陸健體，民 83）。. 機率模式的一般結構為： P（G/F）=r Fa 〔r〕 Ga 圖 2-2-2 機率模式結構圖（資料來源：Audi,1995）其中 r 是指在給定 F 之條件下的 G 的統計機率，括號中的 r 是在給定解釋項之下，被解釋項之歸納機率。機率模式與 D-N 模式相較，並不具備高度的確定性，但只要我們在應用機率模式進行科學解釋時，盡可能全面且完整地獲得有關被解釋現象的資料，其應用於科學界與日常生活是相當普遍的。（三）基模模式（schema model） Kitcher（1981）說明達爾文與牛頓運用他們的理論於許多現象時，所採用的解釋模式是不斷被重覆的，所以他認為理論解釋（theoretical explanation）是應用基模來使某一類的現象融貫，提供不同現象的一致性（引自 Thagard,1992）。認知科學使用如下結構的解釋基模：表 2-2-1 基模模式結構表解釋目標（explanation target）. 人們為什麼具有特殊種類的理解行為（intelligent behavior）？. 解釋型式（explanatory pattern）人們具有心智表徵（mental representations）。人們具備演算過程（algorithmic process）對這些表徵造成影響。應用表徵的過程而產生行為。（資料來源：Thagard & Litt,2006）. 29.

(30) 這個基模提供解釋，並且含攝（subsume）描述心智表徵（如概念、規則）之特定形式的基模。雖然在科學解釋的基模模式中，我們需要確認基模的組成、在整體的概念系統內，基模是如何組織的，以及如何應用基模對特定事件的解釋，但科學與日常生活上，對於基模應用的觀點是愈來愈常見了（Thagard,1992）。（四）類比模式（analogy model） Thagard（1992）認為在解釋一個事件或現象時，記憶體中會儲存一個解釋的解釋模式，而此解釋模式可以用來解釋類比事件。另外，類比解釋被視為是額外添加至以基模為基礎的解釋中。因為兩案例間的類比可以產生兩者共有之屬性的基模，因此類比解釋有助於基模的應用。日常生活中，人們經常使用類比將奇特現象與熟悉的情境形成關聯，所以類比模式應可做為其他解釋模式之輔助。（五）因果機械模式（causal mechanical〔CM〕model） Salmon 於 1984 年提出科學解釋之因果機械模式，他認為解釋一事件就是說明該事件在自然界因果結構中的位置。CM 模式的結構非常簡單，即為：為什麼 p？因為 q。此模式在科學研究與日常生活中使用最多（引自陸健體，民 83）。 CM 模式應用兩個中心概念─因果過程（causal process）與因果互動（causal interaction）。一個因果過程是一個物理過程，就如同籃球在空中的移動。因果互動則包含兩個修正其結構的因果過程，彼此之間的時空交點（a spatio-temporal intersection），兩輛車子之間碰撞，造成彼此車身的凹陷，即為典型的因果互動（Woodward,2003）。因此，根據 CM 模式，解釋一事件，即是呈現該事件如何融入一個因果關係中（Woodward,2003）。. 30.

(31) （六）小結科學解釋的模式詳細說明科學解釋的基本結構，而且闡述了科學解釋具備以下的特質（陸健體，民 83）： 1.具有嚴密的邏輯結構：因為不論是那一種模式，皆須遵循嚴格的推導過程，也正因此種推導過程，賦予了科學解釋一種獨特的嚴密性。 2.需要相關的科學理論知識背景，有時甚至需要深刻的洞察力與大膽的創新精神。 3.得到實證與經驗的支持，才賦予科學解釋一種獨特的科學性與客觀性。. 三、科學解釋與論證陳波（民 91）認為：論證是用某些理由支持某一結論的一種思維方式或思考過程。而且論證有廣義與狹義之分，狹義的論證大致上相當於一個推理，由前提推出結論。廣義的論證則是由理論根據推出所要證明的命題之真或所要反駁命題之假，通常廣義的論證是一連串不同推理形式的複合。茲以 Douglas（1982）提出的「D-W-C」論證模式來說明論證的邏輯結構： D. C W B. 圖 2-2-3 論證結構圖（資料來源：引自許育彰，民 87）其中 D（data）代表個體從外在現象而蒐集到的資料，W 表示個體產生推論時的論據（warrant），C 則是經由推論而得的結論（conclusion），B 為支持論據的理論（theory backing）。Douglas 還指出：一個論證的有效與否，論據背後的支持理論有決定性的影響（引自許育彰，民 87）。只是，支持論據的理論會隨著人類歷史的演進而改變，例如：人們一直在論證「為什麼地球能夠懸於太空中而不會墜落？」，隨著時代的不同就有不同的. 31.

(32) 支持理論，當然提出的論據也就有所差異了。陳波（民 91）亦提及論證相當於我們常說的「擺事實，講道理」。所謂的「擺事實」是指運用一些個別或特殊的事實判斷，以支持一個一般性的概括命題，這在邏輯上稱為「歸納論證」。所謂的「講道理」是指「演繹論證」，即利用某些公認或至少是論辯共同接受的一般性命題，而推出某個別或特殊性的結論。綜上所述，論證與科學解釋不僅在邏輯結構上有對應的關係（B-W 對應 L1，L2，…； D 對應 C1，C2，…；C 對應 E），所採用的推理形式亦非常類似，例如：兩者皆是在支持理論或普遍定律的支撐下，以先行條件為題材推進到結論或待解釋的現象上，藉此達成論證與解釋的最終目的。故論證（argument）與科學解釋皆是人們為回答「為什麼」之問題，而嘗試提出因果性解釋的探究活動，而且透過論證與科學解釋的過程，人們可以把不熟悉的事物轉化成熟悉的事物，並藉此化解個體在認知方面的衝突與困惑（許育彰，民 87）。. 四、科學解釋的實徵研究姜滿（民 82）研究 12 位國小一∼六年級學生對地球科學概念的理解時，將這些學生解釋的特徵分類為 12 項，分述如下： 1.個人的（personal）； 2.不連續的（inconsistent）； 3.穩定的（stable）； 4.使用邏輯思考，概念對主題有意義（use logical thinking；the ideas make sense to subject）； 5.混淆原因與結果（confuse causes and effect）； 6.使用非邏輯思考，概念間沒有關連性（use illogical thinking；the ideas have no relationships）； 7.主題與資料混合（subject mixes the information）；. 32.

(33) 8.初始正確，最後卻錯誤的解釋（explanation begins correctly but ends incorrectly）； 9.初始錯誤，最後卻正確的解釋（explanation begins incorrectly but ends correctly）； 10.不連貫的（incoherent）； 11.同時有兩種解釋（gives two kinds of explanation simultaneously）； 12.使用描述做為因果關係（use description as causality）。 Pallrand（1996）在使用評量錄音帶（assessment tapes）來提出問題之情境的研究裡，要求學生「預測與解釋」，並根據額外的資料來「修正與建構新的解釋」，而做出下列的結論（引自 Zuzovsky & Tamir,1999）： 1.呈現在大多數解釋裡的知識是高度片段零散的，並包括許多小片段的資料； 2.延伸含義（extended meaning）所需的知識與程序是不完整的； 3.學生似乎無法應用他們之前所學過的一切； 4.當被要求解釋不同的現象時，學生時常訴諸描述； 5.學生似乎無法將他們在教室中被教導的一切與新的、不一樣的情境產生連結； 6.而且學生所知道的知識與概念似乎都以孤立的單元存在。企圖解釋這些發現，Pallrand 指出二個理由，即： 1.在學校的科學知識經常以抽象的、形式的，以及非脈絡的方式（in abstract，formal and decontextualized form）出現，對學生而言，可能很難應用此知識到不同的情境中。 2.課程廣度（curricular breadth）不允許教師們組織他們的教學是圍繞在學生建構他們自己的解釋上。加上相關的先備知識與新知識依序運用在討論中，需要許多的時間，而且進展緩慢，所以許多教師避免這種方式的教學。 Sandoval（2003）透過結合科技的課程，探討高中學生所持有之科學本質的認識論觀. 33.

(34) 點，如何與他們在特定領域的概念理解交互作用時，而提出了他對學生提出之科學解釋的標準，主要聚焦於下列兩點： 1.明白表達因果機制以解釋現象，並將因果關係合理地融貫在一起。 2.解釋要符合觀察的結果，並要求運用資料與理論來佐證。研究結果發現，這些學生經常無法以資料來佐證其主張，而原因在於學生對於解釋資料（interpreting data）有困難，而且學生似乎不了解明顯的證據即為一個解釋的關鍵。 Wong（1996）利用食用醋加上小蘇打粉產生之二氧化碳，會使燃燒中的蠟燭熄滅的實驗，讓 16 位非裔的美國中學生觀察實驗結果，並解釋蠟燭熄滅的原因。發現到大多數的學生並非將知識體系中的相關科學概念與實驗證據連結，來建構科學解釋，而是直接運用觀察得到的資料，來發展與支持他們所提出的解釋。雖然這些解釋並不正確，但卻是合理的（rational）。 Zuzovsky & Tamir（1999）從第三次國際數學與科學調查（the Third International Mathematics and Science Study，簡稱 TIMSS）所得到的資料，分析四年級與八年級學生對科學現象的解釋而發現到，概念化、演繹科學原理、使用原理解決問題，以及建構科學解釋等能力在四年級間是低落的，但是似乎隨著學習的年齡增長而有改善。這樣的改變似乎主要是與先前知識的存在，以及建立在此知識上以產生科學解釋的能力有關。另外，Zuzovsky & Tamir 在此次的調查資料中察覺到學生所提出的解釋類型，似乎呈現出在特定的內容領域裡，有其典型的解釋型態。例如：在生命科學的例子裡，佔優勢的解釋類型是功能解釋。而在物質科學與地球科學裡，因為大多數的問題是「為什麼」問題的形式，需要找尋一條規則或原理，並應用之以解釋特定的現象，此時佔優勢的解釋類型即是 D-N 解釋。但有時候這些問題是以「預測與解釋你的答案」的形式出現，所以在這些例子裡，通常要求以找尋理由的解釋型式來交換 D-N 解釋。不過，不論學生的解釋類型為何，研究的結果發現學生在對科學現象提出解釋的成就，予人的整體印象是：他們的解釋傾向簡單，而且在二個年齡群中得到的許多解釋是不完整的-不是因為沒有詳述先行條. 34.

(35) 件，就是因為未提及相關規則。很少使用科學術語（scientific terms），而且時常提出描述與目的論的解釋，並非因果關係的解釋。謝州恩（民 93）研究國小六年級學生於探究情境中，其科學解釋能力成長的情形而得到之結果為：解釋提出主張、指出因果關係、運用推理能力，以及語文傳達解釋能力等四項能力之成長速率較快。至於運用圖表協助解釋、使用證據、活動設計說明，以及評鑑解釋能力等能力的成長則較緩慢。學生在科學解釋之各項能力的成長速率不一，故研究者提醒我們，應盡早提升並重視學生的科學解釋能力，才能讓學生適應未來的生活，而且小組討論有助於學生科學解釋能力的成長，所以討論在提出科學解釋的過程中是很重要的一個環節。吳佳蓮（民 95）探討國小五年級學生經過科學探究活動後的科學解釋能力成長情形而發現到，學生在產生解釋之推理過程的能力成長最為明顯，其次是指出變數間之關係的能力，至於成長趨勢最小的是提出證據支持主張的能力。另外，該研究的結果也顯示出若學生遭遇的問題是他們尚未學習到的內容，他們經常會運用自己所具備的先備知識或直覺模式來解釋現象。當學生在產生解釋的推理過程中，因受到先備知識之影響而無法觀察出資料所展現的趨勢或模式時，會傾向忽略異常的資料，甚至扭曲資料，使資料與其想法一致，這種情況的產生或許是因為學生對於科學概念的了解不足。故學生的科學解釋能力與科學概念間有密切的關聯。 Zuzovsky & Tamir（1999）指出：通常學生愈熟悉問題中的情境，他們愈能預測，並會選擇適切的知識與概念來支持他們的預測。因此科學教師在進行教學時，應盡可能地運用具體且實際的脈絡，幫助學生了解科學概念的意義，然後多給予一些相關的情境，讓學生進行討論與思考的歷程，並鼓勵學生提出自己的解釋，以澄清自己的想法，進而提升科學解釋的能力。. 35.

(36) 五、總結科學解釋是對於「為什麼」的問題提出解答，它是由提問與回應所組成的，是一種動態的過程，而不是僅具備固定之科學解釋理想模式的靜態分析即可。在實際的科學研究中，科學解釋可能在某些方面與理想模式不相符，但理想模式的目的是為了闡明真正的科學解釋必須具備的邏輯結構，來幫助我們避免因為日常生活中簡略的解釋，而對科學解釋的本質產生誤解。學生所提出的科學解釋經常是簡單且片段零碎的，而且與其所持有的先前概念有關係，但對於學生的科學解釋和先前概念間相互關係的研究，以及如何促進學生之科學解釋成長的論述卻不多，提供未來研究者進一步探究的方向。. 第三節. 解釋融貫性的意義與原理. Thagard（1992）於〈Conceptual Revolutions〉一書中提及，當人們試圖去解釋一件令人困惑的現象或事情時，通常會出現數種可能的解釋或假說，但最後勝出的總是解釋融貫性（explanatory coherence）最佳的解決方案。Thagard 以解釋融貫性理論（The theory of Explanatory Coherence，縮寫為 TEC）說明科學史上部份重大理論被取代的情形，包括拉瓦錫之氧理論取代燃素論，演化論取代神創論，牛頓發展了力學理論取出笛卡兒的渦動理論（vortex theory）等等，因此，Thagard 認為在科學演變發展之歷程裡，一個理論或假說的成立或是被取代，解釋融貫性是最關鍵的因素。在本節中，研究者先就融貫性的意義加以說明，最後再詳細闡述解釋融貫性的意義與原理。. 一、融貫性的意義一般而言，「融貫（cohere）」意指結合起來（hold together）。至於「融貫性（coherence）」則是傳統知識論的重要概念，它是一組命題的性質，可以化約到兩個命題之間的一致關係（陳瑞麟，民 90）。. 36.

(37) Audi（1995）則認為「融貫性」的解釋為：一個信念的的融貫體系中，每一個信念在知識認定上都由其他信念所支持，並且承認不同認定方式，如演繹論證、歸納論證，或是由最佳的解釋（best explanation）所得的推論。「融貫性」一般具有下列的 3 種基本類型（Thagard,1992）： 1.演繹融貫性（deductive coherence）：取決於整套命題中，各命題之邏輯的一致與承續。 2.機率融貫性（probabilistic coherence）：取決於與機率定理一致之整套命題具有的機率設定。 3.語意融貫性（semantic coherence）：取決於具有相似意義的命題。在一個信念或命題的融貫系統中，意涵著各信念或命題之間是可以互相支持的，不過，各種信念或命題所形成之不同體系，卻有可能相互無關聯性，甚至於彼此互相衝突。. 二、解釋融貫性的意義與原理所謂的「解釋融貫性（explanatory coherence）」是指各命題之間是由解釋的關係而結合起來的。而且解釋融貫性特指命題處於解釋的關係中，它可能包含了演繹融貫性、機率融貫性、語意融貫性等三種基本類型中的一種、兩種或是全部（陳瑞麟，民 90）。欲了解解釋融貫性，必須先知道一個存在於兩個命題之間的關係，然後再說明一套命題的解釋融貫性是由此套命題中，各相關命題相互之融貫性決定，最後再衍生出單一命題的解釋融貫性是建立在它位於此套命題中的融貫性（Thagard,1992）。 Thagard（1992）提出相關概念或命題系統結構之轉變，是由於新的命題系統在運用新命題時，具有更寬廣的解釋融貫性。而且命題系統中的各個命題必涉及到解釋或反駁此二種陳述的表現，如果各命題之間可以互相解釋，則此命題系統擁有較高的解釋融貫性。另外，Thagard 亦指出，若命題 P 與命題 Q 之間存在解釋融貫性，則它們之間存在四種可能的解釋關係：. 37.