科學史與科學概念教學順序對學生科學認識觀與學習動機之影響

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(1) . 國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士班碩士論文. 指導教授：劉湘瑤博士. 科學史與科學概念教學順序對學生科學認識觀與學習動機之影響 The influence of the order of teaching scientific history and concepts on students' epistemological beliefs and learning motivation.. 研究生：邱奕華中華民國一百零一年八月一日 0 .

(2) . 摘要本研究針對高中一年級基礎物理「光電效應」單元，設計三組教學方式：「科學史─ 科學概念教學」(後稱歷史概念組)、「科學概念─科學史教學」(後稱概念歷史組)以及「傳統教學」(後稱對照組)，探討科學史教學對學生學習的影響以及科學史教學和概念學習的順序關係。本研究共 270 人，每組 90 人。利用研究工具「科學認識觀問卷」、「科學學習動機問卷」、「隨堂學習單」並分析學生小考和段考成績，「科學認識觀問卷」和「科學學習動機問卷」以相依樣本 t 考驗和 MANCOVA 分析，「科學概念問卷」以 ANOVA 分析。結果發現，在科學概念問卷中，三組學生無顯著差異，顯示相較於傳統教學，科學史教學並未對學生產生不利影響；在科學認識觀問卷中，概念歷史組有最佳成效，對照組則顯著退步；科學學習動機問卷中，各組均有退步趨勢，顯示學生學習動機下降；在學生對光電效應單元的看法中，概念歷史組和對照組均顯著優於歷史概念組，顯示不恰當的教學順序可能造成學生學習受挫。實驗結果顯示出概念歷史組的教學成效最好，歷史概念組對光電效應課堂看法觀感最差，對照組科學認識觀顯著下降，顯示恰當的教學順序能促進學生學習，不恰當的順序則導致學生學習認知負荷增加，建議進行科學史融入教學前學生可先行學習科學概念。. 關鍵字：科學史教學、光電效應、科學本質、科學認識觀、學習動機、概念學習。. I.

(3) . Abstract This research aims to examine the learning achievement, the view of nature of science and the learning motivation of high school students on scientific study. Taking Photoelectric Effect as the subject, three teaching approaches, History Of Science - Scientific Concept (HOS-SC group), Scientific Concept - The History of Science (SC – HOS group) and Traditional Teaching (control group), have been designed to inspect the influence of the teaching order of scientific history and scientific concepts on students’ learning achievement and epistemological beliefs and learning motivation. In this research, 270 students were selected and separated into three groups to perform the study. The results show that, there are no significant differences between the three groups of students in the scientific concept questionnaire. In the view of scientific epistemology questionnaire, however, there is a considerable improvement of the students in the SC-HOS group and a notable deterioration of the students in the control group. This indicates that in the teaching of Photoelectric Effect, students show a negative reaction to the HOS-SC method. With regards to the influence on learning motivation, all three groups present a declination. Overall, the SC-HOS teaching approach demonstrates the advantage on the teaching in which the suggestion would be the appropriate of order of teaching scientific history and concepts can improve students’ learning.. Key words: teaching history of science, photoelectric effect, nature of science, epistemological beliefs, learning motivation, concept learning.. II.

(4) . 目錄第一章緒論 ......................................................................................................... 1 第一節研究動機與背景 ................................................................................................................................. 1 第二節研究目的與研究問題 ......................................................................................................................... 5 第三節研究範圍與重要性 ............................................................................................................................. 6 第四節名詞解釋............................................................................................................................................. 7. 第二章文獻探討 ............................................................................................... 11 第一節科學史教學與科學認識觀 ................................................................................................................11 第二節科學史教學與學生學習動機 ........................................................................................................... 17 第三節科學史教學與概念學習 ................................................................................................................... 18 第四節科學史教學的挑戰 ........................................................................................................................... 23. 第三章研究方法 ............................................................................................. 26 第一節研究設計與研究流程 ....................................................................................................................... 26 第二節研究對象........................................................................................................................................... 28 第三節研究工具........................................................................................................................................... 29 第四節教學設計........................................................................................................................................... 35 第五節資料分析........................................................................................................................................... 41. 第四章研究結果與討論 ................................................................................. 49 第一節對合作教師課室的觀察 ................................................................................................................... 49 第二節學生的科學認識觀─「科學認識觀問卷」 .................................................................................... 51 第三節學生的科學認識觀─「隨堂學習單」 ............................................................................................ 56 第四節學生學習動機及學生對科學史課程的看法 ................................................................................... 70 第五節學生的小考和段考成績 ................................................................................................................... 76. 第五章結論 ....................................................................................................... 78 第一節研究結論........................................................................................................................................... 78 第二節討論................................................................................................................................................... 80 第三節建議................................................................................................................................................... 83. III.

(5) 參考文獻 .......................................................................................................................................................... 85 附錄一科學史課程上課投影片 ................................................................................................................... 91 附錄二科學認識觀問卷和學習動機問卷 ................................................................................................. 101 附錄三隨堂學習單 ..................................................................................................................................... 105 附錄四光電效應概念測驗卷 ..................................................................................................................... 109. IV.

(6) . 圖表目錄表 2- 1. AAAS 的科學本質觀 ........................................................................................................................... 14. 表 2- 2. ABD-EL-KHALICK 與 LEDERMAN (2000)和 CONLEY 等(2004)所提出之科學認識觀比較 ................. 15. 表 2- 3. 近年中英文科學史教學文獻之對學生科學本質觀影響實驗結果 ................................................... 16. 表 2- 4. 科學史教學對概念學習的實徵研究結果整理 ................................................................................... 22. 表 3- 1. 各組變項關係 ....................................................................................................................................... 26. 表 3- 2. 各組授課時間關係 ............................................................................................................................... 27. 表 3- 3. 實驗各組班級分配 ............................................................................................................................... 28. 表 3- 4. CONLEY 等(2004)和 LIANG 與 TSAI(2010)使用科學本質問卷之內部一致性係數.......................... 30. 表 3- 5. TUAN、CHIN 與 SHIEH(2005)使用科學學習動機問卷之內部一致性係數 ...................................... 31. 表 3- 6. 光電小考和段考題目內容及測驗目標 ............................................................................................... 33. 表 3- 7. 各階段教學內容及理念 ....................................................................................................................... 38. 表 3- 8. 第一份學習單問卷編碼表和說明 ....................................................................................................... 44. 表 3- 9. 第二份學習單編碼表和說明 ............................................................................................................... 47. 表 4- 1 「科學認識觀問卷」學生前後測作答情形 ......................................................................................... 52 表 4- 2 「科學認識觀問卷」MANCOVA 結果................................................................................................ 54 表 4- 3. 科學認識觀各項成對比較結果 ........................................................................................................... 55. 表 4- 4. 學生接受波動說或微粒說的原因範例及作答情形 ........................................................................... 58. 表 4- 5. 學生選擇波動說或微粒說後的理由分布情形 ................................................................................... 59. 表 4- 6. 學生認為接受理論最重要的理由之學生作答情形 ........................................................................... 60. 表 4- 7. 學生選擇觸發假說或光量子假說之作答情形 ................................................................................... 61. 表 4- 8. 學生分別選擇觸發假說或光量子假說的理由分布情形 ................................................................... 63. 表 4- 9. 當理論和實驗結果衝突時之學生回答範例及作答分布 ................................................................... 64. 表 4- 10 學生認定密立坎不接受光量子假說的理由及分佈 ........................................................................... 68 表 4- 11 「學習動機問卷」相依樣本 T 檢定結果 ........................................................................................... 71 表 4- 12 「學習動機問卷」之 MANCOVA 分析結果..................................................................................... 73 表 4- 13 「學習動機問卷」成對比較............................................................................................................... 74 圖 3- 1. 問卷施測實行關係圖 ........................................................................................................................... 27. 圖 3- 2. 科學史課程教學流程 ........................................................................................................................... 39. 圖 4- 1. 科學認識觀各組平均進步分數 ........................................................................................................... 53. 圖 4- 2 「學習動機問卷」相依樣本 T 檢定結果 ............................................................................................. 72. V.

(7) . 第一章緒論. 第一節. 研究動機與背景. 物理一直都是學生學習感到困難的科目，東吳大學劉源俊(2009)教授指出，物理是自然學科中最基礎，卻是最抽象，故最難學。除了不容易學習之外，物理教學上也常常將情境去除，只教物理概念，例如清大歷史所傅大為(2001)教授提到，當他是理科學生時，感受到的物理教育是 G 級的(general 或 gymnastic audience)，代表乾淨、純真、體操運動型的。「乾淨、純真」如同一般人對於物理的觀感，「體操運動」說明著物理教學上不斷練習，就像在練習體操動作一般。國內的物理教學模式，常常是物理教師自編教材授課，或使用仿間講義上課，接著學生不斷練習解題，這些教材常將概念條列式、重點式寫出，程度好的學生能接受這樣的上課方式，但程度不好的學生卻無法從重點中建構物理概念(杜鴻模，2002)。靳知勤(2007)訪談了台灣 12 位的學術菁英，其中九位提到台灣的教育常以準備考試為主，以致於學生學習常是片段性的知識，而忽略過程技能、基本原理、及情意目標。綜上所述，研究者思考，除了這些傳統考試導向的教學方式之外，是否有不同於傳統，能夠破除學生對物理學習既定形象，並且能提升學生學習理解以及學習動機的物理教學呢？在 99 年高中課程綱要實施之後，相較於之前的 95 年高中暫行綱要，高一基礎物理最大改變即是加入了較新的物理發現及理論，例如夸克、光電效應、物質波、宇宙學等新的名詞和理論，這些科學概念是日常生活中無法體驗的，對學生來說更是陌生，也更加困難。99 年高中課程綱要基礎物理中課程目標之一是：「介紹物理學的基本精神及物理學的範圍……使學生體認物質科學的發展對人類生活和環境的影響與其重要性……。」在高中基礎物理教科書中可發現，為了符合這樣的學習目標，課文中加入了科學史料，在章節最後也有科學家小傳，教師手冊中更補充許多科學史料供教師教學上使用。但遺憾的是，教科書常只使用單一科學家歷史事件或單一科學知識或概念，進行教學，且一般教師在教學上十分倚賴教科書，很少能呈現科學家的工作及影像(林陳涌、鄭榮輝、 1.

(8) . 張永達, 2009)。教學上也常因時間關係只能在教學中穿插一小段科學史事件，教科書又只提及科學史的片段和科學家小傳，造成學生以為知識的發展是依靠單一科學家，或科學知識的發展是獨立於其他科學知識情境的，對科學本質(nature of science)產生不恰當的迷思。 McComas(1998)列出了十項學生對科學本質的迷思：(1)認為假設(hypotheses)將成為理論(theories)再成為定律(laws)，呈現一種直線關係；(2)科學定律是絕對的(absolute)； (3)假說是根據經驗的猜測；(4)有一個舉世通用的科學方法存在；(5)證據的累積將導致正確的知識；(6)科學和科學方法提供了絕對的證明；(7)科學是程序性的(procedural)，不須創造力；(8)科學和科學方法可以回答所有的問題；(9)科學家特別地客觀；(10)必須經過實驗才能成為科學知識。McComas 並指出這些對科學的迷思可能源於教師缺乏哲學方面的訓練、教科書提供有缺點的觀點或有所遺漏。有鑑於傳統考試導向教學，學生對於科學的認識常是片段的、且充滿迷思的，為了避免上述傳統教學對學生的不利影響，研究者認為科學史融入教學(後稱科學史教學)是恰當的上課方式之一，例如學者呂紹海 (2007)分析科學史教學相關文獻，指出其相關功能主要有六項：(1)幫助學生了解科學、社會及文化間的交互作用；(2)呈現科學家面對問題時的思考、探究歷程；(3)幫助學生了解科學為動態演變過程；(4)幫助學生了解相關科學概念間的關聯性；(5)幫助學生了解科學本質；(6)助於預測學生迷思概念，並協助教師進行相關實驗設計 (引自李明昆、劉靜怡、洪振方，2011)，以上可發現科學史史料是呈現科學本質的良好教材，故為了讓學生學習恰當的科學本質觀、破除科學的迷思，科學史教學將是非常適合的教學方式。關於科學史教學主要探討的項目參考自賴淑婷(2007)的研究，其收集了 1997 年到 2006 年共 34 篇國內科學史教學文獻，這些文獻集中討論四個項目：科學學習成就、科學態度(scientific attitudes)、對科學的態度(attitude toward science)以及科學本質。而國外的科學史教學文獻中則多數討論科學本質觀(如 Abd-El-Khalick & Lederman, 2000 ; Rudge & Howe, 2009 ; Kim & Irving, 2010; Monk & Osborne, 1997; Solomon, Duveen, & Scot, 1992 )。由此可見，科學史教學的研究中，科學本質觀的變化是科學史教學非常重 2.

(9) . 要的成果之一，故本研究中將著重於學生科學本質觀的變化。而科學史教學對學生學習成就的影響，則不是本研究的主要探討目標，但為了消除合作教師對科學史教學的疑慮，本研究將簡易分析學生小考成績，比較不同組學生的學習成就是否有所差異。文獻中除了概念學習成就和科學本質的探討外，尚有科學態度及對科學態度。科學態度是指學生的學習過程中，所表現出類似於科學家的思考方式、策略、或過程；對科學的態度是指學生接觸科學的過程中，對科學的一切所形成的態度、意見、信念等。以上兩項態度特質，均和學生的表現較無直接的關係，也就是說，科學態度及對科學態度良好的學生未必學習表現較佳，故研究者尋求研究另一項和學生學習表現有密切相關的特質─學習動機。學習動機是指引起並維持學習，且朝向學習目標的內在驅力，相較於科學態度及對科學態度兩項特質，學習動機對學生表現的影響較為直接，學習動機強的學生較可能在學習表現上較優秀。又在科學教育的領域中，很少研究和學習動機有關(段曉林、靳知勤與謝祥宏，2001)，在科學史教學中的文獻更是少，故本研究藉此探討科學史教學對學生學習動機的改變，也就是討論科學史教學對學生學習動機之影響。關於教學單元的選擇，科學史教學的文獻集中在古典物理的科學史料(如:鄭子善， 2000；李玉真，2000；王月春，2004；徐錦美，2004；陳麗鴻，2005；引自許峻豪，2009 )，近代物理的科學史教學集中在原子的單元(如：林兆聖，2003；王月春，2004；引自許峻豪，2009；Justi, 2000)。和古典物理比較起來，近代物理中常提到許多科學家所做的實驗、發現歷程，例如在高一基礎物理課程中，康熹文化版本教科書在介紹電子的波動性時，提到：「西元 1924 年德布羅意(Louis de Broglie，法國，1892～1987 年)提出了一個新穎的理論，就是運動中的物質可以表現出干涉與繞射的波特性，稱為物質波。」同一段文字又提到：「1927 年戴維森(Clinton Davisson，美國，1881～1985)與革末(Lester Germer，美國，1896～1971)使用鎳晶體座電子繞射的實驗，第一個成功證實物質波的假設。電子的雙狹縫干涉實驗在 1961 年由約生(Claus Jönsson，德國，1930～)完成。」在同一個段落提到許多科學家的姓名、實驗及理論，可看出科學史料在近代物理的教學上似乎有其不可替代性，如果學習近代物理勢必要接觸科學史料，那麼科學史教學就可能擁有促進學生學習的潛力。 3.

(10) . 在高一基礎課程中，共分為緒論、物質的組成、物體的運動、物質間的基本交互作用、電與磁的統一、波、能量、量子現象、宇宙學簡介此九個章節，其中量子現象主軸介紹波粒二象性和量子的行為，該單元學生普遍認為相當困難，而光電效應是學生先接觸到的單元，那麼關於光電效應，教科書上的科學史料是否恰當呢？Niaz, Klassen, McMillan, 與 Metz(2010)指出六項光電效應的歷史中應該提到的重點：(1)雷納為了解釋光電效應現象所提出的觸發假說；(2)愛因斯坦提出的光量子假說；(3)科學社群對光量子假說的不認同；(4)密立坎利用實驗證明了光電方程式的正確性並計算了普朗克常數； (5)密立坎對光本質的預設；(6)科學史哲對歷史事件的解釋。Niaz 等檢查 103 本大學的物理教科書發現，對於光電效應歷史的描述，只有三本教科書是尚可接受，沒有教科書包含上述六項重點，顯示教科書對歷史事件的不重視。類似情形也發生在高一基礎物理的教科書中，教科書只提到愛因斯坦提出光量子假說，未提及雷納的觸發假說、科學社群對光量子假說的不認同、密立坎利用實驗證明光電方程式的正確性、密立坎對光本質的預設及科學史則對歷史事件的解釋，顯示教科書只重視光電效應的物理概念理解，而不注重科學史實。本研究重點是科學史和科學概念的教學順序，關於研究教學順序的源起，是當研究者讀到 Kuhn 故事時，了解到 Kuhn 原先是物理學博士，為了傳授一堂科學史的課而踏入科學史界，因而成為一位重要的科學史哲學者，研究者此時產生一個想法：從物理領域踏入科學史哲領域和從科學史哲領域踏入物理領域，兩者間似乎難易程度不一，相較之下前者的似乎較後者容易，那麼在學習上不同的順序是否可能有不同的難易程度呢？也就是說科學史和科學概念的教學順序，是否擁有較佳的組合呢？那麼是否有相關文獻是關於教學順序呢？在科學史融入教學的研究中， Abd-El-Khalick 與 Lederman(2000)的研究中，以 166 位大學生、研究生，以及 15 位職前教師為受試者，發現如果受試者持有部分科學認識觀，則可以讓後來的科學史課程在強化科學本質方面更有效果，所以建議在進行科學史融入教學之前，可先進行明示的科學本質教學，可增加科學史教學的效果。上述研究顯示科學認識觀的教學和科學史融入教學有某程度的交互作用，但一般教學現場並不會特別設計教授科學認識觀的課程，而是 4.

(11) . 著重於科學概念的理解，故研究者好奇是否在科學概念學習課程和科學史教學課程間也有如此的交互作用？在科學史融入教學的文獻中，課程編排方式可分為附加式 (add-on) 和整合式 (integrated)兩種方式(Matthews, 1994)，附加式課程排是在無科學史料的科學課程結束後，再進行科學史教學，科學史教學不是必要的部分，且前後兩種課程間是獨立而無關聯的，整合式課程則是以科學史為主軸，將科學概念和科學史料整合至課程中。那麼文獻中這兩種課程編排方式何者較佳呢？賴淑婷(2007)分析了 34 篇科學史融入教學的文獻，發現附加式課程對學生科學本質觀的提升效果優於整合式課程，那麼附加式的課程設計的教學效果是源於何處呢？而一般附加式課程可視為先學習科學概念，再進科學史融入教學，如果說將此順序反轉過來，先進行科學史融入教學後，學生再學習科學概念，學生學習成效是否會因此而改變？也就是說，學生學習科學概念後，是否能增進後來的科學史教學課堂上學生的表現？抑或是學生了解了科學史脈絡後，是否能增進後來的科學概念學習？故本研究將進一步探討科學概念和科學史教學順序對學生的影響，藉此找出附加式科學史融入教學的效果的成因，並期待找出有效且經濟的方式，將科學史課程引介到教學現場。. 第二節. 研究目的與研究問題. 本研究之研究目的：以 99 課綱高一基礎物理光電效應單元為例，探討科學概念和科學史的教學順序關係，以及科學史教學對學生科學認識觀及科學學習動機的影響。. 研究問題：一、科學概念和科學史的教學順序是否會影響學生科學認識觀？二、科學概念和科學史的教學順序是否會影響學生學習動機？三、科學概念和科學史的教學順序是否會影響學生在學習單上的表現？四、科學概念和科學史的教學順序是否會影響學生考試的表現？. 5.

(12) . 五、光電效應的單元中，科學史教學是否能影響學生科學本質觀？六、光電效應的單元中，科學史融入教學是否能影響學生學習動機？七、光電效應的單元中，科學史融入教學是否能影響學生考試表現？. 研究假設：一、進行科學概念學習─科學史教學的學生在學習單上的表現優於進行科學史教學─科學概念學習學生及對照組學生。二、進行科學概念學習─科學史教學的學生在科學認識觀問卷上的表現優於進行科學史教學─科學概念學習學生及對照組學生。三、進行科學史教學的兩組學生在學習動機後測上優於對照組學生。四、進行科學史教學─科學概念學習組的學生在小考表現優於進行科學概念學習 ─科學史教學組的學生及對照組學生。第三節研究範圍與重要性本研究針對 99 高中課程綱要中，高一基礎物理的「光電效應」單元所設計，不包含波動、能量等其他單元，亦不包含 99 高中課程綱要中，高三選修物理課程中的光電效應單元，故本研究結果的推論僅限於高一課程及學生學習狀況。研究實施於台北市大安區某國立高中一年級，學校入學 PR 值為 98，是台北市前幾志願，學生可視為高成就的學生且家長社經地位中上。本研究學生可能因不同縣市、設備、校風、教師等因素而呈現不同的學習狀況，本研究因研究上的限制，僅以此校學生為個案研究對象，提供相似條件的學校從事科學史融入科學教學之參考。本研究和其他科學史教學研究的差異主要有三項：(1)本研究選擇高一基礎物理的光電效應單元，光電效應是近代物理中，量子力學的產生前非常重要的事件之一，在此之前的物理學界，普遍認為物理的未來已到了盡頭，物理學家的工作只剩下測量更精確的物理常數。光電效應為發生在古典物理和近代物理的交替的事件之一，此時期物理學界的劇烈變化，已提供強烈的故事性足以吸引學生興趣，並且有許多關於科學認識觀的事 6.

(13) . 件值得探討，所以光電效應是非常適合進行科學史教學的題材；(2)搜尋國內外文獻發現，除了原子模型單元之外，幾乎沒有研究者研究其他近代物理單元的科學史教學課程，且不同於古典物理領域的科學史教學，近代物理不論是物理概念或科學史實，對學生來說均是相當陌生，故本研究可能會產生不同於以往的研究結果。(3)在所有科學史教學的文獻中，沒有研究將科學史教學與學習動機連結在一起，本研究嘗試研究兩者的關聯性。. 第四節名詞解釋一、科學史融入教學本研究所使用之科學史融入教學，為整合式科學史教學，融合互動式科學小故事 (interactive historical vignettes)的特色，互動式科學小故事的步驟為：(1)選擇有趣、適合學生的單元；(2)產生二元對立的衝突；(3)發展故事；(4)化解衝突；(5)評鑑(Roach & Wandersee, 1995)。本研究以科學史脈絡為主軸，使用投影片教學，由光的微粒說、波動說間辯論出發，經 19 世紀的實驗描寫光電效應發現背景，接著介紹各科學家對光電效應所設計的實驗、雷納和愛因斯坦提出不同假說解釋光電效應、並由密立坎以實驗證明光電方程式，最後介紹當時密立坎以及科學學界對於光電效應的看法。課程中每段落將請學生討論關於科學本質問題並寫在學習單上。教學上視段落需要將採講述、問答、討論等教學策略促進學生學習。. 二、科學本質與科學認識觀本研究所指之科學本質(nature of science)代表著科學發展過程的各項特性，關於科學本質並沒有一個明確的定義(Abd-El-Khalick & Lederman, 2000)，而本研究所發展之科學史教學課程目標參考 Abd-El-Khalick, Bell, 與 Lederman(1998)所提出之科學本質：(1) 科學知識的暫時性─科學知識有改變的可能；(2)科學知識的實徵性─科學知識是基於自然界的觀察；(3)科學知識的主觀性（理論蘊含）─每件科學知識的背後包含著科學理論； (4)科學知識是人類想像力、創造力的產物；(5)科學知識受到社會與文化的影響；(6)觀. 7.

(14) . 察和推論的區別；(7)理論和定律的功能與關係(Abd-El-Khalick & Lederman, 2000)。而本研究所指之科學認識觀，又稱科學本質觀，代表個人對科學與知識建構的理解，指的是 Conley, Pintrich, Vekiri, 與 Harrison(2004)所提出之四項科學認識觀：知識的來源(source) ─檢驗關於「知識源於外在的權威」的信念；理論的驗證(justification)─檢驗關於「實驗的角色和知識的驗證」的信念；理論的確定性(certainty)─檢驗關於「知識只有單一答案」的信念；科學知識的發展(development)─檢驗關於「科學是會演化的且不斷改變」的信念。前兩項代表知曉的本質(nature of knowing)，後面兩項代表知識的本質(nature of knoeledge)。. 三、科學認識觀階段學者研究學生之科學認識觀之發展(如 Perry, 1970; Belyenky et al. 1986; Baxter Magolda, 1992; King and Kitchener, 1994; Kuhn, 1991)，發現科學認識觀均從知識菲對及錯之二元論開始發展，最終發展成接近建構論的想法─知識是人類建構之產物。本研究將利用 Baxter Magolda(1992)的認識論反思(epistemological reflection)模型，評鑑學生學習單之作答，是屬於較佳的認識觀階段或較差之認識觀階段。Baxter Magolda 將學生的認識論分為四種認識階段，分為絕對性認識(absolute knowing)─認為知識是為確定的並相信權威了解所有的知識；過渡性認識(transitional knowing)─開始認為有些知識是不確定的，且希望能了解某些知識的適用情形；獨立性認識(independent knowing)─質疑權威是否是唯一的知識來源，將自己的意見和知識視為是平等有效的；情境性認識(contextual knowing)─能在情境中使用證據建構自己的觀點(Baxter Magolda, 2004; Hofer, 2001; Hofer & Pintrich, 1997)。. 四、科學學習動機學習動機(motivation to learn)是指引起學生學習活動、維持學習活動，並導致該學習活動趨向教師所設定目標的內在心理歷程，本研究所指之科學學習動機是 Tuan, Chin, 與 Shieh(2005)所提出之六個項目之總和，自我效能(self efficacy)─對自我能力的了解及 8.

(15) . 完成任務的信心；主動學習策略(active learning strategy)─在學習中主動地選擇策略建構知識；科學學習價值(science learning value)─學習動機高代表個體認為科學能學習到問題解決能力、體驗探究活動、促進思考、並發現日常生活和科學的相關性；表現目標導向(performance goal)─表現目標導向是和其他同學競爭並想獲得教師注意；成就目標 (achievement goal)─學生在因學習過程中增長了能力和成就而感到滿足；學習環境誘因 (learning environment stimulation)─表示影響學生學習動機的誘因。. 五、微粒說由十七世紀牛頓所提出，此派學說認為光的本質為一顆顆不同顏色之微粒，在空間中直線前進，碰撞到障礙物及進行彈性碰撞。此派學說優點：能夠描述光走直線、反射、折射、顏色、全影半影等現象，非常直觀。但無法說明微粒如何產生、光與光為何不會碰撞、以及繞射現象。由於是牛頓所提出，故到十九世紀前，光的本質說均由微粒說所稱霸。. 六、波動說代表人物為和牛頓同時期之科學家─惠更斯。提出著名的惠更斯原理─將波前上每一點均視為一點波源，利用波的合成，能夠解釋繞射現象，此學說也能說明光的折射、反射。但因為依據當時想法，每種波的傳遞必須要有介質─光的介質當時稱為乙太，但沒有乙太存在的證據，且日常生活上無法觀察到繞射現象，故學說落沒，直到十九世紀的重要實驗產生以及馬克斯威的電磁波理論才翻身，變成光本質說的主流。. 七、光電效應由十九世紀科學家赫茲所發現，赫茲在驗證電磁波實驗中發現─紫外線對放電現象有所影響，但並未仔細追究。之後由許多科學家研究後了解，光電效應為金屬照光後放出電子的現象。最後經科學家雷納進行實驗並整理光電效應性質，發現光電效應的產生和光的頻率有關，和光強度無關，這對於當時光的本質─波動說來說是不可思議的現象， 9.

(16) . 因為根據波動說，光能量大小和強度有關，和頻率無關，所以強度大的光應該越是能產生光電效應，這和實驗數據不合；且能量是具有累積性的，能量不足的情況下照射久一點也應該能產生光電效應─也和實驗數據不吻合。關於光電效應，當時有兩個著名的假說提出，一是雷納依據實驗結果提出觸發假說，認為光和原子中的電子發生共振，才導致電子從原子中離開，導致光電效應；二是愛因斯坦於 1905 年，經由普朗克的量子論和理論推導提出光量子假說，愛因斯坦將光視為一顆顆光量子，每一顆量子能量為頻率的倍數，故頻率越高的光，其每顆光量子能量越高，當光量子撞擊到原子裡的電子，即將所有能量傳遞給電子，電子以此克服原子束縛能而離開原子。學界起初普遍接受觸發假說，光量子假說後經由密立坎設計實驗驗證其中的光電方程式，但密立坎發表實驗結果時宣稱不同意量子假說。後愛因斯坦於 1921 年因光量子假說獲頒諾貝爾獎，1924 年密立坎獲得諾貝爾獎時表示，對光量子假說持保留態度，顯示光量子假說當時遭受到巨大的阻力。. . 10.

(17) . 第二章文獻探討科學史教學有什麼樣的功能呢？Matthews(1994)提出了七個科學史教學的功能：(1) 促進對科學概念與方法的深入理解；(2)連結個別想法發展與科學想法發展；(3)科學史具有內在價值，學生應該了解科學史上重要事件；(4)對於了解科學本質，科學史是必要的；(5)能中和教科書中常出現的教條主義以及科學至上主義；(6)讓科學教材人性化、減少抽象以及吸引學生；(7)讓不同學科有聯繫性，呈現人類成就的整體性。以上可以發現科學史教學對教學上的益處，是能促進學生科學認識觀和科學概念的學習，並且能吸引學生，擁有提升學習動機的潛力。本章第一節討論科學史教學與學生科學認識觀的關係，第二章討論科學史教學對學習動機之影響，第三章討論科學史教學和科學概念學習的關係，第四章討論文獻中科學史教學的挑戰。. 第一節科學史教學與科學認識觀科學認識觀一詞源自於哲學，哲學上的認識論(epistemology)是研究人類知識的本質 (nature)和證成(justification)，而心理學上則集中在研究個人的認識論(personal epistemology)，不同學者所使用的名稱不盡相同，例如認識論信念(epistemological beliefs)、反思性判斷(reflective judgment)、知曉的方式(way of knowing)、認識論的反思 (epistemological reflection)、認識論理論(epistemological theories)等，這些研究主題均為研究個人對知識(knowledge)和知曉(knowing)的想法和信念。研究支線主要分為兩類，第一類研究是將個人認識論視為是一種普遍性、系統化且階段性的發展過程，第二類研究則將個人認識論視為是相互獨立的信念。(Hofer, 2001; Hofer & Pintrich, 1997) 在第一類的研究中，研究者各自發展了認識論發展階段的模型，例如 Perry(1970) 的智力和道德發展模型(intellectual and ethical development)、Belenky et al.(1986)的女人的知曉方式(women’s ways of knowing)、Baxter Magolda(1992)的認識論反思 (epistemological reflection)模型、King and Kitchener(1994)的反思性判斷(reflective judgment)模型、Kuhn(1991)的論證推理(argumentative reasoning)模型，這些模型所描述 11.

(18) . 的認識論發展階段擁有相似的方式，一開始的認識論階段認為知識是客觀的，並擁有二元論的想法─知識不是正確就是錯誤；接著發展成多元論，開始能接受知識的不確定性；隨後則認為知識是極端的客觀，能從不同角度看出相對的特質，並能了解證據所扮演的腳色；最後了解知識是人類所建構出來的，且知識和真理是會演化的，且知曉和證成是相互調和的(Hofer, 2001; Hofer & Pintrich, 1997)。這些研究可發現，學生所表達的認識觀擁有優劣之分，一開始的階段較接近邏輯實證主義(e.g.認為知識只有對與錯)，而最後的階段則接近建構主義(e.g.了解知識是人類建構出來的)。綜上所述，學生作答之科學認識觀階段有所不同，故研究者可利用學者所述之科學認識觀階段評價學生作答，本研究將以 Baxter Magolda(1992)的認識論反思模型，評鑑學生學習單之作答屬於何種認識觀階段。Baxter Magolda 將學生的認識論分為四種認識階段，分為絕對性認識(absolute knowing)─認為知識是確定的並相信權威了解所有的知識；過渡性認識(transitional knowing)─開始認為有些知識是不確定的，且希望能了解某些知識的適用情形；獨立性認識(independent knowing)─質疑權威是否是唯一的知識來源，將自己的意見和知識視為是平等有效的；情境性認識(contextual knowing)─能在情境中使用證據建構自己的觀點 (Baxter Magolda, 2004; Hofer, 2001; Hofer & Pintrich, 1997)。在第二類研究中，嘗試找出認識論中的項目，在科學教育領域中稱為科學認識觀，或稱為科學本質觀，代表個人對科學、知識建構的理解。關於科學的本質，並沒有一個明確的定義(Abd-El-Khalick & Lederman, 2000)，所以關於科學本質的內容有許多不同版本，如 AAAS 將科學本質列為將科學本質分成三個面向：科學世界觀(the Scientific World view)、科學探究(Scientific Inquiry)、科學事業(the Scientific Enterprise)，整理如表 2-1。 Schommer (1990)將科學認識觀分為五個向度：穩定性(stability)、結構(structure)、來源 (source)、獲取速率(speed of acquisition)、獲取控制(control of acquisition)，Schraw, Bendixen 與 Dunkle(2002)開發了知識信念工具(Epistemic Beliefs Inventory)，測量類似於 Schommer 的五個向度：確定的知識(certain knowledge)、簡明的知識(simple knowledge)、全知的權威(omniscient authority)、快速學習(quick learning)、固有的能力(innate ability)。 Hofer 與 Pintrich(1997)則認為有四個一般性的科學認識觀向度：知識的確定性(certainty 12.

(19) . of knowledge)、知識的簡要性(simplicity of knowledge)、知曉的來源(source of knowing)、知曉的辯護(justification for knowing)。Conley 等(2004)將學生科學認識的信念分為兩類，知曉的本質(nature of knowing)和知識的本質(nature of knowledge)，將認識觀分為四個向度，知識的來源(source)和科學理論的驗證(justification)屬於知曉的本質，理論的確定性 (certainty)和科學知識的發展(development)則屬於知識的本質(引自 Conley, Pintrich, Vekiri, & Harrison, 2004)。以上可以發現不同學者對科學本質應該包含哪些項目擁有不同的看法。在科學教育領域上，科學認識觀是否重要呢？美國科學促進學會(American Association for the Advancement for Science, 簡稱 AAAS)於 1989 年 Project 2061 的出版品「Science for all American」中，將下世代學生所該具備的能力彙集，定義了科學素養 (Science Literacy)，當中提出科學本質一詞，從此各國開始重視科學本質的教育。國內教育部在 2000 公布的九年一貫暫行綱要以及 2003 年的九年一貫課程綱要中也將科學本質視為一個教學目標。故就科學教育領域來說，科學本質的教學是一個重要的研究目標。而科學教育學者建議，在 K-12 階段，也就是從幼稚園到高中階段，學生可以學習以下較無爭議的科學本質觀：(1)科學知識的暫時性─科學知識可能會改變(後稱暫時性)；(2) 科學知識的實徵性─科學知識是基於自然現象的觀察(後稱實徵性)；(3)科學知識的主觀性(後稱理論蘊含)─每件科學知識背後是有理論的；(4)科學知識是人類想像力、創造力的產物(後稱創造力)；(5)科學知識受到社會與文化的影響；(6)觀察和推論的區別；(7) 理論和定律的功能與關係(Abd-El-Khalick & Lederman, 2000)。學者建議這幾個向度可成為教學上的目標，故研究者將參考以上科學本質進行課程設計，以期學生能理解這些科學本質觀。. 13.

(20) . 表 2- 1. AAAS 的科學本質觀. 科學世界觀. 1.世界是可理解的。 2.科學想法是會改變的。 3.科學知識是持久的。 4.科學無法提供所有問題的解答。. 科學探究. 1.科學需要證據。 2.科學是邏輯與想像的混合。 3.科學能解釋和預測的功能。 4.科學家驗明偏見並避免偏見。 5.科學並非獨裁主義。. 科學事業. 1.科學是複雜的社會活動。 2.科學有不同學科且由不同機構所進行。 3.進行科學活動時，存在普遍同意的倫理原則。 4.科學家參與公共事務時，同時是專家以及公民。. 本研究所採用之科學認識觀，將依照本研究的不同目標而使用不同之科學認識觀，在教學目標上，本研究將參考自 Abd-El-Khalick 與 Lederman (2000)所提出之七項之科學認識觀：(1)科學知識的暫時性；(2)科學知識的實徵性；(3)科學知識的主觀性；(4)科學知識是人類想像力、創造力的產物；(5)科學知識受到社會與文化的影響；(6)觀察和推論的區別；(7)理論和定律的功能與關係。而在評量學生科學認識觀的目標上，將採用 Conley 等(2004)的科學認識觀，分為知曉的本質與知識的本質兩類型，在知曉的本質中包含知識的來源和科學理論的驗證兩項，知識的本質中包含理論的確定性和科學知識的發展兩項。此兩類之科學認識觀相互比較見表 2-2。由表中可發現，本研究所用之評量目標較教學目標廣泛，是可接受的設計方式。. 14.

(21) . 表 2- 2 Abd-El-Khalick 與 Lederman (2000)和 Conley 等(2004)所提出之科學認識觀比較 Conley 等(2004) 知曉的本質科學認識觀. 知識的本質. Abd-El-Khalick 與 Lederman (2000). 科學知識的來源. 無. 科學理論的驗證. 無. 科學知識的發展. 理論蘊含、創造力、實徵性、社會與文化的影響、觀察和推論的區別、理論和定律的關係. 科學的確定性. 暫時性. 所以實徵研究上，科學史教學是否能促進學生科學認識觀呢？研究者觀察了 2003 年之後的部分中英文科學史教學的文獻，結果見表 2-3，可以發現多數研究對學生的科學認識觀是有顯著性差異的，即使如此，少部分研究也是有無顯著差異的結果，故研究者藉此機會研究光電效應單元中，科學史教學是否能提升學生認識觀。. 15.

(22) . 表 2- 3. 近年中英文科學史教學文獻之對學生科學本質觀影響實驗結果. 名稱. 作者. 年份. 實驗結果. Making Science Vivid: Using a historical episodes map.. Chen-Yung Lin Jung-Hui Cheng Wen-Hua Chang. 2010. 顯著. History of Science as an Instructional Context: Student Learning in Genetice and Nature of Science.. Sun Young Kim Jaren E. Irving. 2010. 顯著. 融入科學史教學對高中學生的科學本質觀、對科學的態度以及學習成就的影響. 林陳涌鄭榮輝張永達. 2009. 顯著. 以原子發現科學史融入教學對學生科學本質觀影響之研究. 林兆聖. 2003. 顯著. 科學史溶入物理教學對高一女生的科學本質觀電磁學概念改變之研究. 李明昆劉靜怡洪振方. 2011. 未顯著. 資訊支援科學史融入生物教學對七年級學生學習成效影響之協同行動研究. 黃耀萱. 2011. 顯著提升. 科學史融入九年級自然與生活科技教學之探討—以『動能、位能與能量』單元為例. 許峻豪. 2009. 部分顯著. 互動式科學小故事對高中學生科學本質觀之影響. 戰克勝. 2006. 部分顯著. 註：英文排序方式依照第一位作者之字母，中文排序方式依照第一位作者的字首筆畫. 16.

(23) . 第二節. 科學史教學與學生學習動機. 動機(motivation)是指引起個體活動、維持已引起活動，並導致該一活動朝向某一目標的內在歷程。學習動機(motivation to learn)則是指引起學生學習活動、維持學習活動，並導致該學習活動趨向教師所設定目標的內在心理歷程，若學習動機受外在因素影響而形成的，稱為外在動機；若學習動機是因內在需求而產生的，則稱之為內在動機(張春興，1994)。Hartman與Sternberg(1993)提出BACEIS模型，包含行為(Behavior)、情意(Affect)、認知(Cognition)、環境(Environment)四個互動系統(Interaction System)，其中情意系統和認知系統相互獨立且相互互動，而學習則是此四個系統互動後的結果，情意系統中包含三個項目，分別為態度(attitude)、情意上的自我調節(affective self-regulation)、動機 (motivation)，其中動機─包含外在動機和內在動機─為情意系統最終的產物，外在動機將尋求環境中的獎賞，內在動機則選擇忽略外在獎賞。Lee與Brophy(1996)利用質性研究方法研究學生在概念改變教學過程中學習動機的類型，發現有以下五類：對科學學習的內在動機、有內在動機但不持續、外在學習動機、沒有學習動機、負面的學習動機(引自段曉林、靳知勤和謝祥宏，2001)，教學常以增進學生動機為目標，而內在動機尤其重要。 Hogan(1999)指出學生學習科學時會受到個人架構(personal frameworks)的影響，其中包含了動機和知識論的部分，當學生詮釋自己的學習任務時，因個人差異而對學習有不同覺知，進而影響學生學習的投入程度。這些覺知包括：(1)與自我相關的覺知：包括個人目標、自我效能、自我歸因等；(2)與學習相關的覺知：包含促進自我學習的學習策略、連結新舊經驗的策略等；(3)與學科相關的覺知：包括科學本質的認識、對科學知識以及技能形成的認識 (引自蔡執仲、段曉林、靳知勤，2006)。Tuan, Chin 與 Shieh(2005) 檢查文獻發現，學生的學習目標、自我效能、學習策略、對科學學習價值的知覺，這幾個向度在學習動機上是相當重要的，研究者經訪談課室教師和學生發現，學生常談到對科學的動機，和自己、教師表現、日常生活相關之科學內容有關，符合文獻所述，此外學生也提到了學科學的外在動機(競爭、獲得老師注意)和內在動機(滿足好奇心)。以上可得知，影響學習動機的因素不只有一個，本研究採用 Tuan 等(2005)的問卷，利用該問 17.

(24) . 卷的六個項目判斷學生的學習動機高低，分別為自我效能(self efficacy)─對自我能力的了解及完成任務的信心；主動學習策略(active learning strategy)─在學習中主動地選擇策略建構知識；科學學習價值(science learning value)─學習動機高代表個體認為科學能學習到問題解決能力、體驗探究活動、促進思考、並發現日常生活和科學的相關性；表現目標導向(performance goal)─表現目標導向是和其他同學競爭並想獲得教師注意；成就目標(achievement goal)─學生在因學習過程中增長了能力和成就而感到滿足；學習環境誘因(learning environment stimulation)─表示影響學生學習動機的誘因。那麼科學史教學如何能促進動機呢？Arntzenius(1995)認為，當新知識和記憶衝突時，形成認知上的不平衡，導致固有需求─尋求一個解釋，這固有需求又被 Schwitzgebel(1999)稱為尋求解釋的好奇心(explanation-seeking curiosity)(引自 Klassen, 2010)，故設計教學課程時，可以呈現和學生所知相衝突的史實，當學生發現矛盾時將產生尋求解釋的動機，除了創造內在動機外，且能以活潑生動教學方式提高外在動機，藉以提升內在動機。由 Hartman 與 Sternberg(1993)提出 BACEIS 模型中可了解到，學習動機是情意系統的最終產物，也就是說相較於情意系統中的態度，學習動機和學生的表現有較高的相關性，但相較於興趣、態度，學習動機並非能擁有立竿見影的改變，所以本研究並不預設學生在哪些影響學生學習動機的項目上將有所改變，而是利用這六個學習動機項目判斷學生學習動機的增長。. 第三節科學史教學與概念學習 Monk 與 Osborne(1997)認為，教導科學的想法能幫助學生概念的學習，因為歷史上科學想法常常和學生想法平行，而現今接受的科學想法在一開始遭遇到的反對理由也和學生想法類似，且專注在不同對立的學說將增進概念的聚焦，故理論上科學史教學擁有促進學生學習的功能。國內學者傅麗玉(1996)整理了從 1900 年至 1990 年有關運用科學史於科學教育的文獻，指出科學史在科學教育上曾被認定的功能，其中和學生概念學習相關的包括：兒童科學概念發展與科學史的發展類同、科學史可以幫助科學學生學習科. 18.

(25) . 學概念、以及科學史滿足學習認知的需要(引自傅麗玉，1999)。為什麼認定科學史能滿足學習認知的需要呢？從格式塔(Gestalt)學派的觀點，知識不是片段、零碎的，Gestalt 這個字指的是組織(organization)以及結構(configuration)，意指我們經歷的世界是充滿意義的型態(pattern)或組織過的整體(organized wholes)(Phillips & Soltis, 2004)，故建議提供學生學習情境，引發頓悟(insight)，強化學習。在概念改變理論中，Posner 等(1982)發表了學習者概念改變模式的必要條件：(1)對自己先前概念不滿意(dissatisfaction)─當先前概念遇到問題卻無法解決而產生質疑；(2)新概念要容易了解 (intelligible)─新概念對學習者必須是能夠了解的；(3)新概念是合理的(plausible)─對學習者來說新概念要合理；(4)新概念是豐富的(fruitful)─新概念不只能解決現有問題，還能應用在更廣的範圍上，當上述條件滿足，學生產生概念改變─也就是學習。根據概念改變理論，意義由長期記憶中的陳述性知識組成，學習要產生意義則必須將新的陳述性知識和長期記憶中的陳述性知識做連結，且當新的知識和舊有知識容易整合時，真正的學習才會發生(Carey, 1985 ; Hewson, 1981 ; Posener et al., 1982 ;引述自 Klassen, 2010)，所以學習包含了產生意義以及記憶。故提供學習相關情境，可幫助學生產生意義並有助於記憶，促進學習。提供學習情境的方式有很多，其中科學史教學可提供真實的科學情境，可以促進學生對科學概念、科學過程以及科學情境的理解(Klopfer, 1969; Wang & Marsh, 2002; 引自林陳涌、鄭榮輝、張永達，2009)。 Klassen(2010)指出故事的結構和概念改變的學習過程是相關聯的。在故事的結構中， Prince(1973)分析了大量的類似於故事的句子，認為故事的最小結構包含三個階段，其中第一和第三個階段是陳述性的事件，第二個事件是動作性的事件，且第一個事件和第三個事件是相反的，稱為最小化故事(minimal story)，Klassen 將此模型修改，認為在科學史故事中，第一階段和第三階段最好是動作性的，且第一階段和第三階段不一定要相反，只要經過轉變即可接受。Arntzenius(1995)提出了一個包含時間性因果關係的概念改變機制，包含三個階段，第一階段是和過去相關的起始狀態，第二階段是和現在相關的事件，第三階段是和未來相關的最終狀態，當新知識(未來)和舊知識(過去)比較之下若不一致，形成認知上的不平衡，導致固有的需求(innate need)，將尋求理由解釋其不一致(引自 19.

(26) . Klassen, 2010)。故此說明了為什麼科學史教學有促進學生學習的潛力，當科學故事的前後不一致時，學生將尋求解釋，在尋求的過程中，不斷產生假設並修正，找尋最恰當的解釋，促進學生學習。另一個科學史能促進概念學習的說法來自於，部分學者發現兒童有許多概念是平行於科學史的 (Fischer, 1983 ; Kass & Lambert, 1983 ; McCloskey, 1983 ; Nussbaum & Novick, 1982 ; Nussbaum, 1983；引自 Wandersee, 1985)，Carey(1985)認為，兒童概念改變歷程類似於 Kuhn 所提出的科學革命般激烈的概念改變，或類似於科學知識的發現歷程(引自邱美虹，2000)。Christos Dedes (2005)比較了視覺的機制，發現科學史上對視覺的概念轉變和幼童的概念轉變有相當高的相似性，所以他認為，科學史能幫助老師預測、尋找學生的迷思概念，此外還有兩種用途，其一當學生看見歷史事件時，可能就此發現自己概念的不足，造成認知上的不平衡，進而產生概念改變；其二，雖然學生的概念不恰當，但他們可能習以為常，所以科學史可以成為學生概念外選擇的資料庫，當學生發現新的概念較好時，就能促進學習。Wandersee(1985)進行相關研究，研究了 1405 位來自於國小、中學、大學的學生，探討科學史是否能預測學生關於光合作用的迷思概念，結果發現科學史確實能預測學生的迷思概念，也有許多其他的實徵研究支持這樣的說法 (Mas & Perez, 1987; Son, Cho & Chung, 1997; Van Drie, De Vos & Verloop, 1998)。但對於學生概念和科學史平行的說法，Dirver、Guesne 與 Tiberghien(1985)認為不應對此平行關係作過度推論，因為：(1)兩者間通常只是部分相似，不代表整體架構是一致的；(2)科學家的想法常常為一致性概念系統中的一部分，兒童所使用的概念卻未必具有一致性。 Thagard(1992)從內容(content)、結構(structure)、機制(mechanism)三個向度比較科學家和兒童的知識成長歷程，均能發現彼此的差異性(引自邱美虹，2000)。Wandersee(1985)也認為學生對世界的詮釋和科學家會有所不同，不能只是將學生當作不成熟的科學家。綜上所述，科學史教學對學生概念學習的幫助主要有兩點，第一是提供學生科學史上相互衝突的想法，促使學生對照自己的概念，引發學生概念改變，第二是經由科學史預測學生迷思概念，教師能對症下藥，引導學生學習，但使用科學史促進學生學習時，必須注意學生概念和科學家有許多不同處，須避免過度推論。 20.

(27) . 實徵研究上科學史教學是否能促進學生概念學習呢？研究者整理了 1998 年後的中英文文獻，見表 2-4，發現許多實驗結果並未達統計上顯著結果，科學史教學和講述教學的效果似乎沒有明顯的不同，但也沒有研究發現科學史教學有危害學生學習概念的傾向，賴淑婷(2007)分析了 34 篇科學史教學的文獻，發現科學史教學對學生學習成就有正向影響，但屬低效果量，故本研究主要目的並非探討科學史教學對學生學習成就之影響，但考量到合作教師對於科學史教學質疑，將比較學生小考和段考成績，了解科學史教學是否會影響學生概念學習表現。. 21.

(28) . 表 2- 4. 科學史教學對概念學習的實徵研究結果整理. 名稱. 作者. 年份. 學習成就. Historical Case Studies: Teaching the Nature of Science in Context.. Allan R. Irwin. 1998. 未顯著. Using the history of science to promote students’ problem-solving ability.. Huann-shyang Lin Fui-ying Hung Su-chu Hung. 2002. 問題解決能力較佳. Sun Young Kim Jaren E. Irving. 2010. 未顯著. 呂治平. 2004. 明顯有效. 科學史溶入物理教學對高一女生的科學本質觀電磁學概念改變之研究. 李明昆劉靜怡洪振方. 2011. 未顯著. 融入科學史教學對國一學生生物學習成效影響之研究--以「細胞與個體」單元為例. 林格朱. 2004. 有效. 融入科學史教學對高中學生的科學本質觀、對科學的態度以及學習成就的影響. 林陳涌鄭榮輝張永達. 2009. 未顯著. 資訊支援科學史融入生物教學對七年級學生學習成效影響之協同行動研究. 黃耀萱. 2011. 顯著提升. 科學史融入九年級自然與生活科技教學之探討—以『動能、位能與能量』單元為例. 許峻豪. 2009. 顯著. 融入科學史與實驗教學對國二學生理化學習成效影響之研究--以「空氣的成分與性質」單元為例. 楊惠如. 2009. 顯著. 光合作用科學史融入國中生物教學對學生學習成效影響之研究. 董美津. 2004. 未顯著. History of Science as an Instructional Context: Student Learning in Genetice and Nature of Science. 科學史的學習對國中學生歷史的科學本質觀影響之探討. 註：英文排序方式依照第一位作者之字母，中文排序方式依照第一位作者的字首筆畫. 22.

(29) . 第四節. 科學史教學的挑戰. 雖然教育學者認為科學史教學有許多功用，但在推行之際，Matthews(1994)指出科學史教學曾受到歷史學家和科學家的質疑，歷史學家質疑科學課堂上的科學史是一種貧乏的歷史，且因教學上的需求而成為一種偽歷史，科學家則認為在教學上引用科學史會浪費時間且可能傷害學生的信念。面對以上的質疑，許良榮(1999)提出幾點建議：(1)為了避免科學史傷害學生信念，可以依照教學目標和學生的層次，恰當地安排科學史教材； (2)可以引用歷史學家對科學史所做的詮釋，並比較不同歷史學家的著作，且在教材中盡量使用中性的描述；(3)為了傳達科學史上的概念轉變，形式上的逼真是可以忽略的，例如可以讓。所以在設計科學史教學的課程，可以視教學目標恰當安排科學史教材，達成教學目標。科學史教學在實行上遭遇許多問題，Höttecke 與 Silva(2010)比較了七個歐洲國家和以色列中的十個團隊的結果，統整了物理上科學史教學的挑戰，主要為四個項目：(1) 物理教學的文化─物理教學文化常教導學生物理為真理及事實的集合、課程內容不和學生的討論、教師灌輸知識給學生、學生並非自足學習、且表現出物理是由男性建構等； (2)教師的技術、知識論以及教學的態度、信念─常見教師的認識論相當傳統，例如將科學本質視為內隱的目標且傳遞錯誤訊息、沒有使用科學史教學的技術、對科學史教學沒有信心等；(3)科學教學的制度─例如將歷史視為課程目標而不是科學史哲、教師強烈遵照課程目標而不是將科學史融入教學中、課程常內隱地忽略科學史等；(4)教科書內容─ 例如課本內容傳遞了傳統的科學本質觀、課本只有時間與姓名的資訊、科學史常和課程內容分開、教科書的編排未包含哲學家和歷史學家等。其中教師的教學技術、知識論、態度和信念可能是最重要的因素，因為教師是課堂最重要的角色。Abd-El-Khalick, Bell, 與 Lederman (1998)研究了 14 位職前中學教師對於科學本質的想法和教學想法，發現教師即使擁有部分恰當的科學本質觀，但很少會將科學本質觀納入教學計畫中，原因包括科學本質教學效果不明顯、備課較費事、沒有教科學本質的經驗和資源、缺乏準備時間。這些教師的疑慮也呼應到了 Höttecke 與 Silva 的研究，欲將科學史教學引介到教學現場中，可能需要更充足的教學資源，教師也需要學習相關教學技巧、策略。故本研究需要 23.

(30) . 先了解合作教師的科學認識觀，並進行面談溝通合作教師與研究者之教學目標，並傳達研究者所設計之科學史教學的教學目標與教學策略，以避免文獻中所提出之障礙。另一項教學上的難題是教學時間的長短，戰克勝(2006)指出，現今多數科學教師必須在有限的時間中傳授許多課程內容，導致教師只能教授課本內容。Wang 與 Marsh(2002) 發現即使科學教師能接受科學史教學的價值，但他們教學必須涵蓋許多主題，以至於剩下不多時間可用於科學史教學(引自 Lin, Cheng, & Cheng, 2010)。在高中一年級的物理課也是如此，老師需要在約七個星期─約 14 堂課的時間，必須介紹能量、近代物理、以及宇宙學三個章節，時間相當緊迫。而 Monk 與 Osborne (1997)建議，將科學史融入教學時，必須考量教師的需求。為了解決教學上時間不足的問題，Wandersee 提出互動式科學小故事(interactive historical vignettes)的教學方式，只需要 15 分鐘即可完成一個小單元，互動式科學小故事的步驟為：(1)選擇有趣、適合學生的單元；(2)產生二元對立的衝突；(3)發展故事；(4)化解衝突；(5)評鑑(Roach & Wandersee, 1995)。為了將科學史課程引介至教學現場，本研究所設計之科學史教學課程考慮時間的急迫性，融合互動式科學小故事之特性，在有限的時間進行科學史教學，並和合作教師溝通彼此間的需求及目標。在課程內容的編排上又必須注意一些什麼呢？Allchin(2003)列出牴觸科學本質元素，若在教學上有意無意的包含這些元素，將干擾科學本質教育：(1)巨大(Monumentality)：描述科學家為勇敢、善良、孤獨的天才。導致此項迷思是教學上忽略了學家的缺點、科學家的錯誤、其他科學家的貢獻、科學社群發展、建立科學知識需要大量的時間、科學家只是科學社群中的一員等；(2)理想化(Idealization)：認為科學研究設計是不會出錯的以及資料的意義是很明確的。導致此項迷思是因為教學強調某一個事件、忽視其他例子、省略某些事件、簡化故事；(3)情感戲碼(Affective Drama)：描述科學或科學家主導的狀況，卻又特別強調某些掙扎。導致此項迷思原因為使用「我發現了!」的語句描述事件、強調某些想法或人物、或將某些成就只歸因於機會；(4)解釋和辯護的描述(Explanatory and Justificatory Narrative)：描述科學知識來自於邏輯地、恰當地使用科學方法，此項迷思來自於描述某些科學事件時，認為正確方法導致正確知識、錯誤方法導致錯誤知識(引 24.

(31) . 自 Clough, 2010)。故在課程設計時，為了避免合作教師的不當本質觀影響科學史教學課程，研究者將經由面談與合作教師討論教學目標，並在不影響合作教師其他課堂的情況下進行教學。在課程設計方面，為了避免上述干擾科學本質學習的元素，研究者除了依照 Niaz 等(2010)所提出之光電效應史實規準設計課程之外，並將 Abd-El-Khalick 與 Lederman (2000)所提出之適合中學生學習的七項科學本質─(1)科學知識的暫時性；(2) 科學知識的實徵性；(3)科學知識的主觀性（理論蘊含）；(4)科學知識是人類想像力、創造力的產物；(5)科學知識受到社會與文化的影響；(6)觀察和推論的區別；(7)理論和定律的功能與關係，作為課程目標設計科學史教學課程，完成後除了請合作教師和指導教授審閱外，並請歷史專長的教授檢閱，以避免上述干擾元素。. 25.

(32) . 第三章研究方法本章節介紹研究設計及方法，第一節為研究設計與流程，第二節描述研究對象，第三節說明研究工具，第四節描述教學設計，第五節為資料分析。. 第一節. 研究設計與研究流程. 本研究採準實驗研究法，相關變項整理如表 3-1。研究主要針對兩個面向：探討科學史教學和科學概念教學間的順序關係，以及科學史教學和傳統物理教學間學生學習成效的異同。實驗共三組，兩組為科學史教學介入實驗組，一組為傳統物理教學組，實驗組一是「科學史教學─科學概念教學組」(後稱歷史概念組)，先進行科學史教學，再進行概念學習，其中概念學習的課堂上將不再有科學史料的補充，著重於講授光電效應現象和愛因斯坦的光量子假說概念；實驗組二為「科學概念教學─科學史教學組」(後稱概念歷史組)，學生先行學習科學概念，再進入科學史課堂，和前一組的差別僅止於科學史課堂和概念學習課堂的先後順序。對照組為「傳統教學組」(後稱對照組)，教師以傳授科學概念為主，依照課本和講義內容上課，僅提供課本或提及之科學史料，不另外花時間討論科學史時，學習科學概念後不斷練習例題。每組在光電效應這個單元的授課時數皆為 3 節，其中實驗組的科學史教學佔 2 節，概念學習課堂佔 1 節。相關各組授課時間關係整理於表 3-2。. 表 3- 1. 各組變項關係. 自變項 (教學法、教學順序) 實驗組一 (歷史─概念組) 實驗組二 (概念─歷史組) 對照組 (講述組). 控制變項 (教學環境). 依變項 (學生學習成就). 教學時數教學單元教學教師. 科學認識觀科學學習動機科學概念. 26.

(33) . 表 3- 2. 各組授課時間關係. 實驗組別. 第一節. 歷史─概念組. 第二節. 第三節. 科學史教學. 概念─歷史組. 概念學習. 對照組. 概念學習科學史教學. 依照課本進行教學，並練習例題. 資料的來源主要有三種：「科學本質問卷」、「學習動機問卷」、「隨堂學習單」，並另外分析學生光電效應單元的小考成績和段考成績。「科學本質問卷」由 Conley, Pintrich, Vekiri, 與 Harrison(2004)所發展之問卷，經蔡今中教授翻譯，「學習動機問卷」由 Tuan, Chin, 與 Shieh(2005)所發展，此兩份問卷將進行前後測，目的為測量學生科學本質觀和對科學學習動機，前測實施後，待實驗課程結束後實施後測，前後測的時間間隔一個月，用以了解學生科學認識觀和科學學習動機的改變。「隨堂學習單」是科學史教學中，研究者所設計關於科學史哲和科學本質的問題，學生將在科學史教學課堂上思考這些問題，並寫下他們的想法，「隨堂學習單」所收集的是質性資料。當所有學生均結束光電效應單元時將進行光電效應小考，並另統計學生基礎物理期末考試中，光電效應題目的作答情形，藉此比較不同組別的學生對於光電效應的概念學習結果，各資料收集先後關係整理如圖 3-1。. 圖 3- 1. 問卷施測實行關係圖前測. 實驗組 1 實驗組 2 對照組 . 教學進行中. 隨堂學習單(科學史教學) 科學本質學習動機. (概念學習). 27. 期末考. 科學本質. 記錄光電. 學習動機. 效應試題. 光電小考. 得分. (概念學習). 隨堂學習單(科學史教學) 無(依課本上課). 後測.

(34) . 第二節研究對象為了能和對象教師保持良好的溝通，合作教師和班級的選擇為方便取樣。是台北市大安區某所國立高中，於 100 學年度學習高中一年級基礎物理之學生，學校入學 PR 值為 98，屬於台北市前幾志願，故學生均可視為高學習成就者。實驗班級共六個班，每班人數 45 人，其中四個男生班，一個女生班，以及一個男女混班，六個班級隨機分派至三組，一個男生班和一個女生班編入歷史─概念組，也就是先進行科學史教學後再傳授科學概念，另一個男生班和男女混班編入概念─歷史組，是先教授科學概念後再進行科學史教學，其餘兩個男生班編入傳統教學組，學生分組情形見表 3-3。合作教師由國立臺灣師範大學物理研究所畢業，是一位女教師，教學經驗一年，對本研究抱持高度興趣，但也質疑學生學業成績會因此變差，對於科學史融入教學則一知半解，且科學本質的了解不夠深入，故研究者利用問卷和面談了解合作教師的科學認識觀，發現合作教師較重視「實徵性」，在「定律和理論的功能」其認識較為薄弱，故研究者須多次和合作教師溝通上課方式，並以影片和錄音紀錄合作教師的上課模式，藉此詮釋學生學習表現。. 表 3- 3. 實驗各組班級分配歷史─概念組. 男生班. 女生班. 概念─歷史組. 男生班. 男女混班. 傳統教學組. 男生班. 男生班. 28.

(35) . 第三節研究工具本研究所採用之問卷包含「科學認識觀問卷」、「科學學習動機問卷」及「隨堂學習單」此三種問卷，前兩份問卷為量性問卷，學習單為質性問卷。在判斷量性問卷(科學認識觀問卷和科學學習動機問卷)是否可靠時，本研究參考各問卷之內部一致性信度，常使用之內部一致性信度指標為 Cronbach’s alpha 值，故本研究以 Cronbach’s alpha 值表示各問卷之內部一致信信度。. 一、科學認識觀問卷本研究採取 Conley 等(2004)的架構，使用其所發展的問卷，將測量學生在知識本質和知曉的本質上的表現變化，此問卷經蔡今中教授翻譯成中文。問卷題目共有 26 題，採 Likert 五分量表計分，每題均有五個選項「非常同意」、「同意」、「同意和不同意的程度差不多」、「不同意」、「非常不同意」，若學生非常同意該題敘述，則選擇 5，表示「非常同意」，選擇 1 則表示「非常不同意」，以此類推。1 到 5 題探測學生對「科學知識的來源」的看法，6 到 11 題針對「知識的確定性」，12 到 17 題為「科學知識的發展」，18 到 26 題則測量學生對「科學理論的驗證」的想法。各項目說明如下： (1)科學知識的來源─檢驗關於「知識源於外在的權威」的信念，例如：「在科學中，只有科學家們知道如何確定什麼是對的」、「科學家們所說的，每個人都要相信」。(2)知識的確定性─檢驗關於「知識只有單一答案」的信念，例如「從事科學研究最重要的就是要想出那一個唯一正確的答案」、「科學上的所有問題都有一個正確的答案」。(3)科學知識的發展─檢驗關於「科學是會演化的且不斷改變」的信念，例如：「科學課本中的想法有時候會改變」、「有時候科學家們會改變他們原來認為是對的想法」。(4)科學理論的驗證─檢驗關於「實驗的角色和知識的驗證」的信念，例如：「做實驗是確定一個科學想法對不對的好方法」、「對於科學的問題而言，一個好的答案通常是根據許多不同科學實驗所得到的證據而來的」。那麼此份問卷是否可靠？本研究參考文獻中該問卷內部一致性信度(Cronbach’s alpha 值)，以 Conley 等(2004)和 Liang 與 Tsai(2010)的研究為例，各項度之內部一致性信度(Cronbach’s alpha 值)整理至表 3-4。 29.

(36) . 表 3- 4. Conley 等(2004)和 Liang 與 Tsai(2010)使用科學本質問卷之內部一致性係數 Conely et al. (2004). Liang & Tsai(2010). 科學知識的來源. .81. .82. .69. 知識的確定性. .78. .79. .76. 科學知識的發展. .57. .66. .82. 科學知識的確定性. .65. .76. .77. 註：Liang & Tsai(2010)為國內之研究. 二、學習動機問卷為了測量學生在物理上的學習動機，研究者採 Tuan, Chin, 與 Shieh (2005)發展的科學學習動機問卷，用以探討學生科學學習動機，本研究所使用之問卷為第一位作者段曉林老師所提供之中文版問卷。題目共有 35 題，採 Likert 五分量表計分，其中有 9 題為反向題，其餘 26 題為正向題。1 到 7 題測量學生「自我效能」，8 到 15 題測量學生「主動學習策略」，16 到 20 題測量學生「科學學習價值」，21 到 24 測量學生「表現目標導向」，25 到 29 測量學生「成就目標」，30 到 35 測量學生「學習環境誘因」，各項說明如下： (1)自我效能─學生相信能在物理學習上表現良好，例如：「不論物理內容簡單或困難，我都有把握能學會」、「我有信心在物理科的考試中取得好的成績」。(2)主動學習策略─學生在使用不同策略下採取主動角色，例如：「當有一些物理觀念不懂時，我會找相關資料來幫助理解」、「在學習過程中，我會企圖瞭解所學的知識之間的關聯性」。(3) 科學學習價值─學生能了解科學學習的價值在於增進問題解決能力、體驗探究活動、刺激思考、找出和日常生活相關的科學，例如「我認為在物理課中學習解決問題的方法是很重要的」、「我認為物理課中參與科學探究活動是很重要的」。(4)表現目標導向─學生學習的目標在於和同學競爭和獲得老師注意，例如「我參與物理課的活動主要是為了表現比同學好」、「我參與物理課的活動是為了能讓同學認為我很聰明」。(5)成就目標導向 ─在科學課堂學習中，學生滿足於增進能力和成就，例如「在學習物理時，我覺得最有成就感的時候是，當我對物理的課程或題目練習越做越有自信」、「在學習物理時，我覺得最有成就感的時候是，當我解決一個難題時」。(6)學習環境誘因─影響學生學習動機 30.