以POE策略探討國小四年級學生的影子概念及推理過程

   

國立臺中教育大學科學應用與推廣學系

科學教育碩士學位暑期在職進修專班碩士論文

指導教授：張嘉麟 博士

以 POE 策略探討國小四年級學生的

影子概念及推理過程

Probing the fourth-graders’concepts and reasoning

processes towards shadow by using POE strategies

研究生：黃瑜珮 撰

謝 辭

在研究進修即將劃下句點的此時，回顧這段研究所生涯，心

中充滿一連串的感恩與感謝。生活周遭許許多多師長、同學、同

事與孩子們的關心與協助，使得本篇論文得以完成。

當然，首先要感謝恩師張嘉麟教授的包容與指導，使我順利

地找到研究方向，且在研究過程中給予許多指導及鼓勵，使論文

能如期完成。其次，口試期間，承蒙兩位口試委員吳穎沺教授及

王盈丰教授撥冗費心審查，對於論文研究內容架構的指教與建議，

啟發我不同方向的思維與見識，開拓我在研究進修的浩瀚學海中

之視野。對於所上老師們於求學期間的愛護，亦深表感謝！

研究所的同學們，在這一段學習路上的相互砥礪，令我獲益

良多，也讓我這段同窗生涯中不曾覺得孤獨。許多好友的誠摯溫

暖的問候，是我能繼續向前的動力。感謝郁雯、昀璋、釀酩、非

凡、書瑜、佩錡，在我因研究及教學時間衝突忙亂急躁、心煩意

亂時，不斷提醒我放鬆心情，好好面對。

感謝學校同仁的支持與鼓勵，讓我提起勇氣邁向進修的步伐。

在我在遭遇瓶頸時，大家的關心，讓我獲得許多寶貴的資料及建

議。班上及受試班級學生純真的笑容，調和我教學及研究撰寫兩

者間的忙亂，使我對在職進修之路更有信心。還有我親愛的爸媽，

包容我進修期間的忙碌、慌亂以及情緒的起伏，更在資料調查與

分析時，給予許多實質的協助，家人們的寬容與愛，是我努力的

源泉。

我是何其有幸，在生活中、學業上能獲得大家的助益。這段

求學路上，我得之於人的地方遠超出己身所付出，感謝之情溢於

言表，只能在此鄭重地道謝，謝謝大家。

黃瑜珮 謹誌 2012.11

I   

摘要

本研究的目的在於設計一組關於「影子活動」實驗，探討國小四年級學生 在此實驗中所使用的概念和推理過程；研究採用質性研究法，以新北市某國小 四年級學生共 27 人為研究對象，設計四個影子推理活動，以 POE（預測、觀察、 解釋）策略為基礎，針對學生的概念和推理為主題進行研究，資料收集的方式 包含有 POE 活動單、晤談 內容及活動過程錄音及錄影等。研究結果發現：四 年級學生對於形成影子的過程，大多以光的行進方式為判斷依據，並會依據個 人日常生活經驗與先有概念進行推理，學生正確預測影子形成位置與顏色的百 分比約為 50%；分析晤談內容，學生們大多傾向接受觀察結果，並會自行加上推 理演繹，以形成結論。此外，學生們也會注意特殊條件，來進行預測與推理。 在 POE 活動中，四年級學生最常用來做為推理依據的是日常生活經驗，佔 54。 然而用來解決問題的推理策略則為演繹推理，佔 61。在 POE 活動進行中，學 生會使用演繹推理來解決問題，但面對較複雜的實驗條件，雖經過引導，仍無 法獨立、完整進行推理，顯示學生科學知識尚需加強。 關鍵字：POE 策略、推理、影子概念

II   

Probing the fourth-graders’concepts and reasoning processes

towards shadow by using POE strategies

Yu-Pei Huang

Abstrat

The purpose of this study was to investigate the concepts and reasoning processes presented by forth-graders in the series of “shadow actives”. These activities were designed by using the predict-observe-explain (POE) strategy, and the subjects, 27 forth-graders in the New Taipei City, were interviewed. The empirical data were collected by the worksheets of POE activities and interviews. The data were analyzed for understanding the concepts and the reasoning processes as well as the interplay between both, that students shown in the reasoning activities. The primary findings of this study were as follows. Students’s reasoning towards the formation of shadow was based on the propogation of light, life experiences and preconceptions. About 50 % of students predicted the correct positions and colors of the shadows. They tended to accomdate the conflict between observation and prediction by deductive reasoning. They also payed attention to some specific phenomena and including the clues in their reasoning. Their reasonings were primarily based on life experiences (54%), and the technique of deductive reasoning was most frequently adopted (61%). However, students’ reasoning abilities were insuffient to deal with complicated situations in the present stage.

III

目次

中文摘要 ... I 英文摘要 ... II 目次 ... III 表目次 ... V 圖目次 ... VII 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究背景與動機 ... 1 第二節 研究目的與問題 ... 5 第三節 名詞解釋 ... 6 第四節 研究範圍與限制 ... 7 第二章 文獻探討 ... 9 第一節 POE 策略 ... 9 第二節 概念與另有概念 ... 15 第三節 成影概念研究 ... 21 第四節 推理... 24 第三章 研究設計 ... 33 第一節 研究樣本 ... 33 第二節 研究流程 ... 34 第三節 研究發展與方法 ... 39 第四節 資料收集與分析 ... 52

IV 第五節 研究信度與效度 ... 54 第四章 結果與討論 ... 55 第一節 預測與活動中的成影概念 ... 55 第二節 推理類型與推理能力評估 ... 74 第三節 概念與推理過程對推理結果之影響 ... 85 第四節 綜合討論 ... 96 第五章 結論與建議 ... 98 第一節 研究結論 ... 98 第二節 研究建議 ... 101 參考文獻 ... 104 一、中文部分... 104 二、英文部分... 107

V

表目次

表 2-4-1 推理的定義 ... 25 表 3-3-1 影子推理實驗內容與目的 ... 48 表 3-3-2 影子推理實驗設計圖與科學解釋 ... 49 表 4-1-1 學生成影概念測試結果統計 ... 56 表 4-1-2 概念活動中預測影子的顏色 ... 57 表 4-1-3 推理實驗活動學生所持之相關概念統計 ... 59 表 4-2-1 推理類型比例表 ... 77 表 4-2-2 活動中的預測次數比例表 ... 77 表 4-2-3 活動中的解釋次數比例表 ... 78 表 4-2-4 學生 S27 的推理過程 ... 79 表 4-2-5 學生 S01 的推理過程 ... 80 表 4-2-6 學生 S08 的推理過程 ... 81 表 4-2-7 學生 S02 的推理過程 ... 82 表 4-2-8 推理預測正確性類型表 ... 83 表 4-3-1 概念與推理結果類型表(一) ... 86 表 4-3-2 概念與推理結果類型表(二) ... 87 表 4-3-3 概念與推理結果類型表(三) ... 88 表 4-3-4 概念與推理結果類型表(四) ... 89 表 4-3-5 概念與推理結果類型表(五) ... 90 表 4-3-6 概念與推理結果類型表(六) ... 91

VI

表 4-3-7 概念與推理結果統計表 ... 92 表 4-3-8 推理類型與推理結果統計表 ... 95

VII

圖目次

圖 3-3-1（實驗活動器材－檯燈與燈泡）... 42 圖 3-3-2（實驗活動器材－積木） ... 43 圖 3-3-3（實驗活動器材－如何產生影子） ... 44 圖 3-3-4（實驗活動器材配置組） ... 46 圖 4-1-1 概念活動中預測影子顏色的人數 ... 57 圖 4-1-2 概念比例分配圖 ... 67 圖 4-1-3 概念類形長條圖 ... 68

1

第一章

緒論

本研究採用質性研究法，以新北市某國小四年級學生共 27 人為研究對象， 設計四個影子推理實驗，以 POE（預測、觀察、解釋）策略為基礎，針對各階段 的認知改變和推理類型為主題進行研究。 本章共分為四節，第一節敘述研究背景與動機；第二節說明研究目的與問 題；第三節為名詞釋義；第四節是研究範圍與限制。

第一節 研究背景與動機

「光」對於國小學童來說可謂是既常接觸，卻又相當抽象，學童在日常生 活中接觸許多光學現象，但是光卻不同於其他物質具有形體可供接觸、觀察。 因此，很容易發展出許多個人的想法、概念。「光」，構築的這個世界。若是 沒有光，我們的世界就不會這麼美好；我們看不到絢麗的光影變化，例如：彩 虹，甚至看不見藍天白雲，以及無限美好的夕陽。 觀察是自然科學發展的開始，在運用感官觀察事物的過程中，視覺佔了很 重要的一環。人類觀察自然事物及現象，認識許多與日常生活有關的自然現象， 進而發展自然科學。人類長久以來對於光學的研究，方便了我們的生活，也更 進一步開拓了我們科學觀察的視野，在邁入新世紀之後，我們的國家、社會已 逐漸轉型成為一個訊息暴增、民主、多元的社會。在此，我們的教育必須要讓 學生能透過學習活動，去蒐集、整理、分析、與運用相關資訊，能獨立思考， 並有系統研判問題；而能養成溝通協調、講道理、理性批判事物、容忍不同的 意見、與反省的習慣；並能有效地解決問題和衝突。

2 近年來，學校教育的課程內容及其教學法有著顯著的改變。在落實學習是 以兒童為本位的觀點之下，只有在學童主動參與教學活動之中，學習才會發生； 有意義的學習，一定要將課程內容由學生具體的感覺經驗和日常生活情境著手， 並且配合其認知發展，由其自然的想法開始，逐步聯結到形式的知識；學生由 問題發現到收集資料到形成假設，最後解決問題，皆是目前發展的趨勢。是故， 解題(problem solving)和推理(reasoning)是當今教育的主流。 現今科學教育已將建構知識的主體回歸到學生身上，強調知識建構的主體 是學生，同時也讓學生有時間和機會去面對問題、解決問題。科學的學習方式 是強調 科學 探索 能 力和問 題解 決能力 的養成 （丁 信中、 洪振方 、楊 芳瑩， 2001）。而所謂「解決問題」需要將許多已知的東西加以組織，運用這些知能 找出解決方法或途徑。解題的「方法（過程）」和「答案（產品）」是同樣重 要的。問題的解決的過程包含五個步驟：瞭解與思考，探究與計畫，選擇策略， 尋找答案，以及省思與擴展問題（教育部，2008）。 但在科學教育的現場中，常常為人所詬病的缺失是：學生經常只學到片段 的知識，卻缺乏科學推理、解釋資料的能力（許良榮，2005）。對於學生偏向 記憶式的學習方式，並且為了配合評量，重視評量的分數高低而忽略科學過程 技能的重要性和能力培養，是科學教育的一大隱憂。培養學生處理資訊、使用 資訊、 應用 資訊 的 能力， 使用 既有的 資訊尋 找問 題的解 決方式 （教 育部， 2008）。這其中就牽涉、包含推理，當學生在聽講、閱讀、進行實驗時，都會 運用到推理的技能，因此推理是學生必須學習的科學過程技能。 在自 然與 生活 科 技 領域 的課 程教 學 現 場中 ，研 究者 也 發 現如 同許 良榮 （2005）的研究所顯示的現象，亦即學生的學習常常流於片段記憶的學習，對 於科學的過程則較缺少關注。但學生如果能夠了解科學的過程，對他來說，科 學即是有意義的，也有助於他學習科學的內容。

3 在自然科學的學習，應包涵科學研究的十三種過程技能：觀察、使用空間和時 間關係、運用數字、測量、分類、溝通、預測、推論、假設、控制變因、解釋 數據、下定義、實驗等步驟，其與科學家進行科學探討的過程相符。而科學過 程技能中，假設到驗證的歷程特色與邏輯推理原則不謀而合。 反觀國內教育的現況，在過去的國際數理資優競賽中，我國學生常能獲得 優異成績表現，但存在著一個不可忽視的事實，即我國學童一般來說缺乏推理 的能力（邱美虹，1993）。例如讓學生使用輔助教具說明影子的成因：光線是 如何被物體擋住?又是如何在物體後方形成陰影？此時學生往往會不知道如何說 明；又如學生對於自然實驗的結果，會根據自己的概念或所觀察到的現象而進 行預測，但若實驗的結果不符合先前的預測時，則往往不知道如何經由推理來 修正自己先前的預測。即便是預測的結果與自己實驗所觀察到的結果相符，亦 無法從中去正確的推論何以會有這樣的結果。因此學生對於概念的認知以及理 解，往往不若在紙筆測驗中用數字成績那般容易判定，學生如何運用概念、使 用推理來解決問題，更是科學教師所必須關注的。

美 國 科 學 促 進 會 （ American Association for the Advancement of Science；AAAS）提出 Projedct 2061，也認為科學即是探究，其教育目標便是 培養美國全民具有科學素養，並能用科學過程解決問題，為達此目的，必需學 習科學的過程技能，培養推理能力。所以，推理能力在自然科學教育上也是極 為重要的課題。 在幾何光學課程的安排中，成影概念通常被認為是相當簡單的學習單元。 在我國國小課程中，影子單元安排在小學低年級，包括踩影子遊戲、竿影等活 動。然而，很多研究顯示，大多數的中小學生，對影子的成因、影子的大小、 影子的深淺及影子的顏色等相關問題都有很多的迷思概念（邱韻如，1998）。 但研究者在教學經驗中也發現，學生多能提出對於影子是如何形成的解釋，也

4 能明白的指出影子的形成是由於光線被物體所阻擋。那為何學生對於影子的大 小、影子的顏色、影子顏色的深淺，仍會有許多的另有概念呢?在使用概念與解 決問題之間是否存有其他的推理過程呢? 因此，本研究使用 POE 策略的方式來了解學生進行推理的過程及推理的類 型，此一策略能運用晤談的方式來了解並呈現學生對於對於某一概念的認知、 理解以及推理過程；並能透過推理活動的安排來呈現學生從概念到問題解決的 結果之間的過程(White & Gunston,1992)。同時也希望能透過此一研究使科學 教師能了解學生如何運用既有的概念與認知來進行推理，並將此運用於教學之 中，期望能減少學生另有概念的產生與建構，並增加以促進教學的成效。

5

第二節 研究目的與問題

本研究希望透過 POE 策略的方式，以「光和影子」POE 推理實驗來了解國 小四年級學生對於影子及影子變色的概念，尤其在活動過程之中所陳述的對於 影子的形成及影子變色的現象的預測與結果的解釋，去歸納其相關的概念及推 理的過程，並經由此一過程能瞭解學生的概念、推理類型、推理過程間的關係 與相互作用的影響。研究問題如下： 1.國小四年級學生對於影子與影子變色的概念為何? 2.國小四年級學生對於影子與影子變色的推理類型為何? 3.國小四年級學生對於影子與影子變色的推理過程為何? 4.國小四年級學生的影子與影子變色概念與推理過程間有何關聯及影響？

6

第三節 名詞解釋

一、

POE策略

POE 策 略 係 指 使 用 P(Predict ： 預 測 ) 、 O （ Observe ： 觀 察 ） 、 E （Explain：解釋）此三個步驟的教學策略及方式，此一策略可以清楚的了 解學生對於某一概念的認知、理解以及推理過程(White & Gunston,1992)。 首先要求學生對於事件的結果先進行預測並說明預測的理由，接著進行觀 察及描述實際所觀察到的現象，最後就預測的結果及實際觀察到的結果之 間的落差，進行調適以及解釋。

二、影子與影子變色概念

在本研究中，影子概念所指的是在前活動中，學生所使用來解釋影子 是如何形成的概念；影子變色概念是指學生在 POE 推理活動中，所使用來 解釋影子為甚麼會變色的概念。

三、另有概念

本研究所指的「另有概念」涵義較廣，除了建構主義之觀點（指學生 以個人日常生活經驗、學校學習或其他途徑，對於現象或概念所產生的認 知，而這些認知與當今科學家所認同的看法與信念不同者）外，同時也包 含「迷思概念」。

7

四、推理類型

本研究所探討的學生推理類型是指學生在進行 POE 活動時，所採用的 推理方式，而本研究所採用的推理類型，是參考張春興(1992)所整理的 「歸納推理」、「演繹推理」和「類比推理」，外加「直覺臆測」等四種 類型進行分析。

五、推理過程

本研究所指「推理過程」，是指學生在影子變色推理實驗中之 POE 活 動中，對於所觀察到的現象，依據自己原有的知識、概念所陳述之解釋， 分析其所用之推理類型，在整個活動中所呈現的改變。所以在本研究中科 學推理過程包含學生利用推理能力來解決問題時所呈現出來的推理類型， 其結果將由概念來表徵，其方法將由推理策略來表現。

第四節 研究範圍與限制

本研究採質性研究法，由於受到研究時間、人力與物力等因素的影響，因 此研究的範圍與所受到的限制如下：

一、研究範圍：

（一）本研究採立意取樣，僅針對新北市某國小四年級某班學生為研究對象來 進行，對象為 27 人，因此對於研究結果不宜過度推論。 （二）本研究以學生學習及生活經驗為主，並相信學生皆有推理的能力，其他 相關生活背景不在考慮範圍之內。 （三）本研究結果僅適用於研究對象在本研範圍內所做之推論。

8

二、研究限制

（一）本研究採 POE 策略的半結構式晤談，假設研究對象均有能力且願意充分 表達自己的意見。

9

第二章

文獻探討

本章節為針對與本研究相關之文獻討論與分析，以下分為四個章節討論： 第一節探討 POE 策略；第二節探討概念與另有概念；第三節為成影概念研究； 第四節則是討論推理。

第一節 POE 策略

一、

POE策略的起源

1980 年美國 Pittsburgh 大學 Champagne、Klopfer 和 Anderson 設計了 「DOE」(Demonstrate-Observe-Explain)，DOE 的主要目的是希望藉由此一晤談 策略來探討學生的相關概念。這策略分為幾個部分，先對學生實施紙筆測驗， 接著由教師示範實驗活動讓學生進行實際觀察，最後則由學生回答測驗上的問 題並提出說明（Champagne,Klofer & Anderson,1980），當時有些 DOE 的測驗 會要求學生於觀察之前先對實驗的結果進行預測。

王淑琴（1993）將 Champagne、Gunstone 和 Klopfer(1985)等人發展的 DOE 概念晤談教學策略的實施方法整理如下： （一）裝置好一系列的示範實驗儀器，並說明所用到儀器之操作方法。 （二）請學生預測示範實驗可能發生的現象，並且說明他們之所以如此預測的 理由。 （三）在未觀察實驗示範前，讓學生看其他同學所作的預測及解釋，並請學生 指出他人的答案中是使用到哪些概念。 （四）請學生比較自己的想法和其他同學想法異同之處。 （五）施測者進行示範實驗，要求學生仔細觀察，並將他們的觀察描述出

10 （六）請學生討論他們所作的預測和觀察到的現象有何不同之處。 （七）進一步也可讓學生親自操作實驗，描述他們所觀察到的現象，並請他們 再次提出解釋。 Gunstone 和 White(1981)發現讓學生進行「預測」的活動，除了能提高學 生的學習動機；其預測的理由也反映出學生原本的認知結構。所以他們認為 「預測」對於瞭解學生概念及提升教學成效十分重要，基於上述理由，便將 DOE 策略改良為 POE 教學策略，期望能提昇教學效益。

White 和 Gunstone(1992)提出了 POE 策略運用於探究學生概念之改變，其 策略的主要步驟有三： （一）預測：學生運用其原有的知識去預測一個事件的結果，其預測必須要有 其支持的理由，才能提出。 （二）觀察：在事件完成之後，學生去描述觀察到的結果。 （三）解釋：由學生解釋他的預測和觀察結果之間的矛盾，通常他會遇到困難， 教學者要鼓勵學生去考慮所有的可能因素；此時鼓勵重要的，因為學生 在這個步驟中會展現出他們對於事件的理解。 因此，DOE 教學策略雖然與 POE 教學策略相當類似，但也不全然相同，最主 要的差異點在於 POE 教學策略較為強調預測這一階段的重要性，但 DOE 教學策略 則否。

二、

POE策略的目的

運用 POE 策略的目的就是要瞭解學生在某一情境下，如何應用相關的知識 來預測、描述和解釋所看到的現象。由於 POE 策略強調學生對真實事件的預測 及預測的理由，與一般測驗相較，較少強調正確答案及評分的問題這部份。POE 是一種對應用知識能力的測量(White & Gunstone,1992)。因此 POE 比「問問題」

11 更為直接，當我們在提問問題時，很可能我們的問題之中就會含有對答案的暗 示。對學生來說，他的學習也只是重複操作某一概念來對教師所提的問題做出 解釋，這樣的情境學生根本不需思考。但 POE 所強調的「預測」的部份，與問 問題相比，更能讓學生運用知識去做推理，使用推理去做出解釋，也經由推理 讓我們更能了解到學生所學的知識是如何被運用在真實的情境之中。葉辰楨 (2000)認為，運用 POE 模式，由於學生「預測」時較沒有受到「什麼是正確答 案？」的想法侷限，運用此一策略，可使得低成就以及不善表達的學習者較能 在教師與同儕鼓勵下發言；而在實驗活動中使用 POE 模式，學習者參與課程和 投入的程度亦有所提昇。例如「在同樣高度下鉛球和棒球，哪一個先落下？」 這種一般性的問題，在 POE 的過程中，學生也較有可能以實際觀察到的現象， 去整合或判斷所學的物理知識運用到真實的情境中(White & Gunstone,1992)。

李家銘（2001）也發現低成就學生在進行實驗時，由於過去的學習經驗及 本身學習態度的影響，通常只是動手操作而沒有進一步的動腦思考。但若使用 POE 策略來進行教學活動，他們的科學概念會有明顯進步，其中最有意義的是 「預測後的解釋」和「觀察後的解釋」，也因為這樣的解釋行為讓學生動腦思 考問題的答案並審視自己的概念，進而增進學習的成效。 POE 最重要的關鍵是讓學生自己決定推理、預測、解釋所抱持的理由，在 許多活動的經驗中，學生經常由日常經驗或是以曾學過的知識去支持他們的理 由，甚至應用跟科學家相異的觀念去解釋現象。這說明了 POE 比一般的策略更 能探測學生用來解釋科學現象的信念(White & Gunstone,1992)。

三、

POE策略的實施

White 和 Gunstone（1992）指出：根據經驗，即使相同的活動，不同的學生 常會看見不一樣的結果，如果沒有要求學生即時寫下他們所看到的現象，他們很

12 可能因為別人的說法而改變自己的看法；最後是讓學生提出解釋，也是對自己的 預測和觀察做出評估，學生必須調和在預測與觀察到現之間的差異，對於學生來 說這很困難，所以教師這時候的工作就是鼓勵學生思考各種的可能。Bruce(2000) 的研究顯示，許多不同概念、不同階段的科學學習活動中、都可以運用 POE 策略 來作為學習策略，同時 POE 策略也可以很成功的應用在從幼稚園(利用繪畫與交 談)到大學前後的課程，它可以幫助我們思考幾個方向： （一）當課程中所學習的是學生有共同興趣的學習材料上，POE 策略提供科學 課程或課堂討論一個很好的導引。 （二）POE 策略可以讓教學者能觀察學生活動的歷程，作為進一步研究、改進 寫作能力或形成性評量的基礎。 （三）由於書寫 POE 活動單需要時間，所以它可以讓學生放慢腳步去思考， 他們正在做什麼？想什麼？因為學生必須去思考這些有趣的現象與可能 的理論來加以解釋。 （四）「預測」這個動作會增加學生的參與感，這會讓大部分的學生對於真實 的實驗現象更有興趣，特別是當學生自己的預測與多數人的預測不同的 時候。 （五）POE 策略的相關教學活動可以成為學生進一步探索科學原理的基礎，例 如觀察到的現象有何差異？實驗可以提供哪些解釋？ 然而，Bruce(2000)也提到如果 POE 活動的主題是學生較少經驗的主題，當 要他們進行預測時，學生可能會任意猜測，誤以為學習的目標就是要回答出老 師們心中持有的答案，這是需要特別注意的地方。 「預測－觀察－解釋」是晤談策略的一種延伸（邱美虹，2000），是用以 探測兒童應用知識能力的測量工具，藉由對研究對象完成此三步驟的過程來探 究受試者對概念的想法與概念改變的歷程。

13 邱美虹（2005）接著更提出 POE 實施步驟如下： （一）首先向學生說明實驗程序，並讓學生觀看實驗裝置，接著請學生就所看 到的預測將會發生的結果，並寫下何以會如此預測的理由（也可以利用 小組討論，讓他們分享彼此的看法）。 （二）進行實驗，並請學生觀察現象是否與預測的情形符合。 （三）無論是否符合，請學生應提出解釋的理由。 一開始要進行 POE 策略時，需確定所有的學生都知道他們要作預測，這時 可以允許學生詢問各種問題，讓他們在預測活動進行之前瞭解狀況。接下來非 常重要的是，讓學生指出他們的預測以及支持預測的理由，這可以在一張準備 好的活動單進行，或者以開放的形式讓學生用自己的話自由發揮；在開始觀察 之前，務必要讓學生做好這些工作。有兩個理由可說明為何學生要在觀察前完 成此工作(White & Gunstone,1992)：

（一）每個學生都要表明自己採用何種適當的知識立場，並加以運用。 （二）確保每個學生都不會錯失對事件的觀察（因為學生仍處在思考或書寫狀 態中）。 當活動進行的時候，要求學生寫下他們觀察到的現象，根據經驗，即使相 同的活動，不同的學生常會看見不一樣的結果，如果沒有要求學生即時寫下他 們所看到的現象，他們很可能因為別人的說法而改變自己的看法(White & Gunstone,1992)。接下來的步驟是讓學生協調在預測與觀察到現象之間的差異 處，對於學生來說這很困難，教師這時候的工作就是鼓勵學生思考各種的可能 性。鼓勵是很重要的技巧，這時候學生提供的解釋說明通常都透露許多他們的 瞭解狀況，而這些解釋跟說明正好提供機會給教師來瞭解他們理解的情況。

Fekete 在 1995 至 1996 年間於澳洲雪梨大學(Sydney University)物理教育研 究群(Physics Education Research Group)進行一連串的熱力學教學改革，提出教師 仍為傳統課室教學為中心，學生沒有機會對於他們原有的概念進行批判思考，

14 研究團隊覺得應該提升學生互動的時間比，營造一個適合學生的授課環境。於 是 Fekete 等人在課堂的講演中加入了 POE 的策略，並利用更多的小組討論機會、 網路媒介、相關圖書研究、光碟、照及影片等資源讓學生有更多參與機會；結 果發現學生的評量成績逐漸提升，而且學生們對於這樣的互動表示更能夠引起 他們的學習動機與參與度，同時也可以學到更多；Fekete 表示，在這樣的情境 下，學生學習的自主性提高，課堂上有更多的互動產生，他都更積極的回答老 師們所提出的問題(Fekete,1997)。由此可見，POE 策略也能幫助學生提升學習 的興趣。進行 POE 活動時，對於預測-觀察-解釋的每一個步驟，教師需運用適 當的引導及發問技巧，鼓勵學生清楚的表達自己真實的想法，而且每一個步驟 也應預留充分的時間讓學生確實完成，如此才能有效達到設計 POE 活動的目的。

四、

POE策略的原則與優點

White 和 Gunstone（1992）提出在選擇適合的事例來實施 POE 時，基本上 要考量下列原則： （一）教師可以提出幾種可能的情況讓學生做預測，讓其利用選擇或勾選的方 式或者採用開放的反應模式，讓學童能充分表達自己的想法。 （二）實驗結果必須是清晰可見的，也就是說要能讓學生能夠直接進行觀察， 欲觀察的實驗結果必須是清晰可見的。 （三）要提供真實的情境與問題給學生，才有助於 POE 的效果，否則至少要提 供學童一些支援的線索或說明。 （四）POE 活動的主題要提供學生一個能以個人理解進行推理預測的情境或實 驗，若純粹只是猜測，是沒有意義的。 POE 的策略要求學童根據自己原有的科學知識對一個科學現象進行預測， 然後觀察實驗之進行，再對所觀察到的結果提出適當的解釋，過程中激發學生

15 面對個人原有知識架構與科學現象不一致時，必須重新調適與組織，以形成新 的知識體系，達到概念改變，因此，POE 策略具備下列優點(White ＆ Gunstone,1992)： （一）聚焦於特定的概念，可用來探究單一知識的本質。 （二）可以覺察學童本身既有的概念或信念。 （三）適合用來進行診斷性評量與形成性評量。 （四）可以了解學童對於現象與概念之間關係的認知。 （五）可以顯現學童面對認知衝突時，如何調適。

第二節 概念與另有概念

一、概念的意義

Lawson（1986）將概念定義為：「概念＝心智模式＋語詞」（concept＝ mental pattern＋term）。Sternberg（1998）則認為概念是個人對於事物所產生的 觀念（idea），是符號知識（symbolic knowledge）的基本單位。概念乃是指一 種認知過程（cognitive process）的形式或階層，在認知階層中，以思想的本質、 觀點、以及物體間的關係為其特徵，使個體能夠做比較、概括、抽象及理解的活 動，並以語言為其主要的表達工具（歐陽鍾仁，1999）。 「概念」這個名詞在不同領域被不同的學者專家賦予不同的意義；以心理 學領域的行為及認知兩學派而言，行為學派視概念為一群能產生某特定反應之 相同刺激，而認知學派則視概念為一心智活動。黃台珠（1984）則指出概念是人 類思考和瞭解的工具，是學習的基本單位，概念存在於人的心智中，當人接觸 到世界上的各種事物與現象，會試圖找出其共通性，將此共通性符號化。該研 究提出概念的特性有三：

16 （一）共通性（regularity）：相同物體在事件或其它概念中有共同性，了解 一個概念要能知道其分類的規則，能分辨出何者屬於概念的範圍，並能 分辨出此概念與其它概的差異性與關係。 （二）符號化（symbolization）：概念的命名是人為界定的，為了便於人與 人之間的溝通，以及個體認知結構中概念之使用，常以簡化而抽象的符 號代表之。 （三）文化特異：概念是人所創造的，依其使用者的文化方式來表達，以方便 溝通。但「語言」等將人類心智轉譯的符號對於確實的「認知」上是有 限制的；而概念的「文化特異性」，是依使用者的認知不同而異，「概 念」是依使用者的文化背景來表達實體（reality），每個人都在建構 自己的實體，因此對「概念」的認知、解釋及詮釋會有差異。（引自王 美芬、熊召弟，1995）張春興（1996）對概念提出了廣義與狹義的定義， 就廣義定義而言，概念是指個體對具同類屬性事物獲得的概括性之單一 經驗；而狹義論之，概念是藉由單一概括性的名稱或符號，可將具有共 同屬性的一類事物的全體加以分類，此名稱或符號所代表者為概念，概 念具有歸類與共通性。 Vygotsky(1986)則將概念區分為兩者： (一)自發概念：是學生根據日常生活經驗自然反應出的概念； (二)科學性的概念：則是學生受學校教育後的產物。

二、科學概念

Asoko 和 de Boo (2001) 指出部份科學意念及解釋與我們日常的想法有異， 有時甚至難以想像及相信。對於兒童的科學理解，Harlen (2001)認為兒童的科

17 學已有知識受以下各方面影響：有限的生活經驗、個人持有的觀念、側重某個 特點而忽略其他可能的因素、較弱的推理能力、受特定環境影響、未能完全理 解科學用詞及沒有進一步考慮其他可能性。

三、另有概念

學生在日常生活中的透過各種管道，形成對事物各式各樣的想法和認知， 養成了個人的思考方式，在他們面對新的事物，學習新的課程時，腦海中已經 存在著些屬於個人已經形成的理論和模式，這些理論和模式常常是與目前科學 社群所認同的理論和模式互有衝突或矛盾的，而影響學生對某些新概念的學習。 這些先存的理論與模式在學術研究上有許多不同的用語，例如先前概念 (preconceptions)、另有架構(alternative frameworks)、另有概念 (alternative conceptions)、迷思概念(misconceptions)等。本研究採用廣義 的看法，只要是與現有的科學概念不相符合的概念，即以「另有概念」稱之。 許多學者曾對產生另有概念的可能原因與來源做過研究分析，例如： （一）王美芬與熊召弟（1995），認為迷思概念可能的來源有： 1. 教師對學童的迷思概念缺乏察覺心及興趣。 2. 日常生活用語即隱喻的影響。 3. 教師持有「只要教，馬上會學會」的假設。 4. 教師持有「學生回答正確的字或話語，即代表了解」的假設。 5. 教科書呈現錯誤概念。 6. 過分強調假設法。 （二）Osborne、Bell 和 Gilbert(1983)提出三點有關學生們的概念與與專家 的概念不同的原因： 1. 學生傾向於以自我中心的觀點觀察事物。 2. 學生傾向於對某一特定事件的部分解釋感興趣，而較不關心連貫的、

18 合理的解釋。 3. 學生日常所使用的語言和專家們所使用的語言也有些微的不同。 （三）Driver 則列舉七項學生形成另有概念的主要原因(引自樊雪春、陳慧娟， 1996)： 1. 思考侷限於感官：在碰到問題之初，學生傾向於以其易見的特徵作 為推論的依據。 2. 注意力集中在有限的範圍：學生對於科學概念常只考慮到一些特定 物質情境的有限層次，注意力只集中在感官能察覺到的明顯特徵。 和這種傾向類似的是：學生在解釋一些現象時，常常把物體賦與一 些絕對的性質。 3. 只注意到改變而忽略穩定狀態：例如學生針對壓力概念，學生通常 只考慮到不平衡狀態時的壓力作用，而忽略了平衡狀態時的壓力。 4. 線性因果關係的推理思考：學生在說明改變之所以會發生的原因時， 他們的推理方式常是按照一個有方向性因果順序，亦即它們會假定 有一個「因」的存 在，且由其產生一 連串的時間上依序 出現的 「果」。此種思考方式會使學生難以體認在系統之間交互作用的對 稱性。 5. 未分化的概念：孩童所用的一些觀念，其所涵蓋的意念很可能和科 學家所用的有所不同，而且常常範圍更大，含意更為籠統。 6. 受到情境因素的影響：與上述相反，學生在了解科學家認為相同 狀況的一些情境時，常因其外觀可察覺的特徵之不同，而應用不同 的觀念來說明，亦即學生的想法會受到情境因素的影響。有時同樣 概念的題目，學生會因情境不同而無法回答。 7. 一些明顯的另有想法：對於許多不同的題材，有一些學生的另有 想法一再的重複出現。顯然的，有些想法是相當普遍的存在於學生 的腦海，而且這些想法會影響學生許多不同情境的思考。 另有概念的形成原因，無論是個人因素造成，或是外在環境之影 響，所形成之另有概念均有一些共同特質，這些特質將阻礙學生科學學 習過程中概念的轉變。

19 Mintzes、Wandersee 和 Novak（1998）則將另有概念和概念理解 的特徵歸納成以下八點： （一）學習者在科學概念的學習上，一開始並非像白板一樣，而是會帶 著許多對於自然事物的想法來學習，這些想法常常和自然科教師 或教科書有所差異。 （二）許多的另有概念和年齡、能力、性別、文化等層面有強烈的相關 性存在。這些另有概念在科學課程中包含了生物、化學、物理、 地球與太空科技等，都有其特性，通常在個別的日常生活上都具 有其實用的功能性。 （三）這些想法通常不易被傳統的教學策略所改變，因為它們經常是頑 固的，並且具有抵抗改變的特性。 （四）另有概念從多樣的個人經驗中產生，包括直接觀察、同儕文化、 日常生活用語及其他大量的媒體等。 （五）教師也常有和學生具有相同的另有概念。 （六）一位成功的科學學習者，常擁有一個強力的階層性的、一致的相 關概念架構，並能用較深入和更有原則性的模式來表徵他們的概 念。 （七）理解和概念改變，是學習者自覺地建構意義認識性的成果；透過 有次序的認知事件，他們可以重建已存有的知識架構，所以，建 構意義是一名成功學習者所必須的。 （八）聚焦在理解與概念改變的教學策略，是有效的教學工具。

四、另有概念中的迷思概念

任何概念的形成，如果與其科學社群所接受的概念不相符合，與專 家 概 念 有 所 出 入 ， 所 形 成 的 概 念 便 是 「 迷 思 概 念 」 （ Mariana ＆

20 Hewson，1985）。學 生在學習某預定知識之前，即已具有一些先備的知 識，因此學生在學習時，常 會帶著已知之自發概念，用自己的想法來學 習，這些學生早已存在心中先入為主的概念，若與專家所定義的概念不 相容，即是所謂的「迷思概念」（misconceptions）。一般人在日常生 活的體驗中會形成自發性概念，這些概念中有些是不為科學家接受的， 即所謂之迷思概念，這些迷思概念經過正統概念（科學家認同的概念） 之學習，有可能改變原先的概念，也可能仍然沒有改變，或部分改變。 這些概念經過正統概念的檢驗，如果還是與正統概念不相容，那就仍 然 是一個迷思概念，需要再進行概念學習；如通過檢驗即具有科學家的概 念。關於迷思概念的特性，依據 Dirver（1985）的看法，迷思概念的特 徵有： （一）個人化的：個人對於操作相同的實驗、聆聽同樣的教學會有不同 的解釋，甚至以自己的方法來內化經驗，建構出自己的意義，影 響資訊被獲得的方法。 （二）不相連貫的：兒童不瞭解科學知識前後一致的需要性，常常缺乏 概括一個範圍的單一模型（抽象化的能力）。 （三）穩定性的：兒童對於學習到的概念，常以自己的內在信仰或架構 加以詮釋。因此，會有其獨特的解釋方法，而且常在教學之後， 仍不會修正或改變。 （四）動態發展的：兒童對於同一概念的內容與程度有不同的發展，會 因年齡的增加或經驗的增長而有所改變。

21

五、概念改變

Piaget 認為當學習者在學習遇到困難時，會先將新經驗或新知識納入已經 存在於自己的認知結構中，稱之為同化（assimilatiom）；而如果認知結構不 能同化新的經驗或新的知識，學習者為了符合環境的要求，會主動修改其既有 的認知結構，從而達到目的的一種心理歷程，稱之為調適（accommodation） （張春興，2003）。 Posner、Strike、Hewson 和 Gertzog（1982）認為概念改變需符合以下四 點條件，再透過調適才能使概念重組以達到概念改變的目的（引自邱美虹， 2000）： （一）學習者必須對現有概念感到不滿意（dissatisfaction）：人們除非感 受到自己的概念不具功能性，否則是不會輕易改變他們所用以思考的概 念。換言之，當同化仍然合理時，人們是不會進行調適的。 （二）新的概念必須是可以理解的（intelligible）：新的概念必須是可以 理解的，個體才可能進行概念改變。 （三）新的概念必須是合理的（plausible）：雖然新的概念未必一定為真，但 它至少必須具有成真的可能性。 （四）新的概念必須是豐富的（fruitful）：它不僅有可能解決現有的問題， 而且也應該提供未來探索的途徑及作為產生思考的工具。

第三節 成影概念研究

在幾何光學課程的安排中，成影概念通常被認為是相當簡單的學習單元。 在我國國小課程中，影子單元安排在小學低年級，包括踩影子遊戲、竿影等活

22 動。然而，很多研究顯示，絕大多數的中小學生，對影子的成因、影子的大小、 影子的深淺及影子的顏色等相關問題都有很多的迷思概念。影子是黑的，是一 個顯而易見的現象，也是一個根深蒂固的概念。因此，大多數人甚至不會認為 影子為什麼是黑的是一個值得問的問題。根據過去的研究，一般學生通常是用 「光照到物體就形成影子」或「物體擋住光就產生影子」等等來解釋影子的成 因，這樣的回答並不代表對成影概念的真正瞭解。皮亞傑指出孩童認為影子形 成的物理原因有四類(Piaget & Inhelder,1956)：

（一）影子是因為外界的黑暗(如夜晚、樹的陰影等)而產生的。 （二）影子是物體本身所具備的。 （三）影子是物體本身所具備的，光的照射會使得影子發射出去。 （四）影子是因為光被物體遮擋而在屏幕上所形成的。 前三類都是「迷思概念」，第四類的回答則還要透過學生進一步的解釋或畫 圖 ， 才 能 判 定 概 念 是 否 合 乎 幾 何 光 學 上 的 解 釋 。 很 多 研 究 指 出 (Feher & Rice,1988；黃湘武和黃寶鈿,1989；邱韻如,1998)，用「影像發射」來解釋成 影成像，是相當普遍的迷思概念。Feher & Rice(1988)指出，很多 9 到 13 歲的 學童認為影子是存在空間中的一種東西，它屬於物體，因此形狀會和物體相同， 這些學童的想法是，當物體受到光的照射時，影子會自己投射到屏幕上或被光推 動到達屏幕。黃湘武和黃寶鈿(1989)在一項針對國中生到大學生所做的研究中指 出，有些學生認為影子是光照射到物體後，物體再發射出影像所形成的；也有 學生認為投影的現象是由於光只能照射到物體前方，因此在物體鄰近後方產生 一個陰影，此陰影再投射到屏幕上而形成。 很多學童認為黑色是影子本身的性質，他們沒有「影子是因為那個區域沒 有光線被反射所以才呈現黑的」的概念。他們通常認為黑色、白色和其他顏色 一樣都是物體固有的性質，光的作用是照射到物體讓我們可以看到物體的 (Feher & Rice,1992)。這些想法和科學史上的舊觀念是一致的，在牛頓之前的

23 人們也大都是持這樣的看法，因此當牛頓提出白光是有由很多種色光組成的說 法時，並不是一下子就被世人所接受。 在黃子晏（2004）的研究中，以科學寫作的方式探究國中生有關「光」的迷 思概念，研究結果顯示學生對於「影子的形成」存有迷思概念。少部分學生有 「影子的形成是光的反射」、「光被物體吸收產生黑影」；也有部分學生存著「物 體不可以沒有影子」、「有光源就會有影子」、「物體離光源越近影影子就越小」 等的迷思概念。 王龍錫和林顯輝（1992）則是透過教室觀察和紙筆測驗及臨床晤談研究國 小二年級學生的光和影概念，也發現到發現學生對影子形成的迷思概念有：（1） 光照到物體就有影子；（2）影子是物體的本性，只要有光就可看到影子；（3） 影子是太陽的相對產物，只要有太陽就有影子；（4）影子是物體的一個映像； （5）影子是從太陽跑出來的。 而蕭倍如（2005）以自行發展之紙筆測驗來台中縣中小學生對於光學的迷 思概念，研究結果發現學生對於影子的迷思概念有（1）影子的顏色與燈光顏色 相同；（2）把光源調暗則影子變大；（3）影子形成的原因是由於物體反射或 偏折光線；（4）黑暗中的物體仍有影子；（5）以十字型的電燈照射有圓孔的 障礙物，則螢幕上出現十字型的亮影。 另外在 Rice 與 Feher(1988)以問卷與訪談的方式來研究學生對於影子的概 念中，發現學生易以反射來解釋影子的生成，影子是一種某物，會移動到螢幕 上，將影子給物質化。李采褱（2003）針對光學概念進行研究。研究結果顯示 在「影子的形成」的概念上，學童之迷思概念有：「透明物沒有影子，或為深色 黑影」、「影子係由物體『反射』陽光而生」、且「黑暗中依然有影子」。綜合 以上幾個研究中可以發現，學生對於影子的形成的確存在著許多的迷思概念，例 如：「影子的顏色與燈光顏色相同」、「影子是物體發射出來的」、「影子是因為那 個區域沒有光線被反射所以才呈現黑的」等迷思概念。

24

第四節 推理

一、推理的意義

推理（reasoning）是一種動態的人類活動，推理是我們做的一些事，也是 一種心理活動，這種活動包括解決問題、想出某事。它有以下幾個特點：推理 是過程、有目的；依據推理目標而採取特定的推理方式；屬於個人的；是一種 心智及內心的活動。（郭靜芳，1997）Guilford(1967）視推理是一種心理能力， 認為推理與收斂思考有關，是個體在思考解決問題時，根據已有知識，循邏輯 規則去尋求正確答案。Lawson（2002）認為存在腦中的心智結構和同化基模和 環境壓力的互動下，個體經歷了推理的歷程，而且發現事物、產生喜悅，則心 智結構完全將輸入訊息同化而具有意義行為，之後行為將深植於心智結構中。 Krulik 和 Rudnick（1993）認為推理是思考的歷程中，高於回憶之層次，其包 含基本的思考、批判性思考，以及創造性思考。 古希臘哲學家亞里斯多德曾說：「人是理性的動物」，指的就是人具有思考 及推理的能力。此一能力不僅能讓人類辨別真偽，更可以讓人類經由對週遭事 物的觀察進而推測其中運作的原理以及法則，並運用在科學之上。而學生在學 習科學時，也是常藉由觀察、操作的直觀方式來理解科學概念，但是在教學的情 境中，無法在課堂上呈現所有的科學現象，於是就必須藉由間接的認知來達成概 念的理解，而所謂間接的認知正是「推理」。

在韋氏（Webster’s）大譯典 （Lexicon Publications,1976）將推理同 樣解釋為一種邏輯性思考或陳述的歷程。下表則是引自周家卉整理國內外學者 對於推理的定義：

25 表 2-4-1 推理的定義 提出者 推理之定義 Broadbent（1958） 訊息處理模式就是一種以心智處理來思考與推 理的模式，也就是說思考與推理在人類大腦中的 運作便像電腦軟體在電腦裏運作相似。 Newell 和 Simon （1972） 指出推理是發現解題策略前，對問題情境知識的 發展歷程。 韋氏大譯典（1976） 一種邏輯性思考或陳述的歷程。 Sternberg（1985） 認知發展論中的推理就是個人解題或作決定時， 對整個歷程的理解及監控的能力。 Holland,Holyoak,Nisbet 和 Thagard （1986） 在不確定性之下經由推理擴展知識的歷程。 張春興（1989） 按邏輯規範推理思考的歷程，或說是解決問題時 合理思考的歷程。 張春興（1992） 是以某種原則為基礎，由已知之事項，推求未知 之結果。 Rosser(1994) 推理是由舊資料引出新訊息的思考歷程，個體需 根據系統性的原則，在前提間建立起特殊關係。 Hogan 和 Keller （2000） 用推理去建構知識，用知識去推理。 心理計量學 推理能力被視為傳統智力的中心因素。 （引自周家卉，2006）

26

二、推理與認知

「認知」與「科學」是克里斯多福‧龍格希金斯在 1973 年提出關於訊息如 何在大腦中形成以及轉錄的過程，跨越相當多層次的分析，從低層次的學習和 決策機制，到高層次的邏輯和策劃能力，以及腦部神經電路。《科學學習心理 學》(熊召弟、王美芬、段曉林、熊同鑫(譯)，1996）中也提出：一個學生在推 理一個科學現象時，他可以用人類的資訊處理系統的成分來發展他腦中的個人 心智模式，基本上學生要常常面對一個含有疑問、觀察和結論的問題解決環境， 學生要進行一些認知過程並在架構腦中工作記憶區的各種關聯性，當學生在工 作區中進行推理時，他會將適當的事實、原理和技能儲在長期記憶區以備未來 使用。此外，Novak 和 Gowin（1984）認為良好結構的知識基礎比拙劣結構的知 識更能支持較高層次的推理，所以認知與推理可謂一體兩面。 Piaget 的理論假定兒童認知是以相同的順序經由四個階段來進展，分別是 感覺動作期(sensorimotorstage)、前運思期(preoperationalstage)、具體運 思期(concreteoperationalstage)、形式 運思期(formaloperationalstage)， 分述如下。 1.感覺動作期 嬰兒通過協調感覺經驗（例如看或聽）與身體的肌肉運動，來建構對世界 的理解（如看到和聽到的是對世界的理解）。嬰幼兒經過了一個過程，從出生 時的本能反射行為，到本階段結束時，開始出現符號思維。 2.前運思期 前運思期的特點是可逆性，在這一階段，兒童運算會產生一些錯誤特點， 比如思維以自我中心為主：難以採取對方的角度。皮亞傑認為，在前兩個階段， 兒童主要是通過模仿和遊戲來進行學習，因為他們通過內部化的活動來建構符 號意象。在其他國家進行的研究，證明皮亞傑的理論具有普遍的意義。

27 3.具體運思期 從 7 歲到 12 歲，表現為兒童獲得邏輯運算能力的基礎，例如，時間，空間 等概念。該階段的重要進展是： （1）克服自我中心：兒童多方面看問題以解決問題。 （2）因果關係：兒童開始理解一些物理和生物方面的運轉過程，而不單純用 擬人化思維來理解。 （3）可逆性：兒童理解數字或物體改變後，可以回到原來的狀態。 （4）守恆：懂得條目的數量或長度與物體或條目的排列或外觀無關。 （5）連續性：根據大小、形狀或其他特徵排列物體的能力。 （6）分類：命名並根據外觀、大小或其他特徵給一批物體進行分類的能力， 包括一類物體可以包括另一類的觀念。 4.形式運思期 具體運思期的孩子已經可以知道事情的因果關係，也能克服自我中心，以 其他面向獲角度來思考。換句話說，此一階段的學生，其思考方式雖不能給予 太多的抽象思考，但簡易的進行概念化活動。他們已能夠靠外在的、立即的具 體事物，而運用符號和語言，以進行有系統的的邏輯思考，此時期的思考特徵 如下: （1）具有反射性思考(reflexing thinking):此階段的學生思考問題時，能 反覆的回頭思考其曾經想過的問題．並加以評鑑。 （2）具有演繹推理能力(deductive reasoning):形式運思期學生可以根據問 題性質，提出假設，再根據假設進行演繹推理。 （3）具有實驗的能力:此一階段學生已能使用實驗方法，進行控制變因的實驗， 以驗證假設的真偽。 （4）具有科學的歸納能力:此一階段的學生能夠面對問題時，在內心裡想出各 種不同組合的解決方式，並歸納出一個有組織有系統的分類組合。

28 （5）命題思考(prepositional thinking):能處理描述具體事物的陳述句或命 題，即便命題是與事實相反的，也能假定它成立，而據以推理。 （6）組合思考(combinatorial thinking）:在解決問題時，能獨立出個別的 因素，並將這些因素做某種組合，來思考問題的解決。 綜合 Piaget 的認知發展階段的思考特徵，兒童隨著年齡的增加，思考的方 式由完全主觀到客觀推理，由動作知覺到抽象概念形成，由具體而抽象，由呆 板而富彈性思考，由外表判斷事理而進入實體空間概念。由集中固著而進入多 元化觀點建立，由靜態而動態思考，由不可逆而到可逆推理，使認知發展逐漸 增加且擴大(陳李綢，1992)。從皮亞傑的認知發展階段來看，具體運思期(7-12 歲)的學生已能初步發展演繹推理及歸納推理能力(高廣孚，1989)。因此我們可 以瞭解到人類推理能力是與生俱來的，而且是一種較高層次的心智能力，再由 心理學的認知發展理論可知，人類的推理能力是隨著年齡的增長，逐漸發展成 熟。因此本研究以國小四年級的學生為樣本，欲探究學生進入具體運思期後， 其推理能力的發展情形。

三、推理的類型

教育百科辭典（1994）中描述「推理由判斷所組成。他可以是由許多特殊情 形引出一般結論的活動，即由特殊到一般，這是歸納推理。但也可以是從一般規 律、規則、原理到特殊情形並作出新結論的活動，即由一般到特殊，這是演繹 推理。」 張春興（2003）認為推理（reasoning）是指在思維時遵循某種邏輯法則， 以已知的事實或假設條件為基礎，推演出有效結論，從而對事理間之關係獲得理 解的歷程。推理是遵循邏輯法則進行的思維歷程，故推理一詞有時也稱為邏輯 推 理 ， 張 春 興 將 邏 輯 推 理 分 為 演 繹 推 理 (deductive reasoning) 和 歸 納 推 理

29 (inductive reasoning)兩類，另外還有類比推理，分述如下： （一） 演繹推理 演繹推理係根據已知的事實或假設條件推演出結論的推理方式，亦 即根據普通的原則去確定特殊事例的推理。他將演繹分為三段論法演繹 推理與假設演繹推理兩種方式。 （二） 歸納推理 歸納推理是以觀察所見多個事例所得經驗為基礎，歸結出槪括性的 結論，藉以做為解釋或預測類似事件可能發生之根據的思維歷程。張春 興（2003）認為演繹推理所得到的結論是肯定的；歸納推理所得到的結 論是不肯定的。他認為經歸納推理所得的結論，不能像演繹推理的三段 論法那樣稱為有效論證，而只能稱為類推論證。事實上，在人類經由思 維運作獲取知識的整個歷程中，演繹推理與歸納推理二者是交互使用的； 有時演繹在前，歸納在後；有時歸納在前，演繹在後（張春興，2003）。 （三） 類比推理 類比法是將以往經歷過類似問題的經驗用於解決目前問題的一種方法， 類比法之有效必須符合兩個條件：其一是新問題與舊經驗確有類似之處； 其二是以往的經驗是成功的（張春興，2003）。 Hengan 和 Keller（1996）認為，科學推理通常是發生在科學探究期間的思 考過程，他們分析出當學生在進行科學探究過程中，經由小組討論或獨自思考 時所產生的推理思考模式有以下六種： （一）類比的推理（analogical reasoning）－識別兩個或更多事物的相似點 （不考慮其不同處），常常是藉由比較更多相似的例子以了解或說明情 境、想法或問題的顯著相似的特徵。 （二）推論的推理（inferential reasoning）－連結兩個情況做出某些事情 是如此，因為…等等的結論。推論思考的模式有兩種，一為演繹思考；

30 一為歸納思考，前著是應用一般的原理或前提推演至特殊事例形成結論； 後者是從一些特殊的例子或證據引出結論，並將其一般化。 （三）對話的推理（dialogical reasoning）－試著以不同觀點來考慮事物的 各個面相以及各方架構。對話推理有一部分是辨證推理，意在測試對立 觀點孰強孰弱。 （四）評估的推理（evaluative reasoning）－根據某些表面的準則來審定某 事的價值或品質，例如只用這個方法夠不夠？是否還需要其他方法？並 評估其根據的合理性。 （五）整合的推理（integrative reasoning）－把不同片段的資訊或知識來 源運用推理的方式來整合成一體。 （六）分析的推理（analytical reasoning）－檢驗整體的每個部分及如何將 他們的功能放在一起，包括個人的假設、主張、解釋等推理之成分分析。 Driver、Leach、Millar 和 Scott（1996）將學生推理的類型歸納為： （一）以槪念為基礎的推理：根據槪念的本質，描繪根本的原因或是較有深度 的解釋。 （二）以關係為基礎的推理：在可觀察和認為假定的實體之間尋求解釋，解釋 中包含確認正確性和關聯性，而不是探索其中原因，且探究的方法傾向 於確證的和不批評的。 （三）以現象為基礎的推理：此一推理的解釋和描述不顯著，而實驗的主要目 的是要去尋找和查看。 依本研究的性質而論，希望學生藉由已有的經驗與知識去推知新問題的結 果，屬於張春興（2003）推理類型分為三類，包含演繹推理、歸納推理與類比 推理。但因考量學生有可能思索不出答案或無法說出具體的理由，因此增列 「臆測」一項。綜合上述理由，並配合本研究情境之需求，將本研究中學生的

31 推理思考模式分為三類，分別為「演繹推理」、「歸納推理」、「類比推理」； 另外加上「直覺臆測」一類，以完整呈現學生的思考類型。 將各推理類型依本研究需要定義如下： （一）演繹推理(deductive reasoning)：係根據已知的事實或假設條件推演 出結論的推理方式，亦即根據普通的原則去確定特殊事例的推理。學生 可能以科學概念或另有概念進行推理，運用的概念可能是確定的原則， 也可能只是假設性的條件。例如當學生提出以下的推理描述：因為光線 是直線前進，被擋住時無法照射到後面那一塊；因此沒有光線，所以會 產生黑色的影子。如此依據某一原則進行推理即稱之為演繹推理。 （二）歸納推理(inductive reasoning)：從一些特殊的例子或證據引出結論， 即以觀察所見多個事例所得經驗為基礎，歸結出槪括性的結論，藉以做 為解釋或預測類似事件可能發生之根據。學生可能依循舊經驗，或根據 進行中的實驗，將所獲得的資料進行歸納再加以運用。例如當學生提出 以下的推理描述：在生活中所看的影子就是黑色的。依據生活中曾看到 的多個影子的顏色的例子來推論活動中影子的顏色為黑色的，即稱之為 歸納推理。 （三）類比推理（analogical reasoning）：從新問題與舊經驗間發現有類似 之處，比而同之，將以往的經驗用於解決目前問題的方法。雖同樣是運 用舊經驗，不同於歸納推理者，乃類比推理有一明確的類推對象。例如 當學生提出以下的推理描述：因為有兩個燈，所以會有兩個影子。學生 利用生活中看到燈的例子類比到活動中來解釋影子的數目，即稱之為類 比推理。 （四）直覺臆測：面對新的情境，學生雖能知覺問題的癥結，但沒有心智思考 的依據，只能以直覺臆測，說不出具體的緣由。S09：因為光的顏色混

32 在一起，不知道，我用猜的。學生 S09 在活動一的預測中認為會出現兩 個影子，而且影子都是黑色的。但經過實際觀察之後，發現影子的顏色 預測錯誤，但卻又無法解釋影子顏色的成因，因此只好使用猜測的方式 來做解釋。對於無法說出理由的概念，研究者便將之列為直覺臆測。

四、推理的過程

上面幾節談論到推理的類型以及認知，但根據實際教學經驗，發現到一個 很有趣的現象：對於某一單元所欲呈現的概念以及希望學生學習的原理，學生 並非是空白的進行課程，通常學生是帶著許多的先備知識以及概念來進行學習 的。而這些知識與概念往往與科學家的科學知識不同，我們稱之為「另有概 念」。而學生在經過學習之後，會有因所觀察到的現象產生概念的增加或是改 變。而學生在本研究的 POE 活動中，當先備知識無法做出正確的推理時，他們 將如何調整或改變推理的策略便是我們所想瞭解的推理的過程。 過去的研究經常僅針對科學推理中的不同過程進行研究，例如提供學生實 驗證據，藉以瞭解他們如何產生假設(例如 Kuhn,Amsel ＆ O’Loughlin,1988)、 設計實驗(Case,1974)，或者形成假設以及評估證據(Koslowski,1996)，這些與 真實情境中的科學探究的歷程並不相同。真實情境的科學探究過程中，研究對 象通常是因為發現了某一個現象，這現象並沒有辦法選取現成的實例來歸納規 則，而是必須自行設計實驗來製造實例，用以檢驗假設的事實資料，以評估假 設的正確性（Klahr ＆ Dunbar,1988；Schauble,1996）。 因此我們能夠瞭解到，科學推理是一動態歷程，它包含了實驗假設，實驗 設計、驗證並修正假設等幾個過程。這幾個歷程中所包涵的要素是相互影響的， 也因此在本研究的實驗設計中，各活動都包含了以上幾個過程。從瞭解學生初 始概念到觀察學生如何運用既有的知識架構去面對未知的現象；並利用既有的 概念探究學生是如何推理出現象背後原因以及結果。而經由對推理歷程的瞭解 可以幫助自然教師在進行課程活動時，瞭解到學生所面臨的問題以及原因。

33

第三章

研究設計

本章共分為五節，依序說明研究發展與設計、研究樣本、研究流程、資料 處理與分析及研究的信度與效度。

第一節 研究樣本

一、研究樣本班級選取

（一）POE 活動初探樣本：由研究者選擇該校某班（非正式研究之班級），委 請該班自然與生活科技教師，依據該班國小三年級時自然與科技成績，選 取低、中、高成就各 1 名學生，共 3 名學生進行實驗。由研究者利用時間 進行一對一的施測，以作為正式實驗的參考。 （二）POE 活動正式樣本：挑選該校國小四級學生一班共 27 人進行實驗，由研 究者實施一對一的施測。由於本研究因經費及時間問題的限制，以及研 究者對於任教學生班級的瞭解，所以取樣採立意取樣，由於取樣範圍的 限制，因此對於研究結果不宜作過度推論。

二、研究樣本班級描述

本研究所選擇個案班級是位於新北市的某國小四年級某班，該班學生共 29 名，其中有男生 15 名及女生 12 名願意參加施測，在推理實驗進行之前已先獲 得學生同意，並有家長證明書以資證明。有 2 名學生不願意參加測驗，因此研 究對象共 27 名，在計畫發表、通過審核之後正式進行訪談。該班學生個性活潑、 有問必答，而該班自然科學教師為該校教學組長，對於本研究結果也頗感興趣， 因此願意讓該班學生擔任本研究的研究樣本。對於學生的學習狀況，他表示該

34 班在自然領域的學習態度認真，發言也頗熱絡，上課時遇有不懂的部份更是會 主動請教老師，但他同時也表示學生獨立學習的能力不佳，需要老師完整地總 結歸納；此外學生對於實驗時所遇到的狀況無法順利自行推理，因此他認為該 班學生的推理能力表現尚待磨練。

第二節 研究流程

本節旨在探討 POE 活動的實施流程，以及研究者進行國小四年級學生的成 影概念及「光影活動」推理過程之研究流程。

一、

POE活動流程

POE 活動中最重要的是受試者對於活動的預測，以及他預測的理由為何？ 因此在活動開始之前必須先讓學生完成以下步驟。 （一）在實驗正式進行前先讓學生明白如何進行 POE 推理活動，並告知本活動 的目的在於蒐集他們對「光影活動」推理實驗活動的想法，鼓勵學生能 盡量說出自己的想法。 （二）共計四個推理活動，請受試學生根據舊經驗或所學的知識，預測在設計 情境下，光線在積木背後形成影子的顏色並說明支持的理由。 （三）請學生對於實驗結果進行預測，並且說明其預測的理由。並記錄在 POE 活動單上，研究者同時也會進行晤談，掌握學生對於光影活動的看法。 （四）預測完後，開啟實驗裝置，請學生進行實際觀察，並將觀察的結果記錄 在 POE 活動單上。但發現有其他原因致使樣本無效，則剔除該受試樣本。 （五）進入評估階段之後，便請受試者就觀察結果進行評估。若預測結果與實 際觀察結果不同，則請受試者進行修正並說明推理的過程。 （六）完成所有推理活動後，請受試者說明對整個推理活動的整體概念並提出 問題。

35

二、「光影變化」推理活動的實施流程

（一）初探研究 由研究者選擇該校非正式研究之班級，委請該班自然與生活科技師，依據 該班國小三年級時自然與生活科技成績，選取低、中、高成就各 1 名學生，共 3 名學生進行初探研究實驗。 （二）正式研究 1.概念測試： 在研究者進行初探研究時發現，若讓學生自由發表會出現學生無法 聚焦於推理活動上的狀況。因此在進行正式研究時，改成請學生預測影 子的顏色與成像的位置，並請學生說明理由，藉此確認學生的成影概念。 2.正式活動： 學生完成概念測試後，研究者會告知學生將進行正式的推理實驗活 動，研究者會交給學生一張「國小四年級光影活動推理實驗 POE 活動 單」，依序提出假設、預測實驗結果、觀察現象並紀錄、評估預測和觀 察結果後提出自己想法和解釋，以下的正式活動也將依此流程進行。 活動一：將活動裝置裝設好，然後請學生先觀看，只有一盞檯燈時，照射在物 體上，請學生預測影子的位置與影子的顏色，畫在活動單上，再說明 理由。 活動二：將活動裝置裝設好，然後請學生先觀看，當檯燈燈泡顏色改變成紅色， 照射在物體上，請學生進行預測影子的位置與影子的顏色，畫在活動 單上，再說明理由；完成後，研究者打開裝置，接著請學生記錄自己 看到的狀況；最後請學生評估預測的結果和觀察的結果，確認兩者之 間的相同或衝突衝突，並提出自己的解釋說明。

36 活動三：將活動裝置裝設好，然後請學生先觀看，當有兩盞檯燈時，一邊為紅 光，一邊為綠光時，以 45 度角同時照射在物體上，請學生預測影子的 位置與影子的顏色後，畫在活動單上，說明理由；完成後，研究者打 開裝置，接著請學生記錄自己看到的狀況；最後請學生評估預測的結 果和觀察的結果，確認兩者之間的相同或衝突衝突，並提出自己的解 釋說明。 活動四：將活動裝置裝設好，然後請學生先觀看，當有兩盞檯燈時，以上方為 紅色、下方為綠色的方式，同時照射在物體上，請學生預測影子的位 置與影子的顏色後，畫在活動單上，說明理由；完成後，研究者打開 裝置，接著請學生記錄自己看到的狀況；最後請學生評估預測的結果 和觀察的結果，確認兩者之間的相同或衝突衝突，並提出自己的解釋 說明。

37 概念測試 預測 提出預測結果的理由 實驗與觀察 修正活動單 正式活動 活動單 預測 提出預測的理由 觀察與實驗 說明理由 預測與實驗結果是否一致？ 研究者進行評估 理由是否一致? 說明理由 預測與實驗結果是否一致？ 推斷結論 理由是否一致？ No No

38

三、「影子變色」實驗推理

POE活動的研究流程

本研究的主要目的在於探究國小四年級學生在「光影活動」推理實驗，進 行 POE 活動的科學推理過程，以提供做為教學參考。 （一）研究者先就研究問題閱讀相關文獻，並參考實務經驗（任課教師所遇到 的問題）架構出研究的方向，再與指導教授討論，決定研究主題。 （二）與指導教授討論過後確定研究方向後，積極蒐集與閱讀國內外相關研究， 對於有關 POE、成影概念及推理之文獻，加以分析閱讀整理。 （三）根據分析文獻的結果擬定研究問題與研究方法，並開始設計活動單與實 驗裝置。 （四）活動單與實驗裝置完成後，尋求願意配合之初探研究對象進行初探，蒐 集相關資訊。初探以晤談為主；晤談前先徵求受訪者之同意進行錄音與 錄影，以利後續資料之處理。 （五）根據初探晤談結果，修正活動單及實驗裝置，使之更能符合研究之需要。 （六）選取正式研究對象，採方便取樣，以新北市某國小四年級某班學生學生 為研究對象，進行一對一晤談。 （七）將晤談之活動單資料進行整理、分類，並將活動過程中之錄音資料轉成 逐字稿。 （八）將活動單之內容與錄音逐字稿資料合併處理，進行分析、歸納。 （九）將研究過程中所蒐集、探討之文獻，及正式研究階段所得之資料，進行 論文報告之撰寫。