探討導入科學探究教學於科展培訓對學生科學探究能力之影響

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(1)國立台灣師範大學科學教育研究所教學碩士班 碩士論文. 指導教授:許瑛玿 博士. 探討導入科學探究教學於科展培訓 對學生科學探究能力之影響. 研究生:郭泓男. 中華民國一零二年一月.

(2) 誌謝 兩年半前坐在科教大樓 SE-204 教室上第一堂課時期待又興奮的心情,至今 依然沒有忘記。當初從事教職,一部分就是期待這份工作有著很多進修與學習的 機會,很高興在我覺得自己的教學已經上軌道的時候,選擇就讀了師大科教所。 在科教所眾多教授們給予的指導,以及同學們之間的討論,不斷刺激我原本已經 快要定型的教育思維,並讓我不斷檢視並改變自己的教學。是在科教所課堂中的 學習,讓我有勇氣邀請同事一同在學校開了科學研究社這個特色社團,之後在許 瑛玿教授的指導下,對這個社團的投入讓我開始了這篇論文上的研究。 能順利完成這篇論文要感謝的人太多了,首先要感謝的當然是在研究這條路 上一直指引我明確方向的許瑛玿教授,沒有您的教導,我絕對沒有辦法完成這篇 論文。您總是能在我腦中一片混亂時整理出看得到希望的那條線,也是您在百忙 之中還耐心且和藹地指導我,讓我就算在工作上再怎麼累,都沒有退縮的理由。 從您的身上我不僅學到了教學研究上的方法,更學到了如何去指導我的學生。 感謝黃福坤教授與台科大陳素芬教授在忙碌的教學與研究活動之中,還擔任 我的論文口詴委員。兩位教授細心地校正我的論文,並在口詴時給予明確的修改 意見與建議,讓我更清楚我這篇論文的價值以及未來還可以探索的方向。 感謝這兩年半來互相扶持前進的建榮與豐州,不論是在課堂上的小組報告或 是與教授一起討論論文進度,有你們的陪伴與激勵是讓我在研究上前進很重要的 動力,我不會忘記和你們一起在許瑛玿教授辦公室吃飯,還有 meeting 完在校園 中散步、聊天的日子。也要感謝文馨學姐,沒有妳在關鍵時刻指導我如何正確地 進行統計分析,這篇論文絕對會再拖很久才能完成。更要感謝學校同仁陳倩嫻老 師、林芯聿老師,和兩位一起合作上課還有指導學生進行科展,增添了我的教學 視野、彌補了我在化學與生物領域教學上的不足,並且在我比較忙碌的時候無條 件地支援我。 最後要感謝我的家人,不論是我的父母、妹妹俞君、弟弟泓志,感謝你們在 我寫論文這段時間忍受我敏感的情緒,隱藏我們家一向歡樂吵鬧的氣氛,克制自 己製造出的音量,默默地陪伴我度過難熬的夜晚。最後再次感謝在我學習路上一 路相遇的教授、同學、學生,和你們共同的回憶是支持我繼續向前走的力量。.

(3) 探討導入科學探究教學於科展培訓 對學生科學探究能力之影響 郭泓男 摘要 本研究以美國奧勒岡州教育部門提出科學探究(Science Inquiry)四個面向、 三 層 次 評 分 準 則 形 成 的 十 二 個 科 學 探 究 能 力 分 項 (Oregon Department of Education, 2002)作為研究設計之科展培訓教學模組的主要參考依據,教學設計內 容包含一學期 16 節的課程,課程教學目標涵蓋上述十二項科學探究能力分項。 本研究採用混合方法設計研究法(mixed-methodology design),使用便利取樣,研 究對象包含接受本研究設計之科展培訓教學模組並參與研究者任教學校校內科 學展覽者 11 位學生,作為實驗組;另外選取沒有接受科展培訓教學模組但有參 與校內科學展覽者 11 位學生,作為對照組。研究問題有二:(1)實驗組學生接受 科展培訓教學模組前後,科學探究能力的改變及面對實驗誤差的控制與處理方式 為何?(2)探討接受科展培訓教學模組學生與沒有接受科展培訓教學模組學生, 在參與科展活動前後科學探究能力的改變及面對實驗誤差的控制與處理方式為 何?研究採用一開放式真實操作的斜面滑車實驗作為診斷學生探究能力的科學探 究能力實作評量,並藉由學生實驗日誌、實驗組科展活動追蹤紀錄、晤談等質性 資料的分析來探討上述兩個研究問題。針對第一個研究問題,研究結果發現實驗 組學生在科展培訓教學模組前後,在科學探究能力實作評量的「實驗設計」、「實 驗操作」、「數據處理」、「分析詮釋」四個面向的得分皆達到顯著差異(p<0.05), 且在總得分上達到高效果量(E.S.=2.27,p<0.05),並在實作評量子面向得分的分 析與質性資料的對照,歸納出學生在科學探究能力實作評量操作過程中明顯進步 的行為特徵包括:(1)正確地操弄操作變因;(2)操作變因的控制改變具有規律性; (3)刪除誤差過大的數據;(4)將實驗圖表做正確的詮釋。沒有明顯進步的行為特 徵則包括:(1)圖表的紀錄與組織完整;(2)面對實驗結果與預期或理論差異做正 I.

(4) 確推論。而針對第二個研究問題,探討科學展覽活動對學生科學探究能力影響方 面,實驗組與對照組的學生在科學探究能力實作評量表現皆有顯著進步 (實驗組 E.S.=1.51,p<0.005;對照組 E.S.=0.85,p<0.05),在實驗組與對照組科展作品評 分的比較上,發現實驗組在「分析詮釋」的表現明顯優於對照組(p<0.05)。本研 究針對質性資料進行內容分析,歸納出學生獲得實驗誤差相關概念來源、學生在 面對科展實驗研究中誤差控制的處理策略、學生對於誤差在科學實驗造成影響的 詮釋分別有哪些類型。研究者最後依據研究結論提出未來修改科展培訓相關教學 模組設計與科學探究能力實作評量實施之具體建議。. 關鍵詞:科學探究、科學展覽、實作評量. II.

(5) Exploring the Effectiveness of Students’ Science Inquiry by Introducing Scientific Inquiry Teaching into Science Fair Training Kuo Hung Nan Abstract Based on the Scientific Inquiry Scoring Guide raised by the Oregon Department of Education (2002), this study developed a 16-hour course to help students complete science fair projects. The objective of the course is to help students to attain the 12 inquiry abilities from four aspects in the Scientific Inquiry Scoring Guide. Following a mixed-methodology approach and a convenience sampling strategy, this study recruited a total of 22 students who participated in the science fairs held in their school. Half of the students who received the instructional model were viewed as the experimental group, while the other half who participated in the science fairs merely was the control group. A total of two research questions would be discussed in this study.. First, what changes did the students in the experimental group display on. their abilities of inquiry as well as experimental error control after the course? Second, what changes did the experimental group and control group display on their abilities of inquiry as well as experimental error control after their participations of the science fairs? In the study, students were required to do actual experiments on sliding cars, in order to assess their scientific inquiry ability through a performance assessment. Another data collected during students' experiments included their experimental log, science fair activity records of the experimental group, and student interview data. Results showed that all the students from the experimental group had significant differences in four aspects of scientific inquiry ability, including experimental design, experimental operation, data processing, analyzing and interpreting, and the total scores (E.S.=2.27,p<0.05). By comparing the scores they gained from performance assessments and other qualitative data, impressive improvements were observed from students' performances during experiments, such as manipulating independent variables correctly, displaying the abilities of variable control and alteration regularly, identifying and deleting data errors, and making correct interpretation of graphs. For III.

(6) the second research question regarding between-group inquiry performance after science fairs, both of the experimental group and the control group showed significant improvements on the scores of their inquiry performance assessments (experimental group E.S.=1.51,p<0.005;control group E.S.=0.85,p<0.05). While comparing the scores of science fair projects, the experimental group had significantly higher scores than the control group did in the part of ―analyzing and interpreting‖ (p<0.05). According to the qualitative data, this study identified the sources of students' concepts regarding experimental errors, the strategies that the students used to control errors which might occur during the experiments, and the types of students' interpretation on experimental errors. At last, based on the results of the study, school teachers can consider to applying the teaching model proposed in this study to train students how to accomplish their science fair and evaluating students' inquiry abilities through performance assessments.. Keywords: scientific Inquiry, science Fair, performance assessment. IV.

(7) 目錄 第一章. 緒論 .................................................................................................................. 1. 第一節 研究動機與背景 ........................................................................................... 1 第二節 研究重要性 ................................................................................................... 3 第三節 研究問題 ....................................................................................................... 4 第四節 名詞釋義 ....................................................................................................... 5. 第二章. 文獻探討 .......................................................................................................... 7. 第一節 科學探究 ....................................................................................................... 7 第二節 科學探究教學設計 ..................................................................................... 10 第三節 科學展覽對學生科學探究的影響 ............................................................. 15. 第三章. 研究方法 ........................................................................................................ 20. 第一節 研究對象 ..................................................................................................... 20 第二節 研究流程 ..................................................................................................... 23 第三節 科展培訓教學模組設計 ............................................................................. 25 第四節 研究工具 ..................................................................................................... 29 第五節 資料分析方法 ............................................................................................. 35 第六節 研究範圍與限制 ......................................................................................... 37. 第四章. 結果與討論 .................................................................................................... 38. 第一節 科展培訓教學模組對學生科學探究能力發展的影響 ............................. 38 第二節 科學展覽活動對學生科學探究能力發展的影響 ..................................... 47 第三節 學生對於實驗誤差概念形成機制之探討 ................................................. 58. 第五章 結論與建議 ...................................................................................................... 68 第一節 研究發現與結論 ......................................................................................... 68 第二節 綜合討論 ..................................................................................................... 70 第三節 建議 ............................................................................................................. 72. V.

(8) 參考文獻 ........................................................................................................................ 76 附錄 ................................................................................................................................ 83 附錄一 數據分析活動教案與學習單 ...................................................................... 83 附錄二 科學探究能力實作評量 .............................................................................. 87 附錄三 學生科展專題研究 實驗誤差控制分析 ..................................................... 95 附錄四 科展作品評分準則 ...................................................................................... 96 附錄五 科展成果依科學探究面相評分 .................................................................. 97. VI.

(9) 表目錄 表 2-1-1:科學探究能力包含面向相關研究列表 ........................................................ 9 表 2-2-1:COLBURN 的四種科學探究活動形式 ...................................................... 11 表 2-2-2:4 組國內學者進行科學探究教學研究之比較 ........................................... 12 表 2-3-1:國內外學者針對科學展覽對於學生科學探究影響研究比較 .................. 17 表 2-4-1:4 組國內外學者科學探究評量設計之比較 ............................................... 19 表 3-1-1:研究者與其他同校教師指導校內科研社上學期課程表 .......................... 21 表 3-1-2:學生研究小組研究主題 .............................................................................. 22 表 3-3-1:科展培訓教學模組課程設計 ...................................................................... 28 表 3-5-1:研究問題與研究方法對照表 ...................................................................... 36 表 4-1-1:實驗組學生科學探究能力實作評量前測與中測常態性檢定 .................. 38 表 4-1-2:實驗組科學探究能力實作評量前測、中測主面向得分的魏氏帶符號考驗 摘要表 ............................................................................................................................ 39 表 4-1-3:實驗組科學探究能力實作評量前測、中測子面向得分的魏氏帶符號考驗 摘要表 ............................................................................................................................ 41 表 4-1-4:實驗組學生在前測、中測行為特徵變化分析表 ...................................... 46 表 4-2-1:實驗組科學探究能力實作評量中測、後測主面向得分的魏氏帶符號考驗 摘要表 ............................................................................................................................ 47 表 4-2-2:實驗組科學探究能力實作評量中測、後測子面向得分的魏氏帶符號考驗 摘要表 ............................................................................................................................ 49 表 4-2-3:實驗組科學探究能力實作評量前測、中測與後測主面向得分的弗里曼分 析摘要表 ........................................................................................................................ 50 表 4-2-4:實驗組科學探究能力實作評量前測、中測與後測主面向得分的事後分析 摘要表 ............................................................................................................................ 50 表 4-2-5:對照組科學探究能力實作評量前測、後測主面向得分的魏氏帶符號考驗 摘要表 ............................................................................................................................ 51 表 4-2-6:對照組科學探究能力實作評量前測、後測子面向得分的魏氏帶符號考驗 摘要表 ............................................................................................................................ 52 表 4-2-7:實驗組與對照組參與科展前後科學探究能力實作評量主面向得分的曼惠特尼 U 考驗摘要表 ................................................................................................... 53 表 4-2-8:實驗組與對照組科學探究能力實作評量前後測主面向得分差異得分的曼 -惠特尼 U 考驗摘要表 .................................................................................................. 53 表 4-2-9:學生科展作品評分與科學探究能力實作評量後測得分表 ...................... 54 表 4-2-10:實驗組與對照組學生科展作品評分的魏氏-曼-惠特尼 U 考驗摘要表 . 55 VII.

(10) 表 4-2-11:學生科展作品評分與科學探究能力實作評量後測分數相關性考驗摘要 表 .................................................................................................................................... 57 表 4-3-1:實驗組科學探究能力實作評量前測、中測誤差相關子面向得分的魏氏帶 符號考驗摘要表 ............................................................................................................ 58 表 4-3-2:實驗組科學探究能力實作評量中測、後測誤差相關子面向得分的魏氏帶 符號考驗摘要表 ............................................................................................................ 59 表 4-3-3:對照組科學探究能力實作評量前測、後測誤差相關子面向得分的魏氏帶 符號考驗摘要表 ............................................................................................................ 59 表 4-3-4:學生參與科展活動前後在科學探究能力實作評量誤差相關子面向得分差 異的曼-惠特尼 U 考驗摘要表 ...................................................................................... 60 表 4-3-5:實驗組學生小組認為誤差相關概念影響來源排序比較表 ...................... 60 表 4-3-6:對照組學生小組認為誤差相關概念影響來源排序比較表 ...................... 61 表 4-3-7:實驗組學生針對科學探究能力實作評量中實驗的誤差來源分析 .......... 62 表 4-3-8:對照組學生針對科學探究能力實作評量中實驗的誤差來源分析 .......... 62 表 4-3-9:實驗組學生針對誤差對科學實驗造成影響的詮釋 .................................. 64 表 4-3-10:對照組學生針對誤差對科學實驗造成影響的詮釋 ................................ 64 表 4-3-11:學生實驗小組針對實驗誤差來源處理類型統計表................................. 67. VIII.

(11) 圖目錄 圖 3-2-1:研究流程圖 .................................................................................................. 24 圖 3-3-1:PHET 單擺模擬實驗軟體截圖 ................................................................... 26 圖 4-1-1:M2 學生繪製的車子重量與滑行時間實驗折線圖 .................................... 44 圖 4-1-2:M7 學生繪製的軌道傾斜角度與滑行時間折線圖 .................................... 44 圖 4-2-1:TEAM1 依實驗結果繪製的折線圖 ............................................................ 55 圖 4-2-2:TEAM6 依實驗結果繪製的折線圖 ............................................................ 56. IX.

(12) 第一章. 緒論. 近十年「以科學探究為核心」已經成為國際科學教育的基本共識(王晶瑩,2008), 美國《國家科學教育標準》(National Science Education Standards)中即提到,發 展科學探究教學是提升民眾科學素養的最有效方法之一(NRC, 1996)。我國九年一 貫政策中強調能力本位亦即提及科學探究能力的重要性(林建志,2008),到十二年 國教強調科學探究與問題解決能力的教學(丁亞雯,2012)。基於上述國內外教育改 革的趨勢,本研究旨在設計出一套適合實際應用於在台灣國民中學教學現場的科 展培訓教學模組,並使用實作評量的方式,來探討此以科學探究教學導入科展指 導對學生科學探究能力之影響所在,以及探索接受此科展培訓教學模組的學生在 國中校內科學展覽(Science fair)活動之表現。本研究以接受研究者設計之科展培訓 教學模組之 11 名台北市某國中七年級學生為實驗組,實驗組學生於接受科展培訓 教學模組後參與校內科展競賽;另取樣 11 名未接受科展培訓教學模組但有參加校 內科展競賽之七年級學生為對照組,藉由實作評量、科展歷程記錄、長期追蹤紀 錄、晤談等方式來了解本研究所設計之科展培訓教學模組是如何提升學生探究能 力和科展表現。本章針對研究動機與背景、研究重要性、研究問題、名詞釋義等 做詳細說明。. 第一節 研究動機與背景 面對我國教育政策的劇烈變動,從「九年一貫」到「十二年國教」 ,由科學家 的菁英式教育轉變為培養全民科學素養之取向(劉俊庚、邱美虹,2012),可知現代 的科學教育已從傳統的強調精熟學習,朝向偏重培養科學素養、科學興趣以及科 學探究能力等多元面向的學習。在教育部公布的國民中小學九年一貫課程綱要「自 然與生活科技領域」中,即提到教學應以學生活動為主體,引導學生進行科學探 究,並依照解決問題(problem-solving)流程進行設計與完成專題(教育部, 2003)。而 在美國,不論是美國科學促進協會(American Association for the Advancement of Science,簡稱 AAAS)提出的 Project 2016 或是美國國家科學研究委員會(National Research Council,簡稱 NRC)提出的《國家科學教育標準》均強調科學本質與科 1.

(13) 學探究能力培養的重要性(Gess-Newsome, 2002)。在國內外的教育變革中,皆越來 越強調科學探究的重要性。 我國國立臺灣科學教育館自民國 49 年起承辦全國中小學科學展覽會(簡稱全 國科展),至今已施行五十餘年,提供教師與學生一個能進行科學探究的機會與環 境,學生能由實際學習與生活過程中發現問題,並透過實驗設計、操作實驗、分 析數據、獲得推論等一系列的科學探究活動,與現今課程的實驗活動有極大的不 同。旨在激發學生對科學研習之興趣與獨立研究之潛能、提高學生對科學之思考 力與創造力、改進中小學科學教學方法及增進教學效果(徐國士,2001),國立臺灣 科學教育館也自民國 71 年起從全國科展中遴選學生代表參加美國國際科技展覽 會(International Science and Engineering Fair, 簡稱 ISEF),於民國 80 年開始科教 館單獨辦理「參加國際科學展覽活動」國內選拔賽。 Rillero (2011)指出科學展覽可以讓學生有興趣的題目著手研究,他們可以更深 入的了解科學研究是如何進行,並提高探究技能。科學展覽是探究學習活動中最 常見的開放式探究活動(鍾一華,2012),然而教師引導學生參與科展的實際執行面 會遭遇許多問題與困擾,例如:教師專業知能是否足夠、時間分配、學生遭遇問 題教師扮演角色等問題(徐佳璋,2007)。葉世榮與曾正宜 (2003)針對歷屆高中生 生物科科展得獎作品進行分析,發現科展作品常有動機論述不足、數據處理不當、 數據解釋與推論不分等問題,並依據作品分析結果撰寫給參與科展師生的參考手 冊。Gomez (2007)的研究則發現,在科展活動背景的教學中,教師必頇引導學生 進行科學上的討論,學生才會較容易從討論中獲得科學概念以及連續性的科學理 解。由上述學者研究可知教師適度且適時的引導在學生參與科學展覽過程是必要 的,因此研究者企圖配合目前國中僅有少數的彈性課程,詴圖設計出導入科學探 究教學於科展指導中,以及觀察學生在完成科展過程,在科學探究能力的發展情 形。. 2.

(14) 第二節 研究重要性 在近期國內科展相關學術研究中,多數研究聚焦於以下三方面:(一)學生科展 活動歷程分析,即針對學生在科展活動進行中問題發展(顏瓊芬、黃世傑,2003; 李明昆與洪振方,2011)、互動模式歷程(顏瓊芬、黃世傑,2003)、科學態度與技 能(嚴婉尹,2008)等不同面向的探討;(二)教師教導學生進行科展活動,此類多為 教師帶領學生進行科展的個案研究,且多針對資深或績優教師的引導方式進行探 討(鄭英耀、李育嘉與劉昆夏,2008;張可彤,2008;江良捷,2010);(三)影響學 生參加科展表現其他因素分析,除了探討學生本身能力與特質外,亦探討家長支 持度、學校設備支援、指導教師人格特質等其他因素對學生科展活動歷程的影響 (鄭英耀、王文中,2002;陳振明,2003;徐佳璋,2007)。 不少研究者指出進行科展是實施探究教學的最佳方式,國內有眾多學者進行 科學探究方面的研究,然而探討學生科學探究能力與科學展覽之間關係的研究卻 少之又少,而這些少數研究中又多只著重於學生科學探究能力對科展活動的影響, 或是科展活動的影響如何增進學生的實驗技能或探究技能,極少討論到如何透過 科學探究教學來培育學生參加科展所需的能力。然而,學生進行科學展覽活動時, 容易因為學生先備知識不足、教師介入程度以及教學時間不足等緣故,導致科展 經驗對學生而言僅增強學習動機,但對於其科學概念或實驗設計能力並無明顯的 提升(陳均伊,2010)。再者,複雜的實際實驗狀況和結果,因為誤差來源眾多或不 易控制反而為學生帶來的可能是困惑而非學習(Klahr & Nigam, 2004)。因此,本研 究冀望透過文獻評析整理出學生面對科展活動或是進行科學專題應具備的能力, 設計一套適合國內教育現況與學生的科學探究教學模組,並導入於科展培訓過程, 經由追蹤和分析過程中學生的探究能力發展情形。. 3.

(15) 第三節 研究問題 由於科學探究的面向頗為廣泛,本研究因受限於教學現場時間與空間的限制, 且因為預計採用實作評量的質性研究,僅選取較合適於本研究所選取研究對象的 面向進行探討和資料收集。在蒐集國內外相關文獻作為理論依據時,發現國內外 學者在探討學生在進行實驗的表現時,多是針對學生的控制變因能力。然而在科 學實驗中,如何去設計實驗並操作實驗減少實驗誤差,以及在實驗結果中對實驗 誤差的詮釋等往往是決定實驗品質的關鍵,也是科展評分的關鍵之一。在《國民 中小學九年一貫課程綱要》自然與生活科技學習領域中,科學過程技能基本能力 指標也有兩個細項涉及了實驗誤差對於科學實驗的重要性,分別為:「1-4-2-2 知 道由本量與誤差量的比較,瞭解估計的意義」以及「1-4-2-3 能在執行實驗時,操 控變因,並評估「不變量」假設成立的範圍」(教育部,2003)。而美國科學促進協 會(AAAS)於1967提出的SAPA課程中描述了對於科學過程技能的分類,課程中 提出八項基本科學過程技能:觀察、分類、測量、應用時空關係、應用數字、傳 達、推理、預測;以及五項統整過程技能:變因的控制、解釋資料、形成假設、 操作型定義、進行實驗(引自Jaw, 2006)。其中對於測量(Measuring)的敘述為:能運 用感官或基本工具來進行觀測並瞭解估計值、帄均值、誤差值的意義。也說明了 誤差的控制與詮釋在科學探究過程中的重要性,基於上述原因,本研究問題有二: 1.. 觀察學生接受科展培訓教學模組前後,科學探究能力的改變及面對實驗誤差 的控制與處理方式為何?. 2.. 探討接受科展培訓教學模組學生與沒有接受科展培訓教學模組學生,在參與 科展活動前後科學探究能力的改變及面對實驗誤差的控制與處理方式為何? 本研究問題先進行科學探究相關文獻和國內科學展覽相關的閱讀與分析後,. 據此為理論基礎來設計一套以引導國中生參與科學展覽為情境的科展培訓教學模 組,並且發展出一份科學探究能力實作評量並蒐集質性資料對學生學習成效進行 評估。於科展培訓教學模組實施前後施測,並追蹤學生後續參與科學展覽的表現。 此外,亦針對參與科展培訓與未參與科展培訓的兩組學生在科學探究能力及對於 誤差控制及認知差異進行探討。. 4.

(16) 第四節 名詞釋義 與本研究重要相關名詞定義,分述如下: 一、科學展覽(Science fair) 科學展覽是指透過競賽的方式,讓學生透過展示板、模型展、書面或口頭報 告展示他們的科學研究成果。目標在於激發學生對科學研習之興趣與獨立研究之 潛能提高學生對科學之思考力、創造力,與技術創新能力(教育部,2002)。我國 全國科學展覽,自民國四十九年起國由立臺灣科學教育館承辦全國中小學科學展 覽會,迄今每年參加科展的各級學校作品已超過 1 萬 5,000 餘件,經初選參加地 方展覽的作品亦超過 5500 餘件,每年投入科展研究行列之師生多達 10 餘萬人, 影響所及極為廣泛(徐國士,2001)。. 二、科學探究 美國《國家科學教育標準》(National Science Education Standards)中指出,科 學探究是科學家們研究自然現象,並依據研究獲得的證據提出各種解釋的多樣性 過程。科學探究也是學生們用來發展學科知識,獲得科學概念,體悟科學家們研 究自然界的方法所經歷的歷程活動(Science, Mathematics, & Inquiry, 2000)。科學探 究活動可以包含發現問題、決定研究題目、收集資料、提出研究假設、設計實驗、 進行實驗、處理研究資料數據、解決問題與獲得結論等過程,科學展覽與科學專 題研究包含著科學探究的精神,然而科學探究所涵蓋的層面更為廣泛。 本研究依據美國奧勒岡州教育部門(Oregon Department of Education, 2002) 建立科學探究的評分準則,將科學探究能力分為: 「形成問題或假說」 、 「設計研究」 、 「蒐集並呈現數據」、「分析並解釋結果」等四個能力面向,並分成「應用科學知 識」、「溝通與表達」、「科學探究本質」三個層面,產生十二個分項。本研究即依 據此十二分項建立科展培訓教學模組設計,以及探討學生在接受課程前後以及參 與科學展覽前後四個能力面向的表現與發展. 三、科學探究教學模組 教學模組是一個主題式教學的教案,或稱之為一個「大單元教學計畫」(陳文 典, 2002)。在教學模組裡,強調教師教學的主導性及學生學習的主體性,因此教 5.

(17) 師可由教案中擷取或改裝部份的教材內容、變換執行的方式,並不一定要全盤依 據教案進行教學(黃茂在、陳文典,2000)。本研究設計之科學探究教學模組為一針 對科展所需科學探究能力設計之教學模組,教師可以依據學生學習背景與學習能 力,在依循教學模組的教學目標下,進行單元主題的更換。 四、實作評量(performance assessment) 實作評量為另類評量(alternative assessment)的一種,是指根據學生實際執行一 項教師指定之特定任務或表現所作的評量(盧雪梅, 1998)。評量題目可以是口頭報 告、科學實驗、儀器操作、寫作等。實作評量可做為評估學生的學科性知識和程 序性知識以及他們使用這些知識的推理和解決問題的能力的一種手段(Harmon et al., 1997)。現今多數的科學探究相關研究所使用的評量仍以紙筆測驗為主,然而 有學者指出使用強調真實性與綜合性能力評估的實作評量,更能顯現出學生在科 學探究中不同面向的能力發展(楊進忠,2004;魯俊賢與吳毓瑩,2007)。 五、誤差 實 驗 上 的 誤 差 一 般 可 以 分 為 系 統 誤 差 (systematic error) 以 及 隨 機 誤 差. (random error)(Bevington, 1994),造成系統誤差的可能原因為測量工具本身精確 度造成的誤差、外在環境對實驗結果造成的誤差或是操作方法不熟練或錯誤上造 成的人為誤差,而隨機誤差則是在測量上因為不易控制或是無法控制的小變因造 成測量值產生隨機的分布的誤差(黃福坤,2004;李中一,2004)。. 6.

(18) 第二章. 文獻探討. 本研究目的之一為設計出一適合在台灣國民中學進行之科展培訓方式,實際 應用於教學現場。並使用實作評量的方式,探討學生接觸課程前後科學探究能力 之形成。針對研究所需的理論依據,依「科學探究」、「科學探究教學設計」、 「科學展覽對學生科學探究的影響」、「科學探究能力的評量」四個主題進行介 紹。 第一節將論述科學探究的概念型定義以及操作型定義,分析科學探究的意涵 以及具有的面向。第二節介紹國內外研究學者進行科學探究教學設計探討,評析 這些教學設計使用的教學策略、教學方法、教學模式,以及教學成果,論述這些 教學設計對本研究的啟發。第三節論述科學展覽對學生科學探究能力的影響,評 析各種研究方法在這些研究主題上的應用;第四節介紹不同研究者設計之科學探 究能力評量,基於這些文獻探討發展出適合本研究的科學探究能力實作評量。. 第一節 科學探究 探究在科學教育中甚早即被重視,Schwab (1962)提出科學探究可透過五個步 驟來進行:1.觀察自然現象;2.提出假說;3.定義控制變因;4.進行實驗以驗證假 說;5.推廣。Trowbridge & Wbyee (1986)則提出「探究是確定研究問題、描述假說、 設計實驗方法、收集數據、作結論等一系列的過程(引自郭幸宜、趙大衛、黃台珠, 2003,頁642)。」美國國家科學研究委員會(NRC)在《國家科學教育標準》中六個 教學標準中,第一個標準即為科學探究取向課程標準,當中並指出「探究是具有 多面向的科學活動,包括觀察、定義問題、驗證書本理論、瞭解已知知識、計畫 活動、重複檢驗實驗數據、使用工具收集資料與分析、對資料進行詮釋與結論, 學生從一系列的活動主動發展對科學的理解(翻譯自NRC, 1996, p.23)」 。並且提到, 應該提供機會給學生進行完整探究(full inquiry)以及部份探究(partial inquiry)。「完 整探究即是找出問題、設計研究、收集證據、找出原始問題的答案,並且溝通研 究過程和結果。部份探究則是所選定探究過程,學生在過程中發展能力以及瞭解 這些過程(引自莊創期,2003,頁9)。」由上述內容可以發現,科展即是由學生自 行由實際學習與生活過程中發現問題、決定研究題目、收集資料、提出研究假設、 7.

(19) 設計實驗、進行實驗、處理研究資料數據、解決問題進而獲得結論,足見科展實 為一良好的科學探究活動。 美國奧勒岡州教育部門(Oregon Department of Education, 2002)提出針對科 學探究能力評分指標(Scientific Inquiry Test Scoring Guide)中,將科學探究的過程分 為: 「形成問題或假說」 、 「設計研究」 、 「蒐集並呈現數據」 、 「分析並解釋結果」等 四個能力面向,並分成「應用科學知識」、「溝通與表達」、「科學探究本質」三個 層面,產生十二個分項。例如:針對 6~8 年級在「蒐集並呈現數據」評分指標, 將學生在該項目具有的能力分為四個評分標準等級。等級最高的學生應能進行收 集與計劃有關的詳細數據、仔細而有組織的處理數據,並註明數據精確的程度, 選擇適當呈現顯示數據的方式,並提出支持關係的解釋;中間等級的學生具有的 特性則是收集數據與計劃的調查僅有部分的一致性,並且以不一致或雜亂無章的 方式記錄並呈現相關數據;等級最低的學生則有記錄無關的或不準確的數據,以 及呈現不完整或無序的數據的特徵(陳名銜,2005)。此指標中關於學生對於實驗誤 差的處理與如何詮釋相關數據,即是本研究關注的重要能力。 NRC 在 2000 年提出的《探究與國家科學教育標準》(Inquiry and the National Science Education Standard)說明,5 到 8 年級的學生應具備的科學探究能力包含 確定可以通過科學調查回答問題、設計和進行科學實驗、使用適當的工具和技術 去分析和解釋數據、發展假說解釋與預測以及使用證據的模型(Model)、批判性的 思考和邏輯、詮釋證據和解釋之間的關係、分析可能的解釋和預測、科學溝通的 程序和解釋、以及使用數學在科學探究的各個面向。 國內學者高慧蓮(2005)將科學探究能力定義為界定問題的能力、設計規劃的能 力、實作驗證的能力、分析解釋的能力、溝通辯證的能力等 5 個面向。吳坤璋、 吳裕益與黃台珠(2005)則認為科學探究能力應該分成「科學探究思考能力」以及「科 學探究過程能力」來區分討論,科學探究思考能力包含推論、批判、思考三層面; 而科學探究過程能力則包含觀察、分析、轉化三層面。分析上述科學探究能力相 關文獻,研究者選擇以美國奧勒岡州教育部門的科學探究能力十二分項作為本研 究界定科學探究能力參考依據,理由原因有二:(一)涵蓋層面廣泛,從問題形成到 結果檢視及評估皆在界定範圍內;(二)面向敘述較為具體,且能對應在科學展覽製 作過程內。茲將本節提及各學者定義科學探究能力對應關係整理如表 2-1-1 所示。 8.

(20) 表 2-1-1:科學探究能力包含面向相關研究列表 美國奧勒岡州教育部門 (2003) 形成問題或假說 F-a.概念的運用 (F) F-c.問題的形成 F-n.問題的科學性 設計研究 (D) 蒐集並呈現數據 (P). 分析並解釋結果 (A). D-a.變因的控制 D-c.步驟的設計 D-n.資料的合宜性 P-a.數據的記錄 P-c.數據的呈現 P-n.數據的轉換 A-a.對結果的詮釋 A-c.對主題的討論 A-n.檢視及評估. NRC (2000). 高慧蓮 (2005). 吳坤璋、吳裕益 與黃台珠(2005). 界定問題. 觀察、思考 分析. 設計規劃. 觀察、思考 分析. 實作驗證. 分析、轉化. 分析解釋 溝通辯證. 思考、分析 推論、批判. 發展假說解釋與預測 確定可以通過科學調 查回答問題 設計科學實驗 進行科學實驗 使用適當的工具和技 術去分析 使用證據的模型 詮釋證據 分析可能的解釋和預 測. 9.

(21) 第二節 科學探究教學設計 本節分成科學探究教學的原則、國內科學探究教學研究評析以及以實驗為教學情 境的的科學探究教學三部分,詳述如下: 一、科學探究教學的原則 Schwartz, Lederman 與 Crawford (2004)認為學生容易缺少正確的科學本質認 識,其原因可能來自於缺少科學實作經驗,因此,透過探究活動融入在科學教學 中,可以幫助學生對科學本質的體認。Schwartz 等人提出在科學探究課程設計上 應該要注意的幾個面向問題: (一)內隱或外顯的教學方法-教師選擇將教學意圖 隱藏在探究活動中,或是藉由討論和引導將科學本質加以外顯; (二)探究為基礎 的課程-從過往的教學研究發現內隱式教學成效往往較差; (三)教師的科學探究 經驗也會影響到學生對於科學探究的認知與教學活動的成敗; (四)科學探究應是 在真實情境下進行活動,藉由教學者的引導讓學生進行實際的實驗研究。由上述 四點可知,教師知能與教學設計在探究教學中扮演了重要的角色。在進行學生專 題研究引導時,教師可設計科學探究教學模組,並根據教師風格、學生學習狀況、 教材選擇、現有教學資源等因素採用不同的教學策略,以配合各種環境下的探究 教學(Keys & Bryan, 2001)。Colburn (2000)指出,科學探究活動並非是均一化地被 創造,它可以分做四種形式:結構化探究(Structured inquiry)、指引式探究(Guided inquiry)、開放式探究(Open inquiry)、學習環(Learning cycle),在開放式探究中, 學生必頇要進行研究設計並選擇實驗程序,並在老師批准後進行實驗並下結論, 科展活動的歷程正符合開放式探究活動的性質,然而在先前的培訓教學中,可以 引入不同層級的探究教學。. 10.

(22) 表 2-2-1:Colburn 的四種科學探究活動形式 科學探究活動形式. 說明. 結構化探究 (Structured inquiry). 教師給予學生指令化的步驟,包含設計好的實驗變因與圖 表格式,學生紀錄他們所觀察到的。. 指引式探究 (Guided inquiry). 給予學生實驗所需材料,並給予第一部分實驗的指示。確 認學生完成第一部分的實驗,再給予後續實驗內容的提示。. 開放式探究 (Open inquiry). 給予學生實驗所需材料,僅告訴他們實驗目的是探討那些 變因之間的關係,學生頇自行設計實驗。. 學習環 (Learning cycle). 學生依循引導完成實驗,教師參與實驗結果討論。並給予 可以應用這些結果與討論的新情境題目。. 二、國內科學探究教學研究評析 國內有眾多學者詴圖過將探究教學融入我國教育現場,觀察學生在科學探究 能力中有哪些面向的改變與成長。洪振方(2010)建構思考導向的探究式學習模式課 程並設計科學探究能力量表,蔡執仲、段曉林(2009)建構巢狀探究教學模式課程並 且設計科學學習動機量表,對本研究教學設計的影響是,以上兩個研究皆透過比 較實驗組和對照組來驗證探究教學模式優於傳統教學。顏瓊芬與黃世傑 (2003)讓 25位職前生物教師進行開放式探究實驗,讓受詴者進行合作學習以及在真實科學 家進行研究的情境下進行學習,觀察學生互動模式。林建志(2008)透過具有誤差值 回饋實驗軟體與實際操作實驗來進行科學探究教學,並利用理論值回饋軟體教學 作為控制組,觀察學生在教學活動中實驗操作能力、實驗測量準確度、科學態度 對實驗操作的喜好程度的改變。茲將四份研究整理如表2-2-2所示,這些研究對本 研究設計之科展培訓教學模組與研究工具的發展的啟發為:(一)將探索、解釋、交 流及反思等科學探階段階段融入不同的思考策略,並進行明示教學;(二)參考這些 研究提出的課程設計修改成適合本研究研究對象的課程內容;(三)在課程活動中使 用小組合作學習模式,營造接近科學展覽活動情境;(四)利用模擬實驗與真實實驗 獲得實驗結果的差異比較,使學生獲得實驗誤差與控制誤差的相關科學概念。. 11.

(23) 表 2-2-2:4 組國內學者進行科學探究教學研究之比較 研究面向. 研究者. 設計課程. 探究教學. 洪振方(2010). 思考導向的探究. 探索、解釋、交流、 國中八年級學生: 一學期. 式學習模式. 反思的明示教學. 蔡執仲與. 巢狀探究教學模. 參與、探索、解釋、 國中八年級學生: 一學期. 段曉林(2009). 式. 精緻化、評鑑五階段. 模式. 課程要素. 研究對象. 研究時間. 研究工具 科學探究能力測驗. 實驗組 5 班 172 人 對照組5班172人. 對本研究啟發 課程明示教學 課程設計. 實驗組 5 班 155 人. 科學過程技能測驗. 課程設計. 科學學習動機問卷. 對照組5班140人. 探究實驗. 顏瓊芬與. 生態學專題研究. 合作學習. 無對照組. 技能. 黃世傑(2003). 的實驗課程. 真實的科學家進行 研究的情境. 一學期. 實驗心得反省報告. 學生小組互動的. 25 位 職 前 生 物 教. 每週進度報告. 紀錄與分析. 師. 專題研究問卷 上課錄影及錄音 師、生晤談錄音帶. 林建志(2008). 模擬實驗後進行. 誤差值回饋軟體. 無對照組. 真實實驗的實驗. 理論值回饋軟體. 課程. 電學實驗能力評量. 將誤差的討論帶. 25 位 職 前 生 物 教. 實驗學習單. 至課程中. 師. 電學實驗態度問卷. 模擬實驗與真實. 半結構式晤談. 實驗的設計. 12. 未說明.

(24) 三、以實驗為教學情境的的科學探究教學 探究教學除了能培養學生具有基本的科學技能與知識外,亦能達到培養學生 具有批判性思考、問題解決、觀察自然現象以及提升科學素養等教育目的,而學 生探究的成果除了以紙筆測驗外,亦可透過口頭及寫作的方式展現;教學的場域 同時可在「實驗室」與「課室」場景中實施(蔡執仲、段曉林,2005)。由此可知, 實驗活動在科學探究教學過程中是不可或缺的部分。然而目前國內科學實驗課程, 幾乎是食譜式實驗,並沒有探究與創造力的實驗課程,學生無法體驗科學探索的 樂趣(曹淇峰 et al., 2009)。Newsome(2002)提出數種提升學生科學本質與科學探究 的科學教學法,其中之一是以單擺實驗為主題,利用擺放位置(擺角)、擺重以及擺 長等不同變因進行分組,詢問學生在 15 秒內擺動次數長短與變因之間的關係,得 到相同時間內擺長越長、擺動次數越低的結論。Windschitl, Thompson 與 Braaten (2008)在涉展類似以單擺為主題的課程則提出在探究時教師所引導的流程:(一)提 示我們那些是我們知道的?那些是我們想知道的?(二)產生可測詴的假說;(三)尋 找證據;(四)架構出討論。 實驗情境常應用在科學探究活動過程,然而真實操作實驗往往費時且教師不 易管理。Limniou(2009)指出數位虛擬實驗具有讓學生可以迅速收集實驗數據,進 行驗證或否決假說的優點。陳素芬(2010)針對 5 個科學教學網站中 233 個虛擬實驗 室(virtual laboratory)網頁進行分析,發現 80%的虛擬實驗室是理想狀態,也就是不 考慮阻力與摩擦力的狀況,而 99%的虛擬實驗室不要求學生去思考誤差來源或是 誤差在實驗設計上的考量,陳素芬並指出非擬真的虛擬實驗會讓學生喪失發展部 分物理探究學習能力的機會。近期一些虛擬實驗則詴圖將誤差來源融入當中,例 如 Tłaczała(2006)等人設計出考慮溫度對電阻造成影響的虛擬電路設計界面,使學 生在操作上更接近現實。 綜合上述相關文獻探討給本研究的啟發有以下五點: (一)科學探究教學應以 明示教學為呈現方式-眾多科學探究教學相關研究皆顯示出明示教學優於內隱教 學,尤其在明示教學可增強學生科學探究時的後設認知能力。探究的明示教學有 兩種方式:一是提供學生程序性的科學探究背後的思考策略,另一則是提供學生 科學思考背後的思考策略,也就是探究的後設認知(洪振方,2010);(二)設計可 涵蓋科學探究過程與能力的教學模組-AAAS(1967)提出的SAPA 課程包含八項 13.

(25) 基本科學過程技能以及五項統整過程技能被廣為接受(Jaw, 2006),本研究並配合美 國奧勒岡州教育部門提出科學探究能力評分指標,將科學探究的能力分為: 「形成 問題或假說」、「設計研究」、「蒐集並呈現數據」、「分析並解釋結果」等四個能力 向度,作為一學期課程設計的主要脈絡; (三)著重設計實驗與實驗數據處理的培 養課程-黃福坤(2004)指出「一般學生在實驗操作過程中若出現測量誤差過大之情 形會直接修改數據,或歸咎於儀器損壞及測量儀器不夠精準,而忽略了實驗過程 中可能的系統誤差(systematic error)與隨機誤差(random error)等因素(取自 http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/html.php?html=Notes/dataProcess)。」,學生對於實驗誤差. 在實驗上扮演的角色往往不是忽略就是認為是無法避免也無法控制的,因此必頇 在課程上強調對實驗誤差的認知; (四)質性研究的工具發展-質性研究需要多方 的研究工具才能確保研究資料以及結論的可靠性,質性研究工具包括受詴者學習 紀錄、實作檢核表、錄影、錄音、問卷、晤談等方式,藉由適當的編碼方式將不 同的資料經三角校正後獲得具體結論; (五)學生的學習來自多個面向-綜合上述 研究,學生對於科學探究能力的獲得可能來自於教師的引導、探究實驗設計與操 作、與小組成員的對話、與其他小組成員的辯護與闡明自身想法等,探討學生科 學探究概念的形成機制也是本研究的重要問題之一。. 14.

(26) 第三節. 科學展覽對學生科學探究的影響. 在參與科學展覽對學生學習影響的研究中,以探討學生科學本質的了解與科 學態度為最多,進行科學展覽與學生科學探究能力相關的研究甚少。尤其學生參 與科學展覽是一個讓學生經歷「做科學」(doing science)的過程,不同於教室內學 生都是由教師身上獲得到的多是第二手知識,科學展覽給予學生的探究經驗在學 生包含:設計研究問題、概念化一個適當的實驗計畫、連結資料、組織資料使其 有意義、對他人報告結果等歷程。比起傳統的教學,科學展覽的參與可以使學生 得到更多問題解決的學習機會,並且從這些機會獲得科學探究技能 (McComas, 2011)。 Akinoglu (2008)調查土耳其 100 位六年級到八年級有過科展專題研究相關經 驗的學生進行調查,發現學生仍相當依賴老師,有 36%的學生認為在如何準備研 究主題上教師並不顯得非常有知識,佔分析專題研究不足之處項目中最高比例, 研究過程遭遇困難中的比例最高的是「不知如何與老師溝通」 ,佔 35%。僅有 17% 的學生在調查中表示在科學專題活動後學習到如何完成一項科學性任務,27%的 學生認為他的探究技能在活動後有所提升。Akinoglu 的研究可以發現學生在開放 性的科學探究活動過程中仍過度依賴教師,而在學生能力不足的狀況下,透過指 導發展學生科學知識與研究相關技能是教師不可迴避的問題。 Kyriazi 與 Constantinou (2004)針對學生參與科展前後繪製圖表能力的改變進 行研究,研究對象為 35 位塞爾維亞 5 年級的學生,設計四個繪製圖表的問題並在 學生參與科展前後進行前測與後測。研究結果發現學生在繪製直方圖與折線圖的 能力皆有顯著提升,Kyriazi 與 Constantino 也提出他們的研究可以與其他科學探究 技能的關聯度做連結上的研究,例如解釋圖表。 彭天音(2010)利用 2006-2009 年參與台北市氣象探究網路競賽共 169 組學生, 探討網路科展競賽中學生科學探究能力的表現情形,以及對學生科學探究的信心 和學習態度對探究能力表現的影響、教師對科學探究教學的看法對學習科學探究 能力表現的影響等問題。彭天音的研究建議在類似於科展活動進行前,可先利用 一段時間讓學生了解探究歷程所需運用到的相關能力,才能針對不同學生成熟度 與預備度的差異部份事先準備。這與本研究的研究動機相契合,由於科展活動中 每組學生的研究問題不同、所需相關科學知識與實驗技能也不同,因此活動前的 15.

(27) 適當教學有助於減少學生在進行專題研究時遇到過多或不必要的困難與挫折,而 無法從研究中獲得學習。 嚴婉尹(2008)以基隆市國中生為母群,隨機取樣法抽取六所國中,再以叢集取 樣法抽取 633 位學生為樣本,進行「科學過程技能」及「科學探究歷程」測驗。 結果發現:有科展經驗學生多數的過程技能優於無科展經驗學生,有科展經驗學 生在「觀察」、「應用時間空間之關係」、「應用數字」、「測量」、「控制變因」、「解 釋資料」、「下操作型定義」、「形成假說」與無科展經驗學生有顯著差異。此外, 無科展經驗學生較容易有迷思的科學探究歷程,嚴婉尹的研究並發現無科展經驗 學生較容易有錯誤的科學探究流程認知,上述研究討論可以作為本研究在觀察學 生科展活動時,應該注意學生活動面向的討論,並作為本研究研究結論的理論支 持。 綜合上述國內外學者針對科學展覽對於學生科學探究影響研究的比較,以及 與本研究的關聯性以表 2-3-1 呈現。這些研究可以分為兩大類:一為對學生科學態 度的影響,一些研究透過問卷與半結構式晤談探討學生在參與科學展覽對於學生 科學態度的影響;二為對學生科學探究能力的影響,探討參與科學展覽前後學生 科學探究能力的改變。本研究研究問題較偏向後者,著重在學生接受科展培訓教 學模組與參與科展前後科學探究能力的改變。. 16.

(28) 表 2-3-1:國內外學者針對科學展覽對於學生科學探究影響研究比較 研究面向 研究者. 科學探究能力 Akinoglu(2008) Kyriazi & Constantinou (2004). 科學學習態度 彭天音(2010) 嚴婉尹(2008). 研究對象. 100 位 6~8 年級學生. 35 位 5 年級學生. 2009 年 51 組參與 台北市氣象探究 網路競賽學生. 隨機取樣 633 位 基隆市國中學生. 研究工具. 半結構性晤談. 4 題繪製圖表技能 測驗. 科學探究信心量 表. 科學過程技能測 驗. 半結構性晤談. 科學探究歷程測 驗. 研究工具. 研究者依晤談內容 將學生歷程特徵分 類. 實作技能評量. 5 等第態度問卷, 整體研究工具量 化為主質性為輔. 紙筆測驗式題 目,包含選擇題與 配合題. 學生研究歷程特徵 與參與研究前後科 學態度變化為何. 參與科展對學生繪 製圖表技能之影響 為何. 參與競賽前後學 生對科學探究信 心、學生自然科學 態度變化為何. 有無參加科展經 驗學生在科學過 程技能與科學探 究歷程表現之差 異為何. 研究性質. 質性研究. 質性研究. 量化研究為主,質 性研究為輔. 量化研究. 與本研究. 半結構式晤談的問 題設計. 包含多個科學探究 面向的實作測驗選 擇與設計. 半結構式晤談的 問題設計. 科學過程技能與 科學探究歷程應 包含的面向. 性質 研究 問題. 關聯性. 17.

(29) 第四節. 科學探究能力的評量. 美國奧勒岡州教育部門提出 的科學探究能力評分標準(Oregon Department of Education, 2002),將科學探究的四個「形成問題或假說」、「設計研究」、「蒐集並 呈現數據」 、 「分析並解釋結果」等四個能力向度,每個面向分為 4 個等級(0~3 分), 並建立評分準則。以「分析並解釋結果」為例,3 級分代表學生達到:(一)能用科 學概念、模型以及術語來呈現報告結果、討論;(二)明確地確定變量因,並知道實 驗的邊界條件與誤差來源;(三)提供一個可以蒐集出色質與量資料的科學研究設計, 並用以解決問題或假設。1 級分則代表學生:(一)提出不合邏輯或有重大科學錯誤 的科學程序;(二)變數和變因控制可能呈現出,但未進行定義;(三)設計一缺乏必 要資源與技術的科學研究設計。 誠如本章第一節文獻評析可見科學探究涵蓋面向相當廣泛,科學探究過程也 包含「觀察」 、 「發現問題」 、 「提出假設」 、 「提出可能預期結果」 、 「設計實驗」 、 「結 果分析」 、 「發展理論」等步驟(樊琳、李賢哲,2002),因此使用傳統的紙筆測驗無 法適切地配合本研究欲探討的學生科學探究能力。實作評量也稱為真實評量,實 作評量可以讓教師瞭解學生對問題理解程度、投入程度、解決問題技能和自我表 達能力,能夠較完整的反映出學生的學習結果(盧雪梅,1998)。因此本研究採用實 作評量做為測詴學生科學探究能力的主要研究工具。但實作評量所帶來的成效並 不是自動發生,必頇經過嚴謹的計畫、實施和運用,才會達到實作評量使用的目 的(盧雪梅,1998)。 徐怡詵與王國華(2003)以國小五年級學生為研究對象,進行「校園植物檢索表」、 「光的反射與帄面鏡」與「探索花的構造」三個主題的實作評量,並且捨棄評分 表改用每單元有各自適用的檢核表作為評分依據。高慧蓮(2006)將探究能力分為界 定問題的能力、設計規劃的能力、分析解釋的能力、實作驗證的能力、溝通辯證 的能力等五種能力,評量方式以透過學生學習單回答問題為依據,並以 Schwab (1962)的科學實驗活動的層次為依據,依學生回答問題狀況給予 0 分~3 分四個等 第,以界定問題的能力為例:0 分代表沒有提出任何問題或提出與情境或探究主 題無關的問題;1 分代表只提出所觀察之現象而無法根據現象轉換成可探討性問 題;2 分代表透過所觀察的現象而提出無延伸性的問題;3 分代表能觀察現象並能 「組織」、「分類」或「比較」等,進而提出延伸性可探討性問題。宋雅鈴(2009) 18.

(30) 將科學探究能力分為「觀察」、「假設」、「實驗」、「資料搜索」四個面向,設計生 物科遊戲實驗模型,讓學生藉由操作實驗的歷程記錄,每一面向有三等第的分數 區別。Kyriazi 與 Constantinou (2004)選用實作評量作為研究工具,但只著重在學 生將數據繪製成圖表能力的探討;嚴婉尹(2008)以紙筆測驗為研究工具,與多數受 詴者沒有進行晤談,但科學探究能力研究層面較為廣泛。 綜合上述國內外學者科學探究評量設計性質的比較(如表 2-4-1 所呈現),過去 的研究教多採用紙筆測驗或量表等工具來評測學生科學探究能力,基於本研究設 計科展培訓教學模組與探討科學探究能力面向均以奧勒岡州教育部門界定的科學 探究能力面向為由,本研究採用科學探究能力實作評量作為主要工具,針對形成 問題或假說、設計研究、蒐集並呈現數據、分析並解釋結果等多個面向作探討。 這些研究對本研究的啟發還包括設定課程與實作評量面向準則,並綜合實作測驗 報告與錄影作為評分依據,以及綜合檢核表與不同級分的特性,以 0 分、1 分、2 分作為實作評量評分級距,並佐以研究者從旁紀錄與晤談補充資料的完整性。. 表 2-4-1:4 組國內外學者科學探究評量設計之比較 研究者. 科學探究 面向. 施測對象. 評分工具. 奧勒岡州教 育部門 (2002) 形成問題或 假說、設計 研究、蒐集 並 呈 現 數 據、分析並 解釋結果. Kyriazi & Constantinou (2004) 僅探討圖表 繪製能力. 7~9 年 級 學 生 準則中建議 教師可以報 告、實驗錄 影、錄音、 教師觀察為 依據. 徐怡詵與王 國華(2003). 高慧蓮 (2006). 嚴婉尹 (2008). 宋雅鈴 (2009). 無說明. 界 定 問 題、設計規 劃、分析解 釋、實作驗 證、溝通辯 證. SAPA13 項科學過 程技能. 觀察、假 設、實驗、 資料搜索. 5~6 年 級 學 生. 國小 5 年級. 國小中年 級. 7~9 年 級 學生. 國中 7 年 級學生. 四題繪製圖 表能力實作 評量. 檢核表. 學習單. 科學過程 技能測驗 科學探究 歷程測驗. 模擬實驗 軟體操作 歷程. 19.

(31) 第三章. 研究方法. 本研究為混合方法設計研究法,採用便利取樣。研究對象分為接受本研究設 計之科展培訓教學模組並參與研究者任教學校校內科學展覽者 11 位學生,作為實 驗組;另外選取沒有接受科展培訓教學模組但有參與校內科學展覽者 11 位學生, 作為本實驗之對照組。本章分為「研究對象」、「研究流程」、「科學探究教學模組 設計」、「研究工具」、「資料分析方法」五節作為介紹。. 第一節 研究對象 本研究為便利取樣,研究對象為 100 學年研究者任教國中參與科學研究社七 年級學生,參與學生經由入社測驗篩選,入社測驗採用紙筆測驗形式,題目包括 小學先備科學知識、科學過程技能、科學學習經歷與動機三部份組成。學生大多 有良好的學習動機,但在科學實務操作上較少經驗。授課時間為七年級社團時間, 一學期有 16 節課,每節課為 45 分鐘至 60 分鐘。社團教學目標為培養學生正確的 科學觀、提升學生科學素養與對科學本質的了解以及進行培訓學生科展活動所需 的科學探究能力。課程上學期以質性實驗與提升學生科學興趣為主,例如:以光 學魔術、降落傘競賽、千人震的製作、以廣用詴劑製造彩虹玻璃管等,上學期課 程安排如表 3-1-1 所示,涉及科學探究相關的教學活動僅到變因的種類與判斷,這 些概念在七年級上學期生物正式課程內也有所提及。. 20.

(32) 表 3-1-1:研究者與其他同校教師指導校內科研社上學期課程表 週次. 授課主題. 課程簡述. 教學法. 1. 前測、課程說明. 2. 趣味實驗-燃燒實驗. 從蠟燭燃燒實驗看科學方法. POE教學法 講述教學法. 3. 丟蛋比賽. 蛋如何包裝摔到地上不會破. 發表教學法. 4. 科學書籍網站分享. 從科學書籍網站分享學習資料搜索. 講述教學法. 5. 詴誤學習-紙飛機. 嘗詴製作會轉彎的紙飛機並探討會轉 彎的原因. 合作學習教學法. 6. 降落傘 (I). 從降落傘談變因分析. 講述教學法. 7. 降落傘 (II). 降落傘實作競賽. 發表教學法. 8. 趣味實驗-彩虹詴管. 利用不同溶液與廣用詴劑配出彩虹詴 管. 合作學習教學法. 電影與書籍中的科學知識分享(老師). 講述教學法. 電影與書籍中的科學知識分享(學生). 發表教學法. 藉由萊頓瓶與千人震介紹電學相關知 識. 探究教學法. 9 10 11. 科 學魔 術、電 影漫 畫分 析、科學書籍分享 科 學魔 術、電 影漫 畫分 析、科學書籍分享 趣 味實 驗-萊 頓瓶 與千 人震. 講述教學法. 12. 校外參觀說明. 仿生獸的創始者與原理簡介. 講述教學法. 13. 校外參觀. 參觀國立臺灣科學教育館與仿生獸展. 合作學習教學法. 14. 趣 味實 驗-水 結成 冰的 魔術 指定寒假作業. 醋酸鈉過飽和溶液 說明寒假作業與細則. 探究教學法. 15. 期末回饋. 教師引導學生回顧本學期所學. 講述教學法 討論教學法. 社團在下學期進行研究者設計的科展培訓教學模組,以科展主題的構想、實 驗設計、量化實驗操作為主軸,詳細內容在本章第三節做詳盡介紹。學生在七年 級升八年級暑假則開始進行實驗設計討論。這些學生在升八年級剛開學不久(101 學年 9 月份)報名參與該學年度校內科學展覽,授課老師即為「科學研究社」三位 社團指導老師,起初從七年級參與課程學生有 19 位,完成所有課程並參與校內科 學展覽者有 11 位,其中 8 位為男生(受詴者編號 M1~M8),3 位為女生(受詴者編 號 F1~F3)。並依後續參與校內科展分為 4 小組(Team1~Team4),即為本研究之實 驗組;而於同一學期(八年級上學期)報名參與校內科學展覽者中 11 位未接受科展 21.

(33) 培訓教學模組的學生,作為本實驗之對照組,其中 7 位為男生(受詴者編號 CM1~CM8),4 位為女生(受詴者編號 CF1~CF3) 同樣在校內科展組成 4 個研究小 組(Team5~Team8)。對照組取樣學生的科展指導老師與實驗組三位社團指導老師相 同,藉此避免指導老師個人風格對學生科學探究能力發展之影響。學生研究小組 研究主題與研究內容如表 3-1-2 所呈現,每一組研究主題中,都有可量化的資料需 要取得,確認每一研究小組都有經歷資料蒐集與整理分析的步驟。. 表 3-1-2:學生研究小組研究主題 研究小組. 小組成員. 研究主題. 實驗操作變因. 實驗應變變因. 實驗組 Team1. F2、F3、 M2. 影響非牛頓式流體流 動因素之探討. 溶液濃度、溫度、 壓力. 溶液流速. Team2. F3、M7、M8. 環保燃料於火箭飛行 上的應用. 氫氣與氧氣混合比 例. 火箭飛行高度. Team3. M1、M3、M4. 火箭外型對其飛行距 離、飛行高度的影響分 析. 水火箭尾翼數量、 尾翼角度、火箭箭 身長度. 水火箭飛行高 度與距離. Team4. F1、M5. 環境酸鹼性對植物萌 芽與生長的影響. 溶液與土壤的 pH 值. 不同植物萌芽 率與生長長度. 光照的顏色 光照的多寡. 綠豆的發芽率 與生長長度. 對照組 Team5. CM4、CM5、 不同的色光是否會對 CM6 綠豆的生長有所影響. Team6. CF1、CF2. 生活上常見溶液對植 物行光合作用的影響 探討. 水耕植物根部浸泡 溶液的種類. 光合作用產生 氧氣速率. Team7. CM1、CF3、 CF4. 觀察不同方法使過飽 和溶液產生結晶時放 熱狀況. 使醋酸鈉過飽和溶 液產生結晶的方法. 醋酸鈉過飽和 溶液結晶時溶 液溫度. Team8. CM2、CM3、 探討不同種類石頭對 CM7 過濾水的功效差異. 石頭的種類. 濾液的酸鹼度 濾液的外觀. 22.

(34) 第二節 研究流程 本研究之研究流程圖如圖 3-2-1 所示,研究時間為 2011 年 11 月至 2012 年 12 月,橫跨兩學期的時間。研究可分為三個階段:(一)準備階段:蒐集研究相關參考 文獻,設計一套導入科學探究教學於科展培訓教學模組(在本章第三節中介紹),以 及發展出科學探究能力實作評量並進行預詴並修改;(二)實施課程階段:針對實驗 組進行科學探究能力實作評量前測,在開始進行科展培訓,結束後進行實驗組的 科學探究能力實作評量中測,並比較學生在接受科展培訓教學模組前後在各面向 科學探究能力的改變情形。而在同一學期校內科展報名期間選取 11 名學生作為對 照組後施以科學探究能力實作評量前測;(三)學生參與科展階段:實驗組和對照組 學生於 9-12 月進行科學展覽活動時,以 2~3 位學生為一組,自行選取一科學專題 來進行實驗,待 12 月校內科展結束後,針對實驗組和對照組實施科學探究能力實 作評量後測以及實驗組各組學生的晤談。並且收集實驗組學生的科展實驗日誌資 料等質性資料作為後續分析。. 23.

(35) 實驗組接受科展 培訓教學模組. 圖 3-2-1:研究流程圖 24.

(36) 第三節. 科展培訓教學模組設計. 本研究設計一學期 16 節課的科展培訓模組以文獻評析結果為基礎,科展培訓 教學模組並涵蓋美國奧勒岡州教育部門提出科學探究四個面向、三層次評分指標 形成的十二個科學探究能力分項,如表 3-3-1 所呈現。模組實施採用協同教學,由 研究者與另兩位同校自然科老師進行教學,三位老師分別屬於物理、化學、生物 專業背景教師,學期初教師們共同討論出教學架構,並在上課前一周確認細節。 模組以明示教學為主要理念之一,每次學生活動結束之後,教師必定會引導學生 討論該節課學習到的概念或經驗所在,鼓勵學生說出自己的想法,再由老師歸納 學生意見並下結語。茲將各課程簡述如下: 一、發散思考與概念圖 教師先示範概念圖與腦力激盪法的簡介,利用生活化的的「水」為主題,讓 學生進行小組討論,並從中整理可以成為科展題目的概念並進行小組發表。學生 可從活動中練習從科學概念形成合適的研究問題。 二、變形磚 教師示範「玉米粉水」受到壓力時會凝固的現象,學生必頇自行設計實驗步 驟找尋不施壓時具有流動性,施壓則會凝固的最佳比例。從此活動讓學生練習設 計針對研究問題且有效率的實驗步驟。 三、如何想出好題目 教師丟出數個歷屆科展研究題目,讓學生去討論哪些是好的科學問題,如果他們 是研究者,可以從這個研究主題中想到那些問題的發展。從討論中引導學生一個 好的研究問題是可以藉由數據的蒐集與分析來回答或是驗證假說。 四、生物科展介紹 介紹歷屆生物科展得獎作品以及參與該遵守的規則,並引導學生發現生物科 展作品常見的特徵。 五、實驗設計 參考余尚芸(2003)研究使用的教學設計。利用科學發展上的典範實驗,例如凡 赫芒的光合作用實驗以及植物開花「光週期」的實驗,丟出科學家提出的假設, 要求學生針對這些假設設計出合適的實驗步驟並進行發表,發表內容必頇包含變 因的分析以及實驗步驟。由同儕與教師評析這些實驗內容是否符合研究問題,以 25.

(37) 及設計的實驗步驟是否有受到其他變因干擾的可能性。 六、數據分析 課程參考 Newsome(2002)、Windschitl 等(2008)的教學設計,以單擺實驗為主 題(詳細教學教案見附錄一 數據分析活動教案與學習單),教師先讓學生預期擺長、 擺錘重量、擺角對單擺週期之影響,接著讓學生分組操作 PhET 軟體中單擺模擬 實驗(如圖 3-3-1),數位模擬實驗可以扣除真實實驗中所含的環境誤差與測量工具 造成的誤差,不考慮摩擦力與空氣阻力等因素,操作該軟體可能存在的只有學生 肉眼觀察利用軟體中碼表功能計時造成的人為誤差,但學生可以藉由「慢動作播 放」這個功能減少人為誤差的影響,完成數位模擬實驗後由教師帶著學生討論如 何詮釋實驗數據,並探討模擬實驗仍可能存在的誤差。下一節課則讓學生進行實 際的單擺實驗,由於實際實驗會受到更多的誤差影響因素而干涉實驗結果,因此 各組的實驗數據明顯比數位模擬實驗差距要大。教師藉由公布實驗理論值,讓學 生比較自己的實驗值與理論值間的差異,來進一步引導學生說出本實驗可能存在 的產生誤差之因素及各組實驗數據不一的原因。例如:學生能夠說出產生誤差之 因素有:「因為前一、兩次對實驗操作不熟悉」、「固定繩子打結時影響繩長」、「實 驗室有空氣流動造成的風」等,之後再引導學生歸納出誤差來源可以分為系統誤 差(包含環境誤差、測量工具誤差、人為誤差等)以及隨機誤差兩大類及其意義。. 圖 3-3-1:PhET 單擺模擬實驗軟體截圖 26.

(38) 七、實驗除錯練習 以上學期學生以組裝過的「千人震」為主題,教師給予每組學生部分已損壞 的零件,要求學生找出壞掉的零件有哪些,並進行修復。藉由活動讓學生練習以 具邏輯性的方式,找出實驗裝置有問題的地方。 八、科展範例分析 給予學生兩篇科展作品局部內容,此兩篇科展的研究主題都是在探討溶液酸 鹼值與導電性的關係,然而兩組實驗的數據得到的推論會有所不同。學生藉由別 人實驗的數據表格,練習如何詮釋研究結果,並藉由兩篇科展內容的比對,由教 師進行引導讓學生探討為何兩組實驗步驟相似,但研究的結果與討論卻有相異之 處。同時讓學生了解實驗設計與執行實驗過程對結果的重要性。 九、學生專題計畫發表 學生小組進行科展專題研究計畫發表,計畫內容必頇包括「研究動機」、「研 究問題」、「變因分析」、「實驗步驟」、「設計實驗裝置」等項目,並藉由教師回饋 與同儕互評,修正後繳交科展專題計畫書。 十、蠟燭燃燒實驗 此教學活動是利用暑假研究者與其他同校教師指導學生從事科展活動時進行, 教學時間為三小時。教學設計參考鄭豐順(1996)、張容君與張惠博(2007)的研究, 由教師帶領學生回憶小學自然科學課學到的氧氣佔空氣中五分之一的概念,並示 範蠟燭燃燒實驗,並讓學生觀察到蠟燭熄滅後水面並非上升到瓶子五分之一高度 的事實。要求學生針對此觀察現象提出假設,帶學生發表假設後真實進行實驗, 並檢驗實驗結果是否能驗證自己提出來的假說,最後進行結果發表並由教師引導 學生下結論。. 27.

(39) 表 3-3-1:科展培訓教學模組課程設計 週次. 授課主題. 1. 選社. 2. 寒假作業檢測. 對應奧勒岡州科學探 究能力評分準則. 課程簡述. 3. 寒假作業驗收與評論 (吹箭、不會破的肥皂泡、走馬燈) 發散思考與概念圖 Brainstorming與概念圖練習. 4. 變形磚. 5. 如何想出好題目. 6. 生物科展介紹. 7 8. 實 驗 設 計 ( 變 因 控 從典範實驗與PISA詴題談實驗 制) 設計 自製冰淇淋、膨糖 冷劑的製作與實驗操作技巧. 9. 數據分析Ⅰ. 10. 11. 12. 13. 14. 詴誤學習—調配變形磚最佳比 例 從觀察中發現問題與歷屆理化 作品類型介紹 歷屆生物作品類型介紹與生物 實驗注意事項. 從PhET軟體進行影響單擺擺動 週期因素探討實驗,並如何從數 據中得到適當推論。Excel繪圖教 學。 數據分析 Ⅱ與誤差 進行真實影響單擺擺動週期因 探討 素探討實驗,並探討與模擬實驗 數據差異原因。. 實 驗 設 計 ( 誤 差 控 從歷屆科展題目或PISA詴題進 制) 行含有誤差控制實驗的設計討 論 實驗除錯練習 給予學生小組有部分零件壞掉 的千人震,學生能從多次測詴中 找出損壞零件並修復。 科展範例分析 從兩份相同主題科展作品(酸鹼 (含數據推論探討) 濃度對溶液導電性之影響)談實 驗中的誤差控制與數據分析 學生專題計畫發表 學生發表專題計畫,從課堂教師 與教師回饋I 與同儕回饋學習修正實驗設計. 15. 學生專題計畫發表 學生發表專題計畫,從課堂教師 與教師回饋II 與同儕回饋學習修正實驗設計. 16. 蠟燭燃燒實驗. 學生從教師示範蠟燭燃燒實 驗,杯中水並非上升1/5。學生詴 著提出假說並設計實驗驗證假 說。. 28. 教學法. F-a.概念的運用. 發表教學法. F-a.概念的運用 F-c.問題的形成 F-a.概念的運用 D-c.步驟的設計 F-c.問題的形成 F-n.問題的科學性 F-a.概念的運用 F-c.問題的形成 F-n.問題的科學性 D-a.變因的控制 D-c.步驟的設計 F-a.概念的運用. 合作學習教學法. P-a.數據的記錄 P-c.數據的呈現 P-n.數據的轉換 A-a.對結果的詮釋 D-n.資料的合宜性 P-a.數據的記錄 P-c.數據的呈現 P-n.數據的轉換 A-a.對結果的詮釋 D-a.變因的控制 D-c.步驟的設計. 探究式教學法 POE教學法. F-a.概念的運用 D-a.變因的控制. 探究式教學法. D-n.資料的合宜性 A-c.對主題的討論 A-n.檢視及評估 F-c.問題的形成 F-n.問題的科學性 D-c.步驟的設計 F-c.問題的形成 F-n.問題的科學性 D-c.步驟的設計 F-c.問題的形成 D-a.變因的控制 A-c.對主題的討論 A-a.對結果的詮釋. 小組討論教學法. 探究式教學法 講述教學法 小組討論教學法 講述教學法. 講述教學法 小組討論教學法 探究式教學法. 探究式教學法 合作學習教學法. 小組討論教學法. 發表教學法. 發表教學法. POE 教 學 法 探 究 式教學法.

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參考文獻