以POE策略設計推理活動探討國小高年級學童的推理思考與滲透作用概念

國立臺中教育大學科學應用與推廣學系

科學教育碩士學位碩士論文

指導教授：張嘉麟 博士

以

以

以

以 POE 策略設計推理活動探討國小

策略設計推理活動探討國小

策略設計推理活動探討國小高年級

策略設計推理活動探討國小

高年級

高年級

高年級學童

學童

學童

學童

的

的

的

的推理思考

推理思考

推理思考與

推理思考

與

與

與滲透作用

滲透作用

滲透作用概念

滲透作用

概念

概念

概念

研究生：張綾娟 撰

中華民國 一百 年 一 月

i

中文

中文

中文

中文摘要

摘要

摘要

摘要

本研究運用 POE 策略設計一系列的推理活動，來探討國小高年級學童的推 理思考與滲透作用概念。本研究以質性研究為主，透過半結構式晤談、觀察札記 及 POE 推理活動單蒐集資料，再依研究目的整理及分析資料。 研究結果發現：全體學生在五次推理活動的概念理解總得分，活動五的概念 理解得分顯著高於活動四，也顯著高於活動一、活動二及活動三。不論是全體學 生或是不同先備知識學生，概念理解得分皆呈現漸增的趨勢，且概念層級之人數 亦呈現類似的趨勢變化。在推理思考方面，預測階段及解釋階段使用推理思考的 人數，皆呈現漸增的趨勢；臆測的人數也皆呈現漸減的趨勢。在推理類型方面， 在活動二到活動五的預測階段，使用類比推理的人數最多；在解釋階段，使用最 多的推理類型為演繹推理。不同先備知識學生所使用的推理類型比率大多類似， 無明顯差異，使用比率最高的為演繹推理，其次為類比推理及臆測，比率最低的 為歸納推理。 將學生滲透作用概念的理解與推理思考進行交叉比對分析，發現學生概念理 解的高低，與其使用推理類型的比率，並無直接相關性。高概念理解學生使用歸 納推理的次數高於低概念理解學生。依不同先備知識學生分析資料，發現高先備 知識學生中，佔最大比率(50%)的為第 I 類型(高概念理解高推理)，且沒有任何一 個學生為第 IV 類型(低概念理解低推理)；在中先備知識學生中，佔最大比率 (41.6%)的為第 II 類型(高概念理解低推理)；在低先備知識學生中，佔最大比率 (42.8%)的為第 III 類型(低概念理解高推理)。 關鍵詞：POE 策略、推理思考、滲透作用概念

ii

Abstract

The purpose of this study was to investigate fifth graders’ reasoning and conceptual understanding of osmosis by a series of reasoning activities designed by using POE strategies. The data were collected by the semi-structured interview, observation notes, and activity sheets. The primary findings of this study were as follows. In the total scores of students’ conceptual understanding, the score in the final activity was significantly greater than the previous. Students with different prior knowledge showed similar trends of getting higher scores on their conceptual understanding and conceptual level along the sequences of POE activities. In both of the prediction and explanation stages, the number of students who responded by reasoning increased gradually from the first to the final activity, while students responded by guess decreased gradually. Concerning reasoning types, a majority of students used analogous reasoning in the prediction stages, while a majority of students used deductive reasoning in the explanation stages. Students with different prior knowledge used similar reasoning types, in which the frequencies from high to low were deductive reasoning, analogous reasoning, guess, and inductive reasoning. It was also found that students’ conceptual understanding of osmosis did not show correlation to their reasoning types. However, students with higher conceptual understanding used the inductive reasoning more frequently than those with lower conceptual understanding. For students with more prior knowledge, the majority (50%) of them could be categorized as type I (high conceptual understanding and high reasoning), with none of type IV (low conceptual understanding and low reasoning). For students with moderate prior knowledge, the majority (41.6%) of them were of type II (high conceptual understanding and low reasoning). For students with less prior knowledge, the major (42.8%) of them were of type III (low conceptual understanding and high reasoning).

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目錄

中文摘要 ... i

英文摘要 ... ii

目錄 ... iii

圖目錄 ... v

表目錄 ... vi

第一章 緒論 ... 1

第一節

第一節

第一節

第一節 研究背景與動機

研究背景與動機

研究背景與動機 ... 1

研究背景與動機

第二節

第二節

第二節

第二節 研究目的與問題

研究目的與問題

研究目的與問題 ... 3

研究目的與問題

第三節

第三節

第三節

第三節 名詞解釋

名詞解釋

名詞解釋 ... 4

名詞解釋

第四節

第四節

第四節

第四節 研究範圍與限制

研究範圍與限制

研究範圍與限制 ... 5

研究範圍與限制

第二章 文獻探討 ... 7

第一節

第一節

第一節

第一節 推理

推理

推理 ... 7

推理

第二節

第二節

第二節

第二節 POE 策略

策略

策略

策略 ... 18

第三節

第三節

第三節

第三節 滲透作用概念

滲透作用概念

滲透作用概念 ... 27

滲透作用概念

第三章 研究方法與設計 ... 33

第一節

第一節

第一節

第一節 研究發展與設計

研究發展與設計

研究發展與設計 ... 33

研究發展與設計

第二節

第二節

第二節

第二節 研究樣本

研究樣本

研究樣本 ... 42

研究樣本

第三節

第三節

第三節

第三節 研究流程

研究流程

研究流程 ... 43

研究流程

iv

第四節

第四節

第四節

第四節 資料處理與分析

資料處理與分析

資料處理與分析 ... 48

資料處理與分析

第五節

第五節

第五節

第五節 信度與效度

信度與效度

信度與效度 ... 51

信度與效度

第四章 研究結果與討論 ... 53

第一節

第一節

第一節

第一節 滲透作用概念理解

滲透作用概念理解

滲透作用概念理解 ... 53

滲透作用概念理解

第二節

第二節

第二節

第二節 推理思考與推理類型

推理思考與推理類型

推理思考與推理類型 ... 72

推理思考與推理類型

第三節

第三節

第三節

第三節 綜合討論

綜合討論

綜合討論 ... 81

綜合討論

第五章 結論與建議 ... 93

第一節

第一節

第一節

第一節 結論

結論

結論 ... 93

結論

第二節

第二節

第二節

第二節 建議

建議

建議 ... 98

建議

參考文獻 ... 101

附錄 ... 109

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圖目錄

圖目錄

圖目錄

圖目錄

圖 2-1-1 三段論法演繹推理的歷程。 ... 10 圖 2-1-2 假設演繹推理。 ... 11 圖 2-1-3 科學推理的認知模式。 ... 16 圖 3-1-1 推理活動裝置一。 ... 35 圖 3-1-2 推理活動裝置二。 ... 35 圖 3-1-3 推理活動裝置三。 ... 36 圖 3-3-1 推理活動關係圖。 ... 44 圖 3-3-2 推理活動流程。 ... 45 圖 3-3-3 研究流程。 ... 46 圖 4-1-1 全體學生在每次推理活動的平均概念理解得分。 ... 57 圖 4-1-2 受試學生在推理活動中概念理解層級所佔人數比率。 ... 59 圖 4-1-3 高中低先備知識學生的平均概念理解得分。 ... 62 圖 4-1-4 高先備知識學生在推理活動中概念理解層級的人數比率。 ... 63 圖 4-1-5 中先備知識學生在推理活動中概念理解層級的人數比率。 ... 63 圖 4-1-6 低先備知識學生在推理活動中概念理解層級的人數比率。 ... 64 圖 4-1-7 學生 M02 在推理活動中概念使用情形。 ... 67 圖 4-1-8 學生 M06 在推理活動中概念使用情形。 ... 68 圖 4-1-9 學生 M08 在推理活動中概念使用情形。 ... 69 圖 4-1-10 學生 M10 在推理活動中概念使用情形。 ... 70 圖 4-1-11 學生 F17 在推理活動中概念使用情形。 ... 71 圖 4-2-1 預測階段學生使用推理的比率。 ... 74 圖 4-2-2 解釋階段學生使用推理的比率。 ... 75 圖 4-2-3 預測階段學生使用臆測的比率。 ... 78 圖 4-2-4 解釋階段學生使用臆測的比率。 ... 78 圖 4-2-5 高先備知識學生使用推理類型比率。 ... 79 圖 4-2-6 中先備知識學生使用推理類型比率。 ... 79 圖 4-2-7 低先備知識學生使用推理類型比率。 ... 79 圖 4-3-1 高低概念理解學生推理類型平均使用次數。 ... 82 圖 4-3-2 學生概念理解與使用推理比率之類型散布圖。 ... 86 圖 4-3-3 學生 M01 之概念理解及推理思考。 ... 87 圖 4-3-4 學生 M14 之概念理解及推理思考。 ... 89 圖 4-3-5 學生 M08 之概念理解及推理思考。 ... 90 圖 4-3-6 學生 M26 之概念理解及推理思考。 ... 92

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表目錄

表目錄

表目錄

表目錄

表 2-1-1 推理類型的界定 ... 14 表 2-2-1 POE 的相關研究 ... 22 表 2-3-1 「自然與生活科技」學習領域相關水溶液之教材內容細目 ... 31 表 3-1-1 推理活動內容設計 ... 38 表 3-1-2 推理活動裝置與結果 ... 39 表 4-1-1 滲透作用的概念理解層級 ... 53 表 4-1-2 受試學生對滲透作用概念的理解 ... 56 表 4-1-3 學生在推理活動中概念理解總得分之單因子變異數分析 ... 58 表 4-1-4 受試學生在推理活動中概念理解層級比率 ... 59 表 4-1-5 受試學生之前測成績 ... 60 表 4-1-6 高中低先備知識學生在推理活動中的概念理解得分 ... 61 表 4-1-7 高中低先備知識學生的平均概念理解得分 ... 62 表 4-1-8 學生在預測階段答題情形 ... 65 表 4-2-1 受試學生推理類型分類表 ... 73 表 4-2-2 學生在推理活動中使用推理類型的人數及比率 ... 76 表 4-2-3 學生在不同階段中使用推理類型的人數及比率 ... 77 表 4-2-4 不同先備知識使用推理類型次數 ... 79 表 4-3-1 受試學生概念理解得分 ... 81 表 4-3-2 高低概念理解學生使用推理類型的平均次數 ... 82 表 4-3-3 受試學生使用推理比率 ... 83 表 4-3-4 高中低先備知識學生概念理解及使用推理比率之類型 ... 84 表 4-3-5 不同先備知識學生概念理解與使用推理比率之類型所佔人數 ... 85 表 4-3-6 全體學生概念理解與使用推理比率之類型所佔人數 ... 86 表 5-1-1 受試學生平均概念得分與層級人數趨勢 ... 94 表 5-1-2 整體學生推理類型使用情形 ... 96

1

第一章

第一章

第一章

第一章 緒論

緒論

緒論

緒論

推理屬於內在的心智思考，不容易觀察判斷。本研究採質性研究以 POE 策 略設計一系列活動來探討國小高年級學童的推理能力。本章就研究背景與動機、 研究的目的與問題、研究範圍及其限制做介紹，並進行重要名詞定義與解釋。

第一節

第一節

第一節

第一節 研究背景與動機

研究背景與動機

研究背景與動機

研究背景與動機

1980 年 代開 始， 科 學教育 的改 革普 遍 受到建 構主 義取 向(Constructivism approach)的影響(熊召弟，1994)，徐光台(1999)認為建構主義在科學教育上形成一 種新的典範，強調人是建構知識的主體，以學習者為中心，用既有的知識為基礎， 來建構新知識。吳穎沺、蔡今中(2005)也認為建構主義的理論可以說是當今科學 教育理論的主流。在科學教育的教學上，周崇儒(1999)認為建構主義取向的教學 強調探究學習，整個建構主義教學就是一個探究學習的過程。顏弘志(2004)也認 為探究教學是以建構主義理論為基礎的。 由上述可以看出，當代的科學教育強調探究學習，強調知識的形成是學生主 動建構之歷程，學生是教學活動中的核心。而美國的科學教育也由以往教科書和 講述導向課程轉而傾向於探究式教學。美國國家科學教育標準(NRC，1996)的課 程標準中強調學習課程必須是學生經由探究而理解的。美國國家科學教育標準 (NRC，1996)對於探究的定義是指一套經由學生和科學家提出有關自然世界的問 題，然後研究現象之間相互關聯的過程。經由這樣的過程，學生獲得知識，並且 發展豐富的概念、 理解、原理原則、模型和理論。 科學探究的目標是學會「觀察」、「推論」、「實驗」等技能，包含「科學過程」 概念，將科學過程、科學知識結合。由此可知探究學習的重要目標之一就是學到 推理的能力(NRC，1996)。

2 稱 PISA)所評量的是十五歲學生分別在閱讀、數學、科學領域的素養成就。PISA 2006 定義科學素養(Scientific literacy)，提到科學素養包含能夠明瞭科學是人類經 由探究所形成的知識。PISA 指出科學探究其中一個相當重要的向度是：結論當 中包含了邏輯與嚴謹的推導過程。此過程就是推理思考 (林煥祥、劉聖忠、林素 微、李暉，2008)。 Lawson(1995)指出探究過程包含推理。Kuhn、Schauble 和 Garcia-Mila(1992) 亦指出科學探索的典型活動是推理。在探究活動中學習推理能力，透過推理組合 形成系統性知識，進而應用到解決實際生活問題。Hogan 與 Fisherkeller(2000)也 指出：「我們用推理來建構知識，用知識來推理」。 Lawson、Banks 與 Logvin(2007) 亦認為推理能力與先備知識有高度相關。 綜合上述，當代的科學教育強調探究學習，由學生主動建構知識，國外學者 認為探究學習中一個重要的科學過程技能就是培養推理能力，探究學習的成效和 推理能力的優劣有密切的關係。而國內在 2001 年開始實施九年一貫課程，也將 探究學習是為重要的科學學習活動。 國民中小學九年一貫課程綱要自然與生活科技學習領域(2008)提到學習科學 讓我們學會如何去進行探究活動：學會觀察、詢問、規劃、實驗、歸納、研判， 也培養出批判、創造等各種能力。課程目標強調要養成主動學習的習慣以及學習 科學與技術的探究方法和基本知能，並能應用所學於當前和未來的生活。顯示我 國現階段的科學教育課程也強調探究式學習。透過探究學習培養對事物做推論與 批判、解決問題等整合性的科學思維能力，以及資訊統整能力。 由此可知，我國的課程綱要亦強調推理思考是探究學習中一個很重要的思考 技能，靳知勤(2007)建議我國的科學教育要讓學生藉由思考的歷程，培養其合理 推理的能力。培養學生的推理能力非常重要，而了解學生的推理思考，才能夠有 效的增進學生推理能力。黃萬居，邱文鈞，江帷銓(2007)指出在解決問題的過程 中，推理能力佔有一定的分量。吳佳玲、張俊彥(2002)也認為推理能力對於問題 解決是很重要的，並建議在教學策略中融入推理能力的訓練。由此可知，有好的

3 推理能力就有較高的問題解決能力。因此，本研究欲以 POE 策略來設計一系列 推理活動，探討學生在活動過程中的推理思考。 在過去 POE(Predict-Observe- Explain，預測-觀察-解釋)策略在大部分的研究 中被用來當成一種教學策略，是反映學生原本的認知結構及概念的良好工具。除 了可以了解學生的概念理解、概念改變及診斷學生的另有概念外，也可以從 POE 策略的三個步驟中去分析學生的推理思考，來做為教師教學的依據。因此 POE 策略也是設計概念推理思考值得參考的策略；更是幫助學生提高學生的學習興趣 及提升學生成就的良好途徑。 因此利用 POE 策略設計一系列推理活動，從活動過程中探討國小高年級學 童的推理思考，進而應用於教學，增進學生推理能力及提升學生學習成效。

第二節

第二節

第二節

第二節 研究目的與問題

研究目的與問題

研究目的與問題

研究目的與問題

研究者嘗試利用 POE 策略設計推理活動來探討高年級學童對「滲透作用」 的理解及推理思考，了解學生的推理思考後，便可以選擇適當的教學策略來增進 國小高年級學童的推理能力，進而提升學生學習興趣及學習成就。本研究欲探討 的問題如下： 1. 國小高年級學童在以滲透作用為主題的推理活動後，對滲透作用的概念理解情 形為何？ 2. 國小高年級學童在以滲透作用為主題的推理活動過程中，推理思考情形為何？ 3. 不同先備知識的國小高年級學童其推理思考及對滲透作用的概念理解有無差 異？

4

第三節

第三節

第三節

第三節 名詞解釋

名詞解釋

名詞解釋

名詞解釋

1. POE 策略： 在活動過程中，採用 Predict(預測)-Observe(觀察)-Explain(解釋)三步驟的 策略。即先對事件結果進行預測，並說明理由來支持其預測，然後觀察活動過 程與結果，最後對其所觀察結果與先前預測不一致時，提出解釋。本研究中 POE 策略是一種探究學童推理思考的方法，而不是當成一種教學策略。 2. 推理： 本研究將推理定義為個人用他原有的知識和已知的事物，經由自己內在的 邏輯性思考，來解決或解釋問題，使之合理化的過程。 3. 推理類型： 本研究將推理的類型分為演繹推理、歸納推理及類比推理三種。三種推理 類型的定義是採用林福貹、劉曼麗(2007)對推理的界定，演繹推理是以某些一 般性的原理原則或知識為前提，據此推論新的事例，以形成新的認知；歸納推 理是可以從許多個別的事件中找出共同性形成結論，以得到新的認知；類比推 理是能將新知識與舊經驗先做比對，獲得之間的關連性後，能將舊經驗類比到 新知識中。 4. 推理活動： 在本研究中，推理活動是指運用 POE 策略設計的一系列需要進行邏輯性 思考的活動。可以從中探討學生推理思考及類型。 5. 滲透作用： 滲透作用就是指溶劑分子經由自發性過程，由稀溶液通過半透膜進入濃溶 液，或是由純溶劑通過半透膜進入溶液的現象。日常生活中常常可以發現滲透 作用的應用，像是研發逆滲透飲水機、醃漬食物…等，或是應用於血液透析(陸 挹琦、孫志紅，2006)。 本研究定義之滲透作用就是指水分子經由自發性過程，由低濃度的鹽水溶 液通過半透膜進入高濃度的鹽水溶液，或是由蒸餾水通過半透膜進入鹽水溶液

5 的現象。 6. 不同先備知識學生： 本研究將九年一貫課程綱要中，與滲透作用概念相關的先備知識提出並設 計前測試題，依據學生在前測的得分高低來區分高中低不同先備知識的學生。 7. 國小高年級學童： 本研究中，國小高年級學童是指國小五年級學生。

第四節

第四節

第四節

第四節 研究範圍與限制

研究範圍與限制

研究範圍與限制

研究範圍與限制

本研究因人力、時間等因素的影響，因此研究有以下的範圍與限制： 1. 本研究採立意取樣，僅針對台中市某國小五年級其中一班的學生進行研究，人 數為 27 人。因此研究結果的推論性有其限制，僅適用於所研究對象在本研究 範圍的解釋。 2. 本研究針對水溶液濃度的應用為主題，運用 POE 策略設計一系列的推理活動， 奠基於國小高年級學童已知的水溶液濃度知識，做加深的活動設計。因此研究 結果排除學生已學習並理解滲透作用概念，再針對其概念理解及推理思考做分 析。 3. 本研究研究內容以水溶液「滲透作用」為範圍，對於水溶液的其他相關科學概 念，不宜做過度推論。

7

第二章

第二章

第二章

第二章 文獻探討

文獻探討

文獻探討

文獻探討

本章主要探討的文獻資料為推理與 POE 策略以及滲透作用概念的相關研究。 本章共分三節論述，第一節從推理的定義、心理學基礎、類型及科學推理幾個方 面論述；第二節闡述 POE 策略、目的、實施與優點，及研究之相關文獻；第三 節介紹滲透作用概念之原理與應用。

第一節

第一節

第一節

第一節 推理

推理

推理

推理

一 一一 一、、、、推理的定義推理的定義推理的定義 推理的定義 推理是解決問題時的系統化思考過程，也就是推理的思考是有方向、有範圍 的導向思考。The Oxford Advanced Learner’s Dictionary(2008)對推理(Reasoning) 的說明為：推理是由事實經邏輯思考所下的判斷。 國內外學者也分別對推理的定義，提出自己的看法：張氏心理學辭典(1989) 說明推理是按邏輯規範推理思考的歷程，亦即在解決問題時合理思考的歷程。 Rosser(1994)認為推理是由原有的舊資料引出新訊息的思考過程，個體根據 系統性的原則，在前提之間建立起特殊關係。張玉成(1993)指出推理思考介於認 知記憶與高層次思考技巧間，因此推理思考具有承上啟下的作用。張春興(2003) 認為推理的思考歷程是遵循邏輯法則進行的，以已知事實或假設條件為基礎，推 演出有效結論，故推理一詞有時也稱邏輯推理(Logical reasoning)，沒有已知事實 或假設條件做基礎，推理就沒有辦法進行。 黃萬居、邱文鈞、江帷銓(2007)認為推理是一種動態的人類活動，也是一種 內在的思考活動。這種活動包括解決問題(Solve a problem)、想出某事(Think something out)，具有四個特點：(1)推理是有過程、有目的；(2)根據推理目標而採 取特定的推理方式；(3)屬於個人的；(4)是一種心智(Mental)及內心(Inward)的活 動。

8 Klenk(2003)認為推理就是根據一定的證據推出一個結論，從一個事物推論到 另一事物，或企圖去猜出一定行動的後果。 綜觀上述學者對於推理的定義，經研究者整理後將本研究所指的推理定義為 個人用他原有的知識和已知的事物，經由自己內在的邏輯性思考，來解決或解釋 問題，使之合理化的過程。 雖然個人內在思考的推理思考並不一定相同，但皆能在個人的心智思考中達 到一種合理性、邏輯性。接著我們將探討皮亞傑的認知發展理論與推理的關係。 二 二二 二、、、、皮亞傑的認知發展理論與皮亞傑的認知發展理論與皮亞傑的認知發展理論與推理皮亞傑的認知發展理論與推理推理 推理 瑞士的心理學家皮亞傑(Piaget, 1896-1980)所提出的認知發展理論(Cognitive -developmental theory)被認為是 20 世紀發展心理學上最權威的理論。皮亞傑將認 知發展視同於智力發展，根據自己長期對於兒童的觀察與研究，發現從出生到青 少年的成長期間，個體的認知發展，在連續中呈現階段性的特徵。依照各階段個 體基模功能特徵的不同，分為四個年齡層(張春興，1996)： 1. 感官動作期(Sensory-motor period)：出生到二歲 2. 前操作期(Preoperational period)：約二歲到七歲

3. 具體操作期(Concrete operation period)：約七歲到十一歲 4. 形式操作期(Formal operation period)：約十二歲到十五歲

每一認知發展階段，都有各自的基模功能特徵，個人從一個階段到下一個階 段受到四個因素的影響：成熟、物理環境的經驗、社會傳播、平衡(Karplus, 2003)。 平衡的因素涉及內在心智過程，當個體既有基模不能夠同化新知識經驗時， 心理上會感到失衡，形成一股內在驅力，驅使個體調適既有基模來吸納新知識， 使心理狀態再達到平衡，智力的水平也隨之上升(張春興，1996) 。 皮亞傑界定出在每一個階段，個體必須去描述出他發展到這一個階段該使用 到的推理。當個體面對某些問題時，他使用的內在心智操作，稱為推理模式。從 皮亞傑和其他的相關研究，已經定義出某些推理模式的規則。一般來說，如果推

9 理是使用直接的經驗，具體的事物，和相似的活動，我們把它歸類為具體推理模 式。如果推理奠基於抽象且超越經驗的，我們把它歸類為形式推理模式(Karplus, 2003)。當個體運用具體推理到達一定程度之後，他逐漸感覺到具體推理的有限性。 當舊有的觀念不能滿意地解釋外在事物的現象時，個體會重新調整或組合舊有的 觀念，開始嘗試形式化推理，運用已知事實，或是假設某種可能的結果，而作再 進一步的思想操作(黃湘武，1980)。個體可以透過內在心智的自我協調歷程，由 具體推理進入形式推理。 個人使用具體推理模式的特徵(Karplus, 2003)： 1. 基於可觀察的準則下，應用分類和歸納。 2. 應用守恆邏輯。 3. 在兩個可觀察的裝置中，應用序列化並建立一對一的對應關係。 個人使用形式推理模式的特徵(Karplus, 2003)： 1. 應用多元化的分類、守恆邏輯、序列化或其它推理模式去形成概念、抽象的特 性、原理及理論。 2. 應用組合式推理，考量所有可能性的組合。 3. 用數學形式描述和解釋基本關係 4. 確認實驗設計的必要性，控制所有變因，但是只有一個操縱變因。 5. 反應自己的推理，尋找和其他已知訊息不一致或矛盾的地方。 Lawson(2004)指出個體在具體操作期具有假設演繹的論證能力，去檢驗敘述 性假說及一連串的分類任務；在形式操作期中，形式推理或假設演繹推理在思考 中扮演重要的角色。具體推理是用來檢驗敘述假設；形式推理是用來檢驗因果假 設。 綜觀上述學者的看法，個體在認知發展的每個階段，所使用的內在心智模式， 為個人的推理模式，會隨著個人認知發展的成熟而漸趨客觀、富邏輯性，個體真 正客觀的推理係開始於具體操作期(Piaget, 1971)。因此在個體成長過程中，推理 能力扮演舉足輕重的角色。Lawson(2003)指出推理模式的形成是一個很重要的課

10 程目標。 三 三三 三、、、、推理類型推理類型推理類型 推理類型 Hogan 和 Fisherkeller(2000)曾提到：用推理去建構知識，用知識去推理。許 多國內外學者與機構，也投入推理的研究。他們用不同的角度來研究，將推理分 為不同的類型，以下就國內外學者就推理的分類作一說明。 張春興(2003)依推理的邏輯將推理分為演繹推理(Deductive reasoning)和歸納 推理(Inductive reasoning)兩類： 1. 演繹推理 演繹推理是指根據已知的普遍原則或事實，推演到某一特殊事件的推理方式。 演繹推理可分為三段論法演繹推理與假設演繹推理兩種方式： (1). 三段論法演繹推理(Syllogistic-deductive reasoning) 根據圖 2-1-1 三段論法演繹推理是以一個普遍原則(或公認事實)為前提，推演 到某一特殊事件，從而得到一個肯定結論的推理方式。此推理思考中包括三個命 題：大前提、小前提與結論。大前提是已知的普遍原則：動物需要呼吸氧氣；小 前提是某個特殊的事件：狗是動物的一種；結論是將大前提的普遍原則，應用至 小前提所獲致的新結果：所以狗需要呼吸氧氣。 結論必須是根據兩個前提推演而來，只有在大小兩前提所述事實為真時，推 理所得結論才會為真，若前提有誤，亦會導致錯誤推理。 圖 2-1-1 三段論法演繹推理的歷程。 大前提：普遍原則 小前提：特殊事件 結論 動物需要呼吸氧氣 狗是動物 狗需要呼吸氧氣

11 (2). 假設演繹推理(Hypothetico-deductive reasoning) 假設演繹推理如圖 2-1-2，是指根據一個假設性前提推演出一個結論，藉以 做為一個判斷依據的思考歷程。例如：假設火車誤點，我就搭高鐵，結果火車真 的誤點，所以我得到一個“搭乘高鐵”的結論。 圖 2-1-2 假設演繹推理。 2. 歸納推理 歸納推理是根據觀察許多個別事件所得經驗為基礎，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考歷程。舉一個歸納推理的例 子，例如：過去每一次看到的烏鴉都是黑色的，所以歸納而得一個概括性的結論 就是天下所有的烏鴉都是黑色的。 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)。 陳祖耀(2003)於「理則學」一書中，認為推理是由概念與概念之間，間接推 得其關係。依推理的形式，可將推理分為直接推理和間接推理兩種，直接推理又 分為加辭和轉變兩種；間接推理則再分為歸納推理、演繹推理、類比推理三種。 推理形式之分類整理如下： (1). 直接推理：從原命題之關係，直接推論得到一個新的命題，不需要第三者概 念作媒介。直接推理又可分為兩種： a. 加辭(Contribution)：加一個名詞於原命題中，作成一個新的命題。 假設性前提 結論 如果火車誤點，我就搭高鐵 火車誤點，所以我搭高鐵

12 例如：「狗是動物」→「黃狗是動物」。 b. 轉變（Transformation）：指變換原命題的質或主、謂詞的位置。 例如：「凡狗是動物」→「有些動物是狗」 「有些狗是白的」→「有些白的是狗」→ 「有些白的不是非狗」 (2). 間接推理：已知的命題與推知的新命題，間接推理又可分為三種： a. 演繹(Deduction)推理：由普遍原則以推知特殊事件的思考方法，是概念的 運用。由三個命題所組成，又叫三段推理或三段論法。 b. 歸納(Induction)推理：由特殊事實以推知普遍原理的一種思考方法，即是 依據一部份既知事物，來論定該事物之全部。 c. 類比(Analogy)推理：由特殊事件以推知特殊事件的一種推理，亦即從兩 個特殊事件間發現其有一種或多種類似之處。類比推理雖然很簡單，可說 是一種原始的推理方法，但在人類日常生活中，卻佔有極重要的地位。 張玉成(1993)將推理思考分為兩方面： 1. 正式推理(Formal reasoning)：為推理的主要工具，分為兩大類。 (1). 歸納推理(Inductive reasoning)：蒐集事實，依據事實找出共通可信的事象或 概化原則。 (2). 演繹推理(Deductive reasoning)：由概化原則或真實解析應用到某一具體事 象。 2. 非正式推理(Informal reasoning) ： 正式推理屬於邏輯性，而非正式推理是啟發性的，比較不合邏輯。個體常常使 用非正式推理來解決正式推理的任務(Evans & Thompson, 2004)。Evans 和 Thompson(2004)認為甚至連正式推理的理論，如果沒有足夠的非正式思考過程 的支持，就沒有充分的解釋來成立。

綜觀上述學者的觀點，大多數推理類型的分類有演繹推理、歸納推理及類比 推理三種。三種推理類型前面已詳細介紹，然而並非所有經由推理而獲致的結果

13

都是正確的。Vartanian 等(2003)認為初級思考歷程是類比的、自由聯想的，次級 思考歷程是抽象、目標導向的，創造力比較可能發生在認知的初級思考歷程；演 繹推理則發生在次級思考歷程。一個健全、有邏輯性的演繹推理完全依賴於前提 的正確性，如果前提是正確的，那麼結論也會是正確的(Dunbar & Fugelsang, 2005)。 歸納推理是根據若干已知而不完盡的現象推論尚屬未知的現象，因此結論具 有猜測的性質(林福貹，劉曼麗，2007)。它是獲得「經驗知識」的方法，以正確 經驗為出發點，推理又無錯誤，推理所得結論才能確定不移(陳祖耀，2003)。 類比推理的應用較廣，但其所得結論只具有概然性(Probability)，並無必然性， 對於兩事物間的類似點必須為本質屬性，同時要力求多數，如此推理所得的結論 才較為正確可靠(陳祖耀，2003)。類比推理有兩個組成的要素，目標和來源。目 標是指科學家企圖想去解釋或解決的概念或問題。來源是科學家用來去了解目標 或解釋目標的知識(Dunbar & Fugelsang, 2005)。

當學生在學校接受教育時，從書本上學到的知識，大部分是來自演繹推理。 而在日常生活中，經由歸納推理獲得知識的機會則較為廣泛(張春興，2003)。 演繹推理目的在於使特殊情況明朗化，把利用科學方法找出內含的性質，有 助於科學的理論化和體系化。歸納推理由特殊到一般，由具體到抽象的特性，有 助於科學的發現。基本的科學研究之一亦有此特性，從觀察、實驗、對有限的資 料做整理，提出帶有規律的說法。因此，歸納推理是科學發現一種常用的思維方 式。類比推理是以舊有知識為基礎，來推知新的結果，不一定正確，但也具有發 現的功能。在形成和提出科學假設時，往往要提出可靠性的假設來解釋未知的現 象，類比推理就是提高假設可靠性的重要方法之一。由此可知，歸納推理、演繹 推理、類比推理在科學領域中皆扮演著舉足輕重角色(林福貹、劉曼麗，2007)。 本研究將推理的類型分為演繹推理、歸納推理及類比推理三種。根據林福貹 和劉曼麗(2007)在表 2-1-1 中，對於三種推理的界定來研究。

14 表 2-1-1 推理類型的界定 演繹推理 歸納推理 類比推理 以某些一般性的原理 原則或知識為前提，據 此推論新的事例，以形 成新的認知。 從許多個別的事件中 找出共同性形成結 論，以得到新的認知。 將新知識與舊經驗先 做比對，獲得之間的關 連性後，能將舊經驗類 比到新知識中。 四 四四 四、、、、科學推理科學推理科學推理 科學推理

許多學者(Dunbar & Fugelsang, 2005; Zimmerman, 2007)認為，科學思考包含 應用方法或科學探究的原則來推理或解決問題，包括下列幾種能力與過程：報告 結果、概念發展、檢驗假設、控制變因、改變理論、證據的相關性、歸納、實驗 設計、建模、產生與解釋因果關係、相關概念的理解，以及反思知識獲得與改變 的過程。因此推理對於科學思考而言是重要的因素。 Zimmerman(2007)則認為科學思考包括一組複雜的認知與後設認知技能，例 如：應用方法或科學探究的原則來推理或解決問題，需要有產生、測試與修正理 論的能力，以及反思知識獲得與改變的過程，要發展與強化這些技能，要相當的 練習與學習。 Kuhn(2002)提出科學思考分為探究、分析、推論、論證四個階段；以及 Feist(2006)提出科學思考分為觀察、分類、辨認組態、形成假設(預測)/檢驗假設、 因果思考五個階段，皆聚焦於推理的相關層面。 綜合上述的看法可知，科學思考的歷程中一定會使用到推理，洪振方、謝甫 佩(2008)認為科學思考就是應用方法或科學探究的原則來推理或解決問題。科學 思考能力的研究也都聚焦於探討推理能力。由此可知，推理能力在科學思考中佔 有非常重要的地位。Hogan 和 Fisherkeller (2000)提到人類在科學探究過程中所使 用到的推理，即為科學推理。 熊召弟等(2003)則認為科學推理為一個學生在推理一個科學現象時，利用人

15 類的資訊處理系統來發展他腦中個人的心智模式。教師的角色是幫助學生以科學 方式來推論，訓練學生模式化的科學推理。Dunbar 和 Fugelsang (2005)也指出科 學思考中的科學推理是指推理有關科學內容時的心智過程，常被用來從事於科學 中典型科學活動，或特定類型的推理。人類在於非科學領域也常使用科學思考， 像是：歸納、演繹、類比、解決問題、和因果推理。 由上述可知，科學推理為科學思考的一個重要環節，Lawson(2004)及靳知勤 (2007)皆認為科學推理在培養科學素養中扮演非常重要的角色。科學推理是以科 學相關知識為基礎，進行個人內在邏輯性的推理，做出合理判斷來解決問題。 Bao 等(2009)在比較中國大陸與美國學生的物理內容知識與推理技能差異的 研 究 中 指 出 ： The STEM(Science, technology, engineering, and mathematics)education community 的教學目標包含培養內容知識和一般科學能力， 這裡指的科學能力就是科學推理。科學推理是有關於思考和推理的認知能力。科 學推理技能可以被訓練和轉換的 (Bao et al., 2009) 。而 Lawson(2004)也認為科學 推理能力是可以逐步培養的。 Lawson(2004)認為科學推理是為一個令人感到困惑的資料尋找原因的過程。 他提出科學推理模式：1、定義那個令人困惑的資料；2、提出很多假設：使用類 比推理去形成一個或多個假設；3、可能假設的排列組合：結合推理形成可能假 設的排列組合；依序的檢驗假設；4、檢驗假設：檢驗被處理完且資料被蒐集及 分析，資料的分析需要使用額外的推理模式。 Glynn 及 Yeany(1991)用建構的觀點提出科學推理的認知模式如圖 2-1-3(熊召 弟等譯，2003)：科學推理的運作發生在工作記憶區。當學生在工作記憶區中進行 科學推理的運作，推論某一科學現象時，會將適合的事實、原則、技能儲存在長 期記憶區內，或是從長期記憶區中提取適合的技能出來使用。這些技能分為兩種： 一是基本科學方法，包含觀察、分類、傳達、應用數字和測量、預測、推理；一 是統整科學方法，包含控制變因、繪製圖表、解釋變因、獲取和處理資料間的關 係、操作形定義、設計實驗、驗證等(熊召弟等譯，2003)。推理思考的運作，屬

16 於基本科學方法之一，可以被提取至工作記憶區中，幫助建構知識；而同時也訓 練、增強了推理思考的技能。 圖 2-1-3 科學推理的認知模式。 洪瑞雲、吳庭瑜(2002)認為科學推理的歷程包括假設的產生與假設的測試兩 個階段，假設的產生是根據自己的經驗去推導出來的，假設的測試則是要透過實 驗。在科學推理的過程中，有兩個因素會影響科學推理，一個是學生擁有的科學 概念；另一個是學生的邏輯思考能力。 前面我們將推理的類型分為演繹推理、歸納推理及類比推理三種，其應用在 科學推理上所扮演的角色如下(Dunbar & Fugelsang, 2005)：

1. 歸納推理：科學家觀察一系列的事件和試圖發現其中的規則並統治、管理它們。 一旦發現規則，科學家可以由這些規則去推斷出觀察到及尚未待觀察現象的系 問題解決環境 1. 問題 2. 觀察 3. 結論 學生的工作記憶區 1. 認知過程 2. 建構關連 學生的長期記憶區 1. 科學的事實與原理 2. 基本科學方法和統整科學方法 3. 理論和模式

17 統性的理論。 2. 演繹推理：演繹推理是科學思考中相當重要的部分，因為它在科學家如何處理 他們的研究中，佔有構成很大的成分。在很多科學發現中，我們經常看到演繹 推理的運作與使用。演繹推理描述所包含的訊息或規則，關於說明世界如何運 作的假設，以及一個需遵循之規則的結論。 3. 類比推理：在科學中最廣泛被使用的是類比推理，科學家使用類比在他們已知 的事物和嘗試解釋、理解和發現的事物中搭起一道橋樑。很多學者的研究中都 表示類比推理是科學發現的重要關鍵。科學的類比推理非常強大的原因是它可 以產生新的知識。 美國學者柯林茲(Collins，1985)提出推理思考教學的七個策略：以發問提示 學生形成假設；以發問提示學生驗證假設；以發問提示學生從事預測；以發問提 示學生根據已知條件去預測他種可能性；以發問提示學生發現自己的誤解或錯誤 推論；以發問提示學生提出不同的假設；鼓勵學生對權威質疑。(引自張玉成，1993) 柯林茲提出的教學策略是用「問答教學法」引導學生進行推理思考，來增進 推理思考能力。當學生發現自己的誤解或錯誤推論時，個人內在心智活動就會開 始思考，解釋自己的錯誤推論為何？再重新提出不同的假設。而 POE 策略中的 預測-觀察-解釋，當學生發現觀察的結果和自己的預測有所不同時，學生的心智 操作就會因失衡而啟動，透過個人內在的思考產生自我協調，正符合柯林茲提出 的推理思考教學策略。 小結： 1. 本節首先整理國內外學者對推理的定義，歸納整理本研究之推理定義為個人用 他原有的知識和已知的事物，經由自己內在的邏輯性思考，來解決或解釋問題， 使之合理化的過程。 2. 個體在認知發展的每個階段，所使用的內在心智模式，為個人的推理模式，會 隨著個人認知發展的成熟而漸趨客觀、富邏輯性，在個體成長過程中，推理能 力扮演舉足輕重的角色。

18 3.演繹推理以某些一般性的原理原則或知識為前提，據此推論新的事例，以形成 新的認知。前提的正確性愈高，演繹推理的結論也會愈正確。 4. 歸納推理從許多個別的事件中找出共同性形成結論，以得到新的認知。屬於獲 得經驗知識的方法，以正確經驗為出發點，推理所得結論正確性才會高。 5. 類比推理將新知識與舊經驗先做比對，獲得之間的關連性後，能將舊經驗類比 到新知識中。新舊經驗的關連性正確且力求多數，推理的結論才較為可靠。 6. 科學推理是以科學相關知識為基礎，進行個人內在邏輯性的推理，做出合理判 斷來解決問題。演繹推理有助於科學的理論化和體系化；歸納推理助於科學的 發現；類比推理是在形成和提出科學假設時，提高假設可靠性的重要方法之一 7. 根據本節歸納使用 POE 策略，透過口語或是文字的敘述，可以探討學生在過 程中的推理思考為何。因此本研究決定採用 POE 策略來觀察學生的推理思 考。

第二節

第二節

第二節

第二節 POE 策略

策略

策略

策略

一 一一 一、、、、POE 的起源的起源的起源 的起源

POE 策略是根據由美國 Pittsburg 大學的 Champagne，Klopfer 和 Anderson 於 1980 年發展的 DOE(Demonstrate-Observe-Explain)策略改良而來。探討影響大一 學生學習古典力學的因素中，設計「DOE」策略來衡量學生的先有概念。

1981 年 Gunstone 和 White 在研究中發現讓學生在活動前先進行「預測」 (Prediction)，可以瞭解學生原本的認知結構，也能引起學生的學習興趣，於是將 DOE 策略改良為 POE(Predict-Observe-Explain)策略，當成一種教學策略，以期能 提升教學成效(Gunstone & White, 1981)。

White 和 Gunstone (1992)認為 POE 策略是引出學生想法和促進學生討論的 有效策略。使用 POE 策略之前可以允許學生問問題，確保他們完全理解接下來 的任務。然後再開始執行 POE 的三個階段任務。

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1. 預測：學生必須利用原有的知識去預測某些事件的結果，並且去辯護他們的預 測 。 這 個 階 段 可 以 了 解 學 生 原 本 的 認 知 概 念 (Gunstone & White, 1981)。

2. 觀察：學生描述並記錄他們的觀察。不同的學生會看到不一樣的東西，記錄觀 察能避免事後學生因聽到別人有不一樣的想法而改變自己的觀察。這個 階段在學生預測後，提供回饋給學生(Treagust, Yeo & Zadnik, 2001)。 3. 解釋：學生必須去思考任何的可能性，合理化解釋預測和觀察之間的衝突、不 一致，這個階段能顯露出學生的理解層面。 二 二二 二、、、、POE 的目的的目的的目的 的目的 運用 POE 策略一個重要的目的是要學生學習如何應用所學來解釋事件和經 驗。課本和考試中的問題常常需要知識的應用，像是要求舉例或是解釋。POE 策 略是另一個衡量知識應用能力的方法。 舉例來說：一般測驗的問法：「為什麼我們從同一個高度丟兩個不一樣重的 球，卻可以同時抵達地面？」。當我們這樣問的同時，我們已經給了事件的答案。 因此學生只能解釋一個已經知道答案的事件的現象。而運用 POE 策略的問法則 是：「兩個不一樣重的球從同一個高度丟下，會有什麼的結果？」。當事件沒有被 完整的描述時，需要預測，就更能讓學生應用原有的知識去推論出一個答案。因 此使用 POE 策略更能夠名副其實的應用知識(Gunstone & White, 1992)。

三 三三

三、、、、POE 的實施的實施的實施 的實施

Russell、Lucas 和 McRobbie (2003)認為 POE 能有順序的建構一個概念。運用 POE 策略時，在不同的方面，要考慮到幾個不同的原則(Gunstone & White, 1992)： 1. 事例選擇：POE 策略除了用於可見的事例，也可以被應用到不能之間觀察的

事例，像是歷史、文學和數學。事例選擇要考量下列原則：

20 義的猜測。 (2). 提供真實性或生活化的的情境與問題，或是提供一些線索，才能幫助學生進 行 POE 活動。 (3). 事例選擇的範例是學生常會遇到或想到的。如果結果常常是出乎學生意料之 外的，產生挫折感。學生可能會有兩種想法，一是產生負面態度，用意想不 到的結果就預測；或是認為 POE 策略只是老師的新把戲，降低學習的興趣。 2. POE 三階段任務實施過程： (1). 預測階段可以使用設計好的工作單，以選擇或勾選的方式，提出幾種可能的 情況讓學生做預測；或是開放性問題兩種型式進行。 (2). 一定要在觀察階段前完成預測的理由，以免錯過觀察。 (3). 欲觀察的結果是清楚明白，最好有明顯差異的，學生可以直接的進行觀察。 Kearney、Treagust、Yeo 和 Zadnik(2001)認為 POE 任務的觀察階段是重要且 具有關鍵性的，因為它在學生預測後，提供回饋給學生。 (4). 教師以支持、鼓勵的立場，鼓勵學生去多方思考所有的可能性。 (5). 每一個任務應預留充分的時間讓學生確實完成。 POE 策略的實施一定要讓學生知道自己是有推理(Reasoning)而去預測，並非 只是猜測。如果能善用 POE，就可以讓學生發現「預測」會被「觀察」支持，有 效達到進行 POE 策略的目的。 3. 教師角色：本研究依據教師在教學中的角色，修改葉辰楨(2000)，制定出教師 在設計與實施過程中三點建議事項 (1). 敘述應具體明確：教師必須確認每位學生都了解他們所要預測的問題背景， 因此對於問題情境的敘述應具體明確。 (2). 發揮發問技巧及適度的引導：教師在說明時避免過多的引導，以免限制了學 生的思考方向。

21 (3). 鼓勵學習者表達想法：由於 POE 以「預測」及「觀察」引發學習者的解釋與 推論，而非觀察現象的「正確性」，因此實施時以「每位學生均能表達想法」 為原則，站在支持的立場，鼓勵學生表達其意見，達到提昇參與程度以及強 調討論過程的目的。 四 四四 四、、、、POE 的優點的優點的優點 的優點 POE 策略要求學生根據自己原有的知識對一現象進行預測，然後進行實際實 驗之觀察，再對所觀察到的結果提出適當的解釋。過程中學生面對個人原有認知 架構與現象不一致甚至衝突時，必須重新調適與組織。因此，POE 策略具有下列 優點(White &Gunstone, 1992)： 1. 針對特定的概念，可用於探究單一知識概念的本質。 2. 適合用於診斷性評量與形成性評量，有助於瞭解學生的學習困難。 3. 可以呈現學生本身既有的概念或信念。 4. 有助於瞭解學生對於現象與概念之間關係的認知。 5. 可以呈現學生面對認知衝突時，如何調適。 Bruce(2000)認為 POE 策略可以應用在許多標準的科學學習活動，從幼稚園 (利用繪畫與交談)到大學前後的課程，POE 都可以很成功地進行，它可以幫助我 們思考幾個方向： 1. 當學生寫字、討論時，它可以讓學生放慢腳步去思索，他們正在做什麼？想什 麼？因為學生必須去思考這些現象與可能的理論來加以解釋。 2. 進行預測這個動作可以提升學生的參與感，讓大部分的人對於即將發生的真實 事件更有興趣，尤其是當學生提出不同的預測時。 3. 對共同有興趣的學習教材，POE 策略提供小團體或課堂討論一個很好的引導。 4. POE 的活動可以提供學生進一步探索的基礎，例如觀察到的現象有何差異？ 實驗可以提供哪些解釋？。

22 5. POE 可以呈現學生活動歷程的記錄，提供進一步研究、改進寫作能力或做為 形成性評量的基礎。 如果學生預測的主題是他們很少經驗的，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預定的答案，這是進行 POE 活動進行時需要特 別注意的地方。 Kearney(2004)從社會建構的觀點，提出 POE 策略合作學習提供學生機會去 清楚表達、辯護、討論、反應他們和同儕的觀點，且去協商新的共有的想法 五 五五 五、、、、POE 的相關研究的相關研究的相關研究 的相關研究

從 1980 年 Champagne、Klopfer 和 Anderson 等人提出 POE 策略後，國內外 的學者藉由 POE 策略來進行很多的研究，研究者將 POE 的相關研究概分為幾個 研究重點：Gunstone & White(1981)，Palmer(1995)，Liew 及 Treagust (1998)， Southerland、Smith 及 Cummins(2000)等人的研究，是以 POE 策略探討現象(原 理 ) 之 概 念 理 解 情 形 。 Russell 、 Lucas 和 McRobbie(2003) ， Kearney(2004) ， Zacharia(2005)，楊凱悌、邱美虹、王子華(2009)等人研究 POE 教學設計結合資訊 科技對教學的影響。Searle 和 Gunstone(1990)，Tao 和 Gunstone(1999) 等人則 利用 POE 策略探討概念改變情形。Liew 和 Treagust (1995) ，Methembu(2001)， 許良榮、劉政華(2004)，葉淑華、江新合(2004)，許良榮、蔣盈姿(2005)，楊凱悌、 邱美虹、王子華(2009) 等人以 POE 策略探討另有概念與迷思概念。Searle 和 Gunstone(1990)，葉辰楨(2000)，Kearney、Treagust、Yeo 和 Zadnik (2001)，李家 銘(2001)，吳宏達、陳淑華(2006) 等人研究 POE 策略融入教學之教學成效。其中 吳宏達、陳淑華(2006)也探討學生在進行 POE 策略融入教學後的學習態度。 茲將相關的研究整理如下： 表 2-2-1 POE 的相關研究 研究 重點 研究者 年代 研究概述

23 現象 (原理) 之 概念 理解 情形 1 Gunstone 及 White 1981 以 POE 策略調查大一物理系學生對於重力及動力 學相關知識，研究結果顯示學生知道很多物理知 識，但無法應用到日常生活中。 2 Palmer 1995 研究以 POE 策略釐清國小學童的科學知識以及科 學概念的理解。 3 Liew 及 Treagust 1998 研究採用 POE 策略集合個別晤談及班級討論，探 討學生對水的膨脹、鹽溶解度以及燈泡的功率與 電阻等概念。結果顯示 POE 策略能有效掌握學生 的概念理解，也適合做為教學活動之設計。 4 Southerland 及 Smith 及 Cummins 2000 將 POE 策 略 視 為 一 種 預 測 晤 談 (Prediction interviews)。目的是探討學生如何應用原有的知識 概念進行理解。 POE 教學 設計 結合 資訊 科技 1 Russell 及 Lucas 及 McRobbie 2003 探討在動力學中建構一個新的理解，微電腦實驗 室器材在其中扮演的角色。研究結果顯示，在 POE 教學策略中加入 MBL 活動，能夠加速學生建構一 個新的理解。 2 Kearney 2004 研究在社會建構的環境下，教室利用多媒體為基礎 的 POE 策略促進學生小組學習對話的情。研究結 果顯示用多媒體為基礎的 POE 任務，可以支持學 生的同儕小組對話。增加學生 POE 任務控制權， 結合多媒體，能夠開啟有品質的同儕討論。 3 Zacharia* Z. C. 2005 互動式電腦模擬結合 POE 策略對於科學教師在物 理解釋能力與品質的影響，主要在調查個人如何 建構自己的解釋。結果顯示有正面的影響，教師 的解釋變得更詳細反應因果的推理和形式推理。

24 4 楊凱悌、 邱美虹、 王子華 2009 研究應用數位影音融入 POE 教學改善國小高年 級學童脊椎動物分類另有概念之效益。研究結果 發現高年級學童確實有許多另有概念，而應用數 位影音融入 POE 教學有助於改善其另有概念。 概念 改變 1 Searle 及 Gunstone 1990 研究以 POE 為教學策略對於學生在力學的概念改 變，研究結果顯示雖然要達成長期性的概念改變 是困難的，不過 POE 的策略達成了某些教學成效。 2 Tao 及 Gunstone 1999 調查利用電腦的合作學習是否且如何造成學生科 學上的概念改變。研究顯示雖然合作建構在達到 長期穩定的概念改變中扮演重要的角色，但改變 的同時必須伴隨學生個人的建構並能領會到一個 新的理解。 另有 概念 與 迷思 概念 1 Liew 及 Treagust 1995 利用 POE 策略的教學順序探討學生對於熱和液體 擴散的學習，研究結果顯示學生已有的知識和信 仰可能會影響他們的意見和解釋新的學習。 2 Methembu 2001 針對燃燒的氧化還原設計一系列的 POE 概念診 斷及教學活動。研究結果發現學生普遍存有多樣 化的燃燒迷思概念，同時也指出 POE 策略有助 於診斷學生的另有概念，以及促進教師的教學。 3 許良榮、 王壠真 2003 探討中小學學生對物質是否可燃之分類以及相關 迷思概念。最後針對分析的迷思概念提出對於未 來教學及研究之建議。 4 Hsu, L. R. 2004 以 POE 策略探究中小學生對物質「可燃性」的另 有概念。 許良榮、 蔣盈姿 2005

25 5 許良榮、 劉政華 2004 研究透過 POE 策略及晤談後，整理學生對於溶解 的迷思概念，並歸納其概念形成與概念發展。 6 葉淑華、 江新合 2004 應用 POE 策略晤談探究高三學生迷思概念之個 案研究。 7 楊凱悌、 邱美虹、 王子華 2009 研究應用數位影音融入 POE 教學改善國小高年 級學童脊椎動物分類另有概念之效益。研究結果 發現高年級學童確實有許多另有概念，而應用數 位影音融入 POE 教學有助於改善其另有概念。 教學 成效 1 Searle 及 Gunstone 1990 研究以 POE 為教學策略對於學生在力學的概念改 變，研究結果顯示雖然要達成長期性的概念改變 是困難的，不過 POE 的策略達成了某些教學成效。 2 葉辰楨 2000 研究 POE 策略在國一生物教學之運用，結果在教 學上能夠提升學習者觀察及表達想法的能力，且 POE 教學策略有助於教學活動與生物概念整合。 3 Kearney 及 Treagust 及 Yeo 及 Zadnik 2001 研究藉由多媒體支持 POE 任務來探測理解的教 師及學生觀點。研究結果顯示在科學教室中使用 多媒體能有效的提升有意義的學習。 4 李家銘 2001 探討學生在 POE 教學活動中的電學概念發展情 形，研究結果發現受試學生經過 POE 教學後，在 十二個認知概念和七個技能概念中，有明顯進步。 5 吳宏達、 陳淑華 2006 探討生活科學引入 POE 教學探討影響反應速率 因素相關概念學習成效。研究結果顯示生活科學 引入 POE 教學策略能提升學習成效，學生對生活 科學引入 POE 教學策略也有正面的態度。

26 學習 態度 1 吳宏達、 陳淑華 2006 探討生活科學引入 POE 教學探討影響反應速率 因素相關概念學習成效。研究結果顯示生活科學 引入 POE 教學策略能提升學習成效，學生對生活 科學引入 POE 教學策略也有正面的態度。 綜觀以上研究，POE 策略可以用來探討學生對於現象或原理的理解情形，或 是探討學生概念改變的情形，以及了解學生有何另有概念與迷思概念，更可以結 合資訊科技來研究，其中最被學者廣為研究的，是把 POE 策略應用到教學上， 研究結果皆顯示 POE 策略是一具有潛在價值的教學策略之一。而研究中學者較 少利用 POE 策略來探討學生個人的推理思考，如果可以從 P-O-E 的步驟中分析 學生的推理思考，並將之應用到教學上，對於教師的教學成效，相信有事半功倍 的效果。

學生在 POE 策略的三個階段，皆會使用到推理能力。Zacharia(2005)指出 POE 任務的預測階段，參與者必須根據他們自己原有的知識，尋找理由去解釋他們預 測背後的推理。Lawson(2003)說明提出假設與預測就是推理，因為提出假設涉及 類比、類比的遷移，以及類比推理的過程。 Russell、Lucas 與 McRobbie (2003)指出呈現，學生透過對話討論問題來達 到雙方同意的預測，之後進行實驗，學生不是發現實驗證實他們的推理，科學地 加強了他們基本的概念；就是面對相反的證據，再重新建構他們的解釋，重複實 驗去檢核解釋。當觀察階段產生認知衝突時，學生必須透過自我調整重新建構解 釋與重複實驗去檢核解釋，中間的過程是不斷的利用原有的知識，經由自己內在 的邏輯性思考，來解決或解釋問題，也符合推理的定義。由此可知，在 POE 任 務中，必須不斷的使用推理能力來形成新的知識及概念。

Chin 和 Brown (2000)建議靠著具體化的 POE 活動也許能提升較深的思考過 程。許良榮和蔣盈姿(2005)也建議教師可運用 POE 策略設計與符合學生生活經驗 的的科學活動，提供學生生活化的問題情境與概念衝突的機會，然後透過預測、

27 觀察、解釋的教學程序，逐步引導學生去推理、驗證以及歸納思考。 以往，大部分的研究都著重在利用 POE 策略來探討認知衝突或是學生的另 有概念與迷思概念，比較少著重在探討推理能力的範疇。而 POE 策略的過程中 涉及內在心智的推理思考，因此很適合應用於探討推理思考能力的相關研究。 小結： POE 策略的三個階段為活動前的預測，根據自己原有的認知對一現象進行預測； 活動中的觀察，進行實際實驗之觀察；活動後的解釋，所觀察到的結果提出適當的解 釋。POE 策略一個重要的目的是要學生學習如何應用原有的認知來解釋新事件和 新經驗。 當觀察階段產生認知衝突時，學生必須透過自我調整來重新建構解釋與重複 實驗去合理化解釋結果，中間的內在心智邏輯性思考的過程就是推理思考。由此 可知，在 POE 策略的步驟中，必須運用推理思考來建構新的知識及概念，因此 研究者欲使用 POE 策略來探討學生的推理能力。

第三節

第三節

第三節

第三節 滲透作用

滲透作用

滲透作用概念

滲透作用

概念

概念

概念

一 一一 一、、、、概念的意義概念的意義概念的意義 概念的意義 在各個不同的研究領域中，「概念」一詞經常被使用，許多學者都對「概念」 下過定義，黃台珠（1984）認為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。Gagne (1985)認為概 念是對具有共同屬性事物的概括性認識，可分為具體概念及抽象概念。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，因此概念具有歸類與 共通性。劉見成、張燕梅(2004)認為概念不僅反映事物的特有屬性，也反映具有 這種屬性的事物範圍。陳祖耀(2003)則認為概念是以語言文字符號來表達外在世 界客觀事物的抽象義理。歐陽鍾仁(1987)指出概念是一種認知過程(Cognitive

28 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。 雖然學者對於概念的定義雖然不盡相同，但綜合上述，概念是一種區辨事物 的能力，找出一群具體或抽象事物的共同性，將之歸類並賦予其意義，藉由語言 或是文字符號表達週知。 二 二二 二、、、、概念理解概念理解概念理解(Conceptual understanding) 概念理解 概念是學習精進的一個重要工具，黃台珠（1984）指出概念是人類思考和瞭 解的工具，是學習的基本單位。科學的學習要經過概念精煉的過程，才能達到概 念的理解與應用，透過科學概念精煉的過程，可以讓學生有機會展現理解的結果， 並且能透過概念應用的過程將科學概念的意義予以豐富化(丁信中、洪振方、楊芳 瑩，2001)。 林燕文、洪振方(2007)提到概念理解是科學學習一個重要的學習目標，唯有 能產生理解的學習方式才能形成有意義的學習。概念理解是學習者自覺性建構意 義的成果。成功的學習者能透過有次序的認知事件，重構既有的知識架構，進而 建構意義（Mintzes,Wandersee 和 Novak，1998）。 如果學生對於新概念的學習，缺乏所需具備的背景知識，在學習上就會產生 困難(丁信中、洪振方、楊芳瑩，2001)。科學概念的學習，便是立基於現存的科 學概念，透過多元的學習活動進行認知、記憶、推理、釐清，重新建構新意義， 進而達到概念理解。 三 三三 三、、、、概念與推理概念與推理概念與推理 概念與推理 概念是思維最基本的組成單位，有了概念才能做出判斷，而推理則是由判斷 構成。任何一個人，只要進行思維，就一定要用概念做出判斷，判斷和判斷之間 最有義意的連繫就是推理(朱水林，1997)。劉見成、張燕梅(2004)也提到概念是思

29 維活動的基本單位，是組成判斷和進行推理的基本要素。 當學生進行思維活動時，提取正確的現存概念，並使用邏輯性推理思考，便 可以學習到正確的新概念。學生提取現存概念的正確性與其推理思考與否兩者之 間的關係，亦是本研究欲深入探討的部分 四 四四 四、、、、滲透作用概念滲透作用概念滲透作用概念 滲透作用概念 盧秀琴(2004)利用不同教學策略影響中小學學生學習顯微鏡相關課程之探究。 國小教師只針對細胞觀察的顯微鏡教學研究，直至高中教師則針對擴散及滲透作 用探討其教學策略。盧秀琴(2005)探討教科書與中小學學生學習細胞相關概念的 關係。其中建議教科書可增加不容易理解的細胞生理現象之實驗，能幫助學生理 解擴散與滲透作用。盧秀琴、黃麗燕(2007)國中「細胞課程」概念改變教學之發 展研究。提到學生只認識表象的細胞擴散與滲透，無法說明真正原因。 因此建 議細胞的生理現象可放在溶液、濃度和滲透壓等相關的化學課程一起做教學。張 格瑜(2008)運用眼動儀探討不同學科背景大學生之細胞擴散和滲透作用的心智表 徵建構，其中不同學科背景大學生觀看「細胞滲透作用」教學動畫，除分析眼球 資料外，也顯示「細胞滲透作用」教學動畫有其教學成效。 綜合以上相關研究，發現我國科學教育關於滲透作用的相關研究絕大部分都 是從生物學的細胞課程深入探討，因為細胞膜就是半透膜的一種；研究的對象也 以國、高中，甚至是大學生為主。由於生物半透膜機制非常複雜，本研究只單純 觀察粒子進出半透膜的結果，不討論粒子進出半透膜的機制。 科學上對半透膜的定義是指薄膜對於不同物質的通過具有選擇性，也就是說 有些物質可以通過薄膜，有些物質則無法通過薄膜。具有此種性質的薄膜稱為半 透膜。陸挹琦、孫志紅(2006)提到一般人認知的半透膜是只允許部分分子通過(如 水分子)，而其他分子不能通過的薄膜。 常見的半透膜概略分為生物膜及人造膜兩種。常見的生物膜有動物的細胞膜、 膀胱膜、腹膜、毛細血管壁等；而人工製造的半透膜有火棉膠膜、玻璃紙、硫酸

30 紙、亞鐵氰化銅[Cu2Fe(CN)6]等。雖然半透膜的通透性不完全一樣，但有一個共 同的特點，就是溶劑水分子都可以自由的通過。本研究對於半透膜的定義為只允 許溶劑分子(水分子)自由通過而阻止溶質分子(氯化鈉分子)通過。 陸挹琦、孫志紅(2006)說明溶劑水分子透過半透膜進入溶液的自發過程稱為 滲透。錢鈞、賈玉瑩、王槿和張春玲(2009)定義滲透作用是指溶劑分子通過半透 膜，由純溶劑進入溶液或由稀溶液進入濃溶液的一種擴散現象。 陸挹琦、孫志紅(2006)指出滲透現象的發生是要滿足兩個條件，一個是有半 透膜存在，半透膜有一個共同的特點，就是溶劑水分子都可以自由的通過；另一 個條件是半透膜兩側溶液的溶質粒子濃度不等，這樣溶劑水分子及一些顆粒比較 小，能夠穿透半透膜的粒子，就會通過半透膜滲透到另一側溶液中，從而使另一 側溶液的體積增大，產生滲透現象。錢鈞、賈玉瑩、王槿、張春玲(2009)也說明 滲透現象的發生需要有半透膜的存在，當半透膜兩側存在不同濃度的溶液時，溶 劑分子會通過半透膜從稀溶液進入到濃溶液一側，滲透現象不會無止境的進行下 去，最後體系會達到滲透平衡。 滲透作用廣泛存在於自然界和日常生活中，更進一步被應用在醫療科技和食 品加工業及生活用品生產中，像是醫學上利用滲透進行透析；食品加工業利用滲 透現象來醃漬各種瓜果蔬菜；生活用品中研發逆滲透技術來淨水(陸挹琦、孫志紅， 2006)。 綜合來說，滲透作用就是指溶劑分子經由自發性過程由稀溶液通過半透膜進 入濃溶液或是由純溶劑通過半透膜進入溶液的現象。本研究定義之滲透作用就是 指水分子經由自發性過程由低濃度的鹽水溶液通過半透膜進入高濃度的鹽水溶 液或是由純水通過半透膜進入鹽水溶液的現象。 國 民 中 小 學 九 年 一 貫 課 程 綱 要 自 然 與 生 活 科 技 學 習 領 域 分 段 能 力 指 標 2-3-3-3 中列出國小五、六年級的學生在科學與技術認知中要具有探討物質的溶解 性質、水溶液的導電性、酸鹼性、蒸發、擴散、脹縮、軟硬等。所以高年級學生 對水溶液都有基本的了解。滲透作用屬於水溶液的應用，並沒有包含在國小課程

31 中，本研究欲奠基於國小學童對水溶液都有基本的了解，再利用 POE 策略結合 學生已有的水溶液知識，讓學生進行推理思考，由一系列的活動中觀察推理出滲 透作用。 由表 2-3-1 可以看出在國民中小學九年一貫課程綱要，自然與生活科技學習 領域之教材內容細目顯示國小中年級學生已經察覺很多物質能夠溶於水；高年級 學生已有粒子的觀念；而國中一到三年級則會建立擴散現象及水溶液濃度日常生 活應用的知識，滲透作用就是水溶液濃度日常生活應用的其中一種。 表 2-3-1 「自然與生活科技」學習領域相關水溶液之教材內容細目 次主題 分類 適用年級 內容細目 組 成 地 球 的 物質 水、空氣、 土地的性質 國小三、四年級 察覺很多物質能溶於水。 水與水溶液 溶解 _{國小三、四年級} 察覺不同物質在水中溶解的程度 不同。 物 質 的 組 成 與功用 物質可以分 解與組合 國小五、六年級 能透過活動知道物質是由粒子所 組成的，因此物質可以分解成更 小的粒子(不必提原子的概念)。 水與水溶液 溫度對溶解 度的影響 國小五、六年級 察覺物質在水中溶解的程度會受 到水溫的影響(定性)。 物 質 的 組 成 與功用 物質是由粒 子所組成 國中一~三年級 知道物質是由粒子所組成。 物 質 的 組 成 與功用 物質是由粒 子所組成 國中一~三年級 瞭解擴散現象是粒子由高濃度往 低濃度運動的現象。 水與水溶液 _{溶液與濃度 國中一~三年級} 能瞭解溶液是由溶質與溶劑所組 成，以及濃度的意義與日常生活 的應用，並藉由實驗瞭解飽和溶 液的意義與配製。

32 因此，本研究中的高年級學童應以具備以下知識：能察覺很多物質可以溶於 水；不同物質的溶解度不同，且會受到水溫的影響；物質是由粒子所組成的，可 以分解成更小的粒子。本研究便是奠基於學生已具有的先備知識，進行推理思考 來形成滲透作用概念。 小結： 1. 概念是一種區辨事物的能力，找出一群具體或抽象事物的共同性，將之歸類並 賦予其意義，藉由語言或是文字符號表達週知。 2. 概念是學習的基本單位，為學習精進的一個重要工具。學習是立基於現存的概 念，重新建構新意義，進而達到概念理解，產生理解的學習才是有意義的學習。 3. 個體只要進行思維，就一定要用概念做出判斷，判斷和判斷之間最有義意的連 繫就是推理。當學生進行思維活動時，提取正確的現存概念，並使用邏輯性推 理思考進行判斷，便可以學習到新概念。 4. 滲透作用就是指溶劑分子經由自發性過程由稀溶液通過半透膜進入濃溶液或 是由純溶劑通過半透膜進入溶液的現象。本研究定義之滲透作用就是指水分子 經由自發性過程由低濃度的鹽水溶液通過半透膜進入高濃度的鹽水溶液或是 由純水通過半透膜進入鹽水溶液的現象 5. 本研究欲利用 POE 策略探討國小學童奠基對水溶液既有的概念，進行推理思 考，建構出滲透作用概念，其過程中的推理思考及對滲透作用的概念理解。