以POE策略探究國小三年級學童之磁力概念與推理過程

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 策略探究國小三年級學童

之磁力概念與推理過程

研 究 生：曹永彬 撰

中 華 民 國 九 十 八 年 十一 月

摘要

本研究之目的為利用 POE 策略，設計三個一系列的磁力活動，讓國小三年 級學童進行預測、觀察與解釋，探討其隱涵於內之磁力概念與推理過程。本研究 為質性研究，以個別晤談的方式蒐集資料，資料來源包括訪談內容和實驗活動 單，採用立意取樣的方式，選取彰化縣某鄉村型 20 位國小三年級學童為研究樣 本。由研究結果發現：（1）國小三年級學童在此 POE 活動中具有的科學概念如 下：同極相斥、異極相吸；磁鐵愈多，磁力愈大；磁鐵間不必接觸，即可相吸或 相斥；磁力能透過一般的物質，吸引或排斥磁鐵。（2）國小三年級學童在此 POE 活動中具有的另有概念有：同性相斥、異性相吸；同極相吸、異極相斥；以重量 觀來解釋磁力現象；一般物質對磁鐵的磁力有影響；以直覺來判斷磁力相關問題 等。（3）在磁力推理過程中，國小三年級學童所呈現的推理類型共有四種，為「演 繹推理」、「歸納推理」、「類比推理」與「直覺推理」。在以上的推理類型中，以 演繹推理出現最多，其次為歸納推理，類比推理與直覺推理出現次數較少。演繹 推理為學童最容易運用的推理類型，類比推理則是學童最難運用的推理類型。（4） 學童以科學概念來預測時，預測結果的正確率較高，以另有概念進行預測時，預 測結果的正確率較低。在學童使用演繹推理來預測時，預測結果較為正確，若運 用其他的推理類型來預測，則較容易出現錯誤的預測結果。（5）磁力 POE 活動 對科學概念與預測能力有正面的影響。最後，研究者依據研究結果針對科學教育 與未來研究方向提出若干建議。 關鍵詞：POE 策略、磁力概念、推理過程

Abstract

The purpose of this study was to use the Predict-Observe-Explain strategies to design three sequences of magnetic force activities, and let the third graders to predict, observe, and explain, therefore, to discuss the magnetic concept and the processes of reasoning potentially. This research adopts qualitative method. Its data were collected from individual interviews. Data sources include the content of the interviews and activities in the experiment. Data use purposeful sampling, and selected twenty third graders from a rural elementary school in Chunghua county to be the sample of the study. The primary findings of this research are as follows:（1）The scientific concept that the third graders has in the POE strategies as follows: like magnetic poles repel each other, while unlike poles attract. The magnets are more, the magnetic force is bigger; the magnets each other do not need to contact, they mutually attract or repulse; The magnetic force can penetrate the common material to attract or repel the magnets. （2）The alternative concept that the third graders has in the POE strategies as follows: like charges repel, unlike charges attract; like magnetic poles repel each other, while unlike poles attract. To explain the magnetic force phenomenon by the weight; general material is influential to the magnet magnetic force; judges the magnetic force with its related question by the intuition and so on.（3）In the magnetic force inference course, the third graders present four types of reasoning; they are “deductive reasoning,” “inductive reasoning,” “analogical reasoning,” and “intuition inference.”From above inference types, the deductive reasoning appears the most followed by the inductive reasoning. The analogical reasoning and the intuition inference present the number of times to be few. The deductive reasoning is the easiest inference type to be used by the students; yet, the analogical reasoning is the most difficult utilization inference type. （4）When the students forecast with the scientific concept, the accuracy of the result is high, on the other hand, the result has low accuracy if they predict with other concepts. When students use deductive reasoning to predict, the results of the prediction are more correct. If they utilize other inferences to predict, it would be easy to show the wrong forecasting outcomes.（5）The POE activity of the magnetic force has the positive influence to the scientific concept and the predictive ability. Finally, the researcher will aim at the scientific culture and the future research based on the findings to put certain proposals forward.

目 次

中文摘要··· Ⅰ

英文摘要··· Ⅱ

目次··· Ⅲ

參考文獻··· Ⅳ

附錄··· Ⅳ

表次··· Ⅴ

圖次··· Ⅶ

第一章 緒論

第一節 研究背景與動機...1

第二節 研究目的與問題...4

第三節 名詞定義...5

第四節 研究範圍與限制...6

第二章 文獻探討

第一節 ＰＯＥ策略...7

第二節 概念與概念改變...16

第三節 推理...22

第四節 磁力概念...33

第三章 研究設計

第一節 研究方法...41

第二節 研究流程...45

第三節 資料蒐集與分析...50

第四節 研究信度與效度...51

第四章 研究結果與討論

第一節 國小三年級學童在磁力POE推理活動中的概念...55

第二節 國小三年級學童在磁力POE推理活動中的推理過程...78

第三節 國小三年級學童在磁力POE推理活動中之概念與推理

的關係...85

第四節 國小三年級學童在磁力POE推理活動中概念與推理過程對

預測實驗結果之影響...87

第五節 綜合討論...

109

第五章 結論與建議

第一節 結論...113

第二節 建議...115

參考文獻

中文部分...117

外文部分...121

附錄

附錄一：國小三年級學童磁力POE活動單 ··· 123

附錄二：初探研究結果 ··· 128

附錄三：初探研究晤談逐字稿示例 ··· 131

附錄四：訪談家長同意書 ··· 137

附錄五：正式研究晤談逐字稿示例 ··· 138

表 次

表 2-1 國內 POE 之實徵研究...

12

表 2-2 國外 POE 之實徵研究...15

表 2-3 推理的定義...23

表 2-4 推理相關研究整理表...32

表 2-5 九年一貫課程「自然與生活科技」領域有關電與磁概念之

教材內容細目表...

38

表 2-6 現行國小各版本教科書有關磁概念單元一覽表...39

表 2-7 現行國小各版本教科書磁概念單元目標及單元名稱一覽表...39

表 4-1 研究對象所呈現的磁力概念類型...56

表 4-2 同極相斥、異極相吸相關概念次數統計表...58

表 4-3 同極相斥、異極相吸相關概念每人使用概念種類統計表...59

表 4-4 磁鐵愈多，磁力愈大相關概念次數統計表...65

表 4-5 磁鐵愈多，磁力愈大相關概念每人使用概念種類統計表...66

表 4-6 磁鐵間不必接觸，即可相吸或相斥相關概念人數統計表...72

表 4-7 磁力能透過一般的物質，吸引或排斥磁鐵人數統計表...76

表 4-8 預測階段與解釋階段推理類型統計表...83

表 4-9 學童推理類型統計表...84

表 4-10 各概念推理類型統計表...85

表 4-11 四大磁力概念與預測結果... 88

表 4-12 活動一預測結果表... 92

表 4-13 活動一能完全與預測一致之學童概念類型... 93

表 4-14 活動一與預測結果完全不一致之學童概念類型... 93

表 4-15 活動二第一次磁力 POE 活動預測結果... 95

表 4-16 活動二第一次磁力 POE 活動之學童概念類型... 96

表 4-17 活動二第二次磁力 POE 活動預測結果... 97

表 4-18 活動二第二次磁力 POE 活動之學童概念類型... 98

表 4-19 活動三第一次磁力 POE 活動之預測結果之一... 99

表 4-20 活動三第一次磁力 POE 活動之預測結果之二...100

表 4-21 活動三第一次磁力 POE 活動之學童概念類型...101

表 4-22 活動三第二次磁力 POE 活動預測結果之一...102

表 4-23 活動三第二次磁力 POE 活動預測結果之二...103

表 4-24 活動三第二次磁力 POE 活動之學童概念類型...104

表 4-25 活動一推理類型統計表...105

表 4-26 活動一推理類型與預測階段正確率...106

表 4-27 活動二推理類型統計表...107

表 4-28 活動二推理類型與預測階段正確率...107

表 4-29 活動三推理類型統計表...108

表 4-30 活動三推理類型與預測階段正確率...109

圖 次

圖 2-1 科學推理的認知模式...23

圖 2-2 推理類型之劃分... 28

圖 3-1 磁力 POE 裝置... 42

圖 3-2 磁力 POE 裝置底座...43

圖 3-3 磁力 POE 裝置上蓋...43

圖 3-4 3X2 磁鐵迷宮圖... 44

圖 3-5 4X3 磁鐵迷宮... 44

圖 3-6 設計 4X3 磁鐵迷宮...45

圖 3-7 研究流程圖... 47

圖 4-1 學童提出推理的次數-人數統計... 85

圖 4-2 3X2 磁鐵迷宮圖... 90

圖 4-3 4X3 磁鐵迷宮圖... 94

圖 4-4 設計 4X3 磁鐵迷宮...99

第一章 緒論

本章將就研究背景與動機、研究目的與研究問題、名詞定義及研究範圍與限制， 分成四節敘述之。

第一節 研究背景與動機

在教育部與行政院國家科學委員會之科學教育白皮書(2003)中指出：科學教育 最少應包括科學探究能力與科學過程技能的訓練，如各種實驗操作技巧、提出假 設、設計實驗過程、收集數據、作圖、推論、反思批判思考、以及尋求累積新科學 知識等能力。九年一貫課程綱要(2003)的分段能力指標中，所列出來的思考智能也 強調推論與批判、解決問題等整合性的科學思維能力。另外，在九年一貫課程的十 大基本能力中，「主動探索與研究」和「獨立思考」兩項基本能力均提到推理能力 的培養。在國民中小學課程綱要（2008）的分段能力指標中，其中的思考智能亦要 求學生對事物能夠做推論與批判、解決問題等整合性的科學思維能力。由以上可 見，國內的教育部門非常重視學生的推理能力。在國外，美國的「全美數學教師委 員會」（The National Council of Teachers of Mathematics, NCTM）在2000年的「數 學原則和標準」（Principles and Standards for School Mathematics）中，將推理能力 列為幼稚園到高中的學生必須學習且應具備的數學能力之一。在美國的SAPA （Science－A Process Approach）課程中，將科學過程分為八個基本過程與五個統整 過程。八個基本過程即為：觀察、應用時空關係、分類、應用數字、測量、傳達、預測、 推理（魏明通，1996），由此可見推理是科學過程中重要的一項科學過程技能。國 內外的教育組織都如此重視學生的推理能力，值得研究者對學生的推理作更進一步 的研究。

活科技之科任老師。在這九年中，研究者每年亦指導學童從事研究並參加科學展 覽。研究者從指導學童參加科學展覽與自然與生活領域的教學經驗中，發現了一個 非常有趣的現象：學童會對「能親身體驗的科學現象」產生很大的興趣，並因此產 生了學習的動機。在體驗科學現象之後，在上課發言時，都會有超過一半以上的小 朋友踴躍發言。 研究者發現所任教的班級中，學童自然與生活科技的成績不甚理想，其評量的 單元正包涵了磁力單元。但是磁鐵是學童最感興趣的主題(Barrow,1990/ 2000)，學 童看到磁鐵常常把玩許久。在市面上，學童可以輕易的接觸到磁鐵玩具，如釣魚 遊戲組、磁浮陀螺等。在學校，學童也常使用到磁鐵製品，例如在黑板上固定紙 類教具的長條形或圓形磁鐵、有磁性扣鈕的鉛筆盒、門與牆壁的固定座等；回到 家，家具用品亦常應用到磁鐵，如學童幾乎每日都會接觸到的冰箱門、家庭記事 板等，所以磁鐵亦是學童在日常生活中重要的物品。但研究者參考國內外的研究， 發現學童對於磁力具有許多迷思概念，例如林明軫（1994）在其研究中，發現四至 六年級學童存有磁力的迷思概念，如：「不論任何形狀的磁鐵磁極的位置都在兩端」、 「磁力是包含在地心引力之內」、「磁化的產生必需要和磁鐵摩擦」、「鐵會吸收磁鐵 的磁力」和「鐵本來就有磁力」……等等；林鼎富（2002）對國小三年級與六年級 的學童做國小學童靜磁概念之研究，亦發現學童有二十種主要的迷思概念與十種錯 誤思考模式。但是，在國內很少有對於國小三年級的學童作磁力推理實驗的研究。 相關於靜磁方面的研究也只有林明軫(1994)、鄭如琳(2000)與林鼎富（2002）等三 篇，國外較著名的學者亦只有 Barrow(1990，2000，2007)等三篇。但磁鐵超距力 概念的建立是學習五、六年級電磁鐵與電動機的基礎。因此，本研究希望透過簡單 的實驗瞭解國小三年級學童對「磁力」的認知。在研究者就讀科學教育研究所中涉 略了 POE(Predict-observe-explain)策略，發現運用 POE 策略能有效的鼓勵學童應用 自己原有的知識進行推理及解釋，也能探測出在真實情境中學生運用其原有概念及

認知結構的情形(許良榮，2006)。所以，本研究設計了以「磁力」為主題的 POE 活 動，並在活動中讓學童進行推理，藉以瞭解學童的磁力概念，並從活動過程中探討 國小學童對「磁力實驗」的推理歷程。

第二節 研究目的與待答問題

壹、研究目的 本研究旨在利用簡易磁力實驗裝置，透過 POE 策略的活動，讓學童進行預測、 操作與觀察，再由學童針對實驗結果與預測間的異同提出解釋。學童在進行一次 POE 活動之後，接著再進行推理式的 POE 活動。研究者從所收集活動單、問卷和訪談等 各項資料，加以分析，探究以 POE 策略設計之磁力活動對於國小三年級學童磁力概 念學習的影響，及學童在 POE 活動中的概念改變情形，並探討在學童的推理能力與 磁力概念的關係。 貳、待答問題 根據研究目的，本研究的待答問題設計如下： 一、學童在磁力POE活動中，呈現的磁力概念為何？ 二、學童在磁力POE活動中，推理的過程為何？ 三、學童在磁力POE活動中，推理過程與磁力概念間的關係為何？

第三節 名詞定義

壹、POE策略 POE策略為White和Gunstone 在(1992)所提出的Predict-Observe-Explain（預 測－觀察－解釋）策略，用來探究學童對概念的理解與改變。POE策略提供學生 一個實物實驗狀況，要求學生預測會產生何種改變，並說明改變的原因，要求學 生仔細觀察其中的改變，最後要求學生思考預測與觀察間的不同，想出可能造成 不同的原因，得到結論（Gunstone & Mitchell, 1998）。

貳、磁力概念 係指磁鐵超距力現象與兩極作用之概念。 參、推理 依據教育部國語辭典（教育部國語推行委員會，2007）的解釋，推理即為一種 邏輯的思考方式，由已知或假定的前提來推求結論，或由已知的答案結果，反求其 理由根據。凡由因以求果、由果以溯因、由現象以歸其原理、以原理說明現象等， 演繹、歸納、類比的思考活動，皆稱為推理。現運用於心理學、犯罪學、偵辦案件 上，有很大的幫助。

第四節 研究範圍與限制

壹、研究範圍 一、研究樣本的範圍 根據文獻顯示：研究學童的推理過程與磁力概念方面，在以國小三年級學童為 對象的研究並不多，因此本研究將研究對象設定為國小三年級學童，以彰化縣某鄉 村地區型的國民小學三年級某班級20位學童為研究對象。 二、研究內容的範圍 本研究所探討之概念範圍為「國民小學三年級的磁力概念」方面的三個POE實 驗情境，研究內容範圍是依據晤談與POE活動單之結果而來。 三、本研究只針對晤談中所提及之概念與推理情境做分析，不分析其它相關概念。

貳、研究限制

一、研究樣本的限制 因受到人力、時間、經費等種種因素的限制，本研究的樣本僅限於採立意取樣， 選取研究者任教學校三年級某一班全部的學童為研究對象，因此所得結果不宜過度推 論到其他對象。 二、研究內容的限制 本研究概念是關於「國民小學三年級的磁力概念」方面的三個POE實驗活動，不 宜推論學童對於其他情境上的推理過程與磁力概念。 三、研究結果的限制 本研究的研究性質是質性研究，研究的方式主要以POE推理實驗與晤談為主，因 此研究結果不宜過度推論，僅供類似研究情境之參考。

第二章 文獻探討

本章共分四節，第一節探討POE策略的理論基礎，第二節說明概念與概念改變 的相關研究與理論，第三節敘述推理的意涵與類型，第四節則介紹磁力概念及其相 關研究。

第一節 POE 策略

壹、POE的起源 1980年，Champagne、Klopfer和Anderson在美國的Pittsburgh大學最先設計了 「DOE策略」(Demonstrate-Observe-Explain strategy)，即示範-觀察-解釋的策略：他 們的做法是先對學生實施有關古典力學方面—對於物體運動的原有想法之紙筆測 驗，再由教師示範有關紙筆測驗的實驗並讓學生觀察。最後請學生回答測驗裡的問 題並提出說明，其中有些問題會要求學生在觀察前對結果進行預測，但是在整個活 動中並不特別強調。其研究發現學生即使在高中修習了至少一年的物理課，還是存 有許多有別於正統牛頓力學的概念（Champagne, Klofer & Anderson, 1980）。

1981年Gunstone和White發現若是讓學生先進行預測的活動，則可呈現出學生原 有的認知結構，並能提升學生的學習興趣與效果。於是將DOE策略前特別再加入預 測活動，即成為現今所說的POE(Predict-Observe-Explain)教學策略。1992年White 和 Gunstone（1992）提出POE策略，為預測（Predict）-觀察（Observe）-解釋（Explain） 的簡稱，將此策略運用於探究學生概念之改變。過程是由教師提供一個情境給學生， 要求學生運用其原有的知識去預測其結果，並寫下預測的理由，隨後進行實驗操作， 讓學生觀察並紀錄下觀察到的現象，最後要求學生調和、解釋預測和觀察之間的不 一致。 貳、POE的目的 White與Gunstone（1992）指出運用POE教學策略的目的是藉由真實情境來探測學

生的認知結構及應用知識的能力，強調學生對真實事件的預測及預測的理由，較少強 調正確答案與評分的問題，學生較能呈現他們真實的想法，讓學生去敘述他們所支 持的理由，學生經常以日常生活的經驗去支持他們的理由，或是應用與科學原理不同 的觀點去解釋自然界的現象。葉辰楨(2000)認為運用POE模式，由於作「預測」較 少受到「什麼是正確答案？」的想法影響，低成就與平時表現不善表達的學生較能 在教師與同儕鼓勵下發言。因此，經過這一些晤談，我們獲得更接近學生真實的想法 與其原有概念。在活動中，學生必須以其原有的認知結構對某些現象、某一個事件去 預測結果，其預測必須要有其支持的理由，並且要求學生提出預測的理由。在觀察實 驗之後，學生要具體的描述他們所看到的現象，並解釋他的預測和真實結果之間的矛 盾以及調和介於預測與觀察之間的任何衝突（White & Gunstone, 1992）。而且，POE 策略不但可以幫助教師診斷學生的學習狀況，從增加的活動中，可以進一步進行教 學的反省與改進，幫助教師反思教學理論、促進教師的專業成長，並落實於教學實 務中（邱彥文，2002）。 參、POE的實施 POE基本的程序是設計某一情境讓學生進行「預測」會有何種結果或現象發生？ 要求學生寫下自己的預測以及理由之後，接著實際操作讓學生「觀察」有何現象發生？ 觀察之後寫下自己的觀察結果，如果與預測的不一樣，請學生「說明」原因或理由(許 良榮，2006)。在POE觀察實驗進行前，應事先告知學生觀察重點所在，並明白揭示 實驗重點，才不致使學生分心無法正確掌握概念來源。在實驗進行前或進行當中， 教師應時時提醒學生實驗觀察時應注意的重點。 POE教 學策 略所著 重的解釋 （explanation）階段歷程，是如何使每個學生皆能清楚地呈現出自己的想法。使學生 多加說出自己的想法，讓學生陳述原先的預測想法與實驗的觀察結果，再思索有何 衝突，可漸進地引導學生進行解釋的步驟（林士峰、黃萬居，2006）。 White和Gunstone（1992）提出在選擇適合的事例來實施POE時，要考慮的原則

有： 一、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。 二、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，可以允許學生自由發問。 三、要讓學童的觀察是直接可行的，亦即欲觀察的實驗結果是清晰可見的。 四、可以利用選擇或勾選的方式，提出幾種可能的情況讓學生做預測，或者採用開 放的反應模式，讓學童自己表達想法。 肆、POE 的優點 POE 策略的實施可以讓學生的概念產生改變，主要是在激發學生面對個人既有 知識架構與科學活動結果出現不一致時，重新調適與組織，以形成新的知識體系達 到概念改變的目的（邱美虹，2000）。趙宏國（2008）亦發現 POE 策略具有以下的 優點： 一、POE 策略有助於發現學生之另有概念。 二、POE 策略有助於學生的學習。 三、POE 策略有助於探究學生的推理歷程。

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)進行一系列的熱力學教學改革；對傳統課室教學 仍以教師為中心，學生沒有機會對於他們原有的概念進行批判思考。他的研究團隊 覺得應該提升學生互動的時間比，營造一個適合學生的學習環境。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、CD、照片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，並且可以學到更多。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，學生都更積極的回答老師們所提的問題(Fekete, 1997)。 POE策略要求學童根據自己的既有概念對一個現象進行預測，然後觀察實驗活 動，再對所觀察到的現象提出適當的解釋，當既有概念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。 伍、POE 的實徵研究 有許多研究顯示，學生的先前概念經常是固執而不易改變的(Driver,1983； Gunstone, 1990)。邱彥文（2000）認為POE的教學可以視為一種幫助學生從他們堅持 擁有的先前概念，建構到新知識的一種教學策略。國內外已有許多關於 POE策略相 關的研究，以下則摘錄國內外數篇有關POE的實徵性研究，並參考王玉龍（2006） 所整理的國內外實徵研究表，再加入近一兩年的研究，統整如表2-1、2-2所示，以 瞭解POE策略在科學教育的運用及成效。 葉辰楨（2000）運用合作學習的教學策略對四十二位國一學生進行生物科的教 學。研究結果發現，運用POE策略於教學中，對於「提昇學習者觀察與表達想法的 能力」、「幫助教學者了解學習者的先前概念」、「有助於教學活動與生物概念之 整合」等面向可獲得改進；此外，葉辰楨並針對POE教學提出三點建議：「敘述應 具體明確」、「鼓勵學習者表達想法」、「以獲致的結論與相關生物概念整合」。 邱彥文（2000）從國中浮力活動的課室觀察資料、學習感受問卷與晤談資料中 發現，學生對於教師所進行POE教學的反應，多傾向正向的回應；並且提出POE教 學活動能夠提昇學生學習興趣、幫助課業的學習、思考與解決問題能力與增加知識

在生活上的應用外，還包括了解不同想法、增進人際關係與溝通，以及動手操作以 獲得真實的體驗等面向的增強。而影響教師進行POE教學的因素有外在的環境及教 師專業知能等。 蔣盈姿（2004）以POE策略及晤談探究國小六年級、國中二年級與高中一年級等 三個年齡層之學生對於物質可燃性之另有概念及影響因素。發現學生對物質可燃性 概念呈現多樣化、不一致及經驗導向等特徵，多數學生可透過POE活動調整對於物 質可燃性概念之判斷，並試圖解釋其原因。 陳志偉（2004）以POE策略探究34位國小四年級學生浮力概念之學習歷程，研 究發現學生在「物體沉浮」、「水中物體重量會減輕」、「漂浮容器可承載重物」 等三個活動單元中，相關概念的學習都有正向的改變；在POE策略下，研究對象在 過程技能、科學本質、科學態度、思考智能、科學應用與合作學習等方面都有良好 的學習成效。 黃雪錚（2004）以POE策略探究國小二、四、六年級各70位學童對「毛細現象」 所蘊含的可能想法。結果顯示學童對於毛細現象存著多樣化而不一致的想法，且不 同年級學童的概念之間有差異，且發現部分學童在POE之後，出現概念改變的情形。 Fekete和Walker(1997)利用熱力學網路教學資料庫中合適的POE和一些演示實 驗，對一個普通班的大學生進行互動式教學，另外二個普通班和一個進階班則接受 傳統的講述式教學，從課前與課後的訪談及測驗結果，分析比較實驗組與對照組學 生的學習動機，以及學生對於概念理解的差異。結果顯示：學生認為POE策略活 動讓他們感受到這是一個有趣的、令人興奮的、令人滿足的、富有挑戰性的、有收穫 並且會引發思考的活動。

表2-1 國內 POE之實徵研究 研 究 者 年 代 研 究 對 象 研 究 概 述 葉辰楨 2000 國中生 以POE策略設計國中生物科的教學活動，探 討實施的成果與改進。 邱彥文 2001 國中生 探討教師在國中以POE策略進行理化課教 學，評估其教學成效及相關之影響因素。 李家銘 2002 國中低成就生 探討學生在POE教學活動中的電學概念發 展情形之個案研究。 陳淮璋 2002 國小四級生 五年級生 運用問卷調查和POE晤談，探討國小學生對 水溶液概念的認知情形、迷思概念及迷思概 念之來源。 葉淑華 江新合 2002 高中三年級生 以POE為晤談策略，同時採用放聲思考的方 式探究高三學生對鉛直簡諧運動之迷思概 念與產生迷思概念之原因。 林鼎富 2002 國小三、六年級 運用紙筆測驗和POE晤談，探討國小學生對 靜磁概念的理解情形、迷思概念及其成因。 陳沛瑩 2003 _{國小六年級} POE 教 學 策 略 可 以 促 使 學 生 產 生 概 念 改 變，設計適當的POE教學策略將有助於幫助 學童學習「熱」概念。

（續）表2-1 國內 POE之實徵研究 張宗義 2003 國小四年級生 運用POE教學模式探究國小學生在教學前 後對水溶液的概念改變情況。 陳雅麗 2003 國小五年級生 以POE策略探究國小學生在熱學分面的迷 思概念及概念改變歷程。 蔣盈姿 2004 國小六年級生 國中二年級生 高中一年級生 以POE策略及晤談探究中小學學生對於 物 質 可 燃 性 的 另 有 概 念 及 影 響 因 素。 陳志偉 2004 國小四年級生 以POE策略探究34位國小四年級學生浮力 概念之學習歷程。 黃雪錚 2004 國小二年級生 國小四年級生 國小六年級生 運用POE策略探究國小學童對毛細現象的 可能想法，並瞭解不同年級學童的概念類 型、特徵以及差異情形。 林嘉琦 2005 國中二年級 經過POE教學後，學生在溶液觀、擴散運動 觀、溶解度特性的概念都有所成長並提升 思考層次。在POE情境中，學生預測的理由 會以生活經驗為主，也可能是隨意猜，因 此對預測的理由也無法解釋清楚。 王盈琪 2006 國小三年級 接受POE教學策略後，學童在光另有概念診 斷試卷後，概念皆有明顯之進步。大多數 未教學前具有光另有概念之學童，經POE教 學後，可修正轉變至正確的概念。

（續）表2-1 國內 POE之實徵研究 王玉龍 2006 國小六年級生 運用POE策略探究學生對於色光的概念及 概念改變的歷程。 李莘怡 2006 國中二年級生 運用POE教學策略與閱讀教材，探討學生對 於「溶解」迷思概念改變之成效。 趙宏國 2007 國小六年級 以POE策略探究32位國小六年級學童對「混 色光」實驗之推理歷程與另有概念。以POE 活動單及晤談，收集國小六年級學童的混 色光概念，並從中探究受試學童對「混色 光」實驗之推理歷程。 李家民 2008 國小五年級 以POE策略探究國小五年級學童對「地球運 動」概念所存在之另有概念及教學前後的 科學概念改變情形。

表2-2 國外 POE之實徵研究 研 究 者 年 代 研究對象 研 究 概 述 Gunstone & White 1981 大學生 依照預測、觀察、解釋的步驟探究學生對 重力及相關力學概念的瞭解。 Serale & Gunstone 1990 大學生 透 過 以 建 構 主 義 觀 點 設 計 的POE教 學 策 略，探究大學生對於電學的另有概念及概 念改變歷程之行動研究。 Liew ＆ Treagust 1995 11年級生 以POE教學策略進行熱及液體膨脹的主題教 學，探究POE策略對學生概念的影響。 Palmer 1995 職前教師 學生團體 研究職前教師對國小學生實施POE教學，評 估POE技術在小學科學教學的適用性。 Fekete & Walker 1997 大學生 運用POE策略進行熱力學教學，分析比較實 驗組與對照組學生的學習動機以及學生對 於概念理解差異的準實驗研究。 Liew & Treagust 1998 9~12 年級生 探討POE對於診斷學生科學概念瞭解的有效 性。 Rusell 1999 高中生 以POE教學策略結合電腦的實驗課，協助學 生建構知識，促進學生有意義的學習。 Kearney & Treagust 2000 10、11 年級生 呈現一系列數位POE影片，藉由學生相互討論物 理課程的對話過程來確認其概念的理解，發現結 合電腦多媒體與POE教學策略能促進學生有意 義的學習。 （引自王玉龍，2006）

（續）表2-2 國外 POE之實徵研究

Methembu 2001 11年級生

以POE教學法協助教師診斷學生的化學概 念，並促進學生的學習。

Kearney,

Treagust, Yeo & Zadnik et al. 2001 10、11 年級生 以POE教學設計納入多媒體教學資料庫，引 發學生對力與運動概念的學習。 （引自王玉龍，2006）

第二節 概念與另有概念

壹、概念的意義 概念是對具有共同屬性事物的概括性認識。概念分為兩類：一類是具體概念 （concrete concept），指事物的共同屬性具體顯現者，諸如形狀（三角形）、顏色 （如紅花）等做為概念屬性者均屬之。另一類是定義概念（defined concept），指不 能用指認的方式來學習的抽象概念，例如民主、秩序、快樂、痛苦等概念，其中共 同屬性不能具體顯現，只能用概念性的語文涵義表示之（張春興，1996）。 「概念」這名詞被不同領域的學科專家賦予不同的意義，就心理學領域的行為及 認知兩學派而言，行為學派認為概念為一群能產生某特定反應之相似刺激， 而認知 學派則認為概念為一心智活動(黃台珠，1984)。黃台珠提出概念具有三項主要特性， 分別是共同性、符號化及文化特異性。概念的「共同性」是指在物體、事物或抽象 事物中，以相互間之差異或相關，找出分類規則，以分辨出其概念範圍；「符號化」 是因為「概念」本身是存在於人類心智中，必經語言或其化的符號化方式才能與化 人溝通或傳達，但是「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；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

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、暸解及詮釋會有差異（引自王美芬、熊召弟，1995）。兒童科學概念發展的觀 點及隱喻上，巴柏認為概念的改變是單一概念革命式的，發生在任何時刻，而就 個人整體科學概念而言則屬於演化式的改變；孔恩則主張概念的改變是政治革命 式的，整體概念式的類似完形的轉變，發生的時刻則僅在於原先的概念出現危機 的時候；拉卡托斯與勞登則均傾向於視概念改變為一種演化式、漸進式的、而且 是動態持續式的改變歷程。而各種的科學哲學觀點，已形成科學概念研究的多元 理論淵源與基礎（李賢哲，張蘭友，2001）。而概念具有以下的特性（引自王玉龍， 2006）： 一、概念是一種想法、一種符號。 二、概念是由多於一件事物、一個現象或一種事實的經驗累積而成，這是一種概括 性的結論。 三、概念是由眾多經驗形成的抽象想法。 四、概念是人類所造，存在於人類心智之中，用於人類溝通之符號。 五、任一學科的概念可由形成時間的文化型態來決定，文化型態改變，概念的意義 及價值亦會改變。 六、概念系統在經驗考驗下認為不適合時，就必須加以更新。 七、概念具有「抽象性」、「文化性」、「結構性」、「可學習性」、「繁衍性」 等諸多特性。 貳、另有概念

另有概念（alternative conception）之名詞由 Driver 和 Esaley 所提出。學生的 概念架構被視為學生自己擁有的概念，它提供學生大部分日常情境的指引，是學校 科學教學之外的另一種架構（熊召弟等譯，1996）。另有概念為學童對於特定科學 知識有些獨特的想法，這個想法可以用來引導學童認識、了解日常生活所遭遇的

事物，但因為這些想法通常與科學家的科學知識不同，因此稱為另有概念或學童 的科學（李賢哲、張蘭友，2001）。 一、Driver（1996）提出七項學生形成另有概念的主要原因： （一）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。 （二）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。 （三）只注意到改變而忽略穩定狀態：例如學生針對壓力概念，學生通常只考慮不 平衡狀態時的壓力作用，而忽略了平衡狀態時的壓力。 （四）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。 （五）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。 （六）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。 （七）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。 二、Mintzes,Wandersee和Novak（1998）將另有概念和概念理解的特徵歸納成下列

各點（黃台珠等譯，2002）： （一）學習者並非空瓶或白板，他們帶著關於自然的事物上有限但卻多樣的想法 來學習科學概念，這些想法常常是與科學教師或教科書不相容的。 （二）許多另有概念是強烈地相關在年齡、能力、性別和文化層面。這些另有概 念在所有形式的科學課程包括生物、化學、物理、地球與太空科學等都各有其 特性，通常在個別的日常生活上都具有其實用的功能性。 （三）這些想法池經常是頑固的、抵抗的，不容易被傳統的教學策略所改變。 （四）當學習者建構意義時，這些想法與正式的教學產生交互作用，結果形成多 種無意義的學習，由於形式測量的限制無法探出而隱藏著。 （五）學習者堅持的解釋通常類似於早期的科學家和自然哲學家。 （六）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、日常用語 及其它大量的媒體。 （七）課室中的教師亦常常持有與學生相同的另有概念。 （八）成功的科學學習者擁有一個強力的階層、一致的相關概念架構，以及用較 深入、更原則性的模式來表徵他們的概念。 （九）理解和概念改變是學習者自覺地建構意義的認識性的成果。成功的學習者 透過有次序的認知事件，重構存有的知識架構，進而建構意義。 （十）聚焦在理解與概念改變的教學策略是有效的教室工具。 參、兒童科學概念研究的主要派典 依兒童科學概念的發展時期與研究取向大致可分成四種理論派典（王美芬、熊 召弟，1997）：Piaget 的發展派典、Gagnè 的行為派典、Ausubel 的認知派典和建 構派典。

一、Piaget的認知發展派典

歷程，其作用的方式有兩種：一是同化（assimilation ），一是調適（accommodation）。 同化是指當兒童在學習時遭遇到問題，會先將新經驗或新事物納入已存在的認知結 構中；而調適是指既有的認知結構不足以吸收新的學習經驗時，兒童必須改變原來 的認知結構以順應外界的要求。這種概念改變的歷程也就是認知結構改變的歷程， 個體已有的認知結構就是他已有的概念，經由同化或調適的形式而改變過了的新認 知結構，即是他形成的新概念（張春興，1994）。 二、Gagnè 的行為派典 心理學家Gagnè的心理學觀念原屬道地的行為主義，從他在1960年代初期提出 的工作分析與學習階層（learning hierarchy）觀念，可以很清楚的看到刺激反應聯 結結論的型式；1965年發表的學習層次將學習分為八類：訊號學習、刺激—反應 學習、聯結（chaining）學習、口語聯結學習、多重辨別學習、概念學習、原則學 習和問題解決學習。他以資訊處理觀點來解釋學習的歷程與學習的階段，並將其 與教學事件相互配合，提醒教師在教學過程中應兼重學習者的內在條件及學習情 境中的外在條件。他主張對課程設計及教的學習歷程應提供幫助。有幫助的事件 即稱教學事件（events of instructions ）。學生內在學習歷程可分為注意、期望、 提取到運作記憶、選擇知覺、語義的編碼、反應、增強、提取和增強、提取和類 化等九個階段。有效的教學是由教學者慎重地安排學習環境中的事件，使其與內 在的學習歷程滿輔相成（鍾聖校，1999）。在Gagnè 的學習階層中，其第六層次 即為概念學習(concept learning)，認為概念是從許多具體存在的客體中，把其共同 屬性抽象化的結果，椰子樹、含羞草、螞蟻、蝴蝶等是較具體的實物概念；植物、 動物則是上一層的抽象概念；而生物則更抽象化。概念在科學教學中占有極重要 的地位，其正向遷移(positive transfer)的學習理論，強調學習階級的重要性。每個 概念猶如一塊基石，要建立高階級的概念之前，須先具備合乎科學社群認定的先 備科學概念但因概 念只是抽象的存在學生的腦海中，並不具體存在於外界，故學

習 起 來 相 當 困 難 。 教 育 活 動 的 主 要 任 務 即 是 學 習 各 種 概 念 ， 透 過 辨 別 學 習 (discriminative)、上下文義(context)、定義(definition)和分類(classification)等方法來 學習各種概念。至於蓋聶行為派典的概念研究方法有四種（洪瑞英，1998）： (一)字聯想(Words Association)

(二)事例晤談(Interview About Instances) (三)放聲想(Thinking Aloud Protocols) (四)刺激回憶 (Stimulated Recall) 三、Ausubel 的認知派典： Ausubel在他1968年的教育心理學：一個認知的觀點（Educational Psychology : A Cognitive View）一書中的題詞，寫下了一句常被科學教育研究者引用的話：「影 響學習的最重要因素，是學習者已經存有的想法，確知了這個，然後依據這個來教 學。」Ausubel最重要的部分包括分辨「有意義的學習」（meaningful learning）和「機 械式的學習」的區別，學習要有意義，必須要符合三個條件（黃台珠等譯，2002）： (一)教材本身要有意義（亦不是一串無意義的語句）。 (二)學習者必須自己將適當的概念勾掛在新觀念上。 (三)學習者本身一定要自發選擇，並以非任意、非逐字的形式來整合這些新概念。 Ausubel也提出認知同化論中包涵七個關鍵概念（余民寧，1997），包括： (一)機械式的學習（rote learning） (二)提綱挈領(advance organizer) (三)層級學習(super- ordinate learning) (四)含攝學習(subsumption)

(五)統整調和(integration recilliation) (六)漸進分化(progressive differentiation) (七)有意義的學習(meaningful learning)

認知模式與學習歷程經由這七個關鍵概念逐級向上的提昇，學習者會將新概念 與自己原有認知結構中的舊概念或舊命題聯結在一起，不斷整合新舊概念，使之融 合成更完備的知識結構，而達到有意義的學習(陳淑筠，2002)。 四、建構派典： 建構派典源自新科學哲學主義Kuhn、Popper等對於知識論的觀點，也兼採 Piaget、Bruner、Ausubel、Vygotsky等認知心理學的研究後再加以闡發，學說內容主 要歸結成三大原理（楊其安、郭重吉，1990；江新合，1992）： (一)知識是認知個體主動的建構，而不是被動的接受或吸收。 (二)認知功能在適應，是用來組織經驗的世界，不是用來發現本體的現實。 (三)知識是個人與旁人經由磋商與和解的社會建構。

第三節 推理

壹、推理的意涵 教育部國語辭典（2007）的解釋，推理是一種邏輯的思考方式。由已知或假定 的前提來推求結論，或由已知的答案結果，反求其理由根據。凡由因以求果、由果 以溯因、由現象以歸其原理、以原理說明現象等，演繹、歸納、類比的思考活動， 皆稱為推理。推理可融入自然與生活科技學習領域教學中，可提高學生學習的效能； 推理教學使評量命題更趨多元化，讓教學者與學生有更多的互動，促使學生主動學 習(林福貹、劉曼麗，2007)。一般人（正常狀態下的人）皆具有推理能力，古希臘哲 學家亞里士多德說，人是理性的動物，指的就是人具有思考、推理、分別真偽的能 力（劉見成，張燕梅，2004）。下表為國內外學者對推理的定義所提出的見解：

表 2-3 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） 貳、科學推理的認知模式 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。一個學生在上科學課時，很自然的會面對由各方面所創造

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 出來的解決問題的環境，包括學生、老師、教科書、實驗手冊或這些的綜合；而環 境則包括了問題、觀察和結論，其中也許有一部分是由學生提出的環境。在執行控 制的督導下，學生進行認知過程，並架構頭腦中工作區的各種關連，這些關連在問 題、觀察和結論都能產生衝擊。當學生在其工作區中推論某一科學現象時，他們將 適合的事實、原則、技能儲存在長期記憶區內。所謂技能是包括基本科學方法（含 觀察、分類、應用數字和測量、預測、推理）和統整科學方法（控制變因、繪製圖 表、解釋變因、獲取和處理資料等之間的關係、操作型定義、設計實驗和驗證等）， 科學家們在學門中都經常在使用這些方法。在腦中工作區形成之科學推理的產品要 移到長期記憶區以備未來使用。而學生科學推理的最後產品就是理論和模式（熊召 弟等譯，1996）。 問題解決環境 1. 問題 2. 觀察 3. 結論 圖 2-1 科學推理的認知模式（引自熊召弟等譯，1996）

參、推理的類型 一、張春興（1992）認為推理的方式一般分成演繹式推理和歸納式推理兩種，另外 還有一種不按邏輯程序的推理方式，稱為捷徑式推理，茲分述如下： （一）演繹式推理（deductive reasoning）係以普遍承認的原則（或定理定律）為前 提，從而推演到特定的事例並獲得結論。其標準形式為大前提、小前提、結論 組成的三段論法（syllogism）。演繹式推理是遵循程序法則（rule of procedure） 而運作的。 （二）歸納式推理（indeductive reasoning）係由特殊事例歸結為概括原則的一種思 考方式，其主要的特徵有： 1.推理的根據為多個具體事例。 2.多個事例彼此類似，類似之點即為推理的主要根據。 3.類推論證所得的結果，只能視為「邏輯的可能」，而非肯定的結論。 4.在類推論證中，每一個命題所包含的主要名詞都相同。 歸納式推理是遵循機率法則（rule of probability）而運作的。 （三）捷徑式推理（heuristic reasonung）即在問題情境中，個人根據以往解決類似 問題的經驗所累積的訣竅去推理思考的方法。最大特徵是不按邏輯程序去思 考，不按常理去看問題，在時間有限的情境下，由經驗老到的人使用，有時可 收事半功倍之效，但結果卻未必保證成功，如賭徒謬誤（gambler’s fallacy）。 捷徑式推理是遵循經驗法則（rule of experience）運作的。 二、王溢然（2001）認為任何一種科學猜想或假設，都是以一定的經驗材料、實驗 事實和理論知識為出發點的。由於背景不同，產生猜想和假設的思維方法大致 可分為下列幾種方法： （一）類比推理法：自然界中有許多對象和過程，都具有很好的對應性和相似性， 科學研究中常常借助於類比的方法，對陌生的對象與熟悉的對象類比，把未知

的東西與已知的東西類比，從中得到啟迪而提出猜想、形成假設。Dunbar（1994） 在實驗室長期觀察科學家的研究之後發現，科學家慣常使用局部類比（local analogy）（對一個相似領域進行類比）與區域類比（regional analogy）（兩個 領域之間的類比）等兩種方式來使用過去的與其他領域的知識，以增進他們的 研究成果。 （二）歸納推理法：把在特殊情況下已經證明無誤的規律，或對部分對象（或過程） 研究所得的結論，運用歸納推理的方法，提高到一般情況中去，也是提出猜想、 形成假設的一種比較重要的方法 （三）演繹推理法：演繹推理是把已知的一般原理（理論）運用於某一特殊的具體 的場合或對象上，並由此作出對未知事件的猜測或假設的一種方法。 （四）經驗公式法：根據已有的實驗或觀測數據，運用數學方法處理後，可以找出 （或湊出）經驗公式，這種經驗公式由於只是根據有限次數的實驗或觀測取得 的，往往會帶有很大的侷限性。但是，可以在此基礎上作出進一步的猜想或假 設，以便為更寬廣的實驗研究或觀測試驗提供新的線索或探測方向。 （五）直覺思維法：利用突然因某種刺激而引起的聯想，得到啟發，茅塞頓開，發 現端倪或使問題迅速得到解決。 三、周家卉（2006）針對進行國小六年級學童科學推理類型研究，將國小學童推理類 型分為下列七類，說明如下： （一）概念推理：指學童運用本身已有之概念進行推理，其中可再分為科學家概念 推理及另有概念推理。 （二）邏輯推理：指學童能夠運用邏輯方式進行推理，如歸納推理。 （三）類比推理：指學童能將已有的知識，遷移到另一個新的問題情境，將具有相 似性的訊息表徵，進行應對。包含表面特徵類比推理和結構特徵類比推理。 （四）實驗技能推理：是指學童能夠運用實驗技能進行推理，可分為為實驗設計推

理、變因控制推理以及資料解釋推理。 （ 五 ） 經 驗 推 理 ： 指 學 童 能 夠 運 用 過 去 的 印 象 進 行 推 理 ， 但 此 經 驗 並 未 形 成 概念或成為技能。包含生活經驗推理及引述推理。 （六）字義推理：指學童單就字面意義進行推論。 （七）直觀知覺反應：指學生根據直觀知覺進行判斷。 四、Driver、Leach、Millar和Scott（1996）將學生推理的類型歸納為： （一）以現象為基礎的推理：解釋和描述不顯著，而實驗的目的是要去尋找和查看。 （二）以關係為基礎的推理：解釋被視為包含確認和關聯性，在可觀察和認為假定 的實體之間，而不是探索其中原因，探究的方法傾向於確證的和不批評的。 （三）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。 五、Hongan 和 Keller（1996）認為，科學推理通常是科學探究期間（形成問題和 假設→設計研究和收集資料→解析資料和整合資訊→確立結論和溝通爭議）發 生的思考過程，學生在獨自思考或小組討論時產生的推理思考模式有以下六種： （一）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。 （二）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熟悉的例子以了解或說明故事情境、想法或 問題的顯著特徵。 （三）對話的推理（dialogical reasoning）－試著以不同觀點來考慮事物的各方架構。 對話推理有一部分是辯証推理，意在測試對立觀點孰強孰弱。 （四）推論的推理（inferential reasoning）－連結兩個情況作出某些事是如此，因為…… 等等的結論。推論思考的模式有兩種，一為歸納思考，一為演繹思考。前者是 從一些特殊的例子或證據引出結論，並將其一般化，後者是應用一般的原理或

前提推演至特殊事例形成結論。 （五）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。 （六）整合的推理（integrative reasoning）－把不同片段的資訊或知識來源整合成一 體。 六、劉見成、張燕梅（2004）根據不同的劃分標準將推理的類型分成以下五種： （一）以思維進程的方向來劃分，推理可分為演繹推理、歸納推理和類比推理。演 繹推理是從一般原則推到特殊事實；歸納推理是從特殊事實概括出一般性結 論；類比推理則是從某特殊事實類推到另一個特殊事實。 （二）以前提與結論間是否具有蘊涵關係來劃分，事理可分為必然性推理和或然性 推理。必然性推理的前提真則結論必為真；或然性推理由真實的前提只能推出 可能真的結論。 （三）以前提是否包含模態判斷來劃分，推理可分為模態事理和非模態推理。 （四）以前提是否包含複合判斷來劃分，推理可分為簡單判斷推理和複合判斷推理。 （五）以前提數量多寡來劃分，推理可以分為直接推理和間接推理。

本研究希望學生藉由原有的經驗與知識，去推知ＰＯＥ活動裝置之推理結果， 屬於間接推理。根據周家卉針對國小學童科學之推理類型之區分，其中「概念推理」 與「邏輯推理」之演繹推理均屬運用概念進行推理，將其歸為演繹推理。「經驗推 理」中生活經驗與引述推理，若屬假設性概念則屬演繹推理之一部分，若有類推之 對象則屬類比推理（黃柏雅，2007）。本研究與黃柏雅的研究情境相類似，因此「實 驗技能推理」與「字義推理」與本研究情境較無相關，不歸類在本研究的推理類型中。 演繹推理 歸納推理 類比推理 推理 非模態推理 模態推理 完全歸納推理 不完全歸納推理 簡單判斷推理 複合判斷推理 科學歸納推理 簡單枚舉歸納 推理 直言判斷推理 關係推理 聯言推理 選言推理 假言推理 兩難推理 直接推理 間接推理 （三段論） 圖 2-2 推理類型之劃分（引自劉見成、張燕梅，2004）

「直觀知覺反應」之類型，因考量學生會有思索不出答案或原因的情形，因此將其列 入本研究的推理之中。因此，本研究中學童的推理思考模式分為四類，分別為「演繹 推理」、「歸納推理」、「類比推理」及「直覺推理」。 肆、推理的相關研究 一、黃秀青（2005）探討國小學童在電腦益智遊戲的解題活動中，所表現解題策略 與推理思考之過程。以六年級學業成績分別為高、中、低的男女生共六位學童， 透過三種電腦益智遊戲的解題活動，瞭解學童推理思考能力的運用情形，發現： (一)國小六年級學童已有分析推理、類比推理、演繹推理、歸納推理、評估推理、 整合推理等六種推理能力，並且學童大多能有效地運用各種推理能力來解決 電腦益智遊戲問題，而少數表現較差的學童只有類比推理和歸納推理的運用。 (二)學童在各種推理能力的運用時機不同： 1.當有許多明確的選擇要決定時，運用分析推理或評估推理決定。 2.當情境複雜時，運用分析推理解題。 3.當有相似的情境，運用類比推理解題。 4.當情境複雜、有相互影響的情形，運用演繹推理解題。 5.當要找出很多資料的共通性時，運用歸納推理解題。 6.當情境要兼顧許多條件時，運用整合推理解題。 (三)經過電腦益智遊戲解題活動，對大部分學童的數學解題能力是有進步的，且課 業成績越好的學童進步越多。 二、姚志宗（2005）在以POE策略探究35位六年級學生在「月相類比模型」中使用 的推理技巧、概念改變以及概念發展的歷程。其中有關推理方面指出： (一)實驗中當學童進行預測時傾向於使用演繹和類比推理；當學童進行觀察和解釋 時傾向於使用歸納推理。 (二)學童會歸納出非科學概念。

(三)類比推理能做出正確預測，但未必產生概念改變。 (四)演繹是在驗證暫時性理論。 三、吳佳玲、張俊彥（2002）在「高一學生地球科學問題解決能力與其先備知識及 推理能力關係的初探研究」中指出： （一）學生問題解決能力與其先備知識及推理能力間均接近顯著之中度正相關及大 的效果量。 （二）推理能力與「發散思考」間有大的效果量的關係，在「發散思考」上更應著重 在「推理能力」的培養，而「收斂思考」應更強調「先備知識」的建立。 四、Tytler 和 Peterson（2002）研究國小低年級針對三種研究設計，對蚯蚓、物體 的浮沉、紙蜻蜓的飛行，採開放性的探究，利用事件晤談，了解學生科學推理的 特徵如下： (一)學生探究的本質：有些學生是沒有系統的觀察或比較，或是提出與某些想法、 理論有關連的推論洞察，甚至可能進行驗證假設。 (二)探究過程的深度：有些學生只是單純現象的描述，但是卻有部分學生會發展出 確認資料的模式，並且發覺有一個原理存在，進而能解釋出一般的通則。 (三)當概念衝突時：學生會以多元觀點來解釋個別現象，沒注意到解釋的一致性，也 沒發現異常現象，有些則會修正解釋，改變觀念做合適的解釋，確認異常現象的 存在。

表2-4推理相關研究整理表 研究者 年代 研究對象 研究概述 張美玉 吳玉明 1999 國小六年級學童 一、教師讓學生有猜測和解釋的機會，可以 幫助學生澄清科學概念。 二、影響學生預測、解釋以及推理能力的因 素有： （一）教師的引導。 （二）舊經驗的影響。 （三）和同儕相互辯證的結果。 （四）閱讀課外書籍的有無。 （五）個人意願。 （六）分組討論的結果。 蔡秋霞 2001 國小五年級學童 多元智力為理論基礎教學的國小高年級學 生在推理能力的表現以及推理能力的進步 情形顯著優於接受「傳統式教學」的學生。 邱美虹 林靜雯 2002 國小四年級學童 多重類比有助於學生電學概念的學習。 吳佳玲 張俊彥 2002 高一學生 高中學生先備知識及推理能力的增強，應有 助於提升他們在地球科學上的問題解決能 力。 許琇薇 2002 國小三年級學童 教學組學生對於「類比推理教學方案」是 持正向的學習態度與反應。 周家卉 2005 國小六年級學童 國小學童科學推理類型分為概念推理、邏輯 推理、類比推理、實驗技能推理、經驗推理、 字義推理及直觀知覺反應等七類。 陳昱蓁 2006 幼稚園大班及國 小二年級 POE教學能改變幼小階段兒童速度概念之 推理策略。

第四節 磁力概念

磁鐵在日常生活中的應用非常普遍，學生幾乎每日都會接觸到，而其中與磁鐵 相關之概念在家庭用具、電器上的應用、學用品與磁鐵玩具亦非常多，學生常見的， 如冰箱的門、固定門的磁鐵座；包含在內的有家中的電話、電鈴、電視等都是與磁 鐵有關；而學用品中，如鉛筆盒、在黑板上固定教具的磁鐵；而磁力玩具更是不勝 枚數。因此，磁力概念對學生而言是親切但又重要的。而研究者也發現學生普遍都 瞭解磁鐵可以吸引某些物體，但對於其原理則無法描述，甚至存有許多的迷思概念， 例如：認為磁鐵隔著墊板可吸起迴紋針，但隔著布則不能吸起迴紋針，由此可知， 學童對於磁鐵超距力概念存有迷思概念（林鼎富，2002），而鄭如琳（2000）亦發現 學童在「磁」概念方面持有十三種迷思概念。 壹、林明軫（1994）的研究 林明軫亦發現四到六年級學生存有磁力的迷思概念如下： 一、不論任何形狀的磁鐵磁極的位置都在兩端。 二、磁力是包含在地心引力之內。 三、磁化的產生必而要和磁鐵摩擦。 四、鐵會吸收磁鐵的磁力。 五、鐵本來就有磁力。 貳、林鼎富（2002）的研究 林鼎富對國小三、六年級的學童進行磁力概念的研究，發現學童對於磁鐵概念 有以下 10 種錯誤的思考模式與 20 種迷思概念： 一、有關磁鐵概念的 10 種錯誤思考模式： 有關磁鐵本質的部分 （一）直觀模式：直覺地以磁鐵外形判斷磁力的強弱。學童 若 持 此 思 考 模 式 則 會 以 直 觀 的 想 法 認 為 外 形 大 的 磁 鐵 可 能 因體 積 較 大、重 量 較 重 所 以 磁 力 較

強。或 者 認 為 外 形 大 的 磁 鐵 磁 力 擴 散，外形小的磁力集中所以小的磁鐵 磁力較強，甚至認為馬蹄形因為「彎彎的」所 以 磁 力 集 中 ，亦 或 因 為 被 彎 曲 了 所 以 磁 力 分 散 等 ，以 天 真 直 覺 的 想 法 來判斷磁力的強弱。 （二）等同模式：認為被磁鐵吸引的物質，亦具有如磁鐵的磁性。等同模式是指學 童將鐵認為具有磁力，若以微觀的觀點而言，鐵的確具有磁性。然而在國小的 課程裡卻未涉及此一概念，因此在本研究中 將此一想法判定為迷思概念。 （三）整體模式：認為磁鐵若破裂了，因失去完整性使得磁力消失。此一模式和下 述的各區段模式有相關聯之處。持此思考模式的學童會以「整體」的觀點看待 物質。若物質遭到損壞，則失去其「能力」，以磁鐵而言，能夠吸鐵是磁鐵的 「能力」，但遭到破壞後則失去此一「能力」。 （四）大區段模式：將磁鐵視一大段。持此一模式的學童會將磁鐵每個部位的磁力 強弱都視為相同。 （五）二區段模式：將磁鐵區分為兩段。將磁極在兩端的長條形磁鐵，從中區分為 兩段一段為北極，另一段為南極。若從中斷裂了，學童可能誤認為某一段整段 為北極，另一段整段為南極，若不加以教學，可能會誤認為有磁單極存的想法。 另一方面也可能因為斷裂後，南北極沒有接合在一起故失去磁性。也可能將兩 段視為獨立的個體，所以若某一段受損了，另一段的磁力會比較強。 （六）三區段模式：將磁鐵區分為三段。持 此 一模 式的 學 童 是 將 磁 極 在 兩 端 的 長 條 形 磁 鐵 分 為 三 段 ， 左 右 兩 段 是 磁 極 的 部 分 ， 一 段 為 北 極 ， 另 一 段 為 南 極 ， 另 一 段 則 為 中 間 部 位。中間區段的磁力強弱抑或沒有磁力，可 能會影響學童在思考：磁 鐵 若 從 中 斷 裂 後 ， 其 磁 極 分 部 的 狀 況。 而 如果 斷 在 北 極 區 段 ， 斷 裂 後 的兩塊磁鐵會因同樣是北極而不能接合。 （七）粒 子模式：把「磁性」想像成粒子，N、S極是粒子的聚集處。持此一模式 的學童是將磁性想像成粒子，有N極 及S極粒子。磁極是「粒 子 」的聚 集

處，而 中 間 的 部 位 會 因「 粒 子 」較 少 所 以 磁 力 較 弱，甚 至 因 彼 此 的 相 互 抵 消 使 得 中 間 沒 有 磁 力。另 一 方 面 當 某 一 極 在 作 用 時 (例 如：吸 引 )，可 能 因 粒 子 集 中 在 此 處 ， 所 以 此 時 此 極 的 磁 力 大 於 另 一 極。 有關磁場(超距力)的部分 （八）阻隔模式：阻隔物會阻隔磁力。磁場是超距力的一種，其力量的強弱與距 離有關。但學童若持此一思考模式會以「力」的觀點看待「磁場」，因此阻隔 物的材質若不同，「磁力」受影響的程度就不同。 （九）傳導模式：磁力經由介質傳導。磁 場 是 超 距 力 的 一 種，可 不 接 觸 但 仍能 作 用 是 其 特 性。但 學 童 若 持 此 一 思 考 模 式 會 以「 力 」的 介 質 觀 點 看 待「磁 場 」 的 作 用 方 式， 因 此 誤 以為「磁力」需靠介質傳遞。 （十）阻隔物特性模式：阻隔物本身的特性影響磁力。持 此 一 思 考 模 式 的 學 童 ， 會 認 為 阻 隔 物 本 身 的 特 殊 性 質 會 影 響 磁力 ， 例 如 ： 水 的 浮 力 、 壓 力 ， 玻 璃 的 材 質 較 細 密 、 表 面 光 滑 等 。 而 不 是 正確的超距力觀看待磁 場的作用。 二、有關磁鐵概念的 20 種迷思概念： 有關磁鐵本質的部分 （一）認為可被磁鐵吸引的物質也有磁性。 （二）磁鐵可吸引金屬類物品。 （三）磁鐵破裂了磁力會消失。 有關磁極的部分：主要是學童不清楚磁極的定義。 （四）將磁極名稱稱為正、負極。 （五）磁極在兩端的長條形磁鐵，從中斷裂後的磁極分佈錯誤。 （六）認為磁鐵的南北極與地理的南北極有關。 （七）認為只有磁極才有磁力，其餘部分沒有。中間 是N極跟S極集中的地方，

所以磁力會互相抵消。因此中間沒有磁力，磁力分散在兩端。 （八）認為長條形磁鐵的磁極磁力最弱，中間最強。N極、 S極 的 數 目在兩端 比較多，中間比較少所以中間的磁力較弱。 （九）認為只要是長條形磁鐵其磁極位置都在兩端。 （十）認 為 兩 極 的 磁 力 強 度 ， 會 因 某 些 因 素 (某 極 在 作 用 時 、 被 火 燒 過)使 得兩極磁力強弱不相同。 （十一）有磁單極存在的想法。 （十二）長條形磁鐵從中斷裂後，認為斷裂處都可再復原接合。 （十三）長條形磁鐵每個位置的磁力都相同。 有關磁力(磁場)的部分：主要是不清楚超距力的現象。 （十四）水會阻隔磁力。 （十五）水會瓦解磁力。 （十六）阻隔物會阻隔部分磁力(如：玻璃)。 （十七）阻隔物會完全阻擋磁力。 （十八）以傳導觀替代超距力觀，例如：水中的迴紋針可被磁鐵吸引是因為， 水有磁性或水可傳導磁力。 （十九）空氣可傳導磁力。 （二十）外形大的磁鐵磁力較強。 參、葉誌鑑(2002)的研究 葉誌鑑亦認為學童對磁鐵具有以下的迷思概念： 一、在磁鐵本質上包括: （一）鐵的東西本身就有磁力,可以和磁鐵互相吸引。 （二）磁極名稱有 N 和 S極，也有陰極和陽極，正極及負極，鐵裡面還有陰陽兩種

鐵分子。 （三）磁鐵的磁力在左右兩端比較強，所以圖形磁鐵打斷時N-S和N-S兩塊，還會恢 復成原來的樣子。 （四）磁極是在磁鐵的對稱的兩面或面積較大的面。 二、在磁力方面有: （一）磁力的來源是地磁或地心引力而來的。地磁包含在地心引力中，前者吸鐵， 後都吸絕緣體。 （二）鐵粉就是磁粉，有磁粉就有磁力，沒有磁粉就沒有磁力，所以鐵釘摩擦磁鐵 會帶有磁力是磁粉帶在鐵釘上。 （三）磁鐵摔斷磁力會消失或發散掉。 （四）磁棒豎立，上端的磁力會消失，下端的磁力受地心引力作用會拉直或變大， 原因是下面磁粉吸多。 （五）紙或水會阻擋磁力的進行，造成磁力減弱甚至消失，阻擋的原因是水有水壓 會抵抗磁力，就像鐵的輪船不會被吸入海底一樣。 三、在磁化現象的解釋上: （一）迴紋針或鐵的東西會吸收磁鐵的磁力。 （二）迴紋針和鐵彼此會互傳磁力。 （三）要摩擦才會有磁力，摩擦愈久磁力愈力大。 肆、美國達拉斯大學物理系網站 美國達拉斯大學物理系網站http://phys.udallas.edu/C3P/Preconceptions.pdf上列 出了在有關「磁」的方面有以下的迷思概念：磁鐵的N極和S極和電荷的正負極相同 磁場和電場相同靜電荷能產生磁場磁鐵的磁場並不是由電荷的流動產生的。 伍、Barrow(1990)的研究 Barrow(1990)研究指出美國兒童普遍存有的磁力的迷思概念：

一、學生對於磁力的作用，吸引的概念比排斥的概念多。 二、學生對於圓盤形的磁鐵較不熟悉，尤其是磁極的位置。 三、學生會認為磁鐵的兩端磁力較強（或末端），即磁極是位在兩端，但圓盤形磁鐵並 無端。 由以上的文獻可知，學生的磁力概念可能存有很多的另有概念，值得我們去研究 與討論。以下則列出現在的九年一貫課程「自然與生活科技」領域有關電與磁概念之 教材的內容細目表如下：細目編號：1 代表國小一二年級、2代表三四年級、3代表五六 年級、4 代表國中一二三年級。a、b…為流水號。例：222-1a 為次主題222之第1階段(一、 二年級)a項教材「察覺磁鐵會吸引含鐵的物體…」 表2-5 九年一貫課程「自然與生活科技」領域有關電與磁概念之教材內容細目表 課題、主題、次主題 與磁有關的教材內容細目 課題：自然界的作用 主題：交互作用 次主題：222 電磁作用 磁鐵 1a.察覺磁鐵會吸引含鐵的物體，且能隔空 透過紙、木片、玻璃來吸引鐵釘磁性。 3a.察覺磁鐵具有兩極，同極相斥，異極相 吸、載流導線產生磁場。 3b.知道指北針的偏轉是磁針與磁場(地磁 或導線通以電流)交互作用的結果電與磁 的關係。 4d.探討電與磁的關係(如電流會產生磁的 作用、磁場的改變會產生電動勢、載流 導線在磁場中會受力。