以序列性POE探究大學生之科學解釋的研究—以「大氣壓力與表面張力」為例

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(1)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. 人類觀察自然，並且研究各種現象變化的道理，因而產生科學（教育部，2003）。科學能提供我們以邏輯方法來思考日常生活事件及解決實際面臨問題的方法，科學的內涵包括科學概念、科學過程與科學態度（王美芬、熊召弟，1995）。自然科學的學習，在於提升國民的科學素養，具有科學素養的人能確實應用適當的科學概念、原理、原則及理論於所處的環境中，能運用科學過程技能來解決問題，作正確抉擇及拓展自己對環境的瞭解（王美芬、熊召弟，2005）。由上述可知科學過程技能的重要性。 Finley（1983）指出科學過程技能的規準為：（1）每一個過程是一種特殊的心智技能，為所有科學家所使用，並可應用到對任何現象的了解；（2）每一個過程都可以在科學家探討的行為中發現，並可以被任何學生學會；（3）這些過程技能可以普遍應用到不同的學科內容中，並有助於日常生活中的理性思考。另外，王美芬、熊召弟（2005）亦指出「科學過程技能」是科學家使用的方法與技能，不只展現在自然與生活科技中，也可應用於處理其他事物；且過程技能基本上是一種能力，有此能力，則知道如何處理問題，因此對學習者而言科學過程技能是非常重要的，學習者能照著這些方法、步驟去進行科學活動。依 1992 年所公佈的第二次國際數理教育評鑑（International Assessment for Education. 1.

(2) Progress，簡稱 IAEP）結果，楊榮祥（1994）指出我國無論是 13 歲級或 9 歲級學生的數學及科學的筆試成績，在所有參與的美、英、蘇、加、法、韓等 20 個國家之中都是名列前茅，但學生似乎只重視知識的記憶，忽略了科學的思考能力、統整所學知識的能力和運用所學知識解決問題的能力等，這顯現出學生缺乏科學方法的訓練；另一方面，在實作測驗中表現的觀察能力亦缺乏訓練，其他各國學生通常能觀察許多項目，而我國學生則只能觀察記錄最顯著的一、二項，無法運用五官作深入觀察並記錄，同時也有不少學生不會區別觀察和推論，在自創方法以及實作方式解決問題的能力上亦表現不佳。近年來，國內外的教育改革，對於科學過程技能的培養日益重視。以國內而言，教育部於九十二年訂定之國民中小學九年一貫課程自然與生活科技學習領域綱要的設計理念，強調學習應以學生為中心，以觀察、詢問、實驗與歸納等方式來進行科學的探究和實作，強調手腦並用、活動導向、知能和態度並重，以激發學生探索科學的興趣與熱忱，培養學生獨立思考、解決問題的能力。在國外則以美國科學促進協會（American Association for the Advancement of Science，簡稱 AAAS）在西元 1967 年提出，依其所設計發展的小學科學過程計劃「科學-過程取向」中（Science-A Process Approach；S-APA），被廣為運用的十三種科學過程技能；這些過程技能被定義為一群可轉移的能力，適用於許多科學領域，並能反應科學家所從事的活動，S-APA 將科學過程技能分為基本的和統整的科學過程技能兩部份，基本的或簡單的過程技能為學習複雜的統整過程技能的基礎（王美芬、熊召弟，1995），其中解釋資料（interpreting data）的原意為對觀察所得給予合理解釋的過程，目的是進一步產生推理、預測與假設；狹義而言是指能採用特殊方式和技術傳達的資料，做口語化說明的能力；換言之，學生在解釋資料時，必須再思考其合理性，才能對其推理、預測或假設，甚至是對非預期的實驗結果作合理解釋。科學教育多年來常被詬病的缺失之一是：學生經常只是學習到片段的知識，缺乏科學推理、解釋資料的能力（許良榮，2005）。對於學生偏向記憶式的學習方式，迎合評量，重視評量的分數高低而忽略科學過程技能的重要性和能力培養，是科學教育的一大. 2.

(3) 隱憂。Pallrand（1996）認為：解釋是科學教育的中心，學生透過解釋展現出對現象的理解，提供教師瞭解學生的知識組織架構，進一步瞭解學生的想法。因此，解釋自然科學的能力是一種過程技能，可以提供教師與研究者進一步知曉學生的概念與想法，並提供改進科學教學的參考。另外，語言的功用是傳意與溝通，也是個體思考的工具；我們以語言為媒介，與他人溝通，表達出自己的觀點與想法，對一個自然現象的解釋是否能清晰明瞭，能否靈活運用語言具有重要的影響，因此「語言能力」多少是影響個人思維的重要因素（熊同鑫，2000）。Hempel（1966）認為實證的科學在其主要的分枝中，不只是描述我們所經歷的自然現象，而且還要解釋或了解它們。由此，可知解釋在科學教育中是重要的，因此，本研究欲瞭解學生的解釋能力，並由所蒐集的資料中分析學生的解釋類型。由 White 和 Gunstone（1992）所提出的 POE 策略包含預測（predict）-觀察（observe） -解釋（explain）的三個步驟，POE 的活動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，隨即進行實驗操作，讓學生觀察並紀錄下觀察到的現象，要求學生解釋預測和觀察之間的不一致，可用來確認學生的概念與科學理解， POE 策略被廣泛使用於探討學生迷思概念（李家銘，2001；陳淮璋， 2002；王玉龍，2006；Methembu, 2001），亦可做為教學策略（葉辰楨，2000；張宗義， 2003；Searle & Gustone, 1990；Liew & Treagust, 1995；Kearney, Treagust, Yeo & Zadnik, 2001）。在關於 POE 的研究與文獻中，發現學者所採用的 POE 策略均是應用單一實驗或是多次無關聯性的 POE 來進行探究學生的概念，雖然這可以知曉學生如何運用相關科學概念於真實情境中，瞭解學生的概念與想法，但卻無法知道學生對於相關聯的情境或只改變其中一個變因時，又是如何解釋及能否運用相關科學概念解釋於更多的真實情境與日常生活情境。 Thagard（1992）在《Conceptual Revolutions》一書中提到，當我們試圖解釋一件懸疑的事情，或者為了解釋一些已知的事實而提出假說，通常會有好幾種可能的解釋，但. 3.

(4) 最後勝出的總是解釋融貫性最佳的一個；解釋融貫性理論描述了科學史上一些重大的理論被取代的機制，例如燃素論的衰微、演化論取代神創論等等，說明一個假說之所以成立或被取代，皆是取決於其解釋融貫性，假說解釋更多，就會更加融貫及更可接受，有較高的解釋融貫性。許良榮（2005）所發展的「序列性 POE（Sequential Predict-Observe-Explain； S-POE）」實驗設計是以 POE 策略與 Thagard 所提出解釋融貫性的理論為根基，改變一連串 POE 實驗中的一個變因，想要從中了解學生對單一變因的自然現象如何提出解釋。許良榮（2005）用「序列性 POE」的理念設計一份以「大氣壓力」與「表面張力」科學概念為主軸的紙筆測驗，以自然科學教育學系 29 位大二學生做為施測對象，研究結果顯示具理工背景的大二學生對基本自然現象的解釋能力不足，且呈現情境相依(context dependence)的現象，缺乏「解釋融貫性」，為何有此現象，值得進一步深入研究。基於上述，本研究以許良榮（2005）所發展的「序列性 POE」為研究策略，以個別晤談方式蒐集資料來探究大學生對「大氣壓力、表面張力」之科學解釋說明能力以及「解釋融貫性（explanatory coherence）」的特徵，以期更加深入了解學生的科學概念，知曉學生如何運用相關知識原理解釋自然現象。. 第二節研究目的與研究問題. 壹、研究目的根據上述之研究背景與動機，本研究主要之目的在以「序列性 POE」策略及個別晤談的方式探討大學理工與非理工背景學生對於自然現象的科學解釋能力與解釋類型，並嘗試從中尋找出其「解釋融貫性」的特徵。. 4.

(5) 貳、研究問題基於上述研究目的，本研究欲探討下列問題：一、大學理工與非理工背景學生對於與「大氣壓力、表面張力」有關的自然現象的解釋能力為何？二、大學理工與非理工背景學生對於與「大氣壓力、表面張力」有關的自然現象的解釋類型為何？三、大學理工與非理工背景學生對於與「大氣壓力、表面張力」有關的自然現象的「解釋融貫性」的特徵為何？. 第三節名詞定義. 針對本研究所提及之相關名詞，在本節加以闡述。. 壹、序列性 POE（Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE） POE 策略是在活動中採用預測（Predict）、觀察（Observe）、解釋（Explain）三個步驟的晤談策略，在活動中先要求受訪者對所呈現的真實情境運用其原有的知識進行預測，並說出預測的理由，隨即進行實驗操作，讓受訪者觀察並說出觀察到的現象，最後由受訪者解釋預測和觀察之間的不一致。本研究所指的序列性 POE（Sequential Predict-Observe-Explain； S-POE）是指許良榮（2005）所發展的「序列性 POE」實驗設計，此以 POE 的策略為基礎，設計一連串相互關連的 POE，以探討大學生對於自然現象之解釋說明能力以及「解釋融貫性」的特徵；每個 POE 之間只改變其中一個變項，讓學生依 POE 實驗的先後順序預測結果、觀察現象並針對現象做出解釋或解釋預測結果與觀察現象之間的衝突。此序列性 POE 實驗設計所涉及的科學概念是關於「大氣壓力、. 5.

(6) 表面張力」。. 貳、科學解釋能力（the ability of scientific explanation）科學解釋又稱為科學說明，就是人們為了理解世界、改造世界而借助於科學理論來解答在實踐中所遭遇到的疑難的活動（陸健體，1994）。本研究參考 Reiser, Tabak, Sandoval, Smith, Steinmuller 和 Leone（2001）所提出關於科學解釋清楚的標準，其標準為：一、解釋應描述因果機制：學生在學習活動中被要求建構解釋，對為何會發生這樣的事件提供因果關係的說明。二、解釋要符合觀察的資料：學生的解釋要描述到在特殊狀況或現象中，與理論連結的部分。本研究以晤談方式蒐集大學生對「大氣壓力、表面張力」之 POE 實驗的科學解釋內容，並以上述所提之標準分析所蒐集到資料，探討學生對自然現象提出符合邏輯，具合理性與正確性的科學解釋。. 叁、解釋類型（types of explanation） Dagher & Cossman（1992）將國中科學教師的科學解釋區分為類比的、擬人化的、功能的、溯源的、機械的、形上學的、實用的、理性的、套套邏輯（循環論證）的與目的論的等十種。本研究以晤談方式蒐集大學生對自然現象的解釋內容，參考Dagher 和 Cossman（1992）研究之解釋類型結果來歸類及決定其解釋類型，來判別大學生的解釋類型。. 肆、解釋融貫性（explanatory coherence） Thagard（1992）提出解釋融貫性理論，以解釋的力量來評估理論的優劣；不同的. 6.

(7) 科學理論涵蓋不同層面的「解釋融貫性」，新的各命題之間所使用的概念更能彼此解釋，則有較高的解釋融貫性，故解釋融貫性因解釋關係而相互扶持（hold together），從好幾種可能的解釋中，找出最佳的一個。本研究所指的「解釋融貫性」是以 Thagard（1992）的觀點來看大學生對前後實驗只改變一個變因之 S-POE 實驗設計所提出的解釋是否相互扶持、連貫與是否具有前後一致的解釋，其解釋融貫性的特徵為何。. 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在研究學生的科學解釋方面，以大學生為對象的研究不多，大學生具備了口語表達溝通的能力，因此本研究將研究對象設定為大學生，包括理工以及非理工背景大三學生各二十名，合計四十名為晤談的樣本。理工背景學生為自然科學系學生，而非理工背景學生為排除自然科學系學生與高中階段屬於二、三類組的學生，例如體育教育系。. 二、研究內容的範圍本研究所探討之概念範圍為「大氣壓力、表面張力」方面的五個 POE 實驗情境，研究內容範圍是依據晤談結果而來。. 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. 7.

(8) 之大學理工與非理工背景大三學生各二十名，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「大氣壓力、表面張力」方面的五個 POE 實驗，不宜推論學生對於其他情境上的科學解釋。. 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。. 8.

(9) 第二章文獻探討. 本章共分六節，第一節首先探討「解釋」與「科學解釋」的意涵；第二節探討科學解釋的評量；第三節探討解釋類型的相關研究；第四節探討解釋融貫性；第五節介紹 POE 的理論基礎；第六節介紹 POE 的實徵研究，整理並概述國內外有關 POE 的研究。. 第一節「解釋」與「科學解釋」的意涵. 科學教育學者將科學解釋作為評鑑學生概念的依據之一，哲學家、物理學家與科學教育者對於「解釋」除持有不同的觀點之外，其所關注的問題也是分歧的。哲學家的科學解釋著重於邏輯結構，物理學家將科學解釋視為科學範疇中依照規則（rules）操作的一部分，而科學教育者則站在較寬鬆的哲學家的定義上，將理解加以應用與擴展到教學或學習上，進而研究科學解釋（Edgington，1997）。. 壹、解釋（explanation）的意涵一、哲學辭典對解釋的定義解釋(explanation）：源自拉丁文 explanare（展開、伸展、說明）。一般來說，是使某事成為可理解、合理的或熟悉的。現象的解釋，不同於現象的證明，在於如果一個人要求一種解釋，這就假定有被解釋的現象存在。而如果一個人要求一種證明，則這就假定這個事物可能並非已經出現，必須提出它們出現的某種證據。而各解釋也有其各種不同的意義，有所差異，敘述如下（引自段德智、尹大貽、金常政譯 Angeles, 1999）：. 9.

(10) （一）功能的解釋（functional explanation）：用描寫一個事物在其存在時，各成份之間相互聯繫的活動（功能、作用）來對現象作出解釋。如：對「為什麼會有心跳？」作出功能性解釋，就是以諸如血液循環和作為心跳基礎的心臟和肉體的哪些部分的物理、化學的功能來說明心跳。（二）整體的解釋（holistic explanation）：用整體（形式、總體、統一體）的功能（目的、特性、活動）對現象作出解釋，認為整體是它的部分指導原則。用整體的功能來解釋整體的各部分活動。（三）機械的解釋（mechanistic explanation）：描寫在一個複合體中，一個部分如何與其他部分發生機械的相互作用。（四）有機論解釋（organismic explanation）：這種解釋把一個整體的特性看作是有別於個體部分（或部分的群組）的特性，以及對於解釋某些事物是必不可少的，就如對各個部分的相互作用分析對於它的解釋是必不可少的一種。整體被認為不僅僅是其各個部分的量的總和，而且在質上與它們總和有別。（五）目的論解釋（teleological explanation）： 1.按某物所完成的某種目的（結果、目標）所做出的解釋。 2.用達到某種目標或某種目的的活動所做出的解釋，通常這種目標或目的是預定或計畫好的。 3.以涉及某物所正在追求的，或為了這種追求而發生的過程，以走向未來的事情（目標、目的、終結、結果）而解釋現在和過去的事情。它用先在的條件解釋現在的和任何未來的事件。 4.適合用於（適應於、協調於、相應於、適當於、相當於）完成整體的目的和需要這個整體的各部分的相互關係結構和活動而作出的解釋。（六）科學解釋（scientific explanation）：通過描寫一個事物的結構和過程是什麼而使某物成為可理解的，和（或）表明一個事物如何完成它的活動。科學解釋. 10.

(11) 的基礎是： 1.用歸納-演繹方法（inductive-deductive methods）從事（經驗觀察）形成概括化（generalization）（理論）。 2.把這些事實與這種前後一致的和系統的概括化體系聯繫起來，也和已經累積和以為人們所接受（已被肯定、已得到證實）有關的事實聯繫起來。 3.引出對概括化體系論這些事實可能具有的邏輯和經驗的含義和系統。 4.建構一種對這些事實和概括化的辯解（justification）、認證. （confirmation）、. 驗證（verification）。 5.表明這種事實是可以在數量上被計算（被推演）的，或從這種概括化體預測到的。哲學辭典中解釋有各種不同的意涵，定義上有所不同，甚至彼此是互相對立的，其中之一的科學解釋是很重要的一類，此為本研究所關注的焦點所在。. 二、對解釋的看法解釋（explanation）的意義為何？ Solomon（1986）認為科學是對大自然所發生的一切要盡可能地去解釋。Liption（1993）對解釋的看法則是：當我們對生活周遭的發現感到不滿足時，我們想要知道「為什麼？」，且所運用的推理可提供作為解釋之用。黃達三（1998）亦曾就解釋下了簡單的註解，他認為「解釋」就是對事件、現象的分析說明，使人有解惑、了解事件的真相及現象發現的內部機制的功能。 Ohlsson（1992）則認為解釋在科學家追求認識與理解自然世界，以及學生追求學習與了解科學現象的過程裡，扮演著核心的角色，解釋是理解的呈現，而且是提供個人思考的一扇窗；解釋不僅使人了解，更提供了個人思考的空間，學生建構解釋的能力可視為「理論的結合（theory articulation）」的過程，理論的結合與認識抽象的理論原理不同，它是指原理與具體事實之間所架構出橋樑的能力；若干相關的科學理論能夠連結，需要. 11.

(12) 成功的解釋，故成功的解釋乃是基於許多典範的解釋模式，來應用在具體的事實或現象上。 Hempel（1966）認為解釋物理世界的現象是自然科學的基本目標之一，科學家做實驗是為了尋找事情是如何發生的合理解釋；科學家們的解釋有其一番不同於日常生活的解釋，它包含了想像、隱喻、重述與建模。因此，解釋是對事物與現象說明的過程，連結原理與具體事實之間的橋樑，促使他人更加理解個人內在想法。. 三、描述與解釋的區分一些學者專家認為描述與解釋是有所不同的，紛紛對兩者提出看法並加以區分，略述如下：Bateson（1979）認為「描述」和「解釋」間是有所區別的，「描述」是沒有關聯純粹的片段資料，「解釋」則是在各片段的資料之間產生連結，且進一步說明，解釋一件事物就像在因果關係的邏輯系統上繪製一幅地圖；Horwood（1988）則將「解釋」與「描述」加以劃分，他認為「描述」是指現有知識單純的呈現、無網狀的連結關係，而「解釋」是連結相關知識，或將知識建立於因果關係的系統上。Edgington（1997）亦提出「描述」與觀察是相關的，且認為「描述」有別於理論，而「解釋」則是與科學理論有所關聯，「解釋」於教學上表現出科學本質所隱含訊息的特性，讓教師擔任不同的角色以達成不同的課程目標，同時對現象的解釋常使用於評量學生實際的理解程度。由此可知，「描述」是現象或事物的直觀陳述，單純的資訊呈現；而「解釋」是運用相關理論來說明現象或推論，將個人內在想法表達出來，使他人更加清楚明瞭。因此，解釋是科學教育的中心（Unsworth, 2001）。以 King（1994）對解釋的看法做為結論，King 認為解釋是：（一）解釋不僅是告訴別人「這是什麼」或描述而已；而是回答如何發生和為什麼會發生的問題。（二）解釋應該用自己的話來說，不是重複已經知道的和記憶的內容。. 12.

(13) （三）通常我們運用已知的資訊，使解釋更清楚。（四）解釋通常是兩件事、想法的連結，或想法和過程的連結。. 貳、科學解釋（scientific explanation）的意涵一、科學解釋科學解釋（scientific explanation）又稱為科學說明，可被視為試圖對「為什麼」的問題提出解答，而科學解釋是科學理論的一種運用（陸健體，1994），科學解釋可以讓我們了解自然現象，進而預測並控制它們；科學解釋在展開的過程中可分為兩個層面，一個是做為推論的說明（explanation），也就是對「為什麼」這種形式的問題所做的回答，另一個則是做為傳遞行為的說明（explaining），亦即科學教師對學生解釋科學的概念。 Zuzovsky 和 Tamir（1999）認為科學解釋能夠讓我們了解自然現象發生的原因，因此才能預測與控制自然現象，誠如 Hempel（1965）所說的話：在實徵科學所有的主要分枝中，要找尋的不僅僅是描述我們經驗世界裡的現象，更需要理解這些現象或提出解釋。陸健體（1994）認為科學解釋是科學理論的運用，主要是消除提問者的困惑，科學解釋不可能是純思維過程，而是一種語言行為，是解釋者透過寫或說的形式表達出若干語句，與提問者交換信息的過程。科學家解釋科學，經常是與科學理論或定律有關，而學生解釋科學現象常反映出學生原有的想法或概念架構為何（張綺砡，2000）。許良榮（2006）亦指出學生如何解釋自然現象與其具備的科學概念有密切的關係，進行「解釋說明」必須運用心智中既有的科學知識或概念，將相關的知識或概念進行合理的組織之後，提出最合理的解釋，如果先備知識不足，則難以提出合理、合邏輯的科學解釋。因此，運用既有的知識或概念進行科學解釋，有助於對科學現象的理解，也能知曉學生原有的想法或概念架構及科學解釋能力為何，這也是本研究所要探究的重點之一。. 13.

(14) 二、科學解釋的組成學者們對科學解釋的組成看法不一，以下舉出幾種不同的看法：（一）Pitt（1988）認為科學解釋必須包括被解釋項與解釋項兩部分，被解釋項（explanadum）是指對一個現象或一個問題的描述，而解釋項（explanans）是對現象的說明，或對問題所給的答案。（二）Swift（1961）認為科學解釋包含概括性陳述（generalization statement）、證據的陳述（evidential statement）和結論三要素（引自黃達三、賴玉春，1998）。（三）Sutton（1992）根據科學語言在科學教學上的使用方式分為解釋系統與符號系統兩大類，其一是解釋系統，是指以各種不同的方式去解釋同一個概念，語言的目的是用來解釋概念；其二是符號系統，此將語言視為一描述、傳播科學概念的工具。. 三、科學解釋與理解 Friedman（1988）認為解釋引起理解可藉由預測、藉由熟悉的現象解釋不熟悉的現象，與將許多獨立現象的解釋化約為一個理論等三種方式。Hempel（1965）持不同的看法，他不認為增加熟悉是一個標準，反而主張理解的獲得時常是經由使用反直覺、不熟悉的理論本體來解釋熟悉的現象。Zuzovsky 和 Tamir（1999）認為提出解釋與理解的連結，使解釋不只是科學教育的目標之一，這也是顯露理解的一種方法，因此要求提出解釋，即是要求展現出提供適當解釋與理解的證據的能力。Scriven（1988）提出解釋與理解之間的關聯性加以精緻化，並加以說明一個解釋的目的是必須增加或產生對事物現象的理解，並非止於使事物現象明確而已；也認為解釋與描述有所不同，簡言之，解釋是將理解達到已知的或是推論的階層。. 14.

(15) 第二節科學解釋的評量. 對自然現象的解釋需運用心智中既有的科學知識或概念，組織相關的概念後，提出最合理、合邏輯的科學解釋。Zuzovsky 和 Tamir（1999）認為科學解釋的評量涉及兩個層面，解釋之邏輯結構的評量與科學解釋所傳達出之對現象理解的程度，後者如同對解釋之語文表達的評量。. 壹、解釋之邏輯結構的評量標準 D-N 模式是最普遍用來滿足解釋結構完整性之評量標準的要求，換言之，一個論證涵蓋某先行條件與定律之語句的說明項，因此可解釋或預測一個現象，此結構同時滿足邏輯與適當的實徵條件（Zuzovsky & Tamir, 1999）。Scriven（1988）則認為完整的解釋不一定要與 D-N 模式一致，可隨不同的脈絡而有所差異，得視提出解釋之群體的先備知識而定，解釋能維持邏輯的功能並提出理解，就可被認定是完整的。齊一性（unification）是科學解釋品質的另一個標準（Hempel, 1966；Friedman, 1988；Kitcher, 1988）。Schulz （1993）認為簡單的解釋與複雜的解釋不同，前者為圍繞於較小的概念群所產生的，且表徵出較少連結的知識，在本質上是較常出現因果關係；後者是包含較多的概念，且對自然現象提供較一貫且組織良好的觀點。 Zuzovsky 和 Tamir（1999）總結適當的解釋結構與邏輯標準如下：一、在物理解釋的範例裡，存在著完整的 D-N 模式或是 D-N 模式之綱要。二、齊一性是由化約解釋為最可理解的基本原因，或是自多重原因之傾向化約成單一的因果關係結構而得到。三、反思因果關係複雜性的覺察而提供另有之多重原因的傾向。四、在功能解釋的範例裡，表達出為了系統的適當功能，同時特徵的必要性是滿足某. 15.

(16) 些必然條件。五、在演化解釋的範例裡，區別近因與最終原因，並提及兩者皆是為了產生生物學解釋。. 貳、解釋之語文表達的評量標準科學解釋經常以書寫、敘述的形式呈現出來，書寫形式的解釋被認為是一種特殊的語言類型，不同於科學描述（scientific description）（Sutton, 1992）。語言的線索並不足以區別描述與解釋，因此 Scriven（1988）引領我們重新思考並確定理解之解釋的邏輯結構，來區分描述與解釋的起始點。Halliday ＆ Martin（1993）認為解釋不同於報告，其一是解釋具有高百分比的行為動詞，通常是描述一個過程；其二為行為是以邏輯順序組織而成的。如何評估科學解釋呢？國外學者 Sutherland（2002）認為科學探究中，好的解釋應具備對問題能提出主張、對主張能提出證據、提供連結證據到主張之推理與使用詳細、準確的科學語言寫清楚。而 Sandoval（2002）提出學生科學解釋的標準為：一、原因的一致，此通常包含兩個科學解釋的知識目標：描述原因的機制來解釋現象及因果的連鎖合乎情理的一致。二、證據的支持：從資料中反映出解釋建構的想法，也就是資料反映主張。由上可知，合理、合邏輯的科學解釋需要有證據的支持，使推理前後一致，從相關資料中建構出解釋，使人清楚明瞭。. 參、科學解釋的相關研究 Pallrand（1996）使用評量錄音帶提出問題，要求學生「預測與解釋」，並依據額外的資料來「修正與建構新的解釋」的研究裡，得出的結論有：「呈現在解釋裡的知識大. 16.

(17) 多數是高度片段零散的」、「延伸含義所需的知識與程序是不完整的」、「學生似乎無法應用他們之前所學過的一切」、「當被要求解釋不同的現象時，學生時常訴諸描述的形式」、「學生似乎無法將他們在教室中被教導的一切與新的、不一樣的情境產生連結」及「學生所知道的似乎都以獨立的單元存在」。Pallrand 亦指出二個理由，其一是在學校的科學知識經常以抽象的、表面的與非脈絡的方式出現，對學生而言，應用這些知識到不同的情境中是困難的；其二為課程的廣度因受限於有限的授課時間而無法允許教師們組織其教學，這些教學是圍繞在學生建構他們自己的解釋上。 Wong（1996）比較學生與科學家的解釋後，提出學生產生科學解釋失敗可能受情境因素的影響，社會語言的規範與學校社群在期望、價值觀的互動下之情境因素導致學生低落的解釋成就。在社會語言規範方面，Wong 主張可藉由與特定目的共量（commensurate）的程度、精確性與需要的熟練程度來判定解釋的適切性；在學校情境中，學生的解釋可反應出師長對他們的要求，學生認為教師無論如何都瞭解他們的回答，因此學生傾向以簡短的方式回答，而簡短的回答是為了掩蓋他們所欠缺的知識；同時在學校情境中，Wong 亦暗示國中生為了尋求社會團體歸屬感，重視順應與和諧關係而產生不佳的解釋，因此學校中社會情境對學生建構解釋能力是有所影響。 Zuzovsky 和 Tamir（1999）以四年級與八年級的學生為對象，研究其對科學現象的解釋，研究結果顯現出學生的解釋傾向簡單，在這兩個年齡群中得到的許多解釋是不完整的，有未詳述先行條件，也有未提及相關規則，學生很少使用科學術語，而且時常提出描述與目的論的解釋，並非因果關係的解釋。由這些研究可知，學生的解釋傾向簡單的回答，教師所教導的科學知識無法與新的、不一樣的情境產生連結，學生無法應用所學到不同的情境中，進行科學解釋所使用的資訊是片段零散的，也會受教師要求、社會語言、社會團體等因素的影響。科學家致力於運用現在已被接受的科學原理來解釋現象，使現象的觀察與科學原理一致並成為有意義的（Edgington ＆ Barufaldi, 1995）。以科學解釋來說明某事件或現象. 17.

(18) 為何發生或為何如此發生的機制，因此科學解釋是科學教育的重點之一，哲學家、物理學家與科學教育者對科學解釋觀點不盡相同，其中科學教育者立足於較寬鬆的哲學家的定義上，將理解加以應用與擴展到教學或學習上，進而研究教學上的科學解釋(Edgington, 1997)。因此，下一節將探討關於教師解釋類型與學生解釋類型的研究。. 第三節解釋類型的相關研究. 在科學教育的研究中，有關科學解釋的研究仍是不足的，尚未能提供一個完整的體制（framework）來為科學解釋作分類(Edgington, 1997)，科學解釋的相關研究數量上較少，未來可以朝此方向作更豐富的研究。 Zuzovsky 和 Tamir（1999）認為科學解釋的類型有賴於特定領域的經驗科學而定，亦和引出解釋的問題型式有關，許多的科學解釋可視為對「為什麼」的問題提出回答，有以命題邏輯的形式（propositional-logical form）表示之類型的問題，這些問題被稱為「尋求解釋的為什麼問題」（explanation-seeking why-questions），會引出有因果的 D-N 模式；另一類型的問題是尋求理由來支持主張，這類的問題被稱為「尋求理由的問題（reason-seeking question）」，透過這兩類型的問題所要求的解釋，就會牽涉到不同的情境，也會交互地引導出不同類型的回應。 Martin（1970）研究解釋某事物與向人解釋事物時，指出兩者的不同，其一是研究上的解釋（research explanations）：以針對事物的解釋為主，無須考慮是否有聽眾或聽眾是否了解此解釋，只需找出事物合乎事實與合理的說明，換句話說是找出清楚表達的解釋即是；其二是教學上的解釋（teaching explanations）：指教師幫助學生理解的教學活動，教師解釋的目的是傳授知識，促進他人了解為主，必須滿足學習對象的需求，亦即學習者需獲得理解，沒有留下任何疑惑，不會抑制或影響其日後的學習。依研究對象的不同，. 18.

(19) 將依序舉出幾個關於教師解釋類型與學生解釋類型的研究。. 壹、教師的解釋類型應用科學概念與原理解釋自然界的各種現象，是科學教育的重要目標之一（Bass & Maddux, 1992）。在科學課室中，科學教師常常需要對科學現象或實驗過程加以解釋說明，自然產生許多不同的解釋類型，以下列略述幾篇國內外關於科學教師解釋類型的研究。在國外 Oguntonade（1971）的研究，歸納出科學教師的「解釋」有下列四種類型：一、普稱定律（universal law）：應用定律、學說於教學的解釋，例如：牛頓運動定律、守恒定律等等；二、建構（construct）：應用建構的定義，例如：不同形式的能、力、功等等，有時和定律連用，有時只敘述建構的特性；三、類比（analogy）：利用熟悉的狀況來幫助現象的解釋；四、歷史記事（historical account）：這些記事是科學研究的記錄，如焦耳的實驗故事等等；以及雜項（miscellaneous）：例如，列舉一系列的事件但不是歷史的，示列了一連串的實驗手續、簡述了測量的方法等（引自黃達三、賴玉春，1988）。不同於 Oguntonade（1971）的研究結果，Smith 和 Meux（1970）以中學教師為研究對象，以邏輯運作（logical operation）分析方式來研究教學行為的多面性，發展出一套教室教學的觀察系統，且完成了中學的科學、英文、杜會及數學的教室觀察研究，認定了六種「解釋」類型，分述如下：一、機械性的（mechanical）：論述某構造或事件各部結合在一起的方式，以便說明某事件或構造。二、原因型的（causal）：論述導致被解釋事件、現象的前置因素或伴隨的原因。三、次序性的（sequent）：依序列舉導致被解釋事件發生的先前事件。. 19.

(20) 四、程序性的（procedural）：涉及造成某特定結果的步驟或事件的描述。五、目的論的（teleological）：涉及以目的的說辭來描述事物或事件。六、規範性的（normative）：包括兩種可能性，一種是需求示例或辯証；另一種是指出規則作為行動、選擇或決定的理由（引自黃達三、賴玉春，1998）。除此之外，Dagher 和 Cossman（1992）也以 20 位國中科學教師為對象進行研究，探討其在教室中所使用的解釋之本質，依據所蒐集之 40 堂課堂上口語錄音轉錄而成的逐字稿，並參考了解釋在教育上、科學哲學和日常生活方面之相關研究作分析，最後以持續比較法的方式將科學教師解釋的類型區分成十種類型，分述如下：一、類比的（analogical）：將一個熟悉的情境以提供解釋的方式類推到一個不熟悉的現象，並加以說明；這種解釋在「類比的情境」和「真實的現象」之間假定存有相對應的關係。二、擬人化的（anthropomorphic）：一個現象藉由將人類的特質歸因於非人類的作用者上稱之。三、功能的（functional）：依據立即性的結果和功能來解釋說明現象，這種將功能歸因於現象可被自然的歷史事件所支持，例如：自然天擇（natural selection）；另外，也可被有意志的（人為的）歷史事件所支持，例如：經由人為所設計而成的製品。四、溯源的（genetic）：藉由將先前的事件依照發生順序聯繫起來而產生的解釋；僅說明事件如何發生，卻未說明事件為什麼會發生。五、機械的（mechanical）：這種解釋訴諸於物理本質上的因果關係。此種關係可能包含科學定律簡短的陳述句，也可能是使用上述的科學定律和其他無法直接觀察的事件所論述而形成之發展良好的解釋架構。六、形上學的（metaphysica1）：這種解釋是將現象發生的原因當作是由超自然作用者（supernatural agents）所造成的，在此情況下，解釋者解釋自然的原因超越了解釋的主體，轉換成如神、上帝、佛祖、天主之類的外在作用者。. 20.

(21) 七、實用的（practical）：涉及說明如何執行肢體上或心智上的操作的解釋稱之。換言之就是解釋者對傾聽者說明「如何做」（how to）的解釋。八、理性的（rational）：此種解釋以提出證據和正當的理由支持主張，使他人不得不去相信和接受此主張。九、套套邏輯/循環論證（tautological）：此種解釋僅將「如何」、「為什麼」的問題或句子加以重組而已，並未在內容中加入任何新的訊息。十、目的論的（teleological）：依據一個現象其如何導致立即性的結果（功能），透過協調其他生物和物理系統現象的機制，以獲得可信之最終結果（目標/虛擬的目標）之解釋稱之。此一現象可能達成目標的結果（涉及高級脊椎動物的意識），或者協調成一虛擬目標，如：電子的或機械的意義，（如：狀態的經驗儲存於動物的記憶中，而訊息儲存於 DNA 密碼、電腦程式中）。以上是國外學者以教師為研究對象，並將其解釋類型加以分類的研究結果，從中發現教師在課堂中為了達成教學目標而運用「解釋」的過程技能，屬於「教學上的解釋」；可能因研究對象與教學情境有所不同，而產生不同的解釋類型的分類方式。國內的研究有黃達三、賴玉春（1998）以國小一、二年級教師為研究對象，觀察自然科教學時的口語解釋，其採用了 Dagher（1991）的分類方式，其研究結果發現了六種解釋類型，分別為類比的、擬人化的、功能的、形上學的、實用的與套套邏輯（循環論證）的；同時利用 Dagher 和 Cossman（1992）所建立的解釋架構，將研究的發現類型加以系統化區分為三個主要的類別，依序為套套邏輯/循環論證的（tautological）、實用的（practical）及理論的（theoretical）；其中「理論的」此類別又包含了具有預測能力以及可被證偽之非偽裝的（genuine）與未具有預測能力以及不可被證偽之偽裝的（spurious）兩次類別，偽裝的包含擬人化的及形上學的兩種類型，而非偽裝的包含類比的及功能的兩種類型。陸健體(1994)認為科學解釋是科學家們試圖回答「為什麼』問題的活動，並且強調. 21.

(22) 解釋在科學中所佔的地位，因此其將科學之解釋類型及定義歸納如下: 一、演繹模式：演繹解釋具有演繹推理的形式結構，在此種科學解釋當中，被解釋項是解釋性前提的邏輯的必然推論。二、概率模式：解釋項並不邏輯的蘊涵被解釋項，因而解釋項的真，不是被解釋項為真的邏輯充分條件。三、因果解釋：這種解釋是通過揭示被解釋項發生的原因來解釋被解釋項的發生，故而稱為因果解釋。因果解釋是科學研究中和日常生活中使用最多的一種解釋形式。四、目的論解釋：目的的解釋有時又稱為功能解釋，表明待解釋的事件對它之後發生的事件或對將要發生的事件所產生的影響。五、發生學解釋：發生學解釋是將待解釋事件視為某一發展序列的後繼階段，而以對該系統的各發展階段的描述作為該事件的解釋。另外，邱鴻麟、梁惠玉（1997）以 4 位高中化學教師為研究對象，依據 Dagher 和 Cossman（1992）發現的口語解釋類型與陸健體（1994）對科學解釋類型及定義作為分析架構，分析高中化學教師的口語解釋類型，其研究結果發現其口語解釋類型有演繹、機率、因果、目的、發生、類比與舉例的口語解釋模式。. 貳、學生的解釋類型學生對科學概念的解釋，與其既存概念、生活經驗或認知架構有關，同時會影響其科學概念的發展，以下列舉出幾個國內外以學生為研究對象的研究。早期在國外有 Piaget 以及他的跟隨者（Piaget, 1972；Fuson, 1976；Stepans & Kuehn, 1985）將兒童的科學解釋類型作了以下的分類：一、萬物有靈論（animism）：兒童認為自然界的萬物皆有感覺、意識以及情感的。二、人為論（artificialism）：兒童覺得所有的事物都是為了對人類有益處而產生的。. 22.

(23) 三、決定論（finalism）：兒童認為每件事都有一個解釋，而這個解釋並不一定會與現象的起源或結果有很大的相關，只是為了解釋而解釋。四、人創論（human-made）：兒童覺得自然現象是由人類力量所造成的。五、神創論（god-made）：兒童相信自然現象是由神所造成的。六、機械論（mechanism）：兒童以一種機械的過程來解釋自然現象，完全不包含人類的特質。七、科學的想法（scientific ideas）：兒童持有科學家與教師所公認的的想法。國外 Zuzovsky 和 Tamir（1999）研究四年級與八年級的學生，歸納提出三種科學解釋類型，分別為：一、物理科學裡典型的解釋結構：指演繹-律理模式（deductive-nomological；簡稱 D-N model），它包含說明項（explanans）與被說明項（explanandum）二種形式的語句（Hempel, 1965；Hempel & Oppenheim, 1988）。被說明項是指欲解釋的現象，而說明項則包括特定先行條件的敘述以及引出被說明項之普遍定律的敘述。D-N 模式的解釋結構必須滿足邏輯與實徵的條件，被說明項必須是說明項的邏輯結論，說明項則必須涵蓋至少可被實驗或觀察所檢驗為真的普遍定律，換言之，說明項可被證據支持。藉由普遍定律所產生的解釋創造出解釋與預測之間的對稱性，亦即解釋可被視為事後的預測（ex post facto prediction）。二、目的論的解釋（teleological explanation）：藉由提出某種目標或目的來解釋有機體的特徵，而不以原因來解釋，這普遍適用在生物學。雖然缺乏邏輯上的效度與 D-N 模式的邏輯結構，但目的論的解釋被認定為相當有用的工具，可導致因果的決定（Hempel & Oppenheim, 1988）。三、功能的解釋（functional explanation）：此為目的論解釋的延伸，普遍存在於社會學研究與生命科學。功能解釋是藉由決定一行為在維持系統中所扮演的角色，來了解行為的型式或性質。即使功能解釋蘊涵目的論的本質，它仍具有因果解釋. 23.

(24) 力，功能解釋滿足 D-N 解釋的要求。另外，國外 Touger, Dufresne, Gerace, Hardiman 和 Meatre（1995）以 45 位大學生為對象的研究，採取晤談方式蒐集學生如何解釋基本力學，研究結果呈現出學生的解釋是情境相依的，同時證據也指出物理學思考和真實情境思考的連結是薄弱的，其認為解釋能力是檢視複雜能力的指標，從結果中得出三種解釋的類型：一、公式取向（formula-driven）：這類型的解釋是從公式開始進行相當多的代數運算，從記憶中搜尋合適的公式或圖表來回應已知的問題，時常後續的敘述未能運用初始的公式或圖表，這顯示初學者的知識庫中，解釋物理情境缺乏相互連結性。二、直覺的（intuitive）：這些解釋通常是質性的，且大量討論已知的情況，使用每天日常生活用語，像是撞擊、慢下來以及沒有走這麼遠等措詞，多過極少被使用的正式物理語言。三、階層的（hierarchical）：這類型是最像專家的解釋，清楚地確認相關的附屬概念，並以具結構化的方式應用概念，像是確認能量守恆的最初與最終狀態。充其量，他們將數學及視覺表徵與相關敘述整合，展現出像專家的能力來使用多重表徵。而國內學者姜滿（1993）以晤談方式蒐集 12 位一到六年級學生對地球科學的另有想法時，也探究此想法之起源及特性，研究結果顯示出低年級學生以機械論、萬物有靈論與人為論的解釋類型居多，高年級學生以機械論、符合邏輯思考的科學想法的解釋類型為主。姜滿（1993）引用 Driver, Guesne 和 Tiberghien（1985）研究兒童想法所得的三種特徵，再對照所蒐集的晤談資料將兒童解釋的特徵擴充為十二項，分別為：一、個人的（personal）。二、不連續的（inconsistent）。三、僵化的、穩定的（stable）。四、使用邏輯推理（use logical thinking; the ideas make sense to subject）。五、因果混淆的（confuses causes and effect）。. 24.

(25) 六、使用非邏輯的推理（uses illogical thinking; the idea have no relationships）。七、主題混合資訊（subject mixes the information）。八、剛開始解釋是正確的，卻逐漸導向錯誤的解釋（explanation begins correctly but ends incorrectly）。九、剛開始解釋是錯誤的，卻逐漸導向正確的解釋（explanation begins incorrectly but ends correctly）。十、前後矛盾、不連貫（incoherent）。十一、同時有兩種解釋（gives two kinds of explanation simultaneously）。十二、以描述作為因果關係（uses description as causality）。其次，張綺砡（2002）研究 6 位四年級學生對生活中微小粒子的科學解釋，其依照 Fuson（1976）研究兒童對天氣現象的口語分析上的五種類型定義：參與感（feeling of participation）、萬物有靈論（animism）、人為論（artificialism）、決定論（finalism）與原因論（true causality）的分類，將學生之解釋類型區分為原因論、決定論與萬物有靈論，研究結果顯示學生之解釋類型以原因論與決定論（非宗教）為主，偶爾伴隨著萬物有靈論與決定論（宗教）的解釋類型出現；劉誠宗（2002）亦以問卷與晤談方式蒐集學生對物種起源的想法，分析學生的解釋架構，研究結果歸納出「特殊創造型」、「本質演化型」、「自發後有滅絕拉馬克型」與「自發後拉馬克型」四種解釋架構類型；最後提及的研究是王美芬（1993）研究學齡前兒童，晤談其對生命現象的概念，將解釋的論點歸納為下列類別：生物「活動論和生長論」、生物的「器官論與功能論」、生命具有的特徵是「壽命論、代謝論與反應論」。上述文獻以各種不同觀點與面向來探討科學課室中學生的解釋，因所選定的科學概念相異而歸納出了不同的解釋類型。教師的科學解釋類型是因應教學上的需求，面對學生並解釋科學概念，滿足學生的需求，使學生獲得理解以達教學目標，因而呈現出不同的結構與解釋類型，而學生的解釋類型以闡述學生對自然現象或事物持有的概念與想法. 25.

(26) 為主，總之，教師的解釋類型與學生的解釋類型有所不同。. 第四節解釋融貫性. Thagard（1992）在《Conceptual Revolutions》一書中提到，當我們試圖解釋一件懸疑的事情，或者為了解釋一些已知的事實而提出假說，通常會有好幾種可能的解釋，但最後勝出的總是解釋融貫性最佳的一個；解釋融貫性理論描述了科學史上一些重大的理論被取代的機制，例如燃素論的衰微、演化論取代神創論等等，說明一個假說之所以成立或被取代，皆是取決於其解釋融貫性，假說解釋更多，就會更加融貫及更可接受，有較高的解釋融貫性。劉誠宗（2002）亦簡明指出當令人驚異之事件發生時，人們會企圖產生解釋，而對於同一事件，不同的人通常會產生不同的解釋，某些解釋會與其他解釋之間產生融貫性，但有些則需要經過多次的修正，才能產生融貫性。依 Thagard（1992）認為解釋融貫性理論是科學概念改變原理的核心，科學家與哲學家長期思考以解釋的力量來評估理論，在哲學上，解釋性假說（explanatory hypotheses）的接受通稱為最佳解釋的推論，而解釋融貫性理論意圖說明大範圍的解釋推論，並將分為理論的陳述、演算法的描述與應用到不同例子顯示出演算法的可行性這三部分，並幫助證實這理論的力量；解釋融貫性主要是依據兩命題之間的關係，這些命題的解釋融貫性是由各命題之間的融貫性所決定，換言之，解釋融貫性的最大要求是顯示出如何將存在於兩命題間的關係移轉到一整套相關命題的性質或命題內單一命題的性質，而命題間的融貫性由兩命題之間的相互融貫性所決定，且彼此間的解釋關係是相互扶持（hold together）。 Thagard 提出解釋融貫性理論，並以連結主義為基礎，發展出七個原理（引自邱美虹等譯，2003, pp87-93）：. 26.

(27) 一、對稱（symmetry）：若 P 與 Q 融貫，則 Q 與 P 融貫；若 P 與 Q 不融貫，則 Q 與 P 不融貫。對稱原理主張成對命題間之融貫性和不融貫性是對稱的關係，如同日常之相互扶持般，P 和 Q 相互扶持，Q 和 P 也必然如此。二、解釋（explanation）：若 Pl…Pm 能解釋 Q，則〈一）在 Pl…Pm 中的每個 Pi 皆與 Q 融貫：此指「說明的事物」與「被解釋的事物」是融貫的。〈二）在 Pl…Pm 中的任一 Pi 與 Pj 皆彼此融貫：此敘述如果二命題同時提供解釋，則它們融貫。三、類比（analogy）：若 P1 解釋 Q1， P2 解釋 Q2，又 P1 類似於 P2，與 Q1 類似於 Q2，則 P1 與 P2 融貫，而 Q1 與 Q2 融貫。科學家們例如達爾文都會使用類比來捍衛其理論，類比原理並非簡單地認為任何二個類似的命題都融貫，這當中必須有一個解釋類比存在，使二個類似的命題具融貫性。四、資料優先（data priority）：敘述觀察結果之命題，本身有一定的可接受程度。這需要很多的解釋和維護，聲明一命題可描述某觀察結果的行為時，應有某種程度的可信賴性，其可信度勝過那只建立於解釋能力的單一假說之上。從解釋融貫性觀點來說，不應該把基於觀察的命題當作獨立可接受，而忽視此命題與其他命題的解釋關係。五、矛盾（contradiction）：若 P 與 Q 矛盾，則 P 與 Q 不融貫。在此「矛盾的」一詞包含句法的矛盾與語意的矛盾，前者指的是像 P 與非 P，後者指的是如「這球是全黑的」與「這球是全白的」。六、競爭（competition）：若 P 與 Q 兩者解釋 R，卻不能連貫地解釋，則 P 與 Q 不融貫。在此原則中，我們應相信解釋相同事實證明的假說是互相競爭的，換言之，解釋相同證據的不同假說被視為競爭對手，因此，解釋同一塊證據的假說都會被判斷成不融貫，除非有理由認為它們融貫。. 27.

(28) 七、可接受性（acceptability）：〈一）命題 P 於假說 S 中的可接受性取決於命題 P 與 S 中其他命題的融貫性。如假說 P 可解釋事實 Q，使得 P 和 Q 融貫，但其與另外一個矛盾假說不融貫，我們應該接受 P 嗎？取決時應以 P 的可信度部分依靠在這些命題本身的可接受性。〈二）假如許多關於實驗的觀察結果都無法解釋，僅解釋少部分的命題 P 的可接受性就跟著減少了：當大部分相關證據不被任何假說解釋時，減少一個假說的可接受性；因為命題 P 只能解釋可用證據的一小部分，雖是可用中最好，但還不能稱為很好的假說。七個原理中，解釋（explanation）是目前評估解釋融貫性中最重要的原理，由解釋建立大多數融貫性的關係。對能解釋 Q 的每一個 Pi 而言，Pi 提供證據解釋部分的 Q，如此一來，每個 Pi 皆與 Q 融貫，會同「可接受性」原理，假說解釋更多，就會更加彰顯融貫及更可接受。關於解釋融貫性的相關研究文獻中，有些學者從「科學解釋」的角度說明學生概念的不穩定性或變動性，例如 Nakhleh 和 Samarapungavan（1999）研究學生對於物質的信念，發現學生缺乏真正的說明架構（true explanatory frameworks）。Thagard（1992）在討論兒童與科學家的概念改變之異同性時，認為並沒有理由去懷疑「概念產生」以及「獲得新的概念」等的機制，科學家與兒童有什麼不一樣，比較值得考慮的是兒童跟科學家對於（概念）理論的「解釋融貫性（explanatory coherence）」的評估是不是一樣。diSessa （1988）則認為兒童沒有融貫性的理論（coherent theory），而是比較鬆散的、非系統性的，也沒有特定的原則去判斷所謂的「解釋融貫性」（引自 Thagard, 1992）。國外學者 Driver, Leach, Millar 和 Scott（1996）晤談 30 位 9、12、16 歲學生並蒐集其證據性理由，研究結果顯示出訴諸於直觀的證據、以證據為基礎之推論能力及相信主張並以科技的效能當作充分理由等三種類型，學生反應的類型有少於 55-45%依賴直觀證據的趨勢，支. 28.

(29) 持有關證據與權威的批判增加了，較年長學生更能使用證據，解釋更具有融貫性與更能有效評估科學證據上的解釋。由此觀之，學生是否能達成「解釋的融貫性」是相當值得我們關注的問題之一。國內許良榮、蔣盈姿（2005）以 POE 探究中小學的燃燒概念，研究發現雖然某些學生經由 POE 活動後調整了原先的看法，但僅有少數學生能以科學原理加以解釋，許多學生仍持有原先的另有概念，或是以其他的另有概念來解釋物質的可燃性，而呈現所謂「偽說明」的形式，因此顯示在教學上應注意並改善學生的說明和演繹能力。該研究也顯示學生較缺乏應用知識解釋的能力，在教學設計上應多提供學生運用知識的機會，非侷限於學習概念和定義，能夠再給予一些實際的例子讓學生能有應用所學的知識去做判斷以及說明和解釋的機會。例如研究中教燃燒概念時，僅向學生陳述「燃燒的三個必要的條件是要有可燃物、助燃物及溫度要達到燃點」的定義，學生雖然了解其定義，但面對不同真實情境時，學生會不曉得如何去運用這些概念，宜增加運用程序性知識（procedural knowledge）的機會。另外，劉誠宗（2002）晤談 24 位學生對物種起源的解釋架構融貫性，歸納出「特殊創造型」、「本質演化型」、「自發後有滅絕拉馬克型」與「自發後拉馬克型」4 種解釋架構類型，4 種類型均被理解為具有解釋融貫性。曾舒平（2004）以高中一年學生為研究對象，探討其板塊運動構造學說之原有概念架構之解釋融貫性，研究結果發現學生持有之原有架構之解釋融貫性高低並不會影響其學習成就，但原有架構之解釋融貫性越低，則學習成就進步越多，且學生所持有之原有概念架構若有較高的解釋融貫性，其概念架構較難以改變。. 29.

(30) 第五節 POE 的理論基礎. 壹、POE 的起源 POE 策略是 Gunstone 和 White （1981）改良由美國 Pittsburgh 大學 Champagne, Klopfer 和 Anderson 於 1980 年所設計 DOE (Demonstrate-Observe-Explain)概念晤談教學策略的研究工具而來，DOE 概念晤談教學策略是先對學生進行紙筆測驗，再由教師示範實驗活動讓學生觀察，最後要求學生回答測驗裡的問題並提出說明。後來 Gunstone 和 White（1981）發現讓學生進行預測的活動，能呈現出學生原有的認知結構，也能提高學生的學習興趣，亦強調預測對於瞭解學生原有概念及提升教學成效十分重要，因此便將 DOE 策略改良為 POE 教學策略，以期提高教學效益。. 貳、POE 的意義 POE 是由 White 和 Gunstone（1992）所提出，為預測（Predict）-觀察（Observe）解釋（Explain）的簡稱，是用來探測學生的知識與科學概念理解的一種策略。POE 的活動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。. 參、POE 的目的運用 POE 策略的目的是藉由所設計的真實情境來探測學生的認知結構及如何應用相關知識預測、描述和解釋所觀察到的現象。POE 策略強調學生對真實情境事件預測與解釋理由，與一般測驗相比較，較少強調正確答案和評分問題，而是期望學生呈現其真. 30.

(31) 實想法，同時讓學生敘述他們所持的理由。在許多 POE 活動中，發現學生經常以日常生活經驗去支持他們的理由，或者應用跟科學原理相異的觀念去解釋自然現象，因此運用 POE 策略能有效鼓勵學生應用自己所持原有的知識與概念去進行推理與解釋，也能探測出學生在真實情境中的認知結構及應用相關知識的能力（White & Gunstone, 1992）。根據 Bruce（2000）的研究顯示， POE 策略可以很成功的進行，它可以幫助我們思考幾個方向：一、POE 教學策略提供科學課程或課堂討論一個很好的導引，為未來的學習互動開啟對話之門。二、因書寫 POE 活動單需要時間，所以它可以讓學生慢下腳步去思考，他們正在做什麼？想些什麼？三、寫下預測這步驟增加了學生的參與感，讓多數學生對真實情境的實驗結果感到興趣，尤其是當學生自己的預測與多數人不一致的時候。四、POE 可呈現出學生學習活動的整個歷程，可作為進一步研究或形成性評量的基礎。五、POE 策略的相關教學活動可提供學生進一步探索科學原理的基礎。. 肆、POE 的實施在實施上，由學生自己決定所持的理由來解釋他們所認為的科學概念的理解，步驟如下：一、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。二、進行實驗操作，讓學生觀察並紀錄下觀察到的現象。三、要求學生解釋預測和觀察之間的不一致（White & Gunstone, 1992）。一開始要進行 POE 策略時，必須確定所有的學生都明白他們將預測的情境，此時可允許學生詢問相關問題，讓他們在預測活動進行之前確實瞭解情境。接下來讓學生針. 31.

(32) 對情境作預測與說明支持其預測的理由，可以事先準備好的活動單進行，或以開放的發問形式讓學生以自己的話自由發揮；在開始觀察之前，務必要讓學生完成這些工作。學生要在觀察前完成此工作的兩個理由是：一、每位學生皆需表明自己採取何種知識立場，並加以運用。二、每位學生皆不會錯失對事件的觀察(因為學生仍處在思考或書寫狀態中)。當活動進行時，要求學生寫下他們觀察到的現象，即使相同的活動，不同的學生常會看見不同的結果，這是避免他們因聽到別人的說法而改變原先自己的看法（White & Gunstone, 1992）。最後的步驟是讓學生調和預測與觀察現象之間的不一致，對學生來說這很困難，此時教師需要鼓勵學生多思考各種的可能性。鼓勵是很重要的技巧，這時學生提出的解釋通常透露出他們的理解情形。. 伍、POE 的原則進行 POE 時，基本上要考慮下列原則（White & Gunstone, 1992）：一、提供一個可以預測，且基於學生個人理解進行推理的情境或實驗，若純粹只是猜測，則將失去其價值所在。二、要提供真實情境與問題給學生，這有助於提升 POE 的效果；否則，至少也要提供學生一些支援的線索或說明。三、呈現的觀察是直接可行的，亦即觀察的實驗結果是清晰可見的。四、可以用勾選的方式，提供幾種可能的情況讓學生做預測，或用開放的反應型式讓學生自由表達其想法。. 32.

(33) 陸、POE 的優點 POE 的策略要求學生運用其原有的科學知識對一個科學現象進行預測，寫下預測的理由，隨即進行實驗操作，讓學生觀察並紀錄下觀察到的現象，並要求學生解釋預測和觀察之間的不一致，在這些過程中學生必須重新調適與組織原有的知識，以形成新的知識體系，故 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、可以覺察出學生本身原有的概念或信念。三、可以了解學生對於現象與概念之間關係的理解與認知。四、可以顯現學生面對認知衝突時是如何調適。五、適合用來進行診斷性評量與形成性評量。. 第六節. POE 的實徵研究. 本節整理並摘錄幾篇國內、國外與 POE 策略相關的研究，以瞭解 POE 策略在科學教育的運用與成效。近年來，廣泛使用 POE 策略於探討學生迷思概念與做為教學策略的研究不少，茲將相關研究列舉如表 2-5-1 及表 2-5-2：. 表 2-6-1 國內 POE 之實徵研究研究者. 年代. 研究對象. 葉辰楨. 2000. 國中一年級學生. 研. 究. 概. 述. 透過網路設計國中生物科 POE 的教學活動，探討實施的成效與改進。. 李家銘. 2001. 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。. 33.

(34) 表 2-6-1. (續). 研究者. 年代. 邱彥文. 2001. 研究對象國中生. 研. 究. 概. 述. 以 POE 策略進行理化教學活動與診斷評量，探討教師在國中理化課進行 POE 教學的情況，評估成效及相關之影響因素。. 陳淮璋. 2002. 國小四、五年級. 運用問卷調查和 POE 晤談，探討國小學生對. 生. 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. 2002. 高中三年級生. 新合. 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。. 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概念改變的影響，結果顯示 POE 教學有助於學習水溶液概念。. 陳雅麗. 2003. 國小五年級生. 利用 POE 教學策略探討國小學生有關熱學方面的迷思概念及概念改變歷程。. 蔣盈姿. 黃雪錚. 王玉龍. 2004. 2004. 2006. 國小六年級生國. 運用 POE 策略和個別晤談，探討中小學生對. 中二年級生. 於物質可燃性的另有概念及探討另有概念之. 高中一年級生. 來源。. 國小二年級生. 運用 POE 策略探究國小學童對毛細現象的可. 國小四年級生. 能想法，並瞭解不同年級學童的概念類型、特. 國小六年級生. 徵以及差異情形。. 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。. 34.

(35) 表 2-6-2 國外 POE 之實徵研究研究者 Searle &. 年代. 研究對象. 1990. 大學生. 究. 概. 述. 運用 POE 教學策略探究大學生電學的另有概念及概念改變之行動研究。. Gunstone Palmer. 研. 1995. 職前教師. 由職前教師對國小學生實施 POE 活動，評估 POE 技術，研究顯示 POE 策略適用於小學科學教學。. Liew &. 1995. 11 年級生. 運用一系列的 POE 教學策略進行熱與液體膨脹的主題教學，以及探討 POE 策略對學生概念學習的. Treagust. 影響。 Fekete &. 1997. 大學生. 究大學生對於熱力學概念學習之研究。. Walker Liew &. 1998. 9-12 年級生探討 POE 教學對於診斷學生科學概念的理解之有效性，並確認學生學習成就之層次。. Treagust Kearney &. 利用包含 POE 的教學資料庫進行互動式教學，探. 2000. 10、11 年級呈現一系列數位 POE 影片，藉由學生相互討論物生. Treagust. 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。. Methembu. 2001. 11 年級生. 運用 POE 教學策略於化學反應的課程，藉此診斷學生的化學概念，了解學生對化學變化的理解，並提升學生的學習。. Kearney, Treagust,. 2001. 10、11 年級以結合電腦多媒體與 POE 教學策略，增進學生對生. 於力與運動概念的學習。. Yeo & Zadnik. 35.

(36) 根據 POE 相關研究得知，POE 策略可以幫助教學者了解學生的先備知識，提供學生機會觀察自身周遭的世界，並加以詮釋（吳穎沺、蔡今中，2005）。Rusell(1997)認為 POE 策略可以讓學生以第一手的經驗學習科學，學生既會記得相關的訊息，又可以理解科學現象背後的科學原理。因此，POE 策略不僅可當作教學策略，使用在教學活動中，學生透過實際參與學習歷程且主動的思考與建構知識，學生不再是被動的學習者，也可用於晤談，協助研究者深入了解學生如何運用相關科學概念於真實情境中，知曉學生的概念與想法，提供設計相關教學活動的參考，有效促進教學效益。。. 36.

(37) 第三章研究方法. 本研究以「序列性 POE」策略探討大學理工與非理工背景學生對於自然現象的科學解釋能力，並嘗試從中尋找出「解釋融貫性」的特徵，為了深入瞭解大學理工與非理工背景學生內心真正的想法與如何對自然現象提出解釋，故本研究採取質性研究。研究者在研究過程中，以個別晤談為主，以觀察札記及文件蒐集等方式來蒐集現場資料為輔，依研究的目的整理與分析資料，以了解大學理工與非理工背景學生對於與「大氣壓力、表面張力」有關的自然現象的科學解釋能力為何與解釋的融貫性特徵。本章共分六節，主要內容分別是說明採用質性研究法的原因、研究設計、研究對象、研究工具、研究流程、資料整理與分析。. 第一節採用質性研究法的原因. 本研究採用質性研究法的原因可由下列幾個因素來說明：一、研究目的符合質性研究的特徵：Bogdan 和 Biklen（1992）指出質性研究的五個特徵分別是：（一）質性研究以自然情境當作資料的主要來源，而且研究者是主要工具。（二）質性研究是描述性的（三）質性研究關注過程，而非僅要其成果或結果。（四）質性研究採用歸納的方式分析其資料。（五）質性研究最為關注的，在於其意義為何。本研究以個別晤談方式深入蒐集大學理工與非理工背景學生在真實情境下對自然現象的描述與解釋，並將所蒐集到資料加以分析與歸納，描述其解釋類型與解釋融貫性特徵，因此定性的、自然的、整體的、描述性的質性研究法符合本研究的目的。二、在質性研究中，晤談可以是蒐集資料最主要的方法之一，依照受訪者的陳述蒐集描述性資料，研究者才能理解受訪者所詮釋的觀點（Bogdan & Biklen, 1998/2001）。. 37.

(38) 根據許良榮（2006）國科會計畫所完成之「以序列性 POE 探究學生的科學解釋能力」的研究結果發現以紙筆測驗的方式進行，只能大略了解學生的科學解釋能力之輪廓，無法深入探究學生如何應用知識、如何組織證據，建議後續研究採用個別晤談方式，以深入探索學生進行科學解釋的本質與特徵。且晤談法能深入瞭解學生解釋自然現象的理由，進而探索他們的思考模式（王美芬，1991）。基於上述，故採取質性研究法。. 第二節研究設計. 本研究採用許良榮（2005）所發展之「序列性 POE（Sequential Predict-Observe-Explain； S-POE）」策略來進行晤談。「序列性 POE」策略是以 POE 為基礎，設計一連串相互關連的 POE，企盼藉此探討學生對於自然現象之解釋說明能力以及歸納出「解釋融貫性」的特徵。「序列性 POE （S-POE）」的研究設計如下：. 表 3-2-1 實驗一內容與大氣壓力有關的簡易實. 實驗二. S-POE 實驗設計實驗三. 實驗四. 實驗五. 改變變因：塑. 改變變因：. 改變變因：. 改變變因：塑. 膠片改為紗網. 傾斜角度. 非封閉空間. 膠杯改成吸. 驗。. 管. 目的了解學生對於大了解學生對於改變變因後，如何預測、解釋，並探討學生之解釋氣壓力的基本解說明能力與解釋融貫性。釋說明能力。. 38.

(39) 表 3-2-1 （續） S-POE 實驗設計實驗一. 塑膠片. 問題. 科學解釋. 將杯子放入水中，再以薄. 大氣壓力支. 的塑膠片壓在杯口，一起. 撐了塑膠片. 將杯子拿出水面。將手移. 與水的重. 開後，你認為杯子中的水. 量。. 會不會流出來？請解釋原因。(註：杯子中的水不會流出來). 實驗二沙網. 同實驗一的實驗過程，但. 因為水的表. 是將塑膠片換成紗網(玻璃. 面張力使沙. 窗用的)蓋住杯口，你認為. 網的作用如. 杯子中的水會不會流出. 同上一題的. 來？請解釋原因。(註：杯. 塑膠片，避. 子中的水不會流出來). 免空氣進入杯子。. 實驗三. 39. 接續實驗二(將紗網蓋住杯. 傾斜後，表. 口，杯子中的水不會流出. 面張力因水. 來)，此時如果將杯子略為. 壓的差異而. 傾斜，杯子中的水會不會. 被破壞(右. 流出來？請解釋原因。. 側底部壓力. (註：水會流出來). 較大)。.

(40) 表 3-2-1 （續）問題. S-POE 實驗設計實驗四. 科學解釋. 在實驗二將紗網蓋住杯. 杯子內外之. 口，杯子中的水不會流出. 大氣壓力平. 來，此時如果將杯子挖個. 衡，表面張. 洞，讓空氣可以進入杯. 力不足以支. 子，杯子中的水會不會流. 撐水的重. 出來？請解釋原因。(註：. 量。. 挖洞. 水會流出來) 實驗五. 在實驗三將杯子略為傾. 因為大氣壓. 吸管. 斜，杯子中的水會流出. 力支撐著水. 來，此時若將塑膠杯改成. 的重量，並. 吸管(不再有紗網)，將吸管且吸管的口傾斜後，吸管中的水會不. 徑小，水的. 會流出來？請解釋原因。. 表面張力可. (註：水不會流出來). 以避免空氣進入。. S-POE 的設計原則為：一、S-POE 中所涵括的實驗，必須具有相互關連性，其現象的解釋涵蓋相同的科學概念。二、所有實驗所涵蓋的科學概念，總計以不超過三個為原則，以達到探求學生之「解. 40.

(41) 釋融貫性」的目標。因為涵蓋的科學概念過多，將不容易歸納、推理學生的前後之解釋的一致性。三、每個後續實驗，只改變前一個實驗的一個變因，以達能深入探討學生對於單一變因的科學解釋能力。四、在學生完成一個 POE 實驗的說明之後，必須明確讓學生知曉每一個 POE 的實際「實驗結果」，以避免學生對後續實驗落入單純的「猜測」，而失去探究學生之「解釋融貫性」的功能。五、在完成一個 POE 實驗後，才進行後續的 POE 實驗，允許學生修改先前實驗的解釋。. 第三節研究對象. 本研究以質性研究為主，目的在挖掘大學生對於許良榮（2005）所發展之 S-POE 實驗設計的預測與解釋的能力，由於初探研究以個別晤談方式進行，發現較能獲得學生想法之全貌，也能即時追問學生想法表達不清之處，故增加晤談人數，選擇大學理工與非理工背景學生各二十名，更加廣泛深入蒐集、歸納大學理工與非理工背景學生之解釋說明能力與解釋融貫性特徵。. 壹、初探研究研究者在確定晤談大綱之後，為了確定晤談是否適當，也為了精進晤談技巧，故採立意取樣選取三位大學生來進行試探性晤談。研究者察覺與受訪者建立良好的關係之後，受訪者願意將自己的想法表達出來；在資料轉錄後，也發現晤談能更深入了解受訪者真正的想法。. 41.

(42) 貳、正式研究基於初探研究的結果，發現晤談能更深入了解受訪者真正的想法，故在研究中，採立意取樣抽取理工背景大三學生二十名，以及非理工背景的大三學生二十名，合計四十名為正式研究的晤談樣本。企盼能更加深入及廣泛蒐集大學理工與非理工背景學生內心真正的想法與如何對自然現象提出解釋，更進一步瞭解大學生對於與「大氣壓力、表面張力」有關的自然現象的科學解釋融貫性的特徵。. 第四節研究工具. 在本章第二節已介紹「序列性 POE （S-POE）」的研究設計與設計原則，在本節將對研究工具：晤談做進一步的介紹與說明。晤談過程將全程錄音，紀錄受訪者對於五個實驗的預測、觀察與解釋，其中「觀察」程序，是由研究者進行實際的操作，受訪者觀察。晤談方法一般將其分為三種形式，即結構性晤談、無結構性晤談與半結構性晤談。結構性晤談使用較為正式的訪問表，具有一定的問答程序，其結果較適合量化分析；無結構性晤談只提供主題，再根據受訪者反應作深入探討，其結果不易作標準化分析；半結構性晤談兼具前兩者之優點，教育研究者較常採用之，故本研究採用半結構性晤談，並以一對一的方式進行。依據「序列性 POE （S-POE）」的設計原則，擬定的晤談過程與問題大綱敘述如下：一、先展示各項實驗器材：實驗器材包括塑膠片、塑膠杯、紗網及吸管。二、說明每個 POE 實驗條件與情境，也準備了晤談縮圖以輔助說明：讓受訪者清楚明瞭 POE 實驗條件與情境是必要的，必須確定受訪者都知道他們需要作預測，此時可允許受訪者詢問相關問題，讓他們在預測活動進行之前確實瞭解情境（White & Gunstone, 1992）。. 42.