行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
計劃名稱: 九年一貫課程「自然與生活科技」領域科學探究能力之培養研究─ 子計畫三：科學探究能力之評量 計畫編號： 93-2511-S-153-006-執行期間：2004 年 08 月 01 日 至 2005 年 10 月 31 日 主持人:高慧蓮 共同主持人：蘇明洲、黃子瑜 計畫參與人員：魯慧敏、方郁斌、吳淑珍、王智勇、馮益宏、周孚平、徐薇舒 執行機關: 國立屏東教育大學自然科學教育學系 E-mail: [email protected]中文摘要
本研究計畫擬以三年為期進行規畫，其宗旨乃在發展與效化九年一貫課程「自然與生 活科技」領域國中小學生科學探究多元化評量工具。在此三年內第一年（九十三年度）以 設計多元評量工具為主軸，第二年擬利用評量工具的實施改進教師科學探究的教學，第三 年擬評估有實施與沒實施科學探究多元評量對學生科學探究的差異。 本研究計畫的前兩年以「行動研究法」(Action Research)的研究理念及做法，邀請八位 國中小「自然與生活科技」領域教師參與研究。計畫開始時，實施研究群研習、教師成長 活動，並進行教材內容分析和概念分析，以及調查瞭解學生有關之學習經驗，並依據「九 年一貫與科學探究有關的能力指標」與國內外相關文獻建構「科學探究的教學目標」，然 後開發科學探究多元化評量的工具。 本計畫所開發之多元化評量工具草案，由研究教師於其任教班級進行試用，並透過多 元的資料蒐集方式，以探究實施多元化科學探究評量所遭遇的問題與因應策略、實施的歷 程與轉變、及實施後對教師與學生的影響。依據試用之過程及結果，研究群修訂多元化評 量工具草案，並於第三年在實際教學情境中進行「詮釋性研究」，予以詮釋本研究所開發 之多元化評量工具的實用性、隱含的價值和使用多元化評量所產生的社會後果。 關鍵詞：九年一貫課程、科學探究、多元化評量、行動研究法、詮釋性研究Abstract
The main purpose of this three-year study will be to develop and validate multiple
inquiry.
In the second year, the study will apply the preliminary multiple assessment of scientific inquiry to researcherteachers’classroom inorder to explore problems/solutions,
practices/changes, and impact when the teachers teach science with the implement of multiple assessment. According above data, the research will revise the preliminary multiple assessment. The study of the third year will adopt interpretive research to interpret practicability, implicit values, and social consequence of the multiple assessment in real teaching situation.
Keywords：nine-year-sequence curriculum, scientific inquiry, multiple assessment, action research, interpretive research.
壹、前言
一、研究背景
回顧過去的十年間，呼籲從事教育改革的聲音在科學教育界內，有增多的趨勢（例如， AAAS, 1989; National Science Teachers Association [NSTA], 1992）。在這些教革聲浪中最大的 關注焦點之一為增進科學的教學與學習（高慧蓮、蘇明洲，2000）。 傳統的科學教學實務注重機械性的背誦學習、內容/工作的涵蓋、升學準備、和知識的 傳輸，而不注重讓學生學習和了解科學概念的有意義學習。科學教師非常依賴教科書，以 及強調監控學生的座位工作（seatwork）和「他們自己的教學談話」（Goodlad, 1983），偶而 教師會問學生一些問題，但這些問題大多是收斂式的（convergent）、和只需要學生一個字 或非常短的回應。在科學教室內，科學知識是”從老師滿載知識的頭腦容器內，傾倒入學生
頭腦的空容器中”（Tobin, Briscoe, & Holman, 1990）。傳統的教學實務中，老師扮演控制者 的角色，大多數老師的主要任務為準備學生使之能在標準化的測驗卷裡表現良好。另一方 面，在傳統科學教室內，學生大多被要求去學習教科書中的事實和運算法則，並記憶和回 憶它們。在日常生活的實際情境中，學生很少應用和綜合被教的科學概念。根據 Yager（1992） 的研究報導，超過 90﹪的高中畢業生不會運用（use and act upon）在學校內所學過的科學 概念。
實驗室的活動是科學的精華所在，可以允許學生經歷多重感官的經驗。然而很不幸的 是，大多數的實驗室活動，要求學生按照食譜式的步驟描述，一步一步地完成實驗並獲得 事先預設的結果，換句話說，驗證教科書所教導過的事實。
近代的中外科學教育改革如 Project 2061（AAAS, 1989）、Scope, Sequence, and
Coordination（NSTA, 1992）、National Science Education Standards（NRC, 1994）和我國九年 一貫課程（教育部，2000）都特別強調科學知識的結構以及科學探究（scientific inquiry） 的教學（洪振方，楊芳瑩，2001；劉宏文，2001；顏瓊芬，黃世傑，1999；Rithchie & Rigano；
Roth, 1995）。這些課程改革鼓勵教師以探究與解決問題的方式進行科學教學，鼓勵學生主
奮情緒的促進者（Kober, 1993）。 科學探究的精義長久以來經常被灌輸科學的觀念所取代。事實上，讓學生學會探究知 識應與教給學生科學知識同等重要，甚至更重要。科學教學一方面應重視知識傳授，科學 教師更應鼓勵學生勇於思考、發問、假設、找到方法、實驗、預測、數據收集、整理、尋 求解釋、應用，而不僅僅是要求學生記誦學習內容，熟練解題技巧，或以考試得分滿分為 目標。科學教學的重要功能之一應在於：提供合適的機會讓學生認識科學、學習科學，進 而應用科學知識於日常生活之中（張惠博，1993）。另一方面，科學探究活動讓學生有機會 由實際學習與生活過程中發現問題、收集資料、澄清問題、提出研究假設、設計實驗（調 查）、進行實驗（收集資料），進而解決問題，獲得結論並將成果展現出來，這樣過程對學 生而言是充滿教育的意義與價值（黃鴻博，2000）。 自從一九六二年，舒華布（Schwab）倡導以科學探究的方式進行科學教學以來，為數 甚多的科學課程、教學研究，即不斷的進行與發表。由於探究式教學主要是用來回答有趣 或是困惑的問題，探究式的教學對自然科學而言是特別的合適。更由於探究教學能允許學 生參與學習過程，它也很能夠引起學生學習的動機。然而，雖然現今課程改革強調科學探 究技能的重要性，但是大部分現在正在實施的課程卻無法教給學生科學探究技能（Gabel， 2003）；例如學校教學體系並未重視科學教育改革的呼聲，仍然援用傳統講述法的教學策
二、研究目的
本計畫擬以三年為期進行規劃，第一年以設計科學探究多元評量工具為主軸（九十三 年度－執行中），第二年擬利用科學探究評量工具的實施改進教師科學探究的教學，第三年 擬評估有實施與沒實施科學探究多元評量對學生科學探究的差異。 另外，本計畫將採二階段方式進行，第一階段（第一、二年）以「行動研究法」設計 九年一貫課程「自然與生活科技」領域國小學童科學探究多元化評測工具。第二階段（第 三年）採「詮釋性研究法」以了解本研究所開發之工具應用於個案教室的情形。具體研究 目標如下： 1. 設計與開發國小中、高年級學生科學探究的多元化評量工具。 2. 設計與開發「提昇國小三至六年級學生對科學探究的能力與理解之多元化評量教學 模組」。 3. 預試、評估與修正「提昇國小三至六年級學生對科學探究的能力與理解之多元化評 量教學模組」。 4. 利用科學探究評量工具的實施改進教師科學探究的教學。 5. 探究實施多元化科學探究評量所遭遇的問題與因應策略。 6. 探究實施多元化科學探究評量學生表現的歷程。 7. 探究實施多元化科學探究評量對學生的影響。 8. 效化國小中、高年級學生科學探究之多元化評測工具。 9. 評估有實施與沒實施科學探究多元評量對學生科學探究的差異。 10. 綜合、分析及詮釋各種多元資料，最後提出適切可行之多元化評量模式。貮、文獻探討
本節擬就科學探究的相關概念、科學探究能力與活動的特徵、和有關科學探究的評量 三大方面探討與本研究相關的理論與文獻：一、科學探究的相關概念
(一)探究（inquiry）的意涵
英文inquiry是起源拉丁文的in或inward（在….之中）和guaerere（尋找）；在『牛津英 語辭典』中提到：探究是尋求知識或訊息特別是尋求真理的活動，「探」就是一種搜尋、 研究或調查探究式檢驗活動；是提出問題與產生疑問的活動。根據『辭海』的解釋是說： 探究是深入探討、是反覆研究。另外，吳兆棠（1966）指出「探究」一詞相當於英文的〝Study〞 或〝Research〞，凡是對於某項事實或者問題加以調查(Investigation)、探詢(Inquiry)、討論 (Discussion)、思考(Thinking)，以及分析或綜合之結果，對學術上能有所助益的均算在內。 然而Assessment of Performance Unit(APU)於 1989 年對「探究」一詞所下的定義為「進行別現象觀察及推論，以提出一般化的解釋（該解釋可能係適用於理想狀況），最後在下具 體、合理的結論。因此，按Gagn’e 論點，這些共同的因子就是觀察、測量、推論等，而SAPA 課程稱這些共同的因子為科學過程（scientific process）（許榮富，1985）。然而Lederman （1998）認為科學探究是有關於科學家用來回答感興趣的問題的有系統的方法，科學探究 不只包含了如觀察、推論、分類、預測、測量、提問、解釋和分析資料這些傳統的科學過 程技能，還包含結合科學過程技能與科學知識、科學推理、批判思考以發展科學知識。而 美國國家科學教育標準強調科學探究是科學家研究自然世界，並以工作中所獲得的證據為 基礎提出解釋的各種不同的方法（NRC，p23）。 Lesgold et al.（1988）則認為科學探究就如同閱讀、寫作和數學一般，其本身專業知能 的成分也包括: 基本技能(basic Skills) 、概念性理解(conceptual understanding)以及策略 (strategies)。舉例來說，一位放射線學家所具備的基本技能便包括要能判讀X 光的基本元 素，並且能做口述報告(dictation)(報告結果的標準方法)；在概念性理解方面則包括要對正 常人體解剖具備一個心智模式(mental model)，以及對於不同疾病、手術操作和外傷等在解 剖學組織上所具影響之理解；至於策略方面則包括能夠在診斷時儘可能嘗試去蒐集最多的 資料，並且能有系統地評估那些具有競爭性的假設(competing hypotheses)(引自簡聿成， 2000)。
(三)綜合評述
科學探究是科學家用來研究自然界並獲取知識的一種有系統的方法。它包括科學家如 何形成科學知識的過程，科學探究過程所使用的科學過程技能，以及人類在科學探究過程 中解決問題及邏輯思考。而科學探究的方法並非單一的，而且沒有固定的程序和步驟。即 使在一個特定領域中，科學探究可能包含多種不同的探究類型。 從新科學哲學觀所帶來的啟示，許多科學教育學者建議學校內的科學教學活動，應能 真實的反應從事科學探究的精神。然而許多的研究顯示科學教室中科學探究的發展與應用 仍然是沒有落實的。 我國九年一貫課程「自然與生活科技」領域之學習強調應以探究和實作的方式來進行， 強調手腦並用、活動導向、設計與製作兼顧知能與態度並重。是故，科學教師應以探究與 解決問題的方式進行科學教學，並鼓勵學生主動參與科學的學習與探究，提出更多不同的 想法。二、科學探究能力與活動的特徵
(一)科學探究的能力
美國國家科學教育標準(National Science Education Standards)之中，有關科學探究能力 的內容標準（NRC, 2000, p. 19），其中包含K-12 年級(三個階段)，茲分述如下：
（A）k-4 年級
1. 提出週遭環境中有關物體、生物及事件的問題。 2. 計畫和進行一個簡單的調查活動。
識的領域和來源，(3)學習者被給予可能的連結。 5. 學習者傳達並辯證所提出的解釋：為了讓科學探究的結果可以被複製，科學家必須 用以下的方式傳達他們的解釋：清楚的連結(1)所提問的問題、(2)步驟、(3)證據、(4) 所提出的解釋和(5)重新檢討另有解釋等的每一個環節。以上的方式可以提供進一步 懷疑性的重新檢討和供其他的科學家用這個解釋從事於新問題的探究。使學生分享 他們的解釋可以提供其他學生以下的機會：(1)提問問題、(2)檢驗證據、(3)指出錯誤 的推理、(4)指出超越證據的敘述、和(5)提議對於相同觀察的另有解釋。分享解釋可 以產生更多的問題或加強學生在證據、現存的科學知識和他們所提出的解釋之間所 做的連結。因此，學生能解決矛盾並強化自己以經驗為基礎的論證。這個特徵依學 生自主的程度由多到寡分成四個層次：(1)學習者形成合理的、合邏輯的論證以傳達 解釋，(2)學習者被指導發展傳達，(3)學習者被提供概括的指導方針以形成傳達，(4) 學習者被給予傳達的步驟和程序。 表一、教室探究必備特徵與它們的差異 基本的特徵 差異 1. 學習者提出 科學導向的 問題 學習者提出問題 學習者在許多問 題中挑選問題， 提出新的問題 學習者修改 （sharpen）或澄 清由老師、教材 或是其他來源所 提供的問題 學習者從事由老 師、教材或是其 他資料所提供的 問題 2. 學習者決定 收集證據的 方法以應所 提出的問題 由學習者自己決 定收集證據的方 法並收集 學習者被引導收 集特定的證據 學習者被給予資 料並被要求分析 學習者被給予資 料並被告訴如何 分析 3. 學習者從證 據中形成解 釋來回答所 提出的問題 學習者在歸納證 據後形成解釋 學習者被引導從 證據中形成解釋 學習者被給予許 多可能的方法來 使用證據形成解 釋 學習者被提供證 據 4. 學習者連結 自己的解釋 到科學的知 識 學習者獨立檢驗 其他資源並且與 自己的解釋形成 連結 學習者被引導進 入科學知識的領 域和來源 學習者被給予可 能的連結 5. 學習者傳達 並辯證所提 出的解釋 學習者形成合理 的、合邏輯的論 證以傳達解釋 學習者被指導發 展傳達 學習者被提供概 括的指導方針以 形成傳達 學習者被給予傳 達的步驟和程序
（資料來自 Inquiry and the National Science Education Standards, NRC, 2000） 學習者自我引導的量
多 少
來自教師或是教材引導的量
美國國家科學教育標準提出提昇科學探究所強調的重點與以往有所不同（National Research Council, 1996），如下表二所示：
表二、提昇科學探究所強調的重點（National Research Council, 1996）
較少強調 較多強調 1. 科學探究活動挶限在一節課 2. 得到答案 3. 進行較少的探究以便留下時間來完成大量的 內容的學習 4. 學生的想法僅與老師在私底下溝通 5. 僅對科學內容的問題提供答案 1. 科學探究活動超過一節課 2. 使用證據與策略來發展或修改解釋 3. 進行多的探究以伋展、探究的價值與科學內 容知識 4. 學生的想法與學生的作品有公開的溝通 5. 溝通科學的解釋
美國 Oregon Department of Education 研發一份科學探究活動評量的判準，其科學探究 活動包含了下列的四個特徵：
1. 形成問題或假設（Forming a Question or Hypothesis） 2. 設計一個探究活動（Designing an Investigation） 3. 收集與呈現資料（Collecting and Presenting Data） 4. 分析與詮釋結果（Analyzing and Interpreting Results）
Roth（1995）提出科學家在進行科學探究歷程的五個特質： 1. 問題探究的情境中，問題本身往往是定義不明確的。 2. 探究歷程經驗是模糊、不確定的：且科學知識是由社會化磋商形成的。 3. 由既有的有知識狀態朝向可預測的解題歷程。 4. 探究歷程不是孤軍奮鬥，而是同一個團體共用知識實務、資源和對話。 5. 在這個團體裡，每個成員都可能是某知識的專題。 這種探究歷程的環境本質是： 1. 在情境脈絡中學習； 2. 情境脈絡中的問題是模糊、不確定結構組織薄弱的； 3. 從事可被預測的、並能引玫某地步狀態的歷程； 4. 享有科學社群在知識、實驗、資源、辯論和對話等的經驗。 Roth（1995）經由科學家在進行科學探究歷程的五個特質，提出學生宜有的科學探究 學習歷程包括： 1. 確定問題，思索可能的答案，並嘗試驗證其可能性。 2. 設計科學探究的過程和獲得數據。 3. 根據前有的問題和決策，再形成新的問題。 4. 根據先備知識，進行問題的發展。 5. 將活動經驗與科學概念、原理聯結。 6. 分享及討論研究的過程、決策和作品。
三
、
有關科學探究的評量
(一)過程技能的評量
以往有關科學探究的評量大多為發展統整過程技能的量表，例如Dillashaw & 0key(1980) 設計了「The Test of Integrated Process Skills」，共三十六題，皆為四選一選擇題；或者是 利用量表來評鑑學生的統整科學過程技能，例如Matheis(1992)曾利用測驗卷測量日本和美 國北卡羅來納州(North Carolina)中學生的邏輯思考能力及統整過程技能。然而利用紙筆測驗 的量表來評鑑學生的科學過程技能，並不能和利用真實科學活動來考驗學生統整能力的情 況相提並論，因此也有些研究進一步採用「實作測試」來真實地測驗學生的統整能力，例 如國內學者楊文金(1987)曾以形成假說、設計實驗、資料處理及下結論等四項統整過程技能 為目標，進行實作評量。根據實作格式測驗之研究發現，國民中學各年級之統整過程技能 表現，與我國國小高年級及國中各年級自然科學實驗教材結構有一致性的表現。
(二)科學探究計分規準
以下研究者舉出一份由Oregon Department of Education (2002-2003)所研發而來的五年 級科學探究活動的計分規準。首先是針對評分規準表格中所提到的項目做簡單的介紹，之 後將進一步介紹老師的計分規準。
(A) 科學探究活動的得分指標
科學探究活動的得分指標包含了下列的四個向度：
1. F 架構一個探究活動(Framing the Inverstigation) 2. D 設計一個探究活動 (Designing an Investigation) 3. C 收集與呈現資料 (Collecting and Presenting Data) 4. A 分析與詮釋結果(Analyzing and Interpreting Results)
(B) 分數的計分(Score points)
表四、科學探究活動分數的計分 Score of 6 Extraordinary achievement 非凡的成就 Score of 5 Thoroughly developed 徹底地發展的
Score of 4 Work is complete and effective 完全的和有效的
Score of 3 Work is partially effective or complete 部份有效的或完整的 Score of 2 Work is underdeveloped 發展不完全
Score of 1 Work is ineffective or minimal
獲得學生學習的情形，進一步引導後來的教學決定、教學計劃的調整與修正。嵌入式評量 採用的評量方式是多元的包括口頭回答、書寫作業、實驗操作，亦包括個別作業和分組合 作等。嵌入式評量的構想，要怎麼做？研究者針對設計理念與原則、以及教學設計策略具 體說明如下： A、嵌入式評量教學模組設計理念與原則： 1. 評量整合於教學中：教師在設計教學活動時，就把教學、評量方式、評量基準合併 設計，將評量與教學融合，這樣教師才能掌握學生的學習脈絡、學習時有什麼困難， 而給予適當及時的協助。 2. 善用評量的資訊，修正教學計劃：教學中，教師可以視每一個教室情境調整教學計 劃。所以教師介入不是之前就先確立的；端看學生行為及依照學生的需要或要求而 定，而且評量進行中允許師生互動，並確保評量的資料可以引導學習，並在教學中 及時採用適當的教學策略，以幫助學生科學的學習。也就是說嵌入式評量可以對進 行中的教學提供及時的回饋，這回饋可以使教師修改教學策略也能讓學生採取適當 的學習方法，促進科學的教與學。 3. 實施多元評量：嵌入式評量教學模組之教學歷程中使用各種評量方式，包括口頭問 答、紙筆測驗、實驗操作、實驗紀錄、習作、圖表紀錄、實驗報告等不同的評量方 式。 4. 動態的評量時機：嵌入式評量在評量時機的安排上，並不特意安排時間實施評量， 可以在教學活動中包含評量部分，也就是說這種教學和評量是整合的。評量時機有 時是在教學進行前實施的，也有時是在教學活動中進行的評量，或是在教學活動後 評量。 5. 使用開放性的問題：只是提出一些封閉性的問題，是無助於學生的思考，所以教師 要多提出開放性的問題，以培養學童思考與科學探究的能力。 B、嵌入式評量的教學設計策略 依據Gallagher（2000，高師大）針對學生的迷思概念所設計的嵌入式評量的教學設計 模式，研究者提出科學探究的嵌入式評量的教學設計策略如下：
1. 列出重要的科學探究能力（Key Scientific Inquiry Capability）：列出每一主題所 欲培養的科學探究能力，這個步驟是教學活動的重要指引。 2. 找出學生困難（Student Difficulties）：針對每一個重要能力，從相關文獻或前測 找出學生在科學探究上可能遭遇的困難。這個部分是嵌入式評量的必要成分，教師 教學時針對這步驟的分析結果，融入教學活動設計裡。 3. 設計教學/評量活動（Teaching/Assessment Activities/Questions/Task）：針對每一 個重要科學探究能力，設計教學/評量活動，這些活動設計具有同時教導和評量學 生科學探究能力的功能，並幫助老師能整合教學與評量。 4. 定出評量基準（Assessment Criteria）：依照教學目標定出評量基準。評量基準在 於引導老師對學生的表現做徹底的考量。
6. 教師的計劃（Teacher’sPlan）：教師依據學生的表現，修正教學策略，尋找適合 學生的教學策略，以協助學生發展科學探究能力。
(四)學生對科學探究理解問卷
依據以上三種工具之內容，擬自行開發學生對科學探究理解問卷。工具之信、效度規 劃如下： 1. 第一階段：請學科專家進行（內容）效度檢驗，並請進行小規模預試，再作問卷修 正。 2. 第二階段：進行 test-retest 的信度檢驗的工作，將以約 200 人為測試的對象，再進行 問卷信效度的檢驗。四、研究資料之收集
本計畫將採用「歷程檔案」來收集及分析教學與學童的學習狀況。「歷程檔案」收集 之資料將包括量的資料與質的資料。量的資料包括測驗、問卷，質的資料則有教室觀察、 訪談、文件分析。研究資料收集之說明如表七： 表七、研究目的與資料收集方法 資料收集 研究目的 量的資料 質的資料 教師的教室評量輪廓 1. 「國小自然科教室評量檢視工具」 （黃朝榮，2003） 1. 訪談法 2. 教室觀察 教師對科學探究的觀點 1. 科學探究觀問卷（Views of Scientific Inquiry, VOSI）（Lederman, 2002）趙金祁（1999）：科學教育立論基礎芻議。1999 科學史、哲與科學教育學術研討暨研習會。 高雄：國立高雄師範大學物理系。 劉宏文（2001）：高中學生進行開放式科學探究活動之個案研究。網址： http://203.71.212.1/resource/liu_proposal/homepage.htm 劉湘川（1998）：多元化評量系統簡介：提供完整且專業的教學評量資源，以助教學品質 之提升。北縣教育，25，38-45。 蕭碧茹、洪振芳（2000）：以認知歷史分析法探究科學史及其在科學教育的意涵。科學教 育月刊，235，2-13。 鍾聖校（1999）：自然與科技課程教材教法。台北：五南圖書出版公司。 簡聿成（2000）：融入科學史之電腦輔助學習教材對高中生科學探究思考學習之個案研究。 國立高雄師範大學科學教育研究所碩士論文。 簡茂發(1999)：多元化評量之理念與方法。師大校友，298，9-15。
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