物理辯論競賽之學生科學探究活動評量探析

107 物理教育學刊

2008, 第九卷第一期, 1-16

Chinese Physics Education 2008, 9(1), 1-16 物理教育學刊

2014, 第十五卷第二期, 107-144

Chinese Physics Education 2014, 15(2), 107-144

物理辯論競賽之學生科學探究

活動評量探析

蕭儒棠 國家教育研究院測驗及評量研究中心 jthsiao@mail.naer.edu.tw 摘要：科學探究是科學家探索自然世界運作，並 進而建構科學理論與知識的活動，而科學教育則 以學生對科學探究的認知與科學探究能力的養 成為目標。本文旨在藉由科學探究相關文章的回 顧，同時參考「國際青年學生物理辯論錦標賽」 (International Young Physicists' Tournament, IYPT) 的競賽過程與評分內容，統整參賽選手培訓過程 中，教師與選手應關注的科學探究活動，並探討 不同科學探究活動階段中，培訓選手可能面臨的 挑戰。最後，針對各階段的探究活動，整理文獻 中相關的評量規準，作為培訓師生在科學探究活 動中，教學、學習與評量的參考。本研究除了有 助於提升未來台灣參賽隊伍的表現，也能推廣至 教學現場。 關鍵詞：物理辯論、科學教育、科學探究

壹、前言

物理學研究自然界的基本現象，所建立 的觀念、基本理論與知識，可進一步成為工 程科學的發展基礎。而學校的物理教學強調 問題解決，無論中學或大學階段，課堂上的 練習、課後的習題與評量的試題，始終佔據 教師與學生大量的時間。然而，大量的練習 題真的能提升學生的學習成效，進而培養學 生問題解決的能力嗎？近年來關於物理教育 的研究顯示，即使修習過相關單元的課程， 許多學生仍然誤解甚至不理解部分的基礎物 理 概 念 (Champagne, 1980; Clement, 1982; Gunstone, 1987; Mcdermott, Shaffer, & Somersa, 1994; Twigger et al., 1994)。此外， 在學生普遍認為困難的物理概念中，學生練 習解題的數量，與學生對概念的理解，二者 間的相關並不顯著(Kim & Pak, 2002)。反覆 操作大量的練習題，的確有助於熟悉解題所 需的物理方程式與數學技巧，然而，這樣的 學習模式，往往偏重於公式的套用與數值的 計算，悖離了物理學探究自然現象的初衷。 物理學探究自然現象運行的規律，物理 定律是經由現象觀察和實驗測量歸納彙整出 來的結果，觀察與實驗是物理教育中不可或 缺的環節，因此，學習物理學的過程中，透 過實驗進行科學探究，是不可缺的重要訓練 與課程。然而，傳統物理實驗教學中的教學 任務，不外乎基本物理量的測量，和物理定 律的驗證，實驗手冊子中詳細列舉實驗目的、 原理、儀器，與操作步驟，並設計實驗紀錄 表，供學生紀錄實驗數據。這種「食譜式」 實驗課程，僅能養成觀察、測量、數據分析 等基本的科學技能，缺少獨立思考空間的課 程與環境，如何培養學生獨立進行科學探究 的能力？不同於「食譜式」實驗課程，科學 家進行科學探究時，首先必須決定研究目的， 透過現象的觀察，形成一個待解決的問題， 再依據問題，決定研究目的。為了解決問題， 科學家必須思考並提出可行的方案，除了足 夠的知識背景外，運用的科學探究技能還包 括，實驗觀察、發現問題、提出假說、實驗 設計，邏輯推理與批判思考等。本文以「國 際青年學生物理辯論錦標賽」(International Young Physicists' Tournament, IYPT)，於物理 辯論的情境下，探討高中學生的科學探究能 力及可行的評量方式，除了有助於提升未來 台灣參賽隊伍的表現，也能推廣至教學現場， 作為課程、教學與評量的參考。

貳、科學探究能力探討

一、科學探究的意涵 科學探究包含一系列的探究活動，是科 學家探索自然世界運作規律，並進而建構科 學概念與知識的歷程。科學探究也是學生學 習科學的核心要項，能引導學生探索自然世 界的運作與奧秘。培養學生對科學探究的認 知與能力，是科學學習的核心(NRC, 1996; NSTA, 2005)。文獻指出，許多學生只記憶科 學的事實，卻不了解科學事實背後代表的意 義，對於運用科學概念形成假設、設計實驗、 資料處理、邏輯推論和資料統整的表現並不 理想(Friedler & Tamir, 1984)。美國《國家科 學教育標準》說明學生科學探究學習的內涵 時進一步指出，實驗室中操作各項儀器的活 動，只是科學探究的一部份，其他諸如發現 問題、釐清問題、提出假說、設計實驗、蒐 集資料、分析數據、提出結論與發表報告， 也都是科學探究的範疇。科學的教學過程中， 教師應營造適合學生從事科學探究的環境， 協助學生認識科學探究能力的內涵、科學發 展的進程，以及科學家建構科學知識的歷程， 並藉由科學探究活動，養成批判性思維及邏 輯性推理的習慣，進而提升學生對科學的理 解(NRC, 1996; Roth & McGinn, 1998; Roth, 1994)。 二、探究式教學的形式 科學探究包含使學生投入像科學家一樣 的認知過程，例如，提出問題、做出假設、 設計調查、整理資料、做出推論、重新設計 調查、建立理論、修改理論等活動(Crawford, 2000)。《探究與國家科學教育標準》指出， 探究取向的科學教學包含五個要項： (一) 問題：學生面對科學問題、事件、或現 象時，能聯結學過的相關知識，若與已 知的概念相違背，也能激勵學生進一步 學習。 (二) 試驗：學生透過動手操作獲得經驗，探 索可能的想法，形成並檢驗假說、解決 問題，並對觀察到的現象提出解釋。 (三) 分析：學生分析與解釋數據後，綜合他 們的想法建立科學模型，並根據教師所 教授，或其它來源得到的科學知識，清 楚說明相關的概念與解釋。 (四) 應用：學生能延伸其理解與能力，於新 的情境中應用所學。 (五) 評估：學生和教師共同審視並評估學生 所學的內容及學習的方式。 除了探究教學歷程包含的要項，科學探 究教學依據教師介入的程度可區分成四個層 次，層次越高代表示學生的自主性越高，教 師介入的程度也相對越小(Tamir, 1991)： (一) 層次一：研究問題、實驗方法及結果解 釋，均載明於實驗手冊或由教師提供， 學生僅依照指示操作。 (二) 層次二：教師提供研究問題與問題解決 的方法、步驟等，學生經由實驗操作自 行尋找解答。 (三) 層次三：教師僅提供問題，由學生自行 設計研究方法進行實驗，自行尋找解 答。 (四) 層次四：教師僅安排合適的探究環境， 學生自行設定研究問題、方法與步驟 等。 若根據學生在研究問題、研究方法及研 究結果的自主性進行分類，將科學探究活動 分為四類(Colburn, 2000)： (一) 結構式探究(structured inquiry)：教師提 供可供實作的問題，同時也給予研究調 查所需的操作程序及研究材料，但不給 予預期的答案，學生由蒐集到的資料中 發現變數之間的關係。這類的探究類似 食譜式實驗課程，其中的差異在於食譜 式實驗課程中，教師會預先將實驗結果

告知學生，實驗操作的目的在驗證教科 書中敘述的概念、原理，而非面對問題、 解決問題的訓練。食譜式實驗課程普遍 存在目前學校的實驗課程中，學生依照 教師或實驗手冊提供的方法、器材與步 驟，觀察並驗證特定的科學現象或原 理。 (二) 引導式探究(guided inquiry)：教師提供 探究的問題與所需的材料，由學生自行 設計解決問題的方式。 (三) 開放式探究(open inquiry)：教師為學生 營造適合探究的情境，由學生自行形成 研究問題，再模仿科學家的研究方式進 一步解決問題。 (四) 學習循環(learning cycle)：學生參與引 介新概念的活動，教師賦予這個概念一 個正式的名稱，當學生確實掌握這個概 念時，能夠將此概念運用在不同的脈絡 情境下。學生自行發現問題、設計實驗， 最終完成問題解決，這種方式沒有固定 待解決的問題、方法或答案，解決問題 的過程中，學生必須統合已有知識與能 力，並靈活運用邏輯思考與創造能力， 這樣的探究活動最接近科學家進行研 究的實況。 美國《探究與國家科學教育標準》依學 生主導以及教師或教材主導的程度，將學生 在學習環境中進行的探究活動分成不同的型 式。學生進行探究的過程，包含提問、計畫、 分析、解釋、溝通等，每個階段的型式都可 能不同，若教師或教材主導的程度愈高，學 生主導的程度就愈低；反之，若學生主導的 程度愈高，教師活教材主導的程度就愈低， 探究型式就越開放，整理如表 1(Olson & Loucks-Horsley, 2000)。 表 1：科學探究的基本特徵與形式 基本特徵 探究型式的變化 學習者從事科學性 問題的探究 學習者自行提出問題 學習者從現有問題 中作出選擇，據以提 出新問題 由教師或教材或其它來源 提供學習者問題，但仍需 學習者自行洞察或澄清問 題的意義 由教師或教材或 其它來源提供學 習者探究的問題 學習者根據問題蒐 集有關的證據 學習者自行決定哪些 可做為證據並進行蒐 集 學習者在指導下蒐 集某些數據 給予學習者數據並要求學 習者進行分析 提供學習者數據 並告知如何分析 學習者由證據形成 解釋 學習者自行摘要證據 後形成解釋 學習者在指導下由 證據形成解釋 給予學習者使用證據形成 解釋的可能途徑 提供學習者證據 學習者提的解釋能 連接科學知識 學習者自行對其它訊 息來源作考察並與解 釋形成聯結 學習者在指導下朝 向科學知識的領域 和來源 給予學習者可能的連結 學習者為其解釋與 他人進行交流及辯 護 學習者自行形成合理 的及邏輯的論證以交 流解釋 學習者在指導下發 展交流的方法 給予學習者廣泛的指導以 學習如何交流 給予學習者交流 的步驟和程序 綜合上述對科學探究教學層次上的劃 分或形式上的分類，層次指的是學生參與探 究活動的主導程度，學生越能主動參與並主 導的探究教學活動，探究的開放性越高，強 調的是以學習者為中心的探究教學策略。相 反的，若以教師的指導為主，學生的參與和 主導的程度較低時，則教學的結構性越高、 開放性越低、屬於以教師為中心的教學策略， 接近傳統的食譜式實驗課程。 三、科學探究的內涵 科學家在研究自然時，其所進行的工作 是相當複雜且多元的，關於探究歷程涵蓋的

活動有哪些，文獻中已有相當多的討論。分 析科學家進行研究的過程發現，科學家必須 將待解決的問題與既有的知識及經驗相聯結， 透過一系列的程序，運用蒐集到資料，並以 批判性思維及邏輯方法建構與證明科學知識， 用 以 解 決 或 答 覆 問 題 (Olson & Loucks- Horsley, 2000)。若以待解決的問題為中心， 問題解決的科學探究過程，可整理歸納為 9 項具體活動，內容包含，觀察現象、定義問 題、形成問題、調查已知、預測現象、執行 研究、解釋結果、反思發現的結果，最後得 到的成果則必須與同儕或大眾交流與討論 (Harwood, 2004; Reiff, Harwood, & Phillipson, 2002; Robinson, 2004)。 美國《國家科學教育標準》中指出，科 學探究是一個包含多重面向的活動歷程，探 究者需要進行觀察、提出待解決的問題、查 閱相關文獻，了解已為人所知的部分，接著， 還需要設計研究方案，並根據實驗證據檢驗 已經為人所知的部分。探究過程同時也需要 運用各種手段蒐集、分析與解讀數據，最後 再根據實驗結果，提出可行的解答、解釋與 預測，並將研究結果與其他人分享(NRC, 1996)。對於高中階段的科學探究教學而言， 學生應能闡明問題、了解研究方法，明白實 驗組與對照組、應變數與自變數的選擇與控 制，（包含不產生影響的變數、影響較小的變 數，以及對結果有負面影響的變數）、實驗的 誤差來源與控制等。在數據分析方面，高中 學生應能確定數據的範圍、數據的平均值和 眾數值、根據數據做圖和尋找異常資料。高 中學生的科學探究活動最終應能針對研究問 題建構一種解釋方案或一個模型，這個模型 可以是物理模型、概念模型，或數學模型。 面對其它解釋方案或模型時，高中學生也應 能夠藉由對證據的權衡和對邏輯的檢查，決 定哪種解釋和模型是最佳的。高中學生提出 的科學解釋，應運用科學的基礎知識與邏輯 證據，透過深入的分析，清楚地展示邏輯、 證據和現有知識之間的關係。此外，對高中 生所提出的解釋，也強調以公開討論方式開 展同儕評論，且討論時應以科學知識和科學 原理為依據，並運用邏輯和調查研究中所獲 得 的 資 料 (NRC, 1996; Olson & Loucks- Horsley, 2000)。 四、科學探究的挑戰 探究是科學學習的核心，學生在科學探 究歷程中應能具備描述、提問、解釋、驗證、 溝通等眾多能力，在這個過程中，學生藉由 結合科學知識與推理思考技能，深化對科學 的理解。科學探究教學可幫助學生認識科學 概念與科學本質，進而養成正確的科學態度 及獨立探究自然世界的能力。科學探究是一 種有效的教學方式，能協助學生學習如何提 出問題，以及使用證據來解答問題，有助於 理解科學知識。在科學探究歷程的學習過程 中，學生必須學習去如何進行調查、從不同 來源蒐集資料、從這些資料中提出合理的解 釋以及能與他人溝通，並當別人提出質疑時， 能為自己提出的主張與他人進行論證。關於 培養學生科學探究能力的方式，美國國家科 學 教 師 協 會 (National Science Teachers Association, NSTA)建議，教師可由五個方向 著手(NSTA, 2005)： (一) 學習如何去定義並提出適當且能透過 探究解答的問題。 (二) 設計並進行研究，蒐集足以解答研究問 題的證據。 (三) 使 用 適 當 設 備 及 工 具 解 釋 和 分 析 資 料。 (四) 學習如何提出結論，並以證據為基礎進 行批判性及邏輯性思考，進而提出適當 的解釋。 (五) 營造學生可以和同儕及其他人為其所 提出的結論進行溝通與論證的環境。 科學探究能幫助學生對科學及科學探 究發展更深入的理解。然而，傳統科學課堂 中多以講述式教學為主，問題解決方面則強 調解題的訓練，實驗課程則受限於教學時數 及實驗室設備，多採用食譜式的實驗課程。 國際青年學生物理辯論錦標賽由各國高中職 學生組隊，運用自身能力解決複雜的科學問

題，於辯論賽中以具有說服力的方式呈現研 究結果，並於科學討論中為各自的科學主張 進行辯護。IYPT 國際組織委員於每年辯論賽 結束後公布下一年度比賽的題目，學生們幾 乎有一整年的時間思考、設計實驗驗證，諮 詢老師、專家學者、同儕等協助理解這些問 題，並於賽前完成報告。題目所需的器材必 須儘量簡單，且在生活中容易取得。雖然每 一個學生解決問題的做法不同，但解釋實驗 或模擬的結果必須合乎物理的原理和原則。 藉由參與物理辯論比賽，學生不只能學習教 科書以外的物理知識，論證過程的推理、論 述、批判等，更是傳統講授式教學難以培養 的高階能力。

參、國際青年學生物理辯論錦標賽

簡介

一、參賽隊伍 國際青年學生物理辯論錦標賽(以下簡 稱 IYPT)由高中職學生組隊，運用自身能力 解決複雜的科學問題，於辯論賽中以具有說 服力的方式呈現研究結果，並於科學討論中 進 行 辯 護 ， 此 一 競 賽 過 程 稱 為 Physics Fights(以下簡稱 PF)。台灣青年學生物理辯 論競賽(Taiwan Young Physicists' Tournament, TYPT) (以下簡稱 TYPT)的組隊方式與 IYPT 相同，每年有超過 20 隊報名參加，全體評審 於賽後遴選優秀選手作為參加 IYPT 的國家 代表隊候選隊員，並於國立台灣師範大學物 理系邀集下，由大學物理系教授與具備訓練 經驗的高中教師，進行約三個月的密集訓練， 最後於候選隊員中遴選五位選手組成參加 IYPT 的國家代表隊。 二、競賽題目 IYPT 國際組織委員於每年辯論賽結束 後，彙整 17 道新的辯論題目，並於 7 月底公 布，用於下一年度的比賽，各年度的競賽題 目可參考 IYPT 官方網站。這 17 個問題具有 開放性、生活性和物理性，讓每位學生以不 同方式找尋自己的解答。學生準備期間可閱 讀相關文獻或諮詢專家學者，以一整年的時 間思考並設計實驗，並於賽前完成實驗報告。 實驗所需的器材必須儘量簡單，且在生活中 容易取得。雖然每一個學生解決問題的方法 不同，但解釋實驗或模擬的結果必須合乎物 理的原理和原則。題目內容有時也會和其他 的科學領域相關，如化學、生物、地球科學 等，例如在 2005 年和 2007 年各考了一題和 生物有關的問題。TYPT 組織委員則於 IYPT 每年公布的 17 道題目中挑選 12 道題目，做 為 TYPT 的競賽題目。 三、競賽分組 IYPT 物理辯論賽中，各隊分別擔任正 辯者、反辯者、評論者，或觀察者的角色， 在每一場 PF 中，每隊僅能由一人擔任發言 人，分別為該場的正辯者、反辯者、評論者， 或觀察者，其餘成員僅能進行技術支援或簡 短發言。正辯者必須以精要的方式講述競賽 題目的解答，向聽講者傳遞重要的物理思想 和結論；反辯者則對正辯者提出問題並評論 其講述的解答，在了解題目與解答的過程中， 指出有可能的謬思與錯誤，分析正辯者講述 問題的解答的弱點與缺失，與反辯者在討論 的過程中，不應轉而講述自己對於問題所擁 有的解答，只能討論正辯者所講述的解答； 而評論者對正辯者的講述與反辯者的論辯進 行簡短的評述；觀察者則無實質性的參與。 四、評分方式 IYPT 國際賽的評審由各國辯論賽組織 的成員，或參與學生訓練的老師組成。由於 評審的觀點會影響評分的高低，有時會造成 爭論。為了消除因為評審的個人偏見所造成 太高或太低的分數，規定用最高分和最低分 由二者的平均值取代。IYPT 的評分對所有參 與隊伍的評分包含「物理內容」和「口語表 達」二部分，正辯者另有「報告評分」、反辯 者則有「反辯評分」而評論者則有「評論評 分」。正辯者的「報告評分」包含：(1)介紹 與競賽題目相關的概念、理論和原理；(2)針 對觀察的現象提出解釋；(3)運用適當的數學；

(4)運用合理的實驗技術取得並記錄數據(必 要時可演示現象)；(5)連接理論與實驗發現以 提取結論；(6)嘗試以有效且可理解的方式傳 達困難或複雜的概念。反辯者的「反辯評分」 包含：(1)挑戰正辯報告中正辯者對於概念、 理論和原理的理解；(2)理解正辯報告中正辯 者運用的數學；(3)批判正辯者運用的實驗技 術並質疑數據的有效性；(4)讚賞並強調正辯 報告中的優缺點。評論者則有「評論評分」 包含：(1)對正辯者與反辯者的表現給予客觀 的總結；(2)讚揚重要的部分(特別是有爭議的 部分)；(3)評論者的個人觀點應有證據支持， 而不是來自表面的觀察；(4)個人觀點的內容 應詳實、不瑣碎且可證明評論者理解正反辯 雙方運用的概念、理論、原理和數學。

肆、物理辯論競賽中的科學探究與

評量

物理學是一門重視實驗的學科，根據實 驗的目的可將實驗分為三種類型：觀察新的 現象，並根據觀察到的現象提出可能的解釋， 稱為「觀察型實驗」(observational experiment)； 完成觀察型實驗後，檢驗根據觀察到的現象 所提出的解釋模型是否合理，並運用自己提 出的解釋模型，預測新的實驗可能出現的新 現象，稱為「測試型實驗」(testing experiment)； 根據測試型實驗得到的解釋模型，解釋新的 現象或設計新的科技裝置，則稱為「應用型 實 驗 」 (application experiment)(Etkina, Heuvelen, Brookes, & Mills, 2002)。科學教學 應協助學生了解並學習科學家運用的科學探 究活動，解釋實驗上或概念上面臨的問題， 面對問題時，學生應思考相關的物理原理、 數學過程中的假設、實驗結果的不確定性、 運用獨立的方法驗證實驗結果等。這三種實 驗的類型，正呼應《探究與國家科學教育標 準》中探究式科學教學應包含的五個要項： 問題、試驗、分析、應用與評估。 IYPT 的辯論不同於一般傳統的辯論賽， 它著重的是物理概念的討論，並不針對某個 主題，要求辯論雙方進行正、反不同立場的 言詞交鋒。參賽各隊於賽前針對指定的題目 進行深入的研究，包括設計實驗、數值模擬 或數學分析，之後才能歸納出結論，實驗探 究的能力在競賽準備過程中極為重要，在培 訓過程中，如何評量選手是否達成應有的能 力，需要一套有效的評量工具。Etkina 等學 者，特別就物理教學的需求，同時考慮物理 發展的歷史，認知技能歷程的分類，與科學 教育學者的建議，根據觀察型、測試型與應 用型實驗的特性，整理出一系列科學探究應 有的科學能力，並考慮教與學的需求，發展 一套完整的評分規準，內容包含「以多重表 徵 表 示 研 究 問 題 」 (Ability to represent information in multiple ways)、「設計並執行實 驗，觀察待研究的現象」(Ability to design and conduct an observational experiment)、「設計 並執行實驗，評估模型、方程式、解答、主 張」(Ability to evaluate models, equations, solutions, and claims)、「設計並執行實驗，測 試理論模型，解釋待研究的現象」(Ability to design and conduct a testing experiment)、「蒐 集與分析實驗數據」(Ability to collect and analyze experimental data)與「表達科學概念」 (Ability to communicate scientific ideas)等六 個向度，作為評估學生表現的標準，每個向 度又細分為不同的評分重點，並在表現等級 中明列學生應達成的內容(Etkina et al., 2006)。 Etkina 等學者發展的評量工具(表 2~表 7)， 不只可作為辯論競賽培訓中評量的參考，其 中列舉的學生表現等級，教師和學生可根據 表現等級中的說明，作為未來教與學的參 考。

表 2：以多重表徵表示研究問題 評分重點 表現等級 足夠 待改進 不足 缺乏 由 某 種 表 徵 正 確 擷 取訊息的能力 能正確地擷取所有必要 的訊息，並以可理解的方 式紀錄。 能正確地確定目標、系 統、物理量、初末態等， 及相對應的單位。 物理量具有一致的下標。 能正確地擷取某些 訊息，但並不完全。 例如，僅寫下物理量 的數值，缺少單位或 方向。 某些物理量的下標 不一致或遺漏。 擷取的訊息有錯誤， 例如，數值有誤，混 淆初末態，選擇的系 統錯誤等。 未標示某些物理量的 下標。 未嘗試由研究 問題的敘述中 擷取需要的訊 息。 由 某 種 表 徵 轉 換 為 另一種表徵的能力 由所有已知(或已了解)的 訊息建構表徵，其中並無 重大疏漏。 建構的表徵並沒有 錯誤，但遺漏部分訊 息，例如，標號、變 數。 嘗試建構表徵，但用 了錯誤的訊息，或表 徵與使用的訊息互相 矛盾 未嘗試建構不 同的表徵。 評 估 不 同 表 徵 方 式 是 否 傳 達 相 同 訊 息，若有需要也具有 修訂的能力 包含原有的表徵及建構 的表徵，所有的表徵是一 致的，且提供一致的解 釋。 建構的表徵彼此一 致，但仍與原有的表 徵有微小的差異。 缺少針對表徵一致 性的解釋。 至少建構一個新的表 徵，但仍與原有的表 徵有巨大的差異。 缺少針對表徵一致性 的解釋。 未嘗試建構新 的表徵。 能 運 用 表 徵 解 決 問 題 至少可以運用三種不同 的表徵解決問題。 能 正 確 地 解 決 問 題，但只運用二種表 徵。 能正確解決問題，但 只運用數學解題，未 使用表徵。 未嘗試解決問 題。 表 3：設計並執行實驗，觀察待研究的現象 評分重點 表現等級 足夠 待改進 不足 缺乏 能 辨 別 待 研 究 的 現 象 明 確 陳 述 待 研 究 的 現 象。 對 現 象 的 陳 述 模 糊 或不完整。 對 待 研 究 現 象 的 陳 述令人困惑，或陳述 的 並 不 是 研 究 感 興 趣的現象。 未陳述現象。 能 針 對 研 究 的 現 象 設計可信的實驗 實驗可能會得到與研究 的 現 象 相 關 的 有 趣 特 徵。 現 象 的 某 些 重 要 面 向不是可觀測的。 實 驗 可 能 不 會 得 到 令人感興趣的特徵。 實驗並未研究 現象。 能 確 定 待 測 量 的 物 理量為何，並確認獨 立變量與相依變量 物理量是相關的，確認 獨立變量與相依變量。 物理量是相關的，但 未 確 認 獨 立 變 量 與 相依變量。 僅 某 些 物 理 量 是 相 關的。 物理量並不相 關。 能 敘 述 如 何 運 用 可 得的器材完成測量 所有選擇的測量都能完 成，且能提供測量方式 的細節。 所 有 選 擇 的 測 量 都 能完成，但測量方式 的 細 節 模 糊 或 不 完 整。 所 有 選 擇 的 測 量 都 能完成，但未提供測 量方式的細節。 至少有一項測 量無法運用可 得 的 器 材 完 成。 透 過 文 字 與 實 驗 架 設圖，不需特別解釋 就 能 敘 述 觀 察 到 的 是什麼 同時以文字及圖形清楚 描述實驗。需要時能以 其它表徵敘述。 敘 述 完 整 但 混 雜 了 解釋或特徵。提供圖 形但不容易理解。 敘述不完整。 缺乏敘述。 能 找 出 實 驗 的 缺 失，並提出改善建議 能找出所有實驗的主要 缺失，並能提出合理的 改善建議。 未 找 出 所 有 實 驗 設 計 的 缺 失 或 改 善 建 議。 針 對 缺 失 的 敘 述 模 糊，且未提出任何改 善建議。 未嘗試找出實 驗的缺失。 能找出數據的特徵 特 徵 能 表 示 數 據 的 趨 勢，必要時能以文字描 述趨勢。 特 徵 有 次 要 的 錯 誤 或疏漏。未清楚使用 線 性 關 係 或 二 次 關 描 述 的 特 徵 與 數 據 無關或不一致。 未嘗試找出特 徵。

係這類的描述。 能 用 數 學 式 表 示 特 徵 數 學 式 能 完 整 表 示 趨 勢，且分析結果與實驗 數據一致。 未 分 析 結 果 與 實 驗 數據一致，缺少某些 特徵。 數 學 式 未 能 表 示 趨 勢。 未嘗試以數學 式表示特徵。 能 針 對 觀 察 到 的 特 徵提出解釋 提出合理的解釋，且針 對可觀測特徵的解釋是 可驗證的。 提 出 的 解 釋 與 既 有 的 知 識 相 矛 盾 或 推 理有瑕疵。 提 出 的 解 釋 是 模 糊 的，無法驗證，或與 特徵相矛盾。 未嘗試針對觀 察到的特徵提 出解釋。 表 4：設計並執行實驗，評估模型、方程式、解答、主張 評分重點 表現等級 足夠 待改進 不足 缺乏 能確定待驗證的假 說 能清楚陳述假說。 能陳述假說，但有次 要的疏漏或細節模糊 不清。 嘗 試 確 定 待 驗 證 的 假說，但陳述令人困 惑。 未提及假說。 能 設 計 可 信 的 實 驗，驗證假說 實驗能驗證假說，且極有 可能得到能確切判斷實 驗結果的數據。 實驗能驗證假說，且 根 據 實 驗 設 計 的 特 性，有可能得到能確 切判斷實驗結果的數 據。 實驗能驗證假說，但 根 據 實 驗 設 計 的 特 性，有可能得到錯誤 判 斷 實 驗 結 果 的 數 據。 實驗未驗證假 說。 能分辨假說和預測 不同於假說，能提出預 測，並敘述實驗的結果。 不同於假說，能提出 預測，但未敘述實驗 的結果。 能提出預測，但與假 說相同。 未提出預測。 實驗不屬於測 試型實驗。 能根據假說提出合 理的預測 能根據假說與假設提出 預測 能 根 據 假 說 提 出 預 測，但未考慮假設。 不同於假說，能提出 預測，但未以假說為 依據。 未提出預測。 能確定提出預測時 所作的假設 能正確地確定對提出預 測是重要的假設。 能確定相關的假設， 但對提出預測並不重 要。 嘗試確認假設，但確 認 的 假 設 是 無 關 的，或混淆了假設與 假說。 未嘗試確認假 設。 能提出特定假設影 響預測的方式 能提出假設對預測的影 響，且假設是有效的。 能提出假設對預測的 影響，但未嘗試證明 假設是有效的。 提及假設的影響，但 描述模糊不清。 未嘗試提出假 設對預測的影 響。 能決定預測與結果 是否相符 能合理決定預測與結果 是否相符，同時也考慮實 驗的不確定性。 能合理決定預測與結 果是否相符，但未考 慮實驗的不確定性。 能 決 定 預 測 與 結 果 是否相符，但預測與 實驗結果不一致。 未提及預測與 結 果 是 否 相 符。 能對假說作出合理 的判斷 能作判斷，假說與實驗結 果一致，同時也能考慮假 設。 能作判斷，假說與實 驗結果一致，但未考 慮假設。 判 斷 的 結 果 與 實 驗 結果不一致。 未嘗試對假說 作出判斷。 表 5：設計並執行實驗，測試理論模型，解釋待研究的現象 評分重點 表現等級 足夠 待改進 不足 缺乏 能確定待解決的問 題為何 明確陳述待解決的問題。 能敘述待解決的問 題，但有次要的疏漏 或模糊不清。 嘗試確定待解決的 問題，但敘述的方式 令人困惑。 未陳述待解決 的問題。 能針對待解決的問 題設計可信的實驗 實驗能解決問題，且極有 可能得到能有效解答的 數據。 實驗能嘗試解決問 題，但由於實驗設計 的特性，有部分可能 得到能有效解答的數 實驗能嘗試解決問 題，但由於實驗設計 的特性，並不能得到 能有效解答的數據。 實驗並不能解 決問題。

據。 能運用可得的器材 進行測量 所有選擇的測量都能完 成，能清楚提供測量方式 的細節。 所有選擇的測量都能 完成，但測量方式的 細節模糊不清或不完 整。 所有選擇的測量都 能完成，但缺少測量 方式的細節。 至少一項選擇 的測量無法以 可得的器材進 行測量。 能判斷實驗的結果 針對實驗結果以合理的 方式做出可接受的判斷。 同時考慮了假設可能造 成的影響與實驗的不確 定性。 實驗結果以區間的方式 呈現。 針對實驗結果做出可 接受的判斷，但推理 有瑕疵或不完整。 未考慮不確定性，未 討論假設。 實驗結果以單一數值 的方式呈現。 針對實驗結果做出 判斷，但推理並不合 理。 未針對實驗結 果作討論。 能運用獨立的方法 評估結果 運用第二種獨立的方法 評估結果，且評估時考慮 實驗的不確定性。 二種方法得到的結果不 同時，能討論二者之間的 差異與可能的原因。 運用第二種獨立的方 法評估結果。 比較二種方法得到的 結果時，考慮實驗的 不確定性。 二種方法得到的結果 不同時，很少或未討 論二者之間的差異與 可能的原因。 運用第二種獨立的 方法評估結果。 二種方法得到的結 果不同時，很少或未 討論二者之間的差 異。 未嘗試運用第 二種獨立的方 法評估結果的 一致性。 能針對實驗的問 題，選擇有效的數 學程序 數學程序與實驗設計完 全一致。 所有的物理量能以適當 的單位正確地運算。最後 的結果是有意義的。 能敘述正確且完整的 數學程序，但計算時 發生錯誤。 所有的單位是一致 的。 敘述的數學程序錯 誤或不完整，也因此 無法計算最後的答 案。 單位錯誤。 數學程序不完 整，或寫下的 方程式與實驗 設計無關。 進行數學程序時能 確定預設的假設 能正確地確認所有相關 的假設。 能確認相關的假設， 但對解決問題而言並 不重要。 嘗試確認假設，但在 這個情況下是無關 的或不正確的。 未嘗試確認假 設。 能提出特定假設影 響預測的方式 能提出特定假設對預測 可能的影響，且假設是有 效的。 能提出特定假設對預 測可能的影響，但未 嘗試證明假設是有效 的。 能提出特定假設對 預測可能的影響，但 敘述模糊不清。 未嘗試提出特 定假設對預測 可能的影響。 表 6：表達科學觀念的能力 評分重點 表現等級 足夠 待改進 不足 缺乏 能清楚且完整地傳 達實驗過程的細節 圖示或實驗過程明確、完 整且很輕易就能理解。 能說明圖示或實驗過 程，但有次要的疏漏 或細節上模糊不清， 經過一點努力就能理 解。 能提出圖示但不明 確，或能提出實驗過 程，但缺少重要的細 節，必須經過某程度 的努力才能理解。 缺少圖示，缺 少實驗過程或 實驗過程非常 模糊。 能清楚且完整地傳 達實驗的重點 能清楚討論實驗與實驗發 現。能深度反思實驗發現 的品質與重要性。 能傳達實驗與實驗發 現，但未對實驗與實 驗發現的品質與重要 性提出反思。 能討論實驗與實驗 發現，但討論模糊不 清。未對實驗與實驗 發現的品質與重要 性提出反思。 未討論實驗的 重點。

表 7：蒐集與分析實驗數據的能力 評分重點 表現等級 足夠 待改進 不足 缺乏 能確定實驗不確定 性的來源 能正確地確認所有實驗不 確定性。能區分實驗不確 定性與隨機不確定性。 能正確地確認大多數 實驗不確定性。不能 區分實驗不確定性與 隨機不確定性。 嘗試確認實驗不確 定性，但多數都被忽 略了，且敘述模糊不 清或錯誤。 未嘗試確認實 驗不確定性。 能評估確定實驗不 確定性及影響實驗 數據的方式 能針對實驗最後的結果正 確地評估實驗不確定性。 能適當地運用最弱連結法 則並選擇最大的不確定性 來源。 能針對實驗最後的結 果 評 估 實 驗 不 確 定 性 ， 但 評 估 並 不 正 確。未運用或錯誤運 用最弱連結法則。 嘗試評估實驗不確 定性，但多數都被忽 略了，且敘述模糊不 清或錯誤。或只提及 絕對無不確定性。或 最後的結果未考慮 不確定性。 未嘗試評估實 驗不確定性。 能描述並執行最小 化實驗不確定性的 方式 以有效的方法將不確定性 降至最低。 嘗試將不確定性降至 最低，但使用的方法 不是最有效的。 提出降低實驗不確 定性的方法，但並未 著手嘗試。 未提出降低實 驗不確定性的 方法，也未著 手嘗試。 能以有意義的方式 紀錄並呈現數據 能明確地呈現、組織、記 錄所有重要的數據。表格 能標示名稱且以具邏輯的 方式編排。 能呈現所有重要的數 據，但紀錄的方式需 要 一 些 努 力 才 能 理 解 。 表 格 已 標 示 名 稱，但標示令人感到 疑惑。 部分重要的數據未 紀錄或難以理解。數 據 未 整 理 於 表 格 中，或表格的標示不 適當。 數據未呈現或 難以理解。 以適當的方式分析 數據 分析恰當、完整、正確。 分析恰當，但有次要 的錯誤或疏漏。 嘗試分析數據，但有 嚴重的錯誤或不恰 當。 未嘗試分析數 據。

伍、結論

科學探究是科學家進行研究的方式，強 調科學家探索自然世界時，面對問題、蒐集 資料與形成解釋等，尋找問題與解決問題的 探索歷程。透過科學探究，科學家才能更深 入了解自然世界，促進科學發展。科學探究 並沒有固定的模式，其中涉及以問題解決為 核心的科學過程技能、科學概念知識與科學 態度的綜合運用。科學知識與日俱增，科技 發展日新月異，科學課程中不可能涵蓋所有 的科學知識與概念，課程中一味地填塞學生 各種知識與概念，並無法協助學生建立知識 與概念之間的聯繫，進而構建一個整合性科 學知識體系。科學教育的目標應是提供學生 必要的核心知識，協助養成學生自我學習的 習慣，並培養解決問題的能力。倘若將科學 探究的精神運用於科學課程的教與學，讓學 生進行與科學家工作相近的科學探究活動， 運用個人的已有的知識，進一步觀察、發現、 探索，最終完成問題解決，才能面對二十一 世紀的挑戰。 對每個學習領域而言，如何營造適和學 習者建構知識的情境，始終是教師面臨的一 大挑戰(Bransford, Brown, & Cocking, 2000; Brown, 1992)。這個情境不只必須提供並引 導學習者進行批判性思考，同時也應透過形 成性評量，協助學習者自我學習與調整。透 過這類學習情境，學習者才能藉由科學探究 活動，培養深層的科學理解。Etkina 等學者 發展的評量工具詳細規範了每個向度中的評 分重點與表現等級。學生根據評分重點中的 表現等級，檢視自己表現狀況與表現等級之 間的差距，並決定下個適合的學習步驟，而 不是被動地等待教師提供正確答案。透過物

理辯論競賽，參賽學生必須於賽前針對指定 的題目進行深入的研究，包括設計實驗、數 值模擬或數學分析，之後才能歸納出結論。 在培訓過程中，透過多重表徵表示研究問題， 設計並執行實驗，觀察待研究的現象，蒐集 及分析實驗數據，進而評估模型，測試理論 模型，解釋待研究的現象，最後針對研究的 問題提出自己的主張。物理辯論競賽的培訓 歷程跳脫傳統食譜式實驗課程的模式，藉由 探究活動可培養學生批判性思維及邏輯性推 理的習慣，此外，透過評量工具中列舉的學 生表現等級，也可作為科學探究教學的參考， 有助於提升學生對科學的理解。

陸、致謝

本文承蒙行政院科技部專題研究計畫 經費補助(NSC 102-2511-S-656-003)，以及國 立台灣師範大學物理系賈至達教授，對研究 過程中的協助，特此一併致謝。

柒、參考文獻

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