以序列性POE探究學生的科學解釋能力：以「大氣壓力與表面張力」為例

以 序 列 性 POE 探 究 學 生 的 科 學 解 釋 能 力 ：

以 「 大 氣 壓 力 與 表 面 張 力 」 為 例

許 良 榮

國 立 臺 中 教 育 大 學 科 學 應 用 與 推 廣 系 教 授

羅 佩 娟

臺 中 市 賴 厝 國 小 教 師

壹 、 緒 論

「 科 學 探 究 」 是 科 學 教 育 重 要 的 教 學 目 標 之 一 ， 美 國 的 《National Science Education Standards》（ NRC， 1996）即 建 議 應 教 導 學 生「 評 估 證 據 與 考 量 邏 輯 以 決 定 最 佳 的 解 釋（p.175）」。雖 然 文 獻 中 針 對 學 生「 科 學 解 釋 」 的 能 力 進 行 探 究 的 研 究 並 不 多 ， 但 是 可 以 發 現 學 生 的 科 學 解 釋 能 力 有 待 提 升 。 例 如 Sandoval & Reiser（ 2002） 發 現 學 生 在 「 設 計 實 驗 」 與 「 結 果 解 釋 」 有 很 大 的 困 難 ， 而 其 困 難 經 常 是 由 於 學 生 對 實 驗 活 動 的 瞭 解 不 足 ， 以 及 綜 合 判 斷 能 力 有 待 加 強 。 姜 滿 （1993） 的 研 究 則 發 現 國 小 學 生 在 科 學 解 釋 的 問 題 包 括 了：前 後 矛 盾、不 連 貫、非 邏 輯 的 推 理…等 等。謝 州 恩（ 2004） 的 研 究 則 指 出 學 生 的 科 學 解 釋 困 難 ， 包 括 ：（ 一 ）科 學 術 語 的 運 用 有 困 難 ； （ 二 ）較 不 會 使 用 證 據 ；（ 三 ）過 程 或 機 制 的 描 述 不 清 楚…等 等 。 由 此 顯 示 學 生 的 科 學 解 釋 能 力 ， 是 值 得 科 教 學 者 重 視 的 一 環 。 探 究 學 生 的 科 學 解 釋 能 力 ，POE 是 值 得 努 力 的 研 究 方 法 之 一 。 根 據 Bruce（ 2000）的 研 究 顯 示 ， POE 策 略 有 助 於 教 學 者 思 考 的 方 向 包 括 ： 因 為 書 寫 POE 活 動 單 需 要 時 間 ， 因 此 POE 策 略 可 協 助 學 生 們 慢 下 腳 步 去 思 考 他 們 正 在 做 什 麼 ？ 想 什 麼 ？POE 可 以 呈 現 學 生 整 體 學 習 活 動 的 歷 程 紀 錄 ， 以 做 為 進 一 步 研 究 或 形 成 性 評 量 的 基 礎。由 此 顯 示 POE 策 略 的 目 的 不 僅 在 於 評 估 學 生 的 理 解 內 涵 及 原 有 概 念 ， 同 時 也 具 有 深 入 探 索 學 生 如 何 進 行 自 然 現 象 的 解 釋 與 說 明 之 價 值 。

本 研 究 發 展 「 序 列 性 POE （ Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE ）」， 設 計 前 後 具 有 相 關 連 ； 與 「 大 氣 壓 力 、 表 面 張 力 」 有 關 的 五 個 POE 實 驗 ， 讓 學 生 進 行 預 測 、 觀 察 與 解 釋 ， 企 圖 以 此 探 討 學 生 對 於 自 然 現 象 之 科 學 解 釋 能 力 以 及 解 釋 一 致 性 的 特 徵 ， 並 進 一 步 探 討 「 先 備 知 識 」 與 「 科 學 解 釋 能 力 」 的 關 連 性 。 研 究 問 題 包 括 ：（1） 理 工 與 非 理 工 背 景 學 生 在「 大 氣 壓 力 、 表 面 張 力 」之 先 備 知 識 為 何 ？（2）理 工 與 非 理 工 背 景 學 生 之 「 科 學 解 釋 能 力 」 為 何 ？ （3） 理 工 與 非 理 工 背 景 學 生 之 「 解 釋 一 致 性 」 為 何 ？

貳 、 文 獻 探 討

一 、「 科 學 過 程 技 能 」 與 「 科 學 解 釋 」

科 學 過 程 技 能 最 早 是 由 美 國 科 學 促 進 協 會 （American Association for the Advancement of Science， 簡 稱 AAAS） 提 出 ， 其 中 「 解 釋 資 料 」 之 意 涵 為 ： 組 織 資 料 並 提 出 結 論 ， 能 對 觀 察 所 得 給 予 合 理 的 解 釋 ， 狹 義 而 言 ， 是 指 能 夠 對 採 用 特 殊 方 式 和 技 術 傳 達 的 資 料，做 口 語 化 說 明 的 能 力。例 如： 根 據 圖 表 ， 解 釋 氣 體 體 積 ， 隨 溫 度 的 改 變 而 變 化 （AAAS， 1989）。 過 程 技 能 在 教 學 上 值 得 重 視 ， 尤 其 是 學 生 的 學 習 需 要 我 們 的 投 入 與 關 心 。 張 俊 彥 和 翁 玉 華 （2000） 研 究 我 國 高 中 生 的 問 題 解 決 能 力 與 科 學 過 程 技 能 之 相 關 性 ， 結 果 發 現 ； 問 題 解 決 高 、 低 能 力 不 同 者 ， 在 「 科 學 過 程 技 能 總 分 」 或 「 解 釋 資 料 」 等 ， 高 能 力 者 皆 顯 著 優 於 低 能 力 者 。 而 Kirschner （1992）指 出 強 調 科 學 過 程 技 能 的 教 學，基 本 上 存 在 的 問 題 是 容 易 混 淆「 做 科 學 」（doing science） 與 「 學 科 學 」（ learning science）。「 做 科 學 」 強 調 的 是 科 學 過 程 技 能 的 學 習 ， 例 如 觀 察 、 分 類 、 測 量...等 等 ，「 學 科 學 」是 指 科 學 理 論 或 概 念 的 學 習 ， 強 調 的 是 科 學 知 識 的 建 構 歷 程 ， 這 是 兩 種 不 同 層 面 的 學 習 。 而 Kirschner（ 1992）認 為 應 用 過 程 技 能 為 教 學 方 法 ， 並 且 又 以 此 為 學 習 科 學 的 主 要 路 徑 基 本 上 的 問 題 是 ： 不 當 地 假 設 了 科 學 家 的 探 討 方 法 或 驗 證 一 個 新 概 念 的 路 徑（ 做 科 學 ）， 與 學 生 學 習 科 學 概 念（ 學 科 學 ）是 相 同 的 。 簡 而 言 之 ，「 教 導 過 程 技 能 」是 一 回 事 ， 以「 過 程 技 能 」為 手 段 幫 助 學 生 學 習 科 學 又 是 另 一 回 事 ， 不 能 互 相 混 淆 。

二 、 科 學 解 釋 一 致 性 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 ， 因 為 進 行 「 解 釋 說 明 」 必 須 運 用 心 智 中 既 存 的 科 學 知 識 或 概 念 ， 將 相 關 的 概 念 進 行 合 理 的 組 織 之 後 ， 提 出 最 合 理 的 解 釋 。 因 此 ， 如 果 先 備 知 識 （ 既 有 概 念 ） 不 足，則 難 以 期 望 能 提 出 合 理、合 邏 輯 的 科 學 解 釋。文 獻 中 有 些 學 者 以「 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 & 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）。 diSessa（ 1988）則 認 為 兒 童 沒 有 一 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 一 致 性 」。

Thagard（ 1992） 在 《 Conceptual Revolutions》 一 書 中 ， 指 出 「 解 釋 一 致 性 （explanatory coherence）」 是 概 念 革 命 最 主 要 的 機 制 ， 例 如 氧 化 說 取 代 燃 素 說 ， 即 是 因 為 氧 化 說 有 較 大 的 解 釋 一 致 性 。Thagard（ 1992）進 一 步 討 論 兒 童 與 科 學 家 的 概 念 改 變 之 異 同 性 ， 認 為 並 沒 有 理 由 懷 疑 科 學 家 與 兒 童 在 「 概 念 產 生 」 以 及 「 獲 得 新 的 概 念 」 等 的 機 制 是 否 不 一 樣 ， 比 較 值 得 考 慮 的 是 兒 童 跟 科 學 家 ， 針 對 理 論 （ 或 概 念 ） 對 於 現 象 或 資 料 的 「 解 釋 一 致 性 」的 評 估 是 不 是 一 樣 。Thagard（ 1992）最 後 建 議 科 學 教 育 應 進 行 的 研 究 之 一 ， 即 是 「 探 究 解 釋 一 致 性 在 兒 童 的 信 念 修 正 （belief revision） 及 拋 棄 舊 概 念 系 統 的 角 色（p.261）」， 以 及「 確 定 是 否 可 以 教 導 學 生 對 於 解 釋 一 致 性 有 較 高 的 敏 感 度 ， 而 提 高 此 種 敏 感 度 是 否 能 導 致 學 生 更 能 夠 學 習 新 的 科 學 理 論 ？ （p.261）」。 Sandoval（ 2002） 也 提 出 學 生 的 科 學 解 釋 的 標 準 ， 包 括 了「 原 因 的 一 致 性 」以 及「 證 據 的 支 持 」。 由 此 觀 之 ， 學 生 是 否 能 達 成 「 解 釋 的 一 致 性 」 是 相 當 值 得 我 們 關 注 的 研 究 問 題 之 一 。 三 、POE 的 特 徵 與 功 能 POE 基 本 的 程 序 是 先 設 計 某 一 情 境 讓 學 生 進 行 預 測 將 會 有 何 結 果 或 現 象 發 生 ， 在 學 生 寫 下 自 己 的 預 測 以 及 理 由 之 後 ， 再 實 際 操 作 讓 學 生 觀 察 有 何 現 象 發 生 ？ 觀 察 之 後 寫 下 觀 察 結 果 ， 如 果 與 自 己 的 預 測 不 一 樣 ， 請 學 生 說 明（explanation）原 因 或 理 由。此 歷 程 具 有 認 知 衝 突（ cognitive conflict） 的 特 色 。

國 內 外 學 者 在 近 二 十 年 來 已 有 上 百 篇 與 POE 相 關 的 研 究 文 獻，各 項 實 徵 性 研 究 的 樣 本 範 圍 涵 括 從 幼 稚 園 到 大 學 生，研 究 的 層 面 涉 及 課 程、教 學、 評 量 、 概 念 診 斷 、 師 資 培 育 等 各 個 項 度 ， 同 時 許 多 POE 教 學 設 計 也 尋 求 與 資 訊 科 技 相 結 合，不 僅 符 合 時 代 的 需 求 也 能 協 助 更 多 的 學 生 運 用 POE 策 略 進 行 有 意 義 的 學 習 。 例 如 Liew & Treagust（ 1998） 綜 合 採 用 POE、 個 別 晤 談 以 及 班 級 討 論，以 診 斷 11 年 級 學 生 包 括 水 的 膨 脹、鹽 的 溶 解 度 以 及 燈 泡 的 功 率 與 電 阻 等 概 念 ， 研 究 結 果 顯 示 POE 除 了 能 有 效 掌 握 學 生 的 概 念 理 解 ， 也 適 合 做 為 教 學 活 動 之 設 計 。 而 許 良 榮 和 蔣 盈 姿（2005）以 POE 策 略 探 究 小 學 至 高 中 學 生 對 於 物 質 之 可 燃 性 的 另 有 概 念 ， 研 究 結 果 除 了 發 現 學 生 普 遍 持 有 的 另 有 概 念 之 外 ， 也 發 現 學 生 缺 乏 科 學 解 釋 的 能 力 。 綜 合 以 上 所 述 ，POE 策 略 的 目 的 不 僅 在 於 評 估 學 生 的 理 解 內 涵 及 原 有 概 念 ， 同 時 也 具 有 深 入 探 索 學 生 如 何 進 行 自 然 現 象 的 解 釋 與 說 明 之 價 值 。

參 、 研 究 方 法 與 設 計

一 、 研 究 設 計 本 研 究 以「 大 氣 壓 力 」、「 表 面 張 力 」為 主 題，設 計 了 五 個 POE 實 驗（ 如 表 1）， 由 於 具 有 連 續 性 ， 每 個 POE 之 間 只 變 化 一 個 變 因 ， 因 此 稱 之 為 序 列 性-POE（ S-POE）。

表 1 S-POE 實 驗 設 計 實 驗 一 實 驗 二 實 驗 三 實 驗 四 實 驗 五 內 容 與 大 氣 壓 力 有 關 的 簡 易 實 驗 改 變 變 因 ： 塑 膠 片 改 為 紗 網 改 變 變 因 ： 傾 斜 角 度 改 變 變 因 ： 非 封 閉 空 間 改 變 變 因 ： 瓶 子 換 為 吸 管 目 的 了 解 學 生 的 大 氣 壓 力 之 基 本 解 釋 能 力 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 說 明 的 一 致 性 為 何 ？ S-POE 實 驗 設 計 問 　 　 題 實 驗 一 將 杯 子 放 入 水 中 ， 再 以 薄 的 塑 膠 片 壓 在 杯 口 ， 一 起 將 杯 子 拿 出 水 面 。 將 手 移 開 後 ， 塑 膠 片 不 會 掉 下 來 ， 而 且 杯 子 中 的 水 也 不 會 流 出 來 。 為 什 麼 ？ 科 學 解 釋 ： 大 氣 壓 力 支 撐 了 塑 膠 片 與 水 的 重 量 。 實 驗 二 同 實 驗 一 的 實 驗 過 程 ， 但 是 將 塑 膠 片 換 成 紗 網 （ 玻 璃 窗 用 的 ） 蓋 住 杯 口 ， 杯 子 中 的 水 會 不 會 流 出 來 ？ 為 什 麼 ？ （ 水 不 會 流 出 來 ） 科 學 解 釋 ： 水 的 表 面 張 力 使 紗 網 的 作 用 如 同 上 一 題 的 塑 膠 片 ， 避 免 空 氣 進 入 杯 子 。 實 驗 三 接 續 實 驗 二 ， 如 果 將 杯 子 略 為 傾 斜 ， 杯 子 中 的 水 會 不 會 流 出 來 ？ 為 什 麼 ？（ 水 會 流 出 來 ） 科 學 解 釋 ： 傾 斜 後 ， 表 面 張 力 因 水 壓 的 差 異 而 被 破 壞 （ 右 側 底 部 壓 力 較 大 ）。 實 驗 四 如 同 實 驗 二 ， 但 是 將 杯 子 挖 個 洞 ， 杯 子 中 的 水 會 不 會 流 出 來 ？ 為 什 麼 ？ （ 水 會 流 出 來 ） 科 學 解 釋 ： 杯 子 內 外 之 大 氣 壓 力 平 衡 ， 表 面 張 力 不 足 以 支 撐 水 的 重 量 。 實 驗 五 吸 管 插 入 裝 水 的 杯 子 ， 再 以 食 指 按 住 吸 管 上 方 後 ， 拿 出 來 並 傾 斜 ， 吸 管 中 的 水 會 不 會 流 出 來 ？ 為 什 麼 ？ （ 水 不 會 流 出 來 ） 科 學 解 釋 ： 吸 管 口 徑 小 ， 水 的 表 面 張 力 可 以 避 免 空 氣 進 入 ， 大 氣 壓 力 支 撐 了 水 的 重 量 。 塑 膠 片 挖 洞 紗 網

二 、 研 究 方 法 與 樣 本 研 究 架 構 如 圖 1 所 示 。 第 一 階 段 進 行 個 別 晤 談 ， 目 的 在 挖 掘 學 生 對 於 本 研 究 設 計 之 S-POE 的 實 驗 結 果 的 預 測 與 解 釋 的 能 力 為 何 ？ 並 蒐 集 歸 納 理 工 背 景 與 非 理 工 背 景 學 生 之 科 學 解 釋 的 問 題 或 模 式 ， 做 為 第 二 階 段 設 計 問 卷 之 基 礎 。 研 究 樣 本 以 立 意 取 樣 方 式 抽 取 教 育 大 學 理 工 背 景 、 非 理 工 背 景 學 生 各 二 十 人 ， 合 計 四 十 人 。 第 一 階 段 第 二 階 段 圖 1 研 究 架 構 第 二 階 段 為 發 展 紙 筆 測 驗 工 具 ， 包 括 表 面 張 力 、 大 氣 壓 力 之 「 先 備 知 識 」， 以 及 「S-POE 測 驗（ 科 學 解 釋 ）」， 目 標 在 探 求「 先 備 知 識 」 以 及「 科 學 解 釋 」 之 間 的 關 連 性 （ 以 Person 積 差 相 關 進 行 分 析 ）。 並 以 「 先 備 知 識 」 為 共 變 項 ，「 學 科 背 景 」為 自 變 項 ， 以「 科 學 解 釋 」為 依 變 項 ， 進 行 單 因 子 共 變 數 分 析 。 以 探 討 去 除 「 先 備 知 識 」 的 影 響 後 ， 理 工 背 景 學 生 以 及 非 理 工 背 景 學 生 在 「 科 學 解 釋 」 是 否 有 差 異 ？ 研 究 樣 本 包 括 八 所 教 育 大 學 （ 含 台 南 大 學 、 嘉 義 大 學 ）共 有 837 人（ 份 ）， 剔 除 部 分 未 填 答 、 勾 選 多 個 選 項 等 之 無 效 問 卷 143 份，有 效 問 卷 為 694 份（ 82.9%）。其 中 男 生 有 318 人（ 45.82 ％ ）、 女 生 有 376 人 （ 54.17％ ）； 理 工 背 景 為 384 人 （ 55.33％ ）、 非 理 工 背 景 310 人 （ 44.67％ ）。 三 、 研 究 工 具 （ 一 ） 個 別 晤 談 第 一 階 段 之 研 究 工 具 以 設 計 之 S-POE 實 驗 ， 訪 談 學 生 的 預 測 、 觀 察 與 解 釋 。 晤 談 過 程 全 程 錄 影 、 錄 音 ， 其 中 「 觀 察 」 程 序 ， 是 由 研 究 者 進 行 五 個 實 驗 的 實 際 操 作 ， 由 受 訪 者 預 測 、 觀 察 並 解 釋 。 先 備 知 識 S-POE 紙 筆 測 驗 個 別 晤 談 (S-POE) 學 生 背 景 1 . 理 工 科 系 2 . 非 理 工 科 系

（ 二 ）「 大 氣 壓 力 與 表 面 張 力 先 備 知 識 」 評 量 工 具 以 「 表 面 張 力 」 以 及 「 大 氣 壓 力 」 二 項 科 學 概 念 為 主 ， 以 選 擇 題 方 式 設 計 。 在 研 究 工 具 的 發 展 ， 經 過 建 立 雙 向 細 目 表 專 家 審 查 、 預 測 、 鑑 別 度 與 難 度 分 析 、 信 度 分 析 （Cronbach α 為 .649） 與 修 訂 之 程 序 （ 共 計 25 題 單 選 題 ）。 （ 三 ）S-POE 評 量 問 卷 以 第 一 階 段 的 晤 談 分 析 結 果 為 基 礎 ， 將 學 生 的 預 測 理 由 與 解 釋 ， 建 立 檢 核 表 以 交 叉 比 對 S-POE 問 卷 之 選 項，查 驗 每 個 選 項 都 是 來 自 晤 談 的 學 生 反 應 ， 以 確 定 問 卷 試 題 能 夠 涵 蓋 學 生 的 可 能 想 法 。 試 題 共 有 五 題 實 驗 試 題（ 如 同 表 1 之 實 驗 設 計 ），每 一 題 包 括 的「 預 測 」 與「 解 釋 」採 用 二 階 段 試 題（two-tiers）的 方 式 設 計 ， 第 一 層 為 選 擇 題（ 事 實 選 項 ） ， 有 2 個 選 項 。 第 二 層 為 理 由 選 題 ， 由 學 生 選 擇 合 乎 其 想 法 的 理 由 敘 述，二 層 都 答 對 計 分 為 １ 分。施 測 時，每 個 實 驗 都 是 先 讓 學 生 勾 選「 預 測 」實 驗 結 果（ 水 是 否 會 流 出 來 ？ ）， 再 勾 選 預 測 的「 理 由 」之 後 ， 給 予 實 際 實 驗 結 果，最 後 要 求 勾 選 實 驗 結 果 的「 解 釋 」。評 量 問 卷 發 展 過 程 再 經 過 專 家 審 查 ， 以 建 立 專 家 效 度 ， 再 經 修 訂 而 成 為 正 式 的 評 量 工 具 。

肆 、 研 究 結 果 與 討 論

一 、「 大 氣 壓 力 及 表 面 張 力 」 先 備 知 識 結 果 分 析 本 量 表 滿 分 為 25 分，施 測 結 果 發 現 全 體 學 生 在 大 氣 壓 力 及 表 面 張 力 概 念 的 總 平 均 為 13.23 分 （ SD=3.80）， 而 分 布 情 形 偏 態 g1 為- .04， 峰 度 g2 為- .42， 大 致 呈 常 態 分 布 。 而 理 工 背 景 學 生 在 25 題 中 有 23 題 的 答 對 率 高 於 非 理 工 背 景 學 生 ， 理 工 背 景 學 生 平 均 得 分 為 14.88（ SD=3.52）， 非 理 工 背 景 為 11.19（ SD=3.09），由 表 2 的 T 檢 定 發 現 達 顯 著 差 異 水 準（ T=14.66； P< .01）。

表 2 不 同 背 景 學 生 先 備 知 識 得 分 T 考 驗 摘 要 表 背 景 人 數 平 均 數 標 準 差 T值 顯 著 性 理 工 背 景 384 14.88 3.52 非 理 工 背 景 310 11.19 3.09 14.66 .000 雖 然 理 工 背 景 學 生 的 先 備 知 識 顯 著 高 於 非 理 工 背 景 ， 但 是 換 算 答 對 率 ， 理 工 背 景 為 59.52％ （ 非 理 工 為 44.76％ ）， 答 對 率 皆 不 到 六 成 ， 顯 示 學 生 的 大 氣 壓 力 及 表 面 張 力 之 概 念 知 識 仍 有 加 強 的 空 間 。 進 一 步 以 Pearson 積 差 相 關 分 析 「 先 備 知 識 」 與 「 科 學 解 釋 能 力 」 之 相 關 性 ， 發 現 理 工 背 景 為 r= .181， 非 理 工 背 景 r= .295， 全 體 r= .273， 皆 達 顯 著 水 準 （P< .01）。 由 此 顯 示 ，「 大 氣 壓 力 及 表 面 張 力 」 的 先 備 知 識 和 科 學 解 釋 能 力 之 相 關 性 具 有 顯 著 水 準 。 二 、 理 工 與 非 理 工 背 景 學 生 之 「 科 學 解 釋 能 力 」 結 果 分 析 為 了 解 不 同 背 景 學 生 在 去 除 先 備 知 識 的 影 響 下 ， 科 學 解 釋 能 力 是 否 有 差 異 ， 以 單 因 子 共 變 數 分 析 （ANCOVA） 分 析 學 生 在 S-POE 的 施 測 結 果 。 由 表 3 的 分 析 結 果 顯 示 ； 在 「 預 測 」 部 分 ， 不 論 理 工 或 非 理 工 背 景 學 生 ， 除 了 第 二 題（ 每 題 對 應 一 個 POE 實 驗 ）答 對 率 低 於 四 成 ， 其 他 各 題 的 答 對 率 都 在 84.8%以 上 。 而 「 預 測 的 理 由 」 與 「 解 釋 」 的 答 對 率 則 低 了 許 多 ， 大 多 在 五 成 以 下 。 值 得 注 意 的 是 ： 理 工 背 景 學 生 在 第 五 題 的「 解 釋 」， 答 對 率 比 非 理 工 背 景 學 生 低 了 1.5%，頗 為 令 人 訝 異。而 在 中 學 應 已 學 過 的 第 一 題 ， 理 工 背 景 學 生 的 答 對 率 也 只 有 40.5%， 結 果 與 試 探 性 研 究 （ 許 良 榮 ， 2005） 頗 為 類 似 ， 顯 示 學 生 的 科 學 解 釋 能 力 有 待 加 強 。 再 由 ANCOVA 分 析 結 果 可 以 發 現，理 工 與 非 理 工 背 景 學 生 只 有 在 第 二 題 的 「 預 測 」 與 「 預 測 的 理 由 」； 以 及 第 一 題 的 「 預 測 」 有 顯 著 差 異 ， 其 他 各 項（ 包 括 各 題 的「 解 釋 」）皆 未 達 顯 著 差 異 ， 此 結 果 顯 示 出 理 工 背 景 學 生 雖 然 有 較 多 的 科 學 學 習 經 驗 ， 但 是 並 未 反 應 在 科 學 解 釋 能 力 上 。

表 3 理 工 背 景 學 生 在 S-POE 的 答 對 率 分 析 預 測 預 測 的 理 由 解 釋 題 號 理 工 非 理 工 F 理 工 非 理 工 F 理 工 非 理 工 F 一 348 (90.6) 289 (93.2) - 188 (49.0) 84 (27.1) ** 155 (40.5) 70 (22.6) -二 153 (39.8) 79 (25.5) ** 93 (24.2) 43 (13.9) * 259 (67.4) 176 (56.8) -三 340 (88.5) 272 (87.7) - 188 (49.0) 84 (27.1) - 155 (40.5) 70 (22.6) -四 359 (93.5) 270 (87.1) - 23 ( 6.0) 12( 3.9) - 99 (25.8) 28 ( 9.0) -五 342 (89.1) 263 (84.8) - 185 (48.2) 132 (42.6) - 190 (49.5) 158 (51.0) -註：1.細 格 數 據 為 人 數（ 百 分 比 ）。 2.表 中 F 為 ANCOVA 之 顯 著 性，*P< .05； **P< .01 三 、 解 釋 一 致 性 （ 一 ） 預 測 與 理 由 的 矛 盾 在 五 題 的 「 預 測 」 與 「 預 測 的 理 由 」 中 ， 研 究 結 果 發 現 不 少 學 生 在 預 測 時 勾 選 水 會 流 下 ， 但 是 理 由 卻 是 屬 於 水 不 會 流 下 的 矛 盾 現 象 。 此 種 互 相 矛 盾 的 情 形 除 了 猜 測 式 的 隨 意 勾 選 之 外 ， 也 顯 示 生 學 生 無 法 辨 別 事 實 與 理 由 的 邏 輯 銜 接 關 連 性 。 由 表 4 的 分 析 ， 可 以 發 現 非 理 工 背 景 學 生 選 項 矛 盾 的 比 例 ， 每 一 題 都 高 於 理 工 背 景 學 生 ， 顯 示 非 理 工 背 景 學 生 較 缺 乏 對 於 預 測 與 其 理 由 之 間 的 邏 輯 銜 接 。 而 值 得 注 意 的 是 ， 理 工 背 景 學 生 在 第 四 題 選 項 矛 盾 的 合 計 達 20.8%， 這 是 否 由 於 不 同 的 自 然 現 象 引 起 學 生 混 淆 了 現 象 與 解 釋 的 關 聯 性 ， 是 值 得 再 深 入 探 究 的 問 題 之 一 。

表 4 「 預 測 」 與 「 理 由 」 矛 盾 之 分 析 結 果 預 測 正 確 預 測 不 正 確 合 計 題 號 理 工 非 理 工 理 工 非 理 工 理 工 非 理 工 一 12 (3.1) 6 (1.9) 21 (5.5) 36 (11.6) 33 (8.6) 42 (13.5) 二 15 (3.9) 22 (7.1) 18 (4.7) 38 (12.3) 33 (8.6) 60 (19.4) 三 5 (1.3) 6 (1.9) 3 (0.8) 6 (1.9) 8 (2.1) 12 (3.8) 四 71 (18.5) 106 (34.2) 9 (2.3) 14 (4.5) 80 (20.8) 120 (38.7) 五 13 (3.4) 18 (5.8) 6 (1.6) 6 (1.9) 19 (5.0) 24 (7.7) （ 二 ） 實 驗 之 間 解 釋 的 一 致 性 在 只 相 差 一 個 變 因 的 兩 個 實 驗 之 間 （ 實 驗 二 vs.實 驗 三 、 實 驗 二 vs.實 驗 四 、 實 驗 三 vs.實 驗 五 等 三 組 ， 參 見 表 1）， 如 果 以 Ａ 因 素 （ 大 氣 壓 力 或 表 面 張 力 ） 解 釋 前 一 個 實 驗 ， 則 在 後 續 實 驗 也 應 由 Ａ 因 素 進 行 解 釋 之 。 如 果 前 後 解 釋 的 因 素 有 變 動 ， 代 表 解 釋 並 不 一 致 。 例 如 學 生 如 果 以 「 表 面 張 力 」 解 釋 實 驗 二 ， 則 在 實 驗 三 的 現 象 解 釋 ， 由 於 只 是 傾 斜 與 否 的 差 異 ， 邏 輯 上 也 應 由 「 表 面 張 力 」 是 否 受 影 響 或 改 變 來 進 行 解 釋 。 如 果 該 學 生 在 實 驗 三 不 再 考 慮 表 面 張 力 ， 而 只 由 「 大 氣 壓 力 」 解 釋 ， 即 為 解 釋 不 一 致 。 解 釋 上 是 否 具 有 一 致 性 之 人 數 的 統 計 如 表 5 所 示 ， 由 於 並 非 所 有 的 回 答 都 可 歸 類 為 一 致 或 不 一 致 ； 例 如 勾 選 「 紗 網 有 孔 洞 」 或 「 其 他 」 等 ， 因 此 表 5 之 人 數 總 和 不 是 100%。 由 表 5 的 分 析 結 果 顯 示 ， 實 驗 二 vs.實 驗 三 解 釋 不 一 致 的 百 分 比 約 在 10%左 右 ， 其 他 都 在 24.5%以 上 ， 顯 示 有 不 少 學 生 在 解 釋 自 然 現 象 時 ， 考 慮 的 變 因 會 因 情 境 具 有 變 動 性 ， 有 時 只 考 慮 大 氣 壓 力 ， 有 時 又 只 考 慮 表 面 張 力 ， 缺 乏 一 致 性 的 科 學 解 釋 。 尤 其 令 人 擔 憂 的 是 ， 在 實 驗 二 vs.實 驗 四 、 實 驗 三 vs.實 驗 五 ， 理 工 背 景 學 生 解 釋 不 一 致 的 人 數 比 率 高 於 非 理 工 背 景 學 生 ， 而 且 人 數 比 率 都 達 36.7%以 上 。 理 工 背 景 學 生 接 受 較 多 的 科 學 訓 練 ， 為 何 在 解 釋 一 致 性 的 表 現 無 法 顯 現 出 應 有 的 基 本 水 平 ， 是 未 來 科 學 教 學 應 仔 細 思 考 改 進 的 問 題 之 一 。

表 5 解 釋 一 致 性 人 數 統 計 表 理 工 非 理 工 一 致 不 一 致 一 致 不 一 致 實 驗 二 vs.實 驗 三 36 ( 9.4%) 32 (8.3%) 49 (15.8%) 32 (10.3%) 實 驗 二 vs.實 驗 四 61 (15.9%) 156 (40.6%) 77 (24.8%) 106 (34.2%) 實 驗 三 vs.實 驗 五 5 ( 1.3%) 141 (36.7%) 10 ( 3.2%) 76 (24.5%) 四 、 綜 合 討 論 由 研 究 結 果 發 現 八 所 教 育 大 學 學 生 的 先 備 知 識 答 對 率 平 均 為 59.52％ （ 非 理 工 為 44.76％ ）， 顯 示 學 生 的 大 氣 壓 力 及 表 面 張 力 之 概 念 知 識 仍 有 加 強 的 空 間 。 在 第 一 階 段 的 晤 談 發 現 部 分 學 生 能 舉 出 符 合 「 表 面 張 力 」 的 例 子 ， 例 如 水 黽 能 在 水 面 上 自 由 行 走 ； 或 已 裝 滿 水 的 杯 子 中 可 繼 續 加 水 到 表 面 凸 起 來 ， 但 是 對 於 「 表 面 張 力 」 的 意 涵 與 作 用 並 不 清 楚 ， 反 映 了 學 生 的 科 學 概 念 似 乎 只 著 重 在 表 面 意 義 的 學 習 ， 因 此 也 難 以 期 望 能 有 恰 當 的 「 科 學 解 釋 」 能 力 。 另 一 現 象 是 學 生 對 於 相 似 的 科 學 概 念 無 法 區 分 清 楚 （ 例 如 水 壓 、 重 力 ），在 運 用 科 學 語 詞 進 行 解 釋 時，不 易 以 合 乎 邏 輯 的 科 學 思 維，將 現 象 的 因 與 果 互 相 關 連 起 來 。 例 如 研 究 發 現 理 工 背 景 學 生 傾 向 於 使 用 科 學 術 語 進 行 解 釋 ， 但 對 其 意 涵 與 作 用 的 認 識 與 了 解 不 足 ， 導 致 無 法 將 其 概 念 持 續 應 用 到 不 同 的 實 驗 情 境 中 ， 呈 現 出 「 情 境 相 依 」（situation dependent） 的 情 形 ； 亦 即 專 注 於 情 境 的 特 徵（ 例 如 紗 網 的 洞 、 傾 斜 角 度 等 等 ）， 而 忽 略 了 原 理 原 則 的 邏 輯 思 考（ 如 傾 斜 後 的 變 因 之 間 的 因 果 關 係 ）。此 現 象 反 映 在 理 工 背 景 學 生 的 先 備 知 識 雖 然 顯 著 高 於 非 理 工 背 景 學 生，但 是 在「 解 釋 不 一 致 」 的 人 數 比 率 卻 高 於 非 理 工 背 景 學 生 的 結 果 。 在 教 學 上 ， 如 果 能 提 供 不 同 情 境 ， 加 強 相 關 連 的 科 學 概 念 之 區 分 與 澄 清 ， 引 導 學 生 了 解 相 似 的 概 念 在 不 同 情 境 的 適 用 性 ， 是 可 以 改 進 的 方 向 之 一 。 如 同 Zuzovsky & Tamir（ 1999） 指 出 學 生 越 熟 悉 問 題 中 的 情 境 ， 他 們 越 能 預 測 ； 並 會 選 擇 適 切 的 知 識 與 概 念 來 支 持 他 們 的 預 測 。Touger 等 人 （1995） 研 究 初 學 物 理 學 之 大 學 生 ， 也 發 現 學 生 應 用 概 念 於 基 礎 力 學 的 解 釋 是 情 境 相 依 的。因 此 在 進 行 教 學 時，應 盡 可 能 地 運 用 具 體 且 實 際 的 脈 絡，

幫 助 學 生 了 解 科 學 概 念 的 意 義 ， 多 給 予 一 些 相 關 的 情 境 ， 避 免 只 是 單 純 的 計 算 或 是 解 題 ， 並 且 讓 學 生 進 行 討 論 與 思 考 ， 以 澄 清 自 己 的 想 法 ， 進 而 提 升 科 學 解 釋 的 能 力 。

伍 、 結 論 與 建 議

由 研 究 結 果 發 現 ：（1）「 大 氣 壓 力 、 表 面 張 力 」之 先 備 知 識 ， 理 工 背 景 高 於 非 理 工 背 景 學 生 ， 達 顯 著 差 異 水 準 （P<.01）； 且 「 先 備 知 識 」 與 「 科 學 解 釋 能 力 」 達 顯 著 相 關 （P<.01）。（ 2）由 ANCOVA 分 析 結 果 發 現 ， 理 工 與 非 理 工 背 景 學 生 在 各 題 的 「 解 釋 」 皆 未 達 顯 著 差 異 ， 顯 示 理 工 背 景 學 生 雖 然 有 較 多 的 科 學 學 習 經 驗 ， 但 是 並 未 反 應 在 科 學 解 釋 能 力 上 。（3） 非 理 工 背 景 學 生 在 「 預 測 」 與 「 預 測 的 理 由 」 矛 盾 的 人 數 比 率 ， 每 一 題 都 高 於 理 工 背 景 學 生 。 但 是 在 實 驗 二 vs.實 驗 四 、 實 驗 三 vs.實 驗 五 ， 理 工 背 景 學 生 「 解 釋 不 一 致 」 的 人 數 比 率 高 於 非 理 工 背 景 學 生 ， 而 且 人 數 比 率 都 達 36.7% 以 上 。 由 以 上 發 現 顯 示 ； 如 何 加 強 學 生 的 科 學 解 釋 能 力 ， 是 未 來 教 學 應 予 重 視 的 課 題 之 一 。 本 研 究 建 議 在 教 學 上 應 多 安 排 讓 學 生 運 用 科 學 概 念 進 行 現 象 的 解 釋 ， 並 增 加 在 不 同 情 境 中 的 概 念 之 應 用 ； 教 師 並 多 鼓 勵 學 生 以 口 語 或 寫 作 提 出 自 己 的 解 釋 ， 以 期 能 由 「 理 解 」 提 升 至 「 應 用 」 的 層 次 ， 進 而 提 高 學 生 的 科 學 解 釋 能 力 。 誌 謝 ： 本 研 究 承 國 科 會 補 助 研 究 經 費 ， 特 此 致 謝 。（ NSC 9 5 - 2 5 11 - S - 1 4 2 - 0 0 7 - M Y 2 ）

參 考 文 獻

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