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以創造性問題解決融入與「光」相關之科學遊戲的學習成效之研究

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Academic year: 2021

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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:許良榮 博士

以創造性問題解決融入與「光」相關之

科學遊戲的學習成效之研究

The Effectiveness of Implementing CPS in Light-related

Science Games on the Fifth and Sixth Graders

研究生:謝亞芬 撰

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誌 謝

身為一個老師,對工作是喜愛的,在工作之餘能夠繼續進修是幸運的。四 個暑假的校園生活,不是沒有辛苦,但心懷更多的是感恩。這一路的風景,感 謝身邊有許多的同伴與我一起欣賞,許老師是最好的響導,珉甄、蕙茹和倩瓊 在這一路上的跌跌撞撞,有你們真好。還有大鵬的同事們,謝謝你們四年來的 支持和鼓勵,我們果然是最溫馨的團隊。 當然最感謝的是我的家人,爸媽無條件的支持,讓我在學習上無後顧之憂。 而我最最驕傲的 sasa 和 kiki,謝謝你們的懂事,讓媽媽可以放心的投入學習; 至於親愛的浩浩,感謝你每當我焦頭爛額的趕報告時,默默的為我擔起照顧兩 個小毛頭的工作,也因為你一直強調的「priority」,讓我在面對工作、家庭和學 業的平衡,可以一路堅定不徬徨。 終於,我畢業了! 亞芬 謹誌 101.8.24

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摘 要

本研究旨在探討如何將創造性問題解決(Creative problem solving , CPS)融

入科學遊戲活動(簡稱 CPS-SG),並分析教學對於國小高年級學生在概念認知與 科學探究能力學習成效之影響。教學活動以「光」為教學主題,教學活動分為 初探及正式教學,初探教學是為了確認教學設計是否得宜、概念認知與科學探 究能力測驗的內容與題意能夠吻合,經過修正後的測驗題目及教學設計再運用 於正式教學中。初探教學的研究方法採用準實驗研究法中單組前後測設計,正 式教學的研究方法則採用準實驗研究法的單組前後測設計及不等組前後測設 計。兩次教學前後皆施以前、後測與延宕測,收集測驗結果進行成對樣本 T 檢 定,以檢視學生在「概念認知」與「科學探究能力」的差異;正式教學階段, 並針對科學探究能力測驗,選擇一班為控制組,與實驗組做單因子共變數分析, 以確認兩組學生在科學探究能力上的差異。研究歷程中同時收集學習活動單、 協同教師訪談紀錄、協同教師觀察紀錄表、學生訪談紀錄、教師省思札記等質 性資料,以三角校正法進行分析,了解學生及協同教師的想法與意見。 經綜合分析獲得以下結果:(一) 完成三個 CPS-SG 的教學活動設計(共六 節);(二)經 CPS-SG 活動後學生在概念認知及科學探究能力有顯著成長;(三) CPS-SG 可引發學生以創意解決問題、使學生更加了解光學原理、促進團隊合 作、將科學原理應用於生活中;最後根據研究結果,對教學活動設計、教學實 施及未來研究發展提出建議,以供教師及對科學遊戲教學有興趣之研究者參考。 關鍵詞:科學遊戲、創造性問題解決(CPS)、科學探究

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Abstract

The purpose of this study was how to investigate the cognition of force and scientific inquiry ability impact on 5th and 6th grade students of integrating CPS into science games activities (CPS-SG).

Activities were executed by integrating CPS teaching model into light-related scientific games. The teaching activity included three units; each unit’s had 80 minutes for teaching. The study subjects were 5th and 6th grade students in primary school. Teaching activity was divided into pilot experiment and formal experiment stages. Pilot experiment was to assure if the design of teaching is proper, or if the test questions of cognition of force and scientific inquiry ability are appropriate in order to get the basis of modification. Revised course design and test is provided for formal teaching implementation. The research method of

pilot experiment adopts one-group pretest-posttest design in quasi-experimental method. The study method of formal teaching adopts pretest-posttest nonequivalent design in quasi-experimental method. One-group pretest-posttest and retention test are implemented before and after the two teaching activities. The results of the test were collected to process Paired-samples t-test and one-way ANCOVA in order to evaluate students’ cognition of force and scientific inquiry abilities. The qualitative data, i.e.: activity worksheets, observations by corporative teacher, interviews with corporative teacher, and teaching journals, are collected during the research course. The collected qualitative data are analyzed by triangulation to realize the thoughts and opinion of students and corporative teacher.

The major findings of this study were: (1)completed the design of three CPS-SG activies; (2) the significant growth on the cognition of force and the scientific inquiry abilities; (3) this teaching could arouse the creativity of students, reinforce student's understanding the principle of light, promote the cooperation between the students, apply scientific principle to activities of daily livings. Finally, according to the results, the researcher proposed further suggestions on the science games in light of course design, instructional implementation, and future developments, so as to be a reference to teachers and other researchers who are interested in science game instruction field. Hopefully, the research could have some lights for teachers on teaching and curriculum designs.

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目 次

摘 要 ... I Abstract ... II 目 次 ... III 表 次 ... V 圖 次 ... IX 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究背景與動機 ... 1 第二節 研究目的與研究問題 ... 4 第三節 名詞解釋 ... 5 第四節 研究範圍與限制 ... 6 第二章 文獻探討 ... 9 第一節 科學遊戲與教學 ... 9 第二節 創造性問題解決 ... 17 第三節 探究之意涵與相關研究 ... 27 第三章 研究方法 ... 35 第一節 研究設計與架構 ... 35 第二節 科學遊戲活動設計歷程 ... 37 第三節 研究流程 ... 42 第四節 研究工具 ... 45 第五節 研究情境與參與對象 ... 51 第六節 資料處理與分析 ... 54 第四章 研究結果與討論 ... 63 第一節 初探教學結果與討論 ... 63

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第二節 正式教學結果與討論 ... 93 第三節 兩階段教學綜合討論 ... 109 第五章 結論與建議 ... 113 第一節 結論 ... 113 第二節 建議 ... 114 參考文獻 ... 119 中文部份 ... 119 英文部份 ... 125 附 錄 ... 128 附錄一 「光」概念相關科學遊戲整理 ... 128 附錄二 教學活動設計檢核意見表 ... 133 附錄三 教學活動(一)教案與活動單 ... 136 附錄四 教學活動(二)教案與活動單 ... 149 附錄五 教學活動(三)教案與活動單 ... 162 附錄六 協同教師觀察紀錄檢核表 ... 174 附錄七 初探教學階段概念認知測驗試題 ... 183 附錄八 正式教學階段概念認知測驗試題 ... 187 附件九 科學探究能力前、後測試題 ... 191 附錄十 科學探究能力延宕測試題 ... 194 附錄十一 科學探究能力測驗同意書 ... 198

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表 次

表 2-1-1 遊戲理論相關學說之整理 ... 10 表 2-1-2 學者對科學遊戲之定義 ... 13 表 2-1-3 國內與科學遊戲教學相關之研究 ... 14 表 2-2-1 CPS 六個版本的發展歷程 ... 18 表 3-1-1 研究設計 ... 36 表 3-2-1 CPS-SG 教學活動設計主體 ... 40 表 3-4-1 概念認知測驗之雙向細目表 ... 46 表 3-4-2 「賣冰塊的老爺爺」的科學探究能力與題目對照編號 ... 47 表 3-4-3 「賣冰塊的老爺爺」科學探究能力測驗卷中第一題題目修正前後 ... 48 表 3-6-1 初探教學階段對應教學活動之概念認知測驗卷題型與評分標準 ... 54 表 3-6-2 「賣冰塊的老爺爺」科學探究能力測驗卷評分標準 ... 55 表 3-6-3 「凹透鏡與凸透鏡」科學探究能力測驗卷評分標準 ... 57 表 3-6-4 資料編碼 ... 60 表 4-1-1 初試教學階段單元學習目標檢核表 ... 64 表 4-1-2 初試教學階段九年一貫能力檢核表 ... 68 表 4-1-3 初探教學第一單元認知概念試題前、後測與延宕測的 答對人數百分比 ... 73 表 4-1-4 初探教學第一單元第 13、16 兩題全班平均得分情形 ... 75 表 4-1-5 初探教學活動後第一單元試題修正整理 ... 76 表 4-1-6 初探教學活動後第一單元學生活動單內容修訂整理 ... 76 表 4-1-7 初探教學第二單元認知概念試題前、後測與延宕測的 答對人數百分比 ... 78 表 4-1-8 初探教學活動後第二單元教學活動內容修訂整理 ... 80

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表 4-1-9 初探教學活動後第二單元試題修訂整理 ... 81 表 4-1-10 初探教學第三單元認知概念試題前、後測與延宕測的 答對人數百分比 ... 82 表 4-1-11 初探教學活動後第三單元試題修訂整理 ... 83 表 4-1-12 初探教學活動後第三單元教學活動設計修訂整理 ... 84 表 4-1-13 初探教學階段概念認知測驗前、後測與延宕測總分之描述性資料 ... 85 表 4-1-14 初探教學階段概念認知測驗之前、後測與延宕測兩兩成對樣本 T 檢定 ... 85 表 4-1-15 初探教學階段第一單元概念認知測驗前、後測與延宕測之 描述性資料... 85 表 4-1-16 初探教學階段第一單元概念認知測驗之前、後測與延宕測 兩兩成對樣本 T 檢定 ... 86 表 4-1-17 初探教學階段第二單元概念認知測驗前、後測與延宕測之 描述性資料... 86 表 4-1-18 初探教學階段第二單元概念認知測驗之前、後測與延宕測 兩兩成對樣本 T 檢定 ... 86 表 4-1-19 初探教學階段第三單元概念認知測驗前、後測與延宕測之 描述性資料... 87 表 4-1-20 初探教學階段第三單元概念認知測驗之前、後測與延宕測 兩兩成對樣本 T 檢定 ... 87 表 4-1-21 初探教學活動中科學探究能力測驗前、後測與延宕測之描述性資料88 表 4-1-22 初探教學活動中科學探究能力測驗之前、後測與延宕測 兩兩成對樣本 T 檢定 ... 88 表 4-1-23 初探教學活動科學探究能力測驗前、後測與延宕測中各分項測驗之

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描述性資料... 90 表 4-2-1 正式教學階段概念認知測驗前、後測與延宕測總分之描述性資料 ... 95 表 4-2-2 正式教學階段概念認知測驗之前、後測與延宕測 兩兩成對樣本 T 檢定 ... 95 表 4-2-3 正式教學階段第一單元概念認知測驗前、後測與延宕測之 描述性資料... 96 表 4-2-4 正式教學階段第一單元概念認知測驗前、後測與延宕測之 兩兩成對樣本 T 檢定 ... 96 表 4-2-5 正式教學階段第一單元概念認知測驗前、後測與延宕測各題 答對百分率... 97 表 4-2-6 正式教學階段第二單元概念認知測驗前、後測與延宕測之 描述性資料... 98 表 4-2-7 正式教學階段第二單元概念認知測驗與前、後延宕測之 兩兩成對樣本 T 檢定 ... 98 表 4-2-8 正式教學階段第二單元概念認知測驗前、後測與延宕測 各題答對百分率 ... 99 表 4-2-9 正式教學階段第三單元概念認知測驗前測、後測與延宕測之 描述性資料... 99 表 4-2-10 正式教學階段第三單元概念認知測驗前、後測及延宕測之 兩兩成對樣本 T 檢定 ... 100 表 4-2-11 正式教學階段第三單元概念認知測驗之前、後測與延宕測 各題答對百分率 ... 101 表 4-2-12 正式教學活動中科學探究能力測驗前、後測與延宕測之描述性資料103 表 4-2-13 正式教學活動中科學探究能力測驗前、後測與延宕測之

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兩兩成對樣本 T 檢定 ... 103 表 4-2-14 組內迴歸係數同質性檢定摘要表 ... 104 表 4-2-15 ANCOVA 分析摘要表 ... 104 表 4-2-16 科學探究能力延宕測調整後的平均數 ... 104 表 4-2-17 正式教學階段科學探究能力測驗前、後測與延宕測中各分項測驗之 描述性資料... 105

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圖 次

圖 2-2-1 Parnes 和 Noller 所提出的 CPS(V2.2)模式 ... 19 圖 2-2-2 Isaksen 和 Treffinger 六階段 CPS 模式 ... 21 圖 2-2-3 Isaksen 和 Treffinger 三成份六階段 CPS 模式 ... 23 圖 2-2-4 1993 年版 CPS(V.5)的三成分模式 ... 24 圖 2-2-5 2000 年 CPS 系統化架構模式 ... 25 圖 2-3-1 小學階段科學探究能力成分 ... 34 圖 3-2-1 CPS-SG 之教學活動設計 ... 39

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第一章 緒論

本章分為四節,依次為第一節研究背景與動機,第二節研究目的與研究問 題,第三節名詞釋義及第四節研究範圍與限制。

第一節 研究背景與動機

現今社會變化迅速,生活在科學知識日新月異的科技世界,我們的學生在 未來的日子裏,時時刻刻都會發現問題,需要利用科學方法去解決。學習科學 探究技巧對學生來說,能有助於他們日後進一步的學習,甚至可以說是終身受 惠。因為學生透過正確的科學方法,才有能力獲得更多的科學內容知識。老師 在教學過程中,不難發現大多數的學生其實對周圍的事物都有一定的好奇心, 但若沒有經過適當的引導,很容易只是停留在一知半解而不去追根究底其中的 科學原理。科學探究活動一方面可激發學生學習科學的動機和興趣,另一方面 可滿足學生的求知慾。經由探究的活動,可以讓學生去操作各種過程技能,在 過程中除了能促進學生之間的合作,更可幫助學生深入理解科學概念,進而培 養其問題解決的能力(楊龍立,2002)。 近年來,國內外的科學教育改革均明白揭示探究教學的重要性(教育部, 2003;AAAS,1989;NRC,2000),並致力於推動探究教學的實施,俾使學生 獲得科學知能。根據 AAAS 所編輯的「2061 計劃:美國科學全民化」(Project 2061:Science for all Americans)課程中提到:「教師在教學時應以學生所熟悉 的、生活的周遭問題為起點,鼓勵學生進行科學探究活動」(AAAS, 1989) 。我 國在民國八十九年,教育部所公佈的《國民中小學九年一貫課程暫行綱要》中, 亦明白宣示自然與生活科技領域的學習應以探究及實作的方式來進行。由此可 知,科學探究已被國內外教育界視為學生學習科學的過程當中,所必須培養的

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基礎能力之一。以探究為基礎的教學有助於學生理解科學本質、科學探究技術 與推理過程,並培養正向的態度(Kanari & Millar,2004;Marx, Blumenfeld, Fishman, Soloway,& Geier,2004;Sandoval & Morrison,2003)。然而儘管如此, 探究教學卻仍未在國小科學課程中普遍實施,目前多數的科學教育仍是以講 述、演繹的方式進行教學。推究其原因,除了從事兒童科學探究指導工作的教 師限於本身工作負荷與指導技巧不足外,教師對於探究教學的意涵與實施方式 也缺乏足夠的理解,另外兒童在科學探究方法的設計上,習慣於根據他人規劃 妥當的實驗步驟進行實驗,而無法善用在科學課堂所學得的科學過程技能,有 效組合設計解決研究問題,也是一個原因(黃鴻博,2000;Roehring & Luft, 2004)。

既然科學教育者對於探究教學普遍缺乏指導的技巧,那麼是不是有一種教學 方法是能有系統且清楚的提供教學者一個依循的模式?在許多科學教育教學模 式中,創造性問題解決模式(Creative problem solving)簡稱CPS,是一個歷年來逐 漸受重視的教學方式。此模式由美國學者Parnes在1967年提出,它是利用系統的 思考方法來解決問題,特別強調問題解決者在選擇或執行解決方案之前,應盡量 想出各種及多樣的可能方法(陳龍安、朱湘吉,1993)。其後經過多位學者的發展 修訂,迄今已具有相當完整的教學流程與設計。CPS常被用來解決開放性問題, 這種教學方式不僅可以促進概念的學習,同時也受到學生的肯定,進而提升學生 的創造力(湯君偉和邱美虹,1999),有許多相關研究皆認為CPS教學有助於提升 學生的創造力與問題解決能力(呂素雯,2002;洪文東,2003;洪川富,2006;張 振松,2001), 創造性問題解決教學中的成份與階段,與科學探究能力是有所重疊的,利 用創造性問題解決的模式融入教學,應可提昇學生的科學探究能力。教師在這

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樣的教學中應扮演積極提出問題的角色,並且可從這種教學模式中提昇自身的 教學能力,有助於促進教師的專業成長。

Keys & Bryan (2001) 認為探究不是一個特定的教學模式或課程模式,反之, 多重的探究本位教學模式不僅不可避免而且也是需要的。科學方法的訓練、實作 技能的培養以及科學本質的理解,可以透過不同的教學策略達成,但是除了教科 書,教師也應廣泛應用各種資源設計科學教學,以達成九年一貫的課程彈性化、 學校本位以及教師發展課程的理想。「科學遊戲」顯然是一種可以用來提升學生 學習興趣,豐富教學內容並增進教學效果的教學資源。Daiute (1994)認為遊戲是 有效的學習策略,兒童用以增進他們的技能並塑造其世界的意義。許良榮(2004) 「科學遊戲」是相當值得參考與推廣的教學資源,一方面能引發國小學童的學習 興趣,另一方面也可以培養學童科學實驗、實作技能與解決問題的能力。 研究者本身是理工背景畢業的學生,回想在整個求學過程中,除了在大學 時期有很正式且扎實的實驗課程外,其餘的求學階段,對於科學知識的習得, 大多是藉由教科書以文字與圖片的陳列,用「想像」的方式去理解這些知識。 心裡一直隱約認為這種學習方式實在是很「不科學」。畢業後,因緣際會成為 一位教育工作者,研究者曾嘗試改變自己教學的方式,以學生為主體。在觀察 時,讓小朋友盡情發表;做實驗時,讓學生進行小組討論,而不死抱著課本做 食譜式的教學。如 Schwab(1962) 所提倡,以開放的實驗方式來上課,鼓勵學生 多發問、觀察、紀錄、轉換資料,並發展出暫時性的解釋。透過這樣的方式, 研究者發現學生的學習興趣大增,同時也因為是透過自己觀察所發現的問題, 讓他們更有想要解決問題的企圖;甚至在實驗時,學生們透過小組合作的方式, 已能初步規劃出實驗步驟。看到學生的表現,給予研究者極大的信心,也促使 研究者心中尋求適合的教學策略的種子萌芽待發。因此,進入研究所進修後,

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研究者一直希望找到一個有效的教學模式能讓看似艱深又難以親近的科學課程 變得既有趣又簡單。 基於以上,研究者發想若是以「科學遊戲」來引起學生學習興趣,並藉由 遊戲的過程去發現問題,再誘導學生探究其原理,最後再利用所學的原理去嘗 試解決問題,經由這樣的教學訓練是否能讓學生在「玩」中學習並增進其探究 的能力?「創造性問題解決融入科學遊戲模式(簡稱 CPS-SG)」似乎是一個可值 得嘗試的教學方法。近年來有不少研究指出這樣的教學策略是可行的(李宛玲, 2010;洪美嬌,2008;陳淑娟,2007;黃玉斯,2009;蕭淑分,2010 )。 但是,科學概念何其多,該選擇哪一個來作為教學主題呢?研究者參考八 十一年國小所實施的自然科學新課程,發現有關「光」概念的課程很多,而學 生在日常生活中,很容易觀察到與「光」有關的現象,但是對於現象的成因卻 因受到「知覺」因素的影響,進而發展出許多與科學家不同的想法和解釋,產 生迷思概念。Fetherstonhaugh 等人(1987)曾對美、澳、紐、法、瑞典等國小學生 的「光學」迷思概念詳加比較,指出迷思概念不僅普遍存在於學生中,並且會 影響到學生往後的學習。因此決定以這類生活中隨處可見的科學現象作為教 材,利用有趣的光學遊戲來幫助學生增加對「光」的了解。

第二節 研究目的與研究問題

一、研究目的

根據上節所述,本研究擬利用科學遊戲引起學生探究的動機,並依據創造 性問題解決(CPS)的教學理念來設計教學活動。由於「光」的各種現象在生活週 遭雖然隨處可見,但學生對其形成的原理卻需經過實驗觀察才容易理解區分, 屬於較為抽象的科學概念。在本研究中研究者將探討如何透過以「光」為主題,

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將「創造性問題解決融入科學遊戲(簡稱:CPS-SG)」的活動設計,並探討這 類教學活動對於學生概念認知與科學探究的能力,是否有提升的作用,同時觀 察學生對於 CPS-SG 教學活動的看法,以提供給往後自然科教師作為參考。

二、研究問題

基於上述之研究目的,本研究欲探討的問題如下: (一)如何將創造性問題解決(CPS)教學模式融入與「光」相關之科學遊 戲,設計教學活動? (二)實施創造性問題解決融入之科學遊戲(CPS-SG)教學活動後,學生的 「概念認知」及「科學探究能力」表現為何? (三)學生對創造性問題解決融入之科學遊戲(CPS-SG)教學活動的看法為 何?

第三節 名詞解釋

為了澄清本研究的關鍵名詞,以避免意義混淆,並使本研究所使用的概念 前後一致,本節將針對本研究所提及之相關重要名詞解釋如下:

一、 科學遊戲

坊間與網路上可搜集到有關科學遊戲的書籍與資料相當龐雜,研究者參閱相 關文獻後,發現目前專家學者的觀點不甚相同,對於科學遊戲的定義也沒有很清 楚的界定(詳見第二章第一節)。本研究綜合專家學者所提及的科學遊戲,將科 學遊戲定義為應包含科學原理,所需的材料是日常生活中容易取得的,活動設計 必需容易操作、具安全性並適合學生的能力,不需要固定的玩法,學生可自行改 良或改進,同時學生在進行科學遊戲活動時,會覺得好玩有趣且能提高學生學習 興趣。

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二、 創造性問題解決

本研究中所提到的創造性問題解決(Creative Problem Solving, CPS),乃是 指 Isaksen 和 Treffinger 於 1987 年所提出的三成份六階段 CPS 模式,此三成份 分別為:瞭解問題(understanding the problem)、產出點子(generating idea)、計畫 行動(preparing action);六步驟分別為:發現困惑(mess-finding)、發現資料 (data-finding)、發現問題(problem-finding)、發現點子(idea-finding)、發現解答 (soultion-finding)、尋求接納(acceptance-finding)。

三、 科學探究能力

本研究中所稱之科學探究能力,是以高慧蓮(2005)國科會研究計畫「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」對科學探究能力所制定 出來的五個面向為依據,此五面向分別為:界定問題的能力(包含發現問題、提 出問題)、設計規劃的能力(包含收集資料、設計實驗 )、實作驗證的能力(包 含進行實驗、觀察、操作、記錄 )、分析解釋的能力(分析資料、歸納及解釋實 驗結果 )、溝通辯證的能力(溝通、批判 )。

四、 學習成效

本研究中所指「學習成效」係指學生在概念認知、科學探究能力的改變及 學生對 CPS-SG 教學的看法。

第四節 研究範圍與限制

研究者在坊間書局蒐集科學遊戲書籍並利用網路檢索資料,從中取得科學 遊戲素材,再融入創造性問題解決的教學理念後自行發展出教學活動。目的在 瞭解此教學活動對高年級學生在光學概念認知、科學探究能力的改變與課程感 受的影響。針對本研究歷程,以下分別說明研究範圍、研究對象與研究方法的 限制:

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一、研究範圍的限制

本研究所指之學習成效,主要在探討學生在概念認知、科學探究能力上的 改變與學生對 CPS-SG 教學的看法。而概念範圍為三個教案中的主題,分別為 光的反射、光的傳播、光的折射。而學生科學探究能力之界定以高慧蓮於 2005 年的研究結果為準。本研究所獲得的結論僅適用於探討國小高年級學生在此教 學活動下的學習情況。

二、研究對象的限制

本研究對象僅限於台中市大大國小(化名)高年級兩個班級之學生,研究 成果不宜推論到其他年段。

三、研究方法的限制

本研究在初探教學階段採用準實驗研究法中的單組前後測設計,正式教學 階段則採準實驗研究法的單組前後測設計及不等距前後組設計,在有限的測試 工具內進行分析探討,研究所發現之結果僅適用於特定的情境,至於是否適用 於其他教學情境或適合教學場域之外,則不宜過度推論。

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第二章 文獻探討

本研究旨在討論如何以創造性問題解決(CPS)教學策略為基礎,設計以「光」 為主題的科學遊戲教學活動來探討學生在概念認知、科學探究能力上的改變與 學生對於 CPS-SG 教學活動的看法。因此,為提供本研究教學活動設計與實施 時的參酌,本章將就科學遊戲和創造性問題解決(CPS)教學策略在科學教育上應 用的相關文獻進行探討。本章分為三節,分別為第一節科學遊戲與教學;第二 節創造性問題解決;第三節科學探究之意涵與相關研究,茲分述如下:

第一節 科學遊戲與教學

一、 遊戲與科學遊戲

(一) 遊戲理論與定義

Sutton-Smith(1997)在「The ambiguity of play」一書中,開宗明義即提到我 們都經常遊戲,我們也都知道玩遊戲的感覺像什麼,但是當我們要將「遊戲是 什麼?」作一個理論化的陳述時,我們就會陷入不知所云的困境。關於遊戲的 定義,人們之間很少達成共識,遊戲意義的模糊不明,主因源自遊戲為一種人 類社會中普遍存在的現象與活動,這使得遊戲受到不同的文化背景及個體活動 的影響,因而產生了各種不同形式(方永泉,2003)。 人類從事遊戲的歷史悠久,但作為理論進行研究卻是近代才開始。研究者將 關於研究遊戲理論的學說整理如表 2-1-1。根據表中所示,傳統理論提出遊戲的 主要目的並非清楚解釋遊戲的定義,而是解釋遊戲存在的目的。這些傳統理論 也較不重視實驗結果,而是重視哲學思想。現代理論不只在解釋人為什麼要遊 戲,而且嘗試為遊戲在兒童發展中所扮演的角色下定義 (吳幸玲,2003) 。然 而遊戲的定義究竟為何?古今中外皆有學者提出他們不同的看法。

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表 2-1-1 遊戲理論相關學說之整理 學 者 理 論 遊戲之目的 古 典 遊 戲 理 論 Schiller/Spencer 精力過剩論 排除過剩體力 Lazarus 休養論 恢復在工作中消耗的精力 Hall 重演化論 祛除舊有的本能 Groos 練習論 精熟成人生活必備之本能 現 代 遊 戲 理 論 Freud 心理分析論 調節受挫經驗 Erikson 接觸內在的自我,以發展自我能力 Piaget 認知論 熟練並鞏固所學的技巧 Vygotsky 由區別意義與實務來增加想像力 Bruner /Sutton-Smith 在思考及行為上產生變通能力 Berlyne 警覺理論 增加刺激使個體保持最佳警覺狀態 Bateson 系統理論 提升了解各層面意義的溝通能力 資料來源:整理自吳鷰儀等(2008)和吳幸玲(2003) Piaget(1962)認為遊戲是一種行為,該行為的目的是在獲得快樂,是一種 無組織性的行為。Erikson(1950)認為遊戲是自我功能的發揮,是身體和自己同 時發展的社會化過程,是想像和實際的中間變項,遊戲必須幼兒自己去選擇、 去感到愉悅與歡樂。Rubin 等(1983)認為遊戲是一種轉借行為,無固定模式,是 出於內在動機,是一種自由選擇,是具有正面影響的活動(吳幸玲和郭靜晃, 2003)。Sutton-Smith(1997)則將遊戲視為一種進步(progress)、機運(fate)、力量 (power) 、 認 同 (identity) 、 想 像 (imaginary) 、 自 我 (self) 及 瑣 碎 的 (frivolous) 。 Fromberg(2002)將遊戲定義為是自願的(voluntary)、有意義的(meaningful)、象徵 性的(symbolic)、有規則支配的(rule-governed)和令人愉快的(pleasurable)和鬆散 的(episodic)。

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國內學者簡楚瑛(1993)則依據心理特質來定義遊戲,認為: 1. 遊戲是一種內在動機的行為,它既不受食慾所控制,也不是對社會要求 的順從,而是一種自發性行為 2. 遊戲強調手段或過程甚於目的:遊戲行為目的是自訂的,而非由別人決 定。 3. 遊戲是種分真實性的行為。 4. 遊戲行為與探索行為是有所區分。 蔡淑苓(2004)綜合若干學者專家對遊戲下的定義,歸納出遊戲須包含以下 五點: 1.自然而然、直接內在的動機。 2.具想像力的行為模式,且能同化調整外界的現實,來符合個人的概念。 3.不需依賴外在世界的獎懲,不受制於外部的規則,而又有自己的規則。 4.重過程不重結果。 5.積極的主動參與。 由以上學者們對於遊戲的論述,不難發現,雖然眾人對遊戲的定義不盡相 同,但不外採用觀察遊戲的主要特徵,例如,主動參與而非強迫、無時間限制、 享受過程而非結果、從過程中得到愉悅感等來定義遊戲的意義。

(二) 科學遊戲的特性與定義

陳忠照(2000)指出「科學」可以啟發兒童的智慧,「遊戲」則帶來心靈的歡 樂。為了讓學生能在輕鬆快樂的氣氛下學習看似艱深又難以親近的科學,近年 來有許多學者開始致力於將科學與遊戲相結合的研究,因此便開始出現「科學 遊戲」一詞。 陳忠照(2003)認為「科學遊戲」是利用生活素材所進行的科學性遊戲,不 同於一般的玩耍,具有以下四種特性:

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1.趣味性:能玩得快樂自在,是充滿喜悅的時光。 2.規律性:有遊戲規則,遵守規則來玩,也玩出一些規則;遊戲過程需要講 道理、有禮貌。 3.創造性:在科學遊戲中容易促進創意的成長,隨時湧現更新的看法、更有 意義的創意方向。 4.分享性:大家一起遊戲、同步探索,在團體互動中分享過程與結果。 郭騰元(2000)在一系列的科學遊戲從書中強調科學遊戲「好玩」的特性, 並認為設計科學遊戲應掌握以下原則: 1 能讓小朋友喜歡與驚訝。 2.能用簡單的科學原理解釋。 3.製作方法簡單。 4.所用的材料容易從家裡、超市、文具店或五金行中取得。 5.容易改變或改進。 近年來,越來越多的學者對「科學遊戲」的定義進行討論,研究者蒐集各個 學者對「科學遊戲」的定義,歸納整理如下表2-1-2。儘管學者專家對科學遊戲的 觀點雖然不盡相同,但大致均認同科學遊戲是有趣的、好玩的、能引起兒童興趣 的。而遊戲的材料必須是生活化、玩法簡單並富變化為要素。因此,研究者統合 學者專家對科學遊戲的觀點,考量有效的教學方法,將本研究的科學遊戲定義為 科學遊戲應包含科學原理,所需的材料是日常生活中容易取得的,活動設計必需 容易操作、具安全性並適合學生的能力,不需要固定的玩法,學生可自行改良或 改進,同時學生在進行科學遊戲活動時,會覺得好玩有趣且能提高學生學習興趣。

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表 2-1-2 學者對科學遊戲之定義 學者 年代 主張科學遊戲之定義 李秉彝 1972 科學遊戲是一種利用科學原理,有教育意義,具有好玩及 神奇的趣味,能訓練科學思想、態度,啟發創造發明的活 動。 許義宗 1981 科學遊戲是物質的性質及法則,使之對科學關心,數字產 生興趣的遊戲;換句話說藉由玩弄有形物,而變化出新的 有形物,即為科學遊戲。 蕭次融 2000 科學遊戲就是把科學活動和遊戲結合,寓教於樂,讓同學 可以從遊戲中體會科學原理。 許良榮 2004 科學遊戲就是蘊含了科學原理或科學概念的遊戲,能提供 學生「玩科學」的活動,而此活動的必要條件就是參與的 兒童會認為「好玩」,並且有高度的意願參與。 蘇秀玲與 謝秀月 2007 科學遊戲是讓兒童能從身邊取得的事物,並藉由親自操作 或製作、探索原理、發現問題,進而了解科學原理。 謝甫宜與 洪振方 2009 科學遊戲是欲讓學生對抽象的科學概念感到興趣,達到科 學概念學習之教學目標,所設計有趣的實作活動(hands-on) 課程,能促進學生樂於探索與享受科學學習的樂趣,以期 達到「寓教於樂」之教學目標的科學活動。

二、 科學遊戲在教學上的應用

科學遊戲應用於學生學習科學已行之有年,在坊間有以推廣科學普及教育 為宗旨的「遠哲科學教育基金會」,倡導利用科學的方法與精神,教育全民用科 學方法解決問題。該基金會每年均舉辦科學趣味競賽、動手玩科學、趣味科學 等活動,希望藉由輕鬆活潑的方式祛除一般民眾對科學的心理障礙。在學術單 位方面,國立科學教育館、國立自然科學博物館或各大院校,也都積極舉辦各

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式各樣科學體驗營,這些課程的設計均盡量朝向生活化、趣味化,以期引起學 生學習科學的興趣與提高他們的學習效果。 研究者以「科學遊戲」為關鍵字,搜尋科學教育相關期刊以及全國博碩士論 文網,發現碩博士論文約40篇,期刊約20篇,在這些與科學遊戲相關的研究中, 研究者整理「科學遊戲」對國小學童在學習方面有正面影響的研究,如表2-1-3。 表 2-1-3 國內與科學遊戲教學相關之研究 研究者 年代 研究主題 研究結果與發現 徐麗雪 2002 國 小 科 學 遊 戲 教 學 活動成效分析 接受「科學遊戲教學」活動的實驗組學生在 科學概念成就、許多項的分項技能均顯著高 於傳統教學的控制組,對自然科的興趣也較 高。 張淑慧 2002 科 學 玩 具 遊 戲 教 學 之成效研究 接受科學玩具遊戲教學的實驗組學生在科 學態度、統整科學過程技能的測驗中,分數 顯著高於控制組學生。 楊訪屏 2005 運用 CPS 於模組化 科 學 遊 戲 之 教 學 行 動研究-以「牛頓第三 運動定律」課程為例 運用 CPS 於模組化科學遊戲之教學可讓學 生在實際活動中應用研究者於課程中培養 之創造性問題解決能力,學生在認知、技 能、情意有所收穫。 蘇秀玲 2005 科學遊戲融入國小 自然學童的科學態 度與問題解決能力 之研究 透過科學遊戲教學,小朋友所表現出來 的科學態度具有主動、積極、且樂於參 與等正向的態度,且呈現出來的問題解 決特徵,包含了簡單的解題歷程與運用 資源來協助解決問題。 江淑瑩 2006 以 科 學 遊 戲 融 入 教 學 探 究 國 小 四 年 級 學 童 學 習 成 效 之 研 究 接受「科學遊戲融入教學」的實驗組在科學 概念、科學過程技能顯著優於控制組,但在 科學態度方面未有顯著差異。 林瓊音 2006 以 科 學 遊 戲 輔 助 國 小 自 然 科 教 學 之 個 案研究 遊戲本身具有學童能力可及之探究特質,競 賽帶來的挑戰性、成就感,強調動手實做探 究的歷程,學生能獲得想法上的立即回饋, 因此科學遊戲提高學童學習興趣、增加參與 程度、提供實作機會等特質,有利於學童建 構科學概念,小組合作則是利弊互見但此教

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學較難實施於正規課程下。 楊蕎安 2007 趣 味 科 學 活 動 融 入 自 然 與 生 活 科 技 學 習領域教學之研究 接受趣味科學活動融入教學的實驗組在學 習態度、創造性思考活動上的部份能力上與 接受一般教學的對照組學生比較有正向顯 著提昇,但在學習成就上並無顯著差異。接 受趣味科學活動能讓學生獲得科學知識概 念並樂於學習、激發學生的創造潛力並營造 愉快的學習環境、有助於增進學生的科學過 程技能並能延續學習效果。 蘇秀玲、謝 秀月 2007 科 學 遊 戲 融 入 國 小 自 然 科 教 學 學 童 科 學態度之研究 接受科學遊戲融入教學的實驗組學生,在科 學相關態度量表中的大部分分數皆優於控 制組的學生,且實驗組的學生樂於參與活 動,並表現出好奇、主動、懷疑、虛心、謹 慎、合作、分享且不畏權威的科學態度。 洪正龍 2008 科 學 遊 戲 對 國 小 五 年 級 不 同 學 習 動 機 類 型 學 童 的 學 習 動 機之影響研究 經過科學遊戲教學後,各類型學習動機的學 生,科學學習動機普遍得到提昇。 徐慶雲 2008 實 施 探 究 式 科 學 闖 關 遊 戲 提 昇 國 小 學 童 科 學 學 習 成 就 之 行動研究 實施探究式科學闖關遊戲能顯著提昇學生 科學知識概念,亦對提昇學生科學過程技能 有幫助,並能使學生持有正向的科學態度。 張東瑋 2008 以 科 學 遊 戲— 泡 泡 為 主 題 之 教 學 活 動 之行動研究 以科學遊戲為主題之教學活動能有效提供 學生學習興趣,學生進行教學活動之後大多 能達成單元目標,且有助於科學過程技能的 養成。研究者在進行教學活動設計與教學 後,對課程設計、相關原理有更深入瞭解, 研究者之教學經驗與教學技巧也能向上提 昇 陳淑娟 2008 科 學 遊 戲 創 造 性 問 題 解 決 教 學 活 動 發 展-以「水的表面張 力」為例 CPS 可恰當地融入科學遊戲進行教學活動 之設計,科學遊戲教學成效受教學實施形 式、分組方式、小組內部和諧、教學順序、 學生的科學學習態度與學業成就等影響,而 有所差異。 蔡宗信 2008 以 科 學 遊 戲 增 進 學 生 問 題 解 決 能 力 之 科學遊戲以「好玩」引起學生學習動機,實 施科學遊戲後發現研究對象的問題解決能

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行動研究 力有略顯進步的現象。 林桂君 2009 創 造 性 問 題 解 決 融 入 科 學 遊 戲 教 學 活 動發展—以「蠟燭遊 戲」為例 創造性問題解決適用於科學遊戲進行教學 活動之設計,科學遊戲教學成效受教學教師 引導方式、教學設計、教師教學態度、學生 資訊統整能力、討論方式、小組合作的情 形、教學順序、班級學習風氣、學生的科學 學習態度的影響,而有所差異,研究者在課 程設計、教學策略應用及研究能力均獲得專 業能力之成長與收穫。 洪美嬌 2009 科 學 遊 戲 創 造 性 問 題 解 決 教 學 活 動 發 展— 以 「 紙 張 的 遊 戲」為例 科學遊戲導入 CPS 教學模式能提昇學生對 學習自然與生活科技的興趣,學生也學習到 科學知識。 黃玉斯 2009 創 造 性 問 題 解 決 融 入 科 學 遊 戲 教 學 之 行動研究-以「磁鐵」 為例 CPS 可適當融入 科 學 遊 戲 並設計教學活 動,教學成效受到小組合作的情形、科學遊 戲的難易、教學活動設計內容、學生對於科 學遊戲的學習興趣等因素的影響而有所差 異。 黃嬿樺、賴 慶三 2009 科 學 玩 具 遊 戲 教 學 對 國 小 三 年 級 學 童 「空氣」單元學習的 影響 接受科學玩具遊戲教學的實驗組,在空氣單 元的學習成就、科學態度的表現顯著優於對 照組。 李宛玲 2010 創 造 性 問 題 解 決 融 入 科 學 遊 戲 教 學 活 動—以「浮力與摩擦 力」為例 以創造性問題解決融入「浮力與摩擦力」的 科學遊戲教學活動,發現教學成效受分組方 式、小組合作情形、教學設計、教學時間與 學生的科學學習興趣等因素影響而有所差 異,研究者在教學活動設計能力、教學能力 及教師研究能力等均獲得專業成長。 張啟亮 2010 創 造 性 問 題 解 決 融 入 科 學 遊 戲 教 學 活 動 之 行 動 研 究— 以 「空氣」為例 CPS 可 適 當 融 入 科 學 遊 戲 並 設 計 教 學 活 動,此教學成效受到科學遊戲之性質、教師 對教學活動內容之掌握、學生對科學的學習 態度、小組內部情形等因素的影響而有所差 異。研究者在教學活動設計能力、教學能力 及教師研究能力等均獲得專業成長。 黃敏惠 2010 創 意 科 學 遊 戲 導 入 國 小 自 然 與 生 活 科 實施科學遊戲導入課程的實驗組學生,在問 題解決能力、創造思考能力優於對照組學

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技 領 域 學 習 成 效 之 研究 生,對實施科學遊戲教學的老師滿意度採正 向肯定。 蕭淑分 2010 創 造 性 問 題 解 決 融 入 科 學 遊 戲 教 學 之 行動研究-以「光」為 例 CPS 可適當融入 科 學 遊 戲 並設計教學活 動,能有效提供學生學習興趣。 由上表可知科學遊戲融入科學課程教學對學生在學習科學態度、學習興 趣、學習動機、問題解決、科學過程技能的養成皆有正向的幫助。此外,科學 遊戲融入教學不只在學生方面產生正向的影響,同時對老師的專業成長也有助 益。林堂麗(2003)認為科學遊戲教學能提升教師在課程設計、教學及研究上的 專業成長。許芳雪(2004)表示教師在編擬實施科學童玩歷程中在教學準備、模 組課程設計、評量方式使用及教師角色扮演等均獲得專業成長。楊訪屏(2004) 從課程設計與實際教學情境中,歸納出教師在課程設計、教學策略應用、教師 角色改變上有專業成長的現象。蔡宗信(2007)在實施科學遊戲教學後發現教師 的設計能力、教學能力、研究能力均獲得提升。

第二節 創造性問題解決

一、 CPS 模式的發展沿革

1953 年 Osborn 在「Applied Imagination」一書的序中提及 Wallas 在 1926 年 所提出創造性成就行動模式,即準備期、醞釀期、豁然開朗期、驗證期,深深 啟發了 Osborn 對創造力的研究興趣。而 Wallas 的四階段創造歷程也確實影響了 當時的教育觀點,在此觀點下,創造力常被認為是天生的,而非後天可以培養 的。隨後的學者開始認為,我們應該可以利用一些特異的方法和步驟來刺激醞 釀期的活動,以提高靈光一閃的可能性 (湯君偉和邱美虹,1999) 。因此,Osborn

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和 Crawford 於 1948 年正式發展創造力提升的計畫,在歷經 Osborn、Parnes、 Treffinger、Isaksen 和 Dorval 等人逐步的發展與修改,CPS 已成為一套有效提升 創造潛能與問題解決的方法理論。表 2-2-1 引用 Isaksen& Treffinger 在 2004 年 的文獻,將 CPS 理論演繹的歷程,依時期之不同分為主要六個版本。 表 2-2-1 CPS 六個版本的發展歷程 主要版本 議題或需求 成果或結果 1. (1942-1967) 需要清楚明確的創造過程 最初的 CPS 模式並提供初步的指 標與工具 2 (1963-1988) 需要有效的教學方案以提高創造 力的發展 出版許多創造力計劃和 CPS 教學 素材 3 (1981-1967) 在學習或應用 CPS 模式時需要重 視個人與情境差異 發 現 困 惑 的 5 O’S(orientation 、 outlook 、 ownership 、 outcomes 、 obstacles)和增進擴散性思考與聚 斂思考的平衡 4 (1987-1992) 需要從研究的作用中回應主要的 學習問題 發展出 CPS 過程三個主要成分 5 (1990-1994) 在檢視 CPS 時需要回應與認知科 學的差異 中立並確實的描述 CPS 並評價其 作用 6 (1994-迄今) 需從評估任務產生有系統的方法 及設計過程 將人、內容和預期的結果整合在 CPS 的架構中並使用易理解的語 言做說明

資料來源:譯自 Isaksen & Treffinger(2004)

二、 各時期 CPS 版本模式之內涵

CPS 自 Osborn 提出以來,歷經六個時期的演進改革,迄今已出現系統化的

教學架構,然而每時期的 CPS 模式仍具有其時代特色與差異,以下便將各時期 的版本分述整理:

(一) 第一版(V.1):Osborn 七階段 CPS 模式

在 Osborn(1952)在「Wake up your mind」一書中,提出了對 CPS 過程廣泛 的描述,其中包含七個步驟,也就是:定位(orientation)、準備(preparation)、分 析 (analysis) 、 假 設 (hypothesis) 、 醞 釀 (incubation) 、 綜 合 (synthesis) 、 驗 證

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(verification),成為最初步的 CPS 模式,也就是 CPS(V.1)。之後在 Osborn(1963) 再版的「Applied Imagination」一書中,又將七個階段濃縮成三階段:發現事實 (fact-finding)、發現點子(idea-finding)和發現解答(solution-finding) ,也就是後來 的 CPS( V1.1)。

(二)第二版(V.2):Parnes 五階段 CPS 模式

Osborn 和 Sidney Parnes 在 1965 年後,為促進學生了解和應用創造力而一 起工作。Parnes 在 Osborn 去世後發表了「Osborn-Parnes 創造性問題解決法」 (Osborn-Parnes approach to creative problem solving),也就是 CPS(V.2)。之後, Parnes 與其同事 Ruth Noller 又繼續不斷從事 CPS 的研究,最終將 CPS 模式修 訂成線性五階段 CPS 模式即 CPS(V2.2),如圖 2-2-1。

圖 2-2-1 Parnes 和 Noller 所提出的 CPS(V2.2)模式 資料來源:譯自 Isaksen & Treffinger,2004

在 CPS(V.2.2)中,除首次將 CPS 模式以圖示呈現外,另一個特色就是該模 式在解題過程中,每個階段都先有發散性思考(收集所有可能的答案),再有聚 歛性思考(找出最佳的答案),而解答者可利用這五個階段有系統的解決問題, 而每個階段的任務內容簡述如下: 1. 發現事實(fact-finding,FF):問題解決者可以利用 5W1H(who、what、where、 when、why、how)的策略,獲得有用的訊息與蒐集相關的資料,並在問題解

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決前,檢視所有可用的資料,並進行整理分析。 2. 發現問題(problem-finding,PF):當資料全部蒐集好,且問題的線索也都呈 現時,問題解決者可開始分析問題的每一個成分,重新安排問題的陳述,並 清楚的界定問題。 3. 發現點子(idea-finding,IF):界定問題後,問題解決者可以先想像所有可能 解決問題的方法,並以書面方式條列呈現。 4. 發現解答(solution-finding,SF):當問題解決者提出一連串的構想後,要在近 一不從這些構想中,找出最好、最可行與最合適的解決方法。 5. 尋求接受(acceptance-finding,AF):找出最適當的解決方法後,問題解決者 必須實際執行這個構想,以確認方法的可行性,若無效就必須再重回上述步 驟,重新尋找適合的構想,並付諸實行直到問題解決。

(三)第三版(V.3):Isaksen& Treffinger 六階段 CPS 模式

Isaksen 和 Treffinger 自 1978 年加入 CPS 的研究,他們認為 Osborn-Parnes 創造性問題解決法的架構只注重在擴散思考的訓練,較不重視聚散性的思考, 因此繼而將 CPS 模式修改為六階段即 CPS (V.3)。除了在第一步驟前增加「發現

困惑」,並把原模式中第一步驟「發現事實」修改為「發現資料」,同時強調擴

散性與聚散性思考在問題解決過程中的均衡運用。原有的圖示模式也由水平改 為垂直,見圖 2-2-2。

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擴散層面 問題敏感 聚斂層面 從生活經驗、角色與情境中尋找困惑。 發現 接受挑戰,做有系統性的回應。 困惑 收集資料(資訊、感想和感覺等 ), 發現 確認和分析最重要的資料。 由不同的觀點與訊息去暸解。 資料 激盪出可能的主問題和次問題。 發現 選擇一個問題。 問題 針對問題,發展與列出可能的構想。 發現 選出最有趣或最有可能的點子。 點子 找出可能的評估標準來檢查和評價點子 發現 選擇幾個重要的評估標準來評價點子。 解答 考量執行過程中可能的助力與阻力, 尋求 聚焦於最有可能的點子並準備行動。 找出可能的執行步驟。 接納 新挑戰 圖 2-2-2 Isaksen 和 Treffinger 六階段 CPS 模式 資料來源:譯自Isaksen & Treffinger,2004

(四)第四版(V.4):Isaksen& Treffinger 三成份六階段 CPS 模式

在 Isaksen 和 Treffinger 提出六階段的 CPS 模式後,許多學者紛紛將此模式 運用於各種情境的教學研究中,發現下幾點結論:

1. CPS 可以用不同方式運用於各種情境下,簡而言之,CPS 是可行的。 2. 人們利用 CPS 提升效能,以符合面對不同群體、任務與情境的需要,但仍

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有許多無法回答的問題。簡而言之,CPS 還可以以不同的方式修改得更好。 3. CPS 被有效的運用於許多因素交互作用的動態歷程,包括個人、成果、情境 與方法的作用。簡而言之,CPS 是一種是於運用於各種不同型態下的工具。 4. 針對特定任務的需要,人們會選擇 CPS 模式中的過程幫助他們解決問題。 簡而言之,人們喜歡用自然、適合自己的方式去運用 CPS。 5. 一般人將 CPS 運用於了解問題、產生點子並計畫或付諸行動。簡而言之, 人們常使用 CPS 的部份步驟來滿足他們的需求。 因此 Isaksen&Treffinger(1987)又將六階段 CPS 模式組合出三個不同的成 分,包括瞭解問題(發現困惑、發現資料、發現問題)、產出點子(發現點子)與計 畫行動(發現解答、尋求接納),並將圖示以顏色與線條繪畫以分別出三個區塊 作為區隔,是為 CPS(V.4),見圖 2-2-3。 在這個模式中,他們強調CPS每個階段的展開及結束之前,個體主要的思考方 式分別是發散思考和收斂思考,發散思考的運用規則是「延緩判斷」(deferred judgment),收斂思考的運用規則是「肯定判斷」(affirmative judgment),這兩條規 則是貫穿整個CPS的基本規則,掌握這兩條規則,即掌握CPS的精隨(洪振方,2003)。

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發現 瞭解問題 困惑 擴散:找尋問題解答的可能性。 聚斂:對問題解決建立一般的目標性。 發現 擴散:檢視多樣的細節,從許多角度去看待發現的困惑。 資料 聚斂:找出最重要的資料去引導問題的發展。 發現 擴散:考量許多可能的問題。 問題 聚斂:考量或選擇一個特定的問題。 發現 產出點子 點子 擴散:提出許多各式各樣特別的想法。 聚斂:從有可能性、潛在性的選擇中找出適合的方法。 發現 計畫行動 解答 擴散:發展評估標準以分析和重新找出問題的可能性。 聚斂:選擇使用一個評估標準,用以挑選、鞏固和支持問題解決。 尋求 擴散:考量執行過程中可能的助力與阻力,找出可能的執行步驟。 接納 聚斂:聚焦於最有可能的點子並準備行動。 圖 2-2-3 Isaksen 和 Treffinger 三成份六階段 CPS 模式 資料來源:譯自Isaksen & Treffinger,2004

(五)第五版(V.5):Isaksen& Dorval 三成份彈性循環 CPS 模式

受到認知科學與結構主義的影響,Isaksen 和 Dorval 在 1993 年進一步將先 前使用的線性流程更改為利用各種幾何圖形彈性循環的架構表示。在 CPS(V. 5) 中,將三個主要成分:暸解問題、產生點子、計畫行動分成每一個「標誌」

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(symbol),而每個標誌都有輸入與輸出,且彼此間是動態的變化。問題解決者可 以不需要按照所有的步驟進行,CPS(V.5)無疑是給問題解決者更加彈性應用的 空間,見圖 2-2-4。

圖 2-2-4 1993 年版 CPS(V.5)的三成分模式 資料來源:譯自Isaksen & Treffinger,2004

(六)第六版(V.6):Isaksen& Dorval 三成份彈性循環 CPS 模式

此階段的發展加入兩個重要的成分,一個是在 CPS 架構中,加入更有效的 規劃方法,即「任務評估」與「設計流程」兩個面向;另一個則是使用更自然、 更容易讓人理解的語言說明。Isaksen、 Dorval 和 Treffinger 在 2000 年時將 CPS 的三大成分修改為:瞭解挑戰(understanding the challemge)、產生點子(generating idea)和準備行動(preparing action),每個成分裡又包含不同的階段,詳見圖 2-2-5 所示。

產出點子

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圖 2-2-5 2000 年 CPS 系統化架構模式 資料來源:譯自Isaksen & Treffinger,2004

由上所述,可以發現CPS經由Osborn的開創,與往後50年學者的研究與發展, 已成唯一套實用且有效提升創造潛能與問題解決的方法(Christie & Kaminski, 2002;Schack,1993)。 綜觀CPS教學模式的發展沿革與內涵後,本研究根據前一章中提到,將科學 探究能力定義為界定問題的能力、設計規劃的能力、實作驗證的能力、分析解釋 的能力和溝通辯證的能力,與CPS(V.4)模式中的三成份六階段相符,如:界定問 題即是第一成分-瞭解問題;設計規劃即是第二成份-產出點子;實作驗證、分 析解釋與溝通辯證則與第三成份-計畫行動吻合。 同時為兼顧教師與學生在尚不熟悉CPS的教學模式情況下,CPS(V.4)的三成 分六階段與其他版本模式相較,在架構上並無顯著差異,且提供了較完整且清楚

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的教學步驟及過程。基於上述理由,本研究決定採取這個時期的CPS模式融入科 學遊戲教學活動設計。

三、 CPS 應用於教學的相關研究

研究者透過文獻蒐集,對國內外有關 CPS 模式應用於教學的研究結果進行 整理分析,歸納出以下幾點: 1. CPS 可提升學生問題解決的能力 呂素雯(2002)以六年級學生為對象,實施自然科創造性問題解決教學,發 現透過 CPS 教學能夠顯著增進國小六年級學生的問題解決能力。洪川富(2005) 以五年級學童為對象在自然與生活科技領域實施 CPS 教學,發現實驗組問題解 決能力顯著優於對照組。洪文東(2003) 以準實驗研究法對國小五年級 32 名學 童進行修正後創造性問題解決(RCPS)的教學處理,結果發現單元教學活動後, 學生科學創造力與問題解決能力有顯著之進步。 2. CPS 可提升學生的創造力 Parnes 等人曾在水牛城州立大學,運用五階段的 CPS 模式,進行為期兩年 的創造性學習方案(creative studies project)實驗,對象包括實驗組及控制組各 150 個學生,結果顯示,CPS 教學能有效提高創造思考能力(Isaksen & Treffinger, 2004)。張振松(2001)以國小五年及學生為對象,進行 2 週的自然科 CPS 教學, 發現接受創造性問題解決教學的實驗組學生在流暢力、開放性、變通力、獨創 力、標題及總分,均顯著高於接受一般教學的控制組學生,顯示創造性問題解 決教學能提昇學童創造力。 3. CPS 可提升學生學習興趣 王詩棠(2007)以六年級學生為對象,進行五周以 CPS 模組的自然領域教 學,發現學生對於該模組教學有正向的學習反應。李光烈(2000)透過教師在創 造性問題解決教學的行動研究中,發現創造性問題解決之教學模式可促使學生

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觀察自己週遭生活發生的事件來進行科學問題探究與提高學習興趣。 4. CPS 能幫助學生學習知識 呂素雯(2002)以六年級學生為對象,實施自然科創造性問題解決教學,發 現透過 CPS 教學能夠協助國小六年級學生學習學科知識,達到預期的學習效 果。洪美嬌(2008)以六年級學生為對象,進行四週 CPS 模式的自然與生活科技 領域教學,發現能提升學生對學習自然與生活科技的興趣,學生也由玩遊戲中 學習到科學知識。 5. 小組合作能促進 CPS 模式的進行 黃玉斯(2009)以五年級學生為對象,進行三週 CPS 模式的自然與生活科技 領域教學,發現教學成效會受到小組合作情形影響。廖仁年(2003)以行動研究, 運用 CPS 模式融入自然科教學,發現學生在 CPS 教學模式的學習之下,超過半 數的學生因為有動手做及共同合作的機會,表現得更積極,願意從事學習活動。 由上可知,CPS 教學模式應用於科學教育上,能有助於發展學生問題解決 能力、創造力,並提高學生學習動機與增加學科知識的吸收,若再適度加入小 組合作的助力,則學習成效更好。不過為考慮中、低年級學生在資料收集、小 組討論、意見整合與發表等基本能力較為不足,若施以小組合作的方式進行課 程,可能會影響活動的進行與成效。因此,在本研究中研究者欲採高年級為實 驗對象,以避免因學生基本能力不足而干擾研究結果。

第三節 探究之意涵與相關研究

一、探究的理論沿革

DeBoer(1991)曾說:「若要用一個字來描述 1950 年代後,這三十年來的科 學教育目標,這個字應該就是探究(inquiry)了」。 由於西元 1957 年蘇聯的第一 顆人造衛星發射成功,引發 1960 年代美國科學教育改革風潮,中小學課程如

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ESS(Elementary Science Study)、SCIS(Science Curriculum Improvement Study)、 SAPA(Science — A Process Approach) 都是此時研發出來的。這三種課程主 要不同點在於內容、範疇及順序,但三者均強調科學探究過程的本質(洪振方, 2003)。 1980 年前的探究教學理論基礎有:(李明堂與郭明堂,1995;洪振方,2003) 1. Socrates 產婆法 2. Dewey 思維術 3. Gestalt 心理學和場地學習論 4. Bruner 學習論 5. Ausubel 發現學習 6. Piaget 認知發展論 7. Gagne 學習理論 Socrates 詰問法是由老師向學生提出一些引導式的問題,再由學生的回答中 引導出其他問題,透過此種層層詰問的方式,使學生逐漸釐清自己的觀念,進 而協助發展出自己的理論以進行推論,這樣的方式其實已略具探究法的雛型(甘 漢銧、熊召弟、鐘聖校,1991)。Bruner 的學習理論對探究教學的影響極大,尤 其是探究導向的自然科課程(林寶山,1994)。Gagne 早期的作品也強調「探究」 方法,他對小學科學的貢獻尤大。他的科學過程方法課程,就完全是用來培養 學生的科學過程既能(如觀察、分類、交流)這些過程技能的理念就是來自於 Gagne 的學習層階(洪振方,2003)。 至於 Piaget 的認知發展理論提供設計學習 環的探究式教學法的基礎,希望學生能經現象探索→概念引介→概念應用三個 階段,進行科學學習(歐陽鍾仁,1988)。 1950 年代美國科學教育改革就已經了解科學認知的傳授是不足夠的,主張 培養學生科學的探究,但由於受到實證主義知識論的影響,大部份的科學家普

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遍相信世界存有一個絕對的真理,而發現真理最好的方法就是科學探究活動(顏 弘志,2004)。因此在 1960 年代的美國科學過程改革中,課程重點是科學過程 技能的培養,指出科學家從事科學探究的基本能力是「觀察」、「分類」、「傳遞」... 等十三項科學過程技能。這時的科學探究教學基本上就等同於在培養這十三項 過程技能。 到了 1990 年代,探究教學的內涵已產生蛻變,不強調「演示和證明科學內 容的活動」、「作為探究和實驗的科學」及「學生只將想法和結論告訴教師」,而 是強調「調查和分析科學問題的活動」、「作為論證和解釋的科學」及「將想法 和結論與同學公開交流」(NRC,2000)。

二、探究的意涵

探究是什麼?根據美國國家研究委員會(NRC,1996)出版之【國家科學教 育標準】 (NESS)中的定義「探究是科學家們以各種不同方式對自然世界進行研 究,並根據所得到的證據提出解釋」。同時該份文件也提到,探究也是「指那些 學生用來發展知識、理解科學概念,並了解科學家如何研究自然世界的活動」。 換言之,探究不單只是科學家為瞭解自然世界現象所從事的活動,同時也是學 生如何學習科學的重要方法。 美國 Project 2061 主張,科學教育應該和科學探究精神一樣,也就是說「科 學探究的方法主要強調學生應該從一個現象的問題開始,主動參與,進而提出 假設,再根據假設收集並分析證據,設計研究與進行研究的過程,而非只是學 習自然現象的答案而已」(AAAS,1989)。 Gagne 認為探究是以「問題解決」的模式,面對新的現象,在思考上從事 解決的活動。而此類思考起自於系統之觀察,再進行測量的設計,準確的區別 現象觀察及推論,以提出一般化的解釋,最後再下具體、合理的結論(黃湃翔, 1995)。Lederman(1986)指出探究是科學家尋求問題解決之系統取向。Papas 和

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Tepe(2002)認為探究是學習者投入解決問題、解決真實問題、衝突議題或探索個 人興趣時的調查研究過程。Keller(1985)認為 Dewey 將探究視為是一種「探究者 與探究問題之間的對話關係」,而這樣的關係是「動態的客觀性」,也就是說探 究本身是一種動態的歷程。美國國家科學教育標準(NRC,1996)中也提及,探 究是一種多面向的活動,它包括觀察、發現問題,尋找書中及其他的相關資料, 來釐清問題,設計實驗,根據實驗的證據檢視過去的研究成果,使用工具去收 集、分析和解釋數據,提出可能的解答,解釋與預測,並溝通結果。探究需要 確認假設,運用批判及邏輯思考,並提出可能的解答。Hofstein 和 Mamlok(2001) 指出,探究是科學家們研究自然界所使用的方法、提出問題與解釋,以及他們 在研究自然界時,所提出對於週遭世界包含證據的解釋。 Bybee(2000)指出美國國家科學教育標準(NESS)的「探究」有兩種意涵:一 是將「探究」視為一種內容的理解(content understanding),學生能夠建構概念、 創造意義以及解釋他們的經驗;二是將「探究」視為一種技能和能力,包括認 明與提出問題、形成假說、設計與執行實驗、修訂解釋、科學論證的溝通與辯 護等等。 Abd-El-Khalick 等人(2004)更將科學教育中的「探究」區分為「方法與目的」 (means and ends)。以「方法」而言,探究可視為一種教學方法,其目的在達成 學生對科學內容的理解;而「目的」是將探究視為教學目標或成果,讓學生習 得如何進行探究(how to inquiry)。 國內學者歐陽鐘仁(1987) 認為「人類找尋問題與解決問題的過程」就是一 種探究。王美芬和熊召弟(1995)認為探究是一種思考的方式,是一種尋找資料 的過程,一種了解事物的過程。學生經由探究的過程,練習科學的方法。在探 究的過程當中,不但可以發現問題,也可以尋找解決問題的方法。洪振方和賴 羿蓉(1997)認為「探究」是一種發現問題與解決問題的循環過程,而非僅是提

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出假說、進行實驗驗證、形成結論此一簡單的過程而已。在探究過程中,需要 將自己的實驗結果提出與他人討論,且由不同人的批判過程,最後產生一個最 有效解決問題的理論。洪文東(2004)從問題解決的觀點認為,科學探究是從問 題的發現開始,經由探討的過程尋求問題的解決,在探討的過程中涉及科學過 程技能,科學概念知識與科學態度之綜合運用,以求得問題的解答。高慧蓮(2005) 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。

三、 科學探究的能力

Kim 和 Hannafin(2004)認為科學探究是強調學習應致力於高層次的問題解 決,以學生的學習目標為導向,學生能自行選擇問題和解決方法。藉由科學探 究,學生會根據證據的質量來產生、測試並且調整研究假設,科學探究需要老 師和學生雙方都能熟悉方法和技能,由此可知科學探究能力的重要。 美國科學教育標準(NRC,2000) 對科學探究能力的內容標準,其中包含 K-12 年級分為三階段,分述如下: (一) 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。 3. 使用簡單的設備和工具來收集資料及延伸感官的範圍。 4. 使用資料來建構一個合理的解釋。 (二) 5-8 年級 1. 界定可以透過科學調查活動來回答的問題。

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2. 設計和進行一個科學的調查活動。 3. 使用適當的工具和技術去收集、分析以及解釋資料。 4. 使用證據發展出對科學的描述、解釋、預測和模型。 5. 會以批判性和邏輯性的思考來建立所得的證據和所提出的解釋之間的關係。 6. 會辨認和分析另類的解釋和預測。 7. 會傳達科學的步驟和解釋。 8. 會利用數學在科學探究的所有面向上。 (三) 9-12 年級 1. 界定引導科學調查的問題和概念。 2. 設計和進行科學的調查活動。 3. 使用科技和數學以增進調查活動和傳達訊息。 4. 會使用邏輯和證據來制定和修正科學的解釋和模型。 5. 會辨認和分析另類的解釋和模型。 6. 會傳達和答辯科學的爭辯。 Lederman(1986)指出科學探究包括觀察、應用時空的關係、分類、應用數 字、測量、傳達、預測、推理、形成假設、控制變因、下操作型定義、解釋資 料、實驗等十三種科學技能。同時還結合科學過程技能與科學知識、科學推理、 批判性思考以發展科學知識。 張惠博(1993)認為科學探究的主要意義在於以知識的尋求來取代知識的獲 取。然而長久以來,中小學生在科學的學習上都是以獲得知識為主要目標,因 此忽略了探究的重要,造成學生在科學探究能力上的不足。有鑒於此,我國積 極推動的國民教育九年一貫課程中的自然與生活科技學習領域,一再強調科學

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探究能力培養的重要性。在基本理念中即提到,教師應「經由科學性的探究活 動,使學生獲得相關的知識與技能,且應經常依照科學方法從事探討與論證, 培養學生運用科學知識技能以解決問題的能力,並提升學生的科學素養」(教育 部,2003)。在九年一貫課程總綱中也對「主動探索與研究」基本能力做了以下 定義:激發好奇心及觀察力,主動探索和發現問題,並積極運用所學的知能於 生活中。在自然與生活科技領域,此項基本能力的培養,其學習活動應建立在 對自然現象的好奇及意圖推究其真相的基礎上,運用觀察、收集資料、比較、 分類、統整、歸納、研判、推理等方法來獲得知識及技能(教育部,2000)。 洪文東(2007)依據教育部公佈之九年一貫「自然與生活科技」學習領域內 容,考慮科學素養八項能力指標,並納入科學探究相關的三個重要指標,將小 學階段科學探究能力定義如下圖 2-3-1。依圖所示,首先將科學探究能力先分為 三大類,分別為:科學過程技能、科學與技術認知知識及科學思考智能,之後 再分成十個科學探究能力的細項,如圖 2-3-1。 在國科會的研究計畫「九年一貫課程自然與生活科技領域科學探究能力之 培養」中,研究小組根據 NRC(1996)及九年一貫課程綱要(教育部,2003)等文獻, 經由小組討論分析,綜合歸納出五大類共 13 細項之科學探究能力,依其屬性與 層次分別是(高慧蓮,2005): 1.界定問題的能力:包含發現問題、提出問題、定義問題。 2.設計規劃的能力:包含收集資料、設計實驗。 3.實作驗證的能力:包含進行實驗、觀察、操作、紀錄。 4.分析解釋的能力:包含分析資料、歸納及解釋實驗結果。 5.溝通辯證的能力:包含溝通與批判能力。

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圖 2-3-1 小學階段科學探究能力成分 資料來源:引自洪文東,2007 本研究基於該計畫所提出的科學探究能力,不但針對我國九年一貫課程綱 要制訂,較符合實際教學目標,且與本研究所欲採取的創造性問題解決(CPS) 教學模式步驟吻合,故採取高慧蓮(2005)五項科學探究能力之界定方式,作為 教學後評量學生科學探究能力改變的情形之參考。

科學探究能力

科學過程技能 科學與技術認知知識 g4 科學思考智能 ‧ 歸 納 、 研 判 與 判 斷 ‧ 組 織 關 聯 ‧ 比 較 分 類 ‧ 觀 察 ‧ ‧ 應 用 ‧ 理 解 ‧ 知 道 ‧ 問 題 解 決 ‧ 創 造 思 考 ‧ 批 判 思 考

數據

表 4-1-9      初探教學活動後第二單元試題修訂整理 ............................................... 81  表 4-1-10    初探教學第三單元認知概念試題前、後測與延宕測的                      答對人數百分比 .....................................................................................
表 2-1-1  遊戲理論相關學說之整理  學            者  理          論  遊戲之目的  古  典  遊  戲  理  論  Schiller/Spencer  精力過剩論  排除過剩體力 Lazarus 休養論  恢復在工作中消耗的精力 Hall 重演化論 祛除舊有的本能  Groos  練習論  精熟成人生活必備之本能  現  代  遊  戲  理  論  Freud    心理分析論  調節受挫經驗 Erikson  接觸內在的自我,以發展自我能力 Piaget 認知論 熟
表 2-1-2  學者對科學遊戲之定義  學者  年代  主張科學遊戲之定義  李秉彝  1972  科學遊戲是一種利用科學原理,有教育意義,具有好玩及 神奇的趣味,能訓練科學思想、態度,啟發創造發明的活 動。  許義宗  1981  科學遊戲是物質的性質及法則,使之對科學關心,數字產 生興趣的遊戲;換句話說藉由玩弄有形物,而變化出新的 有形物,即為科學遊戲。  蕭次融  2000  科學遊戲就是把科學活動和遊戲結合,寓教於樂,讓同學 可以從遊戲中體會科學原理。  許良榮  2004  科學遊戲就是蘊含了科
圖 2-2-1 Parnes 和 Noller  所提出的 CPS(V2.2)模式  資料來源:譯自 Isaksen & Treffinger,2004
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參考文獻

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