國
立
交
通
大
學
教
育
研
究
所
碩
士
論
文
大學生處理科學實驗異象的方法與態度：兼探其科學
知識觀、實驗室環境及教師觀點之相關性
University students’ strategies and attitudes of responding to
anomalous data in science laboratory, with relations to their views about
the nature of science, laboratory environments and teachers’ views
指導教授：蔡今中 博士
研 究 生：邱羽立
大學生處理科學實驗異象的方法與態度：兼探其科學知識觀、
實驗室環境及教師觀點之相關性
University students’ strategies and attitudes of responding to anomalous
data in science laboratory, with relations to their views about the nature of
science, laboratory environments and teachers’ views
研 究 生：邱羽立 Student：Yu-Li Chiu
指導教授：蔡今中 Advisor：Chin-Chung Tsai
國 立 交 通 大 學
教 育 研 究 所
碩 士 論 文
A ThesisSubmitted to Institute of Education College of Humanities and Social Sciences
National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master
in
Education
February 2008
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
大學生處理科學實驗異象的方法與態度：
兼探其科學知識觀、實驗室環境及教師觀點之相關性
學生：邱羽立
指導教授：蔡今中博士
國立交通大學教育研究所碩士班
中文摘要
本研究以學生面對實驗異象的反應為基礎，學生科學知識觀、實驗室環境與教師觀 點為背景，探討大學生經由具挑戰性事件的實驗活動後，其科學知識觀的變化與處理實 驗異象的策略、態度、反應的關係，同時探討實驗室環境與教師觀點在學生處理實驗異 象的策略、態度、反應時所扮演的角色。 研究對象為修習大學普通化學與普通化學實驗之生命科學院三班大學一年級科學 主修的學生，共157 人。三班學生皆參與兩次具挑戰性事件之實驗活動，填寫科學觀點 量表、科學實驗環境量表及繳交實驗異象報告。此外，依據學生實驗異象報告的豐富度， 另挑選 47 位學生進行訪談並將訪談內容製作成逐字稿，以內容分析法進行分析。最後 針對學生的科學觀點、偏好與實際的實驗環境及對實驗異象的反應、處理策略與處理態 度進行分析。 本研究結果發現學生參與具挑戰性事件的實驗活動，藉由處理實驗異象的過程後， 其科學知識觀分數於「理論滿載的探索」面向有顯著提升，而於「被發明且具創造力的 科學本質」面向與「科學知識的暫時性與變動性特徵」面向則有顯著降低。顯示具挑戰 性事件的實驗活動，藉由處理實驗異象的過程，確實可改變學生的科學知識觀，但需重視實驗環境及教師指導方式的開放程度。本研究也發現科學知識觀相對偏建構主義取向
的學生偏好較開放的實驗室環境，以便從接近於科學家的方式來探索未知世界的本質。
並且科學知識觀相對較偏建構主義取向的學生，其處理實驗異象的策略偏以β行為（重
新解釋異象、周圍理論改變）的方式來進行，以其獲得接近理論改變的結果。
University students’ strategies and attitudes of responding to
anomalous data in science laboratory, with relations to their views about
the nature of science, laboratory environments and teachers’ views
Student: Yu-Li Chiu Advisor: Dr. Chin-Chung Tsai
Institute of Education National Chiao Tung University
英文摘要
ABSTRACT
The purpose of the study was to investigate the relationships among university students’ strategies and attitudes of responding to anomalous data in science laboratory, their views about the nature of science, scientific laboratory environments, and teachers’ views.
The participants were a group of ninety-five Taiwanese science-major freshmen in a university, who enrolled in a general chemistry laboratory course for a semester, and seven Taiwanese science teachers in the university. The course implemented some inquiry-oriented and challenging open-ended laboratory exercises, called “challenging event”. The challenging event was used to challenge students’ perceptions toward anomalous data in science laboratory.
The data sources were based on their responses to anomalous data in science laboratory. In qualitative data collections, students’ reports of responding to anomalous data in science laboratory, including their strategies and attitudes, were collected. Forty-seven students selected by the richness of their reports were interviewed after two months. The interview questions included nine perspectives: the purpose of the laboratory activity, the influence of laboratory activity in science learning, the influence of prior knowledge in laboratory activity, the influence of laboratory teaching in laboratory activity, students’ responses to anomalous data in science laboratory, students’ strategies of responding to anomalous data in science laboratory, students’ attitudes of responding to anomalous data in science laboratory, the influence of anomalous data in science laboratory to science learning, and the ways of responding to cross-subject anomalous data in science laboratory.
epistemological view (SEV) questionnaire and to the Science Laboratory Environment Inventory (SLEI) for pretest and posttest were collected. The SEV questionnaire in this study, with adequate validity and reliability, included 19 items on the following four scales: the role of social negotiation on science (SN), the invented and creative reality of science (IC), the theory-laden exploration of science (TL), and the changing features of science (CT). Furthermore, the SLEI in this study included 35 items on the following four scales: student cohesiveness (SC), open-endedness (OE), integration (IT), rule clarity (RC), and material environment (ME).
The result showed that students’ responses between pretest and posttest were statistically different in the scales of IC, TL, CT. Students’ scores increased in the scales of TL but decrease in the scale of IC and CT due to the certain answer given by teachers. The significant differences suggested that the chemistry course with inquiry-oriented laboratory practices may promote the development of the participants’ SEVs, but open-endedness environments needed to be improved.
The study revealed that students’ scientific epistemological views were correlated to their strategies of responding to anomalous data in science laboratory and their satisfaction on science laboratory environments. The constructivist-oriented SEV students preferred to have more open-ended science laboratory environments, exploring the uncertain world of nature by a scientist-like way.
Keywords: challenging event, anomalous data in science laboratory, scientific
epistemological views, laboratory environments, general chemistry laboratory course in university
誌 謝
撰寫碩士論文總是希望寫誌謝的那一天趕緊到來，因為那代表著自己已經將論文完 成並且準備印製了，心裡有著無比的喜悅與感動，喜悅的是終於完成了人生中第一本碩 士論文，即將拿到人生中第一個碩士學位證書，感動的則是做研究的路上，我很幸運地 有許多老師、朋友、學長姐、學弟妹以及我的家人相挺，才得以完成這本論文。 首先，我非常感謝我的指導教授蔡今中博士，蔡老師給予我相當大的空間和時間來 撰寫碩士論文，並且在我徬徨無助的時候，總是能給予我最大的支持與鼓勵。此外，在 資料分析與詮釋上，我一直寫得很不順，蔡老師總是能給予我很多建議與看法，讓我能 將清水變雞湯，將重要的發現呈現出來。同時也非常感謝遠從台北趕來新竹的楊芳瑩教 授及交大教育所的佘曉清教授擔任我論文的口試委員，讓這本論文可以更臻完善。楊老 師在口試過程中，總是能給予我非常多寶貴的建議和看法，並且適時點出論文的優缺 點，讓我茅塞頓開。而佘老師對論文的嚴謹要求，讓我了解到學術研究的真諦。三位老 師的建議、鼓勵與關懷對於甫轉換到教育領域兩年多的我獲益良多，也更加堅定未來作 研究的信心與想法。 然而除了三位勞苦功高的教授外，還有對我具有重要意義的老師、朋友們，他們分 別來自海洋大學、交通大學、台灣科技大學、及蔡今中教授研究團隊。 海洋大學 儘管在海大唸書時，我主修機械工程，但由於大二開始修習師資培育中心的課程， 對教育領域開始產生興趣，更發覺自己對人與人之間的互動、溝通等行為相當感興趣， 因而教育研究的種子開始在我心裡逐漸萌芽。 謝謝間接讓我認識現在指導教授的機械系蔡金榮學長與吳志偉教授，是你們開啟了 我對科學教育的認識，進而參與交通大學教育研究所科學教育組的推薦甄試。也謝謝機 械系王星豪教授、商船系張啟隱教授、外語中心郭宜湘老師、薛梅老師、王鳳敏老師、 師資培育中心張小芬老師、江愛華老師，因為你們的鼓勵與支持，我才能繼續堅持走教育研究的路。此外，也要感謝Toastmasters的朋友們Fred Pan（潘建安）, Jean Sun（孫啟
棠）, Jean Chen（陳靜儀）。謝謝兩位Jean都在我收研究資料的時候給予我非常大的幫助，
讓我非常感動，希望遠在美國當交換學生的啟棠與在新竹努力賺錢的靜儀事事順心，好 人會有好報的！ 在蒐集資料時，遇到了不少困難，感謝許濤教授、熊同銘教授、林秀美教授、許富 銀教授及陳逸然教授，謝謝教授們大方地接受訪問並侃侃而談，讓我收集到許多珍貴的 資料。 此外，我要特別感謝Judy助教和慧敏助教不辭辛勞地被我打擾將近兩個月的時間。 特別是從我大學時代就認識的Toastmasters社團老朋友Judy助教，我永遠忘不了妳的開 朗、樂觀和創意。身兼教職和媽媽兩個角色的Judy，時常用非常幽默詼諧的模式與學生 們、朋友們相處。有Judy在的地方，不論是實驗課還是社團，都充滿著歡笑。我會非常 想念你與你的小朋友Tino日常生活中的趣事以及以前一同相處的點點滴滴。而慧敏助教 與我素昧平生，但是仍排除萬難、篤力幫助我收集學生們的實驗報告和訪談錄音。兩位 助教的學識以及經驗也都相當淵博，使得本研究結果增色不少。在此要特別謝謝他們兩 位。更不能忘記本論文最龐大的功臣，來自三個不同系所的一百多位學生和七位勞苦功 高的教授，因為有你們的支持與配合，這本論文才得以順利產出，非常感謝你們。 交通大學 大念教育所真的是我人生中最珍貴的一段記憶，所上的和樂氣氛與嚴謹的研 究態度至今讓我難以忘懷。在交大教育所兩年多，從欣喜若狂、酸甜苦辣、悲喜交加、 蔡今中 能到交 悲從中來、到後來的樂不自勝，陪伴我經歷這段歲月一同成長的老師和同學們，謝謝你 們。 謝謝我的指導教授 老師，在蔡老師的課堂上總是充滿歡笑，老師風趣幽默的 言談及嚴謹細膩的分析講授，總是讓我們在歡笑聲中學習到非常寶貴的知識與經驗，還 好以後還可以繼續上到蔡老師的課，不然真的會覺得遺憾。還有老師對於教學的熱忱與 精闢的見解，讓我了解到作為一個教師要能時常保持樂觀與愉快的心態。
謝謝佘曉清老師，您讓我了解到念paper必須面面俱到、見微知著，我永遠忘不了 您的「科學學習心理學」課程，讓我們宛如瞬間被打通任督二脈，經過一個學期，功力 頓時增長不少。 謝謝林珊如老師，您告訴我做研究要努力但是也要做得快樂，只要努力過的事情， 以後回想起來都會覺得很值得、很珍貴。更重要的是，您讓我深刻了解到需對自己負責， 也需對所修的課程負責，宛如當頭棒喝，我才能嚴謹並積極地往前繼續走下去。 謝謝彭心儀老師，雖然我是一個有點叛逆思考的學生，但是您仍給予我相當大的空 間來表達出屬於我自己的意見和看法，並仔細聆聽、給予建議。更不時地寫E-mail關心 我、鼓勵我，讓我倍感溫馨，我宛如在教育所找到一個漂亮又體貼的姊姊。 謝謝周倩老師，您平時給我的鼓勵與讚美，讓我對自己更有自信心。 謝謝陳致嘉老師，深入淺出的教學方式，讓我能一窺課程社會學的神秘，更在許多 次的 好戰友，謝謝好兄弟兼好室友的宗達 演講活動中，了解到第一線教師的想法。也謝謝老師給予我與學弟妹及學程學生分 享看法與經驗的機會。 更不能忘記我的幾位 ，因為高中讀同一所男校 的連 女友彥君 結關係，讓我們總是無話不談，甚至情緒不好的時候，可以彼此互當對方的垃圾桶。 謝謝你總是在我徬徨無助的時候，默默給我支持與鼓勵。你也是一個逛大賣場的好伙 伴，新竹地區的大賣場都不難找到我們的足跡。 謝謝雷聲大雨點小、差點搶了隋棠風采的緋聞 ，你真的是我看過最適合娶 回家 行政組的凱俐 的嫻熟女性，只可惜「相見恨晚」，哈！。與同是射手座的我總是有聊不完的話題， 非常謝謝你不斷地介紹女友給我，也謝謝你讓我見識到台妹也是有很可愛、很真性情的 一面。 謝謝 和安琦，讓我有機會開著高檔名車載著大家在新竹兜風，也讓我 知道 搭檔，謝謝總是不被我們當作女生看待的倩嫻 真的有俊男美女配的美好結局。 更要感謝同為科學教育組的兩位好 及 越來越有份量的格瑜，最後趕論文口試的階段，彼此打氣鼓勵，總算我們都如期完成了。 也要謝謝科教組的學弟妹文己、孟玲、淑娟、莉郁、千祈、珮菁，大家加油！
台灣科技大學 後一年，我很幸運地能認識許多台科大的朋友與老師給予我支持與鼓 勵， 碩士班的最 並提點很多論文應該改進的部分，非常感謝。 謝謝跟我同月同日生的王淑玲老師，王老師總是給予我不同的見解與想法，並且教 導我們該如何有系統地閱讀期刊論文、如何有系統地撰寫研究計畫與論文，獲益匪淺。 謝謝陳素芬老師在論文的文獻探討部分，提供了我一個清楚定義專有名詞的方向，讓我 能將偏哲學領域的詞彙表達得更清楚明瞭。 謝謝台科大技職所的暐珍、雅惠、麗蓉、曉君、奕淑、祿恩，因為有你們溫暖的關 懷，我才能一鼓作氣地將論文寫完。 謝謝台科大高等所的峰名、典緯、旭源，沒有你們，我不可能有效率地將質性資料 分析 今中教授研究團隊 的是第一屆學長吳穎沺 完，非常感謝。 蔡 首先，我最要感謝 博士，總是在我建立研究架構、分析研究 資料、詮釋研究結果有挫折的時候，不厭其煩地提供我很多想法與經驗談，讓我能再一 次又一次的檢視研究架構與問題中，找到這本論文的核心價值。謝謝梁至中老師、旻憲 學長、佳慶學長、子軒、靜慧、傳舜不時鼓勵我、幫我加油打氣。 此外，我想特別感謝台南大學的林哲彥教授，謝謝您幫助一個素昧平生的碩士班學 生， 外，我想把最多的感謝獻給我的母親曹姐與哥哥杜威 無償提供給我實驗手冊，非常感謝。 另 ，我的母親在我的生命中扮 演著很重要的角色。從小學教育開始，母親就一直致力於給予我最好的教育環境與資 源。就讀碩士班期間，也是因為母親與哥哥的犧牲奉獻，讓我能無後顧之憂繼續碩士班 的學業，沒有你們的支持，我根本沒辦法心無旁騖地完成碩士班學業，謝謝你們。
最後，這本論文的完成並不是研究路途的句點，而只是個逗點。希望這本論文能對
國內的科學教育有一些貢獻，並且提供科學實驗教學與學習一些想法與建議。僅以此論
目 錄
中文摘要
...iii
英文摘要
... v
誌謝
...vii
目錄
...xii
表目錄
...xvii
圖目錄
... xxi
第一章 緒論
... 1
第一節
研究背景
... 1
第二節
研究動機與目的
... 2
第三節
研究問題
... 3
第四節
名詞解釋
... 3
第五節
研究範圍與限制
... 4
第二章 文獻探討
... 7
第一節
異例與異象
... 7
壹、異例與異象的定義
... 9
貳、學生面對異象所產生之反應類型... 12
參、促進科學理論改變之異例... 17
肆、異象在國內科學教育上的應用... 23
第二節
科學實驗活動
... 24
壹、科學實驗教學與學習
... 25
貳、科學實驗學習環境
... 27
第三節
科學知識觀
... 28
第四節
小結
... 30
第三章 研究方法
... 31
第一節
研究對象
... 31
第二節
研究流程
... 33
壹、準備工作
... 34
貳、實驗課程進行過程
... 36
參、師生訪談與量表施測
... 39
肆、資料處理與分析
... 39
第三節
研究設計
... 42
第四節
資料蒐集
... 43
壹、實驗異象報告
... 43
貳、科學觀點量表
... 44
參、科學實驗環境量表
... 48
第五節
半結構式訪談法
... 50
壹、訪談進行流程
... 51
第六節
資料處理與分析
... 52
壹、實驗異象報告
... 52
貳、訪談資料
... 54
第四章 研究結果與討論
... 57
第一節
學生與教師的科學知識觀之分析
... 57
壹、學生的科學認識觀
... 57
貳、教師的科學知識觀
... 64
參、學生與教師的比較
... 66
第二節
學生與教師對實驗室環境的偏好與實際情況之分析
... 67
壹、學生偏好的實驗室環境與實際的實驗室環境... 68
貳、學生的科學知識觀與實驗室環境之相關性分析... 70
參、教師偏好的實驗室環境與實際的實驗室環境... 74
肆、學生與教師的比較
... 77
第三節
實驗活動之分析
... 80
壹、學生對實驗活動的觀點之分析... 81
貳、教師對實驗活動的觀點之分析... 90
參、學生與教師對實驗活動的觀點之比較... 103
第四節
處理實驗異象的方法與態度之分析
... 104
壹、學生處理實驗異象的方法與態度... 105
貳、教師處理實驗異象的方法與態度... 128
參、學生與教師的比較
... 147
第五節
面對實驗異象的反應行為、實驗異象的處理方式與處理態度、實
驗活動對科學學習的影響類型、科學知識觀及實驗室環境之分析
... 149
壹、學生面對實驗異象的反應、實驗異象的處理方式與處理態度、實驗
活動對科學學習的影響類型、科學知識觀及實驗室環境之分析... 150
第六節
後續分析與討論
... 168
壹、學生處理實驗異象的策略與學生自我調制學習... 168
第五章 結論與建議
... 171
第一節
結論與討論
... 171
壹、實驗活動與學生的科學知識觀... 172
貳、學生面對實驗異象的反應、處理實驗異象的態度、處理實驗異象的
策略與學生的科學知識觀
... 172
參、教師的科學知識觀、處理實驗異象的觀點與學生處理實驗異象
173
第二節
建議
... 173
壹、學生的實務知識論與科學知識觀... 173
貳、實驗異象與學生科學學習... 174
參考文獻
... 177
附錄
... 186
附錄一 實驗異象報告
I—溶液的濃度 ... 186
附錄二 實驗異象報告
II—維他命 C 含量之測定... 187
附錄三 學生訪談大綱
... 188
附錄四 教師訪談大綱
... 189
附錄五 科學觀點量表
... 190
附錄六 科學實驗環境問卷調查
—學生偏好... 193
附錄七 科學實驗環境問卷調查
—學生實際狀況... 195
附錄八 科學實驗環境問卷調查
—教師偏好... 197
附錄九 科學實驗環境問卷調查
—教師實際狀況... 199
附錄十 研究同意書及研究對象權益保證書
... 201
表 目 錄
表
2-1-1 異例定義之比較 ... 12
表
2-1-2 異象定義之比較 ... 12
表
2-1-3 九種面對異象時可能採取的反應類型 ... 16
表
2-1-4 Lavoisier 新觀念與燃素說之比較... 19
表
2-1-5 科學史上所遭遇之異例整理 ... 23
表
2-1-6 國內文獻對異象問題的研究之比較 ... 24
表
3-1-1 班級人數統計表 ... 31
表
3-1-2 教師基本資料表 ... 32
表
3-2-1 實際參與教學與班級之教學關係表 ... 35
表
3-2-2 學生與教師訪談問題比較表 ... 35
表
3-2-3 兩次實驗處理方式 ... 37
表
3-2-4 兩個實驗異象報告問題之比較 ... 38
表
3-4-1 科學觀點量表各向度之題數與信度值 ... 46
表
3-4-2 科學實驗環境量表各向度之題目分配與信度值... 50
表
4-1-1 學生參與實驗活動前後的科學知識觀比較... 58
表
4-1-2 各組學生科學知識觀的變化 ... 61
表
4-1-3 男學生參與實驗活動前後的科學知識觀比較... 63
表
4-1-4 女學生參與實驗活動前後的科學知識觀比較... 63
表
4-1-5 七位教師的科學知識觀 ... 65
表
4-1-6 各組教師的科學知識觀 ... 66
表
4-1-7 學生與教師的科學觀點比較 ... 66
表
4-2-1 學生偏好的實驗室環境與其實際所接觸之實驗室環境之比較... 69
表
4-2-2 學生參與實驗活動前之科學知識觀與偏好實驗環境之相關性... 70
表
4-2-3 學生參與實驗活動後之科學知識觀與實際實驗環境之相關性... 71
表
4-2-4 學生科學知識觀與偏好的實驗環境之相關性... 73
表
4-2-5 學生科學知識觀與實際實驗環境之相關性... 73
表
4-2-6 七位教師偏好的實驗室環境與實際的實驗室環境... 74
表
4-2-7 各組教師的科學知識觀、偏好與實際的實驗環境分數... 76
表
4-2-8 學生與教師偏好及實際的實驗環境比較... 78
表
4-3-1 訪談逐字稿與實驗異象報告分析比較 ... 81
表
4-3-2 實驗目的各組人數統計 ... 82
表
4-3-3 實驗活動對科學學習的幫助各組人數統計... 84
表
4-3-4 先備知識對實驗活動的影響各組人數統計... 86
表
4-3-5 學生對實驗活動的觀點 ... 89
表
4-3-6 教師對實驗活動的觀點 ... 102
表
4-3-7 學生與教師對實驗活動的觀點之比較 ... 103
表
4-4-1 訪談逐字稿與實驗異象報告分析比較 ... 105
表
4-4-2 解決異象的策略對照表 ... 107
表
4-4-3 解決異象的策略、可信度與理論改變程度... 108
表
4-4-4 學生面對實驗異象的反應各組人數統計... 111
表
4-4-5 學生處理實驗異象的策略各組人數統計... 115
表
4-4-6 學生處理實驗異象的態度各組人數統計... 117
表
4-4-7 實驗異象對學生科學學習的影響各組人數統計... 120
表
4-4-8 學生跨學科處理實驗異象方式各組人數統計... 122
表
4-4-9 實驗異象對科學理論發展的影響各組人數統計... 125
表
4-4-10 學生對實驗異象的觀點 ... 126
表
4-4-11 學生處理實驗異象各組人數統計 ... 127
表
4-4-12 教師處理實驗異象的策略 ... 140
表
4-4-13 教師對實驗異象的觀點 ... 147
表
4-4-14 學生與教師對實驗異象的觀點之比較... 148
表
4-5-1 實驗活動對學生學習科學的影響類型與其科學知識觀前測及後測
的比較
... 152
表
4-5-2 實驗活動對學生學習科學的影響類型與其偏好及實際實驗環境的
比較
... 154
表
4-5-3 學生處理實驗異象的態度與其科學知識觀前測及後測的比較. 156
表
4-5-4 學生處理實驗異象的態度與其偏好及實際實驗環境的比較... 158
表
4-5-5 學生處理實驗異象的策略與其科學知識觀前測的比較... 160
表
4-5-6 學生處理實驗異象的策略與偏好及實際實驗環境的比較... 162
表
4-5-7 學生面對實驗異象的反應行為與其科學知識觀前測及後測的比較
... 164
表
4-5-8 學生面對實驗異象的反應行為與偏好實驗環境的比較... 167
圖 目 錄
圖
2-1-1 個體遭遇異象之處理模式 ... 11
圖
2-1-2 科學理論分類之球型類比模型 ... 15
圖
2-1-3 白花紅花之親代與子代遺傳性狀圖 ... 20
圖
2-2-1 實驗活動發展與評鑑之歷程圖 ... 27
圖
3-2-1 研究流程四階段 ... 33
圖
3-2-2 研究流程概略圖 ... 41
圖
3-3-1 研究概念圖 ... 42
圖
3-4-1 探索學生科學知識觀之架構圖 ... 47
圖
4-1-1 實驗活動前後學生科學知識觀的分數變化... 58
圖
4-1-2 實驗活動前後三組學生的科學知識觀分數變化... 62
圖
4-1-3 學生與教師科學知識觀比較 ... 67
圖
4-2-1 學生偏好與實際實驗環境的分數變化 ... 69
圖
4-2-2 教師偏好與實際實驗環境的分數變化 ... 75
圖
4-2-3 各組教師偏好與實際實驗環境的分數變化... 76
圖
4-2-4 學生與教師偏好實驗環境的分數比較 ... 79
圖
4-2-5 學生與教師實際實驗環境的分數比較 ... 79
第一章 緒論
本章共分為五節，主要說明本研究之研究背景、研究動機與目的、研究問題、名詞 解釋與研究範圍與限制，並對本研究中所提及之重要名詞予以解釋與定義。第一節 研究背景
科學發展過程中，科學家不斷地發明許多新理論與現象，亦時常遭遇瓶頸或無法解 開之謎題，此種謎題常會讓科學家陷入長考、修正固有理論甚至完全改變之。此種被稱 為異例 (anomaly) 之謎題，在科學發展上扮演了一個極為重要的角色 (Kuhn, 1962;
Chinn & Brewer 1993; Limon & Carretero, 1997; Mason, 2000; Tsai & Chang, 2005)。然
而，對於學習科學的學生而言，並不會如同科學家遭遇許多異例或經歷典範轉移，但學
生可藉由一些異常數據或現象進一步檢視自己的科學學習歷程與知識，此一異常數據或 現象稱為「異象」 (anomalous data)。
異象對科學學習者產生了極為重大的影響力，並且可以供科學教師用以促進學生的 概念改變。如：Shepardson & Moje (1999) 使用異象來重新建構學生的概念，以便了解
電路學概念。Chan, Burtis, & Bereiter (1997) 進一步探究學生討論某些抵觸其所相信之事 物的訊息，並提出分層的知識處理活動 (level of knowledge-processing activity) 可直接影
響概念改變。此外，在克服因類比推理而產生之迷思概念的研究中指出，學生所熟知的 異象已經被用來促進概念改變 (Brown & Clement, 1989)。
然而，當研究者希望學生藉由其對異象的反應來達到概念改變歷程，會於觀察
(observation)、解釋 (interpretation)、類化 (generalization)、保留 (retention) 四種認知過
程中遭遇到阻礙 (Brewer & Lambert, 1993)。例如：學生固然藉由對異象之反應達到概念
改變，但其只是產生暫時性的概念改變而非真正接受。因此經過一個星期後，學生又重 拾之前的另有概念。此外，Kuhn, Amsel, & O’Loughlin (1988) 更認為並非接觸到異象就
等同於產生概念改變或知識重建的情形，有時學生僅接觸到異象並不會導致概念改變。 舉例來說，孩童們有時候被視為是不理性的 (irrational)，即當孩童對異象做出反應時， 會試著用各種方式來漠視資料所表現出的異常現象。因此，本研究試著探討，當實驗活 動中出現實驗異象時，學生對實驗異象的反應以及處理方式為何，並兼探其與科學知識 觀、實驗室環境及教師觀點的相關性，期望了解異象如何促進有效學習。
第二節 研究動機與目的
過去五十年來，針對科學史哲中的異例、異象、面對異象時的反應類別及異象在教育上的應用等相關研究相當多，其中Chinn & Brewer (1993) 認為了解人們如何學習科
學以及如何增進科學教學是非常重要的兩項議題。當學生遭遇到與其對外在世界所持之
既有理論相矛盾的科學資訊時，學生會有什麼反應？學生如何處理此狀況？換言之，當
學生接受科學教學歷程，發現自己對外在世界所抱持的信念與課堂所呈現之資訊產生衝 突時，學生的反應為何？Chinn & Brewer 更指出上述此種產生矛盾的狀況時常發生於科
學學習歷程中，學生堅持保有舊理論而不易接受新的想法。 然而，科學實驗室在科學學習與教學上扮演一個極為重要的角色，亦屬於科學教室 的範疇，因此研究者期望能進一步探究學生在面對異象時的反應類型是否可符應至傳統 課堂教學之學習情況，抑或有不同的反應類型。此外，進行實驗活動時，學生對於實驗 異象的反應是否與其科學知識觀、所處之實驗室環境以及教師觀點三者有關之研究至今 尚未深入探討。因此本研究旨在探討大學生面對實驗異象時，其處理的方法與態度為 何？並且進一步分析學生個人內在因素（學生的科學知識觀與學生偏好的實驗室環境） 及外在因素（學生實際所處之實驗室環境、教師指導學生處理實驗異象的方法與態度、 教師的科學知識觀與教師偏好的實驗室環境）對於學生處理實驗異象的方法與態度是否 有相關性。
第三節 研究問題
基於研究動機與目的，本研究的研究問題為： 一、 同學科背景的大一學生對實驗異象的反應、處理方式與態度為何？ 二、 同學科背景的大一學生對科學及實驗室環境的觀點與其處理實驗異象之相關為 何？ 三、 教師指導學生處理實驗異象的方式為何？ 四、 教師對科學的觀點及其指導學生處理實驗異象之關係為何？第四節 名詞解釋
本節將對本研究中的重要變項予以解釋，協助讀者對於本研究中的名詞有更進一步 的了解。 一、典範 (paradigm)典範一詞源自於希臘字 paradeigma，含有模式 (model)、類型 (pattern) 及範 例 (example) 之意。一般來說，可將「典範」界定為學術社群所共享的一種信仰 系統、思維模式、行動規準、研究方法、分析原型、詮釋參考架構或理解真實世界 的方式（引自謝文全，2004）。就科學教育而言，於常態科學時期，科學家從事科 學活動必須遵循的最高原則稱之為「典範」。科學家不會對典範產生質疑並且會在 典範的原則下進行解惑 (solving puzzles) 活動。當疑惑經長久努力後仍無法得解， 此種疑惑變成為「異例」 (anomaly)。 二、否證論 (falsificationism) 否證論為Karl Popper 所提出，其基本主張為「能被否證的學問或理論才可稱之 為科學」，即 "好的" 科學就具備高度檢驗性，因此科學在不斷摒棄錯誤後，始能 逐漸接近真理。
三、異例 (anomaly)
根據Merriam-Webster’s Collegiate Dictionary，將「異例」定義為「偏離一般法
則的事物」、「不同的、異常的、特殊的或不易分類的事物」(Merriam-Webster, 2003)。 許多科學教育學者對異例的定義亦不盡相同（詳見第二章第一節）。然而，本研究 參照Kuhn (1962) 的定義，異例在常態科學中，被視為一種「待解的謎」，而在革 命科學中則為「典範的反例」。 四、異象 (anomalous data) 亦稱為異常數據、異常現象等。在本研究中，異象為使學習者對先備知識、 既有理論產生矛盾、衝突的現象或數據。
五、科學實驗異象 (anomalous data in science laboratory)
在科學實驗室中，遭遇到與先備知識或既有理論相衝突或矛盾之數據或現
象，導致進行實驗或推論結果時，產生難以解決之疑惑。由於此現象好發於科學實
驗室中，因此本研究者將此問題稱之為「科學實驗異象」。
六、對異象所產生的反應類型 (types of responses to anomalous data)
當學生遭遇異象時，面對異象所產生的思考、處理方式，即稱為異象反應。
第五節 研究範圍與限制
本研究由於時間、人力、空間等限制因素，僅以北部某國立大學生命科學院的三個 班級為研究對象，因此研究的推論性有所侷限。而且由於研究對象所接受的教學內容為 大學一年級第一學期之普通化學與普通化學實驗，故推論到其他學科或不同單元皆有限 制性。 此外，目前對於面對異象所產生之反應類別尚未完全定論，仍有研究學者持續探討面對異象所做出的反應類別（如：Lin, 2007），本研究綜合Chinn & Brewer (1993, 1998) 及 Lin (2007) 所歸納出面對異象或實驗異象反應類型，深入探討影響學生處理實驗異象之
第二章 文獻探討
第一節 異例與異象
學校窮、地方小，一切也就克難些吧。對他而言，他已經十分滿意目前他的環境了，他 不像張凡和李鍾發那般人，整天不是埋怨設備不好，就是嫌實驗室又小又舊，他們都只是一 心一意想畢了業出國深造……。 這學期在實驗課開始之前，助教就宣佈本學期的分數是按各組每次實際結果和實際值之 間的差別來決定，換句話說，你所做出來的數據越接近實際值，分數就越高。而大部分的實 驗結果是可由書上查到或推算出來的，為了爭取高分，許多人不惜刪改自己所做出來的數 據，使它更接近實際值……。 『大家都改，只有你最清高……』 『既然要改，那何必麻煩做實驗？乾脆把標準答案抄給助教好了……』 『怎麼，你也做出兩百左右啊！我看，這回你別再頑固了，改成一百六十好啦，以免又 再當眾出醜。』 『奇怪？』周篤行這下也對自己的答案感到懷疑了，信心似乎又大減了……。 『課本還會錯嗎？求求你，別猶豫了，就改吧。』 在全班驚訝的嘆息聲中，老師宣佈了這件事：『各位不要奇怪，我今天給各位的並不是 棉子油，而是玉米油，我是故意說錯的。目的就在測驗各位同學是否對自己的實驗有信心？ 更重要的，也是測驗各位會不會刪改自己的數據。由這次實驗我發現你們真太不誠實了。…… 想不到就因為我說是棉子油，你們的答案都變成棉子油的了。』(小野，1988: 31-39) 許多科學教育學者共同主張科學研究總是從「問題」開始，將異常問題與未解決問 題轉變為已解決問題，即是科學進步的指標之一 (Popper, 1959; Kuhn, 1962; Lakatos,從科學發展的脈絡來看，Kuhn (1962) 首先對科學知識提出了典範 (paradigm) 的
概念，認為整個科學知識的成長是由於科學社群在困頓的環境下，企圖以改變對外在世
界的觀點而成長（趙金祈、許榮富、黃芳裕，1993）。Kuhn 更指出科學家發現新問題時，
會先進行一段時間的調適 (adjust) 並嘗試接受該問題。此一問題挑戰其先備知識 (prior
knowledge) 與既有科學理論 (existing scientific theory) 的不足，因此導致科學家開始發
展新理論或修正舊理論來滿足其所發現的新問題。此一導致科學理論有嶄新發現的「問 題」稱為「異例」(anomaly)。此外，Kuhn 認為雖然在科學哲學的詞彙中，異例的確是 典範的反例，然而從科學史來看，科學發展的歷程與否證論 (falsificationism) 的主張並 不相同，即科學家常常不把異例當成反例。Kuhn 相信典範除了有助於科學家認定其研 究方向外，亦具有啟發科學家嘗試解答新問題的功用（引自洪振方，1994：4。趙金祈， 1992）。 在典範之內所從事的科學活動，不斷地遭遇異例 (anomaly)，而當典範無法解釋的 異例越來越多時，危機就會出現。Kuhn 認為當危機發生時，就是新舊理論交替的階段， 即「科學革命」的時期。在科學革命後，新的典範產生，就開始進行新的常態科學活動， 因此科學知識的進展並非不斷的累積知識，而是不斷的進行科學革命。且在革命時期， 異例所造成的認知威脅性，使其成為科學理論變遷的先決條件 (Kuhn, 1962; 洪振方， 1994)。 由上述可知異例在科學理論變遷、知識習得與概念改變的歷程中，經常扮演著一個 關鍵的角色。然而，許多科學教育學家、心理學家與科學哲學家並不認為在科學教室中 學習的學生與實際發明理論或推翻理論的科學家具有完全相同的特徵，即學生的角色並 不完全等同於科學家的角色。其主張科學家發展理論的歷程與學生知識習得之間的關係 是有所侷限的，即認為學生是一種發展中的科學家 (developing scientist) (Duschl, 1990;
Chinn & Brewer, 1993; Niaz, 1995; Abd-El-Khalick et al. 2003)。國內學者也對於學習科學
Kuhn 的科學典範是存在於科學專業社群中，並不一定存在於學生的「生活世界」。 因此典範的實用性與限制性等的感受，對於研讀科學的學生當然不同於鑽研科學的科學 家（引自楊文金，1997。許榮富、黃芳裕，1995：624）。 許榮富、黃芳裕認為典範並不存於學生的科學社群中，故對於學生而言，典範一詞 就變成無可理解的詞彙，並且所謂的異例與異象也就變成類似子虛的詞彙（引自楊文 金，1997）。然而 Kuhn (1962) 卻認為教科書的目的在於形塑一個最新的典範，使學生 可以在最短的時間內瞭解當今科學社群所接受的實驗、觀念、定律及理論。 上述兩者不同的說法顯示學生與科學家是否可等同視之，確實仍存在相當大的討論 空間。但本研究提及的「異象」並不需要藉由Kuhn 的科學革命作為判別的依據，且研 究者認為僅擷取Kuhn 對於「解決問題」及「理解」的重要概念並用於學生身上並無不 妥，故可排除「學生是不是等同於科學家」的爭議。 因此，了解人們遭遇到與其先備知識有所衝突的資訊 (conflicting information) 時所 做出的反應以及探討人們產生此種反應的原因，有助於研究者進一步了解理論改變的過 程 (Mason, 2000)。
壹、異例與異象的定義
異象可挑戰科學家及學生的先備知識與既有理論概念，進而促進概念改變與知識重 建，但究竟何謂「異象」？又何謂「異例」？對異例與異象做進一步研究探討前，我們 必須先對異例與異象的定義有所了解，經本研究者統整發現許多研究者對於異例與異象 的分類與定義不盡相同 (Chinn & Brewer, 1993, 1998; Lin, 2007; 洪振方，1994)，經統整如下：
一、從後實徵主義角度看異例：以Popper 與 Kuhn 為例
洪振方 (1994) 指出，從後實徵主義 (post-positivism) 的角度探討「異例」，可
1. 狹義的異例 異例即是反例，就算理論只遭遇到一個異例，科學家就可駁斥與放棄該理論， 此為Popper 否證論 (falsificationism) 的主張。 2. 廣義的異例 異例並不等同於反例，依據 Kuhn 的觀點，異例在「常態科學」與「革命科學」 的作用不同。異例在常態科學中的本質被看成是一個「待解的謎」，其作用主要是用 以擴張典範的廣度與精確度。而其在革命科學的主要作用為使科學社群對典範形成 危機意識，以促成新典範的產生（洪振方，1994：23-24）。因此，黃光國 (2003) 認 為Kuhn 所定義的異例為「出現不符合典範所預期的現象」而 Laudan 的定義則為「在 邏輯上與理論不一致的經驗事實」。 在常態科學時期，異例是屢見不鮮的。但隨著常態科學的進展，經由典範的調整， 這些異例不僅可以成為符合典範的預期結果，而且還可以由反例變成支持典範的正 例。由於常態科學是由某種典範所宰制著，典範總是受到絕對的信賴，但它與實驗結 果之間的銜接並不會十分完美，總是存在著明顯的差異或異例。常態研究的主要工作， 便是經過恰當的調整，來解決這些反常的異例，以使典範不受損害 （黃光國，2003： 165）。
二、以當代科學教育學者角度看異象：以Chinn & Brewer (1993) 為例
Chinn & Brewer (1993) 指出，個體本身已經具備 A 理論的概念，但遭逢到異常
數據或現象的挑戰時，而此數據或現象又不能被A 理論所解釋時，此種與 A 理論相
衝突、矛盾或只因A 理論無法舉證出任何一個可以用來解釋該異常數據或現象的概
念，研究者將此種無法被既有理論完整解釋的異常數據或現象稱之為「異象」。此一
異象並不一定隱含在新理論—B 理論中，但 B 理論勢必可以用以解釋 A 理論原本可
解釋
A 理論
不能解釋 可以解釋異象
A 理論
異象
B 理論
圖2-1-1 個體遭遇異象之處理模式 資料來源：研究者整理 三、本研究對異象及實驗異象之定義 異例與異象對於學生的意義並不相同，研究者已於本節詳盡說明此部分，故本 處不再贅述，因此本研究僅針對異象與實驗異象進行研究。根據上述科學教育學者 對異象在科學教育上的研究，本研究認為當個體遭逢與其先備知識與既有理論相衝 突、矛盾之數據或現象，導致其開始對固有概念產生懷疑，進而檢視其先備知識與 既有理論的正確性與可解釋現象或數據的廣度，不論個體是否有產生概念改變或知 識重建，皆被視為遭遇到「異象」而有所反應。 因此，本研究將異象定義為「可使個體對其先備知識與既有理論產生衝突或矛 盾，進而挑戰、重新檢視先備知識與既有理論的精度與廣度之數據或現象」。此外，由於本研究者之研究環境為大學實驗室，因此在實驗室中遭遇到可使個體對先備知
識或既有實驗理論產生衝突、矛盾，進而可挑戰、重新檢視先備知識或既有實驗理
論的精度與廣度之數據或現象，本研究稱之為「實驗異象」(anomalous data in science laboratory)。茲將異例之定義整理如表 2-1-1，異象之定義整理如表 2-1-2： 表2-1-1 異例定義之比較 代表人物 異例之定義 Karl R. Popper (1959) ♦ 異例即是反例。 ♦ 當理論遭遇到異例時，科學家就可駁斥與放棄該理論。 Thomas Kuhn (1962) ♦ 異例不等同於反例。 ♦ 出現不符合典範所預期的現象。 ♦ 在常態科學中，異例被看成是一個「待解的謎」，其作用 主要是用以擴張典範的廣度與精確度。 Larry Laudan (1977) ♦ 異例係指在邏輯上與理論不一致的經驗事實 資料來源：研究者整理 表2-1-2 異象定義之比較 代表人物 異象之定義
Chinn & Brewer (1993) ♦ 異象係指無法被既有理論完整解釋的異常數據或現象。
本研究者 (2007) ♦ 異象：可使個體對其先備知識與既有理論產生衝突或矛 盾，進而挑戰、重新檢視先備知識與既有理論的精度與 廣度之數據或現象。 ♦ 實驗異象：在實驗室中遭遇到可使個體對先備知識或既 有實驗理論產生衝突、矛盾，進而可挑戰、重新檢視先 備知識或既有實驗理論的精度與廣度之數據或現象。 資料來源：研究者整理
貳、學生面對異象所產生之反應類型
所提出的八種異象反應類型如下：
1. 忽略異象 (ignoring the data)
人們面對異象時，最常採取的方式為將其忽略不管。因此當個體忽略異象時，
其幾乎不會去解釋該異象。故「忽略異象」的定義為當個體面對異象時，並不接受 異象、沒有提出解釋，最後也沒有發生概念改變。
2. 拒絕異象 (rejecting the data)
拒絕異象如同忽略異象，個體並未接受異象，也沒有改變其固有概念。拒絕異
象與忽略異象的差異在於，個體「忽略異象」代表其並不試圖去解釋異常數據或現
象，但「拒絕異象」則代表個體可以解釋為何其不接受甚至拒絕該異常數據或現象。
故「拒絕異象」的定義為當個體面對異象時，並不接受異象且能提出自己不接受的 原因，最後概念沒有發生改變。
3. 異象效度的不確定性 (uncertainty about the validity of the data)
係指當學生不確定異象是不是有效的與可信的資料，因而不知道該不該接受異 象，並未對異象提出解釋，最後概念也沒有改變。
4. 排除異象 (excluding the data)
Kuhn (1962) 認為許多科學家在面對異象時，常將異象視為是「另一個學科的
觀點」 (concern of another discipline)，因此並未試圖以既有理論來解釋異象。故「排
除異象」係指不論個體是否有接受異象，其並未對異象效度做出評價，最後概念也 沒有發生改變。
5. 擱置異象 (holding the data in abeyance)
設爾後必定會發現一個完善的處理方法來解釋異象。因此「擱置異象」係指當個體
面對異象時，不知道如何解釋異象但會接受異象的出現，而最後概念沒有發生改變。
6. 重新解釋異象 (reinterpreting the data)
個體可以接受異象的出現，並且藉由「重新解釋異象」來保全其先備知識。相 較於「拒絕異象」的反應方式，「重新解釋異象」係指當個體重新詮釋異象時，其接 受異象為某種可以被自己的先備知識所解釋的數據或現象。以圖2-1-1 為例，個體可 以接受在某種程度上，A 理論與 B 理論可以同時解釋異象。但理論上兩者對於異象 的詮釋仍然有所不同。因此當個體以「重新解釋異象」的方式來面對異象時，其不 但有接受異象，也對異象提出自己的解釋，但最後因為個體對固有理論無法解釋異 象的部分試圖重新解釋來滿足所產生的衝突現象，故此種反應類型並無概念改變的 現象發生。
7. 周圍理論的改變 (peripheral theory change)
Lakatos (1970) 區分出科學理論應包含兩種命題 (proposition)：硬核 (hard core)
與保護帶 (protective belt)。除非整個理論被科學家摒棄不用，否則理論的硬核部分 無法輕易地被修改，但保護帶可在中心理論 (central theories)、假設與關鍵性因素都 被保留下稍做改變以滿足外在挑戰，如同圖2-1-2 所示。因此，當個體面對異象時， 對其既有概念做小幅的修正以便接受異象，也對異象提出解釋，最後概念僅有部分 改變，起因於個體並不願意放棄固有理論而接受新理論，故並未達到完全的概念改 變，稱之為「周圍理論的改變」。
保
護 帶
(Movement only into hard-core)
理論移動僅進入硬核 外緣理論 (Fringe Theories) 外層軟核 前鋒理論 (Frontier Theories) 內層硬核 中心理論 理論移動進出外層軟核
(Movement both in and out of outer soft-core)
圖2-1-2 科學理論分類之球型類比模型
資料來源：修改自Duschl, 1990: 61
8. 理論的改變 (theory change)
異象對個體所產生最大的功效在於使其固有理論改變至新理論，即使個體的理 論核心信念 (theorist’s core beliefs) 產生改變。此時個體接受異象，也對異象提出自
己的解釋，並藉由改變固有理論的核心信念或採納一個另有理論來解釋異象，最後 概念徹底改變。
前七種反應類型顯示出，學生認為異象的角色不一定是用以 "保衛" (defend) 固有
理論 (Tsai & Chang, 2005)，而開始動搖其對固有理論之精確度的信念。因此在學習或進
行實驗過程中，當學生遭遇越多的異象，越能挑戰學生的先備知識及固有理論架構的精 確性與廣度，亦可能促進概念改變 (Posner et al., 1982; Mason, 2000; Chinn, 2002; Tsai &
Chang, 2005)、知識重建（洪振方，1994; 祖莊琍，1995；Shepardson, 1999）。
然而，Lin (2007) 針對大學生對實驗所遭遇之異象的反應類型進行研究後，進一步
分 析 出 第 九 種 異 象 反 應 類 型 為 「 解 釋 異 象 的 不 確 定 性 」 (uncertainty about the interpretation of the data)：當學生面對異象時，不知道該不該接受異象，不確定對異象
有沒有提出解釋，最後並未決定改變先前概念。研究者根據Chinn & Brewer (1993, 1998) 及Lin (2007) 的分類，將異象反應類型歸納成表 2-1-3： 表2-1-3 九種面對異象時可能採取的反應類型 反應類型 異象是否被接受 異象是否被解釋 概念是否改變 忽略異象 否 否 否 拒絕異象 否 是 否 異象效度的不確定性 未決定 否 否 解釋異象的不確定性 未決定 不確定 未決定 排除異象 是 否 否 擱置異象 是 未決定 否 重新解釋異象 是 是 否 周圍理論改變 是 是 是，部分 理論改變 是 是 是，完全
資料來源：Chinn & Brewer (1993, 1998), Lin (2007)
此外，Lin (2007) 的發現顯示，即使學生處在不同於傳統科學教室之科學實驗室
中，面對異象而產生的反應類型仍與Chinn & Brewer (1998) 所提出之八種反應類型吻
合，此外更出現第九種異象反應類型。因此本研究將此九種由大學生實驗課程中所發現 之異象稱為「九種實驗異象反應類型」 (nine types of responses to anomalous data in
science laboratory)，以便進一步探討學生在實驗室進行實驗活動且遭遇實驗異象時，學
參、促進科學理論改變之異例
一、物理領域：批判Aristotle 的運動學說 所有那些古人知道的第一定律，他們歸之於原子在虛空中直線運動，因為沒有阻力，運動 極快而永恆。 Newton 手稿《慣性定律片段》 早在古希臘時代，Democritus 與 Epicurus 對於原子或物體的運動皆秉持著「在空中 直線運動，且因為沒有阻力，運動極快而永恆」的看法。Epicurus 認為，當原子在虛空 裡被帶向前進而沒有東西與它們碰撞時，它們一定以相等的速度運動。但是人們無法證 實此原理是正確無誤的，因此僅能將此說法視為一種猜測或推想的結果。 Aristotle 所提出的「推動說」認為，物體只有在一個推動者的直接接觸下，才能保 持運動。一旦推動者停止作用或兩者沒有接觸時，物體就會停下來。此說法與實際經驗 不謀而合，但經不起挑戰。例如拋體在離開推動者後，儘管兩者已經沒有接觸，拋體仍 會繼續運動，似乎與Aristotle 所提出的推動說有所矛盾。Aristotle 解釋，拋體會繼續運 動的原因在於手或機器在做拋物動作中，同時也使靠近物體的空氣運動，而空氣會再帶 動物體運動。因此並非拋體沒有與手或機器接觸，而是此時的推動者換成了空氣。然而， Aristotle 的說法仍有許多不合理之處，其學說不斷被許多中世紀的學者挑戰並提出反駁。 西元六世紀，希臘學者J. Philoponus 對 Aristotle 的推動說提出了批判，其認為拋體 本身具有某種動力，可以推動物體前進，直到耗盡才趨於停止。後來，此看法進一步發 展為「衝力理論」，其中代表人物O. William 認為，「運動並不需要外來推力，一旦運動 起來就要永遠運動下去」。關於拋體運動，William 解釋為「當運動物體離開投擲者後， 因為無法區分運動者和被推動者，所以物體是靠自己運動而不是被任何在物體內部或者 與物體有關的動力所推動」。並以磁針吸鐵為例，說明要使鐵運動不一定得直接與之接 觸。對拋體運動的解釋「在拋體的後面形成了虛空區域，由於自然界懼怕虛空，於是空氣就 立即填補了此虛空區域，因而形成了推力」。Buridan 卻反問「空氣又是受什麼東西推動 呢？顯然還有別的物體產生作用，此一連串的推動根源為何？」Buridan 更以「水手在 船上，僅感覺到迎面吹來的風，卻感受不到背面推動的風」的實例來反駁Aristotle「空 氣持續推動拋體」的說法，並認為Aristotle 的推動說不符合事實真相。而後提出了「衝 力理論」，認為推動者在推動一物體運動時，便對物體施加某種衝力或動力，使其即使 脫離推動者而運動時，仍能繼續運動（引自郭奕玲、沈慧君，1994: 31-33）。 二、化學領域：Lavoisier 與化學革命 Lavoisier 開始從事化學研究時，燃素說在化學界具有舉足輕重的重要地位。但到 1772 年夏天，Lavoisier 的同事 Morveau 發表了一篇論金屬鍛燒的著作，指出「一切金 屬鍛燒時都會增加重量」。Lavoisier 反思這一事實，決定重新考慮關於空氣的本質和金 屬的組成問題。然而問題的癥結點在於，根據燃素說，鍛燒金屬或無機物燃燒必然會放 出燃素，最終的產物重量理應減少，但事實不然。金屬的重量非但減少反而增加，這個 結果的邏輯推理為：「燃素減少而重量卻增加」。促使 Lavoisier 進行反思最重要的因素 為，依照當時盛行的牛頓物理學斷言：「一切物體都有重力質量」，而燃素說卻斷言：「燃 素具有負重量」。Lavoisier 相信一切科學必能以某種方式統一，因此 Lavoisier 無法理解 與接受燃素說的概念。之後，Lavoisier 進行許多實驗以支持他關於「燃燒後增重是由於 燃燒物吸收空氣的結果」此一新觀念。Lavoisier 把物質燃燒時增重歸因於燃燒物與空氣 的結合，這是與燃素說完全對立的觀念（金吾倫，1993；引自洪振方，1999）。 按照燃素說，金屬鍛燒分解成燃素與金屬灰，金屬是化合物；按照 Lavoisier 的新 觀念，金屬鍛燒結合空氣形成金屬灰，金屬是純物質。按照燃素說，燃燒是分解反應； 按照 Lavoisier 的新觀念，燃燒是結合反應。由上述的分析可知，Lavoisier 新觀念的形 成是勇於反向思考的結果 （引自洪振方，1999）。Lavoisier 的新觀念與燃素說的比較如 表2-1-4：
表2-1-4 Lavoisier 新觀念與燃素說之比較 燃素說 Lavoisier 的新觀念 金屬的分類 純物質 化合物 分解反應 結合反應 燃燒的定義 金屬分解成燃素與金屬灰 金屬與空氣結合形成金屬灰 資料來源：研究者整理 三、生物領域：Mendel 與遺傳理論改變 生物界中，人們非常早就已觀察到遺傳學的生命現象。東、西方的人們很早就注意 到生物的某些特徵是可以在不同的世代間傳遞的，比如說眼睛的大小，鼻子的高低等 等。如同中國人所說：「龍生龍，鳳生鳳，老鼠的兒子會打洞」。相同地，西方的人們也 很早就利用此種遺傳現象進行生物育種的工作。然而，儘管人們很早就發現生物特徵的 遺傳現象但卻未能加以應用，原因在於人們並不知道產生此種遺傳現象的原因為何。當 時的生物學家 Darwin 提出演化論時，也只知道在生物族群中是確有生物特徵的變異存 在，且此種特徵的差異為生物演化的過程中天擇的選擇基礎，但卻不知產生變異的原因 與其如何在生物世代間傳遞。雖然生物學家無法解釋生物特徵如何在父母與子女之間傳 遞，但其觀察到子女的特徵似乎是經由父母特徵混合後而產生的現象，比如眼睛像爸 爸，鼻子像媽媽，而臉形則像父母的混和體。 當時的生物學家藉由實際觀察事實的結果，提出遺傳特徵的混合理論 (blending theory)。即生物的特徵是可以遺傳的，但在親子之間的關係如同果汁牛奶一般，同時混 和了果汁與牛奶的特質，因此後代的子女才會兼具父母的特徵。然而，根據此理論，性 狀像爸爸的子女，其子代應該不會再出現與媽媽相似的性狀，但事實卻不然。 以下頁圖 2-1-3 白花 W 為例，若將白花 W 與紅花 R 交配，繁衍的子代應為白花 W1 或紅花 R1，但實際觀察後發現，其所產生的子代除了白花 W1、紅花 R1 外，尚有 粉紅花P1 的子代產生。此外，若將白花 W1 與白花 W1 交配繁衍子代，理應只出現白 花性狀的子代 W2，實際結果卻發現出現白花 W2 與紅花 R2 的子代，顯示子代所表現
出來的性狀並非僅取決於親代的某一方，對此傳統的混合理論無法做出完善的解釋。然 而長期以來，生物學家一直將混合遺傳特徵的觀念視為真理，並用來解釋其所觀察到的 事實。但此混合理論並非完全正確，一直到二十世紀的初期才真正的被遺傳學家們所否 定。此修正轉變的過程中，Mendel 可說功不可沒。 白花W 紅花R 粉紅花P1 白花W1 白花W1 紅花R1 紅花R2 白花W2 圖2-1-3 白花紅花之親代與子代遺傳性狀圖 資料來源：研究者整理 西元1854 年，Mendel 以豌豆作為實驗的生物材料，長期觀察豌豆的遺傳特徵與交 配方式。由於豌豆是一種雌雄同體的植物，即此種植物的花會將雌蕊與雄蕊完全包裹。 此外，由於豌豆會進行自花授粉 (self-fertilization)，故可視為是一種純系的品種。以遺 傳學的專業用語描述之，豌豆為一種雙套 (diploid) 的植物，其體內每一個成對的基因 都是同基因型的 (homozygous)。所以此種個體中，除了發生突變外，其基因的組成是單 純而不變的。因此當 Mendel 以豌豆作為實驗材料時，因其花的結構可以人為的操作完 成雜交的授粉 (cross-fertilization) 工作，而不需擔心非計畫性授粉的發生；又因為其為 純品系的植物，外表型 (phenotype) 就可以當成其基因型 (genotype) 來看。 此外，Mendel 在選擇每一次的雜交實驗中，僅以一種外表型作為觀察實驗結果的 重點。此種只以一種遺傳特徵作為雜交目的的實驗稱為「單一性狀的雜交實驗」
(monohybrid cross)。Mendel 對外表型的結果了解後，才開始對兩兩外表型的遺傳方式進 行研究。兩種遺傳特徵同時進行的雜交實驗稱為「兩種性狀的雜交實驗」 (dihybrid cross)。此種作法與以往的遺傳觀察完全不同，以前是全部的外表特徵都混在一起的觀 察法，Mendel 則是先對單一外表型特徵進行觀察研究，之後再對兩種遺傳特徵進行觀 察研究。Mendel 成功地解釋了許多混合理論所無法解釋的子代性狀，推翻先前生物學 家所信仰的混合理論，並且觀察到許多其他生物學家沒有觀察到的事實，促使了遺傳學 理論的轉移。 但 Mendel 在 1865 年發表的研究卻不受重視，甚至對他的研究結果嗤之以鼻。直 到二十世紀初期才被遺傳學家們重新發現並給予應得的重視與尊崇。由孟德爾的實驗遺 傳學家才了解到以往的觀察錯誤，生物的遺傳特徵在不同的世代間傳遞時所遵守的法 則，並了解在此法則下如何預測某種生物特徵或多種生物特徵在下一世代出現的機率 （引自孟德爾豌豆實驗與遺傳第一與第二定律，http://science.scu.edu.tw/micro/1024/）。 四、地球科學領域：Copernicus 天文理論的革命 西元二世紀至十六世紀，希臘天文學方法獨尊 Claudius Ptolemy 的數學式體系 "Almagest"，此理論建立在地球為宇宙中心的假設上，認為太陽、月亮、星辰都在固定 的天際，圍繞著地球運轉。此宇宙圖像雖然展示出世界的結構，卻無法說明肉眼觀察到 的行星和月亮間的複雜運動。因此，希臘天文學家採用一套複雜的數學天文學理論來解 釋星體運動的模式，期望藉由幾何學方法提供一個精確且可量化的解釋。"Almagest"代 表此種數學式天文學傳統的發展極致，Ptolemy 使用的模式與方法，塑造日後天文學的 理論（引自池勝昌，1999: 48-49）。 然而，最令天文學家困擾的問題在於地球並不是處於星球體系的正中央，而是行星 （包括地球）按照橢圓形的軌道圍繞太陽運轉，但人們直到Johannes Kepler 導出行星軌 道模式三大定律後，才對太陽為中心的事實有所了解。Kepler 認為，行星運行的軌道為 橢圓，太陽居其一焦點。此外，行星與太陽連線在等長的時間內掃過相同的面積（曹亮 吉，1988）。對於 Kepler 所提出的橢圓軌道說法，Ptolemy 為了解釋星體是以正圓形軌
道繞著地球運動，又要維持地球為宇宙中心且靜止不動的假設，設計了一套更複雜的幾 何學模式來詮釋星體正圓形運動的數學體系，以便人們可以計算與預測行星的運行路 線。但此舉更加顯現 Ptolemy 無法顧慮到地球本身的運動也影響著行星活動之觀測方 式。因為地球本身圍繞太陽運轉，所以從地球觀測其他行星的行徑路線，顯得複雜且毫 無章法，並且違背先前的假設：地球在宇宙中心靜止不動，且眾多行星循著正圓形軌道 圍繞地球運行。在Copernicus 提出「地球為中心」的理論前，天文界始終維護 Ptolemy 的星體運動理論與 Aristotle 的地球為宇宙中心理論，導致天文學理論滯足不前 （引自 池勝昌，1999）。 由於Ptolemy 的星體運動論無法滿足實際的星體運動模式，因此 Copernicus 經過研 究後，大膽提出與Ptolemy 截然不同的「太陽為宇宙中心」理論。Copernicus 認為宇宙 的中心是太陽，而非地球；地球只是一個行星，且與其他行星一樣，在正圓形的軌道上 繞著太陽運轉；地球除了每年環繞太陽運行之外，每天還會繞著自己的軸心自轉。 Copernicus 的新假設，解開了許多 Ptolemy 之前未能解釋的現象。首先，地球每天自轉 的假設，解釋為何地球會有黑夜與白天交替的現象。再者，太陽為宇宙中心的假設，而 地球處於運動狀態的觀念，在理論上可釋為何從地球上看來，星球的運行路徑會如此複 雜。此種複雜的路徑是因為觀察者處在不斷移動的地球上來觀測其他行星運動的緣故 （引自池勝昌，1999）。 暫且不論 Copernicus 所提出的新理論之中有些自相矛盾的小瑕疵，甚至仍認為行 星運行軌道為正圓形。但在當時仍以 Aristotle 的地心說理論為權威的時代，Copernicus 能大膽假設、小心推論並且找出Ptolemy 與 Aristotle 理論的漏洞與矛盾之處，使得天文 理論發展向前邁進了一大步，Copernicus 功不可沒。 五、總整理 本研究將上述四種領域於科學史上促成理論改變或修正之異例整理如表2-1-5：
表2-1-5 科學史上所遭遇之異例整理 領域 原理論 遭遇之異例 結果 物理 推動說 拋體運動 慣性定律、衝力理論取代 化學 燃素說 燃素減少而重量卻增加 推翻燃素說 生物 混合理論 子代的不完全性狀及隔代性狀 推翻混合理論 地球科學 星體正圓軌跡 複雜之星體運動模式 橢圓軌跡取代
肆、異象在國內科學教育上的應用
當今的科學教育文獻包含了相當多新的教學方法，這些教學方式考量到學生在接受 教學前就已持有的一些理論，並且試圖說服學生改變其所持有的理論。這些教學方法都 依循著一個要素：異象的應用。異象即為展示給學生看一些與其理論所相抵觸的事實。 這些異象會讓學生對其已有的理論產生不滿足感，因為現有的理論並不能解釋異象。學 生也會採納可以成功解釋異象的科學理論來使自己感到滿足 (Posner et al., 1982)。許多教育研究者都提倡使用異象來促使學生改變其固有理論 (Alverman & Hynd,
1989; Anderson, 1977; Brown & Clement, 1992; Champagne, Gunstone, & Klopfer, 1985;
Hewson & Hewson, 1983; Posner et al., 1982; Roth, Anderson, & Smith, 1987; Roth, 1990; Wang and Andre, 1991)。此方法可廣泛的應用，且異象可以許多不同方向來呈現。有時
候透過實驗室工作呈現 (Lin, 2007)，有時候透過電腦呈現 (Bridewell, 2004)，有時候又
可透過討論呈現。因此運用異象常常是促進概念改變的關鍵之一 (Chinn, & Brewer,
1993)。
然而，在建構主義盛行之下，教育學者開始重視學生的想法，並且發現學生的部分 想 法 和 正 統 的 科 學 概 念 有 出 入 ， 教 育 研 究 者 將 學 生 的 這 些 概 念 稱 為 迷 思 概 念
(misconception)、學前概念 (preconception)、直覺 (intuition)、另有概念 (alternative
conception)。許多研究者都致力於釐清另有概念並針對學生的先備知識，搭配建構主義
2001; She, 2002, 2003, 2005; Tsai, 2001a; Lawson, 1989; Soyibo, 1983; Treagust, 1986, 1995; Treagust & Haslam, 1986）。於是興起了研究不同於個體先備知識的異象（祖莊琍，
1995）。國內學者對異象的實徵研究如表 2-1-6： 表2-1-6 國內文獻對異象問題的研究之比較 楊文金 (1993) 洪振方 (1994) 祖莊琍 (1995) 研究問題 異常現象的知覺與反 應類型分析 從孔恩異例的認知與論 證探討科學知識的重建 高中學生物理知識重 建歷程的特徵研究 研究目的 分析個案對異常現象 的知覺與反應類型 分析學生群體的科學知 識重建歷程與特性 分析個案解決異象問 題的思考歷程特徵 研究對象 學歷高中以上 高二與大一學生 高一與高二學生 研究情境 一對一訪談 研究者對學生樣本（班） 做施測 一對一施測 研究方法 臨床探究法 多向度臨床探究法 放聲思考法與臨床探 究法 異象問題 電磁與指南針 蠟燭燃燒 磁鐵性質 異象性質 受試者先備知識不足 以解決的問題 受試者所接受的典範無 法解釋的問題 受試者先備知識存有 刻板想法而無法解決 的問題 資料來源：祖莊琍 (1995)。高中學生物理知識重建歷程的特徵研究。
第二節 科學實驗活動
科學教育的目的在於幫助學生培養對自然世界 (natural world) 的了解，因此進行科 學教學時，教師會協助學生建構有關自然世界的生活知識並且提供學生許多觀察或與真 實物體 (objects) 或物質 (materials) 接觸的機會，由於此種活動經常在實驗室進行，故科學教育學者通稱此類活動為實驗活動 (labwork) (Millar, Tiberghien, & Maréchal,
2002)。實驗活動可統整眾多科學課程的學習方式且實驗環境提供了許多不同於傳統教
室環境的教學方式 (Henderson, Fisher, & Fraser, 2000)。因此，實驗室可讓學生的在科學
教學情境中所習得的經驗或想法變得更有意義。
從建構主義的觀點，實驗活動可視為一種允許學習者主動追求學習並擁有多感官經 驗 (multi-sensory experiences) 的活動。藉由實驗活動，學生可培養問題解決的能力並建
構相關的科學知識。Ausubel (1968) 認為，實驗活動可使學生具備四種能力：了解科學
方法的能力、促進問題解決的能力、分析能力與統整能力。並且使學生對於科學本質有 所了解。Shulman & Tamir (1973) 提出科學教育中，實驗教學所需達成的五項目標：
1. 引發並維持對科學的興趣、滿足感、開闊心胸 (openmindedness) 與好奇心
2. 培養創意思考與問題解決的能力
3. 促進科學思考與科學方法（如：形成假設、提出假設）
4. 培養概念理解與智能
5. 培養實務能力（如：設計並進行探究活動、觀察、記錄數據、分析並解釋結果）
Tamir & Lunetta (1978) 更指出，1960 年代，科學課程中之所以保留實驗活動部分，
主要原因是希望可以促進學生探究能力並且給予學生動手做研究的機會。Tamir &
Lunetta 的說法已經不同於以往只將實驗室視為一個用來舉例、展示、證實已知概念與
定律的場所。而 Hofstein & Lunetta (1982) 認為，實驗活動可以有效促進智力發展
(intellectual development)、探究能力 (inquiry) 與問題解決能力 (problem-solving skills)。
除此之外，實驗活動更具有促進觀察能力、發展實驗操弄技術與理解科學概念的潛能。
