POE教學對九年級學生「單擺」科學討論態度及解釋能力的影響

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(1)國立屏東大學科普傳播學系數理課程與教學碩士在職專班碩士論文 Department of Science Communication National Pingtung University Master’s Thesis. POE 教學對九年級學生「單擺」科學討論態度及解釋能力的影響 Effects of Predict-Observe-Explain teaching on the Ninth Grade Students’ Attitude toward Science Discussion and Ability of Explanation of “Simple Pendulum”. 指導教授：林曉雯博士 Advisor: Dr. Sheau-wen Lin 研究生：李玲俐撰 Student: Ling-Li Lee. 中. 華. 民國. 一. 百零. January, 2016. 五. 年一. 月.

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(3) 誌謝. 這本論文能順利完成，首先要感謝我的指導教授林曉雯老師的指導，老師這段時間也犧牲很多假期，只要有空檔時間總是很認真的審查我們的論文，在審查當中從不厭煩幫忙著我們指導論文的寫作，甚至每天還擔心我們的論文趕出來沒有，這種精神讓我不得不積極一點，現在終於可以暫時讓老師好好休息一下，引導下一個研究生，感恩老師給我們實在的指引，讓我獲益良多。這兩年半的在職進修生涯，真的很辛苦，一人要分飾數角，白天是老師，晚上是學生，又是家裡的太太，媽媽，但是求學歷程中，因為許多老師們的用心教學，雖然很辛苦，卻學得充實，對我個人的教學想法有了很多新的改變，在教學技巧上也有很大的助益和突破。在這半年撰寫論文期間，除了感謝指導教授林曉雯老師之外，還有一位像媽媽型高慧蓮老師及同學淑芬在口試時的指導與鼓勵，讓我受益良多！感謝所有在這段學習路上相伴的師長、同學、同事及家人好友，有您們的支持與關心，才能讓這個身兼數職的學生順利完成學業，謝謝您們！願與所有關心我的人，分享這份喜悅！. 玲俐. 謹誌一 o 五年一月. I.

(4) POE教學對九年級學生「單擺」科學討論態度及解釋能力的影響. 摘要本研究以「 POE （ Predict-Observe-Explain; POE）」教學理念研發「擺角與擺錘的質量是否影響週期」單元課程以探討學生對於單擺現象之對討論態度及解釋能力的變化情形。本研究採用準實驗研究法，研究對象為屏東縣東港鎮某國中九年級學生兩班學生共 52 人。兩班分為實驗組及對照組，實驗組採用 POE 教學法；對照組採用傳統教學法。研究者經由實驗數據記錄、學生學習單、分組討論及量表等多樣的方式來收集資料。資料自行分類、描述、統計，並以獨立樣本 t 檢定、單因子共變數進行資料的分析與討論。本實驗所搜集之資料根據資料分析結果，所獲得之研究結論如下：一、進行 POE 教學之國中九年級學生在「我喜歡科學課中的討論活動」表現上有顯著優於傳統教學方式的學生。二、進行 POE 教學之國中九年級學生在科學解釋能力問卷表現上沒有顯著優於傳統教學方式的學生。可能因學生先備知識不足，造成科學解釋能力的面向提升幅度有限。三、實驗組學生對 POE 教學多能接受其學習方式，認為 POE 教學是值得學習的，但學生仍認為適當增加討論時間是對討論態度及解釋能力是有助益的。最後，根據研究結果提出具體建議，以供學校、教師及未來研究者參考。. 關鍵詞： POE、對討論之態度、科學解釋. II.

(5) Effects of Predict-Observe-Explain teaching on the Ninth Grade Students’ Attitude toward Science Discussion and Ability of Explanation of “Simple Pendulum”. Abstract The purpose of the study was to investigate changes of the ninth grade students’ attitude toward science discussion and ability of explanation of ‘Simple Pendulum’ by the course about the mass of swing and angles of simple pendulum based on the predict-observe-explain teaching. A quasi-experimental design was used. Two classes of ninth-grade students from an junior high school in Pingtung County were randomly assigned to the experimental group and control group. The predict-observe-explain teaching was implemented in the class of the experimental group, while the control group accepted instruction in the traditional way. The researcher collected the data by lab records, worksheets, group discussion, and the questionnaire. The researcher classified and described the data and statistics and analyzed the data by the independent-sample t-test and one-way ANOVA. The major finding of the study were as follows. 1. The experimental group scored higher on the subscale “ I like the activities of discussion during science class” than the control group did. 2. No significant difference was found between experimental group and control group on the questionnaire “scientific explanation”. The reason caused may be the insufficiency of students’ prior knowledge as to bring about the limitation of development on the ability of the scientific explanation. 3. Most students of the experimental group accepted the way of the predict-observe-explain teaching and thought the way of the predict-observe-explain teaching was worth learning, but students still thought that it was useful to increase the length of the discussion time for the attitude toward discussion and the ability of scientific explanation. Finally, based on the findings of this study, suggestions for administrators, teachers, and future research were discussed.. Keywords: Predict-Observe-Explain teaching, attitude toward discussion, scientific explanation. III.

(6) 目次致謝…………………………………………………………….............................I 中文摘要……………………………………………………………...................II 英文摘要…………………………………………………………………………Ⅲ 目次……………………………………………………………………………….Ⅳ 圖次……………………………………………………………………………….Ⅴ 表次………………………………………………………………………............Ⅵ. 第一章緒論………………………………………………………………………1 第一節研究動機……………………………………………….........................1 第二節研究目的及問題………………………………………………………..2 第三節名詞釋義………………………………………………………………..2 第四節研究範圍與限制………………………………………………………..3. 第二章文獻探討……………………………………………………… ………5 第一節科學探究中的相關意涵………………………………………… …….5 第二節 POE 教學………………………………………………………………..11 第三節科學解釋能 ……………………………………...................................12 第四節科學討論態度…………………………………………………………..20. 第三章研究方法………………………………………………………….........27 第一節第二節第三節第四節. 研究設計、流程 ………………………………… ………………. …..27 研究對象…………………………………………………………… …..30 研究工具………………………………………………………….... …..30 教學設計及特色 ……………………………………………………….33. 第五節資料蒐集…………………………………………………………………37 第六節資料分析 ………………………………………………………..............38 IV.

(7) 第四章研究結果與討論……………………………………………………..39 第一節 POE 教學對學生在科學課討論學習態度的影響………………………39 第二節 POE 教學對學生科學解釋能力之影響………………………………...45 第三節實驗組學生對討論的態度及解釋能力的質化表現……………..........47 第四節結論……………………………………………………………………..52. 第五章結論與建議……………………………………………………………55 第一節結論……………………………………………………………………..55 第二節建議……………………………………………………………………..57. 參考文獻.................................................................................................................59 中文部分……………………………………………………………………........59 英文部分……………………………………………………………………........63. 附錄…………………………………………………………………………….......65 附錄一附錄二附錄三附錄四. POE 教學之教學設計（實驗組）………………………… ………..65 傳統式教學活動設計…………………………………………………...74 科學解釋能力測驗試題前後測試題……………………………….......80 國中學生科學課討論的態度量表………………………………….......85. 圖次圖 3-1-1 準實驗設計圖……………………………………………………………...27 圖 3-1-2 研究流程圖………………………………………………………………...29. V.

(8) 表次表 2-1 國外有關學生科學解釋之相關研究…………………………………...........16 表 2-2 國內有關學生科學解釋之相關研究…………………………………...........17 表 2-3 對科學的態度的內涵…………………………………………………………23 表 3-1-1 準實驗研究設計……………………………………………………………27 表 3-2-1 研究樣本人數……………………………………………………………29 表 3-3-1 研究工具與研究目的之關係………………………………………………30 表 3-3-2 科學解釋能力內涵相關使用細目表………………………………………31 表 3-3-3「國中學生科學課討論學習態度量表」之信度分析表 ……..........32 表 3-3-4「科學解釋能力問卷」之信度分析表 ………………… …………….33 表 3-4-1 兩組教學活動設計的比較……………………………………………….34 表 3-4-2 兩組教學流程之差異 ……………………………………………..........35 表 3-4-3 配合 POE 教學階段融入學生活動 .................................................36 表 4-1-1 科學課中我怎樣進行討論前測之差異比較........................................40 表 4-1-2 科學課中我怎樣進行討論前後測之差異比較....................................40 表 4-1-3 科學課中我怎樣進行討論之共變數分析摘要表................................40 表 4-2-1 科學課中參與討論讓我學到如何討論前測之差異比較.............................41 表 4-2-2 科學課中參與討論讓我學到如何討論前後測之差異比較.......................41 表 4-2-3 科學課中我怎樣進行討論之共變數分析摘要表..........................................41 表 4-3-1 科學課中參與討論讓我學到如何進行科學探究前測之差異比較............42 表 4-3-2 科學課中我怎樣進行討論前後測之差異比較............................................42 表 4-3-3 科學課中我怎樣進行討論之共變數分析摘要..............................................43 表 4-4-1 我喜歡科學課中的討論活動前測之差異比較..............................................43 表 4-4-2 我喜歡科學課中的討論活動前後測之差異比較........................................44 表 4-4-3 我喜歡科學課中的討論活動之共變數分析摘要表.....................................44 表 4-5-1 實驗組及對照組在科學解釋能力的分量表及總和前後測之差異比較...45 表 4-6-1 科學解釋能力問卷前測之差異比較..............................................................46 表 4-6-2 科學解釋能力問卷前後測之差異比較.........................................................46 表 4-6-3 教學方法對科學解釋能力問卷之共變數分析摘要表...............................46. VI.

(9) VII.

(10) 第一章緒論本章分為研究動機、研究目的與待答問題、名詞釋義、以及研究範圍與限制等四節分別介紹，各節內容分述如下。. 第一節研究動機教學與研究是一種不斷省思與成長的互動歷程，研究可以促進教學的成長，教學可以引發研究的省思與創新。因為傳統式教學很難有效地刺激學生思考，可能問題是學生很少有機會去檢視先前概念，很少涉及理論與現實生活的連接。研究者在國中任教近十六年的經驗中，常發現學生對於基本的科學語詞或自然現象，缺乏「科學解釋」的能力，例如以單擺單元為例，每次單擺擺動次數所測量時間是否有等時性，學生不瞭解何謂週期？為何會有週期？也發現學生可能瞭解所謂的「週期」、「不同擺長的週期不一樣」，但是對於透過單擺實驗所測得不同擺長單擺的週期時間為何會不一樣？為什麼改變擺錘重量及擺角所測得週期的時間也有所不同？學生常無法提出合理的、合邏輯的解釋，因此引發研究者思考如何探索學生的「科學解釋」能力之動機。美國的科學教育標準《 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」。相關研究文獻中針對學生「科學解釋」的能力進行探究的研究並不多（許良榮，2006），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）的研究則發現學生在科學解釋的問題包括：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：(1)科學術語的運用難；(2)較不使用證據；(3)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。提昇學生的科學解釋能力，「預測－觀察－解釋」（Predict-Observe-Explain, POE）是值得努力的研究方法之一。根據 Bruce（2000）的研究顯示，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 教學策略不僅在於評估學生的理解內涵及原有概念，同時也 1.

(11) 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。國內學者如邱美虹與林秀蓁（2004）、許良榮（2005）等也以 POE 教學策略來提升學生解釋能力，教學中著重小組合作、分組討論及發表實驗結果進行 POE 活動，且獲得相當正向的成效能讓學生易於理解學習課程內容的概念。本研究設計與「單擺」有關的 POE 教學活動，讓學生以小組合作的方式進行預測、觀察與解釋，企圖以此探討學生對於單擺現象教學中進行討論的態度及此教學對於學生科學解釋能力的影響。. 第二節研究目的與問題一、研究目的探討學生能在小組合作的POE教學情境中，透過老師的各種引導中，對於學生關於科學討論之態度及科學解釋能力之影響。期待學生能在科學態度及解釋能力的提昇後，能更明智的進行討論與決策。二、研究問題 (一)比較接受單擺現象之「POE教學」與「傳統教學」的國中九年級學生有關科學討論態度有何不同？ (二) 比較接受單擺現象之「POE教學」與「傳統教學」的國中九年級學生其科學解釋能力有何不同？. 第三節名詞釋義一、POE POE 策略在開始教學活動之前，先要求學生以小組方式針對所呈現的實驗情境進行結果預測（Predict），並說明依據的理由，接下來進行實驗操作，要求學生觀察（Observe）並描述結果，最後請學生比對先前的預測與實際的觀察不一致的部分，提出解釋（Explain）說明（謝州恩，2005）。藉此探討其對單擺現象，以擺錘的質量及擺角不同這兩個概念是否影響週期的討論態度及科學解釋能力的情形。二、對討論之態度本研究運用分組討論為學習工具，使學生接觸單擺現象的問題進行 POE 學習，依據林曉雯、劉永瑞、謝玟倩（2015）的觀點將科學討論的態度定義為「科學課中我怎樣進行討論」、「科學課中參與討論讓我學到如何討論」、「科學課中參與討論讓我學到如何進行科學探究」、「我喜歡科學課中的討論活動嗎？」四大面向來 2.

(12) 作科學討論的態度函意，並以三位學者發展之問卷收集學生資料，以學生在此問卷得分進行比較。. 三、科學解釋能力在科學探究活動中，科學解釋的建構是很重要的一環，是指對自然世界中發生的事件或現象如何及為何發生做出說明(Chin & Brown, 2000)。學生必須將其所學的科學想法和所得到的證據、連結先備知識或先前經驗，才能對科學內容有更深入的理解(Kuhn & Reiser, 2004)。本研究依據Reiser, Tabak, Sandoval, Smith, Steinmuller & Leone（2001）的觀點（引自謝州恩，2005），將科學解釋能力定義為「指示因果關係」：指出數據圖形，推理變數間的關係、「形成假設」：指出實驗敘述，確認待驗證的假說、「使用證據」：指出對證據的了解及選擇、「活動設計說明」：指出設計解釋主張的實驗及「圖表協助解釋」：指出數據表格，轉換成圖形之能力，五大面來作科學解釋函意，並以自編問卷得分進行比較。. 第四節研究範圍與限制本研究採用準實驗研究法，研究對象為屏東縣東港鎮某國中九年級學生兩班學生共52人。兩班分為實驗組及對照組，實驗組採用POE教學法；對照組採用傳統教學法，僅適用於國中九年級學生。資料收集方法之範圍與限制為如下：一、研究樣本本研究以研究者所任教之屏東縣某國中九年級的學生為研究對象，自九年級學生中選取兩班學生做為研究對象。為避免影響任教學校之現有的教學情境及學校作息，本研究者即為兩班學生之實驗教學者，而本研究採隨機分派方式決定其中一班為實驗組，進行 POE 教學，是指上課的過程中，教師僅作引導者；另一班為控制組，接受傳統教學。實驗組與控制組兩班學生的學習程度相近。由於實驗組學生人數為 26 人與控制組學生人數為 26 人，學生人數共 56 位學生，故樣本數少，故進行研究推論時須注意此研究限制。二、研究時間本研究之實驗教學時間為 12 節，每週共二節課，這期間會遇到學期考試週，再加上學校的活動等因素，並非每週都能如期進行教學實驗，進行實驗教學時間共 3.

(13) 六週，因此，在有限的教學研究時間，對於資料的蒐集上，例如：實驗觀察紀錄的次數、小組討論的次數等方面資料的蒐集比較有限，對於研究結果的呈現恐有其限制在。三、研究方法本研究採用準實驗研究法，進行量化及質化資料的蒐集與分析。在質的研究方面，以觀察教學者本身的上課情形與學生學習的情況，為避免研究者本身的偏見，因此透過觀察數據紀錄、學生學習單、學生小組討論等資料進行分析，使得研究結果的呈現更加真實，但研究者本身即為研究工具，資料的分析與詮釋會多少受到個人主觀的因素，而造成研究限制之存在。. 4.

(14) 第二章文獻探討全章共分四節，第一節為科學探究中的相關意涵；第二節 POE 教學；第三節為科學解釋；第四節科學討論態度，茲分別敘述如下。. 第一節科學探究中的相關意涵一、探究與科學探究探究(inquiry)就是尋找問題、解決問題的過程，因此探究學習是指學生主動參與獲得知識的過程，而非教師把現成的答案提供給學生的一種學習模式，藉以培養研究自然所需的探究能力，以形成認識自然科學概念的基礎，同時也培養探求未知自然積極的態度(王美芬，2006)，從科學知識的發展來看，科學家對人類生活環境中的種種現象感到好奇，以運用不同的方式去研究自然世界，並提出解釋，然後創造科學知識的歷程，就是一種探究。所以探究是人類與生俱來的本能，在環境中為了求生存尋找問題和解決問題的過程。探究學習視為一種廣泛的學習方式，當代學者 Treadwell (2010)在論述新課程典範改革時，即具體指出為了能達到漸增式理解 (increasingly understand) 的教學目標，由知識到理解過程，必須透過探究學習和靈敏提問，以建立理解性的概念架構，強調探究學習是課程典範的核心元素，而探究的終極目標不僅在知識的逐步理解，重要的是能引入想像教學或思考，將最終目標導向創意與創新。美國國家研究委員（National Research Council,簡稱NRC）認為認為學生探究能力的培養，應該包括六方面：確認探究的問題及概念、設計及從事科學調查、使用技術及數學以改善調查及溝通、形成及更新科學解釋及使用邏輯及證據的模式、確認及分析另有解釋及預測、與他人溝通及防禦科學論證（NRC, 2000）。一般的探究就是出自好奇、提出問題、試著自己找到答案解決問題，而科學探究屬於探究的一部分，是對自然現象或問題進行有系統的研究，有別於一般的基礎探究過程，科學探究強調系統性，從問題的發現開始，到研究過程的設計、資料收集、解釋分析以及結論的引出，皆須結構性的方法與嚴謹的求証（方郁斌，2007）。而科學探究最主要的特質就在於論辯過程的邏輯性，以及作為證據的信度（reliability）與效度（validity）的檢驗（劉宏文，2001）。 5.

(15) 美國國家科學教育學會(National science Teachers Association,簡稱 NSTA,2005)也提出，科學探究的歷程正是科學家如何去理解這個自然世界的運作的過程。科學探究歷程有助於學童理解科學知識，在過程中學生必須學習如何問問題以及使用證據來解答問題，因此科學探究能幫助學生對科學及科學探究能力與技巧發展更深入的理解與應用。高慧蓮（2004）認為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。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。但是科學探究的方法並非單一的，而且沒有固定的程序和步驟。王靜如（2006）也認為，科學探究是科學知識產生的複雜過程，包含過程技能與思考智能，可是科學探究並非如一般教科書所呈現的「一套有系統的步驟」，教科書上所陳述的科學方法只是科學家用來蒐集實證資料，解答科學問題的簡化過程。洪文東（2004）則從問題解決的觀點出發，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。在探討的過程中需綜合運用科學過程技能，科學概念知識與科學態度，以求得問題的解決。而在解決問題之後，會更進一步發現新的問題，然後又需再次經由探究的過程尋找新的問題答案。因此科學探究是一種從問題發現到問題解決的循環歷程。而 Palincsar,Magnusson 和 Vincent (2002）以科學探究的歷程來看，認為科學探究應該是一個不斷循環的歷程，可分為五個階段。從引起學生興趣開始，進入預備探究，包括解釋與設計、確定問題、方法與材料；然後進入探究階段，探究完後學生在小組內討論分享、並預備報告；小組有了共識之後，再提出主張與證據，最後向全班進行報告，解釋與其經驗間的關係。「國家科學教育標準」（2000）一書指出，探究式教學包含著五個共同階段：階段一：使學生接觸問題、事件、或現象，藉機製造衝突事件。階段二：經由形成假說與測試假說的過程，以探討所提出的解釋之合理性。階段三：分析及詮釋實驗數據，綜合各部分的想法，建立模型。階段四：應用所學到新的情境。階段五：回顧與評估學到什麼及如何習得。 6.

(16) 黃鴻博（2000）則從我國九年一貫課程綱要自然與生活科技領域中對科學素養的定義，看出對科學探究活動內涵的新觀點，指出科學探究並不只是單純方法、技巧的訓練，而是培養國民科學素養，學習科學的主要途徑，它被當成一個透過探究解決問題的歷程，包括科學知識、方法的運用、科學本質的理解與好奇、講求證據、合理、批判與積極勇於面對困難的處事態度。由上可知，在科學教育裡所指的科學探究，是一種問題解決的過程，指的是學生經由如科學家進行科學研究的探究過程，在尋找問題、解決問題中，練習運用科學的方法，如觀察、提問、測量、分析資料、提出解釋與推論等方法，以獲得相關科學知識與技能的歷程。二、探究的類型有些學者會依自己的教學目標，而規劃設計許多以探究為基礎的教學模式，其中和學童過程技能形成較相關的探究模式如下（引自王美芬、熊召弟，1995）：（一）Esler & Esler 於1989 年提出的三種探究教學法 1.發現式探究教學法（Inquiry by Discovery）：如同學習環的探索、名詞引介、概念應用三階段的教學。 2.理性探究式教學（Rational Inquiry）：教師先講述、說故事、看圖片或影片，以取代學生的學習的第一階段(探索)，然後師生一起討論，使學生運用推理，促進概念發展。這種教學法的教師發問技巧很重要，宜以開放式問題誘導學生下結論。 3.實驗室探究教學（Inquiry by Experimentation）：根據具體擬定的實驗計畫步驟進行操作，並據以發現最佳的假設，或改進既有的假設。在此過程中，學童必須經歷發現問題、指出變因、形成假設並根據控制變因的原則，自行設計實驗、執行實驗以驗證假設，猶如科學家的探討過程。因為兒童在這過程中需用到的過程能力較複雜，因此這種教學法適用於較高年級。（二）主動探究教學模式（Inquiry Training Model）由薩克曼所提出，目的是希望協助學生認清事實，建立科學概念，由兒童主動的提出事實真相，並解釋所見到的現象，以至於達到概念的獲得。薩克曼認為，當一個人遇到困惑、矛盾的情況時，就會引起他學習的動機，他便會主動的觀察、分析和這個問題有 7.

(17) 關的數據資料，而組織成新概念，他在討論問題時，會獲得新知識。教師在運用此教法時，要鼓勵學生發問。（三）過程探究模式（Process Inquiry Model）由舒華布提出，注重科學方法的教學模式。此種教學的進行時，教師應先體認「求知能力的訓練」比「傳授知識」更為重要，並以此為目標，擬出教學策略與步驟。教師主要任務是維持學生討論的氣氛，必要時予以協助。所以，活動要以學生為中心，使學生在探討的過程中發現概念、增進學習態度與技能。上述這些教學法，大多是早期學者們對探究教學模式的分類，屬於較大範圍內的分類。而就上述探究的分類，本研究將以Esler & Esler 的實驗室探究教學，與舒華布的過程探究模式為參考，來設計 POE 教學探究活動。二、科學探究中的教學法 Lederman（2002）指出科學探究是科學家循求問題解決之系統取向，並分析科學探究能力的成分包括觀察、應用時空關係、分類等十三種過程技能（引自吳玲綺，2007）。除此之外，如前所述學者洪文東等。也是從問題解決的觀點來看科學探究，所以「科學探究能力」通常被認為就是「問題解決能力」。而在科學探究中由美國科學促進學會所研發的 SAPA 課程中的十三項「科學過程技能」裡，應用時空關係、應用數字、傳達、. 預測、推理、解釋資料等。. 在美國國家科學教育標準（NRC,1996）中建議 k-12 的學生必須具備「科學探究的能力」和「對科學探究的了解」，針對科學探究能力的內容標準，包含 K-12 分為三個階段，其中與科學解釋有關的內容分述如下： 1.k-4 年級：使用資料來建構一個合理的解釋；傳達調查的活動和所提出的解釋。 2.5-8 年級：使用適當的工具和技術收集、分析以及解釋資料；使用證據發展出對科學的描述、解釋、預測和模型；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；會辨認和分析另類的解釋和預測；會傳達科學的步驟和解釋。 3.9-12 年級：會使用邏輯和證據來制定和修正科學的解釋和模型會辨認和分析另類的解釋和模型；會傳達和答辯科學的爭辯。 8.

(18) 在我國九年一貫課程綱要自然與生活科技學習領域中，將科學探究過程中的心智運作能力簡稱為「過程技能」，並進一步將過程技能歸納為「觀察」、「比較與分類」、「組織與關連」、「歸納與推斷」及「傳達」五項能力（教育部，2008）陳文典（2005）進一步將這五項能力做了詮釋，其中的「組織與關連」就是由資料探討因果，尋找變因之間的關係；「研判與推斷」則需推定因果關係並解釋資料，這兩項能力都與科學解釋有關。而國內學者洪文東（2004）、高慧蓮（2004）在國科會研究計畫「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」中，則根據上述 NRC 及九年一貫課程綱要等文獻，分析整理出科學探究能力的五個面向，其中第四點即為「分析解釋的能力」，包括了分析資料、歸納及解釋實驗結果。在國際教育成就調查委員會(The International Association for the Evaluation of Educational Achievement,簡稱 IEA)進行的 2007 國際數學與科學教育成就趨勢調查 (Trends in International Mathematics and Science Study 2007, 簡稱 TIMSS, 2007) 的評估框架中，也是以科學探究作為橫跨的評估，並將科學探究過程分為五個方面的技能和能力，其中包括了「分析和解釋資料」及「得出結論並做出解釋」。由以上的探討可以發現，科學探究是一種主動發現問題並利用科學方法解決問題、提出解釋的過程，科學解釋在科學探究裡扮演重要的角色，學生可藉由解釋展現他們在科學探究過程中所得的知識或對科學現象的了解，教師也可藉由學童的解釋評估其相關概念是否完整。三、科學探究教學中的解釋運用科學探究活動來進行科學教育已經成為趨勢，陸續有許多學者也都投入相關研究，也提出不同的探究教學模式，以下提出與解釋有關的科學探究模式：（一）Lunetta 及 Tamir 科學探究活動：劉宏文（2001）指出，Lunetta 及 Tamir在1981年發展的科學探究活動有四個基本階段，在經過計畫與設計、實行探究過程之後，就進入「分析與解釋」階段，包括處理數據、解釋數據所呈現之關係、發展原則、檢驗數據的正確性並指出假設及限制等。 9.

(19) （二）5E學習環： 5E學習環教學模式是由美國生物課程改進計畫（BSCS）中，小學課程發展出含有建構主義特性的探究教學模式，五個階段分別為投入（engagement）、探討（exploration）、解釋（explanation）、精緻化（elaboration）與評量（evaluation）。其中第3的解釋階段（E3）是要鼓勵學生基於先存知識與探討經驗做合理的解釋，協助學生組織，並且澄清說明，讓學生能接近科學家的觀點；從探討實驗中使用操作型定義，發展相關的科學字彙，提供經驗，加強學生對的知識的瞭解（林曉雯， 2001）。（三）預測-觀察-解釋：（Prediction-Observation-Explanation, 簡稱 POE）由White 及 Gunstone在1992年提出的「POE」教學策略就是「預測-觀察-解釋」三階段的探究教學活動，而其中最重要的關鍵，就是要讓學生決定出最後解釋的理由，為何要做出這樣的解釋？鼓勵學生能應用自己的概念去進行理解及推理。（四）NRC 探究教學模式：美國國家科學研究會 (NRC,2000) 提出教室探究 (classroominquiry）中科學探究教學與學習必須具備五個必備的特徵，其中就包含從證據中形成解釋來回答所提出的問題、學習者根據其他的解釋來評鑑自己的解釋及學習者傳達並辯證所提出的解釋。（五）洪振方創造性探究模式(CIM) 洪振方(2003）整合探究教學和創造性問題解決等之理論與模式，建立「創造性探究模式」，以培養學生的探究能力、問題解決能力、和創造力。其核心就在於「探索」、「解釋」、「交流」、以及「評價」。由上可發現，解釋在科學探究中是一個重要的活動，藉由解釋，學習者可以結合自己的先備知識與生活經驗，展現出自己在探究過程中所學的概念，可說是由探索到與人分享交流之間的橋樑。而就上述探究的分類，本研究將預測-觀察-解釋（Prediction-Observation-Explanation, 簡稱 POE）的實驗室探究教學，來設計探究活動。因為 POE 教學方法比較適合國中生程度，而且教學策略就是「預測-觀察-解釋」三階段的探究教學活動很清楚讓學生知道下個步驟該做什麼，也很容易觀察過程中的概念並且間接引導及鼓勵學生能應用自己的概念去進理解及推理。. 10.

(20) 第二節 POE 教學 POE 最初是由美國 Pittsburgh 大學的 Champagne，Klopfer 和 Anderson 於 1980 年發展的 DOE（Demonstrate-Observe-Explain）概念晤談教學策略改良而來的，Gunstone & White (1981) 認為預測的理由能呈現學生原本的認知架構，又能引發學生的學習興趣，而預測階段對了解學生概念及提升教學成效具有重要性，因此將 DOE 策略設計改良成 POE 教學策略，以期更富教學成效。 POE 教學是由White 和Gunstone(1992)提出的，其主要目的是用來探測學生的先前概念。POE 分別代表Prediction（預測）、Observation（觀察）以及Explanation（解釋）。簡單說來，POE 教學就是由教師設計一個與學生實際生活有關的情境或問題，接著讓學生寫出他們的預測以及支持預測的理由，以便了解學生是採用何種知識立場來作預測。下一步，則是讓學生進行實際操作及觀察，當學生發現觀察到的現象與其預測不一致時，便能與同學進一步討論、探索，最後解釋自己的想法與觀察到的現象之間的差異，進而將原先固有的概念重新建構（黃台珠等譯，2002）。因此， POE 教學是先引起學生先前概念，接著由教師設計及製造概念衝突的情境，此一模式可以有效達到概念改變的目的（江淑卿、陳昱蓁、潘于君，2008；盧莉閔，1998）。 POE 基本的程序是設計某一情境讓學生進行「預測」會有何結果或現象發生（例如大氣壓力、表面張力），要求學生寫下自己的預測以及理由之後，接著實際操作讓學生「觀察」有何現象發生？觀察之後寫下自己的觀察結果，如果與預測的不一樣，請學生「說明」原因或理由。此歷程具有認知衝突(cognitive conflict)的特色，即設計的情境是學生常具有的迷思概念（觀察到的現象與預測的不一樣），進而探索學生如何解釋自己的觀點與現象之間的差異。此外，進行 POE 時應注意的是（White & Gunstone, 1992）：（1）要提供一個學生可以預測，而且能基於個人理解進行推理的情境或實驗，若純粹只是猜測則將失去其價值；（2）要提供真實情境與問題給學生，才有助於 POE 的效果，至少也要提供學童一些支援的線索或說明；（3）要讓學童的觀察是直接可行的，亦即觀察的實驗結果是清晰可見的；（4）可以用勾選的方式，提供幾種可能的情況讓學童做預測，用開放的反應模式，讓學童自己表達想法。 POE 教學策略由 White 與 Gunstone（1992）著作 Probing Understanding 一書中所提及。POE 教學策略為「預測（Prediction）—觀察（Observation）—解釋（Explanation）」三個步驟的縮寫，主要說明學生必須先針對事件進行事件結果之預測（在化學教育 11.

(21) 上通常為實驗結果之預測），並提出理由；預測結束後，讓學生正式且詳細的觀察事件（實驗）過程與結果；最後要求學生對實驗結果進行解釋。在進行 POE 教學策略時，學生必須自行決定運用何種推理，且需要運用自己的推理進行預測，而預測的結果通常都會與觀察結果相反，再由這樣的認知衝突中進行學習，換言之 POE 教學策略用於含有認知衝突情境的教學中特別有效。White 與 Gunstone（1992）提到，POE 教學策略與演示實驗教學廣為連結，並有許多優點。現今化學教育中，特別注重「做中學」的重要性，特別是十二年國教實施後，學生的升學壓力降低，照本宣科式或大量練習式的教學方式將會式微，而科學教師必須在教學過程中帶入大量的實作實驗，然而化學實驗對於不同年齡的學生而言會有不同程度的危險性，也因此許多教師習慣將危險性較高的實驗帶到教室演示，甚至直接用實驗影片的方式進行教學，因此更凸顯了 POE 教學策略的重要性。而當教師要求學生對實驗進行預測時，學生將更能理解實驗情境；而學生進行預測過後，對實驗的觀察將更具焦點；針對觀察前後的差異進行討論將使學習更有價值。而許多研究都使用 POE 作為研究中的教學策略（Costu, Ayas & Niaz, 2012 ; Palmer, 1995），且 POE 教學策略也在實行於教學現場並被應用（許良榮、蔣盈姿，2005；楊凱悌、邱美虹、王子華，2009）。. 第三節科學解釋一、科學解釋的意義在瞭解「科學解釋」之前，我們要先認識「解釋」。根據哲學辭典裡對解釋的定義：解釋（explanation）源自拉丁文 explanare（展開、伸展、說明）。一般來說，是使某事成為可理解、合理的或熟悉的（引自段德智、尹大貽、金常政譯， 2005）。邱美虹與林秀蓁（2004）亦發現教師若提供學生更多預測和解釋的機會，則學生學習成就較高。因此「解釋」在科學教學活動中有其重要的地位，探討「解釋」對科學教育研究，應有一定的貢獻。如果將它應用在學習上，解釋就是連結學生已知的概念. 去學習未知的事物。. 透過讓學生學習解釋的建構，是鼓勵學生積極主動建構知識的有效方式（McNeill & Krajcik, 2007）為自然現象提出合理的解釋，是科學研究者的目標。針對某一個自然現象，能給予學生適當的解釋，則是教育工作者或科學教育研究者的目標。「解釋」 12.

(22) 在日常生活和教室中是常見的行為，尤其在需要討論自然現象成因的科學教育，更是不可或缺（湯偉君，2008）。在所有的解釋中，「科學解釋」便具有此能力。科學解釋似乎有其權威性（陳恆安，2005），一個解釋如果冠上「科學」的標誌，對於普羅大眾而言，就代表了正確、合理、令人信服。雖然科學解釋有其權威和說服力，但在科學教室中，學生並不會因為科學解釋的強大理性而完全的信服和瞭解，這是科學學習心理學研究中所常探討的。本文不擬深究為何科學解釋之所以難被一些學生接受的議題，我會探討自己自編 POE 教學設計活動流程、以課本為主傳統教學活動流程、科學教室，甚至課程綱要裡，也就是實際科學教室現場裡，可能具備哪些不同的解釋類型。換言之，本文擬從解釋類型此一角度分析科學教學，並期望能提供科學教師新的角度來反思自己的教學歷程及提升學生科學解釋能力。解釋的看法沒有像哲學家那麼嚴謹和連貫，而解釋的理論模型也較哲學領域不嚴謹，在科學研究中的科學解釋建立在以下幾個的假設上：（1）描述與觀察常連結在一起，但他們和理論是不同的；（2）於教學時，解釋的特性中所蘊含科學本質的觀點能夠達成不同的課程目標，且教師的角色會因課程目標的不同而有所改變；（3）對於現象所做的解釋可用來評量學生的理解程度（Edgington）。其中第三個假設也使得科學教育學者常以科學解釋作為評量學生概念理解的程度。由上可知，科學解釋就是敘述說明某些科學現象為什麼會發生的活動，而如果這些解釋在被大眾接受認同之後，就會形成理論，成為科學知識。以教育立場來看，藉由學生的科學解釋可了解其概念發展的情形。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，提出被認為最合理的解釋。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frameworks）。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。謝州恩（2004）的研究則指出 13.

(23) 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。。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。所以探究學生的科學解釋能力，POE 是值得努力的研究。二、科學解釋形成原因要產生一個完整的科學解釋是不容易的，目前已知學生在科學解釋能力的難處有: (一)指出因果關係:未指出因果關係、不完整的解釋(姜滿，1993)。 (二)運用推理能力:缺乏推理機制，使用非邏輯的推理。(姜滿， 1993;Sandoval&Reiser,2004)。 (三)使用證據:缺乏證據、實驗數據與理論相違(Solomon,1995)。 (四)解釋提出主張:解釋時並未提出主張、主張與解釋內容相違(姜滿，1993)。 (五)運用圖表協助解釋:課本無法提供圖表轉換之過程學習;有些圖表與符號會造成學童學習的困擾(Wavering,1989;Bowen&Roth,2002)。 (六)語文傳達解釋能力:在口語傳達峙，可能隱含錯誤，造成誤解，或缺乏完整、清楚的敘述(毛松霖，1987;李暉、郭重吉，1998)。 (七)評鑑解釋:對評鑑本身的意義與科學解釋各項暸解有限 (Sandoval&Reiser, 2004)。從事理解概念的研究經驗也發現，學生在科學解釋的能力方面相當缺乏，值得注意改進。例如許良榮、蔣盈姿（2005）以 POE 探究中小學的燃燒概念，研究發現：雖然某些學生經由 POE 活動調整了他們原先的看法，但是僅有少數學生能以科學原理加以解釋，許多學生仍持有原先的另有概念，，而呈現所謂「偽說明（pseudo-explanation）」的形式，如同 Taber（2001）研究發現學生對於自然現象的說明，經常只是徒具形式（form）而缺乏實際說明能力的「偽說明」。例如某位學生國中九年級學生認為擺角與擺錘的質量不會影響週期，是「擺長」的關係，另一位國中九年級受訪學生認為擺角與擺錘的質量是會影響週期。因此顯示學生的說明能力是教學上值得注意改善之處。該研究也指出學生缺乏應用知識解釋的能力，其原因可能由於一般課程設計較著重教導陳述性知識（declarative knowledge），而運用程 14.

(24) 序性知識（procedural knowledge）的機會較少，例擺角與擺錘的質量會影響週期概念的時候，僅提供學生「單擺實驗的三個必要的條件是要有擺長固定、擺角及擺錘的質量改變時使週期不一致」定義的說明，而學生雖然了解其定義，但是面對不同情境的時候，學生不曉得如何去運用這些概念。因此在教學設計上我們應多給學生運用知識的機會，而不僅是學習概念和定義而已，例如說明燃燒的定義之後，能夠再給予某些實際的例子，讓學生能有應用所學的知識進行判斷，以及練習如何說明和解釋的機會。三、科學解釋評量本研究的研究目的之一是為了要瞭解實施科學探究教學模組，在提升國中九年級學生的科學過程技能的成效為何？因此為了檢測本研究的POE教學學習是否確實提升學生的科學解釋能力，研究者採用「科學解釋能力測驗試題」做為本研究的工具，研究者依評量的時機將所採用的評量方式分成包括科學解釋能力前後測、國中學生科學課討論學習態度問卷、小組討論、及學習單、實驗數據結果等。 1.學習單及實驗數據結果「學習單及實驗數據結果」為探究活動中的實驗，我們就實驗中內容與學生科學解釋能力各項來比對學生使用情形，並分析實驗數據傳達效果，進而與先前相關的結果討論。 2.「科學解釋能力前後測」為參考國內學者(謝州恩，2004)對國中學解釋能力編訂的試題，科學解釋能力測驗細分為核心能力兩部分。核心能力是：「指出因果關係」、「運用推理能力」、「使用證據」；相關能力有：「解釋提出主張」、「活動設計說明」、「運用圖表協助解釋」、「語文傳達解釋能力」與「學生評鑑解釋」。與自行發展的科學解釋問卷，科學解釋能力測驗細分為「指出因果關係」、「形成假設」及「使用證據」三面向。經專家效度檢核與試測修正後成為正式試題。 3.小組討論(small group discussion) 是合作學習的一種形式，許多學者均曾對其意義提出說明。O rlich , Harder, Callahan, & Gibson(1998 ) 指出小組討論是六到八人的學生組合，成員彼此交換意見的活動，其目的是用以協助達成教學目標。它需要五項基本要素，分別是：(1)一組學生(最好是6~8 人)聚在一起；(2)共同的主題或問題；(3) 過程中，組員彼此介紹、交換或評鑑彼此的訊息或意見； (4)朝由參與者自己選擇的目標進行； (5)透過語言互動。四、科學解釋能力的相關研究 15.

(25) 由上述的討論可以知道，科學解釋在科學學習上扮演重要的角色，由其對於教學現場的老師而言，最重要的是如何培養學生的科學解釋能力，所以國內外學者專家在這方面陸續做了研究，有的提出想法，有的設計課程來分析學生科學解釋能力。首先將國內外學者有關學生科學解釋能力所做的研究彙整如下： (一)國外學者研究表2-1 國外有關學生科學解釋之相關研究研究者. 研究方向與對象. 相關科學解釋能力的研究結果. 解釋為導向的探. 結果顯示，學生在接受此課程後學習到如何建立一個具有清晰明確的因果關係的科學解釋，但仍無法使用證據支持主張。. （年代） Sandoval （2003）. 究課程（高中生）. Sandoval 及. 解釋為導向的探. Reiser. 究課程（高中生）. （2004） Kuhn 及. 結果顯示學生在課程中很少明確地談到特定的資料是如何和特定主張連結，學生大多會討論有關於如何詮釋資料，但很少談論如何使用資料支持他們的解釋。. 探究課程（中學生）研究結果顯示學生能夠利用證據使所. Reiser（2004）. 研究的現象更有意義，但仍無法明確地說明解釋中證據和推論間的關係。. Hakkarainen (2004). 跨國網路學習解釋研究結果指出學童的直接解釋往往是為導向的探功能性的以及經驗性的，經由提供合適的解究課程（國小學生）釋，部分的學生能導向理論性的科學解釋。. Songer 及. 結合學習環證據. 研究結果顯示經過此課程後，學生提出. Ho（2005）. 導向探究課程. 證據支持他們所作的假說或預測的能. （五、六年級）. 力有提高，推理能力有改善的傾向。. 16.

(26) McNeill,. 以學習目標導向. 提供學生一個明確的教學模式說明結. Lizotte,. 的化學教學模組，果和文字式鷹架可以加強學生的解. Krajcik 及. 以文字式鷹架. 釋。學生對學習內容理解與他們的科學. Marx（2006）. 作為培養學生科. 解釋能力有關。. 學解釋能力的工具。（七年級） McNeill 及. 以證據為導向探. 結果顯示學生於主張、證據、推理三方. Krajcik. 究教學模組. 面的科學解釋能力皆有進步，但是對於. （2007）. （七年級）. 區別適當和不適當的證據仍有困難。. 由以上資料可發現有關國小學生科學解釋能力方面的研究，多與探究式教學有關如國外學者 Sandoval 及 Reiser（2004）、Hakkarainen （2004）、Songer 及 Ho （2005）、McNeill 及 Krajcik（2007）等，可見科學解釋是探究教學中一個重要的能力。另外有學者以提供學習鷹架來協助學生建構科學解釋，如 Sandoval（2003）、 Kuhn 及 Reiser（2004）、McNeill, Lizotte, Krajcik, 及 Marx (2006），則參考 McNeill, Lizotte,Krajcik 及 Marx（2006）等學者的文字式鷹架的架構發展教學策略與教學課程，設計培養學生科學解釋能力的教學。所以在西元 2007 年以前引向上面學者的資料，但在西元 2007 以後研究者自行整理。 (二)國內學者研究表2-2 國內有關學生科學解釋之相關研究研究者. 研究方向與對象. 相關科學解釋能力的研究結果. （年代）洪信德. 學童形成假設、. 學生無法說明變因之間的因果關係。學生受到. （2001）. 實驗及解釋資料. 直覺、日常生活經驗、科學用語表面字意及對. 三個統整科學過. 科學本質的不瞭解造成迷思概念。. 程技能的心智模式（五、六年級）張綺砡. 對生活中微小. 師生問的對話方式以及教學策略會影響學生. （2002）. 粒子的科學解. 的科學解釋，學生所具有的解釋類型以原因. 釋（五年級）. 論與決定論（非宗教）為主。 17.

(27) 謝州恩（2004）吳佳蓮（2006）. 探究教學（六年級）探究教學（五年級）. 學生科學解釋核心能力以指出因果關成長最多，相關能力以學生解釋提出主張成長最快。學生產生解釋的推理過程的能力成長趨勢為明顯；學生指出變數間的關係、產生解釋的推理過程和提出證據支持主張的能力和他們所呈現的實務認識論有相關性。. （續上表）研究者. 研究方向與對象. 相關科學解釋能力的研究結果. 潘威明. 探究式實驗活. （2007）. 動（六年級）. 強調「解釋導向」的探究式實驗活動對科學解釋能力有正向影響。學生在科科學解釋能力面向上偏向於淺層直覺式的科解釋能力面向上偏向於淺層直覺式的解釋能力面向上偏向於淺層直覺式的科學解釋並且對數據與圖形之轉換能力上仍，有所不足。. 許素芬. POE 教學策略. （年代）. （2007）劉月智（2007）. 陳嘉蕙（2007）. 羅佩娟（2008）. （五年級）序列性 POE （大學生）. 序列性 POE （九年級）. 序列性 POE （大學生）. POE 教學策略有助於提昇五年級學童演繹能力；科學解釋能力越高，批判思考能力越高。大學生的科學解釋能力不佳有待加強。理工背景學生運用科學術語來進行解釋，不一定恰當且易出現誤用科學概念的情形；非理工背景學生傾向使用日常生活用語來進行解釋，且觀察能力較差僅能描述出整體概觀的現象。依解釋理由而歸納出大學生之 10 種解釋類型。學生提出的科學解釋以不完整、不恰當的解釋說明居多，研究結果顯示學生具有的解釋類型共有八種，學生針對實驗所提出的科學解釋之間，以不具有解釋融貫性的情形較為明顯。去除先備知識的影響，大學理工科與非理工科背景學生，在科學解釋上無顯著差異。. 18.

(28) 簡錦鳳. 使用文字鷹架. （2008）. （七年級）. 黃惠鈺. 科學解釋寫作. （2009）. 融入探究教學（五年級）. 李格（2009）. 主題探索及 TINS. 經過科學解釋課程後，以找出證據的能力成長最明顯；持續的完整文字式鷹架教學教學對學生在學習提出主張的能力上幫助最，學生對科學概念的理解與科學解釋的最大，學生對科學概念的理解與科學解釋的學習有關係。學生據以評價科學解釋的標準為：(一）與自己的想法一致，易於理解。(二）與生活經驗相符。(三）不同情境的通用性。(四）測量工具的使用。(五）說明個殊性與限制。(六）過程簡潔。學生在科學解釋能力的表現以提出主張最好。. 網路學習（三-六年級）. 洪曉憶. 發展科學解釋. （2010）. 能力評量工具（四年級）. 基於 PISA2006 評量架構，發展一份台灣國 (PASE)，用以測量國小學童的科學解釋能力。能力。. 由以上資料可發現有關國小學生科學解釋能力方面的研究，多與探究式教學有關，如國內學者方面，謝州恩（2004）設計一套探究導向學習（inquiry-based learning）活動，以質性和量化方法分析國小六年級學生在探究活動中科學解釋能力的成長，並討論探究活動、教師引導與科學解釋能力間的關係。吳佳蓮（2006）也以進行探究教學來探討五年級學生在進行探究活動中，其認識論和解釋能力的表現，以及兩者間的關係。黃毓琪（2007）採用謝州恩（2004）的建議，以教科書版本，自編教材融入探究架構模式中，探討對國小學生科學解釋能力的影響。許素芬（2007）以 POE 探究教學模式探討國小學生的科學解釋能力；陳嘉蕙（2007）在相關研究中，有些學者研發相關量化的工具以測驗出學生科學解釋能力發展的情形，國小階段如謝州（2004）以六年級學生為研究對象，參考林俊華（1986）對中小學解釋能力編訂的試題，自行發展以選擇題為主的科學解釋能力測驗試題，將科學解釋能力細分為核心能力與相關能力兩部分。核心能力是：「指出因果關係」、「運用推理能力」與「使用證據」；相關能力有：「解釋提出主張」、「運用圖表協助解釋」、「語文傳達解釋能力」與「學生評鑑解釋」。本研究擬以國中九年級學生做科學解釋能力的探討，學生接觸自然科學課程也有一段很長時間，且學習的內容多與日常生活相關，所以本研究的科學解釋能力以參考(謝州恩，2004)所界定的為定義，但在我的科學解釋 19.

(29) 能力研究定義只有解釋「指示因果關係」、「形成假設」及「使用證據」、「活動設計說明」及「圖表協助解釋」五大面向。. 第四節科學討論態度一、科學討論含意「討論」是一種雙向思想交流的活動；以對談、商討、交換意見、溝通觀念、辯論等方式進行之。然而小組討論是一項結合小組學習及討論學習等多項特質的教學方法，它提供了豐富的學習脈絡，具有甚多功能。 (一) 小組討論意義許多學者均曾對小組討論下過定義。Gall & Gall(1976)認為小組討論係指一群人，聚集在同一時空下，彼此使用語言﹑非語言及傾聽的歷程交互溝通以協助教師達成教學目標的活動。而吳英長(1988)則認為小組討論是由「小組」和「討論」兩個詞所組成的，小組是小組討論的形式條件；而討論則為其實質內容，因此當小組成員進行實質討論時，即是小組討論。(引自王金國，2000)。綜合上述，研究者認為小組討論可定義如下：「一個小組有五至八人成員裡，成員在平等參與的情境下，針對一個主題，透過聽﹑說及觀察等方式，彼此交換意見的活動，其目的在協助教師達成教學目標。」 (二) 小組討論特性 1.小組討論是一種小組活動：小組討論的人數介於五至八人之間，它不是個人的活動，而是一種小組活動。 2.小組討論是一種討論活動：小組討論的成立須有實質的討論行為，因此它是一種討論活動。 3.小組討論是一種合作學習：R.E. Slavin 認為合作學習係指學生小組中共同工作的歷程(McManus&Gettinger,1996)。小組討論過程中，學生在小組內彼此分享﹑探索，因此是一種合作學習。 4.小組討論是有目標的：小組討論以分享觀點﹑感受或尋求大多數人能共同接受的意見為目標，因此它是有目標的。 5.小組成員具有平等參與的地位。 6.小組討論是一種多樣化的溝通方式，惟口語是最主要的溝通媒介。 (三)小組討論功能 20.

(30) 小組討論同時具有「小組學習」與「討論」等兩項學習方式之功能。就「小組學習」的角度而言，小組討論具有以下功能： 1.可增加學生與主題及學生與其他學生的互動。 2.可創造主動學習的情境，建立積極的學習態度。 3.可提高學生的學習動機，並促使學生在學習上有更高程度的參與。 4.可增加學生理解的深度及對課程內容的掌握，提高學習的廣度與層次。 5.可發展學生問題解決的技巧及社交的技巧。 6.可增進自尊及合作能力。就「討論」的角度來說，小組討論具有以下幾方面的功能： 1.討論提供學生說話的機會，而說話可使學生的觀念或想法更清楚且更具體。 2.討論提供老師另一種評鑑學生學習情形的管道。 3.討論可提供鷹架的功能：指異質能力的同儕互動過程中，較具有高能力的學生可協助能力較低的學生發展。 4.討論有輔導的功能：老師可透過學生在討論中所表現的人格特質而更加的認識學生。二、科學討論策略與理論教師在教室中使用小組討論法之策略可以分為三個階段(吳英長,民79)： (一)教學前：小組討論前教師的主要工作為成立小組﹑安排學生座位﹑分配小組角色及設計討論題目。 1.成立小組：小組人數以六至八位為宜，小組內採異質分組，如性別﹑能力，而各組的程度應接近。 2.安排座位：小組成員的座位以所有成員的眼睛都能彼此接觸為原則。 3.角色分配：小組角色包括主持人﹑記錄及參與者。主持人的工作包括簡單清楚地介紹題目﹑鼓勵成員發言﹑避免討論離題﹑隨時綜合，讓成員知道討論進行到哪裡﹑提示下一個討論步驟﹑控制時間及最後歸納成結論；而記錄的工作則包括記錄討論的重點﹑幫助澄清討論的進展﹑綜合已討論過的，使討論不離題。 4.設計討論題目：討論題目會影響學生參與小組討論的表現，一般而言較佳的討論材料選擇方向如下(王千倖,1996;沈明珍,1989; 林朝鳳,1996)： (1)討論的主題應適合學生能力、經驗、興趣且有創意。 (2)討論材料要富教育價值。 21.

(31) (3)問題應能向學生智慧挑戰，能刺激學生批判思考能力，能允許學生尋找因果關係及能提供形成或驗證通則的機會。 (4)問題有足夠的社會資源或教學資源以發展這個問題。 (二)教學中：在小組討論前，老師應對討論的題目﹑所需的時間及應遵守的規則做簡單的說明，之後再讓學生正式討論；在小組討論之後，小組應將討論結果對全班做報告(Burden&Byrd,1994)。另外，小組討論應循序漸進，以使所有成員意識到每個人都有能力參與討論，同時發展出參與討論的信心。 (三)教學後的評鑑：指教師在教學之後應檢視小組討論中出現的問題，以待下次討論時加以解決。在教室中使用小組討論，教師有一些應注意的教學原則(Burden&Byrd,1994;Kauchak& Raggen,1993)： (一)給予清楚及明確的作業規則。 (二)老師應確定學生有足夠的背景知識來有效地進行討論，因此，小組討論活動應遵循課程內容的進行，同時建立在先前已發展的主題上。 (三)討論時間不應太長且應把時限告訴學生：如果在課程開始就把明確的時限做說明，那麼學生就較不容易離題，然而若時間已到，但學生對討論主題仍感興趣且未離題時，那麼應允許學生繼續討論。 (四)老師必須在教室中移動來監控整個討論的活動，以確保每一小組都能扣準討論目標來進行。 (五)在小組討論過程，若發現學生有困難，應給予學生適時適切的指導。許多學者均曾對其意義提出說明。Orlich , Harder, Callahan, & Gibson(1998 ) 指出小組討論是六到八人的學生組合，成員彼此交換意見的活動，其目的是用以協助達成教學目標。由舒華布提出，注重科學方法的教學模式。此種教學的進行時，教師應先體認「求知能力的訓練」比「傳授知識」更為重要，並以此為目標，擬出教學策略與步驟。教師主要任務是維持學生討論的氣氛，必要時予以協助。所以，活動要以學生為中心，使學生在探討的過程中發現概念、增進學習態度與技能。上述這些教學法，大多是早期學者們對探究教學模式的分類，屬於較大範圍內的分類。而就上述探究的分類，本研究者採用 POE 教學法的討論是屬於小討論不適合大範圍的討論，只將以Esler & Esler 的實驗室探究教學，與舒華布的過程探究模式為參考，來設計 POE 教學探究活動。 22.

(32) 三、態度相關理論與研究廣義來看，科學態度包括了科學的態度（scientific attitudes）與對科學的態度（attitudes toward science）。由於「對科學的態度」因各學者對其定義不同而含有多方面的意涵，如對科學家的態度、對科學課程的態度、對科學本質的了解，甚至是對科學老師與其教法的態度等（王美芬、熊召弟，2005）。本研究運用分組討論為學習工具，使學生接觸科學領域的問題與探索知識過程時，探討學生的科學技巧、思考與行為傾向，本研究科學態度是指「對科學的態度討論」。 Simpson（1978）認為在小學階段，培養學生對科學持正面而積極的態度是非常重要的教育目標。「對科學的態度」沒有科學屬性的意涵在內，是個體在和各項科學的人、事、物、想法的接觸或交互作用過程中，所形成的對這些和科學有關的態度對象之感覺、意見、信念等，是種普遍且持久性的感覺，會影響其對科學的看法與行為，例如「對科學這門學科的態度」、「對科學家的態度」、「對自然科的態度」...等（許德發，2000）。「對科學的態度」包含了較多個人的好惡及情緒的反應，故較傾向於情意的範圍。下表為國內、外學者們認為的內涵整理如表 2-3 所示。表 2-3 對科學的態度的內涵. 研究者 Fraser(1978). Haladyna & Shaughnessy (1982) Munby(1983). 對科學的態度的內涵看法 1.科學的社會意涵 2.對科學課的喜愛 3.科學家的典範 4.科學的休閒興趣 5.對科學探究的興趣 6.科學的生涯興趣 7.科學態度的取向 1.科學的態度 2.對科學家的態度 3.對科學教法的態度 4.對科學的興趣 5.對部分課程內容的態度 6.對科學科目的態度 1.科學的態度 2.對於科學生涯的態度 3.對於科學教學的態度 4.對於特定科學議題的態度 5.對於科學本身的態度. White & Tisher (1986). 1.對學習科學課程的滿意程度 2.對科學家的態度 3.對科學本質的了解 23.

(33) Germann(1988). 1.對老師的態度 2.對學科的態度 3.對實驗活動的態度. Menis(1989). 1.對科學重要性的態度 2.對科學職業的態度 3.對學校科學課程的態度. Simpson,Koballa,Oliver, & Crawley(1994). 1.學生對科學的特殊感覺 2.對科學教師的態度 3.對科學課程的態度 4.成就科學的動機 5.科學焦慮. Koballa(1995). 1.學生對科學的態度 2.對科學家的態度 3.對學習自然科學相關主題的態度. 李田英(1990). 1.科學本質 2.個人對科學的感受 3.科學家的工作. 楊龍立(1996). 1.對科學課的感覺 2.對科學家的態度 3.對科學事業的態度. 龍麟如(1997). 1.對科學課的感覺 2. 對科學家及科學相關生涯的態度 3.對參與科學探討活動的態度 4.對學習科學的態度. 莊嘉坤(1997). 1.對自然科課程的感覺 2.對將來與科學有關的生涯目標 3.對科學本質及工作的看法. 鄭湧涇、楊坤原(1998). 1.對科學這門學科的態度 2.對科學的興趣 3.對科學家的態度等. 綜合以上的說法「對科學的態度」被定義為對科學相關事項的偏向、興趣、感覺方面，較偏向情緒方面，且會在學生學習科學或接觸有關科學的活動時，影響學生的學習意願，也影響著學生的學習成就。因此在科學教室中培養學生正向「對科學的態度」，應是科學教育的首要任務。本研究中「對科學的態度」指的是「對單擺活動的態度」。國內近年來有研究者對於「對科學的態度」這樣的議題做相關的研究。鄭森榮(2005)的研究結果發現：國小六年級學生接受探究式實驗教學後，學生對科學本 24.

(34) 質愈理解，對科學的態度愈正向。徐錦美(2005)的研究結果發現：科學故事課能提昇學生對科學的態度。對男生的影響較明顯，在對科學的態度三個向度皆有顯著的提昇；但對女生而言，這種教學方式僅能提昇其對科學家的態度及對科學的興趣，但對理化科的態度則沒有顯著的影響。王唯齡(2004)研究結果發現：國小五年級學生實施天文史融入教學後：(1)天. 文. 史融入教學對學生學習態度有正向的影響且自然科成績高低並不會影響學生的學習態度。(2)天文史融入教學對中、低推理能力的學生的學習態度影響較為明顯。(3) 天文史融入教學有助於提昇學生對科學的態度。(4)天文史融入教學後，推理能力的學生與喜歡上自然課的人數達到顯著的差異。(5)天文史融入教學可以消除喜歡自然課與否的性別偏好。(6)學生對科學的態度之心智結構會受到天文史融入教學的影響。施瀛欽(2003)的研究結果發現：不同學習風格之國小高年級學童並無顯著差異；在性別方面，男生較女生正向，而在年級方面，五年級較六年級具正向的態度。邱明富(2003)結果顯示：國小四年級學童融入科學史的教學模組，確實能提升學生對科學本質的認識及增進對科學的態度。林世娟(2001)的研究結果發現：合適的教學活動設計，可提昇學童對活動的投入程度，進而增強學童「科學態度」與「對科學的態度」。由上可知，「對科學的態度」可藉不同的教學方式去提升，但大部分都是針對國小的學童，故更加強了本研究對於國中生這一階段「對科學的態度」的研究興趣，欲以單擺科學活動來了解國中生的「對科學的態度」的改變情形。三、對科學討論的態度之評量工具國內對於「對科學的態度」相關研究中，研究學者們較常運用或修訂國外學者所發展的評量工具，如下：有幾個參考評量工具。 Kozlow ＆ Nay（1976）在「一個科學態度測量的進行」研究中，發現教師對學生的科學態度之評量是依學生科學成就為依據，未能與學生在量表填答之得分有顯著相關。在過去科學課程中態度目標不受重視的主要原因是：一方面一般教師認為情意的成就是隨認知成就而獲得的；另一方面則是因為不知如何評量，即發展評量工具的困難度較高（王文中、呂金燮、吳毓瑩、張毓雯、張淑慧，民 88）。 25.