以混合研究法探討職前教師對探究與實作課程的專業需求：以臺師大理學院為例

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(1)國立臺灣師範大學理學院科學教育研究所碩士學位論文 Graduate Institute of Science Education. National Taiwan Normal University Master’s Thesis. 以混合研究法探討職前教師對探究與實作課程的專業需求：以臺師大理學院為例 Preservice Teachers’ Professional Demands for Inquiry and Practices Curriculum: A Mixed Method Research Conducted with Science College Students in NTNU. 周秉毅 Chou, Ping-Yi 指導教授：劉湘瑤博士. 中華民國一 ○ 九年九月.

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(3) 謝誌歷時三年，終於完成科學教育所的學業及論文。這句話寫得如此理所當然，但我相信每一位曾經走過這條路的同志都能體會，這真是一條交織著挫折、掙扎、失落的荊棘之路。儘管一路走來狼狽，在此刻回望時卻發現自己真的走向終頁。在三年的學期間，感謝科教所的教授們在每一堂課的講說，使身為研究生的自己能初窺學術工作者的語言及規則，並能有機會沐浴在不同領域的學術之海中。也非常感謝我的指導教授劉湘瑤老師，在每次陷入混沌之中總能指引方向，如醍醐灌頂，並始終相信我能完成論文，關鍵時刻給予支持及討論。修課及寫作的過程中，還有一位特別的同學志文，他帶著來自現場豐富的實務經驗，給予自己許多文獻上懸缺的真知灼見，我打從心底感謝能在研究所遇見這位夥伴。完成一份學位論文對我有著許多意義，但其中最重要的是，我想與自己好好和解─與那位自大學以來總是步履蹣跚的自己擁抱。當我能完成這篇學位論文之時，期許自己能放下愧疚與虧欠，真正擔起師者的責任重頭學習，再往前一步，邁向下個鐘聲。最後，我還想感謝我的家人，以及我想成為家人的那個人，總願意在背後陪著我，有你們的見證是我最大的幸運。. 秉毅 2020.9.14 於瑞芳.

(4) 摘要本研究欲探討師資生對自然科學探究與實作課程的詮釋與意象，進而分析其對於探究與實作之專業需求，俾使回饋於師資培育課程如何協助師資生獲得充分的專業訓練。本研究經過二個階段的實施，第一階段以問卷對 47 位大三以上的理學院師資生進行施測，並以無母數的統計方法考驗修習探究與實作課程與否對於其教學自評的影響，再從中尋找四位不同科系且曾經修過探究與實作的師資生進行晤談，以開放編碼的方式產出編碼表成為分析架構，並作為第二階段深度訪談的基礎。第二階段擴大尋找另外九位修過探究與實作的師資生，並綜合前述的晤談結果及分析架構進行資料分析，從詮釋與意象之中建構出師資生對於探究與實作的教學者、學習者與課程的圖像，並以此為基礎結合 Klein 與 Goodlad (1978) 課程決策層次挖掘師資生對於探究與實作的專業需求。最後得出有趣的洞見並闡釋研究結論：(1)師資生對於探究與實作存有普遍且單一的定義，但在此定義之下的探究與實作之間卻存有不同的關係模型；(2)探究與實作表達豐富的內涵，不單只是課程及教學，甚至是一種研究能力、生活態度及感受的表現；(3)師資生的專業需求中除了跨領域外，更需要如何進行引導的教學與塑造探究的氛圍；(4)師資生的探究與實作旅程地圖的建立，能幫助師資培育者檢視師資生的進程及發覺其不足。. 關鍵字：職前教師、師資生、探究與實作、專業需求、混合研究、師資培育、 108 課綱. I.

(5) Abstract The purpose of this study is to better understand how preservice teachers from Science College in NTNU interpret the “Inquiry and Practices Course” which is adopted in our new curriculum standard and to what extend are they prepared for. Initially, I designed a quantitative study to explore whether the preservice teachers who had finished the Inquiry and Practices course early in education program could predict their performance in teaching Inquiry and Practices courses. However, the empirical results showed there existed non-significant relationship.. The follow-up qualitative study was to interview. 13 preservice teachers and tried to figure out how they interpret the Inquiry and Practices courses. The analysis showed that the interviewed preservice teachers had poor performance on “observe from questions” and “argument and modeling”. Surprisingly, they tended to define Inquiry and Practice like hands-on activities but differently interpretd to the relationship between Inquiry and Practices. In addition, I claimed a preservice teachers’ customer journey map for Inquiry and Practices in order to ask for more attention on guided teaching and establishing the right atmosphere for inquiry.. Keywords: scientific inquiry and practice, 12-Year Basic Education, preservice science teacher, teacher education program, scientific inquiry, mixed method research, 2019 curriculum. II.

(6) 目次摘要................................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 第壹章緒論.................................................................................................................. 1 第一節研究動機與背景...................................................................................... 1 第二節研究目的與待答問題.............................................................................. 3 第三節名詞釋義.................................................................................................. 3 第四節研究範圍.................................................................................................. 4 第貳章文獻探討.......................................................................................................... 5 第一節從世界教育的潮流到探究與實作的理想與需求.................................. 5 第二節探究與實作的內涵及研究.................................................................... 17 第三節探究與實作的師資培育及挑戰............................................................ 29 第參章研究方法........................................................................................................ 39 第一節研究設計與流程.................................................................................... 39 第二節研究參與者............................................................................................ 41 第三節研究工具................................................................................................ 44 第四節資料蒐集與分析.................................................................................... 47 第肆章研究結果與討論............................................................................................ 51 第一節探究與實作課程對自我效能之影響.................................................... 51 第二節探究與實作的詮釋................................................................................ 55 第三節探究與實作的專業需求........................................................................ 88 第四節討論...................................................................................................... 101 第伍章結論與建議.................................................................................................. 117 第一節結論...................................................................................................... 117. III.

(7) 第二節研究限制與建議.................................................................................. 119 第三節個人反思.............................................................................................. 120 參考文獻.................................................................................................................... 123 附錄一介於老師和非老師之間：理學院師資生的「探究與實作教學能力」大調查................................................................................................................................ 133. IV.

(8) 表次表 1 學習表現架構表............................................................................................ 12 表 2 探究與實作的學習內容 ............................................................................... 12 表 3 課室內科學探究的特徵與差異 ................................................................... 21 表 4 教師與學生在 5E 學習環的行為 ................................................................. 23 表 5 驅動性問題(driving question)的特徵 .......................................................... 24 表 6 口語上的組塊(verbal prompts)示例 ............................................................ 26 表 7 不使用探究式教學法的十項常見理由 ....................................................... 35 表 8 研究參與者背景資料 ................................................................................... 41 表 9 問卷題目範例 ............................................................................................... 44 表 10 晤談問題綱要 ............................................................................................. 46 表 11 資料來源與研究問題之間的對應關係 ..................................................... 47 表 12 分析架構 ..................................................................................................... 48 表 13 各構念的施測分數 ..................................................................................... 52 表 14 有無修課在探究與實作教學能力之 U 考驗摘要表 ................................ 53 表 15 教學者圖像 ................................................................................................. 88 表 16 學習者圖像 ................................................................................................. 90 表 17 課程圖像 ..................................................................................................... 91. V.

(9) 圖次圖 1 學習指南針 ...................................................................................................... 6 圖 2 核心素養的滾動圓輪意象綱 ....................................................................... 10 圖 3 核心素養在課程綱要的轉化及其與學習重點的對應關係 ....................... 10 圖 4 科學調查網絡 ................................................................................................ 18 圖 5 科學探究的三階段七個部分 ....................................................................... 19 圖 6 研究設計 ....................................................................................................... 40 圖 7 學生經驗課程層次圖解 ............................................................................... 67 圖 8 教師知覺課程層次圖解 ............................................................................... 77 圖 9 正式課程層次圖解 ....................................................................................... 87 圖 10 教學、學習、課程的滾動意象 ............................................................... 109 圖 11 師資生的探究與實作旅程地圖 ............................................................... 110 圖 12 從學習探究到探究教學的過度邊界 ....................................................... 116. VI.

(10) 第壹章緒論第一節研究動機與背景 21 世紀的人類所面對的世界充滿許多挑戰。自 2020 延燒至今的新型冠狀病毒(COVID-19)挾著人際網絡的密切交流，正失序地威脅全體人類的公共衛生及健康(Holshue, et al., 2020)；而隨著全球暖化的加劇，各地的氣候與環境也正面臨極端的考驗，英國衛報(The Guardian)甚至以「氣候緊急狀態」(climate emergency) 取代「氣候變遷」(climate change)，以提升人類關注該議題的強度(Carrington, 2019)；而隨著訊息傳遞速度更快、散佈範圍更廣，假新聞(fake news)也從各方面不同程度地影響人類的社會與日常生活，甚至對國家造成威脅(TNS Political & Social, 2018)，這些挑戰正如葉丙成曾言「這一代年輕人，面對的是一個無法從歷史經驗找答案的時代(王彩鸝，2016)。」然而，面對未來社會高度非結構化的議題及挑戰，人類該如何回應及準備，其中關鍵之一便在於從教育著手。OECD(2018)向教育界提出大哉問：現今的學生為了生存或改變未來的世界，會需要什麼樣的知識、技能、態度與價值？而現今的教育體系又該如何有效率的發展這些知識、技能、態度與價值？於是，世界的教育潮流也正為了回應社會問題而投身改革之列。臺灣同樣躋身於此改革之浪潮，於 2014 年推出十二年國教，其中 108 新課綱也於 2019 年在社會各界的矚目之下磅礡登場，期待能藉新課綱的實施改善過去學生的學習沉痾，並能承擔未來社會的共業。例如在過去的自然領域教學現場中，教師們發現學生習慣於追求標準答案(determined problem)之學習方式，卻缺乏面對並解決不確定性的問題(undetermined problem)的策略或方法(陳育霖， 2016)。TIMSS 2015 調查四年級及八年級的學生，數學及科學的整體表現雖然相對於其他國家優秀，但對於這兩科的學習興趣及自信卻是敬陪末座(王韻齡， 2016)。此外，PISA 2015 的結果顯示我國學生的科學素養的成績雖然亮眼，但在. 1.

(11) 評量及設計科學探究表現則相對較弱，佘曉清便呼籲教學現場應該更重視實作與思考(程遠茜，2016)。而 108 新課綱的自然領綱中探究與實作的規劃正是為了回應此課題，一方面是強調跨科單元設計及四個研究歷程面向的學習內容，另一方面則是希望藉此使學生理解科學是如何運作，提供科學實踐的學習經驗(劉湘瑤， 2016)。對於過去教學中總是過度重視學習知識本身，探究與實作也成為一種藉由教導「學習內容」的過程，讓學生學會「學習表現」(鄭志鵬，2016)，甚至期待藉由此課程的實施，學習提出有意義問題的能力(陳竹亭，2016)，即便無法立即提出解答，但能在探究有意義問題的過程中，累積更多面對未來社會挑戰的智慧。然而課程改革的成效，位居核心的教師往往牽動著結果。隨著 108 新課綱的實施，探究與實作該如何教及如何學對於教師已成為一項重要課題，甫實施的探究與實作過去並未見於教師專業的培訓裡，而如何教及如何學旋即成為一股自教學現場而來的龐大需求。在臺灣各處皆能見到不同學科不同教育階段的教師參與探究與實作相關的研習，而教育部也結合各大學的力量透過不同的計劃為教師增能。同時，師資培育作為教師的源頭活水也於教育學程中規劃探究與實作的相關課程，為未來的教師裝備相關的教學知能。儘管如此，師資生們對於探究與實作的需求是否有被滿足，或經過師資培育後能使師資生具有足夠的教學知能，卻未於相關的研究中得到闡釋。究竟這群未來的教師真的已經準備好面對這次新的課程改革浪潮？研究者以「探究與實作」作為關鍵字，於臺灣碩博士論文知識加值系統僅能蒐獲與探討學習成效或課程主題相關的 31 篇論文，足見探究與實作在師資培育中的相關研究仍缺乏相對應的重視，已成為學術拼圖中的明顯缺漏。研究者同時身為師資生，欲帶著自身的觀點及研究視角親臨師資培育的現場，期待能為師資生的探究與實作增添更多的論述。. 2.

(12) 第二節研究目的與待答問題隨著 108 課綱的啟用，教學現場亦面臨極大的變化，其中探究與實作在自然領域中更是扮演關鍵的角色。由於過去的教師未曾經歷探究與實作的課程，可觀察現場端對於探究與實作的備課有極大的需求，故在臺灣各地不管官方或民間皆有許多研習及交流如火如荼地進行。然而反觀教師源頭中的師資培育，是否已經從上游培養出現場需要的教育人才？本研究從未來的教師是否已經準備好面對這次新課綱為出發點，研究的主要目的，在於探討現階段的師資生對於探究與實作的準備程度如何。為填補學術上在探究與實作相關研究的斷層，本研究欲從臺灣師範大學理學院師資生的觀點及立場出發，作為一個實徵研究應能成為此領域具價值之基礎，且可能從研究結果中找到適合回饋於師資培育課程的洞見，使師培端的探究與實作課程能真正回應到師資生的需求。同時由於研究者本身亦有師資生的身分，故在研究分析的視角上，更能貼近師培現場並揉合更多第一線的觀點。研究者為探討師資生對探究與實作之準備程度，設定以下三個待答的研究問題：一、有修習探究與實作課程的師資生其對探究與實作教學的自我效能是否優於無修課的師資生？二、師資生如何詮釋探究與實作？三、師資生在探究與實作的詮釋中表達了何種專業需求？. 第三節名詞釋義 (一)理學院師資生本研究所界定的理學院師資生為臺灣師範大學（後簡稱臺師大）的師資培育學系包括物理學系、化學系、生命科學系、地球科學系等師資生，其身分為大二. 3.

(13) 以上修習師資培育學院所開設之教育專業及各師資培育學系開設之教育專門課程之學生。 (二)探究與實作探究與實作為新課綱所規定，為貫串各學習階段且整合學科內容的核心素養，必須列入高中自然領域的必修課程及國中的跨科單元設計，惟其實施已從原來的獨立開設探究與實作之課程改為融入各學科之方式實施。探究與實作在課綱中包含四個歷程面向：發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享。 (三)專業需求本研究所指專業需求乃對於師資生的自然科學探究與實作而言。本研究先透過 Klein 與 Goodlad (1978) 課程決策層次中的知覺層次與正式課程的差距從師資生的晤談尋找潛在需求，再經更多的詮釋與研究身自身經驗從中揉合出更細膩的論述，以挖掘師資生對於探究與實作的專業需求。. 第四節研究範圍本研究所選取的研究對象以修習 106 至 107 兩學年度於臺師大所開設之探究與實作的修課師資生為主，故不宜將研究結果推論至 108 學年度之後新開設的探究與實作課程，同時由於其他師資培育學校所規畫之探究與實作課程內容不盡相同，故不宜將研究結果過度推論至臺師大以外之師資生群體。惟臺灣的師資生在師資培育的現場其實均有相似的處境，面對自然領綱的探究與實作也有類似的需求，故本研究對於其他群體的師資生或師資培育課程依然有可借鏡之處。. 4.

(14) 第貳章文獻探討因應世界教育改革的潮流，臺灣的教育也迎來 108 新課綱的上路。而教育現場第一線的教師們早已進入備戰狀態，如自然科教師為了因應新課程探究與實作，到處參與各地不管由官辦或民間所辦理的備課或研討。從遍地開花的備課或研討跡象亦可推知，教育現場對於探究與實作存在極大的需求能量。從教育現場的需求回推師培端，師資培育也勢必因應此次新課程的變革，對師資生進行培訓以回應探究與實作之需求，只是師培端所提供之探究與實作課程能否回應師資生的真實需求，值得更細緻的研究與進一步討論。本章分作三節，第一節將從世界的教育潮流的介紹至探究與實作的理想，第二節探究與實作的內涵與相關研究，第三節則探討師資培育中探究與實作所遭遇的挑戰或困難。. 第一節從世界教育的潮流到探究與實作的理想與需求一、從 OECD 2030 到新一代科學標準 (一)OECD 2030 的教育願景隨著科技文明的發展，社會、經濟及環境也受到極大的挑戰，在社會方面全球已面臨人口爆炸的危機，導致土地居住、糧食不足甚至疫情如新冠病毒 (COVID-19)於全球擴散傳染的問題；經濟方面受益於科學與科技知識的進步發展得以享受高品質的生活，卻也可能面臨過度的發展如假訊息或人工智慧所帶來的威脅；環境則在人類無止盡的開發下面臨全球暖化或氣候緊急狀態的威脅。人類的未來究竟該如何面臨這些挑戰？而未來的教育又應該呈現什麼內容才能使下一代具備解決未知挑戰的素養？經濟合作暨發展組織 (the Organization for Economic Co-operation and Development, OECD )發布一篇 2030 教育願景論述(The. 5.

(15) Future of Education and Skills 2030 Project)，闡述了兩項各國皆須關注的議題：(1) 現今的學生為了生存或改變未來的世界，會需要什麼樣的知識、技能、態度與價值？(2)而現今的教育體系又該如何有效率的發展這些知識、技能、態度與價值？ (OECD, 2018)第一個議題其實是屬於該教什麼/該學什麼的層次(what to teach/ learn)，而第二個議題則屬於如何教與學的層次(how to teach/learn)。OECD 結合專家學者共同發展出 2030 學習架構，稱為學習指南針(learning compass)(圖 1)。. 圖 1 學習指南針 (資料來源：OECD, 2018 p.4). OECD 的學習指南針需要經過重新的校準才能發展出素養，包括需要確認學生是否有在學習關乎領域內(disciplinary)、跨領域(interdisciplinary)、程序性的知識(procedural)及知識論(epistemic)；關於認知與後設認知技能、社會的與情緒性的技能及身體與實踐的技能；關於有個人、在地、社會、全球的不同層面的態度及價值觀。同時雖然以學習者為中心，卻仍需要與父母、教師、同儕、社區共同支持。而透過素養的學習，在內圈能長出三片「負起責任(taking responsibility)、建立新的價值觀(creating new value)、協調衝突與兩難」(reconciling tensions & dilemas)的葉子，在外圈則在課堂的 AAR 循環裡進行預期(anticipation)、行動. 6.

(16) (action)及反思(reflection)，而最後讓指南針對準目標 2030 的世界裡兼顧個人與社會的幸福(well-being)，協助學習者發展成為「全人」(whole person)。 (二)新一代科學標準美國近代的科學教育經歷了由全美科學教育改進學會(American Association for the Advancement of Science, AAAS)所發展的 Project 2061 提出「全民的科學」 (Science for All American)，及由國家研究委員會(National Research Council, NRC) 公布的《國家科學教育標準》(National Science Education Standards, NSES)目標旨在提升全民科學素養(邱美虹，2000)，然而科學教育仍存在許多改進空間。如在各階段(K-12)的科學教育，仍較缺乏連貫與一致性，且課程標準不但充滿細節知識也過於零碎，使科學課程招致膚淺的批評(a mile wide and an inch deep)(NRC, 2012)，同時也由於科學、工程與科技遍布於現代社會的每一面向，而這三者同為人類面臨現在及未來挑戰所需要的關鍵鑰匙，因此在這樣的社會背景之下，於 2011 年由美國國家研究委員會(NRC)主導發展 K-12 科學教育架構書(Framework for K-12 Science Education: Practices, Crosscutting Concepts, and Core Ideas)，基於科學與科學學習的研究結果，確認幼稚園到高中各階段的學生所需要學習的科學內容，隨後經各州來自科學、科學教育、高等教育及工業領域等不同背景的專業委員的共同發展，為自然科學領域制定出了《新一代科學標準》 (The Next Generation Science Standards, NGSS)(張佳琳，2013)。《新一代科學標準》(NGSS)的首要目標在於確保經歷完整的 12 年科學教育後，所有學生都能對科學感到好奇且能欣賞科學之美，並使學生能擁有足夠的科學及工程知識能參與公眾相關的議題討論，對於日常生活中所接收與科學或科技相關的資訊也能更為謹慎，以及未來的職涯發展裡也能因為科學的學習而有所助益。為了達至此目標，新世代科學標準(NGSS)最大的任務即是當學生處在一個充斥科學與科技高度發展的社會時，他們該如何準備及學習才能回應自己的生命及. 7.

(17) 社會中所扮演角色的議題(NRC，2012)。因此在規劃這個標準架構時，提出 K-12 的科學教育需要涵蓋的三個主要面向：科學與工程實作(Science and Engineering Practices)、跨科概念(Crosscutting Concepts)、領域核心觀念(Disciplinary Core Ideas)。這三個面向是為了使學生在科學及工程方面的學習能有意義，且需要被落實於課綱、課程、教學及評量中。科學與工程實作(Science and Engineering Practices)主要藉由八種實作讓學生能了解科學知識的發展及工程師的工作，同時理解工程與科學之間的連結，更重要的是，透過實作的方式來使學生能理解跨科概念及領域核心觀念。八種實作包括：(1)提問與定義問題(Asking questions and defining problems)；(2)開發與使用模型(Developing and using models)；(3)規劃與執行調查(Planning and carrying out investigations)；(4)分析與解釋數據(Analyzing and interpreting data)；(5)使用數學和運算思維(Using mathematics and computational thinking)；(6)建構解釋和設計解決方案(Constructing explanations and designing solutions)；(7)從證據中形成論證 (Engaging in argument from evidence) ； (8) 獲取評估和交流資訊 (Obtaining, evaluating, and communicating information)。而為了幫助學生建立一個組織性的框架以連結各領域概念基礎，第二面向的七項跨科概念 (crosscutting concepts) 便成為重要的角色，包括 (1) 模式 / 型態 (Patterns)；(2)因果關係(Cause and effect)；(3)尺度、比例及數量(Scale, proportion, and quantity)；(4)系統與系統模型(Systems and system models)；(5)能量與物質的傳輸、循環及守恆(Energy and matter: Flows, cycles, and conservation)；(6)結構與功能(Structure and function)；(7)改變與穩定(Stability and change)。這七項跨科概念能應用於科學的各領域裡，同時也提供一個路徑與面向三的領域核心概念做連結，而領域核心概念分屬四個不同的領域，物理科學(Physical sciences)、生命科學(Life sciences)、地球科學(Earth and space sciences)以及工程、科技與科學的應. 8.

(18) 用(Engineering, technology and applications of science)，要成為這四個核心領域則須有四項條件：(1)不同學科中的重要原理與原則；(2)能成為理解及探究更深入複雜問題的工具；(3)能與學生的興趣或生活中的經驗連結的知識；(4)具有深入淺出能發展為適合各不同階段供學生學習(NGSS Lead States, 2013)。從 OECD 2030 Project 的教育趨勢到美國《新一代科學標準》(NGSS)的引介，能發現教育的改進方向不斷扣合世界的需求，回應著解決未來挑戰及問題所需具備的知識、能力及態度。接著將視角轉換至臺灣近年所發展的 108 新課綱，其中也能窺見透過課綱回應世界潮流及在自然領綱中如何回應社會真實的問題。二、新課綱中自然領綱的探究與實作 (一)連貫總綱的精神於自然領綱臺灣於民國 100 年即宣示啟動十二年國民基本教育，同年 9 月行政院也正式核定「十二年國民基本教育實施計畫」，明訂民國 103 年 8 月 1 日全面實施。十二年國教本於全人教育的精神，將學生視作終身學習者，以「自發」、「互動」、「共好」的理念，結合「啟發生命潛能」、「陶養生活知能」、「促進生涯發展」、「涵育公民責任」四項總體課程目標，期待能落實全人教育的理想 (教育部， 2014) 。此與 OECD 所強調的素養導向教育、全人教育的精神及營造個人、社會的幸福感理念相符(楊俊鴻，2018)。同時為落實十二年國民基本教育的理念及目標於各教育階段及各領域/科目間，則以「核心素養」做為課程發展主軸，連貫總綱與各領域綱要之間的統整。十二年國民基本教育的核心素養分為三大面向：「自主行動」、「溝通互動」、「社會參與」，三大面向之下又再細分為九大項目：「身心素質與自我精進」、「系統思考與解決問題」、「規劃執行與創新應變」、「符號運用與溝通表達」、「科技資訊與媒體素養」、「藝術涵養與美感素養」、「道德實踐與公民意識」、「人際關係與團隊. 9.

(19) 合作」、「多元文化與國際理解」(圖 2)。考量領域/科目的理念及目標，則以上列的核心素養為內涵，再發展出各領域/科目的核心素養及各領域/科目的學習重點 (圖 3)(國家教育研究院，2014)。學習重點由「學習表現」與「學習內容」兩向度組成，需要落實於課程設計、教材發展、教科書審查及學習評量等，並配合教學加以實踐。. 圖 2 核心素養的滾動圓輪意象資料來源：十二年國民基本教育課程綱要總綱(p.3). 圖 3 核心素養在課程綱要的轉化及其與學習重點的對應關係資料來源：國家教育研究院，2014 (p.8). 10.

(20) 自然科學領域課程在十二年國教的基本理念引導下，訂定了五個課程目標，包括能使學生對自然科學具備好奇心與想像力並發揮理性思維的「啟發科學探究的熱忱與潛能」；使學生具備基本的科學知識、探究與實作能力及科學態度，以期能在生活中溝通、參與社會問題的解決及對科學相關資訊能有所反思的「建構科學素養」；使學生能養成對科學的正向態度、興趣及運用科技解決問題的「奠定持續學習科學與運用科技的基礎」；使學生能從欣賞大自然到付諸行動關懷人文環境的「培養社會關懷和守護自然之價值觀與行動力」；使學生具備科學知能以「為生涯發展作準備」(國家教育研究院，2017)。而為了邁向五個目標，自然領綱規劃的「探究與實作」課程，則成為實踐前述理念相當重要的關鍵。自然領綱規畫探究與實作課程於高中教育階段佔部定必修學分數三分之一，同時也明定於國中教育階段需於每個學期至少包含一個跨科單元，實施跨科主題整合的探究與實作學習內容。課綱中同時明訂七項跨科概念作為統整學生的學習經驗，其分別列屬於三個自然領域的學習課題：自然界的組成與特性的「物質與能量」、「構造與功能」、「系統與尺度」；自然界的現象、規律及作用的「改變與穩定」、「交互作用」；及自然界的永續發展「科學與生活」、「資源與永續性」。這部分與 NGSS 第二面向的七項跨科概念(crosscutting concepts)其實相當一致，透過跨科概念及科學性社會議題，並以探究與實作作為途徑進行學習，學生能涵養科學的核心概念、探究的能力及科學態度，成為具備科學素養的公民(國家教育研究院，2017)。 (二)自然領綱中的探究與實作 108 新課綱捨棄九年一貫中對於十項基本能力及能力指標的論述（教育部， 2001），而是規範學習重點為「學習表現」及「學習內容」，以期在教學現場能能整合知識、能力發展出核心素養，並於真實脈絡中學習(洪詠善、范信賢，2015)。而自然領域中的學習表現預期學生能在面對科學方面的問題時能展現科學探究. 11.

(21) 的能力與態度；學習內容則為探究問題的過程中重要的知識起點，且也是認識人類文明目前所已累積的科學知識。學習表現分作科學認知、探究能力、科學的態度與本質三個面向，如表 1 呈現。表 1 學習表現架構表(資料來源：自然領綱，p.9). 學習表現中的探究能力，分作思考智能(t)及問題解決(p)，其中再各自陳述其子項。而探究與實作則以作為基礎開展，將學習重點分為「探究學習內容」、「實作學習內容」，於其細項則作更細緻的論述，如表 2 所呈現。表 2 探究與實作的學習內容(資料來源：自然領綱，pp.40-41) 探究學習內容 ◎發現問題基於好奇、求知或需要，觀察生活周遭和外在世界的現象，察覺可探究的問題，進而蒐集整理所需的資訊，釐清並訂定可解決或可測試的研究問題，預測可. 實作學習內容. 觀察現象. ‧從日常經驗、學習活動、自然環境、書刊或網路媒體等，進行多方觀察。 ‧運用感官或儀器辨識物體和現象的特性。 ‧依據時間或空間的不同以觀察物體和現象的變化。 ‧推測所觀察現象的可能成因。. 蒐集資訊. ‧利用報紙、圖書、網路與媒體蒐集相關資訊，並判斷資訊來源的可靠性。 ‧閱讀與理解資訊內容。 ‧整理並提取適當的資訊。. 12.

(22) 能的結果，提出想法、假說或模型。形成或訂定問題. 提出可驗證的觀點. ‧依據觀察所得，經由蒐集資訊、閱讀和討論等過程，提出適合科學探究的問題。 ‧當有多個問題同時存在時，能分辨並選擇優先重要之問題。 ‧依據選定的問題提出想法、假說或模型。. ◎規劃與研究尋找變因或條件根據提出的問題，擬定研究計畫和進度。辨明影響結果的變因，選擇或擬定研究計畫設計適當的工具儀器觀測，以獲得有效的資料數據，或根據預期目標並經由測試結收集資料數據果檢視最佳化條件。. ‧判定與研究問題相關的影響因素，並分析因素間的關係。 ‧合理的預測探究的可能結果。. ◎論證與建模分析資料和呈現證分析資料數據以據提出科學主張或結論、發現新知或找出解決案。發展模型以呈現或預測各因素之間的關係。檢核資料解釋和推理數據與其他研究結果的同，以提高結果的可信度，並察覺探究的限制。. ‧使用資訊與數學等方法，有效整理資料數據。 ‧依據整理後的資料數據，製作圖表。 ‧由探究過程所得的資料數據，整理出規則，提出分析結果與相關證據。 ‧比較自己、同學與其他相關的資訊或證據的合理性與正確性。. 提出結論或解決方案. ‧由探究所得的解釋形成論點。 ‧依據證據提出合理的解決方案。 ‧由探究結果形成結論、新的概念或問題。 ‧檢核自己、同學的結論與其他相關的資訊或證據的異同。. 建立模型. ‧嘗試由探究結果建立合理模型以描述所觀察的現象。 ‧察覺模型的侷限性。. 表達與溝通. ‧適當利用口語、文字、圖像、影音或實物等表達方式，呈現自己或理解他人的探究過程與成果。 ‧正確運用科學名詞、符號或模型，呈現自己或理解他人的探究過程與成果。. ◎表達與分享運用適當的溝通工具呈現重要發現，與他人分享科. ‧依據所提出的問題，計劃適當的方法、材料、設備與流程。 ‧應用或組裝合適的器材與儀器。 ‧正確且安全的操作器材設備。 ‧設計適當的紀錄格式並詳實記錄。 ‧有系統性的收集定性或定量的資料數據或檢視最佳化條件。. ‧由資料數據的變化趨勢，看出其蘊含的意義。 ‧由資料數據顯示的相關性，推測其背後可能的因果關係。 ‧根據探究結果形成解釋。. 13.

(23) ‧有條理且具科學性的陳述探究成果。 ‧運用各種資源與他人分享科學資訊。. 學新知與想法，推廣個人或團隊的研究成果。合作與討論. ‧傾聽他人的報告，並能提出具體的意見或建議。 ‧評估同學的探究過程、結果或模型的優點和限制，並提出合理的疑問或提出改善方案。. 評價與省思. ‧反思探究成果的應用性、限制性及改進之處。 ‧對各類科學資訊進行評估與判斷，審慎檢視其真實性與可信度。 ‧體驗科學探究重視實作經驗證據的使用、合乎邏輯的推論，以及探究結果的再現性。 ‧了解科學知識是人們理解現象的一種解釋，但不是唯一的解釋。. 探究學習內容著重在科學探究的歷程，包含發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享；而實作學習內容則為可實際進行操作的科學活動，如觀察、測量、蒐集及分析資料、歸納解釋及作結論。領綱中也明示探究與實作的項目不一定有固定的順序及步驟，可以依據課程的主題採取循環或遞迴的方式進行。而在領綱的草案中，則有探究與實作的課程案例可作為課程發展的參考，其中也明訂了課程實施的三項指導原則：(1)課程設計與發展；(2)以問題(議題)導向引導探究，培養提問的能力；(3)教材宜有確實的參考資料(教育部，2016)。三、探究與實作的現場需求自然領綱規劃的探究實作課程，對許多在職的自然領域教師為一大挑戰(張仁壽，2016；張珮珊、賴吉永、溫媺純，2017；謝甫宜，2019；何興中、李麗偵、林蓓伶、盧政良，2020；簡麗賢，2020；趙君傑，2020；吳仲卿，2020)，因此伴隨著探究與實作的實施，來自現場的需求也成為一項重要的議題。在 108 課綱正式上路前，教育部即委託中央大學的科學教育中心辦理「十二年國民基本教育自然科學探究與實作課程師資培訓平臺計畫」，以培訓高級中等學校自然領域教師具備探究與實作的課程設計能力，奠基對新課程的準備(教育部，2017a)，期待能培訓種子教師，並鼓勵成立跨科核心種子教師團隊，發展自然科探究與實作課程，. 14.

(24) 目前也於中央大學科教中心網頁留下研習資料以供查詢。教育部也委託臺灣科學教育館辦理「106-108 年中等學校教師探究與實作專業發展提升計畫」，並與臺灣師範大學科學教育中心協同辦理「中等學校科展指導結合探究與實作課程計畫」 (教育部，2017b)。該計畫徵選國、高中成立種子學校，推動地區性的專業發展研習，透過科展指導結合探究與實作課程，指導學生並將其過程撰寫為教案，強化教師的實務能力，該計畫也挑選教學示例影片，供師生或家長可以進一步了解探究與實作的實施現場如何運作。而彰化師範大學科學教育所段曉林教授則受教育部委託辦理「國中小科學教師探究增能計畫」(彰化師範大學，2019a)，除了招募有意願精進探究教學知能的教師成為種子教師，並引入有經驗之教練共組社群。研習內容包含探究教案的撰寫演練及評析、探究教學的反思策略與改進，並讓社群成員共同完成探究教案參與競賽。此計畫也已執行五年，俾使全國國中小參與計畫的教師能裝備探究教學的知能，並於學校順利推展探究與實作的課程。除了前述由不同的學術單位執行教育部之計畫，以各層級的學校為對象進行教師的專業知能培訓，教育部國教署也分別於臺南第一高級中學及師範大學附屬高級中學設立南、北兩處的區域探究與實作推動中心(教育部，2020a)，企圖更進一步整合相關資源，橫向整合國家教育研究院、課綱研修小組、高中學科中心，縱向連貫國中小、高中至大學課程，循序漸進的推動並落實探究與實作的實施。遠哲科學基金會自 1994 年開始每年舉辦中學生的趣味科學競賽，經年累月也累積一百多項科學實作的題目，國教署於是結合該資源與彰化師範大學理學院、自然學科專家學者、現職中小學教師，共同建置探究與實作教案協作平台─全民科學平台，以維基協作平台的方式，提供各界參考使用，期待成為中小學教師的參考教材及教法資料庫(吳仲卿，2020)。另一方面，科技部則於民國 103 年成立「科學教育實作學門」(盧玉玲，2019)，其中的內涵包括科學概念數位多媒體設計製作、科學學習軟體設計製作、科學玩具設計製作、科學實驗器材設計製作以及跨領域數位多媒體、學習軟體、玩具或實驗器材設計製作等豐富之領域，透過官產. 15.

(25) 學的合作及研究開發更多的實作產品，為探究與實作之課程實施提供媒材、軟體或設備之需求，亦扮演重要的角色。除了由上而下的推動探究與實作之外，也有從在地自發組成的探究與實作共備社群。民國 106 年高雄及臺南幾所高中自然科背景的校長、主任、教師及課督，共同組成「跨領域跨校跨縣市」的教師共備社群(PIKA 探究與實作教學共備社群)，利用工作之餘的時間，研發探究與實作的課程，並發展出六階層的課程模式，推廣給現場第一線的老師使用(何興中，2018)。除了籌組跨校社群、培訓種子教師之外，也因應各校不同的需求入校陪伴共備，並進行公開授課(陳盈瑩，2018)。甚至更進一步籌組「中華民國探究與實作學會」，至今已籌辦兩屆的探究與實作年會。而於民國 103 年由高雄市政府教育局與財團法人國家實驗研究院國家高速網路與計算中心(簡稱國網中心)為培養教師及學生的資訊素養開始試辦「這樣教我就懂」，至民國 108 年也已經擴大為由教育部及科技部共同指導，國網中心與國立自然科學博物館、國立海洋生物博物館、國立海洋科技博物館、國立臺灣科學教育館、國立科學工藝博物館等國內五大博物館合作共同舉辦之「全國科學探究競賽─這樣教我就懂」(教育部，2020b)，以培養科學的愛好者為核心目的，藉由競賽讓同儕進行論與團隊合作，透過系統思考及解決問題將探究結果運用於生活之中，並能將教案與探究式教學進行分享。四、小結從世界的教育潮流到美國《新一代科學標準》，能看到課綱的規劃與理想不斷回應社會的真實問題。另一方面，108 課綱的核心素養到自然領綱的探究與實作課程，也是為了培養學生解決問題所需要的知識、能力及態度，可見此課綱的改進方向與世界的教育趨勢是一致的。然而新課程該如何具體落實於教學現場，在職教師該如何充實探究與實作的知能，這股來自於現場實務的龐大需求，則讓近年的臺灣從政府立場或民間角度提供各種不同的管道供在職教師進行學習與. 16.

(26) 進修。從世界的教育趨勢到探究與實作的落實，也指引出本研究將從對探究與實作的需求切入。另一方面，對於探究與實作的相關研究及探究的內涵，將於次節進行介紹。. 第二節探究與實作的內涵及研究從前一節對於自然領綱的探討可以得知，新課程所規劃的探究與實作其內涵與 NGSS 中的探究一致，故本節將探究與實作視作探究，進一步探討其內涵與教學上的內涵，並從實施探究與實作相關的研究切入，分析目前探究與實作教學的現況。一、科學探究的內涵對科學探究內涵的描述，可從較早的全美科學教育改進學會所出版的 Science: A Process Approach(AAAS, 1964)窺探，文件提到學生需要具備問題解決能力、發現及科學地思考等能力，而其中的進行觀察、分類、測量、溝通、預測、推論等都被視作關鍵的能力。Shulman 與 Keislar (1966)則將這些技能置入問題解決過程的脈絡，使科學探究不僅只關乎技能的培養。問題解決的過程以覺察一個問題作為起始，共經歷四個步驟，包含：(1)問題覺察；(2)定義問題；(3)針對問題進行搜尋，建構假設及探索可能的解決方案；(4)問題解決。然而此種定義雖然已經對探究的內涵劃分出一個明確範圍，卻不免陷入一種狹隘的觀點，僅將之視為科學方法，認為探究是一種線性的問題解決過程 (Etheredge & Rudnitsky, 2003)。Krajcik 與 Czerniak (2007)則建構一個科學調查網絡(the investigation web)(圖 4)重新論述一個非線性及循環且動態的科學探究觀點，其中包含：(1)初始著手(messing about)；(2)提問並精煉問題；(3)計畫及設計實驗；(4)執行實驗工作；(5)使資料有意義；(6)尋找資料；(7)與他人分享。由圖中複雜的網絡可以得知，學生可能在其中的某幾個部分不斷來回，而這模型其實. 17.

(27) 更接近真實的科學實務，是一種非線性且充滿混亂(messy)的過程。雖然科學調查網絡有非常多的成分，但 Krajcik 與 Czerniak 也提醒每個探究的成分對於學生的學習都很重要，需要同步同時(in concert)的練習。. 圖 4 科學調查網絡 (引自 Krajcik & Czerniak, 2007). 課綱標準裡也能見到對於探究的論述。如《國家科學教育標準》(NSES)中將科學探究分為兩種不同的群體活動，其一是科學家在研究真實的自然世界，並從研究工作中基於證據所提出的解釋；另一則是指學生理解及發展科學知識的活動，同時在活動中也能理解科學家是如何在真實世界中從事科學的工作(NRC, 2000)。而標準中也進一步為探究給予定義：「探究是一個多面向的活動，其中包含進行觀察、提出問題、從書本及其他來源以確認已知的資訊、計畫如何調查、檢視已知的實驗證據、使用工具去蒐集分析及詮釋資料、嘗試對問題提出解答、解釋與預測，並與其他人溝通整個實驗的結果(NRC, 1996)。」而《新一代科學標準》 (NGSS)則以八個不同的實作(practices)定義了科學探究，而實作則反映了科學家及工程師的真實工作，包含(1)提問與定義問題：從一個關於現象的問題開始，並. 18.

(28) 發展一些解釋問題的理論；(2)開發與使用模型：利用各種模型以解釋自然現象，或者用來檢驗假設；(3)規劃與執行調查：計畫和進行系統性的調查，並使用蒐集到的觀察資料和數據來測試現有的理論和解釋；(4)分析與解釋數據：使用工具如圖表或圖形等不同策略辨識數據中的重要特徵及模式；(5)使用數學和運算思維：建構模擬、統計分析數據以及識別、表達和應用定量關係；(6)建構解釋和設計解決方案：依據理論及證據條件提出有條理的解釋；(7)從證據中形成論證：透過推理與論證說明數據如何支持主張；(8)獲取評估和交流資訊：透過書面或口頭等形式進行溝通與分享，學習科學家交流研究發現的過程(NRC, 2012)。 Llewellyn(2011)將科學探究的流程分作三階段及七個部分(圖 5)，分別是第一階段：問題，包括(1)探索現象；(2)專注在一個問題。第二階段：過程，包括(3) 計畫一個調查活動；(4)執行該調查活動。第三階段：結果，包括(5)分析資料及尋找證據；(6)建構新知識；(7)溝通新知識。此流程展現一系列認知技巧及學習表現的機會，使教師可以更熟悉科學探究的過程，同時也可成為轉化傳統食譜式實驗為探究式實驗的基礎，且能提供成為評量可使用的框架。. 圖 5 科學探究的三階段七個部分 (引自 Llewellyn, 2011). 19.

(29) 綜上所述，探究的過程雖然有許多不同模式與細節，但其共同特徵皆包含需要有來自觀察現象的問題，並對問題作定義及思考如何規劃與設計實驗過程，接著蒐集與分析資料，並從資料發展為證據成為與他人分享結果的基礎。其特徵基本也可以對應臺灣的自然領綱中，對探究與實作的四項學習表現：發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享。而探究的內涵豐富，綜觀以上的研究至少有三種不同的內涵，前兩種如 Flick 與 Lederman (2006)所言：「探究代表了現代的科學是如何進行，其中包含多元的過程與思考方法成為發展科學新知的重要基石。另一則是，探究本身是為一種科學本質，展示一種知識敘明了科學家如何發展科學知識的過程。因此，對學生而言探究可視為兩種不同的學習成果，一是關於如何進行科學的能力，二是關於科學形成過程的知識(p. ix)。」第三種內涵則是關於科學教師如何利用探究的方式教導科學內容，亦如 Flick 與 Lederman(2006) 接續說道：「學生如果能透過如科學家的探究過程進行學習，在科學上的學習成效將會非常好。」而關於探究教學的內涵，將於次小節繼續作進一步的介紹。二、探究教學的內涵與策略 (一)探究教學的內涵 NRC(2000)在 NSES 中定義探究內涵作為學生學習成果後，隨即也進一步針對教師提出如何透過探究進行教學的議題，在此議題上則舉出六項的科學教學標準(Science Teaching Standards)供指引：標準一、科學教師能為學生規劃以探究為基礎的科學學程：例如能發展短期或長期的學習框架；能依學生的經驗、知識、興趣、能力發展適合的科學課程；能掌握有效的教學或評量策略幫助學生理解且形塑一個科學學習的社群。標準二、科學教師能引導且促進學生的學習：例如能支持學生進行探究活動；能精心設計如何與學生進行科學討論的對話；能引導且鼓勵學生都能投入科學的. 20.

(30) 學習中；幫助學生建立科學探究的技巧以及科學的態度如好奇心、對任何想法保持開放與懷疑。標準三、科學教師能對自己的教學及學生的學習隨時進行評量：例如使用各種方式蒐集學生已理解的證據；引導學生能自我評量；能從學生回饋、自己的教學紀錄或其他同事的觀察回饋中反省改進自己的教學實務。標準四、科學教師能經營一個適合的學習環境，包含為探究學習所需的時間、場地及資源：例如能規劃足夠進行探究的時間；能提供學生支持探究的環境、器材；能引入校外的其他資源。標準五、科學教師能為學生建立社群以進行科學的學習：社群裡能包容呈現各種不同的想法；能讓學生對自己的學習負責；能培養學生之間的合作經驗；透過同儕影響建立正確的科學探究的技巧與態度。標準六、科學教師能建立學校層級的科學學程：例如能規劃學校的科學學程以最大化教學資源；能規劃使自己與同事在探究教學上的專業成長。六項科學標準指引科學教師實施探究教學的各種條件，從自身的教學規劃到與學生的科學學習上的互動，再到更大範圍地將其他教學夥伴也納入成立校級的科學學程以最大化教學資源。除此之外，NRC(2000)也指出一個進行探究的教室該有的五項特徵：(1)學習者能提出科學導向的問題；(2)學習者學會判別用以回答問題的證據；(3)學習者能從證據中形成解釋；(4)學習者能建立科學知識與解釋之間的連結；(5)學習者能傳達及辯證所提出的解釋。而依據此五項特徵可依據學生自主性與教師引導的程度區分為不同的層次，如表 3 所示。表 3 課室內科學探究的特徵與差異. 基本的特徵. 差異. 21.

(31) 1. 學習者能提. 學習者提出問題. 學習者在許多問. 學習者修改. 學習者從事由老. 出科學導向的問. 題中挑選問題，. (sharpens)或澄清. 師、教材或是其. 題. 提出新的問題. 由老師、教材或. 他資料所提供的. 是其他來源所提. 問題. 供的問題. 2.學習者學會判. 由學習者自己決. 學習者被引導蒐. 學習者被給予資. 學習者被給予資. 別用以回答問題. 定蒐集證據的方. 集特定的證據. 料並被要求分析. 料並被告訴如何. 的證據. 法並蒐集. 3. 學習者能從. 學習者在歸納證. 學習者被引導從. 學習者被給予許. 學習者被提供證. 證據中形成解釋. 據後形成解釋. 證據中形成解釋. 多可能的方法來. 據. 分析. 使用證據形成解釋. 4. 學習者能建. 學習者能檢驗其. 學習者被引導進. 學習者被給予可. 立科學知識與解. 他資源並且與自. 入科學知識的領. 能的連結. 釋之間的連結. 己的解釋形成連. 域和來源. 結. 5. 學習者能傳. 學習者形成合理. 學習者被指導發. 學習者被提供概. 學習者被給予傳. 達及辯證所提出. 的、合邏輯的論. 展傳達. 括的指導方針以. 達的步驟. 的解釋. 證以傳達解釋. 形成傳達. 多──────────────學習者自我引導的量───────────────少少─────────────來自教師或是教材引導的量─────────────多. (NRC, 2000，引自高慧蓮，2018). NRC(2000)所描述探究特徵變形，將其中角色拉出能符合 Llewellyn(2013)對學習者與教學者角色的分析：學習者依自我引導的程度多寡可將學生分為研究者 (researcher)、問題解決者(problem solver)、方向遵循者(direction follower)及觀察者(observer)；而教學者則依引導多寡可分為顧問(mentor)、引導者(facilitator)、教練(coach)、協助者(motivator)。而其中探究的型態也可分作四種類型：開放式探. 22.

(32) 究(open inquiry)、引導式探究(guided inquiry)、結構式探究(structured inquiry)、食譜式實驗(confirmation) (Tafoya, Sunal & Knecht, 1980)。 (二)探究教學的策略 Etheredge 與 Rudnitsky (2003)指出教師在發展探究教學的單元時可以遵循的七個步驟，包含(1)考慮學生的背景；(2)描述系統中的變項；(3)於起始階段創造一個沉浸式的體驗；(4)產出一個可研究的問題；(5)執行該研究；(6)設計一連串的任務；(7)評量學生的理解。而 White 與 Schwarz(1998)則從學生的角度提供探究環(inquiry cycle)展示探究所經歷的五個過程：(1)提出問題；(2)建立假設；(3) 設計實驗並執行；(4)建立模型；(5)結果的評估。 Trowbridge 與 Bybee(1990)基於建構主義的觀點提供 5E 學習環(5E learning cycle)的框架，亦可作為探究的一種教學策略，五個步驟包括：(1)投入(Engage)； (2)探索(Explore)；(3)解釋(Explain)；(4) 精緻化(Elaborate)；(5)評鑑(Evaluate)。而生物科學課程研究(Biological Science Curriculum Study, BSCS)中則進一步論述學生及教師兩角色的行為於此模型中，如表 4 所示。表 4 教師與學生在 5E 學習環的行為. 5E 學習環的步驟. 學生於 5E 學習環的行為. 教師於 5E 學習環的行為. 投入. 發問，例如「為什麼會發生？」、. 引起學生的興趣與好奇；提問；藉著回. 「我對這個已經知道什麼？」；. 應學生激發他們對概念的思考與理解. 對探究的主題表現出興趣. 探索. 在探究的活動中主動隨意的思考；鼓勵學生一起嘗試而非直接給予指測試自己的預測或假設；形成新的. 導；觀察且聆聽學生在活動中的互動；. 預測或假設；不斷嘗試新的方法以. 需要時提出進一步的問題 (probing. 及與他人討論；紀錄活動中的觀察. questions)引導學生的探究；給予足夠. 及想法；不會太快下定論. 的時間供學生與問題相處；扮演顧問的角色. 23.

(33) 解釋. 精緻化. 評鑑. 向別人提出可能的解釋；仔細聆聽. 鼓勵學生以自己的語言進行解釋；要. 他人的解釋；針對彼此的解釋互相. 求學生為自己的證據辯護；正式的提. 提問；與教師所提供的解釋進行比. 供定義與解釋；依學生的先備知識進. 較；以觀察所記錄的資料進行解釋. 行概念的解釋. 在另一個相似的情境中應用定義. 預期學生能使用先前所提供的正式定. 與解釋；使用先前的資訊發問、提. 義與解釋於新情境中；鼓勵學生在新. 出解方或設計實驗；從證據中導出. 情境中應用或擴展他們的概念或技. 合理的結論；紀錄觀察與解釋；核. 能；提醒學生不斷嘗試其他的可能解. 對其他人的理解；依據觀察、證據. 釋；將學生導引至已蒐集的資料及證. 及先前可接受的解釋提出開放式. 據並問「你已經知道什麼了？」、「為什. 問題. 麼你認為…？」. 展現自己的理解，包含知識的概念. 當學生應用新概念或技巧時觀察他們. 與技能；評價自己在過程的進步和. 的表現；評量學生的知識或技能；尋找. 收穫；能再發問相關的其他問題以. 學生已經改變行為或思考的證據；允. 供更進一步的探究. 許學生對自己的學習及團隊合作進行自評；提出開放式的問題激起學生更進一步的探究. (資料引自 BSCS, 2011). Krajcik 與 Blumenfeld(2006)建議以專案導向(project-based)的形式進行科學探究的學習，並透過與學生切身相關且有意義的問題驅動學習的過程，其中的關鍵為驅動性問題(driving question)的使用(Krajcik & Mamlok-Naaman, 2006)。驅動性問題需要經過縝密的設計，不只對學生是重要且有意義，也能引發後續更多的學習活動，其包含六個特徵：(1)可行性(feasibility)；(2)價值性(worth)；(3)脈絡情境 (contextualization) ； (4) 意義 (meaning) ； (5) 倫理道德 (ethical) ； (6) 永續性 (sustainability)。將各項特徵的內涵整理於表 5 所示。表 5 驅動性問題(driving question)的特徵. 特徵. 描述. 24.

(34) 可行性. . 學生可以設計並發展自己的實驗來回答此問題；發展實驗的材料是方便取得的；該問題與學生發展的程度是適切的；該問題可以延伸出更多子問題. 價值性. . 該問題與科學家探究的問題相似；該問題富含科學的概念；該問題幫助連結科學的概念；該問題符合課綱的標準. 脈絡情境. . 該問題觸及了真實世界的議題；該問題在真實世界中確實導致了某種結果. 意義. . 該問題對於學生而言是有趣且重要的；該問題與學生的真實生命經驗有交會，包含生活或文化；該問題所觸及的現象能引起學生的興趣. 倫理道德. . 對問題進行探究的過程中不會傷及無辜的生物或環境. 永續性. . 該問題使學生願意投入更多時間於其中能使學生在探索問題時獲得更多深入的細節. (資料引自 Krajcik & Czerniak, 2007). 透過驅動性問題，使學生能開啟科學探究的過程，也能與科學中重要的概念進行連結，且由於對學生自身是相關且重要的，便能持續的投入於過程也獲得更多深入的學習。除了透過問題驅動探究的進行，在探究的過程中由於需要透過證據的呈現或資料的支持進行科學地辯證，教師也能適時透過引介如探究語彙表(inquiry vocabulary)的使用(Etheredge & Rudnitsky, 2003)或口語上的組塊(verbal prompts) 幫助還不熟悉科學語言的學生建立鷹架(Llewellyn, 2013)。探究語彙表的內涵例如：可改變的(changeable)、穩定的(stable)、量測(measure)、結論(conclusion)、觀. 25.

(35) 察(observation)、成果(outcome)、預測(predictions)、假說(hypotheses)、控制(control)、改變(vary)、可研究的問題(researchable question)、依變項(dependent variable)、自變項(independent variable)、因素(factor)、系統(system)、實驗(experiment)、測試 (trial)、操作(manipulate)等等，幫助學生熟悉使用較精確的科學語言，而口語上的組塊則可用於探究中的不同階段，作為教師提問的起手式，也能幫助學生科學地思考，整理於表 6。表 6 口語上的組塊(verbal prompts)示例. 探究的階段. 口語上的組塊. 發現問題. . 你能從觀察中作出什麼假設？你的預測是基於什麼樣的理由？為什麼你會這麼認為？. 規畫與研究. . 為了支持你的想法或假說，你會蒐集什麼樣的證據？這個證據是支持還是駁斥了你的主張？你所蒐集的證據有偏誤嗎？是可以信賴的嗎？. 論證與建模. . 你會如何詮釋所蒐集的資料及證據？自變項與依變項之間的關係是什麼？這些資料表達或暗示了什麼？你能從證據中作出什麼結論？你能從所蒐集的證據提出什麼解釋？. 表達與分享. . 實驗的結果如何支持你原本所知道的？你能建立一個模型去支撐你的解釋？依最後的結果看來，你原本的假說可以成立嗎？你如何辨證你的發現？. (整理自 Llewellyn, 2013). 三、探究與實作的相關研究 (一)探究與實作的實施現況. 26.

(36) 目前國內對於探究與實作的研究多集中於探討課程設計或教學實施成效的面向上。陳世文(2019)為了探討目前的教育現場推動自然科學探究與實作的成效，隨機抽取全國 100 所公私立普通高中進行問卷調查。在課程設計上，由於考量到進行跨科探究需有科學學科知識背景為基礎，故有 90%的學校將課程規畫於高二上下學期實施，僅 8%規劃於高一上下學期，如彰化女中與北一女中規劃高二學生於上下學期進行選修(李政憲、張國志、馬群樺、吳仲卿，2017；簡麗賢， 2020)，建國中學則將探究與實作規劃於高一期間進行(趙君傑，2020)。跨科的課程設計上，則有 80%的學校採涵蓋「物理、化學、生物、地科」的主題，且其中以物理及化學居多，包含如「能量形態與轉換」、「物質結構與功能」、「力與運動」等跨科主題，如大同高中設計地科、化學與物理跨科的課程，並以氣溫、氣壓、濕度為核心概念發展「天氣瓶」、「人工造雲」、「喝水鳥」的課程模組(張堯婷、陳宏銘、吳致娟、楊明仁，2017)；北一女中則以「能量」為探究主軸發展兩種課程，分別以物理跨地科的形式探究「自然界及宇宙的能量」的主題，以生物跨化學的形式發展「生物界的能量從何而來」的課程(簡麗賢，2020)而將課程融入其他的教育議題則以「環境教育」及「科技教育」為主，如北港高中採 ADDIE 模式(analysis, design, development, implementation, evaluation)設計課程，發展「能源與永續問題的探究」課程模組(張仁壽，2015)。而在教材研發上有 70%本於各校特色及師資專長，採取自行發展探究與實作的課程教材，如夏日新與林佰鴻(2020)以學校鄰近的機場與港灣開發課程，並建議採用以終為始(begin with the end in mind)的原則設計課程；建國中學以手機與 app(Phyphox、科學日誌)做為檢測及紀錄工具，探討奈米硫粒實驗反應速率的測定(劉燕孝、廖家榮，2018)。而逢甲大學則提供結合科學博物館的資源，根據情境學習理論(situated learning)，發展以「物理劇場」的形式所進行的逢甲摩課師的物理教材，供高中學生進行學習(洪耀正、李英德、羅道正，2018)。另外的 30%則以坊間相關教科書的部分或全部作為教材，顯示多數教師仍傾向自行發展教材而非仰賴教科書。. 27.

(37) (二)探究與實作的實施挑戰教學場域實施探究與實作的過程中也存在許多問題與困境，包含行政方面如何配合、學生實際運作的問題或教師實施教學的過程等不同面向。行政方面如簡麗賢(2020)提及送審教育部的探究與實作計畫因具有時效性是顯明的憂慮，而師資如何調整、課程如何安排、資源是否充裕也都是課程實施面對的憂慮。學生實際運作方面則如，張君傑(2020)在實施探究與實作課程中發現，高中學生的實作技能待加強，且由於學生過去階段的學習中採用舊課綱的的設計理念，故探究過程的引導花費比預期更長的時間。陳家騏與古建國(2017)也有類似的結論，在以摩擦力作為主題的課程中，發現學生的探究過程中，僅能簡述專有名詞而難以用於論述之中，且也觀察到部分的學生創意發想能力不足，雖能表現出好奇心，但求知慾卻不高，影響學生的投入。李政憲等人(2017)則發現學生於過程中所產生的挫折感，如學生為少數學分的探究與實作課程卻需投入大量心力的失衡比例而感到不耐煩，甚至探究過程中也時常沒有成果，不敢跟老師討論之下而埋首苦幹，導致最後失去熱誠。除了行政與學生方面的挑戰外，作為實施探究與實作的核心角色，教師實施教學方面也存在許多議題。謝甫宜(2019)提及由食譜式實驗過度至探究與實作的困境，教師過去仰賴出版社撰寫的實驗教科書，不僅教材、儀器一應俱全，連實驗步驟及解答也都妥善準備，然而探究與實作卻難有可遵循的教學方式。趙君傑 (2020)建議教師的角色應由「主導」轉而成為「引導」，且在課程設計上善用「減法」的概念，讓探究與實作鬆一點、器材與耗材簡單一點、場地需求低一點，課程才有機會走得長久。除了教學面向上，也有學習成果該如何評量的議題(簡麗賢，2020；趙君傑 2020)，如基於證據概念(concept of evidence )為「實作背後的思考」(the thinking behind the doing)(Gott & Robert, 2008)，陳美智與吳裕益(2020). 28.

(38) 則建議可以證據概念作為探究課程中評量學生學習表現的依據；而科學寫作或論證評分表也可作為探究課程評量的方式(張珮珊、賴吉永、溫微純，2018)。四、小結探究與實作的內涵多元而豐富，同時也有許多學者提出不同的教學策略，然而目前探究與實作的相關實證研究中，多聚焦於課程設計或實施成效上，似乎已經預設現職教師對於探究已有完整且成熟的觀點。研究者身在修習教育學程的過程，以此觀之亦發現目前學術上未見與職前教師相關的探究與實作實證研究，結合前一節結論中所提及伴隨新課程的實施來自現場龐大的需求能量，師資生作為教師的源頭，不僅是教育系統中與在職教師同等重要的角色，對於探究與實作勢必也存在其需求，有進一步探討之價值。因此下一節將焦點轉移至師資培育機構中，師資生如何因應與培育探究與實作的知能，及其可能面對的挑戰或困難。. 第三節探究與實作的師資培育及挑戰在過往的每次教育改革浪潮中，課程的革新總是會引起不同的挑戰，而教師往往又是新課程實施成敗關鍵的角色，正與歐用生(1995)指出課程的改革「教師做與不做，如何做，才是重要因素」呼應，故教師經常成為課程改革時的研究焦點。如臺灣歷經九年一貫的課綱改革時，何俊青(2004)採取 Klein 與 Goodlad(1978) 區分課程五種層次的觀點，探討教師「知覺課程」(perceived curriculum)與「理想課程(ideal curriculum)」或「正式課程」(formal curriculum)的差異情形。靳知勤 (2005)關注未來的師資是否有足夠的科學素養，拋出「究竟我們的教師們準備好了沒？」的議題，將焦點更聚焦至職前教師的角色，而張仁壽(2014)則指出，針對新課綱的探究與實作，如何轉換教法是教師未來在職進修或師資培育的重要配套。另一方面，成虹飛與黃志順(1999)的研究則指出，教師成長應被優先重視，. 29.

(39) 將課程改革視作教師成長的延伸，而非將課程改革的成功當成目的，再把教師當成執行的手段。因此，「怎麼讓教師成長」則成為更基本且重要的議題。綜上，本節從關注實施 108 新課綱將面對的挑戰出發，同時聚焦於幾所師資培育機構如何回應探究與實作的課程，再探討師資生於探究與實作所面臨的挑戰。一、實施新課綱的挑戰 (一)國外實施新課綱的挑戰 OECD 2030 雖然為未來的教育勾勒美好的藍圖，但同時也明確指出在課程轉型的過程中將會面臨的五個挑戰課題(OECD, 2018)： (1)將焦點從「增加學習的時間」轉變為「提升有品質的學習時間」(curriculum overlead)。 (2) 縮短今日課程和未來需求的差距(managing time lag between future demands and today’s curriculum)。 (3) 製作高品質的教材，讓學生融入學習並獲得深度的認知(quality of contents)。 (4) 課程創新必須促進學習均權(ensuring equity)。 (5) 詳實的規劃以利改革的有效執行(planning for effective implementation )。而 NGSS 實施中，Friedrichsen 與 Barnett(2018)則研究一個生物科的教師專業社群，記錄他們如何在社群內引入新課綱的內容並轉化成自己學科教學的過程，其中發現社群的成員普遍在設計新課程時會忽略跨科概念(crosscutting concepts) 的融入，同時也較難看到工程方面的實作(engineering practices)，另外則是由於課程時間的限制，社群的教師也在課程內容與實作之間進行拉扯(tension)。Fulmer, Tanas 與 Weiss(2017)則指出在引進 NGSS 時，普遍遇到的四個挑戰：(1)有沒有任何標準可以檢視自己的教學是否符合 NGSS；(2)如何判斷或定義課程是與 NGSS 符合；(3)NGSS 之中最關注的核心是什麼；(4) 學習進度以及與之相關的對齊 (alignment)對於詮釋 NGSS 扮演什麼角色。Kawasaki 與 Sandoval (2019)則具體指. 30.

(40) 出在 NGSS 的實施中，會遇到科學的問題意識感(problematizing science)、學生權威(student authority)、重要性(accountability)及資源(resources)等挑戰。 (二)臺灣實施新課綱的挑戰教師在面對新課綱會有不同的反應，王為國(2019)指出透過對實施 108 新課綱的釋義(sensemaking)，教師面對改革會有積極、觀望、焦慮與抗拒等類型。而邱婕歆與吳連賞(2017)則取徑 Fairclough 的批判論述分析，關照教師角色於總綱中的定位及對教師角色的期待。相對於前述的在職教師立場，不同群體如職前教師在面對新課綱時也因各自立場差異而存在其議題，在師資培育的現場端也應該有積極的應對策略。隨著 108 新課綱重視素養導向的教學，吳清山(2018)指出師資教育也應該採取以素養導向式的師資課程進行規劃，而臺灣大學的師培端更已經開始思考教育學程各學科之間的整合工程(符碧真，2018)，例如以教學原理、課程發展與設計、教學評量，實為教學實務中一個連續的進程，但在目前的師資培育端裡卻被分科設置，預示了師資生的學習將會破碎而不連貫。此舉與現場端的需求明顯衝突，故藉著新課綱革新之際，師資培育端的課程再造也是非常重要，正如郭重吉(2007)所呼籲，師資培育機構所使用的教學方法，應該要和教師們以後在教學上將要使用的相符。當教育現場不斷疾呼素養導向的教學，而教師培育的源頭卻依然以傳統式的講述或斷裂的課程觀培育師資生，則可想見未來教師該如何回應教育現場的真實需求是為一大隱憂。是故次小節將聚焦於師資培育機構中，探討師資培育將如何回應新課綱中的探究與實作，以培養師資生的專業知能。二、師資培育機構因應探究與實作所開的課程師資培育的大學機構為了回應新課綱及現場實務的需求，在教育學程的課程規劃也有所調整。彰化師範大學自 108 學年度起，教育專業選修科目新增 2 學分. 31.

(41) 的科學探究與實作(彰化師範大學，2019b)。該課由三名授課教師合授，分別來自物理、化學及生物的學術背景，而在教學目標中也明確的設定「藉由實作課程相互討論，將可培養學員之探究與實作的基本能力，在未來之教育現場發揮所學。」之目標。其中的特別規劃之處則是將探究與實作的融合 STEAM (Science, Technology, Engineering, Art & Mathematics)，並將時下正流行的「自造者精神」 (Maker)強調問題解決的能力結合其中。而其精神則具體反映在規劃的教學大綱中，除了引介探究與實作的概念外，其他包含像學習各種基本動手作之能力，如 3D 列印機及雷射雕刻機的使用、動畫設計程式及智能車的調控、透過 Arduino 結合生活物聯網進行概念實作的教學設計；課程也包含透過分析清潔劑成分及有害昆蟲防治的模組開發，讓師資生可以在觀察、紀錄、分析、討論的過程中學習知識及探究與實作的內涵。高雄師範大學也自 108 學年度起於教育實踐課程中新規劃 2 學分選修的探究與實作(高雄師範大學，2019)，相較於彰師大之規劃，不同之處在於探究與實作之課程與教材教法及教學實習科目相同，皆以分科/分領域的型式回歸到各自科系供師資生學習。惟其雖然有課程的規劃，但研究者未能在其 108 學年度的選課清單中尋獲該課程，故未能對其具體的教學目標及課程規劃作評述，聊表遺憾。研究者所就讀之臺灣師範大學自 105 學年度起即開設探究與實作的內容，惟其規劃以教育議題專題之名稱包裝探究與實作的課程。授課教師來自物理、化學、生物、地科，且包含 4 小時之實地學習時數，內容包含課綱中的探究與實作之涵義解讀、教學影帶分析、實驗室體驗及參觀、探究活動的發想設計及演示，以及師資生的微試教。而由於其以教育議題專題之名稱開設，故只要擁有師資生的身分皆可修習並不局限於單一科系學生或理學院學生。108 學年度後因應新課綱之實施，探究與實作的規畫則由原本屬於教育專業科目轉換為教育專門科目，回到各自的學系開授，並從原先的選修二學分成為必修四至五學分，定位為分科的領. 32.