PISA科學素養融入探究式教學以提升國小學生科學學習成效之研究

全文

(1)國立屏東大學科普傳播學系數理教育碩士班碩士論文 Department of Science Communication National Pingtung University Master’s Thesis. PISA 科學素養融入探究式教學以提升國小學生科學學習成效之研究 A study for integrating PISA scientific literacy into inquiry science teaching to enhance the learning effectiveness of elementary students 指導教授：高慧蓮博士 Advisor: Dr. Huey-Lien Kao. 研究生：黃欣鈺撰 Student: Hsin-Yu Huang. 中華民國一百零五年六月 June, 2016.

(2) II.

(3) 謝詞在這兩年的修業期間雖然遇到一些困難與挫折，但仍堅持著無論如何要完成自己夢想的原則，關關難過關關過，終也將邁向學習的另一個階段。感謝科普傳播學系科學組的教授們給我的指導與教誨，不論在學業上或為人處世方面，都讓我受益匪淺。另外，要感謝高慧蓮教授不辭辛勞的指導，以及陪龍計畫中的團隊夥伴們的教導與協助，讓我能順利完成論文，從高教授以及陪龍計畫的學長姐們身上學到許多，更讓我能在教學上精進。同時，也要感謝口試委員黃湃翔教授、林曉雯教授在論文上指導我方向，使論文的內容更加完整。同時也要感謝研究所同學的互相勉勵與幫助，跟你們在一起學習相當快樂，在教學上給了我許多發想、創意點子，讓我的教學更具創意。最後，要感謝我的家人給我全力的支持，讓我能全心努力課業。. 黃欣鈺謹致民國一百零五年六月. I.

(4) PISA 科學素養融入探究式教學以提升國小學生科學學習成效之研究. 摘要本研究旨在以 PISA 科學素養融入究式教學法，探討國小學生科學學習成效。運用以預測、觀察、解釋及應用的探究式教學過程，再以 PISA 科學素養中的五個子面向，作為素養培養能力依據，欲了解五年級學生對「熱對物質的影響」一單元的科學知識學習成效提升程度為何，以及 PISA 科學素養能力是否提升。本研究採用準實驗研究，以高雄市某國小五年級學生共 2 個班級，共 46 人為實驗對象。實驗組實施 PISA 科學素養融入探究式教學法以及小組合作學習方式，對照組依據教科書流程實施教學。本研究透過研究工具「物質與熱」單元二階層測驗卷之前、後測得分狀況比較實驗組與對照組的學生科學學習成效提升情形；並將科學探究學習單依據評分判準轉化為量化數據，進行重複量數變異數分析以檢定實驗組學生在 PISA 科學素養能力的提升情況。本研究的結論如下：一、. 在學科知識的學習成效方面，接受「PISA 科學素養融入探究式教學法」的實驗組學生，在『物質與熱」單元二階層測驗卷』的後測成績，優於接受依據課本流程教學的對照組學生，並達統計上的顯著差異。. 二、. 在 PISA 科學素養之五個子面向的學習能力方面，實驗組學生隨著教學活動進行，得高分的比率逐漸提升，並在教學後期有顯著性的成長。最後，本研究根據研究結果提出對科學教學以及後續研究上的建議。. 關鍵字：探究式教學法、PISA 科學素養、學習成效. II.

(5) A study for integrating PISA scientific literacy into inquiry science teaching to enhance the learning effectiveness of elementary students. ABSTRACT In this study, we developed a teaching material by integrating PISA scientific literacy into inquiry science teaching to enhance students' science learning achievements. As for teaching practices, this study adopted the Prediction, Observation, Interpretation and Application inquiry teaching method, then to selected five sub-competencies of PISA (The Program for International Student Assessment) as the basis for literacy ability, For fifth graders, "Effect of heat on substance" of scientific knowledge to enhance the effectiveness of a unit level and whether the ability to enhance the PISA scientific literacy. This study used a quasi-experimental method to fifth-grade students in a total of two classes and 46 subjects in Kaohsiung. The experimental group was implemented by integrating PISA scientific literacy assessment into inquiry pedagogy and by group cooperative learning, whereas the control group was implemented by the textbook teaching process. This study further used pre- and post-test scores on the "two tier test of mater and heat unit" to compare students’ science learning outcomes of the experimental and control groups. In addition, this study used scores on the "scientific inquiry learning sheets" to learn if the students of the experimental group had been promoted on the PISA scientific literacy assessment. The results of this study knew that the experimental group did better in the post test of "two tier test of mater and heat unit", relative to the control group, and the difference was statistically significant. In addition, the five sub-competencies of PISA scientific literacy assessment have been enhanced for different learning abilities of the experimental students. Finally, this study presents suggestions for teaching and scientific research in accordance with the subsequent findings. Keywords: Inquiry science teaching, PISA scientific literacy assessment, learning effectiveness. III.

(6) 目錄謝詞 ......................................................................................................................... I 摘要 ........................................................................................................................ II ABSTRACT ........................................................................................................ III 表目錄 ...................................................................................................................VI 圖目錄 ............................................................................................................... VIII 第一章緒論 ......................................................................................................... 1 第一節. 研究背景與動機 ................................................................................. 1. 第二節. 研究目的與待答問題 ......................................................................... 3. 第三節. 研究範圍與限制 ................................................................................. 4. 第四節. 名詞解釋 ............................................................................................. 4. 第二章文獻探討 ................................................................................................. 7 第一節. 科學素養之涵義與其成效評量分析 ................................................. 7. 第二節. 探究式教學相關理論及教學策略研究 ........................................... 13. 第三節. 「熱對物質的影響」單元探討 ....................................................... 26. 第三章研究方法 ............................................................................................... 29 第一節. 研究設計與架構 ............................................................................... 29. 第二節. 教學設計 ........................................................................................... 30. 第三節. 研究工具 ........................................................................................... 32. 第四節. 研究設計 ........................................................................................... 38. 第五節. 資料蒐集與分析 ............................................................................... 40. 第四章研究結果與討論 ................................................................................... 41 第一節. 實驗組與對照組科學學習成就之比較 ........................................... 41. IV.

(7) 第二節. 實驗組 PISA 科學素養學習能力之分析 ......................................... 47. 第三節. 實驗組不同學習成就的學生其學習表現之分析 ........................... 65. 第五章結論與建議 ........................................................................................... 83 第一節. 結論 ................................................................................................... 83. 第二節. 建議 ................................................................................................... 85. 參考文獻 ............................................................................................................... 89 一、中文部分 ................................................................................................... 89 二、英文部分 ................................................................................................... 93 附錄 ....................................................................................................................... 95 附錄一 PISA 科學素養三面向能力與其子項............................................... 95 附錄二. 「物質與熱」單元二階層測驗卷原作者同意書 .......................... 96. 附錄三「物質與熱」單元二階層測驗卷...................................................... 97 附錄四. 實驗組教案 .................................................................................. 107. 附錄五實驗組學習單 .................................................................................. 121. V.

(8) 表目錄表 2-1-1 2006-2012 台灣學生科學排名 .............................................................. 11 表 2-1-2 台灣學生科學素養一覽表 .................................................................... 11 表 2-2-1 PIAGET 的認知發展期 ............................................................................ 16 表 3-3-1 單元名稱與 PISA 科學素養的三個面向能力 ...................................... 31 表 3-3-3 評分判準 ................................................................................................. 35 表 3-3-4 評分者相關檢定表 ................................................................................. 38 表 3-5-1 編碼表 ..................................................................................................... 40 表 4-1-1 組內迴歸係數同質性檢定表 ................................................................. 41 表 4-1-2 共變數分析一覽表 ................................................................................ 42 表 4-1-3 實驗組與對照組前後測成績平均分數比較表 ..................................... 43 表 4-1-4 實驗組與對照組前後測正確選答百分比 ............................................. 46 表 4-2-1 「1.1 回憶與應用合適的科學知識」學習表現人數統計表 ............... 48 表 4-2-2 受試者在「1.1 回憶與應用合適的科學知識」能力的檢定 ............... 50 表 4-2-3「1.3 產生並證明(JUSTIFY)合適的預測」學習表現人數統計表 ......... 51 表 4-2-4 受試者在「1.3 產生並證明(JUSTIFY)合適的預測」能力的檢定 ........ 53 表 4-2-5 「2.1 辨識出科學研究中所探索的問題」學習表現人數統計表 ....... 54 表 4-2-6 受試者在「2.1 辨識出科學研究中所探索的問題」能力的檢定 ....... 55 表 4-2-7「2.3 提出一個能進行科學探索的方法」學習表現人數統計表 ........ 57 表 4-2-8 受試者在「2.3 提出一個能進行科學探索的方法」能力的檢定 ....... 59 表 4-2-9「3.2 分析與詮釋數據，並產生合適的結論」學習表現人數統計表 61 表 4-2-10 受試者在「3.2 分析與詮釋數據，並產生合適的結論」能力的檢定 ....................................................................................................................... 62 表 4-3-1 學生在「1.1 回憶與應用合適的科學知識」的個別學習進展情形 ... 76 表 4-3-2 學生在「1.3 產生並證明(JUSTIFY)合適的預測」的個別學習進展情形 ....................................................................................................................... 77 表 4-3-3 學生在「2.1 辨識出科學研究中所探索的問題」的個別學習進展情形. VI.

(9) ....................................................................................................................... 78 表 4-3-4 學生在「2.3 提出一個能進行科學探索的方法」的個別學習進展情形 ....................................................................................................................... 79 表 4-3-5 學生在「3.2 分析與詮釋數據，並產生合適的結論」的個別學習進展情形 ............................................................................................................... 80. VII.

(10) 圖目錄圖 2-2-1PIAGET 認知發展歷程(整理張春興，1994) .......................................... 15 圖 2-2-2 探究式教學與 PISA 科學素養關係圖 .................................................. 25 圖 3-1-1 研究流程圖 ............................................................................................. 39 圖 4-1-1 實驗組前後測平均分數長條圖 ............................................................. 43 圖 4-1-2 對照組前後測平均分數長條圖 ............................................................. 44 圖 4-2-1 PISA 科學素養 5 個子面向之平均 ....................................................... 47 圖 4-2-2 「1.1 回憶與應用合適的科學知識」學習表現人數百分比圖 ........... 49 圖 4-2-3 「1.1 回憶與應用合適的科學知識」教學活動平均得分長條圖 ....... 50 圖 4-2-4「1.3 產生並證明(JUSTIFY)合適的預測」學習表現人數百分比圖 ..... 52 圖 4-2-5 「1.3 產生並證明(JUSTIFY)合適的預測」教學活動平均得分長條圖 53 圖 4-2-6「2.1 辨識出科學研究中所探索的問題」學習表現人數百分比圖 .... 55 圖 4-2-7 「2.1 辨識出科學研究中所探索的問題」教學活動平均得分長條圖56 圖 4-2-8「2.3 提出一個能進行科學探索的方法」學習表現人數百分比圖 .... 58 圖 4-2-9 「2.3 提出一個能進行科學探索的方法」教學活動平均得分長條圖59 圖 4-2-10 學生填答情況一 ................................................................................... 60 圖 4-2-11 學生填答情況二 ................................................................................... 60 圖 4-2-12 學生填答情況三 ................................................................................... 60 圖 4-2-13 學生填答情況四 ................................................................................... 60 圖 4-2-14「3.2 分析與詮釋數據，並產生合適的結論」學習表現人數百分比圖 ................................................................................................................... 62 圖 4-2-15 「3.2 分析與詮釋數據，並產生合適的結論」教學活動平均得分長條圖 ............................................................................................................... 63 圖 4-2-16 學生作答情形五 ................................................................................... 64 圖 4-2-17 學生作答情形六 ................................................................................... 64 圖 4-2-18 學生作答情形七 ................................................................................... 64 圖 4-3-1 不同學習成就學生在「1.1 回憶與應用合適的科學知識」得分情況66. VIII.

(11) 圖 4-3-2 學生學習單填答情況一 ......................................................................... 66 圖 4-3-3 學生學習單填答情況二 ......................................................................... 67 圖 4-3-4 不同學習成就學生在「1.3 產生並證明(JUSTIFY)合適的預測」得分情況 ................................................................................................................... 67 圖 4-3-5 學生學習單填答情況三 ........................................................................ 68 圖 4-3-6 學生學習單填答情況四 ........................................................................ 68 圖 4-3-7 學生學習單填答情況五 ......................................................................... 68 圖 4-3-8 學生學習單填答情況六 ......................................................................... 68 圖 4-3-9 不同學習成就學生在「2.1 辨識出科學研究中所探索的問題」得分情況 ................................................................................................................... 69 圖 4-3-10 學生學習單填答情況七 ....................................................................... 70 圖 4-3-11 學生學習單填答情況八 ....................................................................... 70 圖 4-3-12 學生學習單填答情況九 ....................................................................... 70 圖 4-3-13 不同學習成就學生在「2.3 提出一個能進行科學探索的方法」得分情況 ............................................................................................................... 71 圖 4-3-14 學生學習單填答情況十 ....................................................................... 71 圖 4-3-15 學生學習單填答情況十一 ................................................................... 72 圖 4-3-16 學生學習單填答情況十二 ................................................................... 72 圖 4-3-17 學生學習單填答情況十三 ................................................................... 72 圖 4-3-18 學生學習單填答情況十四 ................................................................... 73 圖 4-3-19 學生學習單填答情況十五 ................................................................... 73 圖 4-3-20 學生學習單填答情況十六 ................................................................... 73 圖 4-3-21 不同學習成就學生在「3.2 分析與詮釋數據，並產生合適的結論」得分情況 ....................................................................................................... 74 圖 4-3-22 學生學習單填答情況十七 ................................................................... 74 圖 4-3-23 學生學習單填答情況十八 ................................................................... 75 圖 4-3-24 學生學習單填答情況十九 ................................................................... 75 圖 4-3-25 學生學習單填答情況二十 ................................................................... 75. IX.

(12) X.

(13) 第一章緒論本章旨在闡述本研究的背景與動機、期望達到的研究目的，並且依據研究目的提出研究問題，以及界定相關名詞。全章共分為四節，第一節研究背景與動機；第二節研究目的與問題；第三節研究範圍與限制；第四節名詞解釋。. 第一節. 研究背景與動機. 根據 2014 年中情局世界概況估計台灣總生育率為 1.16，是全世界生育率第二低的國家/區域(維基百科)。面對少子化的壓力，在教育現場逐年減班的情況下，教師課務、級務年年調整。前兩年因兼任行政職務緣故，在課務方面被分配擔任自然與生活科技領域教師。又因自從擔任教職以來，就沒有教過自然，當時只能照本宣科，每次上課就害怕學生提問，遇到課本或教師手冊上沒有提到的問題只能一語帶過。但是從教學中可以感受到學生對自然科的學習是非常感興趣，加上在因緣際會下參加了高雄市為自然教師所舉辦的探究教學能力研習，以及往後種種的進修課程，還有研究所教授們的教導啟迪，希望透過自然科的探究式教學讓學生能更喜歡自然，進而運用自然知識與探究能力，為他們往後的學習能有所助益。而研究者想進行國際學生能力評量計劃 (The Programme for International Student Assessment, PISA)中的科學素養融入探究式教學法研究的主要原因如下述：. 一、國際性評量第一次教授自然科本就懷著戰戰兢兢的心情，加上學校通知四年級學生將接受 2014 年國際數理趨勢研究 (The Trends in International Mathematics and Science Study, TIMSS)的測驗，會由五個班的學生中抽選兩班進行數學科與自然科的測試，非常幸運的是所抽中的兩個班都是由研究者任教的，因此對於國際性評量展開初步認識。進一步研究者了解到在台灣本身也有進行相關的測驗，亦即台灣學生 1.

(14) 學習成就評量資料庫（ Taiwan Assessment of Student Achievement, 簡稱 TASA）測驗，TASA 測驗內容在四年級與六年級自然科的重點為以現行九年一貫課程綱要「自然與生活科技領域」中，能力指標的內容為主要依據，針對國小四年級至六年級學生的自然與生活科技學習目標，其中的觀察、推斷、驗證與科學的應用等也是目前國際性的評量所重視的。但研究者又思及以現代科技的日新月異，學生不應只有在台灣地區做比較，必須與世界各國家/區域比較，而目前國際性評量以「經濟合作暨發展組織國」(Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD) 主導的「國際學生能力評量計劃」(The Program for International Student Assessment, PISA)最為學者重視，使得本研究想以 PISA 科學素養面向為評量依據，以提升學生的科學學習探究能力的成就。. 二、國民小學補救教學實施幾年來在教育現場中常常強調「補救教學」，教育當局甚至要求至 102 年起，現職教師需取得教育部規劃之 8 小時研習證明，現職教師以外之教學人員則需完整取得 18 小時之研習證明，始得擔任補救教學師資，以確保補救教學品質（教育部，2014），並將它列入學校的考評項目之一，配合「攜手計畫－課後扶助」及「教育優先區計畫－學習輔導」在課後為低成就學生進行補救教學，但所著重的補救教學科目卻只有國語、數學兩科。當大家都如火如荼的展開國語、數學的補救教學同時，在自然科方面似乎就沒有像國、數一樣可以利用後課時間進行補救教學，又加上課程進度的壓力下，自然教師往往都只能依照課本內容上完應有的進度，無法顧及不同學習成就學生的學習進度，因此，教師若能利用一套有效的教學方法讓學生在課程學習的過程中就能學習應有的知識、能力，讓師生雙贏。. 三、探究式教學在參加了高雄市自然與生活科技輔導團所舉辦的科學教育探究教學研習中，初步了解了探究式教學的內容，從最簡單的學生依循教師提供的問題、操作方法、操作步驟以及結果，來完成探究和驗證已知結果的食譜式探究教學到學生自己形成研究問題、設計研究方法、選取所需器材、收集與詮釋資 2.

(15) 料、以及形成解釋和結論的開放式探究教學(白佩宜、許瑛玿，2011)，眾家學者紛紛對科學探究教學提出自己的想法與建議。又自然課一向以動手實作為課程導向，大多數的學生都喜歡動手實驗，但有鑑於一般上課流於照本宣科，依據課本上的實驗步驟一步步的操作，有些老師甚至只有在講桌前做給學生看，或以播放實驗影片讓學生觀賞，若有真的讓學生動手做，學生也不知道為何要這樣做？以及目的是什麼？往往有種做實驗就是玩遊戲的心態，到最後，實驗是實驗、課本知識是課本知識、生活是生活，三者完全脫鉤，造成大多數的學生都有一種知識無用論的心態，只要考完試後所學的就忘光光了。由於國小課程綱要近幾年也將自然課程中的實驗方式修正為探究式導向，想要引導學生思索科學知識的源由，因此研究者決定採用探究式教學法，讓學生在預測、觀察現象的過程中，對科學活動產生高度興趣，並藉由學生互相討論、互相幫助的過程中提高學生學習動機，希望藉此提升學生科學探究能力與學習成就。. 第二節研究目的與待答問題本研究以國小五年級不同學習成就學生為對象，透過準實驗研究設計（Quasi-experimental Research）的方法，以探究式教學法進行預測、觀察、詮釋及應用的教學過程，透過小組的討論與同儕間的互動學習，藉由動手操作、用眼觀察的過程，提升學生對科學學習的動機，再以 PISA 科學素養的五個子項為評量規準，以提升學生科學學習成就。以研究者任教學校的 2 個五年級班級學生為研究對象，進行量化分析輔以質性說明。. 為達上述之目的，擬以以下的問題來回答：一、實驗組與對照組在不同教學模式進行後，五年級學生在自然與生活科技領域─「熱對物質的影響」單元中學習成效為何？二、實驗組學生在經此教學模式後，在 PISA 科學素養五個子項能力是否有提升？ 3.

(16) 三、實驗組學生在經此教學模式後，在 PISA 科學素養五個子項能力的改變情形為何？. 第三節研究範圍與限制一、研究範圍 (一)研究場域以研究者服務的高雄市一所中型學校為研究對象，該社區居民大部分以工、商為主。 (二)研究對象：國小五年級學生 (三)研究主題與方法：以「熱對物質的影響」單元為主，進行探究式教學. 二、研究限制 (一)研究教材教材內容以五年級上學期自然與生活科技中的一個單元─熱對物質的影響為主，範圍並無涵蓋整冊內容。 (二)研究樣本本研究僅以研究者所任教學校的 2 個班級共 46 位學生為研究對象，樣本數量有限，且因各校地理條件、歷史因素等情境不同，故研究結果難以推論至全部五年級學生。. 第四節名詞解釋一、PISA 科學素養 PISA 的中文全銜稱做「國際學生能力評量計劃」，是英文全名「Program for International Student Assessment」的縮寫，是「經濟合作暨發展組織」(OECD)主導的評量計畫，PISA 計畫的評量與調查，是以「教育品質和公平性」作為指標，加上跨國比較作為主軸，以求其世界化的標準 (國立交通大學台灣 2015PISA 國家研究中心，2014) 。 PISA 科學素養以：(一)解釋科學現象；(二)評量及設計科學探究能力； 4.

(17) (三)解讀科學數據及舉證科學證據三大面向為主，每個面向下又細分出 5 個子項目(詳見附錄一)。加上 PISA 科學素養評鑑對象是以 15 歲學生為主，有些子項目能力並非學生學生能力可及，所以本研究只選取其中 5 個子向度 (1.1 回憶與應用合適的科學知、1.3 產生並證明(justify)合適的預測、2.1 辨識出科學研究中所探索的問題、2.3 提出一個能進行科學探索的方法、3.2 分析與詮釋數據，並產生合適的結論)作為科學素養融入探究式教學的面向。. 二、科學探究教學法「科學探究」是透過科學過程技能，尋求科學知識的過程，也就是學習者發展科學知識的歷程(林文琪，2011)。本研究之科學探究模式是以從學生日常生活經驗為題材，首先讓學生進行預測，引起學生學習動機，再讓學生進行實驗的設計，透過動手操作，實際觀察實驗結果或現象，得到實驗結果或數據，接著進行數據的詮釋，最後再由師生共同討論如何將習得的科學知識運用於日常生活中。. 三、不同學習成就學生大部分的學生在自然科的課堂表現頗佳，也喜歡動手操作實驗，但在標準化測驗中卻無法有好的表現，又似乎不受智力因素影響，因此本研究中將不同學習成就學生以依據「『物質與熱』單元二階層測驗卷」測驗中得分較高的前 27%為高分組、後 27%為低分組，探討各個學習成就學生在探究過程中 PISA 科學素養相關面向的表現，期望藉由提高其 PISA 科學素養能力能引導學生在學習方面有更佳的表現。. 四、學習成效本研究中提及的學習成效有兩個不同層面意義，在目的一：五年級學生在「熱對物質的影響」單元中的學習成效，指的是兩組學生的學科知識概念成績，即是學生在前後測的紙筆測驗中得分狀況；而目的二：PISA 科學素養五個子項能力之學習成效，指的是實驗組學生在探究式教學的學習中，透過學習單的繕寫，以檢視學生在此過程裡表現出來的學習成果，以及進步的情況。. 5.

(18) 6.

(19) 第二章文獻探討本研究主要研究目的在探討將 PISA 科學素養融入探究式教學後，學生科學學習成就及相關科學素養面向的提升情形。以下分別針對科學素養之涵義及其成效評量分析，與探究式教學相關理論研究，以及「熱對物質的影響」單元探討等三節進行探討。. 第一節科學素養之涵義與其成效評量分析一、科學素養的定義「素養」蘊涵於內，即為知識、見解與觀念；表現於外，即為能力、技術與態度 (教育部，2010)。而 21 世紀是個知識經濟的時代，科學與技學可謂日新月異，在科學與科技大幅進步，而該有的素養卻沒有相對提升的同時，就會產生許多運用科學與科技知識危害大眾的事件，例如早期英國爆發的狂牛症、2008 年中國大陸爆發三聚氰胺毒奶粉事件，再再使得大眾對政府、科學不信任(Orthia, 2013)，加上近來國內的食安事件一件件地被報導出來，讓大家不僅對食安問題的重視程度提高，對許多 STS 的相關議題也相對關注，加上網路、媒體傳播快速，許多事件可以透過傳播媒體進行相關的了解，既使民眾沒有深厚的科學知識，也能透過許多簡單的圖表或傳播方式做粗略的認識(Cheng, Wong, Lee, & Mok, 2013) 。在此當下，如果民眾沒有一定的素養水準，容易被假的知識或消息誤導，導致對事件的判斷有誤，尤其是科學相關議題，對科學與科技的知識素養更加講究，因而提升全民的科學素養成了科學教育的重點。即使科學素養已成科學教育的重點，但對科學素養內涵的界定，至今沒有達成統一的共識。Holbrook 與 Rannikmae(2009)也提到「科學素養」一詞已用於各種相關文獻超過四十年，但每位學者或組織單位對於科學素養的定義總是不太一致。科學素養其實是一個簡單的術語，其主要優點是，它總結了科學教育在學校教育裡涵蓋的所有層面，其中包括了以下幾個面向：. 7.

(20) 1.科學知識的實質內容和分辨非科學的能力 2.了解科學及其應用 3.什麼才算科學知識 4.獨立學習科學 5.有科學思維能力 6.能夠使用科學知識解決問題 7.在科學議題上運用科學知識 8.了解科學的本質，包括其與文化的關係 9.鑑賞性和舒適性的科學，包括它的懷疑和好奇 10.了解科學知識帶來的風險和好處 11.在科學和處理的科學知識上能運用批判性地思考簡單的說科學素養是了解科學並將科學應用至社會生活中，因此科學素養已經成為表達和廣泛涵蓋科學教育目的的術語(Bybee, 2009)。教育部 (2010)在自然與生活科技學習領域綱要中也提到「自然與生活科技學習領域的主要目標，是在提昇國民的科學與科技素養」。另OECD 所主導的PISA 測驗也是利用評量方式來測試各國15歲學生的閱讀、數學及科學三方面的素養表現概況，且科學素養定義為：「一個人…使用科學知識去辨認問題的能力、解釋科學現象、對於科學議題能提出以證據為導向的結論。能察覺科學與科技是如何影響我們物質的、符號的及文化的環境。並願意以公民的身分參與與科學相關的事務」(OECD, 2009)。綜合上述所知科學素養已經普遍獲得全世界各國的重視，也紛紛制定相關辦法欲提升全民的科學素養，甚至需要從小紮根，從國小教育階段就實施科學素養相關教育，以培養具有適應未來生活環境的良好公民。. 二、科學素養的內涵科學素養是人們經由學習科學所能獲得的知識、能力、態度等各方面能力(陳文典、黃茂在，2012)。又依據教育部(2010)國民中小學九年一貫課程之「自然與生活科技學習領域課程綱要」，將「科學素養」的內涵分別以八項「能力指標」來表述： 8.

(21) 『自然與生活科技學習領域所培養國民之科學與科技素養，依其屬性和層次來分項，分成科學探究過程之心智運作能力的增進(以下簡稱「過程技能」)，科學概念與技術的培養訓練(以下簡稱「科學與技術認知」)，對科學本質之認識(以下簡稱「科學本質」)，了解科技如何創生與發展的過程(以下簡稱「科技的發展」)，處事求真求實、感受科學之力與美及喜愛探究等之科學精神與態度(以下簡稱「科學態度」)，資訊統整、對事物能夠做推論與批判、解決問題等整合性的科學思維能力 (以下簡稱「思考智能」)，應用科學探究方法、科學知識以處理問題的能力(以下簡稱「科學應用」)，以及如何運用個人與團體合作的創意來製作科技的產品(以下簡稱「設計與製作」)等八項來陳述。』(原文)。什麼樣的「能力」才能納入當成「科學素養」的範疇呢？人的「能力」是在處理問題、解決問題的過程中發揮出來的，也就是人在特殊情況下成功處理某個特殊問題而獲得肯定。而教師對科學素養的認定會影響教師的教學內容與教學方法，它是指引教師如何教學的指標。科學素養的內涵是存在於教師的認知之中，若教師認為學習科學就是在學習和理解科學知識，並能通過各級考試，那麼教師的科學素養的內涵就是在教授科學學科知識。若教師認為科學也要俱備實證性，學習科學就是讓學生利用實驗或蒐集資料的方法來發現、證實或推論科學知識，科學素養內涵就是包括了知識認知以及過程技能(陳文典，2004)。如果教師想要讓學生能主動對自然現象產生興趣，進而觀察、探究、歸納思考、創造，透過種種方式獲得經驗，甚至證實這些現象，使學生在學習科學時能增進對科學認知能力、在過程技能中觀察、推論、演繹能力、統整能力，乃至於問題解決能力等(陳文典、黃茂在，2012)，這也是教師對科學素養的一種認定，以至於影響教師教授科學內容與方法。科學素養的各項「能力」標示均具有「可區辨性」，瞭解各項「能力」的意涵、形成原因及行為表微，可以讓教師設計有效的教學策略和評量方法來促進學生學習，增進此項「能力」(陳文典，2004)。在目前各項科學素養定義中，以 PISA 科學素養為最明確，亦是國際標準，可以它為教學目標，設計學習計畫，以求提升學生科學素養。 9.

(22) 三、PISA 科學素養國際學生能力評量計畫(Program for International Student Assessment， PISA)內在的普遍架構是國際間所認同，因為它是OECD 組織內的各國為監督教育系統中學生的成就孕育而生的。而其評量結果每三年出版一次，這對教育改革與學校進步都有所幫助與激勵，並提供國際層次在教育系統上的效能評量與監督(王瑞壎，2002)。而PISA所提及的「素養」評量，則較注重理解、應用、與問題解決等「能力」。其中科學素養內涵而言，於2006年所定義的科學素養為包括：(一)形成科學議題；(二)解釋科學現象；(三)產生科學論證，而2015年所定義的科學素養：(一)解讀科學數據及舉證科學證據能力：能以多樣的表現方式分析及評量科學數據、主張和論點，並做出適當的結論；(二)評量及設計科學探究的能力：能以描述、評估科學研究並提出方法去回答科學問題；(三)解釋科學現象的能力：能夠充分運用所了解的科學概念和知識，對自然界發生的現象加以解釋 (國立交通大學台灣2015PISA 國家研究中心，2014)。兩者除了解釋科學現象的評量項目保留外，其餘兩項均依據時代變遷而有所更動。但主要還是期望學生能將科學課程裡所學的能力，運用在日常生活之中。例如面對科技發展衍生的問題時，能提出有證據支持的想法、成為具備反思能力的公民（摘錄自林樹聲教授演講，2014，屏東大學）。 2015 年的 PISA 評量的學科領域以「科學素養」為主，「閱讀素養」與「數學素養」為輔。不同於往年 PISA 的評量方式，PISA 2015 的評量是全面電腦化測驗，更加測了學生的線上「合作式問題解決能力(Collaborative Problem Solving Skills)」，評量亦關注學生的科學認識論知識(knowledge of Scientific epistemology) (國立交通大學台灣 2015PISA 國家研究中心，2014)。所謂的「PISA 科學素養能力」的內容(李美慧，2015)，主要包含了以下三種： (一)解釋科學現象：充分運用所瞭解的科學概念和知識，對自然界發生的現象加以解釋。 (二)評量及設計科學探究：在解決日常生活困擾的過程中，能設計科學探究的方式，蒐集證據進行 10.

(23) 研究解決，並整體性對自己設計的探究過程進行評估。 (三)解讀科學數據及舉證科學證據：能瞭解科學數據的意義，以及能夠利用數據提出具有證據導向的結論，並說明原因。 PISA 在「合作式問題解決能力」方面，也想測驗學生與人合作的能力，人是群性的動物，尤其是華人更加強調「人情、人性」，學習不在只是一個人的事情，必須與他人合作才能發揮「三個臭皮匠勝過一個諸葛亮」的效果，從國際性的評量規準中也能看到與人合作的重要性。. 五、台灣學生在 PISA 計畫的表現 2006年台灣第一次參與PISA計畫，直到今日持續參與計畫，而除了第一次台灣學生在科學成績的總排名較高外，其餘幾次排名好像逐漸退步 (表2-1-1)。以2006年PISA測驗台灣在「科學」領域--試題屬性中的表現，我國學生科學素養的三項主要能力「解釋科學現象」排名第三名、「科學論證」排名第九名、「形成科學議題」排名第十七名(表2-1-2)。表 2-1-1 2006-2012 台灣學生科學排名年代. 參與國家/地區. 台灣科學成績排名. 2006. 56. 4. 2009. 68. 12. 2012. 65. 13. 表 2-1-2 台灣學生科學素養一覽表全球排名或比重. 項目. (同意程度) 台灣全球總排名. 分科排名. 分項排名. 第4名地球科學. 第9名. 生命科學. 第3名. 理化. 第3名. 形成科學議題能力. 第 17 名. 解釋科學現象能力. 第3名. 科學論證能力. 第8名 11.

(24) 表 2-1-2 台灣學生科學素養一覽表(續) 全球排名或比重 (同意程度). 項目人類生物學. 68%. 科學解釋. 42%. 我喜愛獲得科學的新知識. 79%. 我樂意作科學的習題. 43%. 我通常可以在學校的科學課題上正確回答. 36%. 學校科學課題是容易的. 28%. 科學興趣指標. 科學樂趣指標. 科學自我概念指標. 資料來源：引自吳書銘(2008) 有不少學生表示自然課是他最喜歡的課程之一，也會因為不能上自然課而感到失望，感覺學生對自然科的學習動機是非常強烈的，但再進一步詢問學生喜歡上自然課的原因，大多數的學生都說是：因為自然課可以做實驗，可以在課堂中走動及發表討論，但也有學生曾經親口表示：當老師不做實驗時，他覺得非常無聊，甚至會睡著。到此，讓研究者思索學生是真的喜歡上自然課嗎？到底老師要如何教學才能讓學生有學習動機呢？在心理學上，動機被視為人類行為的原動力，是活動、行為或學習的原因，動機是一種內在的歷程，可以引起個體從事某些活動、行為或學習，並維持已經引發的活動能夠持續的進行。按「學習動機」(motivation to learn) 一詞的含意，是指能夠激發、引導學習行為，並且使學習行為持續的內在歷程(張靜儀、劉蕙鈺，2003)，亦是指引起學生學習活動，維持學習活動，並導引該學習活動趨向教師所設定目標的內在心理歷程，學習動機屬於心理性動機，若是受外在環境因素影響而形成的，則為外在動機；若受本身內在需求而產生的話，則為內在動機(張春興，1994)。綜合上述，如何讓學生對學習一事不僅於一開始的引發動機、對實驗抱著好玩的態度，而是能持續此種學習態度及動機，在面對不同單元與內容時也能維持著長久的態度與學習動機。從 PISA 測驗中顯示出台灣學生的表現隱藏了學生學習動機不足、學習興趣低落、信心喪失的危機，往往因為學生喜歡做實驗，就當學生喜歡科學，. 12.

(25) 可以將科學學得很好，又因長期考試引導教學的結果，當學習變成是執行一種沒有樂趣的「勉強」任務時，學習熱忱與效果難以持久(陳慧娟，2013)，因此如何在教學中融入科學素養，以期望提升學生學習興趣或成效，是當前科學教育需要關注的一環。現今世界各國家或地區愈來愈重視「素養」，各家學者紛紛為素養做定義的潮流下，因此自然與生活科技的領域教學裡，提升學生的科學素養顯得重要異常，相對於一般學者對科學素養定義的不同與喻意不明，PISA 測驗將科學素養定義明確化，依據 PISA 科學素養的三大面向 15 個子項進行對學生科學能力的檢測，既符合國際趨勢，又能明確了解學生未來在國際間的競爭力，從此面項看來，提升學生的科學素養已是時代所趨。透過對學生科學素養能力的培養與提升，讓學生能運用所學的科學知識及探究能力，解決未來生活問題，以提升國家競爭力；也能透過學生因有基本科學素養，對未來社會科學議題有基礎的判斷能力，以期減少近年來紛紛擾擾，因卻乏科學知識與素養而影響社會大眾的食安事件的一再發生。. 第二節探究式教學相關理論及教學策略研究一、探究式教學的相關理論在目前的自然領域教學環境中，不只強調學生必須習得應有的科學知識，更加強調如何運用已有的知識在未來的生活中做最有效的應用，在強調全人教育的精神裡，想要培養學生成為一個能為社會、自然與文化的永續發展，謀求彼此互惠與共好的公民(教育部，2014)。為了達到此目的，教導學生學會如何主動學習、探索知識、與人合作等能力是未來12年國教的主要目標，也是自然與生活科技領域中探究式教學方法的重要意涵。. (一) 探究式教學法的重要性從九年一貫課程開始，一直就是強調學生帶著走的能力，自然科的教學更甚，不只要教導學生習得科學知識，更希望學生擁有科學的思維方式及運用科學知識於生活中的能力。直到近年來教育部提出十二年國民基本教育的基本理念在於以「自發」、「互動」及「共好」，強調學生是主動的學習者，學校教育必須能引出學生的學習動機與熱情，引導學生應用實踐所學應 13.

(26) 用於社會中，使生活環境更美好(教育部，2014)，在自然與生活科技領域的範疇中，也更加希望學生能主動探究科學知識，強調生活與科學、科技的結合。美國科學促進學會(American Association for the Advancement Science, AAAS, 1989)指出，科學探究活動就是讓學生從一個現象的問題開始學習，在過程中，他們能主動參與、提出假設，然後收集並分析證據，進而設計及研究的過程 (鄒玉鈿、張景媛，2012) 。要在課堂中教授這些知識與能力就必須運用教學方法，在許多的教學方法中，最適合用於自然科教學，又能達成期望目標的方法即以探究式教學法為最佳選擇(Shaheen, Alam, Mushtaq, & Bukhari, 2015)。. (二) 探究式學習與建構式主義建構式教學（Constructivist teaching）乃是源自教育心理學二位大師 Piaget與Vygotsky的教育思想理念所發展出之教育教學的新典範(陳啟榮， 2006)，對後世的教育影響相當深遠。探究式學習是以建構主義為主要的理論架構，因建構式主義強調學習者必須主動有意義的學習，知識是無法從教學者的腦中直接轉移或灌輸進入學習者的腦中，唯有透過學習者主動的「想要」學習，學習對學習者而言才會產生作用。因此教學者必須先引發學習者的好奇與興趣，而從學習者的生活經驗中切入是最佳的方式。以下就二位大師Piaget與Vygotsky的教育思想理念簡略描述： 1. Piaget 認知發展理論 Piaget (1978)認為知識是經由學習者本身主動建構之結果，並無法假借他人之手來完成，重視知識是如何形成的，是一種思維模式，屬於「個人建構理論」。其原則為： (1) 主動原則：知識是學習者主動建構而來，並非被動接受。 (2) 適應原則：認知的功能是適應性，調整認知結構以順應環境的需要。組織是內部機 14.

(27) 制，適應為外顯行為。 (3) 發展原則：主張認知是藉由學習者本身已知的基模(Schema)為發展基礎，透過對新事物不斷的同化(Assimilation)與調適(Accommodation)的一連貫反思的歷程，建構屬於學習者自己的知識(圖2-2-1)。. 同化（將事物納入現有的基模） ↓ 局部平衡 ↓ 現有基模不能處理的新經驗 ↓ 不平衡 ↓ 新基模. ←. 調適（改變現有基模以適應世界）. 圖 2-2-1 Piaget 認知發展歷程(整理張春興，1994) 因此在 Piaget 的認知發展理論中個體為因應環境變化而改變其認知結構的歷程是個體自發性的發展，教師應該依據學生的思維方式實施教學，並循著學生的認知發展歷程設計適合學生的課程(Cakir, 2008)。在此也強調學生先備知識的重要性，教師必須在學生既有的學習基礎上教學，且根據學生能力安排學習活動，讓學生的學習有較高的成功機率。另外，Piaget 發現個體自出生到成長的這段期間，成長時的認知發展中具有連續性呈現出階段性的特徵，稱之為「認知發展階段論」，即個體為因應環境變化改變其認知結構，此一歷程是自動自發的，並帶有生物科學觀的色彩，強調個體成熟的重要性。Piaget 也強調各個時期間並非跳躍式改變，而是連續中呈現階段現象，且各期特徵的出現會因人而異（個別差異大），但大致上四個時期的前後順序不變，表 2-2-1 的內容即為 Piaget 認知發展期的簡單說明。. 15.

(28) 表 2-2-1 Piaget 的認知發展期期別. 感覺運動期. 前運思期. 具體運思期. 形式運思期. 年齡. 0-2 歲. 2-7 歲. 7-11 歲. 11 歲以上. 認知特徵 1.. 憑感覺與動作以發揮其基模功能。. 2.. 由本能性的反射動作到目的性的活動。. 3.. 對物體認識具有物體恆存性概念。. 1.. 能使用語言表達概念，但有自我中心取向。. 2.. 能使用符號代表實物。. 3.. 能思維但不合邏輯，不能見及事物的全面。. 1.. 能根據具體經驗思維以解決問題。. 2.. 能理解可逆性的道理。. 3.. 能理解守恆的道理。. 1.. 能作抽象思維。. 2.. 能按假設驗證的科學法則解決問題。. 3.. 能按形式邏輯的法則思維問題。. 資料來源：張春興， 2008. 由上表得知，國小高年級學生的認知發展大多屬於具體運思期，在學習時尚需要動手操作與用眼觀察等運用五官的感官來學習新知，因此在自然課程的安排中，實驗佔了非常重要的一環，而探究式教學中強調的觀察、實作即與Piaget認知發展期相互呼應。 2. Vygotsky 社會建構式教學 (Social constructivist teaching） Vygotsky主張知識是學習者在社會互動與合作之下，藉由共同討論而獲得共識之結果，知識的獲取要透過與他人（包含父母、教師與同儕）的互動方可產生真正之學習(陳啟榮，2006、Cakir, 2008)，Vygotsky非常強調學習者必須使用語言與他人或自己溝通，藉由溝通的過程激發創意，同時也強調透過成人的幫助可以提升學習者的認知程度，教師的任務就是製造一個情境任學生可以藉由情境的討論，或有認知衝突須加以解決，或由同儕學習增加知識(Hugerat, Najami, Abbasi, & Dkeidek , 2014)，而且運用同儕討論方式比聆聽教師講課更能讓學生學到更多的知識，因為在小組討論中，尤其是異質分組的小組中每個人都擁有不同的知識背景，在不同的討論主題裡可以發揮不同的功效。. 16.

(29) Vygotsky 認為影響學生在校學習的概念有二，知識的關聯性與團體的互動，而這兩種發展都是經由日常生活的經驗衍生出來的，兩者間的區別在於有無經過系統性的組織(Cakir, 2008)，所以透過教師將知識有系統的組織後，經由課堂講授、引導觀察、實驗、與小組成員的合作討論等，都能有效幫助學生學習，這也是一種探究的精神表現。. 二、探究式教學的模式許多的論文中都提及使用探究式教學在學生的學習成效、科學概念、科學學習動機、學習態度、觀察、思考、解釋能力等都能有效提升(林如敏， 2013、胡俊康，2013、黃理仁、2013、顏郁菁，2013、朱志強，2014、涂馨友，2014、陳燕嬋，2014、陳淑玲，2015) 。甚至能將探究式教學融入各種教學模式，或電子書、或電子手寫板、或科學遊戲，增加學生美感、文化認同等，甚至直接教授有關科學本質內容，再再都能有效的成果。以下就最常見的幾種探究式教學法簡述之：. (一) POE教學 POE 是「預測(Prediction)－觀察(Observation)－解釋(Explanation)」的簡稱。該教學序列最初源於Champagne, Klopfer與Anderson於1980年所發展 DOE (Demonstration-Observation-Explanation ) 的研究工具，主要用以瞭解大一學生學習古典力學時，對於物體運動的另有概念。老師在展示實驗過程中，會要求學生觀察並記錄，然後再回答相關物體運動的問題。其中有些題目會要求學生於實驗前先進行預測，雖DOE未強調該預測的步驟，但相較於傳統講述教學，該預測的步驟較能引發學習者的興趣。 Gunstone（1990）將之延伸發展出POE，POE 雖與DOE 有相近的步驟，但其更強調了觀察前的「預測」，以讓學生能於該活動中將其所學的知識運用出來(楊凱悌、邱美虹、王子華，2009；吳怡慧，2014)。所強調的是學習者藉由預測與觀察，產生認知上的衝突，可以使學習者進一步討論、探索，最後解釋觀察到的現象與自己想法之間的差異，進而將原有的概念重新建構，產生主動探索，有意義的學習。. 17.

(30) (二) 5E學習環學習環源自於Piaget的認知發展理論，是由美國「生物科學課程研究」 (Biological Science Curriculum Study，簡稱 BSCS)發展出的建構式教學法 ─5E學習環教學模式，有很多研究都證實學習環在教學上對學生的學習是有幫助。其中共為成五個教學階段：「投入（E1）→ 探究（E2）→解釋（E3） →精緻化（E4）→評鑑（E5）」五個階段(熊召弟，王美芬，1995)。. (三) 5Why鷹架式教學提問策略 5Why鷹架式教學提問為科學探究教學的一種，「鷹架」概念源自於 Vygotsky的學習理論，在教學課堂中藉由教師以學習者的生活經驗現象開始提問，隨著一連串的提問過程，引導學習者一層層提問、回答問題，找出核心問題並提出解決策略(盧秀琴、洪榮昭、蔡春微，2008)。綜合以上，以自然科探究教學法而言，POE 教學法與5E學習環均能幫助國小學生進行探究活動並進一步獲得新知(鄒玉鈿、張景媛，2012)，對於學生的學習成就與學習動機都要正向的助益。而5Why鷹架式教學提問則不侷限於自然科的教學，任何一科的學習都可以適用，但以探究的精神而言， POE教學與5E學習環似乎更適合國小學生。然而本研究主要採以 POE 教學策略的基本架構，進行些微修正，因 POE 教學首先強調「預測」，引發學生的好奇心，也是邀請學生進行學習的一種方式，接著透過觀察，想藉由學生在實驗中實際的觀察獲得新知，在國小階段是否動手實作，對尚處於具體運思期的學生而言是相當重要的，他們必須藉由實際操作的過程中發展新的認知。也因為動手做的過程可以引發學生對學習的興趣與好奇，使得學習變得更具體、有趣。最後也希望藉由對學習興趣的提升，可以讓學生學習成就跟著提升。. 三、探究教學的原則 OECD (2013)所提出的 PISA2015 科學素養與合作解決問題的架構中提及探究學習是一種精神，主要是讓學習者透過與生活經驗連結，依據自身原有的先備經驗進行科學學習，許多有關探究式教學的研究都指出教學者在授課的過程中不應給予過多的干預。如果能讓學習者從發現問題、找尋可行方 18.

(31) 法、透過與同儕或教師的討論引發更多想法與做法、產生結論等都能由學習者自己一手掌握是最理想的探究式教學法，教師在其中所扮演的角色只是引導學生學習(白佩宜、許瑛玿，2011)。以探究式教學的精神，劉美芳(2004)在《簡介探究式教學》一文中提出幾項探究式教學的原則： (一) 題材應生活化、趣味化國小學生對學習的態度大多處於〝好不好玩〞、〝有不有趣〞進而決定要不要認真學習，所以課程與題材的趣味化即顯得重要，又若課程能與生活結合，讓學生在日常生活中即能觀察，甚至實驗，也能增進學生學習的動力。 (二) 利用小組合作學習，營造學習氣氛全班在課堂中進行討論，可讓所有的學生分享共同的學習經驗，而小組教學可以讓學生更能參與學習。因此 PISA2015 的評量中也融入合作解決問題評估能力（Collaborative Problem Solving, CPS），就是在評估學生合作能力的學習，並能進一步在實際環境與社會上繼續與他人溝通、合作，學生也可以透過小組合作達到溝通、協商、衝突化解等社交技巧。 (三) 提供多元的資源供學生使用教師給予學生多元豐富的資源讓學生能充分運用，同時也刺激學生創造思考能力，讓學生能活用各種資源。 (四) 課程架構必須有組織所有的教學活動必須都是有意義的，並非放任學生盲目的學習，教師必須事先做好課程規劃，讓學生能朝著規畫好的目標前進、學習。 (五) 注重過程中創造性思考、態度、技能的評量以多元實作的方式進行教學，因此評量也要朝向多元的角度思索，必須能評量出學生在學習過程中的認知學習、學習態度，及其情意，才不枉探究式教學的精神(Shepardson, & Britsch, 2001)。 (六) 教師適當的導引，卻不過度的介入在任何的教學環境中，學生才是學習的主體，教師只須擔任引導者的角色，適時解惑與引導，鼓勵學生思考學習，不可以過度干預學生學習。. 19.

(32) (七) 尊重學生個別差異要鼓勵內向學生勇敢表達，讓每一位學生都能參與探究式學習，領略學習的樂趣。. 四、自然科探究式教學建構主義強調學習的主動性，任何人都無法將知識強灌到另一個人的腦中，必須靠學習者主動學習建構自己的知識。因此在課堂中教師不再是教學活動的主角，而是輔助者，教師可以設計教學情境引導學生學習。探究式教學可以使學生主動學習，並能增加與他人合作、溝通的能力，經由討論、觀察、實驗的一連串學習過程，讓學生獲得學習的成就與滿足 (Bruce, 2014)。教師利用預測引發學生的學習興趣，在實驗觀察與相互討論的過程中善用機會、實際例子來解釋從課程中所學到的知識如何運用在其他科目、日常生活，或是未來工作發展中，也能將課程內容與學生的興趣互相結合，讓學生產生較高的學習動機(逢甲大學--教師教學成長中心，2010)。本研究以探究式教學模式進行主要的教學活動，主要是根據POE 的教學模式進行修正，因POE 探究教學的過程主要是先讓學生預測某個事件的結果，並說明其預測的理由；接著再說明、解釋自己觀察到的現象；最後再調和（reconcile）自己在預測與觀察間所可能會出現的衝突 (楊凱悌、邱美虹、王子華，2009；吳怡慧，2014)，但現行國小自然與生活科技領域課程中比較強調學生對生現象的觀察，許多實驗背後的科學原理大部分學生都已然了解，少有認知衝突的議題產生，原因可能是國小學生年齡尚小，因此會有以下幾種情況產生： (一)以具體觀察為目的國小階段學習的目的旨在於加強學科知識，與對現象的了解，可以對觀察到的現象加以解釋，但現象背後一些更深層的原理原則卻無法說明清楚，例如：學生了解氣球放到熱瓶中會膨脹是因為熱空氣使得氣球內部的氣體體積變大，所以氣球膨脹，但為何加熱會使氣體體積變大，學生因無法看見空氣粒子體積改變形況，無法具體說明原因。. 20.

(33) (二)科學知識有限學生對於科學知識認識有限，主要的學習過程是必須藉由實物的觀察，尤其是生活周遭的現象觀察，方能正確又快速習得知識，既然在日常生活中即可觀察，表示學生或多或少已有概念，因此在預測的階段，大多數的學生都能答出正確的答案。 (三)未達高階認知發展學生的認知發展尚未達到抽象思考的階段(依Piaget認知發展理論而言)，即使教師加以解釋說明，大部分學生也無法理解抽象概念，尤其是看不見的物質，例如：空氣、輻射等，只期待學生能將現在所學理解、記憶於頭腦中，在未來可以進一步地學習與研究。因此本研究的探究式教學做法說明如下： (一)預測 (Prediction) 首先讓學生預測某個事件的結果，並說明其預測推理的理由。此階段主要是讓學生依其個人經驗來進行預測，但不是學生隨意猜測，否則會失去預測的價值，而教師也須設計情境讓學生能依據自身的經驗或理論進行預測。這也是重要引起動機的活動，讓學生對即將進行的學習感到有趣，加上一些賭博的心態，激發學生的學習興趣。 (二)觀察 (Observation) 進行觀察前，教師要確定每一位同學都已經完成預測步驟。之後再進行實驗觀察活動，學生必須及時寫下他們所觀察到的現象或結果。想要每位學生都盡可能可以觀察到老師所想要學生觀察到的結果；因此，觀察要盡量直接一點，且事件的結果也必須盡量明確。以昆蟲為例，學生在觀察昆蟲幼蟲時，無法觀察到幼蟲真實的腳是在胸部，而只看到腹部的偽足，若學生沒有觀察到教師所欲其觀察的特徵，教師可以適時引導，或運用數位影音協助學生觀察。另外，PISA在2012年將已問題解決定義為個人獨自尋找解決問題的效率是不明顯的，只有透過團體合作解決問題才能使1.工作有效被劃分、安排， 2.資訊可以從知識、觀點和經驗中多方提供；3.藉由其他小組成員的想法刺激增強創意和解決方案的品質(OECD, 2013)。因此在觀察階段，教學過程中 21.

(34) 適時引導學生合作學習，讓觀察更具功效。 (三)詮釋 (Interpretation) 國小階段較屬於對現象的觀察與認識，學生大多能做出正確的預測，學生處於知道有此現象，但對現象背後的科學原理不是太清楚，例如：學生知道「熱脹冷縮」的名詞，也知道一些現象的變化是屬於熱脹冷縮，但不清楚熱脹冷縮是熱的傳播原理，所以必須藉由教學、實驗、討論讓學生對熱的傳播概念更加理解。此時，全班在課堂中進行討論，可讓所有的學生分享共同的學習經驗，而小組教學可以讓學生更能參與學習。因此在PISA2015合作解決問題評估能力是評估在學生合作能力的學習，並能進一步在實際環境與社會上繼續與他人溝通、合作，因此學生必需學習到精通溝通技巧、衝突管理，在團體中見識共識等。同時也能配合PISA科學素養中第三項面向：詮釋與解釋數據，在解釋的部分強調以解釋實驗結果，想藉此培養學生對於實驗結果能有更完整的解釋，並能自行繪製實驗結果的表格，而非依據課本、習作給予的制式表格進行背誦。 (四)應用 (Application) 依據前述與教育部(2010)國民中小學九年一貫課程之「自然與生活科技學習領域課程綱要」裡「科學素養」內涵的其中一項便是「應用科學探究方法、科學知識以處理問題的能力」，在本研究的教學法中最後一項即想培養學生將科學知識與生活經驗結合，使學生覺得學習是有意義的、在生活中可見的，或是可以運用在未來的生活裡，想藉此打破學生覺得課本知識在生活中是沒有用的，只要考完試就可以忘記的觀念。. 五、探究式教學與 PISA 科學素養的關係在這個科技日新月異的時代裡，教學工具不斷創新與進步，猶記得十幾年前學校才在如火如荼的推動資訊融入教學，許許多多的資訊媒體被開發、應用在教學中。教室裡從只有黑板、粉筆的時代，快速進步到班班有電腦、班班有單槍，許多的資訊設備更是不勝枚舉，實物投影機、音響、電子白板……，只要教師資訊能力夠，即可上網搜尋許許多多的教學相關影片，協 22.

(35) 助教學。在此教師更應該運用多樣化的教學方法，妥善利用學生的好奇心，協助學生進行學習探索。藉由教師提出問題，鼓勵學生分析問題、提出解決方法，運用創意發想和批判性思考，不限制學生思考的方向，讓學生體會學習的樂趣，增強學習的內在動機，強調理解而不死背，從而幫助學生審視自己的進步，鼓勵他們對分析自己的優、缺點，讓學生更加了解自己的學習情況，同時也強調學習的精熟，而不是分數的高低(逢甲大學--教師教學成長中心， 2010)。在許多的課程中學生需要學習的技能包括：批判性思維、解決問題、自我管理、訊息與溝通技巧（Information and Communication Technology, ICT），以及溝通和合作能力，其中溝通和合作，與將知識化為力量，應用於日常生活中的能力是 21 世紀學生最需學習的技能，因為在評估合作解決問題和應用知識的技能，是要求由學生需要為將來工作需要的能力做最有效地學習(OECD, 2013)。在PISA科學素養明訂了國際間認為學生適應未來生活所需要達到的能力，唯PISA科學素養能力之目的在於測驗15歲學生，而非國小學生，若想將其科學素養各個子項目都應用於國小學生身上，似乎不太適當，也無法評量出想要的成果。因此依據探究式教學的精神，再審視PISA科學素養的15 個子項目(如附錄一)，尋找出兩者間可以相互融合，且適合用於國小學生的方法。在本研究探究式教學法中首先強調─預測，而在2015年PISA科學素養的第一面項的第三子項即為「產生合適的預測」，以及第二面項中「辨識出科學研究中所探索的問題」，正好可以符合教學中的此項目標。讓學生就所看到的現象進行預測，但不是只是讓學生隨意亂猜，還必須讓學生依據以往經驗或先備知識說明理由，因為在OECD (2013)科學素養的框架中提到「一個有科學知識的人可以運用預期，建立科學標準的模型以建構簡單的陳述來解釋日常現象」，因此讓學生進行預測不僅可以引吸學生學習興趣，也能了解學生對科學知識的了解程度，接著引導學生運用已知的知識，進行探索問題的覺察，根據情境提出一個可以探索的方法，作為學生對即將學習的科學 23.

(36) 知識的適當描述與解釋。本研究的探究式教學法第二步驟是觀察，也是最能讓學生實際審視操作的一環，符合著探究式教學法的精神與目標，從2006年到2015年的PISA 科學評量中，探究能力的培養一直都是科學素養能力強調的重點，在PISA 科學素養第二面項中「提出一個能進行科學探索的方法」裡，讓學生藉由提出可進行探索的方法，以增強學生對課程與實驗前的觀察，培養學生能觀察、利用現有資源進行探究，在學生進行完規劃之後，讓學生觀察檢視自己的實驗設計是否完善，藉由學生產生「這是我的實驗」心態，讓學生在實驗進行中能更仔細觀察並參與實驗進行。本研究的探究式教學法第三步驟是詮釋，PISA科學素養中第三面項中的「分析詮釋數據，並產生合適的現象」，在OECD (2013)科學素養的框架中對該項能力的定義是：解讀數據是所有科學家的核心活動，最初，數據解釋開始於尋找模式，建構簡單的表格和圖形。這也正符合本研究的探究教學法中詮釋一環能力的培養評量指標，藉由對科學問題的探索與思索，以期學生或藉由教師的引導，或藉由自身能力的運用，進行科學探究觀察或實驗，並根據實驗結果製作表格，將實驗結果記錄下來，以符合「詮釋」的目標要義。在本研究的探究式教學法中最後一環即為應用，這也是審視學生否真正習得知識重要的一環，藉由學生的寫作或說明讓教師了解學生是否能將習得的科學知識應用於日常生活中，或是了解日常生活中運用科學原理的現象，可以隨時隨地觀察周遭現象，不再對周邊的現象或裝置無感，視為理所當然，進而培養學生的科學素養，使得社會上許多沸沸嚷嚷的科學議題可以被更加重視。在2015年PISA科學素養對「解釋科學現象」一項的定義即為需要理解知是如何產生與應用在生活中(OECD, 2013)，即與此項目標符合。並將上述探究式教學與PISA科學素養的關係繪製成圖2-2-3。教育部(2010)國民中小學九年一貫課程之「自然與生活科技學習領域課程綱要」中已有提及探究式的教學方式，一般教科書中的實驗引導方式也都又依據相關規定進行，但多流於食譜式的實驗方式，學生在觀察與解釋方面 24.

(37) 的能力不強，得到課本設計好的答案後就覺得是成功，習得該有的知識了。因此本研究主要強調學生應用科學知識於日常生活中的能力，尤其是以分析與詮釋數據方面，讓學生能依據自己所探究的主題設計、解釋自己實驗後獲得的答案，期望能提升學生知其然亦知所以然的能力。. 預測. 觀察詮釋. 應用. •解釋科學現象 •1.3產生合適的預測 •評量及設計科學探究 •2.1辨識出科學研究中所探索的問題. •評量及設計科學探究 •2.3提出一個能進行科學探索的方法 •解讀科學數據及舉證科學證據 •3.2分析與詮釋數據，並產生合適的結論 •解釋科學現象 •1.1回憶與應用合適的科學知識. 圖 2-2-2 探究式教學與 PISA 科學素養關係圖. 六、小結：總而言之，目前全球許多國家及地區紛紛加入 PISA 的測驗。也隨著 PISA 測驗的行之多年，這些參與國家及地區也已體認到不能只加強 12-15 歲學生的評量素養，更必須向下扎根，從小教育學生，讓國民從小就擁有良好的科學、. 閱讀、數學素養，以提升國家競爭力。因此在自然與生活科技領域中，透過探究式的教學藉以提升學生應有的科學素養，期望學生經由教學方式的學習，能自我學習、擁有理性思考、有條理邏輯的判斷能力，讓學生能夠有足夠的能力去迎接未來總總生活上，甚至專業上的挑戰。. 25.

(38) 第三節「熱對物質的影響」單元探討「熱」的相關概念不只在自然與生活科技單元中被教授，在一般日常生活中隨時都接觸得到，但學生對於「熱對物質的影響」尚存有許多迷思概念(邱怡倩，2006、蔡孟均，2007)，因此本研究想就由 PISA 科學素養融入探究式教學法協助教師在教學過程中診斷學生在熱一單元中是否有些迷思概念，進而協助學生提升其學習成效。. 一、熱的一般性質在物理學上對「熱」的探討分為溫度測量、熱的移動、狀態的變化、熱力學以及熱機。其意涵簡單敘述如下： (一) 溫度測量：物體會隨著溫度的改變而有所變化，一般而言，溫度上升物體會膨脹、溫度下降物體會收縮。 (二) 熱的移動：熱是一種能量的形式，熱的移動則是從溫度高的地方往溫度低的地方移動，其移動方式有傳導、對流、輻射等 3 種。傳導意指熱由物質內的某一分子傳至另一分子，而物質本身並未移動；對流是指熱藉由物質本身的移動，傳至整體物質，最常見的是液體與氣體；輻射是指熱無須依賴中間任何物質作為媒介，即可傳至他處。 (三) 狀態的變化：即包括固體、液體、氣體，當壓力一定時，物質保持固體狀態，當溫度上升，則轉變成液體，溫度若持續上升，終將轉變成氣體。反之，溫度下降時，物質即從氣體轉變成液體，再轉成固體。 (四) 熱力學和熱機：以熱是一種能量的概念，所形成的熱性質，其中蘊含四條定律，並廣泛運用於各種科學與工程領域中。關於熱的一般性概念中，本研究所要探討的範圍在於溫度的測量與熱的移動，藉由探究式教學的模式探討學生對熱與物質是否存在些迷思概念。. 26.

(39) 二、「熱對物質的影響」之課程分析在九年一貫課程綱要(教育部，2010)國小自然與生活科技領域部分的學習領域之教材內容要向中，「熱對物質的影響」隸屬於兩部分，一是自然界的組成與特性→物質的組成與特性→物質的組成與功能；二是自然界的作用 →改變與平衡→溫度與熱量，其中所屬細項，說明如下。 (一) 物質各具特質察覺物質各具性質(例如不同物質雖然大小相同，輕重卻不同；導熱性不同；有的易溶於水有的不易；有的硬脆有的可延展)。利用物質性質或外表特徵來區分物質。觀察發現物質的形態會因溫度的不同而改變。 (二) 探測物質的性質實驗發現物質性質各自不同(例如有的易導電有的不易；有的易導熱有的不易；水溶液的酸鹼性)。實驗發現溫度高低不同，物質的形態、性質會改變(如水的凝固或氣化，熱脹冷縮、溶解量、擴散快慢)。 (三) 探討物質性質的改變探討影響物質形態或性質的因素(例如溫度、壓力等)。 (四) 熱源知道「熱」的來源很多，太陽、燃燒、摩擦等，均可產生熱，並會使用溫度計。 (五) 熱會傳播，溫度會變化知道可用很多方法去比較冷熱的程度，及察覺熱會由高溫處傳到低溫處。溫度與物質性質的改變。察覺溫度高低，造成水的三態變化。 (六) 熱傳播與溫度改變知道熱可由傳導、對流、輻射等方式傳播，並利用此傳播性質於日常生活中 (例如保溫、散熱等)。 (七) 熱的傳播探討熱的傳播方式，如傳導、對流與輻射。 (八) 溫度與物質性質的改變定性瞭解氣體體積、溫度與壓力的關係；知道加熱會改變物質形態，發 27.

(40) 生脹縮、熔化、蒸發、擴散等現象。上述細項概念也是國小高年級學生必須學習的科學知識，但有研究顯示學生對於此單元的學習存有迷思概念(邱怡倩，2006)，也有許多研究指出探究式教學能有效提升學生的學習成效(李美青，2012、朱志強，2014、陳淑玲，2015)，加上國際評量對科學素養的日益重視(羅柏風，2015、留君毓， 2015)，因此藉由 PISA 科學素養融入探究式教學的教學研究，想了解對於學生的科學學習是否有所提升。. 28.

(41) 第三章研究方法本研究主要以 PISA 科學素養融入探究式教學法欲提升學生科學學習成就。為了有效達到研究目的，採用準實驗設計，除了透過「物質與熱」單元二階層測驗卷、科學探究學習單得分來瞭解學生在學習成效。研究採取方便取樣，選取研究者任教的學校中，選擇五年級學生為樣本， 1 班為實驗組 1 班為對照組。本章共分為五節：第一節為研究設計與架構；第二節為教學設計；第三節為研究工具；第四節為研究設計；第五節為資料分析與處理。. 第一節研究設計與架構一、研究場域服務的學校是高雄市一所中型學校，共有 26 個班級，分為普通班 22 班、音樂藝才班 4 班。學生數約為 640 人，該社區居民大部分以工、商為主，學校位於捷運站附近，人口流動頻繁，學區內學生外流嚴重，但也有不少學區外學生因慕名學區國中而跨區就讀，大多於高年級時轉入，學生來源廣大。但低收入戶以及中低收入戶學生人數比例偏高，約有佔 1 成左右，此類學生學習意願普遍不高，學習成就較低落，常是學校課後安親班及補救教學班的成員之一。學校自然專科教室有 4 間，自然科任教師均非本科系畢業，四、五年級主要授課教師為 2688 代理教師；三、六年級則由行政人員擔任授課教師。. 二、研究班級 104 學年度五年級有 5 個班級，其中除了一班藝才班外，其他學生在五年級編班時，均依照高雄市教育局規定採 S 型分布常態編班。研究班級以研究者本身教授的 1 個班級採以 PISA 科學素養融入探究式教學為實驗組，再以另外 1 個班級採以依據教科書教學流程教授課程為對照組。實驗組共有 23 人，對照組有 23 人，為此研究所取之樣本，並依據「『物質與熱』單元二階層測驗卷」測驗中得分較高的前 27%學生定義為高分組、後 27%學生定義為低分組，其餘為中分組。 29.