以評量回饋教學融入國二學生科學探究能力學習進程之研究

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(1)國立屏東教育大學數理教育研究所碩士論文 Graduate Institute of Mathematics and Science Education National Pingtung University of Education Master’s Thesis. 以評量回饋教學融入國二學生科學探究能力學習進程之研究 A Study of Integrating Assessment Feedback Teaching into Learning Progression of Scientific Inquiry Ability for Eighth Graders. 指導教授：高慧蓮博士 Advisor: Dr. Huey-Lien Kao 研究生：柯翠菱 Student: Tsui-Ling Ko. 中. 華. 民國. 一. 百零. July, 2014. 三. 年七. 月.

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(3) 誌謝終於可以打這篇誌謝了，這代表我終於將這三年求學之路畫下一個完美的句點。一路走來經歷過很多事，歷經懷孕生子以及擔任特殊班導師，這三年走的風風雨雨，也多虧了有許多的貴人相助才能夠順利度過，現在心中有種「回首向來蕭瑟處，歸去，也無風雨也無晴」的感觸。首先感謝我的指導教授高慧蓮老師，高老師就像媽媽一樣，不時給我們長者的關懷，知道我們是在職就讀，還育有兩幼子，所以對於論文寫作總是給我們鼓勵而不造成過多的壓力，同時也要感謝徐偉民所長、高慧蓮老師及簡清華老師，謝謝你們在我碩二懷孕的時候給予我相當大的彈性及包容，還有施焜耀教授跟黃湃翔教授對於我論文寫作上的建議；另外還要特別感謝佳諺老師在統計上給我的協助，謝謝您讓我的統計又更進步。除此之外，在求學期間有很多的好同學，尚德、智凱、季蓁、俐君、靜美，有些是課業上的協助、有些是寫論文互相打氣，也感謝學校有很多的好同事，以及許多的好朋友星嬅姊、家瑜、佩宜、欣憓、姵恩及育慈，大家一起交換論文寫作的甘苦談及互相打氣，相互扶助。最後要感謝我的家人，感謝你們在我跟我先生瑞龍一起讀研究所這段期間，包容我們的忙碌，尤其是我的母親，因為有您主動地幫我照顧兩個年幼的小孩，讓我跟瑞龍能在沒有任何干擾下，專心地完成這本論文。真的是得之於人太多，能完成這麼一件大事還需要眾人的成就，僅以本文獻給所有關心與幫助我的人，並將完成論文的喜悅與大家分享，感謝您們！. i.

(4) 以評量回饋教學融入國二學生科學探究能力學習進程之研究摘要本研究欲以評量回饋教學的方式融入科學探究學習進程中，幫助教師了解學生的科學探究能力到達哪個階層,可以更清楚知道應進行何種策略幫助學生習得科學探究能力和改善評量方式之效能，並決定何時進入下一個概念教學及採用何種教學活動，以維持學生的學習動機與興趣。首先，研究者與高慧蓮教授主持的國科會研究團隊，透過十次的工作會議，進行國中階段的科學探究能力指標與學習進程行為表徵之研發，其次依據本研究團隊所界定之五階段科學探究核心能力，將本研究所欲探討之章節中，選出適合進行教學介入觀察的能力成分，訂出其符合國中階段的科學探究之學習進程，並依據此進程進行科學探究能力學習單的編製。最後利用此科學探究學習單及董佩辰(2011)所編製的科學學習興興趣量表進行教學實驗，探討評量回饋學對科學探究學習進程及學習興趣的影響，並以評量回饋教學檢視科學探究學習進程之實徵情況。本實驗設計採不等組前後測準實驗研究法，研究對象為高雄市某國中二年級 119 位學生，資料分析採用共變數分析(ANCOVA)、成對樣本 t 檢定(t-test)、重複量數變異數分析(RM-ANOVA)、多變量共變數分析(MACOVA)及直方圖與常態曲線等敘述統計及推論統計法進行討論。研究結果：(1) 評量回饋教學對於提升學生科學探究學習進程具有高效果且對於較高學業成就及較低學業成就的學生皆能有效的提升其科學探究學習進程。(2) 評量回饋教學可提升「規劃實驗步驟與設計」、「實驗記錄」、「推論演繹」、「批判」這四個面向的科學探究學習進程。(3) 評量回饋教學能夠有效的檢視科學探究學習進程的框架並顯示本研究一開始提出假設性的科學探究學習進程框架是適合國二學生的科學探究能力之發展。(4) 評量回饋教學可提升學生科學學習興趣。關鍵字：評量回饋教學、科學探究能力、學習進程 ii.

(5) A Study of Integrating Assessment Feedback Teaching into Learning Progression of Scientific Inquiry Ability for Eighth Graders Abstract The current study aimed to integrate assessment feedback teaching into learning progression, which assisted teachers in comprehending levels of scientific inquiry ability that students had, in better understanding strategies that not only facilitated students’ acquisition of scientific inquiry ability but also enhanced the efficiency of assessments, and in deciding the timing for instruction of further concepts and employment of teaching activities to maintain students’ learning motivation and interests. In the beginning, the researcher of the current study and the research team of Ministry of Science and Technology hosted by Prof. Huey-Lien Kao developed the scientific inquiry ability indicators and behavioral representations of learning progression for eighth graders through the meetings for ten times. Secondly, based on the five-stage scientific inquiry core abilities defined by the current research team, ability components suitable for observation intervention during instruction were chosen and then learning progression of scientific inquiry ability for eighth graders was formulated, with which the scientific inquiry ability learning sheet was compiled and developed. Finally, the scientific inquiry ability learning sheet of the current study and Tung’s (2011) Science Learning Interest Scale were employed for teaching experiment, investigating the effect of assessment feedback teaching on teaching progression and learning interest of scientific inquiry. In addition, assessment feedback teaching was utilized to examine the empirical condition of learning progression of scientific inquiry. The nonequivalent pretest-posttest quasi experimental design was. iii.

(6) employed in the current study. The participants were 119 eighth graders in a junior high school in Kaohsiung City. Data analysis included ANCOVA, Paired-Samples t-test, RM-ANOVA, MACOVA, descriptive analysis (such as histogram and normal distribution), and inferential statistical methods. The results were as follows: (1) Assessment feedback teaching was highly effective in enhancing students’ (high achievers as well as low achievers) learning progression of scientific inquiry. (2) Assessment feedback teaching enhanced four aspects of learning progression of scientific inquiry: “planning experimental procedures and designs”, “experimental records”, “inference and deduction”, and “critique”. (3) Assessment feedback teaching could effectively examine the framework of learning progression of scientific inquiry and indicated that the hypothetical learning progression framework of scientific inquiry proposed in the current study was suitable for the development of scientific inquiry ability for eighth graders. (4) Assessment feedback teaching could enhance students’ science learning interests.. Key words: assessment feedback teaching, scientific inquiry ability, learning progression. iv.

(7) 目. 次. 謝誌 ………………………………………………………………………………. Ⅰ. 中文摘要 …………………………………………………………………………… Ⅱ 英文摘要 …………………………………………………………………………… Ⅲ 目次 ………………………………………………………………………………. Ⅴ. 圖目次 ……………………………………………………………………………. Ⅷ. 表目次 ……………………………………………………………………………. Ⅸ. 第壹章緒論. …………………………………………………………. 1. 第一節. 研究動機與背景…………………………………………………. 1. 第二節. 研究問題…………………………………………………………. 4. 第三節. 名詞解釋…………………………………………………………. 5. 第四節. 研究範圍與限制…………………………………………………. 6. 第貳章文獻探討. ………………………………………………………. 7. 第一節. 學習進程…………………………………………………………. 第二節. 科學探究………………………………………………………… 17. 第三節. 學習興趣………………………………………………………… 28. 第四節. 評量回饋教學…………………………………………………… 37. 第参章研究方法第一節. ……………………………………………………. 7. 41. 研究設計………………………………………………………… 41. v.

(8) 第二節. 研究對象………………………………………………………… 44. 第三節. 研究工具………………………………………………………… 44. 第四節. 教學設計………………………………………………………… 49. 第五節. 資料蒐集與分析………………………………………………… 57. 第肆章研究結果與討論. ……………………………………………. 61. 第一節. 整體科學探究能力學習進程之變化…………………………… 61. 第二節. 不同科學探究面向其探究能力之變化………………………… 70. 第三節. 以評量回饋教學檢視科學探究學習進程實證之情況………… 76. 第四節. 不同教學方式對科學學習興趣的影響………………………… 94. 第伍章結論與建議. …………………………………………………. 103. 第一節. 研究結論………………………………………………………… 103. 第二節. 建議……………………………………………………………… 107. 參考文獻附錄. ………………………………………………………………. ……………………………………………………………………. 109 127. 附錄一. 專家審查意見表格………………………………………………… 127. 附錄二. 氧化還原之科學探究學習單……………………………………… 138. 附錄三. 日常生活中的氧化還原之科學探究學習單……………………… 140. 附錄四. 電解質之科學探究學習單………………………………………… 142. 附錄五. 酸與鹼之科學探究學習單………………………………………… 144. vi.

(9) 附錄六. 科學學習興趣量表………………………………………………… 146. 附錄七. 氧化還原之科學探究教案………………………………………… 148. 附錄八. 日常生活中的氧化還原之科學探究教案………………………… 155. 附錄九. 電解質之科學探究教案…………………………………………… 165. 附錄十. 工作歷程表………………………………………………………… 172. 附錄十一. 科學學習興趣量表授權書…………………………………………. 174. vii.

(10) 圖. 目. 次. 圖 2-1-1 學習進程層次圖…………………………………………………… 8 圖 2-1-2 學習進程架構發展流程圖 ……………………………………… 10 圖 2-4-1 教、學與評量同時並進的動態評量歷程………………………… 37 圖 3-1-1 研究架構圖………………………………………………………… 41 圖 3-1-2 研究流程圖………………………………………………………… 43 圖 4-1-1 探究能力學習單整體平均值分布圖……………………………… 62 圖 4-1-2 探究能力學習單整體探究能力趨勢圖…………………………… 62 圖 4-1-3 組內迴歸線的相交點及差異顯著點……………………………… 63 圖 4-1-4 實驗組、控制組中高成就與低成就組別探究能力變化趨勢圖… 66 圖 4-1-5 實驗組中高成就與低成就組四次測驗探究能力變化趨勢圖…… 67 圖 4-2-1 探究能力各向度在前、後測表現情形…………………………… 71 圖 4-3-1 提出問題後測各進程人數分布直方圖與常態曲線……………… 78 圖 4-3-2 規劃實驗步驟與設計後測各進程人數分布直方圖與常態曲線… 81 圖 4-3-3 實驗記錄後測各進程人數分布直方圖與常態曲線……………… 84 圖 4-3-4 推論演繹後測各進程人數分布直方圖與常態曲線……………… 88 圖 4-3-5 批判後測各進程人數分布直方圖與常態曲線…………………… 91. viii.

(11) 表. 目. 次. 表 2-1-1. 學習者進程相關文獻彙整…………………………………………… 12. 表 2-2-1. 提升科學探究能力所強調的重點…………………………………… 22. 表 2-2-2. 評量科學探究的能力………………………………………………… 23. 表 2-2-3. 科學探究能力包含面向相關研究列表……………………………… 24. 表 2-2-4. 國中階段科學探究能力指標與學習進程行為表徵………………… 25. 表 2-2-5. 國中階段科學探究能力之學習進程………………………………… 27. 表 2-3-1. 科學學習興趣國內相關文獻彙整表………………………………… 32. 表 2-3-2. 教學策略與科學學習興趣相關研究………………………………… 34. 表 3-3-1. 科學學習興趣量表之平均值，內部一致信度……………………… 45. 表 3-3-2. 科學學習興趣量表相關敘述統計量………………………………… 45. 表 3-3-3. 科學學習興趣量表各向度之間的 Pearson 相關係數……………… 45. 表 3-4-1. 教材之探究能力成分分析表………………………………………… 50. 表 3-4-2. 提出問題之評分判準及補救策略…………………………………… 51. 表 3-4-3. 規劃實驗步驟與設計之評分判準及補救策略……………………… 52. 表 3-4-4. 實驗記錄之評分判準及補救策略…………………………………… 54. 表 3-4-5. 推論演繹的能力之評分判準及補救策略…………………………… 55. ix.

(12) 表 3-4-6. 批判之評分判準及補救策略………………………………………… 56. 表 4-1-1. 實驗組、控制組探究能力測驗之人數、平均數及標準差…………… 62. 表 4-1-2. 實驗組與控制組學生探究能力前測成績之共變數同質性檢定摘要表……………………………………………………………………… 63. 表 4-1-3. 實驗組中(高、低分組)探究能力學習單之人數、平均數及標準差… 65. 表 4-1-4. 控制組中 (高、低分組)探究能力測驗之人數、平均數及標準差… 66. 表 4-1-5. 實驗組中(高、低分組)探究能力之重複量數變異數分析摘要表… 68. 表 4-1-6. 控制組中(高、低分組)探究能力之重複量數變異數分析摘要表… 68. 表 4-2-1. 實驗組、控制組探究能力測驗之人數、平均數及標準差………… 70. 表 4-2-2. 實驗組、控制組探究能力測驗成對樣本 t 檢定摘要表…………… 71. 表 4-2-3. 共變量矩陣等式的 Box 檢定……………………………………… 73. 表 4-2-4. 實驗組對照組之探究能力各面向多變量共變數分析摘要表……… 73. 表 4-2-5. 實驗組對照組之探究能力各面向單變量共變數分析摘要表……… 74. 表 4-2-6. 多變量共變數分析事後比較表……………………………………… 74. 表 4-3-1. 各科學探究面向中學習進程人數分配之常態檢定………………… 77. 表 4-3-2. 提出問題次數分配表及描述統計…………………………………… 78. 表 4-3-3. 規劃實驗步驟與設計次數分配表及描述統計……………………… 81. 表 4-3-4. 實驗記錄次數分配表及描述統計…………………………………… 84. 表 4-3-5. 推論演繹次數分配表及描述統計…………………………………… 87. 表 4-3-6. 批判次數分配表及描述統計………………………………………… 90. x.

(13) 表 4-4-1. 科學學習興趣測驗之人數、平均數及標準差……………………… 94. 表 4-4-2. 科學學習興趣前測成績之共變數同質性檢定摘要表……………… 95. 表 4-4-3. 科學學習興趣後測成績之單因子共變數分析摘要表……………… 95. 表 4-4-4. 科學學習興趣後測調整前與調整後平均數與標準差……………… 95. 表 4-4-5. 科學學習興趣後測後測之事後比較………………………………… 95. 表 4-4-6. 對課後學習科學之興趣測驗之人數、平均數及標準差…………… 96. 表 4-4-7. 對課後學習科學之興趣前測成績之共變數同質性檢定摘要表…… 97. 表 4-4-8. 對課後學習科學之興趣後測成績之 ANCOVA 摘要表…………… 97. 表 4-4-9. 課後學習科學之興趣後測調整前與調整後平均數與標準差……… 97. 表 4-4-10. 課後學習科學之興趣後測之事後比較……………………………… 97. 表 4-4-11. 對科學活動的興趣測驗之人數、平均數及標準差………………… 98. 表 4-4-12. 對科學活動的興趣前測之共變數同質性檢定摘要表……………… 99. 表 4-4-13. 對科學活動的興趣後測之單因子共變數分析摘要表……………… 99. 表 4-4-14. 科學活動的興趣後測之調整前與調整後平均數與標準差………… 99. 表 4-4-15. 對科學活動的興趣後測之事後比較………………………………… 99. 表 4-4-16. 對參與自然課的興趣測驗之人數、平均數及標準差……………… 100. 表 4-4-17. 對參與自然課的興趣前測之共變數同質性檢定摘要表…………… 101. 表 4-4-18. 對參與自然課的興趣後測成績之 ANCOVA 分析摘要表………… 101. 表 4-4-19. 參與自然課的興趣後測成績調整前與調整後平均數與標準差…… 101. 表 4-4-20. 參與自然課的興趣後測之事後分析………………………………… 101. xi.

(14) 第壹章. 緒論. 本章共分五節，第一節針對研究動機與背景進行說明，第二節為本研究的研究目的，第三節是依照目的衍生的研究問題，第四節則為相關名詞解釋，第五節說明研究範圍與限制。. 第一節. 研究背景與動機. 近年來，中外科學教育改革聲浪中，除了強調科學知識的學習外，亦相當重視學生對科學與科學探究(scientific inquiry)歷程的理解，及科學探究的教學以發展學生科學探究的能力。美國國家科學教育標準(National Science Education Standards)之中，有關科學探究能力的內容標準 (NRC, 2000, p.19)，包含 K-12 年級(三個階段)，其中對於 9-12 年級學生的標準是能界定引導科學調查的問題和概念，可以設計和進行科學的調查活動、使用科技和數學以增進調查活動和傳達訊息、會使用邏輯和證據來制訂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。進行真實的科學探究，首先需要提出科學性的問題，進而設計及進行科學的探討，能使用適當的工具與技巧去收集、分析、解釋資料，再根據獲得的證據去作解釋、預測或做成結論，最後能夠發表、溝通研究的發現與成果 (Krajeik ,Blumenfeld, Marx, ＆ Soloway,. 2000)，由此可見，科學探究在教學. 中，可以使學生對於自然科學有更加深入的理解(游淑媚，2001)。雖然已有多份科學報告指出，科學探究(scientific inquiry)在自然科學課程中是很重要的一環，但大部分的教師對科學探究的重視度卻不高，探究教學無法落實的原因之一為教師的角色，大多數教師認為他們的主要任務為準備學生使之能在標準化或高風險性(high-Stakes)的測驗卷裡表現良好，因為太重視最後的形式，而忽略學習是如何進展、如何去連結各年級間的學習。以現實面來看，學者對於評鑑標準的發展及學科學習的期望皆大於該年級真正的學習進程以及如何連結各年級間的學習（Hess, 2008）。. 1.

(15) 傳統測驗多半重視結果，大多數為總結式評量，通常在教學後實施，並且是死板的對所學的內容原始的呈現(Callagher,Paker ＆ Ngwengy, 1999)，在教學上並無法有效的評量科學探究的標準，因為學習是由一連串的小概念所組成，由低層次逐漸往高層次提升，所以現今評量的目的則傾向於分析教師教學得失及診斷學生學習困難 (簡茂發，2002 )，更提倡除了在紙筆評量以外，加入生活化和應用性較強的評量方式，同時著重歷程性和總結性的評量 (簡馨瑩，2011)。此外，回顧幾本國際重要的科教期刊，如 Science Education（SE）、 International Journal of Science Edcation（IJSE）、Journal of Research in Science Teaching（JRST）可以發現學習進程這各議題近幾年越來越受到重視。學習進程並不是一個新的概念，它建構在 Bruner(1960)提出的螺旋式課程、發展長廊(Brown ＆ Campione, 1994)及認知導向教學(Carpenter ＆ Lehrer, 1999) 這些理論背景之下。有研究指出學習進程讓人瞭解學習如何發展、如何創造或運用，並能顯示學生在學習的連續過程中所在位置評量(assessment probes) (e.g., Keeley, Eberle, & Farrin, 2005; Rose, Minton, Arline, 2007; OGAP, 2007)；Salinas(2009) 認為學習進程在描述學生概念學習的步驟是個很有用的工具，並且為課室中的練習與學習的研究之間建造了一座橋梁。最近美國國家研究協會(National Research Council, [NRC])的報告－Taking Science to School: Learning and Teaching Science in Grades K-8 (NRC, 2007)之中也大力倡導以學習進程 (Learning Progressions, LPs)的觀點，聯結課程、教學與評量，使三者間有更好的協調，以改善科學教育上所面臨的困境。在整合評量與教學的過程中，評量結果的回饋扮演促進學習的關鍵角色 (Bell, 2007；劉昆夏, 2013)。從探討回饋效果的文獻中可以歸納出三個有效回饋的關鍵因素，首先必須讓學生知道這次學習任務的階段性目標為何，接下來告知其如何達成目標的途徑及方法，最後評估學生自身目前需要採取何種方式才能夠達成學習目標(Hatte ＆ Timperley, 2007)。. 2.

(16) 而回顧學習進程的文獻中發現，大多數是討論學科內容的概念澄清及學習進程的建立及驗證，對於科學探究的學習進程並未有所見。而 Wilson（2009）認為學習進程的軌跡並非是單一的，在各種不同的領域中有不同的呈現，應該各自獨立進行驗證。因此本研究欲以評量回饋教學的方式將科學探究融合學習進程，幫助教師了解學生的科學探究能力到達哪個階層,讓老師可以更清楚知道應該進行何種策略幫助學生習得科學探究能力和改善評量方式之效能，並決定何時進入下一個概念教學及採用何種教學活動，以維持學生的學習動機與興趣(Bell＆Cowie, 2001)。此外蘇建文(1974)指出，學習興趣為教育過程的起點，它能夠使學習者努力並持久的關注學習活動，有興趣容易獲得事半功倍之效，而努力的結果更能激發學習的興趣。也有學者認為學習興趣是由學習而來的，是可以培養的，絕非天生的(連啓瑞、盧玉玲，1995)。科學學習興趣強調學生對科學的態度，莊嘉坤 (1997) 指出，教師應該以培養學生對自然科學的學習興趣為第一要務。故本研究亦想了解使用評量融入教學是否會對學生對科學的學習興趣有所影響。. 3.

(17) 第二節. 研究問題. 本研究主要是透過準實驗研究法的方式，將評量回饋教學單融入科學探究能力學習進程之研究中，研究者希望透過此教學模式，提升學生的科學探究能力，促進學童的科學學習。具體的待答問題如下：一、評量回饋教學對科學探究能力之學習進程是否有提升? (一) 實驗組及控制組的整體科學探究能力是否有顯著差異? (二) 實驗組與控制組中不同學業成就的學生其科學探究能力之學習進程是否有顯著差異?. 二、評量回饋教學對科學探究的五個基本面向探究能力的變化狀況? (一) 實驗組及控制組的學生，本身在各科學探究面向之探究能力有何改變? (二) 實驗組及控制組的學生，在各科學探究面向之探究能力的差異情形?. 三、以評量回饋教學檢視科學探究之學習進程實徵情況? (一) 學生在接受評量回饋教學後，其科學探究能力，仍存在的問題 (二) 各面向之科學探究進程是否與實證資料相符，教學後是否需要修正調整. 四、評量融入教學對學習科學興趣是否有影響? (一) 學生在接受此教學模式後對學習科學興趣是否有影響？ (二) 學生在接受此教學模式後對課後學習科學之興趣改變情形? (三) 學生在接受此教學模式後對科學活動的興趣之改變情形? (四) 學生在接受此教學模式後參與自然課的興趣之改變情形?. 4.

(18) 第三節. 名詞解釋. 本節茲就本研究重要先關概念，包含學習進程、科學探究、學習興趣及評量回饋教學等。進行名詞解釋與其定義之簡短說明. 一、學習進程學習進程是當學生學習時，對於連續性複雜思維方式的描述(Wilson & Bertenthal, 2005)。學習進程是學生在學習時，其對科學概念的理解或能力相繼地一步接一步逐漸趨於複雜化的路徑(NRC, 2006)。也就是說學習路徑上有多個不同的中間水平，借助適宜的教學，學生須經歷這些水平方能逐漸進展，這一連串串的路徑就稱為學習進程。. 二、科學探究本研究將「科學探究」定義為從問題發現開始，透過一連串有系統的方法對問題進行探究，進而解決問題或提出符合邏輯之結論的過程。而科學探究能力則依照高慧蓮(2013)國科會研究團隊所界定探究教學之能力成分共有界定問題、設計規劃、實作驗證、解釋分析、溝通辨證共五個能力成分定義之。. 三、科學科學學習興趣科學學習興趣是指學生在學習科學或參與科學活動時，所表現出來的科學態度，也顯示學生對於參與科學活動而表現出來的趨向性和選擇性還有專注，且學習興趣會影響到學生的學習動機，可以激發學習動機促進學習。. 四、評量回饋教學讓教學中配合評量，評量修正教學，使得「課程與評量」以及「評量與教學」之間存在相互影響的雙向關係，且教學結果可以經由評量回饋到課程。學者專家因此認為它能夠及時在教學中發現學生困難與問題之所在以及解題歷程( 朱經明、蔡玉瑟，2000 )。 5.

(19) 第四節. 研究範圍與限制. 本研究之目的是探討以評量回饋教學融入國二學生科學探究能力學習進程之研究。其研究範圍與限制如下：. 一、研究範圍（一）研究內容本研究使用的教材內容僅限於國中程度的一般自然學科，不涉及其它學科內容，不宜過度推論到不同科別的學科內容上。. （二）研究對象研究對象為高雄市某國中二年級學生，因此經由統計分析結果未必能代表其它地區的所有學生。. 二、研究限制（一）因受限於教學時間、教學班級及教學者，所以只能採取小樣本來進行研究。（二）本研究僅用「科學學習興趣量表」和自編的「科學探究學習單」來觀察學生教學前後的學習進程之差異。. 6.

(20) 第貳章. 文獻探討. 本章目的在說明本研究相關概念之文獻回顧與分析，分為以下各主要部份: 第一節為學習進程，第二節為科學探究，第三節為學習興趣，第四節為量回饋教學，分別敘述說明如下:. 第一節. 學習進程. 一、定義學習進程學習進程(learning progressions,LPs)在國際科教界最近有相當廣泛的研究，被認為對於研究課室中的學習與教學還有改進教學與評量間的一致性是個很有效的工具(Salinas, 2009；韋斯林、賈遠娥, 2010)。起因為近年來美國學生在全國和國際性 K-12 科學與數學教育評量中表現令人失望，美國國內的科教學者們認為，目前他們國內的科學課程知識龐雜而缺乏關聯性、一致性，教師在教學只注重知識的廣度而忽略其深度以及學生理解的深入程度，在評量方面不注重核心知識、技能和能力，課程標準、教學與評量各自為政沒有進行整合，這樣一來無助於學生知識的整合、構築有致的知識架構以及科學思維的發展，也無助於學生知識的遷移、實際問題的解決以及科學參與和決策(韋斯林、賈遠娥，2010b；Corcoran, Mosher & Rogat, 2009； Shavelson, 2009；高慧蓮， 2014)。學習進程 LPs 並不是一個新的構想，它與其他強調兒童的發展會深化長期累積知識的概念類似(Duncan, 2009)，這些在教育領域中隨時間發展的研究例如 Bruner(1960)提出的螺旋式課程、發展長廊(Brown ＆ Campione, 1994) 及認知導向教學(Carpenter ＆ Lehrer, 1999)。學習進程是當學生學習時，對於連續性複雜思維方式的描述(Wilson & Bertenthal, 2005)。學生學習時所依循的路徑，對於學生依序發展過程中技能、理解、知識的描述(Masters & Forster, 1996)。從入學時所具備的概念推論到社會需要學生習得的社會期待及價值觀 (Duschl, Schweingruber, and Shouse, 2007)。從對人或情境的反應概化到對於觀點的理解概化(The National Alternate Assessment Center/NAAC Flowers, Browder, Wakeman, & Karvonen, 7.

(21) 2007)。NRC(2006)認為學習進程是學生在學習時，其對科學概念的理解或能力相繼地一步接一步逐漸趨於複雜化的路徑，並提出它具有下列特徵：如下圖 2-1-2 學習進程層次圖(Hess, 2008) 1.描述一些基本且具有規律發展性的概念 2.會依照學生的該次的學習任務訂出該段任務歷程中最高理解層次 (upper anchor)及最低理解層次(lower anchor)。 3.再將最高和最低理解層次間訂出不同的階層 4.學生的進程會受到外在懷境改變而影響，並非是單一軌跡的發展. 圖 2-1-1 學習進程層次圖(Hess, 2008) 也就是說，學習路徑上有多個不同的學習水平，借助適宜的教學及引導，學生須經歷這些水平方能逐漸攀伸。可以推論得知，LPs 是一類與時間變化相關的假設性學習模式，說明長時間學習的路徑，我們並不假設學生的學習進度只是單一發展的軌道，將這幾條路徑假設成與生態消長的情況雷同，會比將他當成有恆序的發展階段要來的好。有研究也指出，學習進程可當作是學生概念理解層級的證據(Reiser, Krajcik, Moje, ＆ Marx, 2003)，只是這個學習路徑是需要經過實徵驗證(Lehrer & Schauble, 2000; Songer et al., 2009)。並 8.

(22) 且 Wilson(2009)認為，在不同領域其知識的建構方式不同，因此學習進程的軌跡也有所不同。 Duschl, Meang,及 Sezen 認為學習進程的發展主要和五個領域的研究有關：教學實驗、心智理論後設認知研究、概念改變、教學法以及學習軌跡(張郁雯,2012)。針對學習進程的發展，學者 Hess(2008)提出 LPs 有四項指導原則：（一）參酌過去研究結果而發展：其研究來源來自認知學習如何發生之研究、特定學科研究及行動研究，如使用形成性評量改善 LPs 後，教師可使用形成性評量以聚焦於學習狀況，使用總結性評量檢測學習進程，但學習是連續過程，LPs 連結各學習區，使老師能於不同時間點使用不同教材及教學策略。（二）有清晰脈絡連結各要點及核心概念：清楚的核心概念能連結跨年級的學習清楚的脈絡能連結核心概念和理解學習，此時評量學生進步或發展才可能進行(Wiggins, ＆ McTighe, 1998; Duschl, Schweingruber, ＆ Shose, 2007)。（三）連結各活動而促進學生理解：深入理解、增強能力以概化並轉換學習從初學概念進展至較複雜的專業思維和推理。（四）與設計良好的評量方式密切相關：LPs 讓人了解學習如何發展、如何創造或運用能顯示學生在學習連續過程中所在位置的評量探究(e.g., Keeley, Eberle, ＆ Farrin, 2005; Rose, Minton, Arline, 2007; OGAP, 2007)，也可以規劃並修正教學、發展評量系統並解釋評量資料、檢測個別或團體發展。. 關於學習進程的研究有很多種作法，從多數的研究中發現(e.g., Alonzo ＆ Steedle, 2009; Claesgens, Scalise, Wilson, ＆ Stacy, 2009; Duncan ＆ Hmelo-Silver, 2009; Mohan et al., 2009; Stevens et al., 2010)，學習進程的發展，乃是一個反覆循環的歷程，綜合上述 Hess(2008)提出 LPs 的四項指導原則，可以歸納出學習進程的建構必須先透過相關文獻的回顧以及特定學科概念的探究，提出一個理論上的學習進程架設模式，再蒐集實徵資料進行反復地驗證和修改。其流程如下圖 2-1-1。 9.

(23) 綜上所述，可以發現 LPs 希望促進學生學科核心能力的學習，這些核心能力對往後知識與能力的發展是重要的，也能夠幫助教師了解學生的能力到達哪個階層,讓教師可以更清楚知道應該進行何種策略幫助學生習有該有的能力和改善評量方式之效能，進而促進課程、教學和評量之間的連結(Steven, Delgado, ＆ Krajcik, 2010)，進而促進學生的學習(Black,Wilson, ＆ Yao, 2011)。根據發展中的研究去證實或對 LPs 加以改進. 利用評量結果對整體架構再加以解釋. 定義一個假設性框架. 找到脈絡，將核心概念的本質相互連接. 利用編制優良的評量去監控 LPs. 描繪出整個 LPs 的架構以增加更深入的了解圖 2-1-2 學習進程架構發展流程圖, Salinas(2009). 二、學習進程的相關研究劉坤夏(2013)回顧國外幾本知名期刊，將 2005 到 2012 年學習進程相關文獻彙整，研究者引自劉坤夏(2013)並補上部分 2012 年到 2013 年份文獻，整理如下表 2-1-1，從這 25 篇文獻中大約可以分類整理成幾種研究方向，以研究內容來看大多都以學科知識為主，尤其是自然科學，尚未看到有社會科學的文獻出現，其中化學有 6 篇、物理有 4 篇、生物有 7 篇、地球科學有 5 篇、一篇關於科學論證以及一篇關於科學建模。. 10.

(24) 而以研究方法來分可分為：第一類為發展評量試題，分析知識概念的難易程度(Johson ＆ Tymms, 2011; Songr ＆ Gotwals, 2012)；第二類為進行教學介入，比較教學前後，學生理解層次的改變情形(Adandan et al., 2010; Ducan ＆ Tseng, 2011; Freidenreich et al., 2011; Plummer ＆ Krajcik, 2010)；第三類為訪談學生，了解其理解層次的發展情形( Hui et al., 2012；Schwarz et al., 2009; Stevens et al., 2010)；第四類為橫斷研究法，透過跨年齡層的評量，比較不同階段的學生之理解層次( Hui et al., 2013；Ann ＆ Kim, 2012；Lee ＆ Liu, 2010; Mohan et al., 2009; Steedle ＆ Shavelson, 2009)、第五類為縱貫研究法，分析學生隨著年齡成長，其理解層次改變的情形 (Hui ＆ Charles, 2012； Soger et al., 2009)。其中與教學介入有關的文獻中，多數的研究(e.g., Adadan et al., 2010; Duncan ＆ Tseng, 2011; Freienreich et al., 2011)僅採用單一組別的教學，比較學生在教學前、後的理解層次改變。這樣的實驗設計無法確認學生的學習進程是否會因為教學介入而有所不同，仍有待釐清。NRC(2001)Knowing What Student Knowing 的報告中也提到評量應該與學習進程做整合，因為一旦知道學習是如何隨時間而發展，就能夠掌握學生的學習狀況，促進學生對概念的理解。而文獻中多數的研究，個別單獨採用評量方式或者是教學介入，並未將評量與教學整合起來，Shavelson(2009)也提出學習進程尚處於研究階段，仍然未臻成熟，需要教師以及其他研究團隊進行教學實驗及行動研究不斷的修正與改進。故研究者認為學習進程連結評量與教學之研究(Duncan ＆ Hmelo-Silver, 2009)此部分具有進一步討論的必要。. 11.

(25) 表 2-1-1 學習者進程相關文獻彙整. 出處、作者. IJSE, Jin, Hui ＆ Zhan, Li ＆ Anderson, Charles W (2013) SE, Lehrer, Richard ＆ Schauble, Leona (2012). JRST, Rivet, Ann E. ＆ Kastens, Kim A. (2012) JRST, Gunckel, Kristin L. ＆ Covitt, Beth A. ＆ Salinas, Ivan ＆ Anderson, Charles W. (2012) JRST, Jin, Hui ＆ Anderson, Charles W. (2012). 標題. 年級. 學科主題/能力. 研究及分析方法. Developing a Fine-Grained Learning Progression Framework for Carbon-Transforming Processes. 4-12. 物理/氣候變化. 透過教學介入檢視學習進程，面談和書面資料的分析並進行前測及後測，比較學生教學前後的改變。. Seeding Evolutionary Thinking by Engaging Children in Modeling Its Foundations. K-6. 進化論. 描述學習進程的基本原理和結構開發建模，並畫出 k-6 代表性的變化和實踐建模. 8,9. 地球科學/月亮盈虧. 164 個 8、9 年級的學生在進行前後測，並使用 Rasch 建模方法進行分析。. 水質和環境. 分析從小學到高中的學生成績，使用模型的設計，將學生分成四個 levels。. 生態系統的碳循環. 追蹤並分析 48 個訪談和 3903 個書面，開發了學習進程的框架. Developing a Construct-Based Assessment to Examine Students' Analogical Reasoning around Physical Models in Earth Science A Learning Progression for Water in Socio-Ecological Systems. A Learning Progression for Energy in Socio-Ecological Systems. K-12. K-12. 12.

(26) 出處、作者 JRST , Songer ＆Gotwals (2012). 標題 Guiding explanation construction by children at the entry points of learning progressions. JRST , Johnson＆Tymms, (2011). The emergence of a learning progression in middle school chemistry. SE, Duncan ＆ Tseng, (2011). Designing project-based instruction to foster generative and mechanistic understandings in genetics. IJSE , Freidenreich, Duncan, ＆ Shea,(2011). Exploring middle school students’ understanding of three conceptual models in genetics. JRST , Adadan, Trundle ＆ Exploring grade 11 students’ Irving, (2010) conceptual pathways of the particulate nature of matter in the context of multi-representational instruction. 年級. 學科主題/能力生物的食物鏈/科學解釋. 4-6. 化學的物質概念. 7-10. 9. 生物的遺傳/ 科學的解釋. 6-8. 生物的遺傳概念模式. 11. 化學的物質概念. 13. 研究及分析方法 1. 2. 3. 4.. 進行 27 題鷹架引導的評量試題品質檢測教材開發與 8 周引導科學解釋的教學介入無對照組，用 Rasch 模式和部分給分模式採多元回歸分析及錯誤型態分析，分成 4 個 levels. 176 題選擇題，發展評量試題，以 Rasch 模式分析，建立概念難度。無教學介入。發展專題導向的課程，進行無教學介入。以 17 題問答題和選擇題、學生作品、訪談學生和教室觀察做性質資料分析蒐集資料，比較學生教學前後的改變。無對照組。透過教學介入，檢驗學習進程。透過 22 題問答題和選擇題、學生作品、訪談學生和教室觀察蒐集資料，做性質資料分析，比較學生教學前後的改變。無對照組。透過多元表徵教學介入，檢驗學生概念理解層次的改變。以開放性問卷和訪談學生蒐集資料，做性質資料分析，比較學生教學前後的改變。無對照組。.

(27) 出處、作者. 標題. 年級. 學科主題/能力地球科學的天體運動. JRST , Plummer ＆ Krajcik, (2010). Building a learning progression for celestial motion：Elementary levels from an earth-based perspective. 1-3,8. JRST , Stevens, Delgado, ＆ Krajcik, (2010). Developing a hypothetical multi-dimensional learning progression for the nature of matter. 7-14. 化學的物質概念. SE , Berland ＆ McNeil, (2010). A learning progression for scientific argumentation ： Understanding student work and designing supportive instructional contexts. 5,7, 12. 科學論證. SE , Lee ＆ Liu,(2010). Assessing learning progression of energy concepts across middle school grades: The knowledge integration perspective Reasoning up and down a food chain: Using an assessment framework to investigate students’ middle knowledge. SE , Gotwals ＆ Songer, (2010 ). 6-8. 能量概念. K-8. 生物的食物鏈/科學解釋. 14. 研究及分析方法分析過去兩篇有關教學介入的研究。訪談學生做質性資料分析，建構學生對天體運動的學習進程。. 分析過去文獻，建構假設性的學習進程。透過學生半結構式訪談，檢驗學習進程。質性資料分析，建構物質概念的學習進程。無教學介入。提出科學論證三個面向的學習進程。以 4 個教學實例，說明科學論證的學習進程。透過開放式問題和教學提問蒐集資料，做質性資料分析。 1. 修改 TIMSS 的試題為二階段試題，分為選擇題及問答題。 2. 無教學介入 3. 用 Rasch 模式和部分給分模式，分為六個 levels 1. 評量試題品質檢驗 2. 教材開發與 8 週引導科學解釋的教學介入透過開放式問題和訪談學生做質性資料分析和多向度 Rash 部分給分模式無對照組。.

(28) 出處、作者. JRST , Steedle, ＆ Shavelson, (2009) JRST , Duncan, Rogat, ＆ Yarden, (2009). JRST , Wilson, (2009). JRST , Songer, Kelcey, ＆ Gotwals, (2009). JRST , Schwarz et al., (2009). 標題 Supporting valid interpretations of learning progression level diagnoses. 年級. 學科主題/能力. 研究及分析方法透過 12 題選擇題蒐集資料，做潛在類別分析。分析評量試題，檢驗學習進程並分為 4 個 levels。. 7-12. 物理的力與運動. A learning progression for deepening students’ understandings of modern genetics across the 5th-10th grades. 5-10. 生物的遺傳. 蒐集有關遺傳學的文獻，綜合過去文獻，分析後提出推測性的學習進程。. Measuring progressions: Assessment structures underlying a learning progression. 5,8. 地球科學的天體運動. 題出 BEAR 評量系統，做為評量各種學習進程的架構。採用 BEAR 評量系統的相關文獻做資料蒐集，以此做文獻分析。. How and when does complex reasoning occur? Empirically driven development of a learning progression focused on complex reasoning about biodiversity Developing a learning progression for scientific modeling: Making scientific modeling accessible and meaningful for learners. 4-6. 生物多樣性. 5-6. 科學建模. 15. 1. 提出初步的學習進程，發展 8 週的教材 2. 發展評量試題，評量學生教學前後的改變 3. 改學習進程透過 23 題選擇題、填空題和開放式問題蒐集資料，以 HLM 分析和成長模式分析。無對照組。. 提出初步的學習進程，發展 6 週的教材，以學生建構的模式圖和訪談學生做資料蒐集，進行質性資料分析學生教學前後的改變。.

(29) 出處、作者. JRST , Mohan, Chen, ＆ Anderson, (2009). 標題 Developing a multi-year learning progression for carbon cycling in socio-ecological systems. 年級. 學科主題/能力. 研究及分析方法. 4,6-1 2. 社會生態系統的碳循環. 發展開放性評量試題，評量不同年級的學生、訪談學生，做質性資料分析。. 物理的力與運動. 發展初步的學習進程及相對應的評量試題、評量不同年級的學生、放談、修改學習進程。以次序性選擇題和開放性試題做資料蒐集，比較學生在不同評量方式的作答資料，以診斷學生的學習進程。. SE, Alonzo ＆ Steedle, (2009). Developing and assessing a force and 7-12 motion learning progression. SE , Claesgens, Scalise, Wilson, ＆ Stacy, (2009). Mapping student understanding in chemistry: The perspectives of chemists. 高中和大學生. 化學的物質、改變和能根據 BEAR 評量系統發展學習進程的評量試題。量透過開放性試題做資料蒐集，以 Rasch 部分給分模式做分析。. JRST, Liu ＆ Lesniak, (2006). Progression in children’s understanding of the matter concept from elementary to high school. 1-10. 化學的物質. 訪談學生，並進行質性資料分析。. SE , Liu ＆ Lesniak, (2005). Students’ progression of understanding the matter concept from elementary to high school. 3-4 7-8 12. 化學的物質. 收集學生在 TIMSS 的作答資料，以 Rasch 部分給分模式分析 TIMSS 資料。. 16.

(30) 第二節科學探究一、科學探究的意涵回顧各國科學課程之主要目標無一不是發展學生探究能力以及提升對探究的理解，希望學生能夠以科學家的方式思考，而不是只會一昧的背誦知識，由此可知科學探究已經是國際科教界的共識(Adb-E1-Khalick, Boujaoude, Duschl, Lederman, Mamlok-Naamn, ＆ Hofstein, 2004；洪振方，2010)。科學教育的終極目標即是培養學生具有探究能力，Gagne(1963)又稱其為終極能力(terminal capability)。National Commission on Science Education and Standards and Assessment(1992)提到科學教育目標是要讓學生了解並使用科學探究的推論模式。有學者認為探究是科學家的工作，他們用有系統的方法，其中包含了傳統的方法如：觀察、推論、分類、預測、測量、提問、解釋和分析資料，並結合科學推理、批判思考等研究法去了解他感興趣的主題同時對他們所處的空間提出包含證據的解釋(Lederman, 1998；Lisa, 2002)。 Anderson(2002)則認為學生會主動地去建構知識以及理解科學概念，這個過程就稱為科學探究。也如教育部(2003)報告中所提：科學探究使學生獲得科學相關知識與技能，同時也因為依照科學方法進行探究與論證，培養了科學的思考力、習慣和運用科學知識技能解決問題的能力。此外 Finley(1983)認為科學探究過程牽涉到觀察、分類、描述、溝通、測量、認識、應用空間、下結論、下操作型定義、提出假設、變因控制、解釋資料及實驗(方郁斌，2007)。而亦有學者參考科學家進行科學探究歷程中的特質，提出學生應有的科學探究學習歷程：首先確定問題，考慮所有的可能性並逐一驗證，並規劃科學探究的過程和獲得數據，根據之前的問題和初步的資料，再形成新的問題，同時也要能夠從先備知識，進行問題的發展，再將活動經驗與科學概念、原理連結，最後能夠分享及討論研究的過程、結論和作品(Roth, 1995； NRC, 2000；Crawford, 2000)。 17.

(31) 要讓學生了解科學探究的本質，不能以線性的、一步一步方式加以學習，而是要從整體並真實的探究活動中學習科學探究的經驗。是以，科學概念與科學過程在學生的科學探究活動中是互相關聯的，亦即，科學概念的學習必須築基於科學活動的脈絡才有意義。 Lunetta 和 Tamir(1981)認為，探究活動有四個基本階段，在計劃與設計階段，學生首先會形成探究問題、建立假說，並設計實驗步驟，進而踏入實作階段，學生在此階段執行探究，使用工具並紀錄數據；之後在分析與解釋階段，學生處理觀察數據後，開始解釋關係、檢驗數據的正確性，進而提出假說及其限制；最後在應用階段，學生便能在其探究基礎上形成假說，並且能夠預測如何在新的情境中運用其所習得的新知識和新技能解決問題(許育彰，1998)。探究者在探究過程中透過這些互相關連的階段，探究、理解科學概念和科學過程這兩者間的關聯性。 Lunetta(1998)指出，在短暫的學校實驗課程中，是難以進行一個完整的實驗活動的，但若是能把握以少為多(less is more)的策略，放棄大量且不夠深入的實驗，轉而進行數量較少、但實驗過程完整並且詳細的較重要的探究活動，更有益於學生的科學學習。然而，也有學者 Konohl（1995）認為，在科學教學過程中，讓學生有進行科學活動的機會並非是希望所有學生都成為科學家，而是因為科學的學習必須與真實的活動結合，這樣才能給予學生更加確切、精準的探究脈絡(Nott, 1997)。學生在科學活動中學習如何運用工具及知識解決問題，或許他們在進行科學活動時所體驗到的的情境與科學家們有所差距，但卻是具有啟發意義的實踐行為，這樣的方法相較於教科書上單純的描述，是較能夠使學生體會到科學家解決問題和解釋世界的方式的。(Anderson, Reder, & Simon, 1996；Brown et al, 1989； Harley, 1996)。此外，科學探究不僅只是有系統的探索，更包含了尋找問題的過程，在探究的過程當中，不但可以發現問題，也可以尋找解決問題的方式(王美芬、熊召弟， 1998；黃湃翔，1995)，國內及國外皆有學者認為科學探究是一個動態的過程 18.

(32) (Herron, 1971；李文德,2004)，從問題的形成到實驗方法的選擇乃至於數據的處理分析到最後歸納出結論，這整個過程都是不斷的選擇，但是這者個過程不是線性的關係，而是像一個網絡迴圈，不斷地進行回饋(蔡執仲、段曉林，民 94)，故研究者認為科學探究的過程重要的是可以培養學生的邏輯性，能夠內化使思維更加清晰，進而提升問題解決的能力，能夠運用在日常生活中。. 二、科學探究的意涵科學活動在十九世紀的哲學背景下，擁有兩種不同的觀點，一種是歸納主義，認為科學活動可以有邏輯的運作，就可以得到科學的定律；另一個看法的則是反歸納主義的觀點，認為科學活動的過程是與先備知識或已具有的經驗謀和的，這個過程是反覆的猜想與修正(Popper, 1965)。一路演變至 1960 年代的科學課程改革，此改革鼓勵學生從事科學探究，其特色是發現(discovery)與探究(inquiry)，並認為實驗教學活動等同於科學活動，因為科學活動本身即是科學教學的核心，不單只是用來證明科學概念及現象的方式 (劉宏文，2001)。當時的改革活動，之所以特別注意科學教學活動，乃是因為當時主流的認知心理學派的諸多學者，如，Bruner, Gagne, Schwah, Piagget, Ausubel 等不斷提倡。根據上述學者發表的文獻，Friedier 和 Tamir(1990)將之整理成科學活動的理論基礎：科學涵蓋高度複雜與抽象的學科知識，若缺乏具體實務的操作與練習，學生將無法理解科學概念，以探究活動作為科學教學的基本要素，即是鼓勵學生參與實際的探究活動，以培養、發展探究的知識與技能，教師在教學中給予學生機會探索，以理解科學精神，增進問題解決、分析與形成通則的能力，發展出客觀面對錯誤並對探究結果作批判性論證、進而理解科學的限制的能力，以及培養學生健全的科學態度。. 19.

(33) 而實驗活動的實務經驗，不論在實物操作上或邏輯思維策略，皆與其他的經驗有實質上的不同，此部分對於形成科普知識是很重要的部分，並且實作所提供的獨特脈絡(eontext)，有助於確認、診斷、與補救學生的迷思觀念，提供學生機會，讓學生體驗有意義的樂趣，並因此而引起科學學習的動機(劉宏文，2001)。科學探究的發展可以依幾個不同的面向來看(陳靜美,2014)，可以從認知心理學的角度來討論，將其依表徵分成敘述性知識與程序性知識(Anderson, 1985)。學者 Gagne(1965)也認為科學過程技能是一種心智過程，是橫跨各個學科且可轉移的能力；也可從問題解決的角度來看，其成分包含：基本技能、概念理解及策略，Gagne 認為「科學的探究」是藉著「問題解決」模式，面對新的現象，有系統的觀察並思索問題解決的各種方式，再進行測量的設計，能夠明確的觀察現象，以得到適合假說的解釋進行結論。科學探究的內涵到底包含哪些面向、類別及步驟?黃湃翔認為，按 Gagne 論點，這些共同的因子就是觀察、測量、推論(黃湃翔，2009)。許育彰(民 87)認為探究活動是為了解釋人們對自然界現象因好奇引發的疑惑，而進行的活動。 Beyer, Hunt 及 Colander 定義了探究歷程的幾個步驟，首先訂定研究主題，再發展一個暫時性的假說，對假說加以驗證並作出結論，最後再應用這個新結論到新資料中，並將其通論化(Otieno, 1999；陳博文，2007)。 NSTA(National science Teachers Assocaition, 簡稱 NSTA, 2005)指出成長的過程就與其周遭的環境有著交互作用，這些交互作用會帶給我們探究經驗，這些探究經驗我們的想法相結合時，對知識的理解會產生有意義的提升，科學探究的歷程就能夠產生這種有意義的提升，因為學生在探究的過程中，必須學習如何進行調查、蒐集資料、產生自己的立論、與他人溝通，這些較高階的思考模式能夠使他們發展出更深的理解。故 NSTA(2005)建議教師可以藉由學習如何提出適當，且能夠透過探究調查解答的問題，讓學生自行學習、調查蒐集、使用合適工具分析資料、下結論、進行批判思考與溝通辯證，以培養學生探究能力。. 20.

(34) Nott(1997)也指出，科學活動在學校科學教學中的角色應是多面的，實驗教學只是科學活動諸種面向之ㄧ，學校教育應該要透過真實性的活動，進行各種形式互動的學習歷程來傳授科學的過程和內容。師生間也會因為彼此間的協商、互動、循環、與擴散過程(diffusion)，使新的科學知識能夠教學相長。這些新的科學知識，明顯與 1960 年代以來視探究為實驗活動，認為這是經由學生個人的經驗和觀察發現科學事實、或得到專家規範的制式知識的理念大相逕庭(Woolnough & Allsop, 1983)。綜上所述可以發現，不管是從心理學的角度來看或是以學習的角度來看或是以教學的角度切入，皆可以歸納出科學探究是對自然現象或問題進行有系統的研究，與一般的基礎探究不同，科學探究強調系統性及結構，從問題的發現開始，到研究過程的設計規劃、資料收集、解釋分析及產生，皆需縝密的方法與嚴格的求證(方郁斌，2007)。. 三、科學探究能力美國國家科學教育標準(National Science Education Standards)，有關科學探究能力的內容標準 (NRC, 2000, p.19)，包含 K-12 年級(三個階段)，其中我國國中學生包含的年段為 7 到 9 年級，下列茲就 5-8 年級與 9-12 年級的標準分別介紹： (1) 界定可以透過科學調查活動來回答的問題、設計和進行一個科學的調查活動、使用適當的工具和技術去收集、分析以及解釋資料、使用證據去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、會利用數學在科學研究的所有面上。 (2) 界定引導科學調查的問題和概念、設計和進行科學的調查活動、使用科技和數學以增進調查活動和傳達訊息、會使用邏輯和證據來制訂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。(高慧蓮，國科會計畫) 。 21.

(35) 吳坤璋(2005)等人認為科學探究能力包括：「科學探究思考能力」和「科學探究過程能力」。其中科學探究思考能力包含推論思考能力、創造思考能力及批判思考能力；科學探究過程能力包含觀察能力、分析能力及轉化能力。游淑媚 (2001) 指出進行真實的科學探究所需要的能力包括：提出具有探究價值的問題，設計及進行實驗的規畫。使用適當的工具與技巧去收集、分析、解釋資料。根據獲得的證據去作解釋、預測或做成結論，澄清研究發現的成果，而且這六點彼此是如網絡般互相連結(Krajeik et al., 2000)。課室中的探究活動應具備哪些科學探究能力與活動的特徵才能符合當前探究教學觀點與需要的探究內涵呢? National Research Council (1996)提出從過往的課程進一步提升科學探究能力所應改善的重點如下表 2-2-1 提升科學探究能力所強調的重點。. 表 2-2-1 提升科學探究能力所強調的重點(引自方郁斌，2007) ●較少強調. ●較多強調. 1. 科學探究活動侷限在一節課. 1.. 科學探究活動超過一節課. 2. 得到答案 3. 進行較少的探究以便留下時間來完成大量的內容的學習 4. 學生的想法僅與老師在私底下溝通 5. 僅對科學內容的問題提供答案. 2.. 使用證據與策略來發展或策略修改解釋進行較多的探究以發展探究的價值與科學內容知識學生的想法與學生的作品有公開的溝通溝通科學的解釋. 3. 4. 5.. NRC(2000)隨後又提出教室探究(classroom inquiry)中科學探究教學和學習必須具備以下五個必備的特質: 1.學習者提出科學導向的問題。 2.決定收集證據的方法以應所提出的問題。 3.學習者從證據中形成解釋來回答所提出的問題。 22.

(36) 4.學習者依據其他的解釋，尤其是那些可以反映出科學理解的解釋，來評鑑他們自己的解釋。 5.學習者傳達並辯證所提出的解釋。美國 Oregon Department of Education 研發一份科學探究活動評量的判準，其科學探究活動包含了下列四個特徵： 1. 形成問題或假設(Forming a Question or Hypothesis) 2. 設計一個探究活動(Designing an Investigation) 3. 收集與呈現資料(Collecting and Presenting Data) 4. 分析與詮釋結果(Analyzing and Interpreting Results) 美國國家科學研究會(NRC,1996)提出要評量科學探究能力應該重視以下四個面向：引導科學探究的問題、引導科學探究的設計、使用科技和數學以提昇探究和傳達的品質及科學論點的傳達和論證，如下表 2-2-2。表 2-2-2 評量科學探究的能力. 評. 引導科學探究的問題. 1. 規劃可實驗的假設。 2. 證明在假設和實驗間的邏輯連接。. 引導科學探究的設計. 1. 2. 3. 4. 5. 6.. 量科學探究的能. 有系統的探究問題。發展初步的計畫。選擇適當的實驗器材。澄清控制變因和操縱變因。組織及呈現資料。以驗證、邏輯為基礎來設計實驗。. 使用科技和數學以提 1. 科學探究中使用各種測量工具和計算。昇探究和傳達的品質。 2. 使用公式、圖表來呈現結果。 3. 以邏輯和證據來修正或建立科學解釋的規則和模型。 4. 以假設、概念和數學概念為基礎來建立原則或模式。 5. 使用邏輯和證據於探究和實驗。. 力科學論點的傳達和論證. 1. 使用精確和有效的傳達方式。 2. 使用圖表來呈現概念和結論。. 23.

(37) 高慧蓮(2013)與國科會科學探究研究群綜合各觀點內涵及學者的見解，界定出下列科學探究能力面向及其成分能力如下： 1.界定問題的能力(包含發現問題、提出問題) 2.設計規劃的能力(包含探討實驗變項、規劃實驗步驟與設計預測結果) 3.實作驗證的能力(包含實驗觀察、實驗操作、實驗紀錄) 4.分析解釋的能力(比較分類、歸納解釋、推論演繹) 5.溝通辯證的能力(溝通、批判)。. 表 2-2-3 科學探究能力包含面向相關研究列表美國奧勒岡州教育部門 (2003) 形成問題或假說 (F) 設計研究 (D) 蒐集並呈現數據 (P) 分析並解釋結果 (A). NRC (2000). 高慧蓮 (2005). 吳坤璋、吳裕益、黃台珠. 界定問題. 觀察、思考、分析. 設計規劃. 觀察、思考、分析. 實作驗證. 分析、轉化. 分析解釋溝通辯證. 思考、分析、推論、批判. 發展假說解釋與預測確定可以通過科學調查回答問題設計科學實驗進行科學實驗使用適當的工具和技術去分析詮釋解釋分析可能的解釋和預測. 由以上學者的觀點不難發現科學探究能力與活動之間的先後關聯，探究活動起於問題的界定，並引導學生提出科學導向的問題，可探究的問題。確立問題後，則進行實驗設計，規劃探究活動，繼而進行探究活動，蒐集並且解釋分析實驗數據，提出自己的發現，最後進行溝通辯證。. 24.

(38) 下表 2-2-4 為本研究團隊根據 NRC 探究評量的精神，以本研究界定之五階段探究過程為主要架構，配合九年一貫國中能力指標，進一步發展出國中探究教學各階段之探究能力成分及具體行為表徵。. 表 2-2-4 國中階段科學探究能力指標與學習進程行為表徵核心能力. 能力成分. 界定問題. 發現問題提出問題. 學習進程行為表徵可由不同方式或方法做觀察，察覺問題或事件的異同可能存在某些因果關係。能根據觀察的發現，依據現有的理論提出可探討的因果性問題。. 設計規劃. 實作驗證 (包含進行實驗、. 探討實驗變項. 根據提出的假設，去選擇因果性問題的變項與變量。. 規劃實驗步驟與設計. 能操控變因做流程規劃，有計畫的操作執行，來驗證假設。. 預測結果. 依現有的科學知識，運用類比、轉換等推廣方式, 進行推測。. 實驗觀察. 能在實驗時依針對物體或現象的屬性(或規則性) 採取合適的度量策略，做有計畫的觀察。. 實驗操作. 可以應用相關儀器、設備以完成自己構想的實驗. 觀察、操作、紀錄) 實驗紀錄. 設計。. 解釋分析 (分析資料、歸納及解釋實驗結果). 比較分類. 能將觀察的結果如：條列式、表格、圖表及文字進行比較分類，並歸納其相關及推測關係皆可能的因果。. 歸納解釋. 透過數據圖表的趨勢獲得通則，解釋背後蘊含的科學原理。. 推論演繹. 能由實驗結果產生的通則，預測趨勢。. 溝通辨證溝通 (溝通、批判) 批判. 能設計條列式、表格、圖表及文字的方式，呈現實驗過程或結果。. 能夠正確運用科學名詞、符號，將結果及其內涵之性質，做有條理的科學性陳述。能判斷實驗解釋的可信度，並能提出有科學根據的建議。. 25.

(39) 四、科學探究之學習進程從 1960 年代進行科學課程改革以來，科學課程一路從以蓋聶學習階層理論為基礎的「科學-過程取向」、布魯納發現學習論為基礎的探究式教學法，到後期進行革新的科學課程改進研究(SCIS)，課程的知識結構雖然轉變為具高層次的科學結構性，但似乎只是將從前傳授瑣碎知識的模式轉化為較為系統結構的模式而已，對不同程度的學生如何學習「科學探究」仍待釐清，學生熟悉探究之「過程技能」時，並不代表有能力統整起來運用於解決實際問題(NRC,1996)。故了解如何學習「科學探究」實有其必要性，所以研究者在去年 8 月加入高慧蓮教授主持的國科會研究團隊，進行國中階段的科學探究學習進程之研發。本研究團隊首先進行文獻分析探討，參考了國外學習進程之相關研究後，融合教育部頒定的自然生活與科技領域能力指標，以及各年段之研究小組在教學現場的實際經驗，將科學探究分成界定問題、設計規劃、實作驗證(包含進行實驗、觀察、操作、紀錄)、解釋分析 (分析資料、歸納及解釋實驗結果)、溝通辨證 (溝通、批判)等五個核心面向，其中界定問題的部分可再細分為發現問題、提出問題等兩個核心能力，設計規劃的部分可再細分為探討實驗變項、規劃實驗步驟與設計、預測結果共三個核心能力，實作驗證分為實驗觀察、實驗操作、實驗紀錄共三個核心能力，解釋分析則可分為比較分類、歸納解釋、推論演繹共三個核心能力，最後溝通辨證的部分則可分為溝通、批判等兩個能心能力。也就是本研究團隊將科學探究分為五個核心面向及十三個能力成分來進行研究，完成初步架構後進行專家審查座談會，進行逐條討論修訂。而後再經過幾次的會議討論修改後再送交專家審查，最終定出其架構圖如上表 2-2-4 國中階段科學探究能力指標與學習進程行為表徵，整個研發流程表如附錄十。本研究採用高慧蓮(2013)國科會研究團隊所訂科學探究 5 面向，將本研究所欲探討之核心能力成分，訂出符合國中年段的科學探究之學習進程各層級如下表 2-2-5。. 26.

(40) 表 2-2-5 國中階段科學探究能力之學習進程能力成分行為表徵學習進程. 提出問題. 能根據觀察. LV4. LV3. 規劃實驗流程. 能操控變因. 運用圖表輔助記錄. 能設計條列. 對探究結果做理論的能力. 能由實驗結. 溝通辯證階段. 能判斷實驗. 的發現，依據做流程規式、表格、圖果產生的通現有的理論劃，有計畫的表及文字的則，預測趨提出可探討操作執行，來方式，呈現實勢。. 解釋的可信度，並能提出有科學根據. 的因果性問題。. 的建議。. 驗證假設。. 能根據觀察能根據關鍵的發現，提出變因規劃、組相關性或因織探討活動。果性的問題。. 驗過程或結果。學習資料整理、設計簡單表格及繪製圖表來表示資料。. 能由不同的資料，整理出一致性的看法並推測其他可能性。. 能依據自己理解的知識做最佳抉擇，並對別人的資訊或報告提出合理的質疑。. LV2. LV1. 能根據察覺問題的結果，提出描述性或相關性的問題。. 能依據變因，安排實驗或調查的工作步驟。. 能使用適當的文字描述，並運用現成的圖表來輔助記錄。. 運用實驗結果去解釋發生的現象或推測可能發生的事。. 能察覺自己和他人發表內容的異同，並提出不同的意見。. 沒有提出任何問題或提出與情境或探究主題無. 沒有提出任何證明方式及無關之證明方式。. 沒有編製表格只以圖像繪畫，但沒有呈現不同. 寫出不正確或其他不相關的答案。. 無法提出任何組之報告時產生的問題。. 關的題目。. 的情境比較。. 27.