虛擬教室融入科學史對國小學童科學本質觀與對科學態度的影響

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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. 虛擬教室融入科學史對國小學童科學本質觀與科學態度的影響 The Impact on Elementary School Students’ Viewpoints of the Nature of Science and Attitudes towards Science by Integrating the History of Science in Virtual Classroom. 指導教授：高慧蓮博士 Advisor: Dr. KAO, HUEY-LIEN 研究生：孫鎮承 Student: SUN, CHEN-CHENG. 中. 華. 民. 國. 一. 百. 零三. 年. 一. 月.

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(3) 致謝回首在屏東教育大學進修的這段期間，感受到每位任課教授用心的教導與關懷，更從不同的專業觀點上提昇了我在數理教學領域的專業知能，回想至此，不禁要對所有啟發引導過我的教授們，致上最誠摯的感謝。同時也要感謝九九級數理教學碩士班二十四位可愛的同學們，課堂上的切磋琢磨、相互砥礪及哄堂大笑，這是我永難忘懷的一段時光。承蒙許多人的協助與指導，終得以完成一本論文。首先要感謝高慧蓮教授，在研究期間，不辭辛勞的指導論文的內容與架構，老師做學問的執著與用心，待人處世的雍容大度都是學生所應學習的地方，對老師的感謝非言語所能表達的千萬分之ㄧ。感謝國立台南大學數位學習科技學系林奇賢教授，協助學生使用林教授所發展的群學網作為教學平台以及吳淑珍老師所編制的科學故事『氧氣發現的故事』，學生的研究才得以順利進行。感謝口試委員林志隆教授，不遺餘力的提供寶貴意見。更感謝黃湃翔與林志隆教授對論文的指導與匡正，由於兩位教授的寶貴建議，使的論文可以益臻完善。感謝郁菁、素琴兩位好同學，在論文寫作期間的鼓勵、關懷與協助，當然，家人的支持及同事的幫忙都給我相當多的幫助。最後，感謝所有的師長、同學、朋友、同事及家人陪我度過這一趟豐富的學習之旅。. I.

(4) 虛擬教室融入科學史對國小學童科學本質觀與科學態度的影響摘要本研究探討以虛擬教室將科學史融入自然與生活科技課程，對國小六年級學生的「科學本質觀」與「對科學的態度」所帶來的影響。本研究採取質量並重的研究方法。基本的研究架構是在課程的進行前後，利用問卷對學生進行「科學本質觀」與「對科學的態度」之前後測，以瞭解本課程對學生所產生的影響。其中科學本質問卷為科學本質研究群所開發的「國小學童科學本質問卷」；對科學的態度問卷則抽取龍麟如所發展之「對科學的態度量表-修改版」中 20 題題目，並加入 5 題反向題，以李克式 4 點式量表呈現。除此之外，研究者也透過實際教學、錄影帶、學習單、合宜的問卷等多元評量工具等進行分析，藉以瞭解學生對科學本質瞭解的改變情況及對科學的態度之影響。研究結果顯示，擬教室融入科學史的教學，確能提升學生對科學本質的認識及增進對科學的態度。研究者也提出對教學上及未來研究上的建議。. 關鍵詞：科學史、科學本質、對科學的態度、國小學童。. II.

(5) The Impact on Elementary School Students’ Viewpoints of the Nature of Science and Attitudes towards Science by Integrating the History of Science in Virtual Classroom Abstract This study explored the influrnce on 6th graders’ understanding of the nature of science (NOS) and attitudes towards science (ATS) through integrating the history of science into elementary school teaching in the domain of “Science & Life-Technology” in virtual classroom. This study took advantage of mixed research methodology, which meant data were collected and analyzed both quantitatively and qualitatively. The basic structure of this study was a pretest-posttest design in which two instruments were used. Through questionnaires of pretest and posttest, the researcher could realize the influence on students’ understanding of the nature of science and attitudes towards science. The instrument for NOS adopted the questionnaire of “the nature of science of elementary students” developed by the research group. The instrument for ATS included 20 four-scale Likert questions and 5 reversed questions for higher validity. Moreover, the researcher conducted the analysis through multiple assessment instruments such as teaching activities, teaching videotapes, students’ worksheets and adequate questionnaires, in order to understand the change of the students’ understanding of the nature of science and the influence on attitudes towards science. The results showed that the teaching models integrating the history of science in virtual classroom could enhance the participants’ understanding of the nature of science and their attitudes towards science. The researcher also gave suggestions to teaching and research in the future.. Key words: history of science, the nature of science, attitudes towards science, elementary students.. III.

(6) 目錄致謝 .................................................................................................................. I 摘要 ................................................................................................................. II Abstract ......................................................................................................... III 目錄 ............................................................................................................... IV 圖次 ............................................................................................................... VI 表次 .............................................................................................................. VII. 第一章. 緒論 ................................................................................................. 1. 第一節第二節第三節第四節第五節. 研究背景 .................................................................................. 1 研究動機 .................................................................................. 1 研究目的與待答問題 ............................................................... 2 研究限制 .................................................................................. 3 名詞解釋 .................................................................................. 4. 第二章相關文獻探討 .................................................................................... 9 第一節第二節第三節第四節第三章. 研究方法 ........................................................................................ 77. 第一節第一章第三節第四節第五節第六節第四章. 科學本質的內涵 ......................................................................... 9 科學史教學與相關研究 ........................................................... 42 數位學習的理論基礎與教學研究 ............................................ 48 虛擬教室 .................................................................................. 69 研究設計 ................................................................................ 77 研究流程 ................................................................................ 80 資訊科技融入教學之系統化過程 .......................................... 88 資料蒐集 ................................................................................ 94 資料分析 ................................................................................ 98 行動研究的信效度 ................................................................ 100. 研究結果與討論 ........................................................................... 105. 第一節虛擬教室融入科學史的系統化教學歷程 .............................. 105 第二節虛擬教室融入科學史教學對學生科學本質觀的影響 ........... 109 第三節實施虛擬教室融入科學史教學對學童科學的態度之影響 ... 124 第四節學生對虛擬教室融入科學史教學的反應 ............................... 143 第五章. 結論與建議 ................................................................................... 145. 第一節結論 ......................................................................................... 145 第二節建議 ......................................................................................... 148. IV.

(7) 參考文獻 ...................................................................................................... 151 一、中文部分 .............................................................................................. 151 二、英文部分 .............................................................................................. 157. 附錄一：國小學童科學本質問卷 ................................................................ 164 附錄二：「氧氣發現的故事」活動單 .......................................................... 167 附錄三：「氧氣發現的故事」討論單 .......................................................... 168 附錄四：氧氣發現的故事 ........................................................................... 169. V.

(8) 圖次圖 2-3-1 成功的資訊科技融入教學的樣貌 ........................................................................ 69 圖 3-2 研究流程圖 ........................................................................................................... 82 圖 3-3 群學網架構圖 ........................................................................................................ 85 圖 3-4：教師的虛擬教室介面與功能示意圖 ..................................................................... 87 圖 3-5：學生與家長的虛擬教室介面與功能示意圖 .......................................................... 87 圖 3-6 系統化教學設計模式（張雅芳，2001） ................................................................. 89. VI.

(9) 表次表 2-1：科學哲學各派別對科學本質的科學哲學觀點（引自丁嘉琦，1999， P. 14） ..... 15 表 2-2：八個國際性科學教育標準文件 ............................................................................. 22 表 2-3：摘錄自八個國際科學標準文件中有關科學本質目標的一致觀點 ........................ 23 表 2-4：科學本質的能力指標 ............................................................................................ 29 表 2-5：各年代研究者提出科學本質的內涵及範疇重要觀點整理表 ................................ 31 表 2-6：學童科學本質的模式（M ODEL） ......................................................................... 35 表 3-1 對科學的態度各向度在「對科學的態度量表-修改版」中的相關題目 .................. 96 表 3-2「對科學的態度量表-修改版」與五個向度的相關題目之相關矩陣（N=55） ....... 98 表 3-3 資料編碼原則表 ...................................................................................................... 99 表 4-1-1 第一階段學生最感興趣的前三個科目調查統計................................................ 106 表 4-1-2 第一階段學生最不感興趣的前三個科目調查統計 ............................................ 106 表 4-1-3 第一階段學生對自然課看法調查統計............................................................... 106 表 4-2：實驗組與對照組學生在國小學童科學本質量表之同質性考驗分析摘要表 ....... 120 表 4-3：實驗組與對照組學生在國小學童科學本質量表之共變數分析摘要表 .............. 121 表 4-4：實驗組學童於教學前後科學本質觀之差異檢定 ................................................ 122 表 4-5：對照組學童於教學前後科學本質觀之差異檢定 ................................................ 123 表 4-6 學生於「對科學的態度量表-修改版」總量表前、後測之 T- TEST 表 .................. 124 表 4-7 學生於上自然課的興趣向度前、後測之 T- TEST 表 .............................................. 129 表 4-8 學生於「對科學的態度量表-修改版」第 9 題次前、後測之 T- TEST 表 .............. 129 表 4-9 學生於對課後從事自然科相關活動興趣向度前、後測之 T- TEST 表 ................... 132 表 4-10 學生於科學知識對我們的貢獻分量表前、後測之 T- TEST 表 ............................. 134 表 4-11 學生於未來從事與科學相關工作分量表前、後測之 T- TEST 表 ......................... 138 表 4-12 學生於科學家形象分量表前、後測之 T- TEST 表 ................................................ 142. VII.

(10) VIII.

(11) 第一章第一節. 緒論研究背景. 資訊科技（ICT）在中小學教育領域上的運用已約有半世紀的歷史，而資訊融入各科教學的概念也行之有年，但檢視我們目前中小學教育模式，似乎與 19 世紀時的型態沒多大的差異；亦即，學校教室中的教育場域仍已被教師為導向（ teacher-centric）的知識傳授（knowledge. transmission）活動所主導。在傳統的班級教學模式之. 下，資訊科技與工具僅是教學活動的附庸，它僅是教師的口語教學輔助媒體（didactic media）；在這種模式之下教育的本質根本無從產生巨大的變革。然而，資訊科技的無所不在，以及生活環境與方式的鉅變，再加上這世代的兒童在學習與認知的習性上的改變（Prensky﹐2001； Oblinger﹐＆Oblinger﹐2005），世界各領域的領袖皆已在乎籲改革中小學教育的經營與運作模式，以強化資訊科技的運用效能，進而培養未來主人翁的 21 世紀學習能力與生活技能（ Christensen ﹐ 2009）。然而改革的具體策略為何？若仍僅是盲目地、繼續地，繼續投入更多的資訊設備進入校園，而不思考徹底改變教學的實施方式與教育模式，則教育科技在校園的挫敗史詩將持續上演（林奇賢， 2004）. 第二節. 研究動機. 傳統教室的教學方式具有良好的互動性，但是有必須在特定地. 1.

(12) 點的限制。目前許多學者提倡遠距教學，強調打破空間限制的學習方式。雖然傳統教室的優點是具有高度互動，但是它有一個很大的缺點，就是受到時空的限制（朱國光，1998）。為了解決這些問題，勢必要發展新的教學方式，開發新的教學環境。在網際網路推行的早期，受限於網路頻寬的不足，很難透過網路進行聲音與影像的互動；今日，由於網際網路相當普及而e-learning 也相當盛行，使得越來越多人喜歡透過網路來進行學習。而虛擬學習是一種充分運用網路學習環境（networked learning environment）的學習型態，它強調學習者導向（learner centric）的學習活動規劃與社會建構學習理論的運用。在虛擬學習中，學習者必須展現其主動學習的態度與能力，而學習活動中的互動對象與同儕關係已不限於同班同學，而係擴展至網路世界中的虛擬學習社群。群學網是由林奇賢教授建立的一個虛擬學習平台，它不但是教師的資訊融入教學與學生的虛擬學習應用平台，更可以協助教師設計與分享主題探索課程，並進行同儕對話。本研究是將配合課程的科學史透過群學網的虛擬學習平台，嘗試去了解學童在這一連串的活動後，對了解科學本質與科學態度之影響。. 第三節. 研究目的與待答問題. 壹、研究目的本研究目的是透過行動研究的方式，探討配合「自然與生活科技」課程的科學史，透過群學網的虛擬學習平台，了解學童在一連. 2.

(13) 串的活動後，對了解科學本質的影響，並提出反思及建議，希望能獲得更專業的學習與成長。具體而言，本研究之目的如下：一、設計配合自然與生活科技「空氣與燃燒」教學單元，編寫相關科學史融入課程，期能提供如何將科學史透過虛擬平台的教學課程，包括有關科學史補充教材、學習單等資料及實施後的省思。二、探討本研究設計之科學史融入自然與生活科技課程透過虛擬教室學習平台教學後，學童對了解科學本質的影響。三、實施本研究設計之融入科學史教學後，探討學童對科學態度之影響。. 貳、待答問題根據以上的研究目的，本研究提出下列待答問題：（一）實施科學史融入自然與生活科技課程透過虛擬教室學習平台教學後，學童對了解科學本質的影響為何？（二）實施科學史融入教學後，學童對科學的態度之影響為何？. 第四節. 研究限制. 研究者嘗試編寫科學史課程融入教學對所任教學生的科學本質之影響做釐清，但囿於時間、空間、人力及物力的限制，只能對研究者本身及所授課之學童做探討，故所得結果的呈現有所侷限，不能過度引申。此外，研究結果也受到研究者的信念及研究的情境影響，因此僅提供具有類似研究情境時參考。. 3.

(14) 第五節. 名詞解釋. 一、資訊科技本研究中所指的資訊科技是為了克服人類先天的限制而發展出的一種資訊處理與傳播的科技，其產品包括電腦、網路、電話、電傳視訊、電視等。雖然資訊並不等於電腦，但是資訊的來源主要還是來自電腦與網路（王全世，2000a）。由於電腦科技擁有整合多媒體（文字、影像、圖畫、聲音、音樂、虛擬實境）與網路互通連結的強大功能，目前已是資訊製造、收集、分析、傳播、溝通的強大利器。因此電腦科技目前幾乎等同資訊科技。. 二、資訊科技融入教學本研究中所指的資訊科技融入教學，是指教師將資訊科技作為呈現學習材料的媒介、學習的內容或是學生學習的伙伴，用以改進教師教學或幫助學生學習。. 三、科學本質觀本研究參考科學哲學界對科學本質的觀點，根據科學哲學觀的歷史演進，經驗主義、實證主義、邏輯經驗主義和理性主義被視為「傳統」的觀點，後實證主義被視為「新」的哲學觀，而否證主義被視為介於以上兩種科學哲學間的「過渡」觀點（Abimbola, 1983）。「傳統」的觀點認為科學知識是經過觀察、提出假設及實驗來驗證，然後透過歸納或演譯而成，並強調理性與客觀的態度。「新」的哲學觀點認為科學知識具有暫時性，科學知識並不是真理而是動態、. 4.

(15) 進行的活動。科學的觀察是理論蘊涵的（theory-laden），會受個人主觀意識的影響。此外，特別強調科學研究受到科學社群的影響及科學、技學與社會（Science, Technology, Society【STS】）具有交互影響的關係。本研究綜合國內外眾多科教學者對科學本質的範疇與內涵的見解所擬定的國小學童理解科學本質的模式。. 四、科學史本研究中的科學史是研究者配合國小四、五年級課程中，研究者所設計的有系統的科學故事課程，以「九年一貫科學本質能力指標」及相關的文獻探討相配合，來訂定科學本質的教學目標。科學史的採用均以科學本質的教學目標為依據。融入科學發現過程中的史實資料，讓學生瞭解科學發現之過程，體會科學本質的內涵。. 五、對科學的態度與科學有關的態度大致可分為對科學的態度（ attitudes to wardscience）和科學的態度（scientific attitude）。前者偏重情意的層面，例如：對科學的興趣、對科學家的態度、對科學的社會責任的態度等，因此常被視為是影響學生學習意願的關鍵；後者偏重於認知的層面，例如：開放心胸、誠實、懷疑等，強調態度不是天生的，而是可以經由學習獲得，因此常被視為學習科學的要素之一。本研究的對科學的態度仍著墨於前者，是傾向於情意的部份，係指國小學生對自然科的態度之心智狀態。並根據莊嘉坤（1995）的界定，將學生對科學態度分成三個層面來探討：（1）對自然科的感覺，. 5.

(16) （2）對科學本質及工作的看法，（3）對科學及將來生涯的目標等三個指標。. 六、虛擬教室一、虛擬教室的定義： Turoff（ 1995）對Virtual Classroom 作了更進一步的定義，Virtual Classroom 是一個以電腦媒體為溝通系統的教學環境。 Virtual Classroom 這個議題是為了讓老師與學生能夠在家裡或是公司利用網路參與遠端學習社群的教學活動，而且可以利用電腦合作學習的方式提昇教學的品質與效能。合作學習所意指強調的是群體學生為相同的目標而努力學習之過程，主動參與學生之間以及師生之間的活動並且有所互動，新的知識會從大家合作討論、分享經驗以及互動的過程中浮現。學習可以視為一種互助合作的型態。根據研究，在虛擬教室環境中利用電腦作為媒介來溝通的這種能力已經相當成熟，這種學習方式不但比傳統教室(traditional classroom / physical classroom)有更多的互動，而且更有學習效果。 Virtual Classroom 是一種新的學習領域(Harasim, 2001)，它具有下列五種特性： 1. Many-to-many（群組溝通）：大家可以分組討論，溝通意見，提供不同的資訊。 2. Any place（不受空間限制）：使用者只要連上網路便可進到教室學習，不受空間的限制。. 6.

(17) 3. Any time（針對非同步系統而言，不受時間限制）： 4. Text-based（以文字為主，以多媒體為輔）：豐富的資料可以供大家參考，多媒體的教材可以豐富課程的內容。 5. Computer-mediated messaging：在電腦為媒介的環境中，提供查詢、傳遞以及整合資料庫的功能。. 7.

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(19) 第二章相關文獻探討本章將分成四節來探討相關的文獻。第一節以科學本質內涵做說明；第二節以科學史教學與相關研究為主。第三節則分析數位學習的理論基礎與教學研究。第四節第四節虛擬教室。. 第一節科學本質的內涵壹、科學本質在科學哲學觀點上的演進科學哲學觀點從古至今一直隨著時代而改變，甚至在同一時代存在著多種不同的哲學觀（翁秀玉、段曉林，1997a），科學哲學觀點的演進使得科學教育學者對科學本質的看法也有所改變 Cleminson,1990；Suchin, 1993）。科學哲學的演進，曾有學者就不同的科學哲學學派做分類（高慧蓮和蘇明洲，2000），如附錄一。根據科學哲學觀的歷史演進，經驗主義、實證主義、邏輯經驗主義和理性主義被視為「傳統」的觀點，後實證主義被視為「新」的哲學觀，而否證主義被視為介於以上兩種科學哲學間的「過渡」觀點。後實證主義利用科學史的仔細研究為新的手段，取代了過去依靠形式邏輯為分析科學的主要工具（Abimbola, 1983）。在後實證主義中，研究者試著以科學歷史主義來做介紹。. 一、邏輯實證經驗主義者的科學本質觀點邏輯實證／經驗主義者認為，知識來自於客觀的觀察，再經由科學方法得到科學知識，其中所謂的科學方法就是 Bacon 的歸納. 9.

(20) 法。整個科學方法的過程，就是先以開放的眼光觀察自然現象，然後按著發現到的某些規則，在心中形成假說，再收集資料來驗證假說，若假說成立就變成科學知識。所以只要完全依循上述的過程所產生的知識就可稱為科學知識。而且科學知識的產生過程被認為相當的〞客觀〞，因此一旦被確定的科學知識就是絕對的真理（truth）。既然是真理，其地位是穩固的、不會被推翻。所以當科學知識不斷地形成時，就代表真理不斷地增加，也就是說科學知識的成長是一種真理線性累加的方式增長（郭重吉和許玫理，1992）。以下研究者試著從下列三個層面來加以檢視邏輯實證／經驗主義者的科學本質觀點：（一）、科學知識的層面任何沒有遵循科學探究過程所得的結果都是無效的，不被稱為科學知識。因此，科學與非科學最明顯的區別在於科學的探究模式（歸納法）（許玫理，1992）。科學知識形成過程被認為相當客觀，而且它是對自然界做真實的描述，因此是極不易改變的，故科學知識視為絕對客觀的真理（Suchin, 1993）。因為每一個科學知識都被視為真理，因此科學知識愈多就代表著真理不斷地累積（Abimbola, 1983）。（二）、科學方法的層面觀察是科學知識的來源，而且觀察是一價值中立、客觀的活動，不受任何因素的影響，如觀察者的已有知識、理論和信念所影響，故所得的資料一定是客觀的（Suchin, 1993）。科學的探究模式可分為四個階段：收集有關的全部事實、對這些事實加以分析、比較和. 10.

(21) 歸類、從這些事實中抽離出普遍性原理（假說）、以及在事實中重新檢驗已經提出的假說（舒煒先和邱仁宗，1990）。這是一套眾所公認的科學方法，凡是沒有依循此套模式的方法就不被視為科學方法，而且可適用於任何學科領域的研究（許玫理，1992）。（三）、科學事業的層面科學家的任務在於發現自然界已存在的真理，所以科學家被認定為一個價值中立、客觀的研究者。. 二、否證主義者的科學本質觀點否證主義的科學哲學家Popper 反對形上學（metaphysics），不承認歸納法的存在及不承認從邏輯通向科學發現。他著重什麼是科學和什麼不是科學，劃分科學與非科學標準是『可否證性』（falsification），理論或命題能被否證的就是科學，不能的就是非科學，例如說你無論找到多少隻白天鵝也不能證實『所有天鵝都是白的』這個論斷；但只要找到—隻黑天鵝就可以駁倒這個論斷（舒光， 1987）。Popper 認為只要所提出的理論能對抗否證，它可以被認為是接近真理。真正的理論必須不斷接受否證，所以沒有一種理論是永恆的真理。當它再也無法解釋我們觀察到的現象，就該以新的、適用的理論來取代，因此科學知識是一個不斷進化的集合，而不是一個真理不斷堆積而成的金字塔（許玫理，1992）。. 11.

(22) 三、科學歷史主義者的科學本質觀點科學歷史主義對於科學本質的觀點與傳統的科學哲學相較有了革命性的轉變，因此被稱為「新的科學哲學」（丁嘉琦， 1999 ； Cleminson , 1990）。科學歷史主義者Kuhn 本是哈佛大學物理學的研究生，幾乎快完成博士論文，因為有機會參加實驗性的大學部課程，他接觸到科學史。他自稱讀了那些過時的科學理論及老舊的研究之後，他完全拋棄了原先對科學本質以及「科學之所以特別成功」這一問題的基本想法。於是他就從純物理學走入了科學史的領域，終而成為此一領域最有開創性的大師。 Kuhn 的代表作《科學革命的結構》（ The Structure of ScientificRevolutions）（王道還、程樹德、傅大為和錢永祥譯，1994）提到常態科學（normal science）與科學革命（scientific revolutions）的概念。在常態科學這個階段，科學家有共同的語言與高度的共識，對於什麼是重要而且可以解決的問題看法相同，他們共享一套完備的理論，或稱典範（paradigm）。遵守同一種典範的人群，Kuhn 稱之為「科學社群」（scientific community），典範內的信念、價值、方法和理論應被科學社群所分享和遵守，科學工作主要就是以這套理論來解自然之謎。但是如果常態科學運作失常，產生愈來愈多典範所無法說明的「異例」（anomalies），便導致危機（crisis）的出現。這時科學家就要從頭開始，重新拼湊出一個新典範，以解決先前無能為力的問題，這個階段就是科學革命。革命過後新典範提供了新的共同語言與觀點，又再次回復到常態科學階段。所以科學的進展. 12.

(23) 就是在於常態科學之間的替代，以物理學為例，牛頓力學為一典範，相對論是另一典範，於是科學發展是長期漸進累積的傳統想法就受到質疑。科學歷史主義者的觀點是以Kuhn 為代表人物，大體而言，認為科學知識的獲得是科學家根據現有的理論（先備知識）來建構科學知識，而且強調科學知識是暫時性的，它會不斷地被修正和推翻。強調觀察是理論蘊涵的（Theory-laden），會受個人主觀意識的影響，而且認為並無單一、固定的科學方法。科學知識是科學家的世界觀，並非真理。以下研究者試從下列三個層面來加以檢視科學歷史主義者的科學本質觀點：. （一）、科學知識的層面科學知識可能會因觀察工具的進步或出現反例而受到質疑，所以它僅是一個「暫時成立」的假說，隨時可能會被修改，或被更好的假說所取代，故科學知識是具有暫時性及可修改的特質。由於科學知識是人類想像與邏輯推理的創作，而凡是有「人」的因素就不可能達到完美的境界。不論一個理論對某種現象解釋多完美，將來仍可能會有另外的理論可以解釋得更好。在這經由不斷對理論檢驗、修改、甚至偶爾予以捨棄的過程中，雖然對自然界的描述和解釋無法達到絕對真理的地步，但是科學知識會愈來愈趨近於精確、真實（AAAS, 1989；Suchin, 1993）。. （二）、科學方法的層面不可能有「絕對客觀、毫無成見的觀察」，不同的觀察者即使在. 13.

(24) 相同地點、觀察相同的現象，所得到的觀察結果可能會不同。因為感官所察覺到的訊息決定權在於觀察者已有的知識、信念和理論，故觀察的結果不可能是價值中立的，事實上應是理論涵的（Theory-laden）（Suchin, 1993；郭重吉和許玫理，1992）。每一位科學家的文化背景、工作情境必有所不同，因此從事科學研究的環境是無法相同的，故無法定義出對所有情況都適用的單一科學方法（Suchin, 1993）。也就是說科學的方法是多元化的，並非侷限單一的方法而已。. （三）、科學事業的層面任何科學家發展出來的理論，必須受到科學社群的認同，以決定其價值（AAAS, 1989）。科學家並非僅是遵循科學方法的技術人員，科學家的工作是一種類似藝術性質的創作。Suchin（1993）認為，如果以傳統的科學哲學觀來看，科學知識是告訴人類宇宙事物的內容，則科學家的任務是「發現」（discovering）；如果以當代的科學哲學觀來看，科學知識是人類的創作，則科學家的任務是「發明」（inventing）。科學家在從事科學活動時並非是一個價值中立、客觀的研究者，而是一個有意識的人，故面對研究結果時，會因所持的派典不同而有不同的解釋。而且在同一派典下所發展出來的知識，必須由科學社群共同決定其價值（AAAS, 1989）。丁嘉琦（1999）曾對邏輯實證／經驗主義、否證主義和科學歷史主義在對科學本質的各範疇的觀點有列表做分析（如表2-1），可以更進一步，了解傳統與當代的科學哲學家對科學本質的不同觀點。. 14.

(25) 表 2-1：科學哲學各派別對科學本質的科學哲學觀點（引自丁嘉琦，1999，p. 14）科學本質範疇. 科學知識. 派. 來源. 檢驗. 別. 邏輯實證/經驗主義. 否證主義. 科學歷史主義. 自感官經驗的事實. 發現問題後，所提. 「異常」導致危機，. 出的嘗試性解答. 引發科學革命. 在於否證. 不同典範有不同的. 在於實證. 檢驗標準. 科學整體. 地位. 不變的真理. 暫時的. 暫時的. 成長. 線性方式累積. 不斷地進化. 經由科學革命. 目的. 發現真理. 逼近真理. 找出更多符合理論的事實. 影響. 科學方法. 不受社會、經濟、歷. 科學與社會是相互. 科學與社會是相互. 史等因素的影響. 影響的. 影響的. 單一. 有一基本方法. 有一基本方法. 有一基本方法. 方式. 歸納法是形成知識. 假設-演譯法是用. 由典範與科學社群. 理論的基本方法. 來檢測（否證）理. 共同決定. 論的科學理論. 目的. 形成. 觀察. 地位. 科學定律. 來源. 經觀察、歸納得到結. 解釋所觀察到的現. 解釋所觀察到的現. 果. 象. 象. 歸納一般法則（被發. 想像力與創造（被. 科學社群認同（被創. 現）. 創造的）. 造的）. 觀察是理論形成的. 觀察是為了印證觀. 觀察是理論蘊涵的. 基礎. 察者心中揣測. 描述真實世界是絕. 描述真實世界只能. 具暫時性，成為典範. 對的真理. 接近真理. 後，是一切活動依據. 直接發現於自然界. 被發現來解釋自然. 被發明後經由科學. 15.

(26) 地位. 科學家的角色. 已被證實的理論. 界. 社群認同. 解釋自然界的最佳. 解釋自然界的最佳. 方式. 方式. 態度. 絕對客觀中立. 懷疑、批判. 信服典範. 任務. 發現自然界已存在. 發明理論儘量逼近. 依據典範發明知. 的真理. 真理. 識、理論，以解決問題. 貳、科學本質的範疇與內涵眾多科教學者對科學本質的範疇與內涵各有不同的見解，整理國內、外相關文獻如下：. 一、國外的文獻（一）、Rubba 和Andersen（1987） Rubba 和Andersen 發展一個評測國中生科學本質的工具－科學知識本質量表（ the Nature of Scientific Knowledge. Scale，簡稱. NSKS ）。而從其他的學者如 Lederman 多篇的研究中（ (Lederman &Zeidler, 1987；Lederman,1995），可發現其對科學本質的內涵主要也是依據該表為依據，科學知識本質量表（NSKS）中科學本質的內涵敘述如下： 1. 非道德的（科學知識的應用可被判定是好的或壞的，而科學知識本身是沒有好壞之分。） 2. 創造性的（科學理論就像藝術工作一樣是人們的一種創作。） 3. 發展的（科學知識並非真理、是可修改，甚至被推翻。）. 16.

(27) 4. 簡言的（如果有兩個科學理論解釋同一現象都一樣的好，則選擇較簡易的理論。） 5. 可測試的（科學知識必須建立在證據上，而且可以一再重複的驗證。） 6. 統整的（各種領域的科學學科構成整個科學知識的整體，而且它可使人們了解自然界的運行及規律。）. （二）、美國國家教育發展評鑑小組（ National Assessment of EducationProgress【NAEP】，1989）科學本質就是科學領域內所包含的科學知識、價值和方法過程： 1.科學知識的本質（１）、科學的知識是暫時性的（tentative）（２）、科學知識是公開性的（public）（３）、科學的知識是實驗性的（empirical）（４）、科學的知識是可複製性的（replicable）（５）、科學的知識是有歷史性的（historic） 2.科學事業的價值與原則（１）、知識是有價值（２）、質疑是必要的（３）、資料是基礎（４）、驗證是必要的（５）、邏輯是重要的 3.科學的方法與過程. 17.

(28) （１）、觀察、分類與推論（２）、解釋資料（３）、形成假設（４）、設計實驗（５）、引導探究. （三）、美國科學促進會（AAAS，1989）將科學本質分為三個領域：美國科學促進會（ AAAS ）， 1989 年於「全美人民的科學」（Science for all Americans）一書中提到將科學本質分成三個領域，並指出各領域所必須了解的內涵： 1.科學世界觀（scientific world view）：（１）、自然界是可理解的。（２）、科學知識是可改變的。（３）、科學知識並非很容易就可推翻。（４）、科學並非萬靈丹能解決所有問題。 2.科學探究（scientific inquiry）：（１）、證據對科學而言是重要的。（２）、科學是邏輯與想像的合成體。（３）、科學知識除了能說明自然界的現象也具有預測的功能。（４）、科學家會試著驗證理論及儘量避免誤差。（５）、既定的科學知識並不具有永久的權威地位，常態科學會影響科學的研究方向，但必要時仍會產生科學. 18.

(29) 革命。 3.科學事業（scientific enterprise）：（１）、科學是許多不同科學領域的集合。（２）、科學的事業有許多機構來進行，例如大學、工業界、政府。（３）、各種領域的科學家在世界各地活動。（４）、科學活動受到社會價值觀的影響。（５）、科學知識因資訊傳播發達而促使科學的進步。（６）、從事科學必須考慮倫理的原則。（７）、科學家兼具有科學專業及公民的身份，科學家利用科學思考的特性用來解決公眾事務。（四）、Collette 和Chiapetta（1994）對科學本質的範疇與內涵Collette 和Chiapetta 二位學者以三個面向來說明科學本質的內涵： 1.科學是探究自然界的〞思考〞方式（a way of thinking）（１）、科學必須建立在真實的證據上，甚至根據證據可以推翻權威。（２）、科學知識是無法絕對客觀的，只能儘量避免偏見與誤差。（３）、科學知識是建立在將假說的提出後，再加以驗證，提出結論的過程。（４）、歸納法與演繹推理在科學佔有重大的地位，但它們也有侷限性。（５）、因果關係的推理只能視為一種可能，而非絕對的關. 19.

(30) 係。（６）、類推（Analogy）及由果倒因的倒推（Carry Back）是科學解釋自然界現象的兩種型式，但它們也有侷限性。（７）、科學家必須時常做自我反省，以及對任何現存的理論進一步思考其合理性。 2.科學是一種〞探究〞方式（a method and a way of investigation）科學家所採用的方法沒有一定的程序，而是對問題採取有組織的方式，不接受毫無根據的資料。而且要存有一種觀念，僅靠合適的研究方法未必能真正解決問題，因為並非所有的問題都能被解決。 3.科學是知識的集合體（a body of knowledge）科學家使用較不會讓人懷疑的方法（即所謂的科學方法）來建立科學的知識體系，但是這些科學知識必須經常面對質疑、驗證，進而發現其錯誤的地方，再加以修改，甚至完全推翻，或證實其合理之處而接受它。因此科學知識具有動態本質（ dynamic nature ofscience）與暫時性本質（tentative nature of science）。. （五）、美國國家科學教育標準（National Science Education. Standards. 【NSES】）（1996） 1996 年，美國國家科學教師協會（ The National Science TeachersAssociation）公佈了國家科學教育標準（ National Science Education Standards）一書，作為教育每一個美國人「具有足夠的科學素養」為目的的國家標準。明訂出一位具有科學素養的學生所應. 20.

(31) 該具備的概念與能力，而科學素養包括對科學本質、科學事業的了解、及科學在社會與個人生活所扮演的角色。在其第六章「科學教育內容標準」列出從幼稚園到十二年級學生（k-12）的教材大綱中，分成K-4、5-8、9-12 三個年級階段。其中「科學的本質與科學史」的內容標準，指出K-4 年級的學生必須瞭解科學是人類努力的成果；5-8 年級的學生必須瞭解（1）科學是人類努力的成果，（2）科學本質，（3）科學史；而9-12 年級的學生則必須瞭解（1）科學是人類努力的成果，（2）科學知識的本質，（3）科學歷史的觀點。其中5-8 年級的科學本質方面標準為：１、科學家利用觀察、實驗、理論、及數學的方法來形成及驗證他們對自然界現象所提出來的解釋。２、科學知識是暫時性的，可以被改變，但大部份的科學知識是經過無數次的實驗與觀察所產生的，所以這些知識也不是很容易被推翻的。３、科學家在面對與現存理論不符合的新證據時，會改變他原先的想法。４、不同的科學家對於同一個科學現象，可能會產生彼此衝突的實驗結果，或是從相同的資料中導出不同的結論。面對此種狀況時，最好科學家一起工作以解決他們當初不同的意見。５、對已經被提出的科學研究、實驗、觀察及理論模型等成果進行評鑑，也算是科學探究的一部份。６、與科學有關的爭議問題可透過科學家之間的互動來解決。. 21.

(32) （六）、Good（1996）認為科學本質如下： Good（ 1996）認為〞科學本質（NOS）〞是〞科學思考的本質（nature of science thinking）（簡稱NOST）〞與〞科學知識的本質（nature of science knowledge）（簡稱NOSK）〞的總和，而科學思考的本質可分為前期與後期，前期指的是創造、發展新想法的階段；後期指的是，提出假說與驗證的階段，也就是大部份人所認為的科學方法。以數學式子表示就是 NOS=(early NOST + later NOST) + NOSK。. （七）、McComas、Clough 及Almazroa （1998）根據八個國際科學標準文件中有關科學本質目標的一致觀點： McComas、Clough 及Almazroa 將以下八個國際性科學教育標準文件（如表2-2）中對科學本質的推薦，重要的且重疊性的觀點列表整理出來（如表2-3）。表2-3 中的建議是給K-12（幼稚園至高中）的學生們，而不是給未來的科學哲學家。. 表2-2：八個國際性科學教育標準文件. １、USA；Benchmarks for Science Literacy（AAAS，1993）２、SA；Science Framework for California Public School（1990）３、USA；National Science Education Standards（NSE，1996）４、Australia；AStatement on Science（1994）５、USA；The LiberalArt of Science （AAAS，1990）６、England/Wales；Science in the National Curriculum（1995）. 22.

(33) ７、New Zealand；Science in the New Zealand Curriculum （1993）８、Canada Common Framework（1996）. 表 2-3：摘錄自八個國際科學標準文件中有關科學本質目標的一致觀點. １、儘管科學的知識是經久的，但它有暫時性的特性。２、科學的知識強烈但不完全的依賴觀察、實驗的證據、合理的爭論及懷疑的態度。３、從事科學沒有固定一個方法存在（所以，沒有通用逐步的科學方法存在）。４、科學是企圖解釋自然現象。５、定律及學說供應科學中不同的角色，因此，學生應該注意到，即使有另外的證據存在，學說是不會變成定律的。６、來自所有文化的人們促成了科學。７、新的知識必須被清楚及不隱瞞地報告出來。８、科學家需要精確的持續記錄，同儕檢查及可複製性。９、觀察是理論蘊涵的（theory-laden）。 10、科學家是有創造力的。 11、科學史同時展現出進化的及革命性的特性。 12、科學是社會及文化傳統的部分。 13、科學及技學互相影響。 14、科學的想法被社會和歷史環境所影響。註：引自William F. McComas 所著The Nature of Science in Science Education, p. 212. 綜合八個國際科學標準文件中有關科學本質目標的一致觀點，. 23.

(34) 在科學知識本質方面：科學知識的暫時性（如表2-4 中1）、公開性（如表2-4 中7）、可複製性（如表2-4 中8）、創造性（如表2-4 中10）及累積性（如表2-4 中11）等。科學探究的本質方面有實證性（如表2-4 中2）、科學方法的多元化（如表2-4 中3）和觀察是理論的蘊涵（即觀察活動含有主觀性）（如表2-4 中9），而在科學事業的本質方面以STS（即科學、科技與社會的相互關係）（如表2-3 中6、12、 13、14）可以來做囊括。. 二、國內文獻. （一）、趙金祁（1984）在其著作《自然科學原理在科學教育上的意義》有詳盡的介紹科學的本質及其成分： 1.事物發生中，時空物質的侷限性人類知識固然隨時代的進步而突飛猛進，一日千里，但人類對時空物質，這類實質的了解，到今日仍有限。在求真過程中，科學家始終權宜運用逐步逼近的法則，以求由近及遠，由小至大，漸進了解，趨近自然的終極真理。 2.自然律的一致性：科學家一致承認，大自然間的千變萬化，必定由一個一致的、有序的，和統一的自然律所支配，即所謂的再現性。因此在相同的情境下必產生相同的現象。此種由自然律支配自然現象的特性，正是科學家與. 迷信的重要區別關鍵所在。 3.因果關係性本質上，科學家認定現有事物，必在功能上與過去事物相互關聯，. 24.

(35) 即在特定因素上，有某種程度的因果關係。因此，科學家除描述與說明現有事物外，亦能憑藉對事物所以形成各種因素之了解，預測可能發生的新事物。 4.事物的可理解性科學家堅信宇宙的一切事物，可由人的知覺感受、意識運作、設備器材、與剖析能力，加以理解。進一步，還可經由科學方法，獲致預測一切未知事物的寶貴知識。 5.生存環境的長遠價值觀科學是人類文化的一部分，基本上應在人生理想與社會規範的要求上，求取發展與成長。不過，科學之進步，往往衍生人類生存環境的改變，造成環境污染與資源貧瘠等問題。因此，科學家既認定宇宙是有秩序而和諧的，自當維護人類與物質間，個人與自然間，個人與他人間的有秩序特徵與和諧關係。 6.探究事物的傳統性科學研究的問題與工作，具傳統性。自古以來師徒間研究題目及成果的相應承襲上，時常見到。科學研究的方法，譬如，歸納與演譯、直觀與分析、假設與求證等，都行之有年，歷久彌堅，代代相傳。 7.知識本體的不完整性人類不斷創立各種理論，以描述、說明與預測自然界所發生的各個現象。不過，因為科學只能在自然間，擷取片斷的資料，呈現自然真理。因此，到目前已建立的理論中，不僅甚多假設性或臨時性的理論，而且彼此間，還存在不少無法彌補的空隙，暫時由假設、形成模型等加以墊補，以保未來的求證，修改模型，取捨假設，進而推出更為完整新. 25.

(36) 理論。因此，科學家只能經由不完整知識的過程，不斷發掘問題，解決問題，以達更趨完整的目標。 8.事物表象的存疑性科學發展的主導因素是，無窮的質疑與不斷的探討。科學家在存疑的基礎上，推動科學的發展。準此，科學家所崇尚的大膽假設、小心求證，以獲得新知，所必要的前提，即在於存疑與適當提出問題上。 9.認識事物的客觀性客觀是指存在於心意之外，具有實在與實證的理性意義。這就是說，科學的所以成為科學，係因其具有獨立嚴謹的客觀性，與個人的情緒、愛好、希望、價值、需求等無關。 10.理論上的節儉性大多數科學家都深信，自然界的基本原理、原則必定極為簡單，認定大自然中各式各樣的個別現象，可由簡單的敘述或數學公式，加以貫穿、詮釋與說明。當然，這樣簡單的原理、原則，可能遭遇反證機會增加，因此，原理、原則. 的節儉程度直接與反證次數成正比，越節儉. 的，必涵蓋越形龐雜的範圍，而在科學界的邏輯推理標準上，佔最強勢的地位。. （二）、王美芬和熊召弟（1995）在國民小學自然科教材教法一書提及對科學本質的看法： 1、自然界中的事物存有某種一定的形式，例如科學家可利用智慧及工具來發現存於自然界中的規律性。２、藉由基本的科學原理可以推理應用在其他相關領域。. 26.

(37) ３、科學是產生知識的一個過程，而且必始於觀察，再予以合理的解釋，並且加以驗證，使之趨近於完美，因此科學的工作包括形成假說及驗證。４、假說和證據之間的連結只要是合乎邏輯推理，大都可被認可。５、科學知識不一定完美，但可能會引導收集資料或解釋資料的方向。６、科學學說不僅可以預測未來事物可能的發展情形，也可以解釋過去人類未知的事物，例如科學家經由化石可以提出人類起源的學說。７、科學家的觀察並非絕對客觀，但重要的是必須知道產生成見的來源。８、短時間內是不可能產生科學革命的，但當新的觀點解釋自然現象比舊的觀點更圓滿時，新的觀點方可能被認可。９、科學事業即是應用科學，如農、工、醫、電腦、圖書館都必須基於科學知識上。 10、科學愈發達，科技的產生就愈成熟，二者關係愈密切，而且科學家可將資訊、發現或分析的技巧應用在公共事物上，因而影響行政決策，即科學-科技-社會之觀點。. （三）、林陳涌（1996）在「瞭解科學本質量表」中對科學本質的看法：林陳涌（1996）的高中學生對科學本質瞭解之研究，將「了解科學本質量表」（Understanding of the Nature of Science Scale; UNOS）改編為「了解科學本質量表─高中版」（Understanding of the Nature ofScience Scale for Senior High Students; UNOS-SE），量表分為三個向度，其架構及概念組成與AAAS（1989）所提出的三大範疇相近，各向度的範疇亦相近，各向度的範疇及內涵如下：. 27.

(38) 1.科學方法的本質科學方法未必萬靈丹，並不能夠解決所有問題，而且科學是理論蘊涵的，科學方法並非是絕對的、客觀的，也沒有唯一的科學方法。 2.科學知識的本質科學知識是暫時的與局部的，科學知識是人類創造力的產品。 3.科學事業的本質科學研究的目的在於解釋自然現象，而且科學社群對於科學界有重大的影響力，同時社會與科學之間是互相影響的。. （四）、翁秀玉（1997）對科學本質的看法：翁秀玉（1997）在國小自然科教師傳達科學本質之行動研究中，就科學知識本質、科學探究過程與科學與生活三個層面，構思出所欲強調國小階段的科學本質內涵： 1.科學知識的本質科學知識具有實證性、暫時性及可複製性。 2.探究過程社會大眾的需求會影響科學研究題材，「形成假設」在科學探究非盲目的測試，而是由科學家心中的想法來引導探究活動的進。而科學探究過程類似解決問題的過程，科學實驗很難做到毫無誤差，只能儘量減少誤差。科學的研究成果必須公開接受，以供其他科學家或後人可以複製研究及批判討論。 3.科學與生活. 28.

(39) 科學與社會是息息相關的，科學知識與技能應用於社會、生活中將為人類帶來莫大的益處。（五）、國民中小學九年一貫課程綱要（2001）「自然與生活科技」領域科學素養中科學本質的能力指標：國民中小學九年一貫課程自然與生活科技學習領域科學素養中科學本質的能力指標在下列「a-b-c-d」的編號中，「a」代表能力指標，「b」代表學習階段序號：1 為第1 階段一二年級、2 為第2 階段三四年級、3 為第3 階段五六年級、4 為第4 階段國中一二三年級，「c」代表能力指標之次目標序號，「d」則代表流水號。. 表2-4：科學本質的能力指標. 第一階段（一、二年級） 3-1-0-1 能依照自己所觀察到的現象說出來。 3-1-0-2 相信每個人只要能仔細觀察，常可有新奇的發現。第二階段（三、四年級） 3-2-0-1 知道可用驗證或試驗的方法來查核想法。 3-2-0-2 察覺只要實驗的情況相同，產生的結果會很相近。 3-2-0-3 相信現象的變化，都是由某些變因的改變所促成的。第三階段（五、六年級） 3-3-0-1 能由科學性的探究活動中，瞭解科學知識是經過考驗的。 3-3-0-2 知道有些事件(如飛碟)因採證困難，無法做科學性實驗。 3-3-0-3 發現運用科學知識來作推論，可推測一些事並獲得證實。 3-3-0-4 察覺在「以新觀點看舊資料」或「以新資料檢視舊理論」時，常可發現出新問題。 3-3-0-5 察覺有時實驗情況雖然相同，也可能因存在著未能控制的因素. 29.

(40) 之影響，使得產生的結果有差異。第四階段（七、八、九年級） 3-4-0-1 體會「科學」是經由探究、驗證獲得的知識。 3-4-0-2 能判別什麼是觀察的現象，什麼是科學理論。 3-4-0-3 察覺有些理論彼此之間邏輯上不相關連，甚至相互矛盾，表示尚不完備。好的理論應是有邏輯的、協調一致、且經過考驗的知識體系。 3-4-0-4 察覺科學的產生過程雖然嚴謹，但是卻可能因為新的現象被發現或新的觀察角度改變而有不同的詮釋。 3-4-0-5 察覺依據科學理論作推測，常可獲得證實。 3-4-0-6 相信宇宙的演變，有一共同的運作規律。 3-4-0-7 察覺科學探究的活動並不一定要遵循固定的程序，但其中通常包括蒐集相關證據、邏輯推論、及運用想像來構思假說和解釋數據。 3-4-0-8 認識作精確信實的紀錄、開放的心胸、與可重做實驗來證實等，是維持「科學知識」可信賴性的基礎。註：摘自教育部（2001）國民中小學九年一貫課程暫行綱要「自然與生活科技」學習領域中科學素養的科學本質能力指標. 在九年一貫課程中，國小學童的科學本質能力指標合計共有十條，內容是以觀察（3-1-0-1 及3-1-0-2）、實驗及驗證想法（3-2-0-1、 3-2-0-2、3-3-0-2 及3-3-0-5）和科學探究（3-3-0-1）為主，很少提及科學事業的本質。相較於其他文獻發現，九年一貫課程中國小學童的科學本質能力指標的部份略顯不足。. 三、小結：綜合國內、外文獻研究者提出科學本質的內涵及範疇重要觀. 30.

(41) 點，整理成下表。. 表2-5：各年代研究者提出科學本質的內涵及範疇重要觀點整理表. 研究者及年代. 科學本質的內涵及範疇重要觀點. Rubba 和. 科學知識本質模式以六個概念表示：. Andersen. 1、非道德的 2、創造性的 3、發展的. （1978）. 4、簡言的 5、可測試的 6、統整的. 趙金祁. １、事物發生中，時空物質的侷限性. （1984）. ２、自然律的一致性３、因果關係性４、事物的可理解性５、生存環境的長遠價值觀６、探究事物的傳統性７、知識本體的不完整性８、事物表象的存疑性９、認識事物的客觀性 10、理論上的節儉性. NAEP (1989 ). 科學本質含有三個領域：１、科學知識的本質２、科學事業的價值與原則３、科學的方法與過程. AAAS (1989). 將科學本質分成三個領域：１、科學世界觀２、科學探究活動３、科學事業. Collett 和. １、科學是探究自然界的"思考"方式. Chiapetta. ２、科學是一種"探究"的方式. (1994). ３、科學是知識的集合體. 31.

(42) 王美芬和熊召弟 (1995). １、自然界中的事物存有某種一定的形式。２、藉由基本的科學原理可以推理應用在其他相關領域。３、科學的工作包括形成假說及驗證。４、假說和證據之間的連結只要是合乎邏輯推理。５、科學知識不一定完美，但可能會引導收集資料或解釋資料的方向。６、科學學說不僅可以預測未來事物可能的發展情形，也可以解釋過去人類未知的事物。７、科學家的觀察並非絕對客觀，但重要的是必須知道產生成見的來源。８、短時間內是不可能產生科學革命的，但當新的觀點解釋自然現象比舊的親點更圓滿時，新的觀點方可能被認可。９、科學事業即是應用科學。 10、即科學-科技-社會之觀點。. NSES. 分K-4、5-8、9-12 三個年級階段學生應具有的科學本. (1996). 質概念標準。. Good. 科學本質以數學式子表示就是. (I996). NOS=(early NOST + later NOST) + NOSK. 林陳涌. 提出的科學本質三大範疇：. （1996）. １、科學方法的本質。２、科學知識的本質。３、科學事業的本質. 翁秀玉. 國小階段所調的科學本質內涵：. （1997）. １、科學知識的本質２、探究過程３、科學與生活. McComas、. 摘自八個國際科學標準文件中有關科學本質目標的一. 32.

(43) Clough 及. 致觀點：. Almazroa. １、盡管科學的知識是經久的，但它有暫時性的特性。. （1998）. ２、科學的知識強烈但不完全的依賴觀察、實驗的證據、合理的爭論及懷疑的態度。３、從事科學沒有固定一個方法存在。４、科學是企圖解釋自然現象。５、定律及學說供應科學中不同的角色，因此，學生應該注意到，即使有另外的證據存在，學說是不會變成定律的。６、來自所有文化的人們促成了科學。７、新的知識必須被清楚及不隱瞞地報告出來。８、科學家需要精確的持續記錄，同儕檢查及可複製性。９、觀察是理論蘊涵的（theory-laden）。 10、科學家是有創造力的。 11、科學史同時展現出進化的及革命性的特性。 12、科學是社會及文化傳統的部分。 13、科學及技學互相影響。 14、科學的想法被社會和歷史環境所影響。. 九年一貫課程. 科學本質的能力指標分成國小中、低年段5 條、高年段. （2001）. 5 條及國中階段8 條合計18 條條文。. 綜合以上看法，研究者認為，科學就是人類對物質世界的解釋，但在尋求解釋的過程中，不僅只是透過人類的感官來收集資料、歸納就可以形成科學知識，而是人類將所收到的資料賦予主動地解釋。因此，科學知識並非外在物質世界的翻版，它是富含著人類的創造、想像，故科學知識的形成過程就像是藝術作品的形成過程（科. 33.

(44) 學知識本質中的創造性）。也因此，科學知識並非真理，它可以經由儀器的進步，找到不合理的反例來進一步修改、或甚至被推翻（科學知識本質中的暫時性）。而不同派典的理論基礎，對於同一個現象也可能會有不同的解釋，但是這並非代表科學知識是不可信賴的，因為科學知識在形成的過程當中必須要有證據支持（科學探究本質中的實證性），而且具有可複製性（科學知識本質中的可複製性）。同時，科學家必須正確地發表他們所觀察到的科學現象，科學知識必須公開的發表（科學知識本質中的公開性）。科學知識需被由時間累積而來的，需要許許多多科學家的努力而非一朝一夕或單打獨鬥就可以達成（科學知識本質中的累積性）。科學家在從事科學探究的過程當中，首先會對自然現象或事物產生疑惑，再運用邏輯、推理、歸納、想像等能力來解決他心中的疑問。同時也發現到從事科學探究活動不可能達到完全〞客觀〞的境界，因此只能儘量避免誤差（科學探究的本質－觀察是理論的蘊涵～即觀察活動含有主觀性）且科學的探究方法的多元化，不只局限於單一或唯一的方法（科學探究的本質科－科學方法的多元化）。科學家所提出的看法必須經過科學社群的認可，才會被當代的科學家稱為科學知識（科學事業本質中的科學社群的認同）。因此，在整個科學知識的形成過程中，科學社群扮演極重大的角色，它足以決定科學研究的發展。此外，科學家同時兼具有科學專業及公民的身份，科學利用科學思考的特性來解決公眾事務（科學事業中科學家的身份），科學家在從事科學研究也必須考慮到倫理與道德原則（科學事業中倫理與道德原則）。科學的進步有賴於訊息的傳播. 34.

(45) 來促使科學家們之間的討論、交換意見。科學與社會二者是息息相關的，科學的發展會改善人類的生活，因此，科學家也會注意社會大眾的需求，來做為研究內容的方向。在知識上，人類對於自己的世界會有較多的瞭解；在應用上，從科學領域中所學到的特殊的〞思考〞模式，也可以應用在處理社會、生活、或其他人文學科的問題上（科學事業的本質中科學、科技與社會的相互關係）。研究者將上述的看法分析綜合，試圖建立學童科學本質的模式（aModel of the Nature of Science），並把每一個面向（dimension）界定清楚，如表2-6。. 表2-6：學童科學本質的模式（Model）. 累積性（tentative）暫時性（provisional）可複製性（replicable）. 科學的知識經由時間累積而來的。科學知識是可以改變的。科學知識可以一再重複的被驗證。. 科學知識的科學的知識是人類智本質力的創造。它發明如同創造性. 很多創造性的想像力. （creative）. 如同一位藝術家、一位詩人或是一位作曲家的工作。. 公開性. 科學家必須正確地發. （public）. 表他們所觀察到的科. 35.

(46) 學現象，科學知識必須公開的發表。實證性（empirical）. 觀察和實驗是科學知識的基礎根據。. 觀察是理論蘊涵的. 不可能有「絕對客觀、. （theory-laden）. 毫無成見的觀察」，不同的觀察者即使在相同地點、觀察相同的現象，所得結果可能會不. 科學探究的. 同，因為感官所察覺到. 本質. 的訊息決定權在觀察者已有的知識、信念和理論。科學的方法多元化. 科學的方法與過程是非獨特性，只要是可以解決研究問題的科學方法就是好的科學方法，並沒有所謂一成不變的科學方法。. 倫理與道德原則. 從事科學研究必須考慮到倫理與道德原則。. 科學家的身份科學事業的本質. 科學家兼具有科學專業及公民的身份，科學利用科學思考的特性來解決公眾事務。. 科學社群的重要性. 36. 科學研究受到科學社.

(47) 群的影響。科學、技學與社會具有. STS. 交互影響的關係。. 参、增進科學本質認識的策略有關教師與學生的科學本質之相關研究己發展出多個向度， Lederman（1992）已將1950 年至1991 年有關科學本質的重要文獻加以整理，依研究主題分成四個部份：（一）評量學生的科學本質概念；（二）增進學生科學本質概念之課程的發展、使用與評量；（三）教師的科學本質概念之增進與評量；（四）教師科學本質概念、班級實務與學生科學本質概念的相關研究。在國內有關科學本質的研究，多以翻譯、修改或自創的科學本質量表為測量工具，進行了解教師及學生所持科學本質觀，且大多以量化的研究為主（丁嘉琦， 1999；林陳涌，1995；林千青，1996；林顯輝，1998；張鳳琴，1994；鄭湧涇、周美雪和張麗珠，1989）。近幾年來則採用質性的研究有增加的趨勢，而研究的重心有移往科學本質教學實務的相關研究（翁秀玉和段曉林，1997b；翁秀玉，1997；陳淑媛和洪振方，1997；陳文靜和洪振方，2000；廖麗貞、林寶英和洪振方，2000；鄭子善， 2000）。本研究所探討的文獻，僅僅以近年來有關科學本質教學實務中如何增進科學本質認識的策略之研究為主，希望能集中焦點，對近來的研究做一番整理與回顧，以利本研究的進行。從許多研究中可以發現增進科學本質認識的策略一般可以歸納為內隱途徑（implicit approach）和外顯途徑（explicit approach）兩種（Abd-El-Khalick & Lederman, 1998）。. 37.

(48) 一、內隱途徑內隱途徑是以科學探究的教學（science inquiry instruction）、科學過程技能的教學（science process skills instruction）、科學內容課程工作science content coursework）、從做中學科學（doing science）、或其它的教學策略來促進對科學本質的瞭解。內隱途徑缺乏明白指出科學本質的成分，來增進學生對科學本質的了解。 Lederman（1986）以18 位高中生物教師與學生為研究對象，使用NSKS 問卷及觀察班級教學質性分析方法，結果發現：1.班級氣氛是愉悅的。2.教師採探究式教學。3.師生互動頻繁，較能改變學生對科學本質概念，促進科學的學習。 Carey 等人（1989）設計課程讓七年級的學生透過行成假設與驗證假設的實驗操作，使學生體認到科學的研究活動是人類心靈的疑問來引導實驗的進行。 Marble（1992）以16 位七年級學生為研究對象，訪談學生對科學的描述分二類：1.將科學視為追求知識的過程。2.當作一種滿足人類需求與願望的工具。該研究建議在教學營造一個類似科學家工作的環境，讓學生想像自己是科學家正在從事科學探究活動。讓學生有機會去建構個人與科學知識的關係、進行概念的遷移並澄清他們的看法。翁秀玉（1997）讓一班國小六年級之學生在進行實驗之前，根據自己的想法、小組討論後提出假設。研究結果顯示，此種方式可使得學生更了解科學探究活動的真實面貌，他們由此學習活動中了. 38.

(49) 解到科學活動並非盲目的試驗，而是心中的想法指引著實驗的方向。張志芳、林瑞文、梁寶堂和洪振方（2001）以符合科學本質的教學設計--以「蠟燭燃燒」單元為例。探討教師利用科學本質觀的理念，據以設計一以蠟燭燃燒為實例之符合科學本質的國中理化教材，其適用範圍包含國中理化課程關於氣體、空氣等之特性。該設計課程以模組化可組合之特性不必侷限於時間，並可依任課時間之多寡組合運用。採用轉換科學本質於教學策略與模式，並結合預測— 觀察—解釋的活動形式進行教學。以設計實驗教學，其中透過引導、鼓勵學生思考作答、預測及實際觀察、操弄實驗、解釋現象，激發學生反思，以促進概念的成長和改變。. 二、外顯途徑外顯途徑是以科學史、哲以及（或者）與科學本質的各種方面一致的教學來增進對科學本質的認識（Akerson, et al., 2000）。外顯途逕需明白指出科學本質的成分，來增進學童對科學本質的了解。科學史作為一門學科，首先是在西方發展起來的。把科學史應用於教育的目的，也首先從西方出現和發展的。隨著科學史教學的進一步發展，人們更多的關注與討論指向了科學史教學在科學教育中的應用。在美國科學史被融入於全國K-12 學校科學的內容標準文件（Benchmarksfor Science Literacy）中AAAS, 1993）。參照AAAS 標準（AAASstandards），美國國家科學教育標準的內容標準也說明學生應該知道科學史（NRC, 1996）。 Oldroyd（1977）也認為利用科學史教學，有下列幾項優點：(1). 39.

(50) 一般說來，科學理論的歷史發展大多相對應於該理論的邏輯結構，例如沒有原子的觀念，就不可能引介電子、質子、中子的發現；(2) 由科學史可以了解科學家面對問題時的思考或實驗探究的歷程，有助於學生領悟解決問題的方法；(3)適當的科學史例子，可幫助學生領悟科學家創造的過程；(4)讓學生了解科學理論是持續的改變著，也因而使學生能開闊心胸，接受錯誤；(5)讓學生了解科學與社會之間的關係，縮小科學與人文的鴻溝（引自許良榮和李田英，1995）。以科學史教學來提供學生的科學本質一直是被學者推祟（Lederman, 1992）。而科學史融入科學教學近年來亦受到科學教育界的重視，諸多研究者論述科學史在教學和學習方面所扮演的角色，顯示科學史確實有助於學生對科學概念的學習（蕭碧茹和洪振方，2000）。洪振方（1998）綜合許多國內外的學者的看法指出，科學史在科學教學中具有多重的功能，透過科學史融入教學，不僅能夠澄清學生先前的概念，進而連結各個科學概念，也能讓學生〞見習〞科學家的思考歷程，藉以激發學生批判思考的能力，並增進對科學本質的認識。如何運用科學史於實際教學之中，學者亦有多種看法。洪振方（1998）在科學教學的另類選擇：融入科學史教學一文中，提及綜觀國內外文獻，發現科學史融入教學的方式非常多樣，例如：歷史個案研究、「互動式歷史小品」（interactive historical）、歷史調查研究（ historical-investigative approach ）、角色扮演、歷史對話（historicaldialogs）、探訪古蹟或參觀博物館、重複科學史上重要的實驗、科學家私人的傳記閱讀、小組討論、富有想像力的科學史寫. 40.

(51) 作等等方式。. 三、其他的看法增進科學本質認識的內隱和外顯途徑，其實並不一定要嚴格的加以區分。例如以科學探究的教學方式亦可用外顯科學本質的成分於教學中，而以融入科學史的教學方式亦可用內隱科學本質的成分於教學中。然而，根據研究顯示學生通常較難自行連結所學的學科內容與科學本質兩者之間的相關性，此時教師就扮演重要的角色，幫助學生來做連結的工作。例如巫俊明（1997）研究三個常態分班的五專二年級班級，計128 名學生，於慣用物理課程中加入科學史事例（歷史導向物理課程），同時分成H1 與H2 兩種。在H1 中，教師明白指出事件內容與科學本質的關聯；而H2 中，教師則沒有明白指出事例內容與科學本質間的關聯，以觀察學生是否會自行做上述之關聯。此研究結果顯示：1.歷史導向物理課程可以顯著增進學生對於科學本質的了解，同時不會影響學生的物理成績。不過，學生的科學本質測驗分數之增加量，與所加入科學史的量及教師是否明白指出事例內容與科學本質的關聯，兩者均有關。2.歷史導向物理課程並不一定能顯著增加學生的科學態度之正向程度。若教師沒有明白地指出事例內容與科學本質間的關聯，則甚至與慣用物理課程一樣，可能出現負面的影響。. 四、小結. 41.

(52) 綜合文獻發現：增進科學本質認識的策略中主要途徑有內隱及外顯二個途徑，內隱的途徑是以科學探究的教學方式為主，外顯的途徑則是以融入科學史的教學方式為大宗，但並不一定要嚴格的加以區分。在外顯途徑中主要是以融入科學史教學的方式來進行，但如何運用科學史於實際教學之中，學者亦有多種看法。而教師這時候扮演極其重要的角色，若教師沒有做引導的工作，則有可能出現負面的影響。本研究欲採用外顯的途逕中融入科學史教學的教學方式，來探討對學生的科學本質觀之影響。如何運用科學史於實際教學之中，學者亦有多種看法，本研究係採「歷史個案研究」的精神來從事研究。. 第二節科學史教學與相關研究. 一、國外相關的研究 Solomon, Duveen, Scot, 和 McCarthy (1992) 以英國 5 個班級 11-14歲的中學生為研究對象，使用專門為此研究所寫有關科學史的資料，實施長達一年的教學。在教學前、後使用問卷調查和訪談，了解學生在教學前、後對科學本質的瞭解的改變情形，並觀察上課情形做成記錄。研究結果發現，將科學史融入教學中，能增進學生對科學本質的瞭解。科學史的教學能使學生把焦點放在採納某一理論的理由，而非只是一昧地接受理論；使用科學史的資料並能產生較為持久的學習。從訪談中，意外發現學習「理論」變遷的歷史，. 42.

(53) 對於學生概念改變的過程有些助益。 Dawkins 和Vitale（1999）主持一個維持8 天的放學後教師專業發展計畫，此計畫為訓練8位中學教師使用生物學的歷史個案融入教學中的模式，來教導科學本質的概念並保證學生可以學習到所欲教之生物學概念。研究結果發現：1.利用歷史個案融入教學中的模式來教導中學生的科學本質概念是可行的；2.此教師專業發展計畫，對於中學生物教師發展必要的知識和技能，來實施歷史個案融入教學的模式是有效率的；3.此計畫能提昇老師對科學本質主要概念的認識。 Abd-El-Khalick 和Lederman（2000）研究學生科學本質觀點上科學史課程的影響。研究對象是166 名未畢業、已畢業的學生和15位職前科學國中教師。資料蒐集採用開放式問卷搭配個別晤談，來評估研究對象科學本質前後觀點。在最初的研究，幾乎所有研究對象都具有數個不適當的科學本質情況。在課程結束後，研究對象觀點有顯著改變的很少且有限。但一些研究對象之觀點有明顯的改變，特別是職前科學教師。在他們參與科學史課程後，他們科學本質的架構與現代科學本質的觀點稍微一致。此外，以外顯（explicitly）方式說明有關科學本質，描述相關的科學史課程能更有效率提昇研究對象科學本質的觀點。此外，這研究建議在職前科學教師之科學本質教育的課程中明確增加科學史課程，這將因為他們科學史的經驗而獲得科學本質觀點改變或充實的可能性。. 二、國內相關的研究. 43.