第二章 文獻探討
本章介紹地球系統教育，其緣起、發展及概念架構的意涵，環境教育與地球 統教育教育的關係，以及我國科學教育發展過程、內涵的演變、現況，以及相關 的研究。本章分為三節，第一節探討地球系統教育教育的緣起、發展歷程與方向；
第二節介紹環境教育的緣起、發展、目標、特色；第三節介紹科學課程的進程、
發展與內涵上的轉變，包括九年一貫課程中科學教育的內涵，以及各相關研究。
第一節 地球系統教育
本節首先探討地球系統教育之緣起，瞭解其發展時期，科學教育的思潮走 向，瞭解地球系統教育發展之時代背景，在科學教育中的扮演角色；接著探討其 發展歷程，以配合時代背景來瞭解其發展之本意；再瞭解內涵與概念架構，以作 為本研究分析的依據；最後整理出地球系統教育在各方面的貢獻與影響，以方便 與環境教育在內涵上作比較。
一、地球系統教育的緣起
過去透過衛星的資料蒐集和電腦形成資料，對地球的瞭解也有了突破性的進 展。這個進展促使科學機構對人才的需求。這些人才必須除了具備多項科學專門 領域的知識，更必須能夠運用科學技術以及資料，以解讀數據、完成研究，對地 球的變化更全面的掌握。這樣的需求促使科學界及教育界對地球系統教育的重 視。
在教育上，地球系統教育象徵著科學教育開始對科學學習的目的有所檢討。
越來越多科學家和教育者了解科學是根植於地球系統的學習：科學是在探索地球 -那裡生物和無生物在其中或其上，過程的發生，以及在其中所有這些事物的交 互影響-的過程中被發展出來的一種思考方式。生物圈、岩石圈、水圈、氣圈以 及極圈，這些被以人為分開成原理來學習的每一個領域，其實是地球系統的次系 統。從不關連到其他的主題來延伸而能夠理解地學習一個次系統是不可能的
(Fortner, 1991)。
此外，近年來地球快速的變遷，也使得科學家們除了應用科學與技術來掌握 地球的變動，同時也思考人類應用科技進步對地球環境所帶來前所未有的災難。
有了這一層認識，科學家與教育家開始思考科學教育的弊端，是缺乏更宏觀的科 學視野，導致科技的誤用，是造成地球環境災害的主因。因此對於運用科技的態 度，也是科學教育重要的使命。
地球系統教育的精神所在，就是對地球系統更完整的瞭解，以及對人與行星 地球的關係有更深的體會，進而願意為了人類自身的福祉而愛惜行星地球。
（一）因應科學教育的發展趨勢
地球系統教育之所以發展，是回應科學教育發展的時代趨勢，強調更關心地 球環境的科學素養。
早期因為求知方法的演進，產生有別於古典文學的知識，列入學校課程後成 為和古典文學對立的課程，進而科學課程日益拓展。十九世紀時，西方教育理念 在於培養精神修養及知識學養，即「博雅教育」。博雅教育往往著重培養心智能 力而非應用性知識、技能的學習，經由語言科目培養人們的思考力、判斷力、記 憶力等，輕視實用知識的學習（楊龍立，2000）。然而十九世紀的科學課程內涵 以包括物理、化學、生物、醫療、保健、乃至於性知識、公民知識等。一次大戰 後，各國致力於科學課程的改革；二次大戰後，科學教育的目的被窄化為技術層 面，以經濟發展、提高軍備、加強國防的目標上。直到東西冷戰稍歇，人文或人 本思想抬頭，科學教育才發展出以人為本的意義（鍾聖校，1995）。
自 60 年代以來環境意識的興起，人類的技術對環境的影響受到重視，科學 教育便進一步以解決環境問題為目的，走向培養解決問題的人（問題導向，
problem-oriented）而非學科導向（discipline-oriented）（鍾聖校，1995；李 田英譯，Howe 著，1989）的人。這種人必須具備科學素養。以這個觀點，科學 教育的目標為促進問題解決能力、培養主動參與及分工合作的態度、培養具有科 學素養的國民。因此同時期出現許多意圖加強學生解決問題解決能力的教學課程 發展出來。
例如美國一九六０到七０年代專注於科學探討能力，譬如 ESS、SCIS、SAPA 三種課程（見表 2.1），講究探究方法的培養，鼓勵學生要親手操作，實驗，以 及主動地做探究活動；到了七０年代中期，有學者反省科學教導的缺失，提出 STS 科學教育目標。STS 的觀點強調學校教授科學不應只限定在科學本身，如科
學知識與技能，而應該提供全國國民更深刻的瞭解科學與技術間的關係，以認識 社會，履行民主。因此 STS 認為科學教育的內容必須能夠培養具備科學素養、技 術素養、價值判斷的公民。
表 2.1 SAPA、SCIS、ESS、STS 的哲學觀
方案或研究 內容 Science-A process
Approach (SAPA)
讓兒童學到做科學的技巧，即科學分析的操作方式，
包括八個初步及五個整合的程序。
從參與活動學習，沒有固定教科書 The Science
Curriculum
Improvement Study (SCIS)
挑選廣為應用的基本科學概念，分為七個層次。
但兒童並不被期望自己發現概念
The Elementary Science Study (ESS)
鼓勵從中選擇不超過五個單位來自行建構教材，自行 發展方案
跟從學生的好奇，經由詢問，發現、解決問題 同時著重概念與技巧
Science, Technology and Society (STS)
以問題為導向，對於具爭議性的真實事件、地方新聞 採取探討的方法，或是採用價值判斷教學，由學生主 動提出的問題，讓學生實地調查、蒐集、分析數據、
討論，從中自我建構、發展解決問題的能力。
（研究者整理）
這些課程的演進，顯示科學教育的導向是希望兒童所學能對未來面對世界問 題的能力養成有所幫助。美國國家科學教師協會（National Science Teachers Association）在 80 年代末期所倡導的科學教育目的如下（AAAS，1989；引自鍾 聖校，1995）：
1. 科學教育要幫助兒童滿足他們的需要，幫助他們保持健康的身體，作明 智的消費決定，並運用許多技能吸收各方知識供自己使用。
2. 科學教育要幫助兒童成為有見識的公民，能負責任地處理社會問題，對 環境和能源方面的意見表決，能明智地投票，積極參與關懷社區的活 動，並知道解決一個問題可能製造一個新的問題。
3. 科學教育要提供兒童機會能學習科學的概念與過程，要從不同的生命、
物質和地球科學選擇學習的題材，要協助學生發展蒐集、分類、量化和 解釋訊息的心智技能。
4. 科學教育要協助兒童對有關科技生涯作有見解的決定。幫助他們「能感 受」（feel for）這些領域的工作，瞭解社會中科學和技術事業的角色，
瞭解自己的生活如何受這些事業影響。
到了二十一世紀，科學教育面臨更劇烈的社會變遷。人力的需求從工廠勞力 的訓練到強調學術的優越，科學的素養成了國家教育的重要目標之一。未來科學 教育也許會成為允許我們處理社會問題以及作為知識本體的教育過程的重要動 力；科學的價值，像是探究、觀察、致力於理性的問題解決等精神，將對於我們 處理世界飢荒、能源供給以及環境污染等困境極端重要。科學教學在未來將為資 訊體以及理性思考過程而教。為了千禧年的新需求，許多新的課程與課程架構被 設計出來。像是 STC、AIMS 和 Project 2061（見表 2.2）。
表 2.2 課程方案內容與特色概要
課程或課程方案 內容概要 優點或特色
Science and Technology for Children (STC)
1. 含共 24 個方案，六個層級 的科學內容
2. 以活動為基礎，從作中學 3. 「觀察」、「發現證據」、「確 認原因和影響」、「設計與操 作實驗」為四大中心主題 4. 提供電腦輔助教學
5. 和語言、藝術、數學、社會 研究等教學作統整
1. 擷取過去課程的優點：親手 的學習過程、科學技巧與態 度的發展、科學實驗過程的 利用
2. 將科技介紹到課程中的趨 勢
※ 爭議：使用較少的科學主題 可能在科學範圍的含括上顯得 薄弱
Activities that integrate
Mathematics and Science (AIMS)
1. 將科學的學習和數學的學 習在本質上統整起來 2. 在真實生活中探究科學。許
多數學技巧和科學過程在 一個調查活動中交織
1. 發展動態的、延伸理念的計 畫，持續發展中
2. 選擇有趣的教材以激發學 生合作
3. 教材編排及美工非正規的 設計以吸引年輕學子 4. 強調問題解決。
5. 呈現真實世界裡的問題，有 助於學生透過調查科學現 象及真實生活問題而成為 有創造力的問題解決者 6. 比起在指導下觀察，解決問
題過程較為活潑，亦使數學 的學習較有趣
7. 附帶可選擇的互動的、問題 解決的電腦軟體
Project 2061 第一階段：
為從-12 學校畢業的學生，在他 們所學的概念、技巧、態度方面 定義科學素養，包含社會以及行 為科學以及在數學與技術方 面，以提供課程設計者一個指 引。
第二階段：
將概念發展成五個不同學校階 段的課程模組
第三階段：
執行階段。依照第二階段所發展 的兩份文件：
＊科學素養基準：強調重要概念 的核心課程，鼓勵教師形成自己 的課程，提供需被教的特殊技巧 或概念的指導原則
＊科學素養設計：檢視計畫課程 的決定，考慮隱含的機會、限制 等，陳述怎樣的活動可以包含在 一個課程中包含在課程中以及 建議可選擇配合活動的方法）。
1. 科學素養的內涵含括到社 會、價值、態度等層次 2. 重視概念、關係與思考技巧
而非知識的堆積
3. 新且創造性的組織結構，試 圖將傳統科學與數學的模 糊的界線明確化
4. 強調科學、數學與科技的交 互關係，最終整合這些科目 5. K-12 計畫學校的科教法類
似科學事業的本質並以詢 問、探究、資料的過程為特 色
6. 主題一再重現在自然界中 如系統、改變等將在科學級 數學的研究中獲得更廣泛 的注意
（研究者整理）
在這些計畫發展的過程中，科學素養的內涵也逐漸改變。從早期的科學教育 主要在培養科學的知識與技術，重視學科能力，到現在強調科學方法的活用、解 決問題能力的培養、對科學的興趣等。從六０年代至今，科學素養內涵的演進整 理如下表（表 2.3）
表 2.3 科學素養內涵的改變
年代 課程或方案計畫 內涵
60-70 SAPA 重視科學分析方法的養成，著重技巧
60-70 SCIS 分層次直接教導兒童科學概念而親自發現，著重概 念
60-70 ESS 鼓勵教師自行建構教材、學生自行發現並研究解 決，概念、技巧並重
70 中期 STS 問題導向，強調學生從中建構知識與發展技能 講究議題與價值判斷的教學方法
80 年代 STC 主題教學、活動基礎，重視過程、技巧、態度的養 成；利用電腦輔助、課程統整
80 年代 AIMS 教材趣味化、以生活主題呈現、電腦化
1985 Project 2061 含括到社會面、重視思考技能、與數學結合、呈現 自然界的主題、重視科學研究過程
（研究者整理）
由此可見科學教育發展的趨勢，從科學概念的學習到思考技能的訓練，範圍 從科學拓展到數學，更拓展到社會、價值、態度的層面。
美國 NCSESA（National Committee on Science Education Standards and Assessment）在國家研究機構和國家科學院的贊助下，在目標以及在成果上的呈 現，都和以上的計畫有不同的觀點。為創造一個健康且有生產力的遍及全國的科 學教育系統，提出他們在所有教育單位上的表現標準，用於定義國家、州、地方 的科學教育品質。這些標準將提供指示，並催化各層級以增進其努力的行動。
NCSESA 直接朝向發展影響科學教學與學習以及科學教育事業組成的標準，為系 統、課程方案、科學教學與專業發展、科學評估標準、科學內容等的評估規準。
這個計畫也將為連續自我評估提供教材與指導原則以及國家與州的評估成就的 可能性(Kanis & Yasso, 1996)。其原則為：
（1）讓不同文化、背景、學習能力、未來志向、在科學上的興趣或動機的人 應該有機會獲得高層次的科學素養。
（2）所有學生期望學習的科學被定義，使學生有足夠的時間發展基本科學理 念的深刻瞭解，而不只是粗略的學習許多分離的事實。
（3）學習科學是一個生動的過程，在其中所有學生被鼓勵。在科學中，學生 提問、建構自然現象的解釋，用許多方法測試這些解釋，以及向他人溝通他們的 概念。
（4）科學在學校將反映智識的傳統-探究的模式、證據的規則、形成問題的 方法-為現代科學練習的特徵。
（5）科學教育的革新是一個系統的過程，在其中所有人都扮演角色並對改變 有責任。
從這些原則中可看出，科學教育的趨勢，不但著重以學生為中心，強調對科 學概念更深入的瞭解，創造活潑的學習，重視科學方法，並認識到科學教育因應 時代改變的特質。而地球系統教育正是科學教育為因應全球環境變遷而發展的一 個思潮。
（二）科學教育的改革與地球系統教育
雖然在即將邁入二十一世紀時，科學教育跟隨教育思潮的演進，在教學理念 上已經朝向更實用、更靈活的方向前進，但是在面對目前的現實環境，現今科學 教育課程的成效仍受到質疑。其原因如下（Stephen,1991; Fortner, 1991a, 1991b, 1991c, 1992; Jax, 1991; Johnson & Ruzek, 1998; Mayer, 1990, 1991）：
1. 世界情勢的改變
1987 年戈巴契夫訪美，象徵冷戰時期結束。這意味的需要改變在冷戰時代 所建立的，基於對立的科學課程；強調擊敗敵人的優越技術的設計發展應轉而關 注社會與環境問題。聲望卓著的蘇聯科學教育體系，同樣關注在物理化學等以達 到超越西方軍事領先的效果，然而這個體系的結果引發我們的覺醒：蘇聯國境內 大規模的環境掠奪，鹹海以及其周圍經濟的衰落，核能廢物及其成分進入北極 海。這些極端的例子也發生在西方。我們承接了我們的核能廢物及殘渣的問題，
過度的空氣污染，以及動植物種的破壞。這些環境問題已經惡化而成為社會問 題。因此，科學必須重新調整對公眾服務的指導方向，隨著冷戰時期的結束，朝 向解決社會及環境問題方面發展。
2. 因應環境的變遷
如前所述，科學教育為了因應時代改變所帶來的問題，逐漸偏重對實際問題 解決能力的培養。因為科學進步所帶來對地球更多的瞭解，使人們認識到人為活 動對地球產生許多影響，而這些影響又反過來對人類造成威脅。這種交互關係迫 使我們需要對地球有全面的瞭解；科學各領域在此需求之下必須集合統整起來。
另外，環境的持續惡化顯示我們的教育系統未能適當地將我們的世界經濟中逐漸 惡化的處境加以解決。事實上許多在科學、工業及政治的領導者，失於去用他們 的領導行動來示範一個地球系統的適當知識；他們看起來是不「科學素養的」。 3. 公民的科學常識不足
美國各界都在檢討學生科學素養之不足，因為這在政治、經濟上都影響到國 家競爭力。
一項六國學生科學知識的比較中發現，美國和愛爾蘭敬陪末座（Fortner, 1991）。Weiss 的一項對剛畢業的哈佛學生解釋季節的成因的研究中發現，他們 的答案顯示對星球基礎位置與運行的天真程度(Weiss, 1987；Sadler and
Schneps, 1988)。難怪在 John Miller (National Science Board 1989)的一項 對成人的研究中發現 93﹪的美國人相信恐龍與人類同一時期存在在地球上，65
﹪對白天和晚上的成因感到疑惑。這些研究表現出美國國民的科學常識不足，科 學教育有待改進之處。
4. 科學專業能力的需求
過去透過衛星的資料蒐集以及電腦形成資料，這些資料需要具有整體觀且具 備跨領域的能力的科學家來應用與詮釋。美國國家航空暨太空總署 (NASA) 鑑於 人類面對全球變遷 (global change) 時，過於窄化的科學訓練不足以解決現今 許多複雜問題，因而提出重要的理念：「跨領域 (interdisciplinary) 整合」， 要求科學的養成教育培養出具有跨領域專業能力的人才，具備應用及詮釋各種資 料的能力。
近十年來由於科技的進步，研究資料的快速累積，對地球的瞭解已經遠遠超 過過去一百年的研究結果。人類越是深入瞭解地球，越是發現到人類和整個地球 系統有不可分割的交互影響關係。關懷這個現實，視地球為一個系統的廣泛概念 正在發生。在此概念中，從傳統地球科學學科如地理學、氣象學和海洋學與物理 學的知識被集合且統整而形成地球系統科學的一個自然基礎。因此地球科學家重 新詮釋各種科學的次原則以及他們的研究方法的關係。
此外，科學進步的同時，科技為人類帶來了福祉，也帶來了災害。例如我們 現在面臨的全球暖化問題，已被證明和科技進步促成石化燃料大量使用有關，以 及開發技術的進步造成森林的加速砍伐及海洋資源的浩劫等。這些狀況顯示科學 的教育為了面對未來的問題，除了教導科學知識本身，更應教導學生正確利用科 學的價值判斷，以及瞭解除了科學以外，還必須結合其他的面向，這些面向是跨 領域的、跨國界的。
Fortner 認為，地球系統是所有物理、化學、生物過程發生的背景環境，因 此學生必須能在科學教室中發現這一點。行政的、後勤的、心理的圍欄在多數學 校裡阻礙了允許真正的地球關係和人類互相影響的整合科學的情形變得明顯。我 們必須開始思考地球系統像一整塊蛋糕，不是像現在高中的那種每年科學訓練的 表面，所有科學訓練的共同焦點應該是瞭解地球（Fortner,1992）。
國家關切科學教學的效能與品質所促成的各項成果在於各項國家課程，除了 上述之美國進步科學協會的 Project 2061 以及國家科學教師協會的 Scope, Sequence, and Coordination Project 以外，第三個成果就是這在俄亥俄大學 及北科羅拉多大學的地球系統教育計畫。其理念及科學內容近於過去所知道的科
學教育計畫，但在旨趣上有所不同，特別是它將焦點放在地球本身（Mayer, 1990）。
NASA 在 1991 年開始贊助大學實施地球系統科學教育 (Earth System Science Education, ESSE) 計畫。ESSE 的目標希望在地球系統和全球變遷科學 的學術基礎下，建立高階地球科學課程，促使不同領域學生具備足夠「聯結地球 系統中不同成分」的觀念，如物理、化學和生物等相互作用的過程，也能應用電 腦模式實施模擬。
從此，地球系統教育變成重新指導 K-12 科學教育朝向科學新挑戰的焦點。
它強調地球-我們的居住地-為科學課程的中心。地球和它的系統提供了課程的組 織架構。因此，我們對環境的利用以及對待在這個科學課程中佔了較重要的位 置。地球系統教育是一個企圖，逐漸去形成一個科學素養的概念，它比較留意後 冷戰智識的趨勢。我們相信學生在這個科學素養的視野下，面對我們的社會以及 物理系統的挑戰時將提供商業、政治、科學明智的領導。
二、地球系統教育發展歷程
由於對科學教育品質的要求在知識的累積以及因應時代需求的背景下提高 了呼聲，對這項關切的回應促成了許多重新定義課程的努力且特別是在奠定科學 素養的基礎上。
在美國，因應對高中和社會的科學認知不足的是幾個進行中的課程更新的努 力目標，包括 Project 2061 以及 NCSESA、the National Science Teachers Association 等的工作。也許在這些努力中最傑出的一項是美國科學進步協會的 Project 2061（AAAS, 1989）。其報告的第一階段深深影響了新近完成的加州架 構（California Framework）(Science Curricula Framework and Criteria Committee, 科學課程架構及規準委員會，1990)這個被超過二十個州的教育部門 考慮為可能的科學課程模組。Project 2061 也已經被 NASA 的 SSC(Scope, Sequence, and Coordination) 採納為國家科學課程重建的目標。
作為地球系統科學教育資源發展的 ESSE 計畫，其肇始於 NASA 的文件-Earth System Science: A Closer View。1986 年，全球各領域一群代表各政府機構的 地球科學研究的委員提出的布蘭特倫報告（Bretherton Report），其中對全球變 遷的種種跡象提出研究報告，它提供一個結構，其強調物理環境系統和生物地理 化學循環，在這兩個主要領域裡，強調在這個系統的狀態中物理的，動力的和化 學的交互作用，展現了人類對地球系統的運作的瞭解。地球環境變遷的人類面向 的出現大大地展開了在大學中提供地球系統科學和全球變遷科學的廣泛需求。
（Fortner, 1991）。
Project 2061 的第一階段和布蘭特倫報告大約同時公佈，沒有參與此報告 的科學家參與這個計畫。因此其思考上很少考慮「科學以及星球的本性」這個包 含在「所有美國人的科學（Science for All American）」中的最重要主題，而 且連帶發展的 California Framework 也是如此。這個可能決定了未來樣貌及本 世紀科學課程內容的文件中，缺少了包含行星地球中心角色這個重要概念，這項 失敗是很嚴重的疏漏。我們真正關切的是，課程改革的努力也許狹隘地聚焦在傳 統科學訓練的概念和程序，而不是關於他們所被導出的地球系統的相關概念及過 程。這樣的方式會導致地球系統被繼續濫用和輕視而不是創造這些系統的知識，
使能夠導向有教養的政治和經濟決策對於明智地使用這些土地、空氣和水資源
（ Mayer et al., 1992）。
由於擔心這次課程重整的努力會再次忽略了行星地球，而聚焦在決定論與簡 化論的科學模組，所以 1987 年秋天，許多科學教育家和科學機構的代表在首都 華盛頓，在冗長的討論之後做出結論：召開一次傑出科學家的會議去確認我們關 連到現行課程的目前的行星地球知識的成分。因此在 1988 年四月，為回應布蘭 特倫報告中對全球變遷的關注，以及對地球系統進一步研究的需求，加上課程改 革的需要，由 National Aeronautics and Space Administration(NASA)，the American Oceanic and Atmospheric Administration(NOAA)，the United States Geological Survey(USGS)等機構各支援三或四位科學家並來參加這樣一個會 議，在五天內，透過小組互動技巧，並且由 Directorate of Geosciences for NSF 確認促成共識。被挑選的科學家應具有以下特質：
1. 被同儕公認為該領域的翹楚（領導者）
2. 有廣博的地球系統科學知識且能夠看到其專長以外寬廣的地球系統概 念架構
3. 在關注在科學教育上且有使命去協助增進科學課程 4. 是有效的溝通者
有十九位滿足以上條件的科學家參與本次會議，其中也包括了參與布蘭特倫 報告的科學家。由組成份子看來，地球系統概念架構除了重視專業科學智能的發 展，比起其他科學教育課程，它更注重對地球關切，以及人類對地球影響的瞭解
（Mayer, 1990）。
會議組織者覺得科學家自己可能在完成會議任務上有困難，因為他們很少對 學校及科學課程有直接的經驗。因此決定邀請二十位教師，顧問及科學教育家為 會議參與者。他們能為這個會議帶來學童特質以及教學任務的知識，提供現實的 重點以確保這些為會議所確立的瞭解能真正地被每個 17 歲的人知道且瞭解，使
地球系統教育的發展能顧及教育之實務。
教育者的選擇以其科學背景的品質、在其學校系統中領導的紀錄、地理學上 的代表、所教層級、在教育機構中的角色等為考慮。因此包括國小、國中到高中、
州級科學顧問和大學科學教育者代表在參與者之列。因此其結果可以真正代表國 家議程來改革在我們國立的學校中所教關於行星地球的知識與認知。如此這四十 個科學家和教育者，在一次四天半的會議中發展出他們認為公民應該瞭解的地球 行星的四個目標、十個概念的初步架構（Mayer & Armstrong, 1990）（見表 2.4）。
透過會議參與者以及和教師與地球科學教育家在 NASA 的地方及國家會議的最後 討論，一個稱為地球系統教育的科學課程新焦點及哲學於是出現。
1990 年五月，美國國家科學教育基金會（NSF）補助俄亥俄大學進行 PLESE
（Program for Leadership in Earth Systems Education），其目標是融入更多 最新的關於行星地球的瞭解到國家的 K-12 課程中。在這項四年的補助下，約 60 個小組，每週至少一人，準備這個計畫的理念工作，然後蒐集課程資源且學習來 組織及領導工作坊。他們將地球系統概念融入到他們自己的課程中，並協助他們 的州裡其他 K-12 的教師也照如此進行。
另一方面，在計畫的準備上，PLESE 計畫委員會由十位教師、課程專家以及 地球科學家所組成，初步的工作包括分析 Project 2061 報告中關於地球系統的 內容，再將這項分析和 1988 年在華盛頓召開的會議的成果結合。經過五天的努 力，這個委員會發展出含有七項瞭解的「地球系統教育架構」（見表 2.5）。這些 瞭解提供 PLESE 小組一個基礎為他們的地區建構一個課程指引，並選擇既有的材 料以便在當地實行地球系統教育。
PLESE 計畫委員會特意將地球系統教育架構的瞭解安排成連貫性的概念 (Mayer, 1991)。首先強調地球行星的美學價值以藝術、音樂、文學來詮釋。著 重於學生的對行星地球的感情，用他們和他人經驗與詮釋的方法，學生被吸引進 入對他們的星球的迷人學習。一個對此星球的美學欣賞自然地引導學生進入一個 關切其資源適當的管理者：架構的第二理解部分（Mayer,1990）。接著一個為了 保存我們地球經濟的以及美的資源的關切自然地引入一種渴望去瞭解各種次系 統如何作用以及我們如何學習這些次系統，連接到下四個理解部分。在學習這些 次系統如何作用的同時，學生必須學習基礎物理、化學、生物概念。最後一個理 解部分處理科學生涯及職業，再次聚焦於學生及時的關注和興趣
(Fortner,1991)。
到 1990 年為止，許多實驗觀點的地球系統教育計畫在進行中。其中最早的 是一個統整生物和地球系統科學連貫到高中課程的實施。在這個計畫中，調換九
年級的地球科學及十年級的生物學。這個連貫的課程組織環繞在基礎地球系統議 題譬如資源需求，全球氣候變遷和森林破壞。這個計畫包含合作學習和問題解決 技術為主要教學策略（李春生，1997；Johnson, Ruzek & Kalb, 1998）。現有的技 術還用於用在學科研究教學的線上和 CDROM 資料庫以接觸目前的科學資料
（Johnson, Ruzek & Kalb, 1998）。
另外有其它的計畫陸續推行地球系統教育，例如中學地球系統計畫（Earth Systems in the Middle School Science Curriculum）；十個傳統 Ohio 和紐約 高中正學習 BESS（Biological and Earth System Science） 計畫以實踐他們 的課程重建計畫的努力；全球變遷活動計畫（The Global Change Activity Project）為補強「地球為一個系統」概念的教學活動；全球變遷技術研究計畫
（Global Change Technologies）乃希望藉由加強教師對研究全球變遷技術的瞭 解，在教室中充分利用遙測、線上資料庫及各項軟硬體設施進行活動（李春生等，
1996）。
1999 年美國地質協會（American Geological Institute）主導由國家科學 機構（NSF）贊助的 EarthComm 課程發展計畫，旨在提供中學階段的教師和學生 一套完整的地球科學課程，包括學生習作、教師資源、針對實驗操作、探究活動 等教學單元的評量工具（賴麗琴、張俊彥，2000）。
綜觀地球系統教育的發展，乃是起源於對科學教育的反思，思欲對科學素養 的充實，希望科學教育能強化公民們的科學認知，符合時代的需求，更能對環境 的變遷有瞭解的能力，足以採取適當的判斷以及因應對策，讓科學能夠真正的有 益於人類。其發展融合了科學教育（Project 2061）與環境變遷（Our Common Future）的內涵，希望藉由將學習重心回歸到對地球的關心，來加強科學學習的 效能，並有助於增進人類的生活品質。
三、地球系統教育的內涵、架構
如前所述，地球系統教育乃應運時代需求而生，其內涵比起目前科學教育 更有所不同，茲說明如下。
（一）地球系統教育的意義
1. 地球系統教育將科學課程重新建構
Project 2061 的指揮者 Ronald E. 在 1988 年的「每個十七歲的公民應知
道的事」研討會上對與會的科學家與教育家作的建議中指出，新課程應該擺脫的 舊課程框架。可見地球系統科學教育勉力避開原來科學課程的失誤，以地球系統 作為科學課程的重新建構的主體，對科學教育的革新有重大的意義：
（1）著重於課程本身，而不受限於科目
（2）確定概念或過程為公民的福祉重要的，排除模糊的目標
（3）避免過多的內容
（4）跳脫現行的架構，考慮地球概念的所在
（5）確認被包含的元素必須對教育的真正目的做出貢獻
（6）強調課程的需求反映目前我們的社會和經濟體系的需要以及對自然的 基本瞭解的科學調查。
（7）區分「所有公民須知」和「所有科學家須知」。確認什麼是基礎的，
然後建立在那個結構上。
2. 地球系統教育強調不同的科學研究認知歷程
有別於傳統的科學教育（強調控制變因、操縱變因、簡化、可重複等科學方 法，對複雜的世界現象無從處理），地球系統教育提倡對自然科學更理解的瞭解 以及通常為地球和生物科學的認知過程所運用的，包含歷史描述的方式。(Mayer, et al., 1992).
地球系統教育的努力，也採用建構主義者的方式於學習全體工作人員引導的 工作坊以及在課程重新建構的努力上。大部分的學習在小的合作團體中進行，致 力於處理地球系統的真正議題和問題。
３. 以行星地球為課程主題
用所有科學調查的主題-行星地球-作為發展 K-12 科學課程主題，並且用地 球系統教育架構來發展的教學資源指引，顯現了整合科學課程的應用方向。這是 Project 2061 和 NSTA、SS＆C 都在努力的目標。在地球系統課程的內容中，任 何公民必須瞭解的能被科學地讀寫物理的、化學的、生物的過程，都被列入課程 概念。就是這個想法引導許多教師和課程專家在考慮國家科學課程地球系統教育 革新的實行(Mayer, et al., 1992)。
地球系統教育的努力，亦尋求將更整體的科學自然的哲學，引進常被批評為
「分解」的傳統科學課程。課程的過度分化使學生失去對學習主體原貌的瞭解，
地球系統教育將被分解的課程重新組合起來，將學科回歸到科學學習的主體-地 球-上。
４. 加入欣賞的情意教育
以對地球的欣賞為教育的起點，顯現學科的根源應回歸到對自己環境的感 受，對環境的欣賞引發探索的心情，進而走入學習的途徑。將美學的價值注入科 學教育中，將科學探究的歷程回歸到對自然的關懷。
Mayer 認為地球系統科學在教育上的意義如下（Mayer, 1991）： 1. 在哲學上重視人類對地球的反思
哲學上，地球系統教育影響我們做為人類，如何思考我們這個地方，宇宙的 偉大設計。人類是整個進行相當長一段時間的過程中，晚近才出現的一個產物，
卻造成各種生命形態的滅亡。因此我們不能把地球看成特別為人類使用所創造 的。目前我們可以浪費地球的資源而後再想儲存的行為難以持續。地球系統科學 在其結構上，處理深長的時代(deep time)當作基礎的成分在。深長年代只是一 個幫助我們瞭解自己在宇宙中所在的一個概念。另外哥白尼的太陽中心說也重塑 了太陽系到一個太陽中心的模型中，以及太陽系本身在銀河系和宇宙中所在的瞭 解，再次突破這個世界是為我們而創造的思考。正是這種態度使我們必須對現在 所面對的環境問題負起責任。
2. 在方法上重視描述的歷史方法
方法學上，地球系統科學為學生學習科學家問題解決的方法提供了絕佳的機 會。實驗法雖然被小學和中學科學教育支持為科學的良方，然而，是歷史的以及 描述的方法給予我們對於宇宙中我們自己以及我們的地方真正有力的信念。例如 哥白尼不是經由在太陽系中心的太陽實驗來記錄太陽系，達爾文也不是經由實驗 來創造他的進化論。深遠年代的發現，進化論的發展，我們對宇宙的瞭解，以及 我們現在所擁有的關於我們星球的進化知識和它周圍的內在西方思考與哲學，都 不是實驗法的產物，而是應用地球科學家的歷史的方法。事實上，沒有一種方法 的科學。將科學標榜為一個學科的是真實世界資料的蒐集以及資料的主題分析以 獲得世界如何運作的意義。操作實驗只是獲得資料的一個方法，通常用來證明從 地球形成的觀察與描述所獲得的資料中推論的概念。但我們的學生相信唯一的科 學是實驗法。它們被引導相信實驗是經驗「親手做」科學的唯一方法。但是有其 他方法。地球科學教師可以用「親手做」的模式示範歷史的和描述的方法。
3. 在概念上以地球為系統來發展科學認知
概念上，科學家視地球為一個系統。部分由於研究地球時，新工具（衛星、
大型電腦及網路等）的使用協助地球科學家現在把地球當成一個系統來談。藉助 技術的進步，可以整體地看待地球，而不侷限在一個地區一種現象的觀察。由此 我們正開始瞭解地球如何運作以及它的每一個次系統，像岩石、大氣、水如何交 互作用以造成地球的變化。它也是人類及其活動在過去已經發生且以後也將發生 的改變裡扮演重要的角色。我們所居住的地球已經變得不一樣了，在我們的地球 知識上完全的革新已經發生。然而，不幸地，這些新知識很少找到進入課程的途 徑。為了教這些地球概念，教學者應該藉由目前衛星影像所概述的新科技的成 果。有 NASA 所出版的高空衛星影像圖，也編製了教育者使用指引，以提供學生 透過這些衛星圖來學習。
（二）地球系統教育的目標
地球系統教育因應時代需要與教育潮流，規劃具體的教育目標。綜觀科學教 育的發展，地球系統教育的提倡乃有以下目的：
1. 加強國民的科學素養；這種素養可以培養國民用適當的工具與方法解決 目前世界各地所存在問題的能力；
2. 加強國民的科學基礎知識。
3. 培養跨領域的科學人才。
地理學家與教育學家於 1988 年四月在華盛頓 D.C.所召開的地球系統教育第 四次會議中所訂出的地球系統教育四大目標為（李春生，1996；Mayer, et al.,1992）：
1. 科學的思考-每個公民將能夠用歷史的，描述的，以及地球科學的實驗 過程瞭解科學探究的本質。
2. 知識-每個公民將能夠描述和解釋地球過程和型態以及參與其中的改變 3. 管理者-每一位公民將能夠以告知的方式響應環境及資源的議題
4. 欣賞-地球的公民將能夠發展一個對地球的美學欣賞
（三）地球系統教育的概念架構
地球系統教育共發展出兩套概念群組。一為 1988 年發展的「地球系統教育 十大概念群」；兩年之後，又分析 Project 2061 與布蘭特倫報告，加入教育者的 想法，變成「地球系統概念架構」。茲介紹如下。
1. 1988 年，由 NASA、NOAA、USGS 等機構的科學家共同發展，並且由
Directorate of Geosciences for NSF 確認促成共識，所提出了十大概念群，
列於下表（見表 2.4；原文見附錄一）：
表 2.4 地球系統教育十個概念群
1.1. 地球地球系系統統是是一一個個在在廣廣大大宇宇宙宙中中的的一一個個太太陽陽系系的的一一小小部部分分 ((11)) 太太陽陽是是地地球球能能量的量的主要主要來來源源。 。
((22)) 太太陽陽是是宇宇宙宙中中無數無數恆星恆星中中的的一顆一顆。 。 ((33)) 月月球球和和地地球球彼彼此影此影響著響著。。
((44)) 太太空空中中所所有有的的物體物體（包（包括括地地球）球）所受所受的作的作用，用，同樣同樣也發也發生在生在太陽太陽系及系及整個整個宇宙宇宙 中。中。
((55)) 行行星星的的大大小小以以及它及它在太在太陽陽系系中的中的位置位置決定決定了行了行星的星的性質性質。 。
((66)) 地地球球相相對對於於太太陽的陽的位置位置及及運運動會動會影響影響地球地球上的上的潮汐潮汐、季、季節和節和氣候氣候變化變化等。等。
2.2. 地球地球系系統統是是水水、、土土地地、、冰冰、、空空氣氣和和生生命命等等交交互互作作用用的的次次系系統統所所組組成成 ((11)) 水水能能以以氣氣態、態、液液態態和和固固態存態存在，在，受能受能量的量的影響影響而轉而轉變其變其相態相態。 。 ((22)) 海海洋洋是是一一項資項資源，源，它覆它覆蓋超蓋超過過7700％％的的地球地球面積面積且持且持續不續不斷的斷的運動運動。 。 ((33)) 冰冰圈圈為為地地球的球的次系次系統，統，會隨會隨著季著季節和節和全球全球分佈分佈變化變化。 。
((44)) 太太陽陽的的加加熱驅熱驅動了動了大氣大氣循環循環，隨，隨著與著與其他其他次系次系統的統的作用作用而變而變化。化。 ((55)) 固固態態地地球球（岩（岩石圈石圈）會）會與水與水圈、圈、大氣大氣圈、圈、冰圈冰圈和生和生物圈物圈交亙交亙作用作用。 。 ((66)) 生生物物圈圈與與其他其他次系次系統間統間彼此彼此亙相亙相影響影響。 。
((77)) 太太陽陽是是影影響地響地球系球系統主統主要的要的能量能量來源來源。 。 ((88)) 地地熱熱可能可能影響影響地球地球內部內部的動的動態作態作用。用。
((99)) 地地球球系統系統的每的每一部一部份有份有其獨其獨特性特性質、質、構造構造和組和組成。成。
3.3. 地球地球的的次次系系統統（（水水、、土土地地、、冰冰、、空空氣氣、生、生命命））是是透透過過自自然的然的過程過程及及循循環環，，連連續續地地形形 成、成、改改變變及及交交互互作作用用
((11)) 水水循循環通環通過各過各次系次系統。統。
((22)) 地地球球的最的最外層外層由運由運動中動中的板的板塊所塊所組成組成。 。 ((33)) 所所有有新的新的岩石岩石是由是由老的老的岩石岩石循環循環改變改變而成而成。 。
((44)) 地地球球系統系統各部各部分間分間的主的主要交要交亙作亙作用包用包括水括水循環循環、岩、岩石循石循環、環、碳循碳循環、環、冰川冰川循循環環 及及營營養養鹽鹽循循環環。。
4.4. 地球地球的的自自然然過過程程發發生生經經過過從從數數十十億億年年到到幾幾分分之之一一秒秒的的數數個個時時期期 ((11)) 宇宇宙宙物理物理過程過程經歷經歷的時的時間尺間尺度從度從數秒數秒至數至數十億十億年不年不等，等，差異差異巨大巨大。 。 ((22)) 地地球球年齡年齡超過超過四十四十億年億年，且，且仍在仍在演化演化中。中。
((33)) 大大氣氣是一是一圈很圈很薄的薄的保護保護毯，毯，隨地隨地質時質時間演間演化由化由不同不同的氣的氣體體及及其他其他物質物質
