探討不同探究式教學法對高一學生科學探究能力成長之影響

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(1) . 國立台灣師範大學地球科學研究所碩士論文指導教授：許瑛玿博士. 探討不同探究式教學法對高一學生科學探究能力成長之影響. 研究生：白佩宜中華民國九十八年一月 .

(2) . 誌. 謝. ~要感謝的人真的是太多了，那就感謝整個宇宙吧！~ 雖然無法完整列出我心中想要感謝的人事物，但還是要在此鄭重對於我生命中的貴人們表示謝忱。首先感謝恩師許瑛玿教授多年來的提攜與指導。許教授在科學教育領域的認真與熱忱，是我學習的榜樣。在教學的路上，有許教授的指引與教導，讓我不斷學習新的東西，持續尋找理論和實務結合的方式，並應用在教學上。在實驗設計、資料分析與論文寫作期間，許教授總是耐心教導，適時導正我，用心良苦。也因為許教授，我才能有機會常常和優秀教師們如惠玲學姊與光正學長、家祥學長與義昞學姊、雪琴學姊、昌任、詩怡等(還有很多很多…)聚會討論，在每次的討論中都學習很多，有助教學精進。感謝楊芳瑩教授、台北市立教育大學自然科學系洪志誠教授在百忙之中惠允擔任佩宜的論文口試委員，對於資料分析與論文撰寫上提出寶貴的意見，並給予我鼓勵，讓我獲益良多。感謝新店高中校長與同事們，尤其是楊仙珠主任，在我兼任行政工作的暑期，允許並容忍我請公假進修，分擔我的工作，讓我得以完成教學碩士班的學業。謝謝叙琬、豪章配合調整教學進度以進行教學實驗。叙琬也是我最好的工作夥伴，在教學上互相切磋、分享，讓我過著快樂的教學生活。純慧是我寫論文期間的工作夥伴，美麗體貼的她幫了我很多的忙，是心理上、工作上的好朋友。也感謝我的學生們，總是讓我學習到很多，即使每一年都教授地球科學課程，還是不會厭倦。從學生那裡，我也看到我自己，知道我有無限可能。這四年多來陪伴我讀書、寫論文的徒弟們-志忠、子文、敏儀、德偉、立其，你們讓我擁有很多能量，得以完成我的夢想。我在師大分部圖書館、在新店高中、在心裡和你們一起努力。這篇論文和德偉緊緊相繫，和他一起成長，隨著德偉保送台大，論文也進入完結篇。最後，我要感謝家人對我的支持、鼓勵與包容。謝謝爸爸、媽媽對我的養育、培育之恩，公公、婆婆總是愛護著我，包容我。弟弟妹妹們是我堅持努力的動力泉源。而對我付出最多的是我的先生-威凱。威凱默默地幫我承擔很多責任，照顧寶貝-邦禎，讓我這個在教學工作、行政工作、家庭、學業四頭燒的蠟燭，不會爆炸，一切仍然穩定地運作。如果沒有威凱的支持，我就很難達成理想。還有許多幫助我的親朋好友，限於篇幅無法一一列出大名，在此深深地感謝他們。如果說，我能為這宇宙做些什麼，我會努力去做，因為我是這麼幸運，有這麼多人支持我，給我能量。謹以這篇論文獻給所有貴人，並且希望所有地球科學教育工作者都能持續發光發熱，成為照亮夜空的美麗恆星、星團、星系…。願一切都美好！ .

(3) . 摘. 要. 本研究主要探討不同的探究式教學法對於高一學生科學探究能力成長的影響，包含「提出問題與假說」、「計畫」、「實驗與資料蒐集分析」與「詮釋與結論」四個向度。本研究採準實驗研究法，對象為台北縣某國立高級中學高一學生，在現行的基礎地球科學課程中，以「校園氣象觀測」為主題，進行結構式、引導式及開放式三種不同類型的探究教學。分析學生於探究課程前後科學探究能力及地球科學教室學習環境偏好的變化情形，結果顯示：(1)平均而言，學生在探究課程前後的整體科學探究能力沒有明顯成長，但在「提出問題與假說」向度有明顯成長，且不同探究能力的學生接受不同探究式教學法後的效果稍有不同。(2)起始科學探究能力低分組的學生在課程前後探究能力的成長情形優於中、高分組。(3)結構式探究對於「提出問題與假說」能力的增長最有幫助，也能幫助低分組學生增長其「實驗與資料蒐集分析」能力。(4)引導式探究可幫助中、低分組增長其「提出問題與假說」能力，也對中分組學生在「計畫」向度、低分組學生在「詮釋與結論」向度有所助益。 (5)開放式探究能幫助高分組增長其「計畫」能力。本研究證明為期兩週的探究課程，可以提升起始科學探究低能力學生各向度的能力，並受到大部分學生的喜愛，且多數學生認為探究課程所營造的學習環境較符合他們的理想。然而，在現實環境中，學生較少機會從事以學生為中心的探究活動，需要教師適時指導。教師可以考量學生的探究能力，採行合適的探究式教學法，以呈現最佳效果。. 關鍵字：科學探究、探究式教學法、學習環境、地球科學教育. II .

(4) . Abstract This study aims to examine the influences of three different methods of inquiry-based teaching on senior high school students’ scientific inquiry abilities including posting questions and hypothesis, planning, experimenting, data collecting and analyzing, and interpreting and concluding. The three inquiry-based teaching methods used in this study were based on the different amount of teacher guidance including structured inquiry, guided inquiry, and open inquiry in a topic related to weather observation. The participants on this quasi-experimental research were three classes of tenth graders in Taipei County. The results showed that: (1) overall, students’ scientific inquiry abilities didn’t have a significant difference before and after the inquiry-based lesson, but their performances were improved obviously in posting questions and hypothesis. (2) the low achievement students made significantly improvement than the medium achievement students and high achievement students in the overall inquiry abilities after the inquiry-based lesson. (3) the structured inquiry was the most helpful to improve the ability of posting questions and hypothesis; especially, it helped the low achievement students improve their abilities of experimenting, data collecting and analyzing. (4) the guided inquiry helped the low achievement students and medium achievement students improve their abilities of posting questions and hypothesis. Also, the guided inquiry improved the medium achievement students’ ability of planning, and the low achievement students’ ability of interpreting and concluding. (5) the open inquiry improved the high achievement students’ ability of planning. Therefore, this study demonstrated that the two-week inquiry-based lesson enhanced the low achievement students’ abilities of all dimensions in inquiry and the most of students reported that they liked the inquiry-based lesson on a perspective questionnaire. Moreover, a large number of students thought that the inquiry-based learning environment was correspondent with their ideal learning environment. However, in actual, students have very few chances to undertake student-centered inquiry. It is suggested that teachers adopt suitable methods of inquiry-based teaching in order to promote students’ achievements. Keywords：Scientific Inquiry, Inquiry-Based Instruction, Learning Environments, Earth Science Education. III .

(5) . 目第一章. 錄. 緒論 ............................................. 1. 第一節研究動機與背景....................................................................................1 第二節研究目的與待答問題............................................................................4 第三節研究的重要性........................................................................................5 第四節名詞釋義................................................................................................6. 第二章文獻探討 .......................................... 8 第一節科學探究................................................................................................8 第二節學習環境..............................................................................................17 第三節科學探究相關研究..............................................................................18. 第三章. 研究方法 ........................................ 21. 第一節研究對象與情境..................................................................................21 第二節研究設計與流程..................................................................................22 第三節研究工具..............................................................................................25 第四節資料分析..............................................................................................39 第五節研究限制..............................................................................................41 第六節研究倫理..............................................................................................41. 第四章. 研究結果與討論 .................................. 42. 第一節科學探究能力的變化情形....................................................................42 第二節地球科學教室學習環境觀感的變化情形..........................................56 第三節學生對探究課程的觀感......................................................................61 第四節開放式探究活動的小組表現..............................................................65. 第五章. 結論與建議 ...................................... 78. 第一節發現與結論..........................................................................................78 第二節綜合討論..............................................................................................82 第三節檢討與建議..........................................................................................88 第四節在教學上的意涵..................................................................................90. 參考文獻 ................................................ 91. IV .

(6) . 表目錄. 表 1-1.1 科學探究的等級 ..............................................2 表 1-1.2 科學活動層次 ................................................2 表 1-1.3 科學探究活動的分級與內涵 ....................................3 表 2-1.1 美國國家科學教育標準中 9~12 年級學生的能力標準 ..............11 表 2-1.2 探究的基本特徵和探究型態的變異 (NRC,2000 ; Hsu,Yang,&Tsai,2008) ...................................................................12 表 2-3.1 探討地球科學領域探究式教學成效的相關研究摘錄 ...............19 表 3-1.1 研究對象班級人數及有效樣本數 ...............................22 表 3-3.1 探究式教學課程設計原則 .....................................25 表 3-3.2 不同方式之探究式教學流程比較 ...............................26 表 3-3.3 不同探究教學法執行流程比較表(科學探究能力)..................28 表 3-3.4 各種探究式教學培養科學探究能力的時間分配表 .................30 表 3-3.5 探究式課程在各探究能力向度的時間分配(百分比)................31 表 3-3.6 不同探究式教學蘊含之科學探究能力向度指標 ...................32 表 3-3.7 科學探究能力試題命題架構 ...................................33 表 3-3.8 科學探究能力試題命架構-各向度指標分布 ......................34 表 3-3.9 科學探究能力試題分析 .......................................35 表 3-3.10 科學探究能力試題命架構-各向度題號與題數 ...................37 表 3-3.11 氣象概念試題架構 ..........................................37 表 3-4.1 本研究資料分析表 ...........................................39 表 4-1.1 全體學生科學探究能力試題前測與後測的 t 檢定 ................43 表 4-1.2 組內迴歸係數同質性檢定結果-受試者間效應項的檢定 ............43 V .

(7) . 表 4-1.3 二因子混合設計變異數分析描述統計 ...........................44 表 4-1.4 二因子混合設計變異數分析 ...................................44 表 4-1.5 探究式教學、不同探究能力分組的前後測差異 ...................50 表 4-1.6 共變數分析描述統計 .........................................53 表 4-1.7 成對比較 ...................................................53 表 4-1.8 不同探究類型課程前後，學生探究能力的變化情形比較 ...........54 表 4-1.9 不同探究程度、不同探究方式的科學探究能力的變化情形 .........55 表 4-2.1 地球科學教室學習環境問卷結果各項得分 .......................56 表 4-2.2 各種探究類型施測前後的比較 .................................57 表 4-2.3 探究課程改變幅度(與理想情形的差距)..........................60 表 4-3.1 學生對探究課程中，老師給予提示、協助及指導的觀感(選單式)....62 表 4-3.2 學生對探究課程中，老師給予提示、協助及指導的觀感(開放式問答題) ...................................................................62 表 4-3.3 學生對小組合作的看法(選單式)................................63 表 4-3.4 學生對小組合作的看法(開放式問答題，上述答案的原因)..........63 表 4-3.5 學生對實驗活動的看法(選單式)................................64 表 4-3.6 學生對實驗活動的看法(開放式問答題，上述答案的原因)..........64 表 4-4.1 各小組在開放式探究課程中提出的研究主題 .....................66 表 4-4.2 各小組在開放式探究課程中擬定的實驗設計與達成指標 ...........67 表 4-4.3 開放式探究課程中，各小組進行結果分析與達成指標 .............70 表 4-4.4 開放式探究小組學習單內容分析 ...............................72 表 5-1.1 成效最佳與不利於各種能力成長的探究類型 .....................81 表 5-2.1 學生對後測的反應與意見 .....................................82 表 5-2.2 對不同探究能力學生最有助益的探究類型組合 ...................85 . VI .

(8) . 圖目錄. 圖 2-1.1 探究活動的向度(引自洪振方，2003，第 659 頁) ..... 14 圖 2-1.2 引導式探究的定位 ............................... 14 圖 3-3.1 各種探究式課程中的「教師中心」與「學生中心」時間比例圖 .................................................... 31 圖 4-1.2 不同探究方式的科學探究能力測驗前後測提問(5)平均值變化 ...................................................... 46 圖 4-1.4 不同探究方式的科學探究能力測驗前後測分析(5)平均值變化 ...................................................... 47 圖 4-1.5 不同探究方式的科學探究能力測驗前後測詮釋(5)平均值變化 ...................................................... 48 圖 4-1.6 不同探究方式前後之科學探究能力四個向度之 ES 值 .. 48 圖 4-1.7 不同探究程度的學生在經歷探究式課程前後平均探究能力成長 ES 值 ............................................... 49 圖 4-1.8 不同探究程度的學生在經歷結構式探究前後的探究能力成長 ES 值 ................................................. 51 VII .

(9) . 圖 4-1.9 不同探究程度的學生在經歷引導式探究前後的探究能力成長 ES 值 ................................................. 52 圖 4-1.10 不同探究程度的學生在經歷開放式探究前後的探究能力成長 ES 值 ................................................. 52 圖 4-2.1 地球科學教室學習環境問卷結果-全體學生理想學習環境 ........................................................ 56 圖 4-2.2 全體學生實際經歷的學習環境(探究課程前) ......... 57 圖 4-2.3 全體學生對探究課程學習環境的觀感 ............... 58 圖 4-2.4 各種探究類型平均「學生中心」指數與「教師中心」指數分布圖 .................................................. 59. VIII .

(10) . 附. 錄. 附錄一科學探究能力試題 ................................ 95 附錄二地球科學教室學習環境問卷 ....................... 106 附錄三氣象概念試題 ................................... 108 附錄四個人成果報告 ................................... 112 附錄五校園氣象觀測之小組學習單(結構式探究)............ 115 附錄六校園氣象觀測之小組學習單(引導式探究)............ 121 附錄七校園氣象觀測之小組學習單(開放式探究)............ 124 . IX .

(11) . 第一章緒論基於對科學教育工作的熱愛，並解決在教學崗位發現的問題，希望藉由本研究了解高一學生在不同類型的探究活動中，科學探究能力改變的情形。研究者於現行高一基礎地球科學課程中進行探究式課程，藉由提供學生提出問題、設計實驗、實地觀測、分析資料及解釋結果的機會，試圖探討學生的科學探究能力及地球科學教室學習環境偏好如何受不同探究方式的影響，並且調查學生對於探究活動的觀感，以作為未來相關課程研發的參考。本章內容包含「研究動機與背景」、「研究目的與待答問題」、「研究的重要性」及「名詞釋義」。. 第一節研究動機與背景研究者個人在地球科學教學崗位已經 13 年。每學年初，當學生們組隊報名校內科展競賽時，總觸發對科學探究的一些想法。來訪的學生們會問，「我該做什麼題目」？而且努力了許久，還是想不出生活上有什麼可以探討的地方。即使，老師把問題送到面前，「要怎麼開始？」「方法是什麼？」這些學業成績優良的學生，其科學探究能力卻不成正比。然而，科學探究能力才是帶得走、能解決生活問題的重要技能，也是一般學生選修自然科學的學習目標。在 95 學年度高級中學新課程地球科學綱要目標提到，「為培養具備『地球科學』基本素養（包括知識、思維和技能、態度）的現代公民，促進生涯發展，普通高級中學「基礎地球科學」課程目標如下：一、使學生具備地球科學的重要基本知識，並能了解或關心日常生活中有關地球科學的報導。二、使學生在日常生活中能夠活用地球科學的知識和方法，並發展解決問題的能力。三、使學生對地球科學及環境等相關議題產生興趣與學習意願，並能主動關心和珍惜地球環境。」 (教育部，2004)由目標二，活用地球科學的知識和方法，發展解決問題的能力，即為發展科學探究初級能力。在97年1 月24 日發布的普通高級中學必修科目「基礎地球科學」課程綱要之實施要點中，對基礎地球科學的教學方法說明如下：教學方法應以達成課程目 1 .

(12) . 標為依歸，故建議教師廣泛運用各種教學策略及選用適當的教學方法進行教學。除課堂講授與演示外，教師應配合不同教學主題，適度採用不同之教學方法，如引導學生進行觀測、調查、探究、小組討論、上台報告、問題解決、戶外參觀、小組合作學習、遊戲或競賽、表演或公聽會等等，使教學過程生動多變化(教育部，2008，273頁)。為了發展學生的科學探究能力，教師應當發展科學探究教學活動，引導學生於課堂上進行探究活動。科學探究有多種面貌及方式。文獻關於科學探究可的開放程度可分為以下幾種等級： 1.根據劉宏文(2001)及 Herron（1971），可分為 0-3 等級，如表 1-1.所示：表 1-1.1 科學探究的等級等級. 問題. 方法. 答案. 0. 指定. 指定. 指定. 1. 指定. 指定. 開放. 2. 指定. 開放. 開放. 3. 開放. 開放. 開放. 2.根據 Hegarty-Hazel(1986)修改 Herron 的科學活動層次，分為 5 個層次，如表 1-1.2 所示：表 1-1.2 科學活動層次層次. 問題. 實驗器材. 步驟. 答案. 一般稱謂. 0. 給予. 給予. 給予. 給予. 驗證式. 1. 給予. 給予. 給予. 開放. 引導式探究. 2a. 給予. 給予. 開放. 開放. 開放式引導探究. 2b. 給予. 開放. 開放. 開放. 開放式引導探究. 3. 開放. 開放. 開放. 開放. 開放式探究. 3.根據 Tamir(1991)、Colburn(2000)，可分為四等級，如表 1-1.3 所示：. 2 .

(13) . 表 1-1.3 科學探究活動的分級與內涵等級. 科學探究活動的內涵. 教師提供學生研究問題、研究方法、研究器材，並且告知學生預第一級定的實驗結果，學生按指示操作實驗。食譜式實驗偏向以教師為主的學習。教師提供學生研究問題、研究方法、研究器材，但是未告知學生第二級預定的實驗結果。結構式實驗偏向以教師為主的學習。教師只提供學生研究問題、研究所需器材，要求學生自行設計研第三級究、發展方法以解決研究問題。引導式實驗未告知學生預定的研究結果。教師從旁輔助。從研究問題的形成、研究方法及所需器材皆由學生自行提出，而第四級從研究過程中歸納出研究結果。開放式實驗偏向以學生為主的學習。. 學生參加科學展覽，即為完成開放式實驗的探究過程，為最高級的探究活動。但科學探究並非直覺或自然形成的產物，而要經過一再地探索，歷經科學探究的過程，因此，科學教育就是要讓學生經歷科學探究的過程。在國外進行的 GLOBE、Journey North 及 Green 課程，都是秉持「學生即是科學家」的信念。「學生被問到有如科學家該要回答的問題，這些問題都是真實世界的環境問題。學生被訓練得要用一系列的計畫案去收集資料。」 (Mintzes,Wandersee,&Novak,1998)。研究者參考以上理論基礎，即著手設計探究式教學活動的課程，以讓任教的高二學生有機會提升科學探究能力。然而，面對這些社會組趨向的高二學生，那一種類型的探究活動是比較有效的呢？因為在設計課程時發現了這個問題，於是，95 學年度第二學期即設計了三種探究方式的活動(結構式、引導式、開放式)，隨機選擇班級進行，但限於課程進度壓力無法收集資料以對探究活動前後的科學探究能力改變情形進行分析。96 學年度，研究者嘗試在高一基礎地球科學課程中安排進行探究活動，並收集資料進行本研究。. 3 .

(14) . 第二節研究目的與待答問題本研究主要目的在了解不同探究教學法對學生的探究能力成長的影響，期望找到訓練探究能力最有利的方式，以增進教與學的成效。本研究的具體目標如下： 1.. 探討探究教學法對學生科學探究能力的影響。. 2.. 了解不同探究類型(結構式探究、引導式探究、開放式探究)的教學法與學生科學探究能力成長的關係。. 3.. 探討學生在不同類型探究歷程中，「提出問題與假說」能力的成長情形。. 4.. 探討學生在不同類型探究歷程中，「計畫」能力的成長情形。. 5.. 探討學生在不同類型探究歷程中，「實驗與資料蒐集分析」能力的成長情形。. 6.. 探討學生在不同類型探究歷程中，「詮釋與結論」能力的成長情形。. 7.. 探討學生在進行探究式課程前後，對於教室學習環境的觀感變化情形。. 8.. 了解學生對於探究式課程的觀感。. 依據研究目的，設定待答問題如下： 1.. 不同探究教學法(結構式探究、引導式探究、開放式探究)對學生科學探究能力的影響有何不同？. 2.. 學生在不同類型探究歷程中，「提出問題與假說」能力的成長情形為何？. 3.. 學生在不同類型探究歷程中，「計畫」能力的成長情形為何？. 4.. 學生在不同類型探究歷程中，「實驗與資料蒐集分析」能力的成長情形為何？. 5.. 學生在不同類型探究歷程中，「詮釋與結論」能力的成長情形為何？. 6.. 學生在進行探究式課程前後，對於教室學習環境的觀感變化情形為何？. 7.. 學生對於本次探究式教學課程的觀感為何？建議為何？. 4 .

(15) . 第三節研究的重要性本研究的重要性如下列說明： 1.. 實務設計方面：本研究是在高一基礎地球科學課程配合教學單元延伸的探究活動，取樣為一. 般高中一年級學生。現行地球科學課程列為大學學科能力測驗的自然考科內容，因此要在升學及課程進度壓力下，兼顧學科知識教授及培養科學探究能力已是教師兩難的問題。在此研究中，安排一個配合課程延伸的探究活動單元，對學生探究能力的增長有無幫助？哪一種探究方式最能幫助學生提升科學探究能力？在學生的理想中希望怎樣的學習環境呢？本研究貼近實務，結果可供第一線高中教師做為教學設計時的參考。. 2.. 探究能力相關研究方面：探究式教學法有助於提升教學成效，也能訓練探究能力。然而哪一種探究教. 學法對高中學生的探究能力成長影響最大？目前缺乏針對國內現行教育制度下，高中學生探究能力成長與探究教學法關係之研究，尤其是在現行高一地球科學課程中，安排探究活動後的成果分析並不多見。本研究選取同校同一年級的三個班級，分別進行三種類型的探究活動(結構式探究、引導式探究、開放式探究)，分析結果可提供教育研究者實例參考，期望未來能發展出有效提升學生探究能力的教學策略。. 5 .

(16) . 第四節名詞釋義本研究中提到下列重要名詞，定義分述如下： (一) 科學探究科學探究是獲取科學知識的過程，透過證據之建立與邏輯分析來進行問題解決的活動，包含提出問題、計畫、資料蒐集和解釋等。 (二) 科學探究能力參考 NARST2008 Hsu,Yang,&Tsai(2008)將科學探究能力分為四個向度： 1. 提出問題與假說（Posting Questions and Hypothesis）：能基於經驗、證據或理論而提問。 2. 計畫（Planning）：能針對問題採取恰當的策略，並運用資源，規劃解決問題的方案。 3. 實驗與資料蒐集分析（Experimenting, Data Gathering and Analying）：能運用恰當的工具蒐集資料、整理資料和建立證據。 4. 詮釋與結論（Interpreting and Concluding）：能在證據與結論之間建立恰當的論證，透過精確的邏輯思考，推斷證據與結論間的關係或形成解釋的模式。本研究探討學生探究過程前後於四個向度的成長情形。 (三) 科學探究課程本研究所進行的科學探究課程，是以相同主題以不同探究教學法，設計成三種探究教材(Tamir,1991;Colburn,2000)： 1.結構式探究：提供學生研究問題、研究方法、研究器材，但未告知預定的實驗結果。 2.引導式探究：只提供學生研究問題、研究所需器材，要求學生自行設計研究、發展方法以解決研究問題。 3.開放式探究：從研究問題的形成、研究方法及所需器材皆由學生自行提出， 6 .

(17) . 而從研究過程中歸納出研究結果。 (四) 教室學習環境教室環境可包含各種構念，例如同學親和、教師支持、學生參與、探究、工作取向、合作、平等等向度的感受(黃台珠等，1998)，而在台灣學生理想中的教室環境偏向「教師中心」與「學生中心」兼具的狀態，但實際上則多為「教師中心」的環境(李旻憲與張俊彥，2004；洪翠屏,2004)。本研究所運用的「地球科學教室學習環境量表」包含了教學方法、教材內容及教學評量三個構念，提出「學生中心」及「教師中心」的陳述交由學生勾選理想情形及實際情形的發生頻率(李克特五分量表)，希望藉由地球科學教室學習環境量表了解學生理想中的學習環境及對探究課程的觀感。. 7 .

(18) . 第二章文獻探討本章分三節討論「科學探究」、「學習環境」及「科學探究相關研究」。. 第一節科學探究近年來，教育不斷改革，由封閉走向開放的趨勢，由傳統以教師為中心的教學方式，轉變為以學生為中心的特質，於是過去以訓練、記憶、背誦為重點的教學，已將焦點轉變為啟發思考、創意及潛能開發(高強華， 1998)。. 一、探究的本質 Abd-El-Khalick(2004)提出，以在科學中探究(inquiry as mean；inquiry in science)的角度而言，探究是一種教學的方法及過程，幫助學生發展科學概念。若以探究科學(inquiry as end；inquiry about science)的角度來看，探究是教學的成果，學生學習在科學內容中探究，發展出對科學本質及科學知識的認知以及有意義的探究技能。劉宏文、張惠博(2001)提到，雖然學生所從事的科學活動、所經驗的情境，可能與科學家真正的科學工作有些差距，然而卻是極富啟發意義的探究經驗，是抽離情境下的科學教學所難以比擬的。. (一)科學素養在教育部公佈之「國民中小學九年一貫課程綱要」的「分段能力指標」說明中，進一步闡釋自然科學的學習，主要目的為提昇國民的科學素養。所謂「科學素養」是經由科學性的探究，自然科學的學習使學生獲得相關的知識與技能。學生若能經常依照科學方法從事探討與論證，養成科學的思考習慣和運用科學知識與技能，便能提升解決問題的能力。當長期從事科學性的探討活動，將會更認識經由探究方式建立的知識之本質，養成提 8 .

(19) . 出證據和講求道理的處事習慣，在面對問題、處理問題時，持以好奇與積極的探討、瞭解及合理解決的態度，這些知識、見解、能力與態度即為「科學與科技素養」(教育部，2003)。. (二)探究過程技能科學學習的目的不只在於接受目前已知的科學解釋，更重要是經由探究過程形成科學解釋，當問題發生時，便會運用探究的過程來解決問題，探究過程如下： 1.起始、觀察、操作 2.提出問題、精緻問題、提出或討論科學調查的主題 3.計畫與設計來解決問題、設計科學調查活動 4.進行實驗工作 5.使資料有意義、資料分析與討論 6.尋找資訊、產生產品 7.分享想法、解釋、溝通在探究過程中，需要應用到「觀察、分類、測量、預測、推論、編寫假設、溝通、辨別變因、設計實驗」等過程技能。所謂的觀察包含了定性觀察與定量觀察；分類即是找出相同與相異點；測量是適當地運用工具進行量度，利用熟悉事物作量度標準顯示結果；預測為預期所將觀測到的事物；推論即是根據事實做合理猜測；假設是預測變數之間的相互關係，設定需要收集的數據；溝通是為了表達意見及情感。而科學探究步驟是選取變因(操縱、控制及應變)、假設及預測、設計實驗、記錄、用圖表找出關係、結論、實驗的準確性及可信性。設計實驗是進行探究時很重要的一種技能，重點是去改變一些因素，繼而量度這個改變對其他方面的影響(HKIEd HAS Centre，1998)。. 9 .

(20) . (三)實驗與探究活動探究進行的形式也有很多種，例如實驗活動、論證與討論…。但現行的實驗活動不一定能達成「探究」的理想目標，有些主要是教授科學概念，透過問題引導學生按步驟歸納出預期的答案。這與科學研究情況有一些矛盾的地方： 1. 要求絕對答案：為了方便掌控進度、批改作業或達成某些特定的教學目標，所探究的問題甚至有所謂的標準答案。 2. 有限時間：受限於進度及課程時間，探究的時間必須被壓縮或切割。 3. 經歷過程但未設計過程：學生依規劃好的實習活動一口令一動作，其實只有快速地經歷流程，體驗不夠深入。 4. 跟著指示進行即會成功，未提及檢討及修正：如此一來，會造成學生對科學不正確的認知，易將科學過度以簡單化。. 二、科學探究能力在教育部頒行之97年「國民中小學九年一貫課程綱要(自然與生活科技學習領域)」中，將國民科學與技術的基本能力，依其屬性和層次分成八個要項(教育部，國民中小學九年一貫課程綱要自然與生活科技學習領域，2008，頁1-3)： 1.過程技能：增進科學探究過程之心智運作能力； 2.科學與技術認知：科學概念與技術的培養與訓練； 3.科學與技術本質：科學是可驗證的、技術是可操作的； 4.科技的發展：瞭解科學如何發現與技術如何發展的過程； 5.科學態度：處事求真求實、喜愛探究之科學精神與態度、感受科學之美與影響力； 6.思考智能：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，以及資訊統整能力； 7.科學應用：應用科學知識以及探究方法以處理問題的能力； 8.設計與製作：能夠運用個人與團體合作的創意來製作科技的產品。 10 .

(21) . 在這八個要項中，第1項、第5項、第6項、第7項都和科學探究相關，足見能國民科學與技術的基本能力中，將科學探究列為很重要的能力。而美國國家研究委員會(National Research Council)出版之《探究與國家科學教育標準》(Inquiry and the National Science Education Standards, 2000)中，認為 9~12年級(相當於國三~高三)學生所應具備科學能力有提出問題(Question)、計畫執行(Plan)、分析詮釋(Analyze)、建構解釋和模式(Model)及溝通分享 (Communicate)五個方向，並訂有能力標準(NRC，2000)，整理如表2-1.1。. 表 2-1.1 美國國家科學教育標準中 9~12 年級學生的能力標準能力提出問題 Question 計畫執行 Plan. 分析詮釋 Analyze. 建構解釋和模式 Model. 溝通分享 Communicate. 能力標準細目 Q1.學生能形成一個可測試的假說 Q2.學生可說明假說的科學觀念與實驗設計間的邏輯關係 P1.能澄清問題、方法、操作及變因 P2.能組織並展示資料 P3.能修正方法及解釋 P4.將結果公開展示並接受其他同學的批評回饋 A1.整合儀器設備於科學調查中 A2.使用電腦來收集、分析、展示資料 A3.在探究過程中，能應用數學來分析詮釋及展示資料及其關係 M1.能依據資料形成解釋或模式 M2.在回答問題的過程中，學生能根據科學知識、邏輯及科學調查的證據參與討論，並修正解釋或模式 M3.根據分析討論，檢查現有的知識、證據的比重、邏輯的思考來決定哪一個才是最佳的解釋及模式 C1.學生能正確及有效率的溝通：寫、跟隨指示步驟、表達觀念、檢查資料、總結資料 C2.適當使用語言及圖表解釋統計結果 C3.解釋統計分析、清楚及邏輯的表達、建立一個理性的討論、對批評議論能適當回答. Hsu等(2008)將上述的五種能力，再將科學探究能力歸納為四個面向，分別. 11 .

(22) . 為「提出問題與假說」、「計畫」、「實驗與資料蒐集分析」及「詮釋與結論」。. 三、科學探究的類型 (一)探究的主導權在教室學習環境中，學生進行的探究活動可能有不同型態。依學生主導(學生中心)或教師主導(教師中心)的程度，可分為幾種變異型(NRC,2000,P.29)，當學生在從事探究時，會經歷提問、計畫、分析、詮釋、溝通等流程，每個階段的型態都可能不同，但若教師主導的程度越多，學生主導的程度就越少；反之，學生主導的程度越多，教師主導的程度越少，探究型式就越開放，整理如表 2-1.2。. 表 2-1.2 探究的基本特徵和探究型態的變異 (NRC,2000 ; Hsu,Yang,&Tsai,2008) 探究型態的變異基本特徵. 面向. 較多←←←←←←←←←學生導向的程度→→→→→→→→→較少較少←←←←←←←←教師或教材導向的程度→→→→→→→較多. 由教師或教材 1. 學生從事科學性問題的探究. Q 提出問題與假說. 學生從現有問或其他來源提由教師或教材學生自己提出題中作出選供學生問題，或其他來源提問題. 擇，據以提出但仍需學生自供學生探究的新問題. 己去洞察或澄問題清問題的意義. 2. 學生根 P 計畫據問題來 A 實驗與蒐集有關資料蒐的證據 3. 學生由證據形成解釋. 集分析. 學生自己決定哪些可做為證據並進行蒐集. I 詮釋與學生在摘要證結論. 4. 學生將. 據後形成解釋學生自己對其. 解釋連結 I 詮釋與他訊息來源作. 學生在指導下蒐集某些數據. 給予學生數據提供學生數據並要求學生進並告知如何分行分析. 析. 學生在指導下給予學生使用由證據形成解證據形成解釋提供學生證據的可能途徑. 釋學生在指導下朝向科學知識. 給予學生可能的連結. 到科學知結論. 考察並與解釋. 識. 形成連結. 5. 學生為 R 表達. 學生形成合理學生在指導下給予學生廣泛給予學生交流. 的領域和來源. 12 .

(23) . 探究型態的變異基本特徵. 面向. 較多←←←←←←←←←學生導向的程度→→→→→→→→→較少較少←←←←←←←←教師或教材導向的程度→→→→→→→較多. 他們的解 E 評估. 的及邏輯的論發展交流的方的指導以學習的步驟和程序. 釋作交流 ReA 回應證以交流解釋. 法. 如何交流. 及辯護. (二)探究的開放程度除了學生導向或教師導向外，也可依探究的開放程度來分類探究的層次。 Herron(1971)依據探究時，探究問題、操作程序以及解答的提供與否，提出探究開放程度的四個層次，分別為驗證層次、引導式探究層次、開放引導式探究層次以及開放性探究層次。 1.第 0 層次：為驗證層次（confirmation/verification），問題、操作方法、操作步驟以及答案均提供給學生，學生僅依步驟進行操作，目的為驗證已知結果 2.第 1 層次：為結構式探究(structured inquiry)層次，問題以及操作的方法及步驟，學生只需依步驟去進行操作，就可以得到結果。 3.第 2 層次：為引導式探究(guided inquiry)層次，由教師給予問題，學生使用自己設計或選擇的步驟解決問題 4.第 3 層次：為開放性探究(open inquiry)層次，學生探索與主題相關的問題，所探究的問題是由學生在選擇、設計的程序中所產生的。. (三)探究與傳統的組合在實際教學過程中，探究式教學可以與傳統教學方式結合，這種結合其本質仍可以歸為探究式教學，唯有在「學生導向與教師導向」的程度上有所差異。洪振方(2003) 以探究的「學生導向與教師導向」、「開放式與封閉式」、及「非結構式與結構式」三個向度，畫出如圖2-1.1所示。圖中，結構式向度程度越高，指的是給予學生越多的引導、壓力，在探究活動的計劃、設計、實施和評量上也是越. 13 .

(24) . 具組織性。. 圖 2-1.1 探究活動的向度(引自洪振方，2003，第 659 頁). (四)引導式探究(guided inquiry) 引導式探究的層次只提供學生任務(問題)，而讓學生自行選用實驗器材進行實驗設計、操作，並提出解答。學生探索教師所展示的問題，但學生必須自己設計或選擇的步驟解決問題，以學得其中的科學相關知識。探究並非只有一種型式，可將科學探究想成直線，一端為傳統、直接講述式，一端為開放式探究，那麼，引導式便是介於傳統講述與開放探究之間的探究形式(Furtak，2006)，如圖 2-1.2 所示。. 傳統直接講述式 . 引導式探究 . 圖 2-1.2 引導式探究的定位. 14 . 開放式探究 .

(25) . 教師可以用生活上的問題來與學生互動，引導學生發現重要的概念，這種引導式的教學方式比傳統教學活動更活潑，可使學生更積極參與學習，從依賴教科書轉變成獨立探究，教師則轉為教學過程中的協調者，營造熟悉的生活情境，從中培養學生獨立思考的科學能力(翁榮源、陳定威、施信宏，2006)。 (五)開放式探究開放式探究指的是，從研究問題的形成、研究方法及所需器材皆由學生自行提出，而從研究過程中歸納出研究結果。在以色列高中的 Biomind 課程，即為一套讓學生經歷開放式探究的新生物課程。一般課程中含有印證式探究(食譜式)、結構式探究、引導式探究及開放式探究，其中開放式探究所佔的比例最少。而過多的食譜式實驗無法達成探究的目標，也無法讓學生在過程中統整真正重要的概念或培養正向的科學態度。近幾年來，科學教育專家已認同發展高階統整性科學過程技能的重要性(Roberts，2001)，而且，以探究方式來進行學習或研究對科學知識的發展十分重要。基於這樣的理念，30 位生物教師一起發展出 Biomind 課程，作為教導探究的創新課程。研究 Biomind 課程有以下結論： 1.學習是過程在研究過程中，學生被要求要記錄所有探究過程，學生因此了解到紀錄重要性。在研究的課程中，學生不斷地更新思考「是否有與研究問題有所連結的線索？」並且體驗搜尋更多專業文獻的重要性以及投入時間進行研究課程的重要性。 2.在研究中改變進行文獻搜尋或實驗控制的結果便是有新的改變。探究問題的任何答案可能改變思考的方向。若有另外的想法出現，起始的研究問題也可被修改。了解發展有用富創造力的想法及解決技術性問題有其需要。 15 .

(26) . 3.過程認知了解控制變因的重要性。學習如何使用不同研究方法來解決問題。 4.表達觀點妥善處理非預期的結果。開放式探究的過程，是動態的學習過程，在研究過程中，不斷改變與修正。. (六)並行式探究由教師綜合引導式探究與開放式探究，在特定議題下，由教師引導學生逐漸形成學生自主的探究(Martin-Hansen，2002)。例如： 1.進入探究：學生依據先備知識，提出現象的預測與解釋。 2.引導探究：由教師以問題引導學生探究。 3.開放探究：學生提出新的問題，自行設計實驗。 4.探究結果：學生們討論開放探究的結果，收集資料形成概念。 5.評量：由教師提出問題，由學生用先前學到的概念解決問題。. (七)探究與教學在 2008 年公佈的普通高級中學必修科目「基礎地球科學」課程綱要中，便提示在現實教學情境下，教師應該要多多提供適當的資料或觀測數據，以引導學生思考並探究討論，使學生經由主動參與分析歸納的過程而形成基本概念。選修科目明訂「學生能運用分析和探究的能力，找出問題並試著解答」為核心能力之ㄧ(教育部，2008)。而現實教學環境中，仍有科學教師偏好傳統講述式的教學法，Costenson 和 Lawson(1986)與數位資深教師晤談的研究中，列出科學教師不使用探究式教學法十個最常見的理由，包含時間與精力、教學進度太慢、閱讀困難、風險太高、能力分班、學生不成熟、教學習慣、具順序性的教科書、師生的不舒適以及價錢太高。 16 .

(27) . 長期以來，教師被認定是專業知識傳授者，當學生問問題的時候，教師們心中應該是有答案的。學生習慣教師為中心的模式，他們也許會依指示進行一段時間的觀察，遇到問題時，還是期望教師給他們答案。習慣傳統式教學的教師們也可能會不習慣進行探究教學時，不能直接給學生答案。在進行引導式探究活動時，部分教師雖然忍住不給答案，但還是太快給學生解決的方法或原理，然而，學生如能自行發展形成知識的話，應該會比直接由教師告訴他們還要好(Furtak， 2006)，學習的結果是從學習者積極的參與所獲得的，教師要有充裕的教學計畫，重視引起動機、尊重學生的創意及做法，有時候要扮演「聽」的角色，以幫助學生有好的學習成果(魏明通，1997)。在實際教學中，教師除配合教科書內容外，也應補充與鄉土或生活相關之題材及資料，以引起學生的學習動機，營造互動良好之學習環境，以提供學生進行探究式學習的機會(教育部，2008)。. 第二節學習環境教室環境可包含各種構念，例如同學親和、教師支持、學生參與、探究、工作取向、合作、平等等向度的感受(黃台珠等，1998)，因此教室環境是由內在與外條件中，學生與教師所共同決定的。文獻也指出教育歷程中，學習環境、教師特質及學生特質皆會影響學生對科學的態度。由於教師是教師特質及學習環境的主要控制者，若教師能有效地改進學習環境，便能提升學生對於科學的態度(蘇懿生、黃台珠，1998)，即使學生自發的改變有限，教師也能藉由主動營造良好環境來提升學習效果。如何知道學生對學習環境的想法呢？李旻憲與張俊彥(2004)研發了包含了教學方法、教材內容及教學評量三個構念的「地球科學教室學習環境量表」，以「學生中心」及「教師中心」的陳述交由學生勾選理想情形及實際情形的發生頻率(李克特五分量表)，可測出學生理想或實際情形中，學習環境是由學生主導，. 17 .

(28) . 或是由教師主導。以學生為中心的活動可以幫助學生提升概念，尤其學生以實際操作的方式學習，比以電腦模擬或由教師操作、模擬的成效高(何玉婷，2004)。在實際層面的研究發現，台灣高中學生理想中的教室環境偏向「教師中心」與「學生中心」兼具的狀態，但實際上學生所經歷的學習環境則多為「教師中心」的環境(李旻憲等，2004；洪翠屏，2004)。在學習環境中，教師比學生擁有更多的專業知識，若教師掌握問題主導權，則學生將無太多能參與探究、論證的空間，教師應設計、提供適合學生小組討論的主題，有效安排學習活動與內容，讓學生可以發展出交談(黃翎斐、胡瑞萍，2006)。綜合以上文獻，教師應本著教學專業，發展以學生為中心的學習環境，以提升學生的學習興趣及學習成效。本研究將收集學生進行探究活動時，對學習環境觀感的資料，進行分析與討論。. 第三節科學探究相關研究一、探究教學法與傳統教學法的比較 Mao , Chang,and Barufaldi(1998)在研究指出，運用探究式教學法教學，將比傳統式教學更能提升概念學習的成效。在準實驗設計中，研究者選擇了 232 位國三的學生(共六班)，其中三班為實驗組(進行兩週的探究式教學)、三班為控制組 (進行傳統式教學)。經共變數分析(ANCOVA)結果顯示，接受探究式教學法的學生，其升高中基本學力測驗的分數較接受傳統式教學的學生高(F=6.75，P<0.05)。. 二、探究課程的實行 1999 年，台灣發展九年一貫課程，強調 1-9 年級的學生應發展探討與研究的能力，包括發展「科學方法」，如觀察、收集資料、比較、分類、整合、總結、判斷、推論等，以建構科學概念、獨立思考能力和發展問題解決能力。課程標準. 18 .

(29) . 強調引導式探究及開放式探究，希望取代過去強調印證與結構式探究的舊課程。然而，升學考試的顧慮與責任壓力、教學時間不足以及教師們的「教學效率」信念，造成探究式教學實行上的困境(Tuan，2004)。使用探究式教學法意味著教材涵蓋範圍較少，但概念理解的精熟程度較高。因此，教師在可用的有限時間裡，應慎選學生必須學習的知識，以進行探究式教學活動，讓學習更深入。如要在課堂上實施探究式教學，教師必須有以下的條件：1.了解科學探究的本質。2.對於學科結構有足夠的了解。3.熟練探究式教學的策略(Lawson，1995)。教師必須做好知識、技能及思考模式的準備，才足以引導學生進行實質上的探究活動。教師先前的探究經驗會影響探究活動的引導。Windschitl(2003)觀察職前教師在接受 2 週的探究課程後，進行 9 週的教學實習，發現教師之前參與探究計畫的概念會影響探究教學上的引導與解釋。. 三、國內有關探究式教學成效的研究在國內強調探究式教學的科學教育政策下，在地球科學領域探究教學的相關研究也受重視，有關探究式教學成效的相關研究摘錄整理如表 2-3.1。在這些研究中，教學內容多套用某一主題的探究式課程，在課程前後進行前後評量，僅有部分研究涉及探究能力改變的分析(謝莉文，2006)，這也是本研究將研究主題設定在學生科學探究能力成長的動機之一。. 表 2-3.1 探討地球科學領域探究式教學成效的相關研究摘錄研究者. 研究對象. 研究主題. 探討面向. 研究結果. 影響高一學問題解決能吳佳玲. 高一. (2000). 學生. 生地球科學力、先備知問題解決能識、推理能力之相關變力及個人背項探討. 景資料. 1.研究工具之「問題解決能力測驗」總分與「發散思考」及「收斂思考」向度均有高度相關。2.學生問題解決能力與其先備知識及機械推理間均接近中度相關及大的實驗效果。3.學生之「性別」、「最喜歡學科」、「家庭月收入」、「對先備知識測驗的喜歡程度」. 19 .

(30) . 研究者. 研究對象. 研究主題. 探討面向. 研究結果等因素對其「先備知識測驗」的表現有顯著的影響。4.學生之「性別」、「最喜歡學科」、「討厭測驗方式」、「家庭月收入」、「對問題解決能力測驗喜歡程度」、「對先備知識測驗的喜歡程度」、「比較對兩測驗的喜歡程度」等因素對「問題解決能力測驗」的表現亦有顯著的影響。學生經過以科學過程技能為基礎的網路輔. 探討學生透過網際網路吳慧珍. 高一. 進行合作學. (2000). 學生. 習對其學科過程技能的. 助教學，對學生的傳達、解釋資料、驗證網路輔助學假設三種能力皆有顯著的進步，由於高科生 V.S. 科學學過程技能能力的學生因上限效應，在科學過程技能測驗之後測得分上的進步空間. 過程技能. 有限，而以低科學過程技能的學生在網路. 影響. 輔助教學前後的科學過程技能進步最多。接受學生操作教學法的學生其概念圖後測. 探討不同教何玉婷 (2004). 高一. 學方式對高. 學生. 中生學習四季概念的影響. 成績顯著高於接受其他教學法之學生，而教學策略、接受學生模擬教學法之學生其後測成績顯「產生學習方式著高於老師模擬。在課程第二階段， V.S. 四季概其他另有概念」的學生中，學生操作組的學生並未產生新的另有概念，而老師模擬. 念. 組有較多學生產生新的另有概念，其中又以產生日地距離之另有概念的人數最多。. 謝莉文. 高一. (2006). 學生. 鷹架式科學探究課程研發與實踐探究應用不同「教學法」. 周源本. 國三於 WISE 課. (2007). 學生. 程對國三學生地球科學學習的影響. 探究課程、學生整體科學探究能力的表現在課程實施學習環境偏前後沒有顯著差異。好 V.S. 探究整體而言本次課程所提供的科學探究學習環境符合學生的期待。. 能力教學法(教師. 主導式、合 1.教師主導教學法對高分組學生幫助較大作學習、個 2.合作學習教學法對中分組學生幫助較大人單機 )V.S. 3.個人單機教學法對低分組學生幫助較大。成就評量. 20 .

(31) . 第三章研究方法本研究採用準實驗研究法，於台北縣某國立高級中學進行探究教學，運用教學工具與評量工具取得資料進行量與質的分析。本章內容包含「研究對象與情境」、「研究設計與流程」、「研究工具」、「資料分析」、「研究限制」及「研究倫理」。. 第一節研究對象與情境本研究對象為台北縣某國立高中一年級學生，共 3 個班級。選擇研究對象的原因如下：1.該校可配合教師於地球科學課程中實施探究教材。2.該校為社區高中，在大台北地區並非前三志願，學生的地球科學概念程度較能代表一般高中生。3.該校採男女合班，參與研究的學生男生人數與女生人數相當。4.該校採常態編班，3 個班級在學科概念上沒有明顯差異。本研究中，研究者即教學者，主要原因如下：1.研究者任教該班，已充分了解該班狀況，對於課程前後及課程期間的變數較能掌握。2.本研究在 3 個班級進行教學時，需要控制探究類型(結構式探究、引導式探究、開放式探究)，由同一人控制效果較佳。3.於課堂個別指導學生時，須堅持遵照各種探究(結構式探究、引導式探究、開放式探究)的分級。由研究者控制指導程度及方式，較能符合課程設計精神。4.研究者教授地球科學學科已有 12 年經驗，對於各種教學方法及策略皆會盡力嘗試，包含食譜式、結構式、引導式、開放式探究活動。在進行本研究前，學生在高一基礎地球科學課程中尚未進行「學生中心」的實驗活動(本次活動為該班該學期首次進行探究實驗活動)，亦尚未進行小組活動 (本次活動為該班該學期首次進行小組活動)，平時學習環境以「教師中心」為主。為研究探究教材於現行教學環境的可行性，選定以「校園氣象觀測」主題進行探究實驗，並將此課程融入一般基礎地球科學教學中。由於研究者僅兼課 3 個班級，最後即以此 3 班進行探究活動，各探究類別則隨機選取實施班級，各班資訊如下表 3-1.1 所示。所收集各項資料之有效樣本數不同，說明如下：1.科學. 21 .

(32) . 探究能力試題(前測)選於進行探究單元教學的第一堂課施測，樣本數較高。2.由於前、後測題目相同，導致進行後測時，部分同學沒有認真作答(例如：科學探究能力試題後測作答時故意空白)，成為無效樣本，予以扣除。因前後測需成對，故有效樣本數減少。3.所收集「地球科學教室學習環境問卷」也需前後測成對，但因問卷僅需以直觀回答，後測回收率達 90%以上。表 3-1.1 研究對象班級人數及有效樣本數. 有效樣本數. 班別. X. Y. Z. 探究類型. 結構式探究. 引導式探究. 開放式探究. 班級人數. 43 (男 22、女 21). 43 (男 22、女 21). 41 (男 21、女 20). 科學探究能力試題 (前測) 科學探究能力試題 (後測、前測). 40 (男 20、女 20) 26 (男 16、女 10). 41 (男 21、女 20) 33 (男 15、女 18). 35 (男 17、女 18) 33 (男 14、女 19). 地球科學教室學習環境量表(後測、前測). 40 (男 20、女 20). 39 (男 19、女 20). 37 (男 19、女 18). 說明：扣除前測、後測中任何有遺失無法配對的資料，以及後測之科學探究能力試題中，有蓄意亂答之樣本。. 第二節研究設計與流程本研究採用準實驗研究法，控制足以影響實驗結果的變項，探討學生在不同探究教學法中(自變項)，科學探究能力改變的情形與學生對於探究課程的觀感(依變項)，如圖 3-2.1 所示。自變項：不同探究教學法結構式探究引導式探究開放式探究控制變項：足以影響實驗結果的變項學生年齡、教學主題、教學時數、教師風格、教室硬體設備、上課週別、學生小組人數等。 . 依變項：學生探究能力改變情形與學生對探究課程的觀感科學探究能力地球科學教室學習環境觀感課程觀感圖 3-2.1 本研究設計 22 .

(33) . 本研究流程可分為「準備階段」、「資料收集階段」與「結果分析階段」(如圖 3-2.2 所示)，各階段工作項目分述如下：一、準備階段自 95 年 8 月至 97 年 5 月為準備階段。在研究者進行地球科學教學時發現問題，並在閱讀相關文獻及與指導教授討論後確立研究方向。確定研究方向後即著手研發教學工具及評量工具。「校園氣象觀測探究式教學活動」、「氣象概念試題」、「科學探究能力試題」由研究者於 95 年 9 月起研發，並請數位高中資深教師及教授進行專家審查後定稿。為控制其他變項以減少誤差，教學者由研究者擔任，並選定台北縣某國立高中一年級學生做為研究對象。96 年 5 月，研究者於該學校進行課程試教，以掌握三種探究教學之控制，確立三種探究活動中教師角色差別及注意事項。在試教過程中，研究者察覺不同學習環境偏好的學生似乎對探究方式的接受程度有所不同，因此收集相關文獻資料，決定運用前人研發之「地球科學教室教學環境量表」做為工具以進行相關研究。二、實驗階段 97 年 6 月為實驗階段。配合地球科學教學進度，在各班學習氣象觀測相關知識後進行前測，包含「科學探究能力試題」、「氣象概念試題」、「地球科學教室學習環境量表」，參與研究的 3 個班級皆在一週內完成前測。接下來進行研究實驗，於 3 個班級中隨機選取探究類型，高一 X 班為結構式探究、高一 Y 班為引導式探究、高一 Z 班為開放式探究。探究課程皆為 3 節課，皆不連排，3 個班皆在同一週完成課程進度。實驗後的第一節課為後測，包含「科學探究能力試題」、「地球科學教室學習環境量表」及「個人課程問卷」。唯因為實施後測時已接近期末考，學生們因為考試壓力而感到焦慮，加上學生對相同試題已失去新鮮感及挑戰動機，回收後測資料後發現有部分學生蓄意亂寫或空白，使有效樣本數降低。. 三、結果分析自 97 年 7 月至 9 月為結果分析階段。在此階段進行各種資料分析，持續閱讀文獻，並著手撰寫論文。. 23 .

(34) . 一、準備階段 (95 年 8 月~97 年 5 月). 形成研究問題 . 文獻探討 . 蒐集文獻 . 設計題目 . 確定研究問題. 預試、專家審查 . 發展研究工具. 定稿 . 選定研究對象. 科學探究能力試題不同探究方式課程學習單地球科學教室學習環境量表. 二、資料收集階段 (97 年 6 月). 前測 . 進行探究活動結構式探究、引導式探究、開放式探究 (實驗組 1) (實驗組 2) (實驗組 3) . 後測 . 三、結果分析階段 (97 年 7 月~97 年 9 月). 資料分析 . 撰寫論文 . 24 . 錄影、筆記教師省思記錄 .

(35) . 第三節研究工具本研究之工具分為「教學工具」及「評量工具」。教學工具包含三種探究教學活動課程(結構式探究教學活動課程、引導式探究教學活動課程、開放式探究教學活動課程)。評量工具分為「氣象概念試題」、「科學探究能力試題」、「地球科學教室學習環境量表」、「個人作業」，分述如下。. 一、教學工具-探究式教學課程 (一) 探究式教學課程設計原則研究者於 95 年研發以「校園氣象觀測」為主題的探究式教學課程，經資深教師及專家審查後，由研究者進行試教，以練習三種探究教學之控制。三種探究活動的設計原則比較如表 3-3.1。表 3-3.1 探究式教學課程設計原則項目. 結構式探究. 引導式探究. 開放式探究. 提出研究問題. 校園氣溫(或相對校園氣象之最，由只限於校園氣象有溼度)最高與最低學生選定氣象因子關主題，學生自訂之處. 設計實驗. 以日照、高度、風引導學生依步驟完教師提醒要設計的速等因素所預設好成假設原因、選定項目後，交由學生的步驟，學生依步測站、規劃路線等自行設計驟完成學生中心為主 (小組合作). 執行/實測. 學生中心為主 (小組合作). 學生中心為主 (小組合作). 記錄與分析資料. 制式表格填寫與處學生按提示整理資學生自行分析資料理料. 問題討論與結論. 預先訂好要討論的引導式提示問題. 教師角色撰寫總結論. 給予較主導式的指導無提示. 無提示被動式，只給予不. 適時給予引導. 具引導作用的簡單回應. 無提示. 無提示. 25 .

(36) . (二)探究式教學課程流程由於不同探究課程的重點不同，因此進行的流程順序或時間分配皆不同。在課程設計上，為期三節課的探究活動中的流程有所不同，其比較如表 3-3.2 所示。. 表 3-3.2 不同方式之探究式教學流程比較項目. 結構式探究. 引導式探究. 開放式探究. 課程前. 氣象相關知識 (教師講述式). (同左). (同左). 前測. 1. 氣象概念試題 2. 科學探究能力試題 3. 地球科學教室學習環境量表. (同左). (同左). 擬定實驗計畫. 擬定實驗計畫. 擬定實驗計畫. 5’ 活動簡介、引起動 5’ 活動簡介、引起動 5’ 活動簡介、引起動機機機 ↓ ↓ ↓ 15’ 教師介紹如何擬定 10’ 教師介紹如何擬定 10’ 教師介紹提出問題準則研究問題並說明本研究問題次[研究主題] ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 20’ 教師講解[實驗目 10’ 學生討論[小組分 5’ 教師講解研究流程及訂定研究計畫應的]、[器材]、[實驗工]、[研究主題]，第步驟(含實驗設計)] 猜測極值發生地點注意事項一及[測量注意事項] 及原因 ↓ 節 ↓ ↓ ↓ 課 5’ 小組討論 [ 小組分 15’ 教師引導學生進行 20’ 小組討論完成實驗 (50’) 工] 小組討論，擬定計設計，含[研究主畫中的[觀測地題]、[小組分工]、 ↓ 點]、畫出校園平面 [實驗地點]、[實驗 ↓ 圖並規畫最佳路線器材]、[實驗步驟] ↓ ↓ ↓ ↓ 5’ 在校園平面簡圖上 5’ 在校園平面簡圖上 ↓ 標示測站位址標示測站位址 ↓ ↓ ↓ ↓ 5’ 認識測量儀器(溫 5’ 將學習單交回給老 5’ 將學習單交回給老度計、溼度計) 師，確認測量工具師，確認測量工具 26 .

(37) . 項目. 結構式探究. 引導式探究問題. 進行實測與數據分析第二節課 (50’). 第三節課. 開放式探究問題。. 進行實測與數據分析. 進行實測與數據分析. 15’ 複習測量方法、步 10’ 引導學生說出測量 10’ 提醒測量時需盡量驟及所需注意事項時所需注意事項避免誤差 ↓ ↓ ↓ 25’ 進行小組實地測量 30’ 進行小組實地測量 30’ 進行小組實地測量 ↓ 10’ 登錄資料與整理. ↓ 10’ 登錄資料與整理. ↓ 10’ 登錄資料與整理. 討論與撰寫報告. 討論與撰寫報告. 討論與撰寫報告. 15’ 教師逐一講解學習 5’ 教師說明觀測結果 5’ 教師說明觀測結果單上的討論問題與分析的參考步驟與分析的參考步驟及可能用到的方法及可能用到的方法 ↓. ↓ ↓ ↓ 25’ 進行實驗資料登錄 35’ 進行實驗資料登錄 35’ 進行實驗資料登錄 (50’) 及分析及分析及分析 ↓ 10’ 撰寫個人結論後測. ↓ 10’ 撰寫個人結論. 1. 科學探究能力試題 2. 地球科學教室學習環境量表 3. 個人課程問卷. (同左). ↓ 10’ 撰寫個人結論. (同左). (三)探究式教學課程中的時間分配在探究方式課程中，仍大略依照實驗的計畫(實驗目的、實驗器材、實驗設計與步驟)、實驗收集資料、分析資料的流程進行。本研究中，不同探究教學法執行流程比較如表 3-3.3 所示。由表可看出，不同的探究方式在探究過程的各項目時間的差異不大，但在科學探究能力各向度的時間分配有所差異。若考量探究過程中的教學活動方式可區分為以教師中心為主(多為講述式，師生互動較少)或學生為中心(小組討論、教師為協助者)，則不同探究方式的教師中心所佔時間比例不同，如表 3-3.4、3-3.5 及圖 3-3.1 所示。. 27 .

(38) . 表 3-3.3 不同探究教學法執行流程比較表(科學探究能力) 類別. 結構式探究引導式探究開放式探究時時時指導技巧指導技巧指導技巧間間間實 20’ 1. 介紹擬定研究 25’ 1. 舉例介紹擬定研 20’ 1. 介紹提出問題驗究問題準則。問題。目 2. 引導同學根據經 2. 請同學分享對 2. 說明校園各處的驗，找出適合研氣象因子的感氣溫(溼度)不. 活動流程. 同。 3. 說明實驗目的. 究的主題－校園. 官經驗。. 物體、生物、事件，提出問題 Q2 能形成一個可測試的假說 ( 確認可引導科學調. 為找出影響氣. 後由同學自訂. 查的問題及概念. 溫(溼度)分布. 研究主題。. 並且能夠提出科學假說). 由教師提供、準 5’ 教師主動詢問同學 5’ 請同學與教師確認 P1 能設計並執行備溫度計(溼度. 所需器材及使用方. 所需器材及使用方. 一個系統性的科. 計 ) ，每組 1~2. 法，並提供協助。. 法。有必要時，教. 學調查(能澄清問. 師可提供諮詢。. 題、方法、操作及. 支。. 第. Q1 能對環境中的. 3. 簡介活動流程. 氣象之「最」。. 的因素。實 5’ 驗器材. 科學探究能力指標. 實 20’ 由教師依步驟口 15’ 由教師引導小組依 20’ 由教師介紹研究計變因) 一驗步驟討論及填寫。畫所需規劃的內容頭解說，請小組節設 1. 介紹控制變因、 (研究主題、小組分依步驟討論及填課計操縱變因、應變工、實驗地點、實寫。與擬步變因的定義。驗器材、實驗步 1. 介紹控制、操定驟 2. 引導選擇測站，驟、觀測結果、分縱、應變三種實寫出選擇原因。析歸納與討論、檢變因的定義。驗討)，由小組自行討 2. 選擇測站的用計論及填寫。教師巡意。畫視各組，必要時予 3. 測量氣溫 ( 溼度)注意事項。. 以協助，但須把握開放式指導的原則。. 實 5’ 驗紀錄及其他. 1. 帶領同學填寫 5’ 1. 引導小組討論小 5’ 1. 小組討論小組小組分工表。. 分工表。. 組分工表。. 2. 以電子投影片. 2. 畫出校園平面. 示範校園平面. 圖，在校園平面. 圖，在校園平. 簡圖。. 圖上標示測站位. 面圖上標示測. 址。. 站位址。. 3. 帶領同學認識. 2.. 3.. 畫出校園平面. 校園平面簡圖. 3. 引導小組規劃出. (學生亦可在. 觀測時的最佳路. 組，必要時予. 校園平面簡圖. 線(空間考量)。. 以協助，但須. 28 . 教師巡視各.

(39) . 類別. 活動流程. 結構式探究時間. 指導技巧. 引導式探究時間. 指導技巧. 開放式探究時間. 指導技巧. 上明確標示測. 把握開放式指. 站所在地)。. 導的原則。. 科學探究能力指標. 第校 15’ 1. 分配各組負責 10’ 引導同學說出測量 10’ 提醒同學測量時需 A3 能避免誤差和時所需注意事項。注意避免誤差和偏偏見一個測站的測二園實見但未說明應該做量，以便於同節測些什麼。一時間進行測課、實量。驗 2. 帶領同學一起進紀校正溫度計。行錄 3. 復習測量溫度實測. (溼度)注意事. 與. 項。. 數據. 25’ 以小組為單位， 30’ 以小組為單位，進 30’ 以小組為單位，進 P1 能設計並執行進行校園實測。. 行校園實測。. 行校園實測。. 一個系統性的科. 分. 學調查(能澄清問. 析. 題、方法、操作及變因) A3 能避免誤差和偏見. 10’ 1. 學生回教室。 10’ 1. 學生回教室。 2. 記錄測量數. 2. 記錄測量數據。. 2. 記錄測量數據。. 3. 進行資料登錄及. 3. 進行資料分析. 3. 進行資料登錄. 分析(教師巡視各. (教師巡視各. 及分析(教師. 組，予以協助，. 組，必要時予以. 巡視各組，予. 但須把握以引導. 協助，但須把握. 以協助，給予. 式指導的原則)。. 開放式指導的原. 據。. 明確指示)。第實三驗紀節錄課、討論討. 10’ 1. 學生回教室。. A1 能有意義的歸納資料. 則)。. 15’ 教師逐一講解學 5’ 教師說明觀測結果 5’ 教師說明觀測結果 A1 能有意義的歸習單上的討論問. 與分析的參考步驟. 與分析的參考步驟. 納資料. 題。. 及可能用到的方. 及可能用到的方. A2 能檢驗所有合. 法。. 法。. 理的假說. 25’ 1. 進行資料分析 35’ 1. 進行資料分析與 35’ 1. 進行資料分析與 A3 能避免誤差和與詮釋(教師. 詮釋(教師巡視. 詮釋(教師巡視. 偏見. 論. 巡視各組，予. 各組，予以協. 各組，予以協. I1 能依據資料形. 與. 以協助，給予. 助，但須把握以. 助，但須把握以. 成解釋（或模式）. 撰. 明確指示)。. 引導式指導的原. 開放式指導的原. I2 能依據證據與. 29 .

(40) . 類別. 結構式探究. 活動流程. 時間. 引導式探究時間. 指導技巧. 寫. 2. 小組討論、填. 報. 寫學習單。. 開放式探究時間. 指導技巧則)。. 則)。. 2. 小組討論、填寫. 告. 邏輯推理，形成或. 2. 小組討論、填寫. 學習單。. 10’ 撰寫個人結論. 科學探究能力指標. 指導技巧. 學習單。. 10’ 撰寫個人結論. 修正科學解釋（或模式） I4 能綜合結果下. 10’ 撰寫個人結論. 結論. 表 3-3.4 各種探究式教學培養科學探究能力的時間分配表項目. 能力指標. 結構式探究引導式探究開放式探究. 提出問題與. Q1 能對環境中的物體、生物、事件，. 假說. 提出問題. 師 15 生 0. 師 10 生5. 師 10 生 5. Q2 能形成一個可測試的假說 (確認可引導科學調查的問題及概念並且. -. 15. 生5. 20. (5). 15. 能夠提出科學假說) Q3 能說明假說的科學觀念與實驗設計間的邏輯關係 P1 能設計並執行一個系統性的科學. 計畫. 調查(能澄清問題、方法、操作及變因) P2 在設計並執行科學調查時，有能力修正科學調查的方法及流程 P3 能設計並執行較多變數相關的科. (5). 師 45 生 25. 師 17 生 48. 師 10 生 60. -. 70. 65. -. (60). -. (60). A1 能有意義的歸納資料. 師5 生 10. 師 5 生 10. 師 5 生 10. A2 能檢驗所有合理的假說. 師 15 生 25. 蒐集分析. A3 能避免誤差和偏見. 詮釋與結論. -. -. 學調查實驗與資料. -. 55. 師 10 生 30. 55. 師 10 生 30. 55. I1 能依據資料形成解釋（或模式） I2 能依據證據與邏輯推理，形成或修正科學解釋（或模式） I3 能辨識並分析另有解釋或做預測. 師 15 生 35. 50. 師 5 生 45. 50. 師 5 生 45. I4 能綜合結果下結論. 190 師：教師中心，生：學生中心，時間單位為分鐘. 總. 70. 計. 30 . 190. 190. 50.

(41) . 表 3-3.5 探究式課程在各探究能力向度的時間分配(百分比) 項目. 結構式探究. 引導式探究. 開放式探究. 教師中心. 15. (8%). 10. (5%). 10. (5%). 11.67. (6%). 學生中心. 0. (0%). 10. (5%). 5. (3%). 5.00. (3%). 小計. 15. (8%). 20. (11%). 15. (8%). 16.67. (9%). 教師中心. 45. (24%). 17. (9%). 10. (5%). 24.00. (13%). 學生中心. 25. (13%). 48. (25%). 60. (32%). 44.33. (23%). 小計. 70. (37%). 65. (34%). 70. (37%) 68.33. (36%). 教師中心. 20. (11%). 15. (8%). 15. (8%). 16.67. (9%). 學生中心. 35. (18%). 40. (21%). 40. (21%). 38.33. (20%). 小計. 55. (29%). 55. (29%). 55. (29%) 55.00. (29%). 教師中心. 15. (8%). 5. (3%). 5. (3%). 8.33. (4%). 詮釋與結論學生中心. 35. (18%). 45. (24%). 45. (24%). 41.67. (22%). 小計. 50. (26%). 50. (26%). 50. (26%) 50.00. (26%). 教師中心. 95. (50%). 47. (25%). 40. (21%). (32%). 學生中心. 95. (50%). 143. (75%). 150. (79%) 129.33 (68%). 小計. 190. (100%). 190. (100%). 190. (100%) 190.00 (100%). 提出問題與假說. 計畫. 實驗與資料蒐集分析. 總計 (100%). 平均. 60.67. 時間單位：分鐘. 圖 3-3.1 各種探究式課程中的「教師中心」與「學生中心」時間比例圖. 31 .