第二章 文獻探討
本研究主要目的是要探討高中教師進行高一物理課程的實驗演示教
學，所可能遇到的問題與實施的成果探討。欲了解教學設計如何影響
學生概念學習與改變學生學習態度。所以，本章第一節是關於科學概
念學習理論的探討，第二節探究教學策略與教學活動設計，第三節是
國內外有關演示教學的研究。
第一節科學概念的學習理論探討
一、「科學概念學習」，首先由心理和哲學的基礎來看：
（一）由認知心理學去瞭解「學習」
皮亞傑對人類「認知」提出一個看法，後來被稱為「認知發展論」
（congnitive-development theory），此理論是皮亞傑認知理論體
系中最重要的部份，它對於科學教育有很重要的作用。我們便對此一
理論概念做摘要式的整理：
1、「知識」是怎麼來的
人類是怎麼認識自己以及外在世界的？這個問題一直是千百年來哲
學家、心理學家探討的重要課題之一。對於皮亞傑來說，他認為「認
識」並不是一種既存的狀態，而是一種「發生」的過程，它並不存在
於進行認識的主體，也不存於被認識的客體之中，而是發生於主體對
於客體進行認識時，所構成的交互關係當中，而「知識」便是這個過
程所產生的結果。
2、「智力」是一種適應的結果
皮亞傑的理論，乃是出自於他對於兒童智力研究的成果，他的「認知
發展論」事實上談的就是人類智力的發展。而皮亞傑對於智力的看
法，有別於以往的心理學者。以往的心理學者認為智力乃是一種心理
結構的一部份，具有固定的成分或是結構，因此要想了解人類的智
力，便要由分析研究智力的組成入手。然而皮亞傑卻從生物發生學的
觀點，認為智力是一種生物適應環境的結果，他曾說：事實上，生命
是逐漸複雜起來的適應形式，是一種不斷的創造，是這些適應形式與
環境之間的一種逐漸平衡。如果說智力是生物適應環境的一種特殊情
形，就是假定了它本質上是一個有機體（organisation），它的功能
是使世界結構化，正像生物體使其環境結構化一樣。（杜聲鋒，1997）
也就是說雖然皮亞傑也認為「智力」具有結構，然而他並不認為「智
力」的結構是以一種靜態的固定形式存在於生命之中，而是一種生命
為了因應變化的環境，而發展出來的一種適應形式，它是種有機的、
動態的、具有發展性的結構。因此，皮亞傑認為在個人的生命當中，
智力是會隨著個體與環境的互動而有著發展性的變化。不僅如此，甚
至對於全人類的歷史來說，從遠古到現代，人類的智力也是處於不斷
地發展狀態當中。
3、「認知結構」與「基模」
既然人類的智力乃是一種具有發展性的結構，而在實際上該如何更為
具體地來闡述這種變化的歷程呢？皮亞傑以「認知結構」與「基模」
兩個概念來進行解釋。按照皮亞傑的說法，個體出生不久，即開始主
動運用他與生俱來的一些基本行為模式對於環境中的事物做出反
應，可以視之為個體用以了解周圍世界的「認知結構」（cognitive
structure）。而當個體每每遇到某事物，便用某種對應的認知結構
予以核對、處理時，則此種認知結構稱之為「基模」（或「圖式」）
（schema）。皮亞傑將基模視為人類吸收知識的基本架構，因而將認
知發展或智力發展，均解釋為個體的基模隨年齡增長而產生的改變
（張春興，1997）也就是說，皮亞傑所謂的「認知發展」不僅是量變，
更包括了質變。
4、「組織」與「適應」
前面所提的是人類認知或智力「變化」的部份，然而在皮亞傑的看法
中，智力也有其「不變」之處。皮亞傑曾說：在兒童與成人之間，我
們應當看到某些智力結構是不斷地形成和變化著的，儘管思維某些主
要功能是穩定少變的（杜聲鋒，1997）在這裡所謂「穩定少變」的因
素，便是指「組織」（organization）與「適應」（adaptation）這
兩種個體皆有的功能。「組織」是指個體在處理其周圍事務時，能統
合運用其身體與心智的各種功能，從而達到目的的一種身心活動歷程
（張春興，1997）。無論是在發展的任何階段，這種功能都會在個體
的認知活動中展現出來。如果套上前述的基模概念來說，個體的認知
活動，可以理解成一種統合運用其認知基模的結果，而這種統合運用
基模的功能，是所有人類個體在任何發展時段中都會具備的。前面提
過，皮亞傑認為智力是一種生命適應的形式，而皮亞傑所謂的「適應」
是指個體的認知結構或基模因環境限制而主動改變的心理歷程（張春
興，1997）。也就是說雖然智力的內容、結構會因為個體的發展而有
了質量上的改變，但是個體與環境接觸後，因為環境限制而主動產生
改變的機制本身卻是不變的。
5、「同化」與「順應」的平衡
在前述的「適應」概念中我們提到，皮亞傑認為「適應」就是個體的
認知結構或基模因環境限制而主動改變的心理歷程。事實上這樣的歷
程包含了兩種彼此互補的心理歷程：一是個體將自身的認知結構摻合
到環境的因素當中，並且將這些環境的因素轉化成自身的一部份，就
好比我們透過一面玻璃窗（認知結構）看窗外的景色（環境因素），
並且將這些景色想像成窗面上的圖畫，這樣的歷程，皮亞傑稱之為：
「同化」（assimilation）。另一種是環境本身發生變化，個體必須
改變自身的結構以適應這種變化，就好比窗外出現了一部奔馳而過的
跑車（變化的環境），為了要看清楚這輛跑車，我們必須打開窗戶並
將頭探出窗外（個體改變自身結構），才能看清楚跑車的廠牌、車型，
這樣的歷程，皮亞傑稱之為：「順應」（accommodation）。換句話
說，所謂的「同化」就是指自己的不變應付改變的環境（以不變應萬
變），而「順應」則是個體以改變自己應付改變的環境（以變應萬變）。
而「適應」便是在「同化」與「順應」這兩種心理歷程的波動中，求
得平衡（equilibration）的結果。皮亞傑對於「適應」、「同化」
與「順應」的關係作了如此闡述：如果我們把外部環境引起機體變化
的這種結果稱為「順應」的話，我們可以說適應是同化與順應之間的
平衡。（杜聲鋒，1997）而智力的發展，即可視為個體心理狀態上，
一次次地失衡之後又達到平衡狀態的連續結果。
（二）皮亞傑認知理論對教育的影響
1、按兒童思維方式實施教學
以往對於智力的研究，一則研究對象幾乎為成人，二則關心的焦
點在於智力的結構而非發展，只關心智力發展中「量」的改變，
而未注意到「質」的改變。因此犯了將研究成人智力結構的結論
套用在兒童的教育上，認為兒童不過是具體而微的「小大人」罷
了。皮亞傑的理論指出了兒童的認知、思維方式與成人不同，甚
至不同年齡層的兒童、青少年，也有著認知結構上的極大不同。
就教育來說，他的理論揭示了「了解兒童始能教育兒童」的意義。
成人在提供知識供兒童學習的時候，必須要能夠了解兒童認知思
維的特色（即與成人不同之處）並以此決定要讓兒童學習的材料
以及教學的方式，如此才能達到預期的教學成效。
2、依照兒童認知發展順序設計課程
在學校教育中課程的設計該如何與學生的能力相配合，這是個早
已受重視的問題。然而在以往的看法中，總是以孩童的年齡作為
能力劃分的標準。這種看法的概念心向為：假定同一年齡的孩童，
他們所具備的學習能力應該是相差不遠的，就算有所差異也是在
「量」方面的不同，舉個具體的例子來說，就好比把學生視為一
個個會隨著年齡增長而長大的「容器」，理論上相同年齡的孩子，
擁有差不多大小的容器，而就算有個別差異的現象，也是「容器
大小」與「裝多裝少」的問題。然而皮亞傑的理論則是超越前人
所見的，以「認知結構」的形式作為能力劃分的標準，認知結構
的不同反映在思維能力的差異上。雖然基本上認知發展的階段與
年齡的增加（個體生物性的成熟）有關，但是其改變的根本原因
並非在於年齡的增長，而是認知結構的變化。此外，根據皮亞傑
的實驗研究，就算是對於相同的學習材料，不同發展階段的孩童
也會有著不同的反應，其差異也是根源於認知結構上的不同（而
非年齡的差異）。因此對於學校課程的設置，皮亞傑的理論有著
兩點啟示：（1）學校課程教材的難度，必須配合學生心智發展的
水平（2）在確定某年級的課程難度時，宜先設計實驗，從學生實
際的思維過程中，觀察分析單元的編排是否適宜。（張春興，1997）
3、促進兒童心智發展的教育功能
皮亞傑的教育觀極為強調受教育者的積極主動性。而對於他之前
所盛行的傳統教學方式，皮亞傑皆有所批評。例如對於「被動教
學法」----教師主動地將知識傳授給學生，學生只是被動地接受；
就皮亞傑對於「學習」的看法，認為真正的知識乃是透過兒童在
環境中主動觀察、探索、操作得來的，而在被動教學法當中，學
生則缺少了主動探索、進行建構的歷程，並不是個獲得知識的好
方式。對於行為學派所主張的「編序教學法」，皮亞傑則認為，
在編序的過程中，完全沒有學生意見的參與，而所編製出來的教
材內容，全然是大人們「想當然爾」向學生灌輸的知識。皮亞傑
曾諷刺地說：「如果教學的理想只是要學生鸚鵡學舌地重複已經
正確地編製好的東西，那麼很顯然，機器也能完好地滿足這些條
件。」（杜聲鋒，1997）從這些批評中，可發現皮亞傑認為傳統
教學方法乃是違反兒童學習的自然規律，忽略了學習者在學習過
程中的主體能動性。而皮亞傑自己則在赴美講學時，提出自己對
於教育的看法：
「我認為，教育的真正目的不是增加兒童的知識，而是設置充滿
智慧刺激的環境，讓兒童自行探索，主動學到知識。」（張春興，
1997）這段引言所透露出來的含意，即指出學習者（兒童）在學
習過程中所扮演的主動角色，就皮亞傑的理論而言此一主動性正
是獲得知識的關鍵所在。而這樣觀點，開啟了往後「開放式教育」
的濫觴。更為具體地說，這種教育觀點對於教師教學上的啟示為：
教師在從事教學活動時不僅是個傳授知識者，而且教師本身還必
須是個能夠啟發學生的創新者與研究者；而就家庭教育（尤其是
學前教育）來說，與其提前讓孩子學習知識（寫字、識字等），
無寧致力於設置一個良好的家庭環境，以合於孩子思維的方式與
之溝通，建立良好的親子關係，並且提供孩子充滿智慧刺激的環
境，這樣反而使得孩子得以順應著發展的自然規律而成長茁壯。
二、對「科學知識」本身的哲學觀
（一）科學本質的探討
科學的知識一向被視為有邏輯系統的、相當精確的，且必須可
以用一套客觀的方法加以驗證的才算是科學知識，這也就是所謂
「客觀主義」(objectivism)的基本看法。然而，建構主義的觀點，
由於強調個體在認知的歷程當中的能動性和主動性，即個體能夠主
動對自然的現象或科學知識加以詮釋，因此，許多持建構主義的科
學教育學者基於這樣的立場，認為傳統的科學知識觀認為有一客觀
的知識體存在於這個世界，它可以直接傳給學生，學生就是一個知
識的接收者，因而形成了學生視上課所教學的知識是理所當然，只
要接收能運用即可，並不需要太多的思考或去質疑挑戰它。這樣的
科學教育根本無法讓學生體驗出科學知識的形成歷程，因此是較沒
意義的學習，當然更無任何創造性可言。
在探討四至十六歲學童對空氣物理現象的理解時：4-6 歲的孩
童認為空氣只是一種氣流並非物質；到了 7-8 歲已經知道空氣是物
質但卻仍無重量概念。這種的研究結果暗示了兒童對世界的看法會
隨著年齡的不同而有所差異，且隨著其所在文化環境的經驗和語言
而發展。換言之，學童會在其年齡發展的層次上會以自己的語言和
經驗來解釋他所看到的外在世界，他們自己也在建構自己的科學知
識。所以，就知識建構的論點而言，科學的知識已然摻雜了個人的
價值觀和看法，並且也驗證了孔恩(Kuhn)所說：科學知識的本質是
具有多樣性的；只要合於邏輯和經驗的都是真理 （張鳳琴，1994）。
總之，就客觀主義而言，科學的知識即是存在於自然世界的現
象和事實，它有規律可循也可以預測，並且可以重複被驗證的。而
建構論的觀點則認為，這些科學知識和概念並非是放諸四海皆準的
通則，每個人都會以自己的視野和想法來看待所處的世界，科學家
用他們所發明的定理、公式和符號來詮釋世界，學生則有另一套異
於科學家的表徵方式，科學家和兒童都在建構自己的科學知識，雖
然層次上有所不同，但是建構的歷程皆以自己的經驗為出發點卻是
相同的。當然建構論所提出的主張並不是想要取代客觀主義的看
法，只是在科學教育改革的歷程當中指引出另類的思考和啟發。至
於建構主義的理念基礎之上，學生是如何理解科學概念的意義？科
學教師如何能夠「促進」學生建構科學知識？
（二）科學建構論的觀點
科學教育的目標不僅僅是讓學生學習到課本的知識以及拓展經
驗而已，尤其重要者是期望學習者能以不同的方法來思考和解決問
題，進而培養豐富的創造能力及適應環境的能力。以建構論為基礎
的科學教育理念，除了視科學知識乃是由個人主動建構所產生之
外，它也是經由科學社群對話(dialogue)、辯證形成共識的結果。
1、建構論的學習觀點：
（1）強調學者的經驗：視學習者在教學前對所要學習的材料已存
在有許多的概念(prior concept)，所以學習者學習新的材
料的時候並非是一張“白紙＂，存在於學習者腦海中的相關
概念有多也有少，此即個別的差異，而新知識的學習則是構築
在這存有個別差異的先前概念之
（2）注重以學習者為中心：如前述建構主義的認識論所言，知識
並無法像貨物般直接傳輸給學生，因此，學習科學的概念必須
由學生主動的參與整個學習歷程，再建構 ( reconstruction )
自己的意義，傳統的老師「說」學生「聽」的學習方式已不復
存在。
（3）製造衝突的學習情境：學習的發生在於解決認知的衝突
(cognitive conflict ) 或不平衡(disequilibration)時基模
所做的改變，於是個人的學習被視為現有的概念與新經驗的交
互作用的成果，並非只是新概念的堆疊。
（4）尊重個人意見或原始想法：科學知識已有人類價值參與的空
間，不再 是絕對的價值中立，學生的科學概念可反映出學
生在這社會大環境下所形成的理念（許榮富；黃芳裕，1995），
因此，科學知識的學習必須與學生的生活社群有關，且必須是
社群成員互動協調所形成的共識才具意義。
（5）注重互動的學習方式：科學的學習必須透過對話、溝通的方
式，大家提出不同看法以刺激個體反省思考，在交互質疑辯
證的過程中，以各種不同的方法解決問題，澄清所生的疑慮，
並且逐漸形成能夠在科學社群中互動的正式的科學知識。
2、建構論的教學觀點
（1）從學習者的經驗出發：教師在教導科學知識之前應認真考慮
學習者先前的（原有的）知識背景，以及現有的認知概念，亦
即呈現的教學內容應在學生可能的建構區（甯自強，1993）範
圍之內，與學生的經驗緊密結合才能引發學習者有意義的學
習。因為新的知識必須依靠學生原有的知識才能穩固地成為學
生知識的一部分（郭重吉，1992）。
（2）角色的調整：教師在教學的歷程當中已不再是一個知識的提
供者，而一個「協助者」，適時給予學生機會由學生自己去組
合(combine)、批判(criticize ) 和澄清(clarify)新、舊知
識的差異，進而再搭建起自己新的認知。
（3）佈置良好的學習情境：教師是學習環境的建構者(Millar,
1989)，以建構論為取向的教學應注重調整現有的教學材料、
佈置適當的問題情境，製造學習者在認知上的衝突以引起學習
者的反省及思考出解決問題的門徑，並非只是照本宣科而已。
（4）鼓勵學習者反省和思考：科學課程教材的安排雖無法兼顧多
樣性的個別差異，但建構論取向所提供的教學則希望學習者能
將昔日一直被視為理所當然的知識，例如：課本的知識，能夠
再加以思考。教學時則提供較適合學生經驗背景的教材次序以
促使學習者對學習對象有建設性的理解。
（5）重視合作的學習方式：建構論的教學方式乃是異於傳統以教
師或教材為主的教學，而是整個教學活動乃藉著師生、同儕充
分的溝通互動、辯證協調、澄清以及再建構的過程以導引學習
者非正式的先前概念更接近正式的科學想法，雖然整個教學的
歷程可能必須花費相當多的時間讓學習者自己去建構知識，但
卻是值得嘗試的。
3、建構論對教學上的應用
前面說到，建構主義很強調學生在學習過程中的主動角色，
那麼實務上，它可以怎麼被應用在教學上？我們不妨從科技、知 識產生以及教學目的演進簡史來看。建構主義在教育上再度被西 方學界強調，是二十世紀後半葉的事，建構主義被賦予新的內涵 再現江湖有以下主要理由：科技演進、資訊量大增，以及這兩者 的交互作用。因為以上的理由，使得二十世紀的最後二十五年，
制式教育的教學目標也從傳統的「精熟訊息內容」逐漸轉變為「理 解訊息以及能應用訊息於實際情境」。以科學教育為例，我們也 可以說，自從「每個人都需要學科學」(Science for all)這個信 念成為學界的共識之後，有關於族群、文化以及性別等特殊背景 在科學教育中的影響，逐漸受到重視。在這一股觀念革新的潮流 中，建構主義的理論徹底改變了我們對於科學是怎麼教跟怎麼學 的想法。來自三個方向的證據尤其影響深遠：人們對科學的看法、
科學史及認知心理學。因為傳統教學及學習模式所重視的是：某
一種領域知識內容的精通、儲存訊息以及能夠回憶應用，這些都 是其主要目的。
然而現代社會，資訊量大、變化太快加上許多跨領域的知識產 生，傳統教學及學習模式的消極方式，不足以應付新社會的公民 需要，建構主義的理念於是就水漲船高。另一方面，有些當代教 育學者相信，建構主義應該不是一個教人家怎麼去教的理論，而 是有關知識以及學習的理論。更貼切地看，與其說它是某一種理 論，它發展到今日已經變成是一套融合神經生理學、心理學、哲 學、社會學、語言學、人類學以及教育學等相關領域，對於人的 瞭解，所提出的教與學的過程應該怎麼互動較為理想的思考方式。
要檢討一個教學活動是否朝向建構主義的理念，或許活動中 指導者跟學習者的互動品質，可以給我們作為一個參考；也就是 說，透過互動，學習者是真的弄懂他所接觸到的新知識？還是只 有把他所接觸的新知識背起來？有的人在教學活動中給學習者 完全自主的學習空間，有的人可能對於知識的看法採取相對主義 與實證主義的折衷看法。因為建構主義者認為知識建構的過程具 有重覆性，所以，新知識的組成份是先前已建構知識的產物。因 此，心智構造與知識內容兩者的作用，就交織在建構主義的討論 中，往往無法分開來看。雖然許多自稱是建構主義理論的不同學 派對於知識的起源主張各異，不過他們對於學習的內涵，也就是
「學習者的心智構造如何發展」都有相同的假設，就是說，他們 的共同關懷點都是：「學生的腦子是怎麼去想新知識？這樣子能 不能跟他們的已有知識融合？」「學生的的概念形成過程是否正 確？」「學生的學習態度是否有改變？」
根據以上的研究的結果，我們可以發現教學活動應該盡量避
免照本宣科的單調教學，透過科學實驗的進行，可以讓學生獲得
更多的啟發與感受，進而導引學生主動學習，引起學生學習的興
趣，這正是科學演示教學想要呈現的效果。
第二節 教學策略與教學活動設計
一、建構主義的教學策略
黃世傑（1997）指出建構論的教學策略，就是以學生為主的教學
活動，在教學過程中強調學生與學生、學生與情境以及學生與老師的
互動關係，讓學生主動參與。在這種學習歷程中學生在原有的經驗為
基礎來進行新事物的學習，亦即透過同化和調適的認知歷程而達到真
正的學習。林甘敏（2001）提出以下應用建構主義有效的教學策略：
（一）以問題為中心的教學策略：
Wheatley（1991）提出適合於數理教育的問題教學模式。他認
為教師安排工作（問題及情境）、合作分組、討論及觀點分享是問題
中心學習的三要素也是教師教學應把握的要項。教師可以設計豐富的
學習情境，引導學生從不同的角度去評估問題而獲得知識。教師的主
要任務是安排呈現合適的學習情境，適時給予關懷、鼓勵和支持，以
利協助學生主動成功地建構知識。
（二）合作學習的教學策略：
學習可視為社會建構的歷程；雖然知識是由個人自己建構出來
的，但是別人的意見或看法也會影響個人建構的知識。因此善用學生
互動，將可幫助彼此建構知識及概念。此種教學策略可利用異質小組
成員，藉由角色扮演、相互教學、成果發表等活動，成員彼此以分工
合作的精神，在討論、向他人解釋或詢問中，以達到社會技能的培養，
及學科知識主動建構的有效學習。
（三）情境學習 ：
建構主義主張有意義的學習，不可脫離學習者的經驗世界，而
情境學習理論認為知識存在於我們所生存的環境及我們所從事的活
動中，且認為學習者欲習得知識，便應進入情境的脈絡（context）
中，二者有其相容之處林甘敏（2001）。情境學習理論的主張包括：
強調學習活動的真實性、重視情境中的觀察、示範、解說、提示與備
詢等學習方式及重視從邊際參與到核心參與的學習過程；亦即情境學
習強調知識是學習者與情境互動的產物。學習應安排真實化的學習社
群，透過實際的參與及專家的從旁引導，使學習 者 在 這 個 實 務 社
群 （ c o m m u n i t y o f p r a c t i c e ） 的 環 境 中 能 夠 真 正 的 學
習 。
關於建構教學的具體實施過程國內、外學者也提供了許多建議，
簡單介紹以下十項原則(Von Glasersfeld，1991)， (張靜嚳，1996)
1、解學生有什麼：如果我們認同建構主義，即假設學生必須建構自
己的知識，我們就不能再假定學生是一張「白紙」，什麼都不知
道。根據皮亞傑的說法，即使是嬰兒也不是一張白紙。學生已有
的知識是他們用來建構更多知識的唯一基礎。所以，對教師而言
最重要的是要了解學生有些什麼知識和經驗。
2、認真聆聽和應對學生的回答：對一個問題，不管學生的回答是什
麼，對學生而言都有其意義。因此，學生的答案對教師而言不論
有多離譜，多奇怪或「多錯誤」，教師都應認真解讀和應對。教
師若只簡單說它錯了，對學生是莫大的氣餒和壓抑。此外，讓學
生解釋問題和答案也是一個不錯的策略。
3、了解學生怎麼想：教師若想改進甲生的概念及其概念的結構，教
師須先試著去建構甲生的思考模式。甲生的思考模式是可以被一
般化的，但是在假設學生適合這個一般模式之前，教師應先有一
些足夠的證據來支持此一特例的假設是可行的。絕對不要任意假
設學生的想法是簡單或顯而易見的。
4、問得要有建構：「問學生」是如何得到他們的答案是一個發現學
生思考事物的好方法；它開啟解釋為何某一特定答案在不同的情
況未必管用之門。所以，教師要多問學生：為什麼？如何得到？
什麼意思？有何不同？舉個例子？而少問學生：會不會？懂不
懂？對不對？
5、造勢讓學生對解題有食髓知味的經驗：通常一開始學生對解題不
會有太大的興趣。若要培養學生對問題有深入探究的興趣或動
機，教師就要去創造局勢或形勢讓學生有機會去體驗或經驗和解
題有關的樂趣。如果學生對問題本身沒興趣，而教師又只是簡單
的告訴學生你答「對了」，這種教學對學生的概念發展可以說是
毫無助益。
6、獎勵耕耘甚於收穫：成功的思考是比「正確」的答案重要。成功
的思考即使是基於無法接受的前題也應給予獎勵。
7、欣賞學生的思考：為了去了解和欣賞學生的思考，教師要有幾乎
是無限彈性的心靈因為學生有時會從教師幾乎難以接受的前題開
始。
8、給學生有獨自搏鬥成功的機會：讓學生和他們所選取的問題搏鬥，
只在他們要求幫助時才給予幫助，而且只幫助他們建構知識。頂
多，教師能引導學生在有效的方向上建構；但永遠不能逼它。這
樣當然很費時，但是只要學生有過一、二次自己成功思考出答案
的樂趣之後，他們就差不多可以去做教師建議的問題了。
9、了解與熟練並重：區分訓練與教學並非表示沒有訓練的空間。
我確信某些訓練是有用的，但是，訓練本身並不導致了解。然而，
有許多經驗需要熟練到成慣例。慣例是必要的。一個人除非他已
經自動化了一些基本的運算，否則他不可能成為數學家。但是如
果他只有把一些基本的運算自動化而沒有抓住背後的概念，那麼
他也不會成為數學家。訓練與教學要並進。如果本文只是強調教
學，那是因為訓練是學校普遍的實務。
10、可貴的失敗經驗：影響學生的解題技巧是讓學生去發現解題的樂
趣。如果教師一直看著學生要他們用「正確的」解法去得到「正
確的」答案，則解題將變得沒有樂趣。學生常常會使用一些預料
之外和常規之外的方法解題，這是十分可行的只是它的應用性或
許有限。如果教師不尊重這個，那只反映出教師本身對科學發展
歷史的不了解而已。
由以上文獻可知，學生在學習科學時，老師的角色非常重要，如
何透過適當的教學情境與教學策略來幫助學生，是每個老師所當努力
的目標，以科學演示教學的方式來進行教學，可以提供一個科學學習
的良好途徑，透過實質實驗的表現讓學生從中獲得更多、更廣、更深
的科學概念，這是我期待能為學生做的。
二、教學策略與活動設計
教學簡單的說是：教學是一個能引起學習發生，具有目標導向的
系統活動。以此定義加以引伸，教學至少應具備有五大基本要素：目
標（object-ives）、學習者（learner）、內容（content）、方法
（methods）（亦稱活動或程序）、評鑑（evaluation）欠缺其一即
不能算是具有完整意義的教學。黃炳煌提出：教與學的關係至少包含
著老師的教和學生的學，兩種關係間的交互作用。
教學設計（instructional design）：
教學設計在國內為常用的名詞，但其確切的定義或意義卻未明確
載示，國內黃炳煌（1997）依 Good 所編的教育辭典一書中課程設計
的定義改寫為（原文引用）：『Instr-uctional design may be defined
as "the way in which the componentsof instruction have
been arranged in order to facilitate learning andteaching and
to enable teachers to formaulate lesson and unit plans』。認
為教學設計是考慮並迎合學習者的認知歷程而提出某種設計，使學習
者能有效而快速的獲得知識。除了考慮知覺，短期記憶的極限，長期
記憶的組織以及認知的認知之外，教學設計也考慮了注意力、學習動
機、壓力與緊張、理解與記憶的策略、思維的方法等認知控制能力。
由此觀之，教學活動設計的目的，是在教師有系統妥當的教學計
劃之下，運用各種教學資源、方法，配合學習者的認知歷程，促使兒
童得到有效的知識與持續的學習效果。
對自然科學教學而言，所謂有系統妥當的教學計劃，即是：教師
能掌握教學目標，瞭解兒童舊有的自然概念，適時的進行評量，並安
排適切的回饋學習機會。所謂運用各種資源、方法，即是：能依各種
不同的內容概念，安置一最佳的學習環境，使兒童能做最有效思考活
動。所謂促使兒童得到有效的知識與持續的學習效果，即是：兒童能
主動的運用科學方法進行探討，同時在探討歷程後，能拋棄錯誤的概
念，並建立正確而有系統的科學知識。
簡而言之，自然科學教學活動設計的目的：在改正兒童對自然不
正確或缺漏的錯誤概念，促使兒童能透過自然科學的學習活動，學到
探討自然的方法（或謂過程技能），以建立正確而有系統的科學知識。
為達成科學教育的目標，各種教學理論，基於不同的學習理論，
也應運而生，各種學習理論中尤以認知心理學的教學理論對自然科學
的影響最大。由於認知心理學的哲學根源為知識論，但在知識論中又
有理性主義與經驗主義之爭，對於知識的形成有不同的看法，因此也
形成不同的派別。而認知心理學中的建構主義，則又以另一種觀點觀
之。再則，過去的教學理論傾向於一般化學習理論的觀點，近十年來，
許多研究顯示，兒童對不同的概念內容 （content）有不同的學習歷
程，並且不同兒童其舊有的先期概念（preconcept）亦相距甚大，因
此，不同的學習素材、不同的學習者，應有不同的教學模式來配合。
以下將分別介紹幾種教學法，提出其優缺點比較。
（一）講述性教學法：
講述教學法(didactic instruction)或稱講演法
（lecture），可以算是最傳統的教學方法。幾乎自有教學活動以
來，身為「教」者就習於採用這種以講演或告訴（telling)為主
的教學方法。古時候的教師如此，目前的教師也大多如此教學。
正式的講述方式有些以演講的型態出現，大部份則採口頭講解及
書面資料（教科書）的闡述，並以問答及學生練習和教學媒體呈
現的方式來進行講述教學。講述教學之所以長久以來廣受教師歡
迎，主要是其進行過程極為簡單、方便，多數教師只要依教科書
來講解說明即可。
1、講述教學法要點：
（1）講述的內容配合學生程度：
在內容上最好能適合學生目前的學習經驗和能力，不宜過深，
也不應太過簡化。在解釋概念時儘量舉一些能為學生理解的例
子來說明。
（2）教師應注意講述時的動作、表情和語言：
講述的動作要自然，不誇張、不輕浮。表情要有親和力，不宜
太嚴肅或者毫無表情（變化）。用語方面，避免使用太多俚語、
方言及一些尖酸刻薄的話。
（3）避免照本宣讀，兼用教學媒體：
教師在講述時不應照著教科書的內容從頭到尾、逐字宣讀，也
不宜指定學生照課本輪流宣讀。講解課文應分段落，扼要解釋
說明即可。在正式的講述和演講時，教師常使用板書並利用各
種教學輔助器材，包括幻燈機、投影機等。如此可使教學活動
生動而富有變化，亦可增加學生的注意力。
（4）隨時與學生保持眼神接觸：
教師在講述時要隨時注意學生是否仔細聽講，因此要隨時注視
學生，保持與學生眼神接觸（eye-contact），如此可以維持
其注意力，並瞭解學生反應。
（5）適時的強調重點：
教師在說明重要概念時，可以用暫時停頓或提高音調的方式來
引起學生特別的注意，並使學生能有時間作筆記、劃記或其他
思考反應。
（6）同時提供溝演綱要或書面資料：
除口頭講述外，最好能再提供講述大綱或其他相關的書面資
料，如此將有助於學生的聽講、記憶和瞭解。
2、實施講述教學有以下幾項特點：
（1）便於教學: 老師只需準備好教材即可對學生上課.而學生人數
不限.可由一人至上百人。
（2）場地不限: 老師可在教室.校園或戶外教學皆可。
（3）教學目標義達成: 教師可依課本內容有系統的教授。
3、講述教學法可能會造成以下缺失，例如：
（1）缺乏互動: 教師單項教學忽略學生獨立思考、討論的機會。
（2）以教施為中心: 從教師觀點授課. 忽略學生地認知學習歷程。
（3）很多科學概念的建立並不完善，學生的學習往往是片斷而且
記憶時間通常比較短。
（二）討論教學法
1、討論教學法的特徵
學者認為討論教學法的意義是：「一群人為了達成某種教學目
標，齊聚一起，經由說、聽和觀察的過程，彼此溝通意見。」所
以討論法是由團體中的每一成員共同參與的活動，教師和學生就
某一主題進行探討，以尋求答案或能為多數成員所接受的意見。
因此，在討論的過程中，所有成員的意見可以充分的溝通，教學
成為師生雙向交流的活動而非由教師獨佔的過程。此外，在討論
的過程中，學生更能針對問題深入思考，有助於學生思考訓練和
價值判斷能力的發展。而且，學生有機會養成接受不同想法、意
見的民主風度，對於培養未來社會的公民頗有助益。
2、討論教學法的進行方式
討論教學法的種類或類型很多，例如：團體討論（group
discussion）、小組討論（small-group discussion）、腦力激盪
（brainstorming）、角色扮演（role-playing）、辯論式討論
（debating discussion）、對話式討論（dialog discussion）、
座談會……等。一般而言，在班級團體情境中，團體討論、小組
討論是最常被使用的討論法。
討論法可運用於任何學科、任何活動和任何年級。但一般而
言，以下三種情況是討論教學法較常為人運用的時機：（林朝鳳，
1986）
（1）當研究的問題具有爭議性質時，宜給予學生討論的機會，由
此可培養同學思考力、發言能力，並開闊其胸襟，容納他人
意見的雅量。
（2）當問題具有多種解決的途徑，或非個人力量能獲得圓滿解決
時，應給予學生討論的機會，藉以互相啟發，互相增益，並尋
求較佳的解決方法。
（3）教學時如果希望學生能確實產生某種行為，可由學生相互討論，
共同商決並採取行動，在團體目標、團體規範的互動中，可以澄
清價值，樹立標準，並逐漸形成價值和態度，從而建立或改變個
人的行為。
3、討論教學法的活動設計
（1）討論教學法並無一定的型態或模式，一般而言，學者認為其
教學過程可分為三大過程：『引起動機』、『進行討論』、『整理
結果』。如係分組討論，可分為五大過程『準備』；包括教師對
討論問題與討論環境的準備，以及學生對討論問題的準備。『創
始』包括引起學生興趣及師生共同策畫。『討論』；包括正式或
非正式的討論，為學生最感興趣的階段。『報告』；指由各小組
代表分別報告討論結果及所遭遇的困難或問題。『總結』；通常
由教師作最後之總結，並提示應行注意的事項。（李祖壽，1980）
（2）另有學者主張，若以教師為主持人的討論法，其實施過程如
下：
◎引起動機：談論個人的體驗與意見。
◎提示研究問題：輔導學生尋求解答。
◎閱讀課文與參考資料：參觀訪問、觀賞影片。
◎討論：提出主題＝＞進行討論＝＞綜合檢討＝＞結論
◎報告與討論
◎總結：歸納大家解答問題的意見，並進行剛領式的複習
（3）在運用討論法於班級教學的實施過程中，除了依循討論的程
序外，教師必須善加計畫與輔導，事前更需有充足的準備。透
過討論法的教學，可以提供學生表達及溝通意見的機會，也可
以使教學過程更生動有趣，而在討論過程中，教師的發問、學
生的爭辯、主持人的仲裁與引導，可使學生對於討論的主題有
深入的瞭解，更可培養學生獨立思考批判的能力，而進一步尊
重容忍他人的想法，增進團隊合作的精神。所以討論法應是教
師進行小組教學時最適宜採行的教學策略。但是在目前的國民
中小學，卻很少採行討論教學，其原因可能為：
◎沒有充裕的時間或場地可供討論。
◎未具熟練的發問及討論技巧。
◎教室氣氛不夠開放、自由。
◎教師主題和目的不明確。
◎教師具有權威的態度。
◎教師未具有效的班級管理技巧。
◎班級人數過多。
◎學生未具發問、傾聽及討論技巧。
（三）啟發式教學法
所謂啟發法，就是以學生的經驗為基礎，由教師提出問題，使
他們運用思想去解決、分析、批評、判斷和歸納，因而可以「觸類
旁通」「舉一反三」，使經驗逐漸擴張，思想更為靈活。
啟發式教學可以發揮以下幾項功效，例如：
（1）重視學生思想與啟發，利於養成學生有系統的思考習慣。
（2）由教師事前準備教學教材，比較不易遺漏重要教材。 經過歸
納演繹的過程，學生易於了解較複雜的一個知識或原理原則。
（3）利用歸納演繹方式來學習知識，學生易於了解，時間上比較經
濟，不必學生費許多心思去摸索。
啟發式教學法在進行中可能會有幾項缺失，例如：
（1）以教師為中心，學生仍處於被動地位，無法養成自動自發的精
神。
（2）以教材為中心，忽略學生的興趣和需要只適用於較複雜的原則
的教學，並不適於淺易知識的說明。
（3）教學步驟固定，缺乏彈性。
（4）只注重「教師如何教學」方式，卻忽略「如何指導學生學習」
方式。
（四）合作教學法
合作教學法主要利用小組成員之間的分工合作，共同利用
資源，互相支援，去進行學習；並利用小組本位的評核及組間
的比賽，製造團隊比賽的社會心理氣氛，以增進學習的成效。
一方面使學習機會更為平等，一分面使學習動機更為強烈。
合作教學可以發揮以下幾項功效，例如：
（1）增進同學間的感情，加強人際關係。
（2）由討論中，更能了解同學的見解。
（3）工作由大家分擔，問題較容易解決。
（4）能夠學習別人的優點，且能發揮個人的專長，使工作效率
提高。
合作教學法在進行中可能會有一些缺失，例如：
（1）有時候大家的意見紛歧太多，爭論不休，小組無法統整意
見。
（2）小組討論時，有時會有不願分擔責任的同伴，甚至推卸責
任，造成團體目標無法完成，影響團體的成績。
（3）在小組一起合作中，有些人會被忽略。
（4）小組之間的競爭，有時會產生摩擦。
（五）編序教學法
編序教學法是將教材按照程序，編成許多細目以便學生自
習的學習方式。學生藉由教材從簡而繁由淺入深的順序學習，
就像階梯一樣，循序漸升，只要第一階層學會通過，就可晉升
至第二階層學習；等第二階層通過，便可以一、二兩層的經驗
為基礎，晉升到第三層學習，層層而上，最後達到預定的教學
目標，況且學生在學習過程中，能立即核對結果，便能增強學
習效果，在教學中我們所看到的教學機與電腦輔助教學（CAI），
皆是運用編序教學的原理。
1、編序教學法可以發揮以下幾項功效，例如：
（1）符合個別化教學的原則學校的教學雖採班級制，但在進度
尚須兼顧 到個別化。所謂的個別化，是指配合個別能力
和經驗的差異，在達到教學目標的過程中，容許有不同的
進行速度，所以以個人學習為基礎的編序教學，正符合這
個原則。
（2）構成反應性的學習情境一般教學的缺點是教師「教」的活
動太多，學生「學」的活動太少，而在編序教材的設計下，
學生便需由被動變為主動而形成反應性情境。反應性學習
情境最大的優點是，反應後立即得到回饋（feedback），
若能得知反應正確與否，便可作為校正根據並繼續反應。
（3）維持學習動機排除外因干擾；編序教材的編製由淺入深，
只要前面的反應正確，便能導致後面的反應正確，因此不
會因困難的累積而形成學習動機的挫折；此外教材順序顯
著，內容要點明確，學起來容易得到肯定的觀念，不致因
似是而非的複雜因素干擾而導致觀念混淆。
（4）學習困難的發現與輔導易於配合在一般的教學中，學生的
成績不佳，很難給予適當的輔導，原因是以往累積性的困
難無法確定，故輔導工作不知從何做起；而編序教學是連
續漸進的，一有困難，立即可以發現，隨時輔導，自可事
半功倍的教學效果。
2、編教學法在使用上可能會受到一些限制，例如：
（1）受適時限制普遍採用困難；編序教學法受事實上的限制或
金錢上的考量，無法普遍實施。而個別式的編序教學方
法，只能用來幫助個別學習困難的學生，在班級教學為主
的中小學校內，不可能每一個學生都允許持有教學機或電
腦設備。
（2）教材編製不易；編序教材的編製極為困難，而且並非所有
的科目都能編成階梯式的題目，例如語言寫作練習、數學
的演算歷程、物理化學的操作實驗等，都不可能也不適合
採用編序方式，勉強採用，難免使知識失去系統性，學不
到事理的整體觀念。
（3）教師無法給予學生適當的人格教育；教育本是人感化人的
歷程，所以教師除了傳授技能外，學生的態度觀念價值判
斷，都是經由老師而學習。中國傳統師道中的所謂傳道、
授業、解惑，就說明教師角色的多重功能，而編序教學除
了靠機器傳授知識外，卻無法做到這點。
（4）缺乏教育歷程中的社會功能；在班級教學活動中，除了師
生授受關係之外，同學之間的競爭、合作、感情、友情等
社會關係，對兒童們知能社會人格等各方面的發展，均有
影響作用。而編序教學把學生的學習孤立化，縱使有助於
知識學習，卻喪失了教育上的社會功能。
（六）演示教學法
1、演示教學的特質：
演示教學法是一種視覺重於聽覺的教學方法，教師以實際
執行一個實驗或一連串的活動，利用具體的實物呈現，使學生
瞭解教學上的現象或原理。演示通常包含有行動、程序、技巧
和知識，並且以各種設備和實驗作適當的配合。特殊的過程，
包括實驗操作及科學原理，由逐步的演示過程提出要比其他教
學方法適當。演示教學常被引用在科學教育科目的教學方法。
運用演示教學方法，教師可在教學過程中，具體地解釋一個操
作或實驗的各項步驟。學生亦可以運用兩種以上的感官從事學
習活動。
2、演示教學法可以發揮以下幾項功效，例如：
（1）提供給學生深入而特殊的個別化教學機會。
（2）可運用在個別小組及群體學生的基礎上。
（3）可提高學生學習的動機。
（4）可以在學習的過程中，廣泛的使用多感官的程序。
（5）提供學生學習成就的機會。
（6）提供學生創造性和問題解決的良好機會。
（7）提供評估學生行為以及教學有效性的機會。
（8）提供教學回饋的工具。
（9）可以利用課堂時間進行，不影響教學進度。
3、演示教學法在進行中可能會有一些缺失，例如：
（1）使用的方法可能會超越學生的能力或課程內容的範圍。
（2）可能花費太多的時間和精力，而影響學生的練習時間。
（3）對部分學習動機不高的學生而言，可能不是適當的學習方
向。
（4）教師特殊技能的示範，可能難以引起學生的動機。
（5）完全依照老師示範，而不能允許學生作相當程度的發揮，
可能剝奪他們創造和得到個人成就感的機會。
比較上述幾種教學法，我們可以發現在提高學生學習興趣、引起
學生學習動機、注重感官的教學過程、提供學生參與討論的機會以及
考量教師教學進度的環境限制下，演示教學是一個很不錯的教學途
徑。然而有鑑於傳統演示教學因缺少學習參與而成效不彰，學者建議
演示教學的流程應包含預測、觀察、解釋(POE)三項程序，活動設計
著重於學生探究過程，另一方面，與建構主義相呼應，知名的觀念物
理書作者 Aron (1994)則強調科學概念的理解，是需要靠反覆地檢驗
與修正，才能逐漸建構出一堅韌的概念架構(robust conceptual
framework)，而生活化的演示教材往往涵蓋數項原理，成為誘導學生
反覆學習，並統整多項概念的絕佳工具。
第三節 國內外對演示教學的研究
（一）演示教學的的要點：
為了讓一個科學教具能有效的演示（Demonstration），在教學
上必須注意幾點:
1、材料和器具：演示的材料和器具必須事先檢查，並確定其可行
性。最好學生也能組合，以增加參與性。
2、易觀察演示現象：演示教具體積要夠大，重要的細節可觀察到。
3、吸引學生注意力：演示教具放在箱中或用布幕蓋著，甚至在學
生面前組裝並演示，或在非教室內的場地施行。
4、有時演示教具須用到較專業而高深的儀器，不易使學生提出問
題
（二）演示教學使用的限制：
演示教學在科學的課程上若要達到上述的成效，有些演示的極
限，教師在設計教具及引導教學時須特別留意：
1、演示教具若體積太小，不能仔細見到物體的細部結構。
2、有些學生可能會因演示教具其他部份的外在因素而誤解對主題
的認識。
3、因學生沒有參與的機會，學生較易失去樂趣。
然而，一個好的演示教具若沒有透過師生互動，學生可能無法
接受演示教具所欲呈現的科學觀念，也較難靠學生自己產生科學的
建構。所以透過科學演示，課堂上的社會互動挑戰著學生的原有觀
念，產生自省能力，甚至引發合作的對話，這些均是增進學生科學
理解的有利途徑。
（三）國內有關演示教學的研究
一、范振龍（2000）；密度與浮力教學演示流程 第一階段：確定探討方向與主題
目的︰讓同學明白清楚的瞭解今日演示的主題與方向
第二階段：引導出學生的先備概念，並使其對所持有之概念感到不滿 足。
目的︰使學生能對其所持有的先備概念感到不滿足，進而有吸取正確 科學概念的慾望。
第三階段：概念改變與重組
目的：利用教學資源傳遞新的概念使學生進行概念改變的內在建構歷 程
第四階段：概念改變後的應用
目的：使學生對重組的概念有應用的機會，並相信新建構出的概念是 可以解決問題的。
第五階段：概念改變的回顧
目的：使同學體認到到想法是會改變的，並且熟悉學習歷程，而對其 他的概念也能經由類似的學習歷程來進行概念改變。
二、林淑梤、張惠博（2003）；演示教案對教師教學與學生轉動概念學 習影響之個案研究。
此研究透過提供個案教師演示教案的方式，欲探討教師參考一份 以演示教學為主軸的教案，如何運用在他真實情境的教學上。本教案 設計是根據 Karplus 的學習環理論設計，學生對教師的演示進行觀察 和小組討論，在師生互動中提升高中學生對轉動力學的瞭解。
研究對象為兩班高二學生及其物理科任課教師，一班是有實物演
示的班級，另一班無實物演示，但上課內容力求相同，比較實物演示
教學之成效，經由現場觀察、半結構式的晤談探討個案教師的教學理
念如何影響演示在教學中的展現，並經由兩階段式的概念後測，探討
學生在轉動概念上的學習成效。
發現個案教師將教案所提供的演示當成刺激學生思考和問題展
現的輔助工具，但對於自製的角動量演示教具，較能展現教師所欲涵
蓋的概念，並有助於與學生討論，營造師生互動的學習情境。另外，
由數據找出轉動慣量關係式的活動，給予學生深刻的科學認識論體
驗，但是對於轉動慣量的概念未能達到學習環理論中的應用階段。所
以，演示教學需要教師有組織化的概念圖與演示教具互相呼應，學生
在社會建構的學習情境中較能有效地理解、應用演示所欲傳達的概
念。
三、張慧貞、陳宗慶（2003）：演示教學引導探究學習；以聖誕燈學
電路為例。
此研究的學習成效與回響：本單元在高一資優課程中實施一周
後，由參與的同學對單元設計提出他們的感想與建議，多數同學對此
單元的回應都是正面的，包含物理原理與生活實例的巧妙結合，刺激
學習參與，促進理解等。例如:
“從前沒想過平常容易看到的聖誕燈分段閃爍有什麼奇怪的地
方，也從沒想過要去研究，這樣平常的物品裡頭竟然包含了如此微
妙的原理，讓我覺得很不可思議，而且討論的過程很有趣，讓我收
穫很多。希望多有此種對像聖誕燈這種平常不會令人注意，卻有微
妙原理的分組討論、研究。＂
“光是一個聖誕燈，就能延伸出許多不同的問題，而由探討這些
問題中也讓我學到更多，希望能有更多實驗可做。＂
“看起來閃得很神奇的燈泡，原理原來是我們可以解釋的，所以
多一點自信再去找周圍的問題，很多(時候)，想一想，答案都在自
己心裡了，研究聖誕燈算是一種很好的實驗。＂
“電學很好玩，因為可以看到很多特別的現象，在聖誕燈組的討
論中覺得很有成就感，總之很棒啦。＂
“每個實驗使我印象深刻，而且每次只要看到聖誕樹有聖誕燈，
我就忍不住地想和朋友介紹為什麼，我想他們應該覺得我很有學問
吧。＂
我們可以發現從學生的引述中透露出，這個單元的設計不但能有
效地吸引同學注意，並願意努力探索解答，多數人也能在過程中享受
逐漸獲得答案的成就感，甚至強化其自信心。引述中出現許多主動學
習的語詞，包含：討論、探討、想一想、理解。而且由於主題「聖誕
燈泡」具有驚奇性、多變性的特質，我們可以發現學生有主動參與的
情況，並且塑造一個輕鬆、活潑、有趣的教學情境。
由以上幾項研究我們可以發現演示教學的引用方式與教學功能的
新觀點：讓演示教學成為誘導學習、刺激思考與同儕互動的媒介，而
不僅止於是用來驗證理論或提高興趣。在學生問卷中反應出主動學習
與小組互動的情景，包含「動腦想」、「動口討論」、與「動手試試」。
同時，在小組討論之過程，教師也更能體會學生之學習困難，提供立
即之引導，這些課堂活動，都較純粹講解的灌輸式教學法，來得有益
於學習。另一方面，對於習慣於講述式教學，但又希望能提高自己課
堂互動的物理教師們，可以嘗試性地利用示範實驗搭配問題組討論的
教學設計，實際體會此一教學策略之優點，對教學會有很大的幫助。
最後我們可以歸納出，演示教學有以下幾項特質：提供學生觀察
的現象、引發學生學習的動機、學生主動提出問題、塑造良好學習氣
氛、利用討論提升學生思考問題的能力等，對於科學教師而言是一個
可以採用的教學法。
