国小教师的科学本质观及其教学实践个案研究.docx
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国小教师的科学本质观及其教学实践个案研究
國立臺北師範學院學報，第十五期（九十一年九月）285～314
國立臺北師範學院
国小教师的科学本质观
及其教学实践个案研究
刘振中、熊召弟*
摘要
本研究之目的，主要系透过一位任教国小六年级自然科的李老师教学信念及教学实务，来了解以科学本质为基础的课程设计及教学成效。
本研究运用教室观察、访谈、凯利方格技术、文件分析等方式，配合问卷调查搜集数据，藉多元数据描述教师的科学本质观及以科学本质为基础的教学实务。
研究结果说明了李老师的科学本质观较倾向于当代的科学本质观，在科学方法本质向度上，认为科学研究始于问题的产生、研究方法具多元性、探究重视假设的形成、解决问题及减少误差，而对科学知识的本质上，认为具实证性、暂时性、可复制性及公开性，最后在科学事业本质向度上，强调科学与生活相关，同时重视群体的合作与讨论，李老师亦试图将此理念应用在其教学方案中，并实践之。
根据发现与结果，本研究对于课程与教学、教育行政等分别提出建议，可作为科学教育研究与教学实务的参考。
关键词：
科学本质、教学信念、教学实务
國立臺北師範學院學報，第十五期（九十一年九月）285～314
國立臺北師範學院
国小教师的科学本质观
及其教学实践个案研究
刘振中、熊召弟*
1、绪论
二十一世纪是个信息爆炸、科技发达、社会快速变迁、国际关系日益密切的新时代，全世界兴起教育改革的风潮，不论课程或教学，在哲学观的演进下，都有截然不同的风貌。
科学教育的目标与发展趋势，因应时代、文化、社会的演变也有所调适，以适应个人与社会的需要，由早期培养菁英科学家，转为注重科学素养全民化。
如何提升全民科学素养，其首要之务在于「科学的本质」的了解（洪文东，民85）。
McComas和Almazroa（1998）综合一些教育学者的研究，认为对科学本质的理解，能进一步促进学习者对科学内容的习得、增进对科学的了解、提高对科学的兴趣、改善做决定的观点，同时能够促进教学的多元化，以呈现科学本质在科学教学上的重要性。
九年一贯课程「自然与生活科技」领域的课程纲要中，明确的指出「自然与生活科技的学习应该培养国民的科学与技术的精神及素养。
」，而要达成科学素养的八项分段能力指标，分别是过程技能、科学与技术认知、科学本质、科技的发展、科学态度、思考智能、科学应用及设计与制作（教育部，民89）。
这是首次在国内的课程纲要中，明列出「科学本质」，这与当今科学教育重视科学本质的世界潮流相互一致，更充分显示了我国在提升科学素养的趋向能与世界接轨。
为因应未来科技主导的世界以及地球永续发展的期盼，科学本质的重新体认和全民科学素养的加强充实，是当今学校科学教育应重视的教学目标（熊召弟，民85）。
因此，如何在九年一贯课程的教育改革中，落实对科学本质的认识，并进一步提升全民的科学素养，就成了科学教育的当务之急。
本研究之目的，系藉由一位国小自然科教师的科学本质观，其教案规划以及教学实施，学生及家长之反应，来呈现以科学本质理念为基础的教学风貌。
2、文献回顾
一、科学本质观的演变
科学哲学观点的演进使得科学教育学者对科学本质的看法也有所改变，亦即科学本质的观点会受到科学哲学观点的影响。
根据Nussbaum（1989）的分类，将经验实证主义、逻辑实证主义视为传统观点，而将Popper、Kuhn等人的哲学观，视为当代的观点。
（一）传统科学哲学观点对科学本质的看法
国内学者（丁嘉琦，民88；翁秀玉，民86；林陈涌，民85；许玫理，民81）认为传统科学哲学观点的科学本质的看法如下：
1.科学方法本质
（1）观察与实验是科学家去探讨存在于宇宙中的自然律的科学方法，观察是先于理论的，不受理论的影响。
（2）科学方法是客观与理性的，没有遵循科学探究模式的观察、分析比较与归类、提出普遍性原理、检验假说等过程的方法，就不被视为科学方法。
2.科学知识本质
（1）没有遵循科学探究过程所得的结果都是无效的，都不被视为科学知识。
（2）科学知识被视为绝对客观的真理，而且是极不容易改变的。
（3）科学知识的成长以一种线性累加的方式增长。
3.科学事业本质
科学家的任务在于发现自然界已存在的真理，其特质是公正、客观的态度。
所以在整个科学的过程中，个人是可以被忽略的。
（二）当代科学哲学观点对科学本质的看法
至于当代科学哲学观点对科学本质的看法，国内学者（丁嘉琦，民88；翁秀玉，民86；林陈涌，民85；许玫理，民81）提出如下的重点：
1.科学方法本质
（1）科学家所具备的知识、理念和学说会很大程度的影响观察结果，因此观察的本身是理论蕴涵（theory-laden）的。
（2）科学的观察过程与实验设计受科学家所服膺的典范影响，客观与理性的方法是不存在的。
2.科学知识本质
（1）科学的核心在于不断的研究与批判，不是在于被接受的知识。
（2）科学知识具有暂时性，科学知识不等于真理，它随时可能被修改或放弃。
（3）科学知识的追求是过程取向，是动态的、进行的活动；而不是静态的累积信息。
换言之，科学知识是被发明的，而不是被发现的。
3.科学事业本质
（1）科学家类似艺术家，具有创造力与想象力。
因此科学家的任务是「发明」，应具有怀疑、批判的态度。
科学家选择研究主题与方法时，会受到社会文化、科学团体的影响。
（2）科学社群在科学知识取舍的过程中具有相当重要的地位，其所接受的典范或信念，是指导科学活动的准则。
总之，传统的逻辑实证主义的观点在强调绝对客观与理性的存在，观察是先于理论的，认为科学知识的发展是以一种静态的、单一理论传承的线性方式逐渐累积而成，并强调应以科学实验检验的方法验证科学理论，使其成为绝对的真理，而个人在整个科学的过程中是可以被忽略的。
当代的科学本质观点在强调观察是理论蕴涵的，会受个人主观意识的影响，客观与理性的方法是不存在的。
认为科学知识的追求是过程取向，是动态的、进行的活动，而不是静态的累积信息。
且认为科学的核心在于不断的研究与批判，不是在于被接受的知识。
同时并无一种单一、固定的科学方法与评判标准。
科学家类似艺术家，具有创造力与想象力，科学知识仅是科学家的世界观，并非真理。
而科学社群在科学知识取舍的过程中具有相当重要的地位，其所接受的典范或信念，是指导科学活动的准则。
二、科学本质的内涵
影响我国科学教育课程内涵中科学本质观较深远的是美国科学促进协会（AmericanAssociationfortheAdvancementofScience,简称AAAS）在1989年所出版2061计划（Project2061）的研究报告中所提出的科学本质，并将科学本质分为三个领域：
（一）科学世界观（scientificworldview）
1.自然界是可理解的。
2.科学知识并非绝对的真理，是可改变的。
3.科学知识并非很容易就可推翻，具有稳定性。
4.科学并非万灵丹能解决所有问题。
（二）科学探究活动（scientificinquiry）
1.科学重视证据，藉由观察及测量所获得的证据来支持科学知识。
2.科学是逻辑与想象的结合体。
3.科学知识除了能说明自然界的现象也具有预测的功能。
4.科学家会试着验证理论与尽量避免误差。
5.既定的科学知识并不具有永久的权威地位，常态科学会影响科学的研究方向，但必要时仍会产生革命。
（三）科学事业（scientificenterprise）
1.科学是许多不同领域的集合。
2.科学的事业由许多机构来进行，如大学、工业界、政府。
3.各种领域的科学家在世界各地活动。
4.科学活动是复杂的社会活动，外界的社会价值观也可能影响研究方向。
林陈涌（民85）所发展的「了解科学本质量表」，计分三个分量表：
其一为「科学方法的本质分量表」，包括：
（1）科学方法的独特性与适用性；
（2）科学方法的客观性；（3）科学方法的理性。
其二为「科学知识的本质分量表」，包括：
（1）科学知识的种类与角色；
（2）科学知识的本体地位；（3）科学知识的知识建立。
其三为「科学事业的本质分量表」，包括：
（1）科学家的基本假设、地位及目的；
（2）科学家及科学社群；（3）科学与社会。
其内容与2061计划的研究报告中所提出的科学本质相互呼应。
综合上述对科学本质的看法，可以得知，虽然不同研究对科学本质的观点有所歧异，但是均明显有别于传统强调绝对客观与理性，视科学知识为真理的观点。
三、探讨学生及教师有关科学本质的研究
林陈涌（民85）所发展之「了解科学本质量表」，调查台北地区1670位高中学生对科学本质的了解。
研究中发现，学生对科学本质的看法主要受到逻辑实证主义的影响，对科学本质有相当的了解。
其中，女生对科学本质的了解明显高于男生，修习科学科目较多的组别（第二、三类组）对科学本质的了解优于修习科学科目较少的组别（第一类组），而年级方面，学生对科学本质的了解并没有随着年级增加而显著的增强。
丁嘉琦（民88）探讨花莲县国民小学303位教师科学本质观点，研究结果发现：
（1）花莲县国小教师整体科学本质观点介于现代观点与传统观点之间；
（2）不同任教科目（自然科学或非自然科学）之国民小学教师，其科学本质观点类型无显著差异；（3）主修数理的教师在整体科学本质观点上均较非主修数理的教师更倾向现代观点；（4）不同性别之国民小学教师，其科学本质观点类型无显著差异；（5）教学年资15年以内的各组教师在科学世界观与整体科学本质观点上，较教学年资16年以上的教师倾向现代观点。
柯玉婷（民88）针对台中地区国小职前与在职教师对科学本质之理解所作的研究，研究结果发现：
（1）职前教师与在职教师在科学本质的理解以及科学方法、知识、事业本质之理解程度皆没有显著差异；
（2）数理背景之职前与在职教师对科学本质的理解以及科学知识本质理解显著高于非数理背景者。
以上研究主要是利用问卷调查的方式，可以快速获得教师及学生的科学本质观，采用此类量化的研究，基本上假设科学本质观点可以量化，然而丁嘉琦（民88）研究花莲县国小教师科学本质观点时，认为如此的假设是将科学本质观点的复杂性过于单纯化，亦即纯粹只靠量化研究所得的数据，可能无法深入了解教师的科学本质观点。
因此，研究个案是个别或少数教师时，半结构式晤谈就深受研究者所重视。
林陈涌、杨荣祥（民87）将凯利方格技术加以修订，透过晤谈的方式，深入去了解教师内心深层的信念和观点，清楚的描述出教师的科学本质观。
不仅避免文字叙述问卷所可能产生语意模糊的缺失，也更清晰、准确的呈现教师个人的观点，对于研究教师的科学本质观，提供另一种值得参考的方法。
四、教师科学本质观与教学实务之相关研究
科学本质的了解对于科学教育是相当重要的，然而对于教师科学本质观与教学实务之相关研究，结果却相当的分歧。
有些研究显示，两者之间无显著相关，如Lederman（1995）用开放式问卷、教师观察、师生晤谈等方式研究五位生物教师，发现教师的科学本质观未必会影响其教学实务；Abd-El-Khalick,Bell＆Lederman（1998）研究十四位中学科学教师，发现参与研究的职前教师对科学本质的重要部份有足够的了解，但是在他们的教学计划中却很少出现与科学本质相关的内容。
也有些研究显示，两者之间有相关，如Wang（1995）针对两位国小教师，透过问卷、观察、晤谈进行研究，发现教师科学本质观与教学实务之间有关，而且教师对科学本质的了解及建构式的学习环境，有助于学生了解科学本质。
翁秀玉（民86）针对设计传达科学本质的教学，提出三点看法︰
（1）配合课程单元以科学史来传达科学本质；
（2）营造出建构科学知识课程的学习环境；（3）教师主动连结科学内容与科学本质，并据此进行行动研究。
在研究中，研究者以发问刺激学生讨论、设计活动单刺激学生思考，鼓励学生设计实验操作实验，进而撰写实验报告，上台发表实验结果，并提供科学家故事、要求学生查阅课外相关资料，写出简短心得。
在研究者设计蕴含科学本质的教学情境下，学生在科学知识本质、科学探究过程及科学与生活的关系上，都有明显进展，并获得较完整的面貌。
然而，在研究中也发现一些阻碍科学本质的教学因素，如︰学生因袭过去「讲光抄」的学习方式、学生持有的信念，教师的学科知识不足、教学经验不够，教科书明列出教学步骤、题材过于抽象等，都可能影响传达科学本质的教学。
郑淑妃（民88）针对一位国小自然科教师进行诠释性研究，发现个案教师虽然是数理背景，又在研究所进修，持有符合当代理念的科学本质观点，但是由于教学目标的限制、教材的影响、对科学本质教学信心不足，以及缺乏回馈机制，阻碍了传达科学本质的教学。
若教师又未对阻碍传达科学本质教学的诸多因素积极因应，自然影响整个传达科学本质教学的效果。
综合以上所述，促进学生科学本质的了解，必须是「全方位」的改革，包括教师、学生、课程教材，应该将各个变项加以统整做全方位的改进。
3、研究方法
在本研究中，第一作者担任国小六年级某班的级任老师，对于学生如何发展适切的科学本质观相当关心，在获得学校同意后，和一位自然科教师—李老师成为合作伙伴，试图在一般常态的自然科教学中，以较符合现代观点的科学本质观为核心，给予学生适当的启发。
本研究除了关心教师如何在自己所认知的科学本质观的基础上，设计较符合当代科学本质观的教学活动，同时试图去了解学生经过以科学本质观为核心的自然科教学后，对科学本质的看法，及学习科学的态度。
并进一步反省整个教学活动中，教师、学生、家长不同角度对教学的评价及探讨可能的影响因素。
在研究法上，本研究以质性研究法为主，透过长时间的教室观察、录像、录音、晤谈、文件分析等方式，广泛的搜集数据，目的在深入了解科学本质传达与建构的过程。
研究过程中并利用研究者编置的访问试卷的方式，对个案教师及学生所持有之科学本质观，做一初步的概略性了解，以作为进一步晤谈的参考依据。
惟问卷的实施并无法深入了解受试者的真实想法，因此，利用问卷的便利性，先做初步广泛的资料搜集，同时为了避免受到问卷题目的限制，进一步采取半结构式的访谈，让受试者有较开放的思考空间，表达最真实的想法。
具体而言，本研究的架构分为四个主轴：
（一）了解个案教师的教学信念与科学本质观；
（二）了解个案教师如何设计以科学本质观为基础的教学活动；（三）实际参与观察个案教师实施科学本质观的教学活动；（四）探讨个案教师的教学省思、学生的成长与家长的回馈。
研究的架构如图1。
图1研究设计架构图
4、研究结果
根据研究架构的四个主轴，本研究获致的结果如下：
一、教师的教学信念与科学本质观
长久以来，对于「教学」的意义，有各种不同角度的诠释。
「教学」除了可解释成「施教者传授知识与技能给受教者的活动」之外，还应该是一种「使人成功学习的活动」、「有意向的引导学习的活动」，更应该是「符合真理、认知、意义或各种价值性的活动」（张霄亭，民86；黄光雄，民79；欧阳教，民77）。
透过晤谈与教室观察，李老师的「教学」观点是重视师生间的双向互动、教学过程以学生为中心、认为老师的角色是引路人、重视鼓励、弹性包容学生的错误、重视学生的主动建构、重视教学评量。
李老师在自然科的教学，重视学生的积极参与、采用合作学习的方式、重视学生的实际经验，激发学生自动自发学习的主动意愿；鼓励学生搜集相关资料、鼓励学生自己设计实验，以引起学生兴趣，提高学习动机，所获得知识的过程，更符合学生主动建构知识的教育趋势；并让科学增添人文关怀的情意教学。
在「科学本质观」方面，研究者透过问卷、晤谈.、参考文献、教师自我省思，及利用修订的凯利方格技术晤谈，对李老师的科学本质观进行多面向的了解。
首先藉以丁嘉琦（民88）探讨花莲县国民小学教师科学本质观点所发展的「科学本质问卷」，请李老师作答。
在问卷的回答中可以看出李老师的科学本质观倾向于现代观点，在问卷得分上也高于花莲县教师的表现。
然而教师的教学信念，主要受到过去所接受的教育、教学经验、生活经验以及教师目前所处的教学环境相互影响下所形成的思考方式、信念系统与价值观，并不是那么容易调整与改变。
因此，不论是对于科学知识、科学方法、科学事业、科学家的角色或是对科学整体的意义，李老师仍然保有一些传统的看法。
在教师自陈的科学本质观中可以看出，在「科学知识」、「科学探究活动」与「科学事业」三个领域中，李老师参考许多文献对科学本质不同的范畴与内涵，经过思考后，提出个人认同的科学本质观。
并据此设计教学活动，期望能于教学活动中适当的融入，传达符合现代观点的科学本质观。
透过凯利方格技术晤谈的过程，李老师将研究者在晤谈过程中分析出的23个科学本质信念的构念，加以检视并同意后区分成四组，并分别命名为「科学的中心思想」﹑「科学态度」﹑「科学方法」﹑与「科学在生活上的应用」。
这种思考方向与目前国民小学自然科课程标准中强调「科学知识」、「科学态度」、「科学方法」三个领域的内涵颇为相似。
综合以上所述，研究者整理出李老师的科学本质观（表1），并以此作为研究者进一步进行教室观察的依据。
表1李老师的科学本质观
科学方法本质
1.科学研究始于问题
2.科学研究方法具有多元性
3.科学探究重视形成假设
4.科学探究重视解决问题
5.科学探究重视减少误差
科学知识本质
1.科学知识具有实证性
2.科学知识具有暂时性
3.科学知识具有可复制性
4.科学知识具有公开性
科学事业本质
1.科学与生活相关
2.科学研究重视合作与讨论
二、教师以科学本质为基础的自然科教学设计
学期初，学校自然科全体教师对于整学期的进度与课程安排，会作全盘的计划与考虑，本学期就在教学单元的顺序上做了一些调整。
在教学活动方面，除了整个六年级共同讨论的进度与教学活动外，李老师补充了一些活动。
除了教学指引中提示的教学目标之外，李老师研究教材之后设计了一些融入科学本质的教学目标。
为了进一步说明李老师将科学本质观融入教学活动的情形，以下举「四轮车与小山坡」单元为例（表2），说明如下：
表2李老师科学本质观教学活动举例
单元名称︰四轮车与小山坡
一般教学目标
1.概念︰运动的物体重量愈大，速度愈快，愈难使它停止。
2.方法︰实验。
3.态度︰细心。
强调科学本质的教学目标
1.科学知识是可以验证的。
2.培养发现问题、提出假设、设计实验、进行实验、分析数据并作成结论的能力。
3.假设是有理论根据的，实验也不是盲目的试验，是为了印证心中的想法。
4.科学探究过程中，必须寻找影响结果的原因，并避免误差。
5.科学家之间会互相讨论，提出证据，并公开发表。
6.根据实验的结果，可以应用到生活中，提高行车的安全。
活动四︰探讨影响停车难易的其它因素
教学活动
教学目标
教学流程
教学内容
科学本质观
全班讨论
问学生︰
除了车速、重量外，还有哪些因素会影响车子停止的难易？
（发问时，照顾到较少发言的学生）
◎科学家会共同讨论
◎科学家会互相合作
分组讨论
4-1
能选定一个变因，提出可能影响停止难易的假设。
4-2
能根据假设，设计实验。
（1）各组讨论。
（2）教师提供适当的器材。
（3）各组分工合作，实验操作者、观察者、测量者、记录者，组员轮流担任。
◎发现问题
◎提出假设
◎假设是有理论根据的
◎设计实验
教师提示
（1）提醒注意事项。
分组讨论
4-3
能区分实验的操纵变因、应变变因与保持不变的变因。
请各组报告︰
（1）各组确定的操纵变因与保持不变的变因。
（2）操纵变因的设计。
◎科学家会共同讨论,互相合作
◎探究各种变因
操作实验
4-4
能根据实验结果，提出适当结论。
（1）实验中确实分工合作，避免产生误差。
（2）针对实验结果加以分析，并验证假设，提出结论。
◎减少误差
◎实验是在验证假设
公开发表
4-5
能公开发表实验结果。
（1）各组上台报告实验结果。
（2）其它组聆听，并提出讨论。
◎公开性
全班讨论
4-6
能将实验所得结论，应用到日常生活中。
自由发表︰
（1）日常生活中如何注意行车安全。
（2）采合作学习方式，照顾到较少表现的学生。
◎科学与生活相关
◎科学家会互相合作
教学的成功与否，有关的因素很多，教学前的规划设计，无疑的，占了相当重要的地位。
李老师教学前对教材的掌握与了解，让她在做教学设计时，显得相当得心应手。
尤其她个人的教学理念，重视以生活化、自然的方式来教学，以学生兴趣为出发，配合提供学生获得实际经验的参观、观察、实验操作，再辅以运用视听媒体、鼓励学生自己设计实验等活动，让学习本身就具有相当大的吸引力。
这样的教学设计，对于教师来说，是相当用心且值得肯定的；对于学生而言，不但容易引起兴趣，也能够因此达到较佳的教学成果。
三、教师以科学本质为基础的自然科教学
研究者透过教室观察及与教师和学生的晤谈，深入探讨李老师在教学过程中如何与学生进行以「科学本质观」基础的自然科教学。
（一）传达科学本质观的教学活动
研究者将李老师在教学过程中所呈现的科学知识实证性、科学知识可复制性、科学知识暂时性、科学并非万能、科学探究方法多元性、重视科学过程技能、科学知识与方法的公开性、科学家的角色与地位、科学与生活息息相关、科学必须遵守一些伦理信条等向度进行探讨。
以下举「科学知识实证性」及「科学探究方法多元性」为例，加以说明：
1.科学知识实证性
科学知识是科学家针对现象，透过观察、实验、解释、归纳等过程，所获得可以实证的知识。
不能只靠想象、臆测，必须提出合理的证据，才能够通过科学界的检验，成为被人接受的科学知识。
在教学的过程中，李老师试图引导学生从臆测到建立假设，并进一步透过实验，寻求证据来验证假设。
以下情境具体说明李老师引导学生「科学实证性」的情形：
情境一：
在「种子的构造与发芽」单元，李老师问学生，种子发芽需要哪些条件配合。
学生各自发表不同的看法，包括：
水分、阳光、空气、土壤、温度等，李老师针对第一组所作的假设：
「种子发芽需要水分。
」提出质疑。
T：
为什么你们这组认为种子发芽需要水分？
Ｓ：
因为我们种花都要浇水啊！
T：
经验中好像是这样子的，可是如果你是科学家，你会怎么样让别人相信你们的假设呢？
Ｓ：
做实验！
T：
对！
如果只是猜测，别人很难相信，如果有实验证明，有真实的证据，别人就比较能够接受。
所以，我们应该亲自做实验，这样比较有说服力。
（录像一890915）
杨龙立（民89）指出，科学研究活动在形式上被认为与人文研究有所分别，最大的差距就在于数量化和实验。
李老师透过与学生的对话，自然而然的引导学生具备「科学知识实证性」的观念。
此外，李老师认为，在学生具备「实证性」的观念下，学生比较懂得发挥想象力去进行探究、实验，以及观察现象、搜集数据，她说：
「实验是最容易联想到验证假设的方法，其它像观察现象做推理，也可以验证许多自然现象。
」（晤谈900112T）。
情境二：
李老师问学生，地球自转的方向。
学生根据过去所学，回答是由西向东转。
李老师针对学生所作的假设提出质疑。
T：
为什么你认为地球有在自转？
Ｓ5：
因为有白天和晚上啊！
T：
你怎么知道是因为地球在自转而不是太阳绕着地球转？
Ｓ5：
因为现在科技很发达，已经有卫星可以观测出来了！
T：
为什么地球自转的方向是由西向东转？
有什么证据可以证明？
Ｓ6：
因为我们每天看到太阳升起是在东边。
地球由西向东转，这样才可以解释得通！
Ｓ15：
老师说过的哥白尼的故事，可以证明以前一直认为以地球为中心的想法是错误的。
实际上是地球以太阳为中心在运转。
（录像六891222）
李老师在协助学生具备「科学知识实证性」的教学上，透过引起动机阶段的提问，适时的质疑，鼓励学生彼此讨论、辩论，提供学生较多的思考机会，也让学生在整个学习活动中，更具有主动性，更积极参与，并且由积极
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