物理学家问题发现与问题解决之个案研究.docx

1、物理学家问题发现与问题解决之个案研究物理學家問題發現與問題解決之個案研究鄭媖珍雲林縣石榴國民小學電話：(05)5573386e-mail:sejyj邱美虹台灣師範大學科學教育研究所電話：29347464-223/210傳真：（02）2935-6134e-mail：mhchiuscc.ntnu.edu.tw本研究以科學研究的過程即為問題解決的活動的觀點，探討物理學家的問題發現和問題解決的情況。此研究以兩間實驗室的領導人為主要的觀察對象，其它成員次之。本研究進行期間，採用實地觀察法以及半結構式訪談的方法蒐集資料。研究結果顯示：(1)個案物理學家由蒐集相關的文獻，及依據個人的經驗、背景知識發現可進一

2、步研究的主題。(2)他們經由以設定的目標為研究依據、注意不一致的地方，及與人跨領域合作等而有新的發現。(3)在科學研究的過程中，個案物理學家會採用類比、與他人討論並由不同的角度看待問題、建立模式解釋所研究系統的行為等捷思法解決所遇到的問題。(4)本研究發現影響科學研究歷程可能的因素包括個案物理學家本身的背景知識、個案物理學家的個人特質及個案物理學家的研究動機、個案物理學家所採用之發現問題和問題解決的捷思法、實驗室成員之間的互動，以及後設認知的技巧。這些因素彼此之間又相互牽連，並共同影響科學研究的歷程。 關鍵詞：問題發現、問題解決、類比、個案研究前言科學家探究大自然的目的，是想要瞭解大自然的運作

3、情形，而科學家本身必須具備有發現問題和解決問題的能力，才能達成其目的，學生學習科學亦是如此。因而，若能從科學家進行科學探究的過程中，瞭解科學家發現問題和解決問題的情形，對於培養學生發現問題和解決問題的能力，將有所助益。有鑑於此，本研究將以個案研究方式，藉由深入訪談與直接觀察，探討當前國內科學家在從事科學研究的過程中，如何發現問題和解決問題，以助於學生科學知識的學習，幫助學生培養發現問題和解決問題的能力。一、文獻探討（1） 問題發現問題發現的想法源自於科學的領域。Einstein和Infeld經常提到：提出問題通常比解決問題更加重要。提出新的問題、新的可能性以及從新的角度去考慮舊的問題，需要豐富

4、的想像力，同時也顯出科學真正的進步。（Einstein & Infeld, 1938, p.83; 引自Runco & Chand, 1994）Wertheimer（1945）對上句話提出進一步的說明在偉大的發現（great discoveries）中，通常最重要的是找到某一確定問題（a certain question）。預先察覺（envisaging）、提出有決定性的問題，通常更加的重要，而且所得到的成就遠超過問題的解答（solution of a set question）。（引自Runco & Chand, 1994）由上可知，問題發現為科學活動的重要階段，有了問題的產生，才能進行科學

5、探究活動。大家常把科學上許多重大的發現，當成是意外的發現，但Dunbar（1995）實地觀察科學實驗室，所蒐集的資料顯露出許多被指名為意外的發現，事實上並非意外產生的，而是由於小心謹慎地實驗與設計計畫以揭發嶄新機制的結果。Kulkarni和Simon（1988）研究Krebs發現尿素循環（urea cycle）詳細的過程，結果顯示能夠產生發現（discovery）是由於一連串試驗性的決定和它們接連發生的結果，而不是單單只是靈光乍現（flash of insight）。同樣地， Qin和Simon（1990）也說明科學是逐漸累積的過程，在這個過程中，沒有單一的步驟是真實的發現（the real

6、discovery）。那怎樣才會有所發現呢？研究者綜合前人的（Dunbar, 1994, 1995, 1997; Klahr & Dunbar, 1988; Kulkarni & Simon, 1988）研究結果，列出以下幾個捷思法：1. 探討造成未預期結果背後因素。2. 鼓勵研究者從事兼具高冒險性和低冒險性的計劃。3. 給予科學研究人員能有互相討論的機會。4. 研究群的成員應該具有不同且部分重疊的研究背景。5. 類比。（2） 問題解決Laudan（1977）認為科學研究本質上是一種解決問題的活動（引自陳衛平，1992），另有一些學者同樣把科學研究的過程看成是問題解決的型式（Dunbar, 1

7、995, 1997; Klahr & Dunbar, 1988; Kulkarni & Simon, 1988; Qin & Simon, 1990）。Tweney和Chitwood（1995）研究發現受試者所使用的捷思法，在其它關於問題解決的研究中可以找到。由此可知在問題解決的過程中，所使用的捷思法會有共通處。以下綜合相關研究（Dunbar, 1998; Larkin & Simon, 1987; Nickerson, 1994）舉出幾個問題解決的捷思法：1.任意選擇下一個步驟，2.分解問題或建立次目標（problem decomposition or subgoaling）, 3.倒向解題

8、法（orking backwards）, 4.爬山解題法（ill climbing）, 5方法目的分析法（means-end analysis）, 6.順向解題法（forward chaining）,7.藉由圖表來解決問題, 8.類比, 9.混合的策略（mixing strategies）。問題解決的捷思法有許多種，但在解決問題的過程中，並不限於只能使用一種。在解決問題中，所用的捷思法常是多種捷思法的結合。如同Sternberg和Lubart（1995, 引自洪蘭，1999）所言：下一個問題的種子是在解決上一個問題時種下的。（3） 類比與科學研究許多文獻探討科學家發展理論的過程，或人們解決問題

9、的過程，發現現代的科學家和學生在解決問題時皆會使用類比，而在科學史上也可以看到許多科學家在科學探究過程中利用類比的例子，並且類比在建構新概念、發展新理論的過程也扮演重要的角色（Dunbar, 1995; Gentner, Ferguson, Markman, Levidow, Wolff, & Forbus, 1997; Gentner & Markman, 1997; Holyoak & Thagard, 1995; Nersessian, 1992; 邱美虹，1993）。Dunbar（1995）實地觀察科學家的生活，發現類比是知識和概念改變重要的來源，他將所觀察的科學家使用的類比分成三種類

10、型：1. 區域性類比（local analogy）:類比來自相同的領域。科學家由先前的經驗產生類比對應到目前的實驗。區域性類比通常是科學家正在進行實驗時，遇到問題經常使用的思考方式之一。2. 區域間類比（regional analogy）:由一個相似領域中所有系統的關係，對應到實驗室目前正在研究的領域。科學家由某一領域的所有系統關係對應到另一個領域中，這兩個領域是不同的但是同屬於一個上位類別。3. 遠距性類比（long-distance analogy）:一個概念可能由相當不同的領域對應到科學家目前正在進行研究的領域。遠距性類比用來強調研究的特徵，這些特徵是顯著的，且通常會給予實驗活動一個論點

11、，或用來培訓實驗室的新成員。（4） 問題發現問題解決的假設模型Hoover和Feldhusen（1994）提出問題發現和問題解決的模型。其中，問題發現和問題解決來自於科學上產生假設（hypothesis generation）和檢驗假設（hypothesis testing）的想法，產生假設如同問題發現，檢驗假設則像問題解決，此模型包含下列四個因素：記憶組織或幫助（facilitation）記憶的知識、特定和一般的技巧或捷思法、後設認知或執行的策略、認知風格（cognitive style）或稱為非認知因素。此模型為未經檢驗的假設模型，強調發展知識的角色，和四個要素之間交互影響的過程。二、研究

12、目的本研究以問題解決的觀點看待科學研究歷程，探討物理學家從事科學研究的過程中，如何發現問題和如何解決問題。故本研究的主要目的如下：(1) 探討在科學研究過程中，個案物理學家形成研究問題的情況。(2) 探討在科學研究過程中，個案物理學家問題解決的情形。(3) 探討在科學研究過程中，可能影響個案物理學家從事科學研究歷程可能的個人因素。三、研究方法（一）研究對象本研究的研究場所為兩間科學實驗室，以實驗室、實驗B來區別。實驗室的成員為科學家、一位博士後研究員、一位博士班學生、三位碩士班學生；實驗室的成員包括科學家、一位博士後研究員、一位博士班學生、兩位碩士班學生。主要的研究對象是兩間實驗室的領導人，即

13、為科學家、科學家，其它成員次之。（二）研究設計及工具本研究採取科學過程為問題解決型式的觀點，以個案研究方式，藉半結構式的深入訪談與直接觀察，探討當前國內科學家從事科學研究過程中的問題發現和問題解決。研究者參考Dunbar（1995）實地觀察分子生物學家的研究結果，根據其所呈現的內容，以及本研究的研究目的，設計問卷的內容。以所擬定的問卷初稿，先行訪談某位在大學任教科學科目的教師，經其建議修改之後，再經由兩位特殊教育的專家之建議與指導，形成了本研究所採用之問卷。訪談的內容包括當前的研究狀況、專業成就、學術研究背景、發現問題、問題處理、其它等六方面的問題。研究者分析第一次訪談資料，設計了第二份問卷。

14、除了以訪談、兩位科學家為主要的資料之外，實地觀察和訪談學生為本研究的輔助資料。在觀察方面，研究者於民國八十八年十一月至八十九年一月期間進行實地觀察，至八十九年六月中之前，仍針對觀察所得的資料與研究的對象進行訪談或觀察。在實地觀察時，研究者採用開放式的觀察，並未固定觀察的項目，而在觀察期間，研究者會與實驗室成員討論。實地觀察、訪談、兩位科學家和訪談學生可以互相作為校正，由實地觀察及訪談學生所得的資料，可以增加、兩者資料的可信度。四、研究結果（1） 科學研究的問題發現、兩位科學家會經由聽演講、參與研討會所得到的靈感，根據背景知識、所蒐集的相關資料以及與他人討論的過程中，形成研究主題。在進行研究之前

15、，兩位物理學家會依背景知識與蒐集的資料預測可能的結果。如同，Kulkarni和Simon（1988）和OBrien、Costa和Overton（1986, 引自Klahr & Dunbar, 1988）認為科學家的背景知識會影響他們對研究主題的選擇，且會影響其研究過程中策略的選擇。實驗進行中，可能會遇到問題的原因為：設備不夠精密、樣本不夠好，或思考很難面面俱到，自有其盲點，或缺乏某一領域的知識等因素，使得科學研究無法繼續下去。兩位物理學家注意實驗結果與預測結果不一致之處、或與人跨領域合作，因而產生新的發現、形成新的研究主題。實驗室的研究發現是不斷研究某材料，觀察是否可與其它領域結合而加以應用；

16、而實驗室的研究大部分的發現來自於跨領域合作的結果。兩者皆認為發現是基於有心而非意外，且每個研究結果並不代表結束，而是另一個研究的開始。（2） 科學家的問題解決之捷思法本研究分析資料，歸納出個案物理學家問題解決的捷思法，為下列幾種：（1）類比：物理學家在發展和發現階段，會利用類比技巧解釋所面臨的問題，或用類比幫助說明或釐清問題可能發生的地方，或使用類比幫助學習新知識。（2）與人討論問題並由不同的角度看待問題：科學研究者在進行實驗的過程中，遇到困難常和他人討論，以激發不同的想法，而這對實驗的進展將會有所助益。（3）對所進行的實驗再次確定：在實驗過程中遇到問題，科學研究者不輕易放棄，必須一再地確認之

17、前所做過的步驟是否正確，並找出問題加以解決，若問題為自然現象，就坦然地接受而不扭曲事實。（4）模擬或建立模式：科學家為了要了解一系統的行為，會設法為該系統建立一個模式加以解釋。（5）利用圖表來解決問題：科學家在討科學家在討論時，會利用圖表來簡化表達的內容，或由圖表中看出問題，進而以圖表討論來解決問題。（3） 科學研究的歷程兩位科學家認為科學研究是一個不斷修正、比較的過程，一個實驗得到了研究結果並不是結束，通常是另一個研究主題的起點。根據所蒐集的資料顯示科學研究的歷程是不斷發現問題和解決問題的歷程，例如：圖一及圖二所示的實驗室A及實驗室的科學研究歷程。兩位物理學家所領導的實驗室從事的實驗多為跨領

18、域的研究。他們在進行某一主題的研究前，會蒐集相關研究主題的資料，觀摩他人如何進行實驗，或經由複製前人的相關實驗，找出他人還未做的部分；或看出與他人不一樣的地方，以確定研究的方向，猜測實驗可能的結果，再正式進行實驗。兩者較不同的是A科學家所帶領的成員，彼此的背景知識大部分都來自相同的領域，學長學弟間的討論多於師生之間的討論；而B科學家所帶領的成員，彼此的背景知識差異較大，成員之間討論少於師生之間的討論，雖然他們所進行的研究差異大，但彼此也不吝於互相討論以激發更多的想法。實驗室的研究主要是探討某材料的物理特性，想將某材料研究透徹，以物盡其用，與相關領域結合期能廣泛應用人類生活中。實驗室中的每個成員

19、所進行的研究領域不盡相同，但有些許的重疊，且對於所進行的主題，科學家大多會要求該位執行研究的人員必需為該研究系統建立一個模式。（4） 影響科學研究歷程可能的因素本研究歸結分析的資料，發現影響物理學家從事科學研究歷程可能為以下幾個因素：包括(1) 個案物理學家本身的知識；(2) 個案物理學家的特質及從事科學研究的動機；(3)實驗室成員間的互動；(4)問題發現的捷思法；(5)問題解決的捷思法；(6)後設認知的技巧等因素。這些因素彼此間又會相互影響，彼此間呈現動態關係，其關係如圖三。本研究將科學研究的歷程視為問題發現和問題解決的活動，因而這些因素同樣可以視為影響問題發現和問題解決活動的因素。將本研究

20、的結果與Hoover和Feldhusen所提的模型相互對照，兩者同樣有考慮到背景知識、個人特質及動機、所使用捷思法等因素，但比較不同的是Hoover和Feldhusen並未特別提出解題者與其周圍人員之間互動的重要性，而且Hoover和Feldhusen所提的為假設模型，而本研究經由實地觀察和訪談科學家確實觀察到該幾項因素。五、建議（1） 本研究發現科學家在研究過程中，與人討論佔了很重要的一部分，經由與人討論可以察覺到自己的盲點，或發現新的研究方向。同樣地，若在教學過程中，給予學生互相討論的機會，可能會有更佳的學習效果。（2） 本研究經由訪談得知兩位物理學家從事科學研究的動機，皆希望能夠將實驗結

21、果應用於人類生活中。若能在教學上使教學內容與生活聯結，讓學生感到較具體化，則較能促發學生主動學習。（3） 本研究發現兩位物理學家皆會提出問題，引導學生自我察覺問題可能出現之處及思考如何解決。而在教學上，教師可以給與學生適度的引導，讓學生自我體認問題之所在以及知道該如何解決，則可以培養學生解決問題的能力。（4） 對於所觀察的個案物理學家在實驗過程中遇到問題時，應每次都馬上加以追尋，該位研究者為什麼會遇到該問題及其如何解決問題。這樣更能瞭解該位物理學家如何解決問題。因此，未來之相關研究可以就這方面稍加改進，則研究會更臻完善。部分參考文獻邱美虹（1993）：類比與科學概念的學習。教育研究資訊，1（6

22、），79-90。Dunbar, K. ( 1995 ). How scientists really reason: scientific reasoning in real-world laboratories. In R. J. Sternberg and J. E. Davidson (Eds.), The nature of insight (pp. 65-395). Cambridge, MA: MIT Press.Dunbar, K. (1997). How scientists think: On line creativity and conceptual change in

23、science .In T. B. Ward, S. M. Smith, & J. Vaid (Eds.), Creative thought : An investigation of conceptual structures and processes (pp. 461-494). Washington. DC: APA.Gentner, D., Brem, S., Ferguson, R. W., Markman, A. B., Levidow, B. B., Wolff, P. & Forbus, K. D. (1997). Analogical reasoning and conc

24、eptual change: A case study of Johannes Kepler. The Journal of the Learning Sciences. 6(1), 3-40.Hoover, S. M., & Feldhusen J. F.(1994). Scientific problem solving and problem finding: A theoretical model. In M. A. Runco (Ed.), Problem finding, problem solving, and creativity (pp. 201-219). Norwood, NJ:Ablex.