超越純粹概念知識的教學— 強調概念與能力的建模教學／鐘建坪
超越純粹概念知識的教學—
強調概念與能力的建模教學
鐘建坪
新北市立錦和高級中學
n前言
對廣泛的學生而言，學習不應該是獨立於生活情境之外的知識背誦，而是能夠在特定情境進行問題解決的能力展現。然而升學主義的影響，教師教學時往往強調考試的重點，而非融貫性地呈現知識結構以及相對應知識使用的情境。久而久之，學生逐漸摒棄課室的學習，造成低成就的負向行為表現。在台灣，少子化的問題亦讓我們體認應該成就每個孩子，找到優勢能力，進而依據特定專長而發光發熱。有鑑於此，本文嘗試從人才培育的角度切入分析單純強調概念知識教學的困境，進而說明以概念為基礎發展相關技能的建模教學，說明在數位化的支持環境中透過雲端工具的輔助作為教學範例的舉隅（註1）。
n儲備未來發展的人力資源
知識經濟時代，知識與人才是經濟成長的動力來源。知識的內容與訊息廣大，不易讓人在有限的時間內專精。若只有專精在知識的內容，往往只能展現在特定領域，而無法類推遷移因應未來可能轉變的趨勢。概念知識內容廣泛，如何在知識的基礎架構下獲得跨學科的整合而非單純強調瑣碎的知識片段，形成各項以概念知識為基礎的相關能力，對學生個人與國家未來發展極顯重要。歐盟2002年提出8項能力作為終身學習的目標，包括母語溝通、外語溝通、數學和科學與技術、數位、學習如何學習、社會和公民、企業與創新精神以及文化覺醒與表現等能力（European Union, 2011）。從內容觀看可知歐盟不僅說明應該強化個人的精進，亦強調個人在社會文化面向的能力表現。而台灣在人才培育白皮書中亦提及語言與國際視野的全球移動力、學以致用的就業力、獨特創新的創造力、跨專業領域的跨域力、使用資訊工具與行動學習的資訊力以及參與公眾事務與提升福祉的公民力等6項能力（教育部，2013）。這些能力的提出顯示學校教學不應該只是著重在知識的記憶與背誦而是應該轉化成分析、應用與評鑑知識的跨領域能力以解決未來生活與全球化可能面臨的問題與挑戰。
n純粹概念知識教學的困境
教學方案的施行除了知識的獲得之外應該還有技能與情意二個面向。升學的壓力與考量通常使得教師在實際教學現場多強調以概念為主的教學內容，而忽略相對應的技能與情意之學習。我們若能體認知識的數量是隨著時間不斷地提升，而有生之年絕不可能將所有的知識窮盡，並且絕多數的學生生涯並非成為學科專家，因此針對不同程度學生的教學應是能夠呼應個別差異的相關素養學習的提升。若教師只著重單純概念的教學，學生只獲得片段的知識而無法產生融貫的知識結構，意即將學校知識與生活分離，而不易在特定情境中產生概念的連結進而運用此種知識進行生活情境的問題解決，忽略概念學習相對應的能力學習，造成學習無法致用，對其終身的學習與發展有其阻礙與影響。
n同時強調概念與能力的建模教學
傳統講述教學多以單向傳輸的方式進行課室教學，往往忽略學生主動建構知識的本質，因此，如何讓學生主動建構學科知識同時獲得相關技能實屬迫切，在此介紹建模教學作為改進的方案之一。
一、模型與建模教學的意涵
）。與傳統講述教學不同之處在於建模教學不僅強調如何協助學生進行概念知識的建構，同時著重如何協助學生於過程中進行建模能力的改變。
二、模型本位合作學習教學策略
合作學習是一項強而有力的教學策略，然而教學時若只是強調合作學習的步驟容易忽略學生建構的本質。建模教學強調在情境中整合概念知識，獲得相關技能，藉以提昇問題解決的能力。因此，本文作者（2014）提出以合作學習為基礎的模型本位合作學習教學模式，文中說明如何以合作學習的操作為基礎，並且同時協助學生進行概念與相關能力的建構。架構如圖1所示，萃取合作學習策略中授課、討論以及表揚的步驟，其中授課部分可以是教師授課或是學生自學，均是強調協助學生產生欲學目標的概念模型，著重在如何讓學生掌握概念模型中物件與物件之間的關聯性；討論部分強調當學生獲得初步的概念時，可能產生錯誤的概念模型或是原先即有相關的迷思概念，而此時透過教師提問、同儕討論、學生發表等方式以協助學生進行模型的修正與重建，教師巡視各組並針對需要協助的小組或是個別學生進行個別化指導；表揚部分強調如何協助學生進行反思與概念的強化，即是透過口頭讚美、進步分數、同儕鼓勵等方式逐漸增強對學習的信心，接著著重在協助學生進行概念學習歷程的反思，讓學生能夠獲得完整的建模歷程。
圖1：模型本位合作學習教學模式（修改自本文作者，2014）
n透過數位環境協助教師進行建模教學的規畫與反思
建模教學強調讓學生主動建構概念模型，並在建構歷程中學習相關建模能力，作為問題解決的基礎。教師教學與學生建模的歷程如圖2所示，經過學習之後學生概念模型的發展會從初始模型逐漸發展到科學模型。學生接觸特定概念之前即存在初始概念，學生的初始概念可能存有錯誤的迷思概念，因此教學前教師應該偵測學生的初始概念或是根據迷思概念的研究設計建模教學的相關歷程。而數位化的學習環境提供建模教學更廣泛地操作與應用，圖2顯示在數位化的環境中教師可使用相關教學軟硬體與教材內容相互搭配，進而透過形成性評量的方式協助教師獲得學生不同階段概念模型的內容，作為教學的反思以改善接續的實際教學與規劃。
圖2：數位化的建模教學環境
n以Google表單促進教師教學反思與規畫為例
Google表單主要目的是作為問卷的發送與結果收集的工作，依據其特性可以作為教師建模教學時形成性評量的操作工具。因為作為評量工具的使用，需要在一開始建立表單時即設定班級、姓名與座號以辨識答題的學生（見圖3），同時為避免學生隨便回答，可以透過表單要求學生自主性的回答「是否認真作答」，接著插入單元相關的YouTube影片，最後才是單選題或是問答題。表單中每一個試題皆可設定為必須回答，若學生漏了回答，系統會主動告知學生補齊才能繳交（註2）。接著再將做好的表單貼在臉書平台（見圖4），讓授課學生可以點選進入頁面進行表單作答。
圖3：google表單範例（進入作者設定的Google表單）
圖4：張貼google表單在臉書社群
，如此循環，即可透過表單作為形成性評量的工具，協助教師找出學生特定概念的初始狀態與中介狀態，進而設計教學活動修正學生錯誤模型以期能夠進入科學狀態。而在此過程中搭配模型本位合作學習教學模式，在授課前即進行表單操作，接著依據表單結果修正授課的內容與方向，並且透過不同問題層次讓學生能夠在小組中進行討論與發表，即讓學生在歷程中能夠知悉自己的概念狀態亦能夠與同儕或教師進行討論與溝通培養團隊合作、批判思考與溝通的能力，並且經由資訊數位環境的融入培養資訊素養的能力，進而作為問題解決的基礎。
圖5：表單的試題分析結果
Google表單作為形成性評量的建模工具的SWOT（優勢、劣勢、機會、威脅）分析（見圖6），其優點為可以在試題中安插YouTube影片讓學生作課前預習或課後複習使用，並且文字題部分可以設定學生作答的字數以減少空白內容，系統平台會協助教師統計學生的答題成果，可以作為教師修正教學的參考依據。然而，每進行一樣新的教學方式的改變需要與學生進行溝通，例如：學生補習回家之後時間已經很晚如何進行線上閱讀與作答。同時亦需要思考，若我們將學生答題狀況視為修正教學的依據，則學生的作答即需要具備高的答題效度。因此，除了參考學生作答情形之外，可以結合相關迷思概念的研究，整合之後作為教師教學的參考依歸。
圖6：利用Google表單進行評量的SWOT分析
n結論
知識創造的速度與數量遠遠超過每個人能夠吸納的數量與速度。因此，真正理解的教學不應該只是單純教導學生概念知識而是應同時強調概念知識與如何運用知識的能力以因應未來全球化的衝擊。建模教學即為強調學生主動建構的教學模式，讓學生經過產生、建立、修正與重建的歷程精緻化概念模型，並從中獲得相關技能。而模型本位合作學習教學模式即為整合建模教學與合作學習策略，同時具備建模教學與合作學習的優勢。在建模部份，學生不僅可以建構正確的概念模型，亦應獲得相關的建模能力，在合作學習部分亦可從討論與表揚歷程中獲得團隊合作與溝通的能力。而教師在教學時若能夠依據學生概念狀態設計不同層次問題，亦可增加批判思考的能力。因此，面對未來教學不應該只是單純概念知識的傳授，而是應該掌握學生迷思概念搭配相關建模工具，同時強調概念知識的理解與應用，意即教學不應該只有概念知識層面，應該以概念為基礎同時發展學生的各項能力。
n附註
本文作者榮幸隨著邱美虹教授帶領的訪問團到上海金山中學與大境中學實地參訪，經過實際交流過程體認到上海市的軟硬體發展迅速以及台灣在教學上異與同，進而有本文的想法。
本文在此提供google表單作為形成性評量的運用，關於表單細部操作過程，有興趣讀者可以閱讀實質操作的文章，例如：http://b4worker.blogspot.tw/2012/06/google.html。
n參考文獻
教育部（2013）。人才培育白皮書。台北：教育部。
鐘建坪（2014）。模型本位之合作學習教學模式。臺灣化學教育，2。
European Union (2011, March 3). Key competences for lifelong learning. Retrieved from http://europa.eu/legislation_summaries/education_training_youth/lifelong_learning/c11090_en.htm
跨越尺度的聰明學習—
知識整合數位化學探究課程
洪蓉宜a、張淑苑b、張欣怡a *
a國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
n前言
」、「物質的型態與性質」、「化學反應」等項目亦被列為內容要項中的次主題（教育部，2008），足見相關概念之重要性。然而，無論是第一線實務教師或科學教育研究人員均可深刻發現，學生在學習原子、分子和化學反應等相關概念時，經常表現出學習困難，對科學現象的理解也很容易產生迷思概念。粒子觀對化學反應的學習極為重要，但學生往往對於運用粒子觀來解釋和推理化學現象感到相當困難。從概念屬性來看，原子分子雖為佔有空間、具有質量的物質顆粒，但屬於肉眼不可見之次微觀層次；化學反應牽涉流程或階段性的動態過程，屬於抽象層次。原子、分子和化學反應等概念兼具次微觀和抽象等雙重屬性，增加了概念理解和學習的複雜度。
從皮亞傑的個體認知發展理論來看，國中學生處於由具體運思期逐漸轉為形式運思期的發展階段，正面臨在巨觀、分子和符號等層次之間連結轉換的挑戰。概念的粒子觀、抽象和複雜，以及個體認知發展階段的漸進轉換，這些都增加了中學生學習粒子和化學反應概念時的困難度。面對難以理解的概念，學生常採取機械式的學習方式，以背誦片段知識來應付課堂或評量中的問題，例如僅記憶反應物和產物、忽略原子重新排列和鍵結的反應過程；甚至衍生出許多迷思或另有概念來滿足模糊不清的概念邏輯，例如將化學符號視為等同於數學符號、以數學解題方式來解決化學反應問題。這種種均導致學生面對化學反應相關問題時，乍看回答反應無誤，但深入探問會發現實際上學生缺乏正確和有系統的化學概念，關於應用概念進行科學探究或問題解決等較高層次的能力和科學素養則更為闕如。
如何促進學生對化學反應的粒子觀和抽象概念有確實的理解和具體的建構，以達到知識和概念融貫的效果，幫助學生減少前述學習困難、建立系統性的概念？如何兼具強化概念學習並能增進學生對化學現象和反應的解釋、推理和預測等探究技能，更進一步提升學生的科學素養？本文將介紹運用電腦和網路的科技優勢，將抽象的分子與原子視覺化，並模擬進行化學反應的建模活動，融入知識整合教學模式和社會互動的設計，所發展出的數位探究課程。
n知識整合數位化學探究課程—氫燃料車內的化學
隨著科技普及和教育改革聲浪之興起，近年來將教學過程或教學素材經由數位工具轉換至網路上的e化課程和教學資源如雨後春筍般蓬勃發展。有的強調遠距教學（如國外的可汗學院和國內的均一教學平台），有的主打互動式教學（如美國科羅拉多大學發展的PhET）。本文所介紹的）網路科學探究平台（Web-based Inquiry Science Environment [WISE]）課程資料庫之）。
在科學教育專家、科學專家及科學教師的合作下，依照現行九年一貫課程綱要2008），經過WISEhttp://twise.nknu.edu.tw:8888/webapp/vle/preview.html?projectId=128，需使用火狐或Google瀏覽器）。與眾不同的是，除了考量一般數位課程常見的優點，如視覺化、互動性，此課程特別針對學習者在概念學習時的特性，將Linn & Hsi, 2000）。知識整合觀點的課程通常包含四個促進學習者進行知識整合的基本步驟（Linn, 2006）（如圖一）：第一步驟為引出學習者的現有想法（elicit ideas），重視學習者的先備知識狀態及既有概念，以作為學習新概念的基礎。第二步驟為擴增新想法（add ideas），提供學習者機會去體驗科學現象或原則，在原有想法中擴增新的想法或概念。第三步驟為區分想法（distinguish ideas），幫助學習者辨別區分新的想法和原有想法的異同，並引導學習者發展出評斷標準，用以區辨對科學現象有較佳預測力和解釋力的想法。最後的步驟是連結想法（build links among ideas），引導學習者反思和重整想法，重新建構概念連結，形成完整而一致的概念架構，而此概念架構具備較高的穩定性和可用性。這四個步驟的完整歷程，可促進學習者的深度理解和知識整合。
圖一：知識整合觀點的課程步驟
活動二為「氫氣作為燃料」，此部分介紹氫燃料車產生能量的來源主角，說明氫氣和氧氣的特性和結構，並介紹不同的模型表示法，引入微觀粒子（原子和分子）層次的概念。除了利用文字和靜態圖片呈現之外，另外搭配繪圖活動（圖三）和挑戰問題（圖四），引導學生思考和理解粒子模型的意義和用途，並實際練習建立模型的方法。
活動三為「氧氣燃燒」，以氫氣氣球燃燒的影片提供學生觀察氫氣燃燒的現象，導入介紹氫氣燃燒的化學反應方程式。同樣地在觀看影片後，跳出嵌入式評量問題，請學生思考和解釋現象背後的原理，預先提出自己原有想法的說明。再透過文字和靜態圖片呈現不同模型（圖五），引導學生擴增化學反應方程式的書寫表達方法和反應式平衡等概念。並以挑戰問題和即時回饋的型態確認學生對分子式和化學反應式等概念的理解。
活動四為「探索氫氣燃燒動畫」，利用氫氣燃燒互動式電腦模擬動畫（圖六），以分子碰撞的角度，提供學生觀察和了解化學反應過程的微觀變化情形。除了請學生針對模擬動畫的觀察回答問題之外，並以挑戰問題和即時回饋的型態幫助學生理解和區分對化學反應過程的想法。此外搭配繪圖活動，引導學生以微觀角度將目前所理解的化學反應模型具體化建構出來。學生建構出自己的模型之後，提供學生觀看他人所繪模型，請學生評論別人所繪圖畫中，哪些地方是對的、哪些是錯的，請其明確提出評論標準（圖七）。接著再請學生修改自己的繪圖（圖八），重新建構和調整自己所繪模型和概念，達到概念連結和反思的效果。
此180分鐘，以國中每堂課45分鐘計算，共需四堂課。此課程可作為取代傳統教科書和講述式的教學，亦可作為正課之外的補充教材，更可因應十二年國教學習者的差異化，作為補救教學之用。
n結語
教育工作是一項無法計算成本和投資報酬率的志業，處於科技進展迅速和資訊爆炸的時代，除了傳道、授業、解惑之外，教師的角色被賦予更多的責任和期待，「有教無類」和「因材施教」的理念不變，「運用之妙，惟乎一心」，重視學生起點行為和教學原理的具體做法在二十一世紀似乎有了不同的詮釋。「氫燃料車內的化學」知識整合數位化學探究課程為新世紀的課程提供一值得參考的模式。
n參考文獻
（）。 九年一貫國民中小學課程綱要。
Linn, M. C. (2006). The Knowledge Integration Perspective on Learning and Instruction.In R.K. Sawyer The Cambridge Handbook of the Learning Sciences (pp. 243-264). New york: Cambridge University Press.
Can generating representation enhance learning with dynamic visaulization? Journal of Research in Science Teaching, 48, 1177-1198.跨越尺度的聰明學習— 知識整合數位化學探究課程／洪蓉宜、張淑苑、張欣怡
b高雄市立苓雅國民中學
*[email protected]
圖二：以生活化主題引出學生想法
圖三：以繪圖活動擴增學生對粒子模型意義和用途的理解，並練習實際建構模型
圖四：以挑戰問題和即時回饋引導學生確認概念的理解
圖五：以文字和靜態圖片擴增學生對模型轉換和化學反應式的理解
圖六：以互動式電腦模擬動畫引導學生從微觀角度理解化學反應分子碰撞的過程
圖七：以評論他人繪圖的活動引導學生區分想法並形成評斷標準
圖八：學生藉由修改自己的繪圖，重建和調整概念以連結和反思想法
表一：
策略
目的
生活化的議題
引導學生思考真實問題
視覺化
運用靜態圖片、影片、動態模擬及繪圖建構，將微觀和抽象層面具體呈現
嵌入式提問
營造社會互動情境，促進學生思考和回應
挑戰問題和立即回饋
引導並確認學生想法的正確性
評論活動
引導學生形成評論標準
修正活動
促進學生再次檢視和調整已形成的概念
探究活動融入學校本位課程之學習效益（上）／鍾曉蘭
探究活動融入學校本位課程之學習效益（上）
鍾曉蘭
新北市立新北高級中學
教育部高中化學學科中心
n研究背景
由於一般傳統的教學中所強調的「智力」僅僅是該學科的專門知識的表現，對於探究與解決問題的能力、批判性思考的培養幫助不多。在國中與高中的課程中均安排不少的實驗課程，期望藉由實驗課程培養學生科學探究與解決問題的能力，然而在實際的課程實施與學生的學習情況來看，現行食譜式的實驗課程僅讓學生遵照「驗證」結果，對於提出假設及設計實驗等較須批判思考的能力，缺乏訓練與發展的機會。如何將這些能力的培養融入課程及教學之中，是極待解決的問題。如何提升學生的自我建構知識的能力，培養學生解決問題得能力？如何藉由營造社會建構的學習環境，讓師生、生生之間的互動達到最大的教與學的效應？如何能有效提升學生科學探究的興趣並培養其設計實驗、創意與批判思考的能力呢？
提出假設、進行預測、找尋與收集資料、計畫與設計研究步驟、設計工具及進行探究分析數據及作結論，並以小組發表的方式與他人分享探究的成果。研究初步結果發現，經過科學營後學生的科學概念雖然有增加，但並未達到顯著進步，初步推論若學生沒有充足的科學知識背景，即使經過一系列的探究活動，學生也難以在短時間內理解蘊藏在實驗或現象中的科學知識或理論。此外學生雖然在探究過程中逐漸學會如何測量、觀察、操作實驗過程與分析數據，但在找尋變因之間的關係、討論實驗結果、下結論、連結實驗結果與科學理論等較高階的科學能力方面仍顯不足。結果顯示要培養學生開放或獨立探究的能力需要較長時間的課程，並且要在探究前或探究過程中補足學生的科學知識，方能提升學生的探究能力。不過學生在學習問卷中，表達了對科學小競賽，自行設計實驗、小組發表等活動的正面評價，例如：認為「小組發表最能夠提升解釋能力，因為面對艱澀的問題時會盡力解惑」。
筆者反思之前研究中的不足，在本次實驗教學中結合探究教學與精進班課程（學校本位課程），讓探究活動時間設計成多次活動，在一學期中逐步進行，先教授學生相關科學知識，再以食譜式的實驗讓學生學習基本科學技能（使用正確器材、配藥、找尋應變變因、分析數據，找尋變因之間的質性關係等），進一步以引導式的探究讓學生學習進階的科學技能（討論／推論出變因之間的量化關係、下結論、連結現象與科學理論等），以提升學生科學知識、科學技能與解決問題的能力。
n理論背景
發現問題、瞭解問題、提出假說、演繹假說、驗證假說，然而在現行國中與高中課程的實驗活動中，並未強調此五個步驟，僅僅培養學生部分的科學過程技能（如測量、觀察、收集資料、分析資料、討論與下結論等），實際上學生在食譜式的實驗活動中連討論與下結論都無法獨立完成，因此探究能力也無法提升。
引自蔡執仲、段曉林和靳知勤, 2007）。
Windschitl（2003）指出，科學教育者將探究式教學依層次的不同分為：實証的經驗（confirmation experiences）、結構性的探究（structured inquiry）、引導式的探究（guided inquiry）及開放或獨立探究（open or independent inquiry），而其中引導式探究是教師提供學生一個問題去研究，但是解決問題的方法仍留給學生。
根據以上的想法，課程的設計除了融入探究活動，在研究方法方面，聚焦在幫助學生發展三個面向（如圖1）：科學知識、科學技能與解決問題能力，並探討學生在學習過程中三個面向的發展情形。本計劃藉由探究活動融入學校本位的課程中，引導學生進行一系列的探究活動。先從食譜式的實驗開始，培養學生基礎的科學技能；再進階至引導式的探究實驗，培養並提升學生觀察、分析、推論與解釋能力；最後進展至開放式的探究活動，學生藉由小組活動腦力激盪，自行發現問題、確認問題、提出假設、進行預測、找尋與收集資料、計畫與設計研究步驟、設計工具及進行探究分析數據及作結論，目的是培養學生設計實驗與解決問題的能力。在探究過程中，學生也能理解蘊含在實驗現象中的科學知識與理論。
圖1：本研究預計幫助學生發展三個面向
n研究方法
課程設計
本研究藉由探究活動融入學校本位的課程中，引導學生進行一系列的探究活動。先從食譜式的實驗開始，培養學生基礎的科學技能；再進階至引導式的探究實驗，培養並提升學生觀察、分析、推論與解釋能力；最後進展至開放式的探究活動，學生藉由小組活動腦力激盪，自行發現問題、確認問題、提出假設、進行預測、找尋與收集資料、計畫與設計研究步驟、設計工具及進行探究分析數據及作結論，目的是培養學生設計實驗與解決問題的能力。在探究過程中，學生也能理解蘊含在實驗現象中的科學知識與理論，初步設計課程如表1所示。
表1：高一、二自然科精進班化學課程設計表
研究對象
上學期（節次1-3）：研究對象為本校高一學生（年齡在15-16歲）學生22位與高二自然組學生9位，學生於國中理化課程已學過反應速率與氧化還原反應等初步概念。下學期（節次4-8）：本校高一學生（年齡在15-16歲）學生13位與高二社會組學生1位與自然組學生4位。兩學期均參加：高一學生5位、高二學生3位。學生於國中理化課程已學過反應速率與氧化還原反應等初步概念。學生入學成績達學校設定標準且是自願參加精進班課程（學校本位課程）。
評量工具
評量工具分為概念診斷試題、科學技能評量、小組發表評量表、情意問卷四部分，測驗的研究對象則是參與精進班的學生，本文因篇幅所限，僅就科學技能評量與小組發表評量兩項工具的設計重點/內容說明之。
科學技能評量表
科學技能評量表包括一般實驗所需的基本技能（選擇器材、配製溶液），觀察結果、紀錄數據、分析數據、處理數據（將數據轉換成表格、關係圖或關係式）、討論／推論實驗結果、下結論等面向，再依照不同的實驗內容分為不同評量項目（表2）。評量的規準採二分點：完全做到該項技能：2分；部份做到該項技能：1分；未做到該項技能：0分。評分者預計為兩位主要授課老師（評分結果可進行評分者信度計算），被評量的對象以小組為單位（分為4小組，每一小組2-7人）。
表2：科學技能評量的項目與計分方式
小組發表評量表
小組發表活動的評量表共有十個評量項目（表3），分別是理論正確、內容實用、內容有趣、內容創新、內容完整、數據分析、結論正確、表達清晰、ppt製作及小組合作，十個項目評分為0-10分，滿分共計100分，評分者為2位化學教師。
表3：小組發表的評量項目表（單位：分）
探究活動融入學校本位課程之學習效益（下）／鍾曉蘭
探究活動融入學校本位課程之學習效益（下）
鍾曉蘭
新北市立新北高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]
n研究成果
學生活動情形
在第一次課程主要是以講述式與師生討論的方式讓同學了解何謂「探究式的教與學」，並區分不同探究式教學的異同與特性，並說明後續七次課程的主題與不同探究式教學的關係。
「走！進實驗室去」是基礎實驗，主要是讓學生認識實驗器材，培養學生使用正確器材、如何配置藥品、簡單的化學計量。
「影響反應速率的因素」是從奈米硫實驗的過程中幫助學生確認控制變因與操縱變因、觀察實驗結果、測量應變變因、紀錄結果、分析數據、進而由實驗結果推論出變因之間的質性或量化關係、下結論等。
「酸鹼相關概念」是從酸鹼滴定實驗的過程中幫助學生觀察實驗結果、測量應變變因、紀錄結果、分析數據、進而由實驗結果推論出變因之間的質性或量化關係等。
電化學電池探秘，進而探討影響電壓大小的因素，主要是培養學生由實驗結果推論出變因之間量化關係、下結論等實驗技能。
「氧化還原的應用」以銀鏡反應進行減量的微型實驗，將銀鏡反應的將實驗器材從一般的玻璃試管改成玻片。師生共同找尋實驗中可能潛在的變因，設計簡單的實驗加以驗證。
「自行設計實驗」由小組自行發現問題、確認問題、提出假設、進行預測、找尋與收集資料、計畫與設計研究步驟、設計工具及進行探究分析數據及作結論，教師的角色是提供諮詢與引導學生討論。活動目的是培養學生設計實驗與解決問題的能力、小組合作的能力。
「小組發表與教師回饋」是最後一次課程，小組將探究的成果以多媒體方式與他人分享，活動目的為交換資訊、接受他人的支持及回饋，培養學生小組合作與發表能力。
精進班化學課程活動情形，如圖2.1-2.6所示。
圖2.2：學生進行奈米硫實驗
圖2.4：電解紫色高麗菜汁
鋅銅電池
學生自行設計實驗（科學技能學習情形）
學生自行設計實驗分為四小組：第一組（學生為5位高一學生）設計減量的鋅銅電池，主要探討不同濃度的硫酸銅溶液對電池電壓的影響；第二組（學生為4位高一學生）設計減量的電解實驗，主要探討不同解質對電解產物之影響；第三組（學生為2位高一學生）設計鎂帶在二氧化碳中是否會燃燒；第四組（學生為5位高二學生與2位高一學生）設計減量的黑色噴泉實驗，主要探討雙氧水濃度對氧氣生成速率之影響。
以第一組設計的實驗內容與實驗過程作範例（詳見圖3），此組所設計的實驗主題並不新奇，但為了減少藥品的使用，選用了10 mL量筒做為容器，全部的實驗藥品僅使用100 mL的硫酸銅與硫酸鋅，用量是一般實驗的1/5（達成減量實驗目的）。而在鹽橋的設計上，學生就地取材，將洗滌瓶內的塑膠管裝入硝酸鉀彎成適當的形狀後使用（適時解決問題）。配置藥品也正確選擇容量瓶，取用藥品時則使用吸量管（使用正確器材、配置溶液正確）。在實驗前也確認操作變因與應變變因（確實分辨變因）。實驗的前置工作井然有序，並依序測量出實驗數據（觀察結果），並將數據轉成表格（紀錄數據）與繪製關係圖（分析數據），並利用MS-Excel找出硫酸銅濃度與電壓之間的關係式（處理數據）。學生找尋到相關理論，並以勒沙特列原理解釋實驗結果（討論），並找到本次實驗的結論。更難得的是這組學生有了意外的新發現，在實驗後上網查到科展的相關資料而提出很好的解釋（找尋相關資料與解決問題能力）。學生也在製作報告的過程中提升了小組合作的能力，同時增進對電池相關概念的理解。
筆者以同樣的評分規準分別將其他三組的科學技能評分，分析結果如表4所示。四組學生在基本的實驗技能（減量實驗、選擇適當器材、配置藥品、觀察結果）表現均不錯，但在進階的實驗技能（分辨變因、分析數據與處理數據）僅第一組與第四組有完全做到，第二與第三組僅部分做到或完全未做到。在討論與結論的部分僅第四組能以理論與實驗結果相結合，其他三組多但是質性描述結果或無法下正確的結論。
表4：學生自行設計實驗的科學技能評量結果
註1：完全做到（2分）；部分做到（1分）；未做到（0分）
第一組的實驗主題、藥品、變因、實驗步驟、數據、關係圖、相關理論、結果解釋、意外發現，如圖3所示。
圖3：第一組的科學技能表現照片
小組發表
小組發表活動由參與下學期教學的兩位老師擔任評審，四組學生在實驗設計上均達成減量的實驗，內容比一般的實驗更具趣味性，也顯示出全組學生的團最合作精神。比較可惜的是其中兩組僅做到質性描述實驗結果，並未做深入的分析與討論，評量結果如表5所示。
第一組鋅銅電池的實驗設計與成果展現最令老師與同學們讚賞，不僅內容完整（包括實驗原理、過程圖片、以表格呈現實驗數據 、以MS-Excel軟體畫出電壓與硫酸銅濃度關係圖、並找出兩者的關係式，進而勒沙特列原理解釋濃度對平衡的影響導致電壓上升等），十個項目的表現均十分出色。第四組黑色噴泉的表現亦佳，僅在數據的收集方面略少，較缺乏理論與實驗討論的結合。
整體而言，學生雖然覺得小組發表的前置準備作業非常辛苦，但覺得發表的過程中學到找尋資料、製作ppt與繪製圖表等相關能力，讓自己上台發表能力更上一層樓。
表5：小組發表的評量結果（單位：分）
註1：A, B表示兩位不同評分老師
註2：(1)表示名次
n結論
學生參與精進班化學課程的一系列探究活動後，主要教學成效有三點，分別是：有效提升學生的科學技能增進學生設計實驗與解決問題能力與提升了學生的小組合作與發表能力，說明如下：
有效提升學生的科學技能：學生經過一系列實驗的訓練對於一般實驗所需的基本技能（實驗準備、使用天平、選擇器材、配製溶液等）與觀察結果、紀錄數據等科學技能確實能正確完成，然而在分辨變因、分析數據、處理數據（將數據轉換成表格、關係圖或關係式）、討論/推論實驗結果、下結論等進階的科學技能僅12位學生（66.7%，第一組與第四組）表現較佳，另外6位學生（33.3%，第二組與第三組）僅做到質性描述實驗結果。
增進學生設計實驗與解決問題能力：兩組學生設計的減量實驗（鋅銅電池與黑色噴泉）有趣而實用，其實驗設計精巧而內容完整，顯示學生參與開放式探究活動後，增進其設計實驗與解決問題能力。
提升了學生的小組合作與發表能力：學生在情意問卷中表示，經過小組發表活動後，提升了個人小組合作與發表能力。
n建議與反思
本研究的課程規劃與實施成效可供本校發展本位課程參考，亦可提供其他學校參考。但由於本計畫跨兩學期，參與學生又屬於自願參加，導致上下學期參加的學生不同、參與學生也流失不少，因此在科學概念學習方面無法看出全體學生的進步情形，未來計畫設計成學校本位課程（選修課程）或專注研究其中一學期的學習成效。每次的實驗應設計解決問題的評量項目與規準，以確實釐清學生學習的歷程。
n致謝
本研究計畫承蒙教育部經費補助，計畫名稱：探討探究活動融入學校本位課程之學習效益，謹此致謝。
n參考文獻
杜威著，薛絢譯（2006）：民主與教育。台北：網路與書。
巢狀探究教學模式對國二學生理化學習動機影響之探討。科學教育學刊，15(2)，119-144。
Keys, C. W., & Bryan, L. A. (2001). Co-constructing inquiry-based science with teachers: Essential research for lasting reform. Journal of Research in Science Teaching. 38(6), 631–645.
National Research Council. (1996) National science education standards. Washington, D.C.: National Academy Press.
Windschitl, M. (2003). Inquiry projects in science teacher education: What can investigative experiences reveal about teacher thinking and eventual classroom practice? Science Education, 87(1), 112-143.
POEC教學策略之理論與實務／謝秉桓
POEC教學策略之理論與實務
謝秉桓
桃園縣立光明國民中學
[email protected]
n前言
一直以來臺灣科學教育發展相較於世界上其他國家而言是十分進步的，在各學生能力評量計畫（例如：PISA、TIMSS…等）中皆可看到我國學生優秀的表現，而臺灣目前即將面對十二年國民教育的改革，許多教師與家長無不擔心國高中升學多元化後，學生有更多升學管道，是否減低學生對課業的投入？然而作者認為，教學本來就不應以考試或升學為取向，十二年國教正式實施後，教師更應該脫離以考試為指向的教學，在科學教育上更應以提升學習動機與學習興趣為主要目標，而本文將提供一套對提升學生學習效果與學習動機極為有效的教學策略—POEC教學策略。此教學策略是由九零年代初期美國科學教育所使用的POE教學策略演變而來，文中將介紹原先的POE教學策略、經修改後的POEC教學策略以及以POEC教學策略為架構的新式教案，此三者間的關係、異同以及適用的範圍。
nPOE教學策略
POEC教學策略之前身為POE教學策略，POE教學策略由White與Gunstone（1992）著作Probing Understanding一書中所提及。POE教學策略為「預測（Prediction）—觀察（Observation）—解釋（Explanation）」三個步驟的縮寫，主要說明學生必須先針對事件進行事件結果之預測（在化學教育上通常為實驗結果之預測），並提出理由；預測結束後，讓學生正式且詳細的觀察事件（實驗）過程與結果；最後要求學生對實驗結果進行解釋。
），且POE教學策略也在實行於教學現場並被應用（許良榮、蔣盈姿，2005；楊凱悌、邱美虹、王子華，2009）。
nPOEC教學策略
邱美虹等人（2005）將POE教學策略修改為POEC教學策略，基於原POE之「預測（Prediction）—觀察（Observation）—解釋（Explanation），加入「比較（comparison）」此一步驟。而此一改動主要是為了凸顯White與Gunstone（1992）所提到POE教學策略中「對具爭議的觀察結果進行討論將使學習更有價值」，雖然書中有提及對爭議進行討論，但並未外顯化此一步驟是十分可惜的。因此將POE教學策略中，學生須對其預測的推理與觀察結果中衝突的部分進行比較與討論，外顯化為「比較」步驟成為POEC教學策略。其實施程序如下：
1. 向學生說明實驗裝置與實驗程序，請學生預測將會發生的結果，並寫下預測的理由。
2. 進行演示實驗，並請學生觀察現象是否與預測的情形符合。
3. 無論是否符合，請學生提出解釋的理由。
4. 再將觀察的現象與之前的預測做一比較，以便下結論。
作者於國中二年級理化教學中實際的實施了POEC教學策略，以此為實際例子分享。謝秉桓（2014）研究中所使用之教學單元為國中二年級下學期之「反應速率」單元，並選用蕭次融（2011）所發表之實驗「可燃的鐵」。「可燃的鐵」實驗主要是利用草酸鐵加熱分解製備細微的鐵粉，並將鐵粉由高處往下倒產生自燃現象（見圖1），並比較鐵釘、鋼絲絨、與鐵粉的可燃性以探討表面積對反應速率的影響。實施程序如下：
1. 預測：先以影片撥放由草酸鐵製備鐵粉之過程，並請學生預測鐵粉由高處往下倒會發生什麼情況？並說明理由。
2. 觀察：讓學生觀察鐵粉高處落下自燃的現象，並確定學生都有觀察到鐵粉自燃。
3. 解釋：請學生對鐵粉自燃現象進行解釋。
4. 比較：要求學生對觀察後的解釋和預測的理由之差異進行比較。
圖1：鐵粉高處往下倒產生自燃
研究中採取投影片的方式進行教學，而教學過程中對於POEC之策略以外顯化的方式呈現，換言之，學生能夠明確地得知其在學習過程中進行到預測、觀察、解釋及比較四階段。研究結果發現，學生使用POEC教學策略相較於未使用POEC教學策略，學生較能夠達到認知衝突情境，充分體驗概念衝突，並能於POEC教學策略中運用其後設認知能力進行思考以促進學習。
nPOEC新式教案
在教學現場中使用POEC「預測—觀察—解釋—比較」進行教學時，會發現此一教學策略較容易使用在實驗教學中，並由於最後的「比較」步驟屬於促進學生「個人」的後設認知學習，且每個學生的比較步驟或多或少都會有差異。因此在進行大班教學時（不限定實驗教學），作者建議使用另一種類似的POEC教學策略，與先前的POEC教學策略只有些微差異，但較適合一般課室情境中使用。
此方法為作者大學時代師資培育課程中所學習到，由臺灣師範大學化學系林如章副教授所推廣之POEC新式教案，林如章老師乃參考POE教學策略以及日本多種新式教案後綜合而成，並廣為推行，其POEC新式教案與POEC教學策略之差別在於C的不同，邱美虹等人（2005）所提出的POEC教學策略的C為「comparison（比較）」，而林如章老師所提倡的POEC新式教案的C為「conclusion（結論）」。以下作者以同一「反應速率」單元為例進行分享（詳見附件1）。
此一教案格式之優點在於能夠以四格的方式將整節課的內容簡單且清楚的表達，並套入POE教學策略最主要的內容精華，並配合大班教學所必須要對課程內容進行整理而加入「C（結論）」的步驟，猶如舊式教案中的時常提及的課堂中起承轉合的「合」步驟，同時也補足了POE教學策略中較為忽略的「教學介入」之步驟。以上述之教學單元為例：P步驟請學生「預測」鐵粉由高處往下倒會產生的現象；E步驟「觀察」鐵粉自燃的實驗結果；E步驟先引導學生自行「解釋」實驗結果，教師再從給予正確的解釋；最後的C步驟，教師對整個實驗及教學內容進行「結論」，也可用剩餘的時間對學生進行形成性評量並給予回饋。
前一節所探討之POEC教學策略與POEC新式教案在教學原理基本上是沒有太大差異的，最主要的相同之處在於，兩者皆需要一個實驗活動貫穿整個教學內容，且必須先要求學生對實驗結果進行預測。
然而兩者的相異之處主要在E步驟和C步驟，兩者的E步驟都是「解釋」步驟，然而POEC教學策略主要以「學生自行解釋」為主，POEC新式教案除了學生自行解釋之外，強調了「教師給予學生正確解釋」的教學功能。而POEC教學策略的C步驟是「比較」，由於POEC教學策略較著重於使學生產生概念改變，因此「比較」的步驟是為了使學生對先前的「預測」步驟和「解釋」步驟進行比對，促進學生的後設認知技能進而達到概念改變的目的。POEC新式教案的C步驟是「結論」，誠如先前所提到的，POEC新式教案既然為教案，即是以大班教學為主要目的，「結論」步驟強調了教師角色在整體教學過程中的重要性，並由教師主導的教學介入達到大班教學的教學目標。
n結語
不論POE教學策略、POEC教學策略抑或是POEC新式教案，此一類型之教學方式最重要的步驟在於P（預測），「預測」步驟可說是這類型教案之精華。就理論而言，在實驗前進行預測可大幅度降低學生在進行食譜式實驗時，時常「只知其然，而不知其所以然」的缺點，學生缺乏反思能力有時不能說學生缺乏後設認知能力，而應以教師角度思考，在我們的教學過程當中，有沒有給予學生進行反思的步驟？
而實際的研究結果在謝秉桓（2014）的研究中發現，在觀察實驗前有無預測的步驟，將大幅度影響學生能否體驗實驗中認知衝突情境，有對實驗結果進行預測的學生大部分都能夠體驗實驗中的認知衝突情境，而能體驗認知衝突情境對於學生概念改變是非常重要的，學者Posner等人（1982）的概念改變條件的第一點就是學生應對舊有的知識產生不滿足，而此不滿足即是現在所提到的認知衝突。種種的理論與研究結果都能夠顯示POE與POEC教學策略的重要性。也期望此一教學策略能夠幫助中學教師們面對十二年國教的浪潮，在減少學生考試壓力的前提下，利用教學模式的改變提升學生對科學科目的學習動機。
n參考文獻
邱美虹、林世洲、湯偉君、周金城、張榮耀、王靜璇合著（2005）。科學創意實驗書。台北市：洪葉文化。
許良榮、蔣盈姿（2005）。以POE策略探究中小學生對物質「可燃性」的另有概念。科學教育研究與發展季刊，38，17-30。
楊凱悌、邱美虹、王子華（2009）。應用數位影音融入POE教學改善國小高年級學童脊椎動物分類另有概念之效益研究。科學教育學刊，17(5)，387-407。
謝秉桓（2014）。以新興臉部微表情分析技術探討電腦互動POEC與師生共構教學之成效－奈米級鐵粉燃燒認知衝突實驗。未出版碩士論文，國立臺灣師範大學，台北市。
蕭次融（2011）。由趣味化學實驗談化學試題。科學發展月刊，462，22-27。
Palmer, D. (1995). The POE in the primary school: An evaluation. Research in Science Education, 25(3), 323– 332.
n附件
