臺灣化學教育

高中自然科學探究與實作：從why 到what-探究問題的層次在教學與學習的意義

洪逸文*、王靖華

國立臺灣師大附中
[email protected]*

n  前言

探究與實作課程將為傳統科學教學與學習模式帶來改變的契機，在透過教師引導學生經歷了發現問題、規劃研究、論證建模及表達分享等步驟，來體驗科學探究活動的進行方式。然而，如何在課程中引導學生產生可以被探究的問題就是首要之務，因為，學生若能產生可探究的問題，並藉此聚焦、指引其解決問題的方向，他們就有機會進行主動、獨立的學習活動。

n  從 Ｗhy 到 Ｗhat – 探究問題的層次在教學與學習的意義

一、探究與實作課程的意涵

科學探究是一種不斷經歷發現問題與解決問題的過程，更進一步說，在探究過程中，還需對探究問題如何形成、實驗如何規劃與實驗結果是否正確等問題，提出與他人討論，藉由相互的溝通與批判，產生最能有效解決問題的論點（李明昆、洪振方，2011）。若以此觀點來進行探究與實作課程的教學與學習，就會與傳統的「實驗」課程有明顯的區隔。因為傳統的實驗課程從問題的發現到問題的解決都是被設定好的，學生只要依循相關實驗手冊、實驗記錄簿的步驟進行，就會得到「標準」、「正確」的答案。學生學習到的大都是「如何操作」的知識，而不是日後可以「探究」新議題的概念與能力。

除了傳統實驗課程之外，教學現場對於探究與實作課程還有另一種誤解，老師們常覺得這門課就等同於「專題研究」。這個說法對的部分，在於探究與實作課程的內涵就是「初階的研究法」（陳竹亭，2020）。也就是說，這門課程的宗旨是要讓學生體會科學研究是如何進行的，藉由某些跨學科知識概念為背景所設計出來的課程主題，進而學習到科學研究的相關程序性知識與過程技能。然而，有別於「專題研究」課程，探究與實作課程是一門「部定必修」課程，意即每次上課要面對都是一整個班級的學生，而不是人數有限的專題選修學生；其次，在課程主題方面，因探究與實作課程需同時面向「自然組」及「社會組」取向的學生，課程主題先要能引發這兩種學生的學習興趣與探索意願，然後才有深入探究的可能。所以教師要如何挑選課程主題就會有多面向的考量與限制，這跟專題研究主題的自由選擇發揮性產生了很大差異。

總之，比起過去的食譜式的實驗課程，探究與實作課程在探究內涵上，賦予學生更多主動、彈性的學習面向。在教學實務上，若以專題研究課程的教學負荷來看，探究與實作課程更需要有效的教材設計與教學引導，特別是在課程主題的選擇，如此才能協助課程內容的聚焦與順利進行。

二、課程主題的取材與框架

從檢視各校所填報課程計畫書的課程主題中可以發現，有些探究與實作的課程主題是來自過去已經發展成熟的科學遊戲或活動。這些活動、遊戲都可以充分地吸引學生的注意，也能提供學生動手做的機會，然而，我們要如何在遊戲中讓學生從hand-on到 mind-on呢？首要的關鍵就在於如何引導他們「發現問題」？這裡所發現的問題不是指在完成實作作品過程中所遭遇操作的困難，也不是指概念的澄清，更不是背後科學原理的解釋，而是幫助學生能夠產生（genesis）「具有探究性」的科學問題。換言之，教師在思考如何設計自身教學與佈置學習環境，從而引領學生進行探究活動時，第一個挑戰就是如何激發學生在設定的「問題情境」(problem situation)中，尋找進而形成可探究的問題（陳柏霖，2016）。

教師要如何設定問題情境呢？底下將就三種引發不同回應的問題情境進行討論，分別是：潛在的（potential）、隱含的（implicit）與明顯的（evident）問題情境。在潛在的問題情境中，所呈現的事件、物品本身並不存在著問題，個體必須從中去創造、設立目標，然後建構出（construct）問題，如同藝術創作者所為；在隱含式問題情境中，問題就隱藏於所呈現的素材中，個體必須去察覺出 （sensing）、揭示出（uncovered）、構想出（formulated）初步問題，後續還可能會引發去搜尋（search）更多相關訊息，以確認及形成探究問題；最後在明顯的問題情境中，個體可以察覺明顯的問題事件（event），但還要進行對事件的再辨識（recognize）以產出（produce）問題（邵惠靖，2002；Dillon,
1982）。

因爲探究始於問題的形成，意即在形成一個可被探究的問題之後，就會決定隨後所採用的問題解決方式。依照上述討論，教師若能在探究與實作課程設計使用隱含的問題情境，也就是藉由若隱若現的（emergent）的問題，讓學生去探測（probing）所呈現的相關資料，辨識問題事件，找出問題元素，進而完成「問題發現」的活動，就可以有效引導學生進行後續的問題解決。

三、「問題發現」的教學思考

不論是PISA國際評比或國內的調查研究成果都顯示，我國學生在辨識問題形成科學議題之能力是不足的（李明昆、洪振方，2011）。這個現象一部分源自於課堂教學模式中，大多是單向知識的傳遞，即使課堂中師生提問的性質也多偏向「事實的陳述」與「觀念的澄清」，而非應用、分析、綜合與評價等較高層次的問題思考。另一部分的原因在於學生缺乏充分機會去思考問題本質與問題周遭之關聯（連啟瑞、盧玉玲，2005），換言之，在探究與實作課程中的問題本質，即是提問者對於科學問題定義的認知情形。簡單來說，就是學生根本不知道且沒被教導什麼是可被探究的問題。

若是以問題發現的認知建構歷程而言，學生會從問題情境所顯現的事件來啟動認知結構的選擇與注意，並嘗試建立事件線索與既有認知訊息間的關聯，此時就是一個幫助學生建立「什麼是可被探究的問題」的教學階段，而不是讓學生問題停留在探索源由（why）類型的階段。雖然一般課堂教學問答經常會出現為什麼，但「為什麼類型的問題」往往很難運用來設計探究。因為這類型的問題常常僅是在找尋對事件、現象的解釋或解答，很少涉及到造成事件、現象可能變因的討論，還有探索變因彼此之間的變動關係（Settlage ＆ Southerland, 2007）。換言之，為什麼類型的問題就是缺乏了未來研究可以進行的面向，所以不適合成為探究與實作課程教學或學習的導引問題。

就探究與實作教學實務而言，受限於課堂人數與課程聚焦，課程的主題通常已經被設定，而教師要就此一主題提供什麼樣的問題事件，讓學生能有限的課程主題邊界內找到探索的可能，關鍵就在於變因的確認。

四、探究與實作的U框架

雖然現今教學現場常見使用6W與焦點討論法（ORID）等方式來導引學生發現問題，但這兩個方法都有其侷限，舉例來說：6W（who、when、what、where、why、how）中應以which來取代who，才符合探究中變因的概念；焦點討論法目的是在引導參與者分享對事實、感受、想法與行動的看法，常被使用於團體討論的引導，若是要應用到科學研究，其對應如圖1所示。然而，這兩種方法仍然缺乏對於發現問題的具體教學導引，也就是如何幫助學生從常見的為什麼類型問題換成為可被探究的問題。

圖1：ORID與科學探究過程的對應。

要如何導引學生脫離常見的為什麼類型問題呢？我們可以先從豐富問題事件的線索著手，再設計相關的提問，想辦法幫助學生建立跟既有知識間的關聯，進而引導他們建立「什麼是可被探究的問題」。以傳聲筒的科學遊戲而言，當教師提供兩組不同的傳聲筒，一組是中間有線串接的兩個紙杯，另一組則是沒有線連結的兩個獨立紙杯，讓學生觀察兩組的傳聲現象有何差異？學生觀察後，常提出的問題是：「為什麽傳聲筒能傳遞聲音？」。雖然教學者熟知其科學原理為：聲音是一種能量，可透過空氣振動產生波動來傳播，在被耳朵接收後產生聲音。但教學者應該引導學生思考傳聲筒在聲音傳遞中的角色，也就是教學者必須將why類型的問題降階，不是直接說出答案，而是要導引學生朝著how形式問題的方向進行思考。

當提出這個以How形式出發的問題：「傳聲筒如何影響聲音的傳遞？」，就能幫助學生較快連結到「傳聲筒是作為一種聲音傳播的介質」的概念。他們因此可以推論得出：改變這作為傳播介質的傳聲筒時，可能會帶來聲音傳播的改變。到此，教學者就可以協助導引出What形式的問題：「不同的傳聲筒如何影響聲音的傳遞？」。等到這個形式的問題被提出時，問題中的操縱變因與應變變因都已具備，且可被觀測與量化，這已經形成一個可被探究的問題。

簡而言之，教學者的教學策略是要對問題層次進行降階，意即從Why、How到What，問題的形式會是從「為什麼會這樣？」，轉變成「如何變成這樣的？」或「變化情形是如何？」，到最後可以被探究的問題：「什麼因素讓它變成這樣？」。然而，這只是探究與實作U框架（圖二）左側的教學過程，然而，U框架右側的學習過程又代表著什麼意義呢？

圖2：探究與實作的U框架。

當學生利用探究問題進行實驗規劃時，並可透過不同變因的操作去探索各種聲音傳遞的可能影響因素，也就是U框架右側的what階段到how階段時，他們的學習就不再受限於教科書或參考書中所傳遞的「理想化」知識概念，而是一種透過實作活動體驗為知識學習的基礎。此時傳聲筒也不再是一個科學遊戲的玩具，而成為從事科學研究的一個工具。到了最後，學生在過去的學習中，雖已得知「聲音的傳遞需要有介質」這個概念，但重新藉由傳聲筒的探究過程，他們對於聲音傳遞與介質這些概念，不再只是被動地記憶了這些知識，而有了更深刻的體驗與理解，還能從中學會了探究的過程技能。因此，在探究與實作的教學與學習過程中，U框架的落實不僅能確保課程實施的成效，更讓學生具備日後主動進行學習的能力。

n  結語

對於教育現場而言，探究與實作課程對學校所帶來的衝擊與挑戰，雖遠超過本文所討論的內容。然而，單純就教學面向而言，如何引導學生進行「發現問題」，常是老師們感覺最困難的地方。希望教師能透過探究與實作U框架的概念，引導幫助學生認識與建立「什麼是可被探究的問題」，也就是從現象出發去辨識問題，進而形成科學議題、培養問題解決的能力。

n  參考資料

1.        李明昆、洪振方（2010）。國三學生對探究性科學問題提問之研究。臺北市立教育大學學報，41(2)，111-148。

2.        邵惠靖 ( 2002 )。擴散性思考、數學問題發現與學業成就的關係（未出版之碩士論文）。國立政治大學，臺北。

3.       連啟瑞、盧玉玲（2005）。創造思考的基礎訓練–探究性問題的形成。臺北師範學院學報，18(1)，29-58。

4.       陳竹亭（2020年，10月）。探究與實作: Why, What, & How。簡報發表於國教署探究與實作北區推動中心辦理之「探究與實作的想像與實踐」論壇。

5.       陳柏霖（2016）。科學問題發現概念、發展及其與教學實務之關係。國立臺中教育大學學報：數理科技類，30（2），1-19。

6.       Dillon, J.T. (1982). Problem finding and solving. Journal of Creative Behavior, 16,97-111.

7.       Settlage,J. & Southerland, S. A. (2007). Teaching science to every child. New York:Routledge.