高中化學教材教法專書導讀: 第八章 化學探究教學 / 楊水平

星期二 , 7, 9 月 2021 Leave a comment

高中化學教材教法專書導讀:
第八章  化學探究教學

楊水平

國立彰化師範大學化學系
yangsp@cc.ncue.edu.tw

n  前言

《高中化學教材教法專書》第八章〈化學探究教學〉的重點為:一、介紹我國自然科學領域課程綱要和美國下一代科學標準,以瞭解兩者對科學探究教學的重視和規範;二、提到科學探究的邏輯推理和開放程度與科學探究教學的密切關聯;三、簡介科學過程技能和認知思考,並說明學生的探究學習所需的過程技能和認知思考;四、提供科學探究的學習環,作為教師設計探究式實驗教材的參考,並且提供封閉實驗轉換為更開放實驗的作法,作為教師修改食譜式實驗為探究式實驗的參考;五、提供探究學習的評量方法,作為學生進行探究學習的評量作法。以下簡介本章的部分內容,作為讀者閱讀本章的導讀,詳細完整的內容以及未在此處簡介的部分(包括:美國下一代科學標準、科學探究與科學過程技能、傳統學習環與探究教學、探究學習評量方法),請參閱該專書的紙本版(楊水平,2020)。

n  我國自然科學領域綱要與科學探究

十二年國民基本教育課程綱要,高級中學階段有關科學探究能力的領綱之描述分為普通型、綜合型和技術型。在普通型高中方面:依照國民中小學暨普通型高級中等自然科學領域(國家教育研究院,2018a)的核心素養包含:一、提供學生探究學習、問題解決的機會並養成相關知能的「探究能力」;二、協助學生了解科學知識產生方式和養成應用科學思考與探究習慣的「科學的態度與本質」;三、引導學生學習科學知識的「核心概念」。藉由此三大內涵的實踐,培育十二年國民基本教育全人發展目標中的自然科學素養。在綜合型和技術型高中:本領域的學習重點涵蓋科學概念認知、探究能力及科學的態度與本質,詳細的描述請見新課綱或本專書紙本版。綜合上述三類型高中之自然科學領綱的描述,十二年國民基本教育高級中學學生自然科學探究能力的培養至關重要,科學探究教學是自然科學最重要的教學方法

在學習重點方面:根據國民中小學暨普通型高級中等自然科學領域(國家教育研究院,2018a)領域課程綱要,學習重點分為「學習表現」與「學習內容」,兩者關係至為密切、互為表裡。前者為預期各學習階段學生面對科學相關問題時,展現的科學探究能力與科學態度之學習表現。後者則展現本階段學生認識當前人類對自然界探索所累積的系統性科學知識,也是作為探究解決問題過程中必要的起點基礎。自然科學課程應引導學生經由探究、閱讀及實作等多元方式,習得科學探究能力、養成科學態度,以獲得對科學知識內容的理解與應用能力。

n  科學探究的邏輯推理

科學家使用歸納推理和演繹推理來瞭解自然世界。在歸納推理中,科學家使用多次觀察和實驗的結果歸納成為一般化(generalization)或模式(pattern),進而形成假說(hypothesis),找出自然界運作的規律。這些一般化導致新的理論(theory)。然而在演繹推理中,對現有的理論進行理性思考,以產生理論的邏輯結果。這些結果可能導致新理論和預測,並透過實驗來測試是否為真。歸納推理和演繹推理的過程,如圖一所示。由於科學探究的過程強調探索過程(起始問題、提出假說、設計實驗、進行實驗、收集資料、處理資料以及分析資料等)的實驗結果歸納成為一般化或模式的知識,進而形成科學理論,因此科學探究的邏輯傾向歸納推理的過程。然而,知識或理論的應用傾向演繹推理的過程。

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圖一:歸納推理(左)和演繹推理(右)的過程(圖片來源:楊水平,2020p. 135
〘勘誤:在該專書紙本版頁1358-1,因編輯過程錯誤標示,左圖誤植為演繹推理且右圖誤植為歸納推理。在此更正為:左圖為歸納推理且右圖為演繹推理。

n  科學探究的開放程度

Domin (1999) 提到任何科學實驗所遵循的步驟,不是由學生自己設計,就是由外部來源(教師、實驗手冊或講義)提供給學生。Domin (1999)提到探究為本(inquiry-based)和問題為本(problem-based)的教學方法要求學生設計自己的步驟;然而詳述(expository)和大多數的發現(discovery)的教學方法卻是給予學生實驗步驟。Domin (1999) 也提到探究為本和發現的實驗風格屬於歸納推理,而詳述和問題為本的實驗風格屬於演繹推理。

Schwab (1962) 首先提出實驗的分類,後來Herron (1971)修改他的分類並評估實驗的項目是基於當活動開始時學生被提供多少資訊而歸類其開放程度。縱觀舊課綱的高級中學化學實驗設計,此處以他們的四等級實驗加以分析,大多為開放程度低等級的食譜式實驗。根據十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要中的學習表現來看,強調編撰科學實驗教材和學生的科學學習,應該力求開放程度高等級的引導或開放探究式實驗。

n  普通型高中課程科學探究與思考智能

根據十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要,學習表現有三項目(國家教育研究院,2018a:探究能力思考智能、探究能力問題解決以及科學的態度與本質。以下整理第五(高中)學習階段學習表現中的「探究能力思考智能」,其實有部分的科學過程技能融入到思考智能,並且與科學探究有著密切的關聯,如表一所示。這表中有前三子項只有部分描述,完整的描速詳見紙本版的附錄二。在此表中以中刮號標註的粗體文字為科學過程技能。

表一:第五學習階段學習表現中的「探究能力思考智能」

子項

第五學習階段學習表現
(必修)

第五學習階段學習表現
(加深加廣選修)

想像創造(i

ti-vc-1 能主動察覺生活中各種自

ti-va-1 能獨立察覺各種自然科學問

推理論證(r

tr-vc-1 能運用簡單的數理演算

tr-va-1 能運用一系列的科學證據或

批判思辨(c

tc-vc-1 能比較與判斷自己及他

tc-va-1 能比較科學事實在不同論點

建立模型(m

tm-vc-1 能依據科學問題自行運思或經由合作討論來建立模型[形成模型],並能使用,例如:「比擬或抽象」的形式來描述一個系統化的科學現象[溝通],進而了解模型有其局限性[推論]

tm-va-1 能依據科學問題自行運思或經由合作討論來建立模型[形成模型],並使用 例如:「比擬或抽象」的形式來描述一個系統化的科學現象[溝通]。進而能分析各種模型的特性,且了解模型可隨著對科學事物複雜關係的認知增加來修正[推論]

由上表的標註得知,科學過程技能與探究能力的思考智能也有密切的關連。Fitriyah (2013) 提到科學學習包括學習過程(process)和產出(product),學習者的思考技能是解決資訊時代日益複雜的生活問題所需的生活技能之一。正規的思考技能是學習者在科學學習概念微觀屬性過程中接受智力刺激的能力。在實驗室中使用探究學習,學生有很多機會透過實驗操作直接獲取數據、整理數據、解釋數據、得到結果、建立假設、測試假設,進而得到結論。在探究過程中,學生隨時利用思考技能,也利用科學過程技能。

n  科學探究教學與5E學習環

5E學習環(5E Learning Cycle)是一種教學模型,是基於John Dewey的經驗學習哲學和David Kolb提出的體驗學習環來定義學習的順序。此學習環由Bybee在生物科學課程研究(Biological Science Curriculum Study, BSCS)提出的,以建構論學習理論為框架,可以有效地使用於科學教學。

5E學習環亦稱5E教學模型(5E Instructional Model),如圖二所示,以下整理自Bybee, Taylor, Gardner, Van Scotter, Carlson Powell, WestbrookLandes (2006) Llewellyn (2013) 的五個階段教師和學生的角色。5E學習環涵蓋五項重要的過程:參與(Engagement)、探索(Exploration)、解釋(Explanation)、精緻(Elaboration)、以及評或評量(Evaluation),各過程的詳細說明請見紙本版。

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圖二:5E學習環(圖片來源:楊水平,2020p. 145

n  轉換更開放的實驗

VolkmannAbell (2003) 提到藉由他們開發的探究分析工具(Inquiry Analysis Tool)所詢問的問題,如表二所示,可以有系統地分析科學實驗是否為食譜式或探究式實驗,回答「是」的比例越高其探究式實驗的程度就越高。此工具提供更改食譜式實驗成為探究式實驗的功能。

表二:探究分析工具(VolkmannAbell, 2003

詢問項目

1.     讓學習者參與科學導向的問題?

 

 

問題是否引導實驗?

o

o

學生是否會形成、完善和聚焦調查的問題?

o

o

問題是否與學生有關?

o

o

2.     要求學習者優先考慮證據?

 

 

學生是否使用他們的感官和工具來收集證據?

o

o

類似食譜的步驟是否為達成目標的唯一方法?

o

o

學生是否有機會決定收集哪些數據或如何收集數據?

o

o

3.     鼓勵學習者根據證據形成解釋?

 

 

鼓勵學生提供初步解釋嗎?

o

o

學生是否從證據中產生解釋?

o

o

學生是否被要求解釋他們的推理?

o

o

4.     強迫學習者根據另類的解釋來評量他們的解釋?

 

 

學生是否根據他們對證據的處理程度來比較各種解釋?

o

o

學生是否被要求根據證據來修改他們的解釋?

o

o

5.     期望學習者能夠溝通並證明他們提出的解釋是正確的嗎?

 

 

學生是否有機會以小組形式來討論他們的想法?

o

o

學生是否有機會透過寫作、繪畫或思考來表達自己的想法?

o

o

學生是否有機會向其他人展示自己的想法?

o

o

VolkmannAbell (2003) 提到修改食譜式實驗成為探究式實驗的原則,主要有四項:問題、證據、解釋及溝通。由上表的探究分析工具的問題依序詳細說明,()問題:修改活動的目的為問題;讓學生參與產生問題以調查活動的方式進行;使問題與學生相互關聯。()證據:丟棄食譜(或其中的一部分),為學生、小組或班級提供定義變因、開發步驟、設置數據表和進行預測的機會;()解釋:教師的解釋和教科書的閱讀從實驗前移到實驗之後;期望學生基於證據的解釋作為所有實驗工作的核心步驟;為學生提供工作和交談的機會;藉由尋找模式,使用證據和邏輯來支持解釋,並在構建基於證據的解釋中磨練他們的技能;以及()溝通:透過討論、寫作和作圖,提供機會向其他同儕呈現解釋;要求學生根據證據評鑒他們解釋的邏輯。縱觀Volkmann等人的原則,教師可以藉此修改更開放的實驗,然而尚有不足之事,例如:學生規劃實驗步驟留意安全的考慮和可使用的設備;讓學生設定自己的目標,做出決定並評估自己的進步之處;還有,避免對學生的想法和解釋進行總結性評量。

n  參考文獻

國家教育研究院(2018a)。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域(107年版)。取自https://www.naer.edu.tw/ezfiles/0/1000/attach/63/pta_18538_240851_60502.pdf

楊水平(2020)。化學探究教學。出自邱美虹主編,素養導向系列叢書:高中化學教材教法(131-151頁)。臺北市:五南。

Bybee, R.W., Taylor, J. A, Gardner, A., Van Scotter, P., Carlson Powell, J., Westbrook, A., & Landes, N. (2006). BSCS 5E instructional model: Origins and effectiveness. A report prepared for the Office of Science Education, National Institutes of Health. Colorado Springs, CO: BSCS.

Domin, D. S. (1999). A Review of Laboratory Instruction Styles. Journal of Chemical Education, 76 (4), 543-547.

Fitriyah, L. A. (2013). The Relations of Formal Thinking Ability and Inquiry Approach in Science Learning. ERUDIO, 2(1).

Herron, M. D. (1971). The nature of scientific inquiry. School Review, 79(2), 171–212.

Volkmann, M. J. & Abell, S. K. (2003). Rethinking Laboratories: Tools for Converting Cookbook Labs into Inquiry. The Science Teacher, 70(6), 38-41.

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