兩岸化學教育高峰論壇:科學探究教學研究與實踐 段曉林 國立彰化師範大學科學教育研究所1,2 suhltuan@cc.ncue.edu.tw* 探究教學在海峽兩岸甚至世界各國已經是如火如荼開展的科學課程重點。但是在兩岸推動探究教學的課程時，或許我們可透過回顧美國發展科學探究課程的歷史，了解探究教學為何如此的重要並提供未來的發展參考。另外，我們也須檢驗探究教學是否可落實在臺灣的教學文化中，在落實中會產生那些問題以及會有哪些的學習成效。以下將依序探討這些議題。 段曉林、靳知勤(2018)回顧科學探究的課程發展歷史，需追溯到美國與蘇聯的太空戰爭，蘇聯的史波柯尼號（Sputnik）在 1957年10月4號升空後，使得美國驚覺科學教育的重要性，自此開始美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)全力重視科學教育課程的研發，並透過研究科學家如何進行科學實驗活動，歸納出十三種科學過程技巧並融入全美的科學教科書中，使得美國的科學課本在實驗部分開始著重十三種科學過程技巧的培養。1983年提出「國家在危機中」(A Nation at Risk)的報告，之後1985年 2061計畫(Project 2061) 誕生。美國的教育開始重視如何培養全體學生成為具備科學素養的公民，使其能應付生活上或是職場上科學技學與數學的事物。在2061計畫中也界定了科學包含科學的本質，科學的企業，以及科學的探究。此時科學探究已經悄悄的取代科學過程技巧。1996年，由美國國家科學院(National Academy of Sciences)主導下，提出美國國家科學教育標準(National Science Education Standards, NSES)( National Research Council, NRC, 1996)。NSES針對科學探究有如下的界定： 探究是科學家研究自然世界的多元方法，依據所收集的證據提出解釋。探究也可以是學生發展知識以及理解科學的想法，同時也是理解科學家如何研究自然世界的活動。科學探究是一種多面向的活動，這包含觀察，提出問題，驗證課本或其他資源、了解已知的知識，設計探究歷程，按照實驗證據回顧已知的知識，利用工具來收集，分析與詮釋資料，提出回答，解釋以及預測，溝通研究發現。科學探究需要確認假設，利用批判與邏輯思考，考慮另有的解釋(NRC, 1996, p.23；引自段曉林、靳知勤，2018，p.140-142)。 美國國家科學教育標準也針對各年級層(K-4年級，5-8年級，9-12年級三階層)界定科學探究。至此，科學探究課程影響到全美以及日後世界各國對科學探究的界定與重視。例如在5-8年級：A.科學是探究：學生應發展進行科學探究的能力；有能力找出探究的問題；能設計與執行科學的探究活動；能利用合宜的工具以及技術來收集分析以及詮釋資料資；能使用所收集到的證據來描述、解釋、預測和建立模型；能利用邏輯思考與批判思考將證據與解釋連結。B.瞭解科學探究的真意：不同的問題應採用不同的探究方式；現今的科學知識與理解主導科學探究的方向；數學在科學探究過程中扮演重要角色；在探究上使用科技有助於科學探究的精確度；科學的解釋強調證據有邏輯一致的論點、利用科學原理、模型和解釋；科學的進步取決於合理的懷疑科學探究所產生的技術、知識與想法有助於新的探究的發生。由於科學教育標準所提出的探究內涵與本質，對於如何培育科學教師，如何教導學生須具備的探究知能以及扮演重要的角色。這些重要的定義影響世界各國的科學課程目標的界定以及科學教育研究的走向，更影響晚近世界各國新的課程發展目標。     透過過去二十多年來的科學教育研究已經指出探究教學能提升學生的科學學習成就(換言之特定單元的科學成就測驗成績)，學生的認知以及探究技巧(十三種科學技巧)，問題解決策略，學生在小組中的對話溝通能力，以及進行科學探究的能力，協助學生理解科學概念與主動思考策略。許多的科教研究者側重學生在認知上的學習成效，但是個人開始注意學習者情意部分的學習，因為華人對於學習科學的成績可以卓越，但是對於喜歡學習科學的情意面向的成績在國際評比上相較於認知部分是偏低的(佘曉清，林煥祥，2017)。因此如何幫助學生喜愛學習科學，不放棄科學的學習是重要的目標。     個人首先透過質性觀察以及問卷研發研究，發展出學生科學學習動機量表(Tuan, Chin & Shieh, 2005)，此量表包含六個面向，檢測學生在科學課程中的：自我效能，主動學習策略，科學學習價值，表現目標，成就目標，以及學習環境誘因。接著再透過一系列的探究教學實證研究了解臺臺灣國中學生的學習成效。例如：蔡執仲與段曉林 (2005) 研究發現探究式教學提供學生日常生活議題進行探究，可引起學生相當大的興趣進行科學學習，經由動手操作體會科學推理與驗證歷程，進而形成科學知識，培養學生操作與解決問題能力。探究教學實施在化學單元(原子與分子，化學反應速率，酸與鹼)可以提升學生的概念改變，成就測驗，動機改變，但是迷思概念仍會存在(施貴善，2005)。這些結果表示在臺灣的教學環境，不論在短期(一個單元)或長期(一個學期或是一年)的實施探究教學，對學生化學單元以及理化科的表現均有顯著成長。     接著我們思考，科學教師在落實探究教學時，會遭遇哪一些的問題以及該如何的解決。筆者帶領國立彰化師範大學教學碩班生(在職的科學教師)進行為期一年的探究教學行動研究，主要目的在探討科學教師在落實探究教學時所遇到的困難以及學生的學習成效。例如：東慶瑋、段曉林、賴志忠(2011)探討如何透過探究教學來提升學生的科學自我效能。研究者發現第一階段遭遇到的問題分別為學生對探究活動熟悉程度、學生學習社群關係與互動、探究教案設計難易程度與師生間對話模式。第二階段發現低自我效能學生僅會進行操作卻不懂基本科學概念。第三階段所遭遇的問題為段考與模擬考影響教學進度。個案教師採行的策略分別為鼓勵學生的能力，自己先進行實驗活動來降低將教學活動中的困難度，教導學生進行合作，藉由學生間互助以解決理化問題，再將困難的核心問題詢問教師。林姝君、段曉林、余忠潔(2011)透過一年的時間來提升一個課後輔導班弱勢低成就生的科學探究能力與學習動機影響之行動研究。第一階段：實施於八年級上學期，個案教師帶領低成就生進入實驗室課程內容分別為溶液、聲音、光學闖關遊戲、熱與能量、認識物質元素。第二階段：實施於寒假輔導期間進行非制式教學－科學博物館巡禮。第三階段：實施於八年級下學期，課程內容分別為酸鹼溶液大調查、氧化還原－物質經燃燒後的變化、肥皂製作、塑膠分類、虎克定律、摩擦力實驗。個案教師實施探究教學所遭遇的教學困境：1.需多著墨於班級秩序上的掌控與經營。2.低成就生普遍專注性不佳，學習意願低落。3.學生沒有從事過探究教學活動的學習經驗。4.較無法獨立操作，需要教師從旁給予較多的關注。5.對於較開放式的學習單內容感到困擾而輕言放棄。6.學生不喜思考，希望老師直接給予答案。7.初期學習單設計內容對學生而言過於艱難。個案教師的反思與解決策略：1.班級經營掌控上儘量營造鼓勵、讚美的良性互動。2.教案、學習單設計更簡單化，問題內容口語化。3.活動設計內容務求與學生生活背景相近或取材於真實生活經驗以求產生共鳴。4.教師本身要強化發問引導技巧。5.運用多媒體設備，或設計情境實施非制式教學活動。根據課室錄影、回饋單撰寫、問卷統計結果與原班教師晤談發現：本研究的參與學生其低層次探究能力表現情形：a.課堂參與、提問、回答問題次數增加。b.實驗操作仍需教師一個個步驟引導，到後期可獨立操作，並自行設計操作裝置。c.原班實驗課的參與度與從事實驗活動的信心增加。d.口頭發表與溝通能力進步但撰寫能力仍顯不足。其次對於高層次探究能力例如：科學圖表繪製、批判思考、運用合理解釋支持。研究發現這些學生尚無法獨力完成探究，仍需要教師提供框架與設計問題口頭引導。對於研究前後成長幅度平均值的面向最高為「表現目標」，其次為「成就目標」。探究其原因為： a.個案班級學生程度同質性高，加上小班教學，教師容易關注到個別學生學習情形(得到較多重視)。b.探究過程同學有較多表現想法或被認同的機會。c.個案班級進行的科學探究活動較沒有課業進度壓力。學生覺得最有成就感：a.解決一個難題且有作出成果時。b.想法被老師同學接受、獲得老師的讚賞。c.實驗操作越來越有信心與不會害怕。     上述都是探究教學落實在低成就生或是一般生身上，至於資優生的表現如何?王翠妃(2008)的研究在於探討資優生透過科學探究學習活動，學生在科學推理能力上的成長情形。本研究的學生為個案老師的學校資優班學生，男生18人、女生10人，共28人，並將學生分為六組，觀察學生歷經一年半的探究教學歷程，其科學推理與創造力的轉變情形。個案老師選定學生國二上至國三上三個學期各兩個單元（共六個單元）進行錄影、錄音、及文件收集，以瞭解學生在一年半的探究教學過程中推理類型的轉變情形。探究教學後，學生在科學創造力的成效： 1.學生在論述的過程，針對其所提出的點子，解釋能力提升許多，經由學生實驗考試（兩個問題）論述過程的字數統計，發現學生對於自己組內所提出的點子，想嘗試以更詳細的敘述來說服研究者其想法的合理性。2.學生邏輯推理與謹慎性增加，且可應用的科學知識範圍也加廣。3.從實驗考試中，可觀察出學生在實驗設計的點子上，產生點子的速率增加。4.由單元一至單元六，學生採用推理類型的增加。推理類型呈現階層性轉變，由推論式推理à分析式推理à對話式推理à評價式推理à統整式推理。     由上述臺灣中學科學教師所進行的一系列行動研究結果，可以看出探究教學確實能對各種程度的學生均有幫助，不但如此學生的學習動機也有提升。當學生的學習動機增加，他們才能持續保持對科學的學習熱情，最終成為具備科學素養的公民。其次，探究教學要落實在課室中，其實遇到的問題不少，因此如何提供持續的支持系統，幫助科學教師解決困難，探究教學才能真正持續落實在科學教師的課室教學中。最後，由美國科學探究課程的沿革中可看出每一個時代的學者專家對探究的定義不盡相同，從非常科學家導向的實驗活動，漸漸轉變為透過生活中的議題找出探究的問題，進而培養學生探究思考的相關能力，這些都是在探究課程的發展歷史中可發現。因此，或許每一位教師或學者對何謂探究的定義不一，但是如何依據自己的文化情境、生命經驗、以及政策的要求找出符合自己學生所需求的探究能力是較為重要的任務。相信隨著時代的脈動，探究會一直成為科學課程的重點。 參考文獻 王翠妃(2008)。探究教學對國中生創造力及科學推理的影響。未出版之碩士論文，國立彰化師範大學教學碩士班論文，彰化市。 東慶瑋、段曉林、賴志忠(2011)。以探究教學提升中學生自我效能之行動研究。文章發表於中華民國第二十七屆科學教育學術研討會。國立中山大學。高雄。 林姝君、段曉林、余忠潔(2011)。探究式教學融入攜手計畫提升弱勢低成就學生科學探究能力與學習動機之行動研究。文章發表於中華民國第二十七屆科學教育學術研討會。國立中山大學。高雄。 段曉林、靳知勤(2018)。科學課程中科學探究與實作的發展歷史。黃政傑、吳俊憲、鄭章華(主編)。分科教材教法問題與展望(137-146)。臺北：五南書局。 […]