以实验室教学培养学生科学过程技能成效之研究

         以实验室教学培养学生科学过程技能成效之研究

                       刘银姬 邱鸿麟

                   国立高雄师范大学化学系

本研究最主要目的即在探讨以实验室教学对学生学习科学过程技能的成效。采用质的研究，以国中二年级学生为研究对象，并选取前后测有显著改变的学生四位，并针对这四位学生进行个案研究分析。研究者透过基础科学过程技能前后测验、半结构式晤谈等方式进行数据的收集。本研究结果发现以下几点：

1.           以实验室教学对个案学生学习基础科学过程技能有显著之成效

2.           就小组讨论而言，越良好的班级气氛，小组之间的互动越好，因此小组讨论的成效也就越好。

3.         藉由学生对实验的认同，设计不同的教学活动，自然能藉由实验达到培养学生的科学过程技能的目的。

    九年一贯课程变革乃教育改革的一个重要里程，而随着教改的来临，身为第一线的理化教师们，都该抛弃旧有「以教师为中心的上课方式」、「只强调知识的传授而不重视学习过程」、「不够多元的评量方式」、「太过抽象、缺乏乐趣、不够生活化的教学」（陈懿芳，民89）。跟上教改的脚步，以更符合教育本质的教学法进行教学，让学生学习理化时不再只是死记死背，而是能去思考问题的内涵，能更主动且快乐的学习。

    科学的意义并不只在于科学知识本身，更重要的是获取科学知识的过程。从1960年以来，强调科学探究过程与科学方法之「科学过程技能」的训练就成为科学课程的的主要目标之一（杨冠政，民66； Hurd ，1970）。科学过程技能也可称为终身学习技能，因它能被应用在各科领域的学习（Carin ＆ Sound,1989）。Project 2061的教育目标是培养全民具有科学素养，具有科学素养者应能运用科学过程技能以解决问题（邱美虹，民83）。而美国科学促进协会（American Association for the Advancement of Science，简称AAAS）则是将科学过程视为科学学习的基本内容，最有利之理论依据是科学过程较传统知识的内容更具有恒性（郭鸿铭，沈青嵩，民65）。

    而在九年一贯课程中所提及的七大学习领域，其中的「自然与生活科技」学习领域，并列出下列六项能力指标：1.过程技能2.科学认知3.科学本质4.思考智能5.科学态度6.科学应用。强调在设计教学活动时，宜依指标所提示的基准，于教学中达成。因此培养学生之科学过程技能更是刻不容缓。

    实验活动在科学教学中已有一段很长的时间，几乎被视为在科学教育中重要且神圣的的一环；学生能够经由实验活动学习科学探究的方法，进而了解科学本质及学习从事科学的态度；而好的实验活动可以提供学生进行知识建构的机会（Tobin , 1990）。自然科教师和科学家也从不间断的强调实验在自然科教学和科学研究上的重要性，认为实验是教学和科学研究上的必须课题（林陈涌，民84）。泰米尔（Tamir）曾指出，「实验活动可帮助学生培养正确的科学态度及科学过程技能。」实验室提供学生进行彰显、演示与验证他们已知概念与定律的场所，其主要的目标为「从活动中培养科学过程技能」。探究式的实验室教学设计，应能提供学生较多的学习机会，对自己所学的知识，经由实际、直接的方式去体验，也让学生有时间思考，以便真正了解他们自己在学什么。如此可以培养学生解决问题的能力，学习科学过程技能（黄湃翔，民84）。

    Hofstein 和Lunetta（1982）回顾与实验室有关的文献之后，认为今后有关实验室的研究方向应为：创造思考及问题解决、科学性思考、智力发展、操作技能及能力、情意领域、学习环境及社会性变因。且以研究者本身的教学经验而言，学生从实验的过程当中，能更快乐且主动的学习理化，而不再只是被动的接受科学知识。而且从87学年度所实施的理化新课程，内容减少了许多，且更浅显易懂。因此不再有赶课的压力，课程更能作灵活的设计，亦能有充分的时间进行实验，以满足学生的需求。

有鉴于此，研究者希望能将教学重心放在实验室教学上，并藉由实验室教学以培养学生之科学过程技能，使学生能进行有意义的学习。更希望透过此研究来分析了解，学生基础科学过程技能的学习成效及其科学认知偏好，并希望能对将来有心从事实验室教学活动设计的科学教师，一个参考指标。

二、研究的重要性 

目前对于科学过程技能本质之研究（陈琼森，民73。林俊华，民75。吕学荣，民77。陈丽炜，民78。郑碧云，民79。王以德，民81。李文德，民85。熊芳雪，民87。），皆采量的研究。国外学者亦对国小教师或职前教师作一科学过程技能本质之研究（Jaus，1975。Brown，1977。Camphll ＆ Okey，1977。Bluhm，1979。），此亦为量的研究。在国外更有不少学者以CAL探究学生之科学过程技能，在国内的学者则为邱芳杰（民83）；郑禧慧（民85）；林燕靖（民87）。

    本研究欲以另一方向来深入探讨影响学生科学过程技能之因素，而实验室被认为是培养科学过程技能能力的唯一场所（Germann,1989;Kosinski,1990）。因此希望藉由实验室教学以培养学生的科学过程技能，并深入探讨其成效，故本研究采质的研究，以作更深入的分析。

（一）以实验室教学培养学生基础科学过程技能的成效

（二）探讨不同的教学活动对学生之基础科学过程技能的成效

  本研究采用质的研究法以进行研究，个案学生也以国二学生为主，在学生的背景，及地域上有其特殊性，因此无法推论至其它不同地区中的学校或是班级，若要做相关推论时，仍须考虑其相关的背景因素。

    本研究旨在以实验室教学的情况，探究学生之科学过程技能的改变情形。并以国二学生为施测对象，采取质的研究法。希望藉由学生基本科学过程技能前后测的改变，及个案学生事后回溯晤谈资料，以进一步深入了解个案学生之科学过程技能改变成效，及其科学认知偏好。

 一、研究工具

   本研究所需要的工具有以下二项：

（一）基础科学过程技能测验卷

（二）国中理化课本第七章教案

本研究选取研究者所任教的屏东县立崇文国中两个国二班学生，施以基础科

学过程技能前后测验。总学生人数共68人，再从其中选出前后测有明显改变的学生四人，以作进一步的分析研究。

    在89学年度第二学期一刚开学，即对学生施以基本科学过程技能前测。后即开始为期四周的教学，但为避免学生受前测之影响，故在第六周施以与前测相同题目的后测。再藉由前后测之比较分析，找出四位前后测有明显改变的学生，进行半结构式晤谈，晤谈内容主要是收集个案学生对第七章教学内容的看法，与基础科学过程技能前后测之改变的想法。

   本研究以基础科学过程技能前后测验、半结构式晤谈以收集本研究所需的数据，并进行分析工作。再由所得的资料，依「前后测」、「晤谈内容」、「第七章教案」分析个案学生基础科学过程技能改变的成效。   

以下就个案学生的基础科学过程技能，及教学活动作一综合性的分析讨论。

    综合四个个案学生之科学过程技能前后测，及事后回溯晤谈资料，综合出

下列几点：

1. 观察技能，个案学生皆能尝试使用科学性的语言作沟通，且能更深入的作观察，而不再只是表面粗浅的观察而已，故对观察技能而言成效是较佳的。

2.      预测技能，由于有计算错误的问题，故会影响到预测的准确性，但可贵的是

还是能从所观察到的线索，找出正确的方向以做预测。陈丽炜（民，78）在其建议中提到国内学生「推论」、「预测」的能力不足，建议在教学上应注意加强数学基本能力。因此若能多加强数学逻辑推理能力的训练，对于预测技能的培养，应能有所帮助。

3.      推论技能，并不算有很显著的改变。究其原因，可能是个案学生对推论的方式还是不甚熟悉，虽然如此，但从晤谈内容发现个案学生已能慢慢去习惯练习，思考问题的内涵，而不再只是被动的接受，这是一个好的开始。相信若能再藉由不同的教学活动，长期的训练其推论技能，自然能更习惯应用此一技能。

    在本研究的教材内容中，所使用到的教学活动，不外乎小组讨论，及实验室教学活动。现就两种教学活动综合探讨其成效。

（一）小组讨论活动的成效：

在『物质的变化』这一章节中所实施的是以小组讨论的方式，讨论每一现象，区分为物理变化或是化学变化。藉此过程训练学生的预测及推论技能。从学生的晤谈资料可发现，组员之间有越良好的互动，合作学习的成效越佳。个案学生A、B、D皆属于同一个班级的学生。

就研究者平日上课的情况来说，此班确实是一班不易引导的班级，上课时的

冷漠，且不易有反应。是个很难带动的班级，而其它的任课老师亦有此感想。但此班级在实验室时却也能有不错的表现，班级成员的复杂，对课业的不重视，在在都影响到小组讨论的成效。

而个案学生C所在的班级，是一个较活泼，较有人情味的班级，上课时

的反应、彼此之间的互动都不错。班级成员亦较单纯。如此和谐互助的风气，应能发挥小组讨论的功能。就研究者平日的观察，个案学生C所处的班级上课气氛相当的和谐，且有反应。同学之间彼此的感情也相当的好。

而班级气氛就如同Anderson 和 Walberg（1974）所说的，使用LEI（Learning

Environment Inventory）发现班级气氛可以预测30﹪的学习成就。故班级气氛只是一个参考的点，至于能否影响到科学过程技能的训练，还有待进一步的研究才能知道。

在『纯物质与混合物』、『化学反应的现象』及『辨别未知物』这些章节的内容里，藉由实验的操作去训练学生的观察、预测、推论的能力。而实验对学生的意义，从部分晤谈内容可知个案学生的想法如下：

"这样的话，比较懂课本在说什么。我觉得有些实验步骤比较复杂，很容易记

不清楚，若实际操作之后会比较了解这个步骤，也比较清楚一些注意的事项。

亲自做实验就能比较了解，若不能做实验，只是在课堂上讲一讲的话，有时候

还是不太清楚。"－个案学生A

 

"老师解释后可以亲身体验比较容易记得，不像死背的，有时候还会记错。有

了做实验的印象，就比较不会忘记。"－个案学生B

 

"我觉得如果没有实际去操作的话，我会觉得说这只是一个死的答案，我自

己都不了解它的意义，对我也没什么帮助。"－个案学生C

 

"好玩又有趣，还有就是帮助记忆，还有在实验中找出自己要找的答案。"

－个案学生D

透过实验更能厘清学生的科学概念（Lazarowitz & Tamir 1994），验证所传授的科学知识（Hofstein & Lunetta，1982），更增进记住课业的可能性。并且藉由实验过程培养科学过程技能，以及学习类似科学家探究科学的模式及思考方法。（张惠博，民82）而Kuhn在1962年撰写科学革命的结构一书时，也认为实验室里仪器的操作，可以证实科学理论（程树德等，1989，p95）。其实实验对学生而言的意义，也莫过于以上学者专家所欲表达的，借着学生对实验的认同，而在实验过程中以训练其科学过程技能，是再适合不过的了。

在『化学反应的现象』这一节的单元里，藉由实验中所得到的结论（质量守恒），再来作其它的预测。同样是藉由实验的过程以训练学生的科学技能，并训练其「预测」事物变化的能力。从个案学生的晤谈资料发现，其皆能作适当的预测。在这样的训练过程中，学生须具备有质量守恒，及铁生锈、大理石与稀盐酸反应的概念，才能来加以预测。「铁生锈」、「大理石与稀盐酸反应」的概念，都是已学过的，而「质量守恒」是刚由实验得到的结论。在这样的过程不仅能检测先前的概念有无问题，甚至是其迷思概念，更能将新学的概念加以应用。但是从学生预测的情况可看出，学生对于「铁生锈」的概念，大部分还存在着一些模糊的概念，有待修正。而对于其迷思的概念，日后亦应设计课程以加强此一概念，以破除此一迷思概念。

在『辨别未知物』这一节的单元里，虽然是课本以外的单元，但却希望能藉此训练学生的应用能力，及科学过程技能。在这个活动中，学生能藉此机会以训练观察、推论的技能，而使得观察技能更加的纯熟。而由于需要用到旧经验去辨别这六种未知物，有些经验不足的学生或是应用能力较差的学生，便搞的晕头转向的。但综合来说，虽然辨别的过程不甚纯熟，但却能重新检视所学，而加以灵活应用，而不再是只有死读书。这样的单元设计，利用一节课的时间作此活动，以学生的程度而言，稍嫌短了点。若是再增加一节课的时间，学生更能充分掌握到实验的要诀，更充分发挥科学过程技能，完成任务。若能多设计类似的活动，自然能增加其科学过程技能。

    本研究旨在以实验室的教学加强训练学生之基础科学过程技能，并辅以「基础科学过程技能前后测验」、「半结构式晤谈」等研究方法来收集本研究所需的资料，以了解个案学生经由实验室教学训练基础科学过程技能的成效。更由于九年一贯课程七大学习领域中的自然与生活科技领域，其中一个能力指标旨在强调培养学生的过程技能，因此希望藉由分析个案学生的学习成效，以作为教师培养学生基础科学过程技能的指标。

本研究中所实施的教案，以小组讨论及实验室教学为主要教学活动，并藉由不同的教学活动以培养学生的科学过程技能，而由研究结果归纳出以下几点结论。

1、以实验室教学培养个案学生之基础科学过程技能有显著之成效

由本研究结果可看出个案学生之观察及预测的技能皆能有显著改变，若能

再强化数学运算能力，即能做更佳的预测。而推论技能亦有些微改变，只要能在所设计教学活动中，长期并且不断地强化学生的推论技能，学生定能习惯于使用推论技能。

2、教学活动对基础科学过程技能的成效影响

    本研究中所采用的教学活动以小组讨论，及实验室教学活动为主。就小组讨论而言，越良好的班级气氛，小组之间的互动越好，因此小组讨论的成效也就越好，至于如何影响科学过程技能的学习成效，还需进一步作详细研究。在实验室教学中，可经由设计不同的教学活动，以培养学生的科学过程技能。更由于学生对实验的认同，自然能藉由实验达到培养学生的科学过程技能的目的。

综合以上研究结果，及研究者的心得，分别从未来培养学生的基础科学过程技能及其相关研究方向提出以下建议：

（一）、培养学生的基础科学过程技能

1、 在基础科学过程技能的测验卷中，由于所设计的预测能力的题目为数学题目，因此可由个案学生的前后测发现，其对于数学的逻辑运算稍嫌不足，此因素会影响到学生的预测技能。建议往后若能着重加强数学逻辑推理能力，对预测技能的培养，自然能产生不错的成效。

2、 大部分的学生并不习惯于对一观察到的现象，作一合理性的推论。但从此研究发现，经过设计的课程及教学活动，能训练学生去思考问题，甚至是去推论一个观察到现象。因此若能长期的藉由不同的教学活动，不断的训练学生去思考，去回答问题。学生自然能习惯于去作推论。

（二）未来相关研究方向

关于班级气氛能否影响到基础科学过程技能的学习成效，甚至是其相关性皆是一个可研究的主题。

 参考文献

王以德（民81）：我国国中学生逻辑思考与科学过程技能的研究。国立彰化师范大学科学教育研究所硕士论文。

吕学荣（民77）：科学过程技能与逻辑思考能力相关分析研究。国立台湾师范大学物理研究所硕士论文。

李文德（民85）：国小自然科师资培育实习阶段科学过程技能评量研究（NSC84-2511-S-153-008）。台北：行政院国家科学委员会。

邱美虹（民83）：科学课程革新－评介Project 2061,SS ＆ C 和STS理念。科学教育月刊，第174期，页2-13。

邱芳杰（民83）：以计算机辅助电表测量之科学过程技能学习之建构分析。国立高雄师范大学科学教育研究所硕士论文。

林俊华（民75）：国中生科学过程技能学习成就之调查研究。国立台湾师范大学物理研究所硕士论文。

林燕靖（民87）：以CAL探究高一学生学习显微镜操作基础科学过程技能之研究。国立高雄师范大学科学教育研究所硕士论文。

张惠博（民82）：迈向科学探究的实验教学。教师天地，62期。

陈琼森（民73）：国民中学学生科学方法过程之研究。高雄师范学院教育研究所硕士论文。

陈丽炜（民78）：国中二年级学生基本科学过程技能之研究。国立彰化师范大学科学教育研究所硕士论文。

陈懿芳（民89）：建构式教学策略应用于国中理化课程之行动研究。国立高雄师范大学物理研究所硕士论文。

程树德等译（Knhn，Thomas原著）（1989）：科学革命的结构。台北：远流。

黄湃翔（民84）：科学探究的实验室教学。高市文教，第55卷，页43-46。

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熊芳雪（民87）：国小职前教师与在职教师对科学过程技能本质了解之研究。国立屏东师范学院国民教育研究所硕士论文。

郑碧云（民79）：国中资赋优异学生科学过程技能与其相关因素之研究。国立彰化师范大学科学教育研究所硕士论文。

郑禧慧（民85）：以CAL探究大一学生学习三用电表统整过程技能之研究。国立高雄师范大学科学教育研究所硕士论文。