互動式科學小故事對高中生科學本質觀之影響

1. 互動式科學小故事對高中生科學本質觀之影響 通識教育學院 戰克勝教授

2. 報告大綱 • 研究背景 • 研究主題 • 研究目的 • 研究方法 • 教材設計與發展 • 研究結果 • 「意外」發現與後續發展

3. 研究背景 • 「認清科學本質」乃各國科教改革的共同目標  SSFA (AAAS, 1989) ；Standards (NRC, 1996)  國民教育九年一貫課程綱要 (教育部，2001) • 學生普遍對科學本質欠缺基本的瞭解  Lederman (1992)；Solomon (1994)  Wu (1994)；Chan (1997)；靳知勤 (2002) • 科學史可幫助學生認清科學本質，提昇科學與人文素  Conant (1951)；Matthews (1994) ；Wandersee (1990)  許良榮、李田英 (1995) ；劉廣定 (1997) ；巫俊明 (1997)

4. 研究背景 • 科學史融入科學課程的方式： (1) 外掛式  Harvard Case Histories in Experimental Science (2) 貫穿式  Harvard Project Physics (3) 註解式  多數高中科學課程 (footnote to the curriculum) • 科學史融入臺灣高中科學課程的現況分析：  可有可無的課程註解，常因「趕進度」或省時間而被迫省略  欠缺適當的方法可將科學史安全地「走私」到課堂中

5. 研究主題 — 「互動式科學小故事」 • Interactive Historical Vignettes (IHVs)  運用中斷故事進行(interrupted story form) 來製造懸疑，激發 學生的好奇心與興趣；  以及二元對立(binary opposites) 導致的衝突來引誘學生認真 思考討論有關科學本質的議題 (見圖 1 )。  使老師能在現實環境的限制下，挪用少許上課時間將科學史 與科學本質安全地「走私」到日常教學中(Wandersee, 1990). • 理論基礎： (1) Learning as conceptual change (Posner, et al., 1982). (2) Teaching as story-telling (Egan, 1986).  We learn something new with a story in mind.

6. 圖 1：互動式科學小故事創作及應用流程圖

7. Concept Map of Interactive Historical Vignettes

8. 研究目的 • 以實驗檢測：將IHVs 融入現行高一物理課程是否能 有效增進學生對下列六項科學知識本質的瞭解 (1) Amoral—「無關道德性」 科學知識的實際應用有善惡好壞之分，但其本身卻不能如此區別 (2) Creative —「創造性」 科學知識是人類想像力的產物。 (3) Developmental—「發展性」 今日之科學定律、理論和概念可能隨著新証據的出現而需作改變。 (4) Parsimonious—「簡潔性」 科學界致力於將科學定律、理論和概念的數目減至最少。 (5) Testable—「可驗性」 科學定律、理論和概念必須用可靠的觀測結果來作檢驗。 (6) Unified—「統整性」 各類科學學科共同組成一套完整的知識體系。

9. 研究方法 • 研究設計與對象  採前後測設計，歷時12週。  實施對象為台北市某「明星」高中的兩班高一女學生；  兩班都由同一個物理老師任教，各47人，共計94名學生。  一班為實驗組，接受結合現行課程與IHVs 的改良式教學；  另一班則為控制組，實施正常教學。 • 研究工具 —科學知識本質量表(簡稱CNSKS)  中文版「Nature of Scientific Knowledge Scale」  包括六個分項量表；每個分項量表各有8題，共48題 • 資料分析 —共變數分析 (ANCOVA) ；α= 0.01

10. 教材設計與發展 1.漢姆荷茲與能量守恆定律 2. 侖福特與熱的本質 3. 焦耳與熱功當量之謎 4. 亞里斯多德和流浪之星 5. 扥勒密、哥白尼、布拉與流浪之星 6. 伽利略與慣性運動定律 7. 牛頓、萬有引力定律、和蘋果的故事 8. 火星之謎和克卜勒行星運動定律 9. 克卜勒的一生 10. 克卜勒和他的星星樂曲 11. 伽利略和月亮的新衣 12. 夫瑞奈與光的本質

11. IHV 範例：伽利略和月亮的新衣

12. 研究結果 • IHVs 顯著改變了學生對科學的「創造性」與「可驗性」本質之看 法，但是對其餘四者則未產生任何顯著影響。 • IHVs不但成功扭轉了實驗組學生對科學的「創造性」本質之看法 (21.35  24.52)，同時也稍微減弱了其對科學的「可驗性」本質的 堅定信仰 (29.67  28.83)。 • 由於前者顯示「創造性」NOS 在學生概念生態系中所占的「地位」大舉提升(圖2)，而後者反映「可驗性」NOS的「地位」略為下降 (圖3)，IHVs 顯然使許多學生對科學本質的想法發生一種非對稱的雙向概念轉變 (asymmetrical two-way conceptual change)。 • 整體而言，IHVs 成功地將學生對科學「創造性」與「可驗性」本質之「誤解」轉化成更深刻完整的了解。

13. Table 1 Means, Adjusted Means and Standard Deviations of CNSKS Subscale Scores

14. 圖 2. Pretest-to-posttest movement of CNSKS creative subscale scores.

15. 圖3. Pretest-to-posttest movement of CNSKS testable subscale scores.

16. 「意外」發現 • 在受測學生的概念生態系中，「創造性」與「可驗性」 NOS 之間似乎存有一種耐人尋味的負面關連與像翹翹板 一樣的互動消長關係 (見圖4與圖5) • 雖然Rubba & Andersen (1978) 認為兩者毫無衝突，受測學生卻似乎認為兩者互相抵觸；以致於其中一個概念的 「地位」若上升，另一個概念的「地位」必隨之降低。 • 此「翹翹板現象」的普遍性與成因，仍有待進一步探究

17. 圖 4. The seesawing movement of the status of the creative NOS conception vs. that of the testable NOS conception for the IHV students.

18. 圖 5. The seesawing movement of the status of the creative NOS conception vs. that of the testable NOS conception for the non-IHV students.

19. 後續發展 • 國內許多大學生和前述的高中生(以及歐美國家的中小學生)一樣，皆誤以為科學知識是被發現的 (Truth is out there.)，而不是人類用想像力創造出來的 (Irwin, 1997, 2000; Meichtry, 1992; Solomon, 1994)。 • IHVs 也能幫助一般大學生扭轉其對科學的「創造性」本質根深蒂固的「誤解」，進而擴展其對科學本質的了解(戰克勝，2005)。 • 在一般大學生的概念生態系中，「創造性」和「可驗性」科學本質概念之間確實也有像翹翹板一樣，互相牽制的負面關聯(Chan, 2005).

20. creative ？ ？ IHV-assisted instruction featuring creative NOS Pretest Posttest  testable testable IHV-assisted instruction featuring testable NOS Pretest Posttest  creative TWIN EXPERIMENTS

21. 中文參考文獻 巫俊明（1997）：歷史導向物理課程對學生科學本質的了解、科學態度、及物理學科成績之影響。物理教育，1(1), 64-84。 徐光台（1995）：從科學史的觀點來看通識教育中科學教育與人文教育的會通問題。通識教育季刊，2(2), 1-21。 教育部（2001）：國民教育九年一貫課程綱要。台北：教育部。 許良榮、李田英（1995）：科學史在的科學教學的角色與功能。科學教育月刊，179, 15-27。 靳知勤（2002）：效化「基本科學素養」問卷。科學教育學刊，10(3), 287-308。 戰克勝（2004）：互動式科學小故事在大學通識科學教育的應用研究。論文發表於中華民國第二十屆科學教育學術研討會。高雄：國立高雄師範大學。 戰克勝（2005）：互動式科學小故事對大學生科學本質觀之影響。論文發表於中華民國第二十一屆科學教育學術研討會。彰化：國立彰化師範大學。

22. 英文參考文獻 Chan, K. (2005). A Study of the Dynamic Interplay of College Students’ Conceptions of the Nature of Science. Paper presented at the 2005 annual meeting of National Association for Research in Science Teaching, April, Dallas, TX. Conant, J. B. (1951). Science and common sense. New Haven: Yale University Press. Egan, K. (1986). Teaching as story telling. Chicago: University of Chicago Press. Irwin (1997). Theories of burning: A case study using a historical perspective. School Science Review, 78(1), 31-38. Irwin (2000). Historical case studies: Teaching the nature of science in context. Science Education, 84(1), 5-26. Lederman, N. G. (1992). Students’ and teachers’ conceptions of the nature of science: A review of the research. Journal of Research in Science Teaching, 29(4), 331-359. Matthews, M. R. (1994). Science teaching: The role of history and philosophy of science. New York: Routledge.

23. 英文參考文獻 Meichtry, Y. J. (1992). Influencing student understanding of the nature of science: Data from a case of curriculum development. Journal of Research in Science Teaching, 29(4), 389-407. National Research Council (1996). National science education standards. Washington, DC: National Academy Press. Rutherford, F. J., & Ahlgren, A. (1990). Science for all Americans. New York: Oxford University Press. Rubba, P., & Andersen, H. (1978). Development of an instrument to assess secondary students’ understanding of the nature of scientific knowledge. Science Education, 62(4), 449-458. Solomon, J. (1994). Pupils’ images of scientific epistemology. International Journal of Science Education, 16, 361-373. Wandersee, J. H. (1990). On the value and use of the history of science in teaching today’s science: Constructing historical vignettes. In D. E. Herget (Ed.), More history and philosophy of science in science teaching (pp. 277-283). Tallahassee, FL: Department of Philosophy, Florida State University.