國小自然科過程技能教學的潛在問題

國小自然科過程技能教學的潛在問題

(The potential problem of teaching the process skill in elementary school science)

許良榮

前  言

我國國小自然科學課程的設計主要參考了美國ESS(Elementary School Science)、SAPA(Science-A Process Approach)及SCIS(Science Curriculum Improvement Study)三種課程。此三種課程共通的特色為活動導向(activity-oriented)，其中SAPA為高度結構化的課程，以「科學過程技能」為主體而組成，按順序進行特定目標的教學，該課程包括了以下十三項科學過程技能：觀察、分類、應用數字、應用時空關係、測量、推理、傳達、預測等八項基本過程技能以及形成假說、解釋資料、下操作型定義、控制變因及設計實驗等五項統整的過程技能。我國國小自然科以這些過程技能做為結構課程的因子之一，強調循序漸進的螺旋狀組織，依不同年級層次培養過程技能，以期能使學生習得正確的科學方法。此種活動本位、強調實務活動或由做而學(learning by doing)的課程符合七０年代西方世界的科學教育潮流，也使教學更為活潑，但是由近代科學哲學觀點而言，此種課程結構隱涵了一些值得我們省思的問題。

經驗論意涵的問題

強調科學活動與探究的課程與教學，本質上屬於經驗－歸納主義，是培根的科學方法論，Kirschner(1992)認為此種課程基本上假定科學知識最好經由實驗或實務活動來教，並且可以培養科學態度、過程技能、了解科學本質....等等。但問題是經驗－歸納並不能包含所有科學理論的研究歷程。歸納推論雖然重要，但是僅呈現科學家一部分的工作，並不能代表科學上獲得新概念或知識的所有方法。Nersessian(1991)指出在科學教育中，常強調動手操作以及活動中心的學習，通常意涵了科學方法主要是經由「歸納資料」的過程，這是一種實證論、經驗論的觀點，此種科學觀在近代科學哲學有很大的爭議。例如Kuhn(1962)的典範理論，以歷史觀點說明科學理論的革命是一種世界觀的改變，Poper(1959)的否證論更反對歸納方法的有效性，Lakatos(1970)則以「研究綱領」說明科學理論的發展。簡而言之，科學方法不只包含實驗、活動的經驗歷程，也包含論證、思辨的理性方式。例如伽利略說明自由落體的思想實驗(thought experiment)，是以論證的方式說明自由落體的速度與質量無關，而不是以實驗數據為基礎，是一種理性的活動(Soque，1987)。

當然我們不必教導小學生了解科學哲學的爭議，但是必須避免學生對科學本質的誤解，例如「所有的科學研究都是以觀察為起點」或是「經驗歸納是絕對有效的方法」，這些觀念經常隱涵於經驗論導向的課程，國內有些出版品就有類似的敘述，例如王美芬、熊召弟所著「國民小學自然科教材教法」(民84)第42頁提到：「科學一定是要透過觀察為始，進而再把觀察到的現象做合理的解釋……」。林經綸主編的「自然科學概論」(民86)第6頁認為自然科學的研究方法已有特定的程序，而且「對於自然現象的"觀察"，是所有科學研究的起源…..」。這些「科學研究必然始於觀察」的觀點在近代科學哲學的理論來說，將會被歸於不合實際的實證論學派，此學派的問題與缺失限於篇幅在此不便詳述，可參考許玫理、郭重吉(民82)、林千青(民85)對於科學哲觀、科學本質的討論。

另一方面，Carey & Smith(1993)評論現行的科學課程指出，雖然強調實做的過程技能有可能使學生學習到實驗的設計及操作能力，但是這些過程技能對於學生建構科學知識未必有幫助，也就是沒有提供學生認識科學探討的本質。因為活動本位或重視由實驗驗證理論的教學，基本上存在的問題是容易混淆「做科學」(doing science)與「學科學」(learning science)(Kirschner，1992)。「做科學」強調的是科學過程技能的學習，例如觀察、分類、測量...等等，「學科學」是指科學理論或概念的學習，強調的是科學知識的建構歷程，這是兩種不同層面的學習。Kirschner(1992)認為應用過程技能為教學方法並且又以此為學習科學的主要路徑基本上的問題是，不當地假設了科學家的探討方法或驗證一個新概念的路徑(做科學)，與學生學習科學概念(學科學)是相同的。簡而言之，「教導過程技能」是一回事，以「過程技能」為手段幫助學生學習科學又是另一回事，不能互相混淆。

假說(Hypotheses)與假定(Assumption)的混淆

「假說」(或翻譯為假設)是從事探討或研究時對於問題經過觀察、試驗或思考推理後所提出來的一種暫時性的解釋或推論，具有很高的不確定性，需要研究者進一步的試驗或考驗，以決定假說的真確性程度。而「假定」屬於一種方便研究的進行而採取的手段，或者是隱涵於理論中一些未被考驗的觀點。舉例而言，以牛頓力學的典範研究砲彈飛行，在經過初步的觀察、推算，可能建立「砲彈的加速度與火藥推力成正比而與砲彈質量成反比」的假說，這個假說是否成立，則必需再進一步設計實驗考驗之，而這個探討過程隱涵了一個假定，也就是「質量不會變化，質量與速度無關」的假定，牛頓學派從不會想去考驗，或認為沒有必要去考驗這個假定是否正確(這也是假定之所以成為假定的因素之一)，直到愛因斯坦的相對論才指出物體的質量會隨其速度的大小而變化，幸好人類經驗世界裡的物體運動速度遠小於光速，質量的變化小到可以忽略，牛頓力學才沒有由教科書中消失。在社會科學中同樣必需注意類似的問題，例如研究「學生推理能力與學習成就的關係」，研究者經過文獻探討建立了研究假說，再以統計考驗(如變異數分析)決定研究假說應該接受或是拒絕，這時必需注意的是研究資料是否違反了統計方法的「假定」，例如如果樣本不具有同質性(可由同質性考驗得知)而直接進行F考驗，則形成在違反F考驗的基本假定下進行F考驗，研究結果將變成沒有意義。簡而言之，假說是研究者形成的， 可能對也可能錯。而假定是理論的基石，如果研究者依據該理論進行研究，則不能違反該理論的假定，萬一該理論的假定錯了，則將成為錯誤的理論。以上的例子說明「假說」與「假定」在科學研究中的差異性，這是一個具有正確科學方法觀念的人必須了解的，否則假說、假定混淆使用，學生將無法了解其差別與重要性。

目前國內有少數的著作或出版物對於假說與假定並沒有明確的區分，除了可能由於翻譯語詞沒有統一的原因，也可能作者並沒有仔細思考這二者的差益。例如王美芬、熊召弟所著「國民小學自然科教材教法」(民84)第43、56頁以「假說」代表Hypotheses，在第46、51、59頁又以「假設」指稱Hypotheses，前後用詞不一，而且在第59頁轉引自楊冠政（民68）翻譯Diederich(1967)介紹科學態度內涵的第13、14項為「13.分辦假設和解決的方法…..14.假設的覺悟」，二項都是「假設」，但是根據原文為：「13.Distinguish between hypotheses and solution. 14.Awareness of assumption.」，第13項的意思是具有科學態度的人能夠區分或辨別「假說」只是暫時性的解釋，而不是已經解決了問題的理論。第14項的意思是具有科學態度的人能夠知覺到科學理論或方法有那些「假定」存在。很明顯此二項的用字與意義都不同，因此不能都翻譯為同一個名詞「假設」。原著被走了樣翻譯之後，第二手引用也沒有仔細查對就照章印刷，這是在引用文獻應注意的地方。本文必非強調Hypotheses一定要翻譯為假說或者Assumption一定要翻譯為假定，但是必須要有所區隔，尤其公開出版提供教學的，更不能誤導讀者，如果有引用的疑慮不妨就附上原文，避免混淆。

操作型定義(Operational Definition)的適切性

從物理學家Bridgman導源出來的操作型定義的中心觀點為：「每一科學語詞的意義，都必須能夠藉著指明某一特定的試驗操作，來加以標定(indicating)，以提供該語詞的應用判準」(引自Hemple，1989)。Hemple指出此操作程序必須是任何觀察者都能夠不含糊地加以實施的程序，其結果也必須是能夠客觀地加以確定。在心理學裡，這樣的判準通常是用測驗來加以形構(formulated)(如智力測驗)。不論是在科學、心理學或是社會學的研究中，為了將語意模糊的語詞(如態度、人格…..等)，能夠以較精確的方式溝通，採用所謂的操作型定義可以提供一個互為主觀的判準。但是必須注意的是操作型定義只是「部分解釋(partial interpretation)」。例如「酸」的定義，以「使藍色石蕊試紙變成紅色的就是酸」與「使pH計顯示小於7.0的就是酸」所得的操作型定義各有其特定的意義，對於酸分別提供的是部分解釋，亦即任何一組試驗操作只有在有限的條件範圍內，才能夠為一個語詞提供其應用判準。

教學生下操作型定義有助於學生對一個科學語詞提出明確的定義，但同時也必須注意是否會使學生認為所有的科學概念或語詞都必須能夠下操作型定義？因為有很多科學概念或語詞無法以能夠實際操作的方式下定義，例如黑洞、分子、能量、磁場...。換句話說科學含有很多抽象的語詞，不是操作型定義可以囊括的，而這些不能下操作型定義的科學語詞或概念，同樣具有科學意義，過度的注重科學語詞的結構與分析，將會陷於邏輯實證論的巢臼。

結  語

本文主要以科學哲學觀點討論「科學過程技能」教學可能隱含的一些問題，教導學生學習各項過程技能固然有其正面意義，可是我門必須思考教師如何看待這些過程技能？是否影響了對於科學本質的誤解？而學生學會「觀察」之後，對「觀察」在科學發展過程中的角色是否會過於偏頗？強調過程技能的SAPA課程經過美國AAAS的研發，雖然具有穩固的基礎，但是我們在引用參考時仍應注意其哲理基礎的適用性，尤其師資培育機構在培養職前教師了解國小自然科課程的內容之餘，對於科學本質也要有正確的認識，避免以經驗－實證的偏頗眼光含攝所有的科學活動，才能使學生對於科學有更開闊的心胸，對科學本質有更正確的認識。

參考資料

王美芬、熊召弟(民84)：國民小學自然科教材教法。台北：心理出版社。

林千青草(民85)：國小職前教師與在職教師對科學知識本質了解之研究。國立屏東師範學院初等教育研究所碩士論文。

林經綸等主編(民86)：自然科學概論(三版)。台北：文京圖書公司。

許玫理、郭重吉(民82)：我國國民中學自然科學教師科學哲學觀點之調查研究。科學教育，第4期，183-236頁。

Carey, S., & Smith, C. (1993). On understanding the nature of scientific knowledge. Educational Psychologist, 28(3), 235-251.

Hemple, C. G. (1989). Philosophy of natural science. 台北:雙業書局。

Kirschner, P. A. (1992). Epistemology, Practical work and academic skill in science education. Science and Education, 1(3), 273-299.

Kuhn, T. S .(1962). The structure of scientific revolutions. Chicago: University of Chicago Press.

Lakatos, I. (1970). Falsification and the methodology of scientific research programmes. In I. Lakatos & A. Musgrave(eds.), Criticism and the growth of knowledge (pp.91-196). London:Cambridge University Press.

Nersessian, N.(1991). Conceptual change in science and in science education. In M. R. Matthews(ed.). History, Philosophy, and Science teaching Selected Readings (p.133-140). Toronto & New York: OISE Press, Teachers College Press.

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Souque, J. P. (1987). Science education and textbook science. Canadian Journal of Education, 12(1), 74-86.