要讓學生的思考可見，教學設計需從探究開始

 科學素養即是「探究與實作」

科學的靈感，絕不是坐等可以等來的。如果說，科學上的發現有什麼偶然的機遇的話，那麼這種「偶然的機遇」只能給那些學有素養的人，給那些善於獨立思考的人，給那些具有鍥而不捨的精神的人，而不會給懶漢。(華羅庚，無日期；引自陳仁政，2004)

世界著名數學家華羅庚所提到的科學素養與能力，即是臺灣現在積極推動十二年國民基本教育課程綱要（又稱108課綱）「核心素養」的概念，「核心素養」指的就是人們在適應現在生活與面對未來挑戰時，應具備的知識、能力和態度(教育部，2014)，呼應總綱素養導向課程理念設計，自然科學領域提出四項核心課程設計與實踐之關鍵概念，分別為「探究與實作」、「主題軸連貫」、「跨學科統整」以及「撰寫報告之評量」(黃茂在，2017)。其中，「探究與實作」是自然科學領域必修課程，且在自然科學的教學中，科學探究本來就首重啟發、引導學生經由發掘問題、邏輯推理探究、閱讀理解資訊、進一步動手操作驗證等推導過程取得科學知識的核心概念及對知識內容的理解與應用能力，而這個過程正是養成系統思考的途徑，也是培養公民科學素養的關鍵途徑。

根據英國知識產權局（Intellectual Property Office, IPO）的研究，女性發明家在全球專利申請中所占比例不足13%，男女比例達到7：1。目前在英國STEM行業中，只有約四分之一的勞動人口是女性，在中學和大學修讀科學科技相關學科的女生比例也比較小。並且，根據英國知識產權局，女性發明家的比例在過去20年上升一倍，由1998年的6.8%升至2017年的12.7%。雖然專利申請的女性比例在上升，但按目前速度，可能要等到2070年才能達至性別均等(BBC，2019)。而在國內，科學界男女比例懸殊的狀況也十分明顯，而這個問題為什麼會產生呢？根據陳婉琪在2015年撰寫的文章中指出，整理2006年PISA科學就讀意願性別差異的資料如表1所示，表1只列了參與的57個國家中排名前20的國家，由表列我們可以發現位於東亞地區的國家或行政區—臺灣、日本、香港、澳門及韓國--通通都上榜了，這些國家15歲的女生未來有意願就讀科學方面的比例，都遠比同國家的男生們低，而臺灣在「科學就讀意願」的性別差距更是排名世界第一。臺灣奪冠的原因可能與文化和制度本身有密切相關，因此我們希望可以藉由教學方式的改變，也就是實施探究式教學來改善這個狀況。

表1. 科學就讀意願a之性別差異

註: a.問卷問題：「中學畢業後，我想要就讀與科學相關的科系」(I WOULD LIKE TO STUDY SCIENCE AFTER SECONDARY SCHOOL)（1=同意；0=不同意）
b.勝算比(ODDS RATIO) = 男生有意願就讀之勝算÷女生有意願就讀之勝算 ＝[男生比率÷（1－男生比率）] ÷ [女生比率÷（1－女生比率）]
c.百分點差異 ＝ 男生有意願就讀之百分點 － 女生有意願就讀之百分點
d.百分比比率（即「相對風險」[RELATIVE RISK]） ＝ 男生有意願就讀之百分比 ÷ 女生有意願就讀之百分比

資料來源：陳婉琪，2015。

「探究與實作」的學習重點分為「探究學習內容」和「實作學習內容」兩部分。「探究學習內容」著重於科學探究歷程，例如，發現問題與提出假設、解釋與建模、論證與表達等思考智能。「實作學習內容」為可實際進行操作的科學活動，如觀察、測量、調查、資料蒐集與分析等(黃茂在，2017)。但目前臺灣多數教師的養成過程或經驗並未賦予這樣「探究與實作」的教學能力(陳華傑，2016)，尤其在臺灣升學主義風氣之下，學生學習經驗是急於求得答案，在習慣於「餵養」知識的狀況下，自然科教學常常是「食譜式」實驗教學或「套裝商品」的組裝教學，長期缺乏給予學生進行「探究」生活環境的機會與時間，且對於學生「科學探究」的過程、思考歷程等智能抽象運思過程都缺乏明確可實施教學策略。因此，在教學過中，教師如何增強學生探索的能力、抽象智能的成長，以及讓學生的探索與思考的歷程可見，以逐步改善教師教學與學生學習歷程，進而增加學生「探究與實作」的能力與機會；也透過此類的教學設計，讓女生也可以在科學課堂中透過實際參與類似科學家做實驗的過程，藉此培養其學習動機，並進一步提升其未來從事科學相關工作的機率，上述是教師在教學上重要的課題，也是本文欲探究的議題。

 探究式教學的意義與重要性

科學教師不使用探究式教學法的10個最常見理由，是：需花費太多時間與精力、教學進度太慢、學生對探究教材閱讀困難、實施風險太高、能力分班使同班學生同質性高、學生不夠成熟、非探究式教學已成習慣、受限於具順序性的教科書、師生覺得不舒適、設備及器材價錢太高(Lawson, 1995)。然而，回顧臺灣中小學科學教育課程改革，從1970年代「知識本位」演替至十二年國教「素養導向」的課程理念。科學素養導向的課程實踐，意指建立一種「探究學習文化」的教育工程(黃茂在，2017)。探究式教學(inquiry-based science education, IBSE)指在教學過程中，讓學生透過假設、實驗、辯證、建模、嘗試錯誤等過程，學習科學的知識及概念，透過這樣的歷程，能培養學生系統性思考、創意思考、設計思考、理性思辨、問題解決、溝通表達等等多元能力(黃振祐，2018)，探究式教學正能帶出12年國教課綱以素養為導向的能力。

有關探究式教學法，以5E學習環探究教學 (5E learning cycle) (Trowbridge & Bybee, 1990)最為人熟知(如圖1)，5E是由3E學習環擴充而來，其五個階段為「參與」(Engagement)、「探索」(Exploration)、「解釋」(Explanation)、「精緻延伸」(Elaboration)、「評鑑」(Evaluation)。其中，「參與」即創造觀念衝突或類似真實的生活情境以引發學生動機；「探索」即提供生活中相關實例、情境讓學生思考，進而促進學生了解，使抽象的概念轉化成具體的認知；「解釋」即老師介紹模式、法則及理論，學生使用觀察及資料來解釋並摘要結果；「精緻延伸」即設計額外問題給學生，讓學生應用新知識解決問題或產生合理的推論，是另一種形式的探究活動或探索階段的延伸；「評鑑」即決定學生的概念是否正確、能否擴展至其他情境，包含形成性及總結性評鑑(紀雅芳、溫媺純，2008)。簡言之，在《探究與國家科學教育標準》指出，探究式教學有五個共同階段，依序為使學生接觸問題、事件或現象，藉機製造衝突事件；經由形成假說與測試假說的過程，以探討所提出的解釋之合理性；分析及詮釋實驗數據，綜合各部分的想法，建立模型；應用所學到新的情境；回顧與評估學到什麼及如何習得(引自洪振方，2003)。而在教學上，如何透過遊戲來達成5E學習，即是本活動想發展的目標。


圖1. 5E學習環
資料來源：MOONEY, 2020

 探究式教學之遊戲化策略

探究式教學之遊戲化策略，主要強調如何去形塑與看到學生的思考歷程，以及激發學生學習動機、擴展學生思考界線等，以下分述之：

一、激發學生參與興趣之敏覺遊戲

敏覺課程是透過觸覺及想像力讓學生將觸摸物體與自身經驗進行腦內運思連結，建構掌握在手中卻未知的實體其概念為何，同時讓孩子將思想向外推展，讓他對生活裡的蔬果進行連結，藉此讓思考及表達、經驗與理性一同呈現。觸覺屬於生理上直接感受的感官能力，它也是人在建構知識時期能運用的經驗與理性的基礎活動。因此，以觸覺為課程設計，最能引發學生高度參與。

以「市場裡的蔬果」教學為例，老師請一名學生進行黑箱蔬果觸覺體驗，旁觀的同學，他們需要統整受測同學所給予的資訊，透過小組討論的過程紀錄，進一步相互合作歸納、推理出黑箱裡的食材有那些。最後邀請各組學生輪流上台發表，將同學描述與傳達猜測的結果向所有人分享。各組的結論當然都會有所差異，因此教師在最後學習活動收尾時，透過帶領學生思考與釐清判斷錯誤的原因，並分享判斷成功的因素有那些，讓學生第一手親手感受理解邏輯推理演繹的過程。課程中，教師可帶入一些生活中不常見到的根莖類植物，例如越南茄、澳洲黑馬鈴薯等等，拓展孩子們的思考界線。如越南茄的出現除了服膺原本的敏覺訓練，更可以跟孩子們延伸討論一些社會文化的議題，例如：外來文化、移工、社會變遷，也可進一步討論與科學有關的議題，例如基改食品對人們的影響等等；而澳洲黑馬鈴薯，則可以跟孩子們討論外來食物的引入以及臺灣種薯是否自給自足等問題。除此之外，還可以放入一個經過修飾的圓形白蘿蔔，由此再衍生出對生物本質的哲學討論：一個物品被外力改變後，它的本質是否跟著改變？另外配合氣候變遷，還能加入溫度或氣候改變，是否也會造成動物的習性或外觀的改變等議題討論，以透過環境相關議題的學習，了解全球自然環境的現況與特性及其背後之文化差異。


圖2. 箱子裡的蔬果，也能拓展孩子們的思考界線

二、微辯教學之卡牌遊戲

微辯教學重點在知「微」後進行「辯證」，即透過資料蒐集進行小組間的合作學習，在同儕討論過程中利用歸納分析進行對某一個觀點的觀念釐清，並透過有效提問來進行結論驗證。這個方法很適合透過卡牌遊戲來傳達，在明確的遊戲規則下，讓學生自己練習製作卡牌，透過製作卡牌的過程練習查找、搜集資料，並進行大量資料的統整與融會，此過程可以培養學生思考以及進一步分析歸納的能力，順便提升視覺藝術能力，最後在玩牌的過程中輕鬆享受樂趣，也輕鬆完成要歸納論證、記憶要學習的主題。


圖3. 微辯教學有助於學習者釐清觀念、學會有效提問並進行結論驗證

以運用卡牌遊戲之「心臟病」課程為例： (1)選定單元主題(例如：植物葉片外型)。 (2)教師準備牌卡48張，其中16張卡牌較小，為一般撲克牌的一半，另外32張則為撲克牌大小。 (3)選定8個要學習的主題名詞，及其相對應的知識內容，將牌卡分兩類：(a)主題名詞卡 (例如：蒲葵)和(b)知識點內容卡，文字數不能多(例如：蒲葵又稱扇葉葵，葉片呈中裂，看起來像人的手掌，葉片可作為蒲扇或掃把)。(4)每個主題名詞卡作2份，寫在小卡牌上，成為16張主題名詞卡，每個其相對應的知識點內容卡作4份，寫在大卡牌上，成為32張知識點內容卡。(5)學生分組，以5個人為佳，1人擔任發牌卡荷官。此時學生每人手上有不同的知識點內容卡8張，主題名詞卡由荷官拿一份發，另外一份平攤放在桌面上。(6)遊戲開始前，學生必須熟悉每張主題名詞卡與對應的知識點內容卡。(7)由荷官發牌，當荷官依序口中唸出8張主題名詞卡的內容，同時手上也發出的主題名詞卡，當荷官喊出的主題名詞與荷官翻出的主題名詞卡相同時，小組成員競爭誰最先將相對應的知識內容讀完並取出放置在對應的主題名詞卡下桌面，其餘的學生依次讀完放置牌卡，最先的同學可以拍打疊手的同學手背，同學可以即時躲開，第一回結束。(8)可以玩到荷官手上的牌卡全部發完為止。


圖4. 大哉問卡牌遊戲可讓學生在活動中記住相關知識節點


圖5. 運用卡牌設計自然領域心臟病課程

遊戲化課程設計成功的核心是要明確找到對應的知識點。例如植物葉片背後的知識體系，如葉形、生活應用等。其次是找到知識點之後，確認寫在卡片上的知識內容是否符合學習目標，讓學生在玩牌的過程中輕鬆的釐清、記憶要學習的主題內容。接下來，核心概念建立了，再透過跨科概念與社會性科學議題，讓學生經由探究、專題製作、相互詰問辯證等多元途徑獲得深度的學習，至於如何進一步培養科學素養則是考驗老師更深層的引導功力了。

三、觀察科學特徵連結遊戲

在科學教育中，培養學生「像科學家一樣的思考、發現並解決問題」是科學教育的目標之一。對於科學與科學家特徵的認識，應有助於科學的學習（Lederman & Niess, 1997），因此，仔細查驗科學史料的真偽進行識讀，也是可延伸的辯證活動。以觀察科學特徵連結遊戲為例，教師透過三步驟進行遊戲教學:(1)選定教材相關人物(例如：伽利略的實驗室或是牛頓的實驗室)。(2)假設今天要去這位人物的實驗室參觀。(3)請同學提出這位人物的實驗室中應該可以看見的十樣擺設物品。例如書，必須說明是那一類的書，學生可以判斷科學家的專業範圍或人物特色來決定內容。學生依據他對科學家的認知或科學家的故事提出物品，老師可以引導學生判斷物品象徵的意義，增加學生對科學家與其研究之認識。


圖6. 對於科學與科學家特徵的認識，應有助於科學的學習

四、假媒體真識讀

當孩子打開電視或網頁，在瀏覽過程中吸睛的標題通常都是什麼？無非政治、演藝以及社會案件，而這些通常都是被特意選材成為頭條新聞的，因為其背後包含了許多立場。孩子的識讀世界被成人的議題給填塞，他們親耳所見所聞，都是已被解釋過與包裝過的世界。媒體作者有自己的立場，各家電視台也有自己想表述的宗旨，往往一個新聞背後的歷史軌跡與利益糾扯，是我們想像不到的。為了讓孩子能開始去尋找媒體報導背後的脈絡，課堂中可以引入「假媒體真識讀」的活動。

進行方式：藉由發行報紙的方式進行資料的整理與學習
 

（一）學習單元名稱—二次世界大戰

（二）學生分組，每組以四人為限，每組分別扮演一個國家

（三）二戰主要參戰的國家(英國、美國、德國、義大利、日本、 中國、波蘭、 俄國)

（四）各組在老師上課後，藉由已知的先備知識，開始進行設計一份報紙

（五）報紙內容必須包含: 新聞時間、聳動標題、新聞內容、人物演說、街頭訪 問、照片立場說明等等

（六）例如：

1.1939年12月德國偷襲波蘭西奈半島-二戰爆發，波蘭街頭百姓笑容依舊燦爛

2.演說稿並加上一張代表性的照片並註明拍攝記者

（七）學生相互詰問立場，例如：「為什麼發生戰爭後波蘭街頭的百姓笑容依舊燦爛？」藉由同儕提問，讓孩子去思考他所下標題的背後所代表的意涵，並想想自己是否有站不住的立場，是否要再改變立場。


圖7. 換位思考，如果你是德國的戰地記者，你會怎麼描述戰爭？


圖8. 這是真新聞還是假新聞?說說你的看法

 

 結論與建議

十二年國教的自然科學核心素養內涵，包含了「探究能力」、「科學的態度與本質」以及「核心概念」三個部分。本文探究式教學遊戲化策略，除了既有的科學知識外，要能夠提供學生探究的機會，養成探究能力，並協助學生了解科學知識產生的方式，以及養成應用科學思考與探究習慣，其實這個探究習慣更重要的是落實在生活層面。

我們在生活中，常總會把發生的事件當作是歷史，而未去探究其中發生了什麼事，在這習以為常的過程中，漸漸我們失去了好奇心與探究力。然而歷史發展有脈絡可循，科學史更是講求脈絡合理的邏輯性，以燃素說的發展而言，拉瓦節(拉Antoine Lavoisier, 1743-1794)點醒了燃素說其中的不合理，為何木材燃燒後會變輕是因為燃素離開，依此為什麼金屬燃燒後重量反而變重了呢？為何燃素說不能完整解釋氧化歷程？科學史的發展在與宗教、政治等人文環境互動下總是充滿了矛盾，而後才在科學家不斷思考突破後，才又真相大白。這些科學的發展，都是思考、探究、辯證的歷程。所以真實是甚麼？在經驗之外，我們的理性能力運作是否受到經驗的干擾以致判斷錯誤？ 現在生活上充斥的各式媒體資訊，那些訊息是真實的？要注意那些問題？形成結論最重要的關鍵何在。客觀事實與結論的因果關係並不是必然的，那些才是影響結果的客觀事實，在自然或社會領域中這些都是知識形成過程中很重要的系統邏輯思考訓練。


圖9. 透過課程模式的轉變可以鼓勵更多女性參與科學

資訊傳播如此迅速下，如果我們仍固守傳統的教學程序，強調學科知識的灌輸接受，資訊事實的重複記誦，與固定答案的思考方式，勢必會忽略了學生創造力的提升與學習興趣的促進，學生的想像力受到阻礙，將使下一代無應變新問題的能力。唯有培養出樂於思考、架構系統觀的孩子，才能符合時代的需求，並且希望其能進一步解決臺灣科學界男女比例不均的現象。


圖10. 參與研習工作坊老師們與講師黃淑靖合影