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民 99 年 12 月第 117 期第 25-32 頁 PODE 教學模式在資優科學課程設計之應用 趙毓圻國立臺北教育大學科學教育研究所博士班 摘 要 PODE (Prediction-Operation-Discussion-Explanation) 將 POE 中之觀察改為操作並加入討論步驟所形成, 由學生預測和操作結果的不一致形成概念衝突, 再經教師進行教室中學生的意義分享, 引導學生的科學概念朝著簡明 一致且符合科學社群解釋的方向前進 本文介紹 PODE 之理論基礎及實施步驟, 提供資優教師在進行科學課程設計與教學之參考 關鍵詞 : 預測 觀察 解釋 (POE) 科學課程設計 概念改變 Using PODE Teaching Model on Gifted Science Curriculum Design Yu-Chi Chao PhD student, Department of Science Education, National Taipei University of Education Abstract PODE (Prediction-Operation-Discussion-Explanation) modified from POE, changed Observation to Operation and added into Discussion step. By making cognitive conflicts between predictions and the results of operation, then guided students scientific concepts toward parsimony, coherence and accepted by the scientific community, through students shared meanings in classroom arranged by teacher. This paper introduced the theoretical framework and procedures of PODE, providing a reference for gifted edutation teachers to design science curriculum and teach science. Keywords: Prediction-Observation-Explanation (POE), science curriculum design, conceptual change 壹 前言 : 資優生的科學學習 概念學習一直科學教育研究所受到高度關注的焦點 (Lee, Wu, & Tsai, 2009), 我國在 2000 年由國科會推動全國性的 學生科 學概念學習研究 之整合型研究計畫 ( 郭重吉等,2009), 包含調查學生的科學理解 迷思概念 概念發展, 和因不同教學策略的概念改變歷程等, 以促進學生有意義的科學學習 ; 除此之外, 由經濟合作暨發展組織 (Organization 25

民 99 年 12 月第 117 期第 25-32 頁 for Economic Cooperation and Development, OECD) 舉辦的國際學生評量計畫 (Programme for International Student Assessment, PISA) 中, 試題架構包含形成科學議題 解釋科學現象和科學舉證, 分別要求學生提出解決方法 解釋發生原因和提出支持的論點, 可發現以科學概念知識為基礎, 進一步培養學生的高層次思考能力, 在國際間持續受到重視 資優生具備高度智能好奇 能在複雜的資訊中找到共通性 喜歡進行隱喻式和象徵性的思考 能將模式和系統視覺化 等等 (Clark, 2007), 科學現象具有因果關係 解釋簡明和一致的通則等特性, 正可以滿足資優生在學習上的需求, 同時在科學學習的過程中培養推理 (reasoning) 探究(inquiry) 模型化 (modeling), 和以證據為基礎 (evidence-based) 的科學論證 (argumentation) 等高層次思考能力 因此, 資優科學課程設計可進一步對應至 VanTassel-Baska 和 Stambaugh (2006) 的觀點, 必須包含 : 科學概念的理解 探究技能的培養 科學領域的知識 真實問題的調查, 和發展學生科學心智, 避免單純的知識傳輸使資優學生在科學課堂中得不到挑戰, 而逐漸喪失對科學學習的熱忱 POE (Prediction-Observation-Explanation) 包含預測 觀察和解釋三個步驟, 要求學生預測事件結果, 接著透過結果觀察和先備概念間的矛盾現象進行調和 (White & Gunstone, 2004), 除了最初設計用來調查學 生的科學理解外,POE 能有效提升學生的概念學習以及科學學習興趣 (Palmer, 1995; 邱美虹,2000), 在 臺灣博碩士論文知識加值系統 搜尋發現, 近十年 (2000-2009) 共有 72 篇博碩士論文以 POE 進行教學研究, 內容分佈在物理 化學 天文和生物 ( 前三項居多 ) 等領域, 當中國小階段 ( 見附錄 1) 佔 45 篇 (62.5%) POE 除前述能有效提升概念學習和科學學習興趣外, 其中的預測步驟引發學生對科學現象 接下來會發生什麼? 的好奇, 並接著以 哇! 為什麼會這樣? 促使學生進一步的思考, 對教師而言一簡單有效的教學策略, 因此廣泛的使用於科學教學中 相較於普通班的教學進度壓力, 資優班的科學課程允許學生有更多探究和進行實驗的時間, 筆者依據實驗室教學能有效提升學生科學概念學習及科學興趣 語言在科學教室協助學生進行社會建構之重要性, 和人本主義 (Human Constructivism)(Mintzes, Wandersee, & Novak, 2002, 2004) 之三大主張 : 人類塑義者(meaning makers) 教育目標意義分享的建構, 和準備充分教師的主動介入引導能促進意義的分享, 將觀察改成操作並加入討論步驟, 形成 PODE (Prediction-Operation-Discussion-Explanation) 教學模式 ( 圖 1) 本文介紹 PODE 之理論背景和實施步驟, 提供資優教師在科學課程設計與教學之參考 人本建構三大主張 POE PODE 實驗室教學之成效 語言在科學學習之重要性 圖 1 從 POE 到 PODE 26

民 99 年 12 月第 117 期第 25-32 頁 貳 PODE 之理論基礎 PODE 為一概念改變之教學模式, 本節將先介紹在科學教育極為重要的概念改變模式 (Conceptual Change Model, CCM), 並說明 POE 與 CCM 關連, 接著論述觀察改為操作並加入討論步驟的依據, 以及人本建構主義在 PODE 教學中所呈現之理念 一 CCM 與 POE Posner, Strike, Hewson, 與 Gertzog (1982) 以 Kuhn 典範遷移的科學革命, 和 Piaget 同化調適的觀點為基礎提出 CCM, 認為學生或科學家在產生概念改變前必須符合四個條件 :(1) 對現有概念不滿意 (dissatisfaction), 且新概念 (2) 可理解的 (intelligible) (3) 合理的 (plausible), 並且 (4 ) 豐富的 (fruitful) 以 糖溶解 為例: 直觀經驗使學生在不同年段, 均可能產生 糖隨著溶解在水中漸漸看不見, 使溶液也慢慢變輕 的迷思概念 ( 許良榮與劉政華,2004), 這時溶解前後的秤重 糖不見了重量居然還一樣! 先備概念無法解釋眼睛看到的現象, 形成學生對原有認知架構的衝突 ( 不滿意 ), 開始產生概念改變 ;CCM 指出新概念必須 可理解 且 合理 的, 表示其非為反直觀 且能經由因果關係推導的概念, 在糖溶解的概念中, ( 因為 ) 糖溶解 ( 所以 ) 變甜 ( 因為 ) 紅糖溶解後 ( 使 ) 溶液的顏色改變, 提供了學習者對新概念的直觀理解和因果推論關係, 開始調適先備概念以符合新概念 ; 新概念的 豐富性 強調適用於不同情境的類推, 除了糖溶解重量不會改變之外, 鹽在溶解前後的重量也會保持相同, 而且新概念同時能解釋 紅糖加越多顏色越深 喝起來越甜 的現象 回顧整個概念改變歷程, 溶解後重量相同 和 溶解 = 不見 = 變輕 的先備概念間產生矛盾, 引發學生產生不滿意的認知衝突, 新概念的可理解 合理性和豐富性, 在調適學生先備概念後進一步的同化 ( 類推 ) 至其他經驗後, 形成 糖雖然溶解不見, 但還散佈在水中 的新概念 POE 同樣以概念衝突的矛盾情境引發學習者的概念改變, 且由於先備概念的不穩固性, 學生在實驗觀察前通常被要求寫下對事件的預測結果和理由, 避免實驗結束後產生的新概念掩蓋先備概念, 無法仔細比較前後差異 但多數科學現象並非替製造學生衝突情境的機會, 就會在對現有認知不滿意的情形, 下自動產生可理解 合理且豐富的新概念, 舉前述 糖溶解 之實驗為例, 還需要教學者在熟知概念改變歷程的情形下, 設計適當的教學活動, 才能逐步引導學生架構穩固的科學概念 二 實驗室教學和語言在科學教室之重要性實驗室教學一直科學教學的核心 (Hofstein & Lunetta, 1982, 2004), 實驗室教學提供直接的具體經驗使學生有機會建構自身的科學概念 充滿挑戰的實務活動使學生沉浸在科學學習中, 且能透過實驗過程培養如問題解決等的科學方法, 在科學概念學習 科學態度提升和科學方法的養成, 均對學生有所助益 POE 在學生寫下事件預測的結果和理由後進行實驗觀察, 但綜合學者 (Crouch, Fagen, Callan, & Mazur, 2004; Roth, McRobbie, Lucas, & Boutonne, 1997) 看法可發現, 教學演示常流於引發學生的娛樂工具, 要缺乏足夠的解釋 或只重講解而缺乏討論, 反而容易造成學生的迷思概念 Lazarowitz 與 Tamir (1994) 和 Tamir (1991) 則進一步指出, 教師引導學生進行實驗活動有效學習的關鍵角色, 但缺乏實驗後的討論往往導致實驗室成效不彰的原因之一 由此本文轉向對語言 (language, discourse, talk, verbal) 在科學教室中之重要性 : 語言科學教室中探測並發展理解的關鍵, 同時也扮演描述或記錄事件的角色 (Bennett, 2005), 口語化的互動使說者藉著敘述的過程重新整理原有的認知, 聽者則能將之與自身的理解結合並進一步調和矛盾 (Tobin, 2006), 在挑戰原有知識的同時, 新 27

民 99 年 12 月第 117 期第 25-32 頁 概念呈現或產生知識的方式也經此重建 (Jones, 2000) 總結實驗室教學的成效以及語言在科學教室的重要性, 筆者將 POE 中之觀察改為實際動手操作, 加入討論步驟形成 PODE 教學模式, 並與人本建構主義之三大主張結合, 論述如下 三 人本建構主義與 PODE Novak 以 Ausubel 有意義的學習 ( 教材要有意義 學習者的新概念必須適當連結至舊有經驗 學習者必須自發的整合新概念 ) 為基礎, 提供教師尋找 理解和概念改變 架構的人本建構主義, 其主張包含 :(1) 人類塑義者 (2) 教育目標意義分享的建構, 和 (3) 準備充分的教師主動介入引導, 能促進意義的分享 (Mintzes et al., 2002), 人本建構主義兼採激進建構主義和社會建構主義之科學本質觀, 既承認可測的外在世界, 又強調理智上的認知作用對外在解釋建構起有效的解釋 ( 洪振方,2004), 並視教師為意義的中介者, 目的在使學生透過意義的分享, 能發展出具一致性 簡約且有用的知識評判價值 (Mintzes, et al., 2004) 主張一 人類塑義者 與建構主義 知識由個體主動建構 及 認知的功能在於組織經驗的世界 之觀點一致, 且能符合 Piaget 個體為適應環境, 認知架構能在同化與調 適間維持平衡 的觀點 ; 主張二 意義分享的建構 與 知識的成長與他人磋商形成共識的社會建構 形成緊密的連結, 認為 解決矛盾 尋求簡明 澄清知識 的理解, 在互為主體的前提下才有機會產生 ; 主張三 教師能促進意義的分享, 立論緊扣著主張二, 將人本主義及建構主義的教學觀與之結合, 強調教師必須營造適合學生的學習環境, 同時以有力的教學策略鼓勵學生進行有意義的學習, 促進意義分享的重要關鍵 結論三大主張所共同追求的, 即 依學習者的先備知識為基礎, 藉由準備充分教師的主動介入引導以促進意義的分享, 達成有意義學習的目標 ( 趙毓圻,2008b, 頁 567) 人本主義對 PODE 之啟示如表 1: 主張一 提供應重視學生先備知識及概念建構具獨特性的觀點, 包含在進行預測 (P) 及形成解釋 (E) 的步驟中 ; 主張二 強調透過社會文化及語言功能進行的意義分享的論點, 為將原本 POE 結合討論 (D) 步驟之依據 ; 主張三 將教師隱喻為化學反應的催化劑, 以促進者的角色協助學生降低學習的活化能, 說明教師角色在 PODE 教學過程中, 從瞭解學生先備概念 教學活動設計 予以學生適當的衝突及介入引導 到促進學生間進行社會互動等環環相扣流程, 所扮演的關鍵性 表 1 人本建構主義與 PODE( 修改自趙毓圻,2008b) 人本建構主義三大主張 組成成分 對 PODE 之啟示 與 PODE 之對應 人類塑義者 Piaget 認知發展論 : 同化 調適 平衡 失衡 應重視學生之先備概念 概念之建構具其獨特性 P 預測 E 解釋 教育的目標意義分享的建構 Vygotsky 社會建構論 : 社會文化 語言 ZPD 以社會文化及語言功能進行意義分享 D 討論 準備充分教師主動介入引導能促進意義的分享 人本主義及建構主義之教師角色 教師應如催化劑降低學生學習時的活化能 PODE 的環環相扣 28

民 99 年 12 月第 117 期第 25-32 頁 參 PODE 之實施步驟 接續 PODE 所形成之理論基礎後, 圖 2 說明 PODE 教學及學生概念改變歷程 : 學生進入教師事先進行教學設計的課堂中, 以先備概念對事件的預測結果並說明理由 (P), 實驗操作 (O) 後經由預測和操作後解釋 (O E ) 之間的不一致進入概念改變階段, 此時若對原有認知架構不滿意則產生概念改變形成 新概念, 在檢驗新概念的可理解 合理性和豐富性後, 帶著此 O E 藉由教師引導進行教室間的討論 (D), 在討論歷程中學習者有機會藉由教室間不同觀點的意義分享, 重新檢核自身概念的可理解性 合理性和豐富性, 進一步的強化正確概念或削弱錯誤概念, 形成討論後的解釋 (D E ) 重新存回認知架構中 以下分就 PODE 階段實施步驟進行說明 教學設計 : 人本建構主張 : 步驟或過程 : 決策思考問題 PODE 階段 同化新概念 P 預測 先備概念 滿意原有認知架構 教師介入引導 O 操作 人類塑義者 經由預測和操作間的衝突展生 進入 概念改變 概念改變階段 D 討論 強化正確概念或削弱錯誤概念 新概念 新概念可理解 進行意義分享 E 解釋 形成 接受 新概念合理 歷程持續 存回 先備概念 新概念豐富 排斥新概念 圖 2 PODE 與 CCM( 修改自趙毓圻,2008b) 一 教學設計科學課程的設計著重概念的連結性, 例如雲與霧的概念必須搭建在對水蒸發現象的理解上, 海陸風的形成必須和熱漲冷縮概念進行連結 同時, 高層次思考如創造力或問題解決能力, 也難以脫離學科內容本質, 必須搭建在學科知識的基礎上, 才得以應用 擴展而不致於形成空中樓閣 教學設計如同引導學生學習的概念地圖, 教師必須先明確的理解要把學生帶往能力可及的教學目標, 目的地確認後回頭檢視學生在地圖上的不同先備或另有概念, 並進一步延伸迷思 29

/\ /\ /\民 99 年 12 月第 117 期第 25-32 頁 概念的成因 在將學生由先備概念 避免產生迷思概念, 到建構出符合科學社群解釋的課程地圖設計中, 教師對學生概念發展以及改變歷程的理解, 扮演著指引方位的角色 八零年代左右的國際科學教育研究開始興起大量的概念學習及概念改變研究, 我國也在這樣潮流的趨勢下和經過基礎研究的醞釀, 在 2000 年正式由國科會主導, 進行幾乎投入所有科學教育菁英學者的 學生科學概念學習研究, 前後數十年來在國內外期刊 1 博碩士論文和國科會資料庫 2, 持續累積了詳盡的研究成果, 作為科學課程設計 教學與評量的參考 如此豐厚的資源當然也有助於資優教師進行科學課程的設計, 尤其在沒有教科書 又必須符合學生能力提供課堂挑戰的情形下 PODE 教學設計強調提供學生在矛盾現象前後, 預測 (P) 和操作後解釋 (O E ) 產生認知衝突的機會, 這些與先備概念的不一致可能 保特瓶外面一直流汗的礦泉水裡面居然沒有減少 碗裡加了水之後怎麼就可以看見硬幣 或 攪拌居然沒有辦法讓沉澱在杯底的鹽繼續溶解, 認知衝突使原本頑固不易改變的迷思概念搖動之後, 教師再藉此機會持續透過如 你們覺得瓶外的水哪來的 加水的過程有沒有觀察到什麼 和 加到什麼時候鹽就不會繼續再溶解 的關鍵性問題, 讓學生進行科學教室間的意義分享, 形成討論後的解釋 (D E ) 圖 3 為 大氣壓力 單元中, 先使學生理解 空氣有重量 的學習單摘錄內容, 筆者接續以此範例說明 PODE 教學實施之流程 Q 1. 想一想,( 空氣 ) 有沒有重量? 有 沒有 不一定為什麼你會這樣認為呢, 請寫下你的理由? Q 2. ( 刺破 a 氣球, 天平會變怎樣?) ( ) 2-1. 為什麼你會這樣預測? 請寫下你的理由 2-2. 操作後記錄下你所觀察的, 並寫下你想法改變或增加的部分 2-3. 請說明和同學 老師討論後, 讓你想法改變 或不變的原因 圖 3 PODE 學習單示例 ( 修改自趙毓圻,2008a) 1 2 International Journal of Science Education 在 2007 年曾發行特刊, 集結這次的研究成果 可上網鍵入 國科會專題研究計畫報告查詢 搜尋 30

民 99 年 12 月第 117 期第 25-32 頁 二 預測預測階段的目的主要使學生記錄下先備概念和寫下推論的理由, 在此之前可先使學生理解預測 ( 如以衛星雲圖 有根據 的預報天氣 ) 和猜測 ( 如 隨機 或 沒根據 的猜測骰子點數 ) 之間的差異 預測前教師陳述問題或展示實驗設備說明流程, 對事件的結果可視學生的能力, 使用勾選式的選擇或開放性的問答 ; 同時為避免影響學生的先備概念, 可將學習單上的關鍵處以空白方式處理, 如圖 3 中 Q 1 和 Q 2 括弧之設計 : 先讓學生對 空氣有重量 進行預測和理由說明, 再由教師展示兩邊掛上氣球的天平, 以避免學生看到氣球天平而 污染 原本對空氣有重量的想法 三 操作預測後學生在操作階段自行操作實驗, 記錄 ( 圖 3Q 2-2 ) 下實驗過程中的觀察 結果, 和操作後的解釋 (O E ), 並比較預測和操作後想法的差異, 如 我發現天平向右傾斜, 我原來預測不會變, 可能扁掉的氣球重量會比較輕的原因 難度較高的實驗步驟能由教師示範, 但將結果的部分保留給學生 ; 必要時教師也能在操作後提醒學生實驗應關注的焦點, 再讓學生重複進行實驗 四 討論討論階段由教師引導學生發表操作過後的實驗結果和解釋 (O E ), 並透過 小花覺得, 有沒有人可以補充其他的想法 或 剛剛小花和阿飛講的, 你覺得有沒有什麼不同 等等問題的中介, 將問題繼續迴盪教室中 ( 而非由教師驟下標準答案 ), 提供比較和先備概念間轉變的機會 ( 如 什麼原因讓你後來會認為空氣有重量 ), 而經由挑戰他人觀點的同時使新概念得以持續精緻, 逐步建構出討論後的解釋 (D E, 圖 3Q 2-3 ) 肆 結語 PODE 有助提升學生的概念學習和科學態度 ( 趙毓圻,2008a), 以學生先備概念的預測 (P) 矛盾現象引發認知衝突的新概念 (O E ), 和教室間意義分享的社會建構 (D E ) 所組成, 其步驟可由 P-O E -D E 或 P 1 -P 2 -O E2 -D E2 ( 如圖 3) 等不同循環的問題和實驗活動環扣所組成 本文同時傳遞教師在進行資優科學課程設計時, 應 考慮概念 教學活動之邏輯性, 利用過去累積豐厚之科教概念研究成果作為資源, 並將高層次思考能力建立在學科知識為基礎 之理念, 教師在此扮演促進者的角色, 協助學生原本頑固不易改變的迷思概念, 如同物體克服最大靜摩擦力開始移動, 並朝著簡明 一致, 且符合科學社群解釋的方向前進 參考文獻 邱美虹 (2000): 概念改變研究的省思與啟示 科學教育學刊,8(1),1-34 洪振方 (2004) 譯者序 : 促進理解之科學評量 臺北 : 心理 ( 原著出版年 :1999) 許良榮 劉政華 (2004): 中小學生之溶解概念的形成與發展 科學教育學刊,12(3),265-287 郭重吉 邱美虹 黃台珠 張惠博 張俊彥 周進洋 王國華 陳忠志 譚克平 黃鴻博 (2009): 中小學學生科學學習成果的評量架構與命題示例之研發 科學教育學刊,17(6),459-479 趙毓圻 (2008a):PODE 教學策略對國小中高年級學生科學學習成效之影響 國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士班碩士論文, 未出版, 臺北 趙毓圻 (2008b):PODE 教學策略對概念學習之探究 以 溶解 單元為例 載於國立臺北教育大學 ( 主編 ), 台灣教育研討會論文集 (563-593 頁 ) 臺北 : 國立臺北教育大學 Bennett, J. (2005). Teaching and learning science. London: Continuum. Clark, B. (2007). 啟迪資優 如何開發孩子的潛能 ( 花敬凱譯 ) 臺北 : 心理 ( 原著出版年 :2002) Crouch, C., Fagen, A., Callan, J., & Mazur, E. (2004). Classroom demonstrations: Learning tools or entertainment? American journal of physics, 72, 835-838. Hofstein, A., & Lunetta, V. (1982). The role of the laboratory in science teaching: Neglected aspects of 31

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