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转:科学教育研究的进展、困境与挑战
[ 2013-8-22 17:55:00 | By: sutiger ]
 

科学教育研究的进展、困境与挑战 

 

郭重吉 国立彰化师范大学 物理系 

 

    壹、前言 

    1960年代在美国掀起的科学课程改革开始,世界各科技先进国家莫不大力投注于科学教育的推展和研究。在台湾,有关中小学和大学阶段科学教育的研究,约从 1970年代开始,即受到学术机构和政府单位的重视,陆续有学者投入教科书的研发、教学与评量的改进,以及实验设计和教学媒体的发展等方面的工作,其中有关物理的部,自然是与化学、生物、地科或数学等,受到同样的关注。从学科的特性来看,物理教育和其他自然学科的教育的确存有重要差别,但是从研究的议题、研究的方法、研究的理论基础而言,物理教育研究和科学教育研究之间仍是关系密切,可以相辅相成。 

    贰、科学教育研究的进展 

    近数十年来,科学教育的实务、研究和理论,深受科学史、科学哲学、认知心理学、教育社会学、质的研究法、心理计量理论与技术以及网路资讯科技的发展,而有长足的进展(Abell & Lederman, 2007; Fraser, Tobin, & McRobbie, 2012) 。以Fraser, Tobin McRobbie (2012)  这本专书为例,编者从全球科学教育社群邀请超过100 位的一流学者,共同撰写 96篇文章,其中主要内容系继该书第一版本(Fraser & Tobin 1998)  之后将科学教育研究领域最新近的进展加以汇整。该书内容包括当前科教研究11个主要的议题:社会文化视角与城市教育;学习和概念的改变;师资培育与专业发展;平等和社会公正;评估和评鉴;课程与改革;论证与科学的本质;校外学习;学习环境;素养和语言;和研究方法。撰写各章内容的科学教育学者从不同的观点和严谨的研究方法,突显我们目前在某一特定领域所拥有的知识,指出未来有待努力的方向,并且说明对政策与实务可能的影响与启示。 

    另一方面,在美国有一个非官方的学术研究组织The National Academies,其设立宗旨在于提供联邦政府在有关科学和科技事务上面的建议,其属下包括:The Academy of Sciences, The National Academy of Engineering, The Institute of Medicine,  以及The National Research Council.  在最近十余年来,National Research Council  几度成立研究小组针对当前科学教育研究的进展进行深入的探讨,并陆续发表一系列的研究报告。Bransford, Brown  与 Cocking (NationalResearch Council, 2000)编着的How PeopleLearn  这本专书中指出,有关学习的最新科学研究的特征之一,是强调以理解为目标的学习(learning with understanding),也就是将识、技能、信念和概念,学生注意环境的哪方面,如何组织和解读这些资讯,都深受其影响。这也就影响他们记忆、推理、解决问题和求取新知的能力。该书也提及,近代学习理论的一项基本宗旨是,不同的学习目标,需要不同的教学方法来配合;至于新的教育目标,需要在学习机会上有所改变。设计学习环境,则与在学习、转化和能力表现的过程中特别重要的一些议题有关。而这些过程则深受学习环境是否以学生导向、知识导向、评量导向和社群导向的程度影响。以学习者为中心的环境强调:有效的教学是从学习者对学习情境所带来的原有知识开始;这包括文化实践和信念,  以及对于教材内容的知识。以知识为中心的环境所注重的是:思考和解决问题能力需要容易提取和适当加以运用的知识。而支持学习的评量方面则强调形成性的评量,  提供机会让学生修正和改研究的焦点放在认知的过程。他们强调可以将人视为目标导向的行为者(goal-directed agents) ,自己会主动追求资讯。学生进入正式教育体系时,本身已经具备一些先前的知进他们思考和了解的品质,以及评量必须和学习目标相互呼应。至于以社群为中心的环境则强调学生在家、社区活动中心、和课外的俱乐部的活动,都可对学生的学术成就有重要作用。  

    National Research Council (2000) How People Learn  这本书为基础,针对自然科学

的教与学,Bransford 与 Donovan特别指出下列三个原则(National Research Council, 2005)

    一、前概念(Preconceptions) 

    学生对世界究系如何运作有一些原先就有的体认、看法和构想,而他们是带着这些来到教室的。老师在进行教学时,如果未能用到学生原先就知道的,则他们可能无法掌握老师所教的新概念和资讯,或是,他们可能为考试而学习,但是在教室以外的情境时则又回到他们原有的想法。 

    二、科学学习乃是探究的过程(To learn science as a process of inquiry) 

    学生探究能力的培养有赖:对于基本事实知识的充分了解、在一个概念架构的脉络中对于事实和想法的理解、以及以有利于撷取和应用的方式来组织知识。 

    三、认知(Metacognition) 

    采用强调后设认知的教学方式,有助于帮助学生经由设定自己的学习目标而学会如何控制自己的学习,并监测自己在达成目标上的进展。

    National Research Council (2007) 的一本专书 Taking Science to School: Learning and Teaching Science in Grades K-8。该书包括四大部分,第一部分首先回顾美国中小学科学教育的过去与现况,接着介绍当代学者对科学、科学教育、科学学习和科学教学的一些较具共通性的看法。第一部分随即针对中小学科学教育的目标,指出以往的研究经常把精熟科学的知能(proficiency in science)视为分离,主要包括科学知识和科学方法,但该书作者主张其实理解科学是多方面的;当今的研究显示,学生对某方面科学知能的获得,是与在其它方面的知能密切相关例如,一个学生对于熟悉的领域会有较好的推理能力)  。因此,该书强调学生的科学知能包括底下所述彼此缠绕在一起的精熟科学的四股知能(strands of proficiency in science),而这也代表着比较宽广的科学学习目标: 

1. 知道、使用与诠释对自然界的科学的解释;

2. 提出并且评鉴科学的证据和解释; 

3. 理解科学知识的本质和发展;并且 

4. 积极而有成效的参与科学实务和对话方面的活动。 

    National Research Council (2007)的第二和第三部分进一步详细探讨学生如何学习科学以及学生的学习科学应该要受到哪些支持。对于科学教学方面,该书认为孩子对自然界丰富但纯真的了解,是发展他们科学概念的基础。孩子的经验随他们文化、语言、和经济背景而变。这样的差别,意味着学生到达教室时,是带有不同程度的科学知识,并且对科学实践的规范也有不同的反应。教师需要对这些文化和其他背景的差别具有适当的敏感性,以及根据这些差别调整教学的意愿与技能(National Research Council, 2007)。在该书中也认为学生知识的发展和推理能力,是构成做科学 (doing science)  的活动整体的一部份。这些活动包括进行探究;与同侪分享想法;特定模式的交谈和写作;以机械、数学和电脑为基础来建立模型;以及对现象发展出适当的表征。在科学方面要发展精熟的学习,学生必须有机会参加这整个范围的活动。高品质的教学应该促进一个体认,亦即科学乃是一个建立和改进知识与理解的过程。学生应该在产生研究问题、设计解答的方法、处理数据分析、并且辩论可能的诠释,拥有适当的经验(National Research Council, 2007) 。 

    基于上述研究的发现,在 National Research Council (2007)的书中强调对K-8 学校的科学教育需要一个新的观点。它应该建立在由过去30 年在认知和发展心理学以及科学教育方面的研究,对孩童如何学习科学所提供的新洞察力和新体认之上。基于这些对学习的洞察力,我们需要在科学教育的标准、课程、教学和评量方面做一些改变,让他们是环绕着精熟科学的股知能组织 而成,并且用逐渐增长的方式,让学生跨越K-8 年级建立起科学的核心概念或想法。有关标准、课程、评量、教学和教师专业发展的构想、设计和实施,应该被当作为一个彼此符合相互一致的系统来进行。在这观点下,标准和课程应该对透过纵贯 K-8 (幼稚园到年级学校教育持续的教学而得以实现的重要的科学想法和实践,订定明确具体而前后一致的目标。评量应该针对学生逐渐形成的新的想法为教师和学生提供及时的回馈,以便支援教师改进教学的努力。师资培育和专业发展应该集中于发展教师在下列方面的知识:所任教的科学、学生怎样学习科学、以及一些特定方法和科技以支援为所有学生学习科学。该书也在第四部份进一步对科学教育政策和实务提出具体建议。 

    有鉴于科学教育的推展是在和学校教育密切相关的整个系统中进行,为了落实National Research Council (2007)的书中强调的构想和主张,除了科教学者行政主管和政策制定者之外,还有更多的科学教育实务工 作者、教师、家长等,需要对于该书强调的资讯、理念和建议有充分的了解,因此另外又由Michaels, Shouse  与 Schweingruber (2008) 撰写ㄧ本专书,名为Ready, Set, Science! Putting Research to Work in K-8 Science Classrooms ,其中包括一些个案研究,说明如何把National Research Council (2007) 书中强调的理念在教室中予以实践。  

    继此之后,National Research Council (2012) 新近完成的另外一项重要研究报告是 A Framework for K-12 Science Education: Practices, Crosscutting Concepts, and Core Ideas,这是作为推动另一波新的科教课程革新的蓝图,它本身还不是中小学科学课程的标准,但却是进一步朝此方向继续发展的基础。作为中小学科学教育的参考架构,本报告的首要目标是确保所有学生在 12 年级高三结束时,能对适度欣赏科学的美妙、具备足够的科学和工程知识能参与相关公共问题的讨论、成为与日常生活相关的科学和技术资讯的细心的消费者、能够在学校之外继续学习科学、并且具备合适技能能够胜任他们在科学、工程和科技乃至于其他行业所选择的职业生涯。基于晚近科学教育研究的成果,编撰该书的委员们认为,K-12的科学和工程教育应把重点放在跨学科的一些重要概念和各学科有限数量的核心概念,而课程的设计要让学生在不同的年级能够继续建立和修改他们的知识与能力,并且经由学生从事科学探究和工程设计所需的一些实务来支援这些知识与能力的整合。因此该委员会建议 K-12年级的科学教育应包括底下三个主要向度:科学和工程实务;整合科学和工程的学习而可以跨越学科领域加以应用的跨学科的概念;和在下列四个学科领域的核心理念:物质科学;生命科学;地球和太空科学;工程、科技术和科学的应用。 

    以上主要是以课程发展为例,介绍晚近科学教育研究成果的影响与应用。由于篇幅的关系,其他有关评量、师资培育和科技融入教学等方面类似的进展,无法逐一说明。 

    参、科学教育研究的困境与挑战 

    科学教育研究成果不但对制定政策和课程改革有所助益,对于提升国民科学素养和培育科技以人才方面也有实质上的贡献,但是和一般教育研究一样,长久以来不乏有民众、学者和政策制定者,对于研究结果是否肯定、具体、有助于教学实务的改进,提出质疑。科学教育的研究成果和理论,也常被教学现场的教师和行政主管视为天马行空,与现实脱节。面对这些值得正视的批评,近年来,有许多教育学者和科学教育学者,从不同的角度来加以检讨并设法提出改进之道。底下对于这方面的议题,分别从理念、目标和方法的角度加以绍。 

    以往许多教育含科学教育研究的主题,主要关心的问题是诸如:老师用什么样的教法、什么样的教材或媒体、或是学生在什么样的环境之下,教学的成效最好,理由为何?从教育研究的理念而言,类似上述研究的进行,大体说来,是如同在进行自然科学的研究一样,由研究者(多半是大学教授或硕、博士生)选择特定的研究问题和具有代表性的研究对象,然后利用一套公开、可靠的方法例如操纵变因和控制变因,对现象加以观察并搜集相关数据,期能对研究问题作深入的了解,找出变因之间的关联或因果关系,进而提出可以解释现象或解决问题的机制,建立可以普遍适用的理论。大部分研究者会将研究成果,撰写成论文公开发表在具有审查制度的期刊,或是硕、博士论文和相关研究报告,一方面提供师资培育机构在职前教育阶段教学或实习课程中参考使用,另一方面也期望现场教学的老师、教科书的编撰者和其他关心教育问题的专家学者,可以用来帮助解决和教学实务相关的问题。在1990年代前,类似上述描述的研究,在科学教育的领域中蔚为主流,而其影响所及迄今仍继续存在。不过,越来越多的科教学者体认到教育工作和教学过程是在一个很复杂且持续变化的情境和历史脉络中进行,很多内在、外在的因素,彼此纠缠交相影响着学校和教室中师生的互动和教学成效。这也正是近二十多年来,质性研究或是质量并重的研究,在科学教育研究中越来越受重视的原因。质性研究强调对于个案在特殊情境下问题的深入了解与描述,固然能补足定量研究在这方面的不足,但对于教育问题的广泛了解却是有所侷限,这方面的问题对于科学教育研究所带来的挑战和因应之道,在底下还会提到。 

    面对理论研究和实务脱节的难题,一个可以采行的方式是:由一个成员中包括兼具理论背景和实务经验的专家学者例如,进修或取得硕、博士学位的资深中小学教师的编撰小组,来规画编辑专书,把科学教育学者的研究成果和理论知识加以改写,尽量补充举例说明,转换成教师们易懂且容易实际运用的方式,犹如前述Michaels, Shouse 与 Schweingruber (2008) 把 National Research Council ( 2007) Taking Science to School  一书改写成 Ready, Set, Science! Putting Research to Work in K-8 Science Classrooms   一样,这种处理方式其实行之已久,而且也不难想像,若能配合加上一些在职进修或研讨会等活动,成效或许会更好。近十余年来,另外ㄧ个比较不同的思考方向,也越来越受重视,即是有学者们认为中小学教师们为了完成教学任务所需要的专业知识,主要的是和教学情境和教学实务相关的知识(practical knowledge) ,而非以往师资培育的模式中,教育学者提供给职前教师,而希望在其成为教师时能加以实际加以运用的理论知识(theoretical knowledge,  例如,认知心理学、科学哲学、社会学等等)。而对于教师们所需要的实务知识为何?谁知之最深?这些学者们的主张是应该就是从事师资培育工作的教育学者以及教师们本身。换句话说,如果教育研究含科学教育研究的研究目的是要发掘和建立教师所需要的实务知识,而非企图普遍适用的理论知识,则原先存在的理论研究和实务脱节的难题,自然而然消失不见。American Educational Research Association AERA〕会员中就有一个小组致力于这方面的研究,并出版一系列的专书强调这方面研究的知识论的基础和相关的研究方法论,而在英国、澳洲等国家,也把鼓励和培育教师使其具有对自己的教学实务进行研究的专业能力(Dana & Yendol-Hoppey, 2009; Pinnegar & Hamilton, 2009; Schulz, 2010)。这方面的动态发展值得我们参考,当然,师资培育制度要如何改革,期能在教师的养成过程中,兼顾上述理论知识和实务知识,使其能相辅相成,为教师的专业成长和教学成效,以及学生的学习带来更佳成果,仍是后续需要面对的挑战。 

    上述有关科学教育研究理念的讨论,已经指出未来对于教育研究在目标上可以考虑的方向,包括:更多考虑到师生特性和实际教学情境的个案研究、让更多教师和师资培育者对于自己的教学实务进行研究。这方面的研究目标仍是比较侷限在学校和教室情境中教学方法和教学成效的提升,从系统化的角度来探讨科学教育的问题,则科学教育研究的目标和主题,其实还有更大探索的空间,例如高中物理课程大纲的订定、职前物理教师的甄选和养成等等。此外,和政策相关的议题,其实也还很缺乏有明确、可靠的研究成果,可供参考。当然,随着研究理念和研究目标的改变,在研究方法上也势必要配合调整。 

    针对个别的研究而言,以往在研究设计、资料处理与分析、研究工具和数据搜集设备等各方面,不管是定性、定量或质量并重的研究,在研究法上皆有规则可循,比较欠缺的是对于现有文献做更为深入的回顾与评析,以及对于共通研究问题的诸多研究包括定性和定量研究),设法将其成果加以系统化的综合或回顾(systematic synthesis or review),在这方面,除了定量的研究的后设分析(meta-analysis)有既定的方法之外,其余仍是往后有待努力的方向。此外,针对相同的主题,有系统的规划与进行整合型的研究,让许多子计画从不同角度切入进行探究,期能对主要的研究问题有更为全面而深入的了解,这在经费、时间和人力资源的考量之下,应是为了解决重大的科学教育问题,可以采行的方法。当然,这在政策上牵涉到研究问题的优先顺序和资源分配等问题,要经过什么样的机制才能做出明智的抉择,是另外一项挑战。 

    肆、结语 

    面对当前快速变迁的科技社会,提升国民科学素养已经普遍被列为世界各国教育重要目标之一,透过科学教育,学习者得以理解所处的自然环境,追求更美好的生活与未来,就国家社会而言,成功的科技教育养成优秀科技研究与相关从业人才,奠立国家经济与竞争力的基础,而成熟之民主社会也有赖于普遍具备科技基本素养、理性思考、善于沟通合作、不断自我学习与面对科学相关社会议题作明智决定的公民,方得以实践。 

    二十一世纪的来临,宣示人类进入所谓「知识社会」,我们面对的是一个更复杂、变迁快速的世代,人类除面对石化燃料的逐渐匮乏、温室效应等所引发的环境与生态危机,全球化也逐渐成为驱动社会变迁的重要力量。然而,在另一方面,地区化、本土化的呼声亦不绝于耳。在科学教育领域,早期由美国所启动新科学课程改革运动,曾被引介到世界各地,然而后续的研究却发现,科学知识的传播或许是跨地区、跨文化,但科学教育面对的是人,科学教育过程与成果深受到当地文化与学生所处自然社会文化所影响。近年来,在建构主义的风潮影响下,对于学习者科学知识的概念建构、改变历程、与影响因素有更深的理解,并肯定学习者所在区域文化、个人特性与影响因素的复杂性,在全球化浪潮下,正视科学学习本土化研究有其必要性。同样道理,虽然跨学科之间的联系与整合很重要,但学科特殊性的影响却也不容忽略。因此,有关物理教育和物理教育研究的推展,在国内仍有很大的发展空间,值得大家共同朝此方向一起努力。 

    物理教育学刊,2012年,131

 
 
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