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大學通識教育中的科學教育之意義

張惠博

學生為什麼要學科學?

  20多年前,在國外進修的時候,曾經問指導教授一個問題:「為何我們的青年學子必須學習科學?」原以為他會回答:「因為要教導這些孩子能夠面對未來的社會,過一個有責任的生活,不僅能處理個人的問題,也能貢獻所長,快快樂樂的過日子。」不意,他竟回答:「這是法律的規定,因為州政府規定每一個中學生皆應修習一定的科學學分。」面對這樣的回答,除了對於美國法律規定的完備與周延,感到驚訝之外,更興起了打破沙鍋問到底的念頭。就問他:法律何以會如此規定?目的何在?到底應該怎麼做呢?為什麼有很多的學生畏懼學習科學?有不少的學生對於科學很有興趣,卻又得不到合適的發展呢?

 

常見的科學教學

  長久以來,探究科學的精義經常被灌輸科學的概念或知識所取代。很能解題目、可以把科學課本的內容倒背如流,甚至是參考書的每一題目記得清清楚楚的教師,經常能獲得學生的信仰與佩服。當然,精通科學內容的知識,確是做為教師的基本條件,然而,對於科學的實質知識,例如:科學的本質與價值,探討科學的技能與知識更是不能忽略。事實上,讓學生學會探討科學知識應與教給學生科學知識同等重要,甚至更重要。常言道:與其抓魚給孩子吃,不如教他如何釣魚,或送給他一支釣竿。科學教學一方面應重視知識傳授,科學教師更應鼓勵學生勇於思考、發問、找到方法、數據收集、假設、實驗與預測,而不僅僅是要求學生記誦學習內容、勤練解題技巧,考試得高分為目標。

  太多的家長,甚至是學生,偶會發出類似感嘆:「學校淨教一些不實用的東西!」其實,這樣子的說法不見得公平,然而,仔細分析我們當前中小學甚或大學科學教育的課程內容,有這樣的感嘆,倒也有幾分道理,因為我們教給孩子的知識,大多是針對未來擬欲從事科學或與科學有關領域的學生為主要考量,對於這些知識是怎麼來的?如何進展、如何應用鮮少交代或說明。對於大多數不以科學或與科技有關領域為求學目標的學生而言,這樣子的科學教學與學習,與其生活需要相去太遠了。平心而論,當離開學校不必再參加考試的時候,那些課本內的知識,數學公式、科學定理、定律,雖不是全然無用,可用之處的確不是很多。何況,我們很少提供機會協助孩子學會使用那些由書本上得到的知識,那麼,大多數的孩子自然而然就不知或不會使用了。科學教育中,有兩種科學知識經常被提及,一種稱為語意的知識(Declarative Knowledge),就是關於事實和概念的知識,也可以稱為事實概念。另一種知識,就是程序性知識(Procedural Knowledge),這是有關如何開始、如何進行、如何完成一些程序的知識。一般說來,在離開學校之後,程序性知識顯然比語意性知識重要多了,因為程序性的知識,在生活上,甚至工作職域上,幾乎是隨時都需要使用的。對於一個從沒有自己設法尋求答案的孩子,成人之後,倘冀望其能自行尋求解答,恐非易事。

 

 

科學與科學教學

  科學的定義是言人人殊的,不同的人可能會有不一樣的認知。路上的行人、科學家,甚至是哲學家等,皆能提出不同的見解。不過,大體上,我們是可以把科學當作是一種知識的體系,一套解決問題的方法或過程,也是一種思考或建構實體的方法。然而,傳統的科學教學,泰半側重於科學知識內容的傳授,至於方法與思考方式,則鮮少涉及,更遑論請孩子說出他(她)們心中的想法,他(她)們如何看待世界。進一步說,科學教學存在兩大主要方法,即歸納教學法與演繹教學法,經常為教師使用的卻是演繹教學法。以演繹教學法上課時,對於名詞、辭彙先予以廓清。為了加強學生的瞭解,教師再呈現與某一(些)定義、概念、原理、推論有關的例子與反例子,再請學生確認教師所呈現的例子與反例子。簡單的說,這樣子的教學是時下補習班名師所常用的教學方法。然而,它卻不是每一個同學皆能適用的。有些同學的學習方式是必須先由具體再到抽象,或是先由個別再到全體,或是先由現象再到理論的學習順序。何況,若以科學知識的探討過程而言,較完整的科學理論,總是在不斷的研究修正歸納之後才獲得的。因此,倘有可能,科學教學也應以歸納教學法進行,避免學生無法看到科學知識發展的歷程與全貌,以為科學的發展就如教科書內容之敘述,由古至今逐一呈現,誤認為科學知識是累積而成的線性發展。

 

科學知識的本質

  由於科學教師通常著重於科學知識的傳授,對於科學知識的成長、暫時性等牽涉到科學本質的探討,實在少之又少。甚且,科學知識經常被認為是最具客觀性,甚至是絕對的、真理。其實,以建構主義而言,科學知識的成長,是科學家基於自己的經驗與研究,對於自己感興趣的現象,提出能被當時社群所接受的見解或看法,此種知識是暫時性的,極有可能日後會被修正甚至是推翻,而且,在建構的過程具有相當程度的主觀判斷。假若教師對於科學本質與價值能有較正確的認知與瞭解,則將較能掌握合宜的科學教學取向,並提供學生學習的機會。

 

對於國外的一些科學教育活動之觀察

  昔日,在美國進修的數年當中,曾參觀若干科學競賽,至今,仍記憶猶新。有幾次受邀參觀當地的高中生科學研究發表會及科學才藝競賽。一年一度的這兩項比賽,皆能吸引許多的中學生參加。研究發表會是提供每位參與比賽的學生,以口頭報告其個人或小組的研究心得。研究題目的範圍,類似國內行之有年的科學展覽,雖然,研究的深度似稍遜於國內同年級的學生,然而,就語言表達能力,及親自動手做實驗這兩方面來看,美國學生似比國內學生稍強一些。然而,時至今日,由於我國教育的進展,在表達與動手方面,二國的年輕學子應已在伯仲之間。尤其,近幾年,我國學生在國際競賽或是國際評比,確實有不錯的成績,較令人擔憂的,應是全面的水準以及在科學探究能力方面仍有所不足。至於,科學才藝競賽,就是類似國內的科趣或大眾科學競賽,惟其內容以現場動手操作為主。印象較深刻的是學生利用硬紙板製作發射筒,再輔以發射器(以橡皮筋等)發射砲彈(以高爾夫球替代),每一個參加組皆有幾次發射的機會,再比較誰能命中目標或接近目標。觀看這些參加比賽的學生在發射高爾夫球的過程當中,皆能充分的應用他們已具備的知識、技巧及使用合適的工具,以提高命中率。也曾見過以好多個玻璃瓶,瓶內裝高度不同的水量,再以棒子輕輕敲擊玻璃瓶,亦能演奏歌曲包括自選曲與指定曲,偶有音調不對,也能以加進或取出若干水量,來改變音調,真是太可愛了。相信這些學生不僅懂得科學原理,有關音樂的素養也不會太差。也有以雷射光源,透過稜鏡、透鏡的組合,以找出或預估成像的位置,並比較其測量的正確性,這類的競賽,常令學生以很高的興緻參加比賽。現場的氣氛尤為熱烈,恭喜、鼓勵之聲不絕於耳。

  暑期中,也有一些美國的中小學生前往大學,參加為期一週的科學研習,偶而抽空前去旁觀,發現這類的研習非常有趣,大抵上,仍是要求學生分組實驗、研討,並發表研究心得。有一次,看到一位六年級的學生,上台報告了他所鑽研的透鏡成像心得,很多同學在聽完之後,給予他許多的掌聲。學過物理的人皆知道,透鏡成像的主要依據是折射定律,各類書籍早有很詳盡的解說,惟,以一個六年級的學生,能自我追求,極欲瞭解透鏡成像的原理,的確值得讚賞。

  實際上,前述這些活動,於今在國內已屬常見,不論公辦或民間,常有很精采的活動,例如:遠哲科學趣味競賽,就是一項很成功的活動。再舉一例,在2010年5月下旬,前往德國柏林自由大學參訪時,更看見自由大學提供實驗室供中小學生每人每年一次到大學來體驗科學探究的滋味,其目的不在於Factual Knowledge的學習,乃在於知識追求的態度,以及對於科學探究的理解。其次,這項非制式實驗,也安排在職教師隨其授課的中、小學生一同前來,在職教師必也能從中得到學習。此外,每6位中小學生,即安排一位職前教師進行實驗中的協助,對於職前教師而言,也必能學到如何輔導中小學生進行動手做實驗的教學知能。當然,這些中小學生能提早進入大學實驗室做實驗,對於大學的理解,必也早早萌生於其心中。目睹德國的大學,為其中小學所做的努力,其實,我國大學在這些的投入,不止不少,甚至更多,只是,如何在長期系統與整合方面,乃至於設置專責機構或在現有機構下加強其功能,以提升成效,應是可以思考的課題。

 

大學通識教育中的科學教育之省思

  近20年來,通識教育一直是各大學競相努力的事項,可說是在追求研究型大學、世界排名、教學卓越之外,戮力經營的校務重點。明白地說,專業知識與通識同樣被視為是大學生必備的知識與涵養,甚且,它是人的教育,不以知識為已足。以彰化師大為例,通識教育自早期大班演講式,偏重文史法政的作法,過去5年,歷經二次變革,終成為目前包含語文教育(國文、英文)12學分,核心通識教育課程16學分,通識護照0學分必修的共同課程設計。其中,核心通識教育課程又分為人文、社會與自然學科三大類。自然學科的教育內容包括生命探索與生命倫理、物質世界規律與文明、數學推論與量化分析。再以最近幾年間,通識教育實際開課的概況分析,95學年度共開設46門,自然佔12門,96學年度,同樣開了46門,自然佔了10門,97學年度開了66門,自然佔了11門,諸如:人體小宇宙、工程與生活、台灣的植物、生命科學概論、生命科學與人類生活、汽車保養與修護、奈米科技、資訊素養、資訊與社會、數學與生活、環境科學,共有43位教師擔任授課,其中,以工學院22位、理學院16位教師佔大多數。

  學生究竟從前述這些課程、教學與學習活動學到什麼?這會是另一個有趣的問題。當然,每位授課的教師,對於通識教育課程,應有其專業與熱情,為了提升教育成效,實有必要召集全校擔任通識教育課程教學的教師進行相關的研習,針對教學目標、課程、教材、教學、學習與評量進行系統與全面的討論,方能掌握通識教育的核心。倘以自然領域為例,為了提升學習興趣,切中科學或科技發展的本質與歷程,必須提供學生體驗(一)超道德的、(二)創意的、(三)暫時性的、(四)節省的、(五)可驗證的,及(六)統合的,等六大特徵的科學本質之機會。然而,在以傳統講授為主的教學情境中,學生將較難真切體會其中奧妙。其次,近幾年來,科學探究(Scientific Inquiry)再度成為中小學科學教學中,普受重視的議題,科教學者將科學探究分為二大面向:(一)表現(Performance: What students should be able to do),(二)知識(Knowledge: What students should know)。何謂探究能力呢?簡言之,就是科學家常用來回答其感興趣的問題之系統解決途徑,包括:(1)傳統的科學過程技能─觀察、分類、測量、解釋、推論、預測、發問與分析;以及(2)綜合運用前述這些過程技能,並與科學家已擁有的科學知識、科學推理與批判思考,以發展其科學知識。接著,對於科學探究,學生應有哪些理解呢?(一)所有科學研究,皆始於問題,但不必然要驗證假說。(二)所有的科學研究不必然遵循同一套方法與步驟。(三)擬採取的探究步驟受到待答問題的引導。(四)不同的科學家,即使採取相同步驟,也不必然會獲致相同的結果。(五)所採取的探究步驟會影響結果。(六)研究結論必須符合所收集的數據。(七)科學數據與科學證據是不一樣的。(八)科學解釋是由所收集的數據以及已知的知識所發展出來的。倘以前述對於學生要能做什麼,以及學生要能知道什麼之內容為基準,當前通識教育中的科學教育,應還有許多努力的空間。尤其,欲培養學生自行尋求解答,以及學習如何學習,甚至養成樂在學習的習慣,皆是通識教育可以著力的地方。進一步來說,當前的通識教育,在意欲帶領學生欣賞知識的堂奧,必有一定程度的成效,惟,能否內化或涵蘊成為終身的能力或興趣,恐仍有未逮。此外,在過去二年間,本人曾進行一項「父母對於科學的理解及其對子女學習科學影響」之研究,發現大多數的父母,雖其原來教育背景沒有太多的科學,然而,在非制式的科學教育下,仍能引發其對於科學學習的興趣,並紛紛表示動手作、小組學習、沒有考試、強調說出自己的想法之學習活動,頗能誘發其想法、興趣與好奇心,回到家,也能與其子女進行關於科學議題的親子互動。當然,也發現不同的父母對於子女有關的教育,是很不同的,有的是訓誨式,有的,則較符開放、自主的原則。因此,大學通識教育中的科學教育,應多方面的引起學生興趣,這是教師必須面對的挑戰。

  回顧或近身觀察我國的中小學科學教育,一般的學生可能缺乏探究學習的經驗,倘進入大學之後,有關自然領域的學習,又未必能提供探究學習的機會,那麼,很可能失去實際體會科學探究的經驗。週而復始,科學、科學探究要在生活中落實,並能紮根於文化之中,顯然更加費力了。(本文發表於2010年10月8日臺灣科學教育四十年研討會─從臺灣社會發展脈絡看科學教育。空大屬於成人教育與終身學習的範疇,成人教育中的科學教育應是值得重視的議題)

  
  
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