探究国中科学生物分另有概之型与成因

探究國中科學生物分類另有概念之類型與成因－以課室觀察及二階層試題為例－姚宗威1、顏瓊芬2、邱玉枝3彰化縣私立精誠高級中學1靜宜大學生態系2彰化師範大學生物系[e-mail]1摘要本研究旨在利用課室觀察、二階層試題及半結構式晤談等方法，進入真實的教學現場，探究國中學生在科學生物分類的主題上，部分另有概念之類型與成因。結果發現在單元課程結束後，學生仍舊持有豐富且固著的另有概念，或是將課本中的科學概念重組成另有概念，也常運用直覺來判斷科學問題，甚至將自己的另有概念誤以為是來自課本或老師，以及無法將科學概念內化為自發知識，而將矛盾概念並存於認知系統中。文後並探討造成教學成效不彰的關鍵因素，並對未來課程設計提出策略性的建議。關鍵字：二階層試題、另有概念、科學生物分類、國中生物、課室觀察1一、前言與文獻探討瞭解並維護地球上的生物多樣性，是當今非常重要的保育課題之一。而科學生物分類是認識生物之美的有效且關鍵的途徑。當人們能感同身受生物多樣性迷人之處時，自然較容易在保育上貢獻心力，為後代子孫留下美好的環境。Piaget等人指出，小孩不但四歲就開始大量利用類別來引導他們的推理過程，分類認知結構同時也是發展運思邏輯的基礎(王文科譯，1982)。若以科學學習的觀點而言，分類也是科學探討過程中所需的重要能力之一(Trowbridge&Mintzes,1985)。在生物學方面，學生若缺乏科學生物分類概念或持有另有概念，會對其他概念，例如生態學、演化學的有意義學習造成妨礙或扭曲(Trowbridge&Mintzes,1988)。例如Adeniyi(1985)指出學生因為持有細菌、菌物及水生植物各分類群的另有概念，導致無法發展出食物鏈的概念理解。國中生物第十章「生物圈的生物」共計36頁，佔國中生物全部篇幅的1/6。雖然這是介紹美好有趣、處處令人驚嘆的形形色色生物最適合不過的單元。但卻一向也是教與學不容易順利進行的單元。國內外多項研究證實，學校正式課程對學生的概念改變幾乎沒有幫助(姚宗威、顏瓊芬、邱玉枝，2002a、b；Bell,1981；Trowbridge&Mintzes,1985,1988；Yen,2001；Yen,Yao,&Chiou,2002)。甚至國內生物科職前教師的情況也令人吃驚，例如彰化師大生物系的學生，有46%將穿山甲歸在爬蟲類，24%將娃娃魚歸在魚類(陳柏棻，1993)。從認知心理學及建構主義的觀點而言，學生經由個人的認知歷程，建立了自己對自然現象的另有概念系統。而科學家們歷經了類似的認知過程，建立符合科學看法的概念系統，除了應用在各層面外，也被編製為課程，期望學生在教學過程中學習並日後能運用公認的科學概念系統。但教學策略若是著重在呈現科學知識，並要求學生進行記憶及背誦，不僅過程枯燥乏味，學生也無法經歷科學家的認知過程，以致於學生概念轉變的效果十分有限。藉此模式解讀，對生物分類教學的認知為：學生認識生物時，將個別物種與各種重要屬性建立連結，並在有需要時自由運用。科學家則是選擇相對較客觀的屬性作為分類依據。但更重要的是，學生並不知道科學生物分類系統模式與一般簡單的分類系統模式有何不同。因此如果生物分類課程的焦點是要求學生記憶一堆別人整理好的，又多又雜的分類依據及範例物種。這種策略能達到多少轉變學生概念架構的目標呢？以上關係以下圖一表示：圖一生物分類之學生概念、科學概念及教學過程關係圖2綜合以上，國內外的研究已明確指出學生在科學生物分類的概念主題上持有豐富而多樣的另有概念。另有概念的項目與類型，也在這些研究中清楚地被呈現出來。但是鮮少有研究從認知心理學及建構主義的角度，來探討學生為什麼持有這麼多的另有概念。因此本研究進入真實教學現場，探討學校的正式課程對學生相關概念改變的影響。期望能從理論的層面去探究實務上遭到困境的原因，所呈現的資料也可提供未來有興趣改進本單元教學的教學模組設計者之用。二、研究方法本研究利用人種誌學的參與觀察技術進入參與研究的班級，進行為期六週、18節課的課室觀察。單元課程結束後，再請全班學生進行二階層(Two-tiers)試題(Treagust,1988,1995)施測，並選擇11位學生進行半結構式晤談。共同參與研究的班級共有28位同學，男女各半。若以段考為判斷標準，全班的學業成就在該校約在中等偏下程度，但生物科稍佳。在課室觀察期間，研究者的角色是「被動的參與觀察者」，除了在課餘時間會與同學有輕鬆的對話與互動，上課時間則只在教室後面觀察與紀錄，不參與任何課間活動。課室觀察期間所收集的資料，包括二台攝影機全程錄影、一台錄音機錄音、現場筆記(fieldnote)、相機所拍攝的課程活動照片、每節課後與任課老師的簡短晤談。所有的影音檔案都轉錄為文字以供分析。分析資料時，先形成主題及暫時性假設，再持續以不同資料來源進行交叉比較進行三角校正，在良好建構的資料基礎上，從中擷取對本研究有價值的內涵形成主張。課室觀察結束後所利用的二階層試題，是研究團隊在先前相關研究中所研發(李慶祥等人，2002；姚宗威等人，2002a)，在本研究中作為課後概念診斷之用。施測後則請任課老師立意取樣，選擇學科能力中等程度的5位女同學及6位男同學進行晤談。三、結果與討論以下就二階層試題施測、晤談結果及其他相關佐證資料，建構出五項結果並討論之。（一）學生在課後仍然持有豐富的另有概念由二階層試題施測及晤談所得結果，可以確認參與研究班級的同學，在課程結束之後仍然持有豐富且多樣的另有概念。下表一為參與研究班級各題二層選項都答對的答對率統計結果。表一參與研究班級的二階層試題答對率（％）(n=28)企鵝土雞、飛鼠綠蠵龜、鱷魚毛毛蟲蝸牛鯨魚章魚答對率46.442.946.439.378.671.442.9蜘蛛珊瑚酵母菌乳酸菌種的定義金針菇、木耳學名答對率2528.63.610.72532.110.7由上表可以看出來，全班答對率超過50%的只有「蝸牛是軟體動物」以及「鯨魚是哺乳類」3兩題。其中「蝸牛是軟體動物」這題的答對率，與國內外相關研究相符(李慶祥等人，2002；姚宗威等人，2002a；Trowbridge,Mintzes,1985)。在「酵母菌不是細菌」一題中，學生所呈現出的另有概念類型，是引用「微生物與人類的關係」，作為判斷微生物所屬分類群時的依據。例如建興同學提到：「細菌不可以吃，所以酵母菌不是細菌。」(02-06-10-s-b1)在「乳酸菌屬於細菌」一題中，則反映出學生根據生物或分類群的名詞本身，作為判斷根據的另有概念類型。例如美惠同學提到：「因為它的名字就有一個菌字，那乳酸菌就是菌物啊。」(02-06-11-s-g5)這種起因自語言因素的另有概念的類型或成因，在多項國內外的研究中(姚宗威，顏瓊芬，2001；Hashweh,1986；Ryman,1974；Trowbridge,Mintzes,1988)有類似的發現及探討。在「土雞屬於鳥類，但飛鼠不屬於鳥類」、「珊瑚屬於動物」以及「毛毛蟲屬於昆蟲」這三題，部分學生呈現出利用運動方式作為分類依據的另有概念類型。例如俊宏同學提到：「因為毛毛蟲是靠身體蠕動來前進，所以是爬蟲類。」(02-06-11-s-b5)這種錯誤引用運動方式作為分類依據的另有概念類型。姚宗威、顏瓊芬(2001)及Trowbridge&Mintzes(1988)也曾提出，無論是台灣或美國，從國小到大學都有部分學生持有以運動方式作為分類依據的限制性看法。在「綠蠵龜與鱷魚屬於爬蟲類」這一題，全班的答對率接近五成，超過一半接受晤談的同學提到在任課老師設計的討論活動中留下了深刻印象，所以可以回答出正確的答案。但仍有部分同學呈現出利用棲地屬性作為分類依據的另有概念類型。例如嘉玲同學認為「因為它們可以一下子在水裡，然後一下子在地上，所以是兩生類動物。」(02-06-10-s-g1)在許多相關文獻中，都提出棲地屬性是許多學生最常引用的分類依據類型之一(陳柏棻，1993；姚宗威等人，2002a、b；Bell,1981；Trowbridge&Mintzes,1985,1988；Yen,2001；Yen,Yao,&Chiou,2002)。其中在姚宗威等人(2002b)的文章中，發現學生最常也最先引用「棲地」屬性，作為個人動物分類系統的分類依據。在教科書中有一段課文意圖直接呈現並澄清這項另有概念。但由「鯨魚」、「土雞與飛鼠」、「珊瑚」、「毛毛蟲」及「綠蠵龜與鱷魚」這幾題的施測及晤談結果，可以發現學生僅從課文中所舉的範例物種，知道了「鯨魚是哺乳類，不是魚類」，但是並沒有建構出課文內容所要展現的概念，那就是「科學家引用多種客觀的生物屬性，作為分類依據，而不是利用運動方式、明顯的外形或棲地等這些較不客觀的屬性。」Posner等學者指出，概念轉變不能只是單純由老師單方面教，學生就可以接收新概念或拋棄舊概念。有意義的概念衝突情境，才是學生概念轉變成功與否的關鍵因素(Posneretal.,1982)。教科書雖然想要提供概念衝突的機會，但這種直接告訴學生結果的第三人稱文字敘述，無法實質提供以學生為主體的概念衝突情境。因此對許多學生而言，這段文字中只是提供了某些知識，沒有發生概念建構或轉變的效果。（二）學生常以直覺作為判斷的根據4研究者在晤談中詢問學生所運用的知識與概念來源時，發現多位學生不是根據科學知識或證據，而是憑藉沒有具體根據的「直覺」，作為支持個人看法的理由，不僅運用自如，也不自覺有何不妥。以下舉雅芳同學的晤談為例：研究者：改你的答案嗎？雅芳：不要，那是第一時間直覺的理念啊！對啊！所以不要改。研究者：所以你相信…雅芳：第一直覺。(02-06-10-s-g2)這種人類處理問題常用，被稱之為「直覺」的策略，在認知心理學中是指個人可以運用自如，但無法具體說出解決問題的知識來源(彭聃齡、張必隱，2000)。這些同學雖然沒有在課室中學到或建構出科學生物分類知識或概念，但在需要判斷相關科學問題時，並不在意是否運用了適當的科學知識或概念作為根據，而是運用這種平日作各種判斷時常用的策略來處理科學問題，也沒有自我察覺到有任何不妥之處。（三）學生將課本中的科學概念重組成另有概念在「種的定義：老虎與花豹因為不同種，所以不可以交配並產下有生殖力的後代」一題，28位同學中只有7位(25%)答對。而11位接受晤談的同學中，有6位肯定地認為：因為老虎與花豹很像或為同類生物，所以可以交配並產下有生殖力的後代。再詳細檢視晤談結果，可以發現雖然科學上同種生物的定義，就是檢核兩個生物是否為同種的標準。但對學生而言，檢核標準是隨意引用的個人想法，而且只要被學生判斷為「同種」，那這兩個生物就具有課本中「同種生物」的「屬性」。也就是說，答錯的同學並非忘記這項老師上課教的定義，而是將這項「檢核標準」，轉變為「屬性」。這種另有概念的類型，在前人的研究中，從未被發現或提出。以下舉雅芳同學的晤談對話為例：研究者：哈...那母花豹遇到公老虎可以生後代嗎？雅芳：可以啊。研究者：為什麼？雅芳：因為兩個長得很類似啊，而且啊...而且它們...我是選一(○1同科就可以交配，產出的後代也有生殖能力。)對不對？研究者：對。雅芳：因為它們同類科可以交配啊，對啊，沒錯啊，而且它們的後代生出來一定也會很相似。研究者：這麼有把握？雅芳：嗯。(02-06-10-s-g2)由晤談資料中可以發現，雅芬認為花豹與老虎因為「長得很類似」，所以是「同類科」，因此5不但「可以交配」，而且「後代生出來一定也會很相似」。此外，雅芬對晤談者試探性的詢問，毫不猶豫地再度確認自己的看法，更是顯示出其另有概念的固著度。課本或老師想傳達的「同種定義」概念，與學生另有概念間的差異，在此以下圖二及圖三表示：圖二同種生物科學定義之示意圖檢核標準憑個人的理由判斷是否同種生物個體A生物個體B可不可AB可以自然交配並能產下具有生殖能力的後代AB不可以自然交配或不能產下具有生殖能力的後代圖三同種生物科學定義在學生思考模式中定位之示意圖（四）學生無法將科學概念內化為自發知識，而是將矛盾概念並存在「一種生物，在生物分類上只有一種拉丁文的學名」這一題