自然科學領域課綱談的科學素養究竟是什麼?

測驗及評量研究中心 | 蕭儒棠 助理研究員

  108課綱敘述自然科學領域的基本理念時指出:「科學源起於人類對生活周圍的好奇或需要。人類觀察研究自然界各種現象與變化,巧妙地運用科學來解決問題、適應環境及改善生活,科學在文明演進過程中持續累積,而成為文化重要內涵。……一個有科學素養的公民,應具備科學的核心概念、探究能力及科學態度,並且能初步了解科學本質。」

  讀完這段文字,許多人還是認為課綱所指的科學素養只是一個抽象的名詞,除了生活情境的應用,再無其他想法。科學素養究竟是什麼?我們可以從「科學家」這個名詞的誕生著手,先了解什麼是科學,接著再進一步認識何謂科學素養。

第一個故事:科學家的誕生

  「科學家」並不是一個歷史悠久的名詞,它被發明至今還不到二百年。世人熟悉的哈維、波以耳、牛頓、道耳吞等學者,都沒有自認為或被稱為科學家,也沒有被認為是從事科學的研究工作。這些學者當時被稱為「自然哲學家」甚至就以「哲學家」稱之,從事的是「自然哲學」的研究工作。直到1833年6月24日召開的英國科學促進會第三次會議,正當會議主席William Whewell(1794-1866)演講即將結束之際,頭髮花白,已多年足不出戶的詩人Samuel Taylor Coleridge站了起來,他堅決地告訴所有與會者,不該再自稱「哲學家」了。Coleridge認為,這些與會的成員或者在野外挖掘化石,或者在房間裡用電力設備做實驗,他們透過實作找尋自然世界運作的規律與機制,他們工作隨時可能會弄髒雙手,他們一點都不像坐在沙發上冥思苦想的哲學家。令人意外的是,於此同時,Whewell卻在臺上說道,他贊同Coleridge的想法,哲學家一詞的確不能準確描述所有的「科學之人」(men of science)。他建議仿照從事藝術(art)創作的artist(藝術家)一詞,以scientist一詞代表研究自然哲學的學者們。隨著scientist一詞逐漸被接受,science(科學)也開始被廣泛採用,科學真正的從哲學獨立出來,成為一個有別於哲學研究的獨立學門。

  由科學家一詞誕生的故事,我們知道科學家從事的科學工作,除了需要傳統哲學家擅長的「思考」,還必須結合現代科學特有的「實作」。透過這個故事,我們可以確定科學包含了思考與實作。那麼科學中的思考與實作究竟是什麼?我們可以看看第二個故事:物理學家費曼和父親的對話。

第二個故事:父與子的對話

  費曼小時候和鄰居在公園玩。鄰居指著一隻鳥問費曼:「看到那隻鳥了嗎?那是什麼鳥?」費曼回答︰「我不知道那是什麼鳥。」鄰居說︰「那是棕頸畫眉。看來你爸爸什麼也沒教你!

  然而,費曼的父親真的沒有教過他?父子倆曾有一段對話:

  父親︰「看到那隻鳥了嗎?那是一隻會唱歌的鳥。……就算你弄清楚了牠在全世界的稱呼,你對牠仍一無所知。我們不如來看看這隻鳥在做什麼。

  父親︰「你看,那鳥經常要啄啄自己的羽毛。看到了沒?牠一邊走來走去,一邊啄羽毛?」「你想想,牠為什麼要啄羽毛?

  費曼:「嗯,也許牠們飛行時把羽毛弄亂了,所以要整理一下。」 

  父親︰「好,若是這樣,牠們剛飛翔落地之後應該會啄得勤些,而停留在地面一段時間後就不太會啄了,你聽懂我的意思嗎?」「我們來看看牠們剛落地時是不是啄得勤些!?

  透過父親一連串的提問,小費曼學到了觀察自然現象時,不只是認識幾個名詞。他學到了,當現象出現有趣或奇異的特殊之處時,可以先思考幾個可能的想法,接著再透過有計畫的觀察,得到解答或驗證自己的想法是否正確。

科學素養究竟是什麼?

  總結前述的兩個故事,我們知道科學是一個解釋自然現象的過程。科學家在這個過程中,常會先針對某個現象提出可能的想法,接著透過觀察或實驗蒐集資料,並檢驗蒐集到的資料是否能支持自己的想法,最後再結合自己的想法與蒐集到的資料,試著解釋自然現象。在這個過程中,解釋自然現象所需的能力,指的就是自然科學領綱的「學習表現」,而對自然現象的解釋就是「學習內容」。簡言之,自然科學領綱所指的科學素養,就是培養能結合學習內容與學習表現的學生,讓他們學會觀察、蒐集或處理資料,甚至是設計實驗或提出有根據的結論等,以科學的方式描述對於自然現象的理解或批判。

如何評量科學素養?

  如何以紙筆測驗評量學生的科學素養,始終是各界關心的議題。本文最後分別就設計或評估科學探究、科學地詮釋資料或數據,以及科學地解釋現象等面向,提供三個試題作為命題示例參考。第一題評量設計科學探究的能力,要求學生運用已知的科學知識與技能,於給定的情境及所提供的簡易步驟中,思考並排列適當的執行步驟,製備實驗所需的材料(應選B)。第二題評量學生是否能科學地詮釋數據,要求學生比較、分類數據後,評估假說成立或結論得以形成的理由(應選A)。第三題評量學生是否能科學地解釋現象,要求學生在觀察科學現象後,運用科學知識與原理,形成適當的科學解釋(應選A)。


試題一

  在選購飲料時,對話中的「全糖」、「半糖」等,是一種飲料中含糖多寡的相對比例概念。但是科學上使用「濃度」來定量表示溶質存在於溶液中的情形。

  濃度的表示方法有很多種,其中,「重量百分濃度(%)」是指每100公克溶液中所含溶質的公克數,例如:100公克的砂糖溶液中,含有5公克的砂糖與95公克的水,便稱此溶液的濃度為5%。

  現有器材及藥品:砂糖、水、電子秤一臺、玻璃棒一支、小燒杯2個(A、B)。配製砂糖溶液的操作包括以下五項:

  1.計算所需要溶質與溶劑的重量

  2.取小燒杯(B)量取45公克的水

  3.取小燒杯(A)量取5公克的砂糖

  4.將小燒杯(A)放在電子秤上,按下電子秤上的歸零鈕

  5.將小燒杯(B)放在電子秤上,按下電子秤上的歸零鈕

  待上述五項操作完成之後,最後再將水倒入裝有砂糖的小燒杯,並以玻璃棒攪拌使之完全溶解,便完成砂糖溶液的配製。

  關於上述五項步驟,下列何者為較適當的順序?

  (A) 15234

  (B) 14352

  (C) 52314

  (D) 31452


試題二

  小傑完成鋁罐包覆不同材料的實驗後,得到0至20分鐘的水溫數據並繪製實驗結果如下圖。

 

  小傑認為色紙的保溫效果比鋁箔紙好,可能的證據是什麼?

  (A) 10分鐘內,鋁箔紙降溫速度比色紙還要快

  (B) 第11至20分鐘內,鋁箔紙的降溫速度較慢

  (C) 20分鐘內,鋁箔紙與色紙溫度下降一樣多

  (D) 20分鐘內,未包覆的鋁罐降溫速度比較快


試題三

  準備抽血時,有一個針頭插入阿雯手臂的血管,血液此時並未大量流出,但當醫檢人員將真空管接上針頭的另一端後,血液便自動地流入真空管。於是,醫檢人員鬆開綁住阿雯手臂的橡皮管,使血液順暢流動,以利血液的收集。


真空管示意圖

  當真空管接上針頭的另一端,血液便自動地流入真空管的原因為何?

  (A) 血管內的壓力比真空管內的壓力大

  (B) 血管內的血液溫度較高

  (C) 血管內的血液為充氧血

  (D) 真空管內的靜電力大,能吸取血液


資料來源

蕭儒棠(2020)。第四學習階段科學素養長期追蹤研究。國家教育研究院整合研究計畫案(NAER-2019-041-A-1-1-E1-09)。新北市:國家教育研究院。計畫網址:https://tpwli.naer.edu.tw。連結網址:https://reurl.cc/eELjQW


附加檔案
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