教育文選系列VI - 科學教育 - 往下紮根、向上結果（郭重吉博士教育文選）

By NCUE and 國立彰化師範大學

彰師大教育文選系列是本校在教育學術上面的一大貢獻，率先為本系列撰文的前任校長們，包括許智偉博士、葉學志博士、張植珊博士、康自立博士和王文科博士，都是治學嚴謹、學問淵博和學術行政領導能力出類拔萃的師長，在他們的大作中充分展現出本校的教育特色和文化傳承。

本書共分五章，包括「科學教育簡介」、「科學教育理論基礎」、「科學教育實務」、「科學教育研究」和「科學教育推展」等，內容涉及科學教育之發展與改革、科學哲學與科學本質、數理科的教學與評量、科學師資培育、科學教育研究的理念和挑戰、和科學教育推廣和未來發展等等。以上主題皆為科學教育重要的內容，也是學界所關心的議題。

郭艷光校長序

謙謙君子，用涉大川

備

• Language: 中文
• Publisher: EHGBooks
• Release date: Jan 1, 2020
• ISBN: 9781647849511

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國立彰化師範大學教育文選系列VI

—科學教育—

往下紮根、向上結果

（郭重吉博士教育文選）

國立彰化師範大學 著

目錄

目錄

謙謙君子，用涉大川／校長序

白沙睿哲、化育綿延 繼往開來、開創大局／主編序

科學教育–往下紮根、向上結果／作者自序

壹、科學教育簡介

1.    科學教育和教育以及科學的關聯

2.    認識科學之奇，了解科學之用，欣賞科學之美

3.    科學教育改革的回顧與現況

貳、科學教育理論基礎

1.    建構主義的簡介

2.    從牛頓的蘋果到薛汀格的貓—漫談科學的本質

3.    回顧與展望建構主義在推展科學教育所扮演的角色

4.    延伸閱讀文章

4.1 從認知觀點探討自然科學的學習

4.2 從建構主義的觀點探討中小學數理教學的改進

4.3 從科學哲學觀點的演變探討科學教育的過去與未來

4.4 建構論：科學哲學的省思

4.5 從建構主義談數理師資培育的革新

參、科學教育實務

1.    科學與數學的教學與評量

2.    科學與數學的師資培育

3.    延伸閱讀文章

3.1 英美等國晚近對學生學習風格之研究

3.2 評介學習風格之有關研究

3.3 學生科學知識認知結構的評估與描述

3.4 中小學學生科學學習成果的評量架構與命題示例之研發

3.5 科學教師學科教學知識

肆、科學教育研究

1.    科學教育研究的簡介

2.    延伸閱讀文章

2.1 從學生的學習談物理教學的研究與改進

伍、科學教育推展

1.    科學教育的推展：整體化與系統化的取向

2.    社會變遷對當前臺灣推展中小學科學教育的衝擊

3.    從臺灣經驗省視亞洲科學教育的挑戰與機會

4.    科學教育的未來發展:實務智慧的養成

5.    延伸閱讀文章

5.1 從政策層面評述國際間科學教育的改革

5.2 從新世紀的挑戰談中小學教育的革新

5.3 1982～2012年國家科學委員會推動科學教育研究計畫之歷史性回顧

5.4 從實務理論初探教學實務模型的發展與應用

附錄

一、個人簡歷

二、著作

三、臺東大學70週年校慶特刊訪談紀錄

轉型大學，朝學習社區卓越邁進

謙謙君子，用涉大川／校長序

備註：語出《易經》，意指以非常謙虛的態度處理事情，即使處於險難中，也能安然度過。

與智者邂逅，是一場心靈的精采對話，智者讓我們跨越領域，汲取智慧。特別當我們靜下心來，凝目回望教育歷史，有一群孑然挺立的身影，汲汲辛勤於教育工作，如涉大川的謹慎用心，他們不僅有著深切的教育熱誠，而且洞見觀瞻，謙謙君子，溫潤如玉的典範，那是教育史裡的幸運。本校教育文選叢書正是記錄這些教育行者的系列典籍。

《科學教育-往下紮根、向上結果》由郭重吉教授主筆，郭教授歷任彰化師範大學科學教育學院（理學院）院長兼科學教育研究所所長、榮譽教授、理學院講座教授、臺東大學校長、教育部顧問室顧問、諮議委員以及行政院國家科學委員會學門召集人、諮議委員等職。古人云：｢求木之長者，必固其根本；欲流之遠者，必浚其泉源。」教育是百年樹人的大計，本書記錄了郭教授堅持教學和科研工作的理念和學說，精闢的學術理論，從牛頓的蘋果到薛汀格的貓，深入淺出漫談科學的本質，談科學哲學的省思，以及對科學教育改革的回顧與現況，不但提供了科學教育藍圖，更從科學哲學觀點的演變探討科學教育的過去與未來，系統化的探討在職科學教師的學習和專業發展，引領認識科學之奧，透徹科學之用，欣賞科學之美。其中基礎科學、數理師資培育的革新、科學教育之實務，對當今大學教育改革亦不無啟示。

教育培養高貴的靈魂，本校以師範為本，教育為先，科學為用，人文為心，厚植教育素養，從專業教育中創造價值，秉持知識與應用兼顧，傳統與當代相融的目標，孜矻不懈，守本求新。《教育文選》的編著，為提供一種生命的思量與教育前行的座標，回顧出版之始的堅持，因我們抱持著對教育的敬重，教育文選持續的出版，每一冊，每一種典範，每一個故事，每一種感動，鼓勵青年學子以前輩為典範，期許在未來的發展和精神傳承上，能激發卓越，堅持優良的傳承而開展出新的傳統。

D:\Users\Admin\Documents\寶悅業務資料\01. [出版]出版品發行管理\03 專書(郭重吉教授)\專書108.04.24打字\校長簽名橫式（1050801正式啟用版）.jpg 國立彰化師範大學校長 謹誌

2019年11月27日

白沙睿哲、化育綿延 繼往開來、開創大局／主編序

彰化師範大學校址原為省教育廳「臺灣省中等教師研習會」所在地，當時因效法明儒陳獻章(尊稱白沙先生)的教育思想，將會址定名為「白沙山莊」。本校承襲白沙精神，在歷任校長的領導及師生共同努力耕耘下，校譽興隆，名揚國際。有鑑於此，在西元2011年，正值建國百年，也是本校創校四十周年，張惠博前校長的遠見擘劃下，推動白沙教育文選。白沙教育文選截至目前已出版五集，獲得熱烈回響。本集是現任郭艶光校長指示李漢文研發長，特別為享譽科學教育界的郭重吉榮譽教授出版的巨著。本人則忝為主編，深感惶恐，期待能做到盡善盡美。

我與郭榮譽教授有一段很長的緣分，其可以追溯到1973年，當時他擔任我們的系主任，名校畢業，青年才俊，很受我們學生的景仰和愛戴。之後的1991年，我在美國完成博士學位後，很幸運地，獲得郭老師的邀請回到母校，受聘於科學教育研究所，並有機會擔任所和院祕書，隨後，在郭老師擔任國科會科教處處長、臺東大學校長、乃至再回校擔任所長、講座教授等職務期間，都受到郭老師的教導和提攜，非常感恩。這種亦師亦友的緣分，實在很難得。也因為長期耳濡目染，充分感受到郭老師學養豐富、待人和善、溫文儒雅，並能為臺灣的科學教育長期耕耘，繼往開來、開創新局，帶領臺灣走向世界，名揚國際，可說為我國科學教育界之寶。

《郭重吉博士教育文選》是郭教授四十多年來，進行科學教育之教學、研究、行政及推廣工作，所累積的百篇學術著作及演講文稿等所匯集而成，內有作者對科學教育及其研究之洞察、實證、行政與心得，兼顧理論與實務、研究與教學。郭教授將本書取名為《科學教育–往下紮根、向上結果》，個人認為有其多種意義：其一，國際科學教育的目標，已從菁英教育轉向全民教育，培養全民的科學素養，已成為各國教育的重點，本書書名符合此潮流；其二，本書可供中小學科學教師、師資培育者和研究人員參考，對科學教育之往下紮根很有幫助；最後，郭教授期待我國的科學教育能繼續開花結果，意義深遠。以上這些意義，很符合本校校歌前二句「白沙睿哲、化育綿延」的精神。

本書共分五章，包括「科學教育簡介」、「科學教育理論基礎」、「科學教育實務」、「科學教育研究」和「科學教育推展」等，內容涉及科學教育之發展與改革、科學哲學與科學本質、數理科的教學與評量、科學師資培育、科學教育研究的理念和挑戰、和科學教育推廣和未來發展等等。以上主題皆為科學教育重要的內容，也是學界所關心的議題。第壹章「科學教育簡介」，是對科學教育的初步、整體介紹；第貳章「科學教育理論基礎」，略述科學教育的廣泛理論基礎，從科學史、科學哲學、教育學、教育心理學、教育哲學、到教育社會學等等。又以建構主義的理念對於科學教育的影響深遠，郭教授特別從科學哲學的角度，介紹其對科學教育的啟示；第參章「科學教育實務」，著重於中小學數理科的教學、評量和師資培育的實務說明；第肆章「科學教育研究」，簡介科學教育研究的理念、目標和方法，及科學教育研究的進展、困境與挑戰，郭教授特別鼓勵現場中小學教師加入科學教育的研究陣容；第伍章「科學教育推展」，從社會變遷、臺灣經驗、人文社會實務觀點等，思考科學教育教育的推展，以及未來的展望。

本書章章內容豐富，前後連貫，而為了讓讀者容易理解，每章都會先以演講大綱，提綱挈領，由淺入深的加以介紹，並且針對有興趣的讀者，在該章後附上作者撰寫過的論著，以利讀者延伸閱讀。本書對後輩莘莘學子欲了解或研修科學教育之理論和實務，將會是很有幫助的，可以成為我國科學教育的一本教科書，提供想了解科學教育的初學者、中小學教師、研究生或師資培育者之參考。也期待本書之發行，讓未來臺灣的科學教育更能紮根立穩，發光發熱，開花結果。

國立彰化師範大學科學教育研究所教授    王國華

謹誌於民國一○八年十一月七日

科學教育–往下紮根、向上結果／作者自序

教育文選系列是本校在教育學術上面的一大貢獻，率先為本系列撰文的前任校長們，包括許智偉博士、葉學志博士、張植珊博士、康自立博士和王文科博士，都是治學嚴謹、學問淵博和學術行政領導能力出類拔萃的師長，在他們的大作中充分展現出本校的教育特色和文化傳承。我在學校創校之初即已到校服務，個人在教學研究方面的學習與成長，受惠於學校提供的環境和機會，也承蒙前輩師長的提攜，和其他同仁的協助與鼓勵。因此，做為彰化師大的成員，能受邀接續此一系列專書的撰寫，敘述個人在本校服務過程中學習成長的經驗，體現白沙精神的傳承與創新，自然是一項莫大的榮幸。

配合學校的定位和功能，我在彰化師大服務這數十年間，在教學、研究、服務和推廣上面，主要聚焦在科學教育上面；這是在整個教育領域當中，針對中小學自然科學的教與學的一個次領域。我了解一般人對於人文和科學（狹義的自然科學）之間的關係，很可能未必深究甚或多少有些誤解，也有一些人對於科學抱著莫名的排斥或厭惡。這種現象自然是和許多人求學過程中一些受挫的經驗，以及長久以來，升學主義掛帥、考試領導教學、科技理性被誤解誤用等因素，脫不了關係。當然，在人文社會學科之外，自然科學、數學和科技，其實也是人類文化、創造發明和生活中不可或缺的一部分，而本書的目的就在於以個人的體驗為基礎，來報導、反省和前瞻有關提升國民科學素養的一些議題。這是本書取名為《科學教育–往下紮根、向上結果》的主要理由。

我整理一下曾經在專書章節和期刊發表的論文，發現如果是把這些集結成冊的話，雖然或許可供中小學科學教師和從事科學教育研究學者們參考，但對於其他學科領域背景的讀者而言，恐將過於枯燥繁瑣。為期有助於讀者們對科學教育的了解、關注與重視，而又避免為此專書全面從頭改寫，因此，我嘗試用一個比較不同的方式，來編撰這本專書。配合上述本書的目的，我篩選以往有關科學教育的演講大綱和中文著作，將其加以組織和彙整，大略分成科學教育簡介、科學教育理論基礎、科學教育實務、科學教育研究和科學教育推展等五章。這些歷年來先後完成的演講大綱和中文著作，除刪去明顯重複之處，基本上是保留原有內容和型式，未做太大修改。在每章開頭的簡單引言之後，我先挑選一些上課或演講大綱，以比較簡明扼要的方式，對科學教育所涉及的一些重要層面，由淺入深的加以介紹。原本演講大綱中的一些插圖由於涉及版權問題不便在書中複製，因此在本書中只能註明出處或以單向、靜態文字的方式呈現，這對於一些概念、想法的表達和溝通，難免會造成阻礙，甚或引起誤解。有鑑於此，並且也是針對有興趣進一步比較深入了解科學教育內涵的讀者，我在第貳到第伍章的後面，以延伸閱讀的方式附上一些曾經撰寫過的論著，以利讀者參考。上述演講大綱和論著，雖然其呈現方式和內容深淺程度不同，但整體而言，都是在引介一些科學教育的重要議題，應可相互參照以收相輔相成的功效。

上述選擇編入本書的論文中，除個人單獨執筆之外，尚有一部分是和指導過的碩博士學生或是國內外研究夥伴共同撰寫，特此感謝這些亦師亦友的共同作者。另外值得特別一提的是，作者注意到近一、二十年來在國外人文社會學科，有一股所謂「實務轉向」（practice turn）的風潮，主要關注的重點是指出傳統上對於人文社會科學諸多領域的研究和理論，受到許多學者對於科學方法狹隘的誤解，過於重視以化約的方式探求現象之間的線性因果關係，忽略人文社會現象的整體、複雜、動態發展、和與情境有關而難以預測等等的特性，而其新近的理論發展，對於教育和科學教育應該甚具啟示，但在台灣似仍未受到應有的重視。因此，在本書第五部分末了，配合一篇演講大綱，附上一篇【從實務理論初探教學實務模型的發展與應用】的文章，分別說明其對科學教育和教育的啟示。就上述相關的議題而言，可見對於科學教育的推展，除了在學科內容偏重數學和自然科學之外，其餘有關科學教育的教學目標、理論、策略、和方法，其實也和其他許多學科一樣，都源自哲學、教育學、心理學和社會學等基礎學科對於個人和社會相關議題的關切，尤其是涉及世界觀的轉變；就這方面而言，不同學科領域之間的相互觀摩與借鏡，自應有其可取之處。因此，期盼讀者可以用大家專長的學科背景做為對比的基礎，來閱讀本書，並不吝指教。

我把個人的履歷、著作清單等放在本書的附錄，藉此機會衷心感謝家人、親友、學生、同事、和前輩師長，一路走來的伴隨、支持、和鼓勵。個人在科學教育學術研究方面的學習與成長，得力於國科會科教處長期以來在專題研究計畫上的資助，以及國內外科學教育社群許多同儕的相互砥礪。本書之所以取名為《科學教育–往下紮根、向上結果》的另外一個原因，是基於這也是個人在職業生涯中自我期許、努力不懈的目標；在附錄的個人履歷中，亦簡略提及個人在科學教育和教育上面的服務與推廣，其中除多年來在校內學術行政的服務機會之外，還有兩項是對校外教育學術社群更廣泛的服務，這是個人深感慶幸、引以為傲的。一則是借調到國科會擔任科學教育發展處處長，另一則是擔任國立臺東大學校長。有關國科會科學教育發展處的業務，及其對國內科學教育學術發展的影響，在本書中有演講大綱和專文簡單介紹；至於後者，臺東大學公關暨校友服務中心許秀霞主任於2018年初親自來臺中採訪，並撰文報導，我徵求她的同意，也將該文納入附錄。

彰化師大肩負高等教育和中小學師資培育的重責大任，許多師長和畢業校友在校內外不同領域的教學、研究、服務和推廣上面，都有非常傑出的表現，「往下紮根、向上結果」應是我們彰化師大白沙傳承的一部分，也是年輕一輩在校同仁和學生們，繼續努力、追求卓越的目標。本書得以出版，要歸功於郭艶光校長的鼓舞和推薦，以及主編王國華教授的多方協助，研發處李漢文研發長、張慧娟組長和專案行政組員施寶悅等多位同仁在編輯和出版上的付出更是功不可沒，謹此致上誠摯的謝意。

國立彰化師範大學榮譽教授 郭重吉 謹誌

2019年3月10日

本章的講演大綱旨在對科學教育做個初步、整體的介紹，這些是取自最近兩年在師資培育中心為師資生開授的選修科目—科學教育，因為選課的同學來自全校各學院不同系所的學生，其中也包含大陸來的交換生，考慮到同學們多元的背景、興趣和目的，上課內容的選擇和呈現，也力求豐富多元、生動有趣、和由淺入深，並且針對一些重要觀念和議題，預留時間，在課堂上鼓勵不同學科背景的同學發表意見和分享學習心得。在針對選定主題提供基本的資訊之外，更希望能引發學生的思考、想像和討論。本章的講演大綱如下：

1.    科學教育和教育以及科學的關聯

2.    認識科學之奇，了解科學之用，欣賞科學之美

3.    科學教育改革的回顧與現況

3.1 美國數學及科學教育改革的回顧

3.2 以大概念理念進行科學教育

3.3 我國科學教育改革的回顧與現況

1.    科學教育和教育以及科學的關聯

2.    認識科學之奇，了解科學之用，欣賞科學之美

3.    科學教育改革的回顧與現況

3.1    美國數學及科學教育改革的回顧

3.2    以大概念理念進行科學教育

3.3    我國科學教育改革的回顧與現況

科學教育的理論基礎包含範圍甚廣，可以從科學史、科學哲學、教育學、教育心理學、教育哲學、到教育社會學等等。過往數十年間，個人在科學教育的教學和研究工作中，充分體會到建構主義的理念對於科學教育深遠的影響。儘管許多學者和社會大眾目前對於建構主義的印象，很可能認為是由盛而衰、時過境遷的口號，但如果屏除建構主義各個不同流派之間不同的主張，聚焦在其共同關注而有別於其他學說的主張，則不難發現建構主義的基本理念，其實已對晚近數十年來科學教育的改革，產生了重大的影響。本章的內容主要是從科學哲學的角度，介紹建構主義的理念及其對科學教育的啟示。如下所示，在圍繞著以建構主義為主題的三個講演大綱之外，附件中另外蒐集作者和共同作者歷年來陸續發表在期刊或專書章節的一些著作，以供有興趣的讀者進一步參閱。

1.    建構主義的簡介

2.    從牛頓的蘋果到薛汀格的貓—漫談科學的本質

3.    回顧與展望建構主義在推展科學教育所扮演的角色

4.    延伸閱讀文章

4.1 從認知觀點探討自然科學的學習

4.2 從建構主義的觀點探討中小學數理教學的改進

4.3 從科學哲學觀點的演變探討科學教育的過去與未來

4.4 建構論：科學哲學的省思

4.5 從建構主義談數理師資培育的革新

1.    建構主義的簡介

2.    從牛頓的蘋果到薛汀格的貓—漫談科學的本質

3.    回顧與展望建構主義在推展科學教育所扮演的角色

4.    延伸閱讀文章

摘 要

從認知的角度，來探討學生在學校環境中對於某一特定學科的學習，是歐美各國在教育心理學方面研究的新趨勢。其中尤其是有關學生學習物理、化學、生物和地球科學等自然科學的研究，近年來更是廣受科學教育界的重視；它不但是科學教育研究的一個新的領域，更是推動另一次革新自然科學的課程、教法和評量的主力。在本文中，首先簡要的回顧和學習有關的研究，並指出其未來發展的趨勢；其次介紹近十餘年來，歐美等國有關自然科學的學習之實驗研究。對於從認知觀點來考慮學生學習自然科學的一些主要理論，亦在文中詳加評述；此一新的認知觀點，視學生的學習為概念上的改變，它強調學生在學習過程中積極主動的角色，以及學生某一特定學科原先已知的知識對於學習該學科的影響。目前，從認知的觀點來探討學生對於自然科學的學習，已獲致許多具體的成果。這些研究結果對於推展科學教育的實務和研究可能產生的貢獻和影響，最後亦在文中予以討論。

On Learning Science: A Review of Research from Cognitive Perspectives

Abstract

There is a new trend in educational psychology research to study from cognitive point of view on how students learn from their studies of specific subject matters in school environment. Investigations on the learning of science courses such as physics, chemistry, biology, and earth sciences have attracted much attention, in particular. In addition to opening up a new area of research in science education, it is gaining strength toward becoming a major factor in promoting another reformation in science curricula, science teaching and evaluation. A brief review of the studies on learning was made in this work, with their future trend of development also pointed out. The results of both experimental and theoretical studies on students learning in science which had been carried out in western countries in recent years were closely examined. The implications of these research findings on the practice and research in science education were also discussed.

壹、緒言

近數十年來，科學教育研究和實務在心理學方面的基礎，一直深受行為主義學派的主張和皮亞傑認知發展論的影響。近年來，由於研究人類認知過程的科學家們，包括認知心理學家、人工智慧和資訊處理方面的研究者、腦神經專家以及語文學家等等，對於人類究係如何接受資料、編碼（亦即將資料轉換成合適的表徵）、理解、記憶、組織、和解決問題等過程，已累積了許多研究結果，並建立起可資運用的模型。因此，目前我們能以更寬廣的角度，來探討人類學習和解決問題的過程，並獲致比以往更為深入的瞭解。有關這方面的研究，請參閱Champagne與Klopfer（1984）、Frederiksen（1984）、Shuell（1986）和Wittrock（1986）的評論。

除了上述認知科學方面新的發展之外，建構主義的知識論以及定性研究方法的地位在教育界，尤其是科學教育界，也逐漸受到肯定。因此，近年來以認知觀點來探討學生有關自然科學方面學習的研究，在英、美、德、澳、以色列、加拿大等國急速地增加。不同研究小組的實驗研究結果，發現在許多自然科學所涉及的教材內容上面，不同年齡的學生，在學校教學之前，即已持有一些有別於正統科學的想法，而學生在校的學習深受這些原有想法的影響。他們注意到，學生不正確的原有想法，即使在教學之後也頗難予以改變，因此對於學生學習正確的科學概念造成了很大的阻礙。在這些實驗研究中，很多科學教育家也提出一些教學策略，嘗試有計畫地誘導學生產生概念上的改變。另外也有不少科學教育家從教育心理學、科學哲學和社會學等角度，對學生在自然科學方面的學習，提出一些理論上的看法。除此之外，近年來在英、美、紐、澳等國，更有許多大規模的自然科學課程的改進計畫正在進行。

國外這方面的發展，當然也引起國內從事科學教育工作者的重視。因此，在行政院國家科學發展委員會人文科學發展處和科學教育發展處的共同策畫之下，從民國七十五年開始，即每年舉辦一次有關認知與學習基礎研究的研討會，由專家學者發表論文（行政院國家科學委員會，民75），邀請國內許多心理學、哲學、科學教育、資訊科學、自然科學、數學、語文學等各方面的學者參加。陸業堯（民77）並曾對近年來國科會在這方面資助進行的研究計畫加以介紹。有鑑於國內科學教育界在這方面的努力才開始不久，對於國外為數眾多可供參考的文獻，尚無比較詳盡的評述，因此在本文中，特針對國外近十餘年來有關學生學習自然科學的研究，予以綜合整理，並擇其要者加以介紹。文獻來源以ERIC出版的CIJE和RIE所登錄的論著為主，並參考部份有關的英文書籍。除了特別聲明之之外，文中所討論的學生係以中、小學生為主，而其學習的內容則偏重於學校課程中的自然學科（包括物理、化學、生物、和地球科學）的學習。

為了從比較廣泛的背景來瞭解認知觀點的特色及其重要性，在第二節中，將簡要地回顧有關學習研究的歷史，並探討其未來發展趨勢。在第三節中，將對國外近年來許多從認知觀點探討學生學習自然科學的實驗研究，擇要地評述其研究旨趣、內容、方法和結果。關於學生學習自然科學，科學教育學家們從認知觀點所提出的一些理論上的看法，則在第四節中加以綜合介紹。最後，對於從認知觀點來探討學生對自然學科的學習在實驗和理論兩方面的研究，我們將於第五節中針對其主要研究發現，討論它在科學教育實務和研究所隱含的意義。

貳、回顧與展望學習方面的研究

有關學習的研究，不但涉及了哲學、心理學、社會學、教學法、教學媒體、課程設計、和師資培育等等廣泛的層面，同時也具有相當漫長的一段發展史，詳可參閱Travers（1983），Hergenhahn（1982）。為了瞭解前人在學習方面的研究的做法和成就，並藉以探索進一步研究的方向，茲將數位學者對於近代與學習有關的研究所作簡要回顧介紹如下：

Jenny L. Covill-Servo與Ron Hein（1983）曾以圖一概述教導和學習方面研究的歷史發展。他們指出從1900到1950年代，由聯結學習（associative learning）觀點所發展出為數驚人的學習理論，雖然這些學習理論彼此在以聯結的方式來解釋學習，以及把心智方面的事情完全排拒在外這兩方面，有共同的看法，但是對於究竟學習是怎麼產生的，每一個理論的解釋卻各不相同；他們的解釋乃是因實驗對象（例如老鼠、鴿子、狗、雞等等）和考驗這些實驗對象所用的任務（例如迷宮、Skinner的盒子等等）而異。圖一中所示Wertheimer、Piaget等採取認知和知識論的學者，在1910~ 1970年代所致力的研究重點，包括知覺、概念形成、解決問題、創造力、和思考等方面，這些無法直接觀測到心智方面的現象乃行為主義者所排拒的。至於Pogers等人的人本主義，則係在1960~ 1970年間提出。由圖一中尚可看出許多學者，例如國內科學教育界比較熟悉的Skinner、Bruner、Gagne和Piaget等人，對於促成一個完整的教育理論的貢獻及其努力的方向。

Noel Entwistle（1985）在對於教學理論的簡要回顧中，特別指出1950年代Skinner的制約理論，1960年代Piaget的認知發展理論，1970年代Ausubel有意義學習的主張以及Rogers的人本主義，皆可做為當時教育心理學方面的主要思潮。至於在1980年代教育心理學研究的方向為何？Entwistle認為最重要的應該是指向一些互動的理論，亦即圖一所示的教室互動和性向處方互動等方面的研究。Entwistle指出，行為主義學派和認知心理學家以往的研究，係著重在可加控制的簡易實驗環境，欲將他們所得結論引申到學生在教室中的學習，其實是非常危險；同時，關心個別差異的心理學家們則認為，他們的研究結論，乃是基於大樣本的測驗成績所作的繁複統計分析，而實際上在此過程中個別的學生已從他們的視野中消失了。

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圖一 教學研究的歷史發展

（J. L. Covill- Servo & R. Hein, 1983）

Entwistle認為以往許許多多有關學習的理論，雖然多少有可取之處，但卻都無法對於學生在教室中的學習做合適的描述，因此今後比較符合實際要求和易為人接受的學習理論，應該要能顧及在教室情境中，學生、教師、以及教學目標和教材內容等等各方面相當複雜的交互作用。Dennis Child（1985）也同樣指出教室中實際教學情況的觀察與研究的重要；他更補充一點，即是以往有關學生個性、態度、期望、智力、性向等等的研究都是偏向於比較穩定、不易改變的一些特質。因此，他主張今後的研究，應特別重視在教室情境中，有利於學生學習而可以設法改善的變因。West與Pines（1985）更指出近年來認知心理學方面，對於學生實際學習過程的研究興趣的顯著增加，和在教育研究方法上定性方面的研究之日益受到重視，已匯聚成為科學教育研究的新趨勢。

綜上所述，就教育心理學方面的發展而言，以認知的觀點來探討學生的學習，已成為科學教育研究的一股新的潮流。當然，目前這方面的研究正在起步階段，它的未來發展還有一段漫長而且艱難的路途。為了瞭解由認知的觀點來探討學生學習所面臨的問題和挑戰，茲將Resnick（1983）所舉幾個重要教學理論的對比整理如表一。Resnick 特別指出目前認知學者所致力研究的方向，乃是探討學生對某一特定學科的學習，而非嘗試尋求有關學習的一般理論。他認為即使我們試圖尋找一個普通適用的教學理論，也唯有經由詳細研究學生在許多特定學科方面的學習之後，才有可能找出其共通之處。

和上述教育心理學的發展並行的，還有一些來自於科學哲學、科學史和社會學方面的新觀念，也使得科學教育研究的流派由傳統上強調科學、實驗、定量等的解說派典（erklären paradigm），逐漸演變成另外一個日益受到重視的理解派典（verstehen paradigm）。為便於參考，以下把Gilbert與Watts（1983）對於此兩派典的比較，整理成為表二。當然，並非所有科學教育上的研究都可以明確地指出它是屬於哪一個派典，而科學教育上的研究，也應該視其目的、對象、和其他有關的條件和限制，合理地揉合此兩派典，使其交相為用、相輔相成。值得一提的是，以往在科學教育上的研究，係以解說派典為主流；而由認知的觀點和理解派典來研究學生對於自然科學上的學習，雖然迄今僅有十餘年的歷史，但目前卻是發展迅速，日益受到更為廣泛的重視，儼然成為另一次推動科學教育改革的新動力（Marcia C. Linn, 1987）。

參、有關學生學習自然科學的實驗研究

近年來，有為數眾多的研究，係以認知的觀點，對於學生在自然學科方面的學習，進行實驗上的研究。由於資料繁多，以下僅選擇部份晚近較具代表性的研究，分成研究取向和應用取向兩大類，分別加以介紹。至於較為早先的文獻，可參閱Driver與Erickson（1983）以及Gilbert與Watts（1983）的評論，及其文中所提到的一些論文和專書。