「科學過程」技能

甘漢銧、陳文典*
台北教育大學科學教育研究所
*國立臺灣師範大學物理系

摘要：在從事科學性的探究活動中，為了確保所獲得的訊息真確地如現象所顯示、為了使我們歸納或推理所得的想法不流於偏頗或曲解，我們必須在觀測或度量的技術上有要求、在演繹推理的思維上有規範，這些執行探究的能力我們稱之為「科學過程技能」。本文是一種解說性的文章，目的在於討論及闡明「科學過程技能」的涵義、探求其形成的原因、標示出表顯這些技能的行為表徵、以及討論如何去評量它。全文共分四大節；首節討論「科學與科學的研究方法」，其次在界定「科學過程技能」的內涵，三節則討論如何去培養這些技能，四節則討論教師如何由學生的活動中去評量出學生「科學過程技能」的學習情況。

一、科學與科學的研究方法
 「科學」是一種知識體系；它是以真確的事實為依據、提出能對事實加以合理詮釋的「想法與理論」。除此之外，這些想法及理論之間仍需經由邏輯思考，建立起協同一致的、不相互矛盾的、可以相互援引的知識體系。
 「科學」的知識，未必樣樣都可抵達到因果關係的理解程度（Know why），有些則僅止於事實的確認（Know what，例如知道「在油上點火，會引起燃燒」、「知道被石子打到很痛，被快速的大石子打到更痛，也可能受傷」、…)，有些則是知其然而未必知其所以然，只到了會做的程度（Know how，例如「發現磁石會指向南北，就把它製成指南針」，「發現移動時用滾動的方式很省力，就設計輪子裝置車子，用來搬運貨物」、「知道吃了什麼會有什麼效果，就取來治病」…)。不管對現象的認知到達什麼程度，有一個基本的本質就是「真」；認識的「事實」(what)要真確(確有其事，確如其事)、製作的過程和成果要真實(不是幻想的、空話的、而是做出來的成品是可用的、確如所想的)、詮釋時所依據的理論要合理(可解釋一切現象的、不相互矛盾的、其預測是可驗證的、…)。
 某一系統知識是否被視為「科學」是以它的本質是否為「真」來評斷的。若要去確知「知識」是否為「真」，不僅要從「知識」的確實性、一致性、邏輯性去考核，有時也可由它的可驗證性、可推測性等運用的成效去考驗。不過，也可從獲得「知識」的「過程與方法」上去檢驗。
 如何去獲得「知識」的「方法和過程」也常成為檢驗「此一知識是否為科學」的依據。因此，科學教育者亟想培養學生「在科學性的探究過程中所需運用的各項技能」；設想學生一旦擁有此項技能，即可藉此技能來探究問題，其所獲得的知識也就能具有「真」的特質。
 美國在六O年代興起改進「科學教育」的熱潮（據傳係受蘇聯發射史潑尼茲人造衛星事件的刺激）；美國科學促進會（AAAS：American Association for the Advancement of Science）自一九六一年接受美國國家科學基金會（NSF：National Science Foundation）的資助，考查及分析科學家進行科學研究工作的過程及行為，並設法將科學工作過程所運用的技能融納入自然科學的課程及教學活動中。經過九年的研究與發展，提出一套稱之為SAPA（Science-A Process Approach）課程。
 此一課程之教學（或學習）活動係彷如科學家在實驗室中的研究工作所為。期望學童經過這樣的教學模式，能熟練科學研究過程中所運用的各項技能。即使在他長大成人之後，在處理事情及解決問題時，能夠像科學家一般地思考一般地做。
 在SAPA課程中，「科學過程技能」和「科學知識」一樣都是列為學童所應學習的內容。這種「以科學探究活動過程來進行教學」的課程，迅速流傳到世界各國；我國亦於民國六十四年（1975）採用SAPA的教學模式來設計國民小學自然科的課程，並且於民國六十八年提出第一套國民小學自然科學教材（註一：王澄霞，1979 國小自然科 國立編譯館）。
 SAPA課程所列出科學研究過程中運用之各項技能在世界各國均受到認同，並納入自然科學的教學活動中加以培養。在經歷實行的洗鍊之後，人們對「科學過程技能」（Science Process Skills）有了一番的瞭解和評論：

二、科學過程技能
 1. SAPA課程中的「科學過程技能」
 科學家在實驗室或野外從事科學研究工作時，他們做些什麼？怎麼做？
 在研發SAPA課程時，研發者將這些科學工作過程加以解析，且把這些操作融入教學活動之中。他們將科學SAPA課程中的「科學過程技能」探究與發現（Exploring and Discovering）過程加以解析之後，共標示出：觀察、應用時空關係、分類、應用數字、測量、傳達、預測、推理、控制變因、解釋資料、形成假設、下操作型定義、進行實驗等十三項技能（見表一）。
表一  SAPA課程中的「科學過程技能」
1.觀察（Observing）
 ‧運用感官辨識物象的表徵（運用單一或多種感官直接或間接利用儀器、
辨識一種或多種表徵）。
‧觀察物象的特性及依據時間的演進或空間位置的不同觀察其變化。
‧依某概念的認知來進行有目的有計畫的觀察（包括標的方法、記錄、…）。 
2.分類（Classifying , Grouping and Organizing）
 ‧運用比較的方法分辨屬性的差異（以兩兩比較或量化的方法，比較兩物象間某屬性之大小、強弱）。
‧運用多種的屬性來區辨物象，比較出其共通點及特殊處。‧
‧能依據某屬性、訂定（或應用）分類基準將物象分類。
‧能依據分類基準將物象作一級、二級、…的分類。
‧能建立分類索引、檢索表，能依檢索表提出物象的表徵及特性。
‧能依科學概念，建立分類基準，並具有分類的技能。
‧能將資料依分類基準作歸類、排序、圖表表達。 
3.運用時空關係（Using Space/ Time Relationships）
‧察覺事象會因時間、空間之不同而改變，其觀測量可用時間、空間來標定。
‧察覺由觀測量之間的時空變化情形，常可發現其因果關係或規則性。 
4.預測（Predicting）
‧察覺自己的預測都是有根據的、合理的。
‧能依據自己篤信的知識或理論作邏輯性的推論，以預報可能即將發生的事。
‧每當預測不正確時，能對自已所依據的想法或推測的過程作反思。 
5.運用數字（Using Numbers , Quantifying）
‧瞭解屬性、單位、量值的意義，並用以表示觀測量的大小。
‧瞭解本量、差異量具有不同的意義。 
6.測量（Measuring）
‧能運用五官進行觀測。
‧會使用尺、量筒、秤、放大鏡、…簡單工具。
‧瞭解估計值、平均值、誤差值的意義。 
7.控制變因（Controlling and Identifying Variables）
‧知道影響一事件的因素是多樣的、有輕有重。
‧察覺有時候變因之間彼此也會相互影響。
 ‧知道在實驗時，一時只能「操作」一變因，而「控制」其他變因，才能觀測出此變因對變量的影響。
‧察覺在實驗中，絕大部份的變因都被控制成常數、參數，它並非一向如此。 
8.推斷（Inferring）
‧察覺事出有因，且能感覺到它有因果關係。
‧能由所得的資料作出分類。整理出規則。
‧能依據資料，提出自己的看法來解釋資料。 
9.形成假說（Formulating Hypotheses）
‧能將觀測所得資料做一概括性的整理，提出看法或想法來解釋資料。
‧能將提出的「想法」客觀地經歷資料的考驗，來決定取捨。
‧能將提出的「想法」和已知的知識、理論作比較，來決定取捨。 
10.下操作型定義（Defining Operationally）
 ‧瞭解所有的科學觀測量均有操作型定義來確定（某量的屬性及其觀察方法）；這使得人們得以在實驗進行時知道觀測什麼、怎麼測，而且大家測出的結果也一樣，賦予的意義也相同）。
‧能經由操作型定義來辨識各不同觀測量。
‧能依某觀測量實際表現的行為來界定它、辨識它。 
11.解釋資料（Interpreting Data）
‧能依據所知的概念、理論、規則性等來整理、分析資料。
‧能由圖表、文字敘述、照片、資料中提出呈現如此的理由。 
12.溝通（Communicating）
‧能正確運用科學用語、文字、、圖表、數學式來表達。
‧能以精確、清楚的方式表述資料、並作合理、公正的解釋。
‧能善用各種媒體來傳達訊息。
‧能依據科學的思辨，與人作有效的溝通與分享。 
13.進行實驗（Experimenting）
其過程大致上分成規劃（planning）、執行（performing）與解釋資料（interpreting）三步驗。這是各項過程技能的整合性應用；針對問題，能對其可能發展的情形提出預測，規劃實驗步驟及裝置（控制變因），進行操作（觀察、測量、運用數字、運用時空關係、分類），整理及分析資料（推斷、解釋資料），提出想法（形成假說、下操作型定義）詮釋資料。 
 
 2.「科學過程技能」是從事科學性探究的執行能力？
 一般來說，「能力」係指「能夠去完成一些什麼…」的意思。在處理的過程中，總是進行著一系列的「活動」；這些活動若以內在心智運作（Mental Operations）來描述則用回憶（Re-Call）、辨識（Comprehension）、分析（Analyzing）、比較（Comparing）、評估（Evaluating）、推斷（Inferring）、概化（Generalizing）、綜合（Synthesizing）、統整（Summarizing）…等語彙來表示，可稱它為思考技能（Thinking skills）。若以外顯行為來表徵，則用觀察（Observing）、度量（Measuring）、分類（Classifying）、關聯（Relating）、解釋（Explaining）、安排（Arranging）、設計（Designing）、…等動作名稱來表示，可稱它為操作技能（Practice Skills）。不管它是以內在的或外顯的活動來描述（或是混合起來表示），它皆可稱為一種執行能力（Performing Ability）。
 SAPA的「科學過程」比較類同於科學家在實驗室或野外作調查時的工作歷程（觀察、預測、測量、分類、控制變因、研判、推斷、下操作型定義、推理、…）。不過，尚有許多科學研究活動會偏重其中的某些段落（例如理論物理學家可能大半的時間都在從事演繹推理的工作）。由於許多科學家對於自己研究工作的「過程」有很大不同的體驗，因此對「科學過程技能」也就有了一些不同的看法：
「科學過程技能」是所有「理性思維」過程皆應具備的能力？
 把「科學過程技能」廣泛地想成是人們在處理問題、解決問題時的心智活動過程（the procedure for solving the problem）。也即是所有的「理性思維」過程理應如是。只是有些「過程」偏重其中的一部份，但是這並不意味沒有經歷其他的部份，只是掠過的時間較短而已（寬的看法）。持此看法的人們會將SAPA當初所提出的「科學過程技能」當成是對人們「認知心智活動」的初步解析與認識，而將其內涵作必要的擴充，使其成為「問題解決能力」（Problem-Solving Ability）或「認知能力」（Cognitive Ability）。其內涵甚至於可能包括人類所有的智能（註二：「科學過程技能」與「問題解決能力」）。
「科學過程技能」是執行實驗工作的能力？
 有些人認為「科學過程技能」是科學研究方法之一，是發生在實驗室的事（窄的看法）。因此，「科學過程」即等同於進行實驗的過程，把「科學過程技能」應用於「實驗教學法」中，培養學生規畫、設計及執行實驗的能力（註三：「科學過程技能」應用於「實驗教學」毛松霖、陳文典，1996），在強調「由實做中學習」的自然科學教學中，把「科學過程技能」視同「實驗之執行能力」應是一種很合理的認定（註四：科學學習成就指標－實驗之執行能力，毛松霖，1998）。
 
 3.「科學過程技能」中是否涵蓋有知識認知及其他各項智能的成份：
 在中文的表達中，把某種「能力」（ability）用「技能」（skill）來表述，似乎有削減心智「思考」的成份之意？而其實，由科學研究過程來看，若要擁有這些「技能」。都是不能免地包括有思考的成份，應宣稱為執行能力（Performing Ability），似乎更為適宜。
 例如SAPA課程中所列的「觀察技能」（observing skill）；指的是「能運用五官來從事觀察、能藉助儀器或引發特殊反應的方法來觀察、能作定量的觀察、能注意到變化量的觀察、能作異同比較的觀察」。於是，我們就會引發一些疑問：這些觀察的行為是目標已經被確定之後的作為呢？還是包括有「自主性的選擇目標」的思辨行為？
 若是屬於前者，則它僅是一種「技能」，它的層次很低，根本不需要怎麼去教導，學生自己就很容易學會的。若是屬於後者，就是行動者對當前的狀況要有所瞭解、對正待釐清的問題有所認識，而決定做出有目的、有方法的「觀察行為」，那麼，它就不僅只是技能（skill）了！因為，行動者是在為了瞭解狀況、處理問題而作「觀察」的，是有意識、有意義、有目的、有方法的「觀察」，因此應稱為「觀察能力」（observational ability）才是。
 以「分類」技能（classifying skill）為例；所指的如「將生物依其活動的表徵分成植物與動物」、「將物質依其水溶液的化學性質分為酸、鹼及塩三類」…。由這些例子中，我們立即知道；每項「分類」的動作其背後均有一個「目的」，而且，均依對某一「屬性」為依憑來分類。於是「分類」不僅只是一種「奉命行事」的技能，其實包括有「針對某問題（目的）所應觀測的重點之選擇」、「對此重點所具有的關鍵屬性之認識」、「此一屬性呈現在各類事物之表徵的認識」等認知上的活動，因此「分類」不僅只是「技能」，應還包括許多概念的認知成份，故應算是一種能力（classification ability）。
 若是將「控制變因」、「解釋資料」（顯然包括有推理演繹的思維）、「形成假設」（顯然包括有想像、創造的智能）、「下操作型定義」（顯然包括有綜合統整的智能）…各項「技能」加以解析，我們將發現「科學過程技能」不僅包含有「知識」的認知成份，還幾乎包括有想像、創造、推理、統整等各項智能的運作！
 不過，分析的結果所得如此，並不令人感到訝異！這應是人類智能運作的本質；『沒有某一項的能力可單獨存在的』。
 『各「能力」之間總是或多或少會和其他項的「能力」有相互依存或包容的關係』。也因此，「科學過程技能」幾乎涵蓋所有人類的「智能」！
 
 4.「科學過程技能」的操作型定義：
 「科學過程技能」是從事「科學性探究」的「執行能力」。而任何一項「能力」其實都會和其他各項智能之間有或多或少的相互依存或包容的成份。因此若我們想要使「科學過程技能」有一較明確的範疇，必須賦予它一些界說：

‧這些「科學過程技能」是可以經過學習而習得。
 ‧它是從事科學性探究活動時必需經歷的過程。
（所謂的「過程」可以是外顯的操作過程或內在的心智活動歷程）。
 ‧它是一種工作的方法，或處理的方式。
 （它在探究知識或解決問題的過程中普遍地呈現，可是，與研究什麼知識或問題的關係不大）。
 ‧它是『科學性的探究、處理一個已被確定的問題之過程中，所需的種種技能』。
 （它是針對某一已確定的問題而言的，它不必再去考量「問題」是怎麼發現的、為什麼有此問題，以及處理此問題有什麼意義，也即是不包括對「問題的批判」。它所涉及的想像、創造及推理、演繹等智能也都僅限於與此問題「直接相關」的部份）。
 
 假如我們將「科學過程技能」作如此的界定，一則仍不脫SAPA課程中所範疇（如表一），二則它不致於作無限的延伸，以致於涵蓋整個「智能」。
 在九年一貫課程「自然與生活科技課程綱要」中仍維持SAPA原初「科學過程技能」的內涵（唯內容稍作調整，詳見表三：國民中小學各學習階段之科學過程技能，教育部，2001），而把其他的思考能力（各項智能）列為「思考智能」，以方便教師在自然科學的教學中（尤其是實驗室內）辨識，以作為教學目標。

三、「科學過程技能」的培養
 1.由實做中學習
 既名之為「技能」，自然地要由實做中學習；學生實地從事科學性的探究活動；經歷問題的確定、預想的提出、解決策略的擬設、執行、資料的粹取、資料意涵的推斷、解釋資料、提出報告、…。教師的臨場陪伴及協助學生完成此一工作。如此重覆的以這種工作模式來從事探究活動，過程中必定會遭遇到各種阻難，而處理這些阻難之後自然學習到各項過程的「技能」。
 2.「科學過程技能」似乎不宜用分項練習的方式來學習
 ‧將「科學家從事科學實驗的過程」加以解析，並提示出某過程中所運用的操作技能，這當然有助於瞭解這項科學探究行為的起、承、轉、合的變化（註五：科學性探究活動示例，陳文典，1996）。不過，若是這項「實驗」的規模不大、或是面對的「問題」含蘊的內容不太寬廣，那麼，這個「科學過程」可能在很短的時間內迅速經歷而完成，這時候若要拘泥於一個個步驟的依序操作，可能不切實際或不可能。
 ‧某一項「技能」必須是蘊含於「過程脈絡」中才有意義；就如同學習騎腳踏車，不能這一次專門學踩踏板，下一次專門學操控把手，因為「協調」的動作才是最重要的。在SAPA課程中，經常出現某一教學單元特別強調「變因控制」，某一單元強調「觀察」…這在實際的教學中是不可能如此的；因為在整體的活動中，雖然以解析的角度來看需要各項技能，可是，在心態上，是為了解決整個問題而努力的，什麼情況下會運用「觀察」、什麼情況下會運用「推斷」，其實是隨機應變的、瞬息決定的。所以，在教學中實不宜強調要練習某局部的能力，而是以「解決一個已確定的問題應有的工作方式」來不斷地進行運作。關於培養「科學過程技能」的教學，其實就是「促成學生從事科學性探究活動」的方法，整個活動是整體性的，而不是分項的（見註六：科學性探究活動指導，陳文典，2004）。

四、「科學過程技能」的行為表徵及其評量
 1.科學性探究活動的過程
 科學性的探究問題，其「過程」常因問題的性質不同而有很大的差異，大致上可以分成「由於對外界現象的觀測所獲得的資料，加以整理、分析，獲得對現象的認知」，一般稱之為歸納法。另一是「依據內心理論上的認知，藉推理來推測應發生的現象或引用來詮釋現象」，一般稱之為演繹法。「科學過程技能」所談論的，幾乎大部份是歸納法。
 即使是歸納法，若將「活動」加以解析其思考（或操作）的流程，亦可能有不同切分方法；一般依實驗工作的程序來分，可分成：規畫、執行、解釋及發表四個步驟。若依SAPA的解析可分成觀察、預測、測量、控制變因、運用時空關係、運用數字、分類、形成假說、推斷、下操作型定義、解釋資料及溝通、執行整體實驗等十三項技能。國民中小學九年一貫課程中採取亦程序亦成份的表達方式，細分為：觀察、比較與分類、組織與關連、歸納與推斷、傳達與溝通等五部份（見表二：科學性探究活動的過程）。
表二  科學性探究活動的過程
依實驗
過程劃分 九年一貫課程的區分 SAPA的分項能力 
規畫
 觀察
 ‧觀察 ‧測量 
 比較與分類
 ‧預測
‧運用時空關係
‧分類 ‧控制變因
‧運用數字 
執行
 組織與關連 ‧推斷
‧形成假說 ‧下操作型定義
‧解釋資料 
解釋
 歸納與推斷
 ‧進行實驗  
發表 傳達 ‧溝通  
 
 2.「科學過程技能」表現於外之行為表徵
 為了使「科學過程技能」更容易為教師所辨識便於引用於教學之中，在國民中小學九年一貫之自然與生活科技學習領域之課程中，以比較具體的行為表徵來表述這些技能（見表三：國民中小學各學習階段之「科學過程技能」）

表三  國民中小學各學習階段之「科學過程技能」
觀察 12  34  56  789     
 •運用五官觀察物體的特徵(如顏色、敲擊聲、氣味、輕重…)
•察覺物體有些屬性會因某變因改變而發生變化(如溫度升高時冰會熔化)
 •察覺事物具有可辨識的特徵和屬性
 •能依規畫的實驗步驟來執行操作
 •察覺一個問題或事件常可由不同的角度來觀察而看出不同的特徵
 •辨別本量與改變量之不同(例如溫度與溫度的變化)
•能由不同的角度或方法做觀察
•能依某一屬性(或規則性)去做有計畫的觀察
•能針對變量的性質，採取合適的度量策略 

 

比較與分類 12  34  56  789     
 •依特徵或屬性，將事物歸類(如大小、明暗…)
 •比較圖樣或實物，辨識相異處，說出共同處
 (如兩棵樹雖大小不同，但同屬一種)
 •運用感官或現成工具去度量，做量化的比較
 •能權宜的運用自訂的標準或自設的工具去度量
 •瞭解即使情況一樣，所得的結果未必相同，並察覺導致這結果的原因
 •知道依目的(或屬性)不同，可作不同的分類
 •實驗前，估量「變量」可能的大小及變化範圍
 •由改變量與本量之比例，評估變化程度
 •依差異的程度，作第二層次以上的分類
•若相同的研究得到不同的結果，研判此不同是否具有關鍵性
•知道由本量與誤差量的比較，瞭解估計的意義
•能在執行實驗時操控變因，並評估「不變量」假設成立的範圍 
組織與關連 12  34  56  789     
 •由系列的觀測資料，說出一個變動的事件(如豆子成長的過程)
 •將對情境的多樣觀察，組合說成一個有意義的事件
(如風太大了葉子掉滿地，木板吹倒了…)
 •對資料呈現的通則性作描述(例如同質料的物體體積愈大則愈重…)
 •能形成預測式的假設(例如這球一定跳得高，因…)
 •能在試驗時控制變因，做定性的觀察
 •實驗時確認相關的變因，做操控運
 •由主變數與應變數，找出相關關係
 •由系列的相關活動，綜合說出活動的主要特徵
•統計分析資料，獲得有意義的資訊
•依資料推測其屬性及因果關係 

歸納與推斷 12  34  56  789     
 •察覺事出有因，且能感覺到它有因果關係
•察覺若情境相同、方法相同，得到的結果就應相似或相同
 •由實驗的資料中整理出規則，提出結果
 •運用實驗結果去解釋發生的現象或推測可能發生的事
 •能由各不同來源的資料，整理出一個整體性的看法
 •辨識出資料的特徵及通性並作詮釋
 •由資料顯示的相關，推測其背後可能的因果關係
 •由實驗的結果，獲得研判的論點
 •藉由資料、情境傳來的訊息，形成可試驗的假設
 •由實驗的結果，獲得研判的論點
 •由資料的變化趨勢，看出其蘊含的意義及形成概念
 •能執行實驗，依結果去批判或瞭解概念、理論、模型適用性 
傳達 12  34  56  789 
 •學習運用合適的語彙，來表達所觀察到的事物
 (例如水的冷熱用燙燙的、熱熱的、溫溫的、涼涼的、冰冰的來形容)
•嘗試由別人對事物特徵的描述，知曉事物
•養成注意周邊訊息作適切反應的習慣
 •能運用表格、圖表(如解讀資料及登錄資料)
 •能傾聽別人的報告，並能清楚的表達自己的意思
 •能由電話、報紙、圖書、網路與媒體獲得資訊
 •將資料用合適的圖表來表達
 •用適當的方式表述資料(例如數線、表格、曲線圖)
 •清楚的傳述科學探究的過程和結果
 •願意與同儕相互溝通，共享活動的樂趣
 •傾聽別人的報告，並做適當的回應
 •能選用適當的方式登錄及表達資料
 •由圖表、報告中解讀資料，瞭解資料具有的內涵性質
 •將研究的內容作有條理的、科學性的陳述
 •正確運用科學名詞、符號及常用的表達方式
 •傾聽別人的報告，並能提出意見或建議
 •善用網路資源與人分享資訊 

 3.「科學過程技能」之評量
 「科學過程技能」之評量最常用的,而且也最能發揮學習成效的方法當然是臨場觀察（也就是學生在實地操作過程中，教師隨機的講評與指導），其次，可以由其「實驗報告」中去評量。
 把「科學過程技能」解析之後，分項的去評量（註七：科學過程技能學習成就評量），這種評量方式固然可以針對各項「技能」的特質去設計題目，但是，由於『某一項「技能」必須是蘊含於「過程脈絡」中才有意義』的，因此，比較建議彷如註五的「科學性探究活動示例」一般地，寓評量於教學，以一個探究主題的主軸，一邊探究，一邊把過程填入問題中，等於是一系列「評量問題」來完成「科學過程技能」的評測工作，最為適當。
註一：國民小學自然科  國立編譯館編著
 此一課程係由王澄霞、魏明通、楊冠正、趙金祈等科學教育學者，引入SAPA的課程，加以本土化改編。取材儘量引用生活上的題材，而「科學過程技能」之培養也列為教學目標，逐項演練。

註二：「科學過程技能」與「問題解決能力」
 「科學過程技能」乃是在解決某一「已確定的」問題時所需的能力。
 關於科學探究的能力，迄至八O年代，科學教育界普遍體認到：由情境的觀察中能察覺問題的能力也很重要（它包括有批判思考、創造思考、綜合統整等的智能），而且，能提出各種預想（推理思考）及各種解決的策略這種能力也很重要，甚至於在獲得結果之後，如何內化形成可自由運用的概念，以及作各種創意的應用、發覺更深刻的問題、形成更高階的理論等的能力才算是完整的學習。把這些能力都包括在科學探究的能力之中，就是所謂的「問題解決能力」（Problem Solving）。
 我們可以把「科學過程技能」擴大（或從寬解釋）為「問題解決能力」。不過這樣對於課堂上從事教學的教師並沒有太大的好處，因為侷限的、明確的SAPA界定之「科學過程技能」，仍方便於教學中為教師所掌握。
 在英國（1980）Assessment of Performance Unit （APU）所公佈的評量內容，可見到其設置的教學目標係介於此兩者之間（見表四）。
表四  Assessment of Performance Unit
Department of Education and Science
Department of Education for Northern Ireland Welsh Office
by Wynne Harlen, Paul Black, Sandra Johnson 
Report on the 1980 survey of science performance of pupils aged 11 in primary and middle schools to the Department of Education and Science, the Department of Education for Northern Ireland and the Welsh Office.

Chelsca College, Centre for Science and Mathematics Education, University of London.

Centre for Studies in Science Education, University of Leeds.
Science in Schools
Assessment of Performance Unit 
1. Category 1: Using symbolic representations
  1.1 Introduction
  1.2 Sub-category α: reading in formation from graphs, tables and charts
  1.3 Sub-category β: expressing information as graphs, tables and charts
  1.4 Sub-category γ: using scientific symbols and conventions
  1.5 Patterns in performance in category 1

2. Category 2: using apparatus and measuring instruments
  2.1 Introduction
  2.2 Sub-category α: using measuring instruments
  2.3 Sub-category β: estimation quantities
  2.4 Sub-category γ: following instructions for practical work
  2.5 General impressions of category 2 tests

3.Category 3: using observation
  3.1 Introduction
  3.2 Sub-category α: using a branching key
  3.3 Sub-category β: observing similarities and differences
  3.4 Sub-category γ: interpreting observations

4.Category 4: interpretation and application
  4.1 Introduction
  4.21 Sub-category α: describing and/or using patterns in information
  4.3 Sub-category β: judging the applicability of a given generalization
  4.4 Sub-category γ: distinguishing degrees of inference
  4.5 Sub-category δ: making sense of information using science concepts
   4.6 Sub-category δAB: making sense of information using biological concepts
  4.7 Sub-category δCD: making sense of information using physics concepts
  4.8 Sub-category δEF: making sense of information using chemical concepts
  4.9 Sub-category 4ε: generating alternative hypotheses
5. Category 5: design of investigations
  5.1 Nature of the category
  5.2 Sub-category α: identifying or proposing testable statements
 
  5.3 Sub-category β: assessing experimental procedures
  5.4 Sub-category γ: devising and describing investigations
  5.5 General impression of category 5 tests

6. The assessment framework
  6.1 Introduction
  6.2 The choice of categories
  6.3 A description of the categories
  6.4 Types of question used in the survey
  6.6 The list of science concepts

7. Science provision in the survey schools
  7.1 Introduction
  7.2 School stability
  7.3 Policy and organization
  7.4 Staffing and physical resources
  7..5 Financial resources
  7.6 Summary

8. Pupils’ science performances
  8.1 Introduction
  8.2 Overall performance levels
  8.3 Sex differences
  8.4 General school variables
  8.5 Science-specific school characteristics
  8.6 Summary

9. Interpreting the results
  9.1 Levels of performance
  9.2 Sub-category differences
  9.3 Sub-group differences
  9.4 Implications of the results
  9.5 Concluding comments 

註三：「科學過程技能」應用於實驗教學
 SAPA課程中所標示之「科學過程技能」引用在不同的課程中，配合不同的教學活動、經歷不斷的調節，其整個「過程」會有不同的切分方式，相應的各分項「技能」也會有不同的偏重。
 以板橋研發的自然科課程（研發於民國七十八年，成於八十三年）而言，因為該課程強調「由實做中學習」、「生活化的題材」和「學生自主參與」的精神，標示出該課程係採「問題解決教學法」（毛松霖、陳文典，1990）。而其「科學過程技能」仍以「解決一個實驗工作的問題」所需的技能來表示（見表五）。

表五  「問題解決」實作評量要項
1. 認識情境，發現問題
 1.1 察覺問題：需要舊經驗，需要綜合批判的能力，才能有所「發現」。
 需要關心，才能有動機，才會去注意到問題。
 1.2 覺知問題（認識到問題的輕重關係和性質，使問題明朗化）。
2. 提出問題，確定問題
 2.1 界定問題的特質、現況、目標。
 2.2 認識到與問題相關的變因，預想變因影響之輕重。
3. 提出預設，形成策略
 3.1 於心中建構一個概略的藍圖，設想可能發展的情形。
 3.2 選擇策略、方法、工具。
4. 規劃工作、安排流程
 4.1 確定變因、安排工作流程及施行步驟。
（例如4.1a樹狀圖，4-.1b流程圖，4.1c網狀工程關係規劃圖）
 4.2 選購及安裝儀器，安排工作環境。
 4.3 預想執行情況、設計圖表、安排相關支援。
5. 執行計劃
 5.1 施測、觀察之執行（照指示）
 5.1a 了解單位及量值
 5.1b 定性式（例如觀測氣球在不同溫度下，體積會改變，溫度高體積變大）
 5.1c 定量式（例如測出溫度的度數及氣球體積的大小）
 5.2 操作儀器如需調整歸零、需墊高、需加掛小東西等等困難的克服。
 5.2a 簡易，5.2b 中等難度，5.2c 具有創意
 5.3 描述觀察的現象及記錄
 5.3a 科學性描述，掌握事件之關鍵變因及變因對事件影響的脈絡。
 5.3b 實作及登錄資料（單位、量值）進入多變因複雜表格裡。 
 5.4 處理井然有序。
 5.4a 操控變因，做有層次的安排。
 5.4b 對工作環境、儀器的安置做妥善的安排。
6. 整理分析與解釋
 6.1 將資料轉換成數據6.1a （例如通過某些題目，表示某種能力已具有，於是依此評定此能力）6.1b 辨識相異特徵
 6.2 能運用圖表、列表、數線去表達數據。
 6.2a 會列表（X﹐Y）或（X﹐Y﹐Z），（例如身高、體重與人數）
 6.2b 會運用X vs. Y（例如由表中讀取資料，看出趨勢）
 6.2c 會運用X vs. Y vs. Z（例如由表中讀取資料，看出趨勢）
 6.2d 會用數線（標刻度、將資料排序）
 6.3 評析資料之可信度、涵義
 6.3a 判別情境，取捨資料。（有根據的捨去太怪異、不可能的資料）
 6.3b 對資料之誤差、可信度、適用範圍做合理的評估。
 6.3c 評估可信度（與自己先前的預設做比較或與他人資料比較）
 6.4 分析資料涵義
 6.4a 評估資料趨勢（例如逐增、逐減、不定、週期、劇增、歧異點……）
 6.5 解釋相關關係、規則性6.5a 定性研判：例如發現正向相關，或特別的相關趨勢。6.5b 歸納出規則性（定量）：例如加速度正比於所受力的大小。6.5c 發現共同的特徵
 6.6 發現新的問題及新的研究（由整理分析中發現）：
 ‧發現先前沒有預想到的現象、可能兩變數的相關有重大發現，
 或另有其他變因也宜重視等……。
 ‧由實作結果發現先前沒有想到的特徵，開啟出新的觀測角度，
7. 應用規則性
 7.1 依實驗數據獲得規則後，在相類似的情境，以發現的規則去推廣
 或預測現象。
 7.2 把規則應用到具相同本質的、但較不同的情境，把合適的規則運用得有如通則。
8. 概念系統的建構
 8.1 發現兩變數間相關關係。能賦予此關係某一意義，並用來解釋資料。
 8.2 提出模型理論。
 8.3 了解模型涵義。
 8.3a 了解模型代表了什麼特性、適用於什麼方面的現象。
 8.3b 了解模型之局限性。 
註四：科學學習成就指標－實驗之執行能力
 這是1991年至1994年由鄭湧涇教授總主持的「科學教育學習指標」之研究，其中關於我國學生之「科學過程技能學習進展指標」。該計劃由毛松霖（1991）所主持，探測我國學生在六、九、十二年級之實驗操作能力。
 
1 6  9  12 
 •能設計表樧以便登錄觀測結果
 •能設計表格將多種觀測事項一併登錄 
2 •能以曲線圖表達觀測數據
       •能分別將觀測數據同時以二關係曲線呈現於同一座標紙上
       •將觀測數據依時間、空間之不同特性分別以關係曲線加以表達
        •給予含三個變數之關係曲線圖能將其加以轉換以顯示不同之變化關係 
3 •能依指令製作路線圖
   •能繪出某地之相關位置圖
   •能以簡圖表示實驗裝置
       •能運用方塊圖或流程圖表達事件之順序或進行要領 
4 •能指出實驗之目的
   •能根據一實驗說明，摘出其觀測事項
       •針對一熟知之實驗能以一段話說出其實驗重點
       •能以圖表等方式簡報一實驗計畫之過程或結果 
5 •能讀出關係曲線圖中任一值之對應值
   •能指出關係曲線圖中之極大或極小值
   •能指出曲線圖形中之變動趨勢
       •能將一曲線圖形之各種變動情形作一完整之描述 
6 •能說明水平曲線之意義
   •能指出截距所代表之意義
   •能指出二關係曲線圖或資料中之差異
   •能指出二個以上曲線資料之共同特性
   •能由所給關係曲線中看出規律性或關係
       •能將觀測結果通則化並應用於預測
   •能指出資料中之意義
       •指出由資料導出結論時隱含之限制
       •能應用學理統整說明資料所呈現之意義 

 

7 6  9  12 
    •指出資料間之正比或反比關係
   •經由變化率之求取以比較其變動大小
   •運用變化率之概念解釋圖形曲線
       •運用座標變換方法說明其變項間之函數關係
       •運用描述統計量數來解釋其間之關係 
8    •能區別假設與事實
   •能指認出某一實驗所欲驗證之假設為何？
       •能歸納各種觀測資料，提出一通則性之假設以便驗證
       •能根據觀測結果修正並提出進一步待驗證之假設 
9 •能根據所給單一基準將物體分類
   •能根據所給多個基準將物體歸類
   •能運用所給基準進行二級以上之分類
   •使用檢索表指認物體
       •應用已知學理區分物象之類別 
10    •能根據異同特性將物體歸類並說出分類依據
       •同一物象能以不同分類綱領分類
        •能依據三類以上物體之特性與必要資訊能將一未知物歸入上述合理之類別中，並指出所依據之基準
       •能自行設計分類系統 
11 •能分辨推理與觀察
   •對某一結果能提出二個以上之可能原因
   •應用比例之概念進行推理
       •能由相關特性推想可能原因 
12 •根據一已知定律關係推想可能結果
   •根據已知學理進行推理
       •根據理論模型進行推理 
註五：科學性探究活動示例（陳文典，1996）
 依據某一個主題，安排相關的器材和系列的問題，半指導式的引導學生實地去操作，且自行研判其結果。以「漏沙」主題為例：

你們這一組有四個人，大分配好工作，把你分配的工作在。
□在桌面上鋪好報紙，以便承接漏下來的沙。
□用雙手固定好紅紙杯，使紙杯在開始之前不動，且不漏沙。
□用雙手固定好白紙杯，使紙杯在開始之前不動，且不漏沙。
□負責將沙子倒入紙杯裡。
活動一
步驟1
當沙子由杯中漏出來的時候，紅、白兩個紙杯怎麼運動起來？把你看到的情形描述出來。

步驟2
仔細檢查紅、白兩個杯子有什麼不同？記錄下來。

步驟3
你想杯子的不同，跟紙杯運動的情形會有什麼關係？

活動二
步驟1
你認為影響杯子旋轉的快慢和方向的可能原因（變因）有哪些？儘量把它們列出來。

步驟2
你認為這些原因（變因）當中，哪一個影響最大？

步驟3
若想要驗證這一個因素對杯子的運動有很大的影響，請設計一個實驗來驗證它？把你在實驗設計步驟一步一步的寫出來：

 

活動三
步驟1
如果在藍杯子裡裝沙子，當沙子漏出時，你想它的運動情形應該是：
　　　       

步驟2
你做這樣推測的理由是：

活動四
步驟1
現在，發給每組一個綠杯子，把它倒掛起來，仔細查看杯子的開窗情形，如果你們在杯子的下方點燃一支蠟燭，這個杯子會怎麼運動？
　　　         不轉    以上三種都有可能發生。

步驟2
你認為這杯子會這樣動，理由是什麼？

 

註六：科學性探究活動指導（陳文典，2004）
 面對一個已確定的問題，教師立於一個諮商的立場，而又需要引領學生正確的從事科學性的探究活動，則運用以下序列的問題，可以達成目標：
 
我們的問題：
．瞭解問題的性質。
．知道我們可以做什麼？要做什麼？

著手來探究：
．我們得閱讀一些什麼背景知識？
．我們打算怎麼做？
．需要什麼器材？
．需要多少時間？
．規劃一下流程，做什麼？誰來做？
．怎麼取得資料？
．實驗怎麼做？
．怎麼整理及表列資料？

我們的發現：
．這些資料顯示什麼意義？
．依據資料我們可得到什麼結論？

檢討與建議：
．這次研究有些什麼可以改進的？
．還有什麼別的方法也可以做的？
．這些發現可以應用到其他方面嗎？
．這些結果讓我聯想到什麼？
．這些結果可以解釋什麼現象？

發表與展示：
．怎麼寫成果報告？展示成品？
．發表自己的工作心得，也聽取別人報告，
 綜合整理各組的資料、報告，獲得對整個主題的瞭解。 

註七：科學過程技能學習成就評量
 將「科學過程技能」加以解析，獲得各項「技能」。針對各項「技能」設計相應的題目來加以評測（陳文典，1992，「我國國中、國小學生科學知能學習成就評量之研究」）。
 以下列舉數例以為說明：
 
例1 能了解控制變因的技術，作系統   　例2 經驗與通則的應用（內插法預測）
 的觀測。

 

例3 能機變的採用適當的單位及等　　　　例4 能由分類表、列表、圖表、或
 效的工具來做度量並會作估計。          文章相關敘述中，讀取所要的
 （層次上是了解測量的真義）             資料。

 

 

 

 

 

 

四、參考文獻
王澄霞等（1979）：國民小學自然科教科書。國立編譯館。
魏明通（民86）：科學教育。台北：五南圖書出版公司。
毛松霖、陳文典等（1990）：國民小學自然科實驗教材。台灣省板橋教師研習會。
毛松霖（1991）：科學學習成就指標－實驗之執行能力。科學教育指標研究報告。
 陳文典（1992）：我國國中、國小學生科學知能學習成就評量之研究。國教研習會「國教學報」第四期（民81，6月）。
 陳文典（1996）：實作評量研究報告教育部支助，MSPAP研究團體研究，研究程期1993~1998。
教育部（2001）：自然與生活科技學習領域課程綱要。教育部2001頒佈。
 陳文典（2004）：國民中小學九年一貫課程教學模組研發講義。國立教育研究院籌備處編印。

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