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课程与教学季刊
課程與教學季刊2009,12
(2),頁77~106
由學習理論的變遷探討
大學物理教學革新動向
張慧貞
近年來,大學物理教學改革的風潮已在國外快速興起,並逐漸擴及國內。
本文首先論述近代重要學習理論的內涵與對教學的啟發,接著介紹當前國內外改革方案之策略及教學資源,最後根據學習理論檢視革新主流之特點與盲點。
本文主旨有二:
(一)喚起國內從事大學物理教育之學者,能省思傳統教學模式之缺失,誘導其課堂改革的意願;
(二)對已進行改革的物理教授/教師們,能充實其對知識論與學習觀的涵養,以體會改革策略背後的學理根據及目的。
除了「個人建構」(PersonalConstructivism)所強調的認知衝突、概念改變…等「實證理性」的主張之外。
更能領略晚近所崛起「社會文化觀」(Socioculturalviews)所突顯的「非理性」、「文化融合」任務,包含熟悉科學工具(artifacts)、掌握科學社群特有之觀點、規範、習俗…等,以落實「教學革新」的預期成效。
關鍵字:
教學革新、個人建構、社會文化觀、物理教育、學習理論
作者現職:
逢甲大學光電系/物理教學研究中心教授
壹、前言
十年來,國內高等教育的教學品質逐漸受到重視,許多大學物理系開始投入教學改革的行列。
而在國外,許多物理系則更早啟動教學改革的風潮,尋求可行且有效的改革途徑,並於近年來快速推廣。
作者根據累積十年來研究大學物理教學改革的理論與實務,回顧了:
(1)學習理論的變遷、
(2)國內外物理教學改革之脈動、(3)進一步根據學習理論來評論改革方案之特點與盲點。
希望透過前人所累積的革新經驗與資源,啟發國內逐漸興起的大學物理教學改革,使改革者具備更深入的視野,來看待這項複雜且艱鉅的任務。
同時,本文雖以大學物理為主要的探討情境,但所涉及的理念也可推廣到中學物理教育的範疇。
對社會大眾,「精通物理」似乎僅屬與極少數「天才」所能擁有的特權。
對大多數學生而言,學物理常代表的是枯燥、艱深、與挫折。
根據歷年之指考均標統計(圖1),過去十年來之物理均標,有六年是落於13~28之低分,除93年之外,其餘九年之均標,物理科都位居所有理科的末位。
此數據具體呈現出大半學生在學習物理所遭受的挫敗,也透露出物理教師教學任務的艱鉅。
如何協助學生有效地掌握物理學習的竅門,就成為物理教師們所亟待克服的挑戰。
面對學生與教師的需求,物理教育研究的任務,就是在學習理論的基礎下,尋求教學改進的可行途徑。
圖1歷年指考四理科均標之比較
對於從事物理教育的學者而言,致力於改進當前物理教學的窘境,是不可推卸的使命,但要提出有效改進的處方,卻超乎許多人所想像的複雜與艱難。
物理教育研究者,必須體認此一任務的複雜與挑戰性,充實並更新自身的學習理論基礎,才能琢磨岀有效的改革途徑。
另一方面,為了能將「物理教育」的研究成果,順利推廣到物理課堂,還需開啟物理教師/教授們的學習觀,以便能洞察改革策略背後源由,以落實這些策略實施的目標(Hammer,1996)。
本文之重點包含:
(1)學習理論的變遷:
包含「行為學派」、「個人建構」、及「社會文化觀」理論之學習觀與知識論(e.g.,Duit&Treagust,1998;O’Loughlin,1992;Wertsch,1991),佐以實例作詮釋;
(2)物理教學革新方案:
詳細介紹國內外著名的物理教學革新方案,所採取的策略、學習成效、與教學資源;
(3)根據各項學習理論的主張,評論革新方案的特點與盲點,並提供具體之建議。
藉由以上之論述,期能誘導現職物理教師(教授),能突破「行為學派」的藩籬,掌握「個人建構」對教學實務的啟發,體會學習者認知操作的重要性。
進一步,還能兼容「社會文化觀」的主張,領會科學知識受「社群規範」的面向(往往與「理性實證」的本質並存),體認科學學習的任務,除了「概念發展」與「數學推導」等,還涉及「文化融合」等非理性的面向。
藉由教學理論之深化,引導教師琢磨出更有效的教學方案,或在引用前人之改革策略時,能體會此策略背後的目標,並根據個人所面對的特有教學情境作調整,才能提高教學革新的成功機會。
貳、學習理論之變遷與內涵
回顧過去二、三十年,在科學教育的學習理論,出現了快速而激烈的演變。
本文將學習理論的演進,區分為三階段:
,從最早的「實證主義」、及「行為學派」,逐漸發展到「個人建構」,再到晚近逐漸崛起的「社會文化觀」。
此一分類,是根據各門派所反映出的知識論與學習觀之相似性。
所謂「個人建構」泛指強調既有概念及認知操作,以詮釋(個人化)知識意義的多項理論模型,非僅侷限於Kelly所提的「個人建構心理學」;而「社會建構」則因強調科學知識社會化的本質,並涉及語言之使用,在知識論與學習目標上都與「個人建構」明顯分歧,所以將歸於「社會文化觀」作探討(Bell,2005)。
針對這三種學習觀及其對課堂活動的啟示,詳細闡述如下:
一、實證主義和行為學派
「實證主義」學者相信大自然中存在著「永恆真理」(eternalreality),且這些真理是可藉由科學家客觀地發現與陳述(discoveringandstatements)(Costa,Hughes,&Pinch,1998)。
科學知識是建立於變因控制的實驗(controlledexperiment)、客觀的觀察,與理性的數學推導而得(Roth&Roychoudhury,1994)。
故科學知識的內容與意義,被視為無關於個人的經驗、主觀的判斷及詮釋(如「個人建構」所強調)、也獨立於社會、文化、與歷史的脈動(如「社會文化觀」之觀點)之外。
此種實證的觀點,將科學知識描繪為一種可以被直接傳輸的實體,呼應了「行為學派」對學習歷程與任務的詮釋(Duit&Treagust,1998)。
「行為學派」將學生的大腦視為知識的容器,藉由學習的過程吸收並儲存科學知識,且透過鍛鍊可以增強大腦的容量(Roth&Roychoudhury,1994)。
同時,「行為學派」也視學生的心思在學習前為「無知」(ignorant),故知識的內容與意義可透過教師為其灌輸(White,1973)。
看待學習成效的觀點,趨向於粗糙的二分法(dichotomy):
已學或未學、正確或錯誤(Redish,1994),故學習的成效常取決於涵蓋的廣度(completion)而非理解的深度(comprehension)(Roth&Roychoudhury,1994)。
基於「實證主義」與「行為學派」的知識論與學習觀,為了能發揮課堂的最大效益,傳輸式(transmission)教法被廣泛採納,藉由教師的解說,將知識傳輸到學生腦中,學生在課堂中被侷限於接收(absorb),而非參與者的角色(Duit&Treagust,1998)。
同時,因認定科學知識為客觀理性,所以,物理教學也著重驗證:
包含數學(邏輯)推導與實驗證明。
直到目前,無論國內外,中學或大學,絕大多數的物理課堂仍採取相似之課程結構,包含:
(1)單向灌輸的演講課:
可進行有效的知識傳輸與理性(數學)、以及
(2)食譜式的實驗課:
可進行客觀觀察與理論驗證(Roth&Roychoudhury,1994)。
兩者的搭配雖然滿足了「灌輸」、「推理」、「驗證」等教學功能,但卻未顧及概念詮釋、調和、與修改等任務。
Elton(1997)認為多數的大學物理教授並未具備教學知識,所以傾向於根據自己過去的學習模式來教學,這或許也解釋了上述課程仍持續通行的原因。
上述課程至今仍屹立不搖的現象,突顯出「行為學派」和「實證主義」仍主導著大多數物理教師/教授的教學觀(Redish,1994)。
文獻也支持此一論點:
Halloun(1997)發現物理系學生對知識本質與學習觀的信念若與授課教授越相符,則學習成效越佳,而Strike和Posner(1992)針對曾修過大一普物的學生,也發現越具強烈現實主義(realist)與經驗主義(empirical)信念的學生,越有利於其學習進展。
歸納兩項研究結果,可推論出多數物理教授對「實證主義」的執著。
為了協助物理教師/教授突破現有的教學困境,首要之務或許應從促成教師們體認其既有教學觀的偏狹,進而逐漸引領其體會較深入而周延的學習觀,豐富教師們在信念上的教學資源(Hammer,1996)。
科學教育學習理論的發展,在近30年來有了長足的進展,將闡述於下。
二、「個人建構」學習觀
「個人建構」是一項對學習觀與知識論的統稱,重要的學派包含「皮亞傑建構論」、「個人建構心理學」、「概念改變模型」、…等,詳細內涵探討如下。
1960年代末期,「行為學派」開始受到「皮亞傑建構論」(PiagetianConstructivism)的挑戰,到了1970年代中期,研究者更融合「科學哲學」、「社會學」、及「認知心理學」等,來探討科學學習的歷程,引領「建構主義」的發展(Duit&Treagust,1998)。
「皮亞傑建構論」認為心智成長的目的,是為了能更客觀地探求宇宙真理,換句話說,心智發展意味著逐漸由主觀而客觀地看世界(Piaget,1970)。
有別於「行為學派」的觀點,皮亞傑並不認同人們可以僅經由親身經驗就可「得知」(know)宇宙的真理,而是需要透過階段性的鍛鍊,逐漸強化個人在抽象的、數學邏輯的推理能力,才能夠理解外在的世界(O’Loughlin,1992)。
同時,他強調知識的建構是基於個人透過與外在環境的互動,並賦予此經驗意義,因此知識本身的意義並非由外在賦予(如「行為學派」所言),而是由個人所詮釋。
在賦予現象意義的過程,人們會先嘗試著在既有智力架構下選擇同化(assimilation),若同化無法被接受,適應(accommodation)就將產生。
此一強調「個人認知操作」(individualcognitiveprocessing)以賦予知識意義的主張,奠定了建構主義的根基,與「行為學派」對知識取得(knowledgeacquisition)的立場,形成鮮明的對比,強調「主動學習」的重要性。
然而,皮亞傑將個人認知歷程描述為純理性而邏輯化的操作,忽略了學習者之價值觀、題材情境與主題…等觀點,則也顯示出與後續學派不同之處(O’Loughlin,1992)。
「個人建構心理學」由Kelly所提出,迴避了宇宙真理存在與否的議題(不介入「行為學派」肯定宇宙真理真實存在,及「根本建構」(radicalconstructivism)否定真理(VonGlaserfeld,1991)的爭論),而僅著眼於個人探求物理知識意義的機制與途徑(Kelly,1969)。
「個人建構」雖不否認外在所可能存在的真理,但卻認為個人無法直接探求此真理,科學知識被視為人們對外在世界尋求的詮釋,而非實質反應真理(Geelan,1997)。
身為一位臨床心理醫師,Kelly的「個人建構」觀雖然也隱約夾雜著社會互動的想法,但仍著重於個人如何理解外在世界的機制(Pope&Keen,1981)。
透過解釋與互動,人與人之間的溝通是可能的,但卻不保證彼此能完全掌握對方所想表達的概念意涵。
接著,Posner等人發展出一套極具影響力的模型,稱為「概念改變模型」(ConceptualChangeModel,簡稱CCM)(Posner,Strike,Hewson,&Gertzog,1982),此模型強調物理(科學)知識或概念的建立,並不是疉加式的,而是新、舊概念間地位的重整。
CCM模型認為促成學生的概念發展須滿足四項條件,包含對新概念感到有意義(intelligible)、有道理(plausible)、有價值(fruitful)、且對舊概念感到不滿意(dissatisfactory)。
面對舊概念對詮釋現象之不足或瑕疵,人們往往會先選擇避免對既有知識架構作大幅修改的途徑,引入新概念做詮釋。
除非學生已感受到舊有概念與現象間的嚴重衝突,或是新、舊概念間的嚴重分歧,才可能放棄一些既有的概念,以新概念取代之。
在此一理論架構下,學習物理的任務已不再被視為單純的知識累積,而是概念意義的修改與概念間地位的重整。
因此學習過程中,學生參與認知操作與概念闡述,就顯得非常關鍵。
「既有概念」(preconceptions)的研究,在1970~1980年代,蔚為一股風潮(如:
力學概念:
Halloun&Hestenes,1985),研究的成果對學習觀的啟發與學科教學知識(PCK)都提供了顯著的貢獻。
呼應「既有概念」的研究風潮,Novak及其同事提出了「概念圖」(conceptmap)的策略,獲得廣大的迴響與引用,因為「概念圖」在教學上具備了多重功能(黃台珠等譯,2002),包含:
(1)促進學生的概念改變(Mintzes,Wandersee,&Novak,1997)、
(2)協助學習者組織科學知識(Novak&Gowin,1984)、(3)成為有價值的評量工具(Novak&Ridley,1988)、及(4)協助教師檢視教學成果與盲點,提供後續教學的珍貴依據(Novak,1991)。
「個人建構」雖包含不同學派,但共同的主張在於:
學生對概念的理解,是根據現象上的特有情境(contexts),及學生先前的「既有知識架構」,對新概念做詮釋(Tobin,1993)。
所以學生詮釋概念的結果,可能與老師想要表達的概念內涵大異其趣。
為了拉近師生對概念意義的理解,課堂上引導學生進行觀察、思考、分享、與修正,就顯得非常重要(McDermott,1993),因應而起的,是演示教學、概念闡述、課堂討論…等活動,已成為許多革新方案的共同特點,將論述於後。
三、「社會文化觀」(Socioculturalviews)
然而,當「個人建構」的理念在近年來,逐漸深入物理教授(教師)的教學觀,並改變課堂模式的同時,科教學界卻出現質疑的聲音。
主要的批評在於「個人建構」學習觀過度強調認知與概念發展的面向,忽略了情意考量,及社會、歷史、文化的影響(e.g.,Hennessy,1993;O’Loughlin,1992),Pintrich等人(1993)稱CCM模型為一個全然理性、漠視感情的「冷模型」。
因應而起的,是「社會文化觀」。
有感於「個人建構」涵蓋面向的不足,從1990年代末期,科學教育的文獻逐漸納入「社會文化」的觀點,並被冠上不同的名稱,如:
(1)社會建構(socialconstructivism)、
(2)情境化活動(situatedactivity)、(3)分佈式認知(distributedcognition)、(4)引介行動(mediatedaction),不同名稱雖各有其核心主張,但彼此間也部分重疊。
(一)社會建構
「社會建構」(socialconstructivism)在科學教育文獻中,通常被用來與「個人建構」作對照,強調了社會互動對學習的影響。
「個人建構」對於科學學習所倡議的是經驗歸納法(empiricalinductivistroute)(Mattews,1992),著重個人概念與經驗間之調和(coherent);而「社會建構」則認為所謂的「理解」,代表著學生須將公認的(public)、法定的(legitimate)、社會化(socialized)知識,建構出對其個人有意義的知識架構,兩者在教育目標上出現分歧(Leach&Scott,1995)。
Millar(1989)認為學習雖涉及個人知識的重新建構,但科學教育的目標在於公開的、社會化知識,而非個人化知識。
在知識論(epistemology)的觀點上,「社會建構」認為物理知識的本質並非全然理性、客觀、與實證,無法任憑個人單獨的觀察與推理而獲得。
無論是現實主義者(realist)或相對主義者(relativist)都承認,人們永遠不可能直接得知「絕對的」真理(Bell,2005)。
科學知識是無法直接被發現的,無法藉由個人獨自「閱讀大自然這本書」(readthebookofnature)來學習,雖然物理知識或概念的建構,需受大自然現象的制約(如「個人建構」所強調),但人們也需創造(invent)出工具並規範特有的觀點,才能對現象作詮釋與推論(Driver,etal.,1994)。
例如:
牛頓力學中的關鍵工具:
「力」並非「自然存在」,而是經過許多世紀的論辯、修改而得,例如:
伽利略認為運動的物體內,因存在著「慣性力」(forceofinertia),故能維持物體原有之運動(Cohen&Whitman,1999),「慣性力」曾被牛頓繼續延用,作為詮釋運動學的工具,長達20年才被捨棄(Steinberg,Brown,&Clement,1990);牛頓也曾認為圓周運動物體因「離心力」而得以「平衡」(Westfall,1980)。
而當今探討剛體運動的重要公式:
ΣF=macom,則是由Euler在18世紀1776年才提出,比牛頓的鉅作《力學原理》(thePrincipia)晚了約一個世紀。
同時,為了有效使用(validate)ΣF=macom公式,對觀察者所規範的「慣性座標」概念,更是到19世紀才由Kelvin提出(Whitrow,1971)。
因此,「牛頓力學」並非由牛頓一人透過數據的更新、獨自詮釋、或突然頓悟所得,而是經由幾個世紀的演進、論辨、精鍊而得,歷程中發明了許多(人造)工具(如:
慣性座標),並經由社群互動,持續修改術語的意義(如:
力、平衡)(Chang,Bell,&Jones,inreviewing)。
為了精通牛頓力學,學生須熟悉這些工具的意義、用途、使用規範,甚至體認其在科學論辯的價值,而此項任務的達成需透過專家引介、社會互動,非僅獨立觀察與推理。
(二)情境化活動
「情境化活動」(situatedactivity)認為科學學習須包含體會「科學家看世界」的視野(scientificwaysofviewing),學習歷程中藉由個人參與「師徒制實習」(apprenticeship),透過所謂「合法邊緣參與」(legitimateperipheralparticipation)(Lave&Wenger,1991),以便讓生手逐漸體會此一特定社群的領域知識、儀式、實習模式、及術語意義等(Hennessy,1993)。
專家所擁有的知識常常是條件化的(conditionalized),也就是能掌握知識的適用時機與限制條件,此一要項常常是生手所欠缺(Singh,2006),也常在教科書中被遺漏(Bransford,etal.,2000)。
例如:
「大氣氣壓」與「封閉容器氣壓」的意涵並不相同,前者根源於重力(巨觀),而後者著眼於分子碰撞(微觀),巨觀與微觀的選定,成為「有效理解」的關鍵前提,超越認知發展與迷思概念的範疇(Linder,1993);同時「能量」在物理與化學定義上的分歧,也與巨觀/微觀有關(Solomon,1983)。
再例如:
亞里士多德時代的科學知識並不注重實驗操作,一直到伽利略及牛頓時代,實驗操作與觀察才成為「主流的」科學活動,造就了萬有引力定律、簡諧運動…等理論。
同時期,理想化的「思考實驗」(thoughtexperiment)也被視為「有效的科學活動」,「創造」了慣性定律…等理論,思考實驗在無法提供真實數據驗證的前提下,仍能獲得物理社群的認同(Schecker,1992)。
由上述實例得知,科學知識的「合宜化」(appropriation)往往能超越絕對的對錯(absolutecorrectness),後者是客觀理性,而前者卻涉及社會文化等人為主觀的因素,以及歷史的脈動。
不同於認知心理學所強調的「內化」(internalization)作用:
透過獨自的認知操作,整合個人知識與經驗,「合宜化」的過程含有互動性、創造性、並考量情境的特殊性,目的為使相關之人群間可以互相理解,並有效地一起工作(Nuthall,1997;Rogoff,1993)。
(三)分佈式認知
「分佈式認知」(distributedcognition)認為認知過程不能視為單純發生於腦中的活動,而忽略思考內容所牽涉的相關人、事、物,學習應是個人與外界逐漸建立起有意義的關係,而非僅個人獨自對外的詮釋(Salomon,1993a)。
科學學習過程除了個人之外,還涵蓋外在的情境,包含
(1)實體器材:
如計算機、電腦、科學儀器、教科書;
(2)符號系統:
如術語、數學符號、概念符號、關係圖;
(3)物理環境:
如課桌椅之擺置、多媒體設備;
(4)社群支援:
包含同儕間、師生間(Pea,1993)。
外在的工具與環境不僅用以協助思考,而是驅動思考的必要媒介(vehicleofthought)。
人造的工具(artifacts)與社群支援,促使個人能克服獨自思考無法理解的難題,提升思考的層次(Perkin,1993)。
因此,「認知」將考量了相對應的「情境」與「資源」,涉及「目的」、「可負擔性」(affordances)、甚至「癖好」等主觀非理性的因素(Salomon,1993b,p.113)。
例如:
大一普物在證明克卜勒第三行星定律(T2
r3)時,將行星軌跡簡化為圓周,並採取萬有引力定律(不同高等力學所採的角動量守恆原理),此證明明顯違反克卜勒第一定律(軌道應為橢圓),但因受限於學生對微分方程的生疏,且可顯示「克卜勒定律」誘導「萬有引力定律」之歷史脈動,因而仍被視為「有效的證明」。
諸如此類不合邏輯的「證明」,在物理教材中,其實相當普遍。
另外,計算機的普及降低了運算的瓶頸,擴展了可探討的主題(如:
RC線路所需的指數運算),也免除了被迫將常數化整(如g≒10m/sec2)的窘境;電腦動畫的推廣,使得許多抽象的物理概念得以具體化。
近年來由於科技的發展與普及,大幅提昇了學習的「可負擔性」,開啟學習的深度、廣度、與精確度,但享受這些成果之前,學生也須擔負更多樣化的任務(Pea,1993):
如理解工具系統的用法與意義、熟悉科學儀器的操作等。
(四)引介行動
「引介行為」(mediatedaction)呼應了Vygotsky的觀點:
認為高層次的心智操作需要社會化工具或符號做為引介(mediation),這些媒介包含科學社群所慣用的語言、符號、工具、模型、常規…等(Bruner,1985)。
這些引介工具(mediationalmeans)的使用不僅「協助」心智的操作,而是引領著整個心智操作的結構與流程(Wertsch,1991)。
「引介行為」的例子之一,是提供鷹架(scaffolding),使學習者達「鄰近區域之發展」(zoneofproximaldevelopment)。
對於這些科學社群所常用的引介工具,如:
術語、圖表、符號系統…等,Roth和McGinn(1998)認為教學者不但需協助學生能
(1)正確地閱讀,並理解其意義;
(2)合宜地引用,以協助推理或表達;(3)更須體認這些工具在科學論辯的功能與價值。
然而,在傳統教學中,多只侷限閱讀並理解工具意義的被動功能,忽略了主動選用工具及工具價值的體會。
Leach和Scott(1995)具體陳述物理教學所應提供的「學習引介」(mediation)應包含:
概念工具(conceptualtools)的引用、科學術語本體論(ontologicalassumptions)、及科學知識的知識論(epistemologicalunderpinnings)三個面向,而無論是工具、本體論、或知識論(如:
因果律)(Besson,2004),在科學社群的規範與習俗,都與日常生活大相逕庭。
例如:
「靜電學」的學習瓶頸常導因於
(1)忽略關鍵工具:
「電場」的重要,及體會「庫倫定律」與「電場模型」在知識論上之分歧(Galili,1995),或是
(2)對表徵工具的混淆(如「軌跡」、「電力線」、與「等位線」,Tornkvist,Pettersson,&Transtromer,1993),或(3)不熟
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