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看見科學:視覺化表徵促進科學教育

【本報導由科學教育研究所 吳心楷教授研究團隊提供】

  隨著現代資訊傳遞方式的改變,非文字和數位化的視覺表徵充斥於生活中,例如:照片、示意圖、表格、動畫、和梗圖等。長期以來,科學界亦運用各式表徵 (如:數學公式、化學符號、結構式、模型、循環圖和模擬等) 呈現科學內容和探究過程,因此吳心楷教授在科學教育領域的研究主題之一,即在探討師生如何運用不同的視覺化表徵,增進對科學知識的理解及其與科學過程的互動。在過去二十年間,吳教授設計、建置、並應用多樣形式的視覺化表徵,透過不同的理論觀點,了解師生在科技環境或表徵系統中,如何進行科學學習與教學,豐碩的成果已備受國際學者肯定。以下介紹吳教授研究成果之一:多重表徵對科學學習的效益。


 

多重表徵對科學學習的效益

  當你看到複雜的化學結構和反應式時,你看見了什麼?當教師用投影片或動畫來呈現科學內容時,學生理解到了什麼?他們又是如何理解?中學生是否能像科學家一樣,使用各種科學表徵來投入科學實務 (scientific practices)、建構科學知識?這三項問題分別是概念改變觀點、訊息處理理論、和實務社群理論所關心的。針對這些問題,吳心楷教授於2001-2006年間在國際期刊發表了一系列的文章 (如:Wu, 2003; Wu, Krajcik, & Soloway, 2001; Wu & Krajcik, 2006a, 2006b; Wu & Shah, 2004),分別從概念學習和表徵實務的面向,來探討視覺化表徵在科學學習中所扮演的角色。在Wu 和Puntambekar (2012),更將表徵研究推向「科學過程」或「科學探究」,聚焦於教學能供性,探討兩大議題:「如何使用多重表徵來促進科學過程」以及「哪些策略和方法可提昇多重表徵的教學效益」,利用能供性的想法來說明表徵類型與科學過程的配對,並指出包括:動態連結、模型進程、序列化、教材支持、教師協助、主動投入等六種策略來克服多重表徵在教學使用時,可能面臨的挑戰,並提出教學上的作法。

  除了教學策略之外,吳教授也進一步剖析多重表徵系統、科學學習、及學生特質之間的複雜關係。以Wu、Lin、和Hsu (2013)「表徵順序」研究為例,「順序」這項特性在多重表徵系統中相當重要,已有不少研究顯示,同時呈現多種表徵可能會造成學生的認知負荷過重,因此將多重表徵依次呈現為教學時常用的手段。而當教師用投影片和動畫來呈現相同的科學主題時,應先播放靜態投影片或動畫?不同的表徵呈現順序對不同空間能力的學生,會產生不同的學習成效嗎?此研究發現,整體而言,先呈現投影片再播放動畫的方式,學生的學習表現較佳。但不同的呈現順序會與學生的空間能力有交互作用,進而影響學生的科學理解。而且呈現順序會影響學生對特定表徵的知覺,如:先動畫後投影片組,不少學生認為動態表徵的播放速度過快,然而在先投影片後動畫組,學生則沒有此知覺。由此可見,科技表徵對學生造成的困擾,有時並不在表徵設計本身,而是在於教學使用的方式。此項研究除了揭露多重表徵系統的特性、科學學習、及學生特質三者之關連性外,亦顯示在設計表徵時不能忽略實際教學的過程與方法。

  吳教授在多重表徵領域的研究表現已受國際矚目,於2008年獲得美國科學教育學會年輕學者獎(Early Career Award)肯定,近年亦受邀於多場國際研討會擔任Keynote Speaker 包括:IUPAC International Conference on Chemistry Education和International Science Education Conference等,演講內容和研究成果頗受好評,並受邀於南非、中國、印尼、韓國等地參訪、講學、及開設教師工作坊。

吳心楷 講座教授 | 科學教育研究所

吳心楷講座教授任教於國立臺灣師範大學科學教育研究所,並為南非約翰尼斯堡大學特聘訪問教授 (2017-2021)。研究領域聚焦於學習科技、探究學習、科學表徵、和化學教育,目前擔任Journal of Research in Science Teaching 副主編,International Journal of Science and Mathematics Education 資深主編,Science Education和American Educational Research Journal編輯委員,及國內外多本學術期刊的審查委員。過去數年所累積的研究成果及其對科教領域的貢獻,於2008年受到美國科教學會年輕學者獎(NARST Early Career Award)的肯定,並獲頒97、102、及105年度行政院科技部傑出研究獎。