看見科學：視覺化表徵促進科學教育

109年05月06日

【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。