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亞太科學教育論壇，第十一期，第一冊，文章三(二零一零年六月)
蘇詠梅、鍾媚 科學探究中的“不科學”
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亞太科學教育論壇，第十一期，第一冊，文章三(二零一零年六月)
蘇詠梅、鍾媚 科學探究中的“不科學”
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從分析來看，在計劃和設計階段，有8個探究出現不科學的想法，主要是「情難自控」和「面面俱到」；在開展探究過程階段，有15個探究出現「為做而做」、 「依葫蘆畫瓢」、 「隨心所欲」的不科學性思維；在解釋探究結果階段，有9個探究存在「牽強附會」和 「移花接木」 的不科學性思維。以下就各部分選取兩到三個較典型的例子作詳細的分析討論。
1. 情難自控
在開展探究之初，學生往往容易急於進入主題，缺少對探究內容的有效分析，以致難以將意念轉化為可探究的調查或設計。
在一個探究計劃書中，學生提出改善市區的通風情況和空氣品質，減低屏風樓效應的影響，其中的探究設計有兩項內容：用電燈泡類比提升空氣溫度，看看是否會對地下通風管道的空氣對流產生影響；看看哪種材料最適合隔離空氣污染物。雖然學生在探究目的上描述了屏風樓效應，但是卻提出了一些與探究意圖不相吻合的問題，例如將屏風樓效與地下通風管道相聯繫等。另一個探究計劃是通過實地觀察找出哪裡是最佳的住宅區綠化位置。然而，如何定義「最佳」綠化位置是一個很複雜的問題，涉及主觀審美等因素，單憑觀察不可能得出結論。
在設計探究階段，提出富有成效的問題可以聚焦和引導學生的思維活動 (Chin, Brown & Bruce, 2002)。由於學生對科學探究缺乏認識，在探究之初往往提出無需探究的資訊問題，或者難以探究的複雜問題，甚至無法探究的哲學宗教問題 (Chin & Kayalvizhi, 2002)。假若學生在探究內容進行初步分析，結合科學探究的類型特點，如公平測試是探究某事物是怎樣影響另一事物的，問題解決是探究如何應用已有知識解決某一問題，則可以將探究意念具體化為一系列可探究的問題。為此，在屏風樓效應的探究中，學生可以通過樓宇模型展開公平測試型探究，例如，樓宇的高度、密度、排列方式是怎樣影響空氣的流通速度等等。關於社區綠化的意念則可以轉化為一個問題解決型探究，如：如何改變現狀，提升住宅區的綠化品質？學生可以通過考察社區的綠化現狀，包括：綠化面積、人均綠地、樹種配置等，提出相應的建議。
2. 面面俱到
為追求全面完整的探究，將探究範圍不必要地擴充以獲取豐富的探究結果，是學生在提出探究計劃階段另一個比較突出的問題。在小學生看來，科學探究必須「面面俱到」，對與研究物件相關的問題都應該列入探究計劃。
例如，在一份有關環境綠化的探究計劃書中，學生提出五項探究內容：瞭解常見的植物及不同的植物在香港的角色；在學校及家居種植不同植物去綠化環境；比較綠化及非綠化地區的溫度、濕度及塵埃等；測試光合作用；製作葉脈書簽等。而另一份計畫書提出，為改善市區的空氣品質，運用多項探究設計，包括：水蒸汽降溫；風力發電；水力發電；大廈流線型通風設計等多項內容。
從這兩份計劃書來看，雖然學生在其中談到了多項探究測試，但對各項測試的目的並不清楚。例如，水蒸汽降溫與改善空氣品質有什麼關係，水蒸汽降溫與風力發電、水力發電、大廈流線型通風設計之間又存在怎樣的關係等。又如，瞭解常見的植物及不同的植物在香港的角色有什麼意義？為什麼要進行光合作用的測試？這兩項探究內容之間有什麼關係？在這些計畫書中，學生雖然能夠提出一些探究問題，但是對於「為什麼而探究」並不清楚 (Hart, Muhall, Berry, Loughran & Gunstone, 2000)，其結果就是儘量將各種相關內容羅列進計劃書，誤以為這樣才是一個好的探究計劃。
1. 為做而做
選擇合適的方法和技術收集證據資料是回應探究問題的重要環節。為保證探究過程的科學性，學生們採用各種材料和方法進行了多項測試，但是所得的資料結果卻不一定能說明探究問題。
例如，在某一比較各種不同膠袋的耐用性的探究中，採用的測試方法是：比較用正方體投擲各類膠袋的情況；比較圓柱體投擲各類膠袋的情況；比較錐形體投擲各類膠袋的情況。雖然學生想利用不同形狀的重物投擲膠袋，以表明採用不同的方法驗證了同一結果，但這些測試結果都不能說明膠袋的耐用性，學生應該考慮膠袋承受重量或磨損的程度。又如，某探究的目的是測試不同材料製成的環保袋是否環保，採用的測試方法：比較各類環保袋沾上動物油後的易清洗性；比較各類環保袋沾上動物血後的易清洗性；比較各類環保袋在水泥地板上磨擦後的耐磨性。雖然學生進行了細緻地對比測試，但是探究結果卻只能說明各類環保袋的「 實用性」而非「環保性」。除了測試方法，在探究材料方面也出現了脫離探究目的，用無效的結果驗證探究問題的現象。例如，某探究的目的是比較不同材料成分的保暖被的保暖效果，選擇的測試物料為：棉、羽絨、碎布、報紙。很顯然，碎布和報紙是學生為了增加資料的多樣性而選擇的物品，其測試結果並不能為回答探究問題提供參考。
從實例中可以看出，由於缺少證據的有效性的概念，學生常常將測試方法和測試材料的豐富性等同於資料的充分性 (Gott & Duggan, 2003) ，出現為探究而探究的現象。
2. 依葫蘆畫瓢
公平測試或稱控制變數是獲取資料證據的重要方法，也是常見的探究類型之一。在小學科學探究中，學生們也經常使用這一策略開展探究。從表面上看，學生們似乎已熟悉公平測試的各種要素，如找出具影響性的各種變數，確定引數和因變數，改變其中的一個變數而保持其它變數不變等。但從深一層的角度來看，不少學生對公平測試的理解只停留於形式，而非真正理解公平測試對於獲取證據的重要意義。
例如，某探究希望比較填充不同材料（發泡膠、雞毛、棉花、空氣）製作的保存蓋的隔熱性能。學生懂得保持保存蓋的大小相同，保持盛水器的大小和材質相同，及倒入同樣的熱水。但是在比較各種保存蓋的散熱率時，卻忽略了保持開始水溫的一致性，而這一條件對於散熱率的比較有很大的影響作用，因為熱量的散失會在瞬間受到周圍環境的影響。從例子中可以看出，學生容易識別外顯的變數，有的甚至可以全部控制，例如，外觀形狀、大小、材質等，但是往往會忽略內隱的變數，例如，周圍的環境條件、濃度、速度等 (Gott & Duggan, 1995)。又如，某足球遊戲的設計與探究，測試購買的發泡膠球與其他材料製作的球（報紙、鋁箔）的性能。學生設計了兩組測試：保持重量相同，測試三個不同材料製成的球的性能；保持直徑相同，測試三個不同材料製成的球的性能。由於學生不完全理解公平測試在這個問題情境中的運用，於是設計了控制重量和直徑兩組不同的測試。因為購買的發泡膠球直徑是固定的，為了比較它與其它材料所製作的球的性能，只要保持球的直徑不變，不斷改變其它材料製作的球的重量，就能選擇到大小（密度）合適的球。
這些實例說明，學生雖然能依葫蘆畫瓢地提供變數控制的元素，但並不能在實質意義上將變數控制的原理與探究內容相結合。
3. 隨心所欲
在科學探究中，能夠使用測量資料而非簡單描述以證明探究結果，顯示了學生在探究能力上的質的進步(Gott & Duggan, 1995) 。從學生提交的探究報告來看，不少學生懂得以一連串的測量資料說明自己的結論。但是能夠使用測量手段和工具，是否表示學生能理解測量的意義和目的？
例如，為了探究螢光棒的發光亮度與環境溫度之間的關係，學生選取室溫、冰水和熱水作為溫度的改變條件。雖然學生懂得在不同的溫度下進行測試，卻將溫度這一連續變數錯誤地描述類別變數（冷、常溫、熱）。很顯然，這種類別性的詮釋限制了學生更準確地探索周圍環境溫度與螢光棒的發光亮度之間的關係。同樣的，在關於搖搖的探究中，學生為探討負重量對搖搖懸停旋轉時間的影響，進行了兩項測試（見表1和表2）。雖然學生進行了多次測試，提供了一連串的資料，但是真正能夠說明問題的資料只有13.0秒和15.5秒兩個，而這兩個資料並不足以推出所謂的“搖搖重量越重，量度出的懸停時間越長”的結論
表1 搖搖重量增加2克後的懸停時間
測試次數
1
2
3
4
5
6
7
8
平均
時間（秒）
12.4
13.9
12.3
13.1
16.8
13.3
10.5
12.1
13.0
表2搖搖重量增加5克後的懸停時間
測試次數
1
2
3
4
5
6
7
8
平均
時間（秒）
13.1
16.1
18.8
15.7
16.2
13.8
15.6
14.8
15.5
在上述實例中，學生嘗試以測量資料來展示探究結果，但是由於缺乏資料“可信度”的概念，導致出現隨意選擇測量的時間、頻率、範圍等現象。可見，建立測量的概念不僅意味著掌握測量技能，更重要的是在測量過程中形成決策的能力，決策的內容包括選擇測量的範圍和精確度，測量的時間和頻率，以及是否需要重複測量等，而這所有的決策點都取決於學生是否理解何為可靠的資料。
1. 牽強附會
一旦完成了資料收集工作，學生就需要進一步著手解釋自己發現的結果。解釋過程不僅包括綜合各種資訊尋找其中的規律，還包括考慮各變數間的關係以及確定事實證據是否支持相關的假設。從探究報告的分析結果來看，在形成解釋的過程中，學生往往基於原有的信念或想法而非觀測的事實來解釋事物和現象，特別是處理不支援已有知識理論的資料（反例）時候，學生常常以牽強附會的解釋方式回避認知衝突。
以鮮花保鮮之謎的探究為例，學生比較清水、鹽、砂糖、黃糖、燒酒、阿司匹林、可樂、檸檬汁、白醋、漂白水和維生素C對延長鮮花觀賞期的功效。根據學生查找的資料，白醋和黃糖可以延長鮮花的生命。然而，探究的結果卻顯示：黃糖不能令鮮花保鮮，而且是功效最差的一種物質；白醋同樣不能延長鮮花的生命。面對這些反例，學生表現得無所適從，認為：“在實驗的過程中，我們加入的黃糖分量可能太多，而令鮮花不能承受。令蛋白質不能分解，氣孔也不能張開，防止了正常的蒸散作用”。而對於白醋的反常現象，學生則“避而不談”。
除了以模棱兩可的解釋應對反例，學生甚至會以某種方式調整證據，以適應他們自己的那套理論。例如，在一項漂白水的探究中，學生進行了兩項測試：比較不同牌子的漂白水的漂白效果；比較不同牌子的漂白水的殺菌效果。由於高樂牌的漂白水的次氯酸鈉含量最高，為此學生提出假設：高樂牌的漂白和殺菌功能最強。在漂白效果的比較中，高樂牌比超值牌和花王牌的效果強。然而，在殺菌效果的卻顯示超值牌和花王牌的漂白水殺菌能力比高樂牌強，其結果與假設不同，而且與漂白效果的測試結果不一致。為了“圓滿”地解釋這兩項探究結果，學生對所得證據進行了重新解釋，認為：“這個實驗結果雖然與我們的假設結果不同，但亦可以解釋的。在實驗中，沾在高樂氏漂白水的麵包沒有完全被沾濕，故黴菌能在沒有漂白水的位置生長。”
在以上實例中，學生都把個人的猜想當作解釋理由，缺乏進一步的求證。研究指出，學生在處理與理論或預測不一致的資料時，常常出現忽略反例、反駁反例、舉棋不定、將反例排除在理論之外、暫時持有反例、在原有理論範圍內解釋反例、調整原有理論以適應反例等現象 (Chin & Brewer, 2001)。以上的分析顯示，當證據與原有理論不一致時，學生經常忽略不一致的證據，或者以某種有選擇性的、歪曲的方式注意這些證據。
2. 移花接木
將探究結果推廣到資料之外，而不是根據現有資料得出結論，是學生在形成解釋階段的又一個障礙。
例如，在某去除墨蹟的探究中，學生假設酸性物質能幫助去除墨蹟，但發現不能完全去除。在改進設計後，學生加入鹼性的洗衣粉，發現能完全去除墨蹟，於是得出結論：“酸性的物質有助於去汙，卻不能徹底清除，因此在實驗的過程中加入鹼性的清潔用品，墨蹟才消失”。在此，學生只是對其中的一種鹼性清潔用品洗衣粉進行實驗，而沒有對其它鹼性用品做測試，所得資料並不足以推出鹼性的清潔用品都能徹底去除墨蹟的結論。除了將結論範圍進行無限制地擴大，學生還可能主觀性地將「規律」強加於其中，特別是面對一些模糊的資料時 (Gott & Duggan, 1995) 。例如，在關於陀螺的探究中，學生測試了轉盤的品質與旋轉時間的關係（見表3）。根據表3中的資料，學生推出結論：“轉盤的品質、重量愈大，愈能保持旋轉狀態，旋轉時間愈長，即穩定性愈高”。從表3中的資料可以計算得出，隨著轉盤品質的增加，旋轉時間的平均值分別為27秒、24秒、51秒。雖然25克轉盤確實比10克、15克轉盤的旋轉時間長，但這些資料並能推導出“隨著轉盤品質的增加，陀螺的穩定性愈高”的結論。
表3 轉盤品質與旋轉時間的關係
膠紙重量（克）
10克
15克
25克
測試一
轉動時間（秒）
15秒
26秒
50秒
測試二
轉動時間（秒）
30秒
27秒
56秒
測試三
轉動時間（秒）
35秒
18秒
48秒
從這些分析中可以看出，儘管學生在探究過程中獲得一定的資料事實，但在形成結論階段卻不能將探究結果與資料事實相互匹配，以致出現隨意放大結論、強加規律等「 移花接木」的現象。
