學習理論在科學教育的應用 王國華 彰化師範大學

引言 有條蜈蚣樂悠遊， 不巧碰到小蟾蜍。 蟾蜍心情好的很，說： 「請問，你哪條腿先走，哪條腿後走？」 蜈蚣一想起疑心， 心神不定掉溝裡， 從此以後不會走。 【引自費曼的主張】

引言 「學習」是人天生的本能 透過「教學」來激發學生的「學習」 教學是一種有計畫、有目的的活動。 「教學活動」乃是一系列「教學策略」的運用，而「教學策略」則依「教學目標」、「教學原理」和「學習條件及環境限制」來擬定。

二、 教學原理概述 「教學原理」多為基於心理學、生理學、社會學、或哲學等等，所形成的一些理論與原則 在教學上最重要的依據則是心理學

近代學習理論的根源：心理學 希臘時代-蘇格拉底、柏拉圖、亞理斯多德 中世紀教會及神權 17世紀的原型心理學：理性主義和經驗主義 理想主義和現實主義 中世紀教會及神權 17世紀的原型心理學：理性主義和經驗主義 1879年近代心理學的誕生 德國的Wundt 19世紀末期 美國詹姆斯 歐洲佛洛伊德 心理測驗

20世紀心理學 行為學派心理學（Behavior psychology) 完形心理學(Gestalt psychology) 發展心理學(development psychology) 認知心理學(Cognitive psychology) 社會心理學(Social psychology) 腦神經心理學(Brain-Based psychology, Multiple Intelligences)

配配看 蓋聶 史金納 班都拉 維高斯基

挑戰一下 1.( )強調個體會對有意義的整體做反應是桑代克的連結論。 2.( )將學習定義為將外在刺激轉化為習得之新能力所需之數個訊息處理階段者為史金納。 3.( )皮亞傑說要建立適當的學習理論，首先必須解釋個體如何設法建構與發明，而不僅是重複和模仿。

一、行為學派 １、古典制約－ ２、桑代克連結論： 巴夫洛夫狗的實驗， 非制約和制約 工具性制約，刺激與自主反應之連結，行為的改變是反應。 學習的定律－ 效果律：反應滿意強化連結，反之消弱， 練習律：重複會提高正確反應的可能性， 準備律：主宰「滿足」或「痛苦」狀態的條件，能得到回應即滿足，受到抑制即痛苦。 影響學習之條件－ 態度、性情或狀態（情境因素） 藉由類比同化：經驗的概括 連結性變遷

3. 史金納的操作制約論 我們所做的任何事情都是由獎勵和懲罰的歷史決定 行為主義可能需要澄清，但它不再需要爭辯了 行為的改變是刺激，因此，動物的隨機活動都可視為對環境的操作，適當的獎勵可以使動物的行為定型，例如教鴿子啄鑰，豬開電視

二、完形心理學派：認知取向 德國－Max Wertheimer, Kurt Koffka, Wolfgang Kohler 注意高階心理現象，萬花筒的現象。運動錯覺的發生不是在感官上而是在知覺意識中。外來刺激，人能組織產生總體感覺，德語稱為完形。 完形特質－形樣所賦於之特質，例如不同調演奏同一曲，音符不同，但整體旋律知覺一樣。

完形心理學基本假設： １、研究應注重巨觀的整體行為，非微觀的局部行為。 ２、有機體會對個別感官的整體做反應。 ３、知覺的重要性導致於地理環境和行為環境的差異。 例如，風雪中騎馬越過大片薄冰的故事。地理環境－一片薄冰，行為環境－一片平原。 例如，星星看似某種形狀被賦於名稱，雲的形狀似人臉等 ４、感官組織是一動態歷程。

５、知覺組織的法則－ ６、對學習最著名的貢獻－頓悟和有意義學習 接近律：取最近的物體感知 相似律：取相似物體感知 求簡律：取最簡單形狀感知 封閉律：取最完形感知 尺寸恆定律：遠處物體與其在近處一樣大 ６、對學習最著名的貢獻－頓悟和有意義學習 理解力的學習不一定要靠獎勵，還可以遷移 頓悟：刺激，組織，對組織結果的反應 有意義學習：有意義的結構不應以無意義或記誦的方式學習

學習和教學 ＊學習理論的進展－ 一、從實驗室到教室(1950-1975)- 軍事訓練 1957年蘇聯發射人造衛星的刺激 技能階層 課程改革需求教學理論－Bruner(1960)認為學習理論是敘述性，教學理論是處方性

1969教育心理學正式成立 四種卓越教育理論出現－ 皮亞傑認知發展論， 蓋聶學習條件論， 布魯納認知取向課程發展， 史金納操作制約

二、1975後之心理學 （一）、主流為認知心理學， 奠基於： １、二次大戰的溝通研究： 認知和訊息處理 ２、高速計算機發展

（二）、社會、文化與個人因素在學習上所扮演之角色 班都拉社會認知論，1970：社會情境中的學習是環境、個人因素及行為三面之互動 維古斯基，1980：文化中之符號影響學習的歷程，認知發展過程，學習者與文化中博學者之社會互動的重要 分享與鷹架（結構性支援）發展成相互性教學(reciprocal teaching, Palinscar & Brown,1984) 懷納的歸因理論：個人成功失敗所知覺到的導因，正是了解學習者動機的關鍵。界定四個歸因類別。

近代學習理論及模式 二十世紀後發展三大理論型態，七大理論 （一）、學習歷程論－ 史金納操作制約（行為主義，強調環境條件與事件對行為改變的影響，焦點在對學習行為的安排） 訊息處理論（完形心理學的認知角度，解釋訊息被處理的歷程，焦點在獲得訊息、記憶、以及問題解決的歷程） 蓋聶學習條件論（互動理論，學習者之認知歷程與環境中學習相關事件的互動，焦點在對學習的任務與教學的關係）

近代學習理論及模式 （二）、認知發展論－ 皮亞傑認知發展論（界定人類數理邏輯思考本質，及發展到最高層次所需之歷程，焦點在嬰兒至成人智能的發展） 維古斯基社會歷史論（界定人類文化中之符號影響學習的歷程，焦點在文化對高層次思考所扮演的角色。） 布魯納（Bruner） 《兒童思維之研究》《教育歷程》《教學理論之建構》

近代學習理論及模式 （三）、社會情境論－ 班都拉社會認知論（強調環境、個人因素及行為間之互動，焦點在對示範行為之觀察與內在處理歷程） 懷納的歸因理論（個體的認知及對成敗的情緒性反應，焦點在學習者的成敗信念對與成就相關行為之影響）

各個理論的學習原理和教學應用 一、學習（發展）原理： 基本假設－ １、該理論對學習提出什麼假設？ ２、學習的定義？ ３、學習被視為是行為改變？認知結構改變？或內在歷程改變？ 學習的要素？其關係？ 學習要素如何安排以達成複雜學習，例如解決問題。

二、教學原理： 基本假設－該如何教的假設？ 教學要素－學習要素和教學要素之關係？ 如何發展複雜技能之教學？

三、教育上之應用 教室的課題－如何應用該理論解釋個別差異、認知歷程、及社會情境對學習之影響？ 教學策略之發展 實例－

三、近代科學教育的學習理論 蓋聶（Gagne） 皮亞傑（Piaget） 維高斯基（Vygotsky） 布魯納（Bruner） 奧斯貝（Ausubel）

蓋聶學習條件論 互動理論，學習者之認知歷程與環境中學習相關事件的互動，焦點在對學習的任務與教學的關係 各式各樣的人類技能、喜好和推理、以及人類的希望、抱負、態度和價值之發展，均有賴於所謂的學習。(Gagne,1977)

蓋聶學習條件論之學習（發展）原理： 基本假設－ １、該理論對學習提出什麼假設？ （１）、人類學習之一般性質－ 發展是學習的累進效果； 學習有多樣性，非單一理論能涵蓋； 學習的定義－學習是將外在刺激轉化為習得之新能力所需之數個訊息處理階段

（２）、學習歷程的特殊性質 學習的要素？其關係？ 五種不同學習：語文、心智技能、認知策略、態度、及動作技能 內在條件：先備技能 學習的認知歷程（九個訊息處理階段）－注意、確定學習目標、提取相關訊息至工作記憶、選擇性知覺、語意編碼、訊息提取與反應、增強、提示線索、類化 外在條件：教學事件

學習要素如何安排以達成複雜學習，例如解決問題。 １、程序 ２、學習階層

蓋聶學習條件論之教學原理： 基本假設－該如何教的假設？ 教學的定義 教學設計的性質 教學要素－學習要素和教學要素之關係？ 確認將學習之能力（實作表現的目標） 適當教學事件之選擇（九項教學事件） 累進學習之作業分析

如何發展複雜技能之教學？ 提供教學事件，確定程序與學習階層中各技能順序

蓋聶學習條件論之教育上之應用 教室的課題－ 確認累進學習之心理歷程 說明人類學習之多樣性 教學與訊息處理歷程相結合 教學策略之發展 系統設計模式  

學生能夠指認代表短篇文章主旨的敘述 教學活動 蓋聶學習條件論之實例－ 學生能夠指認代表短篇文章主旨的敘述 教學活動 １、引起注意，教師請學生說出他們最喜歡的電視劇情或故事名稱 ２、告知學習目標，老師說明要大家學習的是找出故事的主旨，以便告訴別人故事內容 ３、刺激對先前所學的回憶，要求學生回想故事的主題 ４、呈現明顯之刺激特徵，教師說明（用教學媒體）為什麼該敘述是主旨

５、提供學習指導，團體討論，老師和學生討論並說明理由 ６、提供學習指導，利用遊戲或競賽讓學生分辨主旨 ７、誘發表現，呈現給學生一些情境，讓學生選擇 ８、提供回饋，討論答案 ９、評鑑表現，給學生數篇短文和選項，請學生選出正確主旨 １０、提供保留和遷移，教師設計一些主旨選項，學生團體討論做出決定，選出主指。

蓋聶學習條件論之理論缺失： 主要貢獻： 對未受過訓練之教師而言，較難實施此類教學 １、提供由簡而繁之教學設計 ２、界定累進學習之心裡歷程 對未受過訓練之教師而言，較難實施此類教學   主要貢獻： １、提供由簡而繁之教學設計 ２、界定累進學習之心裡歷程 ３、說明人類學習之多樣性 ４、將教學階段與訊息處理之特定階段做連結  

皮亞傑認知發展論 （界定人類數理邏輯思考本質，及發展到最高 層次所需之歷程，焦點在嬰兒至成人智能的發展） （界定人類數理邏輯思考本質，及發展到最高 層次所需之歷程，焦點在嬰兒至成人智能的發展）   要建立適當的學習理論，首先必須解釋個體如何設法建構與發明，而不僅是重複和模仿 (Piaget,1970)    

皮亞傑認知發展論之學習（發展）原理： 基本假設－ １、該理論對學習提出什麼假設？ 智能與生物系統一樣，逐步建構其運作所需之結構；心智建構運作所需之構念 知識是學習者與環境間互動的歷程； 智能之成長受四個因素影響（物理環境、社會環境、成熟與平衡作用） ２、學習的定義？ 學習是認知的發展，即由嬰兒期到成人之邏輯思考的成長 ３、學習被視為是行為改變？認知結構改變？或內在歷程改變？ 認知發展的結果是由先前結構來建構新的結構  

學習要素如何安排以達成複雜學習，例如解決問題。 學習的要素？其關係？ 受平衡調節之同化與調適，物理經驗和數理邏輯經驗 學習要素如何安排以達成複雜學習，例如解決問題。  

教學原理： 基本假設－該如何教的假設？ 教學要素－學習要素和教學要素之關係？ 提供物理實體實驗機會，以及來自同儕互動與來自教師之協助 如何發展複雜技能之教學？ 維持兒童與教育間之雙向關係；避免直接教學和直接糾正兒童的錯誤  

實例：指數 先前活動：已學過的，教師常規（教師提出問題，學生將臆測答案和名字寫於黑板，要修正則須說出並說明理由），所有學生都以計算機準備平方表 建構知識：教師要學生審視數目表中最後一位數，找出規則。 提出學生盡可能之答案 進行討論：要學生說明其主張，及其可能之假設，並說明自己思考上之修正

理論缺失： 貢獻： 基本術語和定義難以理解－如將智能和知識視為歷程，過去一般人難以理解 理論摒除邏輯思考與課程要素（如閱讀寫字）間之關連，實施上有困難 貢獻： 由兒童觀點描述世界； 指出當前教育課程之問題； 運用發現式學習  

布魯納(Jerome Bruner)的發現學習論（1915~ ） 發現學習（Discovery learning）：學生主動參與，對學習情境、學習目標較瞭解，對學習的結果不依賴教師提供，是靠學生自己探索尋求。 發現學習教學法Discovery learning method： 強調歸納思考的求知取向，在教學歷程中讓學生瞭解學習情境與目標，然後經由討論、假設、比較、探索、試驗等活動去主動探求答案，最後再按預定目標對結果予以評價。 教師是資源提供者、輔導員、催化者，引導並鼓勵學生尋求答案而不直接提供答案。

教學設計的四大要則 a)學習情境/材料，解說清楚。 b)配合學生經驗，教材適當組織。 c)教材難度/邏輯上先後順序安排，依認知表徵階段，安排螺旋課程 d)教材難易安排，要維持學生動機。 '

The Culture of Education (1996) 文化心理學 The Culture of Education (1996) 'culture shapes the mind... it provides us with the toolkit by which we construct not only our worlds but our very conception of our selves and our powers

布魯納理論的教學應用 Inquiry-oriented projects Opportunities for the testing of hypotheses Curiosity encouraged Staged scaffolding

布魯納理論的優缺點 a.優點 自行發現/組織知識，有助長期記憶。 主動思維有助智力提升發展。 主動發現中獲得成就感，不需外在賞罰維持動機興趣。 養成獨立求知與研究。 b.缺點 需必備先決知識/技能，很難用於低年級。 遇疑難求助教師不得要領而氣餒。 對思想較緩慢者造成極大精神壓力，不利學習。 團體討論，較不善言詞學生無力發言而無法獲得學習效益。

Ausubel’s意義學習論 Meaningful Learning 何謂「意義」： 刺激或概念要有意義的話，學習者認知結構中必須有些事物能夠跟它產生關係。 學習的意義： 意義化學習的必要條件是在，學習者的舊學習中，具有可以和新素材產生關係的聯結概念，即能夠「包容」（subsume）新學習概念。 學習包括連結新知識與其先備知識，或延伸先備知識至相似的新知識。學習是對認知結構的細心經營。學生在學習新概念或知識時，以自己既有的認知結構/要領概念去核對新概念，並試圖將其納入自己的認知結構之內，從而同化為自己的知識。

有意義的學習只產生在學生已有充分的先備知識上教他新知識。 「意義學習論」的要義 有意義的學習只產生在學生已有充分的先備知識上教他新知識。 其理論建構主要目的：直接解決學校知識教學的問題。理論內涵同時涉及學習/教學/課程三方面。 針對學校知識教學情境，企圖解答： 如何組織教材使學生產生有意義的學習。 學生面對所要學新知識時，在心理上如何運作以吸收新知識。 教師如何運用學習心理學的原理以達成教學目標。

意義學習論的應用 根據意義學習論所發展出來的教學法叫「講解式教學」。由教師將教材詳細規劃，使之成有系統/組織的知識，然後條理分明地對學生講解。通常在教學中採三階段： 提供前導組織 呈現學習材料 漸進分化、統合調整

概念的層次 要領概念：結構上層；個人對事物的整體認識；可持久不忘；即個人先備知識。先備知識即個人吸收新知識的基礎，即認知結構。 附屬概念：結構下層；個人對事物特徵的細部記憶；多為短暫性的。

前導組織（advance organizer）──結合舊新概念而而有利於學習的教學步驟。在學習新概念之前，先將新知識中的主要概念提出來，使之與學生既有的要領概念（即先備知識或認知架構）相組合，自將有助於學習。 意義學習又稱之為「接受學習」（reception learning）。雖稱之接受學習，然學生的心理活動仍是主動的。

維古斯基社會歷史論 （界定人類文化中之符號影響學習的歷程，焦點在文化對高層次思考所扮演的角色。） 文化創造特殊之行為模式…在歷史發展的歷程中，社會人改變其行為模式，將天生的本能與功能加以轉化，（並且）提升且創造新的行為形式。(Vygotsky,1930/1960)  

學習（發展）原理： 基本假設－ １、該理論對學習提出什麼假設？ 人類行為與動物行為之差異，如同人類歷史發展與動物進化之差異。人類心智發展的歷程是歷史發展的一部分。人類心智發展的顯著特徵，在能自己創造刺激（除外在刺激）。心理歷程不是靜態，而應被視為轉變中的歷程。 ２、學習的定義？ 學習是認知的發展，其不僅運用外在的刺激，也運用創造出來的刺激。 ３、學習被視為是行為改變？認知結構改變？或內在歷程改變？  

學習要素如何安排以達成複雜學習，例如解決問題。 學習的要素？其關係？ 人際間行動的內化，精熟文化中的符號與記號，並學習使用以掌握自身行為。 學習要素如何安排以達成複雜學習，例如解決問題。 透過與他人互動，精煉文化中符號與記號的歷程，並學習運用符號以引導並管理自身行為 學習（認知）發展的結果 複雜心理功能，包括自我調節注意力，類別性知覺、概念性思考、及邏輯性記憶。  

教學原理： 基本假設－該如何教的假設？ 教學要素－學習要素和教學要素之關係？ 如何發展複雜技能之教學？ 透過與見聞廣博之成人互動，建立彼此共通的符號與意義；建立教學中潛在發展區域  

實例： 學生有基本讀字能力但無法理解文意 闡明鷹架概念，及將責任轉移給學生 １、老師與學生共同默念一段文章，教師並示範自我檢驗理解的技能 ２、老師與學生還是共同默念，教師要求學生提出以為什麼為頭的問題 ３、教師與學生共同檢驗問題與答案 ４、要學生提出問題及檢視答案  

理論缺失： 系統有欠完整，缺乏施行之具體方針   貢獻： １、被創造之刺激在認知發展過程之重要性 ２、社會性互動與合作之重要性  

各學習理論的比較 基本主張 教學方式 從認知角度，主張學習是主動建構知識 皮亞傑和奧斯貝比較崇尚自然學習 布魯納、蓋聶、與維高斯基則較注重學習的引導和設計 教學方式 皮亞傑認為教學活動應配合認知發展過程 布魯納認為教師不講解教材，只是鼓勵學生主動發現知識中所隱含的原則 奧斯貝則認為教師應將教材詳細規劃，使之成為有系統有組織的知識，然後調理分明地對學生講解

四、符合學習理論的科學教學方法 （一）、探究教學法 探究式教學是指以教師和學生共同合作的方式，讓學生從參與活動的過程中進行探究，來引導學生發現及解決問題的教學方法，同時也是一種接近實際科學活動模式的教學方法。

探究式教學有許多不同的教學層次類型： 1. 證實的經驗（confirmation experiences） 2. 結構性的探究（structured inquiry） 3. 引導式的探究（guided inquiry） 4. 開放或獨立探究（open or independent inquiry）

而探究教學模式常見的為： 三階段的學習環模式（探索－引介－應用）， 五E的探究教學—即參與（engagement）、探索（exploration）、解釋（explanation）、精緻化（elaboration）及評鑑（evaluation）等等。

（二）、合作學習教學法 合作學習乃是將學生依不同能力、性別等因素，將學生分配於同一小組中共同學習。 教師透過學習目標與獎勵措施的設定，來提升學習者的學習動機，同時藉由同儕間互相討論、分享心得方式共同完成目標的過程，增進自己和其他組員的學習效果。

Johnson 和 Johnosn（1989）強調合作學習必須包含： 一、積極的相互依賴（positive interdependence）； 二、面對面的鼓勵互動（face-to-face promotive interaction）； 三、個人的績效責任（individual accountability）； 四、社會技巧（social skill）； 五、團體歷程（group processing）

合作學習包含多種不同的方法： 學生小組成就區分法（Student‘s Team Achievement Division, 簡稱STAD）， 小組遊戲競賽法（Teams-Games-Tournaments , 簡稱TGT）， 拼圖法（Jigsaw），拼圖法二代（Jigsaw Ⅱ）， 團體探究法（Group-Investigation, 簡稱G-I）， 小組協力教學法或小組加速學習法（Team Assisted Instruction or Team Accelerated Instruction, 簡稱TAI）， 協同學習法（Co-op Co-op），合作統整閱讀寫作法（Cooperative Integrated Reading and Composition,簡稱CIRC）， 共同學習法（Learning Together, 簡稱L.T.）

（三）、問題解決教學方法 問題解決可說是學習者運用舊有的知識和經驗（先備知識），去思考和推理未解決的問題，以滿足新情境的需要並獲致結果的過程。 問題解決教學方法有很多種，最經典的爲Polya提到了有關問題解決的四個階段：（1）瞭解問題；（2）擬定計畫；（3）執行計畫；（4）回顧。

結論 目前科學教育普遍強調符合「建構主義取向」教學的理念 von Glaserfeld（1996）提出建構有兩個原則 知識非被動接受，而是主動建構而得 認識非發現客觀存在實體，而是組織所經歷的事物 學習是學生自己必須實行的建構活動，教師的工作並不在於施與知識，而在於提供學生機會與刺激以建構其知識。