請看以下這段影片。我們將燒瓶中的水加熱到沸點，然後塞住瓶口，倒置燒瓶，再拿一袋冰塊放在燒瓶的上面。您認為冰塊放上去之後，燒瓶裡面會發生什麼事？

此前我們將燒瓶中的水加熱到沸點，然後塞住瓶口，倒置燒瓶，再拿一袋冰塊放在燒瓶的上面，接下來會發生什麼事呢？
（影片授權／國教院課程中心吳文龍博士）

正如影片所見，瓶中的水冒出氣泡了！這些氣泡是從哪裡來的？它跟燒瓶上面的冰塊有什麼關係？

其實瓶中的氣泡就是沸騰的水蒸氣。冰塊凝結瓶中的水汽，減少瓶內的空氣，氣壓降低，沸點也跟著降低，於是瓶中的熱水就沸騰了。要讓熱水沸騰，方法不是只有加熱而已！

不過「放冰的東西上去會讓熱水沸騰」實在太反直覺了。我們幾乎都有「沸騰=加熱」這種刻板印象，而且生活中要讓液體沸騰的方法通常也都只有加熱。所以大多數人看到影片之後，都難以想到瓶中的熱水沸騰會和壓力有關。

網路上的網友，以及參加國立臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹教授測試的高中生也是這樣，他們在聽到科學解說之前，通常並不會把影片中的現象，解釋成瓶中氣壓降低造成的沸騰，邱美虹笑說：「非常有趣！大家第一個反應是『這影片作假』！」

這瓶熱水怎麼了？

「不過這都是在概念改變之前的常見反應。」邱美虹提到：「當科學現象違反了我們的直覺，使得既有的科學理論框架無法解釋現象，於是大腦為了整合既有的知識和詭異的現實，便會找出各式各樣的外部理由，試圖在不改變概念的狀況下說服自己。」

壓力和溫度都是國中教過的概念，學生在看完文字解說之後，比較能夠將沸騰的現象跟之前學到的概念連接起來，明白自己沒有注意到瓶中的水將會沸騰，只是因為過去的迷思而有額外的驚奇。

「當學生在理解其中的原理後，便會產生『概念改變』，之後不僅能夠正確解釋這個實驗的過程和原理，而且在實驗結束之後的訪談中，都能清楚瞭解自己一開始的迷思是怎麼回事。」邱美虹進一步說道：「最有趣的是，這些受測的學生，在觀看實驗影片以及之後的解說影片時，除露出驚訝的微表情外，大部分會露出負面的微表情，而這些負面的表情並不意味著學生就是不懂，反而這些出現負面表情的學生，大都有比較高的比例是會進行概念改變的。」

微表情（Micro Facial Expression）是一種稍縱即逝的臉部表情，是在人們產生特定情緒的時候，下意識所表現出來的表情，通常只維持幾分之一秒。整理出人類基礎微表情的保羅·艾克曼（Paul Ekman）從1970年代以來的研究，把臉部微表情分成：快樂（happy）、悲傷（sad）、生氣（angry）、驚訝（surprised）、害怕（scared）、厭惡（disgusted）、鄙視（contempt）、中性（neutral）這八種基本模式。

微表情幾乎完全不受人們自主控制，所以有些心理學家，就試圖用它來判斷受測者有沒有說謊，艾克曼的研究應用範圍很廣，美國FBI等組織也以他的理論和工具來辦案，也就是俗稱的「測謊」。

不過，這種下意識的表情改變只能拿來測謊嗎？能不能用來判斷其他事情呢？

舉例來說，我們在學習新概念的時候，是不是經常會有納悶、懷疑的感覺？這種時候我們也會下意識做出表情嗎？這些微表情有共通性嗎？如果有的話，是不是可以藉由偵測微表情的變化，在教學現場就能夠即時預測學生的學習狀況並適時提供輔助學習的教學策略？

這便是邱美虹的研究目標，她說：「我希望用新興科技找到學生在學習科學知識時的難點，改善科學學習時的困境。而其中的一步，就是用辨識微表情的AI系統，找出學生面對非預期的科學現象和多重表徵的解釋所出現的某些特定微表情時所代表的意義，以瞭解學生面對這些情況時的反應與效益，以便設計有意義的學習和教學策略。」

邱美虹試圖解決教學現場上最即時、也是最重要的問題：學生到底懂不懂？
攝影／汪正翔

POEVC教學策略

當人們原本知道的科學理論和背後的機制，無法解釋眼前的新現象時，就會陷入「概念衝突」的處境。這時候會出現許多不同的反應：例如我們可能會當成沒看到這個現象、或刻意不去討論、也可能認為眼前的現象造假、進而編出新的理由將現象合理化等等，而這個過程，便是俗稱的「迷思」。但除此之外，有些人可能會懷疑自己，甚而重新檢討自己原先的認識是否不合理，進而開始修正，也就產生了「概念改變」。邱美虹徐徐說道：「概念改變有兩種，一種是同化，將新知識納入既有的知識架構中；一種是調適，是以新知識取代既有的知識。真正的『概念改變』並不容易發生，相關研究指出，人們必須瞭解新概念和原有概念的差異，並且面對科學現象時，知道原有的概念無法順利解釋，而新的概念解釋力更強大且更合理，這樣才會願意真正放棄舊概念，轉向接納新概念，之後將新概念運用來理解或解釋其他科學現象。」

可想而知，這樣的「概念改變」當然是科學教育最想要的目標。但我們要如何知道「概念改變」有沒有發生呢？

我們之前提過，概念改變的必要條件，就是當事人理解到原有概念無法解釋眼前現象，然後學到一套新概念，瞭解新舊概念的差異，接著更新舊概念，合理解釋全新的現象。

邱美虹團隊將這套促進「概念改變」的教學策略整理為「POEVC」，也就是「預測 （P, Predict）」、「觀察 （O, Observe）」、「解釋（E, Explain）」、「視覺化（V, Visualize）」、「比較 （C, Compare）」。

她進一步解釋，POEVC 之中的 POE 源自於1992年由White和 Gunstone所提出的「預測」、「觀察」與「解釋」概念。前三個步驟是要提取既有的知識去對觀察的現象進行觀察與解釋，之後「視覺化」與「比較」為新增的程序，目的在增強並支援學習者對科學現象的理解，以電腦動畫呈現微觀世界的運作機制，讓學生比較新舊概念之間的異同，提供學生自我反思和進行有意義的概念重建之機會。

簡單而言，邱美虹說：「『預測』指的是要求學生對他們所見到的科學示範實驗預測其實驗結果；『觀察』為讓學生觀察科學現象；『解釋』則是讓學生嘗試提出可以解釋科學示範實驗之結果的理由或推論；『視覺化』主要是將科學教育中難以理解的科學現象以動畫等方式視覺化，讓學生能夠更容易理解科學示範實驗的微觀科學解釋；『比較』則是讓學生將他們在教學前所持有的先前概念與教學中吸收到的新概念做比較，提供學習者們一個更深入理解教學內容與自我建構知識的機會。」

藉由微表情，便能夠在學習的過程中，顯示學生是否經歷「預測失準」，以及學生是否能夠「比較新舊概念」。本圖為示意圖，非當事人。
製圖／張力予

POEVC模型、概念改變與微表情之間的關係

目前已經有科技公司製作出能夠辨別這八種表情模式的AI系統，而邱美虹團隊便利用這套軟體，研究能夠順利產生概念改變的學生，從「預測」到「比較」的過程中，是不是在某些環節會出現特定的微表情反應？

利用統計上的決策樹方法分析，結果發現，受測學生在觀看實驗影片的時候，果然大部分都出現了「驚訝」或「負向」的微表情；並且在看完解說動畫之後出現「負向」的微表情是概念改變與否的重要指標。

「因為影片與學生的預期不同，其中有些人可能覺得不可思議，所以露出驚訝的表情；也有些人可能難以接受，所以露出負向的表情。這些人都明白自己既有的理論框架無法解釋眼前的現象。」

邱美虹提到，之後，受測者若在看完解說影片接受了新概念，獲得一個能夠成功解釋的框架，大都就不再產生「驚訝」或「負向」的情緒。

反倒是另一部分從頭到尾表情一直保持「中性」，或在看完三次解說之後依然出現驚訝或負向表情的學生，大部分都不能正確解釋影片中的現象究竟如何發生，也就是沒有順利的進行「概念改變」。

不過，邱美虹特別強調：「許多第一線教師經常認為自己做的實驗必須贏得滿堂彩，才算是成功的教學；或者一看到學生皺眉頭，表現出困惑的態度，就擔心學生沒有理解；但研究顯示，單看驚訝表情是不夠的，負向表情可能才是開始學習的契機。」這個研究的結果推翻一般教師認為學生看到實驗很驚訝或很開心時，就代表學習發生的看法。

如果藉由「微表情」的辨識，讓教師得以清楚掌握學生當下的內隱情緒，進一步隨時調整教學提供鷹架，便可讓學生從之前已知的知識，連結到眼前的現象或是教學的目標內容，就會在之後帶來科學教育中最重要的「概念改變」。

邱美虹團隊的這項研究目前已漸成熟，研究取向具備大量潛力，尤其這幾年遠端教學和錄影教學越來越普及，掃描物件與人臉的演算法也越來越成熟。如果能夠有更多實證，找出我們在面對新觀念或概念改變時的關鍵點，反應出哪些表情或情緒，進而調整適合的教學引導方法，相信能夠突破更多學習中的障礙。

藉由新科技辨識「微表情」，邱美虹相信能夠突破更多科學學習中的許多障礙。
攝影／汪正翔

採訪撰文／劉維人
攝影／汪正翔
編輯／張傑凱

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看著繁複的科學算式、數字、週期表與符號，是否曾經讓你越學越覺得懷疑人生？
圖片來源／Unsplash

速度、加速度傻傻分不清楚？元素週期表背得頭昏腦脹？光合作用好複雜？過去臺灣國高中的科學教育，經常讓學生知其然而不知其所以然，自然科學彷彿成為「背多分」的科目，如今事情有了轉變：科學教育的研究與實務工作者開始攜手訴求跳脫填鴨式教育，回歸科學活動的本質──對自然現象的探究。

「下雨天，車窗起霧了，可是打開雨刷卻無法刷除乾淨。為什麼？怎麼做才能去除露珠？」臺灣師範大學科學教育研究所講座教授吳心楷用一道簡單的生活題，點出世界各國在自然科學教育上的新趨勢：「生活化」，以及對「探究能力」的重視。

吳心楷嘗試把科學融合生活化、探究精神，超越紙本考卷侷限，展望臺灣科教的未來。
攝影／W. Xiang

什麼是「科學探究能力」？為什麼在一個現代公民社會，每個人都應該具備這樣的能力？為了深植臺灣學子的科學素養，吳心楷嘗試把科技與多媒體帶進科學教育，超越紙本考卷的侷限，並在新課綱上路之際展望臺灣科教的未來。

科學怎麼學？「探究能力」是關鍵！

過去科學教育只強調知識傳遞，直到1970、80年代的美國，才開始注重透過實驗、觀察與測量等操作技能來認識科學。
圖片來源／Unsplash

科學革命至今數百年間，科學家們在摸索中追求科學知識，累積了大量的知識庫存。問題在於，如何把這些知識有系統又有效率地傳承下去？科學知識的組織與傳達，以及對教學成效的評估，即是「科學教育」領域的核心關切。

觀察全球科教趨勢，吳心楷指出科學教育的典範並非一成不變，近年出現了幾次變革：「最早的科學教育只強調知識傳遞，將科學研究成果包裝好，丟給學生吸收。到1970、80年代，美國才提出科學過程取向（Science – A Process Approach），主張科學教育要注重『過程技能』，開始讓學生進行實驗、觀察、測量等基本的科學操作技能。」

不過，研究過程的方法或技術，並非科學活動的全貌。學生若只是依循課本或老師的指示，一步步執行觀測或實驗，想必依然難以瞭解「為什麼要這麼做」、「當得到的結果和課本寫的不一樣，代表著什麼」。忽略方法與知識之間的連結對話，是科學過程取向後來漸受批評的主因。

「科學家的觀測與實驗，都必須由理論觀點出發。面對同一個現象，物理學家、化學家、生物學家的提問角度都不一樣。」吳心楷說，「經過嚴謹的觀測或實驗，最後得到了什麼結果；如何解讀與做出結論；怎麼扣回理論，對既有的知識進行修正或驗證？」

建立觀點、提出問題、設計實驗、蒐集資料、分析資料、產生結論──這一整趟結合思考與實作的過程，就是「科學探究」（scientific inquiry），同時也是當今全球科學教育與臺灣108新課綱最為注重的科教目標。

企劃腳本／林義宏  美術設計／林柏希

「簡單來說，科學探究就是著手去做科學家在做的事情。科學探究能力，就是學生從事科學探究所需具備的基本能力。」如何提升這種能力？吳心楷進一步研究發現，比起操作科學實驗的次數，學生探究實作的投入經驗和對於科學探究的好奇心，更有助於培養科學探究能力。

「不是背公式、做實驗，而是學會像一位科學家那樣思考和做研究。」科學探究能力可說是更加貼近科學活動本質的科教目標。

疫苗、核電、萊豬：考驗當代公民的科學性社會議題

從疫苗施打、萊豬到核電，看別人爭論的同時，這些科學議題你真的瞭解嗎？
圖片來源／Unsplash

現代人的社會生活已經與科學話題密不可分。政府興建核電廠的利弊為何？三期臨床試驗結果如何解讀？萊豬對身體健康有危害嗎？在談論這些社會性科學議題（socio-scientific issues）時，人們如果對科學活動有錯誤的認知，便可能陷入雞同鴨講的溝通困境。

「科學探究能力的重要性不只在教室裡，更在學校外的公民社會。」吳心楷解釋，當涉及科學內容的新聞報導提供研究方法、數據來源等資訊，現代公民應該要具備解讀能力，「包括對科學方法和科學術語的初步認識；瞭解一種方法的限制在哪裡；推論是否合理等面向。」

由此看來，科學教育的長程目標包括幫助公民社會推動有意義的討論，做出具充分理性的集體決策。「社會大眾談論這些議題時展現的科學素養、媒體識讀，某種程度來說，正反映一個國家科學教育的成效。」吳心楷語重心長地說。

不過吳心楷也提到，在老三臺、兩大報的年代，事實查核相對不易，當時的國民教育也尚未強調科學探究的重要性。走出教室，科學教育如何擴展至成人、老人，或者學齡前幼童等族群？「社區大學、長青大學，或者自然科學博物館、科學工藝博物館等設施，如今也都是科學教育的重要場域。」吳心楷近期也投入幼兒科學教育課程的開發工作。

吳心楷語重心長地說：「社會大眾談論社會議題時所展現的科學素養、媒體識讀，某種程度，正反映出一個國家科學教育的成效。」
攝影／林俊孝

當科學教育遇上數位科技

人手一支智慧型手機的時代來臨，加上新冠肺炎疫情肆虐全球，教育界也興起「遠端化」風潮。吳心楷帶領研究團隊開發了一套電腦化的科學探究能力多媒體評量系統（Multimedia Assessment of Scientific Inquiry Abilities, MASIA），帶動科學教育的與時俱進，也跳脫一般紙筆測驗，將「科學探究」所強調：提出問題、設計實驗、蒐集資料、分析資料、產生結論等，實際應用於學習。

「其實，這套系統就是把自然科學的考卷放上筆電、手機、平板，讓學生可以使用數位裝置回答問題。說來簡單，卻超越了我們過去一般對考試的想像。」在多媒體科技輔助下，這套系統可以將問題設計融入動態的聲音、動畫、影片，甚至是互動式的模擬情境，而不只是靜態的文字與圖片。

以人們冬天最常用的暖暖包為例，首先，科學探究能力多媒體評量系統（MASIA）透過一段暖暖包發熱影片，引導學生提出「研究問題」，包含：暖暖包為何會發熱？裡面是什麼成分？透過這些疑問，進入「設計實驗」階段，帶領學生找到最適合製作安全拋棄式暖暖包的化學原料，然後在系統中詳列各化學藥品放到水中的反應狀況、溫度等，藉由這些實驗數據瞭解如何「蒐集、分析資料」；最後，除了讓學生挑選出最適合的化學成分「產生結論」外，再以簡答方式，詢問背後判斷的邏輯、原因。

「這都是過去紙本測驗做不到的。」吳心楷解釋，「在電腦化評量中，學生不是把學到的科學知識拿出來，而是要『用出來』，進行比較複雜的資訊判讀與探究操作。」

KNO3硝酸鉀放到100公克水中，四分鐘後的溫度為13.9度；NaOH氫氧化鈉為64.5度；Na2CO3碳酸鈉為49.9度，為製作安全的拋棄式暖暖包，碳酸鈉為最佳選擇。
企劃腳本／林義宏  美術設計／林柏希

值得一提的是，如國際學生能力評量計畫（PISA）等國際性評比近年也出現電腦化趨勢，臺灣學生若熟悉科技化評量，將更有助於接軌國際。

未來，類似系統能否成功推廣進入校園？吳心楷發現教師的態度是關鍵。「雖然學校與家長的支持、基礎設施的完整性也都很重要，教師本身對科技化系統的態度仍是最有力預測使用意願的因子。」相關平臺陸續推陳出新，如何引導第一線教育人員熟悉運用，是往後科教研究的重要議題。

如果讓動畫入題，學生會…？

開發出一套科技化評量系統後，吳心楷好奇，如果讓自然科學試題變得活潑，學生考試還要看動畫才能作答，這份考題對他們而言有何不同？

以教育學的術語來講，這是「表徵形式」的問題：以往紙本考卷只能呈現靜態表徵，像圖表、圖片，但是當相同問題出現在電腦螢幕，卻換成以動態表徵呈現 ，如：動畫、影片等，會有什麼差異？是讓試題變得困難、還是變得容易？

當動畫融入考題可以讓學生更容易答對題目？評量結果顯示，對國中生而言沒有差別，卻能讓高中生答題變得較為容易。
圖片來源／Unsplash

由於自然科學涉及動態的操作過程，動畫照理而言可提供較豐富的資訊。吳心楷比較國中二年級、高中二年級的評量表現，得到有趣的發現：當考題的靜態圖文改為動畫呈現，對國中生而言沒有差別，卻能讓高中生回答起來比較容易。她解釋：「這可能是因為高中階段的學生才具備足夠的心智功能，可以從動畫中擷取需要的資訊來解題。」

「科技化、數位化，不是把靜態轉成動態就夠了。」吳心楷說，「最重要的是回到本質，思考多媒體資訊會如何讓評量更接近科學探究的過程，能不能有效幫助學生提升科學探究能力。」

所以，車窗起霧怎麼辦？

文章開頭車窗起霧的問題，你想到答案了嗎？
圖片來源／Unsplash

回到開頭的問題：下雨天車窗起霧，為什麼雨刷沒辦法刷乾淨？答案是：「因為起霧的水珠位於車窗內側」。那要怎麼去除？既然水珠在內側，用抹布就能直接擦掉了──只不過，對一名科學家來說，這些答案還不夠令人滿意。

為什麼外頭下雨，卻是車內的玻璃面起霧？這些水滴不是雨水，而是車內空氣的水蒸氣「凝結」所致。當雨天的冷空氣造成車窗玻璃溫度降低，又碰到溫度與相對濕度皆較高的車內空氣，水滴就會凝結在內側玻璃上，像剛拿出冰箱的可樂瓶。所以，只要調整車內外的溫度差或者降低車內的相對濕度，不論是開冷氣、開車窗，都可以慢慢去除玻璃上的霧。

這系列問題同樣來自「科學探究能力多媒體評量系統」，展現出新一代科學教育重視探究實作的特色。「我們的新課綱迎向更加多元、多樣化的科學學習目標，強調探究能力以及對科學本質的認識，整體而言和國際走向相吻合。」吳心楷致力融入最新的觀念與科技至臺灣科學教育中，同時也展望未來：「科學教育要培養的是『帶得走的能力』，讓下一代成為具備科學素養的公民。」

採訪撰稿／林義宏
編輯／林俊孝
攝影／W. Xiang、林俊孝

研究來源
吳心楷（2011）。科學探究能力的數位評量：以模擬為導向的線上系統之研發─總計畫。科技部專題研究計畫（一般研究計畫）。
吳心楷（2011）。科學探究能力的數位評量：以模擬為導向的線上系統之研發─多重表徵與數位評量：中學生在模擬導向的評量系統中之探究能力表現。科技部專題研究計畫（一般研究計畫）。
吳心楷（2014）。探討學生在電腦化評量系統中科學探究能力之表現及科學教師對電腦化評量的需求與實務。科技部專題研究計畫（一般研究計畫）。

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