從世界觀理論探究地球科學之教與學
林秀蓁
桃園創新技術學院幼兒保育系
一、前言
晉明帝數歲，坐元帝膝上。有人從長安來，元帝問洛下消息，潸然流涕。明帝問何以致泣，具以東渡意告之。因問明帝：「汝意謂長安何如日遠？」答曰：「日遠。不聞人從日邊來，居然可知。」元帝異之。明日，集群臣宴會，告以此意，更重問之。乃答曰：「日近。」元帝失色，曰：「爾何故異昨日之言邪？」答曰：「舉目見日，不見長安。」
－－－世說新語．晉明帝數歲
上面這段節錄自世說新語的文字，其意思是說：「晉明帝才幾歲的時候，坐在他父親晉元帝的膝上。這時候，有人從長安來，元帝問他關於洛陽的消息，元帝聽完之後就流下了眼淚。於是，明帝問父親為什麼哭泣，元帝就告訴他晉朝東渡長江的情形，並問他：『你認為長安和太陽比起來，哪一個比較遠？』明帝回答說：『太陽比較遠，因為沒聽說過有人從太陽那邊來，顯然可以知道太陽比較遠。』元帝對他的回答感到驚訝。第二天，元帝召集眾多臣子舉行宴會，告訴他們之前父子倆的對話，再次重新問明帝，沒想到明帝竟然回答說：『太陽比較近。』元帝變了臉色，說：『你為什麼和昨天說的話不同呢？』明帝回答說：『因為抬頭只看見太陽，卻看不到長安。』」根據以上這段記載，對於同樣一個「長安和太陽哪一個比較遠」的問題，因為思考的角度不同，以「是否有人從那裡來」或「是否看得到」作為推論依據，雖然都是根據日常經驗而作出的推論，卻可以得到兩個截然不同，但是對個體而言卻都「合理」的答案；那麼，對當事者而言，要如何判斷何者為是？何者為非呢？
當我們嘗試解釋週遭現象時，日常經驗常扮演相當重要的角色，有時更因為生活中不斷地重覆「驗證」，而強化了個體「確定」自己對於所觀察現象的解釋是合理且正確的。利用「是否有人從某地來」或「是否可直接看到或觀察到」作為遠近的判斷依據，都是生活經驗中可行的方法；同時，如果從其他方面切入，也還有其他判斷遠近的方式，例如以「眼睛所看到的大小尺寸」、「是否可以聽得到」等等。「不可到達」不一定就是較遠的，如果沒有合適的交通工具或是管道，也有可能到達不了；「看不到」也並不一定就是較遠的，可能是被某些物體遮蔽了，或只是暫時消失在視線範圍內。一個對個體而言的「合理」推理過程，且在其日常生活經驗中確實可行的方式，並不保證每次都能得到正確的答案。
二、文化經驗對於科學學習之影響
是不是所有的文化經驗對於科學概念的學習都是一種妨礙呢？或者要視其概念與經驗之間的相容性而定的呢？曾有學者研究南非索托族（Sotho）學生，沒有太大的困難就可以理解熱學的「動態」性質，這是因為其民族文化中即具備了「動態」的含意，且日常的隱喻語言也包含了「熱」（heat）之「前動力學的」（prekinetic）想法，即使已不住在傳統的部落環境，仍然可以透過日常的隱喻語言所提供的適切基礎而順利建構科學概念，因而，課程設計者應該察覺到諸如此類的「文化偏好」（cultural bias） (M.
G. A. B. Hewson & Hamlyn, 1985)。因此，文化中所存在的先入為主想法（也就是本文中的「預設，presupposition」）可能有利於或有礙於科學概念的學習，端視此預設與科學概念的相容程度而定。
三、地球科學學科特性
每一個人從出生到死亡的數十年歲月，一定都是在地球上度過的。從早到晚，從少到老，所見所聞皆離不開地球，因此，以「地球」為研究重心的地球科學是一門相當生活化的科學，上至太空宇宙，下至地球內部，都屬於它的範疇。地球科學所涵蓋的現象極易體驗察覺，但是造成這些現象的背後成因，卻極其抽象不易了解。
人們可以看到日升月落，卻不一定知道星體運行的道理；可以感受到颱風的狂風驟雨，卻不見得瞭解颱風的結構及其動力機制；可以受到地震的強大震撼，卻不見得能體會板塊運動對於地震的影響。平日所見的是一望無際的大地，如何能解地球是一個圓球體？看到太陽與月球東升西落，怎能辨別是地球繞行太陽、月球繞行地球，而非太陽與月球同時繞行地球的情景？
上述的經驗，不僅存在一般市井小民的身上，莘莘學子們的情形也不遑多讓，而學習地球科學的困難點也常肇因於這樣特殊的狀況───只看到現象而不知其成因，或是以為所看到的果就是單一的因直接造成的，也就是在知其然而不知其所以然的情形下，肇因於對自然現象的不了解而產生想要解開這些「謎」的動機，人們試圖用各種可獲得的方式去嘗試解釋它，導致這些豐富的日常生活經驗可能反而成為迷思概念之來源，或是造成概念改變的困難（邱美虹，2000），誠如陳斐卿、蔡義本與魏延超（1998）所言的「（地球科學科目是）一門涉及生活周遭現象但卻不易僅靠感官學習的學科」。
四、地球科學學科之教與學困境
筆者在博士班一年級時，在偶然的機會下，到一所市立高中短期代課，這是筆者第一次以教師的身份，從事教學工作。當
第一次面對學生，詢問他們對於「地球科學」這門學科的看法以及地球科學的學習策略。學生的答案令人十分訝異，他們主張學習「地球科學」最有效的學習策略是「死背」，純粹的記憶，並不將之歸在自然科學領域中，而是認為其與國文、歷史及地理等人文學科相近。之後，陸續擔任數年高中及國中地球科學科的兼課教師，在教學過程中發現，持有上述相似觀感的學生不在少數。
此外，在數次科學教育相關研討會時，席中與幾位地球科學教師的談話中也顯示，不止學生認為地球科學難學，地球科學教師本身也多半認為地球科學難教。而在修習數門地球科學系所開設的課程時，也聽聞地球科學系所的教授、專家們認為大學新鮮人的地球科學素養呈現下降的趨勢。除了自身的經驗之外，國內學者的研究也顯示，國小教師及學生對於地球科學之單元最感困難（臺灣省國民學校教師研習會，1988；姜滿，1990，1997），而高中教師則認為地球科學中的難教章節集中在天文、氣象（陳斐卿、蔡義本和魏延超，1998）。
到底是什麼原因造成這樣令人沮喪的結果呢？是什麼原因造成一門原本應該是極為生活化的學科，在學生心中卻變成一門記憶、抽象的科目呢？是教科書嗎？是教師教得不好或是不知道怎麼教嗎？還是時間不夠？學校資源設備無法滿足地球科學的教學嗎？也許，我們應該換個角度思考到底問題出在哪裡。
從建構主義（constructivism）的觀點來看，個體使用既存架構，以日常經驗作為建構及了解外在世界的基礎，持續建立屬於個人的理論 (Wubbels,
1992)；因此，學生是帶著深植於經驗中的知識與態度進入科學教育的課堂之中，他們以既有理論為強力架構，來詮釋教室裡所發生的事物，並進行個體與環境之間的互動 (Trumper,
2001)。伴隨學生進入學校教室環境的「既有知識」，包括了本身自小所觀察到的現象，及其在文化下所受到的薰陶，也就是日常生活裡的潛在隱性規範（其意義相近於本研究中的「預設」）。
這些隱性原則來自於先民平日細心觀察週遭自然現象，累積了豐富的經驗知識，而形成對於自然事物的某種說法，使在此文化下生活的人們，形成了對於這些現象的先入為主之想法，影響著在此文化下生活的後代子孫。這些想法化身為種種不同的形式流傳下來，例如：文史典籍、農民曆、諺語俗話、習俗等等，或是藉由民間文學（傳說、神話、故事）的形式，而保留了許多對於自然現象的看法───以「地牛翻身」解釋地震的發生，用「雷公電母」的故事述說先閃電後打雷的緣故，藉著「二十四節氣」傳頌先民觀察氣候農作的心得。「大自然」其實就涉及了今日我們稱為「地球科學」的學科領域，從這些流傳下來的智慧結晶，不但可以一窺前人對於週遭環境的觀察詮釋，也提供現今人們對於自然所持有的可能預設內容，對規劃未來科學教育也提供了一個思索方向。
地球科學本身所涵蓋的範圍，可謂「上至天文，下至地理」無所不包，此學科所涉及的內容非常廣泛，包括了天文、海洋、大氣及地質等等，且各個次領域所關注的研究主題、研究理論及研究方法等，都極不相同，也因此造成學習與教學上的困難度大增。此外，此學科概念所涵蓋的時間與空間尺度極廣，從數十億年到數秒，從數千光年到數百埃（埃，Å＝10
五、國內地球科學教育之發展
相較於其他科學領域（如生物、物理及化學等等），地球科學這門科學的發展是較晚的，也因此，學校正式課程裡納入「地球科學」這門學科的時間也遠較其他學科來得晚。國內方面，國立台灣大學在1945年成立地質系，這是國內首次在大學中成立地球科學相關系所；而負責中小學師資培育的師範院校，則是國立台灣師範大學於1984年才由物理系地球科學組獨立成地球科學系，較其他科學相關學系晚了二十年之久（生物系成立於1961年，物理系與化學系皆成立於1962年）；中學階段，「地球科學」在1984年納入國中三年級的課程，到了1985年則納入高中一年級的課程，成為學校的正式課程。因而，雖然科學教育的概念相關研究自1980年代起就已如火如荼地展開，地球科學教育方面的研究數量卻遠遠不及其他的物理、化學、生物等科學學科。
國內的研究方面，查詢中華民國期刊論文索引系統（此資料庫收錄了1970年1月至2002年12月期間，發表於中華民國臺灣、港、澳及新加坡地區出版學術期刊之中外論文篇目），地球科學教育方面的研究篇數除了在1999年達到14篇外，其餘年度每年的篇數皆不超過10篇；而在這同樣的三十幾年間，物理教育方面的研究文獻總量卻達兩千多篇，而化學教育更是高達六千多篇。根據國外知名的教育研究資料庫ERIC（Educational
Resources Information Center），國外的地球科學教育相關研究始於1974年，而在1985年以前，每年的地球科學相關研究篇數都是個位數，故將這些年的研究篇數加總得到1974-1985年的總篇數為32；到了1989年以後，每年的研究篇數達到50篇以上；而到了1995年，研究篇數更一舉突破150篇，1998年則超過200篇。這樣的結果顯示，國內地球科學教育研究篇數與國外的地球科學教育研究及國內其他科學學科教育研究間仍有落差，亟待更多有心人士的投入。令人可喜的，近年來，國內對於地球科學方面的迷思概念研究漸多，尤其是碩士論文部分有明顯的成長，例如陳政瑜（1994）（月相）、陳英嫻（1994）（月相盈虧）、吳育雅（1995）（大陸漂移學說）、莊福泰（1995）（地球形狀）、齊祿祥（1995）（宇宙觀）、蔣嘉得（1995）（太陽視運動）、侯政宏（1996）（太陽視運動）、唐國詩（1996）（星象）、王亦欣（2003）（天文與溫室效應）、盧靖華（2003）（天氣）等等，顯示國內學者已漸漸注意到此學門的重要性。
不同於其他的科學學科，時空尺度是地球科學這門學科重要的特徵與劃分依據。時空尺度特性之重要性，不僅是從事地球科學研究人員所關注的焦點，在學習時也扮演了重要的角色。為什麼呢？因為不同時空尺度的地球科學現象，涉及了不一樣的因果型式，可能使人們接受學校正式科學教育前，於生活經驗中即已產生不同的預設與信念，而影響了其形成的心智模式類型；但是，迄今的地球科學教育研究並未曾針對此尺度特性對於科學學習的影響進行深入的研究。因此，實有必要就此學科的時空尺度之特殊性設計並執行適切的研究，釐清不同時空尺度現象的可能預設，以及此預設與心智模式之間的關係，以進一步了解地球科學學習的癥結所在，而對科學教育有所助益。
六、預設對科學概念學習之影響
因此，對於科學教育工作人員而言，當前最重要的課題，就是了解本國文化下人們所存在的預設內容，釐清哪些預設如何影響科學概念學習而形成哪些心智模式，同時藉由了解此文化下人們所具有的預設，結合生活經驗，以設計合宜的課程、教材與教學策略等等，藉以提升國人地球科學方面的學習成效與素養，達到科學課程與學習的本土化。
關於預設對於科學學習的影響之研究，以Vosniadou的「架構理論」（framework theory）最為受到重視。Vosniadou等人根據跨國學生的晤談資料，認為個體受到深植於「架構理論」下的「本體論」與「認識論」預設的影響，同時並受到文化經驗的影響，而形成「初始的心智模式」（initial mental model）；經歷科學教學之後，在此預設與課堂上科學概念的交互作用之下，學生可能形成「綜合的心智模式」（synthetic mental model）（或是迷思概念），迷思概念很難藉由教學而改變，甚至可能在教學過程中形成另一種迷思概念，迷思概念難改變的原因，並不是因為概念本身難改變，而是因為其深植於架構理論下的預設難以改變所致。Vosniadou等人提出了一個概念改變的可能途徑，不是針對概念本身，而是從更深層，影響層面更廣的預設著手。可惜的是，從Vosniadou在1994年提出此架構理論之後，到此似乎就停滯不前了，並沒有提出有效的教學策略來處理這些深植且難以改變的預設。難道我們只能眼睜睜看著「預設」像是一道無法跨越的鴻溝，就一籌莫展而棄械投降了嗎？這樣的作法似乎不是從事科學教育人員所該採取的態度，相反地，我們應該試圖尋找突破此障礙的可能岀路。
自1970年代以來，關於概念改變的研究就如火如荼地展開 (Duit,
1993)。可將概念改變視作一組意義與另一組意義之間的交換，常是資訊的增添，或是學習者區辨在何種情境下使用某種解釋比另一種解釋更有利的情形 (Fensham,
Gunstone, & White, 1994)。此種競爭選擇的看法類似於Hewson以「地位」（ststus）來說明概念改變的發生，他認為地位較高的概念在個體選用時就具有較高的優先性，此地位並非經久不變的，可能藉由學習或是經驗的確證，而改變了概念的地位；且在不同的情境下，某一概念的地位也會隨之不同，個體會視情境而選用具有較高優先性的解釋 (P.
W. Hewson & Lemberger, 2000)。根據上述對於預設的探討，則個體既有概念架構中的預設內容也可能是影響概念「地位」高低改變之因素；所以，了解個體所持有的預設，不但可以提供關於迷思概念成因之訊息，也是發展概念改變策略的重要考量因素之一。
綜上所述，地球科學因其所涵蓋的範圍廣泛，且所涉及的時間與空間尺度極廣，而我們在日常生活中，只能經驗到有限尺度內的現象，且通常只能觀察到「果」，無法看到造成此果的「因」，但目前尚不清楚地球科學學科這樣特殊的尺度特性，對於學習這些科學概念的影響為何。同時，鑒於學生、教師與專家三方面的人員多認為地球科學是一門既難學又難教的科目，且此領域的研究者比其他科學科目少了許多，這更顯示此領域亟需更多的人員投入相關的研究。
基於上述這些理由，未來研究實在有必要以地球科學為主題，探討個體對於特殊尺度的地球科學概念所具有的預設內容為何？而在此預設限制之下所形成的心智模式又是如何？根據第一手的本土資料，了解國人身處於這片土地上，在文化的薰陶影響之下所形成的預設內容，以提供從事科學教育人員在地球科學課程設計與發展上的參考依據。
七、世界觀相關研究
上述Vosniadou等人認為深植於「架構理論」（framework theory）裡的「本體論」與「認識論」預設影響了學生所形成的心智模式或是迷思概念，因此迷思概念難改變的原因並不是概念本身難改變，而是其深植於架構理論下的預設難以改變所致；所以，概念改變可以從更深層、影響層面更廣的預設著手，但是他們並沒有提出如何有效改變這些深植的預設。且在Vosniadou的架構理論中，其預設僅包括本體論與認識論兩個向度，稍嫌籠統且未提供較深入的探討，而導致其所得到的預設內容極為貧乏有限，未能提供實際教學上的廣泛訊息，因此，擴展此架構理論中的預設向度實屬必要。但是，要如何著手進行呢？在此，近年來在科學教育領域持續發酵的多元文化議題提供了一個思考的角度。
在多元文化的風潮之下，有些學者嘗試從文化人類學的角度觀看科學教育，而「世界觀」是其中一個備受關注的焦點，國內外都有不少這方面的研究 （傅麗玉，1999；林秀蓁，2002；Aikenhead,
1996, 1997, 2001; Cobern, 1991, 1993, 1996, 1997, 2000; Costa, 1995; Kearney,
1984; Ogunniyi, Jegede, Ogawa, Yandila, & Oladele, 1995)。不同於Vosniadou等人的論點，世界觀理論認為「世界觀」是由「自我」（Self）、「非我」（Non-Self）、「關係」（Relation）、「分類」（Category）、「因果」（Causality）、「時間」（Time）和「空間」（Space）七個共相組（universal）的預設所構成的，也就是將預設分成了上述七個向度，此提供了以世界觀七共相組擴展Vosniadou等人所提架構理論的預設內涵之可能性。藉由世界觀理論中的七個共相組，不但可擴展原架構理論的向度而更清楚呈現個體的預設內容，同時可以世界觀理論中所論及的影響個體世界觀形成與改變的因子為出發點，進而思考如何透過科學教育而影響個體之世界觀與科學概念學習的可能性。
八、未來研究啟示
根據以上的論述，未來地球科學教育研究可從兩個角度切入：（1）對於不同時空尺度的地球科學現象之預設與心智模式仍不清楚：對於地球科學而言，時空尺度是一個重要的特徵與劃分依據，且不同尺度特徵所涉及的因果型態也有所不同，但是，以往的地球科學教育研究並未針對此特性進行深入研究，因此，有必要就此學科特性設計研究，以進一步了解個體對於不同時空尺度現象所形成的「預設」對於其科學概念學習的影響，以設計符合國情與國人特性的適切地球科學課程與教學策略。（2）以世界觀理論的七個共相組擴展Vosniadou理論架構中的本體論與認識論預設的內涵：在Vosniadou的架構理論中，其預設向度與內容極為有限，而未能提供足夠的實用資訊，因此，擴展此架構理論中的預設向度並提供可著手的方向實屬必要；而以世界觀理論中的七個共相組擴展原架構理論中的本體論與認識論向度，可更清楚預設的內容，並藉由世界觀理論中所論及的影響世界觀形成與改變的因子，提供科學教育者在概念教學與概念改變的著力點與施行方向。
註：本文改寫自研究者之博士論文部分內容
參考文獻
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