附錄一、科學素養的內涵
一、科學
「科學」，以知識的內涵來說，科學可以說是「運用科學方法所獲致的知識」。那麼，什
麼是科學方法呢？
人類智識的成長與累積，形成現在的文明社會。在我們生活中所運用的各種智識，有些則
是價值的判斷、目標的取捨，有些則是傳達能力，有些則是執行能力。為了傳述的方便，
我們勉強把它分為宗教、藝文、科學來說明。宗教是個人的一種價值觀，一種對生命的態
度。它看來隱而不顯，但是卻影響整個人的生活模式。藝文則是語言、音樂、藝術、舞蹈
、衣著等傳達感情意念的能力。而科學則是依據事實或是以事實來考驗的知識，依賴這些
知識，使我們真實不虛的去做選擇及做合理有效的行動。
我們可以參酌認知心理學(其實也不一定必要，就直接運用自我經驗的反省即可)，來探討
人們如何運用外在的資訊，來建構或激發他的思想：

現象?訊息

        解釋現象
        預測新現象(實驗)
獲得資料


        歸納統整

        推廣    獲得規律性、
        應用    定律、原理
        演繹
        想像    推理
        解釋定律
建構模型，提出
假說，高階理論
在這個認知的建構與生長的過程，歸納法是將眾多的資料和知識加以批判、統整而獲得「
通則」的一種思考過程及方法。因此，通則的成立，是建立在這些事實之上的。不過，有
時，適合這些事實的通則可能不只一個，所以通則的成立與否，還得受到更多資料、事實
的考驗，或是和既有的理論、模型相互辯證。歸納法所獲得的知識，可說是「到目前為止
，沒有論據可以證明它錯」的知識。
至於假說或理論的提出、模型的建構，則是先要在心中有一個臆想，認為真相應該是「那
個樣子」。再依「設A為真，則B亦為真，或C必為偽」等推理，來解釋各種已知的定律和
現象，或預測事情應該如何如何。

不管是定律、原理、假說、模型與理論，由這些構成的知識體系，可稱之為「科學」。這
樣建構的知識體系，在本質上具有一些特性：
(1)它的成立依憑外在事實的支持。也就是說，它要能夠接受客觀事實的考驗，或詮釋各
種現象。
(2)知識體系內具有邏輯協調一致性，不得相互矛盾，或有因果不相連屬的情形。
(3)精神上它是開放的。因為現象的觀察是無止境的，目前建構的科學是否真的內部已經
邏輯協調一致性，則不僅是不斷地在檢核，而它所預測的現象是否發生，或是有了新發現
的現象，該理論是否尚能完滿解釋它，一連串這些考驗，使科學更趨堅實，或使科學概念
再度更新，這兩種都有可能。所以科學的知識可以說是對於事物迄至目前最佳的詮釋。
基於以上所提的特性，科學可說是經過切實考驗的知識，故可信度極高且最切合實際，而
同時卻又具有開放的特性。
我們再回過頭來看看獲得科學知識的認知過程；有對現象的「觀察」，它涉及到觀察什麼
？怎麼觀察？而要知道觀察什麼及如何觀察，則觀察者心中一定事前要有一些先備知識或
探求的目標…。再者，觀察所獲得的訊息，經過整理與分析，依據這些資料當論據，提出
一些統整性的概念、規則性等，或是依據心中預設的模型、理論，去做邏輯性的推論，來
解釋或證明發生的現象和成立的定律，來預測可能發生的現象等。這些依據外在事實當論
據，來建構知識的思考模式，我們稱之為「科學方法」。我們知道，像音樂、藝術或宗教
等的知識，並非經此思考模式而得的，故不屬於科學的知識。
在從事科學的探討時，為了所獲得的資訊要正確，觀察及執行時必須切實而細心，為了所
獲得的結論要經得起客觀事實的考驗，歸納及推理時要篤實誠實，不得馬虎作假，以免落
於虛妄。因而如此切實細心做事，就事論事的態度，可稱之為科學的精神。
我們可以把探求科學時，所培養的科學精神，以及探求科學時所運用的觀察、整理、分析
、歸納、推理等心智活動能力(可稱為科學方法的運用能力)，和獲得的科學知識，統稱為
科學素養。我們稟承科學的態度和精神，運用科學方法去探求科學知識，而獲得認知上的
成長以及能力的增進。科學教育的目標在此，而我們的科學教學也應依此科學的過程來進
行。

二、科學概念的認知
科學探索滋長發展了我們的智識。它包括科學的名詞、事實、概念、原理、定律、理論、
模型及各式應用等方面的知識。
‧科學的語彙(scientific term)：
科學家用以稱呼存在的實體、物體、事件、週期、各分類部門、組織、結構體等。語彙於
傳達時被引用，係一種定義，不包括相關、定律、模型及理論。例如魚、人、書本、中國
、風、…等。
‧科學的事實(scientific fact)：
透過操作型定義的方法和程序，對自然現象、事件或物質性質的觀察與度量，產生一個可
反覆驗證的、確定的結果，成立一個科學的事實。例如真空中的光速、一大氣壓下水的沸
點、東西的長度等。
‧科學的概念(scientific concept)：
經由不同的發生方式及途徑，被觀察或偵測具恆常性的自然現象、性質或事物特性，可用
語詞或符號來表徵的稱為科學的「概念」。例如在定容積下，壓力與溫度成正比，例如物
體的熱脹冷縮等。許多概念又是由一些基本的概念建構起來，例如描述概念間的關係也是
一種概念。基本的概念不多，像長度、質量、電荷、時間等。許多概念由關係式來界定或
方程式來陳述，例如密度(質量/體積)、波義耳定律等，它常在某特定條件下才成立，瞭
解這些成立的要件也是另一概念。
‧科學的原理(scientific principle)：
對系列的觀察、度量所呈現的規則，作一般化的、統整式的陳述或數學表示，科學上的原
理雖是一種一般化的陳述，但在應用上則尚未到定律的水準，例如巴斯噶原理、阿基米德
原理。
‧經驗定律(empirical law)：
經驗定律是經由觀察與度量，建立兩個或兩個以上概念之間的相關關係。這些定律是應用
或建構理論、模型的基石，例如斯涅耳折射定律、刻卜勒定律、歐姆定律。
‧科學的理論(scientific theory)：
經驗定律是經由觀察與度量所得的經驗以及原理和經驗定律，創造性地提出一個統攝性的
想法。此一想法可能藉助語文或數學來陳述。此一想法，可普遍地解釋這些現象，並且能
預測系列相關現象，而獲得證實。有時基於相同的論據而有不同的理論，科學家往往傾向
於接受那最簡單、最容易理解、最具預測能力，是能符合經驗定律的理論，例子如原子論
、分子動力論、自然選擇理論、板塊理論、量子論。
‧科學的模型(scientific model)：
一種代表，可見的、或數學或語文描述的，用以幫助描述或瞭解科學的現象、理論、定律
、組織、結構等。例如波動模型、粒子模型、電流模型、地球大氣的溫室模型等。
‧遍通性的定律(universal law)：
歷經考驗仍無法否定它，而且解釋現象的涵蓋面很大的定律，它們是科學的基石，如萬有
引力定律、能量守恆定律、動量守恆定律、電荷守恆定律等。
‧科學應用(application of science)：
運用經驗定律、理論的預測和推論，設計特殊的環境使現象得以發生，即是一種人為的情
境，例如發電機、電動機、電燈、電腦等。經過科學知識的發展﹐基本的定律之瞭解，運
用這些理論及定律，人們研發科技，做各種巧妙的發明。
三、科學智能
「科學探索」在於致力於對現象做不斷地檢視，以及對時下適用的解釋是否能充分而適當
地詮釋這些現象做嚴謹地審思。對於科學家所提的研判不應武斷地設定它僅是一種試驗性
暫時的理論。權威不能決定或設立科學的知識，科學乃是科學家源自自然真實的一種陳述
。
這些「科學探索」的倫理可說是立根於它的運思過程中。這些過程：觀察、分類、度量、
解釋資料、推斷、傳達、控制變因、模型及理論、形成假說、預測等，它不一定也不必要
依序發生，但是每一過程都可有不同的層次和不同的分歧發展，這使得科學的運思過程深
具有機性，靈活及切合情境地做有效演進。
‧觀察(observing)：
經由直接感官或藉助儀器，有目的的、專注的、多向性的、切近的客觀檢視，察覺事象的
特徵並加記錄、詮釋，而非隨意泛泛的看過。
‧分類(classifying)：
依某屬性、某特徵或某功能，將事物作系統地分類。
‧度量(measuring)：
界定觀測量，運用儀器對物體、系統或現象做量化度量，以便顯示其特性。
‧解釋資料(interpreting data)：
運用可理解的、熟悉的語言與符號，闡明由觀察所獲得的資料，詮釋資料的涵義和特性。
‧推斷(inferring)：
由觀察、度量、分類所得之事實與資料，做有依據的、邏輯的、歸納的提出結論。
‧傳達(communicating)：
運用文字、插圖、表格、符號等有效的方式，將觀察、度量以及推斷所得，用有效的表示
方法傳譯給其他人。
‧控制變因(controlling variables)：
在諸多相關變因中，固定其他，只允一個變因改變，觀察它與依變項之間的因果及效應關
係。
‧發展模型與理論(developing models and theories)：
由觀察、度量、分類所得，臆想模型；模型是一種心像，它可以是物理系統的代表或真實
的物理系統，可用以協助理解所觀察的現象或真正的系統, ，也可運用來預測現象，統整
出相關的想法。
而創設一個理論則常不僅只是形成一種心像，或一個模型，它包容相關的經驗定律。理論
經常以模型的描述、數字的表達方式來陳述。
‧形成假說(hypothesizing)：
假說係一種一般化通則性的陳述、統攝一系列的理解與邏輯的解釋。而經由假說推論的每
一項解釋、預測均可試驗，依試驗的結果來否決或贊成假說。
雖然在數學，可運用歸納法證明某理論的真偽，但科學不行。在科學則只能證明「某些應
是不真實的」。
一個假說，再累積更多的論據支持下，其可信程度越形鞏固。但是本質上它在科學上仍是
在待考驗的、可能非真的地位。
‧預測(predicting)：
預測是對某種改變加諸於系統時，系統將作何種反應的一種預告。預測不是亂猜的、或含
糊其詞的預告。它是具科學內涵的、邏輯的、演繹的，建立在與系統行為有關的自然定律
、原理或模型、理論上的推論。
或是依據現有的經驗規律及資料做適度的推廣應用。
四、科學素養內容解析
    科學教育乃是「教人如何學習科學」的工作。最早期的，也是比較直接可以感受到學
習成果的，當然是「傳授科學的知識和技能」，因此期望獲得的科學素養則是「廣博的科
學知識和精湛的操作技術」。不過，我們逐漸地發現；由於學習「科學」所運用的探討及
思考方式很切實、很具邏輯性，慢慢地也養成一個處理事情、解決問題的態度，以及推理
思考的能力。而且這些能力和態度的養成，其價值（解決問題時發揮的功能）一點也不遜
於那些現成的知識和技能呢！反而充滿了應變與啟創的能力。於是，「科學教育」就開始
去正視「探討科學的心智活動過程」，把科學方法和態度的培養也當成是重要的教學目標
。此一趨勢的發展，到了最近（像國民中小學九年一貫課程）更主張這些科學方法和態度
（有時我們統稱為「科學智能」）的培養列入主要的「目標」，而把「知識和技能」視為
是學習之後自然的產品而已。
    由於科學智能（科學方法的運用、科學態度、精神的養成）的學習逐漸被察覺並注重
，甚至於成為學習的主體，因此，它的內容也逐漸地被發覺而標示出來。
    以下，我們只列舉少數個例子（依深淺、過程或內容三個向度去分析），藉此表示出
這些「能力」被標示出來的發展情形：
    依「認知」內化深淺的層次分：Bloom,Engelhant,Furst,Hill,Krathwohl等人約在
1956年前後分析人類思考的過程（the basic processes of human thinking），將人的
「認知」分成六個層次；知道（know）、了解（comprehension）、運用（application）
、分析（analysis）、綜合（synthesis）、評鑑（evaluation），他們把「知識」包含
陳述性知識（Statement Knowledge）和運作性知識（Action Knowledge）。依對知識「
認知」的深淺來分，其後，有許多評量學生的「學習成就」時，就利用這六個層次來命題
。
    依「認知」心智活動的過程分：Stahl和Murphy（約在1981年）則把「認知」視同一
種心智運作，而將「認知」依科學探討的過程（Scientific Process Skill）把它分成八
個階段；準備（preparation）、接受（reception）、轉譯（transformation）、記住（
retention）、轉移（transfersion）、組合（incorporation）、組織（organization）
、啟創（generation）其分法類似認知心理學的資訊處理過程技能（information
process skill）。
     依「認知」的內容分；「科學素養」的「內容」常因解析者的觀點不同，而有不同
的分項方式，也因為教育上講求的目標不同，而有不同的範圍界定。（這種情形可參閱各
國所訂的科學課程綱要，加以比較即可得之）。比較齊全的考量到各個面向的，有Yager
和McComas（1989）所提出的科學教育五大領域之評量（The Iowa Assessment Package
for Evaluation in five Domains of  Science Education ）。他們把「科學素養」分
成五個大項來敘述：
1.      概念認知(知道事實、資料，認知概念，定律、原理，知道既存的說法和理論、知識的
內化)與使用
2.      過程技能（觀察、分類、數字觀念、測量、時空觀念、溝通、預測、推論、下操作型
定義、形成假說、解釋資料、控制變因、進行實驗等心智運作）
3.      創發智能（想像、翻新連結方式，舊物新觀、解題解謎、幻想、夢想、設計出非凡主
意、辨識特質、萃取或簡併、發散關連、粹取共因）
4.      情意態度（對於正在學習的內容能感受到其價值與學習的樂趣、能因工作成效肯定自
己的能力，養成自尊自重、能體會他人的感受、養成對別人的尊重、能以正面的建設性的
方式表達個人的感覺、能依個人價值觀下決定、對社會上議題能做科學性的決定，能持平
審視某一議題）
5.      推廣應用（察覺到日常生活裡的事物處處有科學概念的運用、瞭解家用設施中處處應
用到科學原理、運用所學的概念與技能來處理日常問題、運用科學方法處理日常事務、解
決問題、瞭解（或評價）大量報導的科學發展事件、對個人健康、營養、生活型態等問題
依科學知識做決定、能將科學與其他如藝術、社會問題等作互補的、融合的統整、對當地
、社區、國家、國際的問題，依科學做反映和活動、把課堂經驗應用於社團活動）
「科學素養」是學生學習「科學」後，獲得的「學習成果」。它是一項總的名稱，為了認
識這項「學習成果」的情況，在解析時有的依據認知深淺層次，有的依據認知思考過程，
有的依據各種可能的面向來看這項成果。並且依據這些分析項目來設計評測題目。