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匯聚世代記憶與教育初心 《終身樹人：我在師大的日子》正式出版
一所學校的歷史，除了記載於設立沿革與制度發展中，更鮮活地存在於每一位成員的生命記憶裡。新書《終身樹人：我在師大的日子》現已正式發行，書收錄的篇章涵蓋了校園生活的多元面貌：從課堂上的聽講、社團活動中的投入熱情，到校園中的種種日常，這些故事如同一扇扇窗，讓讀者重溫那些熟悉的紅樓光影、操場笑聲。
《終身樹人》由圖書館策畫出版，並廣邀歷屆師長與校友撰稿，作者群涵蓋不同世代與領域，包括資深教授、教育工作者及各界傑出校友等，求學的歲月構成了師大人共同的生命印記。作為一份珍貴的歷史資產，《終身樹人》將透過文字的傳遞，讓不同世代的師大人能在此產生情感共鳴。
期許每一位在校師生珍惜當下的學習時光，讓這份深厚的情感與精神，能像薪火般在未來的師大人手中持續傳承，見證師大精神的綿延不息。
緣繫臺師大
本校校訓「誠正勤樸」是民國41年（1952）時，由校長劉真先生訂定。透過校訓，劉前校長冀望臺師大的學生從內在的修養到外顯的實踐都能以擇善固執、光明磊落、自強不息、質樸無華相伴前行。而位於臺北市和平東路上臺師大校本部的行政大樓，有塊刻著出自道德經中「止於至善」的匾額。每當步入大樓時，一抬頭即可看見，令人銘記於心。「止於至善」表達對師生內外兼修的期許，也正是吾輩師範生的標竿。師資的良莠，能左右國家的未來，教師培養的過程，除了啟發教育的使命感之外，更需要發展「有教無類」與「因材施教」的中心思想。正如同臺師大校歌的內容：「教育國之本，師範尤尊崇，勤吾學，進吾德，健吾躬。」臺師大以「誠正勤樸」、「勤學、進德、健躬」和「止於至善」來勉勵其所培養的未來教師是相當合宜的。縱使86年（1997）臺師大在教改風潮下轉型為綜合大學，不再以培育教師為單一目標時，這創校的初衷，仍是顛撲不破，值得學子追尋的圭臬。
壹、臺師大科學教育研究所簡史
民國75年（1986）臺師大在理學院各系所共同推動下，成立全國第一個科學教育研究所（以下簡稱科教所），也是臺師大理學院第一個博士班，此舉反映出學校對高等教育人才培育的用心與期待，同時也展現以科學教育興國的使命感。隔年起，科教所開始招收第一屆博士班學生，以培養具有學術素養之科學教育研究人才與師資為目標。83年（1994），有鑑於強化與拓展國內科學師資涵養之需求，科教所續成立碩士班；87年（1998）為因應國內在職教師增能之期待，再成立教學碩士班。雖然教學碩士班後來因中學教師們已大都完成碩士進修而停辦，但至此科教所針對職前和在職教師都提供足夠的進修管道，以符合社會之期待與需求。
科教所即將邁入第40年，在校方及政府各單位的支持以及教師們的努力，在穩定的研究環境與充足的設備下蓬勃發展，且不斷提升研究品質與產出，為學術研究與人才培育奠定穩固的基礎。
科教所從初期僅有3名教師員額，後增加為5名教師，在學校組織改造時，理學院各系的科學教師轉到科教所任教或與科教所合聘，使得科教所的師資陣容堅強，舉凡物理教育、化學教育、生物教育、地科教育和數學教育背景的教師合計11 名，為全球規模最大的科學教育研究所。我是在1992年自美回國服務擔任教職，並於1997-2003年期間擔任該所所長，成為第四任所長。
教師們除在學科教育方面各具專長外，在科教方面的涉獵與專業則從認知心理學、科學哲學、科學課程設計與評量，到新興科技融入科學教學、腦科學、眼動、人臉辨識和人工智慧（Artificial Intelligence, AI）等皆有所觸及；同時，研究取向也從單一領域到跨領域（如STEM教育和AI教學），從在地化到跨國合作，研究主題範疇寬廣、視角多元，使本所師生的科教研究得以展現多元文化、學理、方法、科學學習、課程、教學與評量，並提出創新思維與因應環境與文化差異的教學理念與策略。
根據科教所（臺灣師範大學科學教育研究所，2024）使用SciVal（Scopus 資料庫）分析顯示，從民國107年（2018）到113年（2024）間，科教所的師生總計發表182篇文章，平均每年約26篇，每位教師平均發表2.4篇期刊文章，文章被引用次數共計1,710次，即平均每年被引用244次，每篇文章平均9.4次；科教所的師生所發表的文章中，有26.8%發表於排名前 10% 的國際期刊，其中有53.3%是與國際學者或學生合作發表的文章，教師們在學術界的表現頻傳佳績，深獲國內外肯定，可謂研究成果豐碩，國際交流頻繁。根據Lin, et al.（2024）分析107年至111年（2022）間，臺灣學者在國際知名的三大科學教育期刊中（Science Education, Journal of Research in Science Teaching, International Journal of Science Education）的表現顯示，臺灣科學教育界的整體表現除109年（2020）外，均排名在全世界前十名，分別是107年的第七名、108年（2019）的第八名、110年（2021）的第八名以及 111 年的第四名。臺師大師生在這方面的貢獻堪稱典範。
除此之外，本文作者在105年（2016）曾編輯一本由 Springer 出版社所出版的《Science Education Research and Practice in Taiwan: Challenges and Opportunities》，書中由多位國內科教學者提供專文介紹台灣科學教育的發展與成果（多篇章節由臺師大科教所師生與所友為文發表），該書為當年Springer 教育類書籍中文章下載次數佔排行榜第一名。自出版到2024 年下載章節次數總計高達40,105次（Springer Nature, 2025），可見國際人士十分關心臺灣科學教育在國際上所展現的影響力。另一本《Science Education Research and Practice in Asia: Challenges and Opportunities》，該書亦有國內學者與台師大科教所師生的大作，在2016-2024年間文章下載量為39,972次，也顯示國內與亞洲其他多國科學教育的發展深受學界關注（Springer Nature,2025）。
臺師大科教所創辦初期來就讀的學生大多以全職的身分進修學位，若為在職的教師，大都會選擇留職停薪的方式全職進修。如今在學的學生多數是在職的中小學教師以帶職的身分進修，全職學生的占比逐漸減少。近年來，科教所奠基在許多教師打下的基礎以及配合新南向政策，外籍學生逐年增加，目前開設的全英語授課之課程（English as Medium of Instruction，EMI）有11門課以上，以及為碩士班學生開設的英語授課課程（Graduate Programs in English, 簡稱GPE），不僅滿足外籍學生求學的需求，同時也吸引國內具有充分英文能力的學生選讀，目前已有至少兩位國內學生以英文撰寫碩士論文取得碩士學位。
此外，科教所是本校數一數二率先與國外姊妹校簽訂雙聯學位學程的系所，今年（2025）將再增加一個雙聯學位學程的簽訂。繼STEM實作學分學程之後，本年度也將與大眾傳播研究所共同推出科學傳播學分學程，供大學部和研究所學生修讀，課程中納入科技與社會的新興議題，以及教育和傳播技術的創新應用（劉湘瑤，2025）。希望透過這些課程的設計與實踐提供學生更為全方位的學術發展與學習環境，並打造學生循著所內師長的腳步邁向全球科學教育的領域與道路，為臺灣在國際科學教育界發聲與產生影響力。
貳、求學之旅
我在民國65年（1976）以第一志願進入臺師大化學系就讀，展開期待已久學為人師的生涯。大學四年中，除了打開對化學領域更深入的專業學習外，首次接觸到化學教材教法和教學實習，課程著重在教科書中實驗課程的實施以及入校實習的專業養成。除此之外，系上還開設一些屬於純教育類的課程，由教育學院的教授授課，如教育理論。然而，這些課程與科學教育的連結較為薄弱，當時總感覺有些隔靴搔癢，不易掌握如何應用於科學教學上。至於以科學教育為核心的課程，如科學學習心理學、科學課程設計與評量或科技融入科學教學的相關課程，則尚未在理學院開設。
自臺師大化學系畢業後，我曾在國中任教兩年。當時，除了負責全年級六個班級的理化課程外，還負責導師班的數學課程。剛畢業的我充滿教學熱情，恨不得將滿腦子的數理知識與學習的策略傾囊相授，以期達立竿見影之效。然而，以這樣的心情，完全投入教學內容，讓我輕忽了學生的適應與接受能力。在第一次月考成績全軍覆沒的情況下，我的熱情面臨殘酷的打擊。這時，不只是我的信心全失，學生也感到相當挫折。於是，我試著剖析這教學的瓶頸，試圖理解什麼樣的原因使得學生表現不如教師預期以及怎樣的原因造成學生面對變化考題無法即時因應。反躬自省後，我認為問題出在自己未能充分瞭解學生在學習上的差異以及過度強調考題的變化而忽略運思和解題所需的基本技能。這次當頭棒喝的經驗，讓我有機會能在教學早期的階段，便深刻地檢視和修正自己的教學重點與方式，重新調整教學與評量設計以便更接近以學生為中心且符合因材施教的教育理念。然而這樣的反思還不夠，我困惑於是否還有學者對教學策略和學習理論有所探討，以作為改進教學的依據，這些便成為我立志出國深造的目標。
過往的實務教學經驗和留學時的所學歷程，都形塑了我日後在臺師大科教研所開課和做研究的內容和方向。以下我僅以在美修習的三門不同領域的課程和一個工作經驗來說明研究生涯和博士後的經驗如何影響我在臺師大的教學。首先是，1985-1990年在哈佛教育學院就讀時，一門由發展心理學家皮亞傑（Jean Piaget）的門生艾蓮娜‧達克沃斯（Eleanor Duckworth）教授所開設的教與學課程，Duckworth是在日內瓦大學取得博士學位，曾擔任過小學教師，受皮亞傑的啟發，她對孩童智力發展和課程研發尤為專精。有一堂課讓初踏入科學教育領域的我印象非常深刻，她要求修課的學生返家觀察月相，並在課堂分享所觀察的結果。一開始上台的同學們（當年博士班同學平均年齡32歲，都是教學非常有經驗的教師）都信心滿滿的在黑板上畫出前一晚所觀察到的月相，但是當看到其他同學的作品時，赫然發現彼此的觀察結果不盡相同，甚至大異其趣。這有趣的現象震驚了同學們！這時讓我想到人們經常擅自以為自己所看見的便是真實，然而那可能只是先入為主的錯覺。換句話說，每個人的大腦對資訊處理和判讀都受到個人經驗和知識左右，因此對於現象的觀察與解釋也就有所差異。這也是Duckworth教授若我們活動觀察與參與中去體會現象與觀察之間複雜的關係。從一個簡單的觀察活動（同一晚間的月相中），我們也瞭解到對於同樣現象會產生不同的詮釋與不同的表徵，這樣的現象究竟是觀察後的「眼見為憑（To see, To believe）」，抑是先入為主的「看見自己所相信的（To believe, To see）」？這樣的觀察維持了一個學期，也探討了許多的問題，同時Duckworth教授也邀請一位國小學童到教室裡來示範如何對孩小的孩童進行口語訪談、如何從對話中抽絲剝繭找出孩子們的想法，從一個簡單的觀察活動，她想傳達給我們的是如何以客觀的角度去觀察自然現象，以及觀察是一種需要被訓練的技能，而要成為一位好的教師就必須懂得以晤談方法瞭解孩童的想法，而這種訪談的技巧也須透過認知心理學的基礎去發展而得的。這類型的課堂活動，對我們這些已是人師或即將成為人師的學生而言，是產生很大的反思。對我而言，這樣的教學法更是我過去的經驗中所無，衝擊頗大也深獲啟發。若能在課堂以這種探究取向的教學來實施，相信可以提升學生對於事物的洞察能力、培養學生敏銳的觀察力，並以批判理性的角度來探索已知或未知的領域，這對剛受到啟蒙接觸科學教育的我來說，實在是出現一道明光引領之後的學習、教學與研究。之來在台師大科教所開設認知心理學和問題解決的課程時，除上課會針對學理做說明與討論外，修課的學生必須尋找受試者進行訪談，以瞭解研究對象對於現象的描述與解釋的內涵，並探索口語表達背後的真實意義。這些無不受到早期在哈佛學習時受到的薰陶。
其次是，我在哈佛求學時，曾有機會修習兩位統計學教授（史丹佛大學統計學博士John Willett和哈佛大學統計學博士Judy Singer）所開設的四門中級以上的統計課程，依據課程規劃每兩週必須繳交一份詳實的統計分析報告（每次約30頁的英文報告），並於報告中針對分析結果評析統計模型的適切性，再據此模擬向教育單位的主事者提出做決策的建議。這種將所學的統計知識和技能與現實生活的教育問題相互連結的作業，沒有固定的標準答案，培養的是活用知識（knowledge in use）和批判思維的能力。一個學期有七八次類似這樣的作業，雖然課堂壓力不小，但每回收到教授們鉅細靡遺的回饋意見時，我總會因此受到激勵，並抱持著信心繼續前行。民國80年（1991）自美返校任教後，我在科教所開設了數門與資料分析相關的課程，並引導學生運用SAS軟體處理美國教育部的資料。這些課程設計深受兩位教授的啟發，幾乎完整移植了他們的教學內容與作業模式，並獲得教授同意使用其資料庫進行教學，銘感於心。雖然課程分量與要求不輕，但卻有效培養了學生紮實的資料分析能力，不論在撰寫畢業論文或日後任教工作上，都印證了「一分耕耘，一分收穫」的價值。
其三，在1980-1990年代使用電腦輔助教學非常受到重視，我也就利用跨校選修的機會到麻省理工大學（MIT）去選修人工智慧先驅也是設計Logo程式的Seymour Papert教授的課，Seymour Papert是位數學家，如同前面提過的Eleanor Duckworth教授，他也深受皮亞傑理論的影響，對於孩童邏輯思考非常感興趣，因此在波士頓一所小學長期開設Logo程式寫作課程，用以啟發孩童邏輯思考與空間能力。修習這一門課的收穫除認識大師的思維方式與教育理念外，對於在將近 40 年前的美國國小就已經在教授電腦程式語言，感到非常佩服其遠見。與此同時，我也選修哈佛教育學院 Judah Schwartz 教授所開設的電腦輔助教學課程。Schwartz教授是個思路縝密的物理學家，對於人類如何解題和利用電腦視覺化的功能進行學生對科學學習的研究非常專精。受到他的推薦，我便到Robert（Bob）Tinker 教授的電腦公司（Technical Education Research Center, TERC）實習，TERC當時是美國東岸研究微電腦實驗室（Microcomputer-Based Laboratory, MBL）的重要機構，透過微電腦收集資料後，再以圖形的方式呈現資料樣態，透過這種MBL工具來提升學生讀圖與解釋的能力。這實習的經驗也是影響我後來選擇博士論文研究主題的源頭。這兩門課的基礎對於日後我在科技融入教學或是擴增實境與虛擬實境的投入皆有莫大的幫助。
在就讀博士班的階段，我發現自己對認知科學深感興趣，如人腦如何處理資訊、專家與生手在問題解決上的差異、知識表徵與知識建構的關係等等，再加上曾隨外子在卡內基‧梅倫大學（Carnegie Mellon University,CMU）旁聽過諾貝爾經濟學獎得主司馬賀（Herbert Simon）的認知與解謎行為的課程，更讓我對這領域產生極大的好奇與興趣。取得博士學位後，有幸在CMU旁的匹茲堡大學任教的認知科學大師Michelene (Michi) T. H. Chi的研究室從事博士後研究。Chi在民國70年（Chi, Feltovich, & Glaser,1981）所發表的專家與生手解題表徵與策略的研究已成該領域的經典之作，曾被美國心理學會（American Psychology Association, APA）評為引用次數最多文章。文中指出專家對問題所形成的表徵是以深層的理論為主，而生手則是以問題的表面特徵來進行分類；同時專家解題時間雖比生手要短，但專家在對問題進行解題之初會花較多時間做深層分析，才下手解題；不似生手拿到問題便立即以試誤法（trial and error）去解題。這些結果現在已廣為人知，但在當時卻是研究上的創舉。在我擔任博士後期間，Chi的研究主題已進入到以學生對學習內容所建構的心智模式（mental model）的概念本體與概念改變的研究做為主軸，因此我也有幸得以看到大師在開發一個新主題的歷程是如何產生研究問題，以及如何設計實驗來驗證她自己的假說。Chi在帶領她的研究團隊進行資料分析時，她必定親力親為，親自說明編碼的原則，並示範如何進行分類，隨後才由我和另一位博士生分別進行編碼，再將我們三人編碼的結果拿出來比對，過程中每個細節與分類都逐一討論，並據此做為編碼表修正的基礎。Chi是個思緒縝密又富有耐心的學者，若團隊中成員有不同意見時，她總能敞開胸懷傾聽，並試圖瞭解這些論點的緣由，這對於仍在學習的我來說，是非常珍貴的互動經驗，近身觀察大師做研究是多麼幸福的事啊。有關這項由 Chi 帶領我和其他兩位研究人員研究的成果，於民國83年（1994）在頗負盛名的國際期刊認知科學（Cognitive Science）發表，那是我第一篇與心智模式和概念改變相關的著作（Chi, et al., 1994），同時也成為我後續深入探究相關主題的基石。在台師大科教所開設的認知心理學、學習心理學以及其他專題課程，所閱讀的文獻與探討的研究理論與方法學，莫不受到這一訓練與經驗的影響，尤其是大師風範與做學問的堅持，更是我效法的典範。
這段在國外學習與研究的經歷，使我有機會近身觀察大師們的研究歷程與思考進程，也深化我對認知發展與轉變機制的認識。他們關注的核心不外乎是：如何診斷學習的困難、如何協助學習者更有意義的結合知識點並組織知識架構、有效地克服學習瓶頸，以及如何藉由多元的教學方法與表徵方式啟發學習者的智力與洞察力。返國後，我在台師大開設的課程中亦以這些前輩的經驗為借鏡，致力於以深入淺出的方式引導學生，並培養創意思維與嚴謹治學的態度。除介紹認知科學的理論，以及質、量化的研究方法外，亦融入認知心理學中專家與新手研究的經典成果，以探討學習的特質與知識建構的路徑。回顧三十餘年前即以此作為教學與研究的重點，實已為科學教育界引介新的研究取向。
參、眾裡尋「她」的科研之旅：從科學概念改變到科學建模
對我來說，研究是一連串發現問題和解決問題的歷程，當一個研究問題解決之後，其實她將是另一個研究問題的起點，這樣周而復始的過程讓我們可以對問題更深入的探討與解謎。在探索問題與解決問題的過程之中，獲得求知的滿足，不再需要透過其他的回饋來肯定我的努力。在閱讀瑪麗．居禮的傳記後，當她發現鐳時曾說：「我們誰也沒想過要從我們的發現中獲得任何利益。」我想我能夠理解她會說出這樣話語時的心境。
我長期投入科學概念建構與改變的研究深受Chi的影響，她的理論是科學概念的本體類別（ontological category）中，每個科學概念的本質不同，彼此具有不可共量的特性。若將動態的本質以靜態的本質去看待，就會形成錯誤的科學概念。譬如，「電池的電用完了」這個概念是常見的錯誤概念，從概念本體的角度觀之，就是將電當作「物質」會被用盡的概念，但事實上電是電荷交互作用下所產生的物理現象（Chiu & Lin,2005）。這樣的概念分類將其運用在不同的科學學科中，皆可解釋學生在科學概念因錯置其本體屬性，因而產生另有概念（alternative conception，也有人稱之為迷思概念，受限於篇幅，兩者的差異就不在此文中討論）或是甚至回歸到原來直覺非科學的想法。Chi所提出的概念本體類別的觀點與一般科學教育學者從教學策略上的改變迥然不同，個人認為這是她研究的特色，要解決學生產生另有概念不從根本談起，而僅從教學策略著手，是緣木求魚，無法根本解決問題的（Chiu, Chou, & Liu,2002）。這一篇文章可謂是第一篇作者全是來自臺灣的學者在美國排名第一的期刊Journal of Research in Science Teaching（JRST）刊登的文章，個人深感欣慰，其他共同作者亦是本所畢業的博士生，現也在大學任教。
在科教所任教期間所開設的幾門與概念改變相關課程是我最拿手也是最喜歡教授的課程，透過這一連串相關的課程（如認知心理學與科學教育、科學學習心理學、科學問題解決、認知模型與建模等），可以系統性地將當時國內科學教育界較不熟悉的概念改變理論與觀點介紹給學生們認識，舉凡Susan Carey, Micki Chi,Reindus Duit, John Gilbert, Peter Hewson, Nancy Nersessian, Gail Sinatra,Paul Thagard, David Treagust 和Stella Vosniadou等人的著作與經典文獻都在其內，在與學生的討論過程中對於他們的提問與觀點，常可見其充滿求知的好學態度與深層的思考表現。這是教學中最令人心動的時刻，也是最讓人欣慰之處。而學生的提問也讓我對這些學者的論點有更深層的反思，所謂教學相長，可見一斑。
民國89年（2000）我在《科學教育學刊》發表了「概念改變的省思與啟示」。在文中，我針對當代的概念改變理論進行回顧與評析，並指出國內外對於概念改變的研究多著重在教學法上，而對學生另有概念的本質與源頭較少著墨，譬如科學教育界經常引用概念改變理論（Posner，等人，1982），其中要滿足概念改變的四個條件為：
科學教育界的學者們便以此作為設計教學素材的開發準則，並評估其效益。在相關研究結果皆顯示根據這四個條件所設計出的教學素材可以有效促進科學學習，然而個人認為這四個條件並未說明如何針對不同科學概念的屬性進行教學或課程設計的調整以及如何將這四個條件運用在特定學科上（Chiu, et al.,2002; Duit and Treagust,2003）。於是，我嘗試以研究的經驗與認同，提出以Chi的本體類別（ontological categories）取向做為科學課程設計的參考架構，進行教學設計，以達到根本的概念改變（Chiu et al.,2002）。在這項研究中我們發現科學教學回歸到概念的本體是改變學生另有概念的根本之道，譬如學生在學習可逆的化學平衡概念時，經常表現出很難理解反應物和生成物為什麼會同時存在的動態關係。在我們的研究中，我們提出透過概念本體類別的特性，再加上妥適的教學策略，便能將科學概念融入適當的學習情境中，讓學生得以把新知識適切地融入既有的知識架構中。換句話說，這是針對知識本質的靜態和動態、巨觀和微觀以及概念本體類別屬性（cognitive apprenticeship）（Chiu, Chou, & Liu,2002）進行教學，此為概念改變教學的重點。該文曾票選為「科學教育學刊」10周年慶的8篇重要文獻之一（中華民國科學教育學會，2003）。
在民國89年（2000）這段期間，國際上對於科學教育的研究已逐漸轉型，由診斷學生的另有概念（或又稱為迷思概念）轉至學生的概念改變，但是此時國家科學委員會科學教育處主動規劃了一項對全國學生科學另有概念的調查，因為建立臺灣學生的學習資料庫以作為改進教學的基本資料是有其必要性。由於是全國調查計畫需要投入大量人力，當時國內各校的科學教育研究所陸續開設在職教師教學碩士班，因此結合這些現任教師專業的協助而完成訪問學生和合作命題測試學生另有概念的計畫。
計畫的執行是由每一個學科（物理、化學、生物）邀請六至十位大學教授參與，並帶領各校科教碩士班、教學碩士班（有實務經驗者）和博士生近百名人員共同參與。這項大型計畫由彰化師範大學郭重吉校長負責召集，台師大科教所參與的人員除本文作者負責化學部分外，還有林陳涌教授負責生物科和譚克平教授負責施測對象的抽樣，以及數十位碩士班學生和研究人員。我們透過瞭解每一個學科中重要的概念，先進行概念解構，再挑出重要的關鍵概念，接著針對這些關鍵概念進行學生晤談，以瞭解學生的想法，最後我們將訪談的資料轉化成合理的選項，供學生判斷哪個選項是造成科學現象的原理。此計畫運用雙層式（two-tiers）試題開發的設計策略，第一層是測量學生對科學現象的認識，屬於事實性問題，第二層則是對第一層事實性問題的解釋理由，以提供研究者對於學生在所認識的科學現象背後所隱藏的解釋理由有較深層的認識。此試題經研發、預試後，研究團隊針對全國中小學生進行了問卷調查。研究結果顯示，不同年齡層的學生會持有一些類似的另有概念（alternative conception），這些類似的概念大都與經驗相關。然而，隨著年齡增長，因受到學校教育、閱讀書籍、媒體接觸等會產生不同的科學概念。有些受經驗先入為主影響，有些因概念本身的複雜性和抽象性而不易建立正確的科學概念。這項以雙層式設計試題的大型調查計畫，受到International Journal of Science Education（IJSE）主編John Gilbert教授的青睞，於是邀請臺灣團隊為該期刊出版專刊（Taiwan’s National Science Concept Learning Study: A large scale assessment project using two-tier diagnostic tests，詳見Chiu, Guo, & Treagust, 2007）於2007年在該期刊刊登。那一期的專刊中收錄了領頭羊、物理、化學、生物和資料收集研究法等共10篇文章（IJSE，2007），各篇文章對於研究有著詳實的介紹與紀錄，縱使已幾個年頭過去，我認為整個計畫參與人員的投入、執行的模式和成果仍然是值得科學教學者及相關研究者感到驕傲與值得借鏡的。那時一同參與計畫的研究生，許多人便以此為主題，進行了深入探討學生在學習上的困難與挑戰，在當時對於教學碩士班的學生（在職教師）而言，是一段結合研究與實務的難得經驗。這次的邀請對於臺灣科學教育學者來說，是至高的榮耀與肯定，至今該期刊仍未曾為單一國家或單一計畫製作專刊，這本專刊是臺灣科學教育界學者共同努力的成果，值得整體科教社群深感榮耀的。而台師大的科教人不僅未在此項研究工作上缺席，還主導部分學科概念的研究發展，誠謂可喜可賀。
此後，我的研究拓展到科學模型對化學學習的影響。其中一項研究探討分子模型對化學教師是一個不可或缺的教學工具，同時對學生來說，這些模型也能協助他們將二維空間的圖形轉換成三維空間的樣貌。對於曾經是中學化學教師的我而言，具象化的分子模型對於現場教學相當實用，然而在教學中，我們對模型的使用多半以它作為媒介，至於這些模型與科學家的理論的發展關係在教學中則很少觸及。在科學史中，科學家經常利用模型建立假說，進而發展理論、檢驗有效性及進行推理和預測，譬如雙股螺旋的發現就是從實體模型中得到啟發，碳60的結構也是科學家從蒙特婁世界博覽會的地標獲得靈感才找出C60的結構。在學校教育中，有關科學模型的本質與功能以及科學家如何利用數據推理出科學模型的歷程鮮少涉及，也很少向學生介紹這類的科學史。在師資培育過程中，職前教師亦未接觸類似的主題。在教科書中更少或甚至從未提及科學模型對於科學發展過程中的價值。所以，我們研究團隊在這期間有利用類比建模、開發建模教材、實施建模教學、錄製建模步驟的影片、以及改寫教科書為以建模為本的教材等等，以探討建模教學和發展學生的建模能力的成效。我們的研究團隊在長期研究科學模型和建立模型的歷程後，提出建模能力的定義（Chiu&Lin，2019），將其從三個面向來架構，第一個面向，是對模型與建模的知識，除了必須要瞭解模型的本質是什麼（也就是本體論）之外，還要瞭解如何從認識的角度來建構對模型的觀點（也就是認識論），最後還必須要瞭解模型的功能（也就是方法論）（邱美虹，2008；邱美虹，2016；Chiu&Lin, 2019）。換言之，第一個部分是模型的本質，就是指模型是由什麼組合而成，而組成物之間又存在著哪些關係。接著，人們要如何認識這些關係。譬如說，對以不同形式呈現的現象，人們是否可以理解所指稱的其實是同一個事件，像是水分子可以用H2O表示，同時也可以用分子結構來呈現，在此第二部分我們稱之為認識的面向。最後是方法學，也就是說模型具備的功能。在此，如何描述一個現象、說明現象的原理以及解釋其成因並進而對現象產生預測，這就是方法學。上述這三個面向（本體論、認識論和方法論）合起來便是對模型本質和建模歷程的認識。然而，建模能力還必須包括第二個面向―實踐模型的能力，也就是建模歷程和建模產物。在建模歷程中，我們提出建模的四個步驟，即模型發展（Model Development, D）、模型精緻化或模型評價（Model Elaboration / Model Evaluation, E）、模型應用（Model Application,A）和模型修正與轉化（Model Revision, R），簡稱為DEAR 循環模型（邱美虹，2016；Chiu & Lin, 2019）。換句話說，我們認為模型建構者會經歷這四個步驟來達到建立模型之目的。最後一個建模能力的面向是後設建模能力，也就是在建模歷程中，使用模型的人必須要能自我監控評估模型使用的狀況，以期建模歷程與成品得以符合預期之成效（如Chiu&Lin,2019;Jong et al., 2015；曾茂仁和邱美虹，2018；蔡哲銘等人，2019）。在我們的系列研究中顯示，學生的建模能力會與在校的理科分數與整體在學成績皆有顯著相關，但在低分群的學生中，建模的能力與在校的理科分數無顯著相關，學生普遍不具有建模能力。若學校科學課程能重視建模能力的提升，將有望提高在學生的理科分數和整體的學業成績（張志康和邱美虹，2009）。曾茂仁和邱美虹（2018）的研究中，將建模教學策略用於電化學的學習後，發現透過建模教學可以有效促進學生在科學概念的整體表現以及對於電化學模型的成分、關係與系統的表現，尤其是在模型地選擇、建立、效化與應用的成果最為顯著。同時，我們的研究團隊將建模的策略在運用於原子結構的文本閱讀中，也發現有類似的正面成效（Jong, Chiu, & Chung,2015）。除此之外，我們的研究團隊也發現提升建模能力可以讓學生在進行探究與實作活動時，掌握選擇正確的變因，並且能夠透過實作找出變因之間的定性關係（蔡哲銘等，2021）。常言道，教人釣魚的方法比提供他魚吃更為關鍵。建模取向的教學便是一種讓學生體驗到自主主動建構知識的歷程，再從中尋找到一種規律性，以期建構出有系統性且具邏輯性的知識體系。建模能力便是這樣的培養過程。
肆、柳暗花明又一村：人臉辨識系統在科學教育上的應用
有了長期投入科學概念改變的研究經驗以及長期合作的研究夥伴後，我們在前往新的研究主題的路上，出現一段不經意的對話而產生新的研究領域。在一次出席學術研討會的機緣下，我和國立臺北教育大學的周金城教授（科教所的博士畢業生）聊起一部美國的影集，片名是謊言終結者（Lie to me）。我們對於影集中描述男主角如何透過人們的臉部表情變化進一步斷案感到印象深刻，於是我們開始發想將這樣的技術應用在科學教育的研究中，希望最終能應用到學校教學環境裡，協助教師及時透過學生微表情的分析可以判斷出學生是否需要支援。
我們從民國102年（2013）逐步建立了人臉辨識實驗室，舉凡該買哪種人臉辨識儀器才符合研究目的、受試者的頭髮不能遮住眼睛或是落在眉毛上、受試者是否能戴眼鏡、戴無框眼鏡或必須配戴隱形眼鏡等，都做了很細緻的探索與分析，我們深信此領域在科學教育上的潛能是值得期待的。首先，我們根據人類七大主要表情（快樂、驚訝、噁心、難過、憤怒、害怕及中性表情）進行兩個有關學生面對反直覺性的科學現象時，臉部微表情的變化和學習過程的關係的實驗。第一個是物理經典實驗―雙球競走，另一個則是沸騰的水在其容器上方加冰塊後再沸騰的現象，並以統計上的決策樹和決策森林的分析模型（Tree-Forest 統計模型）進行探討。
我們的第一篇關於微表情的文章於民國103年（2014）發表在British Journal of Educational Technology中。那時我們的研究結果發現，無論是大學生或是高中生，在面對反直覺的科學現象時，有表情變化的學生比較有可能產生概念改變；反之，若無表情變化者，則較不可能產生概念改變（Chiu, Chou, Wu, & Liaw, 2014; Liaw, Chiu,& Chou,2014）。隨後，我們進一步使用決策樹-森林模型分析學生面部微表情狀態與測試影片之間的關係。研究發現，如果在第一次播放反直覺的科學現象影片時，學生的主要表情是驚訝，接著第二次或第三次重覆播放同一段反直覺的科學現象影片時，這些學生得主要表情是負面，那麼我們會說這些學生將有可能發生科學概念上的改變；然而若在第一次播放影片時，學生沒有出現驚訝的表情，後續重複播放影片時，也未能見到學生的表情變化或僅出現了驚訝表情的學生，我們會說該名學生未曾發生科學概念上的改變（Chiu et al., 2016）。接著，我們探討特定表情與實驗內容的表徵類別是否對預測學生表現具有指標性的意義，我們發現在實驗教學過程中，也就是科學演示、文字教學或動畫教學，當學生露出驚訝、難過、噁心這三種表情時，它們能預測學生的科學概念是否發生改變，特別是當學生出現負面表情時，最能預測學生發生科學概念的改變。這個發現與過去認為學生露出正面表情，才是代表學習正在發生的結論大不相同學生露出負面表情時，才是一個很好的預測指標，因為那表示該生的學習成效是正向的（Chiu, et al., 2019）。透過對微表情的分析研究結果可應用在現場教學中，也就是教師若能注意到學生所露出的負面的表情，其實可能正是學習的發生。
我們進一步發現，科學素材的呈現方式對於預測學生學習成效也會有影響，例如運用動畫解說科學概念的意義，比起單獨使用文字說明或播放實驗影片，有更佳的預測指標；另一方面，運用文本說明又比起僅播放實驗影片，更能向學生傳達科學概念。最後，在教學的多重表徵（如實驗影片、動畫、文字）上，這三種表情是預測學生是否發生概念改變最佳的指標，其中我們發現當學生在面對動畫時的臉部表情變化會與學習是否發生有顯著相關（Liaw, et al.,2021）。除此之外，我們也發現具有較多科學背景知識的學生，大都會出現負面表情，相較於背景知識較少的學生，則多出現較為中性的表情；當背景知識較少的學生有負面表情出現時，卻未能發現有概念改變的學習成效。因此，透過微表情的研究後，我們瞭解若同時考慮學生本身具備的背景知識時，無法透過負面表情來普遍瞭解學生是否已經歷概念改變的學習成效（Liaw, et al., 2021）。這一系列的微表情研究發現，學生面對與自己預期不同的實驗結果或科學事實所呈現的微表情對教學有些啟發，若類似的研究可朝向在更大的班級數量中試驗，並透過人工智慧採個別化適性教學的方式進行，以提供學生更即時回饋，將對科學學習有莫大的幫助。
以上這些研究都是為解決學校教學可能遇到的挑戰以及協助學生克服學習的困難為出發點的設計，並且積極的提出更有效的學習環境方案。參與這系列研究計畫的合作夥伴或是科教所的畢業所友或是博士後，而研究生則多半是在職或即將成為理科的教師，由於他們對於現場教學與科學教育的熱誠與使命感，讓計畫得以順利進行。這是我認為能在臺師大科教所任教的特色，研究團隊的所有成員對教育的熱愛和科學的初心，讓我這一路來的研究與教學收穫滿載，如順水推舟般愉悅的在培育下一代科學教育者。
伍、科教與科普推廣不落人後
臺師大除對於教師在學術表現的重視外，也對教師在國際上的服務工作給予最大的支持。在民國106年（2017）時，我曾有幸被選為美國科學教學研究學會（National Association for Research in Science Teaching, NARST）的理事長，這是全美科學教育研究最重要的學會，總部設立於美國，是當時全球最大的科學教育學術社群。NARST1928年成立的主要目的，在於提升科學教育研究，並傳播其研究發現來改進科學教育，約有1,800位會員，出版《科學教學研究期刊》（Journal of Research in Science Teaching）是最具代表性的研究期刊，臺灣也有許多科教學者加入。當時，校方給予人力與經費各方面的協助，除提供博士後員額協助我處理理事長的工作外，也全力支持我在臺師大舉辦 NARST 博士班夏令研習營（Abell Institute），這些皆銘感於心。這是NARST首次在美國境外舉辦夏令研習營，活動期間，共邀請到來自六個國家的國際名師擔任導師合計12名、來自五大洲的35位國際博士生以及一位來自美國的評鑑專家。臺灣擔任導師的有科教所的劉湘瑤教授和目前在國立臺北教育大學的所友-林靜雯教授，並有兩位科教所博士生獲選參加研習營，與國際學生在臺師大進行為期一週的學術交流。此次活動不僅使臺師大得以向來自各國的師生展現臺灣在研究上的深厚能量，同時搭建起國內外科教領域師生之間的交流與合作的橋梁，進一步提升臺灣在國際學術舞台上的影響力與能見度。（詳見 https://pr.ntnu.edu.tw/ntnunews/index.php?mode=data&id=16878）
此外，民國108年（2019）時，我有幸主持一項國家科學委員會的科普計畫，響應聯合國慶祝門得列夫發現週期表的150週年而設立的化學元素週期表國際年（International Year of Chemical Elements of the Periodic Table, IYPT）。在這一整年間，我與科普夥伴們在臺灣舉辦了不同型態的科普活動，例如彩繪捷運車廂、臺北101點燈活動、在五大博物館進行元素週期表特展等，讓科普觸及率高達上百萬人次。同年的12月時，我受邀出席聯合國教育、科學及文化組織（United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization,UNESCO）、日本化學會、日本理化學研究所（Riken）以及國際純化學和應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry,IUPAC）共同於東京舉辦的IYPT閉幕式活動。那時候，我代表臺灣提出了執行這項計畫的整體報告和於臺灣各地移展的經驗與成果。當時，除了主辦國（日本）和門得列夫的祖國（俄羅斯）參與閉幕式特展與上臺報告之外，僅有臺灣受邀登臺。對此，我甚感榮幸。這一次的經驗，讓我經歷了許多過去未曾遇過的挑戰，譬如海關貨品出入境、建材取代方案等。同時在一趟出國的旅途中，我從易拉展得到啟發，也就是為了優化展覽物件的永續性，與其使用一次性的當地材料布置展場，倒不如在日本展覽後，將堪用的素材寄回臺灣，繼續使用於日後的展場中。布展時，這樣的展示受到俄羅斯團隊的讚賞，因為當時他們是採用包機運載所有的展品到東京，並於展後棄置於當地，而我們卻能將永續的概念發揮到極致，雙方的交流彼此相互學習是個難得的機會。在布展的當晚，我和兩位來自臺灣的中學老師一起在展場大廳手工組合118個元素的立體方塊，直到晚間11點才得以開始會場佈置，最後於凌晨3點完成所有的佈置。回到旅館約莫休息兩小時後，便於清晨七點回到展場開始表訂於8點開始的各項展覽的交流活動。那一晚，我在展場中度過了生日，心中滿是激動。要特別感謝國科會、臺師大校方和化學系系友的經費補助，以及感謝許多志同道合的科普夥伴的付出與同心協力，方才使得我們有機會代表大家在這盛大的典禮中讓臺灣被看見，展示臺灣在科普教育上的能量與產出的。
以上僅舉幾項大型科普活動的推展為例，我衷心地感謝臺師大在每項事件與活動中都給予相當大的支持與信任，再加上國科會和教育部等單位的支持，讓我們的團隊能有足夠的資源和動力前行而無後顧之憂，為臺灣在國際舞台上盡棉薄之力。
陸、結語
對我來說，科學教育的研究與教學是一體兩面的概念。換句話說，研究是為了改變教學現場，使教師得以增能，獲取更多教學的知識與有效的教學策略和評量方式，營造有意義的學習環境，同時提供更多元的學習方式、適性的學習內容與方法，使得學習更有意義。教學現場所面臨的困境與成效都是科學教育研究人員的素材與養分，在有了急迫性的問題產生，才會需要解題的人進行研究，進而提出證據導向的解決方案，如此一來，才有機會讓科學教育的研究與教學一同邁向更好的發展。而科教研究和科普推廣，皆是我所愛的工作，深入探討科學學習的困境與機會，以及將科學以親民的方式轉譯並傳遞給眾人，對科教人似乎是義不容辭的事。臺師大給予我在研究和科普推廣上很大的空間與支持，我才能有機會做我喜愛的工作。感謝臺師大的栽培！
我在臺師大從就讀化學系、返校擔任助教再至科教所服務長達38年，師大惠我良多，不論在求學、研究和服務工作上，都能明顯感受到校方給予無私的支持。無以回報，僅能克盡職守努力讓科學教育可以扎根於臺灣並能茁壯永續發展。在教學與培育科教人才上，我秉持著兢兢業業的態度，希望能藉以回報母校的栽培。猶記得聘我回國的魏明通教授（當時的所長），在我任職時見面對我說的第一句話就是：「你要在師大待至少30年，嘉惠學子。」老師，我做到了！而在我指導的105位碩博士生中，每個人也都在自己崗位上，學為人師、成為人師，竭力做到「傳道、授業、解惑也」的期許，其中七位受指導的碩博士生更獲得教育部肯定，榮獲師鐸獎，為師的與有榮焉。無論如何，這些學生有的在中小學服務也有在大學任教或擔任校長職位或是有的在非體制下進行科學教育的工作，無論在臺灣哪個角落都以科教人自許默默的在耕耘，影響教學現場並作育英才。在研究上，我則是未曾忘記自己的初衷，那就是透過研究成果來提高學生在科學學習上的興趣與思考方式，並拓展學生的國際視野和對科學教育的體認與使命感，同時協助教師進行專業成長，讓師生皆擁有當代所需的科學素養，而創造更美好的人生。
誠如南非前總統曼德拉所言：「教育是最有力的武器，因為你可以用它來改變世界（“Education is the most powerful weapon which you can use to change the world.”, Nelson Mandela, 1990）」。臺師大科教所始終秉持人才培育的初衷，為國內科學教育扎根，同時放眼全球，讓世界瞭解臺灣在科學教育的研究能量。這些努力，都有賴科教人繼續傳承，並攜手向前。我以曾身為臺師大科教所一員為傲，也以身為師大人為榮！
謹此，祝福母校校務蓬勃發展。
參考文獻
（出處：圖書館出版書籍《終身樹人：我在師大的日子》）
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