兩組學生在動能、位能與能量的概念理解

『動能、位能與能量』的概念測驗分析（以下簡稱能量概念測驗，測驗卷 32 題，每題四分滿分 128，平均分數是指學生在題目中的總分平均數），將講述 式教學組與科學史教學組的前測採雙樣本（獨立樣本）平均數考驗。所得到的敘 述統計結果，詳見表 4-1-1。兩組學生在前測差異未達顯著標準（t（88）＝-.253，

p＝.801＞.05），顯示兩組進行實驗前學生的先備知識沒有差異。

針對組內進行分析採雙樣本（相依樣本）平均數考驗，比較講述式教學組的 能量概念前後測總分（t（29）＝-6.800，p＝.000**＜.05），顯示講述式教學組在 測驗前後有顯著差異如表 4-1-1。同樣地，科學史教學組能量概念前後測總分分 析，則得到 t（59）＝-12.262，p＝.000**＜.05 的結果，顯示科學史教學組在測 驗前後也有顯著差異整理如表 4-1-1。顯示使用講述式教學與科學史教學，都能 使學生在動能、位能與能量概念理解上有顯著的進步。

將講述式教學組的後測與科學史教學組的後測，採雙樣本（獨立樣本）平均 數考驗。所得到的敘述統計結果，詳見表 4-1-1。兩組後測分數差異達顯著標準

（t（88）＝-2.075，p＝.041*＜.05），科學史教學組的後測分數明顯高於講述式

教學組。顯示兩組學生實驗後，學生在動能、位能與能量的概念發展，使用『科 學史教學法』明顯比『講述式教學法』有效。

表 4-1-1 兩組學生能量的概念測驗表現（組內比較）

前測 後測

組別 人數

平均數 標準差 平均數 標準差

前 後 測 顯著性 講述式教學組 30 70.80 22.11 90.53 22.32 .000 科學史教學組 60 72.00 20.82 100.60 21.38 .000

並以相同方法分析，在『動能、位能與能量』的概念測驗卷中的位能、動能、

能的轉換概念，題目對應如表 3-3-2。並將其中的『位能』、『動能』、『能的轉換』

概念分析敘述統計結果，列表 4-1-2。

表 4-1-2 兩組學生的位能、動能、能的轉換概念測驗表現

前測 後測

分析對象

組別 人

數 平均數 標準差 平均數 標準差 講述式教學組 30 46.67 16.32 58.80 15.73 位能

科學史教學組 60 48.00 14.78 66.67 14.16 講述式教學組 30 43.20 15.81 53.07 14.17 動能

科學史教學組 60 42.13 14.18 59.80 14.12 講述式教學組 30 36.13 12.54 42.53 12.80 能的轉換

科學史教學組 60 34.80 10.96 49.47 12.21 由表中發現，兩組學生在各概念中前測平均分數互有高低，且兩組的後測平 均分數都是比前測進步（組內比較）。同時經過不同的教學法後，雖兩組的前測 無顯著差異，但是科學史教學組後測平均都是比講述式組的後測高（組間比較）。 而為了求其中是否有達到統計差異，針對科學史教學組與講述式教學組在各概念 中的答題總分，進行兩組的組內分析與組間分析，而分析的數據結果依照『分析 對象』、『t 值結果』、『p 值結果』項目，整理如表 4-1-3。

表 4-1-3 各概念組內分析與組間分析數據結果

分析對象 分析對象 t 值結果 p 值結果 兩組前測 t（88）＝-.390 p＝.698＞.05 講述式教學組前後測 t（29）＝-6.3 p＝.000**＜.05 科學史教學組前後測 t（59）＝-12.709 p＝.000**＜.05 位能

兩組後測 t（88）＝-2.394 p＝.019*＜.05 兩組前測 t（88）＝-.324 p＝.747＞.05 講述式教學組前後測 t（29）＝-4.482 p＝.000**＜.05 科學史教學組前後測 t（59）＝-11.159 p＝.000**＜.05 動能

兩組後測 t（88）＝-2.131 p＝.036*＜.05 兩組前測 t（88）＝.518 p＝.605＞.05 講述式教學組前後測 t（29）＝-3.764 p＝.001**＜.05 科學史教學組前後測 t（59）＝-11.949 p＝.000**＜.05 能的轉換

兩組後測 t（88）＝-2.499 p＝.014*＜.05 表 4-1-3 顯示使用講述式教學與科學史教學方式，都能使動能、位能、能的 轉換的概念在組內前後測達到顯著差異，由敘述統計結果的平均分數（詳見表 4-1-2），可見前後測有顯著進步。同樣地，兩組在動能、位能、能的轉換的概念 後測，也達到顯著差異，顯示兩組實驗後，使用科學史教學法明顯比講述式教學 法有效，並達到統計上顯著差異。

接著針對科學史教學組與講述式教學組在各題目中，題目答對率進步作圖分 析，以瞭解學生在教學前後的答對率變化情況，如圖 4-1-1。並且在兩組內各題 的前後測，採雙樣本（相依樣本）平均數考驗，作組內分析，整理如表 4-1-4。

在『位能，動能與能量』的三十二題題目中，兩組學生的前測答對率大多各有高 低，而在學生的後測答對率中，約三分之二以上題目，科學史教學組答對率是比 講述式教學組好的。但從答對率進步發現，有些題目前後測的比較是明顯有差異 的，因此筆者試著從『科學史教學組組內前後測顯著進步』與『講述式教學組卻 沒有顯著進步或顯著退步』的題目中，使用『ConQuest 軟體分析』與『SPSS 軟

體雙樣本（相依樣本）平均數考驗』去瞭解學生的答題的概念差異，以試著瞭解 多了科學史教學，學生的答題差異。

而此兩類型的題目共有十九題，其中題目所含的概念分述如下：『第四題、

第五題、第三十題、第三十一題』是屬於彈力位能的概念，要讓學生瞭解伸長或 壓縮的彈簧具有彈力位能，動能與彈力位能能量轉換且守恆的概念。『第一題、

第十題、第十二題、第十三題、第二十題、第二十三題、第三十二題』是屬於重 力位能的概念，要讓學生瞭解位能是由物體質量與高度決定。『第七題、第三十 四題』是屬於能量轉換中摩擦力扮演角色的概念。『第十五題、第十八題、第二 十四題、第三十三題』是屬於動能的概念，要讓動能與質量速度的關係，動能不 具有方向性質。『第十七題、第二十五題』則是屬於動能與重力位能能量轉換且 守恆的概念。

首先針對『科學史教學組組內前後測顯著進步』與『講述式教學組卻沒有顯 著進步』的題目。第一題目的在選出『相對於基準面的地上，靜止於講桌上的粉 筆沒有能量』是錯誤的，在講述式教學組前後測的答對率分別為 66.67％與 80％，

但未達顯著差異（t（29）＝-1.682，p＝.103＞.05）。反之在科學史教學組中前測 答對率 48.43％後測 70％達顯著差異（t（59）＝-2.869，p＝.006*＜.05），顯示科 學史教學組學生在『相對於基準面的地上，靜止於講桌上的粉筆有能量』的概念，

明顯比講述式教學組學生進步。

第四題目的在選出『彈簧的伸長與壓縮，是都具有彈力位能』在講述式教學 組前測答對率 66.67％後測答對率 83.33％，但未達顯著差異（t（29）＝-1.140，

p＝.264＞.05）。反之在科學史教學組中前測答對率 70.00％後測 93.33％達顯著差 異（t（59）＝-3.3227，p＝.002*＜.05），顯示科學史教學組學生在『伸長或壓縮 的彈簧具有彈力位能』的概念，明顯比講述式教學組學生進步。

0.13

0.27 0.30

0.10

0.33

0.13 0.07

0.43

0.13 0.17

0.03

0.10 0.07

0.13 0.13

0.30 0.30

0.07

-0.27

0.17 0.17

-0.13 0.22

0.17 0.25

0.20

0.30 0.32

0.02

0.17 0.18

0.03

0.23 0.25 0.25 0.35

0.15 0.18 0.15

0.20 0.17 0.23

表 4-1-4 兩組在題目組內前後測進步類型分類表

科學史教學組（題號） 講述式教學組 前後 測 進步顯

著差異

全部（8，11，22 除外）。 2，3，6，9，14，16，19，21，26，

27。

前後測進步，但 未達顯著差異

8，11，22。 1，4，5，7，8，10，11，12，13，

15，17，18，20，22，23，24，25，

30，32，33，34。

前後測 答對率 相同題目

無 無

前後測退步，但 未達顯著差異

無 無

前後測 退步 顯 著差異

無 31。

第五題題目內容為：『弓箭手施力於弦上，物體射出時，將彈力位能轉換成 動能』，兩組的前測答對率都是 73.33％，但講述式教學組後測 83.33％，雖答對 率進步但仍未達顯著差異（t（29）＝-1.140，p＝.264＞.05）。反之在科學史教學 組後測答對率 93.33％，學生的答對率進步且達顯著差異（t（59）＝-3.639，p

＝.001**＜.05），顯示科學史教學組學生對於『越大彈力位能轉換成越大的動能』

的概念，明顯比講述式教學組學生進步。

第七題題目中給條件『滾動的棒球，最後因摩擦力使其速度為零而停下』設 計目的在於求得開始滾動的動能，速度為零時動能最小，棒球位能保持不變。兩 組的前測答對率都是 43.33％，但講述式教學組後測 56.67％，組內比較未達顯著 差異（t（29）＝-1.072，p＝.293＞.05）。反之在科學史教學組後測 75.00％，組 內比較達顯著差異（t（59）＝-3.930，p＝.000**＜.05），顯示科學史教學有效地 使學生對於『摩擦力的作用並不會使系統能量消失』的概念，明顯比講述式教學 組學生進步。

第十題目的測驗學生是否知道『動能，熱能，電能都是能量』『卡與焦耳都

是能量的單位』『具有能量的物體，不一定會動』，在講述式教學組前測答對率 83.33％後測 96.67％，雖答對率進步但未達顯著差異（p＝.103＞.05）。反之在科 學史教學組中前測答對率 73.33％後測 91.67％，答對率進步且達顯著差異（t（59）

＝-3.291，p＝.002*＜.05），顯示科學史教學組學生對於『具有能量的物體，不一 定會動』的概念，明顯比講述式教學組學生進步。

第十二題題目內容為：『某座城堡上有四位質量不同的士兵在不同地點駐守 著』，講述式教學組與科學史教學組的前測答對率分別是 30.00％與 55.00％，但 講述式教學組後測 46.67％，未達顯著差異（t（29）＝-1.980，p＝.057＞.05），

且講述式教學組學生仍有高達 43.33％選擇錯誤選項 D，分析其中發現，學生認 為越高的物體，位能越大。反之在科學史教學組後測 78.33％達顯著差異（t（59）

＝-3.891，p＝.000**＜.05），顯示科學史教學組學生對於『位能是由物體質量與 高度決定』的概念，明顯比講述式教學組學生進步。

第十三題題目問題為『垂直向上丟出的石頭，其石頭在上升至落到地面的過 程之中，其位能的變化與時間的關係圖？』設計目的在於希望瞭解學生知道為上 升過程位能先增加，落下過程位能減少的概念。講述式教學組前測答對率 66.67

％後測 70.00％，但未達顯著差異（t（29）＝-.297，p＝.769＞.05）。反之在科學 史教學組中前測答對率 58.33％後測 83.33％達顯著差異（t（59）＝-3.891，p

＝.000**＜.05），顯示科學史教學有效地使學生對於『物體上升下降時，其位能 大小變化』的概念，明顯比講述式教學組學生進步。

第十五題目的在選出『物體相同的質量下，物體的動能與速率成反比』是錯 的，在講述式教學組前測答對率 50.00％後測答對率 66.67％，雖然答對率進步，

但仍未達顯著差異（t（29）＝-1.409，p＝.169＞.05）。反之在科學史教學組中前 測答對率 58.33％後測 83.33％，答對率進步且組內比較達顯著差異（t（59）＝

-3.390，p＝.001**＜.05），顯示科學史教學組學生對於『相同質量的物體，物體 的動能與速率不是成反比』的概念，明顯比講述式教學組學生進步。

第十七題題目內容為：『鉛球與壘球自同樣高度同時自由落下在沙地上，試

問何者先著地？何者加速度大？何者使沙地凹陷明顯？何者動能大？』講述式教 學組與科學史教學組的前測答對率分別是 83.33％與 81.67％，但講述式教學組後 測 90.00％，未達顯著差異（t（29）＝.812，p＝.423＞.05），顯示講述式教學無 法使學生知道何者動能較大。反之在科學史教學組後測 96.67％達顯著差異（t

（59）＝-2.873，p＝.006*＜.05），顯示學生對於『鉛球與壘球自同樣高度同時自 由落下在沙地上，物體會因為重力加速度相等而同時到達，且鉛球動能大使沙地

（59）＝-2.873，p＝.006*＜.05），顯示學生對於『鉛球與壘球自同樣高度同時自 由落下在沙地上，物體會因為重力加速度相等而同時到達，且鉛球動能大使沙地