學生在提升科學問題解決能力的分析與討論

由於本研究是在學校推廣科學積木遊戲教學課程的研究背景下，而且研究對 象為國一新生，無法得知國一新生在科學問題解決能力的初始行為，因此研究目 的主要是探討學生在學習過程中可能遭遇的科學問題及解決方法，並且藉由行動 研究的反思修正循環歷程，來提升學生在科學問題的解決能力。

本研究共有三個階段課程，針對學生在本研究中所遭遇的問題以檢核表中六 項指標分析結果做討論。經過教學前及三個階段的教學後進行學生問題解決能力 自我檢核表調查，做相依樣本 t 檢定都未達顯著，但檢核表中分項的分析結果顯示 除「釐清問題」、「尋求資源」及「產生可能的解決方案」在相依樣本 t 檢定中有顯 著差異，其餘「決定最佳解決策略」、「採取行動」、和「評鑑結果」皆無顯著差異。

本節就針對檢核表中有顯著差異的問題解決指標做討論，一共分為四個部分，

分別是「釐清問題」、「尋求資源」、「產生可能的解決方案」之改變及「綜合討論」， 來進行討論。

壹、 學生在「科學問題解決能力」之「釐清問題」能力的改變

藉由學生的檢核表測驗，將四次檢核表中釐清問題的分項平均以折線圖來了 解其改變，如圖 4-1-1 所示，得知第一階段課程後，學生的釐清問題能力有上升但 未達顯著，第二階段課程後，學生的釐清問題能力呈顯著下降，第三階段課程後，

學生的釐清問題能力呈顯著上升。

以下就學生在「科學問題解決能力」之「釐清問題」能力有顯著改變的部分 以及「影響學生在科學積木遊戲學習中釐清問題能力之因素」做討論。

圖 4-1-1 學生在檢核表分項中釐清問題能力的表現

以釐清問題的第三次-第二次得知 t=-3.11，p<.05，表示學生在第二階段「能源 動力大作戰」比第一階段「簡單機械動起來」的釐清問題能力是顯著下降的。

就像學生的反應，對氣壓水動車都不懂，對於氣體壓縮的科學原理概念還是 不很清楚。在趙方麟與王金傳（2007）研究結果也顯示齒輪組玩具對學生的難度 較高，學生會因為無法釐清問題而導致學習意願下降。

T01：氣壓水動車看得懂嗎？

S24：不懂。【IS-S24-20120511】

T01：哪一種車子比較好玩？

S14：太陽能車。

T01：為什麼覺得好玩。

S14：興趣，比較簡單。

T01：比馬達車還簡單嗎？

S14：都一樣，還有氣壓水動車我不會。【IS-S14-20120515】

T01：覺得氣壓水動車喜歡嗎？

S19：不喜歡。

T01：為什麼？

S19：很複雜，很難裝。【IS-S19-20120613】

以下就第二階段課程「能源動力大作戰」中可能造成學生在釐清問題能力下 降的影響因素來討論。

二、 影響學生在第二階段課程中「釐清問題」能力顯著下降的因素

研究者發現學生在科學積木遊戲教學課程中發現學生在釐清問題的能力較為 缺乏，經由整理資料歸類的原因有「科學原理應用不熟悉」、「觀察力不夠」及「應 變能力不足」，以下就這三部份來討論。

(一) 學生對科學原理的應用不熟悉 1、 齒輪比與扭力大小關係的混淆

本研究第二階段的課程為能源動力大作戰，除了利用科學積木組裝車子，還 要透過不同的動力來驅動車子，如電動馬達、太陽能板及水力來作為動力來源。

從學生作品中發現，學生對齒輪比的應用不是很了解，為追求車子跑得快，學生 喜歡使用大齒輪帶動小齒輪，因為輪子會跑很快，但是當學生把車子放到地板上 時，車子卻跑不動。

如圖 4-1-2 S06 的電動車以小齒輪帶動小齒輪，未做減速的齒輪比，導致車子 放在地上動不了。研究者引導 S06 了解到小齒輪帶動小齒輪雖然轉速快，但扭力 小，車子在地上靜止的時候摩擦力大，扭力小的車子當然不太會動。

如圖 4-1-3 中 S19 很快就做好了，馬上拿燈泡要測試，發現車輪轉很快，但車 子在地上跑不太動，不懂為什麼。而根據研究者先前的太陽能車實作經驗，利用 中齒輪帶動小齒輪車子在地板是可以跑的，但教學當天 S19 使用大齒輪代替小齒 輪時車子的扭力較小，所以車子在地板上比較無法啟動。

圖 4-1-2 S06 利用小齒輪帶小齒輪 圖 4-1-3 S19 用大齒輪帶動小齒輪 S19：老師，為什麼我的照燈泡會動，放地上時車子跑不太動。

T01：你用大齒輪帶動小齒輪，轉速很快，但力量不夠。

S19：那怎麼辦？

T01：對調呀。【DV-20120402】

科學積木所附的馬達本身扭力不是很大，再加上學生在製作車子時很喜歡做 造型，導致重量太重，而且學生是國一學生尚未有最大靜摩擦力的科學原理概念。

在做氣壓水動車時，學生因為知道要競速比賽，學生為求車子跑得快，使用 大鍊輪搭配小鍊輪，可產生轉速快但扭力小的效果，但氣壓水動車放在地板上卻 無法啟動，如圖 4-1-4 所示，經由研究者發現後，告知學生應該使用小鍊輪來帶動 中鍊輪，如圖 4-1-5 所示，這樣可以使車子的扭力變大，車子才有辦法奔跑。

圖 4-1-4 利用大齒輪帶動小齒輪 圖 4-1-5 應該修改成小鍊輪帶動中鍊輪 大齒輪

小齒輪

再由表 4-1-2 所示，在電動車、太陽能車及氣壓水動車學習單（見附錄十四到 十六）中「齒輪或者是鏈輪的搭配問題，導致車子跑不動」打勾的百分比分別為 44.44%、48.15%、59.26%，可見有大約一半的學生在齒輪比的實作上有問題。

表 4-1-2 學生因為齒輪搭配而產生問題的人數統計表

電動車 太陽能車 氣壓水動車 齒輪或者是鏈輪的搭配問題，導致車子跑不動 12 13 16

但學生大部分了解大齒輪帶動小齒輪時，轉速快扭力小，小齒輪帶動大齒輪 時，轉速慢扭力大，如電動車學習單的第一題是為了解學生對齒輪比跟轉速扭力 的關係，研究者的統計結果顯示，全班 27 位學生，有 21 位學生全對，答對百分 比為 77.78%。在趙方麟與王金傳（2007）的研究結果也顯示運用齒輪玩具有助於 學生對相關科學概念的接受與迷思概念的去除。

T01：小齒輪帶動大齒輪會怎樣？

S23：很慢，大齒輪帶動小齒輪比較快，國小教的我有記，老師有給 我們一台車改裝。

T01：所以你懂那些原理，是因為小學就有教？

S23：恩。

T01：你覺得上這個科學積木對科學原理的了解幫助大嗎？

S23：很大呀，加深印象。【IS-S23-20120501】

T01：你覺得你有學到一些科學原理？

S22：有，小齒輪帶動大齒輪，扭力大，大齒輪帶動小齒輪，扭力小。

【IS-S22-20120529】

由此可知，經過教學後學生對齒輪比的概念有比較清楚，雖然學生在進行學 習之前就有齒輪比的概念，但在實際應用的過程中還是不太清楚應該是誰帶動誰 轉速才會快或慢，扭力才會大或小，而透過本研究科學積木遊戲教學可以加深學 生的印象。

2、 對氣體壓縮的科學概念不清楚

第二階段最後的課程為氣壓水動車，主要利用科學積木的空氣壓縮瓶中水無 法被壓縮，但空氣可被壓縮的特性。空氣經過壓縮後，會產生壓力，氣壓水動的 開關啟動後，空氣的壓力就會推擠水，形成強力水柱推動水車馬達，但學生沒注

意到壓力釋放的觀念，將空氣壓縮瓶側放，如圖 4-1-6 所示，導致空氣壓縮瓶中的 水未被釋放完，空氣的壓力就先被釋放掉了，經過研究者的提醒，將寶特瓶放在 上面後，如圖 4-1-7 的氣壓水動車就可以正常啟動了。

圖 4-1-6 空氣壓縮瓶裝在側邊 圖 4-1-7 將空氣壓縮瓶置於上方 也有學生將打氣筒的兩個閥裝反了，因為吸儲水筒的管子接到空氣壓縮瓶中，

導致打氣筒把空氣壓縮瓶的空氣抽到儲水筒，所以就會造成圖 4-1-8 所示，空氣壓 縮瓶扁掉了，因為大氣壓力大於壓縮瓶內的壓力，但是學生不了解為什麼，所以 研究者請他參考圖 4-1-9 中的氣壓水動車來解決問題。

圖 4-1-8 管子裝錯，導致壓縮瓶凹陷 圖 4-1-9 打氣筒與空氣壓縮瓶正確接法

另一個小細節的問題，雖然車子還是可以動，但會造成車子漏水甚至噴水，

如圖 4-1-10 所示，開關處有兩個雙向管子，當沒有鎖螺帽管子（圖 4-1-10 中星星 記號）跟空氣壓縮瓶接在一起時，會因為空氣壓縮瓶內強大的氣體壓力推擠水，

但因為沒有螺帽可以鎖，而造成漏水或噴水，應該像圖 4-1-11 所示，將有鎖螺帽 的管子接到空氣壓縮瓶，沒有鎖螺帽的接到水車馬達才對。

圖 4-1-10 管子接錯，導致漏水或噴水 圖 4-1-11 螺帽鎖住，較不會漏水或噴水 對學生而言氣壓水動車的活動雖然很新奇，看學生其實不太了解其中的科學 原理才會產生上述問題，從氣壓水動車的學習單（見附錄十六）也可以發現，第 三題是為了知道學生對於打氣筒上下閥功用的了解有多少，學生答對的有 19 位，

答對率為 70.37%。但其中的第四題主要是要知道學生對整個水及空氣流向的了解 有多少，標示完整的學生只有 8 位，答對率為 29.63%，顯示有很多學生對氣壓水 動車的科學原理不是很了解。

(二) 學生的觀察力不夠：車子跑不動或偏離直線路徑

學生喜愛科學積木，因為可以做出他想要的造型，於是在進行車子的單元時 學生喜歡在車子上加裝飾，雖然好看但是車子馬達啟動後，卻是令學生很失望，

紛紛跑還來問研究者為什麼車子不會動。

從電動車、太陽能車及氣壓水動車的學習單（見附錄十四到十六）中顯示，

學生因為車子太重的問題而跑不動的百分比為 51.85%，打勾人數如表 4-1-3 所示。

表 4-1-3 學生因為車子太重而跑不動的人數統計表

電動車 太陽能車 氣壓水動車

車太重，跑不動 14 14 14

學生也常常會跑來問研究者，為什麼模仿他做的車子，還是不會動，經過觀 察後，發現車子的鍊條裝太緊或者齒輪跟齒輪卡太緊，導致摩擦力太大，車子動 不了，後來學生大部分都知道鍊條要鬆一點，可是會產生另外的問題，就是俗稱

學生也常常會跑來問研究者，為什麼模仿他做的車子，還是不會動，經過觀 察後，發現車子的鍊條裝太緊或者齒輪跟齒輪卡太緊，導致摩擦力太大，車子動 不了，後來學生大部分都知道鍊條要鬆一點，可是會產生另外的問題，就是俗稱