學生對於實驗誤差概念形成機制之探討

本節探討學生關於實驗誤差概念形成之機制，可分為五個部分：第一部分是 分析科展培訓教學模組與參與科展活動對學生科學探究能力中與誤差相關部分的 表現影響；第二部分藉由訪談等質性資料探討學生獲得實驗誤差相關概念之來源；

第三部分討論學生在科學探究能力實作評量中實驗誤差來源分析有哪些特徵；第 四部分討論學生針對誤差在科學實驗中造成影響之詮釋為何；第五部分討論學生 在面對科展實驗研究中誤差控制的處理策略有哪些。

一、科展培訓教學模組與參與科展活動對學生科學探究能力中與誤差相關部分的 表現影響分析

本研究採用之科學探究能力實作評量的評分面向當中，與實驗誤差認知與處 理相關的子面向包括「b1.量測斜面角度」、「b2.量測滑行時間」、「b5.進行多 次測量」、「b6.控制軌道的改變」、「b8.滑行距離的控制」、「c2.刪除誤差過 大數據」、「d2.誤差的詮釋」、「d3.誤差來源的歸因」。將實驗組接受科展培 訓教學模組前後，在科學探究能力實作評量以上子面向的得分總和進行魏氏帶符 號考驗，分析結果如表 4-3-1。結果顯示對於實驗組學生在接受科展培訓教學模組 後，實驗誤差認知與處理策略相關能力可以達到顯著的成長(E.S.=2.64，p<0.01)。

表 4-3-1：實驗組科學探究能力實作評量前測、中測誤差相關子面向得分的魏氏帶 符號考驗摘要表

**p<.01

M2：我在科研社課程中學到了把課本中的理論應用在生活中或與現實社會結 合…我了解要如何去思考或解決一個問題，例：控制誤差。而最讓我覺得 高興的是：我學會如何經過不斷測詴與修正後，設計出一個實驗。(撰寫於 課程回饋表)

前測 帄均

前測 標準差

中測 帄均

中測

標準差 Z p E.S.

誤差相關

子面向得分 7.2 1.72 11.7 2.00 -2.83 .005** 2.64

59 達到相當顯著(實驗組 E.S.=1.18，p<0.01；對照組 E.S.=0.71 p<0.01)。

表 4-3-2：實驗組科學探究能力實作評量中測、後測誤差相關子面向得分的魏氏帶

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表 4-3-4：學生參與科展活動前後在科學探究能力實作評量誤差相關子面向得分差 異的曼-惠特尼 U 考驗摘要表

主面向

實驗組 對照組

Z p

中測 後測 後測-中測 前測 後測 後測-前測 帄均 S.D. 帄均 S.D. 帄均 S.D. 帄均 S.D. 帄均 S.D. 帄均 S.D.

誤差相關子

面向得分 18.5 2.50 21.3 2.10 2.8 2.14 17.1 3.08 19.2 2.23 2.10 1.64 -.837 .403

二、學生獲得實驗誤差相關概念來源之探討

本研究中實驗組學生獲得實驗誤差相關概念來源包括：(一)自己－學生自己藉 由科展或課內實驗等科學探究活動獲得；(二)科展指導教師－科展指導教師科展指 導過程中將概念教授給學生；(三)同學－在科展進行過程中請教同學、觀察他組實 驗、或是同學主動給予意見獲得概念；(四)校內正式課程－由教師在校內正式科學 課程中教導給學生的實驗誤差相關概念；(五)科展培訓課程－實驗組學生在七年級 接受的科展培訓教學模組課程中獲得概念。對照組學生獲得實驗誤差相關概念來 源則包含上述來源的前四項。

研究者在訪談學生小組時，要求學生依照重要性將上述獲得實驗誤差相關概 念來源進行排序，號碼越小代表越重要。如表 4-3-5 所示，實驗組學生一致認為最 重要的概念來源是科展指導教師，其次依序是科展培訓課程、自己、同學、校內 正式課程，而在表 4-3-6 可以看出對照組學生帄均認為最重要的概念來源是自己，

其次依序是科展指導教師、科展培訓課程、同學。中間的差異可能來自於實驗組 在科展進行過程較對照組多了 1 節社團課可以和科展指導教師詢問，此外實驗組 利用社團機會了解其他小組研究內容，也有助於科學概念的增長。

表 4-3-5：實驗組學生小組認為誤差相關概念影響來源排序比較表

自己 科展指導教師 同學 校內正式課程 科展培訓課程

Team1 3 1 5 4 2

Team2 2 1 4 5 3

Team3 4 1 3 5 2

Team4 2 1 5 4 3

帄均 2.8 1 4.3 4.5 2.5

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表 4-3-6：對照組學生小組認為誤差相關概念影響來源排序比較表

自己 科展指導教師 同學 校內正式課程

Team5 2 1 4 3

Team6 1 3 4 2

Team7 1 2 4 3

Team8 2 3 4 1

帄均 1.5 2.1 4 2.3

三、學生在科學探究能力實作評量中實驗誤差來源分析之特徵

表 4-3-7 整理了實驗組學生科學探究能力實作評量中測與後測針對自己進行 的斜面滑車實驗做誤差來源分析，實驗組學生在中測，也就是進行科展活動前就 普遍意識到按碼表的反應時間是人為誤差來源之一(N=7)，其次是車子與軌道間的 摩擦力造成的環境誤差。值得一提的是，無論是實驗組學生或是對照組學生都沒 有人提到傾斜角度（操作變因測量）測量造成的誤差，在此科學探究能力實作評 量，學生意識到的人為誤差來源只有按碼表或是眼睛觀測的反應時間誤差。

表 4-3-8 則呈現對照組學生科學探究能力實作評量中測與後測得比較結果，在 誤差來源分析的數量上對照組學生明顯少於實驗組學生，在「人的眼睛觀測滑行」、

「車子上鋼珠的滾動」、「空氣阻力/風向」三個項目對照組學生在中測、後測皆 沒有人提及，後兩項實驗組學生較多人提到的原因可能與實驗組四組研究小組中，

有兩組是研究火箭飛行相關因素探討，研究主題內容與科學探究能力實作評量皆 屬於運動學的實驗。對照組有三位學生提及給予的實驗裝置的不穩定性，包括每 個木塊厚度不同或是每顆鋼珠的重量不一，然而只要做好後續的傾斜角度以及車 子與鋼珠重量測量，此因素並不會是科學探究能力實作評量實驗的誤差來源之 一。

Team2：很多時候我們都是邊做才邊發現怎樣可以做到更好，像是橡皮塞跟火箭之間的摩

擦力會影響飛的高度，後來才注意到要在橡皮塞上做記號，每次都要固定在同一 個位置。

研究者：是怎麼發現的？

Team2：我們自己發現的，一開始飛很容易失敗，我們就在想有哪些造成失敗的原因，後

來就發現橡皮塞給的阻力過大，還有就是塑膠瓶會漏氣，後來才改用鋁罐。(搜集 的氫氣會散逸)

研究者：是自己想到解決方法的嗎？

Team2：不是，是老師告訴我們的。 (另一位同學補充)還有就是瓶內氣體密度不一樣，爆

炸前要均勻搖晃讓它均勻混合才能夠點火。

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科展專題研究上，當學生某次實驗遭遇結果不如預期、或是實驗沒有結果時，學 生選擇的是以相同的實驗設計與實驗手法重新多做幾次，而非回到實驗設計的步 驟。

以 team2 為例，該組利用製備的氫氣與氧氣蒐集於自製火箭模型中，並進行 詴爆。然而在實驗初期多次點燃火花仍然沒有辦法使自製火箭升空，而且多次實 驗是連動都不動，該組花了一個月以上重複做實驗，每次實驗手法幾乎沒有修改，

直到教師干預協助做測詴，才發現問題在於塑膠瓶容易漏氣，必頇改用鋁罐。再 以 team6 為例，該組將黃金葛放置裝有不同溶液的廣口瓶中，檢測根部浸泡在有 不同溶液下的黃金葛光合作用產生氣體量的差異。然而在前幾次實驗中放了一整 天都無法蒐集到任何氣體，該小組除了重複檢查實驗裝置中連接量筒與廣口瓶的 橡皮管是否有被壓到，並沒有去分析為何不會產生氣體，而是連續三個禮拜進行 重複實驗，但這三個禮拜的數據學生自知無法使用，將這些數據皆剃除在實驗報 告外。

四、學生針對誤差在科學實驗中造成影響之詮釋

在學生進行科展前後所給予的科學探究能力實作評量詴題中，詢問了學生「請 寫下就你所認知，『誤差』在科學實驗中扮演了怎麼樣的角色？而身為一位科學研 究者，又如何去面對這些誤差？」此一問題。學生關於誤差在科學實驗中的詮釋，

可以歸納為 5 個概念：(1)誤差會使實驗失敗或對於實驗結果失去正確判斷；(2)誤 差對於實驗研究而言是一種阻礙；(3)誤差是不可避免的；(4)實驗中必頇設法將誤 差降到最低；(5)誤差包含環境誤差以及人為誤差(學生在問答時提及類似概念就給 予紀錄)。

表 4-3-9 與表 4-3-10 分別呈現了實驗組與對照組針對誤差對科學實驗造成影 響的詮釋統計表。若是在科展前的評量中有提及，但在做完科展的後測沒有提及 的概念則不算在統計次數上。可以看出實驗組學生明顯較對照組學生有「誤差是 不可避免的」概念，這可能是在於實驗組學生接受的科展培訓教學模組中，從單 擺實驗理解實驗誤差的兩節課中有進行明示教學，以及在科展得獎作品文獻評析

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去探討問題，發現依國中理化教材提到的稀釋理論方法配製不同 pH 值溶 液，其實際 pH 值與理論值有明顯差異，小組成員改用 pH 計測量溶液，

採用邊稀釋邊調配到所需 pH 值的策略，並且找到螺旋測微儀增加測量植 物莖粗細的精準度，並意識到測量莖的長度前必頇將植物的莖拉直再測量。

本研究採樣的 8 組科展小組中有 6 組在科展報告及訪談中，都提及到剛進 行科展一開始的實驗數據，隨著實驗的進展與改良都會遭到不採用的處理，

但在訪談的過程中學生都會提到這樣實驗步驟的往返與修正，對他們而言 是有意義的。

（二） 重複多次實驗後選取較佳的幾次數據：多數學生在科學探究能力實作評量 中進行多次測量，這一能力也同時顯現在科展專題研究過程。在 8 組科展 小組中有 6 組均有此項誤差處理方式。

（三） 意識到這項誤差因素，但選擇無視它而不處理：有部分小組在實驗進行過 程中即發現有明顯造成實驗誤差的因素存在，但認為無法處理，因此無視 此造成誤差因素的存在，繼續做實驗，選擇此方法的原因也多跟科展進行

（三） 意識到這項誤差因素，但選擇無視它而不處理：有部分小組在實驗進行過 程中即發現有明顯造成實驗誤差的因素存在，但認為無法處理，因此無視 此造成誤差因素的存在，繼續做實驗，選擇此方法的原因也多跟科展進行