本研究根據研究結果歸納出以下建議:
壹、本研究之各組教學經概念問卷結果和臉部微表情變化結果比較後,可得以下 三點「實驗影片製作規準」:
一、實驗影片中必須要有「預測」步驟:由研究結果中可得知,有進行預測 步驟之受測學生較容易進入認知衝突情境,教學成效也較佳,因此實驗 影片中「預測」步驟是必定要有的。
二、實驗影片必須「慢速重播」實驗結果:由臉部微表情變化頻率分析得知,
實驗結果影片第一次撥放時,一開始受測學生臉部微表情變化頻率較低,
代表學生在觀看實驗結果的一開始並未感受到認知衝突情境,必須要慢 速重播讓學生更深刻體驗認知衝突情境,因此實驗影片必須「慢速重播」
實驗結果。
三、實驗影片內容應選擇「具反直覺現象的認知衝突實驗」:本研究之三組 受測學生經教學後前後概念問卷結果皆達顯著,代表以認知衝突實驗影 片進行教學是極具成效的,而認知衝突實驗的最大特點即是「反直覺」,
若實驗中具有與學生預測相反之實驗結果的反直覺現象,學生更容易歷 經認知衝突情境,學習效果會更好,因此實驗影片內容應選擇「具反直 覺現象的認知衝突實驗」。
貳、本研究使用臉部微表情分析技術進行科學教育研究,而臉部微表情技術為一 新興科技,而臉部微表情相關技術最大的優點之一,即是教師們於上課時皆 能夠觀察學生的臉部表情,雖然直接觀察臉部表情之判讀準確度不如儀器測 量臉部微表情變化,但可利用臉部微表情變化研究之結果套用於課室教學中,
無歷經認知衝突情境,因此研究者建議教師們能夠利用臉部微表情分析結果,
並將其用於教學現場。
參、本研究使用「可燃的鐵」實驗作為教學,並在反應速率與表面積概念部分成 效佳。而反應速率為目前國中二年級下學期極為重要的章節,而國中的化學 教學最常見到學生無法理解次微觀的概念,而教師們正好可藉由「可燃的鐵」
實驗引導學生除了學習反應速率概念外,更可學習次微觀概念,而不是利用 像是火媒棒點火此一類的巨觀現象學習,反而無法學到次微觀知識。
肆、本研究使用臉部微表情辨識系統進行臉部微表情分析,施測地點為學校視聽 教室,仍須將學生移動到特定場域才可進行臉部錄影。研究者建議未來若要 進行臉部微表情研究,配合著硬體設備的進步,可考慮將研究場域移至學生 熟悉的地方,像是直接在一般課室進行大量施測同時進行臉部錄影,或是將 教材移至線上施測,讓受測學生能夠在家進行學習並能同時進行臉部錄影。
伍、本研究選用「可燃的鐵」實驗對國中學生進行施測結果成效佳。研究者建議 除了「可燃的鐵」實驗外,未來研究可以選用各種不同的認知衝突實驗並對 不同年齡學生進行施測。
陸、本研究之(POEC)S/T組教學影片部分選用「師生共構」方式拍攝,雖無法在 概念問卷前後測獲得顯著成效,但仍發現使用「師生共構」教學知學生們臉 部微表情變化次數較多。因此研究者建議未來仍可對「師生共構」教學進行 研究,但必須選擇較困難之教學內容,並謹慎地對各項便因進行操弄。而本 研究中「師生共構」屬於實驗影片內之師生共構,研究者同時也建議可以直 接改為課室內教師與學生直接的共構歷程之臉部微表情分析。
柒、由於本研究選用認知衝突實驗進行研究,因此將臉部微表情分析重點擺在實 驗結果影片觀察部分。研究者建議可選用其他種教學策略進行相關科學教育 研究,並將臉部分析重點放在教學過程中學生臉部微表情變化模式,若能夠 發現學生在接受教學時的臉部微表情變化模式,必定是很重要的發現。
捌、受限於臉部微表情分析軟體和資料分析方法,本研究主要觀察學生學習時
「臉部微表情有無變化」和「臉部微表情變化次數」。研究者建議,隨著資 料分析軟硬體的進步,未來研究可朝「臉部情緒」方向下手,研究學生於學 習時的情緒變化。
參考文獻
壹、中文部分
邱美虹(2000)。概念改變研究的省思與啟示。科學教育學刊,8(1),1-34。
邱美虹(2007)。化學教育中建模模式的研發與實踐-子計畫四:以認知師徒制 探討建模能力與歷程對學生學習物質科學中「氧化與還原」之影響。行政 院國家科學委員會專題研究計畫(NSC 95-2511-S-003-025-MY2),未出版。
邱美虹、林世洲、湯偉君、周金城、張榮耀、王靜璇合著(2005)。科學創意實 驗書。台北市:洪葉文化。
南一出版社(2011)。國民中學自然與生活科技第四冊。台南市,南一。
教育部(2008)。國民中小學九年一貫課程綱要。台北市,教育部。
許良榮、蔣盈姿(2005)。以 POE 策略探究中小學生對物質「可燃性」的另有概 念。科學教育研究與發展季刊,38,17-30。
楊凱悌、邱美虹、王子華(2009)。應用數位影音融入 POE 教學改善國小高年級 學童脊椎動物分類另有概念之效益研究。科學教育學刊,17(5),387-407。
謝秉桓、林啟華、曾茂仁、鐘建坪、邱美虹(印製中)。國三個案學生粒子概念 之探討-以擴散作用為例。科學教育月刊。
蕭次融(2011)。由趣味化學實驗談化學試題。科學發展月刊,462,22-27。
劉俊庚、邱美虹(2010)。從建模觀點分析高中化學教科書中原子理論之建模歷 程及其意涵。科學教育研究與發展季刊,59,23-54。
貳、英文部分
Brown, B. A., Reveles, J. M., & Kelly, G. J. (2005). Scientific literacy and discursive identity: A theoretical framework for understanding science education. Science Education, 89, 779–802.
Chi, M. T. H. (1992). Conceptual change within and across ontological categories:
Implications for learning and discovery in sciences. In R. Giere (Ed.), Cognitive models of science: Minnesota studies in the philosophy of science (pp.129-186).
Minneapolis: University of Minnesota Press.
Chi, M. T. H. (2005). Common sense conceptions of emergent processes: Why some misconceptions are robust. Journal of the Learning Sciences, 14, 161-199.
Chi, M. T. H., Slotta, J. D., & deLeeuw, N. (1994). From things to processes: A theory of conceptual change for learning science concepts, Learning and instruction, 4, 27-43.
Chiu, M. H., Chou, C. C., Wu, W. L., & Liaw, H. (2014). The role of facial microexpression state (FMES) change in the process of conceptual conflict, British Journal of Educational Technology. doi:10.1111/bjet.12126
Clement, J. (2002). Managing student/ teacher co-construction of visualizable models in large group discussion. Proceedings of the AETS, 2002.
Clement, J. (2008). Student/teacher co-construction of visualizable models in large group discussion. In J. J. Clement & M. A. Rea-Ramirez (Eds.), Model based learning and instruction in science. Dordrecht: Springer.
Cos¸tu B, Ayas A, Niaz M (2012) Investigating the effectiveness of a POE-based teaching activity on students’ understanding of condensation. Instr Sci 40(1), 47–67
Appleton.
Ekman, P. (1999). Facial expressions. In T. Dalgleish & M. Power (Eds.), Handbook of cognition and Emotion. New York, NY: John Wiley & Sons, Ltd.
Ekman, P., & Friesen,W. V. (1978). Facial action coding system: A technique for the measurement of facial movement. Palo Alto, CA: Consulting Psychologists Press.
Ekman, P., Friesen, W. V., & Hager, J. C. (2002). The facial action coding system. Salt Lake City, UT: Research Nexus eBook.
Halloun, I. (1996). Schematic modeling for meaningful learning of physics. Journal of Research in Science Teaching, 26(11), 1365-1378.
Hammal, Z., Couovreur, L., Caplier, A., & Rombaut, M. (2007). Facial expression classification: An approach based on the fusion of facial deformations using the transferable belief model. International Journal of Approximate Reasoning, 46, 542-567.
Hewson, P. W., & Hewson, M. G. A. (1984). The role of conceptual conflict in conceptual change and the design of science instruction [Article]. Instructional Science, 13(1), 1-13.
Johnstone A. H. (1991) Why is science difficult to learn? : things are seldom what they seem. Journal of Computer Assisted Learning 7, 75-83.
Keys, C. W., & Bryan, L. A. (2001). Co-constructing inquiry-based science with teachers: Essential research for lasting reform. Journal of Research in Science Teaching, 38(6), 631-645.
Kozma, R. B. & Russell, J. (1997). Multimedia and understanding: expert and novice responses to different representations of chemical phenomena. Journal of Research in Science Teaching, 34, 949–968.
Development, validation, and utility. Psychological Assessment, 19(2), 210224.
Limón, M., & Carretero, M. (1997). Conceptual change and anomalous data: A case study in the domain of natural sciences. Eur. J. Psychol. Educ., 12(2), 213-230.
Mauss, I.B., & Robinson, M.D. (2009). Measures of emotion: a review. Cognition and Emotion 23, 209–237.
Merenluoto, K., & Lehtinen, E. (2004). Number concept and conceptual change:
Towards a systematic model of the processes of change. Learning and Instruction, 14, 519-534.
Palmer, D. (1995). The POE in the primary school: An evaluation. Research in Science Education, 25(3), 323– 332.
Piaget, J. (1970). Genetic epistemology. E. Duckworth, Trans. New York: Columbia University Press.
Posner, G. J., Strike, K. A., Hewson, P. W., & Gertzog, W. A. (1982). Accommodation of a scientific conception: toward a theory of conceptual change. Science
Education, 66(2), 211-227.
Rafal, C. T. (1996). From co-construction to takeovers: Science talk in a group of four girls. Journal of the Learning Sciences, 5(3), 279-293.
Roth, W. M., & Roychoudhury, A. (1993). The concept map as a tool for the collaborative construction of knowledge: A microanalysis of high school physics students. Journal of Research in Science Teaching, 30(5), 503-534.
Sylwester, R. (1994). How emotions affect learning, Educational Leadership, 52(2), 60–65.
Tao, P. K., & Gunstone, R. F. (1999). Conceptual change in science through collaborative learning at the computer. International Journal of Science Education, 21(1), 39-57.
& R. F. Gunstone, Probing Understanding ( pp. 44-64). London: The Falmer Press.
Vygotsky, L. (1978). Mind in society. Cambridge, MA: Harvard University Press
附錄
附錄一 臉部資料分析使用同意書
國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士論文
「以臉部表情分析電腦互動 POEC 與師生共構教學之成效
-奈米級鐵粉燃燒認知衝突實驗」
臉部資料分析使用同意書
本研究為「以臉部表情分析電腦互動 POEC 與師生共構教學之成效-奈米級 鐵粉燃燒認知衝突實驗」,為國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士論文,研究 生為臺灣師範大學科學教育研究所碩士生謝秉桓(新北市立錦和高級中學國中部 理化科兼任教師),指導教授為臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹教授與國立 臺北教育大學周金城副教授。研究主旨在透過臉部微表情辨識找出在學習歷程中 學生最直覺的表情變化,瞭解兩者間的關係以促進學習的效能。
資料收集以學生的臉部反應為主,實驗的時間全程大約 30 分鐘,活動內容 是電腦螢幕上以投影片方式逐一呈現,內容包含科學性的問題與科學實驗影片,
並同步錄下桌面操作與臉部表情,以利研究人員後續資料分析的需求。
本次臉部反應的資料僅限於學術研究,主要收集學生看到活動內容時的臉部 反應,並非強調學生學習成就,且不會將任何個人的資料外漏。在本研究中參與 實驗的同學能夠從中學習知識並培養科學興趣,且所收集到的資料將用以建立科 學教育的臉部微表情資料庫,對我國未來的科學教育發展實有助益。本研究感謝 您的參與,並感謝您的合作與配合。
研究生:
謝秉桓
以下 四項問題 請您全部作答
一、請問您是否同意讓本計畫擷取您的臉部畫面轉換成數據(如右圖)?
(註:他人無法辨識您個人特徵)
□同意 □不同意
二、請問您是否同意讓本計畫以網格覆蓋呈現您的臉部畫面(如右圖)?
(註:他人不易以網格辨識您個人特徵)
□同意 □不同意
三、請問您是否同意讓本計畫以影像方式呈現您的臉部畫面(如右圖)?
□同意圖片 □不同意圖片
□同意影片 □不同意影片
受測人簽名_______________________
日期_______/_______/______(西元年/月/日)
監護人簽名_______________________(如受測人未滿十八歲) 日期_______/_______/______(西元年/月/日)
附錄二 可燃的鐵實驗流程
圖一、用玻棒攪拌加熱中的草酸鐵 圖二、用蠟油密封試管口
(二)微細鐵粉的可燃性
1. 先用磁鐵分別吸住鐵釘與鋼絲絨,然後用磁鐵從試管外面吸住微細的鐵粉 末,上下移動磁鐵,可見鐵粉隨磁鐵上下移動。
2. 在地面上先舖一張鋁箔,並在鋁箔的中央部位放置一張面紙後,打開試管 口的橡皮塞,略為傾斜地持試管,用食指輕彈試管,使鐵粉紛紛落下,即
2. 在地面上先舖一張鋁箔,並在鋁箔的中央部位放置一張面紙後,打開試管 口的橡皮塞,略為傾斜地持試管,用食指輕彈試管,使鐵粉紛紛落下,即