微型實驗課程實施與探究

研究者依據課程發展之設計實施課程，並逐節進行觀察與紀錄，適時發現現 場問題並依據問題類型適時調整教學流程、教學策略。在每節教學後探討學生學 習表現、概念發展情形、是否出現學習困境等問題，並與專家、協同教學教師討 論，提出適宜的行動方案，逐步進行課程調整與改良，探討學生概念學習情形。

一、認識基礎元件與電路

本堂教學主軸為學習麵包版的使用、Fritzing 軟體操作、電路圖用法及實作，

主要透過教師講述與示範教學，學生進行實作與練習，進而學習電路圖用法與熟 練麵包板與基礎電路元件的使用

(一)教學流程

1、教師講述-介紹麵包版原理。

2、教師進行 Fritzing 軟體示範操作。

3、學生自行操作練習 Fritzing 軟體。

4、學生依據學習單練習題，以及 Fritzing 軟體協助進行實作練習。

5、完成指定題目後，老師檢核。

上述教學流程如下圖 4-1：

教師講述 軟體示範

學生操作 Fritzing 軟體 學生完成後由教師檢核 圖 4-1 認識基礎元件與電路教學流程

(二)教學紀錄

研究者於課中針對學生學習狀況進行教學紀錄，整理如下：

1、學生對於微型實驗課程感到新奇，對於課程參與的主動性高。

2、學生對於麵包板的使用不熟悉。

3、學生對於 Fritzing 程式操作較無問題，教師未接受到學生在 Fritzing 程式操作的協助需求，並且發現多數學生習慣先使用 Fritzing 軟體模 擬線路，再進行實體線路實作，最後對照 Fritzing 軟體模擬圖檢驗實 際接線是否有錯，如下圖 4-2。

圖 4-2 學生應用 Fritzing 軟體協助實作學習 4、部分學生對於線路實作速度較慢或出現問題。

5、學生較喜歡用電腦觀看學習單，能自行依學習單指示操作。

6、學生能主動提問，且提問次數多。

7、同組同學能協助對方，討論及合作次數多，且能與他組討論及協助。

8、部分學生連接電池時，接法與教師示範不同，認為自己可以找出較快 速簡便的接法，如下圖 4-3 及圖 4-4。

Fritzing 軟體模擬圖

學生對照後實作與檢驗

教師實作示範 教師 Fritzing 軟體模擬示範

學生自行調整接法 學生 Fritzing 軟體模擬 圖 4-4 師生實作電路與模擬電路比較

同樣的電路圖，教師使用上方橫排當作串連電池接腳，因此需外接兩條連接 線可形成通路，而大部分學生接法與教師相同。但部分學生在經多次練習後，嘗 詴其他接法，不使用上方橫排插槽，直接使用下方插槽進行電池串聯，則僅需多 外加一條連接線便可形成通路。

串聯電池組 外側接腳使 用上方橫向 插槽

接兩條連接線

直接使用下排插 槽串連電池與 LED 燈

接一條連接線

在本堂的教學過程中，學習對於新方式的電路學習表現出較多的學習興趣及

3、綁定同排組別需一起同完成，強化同排小組互相協助。

4、增加教師巡查，以及請偕同教師協助處理學生問題。

5、課程進行前由學生示範操作，提供再次教學、回顧之機會。

二、串並聯電路實驗

本堂教學主軸為電路連接練習，並以燈泡亮度檢驗串並聯時電壓、電阻、電 流之改變。

(一)教學流程

1、Fritzing 軟體模擬操作及實際裝置實作-教師複習與示範。

2、學生依照學習單步驟進行 Fritzing 軟體模擬操作及實際裝置實作。

(1)預測(Prediction)：預測學習單中電路燈泡改變情形。

(2)觀察(Observation)：進行電路實作，觀察並記錄下各電路燈泡的亮 暗情形，如下圖 4-5：

電路圖 實作圖

圖 4-5 學生電路實作圖

(3)解釋（Explanation）：討論並解釋各電路燈泡的亮暗改變之原因。

(4)比較（comparison）：比較預測與實際觀察燈泡亮暗情況的結果，

察覺原有之猜測是否符合實際情形，進而澄清迷思概念。

(二)教學紀錄-學生學習行為

研究者於課中進行教學紀錄，結果如下：

1、學生對於進行微型實驗課程有期待，且在問答意願時多回答教喜歡操 作實驗。

2、LED 燈使用時有正負極，學生能經教學後知道 LED 正負極差異，並 察覺頇檢視電池正負極與 LED 燈接腳位置方能正確完成線路，如下 圖 4-6。

圖 4-6 學生 LED 線路實作

3、部分學生請教師協助檢查線路不亮之問題時僅為開關未開、某一接角 未接等小問題。

4、串聯時較慢且易出錯，常插錯成左右兩孔，而非上下兩孔，錯誤方式 如下頁圖 4-7、正確接法如下頁圖 4-8。

電池正極

正極連結線

LED 正極接腳

LED 負極接腳 負極連接線 電池負極

圖 4-7 串聯常見錯誤接法

圖 4-8 串聯正確接法

接腳方式為插入同排上下孔洞 接腳插錯成左右兩孔

5、學生接線完成燈泡不亮，或耗費許久時間找錯誤點，影響學生學習自 信。

6、除上述所提到串聯時接腳錯誤外，學生連線電路元件亦時常發生以下 錯誤行為：

(1)線路未成通路，少連接部分電線，如下圖 4-9。

(2)連接線路時，使用多餘之電線來處理串聯線路，如下圖 4-10。

(3)LED 燈接腳反接。

(4)電池開關未開。

圖 4-9 缺少連接線 圖 4-10 出現多餘之連接線

(三)教學紀錄-概念學習

研究者使用 POEC 探教教學法實施在本節的教學，紀錄如下：

1、預測階段：首先設計學生透過對線路圖的理解來預測燈泡亮暗，但在 此階段學生對於燈泡亮暗的預測在串聯、並聯不同接法時並無明顯不 同，幾乎都為電池數量越多越亮、燈泡數量越多越暗，且不分串、並 聯都是一樣的預測，表示學生多存有迷思概念及混淆。

2、觀察階段：透過線路實作時所觀察到的現象，電池只有串聯時會讓燈 泡更亮、並聯時燈泡亮度不變；燈泡串聯越多時亮度越暗、並聯時亮 度不變，或更亮。

3、解釋階段：在現象一一發生時，許多學生皆出現提問與解釋，多能聚 焦在歐姆定律的關係上，且有部分學生在並聯線路現象上能聯想到家 庭配電。另外透過學習單題目的引導，讓學生練習解釋現象發生的原 因，如下頁圖 4-11。

缺少連接線

多餘連接線

圖 4-11 學生觀察與解釋

4、比較階段：學生透過比較最初錯誤預測燈泡亮暗情形與實驗結果的不 同，達成原有錯誤概念的澄清。

(四)課後問題發現與行動

在本堂課程中，可觀察到學生對於線路連接成功是以燈泡亮為標準，研究者 可感受到學生對於能成功完成線路實作感受到成就感與開心，但部分學生在線路 實作上仍有學習困難，以至於出現許多錯誤的接法。並且研究者也觀察到，多數 學生希望能更快速地完成線路實作，而當線路始終錯誤卻無法自行找出問題時，

會產生負面情緒，如失望、焦躁，而影響本堂課程的學習。

實驗與觀察

解釋

可歸納及驗證 歐姆定律

因此研究者歸納本堂教學之困境為：

1、學生線路實作熟練與正確度仍有待加強。

2、部分學生因學習挫折導致自信降低，情緒多為煩躁，影響學習。

針對上述困境，研究者行動方案為：增加互動競賽活動，由教師於電腦上畫 線路圖出題，學生比賽各組完成速度，而線路圖接線之難度需由簡至難，易難比 例設定為 5:2。預期學生能透過活動提供多次練習增加熟練度，並且由易至難再 次複習訓練，創造學生完成時之成就感及自信。

三、行動方案-分組合作學習競賽活動

本堂教學為處理上一堂教學困境之方案，主要實施方式為小組競賽，由教師 使用 Fritzing 軟體製作電路圖出題，學生依題目進行實作，比賽各組正確度與時 間，速度越快且正確者勝，如下圖 4-12、圖 4-13 以及下頁圖 4-14、圖 4-15、圖 4-16 所示。

教師出題 學生實作

圖 4-12 分組合作學習競賽題目與實作(一)

教師出題 學生實作

教師出題 學生實作 圖 4-14 分組合作學習競賽題目與實作(三)

教師出題 學生實作

圖 4-15 分組合作學習競賽題目與實作(四)

教師出題 學生實作

圖 4-16 分組合作學習競賽題目與實作(五)

研究者預期透過本活動創造練習機會，讓學生能有充足時間進行練習，並且 出題時特意在前 5 題將低難度，等學生達成相關技巧熟練及觀察學生課程參與程 度提升後，再出中等一題及較難之題目，並且配合學生完成的速度，進行題目的 增減。

在本項活動進行時，研究者可觀察到學生在完成實作時感到開心，特別是由 燈泡檢視成功與否時，更加能明顯觀察。並且觀察到後期學生連接線路時，能主 動說出串連接腳正確接法，且能為他組找出錯誤。

在本活動中研究者明顯觀察到學生出現以下重要行為：

1、能由電池正及或負極出發檢查線路是否為通路。

2、能說出及正確操作出電路元件並聯時，兩元件左右接腳需在同排上；

串聯時，上一元件接腳需與下一元件接腳在同排上，如下圖 4-17：

圖 4-17 學生活動中實作並聯線路 3、多數學生說出並聯較串聯好操作，且較不易接錯。

有鑑於以上觀察到之學生表現，研究者認為上一堂串並聯電路實驗之困境可 透過本方案獲得改善。

並聯時兩元件左右 接腳需在同排上

四、微型實驗裝置-電壓測量實作

本堂教學主軸為單元二-微型實驗裝置-電壓測量實作，測量串聯線路中各元 件之電壓，並探討各線路元件中電壓之關係。

(一)教學流程

1、教師介紹 Arduino 軟體之使用及 Uno 板連接埠原理，內容如下：

(1)arduino 元件簡易介紹 Arduino 硬體介紹，如下圖 4-18：

圖 4-18 Uno 板實體圖

(2)Arduino 軟體介紹：Arduino 官方網站的下載頁面

http://arduino.cc/en/Main/Software 即可下載，軟體介面如下圖 4-19：

圖 4-19 Arduino 軟體介面

2、教師教學電壓量測模組設置方式，內容如下：

(1)軟體：

A.點選範例→01.Basics→ReadAnglogVoltage。

B.在程式碼尾端加上「delay(1000);」。

(2)量測方式

A.先將待測線路接好。

B.在 arduino 板上之 GND、A0 各接上電線(分兩種顏色較方便區 分)。

C.與待測線路並聯，即可量測到並聯兩端之電壓。

C.與待測線路並聯，即可量測到並聯兩端之電壓。