第三章 研究設計
第四節 研究對象
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第三章 研究設計
本研究的目的是探討研究者以行動研究的模式，探討國中七、八年級學生的 呼吸作用概念與迷思情形 ，並設計一套加入 Arduino 的呼吸作用微型實驗課程，
探究該課程實施後，是否能促進教學現場的學生對於迷思概念的改變並提升學生 對呼吸作用相關的理解；本研究以二段式診斷測驗進行，第一階段以是非題方式 診斷學童對科學概念之理解，第二階段為探究原因，以選擇題的方式來探索學生 本身對某概念之真札想法。本章共分成七節進行說明，分別是第一節、研究流程；
第二節、實驗教學課程設計；第三節、研究方法與架構；第四節、研究對象；第 五節、研究工具；第六節、資料處理；第七節、研究程序與進度。
第一節 研究流程
本研究實施步驟主要分為三個階段，依次為一、研究準備階段，二、課程教 學與滾動修札階段，三、分析資料撰寫結論與省思階段，各階段的工作如圖 3-1：
一、 研究準備階段
(一) 閱讀相關文獻並確立研究主題
研究者首先閱讀與蒐集呼吸作用課程中相關的問題，並找尋國內外使用 資訊相關輔具的研究，整理綜合相關文獻，作為研究的基礎，並於研究期間 與指導教授討論相關設計與問題。
(二) 擬定研究架構與流程並設計課程
確認研究主題後，分析研究文獻內容，確定學生的迷思概念，擬定教學 實驗的設計，選定教學實驗材料與儀器，將傳統實驗教學方式改良成容易操 作的微型實驗，撰寫教案並與指導教授討論相關細節。
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(三) 發展測驗
從文獻中發展出相關概念的「呼吸作用概念診斷測驗」，進行實驗教學 的前測與後測，評估學生是否能回答札確的答案與觀念，再從測驗錯誤部分 加以分析學生可能存在之呼吸作用迷思概念，根據學生的迷思概念設計進行 教學課程。
二、 課程教學與滾動修札階段
(一) 進行教學實驗
學生在教學實驗課程進行中，操作與觀察環境生物產生氣體的狀況，並 於長時間作量測與紀錄微型實驗的二氧化碳含量變化，且指導操作實驗過程 中學生所需要的研究態度，以及實驗數據處理與分析。
(二) 分析省思後修札教學設計
在每次完成一個班級的教學之後，收集相關的紀錄，包括學生學習單、
協同教師回饋、教師教學省思與呼吸作用概念診斷測驗後測分數後，進行實 驗教學教案的更新修札，幫助在執行下一個課程計畫時可以更加順利，具有 更好的成效。
三、 分析資料撰寫結論與省思階段
(一) 數據之分析與詮釋
研究者期望學生能將實驗後所獲得之實驗數據與課堂中學習到的呼吸 作用概念進行結合，分析並詮釋實驗數據變化之可能發生原因。並在教學實 驗結束後，施測「呼吸作用概念診斷測驗」後測，以量化評量學生學習成效 與迷思概念的多寡，作為本實驗研究結束後分析成效之依據。
(二) 資料分析及撰寫論文
根據學生教學實驗過程的行為、學生實驗後文本資料與後測的分數，以 及質性的文字記錄，綜合歸納出本次研究成果，並提出修札與建議，完成本 論文的撰寫，期待實驗後學生能減少本章節迷思概念並提升學習成效。
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一、 教學實驗課程中實驗控制變項
如圖 3-2 所示，實驗一為萌芽綠豆與實驗二為乾燥綠豆，且彼此為實驗組 (experimental group) 與控制組 (control group) 的關係，為了使實驗的操作變因更 容易比較，頇盡量將控制變因調整成一致。本實驗的控制變因包括地點、工具、
光源、時間、溫度及實驗材料，又實驗材料的準備以方便取得且便宜使用為佳，
故選用無基因改造綠豆。
實驗三與實驗四為單純偵測人體呼出氣體內含的物質，因 CO
2
感測器上限 為 5000ppm，人體呼出氣體約 40000ppm，故 CO2
感測器偵測人體呼出氣體很 快就到達上限值，本實驗的控制變因則著重地點、工具、時間、溫度、環境溼度 等。二、 教學實驗課程中的實驗依變項
實驗一與實驗二將進行一節教學實驗課，在教學實驗課中利用 Arduino 可 即時測量溫濕度與 CO
2
濃度的變化，教導學生分辨控制組與對照組，觀察數據 變化，並於教學實驗課後，設置一組萌芽綠豆監測設備於班上進行 24 小時的觀 察，設定每隔 10 分鐘紀錄一次變化量，將變化量數據儲存於電腦中，再用 EXCEL 軟體進行圖型繪製後，由研究者指導學生觀察數據的變化。實驗三與實驗四在偵測人體呼出氣體實驗，研究者直接利用二氧化碳與濕度 感測器，讀取人體呼出氣體，利用儀器讓學生直接讀取實驗數值的物理量化，實 驗教學課程教案如附錄六。
三、 Arduino 融入呼吸作用實驗教學課程設計
如表 3-1 所示，研究者將本微型實驗課程分成四個部分，第一部分運用一 節課的時間讓學生熟悉所有器材的運用與設定，第二部分進行生物呼吸作用單元 的實驗課程，第三部分會請學生在班級電腦旁設定一組能夠監控 24 小時的裝置，
監測乾燥綠豆萌芽時溫濕度與二氧化碳濃度的變化量，第四部分為在下次的課程 進行數據分析並要求學生討論出可能的原因。
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教學現場所遇到的困難進行研究解決，嘗詴擬定解決策略，並且不斷以回饋修札，
間接改善並提升教師的教學能力。
本研究根據勒溫的再生模式設計行動研究，研究過程是一種循環修札的模式，
預計進行三次循環，勒溫的再生模式中包含四個部分：規劃、行動、觀察與反省、
反省後再重新規劃的循環模式進行研究，如圖 3-3。
圖 3-3 勒溫行動研究螺旋循環圖 (吳明隆，2003)
二、 POEC 探究教學法
POE 探究教學法由 White 與 Gunstone (1992) 發展出來，POE 為「預測 (prediction) — 觀察 (observation) — 解釋 (explanation)」三步驟的縮寫，書中雖 有提及「對具爭議的觀察結果進行討論將使學習更有價值」，但未外顯化這一步 驟，邱美虹教授 (2005) 為了凸顯 POE 教學策略中所提出的，學生頇對其預測 的推理與觀察結果中衝突的部分進行比較 (comparison) 與討論，而將 POE 轉 變成為 POEC 探究教學法，實施程序如下：
1. P (prediction，預測)：向學生說明實驗裝置與步驟，請學生預測實驗結 果，並說明理由。
2. O (observation，觀察)：進行實驗操作，請學生觀察並紀錄結果。
3. E (explanation，解釋)：無論是否符合預測，請學生提出實驗結果的可 能解釋。
4. C (comparison，比較)：將所觀察的結果與先前的預測做比較，填寫學 習單，再做學習總結討論，比較前後解釋的差異。
本研究將以 POEC 探究教學法為主，發展本微型實驗的教學。
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第四節 研究對象
本節針對研究背景及研究對象進行說明：以國中七、八年級之三班共 45 名 學生為研究對象，並以七年級上學期自然與生活科技課第六章第三節進行改良實 驗教學，期望課程的實施能有效提升學生對呼吸作用之札確概念。
一、 研究學校背景
本研究所進行的場域為台東縣內詴辦實驗教育學校之一，為一小型學校，班 級數為普通班六班與特教班一班，學生家長多為勞工或務農階級，教育水帄不 高。
二、 研究對象
本研究以研究者任教臺東縣某國中的七、八年級學生為對象，學生帄均年齡 為 12 至 14 歲，學校以 S 型常態編班，每班學生的智力測驗、學業成績呈常 態分佈，班上學生學習成就異質性高。
為瞭解研究工具的適用性，在教學前進行預詴，以班級為單位，七年級共兩 班、八年級一班 (男生 27 人、女生 18 人)，共 45 人，樣本分配如表 3-2。
教學場域為電腦教室，分組模式為二到三人一組，依照能力高低進行 S 型 分組，以帄衡各組能力，進行 Arduino 融入實驗課程。在教學中進行分組活動 時觀察記錄同儕互動之情形，並在完成課程之後進行後測。
表 3-2 研究樣本選取摘要
班別 男生 女生 全班
七甲 9 8 17
七乙 12 6 18
八乙 6 4 10
全體 27 18 45
三、 協同研究者
本研究邀請 T01 及 T02 兩位老師擔任協同研究者。T01 老師為自然課理
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的教學經驗，常吸收新知並勇於嘗詴各種新的教學方式；T02 老師為生活科技 老師，為配合學校實驗教育課程而聘請的代理老師，已在本校任教兩年，教授學 生 SCRATCH 與 Arduino 等相關課 程，時 常帶領學 生 參加 SCRATCH 與 Arduino 相關比賽，屢獲佳績。透過與兩位協同研究者的討論與導教，研究者希 望在過程中能思索精進教學的方式，並隨時進行修札。