本研究使用的研究工具主要有：一、教學前測驗試卷；二、教學後測驗試卷；
三、教學後問卷調查表。以下逐項介紹各種研究工具的編製。
一、教學前測驗試卷 (一)編製目的與依據
本研究所使用之研究者編製「浮力單元教學前前測試卷」共有 15 題，每題 包含 1~3 小題，實施前測時間為教學開始的前一節課。
主要從三方面蒐集資料進而編製題目
1、蒐集國內外相關文獻資料，以及歷屆基本學力測驗有關浮力試題後改編 2、參考現行九年一貫自然與生活科技科綱要及各版本教材，了解學生學習 內容。
3、綜合研究者及其他專業教師的意見，歸納出浮力單元的先備知識及重要 學習概念。
本測驗目的是希望了解學生在接受研究者浮力單元教學前之先備能力，以及 學生是否是先學習了浮力概念，以便做為教學前後的對照，請參閱附錄。
(二)編製過程
以下將從題目設計、信度(試卷信度、評分者信度)及試題效度(專家效 度、內容效度及構念效度)說明如何發展本研究前測題本。
1、題目設計
編製題目前，先參考先前探討浮力迷思概念相關文獻，了解學生在學習浮力 單元所需具備的先備知識，以及會造成學生在浮力單元學習困難的迷思概念，並 從國民中學理化科各版本課本和教師手冊教學目標，歸納浮力單元的學習重點，
再與教學年資 14 年的國中理化教師進行討論，歸結出學生學習浮力單元須具備 的先備知識及能力，而後進行題目編製。
因此，本研究之前測測驗方向分為兩個向度，第一向度為學生學習浮力單元
的先備能力，先備能力表示學生在先前單元以學習過，而會應用在浮力單元中的 相關知識，包含天平的平衡、彈簧秤秤量、密度、物體所受作用力的辨識、力平 衡及以排水法測量物體體積等觀念。第二向度為學生由生活經驗所得浮力相關概 念，包含物體所受重力的方向和物體在液體中的受力情形。第三向度為檢測學生 是否提前學習過浮力單元，包含阿基米得原理。
(三)前測試卷預試結果分析
為確認本前測試卷題本的信度，研究者商請新北市某國中八年級理化科任課 教師協助進行預試，預試樣本試測三個班級共 73 人，以此預試結果分析此前測 試卷各題的鑑別度與難度，並且依據分析結果修改進行前測題本修改。刪除鑑別 度太低的題目，因此將第 4-1、15、17 題刪除，並將題號略為更動。表 3-4-1 為前測試題各題的鑑別度難度，以及預試與正式前測題本的題號對照表。
表 3-4-1 預試前測題本各題之鑑別度、難度與正式題本題號
(四)前測試卷的信度 1、評分者信度
由於前測試卷每題均要求學生回答理由並將理由內容列入評分，因此研 究者設計一份評分標準，並進行評分者信度分析。研究者將答案依各題評分 標準評分後，再請一位任教年資 3 年的理化教師針對試卷重新評分，最後將 研究者及此理化老師的評分結果進行一致性分析。獲得結果兩人一致性總平 均為 98.98%，各題評分的相同百分比詳列於表 3-4-12。
表 3-4-2 前測試題題本各題評分者信度
向度 問題情境 題號 評分者一致性 向度平均 天平的平衡 1 98.3%
兩變項呈反比的關係 2 100%
5 100%
密度
11 100%
3-2 100%
物體作用力辨識
7-2 98.3%
3-1 100%
4-1 98.3%
力平衡
7-1 96.6%
8 98.3%
經正式學 習所具有 浮力相關 先備知識
排水法測不規則
物體體積 10 100%
99.07%
6 100%
重力方向
12 96.6%
14-2 98.3%
生活經驗 所得浮力
相關概念 物體在液體中的位置
與受力情形 14-3 100%
98.72%
(續)表 3-4-2 前測試題題本各題評分者信度
2、內部一致性(internal-consistency method)
本研究之前測試卷主要以 Cronbach’s Alpha 分析試題間的一致性，分析試題 的內部一致性，在正式施測的 104 位受試者測驗資料中，向度一「經正式學習所 具有浮力相關先備知識」的 Cronbach’s alpha 係數為 0.895，向度二「生活經驗 所得浮力相關概念」的 Cronbach’s alpha 係數為 0.727，向度三「是否已提前學 習過浮力」的 Cronbach’s alpha 係數為 0.75。
(三)前測試卷的效度：
1、專家效度
研究者編製前測試題初稿完成後，先由一位任教於八年級的資深教師進行修 改，再經指導教授及研究小組同學審核試卷內容，討論題目可行性與表達方式是 否合宜，以形成初版試卷。修改後的第二版前測試題，商請學科專家(為國立大 學物理系教授)進行審核，討論後進行修改。因此本研究之前測試卷具有專家效 度。
2、內容效度
初版前測試題發展完成後，隨機找了三位學生進行試測，程度一高二中，試 測過程中，研究者要求參與試測的學生對於題意不清的問題，先做下記號，等作 答結束後向研究者反映，以了解題目敘述是否有需要修改之處，並掌握學生在作 答試卷所需要的時間。
試測後針對可能有爭議的題目與專家討論後進行修改；第一版前測試題修改 向度 問題情境 題號 評分者一致性 向度平均
浮力大小判斷 4-2 100%
9 100%
浮力與物重的關係
14-1 98.3%
13 96.6%
是否已提 前學習過 浮力
影響浮力大小的因素
15 100%
98.98%
完成之後，再找三位學生試測，程度一高、一中、一低，再對題目做一次修改。
以下就前測試題第 1 題作為修改範例。
測驗概念：
(1)能應用物質的體積及密度求得質量大小。
(2)能知道天平測量原理，即當兩邊質量不相等時，天平朝質量大的一側下傾。
在進行小組討論後，根據專家及小組成員意見，進行修改，修改部分如下：
(1)因考量本題欲測的概念為質量、體積、密度三者間的關係，而初版版本放入 的比熱條件，與此概念無關，故刪除。
(2)修改油的體積，將100cm3修改為60cm3，為避免學生直接以體積大小判斷天平
的平衡情形，所以在修改之後，油的體積>水的體積，但油的質量<水的質量。
初版試題 修改後試題
小紅豆各取100 cm3的油和50 cm3的水，
請問油和水哪個質量比較大?
(2)現在小紅豆將上述取好的油和水 分別放入兩個相同燒杯中，再將裝油的 燒杯放在上皿天平的左端，將裝水的燒 杯放在上皿天平的右端，請問天平的平 衡情形會如何?
物質 比熱(cal/g.
℃)
密度(g/cm3)
油 0.6 0.8
水 1 1
小紅豆各取60cm3的油和50cm3的水，
然後將上述取好的油和水分別放入兩 個相同燒杯中，再將裝油的燒杯放在上 皿天平的左端，將裝水的燒杯
放在上皿天平的右端(如圖1)，請問天 平的平衡情形會如何改變?
物質 密度(g/cm3)
油 0.8
水 1
在前測試題中附有學習情形問卷，此問卷欲調查受試者對於浮力單元的接觸 程度，包含內容有是否曾聽過浮力、是否正式學習過浮力相關概念，以及學習的 時間和場合。並且部分以開放性問題呈現。
油 水
油 水
圖 1
3、構念效度
本研究之前測試題利用探索性的因素分析法建立其構念效度(construct validity)，抽取法則採用主軸抽取法(principle axis extraction method)。
原先研究者的前測設計理念分為三個向度，分別為浮力單元學習相關知識、浮力 單元相關先備能力、是否提前學習浮力單元。但根據因素分析法結果判斷前測試 題所具有的 3 個因素，和研究者原先的分類有部分差異，以下會再進行討論。
由因素分析法所得出的 3 個因素能夠解析 89%簡化相關矩陣(reduced correlation matrix)的特徵值。分別為接著將以 Harris-Kaiser 斜交轉軸法得 到因素矩陣(rotated factor pattern)，列於表 3-4-3。
表 3-4-3 Harris-Kaiser 斜交轉軸法因素矩陣
前測題號 factor 1 factor 2 factor 3 1 0.54384
2 0.55786 0.31368 3-1 0.65867
3-2 0.75240 4-1 1.07161
4-2 0.34209 5 0.63312
6 0.34803 7-1 0.71352
7-2 0.74334
8 0.61354
9 0.77810 10 0.46643 0.30585 11 0.30532 0.33471 12 0.46132
13 0.31446 14-1 0.80754
14-2 0.79409 14-3 0.70644
15 0.49648 (上表呈現數值>.3 部分)
依據表 3-4-4 的呈現，分析各題題意，因素一可命名為「經正式學習所具有 的浮力相關先備知識」(包括第 1、2、3-1、3-2、4-1、5、7-1、7-2、8、10、
11 題，共 11 題)；因素二為「由生活經驗所得與浮力學習相關概念」(包括第 6、
12、14-2、14-3 題，共 4 題)；因素三為「是否已提前學習浮力單元」(包括第 4-2、9、13、14-1、15 題，共 5 題)，因素一和因素二的線性相關為 0.6554，因 素二和因素三的線性相關為 0.3984，因素一和因素三的線性相關為 0.5679。
三、前測評分標準
本研究所使用的前測試題，每一題的回答均要求學生除了寫下答案之外，
還要針對回答進行解釋，因此評分方式分為答案以及解釋理由兩部分進行。
答案評分方式：學生寫出正確答案得一分，未寫出正確答案得零分。
理由評分部分：第 2、5、9、11、12、14-2、14-3 題滿分為 1 分，第 6 題只需畫 出重力方向，不要求寫下理由。其他題目滿分為 2 分。
研究者先列出每題的正確解答，再針對受試者每一題回答做分類處理，將答 案概念相近的分為一類，訂出評分標準。解釋理由中基本概念與正確解答相符 者，給予滿分；解釋理由部分概念與正確答案相符者，部分給分；未解釋理由或 理由錯誤者，得零分。以前測試題第 13 題做為範例，如表 3-4-5。
表 3-4-5 前測試題第 13 題評分標準及學生回答範例 題號 分數 正確解釋及學生解釋理由範例
3 分 正解正解正解：正解：： ：
能說明因為液體密度相同，則液面下體積越大者，浮力越大 範例
範例範例 範例：：： ：
＊浮力=液面下體積×液體密度，乙沉入體積較大
＊因為甲有部分露出水面，乙完全沉入水面，所以甲排開的液體 會比乙排開的少。
＊兩物皆丟入水中，浮力與沒入體積成正比 十三
2 分 正解正解正解：正解：： ：
(1)只說明物體之間的密度大小關係。
(2)只說明物體和液體之間的密度大小關係。
(3)只說明乙浮力>甲浮力。
範例範例範例 範例：：： ：
＊甲浮在水面密度較小，水裡體積也小，所受浮力較小。
＊因為乙的密度>水>甲的密度。
＊乙所受到浮力會比甲的浮力大。
(續)表 3-4-5 前測試題第 13 題評分標準及學生回答範例 1 分 未解釋理由或解釋理由錯誤。
範例 範例範例 範例：：： ：
＊接觸水的面積乙>甲，故乙受到浮力>甲。
＊同一杯水，所受浮力相同
＊因為甲、乙體積相同
＊甲浮在水上，甲的密度>水的密度；乙沉入水中<水的密度，所
＊甲浮在水上，甲的密度>水的密度；乙沉入水中<水的密度，所