本本研究所使用的研究工具以量化為主，包括：可燃的鐵概念問卷、臉部錄 影資料和臉部微表情辨識系統。
壹、「可燃的鐵」概念問卷
一、問卷內容
本研究所使用之概念問卷根據研究概念圖（圖 3-4-1）發展而成，其內容主 要依據教學與教材內容中「可燃的鐵」實驗之概念所構成，而概念圖依據實驗原 理構成分類，圖中灰色的部分代表其為實驗原理之一，但因學生認知能力未達可 理解該概念之程度，因此概念問卷和教學與教材內容中均未提及。
「可燃的鐵」實驗依原理分類可分為「反應速率」和「氧化還原反應」兩部 分，而依照現行教科書內容（引自，南一版國民中學自然與生活科技 2 下），其 中反應速率相關之章節將影響反應速率之因素分為：濃度、溫度、接觸面積和催 化劑四類，而本研究將關注接觸面積此一部份，並希望學生理解在不同尺度下物 質的接觸面積差異帶來的影響。另外，氧化還原反應的部分又分為巨觀和微觀兩 個層次，在巨觀的部分將會複習學生們在國小階段所學過的劇烈氧化還原反應和 緩慢氧化還原反應，在劇烈氧化還原反應的部分同時複習燃燒現象的三要素，而 微觀層級的部分則討論到粒子運動，至於氧化還原反應中電子轉移的概念太過艱 深，故暫不提及。另外還會檢測學生是否能連結奈米尺度下接觸面積大的特性與 粒子碰撞的關係，以及粒子碰撞能夠摩擦生熱導致鐵粉達到燃點燃燒的概念。
本問卷試題可分為三部分。包括：氧化還原試題 11 題、反應速率試題 7 題 和可燃的鐵實驗試題 9 題，其中氧化還原和反應速率試題主要為應用試題，類似 國二下學期相關章節之試題，而可燃的鐵實驗試題將直接測驗學生是否了解，並 能夠推測可燃的鐵實驗現象。
影響反應速率的因素
二、實施與計分
本概念問卷採團體施測，測驗時間大約二十分鐘，分別在實驗影片教學前後 各實施一次前後測。本問卷依照研究概念圖設計，共有 27 題選擇題，由受測學 生選擇奇認為正確之答案，選擇正確得 1 分，錯誤則 0 分。
三、信度與效度
本概念問卷依照概念圖設計而成，經由一位國中在職正式教師修改字句，並 確認本問卷之難度為國中學生能力範圍內，後再經由兩位科學教育背景之博士和 一位科學背景之國立大學教授進行專家審查完成。本概念問卷之Cronbach’s α 值 為 0.80。
貳、臉部錄影資料和臉部微表情辨識系統
本研究最重要的部分就是要收集受測學生臉部錄影資料，而受制於硬體設施，
收集臉部錄影資料是需要許多準備工作的，於正式施測前研究者先進行了為期兩 週的試測，為求收集之臉部資料穩定且能夠達分析之標準。另外在施測前也必須 要確定許多細節，包括：
1. 確定學生額頭必須露出，否則系統無法辨識。
2. 若學生眼鏡為膠框眼鏡必須更換為金屬框，否則系統無法辨識。
3. 確定電腦容量足夠裝載所有錄製的臉部錄影資料。
另外，施測前的指導語也是十分重要的，尤其學生可能在看到注意事項其中 之一是要求他們以最舒服的坐姿進行施測，學生們可能會坐得太舒服導致臉部錄 影資料超出鏡頭範圍，以下為施測前指導語重點：
1. 以最舒服的姿勢坐好，再將椅子往前挪至桌子前，確定後便不要再移動。
2. 施測時切勿摸頭摸臉或以手撐住頭部。
3. 會有一個錄製基礎表情的影片與一個投影片。
4. 投影片內容每一頁都有錄音，請聽完每頁的錄音內容再按「下一頁」。 5. 按「下一頁」請按一次即可，學校電腦效能不佳，若按很多次會跳頁導致研
究失敗。
最重要的是，在施測結束後必須提醒受測學生切勿洩漏教學內容，以防止學 生之間互相討論教學內容，以致研究失效。
而本研究之臉部微表情辨識資料乃使用 FaceReader 臉部微表情辨識系統，
此系統能夠對人的臉部肌肉進行定位並分析臉部微表情，並產生即時的資訊給研 究者。FaceReader 的系統操作介面中，主視窗的左上角可見到受測者的臉部影像，
而此系統的最大好處是除了可將受測學生的臉部影像錄製後進行事後分析，也可 即時對學生表情進行分析。而本研究乃採取事後分析的方式，以市面上販售之網 路攝影機架設於電腦螢幕上，在學生觀看實驗影片進行科學學習時進行錄影，此 種即時分析的研究方式也是臉部微表情辨識最大的優點。
另外，FaceReader 系統對臉部微表情的分析方式（見圖 3-4-2），首先會將受 測學生的臉部依照其系統內部的人臉資料庫對受測者的臉部進行定位，並標定出 偵測臉部微表情所必須要的臉部肌肉，同時會偵測受測者臉部影像的品質，此一 影像品質和系統能否判讀臉部微表情有極大的相關，若臉部微表情品質不夠高便 可能無法進行施測。
圖 3-4-2 FaceReader 臉部微表情辨識系統分析示意圖（引自 Chiu et al., 2014）
依照臉部肌肉的不同變化，系統會依照 Ekman(1999)的研究，將臉部表情除
了中性(neutral)外，分為六種情緒，包括：快樂 (happy)、悲傷(sad)、生氣(angry)、
驚訝(surprised)、嚇一跳(scared)、令人噁心的(disgusted)。並在操作介面中以圓餅 圖、折線圖和柱狀圖表示，給予研究者連續的情緒變化資訊。
本研究主要觀察受測學生的臉部微表情在實驗教學影片撥放過程中的兩段 時間是否產生變化：第一部分是當學生觀察到實驗影片中鐵粉自燃的現象時，是 否有臉部微表情變化；第二部分則教學影片中，學生進行教學時，其臉部微表情 變化頻率之差異。