針對研究第一章研究目的，本研究開發五種研究工具，分別為：粒子本質暨 物質三態變化問卷、教科書分析編碼表、自然科學習動機問卷及學習歷程記錄表。
茲將各項研究工具詳細說明如下：
一、粒子本質暨物質三態變化問卷
本研究之「粒子本質暨物質三態變化問卷」主要為調查跨年級學生物質三態 變化概念之分佈頻率及教學前後測驗。此工具主要為回答研究問題一及研究問題 二，利用物質三態變化問卷調查跨年級學生認知特徵頻率，進一步檢驗和效化物 質三態變化概念演化樹假說；而在教學研究進行時亦將實測物質三態變化問卷，
做為實驗教學之前測、後測及延宕測，藉此瞭解學生在進入教學前的概念，及教 學後概念的轉變。此研究工具之開發主要參考兩方面之文獻，其一為微觀粒子所 應具備科學觀點；其二為物質三態變化常見之學習困難，據此設計診斷式試題。
本問卷包含三個部份，分別為(1)物質觀點問卷；(2)粒子本質問卷；(3)物質 三態變化問卷。因本問卷目的在診斷學生物質三態的概念狀況，因此將結合圖片 題、巨觀性質及粒子性質傾向、二階層選擇題。「物質觀點問卷」問答冰、水、
水蒸氣的微觀構造，並輔以文字作說明；「粒子本質問卷」使用五等第方式進行，
以瞭解三態物質的巨觀性質與粒子性質傾向，讓受測者選擇會偏向何種性質；「物 質三態變化問卷」採二階層選擇題，內容針對影響物質三態變化的原因，及粒子 形狀大小是否會改變、粒子運動範圍、粒子排列及粒子間作用力等。此外，物質 三態變化問卷以凝固現象及蒸發現象分別進行，兩組試題的內容大部份是相同的 題幹，可於施測後進行比較分析。
由前述可知「粒子本質暨物質三態變化問卷」包含三個部份，實際施測時所 有學生皆會依不同的物質觀依序做為物質觀點問卷、粒子本質問卷及物質三態變 化問卷，且因為內容均與物質三態變化的概念有關，因此本研究將所有題目的答 題結果彙整後進行試題信效度考驗。「粒子本質暨物質三態變化問卷」出題內容 依本研究之研究範圍(參考圖 2-5-1)進行定義，將試題雙向細目表分別以表 3-5-1、
表 3-5-2 及表 3-5-3 作說明。
表 3-5-1 物質觀點問卷之連續觀與粒子觀判斷
三態物質(冰、水、水蒸氣) 連續觀之選項 粒子觀之選項 一、無雜質的冰
A 沒有物質 B 連續構造
C 微小的冰塊
D 相同的微小粒子
二、無雜質的水 C 微小的水滴
三、水蒸氣 A(白煙處) C 微小的水珠 四、水蒸氣 B(非白煙處) C 微小的水珠
本研究之物質觀點問卷為瞭解研究對象對物質組成的微觀概念，並分類研究 對象的物質觀點以利後續問卷的施測，完整試題列於附錄一。由表 3-5-1 可知四 組圖片題均包含至少 A、B、C、D 四種選項，連續觀包括除了「沒有物質」及
「連續構造」兩種外還有其中一種選擇為「微小的冰塊(或水滴、水珠)」，且圖 示內容為大小形狀不一的塊狀物體聚集在一起，此選擇可視為學生認為物質由更 小的物質構小，但此微小物質和巨觀並沒有差別。粒子觀只有「相同的微小粒子」
一種選項，圖示內容為許多大小相同的微觀粒子。物質觀點問卷評分方式為選擇
「D 相同的微小粒子」可獲得 1 分，此部份的總分為 4 分。
表 3-5-2 粒子本質問卷之試題雙向細目表
甲式問卷中不包括 B.微觀構造，因此冰、水、水蒸氣各 5 題，共 15 題；乙 式問卷中包含兩個部份，因此冰、水、水蒸氣各 11 題，共包含 33 題。甲乙兩式 的問卷評分方式相同，將每一題的評分方式說明如下：
(一)中間值為正確科學概念之題目
此類的科學概念為物質在三種狀態下的重量都相等，且粒子不會發生改變，
因此選答中間值獲得 2 分，選擇 2 或 4 獲得 1 分，選擇 1 或 5 不給分。採用此種 計分方式有「A1.重量比較」、「B1.粒子數量」、「B2.粒子重量」及「B3.粒子體積」。
(二)三態物質的性質為不同傾向之題目
此類的科學概念為三種狀態下的物質會有漸次的變化，三態物質的選擇將各 有不同的給分方式。由大而小次序為冰、水、水蒸氣的題目有「A5.緊密度比較」、
「B6.粒子間吸引力」，因此冰選擇 5 獲得 2 分，選擇 4 獲得 1 分，選擇 3、2、1 不給分；水選擇 3 獲得 2 分，選擇 2 或 4 獲得 1 分，選擇 1 或 5 不給分；水蒸氣 選擇選擇 1 獲得 2 分，選擇 2 獲得 1 分，選擇 3、4、5 不給分。
由大而小次序為水蒸氣、水、冰的題目有「A4.溫度比較」及「B4.粒子運動 速率」，因此水蒸氣選擇 5 獲得 2 分，選擇 4 獲得 1 分，選擇 3、2、1 不給分；
水選擇 3 獲得 2 分，選擇 2 或 4 獲得 1 分，選擇 1 或 5 不給分；冰選擇選擇 1 獲得 2 分，選擇 2 獲得 1 分，選擇 3、4、5 不給分。
最後，因水結冰時粒子距離會變大，因此由大而小的次序應為水蒸氣、水、
冰，因此在「B5.粒子距離」的部份，因水蒸氣的粒子距離選擇 5 獲得 2 分，選 擇 4 獲得 1 分，選擇 3、2、1 不給分；冰選擇 3 獲得 2 分，選擇 2 或 4 獲得 1 分，選擇 1 或 5 不給分；水的粒子距離選擇 1 獲得 2 分，選擇 2 獲得 1 分，選擇 3、4、5 不給分。
(三)三態物質的性質為部份相同之題目
採用此種計分方式包含「A2.可見度比較」、「A3.流動性比較」。在「A2.可見 度比較」的部份，冰及水可以看見的物質，但水蒸氣無法看見，因在冰及水的可 見度選擇 5 獲得 2 分，選擇 4 獲得 1 分，選擇 3、2、1 不給分，在水蒸氣的可見
度選擇 1 獲得 2 分，選擇 2 獲得 1 分，選擇 3、4、5 不給分。在「A3.流動性比
分析與討論。因使用兩階層設計因此每種概念都會包含兩題，分別為第一層選項 與第二層理由。
甲式問卷將不包含微觀粒子的試題，如：「C4.粒子運動的狀態」、「C8a.粒子 數量的改變」、「C8b.粒子重量的改變」、「C8c.粒子體積的改變」，但「C9.粒子間 吸引力的改變」的部份仍保留，題目內容改以水之間的吸引力，因此共 44 題；
而乙式問卷包含所有題目共 60 題。此問卷之計分方式為第一層答對一題得 1 分，
理由選擇正確得一分，因此總分為 60 分。第二層理由的部分，在題 1.2、題 1.12、
題 2.2 及題 2.14 的選項中皆會包含三種解釋的理由，分別為結構改變、距離改變 及微觀粒子運動速率改變，此三類的解釋在課本中皆會使用，研究對象如果選擇 上述的理由之一將獲得 1 分。
研究者雖然將「粒子本質暨物質三態變化問卷」分為甲式問卷及乙式問卷，
但試題信度考驗時研究者將兩者合併討論。因為回答甲式問卷的研究對象並無粒 子概念，所以在粒子相關的題目可被視為未得分，且兩份問卷的答題對象概念類 型不同，在設計中已先作區分，因此視同一份問卷進行信度分析才能看出整體學 生答題的結果。此外，單獨對甲式問卷進行信度分析並無法顯示試題的真正信度，
主要原因有甲式問卷的物質觀點問卷 4 題皆未得分，再加上甲式問卷與乙式問卷 受測者會因有無粒子觀差異而被分群，這也造成甲式問卷大部份為國小階段的學 生且多數不具有正確的科學概念，因此Cronbach’s α 值將為降到.70 左右。因此 為完整呈現試題的信度，本研究針對「粒子本質暨物質三態變化問卷」的信度考 驗將不分問卷類型，以所有學生的結果進行信度考驗。
本研究之研究對象分佈於四年級至十二年級，共九個年級及跨越三個年級段，
因研究對象分佈廣，研究者將各年段之答題結果分別進行信度考驗。本研究的信 度考驗中問卷題數分別為物質觀點問卷 4 題、粒子本質問卷 33 題及物質三態變 化問卷 60 題，共 97 題。將跨年級施測的結果(共 832 份問卷)輸入 SPSS 軟體後 完成試題信度的分析，茲將各年級之試題Cronbach’s α 值羅列於表 3-5-1 中。吳 明隆(2006)指出優良的教育測驗至少應該有.80 以上的信度係數，由表 3-5-1 可看
出各年級段的Cronbach’s α 值皆在.80 以上，顯示本問卷具有相當高的信度。
表 3-5-4 各年段試題可靠性統計量
年級段 Cronbach’s α 值 以標準 化 項目為 準
的Cronbach’s α 值 項目的個數
國小階段 .848 .858 97
國中階段 .896 .902 97
高中階段 .909 .918 97
二、教科書分析編碼表
教科書分析編碼表為建立具廣度及深度的物質三態變化概念編碼，以調查不 同版本粒子相關教科書內容及次序。主要為回答研究問題二及研究問題三，以教 科書分析編碼表將不同版本教科書進行編碼及分析，並提供物質三態變化心智模 式的認知特徵定位參考。此研究工具的開發流程包含：
(一)建立物質三態變化之概念圖
為進行教科書分析工作，研究者依圖 2-5-2 物質三態變化研究範圍之概念圖，
確立物質三態變化範圍及次概念間之階層關係，且因為此概念圖將做為教科書分 析的指導架構，將特別考慮九年一貫課程綱要內容。因教科書分析的發展過程為 反覆修正的循環，將因應不同版本之教科書內容與範圍，而在教科書分析過程中 適度修正概念圖內容，以求涵蓋到不同版本教科書的內容。
(二)開發物質三態變化教科書編碼表
在完成物質三態變化概念圖後，將依概念圖之階層關係定義物質三態變化之 教科書內容編碼表。本研究教科書的編碼可分為「三態物質的組成與性質」及「物 質三態變化的過程」兩個部份，分別說明如下：
1、「三態物質的組成與性質」的部份
根據教科書解釋物質結構與性質的方式，可分為巨觀性質與微觀構造的陳述，
因此研究者將其分為「巨觀物質性質」、「巨觀變化過程」、「微-巨觀結構與性質」
及「微-巨觀變化過程」。「巨觀物質性質」與「巨觀變化過程」為低年級階段常 見的物質三態變化教學內容，以實物圖片或文字描述的方式為主，三態物質的性 質及相關轉換都不會使用到微觀粒子概念，如：「冰為溫度低的物質」則屬於「巨
及「微-巨觀變化過程」。「巨觀物質性質」與「巨觀變化過程」為低年級階段常 見的物質三態變化教學內容，以實物圖片或文字描述的方式為主，三態物質的性 質及相關轉換都不會使用到微觀粒子概念，如：「冰為溫度低的物質」則屬於「巨