研究工具包括量化和質性兩種類型，量化工具為二階層診斷問卷，質性工具 則為半結構式晤談。在前測、後測和延宕測驗中，先以二階層診斷問卷施測，於 隔週實施訪談。
一、二階層診斷問卷
Treagust(1995)提出的二階層診斷試題發展過程設計問卷，其過程共有三個階 段十個步驟。雖然步驟似乎為線性發展，然而每完成一個步驟，都必頇不斷回到 前面步驟修正問卷內容，如圖 3-3-1。
圖 3-3-1 二階層診斷試題發展過程(Treagust, 1995)
1、決定命題陳述 2、發展概念圖 3、將命題陳述關聯至概念圖 4、效化內容 (一) 決定主題內容
5、探討相關文獻 6、進行半結構晤談 7、發展選擇題選項內容
(二) 收集學生的概念資料
8、發展二階層診斷工具 9、設計雙向細目表 10、持續精緻化
(三) 發展診斷工具
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(一) 決定主題內容
在第一部份先決定內容的範圍，因此必頇找出命題陳述、概念圖、將命題陳 述與概念圖連結並效化內容。
1、決定命題陳述
研究者參考國中生物課本(林英智，2009；郭重吉，2009；陳世煌，2009)和 大學普通生物學用書(Campbell & Reece, 2005)後，列出九項命題陳述，如表 3-3-1。
此時將恆定中樞、產熱機制和散熱機制視為主要概念，每個主要概念再延伸出子 概念。藉由這三個主要概念之間的關聯，以及子概念之間的關係建構出心智模 式。
表 3-3-1 初始的國中人體體溫恆定性命題陳述
主要概念 子概念
1、體溫恆定中樞 1-1 人體體溫恆定性由恆定中樞負責協調。
1-2 恆定中樞負責協調產熱機制、散熱機制和監測體溫。
2、產熱機制 2-1 產熱機制主要為呼吸作用。
2-2 呼吸作用發生在全身細胞內的粒線體。
2-3 呼吸作用需要養分。
2-4 呼吸作用提供運動所需能量。
2-5 呼吸作用為體溫的來源。
3、散熱機制 3-1 散熱機制包括血液流動和排汗。
3-2 血液流動傳播體溫。
2、發展概念圖
列出人體體溫恆定性裡的重要概念，找出概念之間的階層關係，排列他們在
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概念圖中的相對位置。接著依照概念之間的關係以箭頭連結，並在箭頭旁邊以文 字說明此兩個概念的關係。
3、將命題陳述關聯至概念圖
確認本研究所欲探討的概念範圍，不分析人體體溫恆定機制中的恆定機制和 接收器，因此刪除表 3-3-1 中的體溫恆定中樞，僅保留效應器的產熱方式和散熱 方式。接著將前述的命題陳述與概念圖內容與一位科學教育專長教授和一位資深 國中生物教師討論過後，反覆修改後得到圖 3-3-2 的概念圖和表 3-3-2 的命題陳 述。
表 3-3-2 修正後的國中人體體溫恆定性命題陳述 人體體溫恆定性命題陳述
1、人體體溫恆定調節機制包括產熱方式 2、人體體溫恆定調節機制包括散熱方式
3、個體進行呼吸作用提供生命現象的能量，一部分轉換成熱能提高體溫。
4、透過攝取食物獲得養分，才能進行呼吸作用提高體溫。
5、血液流動將熱傳遞到全身，流到體表時將熱傳送到環境中降低體溫。
6、體溫上升時，汗腺會增加排汗量，當汗水蒸發時能降低體溫。
7、運動時呼吸作用更加旺盛，使得體溫升高。
8、運動時呼吸作用旺盛、食慾會減少、體溫降低。
9、運動時體溫升高，因此體表血流量會增加以散發體熱降低體溫。
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4、效化內容
將命題陳述和概念圖再請一位科學教育專長教授、一位生物與科學教育專長 教授和一位資深國中生物教師確認符合心智模式的假設，且並未超出國中生物範 圍與正確性。
(二) 收集學生的概念資料
為了發展診斷問卷以瞭解學生的概念，首先探討相關文獻，瞭解相關研究中 學生持有的另有概念。整理學生的另有概念後，依據概念圖設計半結構訪談和開 放式問卷，找出更多學生的另有概念、連結概念的方式以及對現象更深層的解釋。
最後將半結構訪談和開放試問卷的結果整合和分析，發展二階層診斷問卷的題幹 和選項。
5、探討相關文獻
僅針對人體體溫恆定性探討的研究並不多，有些探討所有人體恆定性概念，
有些研究針對特定人體恆定性。Marek 等人(Simpson ＆ Marek, 1988; Westbrook
& Marek, 1992)利用 CESs 瞭解學生如何連結幾個人體恆定性，包括氣體恆定性、
水分恆定性和體溫恆定性。Barak、Sheva 和 Gorodetsky(1999)則是讓學生比較金 屬塊和北極熊在北極溫度的變化，即內溫動物維持體溫恆定性的機制。林素華和 劉燿誠(2010)以及黃佳杏(2007)則是利用二階層診斷測驗，瞭解學生對所有生物 恆定性的概念。Chang 和 Chiu(2004)、Chang(2007) 以及林陳涌和徐毓慧(2002) 則是探討人體血糖恆定性，從概念圖或語詞聯想等方式進行分析。
6、進行半結構晤談
瞭解學生對人體體溫恆定性的另有概念後，研究者對七年級和八年級學生進 行半結構晤談，他們皆為研究者的學生。將未學過人體體溫恆定性的七年級學生
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訪談結果視為正式施測前測訪談結果，將八年級學生訪談內容視為正式施測延宕 測驗訪談結果。
7、利用開放式問卷發展選擇題選項
將半結構晤談的題目設計成開放式問卷，找 20 名先前未經過半結構晤談的 八年級學生填答。將文獻探討、半結構晤談和開放式問卷的結果整理後，設計成 二階層的題幹和試題選項。同時找出學生概念之間的連結關係，與文獻中另有概 念對應，整理出人體體溫恆定心智模式，最後列出各個心智模式的特徵，以對應 二階層診斷問卷的選項。
(三) 發展診斷工具
最後將先前的結果整合後，開始設計二階層診斷問卷。第一層的問題多為可 觀察的現象，與一般學校試題相近。第二層則針對第一層作答詢問其原因或生理 機制。
8、發展二階層診斷問卷
在二階層診斷問卷的試題中，每一題皆包含兩個部份。第一部份為一般現象 相關試題，有兩到三個選項。延續第一部份的作答，在第二部份詢問其第一部份 選答的原因或其背後生理機制。第二部份的選項有五到九個，第一部份的每個選 項至少能對應到兩個以上。為了避免遺漏學生的其他想法，第二部份有一個選項 為「其他」，若學生找不到適當的選項時，可以自行填入答案。
9、設計雙向細目表
為了確保問卷試題有涵蓋每一個命題陳述和概念圖的內容，因此利用雙向細 目表進行檢視。為了在後面分析時能比較學生在不同情境的作答情況，因此除了
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二、半結構式晤談
在學生作答完二階層診斷問卷後，隔週訪談學生，訪談問題架構為半結構式。
三次訪談問題內容如附錄二和附錄三，可以分成「體溫的改變」、「體溫改變時的 反應」和「體溫來源」三類，請學生預測和解釋理由。在前測訪談和後測訪談中，
在學生預測完體溫的變化後，要求他將體溫變化情形描繪成數線圖。接著問學生 在每一個時間點，小櫻是否會產生任何反應。當學生提出幾個反應後，問他「還 有沒有其他反應？」「這些反應是否會影響體溫？」「怎麼影響？」從學生的回答 和解釋中，檢驗他們是否能說出在表 3-3-3 中產熱方式和散熱方式，以及說明調 節的過程。
在繪畫數線圖前研究者詢問每一位學生，是否曾經學過數線圖，而每一位學 生都肯定的回答學過並瞭解。但是在兩次訪談後，發現多數學生對數線的解釋和 數線的關係都無法對應，因此在延宕測驗訪談中不再要求學生繪畫數線圖，而改 成讓他們選擇數線圖。後測問題和前測問題一樣的原因是為了觀察學生在教學前 後的解釋改變情形。前測訪談和後測訪談結束的問題情境為動作幅度大小改變，
研究者發現學生的回答受到問題情境影響，因此延宕測驗的問題情境改變為氣溫 變化。三次訪談時間皆大約 30 分鐘，過程以 mp3 隨身聽進行錄音。訪談題目曾 讓兩位專家審查過，一位是兼具生物和科學教育專長的教授，另一位是在國中任 教已達 17 年的生物教師。
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