本研究所使用的研究工具包含熱傳播概念二階層診斷式紙筆測驗前測、後測 和延宕測驗，熱傳播建模能力試卷前測、後測和延宕測驗以及科學模型本質測驗 前側和後測，詳述如下：
一、 熱傳播概念二階層診斷式紙筆測驗
本研究的二階層診斷式紙筆測驗試題的設計過程共可分為三階段：
第一階段：收集資料
先找出教科書在『熱傳播』單元所呈現的概念，對照模型的五個面向之後，
製作出關於熱傳播的概念圖，如圖 3-3-1 所示。接下來再收集相關文獻中有關熱 傳導、熱對流、熱輻射的另有概念，先製作成一份”半開放式”的熱傳播概念二階 層紙筆測驗，請第 1 組預測對象填寫，第一階層為選擇題，第二階層讓學生寫出 原因，藉此收集學生的另有想法，最後，挑選 9 名學生進行訪談，將有疑慮的答 案請學生再做解釋與說明，最後將所有學生所寫出的答題理由做整理與分類，例 如 14-3 題：判斷物體在常溫狀態下會不會放出熱量的依據是什麼？將學生在此 題的答體理由做整理與分類，找出其中心想法，如表 3-4-1 所示，並將其作成選 項：不須介質，熱就能傳播；物體要在燃燒；溫度夠高，才有熱輻射；空氣會傳 播熱輻射；要看物體的材質；某些特定的東西會散播輻射熱。
表 3-4-1 答題理由分析 第一層選項對的答題理由：
主題想法 理由陳述 作答人數
輻射定義 不須介質就能傳播熱輻射 10
有溫度 東西都有熱度 5
第一層選項錯的答題理由：
主題想法 理由陳述 作答人數
要達一定的溫 度才會有熱
不會燃燒，不會傳熱 19 地球溫度低，不會放熱 13
溫度低只會吸熱 2
需介質 有空氣才能傳播熱輻射 3 大氣層能吸收、傳播熱輻射 7
材質 可以燒的東西才會發熱 5
加熱後不改變的東西 5
特定物質 是恆星 6
鐵 3
無法判別 熱會傳熱 2
太陽、地球溫度一樣 2
水的問題 1
不知道 5
第二階段：製作正式二階層診斷式測驗
以第一階段的半開放式二階層紙筆測驗為主，完成熱傳播概念二階層診斷式 測驗，第一階層為選擇題，第二階層則是原因的選擇題，請第 2 組預測對象填寫，
將題目中不適宜或語句不清的地方，做再次的修正，在 2-3 題、10-4 題、11-1 題、
11-2 題因文字敘述較多，學生建議應搭配圖，以增加對選項敘述的了解，完成熱 傳播概念二階層診斷式紙筆測驗(詳見附錄一)。
最後將每一題目所對應的主概念、子概念、次子概念以及其所對應的巨、微 觀維度分類，完成熱的命題陳述與雙向細目表，詳細內容如表 3-4-2 所示。
第三階段：信度、效度檢測
試題共由 3 名老師審查，其中一名為高中物理老師，其學識背景為科學教育
博士；一名為國中理化教師，其學識背景為物理碩士，以及一名台北縣國小自然 與生活科技領域的輔導員，其學識背景為物理碩士，三位共同審題，就題目的內 容、熱傳播的概念和語意表達上進行討論和修正，以建立專家效度；修正完的試 題，再由預試對象進行信度檢，Cronbach's Alpha=.702。
二、 建模能力分析問卷
為了瞭解學習者在教學前、後和延宕建模能力進步的情形，研究者設計一份
『建模能力分析問卷』(詳見附錄二)，共分為四大題，共 18 小題，一方面因考 量受試者為國小 5 年級學生無法一直以簡答題的方式作答，難度太高；另一方面 因建模能力分析問卷是採全體作答，簡答題有批改上的困擾，所以作答方式以學 生較為熟悉的填空題、勾選題、選擇題和簡答題的方式，讓受試者作答並寫出自 己的想法，題目分別對應到模型選擇、模型建立、模型效化、模型應用，此份問 卷的評分者信度=.943。
在計分方面，改編自張志康、邱美虹(2009)所發展的建模能力分析指標，建 模能力分析問卷即是根據此修正過後的建模能力分析指標所設計，以符合本研究 的研究設計，將建模能力分析問卷的答題，製作成建模能力編碼計分表如表 3-4-3，
若學生在建模能力分析問卷只能答到因素，就落在 Level 1~Level 2 中，例如：編 碼 2.3 的學生即是答對了 3 個因素，得分為 1+3/4=1.75。
表 3-4-2 熱的命題陳述與雙項細目表
10-3，11-1 12-1
12-2，13-1 13-4
表 3-4-3 建模能力編碼計分表
三、 科學模型本質測驗
科學模型本質測驗是由邱美虹(2007)由國科會計畫編號 NSC
95-2511-S-241-001-MY2，發展出的一份測驗工具(詳見附錄三)，此測驗工具會從 一個三面向的建模架構；本體論、認識論、方法論，測驗學習者模型與建模能力 (邱美虹，2007)。
問卷內容採用李克式量表，作答選項分為四種：非常同意、同意、不同意、
非常不同意，總計有 46 題，此份問卷之信度 a =. 9007。本科學模型本質測驗可 分成三個面向，在此三面向下又可分成許多次主題，每一次主題都有對應的題目，
如表 3-4-4。在本體論方面可分為三個主題：對應關係、呈現形式、變化關係(周 金城，2007)；在認識論方面可分為三個主題；個體表徵、過程、情境(吳明珠，
2007)；在方法論方面可分為四個主題：問題解決、瞭解現象、連結和發展、建 模歷程 (林靜雯與邱美虹，2008)。
表 3-4-4 模型本質向度分析
名稱 面向 主題 題號
科學模型 本質測驗
本體論 對應關係 1~5
呈現形式 6~12 變化關係 13~15 認識論 個體表徵 16~21 過程 22~26 情境 27~30 方法論 問題解決 33、35~37
瞭解現象 31、32、34、38 連結和發展 39、40
建模歷程 41~46