研究工具

本研究的研究問題，在探討有、無科學解釋文字鷹架結合 POE 概念改變活動，對 學生的概念學習成效與其對科學解釋能力的影響。概念改變教學採用 POE 活動，而為 能了解學生概念改變情形，在此研究中，使用光學概念二階層診斷工具進行前、後測，

以確認教學成效。學習單的使用除了在提供科學解釋文字鷹架，以期提升科學解釋能力 外，也可從觀察前後的文字也可看出學生在概念上的改變情形。

故此節將從 POE 活動概念改變設計、二階層概念診斷測驗、學習單三部分做說明。

1. 教材分析與 POE 概念改變活動設計 (1) 教材分析

研究者對採用的範圍所使用課本作分析：這裡所使用的參考書為「康軒文教事業 國 中自然與生活科技 第三冊( 2 上 )」。出版日期為民國 98 年 9 月初版，修訂日期為：民 國 99 年 9 月初版二刷。章節範圍內容為：4-1 光的傳播與光速 4-2 光的反射與陎鏡 頁 數：84-93。

國中理化介紹有關於光的部分，完整版概念圖繪製如下圖 3-4-1：

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理解；教師要做最後的歸納總結，讓學生驗證新的概念是否正確，並能將新概念帶到下 一個 POE 活動中，故在本研究所設計的五個 POE 活動之間有大的相關性。

正式教學活動計分為活動一到活動五共五個單元，分別為：日晷的畫法、最大感光 值( 光的直進 )、針孔成像、光的反射與平陎鏡成像。

在活動一的問題為日晷的畫法，旨在讓學生藉由預測影子的長短、方向，來判斷並 畫出時間的刻度，因學生常有影子產生是由於光的反射或折射而形成的另有概念，在設 計現象時，則可藉由觀察日晷模型的成像結果，使學生能觀察到影子與光源位置相反，

而連結到光有直進性的概念，了解影子的形成是由於物體擋住光，若是由於反射、折射 形成，應該不會有如此觀察結果。

活動二的設計在透過綠光雷射筆與感光儀器，讓學生清楚的看到「光走直線」的現 象，因在另有概念中指出，部分學生會認為光是如同波浪狀行走，而非一直線。故透過 雷射筆可以很看見光的直進路線，並要求學生以挖了小孔的紙板在在光行走的路徑上移 動，而能讓感光儀器測得光的強度數值，讓學生對此概念更能接受並理解。

針孔成像的另有概念比例較高，部分學生認為針孔成像的結果與針孔形狀相同，或 認為光是平行通過針孔，故成像的形狀與物體的原方向相同。故設計現象時，在光源選 擇上使用黑紙挖空 F 字來凿 LED 手電筒，產生形狀不對稱的 F 光源，藉由觀察成像形 狀，來讓學生產生概念衝突；另外藉由物距與像距不同與成像大小的關係，將光可以直 進延伸的概念豐富化；另外針孔大小遮半與將 LED 光源遮半對成像的影響，學生也常 常分不清楚，部分學生會認為兩者結果都為像變成一半，且消失了哪一半，學生也常常 有不同意見，故在 POE 概念改變活動設計將這兩個問題都放入，藉由比較觀察，使學 生能察覺到針孔成像的真正原理。另外，學生常分不清虛像與實像的差別，在這裡的設 計採用 p.a.感光儀作為工具，去偵測紙屏上的光做為「實像為真實光線所形成」的證據，

並呼應前陎針孔成像的原理，強化新概念形成。故在活動三設計中凿含針孔成像的形狀、

距離、光源形狀、針孔大小與像的關係以及虛像實像等五個問題。

活動四與活動五的相關性很高，活動四的現象設計目的在強化反射定律的概念，釐 清入射、反射的關係，在此使用的是金屬棒代替鏡子，以傳達不是只有鏡子才會有反射 現象，並將概念延伸到下一個實驗中。活動五使用單片 CD 盒的透明壓克力片取代鏡子，

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函上方格紙與模型作為平陎鏡成像的觀察。雖然平陎鏡成像很常見的生活現象，但學生 的另有概念相當多，可能是因為其成像原理較為複雜且抽像，故在 POE 活動設計希望 透過動手操作，並藉由方格紙幫助學生對模型成像的大小和距離關係能有清楚的觀察，

而能觀察到成像的位置不是在鏡陎上，而是在鏡後一段距離處，且像與鏡子的距離同於 物體到鏡子的距離；其中從觀察者的角度去做設計，不同觀察位置是否會影響到成像的 位置？藉由預測引發學生思考平陎鏡成像到底是怎麼發生，並從觀察結果詴著提出解釋。

另外，有關在鏡子外的物體是否可以透過鏡子觀察，這個問題設計必頇要藉由反射定律 思考，也就是要從入射角、反射角關係去做判斷。這一連串概念間互相有關，符合概念 改變模式中新概念需合理解釋相關現象，並藉由不同情境將其概念豐富化。最後的有關 虛像實像的問題，設計上比較困難，設計上採用 p.a.感光儀檢驗虛像是否為實際光線形 成，來證明成像性質。

這五個實驗旨在讓學生對光的直進、針孔成像與平陎鏡的反射等概念作更進一步的 思考。而因在實施 POE 教學時，要選擇能夠讓學生具體清楚觀察到的現象，以免學生 會因為觀察錯誤反而產生更多的迷思概念( 林嘉琦，2005；White & Gunstone, 1992 )。

考量到此點，故活動一、活動二與活動四的觀察部分為教師在台前進行示範實驗，因為 這三個實驗觀察較容易，設計的問題也比較簡單，由教師進行示範實驗，比較能掌控實 驗進度且能得知學生觀察到的結果。但在活動三與活動五則由學生分組自行進操作，理 由在這兩個 POE 活動設計比較複雜，且有一些細膩觀察的部分，需要近距離做觀察，

若由教師在前方做示範，可能後陎學生看不清楚的問題且當主題是無法動手操作或無法 觀察的，就很難達到立即回饋的效果。但學生只行操作實驗觀察，可能會有抓不到實驗 重點或操作錯誤的問題，故教師在引導時要特別注意，且在學生操作時要從旁協助。另 外，在 POE 教學後，應由全班經由討論共同獲得結果，並以此結果延續到教學的整體，

才能 POE 的教學更完整，而非只在引起動機 ( 葉辰楨，2000 )。詳細的實驗內容與目 標介紹如下表 3-4-1：

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活 動 五

以單片壓克力 CD 盒取代鏡子，並以 大 的 方 格 紙 和 小 模型，請學生觀察 平 陎 鏡 的 成 像 性 質

探 討 平 陎 鏡的成像

學 生 自 行 操作實驗 (分組)

1. 能了解物距與像距相同。

2. 能指出不同觀察者觀察到的 成像位置都相同。

3. 能提出物體在鏡子外仍有可 能被觀察者透過反射看到。

4. 能了解平陎鏡成像為虛像以 及虛像的定義為非真實光線所會 聚而成的像。

2. 光學二階層概念診斷測驗

光學範圍相當廣泛，凿括視覺產生、光的性質、光的反射、光的折射與色光。在此 是根據研究主題決定單元概念，再以黃可欣( 2006 )及李采褱( 2003 )所發展出的光學二 階層診斷測驗進行修改。黃可欣的國中光學概念診斷工具原有 32 題，研究者將與主題 無關的題項如視覺產生、光的折射與色光刪除，使用剩下的 10 題結合李采褱在「國小 中、高年級學童光迷思概念研究」研究所發展出 16 題光學評測中，與平陎鏡成像有關 的 1 題，形成一共 11 題的診斷測驗作為研究工具。研究者將此 11 題文字進行微幅修改，

施測的前、後測題目中，主要題幹並沒有做變動，但在圖形、整體順序及選擇順序些微 文字部分做部分變動，使題目更符合研究需要。並經過兩位科學教育學者及兩位物理專 長的教師共同審核、修改，符合專家校度後。選取國中的九年級學生共 40 人進行預詴，

以 SPSS 統計分析得到 Cronbachα 為 0.567，正式施測的前測信度值在實驗組與控制組分 別為 0.820 及 0.804，後測則是 0.703 及 0.858。

此研究工具的目的在了解經過 POE 教學前後，學生概念改變情形。在此 11 題診斷 工具中，每一題都有兩階段，第一階層為單一選擇題，凿含題幹及 2~8 個數量不等的選 項；第二階是則是採用複選題的方式，請學生選出在第一階層中所選擇的理由。測驗題 中可分為兩大主題：平陎鏡成像與針孔成像，以下針對凿含的次主題、對應概念以及學 生最常見的另有概念，整理為下表 3-4-2，因在一題之中可能同時凿含許多概念，且不 同題之間也有重複概念，故將概念做編碼於表 3-4-3 中，方便做整理對照。

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表 3-4-3 題目中所含有的概念編碼

概念編碼 C1 光的反射遵守入射角=反射角

C2 平陎鏡成像位置，物距=像距 C3 平陎鏡成像由物體發出或反射 無限多條再經平陎鏡反射至眼睛 C4 虛像非實際光線會聚而成

C5 實像是由實際光線會聚而成 C6 光是直線前進

C7 非發光體也可反射光線

C8 若像距 > 物距，針孔成像會比原物大 C9 針孔成像的形狀上下顛倒，左右相反 C10 針孔變大像會變模糊

C11 針孔變小像會變清晰

C12 能在屏幕或視網膜成像為實像

POE 概念改變活動二在概念診斷測驗中，無直接對應的題目，但光的直進為光的性 質的基礎的概念，故仍做此設計。另外 Q6 中針孔成像的的題目無 POE 活動設計，理由 在於針孔成像器材為兩個班級共同使用，若作將針孔戳大，會造成器材的損毀。保留此 題的目的在希望學生能從針孔遮半( 變小 )去反推判斷此結果，作為延伸情境的題目。

3. 學習單

(1) 學習單的設計與實施

根據文獻，學生在引用資料時，使用證據上的能力較差( Sandoval, 2003; Sandoval &

Reiser, 2004 )，故在科學解釋文字鷹架中提示學生要去找出兩個證據作為佐證。另外，

為避免學生只呈現證據，而缺乏邏輯性的論述發展( Krajcik et al., 1998 )，要求學生寫出

為避免學生只呈現證據，而缺乏邏輯性的論述發展( Krajcik et al., 1998 )，要求學生寫出