研究工具

本研究所使用的研究工具，包含研究者自編的「國小高年級學童簡單機 械齒輪概念半開放式問卷」、「國小高年級學童簡單機械齒輪概念晤談大綱」、

「國小高年級學童簡單機械齒輪概念封閉式問卷初稿」、「國小高年級學童簡 單機械齒輪概念二段式問卷」;「國小高年級學童簡單機械齒輪概念二段式電 腦網路動畫問卷」將各研究工具敘述如下：

一、 國小高年級學童簡單機械齒輪概念半開放問卷

研究者參考國內外學者、專家在研究學童簡單機械齒輪相關概念時 所運用的方法，並且對相關文獻的探討、及對現有課程教材的的整理與分析，

對學童可能的迷思概念有初步的瞭解;然後發展簡單機械齒輪的概念圖，並根 據概念圖作命題陳述、由研究者自編設計半開放式問卷的內容以國小自然課 程中相關的單元為參考，但也不排除探討學童由日常生活中所獲得的知識，

以學童能懂的語法擬定試題。並與兩位國小自然教師針對詞彙及內容討論作 為修改參考;並敦請專家修正試題及充實內容。使學童在無壓力的狀況下，能 盡量寫下自己的想法，並給予最充分的時間作答，以求能蒐集到學童相關之 概念或迷思概念。然後依學童填答的結果，將學童相似的想法歸類分析，並 與指導教授及在自然科學教育研究所在職進修之教師研究群討論和修正。

(一) 雙向細目表

為了使半開放式問卷及半結構式晤談其有內容效度，研究者依所擷取之 命題知識陳述及概念領域，建立雙向細目表。半開放式問卷及晤談內容之雙

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例如在第 3 題中問學童「轉動把手旋轉藍色齒輪，綠色齒輪比藍色齒輪 轉動得快、慢或者一樣的快慢？為什麼呢？」學童各種回答統計人

數表。

表 3-3-2 半開放式問卷結果統計表(部分)

3 . 轉動把手旋轉藍色齒輪，綠色齒輪比藍色齒輪轉動得快、慢或者一樣的 快慢？為什麼呢？

學童的回答 學童的理由 人數

綠色齒輪比較小，重量輕，容易轉動。 10

齒輪連接在一起，綠色齒輪齒數比藍色齒數少。 20 轉得快

綠色在藍色之前。

31 1 藍色先轉動，先停止，所以藍色快，綠色齒輪慢。 3

綠色齒輪齒數比藍色齒數少，齒數少轉的慢 4

轉得慢

綠色齒輪比較小，就像小孩子跑得慢。

10 3 齒輪連接在一起，藍色轉動一下，綠色也會轉動一下。藍色

停止，綠色也停止。 21

一樣快慢

方向和速度一樣

22 1

空白 1 1

人數統計 64

由上表中各項回答人數的統計，我們可以發現受試學童中能正確說出轉 動把手旋轉相接齒輪轉動的快、慢理由的學童不多。而以聯結概念作解釋，

相接齒輪的轉速認為是一樣快慢的學童是比較多的。因此，研究者將以上半 開放式問卷的結果資料整理統計。如表 3-3-2，其餘實際統計結果如-附錄四。

二、 國小高年級學童簡單機械齒輪概念晤談

由前述的國小高年級簡單機械齒輪概念半開放式問卷所得到的結果，進

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行更進一步的晤談，以期能更深入歸納出國小高年級學童簡單機械齒輪迷思 概念之類型。但由於半開放式的問卷多為問答題的形式，因此對於語文表達 能力較弱或作答意願較低者，常會留下較多的空白或填答「不知道」，因此研 究者以自編之國小高年學童簡單機械齒輪概念半開放式問卷配合圖片或實物 等成為國小高年級學童簡單機械齒輪概念的晤談大綱為晤談的工具。

這研究的問題是有系統的探問（ａ）小學的學童解說下列現象不同當大 小和齒輪的組合，一些是在獨立的結構如修正帶和變速腳踏車工作的機器：

運動是如何獲得包括齒輪如何變換運動的平面齒輪板旋轉的方向和接觸齒輪 相對速度？（ｂ）學童對齒輪速度和機械利益的概念化？（ｃ）學童應用有 關傳達，方向，和速度和在常見的機械的想法依靠事情的背景？

在順著這些齒輪板預言性解釋問題，我們也問一些學童推論有關兩個相 熟悉的機器，修正帶和段變速腳踏車的齒輪方面問題。這些設備提供一個機 會探索學童如何了解是齒輪能傳送運動，經由不同地面如何產生機械利益。

這個研究在同樣的小學進行，選定為 5 年級學童和 6 年級學童在這個年 齡對齒輪物體工作的想法是如何呢？學校是在靠近中部彰化市區附近。所有 被訪談者由兩個班級的學童參加：全部 12 位學童包括 5 年級學童( 3 位女生和 3 位男生)和 6 位 6 年級學童（3 位女生和 3 位男生）。在晤談全部過程中均以 錄音。然後根據錄音帶的內容有系統的轉譯成文字形式，將其所呈現的概念 予以分析，以了解學童心中真正想法。

每一個學童參加了兩個個別的晤談，晤談的進行靠近學童的教室，第一 次晤談持續 40 分鐘。呈現給學童的是一個齒輪板一系列的問題，有關齒輪是 如何運動等問題。第二次晤談，持續了將近 20 分鐘，包括有關學童熟悉的機 械背景齒輪一系列的問題，其中一個是手動式修正帶和變速腳踏車。兩次的 晤談直接的描寫集中在學童對力量經由齒輪傳達的了解，不同齒輪的結合旋

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轉方向、轉數、旋轉速度和力量、機械利益（腳踏車）。

第一次晤談的目的是在了解學童有關齒輪的推論。每一個結構中是逐漸 增加其困難。在這些結構中配合實物，齒輪板的中間是藍色的大齒輪加上一 個把手插入中心。其它的齒輪包括在板上和驅動齒輪結合，他們有不同的大 小和位置。大齒輪是直徑接近 6 公分和 10 齒數；小齒輪的直徑的 4 公分 7 齒 數。每一個問題結構，晤談者指出驅動齒輪的方向、轉數、旋轉速度等關鍵。

晤談者再問學童預測旋轉的方向，旋轉的速度，還有每一個其他齒輪完整地 旋轉次數，來判斷其回答的解釋，而這期間學童是沒有得到回饋的；晤談將 繼續進行另外一個問題而且避開學童正確回答的註解。

學生齒輪實物觀察

項目一： 兩個大齒輪相聯結

這個項目評估他們所認為的有關兩個同樣大小的結合齒輪旋轉方向。晤 談者問：「轉動把手旋轉藍色齒輪在這個（順時針）方向，紅色齒輪將會轉什 麼方向呢？為什麼你是這樣想呢？」

項目２： 大齒輪連接小齒輪

在這個項目晤談者問：「如果我轉動把手旋轉藍色齒輪在這個方向，藍色

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齒輪旋轉一圈，那麼綠色齒輪將會旋轉多少圈呢？」「你為什麼會這樣想呢？」

「 綠色齒輪 比藍色齒 輪轉得快 ，或是更 慢呢？還 是同樣的 速度呢？ 為什麼 呢？」這個項目提供一個機會診斷學童在大小相接的齒輪，轉動速度、轉動 次數概念方面的想法。

項目 3： 藍色大齒輪聯結小齒輪和小齒輪在不同位置

在這個項目晤談者問：「轉動把手旋轉藍色齒輪，則橘色和綠色小齒輪會 轉同一個方向嗎？為什麼呢？」這問題調查學童對一系列齒輪運動如何傳達 的概念，也提供一個機會診斷學童，當齒輪的相對位置改變時可能方向改變 的想法。Metz（1985）他發現學童有時候對齒輪注意到全部的結構外表比集 中在成對齒輪的連接更加注意。

項目 4： 小齒輪聯結大齒輪聯結小齒輪再連接小齒輪

這個問題包含了四個齒輪，調查學童當齒輪數目增加的時候，有關速度 和機構傳達的想法，同樣的晤談者問：「增加一個紅色齒輪，轉動把手時。橘 色齒輪轉動得會比綠色齒輪快、慢或者一樣的快慢？為什麼呢？」。

項目 5： 這是每一個是 2、3、4、5、6 個齒輪數聯結 的齒輪組合板。

在這個項目晤談者問：「當轉動每一個把手時，各個齒輪組合板轉動的情 形會怎麼樣呢？為什麼呢？」這問題調查學童對一系列齒輪運動何傳達的概 念，也提供一個機會診斷學童，一個物體不能同時向兩個方向運動的概念，

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這個也是本項目所強調的。

項目 6：修正帶 機構

在這個項目晤談者問：「當拉動修正帶的時候，裡面的大小齒輪轉動方向 如何呢？」「大小齒輪轉動次數如何呢？」「大小齒輪轉動的快慢如何呢？」

還有每一個項目問「為甚麼你這樣想呢？」這個問題提供探索學童是否對於 有功能性的齒輪結構，相關的方向、轉數和轉速等問題和無功能性的齒輪結 構有不同的概念。

項目 7：單一和數個齒輪傳動

直線和彎曲的齒輪排列傳動

在這個項目晤談者問：「當把手逐漸的轉慢到最後停止時，則綠色齒輪會 比紅齒輪先停止不動，還是兩個齒輪同時停止不動呢？為什麼呢？」這個問 題提供一個機會探索學童對於齒輪排列和齒輪數多寡是否影響齒輪聯結運動 的想法。

項目 8：反作用力

在這個項目晤談者問：「齒輪相接的地方是否有力量反推？」此問題探測 學童齒輪力量傳達概念是否有反作用力的想法呢？

項目 9： 大小齒輪吊重物

如圖一、二所示，當同吊一重物時大小齒輪，轉動把手時何者可以比較省力

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呢？這個項目在探查學童對力乘以施力臂決定力矩的概念。

項目 10：變速腳踏車

一個變速腳踏車齒輪操作解說對成年人而言也是一種挑戰。但是腳踏車可能 是一個學童唯一比較熟悉是齒輪驅動的機械，它可以提供學童的日常生活中有關 機械利益的經驗。同樣的變速腳踏車晤談項目中，首先詢問學童有關腳踏車前後 齒輪運動的方向、轉速、後輪胎轉動次數等。再問異動齒輪的目的「人們來到了

一個變速腳踏車齒輪操作解說對成年人而言也是一種挑戰。但是腳踏車可能 是一個學童唯一比較熟悉是齒輪驅動的機械，它可以提供學童的日常生活中有關 機械利益的經驗。同樣的變速腳踏車晤談項目中，首先詢問學童有關腳踏車前後 齒輪運動的方向、轉速、後輪胎轉動次數等。再問異動齒輪的目的「人們來到了