第三章 研究方法
第一節 研究發展與設計
一、活動單設計
（一）前觀察活動單- 單色透明壓克力板觀察（附錄一）
活動一前觀察階段的主要目的在瞭解學生對於物體呈色及色光的概念，也作 為活動二色光混合POE 活動進行推理的依據。設計過程除了參考王玉龍（2006）
「以POE 策略探究國小六年級學生之色光概念及概念改變歷程」中所使用的活 動單，研究者再根據本研究的主要目的加以修改。為了方便讓學生對光線經過不 同顏色之透明壓克力板的結果，進行比對，故將每次的觀察記錄統整於同一表 格。此外，為了瞭解學生對於色光的概念，分析初探晤談之資料後，發現於觀察 後進行色光概念的晤談，學生未能將觀察活動與所提之問題作連結，因此將活動 一的內容稍加修正，在觀察活動進行之前，研究者先針對學生的色光概念提問，
例如：紅色的物體為什麼看起來是紅色？先瞭解學生對於物體顏色與光的關係之 概念，而觀察活動後再次提問：紅色透明壓克力板為何呈現紅色，藉此瞭解觀察 活動對學生之物體呈色概念是否產生影響？而學生本身對於先前概念與觀察結 果能否做比對，反思概念有否衝突，並做適當之推理。
（二）大學生色光混合概念POE 活動單（附錄二）
活動二混合色光POE 活動單之設計，將不同顏色透明壓克力板之組合分為五 組，根據POE 策略之步驟（預測-觀察-解釋），依序進行。從活動中，學生提出 預測的理由，及實際觀察後，對於預測與觀察結果不一致的解釋說明，可以瞭解 學生推理的依據，與其過程中是否修正或更改，學生最後能否歸納出推理的原則。
二、活動裝置
（一）原理說明
CD 上的資料是儲存在間距為 1.6μm 的資料軌上，如圖 3-1-1 所示。這個間 距大小僅是可見光波長的數倍而已。狹窄的間距使CD 如同一反射光柵般，能反 射出耀眼動人的色彩。
圖3-1-1 CD 光碟表面資料儲存示意圖
(圖 3-1-1 引自 http://www.vulgarisation-informatique.com/graveur.php)
當光線垂直照射在CD 資料面上，如圖 3-1-2 所示，所有資料軌上記錄資料 的凹槽，同時被光線所照射。每一凹槽將不同波長的光波分別從各個方向反射出 去，而最後所看到的，則是所有不同波長的光波組合而成的光譜。
l = D sin(α)
α α
D
凹槽
A B
圖3-1-2 光線在 CD 光碟表面的反射情形
假設在同一波長下，從左側凹槽反射出的光波會較落後於右側凹槽所反射出 的光波，因為左側的行進路徑較右側多了
l = D sin(α)的距離。如果 l 等於 1.5 倍
波長（或奇數倍），那麼光波A 的波峰和光波 B 的波谷剛好重疊，則這兩個光波 會互相抵銷。但是如果l 等於全波長的倍數，則光波 A 和光波 B 無相位差的重疊，
在這個方向上就可看到具有此波長的明亮色光。因為CD 每一資料軌上凹槽的分 佈都是相同的間距，故所有的凹槽能同時發揮光波互相抵銷或互相重疊的效果。
當
l 等於一倍波長λ時，所得到的光譜為一階光譜。同樣地，當 l 等於二倍波長
2λ時，則稱之為二階光譜，以此類推。因此可利用CD 光碟做為繞射光柵，做一簡 易光譜儀。光波反射的角度α和光波波長λ的關係式為：
sin(α)＝nλ/ D ……….（公式一）
n : 階數
D：資料軌間距
由公式一可推得可見光譜中各色光波長和反射角度的關係如表3-1-1：
表3-1-1 色光波長與反射角關係表
顏色 波長λ(nm) 反射角 α
紅 650 24
橙 600 22
黃 575 21
綠 550 20
藍綠 500 18.5
藍 450 16.3
紫 400 14.5
實際應用上，光線與CD 光碟表面有一入射角β，因此公式一必須修正為 nλ= D ( sin(α+β) - sin(β) ) ……….（公式二）
β
=光線入射角
其入射光線、CD 光柵和各光譜間的關係如圖 3-1-3 所示:
β
α α' αβ 入射光線 狹縫
光柵 α'
圖3-1-3 入射光線、CD 光柵和各光譜間的關係圖
（二）實驗裝置發展過程
本研究所使用的CD光譜儀，主要是參考游大立（2006）發表於科學教育 月刊「簡易摺紙光譜儀」，為符合本研究之需要，將其部分構造加以修改，說明 如下：
1.因狹縫越小，解析度越好，但是入射光量就變少，故將入口狹縫大小作 適當調整，以求產生色散效果清晰為原則。
2.為配合本研究之活動，於入口狹縫前增加放置透明壓克力色板之板槽，
以便更換壓克力板。
3.為了使入射光線具有較好的平行效果，將入口狹縫與CD光柵之距離加長。
4.為防止狹縫以外的雜光影響觀察，在觀察視窗上黏上黑色遮光紙筒。
5.為了使入射光源與入口狹縫容易平行擺設，將簡易光譜儀擺放角度稍加 調整，並加一支架協助固定。
修改後之光譜儀及操作情形如圖3-1-4。
圖3-1-4 本研究之裝置-簡易 CD 光譜儀
本研究之研究對象為大學自然科學相關學系三、四年級之學生，其在國小、
國中、高中、大一都修習過光學相關課程。
初探研究時先選擇二位非正式施測之學生，以設計好之POE 活動，透過實 際的晤談（每位約三十分鐘），以瞭解學生的相關概念，及對色光混合結果之推 理情形，作為活動設計修改之依據。
正式研究之樣本選取，因受人力、物力及時間等因素之限制，為使研究能順 利進行，採方便取樣的方式，以研究者就讀學校之大學部學生，徵尋自願受訪之 學生。為不影響學生上課，利用學生課餘時間，進行個別晤談。