研究發展與設計

根據研究問題，本研究利用POE設計出前預測（P）、觀察（O）、

解釋（E）以及再預測（RP）的推理實驗，採用晤談的方式、蒐集學生 在本實驗所產生的概念，以及所使用的推理技巧，最後探討學童概念的 改變。整個活動設計是依照初探研究的發現逐步修訂而成，以下介紹研 究工具的發展過程。

一、月相類比模型

（一）製作月相類比模型要考慮的幾個因素 1.空間要暗

為了讓學生很明顯就可以看到模擬月亮的形狀，整個空間遮光要很 好，最好是完全無光，視聽教室的環境很恰當。然視聽教室不可能作為 長期晤談的地方，所以研究者在教具室裡用木板釘了一個大約二坪大的 空間，並在四周貼上黑色壁報紙，減少反光，使得暗的部分（沒有照光）

2.替代太陽的燈光

嘗試了燈泡、日光燈、鹵素燈、甚至設想從屋外反射太陽光進來，

然因為太陽位置會改變，於是作罷，最後採用投影機。雖然投影機投射 出來的燈光不是平行光，還是有些角度，但照到小球上的面積與平行光 類似，且比其他光源明顯及方便，而且使用學生熟悉的東西來設計推理 實驗，學生比較能和舊經驗配合。

3.燈光強弱

投影機投射出來的燈光很強，使得整個暗室發亮，於是利用調光器 將光源減弱，調到適當的位置，配合黑色的汽車隔熱紙和黑色壁報紙，

阻擋其他不需要的光線，只讓一道面紙盒寬的光束射出，製造出明暗的 明顯對比。

4.月亮繞地球轉

為了讓月形明顯，在不同保麗龍球上噴上黑色、白色油漆、淡黃色 螢光漆、及淡黃色夜光漆來測試。結果發現螢光漆在燈關掉之後整顆球 繼續發亮，不能使用，而淡黃色夜光漆的效果最好，微弱的光源便會產 生亮光。

為了讓每位學生看到的月形一致，於是在天花板上的七個位置固定 七個掛勾，每個掛勾吊一顆保麗龍球，如此一來燈光及保麗龍球的位置 便可固定。

5.地球自轉

研究初期讓學生坐在旋轉椅上面，模擬地球自轉，然在初探時發 現：很多學生在同一個地方觀察到的形狀有出入，甚至頭稍微偏一點，

形狀就不一樣。於是改成人坐在椅子上，前面固定一台相機，讓學生透 過相機來觀察，如此一來，不但解決地球會晃動的困擾，而且讓學生在 觀景窗上觀察，更能距焦，甚至可以將觀察到的現象拍下來，省去觀察 紀錄的時間，最後研究者將學生所拍的照片送給他當紀念。

6.大小及距離

因為投影機不是平行光的關係，而是有點發散，若整個模型越大效 果越差，所以觀察者和保麗龍球的距離盡量縮短，因此保麗龍球不能太 大。所以本實驗並沒有依照地球、月亮及太陽真實的大小，以及地球和 月亮及太陽之間真實的距離等比例縮小。

（二）月亮類比模型設計過程

因為投影機並非完全的平行光，若整個模型越大則效果越差，故將 相機置於中間，盡量縮短相機和球的距離，並將掛球的高度固定，使得 相機旋轉一圈都可以照到球，裝置如圖 3-1 所示：

為了讓相機照出來的影像與月形相似，嘗試了各種的漆料，最後發 現，淡黃色螢光塗料，比沒有塗料時，效果好很多。然而一開始使用油 漆，發現油漆會腐蝕寶麗龍球，產生一個個的洞，最後改用噴漆，就解 決了此問題。有塗螢光漆和沒有塗漆的結果如圖 3-2 所示：

圖 3-1 初探初期實驗現場照片

然而除了塗漆是影響因素之外，燈光的強弱也會影響形狀是否明 顯，於是使用燈光明暗調節器，裝置於投影機的前面，太亮時，反射多，

陰影不明顯；太暗時，相機又無法對焦，所以，經過多次測試、終於找 到適合的亮度。燈光由亮到暗的所照到的情形如圖 3-3 所示：

調整好了距離和高度、選擇了螢光塗漆、找到了適合的亮度，配合 完全的遮光，整個實驗裝置已初步完成，不管從相機或是肉眼，亮和暗 的對比已經很明顯。現場情況如下圖 3-4 所示：

圖 3-4 關燈後的現場照片

圖 3-3 燈光由亮到暗（由左至右）拍攝到的照片

圖 3-2 有塗螢光漆（左）和沒有塗漆（右）拍攝到的照片

於是將每個位置的形狀拍下來，如圖 3-5 所示：

接著以這個實驗裝置，開始展開初探的晤談。因為相機和人是分開 的，初探時發現「站的位置不同，看的角度也不一樣」，經過和指導教 授及其他研究生討論，決定將人和相機一起固定在中間，然後將球到中 心點的距離稍微加大，以便容納人與相機，於是相機和人的旋轉椅終於 產生了。

實驗室內好的遮光，是為了讓實驗更清楚，結果更明顯，讓學生容 易觀察。然而若是要讓學生在裡面直接預測，裡面沒有燈光根本無法畫 圖，所以在四周圍加裝 60 燭光的燈泡，讓光源均勻照射在實驗室內，

如此一來，保麗龍球才不至於在還沒做實驗時產生陰影，使得學生在預 測時有可參考的依據。

最後的實驗裝置如圖 3-6 所示。從照片中可看出對面 1、2、3 此三 顆球幾乎都是被投影機照到右半部，可見得光線近似平行。

圖 3-5 七個不同位置用相機拍下的照片

根據學生的晤談資料，審視研究問題，和指導教授以及兩位研究生 一起討論，修改實驗設計。整個推理實驗設計圖從上面往下看，如圖 3-7 所示。

二、POE 活動設計

初探研究發現，實驗過一次之後，下次的預測，似乎不是學生原始 的先前槪念。實驗的順序不管是依照順序或是抽籤，只要學生做過一次 實驗之後，第二次的預測似乎比較正確了，然而以POE的設計理念，所 謂預測(Predict)是學生運用其原有的知識去預測一個事件的結果，以 此觀點，原有的知識會因為實驗而有所改變，經由指導教授的指導，在 實驗之前，要先蒐集學生對七個位置的先前槪念及理由。

本研究所採用的月相類比模型有七個小實驗，學生在尚未做實驗之 圖 3-6 改良後實驗現場照片

2 1

6 4

5 7 3

燈光

圖 3-7 推理實驗設計圖

前可以利用已知的知識針對七個位置做解釋與推理，進行預測，是屬於

「P-預測」階段；開始進行第一次實驗，提醒學童觀察重點，是屬於「O-觀察」階段；最後是「E-解釋」階段，研究者會鼓勵學童多方思考、應 用所學，提出合理的解釋。經過了一次實驗，學生可能產生了新的知識 與想法，所以進行第二次實驗前，給學生再預測的機會，藉此觀察學生 是否因為新的知識而產生不同的推理，這是屬於「RP-再預測」階段；

接著進行觀察與解釋。除了第一次實驗不會進行再預測之外，整個「再 預測－觀察－解釋」的流程重複進行六次。

三、晤談大綱

在初探之前，針對月亮形狀的槪念，結合實驗設計，設計出學習單，

先行給其他班級做預試，期待能了解設計上的問題。在此次的學習單 中，只測出學生對不同形狀，所在位置的預測。結果發現學生習寫的過 程中，常會問：「是什麼意思？不太了解？」研究者必須搬出投影機和 球加以解說，學生才能了解，心中產生了疑惑：「到底是學生不瞭解實 驗裝置？還是真的預測錯誤呢？」因為三度空間的問題學生很難理解，

容易造成學生誤解或是猜測，而且學生可能因為表達能力的侷限，而無 法將自己的想法完整寫出，所以本研究採取晤談的方式來探究學生真正 的想法。

研究者參考POE實施方式及White和Gunstone (1992b)提出的晤談 技巧，設計半結構晤談大綱，並請兩位資深科學教師與指導教授審查、

討論並修改之，以建立專家效度，如附錄三。配合晤談大綱，研究者針 對整個推理實驗流程繪製成晤談摘要紀錄表，如附錄四，逐一核對，檢 查是否一一完成晤談。

本研究所需的晤談器材有：月相模型、暗室、繪圖紙、畫筆、月亮 照片圖形以及錄影設備，在晤談實施過程中全程錄影，以供研究者分析

資料之用。每位學生晤談時間約30至40分鐘，研究者必須學習晤談的技 巧，才能有效的得到學生的想法，而非學生回答研究者想聽到的答案。

研究者於晤談中會儘量讓學生表達自己的想法，若學生毫無想法，研究 者會引導學生，例如：和光有關嗎？和學過的有關嗎？研究者盡量引發 學生心中的想法。

研究者在初探時發現，學生常常把現象的描述當作理由解釋，若研 究者沒有再追問，則最後呈現出來的資料裡面，可能會少了理由，所以 當學生把現象的描述當作理由解釋時必須再追問：你是如何判斷或知道 的？為什麼會這樣？你這樣的想法是從哪裡來？有沒有其他的想法？

若最後真的沒有理由也不必勉強。

四、活動單

針對研究者心中產生的疑惑：「到底是學生不瞭解實驗裝置？還是 真的預測錯誤呢？」於是將適合全班施測的學習單改成個別的晤談紀 錄，讓學生真正看到實驗裝置。經過研究者的解說，並允許學生發問之 後再去預測，如此學生對所要預測的事件可能比較清楚些。

以個別的晤談紀錄在初探時產生了方向的問題，許多學生在5號位 置、6號位置以及7號位置的晤談紀錄和實際觀察時的方位左右相反。例 如：6號位置應該是畫亮左邊一半，但若將左邊的半圓畫在個別的晤談 紀錄上便會造成方向相反，由於設計上的疏忽，造成學生有點矛盾。

和指導教授討論之後，決定打破整體的晤談紀錄，而採用一個位置 一張活動單，並且在實驗室內完成，而不要離開實驗室，避免方向感的

和指導教授討論之後，決定打破整體的晤談紀錄，而採用一個位置 一張活動單，並且在實驗室內完成，而不要離開實驗室，避免方向感的