研究背景與動機

第一章 緒論

本研究旨在探討不同科學關係圖之教學、學生使用圖形之能力與密度概念理 解的關係，進而了解教學活動設計對學生在概念延宕測驗表現之影響。本章第一 節將以研究者過去教學實務的發現為基礎，說明本研究的背景與動機；第二節則 針對過去的研究發現與結果，提出本研究的重要性；第三節將引出本研究的主 軸，說明研究目的並提出四個研究問題；第四節為名詞釋義，針對本研究所採用 的名詞及其指涉的內容詳加說明；第五節則提出本研究結果推論的範圍與限制。

第一節 研究背景與動機

繪製關係圖是科學上常用來呈現數據的一種方式，有助於了解變數之間的關 係。「國民中小學九年一貫自然與生活科技學習領域課程綱要」的分段能力指標，

明確條列出「國中一至三年級的學生，應能夠由圖表、報告中解讀資料，並藉由 資料變化的趨勢了解其中蘊含的意義並且形成概念」；在認知層次方面，「學生應 能透過觀察、實驗或搜尋等科學探討的過程獲得資料，做變量與應變量之間相應 關係的研判」。針對國民中學自然科會考進行詴題分析，祈明輝（2014）發現近 幾年國家升學考詴的出題趨勢以科學的圖表題最為大宗。自然科詴題除了測驗學 生是否掌握課程基本內容、重要的科學知識與概念，另一方面則可看出學生是否 能從科學圖表中理解所學知識與概念，進而加以運用、比較和轉換。綜合以上所 述，可知建構與詮釋科學關係圖對中學生學習科學的重要性不容小覷，逐漸受到 重視。

然而從研究者日前任教的高雄某偏遠地區之公立國中的教學現場來看，學生 在科學關係圖的使用與理解，並不如教師所預期的流利。由於國中各領域課程的 規劃，數學科目在七年級會首次引入函數圖形的教學，而後關係圖才出現在八年 級的自然科當中。即使兩個學科都需要學生從圖形當中提取各種相關資訊，但相 較於數學的函數圖形，科學關係圖更需要學生進一步從給定的情境當中詮釋獲得

的資訊。再者，數學與科學具有完全不同的情境，學生未必能了解他們所學習的 概念可相互推論(Planinic, Milin-Sipus, Katic, Susac, & Ivanjek, 2012)。

八年級的自然課程為著重物理、化學的理化科目，結合了科學概念、實驗活 動、量化關係與科學圖表等內容，彼此環環相扣、相互呼應。「密度」概念更是 八年級生接觸理化課程的第一個量化單元，內容涉及了實驗活動、數據表格、關 係圖、科學公式及概念。過去自然科在國小階段的學習多以探索、活動為主，到 了國中的理化課程卻出現許多專有名詞與抽象的科學表徵，讓多數學生升上八年 級後，面對自然科課程的重大轉折感到相當挫折。不僅如此，研究者根據過去教 學的經驗，察覺部分學生係因受限於其建構及詮釋科學關係圖的能力，而未能將 科學領域中與關係圖相關之概念融會貫通，因而對科學學習感到困難。有鑑於學 生所具備使用科學圖形的能力(圖形技能)與概念理解之間，可能有著重要之影響 力，故圖形技能亦為本研究所關注的焦點之一。

許多科學背景的教師傾向使用圖形作為其社群溝通的第二語言。然而，角色 若轉換為學習者，學生要使用濃縮大量訊息的關係圖作為其學習科學的第二語言 之前，他們必頇先理解關係圖(Beichner, 1994)。因此，本研究認為身為科學教師，

應藉由關係圖幫助學生掌握科學變數間的意義。

基於上述原因，本研究欲嘗詴設計兩種不同科學關係圖之教學活動，結合國 中理化課程第一個量化單元─「密度」，盼能協助學生詮釋變數間的關係，除可 達到密度概念的理解外，亦能在教學後一段時間的延宕測驗中看見概念學習的成 效。未來更盼能提供教學實務之參考，協助中學生日後與關係圖相關科學概念的 單元學習。

第二節 研究重要性

近年來自然科學的升學考詴，圖表判斷題一直扮演著重要的角色，除掌握坐 標軸的意義、圖形的趨勢，並搭配題幹的文字敘述外，更需結合其中所包含的科 學 概 念 進 行 詮 釋 ， 挑 戰 了 許 多 中 學 生 對 該 詴 題 類 型 的 表 現 。 McDermott 、

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Rosenquist 與 Van Zee (1987) 指出繪製與詮釋圖形的精熟，對於發展科學當中許 多單元的理解極為重要。而 Wavering (1989) 更提及學生應該理解關係圖的原 因，在於作圖的過程中需要學生進行邏輯推理，是有助於分析變數間關係的一項 工具。因此，為協助學生掌握科學圖形中所包含的大量資訊，以提升其自圖形中 發展對科學概念的理解，身為科學教師的我們不得不重視學習者使用科學圖形能 力之重要性。

針對本研究所挑選的課程單元─「密度」，為國中階段自然領域理化課程首 次出現科學公式、實驗活動、表格、關係圖形，並涉及兩物理量之科學概念。觀 察一般課室中對該概念單元的教學，教師教授完「體積」與「質量」的課程後，

大多直接引入密度的定義與意涵、強調科學公式，並且透過質量、體積與密度的 公式關係呈現其關係圖趨勢，最後再帶領學生進行驗證式的實驗活動。而國內過 去對中學生進行有關密度概念之研究，亦多著重在了解國中學生密度概念的診斷 調查(李昌汶，1996；邱志堅，2009；莊緯彬，2002)。尌教學設計研究的部分，

顧炳宏、陳瓊森與溫媺純 (2011) 探討探究教學、引導發現式教學和食譜式實驗 教學，三種不同教學方式及對照傳統講述教學，對學生密度概念的學習成效有何 差異；洪素姿 (2012) 則結合學習環與三角架構表徵之原理設計密度概念的教學 活動，以了解學生的學習成效。國內與「密度」相關的研究，尚未從協助學生使 用科學圖形能力的觀點，了解密度概念中質量與體積兩變數之間的關係，增進其 面對理化課程第一個量化單元的學習。因此，本研究詴圖運用不同的教學設計，

思考透過科學關係圖進行概念教學的可能性。

由於本研究所強調中學生對於科學使用圖形能力的培養，該技能之根基主要 源自國中七年級階段數學科函數圖形課程的建立。類似的觀點，楊宗達 (2001) 針對國小生對數學「比值」與科學密度概念意義的了解進行研究，提出不單只有 科學的先備知識會影響學生對科學概念的學習，學生的數學能力亦會影響其學習 與解決自然科學概念的問題，因此主張用數學方法強化對科學概念的理解，但相 關研究並不多見。另一方面來看，學生過去對圖形有基本的了解，教師若能於概

念教學前直接讓學生從實驗活動中產生數據、整理數據，並形成科學關係圖形，

亦能發展學生有次序的科學推理過程(Wavering, 1989)。故本研究盼能提出藉由 進行關係圖形的教學活動，使學習者了解科學概念中變數之間的對應關係，有效 提升中學生對密度概念的理解。進而探討關係圖教學活動的設計、學生所具備之 圖形技能與科學概念學習的關係。

第三節 研究目的與問題

研究者根據過去文獻的發現與教學建議，設計出兩種不同科學關係圖之教學 活動，並結合國中八年級理化課程首章量化單元─「密度」作為本研究的概念主 題，欲探討不同科學關係圖之教學活動、圖形技能的差異與學生密度概念理解之 間的關係，更進一步了解教學活動的設計如何影響學生於延宕測驗的表現。兩教 學組別的設計，一為「數學表徵連結科學表徵教學組」，藉由協助學生建立數學 函數圖形與科學關係圖的連結，了解概念中變數間的關係，進而促進科學概念的 理解；二為「科學實作建構圖形教學組」，要求學生進行實驗活動的操作，從中 自行收集概念相關數據，完成關係圖的建構與並賦予其意義，逐步達到科學概念 的理解。兩教學設計所欲達成之目標，皆為讓學生自參與科學關係圖的建構出 發，使其了解關係圖當中所蘊含的意義，理解概念當中變數之間的關係，進而協 助學生理解科學概念。此外，本研究亦欲了解透過此教學活動，是否影響學生對 科學圖形建構與詮釋的圖形技能（graphing skills）。

根據上述研究目的，所欲探討的研究問題如下：

1. 比較數學表徵連結科學表徵及進行科學實作建構關係圖兩教學組別前後，對 學生密度概念的理解與圖形技能的表現有何影響？

2. 比較兩種不同的教學組別及學生原具備圖形技能的不同，對學生密度概念的 理解有何影響？

3. 比較兩種不同的教學組別及學生原具備圖形技能的不同，對學生教學後圖形 技能的表現有何影響？

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4. 比較兩種不同的教學組別及學生原具備圖形技能的不同，對學生概念延宕測 驗的表現有何影響？

第四節 名詞釋義

一、 科學表徵（scientific representation）

「表徵」廣義的定義即為概念化、視覺化或者物質化某一實體，至另一形式 的一系列轉換，可達到溝通的目的。本研究所提及的科學表徵，是根據 Lemke

（1998）針對物理科分析科學文本所提出的分類準則，並由 Tsui（2003）所修訂 的「符號─數學（symbolic-mathematical）」與「視覺─圖形（visual-graphical）」

的表徵（引自 Wu & Puntambekar, 2012），當中包含了前者的科學公式（formulas）， 及後者的數據表格（tables）與科學關係圖（graphs），本研究係以關係圖之教學 做為研究的主軸。

二、 關係圖（graphs）

關係圖是科學上用來呈現數據的一種工具，有助於分析變數之間的關係。在 國中學習科學的階段，多使用數學科之「線型函數圖形（line graphs）」建構變數

關係圖是科學上用來呈現數據的一種工具，有助於分析變數之間的關係。在 國中學習科學的階段，多使用數學科之「線型函數圖形（line graphs）」建構變數