本研究根據不同研究主題而採用不同的研究設計，因此整個研究內容採用質 量並行的方式進行。Mertler 與 Charles (2008)指出此類多重資料混合方式的研究 (Mixed-Methods Research)可分為解釋性(explanatory)設計、探索式(exploratory)設 計及三角校正(triangulation)設計。這些設計最大的差異在於對不同類型資料的相 對權重，將各方式分述於下：(1)解釋性設計為最常見的混合研究設計方法，通 常研究者首先收集量的資料，再收集質性資料以支持、解釋或精緻化量的資料；
(2)探索式設計首先考察關注的主題以獲得質性資料，再輔以量的資料解釋質性 資料間的關係。通常包含對現象的探索及主題的辨識(質性資料)，及伴隨研究工
研究主題一：概念實徵調查
跨年級物質三態概念調查 物質三態變化問卷研發
跨年級心智模式 與認知特徵發生頻率
研究主題三：科學教科書分析
概念發展點分類與組織
概念教學進程表 課程大綱分析
研究主題二：概念演化樹分析 文獻分析定義心智
模式與認知特徵
系統發育分類學方法
概念演化樹
研究主題四：理論建構與教學
物質三態變化實驗教學研究 建立概念發展路徑假說
具的發展和後續收集額外的資料(量的資料)，因此研究結論不只是研究者所相信
研究主題二：物質三態變化概念演化樹
此研究方向為建立文獻中物質三態變化心智模式發展歷程，並透過跨年級學 生認知特徵頻率的調查進行檢驗及效化。因此以三角校正混合設計進行，同時進 行質性資料及量的資料收集，並確認兩類資料是否趨於相同且指出相同的研究結 論。質性資料方面，參考微觀粒子的相關研究文獻，找出文獻中常見的物質三態 變化心智模式，並配合教科書分析後的概念發展點，相互驗證後找出合適的認知 特徵及狀態進行心智模式編碼。將此編碼的組合輸入 PAUP* 4.0，建立物質三態 變化概念演化假說樹。
研究主題三：教科書分析
此研究內容為找出不同版本科學教科書的物質三態變化概念發展點，建立概 念教學進程表以利後續之分析比較。因此以探索式混合設計進行研究，先收集質 性資料開始後再輔以量的資料，教科書分析的選樣方面以我國九十九學年度現行 的教科書為主。不同版本教科書的質性資料收集方面，以物質三態變化相關的單 元為主，將課文的內容及圖例說明作分類，建立教學內容結構圖，並訂立合適跨 年級及跨版本的編碼系統；在量的資料方法，根據上述的編碼系統將教科書內容 作編碼，並進行不同版本教科書的比較。
研究主題四：粒子本質導向之物質三態變化二階段教學
「粒子本質導向之物質三態變化二階段教學」運用前述三種研究方法的研 究結果安排合適之教學活動，藉此探討粒子本質概念對學生後續學習物質三態變 化的影響，因此採用解釋性研究設計，比較有無粒子本質概念的兩種教學序列對 學生學習是否產生顯著差異，並輔以相關的質性資料詮釋研究結果。在研究結果 一、二及三可瞭解微觀粒子概念對於學生化學學習有相當大的影響，研究者將教 學分為兩階段以符合認知發展路徑設計教學，首先安排前置的教學活動，先幫助 學生建立微觀粒子的概念，使學生熟悉後續教學活動中以粒子運動為主軸的物質 三態變化教學活動。實驗設計採用多因子準實驗設計，包含「粒子本質教學(角 色扮演)」或「巨觀三態物質教學(一般講述)」兩組及「物質三態變化教學(分為
角色扮演及一般講述法兩組)」兩個教學上的自變項，多因子準實驗設計除了可
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教師與學生進行學習活動時的示範動作與實際操作。
由表 3-2-1 可知實驗進行的流程依序包含前測、進入實驗教學活動、後測(含 訪談)與延宕測
(1)前測：包含「粒子本質暨物質三態變化問卷」與「自然科學習動機問卷」兩 份問卷。
(2)實驗教學活動：進行「粒子本質導向之物質三態變化二階段教學」，實驗設計 包含第一階段：粒子本質教學及巨觀三態物質教學；第二階段：物質三態變化教 學(角色扮演及一般教學)。
(3)後測(含訪談)：包含「粒子本質暨物質三態變化問卷」與「自然科學習動機問 卷」兩份問卷，並進行教學後的訪談，為進一步確認學生是否瞭解粒子運動的特 性，本研究以不同大小的黑色圓點代表微觀粒子，讓學生以操作的方式進行物質 三態變化的說明。
(4)延宕測：包含粒子本質暨物質三態變化問卷，因教學活動為學期末進行，因 此延宕測的時間為學生寒假結束後的開學第一周，施測時間為後測後一個月。
在各階段的目的方面，實驗教學前研究對象先進行前測，以確認學生進入教 學前之物質三態變化概念狀態。而教學活動將分為兩個階段：第一階段實驗組一 及實驗組二以角色扮演的方式進行粒子本質教學，而實驗組三及對照組進行巨觀 三態變化教學，藉此可建立兩組學生不同的概念發展點。後續的教學活動中實驗 組一及實驗組三將進行角色扮演的物質三態教學，而實驗組二及對照組將進行一 般課堂中所使用的教學活動。教學後所有學生將進行後測，瞭解學生教學後物質 三態變化的概念，及探討有無微觀粒子本質概念對學生學習的影響。為進一步瞭 瞭教學對研究對象的概念延續與維持度，將於教學結束後一個月進行延宕測。
本研究之第一階段教學包含粒子本質教學及巨觀三態物質教學兩種，主要的 區別在於粒子本質教學以微觀觀點進行水的三態變化教學，如粒子的運動，教學 方式採用角色扮演的方式進行，教學大綱及教學流程參考附錄八及附錄九；而巨 觀三態物質教學以巨觀觀點的能量轉換進行教學，如水循環，教學大綱及教學流
程參考附錄十二及附錄十三。由第一階段的教學建立學生不同的概念發展點，以 瞭解概念發展點對後續學習的影響；其次，第二階段之物質三態變化教學兩種不 同教學的概念內容相同，但二組使用角色扮演而另外二組使用一般講述法，教學 大綱及教學流程參考附錄十、附錄十一及附錄十四。