第一節 研究背景與研究動機
有別於自然界中的物質、能量，力是一種完全抽象的交互作用，只能從物體的形 狀或運動狀態改變來判斷是否有受到力的影響。Hestenes、Wells 與 Swackhamer (1992)認為，學生常在學習力學概念時遇到困難，主要原因是因為：學生對於「力」與
「運動」的概念往往跟正確的牛頓力學的概念不相容。加上力與運動單元包含了數個 易混淆的物理量，如：位置、速度、加速度、力、運動方向，學生很容易將這些概念 及其定義混淆在一起，影響力的概念的學習。
在力的學習過程中，力圖分析(free-body diagrams)是很重要的工具，透過描繪力圖 可將抽象的力具體化，利用箭頭和線條長度來代表力的方向和大小，可以清楚分析物 體的受力情形。Turner (2003)認為，在教學現場中，有經驗的物理老師都會期望學生能 夠獨立繪製出力圖，因為可以清楚分析物體所受到的每個作用力，進而列出適當的等 式用以解題，但學生往往在繪製力圖時，無法確切地找出受力的情形。Heckler (2010) 則認為，很多時候學生在遵循正統描繪力圖的方式解題時容易畫出一些不正確的力，
導致不容易用力圖的方式正確答題，使得學生寧願採用自己直觀且容易成功的方法解 題。
究竟為何大多數的學生無法正確繪製出力圖，Whiteley (1996)發現，即使是簡單的 等速度運動或斜向拋射的最高點，由於迷思概念的緣故，學生仍無法正確的畫出力 圖。蔡興國、陳錦章與張惠博(2010)發現，學生具有力的迷思概念，諸如將「運動」與
「力」混淆，或將力誤認為「實體」而非一「交互作用」，因此造成學生在繪製力圖上 的困難。由文獻可知，牛頓力學的迷思概念對力圖的描繪具有一定程度的影響力。但 究竟是哪些迷思概念，又如何影響學生描繪力圖，則不得而知。
國中教材中，只有八年級下學期靜力學的單元有針對力圖做介紹，但教材中並未 針對力圖描繪做進一步的探討及練習。九年級的「力與運動」單元，除了介紹牛頓三
大運動定律，則完全沒有對力圖分析著墨。高一則只有在摩擦力單元，會運用力圖分 析作為工具，且僅針對水平運動做練習。直到高二自然組，學生才會開始面對大量有 關二維空間的力圖分析問題，一下子要面對多且雜的力圖分析問題，學生當然會無所 適從。
既然八年級的學生就已經對力圖及向量疊加有基本認識。九年級又學完牛頓力學 的基礎概念。是不是能讓學生從九年級就練習畫二維空間的力圖？若九年級學生已具 備描繪力圖的所有能力，則是不是能調整九年級理化跟高中物理教材？讓學生提早接 受描繪力圖的訓練，使得高二學生在面對力圖分析的題目時，由於已具備描繪力圖的 能力，只需要處理列式和三角函數的問題即可。
若九年級的學生仍無法正確畫出力圖，則是什麼原因導致他們無法正確描繪出力 圖呢？Halloun 與 Hestenes (1985)指出，由於力學迷思概念的影響，導致傳統教學無法 發揮功用，嚴重影響學生於牛頓力學的學習。因此我們合理懷疑是力學迷思概念的影 響，使得學生無法畫出正確的力圖。究竟是哪些力學迷思概念可能會影響九年級學生 畫力圖的表現，又如何影響？若能弄清這些問題，就能使教師在針對九年級設計與力 圖分析相關的教學活動及練習時，能有參考依據，對學生容易產生迷思概念的地方多 加注意。
第二節 研究目的
本研究欲探討九年級的學生在學習牛頓三大運動定律後，是否已具備力圖描繪的 能力，能否確實將牛頓三大運動定律的概念確實應用在力圖描繪上，畫出正確的力 圖。研究結果可供未來國中九年級教師在教授「力與運動」單元時做參考，視情形調 整教材內容，使學生具備力圖分析的能力，讓學生能順利與高中物理課程做銜接。
學生在描繪力圖時究竟會有哪些容易犯下的錯誤？這些概念是由於牛頓力學的迷 思所造成？還是因為對於速度、加速度、運動方向及力的概念混淆所造成？或是有其 他因素所影響？這是本研究想釐清的問題。
本研究主要在探討迷思概念與學生描繪力圖能力之間的關聯性，藉由 Hestenes 等
人 (1992)所設計的 Force Concept Inventory (FCI)找出學生所持有的迷思概念，再跟學 生所描繪的力圖進行比較，企圖找出影響甚鉅的迷思概念，以便於在與描繪力圖相關 的教學設計時，針對該概念調整教學內容，以利學生學習。
第三節 研究問題
本研究目的在於瞭解中學生持有迷思概念與其力圖描繪的關係，根據研究目的，
訂出以下研究問題：
一、 九年級學生持有之牛頓力學迷思概念的類型與分佈情況為何？
二、 持有不同迷思概念類型的學生，其力圖分析的解題模式為何？
第四節 名詞釋義
一、力圖
一般力圖又稱為自由物體圖(Free Body Diagram)，將物體視為一個質點，用箭頭表 徵物體的受力情形，箭頭的尾部代表物體上的施力點，箭頭的長度代表作用力的大 小，箭頭的方向代表施力的方向。本研究採用的定義為蔡興國、張惠博與陳錦章(2011) 對於力圖的定義：以箭頭的長度表徵作用力的大小、箭頭的方向則表徵為作用力的方 向，但改用箭頭的尾部或箭頭的箭矢與物體接觸處，均可表徵為作用力作用在物體上 的施力點。
二、力學迷思
本研究根據Hestenes 等人 (1992)的分類法並稍作修改，將力學迷思分為五大類運
動學迷思、衝力、主動力、作用力與反作用力、其它力的迷思。以下逐一針對各類迷 思做詳細解說：
(一) 運動學迷思(Kinematics)
部分學生對於運動的概念是模糊且未分化的，這類學生無法分辨位移、速度、
加速度的區別，也無法理解速度、加速度這兩種向量其本質上的意義。
(二) 衝力迷思(Impetus)
學生認為欲使物體運動，則需施加「衝力」使其維持運動狀態，且「衝力」會 逐漸消失，導致物體開始減速甚至停止，這類與科學概念不同的想法，我們稱 之為「衝力迷思」。
(三) 主動力迷思(Active force)
學生認為只有生命或會產生動作的物體，才能產生作用力或衝力，並將之傳遞 給其他物體。
(四) 作用力與反作用力迷思(Action/Reaction pairs)
學生認為作用力和反作用力是使物體靜止的原因，或認為體積、質量較大、較 為主動的一方在碰撞時會產生較大的作用力，這類的迷思稱為「作用力與反作 用力迷思」。
(五) 其它力的迷思
不屬於前四類的力學迷思，而是學生因特定種類的作用力(如離心力、阻抗、
重力)而產生的迷思。
此研究所指之力學迷思，為根據學生填寫FCI 試卷時的作答選項，若該選項有與之相 對應的力學迷思，則稱該學生具有此類力學迷思。
三、解題特徵
本研究所指之解題特徵，為根據學生在進行力圖分析時，可觀察到的具體行為
四、晤談(interview)
本研究的晤談指的是一種蒐集資料的方法，為了瞭解學生在作答時背後的想法，
晤談者以開放式的問答，讓學生回答問題，不論學生的想法是對是錯，直到能了解學 生的想法為止。
第五節 研究限制
本研究受到人力、物力與時間因素考量，研究可推論的範圍是有所限制的，描述 如下：
一、 研究對象的限制
本研究的對象僅限北部地區公立國中的九年級學生，其他地區的學生，因其學習 背景、城鄉差異有所不同，可能在各種迷思的分布比例上不盡相同，不宜過度引申。
二、 研究工具的限制
本研究中「力圖分析評量」的題目設計，多為文獻中所提，學生易犯錯的力圖。
但此類力圖在學校的練習題中也頗為常見，因此學生有可能做過類似的題目，僅憑印 象回答問題。研究進行的時間為九年級下學期第一次段考後，清明連假前夕(2018 年 4 月初)，距離學生學習力學單元(九年級上學期第二次段考，2017 年 11 月底)時間間隔為
四個月。研究進行前並未幫學生進行力學概念的複習，直接檢測學生對於牛頓力學的 迷思及力圖分析的能力。
本研究採用FCI 作為檢測學生迷思概念的工具，僅為 29 題的單選題，無法涵蓋所 有的力學迷思概念，且部分選項同時對應到兩種以上的迷思概念，無法精準的判斷學 生具有的迷思概念，需於晤談中做進一步做釐清，才有辦法確認學生所具有的迷思概 念為何。
本研究僅著重於迷思概念與力圖描繪能力之間的關聯性，並未涉及概念改變方面 的研究。