重力相關研究

「地球引力」，「地心引力」，「重力」及「萬有引力」等四個名詞在中文 裡雖然其名稱不同，但是其概念意義範疇的內在表徵是相同的，誠如在第貳 章第二節概念學習中所介紹的，因學習階段的不同，故所學習的概念名稱不 同，而且在不同的情境時，亦會選擇最常用的名稱，例如，「物體會向下掉 落，是受到了『地心引力』的作用」，「既然月球受有來自地球『重力』的吸 引，它為什麼不會直接撞上地球呢？」，「…大量塵埃從彗星本體脫落，這些塵 埃受到『地球引力』而墜入大氣層…」，「地球繞著太陽運行是因『萬有引力』

作用…」等。

本研究中的「重力」特指地球或月球對物體的吸引力。物體在地球上所 受的吸引力，在國中課本上習用地球引力（英文或可稱為 attractional force of the Earth）的名稱。物體在月球上所受的吸引力，可以月球引力（attractional force of the Moon）稱之。其實，任何兩物體間都有這一引力，學術界稱之為 萬有引力（universal gravitation）。

底下，將介紹國內外有關重力的相關概念的研究報告。在國外研究報告 中，最早研究兒童地球引力相關概念的是 Nassbaum ＆ Novak（1976）發表 的文獻，作者以結構式臨床晤談方式，研究紐約 26 名二年級兒童對地球引 力概念階層的分佈。發現二年級兒童在地球引力概念階層（參閱圖 2-5-1）的 分佈中，缺乏地球引力的概念；Nassbaum（1979）又以更廣泛的年齡層，研 究以色列都市與鄉村四至八年級共計 24 名兒童有關地球引力的概念發展，

結果在這些兒童身上仍可發現地球引力概念性的分佈，從自我中心觀念到更 具概念性觀念會隨著年齡的增加而轉變。其中超過 50％的四年級學生沒有地 球引力的概念，五、六年級從沒有地球引力概念到存有地球引力概念的階層 都有人數的分佈，七、八年級則超過一半的人數有地球引力的概念。

圖2-5-1 紐約二年級兒童對地球引力概念階層的分佈圖（箭頭的方向，即兒童認為地球引 力的方向）（引自 Nussbaum & Novak ，1976）

Mali & Howe（1979）研究尼泊爾共 254 名八歲、十歲、十二歲等三個 年齡層的學生，研究發現尼泊爾十二歲的學生類似於美國國小二年級學生，

缺乏及不了解地球引力概念。Stead ＆ Osbone（1980）研究紐西蘭一年級至 七年級共 42 名學生對地球引力的另有概念，結果發現學生認為地球引力是 一種支持力、拉力及推力，無法區別重量及地球引力的關係，並認為自由落 體是自然現象與地球引力無關，且有部分學生認為地球引力可使鳥類飛翔是 屬於向上的力，亦有學生認為在水中地球引力是不存在的，地球引力在大氣 層頂端是最強的，地球引力是來自於空氣的一種吸引力，有些學生則認為月 球是沒有吸引力的，地球引力的來源是與地球的旋轉有關。

Watts & Zylbersztajn（1981）針對倫敦十四歲 125 名學生研究重力的相 關概念，結果發現 80％的學生認為月球沒有力存在，因為沒有大氣或地球引 力的緣故。Gunstone ＆ White（1981）研究澳洲 Monash 大學 468 名物理系 一年級學生，在有關重力概念的八個不同情境的事例中，做觀察與預測。研 究結果發現（1）學生認為重物比輕物下落得快，（2）學生知道很多物理學 知識，但是無法與每天的世界產生相關聯的連結。例如在高度與重力場強度 的關係，摩擦力與空氣阻力常會判斷錯誤，（3）學生會用數學式來解釋並預 測現象，雖然有物理學知識做為支持但是常在特定的情境中觀察不完全，（4）

缺乏解釋預測的能力。直覺的反應常勝於理性的評估，（5）當問到他們看到

地球平板狀無 宇宙空間概念

地球是圓的 略具宇宙空間概念

概念一

概念二

概念三

概念四

概念五

Watts（1982）以事例晤談倫敦中等學校的一年級至六年級的學生。研究 發現學生持有地球引力的另有概念如:地球引力需靠介質的傳遞、沒有空氣 的地方就沒有地球引力、地球引力會隨著高度而增加、地球引力是固定不變 的、當物體下落時，地球引力開始作用直到物體靜止為止、地球引力是一個 很大的力、地球引力的作用對象是有選擇性的，及地球引力不是重量等。該 研究並發現即使成績優異的兒童對地球引力亦可能存有另有概念。

Nussbaum & Dagan（1983）研究以色列 114 名國小二年級學生，研究結 果發現國小二年級學生經過錄音帶家教課程後（Audio-tutorial lessons；AT），

約有 50％達到概念改變。而且二年級學生經過錄音帶家教課程的教學後，可 達到未正式學習過地球引力課程的四年級學生程度。故二年級學生可以進行 有如天體地球的抽象概念的學習。Pulos & Sneider（1983）晤談美國舊金山 三至八年級 159 名兒童有關地球形狀和地球引力的相關概念。並指出「實體 -文化」概念的觀點，認為兒童對地球形狀和地球引力的概念是「兒童對現 實世界中事物的自我想法」及「由成人處所得到的訊息」兩者所產生的概念 同化及調和。該文作者的論點有如Vosniadou（1994）所指出的兒童在解釋 現象時，是以日常生活經驗的觀察為主，而且不受成人科學模式影響所表徵 出的現象模式，及當兒童察覺成人與自己對同一現象的解釋產生矛盾時，會 利用同化的現象來解決問題，但由於在同化的過程當中並未彼此連結好，因 此往往會產生迷思或另有概念的同化模式等的意義相同。該文獻研究發現 三、四、五年級的兒童有 75％相信空間有「絕對向下」的方向，而 25％相 信「向下」是指物體落向「地球的表面」的另有概念。

Piburn（1988）以事例晤談及紙筆測驗的方式，研究大學非理工科系的 學生對於重力的迷思概念，結果發現學生認為重力與溫度有關、行星所受到 的引力與太陽的距離有關、重力是由於摩擦力的熱所產生的、地球產生重力 場的原因是由於地球旋轉、重力與磁力產生了混淆、重力是使指南針偏向北 極的物質、大氣的臭氧層與重力有關聯、行星繞著太陽運行，所以太陽是影 響重力有無的重要因素、沒有生命的星球就沒有引力等迷思概念。

Treagust & Smith（1989）晤談西澳十年級 24 名學生及利用二階段式診 斷測驗 113 名十年級學生，有關重力及行星運行的相關概念。發現十年級學 生持有迷思概念如：行星的地球引力大小與太陽的距離有關、太陽的重力不 但影響著四周行星的軌道而且也影響著行星的重力、行星旋轉快慢或未旋轉 會影響著它的引力，即旋轉很慢的行星，引力較小、行星的旋轉快慢與太陽 的相關位置有關、行星的密度影響著它旋轉的快慢、行星的表面溫度影響著 它的引力等。

Graham & Berry（1992）研究英國 202 名六年級學生對於重力的直覺想 法。研究結果發現 40％的人數認為物體在不同的星球上，質量不同的物體，

在相同高度下會同時落地。10％的人數認為質量不同的物體，在地球上會同 時落地，在月球上則質量大的物體會先落地。16％的人數認為質量不同物 體，在地球上，質量大的物體會先落地，但在月球上則會同時落地。21％的 人數認為質量不同物體，不論在地球上或是在月球上質量大的物體都會先落 地。8％的人數則認為月球沒有引力，物體在月球上會飄浮著。

Bar, Zinn, Goldmuntz & Sneider（1994）研究以色列 400 名四至十三歲兒 童，研究發現：五至七歲兒童對物體會落下最通常的想法是因為未受支撐

（hold）的緣故，太陽和月亮不會落下是因為它們黏在天空上。七至九歲兒 童認為因為物體很重才會落下，雲很輕而且不重，所以不會落下來。九至十 三歲兒童認為物體落下是因為地球引力的關係，但大多數兒童相信空氣為地 球引力所必要的條件。

Bar, Sneider & Martimbeau（1997）研究美國加利福尼亞州 48 名六年級 學生。研究發現：前測時，學生的想法與以色列同年齡孩子相似，三分之二 學生認為地球引力需要空氣才有作用。教學後，後測發現：仍有五分之一的 學生認為地球引力需要空氣才有作用。將近三分之一的學生回答不知道地球 引力是否需要空氣才有作用或其他答案。Sneider & Ohady（1998）研究 539 名四年級至八年級學生。研究發現：前測時，高年級的學生所具有的迷思概

導後，四、五年級的學生聰明程度相當於七、八年級的學生。

Palmer（2001）研究 56 名六年級學生和 56 名十年級學生，有關在生活 事例中，運動中的物體或是靜止不動的物體上是否有地球引力的作用。研究 結果發現 11％的六年級學生和 29％的十年級學生具有一致性的科學概念，

即地球引力是使物體落下的原因。89％的六年級學生和 71％的十年級學生存 有地球引力的概念是不一致的。其中持有的另有概念有如地球引力作用使得 落體向下掉落、向上垂直運動的物體不受到地球引力作用、地球引力作用使 得靜止的物體向下運動、地球引力並不作用在靜止的物體上、地球引力作用 使得向上垂直運動的物體向上運動、地球引力作用使得向下垂直運動的物體 向下運動、及地球引力並不作用在落體上等。

國內有關地球引力相關研究報告如全中平（民 81）研究國小 261 名五年 級學生，在研究力的概念中發現約三分之一學生以「推拉的力量」代表力的 概念。17％學生認為力是一種「平衡、靜止的力量」。15％學生認為磁力、

萬有引力才是力。姜滿、謝秀月（民 83）晤談我國一至五年級共 20 名兒童。

發現學生具有地球引力的另有概念如物體是絕對向下掉落，最後落入太空、

發現學生具有地球引力的另有概念如物體是絕對向下掉落，最後落入太空、