國中生化學表徵形成與轉換能力之研究—以『酸、鹼、鹽』單元為例

國立臺中教育大學科學應用與推廣學系

科學教育碩士學位暑期在職進修專班碩士論文

指導教授：吳穎沺 博士

國中生化學表徵形成與轉換能力

之研究

—以『酸、鹼、鹽』單元為例

A study of 9

th

graders’ capabilities in

formulating and transferring chemical

representations: Using “Acid, Base, and Salt” as

an Example

研究生：邱懿歆

摘要

本研究探討國中生在『酸、鹼、鹽』單元中化學表徵形成與轉換能力，並 進一步探討不同化學學習成就的學生在化學表徵形成轉換能力上是否有差異。研 究對象為台中市某國中十四個三年級的班級，共 383 位學生，採調查研究法與相 關研究法方式進行。資料收集主要為研究者自編之「化學表徵形成能力問卷」、「化 學表徵轉換能力測驗」。本實驗將資料先進行質化分析，再將分析結果轉成量化 數據，量化結果以交叉表進行統計分析，並以單因子變異數分析進一步探討不同 類型的化學表徵形成與轉換能力間是否有差異。研究結果如下：（一）學生在『酸、 鹼、鹽』單元的學習上，巨觀表徵較易形成，符號表徵次之，微觀表徵最不易形 成；（二）學生在『酸、鹼、鹽』單元的學習上，牽涉到微觀表徵與其他表徵相 互轉換時，學生表現均不好；（三）學生在『酸、鹼、鹽』單元的學習上，化學 表徵形成能力與化學表徵轉換能力之間有顯著關聯；（四）學生在『酸、鹼、鹽』 單元的學習上，化學表徵形成能力與化學表徵轉換能力均與「化學學習成就」之 間有顯著關聯。本研究建議教師在教學上，應以微觀表徵為教學核心，加強學生 微觀表徵形成及微觀表徵與其他表徵相互轉換的能力。 關鍵字：化學學習、表徵、表徵形成、表徵轉換

A study of 9

th

graders’ capabilities in formulating and transferring

chemical representations: Using “Acid, Base, and Salt” as an

Example

Abstract

In this study, a total of 383 9th graders’ ability in formulating and transferring

representations regarding “acid” and “acid-base neutralization” was investigated. Also, this study explored if high achievers and low achievers varied in their ability in

formulating and transferring representations. Two instruments for assessing student ability in formulating and transferring representations regarding acid and acid-base neutralization were developed in this study. The participants’ responses on the questionnaires were analyzed qualitatively, and then this study categorized the students’ ability in formulating and transferring representations into different levels. The major findings of the current study are: 1. regarding ability in formulating representations of “acid” and “acid-base neutralization”, the students showed better ability in formulating macro representations, followed by symbolic representations and micro representations; 2. the students had difficulties transferring from the micro representation of“acid” and “acid-base neutralization” to the other two levels of representations; 3. The students’ ability in ability in formulating representations regarding “acid” and “acid-base neutralization” was significantly correlated with that in transferring representations; 4. The students’ ability in formulating and transferring representations regarding “acid” and “acid-base neutralization” was associated with their chemical achievement. Implications for educational practices and future research were also discussed in this study.

Keyword: chemical learning, representation, representation formulation, representation transformation

目 次

第一章 緒論

………1 第一節 說明研究背景與動機………1 第二節 研究目的與研究問題………3 第三節 名詞解釋………4 第四節 研究範圍與研究限制………5

第二章 文獻探討

………6 第一節 表徵………6 第二節 化學表徵………12 第三節 化學表徵轉換與化學學習………17

第三章 研究方法

………21 第一節 研究設計………21 第二節 研究流程………22 第三節 研究對象………23 第四節 研究工具………24 第五節 資料處理與分析………29

第四章 研究結果

………32 第一節 國三學生化學表徵形成能力之表現分析………32 第二節 國三學生化學表徵轉換能力之表現分析………48 第三節 化學表徵形成能力與轉換能力之關聯分析………52 第四節 不同化學學習成就者的化學表徵形成能力及化學表徵轉換能力 之比較分析………55

第五章 討論

………59 第一節 在化學學習上，學生各類型表徵形成能力的表現情形………59 第二節 在化學學習上，各類型表徵轉換能力的表現………61 第三節 化學表徵形成能力與表徵轉換能力的關聯性………65 第四節 化學學習上，微觀表徵形成與轉換能力與迷思概念的關聯性……66

第六章 結論與建議

………68 第一節 結論………68 第二節 建議………69

附錄一 「化學表徵形成能力問卷」………80 附錄二 「化學表徵轉換能力測驗」………81

表 次

表 2-1-1 水分子的多重表徵………9 表 2-2-1 國外各研究針對三種表徵層級使用的字詞或片語………13 表 2-2-2 不同表徵層級的差異………14 表 3-4-1 「化學表徵形成能力問卷」之評量功能整理 ………26 表 3-4-2 「化學表徵轉換能力測驗」各題概念與表徵轉換類型對應表 …………28 表 4-1-1 各題低表徵形成能力學生回答內容舉例 ………34 表 4-1-2 各題中表徵形成能力學生回答內容舉例 ………36 表 4-1-3 各題高表徵形成能力學生回答內容舉例 ………38 表 4-1-4 「強酸概念」三種不同表徵類型與表徵形成能力層級人數分佈與 卡方檢定 ………41 表 4-1-5 「酸鹼中和概念」三種不同表徵類型形與表徵成能力層級人數分佈與 卡方檢定 ………42 表 4-1-6 「整體表徵形成能力」三種不同表徵類型與表徵形成能力層級人數 分佈與卡方檢定 ………45 表 4-1-7 受試者在三種表徵類型之「整體表徵形成能力」單因子變異數分析 結果 ………47 表 4-2-1 三種類型的化學表徵轉換能力得分的整體人數百分比分佈 ………49 表 4-2-2 受試者在三種類型的化學表徵轉換能力單因子變異數分析結果 ………51 表 4-3-1 不同階層化學表徵形成能力與不同階層化學表徵轉換能力交叉表與 卡方分析 ………54 表 4-4-1 學生不同「化學學習成就」群與不同階層化學表徵形成能力交叉表與 卡方分析 ………56 表 4-4-2 學生不同「化學學習成就」群與不同階層化學表徵轉換能力交叉表與 卡方分析 ………58

圖 次

圖 2-1-1 Paivio 的雙元編碼理論示意圖………7 圖 2-1-2 多重表徵的功能分類 ………10 圖 2-2-1 Johnstone 對化學三角表徵的關係與思維層級描述 ………15 圖 2-2-2 Tockus-Rappoport 對化學三角表徵的思維層級描述………15 圖 3-1-1 研究架構圖 ………21 圖 3-2-1 研究流程圖 ………22 圖 5-1-1 三種化學表徵間的教學關連 ………64

第一章 緒論

本章分成四節，第一節說明研究背景與動機，第二節為研究目的與研究問 題，第三節是名詞解釋，第四節說明研究範圍以及研究限制。

第一節 研究背景與動機

化學是一門研究物質的性質、組成、結構、變化，以及物質變化規律的科學， 化學關心的是原子和原子間或原子和各種能量間的相互作用。依據目前教育部 （2011）頒佈國內普通高級中學基礎化學課程綱要，在延續九年一貫課程的精神 下，化學所需學習的核心能力包含了概念的理解與應用，數據圖表的轉化與解 讀，並能就生活中與科學相關的事件或現象尋求證據導向及理性判斷的思考與觀 點。 然而，有許多研究都指出對學生來說要理解化學世界中巨觀概念與微觀概念 的相互關係是困難的(Zoller, 1990; Boo, 1998; Harrison & Treagust, 2000; Taber, 2002)，此外就研究者在過去的教學經驗，發現學生從國二第一次接觸化學知識 到國三畢業準備進入高中前，所形成的化學概念往往都是片段、不相連結的，以 致於再進一步學習化學的過程中往往覺得化學是困難的。究其原因，如同 Taber (2002)曾提到化學課程通常包含許多抽象的概念，而這些概念往往是進一步學習 化學和其他科學的核心。因此，如果學生沒有充分的掌握這些抽象概念，往往會 使學生在更一步學習化學概念或理論時，不能很容易的理解(Zoller, 1990; Coll & Treagust, 2001; Nicoll, 2001)。自從 Johnstone (1993)明確指出化學概念的三種表徵 （巨觀表徵、微觀表徵、符號表徵）層級間彼此有相互的作用，許多的研究就顯 示這三種層級的化學表徵方式是學習化學的一個主要困難，因為學生常常會在連 接不同表徵層級時遇到困難（例如：Gabel, 1999; Johnstone, 1991; Treagust, Chittleborough & Mamiala, 2003）。然而，國內外各研究在瞭解學生化學表徵形成 能力的研究頗多（例如：Novick & Nussbaum, 1981; Yarroch, 1985; 許嘉仲，2002;

林靜雯，2005），但在學生化學表徵轉換能力的研究則很少，而這兩種能力之間 的相關性更是很少人研究。 對學生來說，化學學習是一個複雜的過程，結合不同層級的化學表徵概念 是其重要的一部份(Devetak, 2009)；此外，Johnstone (1993)也指出一個完整的化 學概念必定包含著巨觀表徵、符號表徵與微觀表徵之間的連接。因此，教師如能 藉此研究瞭解學生化學表徵的形成能力與轉換能力，必定對教師的化學教學與學 生的化學學習有所裨益，此為本研究的研究動機。

第二節 研究目的與研究問題

基於上述研究動機，本研究的研究目的為探討化學表徵形成能力與化學表徵 轉換能力相關問題。本研究以自行設計的「化學表徵形成能力問卷」、「化學表徵 轉換能力測驗」來探討國中學生化學表徵形成及表徵轉換能力與學習成就之關 係，並企圖藉此研究來瞭解國中學生在化學學習上的較為困難的部份。 根據上述研究目的，本研究之研究問題如下： （一）國三學生化學表徵形成能力及化學表徵轉換能力之表現各為何？ （二）國三學生化學表徵形成能力與化學表徵轉換能力的關係為何？ （三）不同化學學習成就的國三學生在化學表徵形成能力及化學表徵轉換能力是 否有差異存在？

第三節 名詞解釋

本節說明本研究所涉及之「化學表徵」、「化學表徵轉換」、「化學學習成就」 等三個專有名詞之意義加以界定，逐項說明如下： 一、化學表徵：（chemistry representation） 「表徵」（representation）是一個媒介物，用以傳達想讓人瞭解的事物，它 可能為圖像、語言、文字等(Perner, 1991)。而綜合許多學著的研究，提到有關化 學在學習上的表徵有三種層級(Johnstone, 1991, 1993; Nakhleh & Krajcik, 1994; Treagust, Chittleborough & Mamiala , 2002)：

1.巨觀表徵層級（Macroscopic Level）。 2.微觀表徵層級（Sub-microscopic Level）。 3.符號表徵層級（Symbolic Level）。 二、化學表徵轉換： 本研究是指學生在學習某一化學概念時，接收到化學概念中某一層級的化學 表徵後，能正確的轉化成另一層級的化學表徵。例如：當學生看到 NaOH(S)的符 號時，能正確知道這是氫氧化鈉固體。而這是學生將符號表徵層級轉換成巨觀表 徵層級的能力。 三、化學學習成就： 本研究對象在國中二年級下學期第二次定期評量自然科評量範圍是針對 『酸、鹼、鹽』內容所做的評量，而本研究的範圍限定在『酸、鹼、鹽』的內容 章節中，所以研究者以學生在國中二年級下學期第二次定期評量自然科成績作為 受試者在『酸、鹼、鹽』單元的學習成就。

第四節 研究範圍以與研究限制

本研究的研究範圍以及研究限制說明如下： 一、研究範圍 （一）本研究的學科內容是國中二年級自然與生活科技之『酸、鹼、鹽』單 元。 （二）研究對象是台中市都會區國中三年級的學生，每班約 27～33 人，共 14 班。該校歷史已有五十年以上，學校附近有孔廟與體育場，藝文氣 息與體育活動豐富。 二、研究限制 （一）研究結果只針對『酸、鹼、鹽』的相關單元，研究結果不宜過度推 論至其他教材上。 （二）本研究對象為便利取樣，研究結果只能推論至與研究樣本相似的學 生，因此推論時宜小心。

第二章 文獻探討

本章分成三個小節，將依序對表徵、化學表徵、學習化學表徵的困難等三個 與本研究相關的議題進行文獻探討。

第一節 表徵

「表徵」（representation）在認知心裡學上指的是將外在現實世界的事物以 另外一種較為抽象或符號化的形式來代表的歷程；而在認知心裡學的訊息處理 上，則是指訊息處理的過程中，將訊息譯碼並轉換成另一種形式，以便儲存或表 達的歷程（張春興，1989）。亦即，人類對周遭事物透過感覺系統形成概念的歷 程（余民寧，1999）。所以 McKendree, et al. (2002)則指出表徵是個體的一種思考 工具，個體能藉由不同的表徵模式來認知這個世界。而表徵的能力則是一種以個 人有意義的方式建立和轉換訊息的流暢能力。以下就表徵的相關文獻進行整理和 探討。 一、表徵的理論基礎 （一）認知表徵理論（cognitive representation） 較早提及表徵的代表人物之一是布魯納(Bruner, 1964)的認知表徵理論，他 將認知表徵的發展，分為三個階段（引自張春興，2006）： 1.動作表徵（enactive representation）：指個體經由實物操作或動作與周遭事 物產生連結，例如三歲以下的小孩是透過動作來認識周圍的世界、獲得 知識。 2.形象表徵（iconic representation）：指個體經由視覺對物體的影像或圖片來 認知物體，也能對留在記憶中的心像（mental image）加以回憶，進而獲 得知識。故此時期為人類進入抽象思考的開始。 3.符號表徵（symbolic representation）：指運用符號、語言及文字為依據而獲 得知識的方式。故此時期為人類抽象思考能力已發展至成熟的階段。

而以上這三個階段，也可以用來描述人類學習的心理發展歷程。一般對於 事物的學習程序通常都會由具體的動作表徵而後再逐漸抽象至形象與符號表徵 （張春興、林清山，1982）。

（二）二元編碼論

Paivio (1971, 1986)認為人類的認知表徵系統分成兩類，一類為文字表徵系 統（verbal representation system），專於處理和語言、文字有關的刺激，在處理編 碼後，儲存在文字記憶區。一類為非文字表徵系統（nonverbal representation system），專於處理視覺影像訊息、嗅覺、觸覺、情感或空間上的訊息等刺激， 在處理編碼後，儲存在圖像記憶區。這兩類系統各自獨立，然而當兩系統運作時， 表徵間有互相連接，而概念則儲存在兩系統中。 Paivio (1990)進一步將兩系統互相連結的方式歸類為以下三種類型，如圖 2-1-1。 圖 2-1-1 Paivio 的雙元編碼理論示意圖（引自覃湘晴, 2005） 1.表徵連結（representation connections）：指文字或非文字表徵系統受到外 在刺激所產生的記憶表徵，而這種連結通常是外在刺激與個體記憶系統

之間最直接的作用方式。 2.參照性連結（referential connections）：雖然文字與非文字表徵系統間的功 能各自獨立，但兩系統中的單元卻相互聯繫，這種參照性的聯繫可以幫 助學習者利用本身所創造的意象單元來對應文字單元的聯想。 3.關連性連結（associative connections）：指的是單獨的文字或非文字表徵系 統內記憶單元的聯繫，即表示個別的表徵系統內的元素具有關連性的連 結。因此特定的語意會引發某些語意的聯想，而特定的意象也會引起某 些意象的聯想。 因為兩系統具有以上這些連結，往往我們在接受單一的文字或非文字的刺 激時，相關的訊息記憶便會從系統中提取以便處理，並進一步使運作功能由一對 一而提升至系統內或系統間的多對一或一對多的聯繫（林麗娟，1996）。因此， 當外界的訊息同時以文字或非文字表徵系統供同進行編碼，會比單獨使用文字或 非文字表徵系統進行編碼更容易儲存在記憶中。因為當訊息的相關性越多，所提 供的連結也會越多，那麼記憶也會較深刻（邱惠芬，2003）。 二、表徵在教學上的意義 表徵是一個媒介物，用以傳達想讓人瞭解的事物，它可能為圖像、語言、文 字等(Perner, 1991)。而 Hiebert & Carpenter (1992)將表徵分為兩個面向：

1.內在表徵（internal representation）：人類心智系統或在長期記憶區中，一 個特定的知識結構，在某些情形下稱為概念，是個體內的活動。內在表徵 只能從學習者在處理概念、解決問題的某種表現中來推斷其輪廓。 2.外顯表徵（external representation）：模式化各種心智過程時所使用的符號 系統，如圖表、曲線圖、文字等等，是個體對概念的外顯動作。 在教學上，不外乎是教師將自己的內在表徵知識轉換成外顯表徵傳遞給學 生，學生再將所獲得的外顯表徵轉換為自己的內在表徵。然而 Perner (1991)卻也 指出表徵具有以下的四個特徵：

2.專一的(Singularity)：表徵只能表達當下要表達的事物，不能表徵其他事物。 3.失實陳述(Misrepresentation)：任何表徵都有誤導的可能性。 4.不存在(Nonexistence)：表徵可以表達不存在的事物，例如假設性的公式。 這四個特徵表達了當教師想藉由一種外顯表徵傳遞給學生一個科學概念 (scientific concepts)時，這個外顯表徵和科學概念便必然有所差距，而學生再藉由 這一種外顯表徵建立自己的概念時，就容易形成所謂的另有概念（alternative conceptions）。

三、多重外在表徵（Multiple external representations）

在對同一件事物描述上，可能有不同的外在表徵方式予以表達。例如：對 水分子可以使用以下不同的表徵方式，如表 2-1-1。 表 2-1-1 水分子的多重表徵 文字表徵 符號表徵 圖像表徵 符號＋圖像表徵 水分子是由兩個 氫原子和一個氧 原子所結合而成 H2O 因此以多種不同的外在表徵方式來描述同一件事物時，則可稱為「多重外 在表徵」（Multiple external representations）簡稱 MERs。不同的表徵可能描繪同 一個參考物，但每一個表徵的描繪能力卻不盡相同。譬如文字表徵是語言與序列 性的表徵方式，符號表徵與圖像表徵皆為化學社群所認可的表徵方式，但圖像表 徵可以顯示出空間概念，符號表徵則無（陳盈吉, 2004）。一個概念常是多面向的， 單一表徵往往僅能呈現概念的一部份。而不同的表徵隱含著不一樣的概念理解， 透過表徵間的認知連接，可創造出比直接加總這些表徵還大的效益也就是具有一 加一大於二的效果(Kaput, 1989, 引自 Ainsworth, 2008)。

Ainsworth (1999, 2004, 2006, 2008)將多重外在表徵的功能分為以下三類，如 圖 2-1-2。 圖 2-1-2 多重表徵的功能分類，譯自 Ainsworth (1999) 1.互補功能 （1）互補資訊：當單一表徵無法包含概念的所有面向，此時多重表徵就能 夠藉由提供概念的不同面向以發揮互補不同資訊的角色。 （2）互補過程：互補過程是指對資訊處理能力的互補。例如：透過表格可 以讓資訊變的更清楚，也可以找到其規律性；透過方程式則是濃縮呈 現出變數之間的量化關係。 2.限制功能 （1）熟悉性限制：使用熟悉或已理解的表徵幫助學習者理解一個較不熟悉 或較抽象的表徵。在認知心理學常用類比的方式將兩個不同領域間的 知識對應，例如：在教電流時常以水流做比喻。 （2）內在特性限制：第一個表徵出現時，若資訊量不足或對於學習者為抽 象或不熟悉的表徵，會造成學習者產生過多不必要的推論，所以當第 二個表徵出現會對之前所呈現的資訊的範圍加以限制，以利於正確的 推論。例如：甲從乙的旁邊走過去，若加入圖形表徵，可以讓學習者 更清楚甲是在乙的左邊或右邊。

3.建構功能 （1）抽象性：學習者能夠自行創造出一個心智實體來作為高層次概念基礎。 （2）延伸性：擴大相似或已知的知識到其他學科領域上，利用多重表徵可 以讓知識更具體。 （3）關連性：表徵教學除了要做到對於單一表徵的完整建構，也要做到表 徵間互相連結的工作。 多重外在表徵在概念學習上是相當重要的，如果善用多重外在表徵幫助內 在表徵與外在表徵之間的連結，使抽象化的知識概念變得更具體，不但可以降低 學生認知負荷、增加學習動機與效果，更可以減少迷失概念的產生。

第二節 化學表徵

在國外許多關於不同化學表徵層級的研究中，常使用不同的名詞來表示各個 表徵層級，而不同的研究所談到的化學表徵層級數目也不相同。因此本研究將各 個關於化學表徵層級研究所使用的名詞及數目整理如表 2-2-1，並將其歸類為巨 觀表徵層級（Macroscopic Level）、微觀表徵層級（Sub-microscopic Level）、符號 表徵層級（Symbolic Level）三種。

表 2-2-1 國外各研究針對三種表徵層級使用的字詞或片語

研究者

巨觀表徵層級 微觀表徵層級 符號表徵層級

Macroscopic Sub-microscopic Symbolic

Level Level Level

(Andersson, 1986)

(Fensham, 1994) macroscopic world atomic world (Ben-Zvi, Eylon, & Silberstein, 1987)

(Gabel, Samuel, & Hunn, 1987) (Gabel, 1994)

macroscopic level microscopic level symbolic level

(Johnstone, 1991)

(Devetak, 2005) macro level sub-micro level symbolic level (Bodner, 1992) macroscopic world of

chemistry

molecular world of chemistry

symbolic world of chemistry

(Johnstone, 1993) macrochemistry submicrochemistry representational chemistry (Nakhleh & Krajcik, 1994) macroscopic system microscopic system symbolic system

(Johnstone, 2000) macro submicro representational (Treagust, Mamiala, & Chittleborough, 2003) macroscopic submicroscopic symbolic

這些學者在這三種表徵層級的用詞或許有所差異，但其核心概念則是相同 的。Treagust (2009)綜合這些學者對這三種表徵層級的定義，將其歸納如下： 1.巨觀表徵層級（Macroscopic Level）：可直接觀察、感覺到的物質性質或 現象，用來說明有形和可見的屬性。 2.微觀表徵層級（Sub-microscopic Level）：藉由分子、原子及離子的排列或 運動來解釋，這種粒子層級的現象無法直接以肉眼觀察或觸摸。 3.符號表徵層級（Symbolic Level）：藉由符號、數字、公式、化學式、反應 方程式來表徵。 此外，這些不同層級的表徵，在描述同一個化學概念時，所描述或感官到的 情形有以下的區別，如表 2-2-2。 表 2-2-2 不同表徵層級的差異（修改自 B. Davidowitz, 2009） 巨觀表徵 層級 微觀表徵 層級 符號表徵 層級 真實 或表徵 真實 真實的，但太小無法 以肉眼看見 表徵 描述 有形的 定量的 根據物質的原子理 論所描述的顆粒或 分子的層級 一種可能對或可能 不對的描述方式，但 有助於提供一種心 智圖像 感官 可見的 不能被肉眼所見 到，所以其心智圖像 是依據描述、圖表或 解釋而來的 這個模型是一種幫 助瞭解真實實體的 工具 舉例 C

Johnstone (1993)則解釋說明這三種化學表徵層級有彼此相互作用的連接關 係，且依照表徵概念的具體與抽象思維，可分為以下層級關係，如圖 2-2-1。 圖 2-2-1 Johnstone 對化學三角表徵的關係與思維層級描述，譯自 Tockus-Rappoport (2008) 而 Tockus-Rappoport (2008)則針對化學三角表徵在解決問題的應用中，將 Johnstone 的化學三角表徵的思維層級改成依系統與構成要素思維去進行分類， 如圖 2-2-2。 圖 2-2-2 Tockus-Rappoport 對化學三角表徵的思維層級描述，譯自 Tockus-Rappoport (2008) 系統層級 構成要素層級 符號表徵層級 巨觀表徵層級 微觀表徵層級 抽象層級 具體層級 符號表徵層級 微觀表徵層級 巨觀表徵層級

Tockus-Rappoport 認為將微觀表徵層級歸類成構成要素，而巨觀表徵層級歸 類成系統要素，可以明確地表現出以下兩點： 1.物質在巨觀層面的現象和微觀層面的現象是不同的；例如：在巨觀層面中 一塊靜止不動的金塊，在微觀層面裡其原子是持續震動的，而外觀也不是金色的。 2.這種思維層級有明顯的單向性：微觀顆粒不繼承物質巨觀層面的特性，但 微觀粒子的交互作用會產生物質巨觀的屬性。 而符號表徵層級是用來表示巨觀與微觀層級，一般是不能作為一個不同層級 的分類；然而在問題解決的範圍中，符號表徵主要是用來表達與物質特徵之間的 關聯（例如：氣體中，溫度與壓力之間的關係），很少用來描述粒子間的交互作 用；在這樣的前提下，符號表徵層級應該作為一個和巨觀表徵層級一樣的系統層 級。 綜而言之，無論這些化學表徵層級如何分類，一個完整的化學概念，必定 是包含了巨觀表徵層級、微觀表徵層級與符號表徵層級三個方面。

第三節 化學表徵轉換與化學學習

有許多的研究指出化學的學習對許多學生來說是困難的，例如：在國內有許 嘉仲（2002）針對六名國中二、三年級不同學業成就的學生，進行理化科學習困 難與障礙的因素探討，發現學生對於高理解性與抽象性的課程感到困難；國外則 有 Novick & Nussbaum (1981)針對小學生到大學生的粒子概念作研究，發現僅有 20﹪的小學生和國中生及 37﹪的高中生和大學生能成功的以粒子模型解釋粒子 間存在真空的現象；即使經過教學後，仍有 50﹪的高中生和大學生對於粒子概 念有錯誤的理解。此外，有些學生在化學學習上是採用死記硬背的方式理解，而 這種方式常常可以很好的反映在考試成績上(Sirhan, 2007）；然而 Johnstone (1984) 及 Bodner (1991)的研究證據都表明這樣死記硬背的方式，學生無法理解符合其學 位程度的基本化學概念。 化學學習本身的性質是一種高層次的概念化，真正的理解是要以一種有意義 的方式將所知的概念匯集在一起。因此化學學習是一個複雜的過程，結合不同層 級的化學表徵概念是其重要的一部份(Devetak, 2009)，而 Cheng & Gilbert (2009) 更進一步提到成功的化學學習包含了巨觀表徵層級、次微觀表徵層級與符號表徵 層級之間心智聯繫的建立與使用不同層級的表徵來表徵化學現象。 然而 Johnstone (1993) 曾提到的大部分科學學習和教材都是以巨觀的形式介 紹呈現給學生，所以學生大多停留在巨觀觀點，教學缺乏適時呈現動態的微觀粒 子觀點，因此學生學習化學不僅只停留在巨觀觀點的層次，同時也缺乏想像微觀 世界粒子行為的能力。許多研究證據都顯示了學生不易形成次微觀的化學表徵層 級，例如：在國內有邱美虹(2005)以二階層試題探究國中與高中學生粒子迷失概 念時發現，要求學生討論不同氣體在水平容器與垂直容器中的分佈情形時，發現 大多數學生會以輕在上重在下的重量分佈模式來解釋氣體分佈；在國外則有 Harrison & Treagust (1996)針對 48 位 8~10 年級學生在所理解的原子與分子模型 的心智模式進行研究，發現大部分的學生都會選擇不連續且具體的模型，而無法

理解正確的電子雲模型；由以上研究可發現正確的次微觀粒子觀念是不容易形成 的。此外，也有研究談到符號表徵學習的困難，例如：Yarroch (1985)針對 14 名 學習化學課的高中學生訪談他們如何平衡化學方程式與平衡化學方程式時所使 用的知識，訪談發現這些學生雖然在平衡化學式上可以得到很好的分數，但有 64﹪的學生不瞭解自己為何要這樣做，他們不瞭解方程式中的係數與元素符號的 數字所代表的意義，甚至認為方程式中的箭號與等號的意義相同；而這顯示了符 號表徵形成能力的學習與理解是較困難的。綜合上述，可以知道次微觀表徵與符 號表徵建立，往往是學生學習化學的困難來源之一。 此外，關於化學的學習 Sirhan (2007)曾提到能夠使用多種層級的表徵表達相 同的概念，並有能力可以輕鬆的從一種表徵層級轉換到另一種表徵層級，是一個 至關重要的成功科學思維。而 Sirhan 更進一步指出這些表徵層級之間的相互作用 與差異是化學學習上的重要特徵，也是理解化學概念所必須要具備的；如果學生 在其中一種表徵層級上有學習上的困難或缺乏，往往也會影響到其他兩種表徵層 級。例如：在巨觀表徵與微觀表徵相互轉換關係的研究，Smith & Metz (1996)針 對化學系一年級學生研究發現，大部分的人都可以明確定義〝弱酸〞是在水中部 分解離，但僅有 46.6﹪的學生能夠正確選出代表〝弱酸〞微觀粒子概念的圖形； 而 Devetak, et al. (2009)針對 110 位國中二年級學生及 81 位國中三年級學生的研 究指出僅有 24.6﹪的學生能正確選出食鹽溶解在水中的微觀粒子圖形，且大部分 的學生都不知道食鹽在水中是以離子狀態存在；這些研究均顯示出巨觀表徵與微 觀表徵相互的轉換與連接是不容易的。而在符號表徵與微觀表徵相互轉換關係的 研究，有 Abraham, et al. (1992)探究學生對化學式中化學數字的瞭解，發現學生 會計算也可以正確解決化學計量的問題，但卻不瞭解其符號數字所代表的化學意 義，這顯示了學生雖然知道化學的符號表徵卻無法正確的和微觀表徵概念作相互 的轉換與連接。而造成這種不相符的能力，Tockus-Rappoport (2008)則提到其中 一種可能是學生無法將微觀表徵與有系統的符號表徵作連接，因此當學生可以成

同問題；另一種可能則是學生在符號表徵層級與微觀表徵層級做出不合適或非科 學性的連結，而這樣的連結帶領他們得到一個不正確的概念結論。

而很多的研究即發現許多錯誤的化學概念是因為學生不易理解與無法整合 不同表徵的化學概念所造成，例如 Voska & Heikkinen (2000)、Novick & Nussbaum (1981)及洪振方（1987）的研究均發現學生在化學學習上有相當多的迷思概念， 可能是因為學生在微觀表徵的形成能力不足，導致學生的化學概念產生缺陷。此 外還有 Andersson (1990)從檢視 7 ~9 年級學生的科學教科書角度指出，當化學教 師於課堂教學中講述水是由氫和氧所組成時，所要傳達給學生的概念，應為水分 子是由兩個氫原子與一個氧原子所組成的化合物，但學生卻可能誤認為水是氫與 氧之混合物；這可能是教師在直接講述「物質是由微小的粒子所構成，而這些粒 子我們稱為原子或分子」後，便開始解釋粒子的結構，而忽略了學生由巨觀層面 進入到微觀層面時所產生的困難，因而造成迷思概念之產生。 所以，學生不易理解和使用化學表徵層級間的三角關係，Treagust (2009)將 這個問題可能歸因於以下四點： 1.缺乏巨觀表徵層級的經驗。並未提供學生合適的實踐經驗(Nelson, 2002)， 或學生並不清楚他們要學習它(Hodson, 1990)。 2.因為對物質粒子本質的混淆及在表徵微觀層級時無法實際看到實體，造成 一系列的關於微觀表徵層級性質的錯誤概念(Harrison & Treagust, 2002; Tuckey & Selvaratnam, 1993)。

3.對符號表徵層級複雜的使用規定缺乏瞭解(Marais & Jordaan, 2000)。 4.沒有能力在這三個表徵層級間進行轉換 (Gabel, 1998, 1994)。

綜合上述研究，許多學者(Johnstone, 1991; Ebenezer, 2001; Ravialo, 2001; Harrison & Treagust, 2002; Treagust et al., 2003)都認為化學知識分成三個表徵層 級（巨觀表徵、符號表徵、微觀表徵），並應明確教導這三種表徵層級間的聯繫 與轉換。可見在化學學習中，化學表徵能力的形成與化學表徵轉換的相互影響是 很重要的一環，例如在針對國內 143 名國三學生對於化學反應式中各符號意義的

瞭解情形研究中就提到，因為化學課程的編排只著重在呈現完整的化學式，卻沒 有讓學生學習到足夠的化學式及其相關概念的內涵，因此學生在一些較高層次的 認知概念學習上將會產生一定的影響（蔡宗程，2004）。還有 Wu,Krajcik & Soloway (2001)研究學生在學習化學表徵時會遇到的困難，提到學生無法針對一個特定的 表徵舉出其它相對應層級的表徵，也就是表徵與表徵之間無法順利轉換，因為要 在表徵之間做轉換是需要了解隱藏在表徵背後的深層概念。所以如何使學生成功 的建立化學表徵，進而發展學生各化學表徵層級的轉換能力，使學生有好的化學 學習成就，將是一個重要的核心議題。

第三章 研究方法

本章分為五節，就本研究之研究設計、研究流程、研究對象、研究工具、資 料處理與分析等，分別加以說明。

第一節 研究設計

本研究採用調查研究法與相關研究法。因此根據本研究之目的與參考相關文 獻設計，本研究主要是瞭解國中學生在學習『酸、鹼、鹽』單元後，「化學表徵 形成能力」與「化學表徵轉換能力」之關係，並進一步探討「化學學習成就」對 化學表徵能力之相關性。研究架構如圖 3-1-1 所示。 圖 3-1-1 研究架構圖

化學表徵形成能力

化學表徵轉換能力

不

同

化

學

學

習

成

就

的

學

生

是否有差異？ 是 否 有 關 聯 ？ 是否有差異？ 學生表現為何？ 學生表現為何？

第二節 研究流程

研究者在確定研究主題後，便參考國內外類似的研究文獻（例如：Devetak et al., 2009; 邱美虹，2005），再依據目前國中生在化學學習上各版本的教科書內容 為基礎，選出在研究者教學經驗中較不容易教授的單元。並與指導教授及現場老 師討論過後，確定研究方向及研究方式，並選定幾個學生較容易混淆的概念，便 開始著手進行問卷的設計。問卷設計完後，先以兩個班的學生進行前測，依據結 果再與指導教授對文字與題目順序進行修改後，再對研究對象進行正式的施測， 進行問卷的收集與資料的分析。以上這些過程均會不斷的回顧參考過去的文獻資 料去作修正。本研究之流程圖，如圖 3-2-1 所示。

第三節 研究對象

本研究採取便利取樣的方式來進行受試者的取樣，所取樣本為研究者所任 教學校。取樣學校為台中市市區一所成立超過五十年的學校，周圍有台中著名的 孔廟、體育場、商業圈，學區家長平均社經水準中等。全校共計 45 班，除資中 班與資源班人數較少外，每班人數約為 25~35 人，全校學生人數 1250 人，教師 105 人。受測的國三學生共 14 班，人數 410 人。施測時，有少數學生請假，故 扣除缺考者後，實際研究對象為 383 位學生。所有受測學生的每份問卷施測時間 均為一節課 45 分鐘。 此外為了方便分析，將針對受測學生的資料加以編碼，研究者以五位數字 進行編碼，前三位數字為受測學生的班級，例如：三年一班則為 301，三年十一 班則為 311；後兩位數字則為受測學生的座號，例如：五號則為 05，二十五號則 為 25。因此『31128』則為三年十一班二十八號的學生。

第四節 研究工具

本研究所使用的問卷工具有「化學表徵形成能力問卷」與「化學表徵轉換能 力測驗」兩種，問卷的設計為研究者在參考許多相類似的文獻與書籍後(Devetak, et al., 2009; Treagust , 2009)，並與指導教授及兩位現場在職教師討論，以此作為 依據所去設計完成的。而問卷完成之後，先以台中市某國中三年級兩個班，共 66 人進行前測（2011 年十一月），前測所得到的結果再與指導教授及現場教師 進行討論，檢視是否有語意不明確的地方，將一些題目的用字與順序稍做更改， 便以此份問卷作為最後評量的工具，因此本研究所使用的工具具有專家效度及表 面效度。最後在 2011 年 12 月～2012 年 1 月之間，對研究者所任教學校進行施 測，而施測對象為該校全體三年級學生。 為了確認本研究所使用的研究工具具有鑑別度，本研究將全體受測者的「國 二下學期第二次定期評量自然科成績」平均，得平均分數為 57.4 分。依此分數 將全體受測者分為以下兩群： 1、高分群：分數高於 57.4 分者； 2、低分群：分數低於 57.4 分者。 再將此兩群受測者分別對「化學表徵形成能力問卷」與「化學表徵轉換能力 測驗」的測驗結果進行獨立樣本 T 檢定，得到不同高、低分群在「化學表徵形 成能力問卷」的得分上有顯著差異（t＝14.88，p <0.01）；而不同高、低分群在 「化學表徵轉換能力測驗」的得分上也有顯著差異（t＝13.72，p <0.01），因此 本研究所使用的研究工具具有鑑別度。 本研究所使用的工具為「化學表徵形成能力問卷」與「化學表徵轉換能力測 驗」，茲分別說明如下：

一、「化學表徵形成能力問卷」 此問卷為研究者參考國外關於『酸、鹼、鹽』化學表徵能力的研究(Devetak et al., 2009)，再依據研究者實際教學經驗，選出兩個學生較難學習的化學概念，並 與指導教授進行討論後，針對每個化學概念分設計出三個化學表徵（巨觀、微觀、 符號）層級的問題，總共六題，每個問題均為開放式紙筆作答。例如：第一大題 的第 2 小題內容為「請同學藉由粒子層級（分子、原子或離子等等）的排列或運 動的圖示或文字來表達什麼是強酸？」，此題為評量學生強酸概念中微觀表徵的 形成能力。研究者將此問卷內容所評量之功能整理，如表 3-4-1。

表 3-4-1「化學表徵形成能力問卷」之評量功能整理 化學 概念 問題內容 評量學生何種層級的 化學表徵形成能力 一 、 強 酸 1、請同學從生活經驗中，肉眼所看到 過，或可以直接感受到的特性，來描 述什麼是強酸？ 巨觀表徵層級 2、請同學藉由粒子層級（分子、原子或 離子等等）的排列或運動的圖示或文 字來表達什麼是強酸？ 微觀表徵層級 3、請同學藉由化學符號、數字、圖形、 分子式、結構式或方程式來描述什麼 是強酸？ 符號表徵層級 二 、 酸 鹼 中 和 反 應 1、請同學從生活經驗中，肉眼所看到 過，或可以直接感受到的特性，來描 述什麼是酸鹼中和反應？ 巨觀表徵層級 2、請同學藉由粒子層級（分子、原子或 離子等等）的排列或運動的圖示或文 字來表達什麼是酸鹼中和反應？ 微觀表徵層級 3、請同學藉由化學符號、數字、圖形、 分子式、結構式或方程式來描述什麼 是酸鹼中和反應？ 符號表徵層級

二、「化學表徵轉換能力測驗」 此問卷為研究者參考國外關於『酸、鹼、鹽』化學表徵能力的研究(Devetak et al., 2009)，再依據研究者實際教學經驗，選出兩個學生較難學習的化學概念，並 與指導教授進行討論後，採選擇題模式，每題的題幹以化學表徵的一種層級表 示，四個選項則以化學表徵的另一種層級表示，四個選項僅一個選項的化學表徵 概念和題目的化學表徵概念相符合。例如：第 7 題題幹：「桌上有一杯 MgCl2(aq)。」 是符號表徵層級的敘述，四個選項分別為「A、杯中有許多氯化鎂分子在水中自 由移動」、「B、杯中有一樣多的鎂離子和氯分子在水中自由移動」、「C、杯中有 鎂離子和氯離子在水中自由移動，而氯離子數目是鎂離子數目的兩倍」、「D、杯 中有鎂原子和氯原子在水中自由移動，而氯原子數目是鎂原子數目的兩倍」，這 些選項均為微觀表徵層級的敘述，而只有 C 選項符合題幹的敘述情形。研究者 將此測驗各題幹的表徵層級與選項的表徵層級對應關係整理如表 3-4-2。

表 3-4-2「化學表徵轉換能力測驗」各題概念與表徵轉換類型對應表 題號 化學主題概念 表徵轉換類型（題幹→選項） 題幹表徵層級 選項表徵層級 第 1 題 強酸 巨觀 微觀 第 2 題 酸鹼中和反應 第 3 題 強酸 巨觀 符號 第 4 題 酸鹼中和反應 第 5 題 強酸 符號 巨觀 第 6 題 酸鹼中和反應 第 7 題 強酸 符號 微觀 第 8 題 酸鹼中和反應 第 9 題 強酸 微觀 巨觀 第 10 題 酸鹼中和反應 第 11 題 強酸 微觀 符號 第 12 題 酸鹼中和反應

第五節 資料處理與分析

本研究利用自行發展的工具將資料收集後，以電腦將原始資料建檔，用統計 套裝程式 SPSS 21.0 中文版進行統計、分析處理。茲將針對待答問題所欲探討的 面向，提出資料處理與統計分析方法的說明。 一、針對研究問題『（一）國三學生化學表徵形成能力及化學表徵轉換能力之表 現各為何？』的處理如下： 在「化學表徵形成能力問卷」測驗資料收齊後，研究者先與另一現職國中化 學教師（教學經驗十年，且已瞭解何謂化學表徵）對學生問卷內容進行討論，達 成共識後，就分別對同一班的問卷資料進行評閱與統計，分析每份問卷中各層級 表徵所形成的數量後，比較兩人分析結果相同與相異處，相異部分再與教授討 論，取得共識後並修正結果。以此結果，研究者再對剩餘所有的資料問卷進行質 化分析。 接著再把質化分析結果轉成以下量化分析： 1、「化學表徵形成能力問卷」：將每份問卷質化分析的結果，對三種不同類 型的化學表徵形成能力得分作學生人數與分佈的交叉表統計。 2、「化學表徵轉換能力測驗」：將測驗進行評閱後，對不同類型表徵轉換能 力的得分作學生人數的分佈交叉表統計，並進一步的作卡方檢定分析。 二、針對研究問題『（二）國三學生化學表徵形成能力與化學表徵轉換能力的關 係為何？』的處理如下： 先將學生三種類型的化學表徵形成能力得分分別分成低分組與高分組 兩組表徵形成能力組。再依據學生在每種類型的化學表徵形成能力分組狀 況，把學生的化學表徵形成能力作綜合型的分群，將學生的化學表徵形成 能力分成以下三群： （一） 低階表徵形成能力群：學生在三種類型的化學表徵形成能力得 分均分在低分組；

（二） 中階表徵形成能力群：學生僅一種類型的化學表徵形成能力得 分分在高分組； （三） 高階表徵形成能力群：學生有兩種以上類型的化學表徵形成能 力得分分在高分組。 接著，將學生在三種類型的化學表徵轉換能力得分分別分成低分組與 高分組兩組表徵轉換能力組。再依據學生在每種類型的化學表徵轉換能力 分組狀況，將學生的化學表徵轉換能力作綜合型的分群，共分成以下三群： （一） 低階表徵轉換能力群：學生在三種類型的化學表徵轉換能力得 分均分在低分組； （二） 中階表徵轉換能力群：學生僅一種類型的化學表徵轉換能力得 分分在高分組； （三） 高階表徵轉換能力群：學生有兩種以上類型的化學表徵轉換能 力得分分在高分組。 最後針對學生在化學表徵形成能力的三種不同能力群與化學表徵轉換 能力的三種不同能力群作交叉表的整體人數比例分佈與卡分檢定分析。 三、針對研究問題『（三）不同化學學習成就的國三學生在化學表徵形成能力及 化學表徵轉換能力是否有差異存在？』的處理如下： 先將所有受測者的「國二下學期第二次定期評量自然科成績」排序， 把成績前50﹪的平均分數訂為高標分；後50﹪的平均分數訂為低標分。之 後再將學生的「化學學習成就」分成以下三群： （一） 低成就群：國三學生「國二下學期第二次定期評量自然科成績」 成績比低標分低者； （二） 中成就群：國三學生「國二下學期第二次定期評量自然科成績」 成績比低標分高，但比高標分低者； （三） 高成就群：國三學生「國二下學期第二次定期評量自然科成績」

最後，先對不同「化學學習成就」群的學生與不同階層的化學表徵形 成能力作交叉表的人數比例分佈與卡方檢定分析，來解釋不同化學學習成 就的學生在化學表徵形成能力上的是否有差異。再對不同「化學學習成就」 群的學生與不同階層的化學表徵轉換能力作交叉表的人數比例分佈與卡方 檢定分析，來解釋不同化學學習成就的學生在化學表徵轉換能力上的是否 有差異。

第四章 研究結果

本章共分四節，第一、二節將先針對本研究所收集的「化學表徵形成能力問 卷」、「化學表徵轉換能力測驗」兩份資料進行量化的分析，藉以回答研究問題一： 國三學生化學表徵形成能力及表徵轉換能力之表現各為何？第三節將再進一步 分析國三學生的化學表徵形成能力與化學表徵轉換能力之間是否有所關聯，藉以 回答研究問題二：國三學生化學表徵形成能力與化學表徵轉換能力的關係為何？ 最後第四節再以研究學生「國二下學期第二次定期評量成績」分成不同化學學習 成就群後，分別對學生的化學表徵形成能力及化學表徵轉換能力進行分析，藉以 回答研究問題三：不同化學學習成就的國三學生在化學表徵形成能力及化學表徵 轉換能力是否有差異存在？

第一節 國三學生化學表徵形成能力之表現分析

本節先對學生在「化學表徵形成能力問卷」的回答進行逐題分析，此份問 卷分成「強酸概念」與「酸鹼中和概念」兩種概念，每種概念包含三題問題，每 一題問題對應一種表徵類型。在分析時，若學生在針對該概念的三題問題的回答 中能正確舉出一種類型的表徵，則該類型的表徵形成能力即可得一分，待全部評 完分後，再依學生在該類型的表徵形成能力得分將其表徵形成能力分成三個層級 （level）： （一） 低形成能力：該表徵類型得0分。各題低表徵形成能力學生回答內容舉例 如表4-1-1。 （二） 中形成能力：該表徵類型得1分。各題中表徵形成能力學生回答內容舉例 如表4-1-2。 （三） 高形成能力：該表徵類型得2分以上。各題高表徵形成能力學生回答內容

舉例如表4-1-3。

而所有學生在「強酸概念」與「酸鹼中和概念」的三種表徵類型形成能力 之階層人數分佈情形分別如表4-1-4與表4-1-5。

表4-1-1 各題低表徵形成能力學生回答內容舉例 該類型表 徵得分 回答內容 評分判定 0 分 （學生編號 30310） 無任何巨觀表徵 （學生編號 30116） 無任何微觀表徵 （學生編號 31310） 無任何符號表徵

0 分 （學生編號 31310） 無任何巨觀表徵 （學生編號 31322） 無任何微觀表徵 （學生編號 31322） 無任何符號表徵

表4-1-2 各題中表徵形成能力學生回答內容舉例 該類型表 徵得分 回答內容 評分判定 1 分 （學生編號 31302） 回答一個巨觀表徵 （腐蝕性） （學生編號 31309） 回答一個微觀表徵 （完全解離） （學生編號 31427） 回答一個符號表徵 （HCl）

1 分 （學生編號 31413） 回答一個巨觀表徵 （吃胃藥） （學生編號 31314） 回答一個微觀表徵 （ 離 子 反 應 方 程 式） （學生編號 30134） 回答一個符號表徵 （化學反應方程 式）

表4-1-3 各題高表徵形成能力學生回答內容舉例 該類型表 徵得分 回答內容 評分判定 2 分 （學生編號 30121） 回答二個以上巨觀表徵 （腐蝕性） （酸霧） （脫水性） （學生編號 31304） 回答二個以上微觀表徵 （完全解離） （離子比例）

2 分 （學生編號 31301） 回答二個以上符號表徵 （HCl） （H2SO4） （學生編號 31301） 回答二個以上巨觀表徵 （放熱） （產生鹽類）

2 分 （學生編號 31301） 回答二個以上微觀表徵 （ 氫 離 子 ＋ 氫 氧 根 離 子） （主要反應及非主要反 應） （學生編號 31301） 回答二個以上符號表徵 （ 化 學 反 應 方 程 式 三 條）

表4-1-4 「強酸概念」三種不同表徵類型與表徵形成能力層級人數分佈 強酸概念 分佈人數 N（整體人數的百分比﹪） 巨觀表徵 微觀表徵 符號表徵 表 徵 形 成 能 力 低形成能力 134（35.0﹪） 288（75.2﹪） 235（61.4﹪） 中形成能力 177（46.2﹪） 66（17.2﹪） 87（22.7﹪） 高形成能力 72（18.8﹪） 29（7.6﹪） 61（15.9﹪） 合計 383（100﹪） 383（100﹪） 383（100﹪） 注：粗體數字為此表徵類型中，人數（比例）最大值

表4-1-5 「酸鹼中和概念」三種不同表徵類型形與表徵成能力層級人數分佈 酸鹼中和概念 分佈人數 N（整體人數的百分比﹪） 巨觀表徵 微觀表徵 符號表徵 表 徵 形 成 能 力 低形成能力 226（59.0﹪） 311（81.2﹪） 306（79.9﹪） 中形成能力 104（27.2﹪） 64（16.7﹪） 67（17.5﹪） 高形成能力 53（13.8﹪） 8（2.1﹪） 10（2.6﹪） 合計 383（100﹪） 383（100﹪） 383（100﹪） 注：粗體數字為此表徵類型中，人數（比例）最大值

由交叉表的整體人數百分比分佈可看出：除了在「強酸概念」的巨觀表徵部 分低形成能力人數比例低於40﹪外，其餘無論是在「強酸概念」的微觀表徵與符 號表徵或「酸鹼中和概念」的三種類型表徵的表現上，低形成能力佔所有學生人 數的比例均高於50﹪，綜言之，本研究中的大部分國三學生的表徵形成能力仍有 待加強。 然而，特別值得注意的是「強酸概念」在巨觀表徵類型的中形成能力表現反 而比低形成能力高出11.2﹪，這可能是因為「強酸概念」對學生來說較為簡單， 且較易在生活中接觸，因此，有較多的學生能夠發展出較高階的巨觀表徵能力。 為了解學生整體的化學表徵形成能力表現，本研究再將兩種化學概念的表 徵形成能力作整合性的評分，依據學生在兩種概念的表徵形成能力表現，本研究 將他們的「整體表徵形成能力」分成以下五個層級： （一） 層級一：學生在某一表徵類型中兩種概念的表徵形成能力得分均為 0 分；亦即學生在某一表徵類型中兩種概念的表徵形成能力均為低形成能 力，則定義學生在此一表徵類型的整體表徵形成能力為層級一。例如： 編號 31322 的學生在強酸概念的巨觀表徵為低形成能力，酸鹼中和概念 的巨觀表徵為低形成能力，因此評定編號 31322 的學生整體巨觀表徵形 成能力為層級一。 （二） 層級二：學生在某一表徵類型中一種概念的表徵形成能力得分為 0 分， 另一種概念的表徵形成能力得分為 1 分；亦即學生在某一表徵類型中一 種概念的表徵形成能力為低形成能力，另一種概念的表徵形成能力為中 形成能力，則定義學生在此一表徵類型的整體表徵形成能力為層級二。 例如：編號 31309 的學生在強酸概念的微觀表徵為中形成能力，酸鹼中 和概念的微觀表徵為低形成能力，因此評定編號 31309 的學生整體微觀 表徵形成能力為層級二。 （三） 層級三：學生在某一表徵類型中兩種概念的表徵形成能力得分均為 1 分；亦即學生在某一表徵類型中兩種概念的表徵形成能力均為中形成能 力，則定義學生在此一表徵類型的整體表徵形成能力為層級三。例如： 編號 31413 的學生在強酸概念的巨觀表徵為中形成能力，酸鹼中和概念 的巨觀表徵為中形成能力，因此評定編號 31413 的學生整體巨觀表徵形 成能力為層級三。

（四） 層級四：學生在某一表徵類型中一種概念的表徵形成能力得分為 1 分， 另一種概念的表徵形成能力得分為 2 分；亦即學生在某一表徵類型中一 種概念的表徵形成能力為中形成能力，另一種概念的表徵形成能力為高 形成能力，則定義學生在此一表徵類型的整體表徵形成能力為層級四。 例如：編號 30134 的學生在強酸概念的巨觀表徵為高形成能力，酸鹼中 和概念的巨觀表徵為中形成能力，因此評定編號 30134 的學生整體巨觀 表徵形成能力為層級四。 （五） 層級五：學生在某一表徵類型中兩種概念的表徵形成能力得分均為 2 分；亦即學生在某一表徵類型中兩種概念的表徵形成能力均為高形成能 力，則定義學生在此一表徵類型的整體表徵形成能力為層級五。例如： 編號 31304 的學生在強酸概念的巨觀表徵為高形成能力，酸鹼中和概念 的巨觀表徵為高形成能力，因此評定編號 31304 的學生整體巨觀表徵形 成能力為層級五。 而所有學生的「整體表徵形成能力」人數分佈情形分別如表4-1-6。

表4-1-6 「整體表徵形成能力」三種不同表徵類型與表徵形成能力層級人數分佈 整體表徵形成能力 分佈人數 N（整體人數的百分比﹪） 巨觀表徵 微觀表徵 符號表徵 表 徵 形 成 能 力 層級一 （兩種概念均為低形成能力） 106（27.7﹪） 263（68.7﹪） 225（58.7﹪） 層級二 （一種概念為低形成能力，另一種概念為中形成能力） 123（32.1﹪） 60（15.7﹪） 70（18.3﹪） 層級三 （兩種概念均為中形成能力） 78（20.4﹪） 41（10.7﹪） 47（12.3﹪） 層級四 （一種概念為中形成能力，另一種概念為高形成能力） 52（13.6﹪） 14（3.7﹪） 32（8.4﹪） 層級五 （兩種概念均為高形成能力） 24（6.3﹪） 5（1.3﹪） 9（2.3﹪） 合計 383（100﹪） 383（100﹪） 383（100﹪） 注：粗體數字為此表徵類型中，人數（比例）最大值

由交叉表的整體人數百分比分佈可看出學生在「整體表徵形成能力」的微 觀與符號表徵形成能力上均是「層級一」人數百分比最多，「層級二」到「層級 五」的人數總和百分比均不到50﹪，因此本研究的國三學生在微觀與符號表徵形 成能力上均有待加強。而巨觀表徵形成能力卻是「層級二」的人數百分比（32.1 ﹪）最多，且「層級二」到「層級五」的總人數比例達72.4﹪，這可能是因為對 學生來說巨觀表徵較易學習的緣故，使得大部分的人至少都能回答一個以上的巨 觀表徵。 最後，研究者將學生「整體表徵形成能力」的表徵形成能力訂為依變項，「層 級一」設為0分、「層級二」設為1分、「層級三」設為2分、「層級四」設為3分、「層 級五」設為4分，接著將不同表徵類型訂為變異因子，進行單因子變異數分析， 獲得分析結果如表4-1-7。因此由表4-1-7可知學生對於這三種表徵類型的表徵形 成能力上是有顯著差異的（F＝63.81）；而由Scheffe事後多重比較可看出三種不 同表徵類型的形成能力間均有顯著性差異（p<0.01），因此由不同表徵類型形成 能力的平均數可知巨觀表徵形成能力高於符號表徵形成能力，符號表徵形成能力 則高於微觀表徵形成能力。

表4-1-7 受試者在三種表徵類型之「整體表徵形成能力」單因子變異數分析結果（n=383） Mean S.D. (1)巨觀表徵形成能力 1.39 1.201 (2)微觀表徵形成能力 0.53 0.917 (3)符號表徵形成能力 0.77 1.099 F (ANOVA) 63.81* Scheffe test (1)>(3)>(2) p<0.01

第二節 國三學生化學表徵轉換能力之表現分析

本節先對「化學表徵轉換能力測驗」進行量化的評分，該題答對得1分，答 錯得0分。此份測驗的題目共有12題，分別對應以下三種類型的化學表徵轉換能 力： （一） 巨觀表徵與微觀表徵相互轉換能力：此份測驗第1、2題題幹以巨觀表徵 表達，答案以微觀表徵表示；測驗第9、10題以微觀表徵表達，答案以巨 觀表徵表示。 （二） 巨觀表徵與符號表徵相互轉換能力：此份測驗第3、4題題幹以巨觀表徵 表達，答案以符號表徵表示；測驗第5、6題以符號表徵表達，答案以巨 觀表徵表示。 （三） 微觀表徵與符號表徵相互轉換能力：此份測驗第7、8題題幹以符號表徵 表達，答案以微觀表徵表示；測驗第11、12題以微觀表徵表達，答案以 符號表徵表示。 以上每種類型的化學表徵轉換能力得分，由其所組成題目的得分加總形成， 因此每種類型的化學表徵轉換能力得分均是最低0分；最高4分。接著將三種類型 的化學表徵轉換能力得分的整體人數百分比分佈情形如表4-2-1。 由表4-2-1可發現三種類型的化學表徵轉換能力得分人數分佈前兩名的百分 比總和均超過50﹪，而其中「巨觀表徵與微觀表徵相互轉換能力」與「微觀表徵 與符號表徵相互轉換能力」的人數分佈前兩名均是在1分及2分；「巨觀表徵與符 號表徵相互轉換能力」的人數分佈前兩名則是在2分及3分，這似乎代表著學生在 「巨觀表徵與符號表徵相互轉換能力」的表現優於另外兩種類型的化學表徵轉換 能力。這可能是因為目前學校的考試題型大多為巨觀表徵與符號表徵之間相互連 結的題目，且教師上課的重點也著重在巨觀表徵與符號表徵之間相互連結的內 容，使大部分的學生在「巨觀表徵與符號表徵相互轉換能力」的題目得分上比另 外兩種類型的化學表徵轉換能力的題目得分好。

表4-2-1 三種類型的化學表徵轉換能力得分的整體人數百分比分佈 巨觀表徵與微觀表徵 相互轉換能力 巨觀表徵與符號表徵 相互轉換能力 微觀表徵與符號表徵 相互轉換能力 分佈人數 N（整體人數的百分比﹪） 0分 98（25.6﹪） 24（6.3﹪） 73（19.1﹪） 1分 117（30.5﹪） 94（24.5﹪） 131（34.2﹪） 2分 109（28.5﹪） 102（26.6﹪） 114（29.8﹪） 3分 49（12.8﹪） 100（26.1﹪） 53（13.8﹪） 4分 10（2.6﹪） 63（16.4﹪） 12（3.1﹪） 注：粗體數字為此類型的化學表徵轉換能力中，人數（比例）前二名的數值

最後，研究者想瞭解學生在這三種類型的表徵轉換能力的得分是否有差 異，因此進行單因子變異數分析，獲得分析結果如表4-2-2。由表4-2-2可知學生 對於這三種表徵類型的表徵轉換能力上是有顯著差異的（F＝68.44）；而由 Scheffe事後多重比較可看出「巨觀表徵與符號表徵相互轉換能力」與「巨觀表 徵與微觀表徵相互轉換能力」的得分間，及「巨觀表徵與符號表徵相互轉換能力」 與「微觀表徵與符號表徵相互轉換能力」的得分間有顯著性差異（p<0.01），因 此由不同表徵類型的化學表徵轉換能力的得分平均數可知「巨觀表徵與符號表徵 相互轉換能力」高於「巨觀表徵與微觀表徵相互轉換能力」，且「巨觀表徵與符 號表徵相互轉換能力」高於「微觀表徵與符號表徵相互轉換能力」。這應該是學 校的考試題型大多為巨觀表徵與符號表徵之間相互連結的題目，且較師的教學重 點也大多擺在巨觀表徵與符號表徵之間相互連結的內容，使得學生在「巨觀表徵 與符號表徵相互轉換能力」的表現上明顯比其他兩種類型的化學表徵轉換能力 好。 然而，值的注意的是由於「巨觀表徵與微觀表徵相互轉換能力」與「微觀 表徵與符號表徵相互轉換能力」的得分間無顯著性差異（p>0.05），且此兩種類 型的化學表徵轉換能力的得分平均數低於「巨觀表徵與符號表徵相互轉換能力」 的得分，這可能是因為大部分學校教師在教學時往往並未重複提到微觀表徵，或 著是根本未提到；再加上微觀表徵本來就是學生不易想像的表徵類型，因此只要 牽涉到微觀表徵與其他表徵相互轉換能力的表現均不好。

表4-2-2 受試者在三種類型的化學表徵轉換能力單因子變異數分析結果（n=383） Mean S.D. (1)巨觀表徵與微觀表徵相互轉換能力 1.36 1.076 (2)巨觀表徵與符號表徵相互轉換能力 2.22 1.171 (3)微觀表徵與符號表徵相互轉換能力 1.48 1.048 F (ANOVA) 68.44* Scheffe test (2)>(1)；(2)>(3) p<0.01

第三節 化學表徵形成能力與轉換能力之關聯分析

本研究先將學生三種類型的「整體表徵形成能力」得分分別分成兩組表徵形 成能力組： （一） 低分組：該類型的「整體表徵形成能力」得分得0~1分； （二） 高分組：該類型的「整體表徵形成能力」得分得2~4分。 再依據學生在每種類型的「整體表徵形成能力」分組狀況，把學生的「整體表徵 形成能力」作綜合型的分群，將學生的化學表徵形成能力分成以下三群： （一） 低階表徵形成能力群：學生在三種類型的「整體表徵形成能力」得分均 分在低分組； （二） 中階表徵形成能力群：學生僅一種類型的「整體表徵形成能力」得分分 在高分組； （三） 高階表徵形成能力群：學生有兩種以上類型的「整體表徵形成能力」得 分分在高分組。 接著，將學生在三種類型的化學表徵轉換能力得分分別分成兩組表徵轉換能 力組： （一） 低分組：該類型的化學表徵轉換能力得分得0~2分； （二） 高分組：該類型的化學表徵轉換能力得分得3~4分。 再依據學生在每種類型的化學表徵轉換能力分組狀況，將學生的化學表徵轉換能 力作綜合型的分群，共分成以下三群： （一） 低階表徵轉換能力群：學生在三種類型的化學表徵轉換能力得分均分在 低分組； （二） 中階表徵轉換能力群：學生僅一種類型的化學表徵轉換能力得分分在高 分組； （三） 高階表徵轉換能力群：學生有兩種以上類型的化學表徵轉換能力得分分 在高分組。 最後針對學生在化學表徵形成能力的三種不同能力群與化學表徵轉換能力 的三種不同能力群作交叉表的整體人數比例分佈與卡分檢定分析，得到表4-3-1。 由表4-3-1的卡方分析可知學生化學表徵形成能力與化學表徵轉換能力有顯

著關聯（F＝90.42，p<0.01）。而由交叉表的整體人數比例分佈可看出，在化學 表徵形成能力之低階表徵形成能力群的學生在化學表徵轉換能力的表現中，超過 50﹪的人數集中在低階與中階表徵轉換能力群中；且低階表徵形成能力群在低階 表徵轉換能力群的人數佔所有低階轉換群總人數的75.1﹪，顯見低階表徵轉換能 力常是伴隨低階形成能力的出現。 而化學表徵形成能力之高階表徵形成能力群的學生在化學表徵轉換能力的 表現中，達到高階表徵轉換能力群的人數最多；且高階表徵形成能力群在高階表 徵轉換能力群的人數佔所有高階轉換群總人數的53.2﹪，顯見高階表徵轉換能力 常是伴隨高階形成能力的出現。

表4-3-1 不同階層化學表徵形成能力與不同階層化學表徵轉換能力交叉表與卡方分析 化學表徵轉換能力 分佈人數 N（在不同化學表徵形成能力群內的百分比﹪） 低階表徵轉換能力群 中階表徵轉換能力群 高階表徵轉換能力群 化 學 表 徵 形 成 能 力 低階表徵形成能力群 142（75.1﹪） 51（43.6﹪） 15（19.5﹪） 中階表徵形成能力群 33（17.5﹪） 31（26.5﹪） 21（27.3﹪） 高階表徵形成能力群 14（7.4﹪） 35（29.9﹪） 41（53.2﹪） 合計 189（100﹪） 117（100﹪） 77（100﹪） 卡方檢定 90.42* *p<0.01 注：粗體數字為此化學表徵轉換能力群中，人數（比例）最大值。

第四節 不同化學學習成就者的化學表徵形成能力及化學表徵轉換

能力之比較分析

本研究的「化學學習成就」是指國三學生在國二下學期第二次定期評量的成 績。研究著先將國三學生的「化學學習成就」成績依高低分排序，把前50﹪學生 的成績平均，得一高標分76.8分；把後50﹪學生的成績平均，得一低標分37.7 分。之後再將學生的「化學學習成就」分成以下三群： （一） 低成就群：國三學生「化學學習成就」成績比低標分低者，共有98人； （二） 中成就群：國三學生「化學學習成就」成績比低標分高，但比高標分低 者，共有193人； （三） 高成就群：國三學生「化學學習成就」成績比高標分高者，共有92人。 接著，本研究將不同「化學學習成就」群的學生與不同階層的化學表徵形成 能力作交叉表的不同「化學學習成就」群內人數比例分佈與卡方檢定分析，得到 如表4-4-1。 由表4-4-1可知不同「化學學習成就」群與不同階層的化學表徵形成能力之 間有顯著關聯（F＝151.87，p<0.01）。而由交叉表在不同「化學學習成就」群內 的人數比例分佈可看出，在「化學學習成就」低成就群中有超過80﹪的學生化學 表徵形成能力停留在低階表徵形成能力，而「化學學習成就」中成就群中也有超 過80﹪的學生化學表徵形成能力停留在低階表徵形成能力與中階表徵形成能 力；反觀「化學學習成就」高成就群中則有超過80﹪的學生化學表徵形成能力達 到高階表徵形成能力與中階表徵形成能力。顯見「化學學習成就」低成就的學生 常伴隨低階表徵形成能力的出現；「化學學習成就」高成就的學生常伴隨高階表 徵形成能力的出現。

表4-4-1 學生不同「化學學習成就」群與不同階層化學表徵形成能力交叉表與卡方分析 化學表徵形成能力 分佈人數 N（在不同「化學學習成就」群內的百分比﹪） 低階表徵形成能力群 中階表徵形成能力群 高階表徵形成能力群 合計 化 學 學 習 成 就 低成就群 87（88.8﹪） 10（10.2﹪） 1（1.0﹪） 98（100﹪） 中成就群 110（57.0﹪） 53（27.5﹪） 30（15.5﹪） 193（100﹪） 高成就群 11（12.0﹪） 22（23.9﹪） 59（64.1﹪） 92（100﹪） 卡方檢定 151.87* *p<0.01 注：粗體數字為此化學學習成就群中，人數比例總和超過80﹪的表徵形成能力群。

最後本研究再將不同「化學學習成就」群的學生與不同階層的化學表徵轉換 能力作交叉表的不同「化學學習成就」群內人數比例分佈與卡方檢定分析，得到 如表4-4-2。 由表4-4-1可知不同「化學學習成就」群與不同階層的化學表徵轉換能力之 間有顯著關聯（F＝142.17，p<0.01）。而由交叉表在不同「化學學習成就」群內 的人數比例分佈可看出，在「化學學習成就」低成就群中有超過80﹪的學生化學 表徵轉換能力停留在低階表徵轉換能力，而「化學學習成就」中成就群中也有超 過80﹪的學生化學表徵轉換能力停留在低階表徵轉換能力與中階表徵轉換能 力；反觀「化學學習成就」高成就群中則有超過80﹪的學生化學表徵轉換能力達 到高階表徵轉換能力與中階表徵轉換能力。顯見「化學學習成就」低成就的學生 常伴隨低階表徵轉換能力的出現；「化學學習成就」高成就的學生常伴隨高階表 徵轉換能力的出現。