探究不同電腦模擬使用情境對概念學習的影響：以七年級遺傳單元為例

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所教學碩士班碩士論文. 指導教授：吳心楷博士. 探究不同電腦模擬使用情境對概念學習的影響：以七年級遺傳單元為例. 研究生：王士文. 中華民國九十八年七月.

(2) 致謝本論文得以完成，首先要感謝指導教授吳心楷博士。在論文撰寫的過程中，吳老師悉心指導與教誨，從課程計畫的完善到教案的修改與實施，老師给我許多精闢的看法，使我能順利完成教學；當我對撰寫論文沒有信心時，老師鼓勵我並指導我論文撰寫需要注意的地方，以及協助我整理論文中的焦點，使我能逐步的將論文完成，我也在過程中受益匪淺。感謝口試委員黃達三教授、許瑛玿教授對論文內容所賜的寶貴建議。兩位教授在工作繁忙之餘，還願意撥冗指導論文，使我獲得許多珍貴的學習經驗，在此致上衷心的謝意。在科教所求學期間，李田英老師在課程設計和教學模式的指導、邱美虹老師在概念改變的思想引入、譚克平老師在統計課程的教學和軟體應用的要求以及楊文金老師在科學本質的探討，使我對科教的範疇有較為深入的理解。也感謝許多同學和同事對我的鼓勵和督促，使我能順利完成學業。特別感謝涂志銘學長，在我徬徨不已，找不到研究方向時，給我許多提示，並花費時間協助我審查試題，同事謝欣如老師和李簡秋玲老師教我使用統計軟體進行數據分析，陳延鈴老師在我失去信心時，給予我正向思考的力量。還有許多就讀科教所的同學、就讀彰師大的同學和現在成淵高中的同事，因為你們的協助與勉勵，使我能夠堅持到底，完成論文，在此致上深深的謝意。還要感謝我的叔叔王明乾博士與王華沛博士，幫我修改論文的摘要，為整篇論文起了畫龍點睛的重要效果。特別感謝父親王東江先生、母親黃美月女士、岳父林清池先生、岳母廖月嬌女士，因為你們無私的奉獻與付出，幫我照顧年幼的小孩，我才能專心於論文撰寫，也謝謝你們平日對我身體的關心，讓我備感溫馨，在此獻上我至誠的謝意。在求學、論文執行和撰寫期間，妻子林亭均時刻不間斷的鼓勵、支持與協助，陪我度過所有疲憊、辛苦的日子，還很細心地照顧孩子柔云，使我沒有後顧之憂，得以順利完成論文，謝謝你，亭均。謹以此文獻給科學教育領域，盡一己棉薄之力，希望能對科學教育有些許貢獻。. I.

(3) 摘要本研究針對在國中七年級自然與生活科技課程中「遺傳」的學習單元，分別探討不同教學取向中不同學習成就學生，進行電腦模擬軟體的學習，對概念學習過程、感受程度和對話量的差異。本研究對象共 145 人，分兩組教學，「教師展示教學」組 72 人，「學生自控操作學習」組 73 人，在電腦教室中兩人一組使用一台電腦。研究工具包括：遺傳學成就測驗、遺傳概念二階式診斷測驗、資訊融入教學感受問卷和電腦側錄等工具。根據雙因子變異數分析（三次測驗 × 教學取向）的結果發現，兩組（展示組和操作組）學生在後測和延宕後測的組內表現都有進步，且達到顯著差異，但是組間比較沒有顯著差異，顯示兩種教學取向皆可使學生達到學習效益。進一步分析概念類型發現，操作組的教學取向對學生學習遺傳概念幫助較大。在後測和延宕後測中，兩組（展示組和操作組）的高成就和中成就學生都有顯著進步，展示組的低成就學生在延宕後測分數表現比後測退步，顯示展示組教學取向對低成就學生的記憶保留幫助較少。兩組學生對資訊融入教學的感受都持有正向看法，根據雙因子變異數分析（感受程度 × 教學取向），發現兩者在學生成就表現間沒有交互作用，顯示正向的感受不一定讓學生對概念的理解較有幫助。在學生對話表現上發現，操作組比展示組專心於探究學習單上的問題，有助於概念改變；展示組的低成就學生課外話題較多，影響學習的效益。關鍵字：教學取向、電腦模擬軟體、另有概念. II.

(4) Abstract This research focuses on the “Genetics” lesson unit of a Nature Science course in the 7th grade of the junior high school level. The student achievements in different groups with different teaching approaches are measured in the same computer simulation software comparing the differences in concept development, attitude, and dialogue analysis. There are 145 objects divided into two groups of different teaching approaches. The group with teacher demonstration has 72 students while the group with self- navigation has 73 students. A team of two students uses a computer in the computer classroom. The research tools are: A genetics achievement test, a two-tier genetics concept diagnostic test, a survey of information-integrated reaction in attitude toward teaching, and computerized recording of navigations and actions taken by the objects, etc. The results of two-coefficient variance analysis (test and teaching approach) indicate that the two groups, i.e., the teacher-demonstration group and the self-navigation group, progress well and achieve with significance difference in post test and retention test within the group. However, there is no significant difference between the two groups. This shows that the two teaching approaches enable the students to learn genetics to achieve their potential. However, in further analysis of the concept categories, the approach of self-navigation helps students more in learning genetics concepts. In the post test and retention test, the high-achieving and middle-achieving students in both groups appear to have made significant progress. The low-achieving students in the teacher-demonstration group have lower scores in the retention test than in the post test. This shows that the teacher-demonstration approach does not help the low-achieving students as much in memory retention. Both groups have positive attitude toward the teaching with information integration. The results of two-coefficient variance analysis (degree of reaction in attitude and teaching approach) indicate that there are no interactions between the two coefficients in terms of student achievements and thus show that positive reactions in attitude do not necessarily translate into understanding of concepts. In terms of the behaviors in student dialogue, it has been found that the students in the self-navigation group pay more attention to probing of the questions that are in the lesson plan and hence are better off in changing their genetics concepts. Low-achieving students in the teacher-demonstration group tend to deviate outside the lesson plan in their discussion dialogue, thus have their performance affected. Keywords: teaching approach, computer simulation software, alternative conception. III.

(5) 目錄第一章緒論..................................................................................................................1 第一節研究動機與重要性..................................................................................1 第二節研究目的與研究問題..............................................................................3 第三節名詞解釋..................................................................................................3 第四節研究範圍與限制......................................................................................5 第二章文獻探討..........................................................................................................6 第一節國中遺傳概念的探討..............................................................................6 第二節遺傳學的另有概念與教學建議............................................................10 第三節電腦模擬軟體........................................................................................21 第四節教學取向................................................................................................29 第三章研究方法........................................................................................................35 第一節研究流程................................................................................................35 第二節研究對象................................................................................................37 第三節研究課程設計........................................................................................39 第四節資料的收集與分析................................................................................49 第四章研究結果....................................................................................................... 58 第一節遺傳成就測驗之表現............................................................................58 第二節二階式概念診斷測驗之表現................................................................73 第三節資訊融入教學感受問卷之表現............................................................91 第四節小組對話分析......................................................................................100 第五章結論與建議..................................................................................................110 第一節結論......................................................................................................110 第二節討論......................................................................................................114 第三節建議......................................................................................................117 參考文獻....................................................................................................................120 一、中文部分......................................................................................................120 二、西文部份......................................................................................................122 附錄一教案與教學流程設計..................................................................................125 附錄二遺傳學成就測驗..........................................................................................137 附錄三遺傳成就測驗試題的項目分析..................................................................141 附錄四遺傳概念二階式診斷測驗授權書..............................................................142 附錄五小恐龍電腦模擬軟體使用感受問卷..........................................................143 附錄六二階式診斷測驗的概念分類......................................................................145 附錄七遺傳成就測驗分題的前後測差異檢定......................................................147. IV.

(6) 圖次圖 3-1-1 研究流程圖...................................................................................................36 圖 3-3-1 性狀與染色體間的關係...............................................................................42 圖 3-3-2 探索的題型一...............................................................................................44 圖 3-3-3 父親龍和母親龍的性狀表現.......................................................................44 圖 3-3-4 親代細胞內的遺傳因子型式.......................................................................45 圖 3-3-5 母親龍產生的生殖細胞...............................................................................45 圖 3-3-6 探索的題型二...............................................................................................46 圖 3-3-7 概念（名詞）引入的題型...............................................................................46 圖 3-3-8 概念應用的題型...........................................................................................47 圖 3-4-1 遺傳概念二階式診斷試題 B2......................................................................51 圖 3-4-2 側錄軟體 Camtasia.......................................................................................52 圖 4-1-1 展示組學生在前、後測和延宕後測的各題答對率.....................................61 圖 4-1-2 操作組學生在前、後測和延宕後測的各題答對率.....................................65 圖 4-1-3 兩組在後測和延宕後測答對率差值百分比...............................................69 圖 4-1-4a 展示組的高中低成就學生進步分數.........................................................71 圖 4-1-4b 操作組的高中低成就學生進步分數.........................................................71 圖 4-2-1 二階式診斷測驗前測各題答對率...............................................................75 圖 4-3-1 學生 70337 的建議........................................................................................93 圖 4-3-2 學生 70908 的建議........................................................................................95 圖 4-3-3 學生對電腦模擬軟體的看法.......................................................................96 圖 4-3-4 學生 70302 的建議........................................................................................97 圖 4-3-5 學生 70307 和 70834 的建議.........................................................................97 圖 4-3-6 學生 70325 的建議........................................................................................98 圖 4-3-7 學生 70323 的建議........................................................................................98 圖 4-3-8 學生對電腦模擬軟體的看法.......................................................................99 圖 4-3-9 學生 70432 的建議..................................................................................... 100 圖 4-3-10 學生 70413 的建議................................................................................... 100 圖 4-4-1 兩組學生在活動類型的差異.....................................................................101 圖 4-4-2 兩組學生在互動型式的差異.....................................................................103 圖 4-4-3 兩組學生在對話內容的差異.....................................................................104 圖 4-4-4 展示組小組間活動類型.............................................................................106 圖 4-4-5 展示組小組間互動型式.............................................................................107 圖 4-4-6 操作組小組間活動類型.............................................................................108 圖 4-4-7 操作組小組間互動型式.............................................................................109. V.

(7) 表次表 2-2-1 遺傳主概念、次概念、命題陳述和另有概念的統整...................................18 表 2-4-1 兩種教學取向的比較...................................................................................31 表 3-2-1 各班被觀察學生的分組與生物科成就表現...............................................38 表 3-3-1 每堂課的教學內容和概念範圍...................................................................40 表 3-3-2 操作組第二節課教案...................................................................................43 表 3-3-3 展示組第二節課教案...................................................................................48 表 3-4-1 兩份測驗的雙向細目表...............................................................................50 表 3-4-2 分析概念類型的編碼表...............................................................................53 表 3-4-3 分析學生活動的編碼表...............................................................................55 表 3-4-4 研究問題與資料分析方法...........................................................................57 表 4-1-1 教學取向和成就測驗的雙因子混合設計變異數分析...............................59 表 4-1-2 單純主要效果檢定結果的變異數分析摘要表...........................................59 表 4-1-3 兩組在有顯著差異的題號...........................................................................62 表 4-1-4 展示組後測無顯著進步試題的概念分類...................................................63 表 4-1-5 操作組後測無顯著進步試題的概念分類...................................................66 表 4-1-6 操作組延宕後測顯著進步試題的概念分類...............................................67 表 4-1-7 高中低成就學生在前測、後測和延宕後測平均分數.................................71 表 4-1-8 進步分數在學習成就與教學取向的分析結果...........................................72 表 4-1-9 低中高成就組的事後比較...........................................................................72 表 4-2-1 教學取向和二階式測驗的雙因子混合設計變異數分析...........................73 表4-2-2 單純主要效果檢定結果的變異數分析摘要表...........................................74 表 4-2-3 B7 的學生概念分類次數表........................................................................81 表 4-2-4 B8 的學生概念分類次數表........................................................................81 表 4-2-5 B10 的學生概念分類次數表......................................................................82 表 4-2-6 B16 的學生概念分類次數表......................................................................82 表 4-2-7 B17 的學生概念分類次數表......................................................................83 表 4-2-8 B1 的學生概念分類次數表........................................................................83 表 4-2-9 B2 的學生概念分類次數表........................................................................84 表 4-2-10 B3 的學生概念分類次數表......................................................................84 表 4-2-11 B4 的學生概念分類次數表......................................................................85 表 4-2-12 B9 的學生概念分類次數表......................................................................85 表 4-2-13 B6 的學生概念分類次數表......................................................................86 表 4-2-14 B11 的學生概念分類次數表....................................................................86 表 4-2-15 B5 的學生概念分類次數表......................................................................87 表 4-2-16 B13 的學生概念分類次數表....................................................................88 表 4-2-17 B15 的學生概念分類次數表....................................................................88 表 4-2-18 B12 的學生概念分類次數表....................................................................89 VI.

(8) 表 4-2-19 B14 的學生概念分類次數表....................................................................89 表 4-2-20 展示組和操作組在後測及延宕後測退步的題號.....................................90 表 4-3-1 兩組間感受問卷的差異...............................................................................91 表 4-3-2 兩組間的平均值差異...................................................................................92 表 4-3-3 展示組不同成就間有顯著差異的題型.......................................................92 表 4-3-4 操作組不同成就間有顯著差異的題型.......................................................95 表 4-3-5 感受分組與教學取向間的分析...................................................................96 表 4-4-1 兩組學生在活動類型的差異.....................................................................101 表 4-4-2 兩組學生在互動型式類型的差異.............................................................103 表 4-4-3 兩組學生在對話內容的差異.....................................................................104. VII.

(9) 第壹章. 緒論. 本章旨在針對本研究之研究動機與重要性、研究目的與研究問題、名詞解釋及研究範圍與限制等四個部份進行說明。因此本章節之討論依序為，第一節將針對本研究之背景與動機加以描述，第二節說明本研究之研究目的與研究問題，第三節就本研究所涉及之相關名詞加以定義，第四節列舉本研究之範圍與限制。. 第一節. 研究動機與重要性. 依據九年一貫新課程的精神，「資訊教育」為發展重點之一，各學習領域廣泛使用資訊科技為輔助學習的工具，結合網路上豐富的資源及廣博的科學知識，並考量學生間個體差異，從中篩選整理合適的資訊，以資訊融入教學方式呈現教材，有效轉化教師的教學型態，及學生的學習模式，讓學生在短時間內獲得廣泛的資訊，實現「因材施教」及「多元化教學」的理想。資訊融入教學的模式眾多，早期強調教師的電腦操作能力以及資訊素養的培訓工作。但自 1990 年起，學習觀點改變，建構論者認為：知識是經由學生自我觀察外在事物後，透過探索、體會、省思等思考活動而建立，強調以學生為中心的學習環境，這樣的觀點促使資訊融入科技的使用方式發生轉變。Jonassen（2000）提出學習資訊科技有三個發展階段：從電腦學（learning from computer）、學電腦（learning about computer）、用電腦學（learning with computer）。此理論顯示資訊融入教學受到建構論的影響而逐漸轉變觀念，將電腦視為學習過程中的一個介面而非學習主體。台灣的資訊教育發展亦符合此理論的發展模式，從第一階段「電腦輔助教學」：目的是為了協助教師的教學，幫助學生在學習過程得到知識，但程式的設計僵化，使用者難以從中獲得自行思考能力。到第二階段「實施電腦課程」：此階段普遍實施電腦課程，讓學生學習電腦程式的操作和應用，與學科間的關連性少，僅能使學生學會自行使用電腦，是過渡時期。現在第三階段提倡「資訊融入 1.

(10) 教學」：學生將電腦當成學習夥伴，利用電腦進行知識建構、知識探索、反思學習（張國恩，2002）。近年來許多研究指出利用電腦模擬來促進學生的概念發展是相當有益的（Gorsky & Finegold, 1994 ; Hameed, Hackling & Garnett, 1993 ; Lewis &Linn, 1994 ; Reif, 1987 ; White, 1984 ; Zietsman &Hewson, 1986），輔助在學習上的電腦模擬軟體漸趨廣泛，應用在科學學習領域中逐漸受到重視，常用於模擬比較耗時、危險、難以觀察或是昂貴的實驗，經由這些電腦模擬的過程，讓學生能體驗到日常生活中所無法體會的過程，例如：微生物學的實驗操作、飛機的模擬駕駛、物理課程中力對物體的影響，生物遺傳的過程…等。這些電腦模擬軟體，試圖將真實現象以預先設計好的方式呈現在軟體當中，甚至設計了互動的步驟，操作者可經由參數的輸入，透過操控螢幕中的物件探索過程，使操作者得以有機會「操作」並「觀察」整個實驗或現象的推演過程，進而得到該項技能或促進科學概念發展（黃福坤，2003；Gallagher, 1987）。國內外許多提供動畫模擬教材的網站，其設計重心偏重於讓教師在課堂上配合教學展示使用，這種設計模式並未讓學習者真正能從電腦模擬軟體中的操作得到知識內化的建構過程，因此多半未達學習成效（林合彥，2004）；大多數的教師使用資訊融入教學的模式，仍以教師引導為主，此教學模式還停留在「從電腦學-電腦輔助教學」的階段，未能夠考慮到以「學習者為主體」，讓他們主動進行操作，且文獻多數著墨於資訊融入教學與傳統教學的比較，對於電腦軟體操控權的歸屬較少進行探討。而本研究之目的在透過學習成就及小組討論的分析，了解在不同教學取向中（教師展示軟體和學生自控操作軟體）中不同成就的學生，使用電腦模擬軟體的學習，對遺傳概念的過程、感受程度和對話量的差異，本研究結果將有助於科教學者及科學教師對於不同「資訊融入教學」的教學取向所產生的效益，有更進一步的理解。. 2.

(11) 第二節. 研究目的與研究問題. 一、研究目的在國中七年級自然與生活科技課程中「遺傳」的學習單元，探討在不同的教學取向，分別為教師展示教學和學生自控操作學習的情境中（本文簡稱兩組為展示組和操作組），不同學習成就的學生，以相同電腦模擬軟體，比較其概念學習過程、資訊融入教學感受程度與對話量的差異。. 二、研究問題基於上述研究目的，研究問題如下：（一）教師展示教學組和學生自控操作學習組的學生，對於遺傳概念的理解是否有差異？（二）不同學習成就（低、中、高成就）的學生，在教師展示教學組和學生自控操作學習組的教學取向下，對於遺傳概念的理解是否有差異？（三）教師展示教學組和學生自控操作學習組的學生，對資訊融入教學感受的差異為何？（四）不同學習成就的學生在兩種教學取向中，討論內容的層次是否有差異，與概念理解之間的關聯為何？. 第三節. 名詞解釋. 一、另有概念（alternative conception）：基於個人信念對自然現象的詮釋表徵，以自我為中心、以人為中心、以日常用語及生理、知覺、限制等觀點來解釋自然現象，因而造成認知不足，產生與科學界所持有的概念有所差異（陳玉玲，2000）。在本研究中將學生在遺傳概念中所有與科學家概念不一致的部份，以「另有概念」一詞來稱呼，避免使用迷思概念（misconception）、先前概念（preconception） 3.

(12) 等稱呼而對這些概念有先入為主的負面印象。. 二、電腦模擬軟體（computer simulation software）：電腦模擬教學軟體定義為「以真實或理論模型的可調控電腦程式」（Thomas & Hooper, 1991）。藉由電腦程式的模擬將一個真實或虛擬的情境呈現出來，可以因為學習者改變初始值而變化的現象或理論模式的狀態，學習者必須依個人的理解去解釋模擬結果的意義（黃福坤，2003）。本研究使用的電腦模擬軟體是 BBN labs （現為 The Concord Consortium）之下的小組在 1991 年開始設計的 GenScope Software（Pedagogica），在本研究中又將 Pedagogica 稱為小恐龍模擬軟體，可以從 http://mac.concord.org/downloads/ 下載本程式。此軟體利用 JAVA 語言設計一系列視窗介面，藉由等位基因的改變，來模擬呈現遺傳概念在生物不同層次上的影響，涵蓋家族個體遺傳層次到細胞內基因控制的層次。研究者參考 Pedagogica 在遺傳概念的模擬軟體，並根據國中七年級自然與生活科技課程中遺傳概念的範圍，進行課程與電腦模擬軟體結合的設計與改編。. 三、教師展示教學：在教師展示教學的教學取向中，將電腦模擬軟體的概念教學和教師講述教學結合，使用電腦模擬軟體將遺傳概念展示在電腦螢幕上讓學生觀察，並利用學習環的教學模式，經由探索、概念引入、概念應用等三步驟，引導學生在探索步驟完成學習單上的問題，讓學生進行小組討論寫出答案，在概念引入和概念應用的步驟時，由教師協助學生將遺傳概念進行統整。此種教學法的關鍵在於教師提供學生清楚、明確的軟體展示與概念說明，教學過程中會運用到師生間的互動與學生小組間的互動。. 四、學生自控操作學習： 4.

(13) 在學生自控操作學習的教學取向中，教師提供電腦模擬軟體操作使用介紹，讓學生兩人一組，在學習環教學模式的「探索」步驟，共同操作電腦模擬軟體來回答學習單上的問題，以及進行小組間的討論並記錄，最後教師才引導學生進行概念引入和概念應用步驟，以協助學生統整遺傳概念。在此情境中重視學生對於「探索」過程中自我步調的控制，學生可以自主調控模擬軟體進行學習，也可以反覆操作，來獲取對遺傳概念的驗證。. 第四節. 研究範圍與限制. 本研究的範圍與限制如下：一、本研究只討論概念改變與教學取向間的關聯，其他影響概念改變的因素，不在本研究的討論範圍。二、本研究所探討的內容在國中七年級，自然與生活科技領域中「遺傳」單元的概念，本研究結果在其他領域不宜做過度的推論。三、本研究的研究對象只限於台北市的國中七年級學生，樣本數 145 人，因此不適合用於做廣大的推論。. 5.

(14) 第貳章. 文獻探討. 本章旨在探討與本研究相關的文獻，先整理教育部和各教科書出版商對本研究單元「遺傳」在國中階段應有的概念的看法，再進一步分析國中學生「遺傳」單元所擁有的另有概念的成因與內容並提出相關教學建議，接著探討電腦模擬軟體使用上的優劣，最後分析教學策略的差異所造成的影響。全章共分為四節：第一節為「國中遺傳概念的探討」；第二節為「遺傳學的另有概念與教學建議」；第三節為「電腦模擬軟體」；第四節為「教學取向」。. 第一節. 國中遺傳概念的探討. 「遺傳」單元的概念看似獨立，但概念與概念間卻是彼此關聯，猶如概念網路一般，學生如果無法對各概念之間的關係有清楚正確的認識，則無法有意義地了解遺傳學知識，所以在此先將國中遺傳教學裡需要包含的遺傳學概念加以明確界定。根據康軒版教科書（2009）的課本內容和楊坤原與張賴妙理（2004）所規劃的概念分類方式，將國中遺傳概念分為下列四個主題：（一）細胞分裂與減數分裂，（二）染色體、DNA 與基因，（三）孟德爾的遺傳法則，（四）人類的性別遺傳。但由於康軒版教科書（2009）針對課程計畫的安排，將細胞分裂的教學進度安排在「生殖」的章節先介紹，雖然「遺傳」的課程中也要運用到細胞分裂的概念，因為沒有將細胞分裂安排在本研究的教案計畫中，所以在此不討論細胞分裂的概念。. 一、染色體、DNA 與基因根據教育部編定 97 年課程綱要中將「染色體、DNA 與基因」分類在：課題三、「演化與延續」，裡面的主題 31、「生命的延續」，其中的次主題 310、「生殖、遺傳與演化」內，「生物的遺傳」中的教學要項 4c.知道基因可控制性狀的遺傳。 6.

(15) 在翰林版教科書（2009）中關於「染色體、DNA 與基因」之間的關係，摘要敘述如下：「等位基因為染色體上的一段 DNA，可以控制性狀的表現，每條染色體上都有不同數目的等位基因，控制一個性狀的兩個等位基因位在同源染色體的相對位置上。染色體是由 DNA 與蛋白質所組成的構造」。在康軒版教科書（2009）中沒有提到等位基因，使用「遺傳因子」來代替「等位基因」一詞。無論是遺傳因子或等位基因的用詞，皆為往年遺傳教學中沒有使用到的詞語，今年會著重提到是因為國立編譯館建議：「要從國中建立學生正確的基因概念，但是孟德爾的古典遺傳學中並未將「基因」做定義，與現代遺傳學的內容相比較時，學生要能分清楚一個基因控制性狀，是因為基因中包含兩個等位基因（遺傳因子）。」比對 2009 年康軒版、翰林板、南一版教科書的教學目標，將屬於「染色體、 DNA 與基因」的教學目標延伸為下列三個部份：（一）知道基因控制性狀。（二）了解基因、DNA、染色體三者間的相互關係。（三）知道基因型和表現型的定義和相互關係。. 二、孟德爾的遺傳法則根據教育部編定 97 年課程綱要中將「孟德爾的遺傳法則」分類在：課題三「演化與延續」，裡面的主題 31、「生命的延續」，其中的次主題 310、「生殖、遺傳與演化」內，「生物的遺傳」中的兩個教學要項 4c.知道基因可控制性狀的遺傳和 4d.瞭解基因會突變，及人類性別的遺傳方式。孟德爾遺傳法則是屬於古典遺傳理論，國中課本在孟德爾遺傳法則的相關內容撰寫上，先介紹孟德爾種植豌豆、歸納數據、邏輯思考後發現遺傳法則的過程，經由科學史的教學後將孟德爾的遺傳法則引入，將遺傳的概念帶入學習中，由於課文敘述繁複，在此不引用課本的敘述方式，直接將遺傳法則加以整理描述。遺傳法則的三大內容為： 7.

(16) （一）顯隱性法則：決定豌豆性狀的基因有顯性和隱性的區別。孟德爾在完成豌豆的遺傳實驗後，認為控制生物遺傳性狀的基因有顯性與隱性之別。當顯性與隱性基因同時存在的情況下，只有顯性基因控制的性狀才會表現出來。（二）分離法則：成對的等位基因彼此獨立不混合，並在形成配子時，控制同一性狀的等位基因彼此分離到不同配子中。（三）自由組合法則：配子形成過程中，每一對等位基因獨立分配一個等位基因進入配子細胞中，各對等位基因間互不干擾。根據 2009 年康軒版、翰林板、南一版教科書的教學目標中，呈現下列重點：（一）了解孟德爾進行豌豆高莖、矮莖試驗的實驗設計和結果。（二）了解控制生物遺傳性狀的等位基因有顯性和隱性之分。（三）知道遺等位基因的組合和性狀表現的相互關係。（四）知道孟德爾的遺傳法則。（五）了解並應用棋盤方格法。孟德爾遺傳法則的學習，涉及減數分裂、基因、染色體、顯（隱）性、單（雙）套染色體等抽象概念為基礎，學生想要真正了解孟德爾遺傳定律必須將各概念作有意義的聯結與統整才能達成目標（黃台珠，1993；楊坤原和陳進利，1989； Cavallo, 1996）。根據遺傳法則衍伸出的棋盤方格法的推算和譜系圖的應用，更涉及了減數分裂與等位基因隨染色體分離的概念，並結合數學邏輯和機率的計算，屬於較高難度的概念層次。. 三、人類的性別遺傳根據教育部編定 97 年課程綱要中將「人類的性別遺傳」分類在：課題三「演化與延續」，裡面的主題 31、「生命的延續」，其中的次主題 310、「生殖、遺傳與演化」內，「生物的遺傳」中的教學要項 4d.瞭解基因會突變，及人類性別的遺傳方式。 8.

(17) 關於「人類的性別遺傳」的內容在課本闡述如下：人類的體細胞中有 23 對染色體，其中第 23 對染色體決定個體的性別，稱為性染色體，女性的性染色體組合為 XX，男性的性染色體組合為 XY，其中 X 染色體的長度較 Y 染色體長（翰林版教科書，2009）。教科書中並展示出人類 23 對染色體排列的圖片供學生辨識。人類在形成配子時須經過減數分裂，兩條性染色體彼此會分離到不同配子中，所以人類卵的性染色體只會出現一種可能性，擁有 X 染色體，人類的精子則會出現兩種有不同性染色體的精子：具有 X 或者 Y 染色體之一。當 X 精子和卵結合，就會生下女生；Y 精子和卵結合就會生下男生（翰林版教科書，2009）。整個性染色體的配對過程可以利用棋盤方格法加以解釋，並引入生男或生女機率的概念。在 2009 年康軒版、翰林板、南一版教科書的課程設計中，教學目標統整有下列幾項：（一）區別性染色體和體染色體的不同。（二）了解人類性別的遺傳方式。（三）應用棋盤方格法來推算子代性別發生的機率。根據上述三個部份的分析，可以發現在國中的遺傳概念，運用許多遺傳學專有名詞，在教學中都要加以明確界定，而「遺傳法則」是更進一步的抽象概念運用，需要建構在學生能了解基因傳遞方式的概念架構中，這些現象都無法使用肉眼觀察，因此在教學中常有許多困擾，下一節就探討遺傳學的另有概念及教學中避免產生另有概念的方法。. 9.

(18) 第二節. 遺傳學的另有概念與教學建議. 一、遺傳教學的困難遺傳學是學習其他生物學相關概念的基礎，但遺傳學單元常是學生最感到頭痛的一個單元，許多研究證據都顯示遺傳學是各級學校的老師覺得難教、學生覺得難學的單元之ㄧ（黃台珠，1990；楊坤原和鄭湧涇，1997；薛靜瑩，1998； Brown, 1990 ; Smith, 1991），而且遺傳學習並未使學生達成有效且持久的概念學習（王貞惠，2002）。遺傳概念比較抽象，如基因、細胞分裂的概念因為實體無法直接觀察與知覺，屬於抽象概念。根據皮亞傑的認知發展理論來看，國中階段的學生已經進入「形式運思期」，不需要具體事物的協助，就可以進行形式思考，但是國中七年級的學生依個人認知發展程度不同，在教學現場仍然可以察覺有部分學生的認知程度仍處於「具體運思期」，有運思的能力但是需要具體的實物接觸才能夠發揮能力，無法處理較為抽象的主題。教學研究中指出遺傳概念中專門的辭彙（基因、雜交）、符號概念（如顯隱性）和事件概念（如減數分裂），皆屬於抽象的概念，甚至需要透過數學符號來加以表示與操弄，使遺傳學的教學更顯得困難（Lazarowitz & Penso, 1992 ; Merrill, Tennyson & Posey, 1992）。若由 Chi 和 Slotta（1993）所主張的「概念本體論」來進行遺傳概念的分析，則基因、染色體等概念位在「物質」分類；細胞分裂、減數分裂和配子結合過程的概念主體屬於「過程」類中的「程序」分類；而構成細胞分裂的各個步驟（如：染色體的複製、染色體分離）又屬於「過程」類中的「事件」分類。雖然同屬於遺傳學的概念，但是概念的屬性不同，概念樹的分枝不同，就會因為概念表徵與概念本體間的搭配錯誤或不相容而產生另有概念（楊坤原和張賴妙理，2004）。為了得知學生的心中會產生哪些關於遺傳學的另有概念，以下先探討遺傳學另有概念的成因，再根據前一小節所分類的三部分遺傳概念：（一）染色體、DNA 與基因，（二）孟德爾的遺傳法則，（三）性別遺傳，進行另有概念的探討，並對這. 10.

(19) 些另有概念提出因應的教學對策。. 二、遺傳學另有概念的成因另有概念和專家的科學概念有很大的差異，也常在學生心中佔有很重要的深刻地位而難以改變，對於學生另有概念的成因和不易放棄的現象，許多學者皆提出說明，綜合何秋萱（2004）和陳怡仁（2007）等人提出針對另有概念成因的看法，研究者將另有概念形成的原因分為「表徵符號」、「個人經驗」、「學校教育」、「社會文化」四個部份： 1、表徵符號的誤解：概念需要藉由表徵符號（如語言、文字和圖像等）來溝通與傳承，因此學生在學習時對於所運用的「表徵符號」理解程度，將會影響學生對於概念的理解。（1）認為「能使用文字和語言敘述就可以代表了解」的假設，例如：學生可以在老師詢問下回答出細胞內有基因、有染色體，卻無法區分兩者的差別。（2）將圖像標示與文字敘述連結混淆，例如：染色體上的等位基因位於同源染色體的相對位置上，學生會找不到等位基因的位置。 2、個人經驗的擴展：概念是個人主動建構認知的過程，是個人解釋現象的主觀架構，因此另有概念的形成與學生的認知發展、家庭背景、日常生活的知覺體驗、課外閱讀的經驗、個人直覺和對事物的邏輯推理等經歷有關。（1）思考方向侷限於感官認知，例如：認為親子之間一定要看起來長的像才叫遺傳，看起來長得不像就沒有被遺傳到。（2）受到生活中直覺經驗的影響，例如：看見滿天星空中有一顆大大的月亮高掛天上，就認為月亮比星星大。（3）受到日常用語的影響，例如：會認為「鯨魚」、「鱷魚」和「山椒魚」這類生物名詞以「魚」字來描述，會認為都屬於魚類。（4）邏輯推理僅存在單方面的作用，例如：能注意到「作用力」的存在，卻 11.

(20) 無法思考體會到反作用力的存在。 3、學校教育的誤導：學校教育是知識傳承的重要途徑，一般人常認為學校傳授給學生的都是正確的知識，在研究中卻發現，學校教育也是形成另有概念的來源。（1）教師缺乏科學專業知識或者長時間未進修與最新的科學知識脫節，例如：非本科教師被指派擔任代理生物課程。（2）教師詮釋科學知識的方式與專家的科學概念的差異，例如：教師本身沒有遺傳法則的正確概念，就使用「龍生龍，鳳生鳳，老鼠的兒子會打洞」的俗語來說明遺傳。（3）學生經由教學活動後所學習到的科學概念或對科學概念的解讀與教師的傳遞有差異。（4）教科書中有不當或錯誤的文字敘述、插圖及圖示，教科書上常將同源染色體圖上同一種顏色，會使學生以為用顏色就可以判斷同源染色體，而忽略同源染色體的真正定義。（5）使用不當的類比詮釋科學概念，例如：使用水流來類比電流，會讓學生誤以為電流充滿整個電路。（6）過分強調講述法，認為「只要教，就馬上要學到」的假設，使教師無法覺察學生的另有概念。 4、社會文化的影響：人是團體生活的一個社群，不同文化背景的人對於同一概念可能會存在不同想法，而這些想法會藉由人群彼此交流與互動的過程傳遞，因此形成另有概念。學生在成長過程中，同儕互動、文化背景、族群意識、信仰和發達的媒體網路等，都會影響學生導致另有概念的形成。（1）父母、長輩所傳遞的文化影響，例如：家人和長輩的宗教信仰認為神創造了生物，要尊敬神明、不可以觸怒神明等，不符合科學依據的想法，會讓學生對生物產生另有概念。（2）同儕間的認知層次相近、語言溝通方式有屬於學生的次文化，容易讓學 12.

(21) 習過程中產生的另有概念在彼此間流傳。（3）電視、電影和網路的影響，常為了演出效果，演出與事實不符的情結，例如：在動畫中常見到烏龜會從殼中跳出來逃跑，實際上烏龜的身體內部構造與殼相連，無法隨意將殼脫落。. 由上述原因可以證實，另有概念產生的原因及來源廣泛，在各種情境下都有機會產生，學生到學校學習正確的科學概念前，心中可能已經擁有許多遺傳概念的主觀認知架構，這會影響學生如何學習和獲得有效的學習成果。所以教師在教學前若能先針對學生學習遺傳可能具有的另有概念加以了解，在設計教學活動與實際教學過程中，可以有參考的依據，針對已有的另有概念加以引導轉變，並注意在教學中的用字遣詞，減少因教學產生的另有概念，將會對學生的學習大有幫助。以下將針對本研究中教案設計所包含的遺傳概念進行另有概念的探討。. 三、「染色體、DNA 與基因」的另有概念與教學建議在資訊媒體發達的今日，學生經常可以在媒體中接收到「染色體」、「DNA」與「基因」這些詞彙，卻因為這些名詞所代表的物體本質上太過微小、難以觀察或敘述的過於抽象，對這些名詞造成混淆。當教科書在解釋這些名詞時，使用看不到的抽象物質解釋另一個看不到的抽象物質，例如：「等位基因為染色體上的一段 DNA」，包括「等位基因」、「染色體」、「DNA」均屬於抽象概念，這一句話卻描述三者間的相互關係，也容易讓學生產生困擾（湯清二，1990；楊坤原和陳進利，1989；Donovan, 1997 ; Lewis & Wood-Robinson, 2000 ; Stewart, 1982），學生常常難以區分三者的關係，需要藉由教科書上的圖示加以細部說明，否則對三者的範圍大小無法判斷。有些學生會認為基因就是等位基因，以為豌豆具有「高莖和矮莖二種不同的基因」，這個錯誤的主要是因教科書模糊和教師無法明確的使用遺傳學詞彙進行教學（Radford & Bird-Stewart, 1982），在 2009 年國立編譯館也才針對這個困擾 13.

(22) 要求各書版社在寫教科書的過程中明確區分基因和等位基因的不同。有些學生在學習遺傳學之後仍然無法對「基因位在染色體上」有明確的認識，一部份學生會認為基因就是整條染色體，另一部份學生無法在染色體上明確的標示出控制一個性狀的等位基因位置，也有學生將兩個等位基因標示在同一條染色體上或是同源染色體的非相對位置上，甚至會認為等位基因在非同源染色體上（黃台珠，1990）。有些學生不清楚基因型的定義，無法正確的了解代表基因型符號的意義，會認為一組等位基因（Rr）可同時控制顯性和隱性兩種性狀之表現，甚至會有學生無法使用適當的英文符號來呈現等位基因的組合，或是使用 A 和 b 等不同字母來代表同一對等位基因（楊坤原和陳進利，1989；楊坤原和張賴妙理，2004）因此教師在介紹染色體、DNA 與基因的過程中，除了文字敘述之外，三者間圖形的展示和圖形與概念的連接就相當的重要，最好再輔以模型或電腦多媒體展示，讓學生能透過圖文相佐、動畫模擬，而對三者產生較為具體的感覺經驗。. 四、「孟德爾的遺傳法則」的另有概念和教學建議孟德爾遺傳法則的學習，涉及減數分裂、基因、染色體、顯（隱）性、單（雙）套染色體等抽象概念為基礎，根據遺傳法則衍生出棋盤方格法的推算和譜系圖的應用，更涉及減數分裂與等位基因隨染色體分離的概念，再結合數學邏輯和機率的計算，若學生未具有形式運思期的操作能力，將會遇到相當大的困難，甚至可以發現有些學生用背答案的方式來解答遺傳問題（楊坤原和陳進利，1989； Radford & Bird-Stewart, 1982）。學生對「顯性」的定義常會有較強勢、較厲害、較常出現、會顯現出來等，錯誤的、模糊的認識；而有些文字敘述將顯性基因和隱性基因同時存在時，只有顯性基因控制的性狀會表現出來的概念，暗喻為顯性基因和隱性基因間彼此敵對、競爭的結果，造成學習者的錯誤印象（Donovan, 1997 ; Hackling, 1982 ; Pearson & Hughes, 1988）。 14.

(23) 有些研究發現學生對於棋盤方格法的使用是利用背誦方式，只會機械式的反應將父親的配子形式 Aa 和母親的配子形式 aa 填入棋盤方格的恰當位置中，卻不知道為什麼要這樣填寫（Longden, 1982）。有些學生在遺傳解題的過程中能力很強，能解答出子代和親代間的基因型關聯性，經由訪談過程卻發現學生雖然有減數分裂的知識和遺傳法則的概念，卻欠缺兩者間相關性的知識，容易在學習遺傳法則的過程中產生困惑及誤解，尤其是利用代數方式進行解題的學生對遺傳法則的原理更是欠缺了解，學生僅利用棋盤方格法進行解題，針對等位基因的移動和減數分裂的關聯卻無法解釋（Stewart, 1982）。而國中階段「減數分裂」的概念放在「生殖」單元，「孟德爾的遺傳法則」的概念放在「遺傳」單元，兩者間的教學時間相隔四至五週，也是造成學生無法順利的將遺傳法則和減數分裂加以連結的原因之ㄧ，對遺傳法則的認知就只有機械化地填寫棋盤方格（黃台珠，1990）學生常常被異型合子雜交（Aa X Aa）產生的後代比例為 3:1 的概念誤導，認為只要親代有 Aa 的基因型，則後代的比例皆為 3:1，完全不考慮機率的概念和配偶的組合，而且應用在人類的子代性狀中，不考慮人類的子代數量較少的情況，也以 3:1 的比例去解釋人的性狀比例（Hackling & Treagust, 1984）。有些學生雖能用機率來預測事物出現的機會，但卻無法將之應用於解決譜系圖之遺傳學問題。為了讓學生對孟德爾的遺傳法則概念有較完整的了解，教師可配合教材內容，補充說明孟德爾遺傳法則的發展史，以實例輔助說明機率的意義，讓學生在情境化的電腦模擬軟體中，模擬演練配子自由產生的過程，藉以從實作中體會各概念間的關聯與科學實驗的意義，避免學生以記憶的方式來學習。. 五、人類的性別遺傳由於文化因素，傳統社會認為生孩子是女性的天職，因此將決定生男生女的責任加諸於女性身上，所以學生常在生活經驗與家庭言語間或媒體來認識性別的遺傳（Ramorogo & Wood-Robinson, 1995），而有些學生以精子和卵的數量來判斷 15.

(24) 子代性別的決定者是父親，因為精子數量較多；更有些學生直接認為性別是天注定，和運氣有關，人類無法掌控（薛靜瑩，1998；Ramorogo & Wood-Robinson, 1995）。有些學生認為性染色體只存在於精子和卵或者生殖細胞內，其他細胞並未沒有性染色體；也有些學生認為男性只具有 X 染色體，女性只具有 Y 染色體（楊坤原和張賴妙理，2004）目前國中生物的課程綱要並未包含性聯遺傳的概念，故國中生尚未具有此概念，但是在部分的教科書版本中，仍將性聯遺傳列入課外補充資料與以及試題練習，使學生產生更多困擾，因為學生會將性聯遺傳與體染色體的基因遺傳進行比較而發生混淆，如果要提供更清晰的概念讓學生學習性聯遺傳，可以利用相關的電腦模擬軟體進行介紹，讓學生在操作中觀察，比較兩者的不同。. 六、小結由上述的分析可以知道學生在遺傳單元所擁有的另有概念很多，這也是在遺傳教學中造成教師指導困難，學生學習痛苦的原因。甚至有研究指出學生在學習遺傳課程後，確實能夠得到較佳的成績，但是經過一段時間以後，學生的遺傳概念又恢復到之前的另有概念，沒辦法持續的擁有正確遺傳概念（王貞惠，2002；薛靜瑩，1998）。可見許多學生在學習時是以記憶或背誦的方式來學習遺傳概念，以應付學校考試，雖然考試時大部分的學生均能使用正確的遺傳概念解題，但是這些另有概念仍深深的存留在學生的概念架構中，即使已經學過遺傳課程，仍未達到概念改變。綜合黃台珠（1993）、黃台珠、鄭世暖、林明輝、蘇懿生、張學文和趙大衛（1994）以及楊坤原和張賴妙理（2004）的研究中發現，在國中生物遺傳教學的研究改進建議利用具體易操作的教具，以幫助學生由「具體操作期」轉入「形式操作期」的學習，具體做法如下：. 16.

(25) 1、遺傳學的教學不宜單靠講述或算則的練習，應使學生透過實際的遺傳學情境學習解題並活用概念。 2、製作具體易操作的教具說明減數分裂中染色體移動的過程，釐清減數分裂過程及其相關概念在遺傳學上的意義，讓學生在學習遺傳法則的過程能與減數分裂的概念產生連結。 3、在基因、染色體、性狀、同源染色體以及減數分裂中，染色體的移動情形以及對配子造成的影響等概念加以強調。 4、依認知同化的原理與科學史上概念發展的順序，參考孟德爾提出遺傳法則的過程來設計教學，使學生更接近科學活動，也學習到科學方法與概念。 5、選擇適合學生認知發展的教學策略與教具，具體的實例、圖示、概念圖、教具、電腦模擬軟體來描述遺傳學的抽象概念。 6、利用教具經由教師示範、學生上台演示或學生自行操作等模式，達到學生充分參與引起學習興趣、加深概念印象…等目的。 7、教學過程中透過診斷測驗以發現學生的另有概念，可以隨時更正教學的方向。在教學前進行充分的準備，包括教學內容的仔細探討、各類教具參照應用，均可以使學生在學習遺傳學過程用有更好的理解；在教學中若能讓學生主動思考，操作遺傳相關活動，將會使他們更貼近遺傳概念；最後，應用遺傳另有概念的診斷，可以隨時更正教學的方向引導學生得到正確的遺傳知識，表 2-2-1 將本研究包含教學範圍中的主概念、次概念、命題陳述和另有概念進行統整。現階段政府對於資訊融入教學的倡導，以及學校在電腦相關設施的配備齊全，所以本研究運用電腦模擬軟體的資訊融入教學模式，讓教材可以生動、活潑並可重複的呈現在學生面前，並讓學生有自行操作的機會，在操作電腦模擬軟體的過程中，學生可以討論內容、重組概念架構，進而得到正確的遺傳概念。. 17.

(26) 表 2-2-1 遺傳主概念、次概念、命題陳述和另有概念的統整主概念. 次概念. 染色 1.成對的等位基體、因會控制性狀的 DNA 與表現。基因 2.等位基因有顯性和隱性之分。. 命題陳述. 另有概念. 1-1 控制一種性狀的等位基因通常是成對的。 1-2 成對的等位基因分別位於一對同源染色體的相對位置上。. 1-1-1 一對等位基因包含顯性基因和隱性基因。 1-1-2 把隱性基因 a 和 b 或顯性基因 A 和 B 當成等位基因。 1-2-1 等位基因位在同一條染色體或相鄰的染色體上。 1-2-2 把同源染色體上固定方向的位置上的基因認為是等位基因，不考慮染色體的翻轉。. 2-1 在同源染色體上的等位基因有顯 2-1-1 以英文字母作為性狀的代表。性與隱性之別，可分別用英文字母的 2-1-2 一個字母就代表一對基因的基因型，兩個英文字母就代表兩大寫和小寫來表示。個基因的基因型。 2-1-3 顯性基因位在較粗、較長的染色體上，隱性基因位在較細較短的染色體上 2-1-4 分別以不同的英文字母（A 和 b）來代表控制某一性狀表現的顯性基因和隱性基因。 2-1-5 因為 R 基因可控制顯性性狀，r 基因可控制隱性性狀，故一對等位基因（Rr）可同時控制顯性和隱性基因。. 18.

(27) 表 2-2-1 遺傳主概念、次概念、命題陳述和另有概念的統整（續）孟德爾遺傳法則. 3.由孟德爾的遺傳實驗結果推知的顯性律。. 3-1 孟德爾經豌豆的遺傳實驗後認 3-1-1 隱性基因控制性狀表現的能力比顯性基因弱，所以隱性性狀為，控制生物性狀的等位基因有顯性較少表現出來。與隱性之別。當顯性與隱性基因同時 3-1-2 認為顯性基因是比較多的個體表現出來的特徵，以個體的數存在的情況下，只有顯性基因控制的量決定性狀的顯隱性。性狀才會表現出來。 3-1-3 無論父母雙方所具有的性狀是顯性或隱性，子女都只會遺傳雙親的顯性性狀。 3-1-4 認為顯性和隱性的性狀在後代中會交替出現，若第一子代是顯性，則第二子代會是隱性。 3-1-5 顯性性狀和隱性性狀何者會表現出來，全憑運氣。 3-1-6 顯性基因是好的，隱性基因是壞的，所以表現出顯性基因來。. 4.由孟德爾的遺傳實驗結果推知的分離律。. 4-1 親代的生殖母細胞進行減數分裂形成配子時，成對的同源染色體分離，成對基因也隨著染色體而分離不混合，因此精子或卵中僅具有各對等位基因中的一個。 4-2 兩個親代的生殖細胞雜交時，提供給新細胞的等位基因是隨機的。. 4-1-1 因純品系的親代交配後所得的第一子代只有顯性性狀才會表現出來，因此第一子代成熟後也只能產生帶有顯性基因的配子。 4-1-2 男孩的基因來自於父親，女孩的基因來自於母親 4-2-1 長的像媽媽是因為從媽媽得到的基因比較多，長的像爸爸是因為從爸爸得到的基因比較多。. 19.

(28) 表 2-2-1 遺傳主概念、次概念、命題陳述和另有概念的統整（續）. 人類性別的遺傳。. 5.棋盤方格和機率. 5-1 利用親代的基因組合，由棋盤方格法計算子代所出現的性狀，以及該性狀出現的機率。(因到果) 5-2 每個出生的子代性狀是獨立的。不會影響下一個子代出現的性狀。. 5-1-1 依棋盤方格算出來的機率 2:2，表示子代若有四個，就一定有兩個是顯性兩個是隱性。3:1 時亦會有此種想法。 5-1-2 用棋盤方格所推算出來的四個子代都應該是不同的基因組合。 5-1-3 無論親代的基因為何，子代中顯性與隱性性狀出現之比例必為 3:1。 5-2-1 子代有三種基因型 TT,Tt,tt 時機率是三分之一，子代有兩種基因型時機率是二分之一。. 6.譜系圖. 6-1 根據隱性子代的性狀表現，推測親代的基因組合中必定含有隱性基因。 6-2 根據大量的子代性狀的數量統計，推測親代的基因組合。(果到因). 6-1-1 一對親代雜交的第一子代得自雙親的基因會彼此混合，使第二子代只會出現顯性性狀。 6-1-2 一對具不同表現型的親代交配後，如果只產生一種表現型的子代，「這就表示這種表現型是顯性，而雙親必是顯性且為同基因型」。. 7.男女性的性染色體。. 7-1 人類細胞所含的染色體中有一對能決定個體的性別，稱為性染色體。在女性這對染色體為 XX；在男性這對染色體為 XY。. 7-1-1 人類的性染色體只存於精子和卵中。 7-1-2 除了生殖細胞和構成生殖器官的細胞外，人類的其他細胞都不具性染色體。 7-1-3 男生有 Y 染色體，女生有 X 染色體. 8.性染色體決定人類的性別。. 8-1 人類精子有一種是 22 + X，而另一種精子 22 + Y。人類的卵子 22 + X 一種。當卵和 22 + X 的精子結合，將會生下女孩；而和 22 + Y 的精子結合，將會生下男孩。. 8-1-1 人類的性別由父親的精子和母親的卵共同決定。 8-1-2 人類的性別是天生的，無法判斷不受任何東西控制。 8-1-3 精子數量比較多，所以人類子代的性別由父親決定。 8-1-4 性別決定是隨機的，會受子宮和母親所吃的食物種類決定。. 20.

(29) 第三節. 電腦模擬軟體. 資訊融入科學教育是現今重要的教育議題，而電腦輔助軟體是較新的資訊融入教學應用方式，因為電腦輔助學習除了可以提高學習興趣之外，學生與教材的互動性提高且能對學生進行個別化的指導，或是能解決實際生活中的問題。由於近年來建構學習理論的興起和開放教育的盛行，更廣泛的呼籲要善用媒體協助教學（陳素貞，1998）。電腦的普及與網路的快速發展衝擊著當前的課程理念與教學方法，使得教材與教學法發生變化，也改變了認知的方式、情意的內涵以及技能的形式（李鴻亮，2000）。此外資訊課程可以重複的使用，能維持一致性，因此可以作為未精熟的學習者的補救教材來延續課堂教學（洪榮昭，1992）。美國國家科學教育標準（NSES）認為使用電腦模擬來輔助學習者學習科學時，可以選擇適當的科學內容，並設計教材來符合學生的學習需求，如依照學習者的興趣、知識、理解、能力和經驗。目前利用電腦輔助學習，在課程的運用上有以下五種策略，個別指導式（tutorial）、反覆練習式（drill and practice）或測驗式（testing）、問題解決式（problem-solving）或稱之為啟發式（discovery）、模擬狀況式（simulation 或 modeling）、遊戲式（gaming 或 instructional games）（黃竹坤，2001）。本研究的目的之一為探討電腦模擬（Computer Simulation）對概念學習的效益，故以下僅針對與本研究有關的電腦模擬輔助教學說明。. 一、電腦模擬的定義與重要性模擬式電腦輔助教學，是藉由學習理論與電腦學習技術的結合，以達成輔助學習的目的，允許使用者控制輸入參數與觀察輸出結果，並提供學生探索的學習環境，讓學習者經過由「做中學」的模擬實驗形成具體的概念，達成學習目標（Thomas & Neilson, 1995）。電腦模擬可以將學習者安置在一個由真實場景所模擬出來的虛擬世界、或是利用模型來模擬實務或事實，讓學習這在此場景中學習如何應對或是綜合各種狀. 21.

(30) 況做出決策，但是卻沒有真實世界中的可能高風險、高成本。此種教學方式適用於自然科學及商業管理等需要複雜決策的場合（黃竹坤，2001）。楊美雪（1992）指出：現實生活中有很多情境可能因危險、花費或時間等限戰因素而無法親自嘗試，但透過電腦模擬的途徑，可以親身體驗和了解情境發生的真實反應。模擬式的電腦輔助學習是最具創造性的電腦軟體，可將學習者不易觀察到的實體或現象等，以電腦模擬的方式，達成與實際情境相同的教學目的（張霄亭， 1995）。提供學習者一個擬真的學習環境，使其有親臨其境的感受，可引發高度的學習動機，同時藉由與電腦的互動，學生可獲得與真實情況相似的學習經驗，使不易接觸到的環境或情況，也能藉由電腦學習（陳志中，1990）。模擬不能只是重複一種現象，還必須憑藉著省略、改變、增加細節或特色來簡化此現象，這是關鍵性的重點。因為用簡化的模型模擬，學習者可能就會解決問題，進而瞭解此現象的演化過程與特徵，以及如何控制這些特徵，或是知道怎樣的動作能進入不同的狀態。簡化的模型能夠幫助學習者建立他們自己對於此現象或程序的心理模型（mental model），並且提供他們能夠探索、練習、測試，以及能安全又有效率地改善模型的機會（Alessi & Trollip, 2001）。總和前面所說，電腦模擬有許多不同的定義。簡要來說，模擬是指模仿真實現象發生的過程或者將原先複雜的自然現象簡化再造的過程，也就是對某種情境基本性質的複製。而電腦模擬是利用電腦程式，將某實物或其現象進行模擬呈現，利用電腦快速的運算能力及多媒體週邊設備設計，將各種模擬現象或物件呈現在螢幕上，讓學習者利用此電腦模擬軟體進行學習、實驗和重複操作，甚至能分析或計算出各種實驗可能會有的結果，讓學習者即時得到變化情況或結果。. 二、電腦模擬軟體運用在教學上的優點電腦模擬軟體是否有助於學習，首先要考慮的是這套模擬軟體能提供何種教學特性及功能，電腦模擬具有視覺（文字與畫面）、聽覺（語音介紹）、動作、 22.

(31) 動作軌跡（過程）四種特質，在教學上適合以電腦模擬來呈現的課程內容或知識有以下幾類（Rieber, 1990 ; Rieber, 1991 ; Park & Gittelman, 1992; Milheim, 1993 ; 引自莊雅茹，1996）： 1、程序性的動作：當文字描述或靜態圖片無法呈現出程序性的動作時，即可藉由電腦模擬動畫清楚的呈現出來，例如減數分裂的過程中，染色體的連續的變動情況。 2、不易觀察到的現象或知識：有些知識、觀念、現象學習者無法直接觀察到，可能是對象過於微小或是平時難以見到，但是直接觀察對學習者概念的建立有幫助時，透過電腦模擬展示，就是很方便的媒介，例如分子內部的原子架構和組合方式。 3、需要一段時間觀察的變化性知識：生物的生命週期、地殼的環境變動、親代與子代間的遺傳族譜，這些現象必須等待較長時間才能看到結果，利用電腦模擬軟體可以迅速的讓學習者觀察結果，縮短時間效益，增加經驗。 4、模擬複雜系統中不同突發情境的應變措施：駕駛飛機的模擬系統可以清楚的呈現各種不同指令下的操控結果，因為真實的自然環境中天氣和地形是多變的，若能透過電腦模擬是先針對可能發生的狀況預演，學習者可以縮短實際面對狀況時做出相對應變的時間，減少災害。此種動畫模擬可以降低學習的成本，符合經濟效益，也兼顧教學目標。 5、符合電腦模擬軟體特質的抽象概念：模擬軟體可以幫助學習者學習力與運動、光學這些不具有真實影像的抽象概念，以電腦模擬進行教學，可以輔助學習者主動建構較正確的科學概念。 Dembo（1994）認為電腦模擬有助於學生學習，試圖以模擬真實經驗來提供學生經驗，以學習特殊的技能或增進決策與問題解決過程，例如電腦模擬有助於學習飛行、經商、價值判斷。可使人們無需考慮現實生活中可能因危險、花費、或時間等限制因素而無法嘗試的情境，用以透過電腦的途徑來親身體驗與瞭解此情境的真實發生情況（引自黃竹坤，2001）。 23.

(32) 徐正和（1992）指出網際網路中已有許多資源可作為教師教學與學生學習的輔助教材，尤其日漸豐富的擬真動畫媒體，可彌補傳統平面式教學較難呈現的動態變化內容，另一方面，生動活潑的多媒體動畫輔助教材，被認為可以提高學習專注和興趣，進而提升學習意願和效率。在其他研究中也指出，電腦模擬可彌補傳統呆板枯燥教學之不足，突破時空限制，節省人力和物力，以多樣化的多媒體增進學習者的學習興趣也達到理想的教學效果（邱美子，2002）。電腦模擬應用於教學乃是為了配合教學的需要，主要用於學習實際事物和知識、了解實際情境中錯綜複雜關係或研究過程啟發式的教學設計，可說是一種教學技巧或是專業訓練的手段（林秀美，1996）。林合彥（2004）也舉出一些模擬教學的優點，列舉如下：（1）將複雜的情境分割成數個步驟，讓學習者依照難度，以漸進的方式釐清抽象及複雜的概念。（2）可取代某些性質較危險或花費昂貴的實驗。（3）提高學習者學習動機。（4）縮小抽象的學習概念和現實情境間的差距。（5）發展批判思考、分析及解決問題能力。（6）提供自我評量的管道電腦模擬應用於教學的目的應是為了配合教學的需要，可說是一種教學技巧或是專業訓練的手段。主要用於學習實際事物和知識，或是用於瞭解實際情境中錯綜複雜關係，或研究過程的啟發式教學設計。電腦模擬教學可連結學生的感官收錄，將無法觀察的現象以具體的方式呈現，或以類推（reason by analogy）的方式表達，協助學生動態思考，當學生概念正確建立之後，而電腦模擬的角色也就功成身退（林秀美，1996）。電腦模擬是一種學習環境，主要在呈現擬真的物體、系統或現象或其特性。 Hargrave 和 Kenton（2000）提到通常科學教育上採用模擬的原因是因為符合三原則，一為個別化學習－適應個別差異及精熟學習；其次是「主動學習」－符合建構教學的理論基礎，從做中學；第三是「適時回饋」－在學生發生錯誤時，給予回饋及校正，以修正學生的學習（引自羅慶璋，2003）。綜合以上內容可見電腦模擬運用在教學上的學習效果和重要性，將其優點 24.

(33) 整理如下，1、放大效果：可以藉由電腦模擬將微觀的、難以觀察的現象，以數位化的介面呈現。2、縮時性：有些現象需要長時間等待，操控模擬軟體不需要等待，將需要長時間的觀察過程縮短操縱過程中看到變化。3、分段展示：模擬軟體可以將連續的過程進行分段展示，或放慢速度配合學生學習。4、安全性：有些任務具有危險，可藉由模擬軟體進行練習。5、即時性：可以在操作的過程中，立即看到結果得到回饋。6、主動性：模擬軟體的操作掌控在學生手中，可以自行安排學習順序。所以國內外的研究都已經認同，在教學上使用電腦模擬軟體是有用的學習工具，國人日漸依賴電腦的現代生活，適時的搭配電腦模擬軟體在教學中，既生動活潑，且貼近學生的生活經驗，是刺激學生增加學習興趣的創新教學方式。. 三、電腦模擬的困難與限制學生剛接觸電腦模擬軟體時，不易捕捉模擬的呈現想要表達的內容或概念，因而忽略軟體中所要呈現的重要訊息，甚至造成學生的誤解。因此要使用電腦模擬軟體協助教學時，教學上的配套措施要完善，提供一些輔助教學活動幫助學習者釐清電腦模擬軟體所呈現的訊息，將這些輔助設計分為教學前及教學時介紹（莊雅茹，1996）： 1、教學前：（1）在能清楚解釋概念主題的前提下，設計簡單而不複雜的軟體. （Baek & Layne, 1988 ; 引自莊雅茹，1996）。（2）設計軟體的介面時，利用一些明顯的符號、色彩或閃爍的提示，來強化軟體中的重要概念呈現（Rieber, 1990 ; 引自莊雅茹，1996）。（3）軟體開始使用前，提供學生重要的說明指導訊息（Milheim, 1993 ; 引自莊雅茹，1996）。（4）軟體使用前提供一小段時間，讓學生有預期即將觀察事件的準. 25.

(34) 備。 2、教學時：（1）使用結束後供一段時間讓學生回顧和吸收軟體所呈現的教學內容。（2）學習者有不明白之處，可以提供額外的展示、重演、操作，或者使用文字加以說明。並非所有的文獻均認為模擬具有正向的學習效果，有些研究顯示模擬融入互動教室和單純使用傳統紙筆互動的學習方式作比較，學習成效並沒有明顯差異（劉蓓蓓，1990；Carlson & Andre, 1992 ; de Jone et al., 1992 ; Rivers & Vockell, 1987 ; 引自羅慶璋，2003）。其主要原因可能在於不當的教學支援、缺乏充足的模擬設計以及不適合的學習技巧。資訊科技融入教學的教材設計是相當多元而具有彈性的，教師在採用時應以教材的知識內容為主體，思考融入教學的資訊科技是否能完全涵蓋教學目標，以及該資訊科技能否建立學生的基本能力。教師在進行各項多媒體資源的選用時，要能夠進行教育專業的判斷，分析各項資訊媒介適合的教學模式，並且善用學校的各種資訊設備，設計完整的教案，才能達到強化學習的效果；若只是跟隨潮流，一昧的追求資訊融入教學，學生卻沒有達到學習目標，那麼教師也只是淪為科技的奴隸（佘曉清，1997）。. 四、電腦模擬與遺傳學教學電腦模擬軟體有六大特色，包含：放大效果、縮時性、分段展示、安全性、即時性和主動性。而遺傳學的教學中使用電腦模擬軟體，可以在四個面向上有效的協助學生學習遺傳學，整理如下： 1、放大效果：細胞內的基因與染色體是學生無法用肉眼觀察到的構造，學生在沒有分子概念的基礎架構下，也難以憑空想像，但是可以用電腦模擬的方式呈現出來這些物質之間的概念架構。 2、縮時性：遺傳包括了親代和子代之間的性狀變化，在學校課程安排的短暫時 26.

(35) 間中，無法實際操作並觀察物種的遺傳現象，但是在電腦模擬中，可以任意進行親代雜交，並且立即看到子代的性狀表現，不需要將時間浪費在等待胚胎發育成長。 3、分段展示：減數分裂產生配子的過程和受精作用精子和卵的結合過程，基因如何在過程分離又重新組合，並再度控制子代性狀，是關鍵的步驟，可以藉由電腦模擬的分段展示效果，將這些過程步驟分析呈現。 4、即時性：學生可以任意的搭配不同的親代或選擇不同的配子，即時觀察子代的變化，從操作中觀察、統整並形成遺傳的概念。以下分析在遺傳學中使用模擬軟體教學的研究。賴正山（1992）運用電腦多媒體系統，設計、製作國小自然科六年級下冊「人類特徵的遺傳」單元，作為實驗研究的教材，利用微電腦的彩色繪圖系統和影像處理系統，接受來自錄影帶、錄音帶、及靜畫等教學資源，經過電腦畫面處理，設計及製作成「遺傳單元概念」之教學內容。分成兩組教學，實驗組使用電腦多媒體教學，對照組使用傳統口數教學，結果顯示實驗組的學生進步幅度較大。實驗組學生在延宕後測中知識和理解兩類題目有較好的表現，且學生對於使用電腦媒體教學的方式，呈現積極正向的反應。魏金財（1992）開發一種遺傳模擬實驗軟體（GSEP），以解決遺傳概念學習材料之性狀不易區分、實驗設備不足、生活史過長、子代數過少等問題，協助學生推理思考及遺傳概念的學習。在設計上，此軟體取果蠅為材料，採實驗互動、模擬情境、自行操弄控制、圖形顯示等方式在自然科學的教學方式中，就遺傳概念的學習而言，在概念形成階段，以由果至因和由因至果的推理思考方式，讓學生藉由實際的資料處理分類統計，而後進行邏輯推理，較符合探討式教學的程序。在此研究中學習者扮演發現者的角色，藉由 GSEP 的重複操作過程，訓練學生的認知技能，以及協助兒童建構完整的遺傳知識。學生在此有意義的學習結果下，能對其遺傳知識的儲存以及解決遺傳問題時在知識的提取上有所助益。黃美娟（2004）利用行動研究的過程評估電腦模擬教學和實地種植在遺傳教 27.