一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之個案研究 ─ 以電化學概念之教學為例

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士班碩士論文. 指導教授：邱美虹博士. 一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之個案研究 ─ 以電化學概念之教學為例 A case study of the use and the processes of modeling – based instruction by a high school chemistry teacher ─ In the area of electrochemistry.. 研究生：楊雅婷. 中華民國 105 年 2 月.

(2) 誌謝從小自己就立志要成為一名好的老師，希望將所學一切，能貢獻社會，讓每個孩子都能因為好的教育，而有更好的未來！開始學習理工領域的自己，在進入研究所前，期許能將科學與教育結合，進而踏上科學教育領域，藉由科學教育的學習與研究，以更深、更廣的格局，將科學教育帶入未來的教學現場。而在研究所期間，有幸將研究完成，在這一路學習歷程中，真的要感恩的人太多太多！首先，真的非常感恩指導教授─邱美虹老師；研究所期間，能如此幸運得讓邱老師指導；過程裡，感受到邱老師滿滿的溫暖與用心，讓我在科學教育領域上收穫滿滿，對於老師在科學教育的熱忱與付出，讓我景仰與敬佩，更是終身學習的好老師！同時，由衷感恩論文口試委員黃萬居老師與周金城老師，給予我在論文上，非常多用心的建議，讓本篇論文得以順利完成！研究所期間，也感恩一路幫助過我的親朋好友：邱老師研究室的助理們、研究所學長姐─林靜雯、鐘建坪、鍾曉蘭、李雪碧、研究所同學─謝智坤、郭翠琴、曹薷文、曾茂仁、周宜靜、大學同學─李美慧，如來實證社的同修─陳禹君老師、賴冠中老師、所有社團的同修、與陳彥銘；因為大家的扶持與幫助，讓我在研究之路得以圓滿順利！而這一切，都因為我的媽媽、爸爸、妹妹、與弟弟如此的全力支持與陪伴，讓我能有走下去的勇氣！我真的好愛您們！最後，最要感恩的是研究所期間，有如此大的造化，加入如來實證社，得遇一位大成就明師妙禪師父！因為妙禪師父的慈悲引領與教導，開啟我的智慧、讓心踏實安定，面對生活與未來，不再執著情感、身體健康、家人一切平安、論文更能順利完成；最重要的是妙禪師父帶領我了悟生命的真相，終於明瞭此生到底所為何來！因為我的師父，讓我更清楚成為老師的方向，擁有這樣的使命，. I.

(3) 透過教育，告訴更多未來的孩子，生命的真相！感恩我的師父妙禪師父，真正得慈悲大愛，如同如如不動的太陽，照破世間的黑暗，來帶領我回到最究竟的故鄉！. II.

(4) 摘要本研究為探討一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之個案研究 ─ 以電化學概念之教學為例。以具有科學教育背景的高中化學教師為研究對象，以此教師的四個班級進行教學，分別為建模與模擬組、建模與操作組、一般與模擬組、一般與操作組，以建模教學與一般教學的教學策略，對學生進行電化學概念的教學。從中探討此教師在建模教學的教學歷程中，教師的建模學科教學知識、與其發展的動態過程、以及建模教學與一般教學的學科教學知識之比較，過程將輔以一般教學進行比較。使用「教學前中後教師晤談問卷」、「教學記錄表」、「學生學習信心/興趣量表與問卷」，在整個教學歷程中進行研究。透過教師、學生、整個情境的各個因素與面向間彼此的交互作用，來探討教師的建模學科教學知識；透過教學推理的理解、轉換、教學、評量、反省、新的理解六個過程，來探討教師的建模學科教學知識發展的動態過程；並以 SWOT 分析建模教學與一般教學的學科教學知識之比較，輔以學生的情意結果對照比較。本研究結果，教師的建模學科教學知識與其發展的動態過程，提供一個重要的建模學科教學知識 (M-PCK) 發展範例，教師對於建模教學擁有一定的理論基礎與教學經驗，實踐過程以明確外顯式的建模歷程，配合模型與建模觀點的語言解釋、建模文本、建模教學 PPT、開放式 Q&A、系統性板書、次微觀影片、與開放性紙筆測驗等呈現，完整進行建模教學，凸顯建模教學的特色。本研究也提出未來建模教學在實踐推廣的建議與方向，期許讓教學與學習，能達到更好的進展。關鍵字：建模 Modeling 、建模教學 Modeling-based Teaching 、電化學 Electrochemistry、建模學科教學知識 Modeling - Pedagogical content knowledge (M-PCK). III.

(5) Abstract The purpose of this study was to investigate how a high school chemistry teacher adopting modeling–based instruction for teaching electrochemistry. The teacher with science education background taught electrochemistry to four classes, two modeling groups (one with modeling and simulation, and the other with modeling and handson experiment), and two comparative groups without explicit modeling processes (one with modeling and simulation, and the other with modeling and hands-on experiment). The teacher’s modeling pedagogical content knowledge (M-PCK) was investigated and comparisons of the differences of M-PCK among four groups were analyzed. Three instruments were used, namely, questionnaire (pre, mid, and post), "teaching record table", and “questionnaires for students’ confidence and interest in learning”. The design of these instruments was to capture teacher’s concept of modeling-based teaching, interaction between the teacher and the students, and the processes of instruction. The elements for the processes to be analyzed were pedagogical reasoning, comprehension, transformation, instruction, evaluation, reflection and new comprehension. Finally, using SWOT analysis was applied to compare Modeling Teaching and general teaching, combined with the results of the students' affection. The results of this study revealed that the teacher developed her modeling-based teaching knowledge and practice dynamically and gradually. The teacher's teaching model has theoretical basis and herself with teaching experience. The modeling-based instruction provided explicit explanations about the modeling processes, modelingbased text, modeling teaching materials (e.g. PPT), an open-ended Q & A, systematic writing on the blackboard, video clips of sub-microscopic representations, paper and IV.

(6) pencil tests, highlighting the characteristics of modeling teaching. In sum, recommendations and implications about implementation of modeling-based instruction in practice are discussed. Keywords：Modeling 、Modeling-based Teaching 、Electrochemistry 、 Modeling Pedagogical content knowledge (M-PCK).. V.

(7) 目錄誌謝................................................................................................................................. I 摘要............................................................................................................................... III Abstract .........................................................................................................................IV 目錄...............................................................................................................................VI 表目錄.........................................................................................................................VIII 圖目錄........................................................................................................................... IX 緒論.......................................................................................................... 1 研究背景與重要性.......................................................................... 1 研究目的.......................................................................................... 3 研究問題.......................................................................................... 4 研究範圍與限制.............................................................................. 6 名詞釋義.......................................................................................... 7 文獻探討.................................................................................................. 9 學科教學知識之相關研究............................................................ 10 模型為基礎的建模教學之相關研究............................................ 14 電化學概念之相關研究................................................................ 17 研究方法................................................................................................ 19 研究設計........................................................................................ 19 研究對象........................................................................................ 26 研究工具........................................................................................ 27 資料分析........................................................................................ 32 研究流程........................................................................................ 34 研究結果................................................................................................ 35 教師的建模學科教學知識............................................................ 35 教師的建模學科教學知識發展的動態過程................................ 78 建模教學與一般教學之比較...................................................... 129 結論與建議.......................................................................................... 151 研究結論與討論.......................................................................... 151 研究建議...................................................................................... 157 研究特色...................................................................................... 161 個人省思...................................................................................... 162 參考文獻............................................................................................................ 163 附錄 1 ................................................................................................................ 167 附錄 2 ................................................................................................................ 171 VI.

(8) 附錄 3 ................................................................................................................ 175 附錄 4 ................................................................................................................ 179 附錄 5 ................................................................................................................ 181 附錄 6 ................................................................................................................ 183 附錄 7 ................................................................................................................ 187. VII.

(9) 表目錄表 3-1 研究工具分配.......................................................................................... 28 表 3-2 研究工具使用情形 .................................................................................. 28 表 3-3 研究工具設計要點 .................................................................................. 28 表 3-4 「教學前、中、後教師晤談問卷」的問卷設計內容 .......................... 30 表 4-1 J 教師對於評量方式，整體認為的優缺點與建議 ............................. 53 表 4-2 J 教師的建模學科教學知識教師面向................................................ 66 表 4-3 J 教師的建模學科教學知識學生面向................................................ 73 表 4- 4 建模文本與一般文本比較 ..................................................................... 92 表 4-5 建模教學 PPT 與一般教學 PPT 比較...................................................... 95 表 4-6 建模教學與一般教學黑板使用比較 ...................................................... 99 表 4-7 實驗組與對照組學生對教學策略的想法 ........................................... 135 表 4-8 實驗組與對照組學生對教學教材的看法(課本) ................................. 138 表 4-9 實驗組與對照組學生對教學教材的看法(課本) ................................. 141 表 4-10 實驗組與對照組學生對教學活動的想法(實驗)............................... 143 表 4-11 實驗組與對照組學生對教學活動的想法(小組討論)....................... 146 表 4-12 實驗組與對照組學生對整體教學的想法 .......................................... 148. VIII.

(10) 圖目錄圖 2-1 文獻探討架構............................................................................................ 9 圖 2-2 教師的學科知識轉換的過程與步驟...................................................... 12 圖 2-3 建模歷程指標 (MODELING PROCESS INDICATORS, MPI) (邱美虹，2014) ...... 16 圖 3-1 在教學歷程中，考慮教師、學生、情境各個因素與面向的交互作用 ............................................................................................................................. 20 圖 3-2 建模歷程指標(MODELING PROCESS INDICATORS, MPI) (邱美虹，2014) ....... 23 圖 3-3 教師的學科知識轉換的過程與步驟 ..................................................... 24 圖 3-4 教學表徵整體分類架構.......................................................................... 33 圖 3-5 研究流程 ................................................................................................. 34 圖 4-1 本段落撰寫架構...................................................................................... 82 圖 4-2 J 教師的教學班級文本使用情形 ......................................................... 87 圖 4-3 建模文本最前面將「建模歷程」整個定義完整呈現。 ..................... 89 圖 4-4 建模文本內容每一段落前，將該段落所代表的「建模歷程」與「探究能力」定義呈現。 ............................................................................................. 89 圖 4-5 建模文本內容中穿插「開放性問題」。................................................ 89 圖 4-6 建模文本內容穿插「模型成分與關係」填寫題。.............................. 89 圖 4-7 建模文本內容中呈現「模型分析」試題。.......................................... 90 圖 4-8 建模文本內容中呈現「模型調度」試題。.......................................... 90 圖 4-9 一般文本內文呈現，多是直接敘述，旁邊有小辭典圖示。.............. 91 圖 4-10 一般文本最後面有本章總結重點。.................................................... 91 圖 4-11 J 教師的教學班級 PPT 使用情形 ....................................................... 93 圖 4-12 建模教學 PPT 最前面將「建模歷程」整個定義完整呈現。 ........... 94 圖 4-13 建模教學 PPT 每一段落前，將該段落所代表的「建模歷程」與「探究能力」定義呈現，並有開放性問題呈現。 ................................................. 94 圖 4-14 建模教學 PPT 穿插「模型成分與關係」填寫題。............................ 94 IX.

(11) 圖 4-15 建模教學 PPT 呈現高層次建模歷程「模型調度」題目。 ............... 94 圖 4-16 一般教學 PPT 配合一般文本，直接呈現課程內容。........................ 95 圖 4-17 一般教學 PPT 配合一般文本，直接呈現課程內容。........................ 95 圖 4-18 一般與模擬班級：在實驗活動後，J 教師在黑板上進行作圖。 ..... 96 圖 4-19 一般與模擬班級：在實驗活動後，J 教師在黑板上進行作圖。 ..... 96 圖 4-20 建模教學：J 教師透過黑板，整理回答 PPT 上的開放式問題，以表格式內容呈現。 ..................................................................................................... 98 圖 4-21 建模與模擬班級：在實驗活動後，J 教師在黑板上進行作圖。 ..... 98 圖 4-22 建模與操作班級：在實驗活動後，J 教師請學生上台作圖。 ......... 98 圖 4-23 建模與模擬班級：在實驗活動後，J 教師進行問題討論。 ............. 98 圖 4-24 建模教學：提到鉛蓄電池時，J 教師以化學反應式，比較充電、通電的情形。 ............................................................................................................. 98 圖 4-25 建模與模擬班級：在實驗活動後，J 教師請學生上台畫圖。 ......... 98 圖 4-26 建模教學班級：J 教師透過影片，讓學生清楚看到鋅銅電池內，離子與電子的移動情形。 ....................................................................................... 102 圖 4-27 建模教學班級：J 教師透過影片，配合文本上開放性試題，請學生嘗試回答電子、離子移動情形。 ....................................................................... 102 圖 4-28 建模教學班級，以鋅銅電池次微觀影片，帶學生看到離子的移動情形。 ................................................................................................................... 103 圖 4-29 建模教學班級，以鋅銅電池次微觀影片，帶學生看到鹽橋內離子的移動情形。 ....................................................................................................... 103 圖 4-30 建模教學班級，以燃料電池次微觀影片，帶學生看到電池的運作情形。 ................................................................................................................... 103 圖 4-31 建模教學班級，以燃料電池次微觀影片，帶學生看到電池的反應過程。 ................................................................................................................... 103 圖 4-32 建模教學班級：J 教師透過開放式問題，帶著學生進行思考與討論，並透過黑板，整理出學習內容。 ................................................................... 105 圖 4-33 建模教學班級：J 教師透過開放式問題，帶著學生看到鋅銅電池模型的成份(材料)與成分間的關係(角色功用)，說明每一角色的功用與選擇的原 X.

(12) 因，進行模型選擇與模型建立階段。 ........................................................... 106 圖 4-34 建模教學班級：J 教師在 PPT 上提出開放式問題，帶著學生看到鋅銅電池模型的成份(材料)與成分間的關係(角色功用)。 ................................... 106 圖 4-35 一般教學班級：J 教師透過 PPT 直接講述化學電池的整個結構與運作，用簡單的 Q&A 帶到每一個電池的區塊。 .............................................. 107 圖 4-36 模擬實驗，J 教師到小組帶學生看到軟體介面上，化學電池的運作。 ........................................................................................................................... 109 圖 4-37 模擬實驗，J 教師到小組帶學生看軟體介面上，化學電池的運作。 ........................................................................................................................... 109 圖 4-38 操作實驗，J 教師到小組教導學生如何將實驗數據記錄下來。 ... 109 圖 4-39 操作實驗，J 教師到小組教導學生如何將實驗數據記錄下來。 ... 109 圖 4-40 模擬實驗操作介面，介面上有步驟引導學生進行操作，學生跟著步驟，就能選擇要選取的電極金屬種類、電解液種類、與電解液濃度等，讓化學電池進行運作。 ........................................................................................... 110 圖 4-41 模擬實驗操作介面，當化學電池開始運作後，介面上電子與離子就會進行移動，並顯示目前的電位值，讓學生能很快的清楚知道運作情形。 ........................................................................................................................... 110 圖 4-42 模擬實驗後，J 教師將實驗數據在黑板上作圖。 ........................... 111 圖 4-43 模擬實驗後，J 教師教導學生如何進行作圖。 ............................... 111 圖 4-44 模擬實驗後，J 教師帶學生討論開方試問題，尤其建模教學班級，題目明確與建模歷程定意結合，此為模型分析階段的試題。 ....................... 111 圖 4-45 模擬實驗後，J 教師帶學生討論開方試問題，尤其建模教學班級，題目明確與建模歷程定意結合，此為模型調度階段的試題。 ....................... 112 圖 4-46 操作實驗時，學生需要花一點時間領取藥品與器材。.................. 113 圖 4-47 操作實驗時，學生需要花一點時間討論如何組裝電池。 ............. 113 圖 4-48 操作實驗後，J 教師帶學生進行問題討論，請學生上台作答。 ... 113 圖 4-49 操作實驗後，J 教師請學生上台將實驗數據以圖表畫出來。 ....... 113 圖 4-50 模擬實驗，小組學生彼此可以較容易圍聚一起，看著電腦介面上的操作。 ............................................................................................................... 115. XI.

(13) 圖 4-51 模擬實驗，小組學生彼此可以較容易圍聚一起，看著電腦介面上的操作，進行操作的速度也相對較快。 ........................................................... 115 圖 4-52 操作實驗，小組學生彼此嘗試組裝電池。 ..................................... 116 圖 4-53 操作實驗，小組學生彼此嘗試組裝電池。 ..................................... 116 圖 4-54 操作實驗，小組學生在組裝電池過程中，需要一點時間摸索與討論。 ........................................................................................................................... 116 圖 4-55 操作實驗，小組學生在組裝電池過程中，需要一點時間摸索與討論。 ........................................................................................................................... 116 圖 4-56 J 教師的「一般教學」的教學表徵。 ............................................. 119 圖 4-57 J 教師的「建模教學」的教學表徵。 ............................................. 119 圖 4-58 紙筆測驗，嘗試以開放性問題讓學生回答，了解學生解釋與建模能力。 ................................................................................................................... 121 圖 4-59 紙筆測驗，請學生描述次微觀現象與判斷原因。 ......................... 121 圖 4-60 紙筆測驗，請學生解釋答案的原因。 ............................................. 121 圖 4-61 J 教師直接到各組了解學生實驗狀況。 ......................................... 122 圖 4-62 J 教師請學生上台畫出實驗結果。 ................................................. 122 圖 4-63 J 教師的「建模教學」建模學科教學知識發展的動態過程。 ..... 127 圖 4-64 J 教師的「一般教學」學科教學知識發展的動態過程。 ............. 128 圖 4-65 建模教學 SWOT 分析結果 ................................................................. 131 圖 4-66 一般教學 SWOT 分析結果 ................................................................. 132 圖 4-67 實驗組學生對教學策略的看法.......................................................... 136 圖 4-68 對照組學生對教學策略的看法 ......................................................... 136 圖 4-69 實驗組學生對教學教材的想法(POWERPOINT) .................................... 139 圖 4-70 對照組學生對教材的想法(POWERPOINT) ............................................ 139 圖 4-71 實驗組學生對教學教材的看法(課本)............................................... 141 圖 4-72 對照組學生對教學教材的看法(課本) ............................................... 141 圖 4-73 實驗組對教學活動的想法(實驗)....................................................... 144 XII.

(14) 圖 4-74 對照組對教學活動的想法(實驗)....................................................... 144 圖 4-75 實驗組學生對教學活動的想法(小組討論) ....................................... 146 圖 4-76 對照組學生對教學活動的想法(小組討論)....................................... 146 圖 4-77 實驗組學生對整體教學的想法 ......................................................... 148 圖 4-78 對照組學生對整體教學的想法 ......................................................... 148. XIII.

(15) 緒論本研究旨在探討一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之個案研究─ 以電化學概念之教學為例，概念包含：化學電池的原理、影響電位的因素、生活中常見的電池等概念。本章緒論，第一節以結合過去的研究結果來說明本研究背景與重要性；第二節以研究主軸，說明本研究三項研究目的；第三節根據本研究目的，說明其研究問題；第四節說明本研究範圍與限制；第五節名詞釋義，說明本研究提及之名詞與其內容。. 研究背景與重要性在學生的學習歷程中，影響學生學習的因素，是極為複雜且廣泛，不僅受課程、教材設計、環境等影響，「教師」的教學，更是影響學生學習的重要關鍵之一。然而，「教師的教學是否有效，取決於教師對於教學的學科的了解，同時還要幫助學生了解學科知識，也就是教師需具備學科知識 (subject matter knowledge)，也需具備學科教學知識 (Pedagogical content knowledge,PCK)」 (引自江玉婷，1994，P.1)。而 Shulman (1987) 更在研究中指出，教師所需的各種知識中，以「學科教學知識」最為重要，因為此正是能區分具專業知識的專家以及會教該學科的教師最明顯的不同之處，教師是能知道如何傳遞知識的。因此，若能深入探討教師本身在教學歷程中的學科教學知識，以及學科教學知識的發展，都應能更幫助我們了解教師的教學，達到更好的師資培育、課程與教材的設計、評量工具的配合與使用，藉以幫助教師能更融入教學，學生能更投入學習，達到更好的教學與學習。當我們將範圍縮小至科學教師，整理過去科學教師的 PCK 研究，了解到科學教師對特定學科的熟悉，以及所擁有的教學經驗，都可幫助 PCK 的發展 (Driel, Verloop, Vos, 1998)。因此，本研究的學科主題為化學學科，選擇一位在高中化學 1.

(16) 學科教學具 20 年經驗的教師來進行觀察與研究，探討高中化學教師在教學歷程中的學科教學知識以及其發展的動態過程。同時，十二年基本國民教育開始全面實施，在科學課程方面，「建模」被列為重要的能力之一，然而，教師對建模相關的課程、教學與評量所知甚少 (林靜雯，2015)。由此得知，「建模教學」將成為國家的科學教育中重要一環，培養學生「建模能力」也將成為教學與學習中重點之一。因此，若能對教師在進行建模教學為本的教學歷程中，探討教師的學科教學知識以及其發展的動態過程，不僅能幫助教師進行建模教學，施行師資培育，進而也能幫助學生學習，達到建模能力的培養！而在學習科學概念中，「電化學概念」對於學生學習來說，總有許多迷思概念。Sanger 與 Greenbowe (1997) 在研究中提到，學生學習過程中無法清楚了解電化學微觀機制，例如：電流流動情形、區分電池中正負極、區分電池中陰陽極。同時，也有研究發現學生對於電子的流動，認為會經由溶液流動，形成電流 (Garnett, & Treagust, 1992; Sanger, & Greenbowe, 1997)。而透過建模，可助於形成概念化模型，進而進行概念改變 (劉俊庚，2011)，幫助學生學習科學概念，因此，期盼透過建模課程，幫助學生學習電化學概念。藉由以上的研究背景與重要性，本研究的進行，期許能透過「一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之個案研究─ 以電化學概念之教學為例」，系統且完整的探討，了解教師在進行建模教學中，整個教學歷程的建模學科教學知識以及其發展的動態過程，幫助教師進行建模教學，幫助學生學習科學，甚至培養建模能力。. 2.

(17) 研究目的本研究基於上述的研究背景與動機，為能了解教師在進行建模教學中，整個教學歷程的建模學科教學知識以及其發展的動態過程，將進行以下研究目的： 1.. 探討一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之建模學科教學知識為何？. 2.. 探討一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之建模學科教學知識發展的動態過程為何？. 3.. 探討個案教師在建模教學與一般教學的學科教學知識之比較，對應學生的學習情意結果之比較為何？. 3.

(18) 研究問題本研究基於上述的研究目的，為能了解教師在進行建模教學中，整個教學歷程的建模學科教學知識以及其發展的動態過程，將進行以下研究問題：研究目的 1. 探討一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之建模學科教學知識為何？ 1-1 高中化學教師在教學歷程中之教師面向的建模學科教學知識為何？ 1-2 高中化學教師在教學歷程中之學生面向的建模學科教學知識為何？ 1-3 高中化學教師在教學歷程中之情境面向的建模學科教學知識為何？研究目的 2. 探討一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之建模學科教學知識發展的動態過程為何？ 2-1 高中化學教師在教學歷程中，如何進行理解？ 2-2 高中化學教師在教學歷程中，如何進行轉換？ 2-3 高中化學教師在教學歷程中，如何進行教學？ 2-4 高中化學教師在教學歷程中，如何進行評量？ 2-5 高中化學教師在教學歷程中，如何進行反省？ 2-6 高中化學教師在教學歷程中，如何進行新的理解？. 4.

(19) 研究目的 3. 探討個案教師在建模教學與一般教學的學科教學知識之比較，對應學生的學習情意結果之比較為何？ 3-1 高中化學教師在建模教學與一般教學的學科教學知識之比較為何？ 3-2 學生在建模教學與一般教學的學習情意結果之比較為何？. 5.

(20) 研究範圍與限制研究樣本限制： 1.. 本研究對象為新北市某市立高中的一位「具科學教育背景的高中化學教師」，探討高中化學教師在建模教學的教學歷程之個案研究。不包含其他科學科目、或其他學習階段的科學教師；且研究中的學生為該研究對象化學教師的教授的班級，不包含其他班級、或其他學校的學生。. 研究範圍限制： 1.. 本研究所探討的概念以「電化學概念」為主，包含：化學電池、影響電位的因素、生活中常見的電池等電化學概念。對於電化學其他概念或內容不予討論；且不宜過度推論至其他概念教學或學習上。. 2.. 本研究所探討的範圍為「新北市」某一高中，因此基於環境、地區、人力、時間等因素，本研究結果不宜過度推論。. 研究方法限制： 1.. 本研究主要以「質性分析」方式進行，輔以量化分析進行討論，因環境、地區、人力、時間等因素考量，本研究結果為未來教學與師資培育之參考，不宜過度推論。. 6.

(21) 名詞釋義建模教學本研究的教師所進行的課程，是以「建模歷程指標 (Modeling Process Indicators, MPI)」所設計的建模教學(即建模本位教材的教學，在此簡稱建模教學)，引自邱美虹教授的 2014 年科技部計畫【以系統化方式進行模型與建模能力之線上教學與評量系統—探討科學課程、概念發展路徑與建模能力之研究 MOST 102-2511-S-003 -006 -MY3】，同時此計畫也是研究對象 J 教師在這次建模教學所參與的科技部計畫。其中，建模歷程包含四大階段與八個步驟： 1.. 模型發展階段. 2.. 模型精緻化階段 (模型效化、模型分析). 3.. 模型遷移階段. (模型應用、模型調度). 4.. 模型重建階段. (模型修正、模型轉換). (模型選擇、模型建立). 建模學科教學知識 (M-PCK) 「學科教學知識」是經由學科內容、教學方法、以及策略互動產生所形成的整合性知識 (引自江玉婷，1994)。對應本研究主題，為探討一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之個案研究，因此本研究中討論的學科教學知識將聚焦在教師在建模教學的學科教學知識，即為「建模學科教學知識 (Modeling - Pedagogical content knowledge , M-PCK)」：教師在進行建模本位教材的教學歷程，經由學科內容、教學方法、以 7.

(22) 及策略互動產生所形成的整合性知識。本研究認為建模學科教學知識將會考慮到教師、學生、整個情境的各個因素與面向間彼此的交互作用。. 電化學概念本研究所提到的電化學概念，僅探討「化學電池的原理、影響電位的因素、生活中常見的電池」等概念。其概念包含在普通高級中學必修科目「基礎化學」課程綱要：化學與能源─電池(化學電池原理、常見的電池：乾電池、鉛蓄電池、鋰電池、燃料電池)；選修科目「化學」課程綱要：氧化還原反應─電池電動勢(電池半反應式、標準還原電位與電池電壓) (教育部，2008)。. 8.

(23) 文獻探討本研究進行的文獻探討主要分為三大部份：第一節為「學科教學知識之相關研究」，回顧有關學科教學知識的相關研究，探討學科教學知識發展的動態過程，了解教師在教學與學習上的重要性，以及探討研究方法的進行；第二節為「模型為基礎的建模教學之相關研究」，回顧有關建模教學的相關理論與應用，探討建模教學在科學學習上的重要性；第三節為「電化學概念之相關研究」，由一系列電化學概念相關研究，整理電化學概念的學習困難，如圖 2-1 所示。. 學科教學知識. 文獻探討建模. 電化學概念. 教學. 圖 2-1 文獻探討架構. 9.

(24) 學科教學知識之相關研究學科教學知識的意義 Shulman (1986) 是最早提出學科教學知識(Pedagogical content knowledge, PCK) 一詞的學者；他認為教師本身包含三種與內容相關的知識，可分為：學科內容知識 (subject matter content knowledge)、課程知識 (curricular knowledge)、與學科教學知識 (pedagogical content knowledge) 三個主要部份；其中，學科教學知識是「超越教學的學科主題知識的本身維度的知識」 (p.9)，能將內容知識呈現出來，成為可教學性的內容；他認為教學與教師教育的研究是不能被忽略的的研究問題。之後，開始有其他學者重視教師的學科教學知識，針對 Shulman 所提出的來擴展學科教學知識的概念，為學科教學知識提出許多的定義與解釋 (Driel, Verloop, Vos, 1998)。Clermant, Krajcik 與 Borko (1993) 即明確提出學科教學知識是教師經由學科內容、教學方法、與策略互動所形成的整合性知識，幫助教師了解學科主題內容、如何進行問題、以及課程內容呈現的方式；過程中，教師會不斷進行調整，來適應不同學習者的需要，進而表現在實際教學上。 Driel 等人 (1998) 嘗試從科學教育角度來談科學教師的學科教學知識，發現科學教師本身對於特定學科的熟悉，以及本身所擁有的教學經驗，都是能幫助科學教師進行學科教學知識的發展。Clermont 等人 (1993) 也同樣透過研究發現，具有教學經驗的科學教師，具有較大的表示方式與策略，來演示特定的學科主題，並能靈活運用一些方式來達到教學目的，讓學生更有效進行學習。因此，透過學科教學知識的研究結果，能提供來促進發展未來教師的學科教學知識，甚至可能可以解決目前教學上的盲點 (Verloop, 1992)。. 10.

(25) 因此，本研究透過選擇一位具有 20 多年教學經驗豐富的高中化學教師，期許透過教師本身對於學科知識的了解、以及所擁有的教學經驗，在進行建模教學的教學歷程中，能發展出化學教師在建模教學的學科教學知識，提供給未來教師一個參考的方向；同時，因本研究聚焦在化學教師進行建模教學的學科教學知識，因此本研究的學科教學知識，為建模學科教學知識 (Modeling - Pedagogical content knowledge , M-PCK)。. 學科教學知識的結構學科教學知識的結構所包含的成份為何？透過哪些因素與面向互動而產生？每個學者提出不同的想法。Wilson, Shulamn 與 Richert (1987) 認為學科教學知識的結構包含：學習者的知識 (knowledge of the learner)、課程的知識 (knowledge of the curriculum)、教學情境的知識 (knowledge of context)、以及教學的知識 (knowledge of pedagogy)等。江玉婷 (1994) 同時也整理出許多學者對於學科教學知識的結構之重點，認為學科教學知識主要包含：學習者的知識、課程的知識、教學情境的知識、教學的知識、學科知識、以及其他。可得知，教師的學科教學知識由多種知識成份經互動所形成的整合性知識。因此，本研究所進行教師的學科教學知識的結構，主要根據江玉婷 (1994) 對初任與資深國中地球科學教師學科教學知識之比較的研究，所提出教師的學科教學知識的結構為主要架構；再透過研究者考量實際教學的結果，綜合而成本研究對於化學教師的建模學科教學知識的結構，將會考慮到教師、學生、整個情境的各個因素與面向間彼此的交互作用。. 學科教學知識發展的動態過程 Shulman (1986) 認為教師在教學過程中，會透過轉換 (transform) ，將學科 11.

(26) 知識轉換成適合教學。因此，Shulman 與 Sykes (1986) 提出教學推理 (padagogical reasoning) 過程，說明教師進行轉換時，在整個教學歷程中會經過六個步驟，包含：理解、轉換、教學、評量、反省、新的理解。如圖 2-2 所示。. 轉換. 理解. 教學. 新的理解. 評量. 反省圖 2-2 教師的學科知識轉換的過程與步驟 (1) 理解 (comprehension) 指教師在教學前，了解教學學科內容與架構、概念與概念間彼此的關係、學科與其他相關科目的應用關係。 (2) 轉換 (transformation) 指教師在教學前，對於整個課程與教學進行批判說明、形成教學表徵、適應改變、特定準備。 (3) 教學 (instruction) 為教學中最為能直接被觀察的部份，包含教師的語言解釋、圖表使用、與學生互動、所進行的教學活動等。 (4) 評量 (Evaluation). 12.

(27) 為教師在教學中或教學後以各種評量方式來了解教師本身教學成效與學生學習結果。 (5) 反省 (reflection) 指教師在教學中或教學後，透過反省來檢視自我教學。 (6) 新的理解 (new comprehension) 指教師在教學後，透過以上過程，能再次充實對於教學目標、教學策略、課程、教師本身、與學生的理解。 Shulman (1987) 則再次提到，這樣的教學推理過程，教師會因當時教學的狀況，因應教學的需要，六個步驟的順序會有所不同；Reynolds (1992) 則認為教學歷程包含：教學前、教學中交互、教學後三個部份；Calderhead (1996) 也同樣想法相近，將教學歷程分前中後三個部份。甄曉蘭 (2003) 提到教師的學科教學知識在轉換過程中，須對應到教學情境脈絡的行動跟實踐；也就是教師在轉換的過程，須與實際教學現場做一連結，才能讓學生在學習得以理解。本研究將以 Shulman 與 Sykes (1986) 所提出的教學推理 (padagogical reasoning) 過程，針對這六個步驟，包含：理解、轉換、教學、評量、反省、新的理解，來了解教師的建模學科教學知識發展的動態過程。. 13.

(28) 模型為基礎的建模教學之相關研究建模對於科學學習的重要性由過去相關文獻的整理，了解到在學生在科學學習過程中，模型的建立過程能幫助教學與學習歷程。邱美虹 (2007) 即認為在科學學習中，發展建立模型（modelling，簡稱建模）的能力是必要的。乃因透過建模，能幫助我們發展科學知識與建立理論，甚至成為認知、科學探究、問題解決的基礎 (劉俊庚，2011) 。同時，透過建模，能幫助學習者表達與外顯化思考，協助學生視覺化與檢驗概念性想法的組成元素，或做為概念架構 (conceptual bridges) (Harrison, 2001)。 Schwarz 等人 (2009) 以建模教學進行研究，也發現學生在學習歷程中，有幾個重要的影響，包含：1. 透過建模的教學，學生能夠建立更多具不可視機制和過程的模型；2. 學生能將模型視為溝通解釋以及將想法傳達給他人的方式；3. 學生很重要的是要能理解模型為動態的，是可以被修改的。. 教師進行建模教學的策略然而，學生在建立模型歷程中，有一定的困難與挑戰，包含：工作知覺、學習內容、與建模歷程使用的工具 (Sins, Savelsbergh, van Joolingen, 2005)。Sins 等人 (2005) 表示建模工作知覺指的是，學生只著重修正已經設定好的參數數值，來符合學生所提出的模型，並非真正對模型進行解釋與修正；學習內容指的是，學生在建模歷程中，只考慮單變項影響，並非考慮不同變項間的關係；建模歷程使用的工具指的是，學生不容易將知識轉換成模型。因此，Sins 等人 (2005) 認為教師要能知道學生在建模歷程中的學習困難，能夠提供適當的建模鷹架，帶領學生思考變項與變項間的關係、使用不同表徵來進行不同建模歷程階段、並能讓. 14.

(29) 學生清楚每個建模歷程階段的目標，使得學生在建模過程中，能真正完整進行建模，具有結構性。同時，Gilbert (2004) 也認為科學教師若要進行建模教學，在整個課程設計中須包含四個主要成份，包含：學習使用模型、學習修正模型、學習重塑模型、學習重建模型。 Schwarz 等人 (2009) 認為建模歷程過中，要能強調模型建立、修正、與運用的歷程，教師帶領學生建模的過程，能夠運用問題引導，讓學生使用模型來理解特定現象或情境。邱美虹與劉俊庚 (2010) 整合了許多學者的觀點，認為建模歷程包含：模型選擇與描述、模型建立、模型效化、模型分析與評估、模型調度、與模型重建；強調模型重建的重要性。因此，本研究依據過去的建模教學相關文獻探討，以邱美虹教授的 2014 年科技部計畫【以系統化方式進行模型與建模能力之線上教學與評量系統—探討科學課程、概念發展路徑與建模能力之研究 MOST 102-2511-S-003 -006 -MY3】，在計畫中所提出的「建模歷程指標 (Modeling Process Indicators, MPI)」，來進行這次建模教學的課程設計與教學；建模歷程包含：(一)模型發展階段(模型選擇、模型建立)、(二)模型精緻化階段(模型校化、模型分析)、(三)模型遷移階段(模型應用、模型調度)、(四)模型重建階段(模型修正、模型轉換)等四大階段與八個步驟。八個步驟定義，分別是(如圖2-3所示)： 1. 模型選擇 ─從先前概念中選擇適當的物件(成份)、或基本模型。 2. 模型建立 ─建立所選物件(成份)、或基本模型的關係與結構。 3. 模型效化 ─利用已建立的模型之關係與結構進行效化，以判斷、檢驗、或比較模型內部的一致性。 15.

(30) 4. 模型分析 ─利用已效化的模型分析問題，並解釋其適當性(數據演算或推理)。 5. 模型應用 ─使利用已效化的模型應用於相似情境的問題(近遷移)。 6. 模型調度 ─利用已效化的模型運用於新情境的問題(遠遷移)。 7. 模型修正 ─察覺已效化的模型失效，需增加或減少物件(成份)與關係，以修正為新的模型(弱重建)。 8. 模型轉換 ─察覺已效化的模型整體失效，以重新建立為新的模型(強重建)。期望透過這次的建模教學，教師能帶領學生建立模型，進而能提供教學，幫助學生學習。. 1-1 模型選擇. 從先前概念中選擇適當的物件(成份)、或基本模型. 1-2 模型建立. 建立所選物件(成份)、或基本模型的關係與結構. 2-1 模型效化. 利用已建立的模型之關係與結構進行效化，以判斷、檢驗、或比較模型內部的一致性. 2-2 模型分析. 利用已效化的模型分析問題，並解釋其適當性(數據演算或推理). 3-1 模型應用. 利用已效化的模型應用於相似情境的問題(近遷移). 3-2 模型調度. 利用已效化的模型運用於新情境的問題(遠遷移). 4-1 模型修正. 察覺已效化的模型失效，需增加或減少物件(成份)與關係，以修正為新的模型(弱重建). 4-2 模型轉換. 察覺已效化的模型整體失效，以重新建立為新的模型(強重建). 1.模型發展階段. 2.模型精緻化階段建模歷程 3.模型遷移階段. 4.模型重建階段. 圖 2-3 建模歷程指標 (Modeling Process Indicators, MPI) (邱美虹，2014). 16.

(31) 電化學概念之相關研究電化學概念的學習困難許多研究指出學生在學習電化學概念時，擁有許多學習困難，例如：無法清楚知道電流流動情形、難區分電池正負極、難區分電池陰陽極、認為電子可在溶液中流動而形成電流…等 (Garnett, & Treagust, 1992; Sanger, & Greenbowe, 1997)。國內研究中也提到，學生在學習電化學上有主要幾個學習困難 (郭順利， 1997) ：1. 電流只是電子移動，不包含離子。2. 鹽橋功用是溝通兩電解槽中的離子，而非提供離子。 3. 以化學活性大小判斷陰陽極。4. 對電解電池與電化電池的陰陽極判斷方式不同。. 電化學概念的教學策略邱美虹 (2000) 即說明學生擁有學習困難的原因，是因為概念本身是抽象、微觀的。因此，許多研究與教學，嘗試透過許多方式，包含電腦動畫，來改善學生學習電化學概念的情形，促進電化學概念的學習 (邱美子，2001；林香岑，2000；張秀澂，2002)。然而，除了電腦動畫能有效改善電化學概念學習之外，張志康與邱美虹 (2009) 則透過建模能力的研究，以電化學概念為例，發現學生的建模能力其實與學生本身的科學學科成就以及學業成績有顯著的相關性，即建模能力是影響電化學概念學習、甚至是影響科學學習很重要的基礎之一。許多研究也嘗試以不同的科學概念，透過建模教學的實踐，來達到更好得學習成效，包含賴俊文 (2010) 透過建模教學來探討學生學習物質粒子概念的成效、陳婉女勻 (2012) 亦以建模教學來看熱傳播概念學習成效、劉俊庚與邱美虹 (2010) 亦從建模觀點來分析原子 17.

(32) 理論；由此可知，不僅電化學概念，許多抽象、困難的科學概念，都有機會透過建模教學來提升學習成效，幫助學生理解科學概念。同時，劉俊庚 (2011) 也提到透過建模，能夠幫助學生在學習上，形成概念化模型，進而進行概念改變。因此，本研究透過以建模教學為本的教學歷程，以電化學概念為例，期許在教師的教學歷程中，幫助學生學習電化學概念；而教師的建模教學，能成為好的建模學科教學知識以及其發展的動態過程，提供給未來教師一個好的教學範例。. 18.

(33) 研究方法本章研究方法共分為五節，第一節研究設計，說明本研究之研究設計的理由與原則；第二節研究對象，說明本研究的研究對象與其背景情形；第三節研究工具，說明本研究所使用的研究工具，包含問卷晤談內容、教學觀察內容、學生試題內容、與專家效度等部分；第四節資料處理與分析，說明本研究對收集的量化與質性資料所欲進行的資料處理與分析方式；第五節研究流程，說明本研究整個的研究程序與研究流程圖。. 研究設計本研究為探討一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之個案研究 ─ 以電化學概念之教學為例；並輔以一般教學的教學歷程與結果來進行對照與比較。依據本研究的研究目的與問題、以及文獻探討，將提出兩個研究設計架構，來分析教師的建模學科教學知識、以及建模學科教學知識發展的動態過程。. 19.

(34) ﹝教師的建模學科教學知識﹞之研究設計架構透過文獻探討結果得知，教師的學科教學知識為多種知識與面向互動而產生的整合性知識；本研究認為教師的建模學科教學知識，將會考慮到教師、學生、整個情境的各個因素與面向間彼此的交互作用，如圖 3-1 所示。此研究設計架構將對應本研究目的與問題、研究工具、與研究結果與討論。. 圖 3-1 在教學歷程中，考慮教師、學生、情境各個因素與面向的交互作用. 教師面向教師面向所考慮的因素包含：教學理念、教學策略、教學材料、教學活動、教學成效、教學行為、師生互動、與自我省思與調整…等因素，以及教師的教學生涯。 1.. 教學生涯：在進行探討教師的教學歷程前，對教師的教學生涯所做的了解。包含：教師的學習經歷、教學經歷、教學期許、對於建模教學接觸經驗…等。. 20.

(35) 2.. 教學理念：指教師對於「建模教學」的理念。包含：對於建模教學的定義與內涵、建模教學應用於化學學科教學的想法與態度、建模教學與其他教學的比較看法…等。. 3.. 教學策略：指教師對於「建模教學」的整體教學策略。包含：教學過程中可以培養學生的學習能力、教師的教學挑戰與困難、教學策略、評量方式與適切性…等。其中，本研究所進行的教學策略以「建模教學為本」，以「建模歷程指標 (Modeling Process Indicators, MPI) 」進行建模歷程的教學；建模歷程包含：1. 模型發展階段(模型選擇、模型建立)、2. 模型精緻化階段(模型校化、模型分析)、3. 模型遷移階段(模型應用、模型調度)、4. 模型重建階段 (模型修正、模型轉換)等四大階段與八個過程，如圖 3-2 所示。以四個班級進行教學：兩組實驗組與兩組對照組，四組的教學情境主要變因為「教學材料」與「教學活動」：1. 建模與模擬：建模文本+模擬實驗組、2. 建模與操作：建模文本+操作實驗組、3. 一般與模擬：一般文本+模擬實驗組、4. 一般與操作：一般文本+操作實驗組。. 4.. 教學材料：指進行「建模教學」過程中，所使用的教學材料。包含：對於教學材料的想法可從過去教學所配合的教學材料、本次教學材料的適切性第… 等。實驗組第 1、2 組，以建模文本教學，在教學過程中明確指出建模歷程的四大階段與八個過程，將建模的過程外顯化，以幫助學生察覺建模與概念學習的關係；對照組第 3、4 組，以一般文本教學，即學校平時所使用之文本內容。. 5.. 教學活動：指進行「建模教學」過程中，所進行的教學活動。包含：對於教學活動的想法可從過去教學所配合的教學活動、本次教學活動的適切性…等。第 1、3 組，以模擬實驗為主，在實驗的過程中，透過電腦軟體操作進行實. 21.

(36) 驗，將模型的本質及功能外顯化，以幫助學生認識並使用模型學習科學。而第 2、4 組，以操作實驗為主，在實驗過程中，透過實際器材操作進行實驗。教學成效：指教師進行「建模教學」，整體的教學成效。包含：整個教學歷. 6.. 程給予教師的教學收穫…等。教學行為：指教師進行「建模教學」的教學行為。包含：語言解釋、圖表說. 7.. 明、影片使用…等。師生互動：指教師進行「建模教學」的師生互動情形。包含：問題引導、實. 8.. 驗活動…等。自我省思與調整：指教師進行「建模教學」的教學歷程中，自我的省思、調. 9.. 整、甚至於成長與收穫…等。. 學生面向所考慮的因素包含：學生的學習信心表現、學習興趣、與學習成效…等因素。 1.. 學生學習信心表現：指教師的「建模教學」對於學生學習信心的影響。. 2.. 學生學習興趣表現：指教師的「建模教學」對於學生學習興趣的影響。. 3.. 學生學習成效表現：指教師的「建模教學」對於學生學習成效的影響。. 情境面向所考慮因素包含：影響教學的外在因素、內在因素、成功因素、與失敗因素… 等。. 22.

(37) 1.. 影響教學的外在因素：指教師進行「建模教學」時，所考慮到影響教學的外在因素。包含：一切人事時地物，即上課班級的學生人數與上課態度、上課非預期的臨時狀況、上課時間、上課地點、上課所用器材…等。. 2.. 影響教學的內在因素：指教師進行「建模教學」時，所考慮到影響教學的內在因素。包含：一切課程安排，即教材版本、學科內容…等。. 3.. 影響教學成功的因素：指教師進行「建模教學」時，能讓整體教學成功，讓教師與學生有所成長，並具體提升學生學習信心、學習興趣、學習成效，所考慮到的關鍵因素為何。. 4.. 影響教學失敗的因素：指教師進行「建模教學」時，若整體教學沒能成功，讓教師與學生成長有限，提升學生學習信心、學習興趣、學習成效有限，所考慮到的關鍵因素為何。. 1-1 模型選擇. 從先前概念中選擇適當的物件(成份)、或基本模型. 1-2 模型建立. 建立所選物件(成份)、或基本模型的關係與結構. 2-1 模型效化. 利用已建立的模型之關係與結構進行效化，以判斷、檢驗、或比較模型內部的一致性. 2-2 模型分析. 利用已效化的模型分析問題，並解釋其適當性(數據演算或推理). 3-1 模型應用. 利用已效化的模型應用於相似情境的問題(近遷移). 3-2 模型調度. 利用已效化的模型運用於新情境的問題(遠遷移). 4-1 模型修正. 察覺已效化的模型失效，需增加或減少物件(成份)與關係，以修正為新的模型(弱重建). 4-2 模型轉換. 察覺已效化的模型整體失效，以重新建立為新的模型(強重建). 1.模型發展階段. 2.模型精緻化階段建模歷程 3.模型遷移階段. 4.模型重建階段. 圖 3-2 建模歷程指標(Modeling Process Indicators, MPI) (邱美虹，2014). 23.

(38) ﹝教師的建模學科教學知識發展的動態過程﹞之研究設計架構本研究為了解教師的建模學科教學知識發展的動態過程，以 Shulman 與 Sykes (1986) 提出的教學推理 (pedagogical reasoning) 過程，如圖 3-3 所示，同時結合建模歷程的步驟，進行分析與探討。此研究設計架構將對應本研究目的與問題、研究工具、與研究結果與討論。. 轉換. 理解. 教學. 新的理解. 評量. 反省圖 3-3 教師的學科知識轉換的過程與步驟教師的建模學科教學知識發展的動態過程就六部分進行探討：理解、轉換、教學、評量、反省、新的理解。 1.. 理解：「理解」是指教師在進行建模教學前，對於學科知識的理解。. 2.. 轉換：「轉換」是指教師在進行建模教學前，在準備教材時，能澄清教學目標、回顧重要的教學內容、組織教材順序、形成教學表徵、教學時適應不同學生的學習。. 3.. 教學：「教學」是指教師在進行建模教學時，實際的教學表現，並以一般教學進行對照比較。 24.

(39) 4.. 評量：「評量」是指教師在進行建模教學時，能了解自身教學成果與學生學習成果很重要的方式，並以一般教學進行對照比較。. 5.. 反省：「反省」是指教師在進行建模教學時，能進行教學後的反省，進而改善教學，使教學更好，並以一般教學進行對照比較。. 6.. 新的理解：「新的理解」是指教師在進行教學後的反省，從中可以得到新的理解。. 25.

(40) 研究對象本研究對象為新北市某市立高中的一位具科教背景的高中化學教師，探討一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之個案研究。本研究對象擁有 20 年以上豐富的教學經歷，且在學習經歷接受過科學教育的學習與訓練，並於學習期間參與多年建模教學相關的國科會計畫，進行多次建模教學相關的研究與教學，有相當的建模理論背景與建模教學經驗。在後面文章敘述中，將以「J 教師」簡稱代表本研究對象。在本次研究中，J 教師與研究者本身，同時一起參與邱美虹教授的 2014 年科技部計畫【以系統化方式進行模型與建模能力之線上教學與評量系統—探討科學課程、概念發展路徑與建模能力之研究 MOST 102-2511-S-003 -006 -MY3】，由此學習型組織來支援 J 教師進行本次建模教學。本次建模教學的教學活動與教材設計，由本研究者與另一位學生共同設計，提供讓 J 教師進行教學；藉由本次研究，研究者能藉此了解本次建模本位教材的使用結果，以提供未來在建模相關的研究與教學上，能有更好的設計與發展。 J 教師(本研究對象)選取高一自然組四個班級進行教學，讓研究者進行教學歷程觀察與研究。四個班級皆由 J 教師進行教學，在教學前將四個班級分為「建模與模擬組」、「建模與操作組」、「一般與模擬組」、「一般與操作組」四組。四個班級學生的先備知識皆有電化學概念基礎(在國中、高中一年級課程有學習過)，包含：化學電池的原理、與生活中常見的電池等概念。. 26.

(41) 研究工具本研究工具依據本研究目的與問題、研究設計，進行研究工具的設計。本節將會針對「研究者自身專業與背景」與「輔助研究之研究工具」進行介紹。. 研究者自身專業與背景研究者本身，大學期間專業學科背景為化學學科，並擁有國小教師證與教學代課經驗，具有一定的科學與教育背景。研究所期間就讀科學教育研究所，並於研究所期間修讀中等教育學程，具有國中實習教學經驗；研究所期間，修讀研究所課程與參與國科會計畫，有一定的模型與建模理論背景。研究對象 J 教師與研究者本身皆有參與邱美虹教授的科技部建模研究計畫，同時本次建模本位的教材即由本研究者與另一位學生共同設計。因此，在以上的情形下，研究者得以有機會進行本研究主題，針對一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之個案研究，期許在本研究過程中，研究者本身能一同學習與成長，願研究與教學上都能更好！. 輔助研究之研究工具本研究在整個教學歷程中，透過各資料收集取得研究結果，包含：教師晤談、教學觀察記錄、學生學習信心與興趣調查…等收集。依據欲收集的資料，進而對應本研究輔助的研究工具，並且依據資料分析方式，可分為質化與量化兩大部份，質化部分包含：教學前教師晤談問卷、教學中教師晤談問卷、教學後教師晤談問卷、教學紀錄表、學生學習信心/興趣量表與問卷…等。量化部份包含：學生學習信心/興趣量表與問卷…等。研究工具分配、研究工具在教學歷程中使用情形、與研究工具設計要點見表 3-4、3-5、3-6 如下： 27.

(42) 表 3-1 研究工具分配質化資料分析. 量化資料分析. 教學前教師晤談問卷教學中教師晤談問卷教學後教師晤談問卷教學紀錄表學生學習信心/興趣量表與問卷. 學生學習信心/興趣量表與問卷. 表 3-2 研究工具使用情形教學歷程. 教學前. 教學中(5 堂課). 研究工具. 教學前教師晤教學中教師晤談問卷談問卷教學記錄表. 教學後教學後教師晤談問卷學生學習信心/興趣問卷與量表. 表 3-3 研究工具設計要點研究工具. 設計重點. 內容. 使用目的. 採用結構性晤談方式，探討晤談並探討教師在. 教學前、中、後教師晤談問卷. 開放式問題. 教師在整個教學歷程中，對於教師、學生、情境三面向的想法與實踐情形，包含：教學生涯、教學理念、教學策略、教學材料、教學活動、教學成效、考慮因素、其他…等面向進行討論。. 整個建模教學的教學歷程中實踐的情形，進而了解教師在建模教學的建模學科教學知識，做為未來教師在培育與準備參考。. 記錄教師在教學中的教學情記錄並探討教師在形，包含：教學主題、目整個建模教學與一標、節數、日期、時間、班般教學實踐的情教學記錄表. 開放填寫表格. 級、學生人數、流程、教材、教學活動、教學內容、教學行為、師生互動、建模歷程、其他…等要素的觀察來進行討論。. 28. 形，並比較各組教學的不同；做為未來教師在培育與準備參考。 (續下頁).

(43) 研究工具. 設計重點. 內容. 使用目的. 學生學習信心/興趣量表與問卷. 學習態度量表、開放式問題. 探討學生在不同教法下，對了解學生在建模教於學習信心、學習興趣的想學與一般教學下，法。對學生學習的信心與興趣的影響；做為未來改進教學設計的依據。. 教學前、中、後教師晤談問卷「教學前、中、後教師晤談問卷」由一位科教相關背景的大學教授、與一位具科教相關背景且教學資歷豐富的國中理化教師，兩位進行專家審查，針對問卷內容的適當與合宜性，進行討論與修改，以建立專家效度。問卷試題設計為開放式問題，探討教師在整個「建模教學」的教學歷程中，對於教師、學生、情境三面向的想法與實踐情形，包含：教學生涯、教學理念、教學策略、教學材料、教學活動、教學成效、考慮因素、其他…等面向進行討論，做為未來教師在培育與準備參考。在晤談前，向教師說明晤談的目的，以及錄音的必要性。整個晤談過程，共進行四次，包含教學前一次、教學中一次、教學後兩次；特別在教學後兩次中，一次即在教學後立即進行晤談，另一次教學後，則是在教師了解學生學習成效後，進行晤談與反思。「教學前、中、後教師晤談問卷」的問卷設計內容如下表 3-4 所示。. 29.

(44) 表 3-4 「教學前、中、後教師晤談問卷」的問卷設計內容教師晤談問卷. 問卷內容. 教學前教師晤談問卷. 教師生涯、教學理念、教學策略、教學材料、教學活動、預期教學成效、考慮因素、其他. 教學中教師晤談問卷. 教學策略、教學材料、教學活動、教學成效、其他. 教學後教師晤談問卷. 教學策略、教學材料、教學活動、教學成效、考慮因素、其他. 教學紀錄表「教學紀錄表」由一位科教相關背景的大學教授、與一位具科教相關背景且教學資歷豐富的國中理化教師，兩位進行專家審查，針對教學紀錄表內容上的適當與合宜性，進行討論與修改，以建立專家效度。其工具為紀錄教師在「建模教學」與「一般教學」的教學中的教學情形，包含：教學主題、目標、節數、日期、時間、班級、學生人數、流程、教材、教學活動、教學內容、教學行為、師生互動、建模歷程、其他…等要素的觀察來進行討論。做為未來教師在培育與準備參考。在教室觀察與記錄過程中，研究者以不影響上課為原則，在教室後方進行教學記錄；除用教學記錄表記錄外，同時輔以錄影機(DV)在教室前後進行架設與錄影，以及錄音筆，錄下教師與學生的對話內容，以做為觀察後分析。為能熟悉整個教學記錄過程，在進行「電化學課程」教學前，先以「原子結構課程」做練習，讓教師與學生都能熟悉觀察者存在，研究者也能熟悉記錄過程，讓錯誤降到最低。正式觀察時間，每個班級都為五堂課(每堂課 50 分鐘，共計 250 分鐘)。四個班級所有的課程內容，皆以同一版本教材。. 學生學習信心/興趣量表與問卷「學生學習信心/興趣量表與問卷」由一位科教相關背景的大學教授、與一 30.

(45) 位具科教相關背景且教學資歷豐富的國中理化教師，兩位進行專家審查，針對評量內容上的適當與合宜性，進行討論與修改，以建立專家效度。工具在設計上為學習態度量表、開放式問題，探討學生在不同教法下，對於學習信心、學習興趣的想法。其工具內容包含：教學策略、教學材料、教學活動、整體、感到有趣、最有信心、感到印象深刻、認為須突破改進、模型、學習收穫… 等面向進行討論，做為未來改進教學設計的依據。透過本研究進行，研究工具在整個教學歷程的使用情形，教學前，J 教師進行建模教學與一般教學的課程準備，並由研究者與 J 教師進行教學前的晤談；教學中，J 教師持續進行教學準備與進入教學，並同時進行教學反思與調整，研究者則進入課堂中進行教學觀察，並與 J 教師進行教學中的晤談；教學後，研究者與 J 教師進行教學後的晤談，學生進行學習信心與興趣量表問卷。. 31.

(46) 資料分析本研究將依據研究目的與研究問題，對收集得到的資料進行分析。. 教學前、中、後教師晤談問卷針對教師在教學前中後情形進行晤談，晤談目的為了解並探討教師在整個建模教學的教學歷程實踐的情形，進而了解教師在建模教學的建模學科教學知識。 1.. 將晤談錄音內容轉為文字內容。. 2.. 整理晤談資料，與「教師的建模學科教學知識」研究設計架構的三個面向進行對應與分析。. 3.. 於各面向與因素進行列點整理，成為教師在建模教學的建模學科教學知識，提供具體的建模教學的教學建議。. 教學紀錄表針對教師在教學中的情形進行記錄，比較與分析教師在建模教學與一般教學進行時整個教學的異同；並結合教師晤談資料的整理，進而了解教師在建模教學的建模學科教學知識發展的動態過程。 1.. 將教學記錄表觀察與紀錄的內容轉為文字與圖表。. 2.. 文字資料中加入教師板書、圖表、教材使用情形、教學活動、教師行為、師生互動、教學內容正確性、教師建模歷程、與其他相關注解等。. 3.. 根據上述資料進行建模教學與一般教學的比較，標註教學所使用對應的教學表徵。. 32.

(47) 4.. 「教學表徵整體分類架構」取自江玉婷(1994)研究所用，並整合建模歷程在內，成為本研究在教師教學時所分析的架構，如圖 3-4 所示。. 圖 3-4 教學表徵整體分類架構. 學生學習信心/興趣量表與問卷本研究所採用的「學生學習信心/興趣量表與問卷」分兩大部份：李克氏量表、開放式問題。其中問卷中採用李克氏量表的五等第：非常同意、同意、普通、不同意、非常同意，以量化方式統計。問卷中開放式問題則進行分析整理，以質性方式統計，做為未來教學所改進的方向。. 33.

(48) 研究流程本研究流程將會進行四個階段進行，包含準備、發展、正式實施、最後結論等四個階段，如圖 3-5 說明。. 準備階段. 發展階段. 正式實施階段. 最後結論階段. 圖 3-5 研究流程. 34.

(49) 研究結果本研究對象為一名新北市某高中的化學教師，以下研究結果的內容中，將以「J 教師」簡稱代表本研究對象。本研究所研究的整個教學歷程，歷經近兩週的時間，共計五堂課教學；其過程包含在教學歷程中(教學的前中後)教師的教學晤談、在課堂中進行教學觀察、以及學生情意面向(包含：學習興趣、與學習信心)了解。透過研究者與各研究工具所蒐集的資料，在本章進行資料分析與討論，以了解並回應所有研究目的與研究問題，因此在本章中共分為三節；第一節為探討一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之「建模學科教學知識為何」，回應研究目的一的問題；第二節為探討一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之「建模學科教學知識發展的動態過程為何」，回應研究目的二的問題；第三節為探討個案教師在「建模教學與一般教學的學科教學知識」之比較，以及學生在「建模教學與一般教學的學習情意結果」之比較為何，對應第一節與第二節研究結果，回應研究目的三的問題。. 教師的建模學科教學知識本研究研究目的一：探討一位高中化學個案教師在以建模教學為本的教學歷程中之「建模學科教學知識」。本節將針對研究目的一進行討論，研究者依據研究設計，如圖 3-1 所示，在教學歷程中，考慮教師、學生、情境各個因素與面向的交互作用；因此，本節透過教師晤談資料進行整理與分析，將教師的建模學科教學知識分為：一.教師面向、二.學生面向、三.情境面向三個部分討論。. 35.

(50) 教師面向在教師面向，所考慮的因素包含：教學理念、教學策略、教學材料、教學活動、教學成效、教學行為、師生互動、與自我省思與調整…等因素；同時，也在進行個案晤談的最一開始，了解教學生涯部分；因此將針對這 9 個因素來探討。. 教學生涯一位教師的教學呈現，除了與整個教學與課程設計有關之外，也與教師本身的教學生涯有很大的影響。在對 J 教師進行個案研究過程中，透過教師晤談資料，研究者能了解 J 教師的教學生涯，包含 J 教師的學習經歷、教學經歷、教學期許、與對建模教學接觸經驗等部分，進而了解教學生涯對 J 教師的教學所帶來的影響與改變、以及 J 教師對教學的想法與期許；進而在這一次建模教學歷程中，幫助研究者更深入探討 J 教師的教學歷程。因此，J 教師的教學生涯可從教師的學習經歷、教學經歷、教學期許、對於建模教學接觸經驗…等四個部分來探討： 1.. 學習經歷透過教師晤談資料了解，研究者發現，J 教師從碩士班到博士班的學習經歷. 是影響 J 教師本身教學最深的階段；透過一路科學教育的學習與研究，讓 J 教師對教學理念與教學呈現，都有了很大的影響與改變。研究者：. 老師您好，想請您能介紹一下您一路以來的教學生涯，包含您的學習經歷？. J 教師：. 自己大概教書第四、五年，開始念碩士，當初是加薪用，因當時化學所沒有開教碩班，來唸科教教碩班，但對科教(科學教育)沒有了解，臨時念書、並加上教書經驗：全國科展第三名，而考上！碩士班念書間作概念改變，與純化學的研究有很大不同，科教包含人事物研究一起，認為科教主要研究人，也發現自己研究人是有興趣，本身在教學中不只是教會學生知識， 36.

(51) 更希望學生能享受學習。碩士班的學習對本身教學有很大的衝擊與影響，入學前，過去只會教知識，很會寫板書，但是學生成績成長有限，才發現不只教多少，而是學生能否理解、能否會用，並與學生互動，因此嘗試與課本、學生溝通，等待學生自我溝通，並得到學生的回饋、與自己的反思。所以碩士班三年到博士班一年級的學習影響自己教學是最大的！(晤談題目 1-1 研究者：. 2015/08/04). 那在研究所階段，老師除了接受課程學習，還有做其他研究或參與其他計畫嗎？. J 教師：. 有得，當時碩士班第二年跟著邱老師做專案，學習怎麼出題目，接觸雙層式試題，更有系統出題，更系統的了解學生想法，稱為心智模式；而後第三年老師推薦下，開始接觸科教專案，一路到現在做了 8 年，共十個專案，也因此碩士班到博士班一年級，自己接觸並嘗試許多新式教學，包含多重表徵教學、甚至開始接觸建模教學等。(晤談題目 1-1. 2015/08/04). 透過上述教師晤談資料了解，研究者發現，一路科學教育的學習與研究，讓 J 教師在教學上有很大的衝擊與影響，包含：在教學理念上，J 教師開始試著跳脫制式的知識教學，以「人」的角度出發，格局不再侷限教師本身，而是能以「學生」為教學的核心；在教學呈現上，J 教師開始嘗試不同的教學策略，進而有機會開始接觸「建模教學」。從中也看到 J 教師的自我主動學習，能為教學帶來更多元的成長，進而幫助教學與學習更好。 2.. 教學經歷透過教師晤談資料了解，J 教師長期接受科學教育的學習與研究，讓 J 教師. 在教學經歷中，當回到教學現場時，在教學上有了很多的想法、嘗試與收穫。研究者：. 那關於您的教學歷程是如何呢？. J 教師：. 碩士班到博班四年級期間都不斷嘗試新式教學，同時博士班學習，主要著重研究法的學習；直到博士班四年級，開始學習質性研究，發現不能太自我中心，要試著以學生角度出發，即所謂差異化教學，看到每個學生的本質特性，並不是每個學生都是用這樣的教學，而是要有彈性的教學，但開始反思，什麼教學是真正適合學生的教學。(晤談題目 1-1. 2015/08/04). 研究者：. 那老師對於建模教學，對於學生而言，有什麼想法嗎？. J 教師：. 我覺得即使是建模教學，也不見得都適合每個學生，反觀過去的傳統直接的講述式教學，也有可用的時候。對於能力較好的學生，可以多拋一些問 37.