臺灣中小學奈米科技實驗教材之內容分析

趙敏析、無召弟、于曉平 教育科學研究期刊 第五十六卷第四期 2011 年.

56 (4) • 1-42

奈米，驗教材內容分析﹒

l

.

臺灣中小學奈米科技實驗教材之內容分析

趙毓祈

圖立企北祖曹大學 a 鼎科學祖育學屠 研究生

熊召弟

團立壘地矗曹大學 自然科學..育學*' 矗梭

摘要

于曉平

團立企命壘曹大學 特鼻祖育學革 助理扭扭 本研究旨在探究奈米國家型第一期人才培育計畫 (2∞3 至 2∞8 年)中小學種子教師自主發展 的實驗教材所含有的奈米科技重要概念的出現頻率和關聯性﹒樣本包含 209 份教材，以 S阻vens' Sutherland 與Krajcik (2∞9) 提出的九項哥哥米尺度科學與工程重要概念:尺寸與尺度、物質構造、 尺寸效應、力與交互作用、量子效應、自組裝、工具與儀器、模型與模擬、科學、科技與社會等為 分析類目，首先依照各重要概念的定義﹒編製「奈米科技關鍵詞彙表 J' 並使用 Excel 計數功能， 分析國小、圈中和高中各學習年段教材中的重要概念出現頻率和關聯性﹒研究結果發現:各年段中， 高中實驗教材含有的奈米科技關鍵詞彙數量最多，且各重要概念問呈現高關聯位;重體中小學實驗 教材的各重要概念出現頻率和相互關聯性的結構裡﹒以 r 尺寸與尺度 JJ 物質輯，造 J 和「尺寸效 應」里高出現頻率及高關聯佐﹒本研究結果可作為未來建構臺灣中小學奈米科技課程指標，以及 發展奈米科技教材之參考﹒ 闕，虛字:內容分析、奈米尺度科學與工程重要概念、奈米科技教育 通訊作者越雛析.

E-mail:

yicb999@m sn ∞田 收稿日期

2010/05131

:修正日期 2011/01129 、 2011/09/08 接受日期

20

11/

10111

.

.

2

.奈米曹驗教材內容分斬

壹、錯誼

趙敏析、熊召 j輯、于曉平 .灣於 2∞3 年起由行政院國家科學委員會主導﹒推動自 1998 年開始國家型計查以來最 大的奈米國家型科技計畫(轉經費 210 億元)﹒其中教育部顧問室負責的人才培育分項計盒， 則以椎動從國小到研究所、在驗階段和一般大眾的奈米科技教育之終身教育為願竅，提供各 種跨領域奈米科技人才為目標，並分 K-12 教育發展和六學研究所前嗆人才培育兩大方向平行 椎動(國家實驗研究院﹒ 2∞9) 。當時負責推動人才培育計蜜的吳政忠教授認為，奈米產業將 在 15 到 20 年間爆發，因此在高等教育體系和 K-12 階段必須同持推動奈米科技教育，以培育 臺灣自甘奈米科技人才(司|自許碧純﹒ 2∞3)02∞3 年人才培育計重推動的初期，茲因各界體認 到 K-12 奈米科技教育種子師資培育的重要性﹒最初約 40 名種子教師藉著人才培育辦公室邀 請各領域的專家舉辦的專題演講，來理解尖端的奈米科技知誠﹒之後﹒種子教師們轉換對奈 米科技知書麗的認軍區，撰寫可以提供中、小學使用的實驗教材，進一步實施教學甚至推廣至其 他學校、社教機構等。在 2∞3 到 2∞8 年的第一期計查統計出約 l 萬名的種子教師和約 10 萬 名的 K-12 學生，參與畫灣五區(北、北中、中南、南以及東)奈米科技 K-12 教育發展中心 所舉辦之活動。各地的種子教師透過教材、教案、動手續作活動的設計，將奈米科技的學術 內容知軍區轉化為學生得以理解的學習內容或活動(奈米圖書巨型科技人才培育計查辦公室， 2∞9;1品，

C.-K.

,

W

u,

T.司，

Li

u,

&

Hs

u

,

2∞6) .因此第一期 (2∞3-2∞8 年)的計畫重要成果 之一，就是培訓教師所開發的奈米科技教材賀歲﹒行政院國家科學委員會繼續推動的第二期 國家型奈米科技教育計畫(第一階段計畫 3 年; 2∞9 年 6 月至 2012 年 5 月)目標之一是透過 科學教育研究，建構有系統的奈米科技課程指標，以及奈米科技概念等的調查，作為未來提 升國民奈米科技素養之規劃依錢(薛富盛 ·2∞9) .因此 ·2003-2008 年教師所開發的奈米科 技教材是進一步進行課程建構系統﹒以及教材開發的研究基礎。 眾所周知，蒸汽機、電力、資訊技術分別帶來人類前三次的工業革命﹒但是就在 1959 年 12 月在美國物理年會場合﹒著名的物理學家、諾貝爾獎得主Richard

Feynman

..人心的標

題:“There

is Plenty of

R∞m

at the Bottom"

(這下面空間還很大呢).1 開歇了第四次工業革命一 奈米科技(呂宗昕 ·2010

;

Feynman.

1959)

0 美國國家科學與技衛委員會奈米科技分會主席

Roco

(2007)估計 2015 年奈米科技的總產值將達到1 兆美元﹒全世界需要2∞萬奈米人力資 源，包含 20%的科學家、其餘 80%的技術人員和工程師﹒以及其他5∞萬的相關人員。 Roco (2ω4， 2005 )掏出﹒奈米科技發展重要性之原因包含:一、奈米科技填補現有基礎知識的空 隙，使人類的知書曉得以朝向單一原子或分子的未知進行探索;二、奈米尺度的現象提供奈米 科技的實際應用，對人類生活提供實質的貢獻﹒如:利用分子自組裝技衛於化學製程、或使 1 ...帶，純( 2∞3 )之翻圈， 0

,

越 at 析、熊召弟、于曉平 奈米實驗教材內容分析﹒

3

•

用奈米粒子進行污染物的清理等;三、世界主要科技大國競相投入奈米科技研發，以搶得工

業及商業發展研究的先機。奈米科技領域無異已成為全世界「國力」的重要指標， r 教育 J 與 「訓練 J 正是這時代奈米科技人才培育的重要關鍵﹒

奈米尺度的概念應會如同過去 50 年間﹒人類進入微觀尺度概念時代的方式走入教育體

系﹒並融入 K-12 甚而更高的各個學習年段 (Roco， 2∞3) 。美國於 2∞4 年成立美國國家奈米

科學與工程教學與學習中心 (National

Center for Learning and Teaching in Nanoscale Science and

Engineering

,

NCLT)

，中心主任 R.

P. H. Chang

(2∞6) 表示， NCLT 的主要任務是發展奈米課

程、建立奈米學程，整合奈米科技教育且於美國中學到研究所年段推動，並結合美國國家科

學、科技、工程與數學 (Science，

Technology

,

Engineering and Mathematic

,

STEM) 教育，培養

下一個世代奈米科技領袖 (NCLT， 2010) 。為建立奈米科技在國家課程標單之外的內容範晴﹒

是以將此新興議題融入課程﹒美國國家科學基金會 (National

Science

Foundati間， NSF) 資助

NCLT 及史丹佛研究中心(

Stanford Research Institute

,

S則) ，於 2∞6 年召集科學家、工程師和

科學教育學者舉辦國家層級的工作坊，針對奈米尺度科學與工程 (Nanoscale

Science and

Engineering

,

NSE) 重要概念 (big

ideas)

(以下簡稱奈米重要概念)進行研討﹒最後形成九項 重要概念的共識﹒包含:尺寸與尺度(size 祖d scale) 、物質構造(

structure of

matter) 、力與交

互作用(如自s

and

interactions) 、量子效應 (q帥ntum effi目包)、尺寸效應(

size-dependent

properties) 、自組裝( self-assembly) 、工具與儀器(

tools and

ins甘umen蚓、模型與模擬 (models

and simulations)

，以及科學、科技與社會(

science

,

technology and

soc間ty)

( Stevens

& Kr

ajcik

,

2∞8;

Stevens et a

I.,

2∞9).

科技的影響使得今日的科學知識連帶快速增長及變動，學校教育提供學生培養具備未來 能力的課程益顯其重要性，教師扮演著課程發展者的關鍵角色(陳麗華、奧麗君、黃永和、 詹m:雪、蔡興華諱， 2∞4; 黃光雄、蔡清田， 2∞9) 。自編教材能展現教師專業﹒尤其能夠反 映教科書無法及時處理的科學、科技或社會等議題(黃政傑等﹒ 2010) .前述在 2∞3 至 2∞8 年奈米國家型科技人才培育的第一期計查期間﹒全臺灣各地超過千名的種子教師編寫出學生 可學習的奈米科技教材(包括各式會緒、多媒體教材、教具、動手操作實驗等) ，這些五彩繽 紛的新興奈米科技教材內﹒主要內蘊的重要概念為何?這些重要概念的含量與相互間的關聯 為何?是否應該有適切的研究方法以分析 6 年來噩灣基層教師發展的奈米實驗教材的內容﹒ 以能在全面椎動時，可以協助教師建橋出符合學生學習奈米新興科技的系統化課程設計，或 提供相關單位建橋出奈米科技的課程指標之研究證據? 關於教材或教科書等的分析方法相當多﹒周珮儀與陳明長 (2∞8) 提出的教科書分析在 量化取向包含了內容分析法、詞查法和貪驗研究法﹒在質性取向則包含俗民誌、教育批評、 結構分析、論述與文本分析等方法﹒其中使用上較為普遍的是內容分析法﹒內容分析是一種 強調客觀和系統程序描述文本資料量化特徵的科學化方法，假定文本中的分析單位具備語意

·4· 奈末實驗教材內容分~

_{.‘街、組置，、于曉平}

學上的潛在意義和結構﹒能透過文本中分析單位的自瑰，團專利-偉(別叫咱也ips )重建知

誠地圖﹒出現頻率顯示分析單位在文本中的重要程度﹒闌珊住則以分析單位問相互伴隨出現 比例或次數的共生 (c降臨currence) 表示(王文科、主管弘. 2007; 組世宏、.欣怡、醇丹琦 譯﹒ 2∞8

;

Krippendor缸~2ω4;

Neueodorf.

2∞'2) ﹒在數育

. .

芳百﹒知a地圖將有助III程發展

者依據學習者不同的詔知發展建立一致佳的連貫陳種﹒割開圓圓.(2(帥〉繪出﹒連貫的III程 架倘有助於促進學生學習峙的概念連結﹒並可作為教師在設計，度，話，科學習，平量之依據﹒

基於奈米科技教育之重要性以及現行貨單，教材需要聲﹒劍"之

W3Jt﹒本研究是利用

Stevens 等 (2∞9) 書中提出的九項奈米重要概念作為主續目﹒包含:尺寸興尺度、物質啊，造、

尺寸效應、力與交互作用、軍子效應、自組蠻、工具輿..、模型與縷，賢、科學、科技與社

會，透過自緝的「奈米科技關鍵詞彙檢該表J 、結合電腦計數方訟，鏢!jt2ω3 至 2∞8 年畫灣 種子教師發展的實驗教材，在各年段及重值年段重要領念出現頻率和重要領念間的闕，悟性，

,

以提供發展奈米科技連貫課程架橋的基礎﹒具體而言.:$:研究恨，內容分析的歷程﹒依序研 究下列三個主題:一、中小學貪圖章教材中奈米科技捌鍵筒.出現情形:二、拿來重要概念在 不同年段(圖小、圈中、高中)出現的頻率輿闌珊住;以及三、奈笨重要領念在重﹒年段中 的出現頻率與關聯性﹒

貳、文獻據討

、奈米重要概念

美國國家奈米科技計畫 (National Nanol自hnology Ini區組珊.NNI) 摘自﹒寮朱科技是對尺 度介於 1 至 1 ∞奈米物質的理解與控制﹒奈米科技合街買賣米尺度的科學、工程和科技﹒和此 尺度物質的想像、測量、模型化、操橙有關;原子、分子的縛住異於總材 (bulk 閻健rial) ，使 物理、化學和生物的不尋常特住在奈米尺度聞發生 (NNI. 封閉)..會象米科授在各國間無統

一的定義﹒但通常涵葦了下列三要素 (R個0， 2∞7)

:

(一)介於陳子和分子閩、約 1∞奈米的

材料尺寸之結構特性﹒其間存在著原子由單獨至群集的過渡，並出現在自然或人工的奈米尺 度結神，中; (二)量測與重構奈米尺度材料的能力﹒此能力在近 5 年來快速的進展﹒使我們得

以對奈米尺度有進一步的暸解; (三)利用奈米尺度的特性和功能於E:.或做鰻尺度﹒孟晶奈米

尺度研究之關鍵目標﹒

培育未來社會所需之奈米科技人才為奈米科技教育的核心任R(H甜Y. 2鵬; Scb祉，

Kra

jcik

,

&

Yunk前'， 2∞7;S聞旬'， 2006) ﹒包含美、日'.、歐盟、中、蛋，學政府自封閉防至 2002

年陸續制定國家層級的奈米科技研究與發展政賢世﹒同時開她推廣寮米斜畫畫教育 (R帥， 2ω4).

R恆。 (2005，封閉)指出奈米科技教育將基礎學習自徵留尺度延伸至察來尺度﹒在中、小學中

越.析、熊召弟、于曉平 奈米，

..

教材內容分析.

5 •

•

動機﹒奈米科技具備跨學科、整合和系統取向的特性﹒正好符應逐漸受到重視的工程科學教 育精神﹒而奈米科技教育應發展一致、連貫的課程設計﹒以銜接 K-12 、大學、研究所到終身 學習和非常j式教育為最終自標﹒ NCLT 中心主任 R.

P.

H.Cb 曲直 (2∞6) 提及，由於奈米科技在 材料特性、物質行為和作用力等異於微觀世界的現象﹒使學生重新思考彼此之間的闕，除佐並 成為問題解決者，更重要的是奈米科技能促進跨學科間的科學教育，對全球知軍區體系帶來影 響﹒ 奈米科技的變革與其浮現的科學概念，在標準本位的教育中遭受挑戰:新興奈米科技的 發展快速以致於來不及出現在國家課程標準和教科書中﹒使教師在課程中聽入奈米科技產生 困難、科學教育學者無從得知學生對此議題的學習及理解(

Scbank et a

I.,

2∞7)' 為找出奈米 科技的關鍵概念以建立一致連貫的課程﹒美國 NSF 資助 NCLT 及 SRI 在 21師年舉辦「奈米科 學學習目標」以及「奈米尺度科學與工程教育 J 兩場國家層級的工作坊，合計 71 位參與人員﹒ 包含專長領域涵蓋物理、化學、生物、奈米科學、奈米科技、科學學習、制式與非制式科學 教育的科學家、工程師和科教學者﹒以專家論壇的形式構築 K﹒ 16 奈米科技教育之整體架構

( Stevens

,

Sutherland

,

Scbank

,

&

Kra

jcik

,

2007) •

「重要概念 J 一詞源自於美國 2061 計壺，為科學、數學和科技等絮，聲中的重要主題

( Lelliott

&

Rollnick

,

2010)

，同時也是該學科的基礎和核心﹒提供學生發展學習與理解的長期

架構，並能進一步對I!!至符合課程發展、教學、評量與師資培育的學習目標 (Stevens

&

Kra

jcik

,

2008; Stevens et a

I.,

2∞9) ﹒奈米重要概念包含:尺寸與尺度、物質構造、力與交互作用、暈乎 效應、尺寸效應、自組裝、工具與儀器、模型與模擬，以及科學、科技與社會. Stevens 等 (2∞9) 指出尺寸與尺度、力與交互作用、物質構造、量子效應是奈米科技的基礎科學知識 內容(圖 1) .尺寸效應和自組裝是奈米基礎知識的應用，工具與儀器和模型與模擬是人類得 以理解奈米科技的重要概念，以及連結奈米科技與生活的科學、科技與社會重要概念﹒經過 兩次工作坊後， NCLT 成員進一步對奈米重要概念達成共軍區﹒其主要內涵分別簡述如下

(Stevens et

訓， 2∞9;

Stevens et a

I.,

2∞7)'

•

6

.*末實驗教材內容分析 越亂析、Ml召弟、于曉平

!Jil

(一)尺寸輿尺度

尺寸 (size) 定蓋章物體的長度(一維)、面積(二維)和體積(三維) .尺度 (scale) 則涉 及尺寸在不同數量級上的變化﹒尺寸和尺度二者開係密不可分，不同尺度(如天文尺度、奈 米尺度)的物價或系統中﹒預測和解釋物質行為的方式有所不同，其功能與行為模式也隨之 改變﹒由於奈米是肉眼不可及之大小﹒因此﹒透過不同尺度大小物體的介紹(如人的身高和 DNA 寬度).建立學生對其實和微觀世界間比例關係的理解﹒對奈米科技教學來說顯得相當重 要﹒ (二)物質構造 原子的排列決定材料特性，包含密度、導電率、熱傳導係~或材料強度等性質會隨原子 排列的不同產生差異極大的特性，如般的同無異形體(石墨、鑽石、巴克球和奈米碳管)、.!f 藺草皇軍車質、蜘蛛絲和肌肉纖維等﹒均為近期因構造差異導致材料特性不同所關注的研究焦點. 在奈米科技教學中，常透過碳的同素異形體介紹﹒使學生理解不同原子結槽對材料性質所產 生的差異﹒

(三)力與交互作用

庫侖靜電力為奈米尺度的主導力:化學鍵藉由相反電荷的吸引，形成原子或分子間的交 互作用﹒依照形式不同主要包含離子鍵、共價鍵、金屬鍵和凡得瓦力等﹒壁虎因具備皮.構 造而能掌附在牆壁上行走，接觸面間所具備的凡得瓦力，為此重要概念教學中作為哥哥米自然 現象的學例﹒

(四)量子效，甚

物質同時具備放與粒子的行為﹒奈米尺度中物質呈現與巨觀世界迴異之變化﹒由於古典 力學無法選確解釋奈米尺度的物質行為﹒使量子力學在奈米科學與工程扮演重要角色﹒

(五)尺寸寶貴應

物質越近奈米尺度時呈現獨特的性質(如光、電、磁、化學、力學等)能進而應用在各 領域中，在尺寸效應的重要概念中涉及許多和自然界有闋的奈米現象﹒包含蓮藥、彩躁、鐵 眼效應等，這些新奇的現象如自清潔的蓮葉表面或光彩奪目的彩，軍翅膀﹒能引發學生對奈米 科技的學習興趣﹒

(六)自組裝

在特定條件下，某些材料能夠自發佳的合成有組織的結 II' 這種自小而大組成奈米結構 的自組裝﹒能突破傳統由大而小奈米製程所產生粒徑分布不均勻、純度不高等限制﹒自組裝 的機制存在自然界中，如晶體的結品、 DNA 的模製﹒使微小元件間能在適當環境下自行組合﹒

越統析、熊召弟、于曉平 奈米曹驗教材內容分析﹒

7 •

應用在奈米科技時﹒將是未來自小到大製造奈米機器的關鍵技術。

(七)工具輿儀器

工具與儀哥哥在科學與科技的發展歷程中一直扮演關鍵的角色，新的儀器幫助科學家描繪 奈米尺度材料與相關物體的特徵﹒使奈米尺度的物質得以被理解並依此發展新的應用﹒在此 重要概念中，贊曼是科學史教學中的重要角色，除此之外﹒顯微鏡技衡的介紹，使學生能理 解奈米探測技術的進步，對奈米尺度知識建立所帶來的影響。

(j\

)模型與模擬

模型使抽象的其實或虛擬世界具象視覺化，協助科學知識以簡明的方式進行溝通傳遞﹒ 並進一步借以模擬預測其行為，在肉眼不可及的奈米尺度而言尤為重要﹒在奈米科技的教學 中，巴克球模型的製作﹒能協助學生理解碳原子的組成﹒

(九)科學、科技與社會

物質在畫畫近奈米尺度產生的新奇現象﹒延伸至生活中的產品應用提高人類生活品質(如 水質淨化、能源和醫療)，但同時也會帶來負面衝擊(如奈米微粒對健康的危害)，當奈米科 技發展帶來進步時，評估其可能的危害以及審視相闋的道德倫理議題也相當重要。

二、畫灣奈米科技教育研究

圍內有關奈米科技融入中、小學課程的教學研究尚未多見，期刊部分僅見張政義(2∞8) 、 曾國鴻與陳況 (2005 )、潘文爾 (2∞4) 、蔡明容與資萬居(2∞6) 和盧秀琴與宋家贖(2010)

,

以及其餘 20 篇碩士論文較為相關 (2011 年 4 月 30 日由薑灣博碩士論文知識加值系統取得)0 渴文福 (2∞4) 建議以奈米科技為主題融入七大學習領域進行學習統整﹒教師在設計奈 米課程時應考慮兒童心智發展以提升學習興趣﹒同時並使用多元化的教學資源。蔡明容與黃 萬居 (2∞6) 探討奈米科技教學模組及相關實驗教材對五年級學生科學過程技能、科學態度 及釷判思考能力之影響，研究結果發現﹒接受奈米科技教學模組教學的實驗組學生﹒在自然 科過程技能、自然科學習態度問卷和自然科批判思考能力測驗，得分顯著高於一般教學模式 之控制組學生。曾國鴻與陳況 (2∞5) 調查畫南、高雄南部四縣市 1 ，946 位教師和 1 ，852 名學 生對奈米科技熟悉度、學習需求、方式及融入課程意願﹒發現能夠清楚界定奈米科技的教師 低於 2的也，願意將奈米科技融入課程的教師相對提高﹒學生隨著課程接觸奈米科技的時間愈 長，對奈米科技的接受度也愈寓，研究結果顯示奈米科技教學在國小的可行性﹒張政義 (2∞8) 結合自然與生活科技教師和行政人員成立教學研究群，透過定期進行討論，以中、高年級學 生為對象規劃奈米科技融入國小自然與生活科技之教學，該研究以行動研究探討奈米科技融 入教學的型態，使教學經由學習者為中心的教學取向，獲得科學過程技能、科學智能、科學 態度等能力及素養﹒盧秀琴與朱家.(2010) 以奈米科技專家、科學教育專家和高中奈米科

·8· 奈末實驗教材內容分析 趟..析、~召弟、于曉平 技教師組成研究團隊﹒使用焦點團體法發展高中奈米科鼓團體種專家慨念圖﹒研究結果包含認 知、情意和技能三主概念的專家概念圖﹒並依此形成命周知.陳述以及情境式問卷﹒作為二 階層診斷式試題之參考﹒ 泊爾碩士為文中，以國小為研究~疇的占了 13. .國中 31區、高中3j圖﹒以及 1.針對 國小教師的調查﹒教摯簽略包含動手操作(萬美莉﹒ 2010) 、資訊融入(洪國展﹒ 2∞9) 、科 學寫作(曾雅懇﹒ 2007) 、 5E (林美菊﹒ 2∞9) 等﹒對學生在認知、情意和技能等各方面均有 所提升，顯示奈米科技在中、小學各階段實施之可行性與必要性﹒上述的期刊和碩士論文關 注在各年段對奈米科技的教學成效和調查，尚缺乏對賣國庫教材跨年段的通盤分析，實驗教材 的分析有助於暸解奈米科技教育在各年段的實施現況﹒以進一步建立整合、連貫的奈米科技 課程﹒

三、內容分析與知謹結構

(一)內容分析立憲章直與程序

I.內容分析的意It

內容分析是一種文本分析法，強調以客觀、系統的科學化方法描述文本資料中的量化特 徵(王文科、王智弘﹒ 2∞7

;

Krippendor符: 2ω4;

Neuendorf

,

2∞2)' 分析的文本資料可含括教 科書、報紙、電視節目，以及其他各種形式的文件資料.

Kri

ppendorff

(引自羅世宏等霄， 2∞8) 指出四種主要的內容分析取向: (I)將文本資料視為開放系統(如媒體資料).對資料定期進行 輛面面以偵測關注主題的變化越勢; (2)由不同的來源間比較文本資料透露出的差異;(3)建立具 有因果關係的索引(index) 連結﹒如科學報導數量的多寡可能顯示科學與科技在社會上的地 位; (4)重建文本闊的知誠地圖 (rna戶。fknowl叫.ge) .並再現知軍區使其不只是元素的組合﹒而 成為超越文本單位的分類，將分析單元形成網絡呈現知軍區間的關係﹒在教育上常見的應用﹒ 大自描述現行教育的社會脈絡、發現某些受關注主題之間的關聯、辦軍區教科書中所呈現的偏 見或意富麗型態﹒到小至分析學生在寫作時常犯的錯誤(王文科、王智弘·2∞7

;

Carroll

,

2ω9)· 2. 內容分析的程序 各家學者觀點(王文科、王智弘﹒ 2∞7; B目宜， 2∞ I; C甜甜， 2∞9; Krippendor缸; 2∞4) 對 於內容分析的程序，主要包含:蒐集資料、決定分析類目、分析資料﹒以及呈現結果﹒其流 程分別簡述如下: (l H直線實斜 研究焦懿決定之後，資料蒐集是內容分析的重要開蜴﹒資料蒐集通常使用隨機組樣還取 緊材﹒涉及代表性、據本大小、抽樣和緝噶單位﹒

回 越圖u丹、熊召 j輯、于曉平 奈米實驗教材內容分析.

9

•

(2) 決定分新皺眉 分析類目的決定取決於研究目的，各類目聞必須是互斥獨立，研究者可依研究目的決定 其編碼架構，編碼架構是一種系統性的比較，為循序漸進的反覆過程，初期蒐集資料進行編 疇的同時也會對其分類進行編修，以構成或選擇的理論詮釋文本(王文科、王智弘 ·2∞7: 羅世宏等諱 ·2∞8) .如自然與生活科技領域教科書中所包含的科學史成分(呂紹海、巫俊明­ 2008) 、科學教育碩士論文量化方法使用情形(許良榮、李永進 ·2∞6) .或重要科學教育期

刊 (Chan宜.y.﹒H.，

Chang

,

C.-玄， &T，揖嗯， 2010; L間， M.-H.，

Wu

,

Y.-

T.,

& Tsai

,

2∞9) 、教育心理學

報(藥費玲、陳秉華、陳盈君、蔡毅樺. 2010) 中各研究主題的變化道勢﹒ (3) 分將資料 資料分析階段與計數單位、計數系統和研究信度三部分有闕，分別關注計算什麼、如何 計算和研究信度 常見的計數單位包含單字(詞)、主題、特性、圖像、項目 (i脂ms) 、概念 和語意等七項(王文科、王智弘﹒ 2007; Be嗯.2001)' 其中概念自相關或相近的字詞組成概念 被集 (cluster) .以概念為單位的計數方式﹒將有助於進一步發現文本中的潛在特徵 (Be嗯， 2∞ 1 ).計數系統則包含二元編碼、單位計數、空間或鱗幅，以及陳述句強度等四類(王文科、 王智弘﹒ 2007) .當中的計數單位頻率的統計在內容分析中占有重要角色﹒研究者以計數單位 在文本資料的出現頻率推論各向度的重要程度。 信度為編碼員間相互同意的程度，內容分析中常見的信度包含同一編瑪員在一段時間後 第二次進行詮釋，以及不同編碼員對同一文本資料的詮釋同意程度。由於續寓涉及人為判斷， 進入資料分析前，研究者必須與編磚員達成對類目的初步共識，便不同編碼員對同一份文件 產生較一致的看法﹒編商員的訓練有助提高信度並釐清類目間的模糊之處，以提高研究信度

(羅世宏等譚 ·2oo8:K且ppendor缸~2∞4) 。

(4) 呈現結祟 內容分析的結果常以含有頻率或百分比的圖表呈現，但王文科與王智弘 (2007 )也進一 步指出，內容分析有助於改善教育與社會實務，因此不應將其侷限於計數或列表的研究­

Kri

ppendorff

(2004

)、 Neuendorf

(2002

)、 Titscher 、 Jenner 、 Meyer 、 wωak 與 Vetter (2∞0)

等學者在內容分析專書中呈現結果的章節中﹒列舉許多包含長條團、團餅園、折線圖、網路

(

networking) 圍和 3D 表徵圖等形式﹒鼓勵研究者將內容分析結果以更適切的方式表徵﹒使 讀者能清楚辨認在分析結果中所呈現的模式。 Titscher 等人針對 SSCI 資料庫中 1991-1998 年 間 4， 134 篇質性研究相關的文章進行內容分析，以探究質性研究方法在資料庫中的使用次數和 方法的混合使用開係﹒該研究以圖 2 矩障和網路圓的形式呈現研究結果，短陣中的行列分別 為十二種質性研究方法，矩陣中的數字表示方法間的混用情形﹒如共同使用方法一標準內容 分析和方法二開放式內容分析的論文共有 3 篇﹒網路圈中圓圓大小和括弧內數字表示使用該 方法的..數﹒方法的混用情形則使用圓圓間的不同粗細連線和線上的數字表示，數字愈大以

•

-

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坊籠，用.， II

誨，筍，還曲唱，」可曲，唱

1991-1998 年 ssel 資料庫十二種常見質性方法內容分析結果 、 資料來濤: Titscher 寺 (2000 ，

pp.

222-223)

國 2

趙毓析、熊召 j輯、于曉平 奈末實驗教材內容分析﹒

11

.

愈粗的連線表示，如國 2 紮很理論使用的續數為 2 ，622 鱗﹒當中亦使用標準內容分析法的文章 共有 27 篇﹒ (二)電腦輔助的內容分析法 進行內容分析時可能遇到抽樣偏差、編碼困難、不易標準化、可能流於主觀傾向，在編 喝員訓練和分析需要耗費大量時間等問題(王文科、王智弘﹒ 2∞7

; Carroll

,

2∞9) .電腦技衛 的進步使內容分析有新的突破.

Kri

ppendorff

(2∞4) 和 Seale (2008) 指出，透過電腦技術檢 視文本具備快速分析大量資料、提升精確性、發展一致性的架構和協助取樣等優點﹒

電腦輔助的內容分析法主要可以分為脈絡外的關鍵字(keywords

out of context

,

KWOC) 、

脈絡中的關鍵字 (keywords

in

∞ntext， KWIC) 和電腦輔助質性資料分析軟體 (computer.﹒臨時ted

qual自live

data analysis software

,

CAQDAS)

(羅世宏等譯.

2008) :

1.

KWOC 計算歸類在概念 中的關鍵字，電腦可以輕易地檢索出文本中的字糞，並分派至某個概念下﹒如攻擊和溝通都 被算為社交情成行動:

2.

KWIC 包含重要語彙索引( concordan 臼)和共生分析( cc←occ山Y閉目

analysis)

:重要語彙索引有別於 KWOC 以關鍵字為分析單位，將包含關鍵字的上、下文或句 子抽取出來檢視;共生分析則假定兩個字組經常同時出現時，具有語意學上的意義，其方法

將文本中共同出現的頻率轉換為短陣呈現，針對常見字組(

frequent word

pairs) 進行分析;

3

CAQDAS 如 Nvivo 或 Atlas.ti 等軟體，有助於將資料標籤、編梅和索引﹒對文本重新區隔、連

結、排序或結構而重現脈絡。

(三)利用概念間闕，“強度形成知面臨結構表徵

知識結構對教師教學及學生學習有深遠的影響:良好的知識結構有助於學生以先偏概念 建立概念間的階層及連結閥係，亦有助於教師理解學生學習情形、進行適合學生的教學策略 與課程設計(李教仁、余民寧. 2007) 。知審員結構研究多以圓形表徵，呈現概念間的連結闕係﹒

其中路徑搜尋網路分析 (pathfinder

network

analysis) 結合圓形理論和語意網路模式﹒由一組

概念以節點 (nωe) 和連結 (link) 形成網路結構，其研究重點殼焦在對知譏結構進行評量﹒ 評量三步跨包含: I 要求學生針對一組概念名詞兩兩成對的比較相似性，愈相似則給分愈寓，

形成接近性矩陣 (proximity

matrix

,

PRX) 資料﹒並透過量尺化進行轉換，完成「知識結槽的

誘發 J ;

2.

r 知識結構的表徵」透過知識網路組織工具 (knowledge

network organizing tool

,

KNOT) 將接近性短陣資料轉換為圖解理論距離﹒並以距離向量方式呈現，節點間的距離愈近 表示概念名詞間的關係愈緊密;

3.

r 知識結糟表徵的評量 J 則比較專家與學習者透過概念評定

所形成的接近性短陣﹒判斷二者知戰結構的相似程度(余民寧 ·2∞2)0 如圖 3 接近性矩陣中

A 、 B 、 C 、 D 、 E 表示不同的概念﹒當中的數字則為學生評定概念闊的緊密程度(愈緊密數字 愈小) ，徑協搜尋網路圖則為 KNOT 軟體運算形成的結果，用以呈現學習者的知識結構。

.

12

.奈米實驗教材內容分析

A

B

C

D

E

A

_。

3

2

3

B

_。

4

6

C

3

_。

5

5

D

2

4

5

_。

4

E

3

6

5

4

_。

越統析、熊召弟、于曉平 回3 接近性矩陣與徑路援軍事網路 資料來源: ~I 自命民寧 (2002 ，

p.

438)

(四)知讀結構與內容分析之相關研究 以路徑搜尋網路分析的方法建立知議結構，近年來應用於教育研究有提升之過勢:江淑 卿 (2∞ I )、陳嘉甄 (2∞ 1 )、塗盡量洋 (2∞ 1 )將此研究方法用於國小學生在自然科知識結構 之評測;黃濟翔與江新合(2∞2) 和資濟翔、江新合與洪振方(2007) 探討筒中學生物理和 力學知識的表現;李教仁與余民寧(2007 )、楊雅惠 (2ω4) 、賴懸珠與胡悅倫 (2010)等研 究者則分別緊焦於輔導、教育統計和斑紋經營，討論新手和專家在知識結構上的差異。 在內容分析的相關研究，邱曉貞(2002 )和邱曉貞、連敵瑞與連怡斌(2003 )列出檢核 內容細目、便不同評分員進行勾選以尋求相關同意度之步跨﹒將教材內容以數據、量化的方 式﹒呈現教材中包含的潛在結構:圖4 為該研究還敢六十二項「九年一貫自然與生活科技領 域中年級教材內容細自」所形成之「教材內容細目相關聯表r 教材分析者找出每一細目和其 餘六十一項細目較相闋的七至十項，依序t真入表示相關強度的 0.9 、 0.8 、。 7...等數字於其 中﹒數字愈大表示相關性愈強﹒最小數值為0.3 '未被選入項目則訂為o (無相關) ;完成短障 後則統計 3 位分析者問之重複數值比例﹒按著將關聯表進行因素分析，重新建構各教材細自 間的向度，找出課程主題間的關聯佐﹒邱曉貞等人用以評定教材細目相關程度之方法與路徑 搜尋間呈現相似，二者均假定知識概念間具內隱結惰性﹒透過概念或指標間兩兩評定之方式 形成接近住矩障，轉化並表徵其間的關聯和結惰性特徵。

學、研究方法

本研究還取自NSF 支持所發展之九項奈米重要綴念(Stevens

et a

i.,

2∞9) 為內容分析之 類目，首先發展各類目(奈米重要概念)包含的奈米科技關鍵詞彙﹒以關鍵詞彙為計數單位 (王文科、王智弘﹒ 2∞7; Be嗯， 2∞ 1

)

，總之﹒以電腦計數方式計算出各奈米重要概念類自在

越祖t析、熊召 j輯、于曉平 奈末實驗教松內容分析﹒

13 •

110-20

11

卜20

111-2b

120-20

121-20

131-20

110-20

_。

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_。

_。

_{。 9}

111-20

0.9

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_。

111-2b

_。

_。

_。

120-20

_{。 3}

_。

121-20

_。

131-20

團4 A教師教材內容細白相關聯表 資料來源:引自邱曉貞(

2002

,

p.

112)

教材中之出現頻率 .2以瞭解奈米主要概念在實驗教材中的分布情形。本研究並採用「概念類 自間不同關鍵詞彙成對出現頻率的高低，具有語意學意義之假定」的共生分析理念(羅世宏 等譯.

2008)

.使用延伸路徑搜尋法「接近性短陣」和邱曉貞等(2003 )研究中「相關聯表J 之圖象表徵'轉化本研究之實驗教材中不同類目閉關鍵詞彙之「關聯比值J.3以能呈現奈米重 要概念間的關聯性﹒ 本研究之內容分析程序(圓的﹒包含 蒐集資料、決定分析類白、分析資料和呈現結果

(王文科、王智弘﹒2007

; Berg

,

2001; Carroll

,

2009;

Krippendor缸:

2004)

.分別敘述如下

一、蒐集資料

薑灣自 2∞3 年推動奈米科技教育以來發展許多不同形式的教材，本研究從五區奈米科技

中、小學教育發展中心及其種子學校之網頁，和奈米科技K-12 教師教學研討會，共蒐集由全 薑灣 62 所中、小學所發展之209 份教材(表 I

)

，教材形式包含教案、授課用投影片，以及延 伸補充教材﹒並將個別檔案編號轉入 Microsoft

Office Excel

2007 進行後績的資料分析﹒

二、決定分析類目

本研究是以 Slevens 等 (2009 )提出的九項奈米重要概念為分析類目，茲因教材中含有不 同表述的奈米科技詞彙﹒因此，首先總編製足以合括該奈米重要概念之關鍵詞彙表﹒「奈米科 技關鍵詞彙表 J (附錄一)是經由 6 位專家學者(包含:物理、化學、奈米科技、科教等領域) • '"研究中， r 頰4' j- 桐最幸「科學闕，虛詞壘II:由其所組成的重要概急，在每件壘物所出現之次數 J ﹒ ""，研究所使用之「廟，比值」定... r 雨雨重要概$間，間，電詞.飽和主/)、於等於-的比值 j'

jlJl

A ﹒ B 重 要概.t關鍵飼暈飽和品 24 和 30

'

II] 闕，比值..

0.8

﹒酬，比值愈商量示雨雨間伴隨出現的次.~接近。

.

14

.奈米實驗教材內容分析 蒐集資料 決定分析類自 分析資料 呈現結果 越 tU丹、熊召弟、于曉平 畫 .209份 中小學奈米賞自費 教材

還取

F分析類目

奈工米程尺重度要科概學念與

內容 六名專家 為主要買賣自 效度

(奈米、科物教理) 、

書 展 化學、

奈米黨科被技該關表鍵詞

相互

12奈名米中科小技學

同意度 _專家教師

.5

本研究般計與內容分析步. 表 l 畫.奈米實1&教材年段與區草草之數量分布

年段

1Il!l

..十

~t

~t中 中南 南 東 闢小 (28所)

24

9

19

20

13

85

閩中 (19所)

13

4

22

13

11

63

高中 (15 所)

17

6

17

9

12

61

總計 (62 所)

54

19

58

42

36

209

趙敏析、熊召弟、于曉平 奈末實驗教材內容分析﹒

15 •

討論，例如:部分無法精準反映該所呈現概念之詞彙﹒如:教材中常出現的壁虎﹒主要是「力 與交互作用」重要概念的代表之一，但只在出現「刪毛、細毛、皮瓣」等詞彙時，方可對應 至凡得瓦力概念的教學，其他有關壁虎的介紹及認識，則不列入「力與交互作用 J 的關鍵詞 彙表內。選定各類目的五十七項奈米科技關鍵詞彙後，再由 12 位中、小學奈米專家教師進行 「該詞彙是否足以含括在此重要概念」之同意度分析，專家教師間的評分員信度(表 2) 為 .97 '以建立「奈米科技關鍵詞彙衰 J 的信、效度。在建立奈米科技關鍵詞彙表後﹒則將五 十七個關鍵詞彙依序鍵入 Ex閃l 檔案﹒以進行下一步之科學關鍵詞彙頻率之計數﹒ 表 2 奈米科技關鍵詞，表之評分員信度

2平分員

人數

平均相互同意度 評分，且價度 小學

6

ιI

.96

中學

6

.68

.92

整體

12

.74

.97

註:評分國信度 (Boya是zis ，

1998)

rM .4兩兩評分者問完全同意之關鍵詞彙數目 相互同意度=一一一一

{

N

, +

N

,

lN .4評定之關鍵詞彙總題 x 平均相互同意度

,

評分員信度= 「 可 {n .4 人數

l 刊物 l)x 平均相互同意度|

‘

三、分析資料

(一)統計奈米科技關鍵詞彙頻率

本文資料分析部分以許慶文 (2∞8) 所編寫之高中補充教材「奈米科技與生物學 J 為例，

進行內容分析步聽說明。團 6 為 Micro叩自 Office

Excel

2007 畫面﹒課程內容欄位為教材內容， 課程內容欄右側欄位分別為五十七個奈米科技關鍵詞彙﹒以及各重要概念出現頻率的總和。 由於中文表達呈現的特殊性﹒相同概念的關鍵字(如凡得瓦力和凡德瓦力)或相同關鍵字的 不同概念(顯微鏡包含電子顯微鏡、掃描式顯微鏡、穿隧式顯微鏡之結果，且「光學顯微鏡」 通常僅以「顯微鏡 J 呈現) ，則以交集、聯集或差集的計數通輯進行還算修正(附錄二) ，如: 奈米碳球在教材中的出現，包含巴克球和碳球等的表達形式，則以「巴克球」加(代號

+)

「敵球 J 所得聯集結果來代表「奈米碳球」在教材中出現頻率﹒ 經自重要概念關鍵詞彙之LEN 參數設定後(博碩文化譯.2∞6)' Excel 軟體能在關鍵詞 彙欄位自動計算出課程內容中所出現的關鍵詞彙出現頻率﹒如圖6 中，許慶文 (2∞8) 教材 在長度單位、尺寸、尺度、大小、-9 、十億等關鍵詞彙出現的頻率分別為l 、 l 、 4 、 6 、 l 、 1

'

尺寸與尺度重要概念出現頻率為 14 0

.

16

.奈米寶島，教材內容分街 趟..析、熊召弟、于開車平

I-I ....ft...

阱，文 訓門科設﹒也甫 種輸揖能拯教傳敏產黨的高科鐘，值這縷 的一個新興科袋，與傳統的生物學產生闌 珊'.'1 ?它與生物學叉有怎悍的互動"係呢 ?以下 ep歇會未科技的縛住興生物學的本 質來探討道縷的問題﹒ 1-1 寮離科攘的特性頭米其實只是一種長 度單位. I 個辦未擋的其實就是 10-9m• 它是非常小的一個尺度﹒一個奈米大小尺 度的賴位﹒大攪僅含有數十到數百{團軍于 因露物質在尺度很小的範噩筍，也環一些 不同於較大尺寸峙的怪，實，故能設計成各 種具有嶄新周邊的產品，而典型實未賴位原 製作單E寮未產品設計﹒生產等相關的科 故也甫設情還會未科設﹒ II 格說東，所設 計生產的產品大小在 t 到 1個寮未闊的才 能罵罵買賣未產品，但在寶庫運用中﹒書數 產品.Wi在數百奈幸的R.!I﹒但仍具有一 些異齡幫憊的特佳，所以現在口轉向稽的

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t·.r"...· ‘...'l.a..It...·喝喝軍司...

....It...""..，‘ .~A"·.M..~T·~.~ Lk﹒‘ ....U..T· ' 國6 教材內容分析示例 計算完科學關鍵詞彙出現頻率後﹒進一步依照各重要概念進行2日縛，圖 7 中教材緬號 179 (作者﹒許慶文)列出的 14 、 20 、7.. 分別為該教材在九個重要概念出現之頻率﹒依此方法﹒ 完成 209 份教材的重要概念出現頻率後，進一步循國小、國中、高中等三年段，分別求取各 年段的奈米重要概念平均出現頻率(奈米重要概念平均出現頻率=奈米重要概念出現頻率總 和÷教材份，世) .以能呈現各年段教材中重要概念出現的分布狀態﹒

(二)奈米重要被念間"性分析

計算各重要概念關鍵詞彙在單一教材之出現頻率後﹒將軍一教材在各重要概念之出現頻 率轉換為行列矩障，求取兩兩重要概念間小於等於 1 之比值(圖 8) .如許庫文 (2008 )教材 中重要概念 l 和 2 的出現頻率分別為 14 及 20· 則以小III做分子、大歡做分母，得出關聯比值 。.7 .關聯比值愈接近 l 表示在教材中兩重要概念在該教材中伴隨的出現領學愈高﹒為進行國 小、圈中、高中教材之奈米重要概念間的關聯住﹒赦組續將每份教材中相同對憊的矩障細格 進行平均(圖 9)' 以顯示整體教材無站在整體年段﹒以及個別年段在九個重要概念闊的關聯 佐﹒

越毓析、熊召弟、于曉平 奈米實驗教材內容分析﹒

17 •

問

計算個別教材中九個重要概念之關鍵詞 彙總和，並求取平均出現頻率。 聲材II. 重要觀意 尺寸興尺 ~(A) (8) 單位 尺寸 尺度 大小

·9

+瞳

179

頻率

4

6 觀材崗" 重要團意 A B C D E F G

“

179

14

20

7

5

_。

9

5

12

N 闢小平均 閩中平均 高中平均 盟值平均

A

尺寸與尺度、 B 物質構造、 C 尺寸效應、 D 力與交互作用、 E 量子效應­

F

自組裝、 G 工具與儀器、 H ﹒僕型和模鍍.

I

:科學、科技與社會﹒ 圖7 計算教材重要街念平均出現頻率

號可材

編

U教

計算單一教材在九個重要概念間的 關聯比償。 NO.l79

14

20

7

5

_。

9

5

1

12

14

\ \

0.70

_。.50

0.36

O.∞

0.64 0.36 0.07 0.86

20

\ \ _。.35

0.25

O.∞

0

.4

5 0.25

_。.05

0.60

7

\ \

0.71

O.∞

0.78

_{。 71}

0.14

_{。 58}

5

\ \

_O.∞ 口.56 _1.∞

0.20 0.42

。

\ \

_{O.∞ O.∞ O.∞ O.∞}

9

\ \

0.56

_。.11

。因 75

5

\ \

0.20 0.42

1

\ \

0.08

12

\ \ 行列短陣中，行列之14 、 20 、 7 、...分別代表許，文(2∞8) 教材各重要概念之出現頻率，矩陣中為小數除大數之關聯比 值(如14/20=0.70)

•

團8 計算單教材之關聯比值

.

18

.奈米，駿教材內容分析 趙敏析、M\召弟、于曉平

會

將矩陣中每格之闕，比值加總 並依教材盟員平均﹒

No.N

.

\ \

\ \ \ \ \ \

、、

、、_川、

h、

、、

圖9 *取平均開聯比值

四、呈現結果

依年段求出各重要概念平均出現頻率和平均關聯比值後，參酌Titscher 等 (2酬)列舉之 圖象表徵形式:將奈米重要概念平均出現頻率轉換為不同直徑的圖(以圖顯示不同大小的頻 率，直徑愈大表示頻率愈高);平均關聯比值"換為不同粗細的連接線﹒連續線愈粗表示兩重 要概念間的關聯佐愈高(圖10) .為區分出現頻率、關聯比值的低、中、寓，茲以0-3 、 3­ 6 、 6 以上三個區間分別命名為低、中、高出現頻率﹒至於闕，睡比值則以.10- .15 、

.15

-

.20

,

.20 以上三個區開命名為低、中、高關聯比值(表 3)

•

韓、結果與前讀

本研究透過奈米科技關鍵詞彙檢核表及利用電腦計數功能探究賣國直教材中奈米重要概念 中的出現頻率和關聯佐﹒以下茲就分析結果，分別敘述 209 份奈米科設教育實驗教材被本中 的「中小學實驗教材中奈米科技關鍵詞彙出現情形 J 、 r 奈米重要概念在不同年段的出現頻率 與棚聯性」和「整體年段奈米重要概念問之出現頻率與關聯佐 f

越..析、熊召弟、于曉平 奈米曹駿教材內容分街﹒

19 •

關聯比值 _{呈現關聯比值與出現頻率之內容分析} 結果﹒頻率以圓形直徑表示、關聯性以 不同級段衰示﹒ 05 21

+~~

050 2ll 高中低

,

G

。

國 10 分析結果的圖象表徵 ~3 出現頻率與關聯比值之等級 低 中 高 出現頻率

_。-3

3-6

6以上 關聯比值

_{10- .15}

_{.15- .20}

_20以上

一、中小學實驗教材奈米科技關鍵詞，長出現情形

實驗教材中的奈米科技關鍵詞彙出現頻率(單位為次/每份教材)詳如表 4 所示﹒整體 而言﹒國小、圈中和高中各年段的奈米科技關鍵詞彙總和﹒分別為 38.39 、 37.44 、 62.67 .整 體為 42.83 .此外，前十個出現頻率平均最高的奈米科技關鍵詞彙依序為構造 (4.11 )、原子 (3 .46) 、大小 (2.73) 、奈米碰撞管 (2.23 )、尺寸 (2.02 )、蓮葉效應( 1.92) 、奈米產品( 1. 75) 、 疏水性( 1. 72) 、光觸媒(

1.

61

)、皮瓣(

1.

54)

.出現最低的前十個依序為:道德(0.02 )、標 靶治療 (0.02) 、氫鍵 (0.04 )、渡粒性 (0.07 )、表面積增加 (0.08 )、電荷 (0.15 )、健康 (0.18) 、 負面影響 (0.19 )、模擬 (0.19 )、自組裝 (0.23) .從塾，童年段出現最高的前十個奈米科技關鍵 詞彙﹒說明了實驗教材的內容強調奈米尺寸大小的定養、奈米尺度中的原子和物質構造、奈 米面接管的介紹、蓮葉效應的疏水位結槽，和生活中的奈米產品等;而實驗教材中較少出現的 內容則是奈米科技對道德、健康等各方面的負面銜，臣、應用自組裝原理的標靶治療﹒

• 20 .奈末實驗教指內容分析 趙敏析、熊召弟、于曉平 表 4 奈米重要也念及關鍵詞囊之出現頻率(Xi:

)

重要 _科學 年段 _年段 重要 _科學 年段 _年段 領念 _{開車虛詞， 圖小 圈中 高中}

_平淘

_概念

_..詞，

_{圖小團中高中}

_平鉤

大小 4.08 1.57 2.54 2.73 量子效應

_{。 13}

。 71 u星 。 74 尺寸 1.99 1.86 2.23 2.02 _量子 穿隘 _{。 20} 。 22 L也 。 50 單位/長度 1.67 1.25 1.46 1.46 效應 波粒佐 0.04

_。∞

0.18 _{。 07} 尺寸 0.64 0.81 _{L主i 。 92} 小Z十

_{。 37}

_{。 93} 2.63 1.31

與尺度 尺度

-9 _{。 28} 0.38 已星星 。 52 自由能

_{。 ω}

_{0.11 生旦Z} 1.02 十億 旦旦皇 _{。 38 。 30} 0.42 奈米製程 _{。 12 。 25} 生主i 。 29 小計 9.24 6.25 8.73 8.07

DNA

。但 0.10 0.59 _{。 24} 構造 _{2.67 3.75 5.92 4.11}

自組裝 自組裝

。 ω

0.08 生重主 _{。 23} 原子 1.72 3.46 ι2且 3.46 標靶治療

_{。 ω}

_。∞

生旦旦 0.02 奈米碳管 1.80 L重宣 _{2.28 2.23 小~t} 0.16 0.54 2.74 1.80 奈米碳球 2.28 0.62 _{。 26} 1.05 _{電子顯微鏡 1.22 。 59 L亞1 1.16 '} 物質 貝殼 0.44 _{。 71} 生旦旦 。 69 顯微鏡 0.89 0.62 .L2直 1.14 精造 石 II 。 24 。 21 u且 。 61 掃描式 鑽石 _{。 16 。 16} L且Z 。 45 領徵鏡 。 33 。 35 u生 。 74 牙甜 _{。 20 生主i} 0.16 _{。 26}

工具與 原于力

小Z十 9.51 11.92 17.14 12.86

儀器 廠微鏡

。.21 。 33 已立 。 42 蓮黨教應 L豆l 1.79 1.34 1.92

_IBM

_{0.25 0.16 ~生 。 32} 疏水性 1.73 _{。 94} L笠 1.72 _{費壘 0.44 。 19 。 30 。 31} 光觸媒 1.91 _{。 73} 2.2且 1.61 _{小計 3.34 2.24 6.67 4.09} 自潔 _{L盟 。 75} 0.87 1.14

模型與 模型

且且 _{。 62 。 25} 。 46

光子晶體 0.02 0.89 1.

90

0.94 _{慎If 0.24 O.的 lU重}

。 19 奈米金 0.08 1.37 1.21 0.89

摸摸 小計

_{0.75 0.68 0.51} 。 65 奈米 0.06 1.16 L主主 0.85 奈米產品 II且 1.38 1.69 1.75 尺寸 磁顆粒 環境 _{。 25} 0.83 1.28 _{。 78} 效應 導航/羅盤 _{。 40} 0.52 L旦旦 0.64 _奈米棚章

ll.ll

_{。 24}

_{。 13}

。 30 催化劑 _{。 29 。 21} 0.93 0.48 科學﹒ 社﹒ 0.22 生2主 。 23 。 26 反應速率 已鎧

。 II

0.18 _{。 32} 科畫畫 O.的 生25 。.19

與社﹒ 負面影響

生星星 彩，軍效應 0.22 _{。 29} 生33 _{。 28} 健康 0.12 也越

_{。 II}

。 18 蛾眼效應 _{。 29} 生笠 0.0有d _{。 27} 衰面積 道德 。.01 0.05

。∞

0.02 。 21 。 02 0.02 0.08 _小Z十 3.37 3.37 3.69 3.48 增加 合計 _{38.39 37.44 62.67 46.83} 小計 10.32 9.27 13.84 11.l4 皮團軍 0.82 1.29 2.51 1.54 作用力 0.18 0.48 1.87 0.84

力與交互 化學鍵

。 13

。 22 u豆 _{。 57}

作用

凡得瓦力

。 20 。 19 且是2 。 29 電荷

。∞

_。“

生2皇 。 15 氫鍵

。∞

。 ω

生且 0.04 小計 1.33 2.24 6.72 3.43 註:底線表示出現頻幸在不同年段中最高

F

趙敏析、熊召弟、于曉平 奈米實驗教材內容分析﹒ 21

•

在五十七個奈米科技關鍵詞彙中﹒小學出現次數最高的共有十二個，分別為:大小、單 位/長度、十億、奈米碳球、蓮葉效應、自潔、反應速率、表面積增加、費曼、模型、奈米 產品、奈米標重重;圈中出現次寶貴最高的八個為:奈米碳管、牙齒、奈米金、鐵眼效應‘社會、 負面影響、健康、道德;高中出現次數最高的三十七個為:尺寸、尺度、 -9 、構造、原子、貝 殼、石墨、鑽石、疏水性、光觸媒、光子晶體、奈米磁顆粒、導航/羅盡量、催化劑、彩蝶效 應、皮車臣、作用力、化學鍵、凡得瓦力、電荷、氫鍵、最子效應、穿隧、波粒性、自由能、 奈米製程、 DNA 、自組裝、標靶治療、電子顯微鏡、顯微鏡、掃描式顯微鏡、原子力顯徽章輯、

reM

、模擬、環境、負面影響。由各年段奈米科技關鍵詞彙出現頻率線和(表4) 來看，國小

(3

8

.3

9

)和國中(3 7.44 )的兩個年段相差不大，但進入到高中年段則增至 62.76· 顯示在高 中階段的實驗教材含有費富的奈米科技關鍵詞彙。 進一步檢視奈米科技關鍵詞彙出現頻率高的教材內容﹒發現國小階段教材強調的包括:

r 尺寸與尺度」中的「奈米是十億分之一公尺，是一種長度單位」、蓮葉效應的自潔效果、表

面積增加和反應速率的關係、透過模型軍醫學生動手組合奈米碳球﹒以及科學、科技與社會中 對奈米產品和標葷的介紹;園中部分在物質構造概念的強調、奈米碳管、牙齒的奈米結構、 鐵眼所產生的尺寸效應，以及科學、科技與社會重要概念中奈米科技所引發包括道德、健康 的影響;高中部分則在力與交互作用、量子效應、自組裝和工具與儀器等重要概念的關鍵詞 彙中呈現較高的出現頻率﹒從化學鍵、凡得瓦力、氫鍵、量子效應、波粒恆、 DNA 、電子顯 微鏡等關鍵詞彙﹒可發現這四個奈米重要概念在進入高中階段﹒相較國中和國小呈現更緊密 的連結﹒

二、奈米重要概念在不同年段的出現頻率與開騙性

(一)奈米重要概念在不同年段的出現頻率

從表 4 顯示的各年段奈米科技關鍵詞彙出現頻率，整理出國小、國中和高中年段在九個 重要概念的出現頻率和百分比，以進一步說明各年段奈米重要概念的出現頻率﹒ 由表 5 得知，在國小階段高出現頻率(超過六次)的奈米重要概念，包含:尺寸與尺度

(9.24

,

24.07%) 、物質構造 (9.51 ， 24.77%) 、尺寸效應(1 0 泣， 26.88%) ，中出現頻率(3 -6 次)為工具與儀器(3.34， 8.70%) 、科學、科技與社會 (3.37，

8.78%)

.低出現頻率 (0-3 次)

為力與交互作用(1.33 ， 3 .46%) 、量子效應 (0.37， 0.96%) 、自組裝 (0.16， 0.42%) 、模型與模

擬 (0.75， 1.95%); 園中階段高出現頻率的重要概念包含尺寸與尺度 (6.25， 16.6~的、物質糟

造(

1

1.

92

,

3 1.84%) 、尺寸效應 (9.27， 24.76%) .中出現頻東為科學、科技與社會 (3.37， 9.∞%)、

低出現頻率為力與交互作用 (2.24， 5.98%) 、量子效應 (0.93， 2.48% )、自組裝 (0.54， 1.44%) 、

工具與儀器 (2.24， 5.98%) 、模型與模擬 (0.68，

1.

82%)

;高中年段高出現頻率的重要概念包含

尺寸與尺度 (8.73， 13.93%) 、物質構造 (17.14， 27.35%) 、尺寸效應 (13.84， 22.08%) .中出現

.

22

.奈米，駿教材內容分析 At籠析、無召弟、于曉平 表 5 各年段重要適念之出現頻率與百分比 .翱

8

9

且~

337

3839

(I.9S'Io)

(8.78% ) (I個協) 0.68

337

37.輔 (16.69'10) 。閻明的 。約的)。啪的 (:t鑽研色)

(1.

44%)

(別挑) (11臨的(州肌) (I面協) aη 且必 且必 豆豆 ~ ~至 坐立 的 1 !l單 位后7 (13路%) (2735"10) (22.<喝%)

(1

0.72%) (4

.2

0%)

(43鳴也) (岫卸的 (O.8 W.) (S~ 的 (I~色) 註:1.尺寸典尺度、 2.物質構造、 3 尺寸鼓應、 4 力與交互作用、 5.量于鼓瓜、 6. 自鈕!l、 7 工具典 儀器、 s 模型與模棍、 9.科學、科枝與社會﹒加底線表示出現頻率在不同年段中最高 高中

61

頻率為力與交互作用 (6.72 ， 10.72%) 、工具與儀器 (6.67 ， 10.64%) 、科學、科技與社會 (3.69 ，

5.8叫) ，低出現頻率為量子效應 (2.63 ， 4.2(010) 、自組裝 (2.74 ， 4.37%) 、模型與模擬 (0.51 ，

0.81%) •

整體而言， r 尺寸與尺度」、「物質構造」和「尺寸效應」等三個重要概念，在不同年段均 顯示高出現頻率(圖 I I) ，顯示這三個重要概念已在奈米實驗教材占有高比重﹒其他﹒在不同 年段均呈現為低出現頻率的奈米重要概念，則為重子效應、自組裝和模型與模擬等是在實驗 教材中較少出現的內容﹒然而﹒物質構造、力與交互作用、量子效應、自組裝等四個奈米重 要概念出現頻率是隨著年段提升而增加﹒

18

16

14

12

員 to

臺 8

6

4

2

。

﹒國小 ﹒園中 ﹒寓中

尺寸輿

尺度

:寸圖用

U

3 尺效圖

l

質造

;物國情

4

5

6

7

8

9

力與交量子 自組撞車工具輿模型與科學、科技 互作用效應 僑暑模擬 與社會

年段與重要隨念出現頻率長線﹒

奈末實~教材內容分析﹒ 23

•

越.析、熊召弟、于曉平

(二)不間年段問奈米重要概念闕.姓之比較

本部分是進一步探討九項奈米重要概念在國小、圈中、高中的奈米，實驗教材分布的關聯 佐﹒關聯比值為教材中不同奈米重要概念頻率問兩兩伴隨出現的比值，為重要概念頻率兩兩 相除的小於 l 之值，個別教材得到的闕，歸比值依照該年段的教材數目進行平均，得到該年段 教材的平均關聯比值﹒關聯比值愈大表示兩個重要概念愈常在教材中同時出現﹒即二者關聯 佐愈強﹒ 1.國小階段奈米重要概念問之關聯性 在求得國小階段九個奈米重要概念闊的關聯比值後(表 6) .結合各重要概念的出現頻率 (表 5) .繪製成國小階段奈米重要概念出現頻率與關聯圖(圖 12) .國小階段九個奈米重要 概念間的關聯性中，關聯比值介於 00- .22· 總平均關聯比值(矩陣中所有數值之平均­

I!

P

.18+ .22+ .07+..

,+

.02 之平均)為 .06

•

r 尺寸與尺度 J 和「尺寸效應 J •r 尺寸效應 J 和「科學、科技與社會」間呈現高關聯性(關聯比值 20 以上).r尺寸與尺度 J 和「物質構 造 J ' r 物質構造」和「尺寸效應 J 呈現中關聯性(關聯比值 .15- .20)' 以及其他七組重要 概念兩兩呈現低關聯性(關聯比值 .10-

.15)'

團小階段各重要價念關聯比值 表 6

9

"

_。1

7

句，&呵，& ζυ-Aυnuoununv

5

一的山位“

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4

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3

2

﹒』呵，“有 daa 唔，、 Jr 。旬，。。

.02

註: .20+ 以I"#!.I表示、 .15- .20 以-表示、 .10- .15 以圓圓表示﹒ I尺寸與尺度、 2

物質鑄造、 3. 尺寸娃息、 4 力與交互作用、 5.量子鼓應、 6 自組裝、 7 且具典儀器、 8 模型與樣 ，區、 9.科學、科接與社會 國小年段中三個高出現頻率的重要概念為「尺寸與尺度 J 、 r 物質構造」、 r 尺寸效應 y 高 關串串的雨雨重要概念為「尺寸與尺度 J 和 r 尺寸效應 J (關聯比值為 .22) 、「尺寸效應 J 和「科 學、科技與社會 J (關聯比值為 .22) ﹒介紹「奈米為長度單位」是「尺寸與尺度」在國小年段 常見的教材內容﹒例如:彈珠和地球的比例關係﹒ II學生可以察覺奈米和公尺之間的比例關 係(如:國小實驗教材之一的 r 小奈米大世界。;奈米碳球的動手線作是在「物質構造 J 重

•

24

.奈米曹峻教材內容分析 _{趟.析、熊召弟、于曉平} 圓小階段

(N=85)

20+

-15

...,

.20

-10- .15

-一-/

立/

l 尺寸與尺度 3.尺寸效應

1112

小學階段各重要lIIl念頻率典... 要概念中常見的教材內容，除引發學生興趣，並能引入奈米材料在結備上的差異;彩蝶效應、 蓮葉效應、蛾眼效應等自然界的奈米現象，為「尺寸效應」重要概念裡引發學生興趣的教材， 尤其因為具蓮業效應的自潔效果的材料較容易取得﹒成為教材常出現的活動(如:國小實驗 教材之一的「大自然的奈米現象 J)

•

「同體讀物質切愈小，接觸表面積愈大﹒則反應速率愈快」是「尺寸輿尺度」和「尺寸 效應 J 兩個重要概念在國小年段強調的連結，教材中出現常搭配大立方體切成小立方，量的計 算﹒或鐵絲、鋼絲絨的燃燒 'II學生暸解表面積和反應邀率之間的關係(如:圖小實驗教材

之一「微小化的奈米特性 J) .而 r 尺寸效應 J 和「科學、科技興釷﹒」間的連箱，則以「尺

寸效應」延伸的產品作為教學主題，如具備自潔效應的大續發區可免去清理的廳煩等(如: 國小實驗教材之一的「小小奈米大大不同 J)

•

2. 圈中階段昌尋求重要概念問之關聯性 在求得圈中階段九個奈米重要領念間的闌珊比值後(衰 7)· 結合各重要概念的出現頻率 (表 5)' 繪製成國中階段奈米重要概念出現頻率與闌珊圖(圖 13) ﹒圖中階段九個奈米重要

越統析、熊召 j輯、于曉平 奈米冒風塵教材內容分析﹒

25 •

表 7 園中階段各重要題念關聯比值

9

7

6

5

4

3

2

30

I

. 2 8 0 9

.05

2

1·25

_ 仰 的 3 且7

.08

.04

4

_

.04

。4

.06

.04

.06

6

.06

m

_

.07

註: .20+ 以巨E表示、 恥 .20 以-析、

10-

.15 以-表示。 l 尺寸典尺度、 2.

物質構造、 3.尺寸鼓應、 4. 力與交互作用、 5.量子效應、 6 自組裝、 7 工具典儀器、 8 模型與模 擬、 9.科學、科技與社會 園中階段

(N=63)

圍的 園中階段各重要價念頻率與關聯

.

26

.奈米實驗教材內容分析 趙敏析、熊召弟、于曉平 概念間的關聯性中，關聯比值介於∞~ .30 ，總平均關聯比值為 .10

.

r 尺寸與尺度」、「物質 構造 J 和「尺寸效應」兩兩呈現高關聯性(關聯比值 .20 以上).r尺寸與尺度」和「工具與 儀器 J •r 尺寸與尺度 J 和「科學、科技與社會 J •r 物質構造 J 和 f 科學、科技與社會 J 概念 問呈現中關聯性(關聯比值的~ .20)' 以及其他八組重要概念兩兩呈現低關聯性(關聯比 值.1O~

.15)'

顯然. r 尺寸與尺度J • r 物質構造 J • r 尺寸效應」等三個重要概念在圈中年段中仍居高出 現頻率﹒彼此之間亦呈現高關聯位﹒學校裡的「自然與生活科技領域 J 在國中年段已開始提 及原子、同素異形體的名詞與概念，閩中奈米實驗教材介紹「奈米材料產生特殊奈米現象(尺 寸效應) .是由於材料具備奈米尺寸(尺寸與尺度)的奈米結構(物質橋造 )J 之概念，例如， 在進行奈米碳球的教學時﹒會比較祖輩其他的同素異形體(石蠱、奈米祖輩球、奈米碳管、鑽石)

•

讓學生理解奈米尺度下不同的結構所形成的材料性質差異(如:國中實驗教材之一的「巴克 球 DIY

J)

.整體而言. r 物質橋造」、「尺寸與尺度」、r 尺寸效應」相互間的關聯比值為.25 ~ .30· 屬於高關聯性的重要概念﹒ 3 高中階段奈米重要概念問之關聯性 在求得高中階段九個奈米重要概念闊的關聯比值後(表8) ﹒結合各重要概念的出現頻率 (表 5) .繪製成寓中階段奈米重要概念出現頻率與關聯國(圖14) .寓中階段九個奈米重要 概念間的關聯位中﹒關聯比值介於.Ol~

.33

.總平均關聯比值為 .12

•

r 尺寸與尺度」、「物質 構造」和「尺寸效應 J 兩兩呈現高關聯性﹒「科學、科技與社會」和三重要概念 (r 尺寸與尺 度 J •r 物質構造」、「力與交互作用 J) 之間亦呈現高關聯佐(關聯比值 .20 以上) .呈現中度 關聯佐(關聯比值 .15~ .20) 的有六組重要概念﹒以及其他六組重要概念兩兩呈現低關聯性 (關聯比值.1O~

.15)'

高中年段中，尺寸與尺度、物質摘造、尺寸效應三個重要概念畫畫高出現頻率，彼此之間 亦呈現高關聯佐﹒除此之外「科學、科技與社會J 和三重要概念(r 尺寸輿尺度J'r 物質構造」、 「力與交互作用J) 之間亦呈現高關聯性﹒從物理、化學、生物等學科深入介紹奈米科技﹒是 高中年段和國小、圈中奈米教材的明顯差異，如:高中賞自由教材之一的「鑽石與石學J .係從 電子組憊的觀點(主要概念:力與交互作用)介紹碳的同，但異形體(主要概念:物質構造)

之間的差異，及其在材料性質上所帶來的影響(主要概念:尺寸效應)

;另一份教材「壁虎神

功 J 從凡得瓦力(力與交互作用)探討皮戀給神聖(物質結構)所以引起的壁虎效應(尺寸效

應) .及其在奈米產品的延伸應用(科學、科技與社會).這說明了多種的主要概念會同時出 現在一份教材設計中﹒

「

27

越毓析、熊召弟、于曉平 奈米，驗教材內容分析﹒

•

表 8 高中階段各重要儷念關聯比值

2

3

4

5

6

7

2

33

3

26

20

4

5

6

。4

7

05

08

8

。7

。7

。4

08

。1

。3

06

9

23

.25

06

8

.06

拉:

.20+

"~I ，.，~ I表示、

15-

.20 以-表示、

10-

.15 ，，:I.圓圓表示﹒ l 尺寸典尺度、 2

物質編造、 3. 尺寸鼓應、 4 力與交互作用、 5.量于效應、 6. 自組裝、 7.工具輿儀器、 8 模型與機 級、 9 科學、科技與社會 2 物質梢造 3 尺寸效應 高中階段

(N=61 )

/ρ

6 自組裝

20+

.15- .20

---團 14 寓中階段各重要儷念頻率與關聯

•

28

.奈米實驗教材內容分析 趟..坊、無召 j輯、于曉平

三、整體年段奈米重要概念聞之出現頻率與闕，雖性

在整體年段奈米重要概念出現頻率(表的中.i\1j出現頻率包含尺寸與尺度、物質構造和 尺寸效應三個奈米重要概念﹒中出現頻率為力與交互作用、工具與儀器、科學、科技與社會﹒ 低出現頻率為量子效應、自組裝、模型與償援﹒ 量監 9 整體年段重要If~之出現頻率與百分比 丸﹒重要，傘平鉤出現頻率與百分J:t 年殿數祠.

2

3

4

5

6 7 E 9 a和 8.07 12.86 11.14 3.43 1.31 1.80 4.09 0.65 3 哺 峭的 重值

.2

09 (1723%) (27組仇) (23.7冊的 (7.3到') (2.llO'l的 (3 個%) (8.73%) (1.3軒的 (7.43仇) (10研份 註: 1 尺寸典尺度、 2 物質構造、 3 尺寸效應、 4 力與交互作用、 5 量于效應、 6 自組裝、 7 工具典 儀器、 8.模型與模樣、 9 科學、科技與社會 在求得!It值年段九個奈米重要概念闊的關聯比值後(表10) .結合各重要概念的出現頻率 (表的﹒繪製成整體年段奈米重要概念出現頻率與關聯圖(圖15) .整體年段九個奈米重要 概念間的關聯位中﹒關聯比值介於 0\-

.27

.總平均關聯比值為 .09 ， r 尺寸與尺度 jJ 物質 構造」和 r 尺寸效應」雨雨呈現高關聯性(關聯比值 .20-

.27)'

r 尺寸與尺度J 和 r 工具與 儀器 j

,

r 科學、科技與社會 J 和三重要概念 (r 尺寸與尺度 j' r 物質槽造 J 和 r 尺寸效應 j) 之間呈現中關聯佐(關聯比值 .15- .20)' 以及其他七組重要概念雨雨呈現低關聯性(關聯 比值 .\0- .15)' 國小年段教材較少出現原子概念.r 物質構造」分別和「尺寸與尺度J 、 r 尺寸效應J 兩個 重要概念呈現中關聯性，進入園中年段後.r物質構造J 和「尺寸與尺度J ' r 尺寸效應」三者 在兩兩間開始呈現高關聯性﹒結合不同年段間重要概念的出現頻率和關聯性可發現﹒國小和 國中年段在出現頻率上很接近﹒但園中在平均關串串比值和連.Ull顯得較多，顯示國小和國中 在重要概念出現頻率上雖然接近(3 8.39 和 37.44) .但國中教材的重要概念間卻呈現較高的關 聯性。進入高中後﹒物理、化學、生物等學科與奈米重要概念的結合，使奈米重要概念頻率 增加的同時，平均關聯比值和連線數目也相對提升﹒

恆、結誼興建讀

經由內容分析結果，本研究分別陳述有關個別教材和整體教材的重要發現，有關研究方 法和奈米科技教育課程規劃之建議如下.

越 lt析、熊召弟、于曉平 奈米，驗教材肉容分析﹒ 29

•

l':

10

中小學整體年段各重要磁念關聯比值

2

3

4

5

6

7

8

9

27

25

瞳E

06

_。7

2

22

_。5

_。5

3

.09

06

04

4

08

04

5

_。3

05

.01

.05

6

_。6

.02

.07

7

.04

8

.05

i扭缸j

一

123平均

.06

_。5

註: .20+ 以巨E表示、 .15- .20 以-表示、 .10- .15 以圓圓表示﹒ l 尺寸輿尺度、 2

物質構造、 1 尺寸效應、 4 力與交互作用、 5 量于效應、 6 自組裝、 7 工具典儀器、 8 模型典模 授、 9 科學、科技與社會 2 物質橋造

-3.尺寸效應 4 力與交 互作用

O

S 模型 與復擬

r " .

7.工具與儀器

6 自組裝

O

5.量子效應.

11115

中小學年段各重要也念頻率與關聯 整體分析

(N=209)

20+

-.15- .20

---10-

.15