國立臺中教育大學科學應用與推廣學系
科學教育碩士學位在職進修專班碩士論文
指 導 教 授
指 導 教 授
指 導 教 授 ：
指 導 教 授
：
：
： 黃 鴻 博
黃 鴻 博
黃 鴻 博
黃 鴻 博
博 士
博 士
博 士
博 士
科 學
科 學
科 學
科 學 教 師
教 師
教 師 經 由 對
教 師
經 由 對
經 由 對 學 生 學 習 困 難
經 由 對
學 生 學 習 困 難
學 生 學 習 困 難
學 生 學 習 困 難
的 覺 知
的 覺 知
的 覺 知
的 覺 知 以 改 進 教 學
以 改 進 教 學
以 改 進 教 學
以 改 進 教 學
之 行 動 研 究
之 行 動 研 究
之 行 動 研 究
之 行 動 研 究
An Action Research about How the Science Teacher Improves
Teaching Effectiveness by Increasing Perception of
Students’ Learning Difficulties
研
研
研
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究
究
究
究
生
生
生
生 ：
： 楊 森 陸
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楊 森 陸
楊 森 陸
楊 森 陸
撰
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撰
中華民國
中華民國
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中華民國九十
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九十八
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科學教師經由
科學教師經由
科學教師經由
科學教師經由對
對
對
對學生學習困難的
學生學習困難的
學生學習困難的覺知
學生學習困難的
覺知
覺知以改進教學
覺知
以改進教學
以改進教學
以改進教學
之行動研究
之行動研究
之行動研究
之行動研究
摘要
摘要
摘要
摘要
本研究旨在透過行動研究歷程，探討科學教師如何藉由察覺學生的學習困 難，進而採取適當的因應教學策略，以提升學生的學習成效，並獲致教學實務上 之專業成長。本研究以台中市某國小三年級 34 位學生為研究對象。研究為期約 三個月，每週三節課，共進行三個單元 10 個教學活動的課程，藉由撰寫教學日 誌、教學前後學生訪談、教學後問卷及協同研究者的觀察紀錄等方式，蒐集相關 文件資料，歸納整理分析，過程中研究者不斷反省以增進覺知學生困難之策略及 修正教學設計，促進教學能力與信念上的專業成長。 研究結果顯示，在覺知學生學習困難的策略運用上可：(一)教學前使用教材 相關教學文獻的研究及教學前訪談；(二)教學中靠觀察學生上課反應、師生問答 與學生發表及教師自省等；(三)教學後使用問卷、訪談及撰寫教學日誌。在察覺 困難後因應的教學策略應該：(一)針對學習困難與考慮學生框架理論，設計可操 作且易觀察的活動；(二)可運用類比或衝突策略，但教師教學時應做到引導、聚 焦、質疑及鼓勵學生思考與發表的工作；(三) 教學活動應完整，找出證據後務必 討論、推理，將證據與解釋連結。本研究最後彙整研究者在行動研究中之諸多教 學省思，提出諸項建議，提供現職科學教師、教科書出版商及後續研究之參考。 關鍵字 關鍵字 關鍵字 關鍵字：：：：學習困難學習困難學習困難、學習困難、覺知、、覺知覺知覺知、、、、科學教學科學教學科學教學科學教學
An Action Research about How the Science Teacher Improves
Teaching Effectiveness by Increasing Perception of
Students’ Learning Difficulties
Abstract
The purpose of this study was to explore how the science teacher perceives students’ learning difficulties, develops applicable teaching strategies to solve the problems, and at the same time to help increase teachers’ professional growth in practical teaching by way of action research. The research project was employed in an elementary school in Taichung city. Three classes a week, 34 third-grade students were observed in 10 activities from three chapters for 3 months. Teaching journals, interviews before and after class, questionnaires after class, observations from co-researchers, collecting references, conclusions and data analyses, were used to realize students’ learning difficulties and modify researcher’s teaching designs, which are beneficial to his teaching capability and specialty.
Results show that several useful strategies can be used to perceive students’ learning difficulties, including: (1) using references and interviews associated with teaching materials before the class; (2) observing students’ responses, interactions between teachers and students, students’ answers, and teachers’ self-examination during the class; (3) studying the questionnaires, interviews, and teaching journals after the class.
Several strategies are suggested for teachers to employ when finding students’ learning difficulties, including: (1) designing activities which are easy to handle and observe by realizing learning difficulties and considering student's alternative framework; (2) employing analog or conflicting strategies accompanied with sequential teaching works, i.e., leading, focusing, questioning, and encouraging students’ thinking and responses; (3) finishing the activities completely, discussing, reasoning, and finding explanations for the results.
Finally, this study collects all the self-reflection of the researcher and brings in several suggestions which could be useful for science teachers , publishers and for further research.
目 次
摘 要 --- Ⅰ Abstract --- Ⅱ 目 次 --- Ⅲ 表 次 --- Ⅴ 圖 次 --- Ⅶ 第一章 第一章 第一章 第一章 緒論緒論緒論緒論 --- 1 第一節 研究背景與動機 --- 1 第二節 研究目的與待答問題 --- 4 第三節 研究範圍與限制 --- 4 第四節 重要名詞釋義 --- 6 第二章 第二章 第二章 第二章 文獻探討文獻探討文獻探討文獻探討 --- 8 第一節 學生學習困難與概念改變的相關理論--- 8 第二節 教材相關之教學文獻探討 --- 25 第三節 反省的教學相關理論與模式 --- 44 第三 第三 第三 第三章章章 研究方法章 研究方法研究方法研究方法 --- 57 第一節 研究情境 --- 57 第二節 研究工具 --- 62 第三節 教學活動設計 --- 67 第四節 研究流程與步驟--- 68 第五節 資料蒐集與分析--- 73第六節 研究的倫理與信度、效度--- 79 第四章 第四章 第四章 第四章 研究結果與討論研究結果與討論研究結果與討論研究結果與討論--- 82 第一節 行動研究歷程中的省思與成長--- 82 第二節 覺知學生學習困難的策略--- 110 第三節 因應察覺學習困難採取之教學策略及成效探討--- 162 第五章 第五章 第五章 第五章 結論與建議結論與建議結論與建議結論與建議 --- 174 第一節 結論 --- 174 第二節 建議 --- 179 參考文獻 參考文獻 參考文獻 參考文獻 --- 181 壹、中文資料 --- 181 貳、外文資料 --- 186 參、網路文章 --- 190 附 附 附 附 錄錄錄錄 --- 191 附錄一 教學活動設計舉例--- 191 附錄二 教室觀察記錄表舉例--- 193 附錄三 教學後學生問卷舉例--- 195 附錄四 自然與生活科技課程教學日誌格式--- 196 附錄五 空氣全單元教學後學生問卷--- 197 附錄六 教學後學生問卷—空氣在哪裡舉例---198
表
表
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表2-2-1 「力的作用」之教學內容--- 25 表2-2-2 「力的作用」單元之科學概念與學習環設計架構--- 26 表2-2-3 力的概念相關文獻整理 --- 27 表2-2-4 學童「磁」的迷思概念 --- 31 表2-2-5 「空氣」之教學內容--- 34 表2-2-6 「空氣」單元之科學概念與學習環設計架構 --- 36 表2-2-7 學童空氣概念認知彙整 --- 37 表2-2-8 「日新月異的交通工具」之教學內容 --- 41 表2-2-9 「日新月異的交通工具」單元之科學概念與學習環設計 架構 --- 42 表3-1-1 協同研究者相關背景 --- 60 表3-1-2 研究者相關背景 --- 62 表3-5-1 本研究的資料編碼表 --- 74 表3-6-1 有關信賴問題的解答 --- 80 表4-2-1a 「力的作用」教學後問卷結果統計表 --- 130 表4-2-1b 「力的作用」教學後問卷焦點學生作答結果統計表 --- 130 表4-2-2a 「空氣在哪裡」教學後問卷結果統計表 --- 131
表4-2-2b 「空氣在哪裡」教學後問卷焦點及選取學生作答結果統 計表--- 131 表4-2-3a 「空氣占有空間」教學後問卷結果統計表 --- 132 表4-2-3b 「空氣占有空間」教學後問卷焦點及選取學生作答結果 統計表--- 132 表4-2-4a 「空氣的壓縮和流動」教學後問卷結果統計表 --- 133 表4-2-4b 「空氣的壓縮和流動」教學後問卷焦點及選取學生作答 結果統計表--- 133 表4-2-5a 「空氣污染」教學後問卷結果統計表 --- 134 表4-2-5b 「空氣污染」教學後問卷焦點及選取學生作答結果統計 表 --- 134 表4-2-6a 「空氣全單元」教學後問卷結果統計表 --- 135 表4-2-6b 「空氣全單元」教學後問卷焦點學生作答結果統計表 --- 135 表4-2-7a 「生活中的交通工具」教學後問卷結果統計表 --- 136 表4-2-7b 「生活中的交通工具」教學後問卷焦點及選取學生作答 結果統計表--- 136 表4-2-8a 「變動中的交通工具」教學後問卷結果統計表 --- 137
表4-2-8b 「變動中的交通工具」教學後問卷焦點及選取學生作答 結果統計表--- 137 表4-2-9a 「讓玩具車動起來」教學後問卷結果統計表 --- 139 表4-2-9b 「讓玩具車動起來」教學後問卷焦點及選取學生作答結果 統計表--- 139 表4-2-10a「交通工具全單元」教學後問卷結果統計表 --- 140 表4-2-10b「交通工具全單元」教學後問卷焦點學生作答結果統計 表 --- 140 表4-2-11 力的作用單元覺知策略與學習困難對應表 --- 157 表4-2-12 空氣單元覺知策略與學習困難對應表 --- 159 表4-2-13 日新月異的交通工具單元覺知策略與學習困難對應表 --- 160
圖
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圖2-1-1 覺知程度之概念類別圖 --- 10 圖2-1-2 本體樹的組織架構 --- 15 圖2-1-3 建構主義的教學模式之順序 --- 21 圖3-1-1 本研究自然科教室配備與學生分組情境圖 --- 59 圖3-4-1 研究流程圖 --- 69 圖4-3-1 因應學習困難採行之教學策略流程圖 --- 162 圖4-3-2 空氣占有空間教學示意圖 --- 169 圖4-3-3 第二次自然與生活科技評量做做看第2題示意圖--- 169 圖5-1-1 覺知學生學習困難策略的運用與教學階段關係圖 --- 174 圖5-1-2 因應學習困難之教學策略的設計與執行 --- 176
第一章
第一章
第一章
第一章
緒論
緒論
緒論
緒論
本章旨在闡述研究背景與動機、目的、問題，以及研究的範圍與限制等，並針 對重要名詞加以詮釋。第一節
第一節
第一節
第一節
研究背景與動機
研究背景與動機
研究背景與動機
研究背景與動機
行政院教育改革審議委員會，於八十五年十二月二日提出「教育改革總諮議報 告書」指出：「未來人類面對的，是一個急遽變遷的社會，一個腦力密集的時代， 一種無國界的競爭。迎向新世紀的我國，無論是國家競爭力的提升、社會的和諧凝 聚、自然環境的永續發展、人民能力素質的提升和生活品質的改善，成功的關鍵都 在教育。協助個人有尊嚴的成長，社會有秩序的進步，也要靠教育。投資於教育， 就是投資於未來。」在揭櫫教育改革方向中與教學直接相關的有「教育鬆綁」、「帶 好每位學生」、「提升教育品質」等。之後政府自九十學年度起逐年實施九年一貫 課程，這樣的教育改革運動方興未艾，但也招致許多批評與爭議（天下雜誌，283 期 http://www.cw.com.tw/article/catalog/editor.jsp?PID=32#），身為教育工作者，自當 反省檢討。 學者陳美玉（2002）指出「九年一貫課程不只是推行一些新的課程理念，也更 新教學內容和技術，更重視教師知識觀與個人理論的重建。」林素卿（2002）也說 「改革的主要動力在於教師， 教育品質的關鍵也在於教師」，因此教育改革成功的 關鍵在於教師本身的覺醒（歐用生，1999），而過去改革的失敗，許多是因為忽視 教師的知識、信念和態度（Driel,Beijaard,&Verloop, 2001）。因此教師除了擁有自主 自律的人格特質與關懷他人的情操外必須了解教育的理論、豐富通識素養、具備充 份的學科知識、熟識學科的教學方法，與具有輔導知識與能力，更要重視創造與批 判的能力及自我修正與成長的能力的培養，這是對提高教師素質的基本要求（引自行政院教育改革審議委員會，諮議報告書：中小學師資素質之發展， http://www.sinica.edu.tw/info/edu-reform/farea2/tsy1_3-6.html）。因此教師對自己教學 的不斷反省與精進正是促進教學品質提升的不二法門。 帶好每位學生是教改的重要目標，因此對於學生的個別差異造成學習上的困 難，我們應該發展各類補救教學之教材、教法與學習評量工具。目前許多學校設有 資 源 班 ， 台 中 市 國 小 已 有 38 班 （ 引 自 教 育 部 特 殊 教 育 通 報 網 ， http://www.set.edu.tw/sta/8.htm 96/4/20），定期對學習障礙或其他身心障礙學生提供 學習上必要的協助，但這類學生是班級導師發覺後經家長同意由學校送檢通過鑑定 的。實際上班級中仍有學生在部分課程時而出現學習困難，只是這樣的學生可能是 未達鑑定標準的低成就者，也可能是學業成績為中間的一群，甚至高成就學生也偶 而會有學習困難，和列入資源班的學生比較起來應該是班級中較大的一群，若是教 師於上課中能及時發現學生的學習困難，即時提供適當的協助，將可對於學生的學 習產生莫大的助益。所以段曉林（1996a）指出「教師應了解特定單元中學生的先備 知識和學習困難。」 自然與生活科技領域的學習，是要讓學生透過探究活動學會科學知識及觀察、 詢問、規劃、實驗、歸納、研判、批判、創造等各種能力（引自九年一貫課程與教 學網，http://teach.eje.edu.tw/9CC/fields/2003/natureScience-source.php 96/4/20）。科學 知識的學習最終的結果是要學生建構正確的科學概念，而概念的學習是一種概念改 變的過程。但是概念改變是困難的，因為學生在概念學習的過程中，會結合日常生 活的經驗和原先學習的經驗，來學習和創造出新概念，所以在教師正式教學之前， 學生已自行形成一些概念來解釋教師所講授的內容(Helm,1980)。這樣的困難當然是 科學教學中學生的主要學習困難之一，也是自然與生活科技領域教師（以下簡稱科 學教師）應該特別注意與了解的。
緣於上述理由，研究者覺得做為一個現代的教師應該能自我反省精進，充實學 科教學知識，教學上要能關心每個小朋友，尤其要能察覺學生的學習困難，給予即 時的協助，這樣才能提升教學品質，帶好每位學生，達到教育的理想。研究者本身 即是科學教師，自然關心科學教師在課堂上對學生學習困難的覺知態度與作法，也 曾經和學校兩位資深科學教師討論這方面的問題，他們均認同這是很重要的課題， 也肯定如果課堂上教師隨時保持高度的敏感性，注意觀察學生有無學習困難，對教 學是有幫助的，不過因為科學教學常有實驗操作，過程緊湊，教師可能不易注意及 此；但又表示一般察覺學生學習困難的方式除了藉「觀察學生表情或上課情形」、 「學生提問」、「師生問答」、「評量」等之外就是教師自己的教學經驗了。研究 者回顧自己過去的教學，在察覺學生學習困難方面，也跟兩位教師作法差不多，反 躬自省，難道沒有其他的方法嗎？例如教學前後可以怎樣加強呢？所以研究者認為 這是一個好的問題--如何發展出更多有效的覺知學習困難的策略，可以察覺學生在科 學課程上的學習困難，特別是科學概念改變的困難，然後提昇教學成效，並藉此促 進教師的專業成長。因此思考做一個比較系統性的研究，就選擇以察覺學生學習困 難為主題，發展適當策略，以自己真實的教學情境為研究場所進行行動研究，在研 究的歷程中藉由研究者不斷的自我省思及研究資料的回饋，以提昇發現學生學習困 難的專業能力。希望發展出科學教師對學生學習困難覺知的策略，提供科學教師建 議與參考。
第二節
第二節
第二節
第二節
研究目的與待答問題
研究目的與待答問題
研究目的與待答問題
研究目的與待答問題
壹 壹壹 壹、、、、研究目的研究目的研究目的研究目的 本研究旨在透過行動研究歷程， 藉由三年級自然與生活科技領域課程的三個單 元之教學活動探討科學教師在教學過程中覺知學生學習困難的策略，進而藉由察覺 學習困難提出因應策略以改善教學，促進學生的學習成效，並由教學反省獲致研究 者在教學上之專業成長。 貳 貳貳 貳、、、、待答問題待答問題待答問題待答問題 針對研究目的，產生下列研究問題： 一、科學教師以什麼策略去察覺學生的學習困難？ 二、科學教師如何藉由察覺學習困難採取適當教學策略促進學生的學習成效？ 三、透過行動研究的歷程，科學教師專業成長為何？第三節
第三節
第三節
第三節
研究範圍與限制
研究範圍與限制
研究範圍與限制
研究範圍與限制
為達成前述之研究目的，並基於人力、物力、時間以及學校因素之考量，本研 究擬定以下的研究範圍與限制： 壹 壹壹 壹、、、、研究範圍研究範圍研究範圍研究範圍 一、本研究依據的課程，係以教育部民國九十二年公布之「國民中小學九年一貫 課程綱要」編訂之國民小學自然與生活科技課程。 二、本研究中科學教師使用之教材為九十六學年度南一版本自然與生活科技第一 冊（三上）課本，其中第一單元「校園植物」為試探性研究階段觀察導師兼任之科學教師的教學，其餘三個單元依序為「力的作用」、「空氣」與「日 新月異的交通工具」則是正式行動研究的教學單元。 三、本研究為行動研究，且範圍只限於研究者任教的班級與一個學期的教材（但 第一單元為觀察三年級B班導師兼任之科學教師教學）。 貳 貳貳 貳、、、、研究限制研究限制研究限制研究限制 一、本研究的進行若能觀察其它教師教學並與自己的教學做個參照，可以蒐集更 多元的資料（包含教師與學生兩方面），對於研究結果的討論將更有助益。 所以試探性研究階段曾邀請Z教師參與研究，徵得同意，進入教室，觀察其教 學，但Z教師事務繁忙僅維持一個月就停止，因國人習性，長期配合研究的意 願不高，不易找到研究夥伴，所以正式研究階段，只有研究者自己進行行動 研究，雖有協同研究者的觀察，在資料蒐集與分析比對上仍有不足之處。 二、本研究為行動研究，目的在發展覺知學生學習困難策略，且學習困難以概念 學習困難為主，參與的學生班級應該以高年級學生比較好，因為高年級教材 內容有較多的科學概念呈現，學生訪談時候也較能言之有物，辭能達意，然 而限於研究者僅任教三年級一個班級，所以無從選擇，因此與研究理想或有 落差。 三、本研究參與的學生僅有三年級的一個班級34個學生，經由研究者的自省與學 童的回饋據以修正下次教學活動的設計與發展覺知學生學習困難策略，因此 本研究之結果不宜過度推論至其他班級或年級的學童。 四、一般學生上課中的學習困難可能有注意力不易集中或持久、教材內容難以理 解、過程操作不順、概念改變困難、不會推理批判或論證等，本研究的討論 則聚焦在概念學習困難上，不包含各種的學習困難類型的覺知策略研究，而
且教學活動只涉及三個單元（詳如研究範圍），因此研究結果之推論有侷限 性，也不宜推廣至自然與生活科技領域的所有教學，但本研究可當作一個相 關研究的起始參考點。
第四節
第四節
第四節
第四節
重要名詞釋義
重要名詞釋義
重要名詞釋義
重要名詞釋義
壹 壹壹 壹、、、、學習困難學習困難學習困難學習困難 本研究的學習困難（Learning difficulties）是指學生因較難理解某教材、教材單 元銜接不順、過程技能操作困難、概念改變不易、錯誤率較高、推理批判與表達困 難等而造成的學習困難，並非學習障礙、學習遲緩或特殊教育法所指的身心障礙所 造成的學習困難，研究者認為，除身心障礙、學習障礙及學習遲緩學生外一般學生 在課堂上也會出現學習困難，本研究關心的就是後者，特別是概念改變的困難。 貳 貳貳 貳、、、、覺知覺知覺知覺知 教師的覺知（Perception）就是教師對所處環境的物體或事件的知覺刺激反應、 察覺、記憶、理論和認知的心智活動；是一種進行中的覺察、認知和驅動的活動， 是一種整合外在世界刺激與內在經驗的一個歷程，亦即能夠使用客觀的角度來覺察 自我與週遭，同時又包含主觀的感受。本研究中是指教師在教學活動前、中、後能 保持高度的敏感性，運用策略察覺學生的學習困難，並以自己的專業加以判斷。 參 參參 參、、、、科學教學科學教學科學教學 科學教學 本研究的科學教學（Science-teaching）是指國小自然與生活科技領域教師依據 科學課程（南一版本自然與生活科技第一冊）設計活動，從事的教學。教學活動設 計是參考教師手冊的教學活動說明，並配合教學文獻探討或教學前訪談所得有關學 生學習困難的資料來編寫，此外，還會參照上一個教學活動所蒐集的相關資料分析反省後的回饋做修正。因此本研究的科學教學特別注意學生的學習困難，且聚焦在 概念改變的困難上，科學教師於教學前、中、後以相關策略努力察覺學生的學習困 難，並採取因應的教學策略，以提昇學生的學習成效。
第二章
第二章
第二章
第二章
文獻探討
文獻探討
文獻探討
文獻探討
第一節
第一節
第一節
第一節
學生學習困難與概念改變的相關理論
學生學習困難與概念改變的相關理論
學生學習困難與概念改變的相關理論
學生學習困難與概念改變的相關理論
Shulman（1986）提出學科教學知識（Pedagogical Content Knowledge, PCK）是 一種最適宜教導學科的知識，教師以最佳的方式呈現與表達學科內容使學生能理解 ，PCK也包含了解哪些內容學生會有學習困難，學生對學習主題的先前概念及該概 念學習有關的知識等。段曉林（1996a）更指出PCK的內涵除了學科知識、教學表徵 與策略知識、課程知識、評量知識及情境脈絡知識外，還有學生的學習知識：「教 師應了解特定單元中學生的先備知識和學習困難。」黃台珠（2006）強調教師應從 自己對各種教學知識的理解，透過思考轉化為在教室中施行的教學實務，在教學進 行中不斷蒐集各種資訊來評估教學效果，進而反省思考理念與實務間差距的意義， 形成自己新的教學知識，她的研究提到科學教師（國中生物教師）的專業成長，該 教師教學前會先分析學生先備概念，因為若先備概念與課本內容有差距或矛盾，易 產生迷思概念造成學習困難，正呼應Ausubel（1968）所說：「影響學習的最大因素 是學生已經知道的部份。」。以科學教育的歷程觀之，學生應主動建構周遭自然環 境的知識，將感官資訊與先備知識聯結，形成有意義的認知，教師則是學生概念改 變的機動因子，協助學生主動再建構出科學社群認同的概念（熊召弟等，1996）， 因此每次的科學教學其實是學習者概念的修正或再建構。而本研究學生的學習困難 雖然是指學生因較難理解某教材、教材單元銜接不順、過程技能操作困難、概念改 變不易、錯誤率較高、推理表達困難等而造成的學習困難，但科學學習最終的目的 之一是要擁有並能適當的運用於生活中的正確科學概念，故學習困難將聚焦在教師 教學時學生概念的改變的困難，這樣的概念改變包含概念的修正與重建。所以教師 應理解學科內容知識及教學知識，特別是課前分析學生先備概念，了解學生有哪些 迷思概念，應有何種概念改變的策略。
壹 壹 壹 壹、、、 概念的類型與、概念的類型與概念的類型與學習概念的類型與學習學習困難學習困難困難 困難 一、布魯納（引自鄭昭明，1993）是近代概念研究的先驅，他將概念分成三種型 態： 1. 交集概念（conjunctive concepts），也就是各概念屬性之間以交集（AND） 方式連結而成的概念。如「少女」是「年齡」加上「性別」共同界定。 2. 聯集概念（disjunctiveconcepts），也就是各概念屬性之間以聯集（OR）的 邏輯連結而成的概念。如宗教 3. 條件式概念（conditional concepts）。界定的屬性彼此之間存在著某種條件 的限制（關係的連結），例如：物體的密度是物體的質量除以體積的比值。 上述第一及第二種概念較容易學習，第三種關係型的概念學習較困難。 可見布魯納概念型態其實是以『不同屬性間的關係連結』作為概念的分類， 認為概念最主要的特性就是『關係的連結』。關係的複雜度就代表著概念學 習的難度。 二、而王美芬和賴阿福（1993）根據個人表徵方式將概念分為知覺概念、操作概 念及推理概念。知覺概念可藉直接經驗獲得，較為具體，而推理概念需經邏 輯推理獲得，較為抽象，這樣的分類具層次性，低年級學生多為知覺概念， 高年級學生多為推理概念。 三、概念的學習是一種概念改變的過程，概念的屬性及例子的抽象程度是概念學 習困難的指標。Herron（1970，引自史嘉章，2002）曾用『可覺知的程度』 來區別概念屬性的抽象程度。茲將Herron 概念類別以圖2-1-1表示，可覺知的 程度是 A > B> C。圖中桌子的概念例子（長桌、圓桌）及屬性（功能）都是 可以且容易察覺感受的；而如二氧化碳舉例言之，日常生活或空氣中都可碰 觸，但講到屬性就比較抽象，除非以實驗證明某些特殊現象否則不易察覺： 若是原子學說因難以直接觀察，僅能畫個圖或寫個式子想像運作情形，無論
例子或屬性都會有理解上的難度。 綜合上列所述，若概念是關係連結、推理的或較抽象的，則學習上比較 困難。 貳 貳 貳 貳、、、 迷思概念、迷思概念迷思概念 迷思概念 一、迷思概念 相對於為科學家或專家所普遍接受的科學的理論和模式，學習者個人也 有理論模式，但常是個人直覺的、正式學習前對自然現象的信念與解釋，這 種理論或模式是不完整的、片段的甚至與科學的理論和模式是互相矛盾的。 這樣矛盾想法就是學生的迷思概念(misconception)。換句話說學生雖然能記憶 許多科學名詞、內容知識和概念，但是，對於這些名詞、知識和概念等背後 的真正意義，卻未真正了解，測驗時照教學事實回答，離開教室仍然使用自 己在那些現實世界中解釋得通的理論（熊召弟等，1996）。所以迷思概念是 學生既存想法，這想法與科學家們所持有之科學概念是不同的。下列是部分 學者對迷思概念所作的闡述.： 屬性 例子 可覺知 不可覺知 不 可 覺 知 可 覺 知 A 桌子 椅子 B 二氧 化碳 C 原子 學說 圖 2-1-1 覺知程度之概念類別圖
(一) 林振霖（1993）、鍾聖校（1995）歸納整理指出：學生為了解和解釋自 然現象從生活經驗、學校學習、同儕文化與天賦觀念等中所產生的認知 ，這是一套有別於一般公認的「專家概念」的想法和概念，稱為迷思概 念。 (二) 學生概念學習的過程中，會結合日常生活的經驗和原先學習的經驗，來 學習和創造出新概念，所以在教師正式教學之前，學生已自行形成一些 概念來解釋教師所講授的內容。然而，經由學生所建構、衍生的概念， 有很大的比例常與教師、課本或學科專家所認定的意義不盡相同，這就 是迷思概念。(Helm,1980)。 (三) 王美芬(1991) 、鄭麗玉(2000)均指出，由於學者對知識形成的價值判斷 不同，強調的特性不同，在界定迷思概念時就使用不同名詞。如「先前 概念」、「兒童科學觀」、「錯誤概念」、「錯誤想法」「天真的解釋 」或「另有架構」、「另有概念」、「直覺概念」「不同概念」等不一 而足。一般而言，以「研究」為出發點的學者偏好沒有對錯價值的名詞 ，而以「教師、科學家」為出發點的研究，則偏好用「錯誤概念」一詞 。 (四) 蘇育任（1999）強調在概念學習的過程中，學生也會因不當的統整，而 產生迷思概念，當迷思概念產生後，往往根深蒂固，很難加以改變，因 而造成日後學習的困難。 簡單說，迷思概念意指模糊的、不完全的、錯誤的理解某事物所產生的 與科學家不一致的錯誤概念，而這樣的概念可能會造成學習困難，影響學習 者科學學習的成果。本研究尊重學童的的思考架構，以「另有架構」、「另 有概念」稱呼迷失概念。 二、迷思概念的起源
迷思概念的原因複雜且多變，學者看法雖不完全一樣，但也有相似之處 ，列舉如下：
(一) Osborne, Bell 和Gilbert（1983）提出了三點有關學生們為什麼會迷思概 念的原因： 1.學生傾向於以自我中心的觀點觀察事物。 2.學生傾向於對某一特定事件的部分解釋感興趣，而較不關心連貫的、合 理的解釋。 3.學生日常所使用的語言和專家們所使用的語言也有些微不同。 (二) 王美芬(1991)依據其研究認為學生何以有這些錯誤概念？其可能來源 可歸納為： 1.兒童自己的生活經驗和觀察。 2.親友師長的說法影響他們的判斷。 3.教科書中不當的描述或插圖。 4.教師缺乏學科知識，而造成錯誤的教導。 (三) Stepans（引自熊召弟等譯，1996）在「科學學習心理學」一書的第五章 中曾提及迷思概念其可能來源有： 教師對於學童的迷思概念缺乏察覺心及興趣、日常生活語言和隱喻、『只 有教就會馬上學會』的假設、『話語用字就可以代表是否理解』的假設、 教科書呈現了概念、過份強調講述法。 總結上述，迷思概念的來源，有兩大因素：學生個人因素與教師教學的 因素。一方面可能是學生受到不適當的觀察與推論或日常用語、經驗誤導而 產生自發性的另有想法；一方面也可能是教師教學方法或教科書在教學中或 周遭環境裡，因為錯誤訊息或是本身不適當的統整而引起的。甚至兒童某些
迷思概念也會隨著年齡的增長或經驗的累積而發展出不同的內容與架構，以 不同語言和經驗來解釋其所看到的外在世界（Driver, Guesne & Tiberghien, 1985）。故迷思概念形成的原因非常複雜而廣泛，教師必須針對教材深入了 解對應的迷思概念成因，才可以提供更有效的教學方式。 參 參 參 參、、、 概念改變的理論、概念改變的理論概念改變的理論 概念改變的理論 因為科學概念受到個人經驗的影響且概念本身是抽象的、複雜的、或是微觀 的，所以學習上會有困難的，又根據Pfundt 與Duit (1991)回顧近2000 篇的研究指 出，許多迷思概念都很難改變，因為學童或成人的科學概念是個人的(personal)、 固執的（persistent）、強韌的（robust）、一致的（consistent）、穩定的（stable ），這些特質阻礙學生科學學習過程中概念的轉變（e.g., Osborne& Freyberg, 1985; Osborne & Wittrock, 1983;Driver, Guesne & Tiberghien, 1985）。因此，概念改變似 乎很難發生。但是Chi（1992、1994）從本體論觀點出發探討概念的本質提出不同 的看法，以下就概念改變的理論與條件分別說明。（引自邱美虹，2000）
一、概念改變的條件
Posner, Strike, Hewson 和Gertzog (1982) 提出概念改變的模式CCM（ conceptual change model），指出出概念改變的四個條件為：
(一) 學習者必須對現有概念感到不滿意（dissatisfaction）:不論是學習者或是 科學家們只有在對於當前的概念感到不滿意或功能不夠時才會想做概 念的改變，因此，在調適（accommodation）發生之前，個體必須遭遇 到一些無法解釋的現象或異例（anomalies），而且，個體必須意識到此 時若只是同化(assimilation)是不夠的。 (二) 新的概念必須是可以理解的（intelligible）：新的概念通常不是反直覺 (counterintuition)，就是不可理解（incomprehensive)，所以很難形成概 念改變，因此新的概念必須是個體可理解的，個體才可能進行概念改變
。 (三) 新的概念必須是合理的（似真的）（plausible）：雖然新的概念未必一 定要為真，但它至少必須讓個體覺得具有成真的可能性。換言之，任何 的新概念要被接受，必須要此一概念能與個體所擁有的其他知識是一致 ，因此，要發生概念的改變時，必須了解新的概念必須是合理的。 (四) 新的概念必須是豐富的（fruitful）：新的概念必須是可以解釋更多現象 的，換句話說，新的概念必須能提供一個更有力的解釋方式，才能使學 習者接受，進而改變其概念，亦即它不僅有可能解決現有的問題，而且 也應該提供未來探索的途徑及作為產生思考的工具。
Strike 和Posner 將上述這種概念情境稱之為「概念生態」(conceptual ecology) 來說明概念之間複雜的關係：科學學習是同學、學習環境、教師… 間的互動而成，對於概念的調適具有決定性的影響，因此若欲使個體發生概 念的調適，則概念生態圈必須除了有異例的存在，教師亦需了解類比與隱喻 的使用，可以使學習者對新概念或想法更加了解，才能使概念重組以達概念 改變的目的。
上述條件中後三個--可理解的、合理的和豐富性，Hewson & Hewson（1992 ）稱之為「概念狀態（status）」，由Hewson & Hewson的觀點而言，科學教 學的目標是增加科學概念的狀態，而不是「消減」迷思概念，他們解釋概念 改變並非完全消除學生概念，因為學生的既有概念在日常生活大多數情境中 ，是有價值的；而且學童也不熟悉多數成人或科學家所擁有的概念，所以舊 概念不會完全消失，而是與新概念並存的。他們提出的概念改變模式指出： 首先符合某些條件以使學生進行概念改變； 第二，個人的概念生態提供了影 響概念改變之發生、賦予意義的情境。概念生態包括個人現有的概念和信念 （包括知識論及形上學的信念），及他們之間多重的相關性。
二、從本體論看概念改變
Chi（1992，1994）從知識本體論（ontology）的觀點將實體（entities） 分為三個類別：物質（matter）、過程（process 或事件， event）和心智狀態 （mental states）（參見圖2-1-2）（Chi, 1992; Chi, Slotta, & de Leeuw, 1994） 。所謂「物質」指的是含有特定屬性的「東西」，如月亮、生物、固體等； 所謂「過程」，指的是事件的發生，可能有序列性、有因果關係、也可能只 是機率問題，但它反映出自己特定的屬性；所謂「心智狀態」，則指情意的 部份，如情緒或傾向。（引自邱美虹，2000）。 樹狀圖中的每一類別都有其階層關係存在，每個概念下又有次概念，例 圖 2-1-2：本體樹的組織架構(Chi, 1992; 1994 修正;引自邱美虹, 1998)
如物質可再分為自然的與人工的，而自然下面又分成「活的」與「非活的」 等等。邱美虹（2000）指出分類在本體上的不同是基於下階的概念是否來自 相同的親代類別，每個樹狀圖內的類別在本質上與另一樹狀圖是不相同的， 因為它們有著不同的本體屬性。簡言之，是否來自本體樹的同一個枝幹，如 植物和動物就是來自生物（活的）上層概念，然而，動物和固體在本質上就 不相同，因為上層概念一個是「活的」，另一個則是「非活的」，但是若再 上尋一層則同樣歸屬「自然種類」，以此觀之，兩者都在同一本體樹內，概 念的改變不難。再看樹狀圖，物質、過程、心智狀態在本質上是相互獨立的 ，就像是三棵不同的「樹」，因此三者之間的轉換就屬於根本的概念改變， 以下就Chi類別內和類別間的概念改變加以說明。 (一) 類別內的概念改變： 指概念的改變只在同一本體樹的概念分支間發生，並未跨越不同的本體 樹，這是同一類別內的概念歸屬改變，可看成一般信念的修正(belief revision)。舉例來說：鯨魚常被誤認為是魚，但經由增加對鯨魚的瞭解 ，使既有的知識表徵逐漸與哺乳類的特性連結，則鯨魚的分類就不再屬 於魚類而是哺乳類。這種類別的改變基本上仍在物質領域中（within a domain），只不過是從一個魚類分枝（branch）到哺乳類的分枝。Carey (1985) 的研究指出兒童對人和動物的概念會隨年齡的增加而有較為完 整的認識，這樣的知識獲得過程能夠說明上例（鯨魚→哺乳類）概念重 組的形式，使用增加（addition）、刪除（deletion）、普遍化（generalization ）和區分（discrimination）屬性的方式來改變概念結構，這些僅屬於局 部的變化--概念在分枝架構中調整上下位置，不需進行本體認知結構上 的重大改變。因此，Carey 稱這些屬於校正部份與整體的關係者為弱重 建(weak estructuring)。
(二) 類別間的概念改變： 科學概念從一本體樹遷徙到另一個本體樹，這種類別間的轉移稱為根本 的概念改變。以物理為例，許多物理學上的概念（如力、電學、熱、和 溫度）較難產生概念改變，便是因為學生原有的概念是屬於「物質」類 別，但科學家對這些概念的界定卻是屬於「過程」的類別，因此學習者 必須跨越本體類別才能獲得正確的科學知識，這種過程在學習上是較為 困難的。如初學的學童對電大都持有「電流會儲存在電池中，會用完的 」的概念（Shipstone, 1985），這是把電歸類為「物質」類別，而忽略 這些概念事實上牽涉到粒子的交互作用與能量的轉換，它們應屬於「過 程」的本體類別。因此，Chi（1992）提出不相容理論(Incompatibility) 的觀點，她指出學生無法瞭解科學概念並非因為這些概念是複雜的、抽 象的、或是動態的，而是學生原有的素樸想法屬於「事件」，而「事件 」基模與待學的基模彼此具有不相容性。正因為這種不相容性，因此個 體要放棄原有的觀點或進行同化，是一項相當困難的工作。 三、兒童概念的改變 Vosniadou(1994)認為迷思概念是自發性建構的，是從一些確立的預設產 生的，通常是在測試的情境下（嘗試解釋生活經驗等）產生的，不是學生深 層所持有的特定理論。因此，他認為信念是受制於一組本體的和認識論的預 設，這些預設對基本相似的經驗信念提供一個完全不同的解釋架構。因此兒 童的信念不是片段的組合，而是形成一個一致性的結構（coherent structure） ，這是兒童擁有的穩定科學或非科學的框架理論（Framework Theory）（ Venville, 2004），同時，兒童並未知覺到其框架理論狀態限制了他解釋新資 訊的方式。所以學生的迷思概念是與基本的本體論和認識論的預設相連結， 而這些預設不斷在日常經驗中被確認，以致很難改變。所以學生可以改變他
們局部的、情境的心智模式，從一個迷思概念到另一個迷思概念，或是呈現 內在不一致性。所以Vosniadou 認為這是預設難以改變而不是迷思概念本身 。而對於概念改變的過程，Vosniadou (1991)將兒童的心智模式分為三種： (一) 現象模式(phenomenal model) ：一種直觀、經驗的信念，如兒童深信太 陽是繞著地球運行的。 (二) 同化模式(assimilatory model) ：一方面既保有自己的直觀看法，一方面 又認知到科學觀點的重要性。如一方面知道地球是球體的，但另一方面 受到信念及觀察的結果，無法放棄實際的觀察結果，即地球是平的。因 此，他們天真地發展出兩種概念和諧共存的模型，我們所生活的地球是 平的在下半球，而上半球不是固體，是由「空氣和天空」組成，從這個 觀點來看，我們是生活在地球裡面的而不是地球上面。（Nussbaum, J. ） 。 (三) 科學模式(scientific model)：這是科學家所建立的科學模式，也是我們希 望學童了解的模式。 Vosniadou（1992） 認為概念改變是一種由現象模式經同化模式到科學 模式的漸進過程。這與Venville（ 2004）的研究類似--「新的且修正的信念整 合到學生現存的框架理論中」，Venville 將兒童對生物概念的改變分成持有 「穩定的非科學的框架理論」、「過渡的（轉變的）框架理論」及「穩定的 科學的框架理論」三種，而概念改變過程有的兒童於教學後仍停留在「穩定 的非科學的框架理論」階段，有的已經進入「過渡的框架理論」時期，同時 擁有科學與非科學的框架理論，有的近乎完全擁有「穩定的科學的框架理論 」，但仍會有部份不當的使用科學準則（以移動判斷車子是生物），甚至當 教學後擁有的準則不敷使用時，還會又取出原先框架理論中的一些非科學準 則做判準。這樣的概念改變模式符合Thagard（1992）提出的兒童心智發展可
能出現兩種基模（schema）之一「收藏於衣櫃中模型（back-of-the-closet model ）」：兒童僅僅只是獲得生物學與物理學知識，他們並沒有因學習新的理論 而將先前已存在的萬物有靈論信念放棄。舊的生物學與物理學知識理論在初 學時並未明顯或強烈地被取代。換言之，兒童的心智發展是獲得新的知識而 舊的信念仍在日常生活(非特定領域情境)中使用。 肆 肆 肆 肆、、、 概念改變的教學策略、概念改變的教學策略概念改變的教學策略 概念改變的教學策略 教師必須知道學生有哪些迷思概念，才能在教學過程中使用適當策略引導學 生改變錯誤的想法。前者就是的迷思概念的診斷，後者是概念改變的教學策略， 兩者都是本研究中欲經由觀察科學教師教室上課情形而了解的重點。 一、迷思概念的診斷 傳統上用來評量學生的成就測驗，通常只評量學生的知識是否和課本所 教的相符，很難進一步探討學生真正的想法。所以，研究者會根據研究目的 、研究主題和研究對象，選用不同的的研究方法。茲將張惠博(1999)整理歸納 國外有關迷思概念的研究方法及國內學者黃湘武、黃寶鈿（1985）提出的示 範實驗式群測方法(group demonstration test)，列舉如下
(一) 診斷式的傳統測驗題：用於大量的施測，可以很快知道大部分學生的困 難，但無法對某些個案深入理解。 (二) 概念圖法：展現概念關係之測量方法。 (三) 晤談法：對個案學童進行事例或事件晤談。 (四) 關係圖法：如單字聯想、樹狀圖、圖形建構、網狀圖、語意分析等。 (五) Vee圖：利用集合關係圖來表示可用來探索學童的理解。 (六) 二階段式測驗(Two-tier Test)：第一階段以選擇題來診斷兒童對科學概念 的理解，第二階段再以問題來根據學童之說明探索學童概念的真正想法 。
(七) 示範實驗式群測方法：主試者先示範相關實驗內容，受測者再對問卷題 目一一作答，同時受試者亦可以參與實驗操作，讓受試者能觀察到現象 之發生情況。 以上方法如果是研究者對研究主題作深入的研究，則取樣人數常不多又 費時，同時主試者必須具備相當程度的測驗技巧；如果取樣人數較多，但語 文能力會影響學生對題意的理解，而且無法根據學生的答案作進一步的研究 ；所以不一定都適合教師在教室中的教學，但如果加以簡化，適當的運用如 概念圖法的教學、二階段式的問答、實驗操作套用示範實驗式群測方法等， 教師或許可以快速診斷出學生的迷思概念；另外教學前對教材文獻的探討與 教學中的觀察及習作的作答等亦可事先知悉學生可能的困難。 二、概念改變的教學策略 邱美虹（2000）歸納整理國內外概念改變的相關理論，提出下列數項教 學策略，做為改進教學、促進概念改變知參考： (一) 概念衝突的教學 以下文獻為透過引起學生先前概念製造概念衝突的情境，以達概念改變 的目的： 1. Driver (1988)所提出之建構主義的教學模式（參見圖2-1-3）這個階段有 某種程度的危險，例如，學生可能無法察覺到就概念和新概念之間的差 異，尤其是年紀小的學生，常會寧願知道正確答案而不願思考其舊概念 的恰當性或問題。
2. POE，預測→ 觀察→ 解釋(Prediction-Observation- Explanation, White& Gunstone, 1992)的活動，此活動主要是要求受試者根據自己原有的科學 知識對一科學現象進行預測，然後觀察實驗的進行，再對所觀察的實驗 結果提出適當的解釋，這個活動主要是在激發受試者面對個人既有知識
架構與科學活動結果出現不一致時，重新調適與組織，以形成新的知識 體系達概念改變的目的。
3. Liem (1987) 主張設計差異性事件(discrepant event)，以與預期不同的實 驗來進行教學的活動，創造一個認知衝突的情境，引發學習者修正或重 建概念。
4. Chinn & Brewer (1993) 提出以異例方式，引起學生先前的知識，再以概 念衝突的產生，來改變其認知結構或心智模式(mental model)。
上述這些策略在使用時，教師必須對概念的本質以及學生教學前所持 有的先前概念有所了解，才得以設計適切的教學活動與內容，以促進有意
是要能讓學生「認為」是一種衝突，而不是由老師的觀點決定是否產生認 知衝突。 (二) 類比教學策略 用此策略必須考慮到概念的本質是否適合類比，那類比才能成功達到科 學學習的目的。 1. 介紹目標概念 2. 引導回憶類比概念 3. 確認目標物與類比物的重要屬性 4. 對應相似性 5. 說明類比不適用處 6. 提出結論。 這個教學模式非常具體，教師在使用類比時，應在教學前對類比物與目 標物之間的屬性與關係對應加以規劃與分析，教學中才能指出類比對應 處，另外教學時說明類比之限制是很重要的，否則可能又衍生新的迷思概 念。Thiele ＆ Treagust（1991）認為類比在教學上的限制有下列三點：
1. 屬性的不正確遷移（incorrect transfer of attribute）：當類比的對應關係 不是很明確時，將可能造成學生在概念上的混淆。 2. 對於類比物的不熟悉：老師或教科書的編輯者認為符合類比的情境卻不 一定可以得到學生的認同。 3. 認知發展階段的影響：當學生的認知發展階段還未達到形式操作期時， 他們比較不容易做抽象性的思考。 (三) 科學史的認知分析教學 歷史的過程提供學習活動一個模式，它可以幫助學生對科學理論建構出 有意義的表徵，因此教學上可透過對科學家的認知分析促進學習的發生。
但對科學發現的過程必須以認知的角度加以分析，才有助於學生學習科學 家的思維方式、瞭解科學概念的演進、進而建構推理的過程。
(四) 動態評量的運用
動態評量的特質在於了解學習的歷程及認知的改變。Magnusson, Templin, & Boyle（1997）認為動態評量是探究概念改變最適當的方法，因 為動態評量可用來評量知識的建構過程，瞭解學生如何利用既有的知識去 建構新的概念，以及如何經由複雜的問題解決和現象互動而產生新的知 識。他們指出兩個可以達到成功評量的重要變數：（1）提供引導量的多寡 （2）在適當的時機，以適當的方式提供應協助的技能與知識。教師在科學 的活動中，可以透過動態評量的方式，提供學生處理一連串相關的現象， 以便瞭解同一概念在相關情境中被使用的情形。同時，在這過程中可以讓 學生在觀察中專注於重要事件的解釋，以及檢驗解釋的效度與解釋力，這 些都有助於教師對學生科學學習的瞭解。 (五) 類別間的概念改變教學： Chi（1992）指出要進行所謂類別間的概念改變有三個步驟： 1. 學生必須了解或直接被告知有些物理概念屬於不同的本體類別，若讓他 們自己去發現，那就如同是科學家發現的過程，對學生而言是非常困難 的。所以學生必須要學習概念的本體樹中「過程」的性質和行為，尤其 是屬於CBI （條件為主的交互作用）的事件。 2. 學生必須以一種漸進的和投入的態度經由一般知識獲得的過程（如區 別、通則化等）來學習這些物理概念。 3. 學生必須重新指定（re-assign），或「確認」（identify）這些屬於過程 類別的實體(entity)。而這個重新指定的步驟必須要能： a.主動放棄原有概念的意義而以新的意義去取代。
b.允許同一概念同時擁有兩個意義，而這兩個意義可在不同情境中被觸 接（access, 如信仰上帝，同時也是科學家）。 c.經由一致性的過程和強化新意義而自動取代。 唯有對概念的本體意義有所認知後，才可能進行根本的概念改變。因此 本策略在教學上，教師應將概念的本體特質對學生加以明釋。 值得注意的是要有效使用上述各種教學策略其先決的條件應是教師本 身要能有所知覺其個人的認知，在進行概念改變教學前或許教師也應先進 行自我的概念改變工作。 三、診斷學生非科學的理論框架之教學策略 Venville（2004）的研究指出概念改變的教學策略雖然聚焦在豐富的知 識、信念的修正、看得見學生非科學信念的討論，但不足以挑戰學童非科學 框架理論。因此教學應該聚焦在診斷學生的非科學和科學的理論框架。學生 在課堂上應該有機會詳細說明他們的框架理論，而非僅是簡單陳述他們對有 關特殊事件的信念。一旦教學前的框架理論已經確認，教師採取策略---鼓勵 學生開始思考有關概念的相似點及其他可以幫助理解科學框架理論的事實和 資訊，將增強概念改變的可能性。因此若只是呈現豐富的知識或是部份的修 正概念和同儕討論的社會影響，都不足以更動整個 Vosniadou(1994)所謂個體 的本體論和認識論的預設，還必須診斷出學童的迷思概念，讓學童有機會闡 述他的想法，才能使這樣的迷思暴露在討論中，和科學的概念真正衝突、對 照，再使用適當的教學策略，引導其認真思考，重新調適與組織，以形成新 的知識體系達概念改變的目的。
第二節
第二節
第二節
第二節
教材相關之教學文獻探討
教材相關之教學文獻探討
教材相關之教學文獻探討
教材相關之教學文獻探討
本研究中科學教師使用之教材為南一版本自然與生活科技第一冊（三上）第二 單元「力的作用」、第三單元「空氣」與第四單元「日新月異的交通工具」。因此 本節將針對這些單元的教材內容、學者對本教材學童學習時的概念之相關研究文獻 ，及教師手冊有無提供該單元學生的學習困難或另有概念等內容，進行探討，以對 研究者進入教室現場觀察時或訪談時，有所依據。 壹 壹 壹 壹、、、 「、「「力的作用「力的作用力的作用力的作用」」」」 一、「力的作用」教材內容 經由南一版本自然與生活科技第一冊課本及教師手冊歸納第二單元「力的作 用」之教學內容如表2-2-1。「力的作用」的科學概念與學習環設計架構如表 2-2-2。 表2-2-1 「力的作用」之教學內容 單元目標 1. 由生活經驗察覺物體受力的變化。 2. 由學習活動指出如何分辨力的大小和方向。 3. 學習磁鐵有磁力，磁力也有大小和方向。 教學時間 13 節共 520 分鐘 活動 1 物體受力時發生的變化 1-1.力使物體變形：說明物體受力之後，會發生形狀變化。 1-2.力使物體的運動狀況發生變化：說明物體受力之後，會發生 運動狀況或位置的改變 教學重點 活動 2 力的大小和方向 2-1.判斷力的大小和方向：由拔河比賽的實例說明雙方用力的大 小和方向；觀察各種物品受力的大小和方向 2-2.力的遊戲：利用丟圈圈及投球入籃了解力的大小和方向是可 以控制的，並學習紀錄。續表 2-2-1 「力的作用」之教學內容 活動 3 磁力的探討 3-1.生活中的磁鐵：生活中哪些地方用到磁鐵，找找看。 教學重點 3-2.磁力也有方向嗎：藉由磁鐵互相吸引或排斥，知道磁力也有 方向；磁鐵會吸在鐵製品上或吸起鐵製品。 3-3.磁力也有大小嗎：透過不同的磁鐵可以吸起不同數量的迴紋 針，知道磁力有大小；隔著墊板磁鐵仍可吸引墊板上的鐵製 玩偶。 先備知識 低年級學習過「風、水及手的推力可以使物體動起來。」 未來銜接 三上的交通工具動力、四下水的流動（虹吸現象、連通管原理和 毛細作用）、六上的電磁鐵及六下槓桿、滑輪、齒輪等 表 2-2-2「力的作用」單元之科學概念與學習環設計架構 科學概念 1. 施力可以使物體的形狀改變，例如扭曲、拉長、壓縮等現象。 2. 施力可以使物體產生運動狀況改變，例如快慢的改變、方向的 改變、轉動變化、靜止或運動等改變。 3. 因為施力大小及方向的不同，產生的效應也不同。 學習環設 計架構 「觀察情境→發現問題→推論→設計驗證」或 「觀察情境→發現問題→推論→解釋→設計驗證與解釋」 觀察情境 投球入籃的比賽。 發現問題 投球入籃的比賽中，球要如何投進籃框？ 推論 球要向著籃框投過去，力量要剛好，力量太多或太小 都不能順利將球透入籃框中。 解釋 找出生活實例中，其他需控制用力大小及方向的實例。 學習環例 子 設計驗證 與解釋 以投球入籃的遊戲驗證歷有方向與大小的分別。
二、「力的作用」相關概念文獻探討 國內外學者對於力的迷思概念或另有概念的研究文獻已經相當多（國外 33篇、國內27篇），相關的內容包括力的基本概念、特性（一般性質、摩擦 力、重力）、牛頓三大運動定律、非慣性座標系統等（引自蔡昆諭，2005） 。因為本研究教學對象為國小三年級，教材內容也僅是力學較粗淺的部份， 因此相關文獻探討亦僅就力的概念發展歷史演進、另有概念的原因、力的概 念的形式、力的迷思概念及運動快慢等整理如表2-2-3。 表2-2-3 力的概念相關文獻整理 1. 西元前 5000 前，浙江餘姚河姆渡文化遺址：裝有木柄的生產工具— 槓桿運用。（引自楊明璋，2005） 2. 戰國時期墨子的《墨經》討論了槓桿、滑輪、斜面等簡單機械。（引 自楊明璋，2005）
3. 亞里斯多德（Aristotle ）將運動分為自然運動（natural motion） 與 強迫運動（forces motion），樹葉落下是自然運動，外力（推力、 拉力）傳到物體使物體運動是強迫運動。兒童也認為球上升是強迫 運動球下降是自然運動（陳美月，2002）。 力 的 概 念 發 展 歷 史 演 進
4. 西元十四世紀 Buridan 提出衝量理論（impetus theory），指當一個 人使物體運動時，他就將一個衝量輸入該物體內，成為物體內部具 有的一種內力，這個衝量會使的物體沿著原先的方向繼續運動， 以 維持運動狀態。衝量理論認為衝量會自發性的或受到外界空氣影響， 慢慢的消耗，而當力用盡時，物體便會停止下來。因此衝量的概念 便成為分析拋射物體運動的重要依據。（引自楊明璋，2005） 5. 西元十七世紀的伽利略提出物體在無外力干擾下，運動中的物體將 持續的作直線運動，而不需任何推力或拉力的原理，也就是所謂的 慣性原理。（引自楊明璋，2005） 6. 牛頓提出三大定律說明力與運動狀態改變的關係。（引自楊明璋， 2005）
續表 2-2-3 力的概念相關文獻整理 另 有 概 念 的 原 因
Osborne ＆ Gilbert（1980）及Osborne,Schcllum ＆Hill（1981）探討兒 童關於世界中力的觀點，提及兒童擁有多樣的非科學觀點，例如： 1. 兒童會以人類為中心或自我中心的觀點來看待事物；以萬物有靈論 的觀點賦予物體感覺、意識或一個目的。 2. 以物理性質不存在的觀點認為物體性質除非很明顯被觀察到，否則 是不存在的。 3. 將物理性質具體化賦予物體特定的物理性質，而當物理性質用盡 時，則物體會停止。 4. 矛盾的知識，如：認為衛星上因為沒有空氣所以沒有地心引力，但 卻說月球上有萬有引力，彼此矛盾。 5. 兒童可能擁有表面的知識（Superficial knowledge），兒童可以流利 的運用科學的定義和字語，但卻不了解其真正的本質，如：認為摩 擦力並不是一種力等。 6. 彭泰源（1999）指出兒童以直覺日常生活經驗來判斷力的性質。 力 的 概 念 的 形 式 （ 兒 童 想 像 中 ） 國外學者 Watts（1983）利用事例晤談的方式， 探究兒童對於「力」 所具有的概念架構， 結果發現有八種不同的形式： 1. 意欲力（Affectiveforces）：指物體有動作產生的傾向或是嘗試要有 動作，舉例來說，一台腳踏車沒在踩會想要慢下來。這種意欲力普 遍存在於兒童之中，不管兒童是初學者或是高年級的兒童都一樣。 這種力的架構可說是為了抵抗某些阻力所完成的動作。 2. 形貌力（Configurationforces）：指物體被限制在某一位置上時便具 有力。這類型的力會在物體之間作聯結，使的物體之間能保持穩定 的狀態。如兒童會認為需要一個力讓物體保持在空間中。 3. 隸屬力（Designatedforces）：兒童似乎會決定某些物體天生擁有力， 某些沒有。而力是在物體內部的，屬於內在的。如兒童認為當人去 打擊高爾夫球的時候，力是從人來的，因為他打擊了這顆球。因此 力隸屬於那些將要導致事件發生的物體。 4. 遭遇力（Encounterforces）：遭遇力是指有很多力在一起時，可以 互相結合以改變物體的運動。
續表 2-2-3 力的概念相關文獻整理 5. 衝擊力（Impactforces）：這種力的模式與物理上衝量的概念相似。 因此衝擊力可說是運動的物體在與其他物體衝撞時所表現的力。 6. 運動力（Motiveforces）：力是形成運動的原因或保持物體的運動。 亦即，若有物體在動，則有一個力作用在此物體的運動方向。 7. 運作力（Operativeforces）：運作力的概念與物理學家所稱的能量概 念相似，兒童描述力的形式，力是一個動作，力的量與發生的活動 量成正比。 8. 堅固力（Substantialforces）：兒童很難想像超距力的存在，並且他 們認為力需要中間的傳導物質來作用。 力 的 概 念 的 形 式 （ 兒 童 想 像 中 ） 國內學者全中平（1996）在調查國小五年級兒童對學習力與運動的概 念時，將兒童對於力的概念區分成「接觸力」和「超距力」，或「推 拉力」，最後則是「力圖」的力的大小及方向。 力 的 迷 思 概 念
國外學者Champagne , Klopfer and Gunstone（1982），Gilbert and Watts （1983）McDermott（1984）、Driver , Guesne and Tiberghien（1998） 等的研究（引自陳美月，2002），顯示兒童在力與運動上的另有架構 有以下幾點： 1. 兒童對於運動仍存有「物體運動要靠力的推動」，力大則速度大， 固定力則維持等速，運動與力成正比的概念。 2. 如果物體不運動就表示沒有力作用在物體上。 3. 物體會持續原來的運動方式，直到使它運動的力「用盡」為止。 4. 力和動量（momentum）並非不同的概念。 5. 只有生命的東西才能施力。 國內學者楊其安（1989）、董正玲（1991）及陳勇全（1999）等的研 究指出兒童力的迷思概念有： 6. 認為具有活力的物體（如人、汽車）才能產生力量，而忽略了一些 被動力，如摩擦力、地心引力。 7. 三至七年級的學生大部分沒有力使物體加速的概念，直到八年級才 有這方面的概念。 8. 有些學生認為「運動需要（動）力」，而且「力（量）越大，跑的 越快」，有人認為雖然沒有外力作用，但仍有「衝力」或「慣性作
續表 2-2-3 力的概念相關文獻整理 力 的 迷 思 概 念 9. 學生會以地面當絕對參考座標系，並以自己當參考點，以位置來判 斷運動狀態及受力的情形。 10. 認為重量和地心引力不是同一種力。 11. 認為有力才會有運動，力的大小跟速度成正比等。（陳美月，2002） 運 動 快 慢 （ 速 度 ） 概 念 的 迷 思 1. 兒童很難能以距離和時間正確的來判斷車子運動的快慢Cross & Mehegan（ 1988）。 2. 學生認為兩個物體處在相同的位置就有相同的平均速度， 並且學 生似乎相信當兩個物體平行移動， 此時一個物體追上另一個物體 時他們一定會有相同的速度Trowbridge and McDermott （1980）。 3. 兒童不論年齡大小， 很難將方向與速度的概念相結合， 兒童會以 「快慢」來描述速度， 並且對於「加速度」的認知程度會比「速 度」高。（蔡枚芳，1999）
4. Goldberg and Anderson（ 1989） 的研究指出學生們雖然知道速度 有方向，但大部分的高中學生會將「速度」認為是「速率」，不會 關心方向和物體的速度有什麼關係。
5. Cross & Mehegan（ 1988）針對4- 9 歲的兒童研究速度的概念， 發 現兒童的另有概念如下：（陳美月對國小中年級學童的研究結果相 似，2002） a.一輛快車和一輛慢車同時出發， 經過相同的距離就會同時抵達。 b.兩輛車同時出發，車速一樣時， 雖然經過不同的距離， 抵達的 時間也會一樣。 c.兩輛不同速度的車可以在相同的時間跑相同的距離。 d.兩輛車在相同時間出發， 經過相同的距離不會在相同的時間抵 達。 磁鐵與磁力的部份國內外相關研究有：Barrow（1990）研究指出兒童普 遍存有5種磁力的迷思概念、林明軫（1994）研究國小四、五、六年級學童「 磁」的迷思概念情況，發現12種迷思概念、鄭如琳（1999）指出四年級學童 在「磁」方面的概念有13種迷思概念、林鼎富（2002）研究三、六年級學生 共有20 項的靜磁迷思概念並歸納為三部份10種迷思類型、彭懋琳（2003）的
研究顯示國小六年級學生就磁鐵磁極等關係有常見的5種迷思。今以林鼎富（ 2002）的分析模式將上述研文獻歸納如表2-2-4。 表2-2-4 學童「磁」的迷思概念 直觀模式 直覺地以磁鐵外形判斷磁力的強弱。 等同模式 認為被磁鐵吸引的物質，亦具有如磁鐵般的磁性。 鐵或鐵做的東西本身就有磁力，可以和磁鐵互相吸 引。 金屬物品像「鐵」，就會被磁鐵吸引（例如：鋁窗、 純金項鍊、銅線…等）。 認為鐵具有N 和S 極才能被磁鐵吸住。 鐵釘本身也有磁力，所以磁鐵可以一個接一個將鐵釘 吸起來。 迴紋針或鐵的東西會吸收磁鐵的磁力。 迴紋針和鐵彼此會互傳磁力。 磁 鐵 本 質 整體模式 認為磁鐵若破裂了，因失去完整性使得磁力消失。 磁鐵摔斷磁力會消失或發散掉。 大區段模式 磁鐵的磁力每個部位都一樣。 二區段模式 將磁極在兩端的長條形磁鐵，從中區分為兩段一段為 北極，另一段為南極。 磁鐵兩端是一端強，一端弱。 磁極名稱有N和S極，也有陰極和陽極，正極及負極， 鐵裡面還存有陰陽兩種鐵分子。 鐵的磁力在左右兩端比較強，所以條形磁鐵打斷時 N-S和N-S兩塊，還會恢復成原來的樣子。 磁極是在磁鐵的對稱的兩面或面積比較大的面。 認為長條形磁鐵的磁極在上下兩面；圓餅形磁鐵的磁 極在側面周圍。 三區段模式 將磁極在兩端的長條形磁鐵分為三段，左右兩段是磁 極的部分，一段為北極，另一段為南極，另一段則為 中間部位。 磁 極 的 部 分 粒子模式 把「磁性」想像成粒子，N、S 極是粒子的聚集處。
續表 2-2-4 學童「磁」的迷思概念 磁力本質 學童對於磁力的作用，吸引的概念比排斥的概念多。 認為磁鐵相反的磁性才會吸，相同的磁性沒反應。 磁力的來源是地磁或地心引力而來。地磁包含在地心 引力中，前者吸鐵，後者也吸絕緣體。 鐵粉隔著紙被磁鐵吸引的圖形，是顯示「鐵粉被地心 引力吸力吸引」。 地心引力使指南針指出南北方向。 磁棒豎立，上端的磁力會消失，下端的磁力受地心引 力作用會拉直或變大，原因是下面磁粉吸多。 鐵粉就是磁粉，有磁粉就有磁力，沒有磁粉就沒有磁 力，所以鐵釘摩擦磁鐵會帶有磁力是磁粉帶在鐵釘 上。 要摩擦才有磁力，摩擦愈久磁力愈大。 摩擦後，縫衣針會有磁力，是因為它原本就有磁力。 摩擦使縫衣針吸走磁鐵的磁力而變得有磁力。 摩擦會使磁鐵的力減弱，甚至消失，因為摩擦使磁鐵 掉下磁粉而失去磁力，因為摩擦生熱，使得磁鐵失去 磁力。 阻隔模式 阻隔物會阻隔磁力。 紙或水會阻擋磁力的進行，造成磁力減弱甚至消失， 阻擋的原因是：水有水壓會抵抗磁力，就像鐵的輪船 不會被吸入海底一樣。 水、布和玻璃會阻磁力，使磁鐵無法隔者水、布和玻 璃吸引鐵釘。 傳導模式 磁力經由介質傳導。 因為水會傳磁力，可以把磁力盪過去，使得磁鐵隔著 水吸引鐵粉。 磁 場 超 距 力 的 部 分 阻隔物特性模 式 阻隔物本身的特性會影響磁力。 因為布有空隙，磁力可以穿透過去，使得磁鐵可以隔 著布吸引鐵釘。
三、小結 本研究教學單元有關的力的科學概念是「施力可以使物體的形狀改變」 、「施力可以使物體產生運動狀況改變」、「因為施力大小及方向的不同， 產生的效應也不同」（參見表2-2-2）。 施力可以使物體形變的部份，可能因為兒童容易觀察，國中小的教學中 也未曾仔細計算或測量形變的具體作用，故文獻並未討論。 同樣施力使物體運動狀態改變，也容易觀察到，但因為是動態，物體可 能仍然靜止或是運動快慢不一，還包括方向的因素，加上兒童對力的本質， 不是很了解，以為是物質的、有生命的東西才能施力、會耗盡的、運動力的 …，所以兒童以其先前概念去解讀時，就容易出現非科學的認知，這是教師 教學時，不易發現的，因為教學者可以輕易知道學生已經觀察到物體運動狀 態的改變，卻不易知道學生如何看待與解讀運動狀態的改變。從本體論而言 ，力不是「物質」的，應是「過程」的，力的作用更是「條件為主的交互作 用事件」，所以學生學習時，可以見到表象，卻可能不了解其中的關聯，自 行解釋，造成日後加深學習時的困擾，這是教學者應注意的，也是研究者觀 察教室教師教學時，除了注意學生的操作有無困難外，更要關心之處。 至於「施力大小及方向的不同，產生的效應也不同」，學生操作時很容 易，但是也會因為實驗太單純而造成另有概念，例如每次都對靜止的球施力 ，會誤會施力的方向就一定是物體運動的方向，那應該多操作幾種狀況來觀 察，包括對運動中的物體施以同向、反向或垂直方向的力（陳美月，2002） ：又如「用」的力量大，球滾得遠（距離），某瞬時速率可能也較快，但不 能以為距離遠就是速度或速率快，基本上速率是距離與時間的關係，速度則 要再考慮方向，這個不是本單元要教的，教學者應避免在「施力大小及方向 的不同，產生效應也不同」外，隨意添加學生不懂的「科學用語」，衍生學
