探究八年級學生對電化學的概念改變歷程

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所教學碩士班碩士論文. 指導教授：邱美虹博士. 探究八年級學生對電化學的概念改變歷程. 研究生：陳建良. 中華民國九十八年六月. 1.

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(3) 致謝這篇論文能過順利完成，首先要感謝我的指導老師－邱美虹教授。在老師身邊這兩年的學習，感受老師對於為學的態度及待人處事的原則，讓我受益不少，尤其是在討論問題之時，總能掌握大方向，引導我們向最佳的解答前進，另外謝謝兩位口試老師－洪志明教授與周金城教授，在口試中指引我修改的方向。回想三年級，我還是一個不知天高地厚的自然領域教師，根本不知科學教育所為何事，教學方式亦無突破，特別是學生總是對自然科懷抱恐懼，先入為主的認為這是一門很難的學科。此時，在定期聚會中，吳宏達學長及陳淑華學姐指引我一條光明的道路：科學教育研究所，學長姐鼓勵我深入研究，必可解決在教學上的疑問。非常感謝他們的建議，讓我在教學中更重視學生對概念的吸收，並習得正確的研究方法。在教學研究中對我助益最多的，就是曉蘭學姐，有你的鼎力相助，讓我的研究加足馬力，雖然過程錯誤不斷，但妳總是耐心指導我，讓我的論文更加完整和充實，猶如海上的明燈，指引並帶領我正確的方向。有妳，真好。在研究所期間，要感謝許多志同道合的好朋友，同組的旺祥學長、宜雯、瓊梅及俊文，這三年來我們一同學習，一同在邱老師門下研究，願這份同甘共苦的精神長存於心中。峻豪、慶育，想不到在大學同窗也能同聚科教所鑽研學問，願今後都是最好的同學。以及芯聿、士文、沛萱、美芬、邦雄、淑宜、慧貞及俊義，和你們學習真的很快樂，在研究所的歡笑和努力，長留我心，亦願所有同學有一個美好的人生。科教所的老師們：譚所長克平，您的統計分析讓我的資料處理受益良多，李田英、任宗浩教授，所學到的教學法及檔案製作，我都有用於課堂上。吳心楷教授，感謝你的多媒體軟體，原來學習科學是那麼有趣。楊文金教授，對科學教育精闢見解常在我心。科學教育研究所，就如知識豐富的寶山，一出絕不是空手而回，謝謝老師們細心的教導，願造就更多的科教人。謝謝我的家人在我論文忙得焦頭爛額之際給予我最大的包容，我愛你們。另外，特別感謝我的太太－瑞純，是妳在論文寫作上陪伴著我，雖然你也有論文及研究要完成，但你總是為這個家付出最多。另外，我要把這篇論文獻給我的兒子－晉頡。兒子，爸爸順利完成了論文。我好愛您。雖然以你現在的年紀，這本論文你可能拿去亂畫，但老爸希望學習爸爸的研究精神，有一天能找到自己的長處，加以發展成長才，過一個充實且美好的人生。. 陳建良謹致於師大科教所 2009 年 7 月 21 日. 3.

(4) 4.

(5) 摘要本研究根據文獻所提及電化學的迷思概類型，設計出一系列有關「離子移動」、「通路概念」、「物質增減」、「粒子行為」及「鹽橋概念」的診斷式紙筆測驗（題型包含二階層測驗試題、單一選擇題、填充及作圖題），預試對象為國三學生，男：87，女：101，共計 188 人，信度為 0.936，診斷式紙筆測驗用來探討學生電化學的迷思概念。為調查所發展的多重表徵教學可以協助學生電化學概念的學習成效，以宜蘭縣某國中之 57 名八年級學生為研究樣本，依準實驗研究設計分為實驗組（28 人，男：15、女：13）與對照組（29 人，男：18、女：11）。學生在「電化學」學習上的教學策略，包括文本教學，動手作實驗，電腦動畫，微型化學及角色扮演。教學活動均是為了使學生發生概念改變，並比較該教學對學生之影響，並對實驗組學生施以問卷調查，瞭解學生對此種教學的看法。再者，本研究亦想探討老師的教學策略對學生的學習成效。經過共計九堂課的教學後，分析兩組學生教學前、後的總分、電化學分項概念、概念的屬性及層次，以及三次動態評量的答題情形，在量化上，以 spss 分析概念的表現，研究結果分述如下：（1）在教學成效方面：實驗組與控制組兩組學生在教學前並未達顯著差異（t=0.26，p=0.793），教學後則達到顯著差異（ANCOVA，後測：F=8.29， p=0.006；延宕後測：F=6.18，p=.016）。（2）在分項概念的組間比較（ANCOVA）中，實驗組與控制組兩組學生在分項概念未達顯著差異，後測在「通路概念」、「鹽橋概念」的概念上達顯著差異。延宕後測於「離子移動」、「通路概念」、「物質增減」及「鹽橋概念」均達顯著差異。（3）在教學過程的動態評量中，實驗組的得分皆顯著優於控制組，兩組學生除了第一次評量（電離說: t=-1.79，p=0.080）未達顯著差異，在其他的動態評量上均達顯著差異（鋅銅電池: t=-3.79，p=0.000，電解水: t=-2.27，p=0.030）。由結果發現，實驗組的學生的學習成就顯著高於對照組，顯示本研究所開發之多重表徵教學法能有效地促進學生概念的學習與學習興趣。另外，問卷結果顯示，學生對本教學模型於學習的幫助給予正面的肯定，也喜歡此種的上課方式。而在教學策略方面，學生對於研究教師給予正面的評價，因此在學校的教學中，實施多重表徵的策略，將更有意義地促進學生的學習。. 5.

(6) 6.

(7) An Investigation of 8th Graders' Conceptual Change About Electrochemistry Abstract To find out students’ difficulties in learning concepts of electrochemistry, the researcher designs a series of diagnostic paper-and-pencil tests（including two-tier test 、multiple choice questions and blank-filling and making graphs） about the movement of ions , the concept of a circuit, gain or loss of the substance, the behavior of the particles, and salt bridge. There are 188 ninth grade students（87 boys and 101 girls.）in junior high school participate pre-test. The reliability of the instrument is 0.936. The purpose of this research attempts to explore students’ misconceptions about electrochemistry. In order to investigate the impact of multiple representations teaching of students’ learning in study. This research took quasi-experimental design, and the samples consisted of 57 eight grade students in I-Lan county, who divided into two classes. One class was experimental group（28 in total, 15 males and 13females） and the other was control group（29 in total, 18 males and 11 females）. The strategies of teaching electrochemistry in this research included text-teaching, experiment, computer-aided animation media, microscale chemical experiment and role-playing. All kinds of instructional methods were given respectively in order to make conceptual change happen. Comparison among both groups has been made to determine the effect of the teaching methods, and a questionnaire has been conducted along with the students from the experimental group to understand their opinions on this multiple representation approach. Furthermore, this experiment also wishes to investigate the effects on students’ achievement in learning due to instructors’ teaching strategies. After nine-class-period teaching, the researcher analyzes the total score of students conceptions, the subconceptions on electrochemical concepts between the two groups, and their responses in the three units of dynamic assessments.About quantitative analysis,the analysis on conception performance is operated with SPSS software. The outcome of the research can be summarized as follows:. 7.

(8) （1）The effectiveness of teaching: There is no significant difference between the control group and the experimental group before teaching (t=0.26，p=0.793). However, it shows significant difference between two groups after teaching （ANCOVA, posttest: F=8.29, p=0.006; delayed test: F=6.18, p=0.016）. （2）In the subconceptions of electrochemistry There is no significant difference of subconceptions of electrochemistry between the control group and the experimental group before teaching. However, it shows significant difference between two groups after teaching in posttest（the concept of a circuit and salt bridge」）and in delayed test（the movement of ions, the concept of a circuit, gain or loss of the substance and salt bridge）. （3）Dynamic assessments: In the process of dynamic assessments, the scores in the three assessments of the experimental group are far better than those of the control group.It shows significant difference between two groups after teaching（electrochemical cell: t=-3.79，p=0.000，the electrolysis of water: t=-2.27，p=0.030） except in the first assessment（the theory of electrolytic dissociation: t=-1.79，p=0.080）. The key finding from this study, the experimental group achieved a higher score compared to the control group. It revealed that the multiple representations teaching developed by this research can promote a better concept developing and a greater learning desire more efficiently. Furthermore, as for the result of the questionnaire, the students gave positive feedbacks towards the teaching models for its contribution in learning. From the aspect of teaching strategy, the students had positive comments toward this research; therefore, it is possible to implement multiple representation approach in school teaching to promote students' learing meaningfully.. 8.

(9) 目錄目錄....................................................................................................................... 9 圖次......................................................................................................................11 表次..................................................................................................................... 13 第壹章研究動機與目的..................................................................................... 17 第一節研究動機與背景................................................................................. 17 第二節第三節. 研究目的與問題................................................................................. 17 名詞釋義............................................................................................. 19. 第四節. 研究範圍與限制................................................................................. 19. 第貳章文獻探討................................................................................................. 21 第一節概念改變............................................................................................. 21 第二節第三節. 表徵與多重表徵................................................................................. 24 電化學的相關研究............................................................................. 27. 第四節. 文獻探討對本研究的啟發................................................................. 39. 第參章研究方法................................................................................................. 41 第一節研究設計............................................................................................. 41 第二節. 研究對象............................................................................................. 43. 第三節第四節. 教學與教材設計................................................................................. 44 研究工具............................................................................................. 46. 第五節第六節. 研究步驟............................................................................................. 50 資料處理與分析................................................................................. 51. 第肆章. 研究結果與討論..................................................................................... 53. 第一節第二節. 教學前後的整體答題表現................................................................. 53 兩組在電化學概念的答對率比較..................................................... 57. 第三節第四節. 兩組在分項概念上的表現................................................................. 67 兩組在動態評量的差異..................................................................... 72. 第五節. 各類型題型分析................................................................................. 75. 第六節第七節. 晤談資料分析....................................................................................116 情意學習問卷分析........................................................................... 126. 第伍章第一節第二節. 結論與建議........................................................................................... 131 研究結論........................................................................................... 131 研究改進與建議............................................................................... 135. 參考文獻................................................................................................................... 137 附錄一：電化學概念問卷（前、延宕測驗）............................................... 140 附錄二：電化學概念問卷（後測）............................................................... 151 附錄三：游離說教學文本............................................................................... 162. 9.

(10) 附錄四：鋅銅電池教學文本........................................................................... 165 附錄五：電解水教學文本............................................................................... 167 附錄六：動態評量-電離說............................................................................. 170 附錄七：動態評量-鋅銅電池......................................................................... 172 附錄八：動態評量-電解水............................................................................. 174. 10.

(11) 圖次圖 2-2- 1 表徵類型的分類 ......................................................................................... 25 圖 2-2- 2 水的不同表徵方式 ..................................................................................... 25 圖 2-3- 1 表徵類型的分類 ......................................................................................... 35 圖 2-3- 2 電池運作的情形 ......................................................................................... 35 圖 3-1- 1 電化學研究架構 ......................................................................................... 41 圖 3-1- 2 鋅銅電池動畫解說（硫酸鋅溶液部分） ................................................. 45 圖 3-1- 3 鋅銅電池動畫解說（鹽橋的反應） ......................................................... 45 圖 3-5- 1 研究流程 ..................................................................................................... 50 圖 4-1- 1 總成績的比較 ............................................................................................. 54 圖 4-2- 1 兩組在完整性答對率的比較 ..................................................................... 58 圖 4-2- 2 兩組「電離說」成對比較的平均差表現 ................................................. 60 圖 4-2- 3 兩組在「電離說」單元中的答對率比較 ................................................. 61 圖 4-2- 4 兩組「鋅銅電池」成對比較的平均差表現 ............................................. 62 圖 4-2- 5 兩組在「鋅銅電池」單元中的答對率比較 ............................................. 63 圖 4-2- 6 兩組「電解水」成對比較的平均差表現 ................................................. 65 圖 4-2- 7 兩組在「電解水」單元中的答對率比較 ................................................. 66 圖 4-3- 1 兩組在「後測-前測」平均差比較............................................................ 68 圖 4-3- 2 兩組在「延宕後測-後測」平均差比較.................................................... 69 圖 4-3- 3 兩組在「延宕後測-前測」平均差比較.................................................... 70 圖 4-4- 1 兩組在各單元動態評量的表現 ................................................................. 72 圖 4-6- 1 晤談繪圖(電解質游離)..............................................................................116 圖 4-6- 2 晤談繪圖(電解質游離)..............................................................................116 圖 4-6- 3 晤談繪圖（電解質溶於水） ....................................................................117 圖 4-6- 4 晤談繪圖（電解質溶於水） ....................................................................117 圖 4-6- 5 晤談繪圖（電解質溶於水） ....................................................................117 圖 4-6- 6 晤談繪圖（電解質在水中的分佈） ........................................................118 圖 4-6- 7 晤談繪圖（燈泡發亮的原因） ............................................................... 120 圖 4-7- 1 對於不同教學方式『幫助理解電化學相關概念』的比較 ................... 127 圖 4-7- 2 對於不同教學方式『造成學習負擔』的比較 ....................................... 128 圖 4-7- 3 對於不同教學方式『造成學習負擔』的比較 ....................................... 129. 11.

(12) 12.

(13) 表次表 2-1- 1Thagard 的概念改變階層理論................................................................... 23 表 2-3- 1 一般學生的迷思概念 ................................................................................. 32 表 2-3- 2 電離說迷思概念類型 ................................................................................. 36 表 2-3- 3 電化電池迷思概念類型 ............................................................................. 37 表 2-3- 4 電解反應迷思概念類型 ............................................................................. 38 表 3-1- 1 實驗組與對照組的教學內容及課程設計 ................................................. 42 表 3-2- 1 參與本研究的人數及性別分布 ................................................................. 43 表 3-4- 1 情意面向問卷的雙向細目表 ..................................................................... 47 表 3-4- 2 量化研究工具 ............................................................................................. 47 表 3-4- 3 電化學概念與測驗題號雙向細目表 ......................................................... 48 表 3-4- 4 分項概念與測驗題號雙向細目表 ............................................................. 49 表 3-6- 1 試題中的 10 個命題陳述 ........................................................................... 51 表 3-6- 2 晤談題綱 ..................................................................................................... 52 表 4-1- 1 兩組在測驗總分、成對ｔ考驗的比較 ..................................................... 54 表 4-1- 2 總成績的組間比較 ..................................................................................... 55 表 4-2- 1 兩組在完整性答對率及組內比較 ............................................................. 57 表 4-2- 2 獨立ｔ考驗及共變數分析 ......................................................................... 58 表 4-2- 3 兩組在電離說的組內比較 ......................................................................... 59 表 4-2- 4 電離說的組間比較 ..................................................................................... 60 表 4-2- 5 兩組在鋅銅電池的答對率及成對ｔ考驗 ................................................. 62 表 4-2- 6 在鋅銅電池的組間比較 ............................................................................. 63 表 4-2- 7 兩組在電離水答對率的答對率及組內比較 ............................................. 64 表 4-2- 8 在電解水的組間比較 ................................................................................. 65 表 4-3- 1 兩組在分項概念的平均答對率及標準差 ................................................. 67 表 4-3- 2 兩組在分項概念的組內比較 ..................................................................... 68 表 4-3- 3 兩組分項概念的組間比較 ......................................................................... 71 表 4-4- 1 兩組在動態評量的比較 ............................................................................. 72 表 4-5- 1 電離說各題型試題分配 ............................................................................. 75 表 4-5- 2 題組一.1，2 題選擇率分析表（前測） ................................................... 75 表 4-5- 3 題組一.1，2 各選項雙向分析表（前測） ............................................... 76 表 4-5- 4 題組一.1，2 選擇率分析表（後測） ....................................................... 76 表 4-5- 5 題組一.1，2 各選項雙向分析表（後測） ............................................... 76 表 4-5- 6 題組一.1，2 選擇率分析表（延宕後測） ............................................... 77 表 4-5- 7 題組一.1，2 各選項雙向分析表（延宕後測） ....................................... 77 表 4-5- 8 題組一.3，4 選擇率分析表（前測） ....................................................... 78. 13.

(14) 表 4-5- 9 題組一.3，4 各選項雙向分析表（前測） ............................................... 78 表 4-5- 10 題組一.3，4 題後測選擇率分析表（後測） ......................................... 79 表 4-5- 11 題組一.3，4 後測各選項雙向分析表（後測） ..................................... 79 表 4-5- 12 題組一.3，4 選擇率分析表（延宕後測） ............................................. 80 表 4-5- 13 題組一.3，4 各選項雙向分析表（延宕後測） ..................................... 80 表 4-5- 14 題目二.1 各選項雙向分析表 ................................................................... 81 表 4-5- 15 題目二.2 各選項雙向分析表 ................................................................... 82 表 4-5- 16 題目四.1 各選項雙向分析表 ................................................................... 82 表 4-5- 17 題目四.2 各選項雙向分析表 ................................................................... 83 表 4-5- 18 題目四.3 各選項雙向分析表 ................................................................... 84 表 4-5- 19 題目四.4 各選項雙向分析表 ................................................................... 85 表 4-5- 20 六.3 非選擇題的比較 ............................................................................... 85 表 4-5- 21 題目六.4 各選項雙向分析表 .................................................................. 86 表 4-5- 22 六.5-2，5-3 以及 5-4 非選擇題的比較 ................................................... 87 表 4-5- 23 題目六.6 各選項雙向分析表 ................................................................... 88 表 4-5- 24 鋅銅電池各題型試題 ............................................................................... 89 表 4-5- 25 題組二.4，5 題選擇率分析表（前測） ................................................. 89 表 4-5- 26 題組二.4，5 各選項雙向分析表（前測） ............................................. 89 表 4-5- 27 題組二.4，5 題選擇率分析表 ................................................................. 90 表 4-5- 28 題組二.4，5 各選項雙向分析表 ............................................................. 90 表 4-5- 29 題組二.4，5 題選擇率分析表 ................................................................. 91 表 4-5- 30 題組二.4，5 各選項雙向分析表 ............................................................. 91 表 4-5- 31 題目三.3，4 題選擇率分析表 ................................................................. 92 表 4-5- 32 題目三.3，4 各選項雙向分析表 ............................................................. 92 表 4-5- 33 題組三.3，4 題選擇率分析表 ................................................................. 93 表 4-5- 34 題組三.3，4 各選項雙向分析表 ............................................................. 93 表 4-5- 35 題組三.3，4 題選擇率分析表 ................................................................. 94 表 4-5- 36 題組三.3，4 各選項雙向分析表 ............................................................. 94 表 4-5- 37 題組二.3 各選項雙向分析表 ................................................................... 95 表 4-5- 38 題目二.6 各選項雙向分析表 ................................................................... 96 表 4-5- 39 題目三.1 各選項雙向分析表 ................................................................... 96 表 4-5- 40 題目三.2 各選項雙向分析表 ................................................................... 97 表 4-5- 41 題目三.5 各選項雙向分析表 ................................................................... 98 表 4-5- 42 題目五.1 各選項雙向分析表 ................................................................... 99 表 4-5- 43 題目五.2 各選項雙向分析表 ................................................................. 100 表 4-5- 44 題目五.3 各選項雙向分析表 ................................................................. 101 表 4-5- 45 題目五.4 各選項雙向分析表 ................................................................. 102 表 4-5- 46 題目五.5 各選項雙向分析表 ................................................................. 102. 14.

(15) 表 4-5- 47 題目五.6 各選項雙向分析表 ................................................................. 103 表 4-5- 48 題目五.7 各選項雙向分析表 ................................................................. 104 表 4-5- 49 題目五.8 各選項雙向分析表 ................................................................. 105 表 4-5- 50 電解水各題型試題分配 ......................................................................... 106 表 4-5- 51 題組七.3.4 選擇率分析表（前測） ...................................................... 106 表 4-5- 52 題組七.3.4 各選項雙向分析表（前測） .............................................. 106 表 4-5- 53 題組七.3.4 選擇率分析表（後測） ...................................................... 107 表 4-5- 54 題組七.3.4 各選項雙向分析表（後測） .............................................. 107 表 4-5- 55 題組七.3.4 選擇率分析表（延宕後測） .............................................. 108 表 4-5- 56 題組七.3.4 各選項雙向分析表（延宕後測） ...................................... 108 表 4-5- 57 題目六.1 各選項雙向分析表 ................................................................. 109 表 4-5- 58 題目六.2 各選項雙向分析表 ..................................................................110 表 4-5- 59 題目七.1 各選項雙向分析表 ..................................................................111 表 4-5- 60 題目七.2 各選項雙向分析表 ..................................................................111 表 4-5- 61 題目九.5 各選項雙向分析表 ..................................................................112 表 4-5- 62 兩組在七.6-1、6-2 非選擇題的比較......................................................113 表 4-5- 63 題目七.7 各選項雙向分析表 ..................................................................113 表 4-5- 64 題目七.8 各選項雙向分析表 ..................................................................114 表 4-6- 1 晤談檢核表（電解質溶於水的情形） ....................................................117 表 4-6- 2 晤談檢核表（電解質在水中的分佈） ....................................................118 表 4-6- 3 晤談檢核表（鋅銅電池正負極的判斷） ................................................119 表 4-6- 4 晤談檢核表（燈泡發亮的原因） ........................................................... 120 表 4-6- 5 晤談檢核表（鹽橋的用途） ................................................................... 121 表 4-6- 6 晤談檢核表（判斷電池的壽命） ........................................................... 121 表 4-6- 7 晤談檢核表（為何純水不易導電） ....................................................... 123 表 4-6- 8 晤談檢核表（電解水會產生那些氣體） ............................................... 124 表 4-7- 1『幫助理解電化學相關概念』的比較 .................................................... 126 表 4-7- 2『使得學習電化學變得有趣』的比較 .................................................... 127 表 4-7- 3『造成學習負擔』的比較 ........................................................................ 129 表 4-7- 4 學生對教學的整體看法 ........................................................................... 130 表 4-7- 5 學生喜歡多重表徵的類型 ....................................................................... 130. 15.

(16) 16.

(17) 第壹章. 研究動機與目的. 本章共分為四大部分，第一節介紹本研究的研究動機與背景，第二節為研究目的與問題，第三節為名詞釋義，第四節為研究範圍與限制，分別詳述如下：. 第一節研究動機與背景化學反應中的電化學，是一個日常生活中時常接觸到的反應，近來科學的進步使電池輕量化，而且不再是一個笨重的物品，例如行動電話、筆記型電腦…等等，日常用品中，都有電池的存在。構成電池的課程包含元素的活性（元素週期性）、氧化還原的原理、電解質概念，由於各個概念都包含細部的微觀概念，國中的課程又將課程分散於各個章節，學生因只學到表面意思，而無法感受到其中的微觀想法，以致於教到電化電池又必須將之前的內容複習，特別在以考試為升學依據的體制中，學生為了通過測驗便將學科中的概念記憶下來，雖然得到了高分，卻無法對科學概念建立完整的理解。本研究主要想法為，希望能將許多電化學概念有條理的整合，將課程有系統地連貫教學，使細部的微觀概念引入學生的想法中（例如：離子在溶液中的移動方式、鹽橋如何達成電中性的微觀反應或通電後正負離子移動情形…等等），從頭開始建立正確的科學概念，對化學的微觀世界不再漠生不再害怕。. 第二節研究目的與問題研究目的與問題本研究的目的有五，詳述如下，根據五大目的評估模型表徵對於電化學的科學學習與概念改變是否有其實質的助益，如果教學成效顯著優於對照組，進一步探討哪些不同於傳統教科書的表徵方式是有助於學生建立正確的科學概念。研究目的 1.探究模型表徵是否比傳統教學更有效增進學生學習電化學的概念。問題 1-1 兩組經過教學之後，是否可以提升學習成就？後測與前測是否達到顯著差異呢？問題 1-2 經過五週後的延宕測驗，兩組學生的表現是否能夠維持？延宕後測與後測是否達到顯著差異呢？問題 1-3 經過五週後的延宕測驗，學生概念回歸情形如何？延宕後測與前測是否達到顯著差異呢？. 17.

(18) 研究目的 2.探究實驗組與對照組對電化學概念（包括命題陳述的完整性及各單元正確性）是否產生改變。問題 2-1 實驗組在後測的表現（命題陳述的完整性）是否優於對照組？問題 2-2 實驗組在延宕後測的表現（命題陳述的完整性）是否優於對照組？研究目的 3.探究實驗組與對照組對電化學的分項概念（離子移動、通路概念、物質增減、粒子行為及鹽橋概念）是否產生改變。問題 3-1 兩組經過教學之後，分項概念的改變情形如何？問題 3-2 兩組經過教學之後，是否可以在分項概念上提升學習成就？後測與前測是否達到顯著差異呢？問題 3-3 經過五週後的延宕測驗，兩組學生的表現在分項概念上是否能夠維持？延宕後測與後測是否達到顯著差異呢？研究目的 4 探究實驗組在動態評量的表現是否優於對照組？研究目的 5.探究模型表徵對於學生學習態度的影響。問題 5-1 學生對於模型表徵法在「增進概念理解」的想法有何不同？問題 5-2 學生對於模型表徵法在「提升學習興趣」的想法有何不同？問題 5-3 學生對於模型表徵法在「造成學習負擔」的想法有何不同？. 18.

(19) 第三節名詞釋義本研究中各章節所提到的專有名詞，其在本研究中界定的意義如下：一、迷思概念學生在接受正確的科學知識前，便已對觀察到的自然現象有自己的看法，這些想法或概念常和科學概念不同；迷思概念的來源可能來自於教學方式、語言的傳遞或是直觀的想法。本研究將與科學概念不同的想法或概念，稱為迷思概念。二、概念改變本研究為學生在學習相關電化學知識後，在前測所擁有的概念，已於後測中修正的過程，稱為概念改變。三、動態評量在本研究中，是強調學生對科學概念的學習歷程以及教學回饋。在評量中，以學生的回答作為教學的回應，達成教學的互動。學習者可藉由評量中的缺失，改進並強化概念，而教學者則視評量結果作為教學改進的依據。四、多重表徵在對同一件事物的描述上，可以使用不同的表達方式予以說明，這些方式可以是動畫、圖片或符號，利用不同的方式陳述同一概念，將給予學習者更多面向的想法，有助於概念的建立。. 第四節研究範圍與限制本研究有下列三項研究的限制與範圍：一、本研究只限於對八年級電化學相關概念編製教材，對於模型表徵的學習成效及過程進行探討，其研究結果不宜過度推論。二、本研究所研究的對象為八年級的學生，因此不適合作擴大的推論。三、本研究所使用的電腦動畫呈現方式，並未分析介面的安排是否會影響學習者的學習，故在本研究之中只有探究電腦動畫的多重表徵得呈現而不探討表徵的介面設計原則。. 19.

(20) 20.

(21) 第貳章. 文獻探討. 本章說明本研究的理論基礎和理念，共分成四節，第一節說明概念改變；第二節敘述表徵及多重表徵；第三節說明電化學的相關研究；第四節文獻在本研究的貢獻。. 第一節概念改變研究指出，應用有效的教學策略及適當的教學內容可避免迷思概念的產生，更可使迷思概念轉變為正確的科學概念，在科學教育中，較為大家所熟知的是 Posner，Strike，Hewson&Gertzog(1982，引自邱美虹，2000)所提出的概念改變模式（conceptual change model，CCM），這種概念改變模式是根據 Kuhn（1962）和 Lakatos（1970）認識論的論證所發展出來的。Posner 等人所提出概念改變必須具備下列四個條件，包括 1.學習者對必須對現有概念感到不滿意（dissatisfaction），學習者只有在對於目前的概念，無法解決當前所面對到的問題，因而覺得不滿足，也唯有如此，才會有動力想要對概念進行改變。 2.新的概念必須是可以理解的（intelligible），學習者接受到新的概念時，能理解新的概念帶給他什麼幫助，若能夠為他所瞭解，便能分析以前概念的不同，進行概念改變。 3.新的概念必須是合理的（plausible），新的概念也必須要與其他的概念一樣要有解決問題的方法，它的內涵必須是合乎道理的，例如化學反應，如果與現在的實際狀況不一致，或是產生矛盾的情形，就無法令人接受。 4.新的概念必須是豐富的（fruitful）。新的概念不但要俱備解決問題的合理步驟，亦可幫助學習者日後的思考。它給予學生不僅只有單純的概念，而是創造出探索其他領域的能力。 Chinn & Brewer（1993）回顧了新概念在知識發展上的角色，他們發現學生對這些新概念資料的反應有七個層次： 1.忽視此資料：學生直接忽視這個新概念，甚至不打算要解釋它，原有理論完全不受影響。 2.拒絕此資料：學生並非忽視，而是想出一些理由來拒絕此資料，原有理論仍不受影響 3.排除此資料：學生認為該資料與原有理論領域無關而排除它。原有理論不. 21.

(22) 變。 4.擱置此資料：學生有注意到此資料，但打算「晚點兒」再來解釋它。原有理論雖不變但學生會考慮到「將來有一天」此理論或許可以解釋新概念了。 5.重新詮釋此資料：學生以原有理論的方式去重新詮釋此資料，雖可接受此資料的存在，但原有理論不變。 6.外圍理論改變（Peripheral theory change）：以 Lakatos 的理論為基礎，一個理論由硬核命題（Hard core proposition）與保護帶命題（Protective belt proposition）組成，硬核為理論的中心，保護帶則在外圍。學生在這層次的反應為「稍微」改變原有理論的保護帶（外圍）理論以解釋新概念資料的出現。 7.理論改變（Theory change）：這是最劇烈的改變，此新概念讓學生不得不放棄原有理論，也就是改變其硬核理論而轉換成一個全新的理論。 Hewson & Hewson(1992）以「概念生態（conceptual ecology）」與「概念地位（concept status）」的方式來解釋概念改變的模型。Hewson et al.指出一個概念俱備有的可理解性、合理性與豐富性這三個條件，其交集程度就是「概念地位（concept status）」，當概念符合越多條件，交集越多時，概念地位就會越高。概念會如何改變則取決於新舊概念之間的交集，新概念若符合容易理解的、合理的、豐富的，便能夠和既有的概念結合，這稱之為概念獲取（conceptual capture）。假如新概念對於學生是可理解的，但卻與既有的概念產生競爭時，學生會認為新概念不合理，因為相互競爭的概念無法合理地同時存在，新概念會受到舊概念所阻礙，此時便產生概念地位的改變，當學生認為新概念的合理性優於舊概念時，新的概念的地位升高，舊概念的地位便會下降時，面對間題，以新概念作為處理的依據，這樣新概念取代舊概念的方式，他稱之為概念取代（conceptual exchange）。 Vosniadou 和 Brewer（1992）提出了綜合性模式（synthetic models）的觀點，孩童已日常生活的經驗建構出初始的心智模式（initial models）後，為了與學習的新知取得平衡而主動形成綜合性模式，據此想法，概念改變便是一種漸進的演變趨勢，由最初的初始的心智模式，經過綜合性模式再轉變為正確的科學模式 (scientific models)的經歷過程，概念改變的形式主要有兩種，一為概念的豐富化 (enrichment)－將新概念加入現有的理論架構中，另一種則為概念的修正(revision) －在新資訊與現有的理念或預設想法不同時產生。 Vosniadou 和 Brewer（1992）提出了架構理論(framework theory)與特殊理論 (specific theory)的主張，架構理論具有對目標物根深蒂固的本體論及認識論的信念，而特殊理論則是對目標物現象的特殊解釋。由於這些預設在生活及學習中不 22.

(23) 斷的被驗證，故架構理論不易被修正；相對的，特殊理論較架構理論容易修正的原因有三： 1.學習者無法覺知這些隱含的本體與認識預設知存在， 2.這些預設不斷的被驗證而遭增強， 3.當架構理論被修正時，以它為基礎的特殊理論勢必跟隨修正。根植於每天的生活經驗與經年累月的確信，架構理論呈現了相當具一致性的解釋系統，因此當一個特殊理論的信念被架構理論所限制時，概念改變就難以達成(邱顯博，2002;陳婉茹，2004）。 Thagard(1992，引自邱美虹, 1999, 2000)認為，概念組織是由種類(kind)與階層(hierarchy)而形成，如果包含一個概念系統或規則，被另一個新的組織系統所取代，那麼就稱之為概念上的革命，也就是種類關係與階層關係之間的改變。在 Thagard 的概念改變機制裡，他是利用樹轉換與分枝跳躍的觀點來探討其中的機制；而概念改變的階層，共有九種，如下表2-1.1 所示：表2-1- 1Thagard 的概念改變階層理論編號階層特質增加新範例瑣碎的 1 增加弱原則強弱視其實用性 2 3 4 5 6 7 8 9. 增加強原則增加新的部份關係增加新的種類關係增加新概念瓦解部分種類的階層藉由分枝跳躍重組階層性樹的轉變. 強弱視其實用性分解利用上階關係來結合兩個概念有助於科學知識的發展放棄原有的辨別方式. 從一階層樹的分枝轉移到另一分枝改變已具有階層性的樹狀. 範例如遠處的小斑點是鯨魚如鯨魚可在北冰洋裡發現如鯨魚吃沙丁魚如海豚是鯨魚的一種如電學與磁學合成電磁學如牛頓放棄亞裏斯多德的觀點如哥白尼認為地球是行星之一，而非自成一類的觀點(日心說) 如達爾文改變分類的意義. 表中的前三種只考慮到信念的改變，包括了增加或是刪減信念；第四種通常發生在新的概念被發現，而改變了概念的階層性時；第五種則是以上階的關係將兩個概念結合起來；第六種則是新概念的產生；第七種瓦解部分的種類階層而建立新的階層關係。Thagard 認為以上的信念修正、新概念的增加，或是概念間的重組，在科學發展上常見，而在第八種，就涉及到了分枝跳躍，是將一個概念由一個樹狀的分支，移到另一個分支上；第九種則是樹的轉變，必須要. 23.

(24) 做類別階層性或部分階層性根本的改變，一般是很罕見的。 Thagard 認為大部分的科學革命（如托勒密的地心說到哥白尼的日心說）屬於分枝跳躍，僅是改變概念類別的歸屬問題，而非樹的轉變。. 第二節表徵與多重表徵一、表徵的理論基礎表徵的發展較早是以布魯納（Bruner）的認知表徵理論為基礎，之後Paivio （1971，1986，1991）將人類的表徵系統分為文字與非文字兩種，並根據這兩種表徵系統發展出雙元編碼論（dual coding theory），此理論的表徵系統分類方式與本研究較為相關，分別就認知表徵理論與雙元編碼論整理說明如下。（一）認知表徵理論認知心理學的先驅之一布魯納（Bruner）認為人類對其環境周遭的事物，經由知覺而將外在物體或事件轉換為內在心理事件的過程，稱為認知表徵（cognitive representation），或稱為知識表徵（representation of knowledge）。意指人類經由認知表徵的過程，獲得知識。布魯納將認知表徵的發展，分為以下三個階段（張春興，1997） 1.動作表徵（enactive representation）人類在三歲以前，需要靠動作來認識這個世界，以及獲得知識，也就是需要靠動作才學得到。 2.形象表徵（iconic representation）此時期的學習者可藉由留在記憶中的心像（mental image）、照片圖形，即可獲得知識。 3.符號表徵（symbolic representation）指運用符號、語言文字為依據的求知方式。認知發展到此階段，學習者已能用邏輯思維的方式去推理解釋周遭的事物，並發現原則，從而解決問題。布魯納是依認知表徵的發展來區分，但是也強調：即使同年齡在知識經驗上，尤其是求知方式上，彼此間也具有很大的個別差異，因此，教師的最重要任務是，配合學生身心發展，教學生如何思維，如何從求知活動中發現原則，從而整理統合，組織成屬於自己的知識經驗。（二）雙元編碼論 Paivio（1971，1986，1991，引自陳盈吉，2003）提出雙重編碼模式（Dual coding model），認為人對於外在訊息的處理可以分為兩大表徵系統，一為專門負責處理語言表徵系統（verbal representation system），另一則為專門處理非語言表徵系統（nonverbal representation system）。其中與語言相關的表徵系統處理語言上的資訊，例如文本描述、口語表達等，這一些語言相關的資訊是受到序列控制的。 24.

(25) 廣義的表徵包括文字、圖形、聲音、曲線圖、空間資訊、數學公式、動畫、影片等，可以用來表達一個實體或抽象的意義（Ainsworth，1999），根據以上的理論而表徵的類型大致上可以分類為：語言與非語言，再加上電腦科技所呈現的表徵包含動態與靜態，與包含空間維度的2D與3D，可用圖2-2-1來表示（陳盈吉，2003）（圖形引自陳盈吉，2003）. 圖 2-2- 1 表徵類型的分類二、多重表徵在對同一件事物的描述上，可以使用不同的表徵方式予以表達。例如：對於水的描述可以使用下列不同的表徵方式，如圖2-2-2。. 文字表徵. 符號表徵. 水是由二個氫原子與. 圖像表徵. Ｈ２Ｏ. 一個氧原子所形成的. 圖 2-2- 2 水的不同表徵方式在現今的教科書上，大多是以許多不同的表徵方式存在。為了就是利用不同表徵，將同一種事物說明清楚。不同於只有文字的表徵方式，多重表徵可以提供學習者更多的資訊（例如符號、空間概念以及表徵的連結），對概念的建立有良好的功效。 Ainsworth（1999，引自陳盈吉，2003）以表徵所具有的特性，視多重表徵具有三種功能，分別為互補角色（complementary roles），限制詮釋（constrain interpretation），建構深層理解（construct deeper understanding），以下分別介紹三 25.

(26) 種功能的特色與內容。 1.多重表徵的互補角色功能多重表徵的互補角色可以分為兩大部分加以探討，分別為互補過程（complementary process）與互補資訊（complementary information）。首先，互補過程指的是個人處理資訊的多樣性能力，對於不同表徵具有不同的處理能力與處理過程。例如描述DNA 分子為雙股螺旋形狀，可以使用文字來描述雙股螺旋的形狀，也可以使用圖像來呈現立體構造，當這些不同的表徵呈現給學習者時，學習者會有不同處理表徵的過程，符合Paivio（1971，1986，1991）所提出的雙重編碼論，人類對於資訊的處理可以分為”語言表徵處理”與”非語言表徵處理”，所以這裡強調的互補過程，是指對資訊處理能力的互補，因為對於不同資訊的處理過程是不相同的。除此之外，每個人處理資訊的過程也有所差異，因為每個人的認知風格與資訊處理偏好皆不相同，所以使用多重表徵可以使得學習者不受限於單一表徵的優點與缺點限制，而發揮不同資訊處理能力的使用。接著，互補資訊指的是不同的資訊表徵有其獨特的資訊承載能力，可以呈現某些特定的知識表徵。如果學習的表徵資訊太過於複雜使得學習者無法一下子瞭解複雜表徵之間的關係，可以允許將這個單一複雜的表徵拆解成為許多較為簡單的多重表徵，讓簡單的多重表徵發揮彼此互補資訊的功能，便於學習者的資訊處理與學習。 2.多重表徵的限制詮釋「杯子放在書本的旁邊」，在以上這段話的描述中，你知道杯子到底在書本的何處呢？上、下、左、右都有可能，所以對這一段以”文字表徵”為主的描述，研究者們可以得到很多空間推論的可能，但無從得知杯子確切的位置。如果在此段文字描述的旁邊擺上相關圖片，那研究者們則可以很快知道杯子與書本的相對位置，而減少空間推論所產生的誤差。在以上的例子中，圖像表徵可以限制文字表徵的推論，轉化到學習情境上，多重表徵可以限制解釋，趨向於某些內容的學習與瞭解。亦如同電化學中電腦動畫的設計，以文字的描述要說明微觀的現象，對學習者多少有些困難，若是以分解的細部流程，輔以動態的圖像，使學習者能真實學到欲傳達的概念。 3.多重表徵促進建構深層理解多重表徵可以促進知識的抽象化、延伸化與多重表徵關係之間的連結。在學習知識之後，往往就是學習表徵之間的轉化，當學習者融貫多重表徵中的訊息時，則可產生更深層的瞭解，例如：更為抽象的概念、延伸性的瞭解等。而這樣的理解是單一表徵所無法達到的。因此，若能善用多重表徵，可以使抽象化的概念具體化，加強概念之間的連結，並使學習者增加學習的動機和成效。. 26.

(27) 第三節電化學的相關研究「電化學」概念是國中學生難以學習部分，常會出現一些迷思概念。有關「電化學」的研究中，發現學生容易產生迷思概念，教師利用概念改變策略（教學模型、電腦動畫及診斷式紙筆測驗…等等），希望能改善學生對電化學的學習成就，國內外相關研究分述如下（一）國內部分郭順利（1997）針對電化學的概念，實施三次預試及二次訪談，找出學生會有的迷思概念及錯誤概念，設計出紙筆測驗來診斷並且探究其錯誤的原因。施測對象為的高一與高二學生，共計 575 人。研究結果發現，學生在電化學之主要錯誤概念如下： 1.認為電流只是電子的移動，並不包括離子移動。 2.鹽橋的功用是兩個電解槽中的離子的溝通管道，非提供離子達成電中性。 3.以化學活性的大小判斷陰陽電極。 4.對電解電池與電化電池的陰陽極之判斷方式不同。 5.電解與電化電池的不同在於電解槽個數，而不是能量轉換方式。 6.電解水時氣體是由水溶液中產生的，而不是在電極上產生的。由學生的答題內容，推論學生錯誤概念的主要原因如下： 1.課本中不適當的說明：課本對鹽橋的功用的陳述為“溝通兩溶液槽”，造成學生認為兩溶液槽的離子是通過鹽橋而相互移動的。 2.學生錯誤延伸其他概念：學生會以正負極的概念來判斷陰陽極，例如，“負極就是陰極”，所以陰極的化學活性比陽極大。 3.誤解基本概念所包含的微觀變化：學生知道鹽橋是由電解質所組成的，但是卻不知道離子的移動情形。 4.電化學相關概念間缺乏有效的連結：大部分學生無法以電解的基本概念來區別電解電池與電化電池的不同。張秀澂（2002）對電化學的研究中，探討如何幫助學生建立正確的化學觀念，有助於其有意義的學習（meaningful learning）。對象為九年級，兩班均為 33 人，各分派為實驗組與對照組。研究的目的是以自製的電腦動畫教材融入講解式教學法、實驗教學法、小組示範實驗教學法，觀察學生是否可因動畫教材而提升學習成就並迷思概念，發現學生常見的迷思概念如下: 1、原子與離子單元 (1)同一元素的原子與離子，其電子數相同。 (2)金屬原子與非金屬形成離子時，電子得失的情形混淆。 2、電解質的解離說單元. 27.

(28) 電解質的水溶液所帶的電性以它們的酸鹼性做判斷依據。 3、電解 (1)電解硫酸銅溶液時，以碳棒為電極和以銅棒為電極的反應異同混淆: (2)碳棒為電極時，正極重量減輕﹔溶液的顏色會變深或不改變。 (3)銅棒為電極時，正極反應會因水的分解產生氧氣﹔溶液的顏色會改變。 4、鋅銅電池 (1)電子可在溶液中移動電子的流動方向，認為是由鋅板經過鹽橋到銅板﹔或由銅板經過鹽橋到鋅板。但也有些學生雖然有電子在導線移動的正確觀念，方向卻弄反了，認為是由銅板經過導線到鋅板。 (2)溶液中電解質的導電，認為是電子到溶液中，經由一離子傳到另一離子的方式移動。也有認為電子依附於離子上，在溶液中移動。 (3)電池的正極、負極不易分辨認為鋅板是正極，銅板是負極，是因為銅的活性較大而鋅的活性小。 (4)鋅銅電池放電時，有關電子的釋放及移轉情形－有些學生認為銅失去電子成為銅離子。有些認為銅原子由溶液中獲得電子。－有些學生認為鋅離子由鋅板處獲得電子。也有認為鋅原子由溶液獲得電子。 (5)由於鋅銅電池放電時，由於不甚清楚電子的釋放及移轉情形，造成鋅板、銅板質量的變化，也混淆了。柯明志（2002）的研究是以電流的化學效應為主題，設計以引導式探究為理念的實驗教學活動，配合微觀模擬動畫，導引學生建構電化學模型。研究對象分為實驗組與控制組，共計 49 人。研究中發現： 1.學生在電解方面迷思概念的成因與教材和教法有相當大的關連性，學生常會對這教材和教法的內容作過度地延伸，此外在解決以符號呈現的問題時若不瞭解其確實意義，會傾向以表面的相似性作為解題的依據。 2.比較實驗組與控制組在教學前後概念改變的情況，証實本研究採用的實驗教學活動與微觀模擬動畫對於引導學生建構電解模型有顯著的成效 (p=0.018)，對學生答題時的信心也有幫助。 3.分析學生在電流化學效應的表現，顯示部分學生在不同題目型式下的心智模式不具一貫性，從心智模式組成元素中可以發現這些元素並非隨意連結，如學生要在電流與離子移動方向上達到科學模式，才能和正確的水溶液導電方式連結。 4.從心智模式的觀點來看，在教學前實驗組與對照組其實有很大的差異，本研究的教學法可以讓實驗組的學生有機會運用自己原有的概念，造成認知衝突的契機，使學生在後測時呈現較大幅度的成長。. 28.

(29) 丁鋐鎰（2001）的研究中，針對氧化還原概念為主題，將其中的概念作概念階層分析，以精熟學習的教學策略對國三學生進行試教。研究結果中，學生對於電化學會有的迷思概念如下：「鋅銅電池」的迷思概念： 1.認為電子會經由溶液，通過鹽橋，再回到鋅電極。 2.兩電極重量變化，以質量守恆定律的觀點，認為總質量不變。 3.認為導線中是靠質子的移動而形成電流的概念。 4.無法自行畫出銅銀電池的簡圖，難以理解何種粒子移動至電極接受電子。 5.銅銀電池受到鋅銅電池所影響，認為銅離子會逐漸變少。 6.學生對於內電路、外電路…等科學名詞感到困難。 7.鹽橋的棉花使其中的離子不會移動到溶液中。「電解水」的迷思概念： 1.氧氣有可燃性 2.學生難以理解是水分子移動至電極接受電子並釋出氣體。 3.在電解水與電解硫酸銅溶液的比較，無法區分兩個反應的不同。 4.電解水時，對於溶液中離子的移動及兩極附近的酸鹼性難以理解。「電鍍」的迷思概念： 1.學生易以巨觀的角度觀察作解釋，不認為正極銅片的質量有減少。 2.認為原本鐵製的湯匙在電鍍後會變成純金。林香岑（2001，引自張秀澂，2002）選擇高中電化學概念為主題，以 69 名高二升高三的學生為研究樣本，分派為實驗組（38 人）及對照組（31 人），探究教學電化學概念媒體對學生之影響，並對實驗組學生施以問卷調查，瞭解學生對此種教學的看法。在研究中發現學生所擁有的迷思概念有： 1.伏打電池的正極為活性大的金屬，可能學生認為「正極」即為「陽極」，即活潑金屬發生氧化的電極。 2.鋅銅電池內部陰離子遊動的方向會由鹽橋流向銅片。 3.伏打電池中鹽橋內的物質會與電極發生反應。 4.電解硫酸銅溶液，學生不知道“不同材料的電極進行電解時，反應不同”，包括 (1)正負極的反應及重量的變化 (2)電解液中陽離子濃度的變化 (3)水是否參與反應且反應為何? 5.電鍍時電解液中陽離子的濃度會逐漸降低。. 29.

(30) 6.電化電池整個電流的迴路、兩電極的反應與燒杯溶液濃度的變化。認為 (1)Zn2+會經鹽橋進入 Cu-Cu2+半電池。 (2)兩半電池間所裝鹽橋的作用在於使電子在其中流動。 (3)測電壓時，伏特計之正端接於鋅極。 7.電化電池的另有概念有 (1)反應平衡時，電壓最大。 (2)銅半電池發生氧化反應。 (3) Cu2+逐漸增加，Zn2+逐漸減少。張馨文（2000）探討修習普通化學的師院學生（共計 78 名）在電化學上有哪些相關迷思概念，進而推導其電化學（包括電化電池、電解及電鍍）的心智模式。其中的紙筆測驗目的為瞭解學生的相關迷思概念，主要以七個概念為主，分別為：氧化還原、電極極性的性質及判斷、鹽橋、電中性、電流、濃度池（涅斯特電池）以及電池電位。主要發現如下：一．在紙筆測驗分析部份：化學系一年級與輔系學生在計算電池電位、電極極性判斷、鹽橋物質導電方式及氧化-還原反應判斷等概念上較為正確，但在電流、涅斯特方程式、鹽橋溝通方式與鹽橋物質特性等四方面出現較多錯誤。二．經由訪談、資料分析所得之結果：對 16 名學生進行訪談之後，發現在許多觀念上均有出現錯誤，但主要在鹽橋溶液特性（62.5%）、電池液濃度對電位的影響（93.75%）及濃差電池（50%）三部份則出現較多的錯誤。李琼慧（2001）利用凱利方格技術嘗試發展設計列聯表式二階層（Two-tier）國中電化學概念方格為工具與半結構式晤談的方法，以九年級學生 22 名為對象。研究發現學生在教學後主要迷思概念如下： 1.電子從負極流到正極，因此電極板負極發生失去電子的反應。 2.電解水等反應中沒有產生離子變原子的反應，所以反應中沒有得失電子。 3.學生以最近距離判斷無法正確讀圖，以題目的表徵判斷電流電子流方向。 4.認為電流只是電子的移動，並不包括離子移動。 5.受語言〝異性相吸〞影響，認為正極會吸引負離子，正極會吸引負離子，負極吸引正離子。 6.電中性就是正離子個數等於負離子個數。 7.鹽橋的功用是溝通兩個電解槽中的離子，而不是提供離子。. 30.

(31) 8.電解水反應中，電極板附近產生氫氣或氧氣，氫氣或氧氣往上升而使電極板質量變輕。 9.以碳棒電解硫酸銅水溶液反應中，正極的銅原子變成銅離子遊到負極析出，所以正極變輕負極變重，未考慮電極不參與反應。 10.電解氫氧化鈉溶液中的鈉離子在負極析出，負極變重正極質量不變。（二）國外部分 Allsop 和 George（1982）的研究指出，學生使用標準還原電位去預測化學反應的方向是有困難的，而且無法繪出一個令人可接受的電化電池。研究中有 11％的學生認為鹽橋是提供電子流動的一條途徑。 Ogude 和 Bradley（1994）注意到雖然許多學生能在化學考試上答出定量的電化學問題，但只有少數人能回答較深入概念性的電化學知識。在這研究，有 30％的大學生前後一致的回答，電子不能在電解質溶液中流動；有 28％前後一致的回答，電子能在電解質溶液流動；有 42％的學生對於問題的回答是不一致的。Ogude 和 Bradley（1989）相似的研究亦在南非的國家科學奧林匹亞計畫中實行，有 30％的學生認為離子在電解質溶液中流動形成溶液中的電流，但卻有 61％認為電子可以在溶液中移動。 Garnett 和 Treagust（1992）在澳大利亞訪談高中生，探測學生有關在電解質水溶液和鹽橋中電流流動的迷失概念包括想法有： 1.電子(是被陽離子或陰離子攜帶或轉移)會經由電解液和鹽橋移動。 2.質子會經由電解液和鹽橋移動，甚至在中性或鹼性的溶液。 3.溶液中離子的移動不能形成電流。 Sange 和 Greenbowe（1997）重複 Garnett 和 Treagust 有關電化電池的訪談紀錄。結果確認 Garnett 和 Treagust 報告中多數有關電化電池的迷思概念，但也有些是新的，包括電子經由水溶液而流動，不需要靠離子的幫助。在電解液中，只有陰離子形成電流。且其學生提出有關“在電解液和鹽橋中有關電子流動的二個反應機制，是電子是依附在溶液中的離子或者不需要靠離子的幫助，電子自己在溶液和鹽橋溶液中流動。在電化電池的分子層次上，電腦動畫可正確描述電流的流向(電子在導線流動，離子在溶液流動)，證實使用電腦動畫教學，可降低許多學生的迷思概念。 Burke、Greenbowe 和 Windschitl（1998）研究身為教學第一線的老師及工作人員，應該擁有教學設計、電腦繪畫及動畫製作的技術。其中電腦動畫的使用包含了三種層次的組成：微觀的、巨觀的和符號的。教師可以使用電腦動畫教學於概念上的問題，並澄清迷思概念，學生的理解及學習成就都增加。 (六) Sanger 和 Greenbowe（1999）提出一般學生的迷思概念如表 2-3-1 所示。. 31 16.

(32) 表 2-3- 1 一般學生的迷思概念型式題號. 迷思概念. o 1 在一排序的還原電位中，陰極即為最大正值的 E 。. 2 標準還原電位依照活性大小排列。 3 分辨陽極和陰極決定於半電池的外觀位置。 4 陽極如同負離子總是帶負電，陰極如同正離子總是帶正電。＋＋ 5 H2(1 atm)/H (1M)的電位為零，某些程度上是基於 H2 和 H 的化學性質。. 6 不需要標準的半電池。賈法尼電池. 7 半電池的電動勢在本質上是絕對的，可以用來預測每個半電池的自發性。 8 電子從陰極進入溶液，經由溶液和鹽橋，進入陽極，完成電流。 9 在鹽橋和電解液的負離子能由陰極傳送電子至陽極。 10 在鹽橋和電解液的正離子接受電子，並由陰極傳送電子至陽極。 11 陽離子和陰離子的移動直至它們的濃度是不變的。 12 電子能經由水溶液流動而不需離子的幫助。 13 只有帶負電的離子在電解液和鹽橋中構成電流的流動。 14 陽極是帶負電並釋放電子；陰極是帶正電並吸引電子。 15 陽極是因失去電子而帶正電，陰極是因得到電子而帶負電。 16 電池的電動勢可藉由增加個別的還原電位獲得。 17 半電池的電動勢不具備有廣泛的性質。 18 外加電壓的方向不影響電解槽的陽極、陰極之反應和部位。 19 使用惰性電極，將沒有反應發生。 20 在電解槽中，陰極發生氧化反應；陽極發生還原反應。. 電解電池. 21 在電解槽中，相同的電極連接到電池，則在兩極發生相同的反應。 22 在電解槽中，對於氧化和還原作用水是沒有反應的。 23 當預測電解液的反應時，會在合併反應之前將半電池反應顛倒。 24 所計算出的電池電動勢會是正的。 25 在計算出的電池電動勢與採用電壓的大小之間沒有關係。 26 惰性電極能被氧化或還原。 27 當兩個或多個氧化或還原半反應出現時，無決定何者會發生反應。 28 電解電池會迫使沒有包含電子傳移的非自發反應發生作用。. 濃度電池. 註:. 29 濃度電池的電子流動方向不是決定於相對的離子濃度。 30 在電化學電池間接反應的產物是不同於直接反應。 31 電池的電動勢不是決定於相對濃度的離子。 32 因為沒有淨反應，所以反應商數不能計算。取自 Garnett &Treagust（1993）和 Sanger&Greenbowe(1997) 32.

(33) Sanger 和 Greenbowe（1999）在有關電化學教學上的研究結果，對於基礎的大學化學課程的教師以及含有這些課程教科書的作者，給予一些建議如下: 1.教學者應避免教學中最簡化的使用，比如總是將陽極繪製成左側的半電池，或僅只描述在電解液和鹽橋的負離子的流動。 2.教學者應避免使用模糊的或易產生錯誤想法的敘述和專門的術語，諸如外部的路徑(external pathway)或離子電荷的搬運者(ionic charge carrier)，需要在電化電池反應過程中，以簡單、直接的敘述來說明。 3.教學者應使用不同的方法計算電池的電位（Eocell=Eocathode－Eoanode），取代相加的方法（Eocell=Eoox+Eored）。 4.教學者應在電化電池中，避免使用簡單靜電論點去預測離子和電子的流動。 5.教學者當預測電解的產物時，要考慮所有的氧化和還原的半反應，包括電極，水和離子的反應。 Jong（1995）調查報告有關歐洲化學教育當前的危機，指出三個重大的化學領域，學生不易瞭解的重要觀念，包含有莫耳、化學計量、化學平衡和電化學。有兩個主要的原因使學生經歷這些概念時，會產生問題，（1）主題太抽象。（2）化學語言是新的。老師每天使用的語言在科學上的來龍去脈有它不同的意義，而學生傾向建構自己語言的意義。 Jong （1995）＆Garnett&Treagust（1992）指出有關老師在電化學範圍所教導的概念陳述，多半在學習上被學生所誤解。在許多資料已被證明，學生在處理在許多抽象主題會產生的迷思概念（Osbone，1983）。另有概念因為已存於學生的認知中，所以是非常難以修正的(Novak，1988)。假使忽略掉這些迷思概念，有效率的學習將不會發生。再者，若學生總是認為電化學的概念是複雜且難懂的，這樣的想法亦會影響他們的學習。 Wong（1993）愈來愈多的證據指出，當教師教導理論的化學觀念時，使用具體的模型做為類比(analogy)，可幫助學生發展並增強正確的概念和改正迷思概念。 Daghe（1994）提議在教學中使用類比，無形中給學生一份舒適感及安全感，可讓學生將他們知道的與理論和抽象的世界連結。關於電流流動之研究，學生有三個主要迷思概念（Garnett＆Treagust，1992、 Sanger＆Greenbowe，1997，Ogude，1994，1996，Brand，1987，Masher，1995）: 1.電流必定包含電子的流動，甚至可在溶液進行以及會通過鹽橋。 2.在電化電池，正離子和負離子的移動，是直到兩個半電池的濃度相等為止，或是直到一個半電池帶極強的負電性以及另一個極強的正電性。. 33 18.

(34) 3.對於陽極和陰極符號的重要性欠缺理解，以及當從電化學的變化到電解槽發生改變，符號所代表的含義。許多學生解釋負電極(negative electrode) 為電極是帶負電荷的。 Sanger 和 Greenbowe （2000）利用電腦動畫呈現微觀的化學過程的研究指出：對於語言概念題，以概念改變教學法最為有效。但在研究中發現，電腦動畫對於視覺概念題或文字觀念題都沒有效果。 Huddle,White&Rogers （2000，引自張秀澂，2002）在教電化學時，針對迷思概念設計具體的模型。這模型是簡單又便宜的結構，在缺少電學或複雜設備的學校或老師訓練學校都可使用。模型的基本特徵是使用半滲透膜而不是鹽橋，完成電流，並保持電池的電中性。如圖 2-3-1 及圖 2-3-2 所示（圖片 2-3-1 及 2-3-2 內容引自張秀澂，2002）。當實施模型的教學時，學生應理解下列的解釋： 1.保麗龍球分別以以不同的顏色代表鋅、銅或硫酸根離子，在本質上，個別的原子、離子是沒有任何顏色的－在此模型是用來區分不同的粒子。 2.彈珠代表電子。 3.兩個彈珠嵌入”正離子”的保麗龍球的凹口會轉變成”銅原子”。即 Cu2++2e. －. →Cu。 4.當兩個電子從保麗龍球的凹口移走兩個彈珠，”原子”會轉變成”正離子”。 5.在本質上，鋅和銅的原子/離子的直徑大約相同(約為 120pm)，硫酸根離子是相當地大(約為 200pm)，而鋅離子和銅離子比鋅原子和銅原子小些。 6.在本模型中沒有顯示水分子，若開始時溶液的濃度是 1.0 mol/L，則每一銅離子和硫酸根離子需要 55 個水分子。真正情況是有大量的離子，但在此模型中以最簡單的方式呈現。 7.這模型中，陰極是在右邊。它也可以在任何一邊的，對其運作是沒有任何的影響的。. 34 19.

(35) 圖 2-3- 1 表徵類型的分類（引自張秀澂，2002）. 圖 2-3- 2 電池運作的情形（引自張秀澂，2002）. 35.

(36) （三）文獻發現的迷思概念類型根據上述的國內、外文獻所發現的迷思概念類型分為下列三個單元，分別為電離說、電化電池和電解水。每一個單元研究者皆加以整理及分析，如表所示。以下就各單元迷思概念加以簡述並討論如下: 1.電離說：本研究為希望學習者能藉由多重表徵教學，得到完整的電化學知識，在電化電池及電解反應之前加入電離說。電離說內容包含電解質的游離，在溶液中離子的移動方向和導線中電子的移動方向（即為通路概念）。關於國內、外對電化學中的電離說所發現之迷思概念詳見表2-3-2。. 表 2-3- 2 電離說迷思概念類型迷思概念. 研究者. 學生以最近距離判斷無法正確讀圖，以題目的表徵判李琼慧（2001）斷電流電子流方向認為電子會經由溶液，通過鹽橋，再回到鋅電極. 丁鋐鎰（2001） Sange＆Greenbowe（1999）. 認為導線中是靠質子的移動而形成電流的概念. 丁鋐鎰（2001）. 學生對於內電路、外電路…等科學名詞感到困難. 丁鋐鎰（2001）. 分辨負極和正極決定於半電池的外觀位置. Sange＆Greenbowe（1999）. 負極如同負離子總是帶負電，正極如同正離子總是帶 Sange＆Greenbowe（1999）正電在鹽橋和電解液的負離子能由負極傳送電子至正極。 Sange＆Greenbowe（1999）在鹽橋和電解液的正離子接受電子，並由負極傳送電 Sange＆Greenbowe（1999）子至陽極。電子到溶液中，經由一離子傳到另一離子的方式移張秀澂（2002）動。電子依附於離子上，在溶液中移動. 張秀澂（2002）. 只有帶負電的離子在電解液和鹽橋中構成電流的流 Sange＆Greenbowe（1999）張秀澂（2002）動。. 36.

(37) 2.電化電池：在本單元中，學生在鋅銅電池電極的判斷及反應、溶液槽變化和鹽橋概念中，產生許多迷思概念（見表2-3-3）。表 2-3- 3 電化電池迷思概念類型迷思概念. 研究者. 鹽橋是提供電子流動的一條途徑。. Allsop＆George（1982）. 以化學活性的大小判斷正負電極。. 郭順利（1997）. 鹽橋的功用是兩個電解槽中的離子的溝通管道，非提供. 郭順利（1997）. 離子達成電中性。對電解電池與電化電池的正負極之判斷方式不同。. 郭順利（1997）. 負極帶負電並釋放電子；正極是帶正電並吸引電子。. Sange＆Greenbowe（1999）. 負極是因失去電子帶正電，正極因得到電子帶負電。. Sange＆Greenbowe（1999）. 測電壓時，伏特計之正端接於鋅極。. 林香岑（2001）. 伏打電池的正極為活性大的金屬，可能學生認為「正極」林香岑（2001）即為「陽極」，即活潑金屬發生氧化的電極。 Zn2+會經鹽橋進入 Cu-Cu2+半電池。 2+. 林香岑（2001）. 2+. Cu 逐漸增加，Zn 逐漸減少。. 林香岑（2001）. 銅半電池發生氧化反應。. 林香岑（2001）. 反應平衡時，電壓最大。. 林香岑（2001）. 鋅銅電池內部陰離子遊動的方向會由鹽橋流向銅片。. 林香岑（2001）. 伏打電池中鹽橋內的物質會與電極發生反應。. 林香岑（2001）. 無法自行畫出銅銀電池的簡圖，難以理解何種粒子移動. 丁鋐鎰（2001）. 至電極接受電子銅銀電池受到鋅銅電池所影響，認為銅離子會逐漸變少. 丁鋐鎰（2001）. 鹽橋的棉花使其中的離子不會移動到溶液中. 丁鋐鎰（2001）. 電子從負極流到正極，因此負極發生失去電子的反應. 李琼慧（2001）. 兩半電池間所裝鹽橋的作用在於使電子在其中流動. 李琼慧（2001）. 鹽橋的功用是溝通兩個電解槽中的離子，而非提供離子. 李琼慧（2001）. 電子的釋放及移轉情形感到疑問. 張秀澂（2002）. 濃度電池的電子流動方向不是決定於相對的離子濃度。. Garnett &Treagust. 在電化學電池間接反應的產物是不同於直接反應。. （1993）和. 電池的電動勢不是決定於相對濃度的離子。. Sanger&Greenbowe. 因為沒有淨反應，所以反應商數不能計算。. (1997). 37.