以概念演化探討物質三態變化之教科書內容與教學對學童心智模式發展歷程之影響

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所博士班博士論文. 指導教授：邱美虹博士. 以概念演化探討物質三態變化之教科書內容與教學對學童心智模式發展歷程之影響. 研究生：吳文龍. 撰. 中華民國一零一年六月.

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(3) 摘要本研究綜合多重的研究資料探討學生物質三態變化之心智模式發展歷程，研究內容可分為四個不同的研究主題，據此，四個主要的研究目的分別為：(1)實施跨年級物質三態變化問卷調查，瞭解學生學習現況及檢驗物質三態變化概念演化假說樹的合適性與符合度；(2)透過相關研究文獻，建立理論的物質三態變化之心智模式及認知特徵，藉由系統發育分類學技術建構物質三態變化概念演化假說樹；(3)分析國小、國中、高中階段科學教科書之物質三態變化單元，以概念發展點探討教科書內容結構及與相關概念的銜接，建立各年級的概念教學進程表，並比較不同版本差異；(4)綜合前述三種不同的研究方法確立學生物質三態變化概念發展路徑後，在國小六年級進行「粒子本質導向之物質三態變化二階段教學」，探討不同概念內容與次序對學生學習物質三態變化的影響。在選樣的部份，研究主題一為四到十二年級跨年級概念調查，研究者考量物質三態變化是日常生活中經常接觸到的現象，且在各年的教學活動亦會應用相關概念，因此受測者以四到十二年級逐年收集的方式收集資料(共 832 人)；研究主題三為教科書分析，以台灣九十九學年度現行之教科書版本為主，國小階段、國中階段及高中階段共有九種不同版本；在研究主題二實驗教學研究的部份，因研究發現五年級後即超過半數學生具有部份粒子概念，因此以國小六年級四個班級(共 110 人)進行教學活動。本研究之研究工具及實驗教學包含：「粒子本質暨物質三態變化問卷」、「系統分類學統計軟體(PAUP* 4.0)」、「教科書分析編碼表」、「學習歷程記錄表」、「自然科學習動機問卷」及「粒子本質導向之物質三態變化二階段教學」。「粒子本質暨物質三態變化問卷」用於跨年級概念調查及配合實驗教學之施測，主要在瞭解學生對於物質三態變化概念的理解程度；PAUP* 4.0 常用於系統分類學上，主要用來判斷物種親源遠近的統計工具，本研究用以分析物質三態變化心智模式及認知特徵，透過此軟體計算出可能的概念演化樹；「教科書分析編碼表」為分析不同版本教科書相關單元之編碼工具；「學習歷程記錄表」及「自然科學習動機問卷」為教學期間及教學後收集學生對課程內容的反應，以輔助研究結果的詮釋。 I.

(4) 「粒子本質導向之物質三態變化二階段教學」包含微觀粒子概念與物質三態變化兩部份，此教學法根據物質三態變化概念演化樹之發展路徑做為教學的組織架構，分別安排合適教學內容與次序。二階段實驗教學階段包含第一階段粒子本質教學(角色扮演)及巨觀三態物質教學(一般講述)；第二階段物質三態變化教學(角色扮演組及一般講述組)兩個部份。第一階段為建立不同的先前概念做為後續教學的基礎，第二階段為採用兩種不同的教學法進行物質三態變化教學。本研究以角色扮演進行粒子運動的模擬包含三大特點：「眼罩」模擬粒子隨機運動的無方向性及無目的性；「帽子顏色(紅、黃、綠)」代表不同粒子運動速率；「魔鬼氈手套」代表不同吸引力。因國小階段並未安排微觀粒子相關的課程，因此研究者以學期末時間進行教學，教學時間為五至六堂課。本研究之研究結果發現：(1)物質三態變化概念調查指出學生對於巨觀的概念發展早且已高比例的正確性，但在微觀的部份，大部份國中階段學生尚未建立完整的微觀粒子概念，要到高中階段才會出現高比例的科學概念；而物質三態變化概念的發展大致呈現逐年成長的狀況，但學生對於三態變化中凝結現象答對比例大於蒸發現象，顯示部份的學生仍無法以一致的科學概念解釋三態變化的物相轉變；(2)本研究之物質三態變化概念演化樹 22 可分為 A、B、C、D 區，各區出現不同的認知特徵，物質觀點中的混合觀與粒子觀分別在 B 區及 D 區出現，由相伴出現的認知特徵可看出各類心智模式對物質三態變化的不同解釋方式；(3)本研究之教科書分析結果認為粒子本質概念在國中階段的教學比重低，即使提到粒子概念也僅解釋物質的微觀結構，對於三態變化時粒子運動觀點要到高一時才有正式的教學活動，因此本研究下一階段實驗教學的主要目標增加粒子本質概念的內容，並瞭解粒子本質概念對學習物質三態變化時的影響；(4)在進行四組實驗組的實驗教學後，本研究之粒子本質教學能顯著地幫助學生學習第二階段的物質三態變化，並且即使第二階段的教學活動未使用角色扮演的方式進行，學生仍能理解物質三態變化概念，達到更好的學習成效。最後，本研究建議概念發展相關研究應採用不同的研究方式，同時進行整合的分析及實驗教學，才能具體對未來課程安排提供合適的建議。關鍵字：教科書、心智模式、概念演化假說樹、物質三態變化 II.

(5) Investigating the influence of textbooks and instruction about phase transitions on student’s mental model via the use of conceptual evolutionary approach. Abstract This study adopted multiple research methods to investigate the mental model of phase transitions and developmental processes. There were three different methods and one teaching study in the study, including the cross-year survey, the construction of conceptual evolutionary tree and the analysis of current textbook in Taiwan. Two-stage teaching module was designed by integrating the results of above-mentioned three methods. Therefore, there are four purposes of research: (1) to investigate student’s conceptual development of phase transitions via the cross-year survey; (2) to construct the conceptual evolutionary tree with Phylogenetic technique; (3) to analyze the contents and sequences of phase transitions in the textbooks from primary school to high school; (4) to sum up the results to develop the teaching module and applied to primary school students. The textbook sampling was currently implemented in Taiwan. The units of textbook included (1) “Transform of Water” , “Weather” in primary school; (2) “Transform of Matter” , “Heat Effect on Matter” in junior high school; (3)”Basic Physics”, “Chemistry” , “Physics” in senior high school. The participants were chosen for cross-year conceptual survey (n=832) and teaching study (n=110). The instruments included “Questionnaire of Particle Nature and Phase Transitions (QPP)”, “Coding schema of Textbook (CST)”, “Questionnaire of motivation to learn”, ” Particle-Oriented and Two-Step Teaching Module of Phase Transitions, PTTM”. QPP was designed to investigate student’s understanding of phase transitions and applied to cross-year conceptual survey and pretest, post-test, retention test in teaching study. According to evolutionary pathways, PTTM was two-step designed. And, the first step which focused on particle nature was the conceptual background of next step. The teaching arrangement lasted five to six classes in the sixth grade. III.

(6) The results of this study were shown as below: (1) high percentage of primary school students held the correct macroscopic concepts of phase transitions. But even junior high school students did not construct the comprehensive concepts of particle nature until senior high school. Most of related concepts in condensation phenomena were developed earlier then in evaporation phenomena. Students cannot explain phase transition with consistent scientific principles; (2) the evolutionary tree 22 could be divided into A, B, C, D area. At B and D area, there were mixed view and particle view of matter. Because of the different view of matter, there were the specific cognitive characters and states in the pathways of evolutionary tree; (3) according to analysis of textbook, microscopic particle was taught in junior high school, but the comprehensive concepts were few until senior high school. In junior high school, the textbook content focused on the particulate structure of three states. The particle movement and attraction between particles were mentioned until senior high school; (4) according to results of four group designed experiment, PTTM significantly improve student’s learning of phase transition in primary school after two-step teaching. And, all students who accepted the teaching of particle nature in the first step could also have the same effect even though they did not be taught by role-play in the second step. Finally, this study suggested that conceptual developmental research should approach comprehensive analysis via multiple methods and teaching experiments. Then, the results would make appropriate suggestions for future curriculum. Keywords: textbook, mental model, conceptual evolutionary tree, phase transitions. IV.

(7) 目錄摘要........................................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................................. III 目錄......................................................................................................................................... V 表目錄................................................................................................................................... VII 圖目錄................................................................................................................................... XII 第壹章緒論............................................................................................................................ 1 第一節研究背景與重要性 ................................................................................................2 第二節研究目的與問題 ....................................................................................................8 第三節名詞定義.............................................................................................................11 第四節研究範圍與限制 ..................................................................................................13. 第貳章文獻探討.................................................................................................................. 15 第一節概念改變與概念演化 ...........................................................................................15 第二節系統發育分類學與科學教育 ................................................................................27 第三節教科書研究與分析 ..............................................................................................43 第四節心智模式.............................................................................................................47 第五節粒子本質之相關內容與研究 ................................................................................58 第六節總結....................................................................................................................78. 第參章研究方法.................................................................................................................. 83 第一節研究架構.............................................................................................................83 第二節研究設計.............................................................................................................85 第三節教科書選樣及研究對象 .......................................................................................90 第四節教材及概念發展之設計 .......................................................................................91 第五節研究工具.............................................................................................................93 V.

(8) 第六節研究流程...........................................................................................................104 第七節資料處理與分析 ................................................................................................107. 第肆章研究結果................................................................................................................ 111 第一節物質三態變化問卷調查 .....................................................................................111 第二節物質三態變化概念演化樹 ..................................................................................172 第三節粒子本質與物質三態變化之教科書分析 .............................................................190 第四節粒子本質導向之物質三態變化二階段教學之分析...............................................244 第五節綜合討論...........................................................................................................273. 第伍章研究結論與建議.................................................................................................... 279 第一節研究成果概述 ...................................................................................................279 第二節研究結論...........................................................................................................282 第三節研究建議...........................................................................................................284. 參考文獻.............................................................................................................................. 287 附錄...................................................................................................................................... 301. VI.

(9) 表目錄表 2-1-1 學習者面對異例的反應 ........................................................................................ 17 表 2-1-2 Thagard 概念改變的九種分類層級....................................................................... 20 表 2-2-1 支序分類學派與表型分類學派之比較 ................................................................ 28 表 2-2-2 演化語言學與演化生物學概念的平行點 ............................................................. 37 表 3-2-1 三組實驗組與對照組之實驗教學時間表 ............................................................ 88 表 3-5-1 物質觀點問卷之連續觀與粒子觀判斷 ................................................................. 94 表 3-5-2 粒子本質問卷之試題雙向細目表 ........................................................................ 95 表 3-5-3 物質三態變化問卷之試題雙向細目表 ................................................................ 97 表 3-5-4 各年段試題可靠性統計量 ..................................................................................... 99 表 3-5-5 物質三態變化教材內容分析編碼表 .................................................................. 101 表 4-1-1 跨年級概念調查之研究對象人數及百分比 ...................................................... 112 表 4-1-2 四到十二年級甲式問卷及乙式問卷人數及百分比 .......................................... 112 表 4-1-3 四到十二年級「無雜質的冰」答題分佈及百分比 .......................................... 114 表 4-1-4 四到十二年級「無雜質的純水」答題分佈及百分比 ....................................... 115 表 4-1-5 四到十二年級「水蒸氣-白煙處」答題分佈及百分比...................................... 116 表 4-1-6 四到十二年級「水蒸氣-非白煙處」答題分佈及百分比................................. 117 表 4-1-7 四到十二年級冰、水及水蒸氣的重量大小之答題結果 ................................... 119 表 4-1-8 冰、水及水蒸氣的重量為中間值(3)的人數比例表 ......................................... 120 表 4-1-9 四到十二年級冰、水及水蒸氣的重量相同分佈表 ........................................... 121 表 4-1-10 四到十二年級冰、水及水蒸氣的可見度之答題結果 .................................... 122 表 4-1-11 四到十二年級冰、水及水蒸氣的流動性之答題結果 ..................................... 123 表 4-1-12 四到十二年級冰、水及水蒸氣的溫度高低之答題結果 ................................. 123 表 4-1-13 四到十二年級冰、水及水蒸氣的疏密度之答題結果 ..................................... 124 VII.

(10) 表 4-1-14 四到十二年級冰、水及水蒸氣的疏密度之答題結果 ..................................... 126 表 4-1-15 冰、水及水蒸氣的粒子數量為中間值(3)的人數比例表 ............................... 126 表 4-1-16 四到十二年級冰、水及水蒸氣的粒子重量之答題結果 ................................. 127 表 4-1-17 冰、水及水蒸氣的粒子重量為中間值(3)的人數比例表 ............................... 128 表 4-1-18 四到十二年級冰、水及水蒸氣的粒子體積之答題結果 ................................. 129 表 4-1-19 冰、水及水蒸氣的粒子體積為中間值(3)的人數比例表 ............................... 131 表 4-1-20 四到十二年級冰、水及水蒸氣的粒子速率之答題結果 ................................. 132 表 4-1-21 四到十二年級冰、水及水蒸氣的粒子距離之答題結果 ................................. 133 表 4-1-22 四到十二年級冰、水及水蒸氣的粒子吸引力之答題結果 ............................. 133 表 4-1-23 物理變化(凝固、蒸發)答題分佈表 .................................................................. 135 表 4-1-24 相同物質(凝固、蒸發)答題分佈表 .................................................................. 137 表 4-1-25 溫度改變(凝固、蒸發)答題分佈表 .................................................................. 139 表 4-1-26 動態平衡(凝固、蒸發)答題分佈表 .................................................................. 141 表 4-1-27 數量不再改變(凝固、蒸發)之第二層答題分佈表 ......................................... 143 表 4-1-28 可復原的相同物質(凝固、蒸發)答題分佈表 .................................................. 144 表 4-1-29 重量改變(凝固、蒸發)答題分佈表 .................................................................. 146 表 4-1-30 吸引力(凝固、蒸發)答題分佈 ......................................................................... 148 表 4-1-31 凝固點變化與沸點變化之答題分佈表 ............................................................. 150 表 4-1-32-A 凝固曲線答題分佈表 ..................................................................................... 151 表 4-1-32-B 汽化曲線答題分佈表 ..................................................................................... 152 表 4-1-33 粒子運動(尚未凝固/尚未汽化的水中)之答題分佈 ......................................... 155 表 4-1-34 粒子運動(已經凝固的冰塊中)之答題分佈 ...................................................... 156 表 4-1-35 粒子運動(已經氣化的蒸氣中)之答題分佈 ...................................................... 157 表 4-1-36-A 粒子數量(凝固)答題分佈表 .......................................................................... 159 VIII.

(11) 表 4-1-36-B 粒子數量(蒸發)答題分佈表 .......................................................................... 159 表 4-1-37-A 粒子重量(凝固)答題分佈表 .......................................................................... 161 表 4-1-37-B 粒子重量(蒸發)答題分佈表 .......................................................................... 161 表 4-1-38-A 粒子體積(凝固)答題分佈表 .......................................................................... 163 表 4-1-38-B 粒子體積(蒸發)答題分佈表 .......................................................................... 163 表 4-1-39 水蒸氣對水面產生壓力的答題分佈表 ............................................................. 165 表 4-1-40 降壓再沸騰的答題分佈表 ................................................................................. 167 表 4-1-41 常溫蒸發概念的答題分佈表 ............................................................................. 168 表 4-1-42 開放空間蒸發速率的答題分佈表 ..................................................................... 169 表 4-1-43 粒子本質問卷與物質三態變化問卷之相關性分析表 .................................... 170 表 4-2-1 物質三態變化之認知特徵與認知狀態表 .......................................................... 175 表 4-2-2 物質三態變化之認知特徵編碼組合 .................................................................. 176 表 4-2-3 認知特徵與相對應之試題內容 .......................................................................... 182 表 4-2-4 三種物質觀點之分佈比例表 ............................................................................... 183 表 4-2-5-A 粒子結構與運動(凝固)選項分佈表 ................................................................ 186 表 4-2-5-B 粒子結構與運動(蒸發)選項分佈表 ............................................................... 187 表 4-3-1 九年一貫自然與生活科技學習領域課程綱要「粒子本質概念」內容 ........... 190 表 4-3-2 九年一貫自然與生活科技學習領域課程綱要「物質三態變化」內容 .......... 192 表 4-3-3 普通高級中學課程綱要之「物質三態變化」內容 .......................................... 194 表 4-3-4 國小階段的物質三態變化的概念教學進程表 .................................................. 239 表 4-3-5 國中階段的物質三態變化的概念教學進程表 .................................................. 240 表 4-3-6 高中階段基礎物理的物質三態變化的概念教學進程表 ................................... 241 表 4-3-7 高中階段化學(上)的物質三態變化的概念教學進程表 .................................... 242 表 4-3-8 高中階段物理(下)的物質三態變化的概念教學進程表 .................................... 243 IX.

(12) 表 4-4-1 各組學生人數及性別分佈 ................................................................................... 244 表 4-4-2 後測總分之描述性統計 ...................................................................................... 245 表 4-4-3 後測總分之共變數分析結果 .............................................................................. 245 表 4-4-4 後測總分之成對比較 .......................................................................................... 246 表 4-4-5 延宕測總分之描述性統計 .................................................................................. 247 表 4-4-6 延宕測總分之共變數分析結果 .......................................................................... 247 表 4-4-7 延宕測總分之成對比較 ....................................................................................... 248 表 4-4-8 粒子本質問卷(後測)之描述性統計 ................................................................... 249 表 4-4-9 粒子本質問卷(後測)之共變數分析結果 ........................................................... 249 表 4-4-10 粒子本質問卷(後測)之成對比較 ..................................................................... 250 表 4-4-11 粒子本質問卷(延宕測)之描述性統計 .............................................................. 250 表 4-4-12 粒子本質問卷(延宕測)之共變數分析結果 ...................................................... 251 表 4-4-13 粒子本質問卷(延宕測)之成對比較 ................................................................. 251 表 4-4-14 三態變化問卷(後測)之描述性統計 .................................................................. 252 表 4-4-15 三態變化問卷(後測)之共變數分析結果 ......................................................... 252 表 4-4-16 三態變化問卷(後測)之成對比較 ..................................................................... 253 表 4-4-17 三態變化問卷(延宕測)之描述性統計 ............................................................. 254 表 4-4-18 三態變化問卷(延宕測)之共變數分析結果 ..................................................... 254 表 4-4-19 三態變化問卷(延宕測)之成對比較 ................................................................. 255 表 4-4-20 四組教學在後測與延宕測統計結果總表 ........................................................ 256 表 4-4-21 自然科學習動機總分之描述性統計 ................................................................ 258 表 4-4-22 自然科學習動機總分之共變數分析結果 ........................................................ 258 表 4-4-23 自然科學習動機總分之成對比較 .................................................................... 259 表 4-4-24 自然科學習動機「內在目標導向」之描述性統計 ........................................ 260 X.

(13) 表 4-4-25 自然科學習動機「內在目標導向」之共變數分析結果 ................................ 260 表 4-4-26 自然科學習動機「內在目標導向」之成對比較 ............................................ 261 表 4-4-27 自然科學習動機問卷「外在目標導向」之描述性統計 ................................. 262 表 4-4-28 自然科學習動機問卷「外在目標導向」之共變數分析結果 ......................... 262 表 4-4-29 自然科學習動機問卷「外在目標導向」之成對比較 ..................................... 263 表 4-4-30 自然科學習動機問卷「工作價值」之描述性統計 ......................................... 264 表 4-4-31 自然科學習動機問卷「工作價值」之共變數分析結果 ................................. 264 表 4-4-32 自然科學習動機問卷「工作價值」之成對比較 ............................................. 265 表 4-4-33 自然科學習動機問卷「自我效能」之描述性統計 ......................................... 266 表 4-4-34 自然科學習動機問卷「自我效能」之共變數分析結果 ................................. 266 表 4-4-35 自然科學習動機問卷「自我效能」之成對比較 ............................................. 267 表 4-4-36 自然科學習動機問卷「期望成功」之描述性統計 ......................................... 268 表 4-4-37 自然科學習動機問卷「期望成功」之共變數分析結果 ................................. 268 表 4-4-38 自然科學習動機問卷「期望成功」之成對比較 ............................................. 269 表 4-4-39 四組實驗教學組自然科學習動機量表分析結果總表 .................................... 270. XI.

(14) 圖目錄圖 1-1-2 微觀粒子科學-科學教育-認知結構之關係圖 ....................................................... 7 圖 2-1-1 Chi 本體樹的組織架構 .......................................................................................... 18 圖 2-1-2 Vosniadou (1994)素樸架構理論 ............................................................................ 19 圖 2-1-3 Thagard (1992)概念階層的範例 ............................................................................ 20 圖 2-1-4 Chiu 之 RAINBOW 模式(Chiu, 2008)................................................................... 22 圖 2-2-1 單系群(a)、並系群(b)和複系群(c)的比較(Wiley, et al., 1991) .......................... 29 圖 2-2-2 包含/排除法則樹型圖結合例子作說明(Wiley, et al., 1991)............................... 31 圖 2-2-3 外群(OG)/內群(IG)之關係圖(Wiley, et al., 1991) ............................................... 32 圖 2-2-4 系統發育樹範例 .................................................................................................... 34 圖 2-2-5 Lin 與 Chiu (2006)兒童電學心智模式演化樹 ...................................................... 40 圖 2-2-6 辛怡瑩和邱美虹(2010)跨年級學生演化根念之概念演化樹 .............................. 40 圖 2-2-7 Wu 與 Chiu (2011)理想氣體概念演化樹 .............................................................. 41 圖 2-3-1 韓國教科書慣用之分子移動表示法 .................................................................... 46 圖 2-4-1 Johnson-Laird 對於心智模式與概念之關係圖 ..................................................... 51 圖 2-4-2 Kessler、Duwe 與 Strohner(1999)對於心智模式與概念之關係圖 ..................... 52 圖 2-4-3 Vosniadou 與 Brewer (1992)所歸納出六種地球的心智模式 .............................. 53 圖 2-4-4 Chi 與 Roscoe (2002)心智類型分類 ...................................................................... 55 圖 2-4-5 心智模式、概念模式與推論的心智模式之關係示意圖 .................................... 56 圖 2-5-1 本研究之物質三態變化研究範圍概念 ................................................................ 61 圖 2-5-2 角色扮演之互動和經驗學習中介圖(引自 McSharry & Jones, 2000) ................ 75 圖 3-1-1 研究架構之四大研究主題 .................................................................................... 85 圖 3-2-1 混合方法研究設計圖(引自 Creswell, 2005) ........................................................ 86 圖 3-5-1 教科書內容結構的六種圖示方法及釋例 .......................................................... 102 XII.

(15) 圖 3-6-1 研究流程圖 .......................................................................................................... 106 圖 4-1-1 四到十二年級甲式問卷及乙式問卷分佈比例圖 .............................................. 112 圖 4-1-2 四到十二年級「無雜質的冰」答題分佈百分比圖 ........................................... 114 圖 4-1-3 四到十二年級「無雜質的純水」答題分佈百分比圖 ....................................... 115 圖 4-1-4 各年級物質觀點(水蒸氣-白煙處)答題分佈圖 .................................................. 116 圖 4-1-5 各年級物質觀點(水蒸氣-無白煙處)答題分佈圖 .............................................. 118 圖 4-1-6 四到十二年級冰、水及水蒸氣的重量之答題分佈圖 ...................................... 119 圖 4-1-7 冰、水及水蒸氣的重量為中間值(3)的人數比例表 ......................................... 120 圖 4-1-8 四到十二年級冰、水及水蒸氣的重量相同分佈圖 .......................................... 121 圖 4-1-9 四到十二年級冰、水及水蒸氣的可見度之答題分佈圖 .................................. 122 圖 4-1-10 四到十二年級冰、水及水蒸氣的流動性之答題分佈圖 ................................ 123 圖 4-1-11 四到十二年級冰、水及水蒸氣的溫度之答題分佈圖 .................................... 124 圖 4-1-12 四到十二年級冰、水及水蒸氣的疏密度之答題分佈圖 ................................ 125 圖 4-1-13 四到十二年級冰、水及水蒸氣的粒子數量之答題分佈圖 ............................ 126 圖 4-1-14 冰、水及水蒸氣的粒子數為中間值(3)的人數比例圖 ................................... 127 圖 4-1-15 四到十二年級冰、水及水蒸氣的粒子重量之答題分佈圖 ............................ 128 圖 4-1-16 冰、水及水蒸氣的粒子重量為中間值(3)的人數比例圖 ............................... 129 圖 4-1-17 四到十二年級冰、水及水蒸氣的粒子體積之答題分佈圖 ............................ 130 圖 4-1-18 冰、水及水蒸氣的粒子體積為中間值(3)的比例圖 ....................................... 131 圖 4-1-19 四到十二年級冰、水及水蒸氣的粒子速率之答題分佈圖 ............................ 132 圖 4-1-20 四到十二年級冰、水及水蒸氣的粒子距離之答題分佈圖 ............................ 133 圖 4-1-21 四到十二年級冰、水及水蒸氣的粒子吸引力之答題分佈圖 ........................ 134 圖 4-1-22-A 物理變化(凝固)答題分佈 ............................................................................. 136 圖 4-1-22-B 物理變化(蒸發)之答題分佈 .......................................................................... 136 XIII.

(16) 圖 4-1-23-A 相同物質(凝固)答題分佈 ............................................................................. 138 圖 4-1-23-B 相同物質(蒸發)答題分佈 .............................................................................. 138 圖 4-1-24-A 溫度改變(凝固)答題分佈 ............................................................................. 140 圖 4-1-24-B 溫度改變(蒸發)答題分佈 .............................................................................. 140 圖 4-1-25-A 動態平衡(凝固)答題分佈 ............................................................................. 142 圖 4-1-25-B 動態平衡(蒸發)答題分佈 .............................................................................. 142 圖 4-1-26-A 數量不再改變(凝固)第二層答題分佈 ......................................................... 143 圖 4-1-26-B 數量不再改變(蒸發) 第二層答題分佈 ........................................................ 143 圖 4-1-27-A 可復原的相同物質(凝固)答題分佈 ............................................................. 144 圖 4-1-27-B 可復原的相同物質(蒸發)答題分佈 .............................................................. 145 圖 4-1-28-A 重量改變(凝固)答題分佈 ............................................................................. 146 圖 4-1-28-B 重量改變(蒸發)答題分佈 .............................................................................. 147 圖 4-1-29-A 吸引力(凝固)答題分佈 .................................................................................. 148 圖 4-1-29-B 吸引力(蒸發)答題分 ...................................................................................... 149 圖 4-1-30-A 凝固點變化之答題分佈 ................................................................................. 150 圖 4-1-30-B 沸點變化之答題分佈 ..................................................................................... 150 圖 4-1-31-A 凝固曲線答題分佈 ......................................................................................... 152 圖 4-1-31-B 汽化曲線答題分佈 ......................................................................................... 152 圖 4-1-32 粒子運動(尚未凝固的水中)之答題分佈 ......................................................... 155 圖 4-1-33 粒子運動(尚未汽化的水中)之答題分佈 ......................................................... 156 圖 4-1-34 粒子運動模式(已經凝固的冰塊中)之答題分佈 ............................................. 157 圖 4-1-35 粒子運動模式(已經氣化的蒸氣中)之答題分佈 ............................................. 158 圖 4-1-36-A 粒子數量(凝固)答題分佈 ............................................................................. 159 圖 4-1-36-B 粒子數量(蒸發)答題分佈 .............................................................................. 160 XIV.

(17) 圖 4-1-37-A 粒子重量改變(凝固)答題分佈 ..................................................................... 161 圖 4-1-37-B 粒子重量改變(蒸發)答題分佈 ...................................................................... 162 圖 4-1-38-A 粒子體積改變(凝固)答題分佈 ..................................................................... 163 圖 4-1-38-B 粒子體積改變(蒸發)答題分佈 ...................................................................... 164 圖 4-1-39 水蒸氣對水面產生壓力的答題分佈圖 ............................................................ 166 圖 4-1-40 降壓再沸騰之答題分佈圖 ................................................................................ 167 圖 4-1-41 常溫蒸發概念之答題分佈圖 ............................................................................ 168 圖 4-1-42 開放空間蒸發速率之答題分佈圖 .................................................................... 169 圖 4-2-1 物質三態變化概念演化樹長分佈圖 .................................................................. 177 圖 4-2-2 物質三態變化概念演化樹 22 ............................................................................. 177 圖 4-2-3 三種物質觀點之分佈比例圖 .............................................................................. 183 圖 4-2-4-A 粒子結構與運動(凝固)選項分佈 ................................................................... 187 圖 4-2-4-B 粒子結構與運動(蒸發)選項分佈 .................................................................... 187 圖 4-3-1 國小牛頓版物質三態變化概念之內容結構(第一部份) .................................... 197 圖 4-3-2 國小牛頓版物質三態變化概念之內容結構(第二部份) .................................... 198 圖 4-3-3 國小南一版物質三態變化概念之內容結構(第一部份) .................................... 199 圖 4-3-4 國小南一版物質三態變化概念之內容結構(第二部份) .................................... 200 圖 4-3-5 國小康軒版物質三態變化概念之內容結構(第一部份) .................................... 201 圖 4-3-6 國小康軒版物質三態變化概念之內容結構(第二部份) .................................... 202 圖 4-3-7 國中育成版物質三態變化概念之內容結構(第一部份) .................................... 206 圖 4-3-8 國中育成版物質三態變化概念之內容結構(第二部份) .................................... 207 圖 4-3-9 國中翰林版物質三態變化概念之內容結構(第一部份) .................................... 208 圖 4-3-10 國中翰林版物質三態變化概念之內容結構(第二部份) .................................. 209 圖 4-3-11 國中翰林版物質三態變化概念之內容結構(第三部份) .................................. 210 XV.

(18) 圖 4-3-12 國中康軒版物質三態變化概念之內容結構(第一部份) .................................. 211 圖 4-3-13 國中康軒版物質三態變化概念之內容結構(第二部份) .................................. 212 圖 4-3-14 國中南一版物質三態變化概念之內容結構(第一部份) .................................. 213 圖 4-3-15 國中南一版物質三態變化概念之內容結構(第二部份) .................................. 214 圖 4-3-16 高一南一版基礎物理物質三態變化概念之內容結構 ..................................... 218 圖 4-3-17 高一翰林版基礎物理物質三態變化概念之內容結構 ..................................... 219 圖 4-3-18 高一龍騰版基礎物理物質三態變化概念之內容結構 ..................................... 220 圖 4-3-19 高一泰宇版基礎物理物質三態變化概念之內容結構 ..................................... 221 圖 4-3-20 高二上三民版化學(上)物質三態變化概念之內容結構 .................................. 224 圖 4-3-21 高二上龍騰版化學(上)物質三態變化概念之內容結構(第一部份)................ 225 圖 4-3-22 高二上龍騰版化學(上)物質三態變化概念之內容結構(第二部份)................ 226 圖 4-3-23 高二上康熹版化學(上)物質三態變化概念之內容結構(第一部份)................ 227 圖 4-3-24 高二上康熹版化學(上)物質三態變化概念之內容結構(第二部份)................ 228 圖 4-3-25 高二上康熹版化學(上)物質三態變化概念之內容結構(第三部份)................ 229 圖 4-3-26 高二上泰宇版化學(上)物質三態變化概念之內容結構 .................................. 230 圖 4-3-27 高二下翰林版物理(下)物質三態變化概念之內容結構 .................................. 233 圖 4-3-28 高二下南一版物理(下)物質三態變化概念之內容結構 .................................. 234 圖 4-3-29 高二下三民版物理(下)物質三態變化概念之內容結構(第一部份)................ 235 圖 4-3-30 高二下三民版物理(下)物質三態變化概念之內容結構(第二部份)................ 236 圖 4-3-31 高二下龍騰版物理(下)物質三態變化概念之內容結構 .................................. 237. XVI.

(19) 1. 第壹章緒論 1859 年達爾文提出演化論，對物種起源的理論提供更具一致性和融貫性的解釋基礎，在生物相關的領域中引起廣大的回響，時至約 150 年後的今天，生物學方面的許多重大發現仍根基在達爾文的演化論。達爾文演化論的中心思想包括遺傳變異和天擇，而這選汰的過程有許多學者嘗試將其應用在科學史上知識和思考方式的轉換 (Campbell, 1988; Toulmin, 1972)，試圖解釋科學知識發展長久以來的累積與轉變，另闢新的思考路徑。而在科學教育方面，由科學史的發展類比到學生心智模式的發展已行之有年， Nussbaum (1989)指出學生科學概念的發展往往與科學知識發展歷程有高度相關，雖然學生的運思方式與科學上嚴謹的過程不盡相同，且學生科學知識的來源多來自學校內教科書的學習，但概念研究上仍反應出學生知識的發展有許多階段性的過程。因此許多概念改變的研究試圖要解釋這些階段性的發展是如何發生，其中 Kuhn(1962)科學革命的結構一書出版，以科學知識發展的不連續觀點，使原本科學邏輯實證取向的哲學觀發生轉變，因此在概念改變上突顯出革命性，形成一種格式塔式的轉移。科學知識的累進不再只是量上的增加，更是質性的觀點改變。但如前段所述，學生的運思方式不似科學上嚴謹的論證法，在實徵研究中，學生的各學習階段也鮮少發展有革命性的轉換(Mitchell, 1993; Tytler, 1998)，林靜雯(2006) 最早將系統分類學的方法引入科學教學領域，後續的相關研究(辛怡瑩、邱美虹，2010; 林靜雯、邱美虹，2009)也認為以概念演化的觀點更能貼切地描述學生的概念發展，為求達到探討學生長期概念發展歷程的目標，本研究亦採取概念演化的觀點來探討學生科學概念學習，以獲得學生概念發展的完整歷程。在科學史的發展上，道爾吞於十九世紀提出關鍵的原子說，理論指出物質由不可再分割微觀粒子所組成，而物質組成與變化就是這些原子間的成分或交互作用。化學領域基於微觀粒子的概念下，發展出更完整的理論架構。而在科學教育中，學生對於微觀粒子的理解往往關係到化學學習的表現(Harrison & Treagust, 2002)。物質的粒子本質( particulate nature of matter, PNM)幾乎在各個化學單元中都是關鍵且重要的學習基礎，粒子本質關係到微觀粒子的科學理論，常用來解釋分子結構、鍵結、分子化合、化學溶液和反應、平衡及化學能等。在許多氣體粒子的研究中發現跨年級學生對於粒.

(20) 2. 子的概念有連續觀及粒子觀的分別，而就算是粒子觀也不盡然具有科學性的觀點，因此造成學生在學習化學上的困難。粒子本質概念最早在中學階段進行教學，主要以物質三態變化為主，內容包括三態物質的粒子組成結構及不同的粒子運動方式等等，但主要還是以靜態的結構說明為主，而未能從微觀粒子運動的觀點進行解釋。因此本研究以物質三態變化做為研究的題材，探討在學習物質三態變化中不同心智模式類型學生的概念發展歷程與結果。綜合上述，本研究探討科學知識發展與學生科學概念學習之理論，建立以系統發育分類學觀點之概念演化理論基礎。首先，研究者進行跨年級學生物質三態變化問卷施測，瞭解學生物質三態變化的概念發展現況，並作為後續驗證物質三態變化概念演化假說樹的資料來源。其次，以相關文獻描繪出學生對物質三態變化概念的心智模式類型與認知特徵，利用系統發育分類學技術的結果選擇合適的概念演化樹。其次，藉由科學教科書所安排的物質三態變化概念發展點，瞭解課程安排的先後次序並比較不同版本的差異，以利後續實驗課程的開發。最後，由上述三種不同的研究結果開發六年級學生的物質三態變化實驗教學，以提供未來教科書教學序列安排的實證建議，建立有助於學生科學概念學習的教學安排。以下本研究由研究背景與重要性、研究目的與問題進行說明，再對相關專有名詞提出定義與解釋，最後，定義出研究範圍與限制。. 第一節研究背景與重要性一、科學知識發展與概念改變在科學教育領域中，科學知識學習的歷程一直是重要的課題之一，其中牽涉到科學知識的本質與個人認知的歷程。對於科學知識而言，科學領域中所建立的知識體系具有高度抽象與邏輯性存在，特別是在微觀表徵的部份，往往對日常生活中的巨觀現象有相常不同的解釋方式。科學知識經過科學家長期的辯證而形成，以理想氣體方程式為例，由波以耳定律、查爾斯-給呂薩克定律到亞佛加厥定律，終至將理想氣體方程式導出，此一歷程跨越一百五十年，而要學習者在短時間內瞭解此概念的確有相當的難度。而科學領域中所使用的科學術語，是基於科學實驗與研究而具有理論負載的特性，雖然與日常生活中的詞彙相同，但其代表的意義往往超出原有詞意的內容。以粒子來說，科學中的微觀粒子是不可見的，在氣體動力論下，甚至被假定為一個質點而不具有體積，彼此間無任何交互作用，迥異於日常生活的經驗中學習者所接觸到的粒子是可見的、可接觸的，因此有許多與科學領域不同的特性，如顏色、具體積及遵守.

(21) 3. 拋體運動等等。當學習者要把這些科學術語正確理解而和自己原有的知識架構結合，整個學習的過程具有相當大的挑戰性。在個人認知的歷程方面，學習者認知結構與科學知識的交互作用兩者均扮演重要的角色。而科學教育最早的概念改變研究是由 Posner、Strike、Hewson 與 Gertzog (1982) 基於 Kuhn (1962)科學革命的結構及 Lakatos (1970)的科學研究綱領，創建科學教育上的概念改變理論基礎，進而引發許多概念改變的討論與研究。後期的概念改變概念研究中，Chi(1992)提出本體論的概念改變觀點，依知識屬性提出三棵相互獨立的概念樹，概念改變的難度就在於舊概念遷移的轉換方式，當此概念遷移發生在同類別的本體樹上時，則是屬於簡單的概念改變，但如果概念是跨類別轉變而轉換到原先不相容的類別上，而需要原本的中心節點產生根本的改變後才能轉換時，便屬於困難的概念改變。因此概念改變的歷程可能是演化的、不斷累積的，只是在改變時是突然發生的。 Vosniadou (1994)提出素樸架構理論(naïve framework)，以架構理論及特殊理論說明學生心智模式的形成。Vosniadou 亦認為概念改變的是一種漸進的過程，可分為豐富 (enrich)和修正(revision)兩種，前者為新增資訊至原有的概念中，而後者則為修正原有的架構理論或特殊理論，在難度的差異上修正架構理論會較特殊理論來的困難。而 Thagard(1992)亦以九個概念層次說明概念改變的連續性。這些概念改變的理論與 Posner 等人(1982)時已作了相當大的修正，而改以更為精緻的理論來說明概念改變的發生，由格式塔式的概念改變轉變為漸進的過程。研究者為瞭解概念改變研究的發展，在 Web of Sceince 資料庫中針對以「conceptual change」為主題進行搜尋(網址： http://thomsonreuters.com/products_services/science/，日期 2012/08/03)，此連續字串出現的相關文獻共 1505 篇，將此結果依年代繪圖於圖 1-1-1 Web of Sceince 資料庫之概念改變搜尋結果，如下圖所示：.

(22) 4. 圖 1-1-1 Web of Sceince 資料庫之「概念改變」相關研究搜尋結果由圖 1-1-1 可看出概念改變研究自 90 年代起蓬勃發展，雖然篇數各時期有所起伏，但仍以穩定的速率逐漸增加，特別是在九零年代中 Chi(1992)的本體論、diSessa (1993) 的零碎知識觀點、Vosniadou (1994)的素樸架構理論及 Thagard(1992)的概念階層等研究引起科學教育廣泛的回應，因此激起相當多的概念改變研究。二、生物演化學對科學概念發展的啟示概念發展研究需要考慮的面向相當廣，不論由時間的縱切面來看或由概念的橫切面來看，概念之間的交互作用都是相當複雜的關係。因此對於研究設計上需要更長時間及更深入學生概念結構的方法，因此需要十分龐大的研究資源，且如何將研究結果通則化也面臨信度及效度上的問題。生物演化學的概念長期以來影響科學知識的觀點，為進一步分析概念的長期演變，本研究藉由生物演化學的理念進行概念研究，期望能基於前人的論點在研究法方面產生新的啟示。 (一)科學知識的演化認識論觀點生物演化學對於科學知識的觀點最早由 Campbell 於六零年代提出(林財庫, 2005)，最精簡的說法為演化認識論認為認知是主體藉由認識活動而獲得認知結果，其知識獲得的過程就像是演化論中適者生存的意義，認識主體將自己認知的結果置於外在環境下，接受檢驗而將不適應的知識作選汰，進而留下適應的知識。演化認識論認為知識的發展就是在此種相互競爭與天擇的結果，後續的學者如 Toulmin、Popper 及 Hull 等，各派對於認識論的基礎不同但皆用於論述科學知識發生的起源與方法。概念改變的歷程與演化認識論的理念兩者間存有相互呼應的內涵，概念改變本身就是描述學習者和.

(23) 5. 外在知識交互作用後所產生的結果，且對於補充概念改變歷程，甚至解釋學生科學知識發展的長期歷程都能提供良好的解釋架構。本研究即受到演化觀點的影響，試圖類比生物學對演化歷程的研究方法到科學教育研究中，將學習者已經發生過的知識演化歷程(如同現物種的演化史)透過更系統化的方式進行分析研究，將概念學習的歷程作完整的呈現。 (二)生物地理學之啟示生物地理學(biogeography)是生物學與地理學的跨類別學科，主要研究生物在時間和空間上分佈情況與形成原因(Cox & Moore, 2005)。生物地理學有兩個重要的發展階段，第一個階段為 1912 年 Alfred Wegener 指出地質狀態和生物分佈的許多類型和現代地理類型不符合，如果假定所有大陸曾經連接在一起，則可以解決許多的問題，但當時的時代背景並無板塊移動的理論基礎，因此不被當時科學社群所接受；第二階段為 60 年代海底盆地擴張理論及古地磁學理論興起，為大陸板塊運動提供移動的機制，因此生物地理學家獲得關鍵的古代地理圖，以此為基礎解釋移動大陸上的生物遷移與分佈。生物地理學有許多不同的研究取向，大多數學者分為生態生物學與歷史生物地理學兩類。生態生物學著重於短時間周期、地方性、棲地內或大陸內的問題，主要探討現生物種或亞種的分佈。歷史生物地理學著重於長期的、演化的尺度，以全球為單位，探討種以上的分類層次且包含已滅絕的化合種。研究者對於歷史生物地理學的研究方法感到相當的興趣，因為物種演化為長期且緩慢的歷程，許多歷史生物地理學研究會使用系統發育分類學的方式，以物種的親源遠近回推出物種演化的歷程，在以往只能透過化石形態及化石分佈作檢驗，但生物地理學家又多地理改變的證據，因此如何利用已知的生物地理分佈證據輔助物種演化的證據，便成了啟發研究者對於研究心智模式發展的新模式。歷史生物地理學以先驗(a priori method)及後驗的研究(a posteriori methods)方法進行(Morrone, 2005; Van Veller, Brooks, & Zandee, 2003)，所謂先驗方法為進行成分分析，而後驗則是成份一致性分析。以地理改變所形成的種化做為先驗方法，而後驗則再結.

(24) 6. 合各物種演化歷程(如：演化的支序圖)作一致性的判斷，藉由結合生物活動地區的歷程及單一起源的支序圖找出合適的演化歷程。此支序圖可以使用系統發育分類學方法進行數據分析，進而找出假說的物種演化樹，雖然在對物種間關係的更深入瞭解後，物種演化樹可能會發生改變，但數據化的結果可以排除人為的分類及提供更客觀的證據。對於科學概念發展研究的啟示方面，以往的研究只能透過跨年級的概念調查找出概念分佈的狀況，就像是片斷的化石證據而無法推論出學生概念發展的過程，因此本研究認為概念發展的研究和歷史生物地理學的研究方式相似，都可以採用先驗及後驗的多重研究方法，概念發展的先驗的研究方法就是找出造成學生概念發展的地理圖，如教科書的內容；而後驗的研究方法可以使用系統發育分類學的方式，將學生可能的概念作分類及親源分析，整合兩方面的資料以求得更整體的概念發展歷程。三、物質三態變化相關的教科書內容化學學科領域中，微觀粒子是化學教學的關鍵概念，主要原因是此概念為化學學習的重要理解基礎，但卻也是學習主要困難點。有關物質的粒子概念在大部份國家是在早期中學階段(約十一至十四歲)進行(Martin, Mullis, Gonzales, & Chrostowski, 2004)，其他研究也指出中學學生粒子概念的理解低落，最大的關鍵點可能為粒子運動概念經常在課程的後期進行(Harrison & Treagust, 2002; Johnson & Papageorgiou, 2010)，其中物質三態變化為微觀粒子教學中重要的單元，由物質三態變化的粒子運動狀態改變引入微觀粒子的概念。因此本研究將針對物質三態變化概念發展進行系統化的研究，瞭解文獻理論上的概念發展歷程與實際發展過程的差異，進而基於研究結果調整學生學習的內容與順序，使學生學習微觀粒子時能具有效率，且能進一步運用在理解物質三態概念上。在粒子概念的研究分類上主要有物質組成的研究(Novick & Nussbaum, 1978; Novick & Nussbaum, 1981; Williamson Vickie, 2008)；原子與分子的概念(Harrison & Treagust, 2002)；物質三態變化(Stavy, 1990; Treagust et al., 2010)；氣體擴散與相關氣體理論(Benson, Wittrock, & Baur, 1993; Chiu & Chung, 2009; Johnson, 1998b)。其中，物質三態變化為在國小階段、國中階段及高中階段不論以巨觀、微觀或符號表徵的方式，.

(25) 7. 皆安排許多教學的活動，因此本研究以物質三態變化做為研究微觀粒子的主要科學概念內容。上述的研究已累積許多重要的研究成果，但如何應用在教科書上的內容仍有許多需要努力的地方，因此本研究分析教科書的研究中，配合物質三態變化的相關研究找出合適的教科書分析編碼工具，用公正、客觀的方式分析不同版本教科書，而進一步將教科書中概念發展點作更具有深度和廣度的研究。教科書的編排往往會影響學生知識學習的脈絡，以往的粒子研究主要針對粒子的性質與組成，但對於粒子相關概念的教學，則更需要結合微觀粒子的科學觀點及科學教育觀點。微觀粒子的科學觀點，依其理論的需要有不同的預設和前提，再轉化為科學教育觀點時，更需考慮到學習者認知結構。以圖 1-1-2 為例，科學研究的範疇內產生許多不同的科學模型，在科學發展的歷程中透過各種不同的科學模型解釋自然的現象，而這些模型也間接地幫助科學的研究。而在科學教育的範疇內，主要的目的為將科學研究的內容再轉化為學生的學習認知結構，常見的方式就是教科書的編寫。且此建立認知結構的過程並不是單方向輸入，而是透過不斷反覆的學習來達到科學教育的目標，因此教科書的編寫必需要要考慮的不只是橫向的內容，更要包括長時期的累進過程。軟. 科學研究. 水. 我. 科液態學教育. 玩水喜歡三態變化：冰. 原子模型. 水水蒸氣. 分子運動速率. 理想氣體方程式圖 1-1-2 微觀粒子科學-科學教育-認知結構之關係圖. 由教學的場域來看，學生許多對粒子的概念是由日常生活經驗作推論，與科學家.

(26) 8. 由嚴謹的實驗推導不同，而許多關於教科書中科學實驗的安排也多由巨觀現象的觀察進行，對於微觀粒子並無深入的說明。因此本研究藉由物質組成與變化的教學活動，將微觀粒子相關的概念提早至國小階段進行教學，透過微觀機制的說明，加強學生對於微觀粒子的理解，使學生更能瞭解粒子運動所引起的機制與原理。. 第二節研究目的與問題根據研究背景與重要性，本研究綜合多重研究資料，因此研究內容可分為四個研究主題，因此研究目的包含：一、實施跨年級物質三態變化問卷，瞭解學生概念發展的分佈狀況；二、結合科學教科書中物質三態變化發展點與微觀粒子相關研究文獻，建立文獻中物質三態變化之心智模式類型及認知特徵組合，以系統發育分類學技術建構物質三態變化概念演化假說樹。三、分析不同版本科學教科書之物質三態變化相關單元，以概念發展點探討教科書內容結構及與相關概念的銜接，建立概念教學進程表及比較不同版本差異；四、以學生對物質三態變化心智模式演化樹的結果及教科書分析的概念銜接，定位出六年級學生在演化樹上的概念起點及安排不同教學發展路徑，探討不同教學發展路徑設計對於學生學習物質組成與變化的影響。綜合上述四點，本研究冀能提供教科書編撰及教師教學實務的建言與回饋，最終達成促進學生科學概念學習的目標。根據上述研究目的，本研究所極欲深入探討的研究問題包含：一、學生物質三態變化概念調查之分佈頻率為何？（一）各年段學生物質三態變化概念之類型分佈為何？（1-1-1）四至六年級學生粒子本質概念狀況為何？（1-1-2）七至九年級學生粒子本質概念狀況為何？（1-1-3）十至十二年級學生粒子本質概念狀況為何？（二）各年段學生物質三態變化概念發生頻率為何？（1-2-1）四至六年級學生物質三態概念發生的主要類型為何？（1-2-2）七至九年級學生物質三態概念發生的主要類型為何？（1-2-3）十至十二年級學物質三態概念發生的主要類型為何？.

(27) 9. 二、利用系統發育分類學技術，所建立之物質三態變化概念演化樹的假說為何？（一）物質三態變化概念演化假說樹為何？（二）物質三態變化概念演化假說樹的演化路徑為何？（三）概念演化假說樹之認知特徵演化過程為何？（四）各年段認知特徵發展與物質三態變化概念演化假說樹之關係為何？（2-4-1）四至六年級學生主要的物質三態變化概念符合在概念演化假說樹上的那些認知特徵與狀態？（2-4-3）七至九年級學生主要的物質三態變化概念符合在概念演化假說樹上的那些認知特徵與狀態？（2-4-5）十至十二年級學生主要的物質三態變化概念符合在概念演化假說樹上的那些認知特徵與狀態？三、不同版本科學教科書物質三態變化概念之內容結構及與相關概念間的銜接為何？（一）國小、國中及高中階段課之程綱要內容包含那些重要的概念？（二）國小階段教科書中物質三態變化相關概念分佈在那些單元？（3-1-1）國小階段教科書中物質三態變化相關概念分佈在那些單元？（3-1-2）國小階段教科書中物質三態變化相關概念分佈與課程大綱的關係為何？（3-1-3）國小階段教科書中物質三態變化相關概念分佈的特色為何？（三）國中階段教科書中物質三態變化概念之概念發展點分佈在那些單元？（3-2-1）國中階段教科書中物質三態變化相關概念分佈在那些單元？（3-2-2）國中階段教科書中物質三態變化相關概念分佈與課程大綱的關係為何？（3-2-3）國中階段教科書中物質三態變化相關概念分佈的特色為何？（四）高中階段教科書中物質三態變化概念之概念發展點分佈在那些單元？（3-3-1）高中階段教科書中物質三態變化相關概念分佈在那些單元？（3-3-2）高中階段教科書中物質三態變化相關概念分佈與課程大綱的關係為何？（3-3-3）高中階段教科書中物質三態變化相關概念分佈的特色為何？.

(28) 10. （五）各年級段教科書中物質三態變化單元之概念教學進程表為何？有何差異？四、「粒子本質導向之物質三態變化二階段教學」對學生學習物質三態變化概念的影響為何？（一）「粒子本質教學」對於學生學習物質三態變化概念的影響為何？（4-1-1）「粒子本質教學組」在「粒子本質暨物質三態變化測驗」總得分是否與「巨觀三態物質教學組」達到顯著差異？（4-1-2）「粒子本質教學組」在「粒子本質問卷」得分是否與「巨觀三態物質教學組」達到顯著差異？（4-1-3）「粒子本質教學組」在「物質三態變化問卷」得分是否與「巨觀三態物質教學組」達到顯著差異？（二）兩組「粒子本質教學」的學生進行「物質三態變化教學」時分為「角色扮演教學組」及「一般設計教學組」兩者是否出現顯著差異？（4-2-1）「角色扮演教學組」在「粒子本質暨物質三態變化測驗」總得分是否與「一般設計教學組」達到顯著差異？（4-2-2）「角色扮演教學組」在「粒子本質問卷」得分是否與「一般設計教學組」達到顯著差異？（4-2-2）「角色扮演教學組」在「物質三態變化問卷」得分是否與「一般設計教學組」達到顯著差異？（三）接受「粒子本質導向之物質三態變化二階段教學」的學生自然科學習動機是否與其他三組達到顯著差異？（4-3-1）接受「粒子本質導向之物質三態變化二階段教學」的學生在「自然科學習動機問卷」總分是否與其他三組達到顯著差異？（4-3-2）接受「粒子本質導向之物質三態變化二階段教學」的學生在「自然科學習動機問卷」各分量表是否與其他三組達到顯著差異？.

(29) 11. 第三節名詞定義一、物質三態變化根據九年一貫課程自然與科技學習領域課程綱要(教育部，2006)將物質三態變化的概念分置於「地球的環境」、「物質的特性」、「改變與平衡」、「溫度與熱」、「能的形態與轉換」等主題內。概念內容可分為巨觀觀點與微觀觀點的物質三態變化，所謂的巨觀觀點包含生活環境中大氣、大地與水的交互作用，如天氣變化、霜、露、雲、雨、霧的形成原因及水循環等；而微觀觀點則是物質的形態與性質，如：溫度對物質變化的影響，瞭解溫度高低不同，使水存在形態改變。本研究之物質三態變化主要探討微觀觀點的部份，主要包含「物質組成面向」、「物質性質面向」、「物質三態結構面向」及「物質三態變化面向」四個面向的概念。二、粒子本質概念本研究之粒子本質概念主要根據 Novick 與 Nussbaum(1978)對粒子本質的定義：物質是由非常小且不斷運動的粒子所組成，且粒子間有交互作用存在，因此並不包含粒子本身的結構。由物質三態變化的研究範圍(圖 2-5-1)來看，微觀粒子組成的基本構造將由六個面向進行探討，分為為「粒子數量」、「粒子重量」、「粒子體積」、「粒子運動」、「粒子距離」及「粒子間吸引力」。三、教科書教科書是指學校教學時所使用的主要書籍，也是教師最重要的教學工具之一，其內容需依據國家的課程標準作編寫，而具有系統性和組織性(藍順德，2006)。本研究之教科用書為針對自然科學方面所編寫的書籍。為將教科書作更精緻與深入的分析，本研究主要針對教科書圖文為主，包含課文內容、圖示說明及補充教材等。四、概念發展點與概念教學進程表本研究之概念發展點為根據教科書分析編碼表進行編碼的結果，此編碼表主要參考物質三態變化之相關文獻，過程包括概念圖建立、命題陳述開發及建立碼號。概念發展點為概念在教科書進行相關概念教學的位置，在結合發展的次序後可以描繪出整.

(30) 12. 個教學的脈絡，找出不同版本教科書的概念教學進程表。綜合上述，概念教學進程表的分析將包含概念發展點、教學的時間點及各年級概念發展點的前後順序。五、心智模式 John-Laird(1983)認為心智模式是作為直接表徵或進行類比的內在心智結構，會反應出事物的各種狀態，而產生相對應的心智。本研究之心智模式類型有兩個主要的來源，其一為以往文獻中已提及的心智模式；其二為研究者進行跨年級施測時所發現的心智模式。在研究分析中心智模式的表現是指學生於測驗中對於問題回答所產生的動態知識結構，而此結構將被分為不同的認知特徵及不同層次的認知狀態，據此將定位出學生的不同心智模式類型。六、概念演化樹演化樹又名系統發生樹，為系統發育系統學(phylogeneitc systemstics)理論所建構出共同祖先關係的分類單元圖示。本研究之概念演化樹是以學生的心智模式做為分類單元，心智模式所組成的認知組合為分類特徵，而此認知特徵來自於相關單元教科書的分析及相關文獻的結果。藉由系統發育系統學的現代技術可計算出心智模式發展的假說樹型，而此假說樹還需經過跨年級學生認知特徵調查的結果加以驗證。七、粒子本質導向之物質三態變化二階段教學在九年一貫課程自然與科技學習領域課程綱要(教育部，2006)中「物質形態或性質」與「物質三態變化」分屬在「131 物質的形態與性質」及「214 溫度與熱」，因此在實際的教學安排會在不同的時間進行教學。但物質三態變化的概念必需建立在正確的物質粒子概念上，本研究為瞭解粒子概念對於學習物質三態變化的影響，因此本研究在物質三態變化教學之前，預先在進行兩組不同設計的教學活動，其中一組將為粒子相關概念的教學，建立學生正確的先前粒子概念，故名為「粒子本質導向之物質三態變化二階段教學」。.

(31) 13. 第四節研究範圍與限制受限於有限的研究時間與物力，茲將本研究之研究範圍與限制描述如下：一、研究樣本範圍與限制本研究主要選取大台北地區四到十二年級學生進行物質三態概念調查，以及後續的實驗教學活動。因研究規模的限制無法使用隨機抽樣的方式進行，僅能以研究者方便取樣的方式進行，對於選樣的偏差僅能以相同學區的學校作控制，因此研究結果不宜過度推論到其他地區的學生。二、研究工具的限制本研究所開發之問卷與測驗，商請科學教育背景之專家學者進行內容的效度分析，而文字描述亦由實際從事教學的教師進行修訂，但因受測的研究樣本跨越之年齡範圍大(四年級至十二年級)，因此較低年級學生閱讀能力可能會造成資料收集時的誤差，據此以加列注音及延長作答時間的方式因應。本研究採用紙筆測驗的方式檢驗學生的物質三態變化概念，依據答題的結果將學生歸類於不同的心智模式。但紙筆測驗提供學生固定的選項，可能會強制歸類某些類型的學生，因此本研究限於紙筆測驗的方式，無法區分出此類的差異。三、研究題材的範圍與限制本研究針對與微觀粒子的物質三態變化單元進行研究，依據九十年九年一貫自然與生活科技領域課程綱要及 97 版普通高級中學課程綱要為主，研究主題包括「物質三態的分辨」、「溫度高低造成物質三態變化」、「三態變化的可逆性」、「蒸發」、「凝結」、「凝固」、「熔化」、「沸騰」、及「動態平衡」等概念。實驗教學安排的時間為六年級上學期，內容包概念包括物質組成與物質三態變化。教學內容特針對微觀粒子進行動畫、類比模型及角色扮演教學，因此研究結果不宜過度推到其他學習階段及主題。.

(32) 14.

(33) 15. 第貳章文獻探討根據本研究之研究目的與問題，本章將進行相關文獻的回顧與討論，以建立研究之理論基礎。因此本章首先探討概念改變與概念演化之理論相關性，再針對系統發育分類學的內容與方法進行闡述，以瞭解生物演化學運用概念發展的可能性與研究方法；而本研究之主軸之一為教科書，因此將討論教科書分析的相關研究方法，建立周延的教科書研究方法，以獲得具信效度的教科書分析結果，做為後續研究之運用與參考；本研究之研究基本單位為心智模式，因此針對心智模式的相關理論與研究進行說明，瞭解心智模式的研究現況與未來發展，又因本研究以物質三態變化為進行微觀粒子的研究，故特別探討微觀粒子相關研究的內容，並與心智模式的架構進行綜合性的討論，以獲得更具深度廣度的研究架構。據此，本章共有六節，第一節：概念改變與概念演化；第二節：系統發育分類學與科學教育；第三節：教科書研究與分析；第四節：心智模式；第五節：物質三態變化與物質組成與變化之相關研究；第六節：總結。. 第一節概念改變與概念演化概念改變理論最早的發展為 Posner、Strike、Hewson 與 Gertzog (1982)基於 Kuhn (1962)科學革命的結構及 Lakatos (1970)的科學研究綱領，創建科學教育上的概念改變理論基礎，進而引發許多概念改變的討論與研究。Posner 等人(1982)認為學習是一種理性探究的過程，學生基於已有的證據進行判斷與決定是否發生概念改變，是否要將原有的概念作重置或重組。因此概念改變發生的條件包含： (一)不滿意(dissatisfaction)：學習者需先對自己原有的概念產生不滿足，如異例的出現，學習者無法將新概念或新經驗同化到原有的概念系統中，因而引發概念改變的動機。 (二)可理解性(intelligible)：新概念或經驗必須是學習者可以理解的內容，也就是學習者原有的概念結構具有理解新資訊的條件。 (三)合理性(plausible)：新概念或經驗至少要能解決原先無法解決的問題，如解釋先前.

(34) 16. 無法解釋的異例，能符合先前的概念結構且新舊概念能相互結合。 (四)豐富性(fruitful)：新概念除可用來解決目前的問題或異例外，還能解釋其他可能出現的問題或做為思考的工具，而更具有解釋上的效力。但由於此模式太過強調理性與線性的發展過程，因此 Strike 與 Posner(1992)進行概念改變理論的修正，認為概念改變的過程應是概念系統動態且持續性的交互作用，因此 Posner 等人所提出的條件對於概念改變的發生仍具有引導的效果。但 Nussbaum (1989)認為就算學生真的看到概念衝突的地方也不必然就會發生概念改變，學生可能仍持有原有舊概念的成份。因此 Chinn 與 Brewer (1993)研究學習者面對異例時的可能反應，共歸納出 7 種反應分別是：否認異例、忽略異例的存在、排除異例、將異例擱置一旁、重新詮釋異例、外圍理論的改變及理論的改變(詳見表 2-1-1)，只有後二項的改變發生時個體才會真正地發生概念改變。此分類法當時因當時並未有實徵的資料作支持，而受到質疑，因此 Chinn 與 Brewer (1998)再以實徵的數據作說明。上述的七個層次反應中，僅有第六及第七個層次會牽涉到概念改變，可知概念衝突所造成的不滿足不必然是造成概念改變的主要原因，因此在 Posner 等人(1982)提出概念改變發端的文章後，許多學者便進行修正與擴充的研究，而研究的內容也不再限於概念改變的直線過程，更包含了概念本身及學習者的認知結構。.