應用合作學習的類比學習環發展國中自然與生活科技教材-以速度與加速度為例

應用合作學習的類比學習環發展國中自然與生活科技教材-以速度與加速度為例 ₇₁

物理教育學刊

2008, 第九卷第一期, 79-94 Chinese Physics Education2008, 9(1), 79-94

應用合作學習的類比學習環發展國中自然與生活科技

教材-以速度與加速度為例

李奇芳

1

林建隆

2

徐順益

2 1_{台中縣立豐南國中} 2_{國立彰化師範大學 物理學系} （投稿日期：民國97 年 9 月 5 日，修訂日期：97 年 10 月 5 日，接受日期：97 年 11 月 5 日） 摘要：本研究旨在應用以確認、檢索、映射以及評估四個類比思考步驟為基礎的合作 學習類比學習環理論，發展速度與加速度單元教材，並探討學生的學習情形。教材設 計依據徐順益（1999）所提出合作學習的類比學習環理論。由研究者自行發展，經專 家審查及三位國中理化教師共同修訂，再對國中學生實施預試，予以修改定案。教材 內容包含四個活動設計，活動一：一步一腳印－瞭解路徑長和平均速率的求法和意義； 活動二：一分耕耘，一分收穫－知道位移和平均速度的求法和意義；活動三－神秘島 的傳奇－認識等速度和等加速度運動；活動四：救救灰姑娘－學習等速度與等加速度 的x－t 和 v－t 圖形。教材設計的目的在於引導學生藉由類比教材活動設計，透過實 際操作、討論、協商…等合作學習的模式進行類比思考推理，讓學生從具體的實作過 程進行源領域的概念映射至靶領域的概念學習。意即運用類比物協助學生建立具體的 心象，再連結至所欲學習的抽象新概念，以達到學習的成效。研究結果發現以合作學 習的類比學習環實施教學，受到多數學生的喜愛，不但提升了學生的學習興趣，也更 加幫助他們瞭解抽象的科學概念。且在合作學習的類比學習環實驗教學情境中，師生 及同儕間的互動更加活絡頻繁，對於科學課室環境、氣氛的改善與討論風氣、經驗的 交流，皆有所幫助。

關鍵詞：類比學習環（analogical learning cycle）、速度（velocity）、加速度（acceleration）

壹、緒論

一、研究動機

九年一貫課程綱要強調國民教育階段的 課程設計應以學生為主體、以生活經驗為重 心，並應培養現代國民所需具備的基本能

力。因應九年一貫課程綱要的精神，教師具 有教育專業自主權，在課程發展方面所扮演 的角色已不在是傳統上被動的接受者與執行 者，而是課程的編製者與實施者。因此教師 應遵循課程綱要的原則以及針對學生的需求 和能力、興趣和經驗去設計適當的教材、提 供良好的教學情境，以幫助學生達到有效的 學習。 教學不只是單純的傳授新知識而已，根 據建構論的學習觀點，新的知識必須建構在 原有的知識概念上。Glyyn，Britton＆Muth （1990）指出無論是教師或教科書的作者都 需要協助學生將新的科學概念與他們過去所 熟悉的事物之間做有效的連接。Duit(1991)也 曾指出介於「已知知識」與「欲獲得的知識」 間的相似性非常重要。當我們在面對新事物 時常會藉由已有的經驗，並運用腦中舊有的 心靈影像來思考、連結，進而產生有意義的 學習，這正是使用類比推理思考可以成功的 將新概念引入學習者腦中的重要因素之一。 不管是在生活上或是學習上，類比幫助人們 站在舊有的基礎上推導至未知的領域。在過 去的文獻中，不少學者給予類比肯定、正面 的評價，Gentner（1989）類比是一種重要的 思考機制，Duit（1991）類比有助於概念的建 構，Glynn（1991）則認為類比可用來澄清學 生原先的迷思概念。Glynn（2007）指出類比 就像一座概念的橋樑，幫助學生連接新知識 與其相關的先前知識。而且在實驗研究和課 室教學中已獲得驗證，運用類比教學模式可 以增進學生的學習成效和提高學習興趣。 藉由合適的類比物的引導，可以幫助學 習者對新（未知）的概念有種似曾相識的感 覺，再經由類比的思考機制使學習者快速地 對新概念從陌生到熟悉、化抽象為具體，進 而達成有意義的學習。

二、研究目的與研究問題

基於上述之觀點，研究者本身即為站在 教育第一線的實務教師，因此本研究將以徐 順益（1999）提出合作學習的類比學習環作 為理論依據，整合國中「直線運動」單元的 幾個重要概念，設計了四個教學活動，組合 形成「速度與加速度」教學模組設計，且以 合作學習的類比學習環的教學模式，經由教 師做適當解釋引導學生學習此一教學模組， 希望藉此來幫助學生學習並能有效提升學習 成效。本研究欲探討的問題如下： （一）教師「以類比學習環發展國中速度與 加速度教學模組」之歷程為何？ （二）發展「以類比學習環發展國中速度與 加速度教學模組」時，教師遭遇到的 困難及解決策略為何？ （三）學生學習「以類比學習環發展國中速 度與加速度教學模組」後的學習成效 如何？

貳、文獻探討

一、類比的相關理論

類比是人們學習與思考的重要心理機 制，將新知建構在已知的基礎上，讓學習者 面對新的事物不需從零開始，是一種學習抽 象、微觀之科學概念有效的方法。因此吸引 許多認知心理學家針對類比之推理思考進行 不少相關性的研究，今列舉重要且與本研究 相關之理論如下： （一）結構映射理論 Gentner（1989）依據事物間具有的屬性 和共有的結構關係之相似性，提出了結構映 射 理 論 （Structure Mapping Theory，簡稱 SMT），指出類比是由源領域知識映射到靶領

域知識的結構關係。在類比映射時，各個不 同物體或事物之間的映射應捨棄物體或事物 間的表面屬性，主要是藉由內部蘊含的共同 結構關係來做映射。一組互有關聯的關係結 構遠比單一獨立的關係更具有映射能力，即 遵循系統性原則，兩者結構間的相似性愈 大，則愈容易作映射。此點說明了系統性原 則在類比映射過程中是一個相當重要的因 素。實施類比時，學習者是否能察覺源領域 和靶領域之間的共同結構高階關係，而忽 略、捨棄兩領域之間不相關的表面屬性低階 關係，是類比成敗的關鍵所在。依據系統性 原則作為兩領域間之映射，較容易達成類比 推理或解題的任務。 （二）類比推理成份理論 Sternberg 和 Ketron（1982）提出的類 比推理成分理論（The components theory of analogical reasoning）是根據訊息處理理論的 觀點，且基礎於A：B：：C：D（？）的模 式，包含五個成分過程： 1.編碼（encoding）：受試者察覺到類比物 之A、B、C 各個類比變項之相關屬性及 值，確認其意義後並將其儲存於工作記憶 區中。 2.推論（inferring）：受試者發現存在類比 物之A 與 B 兩變項間組內的結構關係。 3.映射（mapping）：受試者發現類比物之 A 變項與 C 變項組間之可供連結之關係。 4.應用（applied）：受試者將類比物之 A 與 B 的結構關係映射至靶領域中具有相 似關係之 C 與 D，以便推論出適當之 D 變項。 5.反應（response）：受試者在建立靶領域 之C 與 D 變項之結構關係後，賦予該領 域之各個變項屬性及值，使靶領域獲得學 習或解答。 Sternberg 的類比推理成分雖然提出一系 列的步驟來說明類比解題過程，但在訓練學 生使用類比推理的時候，對於如何提取適當 的源領域映射至靶領域則未提及。 （三）類比解題思考歷程理論 Novick（1988）在探討生手與 專家在類比解題的策略時，提出了類比 解題應具備四個過程： 1.問題表徵（problem representation） 2.搜索／提取（research／retrieval） 3.映射（mapping） 4.適應 （adaptation） Novick 將問題表徵列為首要步驟，先呈 現問題表徵再去提取適當的源問題類比物以 進行之後的步驟，此點與Sternberg 的類比推 理成分理論大不相同。 （四）類比學習環理論： 徐順益（1999）綜合 Sternberg 和 Ketron 所提出的類比推理成分理論以及 Novick 的 類比解題思考轉移模式，並架構在一個能凸 顯結構關係之類比物，發展出類比推理機制 四步驟：確認、檢索、映射、評估，此四個 步驟依序進行，形成一個循環，即為類比學 習環。 1.確認：對問題表徵之各變項的概念意義 做確認的過程。 2.檢索：受試者根據目標及問題表徵間的 關聯性和線索，作為解決問題的信息。搜 尋 的 過 程 為 受 試 者 回 憶 已 有 的 先 備 知 識，動員並做處理，在不斷和問題表徵比 較後，從先備知識的認知結構中提取最有 用的信息作為解題之用；常用的搜尋途徑 為相似性（包括表面相似與結構相似）、 典型特徵、類型等。 3.映射：由檢索所獲取可抽離之屬性、功 能、結構關係來尋求對應於問題表徵中， 以獲得問題的解決。 4.評估：經由映射而獲得解答後，評估所

映射於靶領域之屬性、功能、法則或關係 結構，在問題領域中尋求滿意的適應過 程。 雖然各研究對類比過程的區分不盡相 同，歸納以上理論，發現皆具有映射這個階 段，可見此一階段在類比推理機制中，是不 可或缺的一個重要關鍵成份。Keane（1988） 認為Sternberg 的類比推理成分理論，對於類 比推理過程中一個重要的步驟，即如何提取 適當的源領域、靶領域之重要表徵來進行映 射沒有提出說明。Readence（1988）採用 41 名 八 年 級 學 生 與 41 名 大 學 生 來 探 討 Sternberg 理論其中的兩個成分即推論和映 射，在簡單類比解題的必要性之研究。結果 指出，有時候在進行類比推理解題時，只需 要推論和映射步驟即可完成，未必都需要經 過編碼、推論、映射、應用、反應五個推理 步驟。「類比學習環理論」不但符合認知心理 學的類比推理過程，且步驟適當、完整，因 此本研究欲以「類比學習環理論」作為設計 國中「速度與加速度」類比教材之教學策略。

二、類比相關研究

近年來在認知科學中，以類比來幫助學 習遷移與概念的形成，被視為有效的學習法 則之一。根據國內外許多研究結果，亦可以 發現類比不論在物理、化學、生物、地科… 等領域，皆具有不錯的成效（郭人仲，1995； 林建隆，2001；徐星豪，2004；許瑀庭，2006）。 Gentner（1989）視類比為一種重要的科學思 考機制，而且指出類比物的清晰度與系統性 將是影響類比學習成效的兩個重要因素。因 此在設計類比教材時，應注意類比物與目標 物之間的映射關係，是否是由一群彼此相關 的系統性概念之相似結構關係所組成的高階 關係。Kovacevic 和 Djordjevich（2006）亦指 出類比應用在科學教學上是一個強而有力的 工具，但是教師需要仔細規劃及有效應用， 以防止學生過度的類比，產生迷思概念，而 誤導其學習。許瑀庭（2006）建議實施類比 學習環教學的教師，對於確認步驟要多方加 以確認學生的源領域知識，且檢索步驟也要 適時的給予引導或說明，學生才能檢索出要 對應的結構關係，產生正確的映射，最後評 估步驟也要進行多面向的評估，才能避免學 生產生錯誤的映射，產生新的迷思概念。 總括來說，在運用類比的過程中應該注 意的事項有： 1.類比物的選擇與呈現方式：選擇學生熟 悉的事物作為類比物，並應著重目標物 與類比物間正確且整體的對應關係及其 限制（Gentner,1989）。 2.教師在進行類比教學時要適時地給予學 生引導和說明( Duit,1991；Kovacevic＆ Djordjevich,2006 ) 。 3.學生在進行類比推理時，需要一個互動 的環境，透過小組討論對話，讓學生自 己思考，產生正確的映射，進一步組織、 建構目標領域知識（劉嘉茹和王淑慧， 2003）。

參、研究方法

本研究旨在應用類比學習環發展國中速 度與加速度教學模組並自行發展適當的研究 工具以了解學生的學習情形。

一、研究對象

參與本研究的人員除了研究者和二位國 中自然與生活科技教師所組成的教師團隊以 外，尚包含中部地區兩班國中二年級常態班 的學生，共計67 人。在實施類比教材實驗教 學前後，針對這些學生施以個別晤談、速度

與加速度成就評量前、後測。

二、研究工具

本研究的研究工具包含有前、後測成就 評量卷與速度與加速度類比教材。 （一）前、後測成就評量卷 本研究之前、後測題目相同，共有二十 題選擇題。編製的目的是為了瞭解學生在學 習速度與加速度教學模組的先前知識以及教 學模組實施後的學習情形。試題由研究者查 閱文獻資料、國中自然科課本教材、教師手 冊初步編制後，交由專家審查以及參酌兩位 國中教師的建議加以修正。而在信度方面， 研究者取一個研究班級以外的同年級班級進 行信度考驗，測驗卷信度（KR－20）為.72。 （二）速度與加速度類比教學模組 本研究之教學模組設計乃利用四個教學 活動連接了現行國中自然與生活科技課程中 之直線運動學的主要概念：「一步一腳印」、 「一分耕耘，一分收穫」、「神秘島傳奇」、「救 救灰姑娘」。初步先由研究者自行發展、設 計，之後再經過專家與三位國中理化科教師 審查修正後始完成。在每個活動中，學生透 過實際操作、討論、思考、小組互助合作的 方式進行學習，且皆依循著徐順益（1999） 提出的類比學習環理論：確認、檢索、映射、 評估四個類比思考步驟，將各個概念藉由學 習單中教學情境的引導、逐一串聯起來，讓 學生在經歷一次次的類比學習環的活動中逐 漸學會路徑長、平均速率、位移、平均速率、 平均加速度…等重要科學概念。本類比學習 環之教學模組中各活動的靶領域、源領域以 及所呈現出的對應關係列舉如下：

活動二：一步一腳印

靶領域：平均速率（單位時間路徑長） 源領域：放置寶特瓶的速率（每秒放置寶特 瓶的數目） ＊放置寶特瓶處 IJ 位置坐標 ＊寶特瓶的總數量 IJ 路徑長 ＊每秒放置寶特瓶總數量 IJ 單位 時間的路徑長（平均速率）

活動二：一分耕耘，一分收穫

靶領域：平均速度（單位時間位置變化量） 源領域：放置寶特瓶的速度（每秒寶特瓶的 淨數目） ＊放置寶特瓶處IJ 位置坐標 ＊寶特瓶的淨數量IJ位移 ＊每秒寶特瓶淨數量IJ單位時間的位移 （平均速度）

活動三：神秘島傳奇

靶領域：速度（每秒位置變化量） 源領域：加速度（每秒速度變化量） ＊速度 IJ 加速度 ＊等速度運動的位置變化IJ等加速度運動 的速度變化 ＊等速度運動的速度變化IJ等加速度運動 的加速度變化 ＊等速度運動的平均速度IJ等加速度運動 的平均加速度

活動四：救救灰姑娘

靶領域：位置－時間圖、速度－時間圖 源領域：撿拾的總豆子數－時間圖、每秒撿 拾的豆子數－時間圖 ＊大鴿子撿拾豆子IJ等速度運動 ＊ 大 鴿 子 撿 豆 子 總 數 － 時 間 圖 IJ 等速度運動的位置-時間圖 ＊大鴿子每秒撿的豆子數－時間圖 IJ 等速度運動速度－時間圖 ＊小麻雀撿拾豆子IJ等加度運動 ＊小麻雀每秒撿豆子數－時間圖 IJ

表1：速度與加速度教學模組活動一之活動流程 活 動 名 稱 活動內容 階段目的 類 比 時 間 情境佈置 活動 目的 備 註 確認階段 1. 小智和小慧一起以穩定的步伐跑 步，每跑一步就放下一個寶特瓶，經 過相同時間，兩人所放置的寶特瓶數 各有幾個？ 2. 誰跑的較遠？誰的路徑長較多？ 3. 標示活動起點。 4. 測量一公尺的距離。 確認：知道 源、靶領域－ 距離、時間、 路徑長的概 念 確 認 15 分 檢索階段 1. 請學生在規定的時間內，依某一方 向行走並放置寶特瓶做記號。觀察 每個人放置的寶特瓶數目與個人行 走情形的關係。 2. 各組以碼錶記錄個人在行進時，同 一時間內寶特瓶的數目，並計算出 每單位時間寶特瓶數目的變化量， 且說明判斷速率快慢的因素。 3. 算出並比較每個人放置寶特瓶的速 率。 檢索：單位時 間內寶特瓶 數目的變化 量即表示個 人運動的快 慢。 檢 索 20 分 活 動 一 ： 一 步 一 腳 印 映射階段 討論上面可以運用寶特瓶數目判斷行走 快慢的觀察結果，能一對一映射到直線運 動學之理論。 寶特瓶放置點 ÅÆ 位置座標 寶特瓶變化數量 ÅÆ 所走路程（路徑 長） 單位時間寶特瓶變化量 ÅÆ 單位時間 路徑長 評估階段 1.各組將討論結果寫在小白板上並展示。 2.教師引導：平均速率即單位時間內所走 的路程。 3.小丸子和小玉參加百米賽跑，誰的路徑 長較大？誰的平均速率大？ 4.根據砂石車沿路滴下的油漬，試計算出 該車的 平均速率。 將單位時間 內寶特瓶變 化量映射單 位時間內所 走的路程 評估學生是 否了解以及 會不會正確 使用類比的 結果，並且評 估是否有不 恰當的類 比。 映 射 評 估 15 分 20 分 學習單 × 37 寶特瓶 (多個) 籃子 ×6 白板 × 6 白板筆 ×6 知 道 平 均 速 率 為 單 位 時 間 內 走 的 路 徑 長

等加速度運動的速度-時間圖 ＊ 小麻雀每秒撿的豆子數變化量－時間圖 IJ等加速度運動加速度－時間圖 關於本教學模組活動一之活動流程如表 一所示：

三、資料分析

研究者將所蒐集的資料進行量化及質性 的資料分析，以質性資料分析為主，量化資 料為輔。研究過程中所蒐集到的質性資料包 括：課室觀察之錄影、錄音資料、學習單、 研究者教學日誌、晤談學生紀錄以及會議紀 錄等資料，為了提升本研究的信度、效度， 研究者運用「三角校正法」（triangulation）， 希望藉由多方面的資料來驗證。量的部分則 是將學生的「速度與加速度」前、後測成就 評量卷作答情形輸入電腦中，透過 SPSS 軟 體進行分析，呈現出評量卷得分之平均值及 標準差、並分析前、後測成績是否有顯著差 異，進一步去了解學生對各單元概念的學習 情形。

肆、研究結果與討論

一、教學模組發展歷程

研究者參閱了教學模組設計的相關文獻 以及當下教育實務工作者所設計、發展的教 材實例，輔以研究者自身以及教師團隊具備 的實際教學經驗，發展速度與加速度之類比 教學模組。整個類比教學模組的發展歷程劃 分為四個階段：（ㄧ）決定教學模組主題（二） 建立教學模組之教學單元（三）擬定教學目 標（四）設計單元活動。 （一）決定教學模組主題 研究者與同校二位理化科教師組成的教 師團隊先透過圖書館、網路等管道，大量查 閱教材設計的相關書籍、教育期刊、教育論 文等資料，試圖從中尋找出合適的教學模組 主題。由教師團隊的會議資料中分析得到： 「力與運動」 是國中學生在學習自然科時普 遍感到困難的章節之一，且從學校例行性舉 辦的定期考查也可發現學生每當在學習這個 章節時的評量成績明顯比其他章節低落許 多。此外，也訪談了10 位已學完國中理化科 教材內容的學生，發現學生最感困難的單元 有「力與運動」與「電學」等運用公式計算 的單元。之後研究者從物理學的觀點來看， 發現「速度」、「加速度」為「力與運動」中 重要的概念與之後要學習的牛頓三大運動定 律、功與能等其他重要物理概念具有直接且 重大的影響，因此研究團隊決定選取「速度 與加速度」這個主題作為本研究之教學模組 的主題。 （二）建立教學模組之教學單元 研究者參考現行的國中教材內容，先將 在國中階段所有與主題相關的概念與學生所 需學習的概念一一列出，並由網路、圖書館 查閱運動學的相關文獻將各個概念間的關係 找出，以概念圖的方式呈現。之後瀏覽了相 關文獻資料及分析、整合會議紀錄，在考量 時間、人力等因素的狀況下決定先針對國中 自然與生活科技第五冊的直線運動單元中幾 個重要的基礎概念：路徑長、位移、平均速 率、平均速度、平均加速度、等速度與等加 速度運動、位置－時間圖、速度－時間圖， 來設計教學模組。此外採納專家的建議著手 發展教學模組的架構圖，將教學內容與各個 概念間的關係加以連結，總計共包含四個教 學活動，預計教學時數大約為八堂課，以一 週2 至 3 節的方式為期三到四週的教學模組 課程。 （三）擬定教學目標 參考九年一貫課程綱要之分段能力指標

及參酌專家的意見，再經過教師團隊的討論 後，擬定了教學目標。本教學模組主要的目 的是探討實施合作學習的類比學習環教學模 組時，學生在分組學習過程中的學習態度和 組員分工合作、師生互動情形，以及對於速 度、加速度等相關概念在認知、情意、技能 各方面之學習情形，因此所擬訂的目標期望 學生在認知、情意以及技能三方面皆能均衡 發展。 （四）設計單元活動 研究者在參閱了一些「速度」或「加 速度」的教學設計實例以及速度、加速度概 念發展相關的文獻後，希望藉由活潑且生活 化的活動設計引導學生使用類比思考，由日 常生活周遭簡單、具體的事物或觀念映射到 速度、速率、加速度等較抽象的科學概念。 本教學模組四個單元活動設計理念及主要內 容說明如下： 1.活動一「一步一腳印」：本活動設計理念 是帶領全班學生以分組活動的方式進行 一個簡 單的 小遊戲 引起 學生的 學習 動 機。運用學生在遊戲中放置的寶特瓶個 數作為 類比 物，再 以類 比學習 環的 確 認、檢索、映射、評估四步驟引導學生 進行速率的概念學習。藉由遊戲規則： 走一步，則放下一個寶特瓶！在規定的 時間內由每位同學在遊戲過程中所放置 寶特瓶的位置、寶特瓶總數量，映射至 物體運動的位置坐標、路徑長，並加以 延伸、推導至平均速率的概念。 2.活動二「一分耕耘，一分收穫」：設計直 線折返 跑的 遊戲， 讓學 生分組 進行 活 動。遵照著學習單說明的遊戲規則－在 去程時，每向前走一步，即放下一個寶 特瓶；在回程時，每往回走一步，則收 起一個寶特瓶。依確認、檢索、映射、 評估四個類比思考步驟，引導學生由參 與、觀察各組裡每一個成員在活動中的 運動情形與計數在規定的時間內最後寶 特瓶淨數量，推知、習得位移、平均速 度的概念。 3.活動三「神秘島傳奇」：虛擬一個故事情 節引出主題，藉由兩個人物其特殊的行 走風格依照確認、檢索、映射、評估步 驟設計，由學生較熟悉的等速度運動映 射到陌生的等加速度運動，讓學生瞭解 的兩運動間的特性和比較兩者的異同。 4.活動四「救救灰姑娘」：改編著名的童話 故事「灰姑娘」劇情中，邪惡繼母為阻 止灰姑 娘參 加舞會 命令 其撿豆 子的 情 節，讓學生模擬劇中動物實際操作撿拾 豆子的情形。利用撿拾豆子的活動，引 導學生以類比學習環的思考步驟去學習 等速度與等加速度運動的概念。之後再 透過動手排排看的活動，將豆子化身為 小保利 綸球 請學生 將之 排列在 坐標 圖 中。本活動目的是希望學生由總豆子數 映射至位置坐標、每秒撿的豆子數映射 至速度坐標、每秒撿的豆子數之變化量 映射至加速度坐標，最後繪出x－t、v－ t 和 a－t 的圖形並了解圖形中所蘊含的內 容和意義。

二、發展教學模組遭遇的困難與解決策

略

在教師團隊著手進行設計本教學模組的 活動期間，所遭遇到的困難與解決策略，茲 列舉如下： 1.在活動一和活動二的確認和檢索階段， 讓學生走一步放置一個寶特瓶做記號， 運用放置的寶特瓶數為類比物，請同學 由活動中去觀察個人運動的情形並檢索 出放置速率（每秒放置幾個瓶子）的概 念，本活動設計理念是希望以寶特瓶數

為單位，不考量實際的距離，讓學生直 接由每位組員每秒放了幾瓶去比較每位 同學的速率，但因現實情境中每人放置 的距離大小不一因此造成學生在比較每 個同學放置速率時，將瓶數與距離都考 慮進去，將源領域概念複雜化了。 因此將瓶子放置處的間距固定為一公 尺，請各組同學在活動前先標示起點與 瓶子放置點，這樣不但可以省去活動中 測量或換算的精力和時間，亦可簡化類 比物，讓學生由觀察與計數寶特瓶的數 量就可直接感受並瞭解每位同學放置的 速率快慢並將其量化，如此就更容易去 掌握、達到本類比活動設計的目標：由 同學放置速率（一秒幾瓶）映射至物體 運動速率（一秒幾公尺）。 2.加速度的概念對學生來說較陌生且難以 聯想，原設計是請學生先推出學習單表格 中的數據，填入後分析數據，找出其中的 規律與變化。若只單純藉由活動三、四故 事的說明以及圖片解說作為源領域來進 行此一概念的學習，對初學者而言此種類 比物呈現的方式仍然過於抽象，不容易體 會到它的意義。且僅藉由學習單圖片中的 數據去推算速度、加速度的數值，會讓活 動進行顯得枯燥乏味，無法提升學生的學 習動機。 因此研究團隊決定修正學習單，加入讓學 生實際操作的活動－撿拾豆子與動手排 保利綸球，讓學生依據故事情節扮演劇中 動物的角色，透過實際的操弄具體豆子的 過程，縮小學生在進行源領域和靶領域間 類比推理映射的概念落差，有效幫助學生 做連結思考並親身體驗到等速度與等加 速度的感覺與意義，進而去推算撿拾豆子 的速度、加速度，由撿拾豆子與排列保利 綸球的實際數量與圖形來進行類比推理 思考的檢索和映射步驟，最後學習到物體 運動的速度與加速度概念。 3.為讓研究者更加瞭解每位學生在學習此 類比教學模組過程中概念的改變情形，因 此將學習單讓學生填寫的部分劃分為兩 個欄位－我的想法、小組討論。當教師進 行每一階段的教學活動時，先引導學生自 行思考填寫好個人想法後，再進行小組討 論，最後歸納整合小組意見，並將之填入 小組討論的欄位中。如此研究者便可由每 份 學 習 單 看 出 該 學 生 在 學 習 過 程 的 思 考、概念改變歷程。

三、教學模組實施成效

受測學生之速度與加速度成就評量前後 測作答資料經統計分析，配合個別晤談的學 生反應資料敘述如下： 因速度與加速度單元所包含的概念較為 抽象且涉及數學計算能力，故學生在成就評 量前、後測的得分均不高，前測的平均數為 43.47 而後測的平均數為 55.28，如表二所 示。由表中可發現後測平均值高於前測，呈 現正成長，標準差也較前測小，成績分布情 形有較集中的趨勢。 針對速度與加速度成就評量前後測再進 行成對樣本 t 檢定，見表三。結果發現實施 速度與加速度類比教學模組之教學成效有達 到統計上顯著差異水準（t＝4.98，p＝0＜ 0.01）。表示實施類比學習環策略有助於提升 學生在速度與加速度單元的學習成效。 綜合了課室觀察及晤談資料與學生的學 習心得，發現學生因為能在課堂上參與小組 活動以及實際動手操作，提高了他們在自然 課的參與感與學習興趣。相較於傳統講述式 的課程，有趣、生活化的類比教學模組配合 小組合作學習的情境，學生與教師、同儕間 的互動增加，彼此互助合作、截長補短，

改善了班級學習的氣氛，且活潑、輕鬆的上 課方式加上小組競賽讓學生們主動、持續的 參與教學活動，針對學習單的任務、問題藉 由實作活動、小組討論尋求解答，各組皆能 順利完成學習單中的每一項任務。

伍、結論與建議

一、結論

本研究的目的主要在發展「速度與加速 度類比教學模組」，並探討使用本教材學生的 學習情形。由前、後測成就評量、學習單、 配合個別晤談資料，經分析得到結論，歸納 如下： 1.類比教材有助於學生「速度與加速度」 概念之學習，幫助他們瞭解抽象的科學 概念。在實施速度與加速度類比教學模 組之教學成效有達到統計上的顯著差異 水準（t＝4.98，p＝0＜0.01）。 2.有趣、生活化的類比教學模組配合小組合 作學習的情境，提高了學生在自然課的參 與感與學習興趣。 3.在合作學習之類比學習環實驗情境中，活 絡了教師與學生的互動並改善自然科課 室的學習氣氛。

二、建議

1.本研究發現提供學生可進行實際操作及 討論的速度與加速度之活動課程，可增強 學生對速度與加速度概念的感受，有助於 提升學生的學習意願以及對速度與加速 度相關概念的學習成效，可供自然科教師 作為未來教學上的參考。 2.本研究進行類比教學模組實驗教學時間 僅八至十堂課，建議後續研究可以深入了 解學生的類比學習機制，對學生學習速度 與加速度概念的影響做進ㄧ步的探討。

參考文獻

1. 林建隆（2001）：合作學習的類比學習環 對國中學生壓力概念學習成效之研究。彰 化師範大學教育研究所博士論文。 2. 徐星豪（2004）：應用類比學習環探討國 中學生大氣壓力概念學習成效之研究。國 立彰化師範大學科學教育研究所數理教 學碩士班碩士論文。 3. 徐順益（1999）：以類比思考成分探討國 二學生在有類比物教學後有關速度與加 速度之解題思考現象。科學教育學刊，7 （4），315-341。 4. 許瑀庭（2006）：以類比學習環融入教學 克服國中學生電學迷思概念之研究。國立 彰化師範大學物理學系物理教學碩士班 碩士論文。 5. 郭人仲（1994）：國中學生生物概念類比 表2：速度與加速度成就評量前後測之平均值 與標準差 平均值 標準差 前測 43.47 14.83 後測 55.28 11.49 表3：成就測驗前、後測成對樣本t檢定 相關 t 顯著性 （雙尾） 前－後測 0.484 4.98 <0.00

學習之研究。國立彰化師範大學碩士論 文。 6. 劉嘉茹、王淑慧（2003）：初探國中學生 自行發展類比物之來源與判準。中華民國 第十九屆科學教育學術研討會，國立台灣 師範大學，2003/12/19 。

7. Duit，R.（1991）.On the role of analogies and metaphors in learning science.Science Education,75,649-672.

8. Gentern,D. （ 1989 ） .The mechanisms of analogical learning.In.S.Vosoniadou ＆ A.Ortony（eds,1989）.Similary and Analogical Reasoning pp,199-241.New York：Cambridge University Press.

9. Glynn,S.M. （ 1991 ） .Explaining science concept：A teaching with analogies model.In S.Glynn,R.Yeany ＆ B.Britton(Eds.),The Psychology of Learning Science(pp219-240).hillsdale,N.J.: Erlbaum. 10.Glynn,S.M. （ 2007 ） .The

Teaching-With-Analogies Model.Science and Children,44(8),52-55.

11.Glynn, Yeany R. H., & Britton B. K. (1991). A Constructive view of learning science. In S. M. Glynn, R. H. Yeany & B. K. Britton (Eds.) The psychology of learning science pp,205-217.

12.Kovacevic M.＆ Djordjevich A.,（2006）.A mechanical analogy for the photoelectric effect.Physics Education ,41（6）,551-555. 13.Novick, L.,(1988). Analogical transfer,

problem similarity, and expertise. Jounal of Experimental Psychology: learning,Memory, and cognition Vol.l4.No3,510-520.

14.Sheard,C., ＆ Readence,J.E. （ 1988 ） .An investigation of the inference and Mapping process of componential theory of analogical

reasoning.Journal of educational Research,81(6),347-353.

15.Sternberg,R.J.,& Ketron,J.L.(1982).Selection and implementation of strategies in reasoning by analogy.Journal of Educational Psychology, 74,399-413.

附錄一：學習單

活動一：一步一腳印

遊戲規則：每走一步，就放置一個寶特瓶！ PART Ⅰ （1） 小智和小慧相約一起跑步，設兩人每一步伐的大小皆相同，每跑一步就放置一個寶特 瓶做記號。經過10 秒，結果如下圖： c小智一共放了 個寶特瓶，也就是跑了_______步。 d小慧一共放了 個寶特瓶，也就是跑了_______步。 e誰跑得比較遠？ ；誰跑的路徑長比較多呢？ 。 小智 小慧 起點 （2） 若兩人跑一步的距離皆為 1 公尺，則 c小智一共跑了_______公尺，路徑長： 公尺 d小慧一共跑了_______公尺，路徑長： 公尺 老師的話 PART Ⅱ 1.先標示本組活動的起點，且每隔 1 公尺標示明顯記號。 1.先標示本組活動的起點，且每隔 1 公尺標示明顯記號。 1 2 3 4 5 起點 8 8 8 8 8 8

2.請同學將裝滿寶特瓶的籃子準備好。 3.拿起籃子依循標示的記號開始以穩定的步伐行走，每走到一個記號即放下一個寶特瓶。 4.觀察放置的寶特瓶總數目與同學運動情形的關係：寶特瓶的數目與哪些因素有關呢？ 我的想法 小組討論 老師的話 少 5.請各組以碼錶記錄每個同學在 10 秒鐘行進時放置的寶特瓶數目，並計算出單位時間內 （每一秒）寶特瓶數目的變化量。 組員 寶特瓶數目（個） 單位時間（每一秒）寶特 瓶數目的變化量(個/秒) 6.觀察上述活動數據： （1）寶特瓶的數目代表什麼意義呢？ （2）你覺得本組中運動最快的是誰？為什麼？可以說明你是利用什麼來判斷運動快慢？ 我的想法 小組討論 老師的話：

PART Ⅲ 1.在上述活動中，誰運動的平均速率較大？為什麼？ 2.在上述活動中，同學在行走時每一秒所放置寶特瓶數量變化與物體在運動時的平均速率， 兩者有何相似之處？試著比較之。 我的想法 小組討論 3.將兩寶特瓶間的實際距離代入，把放置的寶特瓶數目換算成實際距離，試完成下表。 組員 10 秒內寶特瓶總數目 10 秒內所走的路徑長 （公尺） 單位時間（每一秒） 所走的路徑長（公尺/ 秒） 4. 由上述的問題請討論：當時間相同，物體的速率與路徑長有什麼關係？ 我的想法 小組討論 PART Ⅳ 1.測量並紀錄兩位同學放置 5 個寶特瓶在記號處所需的時間。 同學姓名 放5 個寶特瓶所需的時間(秒) 2.誰走得比較快？ 為什麼？ 3.誰的平均速率較大？ 為什麼？ 4.由上述的問題請討論：當路徑長相同，物體的速率與時間有什麼關係？ 我的想法 小組討論 5.綜合上述問題，物體的速率與那些因素有關？關係為何？

我的想法 小組討論 老師的話： PART Ⅴ 試回答下列問題： 1.小丸子和小玉參加百米賽跑，小丸子跑了 18 秒，小玉則費時 20 秒，誰的路徑長較大？ 誰的平均速率較大？ 。為什麼？ 2.喬巴和魯夫一起跑步，一分鐘內喬巴跑了 200 公尺的操場一圈，魯夫跑了二圈，則誰的平 均速率大？為什麼？ 3.一輛砂石車在行駛時，沿路漏油，車子每一秒鐘滴一滴油，在路面留下的油漬 如下圖： 則此車的平均速率為 公尺/秒 20 公尺 4.一隻小螞蟻在方格紙上爬行，如圖出發點P 的坐標是（4，3），停 止點Q 的坐標是（8，6），費時2 秒，則它爬行時最小的平均速率為 多少公分／秒？ (A) 5 公分／秒 (B) 2 公分／秒 (C) 2.5 公分／秒 (D) 3.5 公分／秒。 5.藤木跑 200 公尺共費時 50 秒，永澤跑 100 公尺費時 20 秒： 跑得較快，其平均速率為 公尺/秒。