以科學史電腦多媒體素材應用於國中「原子結構」輔助教學之成效研究

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(1)國立台灣師範大學化學研究所 在職進修化學教學碩士班論文. 以科學史電腦多媒體素材應用於國中 「原子結構」輔助教學之成效研究. 指導教授 : 葉名倉 博士 研究生 : 林天陽 撰. 中 華 民 國 九 十 八 年 六 月.

(2) 誌謝 研究所四個暑假,雖然一轉眼就過了,卻過得很苦,密集的課程,接踵而來 的測驗,還有令人心生畏懼的原文 Paper,所幸這些已隨著論文口試的結束而劃下 句點了。 要感謝的人很多,最重要的是我的家人,謝謝一直陪伴、體諒、包容著我的 老婆-素娟,以及寶貝兒子-祐頡,每當灰心、無力的時候都有你們的陪伴,讓我 元氣滿滿繼續下去。因為你們的支持,讓我可以無後顧之憂,往我的研究之路邁 進;其次,是我的指導教授-葉名倉老師,有您的支持及寶貴的意見,讓我可以在 自己有興趣的領域裡發展,經過不停的討論、修正,終於完成了這本論文;此外, 感謝研究所期間,授與我們專業知識的老師們。謝謝老師們,讓我涉獵到更多的 知識學問,也加強了自己的競爭力,亦培養了發掘問題、界定問題、分析問題及 解決問題的能力。亦感謝我的口試委員-黃文彰老師以及林建村老師,給了我很多 的鼓勵以及建議,使得我的論文能夠更完整而嚴謹。 感謝暑期碩士班的夥伴們,大家相互扶持砥礪,雖然在記憶中,熬夜是必然、 早睡是偷懶,但我們一起渡過了許多難關,也讓彼此順利畢業。 此外,特別感謝既是學姊也是同學的慧玲,在我的研究過程中,不斷提醒我 跟上進度,並在口試時情意相挺,讓我的論文得已順利完成。 還有在我碩士班最後一年,遇上了 901 班的 36 個好孩子,讓我在論文碼字的 枯燥日子裡,增添了許多色彩;而隨著論文的落幕,我們終於成為了名符其實的 畢業班。. 謹此致上最誠摯的謝意 林天陽. 2009.6.

(3) 摘要 本研究主要目的在於探討將研究者自行設計原子科學史電腦輔助教學媒體融 入自然與生活科技領域對學生學習成效的影響。針對自然與生活科技課本之物質 的組成章節,發展相關的教學媒體,作為教學輔助之用,以期提昇學生學習興趣 及成效。 本研究以台北縣某縣立國中之 71 名國二學生為研究樣本,以驗證所發展的教 學媒體,對於協助學生原子結構、原子與分子、粒子觀點以及莫耳數等觀念是否 有顯著的成效。並將學生區分為實驗組與控制組各一班,俾便比較該教學媒體對 學生的影響。實施方式為:實驗組輔以該教學媒體;控制組則利用板書教學。課 程結束後均實施後測,並針對實驗組的學生實施學習感受問卷,以瞭解學生對該 教學媒體有何看法與建議。此外,不論實驗組或對照組均施以教師教學評鑑問卷, 進一步探討學生對教師教學策略有何感受。 研究結果顯示,實驗組的學生在後測的平均成績高於控制組;進一步分析發 現,前者之低成就學生學習成效優於後者之低成就學生,並達到顯著差異。推測 低成就學生施以具體、視覺化的教學媒體,對其概念的建立與學習動機的啟發有 所助益。另外,問卷結果顯示,學生高度地肯定教師配合此教學媒體進行教學活 動,也願意使用相關媒體幫助學習;但是,也建議動畫內容應再增加,提高更多 的學習興趣。至於教師教學策略方面,學生多為正面的評價。 因此,本研究建議教學活動應兼備有計畫的教學策略以及合適的教學媒體, 將可有效地提昇學生學習動機與成效。. 關鍵字:多媒體、科學史、學習成效. I.

(4) ABSTRACT The purpose of this study is to explore the effects of the interactive computer multimedia on atomic science history used for the instruction in junior high school. The teaching media designed by the researcher is based on the chapters about material in the text book.It was used to assist instruction and hopefully would raise students' interest and effects in learning. In order to verify whether there are remarkable effects or not when the developed teaching media is used in helping student learning conceptions of atomic structure, atom and molecule, particle aspect of matter and mole, the researcher chose 71 eighth graders in a junior high school from Taipei county to be study samples. They were divided into control group and experimental group, and thus it's convenient to compare the influences of the media used on the students. Both groups received the same instruction content, but the teaching media was used additionally in the experimental group. After the whole instruction, both groups took a posttest. At the same time, the students in the experimental group were asked to answer a questionnaire to understand their opinions and suggestions on the educational media. Furthermore, both experimental and control groups filled out a form of investigation into their chemistry teacher's teaching strategies, which was further used to explore the students' response. According to the results of the study, the average accomplishment of the experimental students was better than those of the control students'. According to further analysis, students with low achievement in experimental group got even higher grades than those in the control group, and showed a significant difference. So we can conjecture that if low achieved students receive concrete and visualized instructional media, there will be boosts to the students to set up their conceptions and to inspire their learning motive. On the other side, the results of the questionnaire displayed that the experimental students gave high evaluation to the instruction with the media, and had aspiration to use relative media to help learning. But, they also suggested that there should be more animations in the media. As to the teacher's teaching strategies, students also evaluated positively. Therefore, in order to achieve good instructed accomplishments, the researcher suggest that instruction should be assisted by instructional media. So that will be able to raise students' learning motive and accomplishments effectively. Keyword : multimedia, science history, learning accomplishments.. II.

(5) 目次 摘要.................................................................................................................... I ABSTRACT....................................................................................................... II 目次..................................................................................................................III 表次...................................................................................................................V 圖次...............................................................................................................VIII 第一章 緒論 ...................................................................................................1 第一節 研究背景與動機............................................................................................. 1 第二節 研究目的與問題............................................................................................. 5 第三節 名詞解釋 ......................................................................................................... 6 第四節 研究限制 ......................................................................................................... 7. 第二章 理論基礎與文獻探討 ......................................................................8 第一節 傳統教學教導微觀粒子概念時學生的學習困難及改進方法.................. 8 第二節 科學史上有關微觀粒子概念的發展.......................................................... 11 第三節 科學史在科學教學上的角色 ...................................................................... 16 第四節 電腦多媒體輔助教學的成效 ...................................................................... 27. 第三章 研究方法.........................................................................................34 第一節 研究流程 ....................................................................................................... 34 第二節 研究對象 ....................................................................................................... 36 第三節 研究工具 ....................................................................................................... 37 第四節 研究程序 ....................................................................................................... 41 第五節 研究進度甘特圖........................................................................................... 43. III.

(6) 第四章 資料分析與研究結果 ....................................................................44 第一節 前測與後測的統計結果分析 ...................................................................... 44 第二節 後測結果分析 ............................................................................................... 48 第三節 教學感受問卷之結果分析 .......................................................................... 65 第四節 教學評鑑表分析........................................................................................... 68 第五節 綜合討論 ....................................................................................................... 78. 第五章 結論與建議.....................................................................................81 第一節 結論................................................................................................................ 81 第二節 檢討與建議 ................................................................................................... 83. 參考文獻..........................................................................................................84 一、中文部份.............................................................................................................. 84 二、西文部份.............................................................................................................. 86. 附錄..................................................................................................................88 附錄一 原子科學史紙筆測驗 ................................................................................ 88 附錄二 學生前後測成績......................................................................................... 92 附錄三 學習感受問卷 ............................................................................................. 93 附錄四 教師教學評鑑表......................................................................................... 95. IV.

(7) 表次 表 2-3-1 科學史融入教學對學生學習成就之影響 .................................................. 23 表 2-3-2 多媒體融入教學對科學教學之影響 .......................................................... 33 表 3-2-1 實驗組與控制組學生人數統計表 .............................................................. 36 表 3-3-1 學習成就測驗內容的雙向細目表 .............................................................. 39 表 3-5-1 研究進度甘特圖 .......................................................................................... 43 表 4-1-1a 全體學生前測成績統計分析結果............................................................. 44 表 4-1-1b. 全體學生前測成績變異數分析結果 ........................................................ 45. 表 4-1-2a 高成就學生前測成績統計分析結果......................................................... 45 表 4-1-2b. 高成就學生前測成績變異數分析結果 .................................................... 45. 表 4-1-3a 低成就學生前測成績統計分析結果......................................................... 45 表 4-1-3b. 低成就學生前測成績變異數分析結果 .................................................... 45. 表 4-1-4a 全體學生後測成績統計分析結果............................................................. 46 表 4-1-4b. 全體學生後測成績變異數分析結果 ........................................................ 46. 表 4-1-5a 高成就學生後測成績統計分析結果......................................................... 46 表 4-1-5b. 高成就學生後測成績變異數分析結果 .................................................... 47. 表 4-1-6a 低成就學生後測成績統計分析結果......................................................... 47 表 4-1-6b. 低成就學生後測成績變異數分析結果 .................................................... 47. 表 4-2-1a 學生後測第 01 題答題人數分布表........................................................... 48 表 4-2-1b. 學生後測第 01 題答題變異數分析結果 .................................................. 48. 表 4-2-2a 學生後測第 02 題答題人數分布表........................................................... 49 表 4-2-2b. 學生後測第 02 題答題變異數分析結果 .................................................. 49. 表 4-2-3a 學生後測第 03 題答題人數分布表........................................................... 49 表 4-2-3b. 學生後測第 03 題答題變異數分析結果 .................................................. 50. 表 4-2-4a 學生後測第 04 題答題人數分布表........................................................... 50 表 4-2-4b. 學生後測第 04 題答題變異數分析結果 .................................................. 51. 表 4-2-5a 學生後測第 05 題答題人數分布表........................................................... 51 V.

(8) 表 4-2-5b. 學生後測第 05 題答題變異數分析結果 .................................................. 51. 表 4-2-6a 學生後測第 06 題答題人數分布表........................................................... 52 表 4-2-6b. 學生後測第 06 題答題變異數分析結果 .................................................. 52. 表 4-2-7a 學生後測第 07 題答題人數分布表........................................................... 52 表 4-2-7b. 學生後測第 07 題答題變異數分析結果 .................................................. 52. 表 4-2-8a 學生後測第 08 題答題人數分布表........................................................... 53 表 4-2-8b. 學生後測第 08 題答題變異數分析結果 .................................................. 53. 表 4-2-9a 學生後測第 09 題答題人數分布表........................................................... 54 表 4-2-9b. 學生後測第 09 題答題變異數分析結果 .................................................. 54. 表 4-2-10a 學生後測第 10 題答題人數分布表......................................................... 54 表 4-2-10b. 學生後測第 10 題答題變異數分析結果 ................................................ 54. 表 4-2-11a 學生後測第 11 題答題人數分布表 ......................................................... 55 表 4-2-11b. 學生後測第 11 題答題變異數分析結果................................................. 55. 表 4-2-12a 學生後測第 12 題答題人數分布表......................................................... 56 表 4-2-12b. 學生後測第 12 題答題變異數分析結果 ................................................ 56. 表 4-2-13a 學生後測第 13 題答題人數分布表......................................................... 56 表 4-2-13b. 學生後測第 13 題答題變異數分析結果 ................................................ 57. 表 4-2-14a 學生後測第 14 題答題人數分布表......................................................... 57 表 4-2-14b. 學生後測第 14 題答題變異數分析結果 ................................................ 57. 表 4-2-15a 學生後測第 15 題答題人數分布表......................................................... 58 表 4-2-15b. 學生後測第 15 題答題變異數分析結果 ................................................ 58. 表 4-2-16a 學生後測第 16 題答題人數分布表......................................................... 58 表 4-2-16b. 學生後測第 16 題答題變異數分析結果 ................................................ 59. 表 4-2-17a 學生後測第 17 題答題人數分布表......................................................... 59 表 4-2-17b. 學生後測第 17 題答題變異數分析結果 ................................................ 59. 表 4-2-18a 學生後測第 18 題答題人數分布表......................................................... 60 表 4-2-18b. 學生後測第 18 題答題變異數分析結果 ................................................ 60. 表 4-2-19a 學生後測第 19 題答題人數分布表......................................................... 60 VI.

(9) 表 4-2-19b. 學生後測第 19 題答題變異數分析結果 ................................................ 60. 表 4-2-20a 學生後測第 20 題答題人數分布表......................................................... 61 表 4-2-20b. 學生後測第 20 題答題變異數分析結果 ................................................ 61. 表 4-2-21a 學生後測第 21 題答題人數分布表......................................................... 61 表 4-2-21b. 學生後測第 21 題答題變異數分析結果 ................................................ 62. 表 4-2-22a 學生後測第 22 題答題人數分布表......................................................... 62 表 4-2-22b. 學生後測第 22 題答題變異數分析結果 ................................................ 62. 表 4-2-23a 學生後測第 23 題答題人數分布表......................................................... 63 表 4-2-23b. 學生後測第 23 題答題變異數分析結果 ................................................ 63. 表 4-2-24a 學生後測第 24 題答題人數分布表......................................................... 63 表 4-2-24b. 學生後測第 24 題答題變異數分析結果 ................................................ 64. 表 4-2-25a 學生後測第 25 題答題人數分布表......................................................... 64 表 4-2-25b. 學生後測第 25 題答題變異數分析結果 ................................................ 64. 表 4-3-1 學習感受問卷調查統計(人數%) ........................................................... 65 表 4-3-2 學生對多媒體教學的感想 .......................................................................... 67 表 4-4-1 解釋、舉例和整合學科知識的能力(人數%) ....................................... 69 表 4-4-2 與學生學習互動的表現(人數%) ........................................................... 70 表 4-4-3 教學方法與策略(人數%) ....................................................................... 71 表 4-4-4 營造學習氣氛與課室經營(人數%) ....................................................... 73 表 4-4-5 表達能力(人數%) ................................................................................... 74 表 4-4-6 教學活動與營造班級氣氛分數統計表(人數) ...................................... 75 表 4-4-7 教學活動評分的理由與建議 ...................................................................... 76 表 4-4-8 營造班級氣氛評分的理由與建議 .............................................................. 77. VII.

(10) 圖次 圖 2-4-1 媒體的特性----具體到抽象 ......................................................................... 28 圖 2-4-2 多媒體各個元素間彼此的關聯 .................................................................. 30 圖 3-1-1 研究設計流程圖 .......................................................................................... 34 圖 3-3-1 教學媒體開發設計流程圖 .......................................................................... 37 圖 3-3-2a PART I 之快速選單.................................................................................... 38 圖 3-3-2b. PART II 之快速選單 .................................................................................. 38. 圖 4-3-1a 男同學問卷結果堆疊比較圖..................................................................... 66 圖 4-3-1b. 女同學問卷結果堆疊比較圖 .................................................................... 66. 圖 4-3-1c 全班同學問卷結果堆疊比較圖................................................................. 66 圖 4-4-1 解釋、舉例和整合學科知識的能力堆疊比較圖 ...................................... 69 圖 4-4-2 與學生學習互動的表現堆疊比較圖 .......................................................... 71 圖 4-4-3 教學方法與策略堆疊比較圖 ...................................................................... 72 圖 4-4-4 營造學習氣氛與課室經營堆疊比較圖 ...................................................... 73 圖 4-4-5 表達能力堆疊比較圖 .................................................................................. 74 圖 4-4-6 教學活動與營造班級氣氛平均分數 .......................................................... 75. VIII.

(11) 第一章 緒論 本研究嘗試以科學史的電腦多媒體素材應用於國中階段南一版自然與生活科 技領域教材中-「物質的組成」之輔助教學,並探討其教學成效。本章分為四節, 分別是第一節:研究背景與動機;第二節:研究目的與問題;第三節:名詞解釋; 第四節:研究限制。. 第一節. 研究背景與動機. 一、研究背景 七十年代後期國內邁向多元、民主、開放的社會,教育改革的呼聲風起雲湧。 民國八十三年四月「四一0教改行動聯盟」提出制定教育基本法、落實小班小校、 廣設高中大學、推動教育現代化四大訴求,喚起全民教改共識。 (摘自中華民國教 育部部史全球資訊網-重大教育發展歷程)在一波波的改革聲浪中,於民國九十 二年全面辦理九年一貫的課程改革。九年一貫課程有一個重要的主張:兒童為學 習的主體。其教育目標,可簡單的化約為兩大目標,一個是培養國民的生活能力, 另一個是培養國民的學習能力。而由全國統一之課程標準、鉅細靡遺的年級規定, 轉變為課程綱要的學習階段原則性規範,大大的提升了教師的專業自主權,教學 方法以及教學素材不再全國統一。新課程的實施已度過了數個年頭,教師更應該 從教學歷程中精進課堂教學能力,自然與生活科技領域教師當然不能置身事外。 民國九十二年二月,教育部訂定發布〈國民中小學九年一貫課程綱要〉自然 與生活科技學習領域(節錄自中華民國教育部部史全球資訊網-教育大事年表) 。 其課程目標為: (摘自國教專業社群網-九年一貫) 1.培養探索科學的興趣與熱忱,並養成主動學習的習慣。 1.

(12) 2.學習科學與技術的探究方法和基本知能,並能應用所學於當前和未來的生 活。 3.培養愛護環境、珍惜資源及尊重生命的態度。 4.培養與人溝通表達、團隊合作及和諧相處的能力。 5.培養獨立思考、解決問題的能力,並激發開展潛能。 6.察覺和試探人與科技的互動關係。 培養具有科學素養的公民,已成為國內外科學教育學者一致認同的主要科學 教育目標之ㄧ。美國科學促進會(AAAS,1989)及美國國家科學教師協會(NSTA, 1982)更將了解科學的本質列為有科學素養公民的重要特徵,並呼籲科學教育學 者及教師應注重培養學生對科學本質的了解(林陳涌,1996) 。因此,未來的科學 教育目標,不再是將一個個的科學概念填塞給學生,而是希望學生對科學概念間 的關係、科學家的思考歷程、科學的本質能有更深切的了解與認識,以因應未來 科學、科技與社會結合的生活世界(洪振方,1998) 。. 二、研究動機 近年來的科學教育研究,學生已不再像是我們以前所認為:在接觸我們所教 授的教材前,仍是一張白紙,可完全接受我們所教授的內容。而是在接觸教材之 前,學生常已經具有一些看法,這些看法有些與真正的科學理論相違背,在國外 稱之為 misconception,在國內,則「迷思概念」或「錯誤概念」均指相同之事。 教師如果能在施教前,對學生那些概念會較容易出現錯誤能有所瞭解,那麼施教 時便較能對症下藥,建立學生正確的概念(黃財堂,1999) 。 研究者在國中執教,發現學童對於微觀科學概念學習感到困難。 「物質的組成」 是國中學童極為困擾的概念,因為它太抽象且無法由日常生活中觀察,然微觀的 粒子理論是化學學習的重心,亦是科學發展的基石。因為原子概念的了解影響大. 2.

(13) 多數化學現象的解釋(Abraham & Grzybowski & Renner,1992),因此,一但學 童對於物質的組成產生迷思概念,對於後續化學知識的學習會產生一定程度的謬 誤而不自知。 以往的國中理化課本中,是以現代科學理論觀點作為編撰依據,將人類的科 學發展去蕪存菁,如此,在寥寥數語的教材內容,就將近百年來的科學發展,做 了一個總結。然而這樣的課程內容,卻與真實世界嚴重脫節,因此,科學的發展 雖與生活息息相關,但學童卻無法體會科學解決了生活的問題、改善了生活的品 質,反而覺得科學與生活似乎格格不入。 適逢九年一貫課程的改革,暫行綱要在教材選編上,建議可融入科學發展過 程的史實資料,使學生得以藉助科學發現過程之了解,體會科學本質及科學探究 的方法和精神(教育部,2001,p.42) 。將科學史融入原子結構的教學中,除了可 以促進學生認識科學的本質以外,還可以幫助學生科學概念學習的理解,增加科 學的思考和提高解題的能力(陳文靜,2000) 。因此,九年一貫實施後,現行自然 與生活科技領域教材中,已增加許多科學家小傳等史料的補充,但這些史料通常 以片段的文字敘述呈現,僅揭示了人名、事件及發生日期,鮮少提及科學的本質 或是科學知識的形成、確立,造成學童學習流於背誦、死記。 國內外研究指出,將科學史融入原子結構的教學,可以促進學童認識科學本 質,或幫助學童科學概念的理解(丁美枝,2001;施怡君,2000;陳文靜,2000; 尹基勉,1999;許良榮,1998; Lin & Chen,2002;Lin,Hung & Hung,2002; Niaz,Aguilera,Maza,& Liendo,2002;Irwin,2000;Lin,1998) 。將資訊科 技融入教學是課程改革的重要趨勢,且運用科技與資訊的能力、激發主動探索和 研究的精神、培養獨立思考與問題解決能力為現階段學校教育的目標(教育部, 1998) 。尹基勉並建議教師可以動畫模擬,以多媒體呈現,提高學生學習興趣與成 效(尹基勉,1998) 。不同的教學媒體對於學童的影響是可見的(丁美枝,2001)。 3.

(14) 因此,運用適合的教學媒體,俾利於教師進行教學活動,提高學童學習興趣,提 升學習成效,是教學者刻不容緩、責無旁貸的責任與義務。 化學是一門實驗的科學,然而微觀世界的科學實驗,難以在國中課程中實現, 透過電腦多媒體輔助教學進行實驗圖說,可以解決此一困境。並且可以有效增進 學生學習興趣、精熟化學概念。研究者以 FLASH 軟體,設計關於原子結構科學史 的實驗圖說,或以動畫來描述實驗結果,並輔以部分文字說明科學發展歷程,最 後導入原子量、分子量及莫耳數等科學定義,藉以改善學生學習原子結構時易產 生的迷思概念,並提昇莫耳數計算的學習成效。. 4.

(15) 第二節. 研究目的與問題. 一、研究目的 基於上述的背景與動機,本研究主要探討將研究者自行設計「原子科學史」 電腦輔助教學媒體融入自然與生活科技領域對學生學習之影響。主要目的如下: 1.探討在自然與生活科技課程架構下融入原子科學史電腦輔助教學媒體對學 生學習成就之影響。 2.探討在自然與生活科技課程架構下融入原子科學史電腦輔助教學媒體對學 生學習感受之影響。 3.探討教師教學策略對學生學習成效之影響。. 二、研究問題 1.原子科學史電腦輔助教學媒體融入自然與生活科技課程對國中生學習「物 質的組成」概念是否有所助益? 2.原子科學史電腦輔助教學媒體融入自然與生活科技課程是否能提升國中生 學習「物質的組成」概念的學習興趣? 3.原子科學史電腦輔助教學媒體融入自然與生活科技課程是否能提升國中生 學習「物質的組成」概念的學習成就? 4.教師教學策略對於學生的學習成效有何影響?. 5.

(16) 第三節. 名詞解釋. 本論文中常用到的一些名詞,在本文中的意義如下:. 一、原子科學史電腦輔助教學媒體 研究者以 FLASH CS3 軟體設計的教學媒體,配合自然與生活科技課本,以科 學發展的歷程為主軸,將科學發展歷程中的重要概念及實驗,以動畫呈現其內容 如下: 1.德謨克利特的原子理論 2.亞里斯多德的四元素論 3.道耳吞的原子說 4.蓋斯勒管 5.湯木生發現電子 6.湯木生的原子模型 7.拉塞福發現原子核 8.拉塞福的原子模型 9.查兌克發現中子 10.亞佛加厥分子說 11.原子量 12.分子量 13.莫耳數 二、迷思概念(misconception) 學生在學習科學內容之前,對於新的科學概念,常會依據日常生活中或是先 前的學習經驗,而有不同於正確概念的詮釋方式,這樣的概念即稱為迷思概念。 在學者們的研究裡,迷思概念常成為教師在教學上與學生學習困難的主要原因。. 6.

(17) 三、自然與生活科技學習成就 本研究中的自然與生活科技學習成就是指受試者「八年級(國中二年級)上 學期自然與生活科技科第一、二次段考平均分數」而言。. 四、後測學習成就 本研究中的學習成就是指受試者在接受原子科學史電腦輔助教學媒體教學活 動後,進行紙筆測驗後測的得分。. 五、教學媒體(instructional media) 教師在教學歷程中,無論採用哪一種教學方法,用以增進學生學習興趣、或 針對學習者的特性以期達成教學目標所應用的媒體,稱為教學媒體。本研究中所 提到的教學媒體是指南一版自然與生活科技課本以及研究者自行研發設計的原子 科學史電腦輔助教學媒體。. 第四節. 研究限制. 一、由於研究樣本僅限於台北縣一所國中的兩個班級,並非隨機取樣,故缺乏母 群體的代表性,因此本研究結果僅能描述研究樣本,不宜過度推論。. 二、本研究的原子科學史電腦輔助教學媒體,為配合研究對象學習學校的進度與 內容,僅侷限在國中階段南一版自然與生活科技課本之物質的組成範圍。. 7.

(18) 第二章 理論基礎與文獻探討 本章在說明本研究之理論基礎及理念,共分成四節。第一節說明傳統教學教 導微觀粒子概念時學生的學習困難及改進方法;第二節敘述科學史上有關微觀粒 子概念的發展;第三節介紹科學史在科學教學上的角色;第四節探討將電腦多媒 體輔助教學的成效。. 第一節. 傳統教學教導微觀粒子概念 傳統教學教導微觀粒子概念時學生的學習困難及改進方法 微觀粒子概念時學生的學習困難及改進方法. 傳統的科學教學是以老師為中心,學生為被動的接受者。在課堂上老師主要 的職責就是講解教科書上的科學概念或解題,而學生必須記下老師所講解的公式 和定理,接下來就是不斷練習、做題目,這樣的學習是片段而未經深思熟慮的, 常導致學生學習困難,下面列舉幾項與學習困難的相關研究:. 一、許嘉仲(2002)用質的研究法,以二、三年級不同學業成就的學生六名為研 究對象,研究學生理化科學習的結論為:中、低成就的學生習慣以背的方式 來學習理化,而高成就的學生則會以理解的方式來學習理化。學生學習理化 的目的多數是為了升學考試,且因課程與教學的因素,學習理化的時間愈久, 學習興趣愈低。中低成就的學生喜歡實驗的原因是可以「操作實驗器材」和 「上課比較自由」 ,高成就學生喜歡實驗的原因則是「可以幫助記憶與理解」。 學生對理化科學習困難與障礙有:對於理化中的「化學式」與「公式」、「單 位符號」學習感到困難,學生對於高理解性與抽象性的課程學習感到困難, 學生先備知識不足造成理化學習的困難。. 二、林樹榮(2003)研究兩段式診斷測驗探討國中學生有關元素、化合物之相關 概念,內容包括:元素、化合物、純物質、混合物、元素的性質、元素的活 性和物質的狀態等相關概念的瞭解情形。發現無論從巨觀或微觀方面的研究 8.

(19) 都顯示,大部分國中學生不了解元素、化合物之相關概念。對化合物和混合 物的概念混淆不清,尤其在微觀粒子概念部分表現得比巨觀性質觀察來得 差。國中學生對元素、化合物之相關概念存有迷思概念,研究顯示選答正確 答案的背後,其實並不瞭解它真正的原因和內涵。經由文獻分析,歸納出中 學生在學習元素與化合物單元時最常遇到的問題,包括: 1.學生會認為化合物是兩種元素混合在一起。 2.學生以物質巨觀的性質來解釋粒子微觀的性質,如:認為原子是實心。 3.學生分不清楚原子和分子的特性,如:認為原子比分子大。 4.學生不了解化學變化中元素與化合物的差異,如:認為水是由氫與氧組成, 故仍保有氫與氧部分特性。 Steiner 在「60 分鐘抓住學習的兔子─10 倍速遊戲學習法」一書中指出, 大多數知識是透過閱讀獲得的,但比起報刊文章與文學名著,課本裏面的文章是 不同的。對沒有經驗的人來說,閱讀課本會困難重重且令人沮喪。這有兩個原因: 「一個是由於還沒有理解的專業概念太多,另一個是由於感到結構太複雜,一個 典型的例子就是化學,它至少出現在三個不同的水平面上:宏觀水平面、原子和 分子水平面以及符號水平面(即化學式水平面) 。在發生化學反應時,例如燃燒: 人們看到的是宏觀水平面…在分子和原子水平面上發生什麼是看不見的,但人們 必須能夠想像這些小微粒,以便表達這些燃燒反應。這種想像隨後就必須再進入 下一個水平面上,即符號水平面,用化學式紀錄在紙上。難怪在上化學實驗課時 人們常常會感到愕然。因為在人們所觀察的宏觀水平面和符號水平面之間裂了一 個大缺口」 (VerenaSteiner,2003) ,由於原子太過微小,遠超過國中學生可以經 驗理解的範圍,所以大部分學生在元素與化合物單元中是以死記的方式來學習, 很難完全了解元素與化合物之內涵。許多的原子概念是以理論性、抽象性方法教 學,對具體操作型的國中生而言太難理解,只做表面的教學與說明,無法深入介 紹,原子概念缺乏具體的實例說明,因此學生只是在背概念而不是理解概念,因. 9.

(20) 此造成學生在上完元素、化合物相關概念單元之後,並沒有如預期的發展出正確 而完整的認知,反而衍生出許多錯誤的概念。 另外一方面,許多教師嘗試使用電腦輔助教學來模擬抽象的概念,黃建中 (2000)發現利用電腦多媒體教材來上課,學生的接受度非常的高,學習的效果 也是非常的好。吳昌家(2001)發現利用電腦動畫教學媒體來輔助「粒子觀點」 的教學確實較傳統式教學可以幫助國中學生建立粒子概念。張秀澂(2002) 認為 對於抽象概念或實驗過程中無法觀察的現象及原理,可藉由電腦動畫來模擬,將 概念或原理以較具體的方式呈現,能使國中學生比較容易理解。李偉新(2002) 認 為中學化學多媒體輔助教材可成為提高學習興趣的課後參考資訊來源,以彌補傳 統教學的不足。這些研究者都認為電腦輔助教學在釐清課程中的抽象概念,以及 增進學生的學習動機,是相當有效果的。. 10.

(21) 第二節. 科學史上有關微觀粒子概念的發展. 從古希臘時代,有許多哲學家家對於〝世界上的物質是由什麼所組成?〞這 個問題感到興趣,但在對於物質究竟是由什麼所組成的看法卻不一致,而且爭論 不已。近百年來對於〝世界上的物質是由什麼所組成?〞這個問題,在科學的日 漸發展下,愈見清晰。. 一、古希臘時期的原子假說 古希臘時代原子假說的創始者留基伯(Leucius, ~550 B.C.- ~ 440 B.C.) 及其學生德謨克利特(Demokritos, ~420 B.C.- ~361 B.C.)則認為: 1.宇宙中的物質是由無限多之不可分割的微粒(稱為原子,atoms)所組成; 2.原子是一種堅實、緻密(不可入) ,不可被毀滅也不能被創生的微粒,它們 只具有體積、形狀和位置等與空間有關的幾何學性質,且不同的原子這些 幾何性質都不相同; 3.各種原子在一無所有的空間(虛空)中不斷的、急劇的、凌亂(無規)的 運動,且相互碰撞、相互推動,形成漩渦以產生宇宙中的所有物質; 4.運動中的各原子以不同的位置和排列組合的次序,遵循必然的規律形成各 種複合物; 5.原子本身不停運動的原因不是受了外力,而是運動本身就是原子的基本屬 性。 (北大哲學系譯, 1982, p.97-99) 根據這種原子假說的認知模式,世界萬物是由無數細小的(微觀) 、不可分割 的微粒(斷續)所構成;而自然界的無限多樣性就可以用原子的大小、形狀、位 置、運動(動態)和結合方式(有交互作用)等單一的模式來加以說明: 1.物質是由一種最小的粒子所組成,它是組成物質的最小單位。 2.它是眼睛看不見、但有重量的,並且會在物質的空間中移動; 11.

(22) 3.它不能再生長、是永久存在的、不能被破壞,也不會消失; 4.它們皆有相同的形狀、大小、重量,當只有改變位置時會組成不同的物質。 德謨克利特並且把這種粒子命名為“原子”----代表不能再被分割的意思 (Georgios,1997; Stonebarger,1990; Gerald,1981; Sotirios & Sakkopoulos & Evagelos& Vitoratos,1996) 。. 二、 古希臘時期的四元素說 亞里斯多德(Aristotle, 384 B.C.-322 B.C.)認為宇宙萬物的生成與毀滅 在於相對立之四種原始性質(即冷、熱、乾、濕)的相互作用,它們使「最初的 渾沌」成為「種子」 ,形成地上的火、氣、水、土四元素。他因此提出物質之基本 組成的「四元素說」 ,以及造成物質運動和變化的「四因說」 。即物質世界是由水、 火、土、氣四種元素所組成,這四種元素通過冷、熱、乾、濕等四種原始性質的 作用,以及「質料因」、「形式因」、「動力因」和「目的因」等「四因」的共同推 動而結合成為實體。他反對物質是由原子和虛空所組成的原子論觀點,認為物質 的最小微粒也是由水、火、土、氣四種連續的、無限可分的元素所組成,所以不 可能存在不可分割(斷續、分立)的原子和原子間的虛空(大自然厭惡真空,Nature abhor avacuum)。另外,亞里斯多德認為原子論沒有說明產生運動的內在原因和 目的,忽視了運動與事物之間的基本聯繫,因此原子論所描述的世界只是一個「機 械的、量的」靜態存在世界,裡面沒有「有機的、質的」動態演化圖景。他明確 指出從常識性思維到科學思維的認知程序和途徑本質上是(1)從對我們(主觀) 來說明白易知的東西到就自然本身(客觀)來說明白易知的東西;(2)從感覺經 驗上易知的東西到理論(理性)上易知的東西;(3)從感覺經驗到理論(理性) 知識(普遍概念)(4)從整體事物到構成要素;(5)從普遍、特殊的層次到個別 的層次(徐開來譯, 2002, p.19-20)。因此亞里斯多德元素論之認知模式的特 點早期( 「自然位置論(目的論) 」 )是「經驗和思辨的宏觀連續靜態有交互作用觀」 , 後期(生成與演化)是「經驗和思辨的宏觀連續動態有交互作用觀」。「亞里斯多 12.

(23) 德的反原子論是來自於他的經驗性觀點,此觀點隱含了一個假設,即物質是能夠 被感官認知的東西。因此有關物質(物質的基本組成或萬物的本源,引者)到底 是斷續的(粒子觀、理性觀)還是連續的(以太說、經驗觀)的不同看法是源自 深層的哲學爭論」 (Nussbaum, 1998,p.183) 。. 三、道耳吞的原子理論 第一個現代的原子理論是由道耳吞(John Dalton,1766-1844) 在 1803 年 所提出來的,他的想法和德謨克利特相似,但不同的是道耳吞卻有實驗去支持他 的看法。在十八世紀時許多科學家流行鍊丹術,其中有位科學家拉瓦錫發現了〝質 量守恆定律〞,之後另一位科學家普魯斯特發現了〝定比定律〞---如:當碳和氧 反應產生一氧化碳和二氧化碳時,碳和氧的重量比都呈簡單整數比(定比定律) 。 於是道耳吞提出他的看法: 「物質是由最小單位---原子所組成的」 ,道耳吞認為元 素是由基本的粒子(原子)所組成,每一種元素有一個特別的原子,如:碳原子 和氧原子可以組成一氧化碳或二氧化碳,唯有原子的存在才能合理的解釋〝定比 定律〞以及〝質量守恆定律〞 。 道耳吞基本的假設是: 1.所有的物質是由原子組成的,原子是最小單位無法再被分割。 2.相同元素的原子,其原子質量與大小均相同;不同元素的原子,其質量與 大小均不同。 3.化合物是由不同種類的原子以固定比例組成的。 4.化學反應是原子重新排列產生新物質,在反應過程中,原子不會改變它的 質量或大小,也不會產生新的原子,或使任何一個原子消失。 雖然沒有直接的證據證實原子的存在,但此時期接受道耳吞想法的人增加了 (Stonebarger,1990;陳文靜,2000;許良榮,1997;尹基勉,1998) 。. 13.

(24) 四、湯木生的原子模型---西瓜模型 1836 年法拉第研究在玻璃管中放置低壓的氣體,並在兩端通高壓電時的放電 現象,之後陸陸續續有許多科學家也加入研究類似的實驗,並發現管內正對陰極 的地方會產生螢光,這就是有名的陰極射線管實驗(洪振方、陳文靜,2000; Mansoor,1998)。對於它的成因有兩派的人看法不同,如克魯克斯(William Crookes,1832–1919)等人從實驗中支持陰極射線是粒子所造成的,因為當在玻 璃管外加一個磁場時,螢光會產生偏轉;另一派的人如:赫茲(Heinrich Rudolf Hertz,1857-1894)則認為陰極射線是波動現象釋放能量產生光線。克魯克斯為 了證明陰極射線究竟是粒子或波動,於是他做了幾個實驗:他在玻璃管中放了一 個十字形的擋板,結果發現正對陰極的玻璃壁會產生陰影;若在玻璃片中放置一 個雲母葉片的風車,則通電後風車可以被轉動,於是他堅信玻璃管中的陰極射線 是有帶負電的粒子存在。他的學生湯木生(Joseph John Thomson,1856-1940) 1897 年為了證明這些帶電粒子究竟是什麼?他做了一個實驗:他讓陰極射線同時 通過磁場和電場,去測量陰極射線中粒子的質量和電量的比值。結果發現:無論 在玻璃管中放入何種氣體,比值皆為定值,湯木生認為這些微粒子是從原子中分 裂出來的更小帶負電的粒子,他並且把這個粒子命名為〝電子〞 ,之後他提出了自 己的原子模型---西瓜模型(陳文靜,2000;Mansoor,1998;Stonebarger,1990)。. 五、拉塞福的原子模型---行星模型 拉塞福(Ernest Rutherford,1871-1937) 是湯木生的學生,拉塞福剛開始 和老師的原子觀點是相同的,他和蓋革 (Hans Geiger,1882–1945) 和馬士登 (Ernest Marsden,1889-1970)主要在研究放射能,當他們將帶正電的α粒子撞 擊一片金箔時卻發現:大部分的α粒子是可以穿透過去的,只有極少數的α粒子 會發生大角度的偏轉,這個現象使他們感到困擾。因為根據他們老師的西瓜模型: 原子中的正電物質就像西瓜的果肉,而電子就像西瓜子一樣均勻分散在原子中。. 14.

(25) 如果此模型是正確的,那麼絕大多數α粒子會穿透,可是從實驗證明並非如此。 在 1904 年長岡 半太郎(ながおか はんたろう,Nagaoka Hantaro,1865-1950) 曾提出原子是類似土星的模型,他認為原子內有一個帶有質量的物質形成核心, 吸引電子圍繞在周圍。拉塞福認為這個模型比老師的原子模型更能解釋α粒子散 射的現象,於是在 1911 年他提出了自己的原子模型---行星模型,這個模型說明 幾個原則: 1.原子中有一個帶正電的原子核,周圍的電子被它吸引繞著它轉。 2.原子核的體積很小,因此原子中大部分是空隙。 3.原子核的質量很大,幾乎集中了原子所有的質量。 4.原子核中正電物質若帶 Z 個正電量,則核外的電子必帶 Z 個負電量。. 後來 1932 年英國的查兌克(James Chadwick,1891-1974) 又從實驗中發現 原子核中另一個主角的存在---不帶電的中子,這時原子中的三個主角皆現身了 (尹基勉,1998;陳文靜,2000;Mansoor,1998;Stonebar,1990) 。. 15.

(26) 第三節. 科學史在科學教學上的角色. 一、科學史與科學教學 什麼樣的科學課程,有利於學生在學習時進行概念改變,並且可以使學生在 面對科學科目時不再缺乏興趣?這個問題的答案,相信是從事科學教育的教師 們,亟於瞭解的。 綜觀世界各國科學教育的趨勢,1960 年代強調科學知識的學習,到了 1970 年代則強調科學過程技能的學習,1980 年代以後更進一步轉為強調科學知識與如 何獲取科學知識的方法兩者同等重要(洪振方,1997) 。科學課程的改革,也由過 去強調科學為一個知識體,轉移到強調科學活動與探究的教學(Hodson,1990, 引自許良榮等,1995) 。然而在強調科學活動與探究的教學中,我們培養學生熟悉 過程技能的同時,是否也讓學生了解建構科學理論時,這些過程技能的本質? Carey&Smith(1993)評論現在的科學課程指出,雖然強調實做的過程技能,有 可能使學生學習到實驗的設計及操作能力,但是對於這些過程技能在建構科學知 識的角色並沒有幫助,也就是沒有提供學生對於科學探討的本質的認識(引自許 良榮等,1995) 。換言之,科學方法與科學過程技能的教學,並沒有表現出實際科 學探究模式的內容。在學校的科學教學中,對科學方法的傳統看法,已被過度理 想化,科學工作的實際情況並非如此(傅麗玉,1999a)。教師的教學與教科書的 內容脫離真實化的情境(context),使原本就抽象而不易了解的科學知識更難為 學生所接受。 Garrison & Lawwill(1993)認為如果科學教學的目標是引發學生對於科學 探討過程的理解,則科學史是科學教學的必備要素(引自許良榮等,1995) 。Duschl (1990)認為,一個合理的科學探討過程實應讓學生從科學史的角度了解目前我 們所知道的科學知識究竟是如何形成,而不要只告訴學生什麼是正確的科學知識 (郭重吉,1992b)。因此,我們必須強調與「情境」連結的科學教學,而這正是. 16.

(27) 科學史所能提供的特質與功能。在科學史的情境中,學生們可藉由見習科學家在 面對問題時,探究問題的歷程、思考的歷程、以及解決問題的歷程,進而認識其 中所蘊含的科學本質(洪振方,1998) 。 檢視我們教科書的科學課程內容,大抵上只是將科學家們由過去迄今,數百 年來的研究成果,做一個摘要式的總結敘述;陳勇志等人(1998)檢視在現行國 中理化教科書的力學部份,科學史所佔的百分比只有 2.99%。以這種驚鴻的一瞥, 來看待科學家們經由努力所換取得來的偉大成就,實在是窺豹一斑;而這樣的教 學,也往往會讓學生認為,科學的發展過程乏善可陳,科學發展的成果只是堆棧 式的理論累積。 在過去與現今的教科書裡,往往只提供了學生在自然世界上,普及的、清楚 的知識,所呈現的現今科學知識內容,是持續累加的頂點;大部分的教師將他們 的教學工作重點,放在他們所已經知道的內容上,卻忽略了他們如何致知的部分 (Monk & Osborne, 1997) 。 此外,教師在教授科學課程時,常常是以講述、背誦、測驗的方式,來取得 教學上的方便,卻忽略了在以這樣的方式進行科學教學時,實在扼殺了許多學生 的創造、思考的能力。 因此,科學教育學者在設計科學課程時,不應過度簡化科學課程的情境,應 該在科學教學過程中結合科學史的情境,以達成「過程」之學習,使學生了解到 科學理論與真實世界中常識知識之間的關聯,才是科學教學成效的關鍵處。. 二、科學史融入教學的歷史 科學本身有其發展的歷史及文化背景,無論中外的科學,都是在某種自然觀、 世界觀下發展演化出來的,我們絕不能忽略了「歷史」這一個時間的向度(劉君 燦,1997) 。各個時代的思想潮流,深深影響了科學史融入教學之興衰。以下擬將. 17.

(28) 簡單回顧科學史融入教育的歷史背景,以說明將科學史融入教學,已為國際間未 來科學教育的重要主流。 十九世紀初,Auguste Comte 就已察覺到科學史能幫助人們了解實證哲學,因 而首開科學史應用於通識教育之先例(張榮耀,2000) 。二十世紀初,George Satron 承襲 Comte 的理念,主張科學是最實證的知識,科學發展的歷史能幫助人類促進 社會的進步,因而開始在哈佛大學建立教授科學史的傳統(徐光台,1995) 。 二次大戰後,在美國興起反科學的思潮,為了避免造成科學與人文的對立, 科學史便開始嶄露頭角。其中最具代表性的人物,首推哈佛大學校長 Conant。1951 年起 Conant 開始提倡科學史通識課程 ,以科學史個案研究法(case-study approach)編寫了八個科學發展歷程中的科學史事例,讓一般人明瞭何謂科學方 法,後來這套教材便成了哈佛大學學生的通識課程之一。Conant(1951)認為藉 由早期科學發展例子的介紹,可讓學生明瞭科學的發展過程,以及科學知識是如 何融入社會。這樣的想法,引起了科學教育學者對科學史研究的興趣,深深地影 響了科學史的研究後進者。Klopfer 和 Waston(1957)延續 Conant 的想法,也發 展了八個適合高中生使用的科學史事例(History of Science Cases,簡稱 HOSC), 並指出在科學課程中加入科學史的 HOSC,可以增加學生對於科學及科學家的了 解,同時也不會減少學生對於學科知識的學習(Klopfer & Cooley, 1963) 。 1960 年代初期,Gerald Holton、Fletcher Watson 和 James Rutherford 等 人合作發展適合高中生學習的哈佛大學物理課程計畫(Harvard Project Physics Course,簡稱 HPP) 。這一套以歷史為導向的物理課程,是將大量的科學史教材融 入一個完整的課程中(包括教科書、補充讀本、實驗設備等) ,其主要目的是想要 呈現科學的人性面,以吸引不想選修物理的學生(巫俊明,1997) 。HPP 與當時盛 行的 PSSC 高中物理課程相較,在科學素養、方法的應用、科學知識的主動追求、 批判性推理等方面,均優於主流的 PSSC(Aikenhead, 1974) ,而物理成就測驗之 成績,也與採用其他課程之成績相當接近(Brush,1989) 。可惜當時因蘇俄 Sputnik 18.

(29) 衛星的發射,各國深恐科學落後,遂大力提倡精英教育,強調科學知識及技能的 學習(林煥祥,2000) ;加以當時科學史哲對於科學教學或科學學習的功能尚未明 確建立,影響實際應用(如課程設計)的部分有限,使得 HPP 並未受到重視(許 良榮、李田英,1995) ,科學史在科學教育的地位也逐漸下降,直到 1980 年代之 後才受到重視。 1970 和 1980 年代,科學史的研究並非主流,但相關研究仍持續進行。當時的 科學教育界正流行著「科學過程技能」的學習,強調學習獲得知識的方法比學習 知識本身更重要,亦即強調「科學即探究」之教育理念(洪振方,1997) 。但在此 時,Brush(1989)指導著美國物理學會(American Physical Society)所成立 的物理史單位與美國科學史學會(History of Science Society)成立的教育委 員會,開始展開對科學史的相關研究;此外,在美國國家科學基金會(National Science Foundation,簡稱 NSF)的贊助下,一群哲學家、科學史家及教育家共同 努力開發出一套科學史導向的高中物理課程 Project Physics Course(傅麗玉, 1996) 。 1980 年代末期以後一直到現在,整合科學史於科學教育已成一重要的國際科 學教育趨勢,世界各國皆相繼從事科學史與科學課程結合的研究與實踐工作。1989 年首屆國際科學史、科學哲學與科學教育群在 NSF 的贊助下,於佛羅里達州立大 學召開會議;歐洲物理學會(European Physical Society)也在 Pavia、Munich、 Paris 及 Cambridge 等地舉行一連串的「物理史與物理教學」研討會;英國科學史 學會(British Society for the History of Science)也於 1987 年於 Oxford 大學舉行「科學史與科學教學」研討會。從進行如此多的科學史哲融入科學的課 程改革與研討會,便可窺知結合科學史與科學哲學融入科學課程在科學教育上已 佔有不小的地位。此外,英國的國家科學課程丹麥的國家學校課程、荷蘭的 PLON 課程教材、及俄國、澳洲的師資培育課程等,都以實際的行動將科學史與科學哲 學融入科學課程中(Matthews,1999) ;其中美國在 1993 年推動的 2061 科學教育 19.

(30) 改 革 計 畫 ( Project 2061 ) 中 的 結 論 , 更 將 「 歷 史 的 關 聯 」( Historical perspectives)列為全民科學十二項教學指標之一,由此更見科學史在科學教育 中已蔚為主流(劉廣定,1997) 。 受到此風潮的影響,我國科學教育亦日漸重視科學史融入教學的課程,不但 有許多行科學史融入教學之相關理論與實徵研究陸續提出(徐光台,1995;洪振 方,1997 等) ,連台灣師範大學數學研究所及高雄師範大學科學教育研究所都先後 於 1992 年及 1993 年開設科學史、科學哲學的課程;大學部分,高雄師範大學及 東吳大學亦設有科學史的課程。1995 年國內也邀請在近年推動科學史教學不遺餘 力的 Michael R. Matthews 來台作一系列有關科學史的學術演講(洪振方,1997) , 洪萬生、張之傑、程樹德等更成立了科學史研究團體,除了固定在每期的科學月 刊上發表之外,對於國內的科學史推動與發揚更是不遺餘力(鄭子善,2000) 。此 外,1996 年在高雄師範大學的一群教師在國科會的補助下,成立我國第一支結合 科學史哲於科學教育的研究群,進行三年的整合型計畫,目前的研究成果包括: 科學史融入科學教學的現況調查、教材的編寫、通識教育、教學模式的建立、種 子教師的培育等實證研究。1999 年該研究群於高雄師範大學舉辦「一九九九科學 史、哲學與科學教育學術研討會暨研習會」 ,與會人士包括國內外學者、科學教育 機構、中學教師及研究生等,更將此風潮帶至高潮(林格朱,2004) 。 目前,我國於 1998 年發行的國中理化課本內,也加入不少的科學史內容(林 煥祥,2000a) ,現行九年一貫課程暫行綱要(2001)中,也建議融入科學史資料。 美國 Project 2061 科學教育改革專案資源書 Benchmarks for Science Literacy (AAAS,1992)也將科學史列為各級學校的科學課程重點之一(傅麗玉,1999a), 以及美國的 National Science Education Standards(NRC,1996)亦將科學史與 科學本質明定為 K-12 的科學教育內容標準的八項類別之一(侯志洋和許良榮, 2001) 。科學史融入科學課程已是現在科學教育的主流了!. 20.

(31) 三、科學史融入教學的功能 現在的社會,大量的新知識、新技術一再地被發現或被創造出來。若墨守以 強調科學知識的吸收與科學方法的習得之科學教學目標,勢必難以適應科學知識 及技術迅速更新的現在。因此,不論國內、外的科學教育,皆將重心放至科學素 養的培養、情意態度的陶冶、科學本質的體認、解決問題能力的養成等目標上。 科學史融入教學也因其多元的功能,而在這樣的時代背景中漸露頭角,在科學教 育中佔得重要的地位。在科學教育的文獻中,有許多學者研究發現科學史對學生 在科學概念的理解、科學方法的學習、情意態度的培養、科學本質的了解、科學 素養的提升等方面皆有所助益,並建議在科學課程中加入更多的科學史內容(王 唯齡,2004;巫俊明,1997;洪振方,1998;侯志洋,2001;許良榮、李田英, 1995;傅麗玉,1996;賴羿蓉,1996;Brush, 1989;Kauffman, 1987; Matthews, 1994; Oldroyd, 1977; Solomon、Duveen、cot & McCarthy, 1992; Wandersee, 1990; Wang & Marsh, 2002) 。而各文獻中皆表示科學史的功能十分多元,可幫 助學生多方面的科學學習。 賴淑婷(2007)歸納出學者們對科學史融入教學一般看法大致包括下列七項 功能與優點: 1.增進科學概念的理解,提升科學成就(王唯齡,2004;巫俊明,1997;洪 振方,1998;侯志洋,2001;傅麗玉,1996;廖麗貞,洪振方,2000;賴 羿蓉,1996;Matthews, 1994; Solomon et al., 1992) 。 2.培養正確的科學態度(王唯齡,2004;巫俊明,1997;侯志洋,2001;Kauffman, 1987; Oldroyd, 1977) 。 3.瞭解科學與人文的關係,培養科學素養(王唯齡,2004;侯志洋,2001; 洪振方,1998;傅麗玉,1996;廖麗貞、洪振方,2000;賴羿蓉,1996; Kauffman, 1987; Matthews, 1994; Oldroyd, 1977;Solomon et al., 21.

(32) 1992; Wang & Marsh , 2002) 。 4.增加學習科學的興趣,提升對科學的態度(王唯齡,2004;巫俊明,1997; 侯志洋,2001;陳淑媛、洪振方,1998;劉廣定,1997;賴羿蓉,1996; Solomon et al., 1992) 。 5.經歷科學家的探究歷程,學習解決問題的方法(王唯齡,2004;侯志洋, 2001;陳淑媛、洪振方,1998;廖麗貞,洪振方,2000;賴羿蓉,1996; Oldroyd, 1977) 。 6.瞭解科學本質,建構合宜的科學本質觀(王唯齡,2004;巫俊明,1997; 侯志洋,2001;洪振方,1998;陳淑媛、洪振方,1998;傅麗玉,1996; 廖麗貞,洪振方,2000;賴羿蓉,1996; Kauffman,1987; Matthews, 1994; Wang & Marsh , 2002) 。 7.學習正確的科學方法(王唯齡,2004;侯志洋,2001;傅麗玉,1996;廖 麗貞,洪振方,2000;劉廣定,1997; Matthews, 1994) 。. 四、科學史融入教學對學生學習成就之影響 近年來科學史融入教學逐漸受到國內外科學教育學界的重視,諸多研究者論 述並強調科學史在教學和學習方面所扮演的角色,許多研究亦顯示出科學史確實 有助於學生對科學概念的學習,提升學習成就(王唯齡,2004;巫俊明,1997; 林煥祥等,1996;侯志洋,2001;洪振方,1997;許良榮、李田英,1995;傅麗 玉,1996;廖麗貞、洪振方,2000;賴羿蓉,1996; Matthews, 1994; Oldroyd, 1977; Schecker, 1992; Solomon et al.,1992) 。 相關文獻表列如下:. 22.

(33) 表 2-3-1 科學史融入教學對學生學習成就之影響 作者(年代). 研究結果. 林煥祥、蕭碧茹、 林建志、黃瑞方、 鄭秀如(1996). 實驗組概念解題能力顯著高於其他組,尤其對低成就學生。. 陳淑媛(1997). 加入科學史未造成學生學業成績的負面影響。. 巫俊明(1997). 在物理課程中加入適量的科學史事例,不會影響學生物理學 科成績。. 鄭秀如(1997). 經由科學史教學之學生,他們的學習成就確實有進步。. 尹基勉(1998). 融合科學史與建構式教學模式之實驗組的學業成就顯著高於 控制組。. 陳和玉(1998). 問答法與講述法的科學史融入式教學在學生的學習成就上, 與控制組無顯著差異;合作學習法則有助於提升學生的學習 成就。. 陳淑媛、洪振方 (1998). 融入科學史的教學對學生學業成績沒有負面影響。. 鄭秀如、林煥祥 (1998). 在段考成績方面,呈現閱讀科學史或進行科學史教學之班級 顯著高於未閱讀科學史教材的學生。. 陳麗瑛(1999). 學生在「生物知識評量」上的前後測平均得分的差異達極顯 著水準。. 李玉貞(2000). 光學史融入教學對實驗組的學業成績無顯著的成效。. 張榮耀(2000). 概念改變上實驗組顯著高於控制組。. 23.

(34) 表 2-3-1 (續) 作者(年代). 研究結果. 丁美枝(2001). 在原子結構學習成就紙筆測驗中,發現科學史課文組的後測 及進步表現皆顯著優於理化課文組。. 陳意升(2003). 於自然課中融入科學故事,對學生自然科成績無負面影響。. 王世杰(2004). 實驗組在學業成績上明顯高於控制組學生,並達顯著差異。. 吳美瑩(2004). 能促進學生之學習成就;而對高分組及中分組的影響顯著高 於低分組。. 林格朱(2004). 1.對學生生物學習成就有正面影響,且達顯著差異。 2.對中分群學生生物學習成就有正面影響;對高、低分群學 生之生物學習成就則無負面影響。. 廖花秀(2004). 採歷史對話教學之學生,其概念顯著優於對照組學生,可見 歷史對話教學確能促進其概念的改變。. 吳盈妮(2005). 接受科學史融入教學之學生,其整體概念學習成效顯著優於 未接受科學史融入教學之學生;但部分單元實驗組雖後測高 於前測,但未達顯著差異。. 陳麗鴻(2005). 對學生學習成就有正面影響。. 董秋紅(2005). 實驗組學生在「科學成就測驗」上得分高於控制組,但未達 顯著差異。. 董美津(2005). 1.融入科學史教學後,對於實驗組學生的生物學習成就並未 達顯著成效。 2.融入科學史教學於光合作用概念上,在量的分析上,實驗 組成績未達顯著成效;在質的分析上,則顯示確能幫助學 生將概念釐清,答案較充實完整。. 24.

(35) 表 2-3-1 (續) 作者(年代). 研究結果. Klopfer & Cooley (1963). 生物科控制組學生之學業成就顯著優於實驗組的學生,而物 理及化學科的學生並無顯著差異。. Jensen & Finley (1996). 1.不管是選擇題或申論題的得分,在前後測成績差距,都有 顯著性的進步。 2.經由科學史教學,能幫助學生理解概念。 3.科學史可以讓教師預測學生的另有概念,也可以瞭解到科 學家如何處理那些想法。. Irwin(2000). 實驗組與控制組學生在概念了解上沒有差異。. Lin & Chen(2002) 發現科學史教學的實驗組其概念解題能力顯著優於一般傳 統教學的班級。. 資料來源:“科學史融入教學對學生科學學習成效影響之統合分析”,賴淑婷, 2007,中原大學教育研究所碩士學位論文 中原大學教育研究所碩士學位論文, 中原大學教育研究所碩士學位論文,26-29。. 從上表中可看出,在科學史融入教學影響學生科學成就之實證研究中,有部 分研究顯示科學史融入教學對學生科學成就有正面影響(丁美枝,2001;王世杰, 2004;尹基勉,1998;吳美瑩,2004;吳盈妮,2005;林格朱,2004;林煥祥等, 1996;陳麗瑛,1999;陳麗鴻,2005;張榮耀,2000;廖花秀,2004;鄭秀如, 1997;鄭秀如、林煥祥,1998;Irwin,2000; Jensen & Finley, 1996; Lin et al., 2002) ,亦有研究發現並無顯著成效(巫俊明,1997;李玉貞,2000;陳意 升,2003;陳淑媛,1997;陳淑媛、洪振方,1998;董秋紅,2005;董美津,2005), 甚至有研究顯示會有負面成效的產生(Klopfer & Cooley,1963) 。 學者普遍認定科學史融入教學可促進科學概念的學習,進而提升學生學習成 就的原因是部分科學史的發展與學生的概念發展平行(傅麗玉,1996;鄭秀如, 25.

(36) 1997;Clementm, 1983; Driver &Easley, 1978; Matthews, 1994; McCloskey, 1983; Monk & Osborne,1997; Nussbaum, 1983; Wandersee, 1986),加 上科學史可提供豐富的科學知識發展情境,故引入科學史融入教學可以幫助學生 覺察自己的概念,並提供建構新概念的方法,進而達到概念改變;也能讓學生學 習科學家的探究歷程,提供學生學習科學的情境,讓學生明白科學概念是如何產 生,縮短學生與科學概念之間的認知距離(丁美枝,2001;楊淑芬,1992;Carey, 1985; Mach, 1960; Matthews, 1994 ﹔Oldroyd, 1977; Schecker, 1992﹔ Seqeira & Leite, 1991; Solomon et al.,1992)。科學史的學習除了學生受 益之外,老師在科學史的教學之中,相對的也有所收穫。McDonald(1989)指出 科學史可幫助教學者預測學生的迷思概念,以協助教學活動設計。Wandersee (1986)也曾指出,科學史可以幫助老師瞭解到以前的科學家在發展一個科學概 念時,是曾經產生過許多錯誤的概念,而且這些錯誤的概念可能與現在的學生在 學習過程中所擁有的錯誤概念類型相似,因此教師們較能理解學生在學習時的困 難所在,使科學史成為一個有用的啟發工具。. 26.

(37) 第四節. 電腦多媒體輔助教學的成效. 一、教學媒體 人與人之間所賴以溝通觀念,思想或意見的中介物便可稱之為媒體(media) (羅綸新,2002)。而教學是將環境與資訊作最佳安排,以利學習者學習的歷程 (Heinich,1993)。若將這些人與人之間用來互相溝通或傳遞訊息的媒體運用於 教學上,就稱之為教學媒體(徐照麗,1999) 。換句話說,教學媒體則是教學的媒 介物,它可以是任何形式的資料、資源和設備。 教學媒體發展的順序可區分為四代 (張霄亭,1991) 。 1.第一代媒體包括演示、粉筆板、戲劇、展覽品、模型、圖表等,其特性是 不需要機器或電力發動。 2.第二代媒體如教科書、作業簿與測驗等,其特性是以機器複印手寫或手畫 的資訊。 3.第三代媒體有照片、幻燈片、實物或透明投影片放映機、有聲或無聲影片、 廣播、電視等,其特性是透過不同的機器,以拓廣人類的眼力與聽力。 4.第四代媒體涵蓋編序教學、語言學習機、電腦、多媒體等,互動性為其特 點。 教學媒體給人帶許多不同的表徵,Hoban、Hoban & Zissman(1937)及 Edgar Dale(1964)將各種媒體依特性分類。徐照麗(1999)加上 Bruner 認知表徵作為 對比,並以「具體到抽象連續性」的概念來定義教學媒體的特性,以及不同媒體 在教學上發揮功能的可能性,如圖 2-4-1 所示。. 27.

(38) 圖 2-4-1 媒體的特性----具體到抽象. 二、電腦多媒體 1980 年代,多媒體指的是當時的各種媒體組合而成的視聽成品,例如:書本 加上錄音帶,錄音帶配合同步播放的幻燈機等,以微電腦控制各幻燈機及音樂旁 白播放次序的媒體則稱為(幻燈)多媒體。進入 1990 年代,因著科技的進步,電 腦不僅從黑白進入彩色時代,更加上直接儲存、處理、操控影像聲音的能力,使 得「多媒體」一詞的時代意思成為「電腦多媒體」(游朝煌,1997)。多媒體 (multimedia) 為建置在電腦上且結合文字、圖片、聲音、動畫及視訊等元素的 互動溝通過程(吳東光、周士祺與柳百郁譯,1998) ;多媒體通常具有互動的特性 (McGloughlin,2001) ;多媒體為一種利用電腦作交談式的溝通系統,能夠產生、 儲存、傳送、圖形、聲音、動畫、影像等資訊(嚴心妤,2004) 。. 28.

(39) 嚴心妤(2004)指出多媒體具有下列特性: 1.同時用影像、聲音、文字呈現教材內容。 2.容易儲存、複製、修改、重組及傳送。 3.具超本文(Hypertext)能力。 4.可利用其他外接裝置(例如鍵盤、滑鼠等)與電腦產生互動,創造主動學 習環境。 5.可快速查詢及處理資料。 6.符合經濟效益。 在多媒體的元素中,可以呈現給使用者的元素包含(羅綸新,2002;李國銘, 2001) : 1.文字(text):指各國的文字,含不同字體(fonts)、大小(size)、格式 (styles)等的文字變化。 2.圖形(graphic) :從點、線、面到三度空間的圖形。 3.動畫(animation) :卡通、活頁動畫、連環圖畫、3D 動畫等。 4.影片視訊(video) :電影片或拍攝錄製的影片。 5.音效(sound):利用音量和頻率組成的任何一種聲響、尖叫、呢喃、旁白 或物質碰撞等聲音。 6.音樂(music) :各種歌聲、樂聲和樂器的旋律等。 7.三維互動式電腦繪圖影像(3D) :使用三維互動式電腦繪圖影像軟體所製作 之互動影像,可以忠實呈現物體之三度空間資訊。 8.虛擬實境(virtual reality) :使用電腦、頭盔顯示器、3D 立體眼鏡、3D 29.

(40) 滑鼠和動作感應式數據手套(motion sense data glove)等組成的系統。 多媒體各個元素間彼此的關聯可以圖 2-4-2 表示(嚴心妤,2004;Blatterner and Dannenberg,1992). 圖 2-4-2 多媒體各個元素間彼此的關聯. 三、多媒體融入教學的功能 近年來,電腦科技發展一日千里。隨著電腦技術進步發展,電腦硬體設備逐 漸降低成本,電腦應用發展普及。早期電腦科技發展,主要在運算速度提升、記 憶容量擴增,以及新的應用程式研發。隨著動畫影像科技的進步,電腦的發展逐 漸轉移至電腦動畫影像應用領域。電腦動畫目前為電腦應用發展最迅速的領域之 一,而多媒體則是教學媒體研究發展中重要的一環。. 30.

(41) 動畫影像科技發展歷史雖然短暫,但是進步驚人。動畫影像科技由最早期雷 達螢幕式,單色顯示器所繪製簡單幾何線條,到目前全彩螢幕動態顯示虛擬實境, 影像技術發展不可同日而語。無論在家庭電視或者在電動玩具螢幕,透過電腦動 畫影像傳達訊息已經成為社會中習以為常的生活方式。生活中到處可以看見電腦 動畫或電子影像的存在,電腦動畫已經成為資訊社會重要活動一部份,而多媒體 嚴然成為教學活動的一大利器。 多媒體的發展及其應用,不但對個人生活型態及學習思考模式有重大的衝擊 與影響,同時對文化形成及教育體制改革也具有深遠影響力。多媒體在教育上的 意義不僅是教學工具,同時也是一個互動的溝通媒體;不僅能啟發人類視覺經驗 智能,同時影響人與人之間利用媒體互動的關係。 多媒體教學雖然一直是教育界關切重點,許多學者指出多媒體應該在教育上 扮演重要角色,此外,關心教育趨勢及電腦應用的學者認為,動畫影像是學生最 佳輔助學習的利器,研究顯示電腦動畫影像能啟發人類智能,同時對學習有強烈 影響(王鼎銘,1997) 。教育研究者同時發現,由於多媒體的互動性與允許學習者 實際參與,學習者能更投入學習活動。 董家莒、張俊彥、蕭建華和戴明國 (2001)研究中指出,近年來有許多國內 外學者從事有關電腦輔助教學與學生學習成效的相關研究: 1.Bangert-Drowns, Kulik & Kulik(1985)等人曾經對近代有關電腦輔助 教學/學習成效進行綜合分析,他們依照所訂定的標準選擇了 1968 至 1982 年的文獻共四十二篇,依據各文獻研究的特徵進行編碼,以統計的方法歸 納出各研究共同的結果及特徵,發現-電腦輔助教學對國中及高中學生的 學業成就有正向的影響,會影響學生對電腦及學科的態度,對小學生及低 成就學生的學習成效較佳,可縮短學生學習知識的時間及使用者會受到新 奇效應(nonelty effect)的影響。. 31.

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參考文獻

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