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創造性問題解決活動設計對於國中學生學習牛頓第三運動定律成效之研究

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Academic year: 2021

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(1)

國立臺中教育大學科學應用與推廣學系

科學教育碩士學位碩士論文

指導教授: 王盈丰 博士

創造性問題解決活動設計對於國中學

生學習牛頓第三運動定律成效之研究

研究生:王炳淵 撰

中華民國 九十九 年 一 月

(2)

謝辭

經過兩年多來的努力與奮鬥,研究生的生活即將告一階段,心中

充滿了感謝。首先必須感謝敬愛的恩師 王盈丰教授,不辭辛勞的指

導,耐心叮嚀、提供寶貴的建議,使論文得以順利完成,僅致上最高

的謝意!

其次感謝在研究所求學的過程中,各位教授用心指導,使得我認

識科學教育並了解科學教育。感謝參與本研究給予建議的 10 位專家

學者的用心給予建議。

再而,感謝協助幫助提供實驗研究之台中縣的國民中學班級的學

生以及老師。提供了時間讓學生參與研究且體驗活動課程,成為我研

究的對象。

再來,感謝淑分、盈全、啟亮、宗榮、佩君對我研究期間適時給

予協助及提問,使我在做研究時不感覺孤單。

最後,感謝的便是支持我的家人及朋友,感謝姐姐時時鼓勵與信

任及殷切的叮嚀,扶輪社提供獎學金的幫助就學,才得以使論文如期

完成,順利完成學業。最後僅以此論文獻給所有關心關愛我的人,將

此喜悅分享給您們,特此致謝。

王炳淵 謹誌

民國九十九年一月

(3)

I

創造性問題解決活動設計對於國中學生學習牛頓第三運動

定律成效之研究

摘要

本研究旨在瞭解國一學生對於牛頓力學的科學概念理解及學生的科學思考 歷程為何。本研究將牛頓力學概念融入創造性問題解決教學策略,主要啟發學生 其創造思考歷程,並研究是否能藉此增進學生對此單元所產生創造性思考,最後 利用「牛頓力學概念測驗」來了解學生的學習成效。 本研究以某國中一年級學生 34 人為研究對象。學生進行前測後,便開始六 週的創造性問題解決活動課程,內容包括四個活動扭力船、氣球火箭、氣球車和 風力車,其活動原理以探討牛頓運動定律之「作用力與反作用力」為主。在牛頓 力學概念測驗以 Bloom 認知分類內容包含知識、理解、應用和分析。本研究測驗 經專家審查與預試,具有內部一致性,庫李信度為.793。在綜合和評鑑的所設計 是開放式問題。活動課程結束後實施後測,經一個半月實施延宕測驗。透過活動 探討學生對於學習力學之科學概念學習的成效為何。 本研究結果如下:(1)利用統計 t 檢定發現學生在牛頓力學概念測驗後測的 成績顯著高於前測的成績(p<.05),在分向度中的知識前、理解、應用和分析的 前、後測成績有顯著差異(p<.05);顯示國一學生在認知分類中達到分析第四層 次,學生已達高層次的認知。(2)學生對 CPS 內涵去進行對問題思考及尋求自己 想要的解答,除了解決問題,也培養學生具有聚歛性思考和發散性思考。(3)學 生在學習牛頓第三運動定律「作用力與反作用力」中,認識牛頓運動定律,並且 將此科學原理應用於日常生活經驗。

(4)

II 研究建議在創造性問題解決活動課程中,發現學生在創造思考的能力較弱, 學生需要增加其閱讀科學讀物或是多去體驗生活經驗。在活動課程中,學生動手 做活動時需要花費許多時間於創造思考歷程。在評鑑與綜合層次中,學習單設計 以引導式回答,使學生對問題的解答更深入探究及創造思考。在教學上,教師需 選取學生有興趣單元進行活動課程以達到學習者的學習成效。 關鍵字:科學概念理解、創造性問題解決、牛頓第三運動定律

(5)

III

A Study of Newton's Third Laws of Motion Learning Held

by the Seven Graders through Creative Problem Solving

Activities

Abstract

The main purpose of study was to explore the understanding of scientific concept of Newton’s mechanic and creative thinking. The study was incorporated with

teaching strategy of creative thinking problem and it could increase students’ creative thinking abilities. Students understood the concepts by using the Newton's mechanics concept test and understood effectiveness of learning.

Thirty-four first graders of junior high school participated in this study. The creative problem solving (CPS) activities were implemented within six weeks, pre-test and post-test were given to the participants. The design of activities were based on Newton's law. The content included: torsion ships, balloons rockets, balloon cars and wind-force car. The content of Newton's mechanics concept test contained six domains, including comprehension domain, application domain, analysis domain, synthesis domain, and evaluation domain. The scale obtained internal consistency correlations, Kuder-Richardson Formula 20 is .793. The content was designed to become an open-ended question in synthesis and evaluation domains. The deferred test was held in the forty-five days after the post-test. Meanwhile, students explore the mechanics to learn scientific concepts.

(6)

IV

The posttest score achieved significantly more than pretest score (p<.05). There was significance in knowledge, comprehension, application, and analysis domains (p<.05). Students had the prior knowledge of Newton's mechanics, reached the fourth level of Bloom’s Taxonomy, and worked towards higher-level thinking. Students acquired knowledge which could help them learn and apply the concepts of Newton's mechanics in the activities which was in comprehension domain, application domain, and analysis domain. When students got into trouble in the creative thinking activities, they would try it over and over until the problems were solved in CPS activities. The students had convergent thinking and divergent thinking in the CPS activities. Students learned Newton's Third Law of Motion, "Action and Reaction", used the scientific principles in life, and understood this Newton's Third Law of Motion.

The suggestions for students are needed to read more science related books and increase their life experiences. Students spent a lot of time for thinking in doing hands-on CPS activities. In the synthesis and evaluation domains, the guides can be designed to answer problems to motivate students to creative thinking. In the teaching, the teacher must select the student to have the interest in activity curriculum to

achieve learner’s learning better.

Keywords: understanding of scientific concepts, creative problem solving, Newton's third laws of motion

(7)

V

目 錄

第一章 緒論

第一節 研究背景與動機

... 1

第二節 研究目的與待答問題

... 4

第三節 名詞解釋

... 4

第二章 文獻探討

第一節 科學概念理解

... 6

第二節 問題解決教學

... 9

第三節 創造性問題解決教學

... 18

第四節 牛頓第三運動定律之教材與相關研究

... 25

第三章 研究方法與架構

第一節 研究方法

... 30

第二節 研究架構

... 32

第三節 研究工具

... 34

第四節 資料處理與分析

... 40

(8)

VI

第四章 結果與討論

第一節 學生對於牛頓力學概念測驗理解之得分分布

... 43

第二節 學生對於牛頓力學概念測驗理解之分析

... 47

第三節 學生對於創造性問題解決活動設計之表現分析

... 55

第四節 綜合討論

... 86

第五章 結論與建議

第一節 結論

... 90

第二節 建議

... 92

參考文獻

中文部分

... 94

英文部分

... 101

附錄

附錄一 CPS 課程活動教案及學習單

... 107

附錄二 牛頓力學概念測驗-未修正版

... 124

附錄三 牛頓力學概念測驗-施測版

... 133

附錄四 牛頓力學概念測驗-專家效度

... 139

(9)

VII

表 次

表 2-1 三成分六階段的 CPS 模式內涵

... 20

表 3-1 牛頓力學概念測驗及學習單各向度之定義

... 36

表 3-2 牛頓力學概念測驗雙向細目表—未修訂

... 37

表 3-3 牛頓力學概念測驗雙向細目表—修訂後

... 37

表 3-4 CPS 活動內容訪談學生大綱

... 39

表 3-5 Bloom 認知領域內容訪談學生大綱

... 39

表 3-6 CPS 核心意義

... 40

表 3-7 學生學習文件編碼

... 41

表 4-1 牛頓力學概念測驗之前測之得分分布

... 43

表 4-2 牛頓力學概念測驗之後測之得分分布

... 44

表 4-3 牛頓力學概念測驗之延宕測之得分分布

... 45

表 4-4 不同分向度對「牛頓力學概念問卷」各向度分析

... 47

表 4-5 前、後、延宕測總成績表現 t 檢定摘要表

... 48

表 4-6 前、後測成績 t 考驗摘要表

... 49

表 4-7 後、延宕測成績 t 考驗摘要表

... 50

表 4-8 前、延宕測成績 t 考驗摘要表

... 51

表 4-9 階層向度的成績相關性

... 53

表 4-10 訪談學生成績與代號

... 55

(10)

VIII

圖 次

圖 2-1:問題解決與創造思考、批判思考之關係

... 11

圖 2-2:問題解決環

... 12

圖 2-3:「先備知識」

、「推理能力」及「問題解決態度」與「問題解

決能力」的關係

... 13

圖 2-4:問題解決與創造力之關係

... 14

圖 2-5:科學創造力與科學問題解決能力關係圖

... 15

圖 2-6:創造性問題解決模式

... 17

圖 3-1:研究架構圖

... 32

圖 3-2:研究流程圖

... 33

圖 4-1:前測、後測、延宕測得分人數分布圖

... 46

圖 4-2:前測、後測、延宕測與各向度得分之比較圖

... 48

圖 4-3:學生尋找資料提出點子學習單表現-1

... 59

圖 4-4:學生尋找資料提出點子學習單表現-2

... 60

圖 4-5:學生在尋求解答之學習單表現-1

... 68

圖 4-6:學生在尋求解答之學習單表現-2

... 69

圖 4-7:學生在尋求解答之學習單表現-3

... 69

圖 4-8:學生在綜合之學習單表現-1

... 79

圖 4-9:學生在綜合之學習單表現-2

... 80

(11)

IX

圖 4-10:學生在綜合之學習單表現-3

... 81

圖 4-11:學生在綜合之學習單表現-4

... 82

(12)
(13)

1

第一章

緒論

第一節 研究背景與動機

概念的研究已超過三十年時間,研究學者主要針對學生的科學概念改變、科 學概念學習與教科學概念探討已經有一段時間。研究者對於學習者是如何理解概 念因而產生疑惑。再從學者 Yager(1996)指出科學核心在科學概念與科學過程, 而學習者必須透過科學過程去理解科學概念,才能發揮科學創造,進而解決日常 生活問題。學習者學習科學的過程,要先理解科學概念為何,才能將科學概念加 以應用於科學創造。 從學生學習牛頓三大運動定律來看,學者 Whiteley(1995)研究發現指出 學生認為牛頓第三運動定律之作用反與反作用力是作用於相同的物體上,因此學 生容易產生了概念迷思,要釐清學生對作用力與反作用力的關係。此外,學生學 習時也不容易找出成對的作用力與反作用力的關係,所以本研究主要探討學生對 牛頓第三運動定律概念學習成效研究。 學者 Hestens、Wells 和 Swackhamer(1992)提到牛頓運動定律概念是在物 理力學建立基礎與被尊崇,且學生在學習基礎牛頓運動定律概念常常學習不佳, 可能是概念無法被理解或有另有概念的產生。因此,由於此原因研究者想運用一 些有趣的科學活動讓學生對於牛頓運動定律概念理解並認識應用。 由牛頓力學觀點去看,兩物體相互碰撞時,學生比較傾向於物體較重者具有 作用力,較輕的物體則沒有作用力,學生在思考物體若碰撞過程中,較大的力會 受到比較大的效應,學生思考模式屬於線性的推理。其次,對於學習牛頓運動定 律的觀點下,學生認為當物體受到作用力與反作用力時,容易會將物體判斷只有 一個物體的存在,而非兩物體的存在,因為學生認為是牛頓第三運動定律之「作 用力與反作用力」的作用力是作用於相同物體上,非不同物體上,成為本研究的

(14)

2 研究背景動機之一。 在牛頓力學的觀點中,除了學習者透過自己學習或經驗發現有很多迷思概念, 或將新的概念以錯誤的方式去解釋物體的狀態。因此,何偉雲(2003)透過創造 思考的觀點去探討國小學童物理問題解決,發現了流暢性和變通性是創造思考的 高度相關,也是問題解決的一大重要環,因此本研究利用創造性問題解決教學模 式融入牛頓第三運動定律讓學生進行活動且學習牛頓第三運動定律並探討學生 對物理問題思考歷程為何。 從國中的學習角度來看,教師受限於學校課程規劃,對於學生教學多以講述 為主,少見有活動規劃;學生面臨到基本學力測驗,教師教授化學及物理的時間 較為緊迫,必須壓縮課程的時間,與教育部所研擬九年一貫課綱施行有落差。本 研究主要透過九年一貫課綱所提學生應具備有認知、情意、技能。將牛頓第三運 動定律融入於創造性問題解決活動課程設計,讓學生透過自己操作的學習角度去 認識此概念。 教育部在 2002 年元月公佈「創造力教育白皮書」,分別針對幼教、小學、大 學、成教等不同教育階段與世界之創造力教育之發展現況進行資料蒐集與研究; 具體言之,創造力教育白皮書只在實現「創造力國度」(Republic of Creativity, ROC)之願景,其涵蓋要點有以下五項:(一)培養終身學習、勇於創造的生活態 度、(二)提供尊重差異、活潑快樂的學習環境、(三)累積豐碩厚實、可親可近 的知識資本、(四)發展尊重智財、知識密集的產業形貌、(五)形成創新多元的 體制等這些方面(教育部,2004),以提升國民之創造力於創造國度中。 在九年一貫自然與生活科技學習領域綱領提到學習科學,主要讓學生學會如 何去進行探究活動:學會觀察、詢問、規劃、實驗、歸納、研判,也培養出批判、 創造等各種能力。特別是以實驗或實地觀察的方式去進行學習,使學生獲得處理 事物、解決問題的能力。瞭解到探究過程中細心、耐心與切實的重要性 (教育部, 2003)。因此,可訓練學生善用頭腦以及發揮創造的精神,以便解決所遭遇社會

(15)

3 上的問題。 教育部(2001)公布國民中小學九年一貫課程暫行綱要中「自然與生活科技」 學習領域之目標第五條亦強調:「培養獨立思考,解決問題的能力,並激發創造 潛能」。因此,可以知道九年一貫教育著重學生在獨立思考、解決問題能力,並 且創造出科學創造力激發。在自然科學的教學中,也提到應注重學童在創造思考 方面的訓練,多鼓勵學童多做方面、多層次的思考,並針對問題能更深入去探索、 解釋,以增進對科學問題思考之流暢性、變通性及獨創性,進而提升國小學童之 科學創造。 創造思考教學即是一種為培養學生創造的、思考的及問題解決之教學模式, 它是教師在某種支持性的環境下,透過課程內容及有計畫的教學活動,運用適當 的教學策略,以激發學生創造動機,鼓勵學生創造的行為表現,以增進學生創造 力的成長與發展(毛連塭,民 78;陳龍安,民 84),並且培養學生具有創造潛能。 從心理學的觀點而言,人類根據各種不同的需要進行創造,創造的過程可說 是一種問題解決的過程,而創造力也是解決此類問題的關鍵。在科學方面的創造 須包含科學的領域相關知識即是跳出原有思考窠臼的發散性思考和縝密嚴格的 收斂性思考,才能很有創意的解決科學的問題 (洪文東,2003) 。因此,洪文東 在 2002 年提到,尌創造的「個人」而言,由於不同背景的人,具有不同領域專 門知識,所以在不同學門上尌會產生不同創造性表現,因此,科學的創造力當然 會有別於文學與藝術的創造力,而是在概念的應用。其次,尌創造的「歷程」, 在心理層面上,科學的創造涉及之心智運作、心理活動歷程,較偏向理性、客觀 的態度;在邏輯層面上,科學的創造涉及假設(Abduction)、演繹(Deduction)、 歸納(Induction)三種推理歷程(Anderson,1987)。因此,利用科學研究的模式 來解決科學問題,改變問題之創意即是創造。再從認知心理學的觀點而言,創造 是解決問題的關鍵,創造的過程也是一種解決問題的過程,所以創造是一種歷程 需要時間去訓練及培養。

(16)

4

本研究乃是以牛頓力學中第三運動定律「作用力與反作用力」為主題,運用 「創造性問題解決」(Creative Problem Solving)教學模式設計課程活動,從創 造性問題解決歷程中培養國中學生之創造思考及問題解決,並且由研究者所發展 之實作評量工具,評量國中學生對於牛頓第三運動定律的科學概念學習,且藉由 課程活動設計,進行分析及探討。

第二節 研究目的與待答問題

本研究目的是探討了解國中學生對於科學活動之科學概念學習之成效,並且 科學活動透過創造性思考問題解決模式,是否提昇國中學生之思考歷程表現。所 擬研究待答問題如下: 1. 探討國中學生以實施創造性問題解決之科學活動後,學生經前、後測、延 宕測,學生的科學概念學習為何? 2. 以實施創造性問題解決科學活動來探討國中學生之思考歷程表現為何?

第三節 名詞解釋

一、科學概念理解: 歐滄和(2002)在「理解」一詞中指個人藉著思考歷程把得到的訊息轉換成 有意義的形式,甚至超出原有的意義之外。而在林燕文、洪振方(2006)將科學 概念理解是指對於科學事件或科學事物賦予意義的概念的釐清。因此,本研究是 將科學概念理解定義為「對科學事件或科學事物賦予轉換成有意義的概念或學習 訊息」。

(17)

5

二、創造性問題解決策略:

創造性問題解決(Creative Problem Solving ,CPS)是由 Osborn-Parnes 於 1960 年代發展出來的,最早是提升創造力的線性的五階段解題模式,而後經 由 Treffinger、Isaksen(1994)持續對其修正,提出了非線性之三成分六階段 的 CPS 模式,六大步驟為發現困難、尋找資料、發現問題、提出想法、尋求解答、 尋求接納,本研究是利用此六大步驟來設計教學活動,了解學生科學概念學習及 科學創造思考歷程表現。 三、牛頓力學概念: 國立編譯館(2003)將牛頓第三運動定律解釋為「兩物體交互作用時,彼此 互以力作用於對方,兩者大小相等,方向相反,但作用在不同的物作用體上」。 本研究牛頓力學概念是指牛頓三大運動定律,其課程活動主要以牛頓第三運動定 律之作用力與反作用力為設計內容。

(18)

6

第二章 文獻探討

第一節 科學概念理解

一、何謂理解 在教育部重編國語辭典修訂本說明「理解」是能以自己的口語、文字或其他 符號,將已知的事實與原理、原則作成解釋。學者 Webster(1958)將「理解 (understanding)」定義為「對知覺到事物表徵以適當的概念,使經驗成為領悟 的能力」,簡單的說,理解是對現實世界中的事件或事物賦予意義,概念重新整 理的結果(引自林燕文、洪振方,2006)。 二、科學概念理解相關研究 對於科學概念理解中,「Gentner(1983)指出,類比教學要找出相似的類 比才會促進學生理解,否則讓學生不易理解」(引自佘曉清,2002)。在湯偉君 (2006)提到,教科書的書寫方式,如 ATP 的形成,除了肉眼無法看見,一個化 學式讓人誤解,因而無法理解。尋找一個相似的類比能促進學生對此概念的理解。 要讓學生概念理解,必頇找一個相似的類比才能促進學生概念理解。 由涂志銘等人(2008)在符合建構論理念的教學策略對植物的養分與能量概 念學習的成效文中提到符合建構論理念教學策略(constructivist teaching strategies, CTS)能比一般傳統的教學策略(traditional teaching strategies, TTS)有效地幫助學生理解「植物的養分」和「植物的呼吸作用」兩個主題相關 的科學概念。研究另外也指出符合建構論理念教學策略(CTS)和一般傳統的教 學策略(TTS)都能有效幫助學生理解光合作用的功能( Function of

(19)

7 兩個定義性或描述性的概念。 從學生透過對話論證的方式讓科學概念理解,概念理解之前要先看到學生問 題解決,Huffman(1997)提出學生在學習物理概念時,利用引導式問題說明與 教科書式教學活動,發現教師透過引導式問題解決教學活動比教科書的教學活動 更能夠使學生理解物理概念,Huffman(1997)主要所採用引導式問題說明包含 聚焦問題、描述物理量、問題解決方法、實行方法、評鑑方法等步驟讓學生討論 並理解概念。 Hung和Jonassen(2006)發現學生在推理力學的原因的機制中,學生對牛頓 力學中的旋轉運動的概念有較顯著的效果,研究者透過質性的資料收集與訪談, 發現學生對於牛頓力學中的旋轉運動概念較不易理解,也強調物理概念理解是一 種不同於一般背誦物理知識方式,而有不同的理解程度。 再由Land 和Hannafin (1997)提出使用類比教學融入問題中,發現研究七年 級的學生在力與運動的概念中,學生無法透過使用測功計(ErgoMotion)的概念 的理解問題的部分。因此表示學生在學習概念也需要適當類比才能達到概念理解, 所以類比教學是一種促進概念理解學習的方式。當學生面對一連串的物理故事問 題,如果不能在問題中,定性分析出因果關係機制,所以學習者無法理解問題解 決的先後順序,失去學習成效,因而先去分析問題意義(Nakhleh, 1993;Phelps, 1996;van Heuvelen, 1991)。 在學習物理概念與物理問題時,主要是由概念理解和計算能力為解決物理的 問題,這兩者概念理解和計算能力是屬於不可缺少的認知組成,但是解決問物理 的問題也考慮學生的能力(Hung和Jonassen,2006)。物理概念的理解主要是由 問題解決者所建構出的一個問題情境,包含有效、有策略的解決問題,並且達到 自己能的理解部分。因此,將問題的情境融入教學,可以幫助學生促進學習和理 解概念。

(20)

8 在Ozdemir和Clark(2009)在學生理解力的知識的連貫性的結構中,發現學 生對於力學概念理解,不同年齡層有不同的理解階段,研究同時發現,土耳其學 生學習力學概念的階段與Ioannides 和Vosniadou(2002)的研究認知層次階段 是不相關,也顯示不同的國家的年齡層學生對於力的概念理解有所不同。 將上述有關於科學概念理解的研究整理,發現概念理解主要幫助學生概念學 習,第一,透過類比教學的方式讓學生對概念較易理解。第二,理解概念主要讓 學生能聚焦問題、讓問題情境化,並幫助學生促進學習和理解概念。第三,理解 能力受到不同年齡而影響解題的方式,要讓學生的物理概念能夠理解頇透過一連 串的認知活動,才能達到理解物理概念階段。因此,有不同的研究方式去探討學 生科學概念理解,本研究利用創造性問題解決課程活動,著重於運用問題解決策 略來了解學生學習牛頓力學概念的學習成效為何。

(21)

9

第二節 問題解決教學

一、問題的意義

「問題」的定義是什麼?英文對「問題」的意義詮釋有兩種:question 或 是 problem。要去定義問題這兩個字,必頇透過解題者本身的認知去決定是 question 或是 problem 。本研究所採用的是 problem。

根據 Kahey(1993)對「問題」的定義,認為一個問題必頇包含兩個要素為 目標與目標是解題者所無法達到的,也就是說起始狀態(initial state)與目 標狀態(goal state)之間所存在的差距。因此,此目標可能會受到各種理由, 如缺乏資源、缺乏訊息等因素而被阻礙。張春興(1997)在認知心理學上提出,所 謂「問題」(problem),是指個人在有目的待追求,而尚未找到是適當方法時, 所感到的心理困境。 Mayer(1992)提出對「問題」的看法是見仁見智,但大多數的心理學家皆 同意一個問題有其一定的特性:(一)指定(Givens):問題開始於一定條件之一 種狀態。(二)目標(Goals):問題想要達到之目標,頇由思考將問題由現況轉 化到目標狀態。(三)障礙(Obstacles):思考者以其某種方式改變問題的目前 狀態(initial state)或目標狀態(goal state),但其未知正確答案,亦即未 能明顯獲得問題解決。

由上述的學者指出問題是指一個人欲達某一目標,但仍未確定達成的方法之 狀態,換言之,當一個人知覺到需要完成某些目標,但未立即知道該如何去完成 的狀態就是問題。鄭昭明(1993)認為問題是兩個狀態的衝突或差異,衝突是呈 現狀態(presented state),差異是我們所希望達到的狀態,即目的狀態(goal state)。

Chi 和 Glaser(1985)透過對問題的初始狀態及目標狀態的明確性與否將 問題分為「界定明確」(well-defined)與「界定模糊」(ill-defined)兩大類。

(22)

10 「界定明確」的問題其解題所需的訊息可由問題衍生而得,而且可以明確的得知 目標是否達成;反之,「界定模糊」的問題則否(余瑞虔,1999)。許多心理學家 又將問題分為三大類:(一)好結構問題(well-structured problem),按定程 序思維方式即可求得答案的問題。(二)差的結構問題(ill-structured problem), 情境不明因素不定不易找出解答線索的問題。(三)爭議問題(issue),帶有情 緒色彩的問題(引自張春興,1997)。張春興(1997)好結構的問題可依一定程 序思考求得解答,差結構的問題,則因情境不明或因素不足不易找到答案,而爭 議問題乃是一些既缺乏固定結構,又易於陷入情緒性立場。 在自然科學中對問題發現,其實有另外兩種問題模式,所以 Wolfinger(1984) 指出自然科學常見的問題主要有操作性問題(operational questions)與理論 性問題(theoretical questions)兩類,前者重在如何(how)運用材料得到解答, 後者通常以為什麼(why)開頭。因此,我們對於自然科學的問題通常都會以後者 理論性的問題來回答原理及問題。 因此,另外一位學者 Gega(1991)則將問題分成開放性(open)與閉鎖性 (closed)來看,閉鎖性問題之解答空間有限制,答案明確可以預測,而開放性問 題較適合探索、操作,沒有固定答案,在思考上有比較彈性與空間,但較不易於 預測和評量。科學教學中以引導式的學習,需要開放性與閉鎖性的問題互相配合 運用,才能發揮學生對問題看法效果。 對多數的教師而言,疑問(question)、問題(problem)在教學上常被混合使 用,其實二者在語意上就有不同層次的問題。疑問等待的是回答(Answer),性 質較為簡單,學生只是單純的從舊有基模(schema)中尋找答案即可,像一般教室 中師生之間一問一答的對答便是。而問題則需要的是解答(solution),性質較 為複雜,學生需要較長時間的思考歷程,舊有基模需要重新同化(assimilation) 或調適(accommodation)以產生解題所需的新基模(Piaget & Inhelder,1969;許 育彰,1998;王美芬,熊召弟,1995;唐偉成,江新合,1998)。

(23)

11 二、問題解決的意義及策略 從心理學角度去看問題解決(或是問題所解、解決問題)(problem solving), 是指個人在面對問題之時,綜合運用知識技能以期達到解決目的的思維活動歷程 (張春興,1997)。Gagne(1970)認為問題解決可視為一種過程,結合且運用先 前所學的知識作為先備知識去解決新奇的情境。Gagne(1985)則指出問題解決 是學習階層中最高階層,也是知識與策略交互使用的綜合表現。Mayer(1983) 認為將問題界定在從一給定狀態到目標狀態,其中遇到困難、產生問題,其間的 心智運作的歷程則是問題解決。Fisher(1990)認為問題解決是應用性的思考, 其與批判思考和創造思考三者並立。批判思考屬於分析性質,創造思考則偏重發 散歧異性,兩者均為探究性質的思考,且為完成問題解決所必頇。 圖 2-1:問題解決與創造思考、批判思考之關係(引自張玉成,1993) 張俊彥與翁玉華(2000)則定義問題解決為個人運用先前知識、技能和理解 能力去滿足新情境的需要,並重組他所有擁有的資訊,發展新的方法,以獲得解 決的過程。因此,在此情境下,知識與思考能力的運用應頇充分表現於「問題解 決」的過程中。楊文金、熊召弟(1996)依據心理學,定義問題是呈現情境與目 的情境的衝突與差異,所以問題解決具有四個要素:呈現情境、目的情境、解題 限制與解題規則(包含演算規則與捷思規則)。依照這四個要素,設計了問題解 決環,教師常以此模式來訓練學生問題解決的能力。而解題的本質可以下面所描 述的各層面來詮釋: 創造思考(擴散性) 批判思考(評鑑性) 問題解決(應用的)

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12 (一)問題解決是一種學習者習得的過程。 (二)問題解決是一種思考的過程。 (三)問題解決是一種複雜的心智能力。 圖 2-2:問題解決環(楊文金、熊召弟,1996) 楊坤原(1999)也指出問題解決者的知識是所有影響解題因素中最重要的一 環。沒有知識做為思考的材料,解題便無法進行。唯有運用知識與解題策略,方 能達成問題解決任務的第一要件。張俊彥與翁玉華(2000)也指出科學教育活動 中應融入問題解決活動與科學過程技能的運用,使學生藉由探究活動的過程中, 提升學生問題解決的能力。 從問題解決能力來看學生對於問題解決需要哪些能力,由張俊彥、吳佳玲 (2002)認為學生在「問題解決能力測驗」表現好,需具備的條件有「知識」、「態 度」、「思考能力」與「經驗」等四部分,將這四個部份分別轉換成「先備知識」、 「推理能力」及「問題解決態度」與「問題解決能力」並且將這四者畫成關係, 其關係為先備知識、推理能力和問題解決態度為各三角的頂點,中間為問題解決 1.重設問題 2.將問題轉換為 可以探究的形式 3.設計與規劃實驗 4.實際執行實驗 5.紀錄數據與觀察 6.全是數據與訊息 「下結論」 7.評鑑結果:決定是 否需要進一步活動 問題之解決 重新確認問題 改 變 設 計 改 變 設 計

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13 能力,以圖 2-3 表示。 圖 2-3:「先備知識」、「推理能力」及「問題解決態度」與「問題解決能力」 的關係(引自張俊彥、吳佳玲,2002) 從另一個角度去看,陳芳慶、蔡麗娟(2008)提出,透過問題解決模式教學讓 孩子學習觸角自主延伸。問題解決模式教學引發學生主動思考問題,經由「從做 中學」活動中錯誤學習而成長,進而找到問題解決的方法或關鍵,使學生藉由實 作活動中,統整習得知識與技能。因此,問題解決教學模式也是一種訓練學生思 考方式,並從中學習一些知識。 從推理能力去看問題,王春展(1997)透過以解題策略比較專家與生手在問 題解決表現的差異,發現專家的類比推理能力較佳,有利於問題解決。有許多研 究者(Ohanian, 1997; Wagner, 2001; O'Connell, 2000)認為問題解決教學中 推理能力是很重要的,並在教學策略中融入推理能力的訓練,使學習者利用推理 思考模式去解決問題。

在1988年,英國牛津技巧教學計劃(The Oxfordshire Skill Programme) 中以促進兒童思考能力為目的,把思考定義為個體從事決定時的心智活動,其內 涵包括批判思考、創造思考、推理思考和問題解決。其關係圖如圖2-4(引自洪 文東,2003): 問題解決能力 問題解決態度 推理能力 先備知識

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14 圖 2-4:問題解決與創造力之關係(引自洪文東,2003) Guilford(1987)視推理是一種心理能力,認為收斂思考與推理有關,此種 思考形式是個體在思考解決問題時,根據已有知識,依循邏輯規則尋求唯一的正 確答案。而張玉成(1993)在「思考技巧與教學」書中所提推理思考包含「理解」、 「應用」及「分析」等三項能力為主要內涵。其中理解技巧共分成:分類思考、 演繹思考、歸納思考、預測思考和預測結果意義。 洪文東(2003)認為科學的創造思考、推理思考、批判思考三者之間都有一些 相關的因子存在,因此認為「問題解決能力」所需必備之三種思考能力應包括: 創造思考力、批判思考力與推理思考力,而推理思考力並不是完全包含於創造思 考力和批判思考力中,因此,創造思考乃解決問題所必備;創造力是解決問題能 力之關鍵因素,完整的創造過程可視為一種解決問題之過程,但解決問題的歷程 卻不全然只是一種創造的歷程,兩者有若干重疊,但不完全等同(洪文東,2000; 2001)。洪文東(2000;2001)認為科學創造力或科學問題解決能力都必頇植基 於其領域相關之科學的概念和知識(Science Concept and Knowledge, 簡稱SCK)。 其關係如下圖2-5: 問題解決 創 造 思 考 推 理 思 考 批 判 思 考

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15 SCK :科學概念和知識 P:問題解決能力 C1:批判思考能力 R:推理思考能力 C2:創造思考能力 圖2-5:科學創造力與科學問題解決能力關係圖(引自洪文東,2000;2001) 將上述有關於問題解決的意義及策略整理發現,問題解決訓練學生具備:一、 創造思考、批判思考及推理思考能力。二、能主動思考問題及解決問題。三、提 升問題解決能力。本研究透過問題解決的教學方式來做連結,注重學生在學習時 要具備有創造思考、推理思考與批判思考,以便訓練學生利用發散性思考及收斂 性思考解決問題。 從產生問題直到解決問題的過程,涉及複雜的心理歷程。許多問題解決研究 者都曾嘗試了解人類是如何進行解決問題,進而提出不同的問題解決的思考模式 或策略。Greenfield(1987)歸納整理過去問題解決研究提出相關規則和策略: (一)問題解決的一般規則:全盤了解狀況、暫緩判斷、應用思考模式或策 略、提出問題、抱持懷疑態度。 (二)問題解決步驟:界定問題→分析問題→搜集資料→提出解決方案→嘗 試解決→檢討。 (三)問題解決過程:1.準備階段:辨別相關與無關資訊→分析問題→組織 歸納現有資料;2.執行階段:找出與問題有關事實→ 排序事實的重要性→克服問題→考驗對立假設→推 論→由果溯因。 SCK P C1 R C2

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透過上述的問題解決的規則及策略,可發現下列六項步驟為問題解決歷程的 共同要素。其中包括「發現困境、搜集相關事實、確定真正應解決之問題、發現 解決問題的想法、選擇最佳解答、發展能被接受之解決計畫」等步驟。以此對照 Parnes (1977)所提出的「創造性問題解決模式」(Creative Problem Solving, CPS) 的解題歷程「發現事實→發現問題→提出想法→尋求解答→尋求接受」,我們認 為「創造性問題解決模式」的解題步驟不但清楚完整,更能包含問題解決所需之 共同要素。 「創造性問題解決模式」為了增強問題解決歷程中思考的周密性,問題解決 歷程強調「發散性思考」(Divergent thinking)與「收斂性思考」(Convergent thinking)的培養,並且呈現三成分六階段的內容及關係圖如圖2-6所示。其中聚 歛性思考(Convergent thinking)定義為人面對難題時,求取解答,將縮小問題 的範圍,採集中尋求唯一答案的思考。發散性思考(Divergent thinking)定義為 人在思考活動,慣於擴大觀察範圍,採取多種可能中去選取最佳思考。因此,創 造性問題解決模式中,每一個步驟皆運用發散性思考與收斂性思考,能讓每一個 階段都具備將問題多方面去思考及選取最佳的答案以運用解決問題。

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17 從圖 2-6 所示,為創造性問題解決之三成分六階段的內容,每一個階段都採 用發散性思考與收斂性思考,主要讓學生將問題能聚焦,並且主動思考問題與解 決問題。 建構或選擇一個特別的問題情境(建構挑戰問題) ※D:發散性思考(Divergent thinking) ※C:收斂性思考(Convergent thinking) 發現 困難 尋找 資料 發現 問題 提出 想法 尋求 接納 尋求 解答 成分一:瞭解問題 尋求問題解決的機會 為問題解決建立一個廣泛或一般性的目標 查看細節並從不同觀點看問題 評估最重要的資料以進一部引導問題 考慮許多可能的問題狀態 產生多樣而不尋常的想法 成分二:激發點子 確認有希望的可能性,或選擇具創意有趣的可能性 成分三:行動的計畫 分析和改進可能性並發展一套標準 選擇標準和應用它去選擇有利的解答方法 考慮可能支援的來源和實行的可能行動 建立行動特別計畫 D C D C D C D C D C D C 圖 2-6:創造性問題解決模式(Treffinger 和 Isaksen,1992)

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第三節 創造性問題解決(Creative problem solving,CPS)教學

創造性問題解決(Creative problem solving,CPS)由 Osborn 在 1953 年 提出具體的 CPS 的歷程做為開端,已經有 50 年的研究歷史與發展,對於創造力 的培育已產生了重大且普遍的影響(Isaksen & Treffinger, 2004)。本節將介 紹 CPS 模式內涵,和國內 CPS 應用於教學的相關研究。

一、創造性問題解決(CPS)主要模式的內涵

創造性問題解決自 Osborn 提出以來,歷經六個時期的演進,雖然目前已呈 現出系統化的教學架構,然而,每個時期的 CPS 模式仍具有其時代的特色與差 異,以下為各時期最具代表性的模式內涵(引自 Isaksen & Treffinger, 2004): (一)Osborn 七階段創造性問題解決(CPS)歷程

Osborn 於 1953 年在所著作的「應用想像力(Applied Imagination)」 一書中,首次提出七階段的 CPS,定位(Orientation)、準備(Preparation)、 分析(Analysis)、假設(Hypothesis)、醞釀(Incubation)、綜合(Synthesis)、 驗證(Verification)。 (二)Osborn-Parnes 五階段創造性問題解決(CPS) 模式 Osborn 著作影響了 Parnes 和他的同事並延續 CPS 的研究,於 1967 年 發展出 Osborn-Parnes 線性五階段 CPS 模式。此模式除了首次將 CPS 用圖 示呈現外,並將 CPS 分為發現事實、發現問題、發現點子、發現解決方案 與尋求接納五個步驟。 (三)Isaksen 和 Treffinger 六階段創造性問題解決(CPS)模式 Treffinger 等人認為,Osborn-Parnes 的五階段 CPS 模式,雖然有提 及擴散思考與聚斂思考,著重於擴散性思考的訓練,因此,Isaksen 和 Treffinger 在 1985 年進一步修改 CPS 成為六階段的模式,其主要將 CPS

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19 擴充為六個階段,加入了「發現困惑」(Mess-Finding)。並且將「發現問題」 部分修改為「發現資料」,其主張是強調擴散思考與聚斂思考在問題解決過 程中的均衡運用,亦即有效的解決問題,必頇運用擴散性思考與聚斂性思考 的交互作用方能達成,為了讓 CPS 能夠順利的運用於教學上,Isaksen 和 Treffinger 亦將擴散性思考與聚斂性思考的列為指導方式。 (四)Isaksen 和 Treffinger 三成分六階段創造性問題解決(CPS)模式 Isaksen 和 Treffinger 六階段 CPS 模式提出後,許多的學者將其運用 於各種情境的教學研究,而從這些研究發現,CPS 可以用不同的方式運用於 各種情境下。CPS 可以修得更好與用不同的方式呈現。人們通常選擇使用部 分 CPS 的歷程以符合他們的需要。 Isaksen 和 Treffinger 在 1987 年進行再次的修改,將六階段的 CPS 歸類為三大問題解決的成分,其三成分分別為:瞭解問題(發現困難、尋找 資料、發現問題)、激發點子(提出想法)與行動的計畫(尋求解答、尋求 接納),並將圖示分為三個區塊,以作區隔。本研究乃以第四時期 Isaksen 和 Treffinger(1987)所修正的三成分六階段 CPS 模式作為融入科學活動教學 設計之依據。 (五)創造性問題解決的內涵 創造性問題解決是分階段式的解題模式,最大特色是在解題過程中,每 一個階段都具有發散性思考及收斂性思考,尋找最佳答案達到學習效果,整 理其主要的三成分六階段的內涵如表 2-1 下(整理自湯偉君和邱美虹, 1999):

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20 表 2-1 三成分六階段的 CPS 模式內涵 成分 階段 內涵 成分一: 瞭解問題 階段一 發現困難 D:從生活經驗與情境中尋找各種問題解決的機會。 C:決定一種挑戰,並建立一般性的問題解決目標。 階段二 尋找資料 D:收集不同的資料了解事實的情境。 C:整理、分析與歸納重要的資料。 階段三 發現問題 D:從已知的資料發現所有可能的問題。 C:選擇一特定問題並具體且明確的陳述問題。 成分二: 激發點子 階段四 提出想法 D:列出問題之所有可能的解決構想。 C:選出最有可能解決問題的構想。 成分三: 行動計畫 階段五 尋求解答 D:找出各種評估構想的標準與方法。 C:選擇一些標準評估解決問題的構想。 階段六 尋求接納 D:列出問題之所有可能的解決構想。 C:找到最適當的構想,擬定計畫並加以執行。 從表 2-1,主要是三成分六階段的 CPS 模式內涵,其中包含的 D 代表發散性 思考(Divergent thinking),C 代表收斂性思考(Convergent thinking)。其 中 D 與 C 後面是其要達到 CPS 此階段的內涵目標。 二、創造性問題解決(CPS)應用於教學的相關研究 研究者透過文獻蒐集,將 CPS 運用於自然科教學的研究結果進行整理與分析, 歸納出創造性問題解決教學策略對於學生創造力、問題解決能力以及對自然科學 習興趣與學業成就的成效,以作為本研究以 CPS 模式為教學設計之理論依據。 有關於國內、外 CPS 的研究,近年來增加許多,從最早期的創造力的研究, 進而到現在創造性問題解決的研究為主,其主要解決在創造力上的發展。 湯偉君(1999)利用創造性問題解決瞭解國三學生的科學學習之影響,得到 學生在概念學習上,學生成績有明顯進步,得到知識概念較多;在創造力之獨創 性表現佳,自編開放性的問題的表現高於一般教學;高成就的學生在答案數量較

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多且擴散性思考較佳,讓學習者有正面學習效果。

而在洪文東(2001)依據Isaksen和Treffinger(1992)所提的CPS,進行修 正CPS,提出修正的創造性問題解決(revised creative problem solving, RCPS),其 步驟為產生困惑、發生問題、產生想法、選擇想法和評鑑結果等五步驟,利用RCPS 探討學生在學習「水溶液的酸鹼性」單元。研究結果得知學生在科學創造力與問 題解決能力有顯著的進步。洪文東(2006)設計以土地為主題的RCPS教學模組, 探討二年級學童創造思考與解決問題之思考智能,發現可以激發學童的學習。 再從鄭英耀、劉昆夏、張川木(2007)利用創造性問題解決教學探討國小自 然科中「太陽的運行」的研究,其研究結果發現實驗組的學生在圖形創造力、問 題解決能力及自然科學業成就的整體表現優於控制組學生。在六個月延宕測驗的 追蹤結果,實驗組的學生在語文創造力的表現優於控制組的學生。研究顯示,創 造性問題解決教學能提升學生在學業成就和創造力的表現。 學者張俊彥、程上修(2000)曾經利用小組合作的創造性問題解決教學融入 地球科學課程,其研究結果得知,學生在氣象概念的學習表現均有進步;在問題 解決能力表現上女生在尋求解答的部份顯著高於男生,其學習成效與學習態度持 有正向觀點。 在看到曾育宗(2003)以行動研究來探討學生在理化科目中以創造性問題解 決教學,發現學生學習理化態度提升,並能透過日常生活的觀察找出問題並察覺 問題的意義,並對問題會有批判思考及讓自己對問題提出許多點子呈現。顯示創 造性問題解決教學能提升學生學習態度及激發創造思考的能力。黃哲民(2006) 以準實驗研究法利用創造性問題解決教學與一般教學比較學習地球科學概念,從 研究結果發現,學生在創造性問題解決教學學習成效與一般教學學習成效有顯著 差異,在創造性問題解決能力較佳,但學習態度沒有差別。研究顯示,創造性問 題解決教學能提高學習成效。

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22 洪川富(2005)以準實驗研究設計研究應用創造性問題解決模式研究國小自 然與生活領域教學,研究發結果發現在「威廉斯創造性思考活動測驗」中實驗組 的流暢力、開放性、獨創力、精密力、想像力、挑戰性及總分,均顯著高於對照 組學生。且問題解決能力的表現實驗組高於對照組,也與學生的創造力成正相關 的關係。 在洪美嬌(2008)、黃玉斯(2008)、陳淑娟(2007)等人,利用科學遊戲結 合創造性問題解決教學活動發展,從研究結果發現,第一、創造性問題解決可以 適當融入科學遊戲中並且能設計教學活動;第二、學生對於科學遊戲的學習興趣 及內容會受到學生的能力影響,但學生也由玩遊戲中學習到科學知識;第三、研 究者在課程設計、教學策略應用及教師多元角色轉化上均獲得專業能力之成長與 收穫。 吳雅萍(2008)在創造性問題解決教學對學生學習成效影響之後設分析,研 究結果發現,在認知學習、情意學習和高層次思考能力學習中創造性問題解決教 學皆高於一般教學且對學習者能增進學習的效果與能力、產生正向的學習態度。 在 Wood(2006)在化學課程中發展創造性問題解決,從學習的角度去觀察發現, 學生在學習時遇到問題,思考如何解決,並進行合作學習的解答出問題,學會思 考技能,也提升學生的學習成效。 將上述有關創造性問題解決的研究整理,創造性問題解決教學協助教學者及 學習者在學習上,第一,提昇學習者的概念學習成效,且讓學習有正面的學習效 果。第二,提昇學習者的擴散性思考能力及問題解決能力。第三,提昇學習者在 創造力的表現佳,能增加學習者正向學習的態度。第四,學習者透過創造性思考 活動設計由活動中學習科學概念,並且讓學生從多角度思考解決問題。本研究聚 焦於創造性問題解決活動讓學習者具備有擴散性思考與聚歛性思考的能力,並藉 由活動學習科學概念。

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23 三、創造性問題解決與科學活動 問題解決的過程是一種創造,因此在Osborn提出創造性問題解決(CPS),主 要是透過個人的腦力激盪、想像及尋求所有解決問題的方式,並運用來訓練創造 思考及問題解決的能力。 創造性問題解決與活動課程的連結,王鼎銘(2007)提到教師對於課程活動 設計選擇的主題,主要與日常生活環境相關。且在學校的學習環境能提供與真實 社會的連結,而不是強迫學生死記公式或是資料,學習情境主要在於讓學生瞭解 與外界連結的知識,並能讓學生去判斷資訊的好與壞。強調課程活動主要與生活 的連結,並能應用於生活上。 在Piaget所提出認知發展論中兒童四個發展時期,國小六年級學生到國中階 段正好是從具體運思期到形式運思期,學生在這個時期能夠理解問題的核心,並 能透過抽象思考去達到創造思考的部份。因此,對於動手操作的活動皆能達到有 效果。在洪文東、李長燦(2008)提到物理知識活動設計最重要是教學者頇親自 對物體行動,以便「感覺」一下孩子會有什麼樣的經驗。主要讓學童去體驗活動 課程並認識概念。也發現幼兒在活動中透過接觸與經驗結合並建立科學概念的形 成。所以活動設計透過學生的經驗或接觸能夠得到物理的知識。 在實施活動時,第一要先確立教學活動的目標,必頇擬定教學原則及教學策 略,並進行將概念與教學策略結合之課程活動設計。最後,學生得到哪些內容及 成效。洪文東(2007)利用探究式方法去探討「水溶液的性質」主題探究式教學 模組,在探究歷程上,包含引起學生興趣、預備探究、探究、預備報告與報告完 整的歷程中,科學探究能力表現上能促進學生界定問題、設計規劃、實作驗證、 解釋分析與溝通辯證等能力。因此,探究式課程活動並能增進學習的效果。 從提倡科學遊戲融入科學教學中,以許良榮、吳筱婷(2007)提到科學課程 在既存的單元內,受到教學時間、學童認知層次與課程內容的壓縮,無法呈現出 所蘊含的多樣性科學內容。研究中發現泡泡的活動設計的概念包含物理、化學、

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24 幾何與藝術的不同認知層次,也希望參與活動者能夠推廣活動。 洪文東(1997)曾利用創造性科學活動,讓學生展現科學創造的才能,也是 一種策略,科學活動主要是鼓勵學生能夠動手操作,激發點子,培養解決問題的 能力。黃鴻博(2000)及游詩蒂(2002)提到科學創意活動是一系列具有科學創 造性問題解決的活動,透過活動的過程和科學創意競賽讓學生發揮創意,解決現 有問題達到目標。因此,將科學活動的歷程融入創造性問題解決的模式,可讓學 生得到學習效果並增進學習創意的部分。 在教育部(2001)的九年一貫課程綱要中,提到自然與生活科技學習應以探 究及實作的方式來進行,強調手腦並用,活動導向、設計與製作、知能與態度; 教學應以學生為主體,培養學生探究能力、能進行分工合作學習、能獲得科學智 能、習得各種操作為原則,活動設計應以解決問題策略為中心。本研究設計之科 學活動課程是以創造性問題解決模式設計,主要以培養學生擁有獨立思考、問題 解決能力及概念學習。將創造性問題解決與科學活動結合,課程活動主要訓練學 生,第一,透過動手操作的方式去認識科學原理及概念。第二,能與日常生活經 驗的連結,並能將其應用於生活上。第三,能增進學習者的學習效果並培養學生 問題解決的能力。科學活動融入了創造性問題解決教學,讓學生能夠發揮創造思 考,問題解決能力及動手操做體會科學概念原理,增加學習者對活動課程產生興 趣。

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第四節 牛頓第三運動定律之教材與相關研究

一、牛頓第三運動定律 牛頓對作用力與反作用力的看法是:物體互相產生的力。牛頓認為這個力是 由一個物體在動態上被測出有所改變,牛頓相信這兩個力大小相等且方向相反, 甚至在斜面上碰撞也是如此。國立編譯館(2003)將牛頓第三運動定律解釋為「兩 物體交互作用時,彼此互以力作用於對方,兩者大小相等,方向相反,但作用在 不同的物作用體上」。而黃振華(2001)將牛頓第三運動定律詮釋為「作用力與 反作用力大小相等,方向相反,並彼此作用於對方的物體」。參考洪木利、周啟 (1994)所發展的專家牛頓運動定律概念圖,其中包含牛頓第三運動定律的次概 念有:作用力與反作用力皆存在,作用力與反作用力方向相反,作用力與反作用 力大小相等,作用力與反作用力同時產生,作用力與反作用力彼此作用於對方的 物體上。 綜合上述,研究者從牛頓的看法到近幾年的研究看法得知,學生從動態的觀 察到靜態的觀察,學生學習容易產生迷思概念。研究者透過科學活動模式帶入課 程中讓學生能體認作用力與反作用力,並能清楚的了解作用力的大小相同,方向 相反,作用於不同物體上的概念,也讓學生能夠主動的學習。學生從國小課程接 觸,直到國中才提及概念,探討牛頓第三運動定律的相關研究與相關教材。 二、牛頓第三運動定律的相關教材 將國內的中、小學之康軒出版社、翰林出版社、南一出版社之自然與生活科 技領域的教科書做為參考教材,去探討其教材內容發現,在國小階段只有與牛頓 第三運動定律概念相關的單元,但卻無提到「牛頓第三運動定律」概念的名稱。 學生一直到國中階段才開始接觸「牛頓第三運動定律」這個名詞,但是在國

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26 小的課程中,楊明璋(2006)曾分析國小「自然與生活科技」教科書力學概念單 元包括「力有大小和方向」、「力施於物體會改變物體運動狀態,運動狀態包括轉 動和平行移動」、「力施於物體會造成物體產生形變,例如彈簧受力產生伸長、壓 縮、彎曲或扭轉」、以及「地心引力會使物體具有重量」皆與牛頓第三運動定律 有關的單元,也將牛頓第三運動定律的概念帶入課程裡,而且國中階段的牛頓運 動定律偏向公式的介紹與應用,因此國小階段有關於牛頓運動定律的概念就顯得 重要。 三、牛頓第三運動定律的相關研究 Clement(1989)注意到許多學生不相信靜止的物體能產生動力,於是和同 事引用 Posner(1982)提出控制概念改變時,概念狀態的要點在於課堂教學之 中,用學生實際操作、演示的經驗,來突顯學生的迷思概念。教學前,學生不相 信置於桌上靜止的書本有受到桌面向上的推力,於是 Clement 先讓學生在手上 壓縮彈簧,感受彈簧靜止時仍有力的存在,再將一本書放在有彈簧的板上,讓學 生依此類比來推論,學生才願意相信書本靜置於桌面上,桌面對書本是有作用力 (引自王美芬、熊召弟譯,1996)。 從兒童的對於牛頓運動定律來看,洪木利(1999)曾研究我國兒童牛頓運動 定律的概念架構,其研究關於第三運動定律學習發展,以及兒童在牛頓第三運動 定律的次概念發展程序得先後。從只考慮作用力到再同時考慮作用力與反作用力, 最後才認識作用力與反作用力大小;兒童的年級與概念成熟階段和作用力、反作 用力概念的理解成顯著正相關;兒童在動態的情境下,較能理解作用力與反作用 力的概念;三、四年級的兒童,過半數能體認到作用力的存在。 在小學階段中,學生對於力與運動的概念學習,彭泰源、張惠博(1999)探 討國小五年級「力與運動」的概念中,發現學生認為兩物體大小不同相撞「作用

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27 力與反作用力」的大小不同,以及有運動才會有摩擦力產生,靜止不會有摩擦力 的產生,學生在學習「力與運動」的概念產生迷思概念。 而在陳美月(2002)研究臺北市國小中年級學生對物體運動快慢與力之間的 另有概念,其在教學上建議教師舉例說明時,應以日常生活的事物為主,形成兒 童的共鳴,兒童會以直觀的思考方式來來判斷物體運動,正是學習的前奏,也是 學生開始接觸「力與運動」概念。 在國小高年級階段的學生對力與運動的概念學習,楊訪屏(2004)運用 CPS 科學遊戲課程以行動研究的角度進行牛頓第三運動定律遊戲課程,發現國小六年 級學生在實際活動中能應用研究者於課程中培養之創造性問題解決能力,創造性 問題解決能力表現得比第一次遊戲課程階段還要好。並且學生瞭解牛頓第三運動 定律,瞭解創造性問題解決教學模式,並能引起學生好奇接觸遊戲課程瞭解「作 用力與反作用力」的概念。 除了上述研究者曾對「力與運動」的概念研究,尚有黃振華(2001)、陳勇 全(2000)、王俊貴(2003)等研究者,對力的概念做分析調查的研究,但少有 研究是直接針對牛頓第三運動定律概念的教學課程做設計與研究,因此研究者從 力的概念分析之研究文獻中,了解學生對力學所可能發生的迷思及對教學的建議, 設計以學生為主體的課程,讓學生主動積極的建構日常生活上常見的現象概念。 並融入創造性問題解決模式讓學生喜愛學習科學。 從全忠平(1994)分析師範學院學生對於力學概念之分析研究,發現學生學 到新的物理學概念,如反作用力,卻無法理解「反作用力」新概念的意義,學生 會利用此「反作用力」新概念以錯誤方式解釋物體受到「反作用力」,使得學生 無法理解「反作用力」的概念意義。再觀看周承岡(2001)透過紙筆測驗來瞭解 高中學生對牛頓運動定律的迷思,發現學生對於力學分析圖,因不會分析且對於 作用力來自系統內與系統,因外無法判斷導致學習概念迷思。

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28 除了紙筆測驗可以瞭解學生學習牛頓運動定律迷思,在楊其安、郭重吉(1990) 利用臨床晤談的方式探究國中生對力學概念,探討出學生對於地心引力是物體與 地面的距離有關,且學生認為物體運動需要力,力越大跑得越快,對於加速度運 動概念是薄弱的。顯示學生在學習力學概念,有時將日常生活經驗放入說明,往 往會解釋錯誤,而使人無法理解。 國外研究顯示,Hung 和 Jonassen(2006)針對高中學生對於學習力學概念, 發現需要透過熟悉的類比教學才能促進學生的力學概念的理解,否則是沒有顯著 的影響。在牛頓力學的探討中,Whiteley(1995)研究發現指出學生認牛頓第三 運動定律之作用反作用力的是做用於相同的物體上,因此而產生了概念迷思,要 釐清學生作用力與反作用的關係,也提到學生不容易找出成對的作用力與反作用 了的關係。另外一方面,學生容易認為拔河比賽獲勝的一方拉繩子的力量較大, 其實這兩方的受力是一樣的,因此,輸的一方學生認為自己受力較小,會輸這一 場比賽(Watts & Zylbersztajn,1981)。

從牛頓力學碰撞的觀點,Oliva(1999)的研究結果發現,兩物體的相互碰 撞時,學生比較傾向於物體較重者具有作用力,較輕的物體則沒有作用力,學生 在思考物體若碰撞過程中較大的力會受到比較大的效應,學生思考模式屬於線性 的推理。再從拋體運動來看,學生也認為拋體之所以會往上運動原因,物體受到 一個方向向上的力的作用,因此這個力是透過手的作用力傳到拋體上才使得維持 (Clement, 1982; Watts & Zylbersztajn,1981)。

在牛頓力學的觀點中,除了學習者透過自己學習或經驗發現許多力學迷思概 念,或是將新概念以錯誤的方式去解釋物體的狀態,產生一連串的學習錯誤。因 此,何偉雲(2003)透過創造思考的觀點去探討國小學童物理問題解決,發現了 流暢性和變通性是創造思考的高度相關,是問題解決的一大重要環節。本研究主 要以牛頓第三運動定律概念融入創造性問題解決教學活動模式,讓學生進行活動 以學習牛頓第三運動定律的相關概念。

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29 綜合上述研究整理發現,第一,學生先體會有作用力的存在,才進一步認識 作用力與反作用力。第二,學生在學習力與運動的概念中,容易將作用力與反作 用力中的施力者與受力者之間的關係產生混淆。第三,可以透過日常生活經驗讓 學生理解作用力與反作用力並了解物體受力。本研究主要利用創造性問題解決活 動讓學生體驗作用力與反作用力及應用,和理解作用力與反作用力的概念。

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第三章 研究方法與架構

第一節 研究方法

本研究主要採用詮釋研究包含量化資料及質性資料的收集,研究過程透過活 動實施牛頓力學概念問卷,及 CPS 活動學習單的方式來了解及發現研究之待答問 題。研究者在尋找研究問題時,即進入第一階段查詢及設計研究課程準備階段, 整個研究的流程,分成準備階段,主要是選擇科學活動課程模組教材、科學活動 課程設計階段以及牛頓力學概念問卷的設計;第二階段,科學活動課程模組實施 階段;第三階段為收集資料、資料分析以及撰寫研究報告階段,其分述如下: 一、準備階段 本研究在尋找研究問題時,即進入準備階段,研究者開始進行準備工作,包 括蒐集相關文獻、文獻探討、決定研究方法及科學活動課程的設計。 (一)選擇科學活動教學教材 學生對有科學原理之科學活動的興趣,研究者選定科學活動教學的科學 概念--主題是牛頓第三運動定律,進行單元活動的選擇,並準備教學的教材, 除了提供學生動手製作科學活動之作品的機會,也讓學生的科學玩具成品可 以競賽,目的在讓學生動手玩科學,誘發學習興趣。 (二)設計科學活動課程模組 研究者在選定教學模組教材後,隨即進入設計科學活動課程模組。研究 者要進行單元活動的教案編擬,製作學習單,期望將科學概念與創造性問題 解決融入科學活動。活動課程模組的設計中,並能有可靠又有效的評量來進 行評量,其活動課程設計詳見附錄一。

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31 二、科學活動課程模組實施階段 研究者設計四個 CPS 活動課程,透過「扭力船」、「噴射火箭」、「風力車」、「氣 球車」等四個科學活動,了解學生透過活動學習了解學生科學概念理解及創造思 考歷程表現。每個活動時間為五十分鐘,由於受到學校授課時間的影響,研究者 進行活動課程是利用早自修時間,每週一節課,實施時間為六個星期,共進行六 次活動。 三、收集資料、資料分析以及撰寫研究報告階段 本研究採用量化研究與質性研究,其蒐集的資料包括兩種,第一,牛頓力學 概念問卷測驗,屬於量化資料;第二,學生 CPS 活動學習單和學生半結構式訪談, 是屬於質性資料。在量化資料分析以統計軟體 SPSS 12.0 進行統計檢定。在分析 質性資料上常使用持續比較法和多元檢證法,是為了要確保分析資料時的客觀性。 研究者設計的科學活動課程模組,將在實際課堂中實施活動,經由多重資料來源 的對照與比較,更能對於國中學生之科學概念理解的課程完整面,並提高研究的 可信度。

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第二節 研究架構

本節主要內容包括研究架構,研究流程圖和研究對象。 一、研究架構 圖 3-1:研究架構圖,本研究以創造性問題解決模式做為活動課程自變項,經過 活動課程的實施,在依變項部分為學生之科學概念學習表現,其中控制變項包括 教學者、教學內容和教學時間。 自變項 創造性問題解決活動 課程設計 實驗 依變項 科學概念學習 控制變項 教學者 教學內容 教學時間

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33 二、研究流程圖 圖 3-2:本圖為研究流程圖,主要包括第一、二、三階段流程。 文 獻 分 析 與 探 討 蒐集相關文獻 擬定科學活動設計 發展牛頓力學概念問卷 形成研究問題 確定研究方向 擬定研究主題 CPS 活動設計及學習單 設計牛頓力學概念測驗 詴探性教學 測驗預詴 實施前測 進行 CPS 活動設計課程 實施後測和延宕測 資料收集與編碼 進行學生訪談 資料分析與解釋 撰寫研究報告 測驗修正 後測—活動結束進行 延宕測—活動結束一 個半月進行 第 一 階 段 資 料 查 詢 及 設 計 第 二 階 段 實 驗 課 程 第 三 階 段 收 集 資 料 及 撰 寫 報 告

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34 本研究的發展程序以科學活動設計的取得及課程活動設計和實施課程活動 三部分的主軸。 研究者擬以牛頓運動定律第三運動定律的概念融入科學活動提昇學生對科 學學習的理解與問題解決能力,蒐集與科學活動相關的書籍和相關網站,從中挑 選適合課程之素材,並將創造性問題解決(CPS)模式融入科學活動課程設計(詳 見附錄一),進行課程活動設計。同時研究者尋找有關牛頓力學概念問卷之研發, 並開始進行課程實施,收集研究資料,並撰寫研究報告。詳細歷程如圖 3-2 所示。 三、研究對象及背景 本研究是活動設計課程,參與本研究是以中部某鄉鎮的國中學生,學校是以 常態編班,研究對象包含男生 17 人、女生 17 人,共 34 名學生。學生已具備知 識包含力學基礎概念如重量、密度等。課程活動採用 CPS 教學模式融入科學活動 中,進行其 CPS 活動課程。

第三節 研究工具

一、牛頓力學概念測驗 本研究的測驗概念是以牛頓三大運動定律的為主,以選擇題的方式設計,主 要依據學者布魯納(Bloom,1956)提出的教育目標分類將其分為三個領域認知、情 意、技能,再從認知領域中將牛頓力學概念測驗內容分向為包括知識、理解、應 用、分析等四個向度,以選擇題的方式作為命題。而在綜合與評鑑中,以非選擇 題方式做為命題原則,需要設計成學習單的方式來訓練學生的創造思考歷程。牛 頓力學概念測驗,主要參照了 Bloom(1956)所提出認知領域教育目標分類之內 容,作為分類之六個層次知識、理解、應用、分析、綜合與評鑑。其各項定義分

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35 別為如下: 知識:對於所學知識單純認識與記憶。 理解:瞭解學習材料的意義。 應用:將所學之知識(原理或原則),應用於新的,具體的或現實的情況。 分析:將所有視為「整體」分析為各個要素,或解釋期間相互關係或是組織 原則的能力。 綜合:將所學的知識綜合成為新的整理表現其獨特的創見或創造性。 評鑑:運用所學知識標準做為價值判斷。 依照此定義擬定牛頓力學概念測驗之內容,在其內容分類的定義與相對例題 為表 3-1 所示。 牛頓力學概念測驗設計包含六個向度:知識、理解、應用、分析、綜合、評 鑑,內容包括選擇題及非選擇題(開放式問答),研究者主要考慮到學生年齡, 皮亞傑提出兒童認知發展中具體運思時期進入到形式運思時期,根據研究陳美慧 (2006)利用 Bloom 發展一份評量測驗,發現小學四年學生在應用、分析層次的 學習表現不明顯,也顯示在小學階段能力是發展使用應用向度,且國中階段能力 則設計到分析階段,研究者也考慮到學生能力,牛頓力學概念測驗部分主要以選 擇題部分為主,其向度是知識、理解、應用和分析;另外設計採用 Crowe(2008) 等人提出的認知分類在綜合與評鑑向度需與書寫和問答的方式。因此,非選擇題 的部分主要以引導式開放作答的學習單,其向度是綜合與評鑑,但不納入牛頓力 學概念測驗中。

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36 表 3-1 牛頓力學概念測驗及學習單各向度之定義 向度 定義 例題 知識 對於所學知識單純 認識與記憶。 1.( )下列何者並非「對-作用力與反作用力」的 特性? (A)大小相等 (B)可互相抵消 (C)方向 相反 (D)作用在不同物體上。 理解 瞭解學習材料的意 義。 45.( )蘋果成熟了會落下而不會向上或向旁邊掉 落,這說明了 (A)重力有方向性 (B)重力有大小 (C)重力有輕重 (D)重力有高低。 應用 將所學之知識(原 理或原則),應用於 新的,具體的或現 實的情況。 11.( )下列何者是牛頓第三運動定律的現象? (A)游泳前進時,必頇用手或腳撥水 (B)拍打身上 的灰塵使其掉落 (C)受到地心引力的作用,物體 落下的速度會加快 (D)搖動果樹,使果實掉落。 分析 將所有視為「整體」 分析為各個要素, 或解釋期間相互關 係或是組織原則的 能力。 30.( )一個人站在等速上升的電梯中量體重, 將會發覺其體重如何? (A)較在地面上所量的 重(B)較在地面上所量的輕(C)與在地面上所量 的相同(D)為零。 綜合 將所學的知識綜合 成為新的整理表現 其獨特的創見或創 造性。 1.海賊王大花準備打造她的全新船出航,請大家幫 大花想想該如何設計,船才能夠順利啟航呢?請詳 細寫下說明在你設計的船有需要什麼構造來增加 船的航行距離或是船的速度呢? 評鑑 運用所學知識標準 做為價值判斷。 3.經由扭力船、氣球火箭、及風力車(氣球車)三個 活動,請各位同學想一下,透過這些活動內容,你 得到了哪些知識,你可以利用這些現有的知識去創 造一個利用原理或知識的活動應用。 牛頓力學概念測驗中,研究擬總測驗題目共 50 題,為了問卷內容文詞簡要、 清楚及避免學生對語意產生誤解,因此,每個向度內容先經專家內容效度審查, 主要由 10 位專家審查測驗,其中專家包括指導教授和國中、小教師等,並將專 家所建議測驗內容刪除或修正不適當內容,以及提供修正與補充其意見,其中牛 頓概念測驗中專家審查統計超過 2 人以上建議刪除,才將測驗題目刪除,牛頓力 學概念測驗經預詴,將問卷的難易度低於 0.30 刪除。將牛頓力學概念測驗刪除 及修正如表 3-3-2 與 3-3-3,知識向度中刪除 43 與 17 題,增加 16 題;理解向

數據

圖 4-10:學生在綜合之學習單表現-3  ............................. 81

參考文獻

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