高二學生有機化合物概念與其視覺化表徵能力之探究
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(2) 摘要 本研究旨在探討視覺化表徵能力教學對學生學習有機化合物概念的影響，透 過提升學生視覺化表徵能力，幫助學生學習有機化合物概念，本研究設計針對新 北市某市立高中二年級自然組兩班學生進行研究，將兩班隨機分派為實驗組對對 照組，實驗組學生有 37 位，對照組學生有 39 位，共 76 位。實驗組與對照組的 教學差異在於實驗組額外增加視覺化表徵能力(知覺、詮釋、轉換、連結、評估) 說明，而對照組為一般教學，教學研究為期四個星期，共 11 堂課。 本研究結果顯示：1.透過視覺化表徵能力教學，能幫助學生學習概念，並且 其中在概念類型中的性質達顯著差異(F=4.417，p < .05)；2.視覺化表徵能力教學 能提升學生視覺化表徵能力中的知覺、詮釋、轉換、連結、評估等面向，並且其 中連結(F=9.023，p < .001)、評估(F=10.191，p < .001)達顯著差異；3.提升學生視 覺 化 表 徵 能 力 有 助 於 學 習 有 機 化 合 物 概 念 ， 並 且 達 中 度 相 關 (r= .687 ， p = .000<.001)；4.學生對視覺化表徵能力教學持有正向的支持，認為知覺、轉換、 詮釋、連結、評估時會運用一些知識，所獲得的知識量比課本來的多，豐富了課 文的內容並幫助學習。 因此本研究建議：1.建議將視覺化表徵能力應用於各個單元教材中，提升學 生視覺化表徵能力，用以幫助學生概念的理解；2.建議在其它概念上培養視覺化 表徵能力，使得學生學習有機化合物單元時，能更有效的使用視覺化表徵能力； 3.學生經過視覺化表徵能力的教學後，仍有部分學生在命名、性質、結構有學習 困難，因此建議教師在採用視覺化表徵能力教學方法上，還要輔助其它教學策 略。. 關鍵字：有機化合物、視覺化表徵、視覺化表徵能力. I.
(3) Abstract The purpose of this study was to investigate the effectiveness of visual representation teaching activities on students’ learning of the concept of organic compound. The study was designed as a teaching method with visual representations ability. Seventy-six 11th graders from a local high school in New Taipei city were involved in this study, and two classes of students were randomly assigned to the experimental group (37) and the control group (39). The difference between the Experimental group and the Control group was that the former was presented with Visual. Representational. Ability. (Preception,. Transformation,. Interpretation,. Connection and Evaluation) of description, while the laster was designed to use the same materials without Visual Representational Ability of description. Four major results were revealed in the current study. First, Visual Representational Ability instruction was effective in helping students learn concepts, and among concept types, significant difference was found in Properties (F = 4.417, p < .05). Second, it was also found that Visual Representational Ability instruction can enhance students’ abilities of connection (F=9.023, p < .001) and evaluation (F=10.191, p < .001). Third, it was revealed that enhancing students’ visual representational abilities can help students in learning about organic compounds (r= .687，p = .000 < .001). And lastly, the experimental group had a positive view of the Visual Representational Ability instruction as they felt that it could help them learn more than they could from textbooks. The current study would recommend the application of the Visual Representational Ability in classes as a way to help students understand concepts. It will also be helpful to cultivate students’ Visual Representational Abilities in other fields/concepts so that students would be able to better apply their abilities when learning organic compound concepts. Lastly, as there were still some students who experienced difficulties in the categories of nomenclature, properties, and structure, the adoption of Visual Representational Ability instructional methods should still be complemented by other teaching strategies.. Keywords: organic compound, visual representation, visual representational ability II.
(4) 目錄 第壹章. 緒論 ............................................................................................................. 1. 第一節 研究背景與動機 .................................................................................................. 1 第二節 研究目的與問題 ................................................................................................. 3 第三節 名詞釋義 .............................................................................................................. 4 第四節 研究範圍與限制 ................................................................................................. 5 第貮章 文獻探討........................................................................................................ 7 第一節 視覺化表微之定義與內涵 ................................................................................. 7 第二節 發展學生的視覺化表徵能力 .......................................................................... 10 第三節 視覺化表徵能力教學....................................................................................... 13 第四節 有機化合物之相關教育研究.......................................................................... 17 第參章 研究方法........................................................................................................ 19 第一節 研究設計 ............................................................................................................ 19 第二節 研究對象 ............................................................................................................ 20 第三節 教學設計 ............................................................................................................ 22 第四節 研究工具 ............................................................................................................ 29 第五節 研究流程 ............................................................................................................ 31 第六節 資料分析與處理 ............................................................................................... 33 第肆章 研究結果與討論............................................................................................ 35 第一節 教學成效的分析 ............................................................................................... 35 第二節 視覺化表徵能力的分析 .................................................................................. 73 第三節 視覺化表徵能力與概念之相關分析 ............................................................ 93 第四節 教學內容與學生的視覺化表徵能力和概念改變 ....................................... 95 第五節 視覺化表徵能力教學的情意面向分析 ...................................................... 121 第伍章 結論與建議................................................................................................ 129 第一節 結論 .................................................................................................................... 129 第二節 建議 .................................................................................................................... 131 III.
(5) 參考文獻 ....................................................................................................................133 附錄一、有機化合物概念試題................................................................................ 139 附錄二、視覺化表徵能力試題................................................................................ 148 附錄三、視覺化表徵能力評分標準........................................................................ 155. IV.
(6) 表目錄 表 2-2-1 Kozma & Russell (2005，引自詹婉約，2010)提出表徵能力的五個層級 ................................................................................................................ 11 表 3-3-1 實驗組與對照組教學內容與教學設計說明 ............................................... 24 表 3-3-2 實驗組與對照組教學素材差異 ................................................................... 25 表 3-3-3 兩組教學素材差異舉例 ............................................................................... 26 表 3-4-1 研究工具的設計 ........................................................................................... 29 表 3-4-2 概念試題雙向細目表 ................................................................................... 30 表 4-1-1 教學前實驗組與對照組在有機化合物概念試題的獨立 t 考驗 ................ 36 表 4-1-2 實驗組前、後測驗的組內答對率 ............................................................... 37 表 4-1-3 對照組前、後測驗的組內答對率 ............................................................... 39 表 4-1-4 實驗組與對照組後測的 ANCOVA 比較 .................................................... 40 表 4-1-5 實驗組與對照組學生在第 1 題的答題表現 ............................................... 41 表 4-1-6 實驗組與對照組學生在第 2 題的答題表現 ............................................... 42 表 4-1-7 實驗組與對照組學生在第 4 題的答題表現 ............................................... 43 表 4-1-8 實驗組與對照組學生在第 5 題的答題表現 ............................................... 44 表 4-1-9 實驗組與對照組學生在第 6 題的答題表現 ............................................... 45 表 4-1-10 實驗組與對照組學生在第 13 題的答題表現 ........................................... 45 表 4-1-11 實驗組與對照組學生在第 29 題的答題表現 ........................................... 46 表 4-1-12 實驗組與對照組學生在第 30 題的答題表現 ........................................... 47 表 4-1-13 實驗組與對照組學生在第 9 題的答題表現 ............................................. 49 表 4-1-14 實驗組與對照組學生在第 10 題的答題表現 ........................................... 50 表 4-1-15 實驗組與對照組學生在第 7 題的答題表現 ............................................. 51 表 4-1-16 實驗組與對照組學生在第 8 題的答題表現 ............................................. 52 表 4-1-17 實驗組與對照組學生在第 15 題的答題表現 ........................................... 53 表 4-1-18 實驗組與對照組學生在第 16 題的答題表現 ........................................... 54 表 4-1-19 實驗組與對照組學生在第 18 題的答題表現 ........................................... 54 表 4-1-20 實驗組與對照組學生在第 14 題的答題表現 ........................................... 55 表 4-1-21 實驗組與對照組學生在第 19 題的答題表現 ........................................... 57 表 4-1-22 實驗組與對照組學生在第 20 題的答題表現 ........................................... 58 表 4-1-23 實驗組與對照組學生在第 11 題的答題表現 ........................................... 59 表 4-1-24 實驗組與對照組學生在第 12 題的答題表現 ........................................... 59 表 4-1-25 實驗組與對照組學生在第 17 題的答題表現 ........................................... 60 表 4-1-26 實驗組與對照組學生在第 21 題的答題表現 ........................................... 61 表 4-1-27 實驗組與對照組學生在第 23 題的答題表現 ........................................... 62 表 4-1-28 實驗組與對照組學生在第 22 題的答題表現 ........................................... 62 表 4-1-29 實驗組與對照組學生在第 3 題的答題表現 ............................................. 64 V.
(7) 表 4-1-30 實驗組與對照組學生在第 25 題的答題表現 ........................................... 65 表 4-1-31 實驗組與對照組學生在第 24 題的答題表現 ........................................... 66 表 4-1-32 實驗組與對照組學生在第 26 題的答題表現 ........................................... 66 表 4-1-33 實驗組與對照組學生在第 31 題的答題表現 ........................................... 67 表 4-1-34 實驗組與對照組學生在第 27 題的答題表現 ........................................... 68 表 4-1-35 實驗組與對照組學生在第 28 題的答題表現 ........................................... 69 表 4-1-36 實驗組與對照組學生在第 32 題的答題表現 ........................................... 70 表 4-2-1 實驗組與對照組在教學前於的視覺化表徵能力試題之獨立 t 考驗 ........ 74 表 4-2-2 實驗組與對照組在教學前於視覺化表徵能力向度之各層級人數百分比 ....................................................................................................................... 75 表 4-2-3 實驗組與對照組學生在教學前於知覺向度各層級人數百分比 ............... 76 表 4-2-4 實驗組與對照組學生在教學前於轉換向度各層級人數百分比 ............... 77 表 4-2-5 實驗組與對照組學生在教學前於詮釋向度之各層級人數百分比 ........... 78 表 4-2-6 實驗組與對照組學生在教學前於連結之各層級人數百分比 ................... 78 表 4-2-7 實驗組與對照組學生在教學前於評估向度各層級人數百分比 ............... 79 表 4-2-8 實驗組在教學前與教學後於視覺化表徵能力試題的成對 t 考驗 ............ 80 表 4-2-9 實驗組在教學前與教學後於視覺化表徵能力向度之各層級人數百分比 ....................................................................................................................... 81 表 4-2-10 對照組在教學前與教學後於視覺化表徵能力試題的成對 t 考驗 .......... 82 表 4-2-11 對照組在教學前與教學後於視覺化表徵能力向度之各層級人數百分比 ....................................................................................................................... 84 表 4-2-12 實驗組與對照組在教學後於視覺化表徵能力試題的共變數分析 ......... 85 表 4-2-13 實驗組與對照組在教學後於視覺化表徵能力向度之各層級人數百分比 ....................................................................................................................... 86 表 4-2-14 兩組學生在教學前與教學後於知覺向度各層級人數百分比 ................. 88 表 4-2-15 兩組學生在教學前與教學後於轉換向度各層級人數百分比 ................. 89 表 4-2-16 兩組學生在教學前與教學後於詮釋向度各層級人數百分比 ................. 90 表 4-2-17 兩組學生在教學前與教學後於連結向度各層級人數百分比 ................. 90 表 4-2-18 兩組學生在教學前與教學後於評估向度各層級人數百分比 ................. 91 表 4-3-1 實驗組視覺化表徵能力與有機化合物概念 Pearson 相關(N=37) ............ 93 表 4-3-2 實驗組視覺化表徵能力各向度與有機化合物概念 Pearson 相關(N=37) 94 表 4-4-1 實驗組在有機化合物極性概念下教學前與教學後能力演變情形與教學內 容之關係 ..................................................................................................... 105 表 4-4-2 對照組在有機化合物極性概念下教學前與教學後能力演變情形與教學內 容之關係 ..................................................................................................... 107 表 4-4-3 實驗組在有機化合物沸點概念下教學前與教學後能力演變情形與教學內 容之關係 ..................................................................................................... 109 表 4-4-4 對照組在有機化合物沸點概念下教學前與教學後能力演變情形與教學內 VI.
(8) 容之關係 ..................................................................................................... 112 表 4-4-5 實驗組在有機化合物幾何異構物概念下教學前與教學後能力演變情形與 教學內容之關係 ......................................................................................... 114 表 4-4-6 對照組在有機化合物幾何異構物概念下教學前與教學後能力演變情形與 教學內容之關係 ......................................................................................... 117 表 4-4-7 實驗組學生對視覺化表徵能力教學的想法 ............................................. 122 表 4-4-8 實驗組學生對視覺化表徵能力之知覺向度的想法 ................................. 122 表 4-4-9 實驗組學生對視覺化表徵能力之轉換向度的想法 ................................. 123 表 4-4-10 實驗組學生對視覺化表徵能力之詮釋向度的想法 ............................... 124 表 4-4-11 實驗組學生對視覺化表徵能力之連結向度的想法 ............................... 124 表 4-4-12 實驗組學生對視覺化表徵能力之評估向度的想法 ............................... 125. VII.
(9) 圖目錄 圖 2-3-1 化學教育四面向(Mahaffy, 2006) ................................................................. 14 圖 3-1-1 研究架構圖 ................................................................................................... 19 圖 3-5-1 研究流程圖 ................................................................................................... 32 圖 4-1-1 教學前實驗組與對照組的學生在有機化合物測驗試題的答對率 ........... 36 圖 4-1-2 實驗組學生在有機化合物試題的前測與後測答對率 ............................... 38 圖 4-1-3 對照組學生在有機化合物試題的前測與後測答對率 ............................... 39 圖 4-1-4 教學後實驗組與對照組的學生在有機化合物測驗試題的答對率 ........... 40 圖 4-2-1 實驗組與對照組在教學前於視覺化表徵能力試題之得分率 ................... 74 圖 4-2-2 實驗組在教學前於視覺化表徵能力向度之各層級人數分佈 ................... 75 圖 4-2-3 對照組在教學前於視覺化表徵能力向度之各層級人數分佈 ................... 75 圖 4-2-4 實驗組與對照組學生在教學前於知覺向度各層級人數分佈情形 ........... 76 圖 4-2-5 實驗組與對照組學生在教學前於轉換向度各層級人數分佈情形 ........... 77 圖 4-2-6 實驗組與對照組學生在教學前於詮釋向度之各層級人數分佈情形 ....... 78 圖 4-2-7 實驗組與對照組學生在教學前於連結之各層級人數分佈情形 ............... 78 圖 4-2-8 實驗組與對照組學生在教學前於評估向度各層級人數分佈情形 ........... 79 圖 4-2-9 實驗組在教學前與教學後於視覺化表徵能力試題之得分率 ................... 80 圖 4-2-10 實驗組在教學前於視覺化表徵能力向度之各層級人數分佈 ................. 81 圖 4-2-11 實驗組在教學後於視覺化表徵能力向度之各層級人數分佈 ................. 82 圖 4-2-12 對照組在教學前與教學後於視覺化表徵能力試題之得分率 ................. 83 圖 4-2-13 對照組在教學前於視覺化表徵能力向度之各層級人數分佈 ................. 84 圖 4-2-14 對照組在教學後於視覺化表徵能力向度之各層級人數分佈 ................. 84 圖 4-2-15 實驗組與對照組在教學後於視覺化表徵能力向度之各層級人數百分比 .................................................................................................................... 86 圖 4-2-16 實驗組在教學後於視覺化表徵能力向度之各層級人數分佈 ................. 87 圖 4-2-17 對照組在教學後於視覺化表徵能力向度之各層級人數分佈 ................. 87 圖 4-2-18 兩組學生在教學前與教學後於知覺向度各層級人數分佈情形 ............. 88 圖 4-2-19 兩組學生在教學前與教學後於轉換向度各層級人數分佈情形 ............. 89 圖 4-2-20 兩組學生在教學前與教學後於詮釋向度各層級人數分佈情形 ............. 90 圖 4-2-21 兩組學生在教學前與教學後於連結向度各層級人數分佈情形 ............. 90 圖 4-2-22 兩組學生在教學前與教學後於評估向度各層級人數分佈情形 ............. 91 圖 4-4-1 實驗組學生在教學前後於知覺能力演變情形 ........................................... 96 圖 4-4-2 對照組學生在教學前後於知覺能力演變情形 ........................................... 96 圖 4-4-3 對照組學生在教學前後於轉換能力演變情形 ........................................... 97 圖 4-4-4 實驗組學生在教學前後於轉換能力演變情形 ........................................... 97 圖 4-4-5 實驗組學生在教學前後於詮釋能力演變情形 ........................................... 97 圖 4-4-6 對照組學生在教學前後於詮釋能力演變情形 ........................................... 97 VIII.
(10) 圖 4-4-7 對照組學生在教學前後於連結能力演變情形 ........................................... 98 圖 4-4-8 實驗組學生在教學前後於連結能力演變情形 ........................................... 98 圖 4-4-9 實驗組學生在教學前後於評估能力演變情形 ........................................... 99 圖 4-4- 10 對照組學生在教學前後於評估能力演變情形 ........................................ 99. IX.
(11) 第壹章. 緒論. 本研究旨在探討高二學生有機化合物概念與其視覺化表徵能力，本章第一節 以過去的研究發現為基礎，說明本研究背景與動機；第二節由本研究的主軸說明 四大研究目的及其研究問題；第三節為名詞釋義，說明本研究採用的名詞及其指 涉的內容；第四節說明研究範圍與限制。. 第一節. 研究背景與動機. 許多研究已證實視覺化表徵與學習的重要性(Barnea, 2000; Briggs, 2007; Copolo, 1995; Ferk, 2003; Kozma & Russell, 2005; Rapp, 2007; Seddon, 1986; Tuckey, 1993; Wu, 2001)。化學中常用的表徵蘊含了許多概念基礎，而化學中的 概念也仰賴各種維度及形式的視覺化表徵，學生對視覺化表徵的理解，受限於教 科書內容知識，也受限教科書二維圖形，在同一個表徵下也可能包含了許多知識 成份。此外，在高中階段所著重具有深度且抽象的化學課程，學生更難以負荷理 解，並且課程中所使用的視覺化表徵，若不說明清楚，對學生是多且雜亂，每個 視覺化表徵使用限制與時機又並未特別說明，尤其在有機化合物單元的模型居多， 例如：分子結構、球棍模型、填充模型、電子雲模型等。除此之外，視覺化表徵 是做為化學溝通的工具，也是學生進入化學概念不可或缺的媒介，以及學生未來 進入大學相關化學領域時，視覺化表徵的呈現更是必不可少，因此視覺化表徵不 得忽視。 根據詹婉約(2010)調查中學生的視覺化表徵能力與分子概念理解，研究發現 視覺化表徵能力是會影響概念學習，其中學生對所知覺到的視覺表徵，會因巨觀、 次微觀、符號表徵而有不同的知覺程度，並且在詮釋視覺化表徵時，大多以語法 規則的詮釋居多，除此之外，學生大多僅能以語法規則做概念連結，顯見學生的 視覺化表徵能力需要提升。另一方面，學生對表徵中所呈現的二維資訊理解有限， 較難以從二維表徵知覺三維空間的相對位置(邱美虹和傅化文，1993；廖焜熙和 1.
(12) 邱美虹，1996)。 此外，根據 Kozma (2005)在認知理論與情境理論下，以電腦為基礎的分子建 模、模擬以及動畫之研究，學生參與化學實務調查的過程中，從而開發表徵能力。 其研究結果顯示專家能夠對化學現象使用較有深度的概念知識與心智模型，去建 構這些有意義化的視覺化表徵，不僅有更廣博的知識，並且能與其它人在溝通時 使用更多樣的視覺化表徵，而新手依據視覺化表徵的表面特徵或物理反應的特性。 並建議在化學教育裡教導視覺化表徵的使用，幫助學生獲得表徵能力(Kozma & Russell, 1997)。因此，本研究的重點在於能否透過視覺化表徵的教學，以達到培 養學生視覺化表徵能力之目標，進而幫助學生學習有機化合物概念？ 綜上所云，研究問題為當透過視覺化表徵能力的教學，是否能提升學生視覺 化表徵能力？是否能提升學生對有機化合物概念之理解？幫助學生知覺現象或 化學表徵背後隱含的化學概念、轉換其化學表徵以詮釋現象或化學表徵、連結至 相似的化學概念、運用所學習的化學概念以評估新的情境，這將會是本研究的重 點。. 2.
(13) 第二節 研究目的與問題 根據第一節所談論，本研究的研究目的有四個，其一為探討不同教學活動 情形下，學生在學習有機化合物的學習成就表現，其二為探討不同教學活動情形 下，學生在視覺化表徵能力的學習成就表現，其三為分析兩組學生在教學前後的 「有機化合物概念與視覺表徵能力」相關情形，其四為探討學生在有機化合物教 學活動的學習態度之情形。目的及問題，詳見如下所示。. 1. 探討不同教學活動情形下，學生在學習有機化合物的學習成就表現。 1-1 兩組學生在教學前，有機化合物的先有概念為何？ 1-2 兩組學生在教學後，有機化合物的學習表現為何？ 1-3 兩組學生在教學後，有機化合物的學習表現異同為何？. 2. 探討不同教學活動情形下，學生在視覺化表徵能力的學習成就表現。 2-1 兩組學生在教學前，視覺化表徵能力的表現情形為何？ 2-2 兩組學生在教學後，視覺化表徵能力的表現情形為何？ 2-3 兩組學生在教學後，視覺化表徵能力的表現異同為何？. 3. 分析實驗組學生「有機化合物概念與視覺化表徵能力」之相關情形。 3-1 實驗組學生在教學後視覺化表徵能力的整體表現情形與有機化合物概 念是否有顯著相關？ 3-2 實驗組學生在視覺化表徵能力各向度(知覺、轉換、詮釋、連結、評估) 與 概念的相關性為何？. 4. 探討學生在有機化合物教學活動的學習態度。 4-1 實驗組學生對視覺化表徵能力教學的想法為何？ 4-2 對視覺化表徵能力各個向度的想法為何？ 4-3 學生對有機化合物單元感到學習困難之處為何？. 3.
(14) 第三節 名詞釋義 為了解學生視覺化表徵能力，提取 Kozma & Russell (2005)「表徵能力層級 (Representational competence levels)」各層級中與視覺化表徵能力有關之重要的成 份並參照詹婉約(2010)之研究，經本研究修正後作為探討學生視覺化表徵能力之 五大向度：包含知覺(Preception)、轉換(Transformation)、詮釋(Interpretation)、連 結(Connection)、評估(Evaluation)等。以下說明視覺化表徵與視覺化表徵能力之 各向度之名詞釋義： 一、 視覺化表徵(Visual representation)：即外在表徵的一種，具有兩種主要功 能，第一，用以外顯個體經日常現象觀察後所得的心智模式，第二，用以 表徵科學概念，是個體學習科學的媒介。視覺化表徵可以是各種形式，包 括各種維度(一維、二維、三維)或各種層級(巨觀、次微觀、符號)，化學 中常用的視覺化表徵包括化學式、反應方程式、球棒式模型、電子點式、 表格、圖片等。 二、 視覺化表徵能力(Visual representation competence)：為個體在化學學習中 經常使用的視覺化技能，包含：知覺、轉換、詮釋、連結、評估等。 三、 知覺(Preception)：為視覺表徵能力的第一個向度。用以指涉個體在解釋實 體現象時，僅能依據現象的表面特性產生表徵，即對現象圖像式的描述， 例如，以化學式、化學結構等表達化學概念。 四、 轉換(Transformation)：為視覺表徵能力的第二個向度。用以指涉個體使用 表徵詮釋化學概念時，在不同的表徵之間轉換的能力，例如：文字 ↹ 結 構式、化學式 ↹ 結構式。 五、 詮釋(Interpretation)：為視覺表徵能力的第三個向度。用以指涉個體使用表 徵詮釋化學概念，能依據語意產生表徵，詮釋表徵的背後意義，例如：能 依據分子結構的形狀解釋分子的極性及其他性質。 六、 連結(Connection)：為視覺表徵能力的第四個向度。用以指涉個體使用表 徵詮釋化學概念時，能依據概念做表徵之間的連結，例如：能透過相同官 能基，說明具有相似的物理或化學性質。 4.
(15) 七、 評估(Evaluation)：為視覺表徵能能力的第五個向度。用以指涉個體能應用 相關的概念與表徵來評估新情境，例如：能利用有機化合物官能基之極性 或非極性的概念評估正己烷與甲醇何者具有極性。. 第四節 研究範圍與限制. 1. 本研究對象為方便取樣新北市某公立高中，因此不一定適用其它學校。 2. 本研究所挑選的教學單元為有機化合物，在有機化合物單元學生所出現的迷 思概念或問題，不一定出現在其它單元，因此不可過於推論至其它單元。 3. 本研究有兩個測驗工具，一為「視覺化表徵能力試題」 、另一為「有機化合物 概念試題」 ，其中視覺化表徵能力試題分成三個題組(有機化合物極性、沸點、 幾何異構物)，根據 Kozma (2005)所談及，視覺化表徵能力的發展並不是自動 或單一不變的，也就是說個體所表現的行為可能受到情境的影響，例如個體 在某一情境下表現較高層級(如層級 3)，然而在另一情境下表現較低層級(如層 級 2)，或者個體在某一情境下表現較高的能力層級，然而當過一段時間後， 其表現變得較低的能力層級。此外，不同發展層級也許顯示不同形式的系統 或表徵，也就是說，個體在特定系統下(如化學方程式)顯示較高的能力層級， 而在其它系統下顯示較低的能力層級(如圖表)。另一方面，在概念試題部分， 由於有機化合物單元中有許多官能基與概念，並且試題題數受限於學生一節 課時間的限制，因此本研究所採用的試題，單題所含的概念包含不僅只一種， 因此不可過於推論。. 5.
(16) 6.
(17) 第貮章. 文獻探討. 本章共分為四個小節，第一節為視覺化表徵；第二節為視覺化表徵能力； 第三節為視覺表徵能力教學；第四節為有機化合物，探討國內外有機化合物之研 究. 第一節 視覺化表微之定義與內涵. 在 心 理 學 與 教 育 研 究 常 使 用 視 覺 化 一 詞 ， 如 外 在 視 覺 化 (external visualization)、內在視覺化(internal visualization)，以及視覺化空間技能 (spatial skill)，以下根據 Gobert(2005)分就這三類說明： 視覺化如同外在表徵－如一般常使用於學習中的表徵，稱為外在視覺化。像 是科學中所使用語意豐富(semantically-rich)的圖、表、模型、模擬等(Frederiksen & Breuleux, 1988)，其牽涉到複雜、特定領域的符號系統。也就是說，語意豐富 的外在表徵可從具有象徵性的(iconic)視覺化表徵分辨出，例如：停止符號。然 而其伴隨著語意豐富的視覺化表徵較為複雜，必須透過理解與推論才能了解其涵 意。然而對於學習者來說，不同的外在表徵有不同的特性，並且也會有不同的認 知負荷，因此在教學上來說有著更大的啟示。 視覺化如同內在表徵－視覺化一詞也使用於描述內在心智結構，即心智模型， 經由個體在心中所產生的心智圖像用以解決問題，並藉此讀出其心智模型 (Johnson-Laird, 1985)。 視覺化如同空間技能－視覺化也被用於說明空間技能。視覺化是「操弄或轉 換圖像、空間型態至其它安排之能力」(Ekstrom, French, Harman, & Dermen, 1976)， 並且對於需要高度視覺化領域(如建築方面)來說，是一項重要的能力(Salthouse, 1991; Salthouse et al, 1990)。 對於外在視覺化、內在視覺化、空間視覺化技能而言，其重要的是這三個並 非是相互獨立之結構或過程(Gilbert, 2005)。舉例來說，個體在探究活動底下學習 7.
(18) 外在視覺化表徵需要建構物件或對於現象之內在心智表徵，並且個體在這建構過 程也需要空間視覺化技能。另一方面，化學家與新手所使用的視覺化表徵又有何 不同呢？ 化學家通常會使用視覺化表徵用以了解化學現象，其中包含內在的心智表徵 與外在符號表示，並且所有化學家都會運用這樣的能力去「看(see)」他們心裡的 分子圖像與其轉換。其中這兩種型態分別為內在表徵，如概念、原則或心智模型； 其二為外在的符號表示，如圖、表、方程式等。這使得化學家很自然的能夠寫下 方程式與繪製圖表，這樣的符號表示稱為視覺化表徵(Kozma, Chin, Russell, and Marx, 2000)。因此視覺化表徵是知覺的、符號圖形或者真實物件，被使用於呈現 化學現象的概念，並且其中多數現象是無法看見。以下就化學家與學生所使用的 視覺化表徵來說明： 一、化學家的視覺化表徵 在 Kozma, Chin, Russell, and Marx (2000)針對化學實驗室中表徵與工具角色 的研究，觀察兩位大學生與一位博士後研究員在導師的指導下問題解決，發現化 學家常會在會議室、休息室的白板或門板上使用化學結構推導化學方程式，並且 也常見化學家使用視覺化表徵於核磁共振(NMR)與質譜儀，此顯示兩個重要訊息， 其一視覺化表徵提供無法感知的材料本質與特性，幫助知覺與操弄；其二當化學 家在合成所要的化合物時，視覺化表徵幫助與支持想法的表達。除此之外，在研 究中發現化學家使用視覺化表徵的時機有以下五點：第一，化學家使用視覺化表 徵用以表達想要合成之分子化合物結構，也就是說，化學家使用結構圖用以說明 想要合成之化合物的組成與立體結構；第二，他們在合成這些化合物時，會使用 視覺化表徵推論化學或物理變化過程；第三，化學家透過分析儀器，使用視覺化 表徵用以證明所要合成之化合物之組成與結構；第四，他們使用視覺化表徵讓其 它科學社群了解他們所合成的化合物；第五，化學家使用多樣的視覺化表徵讓科 學社群成員與實驗室中的大學生、博士後研究員開發化學技能與實務學習。 二、學生使用視覺化表徵 化學背景的學生使用視覺化表徵與化學家以多樣的方式視覺化化學本質與 過程不同，並從實驗室的實務研究中可發現他們使用的能力與表徵形式截然不 同。 8.
(19) 根據 Kozma (2000b, 2003)觀察大學學生在有機化合物課程的實驗活動，在學 生同儕間的互動，研究發現以下兩點：其一，學生在實驗時不常使用視覺化表徵， 而聚焦在他們實驗時的物理現象、實驗器材與試劑的物理性質，此外在同儕間所 討論的多為實驗設備的建立、實驗順序的問題、以及使用試劑的物理性質交互作 用表現(晶體產物是否洗淨或乾燥完全)；其二，學生很少論及反應物之分子本質， 以及他們合成化合物之反應機制。 此外，另一項 Kozma 與 Russell (1997)針對專家-新手的視覺化表徵研究做了 兩個實驗，首先他們邀請 11 位中西研究大學(Midwestern research university)的化 學系學生，以及 5 位醫藥公司裡的化學家，並讓他們看 14 個化學反應的動態影 片，包含實驗、分子動畫、動態的物理性質影片與化學反應，接著給予專家與新 手們這些影片與化學反應所對應的卡片，並請他們各別對這些卡片給予有意義的 組合，並解釋組合的原因。研究結果顯示專家與新手都對這些表徵給予有意義的 組合，然而新手主要是依表面性質而歸類(如所有都是圖、所有都是方程式等)， 專家則是依概念而歸類。 在第二個實驗裡，他們還是給予多樣的視覺化表徵，包含化學方程式、實驗 影片、動態的物理性質影片、以及有關分子的動畫，接著請他們說明看到什麼， 並轉換視覺化表徵於其它形式。研究結果顯示由於專家對化學原則與概念有較深 的理解，而更能提出口頭上的描述，並且當專家在視覺化表徵作轉換時(如繪圖 或寫下化學式)，也比新手來的好。 綜合來說，專家能對化學現象使用較有深度的概念知識與心智模型，去建構 這些有意義化的視覺化表徵，不僅有更廣博的知識，並且能與其它人在溝通時使 用更多樣的視覺化表徵，而新手僅依據視覺化表徵的表面特徵或物理反應的特性 (Kozma 與 Russell, 2005)。. 9.
(20) 第二節 發展學生的視覺化表徵能力. 化學家與化學系學生之間，給予化學課程與教學重要的啟示，其建議不應只 強調實驗中的化學觀念，也應了解其實驗中的視覺化表徵的意義。根據 Krajcik (1998)針對專案導向式(project-based)的研究，透過同儕間在探究的過程中，提出 問題、設計調查活動、計畫實驗、執行調查活動、分析資料、寫下結論和研究發 現等，其中視覺化表徵在科學意義建構的過程中佔有一重要的角色(Kozma, 2000a, 2000b, 2000c; Kozma, Chin, Russell, & Marx, 2000; Kozma & Russell, 1997)， 並 且 應 在 化 學 課 程 中 發 展 重 要 的 技 能 與 實 務 之 「 表 徵 能 力 (representational competence)」(Kozma, 2000a)。 表徵能力一詞用以說明技能與實務，指涉個體能使用多樣的表徵和視覺化表 徵，進而思考、溝通其化學現象底下非感知的物理本質與過程(Kozma, 2000a, 2000b; Kozma & Russell, 1997)。當個體所具備的表徵能力較低時，只能透過表徵 的表面特性獲取知識，使其有意義化(Chi, Feltovich, & Glaser, 1981; diSessa, et al. 1991; Kozma & Russell, 1997)，或者符號規則下的機制應用(Krajcik, 1991)，當個 體較具有表徵能力時，則能運用多樣的表徵，共同用來解釋現象、支持論點、問 題解決、或者用來預測(Amman & Knorr Cetina, 1990; Dunbar, 1997; Goodwin, 1995; Kozma, et al. 2000; Kozma & Russell, 19997; Roth, 1998; Woolgar, 1990)。 根據 Kozma (2005)對一些學者的研究，將新手只能從現象的表面特性(Chi, Feltovich, & Glaser, 1981; Glaser & Chi, 1988; Kozma & Russell, 1997; Larkin, 1983; Larkin, McDermont, Simon, & Simon, 1980)，到專家行為之表徵的反思及修辭使 用(Amman & Knorr Cetina, 1990; Goodwin, 1995; Dunbar, 1997; Kozma et al., 2000; Woolgar, 1990)之研究，整理成五個層級，分別為表徵描繪(個體能對圖像式的描 述)、早期符號技能(個體能對圖像式的描述，並且詮釋僅侷限於表面特性的描述)、 正式表徵的語法使用(個體能依據表面特性及不可觀察的背後意義產生表徵，但 並非完全合乎科學的，並且個體能做不同表徵間的連結，然而僅能依據語法規則)、 正式表徵的語意使用(個體能依據語法規則及語意詮釋，使用表徵解釋現象)、表 徵的反思及修辭使用(個體能依據情境選擇或建構合適的表徵，並解釋表徵合適 的原因，也能理解有些無法直接經驗的現象，僅能透過表徵來理解)，其詳細說 10.
(21) 明如表 2-2-1 所示： 表 2-2-1 Kozma & Russell (2005，引自詹婉約，2010)提出表徵能力的五個層級 層級 1. 表徵描繪 (Representation as depiction) 2. 早期符號技能 (Early symbolic skills). 說明 當使用表徵解釋實體現象時，個體僅能依據現象的表面 特性產生表徵，也就是說，這個表徵是對現象圖像式的 描述。 當使用表徵解釋實體現象時，個體能依據現象的表面特 性產生表徵，這個表徵中除了包含對現象的圖像式描述 外，也包含了一些符號元素，例如，使用「箭號」來表 示一個與時間或動作有關的動態過程。個體可能知道一 些正式的表徵，但對表徵的詮釋僅侷限於表面特性的描 述而不具備語法(Syntax)和語意(Senabtucs)特性。. 3. 正式表徵的語 法使用 (Syntactic use of formal representations). 當使用表徵解釋實體現象時，個體能依據表面特性及不 可觀察的背後意義產生表徵，這個表徵可能並非完全合 乎科學的。個體能夠正確的使用表徵，但僅限於語法的 使用，而非語意的詮釋。同理，個體能做不同表徵間的 連結，然而僅能依據語法規則(Syntactic rules)或表面特 性，而非依據表徵背後的意義。. 4. 正式表徵的語 意使用. 當使用表徵解釋實體現象時，個體使用標準的符號系統 體現不可觀察或具有背後意義的物體或過程。個體能依. (Semantic use of formal representations) 5. 表徵的反思及 修辭使用. 據語法規則及語意詮釋，使用表徵解釋現象。同理，個 體能依據不同表徵的意義，做表徵間的連結或轉換。. 當使用表徵解釋實體現象時，個體使用標準的符號系統 體現不可觀或具有背後意義的物體或過程。個體能依據 情境選擇或建構合適的表徵，並解釋表徵合適的原因。 (Reflective, rhetorical use of 個體能理解有些無法直接經驗的現象，僅能透過表徵來 representations) 理解。個體能運用表徵在社群中進行溝通，進而成為社 群的成員。 根據 Kozma (2005)，在這五個層級中蘊含著兩個假定，其一，這些技能遵循. 著發展的軌跡，然而這五個層級並不是階段性的發展(Piaget, 1972)，而是依賴個 體自身的發展以及實體、符號與社會情境(Vygotski, 1980, 1986)；其二，能力的 發展並不是自動或單一不變的，也就是說個體所表現的行為可能受到情境的影響， 例如個體在某一情境下表現較高層級(如層級 3)，然而在另一情境下表現較低層 11.
(22) 級(如層級 2)，或者個體在某一情境下表現較高的能力層級，然而當過一段時間 後，其表現變得較低的能力層級。此外，不同發展層級也許顯示不同形式的系統 或表徵，也就是說，個體在特定系統下(如化學方程式)顯示較高的能力層級，而 在其它系統下顯示較低的能力層級(如圖表)。然而，隨著時間與給予合適的實體、 符號與社會情境的學習後，個體展現更優越的表徵能力，並內化與整合至其自身 實務中。然而中學生所表現出來的視覺化表徵能力為何呢？ 根據詹婉約(2010)針對中學生的視覺化表徵能力做了一個研究，其首先提取 Kozma & Russell (2005)「表徵能力層級」所提及的視覺化技能，作為瞭解學生視 覺化表徵能力的基本成份，分別為知覺、詮釋、連結和轉換、及選擇和評估，以 探討學生視覺化表徵能力，其中「知覺」偏向於對表徵本身的描述；「詮釋」偏 向於對表徵的語法及語意理解；「轉換和連結」及「選擇和評估」則偏向於對表 徵的後設認知。研究發現以下三點：第一、若將知覺區分為巨觀、次微觀、部分 符號及符號表徵，學生在巨觀、次微觀及符號三個不同層級表徵表現不同，即學 生對表徵的理解與其對概念的理解程度有關，而表徵本身的層級或屬性，並非單 一的變因；第二、若將詮釋分成語意詮釋及語法規則，可以發現學生可由語法規 則描述巨觀表徵(即對表徵的表面描述)，也可以語意詮釋巨觀表徵(即對表徵所體 現的概念詮釋)；第三、學生或許能詮釋某一表徵，但無法連結各種對應到相同 概念的不同表徵，這種連結包括不同層次的表徵連結(例如：巨觀、次微觀及符 號表徵的連結)，此外學生或許能夠詮釋某一表徵，但無法在各種不同形式的表 徵中，選擇適於表達某些概念特性的表徵。 就本研究而言，詹婉約(2010)從 Kozma (2005)所發展的表徵能力中，提出做 為視覺化表徵能力的各成份來探討，包含知覺、詮釋、轉換和連結、選擇和評估， 然而其中轉換和連結屬於兩種能力，選擇和評估也為兩種能力，並且這些能力並 非皆屬於高階能力(如：轉換、選擇)，因此本研究依據 Kozma 所提出的表徵能力 與詹婉約(2010)之研究結果，將視覺化表徵能力四種成份修正為知覺、轉換、詮 釋、連結、評估等五種成份，以作為瞭解學生視覺化表徵能力的向度，了解學生 在這些向度的表現情形與各向度之間的關係。. 12.
(23) 第三節 視覺化表徵能力教學. 表徵能力可經由學生口語交流與調查活動的過程中開發，從而對現象能有較 深入的理解(Kozma, 2005)。然而視覺化表徵如何轉化成知識？在有意義的建構過 程中，心智如何運作？Gilbert (2008)認為其中重要的在於開發「後設視覺化能力 (metavisual capability)」或者「後設視覺化(metavisualization)」，其談到透過教師 帶領學生學習視覺化表徵之實務訓練，搭配教科書中技能訓練，能幫助學生使用 視覺化表徵，使得學生能夠流暢的在 2D 與 3D 之間轉換、使得學生能在心裡透 視給予的 3D 視覺化表徵(旋轉)、使得學生能夠操弄表徵本身(鏡像反射或倒置)， 除此之外也應培養學生知道表徵的種類與其使用時機、知道表徵的限制(Gilbert, 2007)。 另一方面，化學家在思考化學現象時，會使用三個層級，包括巨觀、次微觀 以 及 符 號 表 徵 (Johnstone, 1993; Gilbert & Treagust, 2009; Johnstone, 2010; Talanquer, 2011)。巨觀層級牽涉到觀察化學現象所使用的五個感官(例如：顏色變 化、氣味等)，次微觀層級涉及現象中原子、分子、離子的行為，符號層級涉及 使用符號呈現較為抽象的概念(化學符號和方程式、平衡方程式等)。通常學生在 思考化學時，他們往往會把這三個層級分開來思考，這也許是因為教師並沒有同 一時間比較這三個層級之間的關聯，使得學生遇到問題往往先從生活經驗來評斷 與衡量而解決，但是實際上並非巨觀層級所體現與實際在次微觀層級是相同的， 如：金在巨觀上是金黃色，但在奈米層級是黑色。在化學教學中通常會把很多觀 念濃縮在抽象、符號層級，教師往往會忽略或沒有考慮學生在這三個層級之間的 思考(Gabel, 1999)。如此一來，教師若缺乏這方面的考量，三個層級同時呈現給 學生，將不會幫助學生，甚至可能造成認知負荷與工作記憶的負載(Gabel, 1999; Johnstone, 1993)。Mahaffy(2006)認為化學在人類的真實環境中，因此除了巨觀、 次微觀以及符號表徵三層級外，還要加上人的因素(Human element)作為化學教育 的第四層級，而化學教育中的第五層級為語言，語言會影響學生理解複雜的科學 概念(Chiu, 2012)，此外，Chiu(2012)將中觀(meso)取代次微觀，更強調巨觀和次 微觀世界的連結，如圖 2-3-1。然而要如何利用這三個層級來幫助學生發展視覺 13.
(24) 化表徵能力呢？. 圖 2-3-1 化學教育四面向(Mahaffy, 2006) 一、獲得巨觀層級之外在視覺化表徵 在科學與科學教育中，在實驗中探討巨觀現象的外在表徵，透過現象的變化 使得更接近或反而遠離真相，顯示在現象底下的概念需要教師引導(Driver, Guesne, & Tiberghien, 1985)，再者，從「科學」到「日常生活」的學習遷移，必 須幫助學生建立如何去建構巨觀現象的經驗。發展巨觀層級視覺化外在表徵能力 應該突顯現象底下的性質以幫助學生獲得概念(Gilbert, 2008)，其中應幫助學生注 意以下幾點：其一，應顯示此現象和什麼相關，從何而來？其二，應聚焦於此現 象底下的概念，幫助學生解釋並提供次微觀與符號層級的表徵；其三，應顯示科 學的解釋，以應用於越來越複雜的現象例子；其四，幫助學生體會在巨觀層級之 外在表徵與日常生活經驗的相關；其五、提供巨觀層級之表徵，幫助學生作為探 索日常生活經驗之切入點；其六、基於巨觀的外在表徵，幫助學生產生問題，以 提升學生感知日常生活經驗。. 二、獲得次微觀層級之外在 3D 視覺化表徵 3D 外在視覺化表徵的種類很多，就化學而言可概分成三種類型：展開式 (open) (如球棍模型、骨架模型)、空間填充(如分子、離子)與軌域(orbital)(Ingham 14.
(25) & Gilbert, 1991)(p. 194)，然而每個模型使用條件與限制不同，學生對多個表徵系 統間感到困惑，導致當要說明某一現象時，使用不適當或不正確的視覺化表徵， 舉例來說，在 Carr 與 Oxenham (1985)的研究，發現高中生時常困惑布-洛 (Bronsted-Lowry)與阿瑞尼士(Arrhenius)酸鹼模型，導致說明某一現象時，使用不 適當；此外當教過較優越的模型時，Coll 與 Treagust (2001)也發現大學化學系學 生較喜歡使用曾經學過較為簡單的模型來解釋現象。從中也顯示學生並無系統性 的了解表徵的使用限制，舉例來說，Ingham 與 Gilbert (1991)針對 39 位大學生與 化學研究生對使用球棍表徵的觀點，有 6 位認為過去沒有教過，24 位不熟悉但 能夠推論，9 位不熟悉也不能夠推論。 雖然這些問題存在，使用 3D 外在表徵於教學中仍發現有所助益，舉例來說， 研究指出教授模型能有效的幫助減少高中生與大學生在電化學學科的迷思概念， 並且學生更有意願使用多種型態的 3D 表徵去解釋現象(Huddle, White, & Rogers, 2000)，使得學生有機會去探索這些表徵的範圍與限制，並鼓勵他們使用多樣的 模型以改善一般對表徵的了解，從中感受所使用的模型，更加清楚模型之價值 (Harrison & Treagust, 2000)。. 三、獲得符號層級之外在視覺化表徵 符號層級之外在視覺化表徵在化學中常見的如化學方程式，而化學方程式有 多種表示法，舉例來說，在英國會使用文字的化學方程式，如下： 鋅(Zinc) + 鹽酸(hydro chloric acid) 氯化鋅(zinc chloride) + 水(water) 然而文字的化學方程式對教師來說有些方便，第一，其化學方程式所連結的 是符號層級與巨觀層級，並無複雜的次微觀層級涉入其中；第二，其讓教師能去 整合反應，例如金屬加酸、酸加鹽、金屬氧化物加酸等。然而 Taber (2002)指出， 這樣的取向有一些缺點，第一，文字的化學方程式缺少物質的狀態(如固態)；第 二，當使用文字時，有些較複雜的詞彙學生可能不熟悉。這些問題導致學生不能 知覺符號底下的問題，也就是說過於簡化的化學方程式可能缺少了某些訊息，反 15.
(26) 觀過多的訊息可能導致失焦，教師必須幫助學生了解符號底下重要的訊息。. 四、視覺化與 3D、2D、1D 表徵的轉換 對於說明 3D、2D、1D 表徵底下概念之能力為後設視覺化(metavisualization) 重要的關鍵(Gilbert, 2008)。然而一般「視覺化教育」缺乏巨觀到次微觀、符號層 級的連結(包含 1D 轉 2D、1D 轉 3D、2D 轉 1D、3D 轉 1D、2D 轉 3D、3D 轉 2D)， 其對於學生來說是困難的且難以掌握的。根據 Hinton 與 Nakhleh (1999)的研究發 現，大學化學系學生能夠形塑化學現象之巨觀與符號層級的表徵，然而對現象次 微觀表徵的連結卻有困難。反觀化學家有這樣的能力(Kozma, 2003; Kozma, Chin, Russell, & Marx, 2000; Kozma & Russell, 1997)，並且同樣的其它的科學也需要這 樣的能力，因為有證據顯示提升能 力能幫助解決問題(Bodner & McMillen, 1986)。 綜合以上所述，就本研究而言將透過視覺化表徵能力教學，由教師帶領學生 學習視覺化表徵能力，思考巨觀、次徵觀、符號、語言等層級，以提升學生能力， 幫助學生知覺巨觀現象或表徵底下的概念，並作表徵層級間的轉換，以便於思考 或幫助詮釋某一現象或化學概念，透過語言詮釋所看到的現象或表徵其背後的概 念，連結相同概念，並應用於評估新情境。. 16.
(27) 第四節 有機化合物之相關教育研究 國內有關有機化合物教育之研究不多，研究表徵能力、有機化合物概念與其 視覺化表徵、有機化合物之迷思概念甚是鮮少，就目前已有之有機化合物文獻， 研究發現國內教科書有部分內容造成學生學習有機化合物的迷思概念 (misconception) (詹元淵，2002)，如在教科書中談及許多酯類化合物具有香味， 鳳梨，香蕉、草莓和蘋果等水果中因含有酯類，所以有香味。然而學生認為具有 水果香味的有機化合物，是含有醇類，因為酒是醇類製造成的，且會有水果的味 道。此外對教科書專有名詞的詮釋，可能導致學習有機化合物與材料科學時產生 迷思概念(扈尚善，2003)，如解釋何為醇類，學生認為醇類就是酒精；酒有香味， 水果有香味就是因為含有醇類；酒有香味、醇類也有香味可以作為香料。 對於學習有機化合物，有些專家認為讓學生了解原子、分子與化學鍵能幫助 學習，或許這才是學習有機化合物的關鍵(Harrison & Treagust, 2000)，以及化學 鍵結也許也是學習化學最關鍵也最重要的概念(Hofstein, 2010)。而在有機化合物 分類，Domin (2008) 指出分類為問題解決與其它高階層認知任務所需要的基本 心理能力(fundamental psychological ability)，在有機化學裡，在傳統分類方法為 兩個物件(items)相似，就屬於相同類別，不相似就屬於不同類別，然而這樣的分 類方式，即便可能存在多個顯著特徵，也只突顯了一維屬性(one dimensional approach)，忽略了類似顯著特徵的結構、官能基(functional groups)和立體化學 (stereochemistry)。此外研究也顯示分類是系統性的過程，涉及有意識地選擇關鍵 屬性，當透過有意義的教學，學生也許能夠選擇更關鍵的屬性。 綜合以上所述，就本研究而言將透過突顯有機化合物顯著特徵的結構與官 能基，所展現象的物理或化學現象，思考巨觀、次徵觀、符號等層級，以語言輔 助說明巨觀現象或表徵底下的概念，並作表徵層級間的轉換，以便於思考或幫助 詮釋某一現象或化學概念，透過語言詮釋所看到的現象或表徵其背後的概念，連 結至相似結構的官能基，並應用於評估新情境，學習有機化合物。. 17.
(28) 18.
(29) 第參章 研究方法 本研究旨在透過視覺化表徵能力教學來幫助學生學習有機化合物概念與其 視覺化表徵連結。本研究方法分成六個小節來探討。第一節研究設計，研究者呈 現本研究整體設計與架構。第二節研究對象，研究者描述本研究對象，包含預試 與實測研究對象的介紹。第三節研究工具，包含本研究所使用的指標與試題設計。 第四節教學活動設計，呈現本研究自編所使用的教材，以及呈現教學活動。第五 節研究流程，研究者呈現整體研究流程進行的順序。第六節資料處理與分析，呈 現本研究所運用的資料處理與分析方式。. 第一節 研究設計 本研究首先分析學生有機化合物概念與視覺化表徵能力，再經由視覺化表徵 能力教學，以幫助學生提升視覺表徵能力，最後再經後測其有機化合物概念與視 覺化表徵能力。本研究之研究架構詳見圖 3-1-1。. 研究設計. 教學設計. 一般教學組 (對照組). 研究方法/工具. 質性. 表徵能力教學組 (實驗組). 視覺化表 徵能力試 題 圖 3-1-1 研究架構圖. 19. 量化. 情意 問卷. 有機化合. 情意. 物概念試 題. 問卷.
(30) 第二節 研究對象 本研究採非隨機立意取樣，研究對象分為預測對象與正式教學對象等三大部 分：. 一、預試對象 本研究預試對象為新北市某公立高中 12 年級學生一班，共計 38 位學生。學 生已學過國中二年級下自然與生活科技(康軒版)與本研究相關單元之第 5 章生活 中的有機物，其中包含有機物與無機物、有機物的來源、常見的有機物、以及食 物、衣料與清潔劑等四個小節，而高中已學過高中二年級上基礎化學(龍騰版)， 包含第二章有機化合物，其中包含六小節，分別為烷、烯、炔與環烷、異構物、 烴類的命名、芳香族化合物、官能基與常見的有機化合物以及生物體中的有機物 質：醣類、蛋白質、脂肪、核苷酸等。. 二、正式教學對象 本研究正式施測對象為新北市某公立高中 11 年級學生兩班，共計 76 位學生。 兩個班級是以高一成績 S 型的方式，故二班平均成績差異不大。 此兩個班級於研究開始前分派為「一般教學組(39 人)」 、 「視覺化表徵能力教 學組(37 人)」兩組，教學者由研究者商請該班化學教師進行教學(該教師已執行 國科會計畫與教育部計畫多年，且為化學種子教師)，在教學前研究者與教師先 討論一般教學和視覺化表徵能力教學差異及教材差異，並且教學過程中使用相同 的教科書與學習單以達成共識。 所欲教之單元為：高中二年級上基礎化學(翰林版)，第二章有機化合物，其 中包含五小節，分別為烷、烯、炔與環烷、異構物、烴類的命名、芳香族化合物、 官能基與常見的有機化合物。如表 3-2-2 所示：. 20.
(31) 表 3-2-1 國、高中有機化合物單元 國二下 (康軒版). ※※高二上 (龍騰版). ※第五章 生活中的有機物. 第二章 有機化合物. 有機物與無機物. 烷、烯、炔與環烷. 有機物的來源. 異構物. 常見的有機物. 烴類的命名. 食物、衣料與清潔劑. 芳香族化合物 官能基與常見的有機化合物. ※為學生已學過之有機化合物單元 ※※為本研究所要探討之單元. 21.
(32) 第三節 教學設計. 本教學設計以有機化合物概念試題與視覺化表徵能力試題為研究工具，以有 機化合物單元為教學內容，其中飽和烴的教學時間為三節課、不飽和烴的教學時 間為二節課、實驗操作的教學時間為一節課、芳香烴的教學時間為一節半以及官 能基的教學時間為三節半，總共十一節課。 實驗組與對照組的教學皆以投影片的方式呈現，並利用黑板補充上課內容， 而實驗組與對照組的教學差異在於實驗組額外增加視覺化表徵能力(知覺、詮釋、 轉換、連結、評估)說明，而對照組主要以一般教學。在教學前使用兩種研究工 具，分別為有機化合物概念試題與視覺化表徵能力試題，並使用學習單確認學生 的學習情形，在教學後再次使用兩種研究工具。 兩組教學上的差異在於實驗組額外增加視覺化表徵能力(知覺、詮釋、轉換、 連結、評估)的呈現，例如在直鏈烷烴的性質中，知覺為能對所看到的現象或表 徵做描述性的說明，在教學上所呈現的是：正烷烴的沸點與熔點，當分子碳數增 加、沸點上升；轉換為能做表徵間的轉換，以便於思考或幫助詮釋某一現象或化 學概念，在教學上所呈現的是表徵間的轉換，如將分子式轉換為結構式或呈現 3D 球棍模型之動畫，用以思考結構上的問題；詮釋為能對所看到的現象或表徵 詮釋其背後意義，在教學上所呈現的是：隨著碳數的增加，分子愈大，接觸面積 愈大，與其它分子作用也大，凡得瓦力愈大，沸點、熔點也隨之增加；連結為能 透過相同概念，說明具有相似的物理或化學性質，在教學上所呈現的是：環烷也 如同直鏈烷烴的性質一般，其它烴類也同此一般隨著碳數增加，接觸面積愈大， 分子間引力愈大，沸點、熔點也愈大，如以環烷來說：環丙烷(-33.0℃)、環丁烷 (12.5 ℃)、環戊烷(49.0 ℃)，並呈現其結構式；評估為能應用相關的概念與表徵 來評估新情境，在教學上先讓學生思考問題，並問學生為什麼，最後再呈現相關 的概念、表徵、以及原因，例如：評估下列三個化合物(正戊烷、異戊烷、新戊 烷)，那一個沸點最高？為什麼？首先我們所看到的同樣都是在 5 個碳下，其分 成直鏈與支鏈烷烴，直鏈烷烴較易與同類直鏈烷烴分子接觸，其分子作用力大， 22.
(33) 凡得瓦力愈大，沸點愈大。而支鏈烷烴，與其它分子的作用面積小，如果說丙像 顆彈珠，則彈珠與彈珠接觸面積小，當我們以紅線為另一分子接觸面時，分子與 紅線的接觸以甲為大，因此其分子作用力大，凡得瓦力愈大，沸點愈大。而對照 組的教學內容和實驗組的相同，不同的地方在於沒有額外視覺化表徵能力的呈現， 並且沒有視覺化表徵能力教學中連結的投影片，以及評估上沒有背後原因的解釋 及表徵的呈現，僅透過教學者直接口述解釋。此外研究者加以控制兩班教學進度， 因此兩組的教學進度相同，每堂課皆為 50 分鐘。 本次教學文本採用國內 102 年高二翰林版基礎化學(二)，教學內容為第二章 有機化合物，包含飽和烴、不飽和烴、芳香烴與官能基。兩組教學皆是以投影片 的方式呈現，並使用學習單搭配該堂課的教學內容，其中兩組學習單不同在於實 驗組額外標註各個題目所需要的能力，例如：評估下列三個化合物(正戊烷、異 戊烷、新戊烷)，那一個沸點最高？為什麼？ 本次有機化合物教學內容飽和烴的教學時間為三節課、不飽和烴的教學時間 為二節課、實驗操作的教學時間為一節課、芳香烴的教學時間為一節半以及官能 基的教學時間為三節半，總共十一節課。在表 3-4-1 說明兩組教學內容與教學設 計。 在表 3-4-1 中說明兩組教學內容、順序皆相同，但實驗組額外增加視覺化表 徵能力，透過教師的引導與師生間的互動，培養學生視覺化表徵能力。舉例來說， 視覺化表徵能力中的知覺，在教師的引導下培養學生去知覺某一現象或表徵；轉 換，在教師的引導下培養學生去轉換模型，並教導學生選擇合適的模型以詮釋某 一現象或表徵；詮釋，在教師的引導下培養學生利用已轉換的模型去詮釋某一現 象或表徵背後的意義；連結，在教師的引導下培養學生連結相關概念或先備經驗； 評估，在教師的引導下培養學生應用相關的概念與表徵來評估新情境。. 23.
(34) 表 3-3- 1 實驗組與對照組教學內容與教學設計說明 對照組. 實驗組. 教材. 屬一般教學，按照課本內容編排順. 按照課本內容編排順序，額外再增. 設計. 序教學，並且與實驗組不同的是(以 加培養視覺化表徵能力，包含以下. 教材 內容. 視覺化表徵能力來說)：. 五個能力設計：. 1. 【知覺】只是一般灌輸的方式說 1. 【知覺】培養學生去知覺某一現 明，不會特別去帶領學生知覺某 一現象或表徵。. 象或表徵。 2. 【轉換】培養學生去轉換模型，. 2. 【轉換】按照課本內容已具有的 分子式、分子結構、球棍模型直 接教學。. 並教導學生選擇合適的模型以 詮釋某一現象或表徵。 3. 【詮釋】培養學生利用已轉換的. 3. 【詮釋】按照課本內容詮釋與說 明，較少深入詮釋某一現象或表 徵背後的意義。. 模型去詮釋某一現象或表徵背 後的意義。 4. 【連結】培養學生連結相關概念. 4. 【連結】按照課本內容連結相關 概念。. 或先備經驗。 5. 【評估】培養學生或讓學生自己. 5. 【評估】直接說明概念，較少讓 學生評估新情境。. 應用相關的概念與表徵來評估 新情境。. 實驗組與對照組教學素材差異在於實驗組額外增加視覺化表徵能力，舉例來 說，實驗組在教學順序上透過投影片的動畫，首先會呈現要學生知覺的是什麼(非 同時呈現知覺、轉換、詮釋之內容)，再透過轉換後的球棍模型(3D 動畫旋轉分 子球棍模型)以便於思考或幫助詮釋某一現象或化學概念，接著開始詮釋對所看 到的現象或表徵詮釋其背後意義，再連結相同概念到別的有機化合物，說明具有 相似的物理或化學性質，最後應用相關的概念與表徵來評估新情境，在此部分先 讓學生思考問題，並問學生為什麼，最後再呈現相關的概念、結構與動畫(旋轉 分子球棍模型)、以及原因。反觀對照組則以直接講述的方式教學，並且僅呈現 24.
(35) 課本中的有機化合物分子結構及圖片，在連結上僅透過教學者口述說明，在評估 上直接講述結果與說明(見表 3-4-2)。. 表 3-3-2 實驗組與對照組教學素材差異 組別 視覺化 表徵能力. 對照組. 實驗組. 知覺 轉換 詮釋. 連結. 無投影片，教學者口述說明. 評估. 無投影片，教學者口述說明. 25.
(36) 兩組在教學素材上，以第一堂飽和烴中有差異的部分舉例說明，實驗組額外 增加視覺化表徵能力說明；在碳之化學鍵結，實驗組培養學生去知覺碳原子最外 層軌域有四個電子，並將碳之鍵結結構轉換成分子結構，接著詮釋碳之化學鍵結 的多樣化原因，而對照組則直接講述說明碳之化學鍵結；在有機物結構之表示法 (1)(2)，實驗組透過轉換成 3D 動畫球棍模型，幫助學生思考實際有機化合物的結 構，並引導學生知覺各個模型的優缺點，而對照組則透過講述說明有機物結構之 表示法；在有機物結構應用，實驗組在教學上先讓學生思考問題，並問學生為什 麼，最後再呈現模型的優缺點，而對照組則直接講述答案；在直鏈烷烴的性質， 實驗組教學上引導學生知覺所看到的現象或表徵做描述性的說明，接著做表徵間 的轉換，以便於思考或幫助詮釋某一現象或化學概念，接著詮釋其背後意義，連 結具有相似的物理或化學性質相關概念，最後應用相關的概念與表徵來評估新情 境，在此部分先讓學生思考問題，並問學生為什麼，最後再呈現相關的概念、結 構與動畫(旋轉分子球棍模型)、以及原因，而對照組則直接講述說明。. 表 3-3-3 兩組教學素材差異舉例 單 教學 元 內容. 教學方式 對照組. 實驗組 視覺化表徵能力教學說明. 第 飽 一 和 節 烴 課. 視覺 化表 徵能 力. 無. 碳之 化學 鍵結. 26.
(37) 有機 物結 構之 表示 法 (1) 有機 物結 構之 表示 法 (2). 有機 物結 構的 應用. 直鏈 烷烴 的性 質 無投影片，教學者口述說明. 27.
(38) 由教學者口述說明. 無投影片，教學者口述說明. 28.
(39) 第四節 研究工具 本研究工具分為量化與質性工具，量化工具包含有機化合物概念評量及情意 問卷，質性工具包含視覺化表徵能力試題與學習單。研究工具設計的目的與使用 時機如下表 3-4-1。 表 3-4-1 研究工具的設計 研究工具. 研究目的. 使用時機. 量化. 有機化合物 研究目的一、探討不同教學活動情形下， 教學前. 工具. 概念評量. 學生在學習有機化合物的學習成就表現 教學後 研究目的三、探討學生課堂中視覺化表徵 能力對有機化合物概念的影響情形. 情意問卷 質性 工具. 研究目的四、探討學生在有機化合物教學 教學後 活動的學習態度之情形. 視覺化表徵 研究目的二、探討不同教學活動情形下， 教學前 能力試題 學生在視覺化表徵能力的學習成就表現 教學後 研究目的三、探討學生課堂中視覺化表徵 能力對有機化合物概念的影響情形. 一、有機化合物概念試題 本有機化合物概念評量依據有機化合物單元分成飽和烴、不飽和烴、芳香烴 與官能基等四個部分，再依此四個部分分成四個成份，包含命名、性質、結構與 應用，製作概念試題雙向細目表(表 3-4-1)，其中每一個成份中都有兩題，因此共 有 32 題。本試題經由三位專家進行審查，分別為一位大學化學科教授、一位高 中資深化學教師、一位科學教育博士，專家效度的同意度為 88%，再從專家們給 予的意見進行修改。預試對象為 34 位高三學生，已具備完整的有機化合物概念， 試題信度為 0.836。. 29.
(40) 表 3-4-2 概念試題雙向細目表 命名. 性質. 結構. 應用. 小計(題). 飽和烴. 1、2. 9、10. 19、20. 3、25. 8. 不飽和烴. 4、5. 7、8. 11、12. 24、26. 8. 芳香烴. 6、13. 15、16. 17、21. 31、27. 8. 官能基. 29、30. 18、14. 23、22. 28、32. 8. 小計(題). 8 8 8 32 8 註：題目設計以兩個維度開發，為概念部分與其成份，其中概念部分包含飽和烴、 不飽和烴、芳香烴與官能基；成份包含命名、性質、結構與應用，此外，兩向度 互相交錯每格有 2 題，因此共有 32 題。 二、視覺化表徵能力試題 本試題有三個題組，每個題組下包含知覺、轉換、詮釋、連結、評估等 5 題，因此三個題組共有 15 題，製作成視覺化表徵能力雙向細目表(表 3-4-2)。本 試題經由三位專家進行審查，分別為一位大學化學科教授、一位高中資深化學教 師、一位科學教育博士，專家效度的同意度為 94%，再從專家們給予的意見進行 修改。預試對象為 34 位高三學生，已具備完整的有機化合物概念，試題信度為 0.851。 表 3-4-2、視覺化表徵能力試題雙向細目表 視覺表徵能 力層級 題組. 知覺. 轉換. 詮釋. 連結. 評估 小計(題). 題組一. 1-1. 1-2. 1-3. 1-4. 1-5. 5. 題組二. 2-1. 2-2. 2-3. 2-4. 2-5. 5. 題組三. 3-1. 3-2. 3-3. 3-4. 3-5. 5. 小計(題). 3 3 3 3 15 3 註：題目設計以兩個維度開發，為視覺表徵能力層級與題組，其中視覺表徵能力 層級包含知覺、詮釋、連結、選擇與評估；題組包含題組一、題組二、題組三。 而兩向度相互交錯每格有 1 題，因此共有 12 題 三、情意問卷 本問卷有三個開放式問題，分別為增進概念理解、提升學習興趣以及造成學 習負擔等三個面向，其中增進概念理解分為命名、性質、結構與應用等四個成份， 藉以了解學生對於各項的優缺點或者改進之處，以提出本研究協助學生之處與修 正教學活動設計。 30.
(41) 第五節 研究流程 本研究可分成以下四個階段：如圖 5. 階段一：. 確立研究方向. 文獻探討. 形成研究問題 研究設計. 階段二： 教學/教材設計. 發展研究工具. 階段三： 前測. 有機化合物概念與 視覺表徵能力測驗. 教學 1~11 節. 後測. 31. 有機化合物概念與 視覺化表徵能力測驗.
(42) 階段四：. 量化資料分析. 質性資料分析. 撰寫研究結果. 完成論文. 圖 3-5-1 研究流程圖. 32.
(43) 第六節 資料分析與處理 本研究的資料處理，主要分為三大部分，分別為有機化合物概念、視覺化表 徵能力、以及視覺化表徵能力與有機化合物概念之相關。三大部分分別描述如 下： 一、有機化合物概念與其視覺化表徵層級測驗 (一) 有機化合物概念正確性(答對率) 1. 計算學生答對的題數，除以總題數，即可得到答對率。 2. 利用 SPSS 進行獨立 t-test，比較兩組學生前測之間是否具有同質性。 3. 利用 SPSS 進行成對 t-test，比較實驗組的前、後測是否達顯著差異。 4. 利用 SPSS 進行成對 t-test，比較對照組兩組的前、後測是否達顯著差異。 5. 利用 SPSS 進行共變數分析(ANCOVA)，比較實驗組與對照組兩組的後測、 與前測相比較是否有顯著進步。. (二) 視覺化表徵能力分析(得分率) 診斷學生視覺表徵能力，視覺化表徵能力共有五個向度，分別為知覺、轉換、 詮釋、連結、評估等。其中視覺化表徵能力分析具有三種分析層次： 1. 計算視覺化表徵能力的總得分，除以總題數，即為總得分率；計算各向 度的得分，除以向度內的總題數，即為各向度得分率(評分標準如附錄三 所示)。 2. 將各向度內的得分轉換成能力層級(Level)，將向度內的得分取眾數為能 力層級；當向度內三題得分各不同時，則以平均數轉換為能力層級。 3. 利用 SPSS 進行獨立 t-test，比較兩組學生前測之間是否具有同質性。 4. 利用 SPSS 進行成對 t-test，比較實驗組的前、後測是否達顯著差異。 5. 利用 SPSS 進行成對 t-test，比較對照組兩組的前、後測是否達顯著差異。 6. 利用 SPSS 進行共變數分析(ANCOVA)，比較實驗組與對照組兩組的後測、 與前測相比較是否有顯著進步。. 33.
(44) (三) 視覺化表徵能力與有機化合物概念之相關 視覺化表徵能力與有機化合物概念之 Pearson 積差相關，分成兩種分析層 次： 1. 利用 SPSS 進行 Pearson 積差相關，比較視覺化表徵能力總得分率與有機 化合物概念答對率是否有顯著相關。 2. 利用 SPSS 進行 Pearson 積差相關，比較視覺化表徵能力各向度得分率與 有機化合物概念答對率是否有顯著相關. 34.
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