探討建模本位探究教學於化學電池的學習成效與建模能力

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士班碩士論文. 指導教授：邱美虹博士. 探討建模本位探究教學於化學電池的學習成效與建模能力 Investigating the Effectiveness of Modeling-based Inquire on Students’ Science Conceptual and Modeling Competence about Chemical Battery. 研究生：曾茂仁. 中華民國 105 年 01 月.

(2) 誌謝現在想想，從大學、研究所到站在講台上教書，一切都這麼幸運。總是在快偏離航道時，都有人會拉我一把。何其有幸，讓我遇見你們。從化學系畢業，進入國中實習，總覺得離化學越來越遠，才發現，原來自己是真的喜歡化學，當初考大學時，全部的志願都是化學系真的是不後悔的抉擇。然而，進入科學教育研究所念書的第一學期，難免水土不服以及頭暈目眩。一直到聽到這句話：「替化學做些什麼吧！」這是決定進入美虹老師研究室時，老師帶著高昂的鬥志給予的鼓勵。「是阿！或許這也是再次貼近化學的機會。」每次只要帶著疑惑寫信給美虹老師，聊著聊著都會忽然間豁然開朗。謝謝美虹老師的不離不棄，在老師身上看見身為教育研究者的堅持與執著，謝謝老師願意空出時間，與學生討論研究中的種種疑難雜症以及烏漆抹黑的謎團。另外，謝謝曉蘭學姐皆能在每周三的下午，撥空討論研究工具的設計與教學流程的安排。若能夠有著如同曉蘭學姐般的前輩照顧，無論在研究或是實際的教學經驗上，都可以聽見不同觀點的意見，謝謝學姐。當分析自己的教學，能夠體會自己在教學現場的不足以及缺陷。謝謝兩年導師班的學生，謝謝你們願意接受菜鳥老師在講臺上提出自己所認為的科學；謝謝第三年任課班的學生，願意討論著你們在網路上所發現的種種科學知識。你們的回饋與互動，絕對是身為菜鳥老師我，最好的營養劑。最後，謝謝爸媽，我知道這樣很老套，但是，爸媽在大學後，總是尊重著我每一個重大的決定：大學全部志願都填化學系完全不聽你們的勸告；決定不考化學所轉考科學教育研究所；偷偷跑去考教師甄試到了放榜當天你們才知道。謝謝你們，在求學的過程中，讓我知道：「讀書不是為了誰，而是真的為了自己。」我不一定能夠讓你們感到驕傲，但是，我會努力達到的自己目標。完成這份研究後，總是記得美虹老師以及心楷老師所說的：「當你願意跨出原本的空間，會發現這世界比你想的大！」謝謝老師們，我一定會記得。 I.

(3) II.

(4) 摘要學生學習科學方式即是建立模型的過程，並且在學習過程中，不斷修正與精緻化此模型使其能逐漸與科學模型相似，因此，在科學學習的過程中培養學生的建模能力是重要且必須的目標。本研究所使用的建構模型的過程包含八個步驟：模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型應用、模型調度、模型修正與模型重建(邱美虹，2014；Jong, Chiu, & Chung, 2015)，在此過程中，每個歷程所應具備的能力即為建模能力。本研究根據課程內容可分成：研究一：化學電池的成分與關係；研究二：化學電池的交互作用，針對學生之科學概念、建模能力與心智模式分別進行討論。本研究的研究工具改編自邱美虹(2015)科技部計畫，由一位具有科教背景的高中化學教師，與兩位資深國中教師建立專家效度，且試卷信度為 0.76 與 0.79。本研究之研究對象：研究一：以 51 位臺北市國中學生為研究對象，分成建模文本教學組(N=24)與一般文本教學組(N=27)；研究二：以研究一之建模文本組為研究對象，分成建模本位探究(N=12)與一般探究教學組(N=12)。資料收集包含課程之前、後化學電池測驗以及學生晤談資料。研究結果顯示，研究一：在化學電池的總分、成分、關係與系統此四項分類中，建模文本教學組的學習成效較一般文本教學組高；另一方面，學生建模能力的表現上，建模文本教學組，於選擇、建立、效化與應用中皆較一般文本教學組的建模能力階層高。研究二：在化學電池的總分與系統分類中，建模本位探究組的學習成效較一般探究教學組高；另一方面，學生建模能力的表現上，建模本位探究組，於建立、效化與平均建模能力皆較一般文本探究組的建模能力表現好。綜合以上研究結果可知，建模本位探究教學有助於學生在科學概念、建模能力與心智模式的學習與改變。. 關鍵字：化學電池、心智模式、建模能力、建模本位教學(MBI) III.

(5) IV.

(6) Abstract This study investigated the effects of a modeling-based teaching and modeling-based inquiry on 7th and 8th graders’ modeling competencies.The modeling processes included model selection, model construction, model validation, model analysis, model deployment, and model reconstruction in the study. Students learned the chemistry battery with modeling-based text and modeling-based inquiry. According to the content, there are two subjects in the study. Subject one was targeted to explore the teacher providing the modeling view during the process of science learning. Fifty-one 7th and 8th graders from a local junior high school in Taipei city were involved in the subject one. The experiment group (N=24) was 7th and 8th graders in the science club, and the control group (N=27) was 8th graders in the normal classes. The difference between the experiment group and the control group was that the former was presented with explicit descriptions and representations of modeling processes. Subject two attempted to implement the model-based inquiry teaching framework in the laboratory activity. Twenty-four students from the subject one were involved in the subject two. The experiment group (N=12) was 7th graders, and the control group (N=12) was 8th graders. This study demonstrated that modeling-based teaching and modeling-based inquiry helped students learn the science concepts, develop their modeling competencies and promote their mental model to the science model.. Key words : Chemical battery, Mental model, Modeling competencies, Modeling-based learning. V.

(7) VI.

(8) 目錄第壹章. 緒論…………………………………………………………………………1 第一節研究動機…………………………………………..………………2 第二節研究目的與研究問題……………………..………………………3 第三節名詞解釋………………………………………..…………………5 第四節研究範圍與限制…………………………………………………..7. 第貳章. 文獻探討……………………………………………………………………9 第一節探究與探究教學………………………………..………………10 第二節建模歷程與建模能力……………………………………………13 第三節心智模式…………………………………………………………17 第四節化學電池相關研究………………………………………………19. 第參章. 研究方法……………………………………..……………………………23 第一節研究設計…………………………………..…………………..…23 第二節研究對象…………………………………..…………………..…25 第三節教學與教材設計…………………………………..……………..26 第四節研究工具……………..………………………..…………………36 第五節研究流程…………………………………………………………53 第六節資料分析…………………………………………………………55. 第肆章研究結果……………………………………………………………………59 第一節不同教學策略對於化學電池科學概念的學習成效……………60 第二節不同教學策略對於建模能力的表現情形.……..….……..…..78 第三節化學電池心智模式的改變情形………..……………………......98 第四節化學電池的另有概念……..………..……..……………………115 第五節建模能力與科學概念的相關………………..…………………123 第伍章. 結論與建議………………………………………………………………131 第一節結論……………………………………………………………..132 第二節研究意涵………………………………………………………..133 第三節未來工作與研究方向…………………………………………..135. VII.

(9) 圖次圖 2-2-1 建模歷程指標(Modeling Process Indicators, MPI) ...................................14 圖 3-1-1 本研究架構圖...........................................................................................23 圖 3-4-1 化學電池的成份與關係概念圖................................................................38 圖 3-4-2 化學電池的交互作用概念圖 ...................................................................46 圖 3-5-1 研究流程圖 ..............................................................................................54 圖 4-1-1 研究一科學概念(成份)之詹森-內曼法迴歸模型 ...................................66 圖 4-2-1 「建模本位探究組」與「簡單探究組」教學前建模能力分數 ..............87 圖 4-2-2 「建模本位探究組」與「簡單探究組」教學後建模能力分數 ..............89 圖 4-3-1 研究一「建模文本組」教學前後心智模式分佈情形 ......................... 103 圖 4-3-2 研究一「一般文本組」教學前後心智模式分佈情形 ......................... 104 圖 4-3-3 「一般文本教學組」之心智模式變化路徑 .......................................... 107 圖 4-3-4 「建模文本教學組」之心智模式變化路徑 .......................................... 107 圖 4-3-5 研究二學生回答情形 ........................................................................... 108 圖 4-3-6 「簡單探究組」之心智模式變化路徑 .................................................. 113 圖 4-3-7 「建模本位探究組」之心智模式變化路徑 .......................................... 113 圖 4-4-1 研究一選擇題選項教學前後選填情形 ................................................ 116 圖 4-4-2 研究一「建模文本教學組」選擇題選項教學前後選填情形.............. 119 圖 4-4-3 研究一「一般文本教學組」選擇題選項教學前後選填情形.............. 119 圖 4-4-4 鋅銅電池介紹之上課投影片 ................................................................. 122. VIII.

(10) 表次表 2-1-1 探究活動的四階層 ................................................................................... 11 表 2-1-2 探究階段與學習者困難 ...........................................................................12 表 2-4-1 電化學-電化學電池的另有概念 ..............................................................21 表 3-2-1 研究對象人數統計表 ...............................................................................25 表 3-3-1 研究一研究流程 .....................................................................................26 表 3-3-2 研究二研究流程 .....................................................................................27 表 3-3-3 研究一「建模文本教學組」與「一般文本教學組」課程規劃 ..............27 表 3-3-4 研究二「建模本位探究」與「一般探究」教學規劃 ...........................28 表 3-3-5 建模本位探究教案─以化學電池的交互作用為例 .................................29 表 3-3-6 一般文本與建模文本內容對照舉例 ........................................................33 表 3-4-1 研究工具與使用目的說明 .......................................................................36 表 3-4-2 化學電池概念試題(Ⅰ)雙向細目表 .........................................................39 表 3-4-3 化學電池概念試題(Ⅰ)配分表 .................................................................39 表 3-4-4 研究一建模歷程相對應試題舉例說明 ..................................................40 表 3-4-5 研究一建模能力評鑑 .............................................................................42 表 3-4-6 研究一化學電池心智模式試題組合 ......................................................44 表 3-4-7 研究一化學電池心智模式類型與心智模式評鑑表 ...............................45 表 3-4-8 化學電池概念試題(Ⅱ)雙向細目表 .........................................................47 表 3-4-9 化學電池概念試題(Ⅱ)配分表 .................................................................47 表 3-4-10 研究二模型調度的建模能力編碼表 ....................................................49 表 3-4-11 研究二模型調度的建模能力編碼記分表.............................................50 表 3-4-12 研究二化學電池心智模式試題組合 ....................................................50 表 3-4-13 研究二心智模式編碼表 .......................................................................51 表 3-4-14 研究二心智模式評鑑表 .......................................................................52 表 3-6-1 研究工具與資料分析對照表 ...................................................................56 表 4-1-1 研究一化學電池的科學概念前測描述性統計.......................................61 表 4-1-2 研究一化學電池的科學概念前測獨立樣本 T 檢定.............................61 表 4-1-3 研究一化學電池的科學概念後測描述性統計.......................................62 表 4-1-4 建模文本教學組教學前後科學概念情形相依樣本 T 檢定 ...................63 IX.

(11) 表 4-1-5 一般文本教學組教學前後科學概念情形相依樣本 T 檢定 ...................63 表 4-1-6 研究一科學概念(總分)之迴歸係數同質性檢定摘要表.........................64 表 4-1-7 研究一科學概念(總分)之單因子共變數分析摘要表 ............................64 表 4-1-8 研究一科學概念(總分)之單因子共變數相依比較表 ............................64 表 4-1-9 研究一科學概念(成份)之迴歸係數同質性檢定摘要表.........................66 表 4-1-10 研究一科學概念(成份)之詹森-內曼法之回歸模型係數 ......................66 表 4-1-11 研究一科學概念(關係)之迴歸係數同質性檢定摘要表 .......................67 表 4-1-12 研究一科學概念(關係)之獨立樣本 T 檢定 .........................................67 表 4-1-13 研究一科學概念(系統)之迴歸係數同質性檢定摘要表.......................68 表 4-1-14 研究一科學概念(系統)之單因子共變數分析摘要表 ..........................68 表 4-1-15 研究一科學概念(系統)之單因子共變數相依比較表 ..........................68 表 4-1-16 研究二化學電池的科學概念前測描述性統計 .....................................70 表 4-1-17 研究二化學電池的科學概念前測 Mann-Whitney U 檢定 .................71 表 4-1-18 研究二化學電池的科學概念後測描述性統計 .....................................71 表 4-1-19 研究二建模本位探究組教學前後科學概念情形 Wilcoxon 檢定 ......72 表 4-1-20 研究二簡單探究組教學前後科學概念情形 Wilcoxon 檢定 ..............72 表 4-1-21 研究二科學概念(總分)之迴歸係數同質性檢定摘要表.......................73 表 4-1-22 研究二科學概念(總分)之單因子共變數分析摘要表 ..........................73 表 4-1-23 研究二科學概念(總分)之單因子共變數相依比較表 ..........................73 表 4-1-24 研究二科學概念(成份)之迴歸係數同質性檢定摘要表.......................74 表 4-1-25 研究二科學概念(成份)之 Mann-Whitney U 檢定 ...............................74 表 4-1-26 研究二科學概念(關係)之迴歸係數同質性檢定摘要表.......................75 表 4-1-27 研究二科學概念(關係)之單因子共變數分析摘要表 ..........................75 表 4-1-28 研究二科學概念(關係)之單因子共變數相依比較表 ..........................75 表 4-1-29 研究二科學概念(系統)之迴歸係數同質性檢定摘要表.......................76 表 4-1-30 研究二科學概念(系統)之單因子共變數分析摘要表 ..........................76 表 4-1-31 研究二科學概念(系統)之單因子共變數相依比較表 ..........................76 表 4-2-5 研究一兩教學組於教學前建模能力之卡方檢定摘要表 .......................79 表 4-2-1 研究一建模能力前測層級 .....................................................................80 表 4-2-2 研究一建模能力後測層級 .....................................................................80 表 4-2-3 研究一建模文本教學組「前測」各建模歷程之建模能力層級人數統計 X.

(12) .................................................................................................................80 表 4-2-4 研究一一般文本教學組「前測」各建模歷程之建模能力層級人數統計 .................................................................................................................80 表 4-2-6 研究一建模文本教學組「後測」各建模歷程之建模能力層級人數統計 .................................................................................................................81 表 4-2-7 研究一一般文本教學組「後測」各建模歷程之建模能力層級人數統計 .................................................................................................................81 表 4-2-8 研究一建模文本教學組於教學前後建模能力之卡方檢定摘要表 ........83 表 4-2-9 研究一一般文本教學組於教學前後建模能力之卡方檢定摘要表 ........83 表 4-2-10 研究一兩教學組於教學後建模能力之卡方檢定摘要表 .....................84 表 4-2-11 研究二模型調度之建模能力編碼範例 ................................................86 表 4-2-12 研究二建模能力前測分數 ...................................................................88 表 4-2-13 研究二建模能力後測分數 ...................................................................88 表 4-2-14 研究二建模能力前測分數之 Mann-Whitney U 檢定 ..........................88 表 4-2-15 研究二建模本位探究組建模能力後測分數之 Wilcoxon 檢定 ...........90 表 4-2-16 研究二簡單探究組建模能力後測分數之 Wilcoxon 檢定 ...................90 表 4-2-17 研究二整體建模能力之迴歸係數同質性檢定摘要表 .........................91 表 4-2-18 研究二整體建模能力之單因子共變數分析摘要表 .............................92 表 4-2-19 研究二整體建模能力之單因子共變數成對比較表 .............................92 表 4-2-20 研究二建模能力(模型選擇)之迴歸係數同質性檢定摘要表 ...............93 表 4-2-21 研究二建模能力(模型選擇)之單因子共變數分析摘要表 ...................93 表 4-2-22 研究二建模能力(模型選擇)之單因子共變數成對比較表 ...................93 表 4-2-23 研究二建模能力(模型建立)之迴歸係數同質性檢定摘要表 ................93 表 4-2-24 研究二建模能力(模型建立)之單因子共變數分析摘要表 ...................93 表 4-2-25 研究二建模能力(模型建立)之單因子共變數成對比較表 ...................94 表 4-2-26 研究二建模能力(模型效化)之迴歸係數同質性檢定摘要表 ................94 表 4-2-27 研究二建模能力(模型效化)之單因子共變數分析摘要表 ...................95 表 4-2-28 研究二建模能力(模型效化)之單因子共變數成對比較表 ...................95 表 4-2-29 研究二建模能力(模型應用)之迴歸係數同質性檢定摘要表 ...............95 表 4-2-30 研究二建模能力(模型應用)之 Mann-Whitney U 檢定 .......................95 表 4-2-31 研究二建模能力(模型調度)之迴歸係數同質性檢定摘要表 ...............96 XI.

(13) 表 4-2-32 研究二建模能力(模型調度)之單因子共變數分析摘要表 ...................96 表 4-2-33 研究二建模能力(模型調度)之單因子共變數成對比較表 ...................96 表 4-3-1 心智模式圖示與說明 ...............................................................................99 表 4-3-2 研究一「建模文本組」與「一般文本組」心智模式分佈情形 .......... 103 表 4-3-3 研究二「建模本位探究組」與「簡單探究組」心智模式分佈情形 .. 111 表 4-4-1 研究一化學電池概念試題(Ⅰ)選項之另有概念 .................................. 115 表 4-4-2 研究一另有概念整體答題情形 ............................................................ 117 表 4-4-3 研究一另有概念於兩教學組答題情形 ................................................ 118 表 4-4-4 「建模文本教學組」與「一般文本教學組」對於另有概念發生概念改變情形........................................................................................................ 121 表 4-5-1 研究一與研究二科學概念與建模能力 ................................................ 123 表 4-5-2 研究一科學概念(名次)與建模能力斯皮爾曼等級相關檢定摘要表 ... 124 表 4-5-3 研究二科學概念與建模能力之皮爾森相關檢定摘要表 ..................... 124 表 4-5-4 研究一不同程度之科學概念與建模能力 ............................................ 125 表 4-5-5 研究二不同程度之科學概念與建模能力 ............................................ 126 表 4-5-6 研究一不同程度的科學概念與建模能力斯皮爾曼等級相關檢定摘要表 ............................................................................................................... 127 表 4-5-7 研究二不同程度的科學概念與建模能力皮爾森相關檢定摘要表 ...... 127. XII.

(14) 第壹章. 緒論. 探究是學習科學最為人所熟悉的教學方式，但此種教學方式時常引導學生偏向科學技能層面的熟悉，卻忽略了顧及知識層面。當提倡真實行探究的教學不斷的在教學現場出現，教師必須將真實性探究轉換成科學課程，以及落實到科學學習之中，因此，模型與建模的教學能夠補足探究所欠缺的部份。課堂中的課程進行，每一堂皆為真實性探究實屬不易，在有限時間之下，讓學生參與如同科學家研究般的科學流程，則為現今科學教育最主要的部份。以建模本位的教學內容，從模型的成份選擇到模型失效的修正，會不斷的要求學生檢視此模型的合理性以及適切性，是否可以支持所提出來的主張等方式，不斷的精製化學生所創造的模型。因此，建模本位的教學方式，可在認知層面上不斷的強化以及精製化模型內容。因此本研究將以建模教學融入科學課程之中，觀察建模教學以及建模本位探究教學，對於學生學習化學電池的學習成就、建模能力以及心智模型的改變情況進行討論。本研究針從兩個方面討論建模本位探究教學對於學生在學習成就、建模能力提升以及心智模式改變進行了解。因此，研究一主要為了解建模文本配合建模教學，對於學生所產生的影響；研究二主要討論驗證式實驗與建模本位探究實驗，對於學生所產生的影響。在綜合上述的兩研究後，即可對於建模本位探究對於學生的效益更為清楚。建模本位探究的教學方式是透過教師引導且以學生為中心的探究教學，有別於探究的流程，此方式是使用「建模歷程」作為架構的教學方式(Hestenes,2010)。最後，本研究希望以不同的教學方式，發現與改善目前科學課室中所產生的問題。. 1.

(15) 第一節研究背景與重要性因參與由邱美虹老師主持的模型與建模教學的計畫之中，開始接觸有別於探究式教學的內容，開始用不同的觀點討論以及思考如何修正探究式教學在科學課室中所產生的影響，並試圖以建模的觀點加入文本內容以及課堂教學中，希望可以改善學生學習科學的情況。學生從了解科學知識到形成科學理論，模型一直以來是相當重要的角色。在科學課程中，所教授的科學知識不斷做為建構模型的成份，並且在學習成份後，一步步的建構與精製化模型(Treagust, Chittleborough& Mamiala, 2002)，這樣的過程與探究式教學的精神有相似之處。在形成模型間，必須經歷幾個步驟，這些步驟可以明確的告訴學生現在進行的部份為模型的何種部份，幫助學生聚焦在學習重點，使學生產生更有目標的學習。並且在學習之後，亦可透過課堂上所建構出的模型在真實世界中使用，再次不斷的修正與精緻化此模型的內容。本研究設計分成兩個子研究，分別探討建模本位教學在文本與探究教學所產生的影響。研究一：主要是透過文本設計的不同進行教學，建模文本教學策略，著重於模型建構與模型理解的過程，且讓學生得知，模型不僅只有實際的物體，某些非實體的想法亦是模型的範疇。並在過程中透過外顯化的方式，使學生清楚理解每段文章所要建構的模型，使學生理解在科學當中建構模型的方式以提升學生的建模能力。而傳統文本教學策略，則是透過一般教科書內容，多以講述的方式進行授課。研究二：目的是要建模歷程如何作為教學鷹架，幫助老師完成探究式教學。因此，建模本位探究組的學生必須經歷科學家般的研究過程：發現問題、提出假說、實驗操作、數據分析與形成模型，並且在學生規劃實驗流程中，透過建模歷程產生的鷹架提醒學生此步驟的目的。簡單探究組的學生較如同一般課室當中的驗證式實驗，給予學生固定的實驗步驟一步步完成實驗操作內容、蒐集資料、分析實驗數據與實驗結果討論。在此兩部份皆會蒐集學生問卷資料以及物談內容做為分析的依據。此研究結果，可以更明確的指出建模教學在文本以及課室教學上所提供的幫助，以及針對於學生所產生的學習效益、建模能力的培養與心智模式的改變，進一步提升教師使用建模本位教學的意願。 2.

(16) 第二節研究目的與研究問題本研究主要目的為在進行建模教學後，對於七年級與八年級學生在化學電池的學習成就上是否有幫助，並且在教學後，是否可以增進學生的建模能力，以及學生對於化學電池心智模型轉變的情形。根據建模教學所著重的層面不同，因此分成兩個子研究進行討論，研究一：將建模歷程融入文本以及教學中；研究二：以建模本位探究教學，帶領學生參與類似科學家做研究般的過程，透過討論變因的機制進而產生化學電池的模型，讓學生體驗模型解釋以及預測的功能。根據本研究之研究背景與動機，研究目的歸納如下，並從研究目的，延伸出研究問題：研究目的 1. 探討不同教學策略對於學生「化學電池」科學概念學習成效。問題 1-1. 學生透過「一般文本」教學後，對於化學電池科學概念影響為何？. 問題 1-2. 學生透過「建模文本」教學後，對於化學電池科學概念影響為何？. 問題 1-3. 學生透過「簡單探究教學」教學後，對於化學電池的交互作用科學概念影響為何？. 問題 1-4. 學生透過「建模本位探究教學」教學後，對於化學電池的交互作用科學概念影響為何？. 研究目的 2. 探討不同教學策略對於學生「電化學電池」建模能力成效。問題 2-1. 學生透過「一般文本」教學後，對於化學電池建模能力影響為何？. 問題 2-2. 學生透過「建模文本」教學後，對於化學電池建模能力影響為何？. 問題 2-3. 學生透過「簡單探究教學」教學後，對於化學電池的交互作用建模能力影響為何？. 問題 2-4. 學生透過「建模本位探究教學」教學後，對於化學電池的交互作用建模能力影響為何？. 3.

(17) 研究目的 3. 探討不同教學策略對於學生「化學電池」的心智模式變化。問題 3-1. 學生透過「一般文本」教學後，對於化學電池心智模式變化為何？. 問題 3-2. 學生透過「建模文本」教學後，對於化學電池心智模式變化為何？. 問題 3-3. 學生透過「簡單探究教學」教學後，對於化學電池心智模式變化為何？. 問題 3-4. 學生透過「建模本位探究教學」教學後，對於化學電池心智模式變化為何？. 4.

(18) 第三節名詞解釋一、心智模型 (Mental Model) 本研究所使用的心智模式，在於了解學生學習化學電池相關科學概念後，對於化學電池所產生的心智模式，並根據文獻內容將此心智模型分成七大類分別為：電池概念不完整模式、電池雛型模式、電極混淆模式、電路雛型模式、電路進階模式、類科學模式與科學模式。二、建模歷程 (Modeling Process) 學生在科學學習的過程中，形成模型時所經歷的步驟稱之為建模歷程，在本研究中選用邱美虹(2015)科技部計畫所發展出的建模歷程：模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型應用、模型調度、模型修正與模型轉換等八個建模立成。根據課程設計內容，本研究尚未檢測學生的模型分析、模型修正與模型轉換等三個建模歷程。三、建模能力 (Modeling Competence) 建模能力是用以評斷學生是否具備完成建模歷程中每個階段的能力，因此，選用張志康與邱美虹(2009)開發的建模能力指標(MMAI)，依據指標內容開發建模能力評鑑表，以六個層次( Level 0 ~ Level 5 )表示學生在各歷程所達到的建模能力。四、一般文本 (Common text) 選用 103 學年度翰林版國中理化教科書國九電池的化學效應做為本研究的一般文本使用，文本內容並不另外修正，僅節錄教學內容所需的頁數。五、建模文本 (Modeling-Based Text) 依據一般文本(翰林版國中理化教科書國九電池的化學效應)的內容，以外顯化的方式在文本內容加入「建模歷程」，並且在文本的段落中設計「想想看」的提問內容，並將一般文的的示範實驗替換成「課堂任務」，在這三者的內容皆為外加的方式添入一般文本，並不影響一般文本的邏輯編排方式。建模文本以及一般文本所使用的字數，扣除非相關課程內容的文字，兩者相差控制在 20%以內。 5.

(19) 六、驗證式實驗 (Confirmation experiment) 參照邱美虹(2015)國科會計畫所使用的「影響化學電池電壓的因素」之實驗操作手冊，做為本研究的參考資料。驗證式實驗先將實驗目的、實驗原理與實驗步驟給學生，並由教師在講解完實驗流程後，在教師的引導之下，學生自行操作實驗。最後，由教師帶領學生檢討「問題與討論」的內容，並加以證明此實驗數據與實驗原理兩者之間的關係。七、建模本位探究 (Modeling-Based Inquiry) 本研究中所提到的建模本位探究教學，以建模歷程為主要的鷹架建構出科學模型，並希望學生透過類似科學家的真實性探究方式進行學習，因此，學生必須自行形成實驗目的、實驗步驟與實驗數據處理。在此教學過程中，以學生為主體，學生自行分成三人的小組，進行實驗操作，教師負責教學流程的規劃以即時間的提醒。最後，以各組報告分享實驗的結果，與所產生的化學電池模型，並透過同儕間的回饋再次精緻化自行產生的化學電池模型。. 6.

(20) 第四節研究範圍與限制一、研究範圍本研究的內容是將模型內容放入國中理化課程之中，亦是讓學生參與如同科學家做研究的過程，並且可感受到建立出的模型的功能性。在化學電池中的概念以及變因則為此研究的教學內容，教師帶領學生討論各模型的適用範圍與所獲得證據是否可驗證想法的正確性。二、研究限制 (一)本研究對象為臺北市立某完全中學的七年級與八年級學生，因此，相關的研究結果與推論不適切應用到不同年級、不同區域的學生。 (二)本研究針對化學電池的單元進行研究，研究結果與推論不宜應用至其他不同學科領域或其他學習單元。 (三)本研究的文本設計主要是著重於建模歷程的加入，使學生明確了解如何建構模型，而文本內容尚未討論至各項表徵擺放位置所造成的影響，僅注意兩文本間的字數相差不超過 20%。. 7.

(21) 8.

(22) 第貳章. 文獻探討. 科學的本質即為探究，探究即為科學家探索自然的方式，並且透過尋找證據給與現象合理的解釋，因此，探究式教學法即為學習科學最為廣泛使用的方式。在科學課堂中，探究的使用僅為透過驗證性的探究活動來闡述科學原理的正確性，而非讓學生經歷如同科學家般的真實性探究活動(NRC, 1996, 2000)。因此，透過建模教學使學生在一般的科學課程中，經歷類似於科學家建構模型與產生知識的過程。本章分為四小節，第一節，從文獻中了解探究與探究教學對科學課程的影響，並且在其中參考臺灣與美國的課綱標準，在實際面向上，討論探究教學落實的情形。然而，長期以探究教學為目標的科學學習，亦有學者認為在探究教學的實施上仍有許多地方需要再作修正。第二節，談論建模與建模能力在本研究探究所擔任的角色，以及如何透過建模評量評鑑出學生的建模能力，並且透過「建模本位探究」的實施以改進上述文獻提及關於探究的需補強之處。第三節，針對化學電池的心智模式進行討論，由文獻內容指出，透過教學即可發生心智模式的改變，若能針對「建模本位教學」與「一般教學」間心智模式改變的情形進行討論，即可得知，「建模本位教學」對於學生的貢獻在何處。第四小節，以回顧本章的主題內容化學電池的相關研究，透過實徵性研究整理化學電池對於教學上的困難，作為製作課程教材及上課內容所需的資源。最後，本章內容將於各節提出相關文獻對於本研究之啟示，目的更是清楚的說明此部份所使用的文獻內容皆分別融入於課程安排、教材與評量設計與課程活動中，作為最主要的參考依據。. 9.

(23) 第一節探究與探究教學探究是科學家作為經驗世界與科學概念的橋樑 (Duit, Roth, Komorek,& Wilbers, 2001)，而探究內容可包含：科學方法、科學推理、批判性思考、科學問題解決、探究技能、科學過程技能以即包含社會情境(Etheredge & Rudnitsky, 2003)，透過探究的步驟可以使科學家了解自然與物質世界 (National Science Education Standard, National Research Council, 簡稱 NRC, 2000)。蘇聯與美國冷戰時期，蘇聯於 1985 年首先發射人造衛星─史波尼克號，此舉使得美國當局開始檢討科學教育的內容 (Nation Society for the Study of Education,簡稱 NSSE, 1960)。Dewey (1910)提到科學教學應注重思考的方法，而結果與過程兩者皆為重要。Hofstein & Lunetta (1982, 2004)認為探究是透過提出想法和從科學研究中所得到的證據進行解釋和提出主張的各種方法，使得科學家認識這個世界。對於學習者而言，探究是一種真實的方式來調查這個世界，藉由提出想法並且基於證據來解釋以及支持自己的主張，可以體驗到科學的精神。課室當中的探究學習，可能無法與科學家的研究方式完全相同，但學生的探究活動仍可類比為科學家的探究歷程(NRC, 1996)。一、課室當中的探究教學科學課室當中的探究教學可依照探究素材提供的程度，來進行分類：是否提供探究問題、是否提供解決方法與是否提供正確答案此三個依據，將探究活動分為四個層次 ( 引自 Bell, Smentana& Binns, 2005) ：驗證型探究 (Confirmation inquiry)、結構型探究(Structured inquiry)、引導型探究(Guided inquiry)與開放型探究(Open inquiry) (表 2-1-1)，當所提供的素材越多，探究活動屬於較低的層次。若從教師參與的程度及學生自主學習的空間來看，階層越低表示教師參與程度越高，而學生自主學習的空間越少；階層越高表示教師參與程度越低，而學生自主學習的空間越高。從表 2-1-1 中的分類中，驗證性探究(Confirmation inquiry)在探究活動中探究問題、解決方法以及正確答案皆會由教學者提供，教學者會利用縝密的實驗操作步驟，以及問題討論等方式將探究問題的答案給予學生，學生在探究活動中的自由度較低，屬於階層 0 的探究活動；引導型探究 (Guided inquiry)所指的是教學 10.

(24) 者僅提供探究問題，而解決方法以及答案兩者是由學習者自行設計實驗與蒐集實驗數據在透過數據回答教學者所提出的研究問題，學習者在此階段的學習自由到高於階層 0，屬於階層 2 的探究活動。表 2-1-1 探究活動的四階層探究活動的四個層次. 提供. 提供. 提供. 探究問題解決方法正確答案階層 0 驗證型探究 (Confirmation inquiry). V. V. 階層 1 結構型探究 (Structured inquiry). V. V. 階層 2 引導型探究 (Guided inquiry). V. V. 階層 3 開放型探究 (Open inquiry) 二、臺灣與國際當前的探究教學內容探究式教學是讓投入長時間的學習活動，藉由問題的引導帶起一連串收集資料、形成證據與利用證據進行解釋的過程(吳百興、張耀云、吳心楷，2010)，透過這樣的過程希望學習者能夠在探究的過程中，經歷類似科學家理解知識與建構科學模型的歷程(劉宏文、張惠博，2001；Zimmerman, 2007)。近年來許多學者建議應以證據導向的探究式科學課程，做為教育改革的重要方向。如此一來，課堂中將以學生為中心為主，而不是教師中心為主。臺灣於 107 課綱明訂高中必修學分包含「自然科學探究與實作」，國家教育研究院(2014)提到此課程，主要提供學生學習經驗，並強調跨學科之間的整合。針對探究的內容易可分成兩部份分別為：一、探究學習：著重於科學探究歷程，主要為發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享等項目；二、實作學習：著重於科學活動操作，主要為觀察、測量、資料蒐集與分析等。此課綱最主要的精神仍是建立起理論層面與實際層面之間的相關。國際上 NGSS(Next Generation Science Standards)將科學課程分成三大部分，分別為：一、核心想法(Core Idea)：包含地球空間科學(Earth Space Science)、生命科學(Life Science)與物理科學(Physical Science)；二、跨領域概念(Crosscutting Concepts)：提供學生在不同領域間的連結，一方面提升對於核心知識的理解，另一方面則是提供實作更多的應用機會；三、科學與工程實作 (Science and Engineering Practices)：在此分類中，並不是僅有操作技術(skill)的展現，重要的 11.

(25) 是必須在實作的過程中融入知識的內容，並且投入科學實作課程有助於學生理解科學知識如何發展、使用模型解釋現象，使學習更有意義。以下為實作的架構內容：尋問問題與定義問題、發展與使用模型、計畫與執行調查、分析定轉譯資料、使用數學或計算進行思考、建構解釋與設計解決方案、論證、評價與溝通資訊。透過臺灣與美國現今課綱的調整方向可知，強調學科之間的緊密連結，並且學科知識與實作內容並重。三、探究教學的限制探究教學主要可分成四個階段：提出問題、設計與執行調查或動手實驗、分析與整理數據、解釋與回答問題，此四階段並無一特定線性關係，而是呈現雙向網路關係(吳百興、張耀云、吳心楷，2010)。依照上個四個階段，在教室中實施探究活動，對於學習者而言產生了學習困難的現象。 Krajcik 等學者(1998)提出，學習者在探究活動的過程中，因為遭遇困難，進而影響探究活動所呈現的學習成效。由表 2-1-2 可知，學習者於探究的各階段皆會產生困難。吳百興(2010)認為透過活化先前知識、強化證據評估策略、資料模型建立以即教師鷹架策略的應用皆可解決探究活動中所產生的困難。表 2-1-2 探究階段與學習者困難(引自吳百興、張耀云、吳心楷，2010) 探究階段提出問題. 學習者困難提出的問題過於發散，因而無法預測並聚焦實驗結果 (Apedoe,2008)。無法確實理解科學辭彙的使用，而不能清楚表達想法與提問 (Krajcik et al., 1998)。. 設計與執行調查活動或實驗. 缺乏控制變因的能力，導致實驗設計無法有效獲得實驗數據 (Krajcik et al., 1998)。無法持續維持專注力，使部分學習者只能著重於部分的變因，而無法依據其他變因進行全盤的實驗設計(Bell, 2002)。. 分析與整理數據. 學習者無法由數據找出變因的影響關係，而影響數據分析的結果(Jeong et al., 2007)。缺乏經驗去組織數據與檢驗數據，因此無法從數據中獲得實驗結果 (Krajcik et al., 1998)。. 形成解釋與回答問題. 無法由證據發展合乎邏輯的論證去支持他們所獲得的主張，導致無法有效推論(Krajcik et al., 1998)。 12.

(26) 第二節建模歷程與建模能力科學家們進行科學研究最主要的目的即為建構科學模型，並透過這不斷的檢視、修正與精緻化科學模型的內容，再利用科學模型進行現象的解釋。對於學生而言在科學學習的過程中，試圖模擬科學家建構模型的過程，學習科學研究中會經歷某些特定的步驟，並且產生許多科學理論，而這些特定步驟稱為建模歷程，那科學理論即為科學模型，當學生透過建模歷程完成科學模型，所具備的能力即為建模能力。本章節將針對建模歷程、建模能力與建模能力評量進行詳細說明。一、建模歷程學生建立科學模型的過程和科學家並不完全相同，並且，學生不是僅有「建立」出模型，學生必須不斷的檢驗與精緻化此模型，進一步達到「科學模型」的目的。因此，研究者們針對學生科學學習的建模歷程所提出的看法，大致上可分成以下主要的方向：一、模型的建立：利用繪圖、解釋與預測現象並將其理論化後，才能夠建立出模型。二、模型的使用：學生能利用模型進行描述、預測與解釋現象。三、模型的評價：能夠使用模型對新現象進行預測，並且評價不同模型在現象所扮演的表徵以及樣態。四、模型的反思：透過新證據的加入或是情境的變動能夠得之模型的不足，進而反思此模型增加模型的解釋性與預測能力 (Schwarz, 2009)。對於建模歷程的內容 Hestenes(2010)更明確指出四個步驟：步驟一、模型建立：進行模型元件的組裝與定義，並且對於認識此模型的元件之間的關係。步驟二、模型分析：利用步驟一建立的模型對於現象進行解釋與實驗的預測。步驟三、模型效化：判斷此模型的解釋性與一致性。步驟四、模型調度：檢驗此模型在不相同的情境下之情形。Hestenes 並強調這四個步驟在實施的過程中，並非線性的順序進行，而是以一種循環的方式實施。本研究所使用的建模歷程，是由邱美虹(2015)科技部計畫對於原有的歷程進行擴充與修正，並針對建模歷程的內容更細分成四大階段與八個步驟(圖 2-2-1 所示)分別為：一、模型選擇：選擇適合的物件組合成模型，或是選擇適切的模 13.

(27) 型；二、模型建立：建立原先選擇物件之間的連結關係；三、模型效化：驗證已建立的模型，對於成份的關係與模型的結構進行效化，並且確認模型內部的一致性；四、模型分析：使用已效化的模型進行問題的解釋(或是分析)，大多數的情形為數據的計算或是邏輯推論；五、模型應用：問題的情境與原先有些許的不同時(進遷移)，能夠使用已效化的模型解釋；六、模型調度：問題的情境已屬於新情境(遠遷移)時，仍可使用已效化後的模型進行解釋；七、模型修正：若必須增加或減少成份(物件)與關係，才能進行問題的解釋，進而修正已效化後的模型，屬於模型(弱)重建；八、模型轉換：當效化後的模型不能解釋現象，代表此模型已經失效，必須重新建立新的模型，屬於模型(強)重建。有別於其他研究者所提出的建模歷程，刻意將模型重建的階段放入。在科學研究當中，每當有新證據的提出，且此新證據並不支持原先所建立的「科學模型」時，科學家必須放棄原有的模型，重新建立出與此證據相符的「科學模型」。這樣的修正，雖然後科學研究當中發生的機率並不高，屬於較高層次的建模歷程，但，透過這樣的修正會更貼近科學家對於科學本質的看法。上述的八個步驟，分屬在「模型發展階段」、「模型精緻化階段」、「模型遷移階段」、「模型重建階段」四大階段中(見圖 2-2-1)。 1-1 模型選擇模型發展階段 1-2 模型建立 2-1 模型效化模型精緻化階段 2-2 模型分析建模歷程. 3-1 模型應用模型遷移階段 3-2 模型調度 4-1 模型修正模型重建階段 4-2 模型轉換. 圖 2-2-1 建模歷程指標(Modeling Process Indicators, MPI) (引自邱美虹 2015) 14.

(28) 二、建模能力除了建構模型本身之外，還有其他面向也是相當重要的，例如：許多學者認為學生在建立模型過程中如何作決定是重要的指標(Prins et al., 2009;Wu, 2010)，也有學者認為對於學生使用模型解釋、討論以及反思模型本身亦是重要的能力表現(Chang, Quintana, & Krajcik, 2010;Hogan & Thomas, 2001)。因此，建模能力可區分成以下三個部份(Bahadir Namdar & Ji Shen,2015)：一、建模成品(modeling product)：從學生自行建構出的模型，判斷學生建模能力的情形，從此模型的物件組成、變數的使用與因果關係，以及此模型在表徵使用上的情況皆為可觀察面向。二、建模實作(modeling product)：主要著重在學生「計畫」產出模型的動態過程作為主要的觀察內容。三、後設建模知識(meta-modeling knowledge)：主要包含學生對於模型本質的了解、科學模型的目的、如何評價模型、如何反思模型以及建模歷程的知識(Schwarz&White,2005)。透過上述三個面向，即可讓建模能力更具有方向即目標的進行檢驗。三、建模能力評量建構模型是一個動態且複雜的過程，為了更符合學生在建模教學前後建模能力的改變，可從建模成品(modeling product)、建模實作(modeling product)與後設建模知識(meta-modeling knowledge)這三面向進行觀察與評量。在建模成品的面向，即可與學生建立模型時同時進行評量，評量學生如何使用、建立以及評價模型，但是，分析此學生與模型互動的動態過程之數據資料，必然是一大挑戰 (Bahadir Namdar & Ji Shen,2015)。對於後設建模知識的評量已跳脫特定建模任務，在實施上較為單純，並且可用此大略推估學生的建模能力高低。本研究的建模能力評量根據不同的教學主題有不同的評量內容，其評量面向較屬於評量學生的建模成品，因此，和學科知識內容較有關係。本研究選用張志康與邱美虹(2009)開發的建模能力指標，並加以修正(見表 3-4-10 及表 3-4-11)，研究一使用選擇題組合的方式確認學生的建模能力；研究二則是使用張志康與邱美虹(2009)開發的化學電池建模問卷做為評量工具。透過此方式，對於化學電池的建模能力評量即可大規模的進行施測，亦能夠了解學生的建模能力。. 15.

(29) 四、本節對於本研究的啟示從上述的內容可知，驗證式實驗的探究方式並不能使得學生在學習科學的過程中，達到其他層面的學習內容。透過引導式的探究，再加上模型的建構過程，亦可增進學生利用系統化的方式思考科學模型的建構過程。協助學生以建模本位開始思考問題，進行多變因的因果關係討論以及檢驗，並針對所建立的模型進行反思及精緻化。在本研究中，化學電池課程所涉及的內容皆尚未經歷模型重建的階段，由於本研究對象為國中階段的學生，僅聚焦於化學電池成份與關係的建立和化學電池交互作用的影響，尚未著墨於較高層次的建模歷程培養，並且較少涉及數據的計算內容。因此，本研究僅檢測學生模型選擇、模型建立、模型效化、模型應用與模型調度此五項建模能力，以下將對於建模能力的情況加以描述：一、模型選擇：化學電池中，電極、鹽橋與電解液的選擇。二、模型建立：化學電池中，電極與電解液的之間的關係。三、模型效化：使用鋅銅電池的模型，解釋電子與離子在此系統當中所移動的現象。四、模型應用：原本的鋅銅電池，將銅片抽換成石墨棒。五、模型調度：原本的鋅銅電池，將鋅片抽換成石墨棒，因為，抽換鋅棒反應物已經消失，此電池的反應已經和原先模型些許不同，變動較大屬於此建模歷程。本研究為了達到上述的安排，針對一般教科書文本解構，刻意以外顯化的方式，凸顯建模歷程的內容，若一般文本缺少建模歷程的內容，則以外加的方式添加入文本當中，透過此方式將一般文版轉換成「建模文本」，利於本研究使用；若針對「教學活動」則是透過授課教師引導學生經歷上述的建模歷程。因此，此兩種方式將作為「建模本位探究」最主要的研究變因。. 16.

(30) 第三節心智模式心智模式(mental model)為內部概念的表徵，或是內部概念連結成系統的外顯化結構表徵(Gentner & Stevens, 1983)，而心智模式亦可透過蒐集個別信念並組織而成(Chi, 2008)。Chiu 與 Chung 指出，在近三十年來，各研究者對於心智模式提供更為明確的定義。以下將針對心智模式的產生與心智模式的性質此兩部份進行說明。一、心智模式的性質 Gilbert 與 Boulter(1998)指出，心智模式即為想法、物件、事件、過程或是系統的表徵，明確的提及心智模式的功能，對於孩童而言透過反思既有知識即認識新知識的機制，可建構屬於自己的心智模式，並且此心智模式具備預測與解釋的能力(Vosniadou et al, 2001)。但是，針對心智模式的說法，各學者間透過不同的研究主題，針對心智模式的性質研究，卻未見得到相同的結論。 Vosniadou(1992)針對孩童地球的心智模式進行研究發現，可將孩童的心智模式透過正確性(accuracy)與一致性(consistency)大致分成三類，分別為：一、科學模式(scientific model)；二、綜合模式(synthetic model)；三、初始模式(initial model)。根據研究結果 Vosniadou 提出孩童對於地球的心智模式具有內部一致性，並於力學的研究中亦得到學生心智模式具內部一致性此項特徵(Ioannides &Vosniadou, 2002 )。但是，另一位研究者 diSessa(2004)指出，學生的心智模式並不具有內部一致性，其心智模式隨機且不一致。由上述資料可知，學生的心智模式特性包含了破碎以及不完整的知識，但是，當在進行問題解決或是概念理解時仍是具有一致性的特質(Chiu & Chung, 2013)。二、心智模式的產生 Vosniadou 認為在認知活動中，有新的資訊與舊有知識合併時即會產生新的心智模式或修補原有心智模式。並且，心智模式是動態或多解釋性的表徵 (Vosniadou, 1994)，藉以描述改變或是產生更多因果關係的解釋(Chi, 2008)。綜合以上 Chi 與 Vosniadou 的說法，心智模式透過教學(認知活動)即可發生改變，此改變是因為新資訊融入教知識而產生。換句話說，學習者的心智模式與科學概念 17.

(31) 兩者間不一定相同，甚至是相互衝突(Chi, 2008)，而不完整的心智模式可透過學習添加或補足缺漏的內容。許多學者仍認為，學生的心智模式雖然會改變，但不同的心智模式仍保持內部一致性，並且學生會使用具有一致性的心智模式以回答問題或預測 (McCloskey,1983; Samarapungavan & Wiers, 1997; Vosniadou & Brewer, 1992; Wiser, 1987)。根據上述的特性，當提出新情境希望學生回答，學生所使用的心智模式具內部一致性，因此，針對學生的回答內容與預測的情況來勾勒出心智模式的結構，並針對這些結構系統性的分析，進一步確認心智模式的樣態(Chi et al., 1994; Vosniadou & Brewer, 1992, 1994)。三、本節對於本研究的啟示在本研究中心智模式主要依據邱美虹(2008)針對電化學所提出七種心智模式進行分類，此七種化學電池的心智模式依據化學電池的成分、關係與延伸思考關係的正確性進行分類分別為：一、電池雛型模式：僅具備巨觀的電池成分；二、電池電解混淆模式：在電池外部連結一個電池，電路的判斷是由外部電池決定；三、電極混淆模式：混淆了電池電極的正、負極(陰、陽極)，在電極、電路與電池的反應皆與科學模式相反；四、電路雛型模式：具備大部分電池的組成成分及小部分電池的反應、通路的概念，但未建立完整的成分之間的關係；五、電路進階模式：具備電池的組成成分及電池的反應、通路的概念，但尚未建立完整的成分之間的關係，亦不了解延伸思考關係；六、類科學模式：具備電池的組成成分電池的反應、通路的概念，也建立完整的成分之間的關係，但尚未建立完整的延伸思考關係；七、科學模式：具備電池的組成成分及電池的反應、通路的概念，也建立完整的成分之間的關係，以及完整的延伸思考關係。根據本研究所選擇的教學內容，對於此心智模式的種類將會選取與課程相符的心智模式，作為分類主要的依據。而上述的分類方式，主要根據 Vosniadou 對於心智模式的定義所發展的內容，為了顧及完整性，因此在本研究中將 diSessa 對於心智模式的論點，針對學生心智模式不一致的情形加入「電池概念不完整」之心智模式，用以區分上述無法分類的學生。關於本研究心智模式的分類情形即結果，將於第三章與第四章詳細說明與討論(見表 3-4-7、表 3-4-14 與表 4-3-1)。. 18.

(32) 第四節化學電池相關研究西元前七世紀，希臘哲學家泰爾斯發現摩擦過後的琥珀，能夠吸引微小的物體，正緩慢的推開電學研究的大門。一七五二年富蘭克林與兒子透過一枝鑰匙引來閃電，導入萊頓瓶，終於證實了天上的閃電與摩擦產生的靜電，兩者沒有差別。一七九一年賈法尼解剖青蛙時，觀察到蛙腿產生抽搐的現象；一直到一八零零年，伏打發明出全世界第一個化學電池，終於能夠給予電學研究穩定的來源。接下來，十九世紀科學家們透過伏打堆電池，進行各式各樣的電化學研究內容，無疑的在理論與應用層面上皆有相當顯著的進展。一、化學電池的另有概念電化學的研究內容包括的範圍相當廣泛，主要是建立在氧化還原反應之上，亦有提及電解質的概念、電子與粒子的移動情形、化學反應的情形與化學反應進行的方向等。Garnett & Treagust (1992)針對 32 位高中學生透過電化學教學後，對於電化學電池與電解的另有概念進行調查，發現另有概念種類相當繁雜且龐大，並透過半結構式晤談診斷出學生擁有的另有概念後，可分成電路、氧化還原、電化學電池與電解此四個分類；Sanger & Greenbowe (1997)延伸 Garnett & Treagust 的研究內容，針對 16 位大學主修化學的學生在電化學教學後，進行半結構式晤談，檢測出新的另有概念，並從此研究中提到學生對於化學電池的微觀機制未能清楚理解。本研究的課程內容主要為「化學電池」，因此，將上述兩份針對電化學另有概念的研究內容進行整理，以 Garnett & Treagust (1992)的分類為主，挑選出關於化學電池的另有概念共有 18 個，並整理成表 2-4-1。二、化學電池的教學模式電化學的學習主題涉及巨觀、微觀與次微觀表徵間的轉換，對於學生而言屬於較難的單元(Osman & Lee,2014)。學生對於電化學有許多的另有概念( Garnett & Treagust,1992b; Sanger & Greenbowe,1997)，針對電化學的課程與教材設計，已有許多學者進行研究。以下，將分成教師教學以及教材使用進行比較與討論。在教師教學上，Doymus, Karacop, & Simsek(2010)利用拼圖法教學的教學方 19.

(33) 式，以分組進行學習電化學的概念內容，各小組精熟學習一個概念後，透過小組間的討論與分享，能夠學習到不同的概念。Burcin & Leman(2103)是利用探究為主實驗式活動進行電化學教學，讓學生進行實驗操作，並且驗證實驗理論的正確性。在教材使用上，Yürük (2007)使用概念改變文本，促使學生達到概念改變。 Osman & Lee(2014) 是以資訊與通信科技 (Information and Communication Technology, ICT)融入教學，以學習者為主體的學習並加上模擬教學，增強學生巨觀、微觀與次微觀表徵間的轉換。三、本節對於本研究的啟示針對文獻所提及的部份，將分成以下兩部份使用與進行說明： (一) 研究工具開發根據上述資料，電化學的另有概念在近幾年來尚未有新的文獻發現其他的另有概念。因此，使用本研究文獻所提及的另有概念，作為檢測另有概念的重點，將其放入化學電池科學概念評量工具中，藉此評量本研究之學生針對文獻中所提及的另有概念分佈的情形。 (二) 課程內容開發由化學電池的實徵性研究中可知，化學電池的科學概念，對於學生而言屬於較難的科學概念。透過改變教學方式與教材內容，對於電化學的學習成效皆優於傳統的教學方使與教材內容，兩者之間，仍相信尚有更為妥當的方式進行電化學教的教學方式。因此，保有上述「文本」對於概念的影響與「探究」促進概念的學習，作為本研究修改與討論的主要方向。在本研究中，將改編一般教科書的內容轉化成「建模式文本」而探究的教學法更聚焦於「建模本位探究」，透過此兩種方式的改變，一方面吸取實徵性研究中所提及的經驗，另一方面更是融入在「建模教學」的理論內容，希望透過兩方面的搭配，能夠產生更有效率以及更具良好學習成效的教學內容。綜上所論，本研究嘗試在「文本」與「教學活動」中更貼近科學家研究的過程，因此，選擇使用「建模教學」，學生透過文本以及教學活動能夠模擬科學家研究的步驟以及思考方式，希望能夠給予化學電池不同的教學內容與成效。. 20.

(34) 表 2-4-1 電化學-電化學電池的另有概念分類. 另有概念. 電路電荷法則 1a. 電池中，陰陽離子彼此互相吸引並朝向電極移動 1b. 水溶液中的正離子吸引電子穿越電解液。電位差 3a. 電位差僅由兩點之間的電荷濃度差異而決定 3b. 陽極為高電子濃度 3c. 陰極為低電子濃度 3d. 電子由電子濃度較高的陽極，穿越外電路到電子濃度較低的陰極電化學電池定義陰陽極 8a. 標準還原電位表中，還原電位最高的是陽極 8b. 標準還原電位表中，金屬的活性由上而下減少 *8c. 陰極或陽極是由擺放位置而決定 *8d. 陽極，為負電荷，如同陰離子；陰極，為正電荷，如同陽離子化學電池中的電流 10a. 電子從陰極進入電解液，並且通過電解液在陽極出現 10b. 鹽橋提供電子使得電路完整 10c. 鹽橋中的正離子吸引電子從一半電池到另一半電池，形成電流 10d. 化學電池中陰陽離子移動直到兩半電池濃度相同 *10e. 電子無需透過離子幫助，即可流過水溶液 *10f. 只有負電荷可在鹽橋與電解液中流動陰陽極 11a. 陽極為負電荷，因此吸引陽離子；陰極為正電荷，因此吸引陰離子 11b. 陽極因為失去電子，為正電荷；陰極因為失去電子，為正電荷 * Sanger & Greenbowe (1997) 所提及的另有概念. 21.

(35) 22.

(36) 第參章. 研究方法. 本章共分為六節，分別敘述本研究的架構與研究的方法。第一節為研究設計，介紹本研究的設計方式；第二節為研究對象，說明此研究對象的背景以及取樣來源；第三節為教學與教材設計，及列舉出本研究所需要教學流程以及教學內容；第四節為研究工具，目的在於介紹本研究所要的工具來源；第五節為研究流程，詳細列出本研究從預備階段、實驗階段與分析階段的時間規劃；第六節為資料分析，目的在於將研究工具所可測得的內容與研究問題加以對照，並且確定分析資料的方式。. 第一節研究設計本研究為了理解建模本位探究教學對於學生的科學知識內容、建模能力以及心智模式的影響情形，並試圖說明建模本位探究教學，使得學生在科學知識內容、建模能力以及心智模式上的表現。並且依照教學方式不同，將本研究分成兩子研究，進行不同的設計(圖 3-1-1 所示)。透過建模文本的使用，讓學生更明確的得知模型所建立的過程，進而了解模型不僅由實際的物件組合而成，也是可以利用較為抽象的想法構成模型，亦能夠了解模型在科學中所扮演解釋與預測的功能。另一個要點為討論探究活動若以建模本位的觀點出發，會使學生在整個探究的過程當中更有目的以及方向，以下將針對兩個子研究進行說明。. 建模本位教學研究一. 研究二. 化學電池的成份及關係. 化學電池的交互作用. 科學概念. 建模文本. 建模本位探究. 建模能力心智模式. 科學概念建模能力. 一般探究. 一般文本. 圖 3-1-1 本研究架構圖 23. 心智模式.

(37) 研究一：化學電池的成份及關係研究一目的是了解建模教學，對於學生學習的影響情形，藉由建模文本的使用，使教師選擇建模式的教學作為主要的教學方法。教學單元是以化學電池的成份及關係作為主題，經由介紹化學電池的基本元件，各別元件之間的連接關係，並從元件之間的連接關係建立後，了解化學電池運作的機制、建立化學電池的微觀解釋以及認識化學電池的化學反應方程式，在此研究中尚未介紹較抽象的影響化學電池電壓因素。研究一中分別有一般文本教學組和建模文本教學組，透過文本設計的不同進行教學，教師也會配合文本的內容，進行教學法上的不同。建模文本教學組策略，著重於模型建構與模型理解的過程，且讓學生得知，模型不僅只有實際的物體，某些非實體的想法亦是模型的範疇。並在過程中文本與教師教學透過外顯化的方式，使學生清楚理解每段文章所要建構的模型，使學生理解在科學當中建構模型的方式以提升學生的建模能力。而一般文本的教學策略，則是透過一般教科書內容，多以教師講述的方式進行授課。研究二：化學電池的交互作用研究二主要探討的是以建模為本位的探究教學，對於學生學習的影響情形為何。因此，在課程的設計上，將融入實驗課程的安排，讓學生可以進入實驗室進行學習，以驗證式實驗或引導探究式實驗完成課程教學與討論。研究二中分別包含一般探究組以及建模本位探究組，兩組皆會進入實驗室操作實驗，理解影響化學電池的變因。建模本位探究組中是以學生自行規劃實驗流程，如同科學家般的研究過程：發現問題、提出假說、實驗操作、數據分析與形成模型，並且在學生規劃實驗流程中，會透過學習單提醒學生選擇做這一步的目的。而在一般探究組如同一般課室當中驗證式實驗的設計，給予學生固定的實驗步驟一步步完成實驗操作內容、蒐集資料、分析實驗數據與以老師為中心的實驗結果討論。. 24.

(38) 第二節研究對象本研究的研究對象皆為台北市某一所完全中學七年級與八年級學生，皆無接受任何關於模型與建模的教學，且科學的背景皆尚未學習過任何關於電化學相關知識。本研究分成兩個子研究，並在這兩個子研究中皆有各一組的實驗組與對照組，以下將介紹關於本研究的研究對象在各子研究的組成情形(表 3-2-1)。研究一：化學電池的成份與關係研究一的教學主題為化學電池的成份與關係，主要是以文本作為主要的分類依據，可分成兩組，實驗組為「建模文本教學組」24 人；對照組為「一般文本教學組」27 人，兩組皆有教師引導學生使用文本授課，並且教師會依據文本內容編排的不同授課方式亦不相同。「建模文本教學組」是由該校自然科學性質社團學生組成，包含了 12 位七年級學生，12 位八年級學生；「一般文本教學組」是該校八年級某班學生組成，兩組學生並不重複。進行教學實驗時，建模文本教學組利用社團時間進行教學；一般文本教學組是於一般上課時間進行教學實驗。針對化學電池的課程內容，屬於原定於九年級的課程主題，本研究之學生皆未接受化學電池教學，因此本研究之學生對於化學電池的先備知識皆相同。研究二：化學電池的交互作用研究二的教學主題為化學電池的交互作用，主要探討建模本位探究教學，對於學生學習情形的影響，因此，研究一的建模文本組學生繼續擔任研究二的研究對象。研究二可分成「建模本位探究組」12 人與「一般探究組」12 人。為了配合校方社團課的安排與規劃，所以「建模本位探究組」的研究對象為七年級學生；「一般探究組」的研究對象為八年級學生，兩組學生皆由相同的教師實施教學實驗，分別在不同的周次進入實驗室進行實驗課程操作。表 3-2-1 研究對象人數統計表研究項目. 教學組別. 學生人數. 組成年級. 研究一. 建模文本教學組. 24. 自然科學社團，七年級與八年級組成. 一般文本教學組. 27. 八年級學生組成. 建模本位探究組. 12. 自然科學社團，由七年級學生組成. 一般探究組. 12. 自然科學社團，由八年級學生組成. 研究二. 25.

(39) 第三節教學與教材設計一、課程目標與課程規劃本研究對象為臺北市某完全中學七年級與八年級學生，分別給予「建模文本教學組」、「一般文本教學組」、「建模本位探究」與「一般探究」等不同的教學策略，探討教學後學生對於化學電池的科學概念、建模能力與心智模式的改變，其研究流成見表 3-3-1 及表 3-3-2 所示。本研究依據研究主題不同分為兩子研究：研究一、以化學電池的成分與關係為教學單元主題，根據教學方法的不同，藉由文本設計及教師授課的方式不同分成「建模文本教學組」組與「一般文本教學組」組，其課程規劃見表 3-3-3；研究二、以化學電池交互作用的影響為教學單元主題，是在探討影響化學電池電位的變因。在這一部分，主要透過「建模本位探究」和「一般探究」此兩種教學法，使學生進入實驗室，建模本位探究組會使用引導的方式，讓學生自行規劃實驗流程完成如同科學家進行研究的方式完成課程；一般探究的學生如同目前中學經常使用的驗證式實驗，再給予完整的實際操作後得到數據而驗證理論的正確性，藉此學習影響化學電池電壓概念，其課程規劃見表 3-3-3 與表 3-3-4。教案設計內容為表 3-3-5，則選用 103 學年度翰林版國中理化教科書國九電池的化學效應與邱美虹教授主持國科會計畫中電池的實驗內容作為主要教學內容，為了配合研究問題與研究對象，對於原先文本的適切性，刻意將文本重新排版撰寫，本研究所使用的文本皆經由一位具有科教背景的專家學者給予意見，使教學教材可符合教學目標，並符合七年級、八年級學生使用。表 3-3-1 研究一研究流程實驗教學前. 建模文本教學測驗：化學電池概念試題組. 化學電池成份與關係. 教學中. 教學後. 建模文本教學組. 測驗：化學電池概念試題. (2 節). 晤談：化學電池晤談試題. 一般文本教學組. 測驗：化學電池概念試題. (2 節). 晤談：化學電池晤談試題. 晤談：化學電池晤談試題. 一般文本教學測驗：化學電池概念試題組. 化學電池成份與關係. 晤談：化學電池晤談試題. 26.

(40) 表 3-3-2 研究二研究流程實驗教學前建模本位探究教學. 化學電池交互作用. 化學電池交互作用. 教學中. 教學後. 建模本位探究. 測驗：化學電池交互作用. 測驗：化學電池交互作用概念試題. (4 節). 概念試題. 晤談：化學電池交互作用. 晤談：化學電池交互作用. 晤談試題一般探究教學. 晤談試題. 測驗：化學電池交互作用. 一般探究. 概念試題. 測驗：化學電池交互作用. (4 節). 晤談：化學電池交互作用. 概念試題晤談：化學電池交互作用. 晤談試題. 晤談試題. 表 3-3-3 研究一「建模文本教學組」與「一般文本教學組」課程規劃建模文本教學組第一節. 一般文本教學組. . 模型與建模觀點介紹. . 化學電池成份介紹. . 化學電池成份介紹. . 化學電池關係介紹. 1.教師透過投影片講解模型與建模觀點 1.教師演示水果電池，並且說明水果電池的意義，包含模型可為具體也可非實物. 所需要的成分，從科學史的觀點介紹電. 想法和觀點，並強調成分之間的交互作. 池的演化過程，再由伏打電池引到鋅銅. 用以及模型本身的解釋與預測的能力。. 電池介紹化學電池的成分內容。. 2.教師演示水果電池，由學生觀察提出所 2.從鋅銅電池的演示實驗解釋各成分之看見的成分內容，以及猜測為何可以使. 間的關係，並且透過一般文本內容整理. 得燈泡發亮。引入科學史的內容，強調. 重點，提醒學生該注意的地方。. 不斷修正的電池其成分改變的部分。第二節. . . 化學電池關係介紹. 藉由觀察鋅銅電池的演示實驗，開始推. . 化學電池試題練習及檢討. 敲各成分之間的關係，並且透過建模文. 1.藉由教師的課堂重點整理，了解化學電. 化學電池關係介紹. 本效化自己所推論的內容，並且可以將此各成分之間的關係自行整理歸納，形成較為完整的化學電池基本構造。. 池各成分之間的關係。 2.學生透過試題的練習與教師檢討問題以強化所學內容。. 27.