利用POE策略探討國中三年級學生色光混合之另有概念及推理類型

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國立臺中教育大學科學應用與推廣學系

科學教育碩士學位在職進修專班碩士論文

指導教授：張嘉麟博士

利用 POE 策略探討國中三年級學生色光混合之另有

概念及推理類型

研究生：蔡佳興撰

中華民國九十七年一月

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利用 POE 策略探討國中三年級學生色光混合之另有概念及推理

類型

摘要

本研究以 POE 活動，探究 31 位國中三年級學生對「混合色光」持有的另有概念及推理類型。研究利用混合色光的實驗裝置，輔以 POE 活動單及晤談，收集學生混合色光的概念，並加以整理、分析、歸納。結果發現在學生持有的概念方面，有 64%的學生在混合色光持有科學概念，學生會利用吸收、混合、折射等科學概念來解釋現象，但仍有 25%的學生持有另有概念。研究者將其歸納為七個方面：1.光波強度方面、2.光的波長方面、3.光譜組成方面、4.光的折射方面、5. 光的吸收方面、6.光的反射方面、7.光的混色方面。在運用的推理類型方面，學生所運用的推理類型共有四種，分別是「類比推理」、「概念推理」、「直覺推理」、「歸納推理」，其中以歸納推理使用次數最多，顯示國中三年級的學生已發展出歸納能力，且本研究也發現大多數的學生在推理過程中會使用一種或二種以上的推理類型進行推理，而學生所持有概念及推理類型將影響學生的推理結果。最後本研究也發現學生所使用的概念類型及推理類型易受既有概念及推理模式影響。因此，本研究建議課程編寫者及教師，可以設計適當的教材及開發適合的實驗，來提昇學生的推理能力。關鍵詞：POE 策略、另有概念、推理、推理類型

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A Study on the Alternative Concepts and Reasoning Types of Mixed Colored Light of the Ninth-Grade Students Using POE Strategies

Abstract

This research studied the alternative concepts and reasoning types of mixed colored light of 31 ninth-grade students using POE strategies. The researcher designed an experimental equipment of mixed colored light and POE activities for interviewing students and gathering their concepts about mixed colored light. After analyzing the data, it was found that in the aspect of students’ concepts, 64% of students had scientific concepts in mixed colored light and they explained the phenomena by using the concepts of absorption, mixing of light, and refraction, etc. However, there were still 25% of students having alternative concepts. The researcher categorized the alternative concepts into seven aspects, including the strength of light wave, the wavelength of light, the composition of spectrum, the refraction of light, the absorption of light, the reflection of light, and the mixed color of light. Four reasoning types students presented were identified, including analogy reasoning, concept reasoning, intuition reasoning, and induction reasoning. In particular, students used induction reasoning most often, indicating that most ninth-grade students have already possessed the ability of induction. It was also found that most students used one or more reasoning types in the process of deduction, and their responses were influenced by both their concepts and reasoning types. Finally, the researcher suggested that writers of textbooks and teachers could design proper teaching materials and experiments to promote students’ abilities of reasoning.

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中文摘要………...…Ⅰ 英文摘要……….…..Ⅱ 目錄………...Ⅲ 表目錄………Ⅴ 圖目錄………Ⅶ 第一章緒論………1 第一節研究背景與動機………..……….1 第二節研究目的與待答問題………..………...………...5 第三節研究範圍及限制………..……….……5 第四節名詞解釋………..………….………7 第二章文獻探討………..……….……...9 第一節推理的意義及重要性………..………...….9 第二節推理的認知發展與認知模式……….……..……….12 第三節推理能力與概念學習………..……..………15 第四節推理的類型及國中學生推理的相關研究………17 第五節 POE 策略……….………25 第六節色光混合的原理及另有概念研究.……….….28 第三章研究設計……….……….... 36 第一節研究發展與方法……….………..…...……….36 第二節研究流程………..….………....41 第三節研究對象………...47 第四節個案班級……….…..47 第五節資料蒐集與分析………….………..……...……….48 第六節研究的信度與效度……….…………..…51 第四章結果與討論……….…... 54 第一節另有概念………...54

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第二節推理類型………..…………..…66 第三節概念與推理類型對推理結果的影響……..….……..…….……..76 第四節綜合討論………..………..……...100 第五章結論與建議………..……….…………..107 第一節結論………..……….………107 第二節建議……….……..………111 參考文獻………..…..114 附錄一：國中三年級學生混合色光概念單色玻璃紙觀察活動單...122 附錄二：混合色光 POE 活動單…………..………...…123

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表目錄

表 2-5-1 歸納推理的類型………20 表 2-6-1 分段能力指標次主題 216 光的主題………....…………34 表 3-1-1 單一顏色玻璃紙實驗結果………38 表 3-5-1 資料編碼表……….………...50 表 4-1-1 學生在 POE 活動的作答情形…………..………..55 表 4-1-2 學生在色光混合所持有的概念…….………...……58 表 4-2-1 學生推理類型統計表………..…..………67 表 4-2-2 ST12 學生的推理歷程………...68 表 4-2-3 ST2 學生的推理歷程………..………...68 表 4-2-4 ST1 學生的推理歷程……….……….…………..……….69 表 4-2-5 ST13 學生的推理歷程…….………..…………70 表 4-2-6 ST15 學生的推理歷程……….…..………71 表 4-2-7 ST18 學生的推理歷程………….…………..….………...72 表 4-2-8 ST4 學生的推理歷程……….………..………..73 表 4-3-1 概念對學生推理結果的影響統計表….…………..…..……...76 表 4-3-2 SA3對推理結果的影響….……… …….….…….…….……...77 表 4-3-3 SA±對推理結果的影響………..………..78 表 4-3-4 SG3對推理結果的影響………….……...…..80 表 4-3-5 SG±對推理結果的影響……….……..………..81 表 4-3-6 SC3對推理結果的影響………...…………..………82 表 4-3-7 SC±對推理結果的影響………..…..……….83 表 4-3-8 推理類型對推理結果的影響統計表……….…………...85 表 4-3-9 A3對推理結果的影響……..……….…………86 表 4-3-10 A±對推理結果的影響……….….………87 表 4-3-11 C3對推理結果的影響………..………88 表 4-3-12 C±對推理結果的影響……….……….88 表 4-3-13 G3對推理結果的影響……….……….…………89 表 4-3-14 G±對推理結果的影響……….………90 表 4-3-15 I3對推理結果的影響………..90 表 4-3-16 概念及推理類型對推理結果的影響…………..……….93

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表 4-3-16 SAA3類型的說明………..………93 表 4-3-17 SAA±類型的說明………..………...94 表 4-3-18 SAC3類型的說明………..…94 表 4-3-19 SAC±類型的說明……….………95 表 4-3-20 SGA3類型的說明………..96 表 4-3-21 SGG3類型的說明……….………...96 表 4-3-22 SGG±類型的說明………..97 表 4-3-23 SCC3類型的說明………..97 表 4-3-24 SCC±類型的說明………..………...98 表 4-3-25 SCI3類型的說明……….………….………....99 表 4-4-1 洪淑淩(2006)研究和本研究比較……….………..101 表 4-4-2 學生在「預測」和「解釋」階段所持有的概念……...101 表 4-4-3 學生在「預測」和「解釋」階段所運用的推理類型次數表……..……….……….. …..………..105

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圖目錄

圖 2-3-1 科學學習心理學的科學推理認知模式……….……15 圖 3-1-1 混合色光的實驗裝置……….………37 圖 3-2-1 POE 活動實施流程圖………..…39 圖 3-2-1 研究流程圖……….42 圖 4-1-1 學生作答情形統計圖…..…………..……….………56 圖 4-1-2 學生持有概念比例圖………...65 圖 4-2-1 學生推理類別比例圖……….…………74 圖 4-2-2 學生推理類型比例圖……….75 圖 4-4-1 學生在預測和解釋階段持有概念次數圖………....…103 圖 4-4-2 學生運用的推理類型比例圖……….………..…104 圖 4-4-4 學生在「預測」和「解釋」階段所運用的推理類次數圖………..……….……105

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第一章緒論

本章共分四節，第一節敘述研究背景與動機，第二節說明研究目的與待答問題，第三節說明研究範圍及限制，第四節解釋重要名詞。

第一節

研究背景與動機

「我思故我在」這是理性主義大師笛卡兒的至理名言，意思是說：「人類因為思考而產生存在的價值」。思考讓人類異於其他生物，人類透過思考解決問題，也利用創思成就萬千世界。在人類思考的能力中，推理能力是屬於一種高層次的認知能力，它能協助個體清楚的知悉所處環境的因果事件(涂金堂，1999)。從皮亞傑的認知發展階段來看，人類在運思前期(2-7 歲)已發展出直接推理的能力，在具體運思期(7-11 歲)已能運用邏輯思考，再到形式運思期(11-15 歲) 已能發展出演繹推理及歸納推理能力(高廣孚，1989)，由此可知人類的推理能力是與生俱來的，而且會隨著年齡增長日漸發展成熟。人類的推理能力和人類的活動習習習相關，從生活、學習到工作，都經常運用推理。例如人們由日常經驗中得知：如果天下雨，那麼地就濕，所以今天下雨，今天的地會濕，這就是簡單推理技巧的運用。學生在學習過程中也會用到推理的技

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巧，例如學生學習到凡金屬都會導電的，銅是金屬，所以銅會導電。且學生喜愛看的日本卡通柯南及偵探推理小說，甚至最近很流行的達文西的密碼…等，都是利用推理技巧的方式呈現的。在人類科學的發展上，推理也占有舉足輕重的地位，例如達爾文從大量的、零散的現象中捕捉到生物進化的經驗證據，並由此發現生物進化的規律性，進而提出物種起源的假說，達爾文曾說過：「如果沒有推理，誰也寫不出這樣的東西」。又例如化學家凱庫勒由利用類比推理的方式，從頭尾相連的蛇的具體形象，類推出苯分子的環狀結構，便是一個充滿戲劇性的例子。因此任何一個人，只要進行思維，就會用概念作出判斷，判斷和判斷之間最有意的聯繫是推理(李靜、宋立軍、張大松，1994)。國內有很多的研究指出，學生的推理能力越好，學習成效越好，尤其是在數理科的學習（尹曼莉，2001；黃善美，2001；蔡秋霞，2001）。美國的「全美數學教師委員會」（ The National Council of Teachers of Mathematics,NCTM）在 2000 年的「數學原則和標準」（Principles and Standards for School Mathematics）中指出，推理能力是幼稚園到高中的學生，必須學習且應具備的數學能力之一。

然而在2006年三月初舉行的國中、小學生數學學習能力成就測驗中，測驗結果發現台灣學生計算能力優於美國學生，但理解、推理能力卻明顯不足，需要加強 (大紀元，2006)。這也顯見，國內學生在精熟學習之下，計算能力都很強，

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但屬於需要動腦筋的高層次的推理能力，國內學生普遍都很弱，因此如何提昇國內學子的推理能力，一直是教育當局努力的課題之一。教育部為了加強學生的推理能力，在推行的九年一貫自然與生活科技學習領域課程中，欲培養學生：「主動探索與研究」的基本能力中指出：基於對自然現象不斷的探索，養成求真求實的精神，具有觀察、蒐證、歸納、研判及推理的能力。由此可知，學生的推理能力已成為國內外教育發展的重點(教育部，2003)。然而學生在運用推理的過程中，必需使用正確的概念來判斷，如此才能做出正確的推理。九年一貫在自然與生活科技領域課程中，從國小到國中階段，陸陸續續都有教導學生色光的概念，例如：國小四年級自然領域的課程中，便有教導學童如何製造彩虹光，也教導學童如何利用三稜鏡，產生色散的色光；國中二年級的理化課程也教導學生透鏡的成像原理及光的反射、折射、三原色等概念。因此對學生而言，「色光」是學生熟悉的概念，也是學生常接觸的現象之一。但有很多的文獻指出，學生對於「色光」的概念有很多的迷思，學生對「色光」概念的理解確不一定是正確的，例如：陳采真(2002)分析國內外相關研究後發現，學生對光和顏色的迷思概念為「色光是顏色的混合物」、色光是白光上添了顏色，王玉龍 (2006)以 POE(Predict-Observe -Explain，預測-觀察-解釋)策略探究國小六年級學生之色光概念及概念改變歷程也指出，學生對於色光普遍存有另有概念，包括不同色光有強弱之分、色光本身有深淺等，而這些不正確的概念將會對

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學生推理產生不良的影響，林明軫 (1994)也指出：學習者先備概念正確與否，將影響到後續的學習成效，若學習者存有一些不適當的迷思概念必定會成為後續學習的阻礙。因此教師必須透過適當的方法來幫助學生更正不適當的概念。

從國內外許多的實徵研究中顯示，POE 對於學生概念學習具有很重要的助益，且能廣泛運用在科學教育上，協助教師瞭解學童的先存概念，促進學童的科學學習，是一項有效的教學策略(Palmer,1995；White & Gunstone,1992；張宗義，2003），同時 POE 也是一種評估學童概念理解的良好工具，特別是物質科學方面的主題，能助於瞭解學童的概念與思考歷程（Palmer,1995）。

White 和 Gunstone(1992）提出 POE 策略，是用來探測學生瞭解情形的一種三合一策略。首先學生要先預測某件事情的結果，並且確認好他們的預測；接著學生描述他們所看到的現象；最後學生必須協調(reconcile)介於預測與觀察之間的衝突。在協調預測與觀察之間的衝突時，學生的概念便會發生改變，教師可以從中掌握學生可能產生的另有概念，同時，教師也可以從中研究學生的推理類型。因此本研究擬以 POE 為研究方法，探討國中三年級學對於色光混合現象持有的另有概念及其在 POE 活動中所運用的推理類型。

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第二節

研究目的與待答問題

本研究之研究目的有以下三點：一、利用 POE 策略來了解國中三年級學生對於色光混合的另有概念？二、利用 POE 策略來了解國中三年級學生對於色光混合的推理類型？三、了解學生持有的概念類型及運用的推理類型，對推理結果的影響。基於上述目的，本研究欲探討的問題如下：一、國中三年級學生對色光混合的另有概念為何？二、國中三年級學生對色光混合的推理類型為何？三、國中三年級學生對色光混合所持有的概念類型及推理類型，對推理結果的影響為何？

第三節研究範圍及限制

本研究屬於質的研究，受到人力、時間等種種因素的影響，研究的範圍和限制如下：一、研究範圍 (一)研究樣本的範圍本研究對象的範圍，僅限於台中縣某國民中學三年級學生，並未朝隨機、大

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樣本方向做廣度的取樣，而是直接自研究者鄰近國中抽取一班 31 名學生，利用 POE 的策略，輔以半結構式個別晤談的方式，深入探討國三學生色光混合之另有概念及推理類型。 (二)研究內容的範圍在研究內容上，主要利用色光的基本概念進行探討，利用光經過玻璃紙會產生色光，經放大鏡聚光，再透過三稜鏡色散之後產生不同的色光來設計，並參酌專家、學者對混合色光概念的研究成果，及學生生活中的認知架構為研究之內容，研究過程中乃以上述內容為主，欲探求樣本的另有概念及推理類型。二、研究限制 (一)研究工具的限制本研究設計的 POE 活動單，問題陳述是研究者根據色光活動內容所編寫，並徵詢指導教授與兩位國小自然科資深教師、以及四位自然科學教育研究所研究生的意見後，修訂而成，再於正式研究時使用，而個別晤談的重點則僅以 POE 活動單上所述為探究方向。 (二)研究結果的限制本研究僅限於國中三年級學生有關「色光混合現象」之另有概念及推理類型之分析，無法針對所有不同年級學生做更完整詳盡的描述，且測試工具及晤談時間有限，紙筆或言語的表達都有可能無法完全包含研究對象的所有概念，因此研

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究結果推廣的範圍有限，不宜做過度推論。

第四節名詞解釋

一、POE 策略（Predict-Observe-Explain），簡稱 POE。

POE 是一種教學策略，是指在活動中採用（Predict）預測─觀察（Observe） ─解釋（Explain），等三個步驟的教學策略，POE 策略要求學生於活動過程中，針對所探究的現象，以自己的先備知識進行預測，而後實際操作實驗，並觀察實驗過程與結果，最後由學生針對其觀察的結果提出解釋。本研究以 POE 策略為本研究之研究方法。二、另有概念(alternative conception) 本研究所稱之「另有概念」係指學童在學習科學相關知識概念中，具有獨特的想法，此想法可以引導學童認識及瞭解日常生活所遭遇到的事物，但卻不同於教師、課本、學者專家之看法、想法與信念，和科學家的科學知識不同，稱為「另有概念」（Wandersee et al.,1994）。三、色光混合光的三原色是指紅、綠、藍三色光。三原色光束可以混合成其他顏色，此即為加色混合。如紅色加綠色成為黃色，三原色光相加成為白光。本研究中，所謂

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的色光混合是指利用兩種有色玻璃紙對白光進行濾色及混色，讓學生預測此色光混合經三稜鏡色散後的色光。四、推理（reasoning） Krulik 和 Rudnick（ 1993 ）認為推理是思考的歷程中，高於回憶之層次，其包含基本的思考、批判性思考，以及創造性思考。張春興（2003）也指出，推理（reasoning）是指在思維時遵循某種邏輯法則，以已知的事實或假設條件為基礎，推演出有效結論，從而對事理間之關係獲得理解的歷程。五、推理類型本研究所探討的學生推理類型是指學生在進行 POE 活動時，所採用的推理方式，而本研究所採取的推理類型是綜合張春興(1992)所提出的「歸納推理」及周家卉(2006)所提出的「概念推理」、「類比推理」、「直觀知覺反應」。而將推理類型分成「歸納推理」、「概念推理」、「類比推理」、「直覺推理」等四種類型進行分析。

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第二章文獻探討

本章旨在敘述與本研究相關的中外文獻，並作為研究時的參考，共分為六節，第一節闡述推理的意義及重要性；第二節敘述推理的認知發展與認知模式；第三節論述推理能力與概念學習；第四節說明推理的類型及國中學生推理的相關研究；第五節介紹 POE 策略，第六節說明另有概念及色光的另有概念研究。

第一節推理的意義及重要性

一、推理的意義推理（reasoning）是屬於一種高層次的認知能力，是一種複雜的心智活動，國內外學者對其定義略有不同。Guilford (1967）視推理是一種心理能力，認為推理與收斂思考有關，是個體在思考解決問題時，根據已有知識，循邏輯規則去尋求正確答案。Anderson (1990)則認為推理是一種人類評鑑並產生邏輯論點的歷程。Krulik 和 Rudnick（1993）認為推理是思考的歷程中，高於回憶之層次，其包含基本的思考、批判性思考，以及創造性思考。Rosser (1994)認為推理是由既有的經驗引出新訊息的思考過程。張春興（2003）指出，推理是指在思維時遵循某種邏輯法則，以已知的事實或假設條件為基礎，推演出有效結論，從而對事理間之關係獲得理解的歷程。李丹 (1989)指出推理也是藉由一個或多個判斷，推演出另一新判斷的思考過程。朱水林 (1997)從邏輯的觀點指出：推理是

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從一個或幾個已知判斷推出一個新判斷的思維形式。二、推理的重要性涂金堂 (1999)曾指出推理能力是屬於一種高層次的認知能力，它能協助個體清楚的知悉所處環境的因果事件，學生在學校的學習過程中，例如在語文科方面，會進行閱讀推理活動，在數學科方面常需要具有歸納能力，在科學領域中，老師也常用類比推理的比喻來讓學生學習抽象的概念。王美芬、熊召弟 (1995)也指出推理是由已呈現的結果（包含觀察到的現象）去推想造成這種結果的原因為何，進而建構出想法與解釋，因此推理是將結果做解釋、思考、邏輯分析，推理和觀察是並行的，觀察應包括推理。在美國教育已有很多要求加強學生思考和推理能力的呼聲和實際行動，在 1989 年在維吉尼亞州所舉行的第一次教育高峰會，特別將思考和推理列入主要教學目標之一 (陳素玲，2002)。同時美國的「全美數學教師委員會」（The National Council of Teachers of Mathematics,NCTM）在 2000 年的「數學原則和標準」（Principles and Standards for School Mathematics）中將推理能力列為幼稚園到高中的學生必須學習且應具備的數學能力之一。

國內有很多的研究均指出學生的推理能力越好，學生的學習成效越好，尤其是在數理科的學習（尹曼莉，2001；黃善美，2001；蔡秋霞，2001）。江新合 (1982) 指出數理科的學習一般分為六個層次：記性、理解性、應用性、分析性、綜合性、

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評價性，除了前兩項的學習較不必仰賴理解與推理能力外，其餘皆須仰賴理解與推理能力才能進行有意義的學習。推理能力除了對學生的數理科學習有幫助外，更能幫助學生解決問題。張景媛、陳萩卿（2003）認為，推理思考在問題解決過程中扮演重要的角色，不但能幫助個人從複雜問題中理出解題規則，也協助個人評估並判斷外在資訊間的相關性，逐漸建構有效的問題解決歷程。教育部推行的九年一貫自然與生活科技學習領域，也將推理能力視為培養學生的基本能力之一，在其欲培養學生「主動探索與研究」的基本能力中強調，基於對自然現象不斷的探索，學生應養成求真求實的精神，並具有觀察、蒐證、歸納、研判及推理的能力 (教育部，2003)。由以上論述可歸結以下重點：一、推理能力是一種高層次的認知能力，在日常生活中人們時常運用推理能力來解決問題；二、不管國內或國外均把推理視為學生必須具備的能力之一；三、從許多的實徵研究中也指出學生的推理能力愈好，其數理科的表現也愈好。由此顯見推理能力的運用，不管在日常生活中，或在學生學習上均占有重要的地位。因此基於以上的重要性，本研究擬以 POE 的研究方法，欲探討學生在色光混合的實驗中，運用推理的情形。

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第二節推理的認知發展與認知模式

一、推理的認知發展人類推理能力的發展可從幾個面向來看： (一)從身體發展而言：推理能力從嬰兒階段便開始發展，腦神經學家利用正子掃描和功能磁振造影的最新科技，確定大腦的額葉某些主宰著人類數理、邏輯解決問題能力的特定區域，大約在嬰兒 3 個大時，已開始發展，且大約 5 個月大的嬰兒，具有數量與推理能力 (王秀園，2005)。 (二)從人類智能發展的結構而言：心理學家 Guilford (1956)認為人的智能結構分為運作型態共分五類。包括認知作用、記憶作用、擴散性思考歷程、聚斂性思考歷程及評鑑性作用。內容共分四類，包括：圖形的、符號的、語意的、行為的。成果共分六類，包括：單位、類別、關係、系統、轉化與衍生等。基爾福認為上述運作型態、內容和成果等三項交互作用結果，構成一百二十種人類心智能力。其中的擴散性思考和聚斂性思考歷程便包括推理能力 (引自張玉成，1986)。 (三)從人類身心發展的角度而言：發展心理學學者認為，一個人的認知能力和年齡的成長，及經驗的增進和累績有極大的關係，發展心理學的大師 Piaget 認為人類的認知能力發展是循序漸進、階段分明的，兒童的認知發展歷程

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主要分成四個階段，即感覺動作期、前運思期、具體運思期、形式運思期。每個階段開始的時間雖有個別差異，但各階段的發展的先後順序不會改變。以下是四個主階段的劃分標準： 1.感覺動作期(sensorimotor stage)：從出生到兩歲左右。在這段時間，嬰兒用動作和感覺對四周環境的刺激發生反應。在此期的認知對象，僅限於具體的事物。 2.運思前期(pre-operational stage)：二歲到七歲的兒童，兒童思想的萌芽期，此期認知發展特徵，包括記憶功能、自我中心觀、集中注意、直接推理、因果關係及同一性等。

3.具體的運思期(concrete operational stage)：七歲到十一歲的兒童，已知將邏輯思考的歷程，應用於解決具體的問題。唯此期兒童的邏輯運思，只限於具體問題，若問題性質稍微抽象，則顯得無能為力。

4.形式運思期(formal operational stage)：十一歲到十五歲的青少年，此期的運思的方式有二：一為假設推理(hypothetical reasoning)又稱演繹推理 (deductive reasoning) ；另一為科學推理 (scientific reasoning)又稱為歸納推理(inductive reasoning)。

發展心理學另一位大師布魯納認為兒童的認知發展，分成三個不同的階段： 1.動作表徵期(enactive representation stage)：是從動作中去認知，以

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求了解外界的事物。常用手去摸，腳去觸，口去嚐的方式。

2.形像表徵期(iconic representation)：認知形式，漸由具體的認知，進入思想動作的認知，兒童可憑記憶說出所見物體的形象。

3.符號表徵期(symbolic representation stage)：此期約自十三歲左右開始，至青年期。對事物的認知可用語言、文字、數字、圖形等符號以表他的經驗和知識。此期的認知特徵，即是形像表徵的心像，經過分析與綜合的反省過程內在化(高廣孚，1989) 綜合以上的論述，可發現人類推理能力是與生俱來的，而且是一種較高層次的心智能力，再由心理學的認知發展理論可知，人類的推理能力是隨著年齡的增長，逐漸發展成熟，而 11-15 歲的青少年認知發展已步入形式操作期，他們能有系統的思考及推理，且他們也能將認知的形像，透過分析與綜合的反省過程來內化。因此本研究以國中三年級的學生為樣本，欲探究學生進入形式操作期後，其推理能力的發展情形。二、推理的認知模式：《科學學習心理學》(熊召弟、王美芬、段曉林、熊同鑫(譯)，1996）中也提出，一個學生在推理一個科學現象時，他可以用人類的資訊處理系統的成分來發展他腦中的個人心智模式，基本上學生要常常面對一個含有疑問、觀察和結論的問題解決環境，學生要進行一些認知過程並在架構腦中工作記憶區的各種關聯

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性，當學生在工作區中進行推理時，他會將適當的事實、原理和技能儲在長期記憶區以備未來使用，茲將科學推理的認知模式圖示如下：學生的長期記憶區 1.科學的事實與原理 2.基本的科學方法和統整科學方法 3.理論和模式學生的工作記憶區 1.認知過程 2.建構關連問題解決環境 1.問題 2.觀察 3.結論圖 2-3-1 科學學習心理學的科學推理認知模式(熊召弟、王美芬、段曉林、熊同鑫(譯)，1996）

第三節推理能力與概念學習

概念是包括主要屬性（attribution）或特徵（features）的同類事物之總稱（鄭麗玉，1993）。Gagne (1993)認為概念的意義個人對一組觀察事物或其特

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質的行為反應，可分為具體的概念（concrete concept）與定義的概念（defined concept），前者是以知覺上的特徵為分類的依據，後者無法從視覺上予以界定，而必須以語言或文字來說明。朱水木 (1997)指出概念能幫助學習，概念也是引導學生思考的基礎，是反映事物及其本質屬性的思維形式，也是思維形式最基本的組成單位，有了概念才能構成判斷，而推理則是由判斷構成，因此，概念是思維的細胞，如果細胞出了問題，那將波及判斷和推理，思維就不能正確。因此，學生若持有錯誤的概念將會影到推理的過程。張景媛、陳萩卿（2003）提到演繹推理和年齡、認知發展、經驗、情境等有關。不同學習者的推理能力不相同，加上既有的暫時性理論也不相同，所以對同一件事情，往往會有很多種想法，然而很多想法是屬於非科學的另有概念。陳榮祥（2002）也曾指出理論建構和觀察之間是一個循環，學習者藉由感官經驗的觀察，歸納出許多暫時性的理論，此暫時性的理論，因為是個體建構的，所以注意力不同會得到不同的暫時性理論，這些暫時性理論可能是不完備的，與科學概念有差異的。而這些非科學的另有概念將影響到學生推理的判斷，因此教師應幫助學生修正這些另有的概念，以利學生推理。很多的研究指出，教師可以利用適當的教學方式，增進學生的推理能力，陳昱蓁 (2006)曾以 POE 教學方式，教導幼小兒童速度概念，並探討幼小兒童速度概念及科學推理策略之改變及遷移效果，結果顯示：一、POE 速度概念教學大致能改變幼小階段兒童「變因」速度概念之

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推理策略，大班兒童的改變較二年級兒童佳。二、POE 速度概念教學能改變幼小階段兒童「現象與一維分析」速度概念之推理策略。三、幼小階段兒童在「二維分析」的速度概念之推理策略有提升，但仍受到年齡認知發展的限制。廖婭妏 (2004)也曾運用『科學推理』於網路互動學習，研究國中生原子概念之建構與推理，結果發現相較於對照組，實驗組經過網路化推理模式後，不論是學業分組 (高、中、低)的學生，或是科學推理分組(過渡期、具體運思期)的學生，分別在原子單元學習成就、原子單元相依推理能力皆能獲得更好的學習成效及學習保留效果。在科學推理能力方面，學生在教學後經過一段時間後也能獲得頗佳的學習保留力。所以不管是概念促進推理或是推理促進概念學習，從以上的研究可以證實兩者是相輔相成的，均能獲得很好的效果。

第四節推理的類型及國中學生推理的相關研究

一、推理的類型李靜、宋立軍、張大松 (1994)指出，對於科學推理劃分可以有多種依據。而且，從不同依據來研究推理，有助於從不同的側面更深刻地揭示科學推理的豐富內函。古希臘亞理士多德曾有系統地研究推理的結構及模式，他將推理分成演繹推理、歸納推理與類比推理。Hegan 和 Keller (1996)認為，科學推理通常是

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科學探究期間發生的思考過程，學生在進行科學探究過程中，獨自思考或小組討論時產生的推理思考表徵有以下六種： ( 一 ) 分析的推理（ analytical reasoning）； ( 二 ) 類比的推理（ analogical reasoning）； ( 三 ) 對話的推理（dialogical reasoning）；(四)推論的推理（inferential reasoning）；(五) 評估的推理（ evaluative reasoning ）； ( 六 ) 整合的推理（ integrative reasoning）。 Driver、Leach、Millar 和 Scott（1996）更利用許多問題來探究學生對科學知識的觀點，經由學生反映出的科學理論的本質與型態、理論與判準之間的關係，獲得普遍學生認識論推理的表徵（representation）如下： (一)以現象為基礎的推理；(二)以關係為基礎的推理；(三)以模式為基礎的推理。張春興 (1992)把一般的「推理」分為演繹式推理與歸納式推理，另外有一種是不按邏輯程序的推理方式，稱為捷徑式推理。陳素玲 (2002) 則將 Hongan 和 Keller 所定義的六個推理模型，與 TIMMS-2003 所定義的九種推理做一分析整合，整理出類比、對話、歸納、演繹、評估、整合等六種推理。張景媛、陳萩卿（2003）認為，推理思考在問題解決過程中扮演重要的角色，不但能幫助個人從複雜問題中理出解題規則，也協助個人評估並判斷外在資訊間的相關性，逐漸建構有效的問題解決歷程，並將推理思考的類型分為：演繹推理

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思考、類比推理思考和歸納推理思考三種。周家卉 (2006)研究學童科學推理類型之研究，將學童的推理類型分為「概念推理」、「邏輯推理」、「類比推理」、「實驗技能推理」、「經驗推理」、「字義推理」、「直觀知覺反應」等七類。而本研究根據王玉龍 (2006)及洪淑凌 (2006)對色光概念的相關研究，再配合初探的研究結果，並綜合張春興（1992）的「歸納推理」及周家卉 (2006)「概念推理」、「類比推理」、「直觀知覺反應」，將學生的推理類型分成「歸納推理」、「類比推理」、「概念推理」、「直覺推理」等四類，茲將這四個推理方式整理如下： (一)歸納推理(inductive reasoning) 簡稱歸納(induction)，係根據許多個別事例，而逐漸累積歸納出一個共同的原則 (塗金堂，1999)，其前提通常是陳述個別事實的單稱命題，而結論是陳述某種普性的全稱命題 (張春興，1992)。李靜、宋立軍、張大松 (1994)指出歸納推理有四點特徵：1.推理之根據為多個具體的事例，不是普遍性的原則。2.多個事例彼此類似，類似之點即為推理之根據；故而歸納推理也稱為類推論證 (argument by analogy)。3.類推論證所得結論，只能視為邏輯上的可能性或機率法則，而不像演繹推理一樣具有確定的有效論證。4.在歸納推理中，每一個命題所包含的名詞都相同，不像三段論法那樣有大詞小詞之分。歸納推理可分為底下幾種類型：

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表 2-5-1 歸納推理的類型(引自李靜、宋立軍、張大松，1994)。類型推理形式例子全稱歸納 S1 是 P S2 是 P S3 是 P …… Sn 是 P S1，S2，S3…Sn 是 S 類的部份對象所以，所有 S 都是 P 銅是導電的鐵是導電的鋁是導電的 ……… 所以，所有金屬是導電的統計歸納 1935 年瑞典女嬰出生率為嬰兒總數的 48% 樣本中百分之幾的 S 是 P 所以，總體中百分之幾的 S 是 P 所以，嬰兒總數中有 48% 是女嬰典型歸納 S1 是 P S1 是 S 類的代表性個體鐵是導電的鐵是金屬所以，所有 S 都是 P 所以金屬都是導電的本研究的歸納推理是依據張春興 (1992)的定義，將「歸納推理」定義為：將個別的事實單稱命題，而結論是陳述某種普性的全稱命題。 (二)類比推理是指藉由把握不同事物的相似關係而實現由已知導出新知的思維方法。其主要的特徵如下： 1.類比前提的非清晰性：類比推理的前提是兩個特殊對象之間的相似屬性。既可

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以是同類的、也可以是不同類的，甚至是類差極大的事物。 2.類比對背景知識的依賴性：所謂「背景知識」是包括人類一定認識階段上的感性認識與理性認識總體，也包括認識個體的個別經驗知識；它們作為認識主體的已有知識，參與到類比的具體思維過程中，承擔著「信息庫」與「邏輯中介」的雙重職能。其公式表示如下： A：具有屬性 a、b、c、d； B：具有屬性 a、b、c；所以，B 對象具有屬性 d(李靜、宋立軍、張大松，1994) 周家卉 (2006)也指出類比推理係指學童能將已有的知識，遷移到另一個新的問題情境，再將具有相似性的訊息表徵，進行應對。黃幸美（1994）指出年齡對類比推理思考是個重要的因素；形式運思期以前的兒童，只要類比推理的問題設計是在他們熟悉的知識領域及理解的關係時，則他們亦能表現類比推理技巧；提供解決類比推理問題相關的知識、經驗、暗示、線索及教學活動，有助類比推理解題成功，尤其對年幼的兒童益為重要。本研究的「類比推理」是依據周家卉 (2006)的定義，定義為：學生在色光混合的過程將已知的知識遷移到另一個新的問題情境，再將具有相似的訊息表徵進行應對的過程。

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(三)概念推理概念是包括主要屬性（attribution）或特徵（features）的同類事物之總稱（鄭麗玉，1993），概念也是學習者用以瞭解、解釋、預測事件或系統的心智活動表現 (楊宗達，2001)，而概念的學習是個體不斷主動求知建構的心理歷程，學生透過個人已有的認知或經驗，以獨有的方式建立自已的知識 (潘宏明， 1994)。因此概念學習是學生主動建構的過程，學生在學習過程中，會從教師或教學內容中學習相關概念，當學生在科學探究的過程中，便會依據自己本身建構的概念來解釋或推論所遭遇的科學問題 (周家卉，2006)。亦即學生會運用本身既已有的概念來進行推理，此即為「概念推理」，但在學生持有的這些概念中，有些與科學家的解釋相符，此即為科學家概念；有些卻與科學家的解釋不符，這些與科學家不符的概念即為另有概念，因此本研究所謂的「概念推理」即是根據周家卉 (2006)對「概念推理」的定義，定義為：學生運用本身已有的既定概念來進行色光混合的推理，而此既定概念包含科學概念及另有概念。 (四)直覺推理直覺反應是指學生根據直觀知覺進行判斷。也就是在推理的過程中，學童雖然能夠知覺到問題的現象，但卻沒有進行心智的思考。在整個訪談過程中，運用直觀知覺反應的學童通常使用「直覺」、「自己想的」、「感覺」、「猜測」等方式回答，來說明自己的判斷 (周家卉，2006)，因此本研究根據以上之

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定義，將學生的「直覺推理」定義為：學生根據直觀知覺進行的推理。二、國中學生推理的相關研究從皮亞傑的認知發展階段來看，形式運思期(11-15歲)的學生已能發展出演繹推理及歸納推理能力 (高廣孚，1989)。郭靜芳 (1997)指出12歲至成年的推理能力包括：(一)控制變項(controlling variables)：系統內正確地改變自變項，其他變項保持不變下，觀察依變項的思考形式。(二)相關推理(correlational reasoning)：斷定變項間的相互關係之思考方式，以建立變項間關係之推理歷程。(三)組合推理(combinational reasoning)：適當地提取元素，而使其成為組合狀態，並找出所有組合狀態之思考方式。 (四)機率推理(probabilistic reasoning)：判斷某個體在群體中被抽中機率為多少的一種思考方式。(五)比例推理(proportional reasoning)：呈現兩個對應數值之關係，改變其中之特性時，判斷所呈現之另外兩個對應值間，關係仍保持不變之思考方式。(六)守恆能力(conservation)：在具體運思期已有，即系統的狀態經過改變後，系統的特性仍保持不變。 Benbow 及 Stanley (1983)的調查以 13 歲兒童為樣本，結果發現在數學推理表現上有明顯的性別差異—男生優於女生。Bitner-Corvin (1989)亦發現國小六年級至高中一年級學生大部分都未表現出形式運思推理的功能，不過學生在國一結束前明顯地從具體運思推理轉變到形式運思推理。

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Ward 與 Overton (1990)的研究則認為：雖然國小六年級至高中三年級學生的推理表現呈現逐漸進步的情形，但只有約 16％的小學六年級學生及 80％的高三學生發展到形式運思期。王以德（1992）針對一千八百逾人我國國中生所做的研究指出，國中學生在不同性別、不同年級的邏輯思考有顯著差異。在推理能力的實際調查研究方面，黃湘武等 (1985)的研究指出國中學生的推理能力僅約有 50％達到形式運思期。周台傑 (1985)更指出有 90％的國中學生停留在具體運思期。由以上的國內外學者的相關研究可以歸結出以下重點： (一)國中學生雖然身心發展已達 Piaget 的形式運思期，但其推理能力並未發展良好，有大部份的學生還停留在具體運思期。 (二)學生的推理能力有隨年齡慢慢增長的趨勢。 (三)國二和國三的學生推理能力無顯著差異。在 2006 年三月初舉行的國中、小學生數學學習能力成就測驗中，測驗結果發現台灣學生計算能力優於美國學生，但理解、推理能力卻明顯不足，需要加強 (大紀元，2006)，因此基於已上的重點，本研究以國中三年級學生為對象，欲了解國中學生推理的情形。

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第五節 POE 策略

White 和 Gunstone（1992）提出（Predict-Observe-Explain）策略，是用來探測學生概念的一種三合一策略。首先學生要先預測某件事情的結果，並且確認好他們的預測；接著學生描述他們所看到的現象；最後學生必須協調 (reconcile)介於預測與觀察之間的衝突。而 POE 策略主要步驟有三：一、預測：學生運用其原有的知識去預測一個事件的結果，其預測必須要有其支持的理由，才能提出。二、觀察：在事件完成之後，學生去描述這事件的真正結果。三、解釋：學生要去解釋他的預測和真實結果之間的矛盾，通常他們會遇到困難，教學者要鼓勵學生去考慮所有的可能因素；此時的鼓勵是重要的，因為學生在這個步驟中會展現出他們對於事件的理解。 POE 最重要的關鍵就是要讓學生決定出最後的理由，在許多活動的經驗中，學生經常由日常經驗去支持他們的理由，或者應用跟物理相異的觀念去解釋現象，這說明了 POE 比一般的策略更能夠探測學生用來解釋現象的信念（White & Gunstone,1992）。

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熱學概念以及 Piaget 的體積保留概念，結果顯示：POE 能夠有效而深入探索學生的迷思概念。同時在許多的實徵研究中也發現，POE 對於概念學習具有重要的助益。例如 Palmer (1995)曾以 POE 技術釐清小學生的科學知識以及探究對於概念的理解，研究結果顯示：學生熱衷於此種技術，POE 是一種適合於教師了解學生概念的技術。Liew and Treagust（1998）針對澳洲的學生進行五個不同的 POE 教學，前兩個在於瞭解 11 年級學生的先前想法、信念及對概念的回應；第三個在於瞭解不同年級（9、10、12 年級）學生對同一概念的理解情形；第四個是診斷一位 10 年級學生之認識論與本體論的理解；而第五個在於呈現所有學生的學習進展。研究發現 POE 有助於診斷學生對科學概念的理解，對於確認教師的教學或學生的學習成效，POE 也是一個有效的記錄方式。葉辰楨（2000）曾運用合作學習的教學法進行國一生物科的教學，採用 POE 的策略設計了四個教學活動。研究結果發現，運用 POE 模式後，在教學上獲致的改進包括：提昇學習者觀察與表達想法的能力、幫助教學者瞭解學習者的先存概念、有助於教學活動與生物概念之整合。 POE 除了能診斷學生的另有概念，也能廣泛運用在科學教育上，是一項可以協助教師瞭解學童的先存概念、促進學童科學學習的有效教學策略，張宗義 (2003)研究學生在「水溶液概念理解」測驗中做答情形，發現經過 POE 教學後，學生對水溶液概念學習有明顯的助益，且低成就學生在 POE 教學後最易產生概念

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完全改變類型，顯示迷思概念越多，經過 POE 教學概念衝突的情形越明顯，改變原有的迷思概念越容易；中、高成就學生經過 POE 教學後最易產生概念增加性的改變類型，顯示中、高成就學童最能進行概念的再建構，而達到有意義的學習。陳雅麗（2003）亦針對熱學的相關概念，自行發展出適合的 POE 教學策略，就國小五年級學生可能的迷思概念及其衍生的概念改變情形，加以分析探討，並藉由實施的成效來突顯 POE 教學策略的價值。邱彥文（2001）針對國中理化課程的單元，利用 POE 的理論與策略設計一系列可以觀察的實驗，配合教學進度實施了五次 POE 的教學活動。研究發現，個案教師漸能熟練 POE 教學，並加以應用作為教學評量的策略；學生也認為 POE 活動對理化的學習有幫助，並且可以刺激思考與好奇心。 POE 除了是幫助教師了解學生概念學習的有效教學策略之外，由於在學生在進行 POE 活動時，會有預測及解釋的過程，教師能從過程中了解學生推理的過程。張榮裕 (2006)曾以 POE 策略為基礎，利用個別晤談方式，探究國小六年級學童對齒輪操作的推理過程，並分析其推理表徵之類型。結果顯示六年級學童對齒輪的操作可歸納為三種推理表徵類型，包含以現象為基礎的推理有「視覺觀察」和「自我的焦點」等；以關係為基礎的推理有「多重概念想法」、「連結關係」、「排列關係」、「數量比例」、「因果推理」和「歸納原理」等；以模式為基礎的推理有「日常生活的現象法則」、「擬人法」、「套用原理」等類型。在推理判準的發展歷

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程中，有人堅持正確或錯誤的推理判準，有人則會改變原有的推理判準。姚志宗 (2006)以 POE 策略，探究 35 位六年級學生在「月相類比模型」中使用的推理技巧、概念改變以及概念發展的歷程。結果發現學童在「月相類比模型」中進行預測時傾向於使用演繹和類比推理；當學童進行觀察和解釋時傾向於使用歸納推理，而且發現：一、學童歸納出非科學概念；二、類比推理能做出正確預測，但未必產生概念改變；三、演繹是在驗證暫時性理論。綜合以上的論述，顯示 POE 策略在學童科學學習及概念學習上是一項有效的教學策略，同時 POE 強調預測和解釋的重要性，學生學習不再是死記知識，而是要能思考如何對衝突提出合理的解釋，此一思考歷程便會產生推理過程，故本研究擬以 POE 策略作為主要的研究方法。

第六節色光混合的原理及另有概念研究

一、色光混合的原理人類的世界是由各式各樣的七彩的色光組合而成，而七彩色光是如何組成的呢？牛頓發現將陽光通過三稜鏡，會被折射分散成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等七種色光，這種現象稱為色散，而人的眼睛只能感受波長範圍在 4000-7000 埃的光(電磁）波，這種連續排列的可見光色光帶，稱為可見光譜，其中波長長於

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7000 埃的電磁波稱為紅外光，波長短於 4000 埃的電磁波則稱為紫外光。至於人類的眼睛如何感受各色光呢？人類的視網膜包含三類錐形對光敏感的細胞，分別對不同波長範圍的光有反應。如果有一束 6800 埃的光線射入眼睛，只有紅色感光細胞感受到光的訊號，而藍色與綠色感光細胞則對此光線不敏感。因此我們腦海中浮現紅色的影像。但是若是同時有 6000 埃與 5500 埃的光束同時進入眼中，則眼睛細胞和 5800 埃光線射入時有類似的感受，於是腦海中也是出現黃色的影像。因此人們就可以感受到混合色光的感覺(黃福坤，2007)。 19 世紀初，英國科學家湯瑪斯楊格發現光具有三原色，分別是紅、綠、藍，三原色光以不同的亮度混合，即可呈現許多不同的顏色。至於人們看到物體的顏色，與物體表面吸收與反射光的特性有關。黑色物體能將所有入射的色光吸收，故呈黑色。所有色光發生反射，混合進入眼睛，所看到的顏色即是白色。至於其它顏色，可能是單一色光呈現的顏色，也可能是不同色光混合所顯現的結果。 1860 年英國麥斯威爾利用三色光的混合，製作第一張彩色照片，色光三原色因此確定。色光因其混合之後產生一些特色： (一)色光原色紅、綠、藍為不能再分解的原色。 (二)紅色色光與綠色色光混合，形成黃色色光，正好是紅色顏料與藍綠顏料混合的紫色的補色。

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(三)紅色色光與紫色色光混合呈現洋紅色光，正好是黃色顏料與藍綠顏料混合的綠色的補色。 (四)紫色色光與綠色色光混合呈現藍綠色，正好是洋紅色顏料與黃色顏料混合出來的帶黃色的紅色的補色。 (五)色光混合，色彩的明度愈高，三色混合變成白色正好是顏料混合後的黑色的補色(朱介英，2005)。二、另有概念本研究所稱之「另有概念」係指學童在學習科學相關知識概念中，具有獨特的想法，此想法可以引導學童認識及瞭解日常生活所遭遇到的事物，但卻不同於教師、課本、學者專家之看法、想法與信念，和科學家的科學知識不同，稱為「另有概念」（Wandersee et al.,1994）。Watts（1980）指出另有概念與迷思概念不同的是另有概念認為學生的概念並非是全部錯誤的，而是和學科專家的知識體系不同。Fisher (1985)認為這些另有想法被認定為錯誤想法或迷思概念，通常有以下的特性：(一)他們有別於同領域專家的看法。(二)單一或少數的迷思概念具有普遍性(即很多不同個體都擁有之)。(三)許多迷思概念拒絕改變，至少以傳統的教學方法不行。(四)迷思概念有時涉及另有信仰系統(alternative belief system)，這些系統是學生把命題邏輯地連結組合的方法。(五)某些迷思概念有其歷史淵源，也就是說現在學生所具有的迷思概念可能來自同一領域在早

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期所接受的想法。(六)迷思概念發生的根源有神經的硬體或遺傳的表現、由許多個體所提供一般特定的經驗、或透過學校或其他情境的教學。而這些另有概念主要來源為何？Head (1986) 認為學生的另有概念來源，至少有下列五項：(一)從日常的直覺經驗與觀察(From everyday experience and observation)。(二)從類比所產生的混淆(From confusion about the analogies)。(三)從隱喻字眼的使用(From the use of metaphors)。(四)從同儕文化(From the peer culture)。 (五)來自一些固有的觀念(Innate origin of some ideas)。

一些學者在探討各科學學科另有概念的大量研究文獻後指出，學生會帶著各種關於自然界事物之另有概念進入正式的教學情境中，而與正式教學所呈現的知識發生交互作用，造成非預期的學習結果。這些另有概念通常具有跨越學生年齡、能力、性別和文化的特性，且與早先科學家與哲學家對自然現象所提供的解釋有相似之處。另有概念起源於不同的個人經驗，是學生依其先存之經驗和知識主動建構意義的產物，而因學生的知識和經驗相對於科學家而言較為貧乏，故其所產生之另有概念大都起自個人所得之有限資料的結論（楊坤原、張賴妙理， 2004）。綜合以上的論述，顯示學生持有另有概念的來源多元，教師教學的目的是要幫助學生修正另有概念，以減低另有概念對學生的影響。有研究指出另有概念將會影響學生往後的學習，林明軫 (1994)就曾指出：學習者先備概念正確與否，

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將影響到後續的學習成效，若學習者存有一些不適當的迷思概念必定會成為後續學習的阻礙。因此教師必須透過適當的方法來幫助學生更正不適當的概念。三、色光另有概念的相關研究陳采真 (2001)分析國內外相關研究後發現，學生對光和顏色的迷思概念為「色光是顏色的混合物」、色光是白光上添了顏色。唐明 (2001)利用自編光概念測驗卷進行群體紙筆測試，對個別學生作訪問訪談發現五年級學生對光的色散有以下的迷思概念：(一)以水彩調色及彩色黏土等經驗推論色光的組合。(二)白光不是由色光混合而成。(三)物體的顏色是它的本質。(四)物體的顏色會色光混合而成另一種顏色。(五)物體的顏色是來自它本身的色素呈現。蕭家慧 (2001)運用概念圖瞭解學生對於光與顏色的概念學習中，學生對色光的描述也以顏色來稱之，色光三原色重疊最後形成白色。何嘉峻(2003 )以選擇題的方式探究國中二、三年級不同性別學生對於光學(含「光源」、「光的直線前進」、「光的影子」、「光的折射」、「光的反射」、「光的直覺」、「光與顏色」)迷思概念的差異，結果顯示不同性別的學生對於光「光與顏色」的相關概念沒有顯著差異存在。但就整份問卷平均分數來看，全體學生得分數並不高，顯示國二、國三學生無論男女對於光學概念仍存在著極大的迷思。黃子晏 (2004)以科學寫作的方式探究國中生有關光概念的迷思中指出學生在「視覺與顏色」存在的迷思概念主要有：「人的眼睛會發射光線到物體產生視覺」、「只要有光眼睛便可產生視覺」、「藍光照射紅色物

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體，物體呈現黑色是光的混合」、「先決定了物體的顏色，才決定反射何種光線」。蕭倍如 (2005)研究台中縣中小學生對於光學的迷思概念的文獻中顯示各學習階段學生對於光學具有迷思概念，其中在「光與顏色」概念中，國三學生對於「有色玻璃紙只允許該色光通過」概念選答中，仍有近二成的學生持有迷思概念。王玉龍 (2006)以 POE 策略探究國小六年級學生之色光概念及概念改變歷程的研究結果顯示：國小六年級學生於色光普遍存有另有概念，包括：(一)不同色光有強弱之分。(二)色光本身有深淺。(三)三稜鏡和玻璃紙顏色有關聯。(四)光穿過玻璃紙只呈現玻璃紙的色光。(五)白色燈光會和玻璃紙混合產生顏色。(六) 色光過玻璃紙速度的快慢導致呈色結果。(七)玻璃紙顏色的亮度會影響色光呈現。(八)學生玻璃紙顏色的深淺預測色光呈現。(九)以水彩調色推論色光和玻璃紙顏色的混合。(十)全部色光都被反射形成黑色。四、九年一貫課程自然與生活科技領域中包含的色光概念九年一貫課程自然與生活科技領域課程中提到的光概念整理如下： (一)分段能力指標 2-4-5-6 認識聲音、光的性質，探討波動現象及人對訊息的感受 (二)次主題 216 聲音、光與波動

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表 2-6-1 分段能力指標次主題 216 光的主題(教育部，2003) 光的主題學生能學習到的能力光的傳播與影像 1d.察覺光的直進傳播，若遇阻礙形成影子。 1e.察覺光的反射有一定的方向。色光與顏色 1f.知道光可用「明暗」、「顏色」等來描述。光的折射 2a.察覺光經不同介質會折射，折射後在某些角度可看到彩虹(可利用製造水霧觀察彩虹)。 3a.觀察照光與成像(例如光滑平面反射、聚光及透鏡放大效果等)。色光與顏色 4b.了解物體「顏色」的形成，是光選擇性反射的結果。 4c.覺知陽光經折射後分散成各色光。 4f.由光的直進傳播，了解針孔成像。 4g.探討面鏡、透鏡成像的現象。由表 2-6-1 可知在九年一貫課程內容中，學生在光學方面的已學會如下的知識內容：光的特性方面：知道光是直進傳播，當光遇到阻礙時會產生影子。光反射時有一定的方向。色光與顏色方面：知道用「明暗」、「顏色」來描述。也能知道物體的「顏色」是光反射的結果，更知道陽光經過折射後會色散成各色光。學生也能了解針孔成像、面鏡、透鏡的成像原理。光的折射方面：學生已能察覺光經不同介質會折射，折射後在某些角度可

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看到彩虹。

因此國中三年級的學生在光學方面，已學會以上概念，學生可以透過所學的概念，來解釋觀察到的現像，而本研究所指的「另有概念」，是指學生在進行 POE 活動時，呈現出異於當今科學家知識的概念。

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第三章研究設計

本研究主要是採用洪淑淩 (2006)發展出來色光的實驗裝置，利用 POE 策略及晤談方式，進行學生另有概念及推理的實驗，研究目的是主要探求學生在進行實驗時產生的另有概念及推理類型。本研究採取實驗及晤談的方式同時進行的方式，來蒐集學生的想法，而研究者再針對學生有疑問處立刻深入追問，進而了解學生更深層意涵。本章分為六節，第一節敘述研究發展與方法；第二節闡述研究流程；第三節說明研究對象；第四節描述個案班級；第五節說明資料蒐集與分析方法；第六節探討研究的信度與效度。

第一節

研究發展與方法

根據研究問題，本研究利用 POE 策略設計出預測（P）、觀察（O）、解釋（E）的推理實驗，再採用晤談的方式，蒐集學生在本實驗所產生的另有概念及使用的推理類型。整個活動設計是依照初探研究的發現逐步修訂而成，以下介紹研究工具的發展過程。

一、混合色光的實驗裝置的發展

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及概念改變歷程的實驗裝置(如圖 3-1-1)，進行混合色光之另有概念及推理實驗，茲將此項實驗裝置的簡單運作原理說明如下：將實驗裝置插上電源之後，燈炮會產生光，經單狹縫產生平行光後，再經過有色玻璃紙產生色光，再經放大鏡聚光之後，最後經過三稜鏡的色散作用後，在白幕上產生呈色的結果。圖 3-1-1 混合色光的實驗裝置本研究是利用以上的原理，只是在放入有色玻璃紙時，洪淑淩老師是放入單一色的玻璃紙，而本研究是同時放入兩片不同顏色的玻璃紙，研究者先做單色的呈色結果讓學生觀察，學生再利用 POE 活動單記錄單色光的結果，接著讓學生預測同時放入兩片玻璃紙的結果，最後研究者再同時放入兩片玻璃紙，讓學生先觀察與解釋，進而從中分析學生的另有概念及推理類型。由於本研究所採用的有色玻璃紙，靛色與藍色在視覺上的效果接近，不容易區分，故本研究只探討學生對於紅、橙、黃、綠、藍、紫等六種玻璃所呈現的混合色光的研究。茲將單一色玻璃紙實驗的結果整理表 3-1-1。

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表 3-1-1 單一顏色玻璃紙的實驗結果色光成分玻璃紙紅橙黃綠藍紫紅 ˇ ˇ 橙 ˇ ˇ ˇ ˇ 黃 ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ 綠 ˇ ˇ ˇ ˇ 藍 ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ 紫 ˇ ˇ ˇ 由單一顏色玻璃紙的實驗結果(表 3-1-1)發現，藍色光呈色效果不理想，因此為了研究的順利進行，本研究採用色光比較明顯的五種組合來進行實驗，此五種組合分別如下：紅+橙；橙+黃；黃+綠；綠+紫；紫+紅。二、POE 活動的設計在 POE 活動過程當中，研究者需掌握要領，適時給予學童協助，起始在「P-預測」階段，應鼓勵並引導學童經由已知的知識進行推理與預測；接著在「O-觀察」階段，應提醒學童觀察重點並將結果記錄下來；最後在「E-解釋」階段，應鼓勵學童應用所學，多方思考，提出合理的解釋。本研究根據以上 POE 實施的三個階段進行實驗：「P-預測」階段：在尚未實驗之前，先讓學生利用已知的知識針對混合的玻璃紙所呈現的結果，進行預測。

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「O 觀察」階段：提醒學童觀察混合色的玻璃紙呈現的結果，並隨即記錄。「E-解釋」階段：鼓勵學童針對預測和觀察不同的地方，應用所學，提出合理的解釋。整個「預測－觀察－解釋」的流程重複進行五次。茲將 POE 活動實施流程如圖 3-2-1，說明如下。第一次實驗準備階段 POE 活動之前先觀察階段二至五次實驗預測觀察 POE 活動階段解釋圖 3-2-1 POE 活動實施流程圖 (一)POE 活動之前 1.準備階段 (1)在做實驗之前，研究者先講解 POE 活動進行流程，好讓學童瞭解整個 POE 活動的流程，研究者並告知學生本活動的主要目的在於蒐集他們在實驗中的想法，以作為教師未來改進教學之參考，而不是要進行正式的考試，請學生以平常心來做實驗。

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(2)發下活動單，說明題意及晤談方式，並強調答案沒有對錯之分，請學童儘量說出自己的想法，活動中亦允許學童詢問相關的問題。 (3)在未進行 POE 活動之前，教師先講解本實驗裝置的原理：光經過狹縫，再經過有色玻璃紙，再透過放大鏡聚光後，經三稜鏡色散，最後在紙板上產生七彩的光芒，待學生了解基本的原理之後，再進行 POE 的活動。 2.先觀察階段教師先依序將紅、橙、黃、綠、藍、紫等六色玻璃紙，個別放入單狹縫和放大鏡之間，學生用肉眼直接觀察紙板上呈現的色光，並將觀察結果依序勾選於單色玻璃紙觀察活動單上。(詳如附錄一) (二)POE 活動階段本研究共採用五組色光混合的方式，由於各組實驗的方式一樣，僅選擇紅色＋橙色這一組來說明，以下是進行 POE 活動的流程： ※紅色玻璃紙＋橙色玻璃紙 1.預測階段（P）重覆以上實驗步驟，教師詢問學生：若同時放入紅色玻璃紙及橙色的玻璃紙之後，紙板會呈現什麼顏色的色光，請學生將預測結果勾選於混合色光 POE 活動單上(詳如附錄二)，並加以說明預測的理由。 2.觀察階段(O)

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教師將紅色玻璃紙及橙色玻璃紙同時放入單狹縫和放大鏡之間，學生用肉眼直接觀察紙板上呈現的色光，並將觀察結果勾選於混合色光 POE 活動單上(詳如附錄二)。 3.解釋階段（E）請學童檢視先前預測的和所觀察到的是否一致，再針對所看到的情形提出解釋。本研究之第二組色光到第五組色實驗重複以上實驗的程序。三、POE 活動單的設計由於本研究是採取實驗和晤談同時進行的方式，因此 POE 活動單設計的方式是以 POE 活動進行的步驟，同時結合晤談大綱的方式為設計，每一組色光均依預測、觀察、解釋等三個步驟依序進行，每一步驟皆安排適合的晤談。POE 活動單詳如附錄一、二。由於本研究除了要了解學生的另有概念之外，還要了解學生推理的過程，因此指導教授建議將色光呈色的結果以格子勾選的方式，讓學生立即從表格中得知預測和觀察的情形，以利學生解釋，學生也可以根據單色光的結果去推理出混合色光的情形，如此教師比較容易觀察出學生推理的過程。

第二節研究流程

本節旨在說明本研究的整個研究流程的描述。

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一、本研究的整個流程

本研究的流程如圖 3-2-2，詳述如下。確定主題 (學生在色光混合之另有概念及推理歷程) 確定核心概念 (另有概念、推理類型) 設計推理實驗決定研究工具 (POE、晤談) 專家審查、建立效度資料收集資料轉錄與整理資料分析初探 (晤談 3 人) 撰寫論文文獻收集：分析探討圖 3-3-2 研究流程圖

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(一)確定主題研究初期，詳閱一些的文獻中得知，學生在對於色光存有很多的另有概念，例如在蕭倍如 (2005)研究台中縣中小學生對於光學的迷思概念的文獻中，顯示各學習階段學生對於光學具有迷思概念，其中在「光與顏色」概念中，國三學生對於「有色玻璃紙只允許該色光通過」概念選答中，仍有近二成的學生持有迷思概念，再從王玉龍 (2006)以 POE 策略探究國小六年級學生之色光概念及概念改變歷程的研究結果顯示：國小六年級學生於色光普遍存有另有概念。因此本研究欲繼續探討學生在混合色光的另有概念及推理的過程。研究過程中指導教授建議結合 POE 策略，因為有很多的研究顯示 POE 能廣泛運用在科學教育上，是一項可以協助教師瞭解學童的先存概念，促進學童的科學學習的有效教學策略 (Palmer，1995：White & Gunstone，1992；張宗義，2003），因此本研究在在指導教授的協助下，將主題定為：利用 POE 策略探討國中三年級學生色光混合之另有概念及推理類型。 (二)確定核心概念本研究確定以學生的另有概念及推理類型為方向後，便開始蒐集資料確定核心概念。1.另有概念部份：研究者蒐集與本研究主題有相關的色光概念。2.推理類型部份：能知道兩組色光混合之後，是以交集的各式呈現混合色光，例如以紫色玻璃紙+綠色玻璃紙為例

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紫色玻璃紙產生的結果：紅、橙、紫黃色玻璃紙產生的結果：紅、橙、黃、綠由以上結果，我們可以得知當以兩種顏色的玻璃為組合時，會產生紅、橙兩種顏色，此即為利用交集的方式。也就是當光經過這兩種顏色的玻璃紙時，紅色和橙色會通過，但紫、黃、綠等顏色會被過濾掉，最後白板上只會出現交集之後的顏色：紅、橙。 (三)設計推理實驗本研究的實驗設計主要是根據洪淑淩 (2006)所研發的單一色光的實驗裝置，再做進一步的延伸性實驗，其主要的原理是：利用光經過兩片不同的玻璃紙之後產生之「色光混合」，經放大鏡聚光後，再經三稜鏡色散之後而產生的色光，來研究學生所產生的另有概念及推理類型。 (四)決定研究工具根據研究目的，和指導教授以及四位研究生共同討論，決定合適的研究工具。 1.POE 活動單本研究的主要目的是要探討學生的另有概念及推理技巧，因此本研究採用 POE 策略為研究的方法，因為 POE 策略可以獲得學生對某一個現象的理由與解釋，從學生的解釋，研究者可以歸納學生使用的另有概念及推理類型。 2.半結構式晤談大綱

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本研究的主要目的是要探討學生的混合色光的另有概念及推理類型，在另有概念的部份，研究者可以從學生實際的晤談資料中獲得，但推理的部份，因屬於比較深層的想法，需要研究者直接深入訪談，才能獲得比較深入的想法。本研究主要是依據 POE 策略的流程，設計半結構式的晤談大綱。 (五)初探初探的目的可以讓研究者檢驗設計的方法是否能真正能測得研究者所要測得的資料，也以可讓研究者明瞭設計的題目是否符合學生的認知程度，更可以讓研究者測試晤談的技巧與問問題的敏感度，進而藉此修改推理的實驗方式及晤談大綱。初探時，研究者請非研究班級的老師協助，選出該班程度低、中、高各一名學生，共三名學生參與初探研究，初探過程中隨時與教授保持聯繫，檢驗晤談是否有遺漏，或是沒有捉到重點，並與四位研究所同學交換意見，藉由實際晤談來發現本研究相關問題，並參考相關文獻後，進而修正晤談大綱。 (六)專家審查、建立信效度本研究由兩位教授對整個研究的信效度進行審查。1.方法的三角測定：本研究採用 POE 活動單及個別晤談，採用不同資料收集的方法，檢驗研究發現的一致性。2.分析者的三角測定：由另三位自然科研究生分別獨立分析相同的晤談資料，然後比較一下三人的發現。3.來源的三角測定：本研究的的資料來源計有 POE 活動單及晤談資料等，透過兩方面的資料蒐集，相互比較校正以達來源的三角測

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定。 4.理論-觀點的三角測定：本研究以理論及多重觀點為考量，並引用相關文獻來闡述國中三年級學生對於混合色光的概念的相關想法。 (七)資料收集正式實驗與晤談：正式實驗時，研究者選擇一班，共 31 名學生為對象，利用 POE 活動單，對學生實施一對一的實驗與晤談。 (八)資料轉錄與整理正式晤談後，將學生的錄音帶資料轉成逐字稿，輸入電腦並依日期以及順序存檔。 (九)資料分析研究者根據學生 POE 活動單進行編碼與資料分析，試著歸納學生在色光混合實驗中產生的另有概念以及使用的推理類型。 (十)撰寫論文研究者根據晤談資料的編碼與分析並與相關文獻對照，探究學生的另有概念及推理類型，藉以回答本研究之研究問題，撰寫研究報告。 (十一)文獻探討在整個研究過程中，一直在做文獻探討，研究者蒐集國內外有關於色光的另有概念、推理、POE…等相關研究，並閱讀分析之，以修正研究方向，確定研究之主題。在確定研究主題後，研究者蒐集與本研究核心色光概念相關之國中課