「科學遊戲融入教學」與「Ausubel解釋法」對奈米科技概念學習成效之研究

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(1)國立臺中教育大學科學應用與推廣學系科學教育碩士學位碩士論文. 指導教授：許良榮博士. 「科學遊戲融入教學」與「Ausubel 解釋法」對奈米科技概念學習成效之研究 The Effectiveness of Nanotechnology Concepts Learning in Science game fused Teaching and Ausubel expository teaching 研究生：王家美撰. 中華民國 102 年 7 月.

(2) 謝誌經過了兩年的學習，終於將碩士論文順利的完成。回首一暮，這一段過程中有太多的感受與收穫，在二年級上學期時更有難得可貴的機會到香港進行一學期的交流，這些都是始料未及的。很開心自己選擇了研究所的這條路，才能有這段歷程。感謝上帝在這一路上給予孩子許多的力量及幫助，若不是有大家的鼓勵跟教導，也無法有此時此刻能夠來描繪對大家的感恩。首先感謝的是指導老師─許良榮教授，謝謝老師孜孜不倦的教導，在我消沉時總是給我許多力量和鼓勵，更在我得到交流機會時全力的支持我，對於老師的感謝難以用文字詮釋。還要感謝論文口試老師─陳麗文教授及任宗浩教授，謝謝老師的建議與指導，讓我的論文更臻完善。更感謝一路上不斷鼓勵我、照顧我的桑如姐和瑋莉以及所上所有的老師們。謝謝倩瓊義不容辭協助我的研究，替我提供了研究對象，給我許多寶貴的建議。還有碩士班一起奮鬥的好夥伴們 ─憲璋、國弘、槐子、靜儀、逸聰、偵權、昭元、子峻、資幸、薇棋、怡坊的勉勵與扶持。特別感謝我的媽媽、姐姐、妹妹、婉翎、韋辰和育慶，謝謝你們的支持，不論是我在低谷或是高峰，你們依然常伴在我身旁，在我失落時鼓勵我，在我意志高昂時提醒我，能順利完成此階段的學業絕非單憑我個人的力量所能及。感謝上帝賜與我寶貴的學習機會，更在一路上為我安排這些人、事、物使得我更加成長茁壯。謹以此感謝，獻給一路上陪同我的祢、您、你、妳。. 家美謹誌 102.07.17..

(3) 摘要本研究主要目的為探討「科學遊戲教學」與「Ausubel 解釋教學」對國小五年級學童的奈米科技概念學習成效之影響與差異。本研究共進行兩次教學，第一次教學是為了檢視教學設計是否得宜，經修正後再進行正式研究。研究方法為準實驗研究法中的不等組前後測(nonequivalent pretest posttest design)設計。實驗教學的實施為教學前先進行「奈米科技概念評量」前測，教學後立即進行「奈米科技概念評量」後測，並於教學後一個月再進行延宕測。施測結果以相依樣本 t 檢定以及單因子共變數分析(ANCOVA)，檢視兩種教學法間對學習者的學習成效之差異。由研究結果中發現：(一) 經過教學，兩組學生的答對率皆能提升 30%以上；(二) 兩種教學法皆能顯著提升學生的奈米科技概念學習，且兩種教學法之間未達顯著差異；(三) 經過實驗處理後，科學遊戲組的學生概念保留情形較佳於解釋教學組的學生。最後根據研究結果，本研究對教學活動及未來研究提出相關建議，以供教師及對奈米科技教育有興趣之研究者參考。. 關鍵字：奈米科技概念、科學遊戲教學、Ausubel 解釋教學. I.

(4) Abstract The purpose of this study was to explore the effectiveness of nanotechnology concepts learning by fifth graders between ‘science games fused teaching’ and ‘Ausubel expository teaching’. In the pilot study, we focus on modifying the test items and teaching design. Afterwards, the revised test items and teaching design were implemented in the formal study. The formal study adopted quasi-experimental method that was nonequivalent pretest-posttest design for two different teaching methods. The instruments is nanotechnology concepts questionnaire, implement by pretest, posttest and retention test. The statistical methods included paired-samples ttest and one-way ANCOVA. The major findings of this study were: (1) after teaching, the correct ratio of two groups can promote 30% up; (2) two groups students had significantly improve on the nanotechnology concepts and the performance of the two groups was no significantly difference; (3) in retention test, the performance of the group of ‘science games fused teaching’ better than the group of ‘Ausubel expository teaching’. Finally, this study proposes several suggestions on the teaching designs and implementation of nanotechnology teaching as well as some directions for future research.. Key words: Ausubel expository teaching, Nanotechnology concepts, Science Games fused teaching.. II.

(5) 目次摘要 ........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................ II 表目次 .................................................................................................................. V 圖目次 ................................................................................................................. VI 第一章緒論 .......................................................................................................... 1 第一節、研究背景與動機 .................................................................................................... 1 第三節名詞釋義 ................................................................................................................... 3 第四節研究範圍與限制 ....................................................................................................... 4. 第二章文獻探討 .................................................................................................. 7 第一節科學遊戲教學 ........................................................................................................... 7 第二節奧斯貝(Ausubel)解釋教學 ..................................................................................... 11 第三節奈米科技概念 ......................................................................................................... 16. 第三章研究方法與設計 .................................................................................... 21 第一節研究設計 ................................................................................................................. 21 第二節教學設計 ................................................................................................................. 21 第三節研究對象 ................................................................................................................. 25 第四節研究工具 ................................................................................................................. 25 第五節研究流程 ................................................................................................................. 25 第六節資料蒐集與分析 ..................................................................................................... 28 第七節初探研究之討論與分析 ......................................................................................... 29. III.

(6) 第四章研究結果與討論 .................................................................................... 39 第一節科學遊戲融入奈米科技概念學習成效之討論與分析 ......................................... 39 第二節解釋教學融入奈米科技概念學習成效之討論與分析 ......................................... 40 第三節科學遊戲與 Ausubal 解釋教學兩種教學成效差異 .............................................. 41. 第五章結論與建議 ............................................................................................ 47 第一節結論 ......................................................................................................................... 47 第二節建議 ......................................................................................................................... 48. 參考文獻 ............................................................................................................. 49 一、中文部份 ...................................................................................................................... 49 二、英文部份 ...................................................................................................................... 53. 附錄 ..................................................................................................................... 55 附錄一科學遊戲教學教案(一)........................................................................................... 55 附錄二科學遊戲教學教案(二)........................................................................................... 62 附錄三解釋教學教學教案(一)........................................................................................... 67 附錄四解釋教學教學教案(二)........................................................................................... 72 附錄五教學講義 ................................................................................................................. 77 附錄六協同教師紀錄表 ..................................................................................................... 81 附錄七奈米科技概念評量 ................................................................................................. 83. IV.

(7) 表目次表 3-2-1 科學遊戲教學設計……………………………………………………………… 23 表 3-2-2 科學遊戲組與解釋教學組教學設計比照表…………………………………… 24 表 3-7-2 科學遊戲組得分統計(初探研究)………………………………………………..30 表 3-7-3 科學遊戲組差異性分析相依樣本 t 檢定(初探研究)……………………….…..30 表 3-7-4 解釋教學組得分統計(初探研究)………………………………….…………… 32 表 3-7-5 解釋教學組差異性分析相依樣本 t 檢定(初探研究)……………….…………. 32 表 3-7-6 科學遊戲組與解釋教學組前、後、延宕測之得分情形(初探研究)……….… 33 表 3-7-7 科學遊戲組與解釋教學組後測組內迴歸係數同質性檢定(初探研究)…….… 34 表 3-7-8 科學遊戲組與解釋教學組後測共變數分析摘要表(初探研究)………….…… 34 表 3-7-9 科學遊戲組與解釋教學組延宕測組內迴歸係數同質性檢定(初探研究)….… 35 表 3-7-10 科學遊戲組與解釋教學組延宕測共變數分析摘要表(初探研究)………..… 35 表 3-7-11 奈米核心概念兩組教學之前測、後測、延宕測各題答對率(%)(初探)….… 37 表 4-1-1 科學遊戲組得分統計(正式研究)…………………………………………….… 39 表 4-1-2 科學遊戲組差異性分析相依樣本 t 檢定(正式研究)……………………..…… 40 表 4-2-1 解釋教學組得分統計(正式研究)………………………………………….…… 40 表 4-2-2 解釋教學組差異性分析相依樣本 t 檢定(正式研究)………………………..… 41 表 4-3-1 科學遊戲組與解釋教學組前、後、延宕測之得分情形(正式研究)…….…… 42 表 4-3-2 科學遊戲組與解釋教學組後測組內迴歸係數同質性檢定(正式研究)….…… 42 表 4-3-3 科學遊戲組與解釋教學組後測共變數分析摘要表(正式研究)………….…… 43 表 4-3-4 科學遊戲組與解釋教學組延宕測組內迴歸係數同質性檢定(正式研究)….… 43 表 4-3-5 科學遊戲組與解釋教學組延宕測共變數分析摘要表(正式研究)………….… 43 表 4-3-6 奈米科技概念兩組教學之前測、後測、延宕測各題答對率(%)(正式研究).. 46. V.

(8) 圖目次圖 1-3-1 奈米科技概念階層圖 …………………………………………………………… 4 圖 3-2-1 奈米科技概念階層圖…………………………………………………………… 24 圖 3-4-1 研究流程………………………………………………………………………… 27 圖 3-7-1 教室位置配置圖………………………………………………………………… 29. VI.

(9) 第一章緒論本章共有四節，分別探討研究背景與動機、研究目的與問題、名詞釋義、研究範圍與限制。. 第一節、研究背景與動機隨著奈米科技的迅速發展，二十一世紀的今日，奈米產品已融入我們的日常生活之中，其涵蓋的領域範圍甚廣，從民生消費性產業到尖端的高科技領域等，都能找到相關的應用(廖婉茹，2006)。前美國總統柯林頓(Bill Clinton)曾說：「奈米技術是美國在二十一世紀保持科技領先的關鍵。」(引自龔建華，2002)。因此，教育部也在 2003 年推動《奈米國家型科技計畫》，期望能藉由結合產業、學術、研究的力量，建立一個適合我國發展學術卓越和相關應用產業所需要的奈米平臺。雖然奈米科技計畫在台以行之有年，但從研究者蒐集相關文獻後發現，國小階段學童對於奈米科技概念的認知仍有待加強，例如根據陳欣琦(2011)的研究結果中發現，學童對於奈米科技概念認知平均答對率只有 49.9%。蔡元福、吳佳瑾、胡焯淳(2004)的研究發現國小中高年級的學童僅有 23%認為奈米是一種單位，且有 12%的學童認為奈米是一種食物。從相關文獻顯示，國小學童對於奈米科技有不少的迷思概念(黃佳媛、許良榮、陳欣琦，2011)。提昇學生的概念學習的方法有很多種，從研究者蒐集的文獻中發現，科學遊戲是能夠幫助學生學習科學的一個有效工具。其主要特性與功能有：(一)能夠引起學生學習動機(許良榮，2004；林瓊音，2006)。(二)學生能夠從中習得科學原理與知識(蕭次融、羅芳晁、房漢彬、施建輝，1999；方金祥、劉奕萱，2007)。 (三)學生能夠主動建構科學概念及發散性思考(盧秀琴，2005)。. 1.

(10) 由以上文獻顯示，科學遊戲是一個值得參考的教學工具，不僅能提高學童的學習興趣，也能幫助學童習得科學概念，學習效果也頗為顯著。研究者在大學求學期間，參與許多結合科學知識原理與創意遊戲的活動，例如：「小愛因斯坦科學營」、「科學魔法營」、「創意科學走廊」…等活動，並且擔任隊輔、講師一職。在這些活動的參與過程中，研究者深刻感受到，將科學遊戲融入教學，不僅可以引起學習者的興趣，更可以從中習得科學過程技能，學童表現踴躍且快樂，對於與課程相關的科學知識不僅感到好奇外，也得到更加深入的理解。除此之外，科學教育研究中不少學者強調學生應進行「有意義的學習」 (meaningful learning)。趙毓圻(2011)指出透過有意義的學習可以促進學生的概念理解。依據 Ausubel 的有意義學習中所提出前導架構中的解釋法前導架構 (expository organizer)，針對學生較不熟悉的題材，進行教學設計。先呈現高層次的概念，學習者能主動地把新學習的概念聯到自己先備知識的認知結構上，以整合成一個更龐大完整的認知結構(余民寧，1999)。現有的認知結構會不斷的運作，將新訊息相連於或納入認知結構中的高層概念。所以 Ausubel 主張學習的方向應該由上而下，也就是說學生必須先知道最高層次的概念，然後學習較低層的概念、定義、性質等，最後才學習零碎的特殊事物(張壽山，1992)。由此可知，Ausubel 所提出的前導架構(advance organizer)是值得科學教學努力的方向之一。研究者搜尋相關資料庫發現，針對上述兩種教學法之比較研究十分少見。研究者的指導教授許良榮老師參與國科會的奈米計畫中，先前黃佳媛(2009)運用大慧調查法建立國小學童應具備的奈米概念知識，陳欣琦(2011)以此為基礎設計問卷，並且經過專家審查後，發展國小高年級學童奈米科技核心概念問卷。其研究結果中發現，中部國小高年級學童的奈米科技核心概念問卷平均答對率只有 49.9%。因此研究者以陳欣琦(2011)之研究結果中答對率低於 50%之題目進行. 2.

(11) 教學設計，分別設計「融入科學遊戲教學」以及「Ausubel 解釋法教學」，幫助學習者習得奈米科技概念，分析其成效，並進一步比較兩者間的差異。. 第二節研究目的與問題根據上述研究背景與動機，本研究目的旨在發展相關教學設計，以利未來奈米科技教學加入學校課程後，能夠成為教學者的參考及運用。並透過科學遊戲融入教學與 Ausubel 解釋法，協助學習者習得奈米科技概念，比較其成效差異。本研究之研究問題如下： 1.. 科學遊戲融入教學對學習者的奈米科技概念學習成效為何？. 2.. Ausubel 解釋法對學習者的奈米科技概念學習成效為何？. 3.. 科學遊戲融入教學與 Ausubel 解釋法對學習者的奈米科技概念學習是否有差異？. 第三節名詞釋義本研究之關鍵名詞如下陳述：一、科學遊戲融入教學本研究根據許良榮(2009)、黃嬿樺(2009)所提出之科學遊戲融入教學之特性由研究者整理如下陳述： (一)科學遊戲必須包含科學原理。 (二)科學遊戲的設計必須包含讓學生動手操作的程序，觸動學生的學習動機，激起學生主動操弄的興趣。 (三)科學遊戲需具備安全性，並且容易從生活周遭取得素材。 (四)進行科學遊戲可以隨時湧現新的想法，發展學生創造思考、解決問題。二、Ausubel 解釋法教學本研究根據美國著名的認知心理學家和教育學者 Ausubel(1986)所提出之教. 3.

(12) 學理論中的「有意義的學習」(meaningful learning)，依據前導架構(advance organizer)中的解釋(expository)教學，教學概念應由上而下，也就是說學生必須先知道最高層的概念，然後學習較低層的概念、定義、性質等。因此本研究之 Ausubel 解釋法教學設計階層如圖 1-3-1：奈米科技核心概念. 奈米的定義. 奈米的特性. 單位的換算. 自潔性疏水性. 自然界的奈米現象. 植物、動物. 奈米材料與科技發展. 太空天梯、奈米光觸媒奈米塗料、資訊產品等. 圖 1-3-1 奈米科技概念階層圖三、奈米科技概念本研究所依據的奈米科技概念，是指黃佳媛等人(2011)以大慧調查法所建立的概念指標，由研究者修改後，共分為四大向度：「奈米的定義」、「奈米的特性」、「自然界的奈米現象」、「奈米材料與科技發展」。. 第四節研究範圍與限制基於上述的研究動機與目的，本研究之研究範圍與限制說明如下：一、研究範圍的限制本研究因受限於人力、經費與時間等因素，無法實施較大規模的全面性教學。因此針對本研究之兩種教學法研究結果之推論有其限制性，不宜過度推論於其他縣市、不同教學內容以及不同的學習階段。. 4.

(13) 二、研究對象的限制本研究僅以 100 學年度臺中市的國小五年級學童為主要研究對象。因此研究結果之推論有其限制性，不宜過度推論於其他縣市與不同的學習階段。三、研究方法的限制本研究根據陳欣琦(2011)奈米科技核心概念素養問卷，並針對調查結果低於 50%之題目進行教學設計，因此，所得結果僅限於本研究問卷內容範圍，不宜做過度推論與預測。. 5.

(14) 6.

(15) 第二章文獻探討本章共分為三節，分別探討說明科學遊戲教學、奧斯貝(Ausubel)解釋教學理論、奈米科技概念。. 第一節科學遊戲教學一、科學遊戲的定義與特性 Piaget (1962)指出，遊戲乃是操作外在世界以使其符合個體現有組織化基模的一種方法，它不但是兒童認識外界的方式，也是兒童認知發展的指標。 Vygotsky (1976)並認為，遊戲可直接促進兒童的認知發展。許多研究發現，遊戲教學可以促進學童良好的身心發展與科學探究體驗，能提升孩童在認知、情意、技能、語言等層面的發展與成長。許良榮(2004)認為科學遊戲就是蘊含科學原理或科學概念的活動，能提供學生「玩科學」的機會，而此活動的必要條件就是參與的對象會認為「好玩」，並且有高度的意願參與。科學遊戲是指把科學活動和遊戲結合，利用科學玩具、教具，寓教於樂，並讓學生可以從科學學習中體會科學原理(蕭次融等，1999)。游淑芬與陳麗月(1987)認為科學遊戲是指能讓學習者透過觀察現象以及簡易的操作，培養對大自然的情感、學習細心的觀察，進而漸漸啟發其認知、推理、思考等能力。科學遊戲的素材可以是水、沙、光、雲、植物、動物等大自然的材料，或是一般常見的素材如：吸管、卡紙、棉線等；只要輔導正確，原本普通的材料也能夠成為蘊含科學原理的教學材料。科學遊戲是一種利用科學原理，有教育意義而具有好玩、神奇的趣味，且能訓練科學思想、態度、啟發創造發明的活動 (張淑惠，2002)。 7.

(16) 陳忠照(2003)認為科學遊戲是利用生活素材所進行的科學性遊戲，不同於一般的玩耍，具有以下四種特質： (一)趣味性：能玩得快樂自在，是充滿喜悅的時光。 (二)規律性：有遊戲規則，遵守規則來玩，也玩出一些規則；遊戲過程需要講道理、有禮貌。 (三)創造性：在科學遊戲中容易促進創意的成長，隨時湧現更新的看法、更有意義的創意方向。 (四)分享性：大家一起遊戲、同步探索，在團體互動中分享過程與結果。科學遊戲教學提供兒童在自發性的科學活動中，增進兒童發現的喜悅和創造性的思考，並培養兒童對人對物的尊重態度(陳忠照，2003)。楊皓雯(2010)及林盈全(2010)根據不同學者之觀點，歸納科學遊戲必需具備趣味性、具有科學原理、創造性即可動手操作的特性。綜合以上觀點得知，研究者認為科學遊戲就是將科學原理以遊戲的方式呈現，在具有教學目標的彈性規畫下，學生動手操作，並且透過這樣的方式使每一位學生都可以學習科學原理、概念，喜愛科學，養成探究科學的精神和能力。二、科學遊戲的功能科學遊戲的功能就是透過科學遊戲的進行，希望學生可以在一邊遊戲一邊體會科學原理的過程中學習思考科學原理，因為在操作的同時也是在進行實驗，因此會深刻地記住科學原理，並從科學遊戲中知道更多。科學遊戲的教育功能在理論的層面已經獲得相當的肯定，透過遊戲化學習，不至流於趕鴨子上架或揠苗助長的反學習效果(張淑媛，2001)。科學遊戲不但可以使學習者更接近科學知識的學習，更是讓學習者發展巧思來主動創作的有益活動，研究者根據文獻資料，認為科學遊戲有下列四項主要功能：. 8.

(17) (一)提高學習興趣教學上最可貴的兩個動機是好奇及趨力，教師必須知道如何應用它並保持這些動力使兒童一直願意主動學習求知；而教學中「增強原則」主張兒童在學習時是主動的、自發的、因好奇而求知、因好奇而活潑、因活動而使好奇得到滿足，對求知活動也產生增強作用(陳義勳，2004)。 (二)思考問題解決的能力 Bruner (1960)認為遊戲可增加兒童對行為的選擇，而促進其對問題解決的能力。郭靜晃(1992)在其譯作舉出許多不同形式的遊戲與問題解決的例子，均可見遊戲與問題解決之相關性。遊戲教學能協助學生建構概念來引起學習興趣，以及在尋找問題解決策略過程中增進思考能力。 (三)學習科學過程技能 Hutt (1971)等學者認為遊戲與探索行為是相似的，因為遊戲與探索行為 (exploration)是屬於自動自發的行為，沒有外在的引發動機(郭靜晃，1992)。 Brunner (1960)認為遊戲的過程與方法比遊戲的結果來得重要。楊蕎安(2007)指出科學遊戲必須包含科學原理，活動過程中也必須運用到科學過程技能。因為在遊戲的過程中，兒童不會在意或擔心遊戲的目標是否達成，他們可以大膽地使用新的、富有創意的行為來進行遊戲。因此在遊戲的過程中，當學習者使用新的遊戲方法時，就表示學習者已經將這遊戲的技能，運用到日常生活裡了。也就是說，透過遊戲的自由參與，學習者能從中獲得生活上問題解決的能力。 (四)提供遊戲化的評量要使學習產生效果，須使學生產生「有意義的學習(meaningful learning)」，其教學評量則要從學生建構知識的過程來看,因此宜採多元「動態評量」(林生傳， 1998)。較常見的遊戲化評量方式乃過關評量、分站評量、踩地雷、猜猜看、填空高手等。其優點是對語文程度較低、語言表達能力較弱的學生，難以從紙筆. 9.

(18) 測驗、專題報告或檔案評量來評量時，遊戲化評量相當適用(徐慶雲，2008)。三、科學遊戲教學美國教育思想家Dewey (1961)指出：「遊戲在學校課程中佔有明確地位，目的在增加知識及充實社會行為，遊戲的目的，不是體力的短暫消耗，或是片刻的愉悅，缺乏遊戲活動之教育，不可能得到有效的學習。」科學遊戲教學，是指運用具備科學啟發性質的遊戲活動於教學中，以培養學生科學探索興趣與熱忱，以及養成學生科學思考和科學處理能力的教學策略，如此不但可促進學生的科學學習成就，也是提升學生學習興趣的一種教學方式。陳忠照(2003)歸納，科學遊戲教學提供兒童在自發性的科學活動中，增進兒童發現的喜悅和創造性的思考，並培養兒童對人對物的尊重態度。在科學教學活動過程中，科學遊戲教學並不只是單純的讓學生盡情的去玩而已，教師仍然是學生整個學習歷程中的重要關鍵。如果教師能以學生既有之背景知識為基礎，扮演支持、導引和擴展的角色，營造適當的學習情境，透過科學遊戲引導學生進行學習，讓學生自我建構學習概念，將有助於科學教學活動的實施，並能有效提升學生的科學素養。好的科學遊戲教學設計，不但能讓學生快樂自在的學習相關的科學知識，更能有意義的落實科學課程。教師應藉由提供必要的器具與協助，連結各學習要素之間的關聯，激發學生參與活動和推理思考，以學生的興趣為出發點，透過教師有計畫的教學活動，藉由科學遊戲為媒介，引導學生從活動中發展科學概念，並從中精熟科學過程技能、涵養建立科學態度，同時，也讓學生在主動參與的知識挑戰活動中，獲得學習的成就與樂趣(賴慶三、王錦銘，2010)。由此可以得知，若能善用遊戲於科學教學上，對於教學與學習方面，都具有正向的助益。. 10.

(19) 第二節奧斯貝(Ausubel)解釋教學奧斯貝(Ausubel)是美國著名的認知心理學家和教育學者，在過去三十年來， Ausubel (1968)所提出的「有意義的學習」(meaningful learning)也一直受到科教者的重視(吳穎沺、蔡今中，2003)，更是他學習理論的主要特色。他的學習理論是以「認知結構」(cognitive structure)為基礎，強調新的學習必須能與個體原有認知結構中的就經驗取得關聯，才是「有意義的學習」(張新仁，2003)。許多研究指出「有意義的學習」可以使學習者得到較為整合的認知結構(Bischoff & Anderson,2001)，因此本節將探討 Ausubel 的教學理論，作為教學行動的依據，以下分別敘述其理論中的核心概念：一、認知結構(cognitive structure) 認知結構(cognitive structure)是指：個人在大腦神經系統中已經學習與保留的學科知識，包括事實、概念和原則(張新仁，2003)。根據 Ausubel 的觀點，學習便是將新訊息納入個體原有認知結構的過程。也就是說，個體在進行學習時，其現有的認知結構會不斷的運作，將新訊息相連於或納入認知結構中的高層概念。所以 Ausubel 主張學習的方向也應該由上而下，也就是說學生必須先知道最高層次的概念，然後學習較低層的概念、定義、性質等，最後才學習零碎的特殊事物(張壽山，1992)。這些內容在腦中形成一個有組織的層級結構或架構，其中較高抽象性(abstraction)、一般性(generality)以及涵蓋性(inclusiveness)的概念或原則居於較上層，而較特殊、具體的事例則於較下層(張新仁，2003)。 Ausubel(1968)認為，概念學習一般要經過兩個階段：概念形成與學習概念的名稱。Ausubel 把兒童通過歸納發現一類事物的特徵屬性的過程，稱為概念形成，以物理領域為例，面對各種物理現象的解釋，如能用一個物理概念將某些物理現象歸納到同一類別(category)，即所謂概念形成。根據上述，研究者認為 Ausubel 認為人們在學習之後，其認知結構會隨著知識的獲得不斷地持續重組與 11.

(20) 改變。二、前導架構(advance organizer) (一)前導架構(advance organizer)的定義一般的教學者都相信，學習新知識，若能從舊經驗開始，會比較容易，而這正與美國認知心理學家 Ausubel 所提出的「前導架構」(advanced organizer)要義不謀而合(引自李佳蓁、江秋樺，2008)。前導架構(advance organizer)是指：在教學前所提出的一個「比學習材料本身只有較高抽象性、一般性及涵蓋性的引介材料」(Ausubel et al.,1978)。簡單的說，即為在教學前對學習內容做一抽象而概括性的介紹，其與概述(overview)或摘要(summary)不同，「前導架構」必須要以高層次概念的形式呈現；而內容概述通常是將內容重點加以濃縮，但在概念層次上是和內容本身平行的。(Ausubel & Robinson,1969)。「前導架構」是結合新、舊概念而利於學習的教學前策略，強調新學習必須能與個體原有認知結構中的舊經驗取得聯繫，才是有意義的學習(meaningful learning)(張新仁等，2003)；前導架構除能提供鷹架式的結構(scaffolding)外，也能促進學習者的編碼歷程(吳幸宜譯，1994)，讓學生學得快又省力，達事半功倍的效果；亦有「鎖定焦距(anchoring foci)」的功能，聚焦在即將學習的主題上，並引導學生專心於課程中最重要的部份(Walberg& Paik, 2000)。綜合上述可知，前導架構扮演著橋樑的功能，以較高層次概念的形式呈現，並引導著學習者進行外在的聯結。 (二)前導架構(advance organizer)的功能 1.. 使學習者在腦中產生一個新的原則性組織，作為吸收其他知識內容的架構，這種組織是學習者原來不曾有的。. 2.. 是使其從已存有的知識當中引發出一原則性組織，而原來那些已存有的. 12.

(21) 知識在一般狀況下通常是不被學習者用來吸收新的知識。 3.. 縮短學習者已經知道和必須知道的資料兩者間的差距，使得學習能又快又好(引自 Ausubel ,Novak& Hanesian, 1978, P.148)。. (三)前導架構(advance organizer)的類型 1.. 解釋法前導架構(expository organizer)：當學習材料對學習者而言，相當陌生時，可用「解釋法架構」提供相關的背景知識(即先備知識)，以利理解和學習新的訊息。其功用是希望經由相關概念的引介，能在學習者的認知結構中形成一個合宜的「概念破碇所」(ideational anchorage)，以含攝(subsumption)即將學習的內容材料(Ausubel,1968)。例如：在教「地形」前，先為地形下一定義：「地形是指地球表面的特殊高低起伏與形狀」 (Eggen et al.,1979)。. 2.. 比較法前導架構(comparative organizer)：提供學習者熟悉的概念與即將學習的概念相比較，由二者的相似處和相異處瞭解新概念的特性。例如：教「雷達」時，可比較「聲波」與「雷達」的相同與不同點(Mayer,1984)。當學習材料與學生就有經驗有所關聯，且具有若干程度的熟悉時，可採用此法，來比較新教材與舊知識之間的異同。上述之兩種前導架構，在教學前必需要了解學習者的認知結構、先備知識、. 舊有經驗，並設計適合學習者的教學內容，才能有效的達到教學目的。在本研究當中，因奈米科技概念尚未加入九年一貫課程綱要之中，所以研究對象大多沒有學習奈米科技概念之相關經驗。有鑑於此，研究者採用解釋法前導架構設計奈米科技概念教學。三、學習的類型 Ausubel 將教室中常見的學習方式分為：有意義的學習(meaningful learning)、機械式的學習(rote learning)、接受式學習(reception learning)與發現式學習. 13.

(22) (discovery learning)(張新仁等，2003)。 Ausubel 理論的核心理念即是「有意義的學習」(meaningful learning)，只要學習者有意識的將新知識與舊概念相聯結，變產生有意義的學習。「有意義的學習」(meaningful learning)是指：學習者能知覺到新的學習內容和其大腦原有認知結構中的舊知識有所關聯，並且能將新舊知識連結，經由學習後，內化為認知結構的一部分(張新仁主編，2003)。Ausubel 等人(Ausubel, Novak, & Hanesian,1978)認為影響學習的二個基本要素包含：(1)學習者所要學習的新概念或學習內容(2)學習者對此新概念所有的先備知識結構情況。 Ausubel 等人強調新的學習必須能夠與個體原有的認知結構中的舊經驗相關聯，才是有意義的學習。他們亦提出對學生學習內容的安排應遵守漸進分化 (progressive differentiation)和統整穩定(integrative reconciliation)的原則，使概念成為學習者認知結構中穩定的部分，再去學習新事物。換言之，學習者的舊的經驗會影響新的學習，新的學習若與舊的學習相關聯則較易學習，此即是「有意義的學習」。 Ausubel 等學者(Ausubel, Novak, & Hanesian, 1978)將有意義的學習又分成下列四種： 1.. 表意的學習(representational learning)：學習者將個別抽象符號與外界事物連結、再用符號表達己意的學習。. 2.. 概念學習(concept learning)：學習者以特定的名稱學習特定的事務或現象的學習，其中又包含概念的形成和概念的類化學習。. 3.. 敘述性學習(propositional learning)：學習者將敘述性學習內容和自己原有的認知結構產生關聯的學習。. 4.. 發現學習(discovery learning)：是學習者透過自身對訊息的重整和原有的認知架構配合而產生新的認知架構，再經過認知重組，發現或歸納出知識結構. 14.

(23) 的新的關係。這四種學習會在個體的學習中發生，且互相影響，其必要是對個體的認知或成長發展具有意義的，才能內化為學習的一部份，個體再根據此部份的學習去學習更多的事物(王真麗，2003)。有意義的學習，只產生在學生已有充分的先備知識基礎上教他學習新的知識，換言之，只有配合學生原有概念與經驗的教學，學生才會產生有意義的學習，學生學習新知識的能力及經驗，就代表他的認知結構，配合他的認知結構，教他新的知識，就會使他產生有意義的學習(張春興，1986)。敎師在開始進行教學時，將學習者欲學習的新知識結構化，幫助學習者將教師教授的新知識和命題，與本身認知結構中的舊概念相聯結，並同化新概念，此教學步驟稱為「提綱挈領」或稱為前導架構(advance organizer)。郝琦蕾與姜晉國(2003)更進一步的詳細說明提綱挈領的教學模式分為三個步驟。步驟一：在學習新概念之前，教師應先以學生的認知概念為立足點，進而說明即將要學習的新概念，將新概念的上位概念納入學生的認知結構中；步驟二：依照一般概念到特殊概念的順序，有層次的呈現教材，敎授新概念；步驟三：統整、鞏固新概念，強化學生認知結構。概念發展首先是從最普遍性、一般性及涵蓋性最大的概念產生，教師在教學過程中，先呈現概括性的概念，隨後再逐漸增加一些較詳細或特殊概念的講解說明，新舊知識含攝過程中勢必產生新的聯結，使學生認知結構重新調整，趨於精緻、複雜化，此時新概念的進入不再是「獲得」，而是「分化」，從概括到分化的教學中，學生可以瞭解新概念和先備知識的異同，此為「漸進分化」 (progressive differentiation)過程。學生學習的概念會越來越多，新概念間或新舊概念在含攝過程中可能產生衝突的情形，此時學生會主動修正原有的認知結構或重新定義概念的意義，明確指出相似與相異概念，將分化後的知識再聯結起. 15.

(24) 來，則原始概念意義將能夠更精確地被清楚陳述出來，成為有組織的知識結構，即為 Ausubel 所提的「統整調和」(integrative reconciliation)。學生透過上述的學習歷程，主動去挖掘新材料與舊經驗間的聯結關係，從中促進概念的理解，學生能明瞭自己的學習行為是有意義的，學習的結果將更能豐富學生的心靈，使學生能夠主動學習新知識，有意義的學習便告產生(余民寧，1997)。為達有意義的學習，Ausubel 指出有兩種途徑或方式：接受學習和發現學習。有意義學習論雖然以教師講授說明為主，但讓學生能夠清楚的表達才能協助學生確實掌握概念的意義，因為表達是獲得概念的有效方法，師生間要有大量的相互作用，可透過分組討論、交流，啟發學生積極的思維(顧宏偉，2008；郝琦蕾、姜晉國，2003；陳柏良，2004)。營造合諧的教師氛圍，讓學生勇於表達，樂於和同學分享自己的看法，學習環境的營造有助學教學與學習成效。總言之，從 Ausubel 的學習理論可知，學生在學習一種新知識時，在教師提供引導下，嘗試運用其先備知識從不同角度去吸收新知識，最後納入他的認知結構中，成為自己的知識，亦即影響學生學習的主要因素。本研究根據 Ausubel 的學習理論，採用解釋法前導架構進行教學設計，並運用生活週遭可見之案例與素材帶入奈米科技概念學習，以幫助學生在進行教學活動時，能夠由產生有效的學習。. 第三節奈米科技概念近年來，奈米科技已成為各國爭相較勁的尖端科技，奈米科技看起來像是強烈風暴，即將引起下一場工業革命，哪一國家能先掌握奈米先進技術，便能主導未來奈米產業的競爭優勢(Holley, 2009)。全球知識經濟發展的脈絡中，奈米技術的推動對於各國的產業及競爭力影響既深且廣，奈米與我們的生活息息相. 16.

(25) 關，也是「奈米科技」21 世紀新產業革命的動力，奈米科技的推動能促進國家的產業及競爭力(盧秀琴、宋家驥，2010)。由此可見奈米科技在未來的重要性，因此本研究教學內容以奈米科技進行為主，以下探討奈米科技與概念的定義，並且列出本研究中的奈米科技概念向度，以作為本研究之依據。奈米科技(nanotechonology)指的則是奈米尺寸下的科學與技術，也就是在微小尺度上的研究與操控(范賢娟，2009)。奈米科技是生物、化學及生命科技三大基礎科學為主的科技(馬遠榮，2002)，因此奈米科技可應用的範圍相當廣泛，奈米相關產品的市場也相對廣大。根據美國國家奈米科技開創中心的定義指出，只要材料結構的尺寸在 1～100 奈米之間的物化性質研究，和這種材料的製造、操縱及相關量測技術、儀器研發等，都可稱為奈米科學和技術。陳浩銘、辛嘉芬、劉如熹(2008)提出政府已經公開把奈米科技列為重要發展的項目，使得奈米科技在近年內快速發展。在許多提供奈米科技專業知能研習的機構當中，尤其以美國的國家奈米科學工程教與學中心<National Center for Learning and Teaching of nanoscale science and engineering education (NCLT)>最為知名(Greenberg, 2009)。美國國科會 NSF 補助成立的 NCLT 分成五個核心任務： 1.學習研究；2.奈米科技概念、課程和學習技術開發；3.專業訓練；4.資源傳播、建立網絡和社群；5.評鑑和評估。奈米科技的界定須包括以下三點：(1)物件或結構尺寸範圍介於 1～100 奈米之間的研究及技術發展；(2)創造或應用的元件、架構或系統達到奈米等級時，產生特殊的性質與功能；(3)具有控制或操作原子等級物件的能力(葉安義，2004)。由此可見，奈米科技概念是研究發展的重點之一。而概念(concept)是人們思考和瞭解的工具，也是學習的基本單位，透過有意義的學習而獲得概念，使人們能有深入思考的能力(黃台珠，1984)。林生傳(2003)認為概念就是，對於隨時變化的複雜環境事物，給予抽象化、概括化，繼而執簡馭繁、提綱挈領、聞一. 17.

(26) 知十，藉以產生意義。就整個概念形成的過程來看，可視為是學習者的學習歷程(熊召弟，1994)，學生透過概念的學習與傳達，學習到新知識，並據以產生新的概念，用來傳遞人類文明中最寶貴的知識資產(余民寧，1999)。當今科技教育著重在學生科技概念的學習，學生要學習一門學科的知識，就是要掌握其相關的概念，透過概念的學習，得以形成個人的知識系統(李堅萍， 1998)。2000 年由美國國際科技教育學會(International Technology Education Association, ITEA)出版的「科技素養的標準」(Standars for Technological Literacy, STL)一書中，提出二十條 K-12 科技教育內容標準，其中在科技的本質之第二條標準提到：「學生應發展對科技核心概念的理解」(ITEA, 2000；賴南宏，2006)。研究者根據文獻資料，將奈米科技概念向度如下陳列： (一)奈米的定義 1990 年時由日本提出奈米(nanometer)一詞，奈米是英文 nanometer 的譯名，其中奈米的「奈」是 nano 的音譯簡稱，而奈米的「米」是 meter 的音譯簡稱；是一種長度單位，一奈米(1nm)等於十億分之一公尺(10-9m)。如果說，將地球的直徑比喻為「一公尺」，那麼「一奈米」就相當於一顆彈珠的直徑。奈米的尺度很小，所以我們常用奈米單位形容細菌或原子等尺度小的物質，人類視覺與一般光學顯微鏡皆無法觀察到，必須使用電子顯微鏡才能得以看見(馬遠榮，2002；廖婉茹，2006)。 (二)奈米的特性當物質的尺寸變成奈米尺寸時稱為「超微粒」，會造成一些物理或化學性質的變化，共可分為以下幾類： 1. 表面積效應：當材料奈米化後，使粒子尺寸縮小，物質體積不變，但表面的總原子數急速增加，使奈米級的粒子表面具有很高的活性(呂宗昕，2003)。例如：金在一般狀態下是惰性的，當尺寸縮小至奈米時，金會被活化，可以. 18.

(27) 當作催化劑使用(高逢時，2006)。 2. 光學性質：因為金屬超微顆粒對光的反射率很低，因此奈米化後的黃金表面顏色會變黑。事實上，當金屬物質在超微顆粒狀態時都會呈現黑色，尺寸越小則顏色越黑(牟中原，2004)。 3. 熱學性質：固體尚未奈米化其熔點是固定的，但超微化後其熔點明顯降低，尤其是當顆粒小於 10 奈米時，例如：普通的金塊熔點為 1020 度，而 2 奈米的熔點為 960 度(尹邦耀，2002)。 4.. 力學性質：在超微顆粒狀態時因為具有較大的界面，而界面上的原子排列相當混亂，原子在外力下容易變形，因此呈現出較佳的韌性，例如奈米陶瓷就有較好的韌性，較不易脆(龔建華，2002)。. (三)自然界的奈米現象 1.. 蓮花效應(Lotus effect):在大自然界中，最有名的奈米現象，就屬蓮花效應了。蓮花之所以出淤泥而不染，水珠在蓮葉上不會散開的奧秘，在於蓮葉表面上精密奈米結構的絨毛，使水與葉面的接觸角大於 140 度，只要葉面稍微傾斜，水珠就會滾離葉面，帶走骯髒的灰塵，具有超疏水(super hydrophobicity)以及自潔(self-cleaning)的特性(蘇俊鐘，2003；郭東瀛、葉吉田、廖駿偉， 2005)。. 2.. 生物羅盤：再大自然中，有些具有辨識方位能力的動物，例如鴿子、鮭魚等，這些生物體內都存有奈米級的磁性粒子，即磁場感應器，有如生物磁羅盤，使這類生物在地磁場導航下能辨認方位，找到回家的路(廖達珊、胡苓芝、潘彥宏、孫蘭芳，2004)。. 3.. 光子晶體：某些蝴蝶翅膀的鱗片和雄孔雀的羽毛表面，可選擇性地反射部分顏色的光，並讓其餘顏色的光穿透過是因未具有特殊的光子晶體奈米構造，呈幾何結構週期性排列，當光與光子晶體所產生的夾角改變時，會使光子晶. 19.

(28) 體反射不同頻率的光，所以鱗片或羽毛會隨觀看角度而改變顏色(呂宗昕， 2005)。 (四)奈米材料與發展材料在三個維度間，至少有一個維度的長度介於 1 到 100 奈米間，就可以稱之為奈米材料。在 1 到 100 奈米尺度下作業的奈米科技產品，橫跨多個學科，涉及物理、化學和生物學在內的所有相關的工程領域，包括： 1.. 資訊產品：未來所有的電子元件都將具有更小、更快、更冷(溫度上升低)的特質。例如：一個手錶大的儲存器，可以儲存 1000 張的光碟中的資訊；計算機的傳送速度大幅提昇。. 2.. 生物醫學：奈米科技可以使費時又費力的基因測試和基因表達檢測效率提高，因為奈米科技可以在很小的尺寸中作業；而奈米級微型探測器，可以快速、準確的進入活細胞內進行探測；奈米科技還可以製成人類的血液代替品…等。. 3.. 民生工業：奈米光觸媒、奈米塗料、奈米衣…等，奈米科技已經廣泛的應用於日常生活中，例如：奈米冰箱有抗菌、除味及防腐的功能。. 4.. 其它：奈米碳管被稱為是二十一世紀的「超級纖維」，也是目前太空天梯選用的最佳材料。一根碳管直徑約 1.4 奈米，由碳元素組成，外圍為石墨層的六邊形網格構成，具有高強度、高彈性、熱傳導性、導電性等，應用範圍相當寬廣；在航空方面，可以製造出重量更輕、更節省能源的飛機等(修改自黃佳媛、許良榮、陳欣琦，2011)。本研究針對以上所探討之四大奈米科技概念向度進行教學設計。. 20.

(29) 第三章研究方法與設計本章共分四節，第一節研究設計、第二節教學設計、第三節研究對象、第四節研究工具、第五節研究流程、第六節資料蒐集與分析，第七節初探結果分析與結論共七節，分節討論之。. 第一節研究設計由本研究主要目的為比較科學遊戲融入教學與 Ausubel 解釋法教學，對學生奈米科技概念學習之成效差異，因此本研究採用準實驗研究法之「不等組前後測設計」(nonequivalent pretest posttest design)，共進行兩次教學，在進行教學前，先對研究對象進行「奈米科技概念評量」(陳欣琦，2011)前測，於教學活動結束後，立即進行後測，並在一個月後進行延宕測。第一次為初探研究，研究對象為台中市陽光國小(化名)五年級 A 班與 B 班學生，並邀請研究對象班級的自然科科任教師與級任導師作為協同教師，協助觀察研究者的教學過程，並給於回饋，以利研究者了解教學活動之缺失。根據第一次教學活動經過修正後，進行正式教學，研究對象為台中市陽光國小(化名)五年級 C 班與 D 班學生。透過學生在奈米科技概念評量試題的前後測答對率變化情形，了解科學遊戲(科學遊戲組)與 Ausubel 解釋法(解釋教學組)教學是否能提昇學生的奈米科技概念學習，有助於學生對於奈米科技概念的理解，並比較其差異。. 第二節教學設計本研究針對陳欣琦(2011)所設計之問卷及調查結果，針對受試者答對率低於 50%之題目進行教學設計，以培養學生的奈米科技概念認知，由於每題概念不同，因此本研究以多元教學設計，並針對陳欣琦(2011)研究結果中答對率低於 50%之. 21.

(30) 題目進行教學設計，撰寫教案(詳見附錄一至四)，並經由兩位專家審查，修正教案後進行教學活動，本研究邀請的二位專家背景如下： (一)任教於公立小學國小教師 1. 具有 10 年以上的教學年資。 2. 具有國立大學科學教育碩士學位。 3. 其碩士畢業論文的研究主題與奈米科技教育相關。 (二)任教於公立小學教授自然與生活科技領域之國小教師 1. 具有 15 年以上的教學年資。 2. 具有國立大學科學教育碩士學位。 3. 具有豐富的自然科教學、競賽、研習等相關經歷，其碩士畢業論文與科學遊戲相關。科學遊戲組與解釋教學組之教學設計說明如下：一、科學遊戲融入教學(科學遊戲組) 以科學遊戲為主題，引融入教學活動，教學設計共包含 4 項科學遊戲，其概念題目與教學設計如對應表 3-2-1 所示：. 22.

(31) 表 3-2-1 科學遊戲教學設計目標概念 1. 「蓮葉效應」是因為蓮葉上具有什麼特殊的構造與特性。 2. 具有蓮葉效應的植物種類。 1. 鵝毛不沾水、海豚的皮膚不易附著髒污、昆蟲的翅膀表面現象原因。. 1. 1. 2. 3.. 1.. 教學目標 1. 了解蓮葉效應是因為具有特殊的奈米尺寸結構且有自潔與疏水性。 2. 除了蓮葉以外包含：大萍、芋頭的葉子等都具有蓮葉效應。 1. 了解生物界中除了植物以外，也有其他動物身上具有特殊的奈米構造且與蓮葉效應相似。. 奈米與其他長 1. 能夠了解一奈米等於度單位間的轉十億分之一公尺換物質奈米化 1. 能夠了解物質奈米化後，現象的變後的現象及特性是由化於表面積效應所造成關於物質奈米化後的特性敘述藥品經過奈米化後，吸收效果會更好的原因奈米標章是由哪 1. 知道奈米標章是由經濟個政府機關核給部頒發，且規定奈米產且其所訂定的奈品尺寸必須在 100nm 以米科技產品成分下。或構造的尺寸。. 1. 將奈米技術應用於硬碟或光碟片有何優點 2. 「奈米光觸媒」的功能 3. 將奈米科技運用於飛機能產生什麼功能 4. 目前所知體內存有奈米級的生物羅盤，能千里跋涉的生物種類. 1. 將奈米技術應用於儲存設備中可以增加其儲存容量。 2. 奈米光觸媒具有殺菌、除臭等功效。 3. 將奈米科技應用於交通工具上可以減少燃料消耗。 4. 自然界中具有生物羅盤的生物有：蜜蜂、海龜、鴿子、鮭魚等。. (教學活動設計詳細流程見附錄一). 23. 教學設計 1. 實驗操作讓學童藉由實驗，觀察並紀錄水滴在不同葉子上的情形(具/不具有蓮葉效應的葉子)，並描述其特性。 1. 趣味遊戲競賽利用蓮葉為盛水工具，引發學生思考在自然界中是否有其他生物具有蓮葉效應的特殊構造。 2. 科學遊戲操作讓學生動手製作「奈米碳」科學遊戲了解蓮葉效應的特殊現象並加深印象。 1. 教學者解釋說明後讓學生上台表示成數學符號。 1.. 2.. 科學遊戲操作讓學生比較同樣質量的方糖，一為塊狀、一為粉末狀，其兩者間的溶解速度快慢。教學者實務舉例讓學生能夠更具體的了解利用海綿，先與學習者說明原先的表面積，將海綿剪一半後，表面積會比原先的增加。. 1. 教學者解釋說明。. 科學遊戲：奈米闖關王 1. 教學者剪輯「科幻赤壁-決戰奈米」之影片中的相關概念二十分鐘，播放給學習者觀賞。 2. 影片結束後針對概念設計題目，讓學生進行闖關活動。.

(32) 二、Ausubel 解釋法教學(解釋教學組) 本研究根據 Ausubel 的「意義學習理論」中所倡導的「解釋法」也就是所謂的「接受式學習」(reception learning)，其包括了師生的對答、資料的關聯及學生的接受等過程。主張以聽講及解釋教材的教學方式，只要教材組織與呈現方式適當，解釋法與發現法可以達到一樣的理解與記憶。圖 3-2-1 其階層最上位概念為「奈米科技核心概念」其含攝性最大為本研究的主要概念，而此主要概念分別包含第二層次的奈米的定義、奈米的特性、自然界的奈米現象、奈米材料與科技發展，其各個向度分別包含了次一階層的概念，以達到有意義的學習(其教學活動設計詳細流程見附錄三、四)。奈米科技核心概念. 奈米的定義. 奈米的特性. 單位的換算. 自潔性疏水性. 自然界的奈米現象. 植物、動物. 米材料與科技發展. 太空天梯、奈米光觸媒奈米塗料、資訊產品等. 圖 3-2-1 奈米科技概念階層圖本研究於解釋教學組所設計之教學內容與目標概念皆與科學遊戲組一致，教學法則是採用解釋法教學進行。兩組教學設計之異同如下表 3-2-2 陳述：表 3-2-2 科學遊戲組與解釋教學組教學設計比照表科學遊戲組. 相同. 相異. 解釋教學組. 教學內容. 奈米科技概念. 教學資料. 全彩講義、投影片、學習單. 教學時間. 三節課(每節課四十分鐘). 教學法. 科學遊戲融入教學活動. 24. Ausubel 解釋法.

(33) 第三節研究對象本研究初探研究與正式教學研究對象為皆為台中市陽光國小(化名)五年級學童。初探研究為 A 班(解釋教學組，27 位)與 B 班(科學遊戲組，31 位)的學生，正式研究為 C 班(科學遊戲組，28 位)與 D 班(解釋教學組，31 位)的學生，初探研究與正式研究時隔一年，因此可避免初探研究與正式教學之研究對象相互干擾之情形。陽光國小每兩年進行亂數分班，素質平均，且研究對象皆不具有奈米科技概念學習經驗。. 第四節研究工具本研究工具採用陳欣琦(2011)所編制之「中部地區國小高年級學童奈米科技核心概念調查問卷」，其研究工具經過庫李信度分析，整體試題的 α 值(信度係數)為.869，其中「奈米的定義」向度的 α 值為.833、「奈米的特性」向度的 α 值為.879、「自然界的奈米現象」向度的 α 值為.818、「奈米材料與發展」向度的 α 值為.883，在整體問卷與四個向度中，α 值都在.800 以上，顯示工具的內部一致性頗為良好，由於本研究之研究情境與陳欣琦(2011)之研究十分相似，因此本研究為標準參照評量(criterion-referenced evaluation)，針對「奈米科技概念評量」，沒有再進行信度考驗。. 第五節研究流程本研究實施步驟分述如下：一、資料蒐集與分析研究者根據學習經驗從中蒐集並閱讀文獻後，選定欲研究之主題，並依據研究主題與目的，聚焦於奈米科技概念、奈米科技教育、科學遊戲融入教學等相關文獻加以整理、綜合和歸納，擬定研究問題與目的。. 25.

(34) 二、選定研究工具根據相關文獻資料探討，擬以陳欣琦(2011)所編制之「中部地區國小高年級學童奈米科技核心概念調查問卷」之調查研究結果進行教學設計。教案設計完成後，商請相關領域專家進行審查，協助審核教學內容設計之適切性，並提出修改意見，再針對其缺失進行修正，完成教案設計。三、執行教學活動於教學活動進行前分別對科學遊戲組及解釋教學組的研究對象實施前測，教學活動結束後進行後測，活動結束後一個月進行延宕測，以了解研究對象概念保留狀況，並邀請兩位協同老師於活動中觀察紀錄，提供後續教學修正。修正完成後，擇另二班級進行正式教學活動。四、資料整理與分析教學活動結束後，收回施測問卷，檢查是否有過於規律或空白太多的問卷，剃除無效問卷後運用統計軟體 SPSS 進行數據編碼與分析。針對兩種不同的教學法先進行相依樣本 t 檢定以得知其個別成效，再透過 PEARSON 相關係數分析與單因子共變數分析來比較其結果。五、教學設計修改由協同老師之觀察建議及研究結果分析，進行教學設計修改。六、教學活動執行由上述步驟後，再一次進行教學活動，並分析其成效與結果。如圖 3-4-1。. 26.

(35) 資料蒐集分析. 指導教授討論. 確定研究主題. 採用陳欣琦（2011)奈米核心概念問卷. 選定研究工具. 專家教案審查與修改. 教學設計. 蒐集與探討相關文. 執行教學活動前測. 教學. 後測. 延宕測. 資料整理與分析. 獻教學設計修改奈. 執行教學活動前測. 教學. 後測. 資料分析與詮釋. 論文撰寫. 圖 3-4-1 研究流程. 27. 延宕測.

(36) 第六節資料蒐集與分析本研究共進行兩次教學實驗，第一次為初探研究，在教學前先進行前測，教學後立即進行後測，教學後一個月進行延宕測，以得知學生學習過後概念保留情形。初探研究後，根據協同教師及專家之建議，修正教學活動內容及提升教能力後，再進行正式教學。教學後，將「奈米科技概念測驗」收回，先逐份檢查填答狀況，剔除填答過於規律、漏答超過一半以上或基本資料不完整等之無效問卷。依研究對象之組別、性別變項加以分類編碼，其後接續問卷填答資料。經核對無誤後，將資料輸入電腦，使用統計套裝軟體 SPSS 16.0 版進行統計分析，說明如下：一、「奈米科技概念測驗」計分方式：本測驗共有 20 題，分為四個向度，包含「奈米的定義」2 題、「奈米的特性」 4 題、「自然界的奈米現象」7 題及「奈米材料與發展」7 題。依照受試者對題目的瞭解程度，在四個選項中選出一個正確答案，答對給一分，答錯、多選或漏答得 0 分，將分數加總成為學生的「奈米科技概念評量」之得分，總分為 20 分。二、描述性統計： (一)以次數分配與百分比呈現兩組的研究對象基本資料、各試題與總量表之填答分佈情形。 (二)使用平均數與標準差分析比較兩組研究對象「奈米科技概念評量」之各向度及整體得分的情形。三、將前、後、延宕測收回後，在組間進行相依樣本 t 檢定，以了解學生在經過教學活動後，能否提升學生的奈米概念學習。四、將兩組進行單因子共變數分析(ANCOVA)，以剔除學生的背景知識與能力等因素，再加以考驗兩種教學法間是否達顯著差異。自變項為組別(科學遊戲組、解釋教學組)，共變數為前測，依變項為後、延宕測成績。 28.

(37) 第七節初探研究之討論與分析研究者進行初探研究的時間為民國 101 年 3 月 19 日至 21 日，研究對象為台中市市區陽光國小(化名)五年級學生，共有兩個班級進行兩種不同的教學法，以下將分別描述與討論之。其兩種教學活動場地皆為自然科教室，教室配置如圖 3-7-1：黑板、投影布幕. 電腦. 窗台. 前. 電腦電腦. 門. 講台. 第三組. 第二組. 第一組. 第六組. 第五組. 第四組. 洗手台. 後門. 圖 3-7-1 教室位置配置圖研究者在進行教學活動前，設計「協同教師觀察記錄表」，提供協同教師在研究者進行教學活動時分項記錄觀察的結果並給予建議。研究者在本次的教學活動中擔任教學工作，並設計及準備上課所需教材，同時蒐集協同教師的教學觀察記錄、學生文件(包含教學活動學習單、奈米科技概念前測、後測、延宕測驗問卷)以供教學活動修正和教學方法改進之參考，並提供正式教學之用。本節就「科學遊戲融入奈米科技概念教學之成效(科學遊戲組)」、「Ausubal 解釋法融入奈米科技概念教學之成效(解釋教學組)」、「科學遊戲與 Ausubal 解釋法融入奈米科技概念之兩種教學成效差異」進行分析與討論，以提供正式教學之修訂參考。 29.

(38) 一、科學遊戲融入奈米科技概念教學之成效學生的科學遊戲融入奈米科技概念教學之成效，三次測驗的平均數、標準差呈現於表 3-7-2。表 3-7-2 科學遊戲組得分統計(初探研究) N=31. 平均數(答對率%). 標準差. 前測. 7.13 (35.6). 1.96. 後測. 13.68 (68.4). 2.68. 延宕測. 13.16 (65.8). 2.61. 由表 3-7-2 中得知，前測的平均得分為 7.13(答對率 35.6%)，後測的平均得分為 13.68(答對率 68.4%)，延宕測的平均得分為 13.16(答對率 65.8%)，顯示經過實驗處理後，後測與延宕測得分皆高於前測得分。進一步以相依樣本 t 檢定分析三次奈米科技概念測驗中，兩兩是否達顯著差異，其結果呈現於表 3-7-3 中。表 3-7-3 科學遊戲組差異性分析相依樣本 t 檢定(初探研究) 平均數差異. t. 顯著性(雙尾). 前測-後測. -6.55. -10.42. .00. 後測-延宕測. 0.52. 0.75. .46. 前測-延宕測. -6.03. -10.24. .00. 由表 3-7-3 的結果發現，實驗處理後，後測的分數高於前測 6.55 分，延宕測的分數高於前測 6.03 分，延宕測較後測低 0.52 分。後測與延宕測皆顯著高於前測(P< .05)，且後測與延宕測未達顯著差異(P> .05)，推知科學遊戲融入教學可提升學生奈米科技概念學習，且經過一段教學時間後，概念具有持續保留的效果。根據 Bloom(1968)所提出理論中，評量試題答對率高於 80%則為精熟學習 (Mastery Learning)；學生的答對率在經過教學後，提升了 32.8%，但整題答對率仍未達精熟學習的 80%，說明教學設計仍有改善空間。其修正如下： (一). 改變問答設計 30.

(39) 在教學過程當中，研究者雖有設計問答題目，但多是口語直接提問，並沒有將問題列在投影片上，因此為了加深學生對問題中概念的印象，研究者將問題列於投影片上，提供影像資訊，並用有獎徵答的方式，提高學生對於概念的了解及注意力。 (二). 闖關活動原「奈米闖關王」活動設計，每題題目的選項共有三個，例：請問物質經過奈米化後，其熔點會 (1)上升 (2)下降 (3)不變。為了加深學習者對特定概念的理解，研究者將選項修正為兩個，例如：請問物質經過奈米化後，其熔點會 (1)上升 (2)下降，去掉第三個選項，亦即減少干擾選項，以加深學習者的印象。. 另一方面，研究者根據協同教師教室觀察紀錄表中所提出之建議進行修改，其修正內容如下： (一). 教學時間原教學時間共四節課，一百六十分鐘。研究者從教學過程中發現，學生進行實驗活動時，因為投入競賽，因此經常過度專注於競賽結果與分數，而分散了對於概念學習的專注力。因此將三個競賽活動縮減為兩個，如此修訂也配合協同教師課室觀察紀錄表中提到「學生上課，做活動欲罷不能，可考慮改設計為三堂課，或流程更緊湊」之建議，將教學時間調整為三節課，共一百二十分鐘，以利教學進行。. (二). 教學活動原教學活動設計共有五項科學遊戲活動，而其中有兩項較為相似，「盛水大王」與「自然界的奈米」，其兩者皆為了使學生了解蓮葉效應的特性。研究者從教學過程中發現，由於「盛水大王」在遊戲進行時，易潑溼教室地板，需花費較多時間復原場地，影響教學流程，因此便將此活. 31.

(40) 動刪除，保留「自然界的奈米」活動。二、Ausubal 解釋法融入奈米科技概念教學之成效學生的 Ausubal 解釋法融入奈米科技概念教學之成效，三次測驗平均數、標準差呈現於表 3-7-4 中；表 3-7-4 解釋教學組得分統計(初探研究) N=26 前測後測延宕測. 平均數(答對率%) 7.62 (38.1) 13.23 (66.4) 11.50 (55.8). 標準差 2.65 3.29 3.82. 前測的平均得分為 7.62(答對率 38.1%)，後測的平均得分為 13.28(答對率 66.4%)，延宕測的平均得分為 11.16(答對率 55.8%)，結果發現後測與延宕測平均皆高於前測平均。進一步以相依樣本 t 檢定分析三次奈米科技概念測驗中，兩兩是否達顯著差異，其結果呈現於表 3-7-5 中。表 3-7-5 解釋教學組差異性分析相依樣本 t 檢定(初探研究) 平均數差異. t. 顯著性(雙尾). 前測-後測. -5.62. -6.61. .00. 後測-延宕測. 1.73. 2.06. .05. 前測-延宕測. -3.89. -4.36. .00. 從表 3-7-5 的結果中發現，實驗處理後，後測的分數高於前測 5.62 分，延宕測的分數高於前測 3.89 分，後測比延宕測高 1.73 分。由 t 檢定發現後測與延宕測皆顯著高於前測(P< .05)，但後測與延宕測之間也達顯著差異(P=.05)。其結果顯示 Ausubel 解釋教學雖可提升學生奈米科技概念學習，但經過一段時間後，學生的概念保留有下降的現象，因此本教學設計仍有待修改。其修正如下： (一). 概念統整根據 Ausubel 所提出理論當中，解釋教學中概念由上往下之理論，且應. 32.

(41) 反覆練習幫助學習者熟記課程知識內容，以達到有意義的學習。因此教學者在教學進行時增加複誦與問答互動，於每個概念單元小結時，設計問題配合教學，將先前的內容加以統整及複習以加深學習者印象。 (二). 教學活動 Jones 等人(2005)提到，雖然科技發展日新月異，但學生對於小尺度(奈米、分子、原子等視覺無法直接觀察)概念化仍然面臨相當大的挑戰與困難。有鑑於此，研究者考慮到若是單以投影片配合講義教學，學習者對於奈米科技概念的理解仍有困難，因此便透過網路搜尋奈米科技概念相關影片輔助教學，研究者在 Youtube 上發現由國科會奈米國家型研究計畫中所發展出的影片，加以剪輯取用與課程相關之知識片段，以幫助學習者能夠概念化其知識。. (三). 教學時間因此，根據上述教學設計調整，原教學時間為兩節課，共 80 分鐘，改為三節課，共 120 分鐘。. 三、科學遊戲與 Ausubal 解釋教學融入奈米科技概念之兩種教學成效差異學生的科學遊戲(科學遊戲組)與 Ausubal 解釋法(解釋教學組)融入奈米科技概念教學之成效，透過電腦統計軟體 SPSS 16.0 進行分析，三次測驗的滿分皆是 20 分。平均數、測驗人數、標準差呈現於表 3-7-6。表 3-7-6 科學遊戲組與解釋教學組前、後、延宕測之得分情形(初探研究) 科學遊戲組(N=31). 解釋教學組(N=26). 平均. 標準差. 得分率(%). 平均. 標準差. 得分率(%). 前測. 7.13. 1.96. 35.6. 7.62. 2.65. 38.1. 後測. 13.68. 2.68. 68.4. 13.23. 3.29. 66.1. 延宕測. 13.16. 2.61. 65.8. 11.50. 3.82. 57.5. 33.

(42) 在前測的得分當中，解釋教學組較科學遊戲組高 0.49 分，而經過實驗處理後，科學遊戲組後測得分高於前測 6.55 分，解釋教學組則是 5.62 分，兩者間得分相差 0.93 分；而科學遊戲組的延宕測分數也較高於解釋教學組 1.66 分。且從上述之兩組教學法差異性分析中得知，科學遊戲組的後測與延宕測未達顯著差異 (P> .05)，而解釋教學組則達顯著差異(P=.05)，因此推知科學遊戲組的奈米科技概念保留情形較佳於解釋教學組。為進一步得知兩組實驗對象背景是否有差異，因此先對兩者前測結果進行 T 考驗，其結果無顯著差異(P> .05)，因此進一步透過單因子共變數分析比較其兩者後測成效差異。在進行單因子共變數分析前，先進行組內迴歸係數同質性考驗，考驗兩者間是否達顯著差異。其兩者間的前-後測組內迴歸係數同質性檢定如表 3-7-7：表 3-7-7 科學遊戲組與解釋教學組後測組內迴歸係數同質性檢定(初探研究) 變異來源. SS. Df. MS. F. P. (自變項*共變項). .72. 1. .72. .08. .78. Error(組內+殘差). 481.71. 53. 9.09. 透過組內迴歸係數同質性檢定後發現，結果發現 F 值為.08，其 P 值為.78 (P> .05)，兩者之間未達顯著差異，表示未違反迴歸係數同質性的假定。因此以前測分數作為共變項，組別為自變項，後測與延宕測為依變項，進行單因子共變數分析。其結果如表 3-7-8：表 3-7-8 科學遊戲組與解釋教學組後測共變數分析摘要表(初探研究) 變異來源. SS. Df. MS. F. P. 組間(教學法). 2.21. 1. 2.21. .25. .62. 組內(誤差). 482.43. 54. 8.93. 從表 3-7-8 中發現，兩種教學法間的後測得分沒有達顯著差異(P> .05)。. 34.

(43) 進一步對前測、延宕測結果進行一次共變數分析，其兩者間的前-延宕測組內迴歸係數同質性檢定如表 3-7-9：表 3-7-9 科學遊戲組與解釋教學組延宕測組內迴歸係數同質性檢定(初探研究) 變異來源. SS. Df. MS. F. P. (自變項*共變項). .47. 1. .47. .04. .83. Error(組內+殘差). 567.85. 53. 10.71. 透過組內迴歸係數同質性檢定後發現，結果發現 F 值為.04，其 P 值為.83 (P> .05)，兩者之間未達顯著差異，因此繼續進行單因子共變數分析，其結果如表 3-7-10：表 3-7-10 科學遊戲組與解釋教學組延宕測共變數分析摘要表(初探研究) 變異來源. SS. Df. MS. F. P. 組間(教學法). 39.39. 1. 39.39. 3.74. .06. 組內(誤差). 568.32. 54. 10.53. 從上表中結果得知，P 值為.06(P> .05)，兩種教學法間延宕測沒有達顯著差異，且兩組教學法均能提升學生的奈米科技概念學習，因此對於兩組教學法應給予肯定。為了更加了解學習者對特定概念的認知與了解，以利研究者進行教學修正及檢視，因此進一步分析兩種教學法之各題答對率。其前測、後測、延宕測各題答對率如表 3-7-11。由表 3-7-11 結果中得知，在前測中兩組學生答對率低於 60%共有 19 題，其中又以第 1、8、14、16 四題答對率皆低於 30%，顯示上述題目之概念較為困難。經過實驗處理後第 1、8 題答對率兩組皆能高於 73%，第 14、16 題則都高於 53%以上，顯示教學後這些題目得學習能獲得某種程度的改善。整體而言，科學遊戲組答對率高於 80%共有 7 題；解釋教學組答對率高於 80%共有 6 題。 35.

(44) 另一方面，後測中兩組學生答對率均低於 60%的有第 4、7、11、17、19 題，共有五題，顯示研究者對於上述題目之教學仍有待改進與加強。因此研究者於正式教學中，對於上述題目之內容教學修正共有下列幾點：一、將特定概念或關鍵字在投影片上以紅字表示，並且設計題目以問答的方式加深學習者的印象。二、提供奈米科技產品輔以教學，以利學習者理解。. 36.