知識整合數位課程促進學生科學素養：以化學反應概念為例

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張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方知識整合數位課程 153 教育科學研究期刊第六十卷第三期 2015 年，60（3），153-181 doi:10.6209/JORIES.2015.60(3).06

知識整合數位課程促進學生科學素養：

以化學反應概念為例

張欣怡

張淑苑

國立臺灣科技大學數位學習與教育研究所高雄市立苓雅國民中學

羅慶璋

洪振方

* 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所科學教育暨環境教育研究所國立高雄師範大學

摘要

本研究融合以知識整合為設計原則的數位科學課程於正式課程中，檢視該課程能否促進學生於化學反應單元相關的科學素養，比較同校不同班級之學生分別接受知識整合數位科學課程與傳統教學方法後，在化學反應單元所展現的科學素養。研究對象為高雄市某國中八年級兩個班級的學生，每班共計四節課教學活動。教學前，學生先進行「化學反應素養測驗前測」，在教學結束後，再進行「化學反應素養測驗後測」與該校段考成就測驗，並在教學結束後 1 個月進行「化學反應素養測驗延宕後測」。研究結果指出，該知識整合數位科學課程可以提升學生於化學反應單元相關的科學素養，而延宕測驗結果顯示，相較於傳統教科書教學，該課程對參與學生於化學反應單元相關科學素養具有長期效應。然而，接受知識整合數位科學課程教學後之學生所表現出的科學素養與其之後的學校理化段考表現存在斷裂，本研究據以反思現行課程與評量之議題。關鍵字：化學反應、知識整合、科學素養、課程融入通訊作者：張欣怡，E-mail: [email protected] 收稿日期：2014/08/07；修正日期：2015/01/06、2015/03/12；接受日期：2015/03/17。

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154 知識整合數位課程張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方

壹、緒論

我國九年一貫課程綱要自然與生活科技領域強調以學生為中心，經由引導學生探討與處理問題的過程中，培養學生「主動探索與研究」、「獨立思考與解決問題」的能力（教育部， 2003）以增進公民科學素養。經濟合作暨發展組織（Organisation for Economic Cooperation and Development, OECD）之國際學生能力評量計劃（the Programme for International Student Assessment, PISA）將科學素養定義為學生能：一、運用科學概念，對自然現象進行科學解釋的能力；二、進行科學探究以解決問題的能力；三、解讀科學數據並運用證據產生結論的能力（OECD, 2015）。培養學生於此三面向的能力，呼應九年一貫課程目標所揭示十大「基本能力」之「主動探索與研究」、「獨立思考與解決問題」等能力的培養，滿足九年一貫課程綱要的重要課程目標，即「學習科學與技術的探究方法和基本知能，並能應用所學於當前和未來的生活」（教育部，2003）。PISA 依據上述面向設計評量題目且針對 15 歲學童進行跨國評量，以瞭解各國學生於科學素養之表現。雖然臺灣學生在 2006 年時科學素養在全球排名第四名，但在 2009 年卻下跌至 12 名（臺灣 PISA 國家研究中心，2009），而在 2012 年為第 13 名（OECD, 2013）。有鑑於此，如何透過教學以提升學生科學素養為一重要課題。

本研究課程採用知識整合（knowledge integration）觀點（Davis, 2004; Davis & Krajcik, 2005; Linn, 2006; Linn, Davis, & Bell, 2004; Linn & Eylon, 2006）為課程設計基礎，強調教學由學生的先備概念著手，並應用知識整合設計模式以透過一連串的教學活動，誘發學生知識整合，進而促進學生科學概念的深度理解。學生對於科學概念的深度理解，即包含了能連結個人知識與科學概念，以產生整合的、一致的與精緻化的概念架構，且能運用其概念進行科學活動，例如：產生科學解釋、進行科學探究與建模、運用科學證據進行推理等。換句話說，依循知識整合觀點所發展之科學課程，應能促進學生的科學素養。本研究即針對此一假說進行調查。本研究透過電腦與網路進行的數位課程聚焦於國中階段之化學反應概念。研究指出，多數學生學習化學反應時，無法利用分子或原子觀對化學現象進行解釋與推理（Frailich, Kesner, & Hofstein, 2009; Krajcik, 1991; Tasker & Dalton, 2008），此一學習困難與化學反應的抽象概念有關。透過電腦模擬，可以將抽象的分子與原子視覺化，學生可利用電腦模擬進行化學反應的建模活動。另外，網路的即時互動科技，如網路論壇，可用於學生的建模活動中，引導學生觀看與評論他人與自己的模型，以及運用模型對化學現象進行推理等。本研究依據上述科技優勢發展數位課程並將此課程融入於八年級之正式課程中實施。研究目的為調查該課程對促進學生科學素養之成效，探討的問題為：

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張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方知識整合數位課程 155 一、接受知識整合數位課程教學後的學生，在化學反應單元相關科學素養的表現是否提升？二、比較接受知識整合數位課程教學後的學生，與接受一般講述教學的學生在化學反應單元科學素養的表現是否有差異？三、接受知識整合數位課程教學的學生，於化學反應單元科學素養的表現，能否預測學生於化學反應單元之後的三次學校段考表現？培養學生的科學素養，可於非正規或課外補充教學，亦應落實於正規課程，才得以實踐教育改革。本研究提出學生學習重要科學概念，如：化學反應概念所應具備的科學素養之面向與內容，並據以設計數位科學課程，以期學生經由學習化學反應單元、培養相關的科學素養。此外，亦依據科學素養之面向與內容，發展評量工具與評分標準以測量學生於化學反應單元所展現的科學素養。前述研究問題一與研究問題二即透過比較課程實施前、後，以及比較接受本研究課程與傳統教科書課程之學生於化學反應單元科學素養的表現，以瞭解本研究所發展之課程於促進學生科學素養之成效。過去相關研究已證實本研究實施的課程於促進學生知識整合具有良好成效（Chang, Zhang, & Chang, 2014; Zhang & Linn, 2011, 2013），本研究進一步探討該課程對於促進科學素養的成效。此外，過去這些研究僅比較學生於前、後測的差異，本研究納入延宕測驗以考驗課程是否具備長期成效。更重要的是，本研究亦欲瞭解接受本研究課程教學的學生於科學素養評量的表現、能否預測學生於化學反應單元之後、回歸學校傳統教科書教學後的三次理化段考表現，即研究問題三。與前兩個研究問題不同的是，研究問題三的依變項為學生理化段考表現，由於學校理化段考題型皆為選擇題，內容受限於題型多為記憶、公式應用或機械式解題，此類評量非以評量科學素養為目的，因此本研究認為參與本研究課程的學生於科學素養的表現可能無法預測其之後理化段考表現。研究問題三即考驗此想法，結果可提供對學校現行常見評量的批判與反思。本研究所發展之聚焦於科學素養的課程與評量，為於正規課程中促進學生科學素養提供案例，期能以挹注多元化、創新式的科學課程與評量，培養 21 世紀公民之科學素養。

貳、文獻探討

一、知識整合觀點

知識整合觀點係對於促進學生科學理解所提出之社會－認知架構（socio-cognitive framework）（Davis, 2004; Davis & Krajcik, 2005; Gerard, Spitulnik, & Linn, 2010; Linn, 2006; Linn et al., 2004; Linn & Eylon, 2006）。Davis（2004）認為知識整合是一種學生如何學習的觀點，而知識整合就是一種概念理解，包括對主題的綜合想法與新增概念，將新舊想法進行連結，並挑選有用的想法加以反思及重構概念，形成更高整合程度知識的過程（Linn & Hsi,

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156 知識整合數位課程張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方 2000）。學習過程中，學生所形成的個人概念，可能來自同學或教師的講述，而形成各種類型的想法，包括短暫或持久的、一致或矛盾的、有因果關係的、直觀或抽象的想法。學生的想法常是片斷的、不一致的、由日常生活直接的感官經驗或想法而來的。而教學應幫助學生整合其支離片斷之想法、連結學生的先備知識與科學概念，以及應用教室中的學習經驗於日常生活經驗。

知識整合架構提出四個促進學生知識整合的過程（Linn, 2006; Linn & Eylon, 2006; Slotta & Linn, 2009）（圖 1）。第一個過程為引出學生現有想法（elicit ideas），強調學生現有知識與概念是發展科學概念的基礎；第二個過程為擴增新想法（add ideas），強調教學需給予學生機會去擴增有關於對科學現象的想法與概念；第三個過程為區分想法（distinguish ideas），強調幫助學生區分新的想法與既有想法，以及發展標準以分辨哪些想法較能預測或解釋科學現象；第四個過程為連結與反思（build links among ideas and reflection），以幫助學生形成一致的、完整的概念架構。知識整合架構認為教學應發展學生經歷完整的四個過程，才能促進知識整合與深度理解。此外，如圖 1 所示，初次的知識整合過程或有先後或線性，但隨後的知識整合過程應重複進行、為環狀或網狀的過程，不限定哪個過程應先或後出現。圖1. 知識整合過程知識整合的四種過程需要具體的設計模式（design patterns）加以實現於課程設計與發展。 Linn與 Eylon（2006）提出九個知識整合設計模式（見表 1）。設計模式指的是教師與學生於課室中所遵循的一系列教學活動，雖有建議的方式但無固定流程與順序（Linn, 2006）。課程設計者可依據需求選擇一個或組合數個以上的設計模式。例如：課程起始階段可以「起始、診斷、引導」，以及「預測、觀察、解釋」之模式進行設計，目的為引出學生想法；課程中間階段之活動則可利用實驗、探究電腦模擬、產出學習作品、建構科學論證等教學模式進行設計，以擴增學生之想法；課程最後階段則可以評論、合作、反思等教學模式進行設計，以幫助學生區分想法及進行連結與反思，促進知識整合。本研究實驗組課程即採用了「預測、觀察、解釋」、「探究電腦模擬」、「產出學習作品」與「評論」等設計模式。引出想法擴增新想法區分想法連結與反思

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張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方知識整合數位課程 157 表 1 促進學生知識整合的設計模式知識整合過程設計模式引出想法擴增新想法區分想法連結與反思起始、診斷、引導引導學生針對科學現象或概念產生想法。利用小型演講、影片或實物示範作為引導課題。診斷出弱點並提供相似的案例。從另有想法、證據及標準的基礎上，重新思考不同的想法。預測、觀察、解釋引導學生針對科學現象進行預測。引導學生從科學預測的角度去觀察科學現象，並擴增新想法。引導學生評估預測與觀察之間的關聯。引導學生解釋預測與實際結果之間的關聯。實驗引出學生問題並引導其設計研究。引導學生建構或使用科學方法去蒐集證據。引導學生採用與研究方法一致的標準去評估結果。引導學生將實驗的結果與個人的想法作連結。探究電腦模擬建構一個活動、遊戲或問題以引出學生想法。引導學生利用模擬或遊戲以測試其臆測並分析電腦之回饋。引導學生使用電腦模擬所提供的標準以評估所產生的想法。引導學生根據電腦模擬或遊戲的互動去修正想法。產出學習作品引出學生想法及擬進行作品設計的問題。引導學生利用科技或其他資源以建構其學習作品。引導學生利用個人或團體的標準以評估並修正其學習作品。引導學生利用結果以修改對科學現象及其作品角色的觀點。建構科學論證引導學生指出對於科學現象的想法與證據。引導學生使用科學證據以建構觀點。引導學生利用個人或團體的標準以評估其觀點。引導學生根據新的證據或標準以修正觀點。評論引出學生對於科學現象的想法與標準。引導學生尋找並檢視新的觀點。引導學生使用標準去評估新的觀點。引導學生利用結果去修正想法或標準。合作透過全班或線上討論幫助學生產生想法。引導學生檢視同儕的想法。引導學生使用個人或團體的標準去評估想法。引導學生建立團體共識與連結。反思引導學生指出問題或難題。引導學生建構、閱讀、傾聽或觀察想法。引導學生區分個人適當的、不確定的或不適當的想法。引導學生修正想法並尋求所需資訊。註：灰色區域的深淺代表該教學模式於知識整合面向的強調程度，顏色愈深代表愈強調該知識整合面向。譯自“Science education: Integrating views of learning and instruction” (pp. 511-544), by M. C. Linn and B. S. Eylon, 2006. In P. A. Alexander and P. H. Winne (Eds.), Handbook of educational psychology. Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates。

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二、化學反應概念學習困難

「化學反應」（chemical reaction）是化學學習的重點概念之一，其學習的延續性橫跨國中與高中。化學反應定義是指反應物的原子重新排列組合過程，經過重排後產生新的物質，其生成物的物理與化學性質已經和原來的反應物完全不同，這是科學家對於「化學反應」的解釋（Ahtee & Varjola, 1998），然而，常見的學習困難即是學生對化學反應的解釋難以微觀的角度出發。例如：學生僅會背誦化學反應方程式，但並不瞭解其表徵的是原子重新排列與鍵結（謝志仁，1991；Chandrasegaran, Treagust, & Mocerino, 2009; Gabel & Sherwood, 1983; Tasker & Dalton, 2008）。

研究指出，學生通常會使用「化學變化」科學詞彙，表示物理狀態的改變或其他物理現象的轉換，特別是物體顏色變化（Driver, Squires, Rushworth, & Wood-Robinson, 1994）；學生會以反應是否為可逆反應或是反應物數量作為判斷是物理或化學變化的準則，也就是學生認為物理變化是非根本、可逆的反應，而化學變化則是根本、不可逆的反應（Stavridou & Solomonidou, 1989; Van Driel, De Vos, Verloop, & Dekkers, 1998）。Hesse 與 Anderson（1992）研究指出，學生因為誤解化學反應的本質，常做出不正確的結論，例如生鏽的發生是因為鐵的狀態改變，並沒有得到或失去任何物質。

研究發現，學生會依賴用代數方法解決化學問題，因為學生不瞭解化學題目所需要的概念（Gabel, Samuel, & Hunn, 1987），也不瞭解科學家最先使用符號所表示的意義，無法瞭解巨觀和分子之間的關係。學生在學習化學時，對於瞭解分子層次的化學現象常感覺到困難（Johnstone, 1993）。Al-Kunifed、Good 與 Wandersee（1993）的研究則發現，學生無法靈活地使用化學反應式，可能因為學生的化學先備知識不足，例如不懂元素符號與化學式，對於理解化學反應式有困難，但學生每天都在使用符號，因此學生會將以前的符號知識遷移到化學符號概念上，使他們將化學符號與數學符號、每天接觸的符號產生混淆。如何讓學生可以克服學習困難，並建構出整合性化學反應概念且能應用概念進行科學探究或解決問題，是本研究的重要目標。

三、聚焦於科學素養之化學反應課程

OECD將科學素養聚焦於「解釋科學現象」、「進行科學探究」及「運用證據產生結論」的能力。科學素養之中，過去研究進一步區分不同學科的專門素養，例如：生物素養、化學素養或地球科學素養（李文旗、張俊彥，2005；Shwartz, Ben-Zvi, & Hofstein, 2006）。將 OECD 科學素養架構應用於化學反應概念的學習上，本研究認為包括：（一）運用知識與概念解釋化學反應現象的能力；（二）進行化學反應過程視覺化與建模的能力；（三）以化學反應模型作為證據，進行推理的能力。其中，「運用知識與概念解釋化學反應現象的能力」係對應一般科學素養中「解釋科學現象的能力」，在學生學習化學反應概念時，注重發展學生由「分子與原

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子的觀點」解釋化學現象，以瞭解形成現象的機制，為重要的化學素養（Chemical literacy）（Bond, 1989; Shwartz et al., 2006）。「進行化學反應過程視覺化與建模的能力」則可歸類為科學素養「進行科學探究」之下的一項重要能力，此項歸類符合研究指出科學建模為科學探究的一項重要實務（Harrison & Treagust, 2000; Lynch, 1990）。所謂視覺化，指的是使表徵有意義化的過程（Gilbert, 2008），在化學以及其他科學領域，模型通常有三種不同層次：巨觀、微觀與符號，進行科學學習時必須具有在層次間轉換的能力，將概念或想法視覺化，透過外在表徵方式建立化學反應模型，此一過程即為建模。我們認為在化學反應的學習時，應注重發展學生建立化學反應模型以及於三種視覺化層次之間轉換的能力，並將之定義為化學反應建模之能力，為一重要的化學視覺化能力（Linenberger & Holme, 2015）。最後，「運用化學反應模型作為證據，進行推理的能力」則呼應一般科學素養中「運用證據產生結論的能力」，強調學生能理解化學反應概念中符號與粒子模型所代表之意義，並能適當地運用模型中符號與數字（例如：莫耳數）作為證據，進行對化學現象的推理，亦有文獻強調此為一重要化學素養（Witte & Beers, 2003）。基於上述三項科學素養於化學反應概念學習的面向（以下簡稱為「化學反應素養」），以及知識整合理論，本研究利用電腦的動態模擬、數位課程的嵌入式評量，以及網路的即時評論等功能，發展學生於化學反應現象解釋能力、模型建立能力，以及運用模型進行推理的能力。過去，在 Tversky、Morrison 與 Betrancourt（2002）的研究中發現，學生無法連結分子、符號與巨觀層次的概念，對於化學概念無法產生深入的瞭解，而動態模擬提供學生機會可以克服分子層次的挑戰。有研究顯示，使用電腦科技軟體“eChem”的輔助，讓學生可以從不同的化學符號表徵，如：分子式（molecular formula）與結構式（structure）、二維結構（wireframe）與三維結構（space fill）等各種表徵之間來回轉換、操作，強化化學符號的概念學習（Wu, Krajcik, & Soloway, 2001）。

Linn、Chang、Chiu、Zhang 與 McElhaney（2011）提出動態模擬有兩種功能：（一）讓看不見的過程可被看見：提升科學現象與圖像或符號表徵的連結；（二）支持探究：可讓學習者改變系統與觀察結果，利用動態模擬擴展實驗的範圍，進行實體實驗室無法實現的探究實驗，如：分子觀的、複雜的、大規模或危險的實驗。另外，動態模擬可以針對不同層次，呈現動態式教學（分子、巨觀和符號層次），促成學生化學學習之整合性思考（Ardac & Akaygun, 2004; Greenbowe, 1994; Levy & Tinker, 2008; Xie & Tinker, 2006）。例如，同時呈現出粒子數與分子運動的改變，比利用靜態式的圖片更能讓學生瞭解化學平衡式的概念（Chiu & Linn, 2014）。

科技也可以輔助學生於科學建模過程中擬訂計畫、做出解釋與進行反思等。例如建模軟體“Model-it”，可提供學生設計、建立各種科學解釋模型，可將思考過程視覺化，有助於學生反思其解釋模型，軟體並提供測試解釋模型的可行性，允許學習者透過反覆的設計修改與測試、修正其解釋模型，加深理解（Krajcik, Czerniak, & Berger, 1999）。Zhang 與 Linn（2011）

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160 知識整合數位課程張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方則利用電腦繪圖工具 WISE Draw，引導學生對於化學反應前先進行預測，並畫出化學反應各階段的分子模型圖，以及解釋自己的圖與進行反思。而教學者可以透過學生所繪製的化學反應前、中、後三個階段之模型圖，瞭解學生對於化學反應的想法。Chang、Quintana 與 Krajcik （2010）開發“Chemation”動畫軟體，引導學生利用建構化學現象的分子模擬動畫，並進一步引導學生針對所建構的動畫進行同儕評論，以完整學生的建模過程。研究結果發現，同儕評論有效地提高學生於化學反應的概念理解，學生經由思考並區別自己與他人不同的想法，經由課程引導進行模型評論活動，獲得科學實務的經驗且進一步加深概念理解。網路學習環境可經由網路論壇與即時回饋等提供學生接觸多元與豐富的想法，此類環境結合有效設計的動態模擬，可以促進學生對科學議題與爭議的評論（Linn et al., 2011）。國內於新興科技發展促進科學素養之課程研究尚屬少數，例如：張俊彥與董家莒（2000）的研究以「呈現問題、計畫解決途徑、資料與資訊的蒐集儲存整理、執行計畫」四個問題解決步驟發展教學軟體；Wu、Hsu 與 Hwang（2010）發展一科技建模軟體幫助學生針對空氣污染主題進行科學建模，並設計學習活動與嵌入專家導引，引導學生逐步應用科學知識與過程技能進行科學建模。本研究則聚焦於化學反應概念，並應用知識整合理論及融入動態模擬、模型建立與評論，以及嵌入式評量等科技優勢，期能促進學生科學素養於化學反應單元的三個子面向。

參、研究方法

一、研究情境：「氫燃料車內的化學」數位課程

本研究中實驗組所使用之「氫燃料車內的化學」發展自網路科學探究平台（Web-based Inquiry Science Environment, WISE）中的“Will Gasoline Powered Vehicles Become a Thing of the Past?”單元（Zhang & Linn, 2011）。本研究修改該課程（http://twise.nknu.edu.tw:8888/webapp vle/preview.html?projectId=128，需使用火狐瀏覽器）。課程實施於電腦教室，學生以兩人一組，使用一臺桌上型電腦方式進行。本課程教學時間（不包含前、後測驗的時間）共四堂課，每堂課進行約 45 分鐘，課程教學前以額外一堂課先進行前測，教學後再另以額外一堂課進行後測。本課程實施期間為學期中的正式課堂，取代原傳統教科書與考試導向教學。表 2 列出「氫燃料車內的化學」課程之活動與內容，以及各項活動所對應之知識整合過程、化學反應素養面向與九年一貫課程綱要「自然與生活科技」領域中教材內容細目。在運用科技優勢的部分，本課程嵌入氫氣燃燒電腦模擬（見圖 2），提供微觀表徵幫助學生理解化學反應進行時分子與原子的運動狀態與重新排列組合的方式，接著引導學生畫出其所理解的化學反應過程，進行化學反應建模活動（見圖 3），最後引導學生對於同儕所繪之化

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張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方知識整合數位課程 161 表 2 「氫燃料車內的化學」活動摘要、所對應的知識整合過程、化學反應素養面向與九年一貫課程綱要活動內容 _整合過程知識化學反應 _素養面向九年一貫課程綱要「自然與生_{活科技」領域中教材內容細目} 1. 汽油燃料車或氫燃料車？網頁導入問題情境：選擇以汽油或液態氫作為燃料的汽車介紹汽油燃燒之化學反應引出想法擴增新想法解釋化學反應 218a_化學反應 3a. 認識生活中一些物質本質變化事例 2. 氫氣作為燃料以氫氣與氧氣引入微觀粒子（原子與分子）的概念，並引導學生繪圖讓學生對於粒子模型有初步的瞭解擴增新想法化學反應建模 218化學反應 4a. 能說明化學反應式中各符號的意義 4b. 能運用簡單的化學符號，說明化學變化 3. 氫氣燃燒以氫氣氣球燃燒的影片引起學生興趣，介紹氫氣燃燒的化學反應式透過不同的模型與圖像表達方式，引導學生瞭解化學反應式的書寫方式與平衡（質量守恆定律）擴增新想法解釋化學反應化學反應建模 219化學平衡 4b. 能瞭解化學反應式中各係數之間關係 120物質的組成與功用 4i. 經由實驗或模型瞭解化學反應（例如分解、結合、置換等）是原子重新排列的概念 4c. 知道化學反應的質量守恆 4. 探索氫氣燃燒動畫利用氫氣燃燒電腦模擬（見圖2）讓學生瞭解化學反應的過程讓學生動手畫出氫氣燃燒的反應過程（見圖 3），並評論泰瑞的圖（見圖4），最後再修正自己的概念區分想法連結與反思化學反應建模運用模型推理 130物質的構造與功用 4h. 瞭解元素與化合物之間的組成關係（如可利用積木堆成不同形狀的類比式例），進而經由實驗或模型瞭解化學反應（例如分解、化合、置換等）以及原子重新排列的概念 5. 我要選擇什麼車？針對主題－氫燃料車內的化學的內部與發展作說明，並提供汽油燃料車與氫燃料車的延伸資料，引導學生做出選擇連結與反思運用模型推理 520科學的發展 4a. 由閱讀與資料蒐集，瞭解科學上重要的發現及其過程 a_{【九年一貫課程綱要「自然與生活科技」領域中教材內容細目編碼說明】百位數、十位數與個位} 數等三個數字分別表示「課題」、「主題」與「次主題」，下方教材內容細目編碼：1 代表國小一至二年級、2 代表國小三至四年級、3 代表國小五至六年級、4 代表國中七至九年級。a、b……為流水號。

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圖2. 氫氣燃燒電腦模擬

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張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方知識整合數位課程 163 學反應過程圖進行線上評論，以幫助學生區分不同想法，並針對個人想法進行反思與連結，例如：同學除針對同儕所繪之化學反應過程圖進行互評之外，課程亦引導學生針對課程所提供之一系列化學反應過程圖（見圖 4 泰瑞的圖）進行評論，期能藉由評論化學反應圖幫助學生反思與區分適當的化學反應過程圖，以習得相關科學概念。圖4. 評論泰瑞畫的圖

二、研究參與者

本研究以高雄市一所公立中學八年級學生為研究對象，實驗組與對照組各一個班級，人數為 28 與 30 人；學校採常態 S 型編班，此兩個班級間學生程度差異不大，依據兩個班級學生八年級上學期三次理化科的段考平均進行獨立樣本 t 考驗（兩班級的分數分布均通過常態分布檢測，為常態分布），結果兩班學生的三次段考平均未達顯著差異（t＝-.01, p＝ .99），表示兩個班級在理化科學習成就無明顯的差別。

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164 知識整合數位課程張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方另外，學生對於化學反應的認識，為八年級上學期所學習過的「原子與莫耳」概念。於八年級下學期，實驗組學生接受「氫燃料車內的化學」知識整合數位課程，共計四堂課，取代八年級下學期化學反應單元，課程中兩人一組方式進行活動，而對照組學生則是接受八年級下學期化學反應單元教學，亦共計四堂課，包括一般講述教學與傳統課堂複習與小考。授課教師方面，實驗組教學者為本研究第二作者，教學年資 5 年，畢業於某國立師範大學化學系，曾參與推動 E 化電子白板計畫獲得優等，平時授課也常使用科技融入教學，並參與「氫燃料車內的化學」課程翻譯與修改。對照組授課教師的選擇，為與實驗組教師服務於同校，教學年資為 4 年，某國立大學理工研究所畢業，具備使用科技融入教學與推動電子白板計畫的經驗，也曾參與推動 E 化電子白板計畫獲得優等，平時授課也會使用科技融入教學，以一般講述方式配合課本進行化學反應單元教學。兩位授課教師的年資與專業背景相當，平時對於運用科技融入教學皆有教學經驗。相較於實驗組採用「氫燃料車內的化學」數位課程，本研究對照組則採用傳統課本內容之教學順序，所需時間同樣為四堂課。課程在一般教室進行，主要透過教師講述教學，利用講解課本文字定義，引導學生瞭解何謂化學反應式（見圖 5），並以條列式的陳述方式，讓學生明瞭如何寫出化學反應式，搭配利用粒子模型圖（見圖 6）增強學生理解於化學反應中，粒子在變化過程鍵結的改變情形，但為靜態圖片，搭配教師的講解，課堂中無播放任何相關動畫。學生活動的部分以課本所提供的練習，以及教師補充計算題目（見圖 7），無小組討論活動。圖5. 課本文字定義

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張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方知識整合數位課程 165 圖6. 課本粒子模型圖圖7. 課本的動腦時間與例題

三、研究工具

本研究共有三項測驗工具：化學反應素養測驗前測與後測、該校段考有關化學反應單元之成就測驗與化學反應素養測驗延宕後測。教學前，兩班學生先進行「化學反應素養測驗前測」，在教學結束後，再進行「化學反應素養測驗後測」，教學結束後約 3 週進行該校段考成就測驗，教學結束後 1 個月進行「化學反應素養測驗延宕後測」。本研究除發展並實施該三項測驗工具，並蒐集學生於化學反應單元教學前三次與教學後非包含化學反應單元之後三次的理化科段考成績。表 3 摘要本研究前、後測、段考試題與延宕測驗於化學反應素養三面向的題數。以下小節討論三項測驗工具的內容與信度和效度。

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166 知識整合數位課程張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方表 3 測量化學反應素養三面向之試題分析化學反應素養面向前、後測段考延宕測驗運用知識與概念解釋化學反應現象 1.2, 1.3 2 1, 4.2 進行化學反應過程視覺化與建模 1.1, 2.2 1 3, 4.1 以化學反應模型作為證據進行推理 2.1, 3.1, 3.2, 3.3 3, 4, 5 2, 4.3 註：數字表題號。

（一）化學反應素養測驗前、後測

本化學反應素養測驗前、後測題目相同，共計三大題組及其中包含的八小題，題型有一題問答題、兩題選擇加解釋題、五題繪圖題，最高可能得分為 31 分。題目來源係修改自 Zhang 與 Linn（2008），以測量學生於化學反應單元所展現的科學素養。例如：題組 1 的題目（詳見表 4）提供化學反應式、反應物的種類與個數，要求學生畫出反應前、反應中與反應後的分子與原子圖形，並增加某一反應物數量，要求學生推理需要增加另一反應物與生成物的數量。本題組在於評量學生是否能夠運用化學反應與反應前、後原子種類與數目不變的科學知識與概念進行化學反應過程視覺化與建模，並運用化學反應式中反應物的消耗量，推理生成物的生成量。本測驗試題設計完成後經科教專家與化學教師的審視與數次編修，評估測驗內容之適切性，以建立內容及建構效度。

本測驗的信度分析採用評分者間同意度（Lombard, Snyder-Duch, & Bracken, 2002），再算出 Cohen’s Kappa（Cohen, 1960）。本測驗評分者為兩人，其同意度前測為 82%、後測為 85%，不一致的評分經由討論達成最後給分的共識，而在 Cohen’s Kappa 值，前測為 0.80，後測為 0.83，屬適當。

（二）化學反應素養測驗延宕後測

延宕後測題目共分為四個題組，其中包含六小題，題型有選擇加解釋題、簡答題與繪圖題，最高可能得分為 27 分。題目修改自 WISE 題組（Zhang & Linn, 2011），並增加與前、後測類似題目。各題目與科學素養之分析如表 3 所示。例如：題組 4 含括了化學反應素養的三個面向，共有三個小題，題目要求學生畫出氧氣與氮氣反應過程中與反應完成後的分子與原子圖形，並以其圖形解釋該化學反應，且利用自己的繪圖結果推理化學反應式係數。延宕後測經由科教學者與化學教師審查與建議，經過十餘次修正建立內容效度。信度方面亦採用評分者間同意度，本測驗評分者為兩人，同意度為 89%，Cohen’s Kappa 值為 0.87，屬適當。

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表 4

化學反應素養面向－「進行化學反應過程視覺化與建模」評分標準（以前、後測題目 2.1 為例）一氧化碳（CO）和氧氣（O2）反應產生二氧化碳（CO2），以下為其反應式：

2CO＋O2 2CO2

問題1.1）動手畫：請在圖1畫出一開始的「反應物」，在圖2中畫出反應發生中的過程，在圖3畫出最後的「生成物」。（請以代表碳原子，代表氧原子）圖1. 反應物圖2. 當反應開始時圖3. 完全反應後的生成物得分評分標準空白無作答 0 沒有畫出任何有意義的圖不適當之建模 1 不正確或不相關的圖形表徵部分建模 2 圖形表徵符合下列情形之一： (1) 只有鍵結的破壞或鍵結的形成 (2) 正確的畫出鍵結的破壞（只有破壞的觀點） (3) 正確的畫出鍵結的形成（只有形成的觀點） (4) 畫出部分鍵結破壞或鍵結形成的觀念，但沒有完全正確（如錯誤的鍵結破壞＋正確的鍵結形成，或正確的鍵結破壞＋錯誤的鍵結形成） (5) 沒有畫出鍵結的破壞或形成，但所有圖片內包含相同數量原子簡單建模 3 圖形表徵符合下列情形之一： (1) 完整地畫出鍵結的破壞以及鍵結的形成 (2) 完整地畫出鍵結的破壞或形成，而且所有圖片內包含相同數量原子複雜建模 4 畫出完整的鍵結破壞＋鍵結形成，而且所有圖片內包含相同數量原子

（三）化學反應段考試題

在學校段考有關化學反應部分的題目係由本研究授課教師參考理化科試題題庫與本研究化學反應素養測驗前、後測，設計三個題組（共五題選擇題）的段考試題。受限於段考的題型與廣度，本研究僅能於該校段考中加入五題選擇題。其中有三題評量「以化學反應模型作為證據進行推理」面向，偏傳統試題，如：第 3 題給予某一化學反應分子結構式，要求學生推理生成物的化學式；或是第 5 題列出未平衡之化學反應方程式，要求學生推理化學反應方程式之正確係數。在內容效度部分，測驗試題完成設計後，經由一位科教專家學者審視後，評估測驗內容之適切性，以建立內容及建構效度。

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四、資料分析

本研究依據化學反應素養三面向及各測驗工具中的各題，訂定詳細的評分標準。整體而言，選擇題答對一題為一分、答錯為零分。解釋題、問答題與繪圖題，則依據所制定的評分標準進行評分。舉例來說，在「進行化學反應過程視覺化與建模」的面向，前、後測題組一的評分標準列於表 4。評分標準中的類別係整合科學素養面向與知識整合理論，並分析所有學生作答而產生，所有評分標準邀請科學教育專家、化學教師與評量專家經過多次會議討論修改而成。為比較學生在接受知識整合數位課程前、後於化學反應單元所展現的科學素養之變化，本研究採用相依樣本 t 考驗進行前、後測的分析。為比較接受知識整合數位課程與一般講述課程的學生，在教學後於化學反應單元所展現的科學素養表現，本研究採用單因子多變量共變數分析（MANCOVA），以化學反應素養後測、段考與延宕後測分數為依變項，以教學方法為自變項，並以學生八年級上學期三次理化段考平均（即化學反應單元教學前三次段考）為共變項，以排除教學前學生理化成就可能造成的影響。本研究沒有採用化學反應素養前測作為共變項原因，受限於本研究接受一般講述教學的對照組學生在前測大多為空白無作答，屬於無效資料部分太多，恐影響結果的分析，因此本研究採用實驗組與對照組學生八年級上學期三次理化科段考平均成績作為共變項，排除學生起點行為對於教學結果影響。此外，亦分別計算前、後測以及兩組之間的效果量（Cohen, 1988），以瞭解平均數差異的大小。為觀察與持續追蹤實驗組學生於之後回歸傳統課程的其他理化單元之學習，本研究採多元迴歸分析，將實驗組學生接受知識整合數位課程後的三次段考平均為依變項（Y），以實驗組學生化學反應素養測驗前測（X1）、化學反應素養測驗後測（X2）、化學反應段考試題得分（X3）與化學反應素養測驗延宕後測（X4）為預測變項，使用逐步多元迴歸方法（Stepwise Regression Procedure）進行分析。此四個預測變項通過 VIF 共線性檢驗，即 VIF 值小於 10，無共線性問題。

五、研究範圍與限制

本研究並非關注於推論 WISE「氫燃料車內的化學」課程中的某項特色（如：電腦動畫探究或建模活動）為確切造成學生學習成效差異的來源，此類研究問題為設計本位研究中較早階段之研究問題（The Design-Based Research Collective, 2003），該類研究問題已於 WISE「氫燃料車內的化學」課程發展早期的幾個研究中獲得證實（Zhang & Linn, 2011, 2013）。本研究係比較實驗組進行 WISE「氫燃料車內的化學」教學與對照組進行傳統教科書教學於促進學生科學素養的學習成效，係屬設計本位研究中最終研究階段，即比較一創新課程與傳統課程的成效，目標為提出實徵證據作為未來大規模推廣（scaling-up）之依據（Brown, 1992）。此類研究設計雖於推論時需考量較多的另有解釋，但對於常見課室教學有著較高的外在效度。另外，兩組之授課教師非為同一位教師，乃受限於學校行政，實驗組教師僅分配到一個八年級班級，

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張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方知識整合數位課程 169 本研究採取之因應措施為仔細評估與選擇對照組教師與班級，以求兩組教師與班級較為同質，儘管如此，在研究結果的討論上亦不排除教師教學的影響。

肆、研究結果與討論

一、實驗組學生接受知識整合數位課程教學後，能提升化學反應素養

如表 5 所列，接受知識整合數位課程的學生在前測的平均數為 9.07（為常態分布， W＝ .95, p＝ .21），後測平均數為 15.32（為常態分布，W＝ .96, p＝ .26），經過知識整合數位化學反應課程教學的班級學生之後測成績較前測成績有所進步（t(27)＝6, p ＜ .01），且效果量為 .43（Cohen, 1988），顯示進步幅度達到中度效果。本研究發展之知識整合課程，強調先引出學生的想法，再加入新的概念，並引導學生建構科學模型且發展評估科學模型與概念的標準，進行反思，形成整合的知識，另於課程中應用科學知識進行科學活動，包括：產生科學解釋、進行科學探究與建模、運用科學證據進行推理。過去研究指出，依據知識整合觀點所設計的課程可以促進學生知識整合（Chiu & Linn, 2014），本研究結果則進一步指出依循知識整合觀點所發展之化學反應課程，能促進學生於化學反應單元的科學素養。舉例來說，表 6 列出學生於進行化學反應過程視覺化與建模的回答案例，圖 8 顯示在教學前、後，由較多比例的學生為空白無作答、不適當建模，進展到有較多比例的學生能進行簡單與複雜建模。表 5 接受知識整合數位化學反應課程學生於化學反應素養前、後測平均數、標準差與效果量摘要樣本數平均數標準差效果量前測 28 9.07 6.82 後測 28 15.32 6.15 .43 表 6 接受知識整合數位化學反應課程學生於「進行化學反應過程視覺化與建模」回答案例評分標準學生回答案例空白無作答 N/A 不適當之建模（續）

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170 知識整合數位課程張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方表 6 接受知識整合數位化學反應課程學生於「進行化學反應過程視覺化與建模」回答案例（續）評分標準學生回答案例部分建模簡單建模複雜建模圖8. 教學前、後學生「進行化學反應過程視覺化與建模」表現前測後測空白無作答不適當之建模部分建模簡單建模複雜建模 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 14 4 25 7 14 11 21 25 25 54

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張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方知識整合數位課程 171 本研究所使用的測驗題型如繪圖題，要求學生繪出圖形表徵以解釋某一科學現象，學生對於此等題型較不熟悉，多數在前測的表現上不盡理想，但是在後測，因課程強調的視覺化與建模活動，提供學生以繪圖作答的經驗，因此於後測表現明顯進步，但整體而言約有一半比例的學生仍有進步空間。儘管如此，本研究結果顯示，學生在經過教學與引導後，可以於非傳統測驗題型中有顯著進步的表現。建議中學課程與評量納入多元形式，以提供機會引導學生發展多元潛能。

二、比較接受知識整合數位課程教學後的學生，與接受一般講述教學的學生

在化學反應素養的表現

（一）知識整合組學生於化學反應素養後測表現優於一般講述組學生

首先，以後測的學生得分為依變項，組內迴歸係數同質性考驗結果為 F(1, 54)＝0.01，p ＝ .91 ＞ .05，顯示為同質。再由共變數分析得知實驗組與對照組在化學反應素養測驗後測的分數上達到顯著差異（F(1, 54)＝69.67, p ＜ .01）。實驗組於化學反應素養之後測表現顯著優於對照組（平均數與標準差列於表 7），效果量為 1.42，屬大的效果量（Cohen, 1988）。造成此一結果的可能原因包括：1.學生接受不同的課程教學：實驗組接受探究建模課程，在課程中使用多種視覺化方法進行化學反應教學，例如繪圖、影片、模型，所以學生在教學後的作答情況較接受一般講述教學的學生豐富且正確；而接受一般講述教學的學生，接受的教學方式以書面講義搭配教師講解為主，通常無法表現出動態的視覺化。2.授課教師的影響：實驗組的授課教師亦為研究者，可能對化學反應單元的教學付出更多的注意力，以達到最大的教學效果，因此實驗組比對照組產生更大的學習效應。3.測驗的題型：學生通常慣於回答選擇題，而本研究測驗為評量科學素養，運用數種題型，例如繪圖與解釋題，著重評量學生知識整合程度與科學素養，實驗組課程引導學生進行繪圖建構知識與電子筆記解釋意見，對於非選擇式題型較為熟悉，但是對照組則因為採用一般講述教學，課堂上沒有類似的練習機會，所以作答的情形較不理想。表 7 實驗組與對照組於後測、段考、延宕後測表現之平均數、標準差與組間效果量樣本數後測段考延宕後測實驗組 28 15.32（6.15） 2.75（1.60） 15.96（11.19）對照組 30 5.77（7.22） 2.07（1.39） 9.80（ 7.08）效果量 1.42（7.22） 0.45（7.22） 0.66（ 7.08）註：括號中之數值為標準差。

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（二）知識整合組學生於段考化學反應試題表現優於一般講述組學生

以段考化學反應部分的學生得分為依變項，組內迴歸係數同質性考驗結果為 F(1, 54)＝ 0.57，p＝ .46 ＞ .05，顯示為同質。由共變數分析結果顯示，兩組學生在「化學反應段考得分」達顯著差異（F(1, 54)＝5.40, p＝ .02 ＜ .05）。顯示即使於學生熟悉的選擇題型，實驗組仍較對照組表現為佳（平均數與標準差列於表 7），但效果量減低為 0.45，屬中的效果量（Cohen, 1988）。前述因題型熟悉程度而造成表現差異的另有解釋或可排除。不過，雖同為選擇題型，本研究所施測的選擇題於內容上與傳統段考選擇題不全然相同，例如其中一題評量學生的化學反應建模能力，提供圖形選項要求學生選擇代表某化學反應過程的最佳表徵，相較之下，與一般理化測驗題庫中常見題目內容為化學反應係數的判斷與平衡等的內容有所不同。另本研究之段考題目數量有所限制。雖然如此，本研究結果顯示於全體參與學生皆熟悉的題型之情況下，實驗組仍較對照組表現為佳。

（三）知識整合組學生於延宕後測表現優於一般講述組學生

由延宕後測組內迴歸係數同質性考驗顯示，F(1, 54)＝1.48，p＝ .23 ＞ .05，顯示為同質。由共變數分析得知兩組學生教學後 1 個月的延宕後測分數，達顯著差異（F(1, 54)＝7.77, p ＝ .01 ＜ .05），效果量為 0.66，屬中至大的效果量（Cohen, 1988）。知識整合的科學課程強調引導學生在學習的過程中，以形成整合性概念為目標。本研究結果顯示，即使是學校段考已經施測完畢，實驗組在延宕後測中的表現，仍較一般講述教學的學生更佳，顯示學生建構較具系統性的整合概念，有別於一般記憶背誦的知識。

三、接受知識整合數位課程教學的學生，在化學反應素養的表現，與教學後

的三次學校段考表現之關係

經多元迴歸方法的逐步迴歸法，分析結果如表 8 所示，四個預測變項進入迴歸方程式的顯著變項僅有兩個，分別為化學反應素養測驗前測與化學反應段考得分，多元相關係數為 .91，解釋變異量為 82.8%，亦即表 8 中的兩個變項能聯合預測教學後三次段考平均 82.8% 的變異量。就個別變項的解釋量而言，以「化學反應素養測驗前測」的預測力最佳，其解釋量為 71%，而增加「化學反應段考得分」的解釋量則再增加 11.7%的解釋量。從標準化迴歸係數來看，化學反應素養測驗前測的 β 係數為 .53（t＝4.72, p ＜ .01），化學反應段考得分的 β 係數為 .46（t＝4.13, p ＜ .01）。兩個變項的 β 係數均為正，表示二個預測變項與教學後三次段考平均的關係均為正向，顯示若學生於化學反應素養測驗前測表現得分愈高，以及其於化學反應段考得分愈高，學生在教學後三次段考平均表現愈佳。由多元迴歸模式的整體考驗可發現，整體迴歸模式之 F 值為 60.12，p ＜ .01，表示本多元迴歸模式是適合的。另外，在殘差檢驗的部分，顯示殘差接近常態分配，殘差值與預測值

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張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方知識整合數位課程 173 表 8 預測學生教學後三次段考平均的逐步多元迴歸模式摘要選出的變項順序多元相關係數R 決定係數R2 增加解釋_量ΔR F值淨F值 _迴歸係數原始化 _迴歸係數標準化截距 13.01 化學反應素養前測 .84 .71 .71 63.79 63.79 1.21 .53 化學反應段考得分 .91 .83 .12 60.12 17.06 3.44 .46 的交叉散布圖大致隨機分布在 0 附近，並且呈水平的散布，符合等分散性之假設，由殘差的檢驗再度顯示本多元迴歸模式為適合。預測學生教學後三次理化段考得分的迴歸方程式如下：「教學後三次理化段考平均」＝13.01＋1.21×「化學反應素養測驗前測」＋3.44×「化學反應段考得分」上述方程式顯示，在控制對化學反應段考得分之變項時（也就是排除學生在化學反應段考得分的不同而可能造成的干擾），學生在「化學反應素養測驗前測」每增加 1 分，其「教學後三次段考平均」就會增加 1.21 分；而在控制化學反應素養測驗前測之變項時（也就是排除學生在化學反應素養測驗前測的不同而可能造成的干擾），當學生在「化學反應段考得分」每增加 1 分，其「教學後三次段考平均」就會增加 3.44 分。經由本研究多元迴歸分析的結果顯示，學生經過知識整合數位課程的教學之後，以化學反應素養測驗前測對教學後三次段考平均的預測力最佳（71%）。化學反應素養測驗前測評量的是學生在教學前個人已具備的、於化學反應單元的科學素養。此結果表示學生在教學前、已具備的、於化學反應單元相關的科學素養，可預測這些學生在一般段考表現。至於化學反應段考得分預測力則是次之（11.7%），此部分的化學反應段考得分與依變項的「教學後三次段考平均」皆為段考選擇題型試題，推論因此具有預測的效果。然而，學生於教學後的化學反應素養測驗後測與延宕後測，卻無法預測教學後的三次段考平均，換句話說，本研究實驗組於教學後在化學反應素養後測與延宕後測的表現與其之後的三次段考表現沒有顯著相關。後測與延宕後測成績，代表的是學生接受本研究之課程教學後、所具備的、於化學反應單元的科學素養。此結果顯示，本研究所採用之課程，提升了平日段考成績不一定高的學生於化學反應單元之科學素養，然而，這些學生回歸傳統教室教學與傳統評量內容，即以教科書為主的教學與以選擇題為主、非特定強調科學素養的評量系統

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174 知識整合數位課程張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方後，其在本化學反應單元所習得的化學反應素養不一定能幫助這些學生在其他單元的段考中得到好成績。也就是說，本研究之課程所提升的學生能力與一般傳統課室教學所提升的學生能力沒有顯著關係、存在著斷裂。此外，由於本研究所使用的「氫燃料車內的化學」課程係經過專家審查（包括科學專家、科教專家與科學教師），以及多次教室實施與修改至現有的版本，經研究證實，對於不論是國外或國內學生之概念理解與知識整合成效良好（Chang et al., 2014; Zhang & Linn, 2011, 2013），應可以排除教材設計不當問題。

不過化學反應段考得分一樣是教學後所實施的評量，結果卻具有預測學生之後段考成績的效果，為何後測、延宕後測與化學反應段考試題三變項之間會有不同的結果？三種測驗的題型來看，學校段考皆為單選題題型，學生較易出現猜測的機會或使用單選題解題策略，且段考題目常偏重在概念背誦與機械式解題，學生可能不具有整合性概念，但是因為反覆地練習與測驗，可以利用強記或套用公式的方式得到所需的答案。相較之下，後測與延宕後測強調評量科學素養，題型變化多，包括繪圖、解釋或評論，學生必須透過文字或圖像表示想法，無法只以猜測選項回答，且題目與一般教科書或參考書的習題較不同，需要學生進行概念的連結而非單一概念的選擇，因此較無法透過練習得到學習成效，而是必須達到知識的整合。另外，本研究的化學反應素養評分標準，給予不同表現的學生多種分數，而在段考的選擇題中，學生的作答只有兩種分數的可能：「對或錯」，學生得分為零，即據以判斷其不具有該題目的相關概念，但學生的真實程度可能無法被像段考這樣的題型測量出來，此或可解釋為何在化學反應素養測驗後測與延宕後測中，無法以學生的化學反應素養程度預測學生的段考成績結果。

伍、結論與建議

本研究依據科學素養的面向（OECD, 2013）以及知識整合觀點（Davis, 2004; Davis & Krajcik, 2005; Linn, 2006; Linn et al., 2004; Linn & Eylon, 2006），於國中階段化學反應單元，發展數位科學課程與評量工具，期能為促進科學素養的科學課程與評量提供一具體案例。本研究所聚焦的化學反應單元，包含科學領域中重要科學概念，傳統課室教學於此單元以定義講解與機械式解題為主，相較之下，本研究發展之課程嘗試以培養科學素養為目標，提出化學反應單元內的科學素養三個面向。由此課程與評量的發展案例，我們認為對學生科學素養的培養，可以經由教育研究者結合實務教師對傳統的科學課程的再思考與設計，而融入於正規科學課程中。本研究所實施的知識整合數位課程取代原傳統式教學，課程中引導學生藉由解釋、繪圖與評論等活動，進行其想法與科學概念的區分、反思、連結與整合，以這些知識整合活動，取代傳統科學課室的教科書內容講述、重點複習與課堂小考活動。受限於本研究係探索一新設計課程的成效，以及考量課程實施的教學效度，本研究僅選

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張欣怡、張淑苑、羅慶璋、洪振方知識整合數位課程 175 擇一個班級進行課程實施並比較另一個以傳統講述式教學之班級，因此研究結果在推論至其他情境將有所限制。雖然如此，以本研究之個案班級的評量結果證實研究最初之假設，即以知識整合觀點並融合科技而發展的數位化學反應課程可以提升學生於化學反應概念相關的科學素養。研究結果顯示，接受該知識整合數位課程的學生，於化學反應單元科學素養的表現，不論於短期的後測或是長期的段考與延宕後測，都比接受傳統教學的學生表現為佳。研究指出，具有中度效果量以上的課程即具有推廣的價值（洪振方、林志能，2011），本研究課程的成效不論於實驗組學生自身的進步、或是相較於對照組學生均有中或大的效果量。其中，知識整合數位課程相較於傳統教科書課程對學生學習化學反應概念的效果，以化學反應素養後測與延宕後測的效果較佳、於化學反應段考的效果最低，其中化學反應段考試題為選擇題之題型，較難以測量出科學素養的差異。然而，將學生於本化學反應單元之後的一學期之理化學習表現納入考量後，發現能預測學生之後理化成績的變項，為學生原先即具備的化學反應素養（化學反應素養前測），以及教學後的化學反應段考成績，而學生經由知識整合數位課程後所建立的化學反應素養（化學反應素養後測與延宕後測），並無法預測學生在之後一學期的理化成績。此一結果對於科學教學與學習的意義包括以下三點：一、相較於學生先備素養，由課程促進之素養無法預測學生在之後一學期的理化成績。此結果顯示，學生需要更多促進科學素養的課程，以維持與強化並促進科學素養的內化。也就是說，學生需要長期發展科學素養，而本研究證實，依據知識整合觀點與科學素養面向所設計的化學課程，可以提升學生於化學反應單元的科學素養。但就整體表現而言，學生於該化學反應單元的科學素養仍有進步與內化的空間。二、本研究藉以呼籲學校教學需要增加更多幫助學生提升科學素養的明確教學策略與活動，另外，學校的評量系統也需要多元化，單一的評量格式與內容（如強調概念背誦與機械式解題），僅增強某些特定能力（如背誦或解題能力），而經過本研究強調化學反應素養的課程教學後，學生可以發展化學反應素養。科學素養為當前與未來公民所需具備的重要知能（OECD, 2013），建議更多的教學與研究者投入促進科學素養之課程與評量之發展。三、本研究可提供不同於現行測驗的另一種測驗格式與內容，也同時顯現在現有教育系統下，教師融入提升科學素養教學於正式課程中的困難與挑戰。這些困難與挑戰建議從學校的測驗、評量方式，以及教師專業成長的改變著手，為未來研究可進行的方向。

誌謝

本研究感謝科技部經費補助（計畫編號：MOST102-2628-S-011-002-MY3 和 MOST103- 2511-S-011-010-MY5）。

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參考文獻

一、中文文獻

李文旗、張俊彥（2005）。中學生應達到的地球科學素養？－中學地科老師的觀點。師大學報：科學教育類，50（2），1-27。doi:10.6300/JNTNU.2005.50(2).01

【Lee, W.-C., & Chang, C.-Y. (2005). Taiwan’s secondary school teachers’ expectations with regard to the earth science literacy of their students. Journal of National Taiwan Normal University: Science Education, 50(2), 1-27. doi:10.6300/JNTNU.2005.50(2).01】

洪振方、林志能（2011）。網路與課室學習環境促進學童論證能力之效益。教育實踐與研究， 24（1），67-106。

【Hung, J.-F., & Lin, C.-N. (2011). The effect of argumentation-based learning environment on promoting 6th grade students’ argumentation abilities. Journal of Educational Practice and Research, 24(1), 67-106.】

張俊彥、董家莒（2000）。「問題解決」或「無問題解決」？電腦輔助教學成效的比較研究。科學教育學刊，8（4），357-377。

【Chang, C.-Y., & Tung, C.-C. (2000). To problem solving or not to problem solving? A comparison of different CAI effectiveness. Chinese Journal of Science Education, 8(4), 357-377.】

教育部（2003）。國民中小學九年一貫課程綱要。臺北市：作者。

【Ministry of Education. (2003). The outline for the nine-year integrated curriculum. Taipei, Taiwan: Author.】

臺灣 PISA 國家研究中心（2009）。臺灣 PISA 2009 年成果報告。臺南市：作者。

【PISA Taiwan National Center. (2009). Taiwan PISA 2009 report. Tainan, Taiwan: Author.】

謝志仁（1991）。國中學生化學變化相關概念另有架構之探究（未出版碩士論文）。國立彰化師範大學，彰化縣。

【Xie, Z.-R. (1991). Junior high school students’ alternative frameworks for various concepts related to chemical change (Unpublished master’s thesis). National Changhua University, Changhua County, Taiwan.】

二、外文文獻

Ahtee, M., & Varjola, I. (1998). Students’ understanding of chemical reaction. International Journal of Science Education, 20(3), 305-316. doi:10.1080/0950069980200304

Al-Kunifed, A., Good, R., & Wandersee, J. (1993). Investigation of high school chemistry students’ concepts of chemical symbol, formula, and equation: Students’ prescientific conceptions. Retrieved from ERIC database. (ED376020)

Ardac, D., & Akaygun, S. (2004). Effectiveness of multimedia-based instruction that emphasizes representations on students’ understanding of chemical change. Journal of Research in Science Teaching, 41(4), 317-337. doi:10.1002/tea.20005

(25)

Chemical Education, 66(2), 157-160. doi:10.1021/ed066p157

Brown, A. (1992). Design experiments: Theoretical and methodological challenges in creating complex interventions in classroom settings. The Journal of Learning Sciences, 2(2), 141-178. doi:10.1207/s15327809jls0202_2

Chandrasegaran, A. L., Treagust, D. F., & Mocerino, M. (2009). Emphasizing multiple levels of representation to enhance students’ understandings of the changes occurring during chemical reactions. Journal of Chemical Education, 86(12), 1433-1436. doi:10.1021/ed086p1433

Chang, H.-Y., Quintana, C., & Krajcik, J. S. (2010). The impact of designing and evaluating molecular animations on how well middle school students understand the particulate nature of matter. Science Education, 94(1), 73-94. doi:10.1002/sce.20352

Chang, H.-Y., Zhang, Z. H., & Chang, S.-Y. (2014). Adaptation of an inquiry visualization curriculum and its impact on chemistry learning. The Asia-Pacific Education Researcher, 23(3), 605-619. doi:10.1007/s40299-013-0133-6

Chiu, J. L., & Linn, M. C. (2014). Supporting knowledge integration in chemistry with a visualization-enhanced inquiry unit. Journal of Science Education and Technology, 23(1), 37-58. doi:10.1007/s10956-013-9449-5

Cohen, J. (1960). A coefficient of agreement for nominal scales. Education and Psychological Measurement, 20(1), 37-46. doi:10.1177/001316446002000104

Cohen, J. (1988). Statistical power analysis for the behavioral sciences (2nd ed.). Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.

Davis, E. A. (2004). Knowledge integration in science teaching: Analyzing teachers’ knowledge development. Research in Science Education, 34(1), 21-53. doi:10.1023/B:RISE.0000021034. 01508.b8

Davis, E. A., & Krajcik, J. S. (2005). Designing educative curriculum materials to promote teacher learning. Educational Researcher, 34(3), 3-14. doi:10.3102/0013189X034003003

Driver, R., Squires, A., Rushworth, P., & Wood-Robinson, V. (1994). Making sense of secondary science－Research into children’s ideas. London, UK: Routledge.

Frailich, M., Kesner, M., & Hofstein, A. (2009). Enhancing students’ understanding of the concept of chemical bonding by using activities provided on an interactive website. Journal of Research in Science Teaching, 46(3), 289-310. doi:10.1002/tea.20278

Gabel, D. L., Samuel, K. V., & Hunn, D. (1987). Understanding the particulate nature of matter. Journal of Chemical Education, 64(8), 695-697. doi:10.1021/ed064p695

(26)

Journal of Research in Science Teaching, 20(2), 163-177. doi:10.1002/tea.3660200207

Gerard, L. F., Spitulnik, M., & Linn, M. C. (2010). Teacher use of evidence to customize inquiry science instruction. Journal of Research in Science Teaching, 47(9), 1037-1063. doi:10.1002/ tea.20367

Gilbert, J. K. (2008). Visualization: An emergent field of practice and enquiry in science education. In J. K. Gilbert, M. Reiner, & M. Nakhleh (Eds.), Visualization: Theory and practice in science education (Vol. 3, pp. 3-24). Dordrecht, the Netherlands: Springer. doi:10.1007/978-1-4020- 5267-5_1

Greenbowe, T. J. (1994). An interactive multimedia software program for exploring electrochemical cells. Journal of Chemical Education, 71(7), 555-557. doi:10.1021/ed071p555

Harrison, A. G., & Treagust, D. F. (2000). Learning about atoms, molecules, and chemical bonds: A case study of multiple-model use in grade 11 chemistry. Science Education, 84(3), 352-381. doi:10.1002/(SICI)1098-237X(200005)84:3<352::AID-SCE3>3.3.CO;2-A

Hesse, J. J., & Anderson, C. W. (1992). Students’ conceptions of chemical change. Journal of Research in Science Teaching, 29(3), 277-299. doi:10.1002/tea.3660290307

Johnstone, A. H. (1993). The development of chemistry teaching: A changing response to changing demand. Journal of Chemical Education, 70(9), 701-705. doi:10.1021/ed070p701

Krajcik, J. S. (1991). Developing students’ understanding of chemical concepts. In S. M. Glynn, R. H. Yeany, & B. K. Britton (Eds.), The psychology of learning science (pp. 117-147). Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.

Krajcik, J. S., Czerniak, C. M., & Berger, C. (1999). Teaching children science: A project-based approach. Boston, MA: McGraw-Hill College.

Levy, D., & Tinker, R. (2008, February). Links between dynamic representations of atomic-scale phenomena and molecular reasoning. Paper presented at the Chais Conference on Instructional Technologies Research, Raanana, Israel.

Linenberger, K. J., & Holme, T. A. (2015). Biochemistry instructors’ views toward developing and assessing visual literacy in their courses. Journal of Chemical Education, 92(1), 23-31. doi:10. 1021/ed500420r

Linn, M. C. (2006). The knowledge integration perspective on learning and instruction. In R. K. Sawyer (Ed.), The Cambridge handbook of the learning sciences (pp. 243-264). New York, NY: Cambridge University Press. doi:10.1017/CBO9780511816833.016

Linn, M. C., Chang, H.-Y., Chiu, J. L., Zhang, Z., & McElhaney, K. (2011). Can desirable difficulties overcome deceptive clarity in scientific visualizations? In A. S. Benjamin (Ed.),

(27)

Successful remembering and successful forgetting: A festschrift in honor of Robert A. Bjork (pp. 235-258). New York, NY: Psychology Press.

Linn, M. C., Davis, E. A., & Bell, P. (2004). Internet environments for science education. Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates. doi:10.4324/9781410610393

Linn, M. C., & Eylon, B. S. (2006). Science education: Integrating views of learning and instruction. In P. A. Alexander & P. H. Winne (Eds.), Handbook of educational psychology (2nd ed., pp. 511-544). Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.

Linn, M. C., & Hsi, S. (2000). Computers, teachers, and peers: Science learning partners. Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates. doi:10.4324/9781410605917

Lombard, M., Snyder-Duch, J., & Bracken, C. C. (2002). Content analysis in mass communication: Assessment and reporting of intercoder reliability. Human Communication Research, 28(4), 587-604. doi:10.1093/hcr/28.4.587

Lynch, M. (1990). The externalized retina: Selection and mathematization in the visual documentation of objects in the life sciences. In M. Lynch & S. Woolgar (Eds.), Representation in scientific practice (pp. 153-186). Cambridge, MA: The MIT Press.

Organisation for Economic Cooperation and Development. (2013). PISA 2012 results in focus: What 15-year-olds know and what they can do with what they know. Retrieved from http://www.oecd. org/pisa/keyfindings/pisa-2012-results-overview.pdf

Organisation for Economic Cooperation and Development. (2015). PISA 2015 draft science framework. Retrieved from http://www.oecd.org/pisa/pisaproducts/Draft%20PISA%202015% 20Science%20Framework%20.pdf

Shwartz, Y., Ben-Zvi, R., & Hofstein, A. (2006). The use of scientific literacy taxonomy for assessing the development of chemical literacy among high-school students. Chemistry Education Research and Practice, 7(4), 203-225. doi:10.1039/B6RP90011A

Slotta, J. D., & Linn, M. C. (2009). WISE science: Web-based inquiry in the classroom. New York, NY: Teachers College Press.

Stavridou, H., & Solomonidou, C. (1989). Physical phenomena-chemical phenomena: Do pupils make the distinction? International Journal of Science Education, 11(1), 83-92. doi:10.1080/ 0950069890110108

Tasker, R., & Dalton, R. (2008). Visualizing the molecular world – Design, evaluation, and use of animations. In J. K. Gilbert, M. Reiner, & M. Nakhleh (Eds.), Visualization: Theory and practice in science education (pp. 103-131). Dordrecht, the Netherlands: Springer. doi:10.1007/ 978-1-4020-5267-5_6

(28)

The Design-Based Research Collective. (2003). Design-based research: An emerging paradigm for educational inquiry. Educational Researcher, 32(1), 5-8. doi:10.3102/0013189X032001005 Tversky, B., Morrison, J. B., & Betrancourt, M. (2002). Animation: Can it facilitate? International

Journal of Human-Computer Studies, 57(4), 247-262. doi:10.1006/ijhc.2002.1017

Van Driel, J. H., De Vos, W., Verloop, N., & Dekkers, H. (1998). Developing secondary students’ conceptions of chemical reactions: The introduction of chemical equilibrium. International Journal of Science Education, 20(4), 379-392. doi:10.1080/0950069980200401

Witte, D., & Beers, K. (2003). Testing of chemical literacy (chemistry in context in the dutch National examinations). Chemical Education International, 4(1), AN-3.

Wu, H.-K., Hsu, Y.-S., & Hwang, F.-K. (2010). Designing a technology-enhanced learning environment to support scientific modeling. Turkish Online Journal of Educational Technology, 9(4), 58-65.

Wu, H.-K., Krajcik, J., & Soloway, E. (2001). Promoting understanding of chemical representations: Students’ use of a visualization tool in the classroom. Journal of Research in Science Teaching, 38(7), 821-842. doi:10.1002/tea.1033

Xie, Q., & Tinker, R. (2006). Molecular dynamics simulations of chemical reactions for use in education. Journal of Chemical Education, 83(1), 77-83. doi:10.1021/ed083p77

Zhang, Z., & Linn, M. C. (2008, June). Using drawings to support learning from dynamic visualizations. Paper presented at the 8th International Conference of the Learning Sciences, Utrecht, the Netherlands.

Zhang, Z., & Linn, M. C. (2011). Can generating representations enhance learning with dynamic visualizations? Journal of Research in Science Teaching, 48(10), 1177-1198. doi:10.1002/tea.20443 Zhang, Z. H., & Linn, M. C. (2013). Learning from chemical visualizations: Comparing generation

and selection. International Journal of Science Education, 35(13), 2174-2197. doi:10.1080/ 09500693.2013.792971

(29)

Journal of Research in Education Sciences 2015, 60(3), 153-181

doi:10.6209/JORIES.2015.60(3).06

Using a Knowledge-Integration-Based Digital

Curriculum to Facilitate Scientific Literacy in

Learning Chemical Reactions

Hsin-Yi Chang

Shu-Yuan Chang

Graduate Institute of Digital Learning and Education, National Taiwan University of Science and Technology

Kaohsiung Municipal Ling Ya Junior High School

Ching-Jang Lo

_{Jeng-Fung Hung}

Graduate Institute of Science Education & Environmental Education, National Kaohsiung Normal University

Abstract

In this study, we implemented a digital science curriculum design based on the knowledge integration perspective to replace the conventional textbook-based curriculum, focusing on the topic of chemical reactions. We investigated the influence of the curriculum on the eighth-grade students’ scientific literacy relating to the concepts of chemical reactions. The participants were two classes consisting of 58 students: one class received instructions by using the knowledge-integration-based digital curriculum and the other class received instructions by using conventional textbooks. Data collected included pretest, posttest, midterm exam, and delayed posttest results, consisting of items that measured students’ scientific literacy relating to the concepts of chemical reactions. The results indicated that the knowledge-integration-based digital curriculum has both short-term and long-term effects on facilitating students’ scientific literacy. However, students’ performances in scientific literacy after the instruction were not associated with their performances in traditional school exams. Concerns of school tests and instructions were discussed.

Keywords: chemical reaction, knowledge integration, scientific literacy, curriculum infusion

Corresponding Author: Hsin-Yi Chang, E-mail: [email protected]

知識整合數位課程促進學生科學素養：以化學反應概念為例