國小高年級學童簡單機械齒輪迷思概念之研究

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(1)國小高年級學童簡單機械齒輪迷思概念之研究國立台中師範學院研究生李正森. 第一章. 緒論. 本章主要是敘述本研究的問題背景與研究動機、說明研究的目的與所要探討的問題、基本假設、以及陳述本研究的範圍與限制，並針對重要的名詞做解釋。. 第一節. 研究背景與動機. 目前社會上對教育改革的盼望深厚，希望從教育改革中，培育能向前看的下一代，他們能解決所碰到的問題。在這樣的教育改革目標下，研究何種教材內容是必須要教給學童，且可以最有效的讓學童瞭解到科學家的科學概念，而不會造成迷思概念(misconceptions)，是當今科學教育的一大主題。（程智慧民 83）過去數年，我國小學的自然課程以科學的過程技能為重點，而在國小階段，若希望能教好自然科學，則應盡量幫助學童發展出正確的科學概念，正確的科學概念是學習自然科學的基礎。九年一貫課程的實施，將「自然與生活科技」列為課程統整中的一個學習領域，強調以學童為主體，生活為重心。而其中的簡單機械領域和我們的生活息息相關，對簡單機械的認識與設計推理自然也成為學童應習得的能力指標之一。機械運動是直觀、簡單、也最便於觀察，這是很早就得到研究的一種運動形式。但是，任何自然界的現象都是錯綜複雜的，不可避免地會有干擾因素，不可能以完全純粹的形態自然地展現在人們面前，機械運動的現象也不例外。因此，人們要從生產和生活中遇到的各種機械運動現象抽離出客觀規律，必定. 1.

(2) 要有相當複雜的提煉、簡化、複現、抽象等實驗和理論研究的過程。（ Richard Lehrer, Leona Schauble (1998)）可是儘管在現今對技術教育充滿興趣的成長環境裡，卻很少有關「簡單機械齒輪」的研究被嚮導，以確定小學童是如何推論機械設計工作的方式。然而推論機械知識是如此重要的，因為它可提供學童一扇窗戶進入推論有關功能及構造之間的關係，也是一個重要的、早期的探查學童心理學基本發展範圍的能力。讓學童檢視機械物件和想出它們是如何作動的，對一個機械設計從它的結構和功能來作推論。因此，基於上述的認知成為本研究主要研究動機。本研究群經由程智慧老師指導，分別從科學家和教育家的觀點來探討學童迷思概念，將作一系列有系統的分析並整合學童迷思概念的類型，來作為教學重點參考之用。而由本研究者提出「國小高年級學童對簡單機械齒輪迷思概念之研究」，以探討學童相關的想法。而在探求迷思概念類型的方法上本研究群係以一種 Self Consistent Field 的架構來設計的，經本研究群探究後不斷修正提出，迷思概念類型的分類可藉由最佳近似接近方式推衍出來，即由樣本代表性的不斷改善，去確認最接近的、深一層的迷思概念類型所屬（或概念分化程度），此種內在調整的迷思概念歸類法，本研究群稱為「內調參照法」。爾近實施以來，頗具成效，例如：以小樣本數的結果與大樣本數的結果詳加比對，分析後可得此結論。並以二段式問卷為基礎，再作成電腦動畫診斷工具，來迅速擴展研究樣本的質和量，因而獲得學童最佳迷思概念之類型。也希望這對後續研究者的研究方法改良有所貢獻。. 第二節. 研究目的. 2.

(3) 基於上述的研究背景與動機，本研究主要係建立分析學童對「簡單機械齒輪」學習科學時所產生的迷思概念。並探討不同年段學童對機械推論的差異，及男生從小較喜愛玩弄機械玩具；女生較喜愛小玩偶的刻板印象下，男女學童對機械推論是否有差異？擬提出以下三個研究目的。一、. 探究國小高年級學童的簡單機械齒輪迷思概念類型。. 二、. 分析國小 5、6 年級學童在「簡單機械齒輪的二段式問卷」表現是否有差異?. 三、. 分析國小高年級男、女學童在「簡單機械齒輪概念二段式問卷」表現是否有差異？. 第三節. 研究待答問題. 根據上述之研究目的，本研究提出下列待答各問題: 一、. 國小高年級學童對於「簡單機械齒輪」迷思概念類型有哪些?. 二、. 國小高年級學童對「簡單機械齒輪二段式問卷」上表現是否有差異?. 三、. 國小高年級男、女學童在「簡單機械齒輪二段式問卷」上表現是否有差異？. 第四節研究範圍與限制及基本假設. 一、研究範圍與限制： (一)、本研究受到時間、空間、經費、人力、受試者、資源等等種種因素的影響，及非經隨機抽樣取得，因此分析結果僅可提供做為區. 3.

(4) 域性質的研究參考，不宜過度推論加以引申。 (二)、本研究並未對地區特性及城鄉差異等文化差異地區上進行研究，這方面仍待後續研究努力。 (三)、學童於訪談及填答問卷時，或因態度、或因意願、或因語言表達程度，常有填答不完整或回答「不知道」等情事，因此，若將每份問卷加以採用，恐影響診斷學童概念的可信度。所以，為使本研究更加嚴謹，於分析資料時，將這些無效樣本予以刪除? (四)、本研究所謂的簡單機械齒輪迷思概念，以研究題材「齒輪」的部. 分僅談論到:方向、轉數、轉速、傳動、力量、機械利益，而「速度」在國小階段只考慮到快慢不含方向等概念作進一步分析迷思概念的想法，其他方面仍待後續研究者繼續努力。. 二、基本假設：所有晤談與施測，由研究者營造良好氣氛情境下進行，故本研究基本上有以下的假定: (一)、學童瞭解晤談者所提出的問題，並能根據其認知認真回答，其陳述可以代表內在心智真正的想法。 (二)、學童在填答二段式問卷時，都能認真根據其認知回答。 (三)、學童的簡單機械齒輪概念結構可經由晤談及二段式問卷工具的施測中的分析推知。 (四)、由本研究中晤談學童的概念結構，可推知國小高年級學童對簡單. 機械齒輪概念較共通且常見的迷思概念。. 4.

(5) 第五節名詞釋義由於本研究的主要目的在研究學童的簡單機械齒輪概念思概念並發展國小高年級學童齒輪概念二段式診斷工具，因此將本研究的重要名詞界定如下:. 一、. 迷思概念(misconception). 迷思概念經程智慧老師所主持之研究小組探討結果認為是，指學童在學校的學習或其日常生活經驗中，對於自然現象或某種科學概念，可能已有一套自己的觀察和詮釋，使其對概念的想法不為科學家認同，而教育家卻認為可經由教育而改善的這些概念都屬於迷思概念。. 二、. 簡單機械（simple machine）:. 在日常生活與工作中，我們常利用一些工具以完成一些目的。這些能使我們省力或得到方便的工具，都可稱為「機械 machine」。使用機械的目的是省力、或加快速度(省時)、或操作方便(改變力的方向)，使用機械絕對不能省功，也不會產生功，而只能傳遞或轉換功和能。而不論如何複雜的機械，都是由若干組零件所構成，分析各組零件的構造或原理.都不外屬於下列簡單機械的其中之一既槓桿、輪軸、滑輪、齒輪、斜面、螺旋以及劈等幾種基本機件組合而成的。上述的幾種元件都是十分簡單的，所以稱之為「簡單機械 (Simple machine) 」。機械是由若干簡單機件的組合體能傳達力量及運動，並能將輸入的各種能量變成有用的功。如腳踏車、汽車、飛機等（何定樑，1997）。. 三、. 二段式診斷工具（two-tier diagnostic instrument）. 二段式診斷工具，和一般單一選擇題不同的地方，在於它的作答方式區分為兩部分。學童在作答第一個部分單一選擇題之後，還要再第二部份的單一選. 5.

(6) 擇題選擇其所選的理由，而且在第二部份的理由選項中，最後應有一「其他」選項，以備學童有其他想法時寫出其想法。它又被稱為「二段式問卷」、「二段式選擇題問卷」等。在本研究中，採用二段式問卷一詞。因此本研究所欲發展之診斷工具全名為「國小高年級學童簡單機械齒輪概念二段式問卷」，簡稱為「二段式問卷」。. 6.

(7) 第貳章文獻探討. 第一節概念一、概念的意義概念是人類思考和理解的工具，具備了概念思考和推理等工具之後，人類學習的最終目的，解決問題才有可能達成。因此，概念是學習的基本單位，其重要性不言而喻。張春興(民 87)則以單一概括性的名稱或符號，代表其有共同屬性的一類事物的全體時，此名稱或符號所代表者稱為概念 (concept) 。而科學概念多數是抽象、有明確定義、人造的或專門的概念，要研究科學概念的形成就要對概念的意義、形成、發展、理論和概念學習等作一番的認識。. 二、概念的性質 (M.O.pella，引自歐陽鍾仁，1966)彼拉把每一個概念拿來分析，而得到一個結果，每一個概念都其有下列的特性: (一)、. 概念是個人或群體的想法，它是一種符號。. (二)、. 某一特殊事物、現象或方法的概念，可從簡單而複雜形成一系列的連續空間。. (三)、. 概念由多於一件事物、一個現象或一種事實的經驗累積而成，這是一種概括性的結論。. (四)、. 概念是由眾多經驗所形成的抽象想法。. (五)、. 概念可把兩種或兩種以上的事實或創造事實相互連結在一起。. 7.

(8) (六)、. 概念不一定由實質的際遇所形成。. (七)、. 概念在本質上並無對和錯的特性，祇有適合和不適合的問題。. (八)、. 概念和下列五個有相互關聯，即人類、物件、其他概念、概念系統、以及方法。. 第二節迷思概念. 一、迷思概念的意義所謂迷思概念是指學童的概念，隱含著錯誤的概念，與現行廣受接納的科學知識無法相容。蘇育任(民 82)引用 Driver 等(1955)對迷思概念之界定如下:指學童接受了正式科學概念的教導之後，因不當之同化而產生的概念。隱含「錯誤概念」(wrong concepts)之義。這些概念和時下被接納的科學知識無法相容，甚至衝突。具有基本模型(e1ementary model)或理論的特徵。由此可見，迷思概念通常是指個人在學習之後，因為概念不當的統整，而產生的錯誤想法。在教學前要先了解學童的科學，因為這種學童在學校正式教學之前即已自行形成的一些概念架構，將會影響教室中的正統的學習，學童常誤解、修改、或拒絕科學家的觀點，而只有在考試的時候才用科學家的觀點，在日常生活上仍用自己的想法。此為目前小學科學教育急需重視與研究的問題之一。. 二、迷思概念的成因與來源迷思概念可能發生在學習者早已建立了一些對自然現象的先入概念，並且會將這些想法帶入學校課堂中阻礙學童學習科學。而在思考過程的任何一. 8.

(9) 個步驟發生錯誤，是很難加以改變。（王美芬、熊召弟，l998）綜合研究學童迷思概念的來源可從三個方面來看： (一)、教師及學校方面 1. 教師因為學科知識不足，或是不當的教學方法（不當的類比、舉例)，使學童誤解了正確的科學概念。 2. 教師不暸解、或是未留意學童的迷思概念。因此，即使學童的想法有錯誤，也不見得及時予以糾正。 3. 教科書本身對科學概念介紹不正確，或是教材的安排不當。 4. 學校的評量忽視對學童想法的暸解。 5. 過分使用講述法，未給予學童思考、討論的機會。 (二)、學童方面 6. 學童本身的認知發展不成熟。 7. 概念演化的歷程中，由於知識的不足，或是知識的混淆衝突，造成不適當的統整。 8. 日常觀察、生活經驗的影響。 9. 對科學用語的不暸解，或是不適當的文字聯想。 (三)、環境方面 10. 父母、長輩、朋友等等迷思的想法。 11. 電視、報紙、雜誌等大眾傳播媒體錯誤的宣導。 12. 日常語言、或是文化背景中，隱含了不正確的科學概念。. 三、迷思概念的特性從科學教育研究的角度來說，探討學童迷思概念的研究，其最終目的就是在能供給教師有關學童種種迷思概念的參考資料，以便改進教學，使學童. 9.

(10) 發生概念改變。（Head，1986)指出，大多數的研究都指出學童的想法會影響學習，但是進一步的問題在於該如何幫助學童修正概念，如何改進科學教學及課程設計，來避免或減少另有概念的形成。從事科學教育的教學者，當先對迷思概念特性做一暸解，以利於改進教學達成科學教育的目標。Gilbert 等人(1982)研究孩童的科學(children, science)，亦發現學童不同的思考方式。他指出學童對於科學概念的解釋，常常有下列情形出現: (一)、使用日常用語去解釋科學概念。 (二)、自我中心語言的觀點。 (三)、泛靈論 (四)、認為非觀察到的即不存在。 (五)、認為物體具有一定的物理量。學童在上課前就已從經驗中獲得一些想法，所以不是一張白紙狀態。只是學童的原先概念常常與科學家的概念不同，且會阻礙學習。因此老師在教學前要先了解學童的想法，老師的任務是使學童在新、舊知識之間形成聯結，幫助學童搭起概念的橋樑，在使用類比時，要相當小心，避免引起誤解。. 第三節. 迷思概念診斷工具. Duit(l996)等人整合了一些研究科學概念的方法，包括了情境測驗、訪談、概念關聯、診斷測驗、以及電腦化診斷，並且認為他們是適合檢視學童對概念的理解，或學童學習時的觀點。當然由這樣的檢視中，我們也即可發現學童所具有的迷思概念究竟為何了。同時 Duit 等也明確地指出有關學童迷思概念的診測，大部分的研究使用晤談或是概念圖的方式，而在教室中對教師而言較為有效的紙筆或電腦測驗反倒較少受到注意。以下對於一些常用的. 10.

(11) 方法做一簡介:. 一、. 事例晤談(interviews about instances)及事件晤談. (interviews about events) 一般的評量，目的是在了解受試者會不會，因此，不易測出受試者的學習困難、先存概念、另有概念或迷思概念等。Duit 等學者(l996)認為對於科學概念理解的研究晤談無疑是有效的研究方法，而且也是一項非常必須的工具。所以就學童所具有的主要迷思概念為主題，和學童晤談、蒐集學童的各種想法，以作為診斷性測驗的發展。 Carr(1996)認為事例晤談是指在晤談是給學童一些卡片，卡片上通常是一張圖片或一些文字，這些卡片有一些是含有科學概念的事例，研究者詢問學童卡片上所呈現的是不是某一種概念，然後研究者由學童的回答中，引出學童判斷的理由。事件晤談是研究者會呈現一些活動給學童看，學童回答所看到的相關概念的想法，而後研究者繼續探尋學童最初回答的理由。不過， carr(1996)也指出晤談有時會對學童產生被脅迫的感覺。鄭湧涇（民 89）在使用診斷性測驗工具以了解學童的生物概念，提到診斷性測驗的發展首先就學童所具有的主要迷思概念為主題，和學童晤談，蒐集學童的各種想法。再以學童想法為基礎發展選擇題式診斷性試題，要求學童選擇最符合其想法的敘述，在要求學童選擇該項敘述的理由。而進行晤談的步驟如下： (一)、晤談方式： 1. 面談 2. 皮亞傑式晤談 : 工作－操作－進行面談. 11.

(12) 3. 放聲思考(Thinking Aloud) (二)、晤談方式： 4. 無結構（開放式)（Structured Interview ) 5. 半結構化（Semi-structured Interview ) 6. 結構化（Non-structured interview ) (三)、晤談技術： 7. 時時注意晤談目的在於了解學童的意義，而非尋求由外在規範來評估的答案。 8. 藉由文獻及教學經驗慎選晤談的焦點，設計合適事例或事件。 9. 先對少數學童進行初步的晤談，藉以修正晤談內容與技巧。 10. 以輕鬆的方式開始，並說明晤談的目的。 11. 針對先前的問題，提出問題請學童補充說明，以便了解學童的想法。 12. 當學童提出意料之外的回答時，可以重述學童問題，請其進一步解釋，但不要改變學童的用詞。 13. 等候學童回答與提示的要領。 14. 當學童表示懷疑或游疑不決時，應加以追問。 15. 宜注意學童前後矛盾並予以澄清。 16. 學童回答越來越短、等很久不說話，最好放棄。 17. 為便於轉錄，對話時要指明所討論的卡片之內容。. 二、. 紙筆測驗. 所謂「紙筆測驗」是將測驗的試題印成文字，受測者按題意在答案紙上用筆作答，亦稱文字測驗(Verbal test)(張春興，民 78)。各種學科的成就測驗多半採用紙筆測驗的方式，而應用在科學教育研究的紙筆測驗有四種型. 12.

(13) 式：開放式問答題、半開放式問答題、選擇題、和二段式選擇題。常見的紙筆測驗方式可分為封閉式和開放式測驗兩種，封閉式測驗較有固定且客觀的評分標準，而開放式測驗的評分則較主觀，不同評分者，結果可能會不一樣(郭生玉，民 74)。封閉式測驗常採用選擇題，其缺點為不知學童為何選這個答案，是猜對的或真正瞭解(洪瑞英，民 87)。因此 Treagust(1986) 建議採用二段式選擇題的方法，此法可摒除此項缺點，又能保持選擇題易於評分及評分較客觀的優點。然而 Bar(1987),Treagust(1988)及 Crews(1990) 卻有不同看法，他們一致認為探究學童的另有概念，以開放式紙筆測驗更能獲知學童的想法，因為二段式診斷測驗，雖能知道學童選擇該題答案的理由，但學童在回答時卻容易受限於題目所提供的選項，無法照自己的想法自由回答，不適合用來了解學童的想法。但開放式紙筆測驗，學童常無意願回答或隨便交差了事甚至寫不出來，根本無法找出學童真正的另有概念，因此本實驗仍採用二段式診斷測驗為主要診斷工具。. 三、. 概念圖(concept map). 概念圖是以建構論(constructivist epistemology)為基礎 Novak & wandersee(1990，引自 Novak,1996)更明白指出概念圖除了是一項研究學童架構的很好工具之外，更有其他廣泛的應用，如促進有意義的學習、學習的評量、促進合作學習、以及學習的設計，當然，也可適用於學童迷思概念的鑑定。以下是概念圖製作流程及優缺點如下。 (一)、概念圖的製作原則： 1. 每個概念是一個專有名詞，在一個概念圖中只能出現一次。 2. 一個概念圖只能表達一個主概念。 3. 主概念之下分出幾個相關連的支概念。. 13.

(14) 4. 支概念可再衍申次支概念或例子。 5. 連接線可以交錯。 6. 必須作有意義的聯結。 (二)、概念圖的優點： 7. 演繹性的學習方法，讓學童體會另一種思考模式。 8. 開放性問題的思考空間大。 9. 後設認知的學習策略，提供學童反思的機會。 10. 符應建構論，學童主動學習如何組織知識。 (三)、概念圖的限制： 11. 文字表達差的學童寫不出自己的意思，必須再配合其他評量方式。 12. 遇到模稜兩可的答案，可能出現月暈效應。 13. 對視覺型學習的學童幫助較大。概念圖容易閱讀，可簡明扼要地顯示大量資料(Comber & Johnson, 1995)。概念圖的好處，是其進展性的特質，且能迅速完成(Hollins & Whitby 1998)。. 四、. 二段式診斷測驗. 二段式診斷性工具是根據 Treagust, D. F. (1995) Diagnostic assessment of students' science knowledge 發展而成。使用傳統的紙筆測驗題，做大量的施測，尚無法詮釋出學童的了解情形。而概念圖、晤談等質的研究工具，雖然可以得到深入的答案，卻不適合大量樣本的研究。所以針對研究的範圍特別命題，小心周全的設計發掘迷思概念的頻型，分析其概念的架構才能奏效。在第一階段 2-4 個選項之選擇題，可以判斷學童的觀念；第二階段是理由選項，可以知道學童真正了解的程度。教師明白學童的另有概念，可以應變教學策略，導正學童正確、有效的概念學習，因此，二段式. 14.

(15) 診斷性工具可以診斷出學童的另有概念。,Treagust(1988)所介紹的編製診斷測驗三步驟十要點，值得作為本研究發展研究工具的參考，其步驟及要點經整理如下: (一)、界定主題概念的內容 1. 確定命題知識陳述。 2. 發展概念圖。 3. 把命題陳述與概念圖配合起來。 4. 效化命題陳述與概念圖。 (二)、獲得學童迷思概念的訊息 5. 文獻探討。 6. 非結構性的晤談。 7. 發展多重選項內容的開放性問題的問卷。 (三)、發展診斷性工具 8. 發展二階段式的診斷性工具。 9. 設計一個命題陳述與二段式診斷工具關係的雙向細目表。 10. 持續不斷的修正，增加效度，信度。. 五、. 電腦網路動畫診斷問卷. Treagust, D. F 二段式診斷性工具雖可大量的施測，但是當樣本數大且來源廣，且可做資料的問卷回收率低，廢卷率高時，使用單純文字問卷內容不易採複雜之結構，這對學童較深入內在灰色地帶的想法將無法跨越。所以本研究群為了改進上述缺點，在程智慧老師指導下研創電腦網路動畫問卷，此乃最佳近似接近法（或稱內調參照法），既使用電腦化診斷工具，迅速擴展研究樣本的質與量。設計動畫診斷問卷將可用來蒐集大量資料的一種工具，. 15.

(16) 透過網際網路可同時而且直接地把問卷送到受訪者的個人電腦，受訪者填答。動畫配合問卷題目的情境，讓受測學童可以迅速進入問題情境並接觸到較複雜的問題結構，研究者也能更深入探查學童在二段式診斷下灰色地帶的概念。而資料的接收與傳遞也完全在網路上進行，可說結合了傳統事例晤談、紙筆測驗和二段式問卷的優點。以下為本研究群整理網路動畫問卷的優缺點：可將資料傳送到遠方：網路無遠弗屆，方便線上擷取。減少調查成本：透過網路傳送問卷，可直接同時送到各使用者或討論團體，回收速度快。減少廢棄問卷：立即將填答不完整的問卷回覆要求補填。省去人工開支：利用電腦收集封閉式問卷的答案（如二段式問卷選擇題）。減少戒懼心和焦慮，使受測學童能夠產生專注的效果，網路動畫能迅速增加受訪者對回答問卷的控制和注意，增加其介入感和深入問題的情境。結合動畫問卷可以提供較複雜的結構問題。電腦問卷調查也有一些的缺點，包括：受訪者為特定群體，需具備電腦及操作電腦能力。問卷回覆樣本可能不具代表性。研究者難以掌握使用者的母體特質，且無法禁止一人重複回覆。網路及電腦不普及，回覆樣本可能不具代表性。網路速度如果過慢，系統不穩定，將影響作答。總而言之，網路問卷若想達到最大的效度，必須融合傳統問卷的設計觀念，同時考慮網上問卷所涉及的互動環境，加入相關的設計概念。以下為本研究群編制電腦動畫診斷問卷的流程：表 2-3-1. 編制電腦網路動畫診斷問卷三步驟十要點. 步驟. 要點. 備註. 一、設計內容 1. 就二段式問卷內容有關變項明確列出。 2. 把問卷命題與動畫關聯起來，發展動畫題型。 3. 選定答題形式。 4. 設計問卷統計分析方法。二、收集選答 5. 動畫問卷命題作成網頁。 6. 將動畫問卷命題放於網站上（WWW server）。 7. 透過 Web 學童執行網路動畫問卷。. 16. 受測者在網路瀏覽器上作答.

(17) 8. 收集問卷傳送（summit）資料與結果。三、統計分析 9. 資料轉換成統計軟體格式（SPSS）。 10. 進行統計分析，找出迷思概念類型。. 表 2-3-2. 電腦網路動畫診斷問卷例子. 17.

(18) 第四節. 一、. 簡單機械齒輪迷思概念的相關研究. 國內外之相關研究. 國內外關於簡單機械齒輪概念之科教研究，以 3 -12 歲的學童為研究對象，研究主題多涉及齒輪傳動概念、齒輪轉動方向關係等的數理推論探討。研究者將在文獻收集及探討時，所得到有關齒輪和相關的力學與運動概念之研究整理如下表:. 國內外參考文獻一覽表 2-4-1 編號 1.. 作者年代. 主要內容. Richard Lehrer, LeonaSchauble （1998）. 2.. 研究樣本. 學童推論齒輪構造和實物操作，晤談，分 23 位 2 年級學功能的概念。析資料童 20 位 5 年級學童. Kathleen E. Metz 學童物理學知識增加 1.讓學童再作示範實 32 位學童年紀. 和基本的改變解釋的驗前後做預測、觀察是 3,5,7,9 發展（以齒輪為例紀錄並解釋看到的現歲。子）。象 2.做個別晤談 3. 分析資料. （ 1991）. 3.. 研究方法. G. 齒輪在小學童早期接 1.讓學童觀察紀錄、 17 位 4 年級小. Maria. 近理論的想法。. Bartolini. 操作 2.做個別晤談、解釋 3.分析資料。. Bussi ，Mara Boni, Franca Ferri and Rossella. 學童。. Garuti. （1999）. 4.. Frank L . Misiti，齒輪鏈上腳踏車機械。1.讓學童觀察紀錄、中小學學童. 操作 2.做個別晤談、解釋 3.分析資料。. Jr（1983）. 5.. Samina.Hadi-Taba 發明的條件:簡單機械操作 ssum（1997）. 的思考。. 18. 國小學童.

(19) 6.. Brandes, Aaron.. 7.. Azian. 學童了解的機械。. 操作、集體研討、個 2,4,5 年級學別晤談。童及幼稚園兩個組別. Abdullah 使用晤談陳述、事件、（POE）、晤談、分析 4 個九歲的學. and Jon Scaife. 想像評估學童所了解資料。的科學概念. 童. 8.. Piaget ，Jean. 學童物質原因的概念。觀察、晤談. 學童. 9.. David. Hestenes, 力量的迷思概念清單. Malcolm and. 報告. Wells, Gregg. Swackhamer. 10. 洪木利（民 75）. 探討學童對慣性思考晤談型態. 國小和國中生. 11. 陳義勳（民 85）國小高年級學童自然以訪談方式確認學童共 20 人（男科學中力學單元迷思是否有迷思概念 13 人，女 7 人）概念之探討 12. 陳義勳（民 83）國小高年級自然科學根據研究者設計、專 14 所國民小學力學單元中「四輪車與家修正之訪談問卷進小山坡」單元概念發展行訪談。之研究 13. 全中平（民 85）國民小學五年級學童在教學前後分別建構五年級學童，對學習力與運動概念有關「力與運動」的共 265 人之分析研究概念圖，並在教學後按「晤談概念圖」接受研究者晤談。 14. 許民陽（民 84）國小學童對方向及位根據四或八方位相關剛升五年級之置兩空間概念認知發教材，瞭解其先前概學童進行晤展的研究念及潛在困難，其後談，八校 535 設計群測問卷題組。人施以群測。 15. 許民陽；鄧國雄；國小學童對方向及位以教科書內容分析、二、四、六年卓娟秀；李崑山；置兩空間概念認知發臨床晤談與問卷調查級學童，共 28 殷炯盛展的研究研究之。晤談乃利用人。群測以紙圖片、實物或題目進筆測驗共 607 行。人。 16. 董正玲. 利用晤談方式探究國所採用方法是先利用 772 位國小高小學童運動與力概念開放式紙筆測驗、晤年級學童進行. 19.

(20) 的另有架構. 二、. 談. 施測，找出 20 位晤談. 有關簡單機械齒輪研究. 皮亞傑（1927）最早研究關於兒童對機械概念的人，皮亞傑測試孩童的說明有關一輛腳踏車是如何工作。他的報告中最小的兒童（4 到 5 歲）解釋腳踏車的運轉是「任何特別的顯著元件，這些顯著的條件似乎說明整個運行的功效」；實際物體功能的解釋反映出代替的方面和技術的推論，它是代替這種初期發展感官有效的物體構成一個現象的解釋。例如： E：這輛腳踏車是如何前進的呢？. S：他是那個〔指著腳踏板〕. E：那個是做什麼的呢？. S：你可以用你的腳轉動。. E：它如何前進呢？. S：那個，你把你的腳放上去。. E：然後呢？. S：他就轉動。. E：如何呢？. S：那個！〔指著腳踏板〕. Richard Lehrer, Leona Schauble（ 1998)在 Children’s Conceptions Of Gears 一文中對學童調查二年級和五年級學童推理齒輪兩方面，一是齒輪板結構其是沒有必需功能的目的，在其他類似機器則有已知的目的，像是手動蛋打器和腳踏車。有關齒輪如何在齒輪板上移動和在普通機器上工作觀念深入探討，所探問的問題集中於齒輪運行的傳達、方向、相對位置、轉數和旋轉的速度，及日常生活中的腳踏車的齒輪結構及機械利益。學童所表現出的迷思概念類型:一、許多學童相信嚙合齒輪旋轉於同一方向和同一速度。二、許多２年級學童於齒輪運行的傳達提供很不完整的解釋。三、大多數的學童對機械利益和速度混亂在一起。當晤談進行時，數個五年級學童產生與齒輪運行的傳達旋轉方向有關的概念。他們漸漸有越來越多有關齒速由. 20.

(21) 於比率概念的理由。他提出對齒輪教學建議，當學童的推論變的更加普遍化、正式和數學化時可漸漸增加問題的複雜。並在簡單原因產生時對學童提供清楚有利的條件，可以讓學童發展數學推論形式。 Metz(1985, 1991)開始對學童做一個擴大研究有關傳達，機械的作用和齒輪運動的方向附加的概念，包含旋轉的速度，在運動的平面改變，和機構的利益。（Kathleen E. Metz，1991）在（Development of Explanation）一文中研究集中在學童解釋說明的發展在運動的前後關係和齒輪抑制干擾。齒輪的構造的數字在一個廣泛物理因果關係領域，空間的，動力學的，機構學的，和形成的特性那時能夠被概念化在不同的分解程度，對學童有關檢查學童解釋了解原因的發展提供了一個更強而有力的一扇門。學童在解釋說明物理的現象時，在預測或者是動作的對照之下是需要清楚的模式。調查學童的發展原因的知識，經由分析背景的變化和他們的產生解釋的形式，從 3、5、7 到 9 歲為研究的目標，在增加基本的變化和形式上使每一個參加學童所了解齒輪的工作物理領域。讓學童分析解釋類型，基本改變的觀點的結果，結果學童有三個發展現象浮現出來：（a）物體的功能當作解釋，（b）聯結當作解釋（c）機械構造當作解釋。發展的分析齒輪組合從一個現象到下一個浮現出來的兩個基本改變的結構：基本的交換代替，在那裏一個解釋是被另外一個解釋取而代之，在個別發展的分析現象浮現主要在區域別和分解的結構。 Ferry et al.( 1992)則從工作探索類似的議題，一個教學的而不是一個啟發的觀點。比較 3 年級和 5 年級的學童在一個齒輪的工作，設定一個相當的樣本問題解釋單獨的實行和其他的一半學童單獨的伴隨著一個系明確的原理原則，為了識別擠滿齒輪的結構。他的結果特定基本的原理原則是對 5 年級的學童是有利的。但是對 3 年級的學童則是沒有好處的。他同時提出. 21.

(22) 建議有關簡單機械的教育應該延遲到 5 年級的學童。 disessa (1993)在學童物理學文獻事先告知發展中的，學童健全的了解運動是怎樣的傳送，可能需要相當多的數量的推論。這在一些事件可能由於直覺的誤用而影響理解。例如，一些學童推論當齒輪是附加上一系列時，齒輪旋轉力量趨向減速停轉。根據這個解釋齒輪是最遠離推進的齒輪將明顯地旋轉比靠近驅動齒輪的齒輪是更緩慢地。 James J. Kirkwood（1994)在（Simple Machines Simply Put)一文中對學童年輕學童喜歡複雜的機器人和結構設備，例如賽車。換句話說，對於簡單機械不是很有興趣，簡單機械減少機械上的元件基本需求形式上的推理。很多小學童尚未到達探索的程度，所以伴隨著對這些較少的理解。不管如何我們是能夠幫助年輕的學童了解這個抽象的概念。經由和學童討論他們所知道的有關機械。很典型地，學童認為機械運轉是一種神奇的神祕物體，但我們該向學童解釋機械不是神祕物，它是一個系統組合不同部位元件在工作，像腳踏車組合了輪軸、踏板、齒輪、槓桿在一起工作是移動的比走路還要快。 Bullock et al,( 1982)提到一些齒輪運轉方面似乎較直接且令人迷惑，而其他簡易機械構造則是一點也不簡易。換句話說, 齒輪設備不像計算機或者縫紉機器, 齒輪的運轉是可以直接視察和包含沒有隱藏的部分，這運動的傳送是可看見的。所以這適合探索學童在研究原因發展的推論，而且實際上的建議是預先在學校有好的裝備，以讓學童了解簡單機械運動的傳送。在本研究題材「齒輪」的部分是有關方向、轉數、轉速、傳動、力量、機械利益運用及簡單機械使工作輕鬆方便特性探討，以下是齒輪和力與運動相關之單元的研究。. 三、. 有關位置與方向之研究. 22.

(23) （許民陽民 83）國小學童對方向及位置兩空間概念認知發展的研究（II）國小中年級學童對東西南北相關方位的認知探討，研究發現：（1）學童之先前概念認為東西南北等方位是用來指示方向或代表方向用的，而80%學童有組合四方位相對空間位置的能力；（2）學童運用與辨認八方位有較多的困難；（3）多數學童雖可用指南針找出北方，但不瞭解其正確使用步驟。. 四、. 有關運動與力學之研究. （陳義勳民 85 )國小高年級學童自然科學中力學單元迷思概念之探討，進行前後間隔三個多月的兩次訪談。研究結果顯示：1.國小學童所有樣本學童均已有地心引力概念。2.有「放在桌上之木塊，是受到分別來自地心引力、桌子對木塊支撐力」之概念者約35%。3..有槓桿原理之概念者約70%。 4.在「踩踏板頻率一樣，帶動半徑大小不一的兩腳踏車的後輪，何者較快？」的問題上，約 35%樣本學童沒有簡單機械省時必費力和費時必省力的概念。 5.對「將鋼琴由樓下搬至樓上」的問題，樣本學童僅提及滑輪、電梯等簡單機械，鮮少提出斜面、槓桿、輪軸等機械。6.「對於卡車和摩扥車速度一樣時，何者較易煞車」的慣性問題，大部分樣本學童知道質量（重量)小、慣性小易煞車，但缺乏理由，也未完全知道衝量之兩因素：質量與速度。（全中平民 85）國民小學五年級學童對學習力與運動概念之分析研究，一文中分析結果發現：（1）與運動單元之前，超過一半的學童無法將力與運動兩者相連接在一起，有三分之一的學童以「推拉的力量」代表力的概念，但對運動概念有著許多不同的看法；（2）學習該單元之後，約有六成學童可以將力與運動連接在一起；以力的概念而言，約六成學童認為教科書中的「接觸力」與「超距力」為重要的概念，其次為「推、拉、彈力」與「大小、方向」等；以運動概念而言，僅約三成五學童瞭解到運動是力所造成的. 23.

(24) 結果，近一半的學童無法認定運動與力的關係。（3）學童對力與運動所具有的迷思概念主要為：「平衡力不會使物體運動，會產生靜止」，「磁力在近距離內才會產生」，以及「物體僅有往下運動才有地心引力」。（董正玲，郭重吉民81年）利用晤談探究國小學童對運動與力概念的另有架構，研究結果顯示國小學童對運動與力概念所其有較共通的另有架構:1. 以地面當絕對參考座標系，以自己當參考點。2.以位置來判斷運動狀態及受力情形。3.運動蘊含力或力與速度成正比。4.認為具有活力的物體(如人，汽車)才能產生力量，而忽略一些被動力(如摩擦力，地心引力)。而認為有些現象是自然結果與力無關，或在判斷靜力平衡時易忽略某些力。5.重量和地心引力不是同一種力。. 24.

(25) 第五節. 國小自然課程簡單機械齒輪相關概念之探討. 本節是以90年度現行國民小學自然課程有關簡單機械齒輪概念之教材內容作分析，由國民小學自然新課程標準與九年一貫課程綱要自然與生活科技學習領域，並從教科書各版本有關簡單機械齒輪概念之單元目標或內容細目各自分析整理，再從兩種課程中綜合與簡單機械齒輪相關之單元目標及課程標準教材綱要之項目，作為研究工具編製之參考。. 表2-5-l現行國民小學各版本教科書有關簡單機械齒輪概念單元一覽表年級版本. 國編版. 康軒版. 翰林版. 一上一下. 牛頓版. 南一版. 風車和水車轉可愛的校園動了我知道了作玩具. 二上. 風車水車線軸作玩具車. 會動的玩具. 認識方向. 二下三上. 座標與方向. 三下. 怎麼用力輕與重指出位置. 四上. 測量力的大小. 四下五上. 輕與重. 彈簧秤我在哪裡. 時間的測量測量力的大小怎樣測量時間測量力的大小. 物體運動的快物體的運動慢和速度. 五下六上. 力的大小方向物體的輕重測量力的大小. 力是甚麼比快慢. 指出位置來力的大小方向. 灰塵與水中的顆粒巧妙的用力. 生活中的工具有效率的工作簡單機械的巧巧妙的用力工妙具. 25.

(26) 六下. 運動的快慢. 表2-5-2 年級(冊). 單元名稱. 90年國立編譯館主編版. 單元目標. 一(下)2-4 做玩具. 能利用簡單的器材製作玩具。察覺風、水或手推均可使東西物體動起來。發現物體的運動和它的形狀有關。培養以實作來解決問題的習慣。. 三(下)6-1 怎麼用力. 察覺「力」的作用。察覺力有大小、方向的性質。覺知地球引力使物體有重量。覺知物體往往同時受好幾個力的作用。. 三(下)6-2 輕與重. 能由輕重所引起的效應(例如形變)來判斷物體的輕重。使用現成的工具來比較物體的輕重。能制定適當的單位，來表示物體重量。 .能想出策略，解決稱重的間題，如:想出測量水、小狗重量的方法。. 三(下)6-4 指出位置來. 能有效的傳達「位置」的訊息。會設計一個明確的指令，指示物體的位置，並能閱讀指令找出物體。能依據坐標圖，找出物體的位置。. 四(上)7-7 測量力的大小. 察覺力可以改變物體的形狀與運動狀態。能由物體受力所引起的改變，來製定側量「力」大小的工具。. 五(上)9-5 比快慢. 能從控制時問或距離來進行急步走比快慢。入能整理急步走數據，察覺快慢改變的情形。設法比較其他非直線運線運動的快慢。. 六 (上)11-3. 腳踏車是藉由輪軸、齒輪及滾輪等簡單機械組合的巧妙工作，可以使工作方便又容易完成。. 巧妙的用力. 表 2-5-3 年級(冊). 單元名稱. 一(上)1-5 風車和水車轉動了. 90 年牛頓版審定本. 單元目標風力、水力和人力可使東西動起來。. 26.

(27) 風力、水力的強弱會影響風車和水車葉片的轉動。三(下)6-4. 力的大小和方向. 力可以改變物禮運動的快慢和方向力有大小、方向的性質。. 三(下)6-5. 物體的輕重. 四(下)8-3. 測量力的大小. 五(下)9-3. 灰塵與水中顆粒. 觀察空中的灰塵運動的現象。觀察水中的顆粒運動的現象。. 六 (上)11-2. 簡單機械的巧妙. 槓桿及其在生活中的應用。輪軸及其在生活中的應用。斜面及其在生活中的應用。各種簡單機械。. 六 (上)11-3. 運動的快慢. 地球表面上物體受到地心引力就是重量。利用選定的標準作為比較重量的單位。力可以使物體改變形狀和運動速度。利用彈簧來測量力的大小。生活中可以用來測量力的工具。設計測量力的方法。. 測量並描述物體運動的快慢。影響物體運動快慢的因素。觀察、記錄物體運動方向的變化。. 表 2-5-4 年級(冊). 單元名稱. 90 年南一版. 單元目標. 一(上)1-1 可愛的校園. 利用眼睛的觀察，察覺物體有顏色、形狀、大小的特徵。能辨認並描述物體的外形特徵。. 一(上)1-5 我知道了. 察覺物體在視覺、觸覺、嗅覺、味覺各有其特徵。擴展五官的觀察能力，辨認物體的特性及比較物體的異同。經常利用五官觀察的習慣。. 一(下)2-1 會動的玩具. 玩具的動力有風力、水力、水推動的力量…。風力可推動玩具，大的風力可以發電，也可以吹壞房屋。. 三(上)6-1 指出位置來. 測距離、定方位、立座標、描述位置。. 27.

(28) 物體的位置由座標、距離、方向，來標定三(上)6-3 力的大小和方向. 力有大小、方向的性質。地球引力使物體有重量。. 四(上)7-7 測量力的大小. 自定測量力的工具。力可以改變物體的形狀和運動速度。. 四(下)8-7 怎樣測量時間. 能運用規則性運動來測時間。. 六（上）巧妙的用力工具 11-1. 運用簡單機械使工作輕鬆方便。細心觀察並測量滑輪的作功方式，提出它可以省力的假設，並以實驗驗證。觀察長條形工具(槓桿)之用力方式，再次提出類似滑輪省力原理之假設，即手拉動的距離大於物體被拉動的距離時，可以省力;反之則費力，但是可以使工作更方便，並設計實驗驗證之。觀察輪軸和齒輪的傳動，再以滑輪反槓桿之省力原理來解釋，並舉例說明之。. 表 2-5-5. 90 年康軒出版. 年級(冊). 單元名稱. 一 (下)2-6. 風車.水車.線軸車. 單元目標透過觀察和問題解決等科學方法，獲得以下概念：(一)風力可以推動玩具。(二)水力可以推動玩具。用手扭緊的橡皮筋可以推動玩具。培養合作負責的態度及解決問題的能力。. 二(上)3-1 認識方向. 透過觀察和應用空間關係等科學方法，獲得以下概念：（一)四周的物體和自己有上下、前後、左右的關係。（二）根據太陽的升落，定出東西南北。培養注意傾聽、機警反應的習慣。. 三(上)5-6 座標與方向. 透過傳達、應用空間及探討等科學方法，獲得以下概念：（一）座標可以定出物體的位置。(二) 指南針可以指出方位。（三）距離可以用自己設計的單位來表示。培養量化的習慣與能力。. 三(下)6-6 輕與重. 透過觀察、測量和探討等科學方法，獲得以下概念：(一)地球引力使物體有重量。(二)物體. 28.

(29) 有輕重之別，可以用不同的方法測量出來。(三) 翹板或彈簧秤可以表示兩物體輕重不同或相同。(四)力有大小、方向的性質。培養細心操作及記錄的能力。四(下)8-1 力是什麼. 透過測量、操作、實作、等科學方法，獲得以下概念：（一）力可以改變物體的形狀。（二）力可以改變運動速度。(三)力的大小、可以用工具來測量。培養自定測量力的工具能力。. 四(下)8-5 時間的測量. 透過測量、預測及運用時空關係等科學方法，獲得以下概念：（一)運用規則性運動可測量時間。（二）有規則性變化的東西測量時間。培養自定測量時間之工具的能力。. 五(上)9-6 物體運動的快慢和速度. 物體速度越快，在一定時間內移動距離越遠。物體移動的方向，可以用符號符號表示。培養客觀、虛心的態度。. 六 (上)11-3. 生活中的工具. 透過控制變因、驗證實驗，獲得以下概念：槓桿裝置中，（一）施力臂比抗力臂長則省力；反之則費力。（二）輪軸可以改變用力方向和大小。（三）利用斜面做事可以省力氣。培養解決日常生活問題能力及好奇進取態度。. 表 2-5-6. 90 年翰林出版. 年級(冊). 單元名稱. 一 (下)2-4. 做玩具. 設計製作利用水力、風力來運動的玩具。察覺風力、水力或手推均可使東西動起來。察覺大的風力可以發電或破壞環境。培養好奇、細心觀察的態度。了解地球引力使物體有重量。. 三(下)6-1 彈簧秤. 能使用工具，來比較物體的輕重。察覺力有方向性。知道彈簧伸縮，會隨著拉力的大小而改變。培養細心操作紀錄的能力。. 三(下)6-2 我在哪裡. 知道物體的位置，可隨觀察者的參考座標。會運用(行、列)指出位置來。知道物體的位置，可由座標(距離及方向)來標. 單元目標. 29.

(30) 定。能測距離、定方位、立座標、描述位置。培養細心觀察，正確測量的習慣。四(下)8-2 時間的測量. 能運用有規則的運動來測時間。觀察水滴、沙漏、脈搏……，具有規則性，可測時間。利用太陽和月亮的運動，測量時間。培養設計測量時間工具的能力。. 四(下)8-3 測量力的大小. 察覺力可以改變物體的形狀與運動。察覺力的大小，可由變形程度得知。了解物體運動速度的改變需要力。自定測量力的工具，來測量力的大小。. 五(上)9-5 物體的運動. 觀察物體運動有快慢及方向的變化。記錄並描述物體運動的快慢、方向。觀察空中的灰色、水中的微粒都有運動的現象。察覺力可以改變物體的形狀與運動狀態。. 六 (上)11-4. 了解槓桿的平衡受距離和重量兩因素的影響。了解槓桿是簡單機械，做功時可省力或省時。能運用滑輪組來做功，可省力或省時。了解輪軸可使工作方便。能運用簡單的機械使工作輕鬆方便。培養細心觀察及互助合作的態度。. 有效率的工作. 30.

(31) 九年一貫課程自然科學的學習旨在藉由探討自然界各種現象，瞭解自然萬物之組成及其特性、各項變因之相互作用與演變的原理，經由這些探討活動培養出科學探究的能力和精神.並由於對自然的瞭解，使我們能順應自然運作的原理，創造開發各種技術以改善我們的生活。自然科學在生活方面的應用是全面的，為了使學童能夠嫻熱一些常用的科技發明，將部份常用的生活科技.如材料及能源的運用、工具及成品的製造應用問題、以及簡單機械傳輸、居住問題等，選取一些項目，依實作方式來教學，以培養使用操作的能力，此項能力是屬於科學的應用技術，簡稱「科技」。本研究簡單機械齒輪迷思概念的研究中涉及自然科學和生活科技學習領域，在知識的運用上自有其相相輔相成的效盆。而依據九年一貫課程綱要，國民教育階段可依年級一二、三四、五六、及七八九分成四個階段，故依各階段學童與本研究相關研討的「課題、主題、次主題核心主題」示例如下。. 表 2-5-7 年一貫課程「自然與生活科技」領域有關簡單機械概念之教材內容細目表課題、主題、次主題. 教材內容細目. 課題：自然界的作用一力的作用主題：改變與平衡察覺風、水及手的推力，可便物體運動起來次主題：215 力與運二力的作用動知道物體受力的大小、可由形變的程度得知(如彈簧拉長、球壓扁) 三壓強(力) 利用壓力可以推動物體(用筆管吹紙團、擠壓裝水的寶特瓶). 31.

(32) 四平衡與不平衡摩擦力的影響察覺物體受好幾個作用，仍可能保持平衡靜止不動實驗發現槓桿原理(如利用翹翹板懸掛不等重的東西) 五摩擦力的影響察覺摩擦力會影響運動，摩擦力的大小與接觸面的性質有關六平衡察覺力矩會使物體轉動知道靜止的物體所受合力為零，合力矩為零了解槓桿原理是力矩作用的結果七力與運動量的改變探討物體受力時運動量改變的現象知道物體做加速度運動時必受力八力的作用形式知道若以作用形式分，力可分為接觸力和超距力九摩擦力探討影響摩擦力的因素課題：生活與環境一力的作用主題：生活科技利用空氣或水的流動製造水槍、吹管(可參考選做) 次主題：413 動力機械與運輸二浮力應用察覺容器在水面能承載東西，物體在水中拿起來比較輕三虹吸、連通管能利用虹吸現象抽水能利用運通管測量水平四簡單機械能利用簡單機械(如槓桿、滑輪、鏈條、皮帶、齒輪、輪釉等)來做事知道鏈條、皮帶、齒輪等裝置可以傳途動力. 32.

(33) 五熱機工作原理由氣體體積、溫度與壓力的關係，知道熱機的工作原理六簡單機械知道簡單機械(槓桿、滑輪、輪軸、齒輪、斜面)的工作原理，並能設計實用的裝置或玩具課題：演化與延續主題：時空關係次主題：330 運動. 一時間測量察覺時間改變時，影子也會改變二物體的位置知道要表達物體的「位置」，應包括座標、距離、方向等資料三時間測量察覺規則性的運動可用來測量時間及方向(如日影的改變) 四速度運用時間與長度，描述物體運動的速度五速度變化察覺施力可使物體運動速度改變六位移、速度興如速度利用距離、時間及方向，描述物體運動(如自由落體、拋體運動) 知道圓周運動是一種加速度運動. 因此由表中的單元目標或概念或九年一貫課程「自然與生活料技」領域有關簡單機械齒輪方面概念之教材內容細目表中，不難發現國小概念的形成由低年級到高年級，其有明顯的漸進的、有系統的由觀察到抽象思考的概念發展程序。而研究者由上述的教材內容以及簡單機械齒輪概念，所擷取的知識命題陳述如下： 1. 嚙合的兩個齒輪，做交互作用時，轉動的方向會相反。 2. 嚙合的兩個齒輪，大齒輪轉動圈數少，小齒輪轉動圈數多，一樣大小. 33.

(34) 齒數則一樣多。 3. 嚙合的兩個齒輪，大齒輪轉得慢，小齒輪轉得快，一樣大小則一樣快。 4. 嚙合的兩個齒輪中轉動一個齒輪，其它齒輪也會同時轉動。. .. 5. 多個嚙合的齒輪撥動一個齒輪，奇數組合不會轉動，偶數組合會轉動。 6. 一個齒輪不能同時向兩個方向運動。 7. 使用機械的目的:省力或加快速度(省時)、或操作方便(改變力的方向)。 8. 若施力在齒輪上時，施力臂較大，施力會小於抗力，此時的輪軸必省力。 9. 施力在大小齒輪上時，施力臂愈大，力矩愈大，轉動力量愈大。 10. 當腳踏車踩踏板一圈時，後車輪轉動更多圈，故腳踏車可以向前移動較長的距離。 11. 騎變速腳踏車在坡度尚小的道路時，應使鏈條帶動半徑大的小鏈輪，才能輕鬆地騎上山坡，可以省力但費時。 12. 騎變速腳踏車在平面地上的道路時，使鏈條帶動半徑小的小鏈輪，才能輕鬆地騎上山坡，可以省時但費力。 13. 腳踏車是費力機械。 14. 對物體施以作用力會產生反作用力。 15. 鏈條、皮帶、齒輪等裝置可以傳途動力。 16. 力矩會使物體轉動。. 而由學童概念停留的階段可以判斷學童迷思概念的階層。研究者根據相關文獻探討及現有教材分析結果，然後與 3 位國小任職五年以上的教師及指導教授討論，畫出國小高年級學童有關簡單機械概念之概念圖，如圖 2-5-1。. 34.

(35) 簡單機械齒輪概念圖. 35.

(36) 第三章. 研究方法與步驟. 本章主要的目的在敘述本研究之研究設計流程、樣本的選取方式、使用的研究工具、及所要採用的資料處理方式等。全章共分為四節來加以說明。. 第一節研究設計流程. 本研究為配合研究目的，根據 Treagust,D.F. 提出二段式診斷性工具可以診斷出學童的迷思概念，所使用的工具為開放式問答題 (作為晤談的工具)、半開放式問答題、齒輪二段式診斷性工具小樣本預試初稿、齒輪二段式診斷性工具。以下就發展二段式診斷工具的步驟，和發展二段式診斷工具流程詳加敘述。二段式診斷性工具是根據 Treagust, D. F. (1995) Diagnostic assessment of students' science knowledge 發展而成。第一階段 2-4 個選項之選擇題，可以判斷學童的觀念；第二階段是理由選項，可以知道學童真正了解的程度。教師明白學童的另有概念，可以應變教學策略，導正學童正確、有效的概念學習，因此，二段式診斷性工具可以診斷出學童的另有和迷思概念。以下為二段式診斷性工具之發展流程： (一)、確定研究主題：國小學童簡單機械齒輪的迷思概念之研究。 (二)、文獻探討：以探討國小學童的簡單機械齒輪迷思概念。 (三)、確定命題知識陳述：本研究的簡單機械齒輪命題知識陳述，依傳動、方向、轉數、轉速、力量、機械利益等六大領域。. 36.

(37) (四)、畫出齒輪簡單機械概念圖：依蒐集資料文獻探討，齒輪的概念以傳動、方向、轉數、轉速、力量，機械利益為本研究之核心概念，設計開放式問答題目。 (五)、設計半開放式問卷。 (六)、半開放式問卷施測。 (七)、確定晤談內容及對象。 (八)、進行晤談。 (九)、分析迷思概念類型： 1.探討學童的迷思概念，彙整學童的各種理由。 2.依核心概念設計主題探討學童的迷思概念。 3.蒐集學童的想法與理由為基礎發展二段式的選擇題的選項，做為完成二段式診斷測驗工具初稿的準備。 (十)、設計二段式診斷測驗工具初稿。將二段式診斷測驗工具題目編輯成動畫問卷，以利學童對問卷情境之了解，並讓學童對診斷的題目有較多的興趣。 (十一)、. 二段式診斷測驗工具初稿試測及修正。. (十二)、. 專家審查. (十三)、. 精練與修正試卷。. (十四)、. 進行試測，試卷信度及效度分析。. (十五)、. 編制電腦網路動畫問卷及網頁。. (十六)、. 二段式電腦網路動畫診斷問卷正式施測。. (十七)、. 結果分析。. (十八)、. 撰寫論文。. 依照上述的研究架構，本研究的流程如圖 3-1-1 所示：. 37.

(38) 圖 3-1-1. 38.

(39) 第二節. 研究樣本. 本研究所需樣本共計四種:「半開放式問卷施測樣本」、「個別晤談樣本」、「二段式問卷試測」、「二段式問卷式施測」等四種研究工具之樣本，茲將介紹如下:. 一、. 半開放式問卷施測樣本. 在初步的資料收集，找出學童可能具有的齒輪迷思概念及其想法的來由，所以本研究樣本施測對象為彰化縣國小五、六年級學童二班，採立意取樣;為了不與正式研究的樣本重複，選取之班級，在正式施測時將不再施測。本研究目的，並不嘗試比較城鄉之間等文化不同所造成迷思概念的差異，所以各年級的學童來源，並不刻意要求。受測學童如表 3-2-1 所示。. 表 3-2-1 半開放式問卷受測學童一覽表. 二、. 班級代號. 男生. 女生. 合計. M502. 15. 16. 31. M618. 16. 17. 33. 合計. 31. 33. 64. 晤談樣本. 在半開放式問卷施測、回收之後，研究者依學童的回答，逐題紀錄並作相關的概念分析，加以分類及累計次數，作成百分比。而對於學童的回答中有語意不清、前後不一致、或具有特殊的迷思概念等情形時，研究均於試卷. 39.

(40) 上作記號，以作為晤談對象之選擇。而晤談對象的選取則從受測班級依據，挑選答項疑似有迷思概念或錯誤較多之選項及得分較低之學童，各班選取晤談學童各 6 名，共計二班共 12 名，受晤談學童如表 3-2-2。. 表 3-2-2 晤談學童一覽表. 三、. 斑級代號. 男生. 女生. 合計. D502. 3. 3. 6. T618. 3. 3. 6. 合計. 6. 6. 12. 二段式問卷初稿試測樣本. 在實施半開放式問卷及晤談之後，研究者即開始設計齒輪概念二段式問卷，對五六年級各二班學童進行小規模的問卷預試，然後根據其回答情形作結果分析及修正。表 3-2-3 問卷初稿受測學童一覽表. 四、. 班級代號. 男生. 女生. 合計. M501. 21. 12. 33. M611. 20. 19. 39. 合計. 41. 31. 72. 二段式問卷試測樣本. 修正之後，即請物理機械科教方面之專家進行審查，隨後，即根據專家之意見予以修訂不適當之問卷內容，然後進行二段式問卷之試測。因為本階段. 40.

(41) 只為求修正試卷及計分方式時之參考，所以試測的樣本只取五六年級各兩班學童作代表。受測之學童如表 3-2-4。. 表 3-2-4 問卷試測受測學童一覽表班級代號. 男生. 女生. 合計. M518. 16. 15. 31. M520. 16. 16. 32. M603. 24. 18. 42. M604. 22. 22. 44. 合計. 78. 71. 149. 五、二段式電腦網路動畫診斷問卷正式施測樣本經二段式問卷試測修正之後所完成的正式二段式問卷，計選取五年級 10 個班級和六年級學童 20 個班級，共施測約 1052 名學童作為正式施測的對象。受測之學童如表 3-2-5 。. 表 3-2-5 學校. 年級. 問卷正式施測受測學童一覽表. 受測班級數. 有效問卷數男. 女. 總數. M. 五. 4. 67. 59. 126. L. 五. 8. 166. 128. 294. 12. 233. 187. 420. 五年級合計 M. 六. 16. 285. 261. 546. L. 六. 2. 55. 31. 86. 六年級合計. 18. 399. 293. 632. 五、六年級總計. 30. 572. 480. 1052. 41.

(42) 第三節. 研究工具. 本研究所使用的研究工具，包含研究者自編的「國小高年級學童簡單機械齒輪概念半開放式問卷」、「國小高年級學童簡單機械齒輪概念晤談大綱」、「國小高年級學童簡單機械齒輪概念封閉式問卷初稿」、「國小高年級學童簡單機械齒輪概念二段式問卷」;「國小高年級學童簡單機械齒輪概念二段式電腦網路動畫問卷」將各研究工具敘述如下：. 一、國小高年級學童簡單機械齒輪概念半開放問卷研究者參考國內外學者、專家在研究學童簡單機械齒輪相關概念時所運用的方法，並且對相關文獻的探討、及對現有課程教材的的整理與分析，對學童可能的迷思概念有初步的瞭解;然後發展簡單機械齒輪的概念圖，並根據概念圖作命題陳述、由研究者自編設計半開放式問卷的內容以國小自然課程中相關的單元為參考，但也不排除探討學童由日常生活中所獲得的知識，以學童能懂的語法擬定試題。並與兩位國小自然教師針對詞彙及內容討論作為修改參考;並敦請專家修正試題及充實內容。使學童在無壓力的狀況下，能盡量寫下自己的想法，並給予最充分的時間作答，以求能蒐集到學童相關之概念或迷思概念。然後依學童填答的結果，將學童相似的想法歸類分析，並與指導教授及在自然科學教育研究所在職進修之教師研究群討論和修正。. (一). 雙向細目表. 為了使半開放式問卷及半結構式晤談其有內容效度，研究者依所擷取之命題知識陳述及概念領域，建立雙向細目表。半開放式問卷及晤談內容之雙. 42.

(43) 向細目表如表 3-3-1 所示。半開放式問卷與晤談之題目共有 19 題，其中一部分以無功能性機構來探索學童對齒輪的概念。另一大部分則以學童最常接觸的日常生活用品修正帶、變速腳踏車。而涵蓋的領域包括齒輪的方向、轉數、轉速、傳動、力量、和機械利益等部分。為求半開放式問卷及晤談內容具有完整性，每個概念領域都有 1 個以上的題目與之對應，每個命題知識陳述也都有一個以上的問題與之相對應。. 表 3-3-1 半開放式問卷、晤談雙向細目表題號領域方向. 無功能性齒輪機構. 修正帶. 1. 7. 2. 3. V. 轉數. 4. 5. 6. V. 9. V V. V. V. 傳動. V V. V. V. V. 力量. V. V. V. 機械利益命題陳述知識. 變速腳踏車. 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19. V. V. 轉速. 8. 無功能性機構. V 1 4. 2 4. 3 4. 1 4. 3 4. 4 5 6. 1 4. 2 4. V. V. 3 14 7 4 4 1 3 2 7 7 7 4 15 9 15 15 15 10 15 11 12 13 15 16 16 16 16 16 16 16. （二）半開放式問卷研究者使用設計出的國小高年級學童齒輪概念半開放式問卷進行測驗，問卷內容如附錄一，期能從學童的回答中，統計作答學童各類的想法人數，並根據內容予以歸類。但由於部分學童對某些題目並未做答或作答時語意不清、或答案未能與題目相對應或不完整等因素，針對有以上這些情況者研究者該題均不予以計次，在該欄標記「空白」。例. 43.

(44) 例如在第 3 題中問學童「轉動把手旋轉藍色齒輪，綠色齒輪比藍色齒輪轉動得快、慢或者一樣的快慢？為什麼呢？」學童各種回答統計人數表。. 表 3-3-2 半開放式問卷結果統計表(部分) 3.. 轉動把手旋轉藍色齒輪，綠色齒輪比藍色齒輪轉動得快、慢或者一樣的. 快慢？為什麼呢？學童的回答. 學童的理由. 人數. 綠色齒輪比較小，重量輕，容易轉動。轉得快. 轉得慢. 齒輪連接在一起，綠色齒輪齒數比藍色齒數少。. 10 31. 20. 綠色在藍色之前。. 1. 藍色先轉動，先停止，所以藍色快，綠色齒輪慢。. 3. 綠色齒輪齒數比藍色齒數少，齒數少轉的慢. 10. 4. 綠色齒輪比較小，就像小孩子跑得慢。齒輪連接在一起，藍色轉動一下，綠色也會轉動一下。藍色一樣快慢停止，綠色也停止。. 3 21. 22. 方向和速度一樣. 1. 空白. 1. 人數統計. 1 64. 由上表中各項回答人數的統計，我們可以發現受試學童中能正確說出轉動把手旋轉相接齒輪轉動的快、慢理由的學童不多。而以聯結概念作解釋，相接齒輪的轉速認為是一樣快慢的學童是比較多的。因此，研究者將以上半開放式問卷的結果資料整理統計。如表 3-3-2，其餘實際統計結果如-附錄四。. 二、國小高年級學童簡單機械齒輪概念晤談由前述的國小高年級簡單機械齒輪概念半開放式問卷所得到的結果，進. 44.

(45) 行更進一步的晤談，以期能更深入歸納出國小高年級學童簡單機械齒輪迷思概念之類型。但由於半開放式的問卷多為問答題的形式，因此對於語文表達能力較弱或作答意願較低者，常會留下較多的空白或填答「不知道」，因此研究者以自編之國小高年學童簡單機械齒輪概念半開放式問卷配合圖片或實物等成為國小高年級學童簡單機械齒輪概念的晤談大綱為晤談的工具。這研究的問題是有系統的探問（ａ）小學的學童解說下列現象不同當大小和齒輪的組合，一些是在獨立的結構如修正帶和變速腳踏車工作的機器：運動是如何獲得包括齒輪如何變換運動的平面齒輪板旋轉的方向和接觸齒輪相對速度？（ｂ）學童對齒輪速度和機械利益的概念化？（ｃ）學童應用有關傳達，方向，和速度和在常見的機械的想法依靠事情的背景？在順著這些齒輪板預言性解釋問題，我們也問一些學童推論有關兩個相熟悉的機器，修正帶和段變速腳踏車的齒輪方面問題。這些設備提供一個機會探索學童如何了解是齒輪能傳送運動，經由不同地面如何產生機械利益。這個研究在同樣的小學進行，選定為 5 年級學童和 6 年級學童在這個年齡對齒輪物體工作的想法是如何呢？學校是在靠近中部彰化市區附近。所有被訪談者由兩個班級的學童參加：全部 12 位學童包括 5 年級學童( 3 位女生和 3 位男生)和 6 位 6 年級學童（3 位女生和 3 位男生）。在晤談全部過程中均以錄音。然後根據錄音帶的內容有系統的轉譯成文字形式，將其所呈現的概念予以分析，以了解學童心中真正想法。每一個學童參加了兩個個別的晤談，晤談的進行靠近學童的教室，第一次晤談持續 40 分鐘。呈現給學童的是一個齒輪板一系列的問題，有關齒輪是如何運動等問題。第二次晤談，持續了將近 20 分鐘，包括有關學童熟悉的機械背景齒輪一系列的問題，其中一個是手動式修正帶和變速腳踏車。兩次的晤談直接的描寫集中在學童對力量經由齒輪傳達的了解，不同齒輪的結合旋. 45.

(46) 轉方向、轉數、旋轉速度和力量、機械利益（腳踏車）。第一次晤談的目的是在了解學童有關齒輪的推論。每一個結構中是逐漸增加其困難。在這些結構中配合實物，齒輪板的中間是藍色的大齒輪加上一個把手插入中心。其它的齒輪包括在板上和驅動齒輪結合，他們有不同的大小和位置。大齒輪是直徑接近 6 公分和 10 齒數；小齒輪的直徑的 4 公分 7 齒數。每一個問題結構，晤談者指出驅動齒輪的方向、轉數、旋轉速度等關鍵。晤談者再問學童預測旋轉的方向，旋轉的速度，還有每一個其他齒輪完整地旋轉次數，來判斷其回答的解釋，而這期間學童是沒有得到回饋的；晤談將繼續進行另外一個問題而且避開學童正確回答的註解。. 學生齒輪實物觀察. 項目一：. 兩個大齒輪相聯結. 這個項目評估他們所認為的有關兩個同樣大小的結合齒輪旋轉方向。晤談者問：「轉動把手旋轉藍色齒輪在這個（順時針）方向，紅色齒輪將會轉什麼方向呢？為什麼你是這樣想呢？」. 項目２：. 大齒輪連接小齒輪. 在這個項目晤談者問：「如果我轉動把手旋轉藍色齒輪在這個方向，藍色. 46.

(47) 齒輪旋轉一圈，那麼綠色齒輪將會旋轉多少圈呢？」「你為什麼會這樣想呢？」「綠色齒輪比藍色齒輪轉得快，或是更慢呢？還是同樣的速度呢？為什麼呢？」這個項目提供一個機會診斷學童在大小相接的齒輪，轉動速度、轉動次數概念方面的想法。. 項目 3：. 藍色大齒輪聯結小齒輪和小齒輪在不同位置. 在這個項目晤談者問：「轉動把手旋轉藍色齒輪，則橘色和綠色小齒輪會轉同一個方向嗎？為什麼呢？」這問題調查學童對一系列齒輪運動如何傳達的概念，也提供一個機會診斷學童，當齒輪的相對位置改變時可能方向改變的想法。Metz（1985）他發現學童有時候對齒輪注意到全部的結構外表比集中在成對齒輪的連接更加注意。. 項目 4：. 小齒輪聯結大齒輪聯結小齒輪再連接小齒輪. 這個問題包含了四個齒輪，調查學童當齒輪數目增加的時候，有關速度和機構傳達的想法，同樣的晤談者問：「增加一個紅色齒輪，轉動把手時。橘色齒輪轉動得會比綠色齒輪快、慢或者一樣的快慢？為什麼呢？」。. 項目 5：. 這是每一個是 2、3、4、5、6 個齒輪數聯結. 的齒輪組合板。在這個項目晤談者問：「當轉動每一個把手時，各個齒輪組合板轉動的情形會怎麼樣呢？為什麼呢？」這問題調查學童對一系列齒輪運動何傳達的概念，也提供一個機會診斷學童，一個物體不能同時向兩個方向運動的概念，. 47.

(48) 這個也是本項目所強調的。. 項目 6：修正帶. 機構. 在這個項目晤談者問：「當拉動修正帶的時候，裡面的大小齒輪轉動方向如何呢？」「大小齒輪轉動次數如何呢？」「大小齒輪轉動的快慢如何呢？」還有每一個項目問「為甚麼你這樣想呢？」這個問題提供探索學童是否對於有功能性的齒輪結構，相關的方向、轉數和轉速等問題和無功能性的齒輪結構有不同的概念。. 項目 7：單一和數個齒輪傳動直線和彎曲的齒輪排列傳動在這個項目晤談者問：「當把手逐漸的轉慢到最後停止時，則綠色齒輪會比紅齒輪先停止不動，還是兩個齒輪同時停止不動呢？為什麼呢？」這個問題提供一個機會探索學童對於齒輪排列和齒輪數多寡是否影響齒輪聯結運動的想法。. 項目 8：反作用力在這個項目晤談者問：「齒輪相接的地方是否有力量反推？」此問題探測學童齒輪力量傳達概念是否有反作用力的想法呢？. 項目 9：大小齒輪吊重物如圖一、二所示，當同吊一重物時大小齒輪，轉動把手時何者可以比較省力. 48.

(49) 呢？這個項目在探查學童對力乘以施力臂決定力矩的概念。. 項目 10：變速腳踏車一個變速腳踏車齒輪操作解說對成年人而言也是一種挑戰。但是腳踏車可能是一個學童唯一比較熟悉是齒輪驅動的機械，它可以提供學童的日常生活中有關機械利益的經驗。同樣的變速腳踏車晤談項目中，首先詢問學童有關腳踏車前後齒輪運動的方向、轉速、後輪胎轉動次數等。再問異動齒輪的目的「人們來到了小山坡就會變換齒輪檔，為什麼他們要這樣做呢？」、「如果騎變速腳踏車在平坦的路面變換齒輪是為了甚麼呢？」，最後問到「腳踏車是省力或是費力的機械呢？」。以下例題是晤談者問：「如果轉動把手旋轉藍色齒輪一圈。綠色齒輪轉動的圈數會比藍色齒輪多呢？少呢？或是一樣多？」?「你為什麼這樣想呢？」學童回答問題為例作分析說明，其他各題重要晤談內容結果分析如附錄五。說明:【】內為受訪學童代號，第一碼英文字為學校代號、第二碼為年級、三、四碼為班級代號、第五碼為性別(男生為 1、女生為 2)最後一碼則為流水號。如【M61822】表示 M 學校 6 年 18 班，女生第 2 位受談學童。【M61822】 2、. 師：如果轉動把手旋轉藍色齒輪一圈。綠色齒輪轉動的圈數會比藍色. 齒輪多呢？少呢？或是一樣多？生：綠色轉動的圈數會比較多。師：為什麼呢？生：因為綠色齒輪體積小。體型比較大，它轉一圈的話，它不可能只是轉一圈. 49.

(50) 而已。師：你的意思是轉動的圈數和大小有關。生：齒輪體型小，重量就比較輕，比較輕的東西就比較容易轉動。結果分析：認為齒輪的大小、輕重是影響轉數的因素，齒輪小容易轉動，轉動的圈數會比較多。【M50215】師：如果轉動把手旋轉藍色齒輪一圈。綠色齒輪轉動的圈數會比藍色齒輪多、少或是一樣多的圈數呢？生：多。師：為什麼多呢？生：齒輪聯結在一起轉動，藍色齒輪齒數比綠色齒數多。師：藍色轉一圈綠色齒輪會轉幾圈呢？生：應該是比一圈多吧！師：為什麼呢？生：因為齒數多的齒輪全部轉完了，齒數少的就要再碰一次，而且可以計算。師：怎麼算呢？生：就是這個藍色有 10 個齒減掉這個綠色 7 個齒剩下 3 個齒…是 1 圈多。結果分析:知道齒輪轉動聯結在一起，相吻合的齒輪，齒數少，轉數多。並且會使用數學模式計算，概念清楚。【M61815】師：轉動把手旋轉藍色齒輪一圈。綠色齒輪轉動的圈數會比藍色齒輪多、少或是一樣的圈數呢？生：比較少吧！師：為什麼呢？. 50.

(51) 生：綠色齒輪體積較小，就會像小孩子一樣體力比較差。師：體力差走的步伐少，是嗎？生：嗯。結果分析：把大小齒輪依靠人格化類推，會有像大人小孩子一樣的體力差別，小齒輪走的距離近，大齒輪走的遠。【M50222】師：轉動把手旋轉藍色齒輪一圈。綠色齒輪轉動的圈數跟藍色齒輪比的話，是比較多、比較少或是一樣多呢？生：一樣多。師：為什麼會一樣多呢？生：當藍色轉動一下，綠色齒輪也會轉動一下。師：嗯。生：它轉多少齒，它就會轉多少齒。所以會轉一樣多的圈數。結果分析：認為齒輪轉動圈數，是由於相接觸的齒傳動一對一的關係，所以轉數會一樣多。以齒輪聯結來作解釋。【M61814】師：轉動把手旋轉藍色齒輪一圈。綠色齒輪轉動的圈數會比藍色齒輪多、少或是一樣多的圈數呢？生：少師：為什麼呢？生：藍色齒輪先接觸到把手。師：這有甚麼差別呢？生：藍色齒輪會先轉動，所以會多轉幾圈。師：綠色啟動較慢，少轉幾圈。. 51.

(52) 生：對。師：齒輪轉多少跟把手有關嗎？生：嗯，看誰比較接近。結果分析：認為把手為動力來源，越接近者越早轉動，轉越多圈，以機械構造來作解釋。由上例我們可以知道學童對齒輪轉數問題的想法，結果分析如下： 1. 認為齒輪的大小、輕重是影響轉數的因素，齒輪小容易轉動，轉動的圈數會比較多。會以外型來做解釋。 2. 把大小齒輪依靠人格化類推，會有像大人小孩子一樣的體力差別，小齒輪走的距離近，大齒輪走的遠。 3. 齒輪轉動聯結在一起，相吻合的齒輪，齒數少，轉數多。並且會使用數學模式計算，概念清楚。 4. 認為齒輪轉動圈數，是由於相接觸的齒傳動一對一的關係，所以轉數會一樣多。以齒輪聯結來作解釋。 5. 認為把手為動力來源，越接近者越早轉動，轉越多圈，以機械構造來作解釋。【50226】. 19、. 師：騎腳踏車是省力還是費力的機械呢？. 生：可以省力。師：為甚麼呢？生：車輪是圓的，只要踩幾下，它就會跑得很遠。師：跑得遠就省力嗎？生：我們不用走路就可以跑得很遠會省力。. 52.