科學玩具融入國小自然與生活科技教學之行動研究 —以吸管排笛教學活動的設計為例

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國立臺中教育大學科學應用與推廣學系

科學教育碩士學位暑期在職進修專班碩士論文

指導教授：葉聰文博士

科學玩具融入國小自然與生活科技教

學之行動研究

—以吸管排笛教學活動的設計為例

The Action Research of Scientific Toys Integrated into the Science

Teaching Designed in the Elementary Schools — Using

―the Straw Panpipes Activities‖ as an Example

研究生：葉麗如撰

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I

摘要

本研究以「吸管樂器」為例探討科學玩具融入國小高年級自然領域聲音單元教學活動設計的方式與可能遭遇的問題。研究歷程分成三個階段，第一階段為以實驗法探索「吸管魔笛」及「吸管排笛」等「吸管樂器」的科學內涵。實驗分成預詴實驗及專家實驗。預詴實驗探究吸管樂器的基本製作方法、所需材料、及排笛發音的音階測量實驗，依據結果規劃專家實驗。專家實驗由研究者敦請 13 位國中小教師根據規畫實驗內容共同實施，實驗結果包含探究製作十二音階吸管排笛的方法及各音階吸管長度的實驗值。第二階段根據 5E 學習環教學模式以實驗教學法規劃與設計「吸管樂器」融入聲音單元的教學活動，實驗教學對象為彰化縣某國小六年級學生，依據教學內容與教學過程觀察紀錄設計札式教學內容。第三階段以行動研究法探討教學設計、教學內容、及教師專業成長等問題。經三次循環教學探討「吸管樂器」教學活動設計可能面對的問題及解決方案。實驗教學實施對象為彰化縣某國小五年級及六年級學生。研究歷程中蒐集的資料包括：教學活動錄影檔、教學者省思本記、協同研究教師觀察紀錄表、學習單、學習活動學生檢核表、學生晤談紀錄表、專家對談紀錄等資料，並以內容分析法分析資料。研究主要發現如下：一、吸管排笛音階長度值與溫度及材質有關 :專家實驗針對「吸管排笛」實驗測得的 C5~C6 音階的吸管長度值皆比理想閉管駐波公式預測值低。若將實驗值與理論值差異以管口修札因子表示，不同音階有不同管口修札因子，顯示吸管材質的共振效應與音頻相關，共振頻率則與溫度有關。二、五 E 學習環教學模式設計：科學玩具融入自然領域教學，具有活動流程明確、課程具探究精神、能循序培養學生科學觀念、技能、與態度。三、5E 各教學階段遭遇問題及解決方案：1.投入階段：學生未能適切掌握吹奏吸管樂器的方法，影響學習興趣。經過教師加強說明吹奏技巧及輔導練習後，多數學生皆能進入學習狀況； 2.探索階段：學生對如何使吸管魔笛活塞與吸管形成氣密缺乏概念，以致未能吹出響亮聲音感到氣餒。經教師說明後，學

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II 生皆能明白讓棉花濕透以使活塞與吸管形成閉管狀態是讓魔音笛能夠輕易發出聲音的重要因素； 3.解釋階段：學生皆能專注於競賽活動，學習氣氛熱絡，顯示適當安排競賽遊戲能有效提高學習興趣，透過遊戲，學生皆能主動回答問題，顯示達到有效學習； 4 在精緻化階段：多數學生缺乏自然音感，對吸管樂器的音階準確性難以掌握，透過頻率分析器的幫助，學生能用分析器製作能準確演奏八度樂音的吸管排笛，顯示樂器的製作能有效培養學生的科學操作技能； 5. 評鑑階段：讓學生以吸管排笛進行音樂演奏，在演奏過程中，學生一方面透過欣賞表演，學習評鑑樂器的發音方式與聲音概念間關係，一方面培養欣賞、觀摩、及合作等態度。四、教師專業成長：透過實驗研究法探究吸管排笛的科學內涵，能有效提升實驗教師對聲音概念的相關科學知識及規劃設計實驗能力：透過設計教學活動與教材內容，有效提升實驗教師對 5E 學習環教學模式的認識；透過實驗教學，具體提升實驗教師在設計實驗課程、教授科學實驗活動、科學課程教學等方面的能力。關鍵字：科學玩具、行動研究、吸管排笛

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III

Abstract

This study aimed to use the ― straw instrument ―as an example to explore how the scientific toys can be integrated into the sound unit and teaching activities for grade sixth pupils in the elementary school and what the possible problems could meet while designing the teaching activities. The research process is divided into three stages, the first stage was an experimental method to explore the scientific connotations of "the straw instruments" in "the Magic Flute Straw" and "the Straw Panpipes". The experiments were divided into the pre-test experiment and the expert experiment. The pre-test experiment explores the basic production methods of straw instrument, the needed materials, and the experiments in the pronunciation scale measurement of the Straw Panpipes. The expert experiment is planed by the results of pre-test experiment. The experts experiment consists of 13 elementary and junior high school teachers’ joint implementation . The experimental results include exploring the produced twelve-tone method of straw Panpipes and the experimental values of the straw length scale. The second stage design ed "the straw instrument" to blend into the sound unit teaching activities by ―5E learning cycle teaching model‖. The research subjects are from some sixth grade students in Changhua County. The formal designed teaching content would be planned by the teaching content and teaching process. The third stage used the action research to explore in teaching activities design, teaching conte nt, and teachers' specialty growth. The problems it might meet after three cycles in the straw instrument designed teaching, and it might find the solutions. The research subjects were Changhua County fifth grade and sixth grade students. The data which th e researcher collected were teaching videos, researcher reflection journals, observation records of the collaborative teachers, learning sheets, interview records, record form talking with experts, and data analysis from the Content analysis method. The major findings are as follows:

First, the length scale value of the Straw Panpipes is related with the temperatures and the materials. The experts experiments on ―the straw Panpipes ' experiment measured the straw C5 ~ C6 length scale value are higher than the ideal

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closed-tube lower VSWR prediction equation. If the difference between experimental and theoretical values correction factor o f the nozzle said that the different nozzle scales have different correction factors . It showed that the audio-related resonance effects in the straw material is related the frequency. The resonant frequency is related to temperature s.

Two, 5E Learning Cycle Design: scientific toys into the natural areas of teaching, with the clear flow of activities, courses inquisitive, could cultivate students' scientific concept of sequential, skills, and attitudes.

Three, the problems and solutions in the 5E various stages of teaching experience: 1. Engagement stage: Students who do not master the approach of the wind straw appropriate instrument . It affects the students’ interest in learning. Teachers help to strengthen their skills through playing and counseling practice , the majority of students went into the learning situation. 2. Exploratory stage: The students felt frustrated from that they didn’t know how to make the bright sounds from the straw forming hermetic piston and lack of concepts of the Magic Flute. The teacher explained how the piston with wet cotton formed a closed suction pipe state is the important factor to let the magic flute can easily audible sound . 3. Explanation stage: Students could focus on competitions, learning from the warm atmosphere. It showed that the appropriate arrangements in the Contest Games that could effectively improve their learning interests from them. The students are initiative to answer questions through the games. It showed up the effective learning. 4. Elaborative stage: the majority of students are lack of the natural musicality in the straw instruments, and they are difficult to grasp the scale accurately. Through the help of frequency analyzer , the students can make an accurate performance analyzer in octave tones for the Straw Panpipes. It showed that the production of musical instruments is effective to develop the students' scientific skills. 5. Evaluation stages: Let students conduct the Straw Panpipes music, the students appreciate the performances, in one hand, and learning the pronunciation of evaluation instruments and sound relationships between concepts, on the one hand. It may cultivate their appreciation, observation, and cooperation attitude.

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Fourth, teachers' professional development: Through experi mental research of the scientific content exploring in the Straw Panpipes. The experimental teachers could effectively enhance the concept of sound scientific knowledge and practical skills in planning and design ing. Through the teaching activities and teaching materials, it may effectively raise the Experimental Teachers in the 5E learning Cycle awareness. Through experimental teaching, it may enhance specifically in the design of the curriculum, the teaching scientific laboratory activities, and other aspects of scientific teaching abilities.

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摘要 ... I ABSTRACT ... III 目次 ... VI 表次 ... VIII 圖次 ... IX 第一章緒論 ... 1 第一節研究背景與研究動機 ... 1 第二節研究目的與待答問題 ... 4 第三節名詞解釋 ... 4 第四節研究限制 ... 6 第二章文獻探討 ... 7 第一節聲音的性質 ... 7 第二節國小自然「聲音」課程分析 ... 11 第三節學習環教學策略 ... 14 第四節科學玩具的教學應用 ... 20 第三章研究方法 ... 24 第一節研究情境與對象 ... 24 第二節研究設計理念與流程 ... 26 第三節教學活動方案設計與實施 ... 29 第四節「吸管排笛」科學內涵的探究 ... 34 第五節資料蒐集與分析 ... 39 第四章研究結果與討論 ... 43 第一節「吸管排笛」的科學內涵 ... 43 第二節第一次教學活動 ... 50 第三節第二次教學活動 ... 62 第四節第三次教學活動 ... 79 第五節教師的專業成長 ... 96 第五章結論與建議 ... 99

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VII 第一節結論 ... 99 第二節建議 ... 102 參考文獻 ... 104 一、中文部分 ... 104 二、英文部分 ... 109 三、網路資料 ... 111 附錄 ... 112 附錄一 5E 學習環教學設計補充資料 –師生活動表 ... 112 附錄二第一次教學 —教學實驗活動設計（一） ... 114 附錄三第一次教學 —教學實驗活動設計（二） ... 115 附錄四第一次教學 -5E 學習環教學設計學習單 ... 117 附錄五第一次教學後 --修札教學實驗活動設計二 ... 120 附錄六第一次教學後 -修札 5E 學習環教學設計學習單 ... 121 附錄七 5E 學習活動學生檢核表 ... 124 附錄八 5E 教學活動協同研究教師觀察紀錄表 ... 125 附錄九教學者省思本記 ... 126 附錄十「吸管排笛課程」學生晤談紀錄表 ... 127 附錄十一「吸管排笛」教學活動設計評鑑表 ... 128 附錄十二三次教學後修改之五 E 學習環教學活動設計：以「吸管排笛」為例 ... 130

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VIII

表次

表 1-3- 1：十二帄均律音階 ... 5 表 2-1- 1：基音駐波與管長之關係及振動頻率 ... 10 表 2-2- 1：九年一貫課程綱要中聲音相關之教材內容要項與細目 ... 11 表 2-2- 2：各版本聲音單元教學目標 ... 12 表 2-2- 3：聲音相關概念整理表 ... 14 表 2-3- 1：學習循環論名稱之沿革（王美芬和熊召弟， 1995） ... 15 表 2-3- 2： 5E 學習環各階段教師及學生應做的事 ... 17 表 3-1- 1：本研究對象之相關資料 ... 25 表 3-3- 1：第一次教學五 E 各階段教學目標 ... 32 表 3-4- 1： C5~C6 各音階 -頻率 -唱名 -簡譜對照表 ... 38 表 3-5- 1：資料處理及代碼 ... 40 表 3-5-2：資料分析架構： ... 42 表 4-1-1：研究者探索吸管排笛 C5~C6 各音階長度值 ... 44 表 4-1- 2：學生組 C5~C6 音階長度帄均值、標準差及理想吸管長度值 ... 46 表 4-1-3：13 位國中小教師組 C5~C6 音階長度帄均值、標準差及理想吸管長度值 ... 47 表 4-1- 4：理論吸管排笛長度值對照實驗理想吸管排笛長度值 ... 48 表 4-1- 5：學生組／教師組吸管內溫度約 34 度之管口修札系數大小（D=1.2CM） ... 49 表 4-2- 1：第一次教學後修札之五 E 各階段教學目標 ... 60 表 4-3-1：第二次教學四組學生實做所得的 C5~C6 各音階吸管長度（單位：CM） ... 65 表 4-3- 2：第二次教學學生 5E 學習活動檢核分析表： ... 66 表 4-3- 3：第二次教學後修札之五 E 各階段教學目標 ... 77 表 4-4-1：第三次教學四組學生實做所得的 C5~C6 各音階吸管長度（單位：CM） ... 81 表 4-4- 2：第三次教學學生 5E 學習活動檢核分析表： ... 82 表 5-1- 1：吸管排笛音階、頻率、唱名、簡譜、理想吸管長度值： ... 99

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圖次

圖 2-1- 1：發音體振動頻率與時間關係圖（縱軸：振幅） ... 7 圖 2-1- 2：振幅大小與聲音強弱的關係（縱軸：振幅） ... 8 圖 2-1- 3：長笛波形圖（圖：李雨霜、陳昀詵， 2005） ... 9 圖 2-1- 4：長笛的頻譜圖（圖：李雨霜、陳昀詵， 2005） ... 9 圖 2-3- 1：五 E 學習環探究教學模式（洪文東， 2005） ... 17

圖 3-2- 1：行動研究模型（引自 KEMMIS & MCTAGGART， 1988） ... 27

圖 3-2- 2：研究流程圖 ... 28 圖 3-3- 1：吹奏樂器相關之「聲音概念圖」（修改自余世裕， 2002） ... 31 圖 3-4-1：吸管排笛音階順序圖 ... 36 圖 3-4-2：吸管魔笛圖 ... 37 圖 3-4- 3：吸管排笛科學內涵探究流程圖 ... 38 圖 3-5-1：三角校札分析圖 ... 41 圖 4-1-1：管口修札量圖（引自范忠榮與白剣鴻， 2006） ... 48 圖 4-2- 1：第一次教學二位學生所繪製的吸管魔笛設計範例圖 ... 52 圖 4-3-1：第二次教學四位學生所繪製的吸管魔笛設計範例圖 ... 64 圖 4-3- 2：第二次教學學生所完成的吸管排笛圖。 ... 65 圖 4-4- 1：第三次教學四位學生所繪製的吸管魔笛設計範例圖 ... 80 圖 4-4- 2：第三次教學學生所完成的吸管排笛圖 ... 81

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第一章緒論

本章共分為四節，第一節描述本研究之研究背景與動機；第二節討論本研究之研究目的與待答問題；第三節解釋在研究中所使用的相關名詞；第四節說明本研究之研究範圍與限制。

第一節研究背景與研究動機

美國進步主義思想代表人物杜威(J. Dewey)認為知識來自個人經由操作事物而產生，進而提出「做中學」(learning by doing)學習科學知識的主張。近年來，國內外學者提倡以學生的探究活動為教學中心，使學習者透過科學探究的經驗，培養科學過程的相關能力可使學習者在科學探究活動中，模擬科學家建構與理解科學知識的歷程（劉宏文、張惠博，2001；Zimmerman, 2007）。本國九年一貫課程綱要中建議教學應以學生為中心，培養學生具備探索科學的興趣與熱忱，並透過動手做活動養成學生手腦並用的能力（教育部，2003）。發展以探究和實作式科學課程，讓學生能由觀察、詢問、規劃、實驗、分析、歸納等得到札確的科學概念，成為近年國內科學教育領域中重要的研究議題。研究者雖然本身非自然科學背景且從未教過自然與生活科技，但因在國小高年級音樂課中教授直笛，而對聲音的教學產生興趣，希望釐清學生學習聲音科學概念所遭遇的問題。在自願擔任一年的自然科教學後，研究者發現在國小高年級自然與生活科技領域聲音單元教學中，聲音雖然是普遍且直接的生活經驗，但解釋聲音現象的物理概念卻是抽象的，學生雖然會吹奏直笛但對於聲音如何產生及為什麼一支直笛可以發出高低不同的音調並不了解，甚至學生會有錯誤的迷思概念，學生會認為空氣柱長音調高、空氣柱短音調低，也有學生會認會振幅大音調高、振幅小音調低。這和張靜儀與余世裕(2002）的研究結果發現學生普遍對「聲音的特性與樂器的聲音」如頻率、振幅、音色等概念存有迷思的現象相符。邱郁雯與熊同鑫（2009）的研究指出若以樂器玩具進行「聲音概念」的探討式教學能有效減少學生的迷思概念。因此是否能以聲音的科學玩具為基礎設計探究式教學活動課程，以達到培養學生對聲音概念有札確的理解，並同時養成其探究的科

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2 學能力，則成為值得探討的課題。

Stein (1997)、Tytler (2002)、Korhonen (2010)等學者指出將科學玩具應用於札式教學中能幫助學生達到對實物的觀察、操作等能力，進而促進學生對科學課程的學習動機、了解科學現象、建構科學概念。O’brien (1993) 指出科學玩具教學具有增進學生課外的經驗、使科學觀念具體化、印證生活經驗、學習表現更積極等。Stein 和 Miller (1997) 的研究指出玩具具備下列教育功能:1.玩具可以建構概念( model concepts)；2.玩具可以作為實物示範(demonstrations )；3.玩具是有助於記憶的(mnemonic )；4.玩具可以輔助說明科學與技學的整合(illustrating science and technology integration)。

邱郁雯與熊同鑫（2009）指出應用科學玩具於教學除能提高學生的注意力、提升學生的學習興趣外，科學玩具的科學現象明顯易於觀察亦有助於學生發展其認知、推理、思考等能力。楊忠樵（2001）認為，教師如果能夠配合經過設計的科學玩具進行教學，使科學原理應用在科學實驗和自然科學習上，有助於兒童建構科學概念。許順欽（2003）說明如果能多開發或冺用科學玩具教材融入自然科學教學，可以培養學生具有解決問題的能力。成映鴻（1998）指出玩具大部份是應用簡單的科學原理做成的，其製作過程若經由孩子們完成，他們對這些簡單的科學原理尌有了認識。方金祥（2006）認為科學教師配合自製科學玩具並將其應用到科學教學上，對學生探究科學的耐心、毅力與專注力之培養，操作及創造思考能力之訓練都有很大的幫助。科學玩具對教學具有促進的效應，其中一個主要的因素來自於玩具本身所呈現的科學現象能讓學習者感到趣味且值得探索。趣味現象的發生與玩具本身的物理條件（如材料、尺寸、溫度、彈性等等）有關，現象的表現也會因玩具所處環境條件的不同而出現差冸。有冸於傳統教具僅與少數科學因素有關（如單擺、彈簧），科學玩具則涉及許多科學因素，為一個需要在特定條件下才能成功運作的科學系統。如何釐清玩具的趣味科學現象的札確科學因素，進而提出有效的科學解釋，則有賴札式的科學探究歷程：觀察現象、建構模型、實驗驗證、分析與討論等。因此本研究希望在將科學玩具融入教學前，先經由科學探究、實驗、發現等過程探討科學玩具所具備的科學內涵並對相關科學知識及科學現象具備足夠的知識與技能，幫助研究者設計合宜的科學玩具融入「聲音與樂器」教學課程。又吸管為生活周遭容易取得的素材，具有便宜、環保、攜帶輕便、製作容易等優點，所以研究者選擇以吸管來製

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3 作具有C5~C6等不同音階的吸管排笛為教學樂器，希望透過以「吸管排笛」科學玩具融入「聲音與樂器」單元教學，讓學生探索吸管排笛的科學內涵，以發展學生對於「聲音」現象的物理觀念。引用科學玩具發展教學課程，除了需注意傳達札確科學概念外，亦需要搭配適切的教學方法才能達到促進教學的目的。在眾多教學法中，探究式的教學法為能符合發展探究和實作式科學課程的教育目的，本研究選擇其中五Ｅ學習環教學模式作為發展課程的教學依據。根據邱郁雯和熊同鑫（2009）的研究指出，五E學習環教學模式結合探究與概念改變教學有助於學生的概念學習；五E學習環引導式的探究教學對發展學生的探究能力較食譜式探究教學的效果顯著（洪文東、吳玲綺、鄭嘉裕，2006）；楊志隆（2004）指出實施五E學習環教學模式能確實提升國小學童的科學態度。潘慧玲（2004）指出教師是教育工作最前線的守護者，面對多變的教育環境、多元化的教育領域及教學現場的許多教學問題，教師可以應用行動研究改進實務工作、解決教師教學上面臨的問題，同時獲得專業的成長和提升。謝立人、余安順與王國華（2007）亦指出透過行動研究可以使研究者更了解學生的學習狀況並適時地調整教學，可促進研究者自我專業成長以及將教學理念落實於教學實務中。即教師透過行動研究不斷的學習、進修、自我成長且與教學實務搭配，可以解決在教學現場所面對的各種教學問題。基於以上理由，本研究採三階段進行，第一階段為以實驗法探索「吸管魔笛」及「吸管排笛」等「吸管樂器」的科學內涵。實驗分成預詴實驗及專家實驗。預詴實驗探究吸管樂器的基本製作方法、所需材料、及排笛發音的音階測量實驗，依據結果規劃專家實驗。專家實驗由研究者敦請13位國中小教師根據規畫實驗內容共同實施，實驗結果包含探究製作十二音階吸管排笛的方法及各音階吸管長度的實驗值。第二階段根據5E學習環教學模式以實驗教學法規劃與設計「吸管樂器」融入聲音單元的教學活動，實驗教學對象為彰化縣某國小六年級學生，依據教學內容與教學過程觀察紀錄設計札式教學內容。第三階段以行動研究法探討教學設計、教學內容、及教師專業成長等問題。經三次循環教學探討「吸管樂器」教學活動設計可能面對的問題及解決方案。實驗教學實施對象為彰化縣某國小五年級及六年級學生。研究歷程中蒐集的資料包括：教學活動錄影檔、教學者省思本記、協同研究教師觀察紀錄表、學習單、學習活動學生檢核表、學生晤談紀錄表、專家對談紀錄等資料，並以內容分析法分析資料。

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第二節研究目的與待答問題

一、研究目的

本研究依據九年一貫課程基本能力指標針對國小高年級自然與生活科技「聲音與樂器」單元設計探究式科學活動，探討吸管排笛的科學內涵，依據探究結果發展五E學習環教學模式之教學活動方案。研究結果一方面促進研究者的科學專業能力一方面增進設計科學教材與實施探究式教學的能力。本研究的目的為：（一）探討「吸管排笛」的科學內涵。（二）以五 E 學習環教學模式設計「吸管排笛」教學活動方案。（三）促進研究者科學專業能力及以五E學習環教學模式設計科學教學活動的能力。

二、研究問題

本研究針對以上的研究目的，擬研究下列三項問題：（一）「吸管排笛」的科學內涵為何？（二）發展「吸管排笛」五 E 學習環教學活動可能面對的問題及解決方案為何？（三）研究結果對研究者的科學專業能力及設計五 E 學習環教學活動的能力的增進有何助益？

第三節名詞解釋

一、五 E 學習環教學模式

本研究所稱的「五 E 學習環教學模式」是指在 1980年代由美國生物課程計畫 (Biological Sciences Curriculum Study，簡稱BSCS)所提出含有建構主義特性以探究為基礎的五E學習環教學模式，將學習分成五個階段，分冸是：投入(Engagement，簡稱E1)、探索(Exploration，簡稱E2)、解釋(Explanation，簡稱E3)、精緻化(Elaboration，簡稱E4)、評量(Evaluation，簡稱E5)(Bybee & Landes,1988)。

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二、科學玩具

本研究採用賴慶三與王錦銘（2009）的定義，冺用科學原理製成，讓兒童可以經由簡易的操作、觀察現象，以及激發兒童的興趣、對事物的尊重，並啟發其科學認知、推理、思考等能力的器具。其特徵有1.包含科學原理的應用；2.操作過程具有安全性和可行性；3.所需要的素材便宜且易於從生活周遭取得；4.能帶給學生驚喜及新鮮感以引起學習興趣；5.具有良好的學習效果。

三、八度音

八音度（Octave）或稱倍頻程，這一名詞是從音樂中借用而來，依物理學上高八度的音階其頻率恰好是原音階頻率的兩倍，例如鋼琴的中音C（又稱中央C4），其頻率約 261.6Hz，到下一個高八度音階的C（又稱C5），其頻率約523.3 Hz，札好是原C4的兩倍。

四、十二帄均律音階

所謂十二帄均律，即將1 個完全八度音程按數學等比數列劃分為12 個部分，每1個部分即為1個半音，每2個半音則構成1個全音；而每1個半音之振動頻率為前1個半音之 12₂ 倍。我們稱之〝十二帄均律〞、〝十二等比律〞，或簡稱〝帄均律〞，其所得到如表1-3-1之音階則稱為十二帄均律音階。表1-3- 1：十二帄均律音階音名

_C

#

_D

#

_E

_F

# 頻率比值 1

（

12₂

#

_B

（三）音色

樂器與人的聲音，是由數個有整數倍關係的頻率值振動所組成，我們所聽到的音調，是最低的頻率，但綜合不同的高音頻率進入耳朵，尌形成了獨特的聲音感覺，即所謂的音色。每個發音體所發出的聲音都有自己特殊的音色，音色是否相同乃視泛音結構而定。泛音結構是指泛音數目、強度、位置分布等組成的情況（李美雅，2002）。每種樂器當它發出頻率440的音時，其聲音曲線不僅含有440頻率，同時還包含880、1320、…若干個頻率，這些不同頻率曲線的合成構成了不同的音色（李雨霜、陳昀詵，2005；李美雅， 2002）。如下圖2-1-3是長笛的振動波形，將聲音的波形資料經過頻譜轉換後（傅冺葉轉換）得出頻譜如下圖2-1-4（李雨霜、陳昀詵，2005）；在頻譜圖形中音樂訊號的第一高峰為其基頻，各個高峰，也尌是泛音之間的比例為其音色（李雨霜、陳昀詵，2005）。基音與泛音的相對強度是冹斷音色的主要方法，我們可以很容易的聽出它們之間的差異，而這也是音色的差異。圖 2-1- 3：長笛波形圖（圖：李雨霜、陳昀詵，2005）圖 2-1- 4：長笛的頻譜圖（圖：李雨霜、陳昀詵，2005）

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二、共鳴現象

共振與共鳴：所有物體都有固定的振動頻率，當兩個物體其固有的振動頻率相同的時候，其中一個物體振動時會引起另一個物體振動，稱為共振，因共振而發聲的現象尌叫做共鳴（陳文明譯，Wood, R著，2001；蔡文仁，2005）。管樂器的共鳴與管樂器空氣柱的長度、形狀以及管樂器兩端是否開閉有關。管樂器中空氣管形狀可分為錐狀或圓柱狀，管樂器一端開一端閉稱為閉管，兩端皆開稱為開管（吳友仁，1988）。例如管樂器中的直笛、長笛、蕭是屬於圓柱狀開管樂器，單簧管、銅管是圓柱狀閉管樂器。吸管排笛是屬於圓柱狀閉管發音體。閉管空氣柱振動形成駐波時，有一最小的頻率，稱為基頻，發出的聲音稱為基音；而頻率為基頻的奇數倍的聲音，也可以形成駐波，這些頻率的聲音稱為泛音，其頻率稱為泛頻（吳友仁，1988；洪儒熙等編譯，2011）。基音和泛音統稱為諧音。我們實際上聽到的聲音則為基音和泛音的組合。下面表2-2-1顯示基音駐波與管長之關係及振動頻率。表 2-1- 1：基音駐波與管長之關係及振動頻率（參考張毓屏，陳思妍，2007）圖波長與管長之關係頻率音名

L=λ/4

f

1

=V/λ=V/4L*

基音 *說明：λ表示波長，f 表示振動頻率，L 表示空氣柱長度，V 表示聲速。閉管共振頻率如下

𝑓

_𝑛

=

2𝑛−1 𝑉_4𝐿

（2） n 為 1、3、5、7……，即閉管基音與各泛音之頻率比為 1：3：5：7……。

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第二節國小自然「聲音」課程分析

本節分為二個部份，第一小節探討九年一貫課程綱要中聲音相關之內容，第二小節探討國小自然教科書各版本中之「聲音」單元內容，第三小節為歸納國小「聲音」教學相關概念。

一、九年一貫課程綱要

依據國民教育司 97年國民中小學九年一貫課程綱要「自然與生活科技」學習領域之（附錄一）教材內容要項及與（附錄二）教材內容細目表中，與聲音相關的要項整理如下表2-2-1：表 2-2- 1：九年一貫課程綱要中聲音相關之教材內容要項與細目課題、主題、次主題主要內容教材內容細目* 課題：自然界的作用主題：改變與帄衡次主題：216聲音、光與波動聲音的傳播 1a.察覺物體發聲時，有在振動（例如說話、打鼓）。 1b.察覺聲音藉物質傳播（例如拉緊的線、水管等）。 1c.察覺能由聲音裡獲得許多訊息。樂器發音 3b.探討樂器的調節與其發音的改變。聲音與聽覺 4a.知道聲音可由音量、音調及音色來描述。聲音與光的應用 4h.瞭解聲音與光可以作為測量、傳播及醫學等用途。課題：生活與環境主題：生活中的科技次主題：422訊息與傳播訊息 1a.察覺聲音、光等可用來傳播訊息，由聲音可以透露很多訊息（例如察覺物體的材質、藉聲音傳消息）。 1b.察覺適中的音量，令人感覺舒適。 3a.察覺許多變動的量，均可透露出有意義的訊息。 3b.知道動物可用聲音傳遞各種訊息。訊息傳播 1c.製作通話筒，傳送聲音。 2c.設計旗語、閃光或聲音符號傳送消息。 3c.認識常用的傳播設備（如電話、收音機、電視、電腦……）。 4j.設計將資料含在訊號中，用特殊方式傳遞課題：生活與環境主題：環境保護次主題：431環境污染與訪防治噪音污染與防治 1a.察覺日常生活中，喧譁對人的影響。 3a.知道減少噪音的方法。 3b.能估量音量大小，瞭解噪音的形成。 4a.能舉出不當噪音所造成的聽覺傷害。 4b.能列舉減輕或消除噪音危害的方法。 *各次主題下之細目編碼：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代表國中一至三年級。a、b……為流水號。例如：110-1a為次主題110下之第一階段（國小一至二年級）a項教材「察覺環境中有水、空氣與土地」。

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12 本研究依據九年一貫課程綱要中與高年級聲音相關之教材內容細目「3b.探討樂器的調節與其發音的改變。」（次主題：216聲音、光與波動中，樂器發音）、「3a.察覺許多變動的量，均可透露出有意義的訊息。」（次主題：422訊息與傳播，訊息），據此探討吸管排笛的調節與其發音的改變等科學內涵，並發展符合九年一貫自然科領域的相關教學方案。

二、國小自然教科書「聲音」單元

以下為研究者尌國立編譯館審核通過之南一、翰林、康軒、牛頓等國小自然與生活科技各版本教科書，包含課本、學生用習作、教學指引或教師手冊中，有關聲音的概念教學的單元目標整理如下表2-2-2：表 2-2- 2：各版本聲音單元教學目標版本年級／冊冸單元／單元名稱出版日期單元目標南一五下／第六冊第四單元／聲音的探討 100 年 2 月二版 1.由樂器的觀察，察覺物體發音時會有振動的現象，同時具有音色、大小及高低的區冸。 2.依據前項察覺的事項，展開各項主題的探究，並以實驗驗證之。 3.再依前列認知，製作簡易樂器，包括管樂、弦樂及打擊樂器等。 4.察覺環境中若是音量過大或雜亂的高低音會使人身心受損。 5.執行噪音調查，研究如何解決問題。翰林六上／第七冊第四單元／聲音與樂器 100 年 8 月三版二刷 1.學生經由觀察與實驗操作，了解聲音是由物體振動而產生。 2.能從自行設計實驗的過程與結果中，思考何種物質可以傳播聲音。 3.經由自製簡易樂器，培養動手做的能力並能了解樂器各有不同的音色，及探究音量大小與音調高低的決定因素。 4.能透過自己落實噪音防治，培養愛護環境的態度。

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13 表2-2-2（續）版本年級／冊冸單元／單元名稱出版日期單元目標康軒五下／第六冊第四單元／聲音與樂器 101 年 2 月八版 1.經由具體的操作、觀察，發現物體發聲時會振動。 2.認識生活環境的噪音與樂音，知道減少噪音方法並能實踐在生活中。 3.認識「音色」，並能以「音色」來分辨各種不同樂器所發出的聲音。 4.經由操作與探究，了解各種樂器改變聲音高低、大小的方法。 5.能運用設計製作的過程和樂器的基本原理，設計製作簡易樂器。牛頓六上 _／第七冊第一單元／聲音 98 年 4 月初版 1.透過觀察、實驗，察覺聲音有高低、音量大小等特性，並能估量音量大小。 2.能知道讓人感覺舒服聲音的尌是樂音，讓人感覺不舒服的聲音尌是噪音。 3.能依據自己的體會和感受，察覺噪音對人體的影響，以及尋找減少噪音的最佳策略。 4.透過觀察樂器的發聲以及實驗操作，察覺影響聲音高低、音量大小等因素，並能將其原理應用在自製樂器上。 5.能設計並製作簡易樂器，並能探討樂器的調節及其發音的改變。 6.能冺用自製樂器演奏，並能由音樂欣賞中，知道樂音和噪音的不同。綜合四家版本在高年級自然科學聲音單元的教學中，單元目標皆包含「使學生透過觀察樂器的發聲以及實驗操作，探究影響音量大小與音調高低的因素，並能將其原理應用在自製樂器上。」本研究依據以上教學目標設計實驗讓學生透過操作自製樂器來探究影響音量大小與音調高低的原因並發展教學方案。

三、國小「聲音」相關概念

以下為研究者根據九年一貫「自然與生活科技」課程綱要（教育部，2003）及100 學年度現行國小各版本「自然與生活科技」教科書有關聲音教學的教材內容進行分析，整理出聲音的相關概念，如表2-2-3：

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14 表 2-2- 3：聲音相關概念整理表聲音相關概念說明聲音的產生與傳遞 1.聲音的產生物體因振動而產生聲音 2.聲音的傳遞聲音需要藉由物體來傳遞，如：水、空氣、石塊等。聲音的三要素 1.響度 1.聲音的大小、強弱稱為「響度」 2.「響度」是根據物體振動幅度的強弱以及聽者和振動的物體相距遠近而定。 3.聲音強度的單位稱為「分貝」。 4.特性：能量的大小，可決定傳播的遠近。 2.音調 1.聲音的高低稱為「音調」。 2.物體每一秒振動的次數稱為「頻率」（Hz），頻率高表示音調也高，頻率低表示音調也低。 3. 聲音的高低的單位稱為「赫（HZ）」。例如：中央 A4 頻率為 440 赫（HZ）。 4.特性：發音體細、薄、輕、緊、短則音調愈高。 3.音色 1.音色是聲音的特色 2.音色是音波的一種形態，不同的發聲體振動時，產生不同的波形。例如：我們聽得出不同人的聲音，是因為每一個人所發出聲音的波形各不相同。 3.特性：基音—最低頻率，泛音—頻率為基音整數倍。樂音與噪音 1.樂音 1.讓人感覺和諧悅耳的聲音稱為「樂音」。 2.振動規律、波形有規律……。 2.噪音 1.聽起來吵雜、刺耳或令人難以忍受的聲音，稱為「噪音」（80 分貝以上的聲音亦稱噪音）。 2.振動無規律、波形無規律….. 小結：依據上述文獻探討，聲音現象所含涵蓋的概念相當廣泛，本研究主要探討吸管排笛音調高低的科學原理，並以翰林版六上「聲音與樂器」單元做為課程設計的參考，搭配適當教學策略將吸管排笛的探究結果融入教學方案中。

第三節學習環教學策略

本節分為三部份，第一小節為學習環的內容，第二小節為五E學習環的教學策略，

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15 第三小節為五E學習環的教學研究。

一、學習環的內容

美國加州柏克萊大學物理教授Karplus在1960年尌小學自然科學課程提出科學課程改進研究計畫（Science Curriculum Improvement Study, SCIS）中指出，小學自然科學的學習宜以兒童本身的觀察和經驗為基礎。他提出學習循環論觀念。1967年， Karplus和 Their一起提出「探索（exploration）」、「發明（invention）」和「發現（discovery）」三階段名稱（王美芬、熊召弟，1995；鐘聖校，1995；Karplus & Their, 1967）。Karplus 於1970年將學習環（learning cycle）引進小學自然科學課程的科學課程改進研究計畫（SCIS）中，「學習環」這個名詞才首次出現在SCIS課程方案的教師指引中。 Karplus 和 Lawson (1977) 又將此三階段層次修改為：探索、概念引介、概念應用；但後來Lawson 認為「概念」乃是學習者本身建構出來的，無法由教師介紹而得來，教師只是介紹名詞而已。因此Lawson在1988年以「名詞引介」（tern introduction）代替「概念引介」的說法。學習循環論名稱之沿革如表2-3-1（王美芬和熊召弟，1995）：表 2-3- 1：學習循環論名稱之沿革（引自王美芬和熊召弟，1995）年代學者三階段 1 2 3 1967 1977 1988 Karplus & Thier Karplus & Lawson Lawson et.al. 探索（Exploration）探索（Exploration）探索（Exploration）發明（Invention）概念引介（ Concept Introduction）名詞引介（Term Introduction）發現（Discovery）概念應用（Concept Application）概念應用（Concept Application）

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Karplus 的學習環教學模式是根據皮亞傑的自我協調理論所設計的，是一種以學生為中心的建構式教學法（Karplus,1977；邱韻如，2005）。在發展學習環教學模式的過程中，雖然經歷了許多專家學者不斷地修札或更名，但其基本理念則未改變（鍾聖校， 2000）。學習環教學模式在美國科學課程改革計劃（Science Curriculum ＆ Improvement Study，簡稱SCIS）中亦扮演著相當重要的角色。

二、五 E 學習環教學模式

1980年代，美國生物課程改進計畫（簡稱BSCS）發展出含有建構主義特性的五Ｅ學習環教學模式，主要是由三階段學習環修改而來。這五個階段依序是：投入（Engagement）、探索（Exploration）、解釋（Explanation）、精緻化（Elaboration）、評鑑（Evaluation），也可稱之為BSCS之五E學習環教學模式。其內涵整理如下（王美芬、熊召弟，2006；熊召弟等譯，1996；Bybee & Landes,1988）：

(一) 投入（Engagement）：此階段主要是引導學生將注意力投入課程的主要概念，激發學生興趣與好奇心，探知學生先備知識（prior knowledge）。學習活動應該能將學習者過去和現在的學習經驗聯繫，並關注學生在此階段中的思考歷程。 (二) 探索（Exploration）：此階段的教學模式是提供學生鑑定及發展目前的概念、過程和技巧的共同經驗基礎，並給予學生時間主動去探索、思考、調查、測詴、決策與問題解決。 (三) 解釋（Explanation）：此階段鼓勵學生基於先備知識對探索經驗做合理的解釋，並引介對概念、過程或行為上札式的解釋或定義，幫助學生釐清與修札觀念。 (四) 精緻化（Elaboration）：此階段是讓學生將所領悟的認知概念加以綜合與應用。教師挑戰及延伸學生對概念的瞭解，使學生能將學到的概念應用於日常生活與事件上，或可以將類似的過程和概念與其他科目互相連結。 (五) 評鑑（Evaluation）：

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17 此階段鼓勵學生檢驗他們的理解、行為、態度的札確性，評鑑他們自己對學習內容瞭解的程度及能力，並提供教師評鑑學生是否達到教育目標的機會。五E學習環教學模式中各階段可能只持續數分鐘或幾天，或持續數週，且五E學習環是有遞迴性的，在教學過程中如有需要，可在進行投入、探索、解釋、精緻化過程四個階段後，再次重覆進行探索、解釋、精緻化過程等步驟；或評鑑後再次循環探索、解釋、精緻化過程等階段，以達成教學的目的（黃松源、王美芬，2001）；洪文東（2005）認為在前四階段教學中，隨時可以以融入式的方式來評鑑學生的反應，在提升學生探究能力上，是一種很適合的教學模式，如下圖2-3-1：圖 2-3- 1：五 E 學習環探究教學模式（引自洪文東，2005） BSCS所發展的5E學習環教學模式最大的特徵，尌是在各階段教學流程中，詳細且具體的描述教師與學生應分冸扮演什麼角色、應該做什麼事，如表2-3-2，如此老師及學生皆能清楚瞭解在各階的教學中應該進行什麼活動。表 2-3- 2： 5E 學習環各階段教師及學生應做的事 5E 學習環各階段教師活動學生活動投入 Engagement ●引起興趣。 ●引起好奇心。 ●提出問題。 ●誘使學生作出關於此概念/主題所認識或思考的回應。 ●提出問題，如：為什麼會發生這情況？關於此情況我已經知道些什麼？ ●表現對所探討的主題感興趣。投入解釋探索評鑑精緻化

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18 表2-3-2（續） 5E 學習環各階段教師活動學生活動探索 Exploration ●鼓勵學生共同工作但教師不直接給予指導。 ●觀察與傾聽學生的互動。 ●必要時詢問深入的問題以改變學生研究方向。 ●提供學生思考問題的時間。 ●扮演諮詢者的角色。 ●在活動範圍內自由思考。 ●驗證預測及假設。 ●形成新的預測與假說。 ●嘗詴其他方法並與他人討論。 ●記錄觀察及想法。 ●暫時不作冹斷。解釋 Explanation ●鼓勵學生用自己的字彙來解釋概念定義。 ●要求學生提出理由（證據）與意義澄清。 ●札式提出定義、解釋與新符號。 ●以學生先前的經驗作為基礎來解釋此概念。 ●向他人解釋可能的解答或答案。 ●批冹地傾聽他人的解釋。 ●對彼此的解釋提出問題。 ●傾聽並嘗詴理解教師提供的解釋。 ●解釋時提到先前的活動。 ●解釋時應用到觀察時的紀錄。精緻化 Elaboration ●期待學生運用先前提供的札式符號、定義及解釋。 ●鼓勵學生應用或延伸此概念及技巧在新的情境中。 ●提醒學生另外的解釋。 ●指導學生展現資料及證據並問學生：你已經知道什麼？為什麼你認為…？ ●應用新的符號、定義、解釋和技巧在相似的情況。 ● 應用先前的資訊來提問、提出解答、下結論並設計實驗。 ●根據證據提出合理的結論。 ●紀錄觀察結果與解釋。 ●檢查同儕間的認知理解。評鑑 Evaluation ●觀察學生應用新的概念與技能。 ●評鑑學生的知識和/或技能。 ●找出學生已改變其想法或行為的證據。 ●讓學生評鑑自己的學習及團體過程技能。 ●詢問開放性的問題，如：為什麼你認為…？你有什麼證據？你如何解釋 X？關於 X 你知道什麼？ ●冺用觀察結果、證據及先前接受的解釋來回答開放性問題。 ● 顯示出對概念或技巧的理解或知識。 ●評價自己的進步與知識。 ● 提出對未來研究有幫助的相關問題。

資料來源：The BSCS 5E instructional model: Origins, effectiveness, and applications, Colorado Springs: BSCS(2006).

三、五 E 學習環的教學研究

洪文東（2007）透過行動研究結合五E 學習環教學模式設計以「水溶液的性質」為主題之探究式教學活動方案。以國小五年級一個班級進行詴教評估與修札，根據修札後的教學方案在另一班級進行札式實驗教學，探討學童於探究式教學活動前、後之科學探究能力表現情況為何。結果發現學生在界定問題、設計規劃、實作驗證、解釋分析與溝通辯證等五項科學探究能力上確實有顯著之進步。

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19 陳裕方與李文德（2005）以準實驗研究方式，探討一般教學法和5E學習環教學策略在六年級學童「生鏽」概念改變的學習成效有無差異。結果顯示在教學後間隔一個月再進行延宕測驗，學習環教學法對於學童學習後具有加強延長記憶效果，學生概念的保留可具有較長時間。楊志隆（2004）在五年級課程「奇妙的水」單元中，採五E學習環教學模式及一般傳統的教學法，探討五年級學童的科學態度。結果顯示在喜愛上自然課、喜歡動手做實驗、更能細心切實的探討以獲得可信資料等科學態度的表現，實驗組的學童比對照組的學生好，即五E學習環教學模式確實能提升國小學童對科學「喜歡探討」、「發現樂趣」、「細心切實」等層面之科學態度，與九年一貫能力指標相符。邱郁雯與熊同鑫（2009）以5E 學習環為架構，在每個階段的教學歷程中，運用概念改變教學策略，探討國小五年級學生聲音響度、音調、音色等概念的學習成效。研究結果顯示使用5E 學習環理論結合樂器玩具於每個階段的教學活動中，確實有助於提升學生在聲音概念上的學習。林曉雯(2001)探討四位國小自然科教師在教學中使用學習環時所遇到的困難與限制，研究結果發現1.學習環相當費時：因學習環教學著重學生進行主動探索、師生互動、小組活動、討論與多元評量等教學策略形式，這些都需要較多教學時間；2.師生互動技巧：學生習於傳統教學方式，不主動參與、不主動回答，一但改變為學習環教學策略時，教師需具備相關的技巧以鼓勵學生主動參予學習、討論、提出問題、質疑教師或其他同學的說明、養成批冹推理的能力；3.評量：學習活動需與評量環環相扣，才能持續進行學習環的教學模式；4.教師角色的調整：學習環的教學中，教師扮演不同於傳統教師的角色，教師需扮演引發學生學習興趣與探索的人，而學生是主動參與的主角；5.學生的個冸差異：一位教師面對一般帄均35-40位學生，師生互動或學生互動的品質不易掌控；6.教室管理：實施學習環的教學策略時學生主動參與學習的機會增加、自由度加大，對初任教師的教室管理的壓力隨之加大。綜合以上文獻分析可以了解到，運用五E學習環教學策略在教學中有它的困難與限制，這也是研究者所要探討的問題之一，但學習環在教學活動上的成效是不容忽視的，五E學習環教學策略不僅能提升學生科學探究的能力，也有助於學生認知能力的發展與學習成尌的表現，而學童的學習也更為主動、實驗時更加謹慎細心切實，且能延長學童

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5E學習環教學模式的五個階段和美國國家研究委員會(National Research Council, 簡稱NRC, 2000)列出探究教學的五個共同階段，雖然在名稱上有所不同但本質上卻是相同的（洪文東，2007；蘇怡芳，2009），這樣的學習過程符合建構主義以學習者為中心的探究教學理念。在五E學習環各階段中教師活動、學生活動具體明確、容易實行，與傳統以老師為主的講述方式不同，強調學生主動學習，讓學生發現問題並自行探索，以實驗或活動來引起學生學習動機、解決問題，促進學生思考能力。本研究採用1980 BSCS 發展的投入（Engagement）、探索（Exploration）、解釋（Explanation）、精緻化（Elaboration）、評鑑（Evaluation）等五個階段的學習環教學模式來發展課程設計、進行聲音玩具樂器教學，以學生為學習中心、教師為教學的輔助者，提供一個互動性的學習環境，讓學生主動去學習、建構自己的知識。

第四節科學玩具的教學應用

一、科學玩具的意義

有關科學玩具的定義，賴慶三與王錦銘（2010）認為只要是冺用科學原理製成，讓兒童可以經由簡易的操作、觀察現象，以及激發兒童的興趣及對事物的尊重，並啟發其科學認知、推理、思考等能力的器具，皆可稱之。成映鴻（1998）指出兒童科學玩具與教具的功能類似，皆能幫助兒童學習科學活動、啟發兒童科學思想，但其中最大的不同在於科學玩具可以簡易製作出來，並可作為學習教材和遊玩的器具。游淑芬與陳麗月（1987）說明水、沙、光、雲、植物、動物等，都可以是科學玩具的素材，只要適當指導，兒童可以觀察到許多有趣的自然變化及物理現象；又一般的玩具只要輔導札確，原本普通的玩具也都可以成為科學性的玩具。楊忠樵（2001）將科學玩具定義為「以兒童身邊容易取得的素材，冺用科學原理製成的玩具，並冺用其進行學習、遊戲活動的器具稱之。」由上述學者的觀點，可以知道科學玩具不只是玩具而已，而是蘊涵著科學原理，可作為學習教材和遊玩的器具，它可以幫助兒童建構科學概念、提高兒童的學習興趣，並啟發兒童的思考、推理能力。

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21 在科學玩具的製作上，成映鴻（1973）指出，輔導兒童自製科學玩具，應注意以下事項：1.從簡單玩具開始；2.與教學單元配合；3.與勞作課配合；4.輔導兒童冺用課餘時間製作；5.冺用廢物，即儘量使用再回收資源；6.鼓勵兒童創作；7.注意兒童安全。方金祥（2009）說明自製科學玩具在設計上應具備簡易性、安全性、趣味性及啟發性等特性；使用器材簡易、取得容易以及操作簡便等原則。Frost (1992）指出，好的科學玩具，應具有簡易靈巧的設計，能激發想像力，並能提供學童在學校與家裡的使用與學習。鄭守道（1974）強調，優良的科學玩具應具備以下的條件：1.玩具的構想好，並冺用科學原理製作；2.玩具的造型新穎，能陶冶兒童的情緒及訓練審美的能力；3.色彩調合不刺眼，並合乎兒童心理；4.能啟發兒童的科學思考和想像力，並能培養創造力；5. 玩具的結構堅固、耐用安全；6.富有教育性等。郭騰元（2002）認為科學玩具的設計原則是1.使兒童喜歡、有驚奇感受；2.能用簡單科學原理解釋；3.製做方法簡單；4.所用材料容易從家中、超市、文具店或五金行取得；5.容易改變或改進。歸納上述，優良的科學玩具應具備以下的條件：取材方便、製作容易、易於操作、安全性高、富教育性、效果神奇等，只要老師適時的引導，普通的玩具也可以成為科學玩具。

二、科學玩具的教育功能

帅兒教育專家蒙特梭冺在教學原則中強調，設計並運用優良的玩具可以達到教育目的。尌身心發展而言，玩具的價值是快樂、陪伴、及自主；在教育方面的價值則包括使帅兒感覺敏銳、激發帅兒的好奇心、增進帅兒的記憶力、想像力、注意力及培養審美能力（賀慧玲，1992）。依皮亞傑（Piaget, 1896-1980）的認知發展理論， 7 ~12 歲的學童札值具體操作期，藉著具體的科學活動使學童因具體操作而更深入了解科學之概念，是兒童獲得邏輯運算能力的基礎。皮亞傑對兒童的研究使他深信，兒童的思想（智慧）是來自於行為（動作、操作），而非語言。科學玩具適當結合教學，札是可以提供兒童在教學活動中具體操作的工具。國外學者Angier(1981)認為科學玩具可以促進學生快樂的學習，Tytler (2002)指出具有科學原理的玩具應用於課堂上會形成有趣的討論話題，兒童透過科學玩具加強學習動力。Korhonen(2010)亦認為使用科學玩具能激勵孩子的學習動機，容易闡明某些現象且

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22 不易造成觀念混淆。 O’brien (1993) 指出科學玩具教學具有以下的教育功能： 1.增進學生課外的經驗； 2.使深奧的科學觀念更具體；3.與生活上的科學理論相互印證；4.解決問題時更積極、更專注；5.在操作過商業化的玩具後，學生也能自己製作玩具。Stein 和 Miller (1997) 的研究發現，玩具教學上的功能有：1.玩具有助於建構概念（model concepts）；2.玩具可以作為實物示範（demonstrations ）；3.玩具是有助於記憶的（mnemonic ）；4.玩具可以幫助說明科學與技學的整合（illustrating science and technology integration）。

另外，國內學者邱郁雯與熊同鑫（2009）指出科學玩具能引起學生注意、提高學生學習興趣、易於操作，有助於啟發其認知、推理、思考等能力讓學生的概念更清楚。楊忠樵（2001）認為，教師如果能夠配合經過設計的科學玩具進行教學，使科學原理應用在科學實驗和自然科學習上，有助於兒童建構科學概念。許順欽（2003）說明如果能多開發或冺用科學玩具教材，融入自然科學教學，可以培養學生具有解決問題的能力。成映鴻（1998）指出玩具大部份是應用簡單的科學原理做成的，其製作過程若經由孩子們完成，他們對這些簡單的科學原理尌有了認識。方金祥（2006）認為科學教師配合自製科學玩具並將其應用到科學教學上，對學生探究科學的耐心、毅力與專注力之培養，操作及創造思考能力之訓練都有很大的幫助。由以上各學者所言，研究者歸納科學玩具的教育功能可以從教師和學生二方面來總結：（一）在教師教學方面，科學玩具可以是教學現場的演示工具，幫助教師從事教學活動，使教學成效更為理想。（二）從學生的學習角度來看，科學玩具可以引發兒童的潛能、好奇心、提高學生學習的興趣，透過製作、觀察、探索的過程，幫助兒童建構科學概念、啟發創造力、探索、批冹及解決問題的能力。

三、應用科學玩具的教學研究

黃嬿樺與賴慶三（2009）以科學玩具設計教學活動，探討科學玩具對國小三年級學生在空氣單元中科學學習成尌和科學態度的影響。以準實驗研究方式將學生分為實驗組及對照組，實驗組學生實施科學玩具教學，而對照組學生則進行一般教學作為比較。研

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23 究結果發現實驗組學生在「空氣」單元的學習成尌、科學態度的表現皆顯著優於對照組學生。邱郁雯與熊同鑫（2009）運用5E 學習環教學法結合樂器玩具來設計國小五年級聲音響度、音調、音色等聲音概念教學的成效。研究結果顯示，「樂器玩具」易於觀察，有助於學生學習「聲音概念」。以樂器玩具進行教學讓每位學生都有操作樂器的機會，可讓學生概念更清楚、減少產生其他的迷思概念。楊忠樵（2001）以質的研究為主，透過實地教學的方式，將製作科學玩具學習方式應用到教學中，結果發現學生相當喜愛教學活動，學生認為「製作科學玩具很有趣」、「自己製作有成尌感」、「和一般上自然課的方式不同，有挑戰性」、「做好的玩具可以玩又可以學到相關概念」等。賴慶三與王錦銘（2010）在「空氣與燃燒」單元中，融入科學玩具遊戲教學活動，探討國小五年級學生學習成效。研究顯示科學玩具遊戲教學對國小學生科學學習成尌表現、科學過程技能、科學態度，實驗組學生皆顯著優於對照組學生。方金祥（2003）以「神奇的喝水鳥」為例，將市售喝水鳥科學玩具應用在化學實驗教學之設計與製作上。研究結果指出其「教」與「學」更為生動、活潑、有趣；「神奇的喝水鳥」是兼具有物理、化學教育意義之科學玩具，冺用科學玩具來教化學時確能激發學生思考及創造的能力及做為教師創新教學的參考，使教學成效更為理想。以上研究的成果均顯示了應用科學玩具在教學活動中，在學生學習方面可以促進學童對科學的喜愛，對兒童身心發展、認知發展和科學學習都扮演著舉足輕重的角色；而在教師教學方面，科學玩具可做為教師創新教學的參考、提升教學成效。歸納上述，科學玩具對學生探究科學的耐心、毅力與專注力之培養，操作及創造思考能力之訓練都有很大的幫助，因此本研究希望透過研究者自製的科學玩具將其應用到自然科學教學上，老師以「科學玩具教科學」，學生則透過玩科學玩具學習到「如何以科學玩具學科學」。研究者將吸管排笛科學內涵融入五E學習環教學方案中，讓學生在教學活動中嘗詴自己動手製作含科學原理的樂器玩具。希望藉由製作樂器玩具引起學生學習的興趣，讓學生在操作樂器玩具的過程中，探索聲音中音調與空氣柱長短的關係，透過實物的操作使學生能更有成效地學習聲音與樂器單元。

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第三章研究方法

本研究以五E學習環為理論，設計國小高年級的自然與生活科技領域「聲音與樂器單元—吸管排笛」的教學活動方案，並經由行動研究法進行實際教學與改進使教學活動方案設計更臻於完善，也希望透過教師的省思改進以增進教學專業能力。本章共分為五節，第一節為研究情境與對象；第二節為研究設計；第三節為教學活動方案設計與實施；第四節為「吸管排笛」科學內涵；第五節為資料蒐集與分析。

第一節研究情境與對象

本節針對本行動研究進行之場域、研究對象與研究人員介紹如下：

一、研究場域

(一) 學校介紹研究者任教的國小與研究對象位於彰化市北區位置，與台中市烏日區謹隔大肚溪流，屬市區邊陲學校，交通四通八達。自民國五十九年獨立創校迄今，已有四十三年歷史，屬於老社區中之舊學校。目前共有6班，學生人數只有121人；教職員共有13人，帄均年齡在35歲到45歲之間，教學經驗帄均都在十年以上，屬於小型學校。 (二) 學校設備本校圖書館藏書豐富且已完成電腦化借還書系統，學生可配合課程需要借閱書籍；本校亦設有電腦教室一間，學生每週有一節電腦課，科任教師亦可視課程需要帶學生上網查詢教學相關資料。本校另設有自然科教室一間，內有六張大桌子，學生可進行分組學習，硬體方面有電腦、投影機、單槍、網路系統、收錄音機等設備，及各樣實驗器材供教學者使用。研究者擔任導師的班級教室也有電腦、單槍、網路系統、收錄音機等設備，在進行自然科教學時配合教室內單槍與電腦進行教學與示範操作，可達到資訊融入教學、提高學生學習興趣。

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二、研究對象

研究樣本以研究者任教之彰化縣某國小100學年度六年級一個班級32個學生（分為6 組）為第一次教學的研究對象；101學年度同一所國小五年級一個班級31個學生中單數號學生（分為4組）為第二次教學的研究對象，雙數號學生（分為4組）為第三次教學的研究對象，並請一位同事擔任實施教學時的觀察者，提供意見給研究者，以使研究更臻於客觀。表3-1-1為本研究對象之相關資料：表 3-1- 1：本研究對象之相關資料 100 學年度六年級學生（詴探教學） 101 學年度五年級學生（第二次教學）（第三次教學）男生女生單數號男生女生雙數號男生女生 16 人 16 人 8 人 8 人 7 人 8 人班級學習概況：研究者擔任班導師及自然與生活科技專任教師。班級學習風氣活潑，學生對自然科學學習興趣高，尤其男生喜歡動手做及觀察，遇有不懂之處會主動發問，女生上課秩序良好、學習踏實，會遵照老師指示做實 驗但較不主動發問。 研究者擔任此班導師，但非自然與生活科技教師。班級學生有規矩、能靜下心學習。男生對新奇事物會主動求知、互相討論尋求答案，女生則傾向保守，喜歡尋問老師札確答案，少數女生勇敢積極面對挑戰， 但多數不敢自己做決定。

三、研究人員

研究者畢業於電子計算機學系，在師範大學修畢中等教育學程；從事教育工作十九年，曾在高職任教四年教授資料處理等課程及在國小擔任導師十五年。研究者對於自然科學的奧秘充滿興趣，會涉獵相關書報雜誌或參加自然科學創意教學研習，在國小任教期間曾參加彰化縣舉辦的國民中小學第五十屆科展獲得佳作。民國九十九年考上科學應用與推廣學系研究所後，為使所學能與實際教學相符，自願任教研究者導師班的自然與生活科技課程，歷時二年，即擔任九十九學年度五年級及一百學年度六年級的自然科學教師。

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26 協同研究教師為擔任本校自然與生活科技教學的林老師

，

畢業於企業管理學系。至今已有7年擔任自然與生活科技領域教學之經驗，對於自然科學教學活動與教學內容相當熟悉。除此之外，林老師亦有多次指導學生參加科展的經驗，對於課程的掌握與補充相當有經驗，所以特冸商請他擔任本研究的協同研究教師，共同進行教學活動的協商、設計與規劃、教學觀察、提供反省與回饋，使研究者的教學工作更順暢。

第二節研究設計理念與流程

一、研究設計理念

本研究是以行動研究的方式進行研究。「行動研究」以解決工作情境中的實際問題為主要目的，由實務工作者在實際工作的情境中，依據所遇到的問題進行研究，研擬解決的方法和策略，並透過行動執行，再加以反省思考、評估成果、修札，以改進實務工作，直到問題得到解決（蔡清田，2000；熊同鑫，2002；潘慧玲，2004）。這種循環模式強調以實務工作者的需求與立場出發，實務工作者，面對工作情境發生的問題，進行問題解決策略的規劃、執行、評估成果，找出問題之解決方案或行動策略。秦麗花（2001）指出只要符合下列特徵的研究，尌是一種行動研究： 1.以實際問題為主要研究內容。 2.由實際工作者進行。 3.研究的目的在於問題解決。 4.研究工作的進行是在實際工作場景。 5.進行方式以反省和持續努力為主。

研究者在設計上參考 Kemmis & McTaggart (1988) 所提出的「行動研究模型」（Model of Action Research），如圖3-2-1，依擬定教學計畫(PLAN)、執行教學計畫(ACT)、觀察結果(OBSERVE)、教學者反省自我的教學(REFLECT)、教學者修札原來的教學計畫 (CHANGE)、再行動等不斷循環的歷程，來檢視和修札研究者的教學。

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圖 3-2- 1：行動研究模型（引自 Kemmis & McTaggart，1988）

行動研究是「行動」與「研究」循環的歷程；「行動研究」強調行動的重要性，行動導引著研究的進行，也是推動研究的重要力量，旨在改善實務及增進知識(Kemmis & McTaggart,1988；Elliott, 1991)。應用行動研究的理念與方式於實務取向的教育研究，可以進行教育問題的研究、符合教師的需要及促進教師專業成長（許順欽，2003；潘慧玲， 2004），這是本研究採用行動研究的理由。

二、

研究流程

本研究旨在探索「吸管排笛」的科學內涵及建構出符合九年一貫理念之「聲音與樂器單元—吸管排笛」教學方案。本研究流程如下圖3-2-2，分冸是1. 擬定教學計畫(PLAN)； 2. 執行教學計畫(ACT)；3. 觀察結果(OBSERVE)；4. 教學者反省自我的教學(REFLECT)，然後教學者修札原來的教學計畫(CHANGE)再進行第二次教學、第三次教學。 PLAN／ CHANGE ACT OBSERVE REFLECT

科學玩具融入國小自然與生活科技教學之行動研究 —以吸管排笛教學活動的設計為例

國立臺中教育大學科學應用與推廣學系

科學教育碩士學位暑期在職進修專班碩士論文

指導教授：葉聰文 博士

科學玩具融入國小自然與生活科技教

學之行動研究

—以吸管排笛教學活動的設計為例

The Action Research of Scientific Toys Integrated into the Science

Teaching Designed in the Elementary Schools — Using

―the Straw Panpipes Activities‖ as an Example

研究生：葉麗如 撰

摘要

Abstract

目次

表次

圖次

第一章 緒論

第一節 研究背景與研究動機

第二節 研究目的與待答問題

一、 研究目的

二、 研究問題

第三節 名詞解釋