國小四年級學生光的專題本位科學學習之研究

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國小四年級學生光的專題本位

科學學習之研究

賴慶三

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、郭榮得

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摘 要

本研究之目的,在探討國小四年級學生在「奇妙的光」的單元,實施專題本 位科學學習之學習表現。本研究為瞭解接受專題本位科學學習是否影響學生的學 習表現,採用準實驗研究法,選取兩個四年級班級,一班為實驗組(實施專題本 位科學學習),另一班為控制組(進行傳統學習),針對二組學生的學習成就的表 現、學習態度表現、及專題作品的表現等進行分析比較。研究工具包括國小光的 學習成就測驗(信度為 KR21=.83)、光的學習態度量表(信度為 Cronbach α=.91)。 研究的主要結果,包括(1)「光的學習成就測驗」的表現,實驗組優於控制組, 達 p<.01 的顯著水準,顯示實施專題本位科學學習有助於學生的學習成就表現; (2)「光的學習態度量表」的表現,實驗組優於控制組,達 p<.05 的顯著水準,顯 示參與專題本位科學學習能增進學生在光的學習態度表現;(3)實驗組學生專題作 品的表現,能充分展現「光的反射」、「光的折射」的科學原理於專題作品中,顯 示參與專題本位科學學習能增進學生在光的學習。

關鍵字:自然與生活科技、科學教學、專題本位科學學習

* 國立臺北師院自然科學教育研究所教授 ** 臺北縣文德國民小學老師

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國小四年級學生光的專題本位

科學學習之研究

賴慶三、郭榮得

壹、緒論

國小自然與生活科技課程強調培養學生的科學理解,而非純粹的知識記憶, 教學重點著重提昇學生的科學素養,培養學生獨立思考與解決問題的能力。因應 自然與生活科技課程的實施,教師應特別重視如何去激發學生的學習興趣,如何 引導學生主動探索的學習意願,進而在科學探究過程中,培養學生主動求知,積 極策劃、執行、檢討、與發表自己的學習成果作品,藉由學習歷程活動去建構自 己的知識與學習能力。專題本位科學學習(project-based science learning 簡稱為 PBSL),正好符合此一創新學習的潮流,所以受到格外的重視,因為它能滿足學 習者的學習需求和能力,增進學習者的概念理解與解決問題能力(Barak & Dori, 2005; Frank & Barzilai, 2004; Soloman, 2003)。

人類對光的探究已有很長的歷史,Brickhouse(1994)指出,一般科學家和 科學教育研究者共同認為光學概念是人類求知過程中,不可忽略的一環。然而 Hewitt 指出,經由人類對光的探究歷程回顧發現,古希臘學者認為光是由一些細 微的粒子所組成,這些粒子能進入眼中,產生視覺;直到十七世紀牛頓(Newton) 時代,大多數的哲學家和科學家仍認為光是由粒子組成的;惠更司(Huygens) 首先提出光的波動說的證據,後來其他科學家發現更多支持波動說之證據;到了 十九世紀,光的波動說才成為一般所能接受的理論;對於光的性質,今天科學家 都同意光同時具有粒子性及波動性(陳可崗譯,2001)。其次,科學教育研究發現, 國小學生對光的學習,存有一些迷思概念,包括「光的本質、光和影子、光和視 覺、光和顏色、光的反射折射、光的運動、眼睛和視覺、光的直線前進等」迷思 概念類型(張靜儀,2001;郭金美,1996;1999;2002)。學生對光的迷思概念,

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常影響學生對光學概念的學習,所以如何修正或改變學生對光的迷思概念,一直 是科學教育研究與發展所努力的重點。因此,國小教師如何透過適當的教學方式 與策略,把有關光學的基本概念,透過實作或專題本位的方式來提供學生學習, 協助學生建立正確的光的概念,是值得進一步加以深入探究的。 基於專題本位科學學習在以往的實施經驗與成效,本研究擬將其運用在國小 學生在「奇妙的光」單元之學習,以探討專題本位科學學習是否對學生在「奇妙 的光」單元之學習產生相同的成效,並進一步瞭解其是否能促進學生對「奇妙的 光」的理解。因此,本研究之主要目的,在探討國小四年級學生在「奇妙的光」 的單元,接受專題本位科學學習(PBSL)與否,是否會影響學生之學習表現。根 據上述研究目的,本研究探討下列問題: 一、實驗組(接受專題本位科學學習)國小四年級學生在光的學習成就的表 現是否優於控制組? 二、實驗組(接受專題本位科學學習)國小四年級學生在光的學習態度的表 現是否優於控制組? 三、探討實驗組(接受專題本位科學學習)國小四年級學生在光的專題作品 的表現為何?

貳、文獻探討

一、專題本位科學學習的理念

專題本位科學學習(PBSL)的觀念,源自克柏屈(Kilpatrick)的專題教學方 法(Project method),強調讓學生採取一連串的行動,去解決各種問題(Wolk, 1994)。Morgan(1983)指出專題學習是具體運用建構主義理念與合作學習情境 的教學與學習方式。Katz & Chard(1989)進一步說明,所謂專題是對一個值得 學習的主題作深入的探究,探究的方式可由個人、小組、或全班一起進行,其重 點在引導兒童對某一個主題有更多主動性、創造性的學習,而不是針對老師提出 的問題給予期待的標準答案。Katz(1994)更提醒,專題本位應著重學生主動思 考、提出問題、從事調查探究、及解決問題的歷程,而不只是以查閱圖書館資料 為滿足。Blumenfeld, Soloway, Marx, Krajcik, Guzdial, & Palincsar(1991)進一步

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闡述,專題本位應促使學生合作學習、發展後設認知策略、運用科技作為認知學 習工具、增進學習動機等,讓學生進行深入的探究,並完成專題作業,並藉由整 體學習歷程而建構知識,及培養分析、統整、評估等解決問題的能力。 所以,專題本位科學學習的歷程中,師生共同營造一個良性互動與合作的學 習環境,學生在老師的指導下,從探究過程中學習發現問題、分析問題、解決問 題,藉著處理問題的過程,自行針對專題蒐集資訊、思考解決之道,這樣的歷程, 不僅促進對專題知識的深入探討,並可培養運用科學方法的技能,更能激發問題 解決與科學創造思考的能力。學習者透過既有的知識、概念、原理,發展創作專 題作品,在開放、互動、與關懷的學習情境中,彼此合作,實際動手做,不僅建 構知識,更能充分發揮創造力,養成良好人際互動,增進彼此情誼。 因此,專題本位科學學習的特色可以歸納為,在教學上提供學生追求本身興 趣、發覺問題,並針對問題思考解決的策略,使學生去發展和實踐科學探究,並 經由探究歷程獲得體驗的學習,同時厚植學生解決問題的能力(賴慶三,2002)。 所以專題本位科學學習,值得進一步探討與推廣實施。

二、專題本位科學學習的理論基礎

(一)建構主義(constructivism)

自十九世紀迄二十世紀主流的實徵主義(positivism)主張採用自然科學的歸 納法,對人類的認知提出評價性的規範與準則,強調唯有透過自然科學實驗式的 研究方法,所獲得的知識才是確切的知識,也才符合「科學主義」(scientism) 與「客觀主義」(objectivism)準則與規範。 此種思潮僅將知識論的重心置於認知內容與驗證方法,忽略了學習是學習者 極為複雜的心靈活動(許素,2002)。因此,建構主義興起,提出將知識論的重心 置於認知的主體-人,是一種「人本」的知識論思想(朱則剛,1996)。建構主義 論者強調,教師無法單純的將知識灌輸給學生,學生必須靠自己去主動建構。亦 即學習是教師提供學生機會去發現或應用知識,安排讓學生發現知識結構的情 境。並引導學生運用策略來獲得知識。學習者從接收新知開始,即以自己的一套 學習方式來學習,從舊有經驗、價值判斷、嘗試透過思考、批判、適應、類化、 融合……等方式,來架構自己的知識。 建構主義流派眾多,所提出的學習之的主張(林生傳,1998;楊佩芬,1999) 如下:(1)知識是一種建構,不是獨立於學習者而存在的。是由學習者在建構過程

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中產生意義的。所以知識也沒有絕對不變的道理,不同的學習者,及不同的建構 歷程,都可能產生不同的知識。(2)以學習者為中心。因為學習者本身具有建構知 識的潛能與需求,所以學習是以學習者為中心去建構知識。(3)認知活動不是發現 已存在的知識,或是接受現成的知識與記憶知識,而是建構知識的作用或過程。 (4)所有的知識是建立在原有的知識基礎上。經由原先的知識與經驗的事物相結 合,產生新的連結概念,而逐漸建立起新的知識。(5)建構是主動的過程。以學習 者為主體主動去操弄,去意義化與概念化,以統整所有經驗的事物。(6)學習者對 整個學習活動是關心的,並能分擔學習責任。在自主性的學習下,主動從事學習 活動。(7)認知是學習者內在主體與外在環境交互作用的過程。學習者內在成為一 個自我調適的系統,以求得內在心理世界的平衡,能對經驗的世界產生一套屬於 自己的解釋,而不是去發現外在的世界。(8)認知的目的是求得學習者內外心理世 界的平衡,使學習者能適應生活環境而生存。(9)認知是持續不斷的過程,不是一 蹴可幾,更不是立即可以實現的過程。(10)認知不是單向的由教師或教材來傳輸, 在整個學習中應包括師生、同儕間及同學與社會間的互動。如討論、磋商、省思 與批判的過程。 根據上述,建構主義可歸納成三個基本原理:(1)知識是認知個體主動的建 構,不是被動的接受或吸收。(2)認知功能在適應,用來組織經驗的世界,不是用 來發現本體的現實。(3)知識是個人與別人經由磋商與和解的社會建構。 因此,建構主義的教學策略應含下列幾點:(1)引發問題,進行問題解決活動。 (2)激發思考,產生新預測、新數據,獲得新概念。(3)引導學生經由實驗探究,主 動提出看法並解釋現象。(4)鼓勵表達形成假設的思路歷程。(5)利用小組互動討 論,學習尊重不同意見,分享知識成果。 從 PBSL 的實施步驟中,自預備、規劃、實作到分享作品的階段,教師如同 催化劑,啟動及加速學生概念改變與知識重建,可說充分反映出建構主義的精神。

(二)合作學習理論

合作學習是指在一個有計畫、有系統且經教學研究社群討論,將學生依程度 不同採異質性分組,給予不同或相同的學習任務,透過教師提供學習指導,並促 使教師間、師生間、學生間共同合作,以達成預期目標的教學與學習方法。學習 夥伴藉由共同的目標,透過彼此互動與溝通,培養愛與支持的學習環境,以增進 人際關係、分享成功。根據黃政傑、林珮璇(1996)認為合作學習需要注意下列 特質,方能真正達到合作學習的效果:(1)小組結構方面:依學生學習能力、性別、

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背景…等,採用異質小組(heterogeneous group)。(2)小組互動方式:(a)採面對面 互動(face to face interaction),成員圍坐在一起,利用語言、動作及其他溝通媒 介充分溝通、互動。(b)彼此信任,互相接納支持,良好溝通表達,共同設法解決 問題。(c)團體歷程(group processing),共同檢討小組運作歷程,以求不斷的進步 和成長。(3)小組成員角色:每個成員皆負有應盡的責任,個人與小組成敗與共。 至於合作學習的類型,曾振富(2001)綜合黃政傑、林珮璇等學者研究,歸 納為以下幾個主要方式,如下面表一: 表一 合作學習類型 類 型 運 作 方 式 強 調 重 點 共 同 學 習 全部成員共讀一份學習材料,共同接受測驗,施測成績即為該組成員成績 共同研讀、團體成果分享 團 隊 學 習 小組成員在共同學習後,個別接受測 驗,成績總和形成該組成績,亦為成員 成績 共同研讀、個別努力成果分享 團 體 探 究 將教學單元分成數項主題,每組負責一 項主題,成員共同準備研討,並向他組 報告該主題內容,成績評定則視報告品 質及團體表現而定 分工合作、團體成果分享、學 生內在學習動機 拼圖式學習 分配各組相同學習材料,各小組成員分 別請教不同專家熟悉學習內容,再將所 學帶到小組內教給其他小組成員 分工合作、個別及團體成果分 享 配對式學習 將學習者分成數對,每對學習者輪流扮 演回憶者及聽課者角色,共同促進教材 的組織與保存 與認知心理結合、分工合作 PBSL 採取小組合作學習方式,彈性運用不同合作學習類型,讓學生在充滿 「愛」與「接納」的學習氣氛中,在「無壓力」及「相互尊重」的狀態下,充分 發表自己的意見、觀念和想法,同時傾聽及思考他人觀點,進而統整成為新的思 想。

三、專題本位科學學習的教學策略與實作評量

(一)專題本位科學學習的教學策略

長久以來,傳統教學強調學生學業成就之表現,偏重於知識層次的學習,教 學方法偏重於教師單向傳輸,更以學科知識的表現,衡量學生智慧之高低,直到

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Gardner 在其「智力結構」一書中提出,人類具有多元智慧,各具有不同的強勢智 慧,擅用及引導開展學生多元智慧,為教師之職責。因此教學策略,勢必要做適 當調整。美國於 1996 提出國家科學教育標準 National Science Education Standards (National Research Council, 1996) ,其目的在希望學生從小培養對科學之興趣,並 強調問題解決技能、探究、概念與環境整合,且評量多方考量並結合學生問題解 決、過程技能、教學模式與環境。而 PBSL 教學正符合上述標準。 賴慶三、高汶旭(2004)歸納前人的研究指出,專題本位科學學習包含四個 步驟,包括:(1)預備階段:學生提出引導問題,(2)規劃階段:計畫一個專題,(3) 實作階段:完成專題作業,(4)評鑑與回饋階段:專題作業評鑑與分享。整體而言, 其實施程序與步驟,如下: (1)專題本位科學學習的教學設計與發展 (2)專題本位科學學習的教學修正循環 其次,有關專題本位科學學習的教學策略,Musthafa(1997)也提出一個完 整的教學模式,該模式包含七個階段,構成一個教學循環歷程,其階段特徵如下: 1.早期計劃階段:教師應告訴學生有關課程的事項,並讓學生有選擇主題的 機會,提供學生對所將學習的事物,有高度自主和決定的權利。 2.建立共同知識庫階段:教師安排一些情境,使全班學生有共同的學習經驗, 來作為師生討論的起點。師生並可進一步討論,產生想要探討的問題。 3.豐富主題知識階段:教師鼓勵學生(個人或小組)開始思考、表徵他們的 收集與分析資料 學生學習日誌 教師教學日誌 執行教學方案 觀察評鑑方案的設計與實施 修正教學方案 反思教學方案確認問題 收集與分析資料

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知識,互相討論正在進行的主題,並有機會獲得回饋和支持。教師並應詳細查核 學生的學習狀態,事實提供諮詢協助,以確保學生具備最理想的學習過程。 4.呈現成果階段:經由上述探究與實踐過程,學生(個人或小組)便能公開 發表他們的成果。藉此機會學生彼此鑑賞努力成果。 5.經驗分享階段:完成探究與公開發表後,學生能利用口語分享他們的學習 經驗,並與同學彼此交換意見。此一分享經驗與歷程,可促使學生自我評量,並 能促進學生口語發表的過程更有條理。 6.豐富與強化共同知識庫階段:透過經驗分享,創造一個對話的經驗,經由 對話讓學生理解與建構意義,同時學生也有可能遭遇駁斥辯論。此一經驗與歷程, 將使學生重新檢驗他們的理解、假設、推測,並可能修改他們的想法。學生借比 較與評鑑等反思經驗,將能強化他們新獲得的知識。 7.評量共同的學習與計劃未來階段:藉讓學生寫下學習的經驗的反思歷程, 來增進學生的學習。此一活動歷程,一方面強化與精緻學生所發展的知識,另一 方面可作為教師將來計劃教學的基礎。

此外,Krajcik, Czerniak, & Berger(1999)也針對專題本位科學學習提出九個 步驟流程:(1)讓學生初步觀察或閱讀與專題有關的資料,(2)提出問題與重新定義 問題,(3)提出假設,(4)進行預測,(5)找尋或蒐集資料,(6)計劃與設計研究,(7) 瞭解資料中的知識,(8)與他人分享上述知識,(9)進行新一回合的研究。

Marx, Blumenfeld, Krajcik, & Soloway(1997)將專題本位科學學習和傳統教 學之教學策略與強調重點做一比較(引自王靖璇,2000),如下面表二: 表二 專題本位科學學習和傳統教學之教學策略比較 強 調 重 點 教 學 特 色 傳 統 教 學 與 學 習 專 題 本 位 科 學 學 習 課程重點 1.內容的適用範圍 2.事實的知識 3.學習「積木式」瑣碎的技巧 1.了解的深度 2.概念與原理的了解 3.發展複雜的問題解決技巧 教學活動的範 圍與持續性 1.隨著固定的環境 2.是片段或單元所組成的過程 3.狹隘、學科本位 1.隨著學生們的興趣 2.由複雜的問題與議題組合而成大 的單元 3.寬廣、跨學科的 教師的角色 1.演講者和教學的主導者 2.專家 1.供應資源者和學習活動的參與者 2.顧問與同儕

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評量的焦點 1.作品 2.測驗成績、與其他學生比較 3.知識的再次呈現 1.過程與作品 2.實作成品、一定的表現標準和隨 時間學得的程度 3.了解的表現 教材 1.課文、講課和介紹 2.教師發展練習紙和活動 1.指導或最初的來源:蒐集的資 料、晤談、記錄和其他 2.數據與教材由學生們發展 科技的運用 1.輔助、週邊 2.教師管理 3.幫助教師的授課 1.中心、統整 2.學生管理 3.幫助學生報告增強學生的能力 教室情境 1.學生單獨學習 2.學生與他人競爭 3.學生由教師的教學獲得知識 1.小組學習 2.學生與他人一起合作 3.學生主動建構、提供和綜合知識 學生的角色 1.接受教學 2.事實的記憶者與重複者 3.學生接受與完成簡要的工作 4.聽講、有禮貌的、有問才答 1.完成自己主導的學習活動 2.發現、統整和呈現想法者 3.學生訂定自己的工作,並且花費 大量的時間獨立作業 4.溝通、表現對自己的影響創作與 負責 短期目標 1.知識的真相、名詞和內容 2.熟練單一技巧 1.了解並能運用複雜的想法與過程 2.熟練統整性技巧 長遠目標 1.知識的寬廣度 2.擁有標準成就測驗中的知識並在 其中有良好的表現 1.知識的深度 2.擁有投入持續、自發與終身學習 的傾向和技巧 綜合言之,在專題本位科學學習的教學過程中,師生共同營造一個良性互動 與合作的學習環境,學生在老師的指導下,從學習過程中學習發現問題、分析問 題、解決問題,藉著處理問題的過程,自行針對專題蒐集資訊、思考解決之道, 這樣的模式,不僅對專題知識作深入廣泛探討,培養運用科學方法的技能,更能 激發問題解決與科學創造思考的能力。

(二)專題本位科學學習的實作評量

教學是師生互動的歷程,而評量則是蒐集學生學習行為與成果,再根據教學 目標分析、研究與評斷學生學習表現之一系列工作(簡茂發,1999)。Gardner(1993) 提出多元智力理論(theory of multiple intelligence),認為人類至少擁有八種智能, 包括語言、數理邏輯、空間、身體動作、音樂、人際、內省、自然觀察等,因此, 實施評量亦應以多元化方式進行。Share, & Rogers(1997)和 Solomon(2003)均 歸納指出持續評量與定期反省之專題導向學習特性,另外 Marx et al.(1997)認

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為,專題本位的教學與學習的評量焦點,強調對實作作品及過程之評量。以下綜 合學者看法,分別探討實作評量與學習歷程檔案評量。 1.實作評量(performance assessment) Airasian(1991)認為實作評量是指教師觀察學生執行一項作業,並對作業表 現特徵進行評定的歷程。李虎雄、張敏雪(1998)、陳文典(2000)指出,實作評 量是指學生在教師設計的教學與學習情境中,實際參與實驗操作、觀察,以分組 或個別學習方式,進行問題解決,並就學生學習歷程中的表現,加以客觀評量的 一種評量方式,其內含著重於問題解決能力的展現與精熟程度。 在實作評量的特徵方面,Airasian(1991)就學生在事先安排的學習情境中表 現的過程技能,歸納特徵如下:(1)接受評量時,學生表現出原有的過程與技能能 力。(2)評分者事先指明評量向度與重點行為。(3)學生表現出的行為可讓評分者直 接觀察。(4)評分者依據事先訂定的評分標準來評定學生表現。另外,盧雪梅(1998) 歸納實作評量特徵有:(1)製作或執行需要高層次思考或問題解決技能的事或物。 (2)評量作業與教學活動及生活情境配合,且具意義與挑戰性。(3)歷程與作品為評 量之重點。(4)評量層面與給分標準,需事先編訂。 2.學習歷程檔案評量(portfolio assessment) 學習歷程檔案評量,又稱檔案評量、卷宗評量。是指在學習歷程中,有目的 收集學生學習表現的多元資料或訊息,內容包括學生的各項考試、作業、筆記、 作品等,有系統的放入個人學習歷程檔案資料夾中,並加入學生自評、同儕互評、 家長評定與老師評語等,以展現個人學習的歷程及意義(李坤崇,1999; Slater, Ryan, & Samson, 1997)。有關學習歷程檔案評量的特質,李坤崇(1999)、張美玉 (2000)指出,學習歷程檔案評量具有下列的特質:(1)目標化:根據教學目標, 請學生持續收集可展現學習成效的資料。(2)歷程化:學習歷程檔案評量強調思考 與成長歷程的改變,通常呈現整個學習歷程的實作作業。(3)組織化:有系統的、 有計畫的收集作品,整理成檔案,非以量多為考量。(4)多元化:資料型式、評量 人員、作品展現方式,皆採多元化。(5)個別化:學習歷程檔案評量強調學生自主 性,尊重個別差異。(6)內省化:鼓勵學生自我反省與自評,使學生深入了解學習 內涵,進而主動學習。(7)整合性:學習歷程檔案評量著重與教學結合,評量本身 就是教學活動的一環。 綜合實作評量與學習歷程檔案評量發現,兩者皆著重學生之學習歷程表現與 作品成果,同時需與教學活動配合,且於實施前若讓學生了解評量面向與標準, 則學生表現出可觀察、可評量之行為或成品,而從評量過程中,學生學習系統化

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資訊整理技能,頗適於本研究之實施,所以,本研究即以專題探究歷程及專題作 品為評量重點。

四、專題本位科學學習的相關研究

(一)國外相關研究

有關國外實施專題本位科學學習的文獻甚多,其教學目的旨在提供學生一個 思索問題、做出預測、調查研究及驗證想法的機會,同時藉此激勵學生創造思考、 主動學習,從實作中獲得知識與科學過程技能。值得注意的是,專題本位科學學 習所應用的學科非常廣泛,以下謹列舉數項研究的成果:(1)Barak & Dori(2005) 的研究發現,實施專題本位教學能夠增進學習者對化學概念與原理的理解。 (2)Frank & Barzilai(2004)的研究指出,進行專題本位教學可提昇學習者的學習 成效。(3)Glover(1993)的研究發現,實施專題本位教學能夠成功地提升學生自 制力與學業成就。(4)Green(1998)的研究發現,參與專題本位學習,能夠幫助 學習者通過普通教育發展(GED)的測驗,提升學習動機、學業成就及成功的人 際互動技巧。(5)Yamzon(1999)的研究發現,學生在專題本位教學中,能獲得較 佳的理解與學習成效。(6)Yarnall & Kafai(1996)的研究指出,專題本位教學可 以增強學生學習動機。

(二)國內相關研究

國內有關專題本位科學學習的研究日益蓬勃,並且有很大的發展空間;以研 究領域方面而論,專題本位的教學與學習已廣泛的被應用,其中包含:網路設計 教學(朱韻婷,2002;吳金一,2001;林怡伶,2003;洪儀玲,2002;陳杉吉, 2002;黃明信,2002;黃國鴻,1999;楊司維,2003;詹雅婷,2001;趙金婷, 1998;鐘婉莉,2003)、行動研究(何善明,2003;吳紀蓉,2003;周鳳文,2002)、 物理(李姿嬅,2003)、地球科學(江火明,1998;陳建宏,1999)、科學展覽(賴 慶三、高汶旭,2004)、科學創意玩具(洪金洲,2003)、生態觀察教學研究(張 仁全,2003;許素,2002)等等,都得到學生正面肯定的評價。

五、國小光的概念與相關研究

九年一貫自然與生活科技領域的課程綱要中,將物理光學統合在「聲音、光 與波動」的次主題,再納入「改變與平衡」的主題,最後統整在「自然界的作用」 的課題中,期望學生所學到的知識和技能是統整的而非分散零碎的知識。就低、

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中、高學習年段而言,分別有(1)光的傳播與影像、色光與顏色,(2)光的折射現象, (3)影像與視覺,需要進行學習。 九年一貫自然與生活科技領域中,有關光的主題之各版本教科書的相關單 元,包括如下面表三。 表三 九年一貫自然與生活科技的光的主題各版本有關光學的單元 單 元 目 標 版本 學期 單元 單 元 名 稱 牛頓 二上 一 太陽和影子 一下 六 今天天氣好嗎? 南一 二上 三 陽光下的影子 一下 五 幫天氣寫日記 1.察覺竿影會隨太陽位置變動而變動。 2.影子和光源是相關的。 康軒 二上 三 光和影子 牛頓 二上 四 鏡子遊戲 南一 二下 二 光的遊戲 1.有光才能看到東西。 2.體會陽光提供光與熱量。 3.察覺光有直線前進的特性。 4.察覺光的反射有一定的方向。 5.利用光的反射,把光投射到其他的地方。 康軒 二上 六 鏡子遊戲 牛頓 三上 一 光的探索 翰林 三上 五 光的行進 翰林 三上 五 光的折射 南一 四上 三 池水的深淺看得準嗎? 1.覺知光線的反射有一定的方向 2.察覺光線經過不同的物質會產生折射。 3.察覺光經過水或玻璃會產生色散(彩 虹)。 4.培養兒童細心觀察和探究的精神。 康軒 四下 三 奇妙的光 牛頓 五上 一 光和顏色 1.利用三稜境可使白光折射,產生虹色光。 2.察覺不同色光下,物體顏色的變化。 3.各種色光聚集在一起會變成白光。 4.白光經過折射,呈現色散的彩虹光譜。 南一 五下 三 戴眼鏡為什麼可以矯正 視力? 1.覺知光直線前進的性質。 2.利用凸、凹鏡透來認識光線的折射。 翰林 六上 二 光的世界 國內以國小學生為研究對象的光學研究,包括(1)國科會專題研究:吳慶軍 (1999)、林宏一(1999)、張靜儀(2000;2001;2002;2003)、郭金美(1996; 1999;2000a;2000b;2001;2002)、陳義勳(2000)、盧玉玲(2000;2001)等; (2)碩士論文:李采褱(2003)、唐明(2002)、廖經宏(2002)、蕭家慧(2002)。 由上述研究內容歸納,研究方法包含運用準實驗研究、一對一面談、學習歷程檔

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案、紙筆測驗、問卷施測等多項研究方法。研究主題則包含學生在學習光學的概 念學習、迷思概念、教師教學歷程省思、教學模組活動設計等內容。有關國小學 生光學相關的迷思概念,包括(1)張靜儀(2001)歸納出:光的本質、光和影子、 光和視覺、光和顏色、光的反射折射等,(2)郭金美(2002)歸納出:光的運動、 眼睛和視覺、光的直線前進、光的反射、光的折射等。上述研究說明,學生對光 的迷思概念,會影響學生對光學概念的學習,如何協助學生修正或改變對光的迷 思概念,是科學教育界共同關注與研究的重點,所以上述的研究內容與成果將作 為本研究設計之重要參考。

參、研究方法

本研究為瞭解接受專題本位科學學習與否,是否會影響學生的學習表現,採 用準實驗研究法,來探究國小四年級學生在光的學習表現。本研究專題本位科學 學習的實施歷程,包含四個步驟,包括:(1)預備階段:學生提出引導問題,(2) 規劃階段:計畫一個「光」的專題,(3)實作階段:完成「光」的專題作業,(4) 評鑑與回饋階段:「光」的專題作業評鑑與分享。 研究對象為兩個四年級班級(北部都會區 100 班以上的大型小學),一班為實 驗組(34 人)實施專題本位科學學習,另一班為控制組(34 人)進行傳統學習。 控制變項:(1)實驗控制:教學單元、教學時數,(2)統計控制:學習成就測驗前測、 光的學習態度前測。實驗變項:教學模式(實驗組:實施專題本位科學學習,控 制組:進行傳統學習)。依變項:光的學習成就、光的學習態度。 研究工具包括(1)光的學習成就測驗:為自編的成就測驗,預試題目 40 題, 經項目分析與信效度考驗後,修正為 30 題,鑑別度為.24 以上,難度為.30~.91, 信度 KR21 為.83,試題之雙向細目表如下面表四;(2)光的學習態度量表:參考

Germann(1988)的「對科學的態度量表」(Attitude toward Science in School Assessment,簡稱 ATSSA),和賴慶三、高汶旭(2004)的「對學習自然科學的態 度量表」,由研究者進行編製而成,包含三個分量表(對學習光學活動的動機、對 學習光學活動的態度、對光學探究活動的態度),三個分量表分別為 6、7、7 題, 合計共 20 題(題目內容如下面表五),全量表的信度係數 Cronbach α為.91,三 個分量表的信度係數 Cronbach α分別為.76、.84、.82。量表之效度考驗,則經四 位師院科學教育專家進行之。

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表四 光的學習成就測驗的題目與認知層次之雙向細目表 認知目標 教學內容 知 識 理 解 應 用 分析、綜合、評鑑 合 計 光的直線前進 6 2 1 3 4(3.3%) 光的反射 4,10 9 5 7 5(16.6%) 光的折射 8,15 12,13 20 30 6(20%) 光的色射與彩虹 14,24 11,18,21 16 19 7(23.3%) 生活中的色光 17 27 22 23 4(13.3%) 色光混合 26 25 28 29 4(13.3%) 合 計 9(30%) 9(30%) 6(20%) 6(20%) 30(100%) 註:各分格內的數字代表題號,共計30 題。 表五 光的學習態度量表的各分量表之內容摘要表 分量表名稱 題 目 內 容 對學習光學 活動的動機 1.我覺得光學活動很好玩。 2.(反向題)參與光學活動使我覺得不舒服。 4.在上光學活動之前,我會先上網去找尋有關光學的資料。 5.如果不能繼續參加光學活動,我會覺得好像失去一次學習的機會。 6.我覺得參與光學活動,可以得到新的知識和新的看法。 7.參與光學活動可以學習到創新的製作方法,來做出有特色的作品。 對學習光學 活動的態度 3.對於有關光學活動課的作業,我不需要別人催促就會自動做完。 8.(反向題)上光學活動課,我時常覺得腦袋空空無法思考。 9.一想到今天有光學活動課,我的心情就會覺得愉快。 10.上光學活動課能幫助我了解光在生活中的重要性。 12.進行光學活動課時,我會想辦法把它學會。 13.我會主動向自然老師提出一些和光學活動有關的問題。 14.在學習光學活動課,我會積極的參與和專注的投入。 對光學探究 活動的態度 11.我會把光學活動所學到的內容,應用在日常生活上。 15.(反向題)對光學活動中所遇到的問題,我寧可相信別人的說法,自己 不去探討。 16.探究光學活動遇到不清楚的地方,我會請教老師或與同學討論。 17.上了光學活動以後,我會比以前更仔細的觀察光學的現象。 18.我會記住幾個重要的名詞,來提醒光學活動的重點。 19.雖然上完了光學活動,我仍然會繼續研究光學相關的主題。 20.為了確定真的了解光學的內容,我會出問題來考自己。 註:量表共計20 題,為 5 分量表,得分最大最小值為(100, 20)。

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肆、研究結果與討論

一、研究結果

本研究為瞭解接受專題本位科學學習是否影響學生的學習表現,首先,就國 小四年級學生光的學習成就進行分析,以不同的教學方式(實驗組接受專題本位 科學學習,控制組進行傳統學習)為自變項,「光的學習成就測驗」後測得分為依 變項,「光的學習成就測驗」前測分數為共變項,進行獨立樣本單因子共變數分析, 研究所得結果如下面表六和表七。 表六 兩組學生「光的學習成就測驗」前、後測分數摘要表 前 測 後 測 組 別 人 數 平均數 標準差 平均數 標準差 調整平均數 實 驗 組 34 21.38 3.26 26.53 3.40 26.63 控 制 組 34 21.71 3.70 24.44 4.04 24.36 表七 兩組學生「光的學習成就測驗」後測分數之共變數分析摘要表 變 異 來 源 離均差平方和 自 由 度 均 方 F 值 共變量(前測) 230.306 1 230.306 21.74*** 組間(實控) 86.768 1 86.768 8.19** 組內(誤差項) 688.547 65 10.593 **p<.01 ***p<.001 從表七結果得知,排除「光的學習成就測驗」前測分數(共變量)的影響後, 實驗效果顯著,F=8.19,達 p<.01 的顯著水準。顯示實驗組學生專題本位科學 學習的成效,顯著優於控制組的傳統學習。經進一步分析學生在「光的學習成就 測驗」各題組的表現,發現實驗組優於控制組的題組,包括「光的反射」、「光的 折射」、「生活中的色光」等三項,均達顯著性的差異。但在「光的直線前進」、「色 散與彩虹」、「色光混合」等三項,實驗組分數雖高於控制組,但並未達到顯著性 的差異。

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本研究為瞭解接受專題本位科學學習是否影響學生的其他學習表現,所以進 一步分析國小四年級學生光的學習態度表現,以不同的教學方式(實驗組接受專 題本位科學學習,控制組進行傳統學習)為自變項,「光的學習態度量表」後測得 分為依變項,「光的學習態度量表」前測分數為共變項,進行獨立樣本單因子共變 數分析,其結果如下面表八和表九。 表八 兩組學生「光的學習態度量表」前、後測分數摘要表 前 測 後 測 光的學習態度量表 組別 人 數 平均數 標準差 平均數 標準差 調整平均數 實驗組 34 86.62 12.8 91.00 9.35 90.70 全量表 控制組 34 85.03 7.96 85.82 7.98 86.13 實驗組 34 26.29 4.04 27.94 2.94 27.89 分量表一 對學習光學活動的動機 控制組 34 25.85 2.72 26.21 2.59 26.26 實驗組 34 29.91 4.91 31.68 3.82 31.69 分量表二 對學習光學活動的態度 控制組 34 29.97 2.97 29.97 3.11 29.96 實驗組 34 30.41 4.52 31.38 3.86 31.14 分量表三 對光學探究活動的態度 控制組 34 29.35 3.66 29.65 3.52 29.89 表九 兩組學生「光的學習態度量表」後測分數之共變數分析摘要表 光的學習態度量表 變 異 來 源 離均差平方 和 自由度 均 方 F 值 共變量(前測) 1095.295 1 1095.295 18.322*** 組間(實控) 352.919 1 352.919 5.904* 全量表 組內(誤差) 3885.646 65 59.779 共變量(前測) 45.900 1 45.900 6.464* 組間(實控) 44.895 1 44.895 6.323* 分量表一 對學習光學活動的動機 組內(誤差) 461.541 65 7.101 共變量(前測) 114.772 1 114.772 10.881** 組間(實控) 50.583 1 50.583 4.795* 分量表二 對學習光學活動的態度 組內(誤差) 685.639 65 10.548 共變量(前測) 235.706 1 235.706 23.001*** 組間(實控) 26.062 1 26.062 2.543 分量表三 對光學探究活動的態度 組內(誤差) 666.088 65 10.248 *p<.05 ***p<.001

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從表九得知,排除「光的學習態度量表」前測分數(共變量)的影響後,實 驗效果顯著,F=5.904,達 p<.05 的顯著水準。顯示實驗組(接受專題本位科學 學習)學生的學習態度表現,顯著優於控制組的傳統學習。經進一步分析學生在 「光的學習態度量表」各分量表的表現,發現實驗組優於控制組的分量表,包括 「對學習光學活動的動機」、「對學習光學活動的態度」等二個分量表,均達 p<.05 的顯著水準。但在「對光學探究活動的態度」分量表,實驗組分數雖高於控制組, 但並未達到顯著性的差異。 此外,實驗組學生在在經過專題本位科學學習後,透過實際動手設計,均完 成光學作品包括萬花筒和潛望鏡。然後藉由光學專題作品發表與成果海報展示, 進行專題作品特色之說明,藉以相互觀摩優秀作品,提供學生鑑賞評鑑與回饋的 機會。實驗組學生光學專題作品之評量,係由五位資深自然科教師(教學年資都 達 10 年以上),評量各組學生的光學專題作品、成果海報展示與現場問答等表現, 並依評量表所載內容評分,以評定學生在專題探究歷程與專題作品的表現。從教 師的評分記錄結果發現,教師對學生的專題作品均給予高度的肯定,並對學生在 設計與製作過程,能充分展現出所學習有關「光的反射」、「光的折射」的科學原 理於專題作品中,表示嘉勉。

二、結果討論

根據上述結果發現,實驗組學生在接受專題本位科學學習後獲得良好的表 現,經檢討其可能原因,包括如下: (一)實驗組學生在本研究接受專題本位科學學習,而專題本位科學學習是 以建構理論為基礎,並符合杜威(Dewey)所倡導的「由做中學」的理念,讓學 生從「實作」之中來建構光的概念,產生有意義的主動學習,並將所學的知識應 用在真實的生活中來解決問題,所以印象深刻,因而表現出較佳的學習成效。 (二)實驗組學生(接受專題本位科學學習)在本研究經施以異質性的小組 合作學習,在教學過程中,教師適時的引導、提供和營造動手做的學習情境,並 鼓勵學生多與同儕合作、互助、對話、溝通討論,透過多元化的學習歷程,因而 促成實驗組的學習有較佳的學習表現。 (三)兩組學生在光的學習態度表現上所呈現的差異,其可能的原因為實驗 組(接受專題本位科學學習)學生,在教師所營造的同儕合作學習、討論、師生

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互動的情境中學習,且透過實際動手設計、完成光學作品(萬花筒、潛望鏡)的 活動內容,使學童們能主動參與學習,進行科學概念知識的思考與應用,這比傳 統式的教學更富有活潑、人性化、彈性,因而提昇了學童的光學學習態度。此結 果與李姿嬅(2000)、洪金洲(2002)、許素(2002)、賴慶三、高汶旭(2004)的 研究相同。

伍、結論與建議

一、結論

(一)實驗組學生(接受專題本位科學學習)的學習成就表現優於控制組(進 行傳統式學習),並且達到顯著的差異,顯示實施專題本位科學學習有助於提昇學 生的學習成就表現。進一步分析實驗組學生在「光學習成就測驗」的各題組的表 現,發現實驗組優於控制組的題組,包括「光的反射」、「光的折射」、「生活中的 色光」等三項題組,均達顯著性的差異。但在「光的直線前進」、「色散與彩虹」、 「色光混合」等三項題組,實驗組分數雖高於控制組,但並未達到顯著差異。 (二)兩組學生在「光學習態度量表」的表現,實驗組(接受專題本位科學 學習)學生的學習態度表現,顯然優於控制組(進行傳統式學習),並且達到顯著 差異,顯示參與專題本位科學學習能增進學生在光的學習態度表現。進一步分析 實驗組學生在「光學習態度量表」的三個分量表的表現,發現實驗組優於控制組 的分量表,包括「對學習光學活動的動機」、「對學習光學活動的態度」等分量表, 均達到顯著性的差異。但在「對光學探究活動的態度」分量表的表現,實驗組分 數雖高於控制組,但未達到顯著差異。

二、建議

研究者根據文獻分析及實徵研究發現,提出下列建議:

(一)對學校行政單位的建議:

1.自然專科教室的設立是必要的,以利專題本位科學學習的推展。本研究的 教學,受限於學校自然專科教室的不足,兩組都是在一般教室進行,然而如果有 自然專科教室進行施教,一方面學生們可免於搬動桌椅,可以做更長時間仔細的

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觀察、紀錄、與設計製作,同時對教師而言也有更充裕的時間來施教,其結果相 信會使專題本位科學學習的教學成效更為顯著。 2.建立社區家長資源庫,以增加社區人力參與學校教育的機會。在實施專題 本位科學學習期間,常需要社區家長的參與和協助,此時如果能有社區家長資源 庫可供參考,必然可使專題本位科學學習的效能有更大的揮灑空間。社區家長資 源庫之建立,則有賴於學校行政單位和全體教師平時共同蒐集與建立。

(二)對教學者的建議:

1.專題本位科學學習宜以教學團隊或協同教學方式來實行。畢竟專題本位科 學學習,不僅是學生合作學習,教師們也要有教學團隊的合作與支援,這樣不僅 可以讓自然與生活科技課程教得好,又不會讓教師教得太辛勞。 2.慎選課程單元,以適合專題本位科學學習的實施。從這次的辦理經驗發現, 每一學期選定一個單元實施專題本位科學學習最為合適,原因是如果每個單元都 以專題本位科學學習的形式來進行,教學時間必然不足,且對教師教學負荷過重, 可能影響教學成效。若只選定一個單元實施,則不會造成教學負擔,同時也能促 進教師的成長和學習改變。 3.對於製作專題作品的材料而言,以簡易且容易取得的材料為佳。以本研究 的專題作品為例,製作潛望鏡、三稜鏡的材料必須到玻璃鏡片行購買,幸好學校 附近就有玻璃行,可就近取得,所以能如期完成專題作品,故器材取得容易是較 能達成教學目標之保證。

致 謝

本研究為行政院國家科學委員會與教育部合作的目標導向研究計畫「國小『自 然與生活科技』專題本位課程與教學之研究(NSC-91-2511-S-152-008-X3)」的一 部分,感謝參與本研究的國小教師與學生們的參與和協助,也謝謝行政院國家科 學委員會與教育部在經費上的支助,使本研究得以順利完成。

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(25)

The Study of the Learning Effect of the

Primary School Students by Project-Based

Science Learning on Optics

Ching-San Lai

*

、Jung-Te Kuo

**

ABSTRACT

The purpose of this study was trying to find out the effectiveness of the primary school 4th graders by project-based science learning (PBSL) on optics. In order to

compare the learning outcomes between experimental groups and control groups, this study employed a quasi-experimental design. Two classes of 4th graders were selected

to implement quasi-experimental study. The instruments used in the study were the study of optics achievement test (KR21=.83), the attitudes scale of optics study

(Cronbach α=.91).

The major findings of this study were as follows: (1) The learning outcome of PBSL on the study of optics achievement test was significantly better than that of control group, (2) The results of experimental group were performed significantly better than those of the control group on the attitudes scale of optics study, and (3) For experimental group students’ project works, the students could fully unfold to be related to study "the reflection of light" and "the refraction of light " in the scientific principle of the project works.

Key Word: science and technology, science instruction, Project-Based

Science Learning (PBSL)

* Professor, Graduate School of Science Education, National Taipei Teachers College ** Teacher, Taipei County Wen Der Primary School

(26)

數據

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參考文獻