中學生月相盈虧相關迷思概念類型與概念改變過程之探討
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(2) 致謝. 這一份論文研究的完成，首先且也是最重要的是感謝指導教授許瑛玿老師的 指導，您給我很多學習的機會，並促成這份研究的誕生，另外也感謝口試委員們： 楊坤原老師與楊芳瑩老師，很仔細的看完論文並提供給我很多實質的建議，讓論 文更臻完善。 同時也感謝在論文研究中直接或者間接幫忙的長輩、同學與朋友們：逸文學 長在課程發展初期給予我很多教學與教材上的指引與經驗，讓我少跌很多跤；傅 學海老師則在百忙中抽空幫忙專家審查；夢霞在假日除了幫學生上課還幫我評改 學生的診斷測驗；楊芳瑩老師與張俊彥老師的指導亦給我很多研究上的啟發；靜 文姐總是遇到我的時候就關心我論文研究進度如何了，一些行政方面的問題幫我 節省不少的時間；同學庭光、莉文、淑卿、皇慶在過程中除了自己的論文研究也 與我互相勉勵，給我很大的鼓勵；銘照學長給我在軟體建構上很多的技術支援； 朋友麥克風更是二話不說提供我軟體的編撰技巧；還有感謝科教組其他的夥伴： 佳旻、建華學長、正杰學長、盧先生、Sophia、Frank、Jenny、志芳以及天文組 的小華、冠夫、芒果，在這碩士的研究生活中，有時候僅是簡單的問候，或者在 週末夜裏網路上透過 MSN 的鼓勵，都帶給我無比的意念想去完成它，雖然經歷 過許多挫折，但我感謝有你們陪我一同熬過來了。 最後要感謝父親與母親、大妹與小妹的贊助，讓我獨享不受干擾的研究環 境，在這裡將我最後的成果與你們分享，這份論文裡也有你們的影子。謝謝您！. II.
(3) 摘要. 學生在進行學習之前，具有的前備知識(prior knowledge)，因受限於本身經 驗與個別推論，有別於專家所持有的科學概念 (Osborne & Gilbert, 1980)。學生 所發展出來的概念是不完整，甚至是不正確的，此稱為迷思概念(Driver & Easley, 1978; Clark & Peterson, 1986)。這些概念很難藉由學習加以改變，往往形成學習 的絆腳石，阻礙學習的進行(Vosniadou &Brewer, 1992)。 為了有效改變學生所具有的迷思概念，許多的教學策略被提出來以促進學生 進行概念改變(何玉婷, 2005)。諸多促進概念改變的教學策略裡，常見的認知衝 突策略是使用異例(anomaly)、類比(Duit, 1991; Gentner, 1998)、電腦模擬教學以 及 TEL model 課程設計模式(Hsu, Ying-Shao, Wu, Hsin-Kai & Hwang, Fu-Kwun, 2008)。本研究以彰化縣某國中二年級兩個常態班級的學生為研究對象，試圖探 討國中二年級學生在進行「月相盈虧成因課程」前後概念改變情形，並了解不同 空間能力的學生概念改變的差異情形。 首先，研究者以「月相盈虧成因診斷測驗」分析國中二年級學生在進行課程 前所具有的月相盈虧成因迷思概念，並在課程後測探討「月相盈虧成因課程」對 學生學習月相盈虧成因概念改變的情形。 研究獲得以下結果： 1. 學習前學生的概念模式有六種。科學模式解釋月相盈虧成因的學習者有 5 位；在迷思概念類型中有 9 位以月食的模式來解釋月相盈虧成因，而有 10 位同 學以位置模式解釋月相盈虧成因，最後有 4 位以混合模式解釋月相盈虧成因。 2. 學生在教學後較多人呈現出部份或完整的科學概念。 3. 學生在經過課程之後仍持有迷思概念，其中月食模式的學生最多(3 位)。 4. 高、低空間能力學生在經過月相盈虧課程之後概念有顯著改變，顯示課 程教材對高、低空間能力學生獲得較顯著的成效。 III.
(4) 目次 第一章. 緒論. 第一節. 研究動機與背景……………………………………………………..1. 第二節. 研究目的……………………………………………………………..3. 第三節. 研究問題……………………………………………………………..3. 第四節. 研究的重要性………………………………………………………..4. 第五節. 名詞釋義……………………………………………………………..4. 第二章. 文獻探討. 第一節. 迷思概念……………………………………………………………..6. 第二節. 概念改變與教學策略……………………………………………….16. 第三節. 空間能力的研究……………………………………………………..27. 第三章. 研究方法. 第一節. 研究對象……………………………………………………………..28. 第二節. 研究設計與流程……………………………………………………..29. 第三節. 研究工具……………………………………………………………..32. 第四節. 資料分析……………………………………………………………..42. 第五節. 研究範圍與限制……………………………………………………..49. 第四章. 研究結果與討論. 第一節. 學生學習前的月相盈虧成因概念類型……………………………..50. 第二節. 學生學習前後概念類型轉變………………………………………..59. 第三節. 學生概念改變分析與個案探討………………………………….….62. 第四節. 空間能力對學生概念學習的影響…………………………………..72. 第五章. 結論與建議. 第一節. 綜合討論……………………………………………….……………75. 第二節. 建議與未來研究方向……………………………………………….79. IV.
(5) 附錄一. 月相盈虧成因診斷測驗…………………………………………………..99. 附錄二. 月相盈虧成因課程動畫、模擬實驗之內容與引導問題……………….105. 附錄三. 情境問題…………………………………………………………………111. 附錄四. 晤談問題…………………………………………………………………113. V.
(6) 表次 表. 2.1.1. Piaget 的認知發展時期………………………………...………………..7. 表. 2.1.2. 九年一貫課程綱要月相相關能力指標………………..………………11. 表. 2.1.3. 月相相關研究與重要發現…………………….………….……………12. 表. 2.1.4. 月相盈虧相關迷思概念內容…………………………..………………13. 表. 2.1.5. 月相盈虧成因心智模式…………………………………………....…..14. 表. 2.1.6. 月相盈虧成因概念解釋模式…………………………………………..15. 表. 2.2.1. 概念改變四條件與對應策略……………………………………...…...16. 表. 2.2.2. Thagard(1992)的概念改變階層理論…………………………………..19. 表. 2.2.3. 概念改變理論整理……………………………………………………..23. 表. 2.2.4 TEL 模式內容對應表………………...………………………………..26. 表. 3.1.1. 研究對象一覽表……………………………………………………..…28. 表. 3.3.1. 九年一貫課程綱要月相相關概念…………….……..………………...32. 表. 3.3.2. 教科書月相相關概念分析表………………………………..…………35. 表. 3.3.3. 課程內容設計與 TEL 教學模式對應表………………………………..36. 表. 3.3.4. 模擬實驗動畫………………………………………...………………...38. 表. 3.3.5. 月相盈虧成因課程教學流程…………………………………………..38. 表. 3.3.6. 月相盈虧診斷測驗雙向明細表…………………….………………….40. 表. 3.3.7. 學生前後測概念類型與特性……………………….………………….41. 表. 3.4.1. 資料分析方法…………………………………………………………..42. 表. 4.1.1. 前測診斷測驗概念類型人次表………………………………………..51. 表. 4.1.2. 學生前測概念類型與人次表…………………………………………..58. 表. 4.2.1. 學生前後測概念類型與人次表………………………………………..59. 表. 4.2.2. 學生前後測概念類型分類表…………………………………………..61. 表. 4.3.1. 前後測概念類型改變人次表…………………………………………..64. VI.
(7) 表. 4.4.1. 空間能力分組表………………………………………..…..…………..72. 表. 4.4.2. 高度空間能力分組前後測概念類型分類表…………………………..72. 表. 4.4.3. 中度空間能力分組前後測概念類型分類表………………..…………73. 表. 4.4.4. 低空間能力分組前後測概念類型分類表………………….………….74. VII.
(8) 圖次 圖. 2.2.1. 本體樹的組織架構………………………………………….………….20. 圖. 2.2.2. 本體內與跨本體類別的概念改變示意圖……………………………..21. 圖. 2.2.3. Vosniadou(1994)的認知架構理論……………………………………..22. 圖. 2.2.4. 類比橋實例設計……………………………………..………………....25. 圖. 3.2.1. 研究流程圖...……………………………….………….…………….....30. 圖. 3.3.1. 南一版 月相示意圖……………………………….………….………..33. 圖. 3.3.2. 康軒版 月相示意圖………………………….……………….………..34. 圖. 3.3.3. 光復版 月相示意圖……………………….………………….………..34. 圖. 4.1.1. 月形變化正確圖示……………………….…………………………….52. 圖. 4-1.2. 編號 20205 的學生第二題回答內容…………….…………………….53. 圖. 4-1.3. 編號 20205 的學生第八題回答內容……………….…………………..53. 圖. 4.1.4. 編號 20203 的學生第二題回答內容…………………………………..53. 圖. 4.1.5. 編號 20233 的學生第二題回答內容…………………………………..54. 圖. 4.1.6. 編號 20211 的學生第二題回答內容……………………………….…..55. 圖. 4-1.7. 編號 20211 的學生第八題回答內容……………..……………….…....55. 圖. 4.1.8. 編號 20208 的學生第八題回答內容…………………………………...56. 圖. 4.1.9. 編號 20505 的學生第二題回答內容……………..…………….……....57. 圖. 4.1.10 編號 20505 的學生第二題回答內容………………….………………..57. 圖. 4.2.1. 學生教學前後概念改變累積人次圖…………………………………..60. 圖. 4.3.1. 學生前後測概念改變變化圖..………………………….………….…..63. 圖. 4.3.2. 編號 202029 的學生前測答案………………………….………….…..65. 圖. 4.3.3. 編號 202029 的學生後測答案…………………………………..……..65. 圖. 4.3.4. 編號 202028 學生的前測答案…………………..…………….………..66. 圖. 4.3.5. 編號 202028 學生的後測答案………………………………...………..66. VIII.
(9) 圖. 4.3.6. 編號 202004 學生的前測答案………………….………………..……..67. 圖. 4.3.7. 編號 202004 學生的後測答案………………………………...………..67. 圖. 4.3.8. 編號 205008 學生的前測答案…………………….………….….……..68. 圖. 4.3.9. 編號 205008 學生的後測答案………………..……………….………..68. 圖. 4.3.10 編號 202020 的前測答案……………………………………….……..69. 圖. 4.3.11 編號 202020 的後測答案………………………………….…………..69. 圖. 4.3.12 編號 202026 的前測答案……………………….……………………..70. 圖. 4.3.13 編號 202026 的後測答案………………………….…………………..70. 圖. 4.3.14 編號 202016 學生的前測答案……………..……………...…………..71. 圖. 4.3.15 編號 202016 學生的後測答案…………………….…………………..71. IX.
(10) 第一章. 緒論. 本研究旨在探討國中二年級學生對於月相盈虧成因的迷思概念，並依此設計 一促進學生概念改變的電腦輔助課程。另外，亦探討學生空間能力對學習月相盈 虧成因的影響。本章分成以下幾部分描述：研究動機與背景、研究目的、研究問 題、研究的重要性與名詞釋義。. 第一節 研究動機與背景 學習新的知識，即是一連串概念改變的過程，為了啟發學生進行學習活動， 教師若能基於學生原有的概念結構來安排教學活動，可以促進學生科學概念的習 得(郭重吉，1990)。在科學學習過程中概念的形成與改變，一直是科學教育學者 所感到興趣的，也是研究的重心之一(Novak, 1984; Ponser, Strike, Hewson & Gertzog, 1982)。從建構主義的學習觀來看，學生在進入教室之前，根據生活經驗 與背景知識，會有自己的概念或想法，這些原來持有的概念對於學習是有影響的 (郭重吉，2001)；學習前若存有與學習相關的迷思概念(misconception)，則可能 對學習產生負作用(Andersson & Karrqvist, 1983; Anderson & Smith, 1986; Bendall et al, 1993; Shapiro, 1989)。 學生的原有概念若與公認的科學理論或教科書不同的概念稱為「迷思概念」 (misconception)(楊坤原、張賴妙理，民 92)。一些迷思概念的形成主要是憑個人 自發性的反應和直覺的判斷，學生因為無法認清所觀察的自然現象背後的機制或 未能組織所習得的知識，使得學生對於明顯的認知衝突採取不理會或容忍，因而 難以產生概念改變，誠如研究發現學生原有概念是很堅固並且難以改變的 (Anderson & Smith, 1986; Eaton et al, 1983; Gilbert et al, 1982; Hewson & Thorley, 1989; Wandersee、Mintzes & Novak, 1994)。Ausubel(1968)的意義學習理論 (meaningful learning theory)強調學生在學習之前的先備知識是意義學習產生的必 1.
(11) 要條件，在了解學生原有的概念類型之後，教師若能採用促進概念改變的教學策 略是除去學生迷思概念的有效方法。常使用的教學策略是透過異例(anomaly)、 電腦模擬(computer simulation)等(劉俊庚，2002)。其中異例的作用在促使學生察 覺到其個人偏好的概念和真正觀察到現象之間的差異，引起學生產生認知衝突， 找答案來解釋異例。經由設計電腦動畫來模擬許多科學現象，學生可以改變各種 參數並獲得立即的結果，將有助於學生的概念改變歷程(Hameed et al., 1993)。 關於地球科學的迷思概念研究，以天文佔大多數，其中包括：晝夜、月相和 四季等概念。在諸多的研究中，以日地月運動系統來解釋的月相盈虧概念著墨最 多，例如月相週期變化、日月食現象等。美國國家科學教育標準(National Science Education Standards ，1996)從研究中發現學生即使了解日地月的運轉模型，亦無 法正確解釋月相盈虧的成因，可見月相盈虧概念是很重要且難以習得的，研究亦 發現許多成年人對月相盈虧還持有迷思概念；在國內，自民國九十年起實施的「九 年一貫課程」亦規劃三項重要的能力指標：1.察覺月亮東升西落。2.觀察並知道 月亮有盈虧的現象(月相變化)。3.利用模型描述地、日、月之間的相對運動，並 解釋月相變化、日食、和月食的現象(教育部，2001)。可見月相盈虧概念的學習 對於瞭解日地月之間的運動具有相當大的重要性。 再則，在學習月相盈虧科學概念時，因太陽、地球與月球三者呈三度空間分 布，學生的學習成就與空間能力密切相關。因此空間能力是影響學生學習月相概 念的重要因素之一(邱美虹、陳英嫻, 1995)。因此本研究以「月相盈虧變化」的 科學概念為主題，教學前透過診斷測驗瞭解學生所具有的概念，並設計一教學課 程，輔以異例與電腦模擬動畫，讓學生透過觀賞與操弄動畫來學習月相盈虧概 念；研究者利用診斷測驗、晤談等診斷工具，觀察學生在學習前後科學概念的改 變情形，並探討不同空間能力學生在月相盈虧成因學習上的差異。. 2.
(12) 第二節 研究目的 本研究的目的在了解學生進行「月相盈虧變化課程」前後的迷思概念改變情 形，以及不同空間能力學生的學習成效之差異所在。首先，分析國中二年級學生 進行課程之前具有的月相盈虧成因迷思概念，並發展出「月相盈虧成因診斷測 驗」，透過教師導引教學探討學生在進行「月相盈虧成因課程」後，對於解釋月 相盈虧成因的概念改變情形；並探討空間能力對學生在學習月相盈虧成因概念的 影響。最後，根據本研究發現的結果，提出對月相盈虧成因課程的改進方法。 本研究的具體目標如下： 1. 瞭解國中二年級學生在課程進行前所具有的月相盈虧成因概念。 2. 教學前後學生月相概念改變分析。 3. 探討哪些概念類型較不易受教學策略影響。 4. 探討哪些概念類型易受電腦模擬動畫教學策略影響。 5. 探討不同空間能力的學生學習成就的差異。. 第三節 研究問題 本研究以月相盈虧成因課程為操弄變因，探討學生的概念改變歷程，並探究 空間能力對其學習成效的影響。研究問題如下： 1.國中二年級學生在課程進行之前對月相盈虧成因的概念為何？ 2.學生在完成「月相盈虧成因課程」前後，概念類型是否有顯著的改變？ 3.持有哪些概念類型的學生在教學前後較不易受到影響？ 4.是否電腦模擬動畫教學策略會影響學生學習月相盈虧概念？ 5.不同空間能力的學生，在完成「月相盈虧成因課程」之後，其學習成效是否 有顯著差異？. 3.
(13) 第四節 研究的重要性 國內對於月相盈虧成因的研究對象多以國小階段的學生為主，本研究對象針 對國中二年級學生，探討學生的月相盈虧成因迷思概念。藉以提供國中自然科教 師準備教學時的參考。本研究嘗試發展一月相盈虧成因診斷測驗，並評估該測驗 與其他診斷工具（如：晤談）間的差異。期望在進行教學前後可以使用此測驗， 以了解學生具有哪些月相盈虧成因的迷思概念。. 第五節 名詞釋義 1. 迷思概念 所謂迷思概念是指學習者因過去的經驗或者學習歷程，對某些自然科學的現 象有其獨特的想法或對某概念產生混淆，此一概念和所接受的科學定義不 同，這些概念通常並不完整或者自相矛盾(楊純珠，1999；吳政勳，2002)。 研究藉由診斷測驗、晤談兩種診斷工具判斷學生所具有的迷思概念類型。概 念類型分類所使用的診斷測驗採研究者自行設計的月相盈虧成因診斷測驗。. 2. 概念改變(conceptual change) Posner 等人(1992)認為學習是除了吸納新的知識之外，在了解自己舊知識的 不足，調適新知識與既有知識的過程。本研究的概念改變策略採用異例呈現、 電腦模擬等教學策略，並以「月相盈虧成因診斷測驗」以及「晤談」資料的 分析結果作為評斷概念改變之依據。. 3. TEL(Technology-Enhanced Learning)model TEL 是由 Hsu, Ying-Shao, Wu, Hsin-Kai 和 Hwang, Fu-Kwun (2008)所提出之 一科技融入教學設計的架構，提供教師製作科技融入教學的環境。結合 Karplus 和 Their (1967) 的學習環（Learning Cycle）與 White 和 Frederiksen 4.
(14) (1998) 的探究環（Inquiry Cycle）理論，TEL model 將認知過程分為：情境化 (contextualization)、意義化(sense making)、探究(exploration)、建模(modeling) 以及應用(application)五個步驟。. 4. 空間能力(Spatial ability) 定義空間能力為能將三度空間結構與二度空間的切面相互轉換，並且能夠辨 識物體結構方向轉變的能力(Macnab & Johnstone , 1990)。研究採梁勇能(2000) 發展的空間能力測驗，分為「旋轉」測驗與「視覺」測驗兩部分，在課程進 行前讓學生作答，評量學生的空間能力。. 5.
(15) 第二章. 文獻探討. 本章旨在探討本研究使用的理論基礎，因此將本章分為三個部分加以探討： 第一節在討論概念的意義與概念的學習、迷思概念的意義與來源以及月相盈虧成 因迷思概念的相關研究；第二節闡數概念改變的理論與策略；第三節探討空間能 力的相關研究。. 第一節 迷思概念 一、概念的意義與概念的學習 概念(concepts)一詞，從教育心理學的觀點來看，指的是一種名稱或符號 (symbols)，用來代表具有共同屬性(attributes)一類事物的全體。Klausmeier（1974） 認為概念是種有組織的資訊，可使我們分別相關事物中特定的事或物，將一件或 多件的事物(objects)、事件(events)或過程(processes)所具有的性質中所抽取出來 的具有次序的訊息(ordered information)。也有學者認為概念是心智表徵特質 (idiosyncratic mental representation)，其意涵和一般慣用的概念不同，特指一些巳 明確定義或廣泛為大眾所接受的觀念(Duit ＆ Treagust，1995)。國內學者郭重吉 (2001)將概念定義為具同屬性一類事物的名稱或符號。學習者會使用概念來分類 環境中的事物與經驗，而且所持有的概念會影響其學習的過程(Driver, 1989)。 認知學習理論認為學習者是一個主動的參與者，在學習時學習者會主動形成 假設，經過不斷的試驗、修正、證明等步驟，最後終於獲得概念，將概念的學習 視為思考與問題解決的歷程(裘維鈺, 1995)。主要的認知心理學家之ㄧ-皮亞傑 (Piaget, 1896-1960)提出認知發展論(Theory of Cognitive Development)，採用階段 理論來描述一個人在表徵和訊息處理模式方面的主要改變(林清山, 1992)，在四 個階段(表 2.1.1 )中，當某一階段認知能力達到之後才有能力發展更高層次的認 知能力。. 6.
(16) 表 2.1.1 Piaget 的認知發展時期(Stages of Cognitive Development)( 引自張春興, 1997, P.90) 時期階段. 年齡. 特徵. 感覺動作期(Sensorimotor 0-2 歲. 憑感覺與動作以發揮其基模功能。. stage). 由本能性的反射動作到目的性的活動。 對物體認識具有物體恆存性概念。. 前 運 思 期 (Preoperational 2-7 歲. 能使用語言表達概念，但有自我中心傾向。. stage). 能使用符號代表實物。 能思維但不合邏輯，不能見及事務的全面。 不具可逆性(reversibility)概念。. 具 體 運 思 期 (Concrete 7-11 歲. 能根據具體經驗思維以解決問題。. operational stage). 具守恆(conservation)概念。 能理解可逆性的道理。. 形 式 運 思 期 (Formal 11 歲以後. 能做抽象思維。. operational stage). 能按假設驗證的科學法則解決問題。 能按形式邏輯的法則思維問題。. Piaget 的認知發展理論認為學習者在適應環境時產生不平衡，利用既有的知 識將新知識納入已有的基模(schema)中，此過程稱為同化(assimilation)；若個體 本身的基模無法同化新知識時，主動修改既有的基模來符合外在環境的需求，此 過程稱為調適(accommodation)。因此可知個體在學習前已然具有存在的概念，這 些概念亦會影響學生的學習發展。. 7.
(17) 二、迷思概念的意義 學生在進行學習之前，原有知識扮演極為重要的角色(郭重吉，1991)，當學 生所具有的前備知識(prior knowledge)，因受限於本身經驗與個別推論，有別於 專家所持有的科學概念 (Osborne & Gilbert, 1980)。此一概念因各家理念不同而 有不同的名稱與定義，例如另有架構（Alternative framework）（郭重吉, 1991）、 另有概念（Alternative conception）（Hewson & Hewson, 1983）、迷思概念 （misconception） （王晉基、郭重吉, 1992）、先前概念（preconception） （Clement, 1993）、心智模式（mental model）（鄭湧涇, 1998）等，這些名詞多指的是學生 與專家之間的差異(劉俊庚，2002)。若學生所發展出來的概念是不完整，甚至是 不正確的，此稱為迷思概念(Driver & Easley, 1978; Clark & Peterson, 1986)。這些 概念很難藉由學習加以改變，往往形成學習的絆腳石，阻礙學習的進行(Vosniadou &Brewer, 1992)。 學生學習前會結合某些不正確的訊息到本身的概念結構裡，形成有別於專家 的不正確想法，因此本研究使用「迷思概念」來描述學生在學習前所具有的錯誤 月相盈虧概念。. 三、迷思概念的來源 迷思概念產生原因甚為複雜，大部分的原因來自學習者在理解、合理化與解 釋知識的過程中，所發展出未經協調或不一致的概念結構，這些概念通常是片 段、不完整的，且與科學家的想法相左。了解學習者的迷思概念來源就變的很重 要。以下試著討論學生的迷思概念來源，主要有以下五種： 1. 日常生活的經驗：兒童在學習某些科學知識之前，由於日常生活的經驗，對 於自然界的現象，可能已有自己的觀察和解釋(Driver , 1985；Head , 1986)。比如學生將生活中食物所具有的酸味、鹹味歸納為酸性、鹼性 (陳珊珊, 1993)。 8.
(18) 2. 教師因素：學生在與社會互動過程中也會產生迷思概念(BouJaoude, 1989)。教 師在教學過程中因不足的科學知識、錯誤解釋(蘇育任, 1999)，學生自 行簡化科學概念，於是形成迷思概念。 3. 教科書的影響：學習者所採用的教科書亦是迷思概念的來源之一(Stavridou & Solomonidou, 1998)。如常見人體器官圖，有時將動脈和靜脈用不同顏 色繪製(如紅色及藍色)，而使得學生有迷思概念(Anderson, 1986)。 4. 文字語言：Osborne 等人(1983)認為日常生活語言本身沒有明確的定義，導致 另有想法的產生。亦即迷思概念的形成是因日常生活文字和科學學習 產生混淆而不易避免(Head, 1986)。 5. 其他因素：學生常憑空臆想(黃萬居, 1994)，背景知識不足(郭重吉, 1988)。或 者學生常保持其想法，甚至當有相反的証據出現時，仍不放棄改變自 己的想法來配合新的證據(Harlen, 2001)。 由此可知，學生的迷思概念類型與來源會受到教材設計與教師的影響。. 四、迷思概念的診斷方式 為了了解學生的迷思概念類型，科學教育研究者透過多種研究方法來了解學 生的迷思概念，較常使用的研究方式如下所示：： 1. 診斷性測驗(diagnostic test)：診斷測驗在教學過程中或教學後評量學生困難所 在(郭生玉，1999)，可分為開放式測驗與封閉式測驗，開放式的測驗包含應用填 充題(或簡答題)、申論題等，優點如下： (1)減少學生猜測。 (2)題目容易編擬。 本研究不選擇封閉式的測驗題型，因封閉式測驗選擇題有以下缺點： (1)命題技巧不精時，易導致題目僅測量知識的記憶。 (2)無法測量組織與表達的能力。 (3)測量僅限文字層次，月相盈虧現象屬於自然科學，為了解學生解決問題技能， 9.
(19) 選擇題命題較不適合。. 2. 晤談法(interview)： 晤談法是了解學生迷思概念相當好的方式之一(Osborne & Gilbert, 1980; West & Pines, 1985)，其中臨床晤談法(clinical method)首由皮亞傑(Piaget, 1929) 創立，晤談法的優點在於對於了解學生的想法有高度的可信度(Bar & Galili, 1994)。在訪談過程中常使用的工具為錄音紀錄，本研究除了錄音錄之外還加了 對晤談過程的錄影，除聲音之外亦可記錄學生繪圖及操作模型的畫面。晤談法的 缺點是耗時，後續的資料分析受限於主試者主觀解釋，不容易統計(樊雪春, 1999)。. 不同的診斷方法之間各有其優缺點，因此在一個研究裡會使用兩種以上的研 究方式(Osborne & Cosgrove, 1983; Ross & Munby, 1991)來了解學生的想法。本研 究使用開放式診斷測驗的簡答題輔以晤談法，期能透過不同工具，深入了解國中 二年級學生對於月相盈虧成因的迷思概念。. 10.
(20) 五、月相盈虧成因的迷思概念 天文概念是學習科學非常重要的基礎，教育部(2000)在九年一貫課程綱要中 詳細列出自然與生活科技領域的能力指標，月相盈虧現象的天文概念是極為重要 的要項，茲將月相盈虧的相關內容整理如下(表 2.1.2)：. 表 2.1.2 九年一貫課程綱要月相相關能力指標 第二階段(三、四 2-2-4-2. 觀察月亮東昇西落的情形，以及長期持續觀察月相，發現月相. 年級). 盈虧，具有週期性. 第四階段(七、. 2-4-3-1. 由日、月、地模型了解晝夜、四季、日食、月食及潮汐現象。. 八、九年級). 2-4-3-4. 知道地球在宇宙中的相關地位. 而自從 1970 年代以後，諸多學者相繼在自然科學的天文領域作科學概念的 相關研究。整理相關文獻(Baxter, 1989; 王美芬, 1991; 陳政瑜, 1994; 邱美虹和陳 英嫻, 1995; 劉伍貞, 1997; 李曉雯, 2001; 賴瑞芳, 2002; 邱月玲, 2002)，將有關月 相盈虧相關研究使用的研究方法與對象整理如下，並將重要發現節錄出來 (表 2.1.3)：. 11.
(21) 表 2.1.3 研究者. 月相相關研究與重要發現. 研究對象與方法. Baxter(1989) 100 位9-16 歲學生. 重要發現 學生將月蝕與月相產生混淆。. 參加晤談 採用二階段晤談收 集資料、用畫圖的方 式來表現其想法 王美芬. 國小五六年級學生. 學生在學習時，教師提供戲劇教學、角色扮演的教學方式，優於. (1992). 185 名. 演講法教學。. 以紙筆驗診診斷學 生之迷思概念 陳政瑜. 高中生和國小三至. 對於球體透視概念是獲得月相成因之正確學科模式的必要條. (1994). 六年級學生43 人. 件，但非充份條件。. 透過訪談 邱美虹和陳. 國三學生24 名. 英嫻(1995). 以個別訪談方式確. 不同心智模式學生經過實驗後產生不同的概念改變. 定學生心智模式 歸納出學生的9種另有概念，推測其產生的原因是學生學前知識. 劉伍貞. 國小四年級學童124. (1997). 位、自然科教師3 位 不足及不當的推論所影響 利用紙筆測驗及晤 談的方法. 李曉雯. 國小四年學生320. 了解學生理解月相概念的程度. (2001). 位. 了解學生月相迷思概念類型，並探討高低成就學生之概念類型及. 透過紙筆測驗、個案 成因 訪談及實物操作 賴瑞芳. 四年級及六年級的. (2002). 學生. 發展出一套檢視月相各種另有概念的二段式診斷工具. 二階式診斷測驗 邱月玲. 475 位國小六年級. 「對照式圖文」與「整合式圖文」閱讀成效皆優於「純文字」. (2002). 學生. 學生喜歡「整合式圖文」的圖文配置. 不同科學圖文配置 的閱讀理解情形. 12.
(22) 綜合以上各研究結果，關於月相盈虧研究的對象橫跨國小、國中、高中與職 前教師，各個階段的學習者或者教授者常見的月相盈虧相關迷思概念內容整理如 下(表 2.1.4)： 表 2.1.4 月相盈虧相關迷思概念內容 概念主題. 概念內容. 月相盈虧成因. 1. 月球被地球影子遮蔽。(Baxter, 1989；王美芬, 1992；陳政 瑜, 1994；賴瑞芳, 2002) 2. 月球被太陽的影子遮蔽。(Baxter, 1989；陳政瑜, 1994) 3. 月球被行星的影子遮蔽。(Baxter, 1989) 4. 月球被雲遮蔽。(Baxter, 1989；陳政瑜, 1994；賴瑞芳, 2002) 5. 月亮表面光亮面積有變化。(王美芬, 1992；賴瑞芳, 2002。) 6. 月球本身大小會改變。(陳政瑜, 1994) 7. 太陽直射或斜射月亮。(陳政瑜, 1994) 8. 太陽繞著地球運動，所以月相產生改變(李曉雯, 2001). 月相週期變化. 1. 月相週期為31日。（劉伍貞, 1996） 2. 月球盈虧週期為地球公轉效應。（李曉雯, 2001） 3. 無法說明月相盈虧順序及發生的日期。（劉伍貞, 1996； 李曉雯, 2001） 4. 月相變化週期錯誤。（李曉雯, 2001；賴瑞芳, 2002） 5. 不同月份之相同日期，月形不同。（李曉雯, 2001） 6. 農曆初七、初八是眉形月。（賴瑞芳, 2002） 7. 月亮升起的時間每天固定不變，同一時間觀察到的月亮位 置都相同。（賴瑞芳, 2002）. 月相盈虧現象. 1. 晚上才看得到月亮(余芳如, 2003) 。 2. 不論任何形狀的月亮，看到的時間都差不多。(余芳如, 2003) 3. 早上看見西方有月亮是因為有時月亮走得比較慢。(余芳 如, 2003) 4. 月亮在晚上12 點的位置最高。（劉伍貞, 1996） 5. 白天看到見是因為陽光不太強烈。（賴瑞芳, 2002） 6. 農曆上半個月，月亮光亮的部分在東邊；而下半個月則西 邊。(賴瑞芳, 2002). 其他. 學生無法把模型上所見的月相轉映成紙上的月相圖。(王美芬, 1992) 13.
(23) 從以上表格常見的月相盈虧相關迷思概念類型可分為月相成因解釋、月相週 期變化、月相盈虧現象的理解與其他共四大項，文獻指出在月相盈虧現象與成因 所產生的迷思概念類型最多，學習者在學習之後其持有之另有想法是難以改變 (余芳如, 2003)。針對解釋月相盈虧成因，邱美虹和陳英嫻（1995）提出學習者 所持有的四種心智模式(表 2.1.5)，概括了學習者解釋月相成因的種類：. 表 2.1.5 月相盈虧成因心智模式（邱美虹和陳英嫻，1995；引自余芳如, 2003, P.29） 1. 月食模式：以月食成因解釋月相盈虧 2. 混合模式： 以月食模式為主：仍以月食成因完地解釋各種月相，但開始出現位 置角度不同可見不同目相的想法。 零碎的：不全以月食成因解釋各種月相，未發展出完整之月相循環 心智模式的 的想法。 種類 以位置角度為主：主要以位置的不同解釋月相盈虧，但仍有月球繞 地球遮住造成盈虧的想法。 3. 位置角度模式：以位置角度的不同來解釋月相盈虧，但並非完全正 確。 4. 正確模式：能以位置角度的不同來說明月相盈虧。. 14.
(24) 本研究中採用開放式的診斷測驗診斷學生的概念類型，參考邱美虹和陳英嫻 (1995)與九年一貫月相盈虧課程綱要內容(教育部, 2000)，整理學生的回答內容， 可將學生解釋月相盈虧成因的概念模式分為五種(表 2.1.6)，簡述如下：. 表 2.1.6 月相盈虧成因概念解釋模式 1. 科學模式：描述月球非發光體，並且繞地球公轉，當日地月三者位 置不同，則觀察到月球的明暗面有不同的形狀。 2. 零碎模式：知道造成月相部分成因，但是概念內容不完整者。. 概念模式種 類. 3. 月食模式：地球位於太陽與月球之間，當月球進入地球的影子裡面， 部份或全部光線無法反射，使得我們看不到普通的月相。 4. 位置模式：具月相循環概念，認為月球繞地球公轉造成月相盈虧， 而太陽光照射角度產生差異，僅能解釋部分明暗變化造成 的月形。 5. 混合模式：以月食模式解釋月相成因，但也以日地月相對位置不同 造成部份月相變化，亦即對於月相成因存在兩種解釋方 式。. 15.
(25) 第二節 概念改變與教學策略 ㄧ、概念改變 概念改變的研究肇始於 1980 年代另有概念研究的興起，溯及源頭可推到西 元 1962 年學者孔恩(Kuhn)所發表的科學革命的結構(Structure of Scienfific Revolutions)一書，文中提及科學概念的改變過程就如同進行革命一般，從一處 於危機中的典範轉移到新典範，常態科學的危機因新典範的出現而結束。 概念改變理論的詮釋有多種面向，各種面向雖無法涵蓋所有概念改變的解釋 與形式，但這不同的觀點卻讓我們可以對概念改變有更深入的了解(劉嘉茹, 2000)。以下針對常見的概念改變理論做闡述：. (一) Posner, G. J., Strike, K. A., Hewson, P. W., & Gertzog, W. A.(1982)的概念改變 模式理論(conceptual change model, CCM). 科學教育領域裡最為人熟悉的理論。Posner等人(1982)以認識論為基礎，認 為概念改變即學生利用現有概念產生的同化(assimilation)與根本上取代或重新整 理的調適(accommodation)過程，其中調適過程發生在學生的現有概念不足以成功 解釋新的現象，而需置換或重組其中心概念時，是更為徹底的概念改變。在概念 改變的過程中有四個條件必須要滿足，本研究亦針對此四項條件發展出兩種對應 的策略(表2.2.1)。研究中設計的異例動畫提供學生不滿足的情境，促使學生產生 認知衝突；電腦模擬動畫是根據專家的科學概念製作而來，因此須具備豐富的科 學內容，模擬動畫的操作過程所需的概念是容易理解的，科學概念內容亦是合理 的。. 16.
(26) 表 2.2.1 概念改變四條件與對應策略. 概 念 改 變. 四條件. 對應策略. 學習者必須對現有的概念感到不滿意。. 設計異例動畫. (dissatisfied) 新的概念是必須可以理解的。 (intelligible) 新概念需是看似合理的。. 設計電腦模擬動. (plausible) 新概念必須是豐富的。. 畫提供學生操作. (fruitful) 在本理論中，Posner(1992)等人亦提出了概念生態(conceptual ecology)的觀 點，個體在學習過程中，知識的習得是透過與同儕、學習環境、教師等互動而來， 並需要注意以下幾個因素： 1. 異例(anomaly)：異例的存在可以造成概念生態的變動。 2. 類比(analogies)與隱喻(metaphors)：類比與隱喻可以提供新的想法，使新的概 念更合理。 3. 認識論(epistemological commitments)：大多數的知識領域都具有判斷何者為成 功解釋的標準。 4. 形而上的信念和概念(metaphysical beliefs and concepts)：特定的科學概念通常 具有形而上的特質，而信念連結科學概念與一般經驗。 5. 其他(other knowledge)：新概念要比其他競爭的概念具有更多的發展性。. 綜觀以上，可得知學習者對於現有概念的不滿意是概念改變過程的中心，透 過此步驟，學生瞭解到經過取代或重組舊的概念，才能接受其他新的知識概念， 如此才會產生概念改變(劉俊庚, 2002)。. 17.
(27) (二) Thagard(1992)的概念革命(conceptual revolution)理論. Thagard(1992)藉由科學史的分析，將概念改變藉由概念樹的方式區分成種類 關係(kind-relation)及部分關係(part-relation)的改變。「種類關係」意指概念樹中 階層較上位的概念；而「部分關係」則指階層中較下位的概念，概念改變便是種 類關係與部分關係的變化。概念改變的階層共有以下九種，如下表(表 2.2.2)所 示： 其中第一種形式的改變：增加新例子，涉及改變概念的結構是相當地瑣碎 的。在第二和第三種形式的改變之區分在於實用性(pragmatic)，例如：假設你是 高緯度的冰島人或愛斯基摩人，表列第二種形式(如範例)可能有較強的重要性。 第四種形式的改變，增加新的部份關係，稱為分解(decomposition)。例如原本原 子被認為是不可分割的整體，後來電子的發現使得階層性改變了。第五種形式的 改變涉及了增加新的種類關係，例如溫度與熱的聯結。第六種形式的改變是增加 新的概念，例如夸克是為了解釋新的理論而產生的新概念。第七種形式的改變可 以是瓦解或者放棄原有的概念，例如牛頓放棄亞里斯多德的觀點。第八種形式的 改變涉及將概念從一樹的分枝移到另一分枝上，例如哥白尼將地球歸類為行星， 而非自成一格的星球。第九種形式的改變必須要做類別階層性或部分階層性根本 的改變，例如達爾文不僅將人類分類為動物，亦改變了“分類”的意義。. 18.
(28) 表 2.2.2. Thagard(1992)的概念改變階層理論 (引自邱美虹, 2000, P.10). 階層. 特質. 範例. 1.增加新例子. 瑣碎的. 例如：遠處的小斑點是鯨魚. 2.增加弱原則. 強弱視其實用性(pragmatic) *. 例如：鯨魚可在北冰洋裡被 發現. 3.增加強原則. 強弱視其實用性*. 4. 增 加 新 的 部 份 關 係 (part 分解(decomposition). 例如：鯨魚吃沙丁魚 例如：海豚是鯨魚的一種. relations) 5. 增 加 新 的 種 類 關 係 (kind 利用上階層關係(superordinate)來 例如：鯨魚有脾臟 relation). 結合兩個概念. 6.增加新概念. 有助於科學知識的發展. 例如：電學與磁學合成電磁 學. 7.瓦解部份種類階層. 放棄原有的辨別方式. 例如：牛頓放棄亞里斯多德 的觀點。. 8. 藉 由 分 枝 跳 躍 (branch 概念從一階層樹的分枝轉移到另 例如：哥白尼認為地球是行 jumping)重組階層性. 外一枝. 星之一，而非自成一類的觀 點。. 9.樹的轉變(tree switching). 改變已具有階層性的樹狀組織原 例如：達爾文改變分類的意 理. 義. 註：*強弱指的是解決問題及解釋時原則的重要性. 19.
(29) (三)Chi(1992)的本體論(ontology). Chi(1992; Chi, Slotta, & de Leeuw, 1994)依本體屬性不同將其分為三種類 別：物質（matter or things）、過程（processes）和心智狀態（mental states）（Chi, 1992，如圖 2.2.1），「物質」指的是特定屬性的東西，如藍色的衣服、有生命 的東西、固體或液體等；「過程」則指事件的發生具有序列、因果關係，並反映 出自己特定的屬性，例如打架是有目的性、因果關係的；「心智狀態」是指情意 的部分，如情緒上的害怕或喜歡。物質、過程與心智模式三者是獨立的概念樹， 概念類別在本體樹之間的轉換依跨越的情形可分為本體類別內的概念改變 (within ontological conceptual change)和跨本體類別的概念改變(across ontological conceptual change) (邱美虹, 2000)。. 物質. 自然種類. 過程. 人造物質. 活的. 不是活的. 植物. 動物. 固體. 步驟. 事件. 意圖的. 隨機的. 心智狀態. 事件為主的 交互作用. 自然現象. 情緒的. 人造. 液體. 圖 2.2.1 本體樹的組織架構(Chi, 1992；引自邱美虹, 2000, P.5). 20. 意圖的.
(30) 這兩種關係我們可以透過圖 2.2.2 來說明： 1. 本體類別內的概念改變：在同一本體樹內若是只在同一類別內的概念歸屬發 生改變，是高低階層節點間的概念發生轉移，此種轉變並不需要改變本體樹。例 如經過長時間的學習之後我們知道鯨魚不是魚類而是哺乳類，這種類別還是物質 類別內的改變(邱美虹, 2000)。. 2. 跨本體類別的概念改變：本體樹內不同類別間產生轉移，這種改變即是根本 的概念改變(radical conceptual change)。學生學習電學時常將電屬於物質類別內， 而科學家的科學概念認為電是粒子間的交互作用，學生學習的概念改變過程需要 跨越類別間的轉變，文獻指出這樣的改變是較難達成的(劉俊庚, 2002)。. 根本的概念改變. 概念改變. 概念改變. 圖 2.2.2 本體內與跨本體類別的概念改變示意圖(Chi, 1992；引自邱美虹, 2000,P9) 21.
(31) (四) Vosniadou(1994)的認知架構理論. Vosniadou(1994)認為知識架構是先有一個大的架構，然後逐步填入細 部的概念，這個孩童具有的大架構稱為素樸的架構理論(naive framework theory)，源自兒童早期的日常生活經驗。此架構受制於兩個預設的認知結 構：本體論與認識論，而細部的概念稱為特定理論(specific theory)，源自 個體的觀察或文化的脈絡。Vosniadou 的理論詮釋如圖 2.2.3 。朝右的箭 頭表示在架構理論預設的限制下，孩童詮釋觀察到的現象與接受資訊時， 會持續修正特定理論與豐富其內容，修正的過程便稱為概念改變。. 架構理論. 特定理論. 本體論的預設. 教學脈絡中的 觀察或新資訊. 認識論的預設. 信念. 心智模式 圖 2.2.3. Vosniadou(1994)的認知架構理論(引自劉俊庚, 2002, P.120). 本概念理論中利用心智模式來描述孩童心智模式的改變，並認為概念改 變的形式有兩種： 1. 豐富（enrich）：將新的概念加入現有的理論架構。 2. 修正 (revision)：所獲得的資訊與現有的信念或預先的想法不一致時，即會進 行修正。“修正”的意涵與調適(Posner et al., 1982)或概念的獲得(Hewson, 1981)類 似。. 22.
(32) 上述概念改變理論中，Posner等人提出的同化、 Vosniadou 所提的概念豐富 化、Chi 所提的本體類別內的概念改變是較容易發生的；而Posner等人提出的調 適、Vosniadou 所提的信念與預設修正、Chi 所提跨本體類別間的概念改變是較 難發生的概念改變。綜合各家理論，依概念改變難易度整理如下表(表 2.2.3)：. 表 2.2.3 概念改變理論整理(修改自陳盈吉, 2004) 概念改變的難易度 提出者. 理論要點 簡單的改變. 困難的改變. Posner等(1982). CCM模式. 同化. 調適. Thagard(1992). 概念革命與概念改變階層(9層). 3、4、5、6階層. 7、8、9階層. Chi(1992),Chi &. 本體論. 本體類別內的概念. 跨本體類別間的概. Slotta(1994). 改變. 念改變. Vosniadou(1994) 認知架構理論. 概念豐富化. 信念與預設修正. 二、概念改變教學策略 許多研究指出學生的概念是相當難以改變的(劉俊庚, 2002)，在傳統教學中 教師易忽略學生迷思概念的存在，甚至傳統評量本身也無法檢視出學生的迷思概 念，即使學生學習成就高，學生可能仍持有迷思概念(Nurrenbern & Pickering, 1987)。為了有效改變學生所具有的迷思概念，許多的教學策略被提出來以促進 學生進行概念改變(何玉婷, 2005)。 促進概念改變中常見的教學策略有以下三種，分述特性如下：. 23.
(33) (一)概念衝突與異例(anomaly) 在上述概念改變的理論中提到除非學生對現在所接受的概念不滿意，否則將 不會產生概念改變的動機，所以在諸多促進概念改變的教學策略裡，Hewson & Hewson(1984)認為概念衝突對於學生概念改變是有助益的。常見的認知衝突策略 是使用：反駁性文章(refutational text)、差異性事件或歧異事件(discrepant event)、 異例(anomaly)等，讓學生產生認知上的不平衡(Piaget, 1970)，進而促進認知發 展。而學生在面對異例事件並非全然接受，可能有的七個現象為：(1)忽略(ignoring) 異例存在。(2)拒絕(rejecting)異例。(3)排除異例。(4)擱置異例。(5)重新詮釋。(6) 接受異例但只產生部份改變。(7)接受異例並產生理論的改變(Chinn & Brewer, 1993)。而在使用認知衝突的教學方式要注意避免學習者形成迷思概念(劉俊庚， 2002)。. (二)類比法(analogy) 類比教學亦是常使用的教學策略。所謂的類比指的是：透過兩種不同知識系 統中某種關係的相似性，將已知的知識系統推導至欲知的知識系統，此獲得知識 的過程稱之為類比(Duit, 1991; Gentner, 1998)。茲舉類比橋(bridging analogies)的 教學模式(Brown & Clement, 1989; Clement 1993)來說明： 例：為了教授關於力的概念，教師使用彈簧、可彎曲的軟桌子、堅硬的桌子與書 本等教具，依照以下設計要點進行教學(說明如圖 2.2.4)： (1) 呈現錨類比(anchoring analogy)：當用手按壓彈簧，則彈簧會因受力而變 形(圖 2.2.4 (a))。 (2) 呈現目標物，並與定錨類比物進行比較：放置一書本會使柔軟的桌面產 生變形(圖 2.2.4 (b))。 (3) 提供類比橋，連接錨類比和目標物：改放置書本於一般桌上，則書本會 對堅硬的桌面施力，雖然桌面並未產生變形(圖 2.2.4 (c))。 (4) 提供可以解釋現象的模式，讓目標物對學生更具意義。 24.
(34) (a). (b) 圖. (c). 2.2.4 類比橋實例設計(修改自劉俊庚, 2002, P.136). 設計良好的類比教學亦可以引起學習動機(Venville & Treagust, 1997)。在類 比教學中類比物的使用需要特別注意，避免學生產生迷思概念(Webb, 1985)。同 時教師應該鼓勵學生在學習過程中自我調整(Mason, 1994)。. (三)電腦模擬(Computer simulation) 電腦模擬教學是利用電腦程式來模擬許多科學的現象(Hameed et al., 1993)， Alessi 和 Trollips (1985)認為電腦模擬教學的優點是可以將自然現象中變化緩慢 或持續很久的現象有效的呈現在學生面前，而月相盈虧需時一個月的變化周期便 可以透過電腦模擬快速的呈現。. 教學策略中的教學模式關係到課程內容設計，而由 Hsu, Ying-Shao, Wu, Hsin-Kai & Hwang, Fu-Kwun (2008)所提出的 TEL model 為一科技融入教學設計 的架構，提供教師製作科技融入教學的環境，將認知過程分為：(1)情境化 (contextualization) 、 (2) 意 義 化 (sense making) 、 (3) 探 究 (exploration) 、 (4) 建 模 (modeling)以及(5)應用(application)五個步驟。教師首先給予情境或議題，接著學 生操作電腦模擬動畫進行科學探究，之後教師列舉出關鍵概念、學生建立概念間 關係，最後讓學生試著去解決較複雜的科學情境。 除了以上教學策略亦還有討論教學法(discussion method) 、合作學習法 (Cooperative learning)等，本研究使用的教學策略包含異例、類比與電腦模擬。 本研究依據 TEL model 進行課程設計，TEL model 教學方式依教師與學生參與程 度分為教師中心、教師引導與學生中心(表 2.2.4)，本研究採用教師引導的教學設 25.
(35) 計(表 2.2.4 中的粗方框)，教學方式介於教師中心與學生中心，其中在意義化階 段由學生使用動畫，並提出與此主題相關概念的直觀理解，而在建模階段由教師 列舉出關鍵概念、讓學生建立概念間關係，並形成解釋模型。. 表 2.2.4 TEL 模式內容對應表(修改自 Hsu, Ying-Shao, in press , P.325) 認知歷程. 科技使用. 情境化. 影片. 教師以影片或 簡報提供學生 與主題相關的 情境引導. 教師給予情境或 議題，學生以影 片或簡報呈現對 該情境的認識. 學生自行決定議 題或情境主題， 並製作影片或簡 報呈現想法. 教師展示動畫 導引學生對主 題相關概念的 直觀理解. 學生使用動畫， 並提出與此主題 相關概念的直觀 理解. 學生設計動畫展 現出與主題相關 概念間的關聯. 電腦模擬程式 教師以科學資 or 戶外探索活 料或電腦模擬 動 程式引導學生 探究與主題相 關概念. 教師提供實驗計 劃或電腦模擬程 式讓學生進行科 學探究. 學生依據學習目 標設計實驗、戶 外考察或電腦模 擬程式，以進行 科學探究. V 圖或概念圖. 教師引導共同 形成一解釋模 型. 教師列舉出關鍵 概念、讓學生建 立概念間關係， 並形成解釋模 型。. 學生界定出關鍵 概念及其關係， 並以概念建立一 解釋模型。. 擬真評量或實 作評量或專題 報告. 教師提供類似 情境導引學生 應用剛形成的 解釋模型. 教師提供類似情 境讓學生應用剛 形成的解釋模型. 學生尋找出其他 可以應用此解釋 模型的情境或議 題，並說明應用 時的可行性與限 制所在。. (contextualization) Power Point. 意義化. 動畫. (sense making). 探索 (exploration). 建模 (modeling). 應用 (application). 教學方式. 科技使用 教師主導. 學生主導 認知能力. 基本的. 進階的 26.
(36) 第三節 空間能力的研究 在心理學中，空間能力被視為智力的一種(張春興, 1996)，是指學習者在學 習活動中在腦海作用空間推理的思考過程(梁勇能，2000)。早期研究發現空間能 力是指在心中記住一個空間圖像，並在腦海中扭轉、移轉或旋轉至一個新的位 置，在將此變動後的圖像進行比對(Thurstone, 1938)。McGee(1979)認為空間能力 至少包含空間視覺(spatial visualization)和空間定位(spatial orientation)。本研究對 於空間能力的定義採用 Macnab 與 Johnstone(1990)的定義，總共有三個要項：(1) 三維轉化為二維空間的能力。(2)二維轉化為三維空間的能力。(3)物體的結構方 向改變後，仍能辨識為原物的能力。這是由於本研究課程所設計的動畫、電腦模 擬動畫與診斷測驗雖以平面二維為主，但月相盈虧成因與太陽、地球與月球相對 位置有關，學生需要在二維的平面圖像與三維的立體空間模型間轉換。 許多研究指出空間能力在各學科的學習上是不可或缺的 (余芳如, 2003)。在 地球科學中與天文相關的知識概念都涉及空間能力，國中二年級學生的學生在空 間概念認知發展已進入形式運思期，兒童具備統合各種抽象的空間參考系統的能 力(Hart & Moore, 1976)，有研究指出空間能力對於學生學習月相概念具有相當的 影響(邱美虹、陳英嫻, 1995 )。本研究使用梁勇能(2000)發展的空間能力測驗，檢 視學生學習月相營虧成因概念與空間能力之間的關係，並試著探討學生在月相盈 虧成因中描述日地月空間轉換的情形。. 27.
(37) 第三章 研究方法 本章總共分為五節，主旨在說明本研究使用的研究方法，其中包括：研究對 象、研究設計與流程、研究工具、資料分析與研究限制等五個部分。. 第一節 研究對象 本研究的對象為國中二年級的學生，選擇這些學生作為研究對象的原因有以 下三點：(1)國中階段地球科學的課程中，關於天文單元的課程以日地月系統為 主軸，九年一貫課程綱要內容細目明確規劃：學生要能利用模型描述地、日、月 之間的相對運動，並解釋月相變化、日食、月食的現象(教育部，2003)。課程順 序先教授月相的盈虧變化，之後依序為日、月食的相關概念 (南一圖書，2006， P.84-90)，所以本研究針對月相盈虧變化設計的課程對於國二學生來說是既有的 課程。(2)國小自然科學課程雖有提到月相變化的成因，但課程內容著重現象觀 察，而到國二理化課程中光的單元可以讓學生對月相盈虧成因進一步探討，因此 月相盈虧成因課程的安排不但可以延續國小自然科教材的內容，也可以加深學生 對於月相盈虧成因的了解。本研究採樣的樣本為彰化縣某國中二年級的兩個班級 的學生，扣除無效樣本，總共取兩班人數為 62 人，其中男生 38 人、女生 24 人(表 3.1.1)。. 表 3.1.1. 研究對象一覽表. 班別. 人數(男生，女生). 202. 34(19，15). 205. 28(18，10). 28.
(38) 第二節 研究設計與流程 本研究的課程設計依據 TEL-model(Hsu, Wu & Huang, 2008)設計多媒體教 材，採前後測準實驗研究法並輔以半結構晤談進行資料蒐集和分析，試圖探討學 生進行月相盈虧成因課程前後的學習，本研究流程共可分為三個階段，分別為「準 備階段」 、 「實驗階段」與「結果分析」(參閱圖 3.2.1)，各個階段的工作項目及進 度分述如下： 一、準備階段 從民國 93 年 12 月到 94 年 9 月為準備階段。經過閱讀相關文獻，確定 自己研究主題後，整理文獻中學生具有的迷思概念類型，並著手發展月相盈 虧成因診斷測驗、情境問題與月相盈虧成因課程。在發展過程中，經兩位相 關領域專家學者協助審查修正，並在民國 94 年 10 月底於台北縣某國中進行 前導性測試(pilot study)，以修正診斷測驗與情境問題之內容以及教學課程與 程序。研究的流程圖繪製如下：. 29.
(39) 教學設計. 形成研究問題 電腦模擬 蒐集文獻. 專家審查. 文獻探討. 確定研究問題. 教學設計 專家審查. 發展研究工具. 月相盈虧成 因診斷測驗. 設計題目 準備階段. 月相盈虧成 因課程. 專家審查. 選定研究對象 異例呈現 教學. 進行前導性測試 修改課程與工具. 前測(共兩節課) 1.月相盈虧成因診斷測驗(1 節課) 2.空間能力測驗(1 節課). 前測晤談(半結構式 15 分/人) 引發先前知識(15 分鐘) 異例動畫教學（10 分鐘） 實驗階段. 月相盈虧電腦模擬動畫(2 節課) 1.燈泡照射實驗 2.角度變化實驗 3.月形與日期動畫 4.互動式電腦模擬. 後測（1 節課）：月相盈虧成因診斷測驗 情境問題討論(20 分鐘) 後測晤談(半結構式 15 分/人). 研究流程圖. 資料分析 30. 撰寫論文. 結果分析階段. 圖 3.2.1.
(40) 二、實驗階段 從民國 95 年 12 月到 96 年 1 月初為實驗階段，其中的工作內容包括「前測」 、 「前測晤談」 、 「異例呈現教學」 、 「電腦模擬教學」 、 「後測」 、 「情境問題測驗與討 論」、「後測晤談」，共七個步驟。實驗流程如圖所示： 首先在課程進行之前指導學生進行空間能力紙筆測驗與月相盈虧成因診斷 測驗，之後以一個禮拜的時間，於中午午休進行前測晤談，根據月相盈虧成因診 斷測驗前測的概念類型選取晤談對象共十二人，晤談則針對學生在診斷測驗的概 念內容作半結構式晤談。 第二週開始進行月相盈虧課程，課程內容包括異例動畫與電腦模擬動畫呈 現，學生透過電腦模擬操作並討論，一週之後請學生完成月相盈虧成因診斷測驗 後測。接著學生根據所提供的情境問題與同學進行討論。之後針對前測所選取的 晤談對象進行後測晤談，藉以了解學生在課程進行前後的概念改變情形。. 三、結果分析階段 從 96 年 1 月底到 6 月為結果分析階段，此階段任務為「資料分析」與「撰 寫論文」。主要在分析學生的月相盈虧成因概念類型、前後測概念改變情形，並 將前後測的晤談資料轉錄成文字稿並加以編碼，進行歸納分析，最後進行論文的 撰寫。. 31.
(41) 第三節 研究工具 本研究工具分為兩類，包含教學工具與測驗工具。教學工具為「月相盈虧成 因課程」，而評量工具包括「空間能力測驗」 、「月相盈虧成因診斷測驗」、「情境 問題」和「晤談問題」。茲將上述研究工具的發展原則與流程，詳敘如下：. 一、月相盈虧成因課程 (一)現行教材分析 教育部所公佈的九年一貫課程綱要(2003)中明確規範月相的相關概念，其要 點如下： 表 3.3.1 九年一貫課程綱要月相相關概念 第二階段. 2-2-4-2. 觀察月亮東昇西落的情形，以及長期持續觀察月相，發. (三、四年級) 現月相盈虧，具有週期性 第四階段. 2-4-3-1. (七、八、九. 現象。. 年級). 2-4-3-4. 由日、月、地模型了解晝夜、四季、日食、月食及潮汐. 知道地球在宇宙中的相關地位. 次主題：關於月球部份 2a.察覺月亮東昇西落。 2b.觀察並知道月亮有盈虧現象(月相變化)。. 在發展課程之前，先進行國小與國中課程有關月相盈虧成因概念的分析，作 為本課程的參考。將國小及國中三家版本的教科書的概念分析內容(表 3.3.2)分述 如下： 1.國小自然與生活科技：國小自然與生活科技(牛頓，2004，P.4-P.17)第一章第一 節引導學生觀察月球表面，第二節透過活動觀察月球在天空位置的變化，第三節 則是觀察紀錄一個月當中月球形狀的週期性變化。. 2.國中地球科學：(1)南一版第三章第三節(南一書局，2005，P.84-P.86)以文字說 明月相盈虧成因，輔以圖片標示月形與農曆日期的對應關係(如圖 3.3.1)，並設計. 32.
(42) 一模擬觀察月相變化的活動。(2)康軒版課本第六章第二節(康軒文教，2005， P.96-P.97)僅以一頁文字說明日地月運轉方式，再以圖示月相變化(如圖 3.3.2)，並 未註明月形與農曆日期的對應關係。(3)光復版(育成書局，2005，P.96-P.99)以詳 細文字解釋月相盈虧成因與月形和農曆日期的對應，並以圖示說明日地月運轉的 關係(如圖 3.3.3)。 上述歸納國小與國中地球科學有關月相盈虧的內容，包括月形-日期、月球 位置-路徑、月相盈虧成因、日地月運動等相關概念，可作為研究者設計月相盈 虧課程的參考。本研究欲探討月相盈虧現象與成因，同時亦兼顧國小階段所習得 的月球位置與移動路徑概念，使學習者透過「月相盈虧成因課程」對月較為完整 的概念。. 圖 3.3.1 南一版 月相示意圖 33.
(43) 圖 3.3.2 康軒版 月相示意圖. 圖 3.3.3 光復版 月相示意圖 34.
(44) 表 3.3.2. 教科書月相相關概念分析表. 月相盈虧成因概念內容. 國小地球科學. 月形-日期. ˇ. 月球位置-路徑. ˇ. 國中地球科學. 月相盈虧成因課程. 南一. 光復. (本研究研發). ˇ. ˇ. 康軒. ˇ. ˇ. 月相盈虧成因. ˇ. 日地月運動(位置). ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. (二)課程設計 本教材以 TEL (Technology-Enhanced Learning)教學模式(Hsu, Wu & Huang, 2008)作為課程設計基礎(表 3.3.3)，在課程內容架構建置完成後諮請師大地球科 學系天文專長教授進行內容效度的審查，根據專家的意見稍作修改，並於 94 年 5 月，在台北縣某國中二年級班級進行前導性研究(pilot study)，參與的學生兩個 班共 78 人，依據前導性研究的結果修正課程以作為正式施測教學之用。 TEL-model 為 Hsu, Wu, and Hwang (2008)所提出，其教學模式包括： （1）情 境化(contextualization)：教師給予情境或議題，學生以影片或簡報呈現對該情境 的認識。 （2）意義化(sense making)：學生使用動畫，並提出與此主題相關概念的 直觀理解。（3）探究(exploration)：教師提供實驗計畫或電腦模擬程式讓學生進 行科學探究。 （4）建模(modeling)：教師列舉出關鍵概念、學生建立概念間關係， 並以概念圖表徵出一解釋模型。 （5）應用(application)：教師提供較複雜的情境讓 學生嘗試應用剛形成的解釋模型。本研究所採用的教學模式與實作對應於表格 中。. 35.
(45) 表 3.3.3 課程內容設計與 TEL 教學模式對應表 認知歷程 科技使用 教學方式. 情境化. 月相照片. 教材實例. 教師給予情 境或議題，學 生以影片或 簡報呈現對 該情境的認 識。 月相盈虧照片. 意義化. 動畫. 學生使用動 畫，並提出與 此主題相關 概念的直觀 理解。 異例呈現教學. 探究. 教師提供實 驗計畫或電 電腦模擬程 腦模擬程式 式 讓學生進行 科學探究。 電腦模擬或實驗教學. 建模. 診斷測驗. 教師列舉出 關鍵概念、學 生建立概念 間關係，並以 產生一解釋 模型。 後測診斷測驗. 36.
(46) 應用. 教師提供較 擬真評量或 複 雜 的 情 境 實做評量或 讓 學 生 嘗 試 專題報告 應 用 剛 形 成 的解釋模型。. 情境問題. 課程內容詳述如下： （一）課程設計(表 3.3.5)： 以下根據 TEL-model 多個認知階段作詳盡說明： 1.情境化：利用月相盈虧照片呈現台灣的月相變化，讓學生回想起自己生活 中的經驗，並瞭解課程要討論的主題。. 2.意義化：針對學生的另有概念設計「異例」動畫，動畫中除了提出直觀的 觀念外，也會解釋此直觀概念的合理性。學生在看完動畫後產生認知衝 突，並重新檢視其原有概念的合理性。 因考慮到學生本身具有的迷思概念，故所觀看的異例呈現動畫是根 據月相盈虧成因診斷測驗所測到的迷思概念類型來決定，而非讓學生看完 所有異例呈現動畫。本研究在學生前測之後，依照學生常見三種迷思概念 類型分類，在教學光碟中各放置不同的異例動畫，交由學生操作。. 3.探究：先讓學生觀看一系列的模擬實驗動畫(表 3.3.4)，模擬實驗動畫包括： 燈泡照射實驗、角度變化實驗、月形與日期等三個動畫，動畫中所呈現的 概念內容見表格。在觀看動畫的過程中，有提供問題導引，以幫助學生思 考所欲探討的概念內涵。 接著進行電腦模擬（computer simulation） ，在此過程中直接操作月相 的模擬程式，過程中亦皆有問題引導，以幫助學生推論月相盈虧變化的成 因，在過程中學生遇到問題，也可與同學進行討論。 37.
(47) 表 3.3.4 模擬實驗動畫 動畫名稱 動畫內容 燈泡照射實驗 分別利用手電筒與保麗龍球 代表太陽與地球，在球上方置 一標竿作為參考位置，觀看三 者的相對變化。 角度變化實驗 以手電筒代表太陽，準備 8 顆 圖了色彩的保麗龍球，固定這 8 顆球。將攝影機置於畫好的 位置觀看這八顆球的樣貌，了 解是因角度不同造成觀看的 光影不同。 月形與日期動畫 歸結角度變化實驗，將農曆日 期與月形分項說明，使學生瞭 解不同月相和角度的關係。. 探討概念 瞭解太陽、地球與觀察者 之間的相對變化和光影 的關係。 相同的物體會因觀看的 角度不同，造成光影變 化。. 月相變化和月球公轉的 相對位置關係。. 4.建模：學生在經歷過上面的探究階段，對於月相盈虧有自己的想法，在此 階段，教師給予學生關鍵概念，學生藉由討論過程建構出對於月相盈虧成 因的解釋模型。並進行以月相盈虧診斷測驗的後測。 5.應用：設計情境問題，讓學生應用所學的月相盈虧成因概念回答，作答過 程中，可透過討論來回答問題。. 表 3.3.5 月相盈虧成因課程教學流程 流程步驟 時間 教學內容 (節次) (分) 課程前測 15 1.課程與測驗說明 (第一週) 25 2.空間能力測驗 45 3.月相盈虧診斷測驗 前測晤談 15/人 根據診斷測驗內容晤談(12 位) (第一週) 月相盈虧成因課程 15 1.引發先前知識 (第二週) 10 2.異例動畫教學 月相盈虧課程 共 90 1.燈泡照射實驗 (第三週) 2.角度變化實驗 3.月形與日期動畫 4.互動式電腦模擬 課程後測 45 月相盈虧診斷測驗 情境問題討論 20 月相盈虧情境問題 後測晤談 15/人 根據診斷測驗內容晤談(12 位) 38. 地點 一般教室. 科任辦公室 電腦教室 電腦教室. 一般教室 電腦教室 科任辦公室.
(48) （二）課程呈現： 本課程內容建置所使用到的軟體主要包括 Powerpoint、Frontpage2000、Flash MX、Photoshop 7.0、Media Studio 10.0，將所有教學軟體、相片與影片打包成一 片可自我執行的光碟，學生可以透過電腦單機操作來進行月相盈虧課程。. 二、評量工具： (一)空間能力測驗： 為了瞭解學生在月相盈虧成因課程的學習過程中，空間能力對其學習成效的 影響，於是在課程進行前，先讓學生填寫空間能力測驗。本實驗引用梁勇能(2000) 發展的空間能力測驗，測驗內容包含旋轉與視覺測驗，皆單選題。旋轉測驗題目 共 24 題，時間限制為 8 分鐘；視覺測驗共 23 題，限制作答時間為 12 分鐘，總 分為四十七分。根據正式施測的結果，所測得的 KR-20 信度值為 0.83。旋轉測 驗的 KR-20 信度值為 0.77，視覺測驗的 KR-20 信度值為 0.74。. (二)月相盈虧診斷測驗 試題設計採用開放式的試題，經由月相概念之相關文獻整理之後發現近來研 究多以單選試題為主，但學生在作答時容易有猜測的情形發生(賴瑞芳，2001)， 本研究採用開放式試題為工具，再加上晤談的研究方法。使學生可以依據自己的 想法作答，透過文字或者圖畫來表達其想法。考量到學生作答的時間與欲研究的 目的，試題根據月相概念相關研究中所發現的迷思概念類型，設計可以診斷學生 迷思概念的題目(題目參閱附錄一)。 題目總數為 10 題，依文獻列出月相盈虧診斷測驗雙向明細表(表 3.3.6)；在 內容效度上採專家效度方式，經由師大地球科學系天文領域教授指導審查。利用 台北縣某國中進行前導性測試，經兩位評分者依據評分標準得到的互評者信度為 0.95。. 39.
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