探究多重表徵教學對於八年級學生學習化學平衡概念與概念改變的影響

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(1)第壹章緒論本章分別就本研究的研究背景與動機、研究目的與問題、名詞釋義以及研究範圍與限制等四個部分來進行說明。. 第一節. 研究背景與動機. 國中理化兩年的課程加起來將近有二十個單元的內容，以往在課室教學的過程中，可以感受出學生對於每一個單元的學習效果是有所差別的，有些單元學生似乎很容易進入狀況，課後評量的學習成效也不錯，但是面對某些特定單元時，研究者可以明顯觀察出學生的理解情況並不理想，因此研究者經常在心中有一個疑問：究竟哪些單元的概念本質是會讓學生遇到學習困難的？不知是否有學者做過相關的研究？. 研究者後來發現其實這個問題 Finley et al.(1982)早就做過了，他認為以往科學教育的研究問題往往是研究學者由單一理論的觀點來尋求科教問題的答案，可是這樣的方式會有其侷限性，因此 Finley 等人透過問卷讓自然領域的各科教師作答，每個科目都有一百位教師的樣本人數，請這些教師排列出自己任教的科目中學生學習上最困難的單元為何，其中化學科教師選出學生學習最困難的主題為化學平衡單元，當研究者看到這個結果時內心也有相同的想法，因為化學平衡這個單元也是研究者以往在國中任教時，發現大多數學生容易遇到學習理解困難的主題。. Johnstone(1993)提出化學的學習可以分為三種面向：巨觀表徵(macroscopic representation)、微觀表徵(microscopic representation)、符號表徵(symbolic. -1-.

(2) representation)，對化學平衡這個單元而言，學生往往在學習的過程中只能看到巨觀的表面現象，卻無法深入了解微觀世界的實際情形(Chiu, Chou, & Liu, 2002)，因此許多學生將化學平衡誤以為是一種靜平衡的狀態，殊不知其實它是屬於一種動平衡的概念，另外 Chi 等人(Chi, 1997 ; Ferrari & Chi, 1998 ; Chi & Roscoe , 2002 ; Chi, 2005)認為有些科學概念為何會頑強(robust)、不易消失，是因為學生發生了概念錯置的現象，也就是將原本隸屬於突現因果過程類別的概念本體誤以為是歸類在直接因果過程類別的概念本體，剛好化學平衡就是屬於這樣的例子，以上這些原因說明了學生為何在學習化學平衡時會遇到許多的困難。. 既然化學的學習包含了三種面向，那麼理論上結合多種不同表徵的課程設計應該對於學生理解化學平衡的概念是相當有幫助的，因此促使研究者決定應用多重表徵的教學方式來進行化學平衡的教學，並驗證如此的教學方式是否能為學生的學習帶來更多的幫助。. -2-.

(3) 第二節. 研究目的與問題. 基於上述的研究背景與動機，本研究的研究目的和欲探討的問題如下：. 1.. 探討多重表徵組教學是否比對照組教學更能有效增進化學平衡概念的學習 . 多重表徵組和對照組，學生的化學平衡概念問卷前後測答對率是否達顯著差異？. . 多重表徵組和對照組，學生的化學平衡概念問卷中的各子概念前後測答對率是否達顯著差異？. . 多重表徵組和對照組，學生的化學平衡本體問卷前後測答對率是否達顯著差異？. . 多重表徵組和對照組，學生的化學平衡本體問卷中的各子概念前後測答對率是否達顯著差異？. . 化學平衡的概念問卷與本體問卷之間的答對率是否具有相關性？. . 教學後的一週實施延宕測驗，多重表徵組和對照組學生的表現能否維持？各子概念的表現能否維持？是否產生概念回歸的現象？. 2.. 探討多重表徵教學組與對照組學生，化學平衡心智模式的類型與分佈情形 . 多重表徵教學組與對照組學生在教學前，化學平衡心智模式的類型與分佈有何異同？. . 多重表徵教學組與對照組學生在教學後，化學平衡心智模式的類型與分佈有何異同？. . 多重表徵教學組與對照組學生在延宕測驗，化學平衡心智模式的類型與分佈有何異同？. . 多重表徵組教學對化學平衡心智模式的類型及分布有何影響？. . 對照組教學對化學平衡心智模式的類型及分布有何影響？ -3-.

(4) 3.. 探討多重表徵教學對於學生情意態度的影響 . 教學後，全班學生對於多重表徵教學法與對照組教學法在情意問卷中的『增進概念理解』部分有何異同？. . 教學後，男女學生對於多重表徵教學法與對照組教學法在情意問卷中的『增進概念理解』部分有何異同？. . 教學後，全班學生對於多重表徵教學法與對照組教學法在情意問卷中的『提升學習興趣』部分有何異同？. . 教學後，男女學生對於多重表徵教學法與對照組教學法在情意問卷中的『提升學習興趣』部分有何異同？. . 教學後，全班學生對於多重表徵教學法與對照組教學法在情意問卷中的『造成學習負擔』部分有何異同？. . 教學後，男女學生對於多重表徵教學法與對照組教學法在情意問卷中的『造成學習負擔』部分有何異同？. -4-.

(5) 第三節名詞釋義. 1. 心智模式：心智模式：. 本研究採用的是 Vosniadou & Brewer(1992, 1994)的解釋，其認為心智模式是一種動態的結構，產生的原因是為了回答與解決問題，而且此架構會依情境而有所不同。至於本研究中所謂的心智模式是根據受試者回答問卷題本的內容，歸納分析收集到的資料所建立出的一種動態表徵。. 2. 概念改變：概念改變：. 本研究採用的是 Chi(1992 ; Chi, Slotta, & deLeeuw, 1994)的觀點，其認為概念改變可以區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)，因為後者的概念改變牽涉到從一棵本體樹，跳躍到另一棵本體樹的過程，所以是相當困難的，也較不易發生。至於本研究中所謂的概念改變是根據受試者回答粒子本體問卷的內容，如果學生的答案從直接因果過程轉變為突現因果過程概念本體，則表示學生發生了概念改變。. -5-.

(6) 第四節研究範圍與限制本研究的研究範圍與限制有以下幾點：. 1. 本研究只限定於化學平衡與其相關概念所建立的心智模式，所以不宜過度推論到其它的化學概念。. 2. 本研究的分析對象為台北市立某公立國中的學生，合計為兩組共六十一位學生，基於不同區域與不同年齡的學生表現可能會有所差異，因此本研究結果不宜過度推論。. 3. 另外，學生的選取並非是隨機抽樣的結果，因此缺乏母群體的代表性，只能算是準實驗研究，這也是本研究的一項限制。. 4. 最後，本研究採用的「科學模式」是參考現階段國中理化課本與相關文獻等而建立出來的，所以具有一定的時效性，因此在引用本論文之前，必須先確認該「科學模式」是否仍然成立。. -6-.

(7) 第貳章文獻探討本章共分為以下四個部分，第一節為概念改變，主要是介紹影響科學教育深遠的幾種概念改變理論，第二節是心智模式，主要在針對心智模式相關的理論進行探討，第三節是多重表徵，重點在回顧與整理相關的理論內容，第四節是化學平衡，收集關於化學平衡方面的迷思概念，並試圖了解學生可能具有的心智模式類型有哪些。. 第一節概念改變. 一、概念改變的 CCM 模式. Posner 等人(1982)在「科學概念的調適：概念改變理論」（Accommodation of Science Conception：Toward a Theory of Conceptual Change）一文中提出 CCM （Conceptual Change Model）模式，試圖解釋概念究竟是如何進行改變的，並且採取 Piaget 的同化(assimilation)與調適(accommodation)觀點來說明概念改變。其中同化指的是學生以現存既有的概念來處理新遇到的現象;而調適發生在學生現存既有的概念已經無法成功瞭解新現象時，至於要產生調適的情況必須要有以下四個條件：. 1.對原有概念不滿意（dissatisfaction） 2.新概念是可理解的（intelligible） 3.新概念看起來似乎是合理的（plausible） 4.新概念應該是豐富化的（fruitful）. -7-.

(8) Posner的理論因為容易理解與應用到學習活動上，所以廣泛地被科學教育者接受，但是其對於究竟引起學習困難的科學概念本質為何卻鮮少著墨(Chiu, Chou, & Liu, 2002)，這是此理論較缺乏的面向。. 二、Chi 的概念改變理論. Chi(1992 ; Chi, Slotta, & deLeeuw, 1994)的概念改變理論是從本體論的角度出發，Chi指出世界上的實體分屬不同類別，研究者可以將焦點著重在物質 (matter)、過程(process)與心智狀態(mental state)這三棵概念本體樹上，而這三棵本體樹是彼此獨立、互不相容的，當學生在學習某科學概念時，若發生了概念錯置的現象，也就是學生將新的訊息同化到錯誤的類別中，進而學生很難對這個概念產生徹底的理解，因此造成有些科學概念改變很難發生，這是Chi認為最關鍵的原因。. 此外，根據Chi的觀點，概念改變又可以區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)，二者的意義分別說明如下。. 1.本體類別內的概念改變本體類別內的概念改變：本體類別內的概念改變：所謂本體類別內的概念改變指的是：當概念的改變是發生在同一棵本體樹內，只是上下位置的轉變，並不需要跨越本體樹，也就是說改變是在同一類別內進行的，充其量只能算是信念上的修正。. 2.本體類別間的概念改變本體類別間的概念改變：本體類別間的概念改變：所謂本體類別間的概念改變指的是：當概念的改變必須從一棵本體. -8-.

(9) 樹，跳躍到另一棵本體樹的過程，因為要達到如此的改變是相當困難的，所以又稱為根本的（radical）概念改變。. 藉由圖2-1-1來加以說明，圖形中的O代表原來的概念，a與b代表樹狀圖內概念移動或取代的情況，可以發現概念本身並不改變其原有的基本意義，所以就是發生類別內的概念改變；至於圖中的c代表概念由原屬的類別轉移到另一個不相容的類別，所以發生了跨類別的根本概念改變，其機制和結果與前者（類別內的概念改變）是截然不同的(邱美虹, 2000)。. 圖 2-1-1 根本與非根本概念改變的圖示法(Chi, 1992, 引自邱美虹, 2000). 近年來 Chi 陸續修改其本體樹架構，重點在精緻化過程本體樹的部分， Chi(1993)提出非因果互動過程(acausal interaction process)使其與事件區分開來，到了 1994 年，Chi 以條件為主的交互作用(CBI)取代了先前的非因果互動過程，接著 Chi & Ferrari(1998)用平衡過程(EP)取代以條件為主的交互作用，等到 2002 年 Chi 與 Roscoe 再將過程屬性重新分類為因果過程(Causal process)與突現過程 (Emergent process)，目前 Chi(2005)所發表的最新本體樹架構是將過程屬性區分. -9-.

(10) 為直接過程(Direct Processes)與突現過程(Emergent Processes)，關於過程本體樹的演變歷程如圖 2-1-2。. 過程本體樹. 1993. 事件. 非因果互動過程. 過程本體樹. 1994. 事件. CBI. 過程本體樹. 1998. 事件. 平衡. 過程本體樹. 2002. 因果. 突現. 過程本體樹. 2005. 直接. 突現. 圖 2-1-2 過程本體樹的演變歷程 - 10 -.

(11) Chi & Roscoe (2002)以奶油倒入咖啡的例子來說明因果過程和突現過程的區別，以及兩者分別具備怎樣的本體特徵屬性，如表 2-1-1。當奶油倒入咖啡的過程中，我們可以觀察到奶油慢慢地和咖啡融合在一起，經過很長的時間之後，奶油已經完全分散在咖啡裡面，兩者似乎無法區分開來，關於如此巨觀或知覺的行為模式，Chi 認為包含了五項特點： 1.不同的動作(distinct actions) 奶油似乎是朝咖啡的方向移動，而咖啡好像並沒有特定的移動方向。 2.序列性的動作(sequential actions) 奶油的流動方向是由高濃度的區域往低濃度的區域移動。 3.相依存的動作(dependent actions) 初始濃度的差異等因素似乎會影響奶油流動的模式。 4.會終止(termination) 當咖啡和奶油兩者混合在一起而達平衡時，這時候奶油似乎就不再流動。 5.目標導向的動作或有意圖性的(goal-directed action or intentionality) 奶油分子似乎需要或想要移往低濃度的區域。. 至於從微觀或分子的層面重新來看待擴散的例子，同樣也包含了五項特點： 1.一致的交互作用(uniform interactions) 咖啡和奶油分子的運動模式並沒有不同，兩者的互動方式是一樣的，都是隨機運動和隨機發生碰撞。 2.同時的交互作用(simultaneous interactions) 所有的動作和交互作用都是同時發生的，並沒有序列性的關係，咖啡分子和奶油分子兩者都是同時隨機運動和發生碰撞。 3.獨立的交互作用(independent interactions) 兩個分子是否發生碰撞完全與其它分子是否發生碰撞毫無關係，換句話說，某個時間點的作用情形是不會受到先前作用的影響。 - 11 -.

(12) 4.連續的交互作用(continuous interactions) 分子的運動和碰撞是不斷發生的，不會有停止的時候，即使達到平衡，咖啡分子和奶油分子仍然不停地發生運動和碰撞。 5.局部和去中心化的交互作用(local and decentralized interactions) 咖啡和奶油的動作是沒有任何目的導向的，它們並不需要相互混合或達到濃度平衡的狀態，它們只是不斷地運動和隨機碰撞。. 表2-1-1 因果過程與突現過程的概念本體屬性(Chi, 2002) 因果過程 1.不同的動作(distinct actions) 2.序列性的動作(sequential actions) 3.相依存的動作(dependent actions) 4.會終止(termination) 5.目標導向的動作或有意圖性的. 突現過程 1.一致的交互作用(uniform interactions) 2.同時的交互作用(simultaneous interactions) 3.獨立的交互作用(independent interactions) 4.連續的交互作用(continuous interactions) 5.局部和去中心化的交互作用. (goal-directed action or intentionality). (local and decentralized interactions). Chi(2002, 2005)以擴散一例來說明學生的迷思概念往往來自於對巨觀層次與微觀層次的不了解，在巨觀層次擴散現象是有方向性的，也就是由濃度高至濃度低，液體濃度與液體的流動似乎存在著因果關係，但在微觀層次而言，其實每一個分子都是相同的，分子持續不停地朝隨機方向運動，分子如此的微觀運動與巨觀上的突現現象是截然不同的，而這就是造成學生迷思概念的來源，因此如果學生無法理解突現現象，便無法理解分子的巨觀現象與微觀運動彼此之間的關係。. 三、概念改變研究對本研究的啟發概念改變研究對本研究的啟發：研究對本研究的啟發：. 從Chi的概念改變理論我們可以得到：有些科學上的概念改變是較容易發生. - 12 -.

(13) 的，因為只牽涉到本體類別內的轉變，至於科學上較為困難的概念改變，其原因在於發生的過程中牽涉到跨本體類別的轉變，因此並非所有的概念改變都是頑強（robust）、不易的。. 另外，化學平衡的概念本體如同擴散一樣，是隸屬於突現本體的部分，如果學生將其錯置於直接本體或因果本體的話，則會發生學習上的困難，而本研究將採用Chi & Rosecoe (2002)的五個突現本體屬性來探討多重表徵的教學方式是否能夠幫助學生習得化學平衡的正確概念本體。. - 13 -.

(14) 第二節心智模式. 一、心智模式的意義與產生心智模式的意義與產生機制產生機制：機制：. 最早提出心智模式的是Kenneth Craik(1943)，他認為人類的心智會對外在真實世界建構一個「比例縮小的模型(small-scale model)」以用來預測或解釋某些事件(引自Gilbert ＆ Boulter, 2000)，因此個體可以經由外在的經驗來建構內在的模式，加上此模式為一動態的表徵，所以個人便可操弄此表徵來進行推理。 Vosniadou & Brewer(1992)也對心智模式提出自己的看法，他們認為心智模式是為了回答問題、解決疑問或是處理某種狀況所產生的一種動態結構，而該結構受限於個體本身所具有的概念結構。. 接下來探討心智模式的產生機制，首先Johnson-Laird(1983；引自邱顯博, 2002)認為：概念的形成是由於對聲音及視覺的知覺，透過次概念階層單元 (subconceptual level unit)的處理而得到，更重要的是，他認為概念與心智模式是直接相關的，但這部分受到很大的爭議，因為概念本身的特質便是具備了高穩定性，因此若是與心智模式直接相關，那麼心智模式也應該同樣具有高度穩定的特質，但事實卻並非如此。. 為了說明心智模式不像概念一樣具有高度穩定的性質，但是心智模式又同時受限於概念影響的現象，Kessler et al.(1999)提出一套不同於Johnson-Laird的新理論，Kessler等人認為：概念確實與心智模式之間具備某種程度的關連性，但彼此並不是直接相關，因為在概念與心智模式之間尚存在一次概念動態單元 (subconceptual dynamics unit)，此單元能夠擷取聲音與視覺的知覺進行處理，來形成新概念，然而心智模式卻會依據情境的不同而有所變化。 - 14 -.

(15) 雖然Johnson-Laird和Kessler對於心智模式產生的機制抱持著不一樣的看法，但是仍然有共同的地方存在，那就是彼此都認同概念是透過聲覺和視覺這兩種感官知覺所產生，而這就是資訊的主要來源。. 在Vosniadou(1992, 1994)的理論中，則是認為心智模式的產生機制牽涉到兩大部分如圖2-2-1所示，首先有一個物質世界的架構理論(framework theory)，而且將它稱為素樸的架構理論(naïve framework)，內容主要源自於兒童早期的日常生活經驗，其中又可細分為認識論和本體論兩個預設(presupposition)，而另外一部份就是特定理論(specific theory)，內容來自於個體的觀察或文化的脈絡，包括一組相關的信念，而架構理論或特殊理論於問題解決情境時可提供心智模式的產生。. 圖2-2-1. Vosniadou的理論架構(1994). Vosniadou進一步以力的主題作為例子，說明擁有力的初始心智模式的孩童，其背後具有的假設性概念結構為何，首先在架構理論中同樣包含了本體論和認識論的預設，本體論的預設為力是物體具備的一項性質，而認識論的預設則有. - 15 -.

(16) 兩項，分別是靜止的物體不會自己移動、靜止的物體會發生移動必有其原因，至於特定理論中在文化脈絡裡所得到的觀察有以下三點：有些物體會反應其受到的外力而發生移動，但有些物體並不會；本身不會動的物體必須要去推它才會使其移動；本身不會動的物體會自己停止移動。而學生此時具有的一組相關信念同樣也有三點，依序為：會反應外力的物體具有重量與力的性質、施加外力會造成靜止的物體移動、本身不會動的物體會自己停止移動是因為施加的外力消失了，如此的假設性概念結構使兒童產生對於力的初始心智模式。. 二、心智模式的分類：心智模式的分類：. 心智模式並不像概念一般具有高度穩定性，是會隨著情境的改變而產生變化，接下來要探討的是 Chi 與 Vosniadou 這兩位學者對於心智模式具有哪些類型所提出的見解。. 首先，Vosniadou 在 1992 年的研究中，由晤談的資料發現孩童對於地球形狀擁有下列六種不同的心智模式，分別為方形、圓盤形、雙地球形、中空形、扁圓形、球形，此外 Vosniadou 更將這六種心智模式進一步加以分成三大類：初始模式、綜合模式和科學模式如圖 2-2-4。. 其中初始模式指的是兒童基於日常生活的觀察而產生的心智模式，方形與圓盤形即為此類；科學模式代表具備科學上正確的觀念，也就是球形模式；至於剩下的三種心智模式是由於學生在學習完科學模式後再融合自己原先想法所衍生出的綜合模式，我們可以發現：概念改變是一種漸進的過程，學生有時候很難從最初的素樸概念經過教學後便直接躍遷到科學概念，往往在這過程中科學概念不是取代了先前的素樸概念，而是這兩種概念同時並存在一起。. - 16 -.

(17) 科學心智模式. 球形. 扁圓形. 綜合心智模式. 中空形. 雙地球. 圓盤形. 初始心智模式. 方形. 圖 2-2-2. Vosniadou(1992)對心智模式的分類看法. Chi 的分類方式則與 Vosniadou 有所區別，Chi & Roscoe(2002)針對以往關於血液循環的心智模式研究作更深入的分析如圖 2-2-5，他們首先根據融貫性與否做第一層的分類，因此得到非融貫/片斷的心智模式和融貫的心智模式，前者表示概念之間是非系統性地連結在一起，而融貫的心智模式又可以再細分為瑕疵的心智模式以及正確的心智模式，其中正確的心智模式代表不僅具有科學上正確的概念，而且這些概念是以系統化的方式加以連結。. - 17 -.

(18) 心智模式心智模式心智模式. 岗. 心智模式. 心智模式圖 2-2-3. Chi & Roscoe(2002)對心智模式的分類看法. 由學生產生的心智模式可以推測出學生所具有的概念結構為何，因此了解學生的心智模式有助於科學教師在介紹複雜系統或抽象科學概念時理解學生的學習困難，並能夠藉此發展出合適的教學模式(邱美虹和翁雪琴, 1995)。. 三、心智模式的功能心智模式的功能：功能：. Vosniadou (1994)的研究主張心智模式是一種特殊的心智表徵，是個體在認知過程中所產生的類比表徵，能夠保存所要表徵事物的結構，此外，心智模式也是動態和衍生性的表徵，可以在心智上操弄來提供外在現象的因果解釋與用來預測事物的狀態，雖然大多數的心智模式是在解決特定問題情境下被當場創造出來，但也有些心智模式是過去證實有用的，被保存在長期記憶中，等到需要時才被提取出來。. Vosniadou (2002)認為心智模式在人類認知過程中有許多不同的功能，其中有三項重要的功能值得討論： 1.心智模式可以幫助建構合理的解釋當人們對外界事物進行推理時，尤其是無法直接從先前儲存的資訊提取或不能 - 18 -.

(19) 輕易從口語資料中獲得答案，這時候心智模式就扮演重要的角色，它可以把內隱的知識外顯化與概念化，例如衍生性的問題是無法根據之前已知的事實或解釋直接得到答案，人們必須建構心智模式來解決手邊的問題。. 2.心智模式可以作為詮釋新資訊和學習之間的調節者 Vosniadou 的研究顯示出孩童對於地球形狀的心智模式會強烈制約他們如何詮釋關於日夜循環的問題，也就是說，心智模式一方面會受制於先前信念和預設的影響，另一方面等到心智模式一旦形成之後，心智模式本身又會制約如何詮釋概念系統中的新資訊。. 3.心智模式可以幫助實驗化與理論修正當人們察覺到內心的想法與外在的資訊有所出入時，往往會藉由建構心智模式來進行實驗以尋求可能的解答，並且修正本身持有的理論架構，讓不一致的部分得以解決。. 四、心智模式研究對本研究的啟發：心智模式研究對本研究的啟發：. Vosniadou(1992)針對學生的口語晤談資料進行分析，得到六種不同地球形狀的心智模式，並且進一步加以分類成初始心智模式、綜合心智模式、科學心智模式等三類，不知道這樣的理論架構應用在化學平衡主題上是否也有相同或相類似的結果呢？如果真的可行的話，具有綜合心智模式的學生究竟對於化學平衡持有怎樣的想法？. - 19 -.

(20) 第三節多重表徵一、表徵的內容：表徵的內容：表徵(representation)指的是人類對周遭事物透過感覺系統形成概念的歷程，因為我們見不到知識結構的內涵，所以只能根據知識呈現在外的形式，即表徵的方式，間接去推論得知(余民寧, 1999)。Kaput(1987, 引自吳明珠, 2004)認為任何一種特定的表徵都要涵蓋下列幾個面向：(1)被呈現的世界(the represented world) (2)所呈現的世界(the representing world) (3)被呈現世界的特定面向(4)被呈現世界和所呈現世界之間的對應等本質。簡單來說，表徵是以不同的符號來重新呈現或再現(re-present)某一件事物。. Boulter ＆ Buckley (2000)主張表徵的方式為描述模型是透過何種媒介呈現出來的，其中表徵的方式主要分為五種－具體的(concrete)、言語的(verbal)、視覺的(visual)、數學的(mathematical)、動作的(gestural)，而且這五種表徵方式可以單獨存在，或是彼此互相搭配以形成混合的(mixed)表徵方式。除了表徵的方式之外，兩位學者還提出三種表徵的屬性，分別為量化或質性、靜態或動態、決定. 質性的. 單一表徵. 表徵的屬性. 的或隨機的，藉由這兩種不同的維度來分類及解釋外顯模型，如圖2-3-1。. 混合表徵量化的. 圖2-3-1. 表徵的方式. Boulter ＆ Buckley(2000)對外顯模型的分類 - 20 -.

(21) 二、多重表徵的內容與功能：多重表徵的內容與功能：. 如果以多種不同的表徵方式來呈現一個相同的概念，例如同時運用文字與圖像時，則可稱為「多重表徵」(Multiple Representation)。多重表徵在概念的學習上是相當重要的，這是因為一個概念基本上都涵蓋了許多的面向，但是單一表徵卻往往只能呈現出概念中的一部分而已，例如圖 2-3-2 為丙烷分子的三種不同表徵，雖然每一種表徵都代表丙烷分子，但是這些不同的表徵背後卻是隱含著不一樣的概念理解，因此透過表徵間的認知連結可創造出比直接加總這些表徵還大的效益，也就是具有一加一大於二的效果(Kaput, 1989, 引自 Ainsworth, 2008)。. 圖 2-3-2 丙烷分子的三種不同表徵(引自 Wu, Krajcik & Soloway, 2001). Ben-Zvi, Eylon & Silberstein(1987, 引自Dori & Hameiri, 2003)發現即使像氫氣燃燒生成水這樣子簡單的反應方程式都包含有許多不同的表徵方式，例如反應物是如何變成產物的、反應物為元素分子、產物為化合物分子、化學鍵的打斷和生成、水分子中氫原子和氧原子之間的關係等等，而且這許許多多的表徵方式，不論是單一的或是多重的，都具有深層的化學本質(Kozma et al., 1996；Kozma, 2000)。 - 21 -.

(22) Ainsworth (1999, 2004, 2006, 2008)將多重表徵的功能分為以下三類：互補角色、限制詮釋、建構深層理解，如圖 2-3-3，其中此處所指的多重表徵皆為外在表徵(Multiple external representations)簡稱 MERs，各細項內容分別說明如下：. (一)互補角色： 1.不同資訊：當單一表徵不足以包含概念的所有面向，此時多重表徵就能夠藉由提供概念的不同面向以發揮互補不同資訊的角色。 2.不同過程：這裡的互補過程指的是對資訊處理能力的互補。例如：示意圖藉由將相關的資訊群組在一起，方便學習者辨識；表格讓訊息變得更清晰，使模式和規律性能夠凸顯出來；方程式則是濃縮呈現出變數之間的量化關係。. (二)限制詮釋： 1.熟悉性限制：使用熟悉的表徵來幫助詮釋不熟悉的表徵，如此以達到制約的成效，例如：簡單的動畫表徵可以用來幫助詮釋像圖表這類較為複雜難懂的表徵。 2.內在特質限制：利用表徵本身所具備的內在特性也可以達到制約的效果，例如：一般來說，圖像表徵比起文字表徵較為特定化，所以當兩者一起呈現時，文字中模糊不清的部分便會受到圖像的制約，因此有助於將事物加以外顯。. - 22 -.

(23) (三)建構深層理解： 1.抽象化：抽象化的過程指的是學習者能夠自行創造出一個心智實體來作為高層次概念的基礎。 2.延伸化：延伸化可以視為學習者從已知表徵到未知表徵之間的知識轉移方式，但這過程中並不需要知識的根本重新組織。 3.關連化：關連化代表的是兩個表徵之間的連結過程，同樣地這個過程也不需要牽涉到知識的重組。. 多重表徵的功能. 互補角色. 不同過程. 不同資訊. 限制詮釋. 熟悉性限制. 內在特質限制. 建構深層理解. 抽象化. 延伸化. 關連化. 圖 2-3-3 多重表徵的功能(Ainsworth, 1999, 2006, 2008). 三、化學上的多重表徵化學上的多重表徵：上的多重表徵：. Johnstone (1993)提出在學習化學上有三種層次的表徵：巨觀表徵 (macroscopic representation)、微觀表徵(microscopic representation)、符號表徵 - 23 -.

(24) (symbolic representation)。巨觀表徵為可觀察可感官的化學現象，例如看見食鹽溶解於水中、聞到臭味等等；微觀表徵則是牽涉粒子層級的部分，例如食鹽溶解在水中時離子晶格被水分子破壞的情形；而符號表徵就是以化學式和方程式的角＋. －. 度來表示物質的變化，例如NaCl(S) → Na(aq) ＋ Cl(aq) 。. Wu, Krajcik & Soloway (2001)發現學生在學習化學表徵時會遇到的三種困難，首先是面對化學符號或公式時，無法適當地解釋表徵的化學意義，或許能描述出這些物質巨觀的物理性質，但卻無法正確地使用微觀的原子或分子模型來解釋一些物理現象；其次是無法針對一個特定的表徵舉出相對應的表徵，也就是表徵與表徵之間無法順利轉換，因為要在表徵之間做轉換是需要了解隱藏在表徵背後的深層概念；最後是學生無法在二維和三維之間做心智轉換，對於從二維結構的角度來想像出分子的空間結構，學生在這樣的的過程中會出現困難。. Johnstone (1991)認為儘管學生確實對於從一種表徵轉換到另一種表徵感到困難，但是教師在這些表徵的轉換部分著墨並不多，因此科學教師應該強調這三種表徵的存在和它們之間的連結使學生能夠易於轉換表徵。. 學生在學習化學平衡的單元，往往只觀察到巨觀的表面特徵，例如，當顏色不再發生變化時，以為達平衡即表示反應停止，有鑑於此，Kozma等人(Kozma, Russell, Jones, Marx, & Davis, 1996 ; Kozma, 2000)提出Multi Media and Mental Models(簡稱為4M：Chem)軟體來提升學生對於化學平衡的理解，此軟體設計的原則就是提供二氧化氮氣體分子發生雙聚合反應的多種不同表徵方式，包括有化學方程式、反應的影片、分子層級的動畫、動態的圖像、吸收光譜的呈現與表格資料，軟體的介面如圖2-3-4。. - 24 -.

(25) 圖 2-3-4. 4M：Chem 軟體的介面. 四、多重表徵研究對本研究的啟發：多重表徵研究對本研究的啟發：. Johnstone (1993)提出學習化學有三種表徵：巨觀表徵、微觀表徵、符號表徵，而且化學平衡在巨觀與微觀角度上的差異是造成學生學習困難的主要原因，加上每一種單一的表徵方式都有其侷限性，因此本研究決定採用 Kozma 等人(Kozma, Russell, Jones, Marx, & Davis, 1996 ; Kozma, 2000)的多重表徵策略來進行化學平衡單元的教學。. 另外，Ainsworth (1999, 2004, 2006, 2008)將多重表徵的功能分為以下三類：互補角色、限制詮釋、建構深層理解，本研究希望透過實施多重表徵教學來驗證多重表徵是否誠如 Ainsworth 所說的，確實能夠幫助學生對於化學平衡主題建構出更深一層的理解。. - 25 -.

(26) 第四節化學平衡. Finley et al.(1982)透過發展相關的問卷讓自然領域的各科教師作答，每個科目都有一百位教師的樣本人數，請這些教師排列出自己任教的科目中學生學習上困難的單元有哪些，化學科教師選出學生感到困難的單元有化學平衡、莫耳、氧化還原、化學計量反應，其中化學平衡是被列為學生最難理解的單元。. 一、化學平衡文獻回顧化學平衡文獻回顧：平衡文獻回顧：. 究竟學生在學習化學平衡的單元會遇到什麼困難或是產生怎樣的迷思概念，我們接下來透過下列相關的重要研究文獻來加以了解。. Johnstone, MacDonald & Webb(1977)利用23題選擇題的測驗方式來研究255 位學生所具有的迷思概念，結果發現學生會有以下的迷思概念：會有左右兩邊的想法，也就是認為化學平衡方程式的兩邊是不相關聯的個體、對於逆向箭頭的詮釋有誤，方程式中正向和逆向箭頭的長度不一樣時，學生會認為達平衡時，箭頭較長的代表該方向的反應速率較快、催化劑可使化學平衡發生移動或催化劑可提高生成物的產量、運用勒沙特列原理來說明平衡被破壞後的情形、無法區別分子的動能與位能差異。. Wheeler & Kass(1978)對四班共99位的高三學生施測，發現學生具有六項主要的迷思概念：未能區分質量和濃度的概念、不明白反應快慢與進行程度的差別、不清楚平衡常數在何種條件下會保持不變、將勒沙特列原理誤用在不合宜的情況下、無法察覺在特定的化學反應中，哪些特定的物種會保持一定濃度、未能考慮化學系統中所有可能影響平衡條件的因素。 - 26 -.

(27) Hackling & Garnett(1985)用半結構式晤談法研究30位高三學生，結果發現學生擁有下列另有概念：反應物混合後，正反應速率會隨時間增加至平衡建立、平衡時，若狀態改變，當其它反應速率降低時，正反應速率會增加、也有人認為達平衡時，生成物濃度等於反應物濃度，另外高中生無法區分反應速率和反應程度的差別。. Gussarsky & Gorodetsky(1986)運用三種評量方式：學校成就測驗、迷思概念測驗、概念自由分類法來對應出受測學生認知結構的連結情形，結果發現由於學生無法看到發生在原子和分子之間的微觀過程，而且化學平衡又是屬於微觀的動力學，但我們只能看到它巨觀的部分，因此學生才會產生許多的迷思概念。. Ben-Zvi, Eylon & Silberstein(1987)的研究發現 337 位國三的學生對於化學反應的結構與本質持有迷思概念，他們無法想像反應過程中牽涉到化學鍵的斷裂與生成，只是單純地認為反應物混在一起後就會得到產物。. Camacho & Good(1989)分析專家與生手在解決化學平衡問題時的行為差異，結果指出成功解題者對問題細心分析、推理，使用相關的理論和概念來判斷答案，且答案和理由達一致性。. Bergquist & Heikkinen(1990)利用選擇題、填充題、與畫圖題，搭配放聲思考及晤談法來研究23位大學生，發現大學生會把數量和濃度、莫耳數和莫耳濃度的觀念混淆，而且學生會認為平衡反應會如同鐘擺一般振盪，最後日常用語與科學術語的不同也是造成學生迷思概念的來源。. Gussarsky & Gorodetsky(1990)利用文字聯想測驗研究309位17-18歲的高中生，結果發現學生無法意識到化學平衡反應的動態本質、會用物理學上的靜平衡 - 27 -.

(28) 來看待化學平衡。. Banerjee(1991)使用紙筆測驗及晤談方式，研究162名大學生及69位學校老師，結果發現受試者有勒沙特列原理誤用及誤解的情形，因此造成誤判平衡移動的方向。其中35％學生與49％老師認為：溫度降低放熱反應中的正反應速率會增加、平衡常數愈大代表反應速率愈快。. Boujaoude & Saouma(1993)使用紙筆測驗針對189位大學生進行施測，研究發現有些人認為達到化學平衡時，生成物的濃度會等於反應物的濃度。. Huddle & Pillay(1996)整理歸納出文獻中最常見的迷思概念： 1.反應物混合後，正反應速率會隨時間增加至平衡建立。 2.平衡時，若狀態改變，正反應速率增加，逆反應速率則下降。 3.平衡時反應物與生成物濃度相等。 4.無法區分完全反應與可逆反應的不同。 5.認為正反應會在逆反應開始前結束。 6.混淆反應速率與反應進行程度。 7.莫耳數與莫耳濃度混淆不清。 8.平衡有如鐘擺會有振盪現象，而且勒沙特列原理強化此迷思概念。 9.缺乏化學平衡的動態本質。 10.將反應方程式的箭頭長度與反應速率劃上等號。 11.教師日常用語促使學生認為化學平衡是分屬二邊且靜態的現象。. Tyson, Treagust & Bucat(1999)發展二階段試題來探究學生的理解情況，結果發現學生無法區別物理系統與化學系統兩者達平衡時的差異何在。. - 28 -.

(29) Chiu, Chou & Liu(2002)藉由認知師徒制的方式檢視高一20位多重表徵教學組學生如何學習與建構化學平衡的心智模式，而施行傳統教學對照組的學生則有 10位，結果發現多重表徵教學組學生的表現遠優於對照組部分，而且多重表徵教學組學生能夠建構出化學平衡的正確心智模式，包括分子的動態、隨機特性還有微觀世界中分子間的互動情形。. Van Driel et al.(2002)利用介紹化學平衡來挑戰中學生對於化學反應的最初概念，實證研究結果顯示學生必須在以下三個概念上做改變，分別是可逆性、不完全轉換、平衡的動態本質，如此才能真正了解化學平衡的概念。. 陳婉茹(2004)選擇溶解平衡、化學平衡、相平衡作為教學主題，以對照組、類比組、以及動態類比組進行教學研究，結果發現學生在動態平衡單元中的四種主要心智模式分別為：雙向心智模式、單向-雙向心智模式、單向心智模式、靜止模式，而在概念本體上的表現，類比組與動態類比組的成效相近，但就概念完整性而言，動態類比組表現較優，因此動態類比的教學方式可以幫助學生學習動態平衡的概念。. Ozmen(2007)透過概念改變文本的教學來改進學生對於化學平衡的迷思概念，全部共有 78 位十年級的學生參與準實驗研究，其中多重表徵教學組有 38 名學生進行此文本教學，而對照組則有 40 名學生進行傳統教學，結果顯示多重表徵教學組學生的表現遠優於對照組學生，而且迷思概念減少的情形也叫對照組來的顯著。. Doymus(2008)以拼圖法來教導化學平衡的概念，試圖探究大一普化課的學生對於化學平衡的理解情況，結果顯示合作學習小組的學生學習表現比個別學習小組的學生來得高。 - 29 -.

(30) Cheung(2009)發展三題化學平衡的迷思概念問卷藉此評量香港中學教師是否瞭解勒沙特列原理不足的地方，結果發現 33 位教師中答對這三題的人數分別只有 3、4、2 位，顯示多數教師過度依賴勒沙特列原理中抑制變化的邏輯觀點，而未能利用平衡定律式、反應熵等來預測破壞化學平衡後反應究竟會向哪邊進行，因此香港中等教師也會有誤用勒沙特列原理的情況發生。. 表 2-4-1 為以上眾學者提出關於化學平衡迷思概念的彙整資料。. 表 2-4-1. 化學平衡迷思概念. 迷思概念. 出處. 1.無法區別質量、莫耳數、莫耳濃度的差異 Wheeler & Kass(1978) Bergquist & Heikkinen(1990) 2.誤用勒沙特列原理. Johnstone, MacDonald & Webb(1977) Wheeler & Kass(1978) Banerjee(1991) Cheung(2009). 3.達平衡時，反應物與產物濃度必相等. Hackling & Garnett(1985) Boujaoude & Saouma(1993) 陳婉茹(2004) Ozmen(2007). 4.正逆反應速率與化學平衡之間的關係. Hackling & Garnett(1985). 5.對催化劑的作用不清楚. Johnstone, MacDonald & Webb(1977). 6.不能區分反應速率與反應程度的差別. Wheeler & Kass(1978) Hackling & Garnett(1985) Banerjee(1991). - 30 -.

(31) 7.不瞭解化學平衡的微觀機制或動態本質. Gussarsky & Gorodetsky(1986) Ben-Zvi, Eylon & Silberstein(1987) Gussarsky & Gorodetsky(1990) Tyson, Treagust & Bucat(1999) Chiu, Chou & Liu(2002) Van Driel et al.(2002) Doymus(2008). 8.對語言或科學術語造成的誤解. Bergquist & Heikkinen(1990). 9.以為平衡反應有如鐘擺一般振盪. Bergquist & Heikkinen(1990). 10.反應物與產物為獨立的個體. Johnstone, MacDonald & Webb(1977) 陳婉茹(2004). 11.認為可逆反應會結束. Wheeler & Kass(1978) Chiu, Chou & Liu(2002) Van Driel et al.(2002) Ozmen(2007). 二、化學平衡研究對本研究的啟發化學平衡研究對本研究的啟發：衡研究對本研究的啟發：. 研究文獻顯示出學生對於化學平衡單元確實具有相當多的迷思概念，而本研究將挑選表 2-4-1 中的部分迷思概念並整理成概念問卷中的命題陳述，期望學生透過多重表徵教學後，能夠破除他們對於化學平衡的迷思概念。. - 31 -.

(32) - 32 -.

(33) 第參章研究方法本章共分為六節，第一節為研究設計，說明設計本研究的理由與原因為何；第二節為研究對象，在於介紹本研究中多重表徵教學組和對照組的學生來源與背景；第三節是教材設計，重點在交代教材的發展過程與內容依據；到了第四節的研究工具，包括研究中會使用到的各種問卷以及晤談時的問題；至於第五節的研究流程，則是指出整個研究的程序與經過；最後第六節的資料處理和分析，就是將研究中所收集到的質性與量化資料進行分析。. 第一節研究設計. 本研究以『化學平衡』做為研究概念的主題與範圍，探究概念本體、心智模式和情意等不同面向與學習之間的關係。此外，希望利用多重表徵的方式來引發產生概念改變，並且探討學生概念本體與心智模式之間的情形。. 關於多重表徵教學組和對照組的設計如圖 3-1-1，兩組在教學前進行前測和教學前晤談，再來進入教學的階段，兩組的教學時間都是維持五節課的長度，課程完畢後，兩組分別進行後測與教學後晤談，再經過一週的時間，兩組進入延宕測驗和教學後晤談 2 的階段。教學前晤談多重表徵. 前測. 教學後晤談多重表徵組（五節課）. 教學後晤談 2. 後測. 延宕測驗. 後測. 延宕測驗. 教學組對照組. 前測. 對照組圖 3-1-1. （五節課）. 多重表徵教學組和對照組的設計 - 33 -.

(34) 整個研究的架構如圖 3-1-2，多重表徵組與對照組重複的內容如圖中灰階所示，有文本教學與實驗活動的部分，此外，多重表徵組還增加角色扮演、動畫呈現、模型操作、軟體模擬的設計，至於兩組共同的研究工具有晤談問卷、概念問卷以及本體問卷，而多重表徵組在教學完畢後，該組學生會填寫學習情意問卷來了解多重表徵教學對學生學習情意面向的影響。. 研究設計. 教學設計. 研究工具. 多重表徵組. 質性. 對照組. 量化. 晤談. 概念. 本體. 情意. 文本. 實驗. 角色. 動畫. 模型. 軟體. 文本. 實驗. 試題. 試題. 試題. 態度. 教學. 活動. 扮演. 呈現. 操作. 模擬. 教學. 活動. 問卷. 問卷. 問卷. 問卷. 圖 3-1-2. 研究的架構. - 34 -.

(35) 第二節研究對象. 本研究之研究對象共分為三類，第一類是預試對象，第二類是正式施測對象，至於第三類則是晤談對象，分別說明如下：. 一、預試對象：預試對象：. 研究對象為台北市某公立學校高一學生二班，此階段的研究工具和正式施測時的研究工具相同，透過預試的過程來修正題目，以做為正式施測時所使用的研究工具。. 至於預試的學生為何並非是國二的學生呢？正式研究是以國二的學生當作受試者，然而化學平衡的內容是安排在國中二年級下學期的課程中，所以當本研究進行預試時，國二學生還沒學習到相關單元，因此無法安排國二學生做為預試階段的對象。. 此外，為何排除國三學生的部分呢？因為國三學生的課業壓力較為繁重，國中基測已佔據他們大部分的時間，而且自習課大多事先排定不同科目的複習試卷了，因此在商借班級上會有一定的難度，這就是我們為何沒有選擇國三學生當作預試對象的原因了。. 最後研究的預試對象是台北市某公立學校高一學生二班，因為高一學生的認知程度是最接近國中階段程度的，所以藉由高一學生的表現來推知國二學生的作答情形，選擇高一學生的用意是希望了解本測驗試卷的信度。. - 35 -.

(36) 二、正式對象：正式對象：. 正式施測的學生為台北市某公立國中八年級二個班的學生，其中一班進行多重表徵教學當作多重表徵教學組，而另外一班則是進行傳統教學以作為對照組，兩個班級的學生人數如表 3-2-1。. 表 3-2-1. 本研究參與對象人數分佈. 組別. 人數. 男. 女. 多重表徵組. 32. 13. 19. 對照組. 29. 13. 16. 三、晤談對象：晤談對象：. 至於晤談對象則是由正式施測對象的兩組學生中，根據學生在前測階段作答概念問卷的結果，以不同的心智模式類型來選出每班各 6 名學生，其中男生和女生的比例各佔一半，這些學生分別在前測、後測和延宕測驗之後進行共三次半結構式的晤談，每人每次晤談時間大約 15 分鐘左右，藉此收集學生化學平衡的質性資料。. - 36 -.

(37) 第三節教學與教材設計. 對照組的教材設計就是文本教學配合實驗活動，也就是依據八年級下學期自然與生活科技課本的化學平衡單元進行傳統教學，教師利用板書逐一介紹教材中的內容，至於實驗活動則是八年級下學期自然與生活科技課本中在此單元主題所安排的實驗內容。. 多重表徵組的教材包括以下部分：電子化投影片教學(powerpoint 教學)、電腦模擬軟體、親自動手實驗、粒子模型操作、角色扮演等，詳細內容分別說明於以下各段。. powerpoint 教學的投影片主題涵蓋了可逆反應與化學平衡單元，屬於國二下學期階段或九年一貫的八年級下學期階段的課程，相關的主要概念有可逆反應、動態平衡、勒沙特列原理等，希望學生達到的學習目標有下列幾點：了解可逆反應的意義與特性、明白動態平衡的本質與特徵、清楚化學平衡的現象與意義、能夠利用勒沙特列原理判斷平衡破壞後反應進行的方向。. Kozma(1996) 在「使用多重、連結表徵以促進科學理解」的文章中提到： MultiMedia and Mental Models(簡稱為 4M：Chem)軟體有助於提升學生對於化學平衡的理解，而此軟體設計的原則就是提供二氧化氮氣體分子發生雙聚合反應的多種不同表徵方式，因此研究者自行設計的 powerpoint 教學投影片有融入此原則，重新安排四種不同表徵方式來詮釋二氧化氮氣體分子發生雙聚合的反應，這四種表徵方式包括達平衡時的顏色狀態、模擬氣體分子的運動狀態、反應速率與時間變化的關係、物質濃度與時間變化的關係(詳見圖 3-3-1)。. - 37 -.

(38) 圖 3-3-1 化學平衡的四種不同表徵方式. - 38 -.

(39) 至於電腦模擬軟體則是利用以下網站 http://chemconnections.org/Java/equilibrium/index.html(2009/05)提供的 Java 動畫做為教材，學生可以透過這個動畫(圖 3-3-2)了解化學平衡的微觀現象、化學平衡與反應的起始方向無關、在達到平衡的過程中，物質是不完全反應的，只會進行部分反應等概念。. 圖 3-3-2. 電腦模擬軟體的介面展示. 關於學生親自動手實驗部分就是請學生事先在保特瓶內裝一部份的水再將瓶蓋轉緊，隔天後觀察保特瓶內的變化，學生會看到有水凝結在瓶身部分，這是屬於巨觀的部分。接下來進行另外一個類似原理的實驗，將樟腦丸置於加熱板上加熱，上方準備裝有冰塊的燒瓶，讓昇華後的樟腦丸蒸氣受冷發生凝華的現象，藉此觀察樟腦丸昇華以及凝華的可逆反應，這也是屬於巨觀層面的部分，實驗畫面如圖 3-3-3 所示。. - 39 -.

(40) 圖 3-3-3 實驗的巨觀現象(熱化學之可逆反應的影像畫面, 宇勗有限公司, 2000). 再來是以分子層面的微觀方式說明可逆反應的現象，透過電子化投影片中的動畫模擬讓學生清楚液態變成氣態的蒸發過程是如何發生的以及動態平衡的雙向反應機制為何，動畫的擷取畫面如圖 3-3-4。. 圖 3-3-4. 以粒子觀點解釋液體蒸發的過程. (熱化學之可逆反應的影像畫面, 宇勗有限公司, 2000) - 40 -.

(41) 粒子模型操作的單元，研究者事先準備白色和橘色兩種顏色的乒乓球(如圖 3-3-5)，讓學生實際動手操作來模擬氫分子與碘分子反應成碘化氫分子的過程，反應式如右：H2 ＋I2. 2HI，每個乒乓球都黏有魔鬼沾，所以學生一開始必須. 將代表氫分子的兩個白色乒乓球拆開，再把代表碘分子的兩個橘色乒乓球拆開，接下來將一白一橘的乒乓球黏合在一起表示生成碘化氫，透過這樣子的過程讓學生明白化學可逆反應中分解與化合的機制，並且能夠表達出當達到化學平衡時整個反應中各物質濃度隨時間變化的關係圖，本活動設計的理念是希望學生可以用分子層面的角度來了解化學平衡的動態關係。. 圖 3-3-5. 粒子模型操作單元的教具展示. 學生角色模擬的活動是將粒子模型操作單元中的白色乒乓球和橘色乒乓球分別以男生和女生進行取代，利用兩個男生牽手來類比氫分子，兩個女生牽手來類比碘分子，當代表氫分子的兩個男生和代表碘分子的兩個女生同時將手放開，而男女生牽手的情況表示生成碘化氫，當然也可以藉由男女生之間不同的組合方式說明發生逆反應的過程，同樣希望透過這樣子的過程讓學生明白化學可逆反應中分解與化合的機制。. - 41 -.

(42) 第四節研究工具. 本研究所使用的研究工具分為量化及質性兩大部分：量化工具包含化學平衡概念問卷、粒子本體問卷、情意學習問卷等，質性工具則有晤談問卷，量化工具的設計要點如表3-4-1。. 表 3-4-1 研究工具. 化學平衡. 量化研究工具的設計要點. 設計重點. 內容. 使用目的. 情境/非情境. 涵蓋國中理化課程. 巨觀/微觀. 的化學平衡單元相. 測、後測和延宕測驗. 關概念. 的作答情形. 概念問卷 (參見附錄一). 1.比較兩組學生在前. 2.探討心智模式的類型分布與演變途徑. 粒子本體問卷. 單選題型式，共有. 涵蓋五個突現本體. 三個平行題，每題. 屬性：一致性、隨機. 具備突現本體屬性的. 包含五小題. 性、持續性、同時. 百分比。. 性、非目的性. (參見附錄二). 1.比較不同階段下，兩組. 2.利用皮爾遜相關檢定來進行概念問卷與本體問卷間的學習成就相關分析. 學習態度量表、. 探討不同教學法. 1.瞭解多重表徵教學對. 學習情意問卷. 複選的問題、. 對於增進概念理. 學生學習情意面向的. (參見附錄三). 開放式問題. 解、提升學習興. 影響. 趣、造成學習負擔的想法有何不同. - 42 -. 2.作為改進教學設計的依據.

(43) 一、化學平衡概念問卷：化學平衡概念問卷：. 試題由兩位具備化學、科學教育相關背景的大學教授擔任專家審查，就題目內容的適當性、語句的合宜性、學科概念上，進行多次的修正，如此以建立專家效度，預試的對象為81名台北市某公立高中的兩組高一學生，問卷試題的信度為 Cronbach Alpha值等於0.78，因此以預試階段的研究工具做為正式施測的研究工具，而且前測、後測、延宕測驗都使用這一份試卷，以比較教學前後與延宕時的學生作答情形，關於問卷試題的雙向細目表請參照表3-4-2。. 表 3-4-2. 問卷試題的雙向細目表. 命題陳述. 對應題號. 1.化學平衡可由正反應或逆反應任一方開始而達成，即平衡的達 1-1, 成與反應方向無關。 2.化學平衡為一可逆反應，正反應與逆反應同時發生，而且反應 1-2,1-5,2-2, 2-4, 物與生成物同時存在於系統中。 3.化學平衡達成時，物質的濃度會維持不變，但反應物與生成物 1-3,1-4, 的濃度不一定相等。 4.達到化學平衡的過程中，物質是不完全反應的，即只會進行部 2-1,3-1,3-2 分反應。 5.化學平衡被破壞時，反應會朝向抑制破壞因素的一方前進，即 2-3,3-3,3-4 遵守勒沙特列原理。 6.化學平衡被破壞時，儘管氣體莫耳數減少但在體積同時縮小的 2-5, 因素下，氣體的濃度依然會變大。. - 43 -.

(44) 二、粒子本體問卷：粒子本體問卷：. Chi 等人(Chi, 1997 ; Ferrari & Chi, 1998 ; Chi & Roscoe, 2002 ; Chi, 2005) 認為有些科學概念為何會頑強(robust)、不易消失，是因為原本隸屬於突現因果過程類別的概念被誤以為是歸屬於直接因果過程類別的概念，也就是發生了概念錯置的現象，剛好化學平衡這個單元的粒子運動本質就是屬於這樣的例子，因此研究者參照相關研究的問卷工具(陳婉茹,2004；陳盈吉,2004)，並進行改編以發展出適合本研究的粒子本體問卷，至於問卷中涵蓋的突現屬性及對應的試題內容見表 3-4-3。. 表 3-4-3 突現屬性. 突現屬性及對應的試題內容對應的試題內容. 一致性. 所有的所有 NO2 氣體都有可能曾經結合成 N2O4 氣體. 隨機性. 哪二個 NO2 氣體會結合成 N2O4 氣體是無法推測出來無法推測出來的無法推測出來. 持續性. NO2 氣體會結合成 N2O4 氣體的這種情形是不會停止不會停止的不會停止. 同時性. 有 NO2 氣體結合成 N2O4 氣體，同時同時也有 N2O4 氣體分解為 NO2 同時. 非目的性. 有 NO2 氣體結合成 N2O4 氣體後，也會有 N2O4 氣體分解為 NO2 氣體，結果恰好結果恰好能達到化學平衡結果恰好. - 44 -.

(45) 三、學習情意問卷：學習情意問卷：. 學習情意問卷改編自相關研究之情意面向問卷(邱顯博, 2002；鍾曉蘭,2007)，研究者希望藉由問卷來瞭解多重表徵教學對學生學習情意面向的影響，問卷內容分為學習態度量表(李克氏量表，相關的雙向細目表如表3-4-4)、一題可複選的問題、三題開放式問題。. 複選問題的主要內容為「如果可以選擇，你喜歡老師運用何種教學方式？」，研究者藉此複選題的問題來瞭解哪些教學策略是學生希望未來能夠持續使用的，以作為將來設計教學活動的依據。. 問卷中針對多重表徵教學組學生對於多重表徵教學的看法設計了三題開放式問題：其一為你覺得本次教學最有趣的單元/部分為何呢？其二為你對於本次教學印象最深刻的單元/部分為何呢？其三為你覺得本次教學需要改進的單元/部分為何呢？並進一步請學生說明簡單的理由。研究者藉著開放式的回答來瞭解學生對於多重表徵教學中覺得有趣及印象深刻的教學活動的進一步想法，以及學生對於多重表徵教學中需要改進的部分，藉此修正教學活動的設計。. 表3-4-4. 學習態度量表問題內容與相關題號的雙向細目表問題內容. 相關題號. 教學策略對於增進概念理解的影響. 1,4,7,10,13,16. 教學策略對於提升學習興趣的影響. 2,5,8,11,14,17. 教學策略對於造成學習負擔的影響. 3,6,9,12,15,18. - 45 -.

(46) 四、晤談問卷：晤談問卷：. 晤談方式採半結構式，分為教學前、教學後及教學後二次晤談，每位學生每次晤談約15分鐘左右，每位學生根據晤談問卷內容以及他/她在概念問卷中的作答情形進行晤談，主要探究學生對於化學平衡的看法為何，請學生就問題的巨觀面向與微觀面向分別描述可能的情形，藉此了解學生對於巨觀、微觀世界的連結情況，在晤談的過程中進行錄音，事後針對學生的口語資料進行分析，關於晤談問題設計如表3-4-5。表 3-4-5. 晤談問卷內容. 1. 分別將碳酸鈣和稀鹽酸一起放入底下的左右兩個錐形瓶中，請說明你覺得 . 會發生何種情形？. . 2. 有一反應方程式為 CO(g)＋NO2(g). CO2(g)＋NO(g)，. . 而此四種氣體只有 NO2 為紅棕色，其它三種氣體都是無色，現在於密閉的. . 透明容器中加入 CO 和 NO2 氣體，請 . 碳酸鈣和稀鹽酸的反應為何？當氣泡不再生成時，兩邊所觀察到的現象為何？氣泡不再生成時，是否代表反應停止？左邊錐形瓶的橡皮塞具有何功用？那邊會發生可逆反應？有何不同？如果把左邊的橡皮塞拿起來會如何？經過一長時間後，容器內部的顏色會如何？請畫出此時容器內存在的物質有哪些？若當初 CO 中的氧原子具有放射性，結果會如何？有哪些取法可以達到本反應的化學平衡？. 說明你覺得會發生何種情形？. - 46 -.

(47) 第五節研究流程. 本研究流程共分為三個階段，如表3-5-1。. 第一階段－「第一階段－「準備階段－「準備階段」準備階段」：. 首先，先確立研究的基本方向，經過文獻探討與形成研究問題後，開始進行研究設計，接下來是發展研究工具，並且完成工具的信、效度分析。. 第二階段－「第二階段－「正式階段－「正式階段」正式階段」：. 包含了整個的教學過程，教學前先進行前測，由前測的成績確定晤談對象，接下來開始進行課程教學，在五節課的教學後，進行後測以及後測晤談，確定晤談學生於教學後概念改變的情形，兩組學生在一個星期後進行延宕測驗，以檢核學生概念迴歸的情形，其中每一次的測驗包含了概念問卷和本體問卷，而多重表徵教學組也就是多重表徵組的學生在後測中還納入情意問卷的部分。. 第三階段－「第三階段－「分析－「分析階段分析階段」階段」：. 進行逐字稿的謄錄，與量化資料和質性資料的整理分析。. - 47 -.

(48) 確定研究方向. 準備階段. 形成研究問題. 文獻探討. 研究設計. 教學教材設計. 發展研究工具. 正式階段. 教學. 教學. 教學. 教學. 分析階段研究. 成圖 3-5-1. 文研究流程圖. - 48 -.

(49) 第六節資料處理與分析. 一、化學平衡概念問卷：化學平衡概念問卷：. （一）答對率：答對率：. 1. 將學生答對的題數，除以總題數，即可得到答對率。若計算所有題目的答對率，則為總答對率，如果只計算某個單元的答對率，則是該單元的答對率。. 2. 利用 spss 進行成對t考驗，比較每一組學生前測、後測與延宕測驗之間是否有進步的關係。. 3. 利用 spss 進行獨立樣本t考驗，比較多重表徵教學組與對照組兩組的前測是否達顯著差異。. 4. 利用 spss 進行共變數分析，比較多重表徵教學組與對照組兩組的後測、延宕測驗與前測相比較是否有顯著進步。. （二）心智模式類型：心智模式類型：. 本研究問卷在同一題目情境下會有幾個相關的小問題組成，因此，利用學生作答的結果將學生歸類到適當的心智模式類型，其中這 12 種心智模式又可以區分為兩大類，按照反應方向性的判準有靜止模式、單向模式、雙向固定起始模式 1、雙向固定起始模式 2、雙向固定起始模式 3、雙向任意起始模式等六種；以微 - 49 -.

(50) 觀機制的角度則有現象表面模式、完全反應模式、等濃度模式、分散模式、移動方向模式、正確科學模式等六種，關於題號、選項與心智模式的對應，如表 3-6-1。. 表 3-6-1. 概念問卷題號與心智模式對應表. 反應方向微觀機制. 心智模式類型. 對應題號. 靜止模式. 1-2(A),1-5(A),2-4(A),. 單向模式. 1-2(B 或 C 或 D),1-5(B),2-4(B 或 C). 雙向固定起始模式 1. 1-1(A),1-2(E),2-4(D). 雙向固定起始模式 2. 1-1(B),1-2(E),2-4(D). 雙向固定起始模式 3. 1-1(C),1-2(E),2-4(D). 雙向任意起始模式. 1-1(D),1-2(E),2-4(D). 現象表面模式. 2-1(A),2-2(A),3-1(A). 完全反應模式. 2-1(C),3-2(C),3-3(B). 等濃度模式. 1-3(B),1-4(B). 分散模式. 1-5(D),2-2(D),3-1(D). 移動方向模式. 2-3(A),2-5(A),3-2(A). 正確科學模式. 1-4(D),1-5(C),2-1(B),2-2(C),3-1(C),. - 50 -.

(51) 二、粒子本體問卷：粒子本體問卷：. 1. 首先計算答對率，就是將學生答對的題數除以總題數，即可得到答對率。. 2. 利用 spss 進行成對t考驗，比較每一組學生前測、後測與延宕測驗之間是否有進步的關係。. 3. 利用 spss 進行獨立樣本t考驗，比較多重表徵教學組與對照組兩組的前測是否達顯著差異。. 4. 利用 spss 進行共變數分析，比較多重表徵教學組與對照組兩組的後測、延宕測驗與前測相比較是否有顯著進步。. 5. 分析在前測、後測與延宕測驗不同階段下，兩組學生具備單一突現本體屬性的人數百分比。. 6. 利用皮爾遜相關檢定來進行概念問卷與本體問卷間的學習成就相關分析。. - 51 -.

(52) 三、晤談問卷：晤談問卷：. 將 12 位標的學生的晤談資料經由編碼，以試圖了解學生對於化學平衡的心智模式，由研究者與施測學校的一位國中理化教師共同擔任評分者進行編碼，來檢視多重表徵教學組標的學生、對照組標的學生在每次晤談過程中對於化學平衡單元所具有的心智模式類型，以做為判斷學生心智模式類型的質性資料。. 由於這 12 位標的學生的晤談內容包含晤談問卷以及部分的概念問卷，為何要晤談部分的概念問卷，主要是因為有些學生當時作答的情況無法直接判斷其心智模式，希望藉由進一步的晤談瞭解其心中的想法，因此每位晤談學生究竟會被問到多少概念問卷內容的比例是因人而異的，但是晤談問卷是每位標的學生共同有的部分，所以針對這個部分進行評分者信度，計算方式為分子代表研究者與施測學校的一位國中理化教師兩人評為相同模式的次數，分母則為 12 × 5，因為整份晤談問卷內容包含了五種心智模式類型，公式如下所示，最後評分者信度達 85％。評為相同模式的次數評分者信度＝. × 100％ 12 × 5. 四、情意問卷：情意問卷：. 本問卷採用的是李克氏量表的五等第──非常同意、同意、普通、不同意、非常不同意，非常同意給予二分、同意給予一分、普通為零分、不同意為－1分、非常不同意為－2分，問卷以量化的方式統計，開放式的部分則進行意見統計與分析整理，作為改進教學及教材的意見。 - 52 -.

(53) 第肆章研究結果與討論第一節進行概念問卷的分析；第二節進行粒子本體問卷的分析；第三節呈現心智模式的分析資料；第四節為探討情意學習的面向。. 第一節概念學習的比較分析. 一、兩組學生前測成績之分析. 參與研究的兩組學生事先都沒有學習過關於化學平衡的任何相關單元，透過兩組學生對於前測概念問卷的作答情形，可以推估化學平衡主題單元對於學生學習理解的難易程度。. 圖 4-1-1 顯示出兩組的概念問卷前測答對率，我們可以發現多重表徵教學組和對照組兩組的答對率分別為 33.50％和 31.59％，兩組前測答對率的平均都只有三成左右而已。答對率(%). 100 80 60 40. 33.5. 31.59. 實驗組. 對照組. 20 0. 圖 4-1-1. 兩組的概念問卷前測答對率. - 53 -.

(54) 接下來對於兩組的前測平均總答對率進行獨立樣本t檢定，如表4-1-1，在變異數同質性檢定上，顯著性為0.492，表示並未違反變異數同質性假定，在獨立樣本t檢定分析中，二組的t值為0.630，並未達到顯著水準(p=.531)，二組學習者在教學前對於化學平衡概念的比較是可以視為沒有差異的，所以兩組學生的起點行為是相同的。. 表4-1-1 組別. 兩組學生的前測平均總答對率之獨立樣本t檢定前測平均總答對率. 標準差. 33.50. 11.21. t值. 顯著性. 0.630. 0.531. 多重表徵教學組 (N=32) 對照組. 31.59. 12.53. (N=29). 二、兩組學生組內成績之分析. 剛剛我們已經知道兩組學生的概念問卷前測成績未達顯著差異，那麼經過五節課的教學之後，學生對於化學平衡的理解是否有所提升呢？為了回答這個問題與了解學生教學前後概念成長的差異性，我們將二組學生在前測、後測、延宕測驗階段的平均答對率進行比較，如圖 4-1-2。. 結果顯示：多重表徵教學組也就是多重表徵教學組學生的平均答對率在三個階段分別為 33.50％、62.25％、58.25％，其中後測比起前測進步了 28.75 個百分比，雖然延宕比起後測下降了四個百分比，但是延宕階段的答對率相較於前測階段的答對率仍然高出 24.75％。 - 54 -.

(55) 至於對照組方面，學生在三個階段的平均答對率分別是 31.59％、53.93％、 50.62％，其中後測比起前測進步了 22.34 個百分比，雖然延宕比起後測下降了 3.31 個百分比，但是延宕階段的答對率相較於前測階段的答對率仍然高出 19.03 ％。答對率(%) 100 80 62.25 58.25. 60 40. 53.93 50.62. 33.50. 前測後測延宕. 31.59. 20 0 實驗組. 圖4-1-2. 對照組. 組別. 二組學生在不同階段的平均答對率比較. 接下來將二組學生的概念問卷各階段的成績進行成對t考驗，如表4-1-2所示。我們發現：多重表徵教學組的後測與前測成績比較，其t值為10.57，p值等於.000有達顯著差異，表示經由教學後多重表徵教學組學生對於化學平衡的概念能有明顯地提升，儘管延宕測驗與後測的比較結果，其t值為-2.42，p值等於.022 也有達顯著差異，代表學生在教學後經過一段時間有產生明顯的概念回歸情形，但是比較延宕測驗與前測的結果仍然有達顯著差異，說明學生即使發生了部分概念回歸的現象，可是他們對於化學平衡整體的理解仍然比教學前有明顯地提升。. 分析對照組的統計結果也有相類似的情況發生，不管是後測與前測、延宕與後測或是延宕與前測的比較結果，其p值都小於.05顯著水準，表示有達到顯著差異，因此對照組教學後學生對於化學平衡的概念有明顯地提升，而且在教學後經過一段時間有明顯的概念回歸情形，但是即使發生了部分概念回歸的現象，他們 - 55 -.

(56) 對於化學平衡整體的理解仍然比教學前有明顯地提升。. 表4-1-2. 二組學生概念問卷各階段的成績之成對t考驗. 組別. 總分平均率比較(標準. t. Sig.. 差) 多重表徵. 後測-前測. 28.75 (15.39). 10.57***. .000. 教學組. 延宕-前測. 24.75 (16.83). 8.32***. .000. (N=32). 延宕-後測. -4.00 (9.37). -2.42*. .022. 對照組. 後測-前測. 22.34 (17.65). 6.82***. .000. (N=29). 延宕-前測. 19.03 (16.72). 6.13***. .000. 延宕-後測. -3.31 (6.60). -2.70*. .012. *：p< 0.05；***：p< 0.001. 三、兩組學生組間成績之分析. 前一階段關於兩組組內的成績比較，我們得到經過教學之後，不管是多重表徵教學組或是對照組學生對於化學平衡概念的理解都比教學前有顯著地提升，但是兩組後測的成績似乎有不同的差異，因此引起研究者的好奇，運用多重表徵教學真的能造成學習上不同的差異嗎？. 在這個階段，我們將兩組的後測與延宕成績分別進行共變數分析(ANCOVA) 以作為組間的比較依據，結果如表4-1-3顯示：兩組的後測部分F值為3.975，而p 值為0.041小於顯著水準0.05，所以有達到顯著差異，表示兩組不同的教學處置 (treatment)確實造成學習成效上的差異，接下來我們將焦點關注在延宕測驗的部分，數據顯示兩組的F值為3.539，而p值為0.051略微超過顯著水準0.05，所以兩 - 56 -.

(57) 組延宕測驗的答對率未受到教學處置的不同而達到顯著差異，根據後測階段兩組成績有達到顯著差異，因此誠如文獻所言多重表徵有助於學習者學習困難的科學概念(Chi, Slotta, & deLeeuw, 1994；Wu, Krajcik, & Soloway, 2001；Kozma, 1996, 2000)。表4-1-3. 兩組組間共變數分析 F值. 顯著性. 後測. 3.975. 0.042*. 延宕. 3.539. 0.051. *：p< 0.05. 四、兩組學生組間子概念之分析. 在前一階段，我們利用兩組成績進行共變數分析(ANCOVA)，統計結果顯示：多重表徵教學組和對照組在後測階段的成績有達到顯著差異，而兩組在延宕測驗的成績接近顯著差異，說明本研究的多重表徵教學確實能產生不同的學習成效。. 由於本研究設計的概念問卷總共包含了六個命題陳述，也就是六個子概念，關於這六個子概念的內容依序詳述如下： 1.化學平衡可由正反應或逆反應任一方開始而達成，即平衡的達成與反應方向無關。 2.化學平衡為一可逆反應，正反應與逆反應同時發生，而且反應物與生成物同時存在於系統中。 3.化學平衡達成時，物質的濃度會維持不變，但反應物與生成物的濃度不一定相等。 - 57 -.

(58) 4.達到化學平衡的過程中，物質是不完全反應的，即只會進行部分反應。 5.化學平衡被破壞時，反應會朝向抑制破壞因素的一方前進，即遵守勒沙特列原理。 6.化學平衡被破壞時，儘管氣體莫耳數減少但在體積同時縮小的條件下，氣體的濃度依然會變大。. 在這個階段，我們想要探討多重表徵教學組與對照組學生關於這六個子概念在後測與延宕測驗部分是否達顯著差異，分別統計學生這些子概念在前測、後測、延宕測驗三個不同階段的作答情形，並且進行共變數分析。. 關於兩組學生在第一個子概念的作答情形如圖 4-1-3 所示，多重表徵教學組與對照組學生在前測階段的答對率分別為 6％和 10％，經過教學之後多重表徵教學組的答對率增加至 43％而對照組部分則是 34％，至於兩組學生在延宕測驗的表現依序為 37％、24％。百分比(%) 100 80 實驗組. 60. 控制組. 43.8 34.5. 40. 37.5 24.1. 20 6.3. 10.3. 0 前測. 圖4-1-3. 後測. 延宕. 階段名稱. 兩組在子概念一的答對率. 進行共變數分析比較兩組在子概念一的結果如表4-1-4發現：兩組學生在後測與延宕測驗階段的p值分別為0.314、0.218皆未小於0.05顯著水準，子概念一在兩組後測、延宕測驗的表現未達顯著差異。 - 58 -.

(59) 表4-1-4. 兩組子概念一組間共變數分析 F值. 顯著性. 後測測驗. 1.031. 0.314. 延宕測驗. 1.548. 0.218. 歸納以上數據結果，我們發現多重表徵教學組學生經由多重表徵教學後在子概念一，也就是化學平衡可由正反應或逆反應任一方開始而達成，即平衡的達成與反應方向無關方面，其後測、延宕的答對率表現都優於對照組學生，但是兩階段的差異皆未達顯著。. 兩組學生在子概念二的作答情形如圖 4-1-4 所示，多重表徵教學組與對照組學生在前測階段的答對率接近 30％，經過教學之後多重表徵教學組的答對率增加至 65％而對照組部分則是 60％，至於兩組學生在延宕測驗的表現依序為 68 ％、59％，多重表徵教學組在延宕測驗並沒有發生概念回歸的現象。百分比(%) 100 80 68.0. 65.6 60.3. 60. 59.5. 實驗組控制組. 40 28.1. 26.7. 20 0. 前測. 後測. 圖 4-1-4. 延宕. 階段名稱. 兩組在子概念二的答對率. 進行共變數分析比較兩組在子概念二的結果如表 4-1-5 發現：兩組學生在後測與延宕測驗階段的 p 值分別為 0.608、0.349 皆未小於 0.05 顯著水準，子概念二在兩組後測、延宕測驗的表現未達顯著差異。 - 59 -.

(60) 表4-1-5. 兩組子概念二組間共變數分析 F值. 顯著性. 後測測驗. 0.265. 0.608. 延宕測驗. 0.892. 0.349. 我們發現：多重表徵教學組在子概念二的答對率表現優於對照組，兩組的差異未達顯著，另外對照組的答對率也有 60％左右，顯示傳統教學對於子概念二的學習也有不錯的成效，化學平衡為一可逆反應，正反應與逆反應同時發生，而且反應物與生成物同時存在於系統中是學生較容易理解的概念。. 兩組學生在子概念三的作答情形如圖 4-1-5 所示，多重表徵教學組與對照組學生在前測階段的答對率皆有超過 40％，經過教學之後多重表徵教學組的答對率增加至 81％而對照組部分也有 65％，其中多重表徵教學組的延宕與後測比較增加三個百分點，而對照組則有概念回歸的現象。. 百分比(%). 100 84.4. 81.3. 80 65.5. 63.8. 60. 實驗組 46.9. 控制組. 41.4. 40 20 0 前測. 圖4-1-5. 後測. 延宕. 階段名稱. 兩組在子概念三的答對率. 進行共變數分析比較兩組在子概念三的結果如表 4-1-6 發現：兩組學生在後測與延宕測驗階段的 p 值分別為 0.109、0.016，延宕階段的 p 值小於 0.05，子概念三在兩組延宕測驗的表現已達顯著差異。 - 60 -.