以POE策略探討國小六年級學生的光反射迷思概念與推理表現

(1)

國立台中教育大學科學應用與推廣學系

科學教育碩士學位碩士論文

指導教授：張嘉麟博士

以 POE 策略探討國小六年級學生的

光反射迷思概念與推理表現

研究生：黃萊儀撰

中華民國一百零一年七月

(2)

摘要

本研究目的為運用 POE 策略，探討國小六年級學生對光反射的迷思概念與推理表現，研究樣本為國小六年級學童30 人，本研究設計了五個 POE 活動，活動中讓雷射光從不同的角度射入鏡子，請學生預測及觀察光反射的角度，在觀察後請學生解釋其預測與觀察間的異同，並請學生說明理由，研究過程以訪談和學習單蒐集資料，最後進行資料的分析。本研究的發現如下：小學生的想法受到生活經驗及直覺觀點的影響，會產生與科學概念不同的迷思概念，例如部分學生持有「光走彎曲的路徑」、「視線可以轉彎」、「物體的像主動跑到眼中而被看見」、「鏡子擋光」等概念。在推理表現方面，研究顯示部分學生能從 POE 活動中進行推理並逐漸調整原先的想法，而學生對於解釋光反射的特性傾向於現象的描述。另一方面，POE 策略也具有引導學生觀察、思考與解釋科學現象的功能，本研究建議教師可運用 POE 策略設計與學生經驗相結合的科學活動，提供學生生活化的問題情境與概念衝突的機會，以促進概念的學習及推理能力的訓練。關鍵字：光的反射、推理、迷思概念、POE

(3)

Abstract

This research aimed to explore the sixth grade students’ misconceptions and reasoning performance about the reflection of light by using the predict-observe-explain (POE) strategy. The subjects were thirty sixth grade students. The researcher designed five POE activities in which a laser beam was directed to a mirror at different incident angles, and the students were asked to predict the reflection angle of the laser beam. Then, students observed the results and provided reasons for explaining the conflict between their prediction and observation. The empirical data were collected by interviews and worksheets for analyses. The main findings of this study are as follows. It was found that students’ thoughts were influenced by their experiences and intuition and thus they possessed some misconceptions about the behaviors of light. For example, some of the students regarded that "light propagated in curl paths," "eyesight could make a turn", "the image of objects could run actively into the eyes and be seen by eyes ", and "light was entirely blocked by mirrors". In the aspect of students’ reasoning performance, it was found that students made reasoning in the POE activities and then adjusted their thoughts gradually. In explaining the characteristics of the reflection of light, students tended to describe the observed phenomena. On the other hand, the POE activities were helpful in guiding students to observe, think and explain the scientific phenomena. It is suggested that teachers can take advantage of the POE strategy in their science instruction for promoting students’ learning of science and fostering their reasoning abilities.

(4)

目錄

摘要 ... I ABSTRACT ... II 目錄 ... III 圖目次 ... V 表目次 ... VI 第一章緒論... 1 1.1 研究動機 ... 1 1.2 研究目的與問題 ... 5 1.3 研究限制 ... 6 第二章文獻探討 ... 7 2.1 推理 ... 7 2.2 光的反射 ... 8 2.2.1 光的概念... 8 2.2.2 光的反射... 10 2.3 學童的迷思概念 ... 12 2.4POE ... 14 2.4.1 POE 定義 ... 14 2.4.2 POE 的目的 ... 16 2.4.3 POE 的優點 ... 16 2.4.4 POE 實施過程 ... 17 第三章研究方法 ... 18 3.1 研究設計 ... 18 3.2 研究對象 ... 20

(5)

3.3 研究流程 ... 21 3.4 研究資料收集與分析 ... 22 3.4.1 半結構式深度訪談法 ... 22 3.4.2 資料蒐集... 22 3.4.3 資料分析... 22 第四章研究結果與討論 ... 24 4.1POE 活動一分析 ... 24 4.2POE 活動二分析 ... 28 4.3POE 活動三分析 ... 32 4.4POE 活動四分析 ... 35 4.5POE 活動五探討分析 ... 38 4.6 綜合討論 ... 41 第五章結論與建議 ... 47 參考文獻 ... 52 一、中文部分 ... 52 二、英文部分 ... 54 附錄 ... 56

(6)

圖目次

圖 1-1-1 POE 活動的過程 ... 3 圖 2-2-1 光的概念圖 ... 9 圖 2-2-2 物體的影子 ... 10 圖 2-2-3 光的反射 ... 11 圖 2-2-4 光的漫反射 ... 11 圖 3-3-1 研究流程 ... 21 圖 4-1-1POE 活動一的實驗配置 ... 24 圖 4-1-2 學生測試時初步之想法 ... 27 圖 4-6-1 光從 20 度射向鏡子時學童答題情形的人數統計圖 ... 42 圖 4-6-2 光從 40 度射向鏡子時學童答題情形的人數統計圖 ... 43 圖 4-6-3 光從 60 度射向鏡子時學童答題情形的人數統計圖 ... 43 圖 4-6-4 光從 90 度射向鏡子時學童答題情形的人數統計圖 ... 44 圖 4-6-5 當鏡子傾斜 20 度，光從 20 度射向鏡子時時學童答題情形的 人數統計圖... 44

(7)

表目次

表 3-4-1 半結構式訪談編碼說明 ... 22 表 4-1-1 學生 MH121001008 在 POE 活動一的結果示例 ... 26 表 4-1-2 學生 FL051001008 在 POE 活動一的結果示例 ... 26 表 4-2-1 學生 FH081001008 在 POE 活動二的結果示例 ... 29 表 4-2-2 學生 ML091001008 在 POE 活動二的結果示例 ... 29 表 4-2-3 學生 FL111001008 在 POE 活動二的結果示例... 30 表 4-2-4 學生 MH121001008 在 POE 活動二的結果示例 ... 31 表 4-3-1 學生 MH241001008 在 POE 活動三的結果示例 ... 32 表 4-3-2 學生 FL041001008 在 POE 活動三的結果示例 ... 33 表 4-3-3 學生 MH211001008 在 POE 活動三的結果示例... 34 表 4-3-4 學生 FH251001008 在 POE 活動三的結果示例 ... 34 表 4-4-1 學生 ML111001008 在 POE 活動四的結果示例 ... 36 表 4-4-2 學生 FL061001008 在 POE 活動四的結果示例 ... 36 表 4-4-3 學生 ML181001008 在 POE 活動四的結果示例 ... 37 表 4-4-4 學生 FH141001008 在 POE 活動四的結果示例 ... 37 表 4-5-1 學生 ML201001008 在 POE 活動五的結果示例 ... 39 表 4-5-2 學生 FH11100 ... 39 表 4-5-3 學生 ML28100 ... 40

(8)

表 4-6-1 學童答題情形的人數統計表 ... 41 表 4- 6-2 部分學童在測試卷中第一題對 E 的回答 ... 45

(9)

第一章緒論

本章分成三節，將說明本研究之研究動機、研究目的與問題，以及研究的限制。

1.1 研究動機

孩子們在外面玩耍時往往會對看起來是新奇的事物好奇，並且可能會提出諸多問題，例如：這是什麼東西？它能做什麼？它可以摸嗎？我能用它作什麼？為什麼會是這樣的情況？當然這些問題很多是蘊含一定的科學道理的，也會是科學家們真正想探究的。但是孩子畢竟不是科學家，關於世界是如何運轉的好奇心使得孩子們相對容易去從事科學的活動，觀察和思考是把孩子們帶入科學殿堂的有力工具，但是在孩子們不經意間從事的觀察和推理，卻與科學家們受過訓練的努力之間有非常多的不同。我們如何幫助學生發展科學已知的思想和方法？向學生介紹科學文化工具，以及科學知識生產背後的價值和信仰。而身為教師的我們也意識到，即使是在低年級，孩子們能夠成功的承擔這樣的學習挑戰。通常在正式學習新的科學概念時，學童已經通過平時對日常生活中某一些現象的觀察和體驗形成了一些個人化的意識概念，這些概念往往被稱之為先前概念（葉辰楨，2000）。事實上，學童頭腦中的「先備概念」對新概念的學習會產生不同的影響，有時會對學習具有正面的效果，能幫助新概念的理解學習；而有時則會產生負面作用，妨礙新概念的建立。學生先前的生活經驗很多也都是對的，但是這些經驗都是學生個體的生活經驗，這些經驗形成的概念往往是片面、模糊的、甚至有可能是與科學概念相違背的迷思概念（misconception）（許良榮、王瓏真，2003）。根據邱美虹（2000）的研究可知，學生在學習自然與生活科技的概念

(10)

時所遭遇的困難非常多，因為學生的學習背景並不是一片空白，學生在進行自然科學的學習之前，已經具有許多生活科學的先備知識，並由於概念本身是抽象的、複雜的、且有時是與生活經驗不一致的，是以在進入科學教室學習時，學生要改變既有的舊概念是很困難的。因此，一般的中小學生在學習科學概念時，學習成效大多不佳，有時更往往造成迷思概念的產生。如果能在他們學習科學知識時，引入一些有效且可引發學生學習動機的學習媒介，而此媒介是學習者日常所熟悉的，將可有效的提升學習者的科學概念學習成效（吳宏達、陳淑華，2006）。在九年一貫課程中，自然與生活科技的課程目標中提到：培養探索科學的興趣與熱忱，並養成主動學習的習慣；學習科學與技術的探究方法和基本知能，並能應用所學於當前和未來的生活，以及培養獨立思考、解決問題的能力，並激發開展潛能（教育部，2003）。因此，我們的教育目標之一即是培養學生主動學習、探究、推理、應用知識去獨立解決問題的能力。在經過數年的實施與修正後，甫推出兩年多的100 課綱，明確的將分段能力列出，其中與本研究相關的三項如下： 1.過程技能：增進科學探究過程之心智運作能力； 2.思考智能：對事物能夠做推論與批判、解決問題等整合性的科學思維能力，以及資訊統整能力； 3.科學應用：應用科學知識以及探究方法以處理問題的能力（教育部， 2009）。這三項主要是強調學生培養推理與探究能力的重要性，可以看出教育的方向是提高學生的個人能力，而提升學生推理能力是教師刻不容緩的任務之一。另一方面，在全球性的學生成就評量調查中，PISA 國際評量計畫（The

Programme for International Student Assessment，簡稱 PISA）在 2006 年測驗—科學測驗之結果，從第三名至第七名的測驗成績其實並沒有顯著差異，亦即加拿大、臺灣、日本、紐西蘭等表現相近，但和前兩名的芬蘭與

(11)

香港卻有明顯差距，因此臺灣還有很大的進步空間；而另一項 2003 年 TIMSS 國際數學與科學教育成就趨勢調查中，臺灣科學部分的成績雖然名列第二，但是此成績僅限於國小四年級和國中二年級，而國小六年級卻沒有列在施測樣本中，因此對於國小六年級的科學探究及推理的能力，僅能作間接的推測。研究者認為在進行類似推理的教學模式前，應先瞭解其科學推理的能力，因為科學推理能力的不同可能會造成不同的推理表現。目前國內外相關科學推理的文獻多著重於科學推理技能或推理測驗設計之探討，較少著重於學童科學推理能力與表現的研究。 POE 的活動是預測（predict）-觀察（observe）-解釋（explain）的過程（White, 1988），如圖1-1-1，而美國科學促進協會（AAAS）所定義的「解釋資料」一項，內容是組織資料並提出結論，能對觀察所得給予合理的解釋，目的是在進一步產生推理、預測、假設，因此我們可以利用POE 活動觀察、研究學童推理的表現。圖1-1-1 POE 活動的過程光學題材在國內外中小學自然課程都是極重要的領域，環顧與人類生活相關的科技產品莫不與光學概念有重要的關聯性（謝明錦，2003）。通

(12)

過調查發現國小學童對於「光」迷思概念最常見的有：光可彎曲行進、能看到物體是來自於直接察覺、在完全黑暗環境中，人亦能視物、物體位置在鏡子範圍內，才能從平面鏡中看到成像、水具有放大的功能以及水會折射等迷思概念（王盈琪、王美芬，2006）。在光學題材中，「光反射」現象與日常生活息息相關，例如鏡中的影像、湖畔的倒影、光纖的通訊等，故學童可能會從生活中的觀察發展出一些關於「光反射」現象的想法，但由於「肉眼」觀看物體時受「知覺」因素的影響，他們從日常生活中發展出來的想法與科學家的想法可能未必相同。因此本研究以「光反射」為題材來分析學童的相關概念，除了可瞭解學生的想法外，也有助於科學教師進行「光反射」單元的教學。「光的反射定律」是基本的物理概念之一，也是日常生活經常發生的現象。光的反射牽涉到物體表面的性質和光的特性等概念，現行的國民中、小學教材有關光的單元或主題，範圍甚廣且分散在各個教學單元，在九年一貫課程「自然與生活科技」學習領域課程綱要中，八年級的教材內容要項包含教導學生認知光的反射定律： (1) 反射光線與入射光線、法線在同一平面內； (2) 反射光線與入射光線分居法線兩側； (3) 反射角等於入射角。以上三點可以精簡的描述為「三線共面、法線居中、兩角相等」的概念，教學者可根據此三要件介紹常見的鏡面反射（reflection）以及散射（scattering）等原理。國小六年級學生對光的認識還不是很透徹，對於光的反射具有多樣性的迷思概念，因此本研究聚焦於探討他們對光反射的迷思概念與其推理的表現。另一方面，在文獻中並未發現以 POE （Predict-Observe-Explain）策略探究學生對光反射定律的研究，因此本研究嘗試運用POE 策略來探究學生對光反射的迷思概念，以作為教師改進教學、促進學生學習效果、與增進學生推理能力的參考。如果老師能瞭解學生的推理表現，便能夠趨近瞭解學生在腦中思考的歷程，從而進行適當的

(13)

探究式教學設計，除了提升學生學習的興趣外，也可培養學生的思考與推理能力。

1.2 研究目的與問題

本研究以質化為主、量化為輔的方式，探討國小六年級學童對光反射現象的科學推理表現，透過文字描述與語言表達方式，使研究者能夠瞭解國小六年級學童的科學推理表現，並從研究中提出具體的建議，以作為國小自然科教師設計課程與教學的依據，將可有效的提升學童學習光反射概念的成效。本研究主要的目的為運用POE 策略，探討國小六年級學生在「光反射推理實驗」中的推理表現，期望以學童的觀點出發，藉由學童的主觀經驗或認知的歷程，瞭解他們對於規律化的自然現象（入射角＝反射角），是否能運用推理能力推論出其原理？並瞭解他們是否能將歸納出的結論，應用於不同的情境？以及她們對光反射現象所持有的迷思概念為何？本研究欲探討的問題如下：一、學生在光反射的POE 活動中，所呈現的迷思概念為何？二、學生在光反射的POE 活動中，推理表現為何？三、學生能否應用自己建構的結論，去預測新情境所應產生的現象？其中，問題一可從學生預測和解釋時所持的理由來瞭解；問題二的推理表現（performance），指的是學生運用推理來解決問題的成效，可從其預測與觀察不一致時，所進行的推理與解釋來分析，亦可從他們是否運用推理的結論，進行對後續POE 活動的預測來瞭解；問題三則可從活動五來分析，因為前四個活動只有入射角不同的單一變因，而活動五則加了鏡面傾斜的變化，如此可瞭解學生能否應用自己的推理結論，去預測新情境所應產生的現象。

(14)

1.3 研究限制

本研究採取質性研究的半結構式訪談方法，並對資料進行簡單的量化統計。質性研究方法沒有絕對的好與壞，也無一定的標準，選擇質性研究固然有其優點所在，但相對的也有不足之處。再加上受制於其他的因素，如：時間、人力、經費、研究樣本或其他無法預期的因素，故本研究中至少包含以下幾種限制：一、抽樣的限制本研究中，為了探究六年級學童的科學推理表現，採用立意取樣的方式，研究樣本有限，不宜過度推論。二、研究對象方面本研究以台中市某國小之六年級某班學童 30 位為研究對象，受限於取樣學生所居住的區域或環境、文化背景等相關條件的限制，故無法表達出不同區域學生之差異性，因此在研究結果方面不宜過度解釋與推論。三、教學領域方面本次研究是以科學教育為主，因此其研究內容是針對小學之「自然與生活科技」領域進行研究分析，因此研究結果不宜推論到其他教學領域。四、研究內容方面本次研究為配合學生的學習進度，藉由以學習過之課程單元來設計訪談內容，主要針對「光的反射」概念來進行訪談，用以分析學童在進行科學探究時的推理表現，故此研究結果亦不適於推論於其他不同的課程內容。

(15)

第二章文獻探討

本章分為四節，分別進行推理、學童的先前概念與迷思概念、光的反射、以及POE 等相關研究文獻的探討。

2.1 推理

當人們面對問題情境去思考時，推理往往是以某種原則為基礎，由已知事項，推出未知結果（張春興，1999），亦可稱為邏輯推理（logical reasoning），它可以是內向的過程，即自己的想法，Spitz（1979）指出「推理能力」是指個體具有能夠使用邏輯規範和將先前所學的經驗運用至新情境的能力。The Oxford Advanced Learner’s Dictionary（2008）對推理（Reasoning）的解釋為：推理是由事實經邏輯思考所下的判斷。是解決問題時的系統化思考過程，也就是推理的思考是有方向、有範圍的導向思考。推理通常被定義為由一個或幾個已知的條件或者判斷，推導出一個未知結論的思維過程，它是一門科學，其主要研究人們思維形式及其規律和一些簡單的邏輯方法的科學，主要的作用是從已知的知識得到未知的知識，尤其是可以得到不可能通過感覺經驗掌握的未知知識。推理主要分為演繹推理和歸納推理，演繹推理主要是從一般到特殊，往往考慮從一般規律出發，運用邏輯證明或數學運算，得出特殊事實應遵循的規律；歸納推理則是從特殊到一般，是從許多個別的事物中概括出一般性概念、原則或結論（陳祖耀，2003）。在本研究中，學童可從一系列的POE 活動中學習到歸納的技巧，是以下文著重於歸納推理的探討。歸納推理簡稱歸納，是指以觀察許多事例所獲得的經驗為基礎，而歸結出一個一般性的原則。歸納推理又依照觀察所抽之樣本分成兩種，一種為完全歸納推理（complete induction），另一種為

(16)

不完全歸納推理（incomplete induction）。往往我們修正定律的本質原因是因為在很多科學上的重大發現，其實這些發現大都源自於不完全歸納推理（葉秋呈，辛靜宜，2007），是以歸納推理在科學界有著舉足輕重的地位。而Hogan 以及 Fisherkeller（1996）提出六種推理模式，其中推論式推理（inferential reasoning）提到，推論式推理是連結兩個情形後，所得到的小結論，歸納思考是由一些特定的事例或證據得到結論或原則。本研究所指的推理定義為個人用他原有的知識和生活中已知的事物，經由自己內在的邏輯性思考去解決或解釋問題，使之合理化的過程。雖然個人內在思考的推理思考並不一定相同，但皆能在個人的心智思考中達到一種合理性、邏輯性（張綾娟，2011）。國內周家卉（2005）進行國國小童科學推理類型研究時，將國小學童推理分為七種類型，其中的邏輯推理、經驗推理、和概念推理與本研究所要探討學童的推理表現相關。

2.2 光的反射

2.2.1 光的概念 「光」是什麼？對於國小學童來說可謂既是經常接觸，卻又是相當的抽象。學童在日常生活中可以接觸許多光學現象，但是光卻不同於其他物質具有形體可供接觸、觀察。是以，學童就很容易發展出許多個人的想法和概念（張靜儀、李采褱，2003）。光是一種人類眼睛可以見的電磁波（可見光譜）。在科學上的定義，光有時候是指所有的電磁波譜。光是由一種稱為光子的基本粒子組成，具有粒子性與波動性，或稱為波粒二象性。

(17)

圖2-2-1 光的概念圖（張靜儀、李采褱，2003）如上圖 2-2-1 所示，光的概念圖可以較好的表達出光知識領域的主要概念及其相關的概念。光的概念圖之目的主要是能涵蓋小學生在國小階段中概念應有的組織，幫助研究者在進行晤談時，較清楚的發現學生在哪一個連結上出了問題，以便進一步的深入探求學生的概念；同時也可以檢視所發展出的二階段評量診斷工具所涵蓋的範圍是不是恰當、概念和概念之間的命題陳述是否恰當並且包含整個概念間的連結（張靜儀、李采褱， 2003）。

(18)

2.2.2 光的反射

在物理光學中，光在同種均勻介質中沿直線傳播，通常簡稱光的直線傳播。它是幾何光學的重要基礎，利用它可以簡明地解決成像問題．人眼就是根據光的直線傳播來確定物體或像的位置。例如我們熟知的影子（圖 2-2-2）日食、月食、小孔成像都是應用了光在同種均勻介質中沿直線傳播這個原理。圖2-2-2 物體的影子光的反射，是一種物理現象，是指波從一個介質進入另一個介質時，其傳播方向突然改變，而回到其來源的介質。波被反射時會遵從反射定律。光線反射的角度必與光線進入的角度相等，如圖2-2-3。反射定律可以用下列三原則來解釋：

(19)

1. 入射線、反射線與法線在同一平面上。 2. 入射線與反射線在法線的兩側。 3. 入射角等於反射角。圖2-2-3 光的反射當光入射到粗糙的表面後將會產生不規則，方向散亂的反射光線，稱為散射或漫反射（Blinn,1977）如圖 2-2-4 所示，其中光的漫反射就可以通過電腦進行類比形成模型來分析比較複雜的情況下的光的反射（Cook， 1982）。圖2- 2-4 光的漫反射

(20)

學生對於反射物質普遍的認知停留於「規則反射」的情況，絕大多數學生認為只有部分的東西會產生反射現象。也就是「鏡子」，或「類似鏡子」之材質才可以反射光。而對於對於「漫反射」之現象，可說是一無所知。只有少數學生存有「所有物質都會產生反射之概念」。

2.3 學童的迷思概念

自 1970 中葉以後，廣大科學教育學者開始注意研究學生的自然科迷思概念。並且自 1983 年起，在美國康乃爾大學每兩年舉行一次的科學迷思概念國際研討會議，更是奠定了迷思概念的相關研究在科學教育研究中的學術地位。國內外科教界對於迷思概念的研究一直沒有停止，在最近數十年來，儼然成為國際化主流研究的派典（蕭倍如，2004）。通常在正式的學習新的科學概念之初，學童已經通過平時對日常生活中某一些現象的觀察和體驗形成了一些個人化的意識概念，這些概念往往被稱之為「先前概念（preconception）」。學童在接觸新概念時，學童頭腦中的「先前概念」對新概念的學習會產生不同的影響，有時會對學習具有正面的效果，能幫助新概念的理解學習；而有時則會產生負面作用，妨礙新概念的建立。往往學生先前的生活經驗很多也都是對的，但是這些經驗都是學生個體的生活經驗，這些經驗形成的概念對科學概念往往是片面、模糊有可能是與科學概念相違背的，這往往被稱為「迷思概念」（Misconception）。本研究所指的「迷思概念」是指學生藉由日常生活經驗、學校學習或其他途徑，對於光相關的自然現象或科學概念所產生的認知，且這樣的認知與現今科學界所認定的概念意義不同。科學教育界普遍認為：需要對於兒童長期記憶庫中，所儲存之自然界知識及運思策略加以瞭解，才可以使多年來猶如「黑盒子」般的兒童心智透明化，以利教學進行及課程安排設計，使教學更具效果。學生睜開雙眼，世界繽紛燦爛的景色展現在我們的面前。天空為什麼是藍的？星星為何在

(21)

夜空中閃爍？在這個世界中，我們所見、所聞的一切，幾乎都和光脫離不了關係。科學概念因具有抽象、微觀的特性，因此學習科學概念的過程變得複雜，相較於其他學科來得困難許多。科學知識與其他學科最大的不同，在於科學知識可以藉由動手操作來獲得，科學是由實驗及觀察所發展出的概念及概念架構。是以，經由科學性的探究活動，可以使學童學到與科學相關的知識與技能。往往學生對「入射角＝反射角」之概念的觀點是學生對於鏡子反射光的現象存有：「只有在鏡前的物體可以看到」、「距離鏡子遠的東西看不到」之想法。只有少數學生能指出物體反射有固定角度，但不能明確的指出反射時「入射角＝反射角」。有些學生認為「在完全黑暗的環境中，鏡子仍可以映照出物體的影像」。同時，學生對於「反射」存在了兩種傾向：在「黑暗中」，學生認為反射是「物體傳送影像到鏡子」；但在「有燈光」的環境中，則認為反射系由「鏡子照射物體」，或是「鏡、物互相傳送光」。學童的這種迷思概念常常受教學之前所持有的先備知識之影響。由於迷思概念影響教師教學與學生學習甚巨，而科學教育的目的之一，在於幫助學生獲得正確的概念。因此如何教導學童「修正」他們腦海裏的「迷思概念」成為科學教育界所關切的重要問題。而修正迷思概念的重要途徑是從事課程設計時應將學童的迷思概念融入相關之課程（王美芬、熊召弟， 1995）。在學校裏，學童常以「個人的想法」解釋他們日常生活及自然界所遭遇的經驗（Helm & Novak,1983）。光學概念是依現行九年一貫課程自然與生活科技領域之內容教材細目，以及過去究中曾探索過的概念，其內容包含光的本質、光的行進、光與視覺、光的反射、光的折射、光與影子、光的色散、和光與顏色等八個子概念，本文主要是探討學童對光的反射與相關現象所持有的概念。

(22)

學童在教學前往往對「光」單元前的迷思概念局限於以下幾個方面（王盈琪、王美芬，2006）： 1.光的行進：(1)光走彎曲的路徑。(2)無法指出光是直線傳播。(3)視線可以轉彎。 2.光與視覺：(1)學童認為能看到物體，是來自於直接察覺，而非經由光線的反射而來。(2)眼睛看見物體機制為：光源→眼睛→物體。(3)物體的像跑到眼中而被看見。(4)學童認為光照亮了物體，眼睛有視線就能看到物體。(5)許多學童認為在完全黑暗環境中，只要眼睛適應了黑暗，人類亦能視物，例如停電的時候。 3.光的反射：(1)大多數學童認為光滑的才會反射，非光亮的表面是不會反射的。(2)物體必須在視線內，才可以在平面鏡中看到成像。(3)以物體位元在鏡子範圍內，來決定是否能從平面鏡中看到成像。(4)以像和眼睛的連線來決定是否能從平面鏡中看到成像。 4.光的折射：(1)學童會依文字聯想的方式解釋折射。(2)學生對折射問題的解釋，常不能確定光進行的方向，即光由一介質通過另一介質時，不知其偏向何方。(3)水杯中的水具有放大的功能。(4)折射是因物體及容器形狀造成。(5)學童認為水或容器會造成折射。其中在「光與反射」上，學童對反射物質的認知停留於「規則反射」情況，並不具備「漫反射」的概念，認為：「只有表面平滑或金屬物質會反射光」，並且無法指出反射光「入射角=反射角」（張靜儀、李采褱，2003）。

2.4 POE

2.4.1 POE 定義 POE 是 Prediction-Observation-Explanation（即預測－觀察－解釋）的簡稱。White & Gunstone（1992）提出 POE 是設計某一情境讓學生預測將會有何結果或現象，在學生寫下自己的預測和理由之後，再實際操作讓學

(23)

生觀察，觀察之後寫下觀察結果，如果與自己的預測不一致，請學生解釋（explanation）原因或理由。此歷程具有認知衝突（cognitive conflict）的特色，即設計的情境是學生常具有的迷思概念，發生的現象與學生的預測不一樣，進而探索學生如何解釋自己的觀點與現象之間的差異。李光烈、劉嘉茹、江新合（2010）的研究以量化的資料指出 POE 模式化教學可以提高學生的科學推理能力，能夠有效而深入探索學生的迷思概念，另外，許多研究也顯示使用POE 策略可以協助教師能夠去了解學生的

先前概念（Searle & Gunstone，1990；White & Gunstone，1992；Palmer， 1995；Liew & Treagust，1995；Kearney, Treagust, Yeo & Zadnik，2001；邱彥文， 2001；葉辰楨，2000）。該策略通過以下三個步驟來診斷學生的迷思概念進而促成科學概念的建構： (1)在每個學生瞭解針對概念學習活動的情境或實驗的基礎上，對實驗或事件中某些現象或結果做出預測，並闡述他們預測的理由；如下文的實驗所述，六年級學童可以依據自己對光的鏡面反射的先前概念來推斷出各種角度的鏡面下光線的路徑。 (2)讓每個學生觀察實驗或事件發生後的結果，並獨立記錄下他們所看到的現象；學生可以在試驗時準確的記錄試驗結論，並加以分析。 (3)每個學生對預測和觀察之間的任何衝突作出解釋，思考並調和自己的觀察與預測的不一致性（White & Gunstone，1992）。

在POE 活動中學生被告知將有實驗或示範被實施，但在實施之前，學生必需以其既有的知識，來預測在實驗中何種現象將會發生，並且說明作如此預測發生的理由，接下來實驗或示範於其後展開，學生才觀察到實驗或示範時真正發生的現象。在預測與解釋的活動中，學生的推論需要運用本身的概念與推理能力，才能回應問題，是以POE 策略不但可探測學生的概念，也可瞭解其推理表現。

(24)

2.4.2 POE 的目的 POE 策略的目的就是在讓學生在瞭解某情境後，自己運用相關的知識或概念來預測、描述和解釋所看到的現象。其關鍵之處是學生必須自己決定採用何種理由來解釋他們對科學現象的理解，尤其是當所觀察到的現象與自己的預測不一致的時候。研究者發現學生經常是以日常生活經驗及信念去支持他們的理由，或者應用跟科學知識相悖的觀念去解釋現象。因此POE 策略是探測學生概念

與推理的有效方法之一（White & Gunstone，1992）。 Bruce（2000）認為 POE 可以幫助學生思考以下問題： (一)在過程裏，因為寫與討論要耗費時間，可讓學習者真正檢討做的事以及應思考的問。 (二)寫下預測會讓學習者對於真實的事件有高度興趣，尤其是當自己和別人的預測不同時，會提升其參與度。 (三) POE 在真實事件進行的過程中，可做為學生進一步探究的基礎。 (四)學習者的紀錄可以做為進一步研究的參考資料，書寫資料也能做為非正式評量。 2.4.3 POE 的優點

POE 策略體現出下列優點（White & Gunstone，1992）： (1)學習活動可針對特定的概念來探究單一知識的本質； (2)可以探測學生個體的「先備概念」或固有的信念； (3)可以顯現學生在面對認知衝突時的調適過程，察覺學生迷思概念轉變的傾向； (4)可以提供學生更多的機會和同儕分享，協助他們對科學概念的建構。

(25)

2.4.4 POE 實施過程 POE 的實施過程往往包含下列四個步驟： (一)開始（beginning）：首先讓學生接觸需要預測的情景及事物，並讓學生充分理解該情景的本質，學生瞭解後會有一定的問題，是以准許學生對其發問。本文在開始階段，教師將對學生介紹測試的情況，並拿出鏡子、鐳射光設備、量角器進行逐個解釋，並將其擺正位置後解答學生的問題。 (二)預測（predict）：學童通過自己的生活經歷對相關問題進行預測並提出支持的理由，學童通過觀察情境並要決定自己的立場，判斷何種知識適合應用。在本研究中的預測階段，學童將對光的出射角度進行預測，在預測中學生依據自己的先前概念和自己對情境的觀察後的個人理解進行預測光線出射角度。 (三)觀察（observe）：當實驗或者行動發生時寫下自己觀察到的結論，不同的學生會看到不同的東西。在本研究觀察階段學童將依據自己的觀察進行記錄其在各種角度光線入射後的出射情況，每個學童的觀察都是依據個人的感官所得到的結論。 (四)解釋（explain）：使預測和觀察之間的差異能夠理論化、合理化。鼓勵學生思考所有的可能性，並努力提出解釋，顯示出學生更多的理解的表現。本研究的該階段，鼓勵學生思考所有的可能性去解釋現象結論，將其記錄在測試單上，以供教師分析問題並給予一定的講解。

(26)

第三章研究方法

本章分成四節，分別說明本研究的研究設計、研究對象、研究流程、研究資料收集與分析。

3.1 研究設計

在學習新知識的時候，很多學生往往只注意到自己所理解的那部分，即使在學習後，學生往往也堅持自己認為對的概念，因而扭曲了對新概念的理解。學生存在這種問題，老師應該正視並想辦法解決。 Piaget 和 Inhelder（1969）認為，學習的產生是因為個體要適應環境而改變其內在認知結構，其作用的方式有兩種：一是同化（Assimilation），一是順應（Accommodation）。前者指當學生在學習新知識時，將新經驗或新事物納入已有的認知結構中；後者指原有的認知結構不足以吸納新知識時，學習者必須改變原來的認知結構以順應外界的要求。在學習過程中，主體正是通過同化和順應兩種機制達到與環境的平衡。依照皮亞傑的觀點，學習者舊概念改變的過程也就是其認知結構改變的過程，即個體的知識建構是同化和順應的認知建構過程與「原有平衡一不平衡一新的平衡」的認知發展過程的統一。學生對科學概念理解和轉變過程是比較複雜的，通過引導學生借助認知衝突並去查找衝突的原因，去正視診斷原有的知識架構，讓學生表達自己「先備概念」獲得的緣由，並去解釋判斷它與科學概念之間的差異，這將會有助於學生對概念理解的轉變，建立正確的科學概念。為此，White 和 Gunstone 認為可以嘗試採用 POE 策略，讓學生去觀察自己周圍的世界並加以詮釋，來評測他們的先備概念，並促進其迷思概念的轉變，可以對光的反射也會有正確的認知。

(27)

控而瞭解學生的理解及推理依據。透過解釋所顯露出的即學生的理解本質，White & Gunstone（1992）同時指出若經歷過事例訪談，有真實情境，學生在推理和解釋上會較為容易。

根據Gunstone & White（1981）發展的 POE 策略，依據現實環境探討

「六年級學生科學推理表現」，希望六年級學童借著類似的推理任務實驗，以增強其歸納推理的能力，所採用之工具經由閱讀相關文獻，與指導教授、和一位同學討論，編制其雛形，設計光的反射推理實驗模組，在學生記錄部分設計活動單，POE 過程中，研究者和研究對象進行一對一半結構式訪談，紀錄並確認學生真實想法，以及分析推理表現是否達到歸納推理的能力。學生POE 活動單如附件所示。我們選擇光作為我們的中心主題因為它提供了很多好處，第一個好處是實踐中的：這個主題涉及的相對簡單的概念，孩子們可以在用相對簡易的設備的研究中瞭解。另外，發展關於光的科學知識給我們帶來了對我們不能直接體驗的世界的樣子形成概念的挑戰——這對很多科學學習來說是個關鍵因素。發展科學知識經常需要觀念的改變，它使我們達到以新的方式觀察我們的物質世界。學生們必須認識到事物並不總是如它們看起來的樣子—— 這本身就是一個很大的觀念上的飛躍。光學學習給了孩子們一個可達到的機會來不同的看待世界，並且向他們的現有觀念挑戰。我們看到我們周圍的世界因為光從物體反射到我們眼睛裏，而我們並沒有感覺到我們看到的是反射光的結果。在進行以POE 策略所設計的光反射推理實驗時，研究者對受試者進行個別訪談，並在每一個子實驗前，請同學先寫下推理的想法和理由，而在實驗完畢後，請同學再次寫出所觀察到的現象的解釋。在資料的處理方面，除了研究者外，另外也請了兩位老師(各有十四年和六年的自然科學教學年資)協同分析，希望藉由分析者的三角檢定，以獲得可信度較高的研究資料。

(28)

在POE 活動的設計方面，本研究就考慮到受試者在中年級時已學過光的單元，但尚未學過光的反射定律，是以本研究中的POE 推理實驗，是從中年級教材做加深的自編設計（附錄一）；另由於只有一個班級受測，是以利用POE 的訪談策略，讓學生去推理並解釋自己所看到的現象。本研究設計了五個POE 活動，其中前四個活動用雷射光從不同的角度射入鏡子，請學生預測及觀察光反射的角度，反射角是以量角器測量（附錄一），在觀察到光的反射角後，請學生解釋其預測與觀察間的異同，並請學生說明理由。由於入射角和反射角存有相等的關係，因此這四個實驗的結果是具有規律性的，研究者想瞭解國小六年級的學生是否能發現這個規律性？另外，他們會如何描述這個規律性？他們會使用與科學家類似的語言或是另有自己的描述方式？換句話說，這四個活動可以讓學生進行光反射實驗的推理，研究者想瞭解受試者會歸納出什麼樣的結論。在前四個活動之後，研究者想瞭解學生是否能運用其結論於新情境，是以設計了第五個活動，此活動將鏡子傾斜20 度，再以 20 度的角度射入雷射光，讓學生預測光反射的角度。雖然鏡子傾斜，但光的反射定律並不會改變，入射角仍然會等於反射角，然而，國小六年級的學生是否能瞭解鏡子傾斜所產生的效應？他們會不會有不同的想法？這些是本研究想探討的問題之一。進行研究期間，教學者會對受試者進行個別訪談、錄音及收集學習單數據，並和其他兩位自然科老師共同分析學生的推理過程，以及他們如何應用自己建構的結論，去預測新的情境所產生的現象。

3.2 研究對象

本研究的研究對象為台中市某國小六年級某班級學生，該校位於衛星市鎮，且學校為常態編班，學生的自然科成績也接近常態的分佈。在研究對象中，男生有15 位，女生有 15 位，共 30 人。

(29)

3.3 研究流程

本研究在提出構想及進行文獻收集與閱讀後，首先確定研究方向為探討國小六年級學生對於光反射實驗的推理表現，然後根據主題設計 POE 推理實驗，經過兩次的初探測試與修正，最後完成五個POE 活動的設計（附錄一），之後，對受試者施測，最後進行分析與歸納本研究的發現與結論。研究流程如圖3-3-1 所示。

收集文獻

確定主題

確定實驗設計

發展POE活動單

選取研究對象

施測

結論

圖3-3-1 研究流程

(30)

3.4 研究資料收集與分析

本研究的目的著重于學童的概念與推理能力運用情形，因此本研究採用半結構式深度訪談法來進行資料蒐集的工作。

3.4.1 半結構式深度訪談法

本研究採用半結構式深度訪談法（semi-structured in-depth interview），是希望可藉此深入瞭解研究對象主觀的認知歷程和經驗，而取得本研究所需要的大部分數據，其目的在於透過訪談發現一些重要的因素，以及瞭解學生的想法。 3.4.2 資料蒐集 為了減少人為干擾的因素，在活動期間，研究者以不具引導性的問題對受試者做錄音訪談，也設計學習單，請他們在觀察及操作前、後各寫下自己的想法。最後研究者將錄音帶轉成逐字稿，與學習單互相參照以分析學生的推理表現。 3.4.3 資料分析 針對訪談資料的處理，研究者將訪談內容轉譯成逐字稿，並予以編碼，依據受訪者之看法，仔細分析資料，藉以分析國小六年級學生對於光反射實驗的推理表現，編碼方式如表3-4-1。表3-4-1 半結構式訪談編碼說明注記說明 MH021001008 M：男同學； H：自然科成績在班級平均成績以上； 02：學號為 2 號學童； 1001008：100 年 10 月 8 日測試。

(31)

研究者及兩位協同研究者會將學生的訪談記錄進行個別分析，以瞭解

他們在POE 活動中的推理表現，分析後研究者將與協同研究者討論彼此的

(32)

第四章研究結果與討論

本章針對POE 活動單及晤談所得之資料進行分析，並針對結果提出說明。本章共分六節，第一到第五節分別敍述五個 POE 活動施測結果的分析，第六節則進行綜合討論。

4.1 POE 活動一分析

活動一是雷射光從 20 度射向鏡子時，請學生預測光會從那個角度射出？實驗配置設定如圖 4-1-1：（圖中靠近零度為准的是鏡子的水銀塗層，並非為鏡子表面）圖4-1-1 POE 活動一的實驗配置學生對當光從20 度射向鏡子時（鏡子鍍水銀的交界處對準線），光會從哪個角度射出來之測試結論各式各樣，從測試一的研究結果發現，雖然測試呈現與學生先前概念不符的現象，很多學生往往有一些光一定走直線、光不可能拐彎、光可以越過鏡子等一些迷思概念，學生能意識到概念的衝突，進而自己修正或調整先前概念，有些學生卻仍然繼續持有先前概念，且同樣的概念也再次出現在隨後的POE 測試中，影響學生整個推理的過程及結果，可見原有經驗對學習的影響，讓學生進行實際的觀察活動，確實有助於其概念的改變與學習，但若能輔以適當的教學探究活動及引雷射光

(33)

導，對學生參與推理的思考時間及次數會越來越多。從測試問卷中可以看出學生對該問題感到陌生，在回答時也大都以「光走彎曲的路徑」判斷光的反射現象是男生比女生要多，成績好的同學要比成績稍低的同學多，這些學生大多是從依據自己的想法而得出的結論，而從「鏡面反射」得到正確答案的學生是男生比女生多，成績高的比成績低的學生多，這些同學有一些是已經瞭解了光的反射原理，其他則是平時觀察發現其規律的，其測試摘要表見附錄二，下面我們分析以下幾個學童的測試問卷。

(34)

表4-1-1 學生 MH121001008 在 POE 活動一的結果示例 MH121001008 答案：學生 MH121001008 在測試中遇到光的反射問題時，聯想到自己潛意識中的中光的先前概念“光無處不在”，“人們從哪裡都可以看到光”等，由於學童在家裏面對鏡子的時往往發現自己從哪個角度去看鏡子都可以看到自己的像，是以在學童思想中就有了一種概念“光是無處不在的”，這種迷思概念讓學童對光科學概念起到了誤導作用，影響學童對正確的科學概念的學習。經過POE 中“O”觀察光的真實走向得到了正確的答案，學生的先前概念與科學概念發生了衝突，這時經過教師的講解，學生可以推翻先前概念 “光無處不在”，“人們從哪裡都可以看到光”，重新定義光的概念，使學生較好的學習科學概念。表4-1-2 學生 FL051001008 在 POE 活動一的結果示例 FL051001008：預測P 光會從_９０__度射出來。預測的理由從哪裡看光就從哪裡出來觀察O 當光以20度射向鏡子後，測量射出的角度_160__。解釋E 與預測結果是否一致？ □一致 不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：以前看到鏡子裏總會有自己結論：光走直線

(35)

學生FL051001008 在測試一中正確的回答的該題，該學童能夠在平時的生活中積極觀察光的鏡面反射，並能思考其原因，這樣的先前概念對學童學習科學概念有了一定的幫助，是種促進作用，學生因此能較好的將先前概念與科學概念融合而對科學概念有較好的認識。從學童的回答中可以看出，很多學生還是一直有一種先前概念也就是光是光走彎曲的路徑、視線可以轉彎和物體的像跑到眼中而被看見等，這些迷思概念影響學生的判斷與對新科學概念的學習，部分學生從生活中在照鏡子時，觀察並得到光沿直線傳播的結論，該先前概念就對學生對光概念的學習起到了促進的作用。光與物質的作用反射穿過被阻礙和? ?=? 停止預測P 光會從_１６０__度射出來。預測的理由有時候看見家裏的鏡子就能看到自己後面的東西觀察O 當光以20度射向鏡子後，測量射出的角度 _160__。解釋E 與預測結果是否一致？ 一致 □不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：以前看鏡子的時候推測的結論：鏡子可以反射光

(36)

學生們把許多關於光的先前觀念帶到教室。它們中的一些，改變起來相對容易。例如，一些學生相信光是無處不在的，但是這個觀念不是根深蒂固的，簡單的光學實驗可以提供令人信服的反面的證據。其他科學上的錯誤觀念並非都這樣容易被簡單的實驗所改變。在這一測試中,我們通過提出這個問題的引導來探索學生分析光的反射定律，圖4-1-2 說明學生認為光遇到鏡子後會有三種結果——反射、穿過以及被阻礙，圖中的問題標誌表明大多數學生的想法。如圖4-1-2，學生最初遇到測試題時的想法會有很多，但是在物體上的反射遵循一種特殊的方式：光的入射角等於光的反射角。我們實際看到的是被物體反射的光。我們要看到物體，必須要有一個光源。照明的光源要麼能夠產生光（例如太陽），要麼能夠反射光（例如月亮）。抓住日常的觀察和推理與科學的觀察和推理之間的不同，不僅僅是光學教學步驟的中心，也給進一步的對科學概念的學習打下了極為重要的基礎。

4.2 POE 活動二分析

學童由經過上次的當光從20 度射向鏡子時（鏡子鍍水銀的交界處對準線），光會從哪個角度射出來之測試後，對光的反射的測試有了一定得認識，當光從40 度射向鏡子時（鏡子鍍水銀的交界處對準線），光會從哪個角度射出來之結果見附錄三。學生對當光從40 度射向鏡子時（鏡子鍍水銀的交界處對準線），光會從哪個角度射出來之測試結論各式各樣，從測試二的研究結果發現，雖然測試二與測試一的性質相同，但是學生的答案依然千差萬別，同樣迷思概念依然存在，有些學生能夠意識到光的反射原理，進而修正或調整先前概念，有些學生卻仍然繼續持有先前概念，這樣就影響了學生整個推理的過程及結果，可見原有經驗極大地影響學生學習的進程，有的學生依然堅持自己之前錯誤的觀點，因此，先前概念對學生的影響確實很大，當適時適

(37)

當的矯正錯誤的思想以助於學生的學習。學童在答卷的時依據「鏡面反射」原理的人數比測試題一中的人數要有所增加，其中學生在答測試題中依據「視線可以轉彎」、「物體的像跑到眼中而被看見」等人數依然沒有減少，其中還有部分學童沒有依據而是靠直覺和猜測答題。表4-2-1 學生 FH081001008 在 POE 活動二的結果示例 FH081001008 答案：學童 FH081001008 把光看做一種物質，一種遇到阻礙物就可以被吸收的物質，她認為光在遇到鏡子這個阻礙物之後就會被吸收，並不會反射，這也就是測試一中多數學童的思想，光遇到阻礙物後是穿過呢？還是被阻礙呢？這時就需要學童去作實驗來驗證自己的觀點，以此來對比自己的觀點與實際的不同之處。表4-2-2 學生 ML091001008 在 POE 活動二的結果示例 ML091001008：預測P 光會從_150__度射出來。預測的理由光沿直線傳播觀察O 當光以40度射向鏡子後，測量射出的角度_140__。解釋E 與預測結果是否一致？ □一致 不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：發現光通過了一定的物體，光線會變少，它們在這裏停下來，因為不再有任何能力到其他地方去。結論：光可以通過鏡子以一定得角度反射出去

(38)

學童ML091001008 的觀點與測試一中學童 MH121001008 觀點是一致的，受到迷思概念的影響，而引起對科學概念的錯誤理解。表 4-2-3 學生 FL111001008 在 POE 活動二的結果示例 FL111001008：學童FL111001008 對光的概念理解頗為新奇，她認為“光會拐彎”，該學童與學童ML091001008 的先前概念類似，認為“光無處不在”，但是學童FL111001008 對光無處不在的理解是光可以拐彎，由於太陽光照射到地面，並且光會拐彎，是以到處看到都是亮的，這時老師可以舉個“影預測P 光會從_10__度射出來。預測的理由我站在哪裡都可以看到光觀察O 當光以40度射向鏡子後，測量射出的角度_140__。解釋E 與預測結果是否一致？ □一致 不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：我發現太陽光是哪裡都有的結論：當光為一條光束的時候，鏡子只反射光束的光預測P 光會從_20__度射出來。預測的理由平時發現哪裡都有光觀察O 當光以40度射向鏡子後，測量射出的角度_140__。解釋E 與預測結果是否一致？ □一致 不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：認為光會拐彎結論：光沿直線傳播

(39)

子”的例子來說明學生先前概念的錯誤。表 4-2-4 學生 MH121001008 在 POE 活動二的結果示例 MH121001008：學童 MH121001008 能夠正確完成測試二的題目，是平時生活中細心觀察的結果。經過上次當光從20 度射向鏡子時（鏡子鍍水銀的交界處對準線），光會從哪個角度射出來之結論的測試，學生開始第二下次測試。通過第二題的測試，仍然有許多學童都發現光在遇到鏡子後可能會發生多種行為，但是不確定是否這種行為是否都能發生。學童經過第一次測試後第二次測試的時候想法會改變；並且受到先前概念的影響有學生寫道“平時發現哪裡都有光”，學生的大多數觀點都可以劃分為認為光的反射、傳播、吸收，例如有學生認為光可以轉彎，也就是光遇到鏡子發散了等等。這種學童先前概念依然對學童有一定影響，而這種觀點與科學理解有著相當大的差異，培養觀念上的轉變需要幫助學生注意：結論是怎樣由他們觀察到的現象推理得到的。學生們把許多關於光的先備觀念帶到教室。其中一些改變起來相對預測P 光會從_140_度射出來。預測的理由在鏡子裏面看照明燈的的時候發現出的規律觀察O 當光以40度射向鏡子後，測量射出的角度_140__。解釋E 與預測結果是否一致？ 一致 □不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：觀察後發現是一樣的結論：光走到鏡子上會沿直線反射的

(40)

簡單。例如，一些學生相信影子是一個物體，但是這個觀念不是根深蒂固的，簡單的光學實驗可以提供令人信服的反面的證據。其他科學上的錯誤觀念並非都這樣容易被簡單的實驗所改變。

4.3 POE 活動三分析

學生對當光從60 度射向鏡子時（鏡子鍍水銀的交界處對準線），光會從哪個角度射出來之結論體現了多樣性，學生在POE 活動三的結果摘要表見附錄四。學生對當光從60 度射向鏡子時（鏡子鍍水銀的交界處對準線），光會從哪個角度射出來之測試推論多樣，從測試三的研究結果發現，雖然測試三與前兩個測試性質相同，只是換了個角度，但是學生的答案還是不太理想，迷思概念依然存在，但是值得欣慰的是有些學生能夠意識到光的反射原理，答對的學生數量有增多的趨勢，不論是自己觀察總結的，還是借助書本，網路發現的，有一小部分學生已經瞭解了什麼事光的反射原理，仍然有些學生繼續持有先前概念，認為光到處都是，或者根本沒有光，這樣就影響了學生整個推理的過程及結果，因此，先前概念確實對學生的影響確實很大，應當繼續從正面角度改變學生錯誤的先前概念，引導他們瞭解新知，掌握科學。表4-3-1 學生 MH241001008 在 POE 活動三的結果示例 MH241001008 答案：

(41)

學童 MH241001008 對光的理解頗為簡單，認為光是直接反射回來的，並沒有真正理解光的反射定律，光鏡面反射時，反射時入射線、反射線與法線在同一平面上；入射線與反射線在法線的兩側；入射角等於反射角。這些結論應該在學生做測試中觀察階段得到，並得到相應的正確答案。表4-3-2 學生 FL041001008 在 POE 活動三的結果示例 FL041001008：預測P 光會從_60_度射出來。預測的理由光遇到鏡子就回來了觀察O 當光以60度射向鏡子後，測量射出的角度_120_。解釋E 與預測結果是否一致？ □一致 不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：鏡子讓光走到了另一端結論：鏡子能夠改變光的方向預測P 光會從_100_度射出來。預測的理由視線可以轉彎，轉到了100度光就能出來了觀察O 當光以60度射向鏡子後，測量射出的角度_120_。解釋E 與預測結果是否一致？ □一致 不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：以前一直感覺眼睛會轉彎看的結論：眼睛不會轉彎看，光是以一定的角度反射的

(42)

學童FL041001008 認為視線可以轉彎，這是錯誤的生活經驗所致，人的眼睛之所以能看到物體是因為光跑到了眼睛裏，而不是視線可以轉彎。表4-3-3 學生 MH211001008 在 POE 活動三的結果示例 MH211001008 答案：學童MH211001008 能夠正確的理解光的反射定律。表4-3-4 學生FH251001008 在 POE 活動三的結果示例 FH251001008：預測P 光會從_120_度射出來。預測的理由光遇鏡子可以反射觀察O 當光以60度射向鏡子後，測量射出的角度_120_。解釋E 與預測結果是否一致？ 一致 □不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：與預料的一致——光可以反射結論：光會反射預測P 光會從_120_度射出來。預測的理由光經過鏡子會從另一面走出來觀察O 當光以60度射向鏡子後，測量射出的角度_120_。解釋E 與預測結果是否一致？ 一致 □不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：從生活中觀察到過這種情況結論：光的反射角度是對稱的

(43)

經過前兩道測試題後學童 FH251001008 能夠正確理解光的反射定律，並能夠正確的回答該測試。

4.4 POE 活動四分析

經過幾次測試，學童已經慢慢的瞭解了光的反射原理，從測試結論中可以看出學生以「光走彎曲的路徑」判斷光的反射現像是男生比女生要多，成績好的同學要比成績稍低的同學多，這些學生依據自己的想法而得出的結論，而從「鏡面反射」得到正確答案的學生是男生比女生多，成績高的比成績低的學生多，這些同學有一些是已經瞭解了光的反射原理，有一部分是平時觀察發現其規律的。學生對當光從90 度射向鏡子時（鏡子鍍水銀的交界處對準線），光會從哪個角度射出來之結論體現了多樣性，如下所示。學生在POE 活動四的結果摘要表見附錄五。學生對當光從90 度射向鏡子時（鏡子鍍水銀的交界處對準線），光會從哪個角度射出來的測試結果雖然還是很不一致，但是這一次測試有很多同學已經瞭解到了反射作用，有一些學生改掉了迷思想法，從觀察入手，加上自己的推斷，證實了鏡子可以反射光，同樣，還有一部分學生依舊堅持先前概念，無法從認真觀察中找出符合科學解釋的規律，從測試三的研究結果發現，換了個角度，部分學生的答案已經接近理想，有學生的結論還是脫離不開先前概念的影響，有些學生能夠意識到光的反射原理，答對的學生數量要比測試二的學生數量還要多，但是，經過了這四次的測試分析，可見先前概念在學生的思想裏根深蒂固，只有用大量的實驗，觀察才能從根本上改變學生的先前概念。

(44)

表4-4-1 學生 ML111001008 在 POE 活動四的結果示例 ML111001008 答案：學童ML111001008 是由於家長曾經講到過光的反射定律，這樣在做這道測試題的時候運用了學習過的理論知識正確完成了該題。表4-4-2 學生 FL061001008 在 POE 活動四的結果示例 FL061001008：學童FL061001008 沒有看到該題的光束的角度改變，仍然認為上道測試題的答案適用於該題，這也是一種先前概念的表現。預測P 光會從_90_度射出來。預測的理由光會直接反射回來觀察O 當光以90度射向鏡子後，測量射出的角度_90__。解釋E 與預測結果是否一致？ 一致 □不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：聽家長講過光的反射原理結論：光的反射是遵守一定規律的預測P 光會從_60_度射出來。預測的理由不會，上道題就是60度，那就是60吧觀察O 當光以90度射向鏡子後，測量射出的角度_90__。解釋E 與預測結果是否一致？ □一致 不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：猜錯了結論：鏡子可以反射

(45)

表4-4-3 學生 ML181001008 在 POE 活動四的結果示例 ML181001008 答案：學童 ML181001008 對光的概念並不理解，而是隨便填寫測試題，這樣需要老師進行相應的指導。表4-4-4 學生 FH141001008 在 POE 活動四的結果示例 FH141001008：學生 FH141001008 能夠正確的作對該題也是在以前的生活中多觀察預測P 光會從_100_度射出來。預測的理由隨便寫的觀察O 當光以90度射向鏡子後，測量射出的角度_90__。解釋E 與預測結果是否一致？ □一致 不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：光可以轉彎吧結論：光不可以轉彎… 預測P 光會從_90_度射出來。預測的理由光可以反射觀察O 當光以90度射向鏡子後，測量射出的角度_90__。解釋E 與預測結果是否一致？ 一致 □不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：觀察過鏡子的反射情況結論：鏡子可以反射光

(46)

學生在第四次測試的時，學童對光的理解——所有物質反射光——需要很多經歷來使這個觀點充實，對比的關聯我們沒有直接的經驗或者是違反直覺的。此關聯需要花費時間，注意力，還有附加知識形成過程和由此過程顯現出來的概念框架。在教學中，教師應當做出特徵性決定的核心是引導同學個體的學習的需要。為通過導向有目的科學知識和認識的方式達到此目的。教師必須有足夠的學科知識，包括引導知識產生的科學文化方面來全面理解學習目標的本質。

4.5 POE 活動五探討分析

學生對當鏡子傾斜20 度，光會從哪個角度射出來之結論有了明顯的不同。由於前四次的測試都是鏡子是靜止不動的，只是改變光束的角度，而這次是改變鏡子的角度，這樣能更仔細的觀察學童對光的直線傳播的認知程度，只有將理論應用到實際應變的狀況才能得到正確的答案。光會從哪個角度射出來之結論呈現了多樣性，如下所示。學生在POE 活動五的結果摘要表見附錄六。學生對當光從20 度射向鏡子，同時鏡子轉變了位置，轉了 20 度角，這次測試不同於前四次，前四次鏡子是不動的，這次鏡子轉變了角度，這回學生有的因為鏡子變化了，就不會應用了，有的學生掌握了光的反射原理就能順利的推斷出光會從140 度反射出來，顯然有一些學生已經改掉了迷思想法和先前概念，從觀察入手，加上自己的推斷，不管鏡子怎樣變化，都能正確的推斷出光的反射角度。經過五次的測試分析，每次的測試結果都要比之前一次好的多。真正瞭解了鏡子可以反射光的原理的學生數量在不斷增多，不論鏡子怎麼轉變方向，都可以推算到光線從哪個角度被反射回來。從以上五個測試分析來看，不斷地實驗，不斷地觀察和分析，可以抑

(47)

制先備觀念，引入科學的推斷，幫助學生得出正確的理論。表4-5-1 學生 ML201001008 在 POE 活動五的結果示例 ML201001008 答案：學童ML201001008 經過前四次的測試後能正確的理解光的反射定律，並能夠有效的利用在該測試題中，是理論聯繫實際較好的表現。表 4-5-2 學生 FH111001008 在 POE 活動五的結果示例 FH111001008：預測P 光會從_140_度射出來。預測的理由鏡子會反射光觀察O 當光以20度射向傾斜的鏡子後，測量射出的角度140。解釋E 與預測結果是否一致？ 一致 □不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：經過前面一系列的測試，基本瞭解了光線的特點結論：光通過鏡子反射預測P 光會從_１80_度射出來。預測的理由光可能透過鏡子直接射出去觀察O 當光以20度射向傾斜的鏡子後，測量射出的角度140。解釋E 與預測結果是否一致？ □一致 不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：預測錯了，鏡子不能直接透光… 結論：鏡子反射光

(48)

修正，教師這時應該耐心向學生講解，以此改變學生的先前概念。表 4-5-3 學生 ML281001008 在 POE 活動五的結果示例 ML281001008 答案：學童ML281000408 受到前四道測試題的影響，一直認為光束的角度改變後就會在另一側以一定的角度射出，而該測試題是鏡子轉動了一定的角度，學生應該多多觀察。表 4-5-4 學生 FL011001008 在 POE 活動五的結果示例 FL011001008：預測P 光會從_90_度射出來。預測的理由光可以拐彎觀察O 當光以20度射向傾斜的鏡子後，測量射出的角度140。解釋E 與預測結果是否一致？ □一致 不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：光就從一個方向出去結論：光沿直線傳播預測P 光會從_20_度射出來。預測的理由根據前面的測試，20度射入鏡子，20度射出觀察O 當光以20度射向傾斜的鏡子後，測量射出的角度不會看…。解釋E 與預測結果是否一致？ □一致 不一致將實際觀察結果與先前預測做比較，說出兩者間異同及造成此現象的原因；得出結論。原因：沒看到光線… 結論：聽老師講解…

(49)

學童FL011001008 仍然認為光可以轉彎，從中可見先前概念對學生的影響程度很深，這時需要老師帶領學生多做實驗，從實驗中推翻錯誤的先前概念，增強對正確科學概念的認知。通過第五題的測試，發現學童對光的反射定律有的進一步的認識，但是由於是新的題型的出現，導致很多學生仍然很難更好的應用光的反射定律。是以教師在教學的過程中，不僅要懂得如何使學生更好的學習科學知識，還需要學生更好的去理論聯繫實際，去應用已學過的科學知識。

4.6 綜合討論

本研究通過對國小六年級學生進行光反射推理的測試，可見小學生在學習科學概念時經常會受到先前概念及生活經驗的影響及誤導，本節整理歸納30 位學童的測試問卷，其中測試結論如下所示。表4-6-1 學童答題情形的人數統計表題目預測其他答案光從相應的角度反射觀察其他答案光從相應的角度反合計其他答案光從相應的角度反合計光從20 度射向鏡子時小六 (N=30) 6(20%) 8(26.7%) 14(46.7%) 2(6.7%) 14(46.7%) 16(53.3%) 光從40 度射向鏡子時小六 (N=30) 4(13.3%) 9(30%) 13(43.3%) 1(3.3%) 16(53.3%) 17(56.7%) 光從60 度射向鏡子時小六 (N=30) 2(6.7%) 9(30%) 11(36.7%) 1(3.3%) 18(60%) 19(63.3%) 光從90 度射向鏡子時小六 (N=30) 2(6.7%) 8(26.7%) 10(33.3%) 1(3.3%) 19(63.3%) 20(66.7%) 當鏡子傾斜20 度，光從20 度小六 (N=30) 3(10%) 5(16.7%) 8(26.7%) 3(10%) 19(63.3%) 22(73.3%)

(50)

由表4-6-1 所示，能正確「預測」光從相應的角度反射的學生，隨著光的角度的增加而增加，隨著測試的逐步進行，學童慢慢的理解光的鏡面反射的概念。學童的五次測試統計圖如下所示，從中可以推斷出在學童剛剛接觸光的反射測試時有些迷茫。這時先前概念“光無處不在”，“人們從哪裡都可以看到光”等都存在，使學童對科學概念的學習有了一定的誤導作用，如圖 4-5-1，在第一次測試中僅有 53.3%的學童能夠正確預測光的走向，但是在後期的觀察中就出現了分歧，其中有6.7%的學童觀察結果是錯誤的，由此可見在預測中部分學童是未必是自己真實瞭解光的概念而得到的結論，從學童的答案中可知，這些學童都是經過其他學童的提示或者自己猜測得到的結論，並且不會觀察，這樣就沒有真正的學習光的概念，需要老師的正確指導。其中有46.7%的學童沒有正確預測該答案，這也是因為該部分同學沒有接觸過該方面的知識或者存在與學童的因為平時生活而得到的先前概念影響使其得到了錯誤的答案，但是經過觀察後有26.7%的學童能夠正確的得到答案。 20.0% 26.7% 6.7% 46.7% 觀察結果為其他答案（預測錯誤）觀察結果為光從160度角度反射（預測錯誤）觀察到其他答案（預測正確）觀察結果為光從160度角度反射（預測正確）圖4-6-1 光從 20 度射向鏡子時學童答題情形的人數統計圖

(51)

13.3% 30.0% 3.3% 53.3% 觀察結果為其他答案（預測錯誤）觀察結果為光從140度角度反射（預測錯誤）觀察到其他答案（預測正確）觀察結果為光從140度角度反射（預測正確）圖4-6-2 光從 40 度射向鏡子時學童答題情形的人數統計圖 6.7% 30.0% 3.3% 60.0% 觀察結果為其他答案（預測錯誤）觀察結果為光從120度角度反射（預測錯誤）觀察到其他答案（預測正確）觀察結果為光從120度角度反射（預測正確）圖4-6-3 光從 60 度射向鏡子時學童答題情形的人數統計圖

(52)

7.4% 18.5% 3.7% 70.4% 觀察結果為其他答案（預測錯誤）觀察結果為光從90度角度反射（預測錯誤）觀察到其他答案（預測正確）觀察結果為光從90度角度反射（預測正確）圖4-6-4 光從 90 度射向鏡子時學童答題情形的人數統計圖如上述圖所示，學童在經過一系列的相同性質的測試後，74.1%的學童已經能夠得到正確的預測，其中70.4%的學童還能夠正確的觀察實驗並得到正確的結論，這說明經過老師的指導和學生自己的學習，錯誤的先前概念是可以改變的，但是仍有部分學生還是依然得到錯誤的結論，這就需要教師給予耐心的指導。 10.0% 16.7% 16.7% 56.7% 觀察結果為其他答案（預測錯誤）觀察結果為光從140度角度反射（預測錯誤）觀察到其他答案（預測正確）觀察結果為光從140度角度反射（預測正確）圖4-6-5 當鏡子傾斜 20 度，光從 20 度射向鏡子時時學童答題情形的人數統計圖