以問題導向學習教學法進行國小奈米科技教學之研究

國立台中教育大學科學應用與推廣學系碩士論文

指導教授：陳麗文 博士

以問題導向學習教學法進行國小奈米科技教學之研究 

The Learning Effects of Problem­Based Learning in the Nanotechnology 

Curriculum for Elementary School Students. 

研究生：董冠妤 撰

中 華 民 國 一 ０ ０ 年 一 月

以問題導向學習教學法進行國小奈米科技教學之研究

摘要 本研究主要目的是以問題導向學習教學策略(Problem­Based Learning, PBL)來學習 奈米科技，探討其對認知概念、學習態度與問題解決能力之影響。採用準實驗研究法， 以台中市某國小五年級學生為研究對象，實驗組(32 人)與對照組(31 人)分別實施 PBL 與 一般傳統講述法教學，時間均各進行 400 分鐘。結果顯示：(1)兩組學生之奈米科技認知 概念均有顯著成長，且兩組的成效相同(p > .05)；(2)接受 PBL 教學的學生，其奈米科技 學習態度優於接受一般傳統教學的學生；(3)  接受 PBL 教學的學生，經過實驗處理後， 其問題解決能力優於一般傳統教學的學生；(4)透過學習檔案、錄影、錄音、晤談紀錄等 資料分析，顯示 PBL 教學能提升學生的學習態度與學習興趣，並表明可以提高溝通的 機會，並使問題多元化之外，呈現出最合理的答案，更能從過程中學習，反省自己的表 現，了解缺點以便改進、學習欣賞他人優點等，而在一般傳統教學組別則未發現上述相 同成效。故本研究顯示學生在經過 PBL 教學方法後，不僅在概念理解上可與一般教學 方法達到相同的效果，還可以提高學生學習奈米科技的態度與解決問題的技巧，對於學 生在知識、技能與情意上皆有所提升。PBL 教學方法確實有效促進學生在奈米科技的學 習，因此問題導向學習教學法可以作為未來設計及實施奈米科技課程之參考。除此，建 議未來可以建立起適用於國小教材的問題導向學習教案資料庫，提供國小教師教學之使 用。 關鍵字：國小學童、奈米科技、問題導向學習

The Learning Effects of Problem­Based Learning in the Nanotechnology 

Curriculum for Elementary School Students. 

Abstract 

The purpose of this study was to explore the effectiveness of problem based learning (PBL)on  the  students’  learning  of  nanotechnology  curriculum.  There  were  63  students  were  divided  into two  groups.  One  (n=32)  learned  nanotechnology  curriculum  by  problem­based­learning  model, and the other (n=31) learned by traditional curricula. The teaching lasted 5 weeks and  10  class  sessions  were  included.  The  questionnaire,  which  the  investigator  designed,  measured  the  teaching  effects  of  Nanotechnology  achievement  and  attitude.  The  “Nanotechnology  Test”  was  implemented  at  pre­test,  and  post­test.  It  has  shown  that:  (a)  There  was  no  significant  difference  between  both  experimental  and  control  group  at  the  grades  of  Nanotechnology  Achievement  Test.  (b)  The  experimental  group  had  significant  effects higher than the control group in Nanotechnology Learning Attitudes.(c)It deserved to  be  mentioned  that  most  of  the  students  who  learned  by  PBL  had  indicated  this  l e a r n i n g   m e t h o d s   w o u l d   e n c o u r a g e   t h e i r   p r o b l e m ­ s o l v i n g   a b i l i t y . ( d )  The  results  of  this  study,  PBL  was  effective  to  promote  students’  Nanotechnology  learning  attitude  and  interest,  engaged  student  in  learning  Nanotechnology.  Besides,  we  can  be  established  for elementary school  lesson plans by problem  based  learning  materials database  to provide elementary school teachers to use teaching. 

目 次 中文摘要………I  英文摘要………II  目次………III  表目次………V  圖目次………VI  第一章 緒論 第一節 研究動機………  1  第二節 研究目的與待答問題………  2  第三節 名詞解釋………  3  第四節 研究範圍與限制………  4  第二章 文獻探討 第一節 問題導向學習之意義與理論基礎………  5  第二節 問題導向學習的實施與評量………13  第三節 奈米科技………20  第三章 研究方法 第一節 研究對象………29  第二節 研究設計………30  第三節 研究流程………31  第四節  PBL 教學活動設計………35  第五節 研究工具………36  第六節 資料處理與分析………40  第四章 研究結果 第一節 不同教學方式對學童奈米科技課程認知概念學習之影響………43

第二節 不同教學方式對學童奈米科技課程學習態度之影響………47  第三節 不同教學方式對學童問題解決能力之影響………52  第四節 小組合作討論的學習表現情況與學習成效………55  第五章 結論與建議 第一節 結論………79  第二節 建議………81  參考文獻………83  附錄一 奈米科技概念圖………90  附錄二 問題導向學習教案………91  附錄三 傳統奈米科技教學教案………94  附錄四  PBL 活動學習單­認識奈米與奈米科技………  103  附錄五  PBL 活動學習單­自然界中奈米現象………  104  附錄六  PBL 活動學習單­奈米科技發展………  105  附錄七  PBL 活動學習單­奈米科技在生活中的應用………  106  附錄八 小組討論自評表………107  附錄九 小組討論互評表………108  附錄十 奈米活動說明單………109  附錄十一 半結構式晤談大綱………  110  附錄十二 檔案評量評分標準………  111  附錄十三 奈米科技認知測驗量表………  113  附錄十四 奈米科技學習態度量表………  119  附錄十五 奈米科技認知測驗量表預試各題鑑別度與難度分析…………  121  附錄十六 兩組學生在奈米科技認知測驗中「名詞熟悉程度」結果分析 比例表………  122

附錄十七 兩組學生在奈米認知測驗之各題反應………  124  表 次 表 2­1­1  問題導向學習與專題導向學習差異………  7  表 2­1­2  傳統教室教學和問題導向學習的差異………12  表 2­1­3  本研究問題導向學習與一般傳統教學方式比較表………12  表 2­2­1  問題導向學習訪查表步驟………14  表 2­2­2  不同學者提出問題導向學習階段與步驟………15  表 2­2­3  研究目的與評量方式對照表………17  表 2­3­1  奈米科技發展重要紀事………21  表 2­3­2  近年來與奈米科技教育相關研究成果………27  表 3­1­1  研究對象人數統計表………29  表 3­3­1  實驗組與對照組教學流程、步驟差異說明表………33  表 3­3­2  實驗組與對照組資料蒐集來源………34  表 3­3­3  資料編碼說明表………34  表 3­5­1  奈米科技認知測驗命題陳述表………37  表 3­5­2  奈米科技認知測驗雙向細目表………38  表 3­6­1  待答問題量化分析方法表………40  表 4­1­1  學生在奈米科技的認知情形………43  表 4­1­2  學生在奈米科技認知各向度的表現………45  表 4­2­1  學生在奈米科技的態度情形………48  表 4­2­2  學生在奈米科技學習態度「學習興趣」表現………49  表 4­2­3  學生在奈米科技學習態度「學習信心」表現………50  表 4­2­4  學生在奈米科技學習態度「價值信念」表現………51  表 4­3­1  學生在「新編問題解決能力測驗」的表現………53

表 4­4­1  實驗組學生自評結果………72  圖 次 圖 2­2­1  問題導向學習基本運作架構………13  圖 2­3­1  奈米科技  K­12 教育發展中心策略聯盟系部組織架構圖………26  圖 3­2­1  研究概念圖………30  圖 3­3­1  研究流程圖………31  圖 4­4­1  實驗組學生課程統整之學習議題內容………57  圖 4­4­2  實驗組學生課程統整之學習議題內容………57  圖 4­4­3  對照組學生課程統整之學習議題內容………58  圖 4­4­4  實驗組(G5)學習單元(一)建立之 PBL 訪查表………60  圖 4­4­5  實驗組學生活動進行中合作討論情形………62  圖 4­4­6  實驗組學生整理網路學習資源之相關筆記………63  圖 4­4­7  實驗組學生小組討論互評表………67  圖 4­4­8  實驗組學生成果發表………67  圖 4­4­9  實驗組學生成果發表………68  圖 4­4­10  實驗組學生概念層面的檔案內容………75  圖 4­4­11  對照組學生概念層面的檔案內容………75  圖 4­4­12  實驗組學生自評表內容………76  圖 4­4­13  實驗組學生互評表內容………76  圖 4­4­15  實驗組學生學習檔案封面………77

第一章 緒 論

本章共分成四節，第一節為研究動機；第二節為研究目的與待答問題；第三節為名 詞解釋；第四節為研究範圍與限制。將各節詳述如下：

第一節 研究動機

隨著時代的進步，科技與資訊帶來許多的便利性，面對日新月異的社會變遷，人民 必須要隨時學習才能夠順應未來的發展。聯合國教科文組織 UNESCO 指出成就教育四 個支柱­學會學習(learn to learn)、學會做事(learn to do)、學會發展(learn to develope)、學 會共同生活(learn to live together)，以適應社會變遷的需要(  計惠卿、張杏妃，2001 )。 教育是國家的立國之根本，與國家的發展、經濟脈絡有著緊密的連結，而科學教育 更是扮演者重要的角色。科學教育白皮書( 2003 )  指出：「應用科學方法與科學知識解決 日常生活問題，理性批判社會現象，並為各項與科學相關的公共事物做出明智的抉擇。」 由此顯示，解決問題已被視為學生所須具備的一項能力。教育部九年一貫課程綱要目標 指出，應培養主動學習的習慣；學習科學與技術的探究方法及其基本知能；培養與人溝 通表達、團隊合作以及和諧相處的能力；培養獨立思考、解決問題的能力等。 綜合以上觀點，教育應融入各項生活體驗，培養獨立自主學習的能力，增加解決問 題的技能。教師輔助學生學習，成為教學者解決問題的夥伴，擔任輔助、顧問、教練的 角色，僅從旁給予必要的協助(  張杏妃，2000 )。反觀，教師若不能設計出別出心裁的 教學課程，無法呈現出引人注目的教學策略，容易讓學生失去學習興趣，流於知識的背 誦，食譜式的學習方式已經不足以是應未來時代的變化。 問題導向學習（Problem­Based Learning，簡稱 PBL）是一種以學習者為中心的教學 方式，由學習者主動進行問題解決。學習者在學習的過程中扮演積極參與的問題解決 者，對於學習負有重要的責任，主導整個學習的進行，培養自我導向的終身學習技能、

問題解決能力、團隊合作的溝通技能、以及資訊管理與應用的能力。( IMSA,1998 )  再者，科技與生活的關係越來越密切。奈米科技是 21 世紀主流產業(  陳麗文，  2005 )，生活周遭有許多產業皆有涉及，例如：航太、化工、電子，奈米科技已融入我 們日常生活食衣住行當中，更是被喻為第四次工業革命的來臨。教育部在民國 91 年推 動「奈米科技 k­12 人才培育計畫」，期望透過國小、國中、高中教師將奈米相關知識， 轉化為淺顯易懂的知識，以激發學生的學習興趣，進而將奈米科技人才培育計畫延至  k­12 教學階段(  教育部，2002 )。 奈米科技 k­12 人才培育計畫雖然已經推動多年，但是在國小各領域教科書中，出 現的奈米科技相關教材也並不多見，目前僅在翰林版六年級國語課中出現奈米科技教 材。而面對奈米科技的發展趨勢，如何讓國小學生了解奈米科技，培養奈米科技相關概 念與素養，以運用於生活上，實在是當前該省思的一項難題。 奈米科技教學，大部分都是著重在傳統的教學，鮮少探討問題解決能力與奈米科技 之間的相關性，如果可以提供多元學習環境與學校教育互相配合，既可以讓學生開拓學 習視野，亦能使學生不再侷限於狹小的學習管道。本研究擬以融入問題導向學習(PBL)  教學方法，讓學生在有結構的學習環境下進行奈米科技教育的學習，幫助學生認識奈米 科技，突破傳統教材呈現方式，引發學生的學習興趣，提供多元豐富的學習資訊，以達 有效率的學習。

第二節 研究目的與待答問題

基於以上研究動機，本研究目的旨在利用問題導向學習教學和一般傳統教學應 用於奈米科技課程上，針對台中市北屯區大地國小(化名)進行奈米科技推廣教學， 探討教學後學生學習概念、態度、問題解決能力之間的差異。基於以上研究目的， 欲探討的研究問題如下：

1、問題導向教學模式與一般傳統教學對國小五年級學生的奈米科技認知概念 有何影響?  2、問題導向教學模式與一般傳統教學對國小五年級學生的奈米科技學習態度有 何影響?  3、問題導向教學模式與一般傳統教學對國小五年級學生問題解決能力有何影 響?  4、問題導向學習教學策略對於學生在課堂上的表現有何影響? 

第三節 名詞解釋

一、問題導向學習：Problem­Based Learning (簡稱 PBL）指學習者在有意義的情境裡， 以學習者為學習中心，透過小組討論與合作學習以瞭解問題及解決 問題歷程，並培養主動建構知識與技能的有效學習方式。本研究所 採用的問題導向學習是根據 Robert Delisle( 1997 )  提出的問題導向 學習歷程組成下列步驟：與問題連結、建立結構、訪查問題、再訪 查問題、生產成果或表現、評鑑表現及該問題。 二、一般傳統教學模式：本文中所指的一般傳統教學模式是指依教案教學方式，採用講 述法的為主。 三、奈米科技：尺寸在 1~100nm 之間的物質之組成、構造、特性，並以其為基礎加以 設計、製作、組裝成新材料、器物的知識和技術。 四、奈米科技認知概念：本研究所指奈米科技認知概念學習，是經過奈米科技課程後， 進行奈米科技認知測驗，測驗採用研究者自編的奈米科技認知測驗量 表。得分越高表示認知概念越佳，反之。 五、學習態度：學習態度是指學習方法與習慣等準備狀態或行為  (  唐璽惠，1988 )，本 研究所定義之學習態度指學生在「奈米科技學習態度量表」  (  廖湘瑄，

2008 )得分，得分越高表示學生奈米科技學習態度越趨於正向、積極。 六、問題解決能力：本研究指的問題解決能力是依據詹秀美、吳武典  ( 2007 )  所編製的 「新編問題解決能力測驗」得分的高低來表示問題解決的能力。得分 越高，表示問題解決能力越佳。

第四節 研究限制

本研究受限於人力、時間等因素，造成本研究的研究限制，本節將對研究範圍與限 制做出界定與說明： 一、研究者：本研究是由同一名老師進行兩個班級的教學，優點是可以避免因學習者本 身學習情況而減少研究誤差，缺點是教學者本身因預期心理而產生研究誤 差。本研究者盡可能避免因研究者的個人行為或特徵而造成實驗結果失實 或歪曲的現象，在於研究期間與分析資料階段將以客觀、公平的角度來進 行研究。 二、教學內容：本研究教學內容為奈米科技的發展、應用等，因此不適合推論到其他學 科或不同的學習單元。

第二章 文獻探討

本章第一節將要探討問題導向學習之意義與理論基礎；第二節將要探討問題導向學 習的實施與評量；第三節探討有關奈米科技領域的應用與發展；第四節探討 PBL 相關 研究成果。

第一節 問題導向學習之意義與理論基礎

本節的探討由問題導向學習的起源、及其學理上的依據與問題導向學習的特色。 一、 問題導向學習的起源 問題導向學習  ( PBL )，又稱問題本位學習、問題引導學習。問題導向學習是針對 問題了解與解決過程中所進行的學習。其認為問題導向學習是一能讓學習者主控學習的 較大部分，且鼓勵他們突破傳統學科之界線，並透過一特殊的問題進而整合相關知識的 方法  ( Barrows & Tamblyn，1980 )。 杜威曾提出：教師應引出學生探究與創造的自然本能，認為學生的校外經驗提供線 索去根據學生的興趣調整課程使學生主動參與。因此透過學生主動去學習，建構其知識 及技能，而非透過抽象的練習。  1986 年加拿大 McMasters University 醫學教授 Barrows 設計了一套教導醫生學習的 方式，培養他們對日常生活省思的潛能。當大多數醫學院能注重提供知識，Barrows 已 發展問題導向的學習於：讓醫學生能統整、使用、再使用新學得有關病患問題的資訊， 提供臨床情境的探討線索。Barrows 對於 PBL 的第一個教育目標：我們必須教導醫學生 學得基本知識，並做較佳的保留、檢索，供後來在臨床情境使用  ( Barrows, 1985 )  。  Barrows 與 Tamblyn 於 1980 年定義這種新的教學法，PBL 是一種由理解及解決問題 的過程而得到問題解決的學習方式  ( Barrows & Tamblyn, 1980 )  。他們將這一歷程歸納 如下： 

2.  呈現問題給學習者的問題情境與真實環境中是一樣的。  3.  學習者處理的問題必須要適合他的學習程度，讓他能推理、應用知識，並且願 意接受挑戰及評鑑。  4.  在問題的處理過程找出要學習的領域，並引導學習者做個別化研究。  5.  將本過程所學到的技術及知識，可以再應用該問題，並且評估學習效率、增強 學習動機。  6.  在學習的過程中，學習者歸納統整已有的知識及技能  ( Barrows & Tamblyn,  1980 )  。  Barrows & Tamblyn ( 1980 )  指出 PBL 是由一個真實情境的問題，針對問題了解與 問題解決的過程進而學習。PBL 讓學習者掌握大部份學習，鼓勵學習者突破傳統學科之 界線，透過一特殊問題以整合相關知識的方法。Rankin ( 1992 )  認為 PBL 是一種以學習 者為中心的教學方法，並非是一種自由式的發現學習，而是具嚴謹性、實踐性之教與學 的過程。Delisle ( 1997 )  指出 PBL 是一種鼓勵學生運用批判思考、問題解決以及統整知 識的能力，以解決真實世界的問題和爭議的教學方法。國內學者王千倖在 1999 年提出  PBL 是經歷由問題的提出、概念的釐清、驗證假設、評估、再次界定問題、提出新的假 設、評估，以進行的螺旋性研究歷程。陳毓凱、洪振方  ( 2007 )  認為 PBL 在本質上屬 於一個讓學習者藉由解題來獲得相關知能的教學模式。 根據以上學者的對於問題導向學習之定義，研究者認為問題導向學習是一種教學模 式，指學習者在有意義的情境裡，以學習者為學習中心，透過小組討論與合作學習以瞭 解問題及解決問題歷程，並培養主動建構知識與技能的有效學習方式。 近來，常見將問題導向學習 （Problem­based learning） 與專題導向學習 （Project­based  learning）混為一談，兩者都是教學策略，強調的方法與精神有許多相似之處，但其細節 與實施步驟略有不同，表 2­1­2 列出兩者之間的比較關係。

表 2­1­1 問題導向學習與專題導向學習差異 類別 問題導向學習 專題導向學習 要件  1.弱結構的問題  2.真實世界的問題  3.學得多領域知識  1.預測可驗證  2.要完成作品所需材料的可行性  3.知識複雜性較高  4.可有多種解決方式 實施步驟  1.藉由問題引起學生的疑惑  2.開始組織該問題的先備知識  3.提出任何額外的問題  4.確定知識的範圍  5.提出計畫或是方法來獲取更多 資訊  6.進行研究  7.分享、總結他們的所學習到的新 知識  8.發表結論  1.確定富有創意的期末作品  2.確認觀眾群  3.探究學習題目的內涵  4.設計作品  5.製作進度管理計畫  6.開始進行學習  7.解決發生的問題及爭議  8.完成學習作品 特點  1.都是設計提供學生在真實世界的情境中增進學習。  2.提供具備多種方法或答案的開放性專題計劃或問題，供學生去 模擬情境。  3.都是以學習者為中心，老師扮演輔助者或教練的角色  4.都採合作學習的模式  5.都鼓勵學習者尋找多元化的資訊來源  6.都強調實作評量 整理自洪榮昭( 2001 )、陳毓凱與洪振方( 2007 )  除了表 2­1­1 顯示之外，Problem­based learning 和 Project­based learning 在教學時間 上也略有不同，Problem­based learning 可由許多問題組成一個完整的單元，每個問題探 究所需的時間不同。Project­based learning 是一個長時間周期研究過程，而非僅參與一個 短期性或是脫離真實生活情境的活動。而 Problem­based learning 強調小組合作學習，也 與專題導向學習可能讓學習者在專題中獨自完成學習任務的作法有所區別  (  楊坤原與 張賴妙理，2005 )。 綜合以上，問題導向學習與專題本位學習，皆是以學習者為中心；利用真實世界中

的現象、議題來形成問題；非線性的學習歷程；小組合作學習；而其不同之處也有數個 面向。在學習內涵結果上，問題導向學習是一種讓學習者藉由解題來獲得相關知能；而 專題導向學習進行一個研究過程，透過歷程中科學知識、技能的運用來形成最終產物； 而在問題結構上，一個是以結構模糊的問題為出發，另一則為驅動問題為主。 問題導向學習除了與專題導向學習之間有差異之外，亦有學者提出和 PBL 在理念 方面相似的教學策略，但是其在實施的方式、課程的學習內容、所要培養的目標等皆有 所不同。楊坤原、張賴妙理  ( 2005 )  指出 Case­based learning 在學習目標與資源隨個案 呈現，強調內容的學習而未讓學習者進行屬於該學科領域的真實性解題，而 PBL 則是 聚焦於解決一個問題的歷程來獲得相關知能的教學模式  (  陳毓凱與洪振方，2007 )  。 楊坤原、張賴妙理  ( 2005 )  指出 problem solving 目標是施給學生特別的解題訓練，在課 程中得到問題解決的技巧，且在進行課程的學習前，就已經具備解題所需的知識，以問 題為中心解決問題，學生透過解決問題的過程進行學習，能提升學生解決問題的能力。 但是 PBL 主張讓學生在學習必備的知識前，就須先遭遇結構模糊問題，再由解題的過 程獲得所需的知能，也會基於不同的策略或方法可能獲得不同的結果。 台灣的醫療體系如台大、陽明等，也引進 PBL 的教學策略，訓練學生的分析、蒐 集、統整、應用能力。以問題導向學習的教學方法突破傳統教學限制，配合國民中小學 九年一貫課程的推動，重視創造力與解決問題的能力，此 PBL 已在高中職、國民中小 學慢慢開始推動。 二、問題導向學習的理論基礎 問題導向學習是指由教師安排一個問題或任務，交給學習者去達成或是解決問題， 此問題解決的過程著重在與他人合作工作時可以激發出自己建構的知識與技能。強調以 學習者為中心、內在動機、鼓勵小組合作學習、允許學生不斷增加或修改他們的作品與 表演、教學設計能提供學生在活動中主動參予工作，而不是只是學習知識或要求學生有 成品展示、表演、是一種屬於高層次的知能挑戰  (  計惠卿與張杏妃，2001 )  。因此，

以下就建構主義理論、合作學習、情境學習等方面來討論與問題導向學習的關係。  (一)問題導向學習與建構主義理論 建構主義是學習理論由行為主義到認知主義以後的進一步發展。強調學習是建構式 的，知識是經由個體主動建構而成，而且可以與人分享建構而來的知識。張靜嚳  ( 1995 )  歸納建構主義為下三點原理：「  (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，是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。」  Savery & Duffy ( 1998 )  也指出以建構主義的觀點來思考問題導向學習，可以發現 學習者可以經由環境互動中產生學習；認知衝突可以刺激學習；知識的擴展需要多人提 供不同看法產生研商。  Vygotsky ( 1978 )  強調學習者在過程中主動學習、主動建構知識 與技能等認知歷程，教師則扮演協助者與促進者。鷹架理論中曾提及：透過同儕間學習， 給予學習者提供適當的輔助，進行搭鷹架的工作，對於學習者的學習將有實際的助益。 有別於傳統的學習，學習者不再是被動的接受知識或是複製老師的經驗，因此引導學生 建構知識，發展學習者由 Vygotsky 提出的潛在發展區  ( Zone of Proximal Development ,  ZDP)。 問題導向學習是以學習者為主體的一種學習法，符合建構主義的理念，教師在學習 過程中的角色有別於傳統教室的學習，從真實的問題中學習，並強調個人創造知識，設 計是屬於自己的學習歷程。PBL 學習過程中，採取主動探究知識，教師提供相關資訊輔 佐學習者解決問題，或是在學習過程中產生認知衝突，進而達到最佳學習。  (二)問題導向學習與合作學習 合作學習指的是利用小組成員之間互相分工合作、支援、溝通以進行學習。Parker  （1985）指出合作學習提供一種合作的學習環境，讓學生在異質小組中與同儕共同學 習，互相幫忙，彼此間分享學習資源，並且能在批判與修正中分享觀點，最後共享成果。

並且在此種合作的學習環境中，孕育出更多的合作行為。其主要的目的為增進彼此溝通 的技巧；培養學習者合作的能力；養成良好的人際關係等。學習者在過程中除達成學習 成效之外，更可以培養創造力與責任感。 合作學習不受時空限制的特質下，不僅止於資訊的交換，更是交互學習、共同經營 的過程，可以突破傳統合作學習的困境，從與他人的互動中共同學習，賦予學習新的涵 義  ( Kaye, 1992 )  。透過合作學習、團體中的成員善用各種資源分工合作，才能分享個 人的知識，提升團體成員的知識，形成「學習社群」（趙金婷，2000） 。 教學者在合作學習過程中，應鼓勵學習者適時提出自己的建議，幫助小組解決最終 的問題或任務，並給予學生成就感完成學習目標。楊巧玲  ( 2000 )  指出運用合作學習的 教學策略不僅改變了瀰漫於學習情境中的競爭氣氛，而且讓學生能在「愛」與「支持」 的學習環境中培養學生批判思考的能力、表達意見的勇氣，與尊重他人的態度。 問題導向學習透過合作討論與他人互動，提出不同的看法，並能互相刺激促進解決 問題。在問題導向學習過程中，小組合作學習是主要策略之一  ( Evensen & Hmelo,  2000 )  ，強調以真實情境問題引起學生的學習動機，讓學生在主動學習解決問題的過程 中，運用小組合作的技巧，培養創造及批判性思考的能力，同時透過小組同儕討論，從 眾多策略中選擇最合適的解決方案，達成解決問題的目標（王千倖，1999  ）。Delisle  ( 1997 )也談到了問題導向學習確實能增進合作學習。  (三)問題導向學習與情境學習 情境學習是源於認知心理學家，強調學習者與情境之機的關係，透過主動參與，和 環境之間的互動而獲得學習知識的歷程。綜合吳宗立  ( 2000 )  、 施郁芬與陳如琇  ( 1996 )、黃若玲  ( 1993 )  、楊家興  ( 2006 )  提出下列幾點：  (1)情境學習理論強調主動建構知識的能力。  (2)學習應建構在真實的環境中，強調情境脈絡的重要性。  (3)學習是一種與社會互動的過程，從實際社群的參與獲得資訊。

(4)學習是共同參與的社會化過程，由教學者提供鷹架，互相支持、激發，共同建構知 識。 問題導向學習符合情境學習論的核心，強調學習者的主動參與，學習應分散在各學 習者之間而不是單於一人上，實務社群的存在有利於專家知識的學習  (  楊坤原與張賴 妙理，2005 )。在有意義的學習情境中，以問題為基礎的學習，安置於學習情境中，透 過之間的互動，由教學者提供協助，達到解決問題的任務。 三、問題導向學習的特色 問題導向學習是由教師安排情境或問題，交給學習者去解決，再經由過程中與他人 互動時，達成建構知識或技能。至今已廣為應用於不同階段與領域中，研究者閱讀文獻 後，綜合計惠卿與張杏妃  ( 2001 )、王千倖  ( 1999 )、洪榮昭  ( 2001 )、和邱漢東( 2003 )、  Greenwald ( 2000 )、Aspy et al. ( 1993 )  將 PBL 的特色整理如下：  (一)以真實生活中可能遇到的問題為學習起點。  (二)學習的內容以問題為主軸，由學習解決歷程來統整多元智能學習。  (三)以學生為中心，落實自我導向主動學習；教師扮演資源提供者、引導者和後設認知 學習技巧的教練。  (四)透過小組合作學習的方式，培養互動溝通技能。 而許多研究比較了傳統教室教學和 PBL 的差異，洪榮昭  ( 2001 )  統整( Albances,  2000; Barbara , Susan & Deborah, 2001; Brevik & Senn, 1994 )  提出的資料綜合整理如表  2­1­2：

表 2­1­2 傳統教室教學和問題導向學習的差異 傳統教室學習 問題導向學習 教師角色 教師是教學專家 教師是設計者、引導者、 催化者 學習方式 以教師為中心、以教為主 軸，教學取向 以學生為中心、以學為主 軸，學生取向 學習資源 教科書是主要學習資 源，課程內容已受到指派 整合的學習資源及媒 體，學習內容是一種經驗 取向 學習內容 主要學習內容是事實，學 習是被動接受 主要學習內容是解決問 題，學習是主動建構 教學目標 教學目標在獲得主題領 域的知識，複製已接受的 知識 兼重主題領域知識的獲 得與核心能力的養成 資訊來源 教師提供資訊 資訊必須自己發掘 評量方式 評量以量為主，注重總結 評量結果 質與量並重，兼重學習過 程與結果 知識分享 個人學習為主，少分享 小組合作學習，重視分享 資料來源：研究者整理自洪榮昭( 2001 )  如上表所示，問題導向學習教學法與一般傳統以講述法為主的教學方式，除了在教 師所扮演的角色差異之外，學習資料的來源與建構學習的方式皆有所不同；而評量的方 法與知識是否與他人分享也有差異。下表 2­1­3 乃根據上述文獻，研究者將問題導向學 習與一般傳統教學方式整理出和本研究相關之比較與做法。 表 2­1­3  本研究問題導向學習與一般傳統教學方式比較表 問題導向學習 一般傳統教學 學習中心 學生 教師 學習地點 教室(六人一桌)  教室 學習資源 不限定，依學生所搜尋資源 為主，學生主動接受 以教師決定學習資源為主，學 生被動接受 學習社群 採小組合作學習 個人學習 資訊來源 學生自己發掘 教師 評量方式 紙筆測驗、自評、互評、檔 案評量 紙筆測驗、檔案評量、自評、 互評

第二節 問題導向學習的實施與評量

一、問題導向學習的實施 近來教學設備的發達，帶動了許多教學方法的多元，利用不同的教學方式帶來的便 捷，增加傳統教室之外的互動機會，尤其是 PBL 實施方式的多樣變化，適合各年齡層 的推廣，但因為實施對象不同、不同的班級人數與學生程度，實施的科目領域不同，使 得 PBL 實施方式略有不同。本研究主要是以 PBL 的教學，提出下列 PBL 的教學設計模 式理念，作為本研究的參考。  Biggs ( 2000 )  提出 PBL 的基本運作架構如下： 圖 2­2­1  問題導向學習基本運作架構(  資料來源：引自洪榮昭與林展立，2005 )  在基本運作架構中，教師由特定專業知識領域進行情境設計，使學生在情境中培養 設計問題能力、團隊合作技巧並獲得領域專業知識。在學習與知識推導中，熟悉團隊創 造技法的運用、善用資源導向學習並互相督促、支援。在評估的過程中，著重發現問題、 知識獲得及思考與社會化技巧  (  洪榮昭，2001 )。 至於在問題導向學習實施的過程中，要採取哪一種方式可能要依學生程度與問題深 度來選擇應用。洪榮昭與林展立  ( 2005 )  提出實施步驟如下：  1.藉由問題引起學生的疑惑。  2.學生著手組織該議題的先備知識。  3.提出任何額外的問題。 專業知識 目標設定： 設計問題能力的培養 團隊技巧培養 專業知識獲得 評量： 解決問題 知識獲得 思考技巧 社會技巧 問題解決： 團隊創造技法運用 資源導向學習 互相督促

4.確定所需知識的範圍。  5.提出計畫來獲取更多的資訊。  6.進行必要的研究。  7.分享、總結他們的新知識。  8.發表他們的結論。  Delisle ( 1997 )  提出 PBL 實施過程分成六大步驟  (  周天賜譯，2003 )  ：  1.與問題連結：此步驟主要目的為讓學生感受到問題的重要，教師提出或設計的問題要 與學生日常生活中關心的事物要有所連結。可以透過討論或是閱讀等，以具體方式引入 主題。  2.建立結構：這個步驟是整個 PBL 的關鍵，告訴學生如何就情境來思考問題，並得到適 當的解答。依據訪查表的步驟，讓學生建立結構。 表 2­2­1    PBL 訪查表步驟 步驟 點子 事實 學習論題 行動計畫 內涵 記錄下可能的 解答或解決問 題的方法 紀錄所有關於 這問題我們所 知道的事實 記錄需要了解 的問題或是需 要回答的提問 記錄下如何執 行研究  3.訪查問題：填寫完前三欄後，教師請學生每人或每組選擇一個點子來檢查。當認領完 後，學生或小組要注意學習論題，從中選擇一個或多個進行研究。再者，提出可能的解 決方式，擬定計畫，如實驗、訪談等。  4.再訪問題：學生完成工作後，教師集合全班再訪問題。由每一小組報告工作內容，是 如何進行?如何證明?學生根據小組所做的研究再提出新的問題，研究在第二輪中，小組 可決定哪一個解答是計畫所要探討的。  5.生產成果或表現：成果使得整個 PBL 作業有目的性。學生經由歷程研究問題，使用材 料製作成果，而教師以最後學生學習成就測量成果。表現方式多元，如：報告、實作等。  6.評鑑表現與問題：教師鼓勵學生評鑑自己的表現、小組表現、問題品質。藉此三項表 現作為下一次進行 PBL 的參考。

楊坤原與張賴妙理  ( 2005 )  參考 Delisle( 1997 )所提供的步驟，並且結合教學順序， 綜合步驟如下：  1.  介紹  2.  遭遇問題  3.  透過問題進行研究  4.  自我指引研究  5.  重新思考原來的議題  6.  決定最合適的解答  7.  展現結果(解答或成品)  8.  進行評鑑 綜合以上學者所提出問題導向學習階段與步驟，整理如表 2­2­2  表 2­2­2 不同學者提出問題導向學習階段與步驟  Barrows  ( 1986 )  Delisle  ( 1997 )  計惠卿與張 杏妃  ( 2001 )  洪榮昭與林 展立  ( 2005 )  楊坤原與張 賴妙理  ( 2005 )  問題分析 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 訪查問題 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 建立結構 ◎ 再訪問題 ◎ ◎ ◎ 生產成果 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 反省評鑑 ◎ ◎ ◎ ◎ 由上表可知問題導向學習模式會因為不同學者而分成不同的學習步驟，本研究擬以  Robert Delisle (1997)  提出的問題導向學習歷程組成下列步驟：與問題連結、建立結構、 訪查問題、再訪查問題、生產成果或表現、評鑑表現及該問題。Delisle 提出在步驟二建

立結構中提出 PBL 訪查表，此表格列出四個欄位，依序為 ideas、facts、action、plan， 此四個欄位可以幫助學習者探究問題，具有鷹架的效果。 二、 問題導向學習的學習評量  Allen et al. ( 2001 )  認為問題導向學習最容易被忽略的是正式的學習者的評量，大 部分的評量方式是以書面或測驗的方式評鑑學生所學的知識。然而，問題導向學習重視 學習歷程，包括方法、步驟、成果展現，如果只是透過書面方式評鑑學習者的表現確實 是不容易執行的。Swanson, Case & van der Vleuten ( 1991 )  指出：在問題導向學習過程 中，不宜單就紙筆測驗對於學習者進行施測，此評量對於學習者是不足的，且所蒐集的 資料也是偏頗不完全的，所以本研究的評量方式除了紙筆測驗外，擬增加問題解決能力 與過程評量等面向。  PBL 的教與學模式多元，所採取的評量或評鑑方式，要符合國內外科學教學與評量 的需求。最早實施 PBL 教學的 McMaster 大學的課程中，並沒有提到正式的評量方式， 主要是以小組引導討論為導向，在每個教學單元結束之後，撰寫報告並且發步成果。爾 後，才發展出口語測驗、個案研究報告來佐證學習，但並沒有分數的束縛  ( Woods,  1994 )。  PBL 的評量設計依教師所檢視教學目標，及其教學成果可採取多元化。  Delisle  ( 1997 )  指出第一天介紹 PBL 的問題到最後成果的檢查均可以評量學生的表現。事先， 需要學習者描述與溝通，讓學習者在進行時可依此評量期望來發展與執行。故此，PBL  的評量除了重視學習者成果展現之外，教師也蒐集學習者參與 PBL 的學習過程的資料， 可檢驗是否有達到發展所需解決問題的過程。 楊坤原、張賴妙理  ( 2005 )  根據 Barrows & Tamblyn, 1980；Glasgo , 1997；Hsu ,  1999；Swanson, case & van der Vleuten , 1991；整理自許多研究者指出依評量的領域而將  PBL 的評量分為「內容」、「過程」、「結果」三大類。「內容」所要測量的是訊息和知識， 是學生所記憶、回想或連結所得來的。「過程」所評量的是方法和技術，評量的焦點在

於學習者是否能建立一個解題結構、使用訊息來解題和評鑑訊息、小組溝通技能、學習 責任的接收情形等。「結果」則是指具體的學習產物評量，作法是根據事先訂立的標準 來評判學生解題效能。內容導向的評量著重在學習者所接受的訊息、或連結的知識，評 量方式多以紙筆測驗、學習單方式呈現。而過程導向的評量著重在學習者是否可以建構 一個解題的架構，其中與組員的溝通情況、參與度或是學習責任的接受情形，並培養主 動學習的精神。評量方式多以口試、導師評量、自評互評表、實際問題模擬、真實性評 量為主。Swanson 等人  (1991)  建議以過程評量的方式來進行 PBL 的學習評量，較可以 對學習者的學習產生助益。而結果導向的評量著重在學習成效與知能技巧，評量方式可 用檔案評量、學習日誌、電腦模擬評量、實作評量、口頭報告、書面報告、演示等方式。 綜合以上學者提出的看法，研究者認為問題導向學習教學法的評量，不只要注重內 容與結果之外，更應該注重過程的評量，教師可以藉由各種評量方式去了解學習者在各 個階段的學習情況，下表 2­2­3 列出本研究目的與評量方式對照表。 表 2­2­3  研究目的與評量方式對照表 研究目的 評量方式 探討實施問題導向學習教學模式與一 般傳統教學對國小五年級學生在奈米 科技課程認知概念學習之影響。 奈米科技認知概念評量表 探討實施問題導向學習教學模式與一 般傳統教學對國小五年級學生在奈米 科技課程學習態度之影響。 奈米科技學習態度量表 探討實施問題導向學習教學模式與一 般傳統教學對國小五年級學生在奈米 科技課程問題解決能力之影響。 問題解決能力測驗 問題導向學習教學策略對於學生在課 堂上的表現有何影響。 自評表、互評表、訪談、問題導向學習 問題結構單、學習檔案 本研究的評量方式採用紙筆測驗之外，以便了解學生學習的內容產物；也加入了學 習態度量表，以了解學生在學習態度的差異；除此，增加問題解決能力測驗，對應課程 前後問題解決能力的差異；並且透過自評表與互評表以了解學生在學習過程中的學習表

現情況；最後，透過檔案評量，具體的學習產物評量，作法是根據事先訂立的標準來評 判學生的整體表現情況。 三、教師的角色 早期醫學院所實施的小組學習中，由五至七人組成一小組，同時會有一名導師  (tutor)。張民杰  ( 2003 )  指出在中小學實施 PBL 的教學，受限於教師的人力，通常修正 以一名導師引導討論。在較大的班級無法每個小組都配置一個導師來引導討論、確保學 生的參與，tutor 扮演「流動的促進者」穿梭於各組之間，探知學生的學習情形。若無足 夠的導師可分配於每一小組中，同儕導師可分擔導師所負之引導與監控小組學習討論情 形，此作法仍可確保每個小組均能有效地達到教學目標  ( Duch, 2001 )  。教師的角色是 需要創造探索的環境或問題，提供問題、探究的資源，維持學生工作效率與計畫多元評 量方式  (  黃琡惠，2002 )  。 四、問題檢核規準 除了教學內容、過程、結果的評量之外，教學者在設計題目時，對於問題的檢核也 應有一定的規準。Delisle ( 1997 )  提出下列幾點供參考  (  周天賜譯，2003 )  ：  1、 問題是否達成重要的課程目標?  2、 問題是否可以建立學生思考及推理技能?  3、 問題是否可以連結外在與內在世界?  4、 問題是否來自於學生的關心並激發學生的興趣?  5、 問題是否適合於學生的能力程度，太難或是太易?  6、 學生是否可以獲得資源解決問題?  7、 在使用問題進行學習之前是否做了必要的修改?  楊坤原、張賴妙理  ( 2005 )  提出：「結構模糊的問題應符合真實世界情境中；並能 吸引學生、和學生的學習經驗相連結，或將學生與科學家的經驗相關聯，且能引起學生

學習興趣並鼓勵他們參與學習；須能引發爭議或讓學生根據事實、訊息、邏輯和了解而 做決定；讓學生能察覺到必須一起通力合作才能成功地獲致解答或結論；能提供回饋； 能整合課程內容所安排的知識和技能」。 除此之外，問題結構度、新奇度皆會影響學習者的學習動機。評量問題設計更需考 量問題被討論的方式與解決問題的時間、可以配合的人力與資源。惟有思考每一個向度 的周延，才可以讓問題的設計有助於學習者的學習。總而言之，根據教學目標的不同， 教師採取適合的評量方式。評鑑學習者每一個階段的表現，觀察學習者的成長，更可以 評量教師本身在 PBL 的效果，以改善下次 PBL 的活動。 五、與 PBL 相關教學成果 閱讀相關文獻後，國內目前 PBL 研究可以發現成果如下：林國書  ( 2003 )  探討 PBL  教學在國中理化學習成效之研究，施行  PBL  教學的學生，其學習成就優於傳統教學的 學生，且在施行  PBL  教學的學生進行延宕測驗也優於傳統教學之學生；游文楓  ( 2003 )  針對國中一年級的學生探討網路化問題解決教學策略對學生生物學習成效的影響，發現  PBL  有助於提升學生非結構化問題的延宕測驗成績，並且可以提升「對生物態度」；郭 裕芳  ( 2003 )  探討問題導向學習與傳統教學法在高職自然科學學習成就之比較研究，發 現傳統教學法的學習成效優於 PBL 教學法，但是 PBL 教學法的延宕測驗成績卻是較傳 統教學法來得佳；丁大成  (  2003  )  探討國二學生運用 PBL 教學，學習力與運動單元， 發現 PBL 教學班級學生在後測成績與前測成績有顯著差異；除此之外，林詩華  ( 2004 )、 易國良  (  2005  )  亦有發現指出 PBL 教學法能提升學生學習成效，並且在接受教學後， 其學習態度皆有正向的影響力。劉為國  ( 2003 )  探討 PBL 在高職生微電腦控制課程中， 發現 PBL 教學法後測成績優於傳統教學法之外，在學習態度四個向度中「師生互動」、 「學習動機」、「班級氣氛」、「心理反應」皆優於傳統教學法之學生；相反的，部分文獻 指出 PBL 教學與傳統教學法之學習成效並沒有顯著差異的，如李志忠  ( 2004 )；郭裕芳  (  2003  )也認為傳統教學法與 PBL 教學法，學生在自然科學習態度上並無達顯著差異；

李志忠  ( 2004 )  探討不同的教學法在學習態度上的「同儕學習」、「師生互動」PBL 的學 生表現優於 SBL 的學生，在「課程內容」、「學習動機」這兩個向度並無顯著差異。 綜合以上，發現並無研究是同時與概念、態度、問題解決能力三者之間相關性，而 研究課程大部分也都取決自正式課程內的教材。問題導向學習教學法在理論上希望可以 增進學習者對新的問題及不確定性的適應與處理能力，如同本次研究選材為奈米科技。 因奈米科技之課程在國小五年級階段中，學生無法從課本中獲取相關的內容，正符合文 獻中所提出之新的議題。國內目前鮮少將  PBL  應用於教科書課程外之教學，本研究以 奈米科技課程融入問題導向學習方式，期望透過自主化學習，達到學習成效之目標。除 此，問題導向學習教學法發展於醫學教育，近年來已推廣至其他領域，如：工業設計、 科學教育等。在科學與醫學教育上有許多正向的效果。除此，楊坤原與張賴妙理  ( 2005 )  提出過去這方面的研究大都以國外的醫學或大學學生為主要對象，較少涉及中學生，根 據文獻在國小生所進行的研究也較少。所以，本研究擬以問題導向學習法進行國小生在 奈米科技學習上的學習成效、學習態度、問題解決能力作進一步的研究與分析。

第三節 奈米科技

一、奈米與奈米科技的定義 「奈米」是英文 nanometer 的譯名，源自拉丁文「NANO」，意思是矮小或侏儒。屬 於長度的單位，數學符號為 nm，相當於十億分之一公尺，相當於 3­4 個原子的直徑。 奈米結構及奈米尺寸顆粒的物理及化學性質，與一般巨觀的塊材及結構有極大的差異： 如奈米粒子具有高延展性、高催化性、高硬度、低熔點等。 目前而言，只要尺寸約在 1~100 奈米之間的微小世界中操作、創造、控制或是組 合等皆屬於奈米科技的產業。奈米科技包括(1)奈米學或介觀物理；(2)奈米化學；(3)奈 米材料學；(4)奈米生物學；(5)奈米墊子學；(6)奈米加工學；(7)奈米力學，等七個獨立 相對的分支領域，奈米科技可謂是二十一世紀科學的總稱  (  馬遠榮，2002 )  。 二、奈米科技的發展

被譽為第四次工業革命的奈米科技，其最早提出能在奈米層級做各種應用的，並有 奈米之父之稱的是費曼，在 1959 年物理學會上指出：「未來科技的發展可以將大英百科 全書印到一個普通的大頭針上，以及能滑潤一部比書本頁面上還小的句點之機器。」費 曼當時的預測在二十年後瑞士 IBM 驗證了，Gerd Binning & Heinrich Rohrer 成功發明電 子掃描穿隧顯微鏡(STM)，利用一根探針來探測物理表面形貌，可輕易觀測原子的排列 情況，IBM 公司利用此技術以 35 個原子成功排列出 IBM 的字型，這是人類第一次能操 控原子級的排列。 表 2­3­1  奈米科技發展重要紀事 年份 重要紀事  1959  費曼提出可以將大英百科全書印到一個普通的大頭針。  1974  谷口紀男在國際生產技術會議上提出奈米科技的概念。  1981  Gerd Binning & Heinrich Rohrer 成功發明電子掃描穿隧顯微鏡(STM)  1985  發現 C60 結構。  1990  IBM 公司利用 STM 以 35 個原子成功排列出 IBM 的字型。  1991  飯島澄男發現世界最小人造中空管­奈米碳管。  1997  掀起光觸媒的風潮  1998  德國奈米科技中心成立，推動奈米相關產業。  2000  美國推動國家奈米技化，研發奈米相關產業。  2002  台灣工研院成立奈米科技研發中心。  2002~2006  歐盟投入 13 億歐元，支持歐盟各國的奈米技術發展。  2003~至今 台灣成立奈米國家型計畫，吸引學術界大量投入。 資料來源：呂宗昕  ( 2003 )  、研究者整理 全世界從 2000 年美國總統柯林頓正式宣布美國國家奈米計畫技術後，奈米科技發 展越來越蓬勃，講求輕巧、細小的科技產品，亦同時要求處理速度與效率。奈米帶來的

這波熱潮，讓各國投入巨額的資金研發，截至 2003 年全世界已投入 3500 百萬美元，各 國奈米相關學術論文發表也越來越多。台灣由國科會、中研院、教育部、工研院、經濟 部等單位，推動奈米國家型科技計畫，包括學術卓越分項計畫、產業化技術、核心設施 建置與分享運用、人才培育等四項進行，並於 2008 年將奈米科技列為優先考量，投入 大量資金發展，期望帶動其他產業的發展。 三、自然界的奈米現象 自然界中奈米結構的現象，普遍存在小至病毒，大到鯨魚，都可以發現奈米級的結 構。除了「蓮花效應」( Lotus effect )、「彩蝶效應」，海豚的皮膚為何有自潔的效果?鮭 魚為何具有辨別方向的能力?隨著科技的進步，讓我們有機會進一步了解大自然的奈米 結構與特性。以下就自然界普遍存在的奈米現象加以說明：  (一)、蓮花效應( Lotus effect )  花中的君子­「蓮花」，出淤泥而不染，由德國植物學家 Wilhelm Barthlott 發現 了蓮花疏水性，且蓮葉能保持潔淨的效果，而有蓮花效應( Lotus effect )。蓮葉表面具有 精密的 5­15 微米乳凸狀奈米結構，使水株能在蓮葉上保持圓球狀不易散開，這種奈米 級表面結構是造成蓮葉表面具疏水特性。蓮葉表面的自我淨潔（self­cleaning）現象，是 從蓮葉所發現，因此又叫做「蓮葉效應」  (  奈米新世界，2010 )  。蓮葉表面自潔的功 能，只要葉面經過大雨的洗禮，即能將灰塵與雜質帶離葉面。在海洋中，海豚與鯨魚擁 有乾淨的皮膚，也是因其表面佈滿了奈米級的微小結構，使得海洋微生物無法附著。目 前蓮花效應的概念已經應用在防汚防塵上，例如：奈米塗料、奈米布…等，應用此原理 達到自潔的功能。  (二)、彩蝶效應 有一些生物在身體上某些部位如翅膀、羽毛等，會呈現繽紛縩爛的顏色，隨著角度 不同會有不同的色澤，此極為彩蝶效應。擁有彩蝶效應的現象如：蝴蝶的翅膀、金龜子 的殼、孔雀的羽毛，這些七彩的顏色發生關鍵在於光子晶體的顯微結構，可反射部分顏

色的光，並讓其餘顏色穿透，當光和光子晶體角度改變時，隨著觀看角度的不同，顏色 就會有所不同。90 年代曾有車商將此效應技術應用於車子漆面，從不同角度看會有不同 顏色車子的呈現。  (三)、動物的磁導航 蜜蜂總是可以到遠方採蜜而不迷失；鮭魚能在離家千里後為了產卵回到出生地；鴿 子具有優秀的歸巢本領；綠蠵龜、螞蟻、候鳥這些生物的定向本領，不需要靠任何儀器 而不迷失方向。科學家發現這些生物體內存在一種奈米級的磁性粒子，這些奈米級的生 物羅盤，使得這類生物在磁場感應器引導下，可以辨認方向。  (四)、壁虎的凡得瓦力 壁虎為何能久待於牆壁上?  輕易低飛簷走壁呢?  不是因為腳底下有特別的黏液， 那股腳底下的秘密，原來是來自於腳底下數以百萬計的細小剛毛，每個剛毛上有細微的 奈米結構附著在物體上產生凡得瓦力。壁虎的腳上有 650 萬剛毛，如果全部附著時，可 吸附 133 公斤的重量，其強大的力量十分驚人。Kellar Autumn 即依據這種原理，製造出 第一個人工合成的壁虎黏著劑。  (五)、其他 人體內也許奈米結構的存在如：牙齒能堅硬無比是因為外表排列著微小晶體；體 內奈米結構級的 DNA、核糖體更是負責體內重要功能；鯨魚和海豚的皮膚表面佈滿奈 米尺寸的微小突起，這也讓鯨魚和海豚有著自潔的功能；鴨子和鵝在湖中覓食、戲水卻 不見其羽毛被水弄濕，主要因為其毛和毛之間的孔隙小到奈米尺寸，所以具有防水的效 果；具有高彈性、高強度及黏性的蜘蛛絲，每一條蜘蛛絲是由數十或數百條奈米級結構 纖維所組成，有世上最強的生物纖維之稱。自然界中含有的奈米現象還有許多，可見奈 米結構早就進入我們的生活週遭。 四、奈米科技的應用 奈米科技可發展的領域多元又廣泛，跨足電子業、傳統工業、醫學領域等，奈米科

技能為產業發展注入新的能量。自從 1991 年奈米碳管的發現，啟動了奈米科技的新紀 元，直到近幾年，奈米科技發揮其強大的效應於各個產業當中，奈米技術已在電子業、 能源、機械、生物醫學、化工及環保等領域萌芽。其主要應用介紹如下：  (一)在生物醫學上的應用 奈米醫學的研究，是結合化工、材料與生物醫學領域等技術，使用奈米元件，在分 子層次上掌控、修復、建構生物體，進行醫學上的診斷、治療和預防。目前已研發奈米 級微型探測器，可以快速、準確的優點進入活細胞內進行探測；研發生物晶片能針對血 液中少量的蛋白質或 DNA 進行分析，迅速診對出疾病原因；利用生物相容物質的開發， 奈米物質所展現的非凡物理特性足以製造人工器官；應用奈米集速炸彈的方法，發展對 體內病源體的藥物治療，利用載體輸送藥劑到患部已提高治療效率，已有百年歷史，近 來奈米科技的蓬勃發展又將其帶到另一個領域發展的高峰  (  胡苓芝，2004 )  。  (二)在化工產業的應用 化工產業在奈米未成風潮前，早已大量生產奈米級的觸媒。隨著奈米科技的蓬勃發 展，早已應用於化工產業當中，也替奈米創造更多產品的價值與應用。利用蓮花效應發 展奈米纖維，製造出來的奈米衣不怕髒、不怕水，甚至可以有抗 UV 的功能；奈米塗料 已廣泛應用在化妝品，因其顆粒細微，更可以增加化妝、保養的效果；SARS 肆虐期間， 許多標榜具有殺菌消毒功能的產品空前熱賣，而二氧化鈦光觸媒更是引人注目，利用奈 米光催化劑可有抗菌、除臭、淨水、防污等效能  (  陳雅玲，2004 )  。  (三)在民生工業的應用 能夠提高食品加工過程的品質，例如：酒類在發酵過程中，會產生少量的甲醇和醛 類，導致辛辣口感，若加入少量奈米金可提高品質  (  羅棨全，2005 )  ；奈米冰箱應用 奈米材料以抑制黴菌的生長，可以提高食物的保鮮。  (四)在製造業的應用 電子元件提高電腦的速度與效率，呂宗昕  ( 2003 )  提出目前主要發展的方向：奈米

電子元件、奈米積體電路、量子電腦、平面顯示器、太陽能電磁等，提高了製造電晶體 與電路的新方法；發展具有自潔效果的奈米馬達，將奈米粉末塗在馬桶或是洗手台表 面，不易留下污漬。  (五)其他 奈米生物技術在動植物的基因改良方面，運用奈米陣列的 DNA 檢測技術，開發轉 基因食品；也曾應用於軍事國防上，利用奈米特性製造隱形塗料，塗抹於軍機外表上降 低雷達偵測訊號；以無機黏土和高分子聚合物的奈米微粒可取代輪胎中的碳黑，便是綠 色製造技術的耐磨耗輪胎。 奈米科技分佈之廣，已經沒有學科界線之分。它漸漸滲透到我們的食、衣、住、行、 育樂等日常生活中，未來奈米科技如同工業革命，將有極大的機會進而影響人們傳統思 維模式與藝術表現  (馬遠榮，2002 )  。 五、奈米科技教育的推動 二十一世紀是奈米科技的新紀元，奈米科技的各項應用廣泛使用於日常生活。奈米 國家型科技計畫項下之「人才培育分項計畫」由教育部推動執行（教育部，2002）。人 才培育分項計畫希望能迅速提供我國發展奈米國家科技計畫所需之各種跨領域人才，而 首要任務為建立奈米科技人才之培育機制，建構具跨領域、創造力等學習主體，自小學、 中學（K12）、大學、研究所、在職訓練甚至是終身學習，同時希望結合學界與產業界 來形成知識供應鏈。知識經濟是全球化大勢所趨，而奈米科技產業是一種高度技術密集 的產業，並且需要大量的奈米知識工作者的投入，故此，奈米科技產業是知識經濟的最 佳典範（馬遠榮，2002）。奈米科技也是一項跨越領域的應用科技，為了培育新興產業 的優秀人才及學術界的菁英，奈米科技教育有往下扎根的必要（呂宗昕，2003）。 奈米科技人才培育網中的奈米科技K­12  教育發展子項有下列五點：  1.  辦理奈米相關專題演講、研習營等活動及原子力顯鏡(AFM)種子教師實作訓練及教案 開發課程。

2.  編修全國中小學生使用之通用教材。  3.  推動國際K­12  學術交流合作。  4.  與科教館、科博館及工博館合作，推廣奈米科普教育。  5.  進行多元化E­Learning  數位學習教案製作與開發。 奈米人才培育乃奈米國家型科技教育計畫的主要分項之一，由教育部顧問室委託國 立台灣大學應用力學研究所吳政忠教授召集『奈米  K­12  人才培育計畫』聯合籌備會， 會中成立教師研習籌備會指導顧問團。有鑒於奈米技術的影響是長遠的，對知識經濟的 未來發展將有很大的衝擊，因此培育奈米技術人才必須向下紮好基礎 （ 奈米科技人才 培育網，2010）。 圖2­3­1  奈米科技k­12教育發展中心策略聯盟組織架構圖  (  源自：奈米科技人才培育網，2010  )  行政院也將奈米科技列為 2008 年國家發展重點計畫，期許能有系統的推廣奈米 科技與產業，由於奈米科技將是未來全球技術開發的趨勢及競爭的關鍵，建構此項技術 將有助於提昇國家在此一產業未來的競爭優勢，並針對奈米科技課程作進一步規劃，期 許能迅速在 K­12 的各階段中推動。

六、與奈米科技教育相關研究成果 近年來，奈米科技教育隨著奈米 K­12 人才培育計畫，已漸漸普及，坊間也有許多 奈米知識的叢書入續推出，以淺顯易懂的文字帶領讀者進入奈米世界中，教育部奈米科 技教育工作團隊已完成首部「奈米科技漫畫」，藉此積極推展深入人心的奈米科學普及 教育。更是有許多利用資訊科技設計成的多媒體教材，將奈米科技融入各學科，使奈米 科技教材、教法多元化，建立互動式學習環境，已達成良好的學習效果。除了上述列出 的相關教材之外，也越來越多研究探討學生在奈米科技教育相關研究成果，因此下表  2­3­2 列出近年來與奈米科技教育相關研究成果。 表 2­3­2  近年來與奈米科技教育相關研究成果。 研究對象 學習成效 學習態度 學習動機 問題解決 蔡鳳娥  ( 2006 )  國小六年級 ◎ 林美菊  ( 2007 )  國中二年級 ◎ ◎ 邱文正  ( 2007 )  國小五年級 ◎ ◎ 曾雅慧  ( 2007 )  國小五年級 ◎ 陳鳳妤  ( 2006 )  國小六年級 ◎(概念)  張字和  ( 2006 )  國小五年級 ◎(概念)  廖湘瑄  ( 2008 )  國小中、高 年級 ◎(概念)  ◎ 綜合上述，目前奈米科技教育著重在概念的學習成效表現，本研究擬以增加探討與 問題解決能力之間的關係性，期許透過問題導向學習教學策略提高學習者在問題解決能 力與奈米科技教育相關學習成效的表現。

第三章 研究方法

本研究的主要目的為探討經過 PBL 教學的國小五年級學生與傳統教學的國小五年 級學生的奈米科技教學之差異；第一節說明研究對象、第二節說明研究設計、第三節說 明研究流程、第四節說明 PBL 教學活動設計、第五節說明研究工具、第六節說明資料 分析。

第一節 研究對象

本研究之對象為台中市北屯區大地國小五年級之學生，共計二個班級參與研究，其 中一個班級人數為 31 人，另一班級人數為 32 人。學校位於台中市北屯區， 創校五年屬於新成立學校，約有 53 班，學生人數約 1600 人。校風開放，是一所師資相 當年輕化的學校。本研究將學生分為實驗組與對照組兩組，實驗組採用 PBL 教學策略， 對照組則採用一般傳統講述的教學法。 表 3­1­1  研究對象人數統計表 班級 男生數 女生數 總人數 傳統教學法 507  17  14  31  PBL 教學法 502  17  15  32  總計  34  29  63  98 年度上學期自然與生活科技的學期平均，對照組 507 班總平均為 90.8 分，而實 驗組 502 班總平均為 90.2 分，研究者搜集五年級第一學期自然與生活科技學期平均，發 現這兩個班級學期平均未達顯著差異，因此視為在教學前並無顯著差異，故而選此兩個 班級進行研究。實驗組與對照組皆為同一名授課教師，授課教師畢業於台中教育大學自 然科學教育學系，具有四年的教學經驗，並且已拿取 PBL 師資培育獲得初階、進階教 師資格，且參與奈米科技師資培育研習，共計 35 小時。

第二節 研究設計

本研究研究概念圖如下表所示，採用準實驗研究法設計，五年級國小生二個班分別 為實驗組與對照組，作為本研究之研究對象。兩組學生在進行奈米科技教學課程前，先 接受奈米科技認知測驗量表、問題解決能力測驗之前測，分別實施教學後，兩組學生進 行後測，後測的工具包括奈米科技認知測驗量表、奈米科技學習態度量表、問題解決能 力測驗。並且在兩組學生進行實驗處理後，蒐集自評表、互評表、學習檔案等資料，進 行質的研究，探知兩組學生在進行奈米科技課程之學習成效與學習態度的表現。 本研究的自變項為教學策略，依變項為奈米科技認知概念學習、奈米科技學習態 度、問題解決能力測驗。 圖 3­2­1 為本研究概念圖： 一、自變項：本研究的自變項為不同的教學策略，實驗組採用 PBL 的教學，而對照組 採用傳統教學。PBL 教學指研究者在教學活動前先將究實驗組分成五個小組，並讓 學生從研究者所設計的問題開始進行問題導向學習；傳統教學是依教案透過教師講 授的教學方式。 二、 依變項：本研究依變項為在奈米科技認知測驗量表、奈米科技學習態度量表、問題 解決能力測驗的得分。 三、 控制變項：本研究學生屬於同一個學校，大部分來自相同的學區，但學生個別之背 景知識、能力、學習狀態等仍無法加以控制。所以後測分析將以前測成績為共變量， 利用統計的方法將無法控制的因素進行調整。 實驗處理 自變項 PBL 教學法 傳統教學法 依變項 奈米科技認知概念學習 奈米科技學習態度 問題解決能力測驗

第三節 研究流程

蒐集文獻

↓

形成研究問題

↓

文獻探討

↓

確定研究主題

↓

設計測驗  /  問卷

↓

實施前測

↓

分組實驗及教學

↓

與問題連結

↓

建立結構

↓

訪查問題

↓

生產成果或表現

↓

評鑑表現與問題

↓

實施後測

↓

資料統計分析

↓

完成報告

執行

階段

準備

階段

編寫教案 奈米科技認知測驗 量表

發現

新問

題

的過

程

PBL

奈米科技認知測驗量表 奈米科學學習態度量表 問題解決能力測驗 實驗組填寫自評表、互評表

分析

階段

圖 3­3­1  研究流程圖

文

獻

探

討

對照

組(

講

述法

)

一、 準備階段 透過 PBL 與奈米科技相關文獻的搜尋與探討發現問題後，擬定研究計畫、研究問 題、研究架構後，並著手準備各項教學設計與研究工具的編制。含傳統教學法教案設計、 問題導向學習教案設計。 依變項奈米科技認知測驗量表的設計為研究者自編，另一奈米科技學習態度量表採 用廖湘暄  ( 2008 )  所修編的量表；問題解決能力測驗是採用詹秀美、吳武典  ( 2007 )  所 編製的「新編問題解決能力測驗」。 二、執行階段­前測 教學實驗前分別對接受傳統教學法班級與接受 PBL 教學法班級進行前測處理，包 含奈米科技認知測驗量表與問題解決能力測驗。 三、執行階段­實驗教學 本教學活動是以奈米科技學習為核心，實驗組為接受 PBL 教學法的班級，教學時 間十節課；對照組為接受傳統教學法的班級，教學活動共計十節課。每週進行兩節課， 共為期兩個月的實驗處理時間。期望學生透過學習以達到教學目標，並能引起學習興趣 與動機。實驗處理過程中錄影，觀察學生互動情況，並於每小組桌上擺放錄音機，記錄 學習者討論狀況，以便蒐集各項實驗資料。 兩種教學法因其本身理論基礎與目標不同，在其教學步驟上有些許差異。問題導向 學習教學法是以問題為中心，透過問題為學習起點與提供學習情境，刺激學生學習，並 由各小組自行決定欲探討的研究主題與奈米科技概念。而接受一般傳統教學之學生，由 老師提供奈米科技概念後，各小組再依據學習單提出問題討論。下表 3­3­1  列出實驗組 與對照組教學活動流程與教學步驟的差異，依據教學目標設計相關教學流程，相關教學 教案分別附於附錄二與附錄三。

表 3­3­1  實驗組與對照組教學流程、步驟差異說明表 教學 時間 目標 問題導向學習實施流程 一般傳統教學實施流程 第 一 節 認識奈米與 奈米科技 準備活動 步驟一：與問題連結 步驟二：建立結構 步驟三：訪查問題 準備活動 簡報教學與講述 活動­體驗奈米 第 二 節 認識奈米與 奈米科技 步驟四：再訪問題 步驟五：生產成果與表現 步驟六：評鑑表現與問題 簡報教學與講述 影片欣賞 第 三 節 自然界中的 奈米現象 步驟一：與問題連結 步驟二：建立結構 步驟三：訪查問題 簡報教學與講述 影片欣賞 第 四 節 自然界中的 奈米現象 步驟四：再訪問題 步驟五：生產成果與表現 步驟六：評鑑表現與問題 簡報教學與講述 影片欣賞 活動­體驗蓮花效應 第 五 節 奈米科技的 發展 步驟一：與問題連結 步驟二：建立結構 步驟三：訪查問題 簡報教學與講述 影片欣賞 第 六 節 奈米科技的 發展 步驟四：再訪問題 步驟五：生產成果與表現 步驟六：評鑑表現與問題 簡報教學與講述 影片欣賞 第 七 節 奈米科技的 應用 步驟一：與問題連結 步驟二：建立結構 步驟三：訪查問題 簡報教學與講述 影片欣賞 第 八 節 奈米科技的 應用 步驟四：再訪問題 步驟五：生產成果與表現 步驟六：評鑑表現與問題 討論課程成果發表 第 九 節 成果分享 各小組成果分享 各小組成果分享 第 十 節 成果分享與 評量 成果分享與評量 成果分享與評量

四、分析階段­後測與蒐集資料 實驗處理結束後，實驗組與對照組分別填寫奈米科技認知測驗量表、奈米科技學習 態度量表與問題解決能力測驗；實驗組與對照組另需填寫小組自評表、小組互評表，完 成學生學習檔案(內含小組自評表與小組互評表、學習資料成果)；除此，實驗組在活動 進行中，另需填寫問題討論活動單，並且於活動結束後，每小組兩人進行事後半結構式 晤談。下表 3­3­2 列出所需資料蒐集的方式： 表 3­3­2  實驗組與對照組資料蒐集來源 知識 技能 情意  PBL  傳統  PBL  傳統  PBL  傳統 內容(訊息 與知識)  認知概念 評量表 認知概念 評量表 過程(參與 度、學習責 任、溝通情 況)  自評表 互評表 自評表 互評表 自評表 態度 量表 自評表 態度 量表 結果(學習 產物)  檔案評量 檔案評量 態度 量表 態度 量表 蒐集完資料後，針對半結構晤談資料進行編碼。表 3­3­3 為各資料編碼方式。G 代 表組別，S 代表學生，前六碼為完成日期，後方加入完成人員編號與中文說明。 表 3­3­3 資料編碼說明表 資料 編碼  99 年 6 月 1 日完成的錄影  (990601 錄影)  99 年 6 月 1 日第一組完成的討論錄音  (990601 G1 討論錄音)  99 年 6 月 1 日 1 號完成的晤談錄音  (990601 S1 晤談錄音)  99 年 6 月 1 日 1 號完成的問題討論活動單  (990601 S1 問題討論活動單)  99 年 6 月 1 日 1 號完成的自評表  (990601 S1 自評表)  99 年 6 月 1 日 1 號完成的互評表  (990601 S1 互評表)  99 年 6 月 1 日第一組完成的報告與分享  (990601 G1 報告分享)