以語文課程的延伸學習進行奈米科技教育之可行性

國立台中教育大學科學應用與推廣學系

科學教育在職進修專班碩士論文

指導教授：陳麗文 博士

以語文課程的延伸學習進行奈米科技

教育之可行性

The Feasibility of Nano-technology Education

Base on the Chinese Curriculum

Extensive Learning

研究生：黃湘文

謝辭

論文下筆至此，內心百感交集，想想這九百多天的日子裡，飛車上課的夜晚、 挑燈奮戰的課業，以及面對著似乎沒有答案的時候……，所有的點點滴滴、彷彿 昨日般歷歷在目。如今，望著牆角堆疊成山的回收問卷，心中充滿無限的感謝。 摯深的感謝獻給陳麗文老師，在學生徬徨、理不清頭緒時，您冷靜沉著的態 度，是學生穩定的力量；每當遇瓶頸，您適時的指導，讓學生不致迷惘困惑、亂 了手腳。感謝吳宗明老師、許良榮老師兩位口試委員，於百忙中特別撥冗提供許 多寶貴意見，讓學生得以發現錯謬、修正不妥之處，使本論文能更加完善。還要 感謝王立民教授、呂福興教授、葉聰文教授、蔡宜壽教授，不嫌麻煩的仔細幫忙 學生審閱試題內容，提升論文的品質。 任何一種知識的形成，是靠著許多人的努力與驗證，感謝杰任老師、文義老 師、清韻老師與惠芬老師無條件的提供資源，協助研究的進行；也要感謝一路默 默在背後支持、鼓勵我的朋友與同事，因為有你們的鼓勵與打氣，讓我能不畏懼 挫折、堅持到最後一刻，對於你們所付出的一切，點滴心頭。只想對你們說：有 你們，真好！ 最後，感謝我的爸、媽及家人們，成長的路上總是尊重我的決定，讓我能心 無旁鶩的奮鬥至今；哥哥、大嫂與弟弟不分日夜、隨問隨答，於電腦操作問題上 讓我擁有最大的倚靠，今日我有任何一點成就，都應當感謝您們，僅將本文獻給 我最親愛的家人，祝福您們，凡事順心平安！ 湘文 謹致 于 2010 年二月

摘要

本研究旨在以語文課程的延伸學習進行奈米科技教育的可行性。研究以國小 六年級翰林版國語課程為依據進行延伸教學設計，研究方法採準實驗研究法，分 為鷹架教學組與自主學習組，針對台中縣某國小六年級123位學童進行延伸學習 活動。研究中以「奈米科技認知成效試題」、「奈米科技學習態度」兩種量表為量 化評量工具，並輔以「奈米應用知覺評量單」為質性評量工具。研究結果發現， 在奈米科技認知成效方面，兩組後測均明顯進步，但教師教學組顯著優於自主學 習組（P＜.001）。二個月後，兩組皆仍具有持續與保留的學習效果，但對於先備 概念不足的學童，教師教學組的保留效果則顯著優於自主學習組（P＜.05）。在 學習態度方面，兩組之間未達顯著差異。在應用知覺方面，教師教學組的學童所 表達的奈米科技產品內容，在「數量」與「類別」上優於自主學習組。而對於奈 米科技產品的判斷理由上，兩組學童寫出的理由皆偏向個人主觀想法而非客觀的 科學解釋。綜合以上研究結果，奈米科技以語文課程來進行延伸學習是可行的。 未來進行國小奈米科技教育時，將可由下面兩方面進行：1.藉由語文課程的延伸 活動導入奈米科技，作為國小階段奈米科技實行的方法之一。2.針對學童的奈米 科技生活應用知覺方面，除了引導其表達深層想法時，適時的激發其想像及創造 能力外，亦可作更深入的研究。 關鍵字：奈米科技、鷹架教學、自主學習法、延伸學習

Abstract

The purpose of this research was to assess the feasibility of Nano-technology education base on the Chinese curriculum extensive learning. This study based on the 6th grade Chinese curriculum (Han Lin Publication) to design extensive learning lesson. A quasi-experimental design was applied to 123 students from an elementary school in Taichung .The students were divided into scaffolding instruction group and self-regulated learning group.The quantitative research in this study included “Nano-technology effective test” and “Nano-technology learning attitude scale”.In addition, a “Nano-technology perception evaluation sheet” was used for qualitative research. The findings suggest that both groups were significant improvement in effective test, however, scaffolding group was superior to self-regulated group（P ＜.001）. Two months after the study, both learning strategies resulted in continued and maintained effectiveness. Students with insufficient pre-concept maintained better effectiveness in scaffolding group than those in self-regulated group（P＜.05）. There was no significant difference between two groups in attitude scale. Students from the scaffolding group displayed superior on both “numbers” and “classification” of nanotech-products than self-regulated group in Nano-technology perception. Students from both groups utilized subjective reasons rather than scientific or objective reasons in nanotech-products judgements. In conclusion, Nano-technology education base on the Chinese curriculum extensive learning is feasible. It is suggested that: 1) using language extensive learning activities to teach nanotechnology is one workable method, and 2) Directing and studying the students how to get better expressive skill and deeper thinking on the applications of nanotechnology in daily life.

Key word：Nano-teachnology, Scaffolding Instruction, Self-regulated Learning,

目錄

摘要 ... I Abstract ... II 目錄 ... III 圖目錄 ... V 表目錄 ... VI 附錄 ... VIII 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究背景及動機 ... 1 第二節 研究目的與問題 ... 5 第三節 名詞釋義 ... 5 第四節 研究範圍與限制 ... 7 第二章 文獻探討 ... 8 第一節 鷹架理論的內涵與教學研究 ... 8 第二節 奈米科技的概念 ... 21 第三節 科技與學習態度之研究 ... 30 第四節 奈米科技教育相關研究 ... 36 第三章 研究方法 ... 47

第一節 研究設計與流程 ... 47 第二節 研究對象 ... 57 第三節 研究工具 ... 57 第四節 資料蒐集與分析 ... 62 第四章 研究結果與討論 ... 64 第一節 學童奈米科技認知成效之影響 ... 64 第二節 學童奈米科技認知成效保留情形 ... 67 第三節 學童奈米科技學習態度之影響 ... 70 第四節 學生對於生活中有關奈米奈米科技應用知覺的影響 ... 71 第五章 結論與建議 ... 80 第一節 結論 ... 80 第二節 建議 ... 82 參考文獻 ... 85 一、中文部分 ... 85 二、英文部分 ... 92

圖目錄

圖 2-1-1 符合鷹架教學策略的學習概念結構 ... 15 圖 2-2-1 蓮葉表面與水接觸情形。 ... 24 圖 2-2-2 細微結構與自潔作用關聯之示意圖。 ... 25 圖 2-2-3 電子顯微鏡下的蝴蝶光子晶體 ... 26 圖 3-1-1 研究架構圖 ... 48 圖 3-1-2 教學研究流程 ... 52 圖 4-1-1 教師教學組與自主學習組的奈米科技認知成效 ... 65 圖 4-2-1 詹森-內曼法分析保留成效圖... 69 圖 4-4-1 兩組學童寫出的奈米科技產品數量統計圖 ... 74

表目錄

表 2-1-1 國外學者對於鷹架的解釋與定義 ... 10 表 2-1-2 國內外學者提出的鷹架教學策略 ... 13 表 2-1-3 應用教師鷹架理論為基礎的教學研究 ... 16 表 2-3-1 各學者對學習態度的詮釋 ... 32 表 2-3-2 奈米科技的學習態度研究 ... 35 表 2-4-1 奈米科技與教學相關之研究... 39 表 3-1-1 研究設計 ... 47 表 3-1-2 翰林版六上國語第四課---「奈米的世界」課文內容概念分析 . 50 表 3-1-3 兩組延伸學習課程內容 ... 51 表 3-1-4 兩組延伸學習實施說明 ... 54 表 3-2-1 研究樣本人數 ... 57 表 3-3-1 奈米科技認知成效命題陳述... 58 表 3-3-2 專家學者一欄表 ... 60 表 3-3-3 奈米科技學習態度各向度題號敘述分配表 ... 61 表 4-1-1 組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ... 66 表 4-1-2 共變數分析摘要表 ... 66 表 4-1-3 調整前測影響後，兩組奈米科技認知的學習效果 ... 66

表 4-2-1 兩組的前、後、延宕測之答對率平均數與標準差 ... 67 表 4-2-2 前、延宕測組內迴歸係數同質性考驗 ... 68 表 4-2-3 兩組的迴歸線斜率與截距摘要表 ... 69 表 4-3-1 兩組的學習態度各向度摘要表 ... 70 表 4-4-1 奈米產品「類別」描述情形檢核表 ... 72 表 4-4-2「數量」與「類別」評分示例 ... 73 表 4-4-3 兩組奈米科技產品數量之人數統計表 ... 74 表 4-4-4 兩組奈米科技產品類別之各項度次數統計表 ... 75 表 4-4-5「判斷理由」示例 ... 76 表 4-4-6 兩組判斷理由分析表 ... 78

附錄

附錄一：教師教學組教學活動設計 ... 95 附錄二：自主學習組教學活動設計 ... 100 附錄三：奈米科技學習單 ... 103 附錄四：奈米科技認知成效試題專家審題結果 ... 106 附錄五：「奈米科技認知成效」正式試題 ... 107 附錄六：奈米科技認知成效試題難度與鑑別度分析 ... 109 附錄七：「奈米科技認知成效」試題預試信度分析 ... 110 附錄八：「奈米科技認知成效」試題正式施測信度分析 ... 111 附錄九：奈米科技學習態度正式問卷 ... 112 附錄十：奈米科技學習態度問卷專家審題結果 ... 115 附錄十一：「奈米科技態度」量表預試信度分析 ... 116 附錄十二：「奈米科技態度」量表正式施測信度分析 ... 117 附錄十三：奈米科技應用知覺評量單 ... 118

第一章 緒論

本章主要目的在於將本研究得研究背景及動機、研究目的與問題、名詞釋義 及研究範圍與限制等作整體的介紹。全章共分為四節，第一節為研究背景與動 機，第二節為研究目的與問題，第三節為名詞釋義，第四節為研究範圍與限制。 各節詳述如下：

第一節 研究背景及動機

「One more、 Two more、走路也能按摩，世界第一雙奈米氣墊鞋誕生了， 專業奈米科技...」（阿瘦皮鞋，2009），這個皮鞋廣告，廠商強調運用奈米科技 可以讓皮鞋達到抗菌的功效，隨著廣告的播放，「奈米」一詞廣泛的出現在我們 的生活中。然而「奈米」的真正意涵卻不如廣告般被大眾所認識，市面上愈來愈 多的商品，打著奈米科技的名號，希望能博取消費者的青睞，但是否真為奈米科 技產品，一般消費者卻難辨真偽。因此推動奈米科技的教育，增加人們對奈米科 技的了解，確實有其必要性。在全球進入廿一世紀高科技主導人類需求的知識經 濟時代，各式各樣的科技產品依序出現於我們生活週遭，伴隨科技的發展，科技 已經深入人類生活中，改善及影響了人類的生活，科技與生活的連結，對人類生 存產生重大作用，由於科技發展與生活息息相關，每一個人的物質生活環境都被 科技所包圍（奈米科技人才培育網，2006）。但是，人類享受科技所帶來的便利 同時，卻遺忘便利所帶給環境的傷害，若能提早教育我們的下一代，讓科技知識 往下紮根，使其能了解科技發展帶來的正面效用與可能產生的負面衝擊，對於人 類的科技發展將有所助益（教育部，2003）。 其實，科技的發明有許多都效法予自然界原理運用，我們除了要了解自然的 基礎，還需要學習科技，將來才能更深入應用。教育部於民國九十一年全面實施 九年一貫課程，並將我國小課程學習領域的「自然科」改成「自然與生活科技」，

以因應二十一世紀的來臨，期許能整體提升國民之素質及國家競爭力。我國當前 積極推展的國民中小學九年一貫課程的教育改革規劃中，「運用科技」已列為十 大基本能力之一，科技的發展和應用，更已成為衡量一國國力強弱盛衰的重要指 標，如何藉由有效的教育方法落實培養學童具備運用科技的能力，乃是我國邁向 二十一世紀的國民基礎教育必須重視與強調的課題。科技的意義，簡而言之，乃 是一種瞭解如何（know-how）與創造的過程，而運用科技的內涵包含三個能力層 面：（1）認知科技的發展與影響－即認識科技的演進歷程及其對人類的影響，（2） 認識科技的範疇－認識現代主要科技領域之系統、資源、程序及產品，（3）科技 的應用－能以各種方式表達科技的創意和構想，並進行科技產品的設計與製作 （教育部，2003），加上當前二十一世紀最重要的三大科技，分別為資訊科技

（Information Technology，IT；包括電腦與通訊）、生物科技（Biotechnology，

BT）及奈米科技（Nanotechnology，NT）（高逢時，2005），顯示奈米相關科技已 成為目前新興的科技之一，世界各國也陸續的投入大量的資金與人力開發，而我 國也將奈米科技視為推動本世紀科技發展的重點計畫，為了提升競爭力，將奈米 科技植入國家未來的主人翁身上現為一項重要課題。過去幾年來，國內有關科技 的教學文獻大都以資訊科技及爭議性科技議題（如生物科技…等）融入各領域教 學，配合K-12計畫，使得研究奈米科技的相關教學文獻資料近年來開始陸續出 現，這不僅符合了教育部十大基本能力之「運用科技與資訊」一項，更顯現了奈 米科技教育在現代的國民中小學科技議題教育的重要性。 「奈米」一詞，是由「奈米科技之父」費曼在1959年時提出，他當時即已提 出先知性的預言，預測人類的科技發展，即將邁向前所未聞的微小尺吋發展。由 於奈米技術涵蓋領域甚廣，嚴然成為未來的新興科技，全球各國開始全力進行「奈 米科技」得規劃與推動。有鑑於此，我國也將奈米科技視為本世紀推動科技發展 的主要項目，由行政院國家科學委員會所主導的奈米國家行科技計畫已於九十一

年九月一日開始啟動，該計劃內容架構分為四大分項計畫，其中一項「人才培育 分項計畫」則由教育部推動執行，人才培育分項計畫希望能提供我國發展奈米國 家科技計畫所需之各種跨領域人才，而國小部分則包含在K-12人才培育教育發展 裡，K-12人才培育計畫將人才培育中心分為北區、中北區、中南區、南區和東區 等五個區域，各區的人才培育計畫從九十二年八月啟動，為了推行此計畫，各區 中心結合大專院校紛紛舉辦一系列的教師研習活動與巡迴演講，以提升教師的專 業知識，藉由各教師開發奈米科技相關教材，將奈米專業知識編成教材提供教學 使用，透過教師將奈米轉化為較生活化的淺顯易懂知識，以激發學生學習興趣達 到學習的效果（工研院奈米科技研發中心，2003）。 奈米培育人才計畫從九十二年八月推動至九十七年底，K-12人才培育第一階 段的任務完成，由奈米相關機構所設計的奈米軟題、教材、學習資料皆已成形， 有關奈米的網路資源更是不勝枚舉。Greed and Plank（1998）提出網站教育的 七個原則內容裡也提到網站能幫助學生自我學習，因此，運用網路科技的學習已 列為現行教育部基本能力中的一項。陳麗文與張字和（2007）於運用Moodel平台 進行奈米科技課程之初探研究中指出，透過網路數位學習模式能有效地促進奈米 科技的學習，且受訪學生中皆認為網路學習方式對於學習科技新知是有幫助的。 由此可知，學生若能透過奈米科技的網路資源取得相關知識概念，亦可成為奈米 科技學習的方式之一。 此外，在學生的學習過程中，教師扮演著重要角色，尤其是教育部實施九年 一貫教育後，教師從知識的傳遞者變成學習的促進者－與學生互動的角色，在學 生學習過程找尋適當的方式引導學生，從認知理論的觀點而言就是提供適合的學 習「鷹架」。鷹架的提供不僅補足學生欠缺的知識與概念，更給予概念往上層發 展的基礎（金吉祥，2004）。鷹架理論是以Vygotsky的社會文化建構論為基礎， 它強調在近側發展區中學習才具有意義，透過社會建構論延伸運用的教學理論，

不但能兼顧學生的主體性，也能配合學生的發展需求，讓學習成為一種積極的引 導而非消極的等待（毛炳楠，2004）。鷹架理論的課程教學，由教師規劃課程並 提供一個暫時性的教學架構，協助學習者參與學習活動。學生在此學習活動中， 並非被動的接受老師的灌輸，而是積極參與、主動思考，並與其他同儕合作解決 問題（盧珍瑩，2006），最後，達到學習遷移的目的，學生能自主性完成學習。 鷹架理論的課程與九年一貫自然與生活科技學習領域中，所列之「培養探索科學 的興趣與熱忱，並養成主動學習的習慣」課程目標正好不謀而合（教育部，2003）。 現行國小教科書的自然與生活科技領域沒有奈米相關課程內容出現，導致在 奈米課程教學時常必須在原有自然課程之外的時間施行，或是融入自然課程裡， 在施行上必須考慮原有課程與學校教學進度而受限制（蔡明容，2006；邱文正， 2008），而多數種子教師的學校進行奈米科技教學時，也因無法排除授課時間不 足等問題（陳鳳妤，2007），導致教學時間不足及課程無法常態施行的問題。目 前有關國小奈米科技教育的研究大致上皆以議題的方式融入現行課程進行研究 （林桂櫻，2004；蔡明容，2006；林惜珍，2006），或是探討不同教學法融入奈 米科技之教學研究（林東充，2004；陳麗文、張字和，2007；邱文正，2008；林 美菊，2007；曾雅慧，2007），也是有課程與授課時間無法配合的問題。 目前國小課程中，只有翰林版六上國語科有奈米相關課程的介紹。雖然國語 課文內容有提到奈米科技的概念，但課程教學內容與教學目標還是以形音義教 學、閱讀教學等語文教學活動為主，並非著重於奈米概念學習。有鑑於此，研究 者希望配合翰林版六上國語「奈米的世界」課程的實施，來進行奈米科技的教學 活動，希望以此來解決課程無法配合與教學施行時間不足的問題。若能透過國語 課程內容，如「奈米是什麼」、「奈米的應用」及「奈米夢想的實現」等，來進行 延伸學習，增加奈米科技概念學習的廣度、深度，達到奈米科技的學習效果。期 望透過奈米科技的延伸學習，除了能提高國小學生學習奈米科技的可行性外，更

可作為未來奈米教育推廣之參考。

第二節 研究目的與問題

本研究是以語文課程的延伸學習活動進行奈米科技教育之可行性，除旨在研 究其可行性外，並藉由不同的學習方法，來了解奈米科技課程延伸學習的成效。 基於以上的研究目的，提出本研究之待答問題如下： 一、學生接受奈米科技課程延伸教學後，鷹架教學組與自主學習組之奈米科技之 認知成效為何？ 二、學生接受奈米科技課程延伸教學後，鷹架教學組與自主學習組之奈米科技概 念保留情形為何？ 三、學生接受奈米科技課程延伸教學後，鷹架教學組與自主學習組對奈米科技學 習態度如何？ 四、學生接受奈米科技課程延伸教學後，鷹架教學組與自主學習組對於生活中奈 米科技應用知覺程度為何？

第三節 名詞釋義

一、奈米科技（nanotechnology） 在奈米的尺度下(1~100nm)，許多物質產生變化，例如表面積增高、表面曲 度變大、熱導度或導電性也明顯變高...等，因此也就衍生了許多新的應用。奈 米科技便是用各種方式將材料、成份、介面結構等控制在1~100 奈米的大小並改 變其操控，進而觀測其隨之而來的物理、化學與生物性質等的變化，以便將其特 性應用於產業上(馬遠榮，2002；蔡明容，2004)。 本研究所指的奈米科技是指操弄1~100奈米範圍的物質所產生的各項科學技 術與相關知識領域。 二、奈米科技認知成效

本研究所指奈米科技認知成效乃學生在研究者自編的「奈米科技認知成效試 題」答對率，答對率越高表示奈米科技學習成效越佳。 三、學習態度 指一個人長期的信仰、認知、與知識的價值判斷。本研究所指的學習態度是 指對學習奈米科技的信念、興趣、學習動機等相關心理狀態與感覺，並由上述三 個向度設計成「奈米科技學習態度」量表，量表分數越高表示對奈米科技學習態 度越佳。 四、奈米科技應用知覺 知覺是指個體認出（recognize）、組織(organize)，並理解(make sense)在 環境中所得到的訊息；本研究所指的奈米科技應用知覺是指學生在學習有關奈米 科技課程後，以質性方式分析學生是否能察覺出生活中所存在的「奈米相關科技 產品的應用」外，並了解是否為真正奈米原理應用的產品。 五、鷹架教學策略 教學策略是泛指教師運用提供教材的方法(method)、程序(procedures)、與技 術(techniques)，以達成有效的教學成果（徐椿樑，2001）。鷹架教學指教師在教 學設計上，創造學生最大潛在發展區，以有效的教學情境刺激，引發學生一系列 的內在發展歷程。本研究所指的鷹架教學策略乃指教學者以鷹架理論為基礎所進 行的教學方式，分為「確認近侧發展區」、「教師以學習者為中心適當提供鷹架」， 「互惠式教學」與「教師除去鷹架」等四個步驟。 六、自主學習策略（self-regulated learning） 自主學習是學習者在學習過程中能夠對自己的學習負責，它是一連串多層面 且交互影響的學習歷程，自主學習包含內在的認知、動機和後設能力，及外在的 行為表現。而自主學習和學習者的動機、學習策略聯繫密切，教師的適當引導可 以讓學生逐步走向自主（張純瑗，2007）。本研究所指的自主學習策略為學生利

用教師設計的奈米科技學習單，運用網路資源進行資料蒐集以完成學習單的學習 方式。

第四節 研究範圍與限制

一、研究對象 本研究限於時間、經濟與交通等因素，研究對象只以台中縣某一國小六年級 學生作為研究樣本，不宜作過度推論。 二、教學教材 本研究所用的奈米科技設計課程乃以翰林版六上國語課本第四課裡的奈米 概念為主進行延伸教學，實際教學成效可能會因不同的設計課程而有所差異。

第二章 文獻探討

本章第一節先針對鷹架理論進行探討，第二節介紹奈米科技的內涵，第三節 則針對奈米科技與教學相關研究進行探討。

第一節 鷹架理論的內涵與教學研究

本節將針對鷹架理論的內涵、鷹架理論的教學策略及以教師教學鷹架為主的 教學研究進行探討。 一、鷹架理論的內涵

「鷹架」一詞由Wood, Bruner與 Ross 於1976年所提出的(Holton, D.& Clarke, D，2006)，主要意義是指有賴成人或能力較強的同儕，協助兒童內在的心理能力 成長，而這種協助應建立在學習者當時的認知組織特質上（張妙琳，2003）。鷹 架，是架設在建築物外部用來幫助施工的一種設施。若把鷹架的概念類推到教 學，可推論出教師的教學應該就是所謂的鷹架，學生則是在鷹架的支援之下才能 順利完工的建築物。直接講解、示範、請學生互相討論、或是請較有能力的學生 當小老師來指導其他學生等方式，都是能提升學習效果的鷹架（潘世尊，2002）。 鷹架學習理論乃基於「建構主義論」（constructivism）而來，因此被視為是 建構主義的一支，「鷹架」（scaffolding）概念是源於蘇俄心理學家Vygotsky的學 習理論，他認為兒童在認知發展上是由外化而逐漸內化，是在社會學習的歷程中 進行的，因此，鷹架理論強調社會文化、內化與語言的使用。人類之所以異於動 物在於具有高層次的認知功能，而學習關鍵因素在於得到人類的符號系統產生運 思的媒介，進而發展到高層次的認知能力，因此在教學上就必須透過學生和擁有 高層心理能力的教師和同儕互動，這些高層次能力才有可能進一步「內化」到兒 童的心中（潘世尊，2002），因而在學習過程中就需要透過別人的協助，而這種 協助過程稱為「鷹架」（張春興，1996）。「鷹架」的兩個重要議題便是「溝通」

與「認知」，透過語言的社會認知功能將有助於促進學習者對問題的解決和反思 能力，以達成學習遷移的效果，並促進學習者自我導向學習能力之培養(張菀珍， 1997)。

鷹架理論的心理學基礎源於Vygotsky的學習「潛在發展區」（zone of proximal

development,簡稱ZPD），Vygotsky（1978）將認知的發展分成實際的發展層次（real

level development）以及潛在的發展層次（potential level of developement）。在實 際的發展層次上，是指學生能獨立解決問題的能力水準；而潛在的發展層次，是 指學生在成人的指導協助，或在與能力較佳的同儕合作下，得以解決問題之可能 到達的能力水準，兩者之間存在一段待發展的距離即是「潛在發展區」（張妙琳， 2003）。Lock(2000)對「潛在發展區」的解釋為：學習者本來就具有天生的學習 能力(intra-mental ability)，這種能力可以讓學習者自己學習，但是發展有限。另 外一種能力是經由互動中產生的，稱為焠化能力(inter-mental ability)，此種能力 發展迅速且無限量，兩者能力之差距稱為「潛在發展區」（Lock，2000；徐椿樑， 2001）。在實際發展層次中，教師並未教導學生任何東西，只有在潛在發展區中， 教學才會有意義，教師透過教學活動過程適時的提供協助，讓學生自發性學習到 達潛在發展層次，描述這種教學的引喻就是「鷹架」（毛炳楠，2004）。 鷹架理論的教學關鍵乃在於教師能利用教育專業能力察覺此一最適量的學 習區域，給予學生適當的協助，此種協助就好比一般建築所使用的鷹架支持，其 效用在於： 1.能保障建築物完成施工-保障學生學習成功。 2.能將建築物的架構擴展與延伸-將學生習得的知識延伸至新的領域。 3.它能在建築物完成時，及時撤離-學生能自我學習。（徐椿樑，2001） 自從鷹架理論受到重視後，許多國外學者對於鷹架的解釋與定義紛紛出現， 如表 2-1-1。經由各家對鷹架的定義與闡述，研究者將鷹架理論歸納出三個主要

概念： 1.在潛能發展區裡，教學者與接受者之間的關係是互惠的：教師能提供支持與學 生能完全的參與並感到興趣及提供回饋，所以教學鷹架何時提供，提供何種， 何時撤離都是互相協商的。 2.學習責任的遷移：教師提供教學鷹架幫助學生獲得基礎概念進一步達到學習效 果。 3.語言為認知社會化的功能，強調師生間對話溝通。 表 2-1-1 國外學者對於鷹架的解釋與定義 提出者 對鷹架概念的解釋 Vygotsky（1978） 通過可能發展區的導引，教師採取一個暫時的支持以協助 學生能力的發展。 Palincsar & Brown

(1984) 在「潛在發展區」(ZPD)中教師對學生所提供的暫時性支 持。 Langer(1984) 鷹架理論的意義包含「意義的協商」和「學習責任的遷移」 兩個層面。 Doyle（1986） 鷹架是一種教學工具，可以有效減少學習者學習過程中混 淆的情況，並能促使發展的機會。 Roger(1988) 從功能的觀點認為：語言是一種認知社會化的功能，有助 於促進問題的解決與反思，因此鷹架的兩個重要議題為 「溝通」與「認知」。 Bohannaan & Warren（1989） 鷹架應與學習者的背景相融，方能使其學者進入常態文化 中應用，「對話性的互動」與「互惠性合作」是鷹架理論 的兩個要素（引自張菀珍，1997）。 Dyson (1990) 鷹架的意義應該包含「垂直」鷹架-將學習內容配合學習 者的意圖與需求加以結構化處理，並在教學互動中鼓勵學 習者認知的複雜化，以培養其應用能力與「水平」鷹架-強調教師的支持與學習內容應配合學習者的社會背景和 經驗，而非孤立的教學支持。此種水平與垂直鷹架理論可 尊重學習者的意圖，並可使教師支持擴大和延伸學習者的 學習及思考，更能促進可能發展區的發展。

表 2-1-1 國外學者對於鷹架的解釋與定義（續） 提出者 對鷹架概念的解釋 Rogoff（1990） 鷹架是成人對兒童提供有意義而且有組織的學習材料。有 效的架構是按照活動發展目標，依據兒童的能力狀況將工 作分為若干階段，以增加兒童在活動過程的參與度。 Gee, Michael, &

O’Connor(1992) 鷹架是一種「橋樑」，教師扮演支持，導引和擴展的角色， 給予學習者協助和澄清所需的訊息。 Judithann (1993) 鷹架是一種持續性的動態過程，教師提供學生支持，協助 他們達到可能發展區的最高限制，這種支持配合教學內 容，在學習過程中協助學生達成學習意圖，其概念為：(1) 由經驗豐富者引導經驗較少者，以漸提昇學習的複雜度； (2)鷹架必須設法引出一個正確的反應，以導向正確的答 案及內容的學習。

Hodson & Hodson （1998） 鷹架是一個教師對學習者動態的支持，經由這樣的支持， 學生得以朝向個人的最高的潛在發展區邁進。這樣的支 持，可以透過有經驗的專家指導下，從事「合作學習」 (collaborative learning)而達成。 資料來源：研究者自行整理 二、鷹架理論的教學策略 Vygotsky（1978）認為鷹架教學的主要目的在於教師在教學設計上，創造學 生最大潛在發展區，以有效的教學情境刺激，引發學生一系列的內在發展歷程。 因此其就Vygotsky（1978）的觀點而言，良好而有效的教學乃把握個體的「潛在 發展區」，在此一區域教師給于兒童充足的引導和練習，讓兒童有機會發展出新 的行為結構（陳淑敏，1995）。鷹架教學法是指教師能讓學習者在「近測發展區」 中運作，學習者在鷹架教學設計下，所扮演的角色並非被動的參與學習過程，而 是要積極參與活動且主動思考，個體才能建構自己的認知架構（張妙琳，2003）。 而教師所提供的「鷹架」，可以是任何工具或教學策略，例如可以是引導、錄影 帶、示範、師生間的對話等。

分別為：1.引起動機（recruitment）：啟發學生對學習的興趣。2.減少（reduction）： 經由專家指導，發展出學生在活動中可以處理每一個過程的要素，以減少學習上 的困惑。3.持續性（maintenance）：對學生學習持續不斷的加以鼓勵與指導。4. 指出明顯的特質（marking）：教師採取不同的方式聚焦事物的特徵，強調進步和 達成學習目的間的差異。5.挫折的控制（control）：教師協助調解並控制在解決 問題中所可能遭遇的挫折。6.呈現（demonstration）：呈現出理想的問題解決模式。 至於 Greenfield（1984）針對教學鷹架則提出六個主要原則，分別為 1.實際 教學活動中，由專家（教師）以適當能力充當學習者的鷹架；2.支持的程度依學 習者的程度而調整；3.學習者的能力增進時，支持的數量隨之減少；4.支持的多 少與工作難度成正比；5.支持以逐步漸近與隨時校正的方式進行；6.支持以導向 內在化為目標，逐漸使學習者能夠獨立自主（引自劉錫麒，1991）。而張菀珍（1997）

針對Wood、Brunner & Ross（1976）至 Debra（1992）等諸位學者對於鷹架理論

在教學上的應用提出；師生互惠式的教學；以對話和協商進行教學；提供鷹架以 支持學習；提高學習者的學習動機、學習能力，進行自主性的學習等五項學習者 中心的教學特質。 研究者綜合上述鷹架教學的基本概念、功能、特質與原則，可以了解教師在 鷹架教學上具有幾項特色： 1.強調學生主動學習，教師提高學習動機與引起學習興趣。 2.教師適時的提供鷹架以支持學生學習，支持程度依學習者程度調整。 3.強調互惠合作學習，重視教師（鷹架提供者）與學生（接受者）之間的互動。 4.學生透過教師外在的協助與互動過程逐漸內化為自主性獨立解決問題。 從上述鷹架教學的理論中，說明教師的教導是必要的，透過教師鷹架教學讓 學生的學習效果達到最佳的層次。依據上述的鷹架理念，許多學者紛紛提出了鷹 架的教學策略與教學方法，研究者分別整理如表2-1-2：

表 2-1-2 國內外學者提出的鷹架教學策略 提出者 提出的鷹架教學策略 張 菀 珍 （1997） 鷹架教學策略包含以學習責任的遷移為主要目的的合作性對話特 質，其教學策略有： 1.師生間的「互惠式教學」：在互惠式教學中，教師的角色應不止 於支持，還應注意將學習內容和目的明確化，在教學過程中同時 提供支持、監控學習和提供適當的回饋，並且允許學生對教學活 動進行反思。鷹架教學的互惠學習可包括兩種方式，一是採用小 團體討論方式，包含明確的教學、合作學習、認知師徒制等；二 是教學性對話，師生透過協商性的對話，協助學生成為更有方法 的學習者。 2.教學控制的協商：減少教師的控制，教師的角色只提供支持以增 進學生的理解，同時鼓勵學生參與評估和運用不同類型的小團 體，可以得到較好的學習責任轉移效果。 3.學習責任的轉移：Palincsar 對四個學生閱讀團體所做的觀察研 究，發現在教師的引導逐漸退出後，學生的對話增加，學習並逐 漸進步。由此可見透過對的責任遷移，學生將能養成主動學習態 度，增進學習成效。 教師若持續運用上述教學策略將可促進學習責任的遷移，並增進學 生對話內容的了解。 McKen- zie （2000） 1.澄清期望、具體化評鑑和回饋：活動開始前，必須先建立清楚的 期望和標準的示範。 2.澄清目的：幫助學生理解從事活動的目的和重要性。 3.提供清楚的指導並減少學生的困惑：教師必須預先考慮學生可能 遇到的問題，然後發展逐步的教學活動。 4.讓學生保持在作業上：提供架構、課程或研究的方案，為學生指 引學習路線；學生可以決定選擇哪些路線或沿著路線探索什麼， 但是不能離開路徑漫遊。 5.教師提供有價值資料的來源給學生：減少困惑、挫折和時間浪費， 但是學生可以決定使用什麼和如何使用。 6.減少不確定性、意外和失望：教師分析課程以決定可能的問題範 圍，然後澄清並設計課程，以除去困難，讓學習得以充分擴充學 習。

表 2-1-2 國內外學者提出的鷹架教學策略（續） 提出者 提出的鷹架教學策略 潘 世 尊 （2002） 1.機動調降期望學生發展出來的解題能力層次。 2.由抽象到具體，由少到多的提供解題線索及提示，如若不行，最 後再用講解及示範的方式教學。 3.學生真的需要時才提供協助。 當以上三種方法還是無法協助學生時，再採用下列三種策略：1. 推論及臆測學生的想法 2.激發學生產生困擾的感受 3.提供學生反 思的機會。透過此一教學策略最終目的在於教師能用這些策略搭 一個能幫助學生發展出「可能發展出來的最大或最高層能力的鷹 架」。 張 妙 琳 （2003） 1.提供鷹架支持流程：其步驟可分為（1）教師在教學設計前，先確 認學生以有的能力；（2）思考搭建鷹架的方向與寬廣度（3）依 據學生的興趣與能力，提供洽當的活動（4）經由重複練習機會， 讓學生能力越來越進步；（5）教師逐步拆除鷹架，直到學生能在 無人協助下獨自完成活動。 2.以學習者為中心的教學。 3.互惠式的合作。 4.以對話和溝通進行教學。 周 淑 惠 （2005） 分析幼教教師所運用的鷹架引導提出六項教學策略有： 1.回溯鷹架：重新回憶舊經驗，勾勒記憶，營造主題氣氛。 2.語文鷹架：可分為兩個層面，分別是「讀寫鷹架」與「言談鷹架」。 目的為透過言談對話以提升心智功能。 3.架構鷹架：指提供學童思考或活動的框架，讓學童有探究與討論 的焦點，更加容易進入活動的狀況。 4.童儕鷹架：透過分組活動讓同儕隻間相互刺激與提攜。 5.示範鷹架：教師於教學上做適度的示範。 6.材料鷹架：運用多元材料與表徵策略於學童之探究活動中。 資料來源：研究者自行整理

從上述教學策略可整理出鷹架教學策略的學習概念結構圖如下圖2-1-1。 圖2-1-1符合鷹架教學策略的學習概念結構 （引自毛炳楠，2004） 研究者綜合以上教學策略，歸納出應用鷹架理論的教學策略，並以此教學策 略作為本研究鷹架教學的基礎： 1.確認學生實際發展層次：引起舊經驗、進行學前測驗等，以了解學生實際發展 層次。 2.教師以學習者為中心適當提供鷹架：教師安排教學情境，提高學習動機與引起 興趣，依據學生能力提供適當的支持，教師示範、講述、呈現，學生模仿，進 行對話溝通。 3.互惠式教學：透過師生對話的延伸，教師的回饋與小組間討論、同儕合作學習 等，提高學生理解力，達到學習遷移及形成概念效果。 教師開始運用 鷹架示範、講 述、呈現 完 成 任 務 的 責 任 分 屬 教師承擔所有責任 師生共同承擔責任 學生承擔所有責任 師生合作互 動、ZPD、溫暖 的支持、交互 主觀性、責任 逐漸釋放 學生核心參 與、單獨解決 問題 學生邊 緣參與 教師消 退鷹架

4.教師除去鷹架：當學生學習目標已逐漸達成，教師逐漸撤離鷹架，學生能獨立 自我學習完成資源，進行自主性學習。 三、以教師教學鷹架為主的教學研究 研究者整理國內「鷹架理論」的教學相關研究，發現研究內容大致可分為特 殊教育、網頁建構教學、教師實作教學等類型，研究者針對以教師鷹架理論為基 礎的教學研究類型進行整理其研究如表2-1-3： 表 2-1-3 應用教師鷹架理論為基礎的教學研究 研究者 研究 題目 研究 對象 研究 方法 研究 結果 劉信亨 （2004） 鷹 架 理 論 在 國 民 小 學 三 年 級 水 墨 畫 教 學 的 應 用 之研究 國小 三年級 學童 行動 研究法 應用鷹架理論於兒童水墨畫基礎 教學，在知識與技能與態度方面有 相當水準的教學成效，因此，鷹架 理論應用於兒童水墨畫基礎教學 確實可行。 李金龍 （2005） 鷹 架 理 論 運 用 於 國 小 自 然 科 教 學 之 行 動 研 究 － 以 「 簡 單 機 械 」 教 學為例 國小 六 年 級 學童 行動 研究法 1.當掌握住學生潛在發展區，營造 整個學習環境的鷹架時，教學者是 以主動的方式，引領學生朝向預定 目標學習，充分發揮教育的功能。 2.研究中亦發現學生的概念必須 在學生有願意參與活動，進行概念 溝通時，方能有機會鷹架使其改 變。 毛炳楠 （2004） 國民小學 數學教師 教學鷹架 策略分析 之個案研 究 國小數 學教師 質性 研究法 之個案 研究 1.教師運用多元豐富的教學鷹架 策略進行數學教學，其鷹架策略運 用呈現動態調整歷程，運用範圍從 教室口語言談延伸至教材設計。 2.教師藉由參與小組討論與作業

表 2-1-3 應用教師鷹架理論為基礎的教學研究（續） 研究者 研究 題目 研究 對象 研究 方法 研究 結果 批改運用適合個別需求的教學鷹 架策略。 3.教師多元教學鷹架策略運用與 充分的教學準備、開放的教學觀有 密切關係。 金吉祥 （2004） 提供鷹架 對國小學 童自然科 問題解決 能力及概 念學習的 影響 國小 四年級 學童 量化與 質性 研究 分析 1.提供鷹架對國小學童概念發展 層次有所提升，幫助學童在概念發 展層次上向更高層次移動。 2.學童的錯誤或正確概念作錯誤 連結的情形均大幅減少，幫助學童 發展出正確概念。 3.學童的錯誤或正確概念作錯誤 連結的情形均大幅減少，幫助學童 發展出正確概念。 4. 學童在「解釋結果提出結論階 段」高層次的問題解決能力上獲得 提升。 施富有 （2004） 提供鷹架 對不同學 習成就學 生數位學 習成效之 探討－以 高年級水 的三態教 學活動為 例 國小 高年級 學童 準實驗 研究 設計 1.適性化且具診斷機制的數位學習 情境對「凝固」、「蒸發」與「凝 結」概念的學習具有顯著成效。 2.在數位學習的情境下，有助於促 進教學過程中學習責任的建構；對 高、低學習成就的學生學習前後之 成效皆可達統計之顯著差異水準； 在高學習成就的學生中提供適當 的鷹架﹝師生互動﹞可以達到較 佳且顯著學習成效，但提供鷹架與 否對低學習成就學生學習成效無 顯著影響。

表 2-1-3 應用教師鷹架理論為基礎的教學研究（續） 研究者 研究 題目 研究 對象 研究 方法 研究 結果 賴忠明 （2005） 鷹架理論 應用在國 中數學科 教學之行 動研究 國中 學生 行動 研究法 1.教師應站在學生的立場思考問題 的癥結、增加師生的互動與對話、 多給予學生思考之時間與空間、適 時將 學習責任轉移給學生。 2.在教師鷹架部份：(1)因應學生語 文能力低落的問題，採取「分解步 驟」與「擬題」兩種鷹架策略交互 運用；(2)為提升學生計算能力採取 「限定」與「比較」兩種鷹架策略 同時使用；(3)利用「分析概念」與 「比較」兩種鷹架策略去除學生的 概念迷思；(4)運用「推衍」的鷹架 策略將學生的能力提升到可能發展 區；(5)對有心學習但能力不足的學 生採取「示範」與「體驗」兩種鷹 架策略。 溫智雄 （2005） 一位外籍 英語教師 （NET）的 教學對國 中學生學 習動機及 參與感之 關係研究 國中 學生 質性 研究法 1. 外 籍 英 語 教 師 成 功 扮 演 「 引 導 者」、「中介者」及「促進者」的 角色，激勵了學生的學習興趣、豐 富了英語的學習過程，進而催化學 生更上層樓。 2.NET 生活化、實用化及趣味化的教 學策略，讓學生覺得英語非常簡單 而有趣，且與自己切身相關，有了 成功的經驗後，建立信心、獲得滿 足。 3.NET 扮演鷹架支持的功能，使學生 的心理層面從低層次轉為高層次， 拓展其「近側發展區」。

表2-1-3 應用教師鷹架理論為基礎的教學研究（續） 研究者 研究 題目 研究 對象 研究 方法 研究 結果 洪雲 （2005） 鷹架理論 對國小學 童色彩運 用能力之 影響－以 台中市大 鵬國小為 例 國小 五年級 學童 準實驗 研究法 1. 應 用 鷹 架 理 論 教 學 在 「 著 色 技 巧」、「色彩美感」、「色彩知覺」、 「情感蘊含」、「整體的色彩運用 能力」學習成效明顯優於一般教學。 2.「著色技巧」與「色彩知覺」兩層 面上應用鷹架理論教學實驗組學童 的學習成效最佳。 3.在「是否能使用兩種以上的著色技 巧」與「是否運用調色得到更多其 他顏色」二子題上應用鷹架理論教 學實驗組學童的學習成效最明顯。 呂淑梅 （2006） 以鷹架教 學促進兒 童閱讀發 展之行動 研究—以 一個中年 級班級閱 讀活動 國小 中年級 學童 行動 研究法 1.程度高的學生在閱讀動機上能趨 向獨立閱讀。 2.中等程度學生則顯出鷹架支持的 依賴。 3.程度較低的學生在雖提升不多， 但閱讀動機均有增強。 吳怡欣 （2007） 國民小學 英語教師 教學鷹架 策略之個 案研究 一位國 小英語 教師 質性 研究法 1.個案教師教學過程運用多種的教 學鷹架策略。 2.部分鷹架策略是針對英語科而運 用。 3.提供的策略主要透過幾類常見的 教學行為，如提問、講述與指示等。 4.策略運用呈現動態的調整歷程，如 「體察句子的文法規則」策略在不 同時機會採用不同的教學行為。 5.個案教師會視教學的需求採用不 同的鷹架策略，包含教學內容的類 型、教學內容的難度、教學目標、 學生先備知識與個別差異等。

表2-1-3 應用教師鷹架理論為基礎的教學研究（續） 研究者 研究 題目 研究 對象 研究 方法 研究 結果 許惠棻 （2007） 北北基國 小藝術才 能音樂班 術科教師 之鷹架教 學策略研 究 國小藝 術才能 音樂班 學童 訪談法 、問卷 調查法 1.北北基國小藝術才能音樂班術科 教師，在「展示、呈現新認知策略」、 「引導練習時控制其難度」 、「提 供回饋」及「提供獨立練習」之鷹 架教學策略上，運用情形較為積極。 2.在「為學生提供不同的情境絡」 、 「增加學生的責任」之策略上，多 數教師顯示出中立保留趨近於正向 積極的態度。 曾意玲 （2009） 一位四年 級教師協 助低成就 學生數學 學習的行 動研究 國小 教師 行動 研究法 1.良好的師生信任關係，才能有效的 協助低成就學生的學習。教師協助 的 歷 程 ， 研 究 者 從 「 學 習 習 慣 建 立」、「上課專注與參與」、「將 問題模組化、簡化」、「協助尋找 錯誤」、「澄清題意」等五個方向 來描述研究者提供鷹架的策略。 2.學生的轉變歷程分為五個階段，1. 抗拒時期2.寧可讓老師相信偷懶而 不是不會3.樂意做，不放聲 4.可以 輕易找出自己的錯誤5.面對問題， 放聲思考。 資料來源：研究者自行整理 由上表所列的研究內容來看，運用鷹架理論所發展出來的教學策略是多樣 的，並非單純的形式或步驟的模仿，最重要的是教師要能掌握鷹架概念，並在教 學過程中與學生互動。從文獻中發現，多數研究者是以質性研究方式對鷹架教學 理論進行探討，量化研究方式是較少的，且在自然與生活科技科相關領域也不多 見，大部分研究結果皆顯示鷹架理論的教學可提升學生的學習成效，對學生的學 習也具有正向的幫助，因此，以鷹架教學策略運用於奈米科技的延伸教學上是值

得嘗試的。

第二節 奈米科技的概念

本節將針對延伸教學中所提到的主要概念進行探討：一、奈米科技的定義與 特性-包含認識奈米、奈米的由來、及物質奈米化所產生的效應等介紹；二、自 然界的奈米現象-包含蓮花效應、光子晶體效應（蝶翼效應）、奈米結構的吸附能 力與生物的奈米磁導航；三、奈米科技的應用與未來發展-包含生活中的奈米產 品與未來的發展應用等。 一、奈米科技的定義與特性 奈米（nanometer,nm）是一個長度單位，代表的是十億分之一米的長度。一 奈米差不多是十個氫原子並排在一起的長度，是頭髮寬度的十萬分之一。一奈米 必須要用電子顯微鏡才能看得到，一般的光學顯微鏡是無法發現其蹤跡。舉例來 說，一公尺與一奈米的比例就大約是地球與一個玻璃珠的比（行政院國家科學委 員會，2009a）。傳統的物理理論多半用於解釋物質的整體行為，例如：星球運動、 物體整體運動等，稱為「巨觀物理」；而解釋原子、分子運動等量子物理稱為「微 觀物理」；而奈米尺寸因剛好介於兩者之間，因此稱為「介觀物理」，奈米尺寸下 的介觀物理性質與普通尺寸的物理性質截然不同，這種存在於微觀與巨觀之間的 「介觀性質」，使物質產生新的特性（馬遠榮，2002）。奈米科技的目標就是運用 這方面的知識探討物質奈米化的特性與現象且有效的製造並利用這些結構。 早在1959年「奈米科技之父」費曼博士於1959年時，提出先知性的預言，預 測人類的科技發展將邁向前所未聞的為小尺寸發展，他在著名的演講「底部還有 很大的空間（There’s Plenty of Room at the Bottom ）」提到，如何把整部＜大英百 科全書＞印到一個普通的大頭真的針頭上，從費曼博士的演講中即預測出人類科 技產業將進入微小化處理世界。

義，一般來說，只要是物質在奈米尺度下呈現出有別於巨觀尺度下的物理化學或 生物特性與現象，都可稱為「奈米科技」。呂世源（2002）提到所謂的奈米科技， 就是在奈米尺度（一般是以1 ∼100奈米為範圍）下操控物質，以製作、了解與使 用具奈米結構的材料、元件及系統。當物質結構尺寸小到奈米尺度時，其物理、 化學及生物性質與原來尺寸有截然不同的特性。馬遠榮（2002）定義奈米科技為 只要是尺寸在0.1奈米到100奈米之間的材料結構的物理化學性質研究，和這種材 料的製造、操縱和量測等技術和儀器的研發，都可成為奈米的科學和技術。 當物質奈米化後，會使物質具有「表面效應」、「小尺寸效應」、「量子尺寸效 應」及「穿隧效應」等四大效應，導致奈米物質材料在聲、光、電、磁、熱、力 學等性質上，產生與大尺寸材料不同的表現性質。 （一）表面效應 奈米微粒由於尺寸小，表面積大，表面位能高，位於表面的原子佔相當大的 比例，導致原子的活性極高，極不穩定，很容易與其他原子結合，而產生一些新 的效應（尹邦耀，2002），當材料粒子縮小到奈米等級，原材料的性質發生改變， 或是出現原本沒有的性質，這個現象就是所謂的奈米效應。例如在奈米尺度下原 本惰性的金可以當作非常好的催化劑等（高逢時，2005）。 （二）小尺寸效應 由於顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質變化，即為小尺寸效應。此時，物 質產生新的性質變化有1.特殊的光學性質：金屬物質在超微顆粒狀態會改變顏色 甚至到呈現黑色，對光的反射率因此降低，利用此一性質可作為高效能的光熱、 光電等轉換材料，將太陽能轉成電能、熱能。2.特殊的熱性質：固態物質在細微 化後熔點將顯著降低，在低溫下即可進行燒製成所要的物件。3.特殊的磁學性 質：磁性超微物質與大塊磁體有顯著不同特性，磁可從有序態轉成無序態，利用 其超順磁性製成用途廣泛的磁性液體。4.特殊的力學性質：奈米超微顆粒表現出

極佳的韌性與硬度，運用範圍十分廣泛。除此之外，小尺寸效應還表現在聲學及 化學性能等方面（馬遠榮，2002）。 （三）量子尺寸效應 當無數的原子構成固體時，單獨原子的能階合成能帶，可看成連續的，由能 帶理論將物質分為絕緣體、半導體或金屬等區別，當物質粒子尺寸降到微粒時， 原子間的能帶將分裂，形成不連續性，造成量子尺寸效應，導致奈米微粒的光、 電、磁及超導性與巨觀特性有顯著不同，例如：奈米銀微粒在溫度1o K時會由導體 變為絕緣體，此即微量子尺寸效應形成的性質（尹邦耀，2002）。 （四）穿隧效應 微觀粒子具有貫穿電位能障（potential barrier）的能力，因此存在穿隧效應。 近年來人們發現巨觀物理量如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等也 顯示出穿隧效應，即為巨觀量子穿隧效應。此一效應確立了現存微電子器件進一 步微型化的極限，當微型化時必須考慮到量子的穿隧效應（尹邦耀，2002）。 二、自然界的奈米現象 （一）蓮花效應（Lotus effect） 「蓮花效應」是自然界存在奈米現象中最有名的例子，中國古代文人曾於文 章中讚美蓮花「出淤泥而不染」來比喻君子該有的美德，其源自於蓮花雖然生長 在泥濘溼地，但依然可以保持乾淨的自我潔淨功能，這個世人不陌生的特性卻直 到1997年德國波昂大學植物學家Wilhelm Barthlott進行一連串的實驗後，才發現 蓮葉特殊結構的疏水性與自我潔淨功能有很大的關係，因而創造了「Lotus effect」 一詞。蓮葉表面從巨觀層次來看，非常整齊平滑，但從微觀層次來看卻有許多小 球狀突起的纖毛結構，使蓮葉表面變的粗超，導致水滴在表面上的接觸角變大， 再加上蓮葉表面上面覆蓋著一層100奈米的疏水性臘層，水滴就無法穿透至葉面 的孔隙而停留在葉面上（如圖2-1-1），小水滴聚集在葉面上形成大水滴後就會從

葉面上掉落，因此水滴無法停留（徐世昌，2002；國立科學工藝博物館網站， 2009）。 圖2-2-1蓮葉表面與水接觸情形。 （圖片資料來自http://zh.wikipedia.org/wiki 網站） 除了水滴外，灰塵也有相同的原理，由於葉子表面的粗糙使接觸面積小，減 少了灰塵與蓮葉間的吸附力量，一旦遇到水滴滾過時，灰塵與水滴的吸附力大於 與蓮葉的吸附力，所以就容易被水滴帶走，蓮葉表面同時擁有的奈米尺寸的物理 結構與疏水性臘層，使得蓮花具有自我潔淨功能，稱為「蓮花效應」如圖2-1-2。 另外，除了植物，有些動物身上也有相同的作用，如海豚的皮膚、鴨子的羽毛和 昆蟲的翅膀…等，都是因為有奈米結構而具有自潔功能。日常生活中，奈米除汙 玻璃、奈米馬桶與瓷磚等，皆是運用蓮花的自潔原理而製成的商品，透過水的洗 刷能輕易將髒汙沖刷掉，所以能夠永保乾淨效果。

圖2-2-2細微結構與自潔作用關聯之示意圖。 （圖片資料來自蘇俊鍾，2003a） （二）光子晶體效應（蝶翼效應） 大自然許多生物具有各式繽紛色彩，有的是因為含有各種色素，有的則是與 光子晶體（photonic crystals）的顯微結構有相關，蝴蝶的翅膀即是一例。因為蝴 蝶翅膀的鱗片表面成特殊的週期性排列，透過電子顯微鏡可見鱗片在厚度方向約 有10~12層週期性的結構。這些顯微結構類似樹枝狀，即是由奈米級的光子晶體 構成，每條細枝間的距離大約是70-100奈米（如圖2-1-3）。這些光子晶體的結 構並不是完全規則的，因此當光線照射時，依照反射定律，會造成特定波長的可 見光被反射，當光與晶體的夾角改變時，就會產生不同顏色的反射光。所以，觀 察的人會從不同角度，看到翅膀不同的顏色（工業技術研究院工業材料研究所， 2005；國立科學工藝博物館網站，2009）。蝴蝶翅膀上這麼精密的鱗片結構，若 不是透過顯微鏡，很難知道是因為翅膀的光子晶體結構形成。對於蝴蝶翅膀的奈 米極光子晶體結構產生的繽紛色澤，我們稱為「光子晶體效應」，亦有人因為蝴 蝶外表呈現出像彩虹一樣的七彩顏色而稱為「彩蝶效應」或「蝶翼效應」。 日本Kuraray公司在1987年曾模仿蝶翼構造織成布料，商品名稱叫Diphorl， 當身體穿上Diphorl作成的晚禮服走動時，衣服就會像蝴蝶翅膀一樣隨著光線呈現

鮮豔的顏色（工業技術研究院工業材料研究所，2005）。除了蝴蝶外，有些蛋白 石也有相同的原理，蛋白石在顯微鏡下顯示是由微小均勻透明球狀的二氧化矽組 合而成，這些微小的二氧化矽會隨著觀看角度不同也會導致蛋白石產生不同顏色 效果。 圖2-2-3電子顯微鏡下的蝴蝶光子晶體 （圖片資料來自：奈米 K-12 網站） （三）奈米結構的吸附能力 很多人都看過壁虎攀岩走壁，但是卻沒有多少人能正確的知道原因。科學家 發現，電子顯微鏡下壁虎腳趾的皮膚是由三層次的組織構成的。透過玻璃可看到 壁虎的腳趾頭皮瓣，皮瓣上具有極細的剛毛（seta），一隻壁虎身上有數百萬根 剛毛，每根剛毛又有400到1000根更細的分支匙突（spatula）所組成。分支起突長 度大約200至500奈米，這些分支使得剛毛與物體表面分子間距離非常近，而產生 「凡得瓦力」，可吸附住物體表面。「凡得瓦力」是奈米尺度下所形成的分子間 作用力，雖然其作用力微不足道，但數百萬根剛毛累積起來卻很可觀。以壁虎來

講，每根剛毛約略可舉起一隻螞蟻的重量，如果壁虎同時使用全部的剛毛，累積 起來可以提起125公斤的重量，因此壁虎實際上只需要用一隻腳即可支撐身體全 部的重量。利用壁虎腳趾構造的吸附原理，科學家發明了膠帶，可以把東西黏在 物體上即使撕下來也不殘留黏膠或破壞物體表面，最重要的是可以重複使用，又 或者可以發明像蜘蛛人一樣單手就可吊在天花板的壁虎貼布，有朝一日，當這些 貼布與膠帶進入商業化階段，人類創意將會走向更高境界，前途無可限量（工業 技術研究院工業材料研究所，2005）。 （四）生物的奈米磁導航 自然界中許多生物具有遷徙或辨識方位等能力，這種能力讓牠們即使離家千 里，依舊能找到回家的路。這些「識途」的本領經過科學家研究後，發現牠們擁 有一項共同的特性，就是體內存在著「奈米磁性粒子」。這些生物體內的磁性物 質，大都以磁鐵礦或是磁琉鐵礦所構成，而且大自然生物體自然地選擇大小剛 好，性質穩定的單一磁區的鐵磁晶體來當作羅盤，因為單一磁區可以擁有非常好 的感應效果，這是在奈米尺寸下磁性材料所具備的獨特特性（廖達珊、胡苓芝、 潘彥宏、孫蘭芳，2004）。這些奈米級的磁性粒子如同生物體內羅盤，它能感應 地球的磁場，確定其周圍環境在生物體頭腦裡的圖像而判別飛行方向，因此具有 導航作用，當生物在遷徙或飛翔時，能夠不靠任何儀器而找出正確的路，常見的 生物有候鳥、海龜與蜜蜂…等。 三、奈米科技的應用與未來發展 （一）奈米科技與生活 在日常生活中，通常以公尺為單位的基準，一旦物質分割到奈米尺寸單位 時，和我們平常生活就有差距了，此時的尺寸接近分子與DNA的大小，對DNA本 身而言，改變排列順序引起的變化並不重要，但對於累積在以公尺為單位的上層 世界卻造成相當大的影響，如同DNA可控制上層世界之「基本物質的資訊」，只

要我們調整分子與原子的排列方式，就能製造出有價值的東西（川合知二， 2002）。美國總統柯林頓在 2000 年向國會正式提出「奈米國家型計畫」，認為奈 米科技將可提供下列功能：（1）增加單位面積的記憶容量一千倍，可以把整個國 會圖書館的資料儲存到一顆方糖大小的體積內。（2）在原子與分子的領域由下往 上建構元件材料，如此可以使密度更高、更省材料、而且減少污染。（3）發展只 有鋼鐵十分之一重但強度是十倍的材料。（4）可以開發出較現有奔騰（P-III）快 1百萬倍的電腦。（5）把奈米機械裝置應用在癌細胞偵測與基因分析上，且可藉 由這種裝置把藥物傳送到目標器官中。（6）清除空氣與水中的污染物。（7）提升 現有太陽電池的效率達兩倍以上（陳貴賢，2006）。奈米科技的研發橫跨了各式 各樣的領域，奈米科技產業無窮發展的潛力可想而知，其應用範圍舉凡國防軍事 （奈米衛星、隱形軍機）、生物（生物晶片、釀酒）、農業（基因工程、對付病蟲 害的微型殺手）、工業（材料科學、微機電）、能源科技與環保（環保塗料、環境 污染物之處理）、航太科技（火箭、太空梭）乃至於民生用品（如抗菌劑、奈米 化妝品、奈米衣料等），其開發潛能源源不絕，可想而知，奈米世界將徹底改變 與影響我們未來的生活的生活（盧永坤，2005）。 （二）醫療與保健系統 生物體的生命系統是由奈米尺度的分子所控制，如生物體內的蛋白質、核酸 均屬於奈米級的巨分子，目前科學家正研究奈米高分子材料作成的藥物載體，通 常這些藥物載體以微球或微囊的形式存在，透過這些藥物載體進行保護並控制藥 物的釋放速度，以延長藥物效用（姜忠義、成國祥，2004；川合知二，2003）。 這些新型的奈米藥物注入血液中，送到病變的部位才發生作用而放出藥物，這樣 能控制釋放量，延長了藥物作用時間，就可提高藥物治療的效力並減少副作用的 產生。 奈米藥物研發很廣，科學家希望透過奈米技術，製造奈米分子機器人，藉由

血液循環對身體各部位進行檢測、診斷，並實施特殊治療，如殺死癌細胞，吞噬 病毒…等（尹邦耀，2002）。有些奈米藥物載體因為外加磁場使具磁性的奈米粒 在病變部位聚集，可減少對正常組織傷害，降低藥物毒性的副作用，因此用來治 療癌細胞。目前這類技術仍在研發階段，在進入有效的臨床應用前，尚需要許多 科學家對於藥物載體作用機制與動態作進一步分析與研究。 （三）奈米結構與材料的製造 奈米科技屬於多學科整合性質，奈米科技的研究對象涉及許多領域，它的基 礎研究問題又與應用密不可分，因此將奈米科技分為奈米材料、奈米元件，奈米 檢測與特徵技術三大類功用性很強的研究領域（尹邦耀，2002）。由於材料是人 類賴以生存和發展的物質基礎，因此製造工具所用的材料即成為人類文明發展程 度得重要指標，2001年川合知二（川合知二，2003）在與大阪大學熊谷信昭教授 的對談中提到「如果可以控制奈米材料就可以掌握未來技術和經濟發展」。未來 技術發展的主幹就是奈米科技材料的研究開發。因此掌握了奈米材料，就是掌握 了21世紀奈米科技發展的主動權。 2001年我國國科會針對奈米材料與技術之發展，投入177億的研究經費（行 政院國家科學委員會，2009b），近幾年來台灣的奈米材料以合成與性質研究為 主，探討奈米晶粒之原子結構、與化學界面間的關係、以及材料特性的影響等， 過去幾年台灣學界研究現況有「奈米結構材料合成」、「奈米微結構材料磁性與熱 性研究」、「同步輻射技術檢測奈米微結構材料性質」及「奈米量測與加工技術」 （林鴻明，2002），而當今重要課題如感測器、磁性材料、觸媒材料等也陸續在 研究中。 奈米材料是指材料的顯微結構尺寸均小於100 nm，並且具有某些特殊性能的 材料，其主要類型有：奈米粉末、奈米塗層、奈米薄膜、奈米絲、奈米棒、奈米 館和奈米固體（尹邦耀，2002）。奈米結構材料的各種特性超過傳統塊材，其中

最熟知的就是奈米碳管。它的結構就像是把石墨層捲起來而成的管狀一維材料， 在高解析度穿透式電子顯微鏡的透視下，呈現多層管或竹節狀結構。奈米碳管具 有高強度、高彈性、熱傳導性、導電性等，它的強度與熱傳導度超過鑽石，是最 具代表性的奈米材料（陳貴賢，2006）。奈米碳管可能的應用，包括製造顯示器 （例如場發射式顯示器）、飛機或太空梭的複合材料、電池、超高速電腦晶片、 超導材料等。 另外，最常聽到的奈米光觸媒也是奈米材料的應用之一。所謂觸媒，就是一 種化學物質，其本身不參與反應，但可促進其他物質加速進行化學反應或延緩達 到平衡狀態（盧永坤，2005）。「光觸媒反應」的原理乃藉由紫外光或太陽光的照 射，使觸媒表面的電子吸收足夠能量而脫離產生激發態，形成活性極大的氫氧自 由基(OH radical)；氫氧自由基一旦遇上有機物質，便會產生化學反應。一般的 污染物或病源體多半是碳水化合物，分解後大部份會變成無害的水及二氧化碳， 因此可以達到除污及滅菌的目標（蘇俊鍾，2003b）。光觸媒的材料眾多，其中二 氧化鈦(Titanium Dioxide，TiO2)因氧化能力強、化學性安定又無毒，已成為最近 當紅的家電與民生用品的最愛，例如空氣清潔機、冷氣機、電冰箱的抗菌、除菌、 脫臭，皆運用到奈米光觸媒，這些奈米家電的上市，無疑是科技融入生活的最佳 寫照。

第三節 科技與學習態度之研究

態度涉及的範圍很廣泛，本節主要是針對「學習態度的意涵」及「科技與學 習態度相關研究」進行探討。 一、學習態度的意涵 「態度」是促使一個人行為的原動力，科學知識和技能，如果沒有科學態度 的成分，則這些知識或技能就無價值，因為態度是將科學知識和方法，轉變成行 為的驅策力（王美芬、熊召弟，1995）。國內外學者對態度有許多不同的的定義，

有些定義是概念上的不同，有些則是強調不同的現象。 張春興（2000）指出，態度是個體對人、事、對周圍世界所持有的一種持久 性與一致性的行為傾向，可由外顯行為推測，但內涵不限於單純的外顯行為。態 度是指個體對人、對事所持有的一種積極或消極反應傾向、正確或有偏差而不正 確的了解和反應，以及具有持久而又一致性的行為傾向（郭生玉，1998）。 Allport(1993)主要從行為論的觀點所提出態度的定義為：「態度是一種心理和精 神的預備狀態，它由經驗組織起來，影響了個人對某一現象有關的所有事物和情 境的反應，這種影響是直接的，而且是動態的」。態度的特性有：（一）態度是一 種行為傾向，會導向偏好的反應。（二）態度是由經驗學習而得，是社會化的過 程。（三）態度必有其特定對象，如環境中的人、事、物。（四）態度是一種信念 的組織體系，包括認知、情感和意向。（五）態度是一種內在的結構，不能直接 觀察，必須藉由個人外顯的行為而推知。（六）態度是人格的一部分，具有相當 持久，一致統整性（李美枝，1994）。 態度具有三個主要成分：(一)認知成分(cognitive component)－係指對態度 對象所持有的信念(belief)的組合體系；或者是這個人對該態度主體所有關的事 實、知識、及信念等。簡而言之就是指個人對事物的了解情形、知識程度及看法。 ( 二 ) 情 感 成 分 (affective compoment) － 係 指 個 人 對 態 度 對 象 的 情 緒 感 覺 (emotional feeling)，其中包含正負面的感覺，如尊敬-輕視、喜歡-厭惡、同情-排斥等。由於情感成分的含意，使的態度的認知成分常常反映帶有評價意味之事 實型式(factual-type)的陳述，因此不只敘述個人對態度對象的所知，也表示個人 對態度對象的贊同與反對。(三)行為成分(behavior component)－指個人針對態度 對象所預備的反應或行動傾向，即當個人對態度對象必須有所行動表現時，即將 表露的行為，亦即反應的準備狀態（引自羅棨全，2005）。當態度涉及到學習事 物時，對於學習方面所抱持之態度，稱之為「學習態度」（張文淵，2003）。學習

態度可以是廣義的，不同學者對學習態度詮釋有不同，整理如表2-3-1： 表 2-3-1 各學者對學習態度的詮釋 提出者 對學習態度的詮釋 紀文祥 （1965） 學校教育可透過適當的輔導措施，培養學童建立積極的學習態 度，積極態度有益學習，消極的態度將阻礙學習。 顏綠清 （1980） 為學習者對教材及一般學習情境表現贊成或反對的傾向，是探討 學生在學習方法、學習計畫、學習慾望及學習過程中的態度。 王玉屏 （1981） 指有關學習方法、學習習慣等學習事項的準備狀態或行為。 洪寶蓮 （1987） 是學習者對學習事物的內容，所持正向或反向的情感、評價，及 贊成或反對的行動傾向。 柯正峰 （1989） 準備行動的心理狀態或行為傾向，亦是一種具有結構與組織的複 雜認知體系，其組成包括情感、認知、行為三成份，態度的對像 是指涉及學習事物，如學習計畫、讀書情形、準備考試等有關學 習方面所抱持的態度 王福林 （1990） 一種心理的準備狀態，能指示學習行為的方向，且是基於後天經 驗習得的，有一致性及持久性。其對象包含：對學校課程的態度、 對學習環境的看法、對老師的態度、對同學的態度，以及對教育 價值的態度。 藍瑞霓 （1990） 可分為：學生對學校的態度、對課業設備方面的態度、對環境方 面的態度、對自我概念方面的態度等。 林寶貴、 錡寶香 （1991） 指學生從事學習活動的方法、動機與態度，包含學習方法、技能、 學習習慣、學習慾望等。 鄧運林 （1992） 指學習者對學習活動或學習環境，所持正向或反向的評價或情 感。其所指的學習態度，主要包含學習習慣和時間管理、努力經 營。 秦夢群 （1992） 學習態度分為兩類，一是對課業學習的態度，二是對學習環境的 態度，前者乃指學生對所學的動機與興趣，後者則為周圍環境變 數（如老師任教態度、同儕之間的人際關係等）所造成學生主觀 的看法。

表 2-3-1 各學者對學習態度的詮釋（續） 提出者 對學習態度的詮釋 張德銳 （1996） 認為學習態度包括：對課程的態度、上課的態度、準備功課的情 形、考試態度與閱讀範圍的意見；另外，對學校的態度應包括： 對學校活動的看法、對校園的態度、學校認同與對學校儀式的態 度。 施信華 （2001） 一種透過教與學的歷程，針對一定的方向與目標，進行持久性、 習慣性與一致性的內在心理反應，包含了認知、情義與技能三方 面的交互作用，而形成一種對於人、事、物反應的傾向關係。 資料來源：研究者自行整理 從各學者敘述（表2-3-1）可知道，學習態度是內在的心理狀態與外在的表 現行為，是個人在學習活動歷程中的心理準備狀態。學習態度包含：對學科的態 度、對學校、老師、同學、自己的態度、對課程的態度、學習方法、學習習慣、 對學習環境的態度…等。影響學生對科學的態度有很多因素，包括性別、學生特 質、教師、學習環境等，而積極、正向的學習態度，能夠提高學生的學習效率， 學生會更喜愛學習。因此，教育部也於九年一貫自然與生活科技課程中，將科學 的態度界定為處事求真求實、喜愛探究之科學精神與態度、感受科學之美與影響 力（教育部，2003），期望學生透過科學學習的正向態度，提昇科學的能力，達 到良好的學習成效。 由於不同的研究者在研究學習態度時，因為研究範圍的差異而有不同的分類 方式，茲就分類方式說明如下（張春興，2000；羅棨全，2005；林民棟，2006； 戴振堯，2007）： （一）依態度包含的三個成分分類

1.認知成分(cognitive component) －係指對態度對象所持有的信念(belief)的 組合體系；或者是這個人對該態度主體所有關的事實、知識、及信念等。 簡而言之就是指個人對事物的了解情形、知識程度及看法。