國 立 交 通 大 學 教 育 研 究 所
碩 士 論 文
探討純粹比對類比與傳達屬性類比網路課程對國小
學生科學概念建構與類比推理能力之影響
Explore the impact of pure matching and carry over web-based
learning content on 5
thgrade students’ scientific concept construction
and analogical reasoning ability
研究生：莊明樺
指導教授：佘曉清 博士
探討純粹比對類比與傳達屬性類比網路課程對國小學生科學概念
建構與類比推理能力之影響
Explore the impact of pure matching and carry over web-based
learning content on 5
thgrade students’ scientific concept construction
and analogical reasoning ability
研 究 生：莊明樺 Student：Ming-Hua Chuang
指導教授：佘曉清 博士 Advisor：Hsiao-Ching She, Ph. D
國 立 交 通 大 學
教 育 研 究 所
碩 士 論 文
A ThesisSubmitted to Institute of Education College of Humanities and Social Science
National Chiao Tung University for the Degree of
Master in Education July 2009
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
探討純粹比對類比與傳達屬性類比網路課程對國小學生科學概念建構與類
比推理能力之影響
研究生：莊明樺 教授：佘曉清 博士 國立交通大學教育研究所碩士班摘要
本研究目的有二，首先是在建構「視覺成像」概念的網路類比學習情境，其次則是 在探討純粹比對類比(pure matching)與傳達屬性類比(carry over)對學生之類比推理能力 與視覺成像概念建構的影響。 本研究採用準實驗設計，研究對象為新竹市某國小五年級六個班級的學生，總共 190 人。依研究設計分為三組教學模式，其中純粹比對類比組採用純粹比對類比架構的 網路類比學習模式、傳達屬性類比組採用傳達屬性類比架構的網路類比學習模式、對照 組則採用傳統講述式教學模式，三組教學模式皆涵蓋了相同的課程內容。並於教學前、 後與追蹤，實施視覺成像概念建構測驗、視覺成像概念主題相依類比推理測驗與科學推 理測驗，以比較其學習上的差異。另外，對純粹比對類比組與傳達屬性類比組的學生， 進行視覺成像概念訪談，以針對其視覺成像概念建構、科學推理層級與類比推理層級進 行分析。最後，再針對純粹比對類比組與傳達屬性類比組的學生，於網路課程類比學習 歷程之概念建構與類比學習步驟進行分析。 研究結果顯示，在視覺成像概念建構測驗方面，純粹比對類比組與傳達屬性類比 組，均顯著優於傳統講述式教學的學生。其次，在視覺成像主題相依類比推理測驗方面， 純粹比對類比組顯著優於傳統講述式教學的學生，而傳達屬性類比組學生也優於傳統講 述式教學的學生，只是差異未達顯著。最後，在科學推理測驗方面，純粹比對類比組優 於傳達屬性類比組與傳統講述式教學的學生，但皆未達顯著性差異。發現純粹比對類比 與傳達屬性類比視覺成像網路課程類比教學，對於促進學習成效與學習的保留效果，都 較傳統講述式教學來的好。至於類比推理能力的提昇上，純粹比對類比較傳達屬性類比訪談分析的結果顯示，無論是純粹比對類比組或傳達屬性類比組的學生，其在正確 概念分數、科學推理層級與類比推理層級的提昇，皆表現出明顯的學習效果。網路之類 比學習歷程的分析結果顯示純粹比對類比組與傳達屬性類比組的學生，其在概念建構的 學習效果未達顯著差異，但在類比學習歷程上，相較於傳達屬性類比教學模式，純粹比 對類比教學模式對於學生具有較佳的學習優勢。 關鍵字：類比推理、視覺成像、純粹比對、傳達屬性、網路互動式學習
Explore the impact of pure matching and carry over web-based learning content
on 5
thgrade students’ scientific concept construction and analogical reasoning
ability
Student：Ming-Hua Chuang Advisor：Hsiao-Ching She, Ph. D National Chiao Tung University, Institute of Education
Abstract
This study explored the impact of analogical reasoning (pure matching and carry over) web-based learning content on 5th grade students’ analogical reasoning ability and scientific concept construction involving the formation of image and structure of eye.
The quasi- experimental design was used in this study. A total of 190 fifth-grade students from six classes of an elementary school at Hsin-Chu City were involved in the study. Students were assigned into three different groups who received pure matching analogical reasoning web-based learning content (pure matching group), carry over analogical reasoning web-based learning content(carry over group), and conventional instruction (control group), respectively. The same content were covered in these groups. Three different tests were administered to all of students which are scientific conception test, content dependent analogical reasoning test and scientific reasoning test. In addition, the pre-, post-, and retention interviews results were analyzed according to the categories of concept construction, levels of scientific reasoning and analogical reasoning for pure matching group and carry over group. The web-based learning process also were analyzed according to the aspects of concept construction and analogical learning steps.
Results indicate that pure matching group and the carry over group significantly outperformed than control group in scientific conception test on both immediate effect and retaining effect. Pure matching group significantly outperformed than control group in their analogical reasoning test. In terms of the scientific reasoning ability, it shows that there is
demonstrate that both pure matching and carry over instruction indeed foster students’ concept construction than conventional instruction. Regarding to the analogical reasoning ability, it seems that pure matching is superior than carry over and conventional instruction.
The results of students’ interviews were further analyzed according to the dimensions of scores of correct conceptions, the levels of scientific reasoning and content dependent analogical reasoning for both pure matching and carry over group students. It also shows that pure matching and carry over groups’ perform about the same in their web-based concept construction, however, pure matching group is superior than carry over group in the analogical learning steps.
Keyword：analogical reasoning、vision imaging、pure matching、carry over、web-based
誌 謝
詠春拳的一代宗師葉問曾說：「每個人走的路，都是要自己去選擇。」在修改碩士 論文的過程中，偷閒欣賞了「葉問」這部電影，著實為之深深感動。在那個社會動盪不 安的年代裡，憑藉著自己堅定的信念，葉宗師用自己的絕世武功，於歷史的扉頁寫下了 輝煌歷史。回憶三年前的今天，我還在高雄縣山區的原住民小學服教育替代役，從都市 的繁華到山間的靜瑟，我開始思考未來之路該何去何從？身處在社會的浪潮裡，深刻體 悟到自己已經不再是個小孩，未來想走的路，該由自己去決定，並且為自己的選擇負起 所有的責任。三年後的現在，我正著手撰寫碩士論文的誌謝，這一路走來酸甜苦辣交織， 譜出一首精彩的碩士生涯圓舞曲，為當初的選擇畫下一個暫時的休止符。而這首圓舞曲 的敘章，將由博士生涯再接續… 撰寫一本百餘頁碩士論文的過程，跟拍ㄧ部精彩的電影ㄧ樣，都必須經歷許多的學 習與考驗。而完成時的心情，也跟電影獲得金馬獎肯定站上頒獎台時的心情相似，有很 多話想說、有很多人要感謝。但若要細說這些話語，大概可以撰寫成論文中最精彩的「第 六章」吧!可惜篇幅有限，而無法將所有的感謝ㄧㄧ細數，僅就以下概述之。 感謝爸媽與家人無怨無悔的支持，諒解我因忙碌而無法時常回家陪伴，並給我選擇 未來的權利，讓我能在碩士班結束後，繼續向博士班挺進。感謝指導教授佘曉清老師的 細心教誨，由其是在撰寫論文時，更是不眠不休的給予批改與指導，skype 的 call-in 聲 依舊在耳際繚繞不絕。感謝楊文宗老師與張秀澂老師在論文課程設計上的建議，讓我見 識到資深教師的真材實料。感謝口試委員周進洋教授與張文華教授對本論文的細心審閱 與指正，並於口試進行時給予修改的建議，讓論文能更盡善盡美。感謝大學時的好友原 甫情義相挺，提供我七個班級的學生當受試者，擾亂了你原本的上課進度真是不好意 思。感謝陳素志主任、楊紋紋老師與全體五年級的導師們，在研究進行時給予我莫大的 鼓勵與支援。同時，也要感謝全體五年級的 200 餘位小朋友，在「不知不覺」中參與了 這項研究的進行。 接下來是要感謝教育所的好友們，感謝科教組的戰友佩蓉、君婷、梅香、錫裕，大伙生死與共ㄧ同度過每個艱難的挑戰，尤其是佩蓉與君婷在冬天寒冷的早晨裡，離開溫 暖的被窩陪我一起去訪談學生。感謝助理群思瑋、佩樺、秉叡、富修、有理在許多繁瑣 事務上的協助，215 就像汪洋中的燈塔般射出明亮的燈光，讓我在忙亂中能有所依附。 感謝研究室的專屬諮商師芳儀、對面鄰居兼搞笑大師艾妘、超神速改考卷高手蕎宇、充 滿戲劇性的演技派女優德瑄、超厚論文撰寫高手宇君、科科笑界翹楚羿介、研究室妙廚 師瑜鴻、西螺型男晨宏、哲學派諮商師莉婷、搞笑派專業攝影師朝陽、人體活動翻譯機 柳如，因為有你們的陪伴讓苦悶的日子添增許多甘甜的滋味。感謝文己大師兄、莉郁大 師姊、勝昌學長、妤貞統計大師、梓楠學長、歡鵲學姊在統計方法上面的指教，讓我能 從統計學的迷霧中找到方向。感謝米珊勇者、汝紋俠女、筱嵐居士在論文口試時，幫忙 削水果、準備點心、拼命爆走買便當。最後，還要感謝所辦的嘉凌姊、佩萱姊、雅怡姊 在公務上的協助，讓我能如期完成論文口試。 願將完成這本論文的喜悅與感動，分享給這兩年來一直陪伴著我的家人、師長與朋 友們。因為有你們的參與，讓我的碩士生涯更加精彩，希望未來的博士生涯中，也能有 你們的陪伴與關懷。在誌謝的最後，特別要感謝娜美這兩年來對海賊王的體諒，因為有 娜美在背後的支持，讓海賊王能乘著千陽號往偉大航道勇敢邁進。 明樺 謹誌 九八仲夏 於 竹塹城
目 錄
中文摘要 ... i 英文摘要 ... iii 誌 謝 ... v 目 錄 ... vii 表 目 錄 ... ix 圖 目 錄 ... xi 第一章 緒論... 1 第一節 研究背景與動機... 1 第二節 研究目的... 2 第三節 研究問題... 4 第四節 名詞釋義... 5 第五節 研究範圍與限制... 7 第二章 文獻探討... 9 第一節 類比的相關研究... 9 第二節 類比教學與科學概念學習... 13 第三節 科學推理與類比推理... 15 第四節 建構視覺成像概念的困難... 19 第五節 網路科學學習... 21 第三章 研究方法... 23 第一節 研究對象... 23 第二節 研究設計... 26 第三節 研究流程... 28 第四節 研究工具... 30 第五節 教學設計... 40 第六節 資料蒐集與分析... 46 第四章 研究結果與討論... 49 第一節 網路類比學習概念建構教學分析... 49 第二節 視覺成像概念訪談分析... 59 第三節 網路課程類比學習歷程分析... 86 第五章 結論與建議... 93 第一節 結論... 93 第二節 建議... 99附錄 ... 附錄一 視覺成像概念建構測驗... 109 附錄二 視覺成像概念主題相依類比推理測驗... 119 附錄三 科學推理測驗... 127 附錄四 視覺成像概念訪談問題... 135 附錄五 教學活動設計... 139
表 目 錄
表 2-1-1 類比的種類... 13 表 3-1-1 教學模式與人數整理表... 23 表 3-1-2 純粹比對類比組、傳達屬性類比組與對照組學生各項成績描述性統計 表... 24 表 3-1-3 純粹比對類比組、傳達屬性類比組與對照組學生自然與生活科技學業成 績差異檢定摘要表... 24 表 3-1-4 純粹比對類比組、傳達屬性類比組與對照組學生視覺成像概念建構前測 成績差異檢定摘要表... 25 表 3-1-5 純粹比對類比組、傳達屬性類比組與對照組學生主題相依類比推理前測 成績差異檢定摘要表... 25 表 3-1-6 純粹比對類比組、傳達屬性類比組與對照組學生科學推理前測成績差異 檢定摘要表... 25 表 3-4-1 視覺成像概念建構測驗內容細目表... 32 表 3-5-1 純粹比對類比架構的類比學習教材... 41 表 3-5-2 傳達屬性類比架構的類比學習教材... 42 表 4-1-1 「不同教學模式」對視覺成像概念建構測驗之敘述性統計... 50 表 4-1-2 教學模式對視覺成像概念建構測驗後測及追蹤測之單因子多變量共變 數分析... 51 表 4-1-3 教學模式分組對視覺成像概念建構測驗之主要效果摘要表... 51 表 4-1-4 「不同教學模式」對視覺成像概念主題相依類比推理測驗之敘述性統計 52 表 4-1-5 教學模式對視覺成像概念主題相依類比推理測驗後測及追蹤測之單因 子多變量共變數分析... 53 表 4-1-6 教學模式分組對視覺成像概念主題相依類比推理測驗之主要效果摘要 表... 53 表 4-1-7 「不同教學模式」對科學推理測驗之敘述性統計... 54 表 4-1-8 教學模式對科學推理測驗後測及追蹤測之單因子多變量共變數分析... 55 表 4-1-9 學推理測驗、視覺成像概念建構測驗與視覺成像概念主相依類比推理測 驗之前測、後測、追蹤測間的相關係數表... 56 表 4-1-10 視覺成像概念建構後測與追蹤測的逐步迴歸摘要表... 58 表 4-2-1 不同教學模式視覺成像正確概念分數之敘述性統計分析... 60 表 4-2-2 視覺成像訪談問題一科學概念次數與百分比率之敘述性統計... 61 表 4-2-3 視覺成像訪談問題二科學概念次數與百分比率之敘述性統計... 62表 4-2-5 視覺成像訪談問題四科學概念次數與百分比率之敘述性統計... 65 表 4-2-6 視覺成像訪談問題五科學概念次數與百分比率之敘述性統計... 66 表 4-2-7 視覺成像訪談問題六科學概念次數與百分比率之敘述性統計... 67 表 4-2-8 視覺成像訪談問題七科學概念次數與百分比率之敘述性統計... 69 表 4-2-9 視覺成像訪談問題八科學概念次數與百分比率之敘述性統計... 70 表 4-2-10 不同教學模式下視覺成像正確概念分數之重複量數分析... 74 表 4-2-11 不同教學模式視覺成像科學推理層級之敘述性統計分析... 76 表 4-2-12 不同教學模式下視覺成像概念一之科學推理層級之重複量數分析... 78 表 4-2-13 不同教學模式下視覺成像概念二之科學推理層級之重複量數分析... 79 表 4-2-14 不同教學模式下視覺成像概念三之科學推理層級之重複量數分析... 80 表 4-2-15 不同教學模式下視覺成像概念四之科學推理層級之重複量數分析... 81 表 4-2-16 不同教學模式視覺成像類比推理層級之敘述性統計分析... 83 表 4-2-17 不同教學模式下眼睛類比概念之類比推理層級之重複量數分析... 84 表 4-3-1 不同教學模式視覺成像概念網路類比學習歷程正確概念分數之敘述性 統計分析... 87 表 4-3-2 不同教學模式視覺成像概念網路類比學習歷程之類比學習步驟之敘述 性統計分析... 88 表 4-3-3 不同教學模式下網路課程類比學習歷程之類比學習步驟重複量數分析.. 91
圖 目 錄
圖 2-1-1 類比物與標的物之間的關係... 10 圖 3-2-1 研究架構圖... 26 圖 3-2-2 研究核心架構圖... 27 圖 3-3-1 研究流程圖... 29 圖 3-4-1 學習網站登入首頁畫面... 31 圖 3-5-1 塑膠球與眼睛的共同性類比概念對照圖... 43 圖 3-5-2 塑膠球與眼睛近視與老花的類比概念對照圖... 44 圖 3-5-3 相機與眼睛的共同性類比概念對照圖... 44 圖 3-5-4 相機與眼睛近視與老花的類比概念對照圖... 44 圖 3-5-5 塑膠球與眼睛的相異性類比概念對照圖... 45 圖 3-5-6 相機與眼睛的相異性類比概念對照圖... 45 圖 4-2-1 視覺成像訪談問題一科學概念次數分配... 61 圖 4-2-2 視覺成像訪談問題二科學概念次數分配... 62 圖 4-2-3 視覺成像訪談問題三科學概念次數分配... 64 圖 4-2-4 視覺成像訪談問題四科學概念次數分配... 65 圖 4-2-5 視覺成像訪談問題五科學概念次數分配... 66 圖 4-2-6 視覺成像訪談問題六科學概念次數分配... 68 圖 4-2-7 視覺成像訪談問題七科學概念次數分配... 69 圖 4-2-8 視覺成像訪談問題八科學概念次數分配... 73 圖 4-3-1 視覺成像概念網路課程類比學習歷程之類比學習步驟... 88第一章 緒論
本章共分為五節，其內容的目的在說明本研究計畫之研究背景與動機、研究目的、 研究問題、名詞釋義、研究範圍與限制。第一節 研究背景與動機
類比已長久被人們使用，來當作與他人溝通的工具（Dagher, 1998）。然而，類比除 了溝通上的功能之外，同時也可用來促進學習。類比的運用對於普遍的教學與推理而 言，是一種很有效的技巧（Gentner, 1988）。因此，類比教學在現今的科學教學中，是 經常被科學教師所使用的教學策略之一。在使用類比時，我們必須要了解整個類比描述 的過程，就一個好的類比的使用而言，應該是以學生所熟悉的事物為根據（王美芬與熊 召弟，1995），使學生能夠藉由類比來提升科學概念學習的成效。 在眾多科教學者的研究之下，已經發展出許多不同的類比教學模式，例如：一般類 比模式(Zeitoun, 1984)、類比模式的教學(Glynn, Britton, Semrud-Clikeman, & Muth, 1989)、銜接類比模式(Brown & Clement, 1989)、多元類比模式(Spiro, Feltovich, Coulson, & Anderson, 1989)、學生產生類比模式(Wong, 1993a, 1993b)、故事性類比模式(Dagher, 1995)、以實例為基礎的推論模式(Kolodner, 1997)，皆可用以協助學生學習科學概念。 這些類比教學模式主張，學習的過程是學生主動建構科學知識的歷程（Dagher, 1998）。 類比學習的歷程，大致可以分為下列五個步驟：(1)存取已知的類比物概念；(2)將 類比物與標的物進行比對；(3)評估類比物與標的物的吻合度；(4)儲存類比物與標的物 比對的推理結果；(5)找出類比物與標的物的共同性（Clement, 1981；Gentner, 1988； Gentner, 1989）。無論使用的是哪一種類比教學模式，能否確實的執行與掌握上述的類 比學習歷程的步驟，對於學生的學習效果似乎是具有相當程度的影響。其中在類比學習 時，學生必須進行類比推理，由已存有的基礎知識去推論欲學習的新標的知識之間的關 係，並且將兩者之間的相似概念做連結（Driver & Bell, 1986）。依據May, Hammer, & Roy (2006)的研究指出，在小學的科學教學中，科學教師應該注重學生類比推理能力的培養，以促進學生科學學習的成效。 Gentner（1988,1989）將類比架構區分為「純粹比對類比(pure matching)」與「傳達 屬性類比(carry over)」，並認為純粹比類比對著重在如何去解釋已知概念之間的一些關 係以促進學習，而不在於新知識的傳遞；另外，傳達屬性類比則著重在如何把已知的基 礎(Base)系統屬性加入到標的(Target)系統中，以得到一些新的看法與想法的發展，並從 中產生新的概念知識。Gentner（1988,1989）認為類比物與標的物之間的相似性包含「表 面的相似性(Surface similarity)」與「結構的相似性(Structure similarity)」兩種，並進一 步指出類比物與標的物兩系統之間的相似性(Similarity)，是影響類比推理是否可以遷移 的重要因素。然而，Vosniadou（1989）對於相似性則提出不同的看法，認為類比的相 似性可分為「表面的相似性(Surface similarity)」與「較深的相似性(Deep similarity)」兩 種，並強調只要類比物與標的物兩系統之間具有顯著性(Salient)的相似特質，而研究者 認為無論此特性是表面的特質或結構的關係，只要是顯著的皆能有效的促進學習。因 此，在設計兩種類比課程時，都著重突顯其顯著性。 純粹比對類比與傳達屬性類比這兩種架構的類比，在科學教學上的運用各具有其優 勢，但對於科學概念建構的成效上，究竟是哪一種類比架構的效果會比較好呢？另外， 依據研究顯示類比的相似性與顯著性，對於類比推理能否有效的遷移，可能都是重要的 影響因素。因此本研究的動機在於，依據純粹比對類比與傳達屬性類比的理論架構，針 對同樣的科學概念來設計類比教學課程。以深入探討不同類比架構的教學課程，對學生 在科學概念建構成效、類比學習歷程與類比推理能力的影響。
第二節 研究目的
類比的架構可以區分為兩個極端，分別為純粹比對類比與傳達屬性類比（Gentner, 1988, 1989），其中純粹比對類比的架構是指就學習者而言，對於類比物(Analogy)的系 統有基礎的瞭解，而對於標的物(Target)的系統有些微的瞭解，重點在於將兩者之間相 同的屬性結構進行配對，並對標的物建立較完整的理解；而傳達屬性類比的架構是指對學習者而言，在類比物的系統有些微的瞭解，但是對於標的物的系統只有些微或甚至沒 有概念，重點在於藉由用類比將類比物與標的物之間的相關性比對的歷程，並可從中對 於類比物產生新的理解，進而將此新的特質也轉入標的物（Gentner, 1989）。本研究主 要是想了解兩種不同的類比架構，在國小學生的類比學習歷程與類比推理上的差異。因 此，本實驗採用國小五年級上學期自然與生活科技第三單元(戴眼鏡為什麼可以矯正)， 針對視覺成像的概念設計純粹比對類比與傳達屬性類比兩種不同架構的類比教學課 程。課程內容則採取網路互動式學習教材設計的理念，希望能藉由網路與電腦資訊的特 點，結合文字、圖表、圖片、動畫與影片等各種多媒體的元素，來呈現課程教學內容。 以更為生動活潑的方式來引領學生的學習，取代原本枯燥、僵化的教學模式，同時也藉 此吸引學生的學習興趣與注意力（謝明錦與耿筱曾，2003）。網路互動式學習課程，有 助於促進學生科學概念的建構、概念改變與科學推理能力的提升（She & Liao, in press； She & Lee, 2008）。
視覺成像的概念對於國小學生的學習而言，一直是個不易理解但又極為重要的概 念。在許多光學另有概念的研究中顯示，大多數學生對於視覺成像這個概念的學習，仍 然覺得是相當的困難概念（Feher & Rice, 1988；Fetherstonhaugh, 1990；Monk, 1991； Osborne & Black,1993；Rice & Feher, 1987；Saxena, 1991；Selley, 1996a, 1996b；王盈琪 與王美芬，2006；王晉基與郭重吉，1992；唐明，2001；張靜儀與李采褱，2004）。主 要的原因在於視覺成像的概念，對於國小學生來說是屬於抽象而難以建構的概念。故在 教學的過程中，需要藉由類比的使用，以促進學生對於抽象概念的理解，並進一步推理 與建構出正確的概念。 因此本研究分別針對兩種不同的類比架構純粹比對類比與傳達屬性類比的理論，結 合多媒體與網路化學習環境，設計出視覺成像概念的網路類比學習課程，期望能藉此課 程以協助學生視覺成像概念的建構，並提升視覺成像概念的學習成效。本研究的主要目 的如下： 一、瞭解不同教學模式（純粹比對類比教學模式、傳達屬性類比教學模式與傳統講述式 教學模式），對學生視覺成像概念建構的影響。
二、瞭解不同教學模式（純粹比對類比教學模式、傳達屬性類比教學模式與傳統講述式 教學模式），對學生類比推理能力的影響。 三、瞭解不同教學模式（純粹比對類比教學模式、傳達屬性類比教學模式與傳統講述式 教學模式），對學生科學推理能力的影響。 四、利用純粹比對類比與傳達屬性類比兩種類比架構和類比推理的理論，建構與發展兩 種視覺成像概念的網路類比學習課程。
第三節 研究問題
本研究的主旨在於探討將不同的類比架構，運用於網路類比學習時，其促進國小學 生視覺成像概念的學習情形，並進一步探討學生的概念建構成效、類比推理能力、科學 推理能力，以及類比學習歷程之間的關係。依據上述的研究背景與動機和研究目的，本 研究有下列之研究問題： 一、不同教學模式(純粹比對類比教學模式、傳達屬性類比教學模式與傳統講述式教學 模式)，對學生視覺成像概念建構的成效有何差異？ 1-1 不同教學模式對學生視覺成像概念建構的成效(後測、追蹤測)達顯著差異。 二、不同教學模式(純粹比對類比教學模式、傳達屬性類比教學模式與傳統講述式教學 模式)，對學生的類比推理能力有何差異？ 2-1 不同教學模式對學生的類比推理能力(後測、追蹤測)達顯著差異。 三、不同教學模式(純粹比對類比教學模式、傳達屬性類比教學模式與傳統講述式教學 模式)，對學生的科學推理能力有何差異？ 3-1 不同教學模式對學生的科學推理能力(後測、追蹤測)達顯著差異。四、經由三次訪談(教學前、後、追蹤)的內容來分析，學生在兩種不同教學模式(純粹比 對類比教學模式與傳達屬性類比教學模式)前、後，其視覺成像正確概念分數、科學 推理層級(N、G、EL、J)與類比推理層級(N、SAS、SAD、SRS、SRD)的情形為何？ 4-1 不同教學模式的類比教學對學生視覺成像正確概念分數(教學後訪談、追蹤訪談) 的影響。 4-2 不同教學模式的類比教學對學生運用科學推理層級(教學後訪談、追蹤訪談) 的影響。 4-3 不同教學模式的類比教學對學生運用類比推理層級(教學後訪談、追蹤訪談) 的影響。 五、兩種不同教學模式(純粹比對類比教學模式與傳達屬性類比教學模式)在網路課程類 比學習歷程中，其視覺成像概念建構與類比學習歷程的情形為何？ 5-1 不同教學模式的類比教學對學生在網路課程類比學習歷程中，其視覺成像概念 建構的影響。 5-2 不同教學模式的類比教學對學生在網路課程類比學習歷程的影響。
第四節 名詞釋義
1.視覺成像概念： 依據九十七學年度，南一版自然與生活科技五年級上學期的教材中，第三單元(戴 眼鏡為什麼可以矯正)所敘述的相關教學內容，包括「光與透鏡」、「眼睛」與「眼 鏡」等。 2.類比學習歷程： 主要可以分為五個步驟：(1)存取已知的類比物概念；(2)將類比物與標的物進行 比對；(3)評估類比物與標的物的吻合度；(4)儲存類比物與標的物比對的結果； (5)找出類比物與標的物的共同性（Clement, 1981; Gentner, 1988； Gentner, 1989）。3.純粹比對類比： 對學習者而言，對於類比物的系統有基礎的瞭解，而對於標的(Target)的系統有 些微的瞭解，重點在於將兩者之間相同的屬性結構進行配對，並對標的物建立較 完整的理解，以促進概念的學習（Gentner, 1989）。 4.傳達屬性類比： 對學習者而言，對於類比物的系統有些微的瞭解，但是對於標的物的系統只有些 微或甚至沒有概念，重點在於藉由用類比將類比物與標的物之間的相關性比對的 歷程，並可從中對於類比物產生新的理解，進而將此新的特質也轉入標的物系 統，以學習新的概念知識（Gentner, 1989）。 5.類比學習課程：
建製於「科學概念的建構與重建數位學習研究(Research of Scientific Concept Construction & Reconstruction Digital Learning)」的網站上，其教材內容乃依據國 小五年級上學期南一版自然與生活科技第三單元為主，分別設計符合「純粹比對 類比」與「傳達屬性類比」兩種架構的眼睛成像類比學習課程。 6.科學推理(Scientific reasoning)： 建構科學知識的過程之中，運用觀察、分類、操弄具體實物、假設等控制變因與 推測的思考判斷的過程（Lawson, 2002）。 7.科學推理層級：
修改自 Hogan, Nastasi, & Pressley(2000)對科學推理層級的定義，將科學推理區分 成四個層級，分別為不相關(None, N)：學生的回答中完全不包含任何與問題相關 的論述；概述(Generativity, G)：學生對自然現象做直觀的描述或以質樸概念來回 答；精緻化(Elaboration, EL)：學生能以正確科學術語辭彙或科學方法，如運用測 量、估計、數字關係等，對問題相關的現象進行說明；辯證(Justification, J)：在 「證據取向」方面，學生能利用實驗變因和結果之間的關係來說明現象；在「推 論取向」方面，學生能利用簡單的線性因果關係演繹推論來解釋現象。
8.類比推理(Analogical reasoning)： 從一個已知的來源(Source)到一個未知的標的系統(Target system)之結構訊息的 判定(Identification)與轉移(Transfer)的過程。此種知識的轉移需經由配對(Mapping) 或比對(Matching)的過程，去找出兩個系統之間的相關性（Vosniadou, 1989）。 9.類比推理層級： 參考 Gentner(1989)與 Vosniadou(1989)對類比學習機制的定義，將類比推理區分 成五個層級，分別為不相關(None, N)：學生的回答中完全不包含任何與問題相關 的論述；表面屬性相似(Surface attributes similarity, SAS)：學生能依據類比物與 標的物在表面的性質或特質上的相似處，對問題的相關現象進行說明；表面屬性 相異(Surface attributes dissimilarity, SAD)：學生能依據類比物與標的物在表面的 性質或特質上的相異處，來說明類比限制的現象；結構關係相似(Structure relations similarity, SRS)：學生能依據類比物與標的物之間相關結構的相似處， 去推論與解釋待解答的現象；結構關係相異(Structure relations dissimilarity, SRD)：學生能依據類比物與標的物之間相關結構的相異處，來解釋類比限制的 現象。
第五節 研究範圍與限制
本研究的研究對象為新竹市某國小五年級的學生，採用便利取樣的方式，以其中四 個班級為實驗組(兩班進行純粹比對類比架構的課程學習；而另兩班進行傳達屬性類比 架構的課程學習)與另外兩班為對照組，所以不具有全國小學五年級學生的代表性，且 教材採用的範圍是以九十七學年度南一版自然與生活科技的教材內容為主。有鑑於研究 地區與研究樣本之限制，本研究結果若欲推論到其他群體或教材領域時，需審慎衡量其 適切度。第二章 文獻探討
本章共分為五節，其主要內容乃針對類比的相關研究、類比教學與科學概念學習、 科學推理與類比推理、建構視覺成像概念的困難，以及網路科學學習的相關研究，進行 文獻的分析與探討。第一節 類比的相關研究
一、類比 在我們日常生活中，即經常使用類比來當作與他人溝通的方式（Dagher, 1998），以 增進彼此對所欲談論的事物的了解。類比就像是一個過程，一個用來連結與確認兩個不 同概念之間，其相似之處的過程（Glynn, 1991）。在學校的教學過程中，教師也經常運 用類比來當作教學工具，以促進學生學習的效果。利用類比來簡化某些較困難的概念， 把某些較為熟悉的事物與較不熟悉、較抽象的事物相互比較，使較不熟悉、較抽象的概 念，得以具體化（Dagher, 1998）。從許多研究中發現，類比的應用在科學的發展與演進 上，扮演著極為重要的角色，並且無時無刻都存在於我們的腦海之中（王美芬與熊召弟， 1995）。Duit, Roth, Komorek, & Wilbers (2001)指出使用一個已知的科學概念或事物當作 類比物（Analogy），來類比一個未知的科學概念或事物，以增進學習者的理解，而將此 未知的概念或事物當作標的物（Target）（見圖2-1-1）。如果類比物與標的物之間的性質， 存在著相同處或相似處時，則兩者之間即可被用來進行類比的連接（Glynn, 1991）。反 觀，若類比物與標的物之間，具有一些不相似的性質或關係時，則很有可能會造成類比 的預測與結論產生錯誤（Dagher, 1998）。因此，教師在使用類比進行教學時，必須謹慎 小心的選擇類比物，以避免類比教學可能造成的錯誤概念。Pittman（1999）指出在類 比的使用上常造成失敗的兩個因素：（1）學生對於類比沒有徹底的了解；（2）學生無法 正確描述類比物的意思。因此，一個好的類比的使用，主要是以學生所熟悉的事物為依 據（王美芬與熊召弟，1995）。因此，教師應當對學生的先備知識有所了解，在選擇所 欲使用的類比物時，才能適切的選用，以幫助學生的學習。---背景（context）--- 類比關係（analogical relation） 類比物（analogy）Í==========================Î標的物（target） ---背景（context）--- 圖2-1-1 類比物與標的物之間的關係 二、類比教學模式 在科學教育上，類比是經常被使用的教學技巧之一。在眾多科教學者的研究之下， 已經發展出許多種類比教學的模式，以協助學生的學習（Dagher, 1998）。被應用在科學 學科教學中的類比教學模式，大致可分為七種教學模式，分述如下：
1.一般類比教學模式(The general model of analogy teaching, GMAT)是 Zeitoun （1984）根據 Rumelhart 和 Norman 的理論所提出，其主要的教學步驟為：(1)測量學 生的特質、(2)評估與學習內容相關的先備知識、(3)分析欲學習的教材、(4)判斷類比的 適切性、(5)決定類比的特性、(6)選擇教學策略與媒介、(7)將類比物呈現給學生、(8)評 估類比的效果、(9)修訂教學模式的步驟。此教學模式包含了許多教學上所需注意的要 點，但也由於其教學步驟較多，導致在施行上顯得比較麻煩，因而易於忽略理論的嚴謹 性。
2. 類 比 模 式 的 教 學 (Teaching with analogies model, TWA) 是 Glynn, Britton, Semrud-Clikeman, & Muth（1989）以建構主義為基礎所提出的教學模式，其主要的教學 步驟為：(1)介紹欲學習的科學概念、(2)回憶類比的概念、(3)找出概念間的相似特質、 (4)比對概念間的相似特質、(5)形成概念的結論、(6)指出類比物與標的物的相異處。此 教學模式比一般教學模式簡略許多，因此在施行上較為便利，並能有效減少另有概念的 產生，以及促進學生科學概念的學習（Metsala & Glynn, 1996）。
3.銜接類比模式(Bridging analogies model)是由 Brown & Clement（1989）(1)呈現定 錨類比(Anchor analogy)、(2)呈現標的物並與定錨類比物進行比較、(3)提供類比橋以拉
(anchoring conception)的使用，讓學生看到類比物與標的物之間的相關性，促使學生連 接類比物與標的物，並認為合理，進而願意接受它。
4.多元類比模式(Multiple analogies model)是由 Spiro, Feltovich, Coulson, & Anderson （1989）所提出的教學模式，其主要的教學步驟為：(1)漸進式的提供學生相關概念的 類比；(2)每個類比都依附在前一個類比之上；(3)在學習的過程中，對前一個類比概念 不斷進行修飾。此教學模式可減少將複雜概念過於簡單化的疑慮，並有效減少偏見 (Reductive bias)的產生。
5.學生產生類比模式(Student-generated analogies model)是由 Zeitoun（1984）所提出 的教學模式，其主要的教學步驟為：(1)解釋科學現象、(2)建立自己的類比、(3)找出類 比的相似與相異處、(4)討論類比的適切程度（Wong, 1993a, 1993b）。經由學生憑其直覺 主動建構出的類比，學生對於此類比會較具有擁有權，而教師所扮演的角色為知識的提 供者，協助學生進行討論。
6.故事性類比模式(Narrative analogies model)於 Dagher（1995）所提出的教學模式， 其主要的教學步驟為：(1)找出主題的重要性、(2)提出二元的相反物、(3)內容以故事的 形式組織化、(4)形成概念的結論、(5)評量學習的效果。隱含在故事中的科學邏輯論述， 能夠較為容易被學生所理解，以提升科學概念的學習。
7.以實例為基礎的推論模式(Case-base reasoning model)於 Kolodner（1997）所提出 的教學模式，其主要的教學步驟為：(1)依據個人經驗設計類比推論、(2)找出欲瞭解的 議題、(3)檢視概念的形成、(4)評估自己形成方法的效果。此推論模式主要是由學生依 據自己或他人的經歷，所設計出來的方法，對於解決問題會有較佳的成效。 綜觀各式不同的類比教學模式，在類比教學學習的歷程上，大致可歸納出下列五個 主要步驟：(1)存取已知的類比物概念；(2)將類比物與標的物進行比對；(3)評估類比物 與標的物的吻合度；(4)儲存類比物與標的物比對的推理結果；(5)找出類比物與標的物 的共同性（Clement, 1981；Gentner, 1988；Gentner, 1989）。教師若能了解學生的學習方 式，將有助於在教學時類比使用的效果，進而與其他教學方式進行整合，以提升學生學 習科學的動機，並增強學習時的興趣與投入度（Dagher, 1998）。
三、類比的學習機制 在類比的架構方面，依據Gentner（1988, 1989）指出主要可以區分為兩個極端，純 粹比對類比與傳達屬性類比，其中純粹比對類比的架構是指就學習者而言，對於類比物 (Analogy)的系統有基礎的瞭解，而對於標的物的系統有些微的瞭解，重點在於將兩者 之間相同的屬性結構進行配對，並對標的物建立較完整的理解，以促進概念的學習 （Gentner, 1989）；另外，傳達屬性類比的架構是指對學習者而言，在類比物的系統有 些微的瞭解，但是對於標的物的系統只有些微或甚至沒有概念，重點在於藉由用類比將 類比物與標的物之間的相關性比對的歷程，並可從中對於類比物產生新的理解，進而將 此新的特質也轉入標的物，以學習新的概念知識（Gentner, 1989）。 在類比的相似性方面，Gentner（1988, 1989）針對類比物與標的物之間，表面的屬 性(Attributes)與內部的結構關係(Relations)的相似程度，區分出五種不同的類比種類， 如表2-1-1 所示。Gentner（1989）認為相似性是影響類比學習可否遷移的重要因素，並 將類比的相似性分為「表面的相似性」，即依據類比物與標的物在表面的性質或特質上 的相似，把類比物的性質轉移到標的物；「結構的相似性，即依據類比物與標的物之間 相關結構的相似性，從類比物去推論與瞭解欲學習的標的物。然而，Vosniadou（1989） 對於相似性則提出不同的看法，將類比的相似性區分為「表面的相似性」與「較深的相 似性」，並認為只要類比物與標的物兩系統之間具有顯著性的相似特性，無論此特性是 表面特質或相關結構皆能有效的促進學習。 純粹比對類比與傳達屬性類比這兩種架構的類比，在科學教學上的運用各具有其優 勢，但對於科學概念建構的成效上，究竟是哪一種類比架構的效果會比較好呢？是個值 得深入探討的議題。另外，依據研究顯示類比物與標的物之間的相似性與顯著性，對於 類比推理能否有效的遷移，可能都是重要的影響因素。因此，類比的相似性與顯著性， 對學生類比學習所可能造成的影響，也是我們在設計類比教材時，所應該深入思考的重 點。有鑑於此，本研究將朝著類比的架構、相似性與顯著性的方向去設計，依據純粹比 對與傳達屬性的理論架構為主軸，針對同樣的科學概念來設計類比教學課程。以深入探
力與類比學習歷程的影響。 表2-1-1 類比的種類(引自 Gentner,1989) 種類 表面的屬性(Attributes) 結構關係(Relations) 文字的相似性(Literal similarity) 多 多 類比(Analogy) 少 多 抽象的概念(Abstraction) 少 多 異常的相似(Abnormal) 少 少 純粹外觀相似(Mere-appearance) 多 少
第二節 類比教學與科學概念學習
一、類比教學的相關研究Sarantopoulos & Tsaparlis（2004）使用類比模式的教學(Teaching with analogies model, TWA)進行高中化學概念的教學，在其研究結果發現：(1)類比對於低認知發展的學生是 較有效的、(2)學生對於此教學策略有贊同的傾向、(3)類比模式的教學，對於化學概念 的教學是適當與有效的。
Brown & Clement（1989）利用銜接類比模式(Bridging analogies model)，以彈簧為 媒介進行物理作用力與反作用力的教學研究，其研究結果顯示：(1)使用銜接類比能使 學生看到類比物與標的物的相關性、(2)互動式的教學環境，可以促進學生對於類比物 與標的物的連結、(3)協助學生以不同的方式去理解標的物，並願意接受它。Bryce & MacMillan（2005）也同樣運用銜接類比教學模式，進行中學物理作用力與反作用力的 教學研究，研究發現：(1)銜接類比對於增進學生的科學概念理解是有效的、(2)學生可 以理解類比物與標的物之間的概念，並使用這些概念去產生與修改他們自己的理論、(3) 銜接類比對於概念改變的效果是優於講述式教學的、(4)提供學生後設認知技巧的發展。 Spiro 等人（1989）以多元類比模式(Multiple analogies model)設計五個類比與圖形，
來解釋肌肉纖維的功能。其研究結果顯示，此模式可以成功克服另有概念，並協助學生 科學概念基模的建構。而Chiu & Lin（2005）也採用多元類比教學模式，來進行小學物 理電學概念的教學，研究發現：使用多元類比可促進複雜的科學概念的理解，以及所提 供的類比概念可以幫助學生克服他們原本的另有概念。
Wong（1993a, 1993b）運用學生產生類比模式(Student-generated analogies model)， 來進行大氣壓力與活塞移動現象的教學研究，他發現到：(1)學生是主動參與學習，並 對所產生的概念具有擁有權、(2)較不會與學生的直覺相違背、(3)可促進學生科學學習 的成果。Pittman（1999）也使用學生產生類比模式，來進行中學生物蛋白質合成概念 的教學，他則是發現到：(1)學生較喜歡使用類比來學習科學勝於傳統的學習方法、(2) 學生產生的類比是很有意義的，而且學生會依據他們的興趣選擇主題、(3)學生的生活 環境與經驗，會影響他們所選擇的類比主題。
另外，Nashon（2004）提出了工作類比教學模式(Working with analogies, WWA)， 來進行高中物理電學與機械單元的教學。工作類比教學模式是參考了Zeitoun 的一般類 比教學模式與 Glynn 的類比模式教學所發展出來的，其研究結果顯示：(1)學生各自描 述的類比，多源自於學生的生活(學校)環境、(2)教師提供的類比教學，有助於學生對抽 象概念的理解。Baker & Lawson（2001）利用複合教學類比模式(Complex Instructional Analogies)，以大學生物基因遺傳的單元來進行類比教學，研究結果為：(1)使用複合教 學類比可以促進理論概念的獲得、(2)大部分的學生相信，類比教學的課程對他們是有 益的、(3)類比對於釐清較困難的概念是有幫助的。 二、類比教學的益處與限制 經由許多科教學者的研究中證實，類比教學的應用，對於促進科學概念的教學是有 很多益處的。根據研究結果的探討，可以歸納出類比在科學教學時，常會產生的一些普 遍性的特點：（1）類比教學模式，對於促進科學概念的學習與理解皆有其效益（Baker & Lawson, 2001；Brown & Clement, 1989；Bryce & MacMillan, 2005；Chiu & Lin, 2005；
（2）學生進行類比學習時，受其生活(教學)環境與興趣的影響（Brown & Clement, 1989； Nashon, 2004；Pittman, 1999；Wong, 1993a, 1993b）；（3）學生普遍認為類比教學模式優 於傳統的講述式教學（Baker & Lawson, 2001；Bryce & MacMillan, 2005；Pittman, 1999； Sarantopoulos & Tsaparlis, 2004）；（4）類比教學模式的使用，可以促進困難與抽象概念 的學習與理解（Baker & Lawson, 2001；Chiu & Lin, 2005；Nashon, 2004；Spiro 等人, 1989）。 在使用類比進行教學時，概括來說就是由一個類比物系統與另一個標的物系統之 間，來進行概念的比對與連結。從兩個系統之間所具有的關聯性，提供學習者一個有效 的學習途徑，來達到科學教學的學習成果。然而，在類比的過程中，也存在著一些連結 上的限制，因而常造成學習者在無意識中產生另有概念（Glynn, 1991）。為避免另有概 念的產生，教學者在使用類比進行教學時，對於類比物與標的物兩個系統間的類比限 制，必須多加注意與說明。將類比物與標的物之間，無法類比的特質標示出來，讓學生 能夠瞭解那些概念是不能類比的，以幫助學生建構正確的概念（Glynn, et al., 1989；Wong, 1993a, 1993b）。使用學生較易理解的類比物系統，並考量學生原本所具有的先備知識， 來不斷的修飾與設計所欲教學的標的物科學概念，提供學習者自我修正的機制，以降低 無意識中所造成的另有概念（Dagher, 1998）。相信只要能掌握類比教學的各項特點，將 能提升類比在科學教學上應用的效果，並且增進學生對於科學概念的建構與學習。
第三節 科學推理與類比推理
一、科學推理 在科學教育的研究中，除了瞭解學生是如何建構知識之外，對於學生科學思考能力 的探究，也是近年來科學教育的重要任務之一。整體而言，推理(Reasoning)是指經由觀 察的現象，來推論出其原因與結果；而科學推理(Scientific reasoning)意指運用科學方法 (包括：觀察、分類、操弄具體實物、控制變因、假設與推理等)，來建構出科學知識的 過程。就科學推理的種類又可區分為：「歸納推理(Inductive reasoning)」與「演繹推理(Deductive reasoning)」，而在科學教育的領域中所指的推理，大部分都是演繹推理 (Vousniadou, 1989)。
在測量學生推理能力的研究中，大多採用了Lawson (1978, 1987, 2002)所編製的科 學推理測驗(Classroom Test of Scientific Reasoning)，此測驗卷共有十二題二階層的選擇 題，題目所欲測驗的科學概念依序為：重量守恆(Conservation of weight)、體積守恆 (Conservation of displaced volume)、比例思考(Proportional thinking)、進階比例思考 (Advance proportional thinking)、定義與控制變因(Identification and control of variables)、 可能性思考(Advance probabilistic thinking)、相關性思考(Correlation thinking)、假設演繹 思考(Hypothetic-deductive thinking)，給分方式為每一題的兩個階層都必須答對才給予一 分，只答對其中一階層則不記分。
Lawson(2002)的研究中將學生的科學推理能力分成四個層次，Level 3-描述性層次 (Descriptive level)，測驗得分為 0-3 分，與皮亞傑的具體操作期相似，只能使用描述性 (Descriptive)的概念；介於 Level 3 與 Level 4 之間-轉變層次(Transitional level)，測驗得 分為4-6 分；Level 4-進階層次(Advanced level)，測驗得分為 7-10 分，與皮亞傑的形式 運思期相似，可使用描述性和假設性(Hypothetical)的概念，但只能以具體可見的物體進 行假設；Level 5-更進階層次(More advanced level)，測驗得分為 11-12 分，可使用一些 理論的概念進行假設，所以此階段的學生具備描述性、假設性和理論性(Theoretical)的 概念。
Hogan, Nastasi, & Pressley(2000)從社會建構論來探討學生的科學概念建構歷程，在 其研究中針對12 位八年級的學生進行訪談，並將其回答的內容依據科學推理，區分為 六個層級：(1)概述(Generativity, G)：學生以直接觀察的結果或質樸概念，來說明待解答 的現象；(2)精緻化(Elaboration, EL)：學生以正確科學術語辭彙或科學方法，如運用測 量、估計、數字關係等，來敘述待解答的現象；(3)辯證(Justification, J)：可分為「證據 取向」與「推論取向」兩種，學生以證據與推論，來判斷與回答待解答的現象；(4)解 釋(Explanation, EX)：學生以科學作用機制，來說明待解答的現象；(5)邏輯演繹(Logical
確性，主要在判斷學生所做的判斷與解釋，是否按照原本的假設進行邏輯演繹而得；(6) 綜合(Synthesis, S)：學生對現象的論述中包含了整合相反的觀點，以評斷學生是否具有 高階思考能力。
Tytler & Peterson（2003）指出多數的研究結果都低估了學生的推理能力，其認為多 數的學生的能力都足以進行更高階的科學推理任務。因此Tytler & Peterson（2003, 2004） 的研究提出了四個向度，用來探討國小學生的科學推理能力，並深入瞭解國小學生的科 學推理能力發展的過程。四個向度分別為：(1)探究的本質(The nature of exploration)、(2) 知識處理過程的深度(The depth of processing)、(3)處理競爭知識回應的能力(Responses to competing knowledge claims)、(4)操作變數(Handling variables)。在 Tytler & Peterson （2004）的研究中，根據其所提出的科學推理能力的架構，針對孩童從事科學任務的訪 談資料進行分類，結果發現學生具有不同層次的科學推理能力，並且在進行不同的科學 任務時，所展現與使用的科學推理能力是不同的。研究結果更進一步的指出，國小學生 的科學推理與其是否能從事較高層次的解釋能力之間，有著密切的相關性。She & Lee （2008）其研究以雙重情境學習模式與科學推理為理論基礎，進行設計之網路互動式學 習課程顯示，其有助於促進學生科學概念的建構、概念改變與科學推理能力的提升。
本研究在教學設計上針對兩種不同的類比架構純粹比對類比(pure matching)與傳達 屬性類比(carry over)的理論為主軸，並結合多媒體與網路互動式學習環境，在開放式的 質化研究中(教學前、後、追蹤測訪談)進行學生概念與科學推理過程的分析。在判斷學 生的科學推理層級上，則修改Hogan, Nastasi, & Pressley(2000)的科學推理層級，以對學 生在回答訪談問題時所使用的科學推理層級，進行質化的分析。以下為科學推理的四個 層級之詳細敘述：(1)不相關(None, N)：學生的回答中完全不包含任何與問題相關的論 述；(2)概述(Generativity, G)：學生對自然現象做直觀的描述或以質樸概念來回答；(3) 精緻化(Elaboration, EL)：學生能以正確科學術語辭彙或科學方法，如運用測量、估計、 數字關係等，對問題相關的現象進行說明；(4)辯證(Justification, J)：在「證據取向」方 面，學生能利用實驗變因和結果之間的關係來說明現象；在「推論取向」方面，學生能 利用簡單的線性因果關係演繹推論來解釋現象。
二、類比推理 類比推理是許多科學家在進行科學探索與研究時，最為關鍵性的啟發步驟，而且類 比推理不僅可以引導學生進行學習，還可以結合邏輯的推理，來進行問題的解決 (Nersessian, 1992)。Vosniadou(1989)認為類比推理就是，從一個已知的來源(Source)到一 個未知的標的系統(Target system)之結構訊息的判定(Identification)與轉移(Transfer)的過 程，而此種知識的轉移需經由配對(Mapping)或比對(Matching)的過程，去找出兩個系統 之間的相關性。其又將類比推理區分為兩種，一種是「領域間的類比(Between-domain analogies)」，即類比物與標的物兩個系統的概念和理論是不同的，基本上是屬於不同或 有很大差異的系統，但彼此之間卻又有一些相似且能共同解釋的部分，例如原子與太陽 系兩者之間的概念和理論不同，但是兩者在系統的結構上卻是相似的；另一種是「領域 內的類比(Within-domain analogies)」，意指兩系統之間彼此之間非常相似或非常接近的 概念領域，例如可以利用塑膠杯來類比推理陶製茶杯，無論是外型、功能都極為相似。 在類比學習的過程中，學生必須進行類比推理，由已存有的基礎概念知識去推論欲 學習的新標的知識之間的關係，並且將兩者之間的相似概念做連結（Driver & Bell, 1986）。如果學生能將過去熟悉的概念與新概念之間，予以正確的連結，則學生對於新 概念將能做有意義的理解，因此類比推理是協助學生將過去保存的知識與新知識做統整 的有效方法之一(Glynn, 1991)。依據 May, Hammer, & Roy (2006)的研究指出，國小學生 是具備有類比推理能力的，並建議在小學的科學教學中，科學教師應該多注重學生類比 推理能力的培養，以促進學生科學學習的成效。 當學生在學習新知識的同時，常會根據其所具有的先備知識與經驗，來當作學習新 知識的基石。類比推理可以協助學生連結已存有的概念知識與新標的概念之間的關係， 並且促使學生能在新概念與舊有的概念知識之間，進行反覆的思考與比對(May, Hammer, & Roy, 2006)。 而在判斷學生的類比推理層級上，則參考 Gentner(1989)與 Vosniadou(1989)對類比 學習機制的定義，將類比推理區分成五個層級，以對學生在回答訪談問題時所使用的類
N)：學生的回答中完全不包含任何與問題相關的論述；(2)表面屬性相似(Surface attributes similarity, SAS)：學生能依據類比物與標的物在表面的性質或特質上的相似處，對問題 的相關現象進行說明；(3)表面屬性相異(Surface attributes dissimilarity, SAD)：學生能依 據類比物與標的物在表面的性質或特質上的相異處，來說明類比限制的現象；(4)結構 關係相似(Structure relations similarity, SRS)：學生能依據類比物與標的物之間相關結構 的相似處，去推論與解釋待解答的現象；(5)結構關係相異(Structure relations dissimilarity, SRD)：學生能依據類比物與標的物之間相關結構的相異處，來解釋類比限制的現象。 然而，科學推理與類比推理同樣都是屬於推理能力的範疇，當學生在經過類比推理 的教學之後，其科學推理能力是否也會有所提升呢？亦是本研究所欲探討的要點之一。
第四節 建構視覺成像概念的困難
一、視覺成像概念學習困難的因素 針對過去許多科學教育學者，對於光學概念的相關研究中顯示，「視覺成像」的概 念一直是學生難以建構的科學知識（Feher & Rice, 1988；Fetherstonhaugh, 1990；Monk, 1991；Osborne & Black,1993；Rice & Feher, 1987；Saxena, 1991；Selley, 1996a, 1996b； 王盈琪與王美芬，2006；王晉基與郭重吉，1992；唐明，2001；張靜儀與李采褱，2004）。 主要的原因乃在於，視覺成像是屬於抽象的科學概念，導致學生無法將此概念具體化的 思考，因此產生學習上的困難（Selley, 1996a）。故需要藉由類比的使用，將抽象的概念 以具體化的方式來呈現，以促進學生對於抽象概念的建構與理解（Baker & Lawson, 2001；Nashon, 2004）。除了概念本身的內在特質之外，會影響學生對於概念學習的困難，大致還包含了下 列幾項外在因素：學生每天的生活經驗與所使用的語言、學生原本所具有的先備知識、 學習者在社會環境中學習所造成的誤解，以及教師錯誤或不正確的教學（Yip, 1998; Sewell, 2002）。這些外在因素也是我們在設計類比教學課程時，所需考慮到的要素。
二、視覺成像概念的相關研究 回顧國內外各科學教育學者，針對學生視覺成像的相關概念方面，所進行之研究中 歸納出學生在學習此概念時，難以建構的概念知識。視覺成像概念包含三個次概念；分 別為：光和視覺、光和折射，以及光和反射，而學生在學習這些困難的概念時，產生了 許多常見的錯誤概念。詳細的內容分述如下： 1.光和視覺的部份，學習上常見的錯誤概念有：(1)我們能看到物體是來自於直接觀 察（Osborne & Black,1993；Selley, 1996a, 1996b；Saxena, 1991；王盈琪與王美芬，2006； 唐明，2001；張靜儀與李采褱，2004)、(2)光照到眼睛，眼睛就能主動視物(Monk, 1991； Selley, 1996a, 1996b；王盈琪與王美芬，2006；王晉基與郭重吉，1992；唐明，2001； 張靜儀與李采褱，2004）、(3)物體的影像跑到眼中而被看到（Monk, 1991；Selley, 1996a, 1996b ； Sexena, 1991 ； 王 盈 琪 與 王 美 芬 ， 2006 ）、 (4) 在 黑 暗 中 仍 能 看 見 東 西 （Fetherstonhaugh, 1990；王盈琪與王美芬，2006；張靜儀與李采褱，2004）。 2.光的折射部份，常見的錯誤概念有：(1)將折射與反射混淆(唐明，2001；張靜儀 與李采褱，2004)、(2)認為水造成折射(Shapiro, 1989；王盈琪與王美芬，2006；王晉基 與郭重吉，1992；唐明，2001；張靜儀與李采褱，2004)、(3)認為折射是因為物體與容 器形狀改變(Shapiro, 1989；王盈琪與王美芬，2006；王晉基與郭重吉，1992；唐明，2001)、 (4)依文字聯想的方式解釋折射(王盈琪與王美芬，2006；唐明，2001)、(5)對透鏡成像的 相關概念不瞭解（Fetherstonhaugh, 1990；Fetherstonhaugh & Treagust, 1992；Rice & Feher, 1987；王晉基與郭重吉，1992）、(7)認為凸透鏡一定會將成像放大（Shapiro, 1989；陳 均伊、張惠博與郭重吉，2004）、(8)不瞭解透鏡對成像的影響（Fetherstonhaugh, 1990； Fetherstonhaugh & Treagust, 1992；Sexena, 1991）。
3.光的反射部份，常見的錯誤概念有：(1)表面光滑的物體才會反射(Shapiro, 1989； 王盈琪與王美芬，2006；唐明，2001；張靜儀與李采褱，2004)、(2)有光亮有影像才叫 做反射(唐明，2001)、(3)不具光不規則反射的概念(唐明，2001；張靜儀與李采褱，2004)、 (4)認為平面鏡上的像是物體直接被投影上去(Fetherstonhaugh & Treagust, 1992；張靜儀
由上述的研究結果來看，在進行視覺成像概念教學時，應多注意這些學生所難以建 構的概念，以避免在進行教學過程中造成學生學習的困擾。因此，本研究透過純粹比對 類比與傳達屬性類比兩種不同的類比架構，再融入類比推理作為課程設計的要素，來設 計視覺成像概念的類比教學課程，以期能藉此提升學生在視覺成像概念的建構與學習效 果。
第五節 網路科學學習
一、資訊科技融入教學隨著網際網路(World Wild Web, WWW)科技的快速發展，使得資訊科技為我們的生 活帶來了許多便利性，同時也打開了我們的學習視野。新科技的發展提供了科學教學更 多可以使用的有效工具，包括：電腦基礎實驗室(Microcomputer-base laboratory, MBL)、 繪 圖 程 式 軟 體(Photoshop) 、 動 畫 製 作 程 式 軟 體 (Macromedia Flash) 、 電 子 通 訊 (Telecommunications)與互動影碟(Videodisks)等（Krajcik, 1991）。
從網際網路的結構上來看，其具有不受限制的超連結功能，包括資訊之間的關聯性 (Associative)、非線性(Nonlinear)與階層性(Hierarchical)等，而這些功能與人類記憶的特 質相似，因此利用網際網路來進行科學概念的學習，將可以有效的呈現出專家的概念知 識，以協助學生的學習（Miller & Miller, 2000）。另外，在網際網路媒體的特質上來看， 其具有多媒體影音呈現的優勢，使得教學者能在網路上再現真實世界的情境，因而能提 供學生對於真實情境的學習（Miller & Miller, 2000）。因此，利用網際網路與多媒體媒 介的結合，來進行網路科學學習活動，已成為近年來許多科學教育的研究者所關注的焦 點。 然而，有效的網路學習課程，並非只是利用網路來當作教學媒介，上傳一些文件檔 案或使用網頁上的超連結而已。而應該是要在課程設計的內容中，加入不同的多媒體元 素與互動式元件，以呈現出高品質的網路學習環境，增進學生的學習動機、興趣與互動 性，讓學生在網路學習的課程中，進行真實情境的問題解決，並主動建構知識及對自己
的學習負責（Berge, Collins, & Dougherty, 2000）。其中，多媒體元素包括有文字、圖表、 圖片、音效、動畫、影片，以及網路超連結頁面或非超連結頁面等。因此，教學者若能 善加運用這些網路學習的特點，來設計網路學習課程，將有助於促進學生自行統整與建 構完整的科學概念（She & Fisher, 2003）。
二、網路科學學習的相關研究
She & Fisher (2003)運用動畫軟體(Flash)與網際網路來呈現科學概念的學習課程，其 研究結果強調藉由網路科技來輔助教學，將可以提升學生深層的心智能力，並且在互動 式的學習過程中，增進學生自行統整與建構完整知識的效果。She (2004)使用後設認知 策略結合多媒體網路學習，針對學生難以理解的浮力概念，設計網路學習課程，其研究 結果顯示此學習課程有助於提升學生浮力概念的認知學習成效。游文楓與佘曉清（2006） 則是利用網路化問題解決的教學策略，進行生物概念的教學研究，其結果發現網路融入 問題解決教學的方式，有助於學生問題解決能力的保留效果。She & Lee（2008）其研 究結果發現以雙重情境學習模式與科學推理為理論基礎，針對燃燒單元所設計之網路互 動式學習課程，有助於促進學生科學概念的建構、概念改變與科學推理能力的提升。She & Liao（in press）也以雙重情境學習模式與科學推理為理論基礎，來設計原子概念之互 動式網路學習課程，也同樣提升了學生科學概念的建構、概念改變與科學推理能力。另 外，許建和與耿筱曾（2006）指出，網路學習可以提供動態的教學過程以提高學生的學 習動機，並且強調網路學習有助於提升學生概念的學習成效。
深究She & Liao（in press）與 She & Lee（2008）研究中的課程設計，主要都是依 據雙重情境學習模式為核心，並融入科學推理所設計出的網路互動式教學課程。然而， 研究者將改由類比學習模式與類比推理為理論基礎，來當作網路互動式教學課程設計的 核心。有鑑於網路學習對於科學概念建構的影響，本研究將分別針對兩種不同的類比架 構純粹比對類比與傳達屬性類比的理論，結合多媒體與網路互動式學習環境，以設計出 視覺成像概念的網路互動式類比學習課程，期望能藉此網路學習課程來協助學生在視覺
第三章 研究方法
本研究以兩種不同的類比架構純粹比對類比與傳達屬性類比的理論，結合多媒體的 數位化網路學環境，建構視覺成像概念的網路類比學習課程，期望能藉此學習課程以協 助國小階段的學生建構視覺成像的概念，並提升學生類比推理的能力。 本章共分為六節，依本研究的研究對象、研究設計、研究流程、研究工具、教學設 計、資料蒐集與分析，分別進行詳細的說明。第一節 研究對象
本研究是以新竹市某國小五年級的學生為研究對象，以便利抽樣的方式，採用六個 常態編班的班級，學生人數共190 人。將學生分為三組，包括純粹比對類比組、傳達屬 性類比組與對照組各兩個班，其中純粹比對類比組採用純粹比對類比的類比學習課程、 傳達屬性類比組採用傳達屬性類比的類比學習課程，而對照組則採用傳統講述式教學。 純粹比對類比組於電腦教室使用網路進行純粹比對類比架構網路類比課程學習，共 63 人；傳達屬性類比組於電腦教室使用網路進行傳達屬性類比架構網路類比課程學習，共 62 人；而對照組則在班級教室中進行傳統講述式課程教學，共 65 人，如表 3-1-1 所示。 表3-1-1 教學模式與人數整理表 組別 項目 純粹比對類比組 傳達屬性類比組 對照組 教 學 模 式 純粹比對類比架構 網路類比課程 傳達屬性類比架構 網路類比課程 傳統講述式課程 教 學 地 點 電腦教室 電腦教室 班級教室 人 數 63 人 62 人 65 人本研究於九十七學年度五年級上學期進行研究，而為了確保純粹比對類比組、傳達 屬性類比組與對照組的學生，在國小自然與生活科技學業成績上無顯著差異，研究者在 研究之前，先蒐集這三組學生在自然與生活科技學業成績(包含四年級下學期兩次段考 成績與五年級上學期第一次段考成績)、視覺成像概念建構測驗前測成績、視覺成像主 題相依類比推理測驗前測成績，以及科學推理測驗前測成績，進行單因子變異數分析 (ANOVA)檢定的統計分析，分析數據結果如表 3-1-2、表 3-1-3、表 3-1-4、表 3-1-5 與表 3-1-6 所示。 表3-1-2 純粹比對類比組、傳達屬性類比組與對照組學生各項成績描述性統計表 純粹比對類比組 傳達屬性類比組 對照組 項目 M SD M SD M SD 學業成績 92.02 5.07 91.69 5.69 91.37 5.62 概念測驗 6.95 3.11 6.47 3.51 7.38 3.05 類比推理 4.94 2.77 4.55 2.91 4.77 2.40 科學推理 2.84 1.93 2.76 1.65 2.88 1.56 註：N＝190 表3-1-3 純粹比對類比組、傳達屬性類比組與對照組學生自然與生活科技學業成績差異 檢定摘要表 變異來源 平方和 df 平均平方和 F p 組間 13.17 2 6.58 0.22 .803 組內 5593.96 187 29.91 總和 5607.12 189
表3-1-4 純粹比對類比組、傳達屬性類比組與對照組學生視覺成像概念建構前測成績差 異檢定摘要表 變異來源 平方和 df 平均平方和 F p 組間 26.69 2 13.34 1.28 .280 組內 1947.68 187 10.42 總和 1974.36 189 表3-1-5 純粹比對類比組、傳達屬性類比組與對照組學生主題相依類比推理前測成績差 異檢定摘要表 變異來源 平方和 df 平均平方和 F p 組間 4.73 2 2.37 0.33 .721 組內 1352.64 187 7.23 總和 1357.37 189 表3-1-6 純粹比對類比組、傳達屬性類比組與對照組學生科學推理前測成績差異檢定摘 要表 變異來源 平方和 df 平均平方和 F p 組間 .47 2 .24 0.08 .923 組內 550.80 187 2.95 總和 551.27 189 根據表 3-1-3、表 3-1-4、表 3-1-5 與表 3-1-6 分析數據顯示，純粹比對類比組、傳 達屬性類比組與對照組學生之間，其自然與生活科技學業成績、視覺成像概念建構測驗 前測成績、視覺成像主題相依類比推理測驗前測成績，以及科學推理測驗前測成績皆未 達顯著差異。
第二節 研究設計
本研究採用準實驗設計法（Quasi-experimental design），以國小五年級六個班級的 學生為樣本，分別以兩個班為純粹比對類比組(N＝63)、兩個班為傳達屬性類比組(N＝ 62)與兩個班為對照組(N＝65)，做為研究對象。本研究的自變項為教學模式分組；依變 項為視覺成像概念建構測驗(前測、後測、追蹤測)、視覺成像主題相依類比推理測驗(前 測、後測、追蹤測)，以及科學推理測驗(前測、後測、追蹤測)。此外，針對純粹比對類 比組與傳達屬性類比組學生，進行視覺成像概念訪談(前測、後測、追蹤測訪談)與視覺 成像概念類比學習歷程測驗進行分析，研究架構與研究核心架構圖，如圖 3-2-1 與圖 3-2-2 所示。 圖3-2-1 研究架構圖 教學模式分組 (純粹比對類比組、傳達屬性類比組、對照組) 經由學習活動 網路類比學習課程 ( 純粹比對＆傳達屬性 ) 傳統講述式教學課程 ( 對照組 ) 視覺成像概念建構測驗 視覺成像概念主題相依類比推理測驗 視覺成像概念訪談(實驗組) 視覺成像概念類比學習歷程分析(實驗組) 科學推理測驗圖3-2-2 研究核心架構圖 研究中採用的自變項與依變項說明如下： 一、自變項： 本研究的自變項為「教學模式分組」。將「教學模式分組」分為三組，純粹比 對類比組採用純粹比對類比架構網路類比學習課程；傳達屬性類比組採用傳達屬性 類比架構網路類比學習課程；對照組則採用傳統講述式教學課程。 二、依變項： 本研究的依變項為「視覺成像概念建構測驗」、「視覺成像概念主題相依類比推 理測驗」、「科學推理測驗」。在視覺成像概念類比學習歷程方面，則針對兩組實驗
類比
顯著
相似性
表面
相似性
結構
相似性
純粹比對
類比
傳達屬性
類比
類比推理
視覺成像
概念建構
科學
推理
類比
學習歷程
組學生進行網路類比學習課程時，在「視覺成像概念類比學習歷程測驗」之結果進 行分析，並且利用「視覺成像概念訪談」來進行質性分析，以探討學生在網路類比 學習模式前、後與追蹤三階段，概念建構與類比學習歷程的情形。
