三所公私立大學大一新生之「入學方式」與「物理迷思概念」關聯性研究:以浮力概念為例

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(1)國立臺灣師範大學物理系碩士班碩士論文. 三所公私立大學大一新生之「入學方式」與「物理迷思概念」關聯性研究：以浮力概念為例 Investigation of Freshmen’s Buoyancy Misconceptions and Their Entrance Modes. 指導教授：賈. 至. 達. 教授. 研究生：蘇. 浩. 瑋. 撰. 中華民國一 o 五年七月.

(2) 摘要本研究是以甲、乙與丙三所公私立大學，104 學年度入學的理工學院大一新生為研究對象，探討各校在多元入學各管道中的人數招收比例，並同時根據這項分類結果，探討學生在浮力調查問卷上的答題表現與答案類型；此外，也將根據大一新生的調查結果，同時與八、九年級生的答題表現與答案類型做表較，並探討「學生在概念學習前、後上的差異」及「學生的概念是否會隨著年齡的成長而增長」，其研究調查結果如下：一、針對教育課綱部分：. （1）學生在概念學習前、後的差異，主要是能夠正確的運用「浮力公式𝐵 = 𝑉𝜌𝑔」來解決問題，以及知道「沉、浮體所受的浮力大小不同」。（2）整體的答對率由高至低排序為：「學校甲」、「學校乙」、「學校丙與九年級生相當」、「八年級」。以概念的成長幅度來說，學校甲的成長幅度最多；其次為學校乙；而學校丙在概念與九年級生相當，即沒有太顯著的成長，故學生的概念會隨著年齡的成長而有不同幅度的增長。（3）學生常以「沒入的體積來判斷浮力大小」而間接地忽略掉系統仍有「外力」需考慮，這也暗示了學生對於浮力公式𝐵 = 𝑉𝜌𝑔是「根深蒂固」的。. 二、各校在多元入學各管道中的人數比例與答題表現調查：. （1）學校甲在「個人申請」部分的人數百分比最高，約佔54.5%；學校乙在「個人申請」與「考試入學」部分的人數百分比相當，各約佔34.5%，且較甲、丙兩校更視「繁星推薦」；學校丙在「考試入學」部分的人數百分比最高，約佔 50.1%。（2）在浮力概念層次題型上：學校甲、乙、丙三校，在「個人申請」及「考試入學」對於 𝐵 = 𝑉𝜌𝑔 這項單一浮力概念的理解與運用能力是相當的。（3）在浮力綜合應用層次題型上：學校甲在「個人申請」及「考試入學」的答對率約55%，故答題表現沒有顯著的差異；學校乙在「個人申請」的答對率較「考試入學」高出13.6%的人數百分比；而學校丙則是在「考試入學」的答對率略較「個人申請」高出約5.6%的答對人數百分比。. 關鍵字：浮力、概念、迷思概念. I.

(3) Abstract The research subjects are the freshmen who entered institutes of science and technology in three universities A, B and C in 2015. It studies on percentages of the number of enrolled students who entered universities by various methods. Meanwhile, according to the data, it studies on their answer performances and answer types of questionnaires about buoyancy. Besides, the research compares answer performances and answer types of eighth grade students and ninth grade students so that it discusses “the difference before and after students learn the concepts” and “if their comprehension on concepts will increase with age”. The research results are shown as following: Ⅰ. The part aiming at education classes. （1） The differences before and after students learn concepts are if they can use the buoyancy formula 𝐵 = 𝑉𝜌𝑔 to solve problems and if they know the differences of buoyancy when the object sinks and floats. （2）The order of correct answer rates from high to low are: A University, B University, C University and ninth grade tied for third place and the last is eighth grade. From the development range of concepts, A has maximum development range followed by B. C has the equal comprehension on concepts with ninth grade and has little development. Therefore, comprehension on concepts will increase with different levels when the students age. （3）Generally, students judge how much the buoyancy by the volume sinks into the water but indirectly omit there is “external force” that should be considered in the system. This also infers that students have a deep impression of the buoyancy formula 𝐵 = 𝑉𝜌𝑔.. Ⅱ. The percentages and performances of students who entered universities by various methods. （1）The percentage of “Individual Application” of A University is about 54.4% which is the highest among them; in B University, the percentage of “Individual Application” and the percentage of “Entrance Exam” are equally 34.5%, and both A and C pay more attention to “Multi-Star Project”; the percentage of entrance exam in C University is about 50.1% which is the highest among the subjects. II.

(4) （2）As for the question types of buoyancy concepts, students who are of “Individual Application” and of “ Entrance Exam” from A, B, C have the same comprehension ability on the single concept of 𝐵 = 𝑉𝜌𝑔 . （3）For the question types of buoyancy comprehensive application, the percentages of “Individual Application” and “Entrance Exam” students who answered correctly from A is 55% and there is no significant difference; in B University, the percentage of “Individual Application” students who answered correctly is higher than the “Entrance Exam” students by 13.6%; in C University, the percentage of “Entrance Exam” students who answered correctly is higher than the “Individual Application” students by 5.6% .. Keywords: Buoyancy; Concept; Misconception. III.

(5) 表目錄表 1-3-1：教育部國民及學前教育署所公佈之「九九普通高級中學必修物理課程綱要」高級中學基礎物理一的部分內容 …………………………………………….……… 6 表 1-3-2：教育部國民及學前教育署所公佈之「九九普通高級中學必修物理課程綱要」高級中學基礎物理二 B 的部分內容…………………………………………….…… 6 表 1-3-3：大學入學考試中心所公佈之「99 課綱指考物理科命題方向」的部分內容 ……..7 表 2-2-1：國內外學者對迷思概念一詞的詮釋比較 …………………………………………12 表 2-2-2：國內外學者對迷思概念來源的說法比較 ………………………………………… 14 表 2-3-5：國、內外的浮力迷思概念相關研究結果與比較 ………………………………… 21 表3-1-1：研究流程圖 ………………………………………………………………………......25 表 3-2-1：學校甲各系參與施測的人統計 …………………………………………………….26 表 3-2-3：學校丙各系參與施測的人數統計 ………………………………………………….27 表3-2-4：八、九年級生參與施測的人數統計 ………………………………………………..27 表 3-3-3：概念表 ……………………………………………………………………………….30 表 3-4-1：大一新生的問卷資料收集統計 …………………………………………………… 41 表 3-4-2：八、九年級生的問卷資料收集統計 ……………………………………………….41 表 4-1-1：各種入學管道於浮力概念題型的錯誤答案類型統計 …………………………….48 表 4-1-2：個人申請部分於浮力綜合應用層次題型的錯誤答案類型統計 ………………….50 表 4-1-3：考試入學部分於浮力綜合應用層次題型的錯誤答案類型統計 ……………….…51 表 4-3-1：大一新生於浮力概念層次題型的答案類型統計 ……………………………….... 59 表 4-3-2：三校於浮力概念層次題型的迷思概念類型統計 ………………………………….60 表 4-3-3：八、九年級生於浮力概念層次題型的答案類型統計 …………………………….61 表 4-3-4：八、九年級生於浮力概念層次題型的迷思概念類型統計 ……………………….63 表 4-3-5：三校大一新生在浮力綜合應用層次題型的答案類型統計 ……………………….66 表 4-3-6：三校大一新生在浮力綜合應用層次題型的錯誤答案類型統計 ………………….67 表 4-3-7：學校甲於浮力綜合應用層次題型的迷思概念類型 ……………………………….69 表 4-3-8：學校乙於浮力綜合應用層次題型的迷思概念類型 ……………………………….70 表 4-3-17：學校丙於浮力綜合應用層次題型的迷思概念類型 ……………………………...73 表 4-3-10：八、九年級生在浮力綜合應用層次題型的答案類型統計 ……………………...74 表 4-3-11：八、九年級生在浮力綜合應用層次題型上的答案類型統計……………………75 表 4-3-12：八年級生於浮力綜合應用層次題型的迷思概念類型 …………………………...78 表 4-3-13：九年級生於浮力綜合應用層次題型的迷思概念類型 …………………………...81 表 5-1-1：浮力概念層次題型的迷思概念類型比較 ………………………………………….83 表 5-1-2：浮力綜合應用層次題型的迷思概念類型比較 …………………………………….87. IV.

(6) 圖目錄圖 2-3-1：物體於靜止流體中於鉛直方向上的受力示意圖 ………………………………….16 圖 2-3-2：浮力為物體在水中所減輕的重（翰林版課本截圖）……………………………. 17 圖 2-3-3：浮力就等於物體於液面下的體積乘以液體（水）的密度（a 圖為翰林版；b 圖為康軒版課本截圖）………………………………………………………………… 17 圖 2-3-4：浮力即為物體在液中所受到的液體壓力差（康軒版課本截圖）……………… 17 圖 3-3-1：2015 物理奧林匹亞初賽試題第五題示意圖 ………………………………………28 圖 3-3-2：步驟分解圖 ………………………………………………………………………….28 圖 3-3-4：普通物理圖表概念認知調查試題示意圖(第二題) ………………………………..31 圖 3-3-5：普通物理圖表概念認知調查試題示意圖(第三題) ………………………………..32 圖3-3-6：浮力概念問卷正式施測題目情境一 ………………………………………………..38 圖3-3-7(0)~(3):浮力調查問卷情境二示意圖 …………………………………….……………39 圖 3-3-8：普通物理圖表概念認知調查試題示意圖(第三題) ………………………………..40 圖 4-1-1：大一施測生於各題的答題表現（N=1,334）……………………………………...43 圖 4-1-2：以不同入學管道的人數百分比統計 (N=1,334) …………………………………...44 圖4-1-3：不同入學管道於各題的答對人數百分比統計 (N=1,334) …………………………45 圖4-1-4：以不同入學管道入學於各校的人數百分比 ………………………………………..46 圖4-1-5：不同的入學管道入學在不同層次題型上的答題表現 ……………………………..47 圖4-2-1：各校於浮力概念層次題型的答題表現 ……………………………………………..52 圖4-2-2：各學校於浮力綜合應用層次題型的答題表現 ……………………………………..53 圖4-2-3：八、九年級生於浮力概念層次題型的答題表現 …………………………………..54 圖4-2-4：八、九年級生於情境三的答題表現 ………………………………………………..54 圖4-2-5：八、九年級生與學校甲的答題表現比較 …………………………………………..55 圖4-2-6：八、九年級生與學校乙的答題表現比較 …………………………………………..56 圖4-2-7：八、九年級生與學校丙的答題表現比較 …………………………………………..56 圖4-3-1：普物問卷正式施測題目第二題示意圖 ……………………………………………..57 圖4-3-2：晤談情境二問題示意圖 ……………………………………………………………..57 圖4-3-3：浮力概念問卷正式施測題目情境一 ………………………………………………..58 圖4-3-4：普物問卷正式施測題目第二題示意圖 ……………………………………………..64 圖4-3-5-(0)~(3)：晤談試題情境二示意圖 …………………………………………………….65. V.

(7) 目. 次. 第一章緒論第一節研究背景與動機 ………….…..….……….……… 第二節研究目的與待答問題 …………..….…….….…… 第三節名詞釋義 …………………………...…….….…… 第四節研究範圍與限制 ……………………...….….……. 01 03 04 09. 第二章文獻探討第一節迷思概念的形成與探討 …..…..…...……..……… 10 第二節浮力的相關文獻探討 …….….……...…....……… 15 第三章研究方法與研究工具第一節第二節第三節第四節. 研究架構與流程 ………………….…...….……… 研究對象 ………………………….…..….….…… 研究工具 …………………………….…..….….… 研究資料的收集分析 ……………..……..…..……. 23 26 28 41. 第四章研究結果第一節以不同的入學管道為變因 …... ….….….….….… 43 第二節以不同年齡的施測生為變因 ……..…….…..…… 52 第三節不同年齡施測生的迷思概念類型……………..… 57 第五章結論與建議第一節結論…………………………………………..…… 82 第二節建議…………………………………………..…… 89 參考文獻 …………………..……………....…………………… 90 附錄 …...……………..……………....…………………… 94.

(8) 第一章緒論第一節研究背景與動機自民國 91 起所實施的大學多元入學方案（Multi－Opportunities for School Entrance），提供高中生更多不一樣的入學管道來選擇入學，入學管道有繁星推薦（Recommendation for Admission）、申請入學（Application For Admission）以及分發入學（Joint Registration and Plancement）三種。學生可以透過多元的入學方式，來選擇適合自己的入學方式及適合自己的科系就讀。然而有趣的是，針對上述的多元入學方案，每所大學所採取的策略不盡相同，在不同入學管道所招收學生的比例如何調配？以及招收到的學生特質為何？都是本研究主要的研究調查議題。在 96～99 學年度期間，台灣大學對該校繁星推薦、學校推薦以及考試分發的學生，做一項關於學業表現的研究調查，根據調查結果發現「在 98 學年度時，學校推薦與繁星推薦分居前兩名外，在其餘的各學年中，都是以繁星入學的學生在學業表現上較其他兩種優異」。中央大學、清華大學及交通大學，也有做過類似的研究調查。中央大學校方在統計 97~99 學年度的學業表現時，也發現有類似的結果，即「繁星入學成績較優於學校推薦，而個人申請與考試分發的學生，其平均學業表現則是不相上下」; 而根據清華大學的調查結過「繁星的入學平均學測成績為 65.5 級分，雖然較學測入學的平均成績略低 2 級分，但入學後在課業表現卻不比其他的學生差」; 在交通大學部分，則是分析了 98 學年度上學期大一新生的平均成績級距，結果發現「對 90~100 分及 80~89 分這兩組高分級距而言，繁星入學的學生有 7.14 % 的學生是落在 90~100 分，另外有 46.4%的學生落在 80~80 分之間，而甄選入學的學生有 7.63%的學生是落在 90~100 分，而有 45.26%的學生是落在 80~89 分的級距之間」，因此根據統計結果顯示，對於繁星入學及甄選入學的學生而言，在學業表現上並沒有明顯的差異，但在高分級距的人數比例上，卻明顯多於考試分發的學生，此外，平均成績在 60 分以下的人數百分比，在繁星入學部分僅佔了 1.43%，明顯少於甄選入學的 4.21% 及分發入學的 6.14% 。（2012 年 7 月 9 日/自由時報/A8 版/教育最前線）根據上述的調查結果顯示，各校在繁星推薦的入學級分數普遍比個人申請低，但在入學後的學業表現上，卻較個人申請甚至考試入學的學生更優異。因此，本研究選取了台北市三所公私立大學，以 104 學年度入學的大一新生為主要的調查對象，進行各校在不同入學管道的招收人數比例調查，並同時針對各校所招收到的學生做物理概念上的研究調查。在物理概念調查部分，本研究將以流體力學中的浮力單元做為主要的調查概念。由於在九九課綱的物理教材中，刪除了原有在高三選修物理的流體力學單元，但大學入學考試中心表示「在大學指定科目考試中的力學的測驗內容，除了涵蓋移動平衡、轉動平衡、力矩等概念外，是可以涉及浮力概念的 ; 理由是因為在國中階段的自然課程中，已有修習過。」這除了暗示浮力與力學有著密不可分的關係外，也同時說明了流體力學章節刪除的理由，是因為與國中的教材有高 1.

(9) 比例的重疊。因此，本研究將以紙筆測驗的方式做大一新生的浮力概念調查，其調查內容包含答題表現、答案類型以及迷思概念類型。另外，在浮力概念的調查部分，本調查研究將不著重在個別、單一的概念迷思概念探討（例如：是否會判斷沉、浮體等），而是藉由一題概念層次與應用層次的浮力題型，調查學生如何運用與連結正確的浮力概念來解決問題，並藉由探討學生的錯誤答案類型，歸納學生的迷思概念來源與類型。也正因為這群大一新生，在高中階段有接受過更扎實的物理課程訓練，因此研究者想進一步探討，在浮力概念的運用上，大一新生是否較國中學生更成熟，所以本研究也將針對新北市某所國中的八、九年級生進行施測，希望藉由與大一新生在答題表現、答案類型及迷思概念類型的對照比較，了解學生的概念是否會隨著年齡（學習歷程）而增長？. 2.

(10) 第二節研究目的待答問題本節本研究將針對：各校在多元入學方案上的招收的人數比例，以及高中課綱這兩部分進行探討。. （一）各校在多元入學各管道中的人數招收比例：在第一部分的調查研究中，將針對甲、乙與丙三所學校，在繁星推薦、個人申請以及考試入學的招收人數比例做調查。研究的待答問題，如下：. （1）甲、乙與丙三所學校，在多元入學方案中所採取的策略？另外，各校在各種不同的入學管道上所佔的人數比例？（2）各校以繁星推薦、個人申請以及考試入學的學生，於本研究問卷上的答題表現與答案類型做調查。. （二）針對高中的課綱：在第二部分的調查研究中，將針對不同學業成就學校的大一新生在調查問卷上的浮力概念層次與綜合應用層次題型，做答題表現、答案類型及迷思概念類型的探討，並同時與八、九年級生的答題表現、答案類型及迷思概念類型做學習前、後的差異性比較。研究的問題，如下：. （1）比較三所公私立學校的學生，在浮力概念層次與綜合應用層次題型的答題表現與答案類型，並根據晤談結果，比較迷思概念類型。（2）比較八、九年級生，於浮力概念層次與綜合應用層次題型的答題表現與答案類型；並根據學生所記下的答案理由，比較迷思概念類型。（3）綜合比較大一新生與八、九年級生，在的答題表現、答案類型與迷思概念來類型。並藉由上述的調查結果，探討學生學習前、後在概念上的差異，以及概念是否會隨學習歷程而有所成長？. 3.

(11) 第三節名詞釋義為使所提及之相關重要名詞更加清晰與明確，故本節將針對所使用的重要名詞加以定義及解釋。（一）多元入學方案（Multi－Opportunities for School Entrance）：自民國 91 起實施的大學入學方案，歷經多次的變革，最早的入學管道有甄選入學（含推薦甄選、申請入學）及考試分發兩種；於 96 學年度起（2007 年），教育部「為平衡城鄉差距，推動了繁星計畫入學管道」，但在 100 學年度起，繁星計畫併入了甄選入學，並同時取消學校推薦入學方案，進而成為了現行所實施的多元入學方案，即繁星推薦、個人申請以及考試分法三種。此外，各大學可以依照學校的特色，訂定招生條件、招收志向、興趣與能力相符的學生；學生則可以依照自己的興趣、能力及自向，選擇適合的大學就讀。（國家政策研究基金會，民 101 ；莊珮真 2003 ；大學多元入學升學網 2016）以下是各種入學管道的說明與比較：. （1）繁星推薦：為落實「高中均質、區域均衡」之理念，由高中向大學校系推薦符合資格的學生，提供各地區學生適性揚才之均等機會，並引導學生就近入學高中。（2）個人申請：打破傳統類組的限制，提供校系彈性自主的招生空間，考生多元選擇及適性發展的機會。（3）考試分發：考試分發是藉由「考試」來篩選學生，因此考試的分數係分發主要的評比工具，而考試分發的考科數係由各校系自由決定的（一般約採計3至6科不等）並將重視的考科加權計分。（大學招生聯合委員會2016）. （二）九十七國民中小學九年一貫課程綱要：自然與生活科技學習領域課程綱要內容是根據知識結構及學習心理的發展原則，劃分為國小一至二年級、國小三至四年級、國小五至六年級及國中一至三年級四個階段。在內涵方面，包含物質與能、生命世界、地球環境、生態保育、資訊科技等科學與技術認知學習，並著重科學與科學研究知能及態度，尊重生命與愛護環境的情操，以及善用科技與運用資訊等核心、基本能力之習得，同時應能將此能力轉化、實踐於日常生活中，終身學習。（教育部國民及學前教育署網站 2016）. 4.

(12) 以下是在國中課綱中與浮力概念對應到的相關主題：（教育部國民及學前教育署 2016）（1）平衡（次主題 215 運動與力）： 4b. 知道「達到平衡」的物體所受「合力為零」、合力矩為零。（2）壓力與壓力差（次主題 215 運動與力）： 4h. 測量知道物體在靜止液體中所受浮力，等於排開液體的重量。（3）浮力應用（次主題 421 電機與機械應用）： 2a. 察覺容器漂浮在水中能承載東西，物體在水中拿起來比較輕。. （三）普通高級中學九九課程綱要：九九課程綱要是自 99 年度起，適用於普通高級中學之高一新生，並逐年實施的課程綱要，在課程的設計上是為了銜接國民中小學九年一貫課程與大學基礎教育課程，並依學科性質重視實用性、實作性學習。以下是針對九九課綱中的「高中物理課程綱要」做說明：. （1）高級中學基礎物理的課程目標 : 為銜接國民中小學九年一貫課程自然及生活科技學習領域教材，而進一步介紹物理學的基本知識，使學生認識一般物理現象的因果關係和其中所遵行的規律。在教材上共分有基礎物理一及基礎物理二 A 與 B 版兩冊。基礎物理一是供高一學生使用；基礎物理二 A 版，是供一類組（文組）學生使用，主要以介紹力學的基本知識為主，另外，基礎物理二 B 版主要是提供二、三類組（理組）學生使用，在課程的設計上主要是以高一的基礎物理教材為本，深入探索力學，使學生藉由力學得以理解物理學的基本精，培養學生定量分析能力，奠定學生研習高三選修物理的基礎。由於，參與本研究的大一新生主要是來自於理組，因此在本研究是以基礎物理二 B 的課綱內容，作為主要的討論基礎。（2）高級中學「選修物理」課程目標：以高中必修科目基礎物理教材為本，增強學生對於物理瞭解的深度與廣度，訓練學生抽象思考、計算以及做實驗的能力，以奠定學生研習下一階段物理的基礎。（3）高中課綱中所對應的浮力概念相關單元：下表 1-3-1 與 1-3-2，為教育部所公佈的「九九課綱普通高級中學物理科」基礎物理一與基礎物理二 B 的部分章節內容節錄。在基礎物理一中，與浮力概念有關的章節為第三章物體的運動，主要的內容為牛頓運動定律部分(參考節數共為 5 節) 。在基礎物理二 B 中，與浮力概念有關的章節為第一章的靜力學，主要的內容有移動平衡、靜力平衡、靜力學應用實例(參考節數為 10 節)。. 5.

(13) 主題. 主要內容. 三、物體的運動. 2.牛頓運動定律. 說明 2-1 說明質量代表物體運動慣性之大小、慣性定律、力對物體運動狀態的影響及運動方程式（F = ma ）的意義。. 2-2 說明日常生活中常見的摩擦力及彈簧力的性質。. 備註 ‧ 不涉及軌跡數學式。僅以敘述方式說明我們可由運動方程式求得物體運動軌跡。. 參考節數 5. ▲表 1-3-1：教育部國民及學前教育署所公佈之「九九普通高級中學必修物理課程綱要」高級中學基礎物理一的部分內容主題. 主要內容. 說明. 備註. 1-1 說明力的測量。 ‧ 配合實驗 1-2 說明力的向量性質與力的合成分解。二：靜力平 1-3 說明移動平衡的條件。衡。 2. 力矩及轉動平衡 2-1 說明力矩的定義及轉動平衡的條件。 3. 靜力平衡 3-1 說明靜力平衡的條件。 4. 重心與質心 4-1 說明重心與質心的定義。 5. 靜力學應用實例 5-1 以力圖及日常生活實例（如：槓桿、滑輪等）說明靜力平衡的應用。 ▲表 1-3-2：教育部國民及學前教育署所公佈之「九九普通高級中學必修物理課程綱要」高級中學基礎物理二 B 的部分內容. 一、靜力學. 1. 移動平衡. 下表 1-3-3 為大學入學考試中心所公佈的「99 課綱指考物理科命題方向」。在力學的測驗項目與內容中，有明確指出考試內容是可以涉及到浮力的，其主要的理由為「浮力在國中已有學習」。因此研究者認為，由於舊課綱中的「流體力學」單元與國中階段的課程有高比例的重疊，因此才刪除了此一章節課程，另外這同時也暗示了，靜力平衡在浮力概念中的重要性。. 6. 參考節數 8+2.

(14) 測試項目 4-1 靜力學 (1)移動平衡. 主要內容 (a)力的測量。 (b)力的向量性質與力的合成分解。 (c)移動平衡的條件。. (2)力矩及轉動平衡. (a)力矩的定義 (b)轉動平衡的條件。. (3) 靜力平衡. (a)靜力平衡的條件。 (b)實驗：靜力平衡. (4)重心與質心. (a)重心與質心的定義。. (5)靜力學應用實例. (a)靜力平衡的應用。. 補充說明可涉及浮力，因浮力在國中已學過。. ▲表 1-3-3：大學入學考試中心所公佈之「99 課綱指考物理科命題方向」的部分內容. （四）學業成就（Academic Achievement）：是指個人在學業方面的表現，有低成就與高成就的分別。高學業成就是指學生的學科的成就高於預期的標準；低學業成就是指學生的學科成就低於預期的標準。（國家教育研究院學術名詞暨辭書資訊網 2016）本研究所使用的學校學業成就高低，是以學校為單位比較各校在概念上的轉變幅度來定義之。以三所公私立大學為例，在概念的轉變幅度為最大者為高學業成就學校；最低者則為低學業成就學校。. （五）概念（Concept）：概念是可以藉由經驗或多種具關係性的事物，經由歸納、整理與組織而得到一種具邏輯性的抽象符號。（Arnone 1971 ; 歐陽鍾仁，民國 77；Mervis＆Rosch 1981；Osborne＆Freyberg 1983；簡順永，民國 89 、魏明通，民國 86）。另外，黃台珠（1984）指出「概念亦是人類思考與了解的工具，亦是學習的基本單位。」. （六）迷思概念（Misconception）：過去有許多科學教育文獻指出「學生在概念學習時，是因為存在有自己建構出來的原本想法，才導致概念學習上的困難。」（Carey 1985；Hewson 1981 ； Posner & Strike & Hewson 1982 ；Roth 1991 ；邱美虹，民 82）然而這種自己建構出來的原本想法，通常與正統科學或者公認的科學定義有所出入，即稱之為迷思概念（Misconception）（Mcchelland 1985；Harckling 1985；Barrass 1984； Summers 1983 ； Ganville 1985）、另有想法（Alternative Framework）（Gilbert 7.

(15) 1933 ；Terry 1986 ；Arnaudin 1955)、原有知識（Prior Knowledge）（Hewson 1983）或既有概念（Pre-conception）（Shymansky 1988 ）。（七）概念的改變（Conceptual Change）：指學生在學習過程中，放棄與科學家不同的想法，而使原本的概念知識發生轉變或使概念的質與量增加（賈本惠 2002）。本研究僅著重在教學前後，科學概念改變的差異性比較。. （八）答案類型：為了方便事後於統計與分類，所有的受測對象在回答本調查問卷時，均被要求依照物理量的大小順序來表示答案，然而這些受測者所記下的答案形式，於本研究中將被稱為答案類型。. （九）浮力概念：以教育部所頒佈的「九十七國民中小學九年一貫自然與生活科技領域課程綱要」中，所提及的概念，例如：力平衡、在靜止液體中所受浮力等於排開液體的重量、物體在水中拿起來比較輕等。. 8.

(16) 第四節研究範圍與限制關於本研究的研究範圍與限制，如下：一、研究時間上的限制：本研究主要想探討學生在學習前、後的差異性，以及概念是否會隨著學生的年齡而有所成長。但由於無法長時間的連續追蹤學生的學習情況，故本研究找來了台北市三所不同學業成就的公私立大學，以 104 學年度入學且有修習普通物理實驗的大一新生（共 1,334 名）；以及新北市某國中的八、九年級普通班各兩班（共 115 名）作為研究對象。. 二、研究與調查上的限制：為配合各校授課老師的課程進度，在三所公私立大學與八、九年級生，所採用的施測方式不盡相同。在學校甲部分，是讓施測生自由領取問卷來完成施測；然而在學校乙、學校丙以及八、九年級部分，則是在授課教師監督下，讓所有在課堂的學生進行施測。在調查問卷部分，大一新生使用的調查問卷為普通物理圖表概念認知調查，此份問卷共包含有流體力學及熱力學兩部分。在八、九年級生部分，則是考量到不同年齡在語句及用字習慣的不同，因此我們修改了普通物理圖認知概念調查的題目語句，進而發展成針對八、九年級生使用的浮力概念調查問卷。. 三、人力上的限制：因為人力上的限制，研究者無法針對每一所學校做施測，因此本研究僅針對北部三所公私立大學的大一新生、新北市某所國中的八九年級生，做抽樣調查。另外，在大一新生所使用的普通物理圖表概念調查問卷，主要是針對流體力學、熱力學兩部做物理概念調查，但礙於人力因素，故本研究僅針對「流體力學」部分的調查結果做討論。. 四、其他的限制：本研究將著重在學生的迷思概念與概念轉變的差異，因此將不針對學生的數學能力差異性或語文閱讀能力等因素進行討論。. 9.

(17) 第二章文獻探討第一節迷思概念的形成與探討一、迷思概念（ Misconception）的意義：. 迷思概念（ Misconception）（Gilbert & Watts 1983 、 Lawrenz1986）一詞源自於 1940 年代的美國科學教育期刊（Science Education）（陳啟明 1991）。自 1970 年代後，科學教育家就常以類似的名詞科學錯誤概念（Science Misconception ）」為研究議題（王美芬 1992），探討學童在自然科學課程中的迷思概念。在過去的相關研究中，各研究者所遵循的哲理不同，因此給予迷思概念一詞不同的樣貌，其中以另有概念（Alertnative Conception）（M.G Hewson & P.W.Hewson 1983 ）、另有架構（Alertnative Framework）（ Driver & Easley, 1978）或既有概念（ Preconception）（Novak 1977、Ausubel 1968）這幾種名詞的使用最為廣泛。下面是國、內外諸位學者，對迷思概念一詞的定義與詮釋：（1）Gilbert & Watts（1983）: 大多學童對自然現象所抱持的看法、信念或原則，與課本或科學家的看法不同時，稱之。（2）Cho（1985）: 學童的概念與命題知識，與一般廣泛被接受的科學知識不同或不一致時。（3）Fisher（1985）: 迷思概念具有別於同領域專家的看法。（4）郭重吉（1989）: 迷思概念具有別於同領域專家的看法。（5）Clement（1993）: 一個概念與現在所接受的理論相互衝突時。（6）陳珊珊（1993）：學童在學習科學概念時，對科學概念產生誤解或對不同概念間的意義產生混淆時，或凡以學童自己的思考式所建立不被科學家所接受的概念時，稱之。（7）蘇育任（1994）: 學童在正式接受科學較於後，因為不當的同化，造成新、舊知識的連結不當而產生的概念 ; 或與當前所被接受的科學概念無法相容或產生衝突。（8）楊純珠（1999）：學童因為過去的生活經驗或學校的學習，而對於某些科學現象有獨特的想法或解釋，且不同一班公認的科學知識稱之。（9）Nicoll（2001）: 任何的概念或知識與所接受或科學定義有所不同時。 10.

(18) （10）陳淑筠（2002）: 迷思概念為學童的概念與現行廣受接納的科學知識相互衝突或有所差異者。年代 1983 1985. 1989 1993. 1994. 1999. 2001 2002. 研究學者 Gilbert & Watts. 詮釋內容大多學童對自然現象所抱持的看法、信念或原則，與課本或科學家的看法不同時，稱之。 Cho 學童的概念與命題知識，與一般廣泛被接受的科學知識不同或不一致時。 Fisher 迷思概念具有別於同領域專家的看法。郭重吉迷思概念具有別於同領域專家的看法。 Clement 一個概念與現在所接受的理論相互衝突時。陳珊珊學童在學習科學概念時，對科學概念產生「誤解」或對不同概念間的意義產生「混淆」時，或凡以學童自己的思考式所建立不被科學家所接受的概念時，稱之。蘇育任（1）學童在正式接受科學較於後，因為「不當的同化」，造成新、舊知識的連結不當而產生的概念。（2）與當前所被接受的科學概念無法相容或產生衝突。楊純珠學童因為過去的生活經驗或學校的學習，而對於某些科學現象有獨特的想法或解釋，且不同一班公認的科學知識稱之。 Nicoll 任何的概念或知識與所接受或科學定義有所不同時。陳淑筠學童的概念與現行廣受接納的科學知識相互衝突或有所差異者。 ▲表 2-2-1：國內外學者對迷思概念一詞的詮釋比較. 上表 2-2-1 是綜合諸位專家對迷思概念一詞的詮釋與見解。若針對字義本身的共通性，來做一概括性的解釋，研究者認為「學童透過自身的想法，試圖解釋一科學現象，但其想法概念與公認的科學知識有所出入與矛盾，即稱為迷思概念」。. 二、迷思概念的來源與特性：. 迷思概念的來源可以是來自家庭、同儕或學校。下列為國、內外的諸位學者，針對迷思概念的來源說法：. 11.

(19) （1）West & Sutton（1982）:來自實際經驗、日常用語（特別是隱喻）、同儕所允許及鼓勵的信念和意見，或來自正式或非正式的教學。（2）Osborne &Bell & Gilbert（1983）: 認為學童常以個人為思考中心，且只會考慮事物的本質，並由日常生活經驗來建構知識。此外，學童也容易對特別的事物，給予特別的解釋，而且這些解釋是不需要對不同現象找到合邏輯與不矛盾的解釋。社會的日常用語也會使學童產生異於科學家的想法，而且這些想法不太會隨著年齡的成長而有所改變。（3）Driver（1985）: 學童在問題情境的推理時，會將思考放在可觀察的特徵上，而且在這些問題情境中，學童會將注意力會聚焦在幾項明顯的特徵上。學童在解釋變化時，會將幾項不同的科學概念相互混淆使用，而且也會使用不同的概念，去解釋相同的情境問題。（4）Fisher（1985）: 來自於文字的聯想、知識的混淆、知識的衝突與不足。（5）Head（1986）: 迷思概念的來源來自日常生活經驗與觀察、因為類比所產生的混淆、隱喻字演的使用、同儕及一些天賦的概念。（6）Shuell（1986）:正確與錯誤的科學知識的交互作用。（7）Reif （1987）:來自學童片面知識的誤用與誤解。（8）郭重吉（1988）: 迷思概念來自於學童的日常生活用語與科學產生混淆、對科學概念中理想化情境的生疏和誤解，以及學童常以自我為中心。（9）Cobern （1989）：迷思概念的來源來自於學童錯誤的理解或學童本身的既有想法，以及學習者對事物的看法。（10）Jiang-Broaddstock（1992）: 迷思概念的來源來自於日常生活用語、親身經驗、同儕的想法、電視、學校的學習、兒童文學或科學博物館。（11）王美芬、熊召弟（1995）: 學童的迷思概念來源，是因為教師過分強調講述法，或對於學童的迷思概念缺乏興趣或察覺心，或認為只要一教，學童便能馬上能學會。此外，也可能是來自於日常生活中的言語和隱喻，以及教科書上所呈現的概念是錯誤的。. 年代 1982. 研究學者 West & Sutton. 詮釋內容（1）直接的實際經驗。（2）日常用語，特別是可使用的隱喻。（3）同儕所允許及鼓勵的信念和意見。 12.

(20) 1983. Osborne & Bell & Gilbert. 1985. Driver. Fisher 1986. Head. 1987 1988. Shuell Reif 郭重吉. 1989. Cobern. 1992. JiangBroaddstock. 1995. 王美芬、熊召弟. （4）正式或非正式的教學。（1）學童常以「個人」為中心，且只考慮事物的本質，並由日常生活經驗來建構知識。（2）學童容易對於特別的事物給予特別的解釋，而且不需要對不同現象找到合邏輯與不矛盾的解釋。（3）社會的日常用語，使學童產生異於科學家的想法，且這些想法不會隨著年齡的成長而有所改變。（1）學童在問題情境的推裡時，會將思考放在「可觀察」的特徵上。（2）在問題情境中，學童會將注意力會聚焦在幾項「明顯的」特徵上。（3）學童會將幾項不同的科學概念，相互混淆使用。（4）學童會使用不同的概念，去解釋相同的情境問題。來自於文字的聯想、知識的混淆、知識的衝突與不足。（1）來自日常生活經驗與觀察（2）因為類比所產生的混淆（3）隱喻字演的使用（4）同儕（5）一些天賦的概念正確與錯誤的科學知識的交互作用。來自學童片面知識的誤用與誤解。（1）學童的日常生活用語與科學產生混淆。（2）對科學概念中理想化情境的生疏和誤解。（3）學生以「自我」為中心。（1）學童錯誤的理解：未受教育的知識、錯誤的教導、錯誤的訊息。（2）學童本身的既有想法及學習者對事物的看法。（1）日常生活用語（2）親身經驗（3）同儕的想法（4）電視（5）學校的學習（6）兒童文學（7）科學博物館（1）教師對於學童的迷思概念缺乏興趣或察覺心。（2）日常生活中的言語和隱喻。 13.

(21) （3）教師認為只要教學，學童就馬上能學會（4）認為字和話語就可以代表了解（5）教科書上所呈現的概念是錯誤的（6）過分強調「講述法」。 ▲表 2-2-2：國內外學者對迷思概念來源的說法比較上表 2-2-2 為國、內外諸位學者，對迷思概念來源的說法比較。下面是針對迷思概念的來源說法做一歸納比較，根據迷思概念的來源種類，大致上可分為學童自身、學校與教師、社會文化三種主要來源：（1）學童自身：親身經驗、以個人為中心思考、不當的類比，以及錯誤的理解。（2）學校與教師：教師對於學童的迷思概念缺乏興趣或察覺心、只要教學，學童就馬上能學會、過分強調講述法，以及教科書上所呈現的錯誤。（3）社會文化：電視媒體、同儕、兒童文學，以及日常生活中的言語與隱喻。. 此外，鍾聖校（1994）也有針對迷思概念的特徵，提出幾項共同的特性：（1）過程性：迷思概念是在概念發展或學習的過程中出現。（2）不完備性：因為學童的思考不周，而導致所呈現的概念是片面而零碎的。（3）非正統性：迷思概念的想法有別於科學家的想法或對概念的定義。（Fisher 1985; Driver1985 ; Guesne 1985; Tierghien 1985 ; 郭重吉 1989）（4）思考性：迷思概念來自於直覺、錯誤的類比、不正確的推理或者不成熟的運思。（ Fisher 1985）（5）個別性：許多迷思概念是由同學自身的經驗所構築出來。（Driver1985 ; Guesne 1985; Tierghien 1985 ; 張川木 1986 ;郭重吉 1989）（6）普遍性：在某一特定的年齡層或文化族群裡，存在有某些迷思概念（Fisher 1985; Driver1985 ; Guesne 1985; Tierghien 1985 ; 張川木 1986 ; 郭重吉 1989 ）（7）頑固性：迷思概念通常是根深蒂固不易改變的。（Fisher 1985; Driver1985 ; Guesne 1985; Tierghien 1985 ; 郭重吉 1989）另外，也有少數的學者認為「某些迷思概念和早期科學家的想法是一致的」。（Fisher 1985 ; 張川木 1986 ; 郭重吉 1989）. 14.

(22) 第二節浮力的相關文獻探討一、浮力（Buoyancy）概念:. 科學史正是代表著一個概念的演變，而浮力（Buoyancy）在中西方的科學史發展上，都各自有著一段歷史故事。在中國歷史上有一段「曹沖秤象」的歷史故事；在西洋史上則是以阿基米德（Archimedes）的「真假皇冠」最廣為人知，然這段故事最後都演變成今天教科書上的「阿基米德原理（Archimedes’ Principle）」或「浮力原理」。因此研究者將循著這些科學哲理，利用推導原理的方式，來回顧阿基米德原理。如下圖 2-2-1 所示，若一柱高為 𝐻 且截面積為 𝐴 的圓柱體，置於一液體密度為 ρ 的靜止流體中。若圓柱體頂部所受的作用力為 𝐹$ 、圓柱體底部所受的作用力為 𝐹% ，則：物體置於靜止流體內所受的靜液壓力大小，與其液體密度𝜌、液面下的垂直深度 ℎ 以及重力場大小𝑔有關，其數學式可表示為： 𝑃＝𝜌𝑔ℎ. （2-2.1）. 若圓柱體頂部與底部所受的靜液壓力大小分別為𝑃$ 及 𝑃% ，則可以根據上式（2-3.1）可將𝑃$ 與𝑃% 表示為： 𝑃$ ＝ρgℎ$. （2-2.2）. 𝑃% ＝𝜌𝑔ℎ%. （2-2.3）. 由於壓強 𝑃的定義為「在單位截面積𝐴上，所受之垂直正向力𝐹」，故數學式可表示為： , 𝑃= （2-2.4） -. 因此我們可以將圓柱體頂部與底部所受的作用力𝐹$ 與𝐹% ，藉由上式（2-2.4）與（2-2.2）~（2-2.3）表示為： 𝐹$ ＝𝑃$ 𝐴 = 𝜌𝑔ℎ$ 𝐴. （2-2.5）. 𝐹% ＝𝑃% 𝐴 = 𝜌𝑔ℎ% 𝐴. （2-3.6）. 15.

(23) 而於靜止液體中的圓柱體，在鉛直方向上所受的合力大小為： 𝛴𝐹/ = 𝐹% − 𝐹$ = 𝜌𝑔ℎ% 𝐴 − 𝜌𝑔ℎ$ 𝐴 = 𝜌𝑔(ℎ% − ℎ$ )𝐴. （2-2.7）. 上式（2-3.7）中的 (ℎ% − ℎ$ ) 即為圓柱體的柱高 𝐻。因此，若乘上柱體的截面積 𝐴，則為圓柱體的體積𝑉。若定義鉛直方向的合力為圓柱體所受的浮力𝐵，則上式（2-3.7）可表示成： 𝛴𝐹/ = 𝐹% − 𝐹$ ＝𝜌𝑔𝑉＝𝐵. （2-2.8）. 密度即為質量與體積之比值。因此，上式（2-2.8）𝐵＝𝜌𝑔𝑉 中的物理量 𝜌𝑉，背後所代表的意義為體積為𝑉的液體質量，故 𝜌𝑔𝑉 的即為「圓柱體所排開的液體重」，其數學式可表示成： 𝐵＝ 𝑉𝜌𝑔＝圓柱體 (物體)所排開的液體重 . 𝑭𝟏. （2-2-9）. 𝒉𝟏 𝒉𝟐. 𝑯 𝑨. 𝑭𝟐. ▲圖 2-3-1：物體於靜止流體中於鉛直方向上的受力示意圖. 由這些推導過程中，可以歸納出浮力與密度、力平衡、壓力及靜液壓力概念，有著密不可分的關係。因此研究者將以這些概念做為發展試題的概念基礎。. 二、國中教科書中的浮力單元回顧：. 研究者同時參考了現行國民中學自然與生活科技領域，翰林版及康軒版的第四冊的教科書內容的浮力單元章節內容。發現，各教科書在正式介紹浮力概念前，常透過「人在游池內游泳，會覺得自己變輕」（康軒版）或「在泳池內抱人，會比較 16.

(24) 省力」（翰林版）的例子，來告訴學生浮力現象 ; 並且透過浮力實驗，例如：「讓金屬掛在彈簧秤下端，並使金屬沒入水中後，透握量測其彈簧秤讀數，來了解浮力概念（翰林版）」、「取等重金屬塊與黏土塊，分別將其懸掛在自製桿秤的兩端，並使其達平衡 ; 接著，再讓金屬塊沒入水中後，桿秤會往黏土塊的一端下傾，這暗示了沒入水中的金屬塊變輕了（康軒版）」，讓學生了解「浮力即為物體在水中所減輕的重」，即：. ▲圖 2-3-2：浮力為物體在水中所減輕的重（翰林版課本截圖）. 再來，則是引導學生進入阿基米德原理及其數學式，即浮力就等於物體於液面下的體積乘以液體（水）的密度，下圖 2-3-2（a）與（b）為的比較. （a）. （b） ▲圖 2-3-3：浮力就等於物體於液面下的體積乘以液體（水）的密度（圖 a 為翰林版；圖 b 為康軒版課本截圖）. 最後再浮力的成因部分，康軒版的課本正文中，有提到浮力的成因即為「物體在液中所受到的液體壓力差」; 而在翰林版部分，則是將這部分的概念，放在補充資料中，其中下圖 2-3-4 為康軒版課本截圖。. ▲圖 2-3-4：浮力即為物體在液中所受到的液體壓力差（康軒版課本截圖）. 三、浮力相關的迷思概念文獻探討：. 自過去以來，浮力的迷思概念相關研究，一直都是國內、外科學教育研究上，經常被討論的議題。研究對象從 6 歲的兒童（Piaget 1995；Inhelder 1955）到中學生（Biddulph 1983；Osborne 1983；Hewson 1986；郭重吉 1989；江新合 1992；林俊義 17.

(25) 2001； She 2002；吳昆勇 2002）甚至到職前的教師（劉翠伶 2003）都有。有如此大數量的研究文獻，意味著過去的這些學生，在學習浮力這一單元概念中，存在有各式各樣值得探究的迷思概念類型。下列是針對過去國、內外於浮力迷思概念相關研究的研究文獻結果分述：（1）Piaget＆Inhelder（1955）：以六歲孩童作為研究對象探究孩童對沉、浮的體解釋方式。經研究結果發現，孩童認為球與蠟燭是「圓」的因此會下沉；針很「輕」因此會浮起來，但若用手將其向下壓，則針會下沉。有此可知，幼兒在分類物品的沉浮標準不一。（2）Biddulph＆Osborne（1983）：針對 7～14 歲的學童做浮力概念的研究，研究結果發現，孩童判斷物體沉浮的標準，是依「物體的成份」（塑膠可能浮，鐵的物質則會沉）、「是否含有空氣」（含有空氣的就會浮）、「物體的長度、形狀」（較長的物體可能會沉）、「是否中空」（中空的物體可能會浮）、「液體的深度」（物體比較會沉在較深的液體中）來判斷。（3）Dentici & Grossi & Borghi & De Ambrosis（1984）：針對 6-8 歲的學童做浮力概念的研究。其研究結果發現，孩童會以「物體的重量、組成或形狀」來判斷物體的沉浮。. （4）Hewson（1986）：以 14～22 的南非地區學童，做浮概念的研究。其研究發現，學童無法正確解題的原因，是因為學童缺乏密度的概念，特別是體積的部分。（5）郭重吉（1989）：針對國一、二的學生做浮力概念的研究。研究結果發現，學生的迷思概念有 ─ 浮體之所以能漂浮，是因為「物體本身是空心的」或因為「浮力大於重力」的關係；水愈多時，物體浮中水面的體積愈多;物體在海水中較容易浮得起來，是因為海水有鹽分的關係。（6）江新合（1992）：針對國中生做浮力概念的研究，並根據其研究結果歸納出這幾項迷思概念的四大類型：「因為浮力相關概念的定理或公式的錯誤記憶所導致」、「利用自身的生活經驗取代了課本中的正確概念」、「利用所學不相干的新概念，來解釋浮力現象」、「對浮力的成因、變因分析不清」。（7）許嘉玲（1997）：針對國中生做浮力概念的研究，並根據其研究結果歸納出幾項迷思概念類型：「物體浮出水面，是因為是空心的」、「物體浮於水面，是因為所受的浮力比較大」、「液體愈多，則物體在液中所浮出的體積會愈多」、「物體浸於液中時，物體頂部的上壓力會與頂部的下壓力相等」、「物體浸於液中時，物體頂部所受液體之下向作用力，會恰好與物體所受液體的浮力相互抵消」、「熱氣球充滿空氣時會上升是因為熱空氣上升的原理，因此與浮力無關」以及「液體對懸掛的沉體沒有施加作用力」。 18.

(26) （8）陳振威（1999）：針對國小六年級的學童為研究對象，做物體沉浮的研究。根據其研究結果指出，學童常以物體的「體積、重量、實心或空心」作為判斷物體的沉浮的依據。（9）林俊義（2001）：針對國二生做浮力概念的研究。根據其研究結果指出，學生常以物體的「輕重」、「是否含有空氣」來決定物體的沉浮情形；另外，有學生認為「液體體積較多者」，就能使物體浮起;以及浮體浮在水面上是因為「浮力大於重力」的關係。. （10）佘曉清（2002）：以 14-15 歲為研究做浮力概念的研究，根據研究的結果指出，學童認為若將黏土捏成「實心球」則會下沉，但若捏成「船型」則會上浮;以及，物體與液體的「接觸面積」與所受的浮力大小有關。（11）吳昆勇（2002）：以國二為研究對象，做浮力概念的研究。根據研究結果歸納出幾項迷思蓋念類型：「錯誤的使用所學的浮力概念」或「僅單一利用物體的密度、體積、重（質）量，來判斷浮力大小」、「只要同樣是沉體或浮體，不論物體在液體的體積或密度如何變化，浮力都相等」、「沉體不受浮力作用」以及「浮力大小和物體與液體的接觸面積有關」。（12）劉翠伶（2003）：則是以職前的理化科教師為研究對象，做浮力概念的研究調查。根據其調查結果發現，職前教師的迷思概念類型，大致上與國中生的類型是相同的。年代 1955. 研究學者 Piaget＆ Inhelder. 研究對象 6 歲孩童. 1983. Biddulph＆ Osborne. 7-14 歲學童. 1984. 6-8 歲孩童. 1986. Dentici & Grossi & Borghi & De Ambrosis Hewson. 1989. 郭重吉. 14-22 歲學童（中學生）國一、二生. 研究結果與發現球與蠟燭是「圓」的因此會下沉;針很「輕」因此會浮起來，但若用手將其向下壓，則針會下沉。因此，幼兒在分類物品的沉浮標準不一。以「物體的成份」（塑膠可能浮，鐵的物質則會沉）、「是否含有空氣」（含有空氣的就會浮）、「物體的長度、形狀」（較長的物體可能會沉）、「是否中空」（中空的物體可能會浮）、「液體的深度」（物體比較會沉在較深的液體中）來判斷物體的沉浮。以「物體的重量、組成或形狀」來判斷物體的沉浮。無法正確解題的原因，是因為學童對於「密度」概念的缺乏，尤其是「體積」部分。 (1)浮體之所以能漂浮，是因為「物體本身是 19.

(27) 1992. 江新合. 國中生. 1997. 許嘉玲. 國中生. 1999. 陳振威. 國小六年級. 2001. 林俊義. 國二（八年級）. 2002. 佘曉清. 14-15 歲學生. 吳昆勇. 國二（八年級）. 空心的」或因為「浮力大於重力」。 (2)水愈多時，物體浮中水面的體積愈多。 (3)物體在海水中較容易浮得起來，是因為海水有鹽分的關係。 (1)因為浮力相關概念的定理或公式的「錯誤記憶」所導致。 (2)利用自身的「生活經驗」取代了課本中的正確概念。 (3)利用所學「不相干」的新概念，來解釋浮力現象。 (4)對浮力的成因、變因分析不清。 (1)物體浮出水面，是因為是空心的。 (2)物體浮於水面，是因為所受的浮力比較大。 (3)液體愈多，則物體在液中所浮出的體積會愈多。 (4)物體浸於液中時，物體頂部的上壓力會與頂部的下壓力相等。 (5)物體浸於液中時，物體頂部所受液體之下向作用力，會恰好與物體所受液體的浮力相互抵消。 (6)熱氣球充滿空氣時會上升是因為熱空氣上升的原理，因此與浮力無關。 (7)液體對懸掛的沉體沒有施加作用力。常以物體的「體積、重量、實心或空心」等不同概念，作為判斷物體的沉浮。 (1)以「物體的輕重」來決定物體的沉浮情形（重的物體會沉、輕的物體會浮）。 (2)液體體積較多者，就能使物體浮起。 (3)物體含有空氣就能漂浮。 (4)浮體浮在水面上是因為浮力大於重力所致。若將黏土捏成「實心球」則會下沉、若捏成「船型」則會上浮;物體與液體的接觸面積與所受的浮力大小有關。 (1)錯誤的使用所學的浮力概念。 (2)僅單一利用物體的「密度、體積、重（質）量等物理量」來判斷浮力大小。 (3)只要同樣是沉體或浮體，不論物體在液體的體積或密度如何變化，浮力都相等。 20.

(28) 2003. (4)沉體不受浮力作用。 (5)浮力大小和物體與液體的接觸面積有關。劉翠伶職前理化科教 (1)僅以「物體體積」來判斷浮力師 (2)僅以「物體質量」來判斷浮力 (3)僅以物體「本身的特性」來判斷浮力 (4)僅以「液體密度」來判斷浮力 (5)用「分子力」或「物體與液體的密度差」來解釋浮力 ▲表 2-3-5：國、內外的浮力迷思概念相關研究結果與比較. 此外，在 Stepans 等人（1986）的浮力概念相關研究指出，不同階段所使用的「語彙」也不盡相同。例如：於國小階段的學童，在語彙的使用偏向「輕、重或重量」; 但在國中階段的學童，則會使用較深與抽象的科學語彙，像是密度、物理性質、表面張力等科學語彙，來解釋物體的沉浮現象。因此，根據上表 2-3-5 中，我們發現到浮力的迷思概念類性具有「普遍性」（Fisher 1985 ; Driver 1985；Guesne 1985 ；Tierghien 1985 ; 郭重吉 1989 ; 鍾聖校 1994），也就是說許多迷思概念類型都存在於「不同的年齡層」、「不同的地區」或「不同的國度」中（江新合 1991; 張川木 1986; 鍾聖校 1994）；此外，江新合（1991）也指出「學童常以日常生活的經驗來取代課本的正確知識」。因此，於各種年齡層所出現出的迷思概念類型，不外乎與「物體的外觀、幾何形狀、空實心」或「物（液）體的物理量（例如：密度、體積、重量、質量）」或「物體於液體中的位置」或與「液體的接觸面積」以及「其他不相關概念」有關。故，我們根據上表 2-3-1 中的迷思概念類型，歸類整理成以下的主要「八種」類型：（1）以物體的「外觀、形狀、空心或實心」作為判斷浮力的依據（Piaget 1995；Inhelder 1995; Biddulph 1983；Osborne1983；Dentici 1984； Grossi 1984； Borghi 1984 ；De Ambrosis 1984；陳振威 1999；She 2002；郭重吉 1989；吳武雄 1989；林福榮 2001；王龍錫 1991；許嘉玲 1997）（2）僅以「物體的重（質）量」作為判斷浮力的依據（Dentici 1984； Grossi 1984； Borghi 1984； De Ambrosis 1984；郭重吉 1989；陳振威 1999；林俊義 2001；吳昆勇 2002；劉翠伶 2003；Rowell 1997；Dawson 1977；王龍錫 1991；許嘉玲 1997；林福榮 2001）（3）誤用「物體的體積」來作為判斷浮力的依據（Hewson1986；郭重吉 1989；陳振威 1999；林俊義 2001；吳昆勇 2002；劉翠伶 2003；許嘉玲 1997；林福榮 2001）. 21.

(29) （4）誤用「物（液）的密度」來作為判斷浮力的依據（吳昆勇 2002 ; 劉翠伶 2003 ; 郭重吉 1989 ; 許嘉玲 1997 ; 林福榮 2001 ; Mullet 1988；Montcouquiol 1988）（5）誤用「物體於液體中的位置」來作為判斷浮力的依據（Biddulph 1983； Osborne 1983； Mullet 1988； Montcouquiol 1988；黃湘武 1987）（6）誤用「物體與液體的接觸面積」來作為判斷浮力的依據（She 2002 ; 吳昆勇 2002）（7）錯誤的使用浮力概念來解釋浮力現象（吳昆勇 2002；郭重吉 1989；林俊義 2001；黃湘武 1987）（8）以「不相干的概念」解釋浮力現象（江新合 1992；劉翠伶 2003）. 此外，在江新合（1992）的研究中也指出，學童在浮力的迷思概念中，常犯的四大類型為：（1）定理或公式的「錯誤記憶」所導致;（2）利用自身的「生活經驗」取代了課本中的正確概念;（3）利用所學「不相干」的新概念，來解釋浮力現象;（4）對浮力的成因、變因分析不清。（廖棍熙 2001）. 22.

(30) 第三章研究方法與工具第一節研究架構與流程一、研究架構：. 本研究挑選了三所公私立學校的大一新生作為研究對象，並以浮力作為主要的概念測驗章節，探討學生是否能正確運用或連結相關的浮力概念來解決浮力問題。在這部分的調查研究，將比較各校大一新生的答題表現、答案類型與迷思概念類型，並根據受測者的入學方式等以，調查各校在多元入學管道上的招生策略及所招收到的學生特質 ; 另外，我們也將透過與八、九年級生的答題表現比較，探討學習前、後的學生，在答案類型與迷思概念類型上的差異，以及學生的概念是否會隨著年齡而增長。以下是本研究的研究架構與內容，一共分成「針對各校在多元入學方案所採取的策略及招收的人數比例調查」及「針對高中的課綱」這兩種調查面向：. （一）針對各校在多元入學方案所採取的策略及招收的人數比例調查：根據受測者的學習歷程資料，將甲、乙、丙三校學生入學方式做為資料分類依據，探討各校在多元入學方案上，所採取的招生策略。. （二）針對高中的課綱：比較三所學校的答題表現與答案類型，並於施測後透過「晤談」的方式，來診斷學生的迷思概念，再藉由與八、九年級生的答題表現、答案類型，以及迷思概念類型比較，來探討「學生在學習前、後，概念上的轉變」以及「學生的概念，是否會隨著年齡的成長而增長」。. 23.

(31) 二、研究流程：. 如下表 3-1-1 為，本研究的研究流程、規畫與劃分說明。本研究流程一共可為三個階段：. （一）第一階段（2015 年 8 月）：此階段為準備階段，主要在蒐集與分析國內外的相關文獻資料及國、高中課綱內容。同時與指導教授及多位參與研究的教授，討論施測試題，並於 2015 年 8 月底前完成「普物物理圖表認知概念調查問卷」的試題發展。. （二）第二階段（2015 年 9 月～2016 年 4 月）：此階段為實施階段。分有大一新生與八、九年級生兩部份：. （1）大一新生部分：於 2015 年九月各校開學時的第一堂普通物理實驗課，針對三校的大一新生做施測，並於同年十月底前完成，三校大一新生的調查結果統計。根據大一新生的錯誤答案類型，發展晤談題目，並於十二月底前，完成三校所有學生的晤談。於 2016 年二月前，完成晤談的文字稿，並根據晤談結果，整理各校大一新生主要的迷思概念類型。（2）八、九年級部分：參考大一新生的施測結果，發展適合國中生使用的「浮力概念調查問卷」。於 2016 年四月初完成所有八、九年級生的施測調查，並於同年四月初完成調查結果的統計，並開始論文的攥寫。. （三）第三階段（2016 年 5 月）：此階段為評估階段，主要針對研究結果做分析，並提針對教學或相關的教育改革，提出建議與改善方法。. 24.

(32) 相關文獻資料探討 ↓ 分析物奧試題與國、高中課本相關概念 ↓ 選定研究主題與研究對象編製「普通物理圖表概念調查」問卷（大一生適用） ↓ 大一新生正式施測 ↓ 回收問卷、資料分析整理 ↓ 發展「大一新生」的「晤談」試題 ↓ 晤談「大一新生」 ↓ 整理與分析晤談結果 ↓ 編製「浮力概念調查」問卷（八、九年級生適用） ↓ 八、九年級生正式施測 ↓ 回收問卷、資料分析整理. ▲表3-1-1：研究流程圖. 25. 【準備階段】 2015年8月. 【實施階段】 2015年9月｜ 2016年4月. 【評估階段】 2016年4月｜ 2016年5月.

(33) 第二節研究對象本研究對象共分有兩部分：第一部分是針對台北市三所公、私立學校，以有修習普通物理實驗的大一新生（104學年度入學）為主要研究對象 ; 第二部分是針對新北市某國中八、九年級的普通班學生，進行施測。另外，於正式施測前只有大一新生以及九年級生，有學習過相關的浮力概念。以下是對於本研究對象的樣本取樣做說明：一、大一新生：（一）學校甲：為配合授課教師的課程規劃，學校甲的施測方式是採「自願性作答」，即將施測問卷發放給各系的普物實驗助教，再藉由助教的宣導，讓學生自由索取填寫問卷，因此各系的施測人數整齊不一。下表3-2-1為學校甲參與施測的科系與人數：. 系所名稱電機系生工系化工系森林系牙醫系機械系工海系. 參與施測人數系所名稱參與施測人數 113人土木系 86人 50人物治系 32人 108人生機系 31人 28人地質系 19人 35人化學系 11人 47人生科系 8人 27人 ▲表3-2-1：學校甲各系參與施測的人統計. （二）學校乙：學校乙的施測方式是採「強制性作答」，即於開學第一堂的實驗課，利用課前的30分鐘，將施測問卷發放給所有修課的學生填寫。下表3-2-2為學校乙參與施測的科系與人數：. 系所名稱參與施測人數化學系 75人地科系 38人物理系 71人工教系 52人數學系 39人生命科學系 38人 ▲表3-2-2：學校乙各系參與施測的人數統計 26.

(34) （三）學校丙：學校丙的施測方式也是採「強制性作答」。另外，該校於開學時，另有安排一項物理相關的調查測驗，因此本調查問卷是與丙校所安排的物理測驗同時施測。各系所參與施測的人數，下表3-2-3為學校丙參與施測的科系與人數：. 系所名稱參與施測人數機械系 108人化工系 103人電機系 54人材料系 103人生工系 87人 ▲表3-2-3：學校丙各系參與施測的人數統計. 二、八、九年級生：以新北市某國中的八、九年級生普通班（各兩班）為施測對象，利用理化課的課堂時間進行施測。下表3-2-4八、九年級生參與施測的人數統計：. 年級. 參與施測人數 58 八年級（A班：28人、Ｂ班：30人） 57 九年級（A班：28人、Ｂ班：30人） ▲表3-2-4：八、九年級生參與施測的人數統計. 27.

(35) 第三節研究工具一、普通物理圖表概念認知調查工具發展：（一）2015 物理奧林匹亞初賽試題分析：針對大一新生所發展的普通物理圖表概念認知調查紙筆測驗工具，主要來自 2015 物理奧林匹亞初賽試題中，第一部分填充題的第五題。題目敘述如下：. 「一內有金屬塊 W 之小木桶，整體浮在一裝有水之容器水面上。今將金屬塊 W 由木桶內取出置入容器之水中，金屬塊在沉入底部後，試問容器內的水面高度 h 之變化是上升、下降亦或是不變？ (8) 。」. ▲圖 3-3-1：2015 物理奧林匹亞初賽試題第五題示意圖. 在接下來的部分，將針對此道物奧初賽試題，進行試題分析，以藉此能進一步了解學生具備有哪些物理概念，才能夠順利應答。以下是研究者根據原題意，所繪製出的步驟分解圖（如下圖 3-3-2 所示），同時也針對此道試題提供參考解法： 𝑾木 . 𝑾木 . 𝑾 h’. h 𝑾 ▲圖 3-3-2：步驟分解圖. 假設小木桶的重量為 W 木、金屬塊的重量為 W 且原液面高度為 h 。視金屬塊 W 及小木桶 W 木為一系統，若系統所受到浮力為 B1，則根據靜力平衡的條件，系統在鉛直方向上所受到的外力總和恆為零，故： Σ𝑭鉛直 = 𝑾木 + 𝑾 + 𝑩𝟏 = 𝟎 或 𝐵$ = 𝑊木 + 𝑊 28. （1）.

(36) 若將重 W 的金屬塊，從小木桶取出置入水中並待其沉於底部後，此時液面高度為 h’ （如上圖 3-3-2 右圖所示）。若小木桶與金屬塊，所受的浮力分別為 B 木與 B 金，同樣可以根據「靜力平衡」的條件，小木桶與金屬塊在鉛直的方向上，所受的外力總和恆等於零，即： Σ𝑭A = 𝑩木 + 𝑾木 = 0 或 𝐵木 = 𝑊木與 Σ𝑭A = 𝑩金 + 𝑾 + 𝑵 = 0 或 𝐵金 = 𝑊 − 𝑁 再根據浮力公式 𝐵 = 𝑉𝜌𝑔 及密度的定義 𝜌 = 𝐵金 = V金 𝜌水 𝑔 =. E金 H金. E F. 𝜌水 𝑔 = 𝑊. （2）（3）. ，將上（3）式改寫為 H水 H金. （4）. 因此，若視小木桶與金屬塊為一系統，則系統所受的浮力𝐵% 即為「小木桶所受的浮力 B 木與金屬塊所受的浮力 B 金總和」。根據上（2）及（4）式，可以將此結果表示為： 𝐵% = 𝐵木 + 𝐵金 = 𝑊木 + 𝑊. H水 H金. （5）. 由阿基米德原理知道「浮力即為排開的液體重 𝑊」；因此，浮力的變化 ∆𝐵 即可視為排開液體重的變化量 ∆𝑊。今將盛水容器內水量（液體容積）表示為𝑀 = 𝐴 ∙ 𝑦 （其中 A 為盛水容器之底面積、y 為液面的高度），則浮力的變化 ∆𝐵可記為： ∆𝐵 = ∆𝑊排開的液重 = (∆M水量 )𝑔 = 𝐴(𝑦 ′ − 𝑦)𝜌水 𝑔. （6）. 若將上式（1）與（5）的結果代入（6）式中化簡，我們可以得到： ∆𝐵 = 𝐵木 + 𝐵金 − 𝐵$ = 𝑊木 + 𝑊 ∆𝐵 = 𝑊. H水 H金. 𝜌水 𝜌金或. − (𝑊木 + 𝑊) = 𝐴(ℎ′ − ℎ)𝜌水 𝑔. − 1 = 𝐴(ℎ′ − ℎ)𝜌水 𝑔. 藉由金屬塊沉於水底的條件，我們知道「金屬塊的密度大於水的密度」，即. 29. （7）.

(37) 𝜌金 > 𝜌水或 . H水 H金. <1. （8）. 即暗示了，上（7）式的恆等式必「小於零」，即： ℎ′ − ℎ < 0 或. ℎ′ < ℎ. （9）. 另外，我們也可以藉由下面的方法，得到一樣的答案結果。因此，浮力的變化量∆𝐵，即為金屬塊投入水中後的浮力𝐵% 與投入水中前的浮力𝐵$ 之差值，故可透過上式（1）~（3）與（5），得： ∆𝐵 = 𝐵% − 𝐵$ = 𝑊木 + 𝑊 − 𝑁 − 𝑊木 + 𝑊 = −𝑁. （10）. 根據上式（6）的結果，可將上式（10）改寫成： ∆𝐵 = −𝑁 = 𝐴(ℎ′ − ℎ)𝜌水 𝑔. （11）. 這暗示了上式（11）「恆為負值」，即： ℎ′ − ℎ < 0 或 ℎ′ < ℎ. 即式（9）. 這樣的數學結果，暗示了「將金屬塊投入水中，待其沉入水底後的液面高度會下降」。. 下表 3-3-3 是根據分析物奧試題，總結幾項解題時所運用到的概念，其中包含「浮力」、「密度」以及「力平衡」的概念。概念密度. 命題陳述 E （1）是否能正確運用密度的定義 𝜌 = 。 F. （2）是否能從物體的沉浮情形來判斷，物體的密度大小。力、力平衡浮力. （1）是否具備有分析系統的能力。（2）是否能利用力平的概念，判斷出靜止浮體所受的浮力即為本身的重量。（1）是否能正確利用阿基米德原理：浮力等於排開的液體重。（2）是否能正確運用浮力公式（𝐵 = 𝑉𝜌𝑔）。 ▲表 3-3-3：概念表. 30.

三所公私立大學大一新生之「入學方式」與「物理迷思概念」 關聯性研究:以浮力概念為例

三所公私立大學大一新生之「入學方式」與「物理迷思概念」關聯性研究:以浮力概念為例