智慧型手機APP融入高一特色課程之研究

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(1)國立臺灣師範大學物理學研究所碩士學位論文. 指導教授：賈至達博士. 智慧型手機 APP 融入高一特色課程之研究 Smartphone APP apply to senior high school first-year special topic course. 研究生：林彥宏撰中華民國一 ○ 七年七月.

(2) 摘要為了因應108課綱的推行，加上現代智慧科技的發展，本研究設計兩種不同主題的智慧型手機融入探究式課程，第一種為利用手機測量球撞擊地面的恢復係數，第二種同樣利用手機觀察與測量聲音共振的現象，並於兩次課程的前後進行試題測驗，探討兩次課程對學生的科學探究能力的影響程度。試題測驗對象除了本研究設計課程授課之學生，亦包涵其他高中一年級班級之學生，且根據特色課程的教學模式進行以下分組：有進行智慧科技教學模式的38位學生，稱為智慧科技組；沒有進行智慧科技教學模式的72位學生，稱為無智慧科技組；智慧科技組再分為有進行探究式教學的19位學生，稱為探究組；以及沒有進行探究式教學的19位學生，稱為無探究組。試題指標參考十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要的兩項探究能力(思考智能與問題解決)所包含的八個子項，進行分析瞭解不同教學模式對學生探究能力的影響： 1.比較執行或不執行智慧科技教學模式，探討智慧科技教學模式是否有助於提升探究能力；2.同樣進行智慧科技教學的環境下，探討執行或不執行探究式教學模式對探究能力的影響；3.將無智慧科技組的試題結果作為一般高中生的探究能力標準，探討本研究課程設計對學生探究能力的變化。從分析結果中得到智慧科技教學模式有助於提升「批判思辨」及「建立模型」兩項探究能力。同樣進行智慧科技教學的環境下，進行探究式教學模式有助於提升「計畫與執行」、「分析與發現」、「討論與傳達」三項探究能力，且多數學生對於利用智慧型手機進行實作表示新鮮有趣，也體會到如何善用智慧型產品作為學習科學的工具之一。. 關鍵字：十二年國民基本教育、自然科學領域課程綱要、探究與實作、手機APP. I.

(3) Abstract Two designed teaching subjects, restitution coefficient and sound resonance, were implanted into a first-year high-school physics course, and the inquiry-based learning method is adopted for teaching. The two subjects have utilized the physics-related APP of smart devices for learning practices in the classroom. This research was conducted in a local high school in Taipei City. A group of students taught by the inquiry method with smart devices is called test group (TG), and the other group treated with traditional way is called comparison group (CG). “Thinking Ability” and “Problem Solving” are two inquiry abilities that defined in the Science Curriculum of 12-years Basic Education. There are eight dimensions to fulfill the requirement of these two inquiries and these eight dimensions were used to characterize and analyze the learning results in TG and CG groups. The results show that teaching utilizing the APPs of smart devices helps students in “Critical Thinking” and “Modeling”. Inquiry method involves smart devices can improve students’ abilities in “Planning and Implementation”, “Analysis and Discovery” and “Discussion and Communication”. Most students expressed a high interest in learning physics by using the APPs of smart devices, and smart devices do have a positive influence on students’ learning in the regular classroom.. Key words：Science Curriculum of 12-years Basic Education, Inquiry and Practice, APP.. II.

(4) 目錄摘要............................................................................................................................. ....I 目錄............................................................................................................................ ...III 表目錄............................................................................................................................V 圖目錄.......................................................................................... ...............................VII 第一章. 緒論................................................................................................................1. 第一節. 研究動機與背景......................................................... .....................1. 第二節. 研究目的與問題....................................................................................2. 第三節. 名詞解釋................................................................................................3. 第四節. 研究範圍與限制..................................................... ...............................7. 第二章. 文獻探討.............................................................................................................8. 第一節. 知識架構..............................................................................................8. 第二節. 課程架構................................................................ ..............................10. 第三節. 教學教法.............................................................................................. 12. 第四節. 課程安排與內容.................................................... ..............................16. 第三章. 研究方法..........................................................................................................21. 第一節. 研究對象與情境.................................................... ..............................21. 第二節. 研究設計與流程.................................................... ..............................22. 第三節. 研究工具................................................................ ..............................25. 第四節. 研究資料分析…................................................. .............................30. 第四章. 研究結果與討論...................................................................................................33. 第一節. 信度分析結果................................................................................. 33. 第二節. 智慧科技教學模式對探究能力變化情形 ..........................................33. 探究教學模式對探究能力變化情形 .............................................. ....42 第四節探究組各探究能力子項變化情形 .......................................................46 第五節課後問卷分析 ..................................................... ...............................49 第五章結論....................................................................................................................53 第一節分析結果................................................................ ..............................53 第二節子項結果討論................................................................................56 第三節課程與試題設計討論................................................................................57 第四節研究檢討..................................................................................... 59 參考資料................................................................................................ ....................61 第三節. 附錄................................................................................................ ..............................63 附錄一. 前測試題評量..........................................................................................63. 附錄二. 後測試題評量.........................................................................................71. 附錄三. 課後問卷....................................................................................................80. 附錄四. 恢復係數學習單.............................................................................................81 III.

(5) 附錄五. 共振現象學習單.............................................................................................85. IV.

(6) 表目錄表 1-3-1 表 2-2-1 表 2-3-1 表 2-3-2 表 2-4-1 表 2-4-2 表 2-4-3 表 2-4-4 表 3-2-1 表 3-3-1. 科學探究子項與指標對照表……..............................................................................4 探究歷程的基本要素................................................................................................10 探究教學種類比較....................................................................................................12 以手機作為測量工具之優缺點................................................................................13 恢復係數測量課程進行順序與時間分配表............................................................17 恢復係數測量預設探究方向與器材準備................................................................18 共振現象測量課程進行順序與時間分配表............................................................20 共振現象測量預設探究方向與器材準備................................................................20 不同分析組別與人數對應關係................................................................................22 前後測各子項評斷內容統整....................................................................................25. 表 3-3-2 表 3-3-3 表 3-3-4 表 3-3-5 表 3-3-6 表 3-4-1 表 3-4-2 表 4-1-1 表 4-2-1 表 4-2-2. 前測試題題號與探究能力子項對照表....................................................................26 探究能力子項之評分指標內容................................................................................26 後測試題題號與探究能力指標對照表....................................................................27 探究能力子項之評分指標內容................................................................................28 課後問卷探討內容與核心問題對照表....................................................................29 探究內容與分析方法對照........................................................................................31 信度指標....................................................................................................................32 信度分析結果............................................................................................................33 特色課程前後測驗之成對樣本 T 檢定與 ES 值結果..............................................34 智慧科技組與無智慧科技教學組之迴歸係數同質性檢驗結果.............................35. 表 4-2-3 智慧科技組與無智慧科技教學組之 Levene’s 同質性變異數檢定結果.................35 表 4-2-4 智慧科技教學有無之組間效應項檢定結果............................................................36 表 4-2-5 智慧科技組與無智慧科技教學組之調整後平均值結果........................................36 表 4-2-6 無探究組與無智慧科技組前後測驗之成對樣本 T 檢定與 ES 值結果..................38 表 4-2-7 無探究組與智慧科技組之迴歸係數同質性檢驗結果............................................39 表 4-2-8 無探究組與智慧科技組之 Levene’s 同質性變異數檢定結果............................... 39 表 4-2-9 無探究組與智慧科技組之組間效應項檢定結果....................................................40 表 4-2-10 無探究組與無智慧科技組之調整後平均值結果..................................................40 表 4-3-1 智慧科技教學模式前後測驗之成對樣本 T 檢定與 ES 值結果..............................42 表 4-3-2 探究組與無探究組之迴歸係數同質性檢驗結果....................................................43 表 4-3-3 探究組與無探究組之 Levene’s 同質性變異數檢定結果........................................43 表 4-3-4 探究組與無探究組之組間效應項檢定結果............................................................44 表 4-3-5 探究組與無探究組之調整後平均值結果................................................................44 表 4-4-1 探究組各項度 ES 值大小..........................................................................................46 表 4-5-1 智慧產品及網路資源與教育學習的連結程度比較................................................50 表 4-5-2 探究與實作課程的適應程度比較............................................................................50 V.

(7) 表 4-5-3 學生對小組合作的想法類型比較............................................................................51 表 4-5-4 最有印象的主要原因................................................................................................52. VI.

(8) 圖目錄圖 2-1-1 圖 2-1-2 圖 2-3-1 圖 2-3-2 圖 2-4-1 圖 2-4-2 圖 3-2-1 圖 3-2-2 圖 3-2-3 圖 3-4-1. 恢復係數知識架構圖..................................................................................................9 共振知識架構圖..........................................................................................................9 反彈高度與時間間隔之數學關係............................................................................15 喇叭、塑膠管與偵測器擺設位置示意圖..................................................................15 恢復係數測量課程流程圖........................................................................................17 共振現象測量課程流程圖........................................................................................19 不同分組模式探討對科學探究能力的影響............................................................23 課程設計流程............................................................................................................24 素養題目設計流程....................................................................................................24 測驗資料分析流程....................................................................................................31. 圖 4-2-1 圖 4-2-2 圖 4-2-3 圖 4-2-4 圖 4-3-1 圖 4-3-2 圖 4-4-1 圖 4-4-2 圖 4-4-3 圖 4-4-4. 全體施測學生各子項 ES 值......................................................................................34 智慧科技組與無智慧科技組之 ES 值比較..............................................................37 無探究組與無智慧科技組各子項 ES 值..................................................................38 無探究組與無智慧科技組之 ES 值比較..................................................................41 探究組與無探究組各子項 ES 值..............................................................................42 探究組與無探究組之 ES 值比較..............................................................................45 探究組與無智慧科技組之 ES 值比較......................................................................47 總成績平均值變化....................................................................................................48 思考智能平均值變化....................................................................................................48 問題解決平均值變化....................................................................................................49. 圖 4-5-1 圖 4-5-2 圖 4-5-3 圖 5-1-1 圖 5-1-2. 智慧產品及網路資源與教育學習的連結程度關係圖..............................................50 探究與實作課程的適應程度關係圖...........................................................................51 最有印象課程比較關係................................................................................................52 不同教學模式之思考智能 ES 值比較.........................................................................53 不同教學模式之問題解決 ES 值比較.........................................................................54. VII.

(9) 第一章緒論研究者從求學時期至任教自然科的時期當中，不論在哪個時代、手機的功能多寡，都深深感受到手機對學生的學習環境有相當的影響力。家長與教師總是擔心手機豐富的娛樂功能佔據了學生的學習時間，降低了學生的學習熱誠。因此研究者希望藉由本研究將智慧型手機 APP 融入探究課程中，了解學生探究能力提升的程度，亦推廣此類型課程的效益。本章內容包含「研究背景與動機」、「研究目的與問題」、「名詞解釋」及「研究範圍與限制」。. 第一節研究動機與背景近幾年科技日益發達，包括在智慧產品與網際網路的發展，手機的價格越來越親民，網際網路的取得也更加容易。根據持有手機民眾數位機會調查報告(國家發展委員會， 2017)，我國曾透過手機上網之年滿十二歲及擁有手機者(以下簡稱為手機族)逐年增加至 87.4%，其中二十歲以下曾使用手機上網之手機族有 96.8%，代表對年輕族群來說手機與網際網路已達到密不可分的關係。然而二十歲以下手機族使用學習服務的頻率最多為一週一次，使用社群或娛樂服務的頻率則佔最多時間，可知手機對多數學生而言還是以娛樂為主要功用。另一方面，我國預計於 2019 年推動新課綱，普通型高級中等學校即將新開設四學分的必修課程—自然科學探究與實作(教育部，2016)，以更多元的教學方法與環境讓學生體驗與學習科學探究的歷程。科學教育的重點不再單純是文本上的知識，而是著重在培養學生的核心素養，諸如自主行動、表達、溝通互動和實務參與等。而許多國家皆逐漸發展與重視探究式教學，根據洪振方(2003)的歷史回顧，探究教學可說於二十世紀初起頭，在 1950 年後慢慢蓬勃發展，成為教學趨勢。探究教學也發展出多種教學的模式，. 1.

(10) 近年網路資源發達，網路上可找到許多與科學教育相關的英文網站，比如 IOPscience 和 American Association of Physics Teachers，都可以找到眾多相關的文獻。探究式教學已發展了相當長的時間，現今探究課程的種類已不勝枚舉，同時智慧科技的應用層面也越來越廣泛，因此兩者的結合必能發展出無限多種的可能性。本研究以現代普及性較高的智慧型產品—智慧型手機，設計與手機測量相關的探究課程主題，以了解智慧科技與探究式課程對學生的影響。. 第二節研究目的與問題本研究目標在探討智慧科技結合探究式教學對學生科學探究能力的影響程度，因此必須探討智慧科技教學模式與探究式教學模式各別與結合的成效，研究目標分為六項細節如下所示：（一）、探討智慧科技教學模式對學生科學探究能力的影響。（二）、探討智慧科技融入探究式教學對學生科學探究能力的影響。（三）、了解學生在智慧產品及網際網路資源與教育學習的連結程度。（四）、了解學生在探究與實作課程的適應程度。（五）、了解學生對課程的評價。. 根據上述的研究目的，設定研究問題如下：（一）、智慧科技教學模式對學生科學探究能力是否有影響？（二）、具有智慧科技產品的課堂環境，探究式教學對學生科學探究能力是否有影響？（三）、學生進行智慧科技融入探究與實作課程，「想像創造」能力的變化情形為何？（四）、學生進行智慧科技融入探究與實作課程，「推理論證」能力的變化情形為何？（五）、學生進行智慧科技融入探究與實作課程，「批判思辨」能力的變化情形為何？ 2.

(11) （六）、學生進行智慧科技融入探究與實作課程，「建立模型」能力的變化情形為何？（七）、學生進行智慧科技融入探究與實作課程，「觀察與訂題」能力的變化情形為何？（八）、學生進行智慧科技融入探究與實作課程，「計劃與執行」能力的變化情形為何？（九）、學生進行智慧科技融入探究與實作課程，「分析與發現」能力的變化情形為何？（十）、學生進行智慧科技融入探究與實作課程，「討論與傳達」能力的變化情為何？（十一）、學生在智慧產品及網際網路資源與教育學習的連結程度為何？（十二）、學生在探究與實作課程的適應程度為何？（十三）、學生對最喜愛課程的評價為何？. 第三節名詞解釋一、科學探究根據劉湘瑤(2016)描述科學探究的意涵：「科學探究同時表達了兩個面向的意義：一是科學如何運作，如科學知識形成歷程中所使用的方法途徑、科學家的工作、科學知識的應用等；另一面則是將科學探究視為教學法和課程內容，因而衍生出探究式教學法或探究學習的內容。課程強調探究無非是訴求科學教學應該讓學生學習親身體驗科學家針對提出的問題從事研究的歷程，同時也是對傳統只注重灌輸科學知識的講述式教學做出的批判。」即科學探究是一種相對於講述式教學較為活潑的教學方法，讓學生在課堂中從事類似於科學家建構知識的活動，同時學習到知識以及探究的精神。. 二、科學探究能力自然科學領域綱要(教育部，2016)將探究能力分為「思考智能」與「解決問題」兩部份。「思考智能」包含「想像創造」、「推理論正」、「批判思變」、「建立模型」；「解決 3.

(12) 問題」包含「觀察與定題」、「計畫與執行」、「分析與發現」、「討論與傳達」。各子項定義如下：. 表 1-3-1 科學探究子項與指標對照表(教育部，2016) 項目. 內容「ti-Vc-1 能主動察覺生活中各種自然科學問題的成因，並能根據已知的科學知識提出解決問題的各種假設想法，進而以個人或團體方式設計創. 想像創造. 新的科學探索方式並得到成果。」意指學生能主動提出解決問題的想法，進一步規劃或討論出屬於個人或團體的探究方式。「tr-Vc-1 能運用簡單的數理演算公式及單一的科學證據或理論，理解自然科學知識或理論及其因果關係，或提出他人論點的限制，進而提出不. 推理論證. 同的論點。」意指從過去所學的知識與經驗中，學生能夠理解各種發生原因的論點，或理解他人的論點進一步提出更完整的論點。「tc-Vc-1 能比較與判斷自己及他人對於科學資料的解釋在方法及程序上. 批判思辨. 的合理性，並能提出問題或批判。」意指學生能發現資訊的完整與不完整之處。「tm-Vc-1 能依據科學問題自行運思或經由合作討論來建立模型，並能使用如「比擬或抽象」的形式來描述一個系統化的科學現象，進而了解模. 建立模型. 型有其局限性。」意指學生能建立合理與有系統性的模型，亦能利用模型解釋科學現象或解決問題。 4.

(13) 「po-Vc-1 能從日常經驗、科技運用、社會中的科學相關議題、學習活動、自然環境、書刊及網路媒體中，汲取資訊並進行有計畫、有條理的多方觀察，進而能察覺問題。 po-Vc-2 能依據觀察、蒐集資料、閱讀、思考、討論等，確認並提出生活觀察與定題周遭中適合科學探究或適合以科學方式尋求解決的問題(或假說)。當有多個問題同時存在時，能分辨並擇定優先重要之問題(或假說)。」意指學生能從環境、問題情境等進行多方面觀察，進而提出適合的科學探究或判定優先處理的問題。「pe-Vc-1 能辨明多個的自變項或應變項並計劃適當次數的測試、合理地預測活動的可能結果和可能失敗的原因。藉由教師或教科書的指引或展現創意，能根據問題特性、學習資源(設備、時間、人力等)、期望之成果 (包括信效度)、對社會環境的影響等因素，規劃最佳化的實作(或推理)探究活動或問題解決活動。計畫與執行 pe-Vc-2 能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備與資源，能適度創新改善執行方式。能進行精確的質性觀測或數值量測，視需要並能運用科技儀器輔助記錄。」意指學生能合理計畫解決問題的方式，並使用個人能夠安全使用的器具並進行精準的測量。「pa-Vc-1 能合理運用思考智能、製作圖表、使用資訊與數學等方法，有效整理資訊或數據。分析與發現. pa-Vc-2 能運用科學原理、思考智能、數學、統計等方法，從探究所得的資訊或數據，形成解釋、理解、發現新知、獲知因果關係、理解科學相關的社會議題、解決問題或是發現新的問題。並能將自己的探究結果和 5.

(14) 同學的結果或其它相關的資訊比較對照，相互檢核，確認結果。」意指學生能以各種方式分析數據傳達的現象，並以最佳的方式整合數據。「pc-Vc-1 能理解同學的探究過程和結果(或經簡化過的科學報告)，提出合理而且較完整的疑問或意見。並能對整個探究過程：包括，觀察定題、推理實作、數據信效度、資源運用、活動安全、探究結果等，進行評核、形成評價並提出合理的改善方案。 pc-Vc-2 能利用口語、影像(如攝影、錄影)、文字與圖案、繪圖或實物、討論與傳達. 科學名詞、數學公式、模型等，呈現探究之過程、發現或成果；並在保有個資安全與不損及公眾利益下，嘗試以報告或新媒體形式，自主並較廣面性的分享相對嚴謹之探究發現、成果、結論或主張。視需要，並能摘要描述目的、特徵、方法、發現、價值、限制、運用與展望等。」意指學生不僅能與他人進行討論且合理的提出個人看法，以及利用各種方式有效且清楚呈現論點或成果等。. 三、智慧科技根據賴明豐(2015)說明智慧科技的意涵：「根據 Howard Gardner 的定義，『智慧』就是協助我們解決問題的能力，而所謂的智慧科技就是幫助或輔助我們解決生活問題的科技。目前智慧科技應用的範圍涵蓋了智慧型手機、平板電腦、智慧型公車、智慧衣… 等。」智慧科技應用的層面相當廣泛，能夠協助解決問題使生活更便利，因此智慧科技應用在教學課程上亦能使教學成效更顯著。. 6.

(15) 四、素養試題根據國家教育研究院發布的素養導向「紙筆測驗」要素與範例試題定稿版(2018)說明素養試題之要素如下：「佈題強調真實的情境與真實的問題：以往的紙筆測驗多著墨於知識和理解層次的評量，素養導向則較強調應用知識與技能解決真實情境脈絡中的問題。除了真實脈絡之外，素養導向試題應盡可能接近真實世界(包含日常生活情境或是學術探究情境)中會問的問題。」因此設計素養試題的方向，不是為了測驗學生學習知識的成效，而是讓試題與生活環境相互連結，了解學生面對實際問題會如何解決。. 第四節研究範圍與限制本研究與台北市立某高級中學合作實行課程，課程實行對象為該校高中一年級特色課程的一個班級，總人數 19 人；測驗實行對象為該校高中一年級基礎物理課程的三個班級與本研究設計課程實行班級，總人數 110 人。由於樣本數量有限制，考量到學生本身素質不盡相同，不同探究教學對學生的影響會有所差異，因此研究結果不宜過度推論至其他班級或其他學校之學生。且不同手機廠牌與不同應用程式軟體呈現的功能與效果不盡相同，因此研究結果不宜過度推論至所有手機廠牌與其他程式軟體。. 7.

(16) 第二章文獻探討為了讓課程設計能符合本研究的目標，因此從國內外收集文獻以了解探究式課程的內涵。以下分別說明本研究課程設計的「知識架構」、「課程架構」、「教學教法」以及「課程流程」。. 第一節知識架構本節介紹的知識架構是以自然科學領域課程綱要草案(教育部，2016)的加深加廣選修之學習內容為核心概念，向外延伸出與核心概念相關聯的知識。研究者設計的架構圖包含主題、次主題、背景知識與探究方向。主題是課程主要欲探討現象，可以是學生從未聽過的名稱，也可以是過去聽過，但沒有深入了解原理或帶有迷思觀念的內容。次主題則是與主題有較直接關聯的知識內容，認識此知識內容有助於認識主題，因此建議於實驗開始前需讓學生理解其概念。背景知識是學生過去學習過或生活經驗中得來的知識，學生利用背景知識將次主題概念與探究方向連結，幫助設計與實驗的進行。探究方向是針對主題引導出的問題，進一步認識理解主題一部份的概念，因此需藉由小組分享報告與討論來了解主題整體的知識。下列依照研究者設計的「恢復係數測量」、「共振現象測量」兩種課程分別說明。. 一、恢復係數測量恢復係數是高中選修課當中碰撞的一項原理，常應用在各種球類運動中，是一種對球與場地等了解使用狀況的重要指標。次主題的一維碰撞概念是以球的運動模式簡化為球在自由落體後撞擊反彈的模型，學生從這樣的模型中設想所有影響反彈情況的變因種類，進而針對各種變因對反彈高度或恢復係數造成的影響，每一種變因即是一種實作方向。圖 2-1-1 中「構造」意指球的內部組成模式、空心或實心、碰撞平面的內部組成模式等；「材質」指球表面的成份、碰撞平面的成分等；「環境」則包含濕度、溫度等因素。. 8.

(17) 圖 2-1-1 恢復係數知識架構圖. 二、共振現象測量共振的應用範圍相當廣泛，本研究將共振應用與管樂器的奏鳴現象連結，假想管樂器的構造僅是一根長長的圓形管子，樂器的發聲源是可調頻率的喇叭，管子的另一端則會如管樂器般發出明亮的聲響。次主題中對駐波的理解可以幫助學生構想聲波在管子內部分布的模型，固有頻率則是讓學生認知到每個測得的共振頻率之間有規律的數學變化，學生依據變因的變化中發現其中的規率，建立共振現象與物體之間關聯。亦可以從這些概念中再進一步的認識基音與泛音的原理。. 圖 2-1-2 共振現象知識架構圖. 9.

(18) 第二節課程架構探究的想法從 1900 年開始發展與演變(洪振方，2003)，改變傳統講述式的教學，取代而之的是由學生從事類似科學家建構知識的活動中，達到自主學習和提升解決問題的能力。我國頒布的十二年國民基本教育課程綱要(教育部，2013)亦是為了因應社會的轉變，而改變目前教育的型態。美國新世代科學標準(the Next Generation Science Standards， NGSS)強調探究過程並非單一的提升技能，必須注重每個活動中特定的知識。根據 NGSS 與自然科學領域課程綱要草案(教育部，2016)皆列舉探究與實作中包含的元素之異同關係，研究者統整於表 2-2-1。. 表 2-2-1 探究歷程的基本要素(NGSS，2013；教育部，2016) NGSS. 提出問題. 自然科領域綱要草案. 簡述. 觀察現象. 從各方面的觀察如書刊、網際網路、日常生活或自然環境等資源中. 收集資訊. 獲取資訊，再進一步提出適合探究. 形成或訂定問題. 的問題。從觀察開始有初步的想法與模型，. 提出可驗證觀點. 藉由實作的過程一步一步建立、修. 建立模型. 正，最終得到最合理的模型以描述. 建立模型. 觀察的現象。尋找變因或條件. 學習針對一種科學現象或原理，設計收集數據的方法，利用數據佐證. 計畫與執行研究. 擬定研究計畫. 實驗的結果。學生在實作中會對變因的控制、蒐集數據的過程逐漸變. 收集資料數據. 得謹慎。運用數學和善用計算機等工具，以. 分析與解釋數據. 分析資料和呈現證據. 最適當的方式整理數據並繪製成圖. 運用數學. 解釋和推理. 表，再解釋圖表的意涵並推測趨勢變化的原因。. 10.

(19) NGSS. 自然科領域綱要草案. 簡述從數據分析的結果，總結出現象發. 解釋現象提出結論或解決方案推理論證. 生的成因，並從其他已知結果的報告中佐證並捍衛實驗結果，不因他人輕言的論述而輕易改變想法。除了從報告分享中全面理解現象發. 表達與溝通接收、評估與訊息交流. 合作與討論評價與省思. 生的成因，亦是與他人的互動交流的過程當中，學習清楚與合理地向他人陳述探究結果，懂得傾聽他人並給予合理且具體的建議，並自我評判以增進探究能力與學習態度。. NGSS 列舉的八項實作基本要素無明確表明順序，自然領域綱要也說明探究歷程的要素會依據不同主題的探究課程採取不同的方式進行。研究者依據探究式教學的內涵，以建議教師上課流程為目的，設計探究課程的步驟順序如下：第一步、Ob 提供觀察環境：教師引導學生進入課程之主題，讓學生了解該主題的重要性，以提高學生專注、引發問題，進一步激發學生的好奇心。此步驟也是讓學生初步建模的重要關鍵。第二步、Qu 引起問題：學生依據觀察中提出問題，也可以依據教師提供的主要問題簡化為單一問題，或者直接以教師提供的問題作為實作方向。問題的適當與否關係到後續實驗設計與進行，因此由學生提出的問題建議需經由教師評估篩選。第三步、De 實驗設計：教師從旁協助學生規畫實驗流程，確定學生有明確的實作目標，並適時幫助學生釐清混淆的觀念。第四步、Ex 實驗進行：由學生自主操作實驗，從中學習解決問題的能力。教師僅協助並確保學生安全。第五步、Sp 報告分享：每組上台分享實作的過程與結果，教師與學生共同討論現象發生原因，幫助全體學生建構完整模型。 11.

(20) 第三節教學教法本研究目的為將智慧科技產品與探究課程結合，因此必須對現行的智慧科技軟體和探究教學有所認識。以下分別說明「探究課程種類」以及「手機 APP 介紹」。. 一、探究課程種類隨著時代發展，探究課程教學的種類也隨之多元化。 Martin-Hansen(2002) 、 Furak(2006)與白佩宜(2009)皆歸納出多種探究課程，研究者將這些探究課程統整於表 2-3-1：. 表 2-3-1 探究教學種類比較(Martin-Hansen，2002；Furak，2006；白佩宜，2009) 開放程度. 探究教學模式. 低. 直述式講述. 無探究活動，學生以聽講模式吸收知識。. ↓. 食譜式探究. 教師提供探究問題、方法與結果，學生依步驟進行實驗。. ↓. 結構式探究. 教師提供探究問題與方法，學生於實驗中得到探究結果。. ↓. 引導式探究. ↓ ↓. 簡述. 教師提供探究問題，學生自主設計探究方法與求得實驗結果。教師先以引導式探究進行活動，學生於活動中提出更進. 並行式探究. 一步的新探究問題，並自主設計探究方法與進行研究。是引導式與開放式探究的結合。. ↓ 高. 開放式探究. 由學生提出探究問題，自主設計探究方法與進行研究。教師於一旁協助。. 本研究以引導式探究作為主要課程架構，其主要原因有以下兩點：1.新自然領域綱要推行以學生為主、教師為輔的科學實作課程，依據上表中每項探究課程的模式，以引導式、並形式以及開放式探究課程最為合適。2.高度開放的探究課程仍然有難以克服的情形，洪振方(2003)提出探究課程難以推行的原因包含時間不足、影響教學進度以及實 12.

(21) 驗器材費用太高等問題。白佩宜(2009)亦在開放式探究課程的研究中，發現學生在沒有引導的情況下，難以提升全體學生的表現。綜合上述情形，研究者認為以引導式探究作為主要探究教學最為合適。. 二、手機 APP 介紹本課程設計的另一項重點是以智慧型手機或平板作為主要測量工具。許多國家皆發展出眾多手機融入探究的課程活動，在美國物理教師協會(American Association of Physics Teachers，AAPT)與 IOPscience 的網站中皆紀錄各種與手機相關的探究活動實例。研究者從 Wessel(2013)、Staacks、Hütz、Heinke、Stampfer(2018)和自身的經驗，以手機作為探究課程的測量工具之優點整理如表 2-3-2：. 表 2-3-2 以手機作為測量工具之優缺點(Wessel，2013；Staack et al.，2018) 優點. 缺點. l 即使是不同廠牌的手機，測量結果差異 l 難達到完全正確的數據。不大。 l 容易發現與感受數據變化的趨勢。. l 可偵測範圍依不同型號與廠牌限制。 l 兩大作業系統(Android 和 IOS)不完全. l Android 系統容易找到免費的軟體。. 具有相同軟體，可能導致多數手機無法. l 學生能夠快速學習 APP 功能如何使用。. 實作。. l 課堂較有趣。. l 容易分散注意力。. l 實驗較不受空間限制，處處皆可實驗。 l 需克服數據如何傳至其他裝置如電腦。 l 以北部學校為例，多數中學學生擁有智 l 快速移動的實驗會無法即時判讀數據。慧手機。. 本實作課程採用 PhyPhox 的開放軟體作為實作探測工具，PhyPhox 是以手機本身裝載的晶片與裝置作為實驗偵測元件，如加速度計、磁力計、陀螺儀、光感測元件、麥克風、喇叭、GPS 等，幾乎所有的功能皆可在官方網站上找到測量方法。主要選擇考量的 13.

(22) 因素除了軟體完全免付費下載之外，亦解決了表 2-3-1 缺點項中最後兩項(Staacks et al.， 2018)：1.將數據傳送至電腦。手機測量的數據可以轉成 Excel 或 CSV 檔案，再以常見的通訊軟體如 Messenger 或 Email 傳送，若手機本身也裝載雲端硬碟軟體，亦可以直接上傳至網路上供電腦下載。2.影像同步與遠端操作。手機可說是將探測裝置與數值顯示合為一體的實驗工具，但某些實驗必須讓手機快速運動或放置於不能看見螢幕畫面的箱子或管子內部等。此時可以利用另一台智慧型手機或電腦，將所有裝置連接相同的網域下，即可將操作畫面同步並遠端操作。另一方面，若手機處於沒有網路的狀態，Phyphox 可以隨時使用儲存數據的功能，讓使用中的介面完整保存起來，於下次實驗繼續進行測量或待手機處於有網路的環境時再將數據傳輸至電腦。以下依據不同主題說明 Phyphox 的軟體功能如何讓學生應用在實作中。（一）、恢復係數測量恢復係數的課程使用到 PhyPhox 中的 Inelastic collision 或 Acoustic stopwatch 功能，工作原理是手機的麥克風作為接收器，利用每次球撞擊地面發出的聲響時間間隔，計算出球反彈的高度，如圖 2-3-1。學生可以利用這些高度找到特定的恢復係數值，分析出變因的變化如何影響數值的大小。學生亦可以自行找出其他測量的方法，比如利用相機錄影球的運動軌跡，再分析球反彈的高度。. 14.

(23) h 1=. 1 2. ∆t & ) 2 h2=. 1 2. ∆t ( ) 2. ( (. (. ( ∆. ∆. 圖 2-3-1 反彈高度與時間間隔之數學關係. （二）、共振現象測量利用手機測量共振現象的作法參考於 Kundt’s tube experiment using smartphones (Orsola Parolin & Pezzi，2015)，聲源與偵測器則個別以 Tone generator 和 Audio amplitude 功能代替。Tone generator 可以輸入頻率，讓手機喇叭發出該頻率的正弦波聲波。Audio amplitude 則是利用手機的麥克風偵測聲音的響度。運用這兩個功能，在筆直的塑膠管兩側擺上聲源與偵測器如圖 2-3-2，即可以分析出聲音頻率與塑膠管共振的關係。由於研究者準備的部份塑膠管並非透明，因此將手機深入塑膠管測量的方式必須使用到另一台裝置做遠端操作的功能。. 圖 2-3-2 喇叭、塑膠管與偵測器擺設位置示意圖 15.

(24) 第四節課程安排與內容研究者依據課程架構的步驟設計兩種課程的細節流程，在多次試教與修改後確定以下版本。從試教的經驗中，每一種課程進行的時間以三至四節課最為恰當，讓學生有較多的時間進行實驗與分析以及報告分享。然而由於合作教師原先課程的安排限制，課程活動時間縮短為兩節課約 100 至 110 分鐘。下列表 2-4-1、表 2-4-3 中的時間項分為兩部分，上部分為本研究課程時間，下部份則為建議的課程時間 150 分鐘。以下分兩部分講解「恢復係數測量」與「共振現象測量」課程內容。. 一、恢復係數測量藉由常見的球類運動中不同球與運動環境之間的差別比較作為主題，並利用影片或現場示範不同球的反彈作為輔助，引導學生對日常的現象深入思考。接著由教師提出探究問題：「有哪些存在於球與環境中的變因，可能會影響球的恢復係數／球的反彈高度？」再依各組提出的變因，教師與全體學生共同討論與篩選。此課程篩選變因的過程採取共同討論的原因是鑒於學生首次參與引導式探究課程，藉此過程讓學生學習定題的能力，了解其他組別的想法與淺在的問題或迷思。以下分別統整恢復係數測量之課程流程(圖 2-4-1)、課程活動時間分配(表 2-4-1)以及實作方向與器材準備(表 2-4-2)。. 16.

(25) Ob. Qu. De. Ex. Sp. 圖 2-4-1 恢復係數測量課程流程圖表 2-4-1 恢復係數測量課程進行順序與時間分配表順序. 時間. 教師. 學生. 介紹主題與常見現象 Ob. 10 分鐘. ↓. /. 解釋碰撞概念. 10 分鐘. ↓. 觀察與思考. 講解 APP 功能 Qu. 10 分鐘. 提問探究問題. 小組討論變因種類並提出. /. ↓. ↓. 10 分鐘. 共同討論與篩選變因. 討論與定題. 17. 學習單.

(26) 順序. 時間. 學生. 學習單. 10 分鐘. 決定變因與預測結果. 第一部分. /. ↓. 第二部分. 設計實驗流程與儀器架設. 第三部分. De. 15 分鐘 40 分鐘 Ex. 教師. 協助學生活動進行. 進行實驗量測. /. ↓. 70 分鐘. 分析數據結果. 30 分鐘 Sp. /. 準備報告內容. 討論各組實驗結果. 45 分鐘. 第四部分. ↓. 給予回饋. 第五部分. 分享報告. 表 2-4-2 恢復係數測量預設探究方向與器材準備探究方向高度. 細項. 器材. 1. 不同高度自由落體。. 捲尺. 1. 空心與實心。構造材質環境. 各種球類(籃球、排球、網球、桌. 2. 球的重量。. 球、棒球、足球等)、. 3. 球與地面之間外加其他接觸面。. 不同重量鋼球、紙張. 1. 不同球與地面材質。. 各種球類、校園內不同地面材質. 1. 溫度。. 溫度計、保溫瓶或保溫箱、. 2. 球內氣壓值。. 籃球或排球、球針氣壓計. 二、共振現象測量此課程內容參考 Kundt’s tube experiment using smartphones (Orsola Parolin & Pezzi， 2015)，是以手機作為探測器，將手機深入壓克力管中求得聲波波長，再推算出聲速。此課程是以幾乎相同的裝置，測量方法由學生依據不同探究方向而設計。帶領學生認識共振與生活常見的現象，以及分配各組器材之後，由教師提出探究問題：「請觀察每組的器材，根據這些器材的構造與共振現象的關聯，請找出哪些變因會影響塑膠管的共振。」接著教師再各組依序檢查與確定探究方向。不採取前次課程的共同討論變因原因是一來學生從決定變因到開始實驗之間的時間較長，教師有足夠時間逐 18.

(27) 一討論；再者學生從觀察器材中容易找尋到適合探究的變因，教師不必費心思解釋其他不適當的原因。以下分別統整共振現象測量之課程流程(圖 2-4-2)、課程活動時間分配(表 2-4-3)以及實作方向與器材準備(表 2-4-4)。. Ob. Qu. De. Ex. Sp. 圖 2-4-2 共振現象測量課程流程圖. 19.

(28) 表 2-4-3 共振現象測量課程進行順序與時間分配表順序. 時間. 教師. 學生. 學習單. 介紹主題 Ob. 10 分鐘. ↓. /. 解釋共振原理. 10 分鐘. ↓. 觀察與思考. 講解 APP 功能 5 分鐘 Qu. /. 觀察與接觸小組的儀器並. 提問探究問題. 找到所有可能變因. 5 分鐘 10 分鐘 De. Ex. /. 決定探究變因各組討論與確定探究方向. ↓. 15 分鐘. 設計實驗流程與儀器架設. 40 分鐘. 進行實驗量測. /. 協助學生活動進行. ↓. 75 分鐘 35 分鐘 Sp. / 45 分鐘. 第一部份. 第二部分第三部分. 第四部分. 分析數據結果準備報告內容. 討論各組實驗結果. ↓. 給予回饋. 第五部分. 分享報告. 表 2-4-4 共振現象測量預設探究方向與器材準備器材喇叭壓克力管 (長尺、管口蓋子) 伸縮軟塑膠管. 探究方向. 細項. 1. 頻率。. 1. 不同頻率與聲響關係。. 1. 喇叭位置、偵測器位置。 2. 管口開閉. 1. 喇叭與偵測器在管內或管外不同位置與聲響關係。 2. 管口開閉對聲響的關係。. 1. 塑膠管長度。. 1. 不同管長與聲響的關係。. 20.

(29) 第三章研究方法為了瞭解本研究設計的課程對學生探究能力的影響程度以及學生對課程的想法，因此設計前後測試題與課後問卷。本章節將說明「研究對象與情境」、「研究設計與流程」、「研究工具」、「資料分析」。. 第一節研究對象與情境試題施測學生之共同學習背景為以下兩點：1.同為台北市立某高級中學一年級之一般班級。2.同為本研究合作教師教授基礎物理。學生學習背景僅有一週兩堂課的特色課程授課內容不同，因此以各班特色課程教學模式作為分類標準，其中除了合作教師採用本研究教學模式，其他班級之教學模式皆與本研究無相關。選擇該校作為實驗對象原因如下：1.該校備有數量足夠的平版電腦，平板之尺寸、功能皆適合探究課程的實作測量，且平板由該校監控，學生無法自行下載應用程式，可避免學生於課堂中使用無相關的軟體。2.該班級教師同意協助本研究進行，提供學期中一部份課堂時間做兩次探究課程與前後次題目測驗。3.該校入學門檻於北區屬中上階段，且測驗班級學生並非依能力分班之一般生，學生素質可相比於一般高中生。該校特色課選課制度採自願序，依據合作教師表示探究組學生志願序大多落在三、四志願，原先對科學實驗的課程興趣不大。本特色課程的教學模式屬於食譜式或結構式教學，教師會明確告知實驗步驟，學生依循步驟得出實驗結果並完成學習單後，即為一次完整的課程。在本研究探究課程開始之前，已進行過兩次利用平板進行簡易的測量與分析，學生對於如何使用平板作為測量工具已有初步的認識。由於本研究設計之課程除了執行於該高中，亦執行在其他縣市之高中營隊活動，因此問卷測驗對象包含了兩種不同授課時間與環境的學生，並將兩者分析結果互相比較。. 21.

(30) 第二節研究設計與流程根據合作高中之特色課程內容分類四種組別，如表 3-2-1。第一種為進行智慧科技教學模式的學生共 38 位，簡稱為智慧科技組。第二種為無進行智慧科技教學模式的學生共 72 位，簡稱為無智慧科技組。第三種是智慧科技組當中進行探究課程的學生共 19 位，稱為探究組。第四種智慧科技組當中無進行探究課程的學生共 19 位，稱為無探究組。. 表 3-2-1 不同分析組別與人數對應關係特色課程學生人數：110 智慧科技組學生人數：38 探究組*. 無探究組. 學生人數：19. 學生人數：19. 無智慧科技組學生人數：72. *本研究施測對象. 所謂智慧科技教學模式是判斷課堂中是否運用電腦或智慧型產品作為學生學習的媒介，其中無探究組的授課內容包含了兩種教學方式，為軟體程式設計以及應用各種科技產品與社會文化做連結。本研究分析方法是依據上述的四種組別兩倆互相比較，如圖 3-2-1，包括智慧科技組與無智慧科技組探討智慧科技對探究能力的影響；無探究組與無智慧科技組探討無探究課程的環境下，智慧科技對探究能力的影響；探究組與無探究組探討探究式教學對探究能力的影響；探究組與無智慧科技組探討進行本研究之學生與一般學生之間的差異。. 22.

(31) 1. 4. 3. . 2 圖 3-2-1 不同分組模式探討對科學探究能力的影響. 研究者從 2017 年 7 月至 2018 年 2 月同時設計探究課程與素養題目，2018 年 3 月至 2018 年 6 月進行課程與資料分析，以下分為兩部分說明：. 一、課程設計流程研究者確定研究方向後，多方嘗試並深入了解應用程式 PhyPhox 各項功能與操作方法，亦閱讀國內外相關實作文獻並參加多場探究課程介紹工作坊。2017 年 9 月完成課程流程初稿後，於指導教授及合作高中教師的協助下，進行多次課程試教。研究者於每一次試教之後，多次修改引導觀察的情境與引起問題的方法，讓探究主題、問題與方向更能夠讓學生清楚了解，更容易建構知識與模型。. 23.

(32) 圖 3-2-2 課程設計流程. 二、素養試題設計研究者於 2017 年 7 月以 PISA(2006)以及科學素養評量手冊(2011)之試題作為參考，開始設計前測試題。前測測驗完成後，合作教師表示學生於測驗中已表現出反感，若後測題目採取重複試題，可能會大幅下降學生填寫的意願與動力，因此於 2018 年 5 月決定後測試題從 PISA 試題中挑選，並修改與增長部分試題的內容，且前測與後測試題之探究能力指標數量皆相同。. 圖 3-2-3 素養題目設計流程. 24.

(33) 第三節研究工具研究者採用的評量工具為四種，分別為「學習表現測驗—前測」、「PISA 素養試題— 後測」、「課後問卷」以及「學習單」。前後測驗的評分方式主要是測驗學生的探究能力程度，因此子項的評分偏向以「能不能」做到指標要求而非評斷答題的「正不正確」。表 3-3-1 統整出前後測驗判斷的依據，子項指標的編號包含四個字符，第一個代表前測 (be)或後測(af)，第二個參考自然科學領綱的學習表現架構表，第三個代表題號，第四個代表相同題號與子項的指標之編號，可參考附錄一、二。. 表 3-3-1 前後測各子項評斷內容統整項目. 子項. 前測 be. 後測 af. 想像創造 i. 5-1. 6-1. 依據問題設想創新的探究方法。. 1-1. 1-2. 了解和連結科學名詞與原理內涵。. 1-2. 1-1. 運用單一原理或證據理解現象發生的因. 1-3. 2-1. 果關係。. 2-1. 4-1. 判別資訊是否具有完整或合理性。. 1-1. 2-1. 3.4-1. 4-1. 3.4-2. 6-1. 5-1. 3-1. 判別是否適合以科學探究方式解決問題。. 5-1. 6-1. 辨明自變項或應變項。. 探究能力. 推理論證 r. — 思考. 批判思辨 c. 智能 t. 建立模型 m 觀察與定題 o. 探究. 計畫與執行 e. 問題. 分析與發現 a. 2-1. 合理預測結果。 6-2. 選用安全、簡易的器具和實驗方法。. 4-1. 依據問題敘述或曲線圖形等資訊解決問. 5-1. 題。. 解決. 3.4-1. p. 1-1. 1-1. 3.4-1. 5-1. 5-1. 6-1. 討論與傳達 c. 建立現象發生的完整因果關係。. 5-2. 能力 —. 簡述. 完整繪製曲線圖上的資訊。能清楚傳達解釋之意涵。. 25.

(34) 一、學習表現測驗—前測試題前測試題為針對自然科領域綱要草案(教育部，2016)之普通高中學習表現子項作為探究能力子項，包含思考智能與問體解決，以子項敘述作為參考評分指標。前測試題以喇叭與聲波之間的相關知識與應用作為問題情境，全部共五題。當中第四題為第三題之延伸題目，但因試題總題數不多，不另外多設立小題，因此此兩題共同判斷探究能力子項，前測試題內容詳如附錄一。前測試題題號與探究能力子項以及評分指標分別統整對應表如表 3-3-2、表 3-3-3：. 表 3-3-2 前測試題題號與探究能力子項對照表題號. 探究能力子項. 評分. 推理論證. 3. 建立模型. 1. 討論與傳達. 1. 批判思辨. 1. 分析與發現. 1. 建立模型. 2. 分析與發現. 1. 討論與傳達. 1. 想像創造. 1. 觀察與定題. 1. 計畫與執行. 2. 討論與傳達. 1. 第一題. 第二題. 第三題、第四題. 第五題. 表 3-3-3 探究能力子項之評分指標內容探究能力子項想像創造推理論證. 評分指標 1. 能依據題目敘述提出解決問題的創新方法。 1. 能依據科學名詞提出相對應之含義。 2. 能依據科學原理理解物質之間的相互影響關係。 26. 題號第五題第一題.

(35) 探究能力子項批判思辨建立模型觀察與定題計畫與執行分析與發現. 評分指標. 題號. 1. 能判別問題敘述中的不合理或不完整性。. 第二題. 1. 能建立現象發生過程中物質或能量之間轉換的方. 第一題. 式。. 第三、四題. 1. 能依據題目敘述並汲取過去學習或經驗提出適合. 第五題. 科學探究的方法。 1. 能辨明操作變因、控制變因與應變變因。. 第五題. 2. 能以邏輯性思考預測結果。 1. 能依據曲線圖判斷其中資訊。. 第二題. 2. 能完整繪製出曲線圖之資訊。. 第三、四題第一題. 討論與傳達. 1. 能清楚傳達解釋之意涵，以及清楚繪製曲線圖形。第三、四題第五題. 二、PISA 素養試題—後測後測試題同樣以學習表現作為探究能力子項，為了避免學生第二次寫相同題目時會感到不耐煩，因此從 PISA 試題中挑選適合的試題與修改部分題目，作為後測試題，每一子項的評分指標數量皆與前測相同，後測詳細試題內容詳如附錄二。後測試題題號與探究能力子項以及評分指標分別統整對應表如表 3-3-4、表 3-3-5：. 表 3-3-4 後測試題題號與探究能力指標對照表題號第一題. 第二題第三題第四題. 探究能力. 指標數量. 推理論證. 2. 討論與傳達. 1. 推理論證. 1. 建立模型. 1. 觀察與定題. 1. 建立模型. 1. 批辦思辨. 1. 分析與發現. 1. 27.

(36) 題號第五題. 第六題. 探究能力. 指標數量. 分析與發現. 1. 討論與傳達. 1. 想像創造. 1. 建立模型. 1. 計畫與執行. 1. 討論與傳達. 1. 表 3-3-5 探究能力子項之評分指標內容探究能力子項想像創造推理論證批判思辨建立模型. 觀察與定題計畫與執行分析與發現. 評分指標. 題號. 1. 能依據題目敘述提出解決問題的方法。. 第六題. 1. 能依據學習經驗判斷符合的現象。. 第一題. 2. 能依據科學原理理解現象發生的成因。. 第二題. 1. 能判斷科學解釋的合理性。. 第四題. 1. 能依據題目敘述建立科學現象運作的過程。 2. 能模擬自然環境的組合關係。 1. 能依據題目敘述並汲取學習經驗判別適合科學探究的方法。 1. 能辨明操作變因、控制變因與應變變因。 2. 能選用安全且可以簡易操作的器材。. 第二題第四題第六題第三題第六題. 1. 能從題目提供的訊息中解讀分析並解決問題。. 第四題. 2. 能比較對照兩張曲線圖並判斷其中資訊。. 第五題第一題. 討論與傳達. 1. 能清楚傳達解釋之意涵。. 第五題第六題. 三、課後問卷課後問卷填寫對象除了本研究學生，也包含同樣進行本探究課程的營隊學生，除了擴大範圍以了解學生的對於本課程的評價，亦可將兩組填寫結果互相比較。問卷主要探討學生進行智慧型產品融入探究與實作的課程，是否增進智慧科技、網路資源與教育學 28.

(37) 習連結，以及由學生自評自己是否能得心應手地進行探究課程的活動。全部問題分為三部分，第一部分為矩陣題，根據敘述選取心中符合的五個選項，每個選項得分數範圍最低由 0 分到最高 4 分。問題共有十五題，分為四項主要核心問題 ( A-1、A-2、B-1、B-2)。第二部分為敘述題，學生表達對於小組合作學習的喜愛程度和看法，喜愛程度分為「喜歡」、「一般」、「不喜歡」三類，各別為 2、1、0 三種分數。第三部分同樣為敘述題，詢問學生對整學期中最有印象的課程活動，問卷內容詳如附錄三。問卷架構與內容對照如表 3-3-6。. 表 3-3-6 課後問卷探討內容與核心問題對照表探討內容. 核心問題. A 智慧產品及網路資 A-1 善用智慧科技產品作為學習工具之一。源與教育學習的連結 A-2 分享智慧科技產品應用於學習的優點。程度。. B 探究與實作課程的適應程度。. C 課程評價。. 題數 5 題勾選 2 題勾選. B-1 個人的實作能力。. 4 題勾選. B-2 個人與他人的溝通與協調。. 4 題勾選. B-3 團體精神與合作。. 1 題敘述. C-1 最有印象的課程活動。. 1 題敘述. 四、學習單學習單為提供學生填寫及記錄實作中各個步驟的重要資訊，包含發現變因、決定研究方向與流程、數據總結與報告統整，數據紀錄則是另外提供白紙與方格紙由學生自主規劃紀錄的形式，學習單內容詳如附錄四、附錄五。. 29.

(38) 第四節研究資料分析本研究運用 IBM SPSS 及 Excel 分析前後測驗成績變化，了解學生的科學探究能力是否有成長趨勢。分析過程以及分析方法與探討內容對照分別如圖 3-4-1 及表 3-4-1。為了讓樣本可以代表一般高中生的程度，除了排除未認真作答的題本，亦利用盒鬚圖作圖將前測成績排名於百分之二十五以前及百分之七十五以後的題本排除，以避免前後測分數可能發生差異過大或過小而影響其他樣本變化的趨勢。將前測與後測分別設定為不同變數，利用成對樣本 T 檢定比較兩變數之分數，判斷組內分數是否有明顯差異。差異性指標以 p 值顯著性判斷，若 p 值小於 0.05 表示兩組變數之間有達到顯著差異，大於 0.05 則未達到顯著差異。利用共變數分析可以對不同組別的前後測成績互相比較，分析分數的變化有無顯著差異和比較各組之間分數變化的大小關係。進行共變數分析之前，首先考慮到前測測驗與不同教學法可能對後測成績形成影響，因此需進行迴歸係數同值性檢驗，將前測分數、後測分數和不同教學方法(組別)分別設定為共變數、應變數和自變數(固定因子)，若結果未達顯著性即代表共變數與自變數之間無交互作用，具有同質性，方可繼續進行共變數分析。為了瞭解學生探究能力成長的幅度，可以利用 ES 值(Effect Size)判定效應程度，若達到 0.2 為輕度效應，達到 0.5 為中度效應，0.8 為高度效應。由於本研究設計之前後試題不同，因此以無智慧科技組全體學生之測驗結果做信度檢測，利用 SPSS 計算 Cronbach's alpha 數值大小，並依據表 3-4-2 對照信度指標(George & Mallery，2003)。. 30.

(39) 圖 3-4-1 測驗資料分析流程. 表 3-4-1 探究內容與分析方法對照探討內容. 研究假設. 分析方法. 各類特色課 1. 特色課程對前後測驗成績有顯著差異。程對學生探 2. 智慧科技教學模式課程對前後測驗成績有顯著究能力的影響程度。. 差異。 3. 探究式教學課程對前後測驗成績有顯著差異。. 不同教學方 1. 智慧科技教學模式課程與非數位教學模式對前法對探究能. 後測驗成績有顯著差異。. 力的影響程 2. 探究式教學課程與非探究式教學課程對前後測度有差異。. ．成對樣本 T 檢定. 驗成績有顯著差異。. 探究組各子 1. 探究式教學能提升每一子項的探究能力。項探究能力. ．共變數分析．二因子混合設計變異數分析．成對樣本 T 檢定．Effect size. 變化情形。 31.

(40) 表 3-4-2 信度指標(George & Mallery，2003) Cronbach's alpha. 信度指標. a ≥ 0.9. Excellent. 0.9 > a ≥ 0.8. Good. 0.8 > a ≥ 0.7. Acceptable. 0.7 > a ≥ 0.6. Questionable. 0.6 > a ≥ 0.5. Poor. 0.5 > a. Unacceptable. 32.

(41) 第四章研究結果與討論根據第三章第二節的研究設計與流程，依序進行兩倆組別互相比較的分析方式了解不同環境因素對探究能力的影響，以及課後問卷分析。本章節包含「信度分析結果」、「智慧科技教學模式對探究能力變化情形」、「探究教學模式對探究能力變化情形」、「探究組各探究能力子項變化情形」、「課後問卷分析」。. 第一節信度分析結果為了瞭解不同前後試題之間是否存在較大差距的難易度，因此利用 SPSS 計算 Cronbach's alpha，計算結果如表 4-1-1 所示，係數值為 0.710(>0.7)，達可接受程度。. 表 4-1-1 信度分析結果 Cronbach’s Alpha. 項目數. 0.710. 2. 第二節智慧科技教學模式對探究能力變化情形一、特色課程之前測與後測探究能力變化情形為了瞭解全體特色課程的學生(110 人)於課前課後科學探究能力是否有顯著變化，首先進行成對樣本 T 檢定及 ES 值，檢驗特色課程對探究能力各子項的影響程度，分析結果統整於表 4-2-1 及圖 4-2-1。表中探究能力子項依據自然科領域綱要分為思考智能與問題解決兩項，思考智能包含「想像創造、推理論證、批判思辨、建立模型」，而問題解決則包含「觀察與定題、計畫與執行、分析與發現、討論與傳達」。結果顯示，思考智能、與總成績有達到前後測成績顯著差異(<0.05)，ES 值分別為 33.

(42) 高度效應與中度效應。問題解決未達到成績顯著差異，ES 值為未達輕度效應。. 表 4-2-1 特色課程前後測驗之成對樣本 T 檢定與 ES 值結果前測. 子項. p. 後測. 平均值. 標準差. 平均值. 標準差. 顯著性. 思考智能. 2.94. 1.41. 4.50. 1.76. 0.000. 問題解決. 4.04. 1.74. 4.40. 2.35. 0.316. 總成績. 6.98. 2.55. 8.90. 3.72. 0.000. Effect size 高度效應未達輕度效應中度效應. 2 1.55 1.5 0.98. 1 0.5. 0.60. 0.50 0.25. 0.13. 0.23. 0.11. 0.17. 0.03. 0. -0.04 -0.5 想像創造. 推理論證. 批判思辨. 建立模型. 思考智能. 觀察與定題. 計畫與執行. 分析與發現. 討論與傳達. 解決問題. 總成績. 圖 4-2-1 全體施測學生各子項 ES 值. 二、比較智慧科技教學模式的有無，對探究能力變化情形為了瞭解智慧科技教學模式是否會影響學生科學探究能力，以全體特色課程的 110 位學生為母群體，分為智慧科技組(38 人)與非智慧科技組(72 人)。首先進行迴歸係數同質性檢驗，將組別、前測與後測分別設為固定因子、共變數與應變數，表 4-2-2 為同質 34.

(43) 性檢驗結果，組別*前測的顯著性結果為 0.580(>0.05)，表示前測與智慧科技教學的有無之間無交互作用，具有同質性，方可繼續進行共變數分析。. 表 4-2-2 智慧科技組與無智慧科技教學組之迴歸係數同質性檢驗結果類型 III 平方和. 來源. 自由度. 均方. F. 顯著性. 194.635a. 3. 64.878. 6.262. 0.001. 截距. 64.492. 1. 64.492. 6.225. 0.016. 組別. 0.017. 1. 0.017. 0.002. 0.968. 前測. 46.976. 1. 46.976. 4.534. 0.039. 組別*前測. 3.220. 1. 3.220. 0.311. 0.580. 誤差. 455.845. 44. 10.360. 總計. 4449.000. 48. 修正後總數. 650.479. 47. 修正模型. 共變數分析結果的 Levene’s 同質性變異數檢定結果如表 4-2-3 ，顯著性達 0.706(>0.05),表示兩組後測成績的誤差變異數對後測成績無顯著影響，具有同質性。. 表 4-2-3 智慧科技組與無智慧科技教學組之 Levene’s 同質性變異數檢定結果 F. 自由度 1. 自由度 2. 顯著性. 0.144. 1. 46. 0.706. 組間效應項檢定結果如表 4-2-4 所示，組別之顯著性數值為 0.017(<0.05)，表示智慧科技教學的有無對後測成績有顯著影響。. 35.

(44) 表 4-2-4 智慧科技教學有無之組間效應項檢定結果來源. 類型 III 平方和. 自由度. 均方. F. 顯著性. 191.414a. 2. 95.707. 9.382. 0.000. 截距. 94.037. 1. 94.037. 9.218. 0.004. 前測. 141.394. 1. 141.394. 13.860. 0.001. 組別. 63.003. 1. 63.003. 6.176. 0.017. 誤差. 459.065. 45. 10.201. 總計. 4449.000. 48. 修正後總數. 650.479. 47. 修正模型. 根據表 4-2-5 的成對比較結果，前測成績調整後平均值大小可比較兩組後測成績的成長幅度，智慧科技組(38 人)調整後平均值高於非數位組估計平均值 2.298，表示智慧科技組(38 人)的學生成長幅度大於無智慧科技教學組(72 人)。. 表 4-2-5 智慧科技組與無智慧科技教學組之調整後平均值結果編號. 平均值. 標準誤差. 智慧科技組. 10.045a. 無智慧科技組. 7.747a. 95%信賴區間下限. 上限. 0.653. 8.730. 11.360. 0.653. 6.432. 9.062. *a. 模型中出現的共變數是根據下列值估計：前測總分＝6.979. 最後比較兩組各子項 ES 值如圖 4-2-2，可以發現進行智慧科技教學模式的學生多數子項有成長，尤其在問題解決包含的四個項目。由於智慧科技組(38 人)內包含進行探究課程的探究組(19 人)，可能會影響整體的數值，因此進行下列扣除探究組的分析。 36.

(45) 思考智能 2 1.54 1.54. 1.5. 1.20. 1 0.5. 0.73. 0.52. 0.51. 0.84. 0.34. 0.29. 0.00. 0 -0.5. 想像創造. 推理論證. -0.18. -0.27 批判思辨. 建立模型. 思考智能. 智慧科技組無智慧科技組. 總成績. 問題解決 1 0.5. 0.84. 0.81 0.52 0.19. 0.41. 0.46. 0.20. 0.29. 0 -0.17. -0.5. -0.06. 智慧科技組無智慧科技組. -0.19 -0.61. -1 觀察與定題. 計畫與執行. 討論與傳達. 分析與發現. 解決問題. 總成績. 圖 4-2-2 智慧科技組與無智慧科技組之 ES 值比較. 三、無探究組與無智慧科技組之前測與後測探究能力變化情形為了瞭解無探究組(19 人)與無智慧科技組(72 人)的學生於課前課後科學探究能力是否有顯著變化，首先針對兩組進行成對樣本 T 檢定(表 4-2-6)及 ES 值的差異(圖 4-2-3)。 37.

(46) 結果顯示，思考智能有達到前後測成績顯著差異(<0.05)，ES 值為高度效應。而問題解決與總成績未達到顯著差異(>0.05)，ES 值分別為為未達輕度效應與輕度效應。. 表 4-2-6 無探究組與無智慧科技組前後測驗之成對樣本 T 檢定與 ES 值結果前測. 子項. p. 後測. 平均值. 標準差. 平均值. 標準差. 顯著性. 思考智能. 2.87. 1.51. 4.19. 1.69. 0.000. 問題解決. 4.08. 1.86. 3.73. 2.16. 0.312. 總成績. 6.94. 2.75. 7.92. 3.45. 0.054. Effect size 高度效應未達輕度效應輕度效應. 2 1.49. 1.5 1 0.5. 0.80. 0.65 0.31. 0.17. 0.07. 0.04. 0 -0.11. -0.5. -0.17. -0.36. -0.41. -1 想像創造. 推理論證. 批判思辨. 建立模型. 思考智能. 觀察與定題. 計畫與執行. 分析與發現. 討論與傳達. 解決問題. 總成績. 圖 4-2-3 無探究組與無智慧科技組各子項 ES 值. 四、比較智慧科技教學模式的有無，對探究能力變化情形(扣除探究組) 為了瞭解沒有探究教學(扣除探究組 19 人)的條件下，智慧科技教學模式是否影響學生探究能力，以無探究組(19 人)與無智慧科技組(72 人)進行共變數分析。首先進行迴歸 38.

(47) 係數同質性檢驗，檢驗結果如表 4-2-7 所示，組別*前測的顯著性結果為 0.498(>0.05)，表示前測與智慧科技教學的有無之間無交互作用，具有同質性，方可繼續進行共變數分析。. 表 4-2-7 無探究組與智慧科技組之迴歸係數同質性檢驗結果類型 III 平方和. 來源. 自由度. 均方. F. 顯著性. 修正模型. 140.780. 3. 46.927. 5.377. 0.004. 截距. 39.611. 1. 39.611. 4.539. 0.041. 組別. 2.203. 1. 2.203. 0.252. 0.619. 前測. 49.451. 1. 49.451. 5.667. 0.023. 組別*前測. 4.099. 1. 4.099. 0.470. 0.498. 誤差. 287.977. 33. 8.727. 總計. 2749.000. 37. 修正後總數. 428.757. 36. 共變數分析結果的 Levene’s 同質性變異數檢定結果如表 4-2-8 ，顯著性達 0.104(>0.05)，表示兩組誤差變異數對後測成績無顯著影響，具有同質性。. 表 4-2-8 無探究組與智慧科技組之 Levene’s 同質性變異數檢定結果 F. 自由度 1. 自由度 2. 顯著性. 2.784. 1. 35. 0.104. 組間效應項檢定結果如表 4-1-9 所示，組別之顯著性數值為 0.576(>0.05)，表示智慧科技教學模式對後測成績沒有顯著影響。 39.

(48) 表 4-2-9 無探究組與智慧科技組之組間效應項檢定結果來源. 類型 III 平方和. 自由度. F. 均方. 顯著性. 修正模型. 136.681. 2. 68.341. 7.955. 0.001. 截距. 45.528. 1. 45.528. 5.300. 0.028. 前測. 136.549. 1. 136.549. 15.895. 0.000. 組別. 2.734. 1. 2.734. 0.318. 0.576. 誤差. 292.076. 34. 8.590. 總計. 2749.000. 37. 修正後總數. 428.757. 36. 根據表 4-2-10 的比較結果，無探究組(19 人)調整後平均值僅高於無智慧科技組(72 人) 調整後平均值 0.573。. 表 4-2-10 無探究組與無智慧科技組之調整後平均值結果編號. 平均值. 標準誤差. 無探究組. 8.291a. 無智慧科技組. 7.718a. 95%信賴區間下限. 上限. 0.816. 6.632. 9.949. 0.600. 6.499. 8.936. *a. 模型中出現的共變數是根據下列值估計：前測總分＝6.946. 從統計分析比較結果可以發現是否進行智慧科技教學模式沒有顯著的差異。而圖 4-2-4 的 ES 值比較下，無探究組的「想像創造」、「建立模型」相較於無智慧科技組(72 人)有大幅度的成長。. 40.

(49) 思考智能 2 1.36. 1.5. 1.54 0.95. 1. 0.73. 0.58. 0.40. 0.5 0.00. 0 -0.5. 想像創造. 0.35 0.29. 0.15. 推理論證. -0.18. -0.27 批判思辨. 建立模型. 思考智能. 無探究組無智慧科技組. 總成績. 問題解決 1 0.5. 0.81 0.36. 0.35 0.29. 0.22. 0 -0.17. -0.5. -0.06 -0.13 -0.61. -0.68. -1 觀察與定題. 計畫與執行. 無探究組無智慧科技組. -0.16 -0.19. 討論與傳達. 分析與發現. 解決問題. 總成績. 圖 4-2-4 無探究組與無智慧科技組之 ES 值比較. 41.

(50) 第三節探究教學模式對探究能力變化情形一、智慧科技組之前測與後測探究能力變化情形為了瞭解探究組(19 人)與無探究組(19 人)的學生於課前課後科學探究能力是否有顯著變化，首先進行成對樣本 T 檢定和 Effect size。從表 4-3-1 的 p 值顯著性結果，思考智能、問題解決和總成績的前後測成績皆有達到顯著差異(<0.05)。從 ES 值結果，問題解決達輕度效應，思考智能與總成績 ES 值達到高度效應，表示進行智慧科技教學的班級整體前後測成績有顯著成長。. 表 4-3-1 智慧科技教學模式前後測驗之成對樣本 T 檢定與 ES 值結果前測. 子項. p. 後測. Effect size. 平均值. 標準差. 平均值. 標準差. 顯著性. 思考智能. 2.79. 1.64. 4.88. 1.83. 0.000. 高度效應. 問題解決. 4.00. 2.04. 5.04. 2.44. 0.035. 輕度效應. 總成績. 6.79. 3.37. 9.92. 4.00. 0.000. 高度效應. 2 1.54 1.5 1.2 1 0.5. 0.84 0.52. 0.51. 0.52 0.34. 0.19. 0.2. 觀察與定題. 計畫與執行. 0.41. 0.46. 討論與傳達. 解決問題. 0 想像創造. 推理論證. 批判思辨. 建立模型. 思考智能. 分析與發現. 圖 4-3-1 探究組與無探究組各子項 ES 值 42. 總成績.

(51) 二、比較探究教學的有無，對探究能力變化情形為了瞭解探究教學是否影響學生探究能力，以探究組(19 人)與無探究組(19 人)進行共變數分析。首先進行迴歸係數同質性檢驗，檢驗結果如表 4-3-2 所示。組別*前測的顯著性數值為 0.151 (>0.05)，表示前測與探究教學的有無沒有互相作用，因此符合共變數分析的同值性假設，方可繼續進行共變數分析。. 表 4-3-2 探究組與無探究組之迴歸係數同質性檢驗結果類型 III 平方和. 來源. 自由度. 均方. F. 顯著性. 修正模型. 237.536. 3. 79.179. 12.154. 0.000. 截距. 116.010. 1. 116.010. 17.807. 0.000. 組別. 41.078. 1. 41.078. 6.305. 0.021. 前測. 19.375. 1. 19.375. 2.974. 0.100. 組別*前測. 14.511. 1. 14.511. 2.227. 0.151. 誤差. 130.297. 20. 6.515. 總計. 2728.000. 24. 修正後總數. 367.833. 23. Levene’s 同質性變異數檢定結果如表 4-3-3，顯著性達 0.210(>0.05)，表示兩組的後測成績之誤差變異數無顯著差異，具有同質性。. 表 4-3-3 探究組與無探究組之 Levene’s 同質性變異數檢定結果 F. 自由度 1. 自由度 2. 顯著性. 1.665. 1. 22. 0.210. 43.

(52) 組間效應項檢定結果如表 4-3-4 所示，組別之顯著性數值為 0.002(<0.05)，表示探究教學的有無對後測結果有顯著差異。. 表 4-3-4 探究組與無探究組之組間效應項檢定結果來源. 類型 III 平方和. 自由度. F. 均方. 顯著性. 修正模型. 223.025. 2. 111.513. 16.172. 0.000. 截距. 136.462. 1. 136.462. 19.790. 0.000. 前測. 118.829. 1. 118.829. 17.232. 0.000. 組別. 85.821. 1. 85.821. 12.446. 0.002. 誤差. 144.808. 21. 6.896. 總計. 2728.000. 24. 修正後總數. 367.833. 23. 成對比較結果如表 4-3-5，探究組調整後平均值高於無探究組 3.809，表示探究組(19 人)探究能力成長幅度較無探究組成長幅度高。. 表 4-3-5 探究組與無探究組之調整後平均值結果編號. 平均值. 標準誤差. 探究組. 11.980. 無探究組. 8.171. 95%信賴區間下限. 上限. 0.793. 10.330. 13.629. 0.729. 6.654. 9.688. *a. 模型中出現的共變數是根據下列值估計：前測總分＝6.792. 44.