POE策略融入磁性手寫板原理學習之研究

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(1)國立臺中教育大學科學應用與推廣學系國立臺中教育大學科學應用與推廣學系暑期在職進修專班碩士論文. 指導老師：指導老師：張嘉麟博士. POE 策略融入磁性手寫板原理學習策略融入磁性手寫板原理學習之研究學習之研究 Studies on the Learning of the Principle of Magnetic Writing Borad Embedded by the POE Strategy. 研究生：研究生：郭玲伶. 撰. 中華民國一中華民國一○○ 民國一○○年 ○○年十月.

(2) 摘要本研究主要採質性研究法，目的在於探討 22 位國小四年級學童在 POE 策略融入科學玩具「磁性手寫板原理探究」的教學前後，其探究過程及概念改變的歷程，並探討這樣的教學方式對於學童在科學學習興趣與信心上的影響。本研究以 POE 策略進行三週的「磁性手寫板原理探究」教學活動，以「磁性手寫板原理前測問卷」、「POE 教學活動單」、「學習感受問卷」以及晤談等方式進行資料蒐集，最後再進行資料的分析與探討。研究結果顯示，在探究教學前後，學童的探究過程類型由 P+O（預測並驗證）、P（預測）、CD+T（好奇疑惑而操弄）、CD（好奇）以及 N（無探究企圖）等五個類型演變為 P+O+E（預測、驗證、合理解釋）和 P+O+RE（預測、驗證、不明確的解釋）這兩種類型；22 位學童在概念或想法上都產生了改變，且這些改變是以迷思概念或理由的修正與精緻化這個方向發＋. 展，其中以 M-S（概念修正）類型佔整體 59％最多，其次為 S-S （理由精緻化）類型佔整體 23％，而屬於 M-M－（理由修正）類型的學童則有 18％。此外，以 POE 策略融入「磁性手寫板」原理的探究教學活動普遍被學童們接受與歡迎，除了能夠讓學童在知識與方法上有所收穫之外，同時亦能增進學童科學學習的興趣與信心。. 關鍵詞：、科學玩具關鍵詞：概念改變、概念改變、POE、. I.

(3) Abstract Selecting 22 pupils from a class in the fourth grade of an elementary school, this study mainly adopted qualitative research method to study students’ processes of inquiry and concept change in an instruction of the principle of a science toy, magnetic writing board. The instruction was embedded by the POE strategy and its influence on pupils’ interest and confidence in science learning was also studied. Based on the three-week inquiry teaching activities, data were collected by “pre-test questionnaire about the principle of magnetic writing board”, “POE activity sheets”, “questionnaire of learning experience” and interviews for analysis and further discussion. The results indicated that the types of pupils’ inquiry processes changed from five types such as P + O(Predict-Observe), P(Predict), CD + T(Curious - Doubt + Try), CD(Curious – Doubt)and N(without inquiry attempt) into two types P + O + E(Predict-Observe-Sensible) and P + O + RE(Predict-Observe-Undefined exposition) after inquiry instruction. All the 22 pupils have changed their concepts and thinking to promote the amendment and supplement to misconception, among which pupils of the M-S(modify concept) type accounted for 59%, followed by 23% of S-S +(elaborate reason) type and 18% of M-M－(modify reason) type. In addition, inquiry instruction embedded by the POE strategy was generally accepted and appreciated by pupils. It not only helped them in science learning, but also enhanced their interest and confidence in the learning process. Keywords: Concept Change; POE; Science Toy. II.

(4) 論. 文. 目. 次. 摘要..................................................................................................................................I 摘要 ABSTRACT.................................................................................................................. II 論. 文. 目. 次 ....................................................................................................III. 表次............................................................................................................................ V 圖次......................................................................................................................... VII 第壹章緒論................................................................................................................... 1 緒論第一節研究背景與動機 ........................................................................................... 1 第二節研究目的與待答問題 ................................................................................... 3 第三節名詞解釋 ....................................................................................................... 4 第四節研究範圍與研究限制 ................................................................................... 5 第貳章文獻探討........................................................................................................... 7 文獻探討第一節 POE 的理論基礎......................................................................................... 7 的理論基礎第二節科學玩具 .................................................................................................... 12 第三節概念改變 .................................................................................................... 18 第參章研究方法與設計 ............................................................................................ 29 第一節研究架構 ..................................................................................................... 29 第二節研究對象 ..................................................................................................... 30 第三節研究工具 ..................................................................................................... 31 第四節研究流程 ..................................................................................................... 38 第五節 POE 教學活動設計.................................................................................... 44 教學活動設計第六節資料蒐集與分析 ......................................................................................... 49 第肆章研究結果與討論 ............................................................................................ 58 III.

(5) 第一節學童在 POE 探究教學探究教學前後的探究過程 58 教學前後的探究過程................................................... 前後的探究過程第二節學童在 POE 探究教學 72 探究教學前後的教學前後的概念改變歷程前後的概念改變歷程........................................... 概念改變歷程第三節 POE 探究教學對學童學習興趣與信心的影響 90 探究教學對學童學習興趣與信心的影響........................................ 教學對學童學習興趣與信心的影響第四節綜合討論 ..................................................................................................... 98 第伍章結論與建議 ...................................................................................................111 第一節結論 ...........................................................................................................111 第二節建議 .......................................................................................................... 115 參考文獻..................................................................................................................... 119 參考文獻  中文文獻：中文文獻： ..................................................................................................... 119  英文文獻：英文文獻： ..................................................................................................... 120 附錄............................................................................................................................. 附錄 122 附錄一磁性手寫板原理前測指引磁性手寫板原理前測指引 ....................................................................... 122 附錄二 POE 教學活動教學活動指引 122 活動指引.................................................................................. 指引附錄三磁性手寫板原理前測問卷 ....................................................................... 124 附錄四 POE 教學活動單（教學活動單（一） .......................................................................... 126 附錄五 POE 教學活動單（教學活動單（二） .......................................................................... 127 附錄六 POE 教學活動單（教學活動單（三） .......................................................................... 128 附錄七 POE 教學活動單（教學活動單（四） .......................................................................... 129 附錄八學生感受問卷 ........................................................................................... 130 附錄九晤談大綱 ................................................................................................... 132. IV.

(6) 表次表 2-1-1.國內國內 POE 的實徵研究.................................................................................. 10 的實徵研究表 2-1-2.國外國外 POE 的實徵研究.................................................................................. 11 的實徵研究表 2-4 -1 磁的另有概念表磁的另有概念表.......................................................................................... 26 有概念表表 3-3-1. 「磁性手寫板」 34 磁性手寫板」元件與構造說明.............................................................. 元件與構造說明表 3-5-1. POE 探究教學活動主題、探究教學活動主題、教學目標、教學目標、教學方法及評量方法教學方法及評量方法 ................. 44 表 3-5-2.「「磁性手寫板」 45 磁性手寫板」原理探究教學時間分配與活動內容原理探究教學時間分配與活動內容................................ 教學時間分配與活動內容表 3-6-1.【【探究活動前後】探究活動前後】學生探究過程分析架構與例子學生探究過程分析架構與例子.................................... 52 表 3-6-2. 學生概念或想法分析歸類舉例.................................................................. 53 學生概念或想法分析歸類舉例表 3-6-3. 學生喜歡 POE「「磁性手寫板」磁性手寫板」原理探究活動所持理由分析歸類舉例原理探究活動所持理由分析歸類舉例 54 表 4-1-1.【【探究活動前後】探究活動前後】學生探究過程分析定義與例子學生探究過程分析定義與例子.................................... 58 表 4-1-2. 學童在探究教學活動前的探究過程類型學童在探究教學活動前的探究過程類型.................................................. 59 究過程類型表 4-1-3. 學童在探究教學活動後「 63 學童在探究教學活動後「手寫筆頭」手寫筆頭」的探究過程類型的探究過程類型.......................... 程類型表 4-1-4.學童在探究教學活動後學童在探究教學活動後「 64 學童在探究教學活動後「板中粉」板中粉」的探究過程類型的探究過程類型................................ 類型表 4-1-5.學童在探究教學活動後學童在探究教學活動後「 66 學童在探究教學活動後「清除刷」清除刷」的探究過程類型的探究過程類型................................ 類型表 4-1-6.手寫筆頭手寫筆頭、板中粉及清除刷探究過程類型 68 手寫筆頭、板中粉及清除刷探究過程類型................................................ 表 4-1-7. 學童在探究教學活動前後的探究過程類型.............................................. 69 學童在探究教學活動前後的探究過程類型表 4-2-1. 學生概念或想法分析歸類舉例.................................................................. 72 學生概念或想法分析歸類舉例表 4-2-2. 學童在探究教學活動前的概念類型.......................................................... 73 學童在探究教學活動前的概念類型表 4-2-3. 學童在探究教學活動前的迷思學童在探究教學活動前的迷思概念或想法類型...................................... 概念或想法類型 74 表 4-2-4. 學童在探究教學活動後的概念類型.......................................................... 80 學童在探究教學活動後的概念類型 V.

(7) 表 4-2-5. 學童在探究教學活動後的迷思學童在探究教學活動後的迷思概念或想法類型...................................... 概念或想法類型 81 表 4-2-6. 學童在探究教學活動前後的概念類型...................................................... 84 學童在探究教學活動前後的概念類型表 4-2-7. 學童在探究教學活動前後的迷思 86 學童在探究教學活動前後的迷思概念或想法類型.................................. 概念或想法類型表 4-2-8. 學童在探究教學活動前後的概念改變歷程.............................................. 87 學童在探究教學活動前後的概念改變歷程表 4-3-1. 學童是否喜歡「學童是否喜歡「磁性手寫板」磁性手寫板」原理探究教學活動統計原理探究教學活動統計.......................... 90 動統計表 4-3-2. 學生喜歡 POE「「磁性手寫板」磁性手寫板」原理探究活動所持理由統計表 ............ 91 表 4-4-1. 學童在探究教學活動前的迷思 103 學童在探究教學活動前的迷思概念或想法類型.................................... 概念或想法類型表 4-4-2. 學童在探究教學活動後的迷思 104 學童在探究教學活動後的迷思概念或想法類型.................................... 概念或想法類型表 4-4-3. 學童在探究教學活動前後的概念改變歷程............................................ 學童在探究教學活動前後的概念改變歷程 105 表 4-4-4. 學童是否喜歡「 107 學童是否喜歡「磁性手寫板」磁性手寫板」原理探究教學活動統計原理探究教學活動統計........................ 動統計表 4-4-5. 學生喜歡 POE「「磁性手寫板」磁性手寫板」原理探究活動所持理由統計表 .......... 109. VI.

(8) 圖次圖 3-1-1 研究架構圖.................................................................................................... 30 研究架構圖圖 3-3-1.磁性手寫板磁性手寫板.................................................................................................... 34 磁性手寫板圖 3-3-2.手寫筆手寫筆............................................................................................................ 34 手寫筆圖 3-3-3.板中粉末板中粉末........................................................................................................ 34 板中粉末圖 3-3-4.清除刷清除刷............................................................................................................ 35 清除刷圖 3-3-5.板面格子狀細紋構造板面格子狀細紋構造.................................................................................... 35 板面格子狀細紋構造圖 3-3-6.在板面上寫字在板面上寫字................................................................................................ 35 在板面上寫字圖 3-3-7.清除板面文字清除板面文字................................................................................................ 35 清除板面文字圖 3-3-8.探究活動測試物件探究活動測試物件........................................................................................ 36 探究活動測試物件圖 3-4-1 研究流程圖................................................................................................... 43 研究流程圖圖 3-5-1. POE 探究教學活動流程圖（探究教學活動流程圖（以手寫筆頭探究為例）以手寫筆頭探究為例） ............................. 48 圖 4-1-1.探究教學前學童探究類型比較圖探究教學前學童探究類型比較圖................................................................ 60 探究教學前學童探究類型比較圖圖 4-1-2.探究教學前學童探究類型比例圖探究教學前學童探究類型比例圖................................................................ 62 探究教學前學童探究類型比例圖圖 4-1-3.探究教學前學童探究企圖類型比例圖探究教學前學童探究企圖類型比例圖........................................................ 62 探究教學前學童探究企圖類型比例圖圖 4-1-4.探究教學後學童探究教學後學童「手寫筆頭」探究類型比較圖........................................ 探究類型比較圖 63 探究教學後學童「手寫筆頭」圖 4-1-5.探究教學後學童探究教學後學童「 65 探究教學後學童「板中粉」板中粉」探究類型比較圖............................................ 探究類型比較圖圖 4-1-6.探究教學後學童探究教學後學童「 66 探究教學後學童「清除刷」清除刷」探究類型比較圖............................................ 探究類型比較圖圖 4-1-7.探究教學後學童手寫筆頭探究教學後學童手寫筆頭、探究教學後學童手寫筆頭、板中粉及清除刷探究類型比較圖板中粉及清除刷探究類型比較圖 ............... 68 圖 4-1-8.探究教學前後學童探究過程類型比較圖探究教學前後學童探究過程類型比較圖.................................................... 69 探究教學前後學童探究過程類型比較圖圖 4-2-1.探究教學前學童概念類型比較圖探究教學前學童概念類型比較圖................................................................ 73 探究教學前學童概念類型比較圖 VII.

(9) 圖 4-2-2.探究教學活動前的迷探究教學活動前的迷思概念或想法類型分項比較圖 74 探究教學活動前的迷思概念或想法類型分項比較圖................................ 圖 4-2-3.探究教學活動前的迷探究教學活動前的迷思 75 探究教學活動前的迷思概念或想法類型比較圖........................................ 概念或想法類型比較圖圖 4-2-4.探究教學活動前手寫筆頭的概念或想法類型比探究教學活動前手寫筆頭的概念或想法類型比例圖 76 探究教學活動前手寫筆頭的概念或想法類型比例圖................................ 例圖圖 4-2-5.探究教學活動前手寫筆頭的迷探究教學活動前手寫筆頭的迷思 76 探究教學活動前手寫筆頭的迷思概念或想法類型比例圖........................ 概念或想法類型比例圖圖 4-2-6.探究教學活動前板中粉的概念或想法類型比例探究教學活動前板中粉的概念或想法類型比例圖探究教學活動前板中粉的概念或想法類型比例圖.................................... 77 圖 4-2-7.探究教學活動前板中粉的迷探究教學活動前板中粉的迷思 77 探究教學活動前板中粉的迷思概念或想法類型比例圖............................ 概念或想法類型比例圖圖 4-2-8.探究教學活動前清除刷的概念或想法類型比例探究教學活動前清除刷的概念或想法類型比例圖探究教學活動前清除刷的概念或想法類型比例圖.................................... 78 圖 4-2-9.探究教學活動前清除刷的迷探究教學活動前清除刷的迷思 78 探究教學活動前清除刷的迷思概念或想法類型比例圖............................ 概念或想法類型比例圖圖 4-2-10.探究教學活動前手寫板原理描述的概念或想法探究教學活動前手寫板原理描述的概念或想法類型比例圖探究教學活動前手寫板原理描述的概念或想法類型比例圖 ................. 79 圖 4-2-11.探究教學活動前手寫板原理描述的迷探究教學活動前手寫板原理描述的迷思 79 探究教學活動前手寫板原理描述的迷思概念或想法類型比例圖.......... 概念或想法類型比例圖圖 4-2-12.探究教學後學童概念類型比較圖探究教學後學童概念類型比較圖.............................................................. 80 探究教學後學童概念類型比較圖圖 4-2-13.探究教學活動後的迷探究教學活動後的迷思 81 探究教學活動後的迷思概念或想法類型分項比較圖概念或想法類型分項比較圖.............................. 項比較圖圖 4-2-14.探究教學活動後手寫筆頭的概念或想法類型比探究教學活動後手寫筆頭的概念或想法類型比例圖 82 探究教學活動後手寫筆頭的概念或想法類型比例圖.............................. 例圖圖 4-2-15.探究教學活動後板中粉的概念或想法類型比例探究教學活動後板中粉的概念或想法類型比例圖探究教學活動後板中粉的概念或想法類型比例圖.................................. 83 圖 4-2-17.探究教學活動後手寫板原理描述的概念或想法探究教學活動後手寫板原理描述的概念或想法類型比例圖探究教學活動後手寫板原理描述的概念或想法類型比例圖 ................. 84 圖 4-2-18.探究教學活動前後的迷探究教學活動前後的迷思 85 探究教學活動前後的迷思概念或想法比較.............................................. 概念或想法比較圖 4-2-19.探究教學活動前後的探究教學活動前後的科學概念 85 探究教學活動前後的科學概念或想法比較科學概念或想法比較.............................................. 或想法比較圖 4-2-20.探究教學活動前的迷探究教學活動前的迷思 86 探究教學活動前的迷思概念或想法類型比例圖...................................... 概念或想法類型比例圖圖 4-2-21.探究教學活動前後概念或想法改變歷程類型比探究教學活動前後概念或想法改變歷程類型比例圖 89 探究教學活動前後概念或想法改變歷程類型比例圖.............................. 例圖圖 4-3-1.學童是否喜歡學童是否喜歡「 90 學童是否喜歡「磁性手寫板磁性手寫板」原理探究教學活動比例圖........................ 原理探究教學活動比例圖圖 4-3-2.學童支持有收穫的理由比較圖學童支持有收穫的理由比較圖.................................................................... 92 學童支持有收穫的理由比較圖圖 4-3-3.學童支持能提升科學學習興趣的理由比較圖學童支持能提升科學學習興趣的理由比較圖............................................ 93 學童支持能提升科學學習興趣的理由比較圖 VIII.

(10) 圖 4-3-4.學童支持能提升科學學習信心的理由比較圖學童支持能提升科學學習信心的理由比較圖............................................ 95 學童支持能提升科學學習信心的理由比較圖圖 4-4-1.探究教學前學童探究類型比例圖探究教學前學童探究類型比例圖................................................................ 98 探究教學前學童探究類型比例圖圖 4-4-2.探究教學前學童探究企圖類型比例圖探究教學前學童探究企圖類型比例圖........................................................ 99 探究教學前學童探究企圖類型比例圖圖 4-4-3.探究教學後學童手寫筆頭探究教學後學童手寫筆頭、探究教學後學童手寫筆頭、板中粉及清除刷探究類型比較圖板中粉及清除刷探究類型比較圖 ............. 100 圖 4-4-4.探究教學前後學童探究過程類型比較圖探究教學前後學童探究過程類型比較圖.................................................. 101 探究教學前後學童探究過程類型比較圖圖 4-4-5.探究教學前學童概念類型比較圖探究教學前學童概念類型比較圖.............................................................. 102 探究教學前學童概念類型比較圖圖 4-4-6.探究教學後學童概念類型比較圖探究教學後學童概念類型比較圖.............................................................. 103 探究教學後學童概念類型比較圖圖 4-4-7.探究教學活動前後概念或想法改變歷程類型比探究教學活動前後概念或想法改變歷程類型比例圖 106 探究教學活動前後概念或想法改變歷程類型比例圖.............................. 例圖圖 4-4-8.學童是否喜歡學童是否喜歡「磁性手寫板」原理探究教學活動比例圖...................... 原理探究教學活動比例圖 108 學童是否喜歡「磁性手寫板」. IX.

(11) 第壹章緒論本章共分為四節。第一節說明研究背景與動機，第二節說明研究目的與待答問題，第三節針對重要名詞加以解釋說明，第四節則說明本研究的研究範圍與限制。. 第一節研究背景與動機為了瞭解我國科學教育在國際比較脈絡中的成效，我國分別在1999、2003及 2007年參加國際數學與科學教育成就趨勢調查（TIMSS），在2006年參加學生能力國際評量計畫（PISA）這兩項國際評比。李啟迪(2009)分析歷年TIMSS和PISA 的調查結果指出，在學科認知能力上，無論是TIMSS評量的三項認知能力或是 PISA評量的三種科學能力，我國八年級和九年級學生的表現優異，但若與第一名的國家相比，我國學生在活用所學的科學原理原則（TIMSS所定義的推理能力）以及辨識科學議題和運用科學證據這類科學探究的方法上（PISA所定義的科學素養）還可精益求精。其次，在情意面向上，我國八、九年級學生之科學學習自信與科學學習興趣皆有低落的情況。此外，丁信中(2009)分析比較芬蘭PISA 2003與我國TIMSS 2003的測驗結果，以及兩國在PISA 2006測驗表現的差異，也提出提昇臺灣學生科學解釋與科學探索的能力，以及改善他們的學校科學學習信心，將是當前國內科學教育發展應該正視的見解。足見科學探究能力的養成以及提昇學生在科學學習上的自信與興趣，應為我國科學教育未來必須努力的目標與方向之一。在1960年代掀起的一連串科學課程改革中，普遍強調讓學生經由科學探究活動過程學習科學的知識及方法(歐陽鍾仁，1987)。科學教育者主張透過探究過程可以激發學生的學習興趣、滿足學生的好奇心並增進學生的實作經驗。在探究活動過程中，可以培養學生高層次思考和問題解決的能力、促進學生科學概念之理解、提高學生的學習表現以及增進學生科學過程技能（Anderson, 1983； Mattheis & Nakayama, 1997；楊龍立，2002；蔡綺文，2003）。 1.

(12) 然而，這樣的學習方式到了1970年代，卻被認為是造成學生學習成就與興趣低落的原因而遭受質疑(Yager, 1992)。其主要原因在於師資及相關設備在教學上的配合困難，此外，課程內容對於探究的定義過於狹隘，導致學習內容與學生的生活脫節(黃鴻博，2000a)。因此，在探究活動的設計上，除了更進一步地要求學生在動手操作與動腦思考(楊龍立，2002)之外，亦應將學生的學習興趣列入考量。而將貼近學生生活的科學玩具與遊戲融入教學，就是一個能夠引起學習動機很好的媒介。科學遊戲不同於一般的玩耍嬉戲，不但具有遊戲喜悅的優點，更進一層，且含有科學的教育意涵（陳忠照，2003）。早期的教育學者如Comenius、Rousseau、 Pestalozzi和Frobel，他們也強調遊戲對兒童的重要性，並視遊戲為兒童的工作，是學習的樞紐（吳幸玲，2003）。從科學玩具操弄的過程中，所得的經驗與探究的結果，就可以建構科學概念與瞭解基本原理（張淑慧，2003）。教師如果能配合經過設計的科學玩具進行教學，使科學原理應用在科學實驗和自然科學習上，有助於兒童建構科學概念，將科學玩具與教學活動結合，教師除了可以在學生操作的過程中探究其原理外，還可以在兒童操作的過程中，進行觀察、測量、控制變因等科學方法進行科學實驗，而達到寓教於樂的效果，不但可以滿足兒童學習與娛樂的慾望，對於培養兒童學習自然科學的興趣也是非常有益的（楊忠樵， 2001）。在1989年美國科學促進協會（AAAS）出版的「2061計畫：美國科學全民化」一書中指出，學校教育應培養國民具備科學素養，而科學素養指的是科學概念、科學過程技能及科學態度的平均發展，（AAAS，1989）。我國九年一貫課程綱要在自然與生活科技學習領域方面，主要目標也是在於提昇國民包含過程技能、科學與技術認知、思考技能、科學態度、科學本質、科學應用、科技的發展、設計與製作等能力的科學素養（教育部，2003）。此外，在《國家科學教育標準》 (National Science Education Standards)更進一步指出，教師應鼓勵學生做科學探究的活動(NRC，1996)。綜合以上的探討可知，科學探究能力的養成以及正向科學 2.

(13) 態度的建立實為學生在學習科學過程中，所必須培養的重要基礎能力。因此，本研究嘗試透過預測-觀察-解釋 (Predict-Observe-Explain, POE）探究的教學策略，結合兒童對玩具的喜好、興趣，以科學玩具原理探究來設計教學活動，引導學生透過操作科學玩具來進行科學原理的學習，以探討在使用POE教學策略的「磁性手寫板」原理探究教學活動歷程中，學生對「磁性手寫板」科學原理的探究過程以及在探究過程中概念或想法改變的歷程，並探討這樣的教學方式對於學生在科學學習興趣與信心上的影響。. 第二節研究目的與待答問題本研究以POE的教學策略進行科學玩具原理的探究教學活動，目的在探討國小四年級學生在科學玩具原理探究教學活動中，學生對「磁性手寫板」科學原理的探究過程以及在探究過程中概念改變的歷程，並探討這樣的教學方式對於學生在科學學習興趣與信心上的影響，期盼研究結果能提供給科學教育工作者做為未來教學與研究上的參考。依據上述的研究目的，本研究欲探討的問題有三：一、在POE科學玩具原理探究教學中，學生對「磁性手寫板」科學原理的探究過程為何？二、在POE科學玩具原理探究教學的探究歷程中，學生概念的使用情形與發展為何？三、在POE科學玩具原理探究教學中，對學生在科學學習興趣與信心上的影響為何？. 3.

(14) 第三節名詞解釋. 本研究定名為「POE 策略融入科學玩具原理探究教學之研究」，茲將研究中幾個重要名詞之涵意，說明如下。ㄧ、POE教學策略 POE（Predict-Observe-Explain）是指學生在科學的學習過程中，必須透過預測(Prediction)-觀察(Observation)-解釋(Explanation)這三個步驟來進行探究活動(邱美虹，2000b；White & Gunstone,1992)： (一) 首先他們必須對其事件的結果進行預測，並針對預測的理由提出說明。 (二) 他們必須能夠描述所觀察到的現象。 (三) 他們必須調解任何觀察與預測之間的衝突，並針對預測和觀察結果之間的矛盾提出解釋。本研究所稱「POE教學策略」是指在科學教學活動中，透過預測-觀察-解釋這三個步驟讓學生進行科學玩具「磁性手寫板」原理探究的學習，藉以觀察學生整個探究的過程，了解學生在解釋過程中概念的使用與發展情形，並促進學生對科學學習的興趣與信心。二、概念改變（conceptual change）學童知識的獲得是主動建構的過程，當學生知識架構和現有科學理論架構不相同時，會進行知識的重新建構。概念改變是學習者挑戰既有的想法而形成新想法的過程，所以概念改變的產生源自於學童對過去經驗與現有概念相互作用的過程，此結果造成學童認知結構不斷的產生同化與調適後，融合新概念或擴展新的概念架構，產生概念的改變。 Posner等人提出概念改變的四個條件為(邱美虹，2000a)： (一) 學習者必須對現有概念感到不滿意(dissatisfaction)。 (二) 新的概念必須是可以理解的(intelligible)。 (三) 新的概念必須是合理的(plausible)。 4.

(15) (四) 新的概念必須是豐富的(fruitful)。本研究所指的概念改變是學生在「磁性手寫板」元件材質與科學原理的描述中，有關「磁鐵本質」與「磁力」這二個概念向度上，於教學前以「概念開放式問卷」進行手寫板原理前測的內容，以及在進行POE教學策略之後，在「POE教學活動單」上所呈現的內容，就兩者在概念使用與發展的情形，探討其在概念上的改變歷程。三、科學玩具（Science toys）所謂的科學玩具是指：利用科學原理來製造或是操作的玩具（余岳川，2001；許順欽， 2003；柯虹如，2006；楊蕎安，2007），使兒童透過觀察現象以及簡易的操作，培養對大自然的情感、學習細心的觀察，進而啟發學童認知推理、思考等能力（信誼基金會，1987）。在本研究所使用的科學玩具是指「磁性手寫板」，在POE的教學策略架構下，將「磁性手寫板」融入科學課程中，讓學生在操作與觀察的過程中，主動去探究玩具所運用的科學原理以及所包含的科學概念。. 第四節研究範圍與研究限制ㄧ、研究範圍本研究以立意取樣選擇中部某國小四年級學生，一班共 22 人為研究樣本，在 POE 策略融入科學玩具原理探究教學活動階段中所採用的課程教材設計，則選用學生在三、四年級自然與生活科技領域已經學過的單元概念為核心，再根據「磁性手寫板」的原理以及 POE 教學的三個步驟來設計活動單，在概念的學習內容上包含「磁鐵本質」與「磁力」這二個概念向度。因此，本研究所探討的範圍只限於「磁性手寫板」原理的核心概念發展出來的教學活動，以及在活動過程中學生「磁性手寫板」科學原理的探究過程與概念改變的歷程，並探討這樣的教學方式對於學生在科學學習興趣與信心上的影響。. 5.

(16) 二、研究限制（ㄧ）研究工具的限制在POE教學策略的科學玩具原理探究教學活動中，本研究所採用的「POE教學活動單」「學生感受問卷」以及「磁性手寫板原理前測問卷」的設計與編寫，係研究者參考相關文獻，並與指導教授、一位國小資深自然科教師及二位科教所研究生等，共同磋商討論所發展出來，編製重點放在「磁性手寫板」原理的探究以及這樣的教學方式對於學生在科學學習興趣與信心上的影響。（二）研究者的限制在本研究中，研究者同時也是課堂上的教學者，因此在教學活動的課程設計與教學、資料的蒐集與分析上，難免會受到研究者個人在信念或特質上的影響，因此，在資料的分析中，研究者安排了二位具科學教育碩士學位的資深教師共同參與，以降低這個情況可能對研究產生的限制與影響。. 6.

(17) 第貳章文獻探討為瞭解國小四年級學童在 POE 策略融入科學玩具原理探究教學活動中，其探究過程與概念發展的情形，以及學童在活動中所展現的科學態度，本章將就「POE 的理論基礎」、「科學玩具」以及「概念改變」等三節加以論述，以建構本研究的理論基礎。. 第一節 POE 的理論基礎. 一、POE源起 POE策略起源於Champagne、Klofer和Anderson在1980年於Pittsburgh大學所設計的「DOE」(Demonstration, Observation, & Explanation)晤談策略，用於探討大一學生學習古典力學時，對於物體運動的原有想法以及有別於正統牛頓力學的概念(Champagne, Klopfer & Anderson, 1980)。「DOE」晤談策略是先對學生進行紙筆測驗，再由教師示範實驗活動讓學生觀察，最後要求學生回答測驗裡的問題並提出說明。而Gunstone和White(1981)發現讓學生進行預測的活動，更能呈現出學生原有的認知結構，也能提高學生的學習興趣，對於瞭解學生原有概念及提升教學成效十分重要，他們認為學生所預測的部分才是教師專注的重點，特別強調學生的預測任務，因此，重新設計並改良DOE晤談策略，發展應用並設計成POE （Predict-Observe-Explain）教學策略，做為改進教學的方法。 White和Gunstone (1992)提出了POE 教學策略，用於探究學生的知識與科學概念的理解。POE 的活動過程是由教師提供一個情境給學生，要求學生運用其原有的知識去預測其結果，並寫下預測的理由，隨後進行實驗操作，讓學生觀察並紀錄下觀察到的現象，最後要求學生解釋預測和觀察之間的不一致。其策略的主要步驟有三：（一）預測(Prediction)：學生運用其原有的知識去預測一個事件的結果，其預測 7.

(18) 必須要有其支持的理由，才能提出。（二）觀察(Observation)：在事件完成之後，學生去描述這事件的真正結果。（三）解釋(Explanation)：學生要去解釋他的預測和真實結果之間的矛盾。二、POE教學策略的目的讓學生學會如何運用學來的知識，去解釋事件與經驗，是科學教育的重要目的之ㄧ，而POE則是一種對知識運用能力的評量，其目的在於就是在瞭解學童於某一情境下，如何應用相關的知識來預測、描述和解釋所看到的現象。由於POE 策略強調學童對真實事件的預測及預測的理由，與一般測驗相較，較少強調正確答案及評分的問題，而是希望學童呈現其真實的想法，同時讓學童去敘述他們所持的理由。在許多POE 教學活動中發現，學童經常是以日常生活的經驗及信念去支持他們的理由，或者應用跟科學原理相異的觀念去解釋自然界的現象，因此，在科學的學習過程中，POE教學策略能有效鼓勵學生應用自己所持原有的知識與概念去進行推理與解釋，也能探測出學生在真實情境中的認知結構及應用相關知識的能力，並促進學生對新概念的理解（White & Gunstone，1992；張宗義，2003；陳沛瑩，2004；林士峰，2005）。在Bruce（2000）的研究中指出， POE教學策略可以幫助我們思考幾個方向：（一）POE教學策略能夠作為科學課程或課堂討論的導引，有助於學生在學習過程中的互動與對話。（二）在填寫POE活動單的一段時間裡，可以讓學生有機會針對他們的操作與想法進行思考。（三）寫下預測這個步驟增加了學生的參與感，讓多數學生對真實情境的實驗結果感到興趣，特別是在自己的預測與多數人不一致的時候。（四）POE能夠呈現學生整個學習活動的歷程，可作為進一步研究或形成性評量的基礎。（五）POE策略的相關教學活動可提供學生進一步探索科學原理的基礎。 8.

(19) 三、POE教學策略的設計 Ausubel 的學習理論提出所謂的「有意義的學習」，他特別強調在學習的過程中，學習者先備知識在學習上的重要性。如果讓學生預測他們不熟悉或是缺乏經驗的主題時，他們很可能會亂猜 (Bruce，2000)。因此，POE教學策略在設計階段，必須將學生是否有足夠的先備知識考量進去，以確保學生有足夠的理論基礎可以加以運用，並有能力可以預測出正確的實驗結果。當學生所預測出的結果與觀察到的現象不符合時，學生也可以有足夠的理解及思考能力去調和所有預測與觀察之間的衝突與不協調。因此，White & Gunstone(1992)所推廣的POE 教學策略，強調以學生的觀點出發來設計課程，讓學生的預測是有先備知識為基礎而不是胡亂的猜測，因此在預測之後，要求學生說出支持其預測答案的理由就顯得相當重要，而在觀察之後，針對預測與觀察之間的矛盾做解釋時，也應鼓勵學生以知識為基礎，而不是表面合理化的做說明。四、POE教學策略的實施茲將White & Gunstone(1992) 所提出的POE教學策略進行的步驟以及注意要項分述如下： 1、預測(Predict) 學生運用其原有的知識去預測一個事件的結果，且其所提出的預測必須包含支持的理由。在預測前必須確認所有學生都能理解即將預測的情境內容，必要時可允許學生提問，甚至也可以使用準備好的活動單，或者以開放的形式，讓學生用自己的話紀錄學生的預測，以避免學生因為思考而忽略了觀察。 2、觀察(Observe) 當活動進行的時候，要求學生寫下他們觀察到的現象，根據經驗，即使相同的活動，不同的學生常會看見不一樣的事情，如果沒有要求學生即時寫下他們所看到的東西，他們很可能因為別人的說法而改變自己的看法。. 9.

(20) 3、解釋(Explain) 在這個階段，學生必須針對預測和觀察結果之間的矛盾提出解釋，這個部份對學生而言是較困難的，因此，教學者必須適時的鼓勵學生去考慮所有可能的因素，因為這時候學生提供的說明通常都透露許多他們真實的瞭解狀況，從中可展現出他們對於事件的理解情形。五、POE教學策略的實徵研究近年來，使用POE教學策略於探討學生迷思概念與做為教學策略的研究不少，茲整理摘錄國內、外與POE策略相關的研究數篇，列舉如表2-1-1及表2-1-2，以瞭解POE策略在科學教育的運用概況。表2-1-1.國內POE的實徵研究研究者. 研究對象. 研究概述. 國小六年級生運用POE策略和個別晤談，探討中小學生對於物. 蔣盈姿國中二年級生（2003）. 質可燃性的另有概念及探討另有概念之來源。高中一年級生探討學生在以POE 策略設計之浮力教學單元. 陳志偉國小四年級生中，浮力概念的學習與POE教學活動的學習成（2004）效。許良榮. 國小六年級生運用POE策略探討學生「溶解」概念之形成與發. 劉政華. 國中二年級生. （2004）. 高中二年級生. 展。運用POE策略探究學生對於色光的概念及概念. 王玉龍國小六年級生（2005）. 改變的歷程。以POE策略，探究學生在「月相類比模型」中使. 姚志宗國小六年級生（2005）. 用的推理技巧、概念改變以及概念發展的歷程。. 李莘怡. 運用POE 教學策略與閱讀教材，探討學生對於國中二年級生. （2005）. 「溶解」迷思概念改變之成效。 10.

(21) 王盈琪. 利用POE教學模式探討學生光的另有概念及其國小三年級生. （2006）. 概念改變之成效。. 洪淑淩. 國小自然科. （2006）. 教師. 以POE 活動，探究16位國小自然科教師的色光概念及概念改變歷程。. 大學自然科學黃柏雅. 利用POE策略探討學生色光混合概念與推理歷相關科系三、. （2008）. 程。四年級利用 POE 策略探究學生對混合色光的推理類. 許嘉珍國小四年級生（2008）. 型，並分析推理類型對學生回答問題的影響。. 表2-1-2.國外POE的實徵研究研究者. 研究對象. 採用POE教學策略進行熱與液體膨脹的主題教. Liew & Treagust. 11年級生. （1995）. 學，以探討這樣的教學策略對學生概念學習的影響情形。. Fekete & Walker. 研究概述. 利用含有POE策略的教學資料庫進行互動式教大學生學，以探究大學生對於熱力學概念學習之成效。. （1997） Liew & Treagust. 運用五個不同的POE教學策略來診斷學生科學 9-12 年級生概念理解的情形，並確認學生學習成就之層次。. （1998）透過呈現一系列POE 影片以及學生討論物理課 Kearney & Treagust. 程的對話過程，來確認學生概念理解的情形。研 10、11 年級生究發現，結合電腦多媒體與POE 教學策略能促. （2000）進學生有意義的學習。 Methembu. 11 年級生. 在化學反應的課程中運用POE的教學策略，以診 11.

(22) （2001）. 斷學生的化學概念，了解學生對化學變化的理解情形，並提升學生的學習成效。. Kearney Treagust. 運用結合電腦多媒體與POE 教學策略的教學模 10、11 年級生式，探討這樣的教學是否能增進學生對於力與運. Yeo & Zadnik. 動概念的學習。. （2001）由前述POE相關研究可知，POE策略不僅可用在晤談上，協助研究者深入了解學生如何運用相關科學概念於真實情境中，知曉學生的概念與想法，也可以融入教學活動中，學生透過實際參與學習歷程且主動的思考與建構知識，讓學生不再是被動的學習者，而成為活動中的主角；而教學者也藉由學生在POE 活動中所呈現的預測、觀察、解釋等文字紀錄，進而能深入了解學生在概念上的學習，提供設計相關教學活動的參考，有效促進教學效益。再者，早期的POE相關研究，其研究焦點大都在探討學生的另有概念。然而近期將POE進一步應用於教學，以探討教學歷程中學生的學習成就、概念改變、以及思考推理歷程的變化之研究漸漸增多。因此，不管是將POE當作是一種教學策略或是診斷工具，對於科學的教學、學習以及評量上都有正面的成效。有鑑於此，研究者嘗試以POE策略為教學活動架構，配合科學玩具「磁性手寫板」的實際操作，以探討國小四年級學生「磁性手寫板」科學原理的探究過程，以及學生在「磁性手寫板」元件材質與科學原理的描述中，有關「磁的本質」與「磁力」概念上的發展歷程，同時也探討這樣的探究活動對於學生科學學習興趣與信心的影響。. 第二節科學玩具一、科學玩具的意涵關於科學玩具的意涵，許多專家學者雖有不同的見解，然大致上都從製作原理與其教育功能這二個面向來說明，茲將這些不同的見解分述如下：從製作原理這個面向來看，所謂的科學玩具，是指以兒童身邊容易取得的素 12.

(23) 材為製作材料（紀肇聲，1887；楊忠樵，2001；李戊益， 2002；楊蕎安， 2007），並利用科學原理來製造或操作（余岳川，2001；許順欽， 2003；柯虹如，2006；楊蕎安，2007），具有趣味性（楊蕎安，2007）的玩具。再從教育功能這個面向來看，所謂的科學玩具，是指能讓兒童透過簡易的操作以及現象的觀察，以啟發其認知、推理與思考等能力的玩具（信誼基金會， 1987；許順欽，2003；王錦銘，2005；柯虹如，2006；楊蕎安，2007）。成映鴻（1998）認為，只要兒童能利用事物去做有意義的活動和遊戲者，則一草一木都可稱為玩具。而這些玩具，具有科學教育意義，或利用其活動時具有科學精神，都可以稱之為科學玩具。余岳川（2001）認為有不少的科學玩具本來就是科學家為了教導科學原理而發明的，基於此，科學玩具非常適合來當自然或物理、化學的教具，可以研究它的操作原理，也可以用它來研究基本科學定律。張淑慧（2003）則認為科學玩具結合玩具與教具的功能，能夠做為兒童學習科學的材料和學習工具。綜觀以上學者看法，不論學者們從哪個面向來說明科學玩具的意涵，都強調科學玩具必須具有科學原理以及教育上的意義。由此可知，所謂科學玩具並不只是玩具，它取材方便，製作簡易，而且可以作為課堂上的教學輔助工具，幫助兒童在科學課程上的學習活動，並增進其對科學原理的認知，也可以培養兒童對大自然的情感，並啟發其認知、思考、推理等能力。. 二、選擇優良科學玩具的原則在科學玩具的選擇方面，許多專家學者有不同的見解，然大致上都強調操作簡單、具有教育功能以及安全性等原則，茲將這些不同的見解分述如下：鄭守道（1974）認為優良的科學玩具應具備以下的條件：（一）「構想好」，並利用科學原理製作的玩具。（二）玩具的造型新穎、高尚而富有藝術性，能陶冶兒童的情緒，藉以訓練審美能力。 13.

(24) （三）色彩調和不刺目，並合乎兒童的心理。（四）能啟發兒童的科學思考和幻想，並能培養創造力。（五）玩具的結構堅準、耐用，易於收拾沒有危險性。（六）尺寸大小是否考慮使用者的性別、年齡及行動的可能性。（七）可玩性大，兒童是否喜歡玩、玩得久。（八）是否可以做多種玩法。（九）富有教育性。（十）價格大眾化，人人買得起。在九年一貫自然與生活科技領域的綱要中指出，科學玩具的設計必須掌握下列原則（教育部，2003）：（一）具有安全性。（二）具有趣味性、啟發性。（三）能引起科學辯論。（四）器材簡單易得。（五）操作簡單易學。王錦銘（2004）提出科學玩具遊戲教學之材料選擇及製作科學玩具可依循下列原則：（一）安全性，活動的首要考量即是安全性。（二）材料可替代性高，若能提供兒童思考是否有替代材料的機會則更佳。（三）價格低廉，易於取得，組合多變化，可激發兒童的想像力與創造力。（四）製作方法簡單且毋需使用太複雜的工具便能製作。（五）教學者於教學前應事先試做，了解材料的適切與否。（六）遵循資源再利用的原則。王錦銘（2005）認為優良的科學玩具應具備以下的條件：（一）材料取得容易。（二）製作簡易。 14.

(25) （三）富教育性。（四）安全性高。（五）易於操作。（六）效果神奇。（七）價格低廉。（八）可玩性高。綜合上述專家學者的見解，教師在選擇科學玩具來進行教學時應考量安全性、材料易得、易於製作、可啟發兒童思考、激發兒童的創造力與想像力、可玩性高、價格大眾化、能用科學原理解釋等原則。三、科學玩具與學習 1971年，教育廳為了加強自然科教學，在板橋的台灣省國民學校教師研習會創設「科學玩具組」，遴選具有專長的國小教師兩百人，前後分批調訓四期，結業後，在各縣市擔任輔導推展國民小學科學玩具製作工作。其主旨就是在利用製作科學玩具的過程中，來培養兒童的創造力，從科學玩具製作的過程中，所得的經驗與探究的結果，就可以建構科學概念與瞭解基本原理。所以製作科學玩具就是科學的萌芽，對於加強科學教育來講是非常的重要（張淑慧，2003）。鄭守道（1974）認為透過科學玩具，一方面可以培養兒童的創造力，啟發兒童的科學思考，也可以奠定兒童的科學基礎；另一方面可以從遊戲中培養兒童合群、合作的德行，提倡正當的娛樂，使兒童累積豐富的經驗來改善人類的生活，以達到科學教育最終的目的。 O'Brien (1993)指出使用科學玩具教學，有下的功能：（一）增進學童課外的經驗。（二）使深奧的科學觀念更具體。（三）讓學生和生活上的科學理論相互印證。（四）在教師的教學活動中，解決問題時能更積極、更深入的投注注意力。（五）在操作過一些比較商業化的玩具後，學童也能自己製作玩具。 15.

(26) Stein and Miller (1997)的研究也指出，利用玩具來教學，可以有以下的結果：（一）玩具可以建構概念。（二）玩具可以作為實物示範。（三）玩具有助於記憶的（四）玩具可以幫助說明科學與技學的整合。楊忠樵（2001）指出教師如果能配合經過設計的科學玩具進行教學，使科學原理應用在科學實驗和自然科學習上，有助於兒童建構科學概念，將科學玩具與教學活動結合，教師除了可以在學生操作的過程中探究其原理外，還可以在兒童操作的過程中，進行觀察、測量、控制變因等科學方法進行科學實驗，而達到寓教於樂的效果，不但可以滿足兒童學習與娛樂的慾望，對於培養兒童學習自然科學的興趣也是非常有益的。江雅慧（2002）認為科學玩具的設計與目的，主要在藉製作及玩玩具的經驗，引發兒童的潛能、好奇心與興趣，透過製作過程及遊戲，學習一些簡單的科學知能、美勞知能與體能訓練，俾能增廣認知領域，並能啟發創造力、探索、批判及解決問題的能力。綜合以上所述可知，透過科學玩具的學習活動，除了可以讓學童在快樂而具趣味的氛圍下展開學習（Angier，1981；楊忠樵，2001）之外，還能夠培養兒童的創造力，啟發兒童的科學思考（鄭守道，1974），也可以提供學童一些基本的問題充滿趣味性的解釋，並進一步幫助學童瞭解科學玩具背後隱藏的科學概念，促進兒童建構科學概念（Thomas，1993；Stein & Miller，1997；楊忠樵，2001），同時在觀察與操弄的過程中，增進學童科學的過程技能（陳義勳，2001），培養兒童學習自然科學的興趣（楊忠樵，2001）。因此，科學玩具非常適合用來當自然或物理、化學的教具，可以研究它的操作原理，也可以用它來研究基本科學定律（余岳川，2001），在自然科教學活動上，具有它非常重要的教育功能。三、科學玩具的相關研究近年來，在科學課堂上使用科學玩具作為教學輔助的研究逐漸受到重視，茲 16.

(27) 整理摘錄國內、外與科學玩具相關的研究數篇，列舉說明如下：在國內相關的實徵研究方面，楊忠樵（2001）將「製作科學玩具」的方式，應用到教學活動中，藉此來輔助國小學童進行自然科學的學習，其研究結果顯示，學童認為這樣有別於以往的教學方式非常具有挑戰性，而且科學玩具的製作過程很有趣，在完成作品時會有成就感，因此相當喜歡這樣的教學活動。張淑慧（2002）以科學玩具遊戲融入自然科課程中進行教學研究，目的在探討這樣的教學方式對小六學生科學態度學習、科學過程技能學習的影響，其研究結果顯示，在科學態度「客觀性」、「因果關係」、「批判精神」、「科學認知」、「科學行為」這幾個分項上，接受科學玩具遊戲教學的實驗組學生皆顯著優於控制組；在統整科學過程技能「控制變因」、「下操作型定義」、「解釋資料」、「形成假說」、「實驗」這幾個分項上，實驗組學生亦顯著優於控制組。許順欽（2003）以「創造性問題解決教學活動」結合「喝水鳥科學玩具」學習環，融入國小自然科的教學活動進行研究，其研究結果顯示，學童認為這樣的學習活動能夠增長科學知識，促進創造性問題解決能力，提高學習興趣與自信心。王錦銘（2004）將科學玩具遊戲融入自然科課程中進行教學研究，目的在探討這樣的教學方式對小五學生科學學習成就、過程技能、科學態度的影響，其研究結果發現，實驗組在科學學習成就、過程技能、科學態度方面皆顯著優於控制組。柯虹如（2005）將科學玩具遊戲融入自然科課程中進行教學研究，目的在探討這樣的教學方式對小五學生「科學相關態度」的影響，其研究結果顯示，實驗組學生的科學相關態度皆顯著優於對照組學生，但在不同態度傾向、不同自然學業成就、不同推理能力及性別等面向，並沒有顯著差異。李祉頡（2006）以「創造性問題解決法(CPS)五階段教學模式」結合「不沉的鐵達尼號」科學玩具製作，融入國小自然科的教學活動進行研究，其結果顯示，這樣的教學模式確實對提昇學童的創造力是有幫助的。在國外相關的實徵研究方面，Taylor (1998) 在探討動力學能量轉換的科學課程中，以玩具車作為教學輔助進行教學研究，目的在探討利用科學玩具對學生學 17.

(28) 習成效的影響，其研究結果發現，透過推動玩具車的學習過程，確實能對學生在動力學能量轉換單元的學習成效產生助益。Senior (2000)利用一種稱作Sound Bites的科學玩具為輔助，設計一個物理學「聲波傳遞」單元的教學研究，目的在探討這種將科學玩具融入到自然科教學活動的教學方式對國小學生學習成效的影響，其研究結果發現，利用科學玩具作為學習的輔助工具，確實能夠幫助學生進行聲波傳遞的學習，同時亦能夠有效增進其學習成效。 Galus（2002）利用科學玩具融入到自然科教學活動，對國小學生學習運動學的影響進行探討，其研究結果發現，利用玩具小汽車來幫助學生學習運動學，學生確能獲得良好的學習成效。King（2005）的研究則在探討操作汽車玩具對學生運動概念及學習興趣的影響，其結果發現，學童透過親自操作汽車玩具去觀察如何運動時，不僅能提升學習的興趣，還能夠有效幫助孩子理解「運動」的概念。綜合以上國內外實徵研究文獻的探討可知，在科學的課堂上進行教學活動時，若能先透過科學玩具的操作過程來引發學童的學習興趣，再配合教師適當的引導與改進科學玩具教材來輔助教學，那麼，科學玩具不僅能夠幫助學童進行概念的理解，增進思考與問題的解決能力，還能提升創造力與學習的興趣，實為教師進行教學活動非常好的教學輔助利器。因此，本研究採用POE教學策略引導學生進行「磁性手寫板」原理的探究活動，並透過這樣的探究活動，進行學童探究過程、概念改變歷程以及對學習興趣與信心的影響等三個面向之探討。. 第三節概念改變一、概念的意涵「概念」可以「conception」與「concept」二種不同英文來表示，在韋氏大辭典的解釋中，「conception」強調了想像過程或概念形成的過程而非結果，「concept」則是對一連串特殊的事件思考後所形成的想法。因此「conception」是個體與生活世界的交互作用並根據過去的經驗所建立出對事物或現象的一種解釋，也就是在生活事件的理解或推理過程所產生的一種暫時性行為。而「concept」是學習者 18.

(29) 用以瞭解、解釋、預測事件或系統的心智活動表現（楊宗達，2001）。概念會隨著個人的學習與成長不斷被修正而有所改變（郭重吉，1995）。也就是概念的學習是個體不斷主動求知建構的心理歷程，學習者透過個人已有的認知或經驗，以獨有的方式建立自己的知識（潘宏明，1994）。因此概念的形成是以原有的概念做基礎，接受外來的刺激並進而統整內在的想法以促使新概念的形成（耿正明，1991）。學習者學習前所持既有的概念即為先前概念，它在學習過程中扮演著極重要的角色，相關研究報告顯示，先前概念對學習新概念有著深淺不同程度的影響，有的對學習具有正面效果，能幫助新概念的理解；有的則會產生負面作用、妨礙新概念的建立（Champagne, Klopfer & Gunstone, 1982；Osborne & Wittrock, 1983）。二、迷思概念與概念學習認知心理學認為兒童的概念學習是主動的。學童透過先備知識和解決問題經驗，對材料或問題進行解釋、重組，再將知識表徵表現於解決問題之上。受此影響，學生的概念學習成為科學教育研究的一股潮流，其中又以「迷思概念」 (misconception)最受到重視。所謂迷思概念是指學生隱含著錯誤的概念，且此概念與現行廣受接納的科學知識相衝突。通常是指學生接受了正式的科學教育課程教導後，因同化不當而產生誤解。而迷思概念對學生來說，就如同真的一般，學生大多以為自己的解釋與看法是對的，事實上，他們並不知道自己的想法是有偏差的（裘維鈺，1994）。 Gilbert & Watts（1983）則認為，大多數學生對自然現象所抱持的看法、原則或信念，可能與課本或專家有所不同，這便稱為學生的迷思概念。因此，科學教育研究者將這些學生所持有而有別於專家知識的概念稱之為迷思概念 (misconception)。科學的迷思概念形成的原因很多，但就一般而言，不外乎由學習者、環境及兩者交互作用下而產生的（陳淑筠，2002）。陳淑筠（2002）整理歸納出國內學者對於迷思概念的相關研究，推論出兒童的迷思概念來源有以下十四項： 19.

(30) （一）從生活背景（日常生活親身經驗與觀察）與個別文化得之。（二）與生俱來、自我為中心的觀點。（三）以教科書知識為基礎的不當推論（教科書呈現的概念）。（四）對問題的考慮不夠周詳。（五）望文生義的結果，名詞的影響（受科學用語的表面字義影響）。（六）學科知識不足，以偏概全的結果。（七）受到原有迷思概念的影響。（八）過份強調講述法。（九）教師對於學童的迷思概念缺乏覺察心及興趣。（十）教師教學過程不當造成的影響。（十一）同時事件的干擾。（十二）不當的認知。（十三）記憶的混淆（腦海中存有的錯誤記憶）。（十四）實驗操作不當。在科學的學習過程中，學生往往經由日常生活和先前的學習經驗，來學習和意義化新概念，因此，在正式教學前，學生對內容已先形成一些概念來解釋教師所講授的內容（王美芬、熊召弟，1995）。Wittrock（1974）亦指出，個體學習前的先備知識，在學生學習過程中扮演非常重要的角色，先備知識不但影響對概念理解的程度，也影響到學生對外來資訊的興趣與取捨。根據國外及國內不同的實驗研究結果顯示，在許多自然科學所涉及的教材內容上，不同年齡的學生，在正式接受學校教學前，都存有一些迷思概念，這些概念會影響到他們對實驗和示範的觀察、他們對觀察的解釋以及他們對科學課程和課本的理解和記憶（陳淑筠，2002）。迷思概念普遍存在於科學課程的各個領域中，並且具有不穩定和頑固的屬性（甘漢銧、熊召弟和鍾聖校，1991）。兒童一但產生迷思概念，就很難去加以轉變（Novak，1988），因此，學生往往因具有迷思概念而導致對科學知識的學習困難，教師或研究者若能在一開始教學之前， 20.

(31) 即教導學生學會如何避免它，相信這是導正錯誤概念的最有效方法 (余民寧，1997)。三、POE與概念改變 Posner、Strike、Hewson和Gerzog等人（1982）提出概念改變模式，他們認為學習是接受新概念的歷程，也就是概念改變的過程，而概念的獲得分為同化與調適二種。所謂「同化」是指學生將新概念納入既有的概念架構中，但新、舊概念並未經過重新組織的過程。而「調適」則是指當新概念與學童既有的概念架構產生衝突時，學童必須修改原有的架構以產生新的認知架構，才能將新概念納入其中的過程。楊文金(1997)則認為，一般對於概念改變有兩種描述方式，一種是心智模型的觀點，認為概念改變是新訊息的獲得及既有知識的重組；另一種則是現象學的觀點，認為概念改變是經由與新的情境脈絡建立起新的關係。許多的研究顯示，要讓學生在概念學習的過程中產生概念的改變是非常困難的(Liew & Treagust, 1995)。然而，在Posner等人(1982)所提出的概念改變模式中，認為在學童的科學學習活動過程中，發生概念改變的條件有四 (引自邱美虹，2000a)： (一) 學習者必須對現有概念感到不滿意(dissatisfaction)：亦即人們除非感受到自己的概念不具有功能性，否則是不會改變他們所用以思考的概念。換言之，當同化(assimilation)仍然合理時，人們是不會進行調適的。 (二) 新概念必須是可以被理解(intelligible)：根據Strike & Posner(1985)的觀點，新的觀念通常不是反直覺(counterintuition)，就是不可理解(incomprehensive)，所以很難形成概念改變，因此新的概念必須是可理解的，個體才可能進行概念改變。 (三) 新概念必須顯得合理(plausible)：雖然新的概念不一定要為真，但它至少必須具有成真的可能性。 (四) 新概念必須是豐富的(fruitful)：它不僅有可能解決現有的問題，而且也應該提供未來探索的途徑及作為產生思考的工具。 21.

(32) 邱美虹(1993)則根據Roth的理論，認為學生必須明瞭她們個人的理論與實驗證據是不適當的(inadequate)、是不完整的(incomplete)、或是不一致的 (inconsistent)，而科學性的解釋可作為一個更有說服力且更合理的取代物，那麼概念改變才有可能。為促進學童產生有效的概念改變，進行新概念的學習時，在學習策略上應先了解學童的先前概念，並找出抗拒概念改變的原因，進一步提供認知衝突之示範、教學、實驗、問題解決… … 的過程，使學童無法用自己原先的認知架構來解釋新概念的事例，並利用隱喻或有效類比的方式，使新概念與舊概念中產生可以理解的過程，鼓勵兒童用說、用畫、用數字表示新概念存在的方式，來修正原有的錯誤概念的認知架構（Posner et al., 1982；Ormrod,1998）。Drive、Guesne 和Tiberghien（1985）則認為，在新概念的學習過程中，若未考慮學生的先前概念，將會影響到學生對於新概念的學習，因此建議在促進學生概念改變的技巧上必須提供學生反思的機會，以利於新、舊概念產生衝突，讓學生對自己的概念不滿意，同時教師應透過對話讓學生了解自己思考不一致的地方，以進行概念改變與有意義的概念建構。在王淑琴、郭重吉（1994）的研究中指出，以 POE 策略進行概念晤談來探究學生的迷思概念有幾項優點：（一）可促使學習者對現有的概念知識產生反省。（二）有助於刺激學習者的思考。（三）可引導學習者深度學習並發展多樣的觀察、提問與思考的方法。（四）可引導學習者學習正確的科學觀察。（五）有助於深入探究學習者的迷思概念。 Liew 和 Treagust（1998）在其研究中亦指出，POE 策略的教學可幫助學生從他們擁有的先前概念建構到新知識。經由實驗的裝置引起學生的興趣，讓學童能主動去建構或重組自己的概念或想法，甚至可以藉由製造概念衝突的情境，使學童有檢視自己概念的機會。當預測與觀察之間產生衝突時，POE 教學策略提 22.

(33) 供部分學生有機會可以去重新建構或改變先備概念(Liew & Treagust, 1995)， Searle 和 Gunstone(1990)在其研究中亦認為，只要透過教師適當的引導，POE 教學策略將有助於促使學生的概念發生改變。綜觀上述文獻的論述可知，POE 教學策略正好可以符合上述促使概念改變發生的條件或原則，在POE的學習活動過程中，從預測的階段裡，提供老師一個可以探究了解學生先備概念的機會，當學生所預測的結果與實驗觀察到的現象不一致時，POE則提供了概念衝突的情境，學生會發現自己所持有的舊概念不足以解釋眼前的矛盾現象，因此願意改變自己的概念去學習新的概念，因而啟動了概念改變的機制。三、「磁」概念的相關研究在相關文獻方面，並沒有直接以「磁性手寫板」所進行的相關概念研究，然而在有關學童科學概念的相關研究數量卻相當多，內容涵蓋了物理、化學、地球科學及生物方面等等，其探討的內容以兒童的概念發展、迷思概念診斷以及相關的概念改變教學策略等面向最多。因此，茲僅列舉與「磁」概念相關的實徵性研究數篇來說明。 Barrow(1990)藉由美國一到六年級十種不同教材做內容交叉分析，來探究學童在磁鐵方面潛在的迷思概念。其研究結果指出，美國兒童對於磁力的概念存有下列現象: 1. 對於磁力的作用，吸引的概念比排斥的概念清楚。 2. 學生在回答問題時，並不受其是否學習過磁鐵知識的影響。 3. 學生對於圓形磁鐵較不熟悉，特別是磁極位置。 4. 認為磁鐵的兩末端磁力較強，但較不能瞭解圓形磁鐵為何兩表面磁力較強。 5. 教材的安排及教師教學會導致部分的磁學迷思概念。此外，在Barrow(2000)的研究報告中亦列出了1994年Stephans的研究結果，顯示美國學童在磁學(magnetism) 相關的概念裡具有7個具代表性的迷思概念： 1. 磁鐵的大小決定了磁力強度。 23.

(34) 2. 磁鐵吸引所有的金屬。 3. 所有銀色外表的物質會被磁鐵吸引。 4. 磁鐵可穿透紙，但木材、筆記本、桌子或其他厚的物質則無法穿透。 5. 磁場只經由磁鐵產生。 6. 磁場範圍是二維空間的而不是三維空間。 7. 磁力線只存在磁鐵外部。林明軫（1994）利用八題開放性問題問卷去探究四到六年級248位學童所持有磁學的迷思概念情形，其研究結果顯示學童所持有磁學的迷思概念如下: 1、在磁鐵本質上：（1）鐵的東西本身就有磁力，可以和磁鐵互相吸引。（2）磁極名稱有N 極和S 極，也有陰極和陽極，正極和負極，鐵裡面還存有陰陽兩種鐵分子。（3）磁鐵的磁力在左右兩端比較強，所以圖形磁鐵打斷時，N-S 和N-S 兩塊還會恢復原來的樣子。（4）磁極是在磁鐵的對稱的兩面或面積比較大的面。 2、在磁力方面：（1）磁力的來源是地磁或地心引力而來。地磁包含在地心引力中，前者吸鐵，後者也吸絕緣體。（2）鐵粉就是磁粉，有磁粉就有磁力，沒有磁粉就沒有磁力，所以鐵釘摩擦磁鐵會帶有磁力是磁粉帶在鐵釘上面。（3）磁鐵摔斷磁力會消失或散失掉。（4）磁棒豎立，上端的磁力會消失，下端的磁力受地心引力作用會拉直或變大，原因是下面磁粉吸多。（5）紙或水會阻擋磁力的進行，造成磁力減弱甚至消失，阻擋的原因是：水有水壓會抵抗磁力，就像鐵的輪船不會吸入海底一樣。 3、在磁化現象的解釋上 24.

(35) （1）迴紋針式鐵的東西會吸收磁鐵的磁力。（2）迴紋針和鐵彼此會互傳磁力。（3）要摩擦才有磁力，摩擦愈久磁力愈大。鄭如琳（2000）以四年級學童「磁」的概念為主題做國小教師實施探究-建構教學模式之行動研究，在他的研究中發現，學童在「磁」概念部份持有十三種迷思概念，而影響這些迷思概念形成的因素則包含直覺、書本知識影響、經由教學造成、自己經驗混淆、他人經驗混淆等五個因素。十三種迷思概念分述如下： l.金屬物品像「鐵」，就會被磁鐵吸引。 2.鐵做的東西就有磁力，就會被磁鐵吸引。 3.磁鐵兩端的磁力是一端強，一端弱。 4.水、布和玻璃會阻隔磁力，使磁鐵無法隔著水、布和玻璃吸引鐵釘。 5.因為布有空隙，磁力可以穿透過去，使得磁鐵可以隔著布吸引鐵釘。 6.因為水會傳磁力，可以把磁力盪過去，使得磁鐵隔著水吸引鐵釘。 7.鐵粉隔著紙被磁鐵吸引的圖形，是顯示「鐵粉被地心引力吸引」。 8.地心引力像磁鐵一樣有磁力，使鐵粉可以被吸引成一個圖形。 9.地心引力使指南針指出南北方向。 10.鐵釘本身有磁力，所以磁鐵可以一個接一個將鐵釘吸起來。 11.摩擦會使磁鐵的磁力減弱，甚至消失，因為摩擦使磁鐵掉下磁粉而失去磁力，或因為摩擦生熱，使得磁鐵失去磁力。 12.摩擦後，縫衣針會有磁力，是因為它原本就有磁力。 13.摩擦使縫衣針吸走磁鐵的磁力而變得有磁力。林鼎富(2002) 歸納國內小三與小六學生可能有的靜磁迷思概念如下: 1. 磁鐵本質部份 (1)直觀模式:直覺的以磁鐵外型來判斷磁力的強弱。 (2)等同模式:認為被磁鐵吸引的物質，亦具有如磁鐵的磁性。 (3)整體模式:認為磁鐵若破裂了，因失去完整性而使的磁力消失。 25.

(36) 2. 磁極的部份 (1)大區段模式:磁鐵的磁力每個部位都一樣。 (2)二區段模式:將磁極在兩端的長條形磁鐵，從中區分為兩段，一段為北極，另ㄧ段為南極。 (3 )三區段模式:將磁鐵區分為三段，左右兩邊是磁極的部份及中間部分。 (4)粒子模式:把「磁性」想成是粒子，N、S 極是粒子的聚集處。 3. 有關磁場的部份 (1)阻隔模式:阻隔物會阻隔磁力。 (2)傳導模式:磁力經由介質傳導。 (3)阻隔物特性模式:阻隔物本身的特性會影響磁力。林芯蘭（2008）在其行動研究中，以POE教學策略進行磁鐵教學活動，探究學生對「磁鐵」的先備知識、另有想法、概念學習、概念轉變歷程，及教師在此歷程的專業成長。在其研究中整理鄭如琳(2000)、林鼎富(2002)與李靜慧(2006)所提學生對「磁」另有概念列表如下:. 表2-4 -1 磁的另有概念表（引自林芯蘭，2008）概念主題. 另有概念敘述. 磁鐵本質 1. 2. 3. 4.. 金屬物品像「鐵」的東西，就會被磁鐵吸引。. 所有銀色外表的物質會被磁鐵吸引。鐵做的東西就有磁力，會和磁鐵相互吸引。鐵粉就是磁粉，有磁粉就有磁力，沒有磁粉就沒有磁力，所以鐵粉會帶有磁力是磁粉附在鐵釘上。 5. 磁鐵摔斷，磁力會消失或散掉。 6. 磁鐵破裂兩極仍有磁力，但斷裂處沒有磁力，所以無法接合。 7. 磁鐵斷裂處都可以在復原接合。. 磁極. 1. 磁鐵的磁力在兩端比較強，所以長條磁鐵斷裂時，還會恢復原來的樣子。 2. 磁極名稱有N和S極，也有陰陽極、正負極，鐵裡面存有陰陽兩種鐵分子。 3. 認為磁鐵的南北兩極與地理的南北有關。 4. 磁極是在磁鐵對稱的兩面或較大的一面。 5. 磁鐵兩端的磁力，一端強一端弱。 26.