國小自然科「電磁作用」單元電腦化診斷測驗與診斷模式研發

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國立臺中教育大學教育測驗統計研究所理學碩士論文

指導教授：郭伯臣博士

國小自然科「電磁作用」單元

電腦化診斷測驗與診斷模式研發

研究生：黃瓊瑩撰

中華民國一○○年六月

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摘要

本研究主要在建立一套國小自然科「電磁作用」單元之電腦化診斷測驗，本測驗具選擇題與建構反應題的題型，以電腦施測，透過分析學生之做答結果，並結合貝氏網路的各種模式，有效辨識學生之命題概念與迷思概念，提供教師補救教學的參考。首先分析「電磁作用」的教材內容，建立命題概念，以命題概念為基礎編製電腦化診斷測驗，利用電腦詳細紀錄學生的解題歷程，開發建構反應題自動化分析模型，再以貝氏網路作為分析工具，推論學生的命題概念及迷思概念。研究結果如下： 1. 本研究自編之國民小學六年級自然領域「電磁作用」單元試題，其選擇題之 Cronbach’s α 值達 0.756，顯示本研究試題具有良好的信度。 2. 本研究「電磁作用」單元之電腦化建構反應題相較於選擇題能診斷出學生更多元化之迷思概念。 3.本研究所研發之「自動化分析建構反應題模型」對於迷思概念之平均辨識率達 96％以上。 4.比較貝氏網路診斷模式的結果，在判別迷思概念和命題概念的有無上，平均辨識率皆達 97％以上。 5.結合選擇題與建構反應題的貝氏網路分析，在命題概念、迷思概念之辨識率優於傳統選擇題之貝氏網路。 關鍵詞：電磁作用、貝氏網路、電腦診斷測驗、建構反應題

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The Computerized Diagnostic Test and

Diagnostic Mode Research for Electromagnetic

Effect of science in elementary school

Abstract

This study focused on establishing a set of computerized diagnostic tests of

"electromagnetic effect" unit of natural science in elementary school. The test is with both multiple-choice and constructed-response questions.It use the computers to analyze the answer results of the students and combine with a variety of the Bayesian network modes.It can effectively identify the concept of the proposition and the myths of the students to support teachers conducting the remedial instruction.

First, analyze the teaching materials of "electromagnetic effect" and establishing the concept of proposition.Then develop the computerized diagnostic test which is based on the concept of the proposition.By using the computers, record the problem-solving process of students in detail to develop the automated analysis model of constructed-response

questions.Second,take Bayesian network as a analysis tools to inference the concepts ofproposition and the misconceptions of the students.

The results are as follows:

1.In this study, the self examination questions of "electromagnetic effect" of natural field in the sixth grade of elementary school,it's Cronbach's α of multiple-choice questions is 0.756. this study has shown good reliability.

2. compared to multiple-choice questions, the computerized constructed-response questions of "electromagnetic effect" can diagnose a wider variety o the

misconceptions of the students.

3.The development of automated analysis of constructed-response questions model in this study, it's average recognition rate for the misconceptions is more than 96%. 4.Comparison of the Bayesian network diagnostic mode results in identifying whether

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more than 97%.

5. Combination of multiple-choice and constructed-response questions of the Bayesian network analysis,whose the recognition rate is superior to the traditional

multiple-choice questions of the Bayesian network in the concept of the propositions and the misconceptions.

Keywords: Electromagnetic effect , Bayesian network, Computerized Diagnostic Test, Constructed-response items

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摘要 ... I Abstract... II 表目錄 ...VI 圖目錄 ... VIII 第一章緒論 ...1 第一節研究動機...1 第二節研究目的...2 第三節研究限制...3 第二章文獻探討...4 第一節國小自然科「電磁作用」之教材分析 ...4 第二節概念圖 ...8 第三節迷思概念... 11 第四節電腦化診斷測驗 ...15 第五節建構反應題的型式與國際大型測驗的趨勢 ...17 第六節貝氏網路...22 第三章研究方法...24 第一節研究流程...24 第二節研究工具...26 第三節研究對象...27 第四節診斷測驗試題...27 第五節施測說明...34 第六節資料處理與分析...40 第四章研究結果...58 第一節選擇題試題分析結果 ...58

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第二節自動化分析建構反應題模型之成效 ...60 第三節貝氏網路模式分析結果 ...62 第五章結論與建議...65 第一節結論 ...65 第二節建議 ...66 參考文獻 ...67 一、中文部份 ...67 二、英文部分 ...71 附錄：試題檢核表...72

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表目錄

表 2-1 電磁作用的教材內容要項與細目...5 表 2-2 電與磁概念單元名稱及目標一覽表（康軒版）...5 表 2-3 本單元相關能力指標說明...6 表 2-4 電磁作用單元之能力指標及教學目標...7 表 2-5 國小六年級學童電與磁概念迷思概念類型表...11 表 2-6 題項逐題主要迷思概念分析彙整...13 表 3-1 電磁作用單元迷思概念...28 表 3-2 命題概念與試題對應表...32 表 3-3 迷思概念與試題對應表...33 表 3-4 選擇題的資料庫型式...40 表 3-5 建構反應題的資料庫型式一...41 表 3-6 建構反應題的資料庫型式二...41 表 3-7 建構反應題資料庫物件代號說明...41 表 3-8 建構反應題第一題程式分析結果舉例說明...44 表 3-9 建構反應題第一題迷思概念判別說明...44 表 3-10 建構反應題第二題迷思概念判別說明 ...47 表 3-11 建構反應題第三題迷思概念判別說明 ...49 表 3-12 選擇題與建構反應題相同的迷思概念整理 ...52 表 4-1 各試題之參數、答題情形以及信度...58 表 4-2 各試題的Ａ、Ｂ、Ｃ值及Χ2考驗 P-VALUE...59 表 4-3 學生在電腦化建構反應題中增加之迷思概念列表...60 表 4-4 第一題建構反應題之全部學生解題錯誤類型數量統計表...61 表 4-5 第二題建構反應題之全部學生解題錯誤類型數量統計表...61 表 4-6 第三題建構反應題之全部學生解題錯誤類型數量統計表...62

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表 4-7 建構反應題自動化分析模型之辨識率...62

表 4-8 四種模式之命題概念辨識率比較表...63

表 4-9 四種模式之迷思概念辨識率比較表...64

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圖目錄

圖 2-1 國小六年級學童有關電與磁概念之概念圖...8 圖 2-2 國小在電路與電磁效應相關概念命題圖...9 圖 2-3 國小「電磁鐵」單元概念圖...10 圖 2-4 「電與磁」專家概念圖 ...10 圖 2-5 自然科線上測驗...16 圖 2-6 磁力玩具施測畫面...16 圖 2-7 TIMSS 2007 八年級建構反應題 ...18 圖 2-8 PISA 2006 八年級建構反應題 ...19 圖 2-9 NAEP 2009 四年級建構反應題 ...20 圖 2-10 美國調查學會建構反應題之電腦線上測驗 ...21 圖 2-11 貝氏網路基本型態 ...22 圖 2-12 估算貝氏網路模式成效之流程 ...23 圖 3-1 研究流程...25 圖 3-2 BANT 適性診斷測驗暨學習系統 ...26 圖 3-3 練習題第一題說明畫面...35 圖 3-4 練習題第一題操作介面...35 圖 3-5 練習題第二題說明畫面...36 圖 3-6 練習題第二題操作介面...36 圖 3-7 「電磁作用」單元建構題第一題試題介面 ...37 圖 3-8 「電磁作用」單元第二題建構題試題介面 ...38 圖 3-9 「電磁作用」單元第三題建構題試題介面 ...39 圖 3-10「電磁作用」單元第一題選擇題試題介面 ...39 圖 3-11 建構反應題作答情形之文字紀錄 ...41

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圖 3-12 建構反應題第一題分析設計流程...43 圖 3-13 建構反應題第二題分析設計流程...46 圖 3-14 建構反應題第三題分析設計流程...48 圖 3-15 物件組合模式一...49 圖 3-16 物件組合模式二...49 圖 3-17 物件組合模式三...50 圖 3-18 物件組合模式四...50 圖 3-19 物件組合模式五...51 圖 3-20 物件組合模式六...51 圖 3-21 模式一貝氏網路圖...54 圖 3-22 模式二貝氏網路圖...55 圖 3-23 模式三貝氏網路圖...56 圖 3-24 模式四貝氏網路圖...57

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第一章緒論

本研究主要在建立一套具選擇題與建構反應題之國小自然科電腦診斷測驗，開發自動化分析建構反應模型，並比較貝氏網路診斷模式之成效。本章第一節說明研究動機；第二節說明研究目的；第三節說明研究限制。

第一節研究動機

人類由觀察自然中，研究各種現象的變化，因而產生科學；再進一步運用科學改善生活、適應環境，而有了技術。學習科學，讓我們學會如何去進行探究活動，同時我們也應該瞭解科學與技術的發展對人類生活的影響（教育部，2003），所以科學與我們的生活關係密切。在文獻中，有學者提出「電磁」的概念本身是抽象的，學生較難直接由生活的經驗去獲取；例如，王嘉德(2003)提到國小學童對電能轉換為磁能、磁能轉換為動能等主要學習內容的抽象概念，在認知上具有學習的困難。彭懋琳(2003) 在教授「電磁感應」與「電動機」兩單元時，發現學童有非常多的錯誤類型。蔡宗雄 (2002)從國小到高中的學生，在電路與電磁效應方面的學習均會產生相當多的迷思概念。綜合以上，電磁概念對學童來說是非具體的，當學生做完實驗後，仍無法做出結論，或是做出較有形式的運思。評量的主要目的在於瞭解學生學習實況，以做為改進教學、促進學習的參考。評量的結果應用於幫助學生瞭解自己學習的優缺點，藉以達成引導學生自我反思與改善學習的效果（教育部，2003）。診斷測驗施測的使用目的有：(1)診斷學生所造成的錯誤類型。(2)使老師知道學習過程中的重要成份、困難及技能的順序。(3)提供補救教學的程序（周文欽等人，2006）。也就是說，透過診斷測驗，可以了解學生的迷思概念，知道學習困難的原因，有關學童迷思概念的診測，在教室中較常用紙筆或電腦測驗的方式，但大部分的研究則是採用晤談或是概念圖的方式 (Duit,Treagust,& Mansfield,1996)。若以晤談及概念圖的方式來診斷學生的概念，則每個學生所回答的內容及所畫的概念不同，既耗時且難以評分（唐健文，2001）。而電腦診斷測驗可提供

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即時的回饋、提昇測驗效率和不受時空的限制，對受試學生給予診斷分析，使學生、教師能根據診斷結果，進行數學學習或補救教學（饒育宗，2008；何秀芳，2009），以電腦運用貝氏網路模式診斷國小自然科迷思概念發生，可達到良好的診斷結果（莊峰魁， 2010；巫俊杰，2010；李烱璉，2010)。因此電腦診斷測驗，可節省時間同時記錄大量學生的做答結果，以利快速且完整客觀的分析，並有效診斷學生的迷思概念。 Popham(1981)提出，測驗依命題的題型可分為選擇反應測驗(selected-response test) 和建構反應測驗(constructed-response tese)二大類，選擇反應測驗包含選擇題、是非題、配合題，計分客觀，其中選擇題的誘答選項具有教學診斷的價值，但相對於建構反應的題型，較不易評量高層次的能力（王文中、呂金燮、吳毓瑩、張郁雯、張淑慧，2004），因此本研究將發展具選擇題與建構反應題的診斷測驗試題。目前貝氏網路在教育測驗上之應用非常的多，比過去相關研究所採用的分析模式，在辨識子概念與錯誤類型的有無上，能達到更正確的結果（蘇文君、汪端正、郭伯臣，2006）。本研究採郭伯臣、謝典佑(2007)所發展的貝氏網路工具箱做為分析工具。綜合以上，本研究以國小高年級自然領域之電磁作用單元為主軸，依相關文獻所整理的命題概念及迷思概念為基礎，發展一結合選擇題及建構反應題的電腦化診斷測驗，建置建構反應題的自動分析模型，並透過貝氏網路來自動分析學生的做答結果，診斷出學生的迷思概念，提供教師補救教學的參考。

第二節研究目的

本研究以國民小學六年級學童為研究對象，以電腦測驗的方式，分析診斷學生錯誤類型，提供教師能快速鑑定學生的學習情形，進行後續的教學工作。本研究目的如下：一、經文獻探討，綜合整理電磁作用的命題概念及迷思概念，編製具選擇題及建構反應題題型之電腦化診斷測驗試題。二、建置自動化分析建構反應題模型，並進行效能分析。三、比較傳統選擇題之貝氏網路與加入建構反應題之貝氏網路之成效評估

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第三節研究限制

本研究的範圍與限制如下：一、研究對象及普適性（Generalization）的限制（一）由於本研究是以電腦化測驗為研究的設計以及資料蒐集的方式，因此研究對象必備具備基本的電腦滑鼠操作能力。（二）本研究係針對台中市豐原區三所及神岡區一所，共四所國民小學六年級學生進行研究，因此研究的結果不宜過度推論。二、單元特性的限制 (一)本研究係探究前述樣本對小自然康軒版第七冊，有關電磁作用的單元，因此研究結果不宜於其他版本及電磁作用以外單元過度推論。 (二)學童在電磁方面的迷思概念很多，本研究就相關文獻來整理，因此僅適用於初步的診斷，至於深入診斷受試者之迷思概念，則仍須配合更深入的進一步研究。

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第二章文獻探討

本研究主要以國小高年級自然領域之電磁作單元之概念為主軸，發展一電腦化診斷測驗，並透過貝氏網路來分析學生的做答結果，診斷出學生的迷思概念。為達本研究之目的，本章將針對、「電磁作用教材分析」、「概念圖」、「迷思概念」、「建構反應題」、「電腦化診斷測驗」、「貝氏網路」六個部份來探討。

第一節國小自然科「電磁作用」之教材分析

為了開發診斷測驗的試題，首先就必須了解電磁作用在國小科學教育的教學內容及概念，因此，以下教材內容、單元教材地位、能力指標、單元目標四個部份分別探討。

壹、教材內容要項

九年一貫「自然與生活科技」學習領域之教材內容要項（教育部，2009），共有五個課題，每個課題再細分為主題、次主題、教材內容細目，教師在選編教材時，可參考各主題、次主題做為各章節的名稱。本研究截取有關電磁作用的教材內容要項與細目，以做為命題概念的參考。電磁作用的教材內容可分成磁鐵、磁性、載流導線產生磁場、靜電、電流效應、電與磁的關係六個方面（表 2-1），發現學生在學習「電與磁的關係」時，必需先具備「磁」、「電路」基礎的概念，因此本研究在編製試題時，需考量這個重點，除「電磁」概念的命題外，對於「磁」、「電路」二個概念的試題也要安排，以便能清楚診斷學生是受基本概念不清楚，而影響電磁概念，或是電磁概念的學習不佳。

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表 2-1 電磁作用的教材內容要項與細目 課題：2 自然界的作用 主題：22 交互作用 次主題：222 電磁作用 教材內容細目 磁鐵 1a.察覺磁鐵會吸引含鐵的物體，且能隔空或透過紙、木片、玻璃來吸引鐵釘。 簡單電路 2a.利用電線、電池或金屬物質接成通路，可使燈泡發光、馬達轉動。磁性 3a.察覺磁鐵具有兩極，同性極相斥，異性極相吸。 載流導線產生磁場 3b.知道指北針的偏轉是磁針與磁場（如地磁或導線通以電流）交互作用的結果。 靜電現象 4a.探討靜電現象（如摩擦起電、靜電感應、感應起電）。 電路連結 4b.探討電路中，電壓、電流與電阻的關係。 電流的效應 4c.探討電流的熱效應。 電與磁的關係 4d.探討電與磁的關係（例如電流會產生磁的作用、磁場的改變會感應出電流、載流 導線在磁場中會受力）。 資料來源：教育部(2009)。

貳、「電磁作用」單元之教材地位

以康軒版的自然領域教材為例，由表 2-2 可知，在三年級及四年級時分別針對磁與電做探討，到六年級時，再將電磁的概念放入教材，符合上節教育部課程綱要所提出的內容。表 2-2 電與磁概念單元名稱及目標一覽表（康軒版）年級冊數-單元單元名稱單元目標三上 1-2 磁力藉由遊戲、操作，察覺磁鐵的特性和兩極性，並設計、製作磁力玩具。四下 4-4 藉由觀察，引導學生認識電池、電線、燈泡和小馬達，再利用

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奇妙的電路這些材料設計各種玩具，從實際操作中，認識電及相關材料的性質。六上 7-4 電磁作用知道指北針就是一種磁鐵。藉由實驗操作，知道如何製作電磁鐵，並練習設計一個運用電磁鐵產生動力的玩具。資料來源：康軒版教科書(2009)。國民小學自然學習領域第（七）冊教師手冊。

參、「電磁作用」單元能力指標

課程綱要提出：自然與生活科技學習領域所培養之國民科學與技術的基本能力，依其屬性和層次分成八個要項，並依階段訂定分段能力指標，以作為選編教材、實施教學與學習評鑑之依據（教育部，2009），因此，本單元的能力指標，除了 2-3-5-5 要求學生學習到有關電磁概念的認知外，尚有其他多項技能，如表 2-3。其中【編碼說明】「a-b-c-d」的編號中，「a」代表主項目序號，「b」代表階段序號： 1 代表第一階段國小一至二年級、2 代表第二階段國小三至四年級、3 代表第三階段國小五至六年級、4 代表第四階段國中一至三年級，「c」代表次項目序號，依觀察、比較與分類、組織與關連、歸納與推斷和傳達等，以 1、2、3、4 逐一編序；若未分項，則以 0 代表之，「d」代表流水號。表 2-3 本單元相關能力指標說明能力主要要項能力指標內容 1.過程技能 1-3-1-1 能依規劃的實驗步驟來執行操作。 1-3-3-1 實驗時，確認相關的變因，做操控運作。 1-3-3-2 由主變數與應變數，找出相關關係。 1-3-4-3 由資料顯示的相關，推測其背後可能的因果關係。 1-3-5-3 清楚的傳述科學探究的過程和結果。 2.科學與技術認知 2-3-1-1 提出問題、研商處理問題的策略、學習操控變因、觀察事象的變化並推測可能的因果關係。學習資料整理、設計表格、圖表來表示資料。學習由變量與應變量之間相應的情形，提出假設或做出合理的解釋。 2-3-5-5 知道電流可產生磁場，製作電磁鐵，瞭解地磁、指北針。發現有些「力」可不接觸仍能作用，如重力、磁力。 3.科學與技術本質 3-2-0-3 相信現象的變化，都是由某些變因的改變所促成的。 3-3-0-5 察覺有時實驗情況雖然相同，也可能因存在著未能控制的因素之

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影響，使得產生的結果有差異。 6.思考智能 6-3-2-2 相信自己常能想出好主意來完成一件事。 6-3-3-2 體會在執行的環節中，有許多關鍵性的因素需要考量。 7.科學應 用 7-3-0-2 把學習到的科學知識和技能應用於生活中。 7-3-0-3 能規劃、組織探討活動。 7-3-0-4 察覺許多巧妙的工具常是簡單科學原理的應用。

肆、單元目標

以康軒版國小第七冊的自然教材為例，將上述的能力指標轉化為教學目標（表 2-4），本單元主要分為三個活動，分別是「指北針和地磁」、「電磁鐵」、「電磁鐵的用處」。表 2-4 電磁作用單元之能力指標及教學目標活動名稱能力指標教學目標指北針和地磁 1-3-5-3 2-3-5-5 3-3-0-1 3-3-0-3 6-3-2-2 7-3-0-2 7-3-0-3 7-3-0-4 1.察覺指北針的指針箭頭永遠指向北方。 2.由操作中發現指北針的指針和長條型磁鐵都有兩極，並且同極相斥、異極相吸。 3.知道地球具有磁性，使指北針的指針箭頭指向北方。 4.學習利用身邊的物品自製指北針，培養認識物品屬性的能力。 5.能指出自製指北針的缺點，並加以改善。電磁鐵 1-3-1-1 1-3-3-1 1-3-3-2 1-3-5-3 2-3-1-1 2-3-5-5 3-3-0-1 3-3-0-3 3-3-0-5 6-3-3-2 7-3-0-2 7-3-0-3 7-3-0-4 1.察覺通電的電線靠近指北針，會使指針偏轉。 2.經由推理思考，發現通電的電線會產生磁力。 3.察覺通電的線圈靠近指北針，會使指針偏轉。 4.經由推理思考，發現通電的線圈會產生磁力。 5.從操作中發現通電的線圈內放入鐵棒，磁力會增強。 6.透過討論發現電磁鐵和磁鐵的相同和不同之處。 7.探討電磁鐵磁力的強弱和線圈多少的關係。 8.藉由實驗發現影響電磁鐵磁力的強弱的因素。 9.學習規畫比較電磁鐵磁力大小的實驗步驟，並負責執行操作。（續下頁）

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電磁鐵的用處 1-3-1-1 1-3-3-1 1-3-3-2 1-3-5-3 2-3-1-1 3-3-0-5 6-3-3-2 7-3-0-3 1.察覺用通電的線圈，可以做成會動的玩具。 2.能找出日常生活中應用電磁鐵原理的物品。 3.體認日常生活中巧妙的工具是科學原理的應用。科學閱讀 2-3-5-5 3-3-0-1 7-3-0-4 1.認識與電生磁概念有關的科學家故事。 2.培養閱讀的習慣與能力。

第二節概念圖

專家知識結構是由學科專家根據學理以及經驗，分析該單元內的所需具備的概念及上下位關係整理而成一結構關係（何政翰，2004）。彭懋琳(2003)的研究中，根據相關文獻探討及現有教材分析結果，並與3 位國小任職五年以上的教師及指導教授討論，發展出國小階段電與磁概念圖，由圖2-1可以看出，概念圖大約可分為「電」、「磁」及「電磁」三個區塊，與前述之教材單元地位相符，分別在三、四年級討論「磁」、「電」，在六年級則以其為基礎，延伸探討「電磁」。圖 2-1 國小六年級學童有關電與磁概念之概念圖資料來源：彭懋琳(2003)

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蔡宗雄(2002)根據康軒、牛頓、南一等教科書出版社之自然科學教學指引所附的自然科學概念一覽表，整理有關電路與電磁效應等相關概念，自編電路與電磁效應相關概念命題圖（圖2-2）。圖 2-2 國小在電路與電磁效應相關概念命題圖資料來源：蔡宗雄(2002) 楊志強(2001)經過與專家討論後，配合「電磁鐵」單元的教學目標，以五個主要命題知識：「電流的大小會影響電磁鐵磁力大小」、「線圈數密度影響電磁鐵之磁力」、「插入線圈物質能影響電磁鐵磁力」、「電流方向可影響電磁鐵磁力方向」、「電流種類影響磁力形成」，為五個發展電磁鐵概念圖之主要概念。以簡單且課本及日常生活中常提及之名詞（如電力、磁力），完成國小「電磁鐵」單元單元概念圖，圖2-3 所示。

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圖 2-3 國小「電磁鐵」單元概念圖資料來源：楊志強(2001) 王嘉德(2003)根據前後測問卷繪製專家概念圖，圖 2-4 所示，將命題的知識敘述與概念圖關連在一起；使命題的知識敘述內容有內部一致性。圖 2-4 「電與磁」專家概念圖資料來源：王嘉德(2003)

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由上述教材分析中，發現在國小中年級階段，電與磁是分開探討的，而高年級階段時，又合併集中在電磁作用上，這也可由文獻中的概念圖發現相同的情形；因此在命題時，也應納入中年級之基礎概念，以便明確判定別學生的迷思概念。

第三節迷思概念

壹、迷思概念的意義

「迷思概念」 (misconception)一詞，即是指學生擁有不完整的科學定義，或有與科學家定義不同的想法，也就是說學生的概念與現有的科學概念不符，此概念就稱為迷思概念（葉誌鑑，2001）。隨著建構主義的發展，有人將迷思概念（misconception）稱之為原有知識（prior knowledge）、兒童科學（children’s science）、先前概念（preconception）、直覺概念（intuition）、另有架構（alternative framework）、自發性知識（spontaneous knowledge）、天真概念（naïve conception）等。其名稱不一致，意義也不盡相同，大部份的學者及研究者傾向使用迷思概念（misconception）來指稱（林雪蓉，2007）。因此本研究亦採迷思概念（misconception）一詞。

貳、電磁迷思概念的相關研究

國內外有關的文獻大部份是將電與磁的概念分開探討，且鮮少有研究者針對國小學童做探討，以下就與國小學童電磁相關的研究做介紹。（一）彭懋琳依命題知識陳述，將教材單元的概念分成「磁鐵性質」、「磁極定義」、「電流通路」、「地磁」、「電磁感應」、「電磁鐵」、「電動機」七個概念領域，藉由電與磁迷 思概念兩段式診斷問卷及晤談的方式，分析出學生電磁作用的迷思概念。 表 2-5 國小六年級學童電與磁概念迷思概念類型表概念的領域類型產生迷思概念說明 A1 鐵有磁力鐵的東西本身就有磁力。磁鐵性質 A2 磁鐵只有吸引力磁鐵只會吸它相反的另一極，不能吸鐵。

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磁鐵只會吸它相反的另一極，沒有排斥力。 B1 磁極為大面積者認為長條形磁鐵的磁極在上下兩面。 B2 磁極在磁鐵末端以為圓形磁鐵的磁極在周圍。磁極定義 B3 磁極為正負極認為磁極的名稱為正、負極。 D1 電流相撞電流是從電流正負極流向燈泡產生”電流相撞”之概念模式。 D2 逆向電流電由負極出發，經過燈泡亮，回到正極，呈現逆向電流的概念。 D3 只看外觀，不分電池連接極性燈泡的串聯是將燈泡串成一圈。電池的並聯是將電池並列成一排。並聯是將正極連到負極，負極連到正極。 D4 串聯並聯對電能的分配無差別電池串聯和電池並聯的燈泡會一樣亮。燈泡串聯和燈泡並聯的燈泡會一樣亮。 D5 送電快能量大送電比較快者或電線用得少者，燈泡比較亮。電流通路 D6 燈泡是能量產生者在一樣的電池數下，燈泡串聯會比燈泡並聯來得亮。地磁 E1 鐵和磁鐵一樣指北針是鐵做的，因為鐵和磁鐵相似的一些性質。 F1 直電流的磁場不穩定通電的漆包線圈纏繞著鐵棒，會使指北針不停旋轉。正負反接通電的漆包線圈纏繞著鐵棒，會使指北針不停旋轉。通電的導線會使指北針不停旋轉。電磁感應 F2 電池磁鐵化電池就像一個磁鐵有電力和磁力。電池正負極反接就像磁鐵磁極相反一樣。改變電池的正負極才能改變電磁鐵的磁極。電磁鐵 G1 電磁鐵和磁鐵相同不能改變磁力；不能改變磁極。磁鐵為電磁鐵的必需材料 H1 電動機是由周遭組件制動電池和磁鐵不斷相斥而轉動；而有些學生認為，是因為電線和磁電線為電動機的必需材料；指北針為電動機的必需材料。電動機 H2 線圈多電力大漆包線圈數變多時，電力會比較大。資料來源：彭懋琳(2003) （二）葉誌鑑(2001)採二階層診斷測驗問卷及晤談方式，將每一題相關的目標、正確概念、迷思概念逐題整理如表 2-6。將其目標依「磁」、「電」、「電磁」三項目做分類，可發現屬於「磁」的題目有 4 題(1、10、15、16)，屬於「電」的題目有 8 題(7、 8、11、13、17-20)、屬於「電磁」的題目有 8 題(2、3、4、5、6、9、12、14)，「電」、「磁」合併的基礎題就有 12 題，佔所有題目的一半以上，可見要探討學生「電磁」概

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念時，確認基礎概念是否正確是很重要的，此發現對本研究在編製試題時，可提供重要的參考。表 2-6 題項逐題主要迷思概念分析彙整目標正確概念主要迷思概念 1.磁鐵特性區辨電磁鐵與永久性磁鐵特性同極相吸,異極相斥 2.電磁鐵特性區辨電磁鐵與永久性磁鐵特性同極相吸,異極相斥 3.電流磁效應電能生磁且電與磁同時並存電池含有磁性物質及電成分，所以電磁鐵的磁力來自於電池 4.導線磁效應電流通過導線會在四周產生磁力現象前、後面指南針與導線呈直線排列，直立導線所產生的磁力，不會讓指南針產生偏轉現象，只有放在左邊、右邊才會使指針產生偏轉 5.導線與線圈線圈可讓通電的導線磁力集中產生較強的磁力直導線裡面的電流通過速度較快，產生的磁力較強指南針會受導線磁力方向所吸引而產生偏轉指南針受到地球磁場和導線的磁力影響，所以指針方向不定且不停的旋轉 6.導線的磁力指南針會受導線磁力方向所吸引而產生偏轉指南針會被電流所吸引，所以指南針會朝電流來的方向偏轉 7.電池的電流電壓關係磁力強弱與電池大小無關大電池含的電流較強，所以會使指針產生較大偏轉 8.電磁鐵並聯電磁鐵並聯與單一電磁鐵的電流大小相同一個電池供應一個電磁鐵電量較大，磁力較強 9.電流方向與磁力電流方向改變導線磁場方向也會改變指南針會受導線的電流所吸引，指針會朝電流來的方向偏轉，所以偏轉方向不定 10. 磁力穿透性磁力是超距力其穿透力與磁力強弱成正比釘子和電磁鐵隔著玻璃和水，磁力穿不過去，所以釘子不會動 11.電流特性在通電的整條導線中通過的電流均相同流過乙電線的電流會較少，正如水流一樣下游的水流會愈來愈少，所以通過乙電線電流會較少 12.電磁並存暫時性磁鐵有電就有磁鐵棒的磁性金屬成分會保留線圈磁力看斷路的位置電流是否已通過線圈而定，若斷在線圈之後，線圈就會保留磁力；反之，線圈就沒有磁力

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13 電池串並聯電池串聯電流大磁力較強兩個電池連接成迴路，電力充足，所以磁力最強 14.粗細導線口徑較粗的導線電阻小通電量大磁力較強細導線線圈裡面通過的電流較多，所以會產生較大偏轉現象磁力較多 15 磁力穿透性對鐵磁性物質磁力會被其吸收阻隔而不能穿透薄木片較厚不被磁力吸引, 中間用薄木片擋住磁力,電磁鐵和迴紋針就會分開 16. 鐵磁性物質鐵磁性物質才能被磁鐵吸引金屬都會被磁鐵吸引 17. 電磁鐵與燈泡並聯電路並聯之電流兩者相同且獨立因上面也形成通電，有部份電流分散了，所以電磁鐵磁力是微強的 18.電路並聯電路並聯之電流兩者相同且獨立因為甲電磁鐵線圈斷了，電流全部供應給乙電磁鐵，所以乙電磁鐵磁力更強 19.電流特性電流具方向性從＋極出發到－極形成迴路電磁鐵要有磁力，兩極流出電流往電磁鐵集中即可 20.電池並聯 電池並聯與單一電池所提供的電流大小相同二個並聯電池供應一個電磁鐵的電量較大，磁力較強資料來源：葉誌鑑(2001) （三）楊志強(2001) 在教學過後，根據紙筆測驗及晤談的結果設計並進行晤談，有關迷思概念的結論如下： 1.對於「線圈的密度與電磁鐵的磁力的關係」概念有部分(38.9%~43.7%)呈現迷思的情況。 2.對於「電磁鐵的磁力方向與電流方向的關係」部分(6.59%)呈現迷思的情況。 3.對於「並非所有種類的電流都能產生使磁針偏轉的磁力」則是呈現普遍(60.5%)存在迷思的情況。 (四)唐健文(2001)在研究中學生「電流磁效應」及「感應電流」這二單元發現： 1.部分學生不確定是導線帶電、電流還是磁場造成指北針偏轉。 2.認為導線必須是鐵之類的磁性物質，通電後才能產生偏轉。 3.磁鐵的N、S 極相當於電磁的正負極。 4.去除載流導線的外層絕緣才能對指北針產生影響。 5.載流線圈內必須放一支鐵釘才能產生磁場。張榮耀(1999)在研究中發現，今日學生的迷思概念和以往科學家對自然現象的解

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釋非常相似，學生在學習科學概念上重蹈覆轍，因此可藉由過去的研究，了解學生概念學習上的弱點。依研究者的教學觀察，多數教師仍以教科書編排的內容為教學的全部，在葉誌鑑(2001)的研究中提到，學生有很多有關電學與磁學的迷思概念，而教材內容並無納入探討。綜合相關文獻得到，學童在電與磁的迷思概念並無一定的呈述方式，且仍有許多迷思概念需探討，但學生的迷思概念可藉由過去研究來了解，因此本研究仍以教科書為主，配合相關文獻所得之迷思概念做為主軸，編制診斷測驗試題，進行初步的迷思概念診斷。

第四節電腦化診斷測驗

診斷測驗的目的是為了分析學生的學習困難，以做為補救教學的參考（郭生玉， 1991），因此診斷測驗是教學工作的重要工具之一。而電腦診斷測驗主要有下列幾個優勢（饒育宗，2008）： 1. 透過測驗的回饋，縮短老師知道學生在那些概念容易錯誤的時間。 2. 透過測驗的回饋，可以讓學生了解自己學習問題。 3. 可評斷出學生的能力，適當將學生分組以利教學。 4. 管理維護簡單，試題出題方便，即時回饋測驗情況。除上述之外，何政翰(2004)提到將測驗進行電腦化之後的優點尚有： 1.較容易管理、編修與轉移試題。 2. 容易建置且保存題庫。 3. 施測介面較接近真實情境，可具聲光效果，引起學生的作答興趣。 4. 可記錄學生學習的歷程，提供教師日後進行教學時改進參考。電腦測驗有許多種呈現的方式，常見的是以網頁來呈現試題，由題庫亂數選題後，輸出成試卷，在螢幕上以一頁一張試卷的形式呈現，此類型測驗容易讓學生喪失興趣，使得測驗流於形式（何政翰，2004）。圖 2-5，是一個自然科學線上測驗，受試者可以點選相關的單元，進入施測畫面，試題的型式為選擇題，受試者點選答案後，若作答正確，在選項前的空格中會出現「:-)」

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符號，若作答錯誤則出現「X」，畫面上方有「Your score is : 50%.」（圖 2-6），其計算方式為答對次數與答題次數的比值。圖 2-5 自然科線上測驗圖 2-6 磁力玩具施測畫面資料來源：網址：http://loich.loxa.edu.tw/lictest/science/science_menu.php 目前教學現場主要仍採傳統之紙筆測驗的方式，但施測後的分析需耗費較多的時間與精力，資料也喪失了即時性，對受試者無法提供有效而及時的回饋，因此，紙筆測驗改成電腦測驗是未來趨勢，基於上述的內容，本研究採電腦化診斷測驗，並以一頁一題的方式出題，結合選擇題及建構反應題的動態操作，吸引受試者的注意力，提高測驗的精準度。

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第五節建構反應題的型式與國際大型測驗的趨勢

Popham(1981)提出，測驗依命題的題型可分兩大類，即選擇反應測驗

(selected-response test)和建構反應測驗(constructed-response test)；本節分「建構反應題 的型式」、「國際大型測驗的趨勢」二部份來探討。

壹、建構反應題的型式

在選擇反應測驗的方式中，題目以是非題、單選題、多重選擇題、配合題來命題。建構反應測驗則可包含計算題、證明題、填充題、申論題、問答題等，在此類型的評量裡，學生沒有選項可以挑選，必須自行建構出答案，也因此減少了猜測的機率。文章型式(essay questions)的建構反應題可再大致區分為簡短反應題(short response)及擴充反應題(extended response)(Classroom Assessment,2010)，以 Florida assessment (FCAT)的規範舉例說明二者的差別，簡短反應題的作答時間大約為 5 分鐘，擴充反應題的作答時間大約為 10-15 分鐘，簡短反應題的題目會比擴充反應題更聚焦，且有更多的答題限制。因此本研究採用的建構反應題屬於「限制反應題」，避免像擴展反應題的答題範圍過大，時間過長。

貳、國際大型測驗的趨勢

目前有幾項國外的大型測驗，如國家教育進展評量(National Assessment of Educational Progress, NAEP)、國際學生評量(The Programme for International Student Assessment, PISA)及國際數理趨勢研究(The Trends in International Mathematics and Science Study, TIMSS)，將自然科學納入測驗範圍中，試題的型式則包含選擇題及建構反應題。以下就 TIMSS、PISA、NAEP 的範例試題分別說明。

一、 TIMSS 2007 的試題範例

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標出 N、S。問題 B：請學生解釋理由。藉由此題，可測出學生是否能分辨指北針的磁極及異極相吸的概念（圖 2-7）。圖 2-7 TIMSS 2007 八年級建構反應題資料來源：TIMSS 2007樣本試題第6頁二、PISA 2006的試題範例題型屬簡短建構反應題(PISA2006)；請學生閱讀短文後，設計一驗證方法來證明農夫論點（圖2-8），評分標準分為滿分及部份給分，依學生的作答情形給予不同的給分代號。

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S212：蒼蠅閱讀下列短文，並回答下列問題。蒼蠅有位農夫在農業試驗所，擔任乳牛的管理工作。牛舍裡蒼蠅很多，影響動物健康。所以，農夫用含有「殺蟲劑 A」的溶液，噴灑牛舍及乳牛。這種殺蟲劑幾乎殺死所有的蒼蠅。然而，過了一段時間，又有很多蒼蠅。於是，農夫再度噴灑一次這種殺蟲劑。這次的噴灑效果，與第一次噴灑的效果相似。雖沒有殺死全部蒼蠅，但讓大多數蒼蠅死亡。再經過一段時間，蒼蠅又很多。於是，又再一次的噴灑殺蟲劑。這樣的事情一再發生，總共噴灑了五次殺蟲劑：結果很明顯的，「殺蟲劑 A」殺死蒼蠅的效果越來越差。農夫注意到了他的噴藥過程，他先配好一大瓶的殺蟲劑溶液，這五次噴藥都用這一瓶溶液。因此，殺死蒼蠅效果越來越差的可能原因，農夫所提出的建議是：殺蟲劑因存放時間過久而分解。問題 1：蒼蠅 S212Q01- 0 1 2 3 4 5 8 9 農夫所提的建議是：殺蟲劑因存放時間過久而分解。如何驗證這個建議？請簡要說明之。 --- --- 題旨過程：確認證據主題：化學與物理變化範疇：生命與健康科學滿分代號 5：應用三個變因（蒼蠅的品種、殺蟲劑的存放時間、與暴露）的控制，進行問題的回答。例如：選擇品種相同，不曾暴露過殺蟲劑的一群蒼蠅，將這群蒼蠅分為兩組。其中一組用新配製的殺蟲劑噴灑，另一組則用配製後存放較久的殺蟲劑噴灑，比較兩組的殺蟲效果。部分分數代號 4：三個變因（蒼蠅的品種、殺蟲劑的存放時間、與暴露）中，只應用其中兩個變因的控制，進行問題的回答。例如：比較新配製的殺蟲劑與存放較久的殺蟲劑，兩者對牛舍蒼蠅的殺蟲效果。代號 3：三個變因（蒼蠅的品種、殺蟲劑的存放時間、與暴露）中，只應用其中一個變因的控制，進行問題的回答。例如：針對此一殺蟲劑，定期取樣，並進行化學分析，以了解殺蟲劑是否隨存放時間的增加，而產生化學變化。代號 2：使用新配製的殺蟲劑噴灑蒼蠅，但沒有提及與舊的那一批殺蟲劑做比較。代號 1：這種殺蟲劑的樣本的化學分析，但沒有提到不同存放時間的樣本之分析比較。注意：假如只提及將殺蟲劑的樣本，送到實驗室。則編碼為代號 1。零分代號 0：其他答案代號 8：答案與問題無關代號 9：沒有作答圖 2-8 PISA 2006 八年級建構反應題資料來源：PISA2006 科學樣本試題第 25-27 頁

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三、NAEP 2009 的試題範例

圖 2-9(NAEP,2009)是四年級地球與空間科學(Earth and Space Sciences)簡短建構反應題；題目要求學生先選擇一種材質，再解釋要如何使用所選材質來保護環境。學生表現的評估分為二種，完整的（complete）、不滿意或錯誤的(unsatisfactory/incorrect)；當學生可以標示一種袋子並正確解釋可以保護環境原因，或是正確解釋為什麼不使用其他袋子的原因，即可算完整答對，否則就算不滿意或錯誤的。圖 2-9 NAEP 2009 四年級建構反應題資料來源：NAEP 2009 p.19 網址：http://nces.ed.gov/nationsreportcard/pubs/dst2009/2011452.asp 以題型來說，各大型測驗皆有建構反應題題型，包含證明題及問答題，在閱卷時，仍採人工閱卷方式，須耗費較多的人力及時間成本，且雖定有評分的標準，但在評分的客觀性仍會受評分者影響。另外，若學生的文字表達能力較弱，無法完整敘述、表達想法時，其表現未必就能代表其真正的思考歷程及程度。因此，為了改善上述的狀況，將建構題以電腦進行線上施測是未來的趨勢。例如美國研究學會(AMERICAN INSTITUTES FOR RESEARCH,AIR)所發展建構反應題之 電腦線上測驗（圖 2-10;來源：

http://assessment.air.org/ScoringEngineWeb/DemoDefault.aspx），透過建構反應題之電腦線上測驗，能讓學生使用他們所學到的知識且驗證其高層次的思考技能。這個測驗系統可以完整的紀錄學生的作答反應及計分。

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圖 2-10 美國調查學會建構反應題之電腦線上測驗本研究使用「BNAT 適性診斷測驗暨學習系統」進行施測；結合知識結構與貝氏網路建構而成，並採用以機率推理為基礎之貝氏網路做為分析工具（楊淑菁，2009；何秀芳，2009；莊峰魁，2010；巫俊杰，2010；李烱璉，2010）。同樣可以完整的紀錄學生的作答反應，未來透過自動化分析建構反應題模型的建置，可同時計分並分析學生的迷思概念。

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第六節貝氏網路

貝氏網路是一種結合圖形和機率的推論工具，它使用先驗知識或專家意見並結合可觀察資訊之機率推論模式（劉湘川，2004）。完整的貝氏網路包含兩部份，分別是結點（node）和連結（link），貝氏網路可以形成一個以非循環有向圖形(directed acyclic grape, DAG)為基礎的結構圖。此非循環有向圖的每一個節點代表一個變數，節點之間用有向邊連結表示節點之間條件相依，若無連結則代表節點之間的關係是條件獨立的情形（楊淑菁，2009）。在本研究中，節點分為三種，包含命題概念、迷思概念和試題，有向邊的連結與否表示節點之間是否有相關。以圖 2-11 為例，「命題概念 1」與「迷思概念 1」、「迷思概念 2」有連線，表示「命題概念 1」會影響「迷思概念 1」、「迷思概念 2」的產生，而「迷思概念 2」與「試題」沒有連線，表示「命題概念 2」與「試題」沒有因果關係。圖 2-11 貝氏網路基本型態

貝氏網路採用 5-fold cross validation 的方法，來估算精準度，首先將紙筆測驗所有收集的樣本平均切成五等分，把其中四等分做為訓練樣本(training samples)，以訓練樣本去估計出貝氏網路，另外一等分做為測試樣本(testingsamples)，以測試樣本來進行模擬適性測驗，將訓練樣本得到的結果與測試樣本得到的結果互相比較，兩者的吻合程度稱為辨識率，如此一直循環五次計算出辨識率，再將五次的辨識率平均，即為最後的辨識率（劉育隆，2006），如圖 2-12 所示。辨識率越高表示貝氏網路所訓練的參數越適合，以本研究為例辨識率越高，表示所建立的貝氏網路在學生的迷思概念、命題概念發生有無的診斷精準度與專家的認知越相近。試題迷思概念 1 命題概念 1 命題概念 2 迷思概念 2

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圖 2-12 估算貝氏網路模式成效之流程何秀芳(2009)指出，貝氏網路目前被廣泛且熱門的應用於生物科技、搜尋引擎等專業領域中，而就其應用的領域特性和教育領域中學習錯誤類型的診斷，有異曲同工之處，都包含了不確定性的因素成分以及變項多的特性。目前許多研究已顯示貝氏網路在數學教育領域中的錯誤診斷上是具有其成效性（吳仁奇，2006；汪端正、蘇文君、郭伯臣、楊智為，2006；林垣圻，2006；施淑娟、林世華，2006；高健智，2007；黃雅鳳，2006；楊淑菁，2009；楊智為，2007；楊裕貿、何名倫、楊淑菁、趙日彰，2008；謝典佑，2006；蘇文君、汪端正、郭伯臣，2006；何秀芳，2009；楊淑菁，2009）。而在自然教育方面的研究則較缺乏，目前有黃文信(2009)、莊峰魁(2010)、巫俊杰 (2010)、李烱璉(2010)等提出相關研究；另外，林孟君(2009)、鄭涵(2010)在數學教育的研究中，結合選擇題與建構反應題的試題，設計四種貝氏網路模式，證明了加入建構反應題的資料後，對於能力指標、子技能與錯誤類型之辨識率皆優於傳統的只有選擇題的貝氏網路。綜合上述的研究結果發現，以貝氏網路診斷錯誤類型在數學教育及自然領域中皆有良好的成效，且結合建構反應題之作答反應後，可達到更好的效果，因此，亦可作為本研究建立貝氏網路的電腦化測驗診斷系統之重要參考。測試 5-5 fold 5-1 fold 5-4 fold 5-1 fold 5-2 fold 5-5 fold 貝氏網路模式貝氏網路模式辨識率辨識率訓練訓練測試

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第三章研究方法

本研究以選擇題，自編「電磁作用」單元之試題，發展自然領域學科的電腦化診斷系統。收集學生線上施測後的資料，利用專家所建立之迷思概念分析，探討學生解題歷程，並建置自動化分析流程。本章節分六個部分來說明，分別為：研究流程、研究工具、研究對象、診斷測驗試題、施測流程、資料處理與分析。

第一節研究流程

本研究為建置一套自然領域學科電腦診斷測驗，研究流程如圖 3-1，研究步驟如下：一、確定研究主題，蒐集並分析相關文獻：透過文獻的蒐集與探討，以獲得相關的理論基礎，及研究所需使用的方法。二、編製試題：依文獻整合出的命題概念及迷思概念，編製「電磁作用」診斷性測驗試題，包含選擇題 20 題，建構反應題 3 題；請三位以上專家，研商討論試題之適切性並適當修正。三位專家皆擁有國小自然科的教學經驗三年以上，學歷背景分別為師範學院數理教育學系、台中教育大學自然科學教育研究所及國立成功大學化學系，對本研究所探討的課程內容，皆有深入的了解。三、設計建構反應題之電腦操作介面。四、施測結果分析：將實際施測所得到的選擇題結果及建構反應題之解題歷程，進行錯誤類型分析。五、建立錯誤類型分析模型：依據錯誤類型分析的結果，建立錯誤類型自動化分析模型。六、進行自動化分析之成效分析，並建置自動化診斷系統。七、進行貝氏網路模式分析。八、統整並歸納研究成果，提出結論與建議，作為日後研究的改進依據。

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圖 3-1 研究流程確定研究主題文獻探討建立專家知識結構彙整相關之迷思概念編製診斷測驗之試題蒐集學生之作答反應迷思概念分析建立自動化分析建構反應題模型建構反應題自動化分析模型成效建置貝氏網路架構及建構反應題介面設計診斷系統建置結論與建議進行貝氏網路模式分析

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第二節研究工具

以下就電腦測驗之施測介面、資料分析工具做介紹。

壹、線上施測系統

本研究採「BANT 適性診斷測驗暨學習系統」來進行線上施測（圖 3-2），建構題施測後，可播放學生作答歷程，使專家能更精準分析學生之作答類型。圖 3-2 BANT 適性診斷測驗暨學習系統

貳、資料分析工具

1. 本研究以 SPSS 分析試題之 Cronbach’s α 信度；

2. Excel 軟體做試題選項分析；BILOG-MG 軟體估計試題 IRT 參數值； 3. 運用 MATLAB 軟體撰寫自動化分析模型的程式。

4. 貝氏網路工具箱：採郭伯臣、謝典佑(2007)所開發的貝氏網路工具測驗分析軟體做為分析貝氏網路資料工具。

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第三節研究對象

施測對象為學習九年一貫課程自然與生活科技領域康軒版六年級「電磁作用」單元的學童為主，包含台中市豐原區三所國小及神岡區一所國小，共四所學校，23 個班級，施測學生 591 人，有效樣本共計 569 人。

第四節診斷測驗試題

本研究以知識結構為基礎，經文獻探討後，配合現行教材，編定命題概念及迷思概念，再以此編製試題，以下即就「命題概念」、「迷思概念」、「試題」這三個部份來做說明。

壹、診斷測驗之命題概念

由文獻探討中，整理出電磁作用單元之概念共 15 項；其中第 14 項屬於課程綱要的科學應用能力項目，第 15 項為過程技能項目，其餘則為科學與技術能力，以下就各項命題概念做說明： (1) 知道電池串聯及並聯的連接方式、電力大小及電流流動方向 (2) 認識磁鐵有 N 及 S 二極，同極相斥且異極相吸，磁鐵可以吸引鐵製物質。 (3) 指北針的指針是磁鐵，箭頭磁極為 N 極，且指針可以自由轉動 (4) 指北針受地磁作用，指針箭頭永遠指向北方 (5) 鐵製品可經由摩擦產生磁力 (6) 通電的導線、線圈會產生磁力，電力消失則磁力消失 (7) 通電導線的磁力會使指北針的指針偏轉 (8) 通電的線圈兩端有不同的磁極，會使指北針的指針偏轉 (9) 電流流動的方向會影響導線及線圈的磁場方向。 (10) 通電的線圈放入鐵棒，磁力會增強，成為電磁鐵 (11) 電磁鐵的線圈數越多，磁力越強

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(12) 電磁鐵的電力增強，磁力越強 (13) 用通電的線圈產生磁力，做成會動的玩具 (14) 日常生活中應用電磁鐵原理的物品 (15) 實驗時，確認相關的變因做操控運作，並能由資料顯示，推測可能的因果關係

叄、迷思概念

本研究將電磁作用之迷思概念分為電流通路、磁鐵、指北針、電磁、電磁鐵的應用五類，其中，電磁之概念，再細分為電磁鐵的性質、電磁磁力的方向、電磁磁力的大小等三項，如表 3-1，綜合文獻後，列出與「電磁作用」教材相關的「正確概念」、「文獻探討之迷思概念」，再配合命題概念，整理出所欲測得之「單元迷思概念」。表 3-1 電磁作用單元迷思概念命題概念正確概念文獻探討之迷思概念單元迷思概念電池的兩極區分成正極或負極 B01.無法利用電線、電池組成一電路。電流具方向性從＋極出發到－極形成迴路電流是從電流正負極流向燈泡產生”電流相撞”之概念模式。（彭懋琳，2003）電由負極出發，經過燈泡亮，回到正極，呈現逆向電流的概念。（彭懋琳，2003） B02.不知電路中電流流動的方向。串聯是正極連接另一負極，並聯是將正極連到負極，負極連到正極。（彭懋琳，2003）並聯是正極連接另一正極；負極連接負極 B03.不知電池的串聯、並聯方式 B04.不知電池的串聯可以增強電力一、電流通路： S01.知道電池串聯及並聯的連接方式、電力大小及電流流動方向電池串聯所提供的電流較單一個電池大，電池並聯與單一電池所提供的電流大小相同且獨立。電池串聯和電池並聯所提供的電流會一樣大。（彭懋琳， 2003）電池串聯比電池並聯所提供的電流小

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磁鐵會吸引鐵製的物質鐵的東西本身就有磁力（彭懋琳，2003）金屬都會被磁鐵吸引（葉誌鑑，2001） B11.鐵製品本身具有磁力 B12.磁鐵會吸引所有金屬兩磁鐵間同極相斥，異極相吸磁鐵只會吸它相反的另一極，不能吸鐵（彭懋琳，2003）磁鐵只會吸它相反的另一極，沒有排斥力（彭懋琳，民 2003） B06.磁鐵的同極會相吸、異極會相斥 B07.磁鐵只有排斥力，沒有吸引力 B08.磁鐵只有吸引力，沒有排斥力二、磁鐵： S02.磁鐵有 N 及 S 二極，同極相斥且異極相吸，磁鐵可以吸引鐵製物質。磁的兩端磁力最強，叫磁極 N,S 磁極為大面積者，認為長條形磁鐵的磁極在上下兩面。（彭懋琳，2003）磁鐵的磁力每個部位都一樣（林鼎富，2001）磁極在磁鐵末端，以為圓形磁鐵的磁極在周圍（彭懋琳，2003）認為磁極的名稱為正、負極（彭懋琳，2003）磁極名稱有 N 和 S 極，也有陰極和陽極，正極及負極，鐵裡面還存有陰陽兩種鐵分子。（林明軫，1993） B05.磁極的名稱是正極及負極，或陰極和陽極磁力是超距力其穿透力與磁力強弱成正比阻隔物會阻隔磁力。（林鼎富，2001） B09.無法判斷磁力的大小與所吸引的迴紋針量的關係 B10.無法判斷磁力的影響力與距離遠近的關係三、指北針： S03.指北針的指針是磁鐵，箭頭磁極為 N 極，且指針可以自由轉動指北針是磁鐵指北針是鐵做的，因為鐵和磁鐵相似的一些性質（彭懋琳，2003） B15. 指北針是鐵製品或其他金屬 B16.指針箭頭磁極是 S 極 S04.指北針受地磁作用，指指北針箭頭受地磁的吸引，指向地心引力使指北針指出南北方向（鄭如琳，1999） B13.指北針受地心引力作用，指出方向

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針箭頭永遠指向北方北方 B14.指北針箭頭指向南方 B17.地磁的 S 極靠近地球的南方。 S05.鐵製品可經由摩擦產生磁力＊摩擦後，縫衣針會有磁力，是因為它原本就有磁力。（鄭如琳，1999）＊摩擦使縫衣針吸走磁鐵的磁力而變得有磁力。（鄭如琳，1999）＊要摩擦才會有磁力，摩擦愈久磁力愈大（林明軫， 1993） B18.鐵製品來回摩擦磁鐵可產生磁力。 B19.鋼釘尖端摩擦磁鐵 S 極，使尖端成為 S 極＊暫時性磁鐵有電就有磁四、電磁 (一)電磁鐵的性質 S06.通電的導線、線圈會產生磁力，電力消失則磁力消失。＊電流通過導線會在四周產生磁力現象＊通電的線圈有磁鐵的特性＊通路形成後，線圈具有磁極。 B20.不具備電磁鐵必須有電才可生磁，若無電則磁力消失。 (二) 電磁磁力的方向 S07.通電導線的磁力會使指北針的指針偏轉 S08.通電的線圈兩端有不同的磁極，會使指北針的指針偏轉指北針會受導線磁力方向所吸引而產生偏轉＊指南針受到地球磁場和導線的磁力影響，所以指針方向不定且不停的旋轉（葉誌鑑，2001）＊指南針會被電流所吸引，所以指南針會朝電流來的方向偏轉（葉誌鑑，2001）＊同極相吸,異極相斥（葉誌鑑，2001） B21.無法推論通電導線使指北針的指針偏轉的方向。 (二) 電磁磁力的方向 S09.電流流動的方向會影響導線及線圈的磁場方電流方向改變，導線磁場方向也會改變＊指南針會受導線的電流所吸引，指針會朝電流來的方向偏轉，所以偏轉方向不定（葉誌鑑，2001）不能改變磁極（彭懋琳， 2003） B22. 無法推論通電導線及線圈的磁場方向

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向。 (三)電磁磁力的大小 S10.通電的線圈放入鐵棒，磁力會增強，成為電磁鐵 B23.只要放入金屬棒子，都可增強線圈磁力。 (三)電磁磁力的大小 S12.電磁鐵的電力增強，磁力越強電流越大，產生的磁力越大不能改變磁力（彭懋琳， 2003） B25. 無法判斷電力的大小與磁力大小的關係 (三)電磁磁力的大小 S11.電磁鐵的線圈數越多，磁力越強單位長度中的線圈數多，磁力越大。漆包線圈數變多時，電力會比較大。（彭懋琳，2003） B24.不知電磁鐵的線圈纏繞愈多，可以增強磁力五、電磁鐵的應用 S13.用通電的線圈產生磁力，做成會動的玩具 S14.日常生活中應用電磁鐵原理的物品 B26.無法應用電磁鐵的原理 S15.實驗時， 確認相關的 變因做操控 運作，並能由 資料顯示，推 測可能的因 果關係 B27.不清楚圖、圖表資料的意義 B28.無法操控變因、觀察事象的變化並推測可能的因果關係。

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參、診斷測驗試題

本研究之測驗含二十題選擇題，三題建構題，每個試題皆經三位專家判定。詳細的試題內容請參見附錄。表 3-2、3-3 分別命題概念、迷思概念與試題的對應表，◎表試題與概念有對應，例如，試題 I01 所對應到的命題概念為 S02，迷思概念則有 B06、B07、B08。命題概念 S05、S07、S08、S10 及迷思概念 B12、B13、B17、B18、B19、B23 這十個項目，所對應的試題只有一個，其他每個概念皆有二個以上，原因是這十個項目的概念較為基礎，對照 2001 年布魯姆認知領域教育目標分類，在知識向度中屬事實知識，在認知歷程向度屬記憶（葉連祺、林淑萍，2003），因此在編制試題時，僅以一題命題。而「S02 認識磁鐵有 N 及 S 二極，同極相斥且異極相吸，磁鐵可以吸引鐵製物質」，包含多項「磁」的基礎概念，因此相關的題目共同八題。表 3-2 命題概念與試題對應表 I 0 1 I 0 2 I 0 3 I 0 4 I 0 5 I 0 6 I 0 7 I 0 8 I 0 9 I 1 0 I 1 1 I 1 2 I 1 3 I 1 4 I 1 5 I 1 6 I 1 7 I 1 8 I 1 9 I 2 0 I 2 1 I 2 2 I 2 3 S01 ◎ ◎ ◎ ◎ S02 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ S03 ◎ ◎ ◎ ◎ S04 ◎ ◎ ◎ ◎ S05 ◎ S06 ◎ ◎ ◎ ◎ S07 ◎ S08 ◎ S09 ◎ ◎ ◎ S10 ◎ S11 ◎ ◎ S12 ◎ ◎ S13 ◎ ◎ ◎ S14 ◎ ◎ ◎ S15 ◎ ◎ ◎

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表 3-3 迷思概念與試題對應表 I 01 I 02 I 03 I 04 I 05 I 06 I 07 I 08 I 09 I 10 I 11 I 12 I 13 I 14 I 15 I 16 I 17 I 18 I 19 I 20 I 21 I 22 I 23 B01 ◎ ◎ ◎ B02 ◎ ◎ B03 ◎ ◎ B04 ◎ ◎ B05 ◎ ◎ B06 ◎ ◎ ◎ B07 ◎ B08 ◎ B09 ◎ ◎ B10 ◎ B11 ◎ ◎ B12 ◎ B13 ◎ B14 ◎ ◎ B15 ◎ ◎ B16 ◎ ◎ B17 ◎ B18 ◎ B19 ◎ B20 ◎ ◎ ◎ ◎ B21 ◎ ◎ ◎ B22 ◎ ◎ B23 ◎ B24 ◎ ◎ B25 ◎ ◎ B26 ◎ ◎ ◎ ◎ B27 ◎ ◎ B28 ◎ ◎ ◎

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第五節施測說明

壹、施測流程

1.施測時間約為四十分鐘，包含施測說明及學生實作。 2.學生每人各有一組帳號、密碼，登入後即可進行測驗。 3.學生先進行建構題練習題的操作，以熟悉電腦操作及工具的應用。 4.建構題作答完畢後，即進行選擇題，直到整份試卷完成為止。

貳、施測介面

以下就選擇題及三題建構題的介面作介紹，其中選擇題以第一題做舉例。一、建構題的介面 (一)練習題 1.練習題第一題進入練習題的第一個畫面（圖 3-3），先就練習題的目的做說明及介紹，並提醒學生盡快做答，以免擔誤後續施測時間，待學生閱畢注意事項，即可進入練習題第一題；此題目的是要學生熟悉操作介面（圖 3-4），以及工具的操作，例如「移動」、「旋轉」、「來回的摩擦」、「同方向摩擦」，學生必須將磁鐵拖曳到作答區，旋轉 180 度後放在適當的位置，進行同方向摩擦、來回摩擦的練習，練習完畢則進入下一題。

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圖 3-3 練習題第一題說明畫面

圖 3-4 練習題第一題操作介面

2.練習題第二題

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熟悉操作介面，並練習「移動」、「旋轉」、「組合」這三個操作方式（圖 3-6）。學生必須將電池、綠線、黑線拖曳到作答區，分別將電池、綠線、黑線旋轉 270 度、180 度、 180 度，依例題組合。

圖 3-5 練習題第二題說明畫面

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(二)正式試題正式試題的操作介面與練習題相同，分為題目區、工具區、及作答區，以下分別介紹。圖 3-7 「電磁作用」單元建構題第一題試題介面 1.題目區：試題說明，學生需詳閱後再開始作答。 2.工具區依不同題目的需求，而有不同的工具按鍵。第 21 題共有四個按鍵，即「移動」、「旋轉」、「同方向摩擦」、「來回摩擦」，第 22、23 題則只需要「移動」、「旋轉」二個按鍵，茲將各按鍵的功能及操作方式介紹如下：：點選後，再點選物件，即可拖拉物件至指定的定點。：點選後，再點選物件，即可使物件旋轉，每按一次即順時針旋轉 90 度。在工具區的上方，可標示出物件旋轉的角度，提供學生作答時的參考。 作答區 題目區 工具區

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：點選後，再點選物件，即有動畫顯示同方向摩擦。：點選後，再點選物件，即有動畫顯示來回的摩擦。：當學生作答完畢時，即可選擇此按鍵進行下一題的作答。 3.作答區及物件區依不同的試題而有不同的物件，分別介紹如下： (1)第 21 題「自製指北針」的物件：作答區內，有一方位盤；可以操作的物件有透明塑膠杯、不透明塑膠杯、鐵釘、鋁棒、磁鐵、短繩（圖 3-7）。 (2)第 22 題的物件：作答區內，有一底部黏貼磁鐵的帆船，並在左框處標示終點字樣；可以操作的物件有藍色與紅色電線各二條、電池二顆、纏繞線圈的鐵釘一組（圖 3-8）。圖 3-8 「電磁作用」單元第二題建構題試題介面 (3)第 23 題的物件：作答區內，有一附ㄣ型鐵片的木板；可以操作的物件有藍色與紅色電線各一條、電池一顆、紙片加迴紋針、纏繞線圈的鐵釘一組（圖 3-9）。

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圖 3-9 「電磁作用」單元第三題建構題試題介面

二、選擇題的介面

選擇題的施測畫面分為題目及作答選項二個部份（圖 3-10)，學生必須至少選擇一個選項後，才可選擇進入下一題，避免漏答之情形。

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第六節資料處理與分析

本節分別就「資料庫型式與學生作答過程」、「自動化分析程式之設計」、「貝氏網路模式」三項來說明。

壹、資料庫型式與學生作答過程

一、選擇題的資料庫型式選擇題的資料庫型式以文字為紀錄方式（表 3-4），紀錄的項目有試卷名稱、班級、姓名、作答時間、試題作答情形；例如學生 h60101，在選擇第１題選答「3」，在第 20 題選答「1」。表 3-4 選擇題的資料庫型式流水號試卷班級姓名作答時間選擇 1 選擇 2 …… 選擇 20 301 40 自然第 7 冊第 4 單元【電磁作用】 6 年 1 班 h60101 1338 3 4 …… 1 301 57 自然第 7 冊第 4 單元【電磁作用】 6 年 1 班 h60102 1669 4 4 …… 2 301 17 自然第 7 冊第 4 單元【電磁作用】 6 年 1 班 h60103 767 3 4 …… 2 二、建構反應題的資料庫型式分為文字紀錄及學生作答過程播放二種，文字紀錄的型式（圖 3-11），學生對物件的每個操作動作都會被詳細紀錄，文字紀錄的型式又再區分成二種；型式一，以圖 3-11 紅框中的資料為例，每個「，」相隔的文字依序代表「區域」、「物件代號」、「X 座標」、「Y 座標」、「物件長度」、「物件寬度」、「時間」，最後以「；」與下一個操作紀錄區隔；將紅框中的資料整理如表 3-5，即表示：學生選取工具區座標(687, -299)的物件一；另

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一種文字紀錄，型式二，圖 3-11 的藍框資料為「功能」、「動作」、「時間」（表 3-6）， 表示學生選按「旋轉」功能鍵。 toolarea,div_tool_1,687,-299,50,74,1293420042610;toolarea,div_tool_1,686,-299,50, 74,1293420042619;toolarea,div_tool_1,685,-298,50,74,1293420042634;toolarea,div _tool_1,684,-298,50,74,1293420042642;toolarea,div_tool_1,683,-298,50,74,1293420 042650;toolarea,div_tool_1,682,-298,50,74,1293420042666; toolarea,div_tool_1,681,-298,50,74,1293420042682;button,rotate,1293670952630 圖 3-11 建構反應題作答情形之文字紀錄表 3-5 建構反應題的資料庫型式一區域 物件代號 X 座標 Y 座標物件寬度物件高度 時間 toolarea div_tool_1 687 -299 50 74 1293420042610 表 3-6 建構反應題的資料庫型式二功能 動作代號 時間 button rotate 1293670952630 不同的題目，則有不同的物件代號、動作代號，詳列於表 3-7；舉例來說，代號 「div_tool_4」在第一題代表鋁棒，在第二題代表紅線，在第三題代表藍線。 表 3-7 建構反應題資料庫物件代號說明題號物件代號位置代號功能代號動作代號建構反應題第一題 div_tool_1(透明杯) div_tool_2(不透明杯) div_tool_3(鐵釘) div_tool_4(鋁棒) div_tool_5(片型磁鐵) div_tool_6(短繩) 建構反應題第二題 div_tool_1(藍線) div_tool_2(紅線) div_tool_3(藍線) div_tool_4(紅線) div_tool_5(電池) div_tool_6(電池) div_tool_7(鐵釘繞圈) 建構反應題第三題 div_tool_1(鐵釘繞圈) div_tool_2(電池) div_tool_3(紙片加迴紋針) div_tool_4(藍線) div_tool_5(紅線) toolarea (工具區) response area (作答區) osarea (作業區) button (按紐) rubsd (同方向摩擦) rubbaf (來回摩擦) rotate (旋轉) move (移動)

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貳、自動化分析程式之設計

一、建構反應題第一題 (一)題目「以下的實驗是要自製一個指北針，實驗室所提供的材料及用具如下，你必須將需要的材料拖曳到實驗桌上，再進行實驗組裝。」 (二)設計決策之步驟：下面判斷方法為圖中的判斷節點。 若解題歷程為空白，編碼為[no answer]。 判斷透明杯的使用情形，未使用透明杯[T1O]，透明杯位置正確[T1R]，透明杯位置錯誤[T1W]。 判斷不透明杯的使用情形，未使用不透明杯[T2O]，不透明杯位置正確[T2R]，不透明杯位置錯誤[T2W]。 判斷短繩的使用情形，未使用短繩[T6O]，短繩位置正確[T6R]，短繩位置錯誤[T6W]。 判斷鐵釘的使用情形；使用鐵釘做指針且位置正確[T3R]，使用磁鐵做指針且位置正確[T5R]；使用磁鐵或鐵釘做指針但位置錯誤，代號分別為[T3W]、[T5W]。 -1 判別指針尖端是否朝北，鐵釘尖端或磁鐵 N 極朝北則判[T3AR]、[T5AR]，鐵釘尖端或磁鐵 N 極朝南則判[T3AW]、[T5AW]， 判別鋁棒的使用情形；使用鋁棒且位置正確[T4R]，未使用或位置錯誤[T4W]。 判別是否有磁化動作；有磁化動作[MY]，沒有磁化動作 [MN]。 判別摩擦的類別情形，有同向摩擦[SD]，有來回摩擦[BAF]，沒有摩擦動作[RN]。 判別摩擦動作的情形，尖端摩擦 S 極[RR1]，鈍端摩擦 N 極[RR2]，尖端摩擦 N 極[RW1] ，鈍端摩擦 S 極[RW2]。 判摩擦時，磁鐵與鐵釘的相對位置是否正確，位置正確[RCR]，位置錯誤[RCW]。

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(三)分析設計之流程圖 3-12 建構反應題第一題分析設計流程建構反應題一：自製指北針  沒作答 [no answer] 有作答    透明杯位置正確[T1R] 未使用透明杯 [T1O] 透明杯位置錯誤[T1W] 不透明杯位置正確[T2R] 未使用不透明杯 [T2O] 不透明杯位置錯誤 [T2W]  短繩位置正確[T6R] 未使用短繩[T6O] 短繩位置錯誤[T6W] 使用鐵釘做指針 T3R 使用磁鐵做指針 T5R 使用鋁棒做指針 T 4 R  未使用鋁棒做指 T 4 W 使用磁鐵或鐵釘做指針位置錯誤 T3W T5W  有磁化動作 [MY] 沒有磁化動作 [MN] 有來回摩擦[BAF] 有同向摩擦[SD] 尖端摩擦 S 極 [RR1] 沒有摩擦動作[RN]   鈍端摩擦 N 極 [RR2] 尖端摩擦 N 極 [RW1] 鈍端摩擦 S 極 [RW2]  摩擦時位置正確[RCR] 摩擦時位置錯誤[RCW] -1 1 尖端(N 極)朝北 [T3AR]、[T5AR] 尖端(N 極)朝南 [T3AW]、[T5AW] 未使用磁鐵或鐵釘做指針 T3O T5O

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(四)迷思概念的判別設計

依上述的分析設計所輸出的結果來判定迷思概念有無（表 3-9）。當程式分析之代號為 T3RT3AW 及 T5RT5AW 時，判有編號 B14 之迷思概念，而分析結果有「T3RT3AR MN」、「T3RT3AW MN」、「T4R」者，判有編號 B15 迷思概念，其他迷思概念的判別以此類推。舉例來說（表 3-8）：學生 1 有「T3RT3AW」、「RW1」，所以有 B14、B19 的迷思概念，學生 2 則判沒有作答。表 3-8 建構反應題第一題程式分析結果舉例說明表 3-9 建構反應題第一題迷思概念判別說明迷思概念編號程式分析之代號 B14 T3RT3AW 以鐵釘當指針，指針針頭朝南 T5RT5AW 以磁鐵當指針，N 極朝北 B15 T3RT3AR MN 以鐵釘當指針，指針朝北，沒有磁化 T3RT3AW MN 以鐵釘當指針，指針朝南，沒有磁化 T4R 以鋁棒當指針 B18 BAF 來回摩擦 B19 RW1 尖端摩擦 N 極 RW2 鈍端摩擦 S 極 B29 T2R 使用不透明杯，位置正確 B30 T1OT2O 未使用透明杯及不透明杯 T1WT2O 使用透明杯但位置錯誤，未使用透明杯 T1WT2W 使用透明杯及不透明杯，但位置都錯誤。 B31 T6W 短繩位置錯誤 B32 T3W 以鐵釘當指針，但位置錯誤。 T4W 鋁棒當指針，但位置錯誤。 T5W 磁鐵當指針，但位置錯誤。

帳號 bug_1 bug_2 bug_3 bug_4 bug_5 bug_6 bug_M bug_R1 bug_R2 學生 1 T1R T2O T3RT3AW T4O T5O T6R MY SD RW1RCR 學生 2 no answer

國小自然科「電磁作用」單元 電腦化診斷測驗與診斷模式研發

國立臺中教育大學教育測驗統計研究所理學碩士論文

指導教授：郭伯臣 博士