以新興臉部微表情分析技術探討電腦互動POEC與師生共構教學之成效－奈米級鐵粉燃燒認知衝突實驗

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士班碩士論文. 指導教授：邱美虹博士周金城博士. 以新興臉部微表情分析技術探討電腦互動 POEC 與師生共構教學之成效－奈米級鐵粉燃燒認知衝突實驗 Effects of Computerized Interactive POEC and Student/Teacher Co-construction Instructions Analyzed by the Use of Novel Facial Micro-expressions Technique – Burning Nano-iron Cognitive Conflict Experiment. 研究生：謝秉桓. 中華民國 103 年 1 月.

(2) 誌. 謝. 進入科教所之後，我都一直認為我是個十分幸運的人，從進入科教所的那一刻直到完成論文的這一天，有太多太多的貴人幫忙，在這短短的文字中沒辦法一一道謝，也沒辦法用這短短的文字表達我內心的感謝。首先要感謝兩位指導教授邱美虹教授和周金城教授，邱老師您就像我學術上的母親一般，從我一進入科教所就受到老師您的帶領，引領我進入科學教育這廣博的領域，也讓我脫離大學時代對化學的學習挫折感。也感謝周老師對本論文的臉部微表情分析的指導，在論文發展的各階段只要遇到困難遲滯不前時，都能夠在周老師那裏得到解決辦法，若沒有周老師您的指導，我可能現在還在寫前三章吧！另外要感謝 group 的文龍學長、建坪學長、曉蘭學姐、弘民學長、玉如學姐，若沒有文龍學長一開始在人臉計畫的帶領和啟發就沒有這篇論文。建坪學長更是督促我在實習階段持續進行研究的推手，更從您身上學到了建模的知識和做研究的態度。若沒有一次又一次和曉蘭學姐在 meeting 或以外的時間對此篇論文的討論，論文也不會如此順利。弘民學長和玉如學姐在研究室中認真做事，還要應付我這個很吵的研究生的問題，十分的感謝你們。感謝百興學長、頌沛學長、佳誠學長，不論是以前在地下室打桌球還是來我家小酌，在大家玩得正 high 的同時，你們都能不厭其煩的應付我偷問一些研究上的問題，雖然不在同一個 group 你們都還是傾囊相授且毫不藏私，也說明科教所是個和樂的大家庭。啟華、漢森、立維，感謝你們不管在研究階段的幫忙還是每天在生活中互相照顧、課業上互相幫忙勉勵，謝謝你們！兄弟！最後感謝我身邊最親近的那個人，雖然妳看我準備研究所，正在準備教甄的妳就順便報名一下就考上了，兩年就畢業了，但是沒有妳的鼓勵和督促我也沒辦法順利完成。還有最重要的是我的父母親在經濟上對我的支援，讓我這不成材的兒子不用擔心經濟上的問題。未來我將全力以赴，不再讓你們失望。.

(3) 摘要本研究試圖以臉部微表情分析電腦互動 POEC 與師生共構教學之成效，其中研究內容可分為四個研究目的，分別為：(1)探討使用「可燃的鐵」認知衝突實驗影片進行教學是否具有概念改變成效；(2)探討有無使用 POEC 策略進行教學，學生學習歷程的學習成就與臉部微表情變化差異之關係；(3)探討學生觀察「可燃的鐵」教學影片時有無使用師生共構，學習成就與臉部微表情變化差異；(4) 探討學生觀察「可燃的鐵」實驗影片之實驗結果時，臉部微表情變化情形。由於本研究選擇「可燃的鐵」實驗進行教學，此一實驗是以草酸鐵製備奈米級鐵粉，並由高處往下倒落產生自燃的認知衝突現象，主要教導學生表面積與反應速率概念，反應速率概念主要為國中二年級下學期內容，也因此本研究選擇國中二年級學生並於上學期進行施測（共 115 名），以「可燃的鐵」概念問卷施以前後測，並在施測同時錄影收集受測學生之臉部微表情資料，並以臉部微表情辨識軟體進行事後分析。本研究之研究結果發現：(1) 「可燃的鐵」實驗是一個極佳的認知衝突實驗； (2) 使用具認知衝突情境的認知衝突實驗影片進行教學成效佳；(3) 經歷認知衝突情境的學生較容易產生概念改變；(4) 實驗影片教學中必須加入「預測」步驟； (5) 歷經認知衝突後仍須經由教學才可產生概念改變；(6) 實驗影片教學中「慢速重播」步驟是絕對必要的。. 關鍵字：臉部微表情、認知衝突、POEC、師生共構.

(4) Abstract This study attempts to figure out the effectiveness of computerized interactive POEC and student/teacher co-construction instructions which analyzed by the use of novel facial micro-expressions technique. The research purposes are as the following: 1.. Investigate the effectiveness of conceptual change which use “burning nano-iron” cognitive conflict experiment film to teach.. 2.. Investigate the relationships between students’ learning achievement and facial micro-expressions change whether the use POEC strategies or not.. 3.. Investigate the differences between students’ learning achievement and facial micro-expressions change whether the use of student/teacher co-construction instructions or not, when students watching instructional videos.. 4.. Investigate the situations of facial micro-expressions changes, when students watching the results of“burning nano-iron” cognitive conflict experiment film.. This study chooses “burning nano-iron” experiment as teaching material. “Burning nano-iron” experiment makes iron powder by diiron trioxalate. Then the iron powder pour down and burn. It’s a cognitive conflict phenomenon for students. It can also teach students the concept of “reaction rate and surface area”. The concept of “reaction rate and surface area” will be taught at the second semester of eighth grade. Therefore, choose 115 eighth grade students and hold at the first semester. Impose pretest-posttest by “burning nano-iron” concept questionnaire. Collect students’ face video and analyzed by facial micro-expressions recognition system. The research results are as the following: 1.. “Burning nano-iron” experiment is an excellent cognitive conflict experiment.. 2.. Using cognitive conflict experiment which contains cognitive conflict situations to teach has good effect..

(5) 3.. Students who experience cognitive conflict situations are more prone to conceptual change.. 4.. “Predict” step must be added to the teaching of experimental film.. 5.. After the cognitive conflict still have to teach to achieve conceptual change.. 6.. “Slow playback” step must be added to the teaching of experimental film.. Keywords: facial micro-expressions, cognitive conflict, POEC, student/teacher co-construction.

(6) 目錄第壹章. 緒論........................................................................................................ 1. 第一節. 研究動機........................................................................................ 3. 第二節. 研究目的與問題............................................................................ 5. 第三節. 名詞釋義........................................................................................ 7. 第四節. 研究範圍與限制............................................................................ 9. 第貳章. 文獻探討.............................................................................................. 11. 第一節. 臉部表情與科學教育之相關研究.............................................. 11. 第二節. 認知衝突與概念改變相關研究.................................................. 15. 第三節. POEC 教學法相關研究 .............................................................. 20. 第四節. 師生共構相關研究...................................................................... 22. 第五節. 小結.............................................................................................. 24. 第參章. 研究方法.............................................................................................. 25. 第一節. 研究設計...................................................................................... 25. 第二節. 研究對象...................................................................................... 28. 第三節. 教學與教材設計.......................................................................... 29. 第四節. 研究工具...................................................................................... 35. 第五節. 研究流程...................................................................................... 40. 第六節. 資料分析...................................................................................... 43. 第肆章. 研究結果與討論 ................................................................................. 49. 第一節. 實驗影片教學前後概念學習情形.............................................. 49. 第二節. 實驗影片教學中臉部微表情變化與概念學習情形.................. 53. 第三節. 「可燃的鐵」概念問卷試題分析結果...................................... 69. 第四節. 討論.............................................................................................. 76. I.

(7) 第伍章. 結論與建議 ......................................................................................... 79. 第一節. 結論.............................................................................................. 79. 第二節. 建議.............................................................................................. 82. 參考文獻...................................................................................................................... 85 壹、中文部分...................................................................................................... 85 貳、英文部分...................................................................................................... 86 附錄.............................................................................................................................. 90 附錄一. 臉部資料分析使用同意書.................................................................. 90. 附錄二. 可燃的鐵實驗流程.............................................................................. 92. 附錄三. 可燃的鐵概念問卷.............................................................................. 94. 附錄四. 食譜組教學投影片.............................................................................. 99. 附錄五. POEC 組與(POEC)S/T 組教學投影片 ............................................... 103. 附錄六. 食譜組與 POEC 組教學影片之初稿投影片 ................................... 113. 附錄七. (POEC)S/T 組教學影片之初稿投影片 ............................................ 117. II.

(8) 表. 次. 表 2-2-1. 學習者面對異例的反應………………………………………………….17. 表 3-1-1. 受測學生分組差異表…………………………………………………….26. 表 4-1-1. 三組學生「可燃的鐵」概念問卷組內前後測之 t 檢定摘要表…………...50. 表 4-1-2. 三組學生概念問卷後測描述性統計量………………………………….51. 表 4-1-3. 三組學生概念問卷前後測組間單因子共變數分析(ANCOVA)………..51. 表 4-1-4. 三組學生概念問卷前後測組間單因子共變數分析(ANCOVA)之事後比較…………………………………………………………………………52. 表 4-2-1. 臉部微表情資料取樣成功百分(%)……………………………………...54. 表 4-2-2. POEC 組和(POEC)S/T 組受測學生觀察認知衝突實驗影片表情變化次數及頻率…………………………………………………………………65. 表 4-2-3. POEC 組和(POEC)S/T 組之教學期間表情變化頻率…………………….67. 表 4-3-1. 三組學生不同類型試題前後測答對率(%)差異比較…………………...69. 表 4-3-2. 三組學生氧化還原試題各題前後測答對率(%)差異比較……………...70. 表 4-3-3. 三組學生反應速率試題各題前後測答對率(%)差異比較……………...72. 表 4-3-4. 三組學生可燃的鐵實驗試題各題前後測答對率(%)差異比較………...73. III.

(9) 圖. 次. 圖 1-0-1「情緒」和「學習」之近二十年研究發表次數……………………………….1 圖 1-0-2「臉部表情」和「學習」之近二十年研究發表次數………………………….2 圖 2-1-1. Chiu et al. (2014) 理論架構圖….………………………………………..13. 圖 2-2-1. Chi 本體樹組織架構圖…………………………………………………..18. 圖 3-1-1. 研究架構圖……………………………………………………………….26. 圖 3-3-1. 三組投影片流程圖……………………………………………………….30. 圖 3-3-2. 正立金相顯微鏡………………………………………………………….32. 圖 3-3-3. 10x100 倍正立金相顯微鏡下鐵粉圖像…………………………………33. 圖 3-3-4. 食譜組與 POEC 組教學影片範例圖……………………………………..34. 圖 3-3-5 (POEC)S/T 組教學影片範例圖……………………………………………34 圖 3-4-1. 研究概念圖……………………………………………………………….36. 圖 3-4-2. FaceReader 臉部微表情辨識系統分析示意圖………………………….38. 圖 3-5-1. 研究流程圖……………………………………………………………….41. 圖 3-5-2. 研究甘梯圖……………………………………………………………….42. 圖 3-6-1. 研究樹狀圖 1……………………………………………………………..45. 圖 3-6-2. 研究樹狀圖 2……………………………………………………………..46. 圖 3-6-3. 研究樹狀圖 3……………………………………………………………..47. 圖 3-6-4. 研究樹狀圖 4……………………………………………………………..48. 圖 4-2-1. 食譜組之受測學生臉部微表情及前後測成績學習歷程分析圖……….55. 圖 4-2-2. POEC 和(POEC)S/T 組之受測學生實驗預測及臉部微表情學習歷程分析圖………………………………………………………………………….57. 圖 4-2-3. POEC 組之受測學生實驗預測、臉部微表情及前後測成績學習歷程分析圖……………………………………………………………………….58. 圖 4-2-4. (POEC)S/T 組之受測學生實驗預測、臉部微表情及前後測成績學習歷 IV.

(10) 程分析圖……….…………………………………………………………59 圖 4-2-5. POEC 組概念問卷前後測結果與表情變化關係圖……………………..61. 圖 4-2-6 (POEC)S/T 組概念問卷前後測結果與表情變化關係圖…………………61 圖 4-2-7. POEC 和(POEC)S/T 組之受測學生實驗預測、臉部微表情、實驗解釋及前後測成績學習歷程分圖.………………………………………………63. 圖 4-2-8 「鐵粉由高處掉落燃燒」畫面…………………………………………….65 圖 4-2-9 「鐵粉引燃桌面之面紙」畫面…………………………………………….65 圖 4-2-10 POEC 組和(POEC)S/T 組受測學生觀察認知衝突實驗影片表情變化次數及頻率關係圖…………...……………………………………………..66. V.

(11) 第壹章. 緒論. 在一般人的生活經驗中，都知道「臉部表情(facial expression)」和「情緒 (emotion)」兩者之間存在著緊密的關係，甚至在中文裡「喜、怒、哀、樂」可以同時表達一個人的情緒，也可以代表著人的臉部表情。一直以來，許多學者都有對臉部表情與情緒之關係進行研究，而有記載的文獻甚至可以追朔到十九世紀中期（引自 Kring 和 Sloan，2007）。然而臉部表情真的能夠代表情緒嗎？而情緒的改變會影響學習嗎？如果能夠影響的話那又是如何影響的呢？其實和情緒相關的研究一直都持續的在進行，研究者由 Web of Science 資料庫進行關鍵字搜索（至 103 年 1 月 14 日），先以「emotion（情緒）」和「learning （學習）」兩個關鍵字進行查詢，可查詢到近二十年內共有 3667 篇相關論文，且主要分佈在腦神經科學、心理學、教育以及行為科學，論文的數量和年份的關係可見圖 1-0-1，由圖中顯示情緒與學習相關的研究有越來越受到重視的趨勢。若將關鍵字聚焦到本研究之所關心之情緒指標「facial expression（臉部表情）」並和「learning（學習）」進行查詢，則可查詢到近二十年內共有 891 篇相關論文，且論文數量與年份之趨勢也是逐漸受到重視的快速上升（見圖 1-0-2）。. 圖 1-0-1 「情緒」和「學習」之近二十年研究發表次數. 1.

(12) 圖 1-0-2 「臉部表情」和「學習」之近二十年研究發表次數. 而本研究試圖探討能否以臉部表情為指標，並藉由臉部微表情資料探討學生使用實驗影片進行科學學習。且藉由臉部微表情辨識系統提供即時的生理訊息，可彌補先前情緒相關研究中大部分使用自陳問卷的缺點，研究者期望能以臉部微表情辨識系統為工具，討論實驗演示影片中加入不同元素後，能否對學生的科學學習造成影響，最後再藉由此些影響討論臉部微表情辨識系統可否作為科學學習的研究工具。. 2.

(13) 第一節研究動機研究者在就讀國立台灣師範大學科學教育研究所時有幸接受邱美虹教授的指導，並加入其「科學教育中概念改變和建模實驗室」團隊，並參與了國科會「人臉表情辨識系統在科學教育上的應用─發展測驗與研究輔助工具」研究計畫（簡稱人臉計畫），在參加人臉計畫的過程中也很幸運地接受另一位計畫主持人，也就是國立台北教育大學周金城副教授的指導，在兩位老師的指導下也使的研究者對臉部微表情在科學教育上的應用有更進一步的認識並引起我以臉部微表情為主題進行研究的研究動機。而研究者在執行人臉計畫的過程中常有機會使用到臉部微表情辨識系統分析受測學生的臉部微表情，並了解以臉部微表情進行科學教育相關研究在科學教育領域是極具發展潛力的，臉部微表情作為即時的生理訊號觀察學生學習科學概念時的表情變化，能夠應用在各種科學教育領域的研究。研究者在執行人臉計畫時常會遇到一些技術上的問題。通常在進行臉部微表情研究時，都會使用以電腦撥放影片與投影片的方式進行，同時對學生表情錄影，而影片內容主要為具有認知衝突的反直覺實驗演示影片，並希望藉由認知衝突引發學生的概念改變。然而研究指出，人們的情緒系統是複雜且容易出錯的（Sylwester, 1994），在研究者進行研究計畫時也常遇到在事後晤談學生中，學生回答他自己在看到實驗影片中的反直覺現象有感到驚訝，但由錄影的臉部微表情分析結果卻顯示沒有任何的表情改變，亦或是學生個性較為內斂，在實驗影片的反直覺現象出現後，有感受到驚訝卻不輕易的表現在臉部微表情上。因此研究者認為，台灣學生個性較為保守內向，在實行人臉計畫時，受測學生對陌生的研究人員無法卸下心防，因此無法明確的表達情緒，以致研究可能失準。然而，本研究的受測對象為研究者任教國中之學生，希望藉由此方便取樣的方式避免受測者對於陌生人的警戒心與緊張的情緒，進而呈現出最真實的情緒，增加研究資料的可信度。另外，在執行人臉計畫時由於研究工具的限制，實驗演示的部分必須以實驗 3.

(14) 影片的方式進行，其實使用實驗影片的方式進行教學由來已久，由於器材上或空間上的限制，身處教學現場的教師有時必須以實驗演示影片取代實驗室教學和課堂演示實驗，甚至近年風行的 E 化網路教學平台上，實驗影片也是很重要的一個讓學生體驗實驗效果的方法。然而回顧文獻卻很難找到實驗影片的相關研究，也難以得到一個「好的實驗影片的規準」，然而使用實驗影片進行教學，與演示法教學策略是極為相似的，也因此研究者認為「POEC 教學法」（邱美虹等人， 2005）可能適用在實驗影片教學上，POEC 教學法一直以來都被認為適用於實驗演示的教學策略，若能將其元素加入實驗影片，研究者認為應該能對學生藉由實驗影片所進行的科學學習有正面的影響。另外，現今實驗影片的教學部分時常流於幻燈片式或是直述式的教學，對於學生而言缺乏吸引力，無法引起學生的學習動機，而研究者認為將教學影片的內容等同於教師實際演示，影片中加入教師與學生的角色，在教學影片中加入師生共構(Clement 2002, 2008)的歷程，以設計過的蘇格拉底式對話讓影片中的師生建構出實驗影片的教學目標，能夠讓觀賞實驗影片的學生能夠藉此學習。因此本研究之研究設計主要是將學生分為三組：第一組為傳統教組，猶如一般常見之實驗演示影片，一步一步循著實驗步驟進行，並以類似幻燈片的教學進行實驗教學；第二組為 POEC 組，將實驗影片中加入 POEC 的步驟，要求學生預測實驗結果的步驟，要學生解釋理由並外顯化「比較」的歷程；第三組則為 (POEC)S/T 組，亦即 POEC 與師生共構組，除了在影片中有 POEC 步驟外，在教學的部分將一般幻燈片式的教學改為師生共構之教學。研究者會探討此三組學生經操弄後前後測概念問卷結果與臉部微表情之改變，探討臉部微表情做為科學學習研究工具的成效。. 4.

(15) 第二節研究目的與問題研究者希望能以臉部微表情為指標，並藉由臉部微表情資料分析實驗影片進行科學學習時，POEC 教學法和師生共構對學生學習的影響。在一系列不同的實驗影片教學後分析學生的概念問卷與臉部微表情資料，以了解 POEC 教學法之成效以及師生共構對於學生科學學習的影響，並希望所得到的結果能夠給予設計實驗影片的教師實質的建議，此即為本研究的主要研究目的。. 根據本研究之研究背景與動機以及上述說明，本研究的研究目的歸納如下，並基於下列四點研究目的，延伸出以下之研究問題：. 研究目的 1. 探討使用「可燃的鐵」認知衝突實驗影片進行教學是否具有概念改變成效。問題 1-1. 「可燃的鐵」實驗是否為一有效的認知衝突實驗？. 問題 1-2. 使用「可燃的鐵」實驗進行概念改變教學是否有效？. 問題 1-3. 使用「可燃的鐵」實驗進行概念改變教學對何種概念較具成效？. 研究目的 2. 探討有無使用 POEC 策略進行教學，學生學習歷程的概念成就與臉部微表情變化差異之關係。問題 2-1. 使用 POEC 策略進行教學與非 POEC 策略進行教學，學生學習歷程中概念成就有無差異？差異為何？. 問題 2-2. 使用 POEC 策略進行教學與非 POEC 策略進行教學，學生學習歷程中臉部微表情變化有無差異？差異為何？. 研究目的 3. 探討學生觀察「可燃的鐵」教學影片時有無使用師生共構，概念成就與臉部微表情變化差異。 5.

(16) 問題 3-1. 學生觀察「可燃的鐵」教學影片時有無使用師生共構，概念成就差異為何？. 問題 3-2. 學生觀察「可燃的鐵」教學影片時有無使用師生共構，臉部微表情變化差異為何？. 研究目的 4. 探討學生觀察「可燃的鐵」實驗影片之實驗結果時，臉部微表情變化情形。問題 4-1. 學生觀察「可燃的鐵」實驗影片之實驗結果時，各階段臉部微表情變化頻率模式為何？. 6.

(17) 第三節名詞釋義壹、臉部微表情臉部微表情為人類臉部不同部位肌肉變動所產生，通常被用以表達人類的情緒，而 Ekman(1999)的研究中，將人類表情除了中性(neutral)外，包括其他六種基本表情，包括：快樂、驚訝、噁心、悲傷、生氣以及害怕。而此七種表情分類日後也成為臉部微表情變化的指標。本研究所使用的臉部微表情分析軟體便是以 Ekman 的臉部微表情分類標準為基礎設計。. 貳、認知衝突本研究使用實驗影片進行教學，而實驗影片中包含認知衝突實驗－可燃的鐵，而認知衝突此一說法源自於皮亞傑的自我協調理論（Piaget, 1970），學習者遇到無法理解的事物時會有同化與調適的作用，其中無法理解的事物便被視為認知衝突。而本研究中則依據 Posner 等人（1982）提出之概念改變模式（conceptual change model, CCM）中提到學生產生概念改變的四個條件的第一個條件「學習者不滿意其原有概念」，而將使學習者產生不滿意原有概念的過程稱為認知衝突，而研究中的認知衝突實驗便是用以引起受測學生概念改變的。. 參、POEC 教學法邱美虹等人（2005）認為學生在科學學習的過程中，若使用 POE 教學策略應該要加上「比較」的步驟，而 POE 教學策略代表「預測(Prediction)-觀察 (Observation)-解釋(Explanation)」（White & Gunstone, 1992），改變為「預測 (Prediction)-觀察(Observation)-解釋(Explanation)-比較(Comparison)」教學法，認為學生應該對觀察到的現象和預測做比較，才能達到學生在學習的過程中，針對衝突的知識進行思考的目的（邱美虹等人合著，2005）。本研究將使用 POEC 教 7.

(18) 學法，以了解此教學法對學生使用實驗影片進行科學學習的影響。. 肆、師生共構「共構」一詞英文為 co-construction，較常用於社會建構相關的文獻中，用以表示學生互動討論建構知識的過程，常使用課室觀察的相關方式進行研究 (Brown, Reveles & Kelly, 2005 ; Keys & Bryan, 2001 ; Rafal, 1996; Roth & Roychoudhury, 1993 ; Tao & Gunstone, 1999)。而 Clement (2002, 2008)提到「師生共構 student/teacher co-construction」並認為師生共構是教師和學生共同產生想法並建構模型的歷程。在本研究中將師生共構歷程認為是教師和學生共同建立知識的互動歷程。. 8.

(19) 第四節研究範圍與限制本研究有下列三項研究的範圍與限制：一、臉部微表情辨識系統為一項新興科技，而目前技術為國外開發，雖然程式中有東方臉孔的模式，但其臉部資料庫開發仍主要以西方人的臉為主，經過多次施測後發現，臉部微表情辨識系統中對於人的情緒並未達到能準確判斷該受測者之情緒的程度，目前只能達到判斷「有無臉部微表情轉變」的程度，而本研究也將以有無表情轉變為基準，不做出過度的推論。. 二、本研究使用立意取樣並使用臉部微表情辨識系統為研究工具，而此工具施測過程較為繁雜，資料分析過程也較為繁複，因此研究對象共計 115 名，不宜過度推論。. 三、本研究主要探討學生使用實驗影片進行科學學習之狀況，研究結果也較適合套用在使用實驗影片進行科學教學的狀況下，一般課室教學的情境並不能完全套用。. 四、受到研究工具之限制，以及為了控制各項變因，本研究選擇使用電腦投影片與影片的方式呈現，而並非選擇教師親自演示並教學的方式，然而此方式進行教學研究摒除了師生間互動的人為因素，在課室教學現場應因教師的參與而有所修正。. 9.

(20) 10.

(21) 第貳章. 文獻探討. 本章主要討論過去的研究與相關文獻，並分為五個部分。第一節為臉部表情與科學教育之相關研究，討論過去對於臉部表情與情緒的相關研究，再討論臉部表情與科學教育相關研究；第二節為認知衝突與概念改變相關研究，討論使用認知衝突進行概念改變教學相關研究；第三節為 POEC 教學法相關研究，探討 POEC 教學法之成效與使用時機；第四節為師生共構相關研究，探討師生共構於教學上之成效；第五節則對前四節內容進行綜合討論。. 第一節臉部表情與科學教育之相關研究臉部表情相關研究在近二十年來蓬勃的發展，作者在 Web of Science 電子資料庫中以“facial expressions（臉部表情）”為關鍵字對相關組題進行搜尋，發現自 1994 至 2014 年初一共有 14624 篇相關文獻（至 103 年 1 月 14 日）而其中包括了臉部表情辨識（例如：Hammal, Couvreur, Caplier, & Rombaut, 2007）此類的文獻，而這也是本研究之臉部微表情辨識研究工具的理論基礎。不過令人訝異的是，若將這些文獻對其進行不同領域的分類，發現與教育有直接相關的文章總共才 147 篇，這些文章中更沒有任何與科學教育有直接相關的文章出現。因此邱美虹教授與其研究團隊利用臉部微表情辨識進行科學教育相關的先驅研究，並於 2013 年底發表了相關的研究結果，而本研究便是以此研究(Chiu et al., 2014)結果為基礎進行。. 一、臉部表情與情緒進行臉部微表情的相關研究前，所有的研究者想必都問過自己這個問題：「為什麼我們要了解臉部表情？」。臉部表情是情緒最主要的傳達方式，而作者相信研究者對臉部表情感到興趣進而深入研究的研究者內心必定會有一個研究假設， 11.

(22) 此一假設即是「受測者的臉部表情代表著他們的情緒」。對於人類情緒的相關研究有著極為悠久的歷史，甚至可以回推到十九世紀 Charles Darwin 其著作 The Expression of the Emotions in Man and Animals，Darwin (1896)提到臉部表情具有一般性(universal)以及與生俱來的特性。到了近代，因科技的進步，對於情緒的測量也有了多樣化的方式及進展。其中 Mauss & Robinson (2009)的研究中整理了近代各種情緒相關的測量方式，其中包括：自我報告、驚嚇反應幅度、fMRI、聲音特色、膚電、觀察員評斷（臉部微表情）…等。而其中使用觀察員評斷臉部微表情的方法，是利用 Ekman (1999) 的研究將人類的臉部表情分為除了中性(neutral)之外，還有其他六種基本表情，包括：快樂、驚訝、噁心、悲傷、生氣以及害怕。而此七種表情的分類方式主要是依照臉部不同部位肌肉之變化作為區隔，而 Ekman 也將此七種表情分類做出臉部表情的編碼系統並被廣泛使用，此一系統被稱為「Facial Action Coding System（臉部動作編碼系統）」(FACS; Ekman & Friesen, 1978; Ekman, Friesen, & Hager, 2002)，在早期的臉部辨識研究主要使用具有臉部動作辨識執照的觀察員進行觀察員評斷，其主要評斷的方式是觀察員對某一片段之受測者照片進行評斷，而評斷的規準就是依照 FACS 所訂下的編碼規則對一張張的照片進行觀察員評斷。而本研究所使用之臉部微表情辨識系統是將此一方法經由電腦自動化，但仍依照 FACS 的標準以一秒鐘擷取數張畫面進行編碼的方式辨識表情。. 二、臉部表情與科學教育經由文獻的搜尋，發現近代幾乎沒有任何臉部表情與科學教育相關的研究，然而將臉部表情用於科學教育研究具有易觀察且方便運用的特性，因此 Chiu et al. (2014)的研究正式將臉部微表情用於觀察學生進行科學學習的用途。然而，在科學教育的領域一直有一大部分的學者試圖結合生理訊號進行科學教育的實證研究，而這些生理訊號主要以腦波儀和眼動儀為大宗。腦波技術和眼動儀相關技術在科學教育的相關研究已經趨於成熟，而臉部微表情的相關科學教育研究則在起 12.

(23) 步階段，也因此在進行臉部微表情研究時會選擇含有「認知衝突」的相關題材著手以引起學生的臉部微表情變化並觀察學生進行科學學習或概念改變的過程與臉部微表情之間的關係。 Chiu et al. (2014)研究中主要探討臉部微表情（facial microexpression state, FMES）的變化能否用以判別認知衝突的瞬間，由於引起認知衝突是概念改變發生的四個條件之首（Posner et al., 1982），也因為如此，若受測學生的先前知識與其所看到的實驗結果有不同，便會產生認知衝突，概念改變就會發生。而此研究中的研究問題有以下兩點： 1. 概念衝突能夠引發臉部微表情的變化嗎？ 2. 「缺乏臉部微表情變化」能夠成為缺乏概念改變的指標嗎？. 先備知識光譜. 無．．．．．．．．．部分．．．．．．．．．完全. 認知衝突實驗. 經歷認知衝突情境的程度. 無．．．．．．．．．不確定．．．．．．．．．有. 教學概念改變光譜. 初始．．．．．．．．綜合．．．．．．．．．科學圖 2-1-1. Chiu et al. (2014) 理論架構圖. 圖 2-1-1 為 Chiu et al. (2014)的研究理論架構圖，由圖中可看到在研究的一開始，研究者必須先了解學生的先備知識程度，而先備知識的程度猶如一道連續的光譜，光譜越左側表示受測學生對於理解實驗內容之先備知識越少，反之光譜越靠右側則表示受測學生擁有越多理解實驗內容所需要的先備知識，在研究中則會先以前測測得先備知識程度。而受測學生的先備知識則會和異例實驗內容相互作 13.

(24) 用而產生認知衝突。至於受測學生所經歷之認知衝突程度則由沒有經歷認知衝突情境到有經歷認知衝突情境，若學生經歷了不同程度的認知衝突情境後經過教學則會產生不同程度的概念改變，概念改變的程度也由少到多分別為初始模型、綜合模型到科學模型，且概念改變也如同光譜具連續性。學習者在經歷異例實驗和實驗後教學後，其過程會以如圖 2-1-1 中的路徑產生概念改變，而這些路徑並不會由光譜的右側往左側前進，也就是說有較多先備知識的學生其經歷認知衝突情境的程度會較高，概念改變的光譜也會較靠近科學模型。結果顯示，大部分對異例實驗做了錯誤預測的學生經歷認知衝突時都有被偵測到臉部微表情變化。更進一步可發現，缺乏臉部微表情變化可成為較低程度概念改變的指標，而存在著臉部微表情變化會使概念改變的可能性加倍。研究結果證實，臉部微表情變化可用於偵測學習者是否意識到衝突概念，並觀察學習者科學理解的過程。. 14.

(25) 第二節認知衝突與概念改變相關研究一直以來認知衝突都被認為是學生學習並產生概念改變的一個重要過程，對於認知衝突（cognitive conflict）一詞可追朔到皮亞傑的自我協調理論（selfregulation）（Piaget, 1970），其中提到了當人們遇到無法理解的事物時，便會經由同化（assimilation）與調適（accommodation）的作用進行理解，同化指的是當個體遇到了無法理解的事物時，運用既有的基模略為調整並解決問題；調適則是當個體遇到了無法理解的事物且既有的基模無法有效應對時，便改變基模以符合需求。也因此皮亞傑的自我協調理論可說是使用認知衝突的教學策略的開端。另外，Posner 等人（1982）提出之概念改變模式（conceptual change model, CCM）中提到學生產生概念改變的四個條件：1.學習者不滿意其原有概念（dissatisfaction） 2.學習者對新概念有初步的理解（intelligible）3.新概念看起來似乎是合理的（plausible）4.新概念必須是豐富而據預測力的（fruitful），其中的第一點「不滿意其原有概念」也就是認知衝突在概念改變中所扮演的角色。也因此藉由提供學生反直覺的實驗的確是能夠使學生對其原有概念產生不滿足並引起概念改變。若以模型與建模教學的觀點來解釋「使用認知衝突進行概念改變教學」，必須先提到 Halloun (1996)提出的問題解決建模歷程，將歷程分為「模型選擇」、「模型建構」、「模型效化」、「模型分析」和「模型調度」。認為問題解決的建模歷程必須先確認與描述現象的系統組成，接著建模目的將會被確認，期望結果能有效。隨後，選擇適當理論來評論，並選擇和建構一個適當的模型。最後，此模型被操弄與分析，若它持續地有效，則可推論問題的結論（引自劉俊庚與邱美虹，2010）。而邱美虹（2007）延續此一架構，加入了「模型重建」的元素，並說明了模型重建是由於學習者對於建立的模型感到不滿意，使用不同於先前的面向與變數來重新解釋，建構一個新模型。而相較於使用認知衝突策略的概念改變教學，認知衝突所扮演的角色就是使學習者對現有的模型不滿意，產生模型重建的步驟。 15.

(26) 但是使用認知衝突進行教學策略的研究並不是一直都很順利的，文獻指出認知衝突使學生們成功產生概念改變會依學生們的先備知識而有不同的結果（Limón & Carretero, 1997），換句話說，先備知識程度不同的學生在經歷認知衝突後，概念改變的程度也不盡相同。因此有學者提出學習者遇到認知衝突時會有三種不同的歷程發生（Merenluoto & Lehtinen, 2004），包括：無相關認知歷程（no-relevant perception track）、對理解的錯覺歷程（illusion of understanding track）和經歷認知歷程（experience of conflict track），而主要是學習者對反直覺現象產生新觀點的靈敏度導致學習者進入三種不同的歷程，影響此靈敏度的因素又可分為認知和動機兩部分，認知的部分主要是先備知識的程度、動機的部分則是對新觀點產生注意力的傾向。當兩因素都達到一定程度後才有可能經由「經歷認知歷程」達到概念改變，而在此歷程中「歧異容忍度（Tolerance of Ambiguity）」對於能否概念改變扮演著很重要的角色，歧異容忍度越低的學習者其靈敏度越低，會對反直覺現象失去信任，甚至產生忽略現象的行為，而歧異容忍度越高的學習者越容易達成概念改變。換句話說，具有高先備知識的學習者越有可能進入「經歷認知歷程」，而這些學習者中，高「歧異容忍度」的學習者容易達到概念改變。而這篇研究的結果也呼應了 Chinn 與 Brewer（1998）的研究，在這篇研究中將科學家和進行科學學習的學生他們面對異例時產生的反應分為八種類型（見表 2-2-1），分別為：忽略（ignoring）異例、拒絕（rejecting）異例、不確定異例的有效性（being uncertain about the validity of the data）、暫時擱置（abeyance）異例、重新詮釋（reinterpreting）異例、周圍理論改變（peripheral theory change）以及接受異例並改變理論（theory change），研究結果發現學生們大部分都不知道理論和異例資料之間的差別，也不拒絕承認異例資料的真實性。由以上研究發現，利用認知衝突進行概念改變教學是可行的，但是要有效的成功實行是有難度的，首先必須讓認知衝突概念能夠被理解，且必須要讓學生能察覺到認知衝突的存在（Hewson & Hewson, 1984），也發現不論是先備知識、認識論信念甚至是動機因素都會影響到使用認知衝突進行概念改變教學。 16.

(27) 表 2-2-1. 學習者面對異例的反應（Chinn & Brewer, 1993；引自邱美虹，2000）反應的特徵. 反應的類型個體是否接受訊息. 個體是否解釋訊息. 個體是否改變理論. 忽略異例的存在. 否. 否. 否. 否認異例. 否. 是. 否. 排除異例. 是或也許 a. 否. 否. 將異例擱置一旁. 是. 尚未 b. 否. 重新詮釋異例. 是. 是. 否. 外圍理論的改變. 是. 是. 是，部分改變 c. 理論的改變. 是. 是. 是d. a：個體可能接受該訊息為有效的，或者對該訊息仍是否有效持不可知的態度。 b：個體期望未來該訊息能為目前的理論所解釋。 c：只有保護帶上的信念被改變。 d：核心信念被改變。. 因此，使用認知衝突進行概念改變教學的認知因素包括了學生的先備知識程度和認識論信念，而這些認知的因素也都會影響到教師教學素材的選擇，而這些素材所期盼達到的概念改變內容則與科學概念的本體論性質相關，Chi(1992,1994) 提出科學概念應依本體論進行分類（ontological categories），而提出本體論分類架構（見圖 2-2-1），在此分類架構中，科學概念依不同的概念特性以本體論角度進行分類，分別分為物質（matter）、過程（process）與心智狀態（mental state）三類別。物質類別指的是特定屬性的東西，並依存在的屬性分為自然與人造；過程類別則表示事件發生可能會有順序性、因果關係抑或是突現的現象；心智狀態類別則為情意的類別，可分為情緒和意圖兩部分。而後 Chi 在 2005 年的研究將本體樹分類規則進一步修正，將過程類別下一層的分類修改為直接過程（direct process）和突現過程（emergent process），而直接過程與巨觀現象有關，突現過程則與微觀粒子運動相關。 17.

(28) 過程. 物質. 自然物質. 情緒. 人造物質. 步驟. 有生命. 植物. 無生命. 動物圖 2-2-1. 因果過程. 突現過程. 隨機. 人造. 意圖. 固體. 心智狀態. 意圖. 自然現象. 液體. Chi 本體樹組織架構圖（Chi, 1992；1994；引自邱美虹，2000）. Chi(1992)同時也指出概念改變可分為本體樹「類別內的改變」和「類別間的改變」，類別內的改變因為本體類別中概念的屬性是類似獲相同的，也因此概念改變較容易發生，也因此本體類別內的改變屬弱重建；而類別間的概念改變因本體類別中概念的屬性不同，概念改變的難度提高，因此本體類別間的概念改變屬強重建。藉由 Chi 對於科學概念的本體論分類和概念改變理論，本研究可將學生對於鐵粉的金屬本質、氧化還原反應和接觸面積與反應速率分別區分為物質類別、直接過程和突現過程。並由此種概念分類了解教學內容中的概念改變難易。由以上認知衝突與概念改變的文獻探討，研究者認為使用具認知衝突的教學策略進行教學，的確有能夠使學生產生概念改變並引起學生科學學習興趣的潛力。但也同時同意具認知衝突的教學策略並不一定都能達到概念改變，也因此必須從概念的根本出發，並讓學生理解到概念與自身認知的不一致性，再令其願意修正. 18.

(29) 自身的理論。. 19.

(30) 第三節 POEC 教學法相關研究 White 與 Gunstone（1992）提出 POE 教學策略，「預測(Prediction)-觀察 (Observation)-解釋(Explanation)」，並記載與其著作 Probing Understanding 中。學生必須先預測某事件的結果，並提出理由；預測完成後，觀察事件的發生並描述事件發生的過程；最後必續將預測和觀察之間產生的衝突進行解釋並試圖解決。而許多研究都使用 POE 作為研究中的教學策略（Costu, Ayas & Niaz, 2012 ; Palmer, 1995），且 POE 教學策略也在實行於教學現場並被應用（許良榮、蔣盈姿，2005；楊凱悌、邱美虹、王子華，2009）。 POE 教學策略的特色之一在於學生必須自行決定運用何種推理，並讓學生知道他們是運用自己的推理進行預測。而在書中提及，POE 教學策略與演示實驗教學被廣為連結，並有著很多優點，包括當教師堅持學生必須進行預測時，學生更能夠了解演示中所涉及的情境；預測的推理使得觀察有了焦點；針對具爭議的觀察結果進行討論使學習更有價值。這些優點也是使研究者在本研究中選擇此一教學法進行教學設計的原因。邱美虹等人（2005）將 POE 教學策略加入比較(comparison)的步驟成為 POEC 教學法「預測-觀察-解釋-比較」，並認為學生應該對觀察到的現象和預測做比較，才能達到學生在學習的過程中，針對衝突的知識進行思考的目的。其實施程序如下： 1.. 向學生說明實驗裝置與實驗程序，請學生預測將會發生的結果，並寫下預測的理由。. 2.. 進行實驗，並請學生觀察現象是否與預測的情形符合。. 3.. 無論是否符合，請學生提出解釋的理由。. 4.. 再將觀察的現象與之前的預測做一比較，以便下結論。經由 POEC 教學策略將會有效幫助學生澄清自我觀念，而邱美虹等人（2005）. 加入比較步驟是凸顯 White 與 Gunstone（1992）提出之 POE 策略中對於具爭議 20.

(31) 的觀察結果進行討論的步驟，學生必須對其預測的推理與觀察結果中衝突的部分進行比較與討論，而外顯化「比較」步驟將有助於學生討論並使學習更具價值。本研究將以 POEC 教學策略為基礎，加入教學步驟並配合認知衝突實驗影片進行教學，以實驗影片教學此種類似演示法的教學中加入 POEC 的元素，試圖找出製作實驗影片的規準。. 21.

(32) 第四節師生共構相關研究「共構(co-construction)」用以表示學生互動討論建構知識的過程，常使用課室觀察的相關方式進行研究 (Brown, Reveles & Kelly, 2005 ; Keys & Bryan, 2001 ; Rafal, 1996; Roth & Roychoudhury, 1993 ; Tao & Gunstone, 1999)。co-construction 一詞是由 Collaborative（共同）和 construction（建構）兩單字組合成的。而共構中的建構泛指社會建構， Vygotsky 所提出的社會建構指的是知識的建構受到社會情境和知識脈絡的影響（Vygotsky, 1978），換句話說知識不是個體單獨建構而成，而是個體與環境互動而成的。在 Tao 與 Gunstone（1999）研究指出共構是合作學習（Collaborative learning）所提供給學生的學習經驗，而在此研究中使用以電腦為工具的合作學習方式進行學習，並讓學習者能藉由電腦分享理解的結果，並由不同的理解結果中產生衝突已導致學生們的概念改變，研究結果中提到若要產生概念改變，學習者必須有兩個條件：1.學習者必須於認知層面深入參與教學；2.學習者能夠反思並重建他們的概念。因此此研究說明了使用合作學習時能夠產生知識的社會建構，而在建構過程中產生概念改變，藉此說明了共構的重要性。雖然共構於學習中是很重要的，但作者提到若要達到長期且穩定的概念改變，需要學習者個人建構且自行產生理解。而「師生共構」一詞由字面上的意思即是教師與學生之間的共構過程，文獻上發現 Clement (2002, 2008)提到「師生共構 student/teacher co-construction」並認為師生共構是教師和學生共同產生想法並建構模型的歷程。而 Clement 的研究中有提到理想中建構模型的歷程「幾乎所有」的想法都應該是由學生提出，而非教師，而在實際的教學中，教師在教學過程中常會提出一些對學生想法的修正以達到教學目標。這樣的結果表現出建構模型的教學過程中，教師和學生都會提出想法並且共同評論這些想法的正確性，以達到教學目標。而在本研究是使用投影片. 22.

(33) 進行電腦教學，為達到師生共構，因此在投影片中加入教師與學生討論過程，將教學內容分配給教師與學生兩角色分別提出，並相互討論以達教學目標。. 23.

(34) 第五節小結由文獻探討可知，對於情緒相關研究已有悠久的歷史，而臉部表情是情緒最直接的表達方式，然而卻很少研究是臉部表情與科學教育相關的，直到 Chiu et al. (2014)使用臉部微表情分析軟體進行認知衝突與概念改變相關研究。而由研究結果中可知道臉部微表情確實能應用在科學教育的研究上，也發現到使用演示法進行實驗教學，若實驗中含有容易產生認知衝突之內容，學生便容易在教學過程中產生教學變化，另外又為了資料取得與分析，便將演示實驗移至電腦上撥放並進行教學。因此研究者認為綜合以上兩點，以臉部微表情為主之科學教育研究最能夠直接的給予實驗影片教學實質的建議。而實驗中必須要具有產生認知衝突情境之內容，因此回顧了認知衝突與概念改變相關的文獻，文獻中發現若要學習者能夠在具有認知衝突的教學策略中，成功產生概念改變是需要條件的。換言之，若直接對學生使用具認知衝突的教學策略並沒有想像中容易。必須讓認知衝突概念能夠被理解，且必須要讓學生能察覺到認知衝突的存在（Hewson & Hewson, 1984），且不論先備知識、認識論信念甚至是動機因素都會影響到使用認知衝突進行概念改變教學。也因此在教師端對於使用認知衝突的教學策略，最能夠事先解決的問題就是認知衝突概念的本體論性質(Chi 1992,1994)，教師必須藉由了解教材中概念的性質與本體論分類，調整教學內容中各概念的教學比重，以使得學習者更容易於教學前後產生概念改變。除了教學內容外，細部的教學策略也很重要，POEC 教學策略（邱美虹等人， 2005）便極為適合實驗影片教學，由於實驗影片教學的性質與演示法雷同，若將這些步驟外顯化放入教學影片中，想必會有所成效。另外，學生在實驗演示教學中常常會只對衝突內容有印象，在教學部分卻不一定有所成效，因此研究者在文獻中搜尋到了師生共構的教學方式 Clement (2002, 2008)，利用師生間的對話建構知識，並試圖將此方法運用在實驗影片教學中。. 24.

(35) 第參章. 研究方法. 本章共分為六節，主要說明本研究之架構流程與方法。第一節為研究設計，說明研究設計之理念與架構；第二節為研究對象，介紹受測者的背景；第三節為教學與教材設計，說明兩個研究中所使用之教材的設計原則；第四節為研究工具，包含了概念問卷和學習動機問卷的內容；第五節為研究流程，介紹本研究完整的流程與順序；第六節為資料分析，說明研究所收集之量化與質性資料的分析方式。. 第一節研究設計本研究試圖以臉部微表情辨識系統探討 POEC 教學法以及師生共構對學生科學學習的學習成效與學習動機之影響，圖 3-1-1 為本研究之研究架構圖，其中將本研究之架構主要分為「研究設計」與「研究工具」進行探討。「研究設計」的部分又分為「教學設計」和「教材設計」兩部分，「教學設計」中說明本研究將受測學生分為三組進行，三組分別命名為：「食譜組」、「POEC 組」和「(POEC)S/T 組」，此三組間的差異來自於實驗影片教學中，POEC 教學以及師生共構歷程之有無（見表 3-1-1），以下分別介紹三組之差異： 1. 食譜組：本組全名為「食譜式認知衝突實驗影片教學組」，簡稱「食譜組」，本組實驗影片仿造一般市面上實驗影片之拍攝手法，有如食譜式實驗模式，先給予實驗題目、介紹實驗器材並依照實驗步驟進行拍攝，最後加入幻燈片式的教學解說實驗原理，整部影片過程中沒有使用 POEC 教學，相較於 POEC 教學而言，本組主要減少了「P－預測」的步驟，且「E－解釋」和「C－比較」兩步驟也內隱化，教師不會在過程中提及此二步驟，但研究者認為受測學生在學習的歷程中會經歷此二步驟。另外，本組教學過程中無任何師生共構歷程。 25.

(36) 以新興臉部微表情分析技術探討電腦互動 POEC 與師生共構教學之成效－奈米級鐵粉燃燒認知衝突實驗. 研究設計. 教學設計. 組. 量化. 教材設計. (POEC)S/T. POEC. 食譜組. 研究工具. 教學影片. 投影片. 實驗影片. 可燃的鐵概念問卷. 組. 臉部錄影資料. 臉部微表情辨識系. 圖 3-1-1 研究架構圖. 表 3-1-1 受測學生教學過程差異表教學過程差異. 組別 POEC 教學法. 師生共構. 1. 食譜組. 無. 無. 2. POEC 組. 有. 無. 3. (POEC)S/T 組. 有. 有. 26.

(37) 2. POEC 組：本組使用 POEC 教學，但無任何師生共構歷程，此組影片相較於食譜組的影片之最大差異有三部分，第一部分是「P－預測」的步驟，影片中將直接要求學生對於鐵粉倒出後會發生什麼現象進行預測，而預測的投影片屬於二階段選項，第一階段會先要求學生預測鐵粉由高處往下倒會發生什麼現象，第二階段再解釋原因；第二部分則會在學生觀察到鐵粉自燃的現象後要求學生進行「E－解釋」的步驟解釋原因，解釋步驟之投影片也與預測步驟之二階段選項雷同，第一階段先問學生看到鐵粉往下倒發生什麼現象，再請學生進行解釋；第三部分要學生就其解釋之原因和其預測之結果進行比較，即外顯化「C－比較」的步驟。. 3. (POEC)S/T 組：本組的實驗影片等同於 POEC 組之步驟，使用 POEC 教學法，但在觀察實驗結果後的教學影片部分將以「師生共構」的方式呈現，在影片中加入教師與學生的角色，前兩組的教學是以一般教學中常使用的幻燈片式教學，本組加入此二角色後將以類似蘇格拉底式問答的方式，讓教學影片部分中的教學目標在影片中教師和學生的問答中逐步呈現。. 「教材設計」中分為「實驗影片」和「教學影片」兩部分，本研究中三組受測學生都將使用電腦輔助教學並使用 Powerpoint 投影片，投影片的內容將包含「實驗影片」和「教學影片」兩部分。「研究工具」主要以量化為主，包括「可燃的鐵概念問卷」、「臉部錄影資料」和「臉部微表情辨識系統」三部分，研究者先對受測學生以「可燃的鐵概念問卷」施以前測，並在學生的學習過程中全程錄影，臉部錄影資料之內容將以臉部微表情辨識系統進行進一步分析，學習結束後再施以「可燃的鐵概念問卷」之後測，並將對這些量化結果進行進一步分析比較。. 27.

(38) 第二節研究對象本研究研究對象之選取共分為兩階段。第一階段為預試階段，希望能夠由預試中測得受測者的迷思概念並確定研究工具之效度與穩定性，而第二階段為正式階段，將正式將受測學生分為三組進行施測。研究樣本的選取乃採立意取樣。研究者先與選定之國中的行政人員聯繫並說明研究目的，在學校課餘時間並不影響教學進度的狀況下進行研究，並於施測前取得「臉部資料分析使用同意書」（見附錄一），而本研究選取了新北市中和區一所完全中學之國中部進行施測，第一階段將選擇八年級三個班 86 名學生進行預試，第二階段正式施測將選擇八年級三個班級 115 名學生進行正式施測，其中將每班學生分為三組，依照施測前一次段考之理化科成績排名進行分組。會選取八年級學生作為研究對象，是因為本研究試圖了解了解學生學習過程中 POEC 教學法和師生共構過程對其學習的影響以及其臉部微表情的變化，而本研究的教學內容和八年級下學期探討「影響反應速率的因素」之章節內容雷同，因此研究對象必須選擇還未學習此章節之學生，而根據九年一貫課程綱（教育部， 2008）要「科學與技術認知」部分的第三階段，國小五年級到六年級的「認識物質」的能力指標有：「探討氧及二氧化碳的性質；氧的製造、燃燒之瞭解、氧化(生鏽)等，二氧化碳的製造、溶於水的特性、空氣污染等現象」和「認識促進氧化反應的環境」，根據此兩個能力指標，了解到小學高年級學生將學到基本的氧化反應的知識。而課綱中「科學與技術認知」部分的第四階段，也就是國一到國三階段的能力指標才談到「知道氧化作用就是物質與氧化合，而還原作用就是氧化物失去氧」，因此研究者認為選取尚未學習到八年級下學期影響反應速率因素章節之學生作為研究對象最為適當。. 28.

(39) 第三節教學與教材設計壹、投影片本研究之研究設計將受測學生分為三組，並施以不同的教材，其中食譜組的學生之投影片架構與 POEC 組和(POEC)S/T 組不同，（見圖 3-3-1），由先前的研究設計中可知，食譜組和 POEC 組以及食譜組和(POEC)S/T 組的投影片差異在於有無 P （預測）、 E（解釋）和 C（比較）三步驟，而 POEC 組和(POEC)S/T 組的差異在於教學影片內容，因此投影片結構上此兩組並無差異，而教學影片的差異將於後面章節進行說明。以下將以 POEC 組和(POEC)S/T 組的投影片流程說明投影片內容以及與食譜組之差異（見圖 3-3-1），詳細投影片內容請見附錄三、附錄四，而在本研究中，為確定學生有了解每一張投影片的內容，研究者對每一張投影片進行錄音，所以學生們必須確定聽完了所有投影片的內容，才可繼續進行。首先，在施測的一開始會先確定學生是否已經準備就緒，因此會先有三張投影片讓學生理解活動目的與注意事項並再次確定他已經準備好了。之後會有一張介紹實驗器材的投影片，讓學生了解接下來的實驗影片會用到的器材與藥品。介紹完實驗器材後便直接進入實驗影片的藥品製備階段，在這段影片內容中學生將看到可燃的鐵實驗流程前半段，直到鐵粉由高處倒落前暫停（食譜組則無暫停，實驗影片直接撥放到實驗結果出現），在學生了解了鐵粉的製備過程之後，接下來的投影片將讓學生預測鐵粉由高處往下倒會發生什麼情況（食譜組並未使用 POEC 教學法，因此投影片中不會有任何要求學生預測或解釋的投影片），其中的投影片內容包括二階段選項，第一階段選項將要求學生預測鐵粉將會：不會改變、結塊或是燃燒，預測結束後將依學生預測結果進入第二階段，第二階段是依照前三種預測結果衍伸出的四個解釋選項，學生將依其所選的預測進行預測的解釋。待學生預測解釋後將會進入一個警語投影片，此投影片的用途在於再次提醒學生在觀察實驗 29.

(40) POEC 組、 (POEC)S/T 組. 食譜組活動開始、活動目的、注意事項. p.1 ~ p.3. 實驗器材介紹. p.4. 警語投影片. p.5. 活動開始、活動目的、注意事項. p.1 ~ p.3. 實驗器材介紹、實驗影片（鐵粉製備）. p.4 ~ p.5. 實驗預測（二階段選項）. 警語投影片. p.6 ~ p.9. p.10. 實驗影片 p.6. 實驗影片（實驗結果）. （鐵粉製備＋實驗結果）. 解釋實驗結果. p.11. p.12 ~ p.15. （二階段選項）. 教學影片. 是否理解、投影片結束. 教學影片. p.7. 是否理解、與預測進行比較、投影片結束. p.8 ~ p.9. 圖 3-3-1. 三組投影片流程圖. 30. p.16. p.17 ~ p.19.

(41) 影片時切勿左搖右晃或是觸摸臉部導致關鍵時刻臉部辨識失敗（因為食譜組的實驗影片中間並沒有暫停，所以在實驗器材介紹完後就會直接進入警語投影片），而後便直接進入實驗影片觀察實驗結果，觀察完鐵粉燃燒之現象後，會再請學生對於所觀察到的現象進行解釋，與實驗預測投影片相同，解釋實驗結果的投影片一樣為二階段選項，除了題幹略為修改之外，選項與實驗預測階段完全相同。學生解釋完所觀察到的實驗結果後，便直接進入教學影片，食譜組和 POEC 組的教學影片內容相同，而(POEC)S/T 組與其餘兩組不同之處將在稍後章節進行敘述。教學影片結束後，會有一系列檢驗學生學習成果的投影片，包括學生是否理解教學影片內容、比較教學後之理解與預測理解是否一致，最後的投影片會要求學生結束後靜待老師處理，以方便進行概念問卷後測。. 貳、實驗影片本研究之教學與教材設計主要以實驗影片為主，因此本研究選擇蕭次融 (2011)所發表之實驗「可燃的鐵」（詳細實驗流程請參照附錄二），會選擇此實驗的原因主要有三：首先，由於本研究的研究工具主要使用臉部微表情辨識系統，因此研究者會希望受測學生在施測過程中能夠有明顯的情緒變化，而此實驗最主要可使學生了解鐵的可燃性，鐵在極微小的尺度下能夠自燃，而此種劇烈氧化還原產生的燃燒作用對尚未學習過相關知識的學生而言是極具視覺效果的，因此選用此實驗較能使受測學生在觀察實驗的過程中產生表情的變化。第二，依 Posner, Strike, Hewson 和 Gertzog(1982)所提出之概念改變模式 (conceptual change model, CCM)中提到學生產生概念改變的四個條件：1.學習者不滿意其原有概念(dissatisfaction) 2.學習者對新概念有初步的理解(intelligible) 3. 新概念看起來似乎是合理的(plausible) 4.新概念必須是豐富而據預測力的 (fruitful)，其中第一項「學習者不滿意其原有概念」若以 Piaget 的同化與調適來解釋，便是認知衝突使學生無法以舊經驗同化，便產生概念改變。而本研究所使 31.

(42) 用的「可燃的鐵」實驗對於大部分學生而言是極具衝突的，因為他們大部分都有金屬不可燃的迷思概念，當鐵粉自然現象在學生眼前發生，這是極為衝突的視覺效果，也是本研究選擇此實驗的重要因素。第三，此實驗的科學概念和八年級下學期探討的「影響反應速率的因素」有極大的相關，而其中「接觸面積為影響反應速率的因素」在教科書中會自成一節，這也是研究者選擇尚未學習此章節的學生進行施測的因素之一，另外對這些學生演示此實驗也可讓他們早點接觸到未來的課程，對他們的學習也算是另一種幫助。而可燃的鐵實驗在蕭次融老師的推廣下，儼然已成為化學科教學中教導表面積與反應速率關係的極佳認知衝突實驗，但在相關文獻中一直沒有說明極細的鐵粉到底有多細？文獻中也只提到此實驗中之鐵粉「幾近奈米級」，而研究者在進行正式施測前對可燃的鐵實驗進行了許多次的試做，在第一次進行可燃的鐵實驗時，完全沒有任何防護措施下進行實驗，結果也一如文獻中的記載，鐵粉在半空中燃燒，研究者與研究夥伴們當然十分興奮當天也多做了許多次鐵粉實驗，但當隔天研究者卻發現有咳嗽與呼吸困難的症狀出現，更讓研究者相信由草酸鐵製備出的鐵粉應該是有達到奈米等級的，研究者為了證實此想法，便將將草酸鐵製備出的鐵粉帶到國北教大自然科學教育學系何慧瑩老師實驗室進行檢測（感謝何慧瑩老師出借儀器及指導教授周金城老師協助），檢測方式是利用「正立金相顯微鏡」進行觀察，結果發現以 10x100 倍的顯微鏡觀察發現鐵粉最細可達 1um 以下（見圖 3-3-3），也就是達到奈米級標準的意思，更能夠篤定的說. 圖 3-3-2. 「由草酸鐵製備的鐵粉達奈米級」。. （照片攝於：2013 年 10 月 17 日）. 32. 正立金相顯微鏡.

(43) 圖 3-3-3. 10x100 倍正立金相顯微鏡下鐵粉圖像. 參、教學影片本研究之教學影片分為兩個版本，其中食譜組和 POEC 組的教學影片內容相同，而(POEC)S/T 組與其餘兩組不同，前者屬於傳統之教學影片，類似幻燈片式的教學，其中之教學內容詳見附錄四、附錄五，教學內容的編制主要是依照圖 3-4-1 的研究概念圖，配合可燃的鐵概念問卷一起發展，內容主要分為氧化還原反應和反應速率兩部分，詳細包括了：燃燒三要素在燃燒和滅火的應用、反應速率與表面積的關係。而(POEC)S/T 組頭影片則是加入了師生共構的成分，換句話說，此組投影片加入了學生和教師的角色，主要以師生對話的方式建構學習目標，其中內容類似（以圖 3-3-4、3-3-5 為範例）：. 生：老師，鐵粉為什麼會燒起來呢？師：說到物質燃燒的原因就不得不提到「燃燒三要素」！！生：燃燒三要素？那是什麼？沒聽過～ 33.

(44) 師：物質燃燒需要可燃物、助燃物和達到燃點三個條件，缺一不可。生：老師！！那滅火呢？滅火也要燃燒三要素都不存在嗎？？師：其實要使燃燒現象中止，只要移除任一要素就可以使火熄滅囉～～生：真的嗎？那如果只移除可燃物？……. 也因為使用了師生共構的方式進行教學，使兩部教學影片的長度不同，食譜組和 POEC 組的教學影片全長三分二十五秒，(POEC)S/T 組教學影片全長四分二十秒，其中多出來的部分主要是對話內容，並不影響教學目標，而長度改變也會影響臉部微表情變化之計算方式，此一部分之臉部微表情分析將會以臉部微表情變化頻率的方式進行比較，詳細內容於第四章會再次說明. 老師！！那滅火呢？滅火也要燃燒三要素都不存在嗎？？. 其實要使燃燒現象中止，只要移除任一要素就可以使火熄滅囉～～. 真的嗎？那如果只移除可燃物？. 圖 3-3-4. 圖 3-3-5. 食譜組與 POEC 組教學影片範例圖. 34. (POEC)S/T 組教學影片範例圖.

(45) 第四節研究工具本本研究所使用的研究工具以量化為主，包括：可燃的鐵概念問卷、臉部錄影資料和臉部微表情辨識系統。. 壹、「可燃的鐵」概念問卷一、問卷內容本研究所使用之概念問卷根據研究概念圖（圖 3-4-1）發展而成，其內容主要依據教學與教材內容中「可燃的鐵」實驗之概念所構成，而概念圖依據實驗原理構成分類，圖中灰色的部分代表其為實驗原理之一，但因學生認知能力未達可理解該概念之程度，因此概念問卷和教學與教材內容中均未提及。「可燃的鐵」實驗依原理分類可分為「反應速率」和「氧化還原反應」兩部分，而依照現行教科書內容（引自，南一版國民中學自然與生活科技 2 下），其中反應速率相關之章節將影響反應速率之因素分為：濃度、溫度、接觸面積和催化劑四類，而本研究將關注接觸面積此一部份，並希望學生理解在不同尺度下物質的接觸面積差異帶來的影響。另外，氧化還原反應的部分又分為巨觀和微觀兩個層次，在巨觀的部分將會複習學生們在國小階段所學過的劇烈氧化還原反應和緩慢氧化還原反應，在劇烈氧化還原反應的部分同時複習燃燒現象的三要素，而微觀層級的部分則討論到粒子運動，至於氧化還原反應中電子轉移的概念太過艱深，故暫不提及。另外還會檢測學生是否能連結奈米尺度下接觸面積大的特性與粒子碰撞的關係，以及粒子碰撞能夠摩擦生熱導致鐵粉達到燃點燃燒的概念。本問卷試題可分為三部分。包括：氧化還原試題 11 題、反應速率試題 7 題和可燃的鐵實驗試題 9 題，其中氧化還原和反應速率試題主要為應用試題，類似國二下學期相關章節之試題，而可燃的鐵實驗試題將直接測驗學生是否了解，並能夠推測可燃的鐵實驗現象。 35.

(46) 可燃的鐵. 原理. 氧化還原反應. 反應速率影響反應速率的因素. 巨觀緩慢氧化還原反應. 微觀劇烈氧化還原反應. 粒子運動粒子碰撞. 鐵釘生鏽. 燃燒現象. 助燃物. 可燃物. 燃點達到. 三條件全有. 接觸面積. 活性. 尺度. 金屬可燃. 電子轉移. 氧化. 還原. 反應. 反應. 丟失電子. 接受電子. 一般尺度. 奈米尺度. 接觸面積小. 接觸面積大. 增加粒子碰撞機會. 三條件缺一. 反應開始. 無法反應圖 3-4-1 研究概念圖 36. 濃度、溫度、催化劑.

(47) 二、實施與計分本概念問卷採團體施測，測驗時間大約二十分鐘，分別在實驗影片教學前後各實施一次前後測。本問卷依照研究概念圖設計，共有 27 題選擇題，由受測學生選擇奇認為正確之答案，選擇正確得 1 分，錯誤則 0 分。. 三、信度與效度本概念問卷依照概念圖設計而成，經由一位國中在職正式教師修改字句，並確認本問卷之難度為國中學生能力範圍內，後再經由兩位科學教育背景之博士和一位科學背景之國立大學教授進行專家審查完成。本概念問卷之 Cronbach’s α 值為 0.80。. 貳、臉部錄影資料和臉部微表情辨識系統本研究最重要的部分就是要收集受測學生臉部錄影資料，而受制於硬體設施，收集臉部錄影資料是需要許多準備工作的，於正式施測前研究者先進行了為期兩週的試測，為求收集之臉部資料穩定且能夠達分析之標準。另外在施測前也必須要確定許多細節，包括： 1.. 確定學生額頭必須露出，否則系統無法辨識。. 2.. 若學生眼鏡為膠框眼鏡必須更換為金屬框，否則系統無法辨識。. 3.. 確定電腦容量足夠裝載所有錄製的臉部錄影資料。另外，施測前的指導語也是十分重要的，尤其學生可能在看到注意事項其中. 之一是要求他們以最舒服的坐姿進行施測，學生們可能會坐得太舒服導致臉部錄影資料超出鏡頭範圍，以下為施測前指導語重點： 1.. 以最舒服的姿勢坐好，再將椅子往前挪至桌子前，確定後便不要再移動。. 2.. 施測時切勿摸頭摸臉或以手撐住頭部。. 3.. 會有一個錄製基礎表情的影片與一個投影片。 37.

(48) 4.. 投影片內容每一頁都有錄音，請聽完每頁的錄音內容再按「下一頁」。. 5.. 按「下一頁」請按一次即可，學校電腦效能不佳，若按很多次會跳頁導致研究失敗。最重要的是，在施測結束後必須提醒受測學生切勿洩漏教學內容，以防止學. 生之間互相討論教學內容，以致研究失效。而本研究之臉部微表情辨識資料乃使用 FaceReader 臉部微表情辨識系統，此系統能夠對人的臉部肌肉進行定位並分析臉部微表情，並產生即時的資訊給研究者。FaceReader 的系統操作介面中，主視窗的左上角可見到受測者的臉部影像，而此系統的最大好處是除了可將受測學生的臉部影像錄製後進行事後分析，也可即時對學生表情進行分析。而本研究乃採取事後分析的方式，以市面上販售之網路攝影機架設於電腦螢幕上，在學生觀看實驗影片進行科學學習時進行錄影，此種即時分析的研究方式也是臉部微表情辨識最大的優點。另外，FaceReader 系統對臉部微表情的分析方式（見圖 3-4-2），首先會將受測學生的臉部依照其系統內部的人臉資料庫對受測者的臉部進行定位，並標定出偵測臉部微表情所必須要的臉部肌肉，同時會偵測受測者臉部影像的品質，此一影像品質和系統能否判讀臉部微表情有極大的相關，若臉部微表情品質不夠高便可能無法進行施測。. 圖 3-4-2 FaceReader 臉部微表情辨識系統分析示意圖（引自 Chiu et al., 2014）. 依照臉部肌肉的不同變化，系統會依照 Ekman(1999)的研究，將臉部表情除. 38.