寫作融入實驗活動 對國中學生的認知與情意影響之研究 ─以空氣單元為例
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(3) 致. 謝. 還記得剛考上研究所的喜悅，如今已經要邁入畢業的時刻。就讀 的這段期間，充滿了許多歡笑與淚水，可以完成這份論文是由許多人 的協助及支持，由衷向大家表達我的謝意。 最先要感謝的是我的指導教授張文華博士，總是能耐心教導我這 個駑鈍的學生，並用愛心與關心包容我時常在研究上犯下的錯誤，即 時導正且叮嚀鼓勵，在此獻上最由衷的敬意與謝意。論文口試期間， 感謝口試委員林陳涌博士與熊召弟博士的建議與指正，讓本論文在修 改之後可以更加完備，誠摯感謝。同時也謝謝研究室的夥伴：璇瑩學 姐、淑苾學姐、相翰學長、美怡學姐、觀喬及祐臣在這段時間給我的 協助與支持，你們總在討論的過程當中不吝提供建議，讓我可以發現 論文的缺點並進行改進，且每每在我最需要幫助的時候，都即時地伸 出援手，深致謝忱。最後，我要感謝我最親愛的家人，爸媽、姊姊們 及姊夫們給我很多精神與實質的支持與幫助；尤其是我的大姊，在這 段時間真的麻煩妳很多事，讓我可以順利完成學業及論文。在此，謹 以此論文獻給我摯愛的家人、師長、親友們，謝謝你們。 民國一百年一月 於國立台灣師範大學生命科學系. 佳翰.
(4) 中文摘要. 本研究針對九年級學生，針對自然與生活科技領域之空氣單元進 行寫作融入實驗活動教學設計，並探討寫作融入和未融入寫作之實驗 活動教學方式對於學生在學習成就、科學學習動機以及科學相關態度 上具有何種影響。 本研究對象為台中縣某國中九年級兩個班的學生，採用融入寫作 學習單及未融入寫作學習單的方式，進行實驗活動教學。本研究為準 實驗研究法，使用的研究工具包括：「寫作學習單」、「空氣單元學 習成就測驗」及「科學學習情意量表」，探討其認知與情意的改變。 本研究藉由寫作學習單融入進行實驗活動教學，結果發現：(一) 學習單的圖解部份在實驗活動前預測階段呈現較為豐富，文字說明的 部份則因寫作次數而更加穩定且具邏輯性。(二)進行實驗活動時融入 寫作，可提昇學生在空氣單元的學習成就。(三)進行實驗活動時融入 寫作，提昇學生在空氣單元的科學學習動機之立即成效不顯著。(四) 進行實驗活動時融入寫作，可提昇學生在空氣單元的科學相關態度。. 關鍵字：學習單、實驗活動、學習動機、學習成就、科學相關態度.
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(6) 英文摘要. The aim of this thesis is to design the worksheets of teaching material for laboratory instruction of Air unit in the Science and Living Technology learning area and to examine the effects of worksheets on promoting students’ learning effectiveness, learning motivation, and science-related attitudes. This quasi-experiment study selected two 9th grade classes of a junior high school in Taichung. The two classes were taught by the same science teacher, but by different laboratory teaching instruction. Devices including worksheets of scientific writing were designed and administered in different phases of the instruction, achievement test of Air unit and the Affective Learning of Science Questionnaire. The researcher analyzed the data to understand the cognitive and affective learning outcomes of students in different treatment. The outcomes indicated that: (1) The diagrams from Prediction phase delivered more information than those from the Observation and Manipulation phases. The quality of exposition part became more stable and logical in the later phases. (2) Embedding writing activities in laboratory instruction promotes the students’ achievement on the Air unit..
(7) (3) Embedding writing activities in laboratory instruction t does not promote the students’ learning motivation. (4) Embedding writing activities in laboratory instruction promotes the students’ attitudes related to the science on the Air unit.. Key word: laboratory instruction, learning effectiveness, learning motivation, science-related attitudes.
(8) 目次 目次 ……………………………………………………………………Ⅰ 圖次 ……………………………………………………………………Ⅲ 表次 ……………………………………………………………………Ⅳ 第一章 緒論…………………………………………………………… 1 第一節 研究背景及重要性……………………………………… 2 第二節 研究目的及待答問題…………………………………… 6 第三節 名詞釋義………………………………………………… 6 第四節 研究限制…………………………………………………10 第二章 文獻探討………………………………………………………11 第一節 認知、情感與科學學習…………………………………11 第二節 空氣單元概念之相關研究………………………………29 第三節 實驗活動教學的相關研究………………………………36 第四節 科學寫作與學習…………………………………………50 第三章 研究方法………………………………………………………69 第一節 研究架構…………………………………………………69 第二節 研究對象…………………………………………………70 第三節 研究工具…………………………………………………72 第四節 研究流程…………………………………………………80. I.
(9) 第五節 資料分析…………………………………………………86 第四章 結果與討論……………………………………………………94 第一節 學生寫作學習單的特徵分析……………………………94 第二節 融入與未融入寫作之實驗活動的學生在空氣單元成 就測驗的結果與分析………………………………… 121 第三節 融入與未融入寫作之實驗活動的學生在科學學習情 意量表之科學學習動機部份的結果與分析………… 137 第四節 融入與未融入寫作之實驗活動的學生在科學學習情 意量表之科學相關態度部份的結果與分析………… 148 第五章 結論與建議………………………………………………… 160 第一節 結論…………………………………………………… 160 第二節 建議…………………………………………………… 163 參考文獻……………………………………………………………. 167. 附錄…………………………………………………………………. 189. II.
(10) 圖次 圖 2-1：建構主義教學模式………………………………………… 14 圖 2-2：個別差異構念之暫時性分類……………………………… 16 圖 2-3：融入啟發式科學寫作的教學活動流程…………………… 62 圖 3-1：研究流程…………………………………………………… 80 圖 4-1：實驗前預測階段-鎂帶燃燒-評分統計圖…………………. 95. 圖 4-2：實驗前預測階段-線香復燃-評分統計圖…………………. 96. 圖 4-3：教師操作觀察階段-鎂帶燃燒-評分統計圖……………… 101 圖 4-4：教師操作觀察階段-線香復燃-評分統計圖……………… 102 圖 4-5：學生實際操作階段-鎂帶燃燒-評分統計圖……………… 107 圖 4-6：學生實際操作階段-線香復燃-評分統計圖……………… 108 圖 4-7：鎂帶燃燒-各階段之圖解-氣體的粒子性項目評分統計圖…113 圖 4-8：線香復燃-各階段之圖解-氣體的粒子性項目評分統計圖…113 圖 4-9：鎂帶燃燒-各階段之圖解-實驗的作用物項目評分統計圖…114 圖 4-10：線香復燃-各階段之圖解-實驗的作用物項目評分統計圖 115 圖 4-11：鎂帶燃燒-各階段之圖文關聯項目評分統計圖………… 116 圖 4-12：線香復燃-各階段之圖文關聯項目評分統計圖………… 116 圖 4-13：鎂帶燃燒-各階段之說明意義項目評分統計圖………… 117 圖 4-14：線香復燃-各階段之說明意義項目評分統計圖………… 117. III.
(11) 圖 4-15：鎂帶燃燒-各階段之語辭技巧項目評分統計圖………… 118 圖 4-16：線香復燃-各階段之語辭技巧項目評分統計圖………… 119 圖 4-17：兩組學生在秉持科學的態度分向之「詹森-內曼法」校訂 圖……………………………………………………………………. 158. 表次 表 2-1：Bloom認知教育目標修訂分類表之認知歷程向度內容……21 表 2-2：科學學習動機量表之分類向度內容……………………… 24 表 3-1：準實驗研究設計…………………………………………… 72 表 3-2：空氣單元成就測驗規格細目表…………………………… 75 表 3-3：實驗活動教學流程………………………………………… 84 表 3-4：寫作學習單評分量表……………………………………… 89 表 3-5：030101學生寫作學習單-示範評分………………………. 90. 表 3-6：030112學生寫作學習單-示範評分………………………. 91. 表 3-7：030123學生寫作學習單-示範評分………………………. 92. 表 4-1：實驗前預測階段-鎂帶燃燒-學習單作品與評分………… 97 表 4-2：實驗前預測階段-線香復燃-學習單作品與評分………… 99 表 4-3：教師操作觀察階段-鎂帶燃燒-學習單作品與評分……… 103 表 4-4：教師操作觀察階段-線香復燃-學習單作品與評分……… 105. IV.
(12) 表 4-5：學生實際操作階段-鎂帶燃燒-學習單作品與評分……… 109 表 4-6：學生實際操作階段-線香復燃-學習單作品與評分……… 111 表 4-7：兩組學生在各施測階段的成就測驗分數………………… 122 表 4-8：寫作融入實驗活動學生學習成就各向度相依t-test結果… 124 表 4-9：未融入寫作之實驗活動學生學習成就各向度相依t-test結 果……………………………………………………………128 表 4-10：兩組學生在學習成就之迴歸係數同質性檢定摘要表……131 表 4-11：兩組學生在學習成就測調整後平均數摘要表……………134 表 4-12：兩組學生在學習成就之重複量數單因子共變數分析摘要 表………………………………………………………… 135 表 4-13：兩組學生在各施測階段的科學學習動機…………………138 表 4-14：寫作融入實驗活動學生科學學習動機相依t-test結果… 140 表 4-15：未融入寫作之實驗活動學生科學學習動機相依t-test結 果………………………………………………………… 142 表 4-16：兩組學生在科學學習動機部份之迴歸係數同質性檢定摘要 表………………………………………………………… 144 表 4-17：兩組學生在科學學習動機後測之調整後平均數摘要表…145 表 4-18：兩組學生在科學學習動機部份之共變數分析摘要表……146 表 4-19：兩組學生在各施測階段的科學相關態度…………………150. V.
(13) 表 4-20：寫作融入實驗活動學生科學相關態度相依t-test結果……152 表 4-21：未融入寫作之實驗活動學生科學相關態度相依t-test結 果………………………………………………………… 153 表 4-22：兩組學生在科學相關態度部份之迴歸係數同質性檢定摘要 表………………………………………………………… 155 表 4-23：兩組學生在科學相關態度後測之調整後平均數摘要表…156 表 4-24：兩組學生在科學相關態度部份之共變數分析摘要表……157. VI.
(14) 第一章 緒論. 實驗活動是科學教學的一項特色，許多從事科學教育的專家、學 者不斷推祟實驗是促進有效科學教學和學習的重要因素(Lucas & Roth, 1996)。然而，也有研究指出學習者若是在不瞭解實驗的本質或 目的的情形下進行實驗活動，並無助於學習者在科學知識或技能的學 習(Larochelle & Desautels, 1991; White, 1996)。好的實驗活動應該充滿 思考、想像的過程，如果授課教師忽略掉學習者自身對知識的建構， 只是依循照本宣科的實驗步驟，會導致學習者聚焦於操作實驗而未必 能體會科學實驗活動所傳達的真正意涵(Friedler & Tamir, 1984)。教育 與學習者的心智構念是一種密不可分的關係，任何領域的教學，若能 與學習者的心智構念呼應配合，即可有事半功倍的成效。以往由於經 驗主義(empiricism)盛行，科學教育亦深受行為主義(behaviorism)理論 的影響，教學只著重結果不重視過程。教師在教學歷程中經由不斷的 「說明」和「練習」 ，認為「精熟」就是學生學習成效提昇的絕對準 則。但科學教育的目標到底是什麼？是培養具有淵博科學知識的學 生？還是造就訓練有素的科學家？建構主義的出現，便打破這樣的成 規，重視學習者在學習歷程中的種種認知、情感、意念，並強調不斷. 1.
(15) 檢視、反思自己想法與概念構成、轉變的重要性。 我國教育現況亦逐漸受建構主義的潮流影響，自然科學課程的教 育準則經歷不斷地修訂、改革，期望養成具有科學素養的國民為最終 依歸，不再是過去培育科學專才，偏重於科學知識的教導、灌輸之教 學方針。而九年一貫課程, 在課程總綱綱要中也揭示應以「學生為主 體」 、 「以生活經驗為重心」來設計課程，並希望培養學生帶得走的基 本能力，也與建構主義的理念有極高的符合度。這樣的觀點下，科學 實驗課程應該如何設計與執行，達到協助學生手到心到地進行實驗活 動，由想法與操作過程的互動歷程中，形成自己對於科學原理的理解 呢?本章首先陳述本研究的研究背景與重要性，再提出研究目的、待 答問題與名詞釋義，最後說明本研究的限制。. 第一節 研究背景與重要性. 在1970年以前的科學教育受實證主義知識論的影響，認為事實是 必須透過觀察或感覺經驗，來認識每個人身處的客觀環境和外在事 物。當時候科學教育重視的是傳授知識的內容，是一種客體的知識論 (劉伍貞, 1996)。當時的科學教育也受到行為主義的影響，教師認為 所謂的學習應該是刺激與反應的行為(張紋琦, 2002)；因此學生的學. 2.
(16) 習方式就變成是「教師不斷地教，學生才能不斷地學」，此種模式長 久下來，容易產生學生依賴且習慣「教師教什麼，我才學什麼」的心 理。因此學習往往就變成只是教師單向的向學習者傳遞知識，或是一 種記憶問題的答案，汲取片段、零碎的知識的接受過程(廖春文, 2001)。 隨著課程革新的必然趨勢，主張學習應重視學習者主動求知的過 程而非結果的建構主義，逐漸受到科學教育界的肯定與重視(吳璧純, 1995)。Posner, Strike, Hewson和Gertzog認為知識是學習者建構而成， 是主動的知識建構者，不再只是被動的知識接收者。且強調學生為主 體，尊重學生的舊有經驗，因為每個人的「先期概念」、「先備經驗」 各有不同，進而影響學習知識的解讀差異(引自鐘旻容, 2006)。我國 教育部於八十九年公布了國民教育階段九年一貫課程總綱綱要，在課 程目標中之「自然與生活科技」方面，即涵括了應用科技與資訊的能 力、激發主動探索和研究的精神及培養獨立思考與解決問題的能力 (教育部, 2000)。建構主義教學亦是培養學生透過主動、合作等方式 建構自己的知識，從另一個角度而言，建構主義教學是在培養學生的 學習知識的方法 (黃鳳琴, 2002)。因此在教師在教學活動設計上，若 能引導學習者依據自己的經驗與文化背景等因素，對感官所接收的訊 息，進行選擇，複誦、組織與精緻化，主動建構出自己的知識，然後. 3.
(17) 將知識以不同的表徵方式儲存在長期記憶體裡，內化成為統整的知識 結構 (李祐臣, 2009)。 近年來，我國在自然科的教學策略強調教學應以能培養探究能 力、進行分工合作學習、獲得科學智能、習得各種操作技能等目標， 希望達到「實做中學習」的教學模式。提供學生動手操作、觀察、探 索、推理、發表、討論的機會，並鼓勵學生思考、想像、創造、應用。 但許多的研究指出，學生在實驗室學習的成效並不理想(張鳳琴, 1995；Hofsten & Lunetta, 1982)，研究結果顯示學生做實驗只用手不 用大腦，僅根據步驟而無意識的操作實驗(Millar, 1989；White, 1996； Friedler & Tamir, 1984 )，這樣往往使學生無法有效培養學生的過程技 能，甚至降低學生喜愛科學的程度與學習動機。研究者認為為提升學 生在實驗活動中所獲得科學學習之相關效益，也應重視學生在實驗活 動中的知識建構、概念改變、獨立思考等過程。因此，研究者嘗試將 寫作融入實驗活動中，期望能使學生在學習科學時增進其認知與情意 面向。 Wallace, Hand和Prain指出，進行科學寫作時需要使用推理技巧去 組織訊息、描述科學現象、創造知識主張和形成論點，因此，科學寫 作是一種創造科學知識的過程，而不是學習者再次表達出已經理解得 很清楚的知識(引自靳知勤, 2009)。事實上，學生的學習歷程並不欠. 4.
(18) 缺寫作經驗，包括紙筆測驗、寫報告、做紀錄……等都是寫作的形式。 然而，在實驗活動上的書寫活動，往往只是讓學生複製黑板上教師的 筆記、將書本上的重點記到筆記上，以及將實驗活動結果紀錄下來。 Wellington和Osborne則認為這樣的書寫活動，對科學學習上是屬於較 低層次並容易達成的類型(引自林雅慧、蔡佩穎、張惠博及張文華, 2007)。因此，寫作活動如何有效融入科學課室中，已成了一個刻不 容緩的議題。近幾十年來，在科學教育領域中針對寫作與學習的關係 之研究甚多，這些研究結果皆證實寫作的確有助於學生的科學學習 (Kelly & Chen, 1999; Mason & Boscolo, 2000) 相關研究包括探討科學 寫作的表現與其他學科能力的相關性(陳幸萱, 2005；張瑞曼, 2005) ；探究科學寫作與學生科學態度(陳于丞, 2005；蔡志質, 2003； 梁郁汝, 2003) 以及科學寫作與科學學習成效(王漢清, 2005；蔡志質, 2003) 等之相關性探討；亦有研究利用科學寫作來探究學生既有的迷 思概念(鄧禹, 2005；黃子晏, 2004)。綜合上述，本研究基於寫作對科 學學習的重要性，在尋得合作教師的協助後，設計規劃將寫作融入實 驗活動中，藉以引導學生能由寫作的歷程去釐清、整合已經學習過的 科學概念，並期望能具體得知寫作融入實驗活動對學生學習科學是否 能有實務性成效。. 5.
(19) 第二節 研究目的與待答問題. 本研究的目的為利用寫作融入空氣單元之實驗活動中，探討九年 級學生在學習空氣單元時，是否能增進其認知與情意方面的效益。本 研究擬探討下列問題：. 一、 學生寫作學習單在實驗活動各階段的內容呈現情形？ 二、 進行實驗活動時融入寫作，對學生在空氣單元的學習成就的影 響如何？ 三、 進行實驗活動時融入寫作，對學生在科學學習動機的影響如何？ 四、 進行實驗活動時融入寫作，對學生在科學相關態度的影響如何？. 第三節 名詞釋義. 一、空氣單元. 教學內容為八年級自然與生活科技領域康軒版上學期「物質的世 界」章節中「空氣的組成」單元，包括空氣中主要氣體的特性及應用、 氧氣的製造方法、氧氣有助燃性及其檢驗方式、二氧化碳的製造方. 6.
(20) 法、二氧化碳的性質及其檢驗方式。. 二、實驗活動. 美國國家科學教師協會(Nation Science Teachers Association, NSTA)定義實驗活動是學生藉由實驗室來經驗科學的學習活動，學生 可以在具有特殊設備的教室、或其他可進行科學經驗的地方，學習整 合科學經驗，並且根據問題，實際進行問題解決。實驗活動在科學的 發展過程佔有重要因素，學生可經由設計良好的科學實驗活動，瞭解 科學探究的方法，從中學習科學過程技能、分析推理、相互溝通的能 力，並能將科學的現象經由具體的操作而概念化，並且提供學生建構 知識的途徑(Fraser, Rennie &Tobin, 1990)。Domin (1999)將常見的實驗 教學模式分為講述式、探究式、發現式及問題為中心式四種；國內教 師因資源、時間、空間、設備和人員需求的考量，較容易選擇講述式 實驗教學模式。本研究的合作教師以往在進行實驗活動教學時，也是 選擇講述式實驗教學模式；因此，本研究針對合作教師的實驗活動教 學進行寫作融入，期望增進學生學習科學的相關效益。. 7.
(21) 三、寫作融入實驗活動. 為研究者與合作教師共同規劃在空氣單元的實驗活動中，對實驗 組分別在「實驗前預測階段」 、 「教師操作觀察階段」 、 「學生實際操作 階段」三個階段，進行寫作融入所使用的學習單。 「實驗前預測階段」 為教師在黑板上講解完實驗活動的內容與步驟後，進行學習單的寫 作； 「教師操作觀察階段」為教師操作實驗活動，學生僅用觀看的方 式後，進行學習單的寫作；「學生實際操作階段」為學生實際動手操 作實驗後，進行學習單的寫作。分成不同階段的目的是希望學生能藉 此在實驗活動過程中獲得思考實驗原理與知識建構的機會，讓學生可 以在學習單中畫出並寫下在各個不同階段，所欲表達的想法、概念、 想像……等的過程；並在內容的部份要求學生應表達出對實驗原理的 探究，而非單純僅對實驗器材的配置進行描繪，使學生能活化並運用 與實驗活動相關的科學概念。. 四、學習動機. 心理學教科書以及在一般性的用語中，認為「動機」是一個內在 的狀態，是一種個人投入與產出的中間過程，並無法直接以儀器來測. 8.
(22) 得；因而動機就是使個體產生行動以及導引行動的方向，企求或是希 望該活動朝向某一個具體目標的心理狀態 (蔡執仲、段曉林, 2005)。 張春興引自 Kleinginna (1981) 認為影響動機的因素包含需求的影 響、欲求的強度以及行為方向的內在心理歷程。本研究中，學生的學 習動機是以段曉林、靳知勤與謝祥宏(2001) 修訂 Midgley、Maehr 和 Urdan (1993) 所發展的「動機問卷量表(Patterns of Adaptive Learning Survey, PALS)」之計分結果來表示，選擇進行探討的向度為自我效能 (self-efficacy)、主動學習策略(active learning strategy)、科學學習價值 (science learning value)、表現目標導向(performance goal)以及成就目 標(achievement goal)。. 五、科學相關態度. 鄭湧涇、楊坤原(1995)認為可把科學相關態度分成「科學態度」 與「對科學的態度」兩類。「科學態度」指一個人用以解決問題、評 估資訊以及下決定所持的方法，如：客觀、不妄下結論、適當的懷疑、 批判評鑑等。而「對科學的態度」則指對特定的態度對象，包括人、 事物或想法等所具有的態度。本研究中，學生的科學相關態度是以鄭 湧涇、楊坤原(1995)修訂Fraser (1978)所發展的「科學相關態度量表. 9.
(23) （Test of Science Related Attitudes, TOSRA）」之計分結果來表示，選 擇 進 行 探 討 的 向 度 為 對 科 學 探 究 的 態 度 (attitude to scientific inquiry)、秉持科學的態度(adoption of scientific attitudes)以及對科學課 的喜愛(enjoyment of science lessons)。. 第四節 研究限制. 本研究因限於人力因素，選擇以台中縣某國中九年級學生為對象 進行準實驗研究，並以自然與生活科技領域的空氣單元做為研究主 題。本研究選擇兩個班級進行研究處理，兩個班級皆為合作教師任教 自然與生活科技學科的班級。為使研究處理能夠確切執行，選擇合作 教師為導師的班級作為實驗組，另一班則為對照組；班級採常態編 班，學生人數皆為30人。本研究的結論如擬推論至其他學科、年級或 其他地區的學生，應相當審慎。. 10.
(24) 第二章 文獻探討. 本研究探討以融入寫作的實驗活動教學方式，對於九年級學生在 學習空氣單元之認知與情意面向的影響。針對研究目的，本章共分四 節，第一節首先闡述建構主義形成與演進，用以探討促進學生在學習 科學的認知與情意面向的效益之理念；第二節探討學生對於空氣單元 內容的概念，並整理分析國內外相關研究，以利進行寫作學習單的設 計與融入；第三節進由整理相關文獻，探討實驗活動在科學學習上的 重要性，並就目前國內教育現況在實驗活動教學上所產生的問題加以 論述；第四節則是整理科學寫作融入教學的相關研究，用以做為補足 現今實驗活動教學所面臨問題之理論依據。. 認知、情意與科學學習 情意與科學學習 第一節 認知、. 一、建構主義的學習與教學觀. 自1960年進行科學教育改革以來，培養全民的科學素養一直深受 科學教育學者們的重視，所謂「科學素養」至少包括認知、情意與科. 11.
(25) 學過程等三個方面的素養(Welch, 1985)。認知心理學的研究指出，學 習是產生意義之過程，假若在學習的過程中，忽略了情意的成份，則 資訊本身便將毫無意義(Combs, 1973)。教學的主要目的在於幫助學生 獲得知識，而教學的效果除了決定於教師的教，更決定於教師與學生 交互作用下學生的學習(張春興, 1994)。早期的科學教育受實證主義 (positivism)的影響，認為事實是學習者必須透過觀察或感覺經驗，來 認識每個人身處的客觀環境和外在事物。認為真正的知識乃是對應到 實存的自然界知識。也就是知識是客觀的真理，與個體或學習者的主 觀建構無關。然而，它卻忽視了人類主觀意識的價值判斷，視學生為 被動的知識接受者(陳朝平, 2002)。之後教育與心理學探討知識形成 的研究紛紛指出學習者學習的過程是主動的建構，學習者利用先前的 先備知識，來建構屬於自己的知識；建構主義(constructivism)的教與 學觀點便在這樣的聲浪下，逐漸成型。 基於建構主義的觀點，知識必須由認知主體主動建構，而所建構 的知識與認知主體的先前知識及經驗有關。Piaget (1970) 主張「知識 是由個人認知建構而成的」、「學習過程是個平衡狀態」、「學習者 把新資訊同化到舊有的思想結構中」、「在同化過程中，新資訊或舊 有思想結構可能需要作出相應調適；個人學習需視乎每個人發展的成 熟程度而定」、「個人發展的成熟程度可分為幾個階段，包括具體操. 12.
(26) 作期及形式操作期」 ，其可視為建構主義學習觀的根基。張紋琦(2002) 也認為建構主義的教學原理，就是必須讓學習者感受到認知的事實和 本身先前的經驗相衝突的時候，學習者必須調適以達到認知的平衡， 而知識的獲得就是「認知」、「主動建構」、「認知衝突」、「調適」、 「新認知」、「再建構」的方式不斷的建構而成。郭重吉(1992)引自 Driver等人，提出建構主義教學模式(如圖2-1) 。所謂建構主義的教 學，並無特定教學方式，重點在於教師教學時能提供學生多元學習活 動， 讓學生在既有經驗下，經主動探索而建構出屬於自己的知識。 李暉 (1993)指出在知識建構的過程中，具有「感官覺察」、「反省」、 「共同研究」、「達成共識」、「共享」等五個階段，亦即只要符合 此學習過程的教學模式，均可稱之為符合建構主義的教學。. 13.
(27) 圖2-1 建構主義教學模式 (Driver et al., 1986 ; 引自郭重吉, 1992). 就符合建構主義的觀點來看，課程的設計並不是為了老師教學的 方便而設計課程，而是為了讓學生能達到學習目標、有意義學習而設. 14.
(28) 計課程(張紋琦, 2002)。Ausubel也主張，有意義學習即是人類建構行 為的基礎，該項人類的建構行為既是一種心理，也是一種知識論現象 (引自賴美娟, 2006)。由此可見，發展一種能夠幫助學生檢驗，並且 反省在學習過程中知識組織是如何改變的教學或學習策略，便是一種 符合建構主義論者所認為「強調學習的建構本質」的理想工具。建構 主義的觀點對科學教育最大的啟示，在於建構主義者認為「知識的獲 得乃是學習者主動建構的過程」。學生對於他們所處的世界，有自己 的想法、信念和態度，而這些看法是他們自己所建構出來的結果。這 些由個人建構出來的觀點，對於科學的學習將具有很大的影響力。因 此教師必須先瞭解學生的想法，以幫助學生習得正確的科學觀念(余 民寧, 1997)。. 二、個別差異構念之暫時性分類. 教育心理學家一直以來，對於學習者在學習過程中其心智上的建 構與改變有著濃厚的研究興趣，他們普遍認為人類的心智包含：認知 (cognition)、情感(affection)、意念(conation)三個部份 (藍雅慧, 2001) 。張春興(1995)對認知、情感、意念三者的定義如下：. 15.
(29) (一) 認知：係指個體經由意識活動對事物進行認識與理解的心理歷 程，舉凡知覺、想像、辨識、推理、判斷等。 (二) 情感：包括情緒、感情、心境等方面的心理歷程。 (三) 意念：則是一種意識性的動機，也就是個體因自覺內在失衡， 而有意地努力於恢復平衡的內在動力。 Snow、Corno與Jackson (1996)認為進行有關個體學習與發展的差 異這方面的研究時，不應僅將焦點著重在認知層面，有時情感與意念 對於學生才能發展與成就表現的影響力更甚於認知，主導著個體認知 功能的發揮，所以應將知、情、意三者合併探討。他們也進而提出個 別差異構念之暫時性分類 (the provisional taxonomy of individual difference constructs)的主張，如圖2-2:. 圖2-2 個別差異構念之暫時性分類 (Snow et al., 1996 ; 引自藍雅慧,. 16.
(30) 2001). Snow等人(1996)的模式綜合情感、意念、認知三個成份。其細分 如下： (一) 情感：分為性情(temperament)與情緒(emotion)。其中再細分性 情特性(traits of temperament)、特徵化心情(characteristic moods)、一般與特殊的性格因素(general and special personality factors)、價值(values)、態度(attitudes)等變項。 (二) 意念：分為動機(motivation)與意志(volition)。再細分為成就導向 (achievement orientations)、行動控制(action controls)、個人或他 人導向(orientations toward self and others)、生涯導向(career orientations)、個人風格(personal styles)、興趣(interests)等變項。 (三) 認知：則是分為程序性知識(procedural knowledge)與敘述性知識 (declarative knowledge)。細分為一般與特殊的心理能力(general and special mental ability factors)、技能(skills)、領域特定知識 (domain knowledge)、策略(strategies)、技巧(tactics)、信念(beliefs) 等變項(Snow et al., 1996)。 Snow等人(1996)認為個體間的差異雖然為學校、教師帶來困擾， 卻也創造了可能性。教師與課程設計者必須考量學生的能力、學習態. 17.
(31) 度、動機等各方面的差異。並說明在將變項進行歸類之餘，有些變項 其實很難絕對地歸類。例如，興趣雖然歸於動機成分，但也可以是個 體的情感成分；而信念則同時兼具意志性與認知性；分類的目的僅是 希望藉此促進新的系統性研究，進而形成有用的理論(引自藍雅慧, 2001) 。因此，在科學教育相關研究中常會將「情感」與「意念」合 稱為「情意」，並將動機、態度、興趣、信念、價值……等面向歸屬 於情意的範疇。本研究以Snow等人所建議的個別差異之暫時性分類 為理論基礎，進行研究的設計與尋找兼備適切於科學學習的評量工具 的，最後選擇學習成就、學習動機與科學相關態度作為本研究所欲探 討的依變項。. 三、Bloom認知分類論. 美國教育心理學家Bloom (1956)首先主張將學校的教學目標分為 三大類：(一)認知領域( cognitive domain)、(二)動作技能領域 ( psychomotor domain)、(三)情感領域(affective domain)。其中最為國 人所熟悉為「認知類所訂定的教學目標」，當初其所制定的細目為： 知識(knowledge)、理解(comprehension)、應用(application)、分析 (analysis)、綜合(synthesis)、評鑑(evaluation)。希望透過這個分類方式. 18.
(32) 讓老師確切把握教學目標，這六個目標也是學生經過教學活動後希望 被養成的認知方面的能力(張春興、林清山, 1992；黃光雄、楊龍立, 2000)。此教育目標分類表是一個以教師或專家的期望及預期學生之 學習成效，來作為分類敘述的架構。Bloom認為這份分類表，並不只 是希望作為教師進行教學與評量的工具，也希望它能夠被當成是一個 「觀察學生學習情形」的分類方法。分類表的類別從簡單到複雜，從 具體到抽象。利用原始的分類表，教師可以分類出課程的目標與測試 的項目，以顯示目標是否缺乏廣度。這樣的分析，為複雜的課程與測 驗目標提供了堅實的基礎。該分類表多年來一直廣被國內外教育界所 採用，舉凡：教育概論、教學原理、測驗編製、教材教法，咸以此分 類表作為教育工作者必備的知識之一 (黃光雄、楊龍立, 2000) 。 隨著近年來教育領域中相關學術研究不斷累積研究成果與專家 們的反覆思量，尤以認知心理學的相關研究為鉅，咸認為應該重新檢 討與修訂Bloom於1956年所提出的分類表。經過多年的討論，在2001 年修訂版的Bloom分類表出刊(葉連祺、林淑萍，2003)。在教育心理 學中，Piaget於1970年提出「認知學習論」，成為解釋學習行為的主 要理論之一；Maslow於1970年提出「需求層次論」，強調學習動機 的重要性(引自張春興、林清山, 1992)。在課程設計與發展的模式中， Stenhouse於1975年提出「歷程模式」主張藉由教學程序與學生學習行. 19.
(33) 為為指標，來評量所設計的課程，強調活動歷程本身才是進行教學的 目的，也就是強調過程的重要性。此外於二十世紀後期建構主義的盛 行、後設認知概念的強調，皆成為新興的教育議題與主張(黃光雄、 楊龍立, 2000)，這些都間接促成與影響了舊版Bloom認知教育目標分 類表的修訂。修訂版與舊版的分類架構比較，其中最大的改變乃是將 原為單向度的分類架構分為「知識」(knowledge)與「認知歷程」 (cognitive process)兩個向度的架構，其中的知識向度再分成事實 (factual)、概念(conceptual)、程序(procedure)和後設認知(meta-cognitive) 四個類別，代表了學生學習成果的累積，可協助教師區分教什麼；認 知歷程向度則分成記憶(remember)、瞭解(understand)、應用(apply)、 分析(analyze)、評鑑(evaluate)、與創造(create)六個類別，代表了學生 在學習時思考的方式與過程，在促進學生保留(retention)和遷移 (transfer)所學得的知識。本研究所使用的「空氣單元成就測驗」則是 依照修訂版的Bloom分類表之六個認知歷程向度定義(如表2-3)，配合 本單元的教學目標形成雙向細目分析表進行試題的組卷。. 20.
(34) 表2-1 Bloom認知教育目標修訂分類表之認知歷程向度內容(修改自葉 連祺、林淑萍, 2003) 類別. 定義與說明. 記憶(remember). 於長期記憶中取出相關的知識. 瞭解(understand). 於口述、書寫、圖像的教學資訊中建構意義. 應用(apply). 面對某個情境執行或使用某個程序. 分析(analyze). 將整體分成許多部份，且決定各部分彼此間與 整體結構的關係. 評鑑(evaluate). 依據規準與標準做出判斷. 創造(create). 將各組成要素加以重組成一個新的整體或結構. 四、學習動機. 學習動機理論研究源起於1932年Freud提出的心理分析論，1960 年完形心理學興起，認為人的心理反應不僅由某一刺激引起，認為學 習是動機的改變。張春興(1990)將動機定義為是一個內在的狀態，是 個人投入與產出的中間過程，無法直接以儀器來測得。蔡執仲、段曉 林及靳知勤(2007)引自Kleinginna等人認為：動機是能使個體產生行動 以及導引行動的方向，企求該行動朝向某一個具有目標的行為，其中. 21.
(35) 影響動機的因素包含有需求的影響、欲求的強度以及行為方向的內在 心理歷程。Brophy (1987)研究學生學習動機時指出，在學習中具有持 續性學習動機，其所呈現的普遍特質(general trait)，會持續不斷地追 求知識與精熟，並且將學習的動機轉變為內在酬賞(intrinsically rewarding)的性質，或是將學習視為一種義務。Nicholls, Nolen和 Patashnick (1985)也在其研究發現，以精熟目標為取向的學習者在學 習過程中，通常比較努力的投入，也擁有較高的學習興趣，並且在參 與學習中獲得滿足感，產生良好的學習成效。針對學生獲得成就的來 源，從動機的目標理論來看，學生會自我設定學習的目標，此學習目 標會影響獲取知識的動機，而獲得知識的動機將影響其學習成效。因 此，科學教師應在實際的教學活動中，瞭解學生本身的學習動機才有 利於教學活動的進行，並提昇學習的意願(張春興, 1995)。 蔡執仲、段曉林及靳知勤(2007)匯整Pintrich、Schunk及Weiner的 研究，發現動機研究由以往僅強調學業成就的傳統動機模式，著重於 機制層面的探討，轉向為以社會認知理論為主的動機模式，強調動機 表現的穩定性。其主張兩者有三個方面的差異： (一) 社會認知的動機模式與傳統的動機模式相較之下，其所顯現 的動機樣貌具有動態性質，並且擁有多重面向，其中包含自 我效能、內在動機、自我歸因以及學習目標等。因此，為了. 22.
(36) 整體性的論述學生學習動機，必須轉變單一面向為多元面向 的角度探討學生整體動機所呈現的樣貌。 (二) 在社會認知的模式中，動機對個人而言，並非穩定不變，而 是具有情境化(situated)、脈絡化(contextual)和具特定領域的 (domain-specific)特質。換言之，雖然學生的動機能夠藉由不 同的教學方式引發，但是學生的動機仍依賴學校或是課室中 的情境及脈絡，意味動機會隨環境或情境而發生改變，學生 的動機可能受學科內容或不同的課室環境影響。 (三) 以社會認知的層面論述動機理論模式，影響學生動機的中心 概念，必須融合文化、社經背景、個人特質等等直接影響學 生動機表現和學習成就等因素，這些因素雖然是外在的影響 因素但仍是由個人主動地控制。此自主的控制過程對個人、 情境、總結性學業成就、和未來學習成就皆具重要的影響， 所以情意因素在影響個人學習上扮演重要的角色。 綜合上述，具有正向學習動機的學生，其學習應是一種自然且自 願的過程。Midgley、Maehr和Urdan (1993)整合相關研究，發展出一 份「動機問卷量表」(Patterns of Adaptive Learning Survey, PALS)，國 內則由段曉林、靳知勤與謝祥宏(2001) 進行此量表的編修，以適合 我國學生使用，本研究也以此做為探討學生進行理化學習時的動機影. 23.
(37) 響因素。此量表包含的六個向度與定義如表2-4所示：. 表2-2 科學學習動機量表之分類向度內容(蔡執仲、段曉林, 2003) 類別. 定義與說明. 自我效能(self efficacy) 學生學習科學相關知識時，對自己科學學習 能力的把握，有信心獲得好成績以及能有信 心面對未來學習任務的挑戰 主動學習策略(active. 學生學習科學時，主動採用一些學習策略，. learning strategy). 將新知識與以往的經驗或知識加以連結，建 構新的知識，並主動對於無法理解的知識及 概念進行深入的學習. 科學學習價值(science. 學生在科學學習的過程中，能夠體會科學的. learning value). 價值，如對科學知識的運用、探究的重要性 以及體會科學是另外的一種思考方式等. 表現目標導向. 學生學習科學的主要目的，不僅是為了能比. (performance goal). 同儕有好的外在表現或能吸引教師的注意 力，而是內心的自我滿足為主. 成就目標(achievement. 學生在科學活動當中，藉由對於學習任務的. goal). 挑戰來滿足自己的成就感. 24.
(38) 學習環境誘因(learning 學生在學習科學的過程中，對於課程的改變 environment. 以及對教師所營造課室氣氛的感受。. stimulation). 五、科學態度. 自Krathwohl等人提出情意領域的教學目標以來，關於興趣、信 念、價值、鑑賞等培養，即成為教師及科學教育學者們所重視的要項 之一(莊雪芳, 2002)。科學態度之所以受科學教育學者所重視，主因 在於學生對於某一學科的正向態度，會使他們更願意學習該科目，極 可能使學生延續他在該領域的發展，且態度與學習成就有關，學生具 有的正向態度也會提升其認知的發展(Myers & Fouts, 1992)。這樣的 觀點可在Germann (1994)的研究得到支持，其研究發現一個對科學有 正向態度的學生，會對科學實驗與相關活動感到興趣，透過這些活動 將提升他的推理能力，且促進其認知發展。鄭湧涇(1994)也認為對科 學的態度不但會影響各項科學學習成就，亦會影響其如何看待與應用 科學知識及科學資訊；因此，在教學過程中，培養學生對科學及科學 家持正面而積極的態度是重要的。 「科學態度」一詞所包括的範圍相當廣泛，界定也相當模糊。莊. 25.
(39) 雪芳(2002)引自Aiken及Munby將態度分為三種形式： (一) 對科學的態度(Attitudes toward science)：指對科學或特別的 科學學科的態度或感受 (二) 對科學家的態度(Attitudes toward scientists)：指對科學家或 科學家所從事的活動的態度 (三) 科學態度：(Scientific attitudes)：是比較具有認知特性的科 學態度，指與科學方法有關的知識或態度 若依所評測的態度內容，則可將態度分成五大類： (一) 科學態度 (Scientific attitudes) (二) 對科學生涯的態度(Attitudes to science careers) (三) 對科學教學的態度(Attitudes to science instruction) (四) 對特定的科學議題的態度(Attitudes to specific science issues) (五) 對科學的態度(Attitudes to science itself) 鄭湧涇與楊坤原(1995)整理相關文獻，提出可將科學態度分成兩 大類，一類是「對科學態度」指對科學的興趣、對科學家的態度、對 科學家的社會責任之態度等；另一類則是「科學態度」，如好奇心、 虛心、誠實、不妄下結論、適當懷疑等。並有感國內對科學的態度之 相關研究，其構念不夠明確，測量工具缺乏心理計量品質，將Fraser. 26.
(40) (1978)所發展的「科學相關態度量表(Test of Science Related Attitudes, TOSRA)」進行修訂，其中包含七個向度： (一) 科學之社會意涵(social implication of science) (二) 科學家之常態性(normality of scientist) (三) 對科學探究的態度(attitude to scientific inquiry) (四) 秉持科學的態度(adoption of scientific attitudes) (五) 對科學課的喜愛(enjoyment of science lessons) (六) 休閒性科學活動的興趣(leisure interest in science) (七) 科學生涯的興趣(career interest in science) 本研究所界定對科學的態度之範疇，乃依科學相關態度量表所訂 定七個分向度，選用與實驗活動教學較為相關的對科學探究的態度、 秉持科學的態度及對科學課的喜愛為研究探討的層面，藉此瞭解研究 處理前後學生所持有的對科學的態度之情況是否有產生改變，期望作 為日後科學教育相關研究參考之依據。 由於受到世界各國科教學者對情意目標重視之影響，近年來有關 學生科學的態度之研究，與過去相較之下，有逐漸增多之趨勢。茲就 國內外相關研究成果主要可分成兩類，一為探討如何提升學生對科學 的態度；再者為不同背景變項的學生其對科學的態度之比較。在提升 對科學的態度部分，主要著重在教師多樣化的教學策略可否提升學生. 27.
(41) 對科學的態度(林志彥, 1998)。如：融入科學史的教學(莊蕙元, 2002； 楊燕玉, 2000)、主題式的教學(朱正誼, 2001)以及探究式導向的課程 (Parker &Gerber, 2000)其研究結果皆對學生的科學態度有正面的影 響。但是必須符合一個前提：課程的設計必須配合學生的程度，如此 方能達到提升的效用。而在學生背景變項在對科學的態度部份，各學 者的研究結果仍相當分歧。如學生對科學的態度是否具有性別差異現 象而言，有些結果指出不同性別的學生其對科學的態度無顯著差異 (曹曉文, 2001；龍麟如, 1997；Greenfield, 1996)，而Weinburgh (1995) 在分析了1970至1991年間的文獻之後指出，對科學的態度具有顯著的 性別差異現象，顯示在性別方面的研究結果並不一致。而在年級方 面，龍麟如(1997)及Greenfield (1996) 的研究均指出：隨著年級的增 加，學生對科學的態度有下降的趨勢， 此與Yager及Penick (1986)的 研究頗為一致。但在莊嘉坤(1995)的研究卻指出，年級愈高的學生喜 歡上自然課的比率較低年級學生高，顯示在不同年級間的差異現象， 仍未有一致性結果。而在不同地區方面，在莊嘉坤(1995)對高屏地區 國小學童的研究中，喜歡上自然課的比率隨年級增加而提升。這項結 果與龍麟如(1997)針對台北地區國小學童的研究所得之結果恰好相 反，其研究結果顯示， 隨著年級的增加，其所持之對科學的態度卻 呈現下滑的趨勢。由上述可知，有關學生科學的態度之研究其理論基. 28.
(42) 礎不夠堅實，導致研究結果的詮釋頗有缺失，因此仍需要更多的科學 教育學者再投入更多關注(鄭湧涇, 1994)。. 第二節 空氣單元概念之相關研究. 本節分析探討學生在空氣單元的另有概念，並進一步了解相關研 究中促進學生學習空氣單元成效的策略，以利教學活動的設計與進 行。. 一、空氣單元的另有概念. 氣體雖然是在生活中是屬於時常接觸到的一種物質，但由於氣體 粒子非常的小，在肉眼上觀察不易，因此相較於液體或固體，對於學 生在學習上屬於較抽象的物質概念。許多國內外的科學教師皆認為 「物質之微粒理論(或模式)的教學」對很多不同年齡層的學習者而言 均非常困難(林財庫, 2004)。Andersson (1990)也指出「在日常生活的 思維方式中，物質(包括氣體)被視為是宏觀、連續、靜態、和沒有真 空的存在。在另一方面，科學思維則視物質為微觀、微粒、動態和有 真空存在」。因此學生學習氣體之微粒理論時其認知的過程和規律是. 29.
(43) 從宏觀到微觀、從連續到斷續、從靜態到動態、從無真空及無交互作 用到有真空和有交互作用，故在這樣轉化的過程，學生就容易形成另 有概念。 以下為研究者收集相關研究與文獻，經由分析整理後將學生常見 的另有概念分為三個部分進行了解，茲將分類的定義如下，(一)空氣 的組成與基本性質：對空氣的組成與性質有感官與認知上的錯認；(二) 空氣的粒子性：無法將空氣認為是以粒子狀存在或對空氣的粒子性缺 乏正確概念；(三)氣體的運動與相關定律：對於空氣的運動及相關理 論、定律的不瞭解或錯誤解釋。 (一) 空氣的組成與基本性質： 1. 氣體看不見、感覺不到故不存在(Mas, Perez & Harris, 1987) 2. 氣體不佔空間故不存在(Mas, Perez & Harris, 1987) 3. 氣體不是物質(認為只有可見的固體和液體才是物體或物質，氣 體和其他不可見、沒有重量的東西等都不是物質)(Stavy, 1990) 4. 氣體不可捉摸、虛無飄渺，與思想或靈魂同類(Brook & Driver, 1989; Mas, Perez, & Harris, 1987) 5. 氣體是一團團如雲般流動的物質或流體(黃湘武、黃寶鈿, 1986) 6. 誤認空氣和其他氣體是純物質。例如認為氣體 = 空氣 = 純物 質 = 水蒸氣(Bar& Gaglili, 1994). 30.
(44) 7. 氣體是物質，但它沒有重量(質量)或重量(質量)為負(Brook & Driver, 1989; Stavy, 1988) 8. 空氣存在否可透過感官判斷(Se’re, 1986). (二) 空氣的粒子性： 1. 無法想像空氣的粒子性(黃湘武、黃寶鈿, 1985) 2. 沒有「物質(包括氣體)具有基本組成」的觀念。儘管一些學生可 能會認為物質可以分解為很小的顆粒，但卻不知道(或不認為) 這些小顆粒是構成物質的基本組成，不知道這些基本組成在某 種條件下會形成各種物質(Pfundt, 1981) 3. 氣體是由一團團(一塊塊)如雲般的流體所組成，它們是靜止 的，有風才會動(Andersson 1990) 4. 氣體是由顆粒所組成，這些顆粒沒有一定的大小和形狀，顆粒 之間沒有空隙，靜態的充滿整個空間或容器中，因此氣體的體 積就是所有顆粒的總體積(Andersson, 1990; 李明中, 1993; 洪 振方, 1987; 黃寶鈿, 1990) 5. 氣體是由小顆粒所組成，這些顆粒是靜止的，而且小顆粒間有 很大的空隙(Novick & Nussbaum, 1981) 6. 學生普遍認為容器中的氣體顆粒會聚集在容器的氣嘴口或底部. 31.
(45) (Novick &Nussbaum, 1978) 7. 空氣受熱膨脹是空氣的組成顆粒自身膨脹的結果；又容器抽氣 後小顆粒也會膨脹，然後分解成更多更小的顆粒以便再度佔滿 空間(李明中, 1993; 黃湘武、黃寶鈿, 1986) 8. 密閉容器中，氣體壓力是氣體粒子充滿空間，互相擠壓造成的， 而非互相碰撞(洪振方, 1987) 9. 九年級學生能以粒子層次解釋氣體概念，但鮮少能推及於固體 及氣體概念(Stavy, 1988) 10. 多數國小二到四年級學童認為空氣具有連續性而非粒子性， 8% 二到四年級學生能繪出氣體粒子模型概念，但不完全正確 (Benson, Wittrock & Baur, 1993) 11. 氣體無法切割成更小粒子(蘇育任, 2004) 12. 高一、高二學生超過60%能以粒子模型來描述氣體相關念，但 其概念並不穩固，可能受題幹的暗示而改變想法(鄭志鵬, 1998) 13. 能以粒子模型描述氣體的學生不一定能用粒子概念來解釋氣 體行為，學生只是單純接受氣體或物質是由許多分子組成，可 以用一顆顆粒子來描述(鄭志鵬, 1998). 32.
(46) (三) 氣體運動與相關定律： 1. 氣體有重量，但在有氣體參與的狀態變化中質量不守恆(例如 在物理變化中，液體變氣體後質量(或重量)減少(Bar& Travis, 1991) 2. 在化學變化中若有氣體產生則質量不守恆(Andersson, 1990) 3. 存在氣體顆粒均勻分布後即停止運動的迷思(Novick &Nussbaum, 1978) 4. 空氣存在否和其運動狀態有關(Se’re, 1986) 5. 空氣須先受外力作用(加熱、擠壓等)，處運動狀態下，才會產 生作用力(壓力);平衡狀態下，空氣沒有作用(Se’re, 1986) 6. 空氣產生的作用力是單一方向(Se’re, 1986) 7. 若地球表面上沒有空氣則物體將不會下落，物體的重量將變 成零(Ruggieroet et al., 1985) 根據研究者分析文獻之結果，發現學生們最易產生另有概念的為 「空氣的粒子性」，研究者認為「空氣的組成與基本性質」與「氣體 的運動與相關定律」對學生而言是可以藉由背誦或精熟的方式來記 憶，惟有「空氣的粒子性」概念在本單元中是屬於較為抽象的，所建 構出的知識也會因人而產生較大差異性。. 33.
(47) 二、粒子概念與教學建議. 粒子概念是科學家嘗試以微觀的角度去解釋物質現象的一種模 型，但粒子模型並非以觀察方式所得，也不是用儀器探測得知，而是 科學家以「想像」方式所推測出來的模型。因此，學習粒子概念也必 須透過「想像」的方式，這也是學習粒子概念最困難的地方(黃瑞仁, 2002)。Nussbaum (1998)也認為粒子觀點是一個很重要的知識論議 題，它攸關於教師的教學與學生的學習。粒子概念是在不同的科學學 科中，皆使用來解釋不同的科學現象，例如物質狀態的轉變、化學反 應、水循環、氣體性質、擴散作用與細胞生物學等(Harrision & Treagust, 2002)。粒子概念是在國中時期的課程中才開始介紹引入，一直到高 中課程的教材中，還持續描述並深入探討。對課程學習而言，粒子概 念是非常基礎且重要的觀念，如果學生沒有建立出正確的粒子概念， 便無法理解並說明自然科學中的許多現象。 Vos與Verdonk (1996)整合了基本粒子概念，提出五項在相關課程 中應設計與命題概念：(一)氣體是由不可見的粒子所組成的；(二)氣 體粒子在密閉空間中為均勻散佈的；(三)氣體粒子是不斷持續運動並 且是彈性碰撞的；(四)在物質三態變化中，粒子的體積大小是不變 的；(五)組成物質的粒子，在其三態中都是不斷運動的，氣體運動最. 34.
(48) 快、液體次之，固體中的粒子運動最慢。黃瑞仁(2002)引述Mitchell & Kellington及Johnson的相關研究認為學生的粒子概念是由教學得到 的，一旦產生錯誤的粒子概念，就很不容易改變，並難以接受正確的 粒子概念，因此我們應該注重粒子概念的教學。並建議教師應提供學 生非常簡單的粒子理論解說，課程設計要能讓學生漸漸理解粒子理 論，而活動設計也要配合學生的程度與能力。Benson, Wittrok & Baur (1993) 曾對1098位國小二年級至大學化學系學生，以繪圖的方式來 探討學生對氣體粒子的概念，分析學生繪圖的含意中發現學生對氣體 粒子的認知相當有限。Tytler (1998)則認為透過適當的教學活動，較 能讓學生熟悉某一概念，並將其成功地應用於某些現象上；並且透過 同儕或教師的討論會重新定義或延伸他們的想法，使之較不容易隨時 間而改變。Tsai (1998)在研究台灣國二學生實施基礎原子理論教學 後，學生的科學成就、科學認知信念及其認知結構間的關係皆有增加 的趨向。其研究指出，相較於學習科學持經驗認知觀點的學生，持建 構式觀點的學生較易記憶更多的資訊、適應性亦較佳，也較易有正確 的知識回憶能力，同時有較佳的後設認知能力。但在資訊回饋速率 上，則是持經驗認知觀點的學生較優於持建構式觀點的學生。 空氣單元的相關概念對於學生而言是個抽象難以理解的，因為無 論是微觀粒子、不可見的性質與組成……等等，在學生學習本單元. 35.
(49) 時，教師常會藉由實驗活動的方式，來讓學生體會氣體的性質，研究 者則是以如何協助學生與教師產生更好的知識理解為出發點，進行本 單元實驗活動教學的規劃，希望使學生能在達到教學目標之前提之 下，有效地提生學習成效。. 第三節 實驗活動教學的相關研究. 一、實驗活動的重要性. 實驗活動一直以來是科學教學所不可缺少的一環，而科學教育的 重要功能之一在於：提供合適的機會讓學生認識科學，學習科學，進 而應用科學知識於日常生活中，而實驗室正式提供學生一個好的機會 學習科學(張惠博, 1993)。實驗是獲得科學知識的基本工具和最佳途 徑，從科學發展史中可以發現科學知識大部分來自於自然觀察和科學 實驗，尤其是許多科學理論的演進皆取決於實驗結果之證實與啟示。 經由教師對實驗的安排，學生能藉此獲得科學知識或檢驗科學知識 (林陳涌, 1996)。實驗活動且能提供學生進行彰顯、演示與驗證他們 已知概念與定律的場所，所以優良的實驗活動可以提供學生進行知識 建構的機會(Tobin, 1990)。Tamir (1976)指出實驗活動可幫助學生培養. 36.
(50) 正確的科學態度及科學過程技能，並提出四個支持實驗教學的理由： (一) 科學包括高度抽象及複雜的主題，未達型式操作的學生，在沒 有操作事物機會時，無法瞭解科學 (二) 實驗室的工作可以提供學生鑑賞科學之方法及精神的機會 (三) 實際之經驗增進了技能的發展，有廣泛的類化效應 (四) 學生一旦喜歡實驗活動，將更有興趣於學習科學 國內學者許榮富和趙金祈(1989)對於科學實驗的功能也曾進行 廣泛且深入的研究，他們指出：實驗教學具有培育科學態度、理解科 學本質、發展認知能力、建立科學概念與發展科學實驗過程技能五大 功能。這與建構主義的觀點：學習就是學習者依自己既存的經驗及知 識，去解釋知識、建構知識的過程的理論基礎是相近的。Tobin (1990) 也明列出科學實驗活動具有以下六種學習功能： (一) 具有建構主義與有意義的學習的功能 (二) 具有培養問題解決能力的功能 (三) 具有合作學習的功能 (四) 具有讓學生參與的功能 (五) 具有評量學習成效的功能 (六) 具有使教師成為研究者的功能 因此在這觀點下，我們應該給學生較多的機會，對自己所學的知. 37.
(51) 識，由較實際、直接的方式去體驗，並讓學生有時間去思考，以便能 夠真正了解它們自己在學什麼。林陳涌(1996)也認為科學理論或知識 是經由累積大量的經驗證據(empirical evidence)得到的，經驗證據即 實驗或感官觀察的結果，而科學理論或知識的驗證基本上就是檢驗科 學理論和經驗證據是否吻合。因此，實驗教學除了可提供學生進行知 識建構的機會，更能給學生具體的學習經驗，使科學的理論和概念與 實際觀察所得發生連結，所以實驗課在自然科教學上具有很重要的功 能性及地位性。因此學生在學習科學的概念或定律時必須先擁有經 驗，而這些經驗最適當的來源就是實驗活動，學生可以在實驗中瞭解 這些概念。就建構主義的觀點而言，學習就是學習者依自己既有的經 驗及知識去解釋、建構知識的過程，而一個好的實驗教學活動就可以 提供學生實際建構知識的機會(黃敏彥, 1997)。. 二、實驗活動教學的模式. 自 1918 年Wiley探討實驗活動教學和傳統教學的不同開始，一個 成功的實驗活動應具備哪些特質，一直以來都是研究者們亟欲釐清的 一個課題。Shulman和Tamir(1973)認為實驗活動的應具備下列特徵： (一) 實驗活動提供學生辨認迷思概念的機會。. 38.
(52) (二) 學生經由實驗活動可以培養出實驗技能，同時可以讓學生瞭解 科學、技學以社會之間的關係。 (三) 藉由實驗活動來發展某些技能是重要的，如操弄、探究、組織 和溝通等等。 (四) 實驗活動可以促進認知技能的發展，如解決問題、分析、推理、 評估、作決定和批判思考等能力。 (五) 學生可以在實驗室中參與實際的活動並提供學生有意義而又不 致於太困難的經驗，如此可增進學習的動機。 (六) 透過實驗活動，可以讓學生瞭解科學研究的意義，如假設、預 測、結論和建立模型等。 (七) 培養科學的態度，如誠實、接受實驗的失敗、對結果的解釋、 任務的完成、培養好奇心、責任感及自信心等。 Tobin (1990)也表示學生經由實驗活動能夠學習科學探究的方 法，進而瞭解科學本質及培養從事科學研究的態度，而好的實驗活動 可以提供學生進行知識建構的機會。Elizabeth (1990)認為實驗活動內 容應遵循下列原則： (一) 可以學到操作技巧並且增進對儀器設備的瞭解 (二) 瞭解科學探究的意涵並且能獲得與探究相關的經驗 (三) 從事設計及動手進行實驗，獲得的資料能進一步分析及解釋. 39.
(53) (四) 實驗活動要能適合個別差異並提供深刻的學習經驗 (五) 成功的實驗才能促進學生的學習動機，而且能體會到科學的可 控制性。 Domin (1999)則將實驗教學模式分為說明式、探究式、發現式及 問題為中心式。就實驗活動進行的方式可將這四種實驗教學模式分成 兩類，說明式和問題為中心式採用的是推理的方式，提供學生一個基 本原理以利瞭解特殊的現象；發現式和探究式的課程則屬於歸納的方 式，藉著觀察一些特殊的例子，學生自己推論出基本原理。以下就這 四種模式進行介紹： (一) 說明式教學(Expository Instruction) 在說明式的學習環境中，教師訂出要探討的題目，並指導學生做 實驗。學生遵循教師的教導，或從實驗手冊中讀取實驗步驟，最後可 獲得自己和教師都已知道的結果，得到的結果是用來與預期的結果作 比較。說明式實驗教學，發展至目前的形式，已經符合最少的資源、 時間、空間、設備和人員的需求。 然而，說明式的課程就像食譜一樣，僅跟著一定的步驟去蒐集所 需的資料。實質上並沒有去注意實驗活動的設計或結果的解釋，被認 為是不強調思考的重要性，對概念改變是一種無效的方法，而學生對 實驗的記述往往只是照本宣科，無法產生意義的學習。但若要使學生. 40.
(54) 經由說明式學習而產生意義學習的歷程，則需要藉由教師的教學技巧 予以促成。Ausubel (1968)認為在說明式教學模式中，學生的求知心 理活動其實仍是主動的。在學習一種知識時，學生在教師提供的前導 組織引領下，嘗試運用其既有的先備知識，從不同角度去吸收新知 識，最後納入他的認知結構，成為他自己的知識。 (二) 探究式教學- 非引導式探究(Inquiry Instruction; unguidedInquiry) 探究法可區分為非引導式探究(unguided inquiry)或稱探究式、及 引導式探究(guided inquiry)或稱發現式兩類，是以學生和教師在探究 過程中所扮演的角色為分類依據。以非引導式探究為中心的實驗教 學，要求學生發現問題、指出變因、形成假設、並根據控制變因的原 則自行設計實驗、執行實驗以驗證假設、最後歸納出結論。學生扮演 的是主動積極的角色，而教師是居於協助的地位，不給予任何指導。 非引導式探究教學法是讓學生仿效科學家的探究，將學生視為一個小 小科學家。學生由探究的過程中獲得知識並對概念、原則、模式、理 論有充分的了解。在促進學生對科學的正向態度及培養批判性思考上 有極大的助益(林寶山, 1988)。 雖然探究式教學法在自然學科的教學上極有價值，但有些教師會 發現他們未能勝任此種教學法，常無法回答學生在探究過程中所提到. 41.
(55) 的問題。這種情形與教師在大學裡欠缺研究、調查方法的背景有關。 另一種原因則是來自學生的升學壓力，使得教師重知識的傳授而輕探 究技能的教學(林寶山, 1988)。Domin (1999)也在其研究指出美國於 1960 年代曾嘗試建立探究式教學法但卻失敗，歸納其失敗的原因包 括： 1. 對於學習者的短期記憶區之需求過多 2. 沒有讓學生真正有機會去練習和發展重要的探究技巧 3. 太過強調科學過程而忽略科學內容 4. 誤將科學探究與非引導式的學生探究相提並論。 因此，以探究式教學進行實驗活動，似乎還有很值得探討的空間。. (三) 發現式教學法- 引導式探究(Discovery Instruction ; GuidedInquiry) 發現式(引導式探究)實驗教學是以Jerome Bruner的理念為主軸。 Bruner主張在實際教學情境中，應設法安排有利於學生發現各種「結 構」的情境，而且必須讓學生自己去發現這些有價值的結構。布魯納 認為教師應鼓勵學生藉操作探索、對照、比較、尋找、矛盾、運用直 覺思考、特殊策略等發現的捷思法(heuristics)把教材的最終形式，也 就是知識，發現出來。發現式教學法的主要目的在教導學生學習的方. 42.
(56) 法，亦即在協助學生「學習如何去學」。在此種教學過程中，教師可 在學生進行探究之前，或在探究之中給予指示和引導，而後再讓學生 進行探究並自行發現答案所在(林寶山, 1988；朱敬先, 1997)。 在實驗教學上發現式與探究式教學法同屬於誘導歸納的。藉由研 究一個現象的特殊範例，學生能夠對潛藏的原理發展出一般性的瞭 解。發現式(引導式的探究)學習與探究式(非引導式的探究)學習在教 學的結果以及所做的步驟兩方面不同。在探究式實驗教學法中，學生 必須自己設計實驗步驟，而老師和學生都不知道實驗結果，但是在發 現式實驗教學的環境中，老師藉由設計好的實驗步驟，引導學生去發 現想要的結果(Domin, 1999)。朱敬先(1997)分析發現式教學法的相關 文獻，認為發現式教學法實施時會有以下問題： 1. 要使用發現教學法，必先具備一個先決條件，那就是學生必 先具有相當的先備知識與先備技能，否則無從主動從事發現 學習。 2. 因團體中各個學生智力與經驗不同，率先發現原則的資優者 的表現，往往對思想較為緩慢者造成極大的精神壓力；因而 對後者將來的學習形成不利的影響。 3. 老師是否要等每個學生都發現了原則原理，才進行新單元的 教學？學生是否要經歷發現每項原則原理之後，才能學會？. 43.
(57) 發現法在教學進度的掌控與教學目標的達成方面，似乎還存在 著必須去克服的問題。 (四) 問題為中心的教學法(Problem-based Instruction) 以問題為中心的教學法是由Wheatly提出的一種教學法，這種教 學模式的精神是由同學的合作中，找出解決之道，與大家分享其問題 解決的過程與結果。其中包括三部份：任務(task)、小組(group)、分 享(sharing)，並有一些在應用於教學時需要注意的準則(引自蔡瑞琴, 1998)： 1. 問的問題是否為學生有興趣、想要解決的？ 2. 學習過程中溝通是很重要的，因此活動以合作小組方式來呈 現。 3. 探究推理的過程比獲得正確答案來得重要。 4. 促使學生發展應用所學於生活情境的信心。 張春興(1994)認為教師提供問題讓學生解決之前，必先確定學生 對解決該問題所需要的各項原則已經瞭解。Cheronis (1962)也認為在 學生尚未了解原則之前，即要求他們去執行一個問題解決的計畫完全 是在浪費時間。而教師在提出問題時，必須先對問題情境有所說明， 教師必須針對學生對問題理解的程度，給予適度的解釋，俾使學生的 先備知識與問題情境相連接。然後希冀他將已知悉的有關原則，適當. 44.
(58) 的配合運用在問題關鍵上而使問題獲得解決(張春興, 1994)。. 三、國內實驗活動的概況與問題. 自教育部九年一貫課程修訂綱要中提出，國中小學生學習科學應 學會如何進行探究活動，如觀察、詢問、規劃、實驗、歸納、研判， 也培養出批判、創造等各種能力，就可明白實驗活動教學在我國的科 學教育發展上是倍感重視的。同時也強調應以實驗或實地觀察的方式 去進行學習，讓學生獲得處理實際事務的機會，並培養解決問題的能 力。林嘉慶(2007) 的研究中也提到九年一貫課程強調教學以學生為 主體，引導學生做探究，培養學生具有「能力」的科學素養，並期望 課程安排的實驗活動能夠提供學生機會直接觀察、使用工具、蒐集資 料並由實驗中瞭解科學理論及建構知識，正符合建構主義的原則。但 升學主義的日漸影響下，有些教師認為實驗教學效果不彰，帶學生進 實驗室的意願低落(黃寶鈿、劉靄雯, 1993)。江武雄、郭重吉與張文 華(1997)對 874 位教師進行問卷調查，其研究結果顯示造成實驗教學 困難的最重要因素是學生沒有預習準備，其次是學生的學習動機低 落。以下根據相關文獻整理四項造成實驗教學無法達到成效的原因：. 45.
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