中部地區國小學童奈米科技核心概念素養調查

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(1)國立臺中教育大學科學應用與推廣學系科學教育碩士學位碩士論文指導教授：許良榮博士. 中部地區國小學童奈米科技核心概念素養調查 A Survey Study on the Core Concepts of Nanotechnology Literacy of Elementary School Students in Central Taiwan. 研究生：陳欣琦撰中華民國 101 年 1 月.

(2) 中部地區國小學童奈米科技核心概念素養調查. 摘要本研究旨在調查中部地區國小高年級學童的奈米科技核心概念素養現況，並探討不同背景學童的奈米科技核心概念之差異。研究工具依據黃佳媛等人（2011）彙整之小學奈米科技核心概念，發展「中部地區國小高年級學童奈米科技核心概念調查問卷」。研究對象為99學年度中部地區（臺中市、臺中縣、彰化縣、南投縣）國小五、六年級學童，回收有效樣本1,172人（有效回收率為88.12%），統計分析採用描述性統計及三因子變異數分析。研究結果顯示：（一）學童的奈米科技核心概念素養有待進一步提升；四個向度中，以「奈米的定義」向度之答對率最高，「奈米材料與奈米科技的發展」向度之答對率最低。（二）不同性別的學童在整體奈米科技核心概念素養與四個向度的表現上皆未達顯著差異。（三）不同年級的學童在整體奈米科技核心概念素養與四個向度的表現上皆達顯著差異。（四）不同縣市的學童在整體奈米科技核心概念素養與「奈米的定義」向度的表現上皆達顯著差異。（五）在整體奈米科技核心概念素養與「奈米的定義」向度中，年級與縣市間之交互作用達顯著水準。（六）在「奈米材料與奈米科技的發展」向度中，年級與性別間之交互作用達顯著水準。最後根據研究結果，本研究對於小學奈米科技教學與未來研究方向提出相關建議。. 關鍵詞: 鍵詞核心概念、核心概念、奈米科技教育、奈米科技教育、奈米科技素養. I.

(3) A Survey Study on the Core Concepts of Nanotechnology Literacy of Elementary School Students in Central Taiwan Abstract The purpose of this study is to survey the core concepts of nanotechnology literacy of 5th and 6th graders in central Taiwan and to discuss the differences of the core concepts of nanotechnology among students with different backgrounds. The questionnaire of “The Core Concepts of Nanotechnology of 5th and 6th Graders in Central Taiwan” was developed by the researcher based on Huang et al. (2011). The subjects included 1,172 5th and 6th graders in central Taiwan (Taichung City, Taichung County, Changhua County and Nantao County). Descriptive statistics and three-way ANOVA with Scheffè posterior comparison method were applied to analyze the collected data. The results are as follows: (1) It is necessary for students to further enhance their nanotechnology literacy. They have highest scores on the aspect of “Definition of Nanometer” and lowest scores on the aspect of “Nanomaterial and the Development of Nanotechnology”. (2) The main effect of gender is not significant. (3) The main effect of grade is significant. (4) With the overall nanotechnology literacy and the aspect of “Definition of Nanometer”, the main effect of county is significant. (5) With the overall nanotechnology literacy and the aspect of “Definition of Nanometer”, there is a significant interaction between grade and county. (6) With the aspect of “Nanomaterial and the Development of Nanotechnology”, there is a significant interaction between grade and gender. Finally, this study proposes several suggestions on nanotechnology curriculum for elementary school students and gives directions for further research. Keywords: Core Concept , Nanotechnology Education, Nanotechnology Literacy. II.

(4) 目第一章. 第二章. 第三章. 第四章. 錄. 緒論第一節. 研究背景與動機 ........................................................ 1. 第二節. 研究目的與問題 ........................................................ 5. 第三節. 名詞解釋 ................................................................... 5. 第四節. 研究範圍與限制 ........................................................ 6. 文獻探討第一節. 奈米科技 ................................................................... 第二節. 奈米科技教育 .......................................................... 13. 第三節. 奈米科技核心概念素養與相關研究 ........................ 20. 第四節. 奈米科技核心概念素養之影響因素 ........................ 27. 9. 研究方法第一節. 研究架構 .................................................................. 33. 第二節. 研究對象 .................................................................. 34. 第三節. 研究工具 .................................................................. 35. 第四節. 研究流程 .................................................................. 38. 第五節. 資料處理與分析 ....................................................... 41. 研究結果與討論研究結果與討論第一節. 樣本基本資料分析 ................................................... 43. 第二節. 中部地區國小高年級學童奈米科技核心概念素養之答對率分析 .......................................................... 44. 第三節. 不同背景學童奈米科技核心概念素養之差異分析 .. 53. 第四節. 綜合分析與討論 ....................................................... 65. III.

(5) 第五章. 結論與建議第一節. 結論 ......................................................................... 73. 第二節. 建議 ......................................................................... 75. 參考文獻中文部份 ................................................................................. 79 外文部份 ................................................................................. 86. 附. 錄附錄一. 小學各階段應具的奈米科技概念 ............................ 89. 附錄二. 小學奈米科技概念圖 ............................................. 91. 附錄三. 小學奈米科技核心概念 ........................................... 92. 附錄四. 2001 年版 Bloom 認知領域教育目標之認知歷程向度內容 ...................................................................... 94. 附錄五. 問卷初稿 .................................................................. 95. 附錄六. 預試樣本中各試題刪題後信度係數分析表 ............. 105. 附錄七. 正式問卷 .................................................................. 107. 附錄八. 奈米科技核心概念素養問卷試題選項分析一覽表 .. 112. IV.

(6) 表. 次. 表 2-3-1. 奈米科技概念相關研究文獻 .......................................................... 23. 表 2-4-1. 奈米科技教育相關研究之探討因素與結果 .................................. 27. 表 3-2-1. 問卷發放數量一覽表 ...................................................................... 35. 表 3-3-1. 「奈米科技概念」問卷內容之認知層次雙向細目表 .................. 37. 表 3-3-2. 預試問卷信度分析表 ...................................................................... 38. 表 4-1-1. 研究樣本之背景資料一覽表 .......................................................... 44. 表 4-2-1. 中部地區國小高年級學童「奈米科技核心概念素養」整體得分摘要表.......................................................................................... 45. 表 4-2-2. 「奈米科技核心概念素養」各向度得分摘要表 .......................... 46. 表 4-2-3. 問卷各試題之平均得分摘要表 ...................................................... 47. 表 4-3-1. 不同背景變項學童在「奈米的定義」向度之得分摘要 .............. 54. 表 4-3-2. 「奈米的定義」向度之三因子變異數分析摘要表 ...................... 55. 表 4-3-3. 「奈米的定義」向度之「年級」與「縣市」單純主要效果分析表 ................................................................................................ 56. 表 4-3-4. 不同背景變項學童在「奈米的特性」向度之得分摘要 .............. 57. 表 4-3-5. 「奈米的特性」向度之三因子變異數分析摘要表 ...................... 58. 表 4-3-6. 不同背景變項學童在「自然界的奈米現象」向度之得分摘要 .. 59. 表 4-3-7. 「自然界的奈米現象」向度之三因子變異數分析摘要表 .......... 60. 表 4-3-8. 學童在「奈米材料與奈米科技的發展」向度之得分摘要 .......... 61. 表 4-3-9. 「奈米材料與奈米科技的發展」向度之三因子變異數分析摘要表 .................................................................................................. 62. 表 4-3-10. 「奈米材料與奈米科技的發展」向度之「性別」與「年級」單純主要效果分析表...................................................................... 63. 表 4-3-11. 「奈米科技核心概念素養」之三因子變異數分析摘要表 .......... 64 V.

(7) 表 4-3-12. 「奈米科技核心概念素養」之「年級」與「縣市」單純主要效果分析表...................................................................................... 65. 表 4-4-1. 全體受試學童奈米科技核心概念素養結果摘要表 ...................... 66. 表 4-4-2. 各因子之主要效果結果摘要表 ...................................................... 67. 表 4-4-3. 各因子間之交互作用結果摘要表 .................................................. 69. 圖. 次. 圖 3-1-1. 研究架構圖 ...................................................................................... 33. 圖 3-4-1. 研究流程圖 ...................................................................................... 39. 圖 4-3-1. 「奈米的定義」之「年級」與「縣市」交互作用 ...................... 55. 圖 4-3-2. 「奈米材料與奈米科技的發展」之「年級」與「性別」交互作用 .................................................................................................. 62. 圖 4-3-3. 「奈米科技核心概念素養」之「年級」與「縣市」交互作用 .. 64. VI.

(8) 第一章緒論本章共分為四節，分別說明本研究之研究背景與動機、研究目的與問題、名詞解釋及研究範圍與限制。. 第一節研究背景與動機一、研究背景二十世紀末，科技的發展因應人類生活對微小化、精細化的需求，誕生了一個新的科學領域－奈米科技（劉祥麟，2001）。隨著奈米科技的迅速發展，二十一世紀的今日，奈米產品已融入我們的日常生活之中，其涵蓋的領域範圍甚廣，從民生消費性產業到尖端的高科技領域等，都能找到相關的應用（廖婉茹，2006）。諾貝爾獎得主Ricahard Smalley教授1999年於美國參議院奈米科技聽證會上強調：「奈米科技對未來人類生活福祉之貢獻絕對不亞於本世紀微電子產品、醫學影像、電腦輔助工程、人造高分子材料之總和貢獻。」（引自王崇人，2002）奈米科技對人類的生活將有全面的影響，也被公認為是二十一世紀最重要的科技領域之一（馬遠榮， 2002；徐善慧，2008；鄭天佐，2005）。前美國總統柯林頓（Bill Clinton）曾說：「奈米技術是美國在二十一世紀保持科技領先的關鍵。」（引自龔建華，2002）。奈米技術代表的意義不僅是尺度的縮小，也產生物質世界新的觀念與性質，具有跨領域與跨產業的特性，帶動諸多產業多元化的創新與升級，增強國家經濟競爭力（廖婉茹，2006）。根據美國科技研究公司Lux Research在2006年的預估，到了2014年，奈米科技相關商品的總收益將可能成長超過2兆6,000美元（Su, Lee, Tsai, & Chien, 2007）。因此面臨本世紀高科技發展的全球化競爭，張政義（2008）認為奈米科技的推動將是科技與產業發展的最大驅動力，目. 1.

(9) 前世界各先進國家都紛紛制訂奈米科技發展策略，競相投注大量的人力與資金進行相關的研究開發，設置奈米中心或國家級實驗室，進行相關專業人才的培育，以保持國家科技的優勢與高競爭力的地位（阮國棟、吳婉怡、黃冠穎，2008；馬遠榮，2002；劉瑄儀、林佳青、簡國明，2007）。鑒於全球化趨勢和國際競爭，臺灣政府在2002年由國科會主導，行政院科技顧問組、中研院、教育部、經濟部、原子能委員會及環保署等單位，一共二十五位代表，組成《奈米國家型科技計畫工作小組》，2002年6月通過《奈米國家型科技計畫》，本計畫架構包括（1）學術卓越、（2）產業化技術、（3）核心設施建置和分享運用及（4）人才培育等四個分項計畫。接著自2003年1月開始正式推動《奈米國家型科技計畫》，冀望結合政府、產業、學術、研究各界的力量及資源，建立適合我國發展學術卓越和相關應用產業所需要的奈米平臺。同時加速培育奈米科技所需人才，以奠定我國奈米科技厚實的基礎，進而利用奈米科技帶來之產業與科技創新。楊朝祥（2007）指出，高科技產業發展最重要的是人才的培育，未來的競爭將以知識為基礎，創造及運用知識的技術將成為競爭的關鍵。莊舜弘（2004）認為在全球知識經濟發展的脈絡中，奈米科技正是知識經濟時代的核心知識之一，它需要大量擁有奈米科技知識的工作者，因此培育此方面人才或推展全民認識奈米科技的基本教育，是值得被重視的。臺灣教育部自2003年起負責執行《第一期奈米國家型科技計畫之人才培育分項計畫》，此計畫連續推動六年（2003－2008），主要目的是希望建立奈米科技人才的培訓機制，培養發展奈米科技所需的各種跨領域人才，並串聯小學、中學、高中、大學、研究所、在職訓練甚至終身學習，同時結合學術界與產業界形成一個知識與應用領域的供應鏈（李世光、吳政忠、蔡雅雯、林宜靜、黃圓婷，2003）。由此可看出我國政府對奈米科技人才培育工作. 2.

(10) 的重視與積極推動，藉由政府提供更優質的人才培育及學習環境，增進人民在奈米科技知識的學習與發展上獲得更多元而廣泛的資源，進而增進知識的應用與創造發明的靈活創新。在基礎科學領域裡，科技人才培育向下紮根是重要的要務，國民教育 (K-12)更是推動全民對奈米科技認識的最佳場所（潘文福，2004）。《第一期奈米國家型科技計畫之人才培育分項計畫》包含了在K-12學校教育中的推廣規畫。藉由《奈米科技K-12人才培育計畫》的執行，整合中小學（K-12）的教育資源，提升學生的奈米科技素養，培訓奈米科技所需師資，並積極促進奈米科技教育普及化，培育眾多的奈米科技人才。第一期計畫已於2008年結束，鑒於對我國奈米科技人才培育及產業發展具有關鍵性之影響，有持續推動之必要性，於2008年底緊接著展開第二期奈米國家型科技計畫《國家型奈米科技教育整合計畫》，以統整、延續第一期計畫所開創之成果，並擴大計畫實施範圍及內容創新。. 二、研究動機美國科技教育學者Maley（1983）指出，生活在現代科技社會的人們，具有科技素養的基本能力是相當重要的，而在小學時期透過自然與生活科技的教育，以奠定科技素養，更是厚實國家競爭力的重要管道（王金沼， 2005）。因此，隨著科技不斷的進步，人類的生活產生急遽變化，新興科技如何與當下教學活動結合，以提升人民的科技素養，是一個相當重要的課題。近年來奈米科技迅速的發展，人們在日常生活中接觸到奈米科技產品的機會越來越多，目前國際上標榜奈米科技的上市產品已超過500種（Healy, 2009），奈米與我們的生活可說是息息相關。因此，如何從教育著手，提早培育下一代奈米科技素養，使其能真正了解奈米科技、分辨相關產品之真偽，進而思考奈米科技可能帶來的影響以及潛藏的危機，此乃當務之急 3.

(11) （陳鳳妤，2007）。就目前奈米科技教育在國小推動的情形來看，K-12奈米科技推廣教育已執行多年，雖有不錯的成果，但在現行國小課程中，僅有翰林出版社所發行的六年級上學期國語科，概略性的介紹奈米科技相關知識，最新97年國民中小學九年一貫課程綱要也尚未在國小階段正式納入奈米科技專門課程。此外，過去奈米科技相關的教材，多由現職教師或相關議題的研究者自行研發，因而整體概念的發展與研究較為缺乏（熊召弟、宋家驥、李賢哲、徐式寬、趙毓圻，2010）。由此顯示出，國小奈米科技教育的推廣並未完全普及，在課程設計上也欠缺可依據的完整課程指標。對多數缺乏奈米科技專業知識與額外授課時間的小學教師而言，若有可依據的能力指標，不僅能針對教學目標與學習者的特性設計適合的教學活動，亦能在實際教學後，發展評量試卷檢視學童的認知程度，以針對不足之處加強改善，提升奈米科技教學的成效。近幾年來國內奈米科技教育相關研究大多以教學策略為主題，進而探討學生之學習成效，以奈米科技概念進行評量與探究的研究並不多，針對國小學童整體奈米科技素養的研究則付之闕如。隨著國內奈米科技教育的持續推動，若能透過奈米科技素養的調查，除了可以掌握學生對奈米科技的了解情形，也能提供奈米科技教育一項正向的指標與數據。據此，研究者認為調查分析現今國小學童的整體奈米科技素養現況，是值得進一步探討的研究方向。綜觀目前國內文獻研究，僅黃佳媛、許良榮與陳欣琦（2011）的小學奈米科技核心概念之研究，專門針對國小奈米科技課程，採用大慧調查法諮詢專家意見，建立了小學低、中、高年級學童應該具備的奈米科技核心概念，符合學生程度之各階段的連貫性，可做為編輯國小奈米課程之參考。因此，基於發展素養調查問卷以檢視學童對奈米科技的認知現況之重. 4.

(12) 要性，本研究將以國小高年級學童為研究對象，並依據黃佳媛等人彙整之小學奈米科技核心概念，發展奈米科技核心概念素養調查問卷，探討現今國小高年級學童在奈米科技核心概念素養之現況，以瞭解當前國小學童奈米科技概念不足與欠缺之處。希望未來能將研究結果提供給相關單位，做為加強小學奈米科技教育的教材編撰與課程規畫之參考。. 第二節研究目的與問題一、研究目的本研究旨在利用「中部地區國小高年級學童奈米科技核心概念之調查問卷」，瞭解中部地區國小高年級學童的奈米科技素養現況，並探討不同性別、不同年級和不同縣市的學童對奈米科技核心概念認知的差異情形。本研究結果希望能作為今後國小奈米科技教學的教材設計與課程編排之參考。. 二、研究問題依據上述的研究目的，本研究欲探討的問題如下：（一）中部地區國小高年級學童的奈米科技核心概念素養之現況為何？（二）不同性別的國小高年級學童之奈米科技核心概念有何差異？（三）不同年級的國小高年級學童之奈米科技核心概念有何差異？（四）不同縣市的國小高年級學童之奈米科技核心概念有何差異？. 第三節名詞解名詞解釋一、奈米科技核心概念核心概念（core concept）意指支持學童認知的中心概念，是由最基本的理論所構成，具有強固且不易改變、難以反駁的特性（陳蕙菁，2002）。. 5.

(13) 本研究所依據的奈米科技核心概念，是指黃佳媛等人（2011）以大慧調查法所建立的核心概念指標，共分為五大向度：「奈米的定義」、「奈米的特性」、「自然界的奈米現象」、「奈米材料」與「奈米科技的發展」。. 二、奈米科技核心概念素養素養是指個人對某知識領域的瞭解程度、技能的熟練程度與態度，例如：資訊素養、環境素養、人文素養等（邱貴發，1992）。本研究依據上述「奈米科技核心概念」發展調查問卷，所指的「奈米科技核心概念素養」是以自編問卷的得分為指標，分成整體奈米科技素養及四個分向度（奈米的定義、奈米的特性、自然界的奈米現象、奈米材料與奈米科技的發展），得分越高表示其奈米科技素養愈佳。. 三、中部地區國小高年級學童臺中縣與臺中市於民國99年12月25日起合併升格為直轄市，而本研究進行施測之研究樣本為臺中縣市尚未合併前之中部四縣市國小學童。故本研究之中部地區國小高年級學童，是指99學年度上學期在臺中市、臺中縣、彰化縣及南投縣等四縣市就讀之國小五、六年級學生。. 第四節研究範圍與研究範圍與限制範圍與限制基於上述的研究動機與目的，茲將本研究之研究範圍與限制說明如下：一、本研究因受限於人力、經費與時間等因素，無法實施較大規模的全面性抽樣，故本研究僅以99學年度中部地區（臺中市、臺中縣、彰化縣及南投縣）的國小高年級學童為主要研究對象。因此研究結果之推論有其限制性，不宜過度推論於其他縣市與不同的學習階段。二、本研究運用自行發展的奈米科技核心概念素養問卷來調查國小高年級 6.

(14) 學生的奈米科技核心概念素養現況，因此，所得結果僅限於本研究問卷內容範圍，不宜做過度推論與預測。. 7.

(15) 8.

(16) 第二章文獻探討本研究欲以奈米科技核心概念為基礎，編製奈米科技概念試題，針對中部地區國小高年級學童進行奈米科技素養的調查，以作為未來奈米科技教育之參考。本章共分為四節，分別探討說明奈米科技、奈米科技教育、奈米科技核心概念素養與相關研究以及奈米科技核心概念素養之影響因素。. 第一節奈米科技一、奈米科技的定義奈米（nanometer）一詞最早於 1990 年時由日本提出，它是一種長度單位，一奈米（1nm）代表的是十億分之一公尺（10-9m），大概是 3～4 個原子連接起來的長度，或者約等於人類頭髮直徑的十萬分之一。舉例來說，若將「一公尺」與「一奈米」的大小相比較，其比例相當於地球直徑與一顆彈珠的比。可見奈米極為微小，不僅超出人類視覺可及的範圍，也無法用一般光學顯微鏡觀察，必須使用電子顯微鏡才能看得到（馬遠榮，2002；廖婉茹，2006）。奈米科技（nanotechonology）指的則是奈米尺寸下的科學與技術，也就是在微小尺度上的研究與操控（范賢娟，2009）。根據美國國家奈米科技開創中心的定義指出，只要材料結構的尺寸在 1～100 奈米之間的物化性質研究，和這種材料的製造、操縱及相關量測技術、儀器研發等，都可稱為奈米科學和技術。奈米科技的界定須包括以下三點：（1）物件或結構尺寸範圍介於 1～100 奈米之間的研究及技術發展；（2）創造或應用的元件、架構或系統達到奈米等級時，產生特殊的性質與功能；（3）具有控制或操作原子等級物件的能力（葉安義，2004）。可知奈米科技的意義不僅是尺度的 9.

(17) 縮小，當物質的尺寸微小化到奈米程度時，其特殊的奈米結構會使物質的基本物理及化學性質產生變化，例如力學、光學、電性、磁性、熱傳導等方面，表現出異於一般巨觀理論下的特殊功能，進而衍生出許多新的產品與應用（阮國棟等人，2008；嚴鴻仁、徐善慧，2008）。. 二、奈米科技的重要性綜觀二十一世紀各種新科技發展，無非是從原子、分子尺度到巨觀結構，由下而上的科技應用，奈米科技是跨領域交集發展的綜合性科技，舉凡物理、化學、材料、光電、生物及醫藥等方面皆與奈米科技有深切的關聯性，應用的層面多元且廣泛（王崇人，2002），其發展便成了科學研究及產業升級的重要基礎。因此奈米科技自 1990 年興起後，很快成為世界各先進國家競相研究的科技領域，在全球知識經濟發展的趨勢下，奈米科技的推動能促進各國的產業及競爭力，許多國家更將此科技定位為國家級發展計畫，以保持國家科技優勢與高競爭力的地位（行政院國家科學委員會， 2006a）。諾貝爾獎得主羅雷爾（Heinrich Rohrer）曾說：「（20 世紀）70 年代重視微米（micron meter, µm）技術的國家如今都成為發達國家，現在重視奈米技術的國家很可能成為下一世紀的先進國家。」（引自尹邦耀，2002）。依據教育部顧問室（教育部，2002）的資料顯示，奈米產業估計在未來十五至二十年間將有爆炸性的成長；美國國家奈米科技開創中心估計，到了西元 2015 年，全世界奈米科技的應用每年總產值將達 1 兆美元（葉安義， 2004），可見奈米科技對未來產業和國家經濟的重要性。利用奈米科技的特性，轉為實際應用並產生具體經濟效益，除了是當前許多國家重視開發的主因外（李濬、李沛錞、蘇信寧，2008），奈米科技可以帶來新的能源開發與應用的概念，有效運用資源和保護環境的種種優點，在未來也將扮演重要的角色。進入二十一世紀後，人口、糧食、能源、 10.

(18) 污染等問題將日趨嚴重，維持地球生態平衡又兼顧人類發展需求的「永續發展」策略，已是當前世界思潮的主流。馬遠榮（2002）認為以奈米技術製造的元件尺寸極小，不但重量輕、少佔空間，也比現今大體積的元件更具環保、省電、省能源和高效能的特性。這些優點與其他產業結合，也將如同以往數波工業革命，在世界各地逐漸激起另一波新的產業再造。最重要的影響是，奈米科技不同於以往的工業或產業革命，是以追求經濟成長與維護自然環境的雙重目標達成永續發展。美國華盛頓智庫 Woodrow Wilson 國際學者中心（Woodrow Wilson International Center for Scholars）在 2007 年 4 月於「綠色奈米科技：比你想像來得容易（Green Nanotechnology: It's Easier Than You Think）」的研究報告中提出綠色奈米計畫（Green Nano Program），提倡以綠色奈米科技（Green Nanotechnology）協助未來面對環境議題時，由過去的被動反應（reactive）改為主動預防（proactive），及早減少奈米風險帶來的負面衝擊。美國政府向來重視環境層面與技術研發的連接，於「2008 國家奈米科技修正法案」與「2009 國家奈米科技修正法案」確立了綠色奈米科技的發展方向，尋求奈米科技的永續成長（徐筱嵐，2009）。因此，在地球所剩有限的資源之下，以知識經濟為主的奈米科技，所推動的是一場綠色工業革命，其出現與自然資源的永續發展將是密不可分的課題，奈米科技對於人們未來永續生活發展有其重要性。. 三、國內外奈米科技計畫的投入奈米科技儼然已經成為二十一世紀科技領域的新希望，將引發新一波的產業技術革命，因此各科技先進國家紛紛投注大量人力與資金在此領域之研發及訓練，試圖搶佔這個科技戰略先機。美國、日本、歐盟等先進國家均已編列數億美元投入研發工作並逐年增加研究預算，而鄰近的中國、 11.

(19) 韓國也積極展開相關研究（Roco, 2007）。鑒於此，國內近年來亦積極推動奈米科技與相關產業，並成立國家級的研究中心，期能跟上時代的腳步，與先進國家奈米科技的發展接軌。再以全球投資趨勢來看，世界各主要經濟體國家投入奈米科技的資金，從 1997 年到 2006 年已成長了 10 倍之多，可見世界各國對奈米科技研發的重視（Roco, 2007；蘇信寧、李沛錞，2009）。我國政府自 2003 年開始執行奈米國家型科技計畫，在 2003 年至 2008 年間投入的研發經費約新臺幣 210 億元，參與部會包括：經濟部、國科會、教育部、原子能委員會、衛生署、環保署、勞委會，藉由整合產官學研各界力量及資源，建立我國發展學術卓越和相關應用產業所需要之奈米平臺技術。同時透過培育奈米科技所需的人才，奠定我國奈米科技之基礎，進而利用奈米科技帶來的產業與技術創新。計畫內容包括四個分項計畫：（1）學術卓越（2）產業化技術（3）核心設施建置和分享運用（4）人才培育（行政院國科會，2008）。第一期計畫結束後，緊接著將在 2009 年至 2014 年推動奈米國家型科技計畫第二期計畫，除規劃六大重點領域方向：前瞻研究領域、生醫農學應用領域、能源與環境技術領域、儀器設備研發領域、奈米電子/光電技術領域、傳統產業領域，還包括持續推動各部會重要政策執行計畫：（1）環境、安全、與健康議題計畫（2）人才培育（3）奈米標準（4）奈米標章（5）產學研合作（6）國際合作。總體計畫已於 2008 年 4 月 21 日通過國科會委員會會議，預期因奈米國家型計畫的執行，至 2012 年將衍生出約新臺幣 1,300 億產值，而至 2015 年將達到約新臺幣 3,200 億產值（行政院，2002；行政院國科會，2010；蘇信寧、李沛錞，2009）。在國際競爭之下，各主要經濟體國家均將奈米科技列為最優先研發之重要領域，投入國家各方面資源，並規劃各種政策，同時將全國各相關研究單位和民間企業組織起來，成立各式研發網或研發社群，以提升奈米科 12.

(20) 技之發展。我國在奈米科技研究的起步雖然較晚，且資金、技術尚無法與外國相比，但我國政府目前也藉由成立國家奈米科技研究中心，整合國內各研究機構、學術與產業界的人力、物力資源，積極推動奈米科技的發展。由各國的推動計畫中也可看出，人才的培育養成是發展奈米科技的重要基石。因此，若能加速培養奈米科技所需人才，結合我國過去累積的科技實力，應能開創出我國下一波的競爭優勢。. 第二節奈米科技教育現代人生存在科技社會中，若是能對科技相關議題及價值有更深的瞭解，應有助於對於日常生活中的科學相關事務作更有效的決策（靳知勤， 2007）。為使每個國民能了解奈米科技、分辨相關產品之真偽，並避免其所帶來的負面影響，以便能享受便利的科技生活，實有必要透過教育讓全民具備奈米科技素養，以及培養專業科技人才，進而了解並支持政府發展奈米科技研究之政策。故本節將針對奈米科技 K12 人才培育計畫與國內外奈米科技教育推廣現況二個部份進行探討與說明。. 一、奈米科技K-12人才培育計畫人才培育計畫奈米科技奈米科技的快速發展，已成為二十一世紀科學研究之主流，除了是科學與技術的突破外，還提供龐大的經濟利益，創造工作機會，是全球國家競爭力的重要指標。身處知識經濟為主體的新世代，奈米科技教育亦是當代重要的科學教育議題，我國政府因而也積極投入奈米科技教育的推廣，故於2002 年底由國科會開始推動跨部會的「奈米國家型科技計畫」。國民教育及科普教育為銜接高等教育與學術研究之重要根基，潘文福（2004）認為要提升臺灣的奈米科技競爭力，需要培養此科技方面的人才，推動全民具備基礎的認識與了解。因此，「奈米國家型科技計畫」下的「人才培育分項計畫」則由教育部負責推動，其目標著重在從科普教育的素質 13.

(21) 培養及永續逐步推演到尖端研究人才之培育，以培育從中小學（K-12）、大學、研究所、在職訓練到終身學習之跨領域人才（李世光等人，2003），同時希望結合學界與產業界形成一知識供應鏈，以厚植國家發展潛力並提升科技研發競爭力（奈米科技人才培育網，2010）。有鑑於教育事業是培育國家未來科學研究與科技發展人才之根本，奈米技術的影響是長遠的，溫明正（2005）認為提早讓學生接觸奈米科技，能使國家未來孕育出更多人才，故奈米科技教育有向下扎根的必要。「奈米科技 K-12 人才培育計畫」即為「人才培育分項計畫」推動的子計畫之一，此 K-12 人才培育計畫於全國成立五個奈米科技 K-12 教育發展中心，進行中小學師生的人才培育工作，利用棋盤式之運作方式，逐步向下延伸並向外擴展（奈米科技人才培育網，2010）。吳政忠（2004）認為奈米科技人才培育向下延伸至九年一貫「自然與生活科技」學習領域課程勢在必行，其中教學模組的設計、教案的規劃及教育活動方式，以及如何引導學生從生活經驗當中習得知能且從中獲得生活科技素養，已是急迫需要解決與探討的教育問題。若能因應並訓練得當，將可避免不適應之課程及不適當之教學產生，因此奈米科技 K-12 人才培育計畫從培訓中小學種子教師做起，組成教師團隊，透過跨校、跨領域交流、擷取教學經驗，開創許多奈米科技教材與課程，也逐漸讓奈米科技知識融入中小學教育中，讓學生能接觸到奈米科技（奈米國家型科技人才培育計畫辦公室，2009）。第一期奈米科技人才培育計畫自2002年至2007年連續執行六年來，整合了中小學（K-12）及大學等教育資源，開設許多適合各級學生的奈米相關課程，並開發多項通用教材，而在K-12人才培育上也有不錯的成果，所培育的中小學生人數達到十萬名。第一期計畫不僅創新我國科學教育模式，培育眾多人才，也促進奈米科技知識的普及，對我國奈米科人才教育與產業發展有 14.

(22) 關鍵性的影響，更讓我國在奈米科技人才培育的推展工作上，登上國際重要的地位（奈米國家型科技人才培育計畫辦公室，2009）。. 二、國內外奈米科技教育推廣現況（一）國內奈米科技教育面對仍在動態發展中的奈米科技，擴大奈米科技人才的各階層學習主體，並將奈米科技持續向下扎根，推廣奈米科技知識到 K-12 課程中，實施國中小奈米科技教育以加速學生的奈米科技素養，乃當務之急。第一期奈米科技人才培育計畫連續推動六年，為國內奈米科技教育及相關產業發展奠定良好的基礎。為延續第一期執行成果，期使師生與一般民眾均能具備奈米科技素養，進而促進奈米科技教育普及化，緊接著國科會科教處於 2008 年底著手規劃並推動奈米國家型人才培育計畫，於 2009 年起進入第二期奈米科技教育的發展（于曉平，2010）。此整合型計畫－「中小學奈米科技教育發展及科普教育推廣研究」（2009 －2011）包含三項子計畫，分別為1.中小學奈米科技課程規畫及發展、2.中小學奈米科技教學活動設計及教師專業發展、3.奈米科技科普教育推廣等。此計畫將透過奈米科技教育基礎研究，進行奈米科技課程研究與發展，以提升全民奈米科技素養；同時將成立奈米科技教師的學科教學知能（PCK）培育中心，提升教師科學教育學術涵養，並將建置優質的學習環境，以達到推廣奈米科普教育、全面提升國民奈米科技核心素養之目標（奈米國家型科技人才培育計畫辦公室，2009；奈米科技教育學院網，2010）。整體而言，此計畫擬從學術專業出發，開始著重「由上而下」（top-down）的課程理論發展與研究概念，進而發展至科普教育推廣層面，以建立有效率的推廣進程。其規劃逐年預期完成的主要工作項目如下（奈米國家型人才培育計畫，2011）： 15.

(23) 1.第一年：（1）決定課程目標、核心概念、課程指標及概念階層。（2）依據課程指標與概念階層的架構下設計教材與教法。（3）網路平臺設置及頁面之整合。 2.第二年：（1）中小學課程教學實施。（2）課程實施並進行探究式或PBL等教學的行動研究。（3）發行奈米電子報。 3.第三年：（1）進行課程評鑑。（2）課程數位化。（3）奈米科技教材教案出版。（4）發展本研究建構各項網路資源之永續經營機制。（二）國外奈米科技教育 1.美國：在國際上，美國不論在學術界或產業界，在奈米科技發展上都是居於全球領先地位。2003 年底美國國家科學委員會（National Science Board）批准「國家奈米科技基礎結構網路計畫」（National Nanotechnology Infrastructure Network, NNIN），由全國 14 所大學共同建構支持全國奈米科技與教育的網路體系，提供整體性的全國性使用技能以支持奈米尺度科學工程與技術的研究與教育工作。該計畫目的在提供全國研究人員頂尖的實驗儀器與設備，並能訓練出一批專精於最先進奈米科技的研究人員（廖婉茹，2006），2009 年至 2010 年間超過 5300 名用戶使用 NNIN 的資源。此外，美國由 2000 年開始在研究所開設奈米科學與工程課程後，至 2006 年為止，也逐步將奈米科技教育向下延伸與推廣，依序為大學、高中教育計畫、K-12 與非制式（博物館）科學教育、以及科技教育網絡（Murday, Hersam, 16.

(24) Chang, Fonash, & Bell, 2011）。 2.歐盟：歐盟雖為全球最早開始進行奈米科技研究的區域，但直到 2004 年 5 月歐盟議會（European Commission, EC）為宣示歐洲欲提高奈米科技競爭力的決心，公開發表一系列有關奈米科技的專案計畫，該計畫分為研究與發展（R&D）、基礎建設（infrastructure）、教育與訓練（education and training）、創新（innovation）與社會層面（societal dimension）等五個主要領域。在整體奈米發展計畫之中，歐盟會議也相當重視提高社會大眾對於奈米科技的認知（廖婉茹，2006）。其中居歐盟奈米科技領導地位的德國認為，要使奈米產業可以長久發展，要預先培養未來與奈米科技趨勢相關的人才，具體措施從兩方面著手，一為促進在職進修與深造機會，一為從中小學開始推展奈米教育（葛冬梅，2004）。 3.泰國：泰國的奈米科技教育起步較臺灣晚，鑒於奈米科技對國家未來產業發展之重要性，泰國首先於2003年8月成立奈米科技中心（National Nanotechnology Center），負責奈米科技研發及基金籌措。之後，於2004年提出「2004－2013年國家奈米科技發展十年總綱」（National Nanotechnology Master Plan, 2004－2013），以培養奈米人力資源、研發和設置基本設備等。總綱中指出奈米技術發展分為人才培育、注重研發、加強基礎建設、及加強宣導等四項，人才培育部分強調奈米技術應始於培養人力資源，著重跨領域奈米科技人才之培訓，並奠定奈米科技基礎。此外，泰國也積極在中小學階段推行奈米科技教育，透過全國課程團隊發展教材與課程，建立全國網路數位平臺提供奈米教育相關資源，並由國家奈米科技中心設計K-12奈米教育課程，再整合至國家教育之中（奈米科技人才計畫辦公室，2007）。 4.亞太地區：區域性奈米科技的合作與推動上，亞太地區由臺灣、澳洲、中國、香港、印度、印尼、韓國、日本、馬來西亞、紐西蘭、新加坡、泰國和越南等 13 個國家，於 2004 年 5 月成立了亞洲奈米論壇（Asia Nano 17.

(25) Forum, ANF）。此論壇為一網絡組織，期望利用此網絡合作平臺進行技術與學術之交流，以促進亞洲地區在奈米科技之教育、研究、發展及產業區域間之傳遞與推廣，強化亞洲國家在國際科技發展之優勢。ANF 在各項推動目標中，尤以奈米科技教育與人才培育之領域為奈米科技扎根之基礎，因此，該組織的四個工作群組之一即為奈米教育與職業訓練群組（Education & Workforce Training）。過去我國已舉辦過「2006 亞洲奈米論壇奈米人才培育研討會」與「2007 亞洲奈米論壇 ANF 種子教師研討會」，邀請亞太地區各國相關學者專家來臺，一同對未來奈米科技人才培育工作之推動方向進行研討，並分享我國奈米科技 K-12 人才培育計畫之成果，奠定亞太地區奈米科技教育與人才培育交流之基礎（行政院國科會，2006b，2007，2008）。（三）現今 K-12 奈米科技教育發展的目標新興科技融入中小學課程是引領學生對未來奈米科技與發展的重要管道，有助其掌握社會與產業發展的脈動，也能藉此培育相關人才，吸引學生投入研究的意願與興趣（于曉平，2010）。綜觀各國家與國際組織之奈米科技教育計畫的推動與發展，整理出以下現今國內外 K-12 奈米科技教育的發展目標： 1.加強K-12奈米科技人才培育：奈米科技相關人才培育被視為奈米產業長久發展之關鍵，國內外不僅重視專業研發人才能力的培養，也開始注重 K-12奈米科技教育的推動與社會大眾的奈米科技認知。 2.網路平臺的建置與國際性交流：奈米科技教育計畫的發展，也從各國國內培育機構之整合，拓展至跨國或區域性的國際交流，藉由建立網路數位平臺來進行奈米科技教育、技術等相關資源的分享與合作。目前國內外已建置的奈米科技教育網頁有：美國的 NNIN、歐盟的 Nanotechnology： Education and Mobility、泰國的奈米科技教育網頁 Thai-nano.com、以及臺灣的奈米科技人才培育網、奈米科技教育學院及奈米教學聯盟網等（中北 18.

(26) 區奈米科技 K-12 教育發展中心，2011），經由數位資訊的分享以達到奈米科技教育的快速推廣。 2006年5月我國在「奈米國家型科技計畫」總期程期中審查時，邀請物理諾貝爾獎得主Heinrich Roherer與Robert B.Laughlin等10名國外委員來臺協助審查，評審們都認可從中小學到大學的人才培育構想與管理（行政院國家科學委員會，2009）。從各國的奈米科技教育計畫，以及2006年、2007年亞洲奈米論壇的研討會議程內容等，皆可看出各國目前對於K-12奈米科技教育發展的關注，顯示出各國的教育發展方向與我國人才培育計畫的目標一致，重視奈米科技教育向下扎根，並連結各階層學習主體之人才，以厚植國家奈米科技競爭力。第二期奈米科技K-12人才培育計畫目標之一即欲以更嚴謹的整合、評估與設計，發展出K-12奈米科技教育各階層的核心概念，作為中小學教師未來設計與發展的課程指標依據。再針對奈米科技核心概念素養探討現況，結合奈米課程教學目標與內容，發展系統性K-12奈米科技課程，以提昇教學品質，培育具備奈米科技素養之國民（奈米國家型科技人才培育計畫辦公室， 2009）。目前我國奈米科技教材尚無全國性統一的專門編輯小組負責，教材教案設計的產出雖然數量不少、內容豐富，仍無符合各學習階層的核心概念課程指標，欠缺統整性的整體規劃，使得教材設計未能與現行課程緊密結合，教學者難以順利的將奈米科技教育融入現有課程中。欲進行新概念教學前若能清楚了解學生具備何種先備知識，及其之間的相互關連性，得以進行課程的設計與評量，有助於學生建立系統性的一貫知識連結（熊召弟等人，2010）。因此，對於現今我國學生在奈米科技核心概念素養的現況是研究者所關心的議題，本研究希望能透過奈米科技核心概念問卷素養之調查，瞭解當前學生奈米科技核心概念不足與欠缺之處，以提供未來奈米 19.

(27) 科技課程規畫之參考。. 第三節奈米科技核心概念素養與相關研究國內奈米科技 K-12 教育雖從 2003 年開始連續推動，但多數的教師對於奈米科技概念相關名詞偏向於只聽過，對於其定義、各細項之意義、特性或功能仍不清楚（陳麗文、陳淑思，2006）。師生對於科技認知的情形常以概念的認知程度作為探討依據（賴南宏，2006），若能針對目前國小學生的奈米科技核心概念素養現況進行調查，了解學生的奈米科技核心概念認知程度，應能提供未來教師作為發展奈米課程設計之參考依據。故本研究欲利用奈米科技核心概念素養問卷，調查國小高年級學生奈米科技核心概念素養現況，因此在本節將針對奈米科技核心概念素養與相關研究作進一步的瞭解與探討。. 一、奈米科技核心概念素養（一）素養的意義素養（literacy）一詞源自於拉丁字「literatus」，意指學者、文人的意思。早期在西方工業社會中，一般民眾受教育的機會不多，具有識字能力之人，即為有「素養」之人。「素養」除了傳統的識字能力之外，最普遍的解釋是指人人都需要的讀、寫、算能力，為日常生活所需的一種基本能力（倪惠玉，1995）；邱貴發（1992）認為素養應該是指一個人對某知識領域的瞭解程度、技能的熟練程度與態度；張一蕃（1997）則將素養解釋為個人為了適應社會生活，須與外界作合理而有效的溝通或互動，為此所需具備的基本能力。 Kouba et al.（1998）將素養分為三類：1.一般素養：一般大眾可以運用於日常生活的各項活動中；2.專業素養：專業人士所須具備的技能；3.某個 20.

(28) 領域的素養：個人進行探究該學科領域時所需具備的素養，例如科學、數學、歷史、政治、電腦及文化等。綜合上述可知，素養是個具有變化性的概念用字，隨著社會環境的變化，個人為適應社會生活所需具備的基本能力也有所不同，於是素養具有多面向的定義與內涵。如今在知識爆炸的時代中，「素養」已從基本的讀寫能力擴張到各種領域的學習，許多不同的素養被強力訴求著。本研究所指的「素養」為具備某一領域相關的基本知識與能力，以助個人繼續學習、或用以解決所遭遇的該領域問題。（二）核心概念的意義所謂概念是認知的基本單位（鍾聖校，1990），是學生在學習過程中獲得各種知識的重要工具之一，擁有足夠的概念可快速學習新事物。黃台珠（1984）認為概念是人們思考和瞭解的工具，也是學習的基本單位，透過有意義的學習而獲得的概念，使人們能有深入思考的能力。對於隨時變化的複雜環境事務，給予抽象化、概括化，繼而執簡馭繁、提綱挈領、聞一知十，藉以產生意義（林生傳，2003）。就整個概念形成的過程來看，可視為是學習者的學習歷程（熊召弟，1994），學生透過概念的學習與傳達，學習到新知識，並據以產生新的概念，用來傳遞人類文明中最寶貴的知識資產（余民寧，1999）。核心概念是指支持學童認知的中心概念，是由最基本的理論所構成，具有強固、不易改變且難以反駁之特性（陳蕙菁，2002）。美國國際科技教育學會（International Technology Education Association, ITEA）2000 年出版的「科技素養的標準」(Standars for Technological Literacy, STL)，則發展出二十條 K-12 科技教育內容標準，其中在科技的本質之第二條標準提到：「學生應發展對科技核心概念的理解」（ITEA, 2000；賴南宏，2006）。依據我國九年一貫「自然與生活科技領域」課程來看，其綱要是以能力指標 21.

(29) 為依歸，訂出學童在各階段所需學習的核心概念。能力指標可當作學生學習後所達成能力的檢核依據，也是教材統整規劃的基礎，以及課程設計的核心架構（教育部，2003）。（三）奈米科技核心概念素養李堅萍（1998）認為當今科技教育著重在學生科技概念的學習，學生要學習一門學科的知識，就是要掌握其相關的概念，透過概念的學習，得以形成個人的知識系統。推動第一期奈米 K-12 計畫之負責人吳政宗教授（2004）曾指出，除了培育奈米科技人才之外，若能從小學階段開始扎根，未來大多數國民都具備相關概念，就能從事相關的工作或使用其產品，但他主張對小學生來說過於艱深的專業知識並不適當。可知在奈米科技的學習過程上，適合學生的奈米科技核心概念扮演著重要的角色。由於奈米科技已與大眾的日常生活越來越密切，從小培養學生具備奈米科技素養是當前重要的課題。本研究之研究對象為國小高年級學童，基於奈米科技核心概念是學生必須習得的基本能力，也是實施課程發展、教材編輯的依據，故本研究欲探討的奈米科技核心概念素養定義為學生對應具備的「奈米科技核心概念」之認知程度。. 二、奈米科技概念相關研究現階段國內奈米科技教育仍未納入九年一貫正式課程之中，尚無可依據之能力指標。國內第一期奈米科技 K-12 人才培育計畫從 2003 年開始推展，至 2007 年已發展出數十種的 K-12 教案教材、教學媒體與動畫等資源，主要由相關研究者或種子教師研發團隊自行設計居多，也尚未有相關的小學階段核心概念出現（奈米科技人才培育網，2010）。在相關研究文獻中，目前國內外以國小教師或學童為研究對象，進行奈米科技核心概念方面之評量與探究的相關研究也尚不多見，但可找到部分研究編擬出奈米科技概 22.

(30) 念圖。陳淑思（2005）指出，特定知識領域之主要及相關概念可藉由概念圖表達，若要界定欲研究之特定概念知識的範圍，可先發展專家概念圖。因此研究者搜尋到以參考其它概念圖作修改或自行編擬出奈米科技專家概念圖的相關研究有九篇，針對各研究編擬概念圖的依據、方法與概念主向度，分別整理如表 2-3-1 所示。表2-3-1 奈米科技概念相關研究文獻研究者（年代）. 研究主題. 研究對象. 編擬依據與方法. 陳淑思. 國民小學教師. 中部地區國. 1.概念圖依據「臺大出版之奈. 1.定義. （2005）. 奈米科技概念. 小教師. 米交響樂套書」、參考「深. 2.現象. 入淺出談奈米科技」及「你. 3.結構. 不可不知的奈米科技」等坊. 4.技術原理. 間書籍的內容分析而得。. 5.特性. 2.由指導教授交叉檢核研究. 6.應用. 者所發展之奈米概念圖，隨. 7.科技倫理. 之現況研究. 概念主向度. 後再參酌專家診斷意見。蔡鳳娥. 資訊科技融入. 國小六年級. 由研究者自行發展出國小奈. 1.奈米定義與特. （2006）. 國小奈米科技. 學生. 米科技專家概念圖。. 性. 教學之研究. 2.自然界奈米現象 3.奈米結構與材料 4.奈米技術發展與應用. 張宇和. 運用Moodle平. 國小五年級. 1.參考陳淑思（2005）所提出. 1.名詞定義. （2007）. 臺進行奈米科. 學生. 之奈米概念圖的七個向度建. 2.蓮花效應. 技課程之初. 立教學目標。. 3.表面效應. 探—以某國小. 2.研究者與指導教授討論後. 4.蝴蝶表面色澤. 五年級課程為. 自行擬定。. 5.光學性質. 例. 6.磁性質 7.力學性質 8.奈米材料 9.奈米醫療 10.科技與倫理 23.

(31) 表2-3-1 奈米科技概念相關研究文獻（續）研究者. 研究主題. 研究對象. 編擬依據與方法. 吳瓊瑜. 不同教學時間. 國小五年級. 研究者參閱陳淑思（2005）. 1.定義. （2008）. 分配方式對國. 學生. 的「奈米概念圖」及「奈米. 2.現象. 小學童學習奈. 主要概念陳述表」，再依所. 3.應用. 米科技成效之. 訂定的課程目標與自編的教. 研究--以臺中. 材內容，選用其中「定義」、. 市某國小為例. 「結構」、「應用」三個主. （年代）. 概念主向度. 要概念，重新編製一份「奈米科技概念圖」。邱文正. 動機模式融入. 國小五年級. 研究者自行發展「奈米科技. 1.奈米技術. （2008）. 國小奈米科技. 學生. 教學概念圖」。. －奈米定義、奈. 教學之研究. 米特性、自然界的奈米現象 2.奈米科學－奈米結構與材料、發展與應用. 曾雅慧（2008）. 科學寫作融入. 國小五年級. 研究者針對國小五年級的學. 1.奈米科學. 國小高年級「奈. 學生. 生能力及經驗，自行整理發. －定義、特性、. 米科技」教學之. 展出「奈米與奈米科技」概. 自然界奈米現. 研究. 念圖。. 象 2.奈米技術－奈米材料、應用、未來發展. 謝瑞祥. 國中學生對於. 國中三年級. 1.取材分析自奈米相關教學. 1.奈米科技意義. （2008）. 奈米科技知識. 學生. 光碟、坊間出版書籍、第三. 2.自然界奈米的. 認知之初探─. 屆全國奈米科技K-12教師研. 現象. 以臺中市三所. 討會內容。. 3.奈米科技應用. 國中為例. 2.與三位專家學者和國中教師討論。. 陳俊宏. 以5E學習環教. 國小五年級. 研究者自行擬定「可進行探. 1.奈米科學. （2009）. 學模組探討國. 學生. 究活動之國小奈米科技概念. 2.奈米技術. 小學童之學習. 圖」，作為設計檢測學童奈. 成效-以奈米科. 米科技概念之問卷的依據。. 技議題為例 24.

(32) 表2-3-1 奈米科技概念相關研究文獻（續）研究者. 研究主題. 研究對象. 編擬依據與方法. 黃佳媛、. 小學奈米科技. 國小低、. 1.依據奈米相關之坊間出版. 1.奈米的意義. 許良榮、. 核心概念之研. 中、高年級. 書籍、學術期刊、科學教育. 2.奈米的特性. 陳欣琦. 究. 期刊論文等文獻資料予以歸. 3.自然界的奈米. 納、分析出其核心概念，並. 現象. 參考陳淑思（2005）、謝瑞. 4.奈米材料. 祥（2008）之研究整理出五. 5.奈米科技的發. 個主要面向。. 展. （年代）. （2011）. 概念主向度. 2.採用大慧（Delphi）調查法諮詢國內的專家學者共 28 名，包含大專院校之理工科系教授（11位）、科學教育學者（6位）及小學教師（11 位），透過三次來回的問卷諮詢後，建立出不同年段國小學生應具有的奈米科技核心概念，並依照應有的核心概念建立奈米科技概念圖。 3.大多數專家都具有「奈米科技k-12人才培育計畫」執行人員的共同背景。. 資料來源：本研究整理. 綜合觀之，上述各研究所使用的概念陳述與分類方式並未一致，在適用對象或範圍，以及概念圖建構方法上亦有所差異，整理說明如下： 1.適用對象與範圍：邱文正（2008）、陳淑思（2005）、曾雅慧（2008）、蔡鳳娥（2006）、張宇和（2007）、吳瓊瑜（2008）、陳俊宏（2009）、謝瑞祥（2008）等八篇分別主要針對國小在職教師、教學策略應用於國小奈米科技教學、國小高年級奈米科技、國中奈米科技等範疇，各自編擬出專家概念圖，僅黃佳媛等人（2011）建立的概念圖分別發展出小學低、中、高三個年段的專家概念，具連貫性與完整性。 25.

(33) 2.概念圖的建構方法：邱文正（2008）、曾雅慧（2008）、蔡鳳娥（2006）與陳俊宏（2009）等四篇主要皆針對欲實驗之課程，參考文獻資料後自行擬定內容；陳淑思（2005）是依據書籍、教材與文獻之內容分析，由指導教授檢核，再參酌專家診斷意見；張宇和（2007）與吳瓊瑜（2008）等二篇則是參考陳淑思（2005）提出之奈米概念圖，再根據欲實施之課程予以修改；謝瑞祥（2008）的研究對象為國中學生，自行取材分析出國中階段之奈米科技概念，再與三位專家學者和國中教師討論；黃佳媛等人（2011）則採用大慧調查研究法建構國小奈米科技核心概念圖。鑒於本研究意圖建立國小高年級學童奈米科技核心概念素養之問卷，以調查中部地區國小高年級學童奈米科技核心概念之現況，發展問卷的試題內容需立基於一套適用於國小學生的奈米科技核心概念指標。薛雅庭（2006）認為指標的建構是一種價值的判斷，亦是一種科學研究的過程，需考量研究需要與限制，採用最合適的建構方法，以建立一套完整的指標系統。許多研究顯示出，大慧調查法在建構教育指標上的應用日益普及，採用大慧調查法所得的共識，較能符合大眾的需求。因而諸多學術單位已漸採用此方法規畫一個新課程應有的取向，或確定其課程的重要核心內涵與目標（吳瓊洳，2008；陳坤德，1999；黃佳媛等人，2011）。前述研究中，黃佳媛等人（2011）的研究主要是針對國小奈米科技核心概念之範疇，先由市面上現有書籍、刊物、國內期刊、論文研究及教材或教案進行系統化彙整分析，歸納出奈米科技相關的概念項目，發展「奈米科技核心概念」之問卷，並採用大慧調查法諮詢國內 28 位皆參與過奈米計畫之相關領域專家（包含大專院校之理工科教授、科學教育學者及國小科學教師）的意見，透過三次來回的問卷諮詢後，建立出小學各學級應具備的「奈米科技」之核心概念。其研究結果顯示，國小學童應具備的奈米 26.

(34) 科技概念共有 33 個細項，在各階段應學習的奈米科技項目為：「高年級」有三十三項、「中年級」有十五項、「低年級」只有一項（如附錄一）。最後據此分析結果，編製完成小學奈米科技概念圖（如附錄二）。綜合上述，黃佳媛等人（2011）在研究方法上採用較具科學性的大慧調查法，其概念架構不僅完整亦符合國小學生程度之各階段的連貫性，兼顧低、中、高等三個不同學級學生應具備的核心概念，符合本研究之需求。故本研究將參考此範疇，發展國小高年級學童奈米科技核心概念素養調查問卷，作為本研究之研究工具。. 第四節奈米科技核心概念素養之影響因素目前在國內外文獻中，針對國小學童奈米科技核心概念素養進行探討之研究極為少見，但已有不少奈米科技教育相關研究針對學童的奈米科技學習成效進行評量。研究者將以國小學童為對象之奈米相關研究所探討的影響因素與結果加以整理，歸納如表 2-4-1 所示。表2-4-1 奈米科技教育相關研究之探討因素與結果研究者. 研究對象. 研究變項. 研究結果. 蔡鳳娥苗栗縣2個班（2006）國小六年級. 性別. 男女生無顯著差異. 教學組別. 教師指導組＞學生控制組. 張宇和臺中市4個班（2007）國小五年級. 性別. 男女生無顯著差異，但數位學習女生＞閱讀學習女生. 教學策略. Moodle網路平台＞閱讀學習. 性別. 女生＞男生. 學科興趣. 不同學科興趣無顯著差異. 家庭社經地位. 不同社經地位無顯著差異. 學校所在縣市. 台南縣市＞高雄縣市. 學校規模. 大型＞中型、小型＞中型. 陳銘鐘. 南部四縣市. （2007）國小六年級. 27.

(35) 表2-4-1 奈米科技教育相關研究之探討因素與結果（續）研究者. 研究對象. 陳鳳妤臺中市12個班（2007）國小六年級邱文正. 高雄縣2個班. （2008）國小五年級曾雅慧. 高雄縣2個班. （2008）國小五年級. 研究變項. 研究結果. 性別. 男女生無顯著差異. 授課教師. 不同教學教師達顯著差異. 父母社經地位. 家庭高、中社經組＞低社經組. 性別. 男女生無顯著差異. 教學組別. 動機模式組＞傳統教學組. 性別. 男女生無顯著差異. 能力水平. 高＞中＞低. 教學法. 科學寫作組＞一般教學組. 性別. 女生＞男生. 台中縣平地及年級. 高年級＞中年級. 南投縣山區偏家庭社經地位廖湘瑄遠地區國小五科學讀物閱讀（2008）所頻率國小中高年級校外科學學習活動陳俊宏屏東縣2個班（2009）國小五年級. 高社經＞低社經每學期閱讀4本以上＞3本以下曾參加＞未曾參加. 學業成就. 高＞低；中＞低. 教學模式. 不同教學模式無顯著差異. 資料來源：本研究整理. 由上表可知，影響小學生奈米科技概念認知的變項中，被研究探討最多的是性別與教學策略，其他的影響因素包括：能力水平、學科興趣、家庭社經地位、授課教師、學校規模、科學讀物閱讀頻率、校外科學學習活動等。而在許多科技素養研究中可發現，性別、年齡、地區、學業成績、學校類別等因素會影響國小學生的科技素養。諸多實徵研究則提出性別、地區、自然科成就動機等因素皆與自然科學業成就有相關。因礙於時間與研究人力、物力的限制，本研究僅選擇性別、年級、縣市等因素作為研究變項，以下茲就此三項分別說明之。一、性別國內外不少文獻研究指出，性別角色對於科學與數學教育具有多面向 28.

(36) 的影響力（林曉芳，2009），故想要了解影響學生科學學習成就之因素，性別差異亦是需要考慮的指標之一（Mullis, Martin, Fierros, Goldberg, & Stemler, 2000；李濟國，2004；張春興，2002；鄭宜真，2001）。以生理或心理面而言，皆有學者支持男學生的數理成就優於女學生，但相對的，亦有諸多學者支持男女學生的科學成就並無差異（張謝玲，2004），因此，近數十年來，針對數理學習成就是否受性別因素影響之議題引發了相當多的討論與研究。就國內學者針對性別差異在數理能力上進行的研究來看，李田英（1989）分析比較全國不同性別之小學三～五年級學童的自然科學習成就後發現，男生的自然科成績略優於女生，但未達顯著；黃幸美（1995）的研究指出男生在數理科學專業領域成就與發展上優於女生的現象猶存，而兩性能力的差異程度有逐漸縮小之趨勢；楊龍立（1990）則認為就大樣本的標準化測驗結果來看，不管是學者研究、全國性調查或國際性調查，無論達到顯著差異與否，大多結果仍顯示男生的表現比較好。但也有研究顯示小學階段女生表現優於男生，張春興（2002）依據國內外文獻指出，台灣與美國的國小女學生之整體學業成就優於男生，此種情況在低中年級更為明顯。就國際性調查研究來看，由 IEA 第三次國際數學與科學教育成就研究（Third International Mathematics and Science Study, TIMSS）的調查報告顯示，多數國家的四年級與八年級男生之平均科學成就顯著高於女生（Mullis et al., 2000）；張謝玲（2004）分析全球 38 個國家共同參與的 TIMSS-R 測驗結果得知，其中 16 個國家的男生平均分數顯著高於女生；以 TIMSS 2003 的測驗結果來看，國際上男生的平均表現優於女生，但男女學生的整體科學成就相當接近（余民寧、趙珮晴，2010；邱美虹，2005）。根據以上探討得知，不同性別的學童在科學學習成就表現上雖然不一 29.

(37) 定會有顯著差異，但仍有不等程度之差異表現。隨著現代社會的教育水準逐漸提升，提供不同性別學生均等的科學學習機會，建立兩性公平教育環境是當前重要的教育目標，故在探討學生的科學程學習成效或成就表現之影響因素時，性別差異仍是科學教育所關心的重要議題之一。由研究者所整理的國內奈米科技教育相關研究探討因素與結果（表 2-4-1）亦可發現，大多數研究都將性別列為探討的變項之一。邱文正（2008）、張宇和（2007）、陳鳳妤（2007）、曾雅慧（2008）、蔡鳳娥（2006）等人的研究指出，男女生的奈米科技素養並無顯著差異；陳銘鐘（2007）及廖湘瑄（2008）的研究結果則顯示，女生的奈米科技素養顯著高於男生。由此來看，性別因素對於國小學童奈米科技概念認知的影響並無定論，因此，為進一步確認性別差異對本研究欲調查之奈米科技概念素養的影響，本研究將性別列入欲探討的背景變項之中。二、年級 Reynolds & Walberg(1991)的研究指出，發展階段（如：年齡）是影響自然科學業成就的因素之一。依據皮亞傑（Piaget）的認知發展理論，學童的發展隨著年齡的增長，在求知方式、思考過程與品質上會隨之有所改變與成長。可見兒童在科學素養的表現上，隨著年齡增長不斷的吸收新知與技能，其素養表現會隨著年級的增加而有差異（江德川，2001）。目前國內外尚無針對國小高年級學生進行奈米科技素養調查的研究報告，整體科技素養方面針對國小學生探討不同年級之差異的研究報告亦不多，其中可找到蘇錦頓（1995）對高雄地區國小五、六年級學生所做的科技素養（傳播科技、運輸科技、營建科技、製造科技）調查，研究結果指出六年級學生之科技素養顯著優於五年級學生。而由表 2-4-1，僅發現廖湘瑄（2008）同時以中高年級學童為對象進行研究，該結果指出高年級學童的奈米科技概念表現顯著高於中年級學童，顯示不同層級的發展階段會影 30.

(38) 響學童的奈米科技核心概念素養，但同為中年級的三、四年級學生或是同為高年級的五、六年級學生的奈米科技概念認知是否有顯著差異，研究者並未進一步探討分析。本研究所選取的研究對象為國小高年級學童，其發展階段大約是處於具體運思期（7～11 歲）和形式運思期（11 歲以上），若更確切的劃分，剛升上五年級的學童尚處於具體運思期，而六年級學童則已進入形式運思期（張春興，2002），可知此兩個年級的學童之認知發展階段有些微的差異。鑑於研究者期望研究結果能作為未來改進奈米科技教學的參考依據，為提供較完整的建議，除了應了解高年級學生對於應具備的奈米科技核心概念之程度，進一步探討五、六年級學童的差異有其必要性，故本研究將年級列入欲探討的背景變項之中。三、縣市不同縣市的學生，因所處地區之地理環境、經濟發展、文化刺激、教學資源等因素的差異，其學習發展與成就是否會有所不同？就我國目前教育資源分配仍存在著城鄉間地域差異的現況來看，往往直轄市的資源比一般縣市豐富多元，而不同縣市間又有所差異，使得臺灣不同縣市地區在教育發展的均衡性上仍有差距（游佳穎，2010）。許多研究結果指出，不同居住地區（如直(省)轄市、縣轄市及一般鄉鎮）學生的學業成就有顯著差異，都市化程度越高的地區，有利於教育成就的表現，因而該地區之學生的學業成就也有越高的趨勢（吳悅如，2009；吳裕益，1993；巫有鎰，2005；洪希勇，2004；張淑美，1994；陳正昌，1994；Parcel & Geschwender, 1995）。以國小學童的奈米科技概念認知來看，陳銘鐘（2007）的研究結果發現，臺南市與臺南縣六年級學童在奈米科技領域概念的認知顯著高於高雄市與高雄縣六年級學童，顯示地區因素會影響南部地區國小學童的奈米科技概念素養，但由於獲得科技相關知識的管道多元化，城鄉差距已不如往 31.

(39) 昔般明顯。本研究是以中部地區不同縣市國小高年級學童為調查對象，目前也尚未有針對中部不同縣市學童的奈米科技核心概念素養差異進行探討之研究，為進一步確認縣市差異對本研究欲調查之奈米科技概念素養的影響，故本研究將縣市列入欲探討的背景變項之中。. 32.

(40) 第三章研究方法與設計本章共分成五節說明本研究進行的方法，依序為本研究之研究架構、研究對象、研究工具、研究流程、資料處理與分析。. 第一節研究架構本研究採用調查研究法，以自編問卷進行資料收集，採量化分析，以解答研究問題。自變項包括中部地區國小高年級學童之「性別」、「年級」、「縣市」三項，依變項為中部地區國小高年級學童的「奈米科技核心概念之素養」。研究架構如圖 3-1-1 所示：. 自變項. 依變項. 1.性別（1）男（2）女. 奈米科技核心概念之素養. 2.年級（1）五年級（2）六年級. 奈米科技核心概念： 1. 奈米的定義 2. 奈米的特性 3. 自然界的奈米現象 4. 奈米材料與奈米科技的發展. 3.縣市（1）南投縣（2）彰化縣（3）臺中縣（4）臺中市. 圖 3-1-1 研究架構圖. 33.

(41) 第二節研究對象本研究以中部地區（臺中市、臺中縣、彰化縣和南投縣）99學年度上學期公立國民小學五、六年級學童為研究對象。依據民國98年教育部統計處網站所公布的「九十八學年度國民小學校別資料」（教育部，2010），計算出中部地區高年級學生總人數(N)約116,958 人。抽樣人數依據 Rea & Parker（1997）針對調查研究所提出的抽樣誤差計算公式（如公式 3-1-1），在選取 95%信心水準、抽樣誤差 ± 3%的條件下，可估算出本研究之抽樣人數（n）為 1,068 人以上即可符合上述條件。. n ：樣本數. Zα：信心水準95%. Zα2[ p(1− p)]N n= 2 Zα [ p(1− p)] + (N −1)Cp2. Cp：抽樣誤差 ± 3% N：母群體數 (人) P：0.5 (特徵比例). 公式3-1-1. 抽樣誤差計算公式（Rea & Parker, 1997, p.131）. 抽樣對象的選取採分層叢集隨機抽樣的方式進行。首先，依臺中市、臺中縣、彰化縣、南投縣等四縣市的公立國小高年級學生總人數佔四縣市高年級學生總人數之比例，計算各縣市之抽樣人數。各縣市學校依規模大小分成三層（0-24 班、25-48 班及 49 班以上），每班以 35 人估計，將欲抽樣校數先盡量平均分配於各層，若無法平均分配時則以隨機方式選取。例如臺中市的高年級學生總人數為 30,548 位，則應抽取 30,548 除以 116,958 再乘以 1,068，得到 278.95，即該縣市應抽取 279 位高年級學童。應抽取的校數則為 279 除以 35 再除以 2，得到 3.99，表示應抽取 4 所學校。根據平 34.

(42) 均分配原則，依三種規模大小各取一所學校後，尚需一所學校則以隨機方式取樣。確定所有欲發放問卷之學校後，函請各抽樣學校協助發放問卷之人員隨機選取五年級及六年級各一班學生進行施測。在寄發問卷之前，研究者先採電話詢問抽樣學校協助問卷調查之意願，對於回收較慢的學校，則施以電話追蹤和請託。依據前述 Rea 等人（1997）提出的抽樣誤差公式，本研究欲符合在 95%的信心水準下，抽樣誤差為 3% 的條件，抽樣人數至少應達 1,068 人以上。電洽後，因部分縣市學校一個班級的人數未滿 20 人，且顧及部分問卷可能流失或作答結果無效，研究者將抽樣數量稍做調整，預計發放 1,330 份問卷至 21 所學校，本研究的問卷發放情形如表 3-2-1 所示：表3-2-1 問卷發放數量一覽表縣市. 高年級總人數 (人). 0-24班 (所). 25-48班 (所). 49班以上 (所). 抽樣學校 (所). 問卷份數 (份). 臺中市. 30,548. 1. 2. 2. 5. 330. 臺中縣. 41,020. 2. 3. 3. 8. 500. 彰化縣. 32,674. 2. 1. 2. 5. 350. 南投縣. 12,716. 1. 1. 1. 3. 150. 合. 116,958. 6. 7. 8. 21. 1,330. 計. 第三節研究工具本研究以自編的「中部地區國小高年級學童奈米科技核心概念調查問卷」為研究工具，其編製與發展過程說明如下：. 35.

(43) 一、問卷的編製本問卷是以黃佳媛等人（2011）採大慧調查法所建立之「小學奈米科技核心概念」（如附錄三）作為發展問卷試題的依據，其研究共分析出五個主要主要向度的核心概念，分別為「奈米的定義」、「奈米的特性」、「自然界的奈米現象」、「奈米材料」及「奈米科技的發展」。由於「奈米材料」向度只有一個細項，研究者與指導教授討論後，將此向度與「奈米科技的發展」合併為「奈米材料與奈米科技的發展」。初稿問卷內容分為「基本資料」及「奈米科技概念」兩個部分，以下分別就其內容、專家審查及預試問卷編製進行說明： (一) 基本資料部分：包括就讀縣市、年級、性別等三項。 (二) 奈米科技概念部分：問卷內容分為四個向度，包括「奈米的定義」、「奈米的特性」、「自然界的奈米現象」和「奈米材料與奈米科技的發展」，問卷題型均採用四選一選擇題方式，總計 38 題。各試題之認知層次雙向細目表係參考 Bloom 的認知歷程向度修訂版，其認知歷程向度區分為：記憶、了解、應用、分析、評鑑、創造等六大類（Anderson & Krathwohl, 2001；葉連祺、林淑萍， 2003）。不同題型適合評量的認知目標層次並不相同，選擇題型較適合評量知識、理解、應用和分析等層次（葉連祺，2000），且依據黃佳媛等人（2011）建立之小學奈米科技核心概念所應達成的能力層次，本研究問卷試題採用 Bloom 認知歷程向度修訂版中的記憶與了解兩個類目（如附錄四）。 (三) 專家審查：問卷初稿（如附錄五）完成後，邀請二位專家審查問卷內容設計之適切性，針對試題內容之向度、文字敘述提供修正意見，以作為問卷修訂的 36.