具體影像空間教學策略與中學生空間能力之相關研究

國立臺灣師範大學教育心理與輔導學系 教育心理學報，民呵， 37 卷， 4 期， 393-409 頁

具體影像空間教學策略與中學生空間能力

之相關研究*

林小慧

熊召

_弟

_林世華

國立台北教育大學 自然科學教育研究所 國立台灣師範大學 教育心理與輔導學系 本研究旨在探討具體影像空間教學策略 (else) 對中學生空間能力的影響。參與研究對象為 台北縣 125 位國中二年級學生，經由分配成實驗組 (else 教學)及對照組(無 else 教學)。 所有學生均接受「空間能力測驗工具」的前測及後測，以檢驗 else 教學策略對中學生空間能 力影響的成效。研究結果以單因子共變數分析進行處理。本研究主要發現:1.實驗組受試學 生之空間能力表現優於對照組。 2. 實驗組低、中、高成就組學生其空間能力並無差異。依據 統計結果發現， else 策略不僅能提升學習者心像操作能力，使二維與三維表徵產生互動，並 能透過辨認轉換以洞悉複雜抽象之化學分子結構，減少學習者的認知負荷，且能降低抽象概 念的複雜度，有助於學生建構正確心像，以利科學概念的理解。 關鍵詞:具體影像空間教學策瞄、 l山像、空間能力、空間概念 從研究者過去教學經驗，有感於學生對於「物質的構造」抽象概念之學習甚感困難，並易產生迷 思概念 (misconception) 。例如:學生常因無法直接觀察具體粒子現象，而導致學習上的障礙。故對以 粒子觀點為基礎之原子模型和分子概念、元素與化合物之區別以及純物質、混合物的認知，常陷於混 淆不清的處境，因而為求學生能理解其科學概念，常以類比教學 (analogical instruction) 引導學生進 行微觀粒子之想像，力求學習者能與既有概念產生較多屬性對應與連結，並進一步發展高階關係之對 應，而成就正確的科學認知模式。然研究結果顯示(邱美虹、高淑芬，民 88 )類比策略(

analogical

strategy) 固可輔助多元領域之科學概念心智模式 (mental model) 的建立與科學概念學習之促進，卻 也受限學生先備知識之異同，而影響類比對應結果，致使未能達成教材預期之科學思維。是故本文深 知除教師運用教學策略之重要性外，學習者對於抽象概念的建構、操作心像(mental image) 以及空 .間視覺化(

spatial

visualization) 解釋之能力均有其必要性與關鍵性之角色扮演。 廖1:昆熙指出(民 88)

:

r 化學是一門探討物質結構的科學，其中許多概念牽涉到微觀世界的抽象 思考，不易於感官觸摸學習，只能憑想像思考加以理解。因此，化學的學習具有獨特性及侷限性」。因

*

1.本文係林小慧提國立台北師範學院自然科學教育研究所碩士論文的部分內容，在熊召弟教授與林世華副教授 指導下完成。 2. 感謝審查教授提供寶貴的修改意見與建議 o

·

394

.

教育心理學報

此圖解 (diagram) 、圓形( graphical) 、動畫( animation) 及影像( video) 的表徵型式教學將有助於學 生正確的瞭解科學概念並克服使用這些概念的認知困難。研究結果顯示(廖棍熙，民 88) 空間能力、 推理能力與學習策略等因素均會影響有機立體化學學習成就，更加凸顯空間能力對於學生理解抽象之 微觀世界具有關鍵性的影響。依據國外文獻分析 (Bark巴& Engi血，

200

1)

，認為學生學習抽象概念之 心智路徑圖包括三步驟: (一)自然或實驗現象的觀察; (二)學生自行建立結構之想像; (三)理 解化學符號表徵與理論。步驟一意旨科學教師佈置教學情境，而傳授科學知識理論則為步驟三，唯獨 步驟二屬於學生內在心像之建立與理解，純屬個人學習能力領域，然此過程卻是科學學習成就影響因 素之首要。是以，教師如何介入並輔助學生由素樸概念 (nai

ve

conceptions) 發展至科學概念

(

scienti日c conceptualizations) 之心智模式(

mental

model) 的建立，即為本研究所欲深入探討之主題。

一、 else 教學策臨之定義

國外學者研究指出 (B訂ke

&

Engida

,

2001)

:

r結構想像 (structural imagination) 為現象和化學

符號 (chemical symbols) 之間的中介者(

mediator)

，而使用立體結構模型可使微觀原子或分子更加

具體視覺化(

visualization)

，不僅可發展學生的空間能力，也將使其更易理解分子式與化學平衡

式」。是以，為協助學生建構粒子概念之心智模式，本研究融合質性靜態與量化動態之視覺圖像，並

輔以立體模型和口語敘述，發展具體影像空間教學策略(eoncr巴t巳 Image

Spatial Concepts instructional

strategy ; else)

，亦即教師從事抽象之科學概念教學時，提供立體結構模型(st巳reoscopic

structure

model) 或電腦動態圖像 (computer

dynamic picture)

，協助學生對其無法直接觀察的微觀粒子世界或

巨觀天文現象，建構或操弄三度空間的心智模式，以理解科學理論與概念，其空間策略融入教學之學 習路徑參照圖 1 。 二、三維度視覺教學技能內涵 邱美虹及傅化文(民82) 曾利用四種不同的分子結構之表徵方式，來瞭解學生的解題策略及不 同表徵對學習成就之影響。從其研究結果顯示，分子表徵方式不同，對學生解題影響頗大。其中以實 際分子模型表徵的學習成就最高，亦即不論高低成就學生，其對具體分子模型的測驗試題之答對率都 較高，差異性也較小。基此，具體分子模型有助於大學生及研究生在化學方面的解題成就，並意味儘 管空間能力發展健全的成年人，實際模型表徵仍然能夠提升其辨識洞察微觀現象的能力。是故，以此 思維類推於中學生，更能意識到立體結構分子模型應用於粒子微觀世界單元之教學，適足以協助學生 建立正確科學認知。 else 教學策略的內涵包括以下三個部分: (一)立體圖形法 立體圖像為一對分子模型圖畫或照片所構成，當用右眼觀察其中之一種照片時，會出現一種圖 像;而當左眼觀察另一照片時，又再出現另一種圖像。利用左、右眼觀察一對分子圓形，依據視差產生 不同圖像，因而產生立體表徵是謂「立體圓形法」。研究結果指出(廖煜熙、邱美虹，民的;

Nicholson

,

Seddon

, &

Worsnop

,

1977)' 立體圖形法可以應用在分子模型上。藉由立體圖像之應用，可將分子或晶 體結構中原子之相對位置清楚地顯示出來。有鑑於目前教科書或參考書籍均以二度平面表徵書寫，使 此法於研究之應用滯礙難行。又教育宗冒均希望透過教學引導，促使學生產生學習遷移，能夠自行建 構想像與轉換能力，達到學習目標。故本研究之 else 教學策略之教學媒體應用並不採此方式。

(二)模型

透過立體原子、分子模型表徵之展示，協助學生建構或操弄一個三度空間的心智模式。 Sedden 、

Eniaiyeju 與 Jusoh (1984) 曾對奈及利亞中學生進行三種教學計畫，教導心像旋轉操作(

visualization of the

理解化學符號 理解分子式與結構式 1、 學生體驗現象 觀察自然與實驗現象 索變化情形。因此，模型融入教學有助於提升學習者對微觀分子或晶體結構 (crys叫 structure) 之理解。

Zoller

(1990) 的研究顯示，在面對抽象、非直覺的、或邏輯上不具高相關的概念，以模型來進 行教學是個不錯的策略。其次， Gabel 與 Sherwood (1980) 亦指出，教學時提供學生模型的操作與使 用，將有助於他們在化學鍵、化學平衡、和酸鹼理論的表現。而根據Sedden 等人 (1984) 的研究顯 示，教學上若同時使用模型和圓形，其學生表現會較僅使用圓形者為佳。邱美虹、傅化文(民82) 則提出不同成就族群學生在面對具體分子模型問題時，其解決表現較三度空間表徵者為佳，尤其是對 低成就組的學生幫助更大，此見解亦與國外學者看法一致。

Barke

~日 Engida

(200 I

)對德國與依索比亞七年級到十二年級學生，進行不同文化層面下結構化

學與空間能力之研究，其研究結果建議使用立體結構模型 (stereoscopic

structure

model) 有助於初學

者的化學理解。 Barke (1993) 曾對德國中學生進行何時才有能力理解分子模型的立體結構、男女生 的空間能力上是否有差異，以及空間能力是否可藉模型之操作訓練而有所增進的研究。結果顯示德國 中學生大部分在十四歲以後，才有能力理解化學分子模型的立體結構問題，同時以結構性分子模型進 行教學及適當舉例對男女生空間能力發展均有正相關的影響。是以透過立體結構模型融入教學之策 略，確實可以提升國中生的理化學習成效。本文基於上述文獻之實徵研究，擬藉物質粒子模型

(戶口iculate

model of matter)

，作為 CISC 教學策略之重要教學媒體之一。

(三)動態圖

Seddon 與 Moore (1986) 運用一組動態圖，來表現分子連續旋轉之型態。其旋轉順序圖像，可

藉由幻燈片投射呈現(廖棍熙、邱美虹，民的;Bodn仗，

Cutler

,

Greenbowe

, &

Robinson

,

1984 ;

Rozzelle

&

Rosenfeld

,

1985)

，此過程乃經由假想步驟，將分子的反射圖像顯示出來，而其旋轉操作所 產生之連續圖形，在每次轉動角度為 110' J 左右效果最佳。由於個人電腦操作之普適性，利用電腦 動畫教學，不論是在分子旋轉的操控性上，或是立體結構視覺化之效果，均比幻燈片更為方便有效 (廖棍熙、邱美虹，民的)。本研究從其動態圓教學媒體應用之方便性與有效性為考量，亦將動畫教 學(

animational

instruction) 作為 CISC 教學策略之輔助教學媒體。

步驟 l 步驟 2 步驟 3 n..···2之二世... ...在

+

學生自行建構立體結構影像 址(結構想像;空間能力 )j 叫“..I' 動畫(組imations)I視量

序列圖表阿en叫 d的/主化

像 態 圖 1 具體影像空間策略融入教學之學習路徑圖

·

396

教育心理學報 三、三維度視覺教學策略之實徵研究 依據學者指出(邱美虹、傅化文，民 82)

:

I 由於分子結構存在於微觀世界中，學生在學習立 體化學( stereochemistry) 時，對分子中原子間的相對位置或其特性，有相當的困難度。要暸解原子 間的立體關係必須具備一些想像力或藉助模型來暸解其空間相對位置，這對一般缺乏訓練的學習者而 言，不是一件容易的事」。其研究結果顯示(邱美虹、傅化文，民 82) 接受物質粒子模型教學的學 生，在立體化學解題之表現較佳，高低成就組之差異最少。又有學者(廖煜熙，民 88) 提出藉由媒 體輔助教學，例如，立體圖像、模型、動態園、鏡子、影像等，有利於學習者其分子結構心像之操 控，並建議藉由動畫或分子模型 (molecule model) 進行教學，將有助於矯正學習者的迷思概念。而

Paivio (1986)

(引自 Rohr

&

Reimann

,

1998) 也指出教學表徵型式 (representational formats) 的呈現 會影響學生的學習理解成效，例如文字 (textual) 可闡述命題表徵 (propositional representation) 、圓

形能提供心像，而動畫/影像則可輔助動態心智模式的建立。 Newell

(1982)

(引自 Rohr

&

Reimann

,

1998) 則建議動畫教學 (animational instruction) 不僅有助於初學者正確暸解科學概念，協助克服使 用這些概念的認知困難，且能夠建構知識層次(資訊)與表徵層次(符號)間的連結，以及提升本體

理解 (ontological compreh巳nce) 和計算問題 (computational problem) 的能力。 Talley

(I

973

)研究結

果也顯示，使用分子模型來觀察化學分子內原子間互動關係者之大學新生，其學習成就較高。又 Holford 與 Kempa (1970) 的研究亦提出使用實體操弄的學生較使用二度空間表徵的學生，擁有較佳 的結構透視與解釋之能力。 綜合上述， CISC 教學策略融入理化教學，不但能藉由粒子模型產生明確的巨觀層次

(macroscopic level)

(例如:水分子的蒸發、體積的膨脹)以降低抽象概念的複雜度，同時對於較難 以文字方式描述與理解之粒子交互作用的現象(例如:化學反應)，透過視覺描述(

visual description)

往往有助於學習者建構正確心像，以利其科學概念的理解。 四、空間能力理論 (一)視覺化理論 早在 Berkely

(1709)

(引自廖棍熙，民88) 即提出三維度視覺化理論，其理論依據乃是人類能透 過物體影像本身之不對稱原理，以及影像大小不同，而有感知立體影像的能力。當二維表徵的刺激進 入眼睛之視網膜時，會形成一個二維影像，但由於物體本身之線條深淺、遠近的不對稱所致，人類即 能感知立體影像。根據Goodman (1968) 的看法，欲藉由線條深淺將景物之立體影像呈現出來，則必 須擁有感知三維度空間立體影像之能力。 (二)線索反射理論

Gibson

(1971) 則說明二維度表徵方式輸出三維立體結構，乃基於人類可將光線直接反射成三維 立體影像。是故，外界光線會將物體結構訊息反射給眼睛，而雙眼即直接將物體之立體結構顯示出 來。此即為何一幅平面圖像當透過觀察者，常誤認為立體景物之原因。 (三)視覺心像理論 此理論由 Kosslyn 於西元 1981 年提出。其理論認為藉由心像檢視與心{象傳遞，立體影像隨即產 生。然此過程中，大腦在訊息表徵及處理上扮演關鍵性之角色。亦即當外界訊息通過眼睛時，會轉換 成訊息代碼，而此訊息代碼傳送至大腦後，即由其處理及作詮釋，最後再將處理後之訊息反射出立體 影像。依據 Kosslyn 的研究結果指出，視覺心像能力需要許多其他附屬能力之協助方能完成。

五、空間能力內涵

Lohman

(1979) 對空間能力意涵則提出更明確之說明:空間能力為二維平面表徵與三維立體結 構間之移動、轉動與扭動的轉換過程。此轉換技能向度陳述如下: (一)空間關係 (spatial

relations)

Lohman

(1988) 提出空間關係之內涵為: I"將眼前呈現的刺激在腦海中作快速旋轉之能力，其 測試項目則包括心像旋轉(

mental rotation)

J 。亦即二維平面表徵與三維立體結構之「移動」的轉換過

程。而依據 Pellegrino 與 Kail (1982) 對空間關係所持見解則為: I"物體之間相對的關係或位置的比 較」。其內容特徵趨於簡單，並重視答題速度。代表性測驗包含有二度空間心像旋轉、方塊比較以及 三度空間心像旋轉(吳文如，民93 )。

(二)空間方位 (spatial

orientation)

Lohman

(1988) 對空間方位所提出之解釋: I"能夠設想從不同角度 (perspective) 觀察眼前景物 情形之能力」。亦即二維平面表徵與三維立體結構之「轉動」的轉換過程。其測試項目「鏡像」貝IJ最 具代表性。受試者必須想像鏡子前的物體其在鏡內所形成的{象為何， jJt類試題可檢測受試者心像翻轉 能力。

(三)空間視覺化 (spatial

visualization)

空間視覺化 (spatial visualization) 為腦海中形成有關刺激的心像且必須轉換(transformation) 之

能力，其測驗項目包括圖像拆解(表面發展)

(surface

development)、紙張摺合 (paper folding) 與形

板測驗(form

borard tes

t)

(Lohman

,

1988)

0 Pellegrino 與 Kail (1 982) 則提出另一觀點: I"空間視覺

化為想像、建構與拆解物體成分之動態操弄技能」。其代表性測驗包含有:1.形板測驗 (form

borard

tests)

:將隨機排列的紙板組合成完整形狀; 2. 打孔測驗 (punched

holes tests)

:在折疊的四方紙上

打洞，推測折疊紙張展開後小洞的位置; 3. 紙盒摺疊或表面發展測驗 (paper-

folding or

surfaces-development tests)

:推測紙盒展開後與紙板折疊後的形狀。根據Lohman (1988) 對空間視覺化所提 出之解釋:二維平面表徵與三維立體結構之「扭動」的轉換過程。此類試題主要檢視受試者將二維平 面表徵折疊成三維立體結構，或三維立體結構展開成二維平面表徵之心像操控能力。 基此，由於本研究擬藉I"CISC 教學策略」進行「物質的構造」單元教學，其粒子概念與有機立 體化學相近，又為力求有機立體化學與空間能力向度密切相關之考量，酌採用Lohman 之見解作為空 間能力向度的依據，將空間能力意涵界定為I.空間關係;2. 空間方位; 3. 空間視覺化。 六、空間能力與自然科學學習之賈鑽研究

空間能力是學習科學的成功要素之一(邱美虹、翁雪琴，民84

; Bishop

,

1978 ; Siemonkowski

&

Macknight，的7 1) ，科學學科之學習成就與空間能力有密切相關 (Lord，

1985 ; Pallrand

&

Seeber

,

1984 ;

Siemonkowski

&

Macknight

,

1971)

，另有學者亦認為在化學方面，對需要解題技能及心智上處理一個 分子之三度空間表徵的問題，具有高空間能力的學生顯然有較好的處理能力(邱美虹、陳英嫻，民

84 ; Pribyl

&

Bodn前， 1987) 。

有機化學的概念中許多是可利用二度空間表徵三度空間的例子，故自二度空間圓形中，建構與處

理三度空間之心智圖像的能力，對有機化學家而言是必要且重要的(邱美虹、陳英嫻，民 84

;

Shepard

,

1978)

0

Rochford

(I987) 亦曾發展理解性測驗，用以檢測大一學生的空間能力與化學學習

成就之相關性，其結果發現通過空間能力測驗的學生，化學成績普遍優於未通過的學生。又Baker 與

Talley

(1972) 以及 Pribyl 與 Bodner (1987) 等學者對空間能力與化學成就之間呈現正相關之理論， 持以肯定態度。而依據 Carter 、 LaRussa 與 Bonder (1987) 量化研究結果顯示，空間能力與化學成就

398

.

教育心理學報 之間，呈現顯著正相關，其相關係數在 0.1 --0 .37 之間。再者 Baker 與 Talley (1972) 也提出學生學習 化學失敗的原因，極可能是缺乏空間思維技能所致之觀點。是以，國內學者研究指出(廖棍熙，民

88)'

I"原子結構」單元所包含的概念較為抽象且牽涉到許多科學名詞，再加上學生缺乏日常生活經 驗，因而屬於較難學習的課程。基此，提出額比策略有助於「原子結構」單元學習之見解。然而，雖 說類比教學並不是本研究所欲探討的主題，但是其協助學習者建立心像之本意則不謀而合。因此

McGee

(1979) 、 Rochford (1987) 與廖棍熙(民88) 均將空間心像測驗列為預測化學學習成功與否 之重要指標。

依據 Macnab 與 Johnstone

(

1990) 之研究指出，型態辨認 (form

recognition)

，運轉

( orientation)

，三度空間至三度空間的轉換，二度空間至三度空間的轉換等空間能力在生物科學中皆 扮演相當重要的角色，這些能力均與顯微鏡的操作有關;又Lord (1987) 之研究結果亦發現，產生及 控制心像發生困難的學生，其生命科學課程的表現較差，對這些學生而言，圖表是困難的。另在物理 方面，也提出具有高空間能力的學生大都能成功地學習物理(邱美虹、陳英嫻，民84

; Pallrand

&

Seeb巳r， 1984) 。 綜合上述理論與實徵研究顯示，自然科學本身教材即涉及許多空間問題，學習自然科學時，空間 能力 (spatial ability) 著實為必要且重要之學習技能，因此本研究擬藉 CISC 教學策略運用於理化教學 場域，進行中學生空間能力提升與否之探究。依據上述動機，本研究有二個目的: (1)探討I" CISC 教學策略」對中學生空間能力的影響。 (2) 探討低中高成就組學生在接受I" CISC 教學策略」後，其空間能力發展的差異。 基此，本研究的主要問題包括:

(1)

CISC教學策略對中學生空間能力發展的影響為何? (2) 低、中、高成就組學生在接受I"CISC教學策略」後，其空間能力發展的差異為何?針對上述問 題，本研究所提出之假設如下: (1)接受CISC與一般教學策略之中學生其空間能力的發展未達顯著差異。 (2) 接受 CISC 之低、中、高成就組學生其空間能力的發展未達顯著差異。

方 法

本研究採準實驗設計，茲將研究對象、研究工具與研究步驟說明如下: 一、研究對象 研究對象為台北地區某縣立國民中學八年級學生，共有三個班級參與此研究，有效樣本共125 人 (男生的人，女生58 人)。為避免由研究者精心設計或無意處理所產生的實驗者偏見，並顧及原班理 化教師可能未完整呈現CISC 之教學本質，以及釐清兩班控制組之間是否因教師不同而有所差異之考 量，經徵求學校與任課教師之同意，由研究者擔任實驗組與一班控制組之理化教師，另一班控制組則 由原班理化教師進行教學。班級選取是透過相識學校的理化老師，在可配合之情形下進行研究，屬便 利樣本性質。參與研究的T 老師畢業於師大化學系，為資深在職理化教師，教學資歷9 年，現今於師 大科學教育研究所進修。施測學校、年級與男女生人數統計，如表l 所示。

表 1 曼試者各變項詞查蠹整結果統計分析摘要表 組另IJ 性別人數 (N) 總人數 (N) E分比 累積百分比 實驗組 男生

24

44

35.2%

35.2%

女生

20

控制組一 男生

21

40

32%

67.2%

女生

19

控制組二 男生

22

41

32.8%

100%

女生

19

總和 實驗組

44

35.2%

35.2%

控制組

₈₁

_64.8%

_100%

二、研究工具 (一)園中八年級物質的構造單元 CISC 教學活動 CISC 教學活動目的在協助學生對於抽象之粒子概念建立心像，以理解科學理論，並發展其空間 能力促使更易瞭解原子結構或分子式。是以，本研究依據課程之單元教學目標、內容與活動，發展 CISC 教學策略，並編擬正式「國中八年級物質的構造 CISC 教學活動 J (參照圖 2) 。為了達到實驗控 制的目的， CISC 教學活動包括質性靜態視覺圖像和口語敘述，由於在理化教學中常以類比協助學生 理解概念，因此研究者與 T 老師均互相觀摩上課情形，以求類比例子的一致性。此外，實驗教學的操 作變項則涵攝立體教材的運用，包括模型、動態圖像、以及 Flash 動畫的呈現，另外則請學生以肢體 動作模擬原子結構或分子運動並配合比例、方位或大小的陳述。 (二)空間能力測驗 1.試題編製 本研究工具之編製係參考國內外相關空問試題範例，並依據南一版自然與生活科技第五章「物質 的構造」之單元教學目標、內容與活動，發展出適合八年級學生之理解能力的「空間能力測驗」共 35 題。測驗內容之撰擬涵攝空間關係、空間方位及空間視覺化等能力，全測驗共包含三個分測驗依 序為空間關係測驗、空間方位測驗以及空間視覺化測驗(參照表 2) 。 表 2 空間能力測臨之向度與檢測能力摘要表 分測驗 空間關係 空間方位 空間視覺化一 空間視覺化二 合計 主要能力 二維旋轉能力 二維翻轉能力 二維轉換三維的能力 三維轉換二維的能力 題號

1

,

2

,

3

,

4

,

5

,

6

,

7

,

8

,

9

,

10

,

11

,

12

13

,

14

,

15

,

16

,

17

,

18

,

19

,

20

,

21

,

22

,

23

,

24

25

,

26

,

27

,

29

,

30

31

,

32

,

33

,

34

,

35

,

36

觀一口口

56

一站

400

.

教育心理學報

參與研究學生

策略相似之處

表徵模式 表徵模型 表徵屬性

(Modes ofRepresentation) (Modles ofRepresentation) (Attributes of Representation)

口語/文字敘述 類比(Analogy) 質.f:生(Qualitative)

(Verbal Writte

n/

oral) 講述(Description) 靜態 (static)

l豆豆喻(Metaphor)

2D 視，覺囝 f象 繪圖 (Drawing) 質性(Qualitative)

(Visual Pictorial) 圖解(Diagram) 靜態 (static)

/

策略中目異之處

\

表徵模式 表徵模型 _表徵模式 表徵模型

肢體動作 肢體配合說明

Mixed vs smgle 肢體動作 單純肢體

(Gestural Bodily) (Hand gestures with talk) _{(Gestural Bodily)} ( Hand gestures)

(Showmg positions with talk) _{(Showmg positions)}

表徵模式 表徵模型 表徵屬性 CISC 控制

(Modes of Representation) (Modles of RepresentatIOn) (Attributes of Representation) 組 _手且

口語/文字敘述 口述實際大小、距離 量化、靜態 > _無

(Verbal Written/oral) (Description with size or distance) (quatitative

,

static)

立體教材 立體模型 質性、靜態 > _無

(Concrete Material) (3D model) (qualitative

,

static)

立體教材 移動式模型 質性、動態、結果論 > _無

(Concrete Material) (3 D models that move) (qualitative

,

dynamic

,

deterministic)

立體教材 實物模擬 質性、動態、隨機論 > _無

(Concrete Matenal) (Physical simulations) (qualitative

,

dynamic

,

stochastic)

圖 2 實驗組與控制組教學策略架構比較對照圖

2. 信度檢驗

( 1) Cronbach'sα 信度

各分測驗。onbach'sα 的係數介於.646 至 .8 時，總測驗的Cronbach'sα 的係數為.843 (參照表

表 3 空間能力測驗之 Cronbach'sα 信度一覽表 (N=317) 受試者年級 Cronbach'sα 空間關係測驗

770

空間方位測驗

.819

空間視覺化測驗

.646

全測驗

843

(2) 重測信度 本研究選擇一班八年級受試者 (N =36) 進行兩次相同之空間能力測驗，前後間隔四週，以檢視 本測驗之重測信度。測驗信度之穩定係數( .4 56-.805) 依序空間能力測驗為 .8肘，空間方位測驗 為.473 '空間視覺化測驗為.4 56 '全測驗為 .798 '全測驗達顯著相關，顯示全測驗之重測信度尚可， 應可符合本研究所需。 3. 效度檢驗 本研究為檢視所設計之空間能力測驗，確實能檢測到欲測的潛在特質，同時分析釐清潛在特質之 內在結構，是以採用建構效度檢定測驗工具是否能有效解釋所欲建構的心理特質，而在統計學上，考 驗建構效度最常用的方法即為因素分析。基此，研究者以因素分析求得測驗工具之建構效度。 (1)因素分析 本研究為了驗證每一分測驗試題所測驗的能力相同，以三個分測驗的單數題與偶數題得分之加總 為新的變項，共產生六個新的變數，依序為空間關係測驗單數(Tl )、空間關係測驗偶數 (T2) 、空 間方位測驗單數 (T3) 、空間方位測驗偶數(T4)、空間視覺化測驗單數 (T5) 、空間視覺化測驗偶數

(T6)

，六個新變項所包含的試題如表4 所示。 表 4 空間能力測驗六個新變項摘要表 分測驗 題號 題數 空間關係測驗單數(T1) 1 、 3 、 5 、 7 、 9 、 11

6

空間關係測驗偶數(T2) _{2 、 4 、 6 、 8 、 10 、 12}

₆

空間方位測驗單數 (T3) 13 、 15 、 17 、 19 、 21 、 23

6

空間方位測驗偶數 (T4) 14 、 16 、 18 、 20 、 22 、 24

6

空間視覺化測驗單數 (T5) 25 、 27 、 29 、 31 、 33 、 35

5

空間視覺化測驗偶數 (T6) 26 、 30 、 32 、 34 、 36

6

合計

₃₅

本研究利用上述六個變項進行因素分析，並使用主軸法 (Principal

Axis Factoring)

，依據量表向

度萃取三個因素，並使用正交轉軸法之最大變異法( varimax) 進行分析，由表 5 所示，各因素負荷量 皆大於.間，因素分析後解釋量佔測驗總變異數的 82.559忘，顯示本研究測驗檢具良好的建構效度(參 照表 5) 。

·

402

.

分測驗 教育心理學報 表 5 轉軸後的成分矩陣 (N=317) 因素 l 因素 2 因素 3 空間關係測驗單數(T1)

.911

.127

.121

空間關係測驗偶數 (T2)

.878

.222

.147

空間方位測驗單數(T3)

.118

.904

.159

空間方位測驗偶數 (T4)

.241

.879

.154

空間視覺化測驗單數 (T5)

.181

.086

.856

空間視覺化測驗偶數 (T6)

.073

.210

.845

特徵質 解釋量 總累積變異量82.55% 1.7

12

28.53%

1.7

08

28

.4

6%

1.

533

25.569也 三、研究設計 本論文採用準實驗之研究設計，酌將台北地區共三班國二學生，進行空間能力之前測與後測，探 討 fCISC 教學策略」融入「物質的構造」單元教學對中學生空間能力的影響。其中，實驗組接受研 究著所發展之 fCISC 教學策略 J '而控制組則進行一般教學，檢視 fCISC 教學策略」與一般教學對 受試者之空間能力影響的差異。為避免由研究者擔任教學可能因實驗目的所產生之偏頗心證，以及原 班理化教師擔任教學可能未完整呈現 CISC 之教學本質，暨釐清兩班控制組之間是否因教師不同而有 所差異之考量。基此，本研究採取二組控制組之設計，即實驗組與控制組一由研究者擔任教學教師， 另控制組二則由原班理化教師進行教學，以取得實驗控制的目的。針對「物質的構造」單元分別進行 fCISC 教學」與「一般教學」。三組均採用「類比」、「隱喻」、「繪圖」、「圖解」和「口語講述」作 為教學控制之依據外，接受 fCISC 教學策略」之實驗血且，另援引「立體模型」、「動畫」和 f3D 視 覺圖像」為其教學主軸。綜合上述茲將研究設計彙整成表格，如表 6 所示。 表 6 研究設計架構 實驗組

Sl

Xl

_Ll

S2

控制組一

Sl

y'

Ll

S2

控制組二

Sl

yl

_T'

S2

註: SI: 空間能力測驗前測; S2: 空間能力測驗後測

Xl:

CISC 教學策略

;

yl: 一般教學策略 L l.研究者擔任教學

;

T1_{: 原班理化老師擔任教學} 結果與討論 一、 CISC 教學與一般教學對空間能力測驗之影響 本節根據單因子共變數分析來比較 CISC 教學與一般教學對空間能力測驗的影響是否存在顯著差 異，其分析結果如下:

(一)共變數分析的基本假定之棋測 將資料進行檢視，其變異數同質性檢定之 F= 1.793

' p=.171

>.肘，未達顯著水準，是j;~滿足變 異數同質性的假定條件已在迴歸係數同質性檢定之F= 1. 866

'

p=.159>.肘，未連顯著水準，可將兩 組斜率視為相等，符合組內迴歸係數同質的基本假定，因此本研究資料適合進行共變數分析。 (二)獨立樣本單因子共變數分析之接定 首先由表 8 發現， r教學法」因子 F=6.033

' p=.003

<.肘，排除空間能力前測評量之影響後，兩 種教學法之間達顯著差異，代表 CISC 教學能夠有助於學生空間能力的發展。是以，研究假設接受 ClSC 與一般教學策略之中學生其空間能力的發展未達顯著差異，未獲得統計資料的支持。此結果與 Carter 等人(1 987 )結論相似，即透過旋轉三度空間分子的有機化學課程之訓練，可以提升心智旋轉 能力 (MR) 。 表 7 空間能力前;J{~、後測及調整後之平均值摘要表 空間能力前測 空間能力後測 組別 人數 平均值 標準差 平均值 標準差 實驗組

44

30.16

3.249

3

1.

41

3

.4

26

控制組-

40

29.00

4.255

27.80

5.511

控制組二

41

28.15

6.710

28.07

6.440

總和

125

29.13

4.958

29.16

5

.4

57

實驗組

44

30.16

3.249

3

1.

41

3

.4

26

控制組

81

28.57

5.615

27.94

5.963

表 8 空間能力測驗之教學法共變數分析摘要表 調整後的分數 平均值 標準差

30.616 (a)

.552

27.899 (a)

.574

28.829 (a)

.571

變異來源

SS

df

MS

F P 組間(教學法)

158.965

2

79

.4

83

6.033**

00司u、 組內(誤差)

1594.204

121

13.175

全體

10998

1.

000

125

**p <.01

藉由事後比較(參照表9) 結果顯示實驗組與控制組一和控制組二均達顯著差異，表示實驗組學 生在接受 ClSC 教學後其空間能力的表現優於接受一般教學的學生。然而，分別由研究者和T 老師進 行教學之兩組控制組學生其空間能力的表現並不因為教學者的不同而有所差異，其之間未有顯著差異 存在。 其次依據表7 發現實驗組在調整前和調整後之空間能力後測平均值均高於控制組(實驗組:

M

=3

1.

41 ' 30.616 (a)

;控制組一:

M

=27.80 ' 27.899 (a)

;控制組二:

M

=28.07 ' 28.829

(a))

，研究結果顯示ClSC 教學策略可以有效提升學生的空間能力，此結果亦與Bodner 與 Guay

(1997) 和 Coleman 與 Gotch (1998) 的研究結論相似，即透過化學課程的廣泛訓練能改善心智旋轉 能力的表現。

·

404

.

教育心理學報 表 9 空間能力成對事後比較 (Pairwise

Comparisons)

﹒差異的 95% 信賴區間a 平均數差異 (I)教學組 (J)教學組

(I-I)

標準誤

pa

_下限

_上限 實驗組 控制組一

_2.717*

_.797

₀₀₁

_1.1

40

4.294

控制組二

1.

787*

.799

027

.205

3.369

控制組一 _實驗組

-2.717*

.797

001

-4.294

-1.1

40

控制組二

-.930

.809

.252

-2.531

.671

控制組二 _實驗組

-1.

787*

.799

.027

-3.369

-.205

控制組一

.930

.809

.252

-.671

2.531

*p<.05

二、低中高成就組對實驗組空間能力的影響 本研究之另一個目的為探討實驗組低中高成就組其空間能力發展的差異，並依據國二下學期自然 與生活科技第二次段考成績得分高低情形，分別取前後27% 加以區分為高分組、中間組和低分組三 組，以分析不同成就組別之空間能力的差異情形，茲詳述如下。 (一)共變數分析的基本假定之檢測 將本研究資料進行檢視，得知變異數同質性檢定之F=.647

' p=.529

>

.05

'未達顯著水準'是以 滿足變異數同質性的假定條件。在迴歸係數同質性檢定之F=.4 日 ， p=.666>.肘，未達顯著水準，可 將兩組斜率視為相等，符合組內迴歸係數同質的基本假定，因此本研究資料適合進行共變數分析。 (二)獨立樣本單因子共變數分析之憶定 由表 10 發現， r 成就」因子 F= 1.217

'

p= .307>.肘，排除空間能力前測評量之影響後，高成就 組、中成就組與低成就組之間沒有顯著差異存在，是以，研究假設接受 ClSC 教學策略之低、中、高 成就組學生其空間能力發展未達顯著差異，獲得統計資料的支持，表示接受 else 教學之低中高成就 組間其空間能力的發展相似。 表 10 實驗組空間能力測驗之成就組共變數分析摘要表 變異來源

55

df

M5

F P 組間(成就)

17.583

2

8.792

1.

217

.3

07

組內(誤差)

288.907

40

7.223

全體

43149.000

44

結論與建議 一、 CISC 教學對空間能力的影響 依據研究分析結果， else 教學對空間能力的影響可歸納出以下幾點結論: (一)空間能力測驗之總結分析 1.透過單因子共變數分析發現，排除空間能力前測之影響效應後，實驗組與控制組在空間能力測

驗的表現存在顯著差異 (p=.003

<.05)

，實驗組優於控制組。 2. 從事後比較結果發現實驗組與兩組控制組均達顯著差異，表示實驗組學生在接受CISC 教學後 其空間能力的表現優於接受一般教學的學生。縱使兩班控制組學生分別接受研究者與T 老師之教學， 然其空間能力的表現則並不因為教學者的不同而有所差異，其之間未有顯著差異存在。 (二)空間能力測驗之總結推論

1.

CISC 教學有助於空間能力的發展 首先，排除空間能力前測評量之影響後， CISC 與一般教學法之間存在顯著差異，表示 CISC 教學 有助於學生空間能力的發展。此結果與 Carter 等人(1 987 )結論相似，即透過旋轉三度空間分子的有 機化學課程之訓練，可以提升心智旋轉能力 (mental rotation) 。其次，依據實驗組在調整前和調整後 之空間能力測驗平均值均高於控制組，其中又以實驗組的進步幅度最大(實驗組:

1.

25 ;控制組 一:

-1.

20

;控制組二:

-0.07)

，顯示 CISC 教學策略可以有效提升學生的空間能力，此結果亦與

Bodner 與 Guay (1997) 和 Coleman 與 Gotch (1998) 的研究結論相似，即透過化學課程的廣泛訓練

能改善心智旋轉能力 (MR) 的表現。歸納以上分析結果，本研究驗證CISC教學策略有助於國中生空 間能力的發展，對於科學理解與心智模式的建立檢真相當之影響成效。 二、成就差異對CISC教學影響的比較 (一)成就差異對空間能力的影響 依據研究結果分析，成就差異對空間能力的影響可歸納出以下幾點結論: 1.空間能力測驗之總結分析 藉由單因子共變數分析進行統計控制，排除空間能力前測之影響效應後，結果顯示低中高成就群 組之間沒有差異存在 (p=.307

>

.05

)。 2. 空間能力測驗之總結推論 藉由共變數分析結果發現，排除空間能力前測評量之影響後，成就群組之間沒有差異存在，表示 接受 CISC 教學之低中高成就群組其空間能力的發展相似。 三、教學建議與未來研究方向 (一)教學建議 1.以 CISC 教學輔助學生建立微觀粒子之心智模式 從本研究結果發現， CISC 教學策略有助於空間能力的發展。 CISC 之動態圖與立體模型等視覺化 輔助工具均有助於學生建立正確心像，理解抽象科學概念。基此，本研究建議援引 CISC 教學以協助 學生建立微粒理論之心智模式與空間能力的發展。 2. 為不同單元或學習背景發展適切之 CISC 創意教材與教學輔具 雖然表徵和模型教具大量廣泛地應用於科學教室，但是由於國內目前對於教材與教具並沒有一套 有系統之課程研究的類別 (typology) 整理，教師往往只是就出版社所提供之教材和輔具進行教學， 缺乏對學生認知發展歷程的考量以及忽略學生是否能對教具所表徵之現象建構一個強而有力且融貫

(

coherence) 的心智模式。基此，本研究建議歸納並比較不同單元或學習背景的認知特性，作為建置 一個有系統之 CISC 創意教材與教學輔真之分類依據，以發展 CISC 創意教材與教學輔助。如此，不僅 促使教師能夠瞭解 CISC 教材與輔具的特性，更能協助學生理解 CISC 輔具所表徵之理論與現象，達到 建立正確科學概念的目的。 3. 加強學生空間能力的培養 從研究中發現，接受 CISC 教學之學習者其空間能力的發展均優於接受一般教學學生。因此空間

· 406

.

教育心理學報 能力對於科學概念的理解檢具重要的影響力。基此，植基於 ClSC 之理論架構，加強學生空間能力的 培養是今後科學教育的重要方向與任務。此意昧著透過視圖呈現與空間訓練來加強學生的空間能力是 可行且必要策略。 (二)未來研究方向 1.在研究工具方面 建議進一步將空間能力測驗常模化，以提供未來國中教師進行物質的變化單元教學時，擬編教學 活動與輔具應用的參考依據。 2. 在研究內容方面 男女生的空間能力是否存在差異，在各種研究結果均顯示不同的觀點。是以，本研究建議未來可 繼續探討不同性別的空間能力是否存在顯著差異，以便瞭解 ClSC 教學策略對於不同性別其空間能力 發展是否有不同的影響。 3. 在研究主題方面 由於本研究僅探討 ClSC 融入國二理化「物質的構造」單元教學場域與國中生空間能力發展的關 係，因此不宜有過度推論上的限制。是以本研究建議可進一步擴大範圍，針對國中生空間能力與科學 學習間的影響再作深入研究與探討。 4. 在研究設計方面 由於本研究在進行實驗教學時，礙於學校行政配合上之限制，只能就 T 教師所任課之班級進行教 學研究，然而 T 教師在國二理化科之配課僅任教三個班級，因此實驗設計上即受到限制(一班實驗 組、二班控制組) ，致使無法將參與研究的班級以完整的四組設計(二班實驗組、二班控制組)規劃 之。基此，為使實驗教學設計趨於完備，本研究建議在進行實驗教學時，研究者能突破現實教育環境 的束縛，爭取更多配合資源，以完整的四組設計(二班實驗組、二班控制組)之架構進行研究，以求 更客觀、準確之研究結果。

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Ability of Junior High Students

HSIAo-HUI LIN

CHAO-TI HSIUNG

SIEH-HWA LIN

Institute of Natural Science

Education National Taipei

Univ巴rsity

of Education

Department of Educational Psychology

and Counseling

National Taiwan Normal University

The

pu叩ose

of this study was to investigate the effect of the Concrete Image Spatial Concepts (CISC)

instructional strategy on the spatial ability of junior high students. The sample consisted of 125 junior high

eighth-grade students in the Taipei area. The participants were assigned to three groups. The experimental

group received a 3-week CISC treatment

,

whereas the two control groups received a 3-week non-CISC

teaching. The Spatial Ability Test was used in the pre

.

and post-tes

t.

The results showed significant difference

in spatial ability among the three groups

,

and the spatial ability of

the 巳xperiment

group was better than the

control groups. But no significant

di証'erence

was found among the low

,

medium and high

achiev巴ment

students in the experimental group. From the qualitative data collected in field

obs巳rvations，

it was observed

that CISC not only elevated the learners' operational abilities with mental images but also catalyzed the

interactions between

2D/3D representations. It appears that CISC strategy is functional in lowering students'

cognitiv巳 load

and the complexity of abstract concepts. CISC has also demonstrated

its 巴ffectiveness

in

elevating students' spatial ability through ease in mental image construction.

KEY WORDS: Concrete Image Spatial Concepts (CIS

C)

instructional

strate缸，

mental image

,

spatial

ability

,

spatial concepts