國立台中教育大學科學應用與推廣學系
碩士論文
指導教授：張嘉麟博士
以POE策略探究國小自然科教師
色光概念及概念改變歷程
研究生：洪淑淩 撰
中 華 民 國 九 十 六 年 一 月
謝 誌
兩年半的進修即將劃下句點的此時，回顧這段研究所生涯，心中浮現的只有一 連串的感激與感動。感謝生活周遭許許多多人的關懷與協助，使得本篇論文得以順 利完成。首先承蒙恩師張嘉麟教授之諄諄教誨，使我在學習研究與為人處事上有更 深的領悟與體會，在此致上最高的敬意與謝意。 論文復蒙口試委員許良榮教授、葉蓉樺教授於百忙之中審核論文，惠賜教示， 給予我莫大的幫助與指導，心中感激。 研究期間的學習承蒙許良榮教授、賴家瑩教授、蘇育任教授、靳知勤教授、程 智慧教授、游淑媚教授、成映鴻教授的勉勵與指導，殷切垂詢，熱心輔助，在論文 之方法與觀念上學習諸多寶貴學識，使學生獲益匪淺，由衷感念科學應用與推廣學 系所有教授的愛護和栽培。 在校期間多蒙育嘉、鳳妤、勇昌、易軒、連福、乙平、皓嵐、字和、育志、錦 隆、秉珮、秋源、瑞祥等同窗好友們，在這一段學習路上的相互砥礪，也讓我這段 研究所生涯中獲益良多、不覺孤獨。 感謝大明國小讓我深處於充滿讀書風氣的環境中，在進修期間，支持與鼓勵我 的好友們，你們的誠摯溫暖，是我能繼續向前的動力，特別感謝翠宜、怡妃、俞蓉、 宛庭，在我忙亂煩惱時，不斷激勵我，不時提醒我，讓我更有勇氣邁向進修的步伐。 學業遭遇瓶頸時，感謝摯友佳蓮在資料收集及統計分析上給予許多寶貴的協助 與鼓勵；最後，更要感謝父母親以及弟弟、妹妹，除了包容我進修期間的忙碌，還 給予我精神上的鼓勵，心中感激。 求學路上，我得之於人者太多，在生活中、學業上何其有幸能獲得大家的助益， 而家人和朋友們的寬容與愛，是我能努力向前的源泉，我無法一一道盡，只能在此 說聲感謝，謝謝大家。以POE策略探究國小自然科教師
色光概念及概念改變歷程
摘 要
本研究以POE 活動，探究16位國小自然科教師的色光概念及概念改變歷
程。研究以玻璃紙透光色散為主題的POE 活動單，收集教師的色光概念；並
交互比較教師「前預測」與「再預測」概念改變情形。最後針對POE 活動單
及晤談資料，加以整理、分析與歸納。結果發現研究對象對於色光普遍存有另
有概念，研究者將其歸納為七種概念類型：1.光波強度方面；2.光波波長方面；
3.光譜組成方面；4.光的折射方面；5.光的吸收方面；6.光的反射方面；7.光的
混色方面。研究亦發現受試教師的另有概念占79％，在做解釋時多以光波波
長、光的混色和光的吸收來判斷色散的結果與原理。當受試教師面臨預測與觀
察情況不符的概念衝突時，會以相關的色光概念來說明，且改變理由的情形有
逐漸增加的趨勢，概念改變的歷程中，產生弱修正最多、增加次之、強修正最
少，顯示受試教師在POE 活動之後，出現概念改變的情形。
關鍵詞：POE 策略、色光概念、另有概念、概念改變
Study of Elementary School Science Teachers’ Concepts of Colored Light
and the Processes of Conceptual Change by Using the POE Strategies
Abstract
The purpose of this study was to investigate 16 elementary school science teachers’ concepts of colored light and the processes of conceptual change by using the Predict-Observe-Explain (POE) strategies. In this study, the activity sheets of glassines with different colors were utilized to collect the teachers’ concepts of colored light and compare the change of concepts between the pre-prediction and re-prediction stages. Interviews were also performed to collect teachers’ concepts of colored light. The main findings of this study are as follows. A majority of the teachers show various alternative concepts about colored light, such as the following: 1. the intensity of light; 2. the wavelength of light; 3. the composition of spectra; 4. the refraction of light; 5. the absorption of light; 6. the reflection of light; 7. the mixing of colored light. This study also found that most of the teachers explain their observations about the dispersion of lignt in terms of the wavelength of light, the mixing of colored light and the absorption of light, but 79% were alternative concepts. When the teachers faced the confliction between prediction and observation, they responded by the related concepts of colored light. The concepts in the re-prediction stage were different from those in the pre-prediction stage, showing that teachers were undergoing conceptual changes in the POE activities.
Keywords: POE strategies; Concept of Colored light; Alternative Concept; Conceptual Change
目 次
中文摘要 ... I
英文摘要 ... II
目 次 ... III
表 次 ... V
圖 次 ... VI
第壹章
緒論 ... 1
第一節 研究背景與動機 ... 1 第二節 研究目的與待答問題 ... 2 第三節 名詞解釋... 3 第四節 研究範圍與限制 ... 4 第五節 研究倫理... 6 第六節 研究的重要性 ... 7第貳章
文獻探討 ... 9
第一節 概念的相關研究 ... 9 第二節 POE 策略的相關研究 ... 17 第三節 色光概念的相關研究 ... 26 第四節 九年一貫課程光概念相關課程內容 ... 34第參章
研究方法 ... 37
第一節 研究設計與流程 ... 37 第二節 研究對象... 38 第三節 研究工具... 38 第四節 研究流程... 47 第五節 資料處理與分析 ... 50第肆章
研究結果與討論 ... 55
第一節 國小自然科教師在「前預測」階段的色光概念 ... 55 第二節 國小自然科教師在「再預測」階段的色光概念 ... 62 第三節 國小自然科教師之概念改變歷程 ... 73 第四節 綜合討論... 94第伍章
結論與建議 ... 104
第一節 結論 ... 104 第二節 建議 ... 108參考文獻 ... 111
中文部份 ... 111 英文部份 ... 114附錄
... 117
附錄一 國小自然科教師色光概念「前預測」活動單 ... 117 附錄二 國小自然科教師色光概念「再預測」活動單 ... 119 附錄三 初探研究之評分者信度 ... 122 附錄四 16受試教師概念改變歷程圖 ... 123表 次
表2-2-1 國外POE 之相關研究 ... 24 表2-2-2 國內POE 之相關研究 ... 25 表2-3-1 國內光概念之相關研究 ... 33 表2-4-1 九年一貫「自然與生活科技」學習領域「光學」概念教材內容要項 ... 35 表3-3-1 本研究之活動裝置修改要項 ... 45 表3-5-1 原始資料編碼對照表 ... 50 表4-1-1 「前預測」階段研究對象所持之色光概念 ... 56 表4-2-1 「再預測」階段研究對象所持之色光概念 ... 63 表4-3-1 受試教師概念改變歷程統計表 ... 93 表4-4-1 「前預測」與「再預測」階段研究對象所持之色光概念 ... 94 表4-4-2 「前預測」與「再預測」選答相異情形統計表 ... 100 表4-4-3 受試教師七大類型之色光概念統計表 ... 101 表4-4-4 受試教師概念改變統計一覽表 ... 102 表4-4-5 本研究與王玉龍研究之比較 ... 103圖 次
圖 2-1-1 概念改變的二分法觀點 ... 12 圖 2-1-2 概念改變的動態觀點 ... 13 圖 2-3-1 顏色錐體 ... 27 圖 2-3-2 色環 ... 28 圖 3-1-1 研究架構圖 ... 37 圖 3-3-1 POE 活動流程圖 ... 41 圖 3-3-2 色光活動實驗裝置 ... 44 圖 3-4-1 研究流程 ... 49 圖 4-1-1 「前預測」階段色光概念次數圖 ... 60 圖 4-1-2 「前預測」階段七大色光概念比例圖 ... 60 圖 4-1-3 「前預測」階段另有概念與科學概念比例圖 ... 61 圖 4-2-1 「再預測」階段色光概念次數圖 ... 66 圖 4-2-2 「再預測」階段七大色光概念比例圖 ... 66 圖 4-2-3 「再預測」階段另有概念與科學概念比例圖 ... 72 圖 4-3-1 色光概念改變的二分法觀點 ... 73 圖 4-3-2 受試教師概念改變統計一覽表 ... 92 圖 4-4-1 「前預測」與「再預測」七大色光概念比例圖 ... 96 圖 4-4-2 「前預測」與「再預測」階段科學概念與另有概念次數圖 ... 96 圖 4-4-3 「前預測」與「再預測」階段科學概念與另有概念比例圖 ... 97 圖 4-4-4 「前預測」與「再預測」階段色光概念次數比較圖 ... 98 圖 4-4-516位受試教師之概念改變情形 ... 102
第壹章 緒論
本章分成六節，將就研究背景與動機、研究目的與待答問題、名詞解釋、研究 範圍與限制、研究倫理及研究的重要性加以說明。第一節 研究背景與動機
在九年一貫教育改革風氣下，國民小學科學課程中的教材內容，相當重視與學 生的生活經驗相結合。「光」是日常生活中常見能引起視覺的刺激，陽光、日光燈、 手電筒、彩虹等現象，都是很容易觀察到有關光的經驗。但熟悉並不見得理解，有 許多的經驗也未必能真實了解光的特性，因此老師本身所持之色光概念是否正確， 頗值得探討。目前，以光的科學概念作為研究題材的不少，但光的色散現象方面則 不多。雖然它是具體可見的科學現象─彩虹，但其隱含的科學概念則較為抽象；九 年一貫強調培養學生運用知識的能力（教育部，2003），自然與生活科技領域亦將 光的概念列入科學概念學習的教材中，其中包含：美麗的校園、吹泡泡、影子遊戲、 日光與影子、陽光、光的觀察、太陽光與熱的吸收與透過、光的分散與組合和色彩 與顏料，可見「光」的相關概念是科學學習中的一環。 通常在學習抽象的科學概念時，學習者常使用「個人想法」解釋他們所接觸的 概念，為了幫助其建立穩固且正確的科學概念，應著重學習者認知與概念建構的方 式，而教學者本身所持之概念是否正確，也會影響學生的科學學習，尤其是本身既 存的知識架構。若本身的想法和正統科學概念不相符合，這難免會影響到科學概念 的學習（Champagne, Klopfer & Gunstone, 1982；Osborne & Wittrock, 1983）；學習 者在聯接外在現象和內在概念間的關係時，常出現模糊不定的想法，缺乏一致的概 念觀點，因此在學習前本身的概念在學習的過程中有極重要的角色，且對學習新概 念有著程度深淺的影響，有的具正面效果，幫助新概念的學習，有的產生負面作用，妨礙新概念的建立，因此要產生概念改變，過程非常複雜，需對概念改變機制的瞭 解後，才能洞悉新概念在取代既有概念時可能遭遇的困境，繼而透過引導以便順利 進行概念改變。利用「預測─觀察─解釋」（POE）策略，可以確認研究對象對於概 念的理解情況，並評測其另有概念及應用知識的能力。許多研究顯示，POE 策略不 但能廣泛運用在科學教育上，而且可以瞭解學習者的另有概念，促進科學的學習， 是一項有效的教學策略（White & Gunstone, 1992；Liew & Treagust,1995；葉辰楨， 2000；張宗義，2003），同時POE 也是一種評估概念理解的良好工具，特別是物質 科學方面的主題，能助於瞭解概念與思考歷程（Palmer, 1995）。
POE 活動中最重要的是讓學習者說明預測以及支持預測的理由，藉由活動單或 以開放的形式可獲取資料，而此活動必須在觀察之前進行（ White & Gunstone, 1992），因此本研究參考王玉龍（2005）的研究，將整個POE 活動分為「前預測」 階段及「再預測」階段二部分，「前預測」階段主要為「預測─解釋」，目的在探 究受試教師未經POE 活動前，本身對色光所持之先前概念為何？「再預測」階段則 為一般 POE 活動的流程「預測─觀察─解釋」；最後，試圖從「前預測」與「再預 測」的概念與理由中，了解受試教師概念改變的歷程。 本研究基於上述研究動機，藉由POE 策略探究國小自然科教師所具備的色光概 念及概念改變的歷程。
第二節 研究目的與待答問題
一、研究目的
本研究旨在運用POE 的理論與策略，輔以晤談的方式來探究國小自然科教師對 於「色光概念」主要的想法與改變的歷程。並嘗試從研究對象訪談的質性資料中， 瞭解其所具有的概念特徵及其差異情形，以提供國小科學教育相關課程之設計，或 現場教學教師實施教學之參考。具體言之，本研究的主要目的如下：（一）探究國小自然科教師所存有的色光概念。 （二）探究國小自然科教師色光的概念改變歷程。
二、待答問題
基於以上的研究目的，本研究提出的待答問題如下： （一）國小自然科教師在「前預測」活動中，所存有的色光概念為何？ （二）國小自然科教師在「再預測」活動中，所存有的色光概念為何？ （三）國小自然科教師在POE 活動中，色光概念改變的歷程為何？第三節 名詞解釋
一、概念（concept；conception）
概念一詞在英文中有兩種表達方式，一為concept，一為conception；根據韋氏大 字典說明，concept 可能是非常抽象的，它是指對特殊事例思考過後形成的意念 （idea）；conception則強調想像（imagining）的過程或概念形成的過程，是對某事 的想法和信念的總合（鍾聖校，1994）。在本研究中，國小自然科教師對於POE 活 動或晤談問題的回應，就代表其概念（concept）。二、概念改變（conceptual change）
概念改變歷程是指學童在學習概念的過程中，修正先前概念的變化情形，也可 為先前概念的變化狀況，即學習者在學習概念的歷程中，修正其先前概念以符合新 學習的科學觀點。通常概念改變有二個不同的層面，一是「根本重建」（radical restructuring），其牽涉到概念架構的改變，類似Piaget 的「調適」；另一是「弱重 建」（weak restructuring），指以舊有概念來架構能相容或相似方式所建構的知識， 類似Piaget的「同化」（Carey, 1985）。本研究是指研究對象在經歷POE 活動之後，其產生的概念之質或量的轉變，在此通稱為概念改變。
三、POE 策略（Predict-Observe-Explain，簡稱POE）
本研究中之 POE 活動是指受試教師根據自己原有的科學知識對實驗現象進行 預測，並說明理由為何，隨後觀察實驗之進行，其間可能與研究對象所持之概念產 生衝突，再對所觀察的實驗結果提出適當的解釋。四、色光概念
引起視覺經驗的刺激是光波，惟在整個光譜中，人類肉眼所能見及的光波，只 限於在400 nm至700 nm範圍之內的一段（張春興，2003）；而色光指光包含不同波 長的電磁波，因光線照射到物體，其反射或吸收不同波長的光，而使眼睛產生不同 顏色的視覺。就視覺的作用而言，眼睛察覺一物體之簡要歷程為：光源發出光、光 照射到物體、被照體將光反射進入眼睛、大腦視覺神經感受到物體的存在（Greory, 1990）。本研究是以引起視覺作用的紅、橙、黃、綠、藍、紫色等六種色光探究受 試教師對色光的色散之概念改變的情況。第四節 研究範圍與限制
本研究主要採用質性研究法，研究目的並非要形成某種理論或普遍的共同原 則，而是要讓讀者在面對特定的教學問題與背景時，能提供問題的解決方案。研究 者在人力、環境與時間有限的情況下，研究的範圍及限制如下：一、研究範圍
（一）研究樣本的範圍 本研究所指的國小自然科教師，是指教過國小自然科的光學相關單元的教師而言；研究採立意取樣，並未朝隨機、大樣本方向做廣度的取樣，而是從研究者所服 務、就讀及熟悉的學校中選取20 位自然科教師作為晤談對象，並從中選取四位國小 自然科教師作為初探研究的部份；其他的16位國小自然科教師作為POE 活動之正式 研究對象；因此研究範圍有限，研究結果不宜作過多的推論，僅供類似情境下參考 之用。 （二）研究內容的範圍 本研究設計的POE 活動，所欲探討之概念範圍為國民小學自然與生活科技領域 中有關「色光」方面的概念，其重要概念為：1.白光是由多種色光組成；2.白光經折 射後，造成各種色光的分離，稱之為「色散」現象；3.有色物體吸收部分色光，反 射未被吸收的部分色光，如果所有的色光皆被吸收，此時看起來會是黑色；4.光線 穿透物體時，部分色光會被吸收，部分色光會通過，其呈現的顏色是穿透的色光混 合的結果（王玉龍，2005）。研究過程中，僅以上述內容為主來探求樣本所具之概 念類型與特徵。
二、研究限制
（一）研究工具的限制 本研究設計的POE 活動單，問題陳述是研究者根據教材內容和POE 活動目標 所編寫，並參閱王玉龍（2005）所設計之活動單，再徵詢指導教授與二位國小自然 科資深教師，以及二位自然科學教育研究所學生的意見後，修訂而成；並於初探研 究中再次修正以作為正式研究使用，個別晤談的重點僅以POE 活動單上所述為主要 探究方向，並不適宜做過多推論。 （二）研究結果的限制 本研究結果僅限於部分國小自然科教師有關「色光」之概念分析，無法針對不 同領域教師的概念做更完整詳盡的描述，且在有限的施測工具及晤談時間內進行研究，因此文字或言語的表達都可能無法全盤包含研究對象的所有概念，因此本研究 結果的範圍有限，不宜做過度推論。
第五節 研究倫理
質性研究者主要是以觀察、訪談、文獻分析等技術，來建構出原始資料，因此 質性研究者對於這些技術的使用必須相當熟悉。觀察與晤談是質性研究重要的資料 來源及方式，從事觀察與晤談的研究者與個案樣本會有面對面、深入的接觸，因此， 在描述分析所觀察到的這些可貴的資料時，倫理、道德的考量就顯得特別重要。Patton （1990）指出，質性研究的倫理問題有以下幾點值得注意：（一）承諾和互惠（promises and reciprocity）。 （二）風險評估（risk assessment）。
（三）保密（confidentiality）。
（四）知會的同意（informed consent）。
（五）資料取用和所有權（data access and ownership）。 （六）訪談者心理健康（interviewer mental health）。 （七）忠告（advice）。 基於上述論點，本研究對於研究倫理的考量與做法為： 一、事先徵得研究對象的同意參與： 在研究之初，徵得研究對象的同意參與本研究，並說明本研究之目的、程序、 所需的時間及進行的方式等。 二、取得研究對象的信賴： 在研究之初向研究對象說明研究對象所回饋的答案，僅做學術研究之用，並予 以保密，且告知參與者可隨時退出研究。 三、保持尊重、誠實的心態：
對於與研究對象互動的情形僅做觀察，晤談內容以錄音方式記錄，在描述相關 觀察心得時，保持中立的精神，不欺騙亦不造假。 四、對參與本研究的一切相關人員，採取不記名並保護受試教師隱私。 五、撰寫研究論文時，以代號取代之，而情境的描述也小心謹慎。
第六節 研究的重要性
本研究為研究樣本數較少之質性研究，除了上述研究本身的範圍與限制外，有 下列三點重要性：一、提供自然與生活科技領域課程設計與教學時之參考
九年一貫教育課程所帶來的新教育理念為教育界帶來極大的衝擊，建構式的教 學法帶領小朋友從生活中探索自然，培養學生「主動探索與研究」、「獨立思考解 決問題」成了當下教育最關心的重點之一；教師的角色也由傳統的傳遞者變為引導 者，教師除了要有專業知識，扮演好導引學生掌握學習契機的橋樑，更須具備將科 學智能、科技、資訊整合運用，強化因應未來發展趨勢的能力，故本研究所使用之 POE 策略能提供教學者進行九年一貫課程設計與教學時之參考。二、提供國小自然科教師進行有關色光概念課程設計與教學時之參考
九年一貫課程中，色光的概念有其重要性，例如：在教材內容細目「色光與顏 色」主題中，一、二年級階段需要知道光可用「明暗」、「顏色」等來描述；三、 四年級階段製造水霧觀察彩虹，以察覺光經過不同介質會折射，折射後在某些角度 可看到彩虹。光的概念十分抽象，卻是自然界最常經歷的現象之一，在學習上並不 容易。因此，教師若能事先瞭解光的科學概念，在教授各年級的學生，對於光的概 念發展到了哪個階段？有哪些不正確的想法？未來在進行光的概念教學時，始能產 生較佳的教學設計。三、提供國小教師進行概念改變教學時之參考
過去的評量與考試常止於事實與程序的記憶，但評量應內涵於教學之中，因此 教師需利用各種策略，掌握學生的概念，促進學生思考以讓他們真正瞭解。就認知 角度來說，學習者利用已有的知識架構為基礎進行學習，透過感官去接受新概念； 近年來科學教學的基礎理論－建構主義，科學知識不是客觀存在於自然界，而是主 觀存在於知者的腦袋裡；就科學知識的建立過程而言，科學知識是經由科學家們歷 經社會化的過程，彼此磋商與協調所達成的共識，而學生學習科學的歷程，正是科 學概念發展過程的縮影（陳忠志，1997）。當教師進行衝突概念教學， 可讓學生的概 念呈現正向改變或衝突狀態。另外Verschaffel, Corte 和Lasure（1999）的研究也發現， 唯有當特別安排一個教室情境，重新建立教室文化，藉由小組合作及討論的方式，故意製 造學生認知衝突讓學生覺得必須修正自己的概念， 這樣的教學才能夠成功的進行概念改 變，而本研究期許提供教學者瞭解九年一貫課程設計所傳達主動探索及獨立思考之 要求，提供教師概念改變教學時策略之參考。第貳章 文獻探討
本章將從四個面向探討色光概念之科學概念，包括：概念的相關研究、國內外 POE 策略的相關研究、色光概念的相關研究，以及分析九年一貫課程中光概念相關 課程與教材內容，以此作為本研究的理論基礎。第一節 概念的相關研究
一、概念與另有概念
概念（concept）是人類思考和瞭解的工具，亦是學習的基本單位。人類感官對 外在事物的知覺，不是片段經驗的組合，而是使用特定的原則，對感官經驗選擇、 組合、給予意義的過程。當人類將某些事物共有的重要屬性或特徵歸為一類，就形 成一概念。郭重吉（1992）更進一步將概念動態化，認為概念是由學習者接受外來 訊息後，再統整於原來知識或先前概念（preconception）而發展出來的結果。學習者 學習前所持既有的概念即為先前概念，它在學習過程中扮演著極重要的角色，相關 研究報告顯示，先前概念對學習新概念有著深淺不同程度的影響，有的對學習具有 正面效果，能幫助新概念的理解；有的則會產生負面作用、妨礙新概念的建立 （Champagne, Klopfer & Gunstone, 1982；Osborne & Wittrock, 1983）。傳統的課程與教學，較少考慮學習者的另有概念，以致難以達到有意義的學習。 在學習的過程中，學習者透過與環境的互動，建立對於物理世界的了解。在面臨新 的情境時，學習者運用另有概念進行解釋或預測，若其解釋或預測能被證實，則學 習者會更加堅信另有概念；但如果其解釋或預測與科學概念不符，學習者可能會拒 絕接受科學概念，並堅持自己的另有概念；或者，學習者會修正原有的另有概念， 使其預測和解釋能與科學概念一致，進而達到有意義的學習。而這些學習者的想法， 在不同研究觀點，研究者所使用的名詞不盡相同（David, 1995；鄭湧涇，2000），
例如另有想法或另有概念（alternative conceptions）、另有架構（alternative
framework）、迷思概念（misconception）、兒童科學觀（child as a scientist）、迷你 理論、錯誤概念（error conceptions）、素樸概念（naive conceptions）等。
Fisher（1985）曾提到另有概念有以下的特性： （一）另有概念和專家概念有差異。 （二）少數的另有概念具有普遍性。 （三）多數的另有概念很難改變，傳統的教學方式很難改變另有概念。 （四）另有概念有時包含另有的信念系統，這些系統是學生將命題在自己的認 知中連結而成的。 （五）某些另有概念和科學概念早期的發展平行，換言之，現在學生所具有的 另有概念可能是同領域早期所能接受的想法。 （六）產生另有概念可能的原因：有神經系統或基因系統的問題，日常生活的 經驗、學校或其他環境的教學。 九年一貫課程強調教師自行發展教材與自主擬訂教學計劃，今後的科學教師， 除了需具備豐富的科學素養外，尚應時加留意各種科學教育研究，瞭解兒童先備知 識與另有概念，以及教法多元化，包括實驗、多媒體、電腦與概念構圖等概念改變 教學法等，才能達到有意義的教學。教學前教師在某些科學的學科領域上對於概念 的瞭解及分析，是達成教學目標的重要變因，也是選擇教學方法及教學策略必須的 依據。因此，科學教師所持另有概念的研究及分析其來源是科學教育研究重要主題 之一，若能好好審視這些科學另有概念的意涵，針對教學措施對症下藥，相信可以 對自然科學的概念學習及教學成效有所幫助。
二、概念改變的意涵
自1962年Thomas Kuhn 發表了「科學革命的結構」一書之後，在許多學科中皆產生了不小的衝擊，而在科學教育中革命性的概念改變也因而受到重視。在科學教 育中，有關概念改變的理論，Posner, Strike, Hewson 和Gertzog（1982）提出了概念 改變模式（conceptual change model, CCM），這個概念改變模式是根據 Kuhn 和 Lakatos 認識論的論證所發展而來的。以基模或結構的形式來思考知識時，學習者可 以下列三種方式將先前的知識融入新的知識結構中（Rumelhart & Norman, 1981）：
（一）增添（accretion）：學習者將新訊息填入既存基模，經由事實性訊息的 逐漸累積所發生的改變。 （二）調和（tuning）：個體知識結構中的演化性改變，這些演化性的改變包括 規範基模可應用的程度、決定它的預設值（default values）、及改善基模 的精確性等，使得它能以最合適的方式來詮釋新的訊息。 （三）重建（restructuring）：個體在既存基模所必須進行的改變，它包括了新 結構的衍創，及以新結構重新詮釋先前知識的內涵。此外，科學知識重 建的發生尚包括概念與概念之間新關係的獲得，這些概念之間的新關 係，有的使用新的抽象概念、修改基模、及解題的形式，而以上都是學 習者在解題運思時所缺乏。 Nersessian （1992）指出學習科學的概念結構需要的，不僅對既有概念的組成 加以重組、將新的事實置入既有的架構中，過程中也建構出新的概念、產生一個新 的架構以利概念改變。隨著科學學習心理學與認知心理學理論的發展及其在科學教 育研究上的廣泛應用，一些學者已從認知發展、個別差異、概念的學習與改變和科 學解題各層面，深入探討學習者學習科學知識與思考的內在歷程，以便對科學學習 與教學有更多的貢獻（Tyson, Venville, Harrison & Treagust, 1996）。Gentner, Brem, Ferguson, Markman, Levidow, Wolff 和Forbus（1997）也曾提到類比是知識改變機制 中很重要的一環，經由類比至先前的知識能促進吾人對新事物的洞察，並提出概念 改變中類比的四個認知過程如下：
（一）強調（highlighting）：人類的表徵基本上是許多龐大豐富且交織在一起 的概念所組成的網路，尤其是初期的表徵傾向保守，它保有許多情境學 習中的細節。透過類比可創造一個可掌控相關資訊的部份集合，使一些 未必被注意到的關係之共同性得以彰顯。 （二）投射（projection）：並非所有的推論都是正確的，所以事後對應過程 （postmapping processes）是必須的，以確保推論的正確性。 （三）再表徵（re-representation）：對目標物或類比物表徵的改變是在改進對 應的關係，其基本上是在修補兩個不配對的關係。 （四）重建（re-structuring）：在一個目標領域中，將所組成元素作一大尺度的 重新組合，以便形成一個新的一致性的解釋，稱為重建。這個重組可以 是增加或減少因果連結或改變特定的概念，並推測大部份重建的發生是 多重類比反覆使用的結果。
Tyson, Venville, Harrison 和 Treaguest（1996）檢視相關的概念改變研究文獻， 分析歸納學者對於概念改變的看法，最基本的概念改變發生在概念結構中知識簡單 的「增加」，這種形式的概念改變稱做知識的調適，但不涉及重建（Carey, 1985）； 另外，有一些概念結構上的改變，涉及現有概念結構上的改變而不是簡單的修正， 這種概念改變就稱為「修正」，要比信念上的修正及概念上的調適程度大，一般的學 者將它分成了「強修正」與「弱修正」。圖 2-1-1 以二分法觀點來作解釋： 認知結構改變 增加 修正 弱修正 強修正
此外，Ponser 等人（1982）認為，只有在強的修正或是調適發生時，才可以稱 為概念改變；但 Hewson 和 Hewson （1983）則認為，很多概念改變的情形，都是 在進行較弱的修正；Tyson 等人（1996）則主張，兩者都可以適用於概念改變的模 式，亦為本研究所採用之概念改變模式。從另一個角度來看，圖 2-1-2 顯示的是概念 改變的動態觀點，如果將學生在接受教學前的先前概念的觀點加以考慮，在新的概 念建構的過程，就必須視為是一種動態的過程。 Driver（1983）也進一步認為，在得知學習者對於自然現象所自我建構的概念 之後，教師的工作就是要幫助學習者修正他們的另有概念，朝向科學界更能接納的 概念。而有關透過引起學習者另有概念製造概念衝突的情境，以達概念改變的目的， 已有相當多的文獻可供參考： （一）Driver 和Oldham 所提出之建構主義的教學模式，其內容包含確定探討 的方向、引出學習者的想法、學習者想法的重組、應用新的想法、回顧 想法的改變等五步驟（郭重吉，1992）。 （二）Liem（1987）的差異性事件（discrepant event），以與預期不同的實驗 來進行教學的活動，也是創造一個認知衝突的情境。
（三）Chinn 和Brewer （1993）的異例（anomaly）方式，先引起學習者先前 的知識，再以衝突的產生來改變其認知結構或心智模式（mental model）。
時間 1
時間 2
概念知識 1
概念知識 2
（四）POE 策略的活動（White & Gunstone, 1992），先要求受試教師根據自己 原有的科學知識對一科學現象進行預測，然後觀察實驗之進行，再對所 觀察的實驗結果提出適當的解釋。 POE 策略符合建構主義的觀點，且能產生概念與所觀察之現象產生衝突的情 境，就科學學習的研究而言，若能在教學活動設計或認知診斷測驗編製之初，即對 各課程與試題妥予安排，則可從學習及測驗的結果歸納出學習者的迷思類型或解題 策略，進而推測可能的認知機制（楊坤原，2004）。邱美虹（2000）也認為，在使 用這些策略時，教師必須對概念的本質以及學習者教學前所持有的先前概念有所瞭 解，才能設計出適切的教學內容與活動，以促進有意義的學習。在POE 每個階段的 設計上，考量了學習者面臨新情境的衝突。依據建構主義的論點，科學概念的建構 可能具有下列三種方式（郭重吉，1992）： （一）知識是由個人自行建構出來的，而這些知識是暫時性的，它會經過不斷 地修正及成長。 （二）我們是以自我的認知能力主動地建構知識，而不是只有被動地接受知識。 （三）建構是經由「同化（assimilation）」與「調適（accommodation）」得來， 以現有知識同化新知識，並調適新舊知識間互相衝突的部分。 Keil（1999）認為對概念改變下操作型定義是很困難的，但可以從五個彼此不 互斥的向度來探討概念改變，這五種概念改變的特質如下：
（一）在許多向度中特質、性質或價值的改變（features or property changes and value changes on dimensions）：是指知識的增加，特質的加權和向度的價 值改變。如對浴巾的觀點，年紀小和年紀大的對形狀及質地的觀點則不 同。
（二）不同種類性質和關係間使用的轉變（shifting uses of different sorts of properties and relations）：是指表徵中有些特質被改變。如嬰兒對事情的
表徵是感官的而非認知的、功能的，是具體的而非抽象的。
（三）執行計算上特質的改變（changes in computations performed on features）： 是指發生在一固定特質上執行計算時的改變。從表格等相關資訊所獲得 的特質改變到利用相同特質卻產生相似法則（rule like）的組織或是幼童 對某些特質的計算只會使用一些基本運算一般。 （四）理論上的改變（theoretical changes），通常有三種改變： 1.隨著舊理論的消耗而產生新理論或新概念。 2.新理論和概念的逐漸演化，舊有的已不復存在。 3.新理論和所伴隨概念的誕生，舊有的仍原封不動。 （五）重要性的轉變（shifting relevances）：因為了解到既有的解釋系統對於新 現象的重要性，透過這樣的認知因而產生深層的概念改變。不同年齡的 孩童或許擁有相似的理論，但不同的是他們如何使用這些理論。 綜合言之，學者們根據知識架構重組的狀態加以區分概念改變的程度，可以從 簡單的增加或減少知識內容到整體知識架構的重組，皆可提供我們一個思考的方 向，本研究在POE 活動的設計上，讓受試教師面臨概念與所觀察之現象產生衝突的 情境，鼓勵受試教師提出解釋，讓學習者在新舊概念中修正及調整，以獲知受試教 師概念改變的歷程。
三、有關教師概念的實徵性研究
國內、外許多科學教育和數學教育方面的研究，發現在學習過程中，學習者對 於課本及教師講述的內容，會主動地利用學習者原有的經驗和知識來加以選擇、組 織、理解記憶和應用。由於學習者不斷地進行學習和成長，學習者對學習的看法和 擁有的知識會不斷地改變，可是學習者仍將利用對學習的信念和已有的知識為基 礎，經由調適或同化的機制來學習新的知識（郭重吉，1995）。針對國小教師所做的概念研究，發現國小教師也存在許多另有概念，而學生所持之概念可能會經由教 師授課過程中產生，因此，教師本身所持之概念是否正確，是值得注意與研究的。 蘇育任（1999）針對職前及在職國民小學教師的天氣概念及其相關迷思概念之 研究中發現：職前及在職教師對天氣概念瞭解並不深入，在回答筆試的問答題及晤 談題目時，常常無法回答，即使答出來，其中含錯誤或迷思概念的百分比很高，顯 示錯誤概念或迷思概念具有相當的普遍性，對於天氣概念的解釋，常常是片面而不 完整的。 黃萬居（1996）對國小教師酸鹼迷思概念之研究中發現國小教師有許多迷思概 念存在，而造成國小教師酸鹼迷思概念的產生，有六點： （一）以偏概全。 （二）由直覺而得。 （三）日常用語的混淆。 （四）過去錯誤的學習遷移。 （五）較少動手做實驗的習慣。 （六）受到有關國小自然科學參考書籍的影響。 張敬宜（1994）針對國小教師及師範院校非數理科系學生進行研究，發現國小 教師和師範生持有不少之酸鹼迷思概念，因此提出建議： （一）應注意教師的科學素養，盡量請科學背景強的教師擔任自然科教學。 （二）擔任國小自然科教學的教師，要養成動手做實驗的習慣，對於不熟悉的 教材，不可只憑直覺，隨意教給學童，以免造成學童的迷思概念。 鄭麗玉（1998）將有關迷思概念的研究發現加以闡述，探究其改變的可能性、 促進概念改變的教學策略和相關因素，有以下幾點發現： （一）學習者帶著各種迷思概念進入學習情境。 （二）小學教師也可能具有迷思概念。
（三）傳統的教學法可能不易改變迷思概念。 綜合以上學者的論點發現，教師本身所持之概念是否正確，是否能在教學時幫 助學生在既有架構上修正統整，是很值得探討的。在從事自然科學的學習時，須經 過一段複雜的概念改變歷程，才能達到有意義的學習。學習者必須要有更多機會去 發掘他們所持的理論與科學性解釋的不一致處，也就是概念發生衝突，經由重新整 理思考方式，經由放棄或修正，使想法和概念能與科學概念作一適當的聯結，這是 教師教學時必須重視的。
第二節 POE 策略的相關研究
一、POE 策略
POE 策略最初是1980年由Pittsburgh 大學Champagne, Klopfer和Anderson設計 的「DOE」（Demonstrate-Observe-Explain）工具，開始發展時是用於探討大一學生 在物體運動（motions）的原有想法。POE 的方法源自於DOE 方式，DOE 晤談的 實施方式，是由晤談者先設計示範實驗，要求學生預測示範實驗可能發生的現象， 並說明理由，然後請學生觀察由晤談者所進行的實驗，再請學生指出觀察的結果與 預測間的差異，並由學生再次提出解釋（王淑琴、郭重吉，1994）。 Gunstone 和 White 在 1992 年發現學生在進行「預測」的活動時，除了反映出學 習者原本的認知結構外，也提高了學習動機及教學成效，於是便將 DOE 策略改良為 POE 教學策略，強調預測的工作及個別晤談的部分，以探究受試教師認知架構，提 高教學的效益。POE 策略運用於探究概念之改變，其策略的主要步驟有三（許良榮， 2004）： （一）預測：學習者運用其原有的知識去預測一個事件的結果，其預測必須要 有其支持的理由，才能提出。
（二）觀察：在事件完成之後，學習者去描述觀察到的結果。 （三）解釋：由學習者解釋他的預測和觀察結果之間的矛盾，通常學習者遇到 困難時，此歷程便具有認知衝突（cognitive conflict）的特色；學者要鼓 勵學習者去考慮所有的可能因素；此時鼓勵是重要的，因為學習者在這 些步驟中會展現出他們對於事件的理解，若發生的現象與學習者的預測 不一樣時，便能進而探索學習者如何解釋自己的觀點與現象之間的差異。 而 POE 除了強調預測的部分外，更重視在「預測─觀察─解釋」的歷程中，學 生在觀察後所提出的解釋；POE 最重要的關鍵就是讓學生決定出最後的理由，在許 多活動的經驗中，學生經常用日常經驗去支持他們的理由，或者應用跟物理相異的 觀念去解釋現象，這說明 POE 比一般的策略更能夠探測學生用來解釋現象的信念。 POE 晤談的實施，除了可找出受試教師的另有想法之外，在過程中還可以發現 （王淑琴、郭重吉，1994）： （一）想法會同時具有或矛盾共存的。 （二）觀察會受到主觀想法的影響。 （三）想法會因觀察實驗現象而有所改變。 Palmer（1995）的研究是以POE 技術釐清小學生的科學知識以及探究對於科學 概念的理解，研究結果顯示，學生熱衷於（enthusiastically）此種技術，POE 是一種 適合教師了解學生概念的技術，也是一具有潛在價值的教學策略之一。邱美虹（2000） 指出「預測－觀察－解釋」是晤談策略的一種延伸，也是用來探測學習者應用知識 能力的測量工具，此歷程具有認知衝突的特色，即設計的情境是學習者常具有的另 有概念，發生的現象與學習者的預測不一樣，進而探索學習者如何解釋自己的觀點 與現象之間的差異。另外，在POE 活動中如果原先的預測是錯誤的，在最後做解釋 時，讓學習者有機會去調整他們的論點。 許多研究顯示，學生的先前概念通常是固執而不易改變的，而 POE 的教學可幫
助學生從他們擁有的先前概念建構到新知識。經由實驗的裝置引起學生的興趣，讓 學童能主動去建構或重組自己的概念或想法，甚至可以藉由製造概念衝突的情境， 使學童有檢視自己概念的機會（Liew & Treagust, 1998）。所以 POE 是基於建構主 義的觀點，每個階段的設計上都考量到孩童面臨新情境之衝突，也是被設計用來幫 助學生建構科學新知識與瞭解的一種教學工具（Clayton, 1993）。著重學生觀察能力 的 POE 活動，過去大多用來做學生迷思概念的診斷，然而當初提出 POE 的學者也 指出，這樣探究學生迷思概念的方法其實也可以作為教學上的策略（Gunstone & White, 1992）。 以POE 概念晤談探究學習者的迷思概念有幾項優點（王淑琴、郭重吉，1994； Gunstone & White, 1992）：
（一）可促使學習者對現有的概念知識產生反省。 （二）有助於刺激學習者的思考。 （三）可引導學習者深度學習並發展多樣的觀察、提問與思考的方法。 （四）可引導學習者學習正確的科學觀察。 （五）有助於深入探究學習者的迷思概念。 在設計與實施的過程中，建議注意的事項包括下列三點（葉辰楨，2000；邱彥 文，2001）： （一）敘述應具體明確： 教學者必須確認每位學習者都了解他們所要預測的問題背景，因此對於問題情 境的敘述應具體明確，然而說明時亦應避免過多引導以免限制了學習者的思考方向。 （二）鼓勵學習者表達想法： 由於POE 模式以「預測」及「觀察」引發學習者的解釋與推論，而非觀察到的 現象「正確」與否，實施時應以「每位同學均能表達想法」為原則，鼓勵學習者表 達其意見，方能達到提昇參與程度以及強調討論過程的目的。
（三）以獲致的結論與相關概念整合：基於學習者的想法反映出他們所具有的 零碎知識或迷思概念，教學者應評估學習者在預測部分是否運用了適切的概念回答 問題並做出合理的解釋，並在不完全恰當的解釋中區分迷思概念與不完整的解釋， 以此作為設計教學的依據；若運用POE 模式作為整體教學的一環，在教學設計上更 應考量由全班討論獲致的結果來延伸之後的教學，或於單元教學活動之尾聲進行相 關概念的整合。 綜合言之，研究概念不能單以量化來研究，尚需輔以質性的研究，方能真正理 解學習者的概念結構；本研究採取結合了科學示範實驗與質性研究的POE 概念晤談 的方式，深入探究受試教師所持之色光概念，並應用實驗設計與放聲思考，鼓勵受 試教師直接表達心中的想法，讓受試教師者一邊觀察實驗，一邊放聲思考回答問題， 讓研究者清楚瞭解受試教師概念改變的歷程。
二、POE 策略的實徵研究
最近二十年以來，很多的文獻資料顯示並支持科學教師欲進行有別於傳統的改 進教學及促進學生學習時，必須先知道學生在學習之前對科學概念、過程及現象的 認知（Liew & Treagust, 1998）。Gunstone 和White（1992）舉出數個在力學概念、 熱學概念以及Piaget的體積保留概念都屬於POE 型式的研究工具，能夠有效而深入 探索學生的迷思概念。Liew 和Treagust（1995）綜合採用POE 、個別晤談以及班級 討論，以診斷11年級學生包括水的膨脹、鹽的溶解度以及燈泡的功率與電阻等概念， 該研究顯示POE 除了能掌握學生對概念的理解，也能找出迷思概念的類型。 除了診斷學生的迷思概念，POE 也是設計概念改變教學策略值得參考的策略， Searle 和Gunstone（1990）在為期十二週的教學研究，探討以POE 為教學策略對於 學生在力學的概念改變。研究結果顯示，雖然要達成長期性（long-lasting）的概念 改變是困難的，不過POE 的教學策略達成了某些成效，顯示POE 是一具有潛在價值的教學策略之一。在許多實徵研究中也發現POE 對於概念學習具有重要的助益 （Searle & Gunstone, 1990；Palmer, 1995）。POE 可以透過實驗前的預測，了解學 童先備知識及迷思概念所在，老師便可就學童迷思概念所在加以糾正或設計實驗， 因此學習是以學童為中心，學內容是由學童先備知識為出發，和傳統的科學演示教 學直接把理論傳遞給被動的聽眾，是有相當大的差別。 李家銘（2002）採用質性研究的角度，深入探討個案學生在 POE 教學活動中 的電學概念發展情形，由 POE 教學活動中的師生晤談、活動記錄與學生在電學概念 評量的表現來分析六位國三個案學生的表現，呈現學生在 POE 教學前後概念發展的 情形，研究結果發現個案學生經過 POE 教學後，在十二個認知概念和七個技能概念 中，有明顯的進步。 另外，賈本惠（2002）則探討國小五年級學生的植物光合作用迷思概念，進而 發展概念改變之教學策略。其研究主要以準實驗研究法，進行 POE 藉以引出迷思概 念，並嘗試以「概念卡通」（concept cartoon）呈現概念衝突情境，挑戰學生的迷思 概念，輔以科學史的故事加以引導，加上合作學習共同討論，最後呈現日常生活情 境，驗證其概念應用。其研究除了診斷學生的迷思概念外，也支持 POE 是設計概念 改變教學策略值得參考的策略。 羅焜榮（2004）以POE 教學策略結合合作學習法探討九年一貫自然科課程中電 流的化學效應之學習情形與成效。由研究者授課之班級中選取兩個班級，一班為實 驗組，實施結合POE 與合作學習法進行教學，另一班為控制組，則實施傳統講述與 實驗課一般分組學習法進行教學。實驗研究採質量並重，並比較兩組學生學習電流 的化學效應的學習成就、學習態度、學習方法的差異。 紀宗秀（2004）則用POE 概念改變教學法，弱化學童於測驗工具上依循著「More A — More B」與「Same A — Same B」兩個直觀法則思考之。由研究者自行發展直 觀法則測驗工具，測驗工具中共包含三個概念：質量守恆、濃度與溫度，經由題目
的設計可以了解學童循法則思考的心智模型。對高年級學童進行前測，並於教學後 進行後測及延宕後測，並以概念為主題選取有無概念改變及九位學童進行「POE」 訪談。研究顯示POE 除了能有效掌握學生的概念理解，也適合做為教學活動之設計。 李莘怡（2005）探討 POE 教學策略與閱讀教材，對於「溶解」迷思概念改變 之成效。在教學教案及閱讀教材設計完成後，即進行初探研究，作為改進正式研究 之依據。正式研究採準實驗研究法，以不等組前測─後測設計，透過雙層試題，研 究者收集二組學生在前測、後測以及延宕測驗的資料。並以描述性統計、獨立樣本 T 考驗、單因子共變數分析以及卡方考驗等統計方法對所得資料進行分析。 陳志偉（2005）以 POE 策略進行三個浮力概念教學活動，收集 34 位國小四年 級學生參與三次 POE 活動學習單等文件紀錄；於每次活動後針對學習活動內容進行 晤談，以了解學生在學習活動中，其浮力概念的狀態；另外以開放性問題，讓學生 說明對於學習活動的感受；並進行教室觀察與錄影錄音，以多元資料進行分析，探 討學生在 POE 策略設計之浮力教學單元中，浮力概念的學習與 POE 教學活動的學 習成效。 楊之明（2005）曾運用 POE 策略，以質性研究方向，來探究台中市某所國小 三至六年級學童對於「摩擦力」概念解釋的各種類型，並探討不同年級學童之間對 此概念的概念類型、特徵以及差異情形。 王玉龍（2005）則以 POE 策略探究 30 位國小六年級學生對於色光的另有概念 及概念改變歷程。以六種不同顏色的玻璃紙產生色光，再用三稜鏡分光，實施流程 是讓學生進行前預測、觀察、解釋、然後進行再預測，並以活動單和訪談蒐集資料。 POE 對學習價值觀在於告訴學生，對於相關主題原先就有一些想法，預測的基 礎奠基在推理之上。透過對事件的預測，使學生更加注意實驗的情境，並聚焦於學 生對實驗的理解，引導學生在學科內容有秩序的呈現。因此，綜合歸納以上國內、 外之實徵研究，有以下幾點結論：
（一）POE 教學策略可以找出另有概念：學生的先備知識及另有概念對於學生 的學習影響甚鉅，設計良好的POE 教學策略，可以有效的找出學生之另 有概念。因此研究者設計出以建構主義為基礎的POE 教學策略，希望在 進行實際活動中，可以找出受試教師可能的另有概念，以便日後研究能 針對這些另有概念，設計適合的教學策略，進行有意義的教學。 （二）POE 教學策略可以促進學習：POE 教學策略可以有效的促進教師的教 學，針對不同主題設計POE 教學策略，使有心從事POE 教學的教師可以 有很多資源可利用以促進學生的學習。 （三）POE 教學策略可以發生概念改變：當預測與觀察之間產生衝突時，POE 教學策略提供部分學生有機會可以去重新建構或改變先備概念，但是多 數的學生仍然無法改變以前所建構出來的知識，因此建議教師進行教學 時，選擇部分合適的課程搭配使用POE 教學策略，以建構主義為基礎、 以學生觀點為出發點設計POE 教學策略，使部分學生發生概念改變，教 師再輔以協助與引導，便可促進學生的學習。 針對國內外對於POE 之相關研究，綜合整理概要分析於表2-2-1及表2-2-2；POE 在科學教學中對於評估概念的學習有正面的成效，但針對國小在職教師的研究卻少 之又少，然而學生所持之概念是否正確受到教師教學的影響甚大，教師所持之概念 對於學生的學習將會產生何種影響，教師本身對於科學概念的理解是否正確，亦為 本研究所欲探究的問題。
表2-2-1 國外POE 之相關研究 年代 研究者 研究對象 研究目的 1990 Serale Gunstone 大學生 設計一套建構主義教學策略為基礎的 POE 教 學模式來探究大學生電學概念改變的歷程。 1992 Gunstone White 教師 將 DOE 策略改良為 POE 教學策略，強調預測 的工作及個別晤談的部分，以探究受試教師認 知架構，提高教學的效益。 1992 Gunstone White 學生 舉出數個在力學概念、熱學概念以及 Piaget 的 體積保留概念都屬於 POE 型式的研究工具。 1995 Liew Treagust 11 年級生 以 POE 教學策略進行「熱」及「液體膨脹」 的主題教學探究學生概念的影響。 1995 Palmer 職前教師 研究職前教師對國小學生實施 POE 活動的形 成性評量並從中評估 POE 技術在小學科學教 學的適用性。 1998 Liew Treagust 9～12 年級生 以五個不同的 POE 教學診斷學生對於科學概 念的理解、教師的教學或學生的學習成效。
表2-2-2 國內POE之相關研究 年代 研究者 研究對象 研究目的 1994 王淑琴 大學一年級 利用紙筆測驗和 DOE 的晤談來探查大學生在電 學方面的另有架構。 2000 葉辰楨 國中一年級 運用 POE 與合作學習的教學策略進行國一生物 科的教學。 2002 李家銘 國中三年級 探討個案學生在 POE 教學活動中的電學概念發 展情形。 2002 賈本惠 國小五年級 探討國小五年級學生的植物光合作用迷思概 念，進而發展概念改變之教學策略。 2004 紀宗秀 國小高年級 用 POE 概念改變教學法，弱化學童於測驗工具 上依循直觀法則思考。 2004 羅焜榮 國中三年級 以 POE 教學策略結合合作學習法之學習情形與 成效。 2005 陳志偉 國小四年級 以 POE 策略進行之浮力概念教學活動，收集並 了解學生在學習活動中其浮力概念的狀態。 2005 李莘怡 國中二年級 探討 POE 教學策略與閱讀教材，對於「溶解」 迷思概念改變之成效。 2005 王玉龍 國小六年級 運用 POE 策略，探究學生對於色光的另有概念 及概念改變歷程。 2005 楊之明 國小 三～六年級 應用 POE 策略探究國小學童對於「摩擦力」概 念解釋的各種類型，並探討不同年級學童之間對 此概念的概念類型、特徵以及差異情形。
第三節 色光概念的相關研究
一、色光概念
自然光主要由七種不同波段的色光所組合而成，色光的波長常用單位是 nm （nanometer 的縮寫），指十億分之一公尺，而人類肉眼所能看到的光譜範圍，介於 400 nm 至 700 nm；我們之所以能感知到物體表面的顏色，主要是因為物體接受外來 的光線後，經過吸收和反射傳達至我們眼睛所致。因此，有的物體對所有的光都反 射出來，這類物體看起來就是白色；有的物體對所有的光都予以吸收，不反射出來， 這類物體看起來就是黑色；有的物體吸收了某些光波，反射出某些波長，此類物體 看起來便是紅、黃、藍、綠等各種顏色。 引起顏色感覺有三個屬性：色調（hue）、亮度（brightness）和飽和度（saturation）。 由光波之長短所決定的顏色感覺，稱為「色調」，例如：400 nm 的光波會引起紫色 感；亮度是指光波的強度而言，同樣是紅色，有的看來是鮮紅色，有的則呈暗紅色， 色調雖相同，但「亮度」上有所差別；而「飽和度」取決於光的純度，其乃由物體 所發射或反射的光之純度所決定，有些物體所反射的光，主要是紅光，但其中夾雜 著其他光波，以致看起來不是純紅色，此種情形即為低飽和度；反之，反射一單純 的光波，則為高飽和度。基於以上分析可知，從引起視覺的客觀刺激「光」而言， 有三個物理屬性，即光波純度、光波強度、光波波長。從對刺激反應而產生的色覺 經驗而言，有三個心理屬性，即色調、亮度、飽和度。將這三個物體屬性和心理屬 性繪成一立體圖形，即為圖 2-3-1 的顏色錐體（color solid）（張春興，2003）。顏色錐體的半徑，代表飽和度；橫軸代度亮度，在橫軸上的每一點，均代表不 同亮度的非彩色，由全白到全黑，而其飽和度則不變。中間的圓環，表示不同的色 調，即光譜上肉眼所能見到的紅、橙、黃、綠、藍、紫等各種顏色。顏色錐體的每 一點上，均代表一種顏色，而錐體的全部，則代表所有不同顏色的組合。而這些色 光在人類的視覺產生過程，恰也可由三種色光：紅、綠、藍，分別依照不同比例調 配出來，我們將這三種色光稱為「光的三原色」。十七世紀，牛頓讓白光通過三稜 鏡，讓光線經過三稜鏡的折射後，發現白色光線可以分離成七種不同的顏色，也就 是「色散」現象。 由幾種不同顏色的光波混合所得的色覺，稱為混色（color mixture）。混色可由 兩種或數種顏色相混而得。混色現象的顏色並不完全失掉原來各色自身的特性。但 如把黃色光與藍色光相混，則會變為灰色；在色環的位置上（圖 2-3-2），黃與藍或 紅與綠，均各居於色環的相對位置上，像此種混合變成灰色的現象，即稱之為補色 （complementary color）。不過，補色現象只限於色光混合時才會出現。因為混合的 色光本身的波長並沒有改變或消失，因而產生了相加的效果，故稱之為相加混色 （additive mixture）；如所指為顏料時，即為相減混色（subtractive mixture）。
紅 綠 白 黑 亮 度 色 調 飽 和 度 圖 2-3-1 顏色錐體（color solid）
任何不會發光的物體對於光線的照射，會有下列四種作用發生，分別為： （一）反射作用：光線在行進過程，若遇到不同介質，則會在兩介質交介面上 發生折回原介質的現象，此現象稱為反射作用。 （二）折射作用：光線由一介質進入另一介質時，因光線在兩種介質裡的行進 速度不同，故發生行進方向改變的現象，此現象稱為折射作用。 （三）吸收作用：光線進入某物體時，會被物體所吸收；被吸收的光能會轉變 成熱能，讓物體的溫度升高。 （四）穿透作用：穿透作用視物體表面狀況、厚度、顏色等而異。依照穿透作 用的差異，可將物體分成透明體、半透明體、不透明體等三類，說明如 下： 1.透明體：可以讓大多數的光通過。 2.半透明體：僅能讓部分的光通過。 3.不透明體：完全不透光的物體。 對於透明的物體而言，除了反射特定顏色的色光以外，該物體亦可讓該顏色的 色光通過，因此，我們除可藉由透明體或半透明體反射的光線來判斷其顏色以外， 灰 紅 橙 黃 紫 藍 青 綠 黃綠 圖 2-3-2 色環
也可由透過去的光線來判斷其顏色。我們之所以看到物體，乃是因為有光線反射到 我們的眼睛裡；光實際存在，卻又無法具體描述的性質，讓人因此產生許多個人想 法、迷思概念。因此，本研究使用POE 為研究工具，有效地造成其認知衝突，藉此 讓國小自然科教師能深入地思考，表達自己的看法。本研究並根據上述的色光概念， 擷取的主要知識內容並作為本研究分類及判讀的依照，其正統的科學概念陳述如下： （一）光波強度：取決於色光的亮度。例如同樣是紅色，有的看來是鮮紅色， 有的則呈暗紅色。 （二）光波波長：可見光範圍為 400 nm 到 700 nm 之間，400 nm 的光波會引起 紫色感。 （三）光譜組成：白光是由多種色光所組成。 （四）光的折射：光由一種介質進入另一種介質而產生折射。 （五）光的吸收：光穿透物體會吸收部分色光，允許部分色光通過。 （六）光的反射：有色物體反射部分色光，進入眼睛產生色覺。 （七）光的混色：不同顏色的光波混合所得的色覺，也稱之為相加混色。
二、色光概念的相關研究
對於光的色散相關研究多數所採用的工具有紙筆測驗及晤談。黃湘武、黃寶鈿 （1989）的研究發現學生以為： （一）投影就是光照射物體後，經由物體發出影像所形成。 （二）認為係由於光祇能照射到物體的前方，因此在物體鄰近後方即產一陰影， 此陰影再投射於幕屏上而形成。 （三）光源的強弱可影響投影之大小及投影遠近。 Stead 和Osborne（1980）研究指出有些學生認為光行進的距離與光行進遇到障 礙物有關，其行走距離與光源本身能量有關。張川木（1999）指出，學生透過有色透明玻璃紙看見物體，多數是利用其調和水彩顏料的來回答問題，而非是依照光的 「透射」、「反射」或「吸收」等行為來作答。且多數學生認為色光相混合後的合 成顏色可用顏料混色後的結果來加以解釋。 唐明（2002）利用自編光概念測驗卷對國小五年級進行紙筆測試，並晤談以瞭 解學童有關光概念及相關之迷思概念，內容包含： （一）以水彩調色及彩色黏土等經驗，推論色光的混合。 （二）白光不是由色光混合而成。 （三）物體的顏色是它的本質。 （四）物體的顏色會色光混合而成另一種顏色。 （五）物體的顏色是來自它本身的色素呈現。研究並發現國內學童對光的迷思 概念與國外研究結果相似。 王龍錫和林顯輝（1992）的研究發現了低年級學童對路徑的迷思概念有： （一）光走彎曲的路徑。 （二）光會照射但不會動。 （三）不透明體會製造影子，光不能照射過去，透明體能讓光照過去，半透明 體能讓光照一點點過去，它們的影子濃淡不同係因它們本身不同之故。 （四）光很強才會照射。 江文雄（2003）發現國小高年級學童在視覺、光的性質、光的直線前進、光的 反射、折射及光的顏色上均存有許多的迷思概念。吳政勳（2003）先彙整出學生在 光與顏色、視覺概念以及成像概念上的迷思概念之類型，再由這些類型可以歸納出 五種學生在光學迷思概念上的模式，分別為： （一）把日常生活經驗與類似科學概念混淆。 （二）缺乏邏輯性思考。 （三）倒果為因。
（四）以直覺的觀點。 （五）對於物理定義的認識不清。 李采褱（2003）國小中高年級分析「年齡」以及「性別」與學生光學迷思概念 間之關係並瞭解學童之光學迷思概念，結果顯示學童對於「光的本質」、「光的行 進」、「影子的形成」、「光與視覺」、「光與反射」、「光與折射」上有其迷思 概念，且學童在光概念上「六年級明顯優於三、四、五年級」、「男生則明顯優於 女生」。 王玉龍（2005）的研究發現國小六年級學生對於色光普遍存有另有概念，包括： （一）不同色光有強弱之分。 （二）色光本身有深淺，深的顏色會將淺的顏色蓋掉。 （三）三稜鏡和玻璃紙顏色有關聯。 （四）光穿過玻璃紙只呈現玻璃紙的色光。 （五）白色燈光會和玻璃紙混合產生顏色。 （六）色光通過玻璃紙速度的快慢導致呈色結果。 （七）玻璃紙顏色的亮度會影響色光呈現。 （八）學生以玻璃紙顏色的深淺預測色光呈現。 （九）以水彩調色推論色光和玻璃紙顏色的混合。 （十）全部色光都被反射會形成黑色。
Eaton, Anderson 和 Smith（1983）曾指出學生認為色素使物體有顏色，色素等 同於顏色的同義字，但色素和光是截然不同的兩個字，同時也指出學生認為物體本 來就有顏色，光是幫助我們看到它所具有的顏色；學生認為顏色不是光，但可以被 加入光之中。張川木（1999）也曾指出學生認為顏色是物體的本質，而光僅用來幫 助眼睛看物體罷了。
傳播需要時間的概念是不同的；學生認為光不會穿透紙張，會停留於紙面上。Shapiro （1989）所做研究發現，學生認為非光亮的表面是不會反射的，光滑的物體才會反 射；光不會穿透石板，不會反射也不被吸收，會停在石板表面。Feher 和Rice（1992） 綜合了以上的論點，提出了以下三種性質： （一）主動的：它能以兩種方式改變物體的顏色：加入顏色或黑暗到物體上， 或使物體無法顯示真實的顏色。白光卻是被動的：它是清晰、無顏色的、 可以看得透的（透明的）並且僅能照明物體或產生影子使我們的眼睛看 得到，不引起改變。 （二）含有顏色：這顏色能和物體本身的顏色混合並且改變它，就像顏料一樣 可以混和及產生新的顏色。它有可以和其他色光混合產生新的顏色。 （三）暗的：然而並非只有色光才有這些特性，以白光而言，在兒童的解釋它 是亮的。 陳采真（2002）透過實務的行動，探討一個教學者如何利用三年級上學期光概 念單元的教學，對自己的教學做分析與了解，發現在光概念教學歷程的轉變上，一 個類似初任教師的教學者由「懵懂期」，進入「試誤期」，到「修正期」的明確教 學要項、顧及學生反應，最後進入「安定期」的教學穩定成長、逐步建立自信；並 找出教學導致學生產生迷思的關鍵，發展出一系列的情境問題及實驗操作來協助教 學。 從文獻的探討及回顧中，我們發現：光概念之相關研究甚多，研究方法多元， 但無分國內外，無論研究之對象、方法，對於學生之光概念均有相似之結果，許多 研究紛紛指出無分國內外之學生，對於光概念具有極為相似的另有概念。 針對國內對於光概念之相關研究，綜合整理概要分析於表2-3-1。
表2-3-1 國內光概念之相關研究 年代 研究者 研究對象 研究發現 1989 黃湘武 黃寶鈿 國小學童 部份學生以為：1.投影就是光照射物體後， 經由 物體發出影像所形成；2.認為是由於光只能照射 到物體的前方，因此在物體鄰近後方即產一陰影， 此陰影再投射於幕屏上而形成；3.光源的強弱可 影響投影之大小及投影遠近。 1992 王龍錫 林顯輝 低年級學童 研究發現低年級學童對於光的路徑及影子的形成 有其迷思概念。 1999 張川木 高年級學童 學生認為顏色是物體的本質，光僅用來幫助眼睛 看物體罷了。且多數學生認為色光相混合後的合 成顏色可用顏料相混後的結果來加以解釋。 2002 唐明 國小五年級 利用自編光概念測驗卷進行群體紙筆測試，並對 個別學生作訪問晤談，發現國內學童對光的迷思 概念與國外研究的發現相似。 2002 陳采真 國小三年級 研究發現在光概念教學歷程的轉變，並找出教學 導致學生產生迷思的關鍵，發展出一系列的情境 問題及實驗操作來協助教學。 2003 江文雄 國小高年級 發現學童在視覺、光的性質、光的直線前進、光 的反射、折射及顏色上均存有許多的迷思概念。
2003 吳政勳 高中學童 先彙整出學生在光與顏色、視覺概念以及成像概 念上的迷思概念之類型，再由這些類型可以歸納 出五種學生在光學迷思概念上的模式。 2003 李采褱 國小 中高年級 研究結果顯示學童對於「光的本質」、「光的行 進」、「影子的形成」、「光與視覺」、「光與反射」、 「光與折射」上有其迷思概念。 2005 王玉龍 國小六年級 發現學生對於色光普遍存有另有概念。
第四節 九年一貫課程光概念相關課程內容
九年一貫強調培養學生運用知識的能力（教育部，2003），自然與生活科技領 域亦將光的概念列入科學概念學習的教材中，其中包含：美麗的校園（視覺的應用）， 吹泡泡（觀察泡泡、露珠、浮油的色彩），影子遊戲（光被阻隔成影；透明與不透 明；光是一種能量），日光與影子（光是一種能量），陽光（因為有光能見；光的 反射及其應用），光的觀察（光的反射、折射現象；色彩與彩虹），太陽光與熱的 吸收與透過，微粒運動的觀察（能看見物來自光的反射），光的分散與組合（運用 凸透鏡聚光；光的色散現象；白光是各種單色光的組合）和色彩與顏料（色彩是選 擇吸收的結果；色彩的冷暖感覺；調色），可見「光」的相關概念是科學學習中的 一環。在九年一貫的現行課程概念中，目前國小階段的光學概念課程，在低年級的 課程著重的是使學生了解：要有光才能看見物體、影子的形成與察覺光的反射等概 念；在中年級則將焦點放在光的折射與反射的概念上；而高年級則進行光與顏色概 念的課程。以下將我國的國民小學階段自然與生活科技學習領域，光概念相關的教 材內容要項分析列表如下（表2-4-1）：表2-4-1 九年一貫「自然與生活科技」學習領域「光學」概念教材內容要項 課題 主題 次主題* 主題 內容 教材內容細目 自 然 界 的 作 用 改變 與 平衡 聲音 、光 與 波動 光的傳播 與影像 1d. 察覺光直進傳播，若遇阻礙形成影子。 1e. 察覺光的反射有一定的方向。 色光與 顏色 1f. 知道光可用「明暗」、「顏色」等來描述。 光的 折射 2a. 察覺光經不同介質會折射，折射後在某些角 度可看到彩虹。 影像與 視覺 3a. 觀察照光與成像（例如光滑平面反射、聚光 及透鏡放大效果等）。 色光與 顏色 4b. 了解物體「顏色」的形成，是光選擇性反射 的結果。 4c. 覺知陽光經折射後分散成各色光。 影與像 的形成 4f. 由光的直進傳播，了解針孔成像。 4g. 探討面鏡、透鏡成像的現象。 交互 作用 生物對環 境刺激的 反應與動 物行為 刺激與 反應 4b. 知道人對某色光的感覺，稱為看到某顏色。 4c. 知道各色光重疊照射，可使人感覺到白色。 附註：各次主題下之細目編碼 1代表國小一、二年級、2代表三、四年級、3代表五、六年級、4代表國中一、二、三年級。 a、b…為流水號。
從表 2-4-1 中，可以發現九年一貫自然與生活科技學習領域中，對於光學的相 關概念，主題內容主要為光的傳播與影像、色光與顏色、光的折射、影像與視覺、 色光與顏色、影與像的形成、刺激與反應等，而國小階段在色光方面的實驗乃以三 稜鏡來製造色散現象以進行教學活動，在色散活動中，教師本身所持之概念是否正 確？能否明確將正確的科學概念教導學童？對科學教育而言，是重要的一環；教學 者的概念若不正確，不僅容易讓學生產生另有概念，且會妨礙科學概念的建立。基 於上述理由，研究者以三稜鏡及玻璃紙設計 POE 活動，來探究國小自然科教師的 色光概念及利用 POE 活動所造重之概念改變情形。
