由概念改變探討科學史建模教學對學生熱傳播概念與建模能力之影響

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(1)國立台灣師範大學科學教育研究所碩士論文指導教授：邱美虹博士. 由概念改變探討科學史建模教學對學生熱傳播概念與建模能力之影響. 研究生：陳婉. 中華民國 101 年 1 月.

(2) 誌. 謝. 這篇論文能順利完成，首先最要感謝的是我的指導教授邱美虹老師悉心的教導。在研究所的這段求學期間，經由邱老師的教導，讓我在學業上獲得不少收穫，當我每每遭遇到困難和挫折時，總是不厭其煩的教導我，從老師的身上也學習到身為研究學者的風範，使我在這兩年中獲益匪淺。同時也要感謝口試委員熊昭弟博士和林靜雯博士，在論文口試期間所給予的懇切指導與建議，這些寶貴的建議使得本論文更臻完善。同時也要感謝科教所上曾指導我學習的林陳涌老師、楊芳瑩老師、楊文金老師、吳心楷老師、譚克平老師、張文華老師，從這些課程中不僅豐富了我的學術涵養與知識，更讓我學會了多元的思考，也養成追根究柢的精神。此外，要感謝亦師亦友的曉蘭學姊，幾乎每個禮拜都會在百忙之中抽空與我討論論文；感謝建坪學長、雪碧和彥丞，在我研究遇到瓶頸時，適時的給我意見與幫助；還有，感謝同一研究室的文龍學長、焙琪學姐、哲銘學長、凱悌、勝安、建章，給我加油及打氣，謝謝各位學長姐、同學和學弟妹們的照顧以及指導。最後，僅將此論文獻給我摯愛的家人，感謝親愛的老公和我的寶貝—尚宸，全力支持我念書，讓我無後顧之憂；感謝父母對我的支持和鼓勵，他們在假日時幫我照顧小孩，使我能夠順利的完成學業；也感謝板橋國小的同事們，所有曾經幫助過我的朋友們，謝謝你們對我所付出的一切，在此一併致謝。. I.

(3) 摘. 要. 本研究選取教科書在『熱傳播』單元所呈現的概念為課程內容與教材設計的準則，以『傳統教學』、『建模教學』和『科學史建模教學』為教學方式，探討不同教學法對學生學習熱傳播概念成效的影響。再者，基於『建模能力分析指標』(張志康與邱美虹，2009)，探討不同的教學方式對於學生建模能力的影響，更進一步探討不同的教學方式對學生建模能力和概念改變之間的交互作用關係的影響。最後，探討不同教學方式對學生科學模型本質的影響。本研究對象為國小五年級學生共 84 位，所使用的研究工具包含熱傳播概念二階層診斷式紙筆測驗前測、後測和延宕測驗，熱傳播建模能力試卷前測、後測和延宕測驗以及科學模型本質測驗前測和後測。本研究的結果如下：一、『科學史建模教學』和『建模教學』在整體教學成效和3週後科學概念保留的情. 形都明顯優於對照組。更進一步針對熱傳播各概念的學習成效分析，發現『科學史建模教學』只在延宕測的微觀向度明顯優於『建模教學』。二、熱傳播的科學模型是由熱傳導科學模型、熱對流科學模型以及熱輻射科學模型所組成。熱傳導科學模型在範圍和成分兩個面向較易學習，其次是結構面向，接下來是巨觀行為面向；熱對流是在成分和巨觀行為兩個面向較易學習，其次是結構面向，接下來是範圍面向；熱輻射則是在巨觀行為面向較易學習，其次是成分面向，接下來是範圍面向，三個子概念中最難的都是微觀行為面向，學生不易改變迷思概念，概念回歸的情形也容易發生。三、『科學史建模教學』和『建模教學』在熱傳播建模能力和3周後建模能力保留的情形都明顯優於對照組。更進一步針對各建模步驟的建模能力進行分析，發現在模型效化和模型應用中，『科學史建模組』明顯優於『建模教學』。四、科學史建模組和建模組在後測以及延宕測的熱傳播概念和熱傳播建模能力都達顯著正相關，但對照組僅在後測有相關性。更進一步進行分析，發現唯有『模型建立』的建模能力在後測以及延宕測都與熱傳播概念有顯著相關。五、『科學史建模教學』和『建模教學』對科學模型本質的表現都明顯優於對照組。更進一步針對科學模型本質的三面向進行分析，發現『科學史建模組』只有在科學模型方法論的『情境』主題中明顯優於『建模教學』。綜上所述，建模教學可以幫助學生理解科學概念、建立科學模型，也可以提升建 II.

(4) 模能力和增進對科學模型本質的認識；若在建模教學中加入科學史的教材，更可幫助學生保留在概念的微觀行為向度了解、增進模型效化和模型應用的能力以及科學模型本質的方法論中『情境』主題的認識，本研究旨在探討國民小學實施建模教學及科學史建模教學之可行性，以供其他地區或學校未來在建構相關課程時之參考。. 關鍵字：概念改變 concept change、模型 model、科學史建模 science history modeling、熱傳播 heat transfer. III.

(5) Abstract In the research, the concept of heat transfer in textbooks was adopted as a guideline for curriculum content and instructional design.To explore the effects of different instructional methods on students’ learning of the concept of heat transfer, control group, modeling teaching and science history modeling teaching were used.Moreover, according to Modeling Ability Analytic Index(Chang & Chiu, 2009), the author of the thesis examined the influences of different instructional methods on students’ modeling ability.Then, the author made a further exploration of the influence of the interactions between students’ modeling ability and concept change.In the end, the author delved into the impact of different instructional methods on students’ understanding of the nature of science models. The research subjects were 84 5th graders.The research tools included the pretest, posttest and retention test of two-tier multiple choice instrument of heat transfer and those of heat transfer modeling ability test and the pretest and posttest of nature of science model text. The objective of this thesis was to inquire into the feasibility of the use of modeling teaching and science history modeling teaching in elementary schools so as to serve as a reference for the future construction of correlated curricula in other areas or schools.The research results were as follows. 1. Science history modeling teaching and modeling teaching were obviously better than the control group in terms of the overall teaching effects and the science concept retention after three weeks.After the enquiry of the learning effect of each heat transfer concept, the author discovered that science history modeling teaching was better than modeling teaching in the micro behavior dimension of retention tests. 2. The science models of heat transfer were comprised of the ones of conduction, convection and radiation.The ideas in the domain and composition dimensions of the science model of conduction were the easiest to learn.Those in the structure dimension IV.

(6) were the second easiest to learn.The ideas in the macro behavior dimension of the science model of conduction were the hardest to learn. In terms of the science model of convection, the ideas in the composition and macro behavior dimensions were the easiest to learn. Those in the structure dimension were the second easiest to learn. The hardest to learn was those in the domain dimension.As for the science model of radiation, the easiest to learn was those in the macro behavior dimension; the second easiest, the composition dimension; the hardest, the domain dimension.Of the three sub-concepts, the hardest one to understand was the ideas about the micro behavior dimension, in which it was hard for the students to change their false beliefs and the phenomenon of conceptual regression was common is this dimension. 3. Science history modeling teaching and modeling teaching were clearly better than the control group in terms of the heat transfer modeling ability and the modeling ability retention after three weeks.After the inquiry of the modeling ability of each modeling process, the author discovered that science history modeling was far better than modeling teaching in the model validation and model application. 4. There was a significant and positive correlation between the concepts of heat transfer and heat transfer modeling ability in the posttests and retention tests of the science history modeling teaching and modeling teaching.However, in the control group, only in posttests was there a significant and positive correlation between the concepts of heat transfer and heat transfer modeling ability.After making a further study, the author found that there was a significant and positive correlation between the modeling ability of model construction and the concept of heat transfer in posttests and retention tests. 5. In terms of the effects of the nature of science models, the science history modeling teaching and modeling teaching were considerably better than the control group. After a further examination of the three dimensions of the nature of science models, the author discovered that the science history modeling was only significantly better V.

(7) than modeling teaching in the topic of context in science model epistemology. According the abovementioned findings, modeling teaching helps students comprehend science concepts, construct science models, improve modeling ability and better understand the nature of science models.If the materials of science history can be added to modeling teaching, students will better comprehend the concepts in micro behavior dimension, increase the abilities of model validation and model application and understand the topic of context in science model epistemology.. VI.

(8) 目第壹章. 次. 緒論……………………………..……………………………....1. 第一節. 研究動機與研究背景…………………………………..……………………2. 第二節. 研究目的與研究問題………………………………..………………………4. 第三節. 名詞釋義…………………………………………………..…………………7. 第四節. 研究範圍與限制……………………………..……………..…………..……9. 第貳章. 文獻探討……………………………….………………………11. 第一節. 概念改變的理論……………………………………………………………11. 第二節. 模型與建模教學……………………………………………………………21. 第三節. 科學史融入教學……………………………………………………………37. 第四節. 熱的另有概念………………………………………………………………42. 第參章. 研究方法………………………………………….……………51. 第一節. 研究設計………………………………………………...…………………51. 第二節. 研究對象……………………………………………...……………………51. 第三節. 教學與教材設計…………………………...………………………………52. 第四節. 研究工具…………………………………...………………………………62. 第五節. 研究流程…………………………………...………………………………68. 第六節. 資料處理與分析……………………………………..…………………….70. 第肆章研究結果與討論……………………………….…………………..73 第一節. 三組教學成效之分析………………………………...……………………73. 第二節. 各概念主題學習成效之分析…………………………...…………………77. 第三節. 熱傳播概念與概念改變的模式……………………………………...……95. 第四節. 三組建模能力之分析……………………………………….……………154 I.

(9) 第五節. 各建模步驟中建模能力成效之分析……………………..……...………157. 第六節. 熱傳播學習成效與熱傳播建模能力之關係…………………………….167. 第七節. 三組科學模型本質之分析……………………………………………….174. 第八節. 綜合討論………………………………………………….………………184. 第伍章結論與建議……………………………………..……………...…187 第一節. 結論………………………………………………...…………..…………187. 第二節. 建議…………………………...…………………………………..………192. 參考文獻…………………………………………..……...…..……………194 中文部分………………………………………………...……………………….…...194 英文部分…………………………………………………….………..………………195. 附錄…………………………………..…………………...…..……………202 附錄一熱傳播概念二階層診斷式紙筆測驗……………………………...….…...202 附錄二熱傳播建模能力分析問卷………………………………………………...217 附錄三科學模型本質測驗………………………………………………………...224 附錄四. 三組課程教案……………………………………………………………...227. 附錄五科學史建模組熱傳播教材……….…........................................................233 附錄六建模組熱傳播教材…………………………………………….….….......237. II.

(10) 表. 次. 表 1-1-1. 學生熱傳播的迷思概念與熱傳播科學史相似處……………………………………..…..3. 表 1-3-1. 科學概念模型五面向的分類…………………………………………………………………….……7. 表 2-1-1. 直接過程和突現過程的本體屬性………………………..………………………………………16. 表 2-1-2. Thagard 概念改變的九個階層………………………………………………………….………….17. 表 2-2-1. 模型的分類………………………………………………………………………………..………………….22. 表 2-2-2. 概念模型的五種結構……………………………………………………………..…………………….26. 表 3-2-1. 研究對象基本資料…………………………………………………………………..…………………..52. 表 3-3-1. 熱與粒子觀得先備資料………………………………………………………..………………………53. 表 3-3-2. 三種課程規劃…………………………………………………………………………..…………………..54. 表 3-3-3. 教學內容與主要教學概念………………………………………………………..………………….54. 表 3-3-4. 三個子概念模型的五個面向…………………………………………………..……………………..58. 表 3-3-5. 建模歷程與能力指標的對應表………………………………………………..………………….59. 表 3-3-6. 建模能力與能力指標的對應表…………………………………………..……………………….60. 表 3-3-7. 建模能力分析指標……………………………………………………………..………………………..61. 表 3-4-1. 答題理由分析……………………………………………………………………..………………………..63. 表 3-4-2. 熱的命題陳述與雙項細目表………………………………………………..……………………..65. 表 3-4-3. 建模能力編碼計分表……………………………………………………………..……………………66. 表 3-4-4. 模型本質向度分析………………………………………………………………..…………………….67. 表 4-1-1. 熱傳播概念二階層診斷式紙筆測驗前測分析……………..…………………………….73. 表 4-1-2. 熱傳播概念二階層診斷式紙筆測驗後測分析………………..………………………….74. 表 4-1-3. 三組後測的事後比較分析……………………………………………………..……………………74. 表 4-1-4. 熱傳播概念二階層診斷式紙筆測驗延宕測分析…………………..……………………75. 表 4-1-5. 三組延宕測的事後比較分析……………………………………………………….….…………..75. 表 4-2-1. 熱傳導概念前測分析……………………………………………………………………………………77. 表 4-2-2. 熱傳導概念後測分析………………………………………………………………………..…………78. 表 4-2-3. 三組後測的事後比較分析………………………………………………………..…………………78 III.

(11) 表 4-2-4. 熱傳導概念延宕測分析……………………………………………………….……..……………….79. 表 4-2-5. 三組延宕測的事後比較分析……………………………………………………….……………….79. 表 4-2-6. 熱對流概念前測分析……………………………………………………….…………………………..79. 表 4-2-7. 熱對流概念後測分析…………………………………………………………….……………………..80. 表 4-2-8. 三組後測的事後比較分析………………………………………………………………….………..80. 表 4-2-9. 熱對流概念延宕測分析………………………………………………………….………….…………81. 表 4-2-10 三組延宕測的事後比較分析…………………………………………………….……….…………81 表 4-2-11 熱輻射概念前測分析…………………………………………………………………….….………….81 表 4-2-12 熱輻射概念後測分析…………………………………………………………………….….………….82 表 4-2-13 三組後測的事後比較分析…………………………………………………………….….………….82 表 4-2-14 熱輻射概念延宕測分析………………………………………………………………………………..83 表 4-2-15 三組延宕測的事後比較分析…………………………………………………………..…………..83 表 4-2-16 模型範圍面向前測分析………………………………………………………………..……………..84 表 4-2-17 模型範圍面向後測分析…………………………………………………………………..…………..85 表 4-2-18 模型範圍面向延宕測分析………………………………………………………………..………….85 表 4-2-19 三組延宕測的事後比較分析……………………………………………………………..…………85 表 4-2-20 模型成分面向前測分析………………………………………………………………………..……..86 表 4-2-21 模型成分面向後測分析…………………………………………………………………………..…..86 表 4-2-22 模型成分面向延宕測分析………………………………………………………………………..….87 表 4-2-23 三組延宕測的事後比較分析………………………………………………………………………..87 表 4-2-24 模型結構面向前測分析………………………………………………………………………………..88 表 4-2-25 模型結構面向後測分析………………………………………………………………………………..88 表 4-2-26 三組延宕測的事後比較分析………………………………………………………………………..88 表 4-2-27 模型結構面向延宕測分析…………………………………………………………..……………….89 表 4-2-28 三組延宕測的事後比較分析………………………………………………………..……………...89 表 4-2-29 模型巨觀行為面向前測分析…………………………………………………………..…………...90 IV.

(12) 表 4-2-30 模型巨觀行為面向後測分析……………………………………………………………..…………90 表 4-2-31 三組後測的事後比較分析…………………………………............................................90 表 4-2-32 模型巨觀行為面向延宕測分析………………….....................................................91 表 4-2-33 三組延宕測的事後比較分析…………………………………………………………………….....91 表 4-2-34 模型微觀行為面向前測分析…………………………………………….............................92 表 4-2-35 模型微觀行為面向後測分析………………..……………………………………………………...92 表 4-2-36 三組後測的事後比較分析………………….………………………………………………………..92 表 4-2-37 模型微觀行為面向延宕測分析…………….……………………...................................93 表 4-2-38 三組延宕測的事後比較分析………………….........................................................93 表 4-3-1. 熱傳導概念人數分布表………………………….……………………….……………………………97. 表 4-3-2. 熱傳導概念中的『範圍』面向答題人數分布……………………………………………...99. 表 4-3-3. 熱傳導概念的『範圍』面向中概念改變模式……….………….………………………...101. 表 4-3-4. 熱傳導概念中的『成分』面向答題分布……………….……………………………………102. 表 4-3-5. 熱傳導概念的『成分』面向中概念改變模式……….…………………………………….103. 表 4-3-6. 熱傳導概念中的『結構』面向答題分布………………….....................................105. 表 4-3-7. 熱傳導概念的『結構』面向中概念改變模式…………………………………………….108. 表 4-3-8. 熱傳導概念中的『巨觀行為』面向答題分布……………………………………………..109. 表 4-3-9. 熱傳導概念的『巨觀行為』面向中概念改變模式…………………………………...112. 表 4-3-10 熱傳導概念中的『微觀行為』面向答題分布……………………………………………113 表 4-3-11 熱傳導概念的『微觀行為』面向中概念改變模式……………………………….…..116 表 4-3-12 熱對流概念人數分布表……………………………………………………………………………...122 表 4-3-13 熱對流概念中的『範圍』面向答題人數分布……………………………………………123 表 4-3-14 熱對流概念的『範圍』面向中概念改變模式…………………………………………….125 表 4-3-15 熱傳導概念中的『成分』面向答題分布…………………………………………...........126 表 4-3-16. 熱對流概念中的『巨觀行為』面向答題分布………………………………………….128. 表 4-3-17. 熱對流概念的『巨觀行為』面向中概念改變模式………………………………....129 V.

(13) 表 4-3-18. 熱對流概念中的『微觀行為』面向答題分布………………………………………….130. 表 4-3-19. 熱對流概念的『微觀行為』面向中概念改變模式…………………………………..133. 表 4-3-20. 熱輻射概念人數分布表………………….............................................................139. 表 4-3-21. 熱輻射概念中的『範圍』面向答題人數分布………………………………………….140. 表 4-3-22. 熱輻射概念的『範圍』面向中概念改變模式…………………………………………..142. 表 4-3-23. 熱輻射概念中的『成分』面向答題分布………………………………………….........144. 表 4-3-24. 熱輻射概念的『成分』面向中概念改變模式………………………………………….145. 表 4-3-25. 熱傳導概念中的『巨觀行為』面向答題分布………………………………………….146. 表 4-3-26. 熱輻射概念中的『微觀行為』面向答題分布………………………………………….148. 表 4-3-27. 熱輻射概念的『微觀行為』面向中概念改變模式…………………………………...150. 表 4-4-1. 熱傳播建模能力試卷前測分析………………….....................................................154. 表 4-4-2. 熱傳播建模能力試卷後測分析…………………………………………………………………….155. 表 4-4-3. 三組後測的事後比較分析…………………………………………….................................155. 表 4-4-4. 熱傳播建模能力試卷延宕測分析………………………………………….........................156. 表 4-4-5. 三組延宕測的事後比較分析………………………………………………………………………..156. 表 4-5-1. 模型選擇之建模能力前測分析……………………………………………........................157. 表 4-5-2. 模型選擇之建模能力後測分析……….………………………………..........................158. 表 4-5-3. 三組延宕測的事後比較分析……………………………………………………………………….158. 表 4-5-4. 模型選擇之建模能力延宕測分析…………………………………………......................159. 表 4-5-5. 三組延宕測的事後比較分析…………………………………………………………………….159. 表 4-5-6. 模型建立之建模能力前測分析…………………………………..................................159. 表 4-5-7. 模型建立之建模能力後測分析…………………...................................................160. 表 4-5-8. 三組延宕測的事後比較分析………………………………………………………………………..160. 表 4-5-9. 模型建立之建模能力延宕測分析……………………………………………..................161. 表 4-5-10. 三組延宕測的事後比較分析…………………………………………................................161. 表 4-5-11. 模型效化之建模能力前測分析…………………………………………………………………161 VI.

(14) 表 4-5-12. 模型效化之建模能力後測分析………………….................................................162. 表 4-5-13. 三組延宕測的事後比較分析………………………………………………………………………..162. 表 4-5-14 模型效化之建模能力延宕測分析……………………………………………...................163 表 4-5-15. 三組延宕測的事後比較分析…………………………………………................................163. 表 4-5-16. 模型應用之建模能力前測分析…………………………………………………………………163. 表 4-5-17. 模型應用之建模能力後測分析………………….................................................164. 表 4-5-18. 三組延宕測的事後比較分析………………………………………………………………………..164. 表 4-5-19 模型應用之建模能力延宕測分析……………………………………………...................165 表 4-5-20. 三組延宕測的事後比較分析…………………………………………................................165. 表 4-6-1. 三組學生在熱傳播概念與熱傳播建模能力前測之相關統計量數…………..167. 表 4-6-2. 三組學生在熱傳播概念與熱傳播建模能力後測之相關統計量數…………..168. 表 4-6-3. 三組學生在熱傳播概念與熱傳播建模能力延宕測之相關統計量數………168. 表 4-6-4. 三組學生在熱傳播概念與各建模步驟的建模能力前測之相關統計量數 ……………………………………………........................................................................169. 表 4-6-5. 三組學生在熱傳播概念與各建模步驟的建模能力後測之相關統計量數 ……………………………………………........................................................................170. 表 4-6-6. 三組學生在熱傳播概念與各建模步驟的建模能力延宕測之相關統計量數 …………………………………………...........................................................................170. 表 4-6-7. 三組學生在熱傳播概念與各建模步驟的建模能力之相關性....................171. 表 4-7-1. 科學模型本質測驗總分前測分析……………………………………………………………...174. 表 4-7-2. 科學模型本質測驗總分後測分析……………………………………………………………..175. 表 4-7-3. 三組後測的事後比較分析…………………………………………….................................175. 表 4-7-4. 科學模型本體論分數前測分析…………………………………………..........................175. 表 4-7-5. 本體論中三主題分數前測分析…………………………………………………………………176. 表 4-7-6. 科學模型本體論分數後測分析………………………………………………………………….176. 表 4-7-7. 三組後測事後比較分析……………………………………………………………………………….177 VII.

(15) 表 4-7-8. 本體論中三主題分數後測分析…………………………………………………………………177. 表 4-7-9. 三組的本體論中三主題事後比較分析………………………………………………………..177. 表 4-7-10. 科學模型認識論分數前測分析………………………………………………………………….178. 表 4-7-11. 認識論中三主題分數前測分析…………………………………………………………………178. 表 4-7-12. 科學模型認識論分數後測分析………………………………………………………………….179. 表 4-7-13. 三組後測事後比較分析……………………………………………………………………………….179. 表 4-7-14. 認識論中三主題分數後測分析…………………………………………………………………179. 表 4-7-15. 三組的認識論中三主題事後比較分析………………………………………………………..180. 表 4-7-16. 科學模型方法論分數前測分析………………………………………………………………….180. 表 4-7-17. 方法論中三主題分數前測分析…………………………………………………………………181. 表 4-7-18 科學模型方法論分數後測分析………………………………………………………………….181 表 4-7-19. 三組後測事後比較分析……………………………………………………………………………….181. 表 4-7-20. 方法論中三主題分數後測分析…………………………………………………………………182. 表 4-7-21. 三組的方法論中四主題事後比較分析……………………………………………………….182. VIII.

(16) 圖. 次. 圖 2-1-1. 本體樹的組織架構………………………………………………………………………………….......14. 圖 2-1-2. 本體樹內部階級和橫向分類………………………………………………………………………..15. 圖 2-1-3. 根本與非根本概念改變的圖示法………………………………………………………………..15. 圖 2-1-4. Vosniadou(2008)概念改變的理論…………………………………………………………………18. 圖 2-1-5. RAINBOW 模型的組成………………………………………………………………………………20. 圖 2-2-1. 心智模型、概念模型和真實世界的交互作用……………………………………………24. 圖 2-2-2. 『建模模型架構』………………………………………………………………………………………29. 圖 2-2-3. 學生模型觀點的三面向示意圖…………………………………………………………………..35. 圖 2-4-1. 熱的最初心智模型示意圖…………………………………………………………………………..46. 圖 2-4-2. 孩童對熱的心智模式…………………………………………………………………………………..48. 圖 3-3-1. 熱傳播模型概念圖………………………………………………………………………………………55. 圖 3-3-2. 模型五面向的分類………………………………………………………………………………………57. 圖 3-5-1. 研究流程圖………………………………………………………………………………………………….69. 圖 4-3-1. 熱傳導概念人數百分比分布圖…………………………………………………………………..96. 圖 4-3-2. 熱傳導概念中的『範圍』面向答題人數百分比分布………………………………..98. 圖 4-3-3. 三組熱傳導概念的『範圍』面向中概念改變模式圖………………………………..101. 圖 4-3-4. 熱傳導概念中的『成分』面向答題人數百分比………………………………………..103. 圖 4-3-5. 熱傳導概念中的『結構』面向人數百分比分布………………………………………..105. 圖 4-3-6. 三組熱傳導概念的『結構』面向中概念改變模式圖…………………………………107. 圖 4-3-7. 熱傳導概念中的『巨觀行為』面向人數百分比分布………………………………..109. 圖 4-3-8. 三組熱傳導概念的『巨觀行為』面向中概念改變模式圖………………………..111. 圖 4-3-9. 熱傳導概念中的『微觀行為』面向人數百分比分布………………………………..114. 圖 4-3-10 三組熱傳導概念的『微觀行為』面向中概念改變模式圖…………………………116 圖 4-3-11 三組熱傳導概念模型的概念圖…………………………………………………………………..118 圖 4-3-12 熱傳導模型中『範圍』面向、『巨觀行為』面向和『微觀行為』面向的概念改變過程…………………………………………………………………………………………………….119 IX.

(17) 圖 4-3-13 熱對流概念人數百分比分布圖…………………………………………………………………..121 圖 4-3-14 熱對流概念中的『範圍』面向答題人數百分比分布………………………………..123 圖 4-3-15 三組熱對流概念的『範圍』面向中概念改變模式圖………………………………..125 圖 4-3-16 熱對流概念中的『成分』面向答題人數百分比………………………………………..127 圖 4-3-17 熱對流概念中的『巨觀行為』面向人數百分比分布………………………………..128 圖 4-3-18 熱對流概念中的『微觀行為』面向人數百分比分布………………………………..130 圖 4-3-19 三組熱對流概念的『微觀行為』面向中概念改變模式圖…………………………132 圖 4-3-20 三組熱對流概念模型的概念圖…………………………………………………………………..135 圖 4-3-21. 熱對流模型中『範圍』面向和『微觀行為』面向的概念改變過程………136. 圖 4-3-22 熱輻射概念人數百分比分布圖…………………………………………………………………..138 圖 4-3-23 熱輻射概念中的『範圍』面向答題人數百分比分布………………………………..141 圖 4-3-24 三組熱輻射概念的『範圍』面向中概念改變模式圖…………………………………143 圖 4-3-25 熱輻射概念中的『成分』面向答題人數百分比………………………………………..145 圖 4-3-26 熱輻射概念中的『巨觀行為』面向人數百分比分布………………………………..147 圖 4-3-27 熱輻射概念中的『微觀行為』面向人數百分比分布………………………………..148 圖 4-3-28 三組熱輻射概念的『微觀行為』面向中概念改變模式圖…………………………151 圖 4-3-29 三組熱對流概念模型的概念圖…………………………………………………………………..153 圖 4-6-1. 後測之熱傳播概念和模型選擇建模能力分布圖……………………………………….173. 圖 4-6-2. 後測之熱傳播概念和模型建立建模能力分布圖……………………………………….173. 圖 4-6-3. 後測之熱傳播概念和模型效化建模能力分布圖……………………………………….173. 圖 4-6-4. 後測之熱傳播概念和模型應用建模能力分布圖……………………………………….173. X.

(18) 第壹章. 緒論. 從科學發展的歷史來看，『熱傳播』這個議題一直是許多科學家討論和探究的範圍，科學家企圖找出熱的運動準則和定律，這樣討論和探究的過程直到十八世紀末，科學家才了解熱的本質和熱傳播的方式。學生對於『熱傳播』的概念學習，也是許多學者關注的焦點和研究的議題(郭重吉，1990; Vosniadou, 1994; Jones, Carter & Rua, 2000; Chi, 2005, 2008; Chiou & Anderson, 2009)，一方面可能是因為有關於熱傳播的這些概念是屬於根本的概念重建(邱美虹，2000)，或者是熱傳播的概念易受生活經驗影響學習。在國小三、四、五、六年級都會學習到有關於熱傳播的現象或有關於熱傳播後所造成的影響的概念，熱傳播後會影響天氣的變化，受熱可以改變物質狀態，熱傳播可以解釋一些生活現象，有時甚至可以解釋天文觀察到的現象，所以，如何幫助學生建立有關於『熱』和『熱傳播』的正確想法，就顯得十分重要。基於此項理由，於是研究者就選定國小五年級的『熱傳播』單元進行探究，以科學史當做教材，建模教學策略當做教學方法，結合兩者做課程的探究，希望可以幫助學生建構熱傳播模型，並可藉此幫助學生學習『熱傳播』概念。. 1.

(19) 第一節研究動機與研究背景在教學現場中，為了吸引學生的注意、增進學生學習的興趣和提高學生學習專注力，其中一項不可或缺的法寶就是『說故事』，這項法寶不管是小到幼稚園、一年級，大到六年級，甚至國中、高中，都是十分受用。不過，雖然都是說故事，不同學科之間故事的呈現方式還是有所不同，在自然科學的教學中，我們可以利用科學教育中的不同教學法，讓故事融入科學教學中來教授科學知識、科學方法、科學本質….等，讓自然科學的課程也能利用這種較為不一樣的方式呈現出來，讓學生喜愛。『熱傳播』這個議題與人類的生活息息相關，例如：熱的傳送可使物質發生三態變化；熱的流動會影響天氣的變化，例如：颱風的形成和海、陸風的吹拂；同時熱的傳播也會讓物質發生改變，例如：溶解和燃燒，都是生活中常見的現象。當學生在學習熱是如何傳播的時候，學生可以藉著生活經驗和巨觀的觀察，說出熱傳播的現象，但是實際上，學生對於『熱是如何傳播』仍擁有許多迷思概念，在經過教學後，這些迷思概念仍不易消除。人類對於”熱是如何傳送”的探索已有好幾千年的時間，在 2500 年前，人類就已經察覺到熱對人類生活有很重要的影響，中國認為物質由金、木、水、火、土組成；古希臘則認為自然萬物由水、火、土、氣組成，這樣的想法影響著人類對於基本物質的解釋和自然現象演變的看法，且影響人類一、二千年的時間，直到十八世紀，德國斯塔爾(Georg Ernst Stahl)教授提出熱是一種燃素(phlogiston)，拉瓦錫認為熱是一種流體，他把這種物質稱為「卡路里」(calorie)，倫福伯爵(Count Rumford)則是認為熱是一種能量；古希臘哲學家則認為宇宙中存在一種以太 (ether 或 aether)，而這種物質可以傳播光和熱，所以，『熱是什麼』和『熱是如何傳播』的這個議題是許多科學家討論和探究的範圍，直到十八世紀末，科學家才漸漸了解原來熱的本質是能量，還發展出熱力學基本的第零~第三定律。熱傳播現象的科學解釋在科學歷史發展的過程，與學生在熱傳播的科學概念發展上有異曲同工之妙，如表 1-1-1，第一張圖學生認為熱是一顆顆的粒子，這 2.

(20) 些熱粒子就是代表著熱，熱會由高溫傳向低溫，這種想法類似於過去的燃素理論；第二張圖學生是認為熱會像一股熱流，從高溫處流向低溫處，類似於過去的卡路里理論；最後一張圖則是學生認為太陽的熱會透過一種輻射的粒子，將太陽的熱傳到地球來，這樣的迷思概念類似於以太理論，所以，科學史融入教學中可以讓學生了解到自己的想法與過去科學史的解釋有相似之處，而知道這些舊的科學解釋的局限之處，進而了解新的科學解釋的發展，幫助學生建立正確的科學概念。表 1-1-1. 學生熱傳播的迷思概念與熱傳播科學史相似處. 類似燃素理論. 類似卡路里理論. 類似以太理論. 學生迷思概念. 因此，如何運用有效的教學法，讓這樣的議題可以在科學課室中呈現，就是一個重要的關鍵。在近來的科學教育中，模型(model)和建模(modeling)教學受到很多科學教育家的重視(American Association for the Advencement of Science, 1990, 1993; National Research Council, 1996; Halloun, 1996, 2006; Justi, 2000, 2002 )，認為模型可以幫助學生學習、有效的使用知識和了解真實世界，模型也可以協助學生思考，在面對不同情況或現象時，可以根據需求與目的，利用同一模型或不同模型來解釋問題和解決問題。而建模就是建立模型的過程，這樣的過程是有一定的步驟，用一種更有效率、更一貫性的方法調整我們既有的知識架構，將新知識融入調整過後的知識架構中，有系統的建立自己的模型。在本研究中，研究者選擇『熱傳播』單元，將課程內容融入『熱』和『熱傳播』的科學發展史，澄清學生迷思概念，用建模教學策略當作教學方法，希望可以幫助學生建立一個完整的熱傳播模型，讓學生可以在面對一個熱傳播現象時，有效提取完整的模型，幫助他解決所遇到的問題。 3.

(21) 第二節研究目的與研究問題本研究選取『熱傳播』概念為教材課程，以傳統教學、建模教學和科學史建模教學為教學方式，探討不同教學對學生學習熱傳播概念和學習成效的影響。再者，基於『建模能力分析指標』，探討不同的教學方式對於學生建模能力的影響，更可進一步探討不同的建模教學對學生建模能力和概念改變之間的交互作用關係。最後，可更進一步探討不同的建模教學對學生科學模型本質認識的影響。本研究主要的研究目的有七個，分別如下：目的 1：探討不同的教學法對於學生熱傳播概念整體學習成效之影響。目的 2：探討不同的教學法對於學生熱傳播概念中各概念主題學習成效之影響。目的 3：探討不同教學法對學生概念改變之影響。目的 4：探討不同的教學法對學生建模能力的總體成效之影響。目的 5：探討不同的教學法對於學生熱傳播模型中各建模步驟的建模能力成效之影響。目的 6：探討不同教學法對學生熱傳播學習成效與建模能力之關係。目的 7：探討不同教學法對學生科學模型本質之影響。根據各研究目的，有以下待答問題：目的 1：探討不同的教學法對於學生熱傳播概念整體學習成效之影響。待答問題： 1-1 三組學生在教學後，對於熱傳播概念整體學習成效之差異為何？ 1-2 三組學生在延宕測時，對於熱傳播概念整體學習成效之差異為何？. 目的 2：探討不同的教學法對於學生熱傳播概念中各概念主題學習成效之影響。待答問題： 2-1 三組學生在教學後，對於熱傳播概念的 3 個子概念—熱傳導、熱對流、熱輻射學習成效之差異為何？ 2-2 三組學生在延宕測時，對於熱傳播概念的 3 個子概念—熱傳導、熱對流、熱 4.

(22) 輻射學習成效之差異為何？ 2-3 三組學生在教學後，對於熱傳播模型的 5 個面向—範圍、成分、結構、巨觀行為、微觀行為的學習成效之差異為何？ 2-4 三組學生在延宕測時，對於熱傳播模型的 5 個面向—範圍、成分、結構、巨觀行為、微觀行為的學習成效之差異為何？. 目的 3：探討不同教學法對學生概念改變的影響。待答問題： 3-1 三組學生在前測、後測及延宕測時，對於熱傳導概念的概念類型與人數分布百分比為何？ 3-2 三組學生在前測、後測及延宕測時，對於熱傳導概念的概念演變途徑為何？ 3-3 三組學生在前測、後測及延宕測時，對於熱對流概念的概念類型與人數分布百分比為何？ 3-4 三組學生在前測、後測及延宕測時，對於熱對流概念的概念演變途徑為何？ 3-5 三組學生在前測、後測及延宕測時，對於熱輻射概念的概念類型與人數分布百分比為何？ 3-6 三組學生在前測、後測及延宕測時，對於熱輻射概念的概念演變途徑為何？. 目的 4：探討不同的教學法對學生建模能力的總體成效的影響。待答問題： 4-1 三組學生在教學後，對於熱傳播建模能力的總體成效之差異為何？ 4-2 三組學生在延宕測時，對於熱傳播建模能力的總體成效之差異為何？. 目的 5：探討不同的教學法對於學生熱傳播模型中各建模步驟的建模能力成效之影響。待答問題： 5-1 三組學生在教學後，對於熱傳播模型中各建模步驟—模型選擇、模型建立、模型效化和模型應用的建模能力成效之差異為何？ 5.

(23) 5-2 三組學生在延宕測時，對於熱傳播模型中各建模步驟—模型選擇、模型建立、模型效化和模型應用的建模能力成效之差異為何？. 目的 6：探討不同教學法對學生熱傳播學習成效與建模能力之關係。待答問題： 6-1 三組學生在教學後，對於『熱傳播學習成效』和『熱傳播建模能力』，兩者之間的關係為何？ 6-2 三組學生在延宕測時，對於『熱傳播學習成效』和『熱傳播建模能力』，兩者之間的關係為何？ 6-3 三組學生在教學後，對於『各建模步驟的建模能力』和『熱傳播學習成效』，兩者之間的關係為何？ 6-4 三組學生在延宕測時，對於『各建模步驟的建模能力』和『熱傳播學習成效』，兩者之間的關係為何？. 目的 7：探討不同教學法對學生科學模型本質的影響。待答問題： 7-1 三組學生在教學後，對於科學模型本質測驗的總體成效之差異為何？ 7-2 三組學生在延宕測時，對於科學模型本質測驗的總體成效之差異為何？ 7-3 三組學生在教學後，對於科學模型本質的三面向—本體論、方法論和認識論以及其下的 10 主題的科學模型本質之差異為何？ 7-4 三組學生在延宕測時，對於科學模型本質的三面向—本體論、方法論和認識論以及其下的 10 主題的科學模型本質之差異為何？. 6.

(24) 第三節名詞釋義本研究中所提到的重要名詞說明如下：. 一、模型在本研究中所定義的模型是參考 Buckley(2004)，Hestenes(1993，2006)和 Hallon(2006，1996)對於模型的定義，發展適合本研究中所要建立的模型--熱傳播模型的面向。所以，將科學概念模型分成五個面向：範圍(domain)、成分 (composition)、結構(structure)、巨觀行為(macro behavior)和微觀行為(micro behavior)。在本研究中，此五個面向可分別代表說明科學概念模型的巨觀維度和微觀維度，如表 1-3-1 所示，『範圍』、『成分』和『巨觀行為』屬於科學概念模型中巨觀的維度；『結構』和『微觀行為』屬於科學概念模型中微觀的維度，以此五面向來建構出科學概念模型，較適合國小以生活經驗和觀察為出發，進一步認識粒子微觀世界的科學課程內容。表 1-3-1 二維度. 科學概念模型五面向的分類科學概念模型五面向. 巨觀維度. 範圍. 成分. X. 巨觀行為. 微觀維度. X. X. 結構. 微觀行為. 二、建模教學本研究是以邱美虹(2007，2008)的建模歷程做為建模教學和科學史建模教學的建模方法，邱美虹的建模歷程，是基於『科學與建模實務』的考量，以 Halloun(1996)的建模歷程為基礎，輔以『循環作用觀點』，將建模歷程調整為六種序列面向：1.模型選擇. 2.模型建立 3.模型效化. 6.模型重建。 7. 4.模型應用. 5.模型調度.

(25) 但因本研究的研究對象為國小五年級學生，考量學生學習情形，再將建模歷程和能力指標兩相對照後，將建模歷程調整成四個步驟：1.模型選擇立 3.模型效化. 2.模型建. 4.模型應用，以適用於本研究的研究對象。. 三、科學史建模教學在本研究中將科學史以『附加式』的方式融入教學內容，即是以建模教學和教科書內的概念為主體，進行教科書內容教學時，將『熱傳播』的科學史內容以增加方式進行教學，亦即教科書內容和科學史內容是獨立、分開的，這種形式的教材是屬於補充教材，再搭配建模歷程的四個階段當作教學方法，就是本研究中的『科學史建模教學』。. 四、熱傳播本研究所指的『熱傳播』概念，其在教學中可拆成『熱傳導』概念、『熱對流』概念、『熱輻射』概念等 3 個子概念來進行教學。熱是一種能量，能量有不同的形式，可以相互轉換，而熱的傳播就是能量的傳播，傳播方向是由高溫傳向低溫。熱傳導是物體需接觸傳熱，微觀中固體粒子、液體粒子以及氣體粒子吸收熱能後，運動速度加快，藉由碰撞，使其他的粒子的速度也加快，藉以傳播熱能，巨觀中的傳播方向是由高溫傳向低溫，將能量傳導出去。熱對流是流體流動傳熱，微觀中液體粒子、氣體粒子吸收熱能後，粒子間距離加大，使得粒子總重量不變，但總體積變大，產生流動，藉以傳播熱能，巨觀中熱流體上升，冷流體下降補充，將能量傳出去。。熱輻射是物體不需介質就能傳熱，微觀中固體粒子、液體粒子、氣體粒子吸收熱能後，粒子震動加快，藉以傳播熱能，巨觀中物體會向四面八方傳播輻射熱。. 8.