跨年級學生電學心智模式一致性與課程進程之比較研究

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(1)53. 國立政治大學「教育與心理研究」 2008 年 9 月,31 卷 3 期,頁 53-79. 跨年級學生電學心智模式一致性與課程 進程之比較研究 林靜雯*. 摘. 要. 「兒童是否具一致性的概念架構?」這個問題一直眾說紛紜,而不同的觀點 將影響對教學的建議。本研究以電學為概念主題,心智模式為概念架構之分析單 位,設計跨年級診斷式測驗,以檢驗440位三年級至國三學生之心智模式是否具一 致性。結果發現,三年級學生之心智模式一致性僅占26.67%,且以錯誤的撞擊模 式為主;而至國三時,其心智模式一致性則上升至52.63%,且以科學模式為主。 除三年級外,不一致之心智模式並非任意組合,而是隨課程進程有不同的集中類 型。是故,本研究認為心智模式受完整性、一致性及正確性三要素影響,而適當的 課程進程及設計可協助學生移除重要另有概念、促進兒童心智模式之完整性,進而 提升其正確性及一致性。. 關鍵詞: 心智模式一致性、電學、跨年級測驗. *. 林靜雯:臺北市立教育大學自然科學系助理教授 誌謝: 本論文之部分改寫自筆者之博士論文,研究過程特別感謝臺師大科教邱美虹教授指 導,並感謝賈馥茗教授教育基金會、李連教育基金會及國立編譯館提供研究獎助。 而本文在投稿過程中,亦復蒙審稿委員提供甚多卓見與建議,均此致謝。 電子郵件:jwlin.paper@gmail.com. 收件日期:2007.12.05;修改日期:2008.01.10;接受日期:2008.03.13.

(2) 54. Journal of Education & Psychology September, 2008, Vol. 31 No. 3, pp. 53-79. A Comparison Study between the Coherence of Across-grade Students’ Mental Models in Electricity and Curriculum Sequence Jing-Wen Lin*. Abstract. The viewpoints of “children have coherence conceptual framework” are widely divided. Different viewpoints influence the suggestions that researchers give. This study adopts mental model as analysis unit to conduct electricity across-grade test and to investigate the coherence of mental models of 440 third graders to ninth graders. The results show that the coherence of mental models of third grades is only 26.67%, and the main mental model is incorrect clashing currents model, while that of ninth graders is 52.63%, and the main mental model is scientific model. Except third graders, the inconsistent mental models in all grades are specific types rather than random combinations. Therefore, this study claims that the operation of mental model is influenced by the completeness, coherence, and correctness, three factors. Appropriate curriculum sequence and design will assist pupils to remove their robust alternative conceptions, increase the completeness, and then to promote the correctness and the coherence of their mental models.. Keywords: coherence of mental models, electricity, across-grade test *. Jing-Wen Lin: Assistant Professor, Taipei Municipal University of Education E-mail: jwlin.paper@gmail.com. Manuscript recieved: 2007.12.05; Revised: 2008.01.10; Accepted: 2008.03.13.

(3) 跨年級學生電學心智模式一致性與課程進程之比較研究 55. 壹、緒論 兒童的概念多是由日常生活經驗. 一、 兒童具有一致性的心智 模式嗎?. 所得之直觀現象的詮釋,此種詮釋是否. 何 謂 「 心 智 模 式 」 ? Borges 和. 具有一致性的「架構」,甚或如科學家. Gilbert ( 1999 ) 認 為 , 心 智 模 式 是 物. 一 般 的 「 理 論 」, 一 直 眾 說 紛 紜 。. 體、事情的狀態、事件順序或過程以及. diSessa、Gillespie和Esterly(2004)認. 世界和心理、社會行動的內在表徵。心. 為進行這些基礎問題的瞭解極有意義。. 智模式使個體能夠預測、推論、瞭解現. 因為這不僅促進我們對兒童知識本質的. 象和事實,做決定,並控制其執行。. 理解,更有助於我們發展教學策略。一. Vosniadou 和 Brewer (1992 ) 則 認 為 ,. 般而言,若兒童的概念傾向於片段的,. 心智模式是為了回答問題、解決疑問或. 教學的建議將會是希望沿著專家知識組. 是處理某種狀況所產生的一種動態結. 織的發展軌跡加以整合這些片段的元. 構,其源自概念結構,並受其限制。大. 素。相反地,若兒童已具有一致性的架. 部 分 教 育 研 究 者 支 持 Vosniadou 和. 構,教學的挑戰則是建議設計爭議性的. Brewer的觀點,咸認為心智模式是不穩. 論證,讓學生能在不同的架構或理論中. 定的,自然而然逐步演化,並且不完整. 進行合理的選擇。. (Borges & Gilbert, 1999),是故,本研. 據此,本研究以「心智模式」. 究亦以此作為心智模式的定義,藉繪圖. (mental model)作為分析兒童是否具. 題、診斷式選擇題(diagnostic choice. 有一致性概念架構的分析單位,一方面. item )、 是 非 題 等 各 種 問 題 情 境 的 設. 意欲深入探討跨年級學生心智模式是否. 計,判斷學生於處理這些問題時所產生. 具一致性,以回答這個認知心理學上的. 的動態結構。. 基礎問題。另一方面,有關學生心智模. 兒童是否具有一致性的心智模. 式一致性的研究,雖說希望有助於之後. 式?diSessa(1988, 1993)將兒童直覺. 發展教學策略,但目前尚未有研究真正. 知 識 的 最 小 單 位 以 現 象 原 生 詞 ( P-. 將學生心智模式的一致性與課程之間的. Prims)稱之,藉此以專家系統性的知. 關係加以連結。是故,本研究亦嘗試進. 識單位相對。diSessa認為現象原生詞. 一步探討現行課程內容的安排對學生心. 所組成的系統缺乏系統性的連結,其知. 智模式一致性的影響,希望藉此探討,. 識是片段的、零碎的、鬆散的,不符合. 能進一步對教學實務提出建議。. 一系列分類的原理來做詮釋一致性的判 斷。之所以如此,最主要的原因乃由於.

(4) 56 教育與心理研究 31 卷 3 期. 兒童後設認知的能力有限之故。. 題,繪出兒童電學心智模式演化路徑的. Vosniadou ( 1994 ) 對 diSessa ( 1993 ). 表徵(圖1)。在此表徵中,我們得以清. 的看法並不表贊同,她認為心智模式可. 楚窺見一致性、正確性及完整性三者互. 以以精確性、一致性及簡單性三個面向. 動的關係。舉例來說,圖1最右邊A、. 來分析其屬性。其中,在一致性方面,. B1、C1等代號表示各種不同的心智模. 她認為心智模式與信念相關,而信念是. 式,於此圖中D3為科學的心智模式,. 受制於一組本體的和認識論的預設,故. 其餘為Vosniadou(1994)所稱之「綜. 而信念的運作具有內在一致性的結構。. 合模式」,為初始模式到科學模式之間. 以此觀點,無論專家或生手的心智模式. 的過渡。這些代號顯示了心智模式的正. 都具有一致性,只是,專家的心智模式. 確性與否。而圖中的演化路徑交錯著許. 與物理的原理原則相連,而生手的心智. 多節點,節點與節點之間有許多兩兩一. 模式則與日常生活經驗中一再被驗證的. 對的數字,這些數字意謂著重要的概念. 本體論和認識論預設相連。. 或另有概念(alternative concept)。舉. 相 較 於 上 述 兩 位 學 者 , Chi 和. 例而言,圖1中的8-2及10-1,分別代表. Roscoe(2002)所採的觀點較為中立,. 著「電流由電池雙極出發」及「電流方. 認為心智模式具有三個影響因子,分別. 向為雙向於燈泡處撞擊」,兩者以科學. 為一致性(coherence)、正確性(cor-. 教學的觀點來看,皆為錯誤的另有概. rectness ) 及 完 整 性 ( completeness )。. 念,得待後續逐步增加、刪除、修正重. 其中一致性及正確性為重要的因子,而. 要概念或另有概念之後,才會逐一架構. 完整性則與此二因子有垂直互補的關係. 起完整的心智模式。另言之,當學生處. (orthogonal)。因此,他們將心智模式. 於演化路徑上的節點時,由於缺乏關鍵. 依照一致性及正確性區分為「不一致/. 性的重要概念(亦有可能是另有概. 片段的心智模式」以及「一致的心智模. 念),因此,其不但無法形成完整的心. 式」。其中,一致的心智模式又可區分. 智模式,亦無法對於關鍵概念作一致性. 為「錯誤的心智模式」,與「正確的心. 的判斷,是故,在不同的情境下,便會. 智模式」。Chi和Roscoe提出這樣的觀點. 走不同的路徑,或不知應走什麼路徑,. 後並沒有再更深入的詮釋,而林靜雯. 而無法回應任何問題。由於每次走的路. (林靜雯, 2006;Lin & Chiu, 2006,. 徑會隨情境而異,故心智模式的一致性. 2007)的觀點與Chi和Roscoe相呼應,. 便會大幅降低。. 但其藉助系統發育分類之概念演化理論 及電腦軟體PAUP 4.0,以電學為概念主.

(5) 跨年級學生電學心智模式一致性與課程進程之比較研究 57. /------------------------------------------------------------------------------------- A | | /-------------------------------------------------------------------------- B1 1-0 | | | | /----------------------------------------------------- B2 | | | 1-1 | | /---------16 /------------------------------------------ B4 9-1 10-3 +---------18 | 12-2 | | 8-2 10-1 | | | \---------15 /-------------------------------- C1 2-1 11-2 10-2| | | | | 19 | | \--------14 /--------------------- C2 | | | | * | 8-1 | \--------17 \---------13 /----------- D1 3-1 11-4 6-1 12-1 9-1 11-1 * * | | | | * | | \--------12----------D2 4-1 5-1 12-3 | | | * * | | \----------- D3 7-1 9-2 | | | \---------------------------------------------------------------- B3 1-2 4-1 | \------------------------------------------------------------------------------------- E 11-3. 3-1. 10-4. 圖1. 學生電學心智模式演化路徑之假設. 資料來源:引自林靜雯(2006)。. 二、 檢測心智模式一致性之 方法. 以較為科學的方式對兒童是否具有心智 模式一致性提出證據。以下便介紹 Nobes 等 人 ( 2003 ) 與 Vosniadou 、. 雖然在討論兒童是否具有心智模. Skopeliti和Ikospentaki(2004)對檢 測. 式 時 , diSessa ( 1993 ) 和 Vosniadou. 心智模式一致性所引起的討論。這兩個. (1994)各據片段與一致心智模式光譜. 團 隊 同 時 以 Vosniadou 和 Brewer. 的兩端,但Vosniadou等研究者後續對. (1992)對地球形狀之研究中的晤談題. 心智模式一致性的檢測則體現了Chi和. 目對兒童的心智模式一致性進行檢測,. Roscoe(2002)對心智模式的分類。另. 前者所得之結果認為兒童不具心智模式. 言之,這些研究者在實際檢測兒童的心. 一致性,後者則支持兒童具一致性的心. 智模式一致性時,乃嘗試將學生的心智. 智模式。為什麼會得出截然不同的研究. 模式分為不一致/片段的心智模式、錯. 結果呢?以下是兩者研究內容之簡介。. 誤的一致性心智模式及正確的一致性心 智模式三個部分,再對不一致及一致兩 大類心智模式進行統計的處理,希冀能. (一) Nobes等人以選擇題進行兒 童心智模式一致性的檢測 Nobes等人(2003)以167位4~8.

(6) 58 教育與心理研究 31 卷 3 期. 歲的兒童為受試者,特別挑選有關地球. 研究的結果。他們主要選取72位一年級. 的屬性、形狀的主概念、重力和支持有. 和三年級希臘雅典的學生,將其平均分. 關的四個問題,再以綠色、直徑15公分. 成兩組,其一複製Vosniadou和Brewer. 的 塑 膠 模 型 呈 現 Vosniadou 和 Brewer. ( 1992 ) 原 來 開 放 式 的 問 題 ( open. (1992)研究中心智模式的特性:有球. method),另一組則以相同的題幹,但. 形 (sphere)、 扁 圓 形 地 球 模 式 (flat-. 以強迫選擇題的方式提問。每組都有相. topped sphere)、圓盤形地球模式(disc. 對應的14個問題,但僅抽取其中4題有. corresponding to scientific)、中空地球. 關地球形狀的概念來看學生地球形狀心. 模式(hollow earth)和平面地球模式. 智模式的內在一致性。實驗的結果支持. (flat earth mental models)讓兒童參考. 筆者的假設:提問的方法會影響到所得. 作答。每位兒童接受一對一個別晤談近. 到的結果。在開放的問法中,有80~. 20~25分鐘,但純粹只是選擇模型(可. 85%的學生回答具有內在一致性,而以. 以選擇兩個以上的模型)來回答問題,. 強迫選擇題的方式所得到的結果則降至. 並沒有要求兒童解釋或判斷他們的回. 59~71%,顯示兒童多具有混合心智模. 答。研究結果依照四個問題的選擇共有. 式或科學模式,少有錯誤的一致性模. 24(3×2×2×2)種組合,如果兒童的確. 式,故而,強迫選擇題所得的結果乃是. 擁有心智模式,那麼我們將在組合分佈. 學生對於科學資訊的認知。這種強迫選. 中看到某些組合出現的頻率明顯大於其. 擇的方式抑制了兒童自行建構心智模. 他。但研究結果顯示,雖然有些組合頻. 式,反而會使他們根據文化矯造呈現的. 率大於其他,只是多未達統計考驗,故. 資訊猜測,因而表面上科學知識的成績. 而研究者認為知識的獲得是逐漸地以鬆. 似乎變高,但實際的內在一致性會降. 散相關的片段文化資訊累積起來。這樣. 低。此外,無論是以開放性晤談或強迫. 沒有組織的情形要一直組織到獲得地球. 性選擇的方式,一年級的表現都比較. 的科學觀點為止。. 差,這顯示了年紀愈小的學生其心智模. (二) Vosniadou等人對Nobes等人 研究的反駁 針對Nobes等人(2003)的研究,. 式愈不具一致性。之所以如此, Vosniadou等人將之歸因於年紀愈小的 學生其後設認知的能力愈弱之故。. Vosniadou等人(2004)同時設計選擇. 和Nobes團隊一樣以強迫選擇題嘗. 題及開放式晤談兩種方式,希望調查問. 試解答兒童概念架構一致性問題的還有. 題提問的方法如何影響兒童考慮地球形. Pozo和Gόmez Crespo(2005)。他們推. 狀和日月循環的回答以反駁Nobes等人. 導出一個公式以作為概念一致性的評估.

(7) 跨年級學生電學心智模式一致性與課程進程之比較研究 59. 係數(consistency index, CI):CI=(S. 1994)。若將簡單電路擴充成串聯的電. -Smin )/(Smax -Smin );其中S為答題. 路 再 加 以 細 分 , Magnusson 、 Boyle 和. 時選擇某種特定概念(選項)的次數平. Templin(1997)將上述四種電路中的. 方之加總後開根號。此種一致性算法以. 撞擊模式又分離出交叉撞擊模式. 距離而非簡單百分比的概念來計算一致. (crossing current model),衰減模式亦. 性,看來像是十分科學,但事實上由於. 再區分為衰減模式及共享模式(圖2)。. 每一題的選項一定都要固定數量、固定. 截至目前為止,有關電流心智模. 類型,因此,此種計算方式在設計試題. 式的調查最為詳盡的可能是Chiu和Lin. 時有其局限性,且無法窮盡學生所有另. 一系列的研究(邱美虹、林靜雯,. 有概念類型,筆者認為其研究結果符合. 2002;Chiu & Lin, 2005)。在其研究. 了Vosniadou等人(2004)的批判,僅. 中,以晤談、動手操作、閱讀教材等方. 是獲得學生對於科學資訊猜測的能力而. 式,針對簡單電路、串聯及並聯電路深. 已。. 入探討學童在處理電路封閉性、電路元 件雙極性、電流方向及系統性等概念時. 三、電的心智模式. 會架構起怎樣的心智模式。其研究結果. 過往科學教育的研究較著重於兒. 顯示,學生在串聯部分的表現共可歸納. 童一個個另有概念的調查,但若以較全. 出六大類心智模式及十二種子類型,這. 面性的概念架構來看學生電學的心智模. 六大類分別是:A.單極、B.雙極、C.電. 式,兒童會如何詮釋簡單電路的現象. 流消耗、D.電流不變的科學模式四大. 呢?Osborne和Freyberg(1985)便針對. 類,以及以往文獻中未論及的E.燈泡本. 紐西蘭8~12歲的小學生,檢視其對電. 身有電及O.不會發亮兩大類。上述這些. 路的封閉性、電路元件的雙極性及電流. 電流的心智模式於不同年齡層的頻率互. 方向,定義出四種電流的解釋模式:A.. 有消長。大致上,單極模式在年紀比較. 單 極 ( unipolar model )、 B. 撞 擊. 小的學童身上最容易探查到,而雙極模. (clashing currents model)、C.電流消耗. 式(另稱撞擊模式)則一直到13歲的中. (attenuation model)、D.電流不變的科. 學生都還頗為常見。隨著年齡的增長及. 學模式。這在其他國家也都獲致相同的. 教學互動的結果,持有科學模式的人數. 證 明 ( Butts, 1985; Dupin & Johsua,. 亦會上升,但這樣的影響對電流衰減的. 1984; Driver, sauires, Rushworth, &. 模式則影響不大(Borges & Gilbert,. Wood-Robinson,. 1984;. 1999; Osborne & Freyberg, 1985;. Shipstone, 1985; Shepardson & Moje,. Shipstone, 1984, 1985)。許多研究者認. 1994;. Gott,.

(8) 60 教育與心理研究 31 卷 3 期. 圖2. 學生對簡單電路及串聯電路之電流的六種分類. 資料來源:改自Magnusson、Boyle與Templin(1997)。. 為此乃兒童受「順序推理」左右,而容. 此點和學童的年齡有著極大的關係,是. 易認為電離開電池後,經過元件電流逐. 故 在 Vosniadou 等 人 ( 2004 ) 的 研 究. 漸消耗再回到電池的過程就如同電路中. 中,以年齡最小的一年級所得之心智模. 一連串發生的事件之故(楊文金,. 式最不具一致性。此外,提問的方式亦. 1992 ; 葉 俊 豪 、 陳 瓊 森 , 1995 ;. 會影響分析所得的結果,故而. Closset, 1983; Shipstone, 1984)。Heller. Vosniadou等人與Nobes等人(2003)的. 和 Finley ( 1992 ) 晤 談 14 位 中 小 學 教. 研究結果顯示,以開放式晤談所得之結. 師,亦發現無論是串聯或並聯的電路,. 果才能較為貼近學生真正的心智模式,. 這樣的觀點可說是電學另有概念的「硬. 而以強迫選擇題的方式或許適合大樣本. 核」(hard core),強而有力地支持一致. 及統計考驗,但所得之結果其實含括了. 的命題。. 兒童對科學資訊判讀的認知。是故,筆. 「兒童是否具有心智模式一致. 者認為,僅爭執兒童具有心智模式一致. 性?」由上述的討論似乎仍難有定論。. 性或沒有心智模式一致性是不恰當的,. 大部分研究者認為影響兒童心智模式一. 因其顯然受到其他因素的影響。筆者認. 致性的最主要原因乃後設認知的能力. 為Chi和Roscoe(2002)所採的觀點及. (diSessa et al., 2004; Vosniadou et al.,. 分類方式是有助於我們進一步加以研究. 2004; Vosniadou & Ioannides, 1998),而. 的。藉此分類,我們應進一步瞭解針對.

(9) 跨年級學生電學心智模式一致性與課程進程之比較研究 61. 特定主題,哪一個年齡層的兒童具有哪. 要(教育部,2000)自然與生活科技學. 種程度的心智模式一致性?或者不一致. 習領域部分及現行自然與生活科技各版. 性、混合的情形為何?又,課程的安排. 本的教材安排(表1)。三年級之前沒有. 是否對兒童心智模式的種類及一致性有. 教授過任何電學相關概念,可將三年級. 所影響?據此,本研究意欲藉由跨年齡. 視為電學教學之起點。其次,我國目前. 學生之電學心智模式的調查探討上述問. 電學課程的安排,在四年級時設計了通. 題,其詳細研究問題如下:. 路的相關教學,六年級時則有電動機及. (一)學生是否具有電學之心智模式 一致性? 1.三年級學生電學心智模式具一致 性的比例為何? 2.五年級學生電學心智模式具一致 性的比例為何? 3.國一學生電學心智模式具一致性 的比例為何? 4.國三學生電學心智模式具一致性 的比例為何? (二)學生具心智模式一致性者,其 心智模式類型的分布情形為何?. 導體與能量轉換等教學,雖與電路部分 無直接相關,但與整個電學概念有關。 接著,大部分教科書版本會於國三上學 期一開始便教授電路之電壓、電流與電 阻的關係。因此,筆者選取三年級、五 年級、國中一年級及國中三年級為研究 對象。一方面這些年級為課程介入後的 年段,另一方面,如此選取的結果,各 年段之間的間隔皆為兩年,這有助於筆 者同時檢視課程與年齡對學生心智模式 一致性之間的影響。 研究對象選取的程序如下。首. (三)國中小學生若不具心智模式一. 先,筆者先與若干國小及國中的行政人. 致性者,其心智模式混合的情形為何?. 員聯繫並說明研究目的,在學校活動及. (四)學相關課程內容的安排與學生. 教學進度可以配合的情形下,再委請行. 心智模式的種類及一致性之間的關係為. 政人員代為尋找校內願意配合本研究的. 何?. 班級。最後,在國小方面,研究對象為. 貳、方法 一、研究對象. 臺北市松山區一小學三年級兩班60名及 五年級三班92名學生參與研究。此間學 校為大型學校,每年級有10~11個班. 基於下列因素考量,本研究之研. 級,每班人數則約30~35人。該校所使. 究對象為三年級、五年級、國中一年級. 用的自然與生活科技教材為牛頓版。值. 及國中三年級學生共440人。首先,根. 得一提的是,此校學生家長的社經背景. 據我國目前國民中小學九年一貫暫行綱. 偏高,對子女的成就期望亦較高。至於.

(10) 62 教育與心理研究 31 卷 3 期. 表1. 自然與生活科技學習領域課程綱要及現行自然與生活科技各版本的教材之安排. 施用年級. 次主題 222 2a.. 四年級. 413 2a.. 131 3a.. 217 3a. 六年級 217 3b.. 版本/單元舉例. 利用電線、電池或金屬物質接成通路,可  翰林四上第二單元〈通不通電有關 係〉 使燈泡發光、馬達轉動。 利用電線、電池接成通路驅動玩具馬達。  牛頓四上第四單元〈燈泡亮了〉  南一四下第一單元〈電路DIY〉  康軒四下第一單元〈通電的玩具〉 實驗發現物質性質各自不同(例如:有的  牛頓六上第一單元〈電的使用和安 易導電有的不易,有的易導熱有的不易; 全〉 例如:水溶液的酸鹼性) 。  國編本六上第六單元〈電的使用〉 知道太陽能可使水溫上升(成為熱能),  南一六上第五單元〈迷你電動機〉  康軒六下第三單元〈家電與用電安 也可用來發電(產生電能) 。 全〉 知道指北針的偏轉是磁針與磁場(地磁或 * 牛頓五下 第三單元〈力的世界〉 導線通以電流)交互作用的結果。. 413 3a.. 知道利用物體的導電性,在用電時避免危 險。. 222 4a.. 探討靜電現象(摩擦起電、靜電感應)。  翰林三下第一章〈電〉 探討電路中,電壓、電流與電阻的關係。  南一三上第四章〈電〉  康軒三下第一章〈電的應用〉  育成三下第一章〈電〉 *國編本二下 第十一章〈電〉. 222 4b. 國三. 教材內容細目. 註:*的部分表此版本教學單元放置的年段和其他版本不同。. 國中的部分,研究對象為臺北縣中和市. 本研究以電學診斷式測驗來檢測. 一完全中學之國中部國中一年級六個班. 學生的心智模式一致性,以進一步藉由. 級,共212人及國中三年級兩個班級,. 跨年齡的資料,分析學生對此概念架構. 共76人進行施測。國一部分選樣人數與. 之認知發展情形。筆者首先經過資料庫. 其他年段相較之所以特別多,乃由於欲. 搜尋及文獻探討,界定學生電學各類心. 回應另一本研究未呈現之研究問題,為. 智模式及心智模式中的重要概念並繪製. 避免挑選不到適合研究目的的研究對. 概念圖。文獻探討的範圍主要以. 象,故特別委請學校儘量能以較多班級. 「 mental model 」,「 electric 」 或. 配合。此完全中學亦為大型學校,國中. 「electricity」為關鍵字,不限任何欄. 部每年級約25~26班,國一及國二每班. 位搜尋Pfundt和Duit(2004, April)所. 人數約34~38人,國三則人數較多,每. 建 立 之 另 有 概 念 資 料 庫 、 ERIC 及. 班約40~43人左右。該校國一至國三自. Academic Search Premier三個資料庫,. 然與生活科技教材皆使用康軒版。. 藉此歸納出13項學生主要電學學習之困. 二、研究工具. 難及這些項目下不同的另有概念,並依 此設計診斷式試題,使試題選項或答題.

(11) 跨年級學生電學心智模式一致性與課程進程之比較研究 63. 內容能含括、窮盡文獻及概念圖上出現 表2. 之重要另有概念(表2)。. 電學診斷式測驗之測驗項目細目表. 電路 電流 電壓 另有概念 封閉. 極性. 通路. 3 3. 3 3. 性 題號 一 二1. 二2. 二3. 二4. 三1. 三2. 三3. 三4. 四1. 四2.. 3. 元件 雙極 性. 燈泡 電流 兩燈泡 電流 電流與 資源 電壓 角色 分配 間的電 方向 電能分 消耗 守恆 流 化 模式 3 3 3 3 3 3 3 3 3. 順序 推理. 系統 性. 3 3. 3 3. 3 3 3 3 3 3. 3. 3 3. 3 3. 3. 3. 試卷共分四大主題,由於是診斷. 與電壓守恆的概念。至於最後一大題則. 式的問卷,是故問題無法單純由記憶回. 是是非及繪圖題,學生須先判斷圖示電. 答,而是須經理解、統整並給予解釋方. 路裝置中的燈泡是否能發亮,再判斷裝. 能填答。第一大題為填填看,乃有關於. 置中是否具有電流,若有,須繪出電流. 學生對電流、電能及電壓的看法。第二. 流動的方向為何(如附錄一所示)。多. 大題則為選擇題,選項的設計採二階層. 種題型的設計主要考量須大樣本診斷學. 診斷試題(two-tier diagnostic item)的. 生另有概念與心智模式及其一致性,因. 設計精神(Haslam & Treagust, 1987;. 此,在不方便使用晤談,亦不適合全然. Peterson, Treagust, & Garnett, 1989),部. 使用強迫選擇題的方式下,儘量依照學. 分問題同時包含現象及理由,但慮及施. 生另有概念的本質,設計適合的題型。. 測學生中最小年齡者才三年級,對二階. 在計分方面,有關理解的部分,每小題. 層診斷試題的施測程序不甚瞭解,故而. 2分,至於統整題則每小題3分,選項中. 研究者皆將這些現象及理由配對好,改. 若同時包含現象與理由者,一題為3. 以一層的方式呈現(如附錄一所示)。. 分,同時答對現象與理由者給3分,若. 第三大題為是非題,主要測驗學生電流. 僅答對現象則給1分,總分為56分。此.

(12) 64 教育與心理研究 31 卷 3 期. 外,鑑於國小學生的語文理解程度較國. 模式)6種心智模式(詳如表3),以進. 中生弱,國小試卷的部分所有文字皆配. 一步探討跨年齡階段學生之心智模式的. 有注音。國小三年級正式施測時,筆者. 一致性。之所以參考這兩家的分類,一. 會帶著小朋友念題目之後才讓學生自由. 方面乃由於Osborne和Freberg針對學生. 在其試卷上作答,並協助學生將眾多電. 檢視其對電路之封閉性、電路元件的雙. 流流動的選項具像化,以降低學生因語. 極性及電流方向所定義出的4種電流解. 文程度的障礙而影響作答理解的現象。. 釋模式:A.單極、B.撞擊、C.電流消. 整份試題設計完畢後,筆者另商. 耗、D.電流不變的科學模式最為常見,. 請兩位兼具物理及科學教育背景之教授. 且這些心智模式在其他國家也都獲致相. 及兩位物理系畢業之國中理化老師,針. 同的證明(Butts, 1985; Driver et al.,. 對整份試卷的內容正確性及措辭給予建. 1994; Dupin & Johsua, 1984; Gott, 1984;. 議及指正。此外,在正式施測前,本工. Shipstone, 1985; Shepardson & Moje,. 具另經一台北市大安區完全中學國中三. 1994);另一方面則因為診斷學生心智. 年級學生33人、內湖區國中一年級學生. 模式之一致性須設計多種類似情境的題. 38人、松山區一國小三年級32人、同所. 目相互參照比對,選項不適合過多,因. 國小五年級35人進行預試,經多次反覆. 此,不適合以過為細微的尺度描述學生. 修正後,予以定稿。此份診斷式試卷的. 的心智模式,否則所得之資訊會過於龐. 參 考 信 度 值 經 SPSS 12 計 算 後 α 為 .59. 大冗雜。故此,研者僅針對電學診斷式. ~.70.(三年級:.59、五年級:.69、. 測驗中第四大題第1、第2小題(這兩個. 國一:.67、國三:.70)。. 小題共有6個電流方向繪圖題及是否有. 三、資料分析. 電流的判斷)及第二大題的第3及第4小 題,共3種不同答題情境分析三年級、. 有關電流心智模式一致性的分. 五年級、國一及國三學生心智模式的一. 析,筆者主要以Osborne和Freberg. 致性,而非使用所有的診斷式試題進行. (1985)對4種電流解釋模式:A.單. 分析。學生可能作答的組合情形有封閉. 極、B.撞擊、C.電流消耗、D.電流不變. 性與否(2)×電流方向(3)×第二大題第3小. 的分類,輔以Chiu和Lin(2005)12種. 題(5)×第二大題第4小題(5),共150種,. 子類型的分類細向,共區分出B.(一般. 其中組合22、25、26、27、37、41、. 撞擊模式)、B4(交叉撞擊模式)、C1. 42、57、59、82、84為具一致性的心智. (一般衰減模式)、C2(共享電流模. 模式(組合22、25為B4交叉撞擊模. 式)、E.(燈泡本身有電)及D.(科學. 式,組合26、27為C1一般衰減模式,.

(13) 跨年級學生電學心智模式一致性與課程進程之比較研究 65. 表3. 本研究用以分析學生簡單通路暨串聯電路之電流模式特徵摘要 電流模式. 簡單 通路 暨串 聯電 路. 特徵摘要. A.單極. 不具封閉電路的概念,電流自電池的一端經由電線傳送到燈泡的底部. B.一般撞擊. 電池從兩極發出兩股電流流向燈泡,通常燈泡為兩股電流撞擊產生光亮的地 方,而兩燈泡之間,學生常會忽略電線的存在,而多不具封閉通路的概念. B4交叉撞擊. 電流輪流由電池的兩極出發,各自完成通路。且因電流首先遭遇的燈泡會阻 礙後來的電流,因此,燈泡的亮度會較簡單通路來得暗. C1一般衰減. 電流經燈泡後因被吸收或遭受阻礙而衰減,且電流首先遭遇的燈泡會吸收較 多電流,比較亮,而第二個燈泡則較為黯淡. C2共享電流. 電流經燈泡後因被吸收或遭受阻礙而衰減,但兩燈泡共享電流,一樣暗. D.科學. 具正確通路方向、電流一致. E.燈泡本身有電. 燈泡中本來就有電,電流由燈泡發出,經過電池才能繼續發光. 組合37為D.科學模式,組合41、42為. 級的學生多不具有心智模式的一致性。. C2共享電流模式,組合57、59、82、. 具有心智模式一致性者僅占26.67%。. 84為B.一般撞擊模式),其他皆為不一. 其 中 以 B. 一 般 撞 擊 模 式 為 最 , 共 有 8. 致的類型。此外,由於第四大題中包括. 人,占13.33%。其次是C1一般衰減模. 6個繪圖題,因此,學生可能在這6個繪. 式及D.科學模式,持有這兩種心智模式. 圖題中便不具一致性,或者,學生於塡. 者各有3人,各占5.00%。最後的C2共. 答時漏答或答非所問,這些無法歸類於. 享電流模式及E模式各有1人持有,各. 前述之150種組合的,筆者分別以151、. 占總人數的1.67%。. 152及153三類加以歸類。藉此,筆者可. 在73.33%不具一致性心智模式的. 以統計每一種組合占有百分比的程度,. 學生中,以組合151占最大的比例。另. 以瞭解各年段學生具心智模式一致性之. 言之,有41.67%(25位)在第四大題. 比例及分布。. 繪圖題時,便出現心智模式不一致的情. 參、結果. 形。其餘31.66%的學生亦不具心智模 式的一致性,這些學生零星分布於16種. 筆者針對三年級、五年級、國一. 不同的組合中,每種組合的人數1~3人. 及國三學生對電學診斷式測驗中特定問. 不等,是故,在不一致的心智模式組合. 題的回答組合加以統計,結果歸納如. 中並沒有特殊的組合類型。 上述的分析結果顯示學生對於電. 下:. 一、三年級學生 由圖3的分析,筆者發現國小三年. 路的理解多屬於片段知識。而此階段零 星具一致性心智模式的學生,則多持一 般撞擊模式。由於國小三年級以前的學.

(14) 66 教育與心理研究 31 卷 3 期. 45 40 35 30 比 例 ︵ % ︶. 人 數 ︵ 人 ︶. 25. 人數 比例. 20. 26.67%. 15 10 5 0 人數. B. C1. D. E. C2. 31. 32. 34. 36. 46. 50. 56. 61. 62. 66. 67. 72. 8. 3. 3. 1. 1. 1. 2. 1. 1. 1. 1. 1. 2. 1. 1. 1. 1. 106 112 151 153 1. 1. 25. 3. 比例 13.33 5.00 5.00 1.67 1.67 1.67 3.33 1.67 1.67 1.67 1.67 1.67 3.33 1.67 1.67 1.67 1.67 1.67 1.67 41.67 5.00 組合. 圖3. 三年級學生心智模式一致性分析圖. 註:1.此圖省略0人(0%)之組合。 2.B、C1、D、E、C2等英文字母代表心智模式的類型;數字代表片段心智模式的組合類型。 3.圖4至圖6之說明與此圖同,故省略之。. 生並沒有接受過電學相關教學,是故,. 人)。. 可以視為電學教學之起點。從課程的觀. 三年級學生若未持有一致性心智. 點,這顯示學生此階段尚未建立電路封. 模式者多為零散的組合,但在五年級學. 閉性、電路元件雙極性、電流方向等重. 生中,雖有59.78%的學生亦不具一致. 要電學概念,所以,沒有辦法形成完整. 性的心智模式,但在組合47、67及151. 且具一致性的心智模式。. 有明顯的集中現象,這些組合有5%以. 二、五年級學生. 上的頻率,顯示學生應非粗心作答而被 歸類在此組合。而其他組合中,組合32. 由圖4所示,國小五年級的學生具. 及92的頻率雖不及5%,但亦頗為接近. 有一致性心智模式的比例增加為. (皆為4.35%,4人),亦是值得注意的. 40.22%(37人),且其中以C2共享電流. 組合。. 模式為最,占所有人數的11.96%(11. 若細究這些不具心智模式一致性. 人)。其次則為D.科學模式,占10.87%. 者,其心智模式主要的混合情形,筆者. (10人),其他尚有B.一般撞擊模式,. 發現,比例最高的組合47(占. 占6.52%(6人);B4交叉撞擊模式,占. 11.96%)為C.衰減模式與B4交叉撞擊. 2.17% (2 人 ) 及 E 模 式 , 占1.09% (1. 模式的混合。次高的組合151則為第四.

(15) 跨年級學生電學心智模式一致性與課程進程之比較研究 67. 20. 44.22% 44.22%. 15 比 例 ︵ % ︶. 人 數 ︵ 人 ︶. 人數. 10. 比例. 5. 0 人數. C2. D. C1. B. B4. E. 6. 28. 30. 32 35. 36. 40. 45. 47. 50. 62. 67. 70. 72. 75. 85 92. 96 100 151 153. 11. 10. 7. 6. 2. 1. 1. 1. 1. 4. 1. 1. 2. 11. 1. 1. 6. 1. 2. 1. 1. 1. 3. 3. 1. 10. 2. 比例 11.96 10.87 7.61 6.52 2.17 1.09 1.09 1.09 1.09 4.35 3.26 1.09 1.09 2.17 11.96 1.09 1.09 6.52 1.09 2.17 1.09 1.09 3.26 1.09 1.09 10.87 2.17. 組合. 圖4. 五年級學生心智模式一致性分析圖. 大題的繪圖表現及呈現不一致的情形,. 的學生於四年級時已有利用電線、電池. 其所占比例為10.87%,遠低於三年級. 或金屬物質接成通路使燈泡發光或馬達. 的41.67%。第四大題為情境十分類似. 轉動的動手經驗,因此,實際觀察到電. 的 繪 圖 題 , 是 故 , 光 由 組 合 151 的 表. 路須形成封閉性才能使電器運作的現. 現,我們得見五年級的學生的確較三年. 象。封閉性概念的增進,有助於學生持. 級的學生有較佳的內部一致性。至於排. 有最多比例之一致性心智模式由B.一般. 序第三的組合67(所占比例為6.52%,. 撞擊模式轉移到C2、B4、D.及E.這些. 6人)及略低於5%的組合32和92皆屬於. 模式。而不具心智模式一致性者,其心. B.一般撞擊模式及C.衰減模式的混合,. 智模式主要的混合情形比例最高者為C.. 另言之,這三種組合皆對於電流的方向. 衰減模式與B4交叉撞擊模式的混合,. 有不一致的現象,會依照題目敘述的方. 這亦顯示學生已有封閉性的概念,但對. 式或情境選擇雙向撞擊或科學單向。而. 於電流一致及電路元件雙極性的概念還. 這三種類型的不同處在於組合67的學生. 不夠理解,因此,容易以其直覺經驗加. 具有封閉性的概念,瞭解兩燈泡的亮度. 以詮釋,而容易受到題目情境的改變產. 一致;而組合92則對封閉性還有不一致. 生不一致的情形。. 的現象。至於組合32則有較強的電流撞 擊概念。 從課程內容的角度觀之,五年級. 三、國中一年級學生 與國小五年級的學生相較,國中.

(16) 68 教育與心理研究 31 卷 3 期. 一年級學生持有一致性心智模式者的比. 的情形和五年級比較相近,同樣有幾種. 例不但未升且由40.22%微幅度下降至. 比較集中的突出組合,其中比例大於. 38.21%(圖5)。若仔細分析其中心智. 5%的組合由高至低分別是組合151、組. 模式的排序及持有比例則發現: C1一. 合32、組合47及組合153。. 般衰減模式為持有一致性心智模式者中. 組合151為第四大題6個小題的繪. 最 高 比 例 者 , 其 比 例 為 9.91% ( 21. 圖題,此組合占全部比例10.38%(22. 人)。其次 為B4 的交 叉撞擊模式 ,占. 人),和五年級(10.87%,10人)約略. 9.43%(20人)。再次為C2共享電流模. 相同。組合153為繪圖題空白無法判讀. 式 及 D. 科 學 模 式 , 這 兩 種 組 合 皆 有. 者,其比例為6.13%(13人),比例略. 6.60%的持有率(各14人)。至於低於. 高於五年級的2.17%。此部分比例偏高. 5%以下的一致性心智模式則有B.一般. 的原因主要最可能是學生粗心,因為筆. 撞 擊 模 式 , 其 持 有 率 為 4.72% ( 10. 者擔心五年級的學生對於試卷的語文表. 人),及E模式,其持有率為0.94%(2. 達尚未達成熟,是故,會一個一個檢查. 人)。和五年級相較,比較明顯的差異. 學生的試卷,遇有空白之處會詢問原. 在於持有B4模式的比例由原來的2.17%. 因,若為不明瞭題意便能立即解釋,但. 升高至9.43%,C1模式由7.61%上升至. 國一及國三的學生便沒有如此叮囑,因. 9.91% , 而 C2 模 式 則 由 11.96% 下 降 至. 此,可能導致學生較為草率作答,是. 6.60%。此外,就D.科學模式而言,小. 故,國一及國三在組合153的表現比例. 五學生具有10.87% 的持有率,但國一. 皆較國小五年級及三年級為高。而組合. 學生僅有6.60%。易言之,國一學生的. 32為不一致心智模式組合中比例次高的. 心智模式一致性約和五年級學生相當. 組合,是C.衰減模式與B.一般撞擊模式. (但略差2%),但由於B4模式的產生及. 的混合,其比例由五年級的4.35%略升. C1模式的小幅度上升造成這些一致性. 至8.96%。接著是組合47,此項組合主. 心智模式之間排序的變異。. 要為C.衰減模式與B4交叉撞擊模式的. 就心智模式不一致的部分觀之. 混合,其在五年級時是不一致心智模式. (圖5),國中一年級的答題組合較上述. 組合中比例最高者,占11.96%,到了. 兩個年段更為多樣化、更為零散。筆者. 國 中 一 年 級 略 略 下 降 至 7.55% ( 16. 推測其之所以如此零散的主要原因乃在. 人)。. 於國一學生的人數有212人,為4個年段. 從課程的角度觀之,國一學生在. 之冠,因此,會增加隨機偏誤使組合的. 六年級時增加了導電物質、導電性等電. 樣式增多。整體而言,國中一年級學生. 學相關的概念,此外,也具備一些能量.

(17) 跨年級學生電學心智模式一致性與課程進程之比較研究 69. 38.21% 25. 20 比 例 ︵ % ︶. 人 數 ︵ 15 人 ︶. 人數 比例. 10. 5. 0 人數. C1 B4 C2. D. B. E. 1. 28. 21. 14 10. 2. 1. 1. 20. 14. 30 31 32 3. 3. 19. 35 2. 36 40 3. 4. 45 5. 46 47 48 49 7. 16. 2. 2. 50 52 56 4. 2. 5. 60 2. 62 66 67 70 2. 2. 1. 1. 71 72 75 76 151 153 2. 4. 1. 2. 22 13. 比例 9.91 9.43 6.60 6.60 4.72 0.94 0.47 0.47 1.42 1.42 8.96 0.94 1.42 1.89 2.36 3.30 7.55 0.94 0.94 1.89 0.94 2.36 0.94 0.94 0.94 0.47 0.47 0.94 1.89 0.47 0.94 10.3 6.13. 組合. 圖5. 國中一年級學生心智模式一致性分析圖. 之間互轉的概念(例如:太陽能轉熱能. 27.19%上升至35.5%,且筆者發現五年. 或電能),而最重要的,在國小六年級. 級時尚未有B4一致性心智模式,而僅. 上學期時課程中有製作電動機的部分,. 有稍高比例與B4相關的不一致心智模. 電動機的構造有個半圓型金屬環(整流. 式,但因為交流電教學的強化,使得這. 子),目的就是每半圈接觸不同邊的電. 些不一致的心智模式轉變成一致性的心. 刷以改變電流方向。在六年級時,由於. 智模式,因此,國中一年級時,B4一. 偏重觀察,並沒有進一步的說明,是. 致性心智模式增多而B4相關的不一致. 故,此種電流方向改變的電動機教學,. 情形減少的現象。. 可能導致學生於國一時產生較多的B4 模式或相關概念。有關交流電的概念跟. 四、國中三年級學生. 本研究中直流電路的心智模式看來並沒. 就圖6所示,國中三年級的學生具. 有關係,因此,教師於教學時並不會特. 有一致性心智模式的比例為4個年段最. 別加以區辨,但從本研究的分析結果發. 高,上升至52.63%(40人),且其中D.. 現,此項教學容易使學生認為電流方向. 科學模式為最,占所有人數的25.00%. 為從電池兩極交替出發。若將五年級及. (19人)。其次則為C2共享電流模式,. 國一兩者與B4相關的一致性心智模式. 占14.47%(11人)。再次則為C1一般衰. 及不一致的混合模式的比例加總起來比. 減模式,其比例為13.16%(10人)。整. 較,結果發現,其比例由五年級的. 體而言,學生一致性心智模式的種類變.

(18) 70 教育與心理研究 31 卷 3 期. 30. 52.63% 52.63% 25 比 例 ︵ % ︶. 人 數 ︵ 人 ︶. 20 人數. 15. 比例. 10. 5. 0 人數. C1 10. 比例 13.16. C2. D. 32. 36. 38. 40. 45. 46. 47. 50. 62. 151. 153. 11. 19. 3. 6. 1. 2. 1. 1. 9. 3. 1. 1. 8. 14.47. 25.00. 3.95. 7.89. 1.32. 2.63. 1.32. 1.32. 11.84. 3.95. 1.32. 1.32. 10.53. 組合. 圖6. 國中三年級學生心智模式一致性分析圖. 少,整體的比例變高。. 查之故。另一高比例的組合36在上述三. 和上述3個年段的情形明顯不同,. 年段中並沒有明顯的集中現象,此組合. 國中三年級學生若未持有一致性心智模. 主要 是D.科 學模 式與C 衰減 模式 的 組. 式者,其組合數下降至11種。但和五年. 合,學生明顯地已具備更多科學模式的. 級及國一學生類似的是,在較少的組合. 相關概念,但無法順利克服順序推理的. 情形下,亦有少數集中、突出的組合。. 另有概念,在國三這個階段,有7.89%. 這幾種比例大於5%的突出組合分別是. (6人)的學生選擇此組合。. 組合47、153及36。. 從課程的角度觀之,此批國三學. 若細究這些不具心智模式一致性. 生剛接受完電的相關教學約兩個月,才. 者,其心智模式主要的混合情形,筆者. 剛瞭解「靜電」的現象,並探討了電路. 發現,比例最高的組合是C.衰減模式與. 中電壓、電流與電阻的關係,因此,持. B4交叉撞擊模式的混合的組合47(占. 有科學模式的人數從國中一年級的. 11.84%,9人),此組和在五年級及國. 6.6%大幅度躍升至25.00%,此外,在. 中一年級都有明顯的集中情形。次高的. 不一致心智模式的種類及比例部分,亦. 組合153則為第四大題繪圖題有部分小. 皆大幅減少。值得一提的是,雖然課程. 題 空 白 的 學 生 , 比 例 為 10.53% ( 8. 內容中探討了電路中電壓、電流與電阻. 人),之所以未作答的理由,筆者認為. 的關係,但學生仍持有順序推理的另有. 和國一學生一樣,是因為缺乏叮囑及檢. 概念。林靜雯與邱美虹(2007)以電學.

(19) 跨年級學生電學心智模式一致性與課程進程之比較研究 71. 為檢視重點,檢視此階段4個九年一貫. 錯誤且一致的心智模式之比例整理成圖. 版本的自然與生活科技教科書(其中亦. 7,嘗試回答這個問題。. 包含本研究國中受試者所使用的康軒版. 就本研究的資料分析結果觀之,. 教科書),結果發現,雖然近年來建構. 三年級學生為電學教學之起點,是故所. 主義大興其道,重視學生另有概念的呼. 測得之結果可視為電學之素樸概念. 聲四起,但所有版本的教科書皆沒有設. (naïve concept)。若學生的心智模式. 計任何相應的教學活動協助學生克服另. 本質如Vosniadou(1994)所言具有內. 有概念,而現有的教科書嘗試以實驗教. 在一致性的結構,只是專家的心智模式. 學及計算的方式,希望引領學生瞭解電. 與科學的原理原則相連,而生手的心智. 路中電壓、電流與電阻的關係,許多研. 模式與日常生活中被經驗的本體論與認. 究皆顯示此種教學方式僅能提升學生的. 識論預設相連的話,那麼學生持有科學. 計算能力,但對於克服順序推理這項另. 且一致性模式的比例或許不高,但錯誤. 有 概 念 是 徒 然 無 功 的 ( Saxena, 1992;. 一致性心智模式的比例應該高。然由圖. Shepardson & Moje, 1994)。本研究之. 7的結果觀之,我們得見此階段兒童之. 研究結果亦呼應這些研究者的研究結. 一致性心智模式僅占26.67%,且錯誤. 果。此外,值得一提的是,在國一階段. 之一致性心智模式之比例為21.67%,. 比例有明顯上升的B4交叉撞擊模式在. 比例皆不高。但這是否意謂著本研究中. 此階段則不復出現,筆者推測這是因為. 學生之素樸概念似乎較符合diSessa. 在國三上學期電學的教學中,課程引入. (1988, 1993)的觀點,是片段、不完. 了電流與電子流的概念,這使得「電池. 整、不一致的呢?研究者認為答案亦是. 單極」這樣的概念得以有澄清的機會,. 否定的。其間的差異在於diSessa認為. 是故減少了學生此錯誤心智模式的比. 學生片段的概念結構是鬆散零碎的,但. 例。. 本研究的研究結果則顯示學生不一致的. 肆、結果與討論. 心智模式並非隨機任意的連結,而是有 其主要集中的類型。這些集中的類型隨. 究竟兒童的概念是如diSessa(1988,. 著年齡的增長及新課程的介入而有所變. 1993)所言,是片段的、零碎的、鬆散. 動,而學生具有一致性心智模式及科學. 的?還是如Vosniadou(1994)所主張. 模式的比例亦會隨之增高(圖7),是故. 的,其受制於一組本體的和認識論的預. 本研究之結果亦不支持diSessa的觀. 設而具有內在一致性結構?筆者將上述. 點。另一方面,一致性模式及科學模式. 研究結果依照正確且一致的心智模式及. 比例之增高是否如diSessa(diSessa,.

(20) 72 教育與心理研究 31 卷 3 期. 60. 52.63 50. 40.22 40. 百 分 比 ︵ 30 % ︶ 20. 38.21 31.61 26.67. 27.63 25. 29.35. 一致且正確 一致但錯誤 總和. 21.67. 10.87 10 6.6. 5 0 三年級. 五年級. 國一. 國三. 年級. 圖7. 學生正確一致性心智模式及錯誤一致性心智模式占有比例之跨年級比較. 1988, 1993; diSessa et al., 2004 ) 及. 有直接針對電學設計的單元,若後設認. Vosniadou ( Vosniadou & Ioannides,. 知的能力對於心智模式一致性有著重要. 1998; Vosniadou et al., 2004)兩團隊的. 的影響,我們應該可以看到國一學生心. 研究所言,可能是因為學生後設能力之. 智模式一致性(總和)的比例高於國小. 增進呢?以本研究而言,後設認知也許. 五年級的學生,但事實上,國一學生持. 有著某種程度的影響,但新課程的介入. 有一致性心智模式比例的人數反而略降. 似乎扮演著更關鍵的角色。其主要推論. 於國小五年級的學生,是故筆者認為課. 有二:其一,科學模式及一致性心智模. 程的介入相較於年齡或後設認知,在兒. 式(總和)之比例的趨勢極為接近,其. 童電學心智模式上扮演著更為舉足輕重. 有兩次大幅度的上升,一為三年級至五. 的角色。. 年級,另一為國中一年級至國中三年. 此外,本研究雖以三年級之分析. 級,與課程設計的進程相較,這兩個大. 資料支持學生的素樸概念較為片段、不. 幅度的上升與四年級時電路連接形成通. 一致、不完整,但亦不意味本研究之結. 路,以及國中三年級下學期一開始探討. 果支持Nobes等人(2003)的觀點,認. 電路中電壓、電流與電阻的教學相符. 為知識的獲得是逐漸將鬆散相關的片段. 合;其二,五年級與國中一年級間並沒. 文化資訊累積起來,而此種不一致的情.

(21) 跨年級學生電學心智模式一致性與課程進程之比較研究 73. 形要一直到獲得科學觀點為止。由圖7. 5.00% , 但 至 國 中 三 年 級 時 已 達. 觀之,學生持有正確一致性心智模式比. 13.16%。由於C1之趨勢恰巧與B.一般. 例上升的同時,錯誤的一致性心智模式. 撞擊模式相反,筆者分析課程進程後推. 亦有小幅度上升的趨勢。Nobes等人的. 測此乃因為學生於四年級學習通路觀念. 觀點顯然過於著重科學模式而忽略了學. 後,追蹤電流強化順序推理之另有概念. 生於學習過程中亦會形成錯誤且具一致. 所致。另言之,學生雖習得了正確的通. 性的心智模式。至於錯誤且具一致性模. 路及電流方向的概念,但卻無形中增強. 式的比例為什麼會在三年級至國中一年. 了電流隨電路元件逐一被吸收遞減的另. 級的階段升高呢?筆者認為有必要進一. 有概念,這在其他研究者的調查中亦有. 步詳查究竟是何種錯誤且具一致性的心. 類 似 的 情 形 ( Cohen, 1984; Heller &. 智模式比例升高?並探查其是否跟課程. Finley, 1992; von Rhoneck, 1984)。而. 的介入有關。. C2共享電流模式的部分和C1一般衰減. 圖8整理了各年段各種一致性心智. 模式的差別僅在於前者電流被平均分. 模式比例之消長。錯誤的一致性模式若. 配,因此,兩串聯燈泡的亮度是一樣. 隨著年段的增加而減少,應是合理的現. 的,而後者則電流分配不均,一個燈泡. 象,但若原本於低年段時持有比例低,. 比較亮,一個比較暗。理論上經過四年. 但之後比例卻突然上升,則課程於其中. 級兩燈泡一樣亮的實驗觀察便有助於學. 扮演的角色便值得深入探討。由圖8觀. 生更正其心智模式朝往C2共享電流模. 之,B4交叉撞擊模式於五年級至國中. 式的部分發展,因此五年級時持有C2. 一年級時有明顯的增長;C1一般衰減. 心 智 模 式 的 比 例 從 1.67% 上 升 至. 模式則隨著年段增加,愈來愈高,而. 11.96%。但令人不解的是,其竟於國. C2共享電流模式則於國小五年級時上. 中一年級時又掉到6.60%,此種變化在. 升,國中一年級時又下降。關於B4交. 課程上並沒有相關的支持,而其趨勢恰. 叉撞擊模式的部分,筆者推論是因為六. 與B4心智模式的持有比例相反,是否. 年級時電動機教學介入,以致於學生將. 因為這兩個心智模式之間互動而有所消. 直流電路與交流電路混淆之故,待國三. 長,在其他文獻上亦無相關佐證,是值. 正式教授電路中電壓—電流—電阻的關. 得再進一步探究其深層解釋的地方。. 係及電流與電子流的相關問題後,此情 形便會獲得改善。至於C1一般衰減模. 伍、結論與建議. 式的部分,則呈逐年上升的趨勢。學生. 「兒童的心智模式是否具一致. 於 三 年 級 時 持 有 C1 模 式 的 比 例 為. 性?」筆者以電學為主題,設計跨年級.

(22) 74 教育與心理研究 31 卷 3 期. 25.00. 25.00 10.87. E B B4 C1 C2 D. 11.96. 20.00 百 分 比 ︵ % ︶. 14.47. 13.33. 5.00. 15.00. 5.00. 7.61. 9.43. 9.91 6.60. 13.16 6.60. 1.67. D. 10.00 C2. 6.52 5.00. 0.00. 2.17. C1. 4.72 B4. 0.00 0.00. 1.67 1.09 三年級. 五年級. 0.94 國一. B. 0.00 0.00. E. 國三 年級. 圖8. 各年級各種一致性心智模式比例之統整. 診斷測驗,依據研究的結果,其觀點不. 2006;Lin & Chiu, 2006, 2007)的主張. 支持diSessa亦不支持Vosniadou。持有. 較能詮釋本研究之結果。筆者認為完整. 素樸概念的三年級學生其心智模式雖如. 性、一致性及正確性三要素較能提供兒. diSessa 所 言 , 是 較 偏 向 片 段 、 不 一. 童心智模式運作情形的良好詮釋。本研. 致、不完整的,但這並不意味著其內在. 究中大部分學生具有不一致心智模式,. 結構是鬆散零碎的,相反地,這些不一. 此種情形若對應到林靜雯對心智模式演. 致的心智模式並非隨機任意的組合,而. 化路徑的表徵,筆者認為這反映了學生. 是有其主要集中的類型。而經過不同的. 概念系統尚缺乏重要的概念,而處於演. 教學介入後,其心智模式會因為教學介. 化路徑中的虛擬節點。由於學生的概念. 入而逐漸增加完整性,因而導致一致性. 發展尚處於虛擬節點,因此,無法對所. 及正確性的提高。是故,筆者認為Chi. 面臨的情境進行明確的判斷,是故,一. 和Roscoe(2002)及林靜雯(林靜雯,. 旦面臨強迫性抉擇,便會依照問題情境.

(23) 跨年級學生電學心智模式一致性與課程進程之比較研究 75. 而有猜測正確或其他猜測錯誤的機會,. 後,筆者建議課程設計應整體考量這些. 而此種猜測和其缺漏的重要概念相關。. 概念、另有概念及課程之間的互動關. 由於課程之故,年紀愈小的學生,缺漏. 係,一方面協助學生克服重要的另有概. 的重要概念愈多,因此,對應到概念演. 念,一方面以專家知識組織的發展軌跡. 化路徑的表徵上(圖1),便意謂著其被. 循序整合這些片段的元素,如此一來,. 迫選擇時可行的路徑愈多,是故,心智. 學生的心智模式方能漸趨完整性、正確. 模式不一致的情形會愈嚴重。待年紀增. 性及一致性而真正有效地促進電學概念. 長,由於教學課程之故,學生缺漏的重. 的學習。. 要概念便比較少,是故,僅具有幾種有 限的可能,因而不一致的情形便僅會集 中於幾種特定的組合。至於後設認知是 否在學生心智模式一致性上有著影響, 根據本研究的調查結果則缺乏強而有力 的證據支持,反倒是課程這個因素扮演 著重要的角色。由於課程的介入增加了 概念架構的完整性,因此,有助於學生 心智模式一致性的提高。 以本研究電學的學習而言,學生 於三年級時缺漏最多電學重要概念,且 最亟待修正的另有概念為雙極撞擊的概 念。整體而言,所有另有概念最難克服 的是順序推理。此外,明顯由課程影響 學生另有概念的內容有六年級的電動機 教學及四年級時通路的教學,前者導致 B4雙向撞擊的錯誤模式,而後者雖然 使學生習得了一個重要的科學概念,但 若教師教學時沒有設計教學讓學生克服 順序推理,那麼通路、追蹤電流的學習 反而會增強學生關鍵的另有概念而導致 C1一般衰減及C2共享電流模式。瞭解 了兒童心智模式缺漏及須修正的部分. 參考文獻 林靜雯(2006)。由概念演化觀點探究不同 教科書教⎯⎯學序列對不同心智模式 學生電學學習之影響。國立臺灣師範 大學科學教育研究所博士論文,未出 版,臺北市。 林靜雯、邱美虹(2007)。以概念演化觀點 分 析 我 國 電 學 教 科 書 之 教 ⎯⎯ 學 序 列 。 國 立 編 譯 館 館 刊 , 35 ( 2 ), 314。 邱美虹、林靜雯(2002)。以多重類比探究 兒童電流心智模式之改變。科學教育 學刊,10(2),109-134。 教育部(2000)。國民中小學九年一貫暫行 綱要。臺北市:教育部。 楊文金(1992)。在職國小教師對基本電路 之概念研究。載於國立高雄師範大學 舉辦之「中華民國第八屆科學教育」 學術研討會論文彙編(頁499-518), 高雄市。 葉俊豪、陳瓊森(1995)。利用定性與定量 測驗來探究高二學生對直流電路的知 識結構。科學教育,6,156-178。 Bibliography: Student’s and teachers’ conceptions and science education. Kiel: IPN. Borges, A. T., & Gilbert, J. K. (1999). Mental models of electricity. International Jour-.

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(26) 78 教育與心理研究 31 卷 3 期. 附錄一 二、4(. 本研究試題舉隅. ) 若將圖2中兩燈泡間的電線剪斷,則有關兩燈泡的發亮情形以下哪個 敘述最合理? (1) 甲會亮但乙不會亮,因為電流可以由「-」端流到甲,但沒辦法 再繼續流到乙。 (2) 乙會亮但甲不會亮,因為電流可以由「+」端流到乙,但沒辦法再 繼續流到甲。 (3) 都不會亮,因為剪掉電線形成斷路,不會形成電流。 (4) 都不會亮,因為電流流到一半流不過去,所以不會亮。 (5) 都不會亮,原來燈泡和電池這樣裝置就不會亮。 (6) 都會亮,因為電流由電池的「-」端出發會流到甲,由電池的 「+」出發會流到乙,所以都會亮。 (7) 都不會亮,因為電流由電池的「-」端出發,流到一半流不過 去,從「+」端出發,流到一半也流不過去,所以都不會亮。. 圖2.

(27) 跨年級學生電學心智模式一致性與課程進程之比較研究 79. 四、1. 將乾電池、導線及小燈泡依照下面圖片的方式連接起來,哪些連接方式會 使小燈泡亮起來呢?會亮的請在(. )畫「○」,不會亮的請畫「X」。. (1)(. ). (2)(. ). (3)(. ). (4)(. ). (5)(. ). (6)(. ). 2. 你圈了哪些圖呢?請在那些燈泡會亮的圖上畫出電流流動的方向(可以用 「→」表示電流方向、用「1」、「2」等標示電流流出的順序以協助你表 達)。.

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數據

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參考文獻