國立台中教育大學科學應用與推廣學系碩士班
碩士論文
指導教授：許良榮
博士
以 S-POE 策略發展問卷探究教育大學學生
對於自然現象的科學解釋能力
─以「大氣壓力與表面張力」
為例
研究生：羅佩娟 撰
中華民國九十七年十一月
以 S-POE 策略發展問卷探究教育大學學生對於自然現象的科
學解釋能力─以「大氣壓力與表面張力」為例
摘要
本研究運用「序列性 POE」（Sequential Prediction─Observation─Explanation， S-POE）策略，探究教育大學學生對於與「大氣壓力與表面張力」相關之自然現象的科學 解釋能力。 本研究採取量性研究法，研究對象範圍涵括全國教育大學(含嘉義大學、台南大學、 台東大學)之學生，在各教育大學中抽取理工學系與非理工學系各一班,共 694 人，分別施 以「大氣壓力與表面張力」概念問卷及「大氣壓力與表面張力」之實驗的問卷，然後針對 問卷所得之資料加以整理、分析與歸納。研究結果發現： 一、在「大氣壓力與表面張力」概念問卷中，除了第 19 題與第 23 題之外，其餘 23 題的 答對率理工背景的學生皆大於非理工背景的學生，而全體學生在概念問卷中的平均得 分大致上成常態分布，為 13.23，因此教育大學的學生對大氣壓力與表面張力的概念 不佳，有待加強。 二、教育大學學生在「大氣壓力與表面張力」實驗的問卷中，只有第四大題的預測理由與 解釋理由是非理工背景學生答對率大於理工背景學生答對率，其餘的第ㄧ、二、三與 五大題皆是理工背景學生答對率大於非理工背景學生答對率，顯示在本研究中理工背 景學生的「大氣壓力與表面張力」知識及解釋能力是大於非理工背景的學生。 三、預測事實與預測理由相互矛盾的人數，除了第一題預測正確及第五題預測不正確之 外，皆是非理工背景的矛盾人數多於理工背景的矛盾人數。 四、「大氣壓力與表面張力」概念及解釋能力達顯著相關。 五、在去除先備知識（概念問卷得分）的影響，理工背景與非理工背景的學生在解釋能力 之間，從第一題至第五題皆未達顯著差異。
A Research on Using S-POE Strategy to Evaluate the Ability of Scientific Explanation on Natural Phenomenon of Students from
University of Education—A Case of “Atmospheric Pressure and Surface Tension＂
Abstract
This research conducted the “sequential prediction—observation—
explanation＂ (S-POE) strategy to evaluate the ability of scientific explanation on natural phenomenon of students from university of education with the case of “atmospheric pressure and surface tension.＂
This research adopted the quantitative approach, with the subjects of students from the universities of education around the nation (including the National Chiayi University, National University of Tainan and National Taidong University). There were total 694 people sampled from one class of polytechnic department and one class of non-polytechnic department, and they were tested with conceptual questionnaire of “atmospheric pressure and surface tension＂ and experimental questionnaire of “atmospheric pressure and surface tension.＂After arranging and analyzing the data coded from the questionnaire, the research results were shown as follows:
1. In the conceptual questionnaire of “atmospheric pressure and surface tension＂, despite item #19 and #23, the students with polytechnic background have a better accuracy rate than students with non-polytechnic background in all the other 23 items. The average scores of conceptual questionnaire from all students were generally distributed normally, with an average score of 13.23. Therefore, the students from universities of education did not understand the concept of atmospheric pressure and surface tension quite well, thus further improvement was needed.
2. In the experimental questionnaire of “atmospheric pressure and surface tension＂ done by students from universities of education, the students with non-polytechnic background only got a better accuracy rate than the students with polytechnic background in the predictive reason and explaining reason in the fourth section. The students with polytechnic background have better performances in the first, second, third and fifth section. It showed that the knowledge and ability of explanation for “atmospheric pressure and surface tension＂ of students with polytechnic background were better than students with non-polytechnic background.
3. Despite the correct prediction in question #1 and incorrect prediction in question #5, the number of people had contradictory fact of prediction and reasons of prediction were mostly students with non-polytechnic
background.
4. There were significantly relationships between concept of “atmospheric pressure and surface tension＂ and ability of explanation.
5. After isolating the influences of prior knowledge (scores in conceptual questionnaire), there was no significant differences from question #1 to #5 between students with polytechnic background and non-polytechnic background.
Keywords: S-POE Strategy, Scientific Explanation, Prior Knowledge, Atmospheric Pressure, Surface Tension
目 錄
表目錄 ………VIII 圖目錄 ……… X第壹章 緒論... ...1
第一節 研究背景與動機……… 1 第二節 研究目的與問題……… 4 第三節 名詞釋義……… 4 第四節 研究範圍與限制……… 5第貳章 文獻探討...6
第一節 POE 的理論基礎及實徵研究……… 6 第二節 科學解釋之意涵………14 第三節 先備知識與科學解釋………19第參章 研究方法與設計………23
第一節 研究方法與架構………23 第二節 研究樣本………24 第三節 研究工具與設計………24 第四節 研究程序………32 第五節 資料分析與處理………33第肆章
結果與討論
……… 34
第一節 樣本描述………34 第二節 教育大學學生「大氣壓力及表面張力」概念分析及概念與解釋能力相關分 析………36 第三節 教育大學學生在「大氣壓力及表面張力」之科學解釋能力分析…………39 第四節 去除先備知識的影響理工背景與非理工背景學生在「科學解釋能力」差異 情形………46第伍章
結論與建議
……… 52
第一節 結論……… 52 第二節 建議……… 54參考文獻……… 56
附錄一 大氣壓力與表面張力之概念調查………62
附錄二 大氣壓力與表面張力之實驗調查………66
表 目
錄
表 2-1-1 國內之 POE 的相關研究……… 8 表 2-1-2 國外之 POE 的相關研究……… 11 表 3-3-1 雙項細目表（初試）……… 26 表 3-3-2 雙項細目表（定稿） ………26 表 3-3-3 專家效度的三位專家背景………27 表 3-3-4 大氣壓力與表面張力之實驗調查試題檢核表………28 表 3-3-5 S-POE 的實驗內容及改變變因……… 30 表 3-3-6 S-POE 的實驗設計圖與科學解釋……… 30 表 4-1-1 研究樣本之性別資料分配表………35 表 4-1-2 研究樣本之理工與非理工背景資料分配表………35 表 4-2-1 教育大學學生大氣壓力及表面張力概念得分敘述統計表………36 表 4-2-2 教育大學學生大氣壓力及表面張力概念各題得分統計表………37 表 4-2-3 不同背景教育大學學生大氣壓力及表面張力概念得分 T 考驗摘要表…38 表 4-2-4 理工與非理工背景學生的先備知識與科學解釋能力相關係數表…… 39 表 4-3-1 S-POE 測驗第一題選答項目人數百分比……… 40 表 4-3-2 S-POE 測驗第二題選答項目人數百分比……… 41 表 4-3-3 S-POE 測驗第三題選答項目人數百分比……… 42 表 4-3-4 S-POE 測驗第四題選答項目百分比……… 43 表 4-3-5 S-POE 測驗第五題選答項目百分比……… 44 表 4-3-6 預測事實與預測理由矛盾人數表………45 表 4-3-7 解釋一致性人數統計表 ………46 表 4-4-1 理工背景學生在 S-POE 的作答結果分析之 「科學解釋能力」 ………47 表 4-4-2 組內迴歸係數同質性檢定摘要表 （實驗一） ………48 表 4-4-3 理工背景與非理工背景學生解釋能力得分之共變數分析摘要表 （實驗一） ……… 48 表 4-4-4 調整後平均數（實驗一）………48 表 4-4-5 組內迴歸係數同質性檢定摘要表 （實驗二） ……… 48 表 4-4-6 理工背景與非理工背景學生解釋能力得分之共變數分析摘要表 （實驗二） ………48 表 4-4-7 調整後平均數（實驗二）……… 49 表 4-4-8 組內迴歸係數同質性檢定摘要表 （實驗三） ……… 49 表 4-4-9 理工背景與非理工背景學生解釋能力得分之共變數分析摘要表 （實驗三） ………49表 4-4-10 調整後平均數（實驗三）……… 49 表 4-4-11 組內迴歸係數同質性檢定摘要表 （實驗四） ……… 50 表 4-4-12 理工背景與非理工背景學生解釋能力得分之共變數分析摘要表 （實驗四）……… 50 表 4-4-13 調整後平均數（實驗四）………50 表 4-4-14 組內迴歸係數同質性檢定摘要表 （實驗五） ………51 表 4-4-15 理工背景與非理工背景學生解釋能力得分之共變數分析摘要表 （實驗五）……… 51 表 4-4-16 調整後平均數（實驗五）………51
圖 目
錄
圖 3-1-1 研究架構圖………23
圖 3-3-1「大氣壓力與表面張力」概念圖……… 25
圖 3-4-1 研究流程圖………32
第壹章 緒論
本章共分為四節，第一節說明研究背景與動機，第二節說明研究目的與問題，第三節 說明名詞釋義，第四節說明研究範圍與限制。茲分述如下：第一節 研究背景與動機
科學過程技能是科學家必備的技能也是代表處理與解決問題的能力，但近年來，許多 人為了準備評量與基本學力測驗的考試，往往忽略了科學過程技能的培養與重要性。蔣鳴 和（2005）指出數學及科學教學創新的本質是以知識體系為中心的科學結論教育變為以探 究為中心的科學過程教育。也帶動科學教育以探究為中心的教育理念。而依據教育部九十 三學年度起實施的國民中小學九年一貫課程綱要中，自然與生活科技領域的基本理念提 及：學習科學，讓我們學會如何去進行探究活動，學會觀察、詢問、規劃、實驗、歸納、 研判，也培養出批判、創造等各種能力，特別是實驗或實地觀察的方式去進行學習，使我 們獲得處理事務、解決問題的能力（教育部，1993）。因此我們了解到在科學教學當中， 如何引導學生進行探究是值得關切的議題之ㄧ。楊榮祥（1994）針對我國學生參與國際數理教育評鑑（ International Assessment for Education Progress，簡稱 IAEP）的結果指出：我國學生似乎只重視知識的記憶而缺乏科 學方法的訓練，雖然成績名列前矛，卻不甚了解其中真正的原理，這是值得我們警惕的。 另一方面，在實作測驗中表現的觀察能力顯然缺乏訓練，其他各國學生通常能觀察許多項 目，而我國學生則只能觀察紀錄較顯著的一、二項，無法用五官做更深入的觀察與紀錄， 還有不少學生不會區別觀察和推論，在自創方法以及實作方法式的解決問題的能力不佳。 上述提醒我們，學生學習科學和教師的教學方式應更加著重科學方法來解決問題，除了重
視學習的結果也要強調過程的學習，讓學生對於科學知識能獲致真實且完整的了解。 甘漢銧、陳文典（2005）指出在從事科學性的探究活動中，為了確保所獲得的訊息真 確地如現象所顯示、為了使我們歸納或推理所得的想法不流於偏頗或曲解，我們必須在觀 測或度量的技術上有要求、在演繹推理的思維上有規範，這些執行探究的能力稱之為「科 學過程技能」。美國科學促進會（AAAS：American Association for the Advancement of Science）提出一套稱之為 SAPA（Science-A Process Approach）課程。在 SAPA 課程中， 「科學過程技能」和「科學知識」一樣都是列為學童所應學習的內容。SAPA 課程中的「科 學過程技能」共標示出：觀察、應用時空關係、分類、應用數字、測量、傳達、預測、推 理、控制變因、解釋資料、形成假設、下操作型定義、進行實驗等十三項技能。此十三項 過 程 技 能 中 所 包 含 的 解 釋 是 值 得 我 們 重 視 的 ， 例 如 Unsworth （ 2001 ） 提 出 解 釋 （explanation）是科學教育的核心。學生也可透過「解釋」的方式理解自然現象，黃毓 琪（2007）提出學生的科學解釋能力是科學學習成果的一項重要指標，因此培養學生具備 好的科學解釋能力是學生思考組織的再提升，讓學生將過程與想法有緊密的結合。由此知 「解釋」不僅是在學習科學過程技能，更可讓教師與研究者了解學生的想法與概念。但學 生要進行科學解釋時常出現一些問題，Driver, Guesue, 與 Tiberghien（1985）認為學童 進行科學解釋時，大多數會做出無法令人信服的解釋，因為學童在解釋時往往很少用到科 學證據。由上述可知科學解釋是值得我們注意的問題，Sandoval（2003）也提及科學解釋 對於科學理論來說是重要的，所以在科學教學上應讓學生經由科學定理來解釋科學現象。
讓學生進行科學的解釋的教學方法有很多種，POE（Prediction – Observation – Explanation）步驟是一種能引出學生先前概念與促進學生進行反省思考、討論的有效策 略（White & Gunstone,1992）。POE 的活動是使用「預測－觀察－解釋」的方式讓學生表 現出理解的脈絡，POE 的實施流程為：讓學生針對某一現象或事件進行預測，並且解釋其 現象的理由，接著再進行觀察，觀察後針對預測與觀察的不同處，提出合理的解釋，並修 正先前的概念。先前已有許多研究以及文獻，研究中的學者所採用的 POE 都是單一實驗或
是無關聯性的多次 POE，而文獻中其他研究，主要集中於迷思概念之探索（例如：李家銘， 2001；Gunstone & White,1981），或是當為教學策略（例如：葉辰楨，2000； Liew & Treagust,1995）。
許良榮（2005）發展「序列性 POE」（Sequential Prediction-Observation-
Explanation；S-POE）。S-POE 的設計是利用前後具有關聯的現象或事件，讓學生針對此現 象或事件進行預測、觀察、解釋的活動。該研究初步發現大學生的解釋不僅混淆表面張力 的意義與作用，對於大氣壓力的角色與本質也不清楚，更重要的是提出的解釋經常流於片 段、缺乏邏輯關連性。顯示該設計可用來探討學生之科學解釋能力。 關於學生如何應用先備知識解釋現象，經常有許多的問題（例如：Roschelle,1995 ； diSessa,1982 ）。學生於解釋時經常運用日常所得知的訊息來進行解釋，缺乏科學理論的 支持。而劉月智（2007）發現大學生對於「大氣壓力」與「表面張力」所提出的解釋多為 描述現象，並非因果關係的解釋且以不完整、不恰當的解釋居多，理工背景學生會運用科 學術語來進行解釋，但解釋不一定恰當且容易出現誤用科學概念的情形；非理工背景學生 則傾向使用日常生活用語來進行解釋。但該研究未進行大量施測，而本研究為了了解大學 生普遍性的想法，將延續劉月智（2007）研究所得的結果，進行問卷的編製，期望以大量 施測的方式，探討學生對「大氣壓力」及「表面張力」的先備知識、科學解釋能力及先備 知識與科學解釋能力的關連性。 本研究所提及的大氣壓力概念及表面張力概念，是存在於我們四周且很容易由日常生 活中觀察到的，但學生對於其原理未必瞭解，因此將以這兩種概念為研究內容進行研究， 研究的結果也希望成為科學教師實施教學時的參考。
第二節 研究目的與問題
本研究旨在運用問卷得知教育大學學生對「大氣壓力」與「表面張力」的先備知識， 再運用「序列性 POE」的理論策略來探討教育大學學生對「大氣壓力」與「表面張力」的 自然科學解釋能力與先備知識的相關性，最後再探討不同背景的學生在科學解釋的能力上 是否有差異性，也以此提供科學教育教學教師實施教學的參考。待答問題如下： 1.教育大學學生中理工背景與非理工背景對於「大氣壓力」與「表面張力」有關的自 然現象的先備知識是否有差異？ 2.教育大學學生中理工背景與非理工背景學生的「先備知識」與其「科學解釋能力」 的關連性為何？ 3. 教育大學學生中理工背景與非理工背景學生在去除先備知識之後，「科學解釋能 力」有何差異？第三節 名詞解釋
一、科學解釋 本研究探究之科學解釋以「大氣壓力與表面張力」的解釋能力為主，研究者自行發展 紙筆測驗－「大氣壓力、表面張力」實驗調查，以此測驗成績做為學生科學解釋能力的指 標。二、序列性 POE（Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE）
序列性 POE 就是指預測-觀察-解釋這三個過程是具有序列性的，這個連續的過程可以 進一步了解學生對科學概念的理解程度，是片段性的或是真的能深入一貫性的理解。S-POE 與 POE 都有預測-觀察-解釋這三個過程，而 POE 是經由這三個過程讓學生去理解迷思之
處，由一開始學生進行預測，並解釋原因，再觀察其結果，從這個過程了解差異性。而 S-POE 是設計數個前後具有關聯的特定事件，讓學生依據預測-觀察-解釋這三個過程，完成所有 事件的說明及解釋。本研究設計之 S-POE 實驗如第三章第三節表 3-3-4 所示。 三、先備知識（prior knowledge） 本研究探究之先備知識主要為大氣壓力與表面張力的概念，並自行發展之紙筆測驗－ 「大氣壓力、表面張力之概念調查」，以此測驗成績做為學生先備知識的指標。
第四節 研究範圍與限制
一、研究範圍 1.本研究對象範圍涵括全國教育大學(含嘉義大學、台南大學、台東大學)之學生，在 各教育大學中抽取理工學系與非理工學系各一班,研究樣本共 694 人。 2.本研究的內容只包含大氣壓力與表面張力的相關之科學概念。 二、研究限制 1.本研究的研究對象為教育大學的學生，不宜將研究結果推論到其他學校的學生。 2.本研究中的「大氣張力」與「表面張力」的科學概念成就測驗是以大英百科全書中 提及大氣柱施加於單位面積上的力。通常用水銀氣壓表量度，在水銀氣壓表中水 銀柱高度所表示的重量同大氣柱的重量，進行設計。再徵詢指導教授及兩位自然 科學學系教授的意見後修訂而成，並且由初試後修正再作為正式使用。S-POE 測 驗則是由劉月智（2007）的研究晤談結果進行分析，作為命題中選項設計的基礎。 本研究僅限於教育大學學生生有關「大氣壓力」與「表面張力」的科學概念及科 學解釋的差異，故不宜將研究結果推論至其他科學概念上。第貳章 文獻探討
本章節分為三個部份，首先就 POE 做基本介紹包括國內及國外的 POE 實徵研究進行闡 述以及 S-POE 的設計原則，其次再詳述科學解釋的意涵及國內外科學解釋的實徵研究，然 後說明先備知識的重要性及其與科學概念的關連性。第一節 POE 的理論基礎及實徵研究
一、POE 的介紹 （一）POE 的定義 POE 是 Prediction-Observation-Explanation（預測-觀察-解釋）的縮寫，是一種藉 由教學者設計預測-觀察-解釋三步驟之任務，以探究學生認知理解情形的教學策略。POE 是由 DOE 改良而成的，是由 Pittsburgh 大學的 Champagne, Klopfer, 與 Anderson 於 1980 年發展的 DOE（Demonstration – Observation – Explanation ）晤談策略開始，加以 改良而來的。DOE 開始發展是用來探討大一學生學習古典力學時，對於物體運動（motion） 的原有想法。其實施步驟如下（王淑琴、郭重吉，1994）： 1.施測者先將一系列之示範實驗的儀器裝置完成，並將運用到之儀器設備的操作方式 加以說明。 2.要求學生以書面方式預測此示範實驗可能發生的變化，並應用個人的知識以及相關 經驗，說明預測的理由。 3.於未觀察示範實驗的結果前，讓學生觀看其他同學所做的預測與解釋，並要求學生 指出其他同學的回應中，是如何使用概念。 4.要求學生比較自己的想法與他人的想法有何異同。5.接著施測者進行示範實驗，要求學生進行觀察，並將其觀察結果描述出來。 6.讓學生討論其預測與觀察結果間之相異處。
7.進一步亦可讓學生親自動手做實驗，並描述其所觀察到的現象，然後再次提出解釋 說明。
Pittsburgh 大學的 Champagne, Klopfer, 與 Anderson 所發展的 DOE 並未強調預測 的成份。但後來 White 與 Gunstone（1981）認為若未提出預測的理由，就如同在概念圖 上少了連結似的，此部份可顯示理解的價值消失，而預測的理由不僅能呈現學生原本的認 知結構，也可引發學生的學習興趣，因此特別強調預測階段可以了解學生的概念，應是教 師要專注的重點，所以將 DOE 的晤談方式重新發展應用，而設計成 POE 之教學策略，做為 改進教學的方法。 （二）實行 POE 的目的 教師在進行教學時，常常使用提問的方式來引出學生對某概念或某特定事件的動機或 檢視學生了解的程度，但針對提出問題的過程或方式所得到的結果可能有其侷限，而 POE 的實行也是一種檢視學生了解程度的方式，首先會讓學生進行「預測-觀察-解釋」的過程， 其過程中能清楚的知道學生對某特定事件的了解程度解能藉由觀察實際的現象改變自我 原先的概念，是一種具連貫性的教學過程。 Bruce (2000)認為：實施POE的活動，不只是學齡大的學生才能進行，舉凡學齡前的 學生（幼稚園）至大學生皆可，POE幫助我們能思考幾個方向： 1.在進行POE之前要先書寫或討論，可讓學生真正的充分去思考、反省他們自己在做 什麼，時間的提供會使其學生對其特定現象的想法會更深入。 2.POE的第一個階段「預測」會讓學生對某特定事件更有興趣且具有參與感，尤其是 當自己的預測與大多數人不一樣時，會更有興趣了解。 3.此活動為教學提供一個好的開場，此開場能讓學生或小組具有良好的互動，使其增 加相互對話的行為。
4.某一特定事件進行的過程，能讓學生做為更深入探究的基礎。 5.POE的進行過程中學生的書寫資料能做為非正式評量的基礎，且活動過程中的紀錄 也能再做更進一步的研究。 但是，Bruce 認為若是其活動主題，是學生較沒有經驗的，此時學生可能會試圖回答出， 他們所認為老師心中認定的答案，而非自己所持有的觀念，這樣學生就會出現猜測的行 為，這是研究者或教學者需要注意的地方。 White 與 Gunstone（1992）也指出進行POE的目的是用某一特定真實情境或事件來了 解學生的認知結構和知識能力的應用，過程中要學生進行預測且要具有理由，其中並不強 調正確的答案，這樣的過程教能讓學生表達出他們真正的想法，而學生常常用其身邊的經 驗或日常所見的現象、事物去支持其理由，且其解釋某一特定事件所運用的觀點並不全然 是科學的原理。學生進行POE的過程中要先針對某一特定現象進行預測，且要有理由支持。 接著觀察實驗，描述他們所觀察到的現象及結果。最後將其預測與觀察到的結果進行解釋 並調節自己預測與觀察結果的衝突。 （三）POE的實徵研究 以下將整理與歸納國內、外數篇有關 POE 的研究，以便了解近幾年 POE 策略在科學教 育上的運用情形。分別將國內與國外的相關研究列舉如表 2-1-1，以及表 2-1-2。 表 2-1-1 國內之 POE 的相關研究 研究者 發表年 研究對象 研究目的 葉辰楨 2000 國中 一年級學生 運用 POE 策略設計國中生物科的教學活 動，探討實施的成果與改進 邱彥文 2001 國中 二年級學生 探討教師在國中理化課進行 POE 教學的情 況，評估其成效與相關影響因素 李家銘 2002 國中 低成就學生 探討個案學生在 POE 教學活動中的電學概 念發展情形 陳淮彰 2002 國小 四、五年級學生 利用問卷調查與 POE 晤談，探討國小學生在 水溶液方面的認知情形與迷思概念
林鼎富 2002 國小 三、六年級學生 利用紙筆測驗與 POE 晤談，探討國小學生對 靜磁概念的理解狀況、迷思概念及其成因 張友蘭 2002 國小高年級 利用實證性探究國小高年級學童對電池所 持有的先前概念及另有概念 葉淑華 2002 高中 三年級學生 結合 POE 策略及放聲思考法的精神所設計 的 POE 策略式晤談，探究個案學生有關「鉛 直簡諧運動」的迷思概念、形成迷思概念的 原因、思考歷程的類型、思考歷程、思考歷 程特徵，及兩位學生的思考有何特色與差異 張宗義 2003 國小 四年級學生 運用 POE 教學模式探究國小學生在教學前 後對水溶液概念的理解與改變類型 陳雅麗 2003 國小 五年級學生 運用 POE 教學模式探究國小學生有關熱學 方面的迷思概念與概念改變歷程 陳志偉 2004 國小 四年級學生 利用個別晤談和 POE 策略設計之浮力教學 單元，探討國小學生對於浮力概念的學習情 形與 POE 教學活動的學習成效 陳沛瑩 2004 國小 六年級學生 利用個別晤談與 POE 教學策略，探究國小六 年級學童「熱」概念所可能蘊含之迷思概念 及其衍生的科學概念改變之情形 黃雪錚 2004 國小二年級、 四年級、六年級 學生 利用個別晤談與 POE 策略，探究國小學生對 毛細現象的相關概念，以及不同年級學生所 持有之概念的特徵與差異 蔣盈姿 2004 國小六年級、 國中二年級、 高中一年級學生 利用個別晤談與 POE 策略，探討中小學生對 於物質可燃性的另有概念及其來源 張家紘 2004 高職 一年級學生 利用個別晤談與 POE 概念改變教學策略，探 討學生的簡單直流電路概念情形，以及教學 策略之成效 賴碩彬 2004 高工 二年級學生 使用 POE 教學策略進行微波教材的教學，探 討高工學生的另有概念與迷思概念，以及如 何將微波加熱的相關知識編入高中職的化 學課程中 黃誌良 2005 國小 五年級學生 設計 POE 策略進行「鹽的降溫作用」概念教 學活動，探討國小五年級學生鹽的降溫作用 相關概念，以及概念改變情形
張麟偉 2005 國小 六年級學生 結合科學寫作與 POE 教學策略探究國小學 生在此教學模式下，有關電磁鐵概念的學習 歷程，以及教師教學的歷程 王玉龍 2005 國小 六年級學生 運用 POE 策略，探究國小學生對於色光的另 有概念及概念改變歷程 姚宗志 2005 國小 六年級學生 利用個別晤談與 POE 策略，探究國小學生在 「月相類比模型」中使用的推理技巧、概念 改變以及概念發展的歷程 紀宗秀 2005 國小 高年級學生 運用 POE 概念改變教學法，弱化國小學生於 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。 楊之明 2005 國小 三至六年級學 生 運用 POE 策略，探究國小學生對於「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 李莘怡 2005 國中 二年級學生 利用 POE 教學策略與閱讀教材，探討國中學 生對於「溶解」迷思概念改變之成效 羅焜榮 2005 國中 三年級學生 採用 POE 教學策略結合合作學習法，探討九 年一貫自然科課程中國中學生對電流的化 學效應之學習情形與成效 林嘉琦 2005 國中 二年級學生 應用 POE 教學策略設計溶解單元教學活 動，探討個案學生在 POE 教學情境中的表現 與學習溶解單元概念改變之情形 王盈琪 2006 國小 三年級學生 利用 POE 教學策略，探究國小學生「光」概 念所可能蘊含之迷思概念，及其教學前後概 念改變之情形 劉俊直 2006 國小 六年級學生 運用融入『科學故事』的天文教材與 POE 的教學策略，探討國小學生有關「地球運動」 的另有概念，及其概念改變的情形 林士峰 2006 國小 六年級學生 運用 POE 教學策略來探討國小學生學習「鐵 生鏽的物質性質」區分的概念類型及概念改 變的情形 劉敏書 2006 國小 一年級學生 運用以 POE 教學策略融入動態評量而發展 成的 PODA 研究策略，探討國小學生對「聲 音」概念的天真想法與概念學習的歷程
洪淑淩 2007 國小 自然科教師 藉由 POE 活動的實施，探究 16 位國小自然 科教師的色光概念，以及概念改變的歷程 林香吟 2007 國小 六年級學生 藉由融合 POE 探究策略與科學寫作的教 學，探討國小學生有關「簡單機械」的概念 改變、科學過程技能，以及進行自然與生活 科技教學時，教室環境的影響 曾美玲 2007 國小 四年級學生 運用 POE 教學策略融合動態評量與後設認 知所形成的 PODM 策略，探討國小學生對於 「電路」之相關概念的概念學習情形 （資料來源：改編自陳嘉蕙，2007） 由以上的資料可知，國內的 POE 研究對象以國小學童的為最多共有 20 篇，教師部份 的最少有一篇，而運用於大學生的部份是無的。內容部份以 POE 當成教學策略的相關研究 共有 20 篇，以 POE 為策略進行探究迷思概念的共有 8 篇，因此在國內研究中，以運用 POE 進行教學策略是較多的。由以上研究知，尚未有研究與本研究一樣以「大氣壓力及表面張 力」概念部份進行探討，且研究對象為大學生。由上述的 POE 實徵研究可知，POE 教學策 略能進行科學教學上的改善與提升，亦能促使學生的概念改變及評估學生概念理解的程 度。因此本研究運用 POE 策略將可知學生對「大氣壓力及表面張力」的概念理解程度，更 甚於能了解學生的解釋能力。 表 2-1-2 國外之 POE 的相關研究 研究者 發表年 研究對象 研究目的 White 與 Gunstone 1981 大學生 利用 POE 策略與八個物理情境，探討大學生 對重力與相關力學概念的理解情形 Searle 與 Gunstone 1990 大學生 利用以建構主義為基礎之 POE 教學策略，探 究大學生有關電學的另有概念與概念改變 之行動研究 Palmer 1995 職前教師 小學生 藉由職前教師對國小學生實施 POE 策略，評 估 POE 策略在小學科學教學上的適用情形 Liew 與 Treagust 1995 11 年級學生 利用一系列關於熱與液體膨脹為主題的 POE 教學策略，探討其對大學生概念學習之影響
Fekete 與 Walker 1997 大學生 運用包含 POE 之教學資料庫，進行互動式教 學，探究大學生對熱力學概念的學習情形 Liew 與 Treagust 1998 9～12 年級學 生 分別以液體膨脹、食鹽的溶解度，以及燈泡 的功率設計的 POE 教學策略，探討 POE 策略 在診斷學生對科學的理解與確認他們的學 習成就程度之有效性 Russell 1999 11 年級學生 結合電腦與 POE 教學策略的實驗課，協助學 生建構知識，促進有意義的學習 Methembu 2001 11 年級學生 利用以氧化還原反應為主題的 POE 教學策 略，診斷學生的化學概念，促進有意義的學 習 Kearney , Treagust , Yeo 與 Zadnik 2001 10、11 年級學 生 利用結合電腦多媒體之 POE 策略，鼓勵學生 以自己的想法進行討論，引出學生對力與運 動的先前概念，可促進有意義的學習 Kearney 2004 10、11 年級學 生 在社會建構主義的學習環境下，利用結合電 腦多媒體的 POE 策略，可引出學生的物理概 念，並促進小組的對話討論 （資料來源：改編自陳嘉蕙，2007） 由以上的國外 POE 相關研究可知，國外的研究以大學生為對象有三篇，高中生有六 篇，國中及國小各有一篇。由此之國外的研究對象大多都是高年級以上的學生，甚少有中、 低年級的學生，此部分值得我們深思，雖然 Bruce (2000)認為：實施 POE 的活動，不只是 學齡大的學生才能進行，舉凡學齡前的學生（幼稚園）至大學生皆可。但國外的研究者還 是將研究對象集中在高年級以上的學生，是否因為教學環境的因素或是研究者本身的因素 導致國內、外進行 POE 策略時對象的差別，值得我們好好的了解。 不論是國內、外的 POE 實徵研究大部分都是著重於迷思概念的研究或是當成概念改變 的策略，且大部分的 POE 教學策略都是使用一項特定的事件或現象進行研究，未有使用連 貫性的實驗進行 POE 策略，由此更顯出本研究的先驅性，希望本研究也能提供往後研究者 的參考。
二、S-POE 的基本介紹 （一）S-POE 的定義 S-POE 意指序列性的預測－觀察－解釋，其設計方式是運用前後有相關性的數個特定 事件或現象，要求學生對每一個特定的事件、現象，按照預測－觀察－解釋之步驟，依序 完成對此數個特定事件、現象的解釋與說明。S-POE 的設計除了具有 POE 本身的功用之外， 將數個相關性的實驗組成的序列性 POE，更能深入探究學生對某項特定概念的了解程度， 以及學生如何應用既有的知識提出科學性的解釋。 （二）S-POE 之設計理念
S-POE 之設計理念源自於許良榮教授（2005），S-POE 不僅可以如同單一的 POE 實驗一 樣，做為探測學生對科學概念的認知情形，亦可用來深入了解學生是否能夠運用相同或相 似的科學概念，解釋相關的自然現象。 （三）S-POE 的設計原則 本研究以及許良榮（2005）之 S-POE 設計原則為： 1.S-POE 中所涵括的實驗，必須具有相互關聯性，其現象的解釋涵蓋相同的科學概念。 2.所有實驗所涵括的科學概念，總計以不超過三個為原則，以達到探求學生之「科學 解釋能力」的目標。因為涵蓋的科學概念過多，將不容易歸納、推理學生的前後之 解釋的一致性。 3.每個後續實驗，只改變前一個實驗的一個變因，以達能深入探討學生對於單一變因 的科學解釋能力。 4.在學生完成一個實驗（POE）的說明之後，必須明確讓學生知曉每一個 POE 的實際 「實驗結果」，以避免學生對於後續實驗落入單純的「猜測」，而失去探究學生之「解 釋一貫性」的目的。 5.每完成一個實驗（POE），才進行後續的實驗（POE），並要求學生不可再修改先前實 驗（POE）已完成的作答。
S-POE 的設計原則是具有連貫性的，藉此設計原則將理解學生對某特定概念的了解程 度，希望學生不再只是學習到零碎性的知識，也希望藉由學術上的研究能落實至教學實務 面，讓實務教學者參考並改進之。
第二節 科學解釋之意涵
一、科學解釋的定義 科學解釋一詞包括科學與解釋，科學解釋是解釋的一種，是指對自然世界中現象或事 件發生的原因作出說明或解釋（ Chin ＆ Brown,2000）。科學解釋是探究科學之事過程中 的產物，內容包含主張、證據、和推理三部分。科學解釋能夠反映出科學知識發展的價值 及信念（ Driver, Newton, ＆ Osborne,2000； Sandoval, 2003； Kuhn ＆Reiser,2004），過程中也能幫助學生理解事件發生的原因，進而進入探究的過程（ Kuhn ＆
Reiser,2004），因此在科學探究的過程中，科學解釋能力是不可或缺的一環。
科學解釋經常以敘述、書寫的方式（ narrative form , written）呈現出來。不同 於科學描述（ scientific description），科學解釋的書寫方式被認為是一種特殊的語言 類型，但這兩種方式皆為科學寫作形式。在科學教室中，科學描述或是報告（reports） 皆是較常出現的寫作方式（Sutton,1992）。 科學解釋的解釋項中必須包含普遍性定律，解釋項必須包含普遍定律－定律條件，解 釋項必須包含經驗內容－經驗特徵條件，組成解釋項的句子必須是真的－真理條件，從解 釋項到被解釋項的推理必須是正確的－推論條件（曹志平，2005）。 科學教室中許多的科學解釋可被視為對「為什麼」的問題提出解答。本研究即是藉由 研究者提出一系列之「為什麼」的問題，探測大學生對自然現象的科學解釋能力。學生所 提出的科學解釋是一種應用＂適當的理論＂於特定情境中的能力，因此會連結理論證據到 自己的主張中，而教師通常會以此方式來評量學生的科學理解情形。
二、解學解釋的特質 科學解釋具備以下三點的特質（陸健體，2004）： 1.具有嚴密的邏輯結構：因為不論是那一種模式，皆須遵循嚴格的推導過程，也正因 此種推導過程，賦予了科學解釋一種獨特的嚴密性。 2.需要有相應的科學理論知識背景：在某些專業的領域，有時甚至需要深刻的洞察力 與大膽的創新精神。而在日常生活中遇到疑難現象時，只有科學定律和科學理論才 能提供正確的解答。 3.得到實踐與經驗的支持：無論是定律的說明或是理論的還原，最終的立足點都根植 於實踐與經驗之中。實踐與經驗是檢驗我們認識的唯一標準，而正是實踐與經驗的 支持才賦予科學解釋一種獨特的科學性與客觀性。 因此一個完整的科學解釋需要具有充分的知識及經驗，再經由嚴格的推導過程得到正 確的科學解釋。 三、科學解釋的實徵研究 （一） 國外研究部分
Pallrand（1996）要求學生預測並解釋，其問題是使用評量錄音（ assessment tapes）
來提出，並根據額外的資料來進行「修正並且建構新的解釋」，以此做出下列的結論（引
自 Zuzovsky & Tamir,1999）：
1.學生進行解釋時的大多數知識零散的，其中有許多資料是片段性的； 2.延伸含義（extended meaning）所需的知識與程序是不完整的； 3.大部分學生無法應用他們之前所學過的知識； 4.學生時常訴諸描述去解釋不同的現象； 5.要求他們在教室中將被教授的一切與新的、不同的情境產生連結是困難的； 6.學生所知道的知識與概念似乎都以片段的形式存在。 企圖解釋這些發現，Pallrand 指出二個理由，即：
1.學校中所傳授的科學知識經常以抽象的、形式的，以及非脈絡的方式（in
abstract，formal and decontextualized form）出現，對學生而言，可能難以應 用到不同的情境中。 2.要將相關的先備知識與新知識運用在討論中，需要許多的時間，會導致進度緩慢， 所以大多數教師避免這種方式的教學。且課程幅度（curricular breadth）是不允 許教師們的教學圍繞在學生建構他們自己的解釋上。 Wong（1996）讓 16 位非裔的美國中學生觀察，利用食用醋加上小蘇打粉產生之二氧 化碳，會使燃燒中的蠟燭熄滅的實驗結果，並解釋蠟燭熄滅的原因。過程中發現到大部分 的學生並沒有將自身知識體系中的科學概念與實驗證據進行連結，以建構科學解釋，反而 是運用直接觀察所得到的資料，來支持他們的解釋。雖然這些解釋並不正確，但卻是合理 的（rational）。
Zuzovsky 與 Tamir（1999）從第三次國際數學與科學調查（the Third International Mathematics and Science Study，簡稱 TIMSS）所得到的資料，分析四年級與八年級學生 對科學現象的解釋，發現在四年級間建構科學解釋及用概念化、演繹科學原理、使用原理 解決問題等能力是低落的，但隨著學習的年齡增長會有所改善。主要是與學生先前知識的 存在有關，學生用先前知識以產生科學解釋的能力。Zuzovsky 與 Tamir 也指出：學生在 愈熟悉問題中的情境，愈能順利的進行預測，並且能選擇適合的知識與概念來支持他們的 預測。因此科學教師在進行教學時，除了要提供學生良好的情境之外，應運用具體且實際 的脈絡，幫助學生了解科學概念的定義，然後讓學生進行討論與思考的歷程，並且鼓勵學 生提出自身的解釋，來澄清自己的想法，以提升科學解釋的能力，如此一來對於學生對科 學概念及定義的了解才會有確實的進步。 Sandoval（2003）在與科技結合的課程中，探討高中生所具有之科學認識論觀點，學 生如何在特定領域的概念理解相互作用時，提出他對學生所提的科學解釋標準，有以下兩 點：
1. 需要運用資料與理論來佐證解釋，且解釋要符合觀察的結果。 2. 明白的使用因果機制來解釋現象，並將其合理地融貫在一起。 而研究結果發現，高中學生經常無法用資料來證明其所提出的主張，主要是因為學生 對解釋資料（interpreting data）有困難性，且學生似乎不了解解釋的關鍵就是要有明 顯的證據。 McNeill 與 Krajcik（2008）認為教師在學生的科學探究學習上有支持的必要性，譬 如學生在建構他們的科學解釋時，教師是需要給予支持的。所以在這個研究中，研究者於 中學的化學單元教學中，對學生進行教學實施，調查教師科學解釋上的說明、介紹，以及 進行教學上的實施，以探討是否對會使學生建構科學解釋的能力有所影響。McNeill 與 Krajcik 也指出教師在教導學生科學解釋時是多樣化的，以及教師的教學實行會影響學生 在科學解釋上地學習。 （二）國內研究部分 姜滿（1993）在研究地球科學概念的理解時，將 12 位國小一～六年級學生解釋的特 徵分類為 12 項，分述如下： 1.解釋是個人的（personal）； 2.是不連續的（inconsistent）； 3.解釋是穩定的（stable）；
4.解釋時要使用邏輯思考，且概念是對主題有意義的（use logical thinking；the ideas make sense to subject）；
5.解釋常常會混淆原因與結果（confuse causes and effect）；
6.使用非邏輯思考，且概念間沒有關連性（use illogical thinking；the ideas have no relationships）；
7.將其主題與資料混合一起（subject mixes the information）；
incorrectly）；
9.一開始是錯誤的，但最後卻是正確的解釋（explanation begins incorrectly but ends correctly）；
10.基常是不連貫的（incoherent）；
11.會同時出現有兩種解釋（gives two kinds of explanation simultaneously）； 12.會使用描述做為因果關係（use description as causality）。
謝州恩（2004）研究科學解釋能力成長的情形，對象為國小六年級學生，其得到之結 果為：進行解釋時提出主張、運用推理能力、指出因果關係，以及語文的傳達能力等四項 能力之成長較快。其他的如運用圖表協助解釋、使用證據、活動設計說明，以及評鑑解釋 能力等能力的成長則較緩慢。由此得知，學生在科學解釋的各項能力成長速率並不一致， 所以研究者提醒我們，教學者應及早重視學生的各項科學解釋能力，並提升之，才能讓學 生適應未來的生活，當中也提其討論在科學解釋的過程中是很重要的一個環節，所以小組 討論是對學生科學解釋能力的成長有所幫助的。 吳佳蓮（2006）探討科學探究活動後的科學解釋能力成長情形，對象為國小五年級學 生，發現學生在解釋過程中的推理能力成長最為明顯，而成長最小的是提出證據以支持主 張的能力。此研究的結果也顯示出如果學生遭遇到的問題是他們尚未學習到的內容，學生 經常會運用自己所具備的先備知識、直覺或日常經驗來解釋其現象。當學生在進行解釋的 推理過程中，因受到先備知識之影響而無法正確的觀察出資料上所顯現的模式時，常常會 忽略異常的資料，甚至於將資料的內容改變，讓資料與自身的想法一致，會有這種情況的 產生或許是因為學生對於科學概念的不甚了解。由此知學生的科學解釋能力與科學概念間 有密切的關聯。 陳嘉蕙（2007）探討科學解釋與科學融貫性的研究，對象為國中學生。研究結果將解 釋類型共分為八種類型，分別為科學型、似科學型、擬人化、直覺型、誤用科學型、類比 型、套套邏輯型、理性型等。研究中提及欲符合解釋融貫性之要求，不只是要在相關的自
然現象或實驗之間產生連結，更需要提出符合科學家之科學解釋的解釋說明。因此，學生 必須提升對自然現象的科學解釋能力，才是達成解釋融貫性目標的第ㄧ步。故科學教師應 先將學生學會說明與科學家對該自然現象之解釋相符的科學解釋列入主要的教學目標，然 後再藉由類似本研究之 S-POE 的實驗活動，讓學生學習將自己對幾個相關性實驗所提出的 解釋說明達成解釋融貫性之要求。 四、小結 科學解釋是指進行「為什麼」的過程，自古以來，科學家就持續不斷的在進行科學解 釋的活動，以便對各種大自然的現象做出合理的解釋。而科學解釋須依據科學理論進行解 釋，唯有如此才能算是科學解釋。現今許多學生所提出的科學解釋經常是片段零碎的，且 與先前所持有的概念或日常經驗有關係，現今對於學生的科學解釋和先前概念間相互關係 的研究，及如何促進學生之科學解釋成長的研究並不多，希望以此提供其他研究者探究的 方向。
第三節 先備知識與科學解釋
一、 先備知識的重要性 先備知識可以被解釋為結合了學習者原先所擁有的態度、經驗和知識。學習的行為 每一個人從初生嬰兒期就開始，隨著成長持續不斷的在學習，而孩童的學習大多都來自於 感官經驗(Driver, Guesns, & Tiberghien,1985)。Piaget 認為學習源自於學習者與環境 交互作用下的結果，例如「觀察」，就是一個基本的學習方式，觀察能使學習者透過視覺 來形成知識(Wadsworth,1989)。而學習者本身所獲得的感官經驗，會變成為學習者個人的 先備知識；在有關先備知識的研究中，發現某些先備知識往往與科學社群所認同的知識有 所不同(王美芬，1998)，而這些先備知識往往具有頑固性，即使是經過教學之後，學習者仍舊會存有、或是不放棄這些先備知識(Champagne, Gunstone, & Klopfer,1983; Taber,2000)。先備知識常影響著學習者的學習歷程，教學者若能充分瞭解學習者的先備 知識，並據以適當的引導應有助於提升學習成效。例如，奧蘇貝爾曾提到「前導組體」的 概念即學生的認知結構，是學習新知識時的基礎。根據奧蘇貝爾的解釋，概念分為要領概 念：是個人對整體事務的認識，也就是個人的先備知識。另一為附屬概念：是個人對事物 特徵的細部記憶。認為老師應在教學前，應先呈現一可以聯結學生已有知識與新教材，比 新教材更高一層概念為內容的學習材料，如此方能產生有意義的學習，將所學習的新教材 融入已有的認知結構中，亦即新舊知識產生聯結。除此，教學重視學科領域知識，強調老 師的教學應先瞭解學生對於所要教導教材的已有概念，作為引導的依據，不僅可以與既有 的認知結構結合，形成有意義的學習，也有助於錯誤概念的導正。也就是說，在學生學習 新知識時，教師應該先把新知識中的主要概念提出來，與學生的先備知識結合，如此則能 幫助學生助於學習。布魯納與奧蘇貝爾的學習理論同樣都強調學生先備知識和內在認知結 構在學習中的重要性，以及學生應該要主動學習。 在科學和數學上研究學生的先備知識，開始於 20 世紀的 70 年代，至今以產生相當多 關於這方面的文獻（Confrey,1990; McDermott,1984; Eylon & Linn, 1988）。Alexander 與 Kulikowich（1994）認為在科學教育的研究中，先備知識一直被學者們認為是影響學 生學習科學最重要的因素之ㄧ。一些科學家以及哲學家(Black,1962; Kuhn,1970;
Toulmin,1972) 和歷史學家 (Miller,1986； Nercessian,1988)指出科學是一項建設性的 活動。其材料都是取自於學習者熟悉的形象以及隱喻的先備知識（Lightman,1989； Miller,1986）。郭重吉（1992）也提及先備知識是影響學習最重要的因子之一，知識的建 構強調的「以學習者為中心」，與「注重學生個人知識主動建構」為主。建構主義強調學 生的知識是透過學生與外界交互作用而產生的，並非由老師的教學直接傳遞過來，學習者 除了主動建構知識外，在學習過程中還必須要瞭解概念間的關連性，而非只是記憶知識。 Roschelle（1995）認為大量的研究顯示，學習主要的收穫來自於學生的先備知識，而對
於教材的教學僅止於第二位。 二、先備知識與科學解釋的關連性 有許多研究指出，學習者是帶著本身既有的不同經驗來學習新的知識（West ＆ Pine,1985； Novak,1990；林清山譯，1991）。但先備知識常會誤導學生做出不正規的解 釋行為。研究先備知識的文獻中常見的是學生在解決物理及數學所產生的錯誤，Roschelle （1995）約談這些學生後發現，學生產生的錯誤，並不是偶然的，而是源自於基本概念。 舉例來說，要求學生解釋一顆球比直的拋向空中的過程為何時？學生會描述物體移動的過 程，是指球一開始將會得到一個向上的力，這個力會慢慢的減少，當球到達移動軌道的最 頂端時此力會與地心引力平衡。而對照物理學家的解釋是指球在移動的軌道會受到一個固 定的力－地心引力，而在軌道中球的動量會逐漸的改變，往上的過程中球的動量為正且逐 漸減少，當到達頂點時，動量是零，由頂點往下的過程球的動量為負且逐漸增加。研究者 由這個問題去分析學生的思考發現，學生發生錯誤的解釋不只會出現在這個問題，學生在 這一方面的解釋通常會出現「給它一個力」、「消失」、「平衡」（diSessa,1993）。由此說明 學生從日常生活中所得的知識，可以對各種情況做出無窮的解釋。但在許多情況下，學生 的解釋並不符合傳統的牛頓力學。（Roschelle,1995） Roschelle（1995）指出當研究者要去研究學生已存在先備知識對之後的概念學習的 情況時，大多數的研究者都是在傳統的科學課程當中去探討先備知識的影響，大部分都是 要經由分派學生任務來探討學生的學習情況，若其任務是屬於程序性的運算，則學生便能 不受先備知識的干擾而得到正確答案。不過如果其任務是要求學生進行預測並進行解釋， 或者要求學生使用不同的方式來表達，研究表示其先備知識是會妨礙他們進行的。diSessa (1982)舉例說明，在麻省理工學院中物理學屬於 A 級的大一學生，大多數卻不能正確的解 釋球拋到空中的力學過程，因為學生經常會使用它們的先備知識去構成不正規的科學概念 理解。有許多的研究也指出因為先備知識的連結所造成的誤解不僅是在物理學上，兒童的
概念是不同於科學家的概念例如：在生物學(Carey,1985; Keil,1979)、在熱及溫度 (Lewis,1991)、在電力(Cohen, Eylon, & Ganiel,1983; Gentner & Gentner,1983)、在 數學(Resnick, & Ford,1981; VanLehn,1989)、在概率(Shaughnessy,1985)和電腦程式 (Spohrer, Soloway, & Pope,1989)，以及兒童在進行科學解釋遇到困難時。
三、結論 每一個人由一出生便開始累積自己的先備知識，先備知識雖很重要，但許多研究顯示 學生的先備知識並不一定能支持學生做出正確的科學解釋，尤其是在學業上普遍認為較優 秀的學生，其解釋科學現象的能力並不一定正比於學業上的成績，這種現象值得我們去深 思，教學者在教學上如何暸解學生的先備知識後進行教學，讓學生能真正學習到正確的科 學知識是重要的。
第參章 研究方法與設計
本章包括五節，第一節說明研究方法，第二節說明研究樣本，第三節說明研究工具與 設計，第四節說明研究流程，第五節說明資料分析與處理。茲分述如下：第一節 研究方法與架構
一、研究方法 本研究以問卷調查法為主，用以探討教育大學學生對「大氣壓力、表面張力」的先備 知識，再依其先備知識探討與科學解釋能力的關連性為何。本研究依據力的概念圖及相關 研究中的大氣壓力與表面張力的試題，發展大學生選擇題的問卷，問卷的文字敘述儘量以 淺顯易懂的文字呈現。發展紙筆測驗工具包括有關大氣壓力、表面張力之「概念調查(先 備知識)」，以及「實驗的調查（S-POE 之二階段測驗）」。 二、研究架構 學科背景 1.理工背景 2.非理工背景 先備知識 解釋能力 自變項 依變項 共變項 單因子共變數分析 t-test 皮爾森積差相關 圖 3-1-1 研究架構圖第二節 研究樣本
研究樣本分為初試樣本及正式研究用樣本,初試樣本的施測結果將作為設計正式樣本 的參考。 一、初試研究用的樣本 本研究階段，以方便取樣的方式，在台中教育大學中選取理工背景（28 人）及非理 工背景（42 人）各一班進行初試,以「大氣壓力、表面張力之概念調查」及「大氣壓力、 表面張力之問卷（以實驗的方式呈現）調查」進行測驗。 二、正式研究樣本 正式研究樣本將涵括全國教育大學(含嘉義大學、台南大學、台東大學)之學生，以系 統取樣的方式，在各教育大學中抽取理工學系與非理工學系各一班，研究樣本估計共 694 人，期望對大學生之科學概念有更深入的瞭解。第三節 研究工具與設計
本研究屬於量性研究，研究工具以問卷為主，本研究中研究者將發展大氣壓力、表面 張力之「概念調查(先備知識)」，以及「實驗的調查」(雙層試題)兩項問卷工具。以下就 工具的發展內容分述如下： ㄧ、大氣壓力、表面張力之概念調查。 1.設計原則 以「大氣壓力」與「表面張力」二項科學概念為主，研究者於設計問卷前先行收集文 獻資料，擬以選擇題的方式設計，問卷的編制取材自文獻的探討與概念圖的分項主題(圖 3-3-1)，並建立雙向細目表(表 3-3-1、表 3-3-2)，以確保內容效度。表 3-3-1 雙向細目表（初試） 認知層次 題號 內容 記憶 理解 應用 大氣壓力基本概念 1、5 3、4 2 大氣壓力的方向與大小 6 7、10 8、9、11 大氣壓力與大氣重量的關係 13 12 14、20、22 大氣 壓力 靜止液體的壓力 15 18、19、21 16、17 表面張力基本概念 23、24 25、26 27 表面 張力 毛細作用 29 28 2.初試修改過程 問卷初稿設計完成將經過專家效度 3 位（表 3-3-4），及 Alpha 信度的考驗後，將對 台中教育大學學生（理工背景及非理工背景各一班）進行「大氣壓力、表面張力之科學概 念成就測驗」初試之後，將問卷的答案輸入 SPSS 軟體進行信度分析，得 Cronbach α值 為 .558，過程中徵詢指導教授的意見且與不影響概念圖分項主題的情況下刪除第 1、8、 14、17 四題，刪除後「大氣壓力、表面張力之科學概念成就測驗」的 Cronbach α為 .649， 因此正式施測時將刪除第 1、8、14、17 四題，修正成為完成稿，表 3-3-3 為完成稿的雙 項細目表，接著將修改後的問卷於全國教育大學進行施測。同時將「大氣壓力、表面張力 之實驗的調查」一同於全國教育大學進行施測。 表 3-3-2 雙向細目表（定稿） 認知層次 題號 內容 記憶 理解 應用 大氣壓力基本概念 4 2、3 1 大氣壓力的方向與大小 5 6、8 7、9 大氣壓力與大氣重量的關係 11 10 16、18 大氣 壓力 靜止液體的壓力 12 14、15、17 13 表面張力基本概念 19、20 21、22 23 表面 張力 毛細作用 24 25
表 3-3-3 專家效度的 3 位專家背景 甲 乙 丙 職稱 教 授 副 教 授 助理教授 學歷 交 通 大 學 應 用 化 學 研 究 所 碩 士 台 灣 師 大 科 學 教 育 博 士 國 立 中 山 大 學 化 學 研 究 所 理 學 博 士 國 立 成 功 大 學 物 理 研 究 所 博 士 專長 有 機 化 學 科 學 教 育 化 學 物理學 目前任教於 台中教育大學科學 應用與推廣學系 台中教育大學科學 應用與推廣學系 台中教育大學科學應用與 推廣學系 二、S-POE 之實驗調查（二階段測驗） 1.S－POE 測驗（二階段測驗）發展過程 本研究引劉月智（2007）「大學生之科學解釋及解釋融貫性的研究─以大氣壓力與表 面張力為例」的晤談資料為整理歸納之研究結果，將其發展為紙筆測驗。測驗中的「預測」 與「解釋」部分採用二階段試題(two-tiers)的方式設計而成，試題中的選項將由劉月智 （2007）研究的晤談結果中分析歸納而成，過程中將發展試題檢核表（表 3-3-4），交叉比 對 S-POE 問卷之選項，以確定試題能涵蓋學生的可能反應。發展過程並經過專家建立專家 效度（表 3-3-3），並再進行修訂的程序而成為正式的測驗。
表 3-3-4 大氣壓力與表面張力之實驗的調查試題檢核表 先前研究 雙層試題題號 預測 解釋 學生判斷依據 理工背景 人數（％） 非理工 背景人數 （％） 預測 解釋 理工 非理工 理工 非理工 大氣壓力與水 壓的關係 12 （60.0） 5 （25.0） 1-4、2-1 3-2、4-4 5-4 1-4、2-1 3-2、4-4 5-4 210 （54.7） 142 （45.8） 142 （37.0） 136 （43.9） 提及大氣壓力 的大小 8 （40.0） 2 （10.0） 4-2 2-3、4-2 5-5、 180 （46.9） 113 （36.5） 150 （39.1） 148 （47.7） 大 氣 壓 力 大氣壓力能支 撐水的重量 11 （55.0） 2 （10.0） 1-3、5-3 1-3、5-3 271 （70.6） 103 （33.2） 253 （65.9） 193 （62.3） 水壓會產生改 變 9 （45.0） 5 （25.0） 5-2 3-4 21 （5.5） 20 （6.5） 313 （81.5） 228 （73.5） 水 壓 與 壓 力 杯中壓力不平 衡 5 （25.0） 7 （35.0） 4-3 4-3 77 （20.1） 87 （28.1） 64 （16.7） 95 （30.7） 只提及水的表 面張力 16 （80.0） 2 （10.0） 1-1、2-3 2-6、3-1 3-3、4-1 4-6、5-3 1-1、2-6 3-1、4-1 5-3、4-6 302 （78.6） 237 （76.5） 345 （89.8） 225 （72.6） 提及水的張力 7 （35.0） 5 （25.0） 3-3 1-6 37 （9.6） 27 （8.7） 6 （1.6） 8 （2.6） 表 面 張 力 提及表面張力 消失或被破壞 5 （25.0） 4 （20.0） 2-3、3-4 5-5 3-4、3-5 310 （80.7） 239 （77.1） 341 （88.8） 271 （87.9） 提及水的吸附 力 5 （25.0） 5 （25.0） 5-6 2-4、5-6 61 （15.9） 22 （7.1） 58 （15.1） 37 （11.9） 提及毛細現象 5 （25.0） 1 （5.0） 2-2 5-2 63 （16.4） 52 （16.8） 89 （23.2） 45 （14.5） 水將塑膠片吸 住 1 （5.0） 10 （50.0） 1-2 1-2 49 （12.8） 41 （13.2） 49 （12.8） 53 （17.1） 其 他 地心引力使水 流出 1 （5.0） 6 （30.0） 1-6、2-4 4-5 3-3 40 （10.4） 25 （8.1） 10 （2.6） 10 （3.2）
紗網有洞 12 （60.0） 15 （75.0） 2-7 － 65 （16.9） 71 （22.9） - - 空氣進入杯內 6 （30.0） 9 （45.0） 2-5、3-5 3-5、4-5 77 （20.1） 62 （20） 50 （13.0） 61 （19.7） 其 他 空氣未進入杯 內或管中 2 （10.0） 4 （20.0） 1-5、5-1 1-5、2-5 2-6、5-1 101 （26.3） 134 （43.2） 285 （74.2） 227 （73.2） 註：先前研究為劉月智（2007）晤談結果。 2.S－POE 測驗（二階段測驗）的設計原則 測驗目的是要偵測出學生的學習困難、先存概念、另有概念或迷思概念等。試題的結 構分為兩層： 第一層為選擇題，有 2 個選項。 第二層為敘述選題，要求學生從中選擇合乎其想法的理由敘述。
Treagust（1988）提及實施二階段選擇題診斷工具（two-tier multiple choice diagnostic instrument）實施的過程方便，也能有效診斷出學生的迷思概念，尤其對大樣本的施測都 相當有效，其結果也能應用在教師的教學上。本研究的二階段測驗設計原則為： （1）每一題的預測及解釋選項具有含攝性，亦即所有答案選項能包括所 有學生的晤談結果。 （2）每ㄧ個答案選項只具有一個概念。 （3）每ㄧ個選項具有區別性，避免概念上的重疊。 （4）設計問卷時持續與晤談結果做比對。 3.S-POE 之實驗活動的流程 本實驗活動將有五個實驗連貫起來，除了第一個實驗活動之外，其他每ㄧ個實驗活動 都會改變一個變因，以下將五個實驗的內容及改變的變因列於表 3-3-5，S-POE 的實驗設 計圖、實驗問題及科學解釋列於表 3-3-6：
表 3-3-5 S-POE 的實驗內容及改變變因 實驗一 實驗二 實驗三 實驗四 實驗五 內 容 與大氣壓力有 關的簡易實驗。 與表面張力有 關的實驗 與表面張力有 關的實驗 與大氣壓力、 表面張力有關 的實驗。 與大氣壓力、 表面張力有關 的實驗。 改 變 變 因 無 將塑膠片蓋成 紗網 將杯子傾斜， 使其有角度 將杯子鑽一個 洞，使杯子非 密閉空間 將塑膠杯改成 吸管 目 的 了解學生對於大 氣壓力的基本認 知能力。 了解學生對於這四個實驗的了解程度，以及了解學生對於改變 變因後，學生如何進行預測、解釋？ 表 3-3-6 S-POE 的實驗設計圖與科學解釋 S-POE 實驗設計 問 題 科學解釋 實驗一 將杯子放入水中，再以薄的 塑膠片壓在杯口，一起將杯 子拿出水面。將手移開後， 你認為杯子中的水會不會流 出來？請解釋原因。（註：杯 子中的水不會流出來） 大氣壓力支 撐了塑膠片 與水的重 量。 實驗二 紗網 同實驗一的實驗過程，但是 將塑膠片換成紗網(玻璃窗 用的)蓋住杯口，你認為杯子 中的水會不會流出來？請解 釋原因。（註：杯子中的水不 會流出來） 因為水的表 面張力使紗 網的作用如 同上一題的 塑膠片，避 免空氣進入 杯子。 塑膠片
實驗三 接續實驗二（將紗網蓋住杯 口，杯子中的水不會流出 來），此時如果將杯子略為傾 斜，杯子中的水會不會流出 來？請解釋原因。（註：水會 流出來） 傾斜後，表 面張力因水 壓的差異而 被破壞（右 側底部壓力 較大）。 實驗四 在實驗二將紗網蓋住杯口， 杯子中的水不會流出來，此 時如果將杯子挖個洞，杯子 中的水會不會流出來？請解 釋原因。（註：水會流出來） 杯子內外之 大氣壓力平 衡，表面張 力不足以支 撐水的重 量。 實驗五 吸管 在實驗三將杯子略為傾斜， 杯子中的水會流出來，此時 若將塑膠杯改成吸管（不再 有紗網），將吸管傾斜後，吸 管中的水會不會流出來？請 解釋原因。（註：水不會流出 來） 因為大氣壓 力支撐著水 的重量，並 且吸管的口 徑小，水的 表面張力可 以避免空氣 進入。 上述五個實驗即為 S-POE 問卷中的五個實驗，問卷中首先會先一個一個實驗的揭示，第一 步是預測，先學生問題並要學生選擇認為是對的原因，接著再揭示實驗結果，壆生知道實 驗結果後，再進行解釋的部份，其解釋的選項是參考劉月智（2007）「大學生之科學解釋 及解釋融貫性的研究─以大氣壓力與表面張力為例」的晤談資料結果而成。 挖洞
第四節 研究程序
研究的主要流程如下圖 3-4-1： 文獻探討 擬定科學概 念成就測驗 擬定雙層試題 （S-POE 測驗） 專家審查（三位） 修訂 預試 信度分析 再次修訂 正式施測 施測結果分析 第一年研究結果 整理為命題陳述 研 究 小 組 討 論 圖 3-4-1 研究流程第五節 資料分析與處理
本研究採取量性研究法的資料分析與處理，將發展出來的問卷以郵寄的方式寄送到各 個協助進行施測的教授，寄送的資料中將詳細說明：學生填答時應注意的事項，如學校、 班級、座號、填寫「S-POE 問卷」時翻頁後不得再往前翻頁回來修改答案、每一題皆要作 答等……資料回收後，首先須進行逐份檢查，刪除無效問卷，如空白太多、答案具有規律 性、只做「S-POE 問卷」中的預測部分或解釋部份的問卷等……。 量性研究法蒐集到的資料量是相當龐大的，所以要進行資料分析前，須將資料先進行 分類。因此問卷資料回收後，將依據問卷上的資料進行編碼，將學校、班級、座號等條件 進行編碼，研究者將資料檢查無誤後便鍵入電腦，使用 SSPS 系統軟體，以有系統的方式， 進行事後的統計分析。 一、 研究問題的資料分析與處理 1.教育大學學生中理工背景與非理工背景對於「大氣壓力」與「表面張力」有關的自 然現象的先備知識是否有顯著差異？將資料進行總分、描述性統 計及 t-test。 2.教育大學學生中理工背景與非理工背景學生的「先備知識」與其「科學解釋能力」 的關連性為何？將以皮爾森積差相關進行分析。 3.去除「先備知識」的影響後，理工背景與非理工背景學生在「科學解釋」是否有何 差異？將以「先備知識」為共變項，「學科背景」為自變項，以「科學解釋」為依 變項，進行單因子共變數分析。第肆章 結果與討論
本章依據第參章的研究方法與設計，利用大氣壓力、表面張力之「概念調查(先備知 識)」及「實驗調查（S-POE 測驗）」等工具蒐集＂量的資料＂，並針對所蒐集的資料進行 分析，用以檢驗本研究第壹章第二節所提出的研究目的與問題。 茲將研究結果分成四個部分加以分析與討論。第一節就研究樣本作描述；第二節說明 教育大學學生在「大氣壓力與表面張力」的概念測驗分析與解釋能力關連性分析；第三節 說明教育大學學生在「大氣壓力與表面張力」之科學解釋能力分析；第四節使用單因子共 變數分析對理工背景與非理工背景學生在「科學解釋能力」有何差異進行探討。第一節 樣本描述
本研究問卷總共回收 837 份，剔除無效問卷 143 份，得到有效問卷 694 份，佔全部受 式樣本之 82.92％。茲將回收之有效問卷 694 份進行資料分析，所得的統計結果分項敘述 說明如下： ㄧ、性別 研究樣本中男生有 318 人（45.82％）、女生有 376 人（54.17％），詳細說明如表 4-1-1 所示。 二、理工與非理工背景 研究樣本中理工背景有 384 人（55.33％）、非理工背景 310 人（44.67％），詳細說明 如表 4-1-2 所示。表 4-1-1 研究樣本之性別資料分配表 學校 男生人數（％） 女生人數（％） 總人數（％） 新竹教育大學 25（ 7.86） 38（10.11） 63（ 9.01） 嘉義大學 40（12.58） 51（13.56） 91（13.11） 屏東教育大學 67（21.07） 50（13.30） 117（16.86） 臺中教育大學 7（ 2.20） 27（ 7.18） 34（ 4.90） 花蓮教育大學 71（22.33） 89（23.67） 160（23.05） 臺東教育大學 50（15.72） 39（10.37） 89（12.82） 國立臺北教育大學 45（14.16） 56（14.89） 101（14.55） 臺南大學 13（ 4.09） 26（ 6.91） 39（ 5.60） 合計 318 376 694 表 4-1-2 研究樣本之理工與非理工背景資料分配表 學校 理工人數（％） 非理工人數（％） 總人數（％） 新竹教育大學 27（ 7.03） 36（11.61） 63（ 9.01） 嘉義大學 90（23.44） 1（ 0.32） 91（13.11） 屏東教育大學 53（13.80） 64（20.65） 117（16.86） 臺中教育大學 13（ 3.39） 21（ 6.77） 34（ 4.90） 花蓮教育大學 69（17.97） 91（29.35） 160（23.05） 臺東教育大學 48（12.50） 41（13.23） 89（12.82） 國立臺北教育大學 73（19.01） 28（ 9.03） 101（14.55） 臺南大學 11（ 2.86） 28（ 9.03） 39（ 5.60） 合計 384 310 694
