第三章研究方法與工具

(1)

第三章研究方法與工具

本研究主要目的在探討學生的「認知結構」。藉由比較認知結構的「觀察維度」與「綜合運用能力」(也就是段考成績

¹

)之間的關係，來驗證研究者所提出認知結構之觀測量是否可以地反映出學生之「認知結構」。本章將就本研究的研究流程、研究範圍與限制、研究工具等三節來分別說明。

1

在第一章裡，我們已經假設把「段考成績」當作「綜合運用能力」的整體表現。

(2)

第一節研究流程

本研究的流程設計、規劃情形如圖 3-1 所示：

研究流程說明

確立研究目的與探討問題 ‧ 確立本研究的目的在於探討學生的認知結構與其運作能力之間的關係。

擬定變因與觀測量 ‧經由文獻探討啟發，綜合出認知結構的五大面向，並由其中選取廣博度、精確度和概念組成結構為觀測量來進行研究。

設計研究工具 ‧決定以問題卷方式進行研究。反覆研擬、修改進行問題卷的設計，以期能夠有效藉由上述三觀測量偵測學生的認知結構。

結論與建議 ‧依據結果與討論，提出結論與建議。

選取受試者，進行偵測卷研究 ‧尋找願意提供受試學生的班級。研究者親自到班上進行偵測卷填寫，並且當場回收。

資料分析與討論 ‧依據三個觀測量的設計理念分析學生之作答內

容，並加以分析。而後提出本研究之結果並予

以討論。

(3)

第二節研究對象與限制

由於各種因素的影響，本研究之對象與範圍均存在一些限制。本節將說明本研究之「研究對象」與「研究限制」。

一、研究對象

本研究之研究對象為台北市某公立高級中學一年級尚未經過分組之

「普通班」的學生。由於該高中在台北市屬於前段學校，學生素質堪稱平均，並對於物理知識具有一定的認識與水準。在研究者進行研究之班級當中，一班為男女合班，一班則為女生班，共計兩班人數 84 人，男生 17 人，

女生 67 人。綜合上述，研究者認為本研究之研究對象對於本研究而言，

程度適中，具有一定程度的可信度。

二、研究限制

本研究基於人力、時間等因素的影響，主要研究限制如下：

(一) 爲配合研究者選定之高中的物理科教學進度，研究者以高級中學「基礎物理」課程中的「熱學」單元為材料，來探討學生的認知結構。

(二) 本研究假設以「段考成績」當作整體「問題解決能力」的指標，藉由

(4)

本研究僅探討學生所具備之認知結構，就其特徵與性質加以描述之，

並不對於其認知結構進行好壞的評論與評價。

(三) 雖說探測「認知結構」所指用的工具(detector)並無侷限於某一特定方法，以能夠測出研究者所選定之維度為原則。但一方面因為人力、時間之緣故，一方面由於熱學單元之概念主要為「陳述性知識」居多，

故研究者所選取之觀察維度與所用之測量方法主要針對陳述型知識而設計，而較無顧及到「程序性知識」此方面。故若推論到其它學科或不同學習單元則有其限制之處。此外，研究者所選取之三個「維度」

亦有所不足，「認知結構」絕不止於這三個維度，惟對於「供研究者體驗『觀察維度』對於瞭解與探討『認知結構』的功用」仍具有不小的幫助。

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第三節研究工具設計

為探討「認知結構」與其「運用能力」之間的關係，嚴格來說，本研究之研究工具有二。一為「認知結構偵測卷」，另一則為「學習成就之評量卷」。在本研究中，研究者直接以「學校段考成績」作為「運用能力」

之指標，而「學習成就評量卷」即為「學校段考成績測驗卷」。故「認知結構偵測卷」為本研究最重要也是唯一的工具。偵測卷內容是以以高中「基礎物理」之熱學單元為材料，並依據研究者所擬之三個「維度」為觀測量設計出一份與「熱學」內容有關之偵測卷，以期能夠有效觀測此三個觀測量。

本節分為兩個部分，第一部分介紹工具的內容。本偵測卷共分為五大題，每題細分為數個小題。以下分別就「廣博度」、「精確度」和「概念組成結構」(以下簡稱「組成結構」)三個部分，以較為有系統的方式來介紹此份題目券。第二部分則是說明此工具的可信度與有效程度，研究者藉由多方面的考量來增加整份偵測卷的信度與效度。

一、工具內容介紹

(一)廣博度

偵測卷裡第一題「聯想遊戲」主要即是探測學生對於某些概念之「廣

博度」。根據研究者將「廣博度」定義為「概念所涵蓋意義多寡、延伸之

範圍與其所能扮演不同角色」，也可說是概念的“活性＂。我們認為若對

(6)

概念產生聯想，並且具有較高的靈活運用程度。相反地，若「廣博度」低，

則很難與其它概念作聯想，也較不靈活。故我們藉由聯想的方式來探討此維度。

1.第一題內容摘要、設計理念與計分方式 (1)題目內容摘要

一、聯想遊戲

我們現在來進行一個小遊戲，請看下面的例子：

1.看到「溫度」這個單字。

2.把你立即聯想到的詞寫下來，並且依照順序編號。

(愈多愈好)

溫度

3.擴大聯想圈：把剛才的圖，往外發展。

例如看了「速度→速率」你聯想到「方向」、或…

例如看了「速度→加速度」你聯想到「馬力」、「牛頓運動定律」、或…

(愈多愈好)

速度 3.球速

2.加速度

4.車速

5.時速表

1.速率

方向

馬力

牛頓運動定律

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(2)題目設計理念

這個題目主要的構想就是經由「聯想」的方式來評估學生對於某些單一概念的「廣博度」。研究者在現場進行施測時，給予學生時間上的限制，

第一次聯想限制三分鐘，第二次的聯想也是三分鐘

²

。限制時間的目的一方面是課堂時間有限，還有許多其它題目要做，另一方面若無限制讓學生隨意聯想，很有可能出現天馬行空的答案而失去原本的意義。

除了給予時間上的限制之外，其餘讓學生進行自由的聯想，並無刻意限定要與科學概念做聯結。此外，我們再讓學生進行第二階段的聯想，第二階段的聯想是基於中心概念加上第一圈的概念再延伸聯想。研究者認為進行此種聯想可進一步顯示學生對於此概念的靈活運用程度，故綜合兩階段的聯想測驗，我們可以評估學生對此概念的「廣博度」。

第一題相對於整份偵測卷來說，是較為特別的一個題目。此份偵測卷所有題目都是以偵測單一個維度為主，例如第二大題是偵測「精確度」，

第三題到第五題是偵測「組成結構」。惟獨第一題除了「廣博度」的偵測之外，還牽涉到「組成結構」的“聯結強度＂這個部分。也就是當學生進行聯想的先後順序是與“聯結強度＂有關，這部分的得分將會計算到「組成結構」當中。

2

經由標明順序，可看出在學生心中這些概念分別與「溫度」此概念的「聯結強度」，「聯

結強度」被研究者歸類於「組成結構」中，並不屬於「廣博度」。故嚴格來說，「第一

題」測量到一部分的「概念組成結構」。

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(3)計分方式

第一題對於「廣博度」的計分方式如表 3-1 所示：

對於「組成結構」中的“聯結強度＂計分方式則需要多加說明。研究者由學生所給予每個概念的「編號」可以判斷其聯結的強弱之分。方便起見，前 3 個詞若出現「與第三題到第五題內容相關的概念」，均給予 2 分。

第 4 到第 6 個則給予 1 分。強調「與第三題到第五題內容相關的概念」的理由在於我們想探討的是在「熱單元」中各個概念之間的聯結強弱情況，

故超過此範圍的其它聯結我們將放棄不予計分。而從第 7 個開始，研究者認為聯結強度太弱而不予給分。此外，對於第二圈的概念則沒有編號順序的問題，但相較於第一圈，是屬於較弱的聯結。故只要有「與第三題到第五題內容相關的概念」，均給予 1 分。計分方式整理如表 3-2。

2 2 評分依據得分第一圈，每個概念(無限制) 第二圈，每個與第一圈聯結

產生之概念若具有邏輯性並且合理，

則給分

表 3-1 「廣博度」計分方式

(9)

(二)精確度

「精確度」是指概念的「核心意義」或「典範意義」。有的物理概念有精確的「操作型定義」可供參考，而有的物理概念牽涉較廣，不容易定義其「操作型定義」。此外，高中學生尚未學習這麼深入的內容，所以研究者採用多樣化的題型(包括是非題、選擇題和申論說明)來設計一連串的題目讓學生作答，而不直接要求學生對此概念之「核心意義」做回應。

1.第二題內容摘要、設計理念與計分方式 (1)題目內容摘要

二、以下有一些對「溫度」、「熱量」、「比熱」的看法，想聽聽你的意見。

溫度(同意 O，不同意 X)

( ) 1.「溫度」是冷熱程度的度量。

( ) 7.當 A 與 B「溫度」一樣，B 與 C「溫度」一樣，則 A 和 C「溫度」會：

(a)不一樣 (b)一樣 (c)沒辦法判斷評分依據

第一圈，依據學生編號，前 3 個中若出現與三、四、五大題內容有關之概念，每個得 2 分；

第 4~6 中若出現與三、四、五大題內容有關之概念，每個得 1 分。其餘不給分。

第二圈，不論順序，每個與第一圈聯結產生之概念若與三、四、五大題內容有關，給 1 分。

表 3-2 「聯結強度」計分方式

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熱(heat) (同意 O，不同意 X) ( ) 1.熱的計量單位是：

(a)焦耳(Joule) (b)卡(cal) (c)兩者都是

( ) 2.「熱」具有自動從溫度高處往溫度低處傳遞的傾向。

4.一位同學問：「這杯水裡含有多少熱量？」，你覺得這個問題有確定的答案嗎？說說你的想法。

比熱(同意 O，不同意 X)

( ) 1.比熱是物質的一種特性，與該物質的質量多少無關。

100 克的鐵和 1 克的鐵，比熱都一樣。寫下你的理由：

2.請寫下「比熱」的單位：__________ 。並且說明一下你為什麼這樣寫：

(2)題目設計理念

偵測卷裡的第二大題是對於「精確度」的探測。在這個題目裡，研究者主要擬用「是非題」的方式來探測學生對於在基礎物理之熱學單元中幾個主要概念瞭解的精確程度，也就是「精確度」。這些題目是根據「溫度」、

「熱量」、「比熱」這三個概念在物理學上的精確定義加以斟酌設計，並且以簡單明瞭、避免語意不詳和概念正確為原則來出題。

但有些概念若僅用「對」與「錯」這樣的二分法並不足以判定學生對

此概念之瞭解程度。故針對某些題目設計類似「概念和原理的陳述」之方

式，讓學生進一歩表達對此概念的看法。此做法是為了避免「是非題」以

較為武斷的二分法來區別學生對此概念的理解情況，以幫助研究者瞭解學

生在作答背後的想法為何，進而判斷其對於此概念瞭解是否精確。

(11)

Anderson 和 Smith(1986)指出，若使用的測驗方式是需要涉及推理及詮釋時，建議可以使用以下他們所發展出來的計分方式(表 3-3)。此計分方式稱為「命題分數」 (Proposition Scores)，用以統計學生概念正確或錯誤的程度。其中正分分數愈高，則代表概念正確度越高；負分分數愈高，則代表概念錯誤愈高。

研究者將藉由上述評分方式的啟發來設計此偵測卷所有這類型題目的計分方式與標準(見表 3-4)。對於「精確度」的計分方式以第二大題中的

「熱」(heat)之第 4 題為例：

4.一位同學問：「這杯水裡含有多少熱量？」，你覺得這個問題有確定的答案嗎？說說你的想法。滿分 3

表 3-3 Anderson 和 Smith 建議「命題分數」評分方式給分學生答案與理由

+2 +1 0 -1 -2

答案與理由相符

答案與理由大致上相符，但是推理過程有瑕疵沒有想法

答案與理由不合科學知識，但具有邏輯性答案與理由出現明顯矛盾

註：改寫自 Anderson & Smith(1986)

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(三)概念組成結構

偵測卷裡的最後三個大題(也就是三、四、五題)探測的是認知結構的

「組成結構」此一維度。這三大題希望測量學生對於熱單元知識所具有的結構情況

³

。這三個題目主要涵蓋「熱力學第零定律」、「熱力學第一定律」、

「熱力學第二定律」以及「

ΔH =s⋅m⋅ΔT

」這個公式。

基於在文獻中研究者對於認知結構所歸結的看法，認為學習者是藉由將各種概念以一種具有某種「聯結關係」的結構形式來進行對於某件事物

得分作答類型沒有有 1

0 A1 「一系統具有多少“熱＂(heat)」這樣的敘述是沒有意義的 A2 “熱＂(heat)是藉由具有溫度差而傳遞的能量

B1 「沒有溫度變化，無法測量熱量」相關敘述 B2 使用「ΔH = s

^˙

m

^˙

ΔT」公式來解釋

C 其它 +2

+2 +1 +1 0

表 3-4 「精確度」計分方式

註：「作答類型」中的 A 表示得分最高的類型，B 次之，C 則是完全不予給分。

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完整的結構型態。此外，我們還發現，生活週遭的許多事物與物理定律有著相同或類似的結構，許多的事情都有「異曲同工」之妙。故可藉由一些生活事例與物理定律之間的「類比」或「對比」來推估學生心中概念間的

「結構程度」。據此，此部分的題目採用大量的「類比題型」讓學生進行反覆的演練，以供研究者研判其心中是否具有我們所假定的結構型態。以下分別說明三個題目所要測的「組成結構」。

1.第三題內容摘要、設計理念與計分方式 (1)題目內容摘要

三、熱平衡 1.摸水事件

(a)從一大桶水裡面舀出一小杯水，你認為這杯水的溫度和這桶水的溫度一樣嗎？你爲什麼會這樣判斷呢？說說看你的理由。

(b)現在用手去摸這杯水，發現感覺不冷也不熱，那你認為「小杯水」、「大桶水」

和「自己的手」這三者的溫度一樣嗎？說說你的想法。

2.「熱力學」裡面有一個定律叫做「熱力學第零定律」。

這個定律是這樣說的：

你覺得這個定律與第一題有相關嗎？說說看你的想法。

3. 在河西走廊上有個月牙泉，隔了一個沙丘又冒出一個小池子，它們在地下(沙地)有水的連通。

當甲和乙的溫度一樣，而且乙和丙的溫度一樣時，甲和丙的溫度一定也一樣。

小池

沙丘

月牙泉

3 公尺

(14)

(a)小明說：「小池」與「月牙泉」的水位高度應一樣，你同意嗎？爲什麼？

(b)若有一駱駝隊在附近往沙地下挖了 3 公尺，發現了泉水。這沙地比月牙泉的水面高出多少？

(c)你認為「摸水事件」、「熱力學第零定律」和「泉水問題」三者之間有什麼相似之處？說說你的想法。

(2)題目設計理念

這個題目探討的是「熱力學第零定律」這個概念。此概念的結構如式 3.1：

(A=B)&(B =C)⇒(A=C)

(3.1)

以「熱力學第零定律」來說，A、B、C 分別是三個物體(系統)的溫度，用文字敘述則是：

除了「熱力學第零定律」之外，日常生活當中還有一些物理現象具有這樣的關係。例如「水位」相等的問題，就具有類似的結構：

我們藉由「類比」的方式，請學生作答並說出這些現象彼此具有哪些相似之處，進而瞭解其心中是否具備這樣的結構。

當甲和乙的溫度一樣，而且乙和丙的溫度一樣時，甲和丙的溫度也會一樣。

當 A 和 B 的水位相同，而且 B 和 C 的水位相同時，A 和 C 的水位也會相同。

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重點，這三個元素之間的「組合關係」才是問題的關鍵所在。故利用數個小題讓學生進行類比、作答，藉由回答的「完整與否」來判斷其概念的「結構程度」。

(3)計分方式

以第 3 題的(b)小題為例說明計分方式(見表 3-5)：

(b)我們發現，圖中的「液態氮」有“沸騰＂的現象！

爲什麼會這樣呢？說說你的想法。滿分 3

乾冰

液態氮

得分作答類型

A1 說明完整且合乎物理事實

B1 提及「有熱量(heat)流入液態氮…」

B2 提及「乾冰溫度>液態氮溫度，…」

B3 兩者平衡之溫度>液態氮的沸點 C 其它

3 2 2 2 0

表 3-5 「概念組成結構」評分範例 1

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2.第四題內容摘要、設計理念與計分方式 (1)題目內容摘要

四、冷與熱

1.有兩個小池塘，連上了「水管」，猜一猜它們之間的水位會發生什麼變化？你根據什麼理由這樣推測？ (可以用畫圖或敘述的方法表達你的想法)

2.「熱力學」裡面還有一個定律叫做「熱力學第二定律」，這個定律主要是這個意思：

‧你認為這個定律跟上一題有什麼類似的地方？

(2)題目設計理念

此題是探討「熱力學第二定律」的「組成結構」。「熱力學第二定律」

這個名詞似乎並未出現在現行高中「基礎物理」的課文當中

⁴

，大多是藉由一段文字的陳述介紹熱(heat)具有「自動由高溫處往低溫度處傳遞」這樣的特性來表達這個定律的內涵。或許有學生甚至沒有聽過「熱力學第二定律」

這個物理定律。為了使學生作答不用花費太多力氣，研究者在設計題目時刻意直接清楚、明白地列出「熱力學第二定律」的一段說明，並且予以框

水管

「熱」(heat)總是自動地由「高溫處」往「低溫處」傳遞，

而不會自動由「低溫處」往「高溫處」傳遞。

(17)

格標明。這樣的用意在於，研究者在這部分想要探測的是學生是否具備「結構」，而非評量他們知道哪些「知識」或他們的「記憶力」，故在題目中充分給予學生作答所需要的資訊以排除一些因為「知識多寡」或「記憶力強弱」而產生之影響。

同樣地，在熱力學之外的其它物理現象亦具有類似的結構，「水的流動」即是很好的一個例子。「水」和「熱」一樣會“自動＂由“高處＂往

“低處＂來傳遞，這樣的結構如式 3.2 所示。

會“自動＂由高往低傳遞 (3.2)

可以清楚地看出，除了空格的部分替換成不同的“材料＂之外，其概念間的結構是一模一樣的。我們希望學生能夠掌握的就是這個“結構＂，

而非其中的“材料＂。此大題的前兩小題仍然讓學生進行平行的類比，請

學生寫下他們的想法以供研究者判斷評分(見表 3-6)。第 3 小題則是一個應

用問題，但內容仍與此結構有密切關係。藉由此應用題，研究者可進一步

推估學生對於「熱力學第二定律」結構的掌握程度。

(18)

(3)計分方式

以第 2 小題為例(見表 3-6)：

2.「熱力學」裡面還有一個定律叫做「熱力學第二定律」，這個定律主要是這個意思：

‧你認為這個定律跟上一題有什麼類似的地方？滿分 4

3.第五題內容摘要、設計理念與計分方式 (1)題目內容摘要

五、似曾相似 1. 類比事件

「熱」(heat)總是自動地由「高溫處」往「低溫處」傳遞，

而不會自動由「低溫處」往「高溫處」傳遞。

得分作答類型

A1 可完整寫下「池塘問題」與「熱力學第二定律」的類比關係 A2 類比不完整，但仍描述「熱與水具有“自動＂平衡的現象…」

B1 僅提及「皆具有“平衡＂的現象…」，缺少“自動＂的概念 B2 「高壓」到「低壓」…，缺少“自動”的概念

C 其它 +4

+3 +2 +2 0

表 3-6 「概念組成結構」評分範例 2

(19)

[加熱事件]

(1) 鐵的比熱為 0.1 (每一克，升高 1 C

^o

，需_______卡的熱量) 1.把以上兩個事件中，相關的詞連起來。

2.動動腦

(1)有兩個水槽，之間有一個開關可以控制水的流通。

現在將開關打開(如下圖所示)，則水流到右邊的水槽。

「右邊水槽增加的水量」與「左邊水槽減少的水量」相同。

(2)火爐很燙，沒有辦法用一般的溫度計直接測量它的溫度。

我們打算用「鐵塊」和「一杯冷水」來推測火爐的溫度。

先將鐵塊丟到火爐中一起加熱，過一會兒再從火爐中取出，然後放到冷水裡。

「冷水吸收的熱量」與「鐵塊所流失的熱量」相等。

① 500g 的冷水由 20

^oC

升高到 25 C

^o

，請問水吸收多少熱量？

② 鐵塊現在的溫度為 25 C

^o

，依其喪失的熱量，請問它原本的溫度是多高？

③火爐的溫度多高呢？

(2)題目設計理念

第五大題包含了「ΔH = s

^‧

m

^‧

ΔT」這個公式和簡單的「熱力學第一定律」，故內容較為繁複。首先談「ΔH = s

^‧

m

^‧

ΔT」這個物理公式的「組成

克 c 卡 ⋅o

比熱(s) 質量(m)

升高溫度(ΔT) 獲得熱量(ΔH)

總共要發工資工作天數人數

每日每人工資

左右

(20)

結構」。一般來說，學生在學習此公式時並不覺得太困難。不過若以「比熱」為對象，這個公式則可以這樣寫「s =ΔH / m

^‧

ΔT」。如此一來，似乎就有了兩個公式，但其實由「組成結構」的角度來看，這兩者講的是同樣一件事情，不同之處僅在於數學等式上的邏輯推演。然而學習這個概念，

要點在於 ΔH、ΔT、s、m 這四個物理概念之間的關係與結構。上述兩個數學公式並未清楚表現出這四個概念之間的結構關係。換個方式來說，若學生心中具有此「結構」，即使他沒有看過這兩個公式，他仍然可以處理與解決這方面的問題。很多時候，學習這樣的結構是可以幫助我們輕易的記住許多“物理公式＂。反之，就會以為這是兩件事，需要記憶兩個“公式

“，如此一來就增加了學習上的負擔，也容易遺忘。事實上，甚至是不需要記憶這些公式。若擁有良好的結構，在需要用到的時候，只要稍微進行類比的思考，即可寫出公式，而且這是經過長時間仍不亦遺忘的。

另外，第五題還與「熱力學第一定律」有關係。目前高一的學生並沒有真正學過這個定律(至少課本上沒有提及)，但其實這個定律的概念常被使用，並不困難。「熱力學第一定律」講的其實就是「能量守恆」這件事，

在一些更簡化、理想化的情況當中更可解釋為「熱量守恆」。在高中物理

的題目裡頭，時常用到「熱量守恆」這個概念。故在第二小題中，研究者

就利用「質量守恆」的概念讓學生有一個類比的練習。最後一小題「相加

問題」則是較為次要的題目。這題是讓學生對於「兩種以上不同物體吸收

熱量與溫度上升」這個概念作一個簡單的類比。

(21)

1.把以上兩個事件中，相關的詞連起來。連對一個給 1 分滿分 4

以上所有的「計分標準」為研究者一一評閱所有作答情況而定下的。

但由於偵測卷有著大量「陳述性」的作答，上述所有的計分標準難以涵蓋每一位學生的想法與答案，若出現模糊地帶或計分標準無法判定的答案時，則由研究者作最後的裁決以判定是否給分。

二、工具之效化與信度分析

由於時間、人力限制的關係，此偵測卷無法進行嚴謹的「效度」與「信度」之考驗。但研究者仍注意到這方面的問題。以下分別說明之。

(一)效化過程

研究者主要採用「專家效度」，也就是所謂「內容效度」的方式來提升本偵測卷的有效性。「效度」是指此測驗是否能夠達到測量的目的─即探測到研究者所欲觀測量的程度。在本研究中，此偵測卷欲觀測的就是「廣博度」、「精確度」以及「概念組成結構」三個觀測量。

比熱(s) 質量(m)

升高溫度(ΔT) 獲得熱量(ΔH)

總共要發工資工作天數人數

每日每人工資

(22)

首先，最基本的是務求題目內容在物理概念上準確無誤。因為在「熱學」中有許多目前仍未統一的模糊敘述與用詞存在，故在題目敘述用詞中需要加以斟酌考量，以避免學生在錯誤題目中進行作答的情況。

為增加此份偵測卷的「效度」，研究者與專家(指導教授)進行一個月左右密集的討論與修改。經由不斷地討論、修改，依據研究者心中所欲測之三個觀測量為設計題目背後的中心思想來設計每一個題目。每個題目，甚至於每句話都有其作用與用意。為了使學生能夠順利進行「平行」的類比，

在許多敘述上儘可能以“對稱＂的方式和用語來呈現。另外，在偵測卷大致成型之後，研究者再將偵測卷給予幾位有高中教學經驗的教師閱讀。取得專家以及幾位教師肯定之後，擬成「偵測卷初稿」。在這階段裡，此偵測卷已具備基本的「效度」，可以測量到研究者所想要探測的三個維度。

(二)信度分析

有了基本的「專家效度」之後，則開始考慮到「信度」的部分。信度

是指衡量測驗之測量結果的穩定性或一致性的統計指標。簡單來說，偵測

卷內容本身以外可能影響此份偵測卷之測驗結果的可信程度的外在因素

都屬於「信度」的考量。由於研究對象不是研究者自己的學生，必須仰賴

外校高中老師給予研究者班級進行施測。故如何在一次施測的機會中取得

具有一定可信程度的測驗結果(data)是研究者頗為重視的問題。本偵測卷經

過以下數個程序，希望可有效提高施測結果的信度。

(23)

1.題意清楚，流暢易懂

由於「偵測卷初稿」中的敘述用詞僅限於研究者本身的想法，不一定適合高中學生閱讀與理解。故在初稿擬定之後，隨即著手將偵測卷內容盡量以學生能夠接受、看得懂的敘述加以改寫。待修改到一個段落，研究者將「偵測卷」請兩位高中一年級的家教學生幫忙填寫。而後再詢問他們對於此偵測卷的看法與建議，以供研究者修改之參考。此步驟之目的希望避免偵測卷內容的敘述讓學生讀起來艱澀難懂，能夠達到題意清楚，文字表達流暢並具有良好的傳達能力。

2.作答時間考量

整份題卷需要花多少時間作答是一個很重要的問題。我們知道，試題的數量會影響到測驗的「信度」。雖然一般來說，試題數量愈多，測驗的信度則愈高。由於本研究施測是藉由外校提供施測對象，每個班級僅有一節課(即 50 分鐘)的時間可供測驗，故研究者在時間的控制上需要更為謹慎斟酌與考量。增加試題可以讓學生進行重複的練習與類比，題高達題的正確率，進而得到研究者想要偵測的維度。然而，題目數量若過為繁多，不但一節課的時間不夠用，學生很容易在答題的後半段過程中失去耐心而產生胡亂作答的情況。這是一個兩難的問題，研究者在斟酌之後認為“題目精簡以減低學生答題負擔，維持其耐心完成整份偵測卷＂較為重要。故再度審視整份偵測卷，刪去約 1/3 具有重複性質的題目。此份「精簡版」的題目亦經過家教學生測試，表示作答時間充裕，可以在 50 分鐘內完成。

此階段完成之偵測卷即為最後版本，內容不再修改，如附錄 B 所示。

3.現場氣氛掌控，提高作答意願

雖然偵測卷已經完成，但若想取得具有可信度的測驗結果，現場施測

(24)

好的偵測卷設計固然非常重要，而學生是否願意配合並用心作答寫出心中的想法更是研究者不可忽略的一個環節。為了使受試者願意認真且以愉快的心情進行偵測卷的作答，研究者特別用心準備了多樣化具有實用性的

「小禮物」

⁵

作為報酬。在開始作答之前，研究者對同學說明此份題卷的大

致用途，不會影響到學校物理科成績，並且在結束之後給予小禮物作為回

饋。希望整個流程在愉快、輕鬆的氣氛下進行，以期得到較為用心、經過

思考的作答結果。事後證明，回收之偵測卷中出現胡亂作答或完全不經過

思考(例如每題都回答 O 或 X)的情況極低，可看出學生願意配合且用心作

答的態度。

第三章 研究方法與工具

第三章 研究方法與工具

本研究主要目的在探討學生的「認知結構」 。藉由比較認知結構的「觀 察維度」與「綜合運用能力」(也就是段考成績

)之間的關係，來驗證研究 者所提出認知結構之觀測量是否可以地反映出學生之「認知結構」。本章 將就本研究的研究流程、研究範圍與限制、研究工具等三節來分別說明。

在第一章裡，我們已經假設把「段考成績」當作「綜合運用能力」的整體表現。

第一節 研究流程

本研究的流程設計、規劃情形如圖 3-1 所示：

研究流程 說明

確立研究目的與探討問題 ‧ 確立本研究的目的在於探討學生的認知結 構與其運作能力之間的關係。

相關文獻探討 ‧進行相關文獻蒐集與探討，瞭解認知結構的 意義與探測認知結構的方法。

擬定變因與觀測量 ‧經由文獻探討啟發，綜合出認知結構的五大面 向，並由其中選取廣博度、精確度和概念組成 結構為觀測量來進行研究。

設計研究工具 ‧決定以問題卷方式進行研究。反覆研擬、修改 進行問題卷的設計，以期能夠有效藉由上述三 觀測量偵測學生的認知結構。

結論與建議 ‧依據結果與討論，提出結論與建議。

選取受試者，進行偵測卷研究 ‧尋找願意提供受試學生的班級。研究者親自到 班上進行偵測卷填寫，並且當場回收。

資料分析與討論 ‧依據三個觀測量的設計理念分析學生之作答內

容，並加以分析。而後提出本研究之結果並予

以討論。

第二節 研究對象與限制

由於各種因素的影響，本研究之對象與範圍均存在一些限制。本節將 說明本研究之「研究對象」與「研究限制」 。

一、研究對象

本研究之研究對象為台北市某公立高級中學一年級尚未經過分組之

「普通班」的學生。由於該高中在台北市屬於前段學校，學生素質堪稱平 均，並對於物理知識具有一定的認識與水準。在研究者進行研究之班級當 中，一班為男女合班，一班則為女生班，共計兩班人數 84 人，男生 17 人，

女生 67 人。綜合上述，研究者認為本研究之研究對象對於本研究而言，

程度適中，具有一定程度的可信度。

二、研究限制

本研究基於人力、時間等因素的影響，主要研究限制如下：

(一) 爲配合研究者選定之高中的物理科教學進度，研究者以高級中學「基 礎物理」課程中的「熱學」單元為材料，來探討學生的認知結構。

(二) 本研究假設以「段考成績」當作整體「問題解決能力」的指標，藉由

本研究僅探討學生所具備之認知結構，就其特徵與性質加以描述之，

並不對於其認知結構進行好壞的評論與評價。

(三) 雖說探測「認知結構」所指用的工具(detector)並無侷限於某一特定方 法，以能夠測出研究者所選定之維度為原則。但一方面因為人力、時 間之緣故，一方面由於熱學單元之概念主要為「陳述性知識」居多，

故研究者所選取之觀察維度與所用之測量方法主要針對陳述型知識 而設計，而較無顧及到「程序性知識」此方面。故若推論到其它學科 或不同學習單元則有其限制之處。此外，研究者所選取之三個「維度」

亦有所不足，「認知結構」絕不止於這三個維度，惟對於「供研究者 體驗『觀察維度』對於瞭解與探討『認知結構』的功用」仍具有不小 的幫助。

第三節 研究工具設計

為探討「認知結構」與其「運用能力」之間的關係，嚴格來說，本研 究之研究工具有二。一為「認知結構偵測卷」，另一則為「學習成就之評 量卷」。在本研究中，研究者直接以「學校段考成績」作為「運用能力」

一、工具內容介紹

(一)廣博度

偵測卷裡第一題「聯想遊戲」主要即是探測學生對於某些概念之「廣

博度」。根據研究者將「廣博度」定義為「概念所涵蓋意義多寡、延伸之

範圍與其所能扮演不同角色」，也可說是概念的“活性＂。我們認為若對

概念產生聯想，並且具有較高的靈活運用程度。相反地，若「廣博度」低，

則很難與其它概念作聯想，也較不靈活。故我們藉由聯想的方式來探討此 維度。

1.第一題內容摘要、設計理念與計分方式 (1)題目內容摘要

一、聯想遊戲

我們現在來進行一個小遊戲，請看下面的例子：

1.看到「溫度」這個單字。

2.把你立即聯想到的詞寫下來，並且依照順序編號。

(愈多愈好)

溫度

3.擴大聯想圈：把剛才的圖，往外發展。

例如看了「速度→速率」你聯想到「方向」 、或…

例如看了「速度→加速度」你聯想到「馬力」 、 「牛頓運動定律」 、或…

(愈多愈好)

速度 3.球速

2.加速度

4.車速

5.時速表

1.速率

方向

馬力

牛頓運動定律

(2)題目設計理念

這個題目主要的構想就是經由「聯想」的方式來評估學生對於某些單 一概念的「廣博度」 。研究者在現場進行施測時，給予學生時間上的限制，

第一次聯想限制三分鐘，第二次的聯想也是三分鐘

。限制時間的目的一方 面是課堂時間有限，還有許多其它題目要做，另一方面若無限制讓學生隨 意聯想，很有可能出現天馬行空的答案而失去原本的意義。

第一題相對於整份偵測卷來說，是較為特別的一個題目。此份偵測卷 所有題目都是以偵測單一個維度為主，例如第二大題是偵測「精確度」，

經由標明順序，可看出在學生心中這些概念分別與「溫度」此概念的「聯結強度」 ， 「聯

結強度」被研究者歸類於「組成結構」中，並不屬於「廣博度」。故嚴格來說，「第一

題」測量到一部分的「概念組成結構」 。

(3)計分方式

第一題對於「廣博度」的計分方式如表 3-1 所示：

對於「組成結構」中的“聯結強度＂計分方式則需要多加說明。研究 者由學生所給予每個概念的「編號」可以判斷其聯結的強弱之分。方便起 見，前 3 個詞若出現「與第三題到第五題內容相關的概念」 ，均給予 2 分。

第 4 到第 6 個則給予 1 分。強調「與第三題到第五題內容相關的概念」的 理由在於我們想探討的是在「熱單元」中各個概念之間的聯結強弱情況，

2 2 評分依據 得分 第一圈，每個概念(無限制) 第二圈，每個與第一圈聯結

產生之概念若具有 邏輯性並且合理，

則給分

表 3-1 「廣博度」計分方式

(二)精確度

1.第二題內容摘要、設計理念與計分方式 (1)題目內容摘要

二、以下有一些對「溫度」 、 「熱量」 、 「比熱」的看法，想聽聽你的意見。

第三章研究方法與工具

第三章研究方法與工具

本研究主要目的在探討學生的「認知結構」。藉由比較認知結構的「觀察維度」與「綜合運用能力」(也就是段考成績

)之間的關係，來驗證研究者所提出認知結構之觀測量是否可以地反映出學生之「認知結構」。本章將就本研究的研究流程、研究範圍與限制、研究工具等三節來分別說明。

第一節研究流程

研究流程說明

確立研究目的與探討問題 ‧ 確立本研究的目的在於探討學生的認知結構與其運作能力之間的關係。

相關文獻探討 ‧進行相關文獻蒐集與探討，瞭解認知結構的意義與探測認知結構的方法。

擬定變因與觀測量 ‧經由文獻探討啟發，綜合出認知結構的五大面向，並由其中選取廣博度、精確度和概念組成結構為觀測量來進行研究。

設計研究工具 ‧決定以問題卷方式進行研究。反覆研擬、修改進行問題卷的設計，以期能夠有效藉由上述三觀測量偵測學生的認知結構。

選取受試者，進行偵測卷研究 ‧尋找願意提供受試學生的班級。研究者親自到班上進行偵測卷填寫，並且當場回收。

第二節研究對象與限制

由於各種因素的影響，本研究之對象與範圍均存在一些限制。本節將說明本研究之「研究對象」與「研究限制」。

「普通班」的學生。由於該高中在台北市屬於前段學校，學生素質堪稱平均，並對於物理知識具有一定的認識與水準。在研究者進行研究之班級當中，一班為男女合班，一班則為女生班，共計兩班人數 84 人，男生 17 人，

(一) 爲配合研究者選定之高中的物理科教學進度，研究者以高級中學「基礎物理」課程中的「熱學」單元為材料，來探討學生的認知結構。

(三) 雖說探測「認知結構」所指用的工具(detector)並無侷限於某一特定方法，以能夠測出研究者所選定之維度為原則。但一方面因為人力、時間之緣故，一方面由於熱學單元之概念主要為「陳述性知識」居多，

故研究者所選取之觀察維度與所用之測量方法主要針對陳述型知識而設計，而較無顧及到「程序性知識」此方面。故若推論到其它學科或不同學習單元則有其限制之處。此外，研究者所選取之三個「維度」

亦有所不足，「認知結構」絕不止於這三個維度，惟對於「供研究者體驗『觀察維度』對於瞭解與探討『認知結構』的功用」仍具有不小的幫助。

第三節研究工具設計

為探討「認知結構」與其「運用能力」之間的關係，嚴格來說，本研究之研究工具有二。一為「認知結構偵測卷」，另一則為「學習成就之評量卷」。在本研究中，研究者直接以「學校段考成績」作為「運用能力」

則很難與其它概念作聯想，也較不靈活。故我們藉由聯想的方式來探討此維度。

例如看了「速度→速率」你聯想到「方向」、或…

例如看了「速度→加速度」你聯想到「馬力」、「牛頓運動定律」、或…

這個題目主要的構想就是經由「聯想」的方式來評估學生對於某些單一概念的「廣博度」。研究者在現場進行施測時，給予學生時間上的限制，

。限制時間的目的一方面是課堂時間有限，還有許多其它題目要做，另一方面若無限制讓學生隨意聯想，很有可能出現天馬行空的答案而失去原本的意義。

第一題相對於整份偵測卷來說，是較為特別的一個題目。此份偵測卷所有題目都是以偵測單一個維度為主，例如第二大題是偵測「精確度」，

經由標明順序，可看出在學生心中這些概念分別與「溫度」此概念的「聯結強度」，「聯

題」測量到一部分的「概念組成結構」。

對於「組成結構」中的“聯結強度＂計分方式則需要多加說明。研究者由學生所給予每個概念的「編號」可以判斷其聯結的強弱之分。方便起見，前 3 個詞若出現「與第三題到第五題內容相關的概念」，均給予 2 分。

第 4 到第 6 個則給予 1 分。強調「與第三題到第五題內容相關的概念」的理由在於我們想探討的是在「熱單元」中各個概念之間的聯結強弱情況，

2 2 評分依據得分第一圈，每個概念(無限制) 第二圈，每個與第一圈聯結

產生之概念若具有邏輯性並且合理，

二、以下有一些對「溫度」、「熱量」、「比熱」的看法，想聽聽你的意見。

(a)不一樣 (b)一樣 (c)沒辦法判斷評分依據

第一圈，依據學生編號，前 3 個中若出現與三、四、五大題內容有關之概念，每個得 2 分；

第 4~6 中若出現與三、四、五大題內容有關之概念，每個得 1 分。其餘不給分。

第二圈，不論順序，每個與第一圈聯結產生之概念若與三、四、五大題內容有關，給 1 分。

4.一位同學問：「這杯水裡含有多少熱量？」，你覺得這個問題有確定的答案嗎？說說你的想法。

2.請寫下「比熱」的單位：__________ 。並且說明一下你為什麼這樣寫：

偵測卷裡的第二大題是對於「精確度」的探測。在這個題目裡，研究者主要擬用「是非題」的方式來探測學生對於在基礎物理之熱學單元中幾個主要概念瞭解的精確程度，也就是「精確度」。這些題目是根據「溫度」、

「熱量」、「比熱」這三個概念在物理學上的精確定義加以斟酌設計，並且以簡單明瞭、避免語意不詳和概念正確為原則來出題。

研究者將藉由上述評分方式的啟發來設計此偵測卷所有這類型題目的計分方式與標準(見表 3-4)。對於「精確度」的計分方式以第二大題中的

4.一位同學問：「這杯水裡含有多少熱量？」，你覺得這個問題有確定的答案嗎？說說你的想法。滿分 3

表 3-3 Anderson 和 Smith 建議「命題分數」評分方式給分學生答案與理由

答案與理由大致上相符，但是推理過程有瑕疵沒有想法

答案與理由不合科學知識，但具有邏輯性答案與理由出現明顯矛盾

「組成結構」此一維度。這三大題希望測量學生對於熱單元知識所具有的結構情況

。這三個題目主要涵蓋「熱力學第零定律」、「熱力學第一定律」、

基於在文獻中研究者對於認知結構所歸結的看法，認為學習者是藉由將各種概念以一種具有某種「聯結關係」的結構形式來進行對於某件事物

得分作答類型沒有有 1

註：「作答類型」中的 A 表示得分最高的類型，B 次之，C 則是完全不予給分。

完整的結構型態。此外，我們還發現，生活週遭的許多事物與物理定律有著相同或類似的結構，許多的事情都有「異曲同工」之妙。故可藉由一些生活事例與物理定律之間的「類比」或「對比」來推估學生心中概念間的

「結構程度」。據此，此部分的題目採用大量的「類比題型」讓學生進行反覆的演練，以供研究者研判其心中是否具有我們所假定的結構型態。以下分別說明三個題目所要測的「組成結構」。

(a)從一大桶水裡面舀出一小杯水，你認為這杯水的溫度和這桶水的溫度一樣嗎？你爲什麼會這樣判斷呢？說說看你的理由。