前測 後測 一般教學

前測 後測 一般教學

媒體教學 一般教學

控制組

實驗組

時間 /30~40min/ /1hr /2hr /2hr /30~40min/

活動內容 基礎 系統(1) 系統(2) 預

備 實 驗

第三章 研究方法與步驟

第一節 研究方法

本研究採準實驗研究法，分為實驗組與對照組兩班，自變項為使 用媒體教學與否，依變項為後測成績。

第二節 研究架構

預備實驗中的目的在求取前後測試卷之同質性、內部一致性，以 証明試卷之可信度。

控制組及實驗組之教學實施均以 Microsoft-Office 中

power-point 所制投影片上課，其教材為高中化學， 「原子與分子」章 節；兩組均使用研究者所編制之上課講義(附錄一)。在正式教學之前，

使用前測試卷；上課時數共六小時左右，教學分三主題：基礎原理、

一般判斷分子形狀的方法系統

、以軌域判斷分子形狀系統

；活 動結束後實施後測，構架以圖 3-2-1 示之：

圖 3-2-1 研究實施架構

第三節 研究對象

預試對象為台北市某公立高中三年級學生，已完全學習過相關單 元，共兩班 64 人，有效樣本 59 份。預試對象並在施測前並沒有經過 複習或教學，也無操作媒體，同時接受前後測問卷，以皮爾森相關係 數(Pearson's r)考驗前後測問卷是否為複本；且分別測試前、後測問 卷之內部一致性 Cronbach's α，以此預備實驗之結果提供前後測問 卷之信度。

正式實驗對象為台北市某公立高中二年級學生，學生在第三次段 考已學習過原子軌域、電子組態及元素與週期表等章節；仍未學過共 價鍵、σ或π鍵、VSEPR、分子結構、極性等，在教學活動中兩位教師 教導這些概念後再練習如何判斷分子形狀。

研究者與在職教師協調之後，將四班學生分為兩組，以座號單數 一組，雙數一組，由於施測時間在上學期第三次段考之後，並非正式 上課時間，學生為自由參加，因此實得實驗組 30 人，對照組 36 人。

實驗組教師為研究者本人，而對照組教師為原班化學教師。

第四節 研究流程

本研究從訂定研究目標至撰寫論文，經過擬定計劃、預備實測正 式施測、資料分析四個階段，茲以流程圖描述如圖 3-4-1 所示：

一、擬定計劃

本階段目的是要將研究的方向、主題以及提出的問題，發展並確

定出研究架構和細部的規劃，如：決定研究方法、找尋研究對象，構

思軟體應具備功能。研究者自相關文獻，教育研究法，目前高中課本、

參考書中決定研究方法；同時尋找適當且允許的研究對象；並對多重 表徵、空間能力、媒體理論等文獻中，初步設計軟體應能帶給學習者 何種學習環境。

二、預備實測

研究架構確定後，本階段的主要任務是各研究工具的開發 (1.歐 比托軟體開發， 2.編寫前後測試卷， 3.編寫學習感受問卷)；與評估 (5.預試前後測問卷， 6.評估前後測問卷信效度)；以及解決實驗中的 現實條件的不足，如學生進行實驗的時間，電腦教室所能容納人數，

硬體配備，學生的意願，學校正式公文同意實驗進行等等 (4.與任課 教師、施測學校溝通)。

研究者自行開發各項工具，並對各項研究工具修正，以期各項研 究工具的完備。

三、正式施測

本研究採準實驗研究設計，實驗組與控制組各一班，實驗組教師 即為研究者，控制組教師為原班教師，操縱變因為教學媒體(歐比托) 的使用，而教師在旁輔助說明。整個教學研究所進行的工作包括：教 學前學生學習成就差異性分析、實驗組與控制組的教學、及實驗組的 學習感受問卷調查。

四、資料分析

資料分析的包括實驗組與控制組的前後測成績，實驗組學習後的

問卷調查結果及學生對軟體的意見。並將本研究所得的單項目資料加

以分析整理，提出結論與建議，撰寫成研究報告。

擬定計劃

1.決定研究方法 2.找尋研究對象

3.構思軟體應具備功能

1.歐比托軟體開發 2.編寫前後測試卷 3.編寫學習感受問卷

4.與任課教師、施測學校溝通 5.預試前後測問卷

6.評估前後測問卷信效度

1.準實驗教學設計

實驗組:教學媒體為輔助的上課模式 控制組：教師以 powerpoint 投影片上課。

2.前後測試卷填寫 3.學習感受問卷填寫

1.前後測成績分析 2.感受問卷分析 3.後測問卷分類比較

4.軌域概念與判斷分子形狀的相關性 訂定研究目標

收 集 資 料

、 文 獻

撰寫論文 資料分析 正式施測 預備實測

1.決定研究方向、主題 2.形成問題

提出研究結果與建議

圖 3-4-1 研究設計流程圖

控制組

製作計劃

介面設計

軟體內容設計

決定軟體系統

問題設計 練習題設

組合

程式設計 腳本修訂

腳本撰寫

實際教學

成效評估

第五節 研究工具

本節分三部分介紹研究工具：一、軌域混成軟體「歐比托」 ；二、

前後測問卷；三、實驗組情意問卷。混成軟體「歐比托」以分為三部 分介紹：(一)．軟體開發、(二)．軟體內容介紹、(三)．軟體實際應 用；而前後測問卷介紹其信效度來源為目的。

一、軌域混成軌體—「歐比托」

(一)．軟體開發

實驗組在教導「判斷分子形狀」時主要教學工具為研究者所開 發軟體「歐比托」 ，其開發流程參考(O'Near,1986;洪榮昭，劉明洲，

民 86；楊煥謀，民 87)多媒體設計流程圖如圖 3-5-1 所示：

圖 3-5-1 多媒體設計流程圖

(二)．軟體內容

為研究者自行設計之多媒體，以 FLASH MX 編製完成。檔案大小 11.7 MB，只需至

http://www.macromedia.com/shockwave/download/triggerpages_mm com/flash.html 下載執行檔 Micromedia Flash Player 6.0，即可執

行，除此之外不需其他工具軟體。研究實驗學校之電腦校室皆有灌 Flash Player，因此學生不需再上網下載 Flash Player，任一部電腦 皆可使用本教學媒體。以下將以：1．操作介面及軟體功能、2．軟體 限制、3．多重表徵與歐比托、4．歐比托與化學學習等四點做介紹：

1．操作介面及軟體功能：

主要分為四個區塊：左欄「元素」 ；上欄「提示訊息」 ；右欄包含

「外接元素」 、 「鍵角」 、 「形狀」三部分；中間欄位又分為外框及內框，

外框包含「s p _ - - -」 、 「返回」 、 「開始混成」 ，內框則為「動畫視 窗」如圖 3-5-2 所示，以下就操作順序及各按鍵功能介紹之：

外接元素

圖 3-5-2 歐比托操作介面

步驟一．產生中心原子：使用者決定一分子之中心原子。

「元素」 ，列出 2A 到 7A 常用的原素符號，供使用者拖曳元素符號 至「動畫視窗」之藍色正方形區塊中。此時「s p _ - - -」右方小 區塊會出現代表電子數的箭號及所選之元素符號； 「動畫視窗」則出 現代表空軌域的淡透明動畫如圖 3-5-3。

步驟二．填入價電子

使用者必須依據苞利不相容原理、罕德規則，將箭頭正確拖曳至

「s p _ - - -」上，完成原子價電子之電子組態。

若使用者在填入電子(拖曳箭頭)的動作有誤， 「提示訊息」則會顯 示訊息提示使用者需利用哪一個原理。如圖 3-5-4、圖 3-5-5 表示：

圖 3-5-3 歐比托動畫視窗

圖 3-5-4 歐比托提示訊息 1

若填入價電子的動作正確無誤， 「動畫視窗」中則以黃色代表已填 入電子之軌域，以黑色點代表電子如圖 3-5-6：

步驟三．選擇外接原子

右欄「外接元素」 ，有 1A，6A，7A 三種外接原子可供拖曳至淺藍 色框框內，學生可依題目或個人的想法，選擇外接原子的種類和個數。

圖 3-5-5 歐比托提示訊息 2

圖 3-5-6 電子填入空軌域圖

步驟四．混成與結果

選擇外接原子之後，按下中間欄位外框下的「開始混成」 ，即可在

「動畫視窗」觀看到混成動畫， 「s p _ - - -」也將隨混成理論作出 能階變化；在上欄「提示訊息」則會提供其他同型的例子；同時在右

欄下「鍵角」 、 「形狀」會顯示此分子的鍵角和形狀。另外，有一 隱藏按鍵「觀看結果」出現於中間欄下方右，按之可使視窗欄中動畫 作三維翻轉。如圖 3-5-7 所示：

另外，若選擇的外接元素個數與中心原子無法順利形成化合物，

如中心原子選擇碳 C，外接原子選擇 5 個氫(拖曳 5 個 1A 元素)， 「提 示訊息」即會顯示：混成失敗。

中間欄下方「返回」鍵可清除螢幕，重新開始。

圖 3-5-7 歐比托混成結果

2．軟體限制

(1) 選定外接原子時，只可拖曳相同種類的外接元素。

(2) 沒有 d 軌域相關。

(3) 只能出做單一中心之分子。

(4) 無法主動操弄動畫，只能觀看。

(5) 無法表現出「軌域為機率密度」的想法。

(6) 無法表現出同一種軌域的能量大小，如 2p < 3P < 4p…等。

3．多重表徵-DeFT 與歐比托

軟體依多重表徵 DeFT 中的設計參數理念檢視「歐比托」 ，列表 3-5-1 如下：

表 3-5-1 以 DeFT 檢視歐比托 設計參數

A 資訊 原子軌域

(1)「s p _ - - -」可表徵能階，價電子組態。

(2)「動畫視窗」可表徵 S、P 軌域形狀，位置，電子填入 順序。

混成過程

(1)「s p _ - - -」可表徵混成能階之能量均分，電子躍 遷等概念。

(2)「動畫視窗」可表徵混成軌域 sp

的形狀，電子躍遷，

還可推斷分子形狀，孤對電子的位置，σ或π鍵。

B 型式 (1)符號與圖形(如 s、p 等與能階圖與軌域形狀) (2)動態表徵(三維動態翻轉圖形)

C 轉換 「s p _ - - -」與「動畫視窗」為同步畫面

(1)電子能階能量、形成的軌域形狀依據填入規則同時表 徵。

(2)混成時能階變化與混成軌域能互相轉換。

(3)符號之間的轉換(如 s + P

P

P

→sP

混成軌域) D 數目 就化學表徵而言，此章單元並沒有巨觀表徵。軟體環境

中，使用者可操弄中心原子(符號)、電子填入能階(微 觀)、外接元素(符號)，觀看「動畫視窗」中動畫(微觀)。

E 順序 (1)按照由軌域判斷分子形狀的流程順序，使用者需先了 解電子如何填入原子軌域，才進階至考慮外接原子可能 形成分子之種類。

(2)並不完全開放由使用者自行決定學習順序，採階段性 任務， 「提示訊息」則具有鷹架的效果。

4．歐比托與化學學習

Wu & Shah (2003)著重於空間能力和化學學習的關係，歸納了五 點原則，有助於研究者或設計者發展化學學習的工具，研究者試將歐 比托以此五點原則檢視之：

(1)提供多重表徵及描述

歐比托本身提供多重表徵如上段 DeFT 所介紹，但軟體本身並沒有 提供文字描述對應或引導，因此在本實驗附有上課講義及使用手冊等 等。而軟體的使用時機主要是引導學生運用已學的軌域概念判斷分子 形狀，研究者設計軟體時乃採用建構主義者的學習模式(Appleton, 1989)，此模式提供學習的四種可能：a.同化(assimilation)；b.失衡 (disequibrium)後調適(accommodation)；c.失衡後進入錯誤調適；d.

失衡後拒絕學習。

歐比托帶給學生新(混成、混成軌域、判斷分子形狀)、舊(價電子 組態、軌域)概念的接續，為了避免學習者產生失衡時進入 c.和 d.，

研究者並不讓學生作完全程的判斷後得到錯誤的分子形狀，利用「提 示訊息」及時在學生出更大錯誤前踩煞車，並給與小提示作鷹架。

(2)顯著參照連結

軟體本身文字描敘不是很多，主要為符號表徵與微觀表徵的連 結。因此學習者手上都有一本使用手冊，引導使用者目前在做什麼樣 的活動；提出問題，要學生從操作軟體中找尋任務所需的答案；進而 在活動之中發問或表示意見，都是加強參照連結的方式之一。

(3)呈現化學之動態和互動本質

化學過程的本質即粒子(分子、原子、電子…等)之間的互相及動 態模型。過去的研究顯示動畫對學生視覺化模型很有助益，且能有效 幫助學生產生動態心像。本軟體之互動在於學習者可操弄電子填入及 選擇外接原子，同時觀看動畫，及錯誤反映模式；也可觀察混成時的 動畫，可展現化學動態的本質。

(4)提升 2D、3D 之間的轉換

研究指出低空間能力的學生在二維及三維表徵之間順利轉換，例 如缺乏在心中翻轉分子模型的技能；近年來許多化學軟體或網站即著 重在支持學生在這方面技能的不足。歐比托雖無法讓學生任意操弄三 維動畫，但研究者(設計者)將動畫設計為三百六十度的旋轉，並在右 下欄位顯示形狀、鍵角關係，以支持學習者 2D、3D 之轉換。

(5)明確及整合資訊以減少認知負擔

以往對混成的教學會條列教導學生：1．軌域混成後形狀改變。2．

軌域混成後能量均分。3．軌域混成後電子躍遷…等文字或靜態圖片表

徵。而在歐比托上，學生在面對動畫及符號表徵時，有很清楚的「混

成」按鍵出現，以示學習者「混成」的前置動作(了解中心原子的價軌

域，選擇所需外接原子)已經完成，將進行混成的動作；並讓學生觀察

到，混成完成後，與混成前的不同。學生省去了許多文字帶來的另有

概念如：S 和 P 軌域同時出現時的位置? 電子該放在哪個形狀(圓形的

S 或是啞鈴形的 P)呢? 分子的形狀? 孤對電子在空間中的位置?等 等。歐比托簡單、清楚的介面及按鍵，常用的符號表示(黑點代表電子、

橫線高低代表能階等等)，都比文字和靜態圖片等不連貫的資訊利於學 生理解軌域混成。

三．實際教學

實驗組學生需使用電腦，媒體使用環境即該校電腦教室，可容納 約四十人每人一部電腦，教師可隨時切換學生的螢幕成為教師使用螢 幕。軟體附有研究者編寫之使用手冊，見附錄五。即使不常使用電腦 的學生也能藉由操作說明很快進入狀況；操作說明中有題目可供使用 者練習之如下圖之練習一。指導者在電腦教室中先切換至主螢幕演示 如何操作，並在學習者操作過程中隨時拋出問題。

練習一．試著使用動畫找出以下的分子的資訊：

CO

1．中心原子的價電子 組態

2．各為何種混成軌域 3．分子形狀

4．中心原子有多少對孤對電子 (lp)

5．畫出結構式，指出何為σ，何 為π

1． 2． 3．

4． 5．

二、前後測問卷

在第二章第二、三節中，本研究由表徵討論至空間能力。根據 Wu & Shah(2004)整理化學學習與空間能力的關係，採取 Carroll(1993) 的空間能力定義：空間視覺、彈性趨合、空間關係。本研究並不記錄 空間能力的轉換速度，因此不討論彈性趨合。

混成軌域章節只在符號-微觀表徵間轉換，並不能將微觀中更細 微的變化描述清楚，因此研究者將化學表徵(微觀、符號)與空間能力 (空間關係、空間視覺)結合，並以原子、共價鍵、分子作維度，以符 號/符號、符號/微觀(再細分空間關係及空間視覺)，設計題本。前後 測問卷即根據表 3-5-2 設計。

表 3-5-2 前後測問卷設計概念 (→表轉換)

符號-微觀表徵 符號-符號表徵

文字敘述概念 空間視覺

(反應理解、編碼、心理操 作空間型式的過程)

空間關係 (心理操弄物件)

原子 1.元素符號

→電子點式

2.文字敘述軌域意義

3.電子填入軌域/能階規則 軌域(空間圖形)

→能階 共價

鍵

4.結構式

→電子點式

5.文字敘述→圖形 6.三維圖形→符號 分子 7.分子式

→電子點式

9.文字敘述

→能階圖形

→混成軌域三維圖形 10.結構式

→混成軌域三維圖形

→混成軌域符號 12.結構式

→三維分子形狀 13.分子式

→結構式

→三維分子形狀

8.結構式

→三維分子形狀

→在心中做空間 關係對比。

11.分子式

→三維分子形狀

→在心中做空間 關係對比。

註：前測無題 13，但前測第 12 題為表中題 13 之同類型題目。

前後測計分方式選擇題採每題一分，非選題每個選項一分，前測 總分十九分，後測總分二十分。本試卷共分二種題型，2、3、5、6、

8、9、10、11、12、13 (前測沒有 13) 為單一選擇題共 10 題，1、4、

7 則為非選擇題共三題，共 10 個填入項目，見附錄

前後測設計為複本測驗，故研究者在正式前後測之前，於台北市 另一所高中實施預備測驗，以考驗前後測問卷之信度：(一)以皮爾森 相關係數(Pearson's r)考驗前後測問卷是否為複本，(二)且分別測 試前、後測問卷之內部一致性得 Cronbach's α。

預試學生為高三生，共兩班，有效樣本 59 份

(一)．前後測問卷採研究者設計之複本測驗。

1．複本測驗(alternate-form reliability)：

複本信度是指將受試者在同一個時間點，接受兩份測驗(一份為 正本，另一份為複本)，然後以受試者在正本與複本的兩個總分，求 其相關係數，即可得到複本信度。複本測驗必須在內容、題型、難度、

測試時間等均須相同，才能稱為複本測驗。

2．複本信度(alternate-form reliability)：

將同一測驗之甲式對某組施測，然後把同一測驗的乙式對同一組 測試。兩次得分的相關係數高，表示受試者在兩種測驗的表現相同；

亦即測驗的樣式如是相等，即是一致的表徵。

測驗者如欲決定教學效能，複本信度顯得十分有用，可避免因回

憶或練習帶來的影響。研究者以統計軟體 SPSS10.0 計算前後測問卷

之間的相關性為.838 的高相關(王文科、王智弘，民 93)，可考驗出

前、後測問卷為複本。如表 3-5-3 所示：

表 3-5-3 預試前後測相關性

(二)前、後測問卷之內部一致性

內部一致性係數是由一次施測的結果，去估算信度的數值，主要 關注於試題的同質性。研究者分別以統計軟體SPSS10.0計算前、後測 之Cronbach's α，作為一張試卷可信程度的標準，可信度可對照表 表3-5-5可信度高低與Cronbachα係數之對照表(吳宗正、吳育東，民 89年)；研究者所得前測預試結果α =.7114，後測預試結果α

=.7127，皆顯示前後測問卷內部一致是很可信的。

三、實驗組情意問卷

目的為了解學生對於本研究使用之軟體、教學方式的態度與建 議。本卷分為兩部分，第一部分為五等第之勾選題，欲得知學生對軟 體：1.使用的建議 2.興趣 3.幫助理解混成課程的內容 4.幫助心象 5.對課程精熟的程度；第二部分為開放性問題，目的為了解學生對這 次的教學的喜好程度，及對本軟體提出批評和改進的地方，以及對整 個教學活動配合的感想和建議。問卷內容詳見附錄四。

平均數 標準差 總數 前測卷 9.27 4.50

Pearson 相關

顯著性 (雙尾) 後測卷 11.17 4.74

59

前後測卷 之相關

.838** .000

**在顯著水準為 0.01 時 (雙尾)，相關顯著。

第六節 研究進度甘特圖

本研究從撰寫計劃開始至研究報告撰寫完成，歷時近兩年，工作 所進行的各項工作進度時間如表 3-6-1 所示：

西元紀年

月份

文獻蒐 集、閱讀

與整理

提研究計 劃

編制後測 紙筆測驗

開發混成 軌域軟體

教學活動 進行

資料整理 及分析

撰寫研究 報告

表 3-6-1 　研究進度甘特圖