第三章 系統設計理念、架構與功能
本系統建立一「融入 POE 策略之視覺化概念學習系統」(Visualized Conceptual
Learning System with Predict-Observe-Explain Tasks, POE-VCLS)，包含迷思概念
的診斷測驗與教學部份。本章將分別說明系統設計理念與原則、系統架構以及系統功能。
第一節 設計理念與原則
本系統以電子學二極體單元的迷思概念為主要內容，開發一 POE-VCLS 系統，此系
統設計理念與原則如下。
1. 參考 Treagust(1988)提出的二階層選擇題診斷測驗，第一階層為欲測量之主題內容
的命題知識；第二階層為解釋第一階層選項之理由。透過此系統的測驗診斷學生在
二極體單元的迷思概念。
2. 透過視覺化教學將抽象、複雜的概念或過程具體化呈現，以協助學生矯正二極體單
元的迷思概念。
3. 將 POE 概念改變策略融入視覺化教學，透過預測—觀察—解釋的三個教學過程讓學
習者在所預測的結果與觀察到的現象不一致時，產生認知上的衝突，進而幫助學生
將原本的迷思概念轉換為正確的概念 。
4. 本 POE-VCLS 系統能依學生個人診斷的結果不同，給予不同的迷思概念教學內容。
經由以上四點，學生透過本研究 POE-VCLS 系統的二階測驗，可分析出學生個人在
二極體單元的迷思概念，進而針對個人的學習狀況進行迷思概念補救教學活動，以矯正
學生的迷思概念、提升學生在二極體單元的學習成效。
第二節 系統架構
本研究以台灣師範大學 ITS 研究室所建立的「POE-VCLS 系統」，包含二階診斷測驗
與二極體迷思概念教學教材，結合成一個完整的線上二極體迷思概念學習系統。本系統
整體以 ASP 作為系統開發之環境，VB 為主要程式語言，後端資料庫使用 Microsoft SQL
Server 2005；迷思概念教學教材方面，以 Macromedia 公司(現已與 Adobe 合併)所開發
之 Flash Professional 8 作為製作數位多媒體教材內容之開發環境，設計出由文字、
聲音、圖片、及 2D 動畫等組成之多媒體視覺化之互動式教材內容。
本研究「POE-VCLS 系統」的使用者以學生為主，因此系統架構主要為「學生端」、
伺服器與測驗資料庫以及伺服器與教學資料庫之間的互動。學生端提供測驗介面與迷思
概念學習介面。學生進行測驗時，伺服器比對測驗資料庫中的迷思概念編號，在學生測
驗完畢後，分析出學生擁有的迷思概念與迷思概念個數。接著，伺服器再針對學生個人
的迷思概念比對教學資料庫中的教材內容，給予學生個人的迷思概念教學內容，整體架
構如圖 3-1 所示。
圖 3-1 系統架構圖
第三節 教學內容
本研究之 POE-VCLS 系統以「電子學二極體單元」為主要診斷迷思概念與教學的內 容。參考大學電子學用書，整理出二極體概念中五個主要的子單元：「單元一 二極體的
半導體特性」、「單元二 二極體的偏壓與 I-V 曲線」、「單元三 二極體模型」、「單元四 整
流器電路」、「單元五 齊納二極體與其穩壓電路」，並將此五個概念作為二階診斷測驗與
教學內容。
為了瞭解學生在二極體單元中的迷思概念，參考自 Treagust(1988)提出的半開放式
二階診斷測驗，第一階層是以選擇題的題型測驗主題內容的命題知識；第二階層採用申
論題方式瞭解學生選擇答案的理由。因此，透過二極體的五個主要概念設計出一份半開
放式二階診斷測驗，總共 40 題的題目。此份半開放式二階診斷測驗以台北市某大學工
教系學生為測驗對象，從學生回答此份測驗的結果了解學生在電子學二極體單元中可能
會有的迷思概念。本研究二極體單元的二階層診斷迷思概念測驗詳細內容參見附錄一。
經由半開放式二階診斷測驗的第二階層中學生回答的理由，分析出學生在電子學二
極體的五個主要子單元中可能會有的迷思概念總共 28 個，在「單元一 二極體的半導體
特性」有 5 個迷思概念、「單元二 二極體的偏壓與 I-V 曲線」共 5 個迷思概念、「單元
三 二極體模型」共 8 個迷思概念、「單元四 整流器電路」共 5 個迷思概念以及「單元
五 齊納二極體與其應用電路」共 5 個迷思概念，詳細內容如表 3-1。
運用此 28 個迷思概念將設計出本系統的二階診斷測驗(詳細內容參閱第四章第三節
實驗工具)，並且以此 28 個迷思概念為教學單位，設計教學內容。
表 3-1 二極體單元的迷思概念
單元名稱 迷思概念
(1)不瞭解二極體符號與 PN 的關係 (2)N 型半導體的多數載子為電洞
(3)二極體逆向偏壓時，空乏區寬度會變小 (4)P-N 半導體的少數載子產生二極體的空乏區 單元一 二極體的半
導體特性
(5)不瞭解載子的漂移與擴散概念
(6)逆向偏壓時，二極體不導通、電流為零 (7)二極體順向偏壓狀態即可導通
(8)二極體的順向偏壓與逆向偏壓狀態混淆 (9)外加電壓影響逆向飽和電流大小
單元二 二極體的偏 壓方式與 I-V
特性曲線方 程式
(10)電路電流分析觀念不清楚 (11)片段線性化模型無內電阻
(12)二極體導通時，電流沒有流過與二極體並聯的電阻 (13)片段線性化模型無障壁電壓
(14)定電壓降模型無障壁電壓
(15)定電壓降模型的二極體包含障壁電壓和內電阻 (16)理想二極體模型有內電阻
(17)理想二極體模型有障壁電壓 單元三 二極體模型
(18)電路觀念不清楚(串並聯、克希荷夫定律(KVL、KCL)) (19)不瞭解經由整流器所輸出的平均電壓值之定義
(20)不瞭解經由整流器所輸出的有效值電壓值之定義 (21)經過橋式整流器，只有輸入的正半波會輸出波形 (22)經過全波整流器，輸出波形與輸入波形相同 (23)經過全波整流器，只有輸入的正半波會輸出波形 單元四 整流器電路
【半波、全 波、橋式】
(24)經過半波整流器，輸入的正負半波皆會輸出正半波波形 (25)齊納二極體順向偏壓與逆向偏壓狀態混淆
(26)齊納二極體逆向偏壓時，則達崩潰電壓
(27)流經齊納二極體的電流等於流經負載電阻的電流 單元五 齊納二極體
與其穩壓電 路
(28)齊納二極體達崩潰電壓時，電流沒有經過負載電阻
第四節 系統功能
POE-VCLS 系統的使用者以學生為主，並針對學生個別的學習情況給予教學內容。學
生登入 POE-VCLS 系統後，先開始二階診斷測驗，並在學生測驗完成後，系統分析出學
生所有的迷思概念。接著，系統會給予學生個別的迷思概念，並針對個別的學習狀況給
予適性的迷思概念教學內容。POE-VCLS 系統功能如圖 3-2 所示。
圖 3-2 POE-VCLS 系統功能圖
首先，學生由登入系統畫面(圖 3-3)，輸入學生的帳號與密碼。登入系統後，先給
予系統的操作說明，接著按下“進入電子學測驗＂按鈕後，開始進入二極體迷思概念的
診斷，圖 3-4 為進入測驗的畫面。
圖 3-3 學生登入系統畫面
圖 3-4 學生進入測驗畫面
一、診斷迷思概念測驗功能
(一)測驗內容
系統的二階診斷測驗係先透過半開放式二階診斷測驗了解學生答題的可能理由，並
同時藉此分析出學生可能存在的迷思概念有 28 個 (詳細內容如表 3-1)。本研究之二極
體二階診斷測驗，總共 28 題選擇題，每題分為 a.b 兩階層，第一階層為欲測量之主題
內容的命題知識；第二階層則提供第一階層選項答案的理由。在本實驗進行之前，以台
北市某大學工業科技教育學系大三修過電子學課程之 30 位學生進行預試，預試結果此
二階診斷迷思概念測驗的庫李信度(KR20)為 0.732，顯示此二極體二階診斷迷思概念測
驗卷具有一致性信度。測驗內容主要目的在診斷學生二極體單元的迷思概念，包含「單
元一 二極體的半導體特性」、「單元二 二極體的偏壓與 I-V 曲線」、「單元三 二極體模
型」、「單元四 整流器電路」以及「單元五 齊納二極體與其穩壓電路」等五個子單元。
本研究二極體二階診斷測驗詳細內容參見附錄二。
前測試卷中，各題目與所屬二極體子單元可參閱表 3-2，其中「單元一 二極體的半
導體特性」包含 Q1、Q9、Q15、Q24；「單元二 二極體的偏壓與 I-V 曲線」包含 Q2、Q10、
Q16、Q17、Q25、；「單元三 二極體模型」包含 Q3、Q4、Q5、Q11、Q12、Q18、Q19、Q22、
Q26、Q28；「單元四 整流器電路」包含 Q6、Q7、Q13、Q20、Q23；以及「單元五 齊納二
極體與其穩壓電路」包含 Q8、Q14、Q21、Q27。
表 3-2 前測試卷題目與所屬二極體子單元對應一覽表
題目 所屬子單元 題目 所屬子單元
Q1 二極體的半導體特性 Q15 二極體的半導體特性 Q2 二極體的偏壓方式與 I-V 特性曲
線方程式
Q16 二極體的偏壓方式與 I-V 特性曲線 方程式
Q3 二極體模型 Q17 二極體的偏壓方式與 I-V 特性曲線 方程式
Q4 二極體模型 Q18 二極體模型 Q5 二極體模型 Q19 二極體模型 Q6 整流器電路 Q20 整流器電路
Q7 整流器電路 Q21 齊納二極體與其穩壓電路 Q8 齊納二極體與其穩壓電路 Q22 二極體模型
Q9 二極體的半導體特性 Q23 整流器電路 Q10 二極體的偏壓方式與 I-V 特性曲
線方程式
Q24 二極體的半導體特性
Q11 二極體模型 Q25 二極體的偏壓方式與 I-V 特性曲線 方程式
Q12 二極體模型 Q26 二極體模型
Q13 整流器電路 Q27 齊納二極體與其穩壓電路 Q14 齊納二極體與其穩壓電路 Q28 二極體模型
而在後測試卷中，各題目與所屬二極體子單元可參閱表 3-3，其中「單元一 二極體
的半導體特性」包含 Q2、Q8、Q17、Q22；「單元二 二極體的偏壓與 I-V 曲線」包含 Q3、
Q9、Q18、Q23、Q24、；「單元三 二極體模型」包含 Q4、Q5、Q10、Q11、Q12、Q15、Q19、
Q21、Q25、Q26；「單元四 整流器電路」包含 Q6、Q13、Q14、Q16、Q27；以及「單元五 齊
納二極體與其穩壓電路」包含 Q1、Q7、Q20、Q28。
表 3-3 後測試卷題目與所屬二極體子單元對應一覽表
題目 所屬子單元 題目 所屬子單元
Q1 齊納二極體與其穩壓電路 Q15 二極體模型 Q2 二極體的半導體特性 Q16 整流器電路 Q3 二極體的偏壓方式與 I-V 特性曲
線方程式
Q17 二極體的半導體特性
Q4 二極體模型 Q18 二極體的偏壓方式與 I-V 特性曲線 方程式
Q5 二極體模型 Q19 二極體模型
Q6 整流器電路 Q20 齊納二極體與其穩壓電路 Q7 齊納二極體與其穩壓電路 Q21 二極體模型
Q8 二極體的半導體特性 Q22 二極體的半導體特性 Q9 二極體的偏壓方式與 I-V 特性曲
線方程式
Q23 二極體的偏壓方式與 I-V 特性曲線 方程式
Q10 二極體模型 Q24 二極體的偏壓方式與 I-V 特性曲線 方程式
Q11 二極體模型 Q25 二極體模型 Q12 二極體模型 Q26 二極體模型 Q13 整流器電路 Q27 整流器電路
Q14 整流器電路 Q28 齊納二極體與其穩壓電路
由於二極體二階診斷測驗是以 28 個迷思概念設計第二階層選項，因此除了上述的
題目與所屬子單元對應表外，前測試卷各題目與所包含的迷思概念可參閱表 3-4，以及
後測試卷各題目與所包含的迷思概念請參閱表 3-5。
表 3-4 前測試卷各題目與迷思概念對應一覽表
題目 包含的迷思概念編號 題目 包含的迷思概念編號
Q1 4、5 Q15 3、5
Q2 7、8、10 Q16 6、7、8、9 Q3 15、16 Q17 7、8
Q4 17、18、19 Q18 17、18、19 Q5 15、19 Q19 17、19 Q6 21、23、24 Q20 21、22、23 Q7 20、23、25 Q21 26、27 Q8 28、29 Q22 16、17 Q9 2、3、5 Q23 20、24、25 Q10 6、9 Q24 1、2、4 Q11 14、15 Q25 7、8、10
Q12 11、12、13、19 Q26 11、12、13、19 Q13 22、23 Q27 28、29
Q14 26、27 Q28 14、15
表 3-5 後測試卷各題目與迷思概念對應一覽表
題目 包含的迷思概念編號 題目 包含的迷思概念編號 Q1 28、29 Q15 16、17
Q2 2、3、5 Q16 20、24、25
Q3 6、9 Q17 1、2、4
Q4 14、15 Q18 7、8、10
Q5 11、12、13、19 Q19 11、12、13、19 Q6 22、23 Q20 28、29
Q7 26、27 Q21 14、15
Q8 4、5 Q22 3、5
Q9 7、8、10 Q23 6、7、8、9 Q10 15、16 Q24 7、8
Q11 17、18、19 Q25 17、18、19 Q12 15、19 Q26 17、19 Q13 21、23、24 Q27 21、22、23 Q14 20、23、25 Q28 26、27
(二)測驗診斷迷思概念的設計
迷思概念診斷設計，在此以前測的迷思概念 5 為例，表 3-6 為題目的選項與迷思概
念編號的對應關係表。診斷學習者是否有迷思概念 5，可從前測測驗(表 3-4)可知要以
Q1、Q9 和 Q15 三個題目去判斷。以下從學生選項來舉例說明診斷設計方式，例如：學生
1 的 Q1b 選(B)，則存在迷思概念 4、Q9b 選(B)，則存在迷思概念 2、3 以及 Q15b 選(B) ，
則存在迷思概念 3、5。因此，學生 1 存在的迷思概念有 4 個，即為編號 2、3、4、5 的
迷思概念。再以學生 2 為例，當學生 2 的 Q1b 選(B)，則存在迷思概念 4、Q9b 選(D) ，
則存在迷思概念 3、5 以及 Q15b 選(B)，則存在迷思概念 3、5。因此，學生 2 存在的迷
思概念有 3 個，即為編號 3、4、5 的迷思概念。因此，只要學習者選擇的選項有對應的
迷思概念編號，則表示學生二極體的學習中存在此編號的迷思概念。
表 3- 6 題目的選項與迷思概念編號的對應關係表
題號 (A) (B) (C) (D) (E) Q1b 正確答案 迷思概念 4 迷思概念 5 迷思概念 4、5
Q9b 正確答案 迷思概念 2、3 迷思概念 3 迷思概念 3、5 迷思概念 3 Q15b 正確答案 迷思概念 3、5 迷思概念 5 迷思概念 3、5 迷思概念 3
(三)測驗內容呈現方式
POE-VCLS 系統以二階診斷測驗方式來診斷學生的迷思概念，每一題皆有兩階層的問
題。第一階層為欲測量之主題內容的命題知識(propositional knowledge)；第二階層
則提供第一階層選項答案的理由。為了避免學生由第二階層的答案去推測第一階層的答
案，因此，題目的呈現方式為每次題目先出現第一階層的題目與選項(如圖 3-5)，當學
生選好第一階層的答案後，接著才會出現第二階層的題目與選項，除此之外，第一階層
的題目與選項依然保留在畫面中，但答案不可再更改(如圖 3-6)。
圖 3-5 測驗題目呈現畫面(第一階層)
圖 3-6 測驗題目呈現畫面(第二階層)
二、迷思概念教學功能
「POE-VCLS 系統」在迷思概念教學功能部分，針對二階測驗所診斷出學生個別在二
極體單元的迷思概念，以「融入 POE 策略之視覺化概念教學」方式進行適性教學。
融入 POE 策略之視覺化概念教學是以一個迷思概念為教學單位，並且在呈現教學內
容前，系統會告訴學生擁有的迷思概念個數，接著呈現學生的迷思概念，並按下「進入
閱讀」鈕，則會出現教學內容(如圖 3-7)。
圖 3-7 視覺化概念教學的進入教學畫面
依據融入 POE 策略之視覺化概念教學的設計架構，以「迷思概念 4：P-N 半導體的
少數載子產生二極體的空乏區」為例說明。首先，給予學生問題「Q:二極體的空乏區是
如何產生的？」，讓學生預測此問題的結果(如圖 3-8)，透過此步驟去激發學生思考，並
促進學生觀察接下來的教學內容重點。接著，進入視覺化概念教學內容(如圖 3-9) ，透
過視覺化呈現方式，將難以理解的抽象概念具體化，說明「何為 P-N 半導體的少數載子
與多數載子」以及「空乏區形成的一連串過程」 (如圖 3-10~圖 3-12)。最後，觀察教
學內容後再次讓學生回答預測的問題(如圖 3-13)，並接著要求學生解釋理由(如圖
3-14)。若學生解釋正確，即可回到“進入教學＂的畫面，繼續觀看下一個迷思概念教
學；若學生解釋錯誤，必須再觀看一次教學內容。
圖 3-8 迷思概念 4 的教學預測畫面
圖 3-9 進入迷思概念 4 的視覺化教學畫面
由於 PN 半導體內的載子分為多數載子與少數載子，多數老師比較強調多數載子的
產生過程，而忽略少數載子部分。因此本系統的教學過程，除了說明多數載子的產生過
程，也運用視覺化呈現說明少數載子的產生過程，是由於半導體的能隙較小，當原子由
熱或光吸收能量後，價電子吸收足夠的能量並脫離原子核的束縛，價電子的離開，使價
電帶的原子變成帶正電的正離子，而游離的電子及稱為自由電子。自由電子位於傳導帶
內，能量較高且已脫離原子核的束縛而能自由移動的電子；價電子脫離共價鍵所留下的
空缺，稱為電洞。因此，少數電子電洞就成對出現，如圖 3-10 所示。
圖 3-10 迷思概念 4 的教學觀察畫面 1
少數與多數載子的產生說明完畢，接著說明「PN 半導體的空乏區是如何產生？」。
從圖 3-11 所示，在 PN 接面形成的瞬間，N 型接面附近的電子擴散到 P 型，並與接面附
近的電洞相結合，此時，在接面附近的五價原子因為失去一個電子而形成帶正電的離
子，而在接面附近的三價原子則因多了一個電子(或可視為失去一個電洞)形成帶負電的
離子。因此，在接面附近產生大量的正負離子，這個缺乏電子與電洞的離子層區域，稱
為空乏區(depletion layer)。
圖 3-11 迷思概念 4 的教學觀察畫面 2
空乏區內的正、負離子，在接面附近形成電場而抵銷了電子、電洞的擴散作用，當
載子的擴散作用與離子所形成的電場相互抵消時，即達成平衡狀態，在平衡狀態下，接
面所形成的電位差，稱為障壁電壓(barrier voltage)，如圖 3-12。
圖 3-12 迷思概念 4 的教學觀察畫面 3
圖 3-13 迷思概念 4 的再次選答畫面
圖 3-14 迷思概念 4 的教學解釋畫面
