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融入基本物質概念的生物課程對國中學生學習的影響

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Academic year: 2021

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(1)國立台灣師範大學生命科學系碩士論文. 融入基本物質概念的生物課程 對國中學生學習的影響 The effects of the “curriculum integrated with the concepts of basic material” to the junior high school students’ learning. 研究生:蔡穎真 Ying-Chen Tsai. 指導教授:張永達 博士 Yung-Ta Chang. 中華民國一零二年七月.

(2) 摘要 本研究旨在探討在國中生物上冊第三章第三節「植物如何獲得養 分」單元中,融入基本物質概念對學生學習「植物的養分以及能量」 相關概念的影響。研究採準實驗研究法,研究對象為新北市某國中七 年級學生四個班級,合計 115 人。依研究設計分為接受融入基本物質 觀點的課程組(n=58)、傳統課程組(n=57)。診斷學習成效的研究工具 為依據 Bloom 的認知層次研發的「植物的養分以及能量成就測驗」 , 以單因子共變數以及重複量數變異數分析,評估學生之學習成效。; 此外輔以半結構晤談,了解學生對於「植物的養分以及能量概念」的 理解程度。研究結果顯示:融入課程組在接受融合課程後,整體對於 「植物的養分以及能量」相關概念的表現較傳統課程組為佳,後測以 及延宕測皆有顯著差異;在「光合作用」概念的理解情況也優於傳統 課程組。依據本研究結果,學生在學習植物如何獲得養分的單元之 前,先建立對基本物質的認識,有助於其內化光合作用相關概念,習 得正確的科學性概念。因此建議生物教師在教授光合作用單元中可以 先建立學生對基本物質的認識,促進有意義的學習,提升學習成效。. 關鍵字:基本物質、植物的養分以及能量、光合作用、有意義的學習 I.

(3) 英文摘要 This study aimed to explore the effects of the “curriculum integrated with the concepts of basic material” to the junior high school students’ learning on the learning unit “How plants obtain nutrients”. This study applied quasi-experimental design. The participants were 115 7 thgraders from four classes at a middle school in New Taipei City. The four classes were randomly assigned to two groups-integrating basic material group (experimental group)and traditional curriculum group(control group). An achievement test based on Bloom cognitive taxonomy was developed to detect students’ understanding about “How plants obtain nutrients”. Statistic analysis ANCOVA and Repeated measures ANOVA were conducted to analyze the quantitative data. Also supplemented by semi-structured interviews to understand the students’ understanding of "plant nutrients and the energy concept ".The results showed that experimental group received the course, overall for "plant nutrients and energy" performance related concepts better than the control group, post-test and delayed test individually significant difference. In the "photosynthesis" conceptual understanding the situation was better than the control group. According to the results of this study, after establishing the understanding of the basic substance, students could internalize photosynthesis related concepts and acquire the correct scientific concepts in the plants nutrition unit. Therefore we recommend that biology teachers in teaching photosynthesis learning units can first build student understanding on the basic substance, and promote meaningful learning, enhance learning effectiveness. Key word:basic material, plant nutrients and energy, photosynthesis, meaningful learning. II.

(4) 目次 中文 摘要......................................................................................................................... I 英文摘要............................................................................................................... II 目次...................................................................................................................... III 表目錄................................................................................................................... V 圖目錄............................................................................................................... VIII 第一章 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 研究範圍與限制 .................................................................................. 5 第四節 名詞解釋 .............................................................................................. 6 第二章 文獻探討 ................................................................................................. 7 第一節 概念發展與相關學習理論 .................................................................. 7 第二節 光合作用相關概念以及教學之研究 ................................................ 16 第三章 研究方法 ............................................................................................... 28 第一節 第二節 第三節 第四節 第五節. 研究架構與流程 ................................................................................ 28 研究對象 ............................................................................................ 32 研究課程分析與設計 ........................................................................ 35 研究工具 ............................................................................................ 39 資料收集與分析 ................................................................................ 43. 第四章 結果與討論 ........................................................................................... 47 第一節 第二節 第三節 第四節 第五節. 學習成就診斷測驗之整體成績分析 ................................................ 47 不同認知階層試題得分分析 ............................................................ 53 不同概念分群試題得分分析 ............................................................ 62 不同學習成就學生在成就測驗整體成績分析 ................................ 75 晤談結果分析 .................................................................................... 84. 第五章 結論與建議 ........................................................................................... 94 第一節 結論 .................................................................................................... 94 III.

(5) 第二節 建議與未來研究方向 ........................................................................ 97 參考文獻............................................................................................................ 102 附錄.................................................................................................................... 106 附錄 A 基本物質教案 ................................................................................... 107 附錄 B 基本物質學習單 .............................................................................. 113 附錄 C 融入課程組與傳統課程組「植物如何獲得養分」教案 .............. 117 附錄 D「植物的養分以及能量」學習成就測驗 ........................................ 125. IV.

(6) 表目錄 表 2.1. 皮亞傑的認知發展期 ............................................................................................................ 11. 表 2.2. 有關生物能量的迷思概念彙整 ............................................................................................ 20. 表 3.1.1 準實驗研究設計 .................................................................................................................... 30 表 3.2.1 融入課程組與傳統課程組學生第一次月考生物成績分析結果......................................... 33 表 3.2.2 融入課程組與傳統課程組學生「植物的養分以及能量」前測成績分析結果 ................. 34 表 3.2.3 融入課程組與傳統課程組高中低分群在「植物的養分以及能量」測驗前測平均成績比 較表 ........................................................................................................................................ 35 表 3.3.1 兩組課程進行流程 ................................................................................................................ 38 表 3.4.1 預試試題與正式試題題號對照表 ........................................................................................ 40 表 3.4.2 評量概念與認知層次雙向細目表 ........................................................................................ 41 表 4.1.1 兩組學生在「植物的養分以及能量成就測驗」組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ......... 48 表 4.1.2 兩組學生在「植物的養分以及能量成就測驗」後測成績的描述性統計 ......................... 48 表 4.1.3 兩組學生在「植物的養分以及能量成就測驗」後測成績的共變數分析 ......................... 48 表 4.1.4 兩組學生在「植物的養分以及能量成就測驗」組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ......... 49 表 4.1.5 兩組學生在「植物的養分以及能量成就測驗」延宕測成績的描述性統計 ..................... 50 表 4.1.6 兩組學生在「植物的養分以及能量成就測驗」延宕測成績的共變數分析 ..................... 50 表 4.1.7 兩組學生在「植物的養分以及能量成就測驗」的前測、後測、延宕測平均成績及標準 差 ............................................................................................................................................ 51 表 4.1.8 融入課程組重覆量數檢定摘要表 ........................................................................................ 51 表 4.1.9 傳統課程組重覆量數檢定摘要表 ........................................................................................ 52 表 4.2.1 兩組學生在知識層次組內迴歸係數同質性考驗摘要表 .................................................... 54 表 4.2.2 兩組學生在知識層次後測成績的描述性統計 .................................................................... 54 表 4.2.3 兩組學生在知識層次後測成績的共變數分析 .................................................................... 54 表 4.2.4 兩組學生在理解層次組內迴歸係數同質性考驗摘要表 .................................................... 55 表 4.2.5 兩組學生在理解層次後測成績的描述性統計 .................................................................... 55 表 4.2.6 兩組學生在理解層次後測成績的共變數分析 .................................................................... 55 表 4.2.7 兩組學生在應用分析層次組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ............................................ 56 表 4.2.8 兩組學生在應用分析層次後測成績的描述性統計 ............................................................ 56 表 4.2.9 兩組學生在應用分析層次後測成績的共變數分析 ............................................................ 57 表 4.2.10 兩組學生在知識層次組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ..................................................... 58 表 4.2.11 兩組學生在知識層次延宕測成績的描述性統計 ................................................................ 58 表 4.2.12 兩組學生在知識層次延宕測成績的共變數分析 ................................................................ 58 表 4.2.13 兩組學生在理解層次組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ..................................................... 59 V.

(7) 表 4.2.14 兩組學生在理解層次延宕測成績的描述性統計 ................................................................ 59 表 4.2.15 兩組學生在理解層次延宕測成績的共變數分析 ................................................................ 59 表 4.2.16 兩組學生在應用分析層次組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ............................................ 60 表 4.2.17 兩組學生在應用分析層次延宕測成績的描述性統計 ......................................................... 60 表 4.2.18 兩組學生在應用分析層次延宕測成績的共變數分析......................................................... 61 表 4.3.1 兩組學生在養分與能量觀點向度組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ................................. 64 表 4.3.2 兩組學生在養分與能量觀點向度後測成績的描述性統計 ................................................ 64 表 4.3.3 兩組學生在養分與能量觀點向度後測成績的共變數分析 ................................................ 64 表 4.3.4 兩組學生在光合作用向度組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ............................................ 65 表 4.3.5 兩組學生在光合作用向度後測成績的描述性統計 ............................................................ 65 表 4.3.6 兩組學生在光合作用向度後測成績的共變數分析 ............................................................ 65 表 4.3.7 兩組學生在呼吸作用向度組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ............................................ 66 表 4.3.8 兩組學生在呼吸作用向度後測成績的描述性統計 ............................................................ 66 表 4.3.9 兩組學生在呼吸作用向度後測成績的共變數分析 ............................................................ 67 表 4.3.10 兩組學生在光合作用與呼吸作用向度組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ......................... 68 表 4.3.11 兩組學生在光合作用與呼吸作用向度後測成績的描述性統計 ......................................... 68 表 4.3.12 兩組學生在光合作用與呼吸作用向度後測成績的共變數分析 ........................................ 68 表 4.3.13 兩組學生在養分與能量觀點向度組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ................................. 69 表 4.3.14 兩組學生在養分與能量觀點向度延宕測成績的描述性統計 ............................................. 69 表 4.3.15 兩組學生在養分與能量觀點向度延宕測成績的共變數分析 ............................................ 70 表 4.3.16 兩組學生在光合作用向度組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ............................................. 71 表 4.3.17 兩組學生在養分與能量觀點向度延宕測成績的描述性統計 ............................................. 71 表 4.3.18 兩組學生在養分與能量觀點向度延宕測成績的共變數分析 ............................................ 71 表 4.3.19 兩組學生在呼吸作用向度組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ............................................. 72 表 4.3.20 兩組學生在呼吸作用向度延宕測成績的描述性統計 ......................................................... 72 表 4.3.21 兩組學生在呼吸作用向度延宕測成績的共變數分析 ........................................................ 72 表 4.3.22 兩組學生在光合作用與呼吸作用的比較向度組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ............. 73 表 4.3.23 兩組學生在光合作用與呼吸作用的比較向度延宕測成績的描述性統計 ......................... 73 表 4.3.24 兩組學生在光合作用與呼吸作用的比較向度延宕測成績的共變數分析 ........................ 74 表 4.4.1 兩組高分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ..................................................................................................................................................... 75 表 4.4.2 兩組高分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」後測成績的描述性統計 ............. 76 表 4.4.3 兩組高分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」後測成績的共變數分析 ............. 76 表 4.4.4 兩組中分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ..................................................................................................................................................... 77 表 4.4.5 兩組中分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」後測成績的描述性統計 ............. 77 VI.

(8) 表 4.4.6 兩組中分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」後測成績的共變數分析 ............. 77 表 4.4.7 兩組低分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ..................................................................................................................................................... 78 表 4.4.8 兩組低分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」後測成績的描述性統計 ............. 78 表 4.4.9 兩組低分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」後測成績的共變數分析 ............. 79 表 4.4.10 兩組高分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ..................................................................................................................................................... 80 表 4.4.11 兩組高分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」延宕測成績的描述性統計 ......... 80 表 4.4.12 兩組高分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」延宕測成績的共變數分析 ........ 80 表 4.4.13 兩組中分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ..................................................................................................................................................... 81 表 4.4.14 兩組中分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」延宕測成績的描述性統計 ......... 81 表 4.4.15 兩組中分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」延宕測成績的共變數分析 ........ 82 表 4.4.16 兩組低分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」組內迴歸係數同質性考驗摘要表 ..................................................................................................................................................... 83 表 4.4.17 兩組低分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」延宕測成績的描述性統計 ......... 83 表 4.4.18 兩組低分群學生在「植物的養分以及能量成就測驗」延宕測成績的共變數分析 ......... 83. VII.

(9) 圖目錄 圖 3.1.1 研究架構圖 ............................................................................................................................ 29 圖 3.1.2 研究流程圖 ............................................................................................................................ 31 圖 3.3.1 國中一年級粒子與能量課程認知概念圖 ............................................................................ 37 圖 4.5.1 ES1 學生光合作用過程晤談繪圖 ......................................................................................... 89 圖 4.5.2 ES4 學生光合作用過程晤談繪圖 ......................................................................................... 90 圖 4.5.3 ES6 學生光合作用過程晤談繪圖 ......................................................................................... 91 圖 4.5.4 CS2 學生光合作用過程晤談繪圖 ......................................................................................... 92 圖 4.5.5 CS4 學生光合作用過程晤談繪圖 ......................................................................................... 93 圖 4.5.6 CS6 學生光合作用過程晤談繪圖 ......................................................................................... 93. VIII.

(10) 第一章 緒論. 第一節 研究背景與動機. Finley, Stewart,和 Yarroch (1982)利用問卷調查,請科學領域教師 在物理、化學、生物、地球科學四大科目中,勾選出重要性以及困難 度前五名的科學概念。研究結果分別列出重要性以及困難度前十五名 的概念;其中教師勾選生物科最重要以及最困難的生物概念皆在前十 五名的有:光合作用、呼吸作用、恆定性、細胞分裂、遺傳學、內分 泌系統,建議應該將這些概念優先列為科學教育研究中探討,更值得 注意的是光合作用以及呼吸作用這兩個重要的化學反應分別被列為 最重要的第一名以及第四名;最困難第四名以及第一名。 學生學習生物學廣泛概念有困難,原因是因為需要對多方面知識 做整合(黃台珠、熊召弟、王美芬、余曉清、靳知勤、段曉林、熊同 鑫,2001)。從研究者個人的學習經驗以及教學經驗中發現:學生在 學習「植物的養分以及能量」相關概念上常感到抽象困難;相關概念 包含植物的養分、光合作用、呼吸作用、能量等,這些概念皆涉及物 理與化學的概念。分析學生學習光合作用單元需要的先備知識包含養 1.

(11) 分的種類(能提供能量、不能提供能量的養分)、能量的概念(太陽能、 生物化學能)、植物解剖學構造等;目前國中課程編排架構的順序: 學生在上冊,第三章第三節「植物如何獲得養分」,了解光合作用進 行的過程;第六章第二節「呼吸與氣體的恆定」課文內部描述植物進 行呼吸作用過於簡略;下冊第五章第四節「能量的流動」 、第五節「物 質循環」。這些與光合作用學習相關聯的概念在課程安排上彼此過於 分散,容易導致學生學習概念零散。此外,學生容易將光合作用與呼 吸作用混淆:有學生認為呼吸作用是光合作用的逆反應,一個在白天 進行、一個在晚上進行;或是認為只有動物才會進行呼吸作用,植物 無法行呼吸作用。 根據 97 年國民中小學九年一貫自然與生活科技課程綱要實施要點 表示:選編教材時,應掌握統整與「九年一貫」的精神,以自然與生 活科技為完整之學習領域來規劃。各階段應注意概念的系統與邏輯性 的發展,以及相關議題於不同學科或學習領域間之相互關係與連繫。 但就目前國中教育現場而言,自然科仍維持國一學生學習生物、國二 學習理化、國三學習理化、地科的分科教學,郭怡立(2001)分析國民 中學自然與生活科技教科書發展之研究中也發現,編輯群基於適度保 留各學科特有知識系統,以及教師教學習性、是否具備協同教學能 2.

(12) 力、行政配課難易度、市場考量等因素,目前教科書編輯方向雖朝合 科課程設計,但單元間仍可見到學科的界限;教師本身教學也受限於 教科書的編排而無法徹底實現九年一貫課程的理念。 國中生物教師為了減少課程的複雜性,在教授光合作用相關的概 念時,多以巨觀的角度呈現,僅就植物進行光合作用產生葡萄糖、氧 氣、水進行文字的描述,省略了交代中間物質變化的過程,導致學生 無法真正理解光合作用的機制,僅獲得純記憶背誦的文字結果。光合 作用概念本身涉及到 “原子、分子、能量型式與轉換、物質三態、物 理變化、化學變化、平衡方程式”等多個概念,要改善這個情形,適 當的融入基本物質與能量流轉的概念有其必要性。就目前國中自然與 生活科技課程的安排,將理化科放置在二年級,這種分科式的教學會 導致學生無法將知識做統整性的理解:從 Waheed 和 Lucas(1992)、 Stavy 和 Eisen (1992)文獻中皆指出,針對光合作用的問題,學生仍存 在有分科獨立的想法,無法融合物理、化學的觀點來解釋;因此建議 將生物以及化學課程進行整合;另外,針對光合作用與呼吸作用的概 念容易混淆,也建議在課程的安排上能夠將兩個概念放在同一單元進 行教學。. 3.

(13) 因此,本研究著重在教學實務的落實,希望藉由在國中生物課程 中,循序漸進將基本物質的概念融入「植物如何獲得養分的單元」中, 幫助學生在該單元的學習。. 第二節 研究目的與問題. 本研究主要目的在於將自身設計有關基本物質的課程融入於「植物 如何獲得養分」單元中,實際進行教學,並進行評量,以了解此課程 是否對於學生學習「植物的養分以及能量」相關概念造成影響。 本研究待答問題為: 1. 融入基本物質觀點的統整課程以及傳統課程對於學生在「植 物的養分以及能量」的整體學習成效是否有顯著差異? 2. 融合基本物質的統整課程與傳統課程對於學生在「植物的養 分以及能量」的記憶、理解、應用分析認知程度上是否有 顯著差異? 3. 融合基本物質的統整課程與傳統課程對於學生在「植物的養 分以及能量」概念分群上是否有顯著差異?. 4.

(14) 4. 融合基本物質統整課程與傳統課程對於高、中、低學習成就 學生的概念學習所造成的影響是否有顯著差異?. 第三節 研究範圍與限制. 1. 本研究僅針對新北市某一國民中學的四個班級學生進行研究,因 此,本次研究結果若要推論到其他國民中學之國一學生或是不同 年齡之學生均需十分謹慎。 2. 本研究欲整合基本物質的概念於生物課程中的「植物如何製造養 分」單元,故研究結果僅適用於此單元中,如欲推論到其他單元 或學科,須相當謹慎。 3. 本融入課程組所進行的統整課程所加入的學習概念比傳統課程組 的學生多,在準實驗研究中將時間控制一致,因此傳統課程組學 生可能因此有較充裕的時間接受傳統課程內容。 4. 課程內容所呈現的光合作用的反應過程是依照國中階段學生所能 理解的教材內容而設定,並非是高中或是大學以上生物學專業知 識的角度來教授,所以在知識的精確性上無可避免的會有落差。. 5.

(15) 第四節 名詞解釋. 1. 「植物如何製造養分」單元. 本研究所謂的「植物如何製造養分」單元,是採用學生該學年 度所使用康軒版自然與生活科技課本第一冊第三章第三節(康 軒文教事業,2012),另外再額外增加第六章第二節呼吸作用 的概念所形成。 2. 基本物質概念. 本研究所謂的「基本物質概念」,是參考康軒版自然與生活科 技課本第三冊課本內容,包含認識物質的組成,了解原子與分 子的概念以及物理變化、化學變化(康軒文教事業,2012)。. 6.

(16) 第二章 文獻探討. 本章分為兩小節,第一節介紹概念發展以及相關的學習理論;第 二節介紹光合作用相關概念以及教學之研究。透過概念形成的了解以 及目前光合作用的研究來奠定本研究的立論基礎以及課程內容之參 考。. 第一節 概念發展與相關學習理論. 本節主要探討概念的意涵,以及不同學者所提出的認知發展理論 來說明概念是如何發展與學習。 一、概念的意涵 概念(concept)是個抽象的名詞;在不同的學術領域中,對於概念 的定義都不同,從心理學的角度來說,行為學派認為概念是一群能產 生某特定反應的相似刺激;認知學派認為概念是一心智活動,藉由經 驗與學習不斷修正而來(黃台珠,1984)。. Arnone(1971)認為概念是由一群觀念或是符號所集合而成的一 個觀念或是符號;概念是一個個人理解的符號;概念是反應出個人評 7.

(17) 價程度發生時的態度以及偏見;概念是一種心理意象,特別是指結合 同一類事物的各種特徵,使其成為一種意念的廣義觀念(引自歐陽鐘 仁,1988)。. Pella(1966)認為概念是科學過程的產品、是繼續研究科學的根 據、或是技術人員運用的知識。一些教育工作者認為獲得概念是理科 教學所希望的結果。概念不只是科學的經緯組織,也是學生應付科學 發展的一種方法。他將概念分成三個類型:1.分類型概念,可以把自 然界的事實加以分類的敘述。2.相關型概念,涉及自然界不同事實間 關係的敘述。3.理論型概念,超越感覺經驗與事實,需要透過人類認 知能力的推理而形成。並認為概念都有以下特性:(引自歐陽鐘仁, 1988) 1.概念是一種象徵,表現出個人或是社群的想法。. 2.某事物、現象或方法的概念可從簡單到複雜連續存在。. 3.概念是一種概括性的結論,由多個事物、現象、或事實的 經驗累積而成。. 4.概念是一種抽象想法,由眾多經驗所形成。. 8.

(18) 5.概念是個人把事實以及假設的事實相互連結在一起。. 6.概念不一定要經由個體實質遭遇才形成。. 7.概念不是自然或實體的本質。. 8.概念並非實體的圖像(photographic image)。. 9.概念沒有對錯的特性,只有適宜或不適宜。. 10.概念與人、事、其他概念、概念系統、方法相互關聯。. 11.概念可應用於預測及詮釋。. 12.個體可透過感覺經驗逐步建立學科中的概念。. 13.學科中的概念可由當時的文化形態來決定,因此概念也會隨著 文化形態的改變而改變。. 14.概念的本質可由引導它形成的步驟來決定。. 15.概念要因時制宜,在經驗考驗下隨時可修正。 鐘聖校(1990)認為思考是人類最複雜的行為方式。思考是一種認 知過程,透過使用符號來表示物體或事件的特性,而概念即是認知的 9.

(19) 重要單位。當一個符號代表一組具有共同特性的事物時,即可代表一 個概念。平常我們即使用概念來整理以及分類週遭的事物以及經驗。. 二、概念的發展與學習 皮亞傑的認知發展論中認為人類的認知行為會隨著年齡的增長 而有質的改變。認知發展都會經歷四個階段,如表 2-1 所示,且發展 方 向 是 不 可 逆 的 ; 在 過 程 中 會 經 歷 組 織 (organization) 、 適 應 (adaptation)、同化(assimilation)與調適(accommodation)等歷程。所謂 「組織」係指個體在處理其周圍事物時,能統合運用其身體與心智的 各種功能,從而達到目的得一種身心活動歷程。「適應」則是指個體 的認知結構或基模因環境限制而主動改變的心路歷程(引自張春興, 1996)。當個體在運用其自身的基模解決新的問題時,如果能將新事 物納入原先基模,則稱為「同化」 ;如果遇到不能同化的狀況產生衝 突時,個體則會修改調整原先基模稱為「調適」 。所有兒童的認知發 展具有主動的、受遺傳與環境交互影響兩個特質。. 10.

(20) 表 2.1 皮亞傑的認知發展期 期別. 年齡. 基模功能特徵 1.憑感覺與動作以發揮其基模功能。. 感覺動作期. 0~2 歲. 2.由本能性的反射動作到目的性的活動。 3.對物體認識具有物體恆存性概念。 1.能使用語言表達概念,但有自我中心傾向。. 前運思期. 2~7 歲. 2.能使用符號代表實物。 3.能思維但不合邏輯,不能見及事物的全面。 1.能根據具體經驗思維以解決問題。. 具體運思期. 7~11 歲. 2.能理解可逆性的道理。 3.能理解守恆的道理。 1.能做抽象思維。. 形式運思期. 11 歲以上. 2.能按假設驗證的科學法則解決問題。 3.能按形式邏輯的法則思維問題。. 資料來源:引自張春興(1996) 。教育心理學─三化取向的理論與實踐(頁 90)。台 北:東華書局。. 布魯納(Bruner)的表徵系統論中認為人類的認知發展隨著年齡可 分為動作表徵期、形像表徵期、符號表徵期三個階段。其中形像表徵 期相當於皮亞傑理論的具體運思期;符號表徵期相當於皮亞傑理論的 形式運思期。他特別強調學科知識都有結構性,認為學生只有在結構 11.

(21) 性的學習情境下才能發揮有效的學習(邱上真,2003)。因此教學者必 須將學習情境以及教材性質解說得很清楚,建立引起學生學習興趣的 環境;教學上需配合學生的經驗,將教材做適當的組織;按照教材的 難易度以及邏輯做先後順序的排列,針對學生心智發展水平以及認知 表徵的方式讓學生知識經驗前後銜接,產生正向的學習遷移。布魯納 在其所提倡的發現學習論(discovery learning theory)中,強調學生透過 教師所建立的情境主動探索,經由自己對問題情境的直覺思維開啟發 現學習的序幕,在探索的過程中無論是正確或是錯誤的答案都具有回 饋價值(Bruner,1964)。 奧蘇貝爾(Ausubel)提出有意義學習理論,認為要建立學生有意義 的學習(meaningful learning)或接受學習(reception learning),必須在學 生已有充分的先備知識基礎上教他學習新的知識。奧蘇貝爾將概念視 為一個層次性的結構,位於結構上者稱為要領概念 (superordinate concept ),代表個人對事物的整體認識;居於下層者稱為附屬概念 (subordinate concept),代表個人對事物特徵的細部記憶(邱上真, 2003)。按奧蘇貝爾的解釋,要領概念就是個人的先備知識;在意義 上,也就是一般認知心理學家指的認知結構(張春興,1996)。因此, 學習者在學習過程中能知覺到新的學習內容與其大腦中的認知結構 12.

(22) 中的舊知識有所關聯,並將新舊知識連結;經學習後,內化為認知結 構的一部份。因此建議教師在教學過程中必須提供一個「前導組織」 (advance organizer)來協助學生將新知識與其原有的先備知識相結合。 所謂的前導組織是指在學習前提供一個比學習材料本身更具有高度 摘要性(abstractness)、普遍性(generality)及全面性(inclusiveness)的引介 材料,用來扮演新知識與舊知識中間的橋梁,使學習者更容易將新知 識融入舊知識之中,而有助於新學習的產生(林寶山,1990);前導組 織可分成說明式前導組織和比較式前導組織。前者多用在當學習材料 對學習者而言相當陌生時,提供相關的背景知識(即先備知識),以 利理解和學習新的訊息;後者是指學習材料與學生的舊經驗有所關 聯,且具有若干程度的熟悉時用(Ausubel,1968)。在教材講解過程中, 建議教師可以遵守兩個原則:1.漸進分化(progressive differentiation), 從一般概念的說明逐漸精緻化、類別化。從概括到分化的循序漸進的 組織以及呈現教材,教師可以善用舉例或是類比,讓學生了解新知識 與先備知識的異同,使學生在其認知結構中以層級組織的方式儲存知 識;2.統整調合(integrative reconciliation),將分化但彼此有相關性的 知識整合聯結,成為一個具有統整性與調合性的知識整體,建立有意 義的學習,幫助學生記憶與理解。 13.

(23) 俄國心理學家 Vygotsky 認為兒童的認知發展是在社會學習的歷 程 中 進 行 ;有 別於 皮 亞 傑 認為 認知 發 展 是 兒童 本身 自 然 成 長, Vygotsky 認為社會文化對兒童認知發展有很大的影響。他將人類的概 念分成兩種:一種是自發性的概念,即個體本身對週遭環境的覺知所 產生的質樸的知識;另一種是科學性的概念,是在正式教學活動中所 建立產生的。儘管這兩種概念的發展過程是反向的,但卻緊密相關。 自發性概念需發展到一定程度後才能理解學校的科學性概念;學童也 可透過學校的科學性概念來理解日常生活中的自發性概念,兩者相輔 相成。因此,他提出近側發展區(zone of proximal development)的想 法,認為學童自己能力所及的水平與經過他人協助後所達到的水平這 中間的差距,即為該兒童的最近發展區。當學童在形成概念的過程當 中,透過成人或是能力較高的同儕協助,可啟發學習潛能,達到更好 的學習水平(吳慧珠、李長燦,2003)。Wood, Bruner 與 Ross(1976)進 一步將最近發展區的概念引介出鷹架(scaffolding)一詞,應用分析在教 學中。他們認為教師在教學過程中可透過「搭鷹架」的方式,提供給 兒童有系統的引導以及關鍵性的指示,讓兒童能超越原有的認知層 次,一旦學童的能力增加後,鷹架可以慢慢移開(陳淑敏,1994)。劉 炳輝、劉世雄(2004)透過鷹架理論的理念,省思其在教學上的應用分 14.

(24) 析,歸納出一種另類的教學模式-專家模式的教學設計。其理念為專 家本身就是提供訊息給生手,當生手能力增加,專家的支持將減少, 使生手能慢慢獨當一面,也成為學習知識的專家,所以應架教學的目 的就是使學生從生手變成專家的過程;換句話說,就是一種由「他悟」 經由辯證內化到「自悟」 ,強調培養孩子從社會關聯內化中成為知識 探索的專家,而非一個學而不知的生手。 從上述幾個教育認知理論中可以發現,皮亞傑認為概念的發展是 有一連串連續階段性的發展,從具體到抽象的思維。當個體透過自身 的基模去理解環境時所發生的變化,進一步透過同化或調適,使基模 改變能接納更多知識經驗,讓知識與智力逐漸提升。布魯納則認為孩 童的概念發展會隨著生長經歷動作表徵、形象表徵、符號表徵等三階 段。在過程中,藉由主動探索發現事物的原理原則,進而統整組合成 自己的知識經驗。奧蘇貝爾認為學童要能夠進行有意義的學習,建立 新的知識,本身必須要具備足夠得先備知識,並且讓新知識與既有的 先備知識產生連結,因此教師可提供前導組織協助學生學習(劉伊祝, 2009)。Vygotsky 認為社會以及教育因素對於兒童的認知發展影響很 大,教師的教學若能落在學生的可能發展區,將有助學生學習新知 識。上述學者對概念發展的描述可以歸納為三個歷程:(1)概念是理論 15.

(25) 智慧和方法行動兩者配合下的產物;(2)概念成長於從知覺特徵向概念 定義的轉移;(3)概念成熟於從日常的自然概念轉向專家概念 (引自鐘 聖校,1990)。 本研究綜合上述認知理論,將之應用於本研究的課程設計以及做 為教學理論的基礎。教師在教學上必須扮演引導者的角色,確定學生 在教學前的認知結構或是另有概念,藉由提供前導組織以及一個適當 的鷹架,協助學生提升學習的成效。在教學過程當中,可透過師生問 答或是模型教具等讓學生辨識自發性概念以及科學性概念的差異,改 變其既有的基模,建立有意義的學習。. 第二節 光合作用相關概念以及教學之研究. 根據 Arnon (1982) 說法,光合作用是地球上最重要的生化過程研 究;學生可透過建立光合作用的基本概念,了解整個生態系統的運 作;以及扮演生物與非生物之間的橋梁。正因為它的重要性,分析國 內外國高中生物課內容發現,探討植物透過行光合作用獲得養分的過 程,大都被學校視為重要生物課程學習單元;然而,研究也指出此單 元的學習對於學生來說具有困難度,學生常在學習此單元形成許多迷 16.

(26) 思概念(熊召弟、王美芬、段曉林、熊同鑫,1996)。因此,許多針對 此單元的教學策略也是科學教育者深入探究的方向。以下針對光合作 用相關概念的研究以及教學策略兩個面向來探討。 一、光合作用概念研究. Bell(1985)綜合自己的研究計畫以及結合 Simpson and Arnold (1982) 以及 Roth, Smith, and Anderson (1983)的研究結果,發現中學 生對於植物養分的概念可以分成幾個面向:1.學生對於「食物」以及 「葉綠體」存有另有概念,例如認為植物的「食物」是根從土壤中所 吸收的水、肥料、甚至受到生活經驗的影響,認為陽光、照顧植物也 可以是一種食物。學生認為「葉綠體」是讓植物顏色呈現綠色,可分 解澱粉,可從空氣中吸收二氧化碳。2.學生對食物的概念僅存在表象 的讓生物活著,但不了解可提供維持植物代謝所需的能量;3.對於植 物行光合作用與吸收水的現象、呼吸作用之間的關係無法有正確的科 學解釋。 Driver, Child, Gott, Head, Johnson, Worsley, 與 Wylie (1984)請十五 歲的學生回答植物從小樹變成大樹重量是如何增加,將近 40%學生認 為植物重量的增加來自於植物本身所吸收的食物,類似動物重量增加 17.

(27) 的過程。植物食物的來源有土壤或是太陽;有 26%的學生認為植物可 從環境中獲得讓重量增加的材料;有 8%學生認為植物重量增加是透 過從環境中獲得一些成分來增加組織。另外比較光合作用以及呼吸作 用中氣體交換的差異發現學生具有下列四個現象:1.有三分之一的學 生理解植物當中氣體交換的過程;2.將近一半的學生都知道呼吸作用 需要氧氣,對於呼吸作用中氣體交換的過程理解較光合作用佳;3.有 四分之一到三分之一的學生表達出綠色植物吸收二氧化碳,少部分學 生認為這現象發生在有光的時候;4.學生對氧氣的理解較二氧化碳 好。. Stavy, Eisen, Yaakobi (1987)認為學生在理解光合作用的困難可分 成心理以及課程兩個因素。從心理學的觀點來討論,1.一般學生存在 生機論(vitalism)的想法,用自己的生活經驗將生物與無生物做分類; 若要學生從自然論(naturalism)觀點將生物體視為一個化學有機體,生 物是由物質分子所組成,對於學生而言是有困難的。2.學生認為人是 宇宙的主宰,可以控制週遭的環境;因此難以接受人類需要依賴植物 而活。對於自營生物概念的學習較有困難。3.學生對光合作用存在零 星片段的想法,缺乏一個有意義的整體觀點。課程方面,可由生物、 化學、物理三個面向討論:1.生物:學生將光合作用視為呼吸作用的 18.

(28) 一種。對於光合作用以及呼吸作用都存有迷思概念。2.化學:缺乏基 本化學知識,如元素、化合物等,並且存有許多迷思概念。3.物理: 對能量概念的了解太少。. Barman, Stein, McNair,與 Barman(2006)利用問卷評估學生在光合 作用各面向的理解情形,其研究結果顯示十三歲的學生無法將光合作 用視為一個化學反應過程;無法了解葉綠素所扮演的角色;對能量有 迷思概念:不了解能量獲得的形式、如何獲得太陽能量的概念;部分 學生認為植物從環境中獲得所有養分;學生混淆光合作用以及呼吸作 用,甚至認為呼吸作用出現在沒有光合作用的情況下。. 在林達森(2004)所整理的光合作用與呼吸作用以及生物獲得食物 (生長所需之能量來源)相關迷思概念如表 2-2 所示:總結來說,學生 無法理解植物如何獲得養分以及不了解根部的功能;無法了解光合作 用的功能、目的、反應過程中各種物質扮演的角色,將光合作用視為 提供能量的過程;對呼吸作用發生的場所、進行的時間以及呼吸作用 的目的都感到困擾,甚至將呼吸作用與呼吸運動混淆;不能了解在植 物中呼吸作用與光合作用之間的關係。. 19.

(29) 表 2.2 有關生物能量的迷思概念彙整 分類. 迷思概念. 植 物 的 植物的根由土壤中吸收食物,並儲存於葉子中。 營養 植物的根會吸收土壤。 葉子可以把陽光改變成為食物。 綠色植物在有光能存在時,利用氧氣來儲存食物。 葉綠素是植物的血液。 光 合 作 光合作用的功能是要使植物保持綠色。 用 光合作用主要目的是為了製造氧氣。 光合作用直接提供綠色植物生長所需的能量。 光合作用會製造蛋白質。 綠色植物將陽光和二氧化碳轉變為葉綠素。 綠色植物不論何時,光合作用是持續不斷的進行。 在有光能的情況下,葉綠素與二氧化碳結合產生葡萄糖和水。 光合作用需要二氧化碳來提供能量。 水在光合作用中是提供能量的角色。 土壤是光合作用進行的必要條件。 在沒有光能時,呼吸作用才會使用二氧化碳。 綠色植物在沒有光能時會停止光合作用,但會持續進行呼吸作用並 放出氧氣。 綠色植物只有在沒有光能時,其呼吸作用才會使用氧氣。 光反應發生在陽光常照射部位;暗反應發生在陽光難以照射的部位。 20.

(30) 光反應是在白天進行;而暗反應是在晚上進行。 黑暗無光是暗反應進行的必要條件。 對光反應與暗反應之間的連結關係不了解。 呼 吸 作 呼吸作用就是氣體的進出。 用 呼吸作用就是生物吸取空氣中游離能量的過程。 呼吸作用只發生在葉子的細胞,因為葉子才有氣孔能交換氣體。 呼吸作用只發生在動物的肺臟或鰓等器官。 呼吸作用是一獲得能量的化學過程,只發生在植物細胞,而不會發 生在動物細胞。 呼吸作用能提供維生的能量,並且植物利用此作用製造食物。 綠色植物藉呼吸作用,利用二氧化碳和水來製造葡萄糖和氧氣。 綠色植物只有在夜晚(或沒有光能時)才進行呼吸作用。 植物進行呼吸作用需要陽光提供能量。 整 合 比 不能了解光合作用與呼吸作用之間的連結關係。 較 動物在所有時間均進行呼吸作用,但植物只有在沒有光能時才進行。 對人而言,呼吸作用是呼出二氧化碳;對植物而言,呼吸作用會呼 出氧氣。 只有動物會進行呼吸作用;只有植物才會進行光合作用。 植物的呼吸作用就是指晚上無陽光時的光合作用。 (植物的光合作用與呼吸作用是同一種作用) 只有人類才需氧氣進行呼吸作用,其餘動物與植物均是提供人類氧 氣。 資料來源:引自林達森(2004) 21.

(31) 二、光合作用教學策略研究 Barker 和 Carr (1989a)分析了三種光合作用教學法,認為三者共同 的缺點是缺乏參考學生的先前知識,沒有將光合作用的教學連結到醣 類生成的過程。第一種策略是「引導式發現教學法」,透過提供一連 串計畫好的經驗來引導學生讓他們習得計畫好的課程概念;其中最常 被使用的課程即碘澱粉實驗,然而該策略下最大的問題是忽略學生對 於醣類的先備概念,以及光合作用中葡萄糖、纖維素的部分。第二種 策略是「成分分析教學法」,以科學史上發現光合作用化學反應的機 制進行,學生必須具備有原子、分子的概念以及平衡方程式等化學基 礎,來了解光合作用的化學反應過程。雖然這個策略用來解釋光合作 用最符合科學觀點,但此策略的問題在於忽略學生既有巨觀對植物營 養的想法;學生對於自然現象比較容易用直覺的觀察做功能性的描 述,比較難從微觀的物質的原子組成觀點來回答問題。第三種策略是 「植物食物意義教學法」,此策略希望教導學生了解植物會自己製造 出食物,食物並非是吸收而來。但這個策略的問題是 1.教科書本身對 於食物的定義太過廣泛,舉凡可提供能量的醣類、脂質、蛋白質到不 能提供能量的礦物質、維生素、水等;2.學生對於植物製造自己所需 的食物的想法會跟動物如人類、乳牛可以製造養分的行為產生連結。 22.

(32) 3.此策略會增強學生原先對食物以及吃既有的想法,甚至將動物與植 物產生類比,認為植物的”吃”即是”吸收”。因此 Barker 和 Carr (1989b) 提 出 生 成 學 習 教 學 策 略 , 該 策 略 是 參 考 Osborne 和 Wittrock(1985)以建構主義為基礎所發展的生成學習模式來設計。課 程主題為「植物的木材從哪裡來」,課程設計讓學生實際觀察植物的 生長,測量重量以及莖的長度變化,思考水分、土壤、礦物質、葉子 等對植物生長的影響,鼓勵同學彼此討論講出自己的想法。研究結果 顯示,將近七成的學生可將光合作用視為是一個醣類生成的過程。 Waheed 和 Lucas(1992)提到學生在光合作用相關學習上的困難 性:最主要的原因乃出自於光合作用這個概念本身含括生態學、植物 生理學、生物化學、能量、自營生物。另外,學生在光合作用、呼吸 作用兩個內在機制作用觀念上的學習困難,建議加入基本物質以及能 量的觀念來改善。 Stavy 和 Eisen (1992)經由多年研究學生光合作用學習後,他們認 為要讓學生將光合作用學好,教師必須先了解學生原本的先有概念為 何,透過在教學中改變學生的迷思概念以及避免再增加新的迷思概 念。該研究先參考學生的迷思概念如植物的養分來自於土壤;水分是. 23.

(33) 植物最主要的營養;以及發現學生沒有將化學課程中所學到的知識運 用在生物的課程中,對於二氧化碳是構成植物體的來源感到疑惑。因 此將化學課程與生物課程做整合;提出新的方式來教導學生,他們建 議可由下列的教學步驟來引導學生學習:1.元素構成生物體的組成; 2.物質進出身體內外的差異;3.身體物質發生什麼事;4.為什麼空氣 中的氧氣沒有被用盡;5.動植物的身體組成元素都相同;6.物質在光 合作用被合成;呼吸作用被分解;7.自然界的物質循環;8.自然界碳 的來源;9.人類對碳循環的影響。結果顯示在 Eisen 和 Stavy (1993) 的調查中,整個研究課程中包含了四個與光合作用過程相關的主題: 1.生態、2.化學、3.自營、4 呼吸;整題分數融入課程組表現較控制組 好,具顯著差異。另外分析各主題兩組間的表現,發現在生態以及呼 吸主題上兩組有顯著差異。從研究結果作者建議簡化課程只讓學生認 識元素,不需要介紹化合物;課程中需將光合作用與呼吸作用彼此間 的關係做連結;生態系中生物能量的過程應被強調。 董美津(2005)在探討融入科學史教學於國中生物課程「光合作用」 單元學生學習成效,研究結果發現融入科學史教學後,對於融入課程 組學生的生物學習成就、光合作用概念皆沒有達到顯著成效;但融入 科學史教學可以比較有效幫助學生將概念釐清,提高學生的生物學習 24.

(34) 態度。. 賈本惠(2010) 針對國小五年級學童採用 Osborne 和 Freyberg (1985)四段式概念改變教學策略,進行 POE(Prediction-ObservationExplanation),藉以引出學生植物光合作用的迷思概念,並嘗試以「概 念卡通」 (concept cartoon)呈現概念衝突情境,輔以科學史的故事加 以引導,以及合作學習共同討論,最後呈現日常生活情境,驗證其概 念的應用。研究結果顯示:該教學策略有顯著的成效,學生在教學後 概念圖的關係、階層、關鍵概念、總分平均都顯著優於前測,且命題 總數和正確命題數也都顯著優於前測;在「光合作用」產物和目的也 有顯著進步。 綜合上述文獻的結果發現,學生在學習植物光合作用相關概念上 遭遇到困難,因此許多研究關注在學生本身對科學概念的理解以及認 知發展的關係,甚至以學生的先有概念為前提,了解其概念學習上的 困難進而調整課程內容或教學法的改變,期望能夠幫助學生學習,然 而學生的學習成就未必能有顯著的進步或是全面的提升。參考 Barker 和 Carr (1989a)提到成分分析法對於學生學習所造成的困難;Waheed 和 Lucas(1992)、Stavy 和 Eisen (1992)都建議可將生物課程與化學課 25.

(35) 程做整合;因此,本研究整合上述文獻所提供的資訊獲得啟發,試圖 改變目前台灣國中生物課程內容的教學概念,融入基本物質概念於國 一課程中,透過建立學生對基本物質的了解,奠定其學習光合作用、 呼吸作用等複雜概念的基礎。 參考台灣生物課程中融入基本物質的教學文獻,發現楊鈞媛(2007) 在學習生物下冊「能量流轉與物質循環」單元前,額外引入基本物質 概念,在後測共變數分析中,融入課程組與傳統課程組無顯著差異, 但在延宕測驗分數卻達顯著。顯示讓學生學習基本物質的概念的確可 以加深其概念認知的學習,不是單純的強記憶方式。然而,能量流轉 與物質循環本身亦包含了光合作用、呼吸作用等概念,在短時間內又 要重新加入基本物質概念,學生可能無法在短時間內化吸收。另外, 劉新(2010)在「粒子與能量觀點適時融入國中一年級生物課程必要性 之探討」一文中也建議在國一上學習「生命現象」或「生物體構造」 主題時就應導入原子、分子與能量概念。 故本研究希望調整基本物質概念加入生物課程的時間點,考量到 學校課程進度的時間有限,將其放在生物課程的上冊第三章第一節養 分單元之後,於第一次月考完畢後進行教學,再進入本研究最主要的. 26.

(36) 課程單元第三章第三節「植物如何製造養分」,將基本物質的概念與 植物的光合作用、呼吸作用概念做一個完整的銜接,以建立學生有意 義的學習。. 27.

(37) 第三章 研究方法. 本研究為準實驗研究。為了解融入「基本物質與能量」概念對於 學生學習上的影響,首先實施教學,次即蒐集客觀且可靠的資料,並 進行分析。本實驗研究包含兩個部分,其一以量的研究為主,主要利 用成就測驗進行分析探討;其二利用晤談方式蒐集質性資料與量的資 料相互補充。本章分為五節,第一節為研究架構與流程、第二節為研 究對象、第三節為研究課程設計、第四節為研究工具、第五節為資料 收集與分析。. 第一節 研究架構與流程. 一、研究架構. 本研究以準實驗研究法進行研究,旨在探究融入基本物質觀點的 教學對於國中七年級學生「植物如何製造養分」單元的成效。故實驗 的操作變項為「有無融入基本物質觀點」的教學;依變項為「生物養 分與能量成就測驗」 、 「半結構晤談」 。而可能的外在變項為教師特質, 學生班級特質,教學時間等均以實驗控制。研究架構如圖 3-1 所示。. 28.

(38) 圖 3.1.1:研究架構圖 二、研究流程. 研究者依據「基本物質的有無」來設計光合作用單元的教學課 程,並撰寫詳細教案;同時分析相關文獻以釐清迷思概念設計雙向細 目表,並按此雙向細目表設計學習成就診斷測驗試題(植物的養分以 及能量成就測驗),分別請三位國中生物教師、一位大學教授檢視並 進行修改,提高專家效度。最後選擇國二兩班共 62 位學生進行預試、 信度檢測,最後完成試卷以進行前測、後測、延宕測。其中,前測「植 物的養分以及能量成就測驗」用來作為分析時的共變項,以排除學生 先備知識差異所造成的影響。實驗設計如表 3.1.1 所示。 29.

(39) 表 3.1.1 準實驗研究設計. 實驗組. O1. X1. O3. O5. 對照組. O2. X2. O4. O6. O1、O2:前測分數 O3、O4:後測分數 O5、O6:延宕測分數 X1:實驗組(融入課程組) X2:對照組(傳統課程組). 研究者本身即是課程教學者,在進行課程教授前,先進行前測, 課程結束兩周後進行後測,一個月後實施延宕測。最後在下學期進行 晤談。詳細研究流程圖如圖 3.1.2 所示。. 30.

(40) 圖 3.1.2 研究流程圖. 31.

(41) 第二節 研究對象. 一、 學校簡介 本研究參與學校為新北市某國中,位在三個行政區的交界處,附 近有頻繁的商業活動。全校班級數有 77 班,學生人數 2475 人;教職 員工人數為 175 人,七年級(不含特教班、音樂班)有 23 班,屬於中大 型學校。學校目前已有 38 年歷史,校舍使用方面規劃有行政大樓、 普通教室、專科教室、音樂班、幼稚園等。 二、 教師簡介 教師即為研究者,畢業於國立台灣師範大學生命科學系,任教國 中生物科年資已滿四年,目前擔任國中七年級自然與生活科技領域生 物科教師,同時兼任國三導師。平日上課時大致上以板書搭配簡報進 行教學,簡報內容含有豐富的圖片、影片、電腦動畫、文字解說;上 課常以引導發問方式刺激學生思考,提高學生學習興趣。 三、 學生分組 學校依照常態編班規定,新生入學時採公開抽籤方式,分配就讀 班級。如果班級有資源班學生,依照學生狀況班級人數可減 1~2 人。 32.

(42) 配 合 學 校 行 政 與 實 驗 調 查 方 便 , 採 方 便 抽 樣 (convenience sampling),以研究者任教的七年級四個班級為正式研究樣本。其中融 入課程組人數為 58 人;傳統課程組人數為 57 人。 為了減少方便抽樣所造成的抽樣誤差,研究者事先收集研究對象 相關資料,分別以「上學期第一次月考生物測驗」以及「植物的養分 以及能量測驗」前測平均成績進行獨立樣本 t 考驗檢定,結果均未達 顯著差異,分析如表 3.2.1、3.2.2。. 表 3.2.1 融入課程組與傳統課程組學生第一次月考生物成績分析結果. 變項. 融入課程組. 傳統課程組. ( n = 58 ). ( n = 57 ). M. M. SD. SD. t(112). p. 95%. CI. Cohen's. LL. UL. d. 月考 1 77.10 13.597 75.07 16.355 0.722 0.472 -3.541 7.605. 0.135. 兩組的平均數各為 77.10 及 75.07,變異數同質性 Levene 檢定未 達顯著(F=2.666 , p=0.105),即代表融入課程組與傳統課程組的離散情 形沒有明顯差別。由變異數相等的假設,顯示 t =0.722 , df=112, p=0.472,呈現考驗結果未達顯著,因此兩組平均未達顯著差異 。. 33.

(43) 表 3.2.2 融入課程組與傳統課程組學生「植物的養分以及能量」前測成績分 析結果 融入課程組. 傳統課程組. ( n = 58 ). ( n = 57 ). 變項. M. SD. M. A. 16.48. 6.024. 17.82. SD. t(112). p. 95%. CI. Cohen's. LL. UL. d. 5.615 -1.226 0.223 -3.502 0.824. -0.230. 兩組的平均數各為 16.483 及 17.821,變異數同質性 Levene 檢定 未達顯著(F=0.122 , p=0.728),即代表融入課程組與傳統課程組的離散 情形沒有明顯差別。由變異數相等的假設,顯示 t =-1.226 , df=112, p=0.223,呈現考驗結果未達顯著,因此兩組前測平均未達顯著差異。. 另以「上學期第一次月考生物測驗」成績作為標準,將融入課程組與 傳統課程組學生區分為高、中、低三個群組(高、低分群學生人數均 佔總人數的 27%,其餘為中分群學生)。融入課程組三個群組分別為 15、28、15 人;傳統課程組分別為 15、27、15 人。接著利用融入課 程組與傳統課程組高、中、低分群之「植物的養分以及能量」測驗前 測成績,分別考驗兩組高、中、低分群的起點行為是否有顯著差異, 利用獨立樣本 t 考驗,得到高分群的 t 值=-0.337 (p=0.738>0.05)、 中 分群的 t 值=-1.319 (p=0.193>0.05)、低分群的 t 值=-0.435 (p=0.667 >0.05),均未達顯著水準,顯示兩組之高、中、低分群學生的起點行 34.

(44) 為並無顯著差異。分析結果如表 3.2.3 表 3.2.3 融入課程組與傳統課程組高中低分群在「植物的養分以及能量」測 驗前測平均成績比較表. 變項. 融入課程組. 傳統課程組. ( n =58 ) M SD. ( n =56 ) M SD. t. p. 高分群 21.47. 6.927. n=15. 22.18. 4.915. n=17. -.337. .738. 中分群 15.86. 4.897. n=28. 17.58. 4.471. n=24. -1.319. .193. 低分群 12.67. 3.244. n=15. 13.27. 4.250. n=15. -.435. .667. 第三節 研究課程分析與設計. 一、教料來源: 本研究使用康軒版國中自然與生活科技領域七年級上學期適用 教科書,以「3-3 植物如何製造養分」單元為教材。另外增加 6-2 節 中呼吸作用的概念進來。融入課程組與傳統課程組在此部分的教學概 念皆相同,但融入課程組的部分是融入基本物質的概念來進行教學, 傳統課程組則無。 分析民國 96 年八月修訂初版的自然與生活科技領域部編本教科 書第一冊,第 0-3 節,「萬物由原子組成」以及康軒版八年級上冊課 本第二章「物質的世界」 、第六章「元素與化合物」的內容,發展補 35.

(45) 充教材以及設計融合課程切入的時間點。 本研究的融入課程組以及傳統課程組在概念上的差異可由圖 3.3.1 來表示。該圖是修改自劉新、李秀玉(2010)所分析的國中一年級 粒子與能量課程認知概念圖。其中表格為黃色者,代表融入課程組額 外增加的概念;融入課程組能知道物質是由原子所構成,學會利用化 學符號來表示各物質;傳統課程組則是利用中文來表示。按照 Ausubel 的觀點,他認為學習就是將新訊息納入個體原有的認知結構的過程。 建議學生應該先知道最高層、涵蓋性較大的概念,再由上而下學習較 低層、涵蓋性較小的概念。本研究假定課程概念上應調整成將基本物 質視為最高層的概念,教學次序上應優先教導給學生,再以此基礎下 學習光合作用以及呼吸作用的概念。 二、教學內容 融入課程組在進入單元 3-3 前,先進行基本物質教材的教學,奠 定物質的組成、物理變化、化學變化等概念。基本物質教材的概念包 含如下所示,詳細教案見附錄 A 以及學習單見附錄 B。另外,融入課 程組與傳統課程組在單元 3-3「植物如何獲得養分」的概念相同,但 融入課程組多了物質與化學、物理反應的觀念,所以兩組在光合作用 36.

(46) 概念的陳述上有差異。詳細的教案見附錄 C。. 圖 3.3.1 國中一年級粒子與能量課程認知概念圖 資料來源:修改自劉新、李秀玉(2010). 基本物質教材概念:. 1.萬物由原子組成:介紹原子與分子的概念,教導碳、氫、氧、 氮原子符號分別為 C、H、O、N 表示。簡單告訴學生氫氣分子為 H2、 水分子為 H2O、二氧化碳分子 CO2、氧氣分子 O2、葡萄糖分子 C6H12O6 的寫法。了解許多原子可以不同的排列組合方式構成不同分子。另外 藉由植物細胞壁的構造為纖維素循序漸進引導到由葡萄糖組成、葡萄. 37.

(47) 糖則由碳、氫、氧三種原子依照一定的數目構成。. 2.物理變化與化學變化:利用水的三態變化、粉筆變成粉筆灰的 例子說明物理變化的現象;利用燃燒酒精、燃燒木炭的生活經驗、以 及氫氣加氧氣可變成水蒸氣的例子說明化學變化的現象;以奠定學習 光合作用與呼吸作用的基礎。 三、 教學流程 兩組學生課程皆進行五節課的時間,其中融入課程組於第一堂課 進行基本物質相關的課程;傳統課程組則進行認識葉子構造以及模型 製作。另外第四節課融入課程組利用粒子模型進行動手做光合作用課 程;傳統課程組則於課堂上完成習作以及學習單。以表 3.3.1 說明。 表 3.3.1 兩組課程進行流程 融入課程組. 傳統課程組. 第一堂課. 認識物質與化學反應、物理反應. 葉子的構造、模型的製作. 第二堂課. 葉子的構造 (模型回家完成)、光合作用. 光合作用. 第三堂課. 光合作用與呼吸作用. 光合作用與呼吸作用. 第四堂課. 動手做光合作用. 課堂完成習作、學習單. 第五堂課. 活動 3-3 光合作用的探討. 活動 3-3 光合作用的探討. 38.

(48) 第四節 研究工具. 本研究所使用的測驗工具包括量化與質性兩種類型:(1)量化工具 為「植物的養分以及能量成就測驗」 、(2)質性工具為「半結構式晤談」 。 在前測、後測、延宕測中皆以成就測驗施測,再輔以半結構式質性訪 談了解學生對於物質以及光合作用概念相關問題的理解情形。上述各 項研究工具發展原則、流程、內容將詳述如下: 一、「植物的養分以及能量」學習成就測驗 本研究採用之「植物的養分以及能量」學習成就測驗是為了瞭解 學生在經由課程教學後,是否習得正確的概念。測驗內容主要出自於 康軒版自然與生活科技上冊植物光合作用以及呼吸作用相關的部 分,皆包含在融入課程組和傳統課程組的課程中;另外參考涂志銘等 (2008)年所發展的「生物概念診斷測驗-植物的養分與能量」二階段 測驗題目,加入一些學生可能出現的迷思概念所完成。正式施測前, 先經過國二兩班共 62 位已學過此單元的學生進行預試,經過一位大 學教授以及三位生物科教師檢核,基於試題的難度、鑑別度、內容適 切性提出修正和建議,刪除低鑑別度以及高難度試題後,重新編號(見 表 3.4.1),完成試題。(詳見附錄 D) 整份試題難度介在 0.35~0.76;鑑 39.

(49) 表 3.4.1 預試試題與正式試題題號對照表 預試試題題號 1 題號 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40. 難度指標 0.62 0.71 0.56 0.06 0.5 0.35 0.68 0.35 0.47 0.5 0.62 0.41 0.44 0.53 0.41 0.74 0.56 0.44 0.53 0.44 0.41 0.5 0.59 0.47 0.56 0.62 0.47 0.62 0.21 0.56 0.59 0.24 0.38 0.62 0.56 0.56 0.62 0.76 0.44 0.56. 鑑別度指標. 處理方式 採用 採用 採用 刪除 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 刪除 採用 採用 刪除 採用 採用 採用 採用 採用 採用 採用 刪除. 0.53 0.59 0.65 0 0.53 0.35 0.65 0.59 0.35 0.76 0.65 0.24 0.53 0.59 0.35 0.41 0.65 0.06 0.71 0.41 0.71 0.53 0.71 0.24 0.41 0.65 0.35 0.53 0.18 0.65 0.82 0.12 0.53 0.65 0.76 0.65 0.76 0.47 0.29 0.18. 40. 正式試題題號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36.

(50) 別度指數 0.24~0.82,庫李信度(KR20):0.890。 正式測驗為 36 題單一選擇題測驗,每題有四個選項,僅一個最 適合答案。參考 Bloom(1956)所提出的認知領域教學目標分類法,將 此份問卷分成知識、理解、應用分析三類能力層次的題目,知識 10 題、理解 15 題、應用分析 11 題。雙向細目表如表 3.4.2 表 3.4.2 評量概念與認知層次雙向細目表 認知層次 概念分群. 評量概念(教學目標). 知 識. 理 解. 應用 分析. 1.養分的種類. (一) 養分與能量 觀點. (二). 1-1 養分可區分成能產生能量與不能產生能量 的養分。 1-2 一公克醣類產生 4 大卡能量。 1-3 一公克蛋白質產生 4 大卡能量。 1-4 一公克脂質產生 9 大卡能量。 1-5 水、礦物質、維生素無法產生能量。. 1 、 2. 3. 2.植物利用光合作用來獲得養分。 22 2-1 植物行光合作用產生葡萄糖,可轉換成其 他養分,如蛋白質、脂質、澱粉。. 19 20 21. 24. 3.光合作用能量觀點 3-1 光合作用將太陽能轉換,存於葡萄糖中。 3-2 地球上的生物生存都需要太陽能。 3-3 光反應所產生的能量可提供給暗反應使 用。. 34 35. 36. 4. 5. 4.光合作用進行的場所在細胞中的葉綠體。 4-1 葉子是光合作用主要進行的器官。 4-2 含有葉綠體的細胞才能進行光合作用,產 41. 33.

(51) 光合作用. 生養分。 5.光合作用是指綠色植物利用葉綠體吸收太陽 能,將水和二氧化碳轉換成葡萄糖、氧氣和水 的過程。 5-1 光合作用總反應式為: 6 太陽能 9 水+二氧化碳葡萄糖+氧氣+水 12 葉綠體 13 5-2 光合作用第一階段為光反應:葉綠素吸收 14 光能,將水分解,產生氧氣釋放到大氣中。. 10 11 17 18. 7 8 15 16. 5-3 光合作用第二階段為暗反應:多種酵素利 用光反應產生的能量,將二氧化碳轉換成葡萄 糖和水。 (三) 呼吸作用. (四) 光合作用與 呼吸作用的 比較. 6.呼吸作用是指養分在細胞的粒腺體中被分 23 解,釋出能量的過程,需要消耗氧氣,同時也 會產生水和二氧化碳。 6-1 植物每個細胞都需要進行呼吸作用。 6-2 動物每個細胞都需要進行呼吸作用。. 25 26 31 32. 7.光合作用與呼吸作用的比較:. 30. 7-1 植物在有光的情況下進行光合作用,任何 時刻都可進行呼吸作用。. 27 28 29. 二、半結構式晤談:. 針對「植物的養分以及能量」學習成就測驗的結果,進一步晤談 融入課程組以及傳統課程組的學生,了解其對於植物如何獲得養分、 光合作用進行的過程是否有差異;另外想了解融入課程組的學生對於 光合作用反應的物質以及進行過程的想法,是否能夠運用物質的組成 42.

(52) 觀點來理解課程內容。由於時間以及人力的限制,晤談對象為十三 人,從成就測驗中挑選延宕測優於後測或是兩者分數接近的學生接受 晤談。晤談時間為午休時間,每位學生晤談時間約為半小時。晤談進 行之前會向學生說明本次晤談目的是想了解他們在學習單元 3-3 的一 些想法,不會影響到學業成績,請他們安心作答;在晤談進行過程中, 晤談者會營造輕鬆愉快的氣氛,鼓勵受試者盡量表達出自己心中所 想。在晤談過程中全程錄音,之後轉成逐字稿加以分析。晤談的題目 如下: 1. 植物如何獲得所需的養分? 2. 植物行光合作用的目的為何? 3. 請你說明光合作用的過程為何?. 第五節 資料收集與分析. 本研究資料收集學習成就診斷測驗之前測、後測、延宕測結果, 以及半結構式晤談紀錄。就上述所收集的資料,說明資料分析的方 法。. 43.

(53) 一、資料收集 (一) 學習成就診斷測驗:在進行上課前兩周內,針對融入課程組 及傳統課程組的學生進行前測,在結束課程後兩周內進行後 測。並於一個月後進行延宕測。將前測、後測、延宕測作答結 果輸入電腦,以統計軟體 SPSS 18.0 版進行各項分析。 (二) 半結構式晤談:在結束課程後四個月內,選定晤談對象並完 成晤談。為求完整記錄晤談內容,在晤談過程中全程錄音,每 位學生晤談時間為 20~30 分鐘。. 二. 資料分析 (一) 學習成就診斷測驗: 首先,為了回答第一個研究問題:"比較融入基本物質與能量觀點 的統整課程以及傳統課程,對於學生在「植物的養分以及能量」的整 體學習成效是否有差異?",進行單因子共變數(One-way ANCOVA), 以前測成績作為共變數,比較兩組組間後測以及延宕測成績是否有顯 著差異。另外以重複量數變異數分析(Repeated measures ANOVA)來探 討兩組各別在前測、後測、延宕測的學習表現。 44.

(54) 其次,為了回答第二個問題:比較融合基本物質的統整課程與傳 統課程,對於學生在「植物的養分以及能量」的記憶、理解、應用分 析認知程度上是否有差異?利用單因子共變數(ANCOVA),以前測成 績作為共變數,比較兩組組間在記憶、理解、應用分析認知程度的後 測以及延宕測成績是否有顯著差異。 為回答第三個問題:比較融合基本物質的統整課程與傳統課程, 對於學生在「植物的養分以及能量」概念分群上是否有差異?利用單 因子共變數(ANCOVA),以前測成績作為共變數,比較兩組組間在各 概念分群的後測以及延宕測成績是否有顯著差異。 為回答的第四個問題:比較融合基本物質統整課程與傳統課程對 於高、中、低學習成就學生的概念學習所造成的影響是否有差異?先 利用「上學期第一次月考生物測驗」成績作為標準,將融入課程組與 傳統課程組學生區分為高、中、低三個群組。分別計算各群組前測、 後測、延宕測平均分數,利用單因子共變數(ANCOVA)分析兩組不同 學習成就學生是否有顯著差異。. 45.

(55) (二) 半結構式晤談:針對「植物的養分以及能量」學習成就測驗 的結果,進一步晤談學生,了解對於光合作用反應的物質以及 進行過程的想法。. 46.

(56) 第四章 結果與討論. 研究以選擇題測驗以及晤談方式探討學生對於植物的養分以及 能量相關概念的學習成效,本章將分別針對選擇題測驗以及晤談結果 進行分析與討論。. 第一節 學習成就診斷測驗之整體成績分析. 本節討論融入課程組與傳統課程組學生在學習成就診斷測驗後 測、延宕測的學習成效,以及分析比較兩組學生重複測驗之學習差異。 一、 融入課程組與傳統課程組學生後測成績分析 以前測為共變項,後測作為依變項,進行共變數分析。兩組學生 「植物的養分以及能量成就測驗」組內迴歸係數同質性考驗,考驗結 果如表 4.1.1 所示,符合迴歸係數同質性(F=0.47,p=.497),並未達 0.05 顯著水準,未違反組內迴歸係數同質性檢定的假設,可以繼續進 行共變數分析。以前測分數作為共變數,組別作為固定因子,共變數 分析結果如表 4.1.2、表 4.1.3 所示。表 4.1.2 的敘述統計顯示融入課 程組的平均數為 20.91;傳統課程組的平均數為 20.60,調整後平均數 47.

(57) 依序為 21.59、19.91。表 4.1.3 共變數分析摘要表中,組間效果檢定 F(1,115)= 3.93, p=.050,達到顯著水準,表示排除前測變項影響後, 兩組學生在植物的養分以及能量成就測驗後測,有顯著差異存在。 表 4.1.1 兩組學生在「植物的養分以及能量成就測驗」組內迴歸係數同質性 考驗摘要表 SS. 來源. 組間(迴歸係數同質性) 9.53 Error(誤差項) 2,273.94. df. MS. F. Sig.. 1 111. 9.53 20.49. 0.47. .497. 表 4.1.2 兩組學生在「植物的養分以及能量成就測驗」後測成績的描述性統計 人數. 平均數. 標準差. 58 57 115. 20.91 20.60 20.76. 7.10 7.00 7.02. 融入課程組 傳統課程組 總和. 調整後平 均數. 標準誤. 21.59 19.91. .595 .600. 表 4.1.3 兩組學生在「植物的養分以及能量成就測驗」後測成績的共變數分析 變異來源. SS. df. MS. F. Sig.. η2. 組間. 80.20. 1. 80.20. 3.93. .050*. 0.034. 誤差. 2,283.47. 112. 20.39. 0.00. 總和. 55,167.00. 115. *p < .05 η2 效果量: η2>0.0099(低度)、η2>0.0588(中度)、η2>0.1379(高度). 48.

參考文獻

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