以POE策略和「月相類比模型」探究六年級學童的推理技巧及概念發展的途徑

國立台中教育大學自然科學教育學系碩士論文

指導教授：張嘉麟 博士

以POE策略和「月相類比模型」探究

六年級學童的推理技巧

及概念發展的途徑

研究生：姚志宗 撰

中華民國九十五年五月

摘要

本研究的目的是以預測－觀察－解釋(Predict-Observe-Explain, POE) 策略，探究 35 位六年級學生在「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。研究者以自行設計的「月相類比模型」讓學 生進行前預測、再預測、觀察、解釋，如此循環七次，最後進行總結歸納 與移位觀察，並以活動單和晤談蒐集資料。結果發現學童在「月相類比模 型」中產生的非科學概念為：（一）覺得光照到的面積不同，和其他因素 無關（L）；（二）覺得球在不同位置，光照到的面積不同（BL）；（三）覺 得光照到每顆球都一樣，是球的位置不同（B）；（四）覺得光照到每顆球 不一樣，人看的角度也不同（LE）；（五）覺得光照到每顆球不一樣、球的 位置、人看的角度都不同（LEB）；（六）覺得光照到每顆球都一樣，是球 的位置和看的角度不同（BE）。科學概念為：覺得光照到每顆球都一樣， 是看的角度不同（E）。學童從總結歸納到移位觀察有六種概念改變的歷 程：（一）非科學概念的堅持；（二）非科學概念到過渡概念；（三）非 科學概念到科學概念；（四）過渡概念的堅持；（五）過渡概念到科學概 念；（六）一直持有科學概念。學童在整個實驗中共有四種概念發展的途 徑，分別是以 BL、B、LE 和 LEB 為主。實驗中當學童進行預測時傾向於使 用演繹和類比推理；當學童進行觀察和解釋時傾向於使用歸納推理，而且 發現：（一）學童歸納出非科學概念；（二）類比推理能做出正確預測， 但未必產生概念改變；（三）演繹是在驗證暫時性理論。最後，研究者根 據分析結果提出教材設計和教學的建議。 關鍵字：月相、概念改變、概念發展、推理技巧

Study of Sixth Graders’ Reasoning Skills and the Processes of Conceptual Development by Using the POE Strategies in a Self-Designed “Analogous Model of Moon Phases”

Chih-Chung Yao

Abstract

The purpose of this study was to investigate 35 sixth graders’ reasoning skills, conceptual changes and the processes of conceptual development by using Predict-Observe-Explain (POE) strategies in a self-designed “analogous model of moon phases”. The procedures of the POE activities were prediction, re-prediction, observation, and explanation for seven cycles. After the POE activities, students were asked to observe the analogous moon phases from arbitrary positions and to make conclusions for their reasoning. Students’ concepts were acquired by activity sheets and interviews.

The primary findings of this study were as follows. First, students show various nonscientific concepts about the formation of moon phases, including (1) The bright areas shed by the light are different (L); (2) The bright areas and ball positions are both different (BL); (3) The bright areas are the same, but the ball positions are different (B); (4) Both the bright areas and the observing angles are different (LE); (5) The bright areas, ball positions and observing angles are all different (LEB); (6) The bright areas are the same, but both the ball positions and observing angles are different (BE). On the other hand, the scientific concept is that the bright areas are the same and it is the different observing angles leading to the formation of moon phases (E). Second, students show the following six patterns of conceptual changes: (1) The persistence of nonscientific concepts; (2) From nonscientific concepts to transition ones; (3) From nonscientific concepts to scientific ones; (4) The persistence of transition concepts; (5) From transition concepts to scientific ones; (6) The persistence of scientific concepts. Third, students’ conceptual developments can be classified as four pathways dominated by the BL, B, LE, and LEB concepts, respectively. Finally, students tend to use analog and deduction reasoning skills in the prediction activities, in contrast to induction in the observation and explanation stages. Meanwhile, it was found that (1) Students sometimes induce to nonscientific concepts; (2) Although analog reasoning sometimes helps make right predictions, there is no guarantee for conceptual changes; (3) Deduction is used for verifying temporary theories. According the above findings, the researcher made some suggestions for the instruction and design of teaching materials about the moon phases.

目錄

第一章 緒論……… 1 第一節 研究背景與動機……… 第二節 研究目的與問題……… 第三節 名詞釋義……… 第四節 研究範圍與限制……… 1 2 3 4 第二章 文獻探討……….……… 6 第一節 POE 策略……… 第二節 推理技巧……… 第三節 推理的研究文獻……… 第四節 概念和概念改變……… 第五節 「月相類比模型」的相關概念……… 6 7 11 14 16 第三章 研究方法……….……… 24 第一節 研究發展與設計……… 第二節 研究對象……… 第三節 研究流程……… 24 32 33 第四章 研究結果與討論……… 42 第一節 學童的先前概念……… 第二節 總結歸納時的七種概念……… 第三節 移位觀察所產生的六種概念改變的歷程……… 第四節 四種概念發展的途徑……… 第五節 學童使用的推理技巧……… 42 48 51 56 66

第一節 結論……… 第二節 建議……… 73 75 參考文獻 ……… 77 附錄一 現行南一版自然科教科書中與光槪念相關之教材綱要 表……… 81 附錄二 現行南一版自然科教科書中與月相槪念相關之教材綱 要表……… 82 附錄三 晤談大綱……… 83 附錄四 晤談摘要紀錄表……… 84 附錄五 整理好的晤談紀錄……… 85 附錄六 S34 的推理過程紀錄表……… 86 附錄七 學生先前預測分類表……… 87 附錄八 35位學童從總結歸納到移位觀察的十二種類型和六種 概念改變的歷程……… 88 附錄九 35位學童的概念發展途徑……… 89

表目錄

表2-1 Tytler & Peterson與Driver等人對學生推理技巧的描

述……… 14 表2-2 有關「光」學習領域之教材內容要項……… 19 表2-3 學生光學迷思概念和正統科學概念之比較……… 20 表2-4 有關「月相」學習領域之教材內容要項……… 21 表2-5 學生月相迷思概念和正統科學概念之比較……… 22 表3-1 本研究相關的正確槪念……… 36 表4-1 學童在「月相類比模型」中所產生的概念……… 42 表4-2 學童在「月相類比模型」中所產生的暫時性理論……… 43 表4-3 學童主要的先前概念……… 43 表4-4 再預測到總結歸納時的概念發展……… 49 表4-5 總結歸納到移位觀察十二種類型及六種概念改變的歷 程……… 52 表4-6 概念發展途徑一……… 57 表4-7 概念發展途徑二……… 61 表4-8 概念發展途徑三……… 63 表4-9 概念發展途徑四……… 64 表4-10 學童總結歸納時的概念或暫時性理論……… 67 表4-11 學童再預測答對時所持的理由次數統計……… 70 表4-12 學童產生的暫時性理論……… 70

圖目錄

圖2-1 理論與觀察……… 8 圖2-2 月相類比模型科學概念圖……… 23 圖3-1 初探初期實驗現場照片……… 26 圖3-2 有塗螢光漆和沒有塗漆拍攝到的照片……… 27 圖3-3 燈光由亮到暗拍攝到的照片……… 27 圖3-4 關燈後的現場照片……… 27 圖3-5 七個不同位置用相機拍下的照片……… 28 圖3-6 改良後實驗現場照片……… 29 圖3-7 推理實驗設計圖……… 29 圖3-8 活動單……… 32 圖3-9 POE 活動的實施流程圖……… 35 圖3-10 初探研究相關圖……… 38 圖3-11 研究流程圖……… 41 圖4-1 總結歸納到移位觀察六種概念改變的歷程……… 53 圖4-2 七種主要概念……… 57 圖4-3 概念發展途徑一……… 58 圖4-4 概念發展途徑二……… 61 圖4-5 概念發展途徑三……… 63 圖4-6 概念發展途徑四……… 65 圖4-7 學童在推理實驗中的推理技巧……… 66 圖4-8 BL2：進來多出去少的概念……… 68 圖4-9 BL3：角度大照的多，角度小照的少……… 69

第一章 緒論

本章共分為四節，第一節為研究背景與動機；第二節敘述研究目的 與問題；第三節為名詞釋義；第四節是研究範圍與限制。

第一節 研究背景與動機

近年來許多學者投入學童另有槪念的研究，探討各種另有槪念的類 型，期望另有槪念的研究結果能有助於教學與課程設計。月亮在生活中 非常容易觀察得到，然而賴瑞芳（2002）的研究指出，學生在月相盈虧 現象、月相盈虧成因、月相盈虧周期及月相相對運動等四個槪念領域， 存有許多另有槪念，學生對於各月形出現的日期、月亮升起時間的規 則、月亮升起落下的方向等無法做合理的預測。 近年來國內外許多學者對學生持有的光迷思概念進行研究，例如 Guesne（1985）；王龍錫、張靜儀（1995）；李采褱（2003）；蔡明儒 （2004）等，他們的研究發現學生在光、光直線前進、光與陰影、光的 反射、光與視覺等概念上存有許多另有概念。 認知心理學認為兒童的概念學習是主動的。學童透過先備知識和解 決問題經驗，對材料或問題進行解釋、重組，再將知識表徵表現於解決 問題之上。張景媛、陳萩卿（2003）指出個人認知歷程包括類比推理、 演繹推理和問題解決。可見兒童的概念學習是要對現象提出解釋以及解 決問題。 解決問題時會形成對問題的心智模式，而心智模式會受推理能力、 知識基模、工作記憶容量、認知發展成熟、解題策略等影響（張景媛、 陳萩卿，2003）。Kenneth Craik(1943）認為心智模式是人類自動轉譯 外來的事件成為內在的模式（引自邱美虹、林靜雯，2002）。張俊彥、

翁玉華（2000）的研究發現：問題解決能力和科學過程技能有中度相關。 吳佳玲、張俊彥（2002）的研究發現：問題解決能力和先備知識、推理 能力、問題解決態度有顯著相關。可見得推理能力會影響學童的問題解 決能力。 現今的教育，希望學生能主動學習，並擁有獨立思考和解決問題的 能力。身為國小教師，研究者想了解學生在可能擁有另有概念的情形之 下，如何主動去學習、推理，並解決所遇到的問題？很多研究發現，類 比推理可以廣泛的用在教學，幫助學生學習，因此，本研究設計了一個 月相的類比模型，針對學生對月亮類比模型產生的想法，利用預測－觀 察－解釋(Predict-Observe-Explain, POE）策略進行研究，以探討學 生的概念及推理技巧。

第二節 研究目的與問題

依照課程的安排，學童在中年級時只需觀察並知道月亮有盈虧現象 (月相變化)，到了國一時才需利用模型描述地、日、月之間的相對運動， 並解釋月相變化、日蝕、月蝕的現象。本研究是針對自然與生活科技領 域中的月相槪念，設計一個類比月相的模型，利用POE策略進行推理實 驗。針對學生在推理實驗中對現象的解釋，歸納出學生的概念，並探討 學童在此模型中槪念的發展，最後歸納學生的推理技巧，待答問題如下： 1.學生在月相類比模型中呈現的概念為何？ 2.學生在月相類比模型中概念的改變歷程為何？ 3.學生在月相類比模型中概念的發展途徑為何？ 4.學生在月相類比模型中使用的推理技巧為何？

第三節 名詞釋義

以下針對與本研究相關的名詞加以描述： 一、推理技巧 推理是從一個或幾個已知判斷推出一個新判斷的思維形式（朱水 林，1997）。本研究所謂的推理技巧是指學生在「解釋」以及「再預測」 時所使用的推理方式、表徵、或類型，包含：演繹推理、歸納推理及類 比推理。演繹推理係根據已知的事實或假設條件推演出結論的推理方 式；歸納推理是以觀察所見多個事例所得經驗為基礎，歸結出槪括性的 結論，藉以做為解釋或預測類似事件可能發生之根據的思維歷程；而類 比推理是用以往經歷過類似問題的經驗用於解決目前問題的一種方法 （張春興，2003）。 二、POE策略 White和Gunstone (1992a)提出的POE（預測－觀察－解釋）策略， 用來探究學童理解情形及槪念改變，首先要求學童對事件的結果進行預 測並確認其理由，接著描述他們所觀察到的現象，最後必須解釋調和介 於觀察與預測之間的衝突。 三、非科學概念 本研究的正統科學概念是：「光照到每一顆球的面積都是一樣的， 因為看的角度不同所以產生不同的月相」，此正統科學概念包含了「光 照面積一樣」、「看的角度有關」以及「和球的位置無關」等三種科學 概念。本研究為了描述學童概念改變的歷程，參考Venville(2004)的定 義，若學童沒有使用到上述三種科學概念其中之一，就定義為「非科學 概念」；三種科學概念都擁有稱為「科學概念」；只擁有其中一、二種

稱為「過渡概念」。 四、另有概念 另有概念是指學童藉由日常生活經驗的觀察、學校學習或其他的方 式對於現象所產生的認知，而這樣的認知和現今科學家的看法不同。 五、概念改變歷程 Piaget的概念改變有兩種方式，一種為學生利用原有的概念來處理 新現象，這種改變稱之為同化；另一種為當現有的概念不足以應付新的 現象或新的問題，這時候他必須取代或重整他的想法，稱之為調適。本 研究在POE活動之後讓學生對整個實驗進行總結歸納，再請學生離開座 位進行移位觀察，藉此觀察學童概念改變的歷程。 六、概念發展途徑 學童經過一連串的實驗之後，概念會發生改變，這一連串的概念改 變會形成一種概念發展途徑，在本研究中，學童會有自己個人的概念發 展途徑，研究者歸納學童在整個實驗中概念形成的共同途徑。

第四節 研究範圍與限制

一、就研究對象而言 月相成因是屬於國一的範圍，四年級學童只是觀察月相的變化，為 了接近國一年齡層，本研究之對象為國小六年級下學期一個班級的學生 （35人），由於樣本數較少，不宜過度推論。 二、就推理和概念改變而言

本研究在探討學生在「月相類比模型」POE的過程中，所使用的推 理技巧及概念的改變，不宜過度推論至其他概念的推理與改變。

第二章 文獻探討

本章將探討POE策略的理論基礎、推理技巧、概念改變和「月相類 比模型」的相關概念，第一節探討POE策略；第二節闡述推理技巧；第 三節探討推理的相關研究；第四節述明概念與概念改變；第五節介紹「月 相類比模型」的相關概念。

第一節 POE 策略

White和Gunstone(1992a)提出了POE 策略用來探究學童理解情形 及槪念改變，首先要求學童對事件的結果進行預測並確認其理由，接著 描述他們所觀察到的現象，最後必須解釋調和介於觀察與預測之間的衝 突。 POE主要是要了解學生在學習時，使用哪些資訊去解釋事件或經 驗，以及探討學生在解釋真實事件所使用的信念。一般而言，POE進行 的步驟如下： （一）預測(Predict) 學生運用其原有的知識去預測一個事件的結果，其預測必須要有其 支持的理由，才能提出。 此階段所有學生都要能理解他們即將預測的情境內容，且在預測前 允許學生問問題，並讓每位學生描述他的預測和支持預測的理由，也可 以使用選擇題或是開放的方式紀錄學生的預測，如此可避免學生因為思 考而忽略了觀察。 （二）觀察(Observe) 在事件完成之後，要求學生描述事件的觀察結果。要讓所有學生紀

同結果，若沒有立即寫下觀察到的，當看到其他結果時，他們會改變他 們的觀察，研究者不能假設全部的人會看到相同的東西，也就是觀察常 常是理論負載的，個人的信念常會影響觀察的結果，而且許多學生會忽 視到的現象，觀察並用各種理由加以解釋。 （三）解釋(Explain) 學生要解釋他的預測和觀察結果之間的矛盾，通常他們會遇到困 難，教學者要鼓勵學生去考慮所有的可能因素；此時的鼓勵是重要的， 因為學生在這個步驟中會展現出他們對於事件的理解。 POE並不是適用於各種情境，它適合在可以產生預測的情境、能和 學生世界相關的情境及日常生活…等情境。然而學生可能對此研究法產 生負面的態度，而不去做預測。若使用很多次，學生會把POE當成教師 的一貫方式，認為老師提供的答案一定和我想的不一樣，而故意去猜相 反的答案，使用POE時要避免可能產生非預期的結果。

第二節 推理技巧

推理是從一個或幾個已知判斷推出一個新判斷的思維形式（朱水 林，1997）。對於實際的推理意義和模式，研究學者們並無定論，張景 媛、陳萩卿（2003）認為，推理思考在問題解決過程中扮演重要的角色， 不但能幫助個人從複雜問題中理出解題規則，也協助個人評估並判斷外 在資訊間的相關性，逐漸建構有效的問題解決歷程，並將推理思考的類 型分為：演繹推理思考、類比推理思考和歸納推理思考三種。 科學史（西方科學哲學）的演繹法，注重理論洞察，以柏拉圖和笛 卡兒為主，屬於理性主義；歸納法則注重觀察，以培根為主，屬於經驗 主義、邏輯實證主義、邏輯經驗主義。陳榮祥（2002）指出理論建構和 觀察之間是一個循環，如圖2-1。學習者藉由感官經驗的觀察，歸納出

許多暫時性的理論，此暫時性的理論，因為是個體建構的，所以注意力 不同會得到不同的暫時性理論，這些暫時性理論可能是不完備的，與科 學概念有差異的。當學習者遇到類似的情境時，便會使用自行建構的暫 時性理論去進行演繹推理。張景媛、陳萩卿（2003）提到演繹推理和年 齡、認知發展、經驗、情境…等都有關係。不同學習者的推理能力不相 同，加上既有的暫時性理論也不相同，所以對同一件事情，往往會有很 多種想法，然而很多想法是屬於非科學的另有概念。 張春興（2003）認為，推理（reasoning）是指在思維時遵循某種 邏輯法則，以已知的事實或假設條件為基礎，推演出有效結論，從而對 事理間之關係獲得理解的歷程。此一定義中含有三點要義：一、推理是 遵循邏輯法則進行的思維歷程，故而推理一詞有時也稱為邏輯推理，邏 輯推理方式有多種。二、推理是以已知的事實或假設條件為基礎，沒有 已知事實或假設條件做根據，推理將無法進行。三、推理的目的旨在從 事理的關係中獲得結論，做為對事理的是非對錯進一步判斷之根據。在 暫時性理論： 個體建構 觀察： 感官經驗 理論有其固執性 注意力不同、得到訊息不同 演繹 歸納 圖 2-1 理論與觀察 （引自陳榮祥，2002）

邏輯推理方面，張春興分為演繹推理(deductive reasoning)和歸納推 理(inductive reasoning)兩類，有關判斷的部分，他歸在問題解決裡 面，分成定程法和直觀推斷法兩類。茲將張春興（2003）所提和本研究 相關的推理的形式分述如下： 一、演繹推理 演繹推理係根據已知的事實或假設條件推演出結論的推理方式，亦 即根據普通的原則去確定特殊事例的推理（張春興，2003）。他將演繹 分為三段論法演繹推理與假設演繹推理兩種方式，分述如下： （一）三段論法演繹推理 係根據一個普遍的原則（或公認的事實）為前提，推演到某一特殊 事例，從而得到一個肯定結論的推理方式（張春興，2003）。本研究有 關三段論法的基本形式舉例如下： 大前提：凡光是直線前進的 小前提：投影機會發光 結 論：投影機的光會直線前進 （二）假設演繹推理 假設演繹推理是指根據一個假設性前提推演出一個結論，藉以做為 判斷依據的思維歷程，此例也是採三段論法中根據大小前提推演出結論 的方式，惟其中的大前提不同，它不是一個普遍的原則的陳述，而是採 用了假設的語氣（張春興，2003）。本研究有關假設演繹推理的形式舉 例如下： 如果球的位置離燈光越近，光照到的面積就越大 現在球離燈光很近 所以光照到的面積很大 二、歸納推理

歸納推理是以觀察所見多個事例所得經驗為基礎，歸結出槪括性的 結論，藉以做為解釋或預測類似事件可能發生之根據的思維歷程（張春 興，2003）。張春興（2003）認為演繹推理所得到的結論是肯定的，必 然的，歸納推理所得到的結論是不肯定的，是或然的。他以醫學上臨床 實驗某種藥物對某種疾病的治療效果為例，說明如下： 第一個罹患某種疾病患者服用該藥物有效； 第二個罹患類似疾病患者服用該藥物有效； ………. ………. 對一般罹患類似疾病患者服用該藥物有效。 上面的例子可以歸納推理得出這個結論：該種藥物對治療該種疾病 有效。張春興（2003）說明，即使罹患類似疾病，其病因與病情未必完 全相同；所謂「有效」也未必完全相同。所以他認為經歸納推理所得的 結論，不能像演繹推理的三段論法那樣稱為有效論證，而只能稱為類推 論證。事實上，在人類經由思維運作獲取知識的整個歷程中，演繹推理 與歸納推理二者是交互使用的；有時演繹在前，歸納在後；有時歸納在 前，演繹在後（張春興，2003）。 三、類比推理 類比法是將以往經歷過類似問題的經驗用於解決目前問題的一種 方法，類比法之有效必須符合兩個條件：其一是新問題與舊經驗確有類 似之處；其二是以往的經驗是成功的（張春興，2003）。歸納推理中最 受重視的莫過於類比推理，類比推理包含複雜的思考歷程，不同學者對 其意義各有不同的觀點。Piaget認為類比是從Ａ項與Ｂ項間的關係，找 出Ｃ項和Ｄ項的關係。Rumelhart和Ortony(1977)認為當個體判斷一個 情境適合某一個基模時，即將此一情境類比於存在基模中的某一情境，

因此，在基模理論中的整個理解歷程，即代表一種類比推理（引自黃幸 美，1995）。 Johnson-Laird(1989)和Sloman(1999)認為推理是思考的一個系統 化過程：由一組命題引導至另一組命題。目前人工智慧和認知心理學對 推理理論的發展，大致有三個共同的方向（引自任宗浩，2001）： （一）透過正式推理規則 推理可以依靠正式的推論規則（如邏輯的計算），而這些正式的規 則是與前提的內容無關，僅與所謂的邏輯形式有關。這種推論基本上在 解釋人們可以推論任何事而無視於其內容，尤其是一些抽象的或不熟悉 的事物。 （二）透過知識網絡的連結(專家系統) 推理的理論原則是直接強調內容的重要，強調特定領域的推論規 則，在這種情形下推理和回憶是很難區分的。 （三）透過心智模式的推理 Johnson-Laird (1989)認為推理是取決於對心智模式的操弄。以三 段論法為例，一般未受過邏輯訓練的人並不會有一套簡單而標準的程序 （如利用邏輯）來處理推論。大部分的人會對前提的陳述產生一個或多 個的心智模式，其次利用該模型推論出一個暫時性的結論，最後是尋找 看看有沒有與該暫時性結論矛盾的反例（引自任宗浩，2001）。 推理理論發展的三個共同方向，其中第二個方向就如同張春興 （2003）所提的歸納推理和類比推理；而第三個方向就如同張春興所提 的演繹推理。本研究所稱的推理技巧是指歸納、類比和演繹推理。

第三節 推理的研究文獻

一、類比推理 學習除了歸納和演繹之外、很多和類比推理有關的研究都說明了類

比推理可以幫助教學者教學，可依幫助學習者學習與解題。邱美虹 （1993）在「類比與科學槪念的學習」一文中介紹類比的定義及分類， 並以實例說明類比的功能，最後探討教師使用類比及其在教學上之影響 力。 許多研究也指出，幼兒已經有類比推理的能力，而問題的困難度會 影響學童的推理能力。黃幸美（1994）指出年齡對類比推理思考是個重 要的因素；形式運思期以前的兒童，只要類比推理的問題設計是在他們 熟悉的知識領域及理解的關係時，則他們亦能表現類比推理技巧；提供 解決類比推理問題相關的知識、經驗、暗示、線索及教學活動，有助類 比推理解題成功，尤其對年幼的兒童益為重要。張麗芬（1995）的研究 發現：解決方案的困難性會影響幼兒的解題表現；幼兒在作類比推理解 決問題時，形成的原則大多集中在解決方案的相似；而部分兒童學會工 具的新用途之後會應用到其他類似的情境。 可見得幼兒因為所學有限，先前概念不足，但若能提供熟習的事 物，也能做類比推理。黃幸美（1995）指出：問題特徵會影響兒童的推 理解題表現，不同的提示說明，會影響類比推理的表現，兒童的類比推 理技巧發展隨著年齡不同而有顯著差異。 黃幸美（1995）整理出Sternberg解析類比思考六個程序成分，包 含：編碼、推論、對應、應用、辯明與反應等。江淑卿（2001）積極的 尋找如何促進孩童類比推理能力的方法，指出兒童類比推理技巧的學習 潛能評估均能促進六歲和七歲兒童的類比推理技巧。但研究也發現，教 師在進行教學時很少用到類比策略，郭金美（1997）的研究發現：師院 生三年級六班的學生，在四十八個單元教學中，僅出現四個運用類比策 略的案例。 可見只要提供具體、易懂或相似的學習經驗，類比推理便不受年齡 的限制，可以廣泛的用在教學，幫助學習者學習。但教學者必須再省思，

此類比教學雖然能幫助學生學習，要避免讓學習者產生其他的另有概 念。 二、推理技巧的相關研究 有些推理的研究是聚焦在概念的部分，王建、孫家麟、郭重吉、鍾 秀景（1978）設計推理能力測驗，包含重量守恆、體積守恆、轉換概念、 幾何空間、類內蘊概念、長度、面積守恆、空間、一對一對應、速度概 念，來測量學生不同概念的推理能力（引自江新合，1982）。莊麗娟（2004） 測量3到6歲孩童對重量概念的保留推理。 除了類比推理之外，張筱珊（2004）以自製的問卷來測量學童的演 繹邏輯推理能力。江淑卿（2001）以分類、系列完成、類比推理三種測 驗來測量學生的歸納能力。如前所述，類比推理也是歸納推理的一種。 本研究所謂的推理技巧除了類比推理之外，還包含歸納和演繹。 Driver,Leach,Millar和Scott（1996）將學生推理的類型歸納為：一、 以現象為基礎的推理：解釋和描述不顯著，而實驗的目的是要去尋找和 查看。二、以關係為基礎的推理：解釋被視為包含確認和關聯性，在可 觀察和認為假定的實體之間，而不是探索其中原因，探究的方法傾向於 確證的和不批評的。三、以槪念為基礎的推理：根據槪念的本質，描繪 根本的原因或是較有深度的解釋。 Tytler和Peterson（2004）讓國小低年級學童在教室從事探究活 動，藉此探討學童對知識接受與學習科學的推理技巧，透過一些方式來 評估學生的反應，並洞察學童利用資料來解釋或推理的基本不同方式的 本質。他將孩童的推理技巧分成低、中、高三個層次：一、即興探究： 沒有進行系統觀察、沒有一個導引解釋的目標、也沒有進行比較。二、 推論洞察：探究以嘗試或觀察為基礎，導出某種假設或推理。三、驗證 假說：探究是由理論來領導，並用某信念來做有一致性的解釋。

Tytler和Peterson（2004）比較Driver等人（1996）的研究發現：

即興探究（層次最低）符合Driver等人以現象為基礎的推理的類別；推 論洞察符合Driver等人以關係為基礎的推理的類別，而且和歸納主義類 似；驗證假說（層次最高）符合Driver等人（1996）以模式為基礎的推

理的類別，而且和演繹主義類似。Tytler和Peterson（2004）與Driver

等人對學生推理技巧描述的比較，如表2-1所示。所以本研究所謂的推

理技巧就採用歸納、類比和演繹。

表2-1 Tytler和Peterson與Driver等人對學生推理技巧的描述

層 級

水

準 Tytler和 Peterson（2004） Driver 等人（1996）

科學哲 學 1 低 即興探 究 沒 有 進 行 系 統 觀察、沒有一個 導 引 解 釋 的 目 標、無比較。 以現象 為基礎 聚焦在現象，解 釋當作描述，描 述和解釋之間不 清楚。 2 中 推論洞 察 探 究 以 嘗 試 或 觀察為基礎，導 出 某 種 假 設 或 推理。由某概念 性 的 解 釋 來 引 導資料。和自己 的 經 驗 相 連 結。 以關係 為基礎 變 數 的 關 聯 性 （結果和情境的 關係）、經驗的歸 納、歸納現象之 間的關係。 歸納主 義 3 高 驗證假 說 探 究 受 假 設 操 控。這個層級的 探 究 是 由 理 論 來領導，並用某 信 念 來 做 有 一 致性的解釋。 以模式 為基礎 用證據來評估理 論或模式。理論 和現象的關係不 確定的。（用理論 來解釋）是假設-演繹。 演繹主 義

第四節 概念和概念改變

在學習理論方面，Posner,Strike,Hewson和Gertzog（1982）提出 了概念改變模式，他們認為學習是一連串概念改變的過程，學生的概念

在新的概念與新的發現交互作用下，發生改變，也就是學習的歷程。概 念改變有兩種方式，一為學生利用原有的概念來處理新現象，這種改變 稱之為同化；另一為當現有的概念不足以應付新的現象或新的問題，這 時候他必須取代或重整他的想法，如此根本的概念改變，稱之為調適。 在幾個重要的條件下，調適才會發生：一、學習者對現存的概念感到不 滿意。二、新概念必須是可理解的。三、新概念必須是似真的。四、新 概念必須是豐富的。也就是說新概念越是能讓學習者理解、學習者越相 信新概念是真的、且能用新概念解決不能解決的問題，學習者對現存的 概念就會更感到不滿意，調適更容易產生。 在認知心理學方面，有多種說法。如Carey分為強烈（strong）的 概念改變和弱（weak）的概念改變，Keil分為根本的重建（radical restructing）和較少的根本重建（less radical restructing）（引 自邱美虹、陳英嫻，1995）。認知心理學所謂強烈的、根本的概念改變 和調適類似，而弱的、較少根本的概念改變和同化類似。 從本體論的觀點，Chi、Slotta和Leeuw（1994）將實體分成三類： 物質、過程及心智狀態，所謂根本的概念改變就是類別間的概念改變， 非根本的概念改變就是類別內的概念改變（引自邱美虹、陳英嫻， 1995）。 張川木（1996）提到「異例法」可以誘發學生面臨問題時產稱概念 衝突，讓學習者察覺其腦海內既有的知識和正統的知識間存有某種差異 存在。邱美虹（2000）指出「類比教學」雖然有助於概念的理解，但未 必會產生概念的改變，有時會阻礙教學，這反映出感官不等同於認知 （perceptual not conceptual）的觀點。邱美虹認為若透過引起學生 先前概念製造「概念衝突」的情境，可以達概念改變的目的。

本研究採用「類比月相模型」的實驗裝置，學童應會經常使用類比 推理的技巧，就如邱美虹所言，學生運用類比推理能正確的解釋或預測

資料，但可能無法產生概念改變。本研究藉由POE活動讓學生產生概念 衝突，並於實驗最後進行移位觀察，提供了「異例」，從這些活動來探 究學童概念的改變。本研究中，學童若只稍微修正自己的概念稱為同 化，若整個概念大幅度的轉變稱為調適。

第五節 「月相類比模型」的相關概念。

一、月相成因的相關研究 許多有關月相成因的研究顯示，學生有許多另有概念。Roald和 Mikalsen(2001)發現聾生和聽力正常的學生認為月相變化的原因為觀 察者在不同時間的不同觀察位置、地球的影子造成、被雲遮住、月亮本 身的物理變化。王美芬（1992）診斷五、六年級學生有關月亮的錯誤觀 念，發現在月相概念部分，有四分之一的學生認為月相是因為月亮被地 球的影子遮住，幾乎有一半的學生認為月相的原因是月亮表面反射大陽 的面積改變而造成的。因為學生有月亮的錯誤概念，自然他們認為月蝕 和月相的成因是一樣的，他們也無法分辨上弦月和下弦月。賴瑞芳 （2002）的研究顯示，在月相成因方面，431位四、六年級的學童，僅9 ％的學生能正確回答「月亮面向太陽那一面永遠是亮的，背對太陽的另 一面是暗的」，38.5％的學生認為「月亮形狀的變化是因為太陽照射到 月亮的面積不同所造成的」，有11.8％的學生認為「月亮面向地球那一 面都是亮的」，有6.7％的學生認為「月亮面向地球那一面是亮的，背 對地球那一面是暗的」。 除了月相概念的研究之外，王美芬（1992）也提出了補救教學策略 －戲劇教學法。她讓學生親自扮演太陽、地球、月亮這三個動態的角色， 把天體運動的形式操作學習轉為具體操作學習，此方法可以讓學生的推 理、認知、概念改變容易許多，所以實驗組的效果優於控制組，但在知

識記憶方面，演講式教學法為優。可見月相的成因不只學生存有另有概 念，連準備為人師表的職前教師都很難理解。教師應重視學童的先前概 念，再針對錯誤概念的原因設計補救教學。 不只是學生對月相成因存有另有概念，職前教師也存有另有概念。 Dai和Capie(1990)發展一診斷工具，用於診斷職前教師所具有的月亮錯 誤概念，結果顯示職前教師的錯誤概念極多，學生以為月相的成因是由 於月球表面反光面積不同所造成的。為了證實文獻所假設的問題：「小 學生具有的許多月亮的錯誤概念，其來源之一可能為教師本身具有錯誤 觀念。」王美芬（1994）發展了一種診斷工具，來診斷174位職前教師 （師院生）的月亮錯誤概念。結果發現，職前教師普遍具有月亮的錯誤 概念，他們以為月相的成因是因為月亮表面反射光的面積不同所造成 的。 二、光學概念的相關研究 和本研究有關的光學概念是光與視覺：光從大多數的物體反射出 來，我們眼睛看到來自物體反射的光。許多研究指出，學生在光與視覺 存有另有概念。王龍錫、張靜儀（1995）指出：學生對有關「光與視覺」 的概念，並無年級的差異，有一半的學生認為在黑暗中可以看到東西， 只有不到一成的學生認為看到花的原因，是花將光反射到人的眼睛的關 係，大部分學童仍無反射光的概念。李采褱（2003）整理國內外研究指 出：多數學生習慣以「主動視覺」的觀念，來解釋眼睛如何看到東西， 學生認為，有適當的照明，張開眼睛就可以看到物體，然而這些概念不 易因為教學而有所改變。 除了光學另有概念的研究，也有概念改變的研究。郭金美（1999） 應用Driver及Oldham所創見建構主義教學模式，著重以學童另有架構為 教學起點，設計、效化測量工具評量學童光學概念的改變，結果發現，

在光反射與視覺概念上，兩班對照組的學生（五年級72人），教學前後 都只有5人擁有正確的心智模式；兩班實驗組的學生（五年級75人）， 教學前有4位擁有正確的心智模式，教學後有35位擁有正確的心智模 式。蔡明儒（2004）探究31位三年級學生到了六年級時光學概念的改變， 結果發現：在光與視覺方面，原本26位三年級學生持有另有概念，到了 六年級晤談時，有13位學生的概念改變為科學概念。 雖然學生的另有概念很難改變，但如果使用適當的教學策略實施教 學，學生具備科學概念的比率應該能有所提升。 三、九年一貫課程自然與生活科技領域中包含的光學槪念 研究者於國民小學課程中，詳細分析課程的內容之後發現，與「光」 槪念相關的課程相當的多，在各年級的課程中，都可發現光槪念有關的 活動，因此本研究期望藉由充分的分析、了解課程中與光有關的內容， 以作為本研究晤談之參考。 （一）九年一貫自然與生活科技能力指標與光槪念相關部分 1.「科學與科技素養」的能力要項 2-2-5-1：利用折射、色散，電池、電線、燈泡、小馬達，空氣或水的 流動等來設計各種玩具。在想辦法改良玩具時，研討變化的 原因，獲得對物質性質的了解，再藉此了解來著手改進。 2-3-3-1：認識物質的性質，探討光、溫度、和空氣對物質性質變化的 影響。 2-3-4-1：長期觀測，發現太陽升落方位(或最大高度角)在改變，在夜 晚同一時間，四季的星象也不同，但它們有年度的規律變化。 2-4-5-6：認識聲音、光的性質，探討波動現象及人對訊息的感受。 2.「自然與生活科技」學習領域之教材內容要項 九年一貫對「光」的學習，在國小每個階段都有探討，如表2-2所示：

表 2-2 有關「光」學習領域之教材內容要項 自 然 界 的 作 用 改 變 與 平 衡 次主題 216 聲音、 光與波 動 光的傳播與影像 1d 察覺光的直進傳播，若遇阻礙形成影子。 1e 察覺光的反射有一定的方向。 色光與顏色 1f 知道光可用「明暗」、「顏色」等來描述。 光的折射 2a 察覺光經不同介質會折射，折射後在某些角度可 看到彩虹(可利用製造水霧觀察彩虹)。 影像與視覺 3a 觀察照光與成像(例如光滑平面反射、聚光及透鏡 放大效果等)。 （二）國內現行教科書與光相關之槪念與活動 研究者整理現行南一版自然與生活科技教科書中與光槪念相關之 教材與單元目標，並分析與「光」相關的槪念或活動，如附錄一。 綜合附錄一所述的國小課程的光槪念的課程，其中包含的光槪念簡 述如下： 1.光直線前進：光會由光源往四面八方傳播出去；光是直線前進的。 2.光與陰影：陰影係光照射物體所生成的相對效應，光直線傳播若遇到 阻礙則形成影子。 3.光的反射：物體表面會反射光；光在光滑平面的反射有一定的方向。 4.光與視覺：有光線才能看見物體；眼睛能看見東西是因為，物體可以 反射光到我們眼睛裡，才能看見物體。 5.其它方面：光線經過不同的介質會產生折射，例如光線經過凸透鏡或 凹透鏡的折射現象、星星的閃爍原因、日出日落的太陽變化等。

四、學生光學迷思概念和正統概念的比較 近年來國內外許多學者對學生持有的光迷思概念進行研究 （Guesne,1985；王龍錫、張靜儀，1995；李采褱，2003；蔡明儒，2004)， 綜合其結果，和本研究相關的幾個光學概念（光、光直線前進、光與陰 影、光的反射、光與視覺），進行迷思概念和正統科學概念之間的比較， 如表2-3。 表2-3 學生光學迷思概念和正統科學概念之比較 學生光學迷思概念 正統科學概念 光 將光源或發光體當作光。以 光學現象加以解釋。 光是實體，會從空間中的一 個來源傳播，會與在路徑中 遇到的物體產生互動，以及 會產生多樣可覺察到的影 響。 光直線前 進 光在黑暗中比白天傳的更 遠。光有些會動有些不動。 光在白天無法傳遞。 光會由光源往四面八方傳播 出去；光是直線前進的。 光與陰影 影子是反射物，是較暗的 光。黑暗中依然有影子。影 子隨著球的顏色而改變。 光直線傳播若遇到阻礙則形 成影子。 光的反射 停留在「規則反射」，無「漫 反射」的概念。只有表面平 滑物體才能反射。看得到影 子的物體才會反射。 物體表面會反射光；光在光 滑平面的反射有一定的方 向。 光與視覺 主動視覺：光照到物體，眼 睛再看到物體。在完全黑暗 中可以看到部分或某些東 西。有光就能看到物體。 眼睛能看見東西是因為物體 反射光到我們眼睛裡，才能 看見物體。

五、九年一貫課程自然與生活科技領域中包含的月相槪念 九年一貫實施之後，有關「月相」的學習，在國小階段只有出現在 第二階段，也就是三、四年級（各版本通常安排在四年級），再來就是 國中階段了（2-4-3-1）。 （一）九年一貫自然與生活科技能力指標與月相槪念相關部分 1.「科學與科技素養」的能力要項 2-2-4-2：觀察月亮東昇西落的情形，以及長期持續觀察月相，發現月 相盈虧，具有週期性 2-4-3-1：由日、月、地模型了解晝夜、四季、日蝕、月蝕及潮汐現象。 2.「自然與生活科技」學習領域之教材內容要項 在九年一貫所明定對「月相」的學習，在國小階段似乎只要讓學生 知道月亮有盈虧現象，而月相變化的原因要等到國中之後才來探討。如 表 2-4： 表 2-4 有關「月相」學習領域之教材內容要項 自 然 界 的 組 成 與 特 性 地 球 的 環 境 次主題 111 地球和 太空 月亮 2a 察覺月亮東昇西落。 2b 觀察並知道月亮有盈虧現象(月相變化)。 地、日、月系統 4a 利用模型描述地、日、月之間的相對運動，並解 釋月相變化、日蝕、月蝕的現象。 （二）國內現行教科書與光相關之槪念與活動 雖然能力指標明定最少要讓學生知道月亮有盈虧的現象，教科書通 常都將內容加深、加廣了，以南一版為例，學生除了能指出月亮有不同 的形狀之外，學生還能說出月形變化的週期和農曆的日期互相配合，以 及各式月形的名稱，如附錄二。

六、學生月相迷思概念和正統概念的比較 近年來國內許多學者對學生持有的月相迷思概念進行研究（王美 芬，1992；賴瑞芳，2002)，綜合其結果，和本研究相關的幾個月相概 念（月相成因、月相和農曆日期），進行迷思概念和正統科學概念之間 的比較，如表2-10。 表2-5 學生月相迷思概念和正統科學概念之比較 學生月相迷思概念 正統科學概念 月 相 成 因 以 為 被 地 球 影 子 遮 住 了。雲遮住了月亮。太 陽照射到月亮的面積不 同。與月蝕成因一樣。 月球面向太陽那一面是亮的，月相是由 地球上觀看月亮角度不同引起的。 月 相 和 農 曆 日 期 對於以日期決定月相或 以月相決定日期常感到 困惑。以為同一天月形 會產生變化。以為初一 可以看到眉月。月亮光 亮的地方左右顛倒了。 以為農曆初一到十五光 亮在東方或左邊。 朔（30、1）→眉形新月（3、4）→上 弦月（7、8）→盈凸月（11、12）→滿 月（15、望）→虧凸月（18、19）→下 弦月（22、23）→眉形殘月（26、27） →朔。 七、月相類比模型所使用的科學概念 本實驗使用月相類比模型來探究學的推理技巧，因為投影機的燈光 不是真正平行光，它照到不同球時會產生些許角度的差異，但是對同一 邊而言，儘量調整在光路徑的附近，所以造成差異不是很大。相較於觀 察角度所產生的形狀變化，利用投影機產生近似的平行光，照在七顆球 上，幾乎可說：靠近燈光的那一半是亮的，而另一半因為光線被球擋住

所以看到是暗的（然而現實情況因為光線的漫射，所以暗的部分其實隱 約是看得見的，但透過相機的鏡頭就看不到了）。 也就是說，光照到球都會產生相同的現象，一半亮、一半暗，會看 到不同形狀的原因是因為觀察者角度不同所造成的，如圖2-2所示： 圖2-2 月相類比模型科學概念圖 近似平行的光線照到每個球，產生明暗各半的圓球。光線由固定一 方投射至一個圓球上，當人們觀察此明暗各半圓球的角度不同時，就看 見不同的球形（引自王美芬，1992）。

第三章 研究方法與設計

本研究主要是設計一個月相的類比模型，利用POE策略進行推理實 驗，進而歸納學童推理技巧的類型，並探討相關槪念。在探究學童的推 理技巧以及相關槪念時，本研究採取以晤談來了解學生的槪念，藉由對 話將蒐集學生的想法，而研究者能在有疑問處立刻加以追問，進而了解 學生措辭的深層意涵。 本章分為四節，第一節說明研究方法與架構；第二節介紹研究對 象；第三節說明研究工具；第四節闡述研究流程。

第一節 研究發展與設計

根據研究問題，本研究利用POE設計出前預測（P）、觀察（O）、 解釋（E）以及再預測（RP）的推理實驗，採用晤談的方式、蒐集學生 在本實驗所產生的概念，以及所使用的推理技巧，最後探討學童概念的 改變。整個活動設計是依照初探研究的發現逐步修訂而成，以下介紹研 究工具的發展過程。 一、月相類比模型 （一）製作月相類比模型要考慮的幾個因素 1.空間要暗 為了讓學生很明顯就可以看到模擬月亮的形狀，整個空間遮光要很 好，最好是完全無光，視聽教室的環境很恰當。然視聽教室不可能作為 長期晤談的地方，所以研究者在教具室裡用木板釘了一個大約二坪大的 空間，並在四周貼上黑色壁報紙，減少反光，使得暗的部分（沒有照光）

2.替代太陽的燈光 嘗試了燈泡、日光燈、鹵素燈、甚至設想從屋外反射太陽光進來， 然因為太陽位置會改變，於是作罷，最後採用投影機。雖然投影機投射 出來的燈光不是平行光，還是有些角度，但照到小球上的面積與平行光 類似，且比其他光源明顯及方便，而且使用學生熟悉的東西來設計推理 實驗，學生比較能和舊經驗配合。 3.燈光強弱 投影機投射出來的燈光很強，使得整個暗室發亮，於是利用調光器 將光源減弱，調到適當的位置，配合黑色的汽車隔熱紙和黑色壁報紙， 阻擋其他不需要的光線，只讓一道面紙盒寬的光束射出，製造出明暗的 明顯對比。 4.月亮繞地球轉 為了讓月形明顯，在不同保麗龍球上噴上黑色、白色油漆、淡黃色 螢光漆、及淡黃色夜光漆來測試。結果發現螢光漆在燈關掉之後整顆球 繼續發亮，不能使用，而淡黃色夜光漆的效果最好，微弱的光源便會產 生亮光。 為了讓每位學生看到的月形一致，於是在天花板上的七個位置固定 七個掛勾，每個掛勾吊一顆保麗龍球，如此一來燈光及保麗龍球的位置 便可固定。 5.地球自轉 研究初期讓學生坐在旋轉椅上面，模擬地球自轉，然在初探時發 現：很多學生在同一個地方觀察到的形狀有出入，甚至頭稍微偏一點， 形狀就不一樣。於是改成人坐在椅子上，前面固定一台相機，讓學生透 過相機來觀察，如此一來，不但解決地球會晃動的困擾，而且讓學生在 觀景窗上觀察，更能距焦，甚至可以將觀察到的現象拍下來，省去觀察 紀錄的時間，最後研究者將學生所拍的照片送給他當紀念。

6.大小及距離 因為投影機不是平行光的關係，而是有點發散，若整個模型越大效 果越差，所以觀察者和保麗龍球的距離盡量縮短，因此保麗龍球不能太 大。所以本實驗並沒有依照地球、月亮及太陽真實的大小，以及地球和 月亮及太陽之間真實的距離等比例縮小。 （二）月亮類比模型設計過程 因為投影機並非完全的平行光，若整個模型越大則效果越差，故將 相機置於中間，盡量縮短相機和球的距離，並將掛球的高度固定，使得 相機旋轉一圈都可以照到球，裝置如圖 3-1 所示： 為了讓相機照出來的影像與月形相似，嘗試了各種的漆料，最後發 現，淡黃色螢光塗料，比沒有塗料時，效果好很多。然而一開始使用油 漆，發現油漆會腐蝕寶麗龍球，產生一個個的洞，最後改用噴漆，就解 決了此問題。有塗螢光漆和沒有塗漆的結果如圖 3-2 所示： 圖 3-1 初探初期實驗現場照片

然而除了塗漆是影響因素之外，燈光的強弱也會影響形狀是否明 顯，於是使用燈光明暗調節器，裝置於投影機的前面，太亮時，反射多， 陰影不明顯；太暗時，相機又無法對焦，所以，經過多次測試、終於找 到適合的亮度。燈光由亮到暗的所照到的情形如圖 3-3 所示： 調整好了距離和高度、選擇了螢光塗漆、找到了適合的亮度，配合 完全的遮光，整個實驗裝置已初步完成，不管從相機或是肉眼，亮和暗 的對比已經很明顯。現場情況如下圖 3-4 所示： 圖 3-4 關燈後的現場照片 圖 3-3 燈光由亮到暗（由左至右）拍攝到的照片 圖 3-2 有塗螢光漆（左）和沒有塗漆（右）拍攝到的照片

於是將每個位置的形狀拍下來，如圖 3-5 所示： 接著以這個實驗裝置，開始展開初探的晤談。因為相機和人是分開 的，初探時發現「站的位置不同，看的角度也不一樣」，經過和指導教 授及其他研究生討論，決定將人和相機一起固定在中間，然後將球到中 心點的距離稍微加大，以便容納人與相機，於是相機和人的旋轉椅終於 產生了。 實驗室內好的遮光，是為了讓實驗更清楚，結果更明顯，讓學生容 易觀察。然而若是要讓學生在裡面直接預測，裡面沒有燈光根本無法畫 圖，所以在四周圍加裝 60 燭光的燈泡，讓光源均勻照射在實驗室內， 如此一來，保麗龍球才不至於在還沒做實驗時產生陰影，使得學生在預 測時有可參考的依據。 最後的實驗裝置如圖 3-6 所示。從照片中可看出對面 1、2、3 此三 顆球幾乎都是被投影機照到右半部，可見得光線近似平行。 圖 3-5 七個不同位置用相機拍下的照片

根據學生的晤談資料，審視研究問題，和指導教授以及兩位研究生 一起討論，修改實驗設計。整個推理實驗設計圖從上面往下看，如圖 3-7 所示。 二、POE 活動設計 初探研究發現，實驗過一次之後，下次的預測，似乎不是學生原始 的先前槪念。實驗的順序不管是依照順序或是抽籤，只要學生做過一次 實驗之後，第二次的預測似乎比較正確了，然而以POE的設計理念，所 謂預測(Predict)是學生運用其原有的知識去預測一個事件的結果，以 此觀點，原有的知識會因為實驗而有所改變，經由指導教授的指導，在 實驗之前，要先蒐集學生對七個位置的先前槪念及理由。 本研究所採用的月相類比模型有七個小實驗，學生在尚未做實驗之 圖 3-6 改良後實驗現場照片 2 1 6 4 7 5 3 燈光 圖 3-7 推理實驗設計圖

前可以利用已知的知識針對七個位置做解釋與推理，進行預測，是屬於 「P-預測」階段；開始進行第一次實驗，提醒學童觀察重點，是屬於「O-觀察」階段；最後是「E-解釋」階段，研究者會鼓勵學童多方思考、應 用所學，提出合理的解釋。經過了一次實驗，學生可能產生了新的知識 與想法，所以進行第二次實驗前，給學生再預測的機會，藉此觀察學生 是否因為新的知識而產生不同的推理，這是屬於「RP-再預測」階段； 接著進行觀察與解釋。除了第一次實驗不會進行再預測之外，整個「再 預測－觀察－解釋」的流程重複進行六次。 三、晤談大綱 在初探之前，針對月亮形狀的槪念，結合實驗設計，設計出學習單， 先行給其他班級做預試，期待能了解設計上的問題。在此次的學習單 中，只測出學生對不同形狀，所在位置的預測。結果發現學生習寫的過 程中，常會問：「是什麼意思？不太了解？」研究者必須搬出投影機和 球加以解說，學生才能了解，心中產生了疑惑：「到底是學生不瞭解實 驗裝置？還是真的預測錯誤呢？」因為三度空間的問題學生很難理解， 容易造成學生誤解或是猜測，而且學生可能因為表達能力的侷限，而無 法將自己的想法完整寫出，所以本研究採取晤談的方式來探究學生真正 的想法。 研究者參考POE實施方式及White和Gunstone (1992b)提出的晤談 技巧，設計半結構晤談大綱，並請兩位資深科學教師與指導教授審查、 討論並修改之，以建立專家效度，如附錄三。配合晤談大綱，研究者針 對整個推理實驗流程繪製成晤談摘要紀錄表，如附錄四，逐一核對，檢 查是否一一完成晤談。 本研究所需的晤談器材有：月相模型、暗室、繪圖紙、畫筆、月亮 照片圖形以及錄影設備，在晤談實施過程中全程錄影，以供研究者分析

資料之用。每位學生晤談時間約30至40分鐘，研究者必須學習晤談的技 巧，才能有效的得到學生的想法，而非學生回答研究者想聽到的答案。 研究者於晤談中會儘量讓學生表達自己的想法，若學生毫無想法，研究 者會引導學生，例如：和光有關嗎？和學過的有關嗎？研究者盡量引發 學生心中的想法。 研究者在初探時發現，學生常常把現象的描述當作理由解釋，若研 究者沒有再追問，則最後呈現出來的資料裡面，可能會少了理由，所以 當學生把現象的描述當作理由解釋時必須再追問：你是如何判斷或知道 的？為什麼會這樣？你這樣的想法是從哪裡來？有沒有其他的想法？ 若最後真的沒有理由也不必勉強。 四、活動單 針對研究者心中產生的疑惑：「到底是學生不瞭解實驗裝置？還是 真的預測錯誤呢？」於是將適合全班施測的學習單改成個別的晤談紀 錄，讓學生真正看到實驗裝置。經過研究者的解說，並允許學生發問之 後再去預測，如此學生對所要預測的事件可能比較清楚些。 以個別的晤談紀錄在初探時產生了方向的問題，許多學生在5號位 置、6號位置以及7號位置的晤談紀錄和實際觀察時的方位左右相反。例 如：6號位置應該是畫亮左邊一半，但若將左邊的半圓畫在個別的晤談 紀錄上便會造成方向相反，由於設計上的疏忽，造成學生有點矛盾。 和指導教授討論之後，決定打破整體的晤談紀錄，而採用一個位置 一張活動單，並且在實驗室內完成，而不要離開實驗室，避免方向感的 混淆，造成思考的混亂。於是將原本整張的晤談紀錄分成七小張，依序 貼在實驗室的七個位置，如圖3-8，等到實驗完成，研究者再統一整理 成一張，如此一來，學生在實驗時就不必進行方向轉換。整理好的晤談 紀錄如附錄五。

學生的先前預測畫在第一個位置，除了開始第一個實驗（還沒實驗 過，想法應該不會改變），學生不需再預測外，之後學生可以選擇要不 要更改預測，若有更改，將第二次預測的形狀畫在第二個位置，而將觀 察所得到的圖案貼在第二個位置的下面，如圖3-8所示。

第二節 研究對象

本研究採便利取樣，研究對象為中部地區某國小六年級學生一班， 共35人，研究者曾擔任該班五年級時的自然與生活科技教師，已經與學 生建立了一年的感情，晤談上學生和老師熟悉，彼此比較能信任，學生 回答的意願也比較高，對於資料的蒐集會比較容易與完整。 六年級的學生於四年級已經進行月相的觀察與紀錄，對於農曆的日 期和月相的變化應該不會陌生，只是對於月相可能只是停留在記憶的階 段，而還不知道月相成因為何？因為月相成因的概念要到國一時才會上 到，所以研究者選擇六下的學生，因為此階段學生的身心的發展比較接 近國一的學生，也比較接近Piaget所謂的形式運思期。 圖 3-8 活動單

第三節 研究流程

本節旨在說明POE活動的實施流程，以及研究者進行本研究的整個 過程描述。 一、POE活動的實施流程（如圖3-9） （一）準備階段 1.先讓學童瞭解整個POE活動的流程，以及活動的目的在於蒐集他 們在實驗中的想法，以幫助老師在未來進行教學，並非要進行 考試。 2.發下活動單，說明題意及繪畫方式，並強調答案沒有對錯之分， 請學童儘量畫出自己的想法，活動中亦允許學童詢問相關的問 題。 （二）預測階段 1.當四周燈光關掉，打開投影機燈光時，請學童根據舊經驗或所 學的知識，預測七個位置可能看到的形狀。 2.請學生將預測的形狀畫在活動單上第一個圓內，並加以說明預 測的理由。 （三）第一次實驗（研究者請學生抽籤，以決定觀察位置） 1.再預測階段 因為是第一次實驗，所以無須再預測，可以直接進行觀察。 2.觀察階段（O） （1）教師關閉四周燈光，並打開投影機燈光，學生可經由相機觀 察，或是用肉眼直接觀察。 （2）打開四周燈光，請學生選出剛剛看到的形狀，並讓學生自行 貼在活動單下面空白處。

3.解釋階段（E） 請學童檢視先前預測的和所觀察到的是否一致，再針對所 看到的形狀提出解釋。 （四）第二次實驗（研究者請學生抽籤） 1.再預測階段（RP） （1）經過一次的實驗，學生的想法可能改變，若有，畫在活動單 上第二個圓內，並說明更改的理由。 （2）若沒有改變，直接進行觀察。 2.觀察階段（O） （1）教師關閉四周燈光，並打開投影機燈光，學生可經由相機觀 察，或是用肉眼直接觀察。 （2）打開四周燈光，請學生選出剛剛看到的形狀，並讓學生自行 貼在活動單下面空白處。 3.解釋階段（E） 請學童檢視前預測或再預測和所觀察到的是否一致，再針 對所看到的形狀提出解釋。 （五）第三到第七次實驗 重複第二次實驗的程序。 （六）總結歸納與移位觀察 1.總結歸納階段 教師關閉四周燈光，並打開投影機燈光，請學生原地轉圈 與觀察，並針對為什麼會產生七種不同的形狀提出解釋，在實 驗最後做個總結。 2.移位觀察階段 接著，請學生離開座位四處觀察。 3.解釋階段

請學生再次對產生七種不同的形狀提出解釋。 （七）感謝階段 感謝學生參與本研究，再次強調不列入成績，因為有些同學尚未實 驗，請不要與其他同學討論。 整個實驗流程如圖3-9所示，當學生進行實驗之前，研究者會請學 童抽籤，目的是不要讓整個實驗產生規律性，造成學生容易答對，而產 生類似且單一的想法，抽籤可以讓學童面臨隨機產生的現象，藉此可以 獲得學童對現象豐富的解釋。 二、本研究的整個流程 （一）確定主題 或 預測七個位置 再預測、觀察、解釋 觀察、解釋 第二次實驗 第三到七次實驗 總結歸納 移位觀察與解釋 第一次實驗 預測階段 抽籤 抽籤 重複第二次實驗 總解釋 移位觀察和解釋 觀察、解釋 圖 3-9 POE 活動的實施流程圖

要得知學生所運用的推理技巧，必須要有一系列相關性的活動，讓 學生在眾多的活動中觀察，與舊經驗結合，並自行分類、歸納、類比， 產生許多想法，然後才能看出學生想法的來源，以及其中的關聯性，進 而分析其推理技巧。 四年級學生已經學過月亮的單元，但很多研究指出學生在六年級還 有很多迷思槪念（賴瑞芳，2002）。研究者於是設計一個「月相類比模 型」，藉由讓學生在此模型中實地且隨機觀察，使得產生許多想法，研 究者可以從想法中分析，探究學生的月相槪念及推理技巧。在協助指導 教授的協助下，將主題定為：以POE策略和「月相類比模型」探究六年 級學生的推理技巧及概念發展的途徑。 （二）確定核心槪念 在確定研究主題後，研究者蒐集與本研究主題有相關的槪念，如表 3-1所示。 表3-1 本研究相關的正確槪念 光的性質 具有波動和粒子兩種特性 光的行進 光是直線前進的 影子 影子是因為直線前進的光被物體遮住而產生 物體被看到是因為光照到物體，光反射到人的眼睛 光和視覺 黑暗中眼睛不能看到物體 光學槪 念 反射 任何物質皆會發生反射 太陽 固定不動 地球 逆時針繞太陽旋動 日地月 相對運 動 月球 逆時針繞地球旋動 成因 受光面與觀察角度的關係。與月球和太陽相關位置 有關。 月相 順序 眉形月、上弦月、凸月、滿月、凸月、下弦月、眉 形月

（三）設計推理實驗 研究設計一個「月相類比模型」，希望此模型能和真實的日地月模 型相似，進而能觀察學童在「月相類比模型」進行的推理以及產生的概 念。 （四）決定研究工具 根據學生的晤談資料，審視研究問題，和指導教授以及兩位研究生 一起討論，決定研究工具。 1.POE 本研究的主要目的是要探討學生的概念及推理技巧，然而要知道學 生的推理技巧，必須先知道學生的想法。採用POE策略可以獲得學生對 某一個現象的理由與解釋，從學生的解釋，研究者可以歸納學生使用的 概念及推理技巧。 2.晤談大綱 紙筆測驗能很快速的得到很多人的想法，然本研究的主要目的是要 探討學生的推理技巧，是屬於比較深層的想法，需要研究者直接深入訪 談，才能獲得比較深入的想法。況且本實驗設計很難用書面顯現，必須 學生親自體會，才能真正理解研究設計，並發揮其推理技巧。本研究依 據POE的流程，設計半結構晤談大綱。 （五）初探 初探的目的在練習晤談的技巧與問問題的敏感度，並藉此修改推理 實驗及晤談大綱。初探的相關研究如圖3-10所示，初探時隨時與教授保 持聯繫，檢驗晤談是否有遺漏，或是沒有捉到重點，並與兩位研究所同 學交換意見，增進晤談的能力。 研究者請非研究班級的老師協助，選出該班程度中等或以上，表達

能力佳的六年級學生10人參與初探研究。藉由實際晤談來發現本研究相 關問題，並與兩位研究生和指導教授一起討論，參考相關文獻，進而修 正推理實驗與研究工具。 （六）專家審查、建立信效度 質的研究之效度，大部分的關鍵在於進行實地工作者之技巧、能力 和嚴謹地執行其工作(Patton,1995)，本研究由兩位教授對整個研究的 信效度進行審查。 1.方法的三角測定 本研究採用錄影轉錄的逐字稿、學生現場的晤談紀錄、以及教師所 做的晤談摘要進行三角測定，採用不同資料收集的方法，檢驗研究發現 的一致性。 圖3-10 初探研究相關圖 文獻 專家審查 修正推理實驗 資料轉錄與整理 晤談（10 人） 修正研究工具（POE、晤談大 綱、摘要、學習單）

2.分析者的三角測定 由另兩位研究生分別獨立分析相同的晤談資料，然後比較一下三人 的發現。 （七）資料收集：正式晤談 研究者在正式晤談實施之前，已藉由初探十位六年級國小學生為晤 談對象，練習晤談的技巧與問問題的敏感度。正式晤談時，研究者根據 晤談大綱以及POE實施流程對全體35位學生進行晤談。 （八）資料轉錄與整理 正式晤談後，將學生的錄影帶資料轉成逐字稿，輸入電腦並依日期 以及順序存檔。然後將學生逐字稿的資料，填入推理過程紀錄表中理由 和解釋的部分，並將學生的繪圖以掃描方式，填入 P 和 RP 預測的部分， 最後完成一張學生推理過程紀錄表，如附錄六。研究者將學生推理過程 紀錄表與活動單和晤談摘要進行校正，接著進行編碼與分析。 （九）資料分析 研究者根據學生推理過程紀錄表進行編碼與資料分析，試著歸納學 生在月相類比模型中產生的各種概念以及使用的推理技巧，進而分析學 童概念發展的途徑。 （十）撰寫論文 研究者根據晤談資料的編碼與分析並與相關文獻對照，探究學生的 推理技巧，藉以回答本研究之研究問題，撰寫研究報告。 （十一）文獻探討

在整個研究中一直在做文獻探討，研究者蒐集國內外有關於光迷思 槪念、月相迷思槪念、推理、槪念改變、類比教學…等相關研究，並閱 讀分析之，以修正研究方向，確定研究之主題。在確定研究主題後，研 究者蒐集與本研究核心槪念相關之國小課程，並分析整理之，以得知學 生的舊經驗。總結上述之敘述，本研究之流程可歸納如圖3-11。

確定主題 （學生在「月相類比模型」中的推理技巧） 確定核心槪念 （月相、光與視覺） 設計推理實驗 初探（晤談 10 人） 修正推理實驗、研究工具 專家審查、建立信效度 資料收集：正式晤談（35 人） 修 正 錄影、晤談紀錄、 摘要、交叉檢核、 專家意見、個案回 饋 文獻蒐集：分析探討 資料分析 撰寫論文 決定研究工具 （POE、晤談） 初探資料轉錄與整理 資料轉錄與整理 圖3-11 研究流程圖 初 探

第四章 研究結果與討論

本章共分五節，第一節主要呈現學童的先前概念；第二節描述總結 歸納時的七種概念；第三節說明移位觀察時所產生的六種概念改變的歷 程；第四節歸納出學童在「月亮類比模型」四種概念發展的類型；第五 節探討學童使用的推理技巧。

第一節 學童的先前概念

學童在「前預測」、「再預測」及「解釋」表現的想法，可歸類成以 下幾種概念：G 代表猜測；L 代表和光有關； B 代表和球的位置有關、 和光照無關；而 BL 表示球的位置和光照都有關；LE 代表光和視覺都有 關， BE 代表和視覺與球有關；光照是一樣的；BEL 代表光、視覺和球 都有關係；而 E 代表只和視覺有關、和光照無關，如表 4-1 所示。 表 4-1 學童在「月相類比模型」中所產生的概念 非科學概念： 代號 概念 理由 G 猜、憑感覺 沒有理由或不知道 L 與光照的方向、 角度或面積有關 直覺以燈光的方向、光線的角度或光照的地 方做判斷，認為光照會影響亮的大小。 B 與球的位置有關 和光照無關 能指出光都是照到球的同一面，是球的位置 不同導致產生不同的形狀。 BL 球和光都有關 球的位置不同造成光照面積不一樣 LE 光與視覺 能考慮眼睛看到的地方和光線的問題。 BE 視覺、球 認為視覺與球都有關係，光照是一樣。 BEL 光、視覺、球 認為光、視覺和球都有關係。 科學概念： E 只和視覺有關 能指出光照的面積一樣，是看的角度不同。

本實驗裝置所蘊含的科學概念是：「近似平行的光線照到每個球， 產生明暗各半的球，當人們觀察此明暗各半球的角度不同時，就看見不 同球形。」所以視覺和光是本實驗中學童待釐清的重要概念，若當學童 能發現光照每顆球的面積都是一樣的，是因為看的角度不同所以產生不 同的形狀，就是符合科學概念。 有一些學童在預測時除了擁有非科學概念之外，還會以一套暫時性 的理論來進行預測，例如：L1（光會轉彎）、BL1（近小遠大）、BL4（近 大遠小）…等，如表 4-2 所示。 表 4-2 學童在「月相類比模型」中所產生的暫時性理論 L1 光會轉彎 認為光會轉彎，所以整顆球都照的到。 BL1 近小遠大 球離投影機比較近光照比較少，比較遠比較多。 BL2 球進來多、出去 少（以 4 為準）。 這邊（3、5）比較進來（斜度小），照的多；這 邊（1、7）比較出去（斜度大），照的少。 BL3 角度大照的多， 角度小照的少 發現球的角度越大照到越多（3、5），角度越小 照到越少（1、7）。 BL4 近大遠小 球離投影機比較近光照比較多，比較遠比較少。 M1 正確的月亮循環 類比以前觀察月亮的情形。從右邊越來越大， 然後會變左邊，慢慢變小。 M2 遞減的月亮循環 類比以前觀察月亮的情形，只是認為第 1 顆球 接近光比較亮，所以是滿月，之後會慢慢變小。 學童在先前預測使用的概念或暫時性理論，如表 4-3 所示，在此階 段，沒有學童擁有科學的概念。 表 4-3 學童主要的先前概念 概念 人數 學童 G 10 S8、S15、S19、S26、S10、S20、S21、S27、S4、S29 L 6 S12、S14、S16、S28、S3、S24 L1 1 S2 BL1 6 S13、S25、S17、S18、S31、S7 BL4（M2） 6 S6、S9、S32、S34、S11、（S23） LE（M1） 6 S5、S33、S35、S30、S22（S1） 備註：加底線代表方向錯誤