國立臺中教育大學科學應用與推廣學系
科學教育碩士學位暑期在職進修專班碩士論文
指導教授：葉聰文博士
國內大專院校「普通物理實驗」教學實驗項目之現況研究
研究生：李銘崇 撰
中華民國九十六年十一月
國內大專院校「普通物理實驗」教學實驗項目之現況研究
摘 要
本研究以自編的大專院校普通物理實驗教學實驗項目之問卷，針對目前大專 院校理工科系之普通物理實驗課程進行調查，問卷內容乃歸納九十五年度教育部 公布之大專院校網站中的普通物理實驗項目而成，採用目前物理學分類方式，分 為基礎實驗、力學實驗、熱力學實驗、近代物理實驗、光學實驗、電磁學實驗和 流體力學實驗等七大類，透過回收問卷的分析，以期了解各校目前在普通物理實 驗課程所進行的實驗項目現況，並分析比較校際間開課的差異性、儀器採用情 形、每週上課節數以及授課教師在進行普通物理實驗課時所遭遇的困擾，以提供 各校未來在安排普通物理實驗課程及進行教學活動時的參考依據。 研究發現大專院校中未實施普通物理實驗課程者以技職院校居多，在進行普 通物理實驗項目時，一般大學在普通物理實驗實施項目上多於技職院校與師範院 校，各系多以基礎實驗項目為主要課程實施的項目，較為先進的近代物理實驗則 較少實施，實驗器材多為整套購置之設備。另外各大專院校教師所遭遇到問題普 遍為實驗器材不足與老舊，學生缺乏實驗的概念與基礎，加上授課時間不足，連 帶影響到學生操作實驗的興趣。 關鍵詞：普通物理、實驗Abstract
This study, based on the self-designed qustionnaire of experiment of fundamental physics in universities and colleges, made investigation into the fundamental physics experiment curriculum of science and engineering departments in universities and colleges. The content of the questionnaire was generalized from the fundamental physics experiment items of
university and college websites released by the Ministry of Education in 2006 school year. With the current classfying methods of physics, it was divided into the foundation experiment, mechanics experiment,
thermodynamics experiment, modern physics experiment, optics experiment, electromagnetics experiment and hydromechanics experiment. By the analysis of the feedback, we try to realize the current status of the experiment items of the fundamental physics experiment curriculum and compares the differences among the curriccula of each university and college, the condition of using apparatus, the class hours in a week and the puzzles of the teachers in teaching so as to provide reference for each university and college in planning fundamental physics experiment curriculum as well as doing teaching activities.
The results showed that those who did not implement experiment of fundamental physics among universities are mostly technology colleges. As for experiment project of fundamental physics, the experiment items implemented in universities are more than those in technology and normal colleges. Each department mostly takes the foundation experiment project
as the main curriculum while the more advanced modern physics are less implemented. As for the apparatus, they were chiefly purchased by a whole set. In addition, the problems that teachers at universities and colleges confront are commonly the insufficency and obsolescence of equipment, students’ lack of the concept of experiment and background, the
insufficiency of teaching time which connectedly prevents students from taking interest in experiment operations.
目 次
第一章 緒論 ……… 1 第一節 研究背景與動機 ……… 1 第二節 研究目的與待答問題 ……… 3 第三節 名詞釋義 ……… 4 第四節 研究範圍與限制 ……… 4 第二章 文獻探討 ……… 5 第一節 實驗活動在科學教育的重要性 ……… 5 第二節 國內外大學普通物理實驗能力低落之狀況 ……… 8 第三節 國內外大學普通物理實驗教學現況 ………13 第四節 科學教育的理論基礎 ………19 第三章 研究方法 ………27 第一節 研究流程 ………27 第二節 研究對象 ………28 第三節 研究工具的編製 ………29 第四節 調查實施 ………34 第五節 資料分析 ………34 第四章 研究結果 ………35 第一節 問卷回收狀況分析 ………35 第二節 國內大專院校理工科系之普通物理實驗項目的現況分析 …………36 第三節 分析不同型態的學校在普通物理實驗項目上的差異情形 …………44 第四節 國內大專院校理工科系之普通物理實驗儀器與教學時數的現況 分析 ………63 分析第五章 結論與建議 ………66 第一節 結論 ………66 第二節 建議 ………70 參考文獻 ………72 壹、中文部份 ………72 貳、英文部分 ………76
附 錄
附錄一 德國大學物理系與其他相關科系之普通物理實驗教學內容…………77 附錄二 中國「高等院校大專物理實驗基本要求」實驗分級內容………78 附錄三 教育部各大專院校分類名錄 ……… 82 附錄四 問卷發放學校科系一覽表 ……… 87 附錄五 問卷及說明 ……… 96表 次
表 1 各校實施普通物理實驗課程狀況統計表 ………35 表 2 問卷回收之學校類型統計表 ………36 表 3 基礎實驗操作統計表 ………37 表 4 力學實驗操作統計表 ………38 表 5 熱力學實驗操作統計表 ………49 表 6 近代物理實驗操作統計表 ………40 表 7 光學實驗操作統計表 ………41 表 8 電磁學實驗操作統計表 ………42 表 9 流體力學實驗操作統計表 ………43 表 10 基礎實驗各類型學校操作統計表 ………46 表 11 力學實驗各類型學校操作統計表 ………49 表 12 熱力學實驗各類型學校操作統計表 ………52 表 13 近代物理實驗各類型學校操作統計表 ………54 表 14 光學實驗各類型學校操作統計表 ………56 表 15 電磁學實驗各類型學校操作統計表 ………59 表 16 流體力學實驗各類型學校操作統計表 ………62 表 17 各類型學校實驗儀器設置統計表 ………63 表 18 各大學普通物理實驗儀器設置方式統計表 ………63 表 19 各系普通物理實驗每周上課節數平均統計表 ………64 表 20 各系普通物理實驗每周上課節數統計表 ………64 表 21 普通物理實驗課程授課困擾統計表 ………64圖 次
圖 1 Ausubel 認知同化論的關鍵概念 ………23 圖 2 研究流程 ………28
第一章 緒論
本章共分為四節，第一節針對本研究之研究背景與動機加以描述，第二節就 研究目的做討論並界定待答問題，第三節將解釋本研究所使用之名詞，第四節將 界定本研究之研究範圍與限制。 第一節 研究背景與動機 物理—研究物質、能量及其交互作用的科學—是國際性的事業，在未來人類 進步中扮演著關鍵性的角色（慶昭蓉等譯，1999）。依據1999年3月17-21日於美 國亞特蘭大市舉行之第廿三屆國際物理與應用物理聯盟大會中所通過之決議文 內提及物理教育及研究的重要性，認為物理的知識能啟發下一代，拓展我們對自 然的認識；物理可以提供未來科技進步所需的基本知識，使全世界經濟得以繼續 進步；物理是科技體系教學中的重要基礎；在科學家培養過程中，物理訓練是不 可或缺的；物理能增進我們對於其他領域的理解並改善生活品質等。由此可知， 物理教育乃是科學教育的重點，而科學教育是國家教育體系中重要的一環，因此 物理已成為進步社會和教育系統中不可或缺的一部份。 物理是一門重視實驗實證的科學，任何理論在未經實驗證實前都只能當作假 設，物理學中任何創新的成果都必須經過實驗的檢驗，因此實驗教學一方面可以 鞏固學生學習的理論知識與加深理解，另一方面可以培養動手解決問題的技能與 觀察分析的能力。而物理教學中，完整的實驗活動能使學生具有正確科學方法與 素養，能夠批判既有物理知識的可信度，甚至突破其規範，創造新領域（楊文金 等，1987）。物理實驗是物理知識獲得的基礎和根據，可以激發學生學習物理的 興趣，培養學生觀察能力和操作能力，養成良好的實驗態度。楊振寧也曾說過： 「物理學是以實驗為本的科學」，實驗能使學生由做中學習，進而啟發其創意和新的構想。由科學發展史中獲得一項事實：科學實驗的突破和新發現常導致科學 革命及典範更新。實驗對於物理學的發展和物理學家的重要性是無庸置疑的（許 榮富等，1987）。物理是基礎的科學也是科技體系的重要基石，結合理論和實驗， 透過實驗的操作來建構學生個人的物理概念，泰米爾（Tamir）曾指出「實驗活 動可以幫助學生培養正確的科學態度及科學過程技能」，若能夠透過長期計畫性 的發展，有穩固的基礎科學，將有助於我國科技教育的整體發展和全民科學素養 與工業技術的提升。 物理學的發展與創新與物理實驗息息相關，根據統計，從1901年諾貝爾物理 獎頒發給德國倫琴，到1999年授予荷蘭霍夫特和費爾特曼的99年中，共頒獎93次 ，158人獲獎，獲獎項目中69.2%屬於實驗項目（朱路揚、陳慶琉，2001）。所以 從歷年來諾貝爾物理獎的頒發也能發現物理實驗活動對於物理學以致於科學是 十分重要的。 大專院校「普通物理實驗」課程為理工相關科系之基本必修課程之ㄧ，將「普 通物理實驗」排為必修課程乃因其為基本科學之入門，也反映了理工科實驗的共 通性和普遍性問題，在人才科學素質培養中有著不可替代的重要作用。基礎物理 實驗做為大學生進校後第一門科學實驗課程，不但應讓學生受到嚴格的、系統的 實驗技能訓練，掌握科學實驗的基本知識、方法和技巧，更重要的是培養學生敏 銳的觀察力、嚴謹的科學思維能力和創新精神，培養學生理論聯繫實際、分析問 題和解決問題的能力，特別是與科學技術發展相適應的綜合能力（杜英磊等， 1998）。依據Josephy（1986）的說法，基本科學之入門係兼顧兩類修養，一類是 為專修課程銜接的基礎；另一類是培育解決問題的能力，以培育爾後獲取新知的 潛在能力（引自許榮富，1989）。每年我們都看見國內的高中生在國際奧林匹克 物理競賽中屢獲佳績，穿金戴銀，贏得許多獎牌，比起一些先進國家毫不遜色， 以2006年在新加坡舉辦的國際物理奧林匹亞競賽為例，台灣高中生代表隊在86個
參賽國家中獲得第五名，次於印尼、中國、美國、南韓，在這樣的榮耀背後，卻 沒有對於後續進入大學表現之相關研究，國內針對普通物理實驗課程及教學成效 的相關研究也非常少，而且集中在民國70年代，資料較為久遠（許榮富，1987、 1989；李琳，1989；吳秀錦，1989；徐子民，1989；陸業堯，1988）。 另外，近幾年來我國物理論文發表數和被引用數的比值逐漸退步，不但落後 先進國家甚遠，甚至排名在某些東南亞國家之後，這也值得我國在物理教育的方 向與實施方式上重新思考與討論。褚德三教授（2005）認為落後的原因很多，如 物理教育理念落後、課程改革與評估不落實、只強化解題技巧卻忽略基本概念的 建立與紮實、國科會鼓勵速成報告及各級學校的物理實驗長期只訓練學生驗證基 本定律及已知的物理現象，卻忽略了培養學生設計新實驗儀器及新實驗方法的能 力等。變化更大的當屬近年來教育政策改變，廣設大專院校、技職院校升格，讀 大學不再是遙不可及的夢想，大學生態也產生了截然不同的變化，有鑑於此，實 有必要針對現今大專院校所開設的普通物理實驗課程進行調查。 本研究希望透過對於目前大專院校普通物理實驗教學之現況問卷調查，了解 各校目前的實驗項目現況、分析校際之間的差異性、實施節數、儀器來源以及授 課教師在進行普通物理實驗教學時所遇到的困擾，作為各校在安排普通物理實驗 課程及進行實驗教學活動時之參考。 第二節 研究目的與待答問題 一、研究目的 本研究之主要目的如下： （一）探討各大專院校普通物理實驗項目的實施現況。 （二）探討一般大學、教育大學及技職學校在實施普通物理實驗項目上的 差異。
二、待答問題 依據以上研究目的，本研究待答問題如下： （一）大專院校普通物理實驗項目的實施現況為何？ （二）一般大學、教育大學及技職學校在實施普通物理實驗項目上的差異 為何？ 第三節 名詞釋義 一、大專院校： 本研究所指的大專院校為教育部於九十五年網站中所公佈之各級學校統計 資料中之各級學校名錄，計有162所學校，含國立、私立大學、科技大學、 技術學院、專校等，分為一般、技職、教育三大類（詳見附錄1）。 二、普通物理實驗教學： 普通物理實驗為理、工學院大學部一年級學生之必修課程，主要內容為透過 實驗實作對重要物理量或現象的觀察，來學習與瞭解物理知識與物理實驗研 究方法或印證普通物理學之相關內容。 第四節 研究範圍與限制 受限於人力、物力及時間，研究範圍乃針對國內各大專院校之理工科系，故 研究結果是否可以推論至所有科系，應另加以探討。另外，由於該問卷的填答對 於各大學實際擔任普通物理實驗教學之授課教師並無強制性，故僅能針對所回收 之問卷進行分析。
第二章 文獻探討
本章共分四節，第一節闡述實驗活動在科學教育的重要性；第二節介紹目前 國內外普通物理實驗能力低落之狀況；第三節介紹國內外大學普通物理實驗教學 現況；第四節探討科學教育相關的理論基礎。 第一節 實驗活動在科學教育的重要性 實驗活動在科學教學中已存在許久，幾乎被視為最重要且神聖的一環，大多 數的科學知識來自於科學實驗，因此實驗是獲得科學知識的基本工具，許多學者 皆肯定實驗活動在科學教育的重要性（劉銀姬，2002；高涌泉，1991；Tamir， 1976；Shulman及Tamir，1973）。Renner（1985）認為學生在學習科學的概念或 定律時必先擁有經驗，而這些經驗最適當的來源就是實驗活動，學生可以在實驗 中了解這些概念。物理教學中，完整的實驗活動能使學生具有正確科學方法與素 養，能夠批判既有物理知識的可信度，甚至突破其規範，創造新領域，因此實驗 對於物理學的發展及物理學家的重要性，是無庸置疑的（楊文金、許榮富，1987）。 因此物理實驗是人類認識世界的一種重要方法，也是進行科學研究的基礎。 對學生而言，在實驗過程中需要腦、眼、手綜合運用，能夠動手操作絕對比 枯坐聽取實驗操作流程與結果或是只在嘴上做實驗有趣多了，也較能引發學習興 趣與動機，培養學生觀察、思維、操作等各種能力，學生能經由實驗活動學習科 學探究的方法，進而了解科學本質及學習從事科學的態度；而好的實驗活動可以 提供學生進行知識建構的機會（Tobin，1990）。藉由實驗活動，可提供學生探 究與發現的機會，實驗的經驗增進了技能的發展，學生一旦喜歡實驗活動，將更 有興趣於科學的探究（何俊彥，2002）。基本上，實驗室提供學生進行彰顯、演 示與驗證已知概念與定律的場所，實驗室教學不但能發展科學實驗過程技能，而且在實驗過程中，可以培養學生具備正確的科學態度、理解科學本質與發展更高 的認知能力（許榮富、趙金祈，1987）。傅昭銘（2006）亦認為從社會需求的角 度來看，世界各先進國家以把增進學生對科學本質的瞭解列為科學教育領域的重 要目標。 Hofstein和Lunetta（1982）回顧實驗活動在科學教育的角色和演進，歸納 如下：（引自劉銀姬，2002） 一、在19世紀，實驗活動是用以增加物質與概念之經驗為主。 二、在1910年後，Dewey提倡「做中學（learning by doing）」的學習理 念下，實驗活動手冊是比較為試用而且實用的方式編制。 三、第一次世界大戰之後，實驗活動是被用以驗證所傳授的科學知識。 四、在1960年代以後，重視從實驗活動中，培養高層次認知的科學過程技 能，藉由實驗活動，提供學生探究與發現的機會，給予學生感受科學 精神、科學方法-問題解決、分析、推論，並提供學生了解科學本質。 Klopfer（1971）認為實驗教學具有下列的功用： 一、傳播科學知識與理解科學。 二、培養操作技能。 三、發展科學探究技能，包括： （一）觀察與測量。 （二）解釋數據。 （三）辨認問題。 （四）尋求解決問題的方法。 四、鑑賞科學方法。 五、強化科學態度和興趣。 六、應用科學知識及方法。
Shulman及Tamir（1973）則認為實驗教學具有： 一、發展技能：操作、探究、組織、溝通等技能。 二、灌輸概念：如假說、理論模型、分類等概念。 三、培養認知能力：批判思考、解決問題、應用、分析、綜合能力。 四、理解科學本質：科學領域、科學家彼此間的工作、科學方法的多樣性。 五、強化科學態度：好奇心、冒險性、一致性、合作性、客觀性、精確性。 Tamir（1976）綜合學者意見提出支持實驗活動的四大要素：（引自許榮富、 趙金祈，1987） 一、科學概念包括高度抽象及複雜的主題，初級及一些未達形式操作期的 中學生，在沒有具體事物操作機會時會無法瞭解其含意。 二、實驗室的工作可以予以學生鑑賞科學之方法及精神。 三、實際之經驗增進技能的發展，連帶則有廣泛的類化效應。 四、學生一旦喜歡實驗活動，將更有興趣於科學的研習。 前中研院院長李遠哲曾於1996年天下雜誌的專訪中表示：「從人的生物發展 過程來看，腦部發展和動手經驗很有關係，小時候常動手做東西，腦部會發展比 較快。」而做實驗是實現之示與實作能力的轉換方法之一。 李琳（1989）認為一個好的實驗在設計上應該具有下列幾個特點： 一、讓學生有思考的空間可供討論。 二、在實驗進行中，學生需要自行做某種程度的判斷。 三、實驗方法活潑，並可追求一些變化。 四、可以學習實際有用的數據分析方法。 高業安（2001）認為物理實驗具有下列幾個特點和作用： 一、可以簡化和純化研究過程。 二、可以強化研究條件。
三、可以加速或延緩物理過程。 四、可以重複和再現物理過程。 五、可以對物理現象和物理過程進行定量研究。 由上述得知國內外科教學者多認為實驗活動是科學教育所不可或缺的一環。 而普通物理實驗除了可以幫助學生瞭解科學家探索和發現物理規律的過程外，還 可以實際的讓學生印證生活週遭的物理法則，結合生活經驗，讓學生在實驗過程 中不斷激盪出新的想法，發展並培養學生對於物理強烈的好奇心和邏輯思維，透 過實驗還能增強對科學本質的認識和科學概念的發展，並且培養科學態度、過程 技能和解題的能力，因此「普通物理實驗」實為一門基礎且重要的入門學科。 第二節 國內外物理實驗能力低落之狀況 民國78年，中央研究院院長吳大猷先生曾對國內十餘所大學的物理系畢業生 （入學時應在74年）做了一次測驗，有四百多位同學應試，結果平均分數是「22 分」，50分以上的只有6人，60分的只有1人。當然，分數是相對的，因為出題的 標準因人而異，不過，吳院長顯然以此做為參考指標，進而論斷國內的物理教育 是令人失望的（台灣日報，1992）。 在民國70年代以前，國內對於科學實驗的教學並不重視，除了設備儀器不足 外，對教學的方法也不甚講求，多半只是原理的驗證（陸業堯、許榮富，1988）。 民國72年後，教育部與國科會聯合推動了支援國內公立大學院校及專科學校改善 普通物理實驗之規劃，按各校所提改進計畫之實際需要，予以分期專案補助購置 實驗儀器設備的經費。每年以一千萬以上經費補助全國大學購買普通物理實驗用 的器材，各校在實驗教學方面的內容已經有了顯著的改進，實驗與普通物理課程 的配合也較數年前為佳（吳秀錦，1989）。 物理學是一門實驗與理論結合發展得很成功的科學，所有事實的成立都需要
經由實驗手段的進行以取得確認，在透過實驗的操作中來建構學生的物理概念， 這是一門基礎的實驗課程，亦為銜接各學系後續專業實驗課的入門課程。傳統實 驗課程，要求學生透過操作儀器、進行儀器測量、紀錄實驗數據、分析實驗數據 等步驟來完成實驗，在經過冗長的實驗步驟後，常因實驗時間的限制、實驗課程 設計或學生個人的學習動機等因素影響，學生對於利用實驗來幫助建構個人物理 概念的效益仍是相當有限（Hewitt，1994）。 國內普通物理及實驗的學習成果深受傳統考試方式影響，大學入學考試對許 多高中學生而言是一個相當重要的考試，甚至可用「一試定生死」來形容，長久 以來，考試領導教學的現象實為相當普遍，高中教師的教學必須以大學入學考試 作為依歸，雖然考題中有實驗題，但是面對升學壓力和大大小小的考試，時間分 秒必爭，力不從心之下最終仍回歸到「紙筆測驗」範疇中，如何得到高分遠比如 何做實驗、實驗數據為何更重要。物理學科是一門思考性的學科，長期來在大學 入學考試中命題偏難，題目難度高，被定位為「投資報酬率低」的學科（黃文龍， 2002），在重視多元智能發展的今日，這樣的測驗方式是否真能反映出學生實驗 的能力實令人存疑，得到高分與實驗操作能力似乎不存在必然的關係，而且把原 本生動豐富的物理知識轉變為枯燥難懂、死記硬背的材料。台灣的中學生為了升 學而反覆練習測驗題，追問原因比直接記憶浪費時間，快速的解題技巧遠比按部 就班的推導來得重要（邱韻如，2006），補習班的名師因此產生。故有學者認為， 目前物理教育不重視實驗，以致不做實驗，或以「乾實驗」（dry laboratory） 在紙上、黑板上教導實驗（楊文金、許榮富，1987）。這群高中生進入大學後接 觸到普通物理實驗，入學基礎參差不齊，升學壓力的消失，加上過去缺乏實驗操 作經驗，形成學習障礙，所以有學者指出學生學習科學知識或技能時，常常是在 不了解實驗的本質或目的的情況下進行實驗。Millar（1989）與White（1996） 也批評學生在做實驗時只動手而不動大腦。甚至研究在職進修教師的調查問卷中
有七、八成表示自己在中學或大學變得不喜歡物理，這種態度當然是不利學習的 （張自立，2005）。 興趣是最好的老師！當學生對於物理實驗產生興趣時，會自發性的進行深入 的探討，這種動力一旦被激發，將產生難以預測的成效。張敏（2004）認為在傳 統普通物理實驗教學中，教師先介紹實驗目的和原理，學生只要依照實驗步驟依 序操作，便能得到實驗的結果和數據，這種方式學生只是被動的重複實驗步驟， 易抹煞學生對於物理實驗的興趣與創造力，若能先以物理學中較生動有趣並能引 起學生震撼的實驗做起，點燃學生的興趣之火，並在課程中加入自由探究的實驗 ，以學生周遭熟悉的事物和現象為探討的主題，讓學生在生活化中發揮創意並討 論設計實驗，擬定實驗方案和實驗步驟，自我探索、自我發現，必定能增進學生 創造力與科學態度，此即為「探索性物理實驗」。 劉茂軍（2004）認為「探索性物理實驗」具有下列優點： 一、有利充分發揮學生的主體作用。 二、有利充分培養學生的創新能力。 三、有利提供學生的實驗能力。 大學的物理實驗有一定的難度，學生程度又良莠不齊，因此在進行探索性物 理實驗時最好能適當安排組員，加強小組成員間的合作，教師扮演協助者的角色。 近年來大專院校數量激增，今年入學率達90﹪以上，大學教育已從原本的菁 英教育轉變為全民教育，而其中一群原本成績就不甚理想的中學生，因廣設大學 之便而得以進入大專院校就讀，普通物理實驗對這群學生來說更是沈重的負擔。 另外，大專普通物理實驗成績以實驗報告、紙筆測驗成績為主，這樣的評量方式 是否真能反映出學生該課程的能力與成效實令人懷疑。中央研究院物理所研究員 林誠謙先生（1989）認為國內的教育體制充滿了標準問題和標準答案，學生花費 太多時間在記憶背誦這些標準答案，卻沒時間思考，這實在是值得我們深思的一
個問題。 目前大專生實驗能力普遍低落的情形已為國內相關研究所及產業所苦惱，雖 然國內各大學物理系對普通物理實驗課程安排各不相同，但普遍性以食譜式實驗 為主，美其名為以印證式為依歸，藉以佐證普通物理課程所授之內容，實則造成 同學們普遍對普通物理實驗課程的輕忽，因為可以輕易依樣畫葫蘆完成實驗或甚 至抄襲同學實驗報告。因此造成的結果是同學們普遍動手能力相當缺乏，更不用 談創造力（吳仲卿，1999）。張惠博（1993）綜合許多研究認為：在實驗活動中， 對學生應授與某種程度的決定權力，讓學生自己決定如何進行探究以提昇學生之 責任心和相互學習的動機，甚至教師在選擇實驗內容、安排實驗活動及帶領實驗 活動時，應考慮學生的能力與相互合作的訓練才能呈現實驗活動的功能。而Roth （1994）的研究中更指出學生喜歡開放式的實驗，對於無法主動探究的食譜式實 驗步驟學習的興趣和意願較低，亦認為實驗的過程和方法都較不具意義。由於只 要照著規定好的實驗步驟一步一步往下做，便能得到相近於書本的完美數據，限 制了學生分析、討論、設計實驗的能力。在實驗中，主動的學生尚可扮演模仿者 操作實驗，較被動的學生甚至只是扮演一個旁觀者，連實驗問題都認識不清，所 以大專生實驗能力的低落並不令人感到意外。 大學生學習普通物理意願低落及成效不彰的問題由來已久。張慧貞（2003） 曾如此描述：「課堂上部分學生努力地跟著抄筆記，部分學生則分心神遊，也常 有令人尷尬的打瞌睡問題，上課中除了偶而老師指名同學答問之外，幾乎不見任 何師生互動。偶有同學請益，其內容也不外乎考試的範圍，不見為了興趣或好奇 而問的課外問題。學期末批改考卷時，則常失望地看到學生們寫出不相干的公 式，企圖湊出答案。」深入探究其原因，徐子民（1989）認為由於目前高中教學 大多是以升學主義為導向，在學生升入大學之後，因升學誘因的消失，而形成學 習不適應是造成學習障礙的主因。而在西方國家方面，Halloun和Hestenes（1985）
則發現，多數學生在其入學時的既有概念（preconceptions），並未隨著修習大 一普物而有明顯的改變，而此一問題似乎也並不因某些教師優越的講解能力而有 所減緩（引自張慧貞，2003）。因此進行普通物理教學上的改革實在是刻不容緩。 近20年來，以美國為首的西方國家，已有許多的物理教授投入大學普通物理 教學研究的行列，並逐漸帶動真實課堂之革新風潮（張慧貞，2003）。這一股改 革風潮主要源自於建構主義學習觀的發展，與對現有學習成效的低落感到失望， 例如高居不下（超過30％）的不及格率（Rowell,Dawson ＆ Pollard, 1993；Tobias ＆ Hake, 1988），許多物理教授被迫降低標準，以免當太多人（Redish, 1996） （引自張慧貞，2003）。Andrew Elbya（2000）在馬里蘭大學的研究中發現單純 的教學並無法有效的幫助學生學習物理相關概念，並認為要幫助學生學習物理， 重點在於「實驗」。美國麻省理工學院亦針對日益升高的蹺課率和不及格率研究 改進之法，而進行了一項名為TEAL的普通物理教改計畫，Belcher（2001）在研 究訪談中有許多學生表示：在實驗室進行的實驗都太過形式化，流於照本宣科， 無法與課堂上所教授的主題相結合。所以TEAL課程即是應用現代的科技，結合多 媒體教學，讓學生親自動手操作並與同組成員討論合作，並在實驗後進行討論， 幫助穩固學生所得到的物理知識，並體會相關的物理原理及存在於生活週遭之 中，透過實驗幫助理解而非死記。而多位研究人員針對學生學習物理概念中容易 產生障礙的課程觀念進行研究，認為力學和運動、電和磁、光學中學生常容易產 生學習障礙，並試著透過配合電腦科技（虛擬實境）來輔助學習，以幫助學生克 服某些難以理解的物理概念，發現成效不錯（葉寶生，1994；黃福坤，2006；羅 慶璋，2004）。相較於國外物理實驗課程改革的蓬勃發展，在國內，每年雖有超 過三萬名大一理工學生需要修普通物理一科，但在普物課程革新的推動，則顯得 相當沉寂（張慧貞，2003）。
在物理教學中，最主要是要培養學生兩項能力：一是獲得物理知識；二是具 備科學探究能力。對大部分的人來說，物理知識常是顛撲不破的真理，一如歷史 中的史實一般（楊文金、許榮富，1987）。而科學探究能力的教育，則是所謂的 科學過程技能的學習，也就是讓學生認識到科學家產生知識的探究及發現的過 程。什麼樣的教學方式最能讓學生具有「科學方法」的能力呢？那就是實驗；規 劃完善的實驗活動，可以讓學生體驗完整的科學探討活動。依據專科學校現況調 查資料，大多數學校之教學空間尚十分狹小，基本設施不夠，實驗器材購置、管 理、維修均未上軌，教學媒體短缺落後，使用環境也無法配合，良好技術人員更 是欠缺（許榮富，1989）。有鑑於傳統的實驗教學中，習慣上使用分組教學方式 的合作學習，學生實作實驗時，因器材設備不足，使得學生無法親自動手操作實 驗，加上時間不夠充裕，操作過程中無法仔細觀察、分析及充分討論等因素，導 致學生實驗學習的效果不易掌握，也使得教師帶學生進入實驗室的意願低落，實 驗教學效果不彰（黃寶鈿、劉藹雯，1993）。 由上述可發現，長期以來各國在普通物理實驗課程的教學實施上都面臨到了 一些問題，遇到了瓶頸，傳統的教學強調有系統的知識學習，而現代的教學觀念 則是強調學生是學生的主體，因此單向講述式的教學模式、教材內容及方法陳舊 呆板、驗證式的實驗，都不太容易培養學生的科學態度和技能，也限制了學生的 思維，壓抑了他們獨立思考的能力和海闊天空的創意，因此各國無不積極的研究 各種方法想要改善目前物理實驗能力低落的情形。 第三節 國內外大學普通物理實驗教學現況 在美國物理教學中，只要教師能夠用實驗說明的一般就不用語言說明，這樣 就增加了實驗的數量；同時，教師鼓勵學生根據自己的興趣和知識基礎來設計實 驗，自由的研究、提問，採集和分析資料，驗證假設和寫實驗報告；最後，美國
理科教師在傳授知識之前，鼓勵學生觀察思考和實驗，這樣一節課中往往先做實 驗，有時甚至大部分時間在做實驗（陳嫻，1999）。以近年來致力於物理實驗教 學教材創新的加州大學柏克萊分校為例，將普通物理實驗課分為三個部分：實驗 前的預習、實驗具體操作和實驗報告的書寫。實驗手冊提供很多思考題目和參考 書目，學生預習時必須查閱大量資料，而指導老師則是在實驗前先針對學生的預 習狀況進行檢查；實驗結束後則進行討論以加深學生印象。 MIT所推動的計畫受到美國許多學校的肯定，其推動的方式是：摒除傳統口 述式的教學方式，透過現代影音動畫多媒體科技的實驗室，結合虛擬視覺動畫模 擬與數為資料分析硬體，將授課、實驗、演習融為一體，營造出一種讓學生主動 參與學習的氣氛和環境，並透過同儕間的團隊合作，解決因學生程度不齊所造成 的學習落差與教學困難（張世欣等，2004）。希望透過這個課程幫助學生實際看 見物理現象，發展出更好的直覺和概念模式。 除了針對理工科系學生設計的課程外，也針對非理工科系的學生設計了許多 有趣的實驗，結合日常生活經驗，深受學生的歡迎，從這裡也可以看出美國對於 學生實驗興趣及能力培養的重視。另外，為了節省實驗儀器購買的經費支出，各 大學也積極與民間機構或是一些科學研究實驗室合作，將汰換下來的儀器提供大 學使用（沈元華，2001）。 德國大學中普通物理實驗教學針對物理系與其他相關科系兩類作區分(如附 錄一)，物理系的普通物理實驗分為三個學期，每學期有十二個實驗要完成，總 共有三十六個實驗，完成後才能進入中級物理實驗；而其他相關科系則針對該科 系較相關的實驗進行，實驗項目八至十個不等。歐盟諸國於物理實驗教學的改進 也正在進行新一波的研究團隊規劃招募，強調重視創新精神和創新能力的培養， 與美國的教學思想趨勢相謀合（傅昭銘，2006）。 在英國國家課程中，學生探究的過程大致是：確定研究課題—擬定初步計
畫—查找文獻資料—修改研究課題—制定研究方案—選擇實驗設備—觀察實驗 現象—讀取實驗資料—分析實驗結果—寫出實驗報告—反思研究過程。在這一探 究過程中，以實驗設計、操作、資料記錄、分析為核心，通過實驗加深學生對科 學知識的理解，經歷科學發現的過程，在潛移默化中建立學生科學認識論和方法 論的“認知結構”，以培養學生的科學素養（姜濤，2006）。 中國長久以來亦採傳統的教學法，將普通物理實驗劃分為力、熱、電、光等 各自獨立的主題，單向填鴨式的講述造成學生缺乏作實驗的主動性和創造性漸為 人所詬病，成效亦不彰，實驗內容和現代科學技術成果嚴重脫節。根據高業安 （2001）針對物理實驗教學現況的研究，發現了許多令人不滿意的地方，如： 一、器材不足：許多學校因多方面的原因，教材中規定的實驗和學生分組 實驗器材不足，導致實驗教學存在很大的困難。 二、物理教師對實驗教學重要性認識不夠：有些物理教師只重視物理理論 知識的教學，輕視實驗教學，實驗變成了紙上談兵式，教師講授學 生背誦的實驗。 三、學生不重視物理實驗教學：有些學生隱藏身於分組中，不動手也不思 考，只想抄寫別人的實驗數據與結論報告。 四、學生實驗能力不強：學生要自己設計出一個實驗方案是件很困難的事， 而且女生的實驗能力較男生弱。 自 1995 年來中國亦逐步檢討，在教學內容上，減少驗證性實驗，增加探索 性實驗；在教學方法上，減少口授，增加操作；在考核體系上重視實驗技能與創 意，更積極打破了傳統的力、熱、電、光、近代物理實驗的封閉體系，改進分割 過細、實驗內容重複、綜合實驗和設計性實驗不足的缺點，建立以基本實驗、綜 合性實驗、設計性實驗、研究性實驗等組成的新的實驗課程體系，並透過虛擬實 驗儀器將物理實驗與現代科學技術接軌，以激發學生的學習積極性與熱情，學生 可以在學習物理概念、思想、方法的基礎上，有目的的去設計實驗，完成實驗；
又能通過實驗深化對物理概念、思想的理解，同時克服了實驗教學長期受到課 堂、課時限制的困擾，使實驗教學內容在時間和空間上得到延伸。（劉新、申万 兵、陳万平，2005）依照中國「高等院校大專物理實驗基本要求」將實驗內容區 分為(如附錄二)： 一級物理實驗（基礎物理實驗） 包含兩個部分，第一個部分是培養學生基本操作能力，主要以基本物理量 的測量、基本實驗儀器的使用、基本實驗技能的訓練和基本測量方法與誤 差分析等，希望學生能掌握分析與數據處理的基本能力，第二個部分是操 作基本的經典性實驗，涉及到力、熱、電、光、近代和物理各個學科，是 大學物理實驗的入門實驗，也是適合於各專業的普及性實驗。 二級物理實驗（綜合性、設計性實驗） 以綜合性、設計性為主的實驗，應用綜合實驗方法和技能系統研究力、熱、 電、光學物理量的測量，並且逐步引進綜合現代物理實驗和方法，培養學 生綜合思維、綜合應用知識和技術的能力，強調學生動手操作的能力、解 決和分析問題的能力。 三級物理實驗（現代物理實驗技術） 以綜合現代物理實驗和現代物理技術為主的實驗。學生在本級物理實驗中 將學習現代物理實驗技術的思想、方法、技術和應用。 四級物理實驗（研究型實驗） 以科學小實踐為主題，組織若干個圍繞基礎物理實驗的課題，以科研方式 進行實驗，培養學生的創新思維和研究、開發應用能力。學生在教師指導 下，在自行調研的基礎上選擇課題、寫出調研報告、實驗方案、完成課題 和寫出研究論文。 而國內的物理實驗項目一般而言包括實驗誤差分析、力學、熱學、電學、光 學、近代物理等內容的基礎性實驗，課程分為驗證性實驗和測量性實驗，多數屬 於普通物理課程的從屬地位，實驗步驟多以條理詳盡敘述在實驗手冊中，學生可
以按部就班就像依食譜一般操作，就能獲得實驗數據，多數學校因儀器不足，分 組每週輪換以進行實驗。傅昭銘（2006）指出，根據對於上普通物理實驗課的學 生所進行的晤談和問卷調查歸納，最多的學生反應對於按表操作的實驗方法感到 枯燥乏味，第二則是覺得實驗儀器簡陋易壞，造成實驗數據的誤差大。由此可知， 國內的普通物理實驗課程仍有相當大的改進空間。 這兩年，台灣在教育部等單位的支持下，投入大筆經費進行大學理學院基礎 課程改進，有些物理系已經開始投入培養學生設計並製作新實驗儀器能力的計 畫，另外也有學系為了增進學習物理概念成效，製作示範實驗的設計等，使物理 實驗教學獲得改進的機會（傅昭銘，2006）。以台灣大學物理系為例，從民國 86 年起對於普通物理實驗的功能和架構重新做了檢討，嘗試對現代科學與科技作配 合與調整，增加了近代物理方面的實驗，將普通物理實驗課程定位為一個獨立而 完備的課程，並且因應不同科系而設計了不同的實驗項目（鄭伯昆等，2000）， 希望能夠將知識轉化以適合各種科系之程度的學生。 綜觀各國在普通物理實驗教學的發展趨勢上有一個明顯的轉變，就是從單純 的累積知識逐漸轉變為注重知識的探索過程。也就是說，對於普通物理實驗教學 之定位，已不再是單純針對普通物理課程的驗證，而是希望透過這個課程達到更 深層的目的，亦即是實驗並不只是為了驗證普通物理課程上的原理、規律或是理 論，更重要的是隱藏在實驗操作中的謹慎規劃的研究方式、按部就班的操作實驗 步驟、與同儕間的創意激盪，從提升學生學習興趣為出發點，結合現代物理的發 展結果與產業需求的人才，進而希望從中培養現代科技產業所需的創造力，不過 分強調原理的嚴謹性和實驗測量的精密性，而是透過探究的過程，讓學生不斷地 反思自己的觀念和操作流程，在實驗的操作過程中吸取經驗，建構自己的知識， 強調學習的主動性和積極性，這也是學生日後就業或繼續從事研究工作的重要精 神與態度。為了達到這樣的目的，教學方法也由教師為主體的單向灌輸式教學， 轉變為以學生為主體的發現式教學。
另外值得注意的一點是各國也逐漸重視中小學的理科教育。從 1985 年英國 教育和科學署頒佈的理科 5~16 歲的政策文件中指出，科學教育的重點是培養科 學方法。明確確定在理科教學中學生應學得的能力：（舒康云等，2001） 一、良好的觀察力。 二、能選擇與所研究項目有關的觀察數據。 三、能找出數據間相互關係及變化趨勢。 四、能舊這些關係作出評估、解釋與假設。 五、能設計實驗來測試所提出的假設之可信性。 六、能以文字、數字方程式、圖表等不同的方法表達實驗結果。 七、能安全有效的使用儀器。 八、利用所學的知識進行實驗課題研究。 實驗已成為基本的教學手段和學生活動的主要方式，過程完全是以實驗為主 線發展的，典型的發展教材有英國的探索物理知識、德國的 5~9 年級物理學國民 學校讀本（舒康云等，2001）。許榮富教授在民國 83 年的專訪中也談到物理研究 人才的接棒應該從小學做起，物理教授應從小學中學高中大學乃至於研究所關心 起，而不是等學生讀到大學才注意其科學研究問題，甚至只是感嘆學生程度大不 如前。 實驗能力絕非一朝一夕可以養成，這些國家在大學前的各個學習階段都很注 意培養孩子的研究能力、獨立思考及處理問題的能力，希望透過各個學習階段的 培養和訓練，能夠激發學生對於物理實驗的興趣，並將科學探究的方法、創新的 觀念、嚴謹的態度等科學的精神逐漸內化，才能在大學中展現出來。
第四節 適用於大學物理教育相關研究的理論基礎 自1960年以來，科學教育學者從事學童的自然科學概念的研究日趨蓬勃，其 發展時期與研究取向大致可分成四種理論派典（王美芬和熊召弟,1995）：皮亞 傑（Piaget）的發展派典、蓋聶（Gagne）的行為派典、奧斯貝（Ausubel）的認 知派典和建構派典。 ㄧ、Piaget的認知發展理論 Piaget認為實驗的過程對所有年齡的學生都很重要，唯有經歷實驗歷程，學 習者方能獲得形式運思中思考所需的技能，更重要的是實驗通常可使人產生新的 想法，而且在具體運思期思考力承受物理操弄所影響，必須由經驗資料推論而產 生解釋（吳幸宜，1994）。 兒童的心智發展應該被視為連續進行的歷程，在認知過程中，不只是被動地 接受外界的事實，並且還能主動地反應和想像，甚至實際去操縱變化它，兒童每 天與環境交互作用時，其認知能力不斷獲得成長，Piaget相信兒童的身體動作使 他們以後能發展出心理動作，沒有經驗就沒有學習，身體動作便是經驗的基本成 分，兒童的社會經驗是建立在與別人的交互作用過程中，在考慮別人對環境的看 法中，社會經驗是使兒童變得較不自我中心的基礎，也是道德觀念等心理概念的 基礎。Piaget認為心理方面也有適應環境的平衡化歷程，所有認知發展來自環境 中的經驗，兒童消化和調適資料，導致認知的改變，這種對目前經驗的建構會成 為處理新資訊，以及未來事件的基礎（郭重吉，1988）。Piaget認為兒童隨年齡 的成長，認知結構亦會隨之改變，而兒童的適應方式可分為「同化」和「調適」 兩種。「同化」是指個體運用既有基模處理所面對的問題，即是將新遇見的事物 納入既有的基模之內，亦是既有知識的類推運用。而「調適」則是旨在已有基模 不能直接同化新知識時，個體為了符合環境的需求，主動修改其既有的基模，從
而達到目的的一種心理歷程。個體遇到新的情境時，認知結構感到不平衡，會透 過同化或調適來獲得平衡，不論是增加新的基模或是修正原來的基模，都會改變 個體原有的認知結構，此即為概念的改變，不過平衡狀態是暫時的，因環境中事 事物物隨時在改變，故個體認知結構必須隨時隨地經由同化與調適而時時改變， 以維持繼續不斷的平衡與再平衡。教師在指導學生進行普通物理實驗的過程中， 自身的認知結構通過不斷的同化和調適，從而得到豐富和發展（張敏，2004）。 Piaget將兒童的認知發展分為四個主要的階段，受到成熟、經驗、社會傳播 和平衡等因素的影響，雖然在不同的區域、不同的種族間的發展時間並不相同， 但是都有順序的持續性，必須等待一個階段能力足夠成熟後才能繼續進展到下一 個層次，由簡單到複雜，從具體而到抽象，而大學這個階段適用於第四階段形式 運思期。形式運思期（Formal Operational stage）是指十一歲以上的青少年認 知發展階段，這時期的青少年的思維能力已達到成熟階段，思想可擺脫具體事物 的束縛，可以進行概念化和抽象化的心理活動，在思維方式上具有假設演繹推理 （hypothetic-deductive reasoning）和組合推理（combinatorial reasoning） 等特徵（張春興，1996）也就是說，他們不再需要具體事物的協助，就可以運用 符號或語言來進行推理或抽象的思考，能夠進行邏輯和演繹方面的思考，能控制 變因以求得答案並理解到一個問題能有多種的解法。但是否因為大一學生已進入 形式運思期便能夠完全脫離具體事物來協助學習呢？Piaget亦強調，後一階段的 結構並非前一階段的延伸，而是重建；形式運思重建了具體運思的認知結構，具 體運思又重建了前運思的認知結構，而前運思則重建了感覺運動的認知結構。隨 著認知結構的不斷重建，兒童的知識才能持續向前超越、發展。因此在教學時必 須配合學習者不同階段的智力發展來進行教學，如果他們的認知發展尚無法處理 抽象的科學概念時便強迫其學習，不但難以達成教學目標，更戕害了他們日後對 科學的學習興趣。由此可知，教師在授課前仍有一項重大的工作，便是瞭解學生
目前所處的是位於哪一個發展的時期，才能針對其能力設計相關的教學活動，使 學生在既有的基礎下持續成長進步。 二、Gagne的學習理論 Gagne認為學習並非單一的歷程，而是一連串辨別、類化、遷移所累積的多 樣性過程，應包含心智結構的改變和透過先備知識去瞭解新知識，學習的基本類 型由簡單到複雜，由基礎到高階，可分為八個階層，包含了訊號學習（signal learning）、刺激-反應學習（stimulus-response learning）、連鎖作用 （chaining）、語文聯想（verbal association）、多重辨別學習（multiple discrimination learning）、概念學習（concept learning）、原則學習（rule learning）和問題解決（problem solving）等。任何學習都應循著合理的順序， 無法躍等越級，學習有階層性，階層中的每一項能力是上一層更複雜技能的先備 條件(林進財，1999)。而這八種基本的類型構成了學習的層階，學習必須順著學 習的階層，先易後難，由簡而深，循序漸進達到最複雜的解題能力。由此可知， 問題解決是最高階的學習階層，也需要最多的先備條件來協助達成此能力，而實 驗則是將問題解決的能力具體化，亦即是將先前所學的概念、原則和知識作統整 歸納，進而靈活應用以解決問題，從實驗設計的步驟和方法，便可瞭解學生是否 已擁有解題的能力。在大一所安排的普通物理實驗課程中，便是希望能夠透先前 的一連串學習類化與遷移所累積的過程，將已知的概念與知識作基礎，進而培養 學生能透過討論、思考而設計實驗解決問題的能力，在實驗過程中，培養學生具 備正確的科學態度、理解科學本質與發展更高的認知能力，這樣的能力對於日後 繼續進行各科系更深入的相關實驗是非常重要的，也是最基本的。 除了學習的層階之外，要讓學習更為有效，Gagne也提出學習的要件及教學
的要件。學習的要件分為內在及外在的條件，內在的條件是指學習者在學習前本 身所應具備的因素，如學生的智力、先備知能、態度技能、人格以及動機等，而 外在的條件是指學習者本身以外的因素，如教學情境的佈置、設備、學習氣氛等。 Gagne特別強調教學者在教學時的角色，在教學時教學者要先針對學習者進行前 測以了解學習者的起點行為，再配合學習者的個別差異進行個別化教學，並在課 堂中引起學生的注意、提示教學目標、喚起學生的經驗、提供教學內容、輔導學 生學習、展現學生的學習、適時給與學生回饋，以及評定學生的學習結果與加強 學生的注意能力等，才能真正達到學習的成效，所以在教材編製時要注意教材的 順序和連貫。而普通物理實驗為大一理工科系的必修科目，但由於目前大學入學 成績級距相差頗大，學生入學程度的歧異性更大，面對來自不同學習背景、數理 能力不一的大學新生，想要達到有效的教學，在硬体方面，實驗器材要完善，在 軟體方面，教師必須花費更多的心思設計教學活動，吸引學生的學習興趣，透過 前測以瞭解學生的起點行為，並配合適當的分組，以期達到母雞帶小雞的效果， 方能達到教學的成效。 三、Ausubel 的意義學習論 過去 20 年來，Ausubel 的認知學習理論，在引導學習研究的建構和改進科學 教學中，用處最多，他的工作也為首次建構教育理論上，提供了心理學基礎概念 （劉明德，1992）。他將學習理論與教學直接聯繫起來，將重點放在被學習的內 容結構上，獲得廣泛的支持。Ausubel(1963，1968)提出的「認知學習的同化理 論」（Assimilation theory）後，人們開始對於學習有了另一種新看法，那就是 學習者的先備知識，和所欲學習的概念間的關係，是構成有意義學習的重要因 素；換句話說，只要學習者將新學習的知識，與既有的命題架構獲知是結構聯結
在一起，有意義的學習便告誕生（余民寧，1996）。Ausubel 強調，唯有有意義的 學習才是真學習，認為有意義的學習必須具備兩個先決的條件，一是學習者具有 有意義學習的心向，二是學習材料本身要有意義。其與機械式學習是不同的，因 為機械式的學習是學習者將新資訊以任意的、逐字的、瑣碎的方式記憶，這些記 憶與學習者的先備知識沒有產生連結，所以很容易遺忘；而有意義的學習乃是透 過教師設計教材和課程，引學習者先建立概念的前置組織因子，進而將新舊知識 連結在一起而內化之，亦有學者稱為接受式學習，而且強調的是學習者本身必須 做自覺的努力，才稱為有意義的學習，意義的成分越高，學習與記憶的效果也越 好，所以 Ausubel 的學習理論又稱為「接受式學習」（reception learning），而 且其也認為這種學習方式是學校學習中最主要的方式。在 Ausubel 的認知同化論 中曾提及五個關鍵概念如下圖： 有意義的學習（meaningful learning）:將新知識與認知結構中既存的相 關概念和命題做聯結，並且統整進這些概念裡。 z 含攝學習(subsumption)：將新知識包含進入既存的相關概念或 命題之下。 z 統整調和(integration recilliation) ：整合不同但相關聯的 概念，成為一新聯結的學習。 z 層級學習(superordinate learning) ：與兩個以上有關聯但不 同階層的概念聯結之學習。 z 漸進分化(progressive differentiation) ：當新的含攝學習、 同整調和與階層學習產生時，概念與命題的意義會逐漸精緻化與 類別化。 有 意 義 -- 機 械 式 學 習 的 連 續 向 度 z 前置組織因子（advance organizer）：設計出一種簡單、有意義 的學習綱要，以幫助學習者將新穎且特殊的知識與其已知的概念 或命題作聯結。 機械式的學習（rote learning）:以隨機、逐字復誦的方式將新訊息灌輸 進認知結構中。 圖 1：Ausubel 認知同化論的關鍵概念(引自張志方、洪振方，2001)
而普通物理實驗課程的實施方式即符合Ausubel所提的有意義學習，在普通 物理課程中先引導學生建立基礎的概念，而再進行普通物理實驗課程時依照實驗 的步驟，透過自身的努力或同儕的討論合作，進而將新舊知識連結在一起而內化 之，便是有意義的學習，而且學生在實驗的過程中付出越多，則意義的成分越高， 學習與記憶的效果也越好。 相對於Ausubel的接受式學習，另一位學者Bruner提倡發現式學習，認為從 事物形象變化中發現原理才構成學習的條件，強調學習者的主動探索，教學者鼓 勵學習者運用思考、比較、對照、想像力、創造力來探究問題，在學習的過程中， 學習者將學會如何解決問題以及何謂學習。也就是說，教學者必須有能力將教材 重新改編來適合學習者學習，設法安排有利於學習者發現「結構」的情境。 Bruner將人類對其環境週遭事物，經知覺而將外在事物或事件轉換為內在心 裡事件的過程稱為認知表徵，認為兒童學習事物的程序是由具體到抽象，因此學 習多由動作表徵開始，才逐漸抽象化升高為意象表徵及符號表徵。透過兒童經由 自行發現學習的經驗，能有下列優點：（魏明通，1997） 1.使學生更容易理解教材內容而產生有意義學習。 2.發現學習提供較佳的學習歷程。 3.可以產生最大的學習轉移。 4.可使學生有機會「學習如何學習」。 由上述得知Ausubel認為學習者自行發現概念意義的學習才是有意義的學習， 學習的求知歷程是主動的，有意義的學習只產生在學生已有充分的先備知識基礎 上，配合學生的基礎能力和經驗的教學再教學生新的知識，他們才會產生有意義 的學習。而在Bruner的發現式學習理論中，教學者必須依據學習者的年齡、背景、 認知結構和學習材料本身來決定選用何種表徵的形式，事先組織適當的教材，安 排情境並鼓勵學生主動「發現學習」，而非如傳統教學般採「灌輸」知識的方式。
兩者熟優熟劣，一般而言：（引自張新仁，1993） 1.採用「接受式學習」，所需要的學習時間較少，記憶保留較持久 （Wittrock,1963）。 2.「發現式學習」有助於學習遷移（Guthrie,1967）。 3.聰明的學生較能從「發現式學習」中獲益，一般學生或學習遲緩者未必然 （Hermann,1971）。 所以在教學時便需要考慮教學目標、學生能力與特性、教師能力等條件來決 定採用何種方式，以達到事半功倍的效果，協助學生都能培養出基本的實驗操作 能力與素養，作為日後更深入研究的基礎。 四、建構主義的學習觀 建構主義是近年才逐漸出現的科學學習理論，建構主義者的科學學習模型， 整合了最新的科教研究和許多其他貢獻，其觀點淵源自新科學哲學主義庫恩、巴 柏等對於知識論的觀點，也兼採皮亞傑、布魯納、奧斯貝、維高斯基（Vygotsky） 等認知心理學的研究後再加以闡發。就知識論的觀點，建構主義學者對於學生科 學知識成長的看法，和認知心理學家對於學生有關科學學習的看法相似，兩者均 強調知識是由科學家和兒童所建構出來的(Cleminson, 1990; Hodson, 1988; Nussbaum,1989)。前者是針對學生學家如何獲得科學知識，而後者是針對學生如 何學習。就認知心理學的看法，建構主義是奠基在下列兩個主要的原理（郭重吉， 1992）： 第一、知識並非被動地接受，而是由具有認知能力的個體所主動建構出來 的。因此，教師只能表達知識而無法把觀念灌輸到學生腦海之中，學生必須根據 外在訊息，通過自己的背景知識，讓新舊經驗的衝突引發知識結構的重組，自己 建構出對他們而言具有意義的觀念。因此科學教學不是一個填滿學習者空白心智
的過程，而是一個概念重建的過程（Driver & Oldham，1986）。 第二、認知的功能表是具有適應性的，其作用是把我們所經歷的事物加以組 織，而不是去發現客觀存在的現實世界。因此，我們只是對於自己的經驗建構出 適用或可行的解釋，而不是發現自然界的真理。 Lawson（1991）認為建構主義的理論主要由三個基本的假設所組成： 1. 兒童建構有關自然現象的個人概念。 2. 這些概念時常是非科學的。 3. 它們是通過傳統教學改變為更科學的概念。 建構主義強調知識是由認知的主體與外在的環境進行互動的產物，許多的科 學教育學者認為科學知識的概念架構是暫時的，它會不斷的被修正和成長。由於 受到建構主義對兒童科學知識成長論的影響，近年來國內科教學者，認為學生在 進入教學情境時，並非像是一張白紙，被動地任由教師填塞知識。因此不論研究 機構或教學單位都開始注重學生的學習過程和認知特性。先進國家學者探討學生 既有的經驗和知識﹐再設計合適的教材及教學方法之研究，已行之多年。因此國 內探討學生之認知發展過程，也成為科學教育的重要方向。 上述四種科學教育的理論派點都強調學生學習是有順序性的，如果先備的能 力不足便貿然教導較深的知識，是達不到效果的，所以了解學生目前的能力是位 在哪個學習的階層是很重要的！而教學者除了要了解學生的先備能力之外，還必 須能安排適當生動的教學策略，引導學生進入學習的情境，主動「發現學習」。
第三章 研究方法
本章共分五節，第一節闡述研究流程，第二節說明研究對象，第三節針對研 究工具的編製作說明，第四節說明調查實施的狀況，第五節說明資料分析的方式。 第一節 研究流程 本研究之研究流程主要分為兩個階段，第一階段為發展問卷，第二階段為問 卷的資料回收與分析統計。在第一階段中，首先參考教育部於九十五年網站中所 公佈之各級學校統計資料中之各級學校名錄中之大專院校，共計有一百六十二所 學校，含國立大學、私立大學、科技大學、技術學院、專校等，進入各校網站中 搜尋該校各系所開之普通物理實驗課程中所操作的實驗項目，然後歸納彙整各系 之實驗項目重複出現的次數，統計後依出現次數之多寡排序，將排序後的實驗項 目依照當前物理科學分類方式，將實驗項目分為基礎實驗、力學實驗、熱力學實 驗、近代物理學實驗、光學實驗、電磁學實驗和流體力學實驗等七大類，分類後 製作問卷經專家學者審定修訂後寄發各校之理工科系；第二階段為總計分析各系 所回收之問卷。本研究之實施流程擬由九十五年一月至九十六年八月，實施流程 詳如下圖所示：圖2：研究流程 第二節 研究對象 本研究中的研究對象乃針對國內大專院校理工科系（如附錄三）進行問卷普 查，其中理學院有106個科系，工學院有244個科系，共350個科系。希望利用此 問卷以便了解各校之普通物理實驗課程所實際進行的實驗項目現況及異同、儀器 的採用情形、每週上課節數與教師在授課時所遭遇的問題等，並分析各校普通物 理實驗之相關性與差異性。 蒐集普通物理實驗相關教學網站資料 查詢並歸納各校普通物理實驗主題 將歸納之實驗主題分為七大類並編製 請專家審定問卷內容 修訂後寄發問卷 問卷回收 資料處理 第 一 階 段 第 二 階 段 95 年 1 月 95 年 4 月 95 年 5 月 95 年 8 月 95 年 9 月 95 年 11 月 96 年 1 月 結論與建議 96 年 8 月 提交論文 96 年 10 月
第三節 研究工具的編製 本研究之主要工具為研究者自編之「國內大專院校理工科普通物理實驗現況 問卷」（如附錄四）蒐集所需之資料，茲針對問卷之編製過程及問卷內容於本節 說明之。 一、問卷編制過程 本問卷編制的過程分為蒐集資料暨文獻探討、編製初稿、專家諮詢與試填、 修正定稿等步驟，分別說明如下： （一）蒐集資料暨文獻探討 為瞭解國內大專院校「普通物理實驗」項目之實施現況，研究者針對 實施普通物理實驗的重要性、各國實施的現況與成效、相關的科學學習概 念之研究報告進行蒐集與探討，再參考95年各大專院校公佈於各科系網站 內有關普通物理實驗課程之實驗項目資料，將各科系所公布之實驗項目彙 整統計，並依實驗出現的次數多寡依序排列。 （二）編製問卷 依據文獻探討之結果，研究者即進行問卷之初稿編製。問卷型式分複 選及開放式問題組等。研究者彙整各校之實驗項目依目前物理學科之主要內 容進行分類，共分為基礎實驗、力學實驗、熱力學實驗、近代物理學實驗、 光學實驗、電磁學實驗、流體力學實驗等七大類，將實驗項目加以編碼，並 製作實驗目的說明提供填答者參考。除了七大類普通物理實驗之選項外，配 合實驗目的提列出關於普通物理實驗之教材之選購情形、各系所所使用的普 通物理實驗儀器之購置情形、各系之普通物理實驗課程的上課時間以及教師 在教授普通物理實驗課程時所感到的困擾為何等較為開放性的問題，期盼能 得到一個較為接近目前國內在進行普通物理實驗課程的實際全貌。
（三）專家指正 為增進問卷的內容效度（content validity），研究者先與指導教授針 對問卷內容作多次討論及修正，再徵請一位具物理博士背景並實際教授普通 物理實驗課程之教授進行指正，以建立問卷之專家效度（expert validity）。 （四）試填 將修正後的問卷交由兩位理工科系畢業之現職老師及指導教授試填， 以修正敘述不宜的字句。 （五）修正定稿： 依據以上步驟，逐步修正後，經指導教授同意，正式定稿，問卷內容 詳如附錄。 二、問卷內容 本研究之調查問卷為「國內大專院校理工科普通物理實驗現況問卷」（如附 錄五），本問卷旨在調查國內大專院校理工科系實施普通物理實驗的項目及相關 現況，茲針對問卷的內容說明如下： 項目 說明 題型 題數 基礎實驗 （測量儀器的 學習與操作） （101）游標尺的操作 （102）螺旋測徑器的操作 （103）球徑計的操作 （104）曲率半徑測量 （105）三用電表的操作 （106）電源供應器的操作 （107）安培計的操作 （108）伏特計的操作 （109）歐姆計的操作 （110）檢流計的操作 （111）組合式示波器的操作 （112）波形產生器的操作 （113）氣壓計的操作 複選 13
力學實驗 （201）碰撞（氣墊軌道）實驗 （202）機械能不滅原理實驗 （203）加速度的測量實驗（牛頓第二運動定律） （204）斜面加速度的測量 （205）自由落體實驗 （206）摩擦係數測定實驗 （207）虎克定律和簡諧運動 （208）物質之扭矩常數和剛性係數 （209）剛體靜平衡 （210）單擺實驗 （211）扭擺實驗 （212）克特可倒擺實驗 （213）可變 g 擺實驗（重力常數測量） （214）衝擊擺實驗（測量拋物線運動） （215）環擺實驗 （216）角動量的測量 （217）角加速度的測量 （218）轉動慣量 （219）向心力與圓周運動實驗 （220）慣性天平 （221）水波槽實驗 （222）空氣柱的共振氣柱共振駐波實驗 （223）共鳴管實驗 （224）都卜勒效應實驗 （225）卡文狄西萬有引力實驗 （226）振盪實驗（S.H.M） （227）陀螺儀 （228）複擺實驗 複選 28 熱力學實驗 （301）熱的傳導 （302）熱功當量 （303）金屬的熱膨脹實驗 （304）固體比熱測定 （305）固體的線性熱膨脹係數 （306）臨界現象 （307）波以耳定律和查理定律(氣體溫度計) （308）熱力循環與熱機 （309）牛頓冷卻定律實驗 （310）熱平衡 複選 14
（311）熱輻射 （312）定壓比熱與定容比熱商之測定 （313）氣體γ值的測定 （314）溶解熱 近代物理學 （光電效應、原 子光譜、晶體散 射） （401）黑體輻射 （402）光電效應--蒲朗克常數的測定 （403）原子光譜分析 （404）法蘭克赫茲實驗 （405）密立根油滴實驗 （406）電晶體的特性 （407）二極體I-V曲線實驗 （408）BJT偏壓電路設計 （409）BJT基本放大器之設計 （410）氫燃料電池 （411）電子荷質比測定 複選 11 光學實驗 （501）光的反射實驗 （502）光的折射實驗 （503）分光計 （504）薄透鏡焦距測量 （505）發散透鏡與會聚透鏡的成像實驗 （506）球面鏡的成像實驗 （507）透鏡組合之應用 （508）望遠鏡與顯微鏡之成像實驗 （509）光的干涉（麥克森干涉）實驗 （510）光的繞射（布拉格繞射）實驗 （511）光的偏振實驗 （512）光的偏極化實驗 （513）雷射光學實驗 （514）光速測定 （515）光譜分析 複選 15 電磁學實驗 （601）電力線的分佈 （602）滑線電位計（等電位實驗） （603）等位面實驗 （604）RC、RL電路 （605）克希荷夫定律 （606）電阻的溫度係數 （607）惠斯頓電橋 （608）歐姆定律 複選 28
（609）電解定律 （610）靜電實驗 （611）感應電動勢測定實驗 （612）熱電偶實驗 （613）平行板電容 （614）電容充放電實驗 （615）互感、自感實驗 （616）交流串聯共振 （617）固體物質的電導 （618）熱電動勢 （619）電子受靜磁力實驗 （620）電磁感應 （621）磁矩測定實驗 （622）霍耳效應 （623）螺線管磁場 （624）變壓器 （625）磁滯曲線 （626）地磁測定實驗 （627）電流天平 （628）LRC電路與共振 流體力學實驗 （701）固體比重實驗 （702）液體比重實驗 （703）測量表面張力係數 （704）流體的黏滯性 （705）楊氏係數的測定 （706）梅耳得實驗 （707）昆特（肯特）實驗 （708）微波實驗 （709）伯努力方程式實驗 複選 9 「普通物理」教 科書 □自編 □購買 書名_______________________ 出版社__________ 作者__________________ 單選 填充 1 「 普 通 物 理 實 驗」教科書 □自編 □購買 書名_______________________ 出版社__________ 作者__________________ 單選 填充 1 「 普 通 物 理 實 驗」儀器 □自行研發(佔50%以上) □整套購置(佔50%以上) □自行研發與整套購置並行(約各佔50%) 單選 1
「 普 通 物 理 實 驗」的上課時間 每週 節 填充 1 在教授「普通物 理實驗」課程中 令 您 感 到 困 擾 的是 □上課時間不足 □實驗器材老舊、不足 □學生缺乏興趣 □其他 複選 填充 1 第四節 調查實施 本研究在確立調查對象及完成問卷編製後，即以郵寄方式進行問卷調查，以 下就郵寄實施過程及回收情形加以說明： 一、郵寄問卷 九十五年九月針對全過各大專院校350個理工科系寄發問卷，理學院占106個 科系，工學院占244個科系，隨問卷附上請託函一份，請各系所之普通物理 實驗授課教授協助填答，並於函中說明填覆期限為一個月。 二、回收問卷 回收之問卷依其回收順序歸存，至十月底止，共回收86份問卷，回收率25%。 第五節 資料分析 本研究之資料彙整完成後，將以下列統計方法解答各項研究問題： 一、以描述性統計之次數分配、百分比、平均數、標準差分析，以瞭解國內大專 院校理工科系之普通物理實驗課程的實驗項目實施現況。 二、以描述性統計之次數分配、百分比分析不同型態（一般大學、教育大學及技 職學校）的學校在普通物理實驗課程的實驗項目上的差異情形。 三、將問卷開放性問題的填答彙整，藉此補充量化研究所缺少之資料，並相互佐 證。
