認 知 衝 突 策 略 應 用 於 國 小 四 年 級 學 生
太 陽 運 行 軌 跡 概 念 改 變 之 研 究
林 旺 棟 、 陳 建 民 、 張 秉 翰 、 高 健 訓
國 立 屏 東 教 育 大 學 數 理 教 育 研 究 所 研 究 生壹 、 緒 論
依 據 九 年 一 貫 課 程 綱 要 ， 太 陽 運 行 軌 跡 的 課 程 安 排 於 五 年 級 ， 名 為 「 觀 測 太 陽 」 ， 其 課 程 內 容 是 以 太 陽 觀 測 裝 置 觀 測 太 陽 ， 記 錄 一 天 中 幾 個 時 間 點 太 陽 的 方 位 角 和 高 度 角 數 據 ， 並 將 數 據 資 料 在 方 格 紙 上 繪 製 成 太 陽 運 行 軌 跡 圖 ， 以 推 論 一 天 中 隨 著 時 間 推 移 ， 太 陽 的 方 位 及 高 度 如 何 改 變 ， 並 建 構 出 學 生 心 中 的 太 陽 運 行 軌 跡 概 念 （ 教 育 部 ，2003） 。 然 而 ， 在 這 樣 的 教 學 活 動 中 ， 教 師 無 從 得 知 學 生 的 原 有 概 念 ， 教 學 活 動 後 ， 學 生 雖 能 繪 製 出 「 太 陽 運 行 軌 跡 圖 」 卻 未 必 真 正 了 解 太 陽 在 天 空 中 的 運 行 。 學 生 在 學 習 「 太 陽 在 天 空 中 運 行 軌 跡 」 時 ， 一 直 難 以 建 立 正 確 的 概 念 。 許 民 陽 、 王 景 坤 （2000） 在 針 對 國 小 自 然 科 學 天 文 概 念 的 發 展 研 究 ， 發 現 學 生 在 太 陽 的 升 落 有 迷 思 概 念 和 另 有 想 法 。 本 研 究 希 望 能 找 出 學 生 在 「 太 陽 運 行 軌 跡 」 議 題 中 的 原 有 概 念 為 何 ？ 並 設 計 出 適 當 的 教 學 促 進 學 生 學 習 。 根 據 前 人 研 究 中 發 現 認 知 衝 突 策 略 是 概 念 改 變 教 學 的 有 效 教 學 策 略 之 一 （ 邱 美 虹 ，2000； 邱 韻 如 ， 2005； 陳 義 勳 ， 2004） 。 本 研 究 試 圖 以 認 知 衝 突 策 略 針 對 尚 未 接 受 過 太 陽 軌 跡 教 學 的 四 年 級 學 生 進 行 太 陽 運 行 軌 跡 概 念 的 教 學 ， 並 從 中 獲 知 學 生 原 有 概 念 及 教 學 前 後 概 念 改 變 之 情 形 。 在 科 學 教 育 領 域 中 ，Posner 等 人 （ 1982 ） 根 據 Kuhn 和 Lakatos 認 識 論 的 論 證 所 發 展 ， 提 出 概 念 改 變 模 式 （conceptual change model ） ， 強 調 概 念 改 變 是 同 化 與 調 適 的 過 程 。 概 念 本 身 是 抽 象 的 、 是 複 雜 的 、 是 與 生 活 經 驗 不 一 致 的 ， 因 此 改 變 學 童 原 有 的 科 學 概 念 其 過 程 是 很 困 難 的 （ 邱 美 虹 ，2000） 。 迷 思 概 念 的 存 在 會 影 響 正 確 概 念 的 發 展 ， 認 知 衝 突 在 促 進 概 念 改 變 上 扮 演 了 一 個 重 要 的 角 色 。 從 建 構 主 義 及 概 念 改 變 的 觀 點 ， 教 學 之 前 要 先 瞭 解 學 生的 原 有 概 念 ， 根 據 學 生 原 有 的 迷 思 概 念 ， 設 計 適 當 具 有 認 知 衝 突 的 問 題 ， 才 能 讓 學 生 產 生 自 我 協 調 ， 有 效 的 改 變 學 生 的 迷 思 概 念 。
貳 、 研 究 目 的
本 研 究 的 整 個 教 學 活 動 設 計 在 於 能 充 分 的 產 生 認 知 衝 突 以 改 變 學 生 原 有 的 迷 思 概 念 。 初 探 階 段 讓 學 生 預 測 進 而 引 出 學 生 原 有 概 念 ， 經 由 實 際 觀 測 及 討 論 ， 讓 學 生 發 現 原 有 概 念 的 缺 失 產 生 認 知 衝 突 ， 引 起 概 念 的 重 整 與 自 我 協 調 ， 進 而 達 成 概 念 的 改 變 。 本 研 究 以 尚 未 接 受 過 太 陽 軌 跡 教 學 的 四 年 級 學 生 為 教 學 對 象 ， 先 探 討 這 群 學 生 對 太 陽 運 行 軌 跡 的 原 有 概 念 ， 再 透 過 實 測 活 動 ， 讓 學 生 認 識 一 天 中 太 陽 實 際 於 天 空 中 運 行 的 路 線 ， 比 較 兩 者 差 異 ， 觀 察 學 生 面 對 認 知 衝 突 情 境 時 如 何 修 正 原 有 概 念 之 缺 失 ， 以 及 經 過 教 學 後 概 念 改 變 的 情 形 。參 、 研 究 方 法
一 、 研 究 對 象 本 研 究 樣 本 選 取 自 屏 東 縣 某 國 小 四 年 級 的 一 個 班 級 作 為 研 究 對 象 ， 該 班 有17位 學 生 分 成 六 組 。 該 班 學 生 已 學 習 過 「 陽 光 和 影 子 」 的 單 元 ， 了 解 太 陽 大 致 是 東 升 西 落 ； 並 學 習 過 「 月 亮 觀 測 」 單 元 ， 了 解 「 方 位 」 及 「 高 度 角 」 的 概 念 。 二 、 教 學 設 計 本 教 學 活 動 改 編 五 年 級 「 觀 測 太 陽 」 單 元 ， 擷 取 其 中 與 太 陽 一 天 中 運 行 軌 跡 最 有 關 係 部 份 教 材 內 容 加 以 改 編 。 使 用 透 明 半 天 球 模 型 ， 表 徵 學 生 的 概 念 和 觀 測 數 據 以 利 學 生 澄 清 其 概 念 。 共 安 排 三 節 課 ： 第 一 節 課 先 教 授學 生 利 用 一 天 實 際 紀 錄 太 陽 的 位 置 。 第 三 節 課 就 觀 測 結 果 和 第 一 節 課 的 預 測 做 比 較 ， 討 論 預 測 和 實 測 之 間 的 差 距 ， 造 成 學 生 概 念 衝 突 。 再 解 釋 造 成 差 距 的 原 因 ， 修 正 學 生 的 概 念 。 三 、 資 料 蒐 集 和 分 析 本 研 究 於 教 學 活 動 期 間 收 集 下 列 各 項 資 料 加 以 分 析 ： （1 ） 預 測 半 球 模 型 ； （2 ） 上 課 錄 音 ； （ 3 ） 後 測 半 球 模 型 及 ； （ 4 ） 晤 談 。 其 說 明 及 分 析 方 式 如 表1。 表1 資 料 收 集 說 明 及 分 析 方 式 資 料 項 目 說 明 分 析 方 式 預 測 半 球 模 型 第 一 節 課 學 生 預 測 太 陽 軌 跡 ， 而 黏 貼 標 示 太 陽 位 置 貼 紙 的 半 球 模 型 。 將 學 生 預 測 半 球 模 型 轉 錄 到 2 D 圖 紙 上 ， 從 上 面 軌 跡 分 析 學 生 對 太 陽 軌 跡 的 原 有 概 念 。 上 課 錄 音 第 一 、 三 節 課 上 課 討 論 、 發 表 的 錄 音 。 將 上 課 錄 音 轉 錄 成 逐 字 稿 ， 用 以 協 助 分 析 學 生 對 太 陽 軌 跡 的 原 有 概 念 。 後 測 半 球 模 型 學 生 經 過 一 週 後 再 次 黏 貼 標 示 太 陽 位 置 貼 紙 的 半 天 球 模 型 。 將 學 生 後 測 半 球 模 型 轉 錄 到 2 D 圖 紙 上 ， 從 上 面 軌 跡 分 析 教 學 後 學 生 對 太 陽 軌 跡 的 概 念 。 晤 談 針 對 學 生 後 測 半 球 模 型 所 標 示 軌 跡 和 教 學 結 論 不 符 合 的 地 方 找 學 生 進 行 晤 談 。 將 晤 談 錄 音 轉 錄 成 逐 字 稿 ， 用 以 協 助 分 析 教 學 後 學 生 太 陽 軌 跡 概 念 。 四 、 資 料 編 碼 資 料 編 碼 格 式 如 表2。
表2 資 料 編 碼 格 式 資 料 項 目 代 號 說 明 預 測 半 球 模 型 轉 錄 2 D 圖 Pnyymmdd P 代 表 預 測 半 球 模 型 轉 錄 2 D 圖 ， n 代 表 組 別 編 號 ，yy mmd d 代 表 年 、 月 、 日 。 上 課 錄 音 Ryymmd d R 代 表 上 課 錄 音 ， yy mmd d 代 表 年 、 月 、 日 。 後 測 半 球 模 型 轉 錄 2 D 圖 Anyy mmdd A 代 表 後 測 半 球 模 型 ， n 代 表 組 別 編 號 ， yy mmd d 代 表 年 、 月 、 日 。 晤 談 Inyy mmdd I 代 表 晤 談 ， n 代 表 組 別 編 號 ， yymmd d 代 表 年 、 月 、 日 。
肆 、 研 究 結 果
依 據 預 測 半 球 模 型 及 上 課 討 論 錄 音 轉 錄 加 以 分 析 ， 瞭 解 學 生 的 原 有 概 念 狀 況 。 以 後 測 半 球 模 型 及 晤 談 ， 分 析 學 生 學 習 後 對 太 陽 軌 跡 的 概 念 。 其 結 果 如 下 ： 一 、 原 有 概 念 分 析 本 研 究 分 析 預 測 半 球 模 型 及 上 課 討 論 錄 音 後 將 學 生 的 原 有 概 念 分 成 三 類 ： （ 一 ） 完 美 的 東 升 西 落 運 動 在 第 一 節 課 的 教 學 活 動 中 ， 有 三 組 （ 第3 組 、 第 4 組 、 第 5 組 ） 學 生 認 為 太 陽 是 完 美 的 東 升 西 落 運 動 。 中 午 太 陽 位 於 天 頂 ， 上 午 和 下 午 的 太 陽 成 對 稱 狀 分 別 向 正 東 和 正 西 兩 側 分 布 ，10 時 和 14 時 的 高 度 角 位 於 60 度 ， 而 8 時 和16時 的 高 度 角 位 於 30度 。 S： 太 陽 運 行 的 路 徑 就 是 像 這 樣 （ 指 著 預 測 半 球 模 型 ） 從 東 邊 一 直 到 西 邊 。P3990527 P4990527 P5990527 （ 二 ） 不 夠 完 美 的 東 升 西 落 運 動 有 兩 組 （ 第1組 、 第 2組 ） 學 生 認 為 ， 太 陽 大 致 上 是 東 升 西 落 的 。 但 依 照 經 驗 ， 中 午12點 整 時 ， 太 陽 並 非 位 於 正 天 頂 ， 而 是 稍 微 偏 西 或 微 微 偏 向 西 南 。 第2 組 甚 至 認 為 ， 下 午 時 太 陽 會 落 得 較 慢 ， 因 為 依 照 經 驗 ， 太 陽 在 18時 尚 未 落 下 地 平 線 。 T： 為 什 麼 中 午 不 是 在 正 頭 頂 ？ S： 以 前 有 觀 察 過 的 經 驗 ， 我 們 認 為 不 是 在 正 頭 頂 ， 會 偏 西 和 南 一 點 。 R99 0 52 7 P1990527 P2990527 （ 三 ） 難 以 自 圓 其 說 第6組 學 生 直 覺 認 為 ， 8時 太 陽 偏 向 東 北 方 ， 而 16時 太 陽 則 在 正 西 方 。 經 追 問 ，6 時 （ 太 陽 升 起 的 時 間 ） 太 陽 更 偏 向 北 方 ， 而 18 時 （ 太 陽 落 下 的 時 間 ） 太 陽 會 稍 微 偏 南 方 。 T： 你 們 的 軌 跡 彎 彎 的 ， 為 什 麼 會 這 樣 認 為 呢 ？ S： 直 覺 ！ R9 9 0 52 7
P6990527 綜 合 上 述 ， 大 部 分 學 生 的 原 有 概 念 認 為 太 陽 移 動 的 軌 跡 是 從 正 東 通 過 正 頭 頂 到 正 西 。 有 一 半 的 學 生 認 為 太 陽 移 動 的 速 度 非 常 規 律 每 小 時 移 動15 度 。 此 一 結 果 和 余 慶 旗 、 古 智 雄 （2003） 的 研 究 結 果 相 同 。 二 、 教 學 後 學 生 對 太 陽 軌 跡 概 念 分 析 本 研 究 分 析 後 測 半 球 模 型 及 晤 談 結 果 後 將 學 生 在 教 學 後 對 太 陽 軌 跡 概 念 分 成 兩 類 ： （ 一 ） 日 出 日 落 點 對 稱 圓 滑 曲 線 大 部 分 學 生 （ 第1組 、 第 3組 、 第 4組 、 第 6組 ） 屬 於 此 類 。 其 後 測 半 球 模 型 上 的 太 陽 軌 跡 為 頂 端 向 南 偏 的 圓 滑 曲 線 ， 日 出 日 落 的 方 位 皆 偏 北 且 有 對 稱 性 。 A1 9906 02 A3 990 6 02 A 4990602 A69906 02 （ 二 ） 日 出 日 落 點 不 對 稱 圓 滑 曲 線 有 兩 組 學 生 （ 第2組 、 第 5組 ） 其 後 測 半 球 模 型 上 的 太 陽 軌 跡 亦 為 頂 端 向 南 偏 的 圓 滑 曲 線 ， 但 日 出 日 落 的 方 位 卻 不 具 對 稱 性 。 根 據 晤 談 的 結 果 發
A2990527 A5990527 綜 合 上 述 ， 經 認 知 衝 突 策 略 教 學 後 能 建 立 太 陽 的 軌 跡 為 頂 端 向 南 偏 的 圓 滑 曲 線 的 概 念 亦 能 使 大 部 分 的 學 生 了 解 日 出 日 落 的 方 位 具 有 對 稱 性 的 概 念 。 惟 部 分 學 生 雖 有 太 陽 軌 跡 為 頂 端 偏 南 圓 滑 曲 線 的 概 念 ， 仍 陷 入 於 日 落 正 西 方 的 原 有 概 念 中 。
伍 、 結 論 與 建 議
依 據 學 生 的 預 測 半 球 模 型 ， 發 現 學 生 的 原 有 概 念 存 在 著 「 東 昇 西 落 」 、 「 日 出 東 方 」 和 「 日 正 當 中 」 的 想 法 ， 認 為 太 陽 移 動 的 軌 跡 是 從 正 東 通 過 正 頭 頂 到 正 西 。 在 進 一 步 的 訪 談 中 發 現 學 生 普 遍 以 「 直 覺 」 來 回 應 ， 這 種 以 日 常 生 活 的 直 覺 經 驗 反 應 ， 也 符 應 了 本 研 究 之 教 學 設 計 透 過 預 測 與 實 際 觀 測 來 教 學 的 理 念 。 在 經 過 實 際 觀 測 後 ， 發 現 實 際 觀 測 與 預 測 有 所 不 同 而 產 生 認 知 衝 突 ， 在 小 組 討 論 及 教 師 總 結 說 明 後 ， 大 部 分 學 生 產 生 了 概 念 的 改 變 。 故 本 研 究 認 為 認 知 衝 突 策 略 能 有 效 建 立 學 生 正 確 的 太 陽 移 動 軌 跡 概 念 。 少 部 分 學 生 在 教 學 後 ， 概 念 上 雖 然 產 生 了 質 變 ， 但 仍 存 有 方 位 與 高 度 角 上 的 迷 思 概 念 。 本 研 究 以 為 在 施 以 概 念 改 變 教 學 前 ， 應 考 慮 學 生 的 先 備 知 識 ， 因 為 學 生 先 備 知 識 的 不 足 ， 反 而 導 致 更 嚴 重 的 迷 思 概 念 。參 考 文 獻
余 慶 旗 、 古 智 雄 （2003 ） 。 國 小 五 年 級 學 童 太 陽 視 運 動 概 念 之 研 究 。 中 華 民 國 第 十 九 屆 科 學 教 育 學 術 研 討 會 。 邱 美 虹 （2000 ） 。 概 念 改 變 研 究 的 省 思 與 啟 示 。 科 學 教 育 學 刊 ， 8 （ 1 ） ，1-34。邱 韻 如 （2005 ） 。 認 知 衝 突 策 略 在 學 習 環 教 學 模 式 中 的 展 現 － 以 成 影 概 念 教 學 活 動 的 設 計 與 實 施 為 例 。 發 表 於 當 前 教 育 實 務 問 題 與 研 究 趨 勢 學 術 研 討 會 。 桃 園 縣 ： 中 原 大 學 。 教 育 部 （2003） 。 國 民 中 小 學 九 年 一 貫 課 程 綱 要 。 教 育 部 編 印 。 許 民 陽 、 王 景 坤 （2000） 。 國 小 自 然 科 中 的 天 文 概 念 及 台 北 市 中 高 年 級 學 生 天 文 概 念 發 展 調 查 。 科 學 教 育 研 究 與 發 展 季 刊 2001 專 刊 ， 1-27 。 陳 義 勳 （2004 ） 。 國 小 五 年 級 學 童 電 學 概 念 改 變 之 研 究 。 科 學 教 育 研 究 與 發 展 2004 專 刊 ， 13-39。
Posner, G. J., Strike, K. A., Hewson, P. W., & Gertzog, W. A. (1982). Accommodation of a scientific conception: toward a theory of conceptual change. Science Education, 66(2), 211-227.
