國小中高年級學童摩擦力概念之研究

國立台中師範學院自然科學研究所碩士論文

國立台中師範學院自然科學研究所碩士論文

國立台中師範學院自然科學研究所碩士論文

國立台中師範學院自然科學研究所碩士論文

指導教授

指導教授

指導教授

指導教授：

：

：

：葉聰文博士

葉聰文博士

葉聰文博士

葉聰文博士

國小中高年級學童摩擦力概念

國小中高年級學童摩擦力概念

國小中高年級學童摩擦力概念

國小中高年級學童摩擦力概念

之研究

之研究

之研究

之研究

研究生

研究生

研究生

研究生：

：

：楊之明

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楊之明

楊之明

楊之明

撰

撰

撰

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中華民國九十四年七月

中華民國九十四年七月

中華民國九十四年七月

中華民國九十四年七月

誌

誌

誌

誌 謝

謝

謝

謝

本篇研究的完成要感謝論文指導教授葉聰文博士，葉聰文博士於百忙之中悉 心指導，使論文得以完成。 從大學主修工科，到研究所學習教育的領域，在這路途中跌跌撞撞，幸而有 黃鴻博老師及許良榮老師的指導與提攜，以及眾多研究所同學的協助與鼓勵，才 能逐漸熟悉科學教育的領域，初探科學教育的殿堂。 回想這幾年來的學習生涯，最感謝我的指導教授葉聰文博士，從他的身上除 了學習知識之外，為人處事的親切作風也是我學習的榜樣。也感謝校內口試委員 程智慧老師與彰師大徐順益老師，他們給予寶貴的建議，使本篇論文的內容更佳 完備。 其次要感謝的是學校同事黃永昆老師、白秋華小姐及系辦賴姬燕小姐，他們 在我撰寫論文期間提供寶貴的建議與幫助，是我在中師研究所的求學期間最美好 的回憶。 最後我必須感謝參與本論文的受試學童，感謝他們對此研究的協助。

國小中高年級學童

國小中高年級學童

國小中高年級學童

國小中高年級學童「

「

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「摩擦力

摩擦力

摩擦力

摩擦力」

」

」概念之研究

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概念之研究

概念之研究

概念之研究

摘

摘

摘

摘 要

要

要

要

本研究運用 POE（Prediction-Observation-Explanation，即預測—觀察—解釋） 策略，來探究國小學童對於「摩擦力」概念解釋的各種類型，並探討不同年級學 童之間對此概念的概念類型、特徵以及差異情形。本研究採取質性研究，以台中 市某所國小三至六年級學童作為研究對象。研究結果顯示，學童對於摩擦力的主 要迷思概念，共有三種類型，分別是：(一)對於摩擦力來源的誤解，(二) 摩擦力與 接觸面之間關係的錯誤認識，(三)摩擦力與物質材質之間關係的錯誤解釋。本研究 結果顯示，學童對於摩擦力的概念學習仍存在著許多的錯誤觀念，且不同年級的 學童之間對相同概念的認識亦存在程度上的差異性。 關鍵字 關鍵字 關鍵字 關鍵字：摩擦力、科學概念、迷思概念、POE 概念晤談

A Study of the Concept of Friction in The Third to Sixth

Grade Elementary School Students

Abstract

Abstract

Abstract

Abstract

By utilizing the POE (Predict-Observe-Explain) investigation strategy, we would like to explore the possible explanations about the concept of friction held by the elementary school students. We also intended to categorize and identify the characteristics and variations of these explanations. The investigated samples were selected from those students distributed between the 3rd and 6th grade in certain elementary school in the Taichung City. We found that there exist three kinds of misconceptions held by the investigated students. The first kind is that the incorrect explanations about the sources of the friction forces between two interacting objects. The second is that the misconceptions about the relationship between the properties of the contact surface between the objects and the friction forces. The third is that the relationship between the properties of the materials and the friction. The result of our investigation indicates that there still exist many different kinds of misconceptions of the friction held by the elementary school students. These misconceptions would affect the students in their process of learning.

目

目

目

目 次

次

次

次

第壹章 緒論 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 第一節 研究背景與動機 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 第二節 研究目的與問題 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 第三節 名詞釋義 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 第四節 研究範圍與研究限制 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 第貳章 文獻探討 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 第一節 兒童的科學概念 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 第二節 ＰＯＥ概念晤談的研究 ．．．．．．．．．．．．．．．．10 第三節 摩擦力概念的相關研究．．．．．．．．．．．．．．．．．14 第參章 研究方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 第一節 研究樣本．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 第二節 研究工具之設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24 第三節 研究流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．52 第四節 資料分析與處理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．56 第肆章 結果與討論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．57 第一節 ＰＯＥ晤談結果分析與討論．．．．．．．．．．．．．．．57 第二節 國小中高年級學童摩擦力迷思概念之類型分析．．．．．．．76 第三節 國小中高年級學童關於摩擦力概念正誤分類分析．．．．．．77 第四節 比較國小中高年級學童關於摩擦力概念之差異．．．．．．．81 第五節 綜合討論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．83 第伍章 結論與建議．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．85 第一節 結論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．85 第二節 建議．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．87 參考書目．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．89 中文部分．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．89 英文部分．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．91 附錄一 試驗性研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．93 附錄二 摩擦力之科學實驗步驟與數據．．．．．．．．．．．．．．．．．95 附錄三 「靜摩擦力」之ＰＯＥ晤談逐字稿．．．．．．．．．．．．．．．99

圖

圖

圖

圖 次

次

次

次

圖 2-3-1 靜摩擦力示意圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 圖 2-3-2 摩擦力之產生來源示意圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 圖 3-2-1 摩擦力之概念分支圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 圖 3-2-2 靜摩擦力實驗裝置圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 圖 3-2-3 動摩擦力實驗裝置示意圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30 圖 3-2-4 靜摩擦力實驗圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30 圖 3-2-5 動摩擦力實驗圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30 圖 3-2-6 阻力實驗裝置圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34 圖 3-2-7 正向力實驗裝置示意圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37 圖 3-2-8 正向力實驗圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37 圖 3-2-9 斜面傾角實驗裝置示意圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40 圖 3-2-10 接觸面積實驗裝置示意圖 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．43 圖 3-2-11 接觸面積實驗圖 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．43 圖 3-2-12 摩擦係數實驗裝置圖 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．46 圖 3-2-13 靜摩擦係數圖 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．46 圖 3-2-14 動摩擦係數圖 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．46 圖 3-2-15 有效的外力實驗裝置示意圖 ．．．．．．．．．．．．．．．．．48 圖 3-2-16 有效的外力線性回歸圖 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．48 圖 3-3-1 研究流程圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．53 圖 3-3-2 POE 概念晤談流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．54 圖 4-1-1 「靜摩擦力」正確概念人數統計圖．．．．．．．．．．．．．．．60 圖 4-1-2 「靜摩擦力」迷思概念人數統計圖．．．．．．．．．．．．．．．60 圖 4-1-3 「阻力」正確概念人數統計圖．．．．．．．．．．．．．．．．．63 圖 4-1-4 「阻力」迷思概念人數統計圖．．．．．．．．．．．．．．．．．63 圖 4-1-5 「正向力」正確概念人數統計圖．．．．．．．．．．．．．．．．65 圖 4-1-6 「正向力」迷思概念人數統計圖．．．．．．．．．．．．．．．．65 圖 4-1-7 「斜面傾角」正確概念人數統計圖．．．．．．．．．．．．．．．68 圖 4-1-8 「斜面傾角」迷思概念人數統計圖．．．．．．．．．．．．．．．68 圖 4-1-9 「接觸面積」正確概念人數統計圖．．．．．．．．．．．．．．．71 圖 4-1-10 「接觸面積」迷思概念人數統計圖 ．．．．．．．．．．．．．．71 圖 4-1-11 「有效外力」正確概念人數統計圖 ．．．．．．．．．．．．．．74 圖 4-1-12 「有效外力」迷思概念人數統計圖 ．．．．．．．．．．．．．．74

表

表

表

表 次

次

次

次

表 2-2-1 質性研究與量化研究比較表．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 表 2-3-1 國小教科書內容分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17 表 2-3-2 國小教科書課程單元活動分析．．．．．．．．．．．．．．．．．18 表 2-3-3 國外有關摩擦力迷思概念的相關研究表．．．．．．．．．．．．．19 表 2-3-4 國內有關摩擦力迷思概念的實徵研究表．．．．．．．．．．．．．20 表 2-3-5 摩擦力迷思概念整理表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 表 3-1-1 DOE 試驗性研究樣本人數分佈表．．．．．．．．．．．．．．．．23 表 3-1-2 POE 概念晤談樣本人數分配表．．．．．．．．．．．．．．．．．23 表 3-2-1 POE 晤談大綱與活動學習單專家效度檢閱表．．．．．．．．．．．27 表 3-2-2 POE 活動學習單內容效度檢閱表．．．．．．．．．．．．．．．．28 表 3-2-3 POE 概念晤談活動一「靜摩擦力」之晤談大綱．．．．．．．．．．32 表 3-2-4 POE 概念晤談活動一「靜摩擦力」活動學習單．．．．．．．．．．33 表 3-2-5 POE 概念晤談活動二「阻力」之晤談大綱．．．．．．．．．．．．35 表 3-2-6 POE 概念晤談活動二「阻力」活動學習單．．．．．．．．．．．．36 表 3-2-7 POE 概念晤談活動三「正向力」之晤談大綱．．．．．．．．．．．38 表 3-2-8 POE 概念晤談活動三「正向力」活動學習單．．．．．．．．．．．39 表 3-2-9 POE 概念晤談活動四「斜面傾角」之晤談大綱．．．．．．．．．．41 表 3-2-10 POE 概念晤談活動四「斜面傾角」活動學習單 ．．．．．．．．．42 表 3-2-11 POE 概念晤談活動五「接觸面積」之晤談大綱 ．．．．．．．．．44 表 3-2-12 POE 概念晤談活動五「接觸面積」活動學習單 ．．．．．．．．．45 表 3-2-13 POE 概念晤談活動六「有效的外力」之晤談大綱 ．．．．．．．．49 表 3-2-14 POE 概念晤談活動六「有效的外力」活動學習單 ．．．．．．．．50 表 3-2-15 POE 概念晤談活動實施步驟與設計 ．．．．．．．．．．．．．．51 表 4-3-1 「摩擦力來源」的概念認知彙整表 ．．．．．．．．．．．．．．77 表 4-3-2 「摩擦力與接觸性質的關係」概念認知彙整表 ．．．．．．．．．．79 表 4-3-3 「摩擦力與材質的關係」概念認知彙整表 ．．．．．．．．．．．．80

第壹章

第壹章

第壹章

第壹章

緒論

緒論

緒論

緒論

本章分成四節進行介紹：第一節說明問題的背景與研究的動機；第二節說明研究目 的及欲探討的問題；第三節介紹專有名詞；第四節則探討研究的範圍及本研究的限制。

第一節

第一節

第一節

第一節 問題背景與研究動機

問題背景與研究動機

問題背景與研究動機

問題背景與研究動機

探討兒童科學概念的形成機制有助於瞭解科學教育與學習者學習科學概念之間的 關係。依照建構主義主張「概念與知識乃是由學習者所主動建構的」（王美芬、熊召弟， 1998），學童會依照個人的生活經驗及資訊的來源來建構其科學概念，而學校科學教育 可能只是其資訊來源的其中一部分，因此兒童所建構的科學概念可能會與正確的科學概 念產生差異。 兒童學習科學知識後，其相關的科學概念可能會發生下列四種可能狀況（許榮富， 1990；郭重吉，1992；熊召弟，2000；George , Posner, and Gertzog,1982；Driver, 2000）： （一）兒童有時具備個人的科學概念與正統科學概念，而且此二種概念在兒童使用時彼 此不會互相干擾，兒童會依不同的情境使用不同的概念，例如：在教室中使用正 統概念，而在其他時間則使用個人概念。 （二）學校的教學對個人概念沒有產生影響。 （三）個人的想法受正統概念的影響，而產生部分同化或調適的現象，使兒童會調整其 概念，也產生認知衝突的現象，進而對自然世界的解釋產生矛盾。 （四）兒童接受正統科學概念，納入於個人概念之中，並能和諧地調整其個人概念及正 統概念之間的差異，最後形成另一更高層次的概念。 由此觀之，教師進行教學準備工作時，除了應熟悉所教授的教材內容外，對於學童 學 習 單 元 教 材 前 可 能 就 已 具 備 的 先 備 知 識 （ prior knowledge ） 或 迷 思 概 念 （mis-conception），應進行適度的理解，才能針對學童的學習狀況設計合適的授課內容。 為避免教師授課造成學童產生迷思概念，亦應對迷思概念產生的原因進行瞭解。學 童迷思概念的產生可能經由下列情況而發生（李曉雯，2001）：（1）因為兒童的背景知 識不足，以致於無法接納新教材的內容；（2）因為兒童的先備知識不足而無法理解教材 的內容；（3）受到先天條件的限制，而影響學習的效果；（4）受其他相關的訊息的誤導； （5）受到社會環境情境因素的影響；（6）教材內容編排不宜，或是老師教學方式不當； （7）個人使用原始的想法（如泛靈論、擬人化等）來學習教材內容。 另外，兒童的迷思概念（或另有概念）亦可能隨著年紀的增長而繼續持有，故成人 所持有的迷思概念，部分是來自於兒童時期的經驗，就算是自然科教師亦可能具有迷思 概念（林組明，2002），因此兒童迷思概念的研究是很重要的。本研究希望藉由探討學 童關於「摩擦力」迷思概念的形成原因，來探究科學教育與兒童迷思概念形成之間的關

連性，以瞭解兒童在學習科學知識時可能產生的迷思概念。 在新頒定的九年一貫自然與生活科技領域綱要（教育部，2001）中，於國民小學的 課程中新增列了摩擦力的課程單元：「摩擦力會影響物體的運動」，「摩擦力的大小與接 觸面的性質」單元。為瞭解學童對於學習摩擦力概念的學習狀況，設計摩擦力的概念驗 證式科學實驗以驗證教科書中關於摩擦力概念敘述的正確性，並從實驗中建立 POE 晤 談之教學演示，然後再從驗證式科學實驗的結果，總結出適合國小學童理解的摩擦力概 念的操作型定義，最後利用 POE 概念式晤談研究國小學童摩擦力迷思概念的類型。

第二節

第二節

第二節

第二節 研究目的與問題

研究目的與問題

研究目的與問題

研究目的與問題

一 一 一 一、、、、研究目的研究目的研究目的研究目的 本研究旨在探究國小學童的摩擦力迷思概念及其類型，依據研究背景與研究動機， 擬定具體目的如下： （一） 了解國小中高年級學童摩擦力迷思概念的類型。 （二） 比較不同年級國小學童的摩擦力概念類型的差異性。 二 二 二 二、、、、待答問題待答問題待答問題待答問題 本研究探究國小中高年級學童對摩擦力的概念類型，欲探討下列問題： （一） 國小中高年級學童關於摩擦力的主要迷思概念類型為何？ （二） 不同年級學童關於摩擦力概念類型有何相異之處？

第三節

第三節

第三節

第三節 名詞釋義

名詞釋義

名詞釋義

名詞釋義

一 一 一 一、、、、摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力 摩擦力是指阻礙物體前進之力。彼此相對靜止的兩物體接觸表面間，產生阻止物體 前進的阻力稱為靜摩擦力。彼此有相對運動的兩物體其表面間，因接觸而產生使兩物體 的相對運動速度變慢的阻力，稱為動摩擦力。 以微觀觀點而論，摩擦力可視為是物體粗糙表面上的表面原子間因互相靠近而產生 原子間的吸引或排斥現象所引起的阻礙物體運動的作用力。 二 二 二 二、、、、科學概念科學概念科學概念科學概念 學童科學概念的表徵方式可分為具體與形式。具體概念來自於個體的直接生活經 驗，形式概念則是由邏輯與推論而來（王美芬、熊召弟，1998）。學童學習科學概念時 因受各種因素的影響而有可能產生迷思概念。 三 三 三 三、、、、迷思概念迷思概念迷思概念迷思概念 是指學習者在科學的學習過程中，對某一科學概念，產生了與正統科學概念差異的 個人想法。

本研究所提到的迷思概念，是指國小中高年級學童對於觀察摩擦力之物理現象，由 個人想法所產生的迷思概念。 四 四 四 四、、、、DOE 晤談晤談晤談晤談

DOE 是指示範—觀察—解釋（Demonstrate-Observe-Explain）。DOE 晤談是使學童 先觀察預先設計的物理現象，然後回答現象的相關問題，最後請學童就其回答進行討論 或提出說明。 研究者可就學童在晤談過程中的回答，收集學童的各種想法。 五 五 五

五、、、、POE 概念晤談概念晤談概念晤談概念晤談（（（（POE strategy of interview））） ）

預測—觀察—解釋（Prediction-Observation-Explanation）是一種晤談策略，藉由實 驗教具呈現的方式製造概念衝突的情境，探究學童對某一科學概念所可能產生的迷思概 念(White & Gunstone,1992；Liew & Treagust,1998)。

進行 POE 晤談時，學童必須充分使用個人的想法，對所研究的科學實驗進行預測、 觀察及解釋等步驟： （一）學童必須對現象的結果進行預測，並說明其預測的理由。 （二）學童必須描述其所觀察到的科學現象。 （三）學童必須以自己的認知去解釋觀察結果與預測結果間所發生的矛盾。 POE 方法是藉由探索學童對科學概念的看法，並讓學生運用推理的方式預測科學實 驗可能發生的科學現象，藉由這些手段可以發現學童的迷思概念（White & Gunstone, 1992；Mintzes,Wandersee & Novak, 2001）。由此可知，POE 晤談對探討學童科學概念的 形成過程、概念的轉化過程及概念的類型可進行系統化的分析。 六 六 六 六、、、、操作型定義操作型定義操作型定義操作型定義 所謂「操作型定義」，是指在進行科學實驗時，對所觀察或測量的科學現象所使用 的操作方法（魏明通，2000）。在定義裡，對要描述的科學概念至少需要包含兩個要素： （1）需要操作的實驗儀器，（2）需要觀察的現象。換言之，操作型定義乃依據實驗步 驟，對一個科學概念進行報導式的敘述，以闡明該概念的真實意義。

第四節

第四節

第四節

第四節 研究範圍與

研究範圍與

研究範圍與

研究範圍與研究限制

研究限制

研究限制

研究限制

一 一 一 一、、、、研究範圍研究範圍研究範圍研究範圍 （一）研究樣本的範圍： 研究樣本分成試驗性樣本與正式研究樣本兩類。 試驗性樣本選自台中市一所中型國民小學，自此所國小三到六年級中以隨機抽樣的 方式各選取一班，四個年級共取四班，共計選取 149 位學童，以 DOE 方式收集中高年 級學童關於摩擦力概念的個人想法與迷思概念。。 正式研究樣本則採隨機選取方式，自同一所國小三至六年級的學童中，排除前述的 四個班級，每個年級隨機選取 8 位，共計 32 位學童（15 男 17 女）作為進行 POE 晤談 的對象。 （二）研究內容的範圍： 本研究利用概念驗證式科學實驗，針對研究所涉及的科學概念進行科學實驗，以驗 證概念的敘述語句是否符合科學實驗的實驗結果，並由實驗的過程及結果設計符合本研 究所需的 POE 科學實驗模組及晤談大綱。欲探討的科學概念範圍為國小自然與生活科 技領域課程中所涉及的「摩擦力」有關的物理概念。以國小三至六年級學童為概念研究 對象，利用 POE 概念晤談策略，研究國小兒童摩擦力概念的迷思概念的類型，及不同 年級學童間迷思概念的差異性。 二 二 二 二、、、、研究限制研究限制研究限制研究限制 （一）研究工具的發展與限制： 本研究所使用的 POE 概念晤談大綱參考其他研究（王淑琴、郭重吉，1994；葉淑 華，2003）進行設計，並利用概念驗證式科學實驗，以設計合適的大綱內容。摩擦力概 念利用概念圖分析法，將教科書中關於摩擦力的相關概念作成概念圖，明白顯示不同概 念間相關及依存關係。 （二）研究結果推論的限制： 本研究假設對於學童背景知識、學童個人的認知理解程度的差異性、任課教師的影 響等因素，不影響本研究結果的推論，因此不宜對本研究所完成的結論進行延伸的推論。

第貳章

第貳章

第貳章

第貳章 文獻探討

文獻探討

文獻探討

文獻探討

本章將從四個面向探討兒童所俱有的摩擦力之科學概念，包括：兒童的科學概念、 科學實驗與科學教育之關係、國內外 POE 概念晤談的研究、兒童摩擦力概念的實徵研 究，以此做為本研究的理論基礎。

第一節

第一節

第一節

第一節 兒童的科學概念

兒童的科學概念

兒童的科學概念

兒童的科學概念

一 一 一 一、、、、概念的意義概念的意義概念的意義概念的意義 概念是個體對於類似屬性的事物所獲得的概括性的一種通則，因此概念是一種心 象、觀念與過程（王美芬、熊召弟，1998）。概念可以使個人思考及瞭解週遭的事物， 所以概念也是學習的一種基本單位。經由有意義的學習而獲得的概念，使得個人具有更 深入思考的能力。例如在日常生活中，個人可以透過某一種法則，對特定事物進行理解， 這種理解會使我們獲得更深層的知識（鍾聖校，1990；陳瓊森，1998），這就是概念。 在認知學習的過程中，概念則是一種形式或階層，個人以思想的本質、觀點及事物 間的關係為依據，進行概念的比較、概括及理解的活動（郭重吉，1992；Novak, 1977； Lawson,1986）。所以概念是學習者接受外來訊息後，再統整於原有知識（prior knowledge）

或先備概念（preconception），而自行建構發展出來的成果。在蓋聶的學習理論中，概念 由簡而繁包括了：具體的概念（如辨識等）、定義的概念（如規則、定律、原理等）、以 及學說複雜的程序或步驟等（鍾聖校，2000）。 綜言之，概念是在事物中尋求可以組織歸納的規則，概念的形成則是將訊息予以組 織化，例如人類的理解力便是以文化中的概念為基礎而建立的（黃台珠，1984），所以 概念如同生物一樣，是會進化的。 二 二 二 二、、、、兒童科學概念的建構兒童科學概念的建構兒童科學概念的建構兒童科學概念的建構 建構學派認為兒童的認知學習是一種建構的過程，學童透過外在環境、過去經驗與 其語文結構處理訊息來建構其概念。因此認知學習就是將訊息透過個體內部的組織而成 為有意義的單元，再集結許多小單元而成為個人認知的一部分。兒童學習科學概念與知 識是依其個人的先備知識，再經由各種感官將所接收到的訊息進行篩選、解釋，最後重 組建構而得（郭重吉，1992）。 依據建構主義的論點，科學概念的建構可能具有下列三種方式（郭重吉，1992； Novak, 1988；Fosnot, 1989；Von Glasersfeld, 1989；Kinnear, 1994）：

（一）個人的知識是由個人自行建構出來的，而這些知識是暫時性的，它會不斷地被修 正，它也會成長。

（二）我們不是只有被動地接受知識，而是以自我的認知能力主動地建構知識的。 （三）建構是經由「同化（assimilation）」與「調適（accommodation）」得來，以現有的 知識同化新的知識，並使用調適去解決新舊知識間互相衝突的部分。 個人的知識是由個人所建構的，學習科學知識時，若忽視個人的特質，則學習將是 毫無意義的。個人在學習科學時，必須由已經具備的概念中去了解科學，然後再賦予個 人的意義；因此，學習是由個人主動產生的（林曉雯，民 83）。 另外，建構主義主張知識是由人們建構而得，並不是由人們發現而得，建構科學知 識的方式是經由社會性的交談及閱讀，然後觀察自然現象，最後再利用假設、驗證、推 論的方法將科學知識建構出來（郭重吉、許玫理，民 81；林曉雯，民 83；）。 三 三 三 三、、、、科學概念的形成與學習過程之關係科學概念的形成與學習過程之關係科學概念的形成與學習過程之關係科學概念的形成與學習過程之關係 一項科學知識或概念的形成，其中隱含了各種不同的科學概念，這些科學概念在人 腦中形成了相關的語意網路（semantic network），所以當一個人在思考科學概念時，大 腦會利用訊息處理的策略，將儲存於長期記憶區內的各個相關的概念一一取出，再組成 科學知識的組塊（洪蘭，2002）。因此可知，當我們在理解某一科學知識或概念的原理 原則時，其實是混合了各種不同的記憶區塊或概念的，而這些理解很可能是互相有關聯 的（White & Gunstone , 1992）。

科學概念的形成與學習的過程有非常密切的關係，因為（黃台珠等人，2002）： （一）學童由於生活經驗之故，所以對某一事物有著各種不同的想法。學習科學時，他 們帶著有限且多元的想法，來到學習科學概念的課堂中，通常這些想法與教師於 教科書上所教授的內容是互相矛盾的。 （二）當學生在建構科學知識時，他們原有的知識會與教學活動中教師所提供的知識產 生交互影響，因此造成了不可預知的學習成果，也很容易產生迷思概念。迷思概 念是個人經驗多樣化下的產物，是個人直接觀察科學現象所得。 （三）許多迷思概念與年齡、能力、性別、生活文化等有密切的關連。 四 四 四 四、、、、迷思概念的成因迷思概念的成因迷思概念的成因迷思概念的成因 上述科學概念的形成與學習的過程有非常密切的關係，因此迷思概念在科學概念的 學習中，一直扮演著很重要的角色。 兒童之所以會有這些異於正統科學的觀點，是因為兒童認為「看不見的東西」就是 「不存在」，因而產生了與正統科學有所差異的概念或想法（王美芬、熊召弟，1998）。 而且造成兒童迷思概念的因素是錯綜複雜的，若要瞭解其原因，則須探討兒童所具有的

個別性及內在想法，兒童的內在想法是兒童在學習的過程中由知識與經驗逐漸累積而成 的，兒童們常以此來解釋他們所面對的自然現象（王淑琴、郭重吉，1994）。 學童迷思概念的來源可能來自以下幾個因素（李曉雯，2001）： （一）科學先備知識不足：因學童的背景知識不足及基本的先備知識不正確，而造成迷 思概念。 （二）原始的想法：完全未利用學校學習的知識而是以直覺或猜測的方式而產生迷思概 念。 （三）受感覺、思考能力限制的影響：國小中高年級學童的認知發展未進入成熟的形式 運思時期，因此無法同時思考多項變因。 （四）受到社會情境因素的影響：各種傳播媒體皆可能傳達錯誤的知識，影響新概念的 學習而形成迷思概念。例如：同學間的對話、父母師 長的教導、宗教習俗的講法、日常用語等。 （五）教科書內容編排不當，或是任課教師教學方式不適當。 關於迷思概念一詞，是指基於對科學概念的不同看法而產生了不同於現行科學概念 個人獨有的概念（鍾聖校，2000；許良榮，2003）。本篇研究將「另有概念」（alternative conception）、「錯誤概念」（error conception）、「先入概念」（preconception）、「兒童的科 學」（children’s science）、「自發性推理」（spontaneous reasoning）等皆歸為兒童的「迷思

概念」，以別於現行正統的科學概念。 五 五 五 五、、、、迷思概念與概念生態模型的關係迷思概念與概念生態模型的關係迷思概念與概念生態模型的關係迷思概念與概念生態模型的關係 兒童關於科學概念與知識的學習並不只是資訊累積的成果，而是一個主動的、互動 的與整合的歷程，這個歷程會連結或重組不同的概念（Posner et al., 1982）。由此可知， 個人的概念不是長久不變的，而是受各種外在環境的影響而時常改變。因此可以經常發 現兒童在課堂上學習某些內容時，會接納某些科學概念，但在其他學習內容時又回覆使 用原有的概念，這也說明了兒童本身的概念與科學概念常在不同的課程內容中變來變去 （黃台珠等，2002）。 學童帶著各自的先備知識來到教室，雖然有些兒童自行修改了科學事實，以使其適 合 學 童 自 己 現 有 的 概 念 ， 或 是 扭 曲 科 學 概 念 以 使 其 與 學 童 自 己 的 先 備 概 念 一 致 （Gunstone & White, 1981；Nussbaum, 1985；Chinn & Brewer, 1993），但是學童離開教 室後依舊使用其先備的日常概念。於是學童便發展出以日常概念為基礎的一種中間形式 的「混合概念」，從此這二種概念便並存於兒童心中且彼此不互相干擾（Jung, 1993；Chinn & Brewer, 1993；Palmer, 2001），這就是概念生態的模型。所以學童的概念生態有三種模 型，分別為：（一）日常概念，或是先備概念；（二）上課中所將學的「正確概念」，這

是較符合科學社群所認同的；（三）以日常概念為基礎的一種中間形式的「混合概念」。

課用的是一套，日常生活用的又是一套，所以便產生了迷思概念，這會影響了學童對科 學的認知與學習。

第二節

第二節

第二節

第二節 POE 概念晤談的研究

概念晤談的研究

概念晤談的研究

概念晤談的研究

一 一 一 一、、、、科學概念研究的方法科學概念研究的方法科學概念研究的方法科學概念研究的方法 研 究 兒 童 科 學 概 念 的 方 法 有 ： 概 念 圖 （ concept map ）、 預 測 — 觀 察 — 解 釋 （Prediction-Observation-Explanation，POE）、事例與事件晤談（interview about instance and event，IAI）、概念晤談（interview about concept）、繪圖（drawing）、預測線（fortune line）、關聯圖（relational diagram）、字詞聯想（word association）、問題產生（question production）…等方法。蔡今中曾於 2002 年對科學教育關於兒童概念研究的方法，作一 回顧與評論，並對各種研究方法提出建言，他認為使用量化的研究方法（如：開放式的 字詞聯想（free word association）、限制式的字詞聯想（controlled word association）、樹 形圖（tree construction）、概念圖（concept map）、流程圖（flow map）等）時，最好輔 以質性的研究方法，而且最好不要只使用一種研究方法，以避免產生錯誤（Chin-Chung Tsai & Chao-Ming Huang, 2002）。

蔡今中（2002）認為，上述關於探索兒童概念的幾種量化的研究方法中，後二者較 佳也較可行，但因為兒童的想法是易變動且不容易掌握的，研究兒童的概念不能單以量 化來研究，尚需輔以質性的研究，方能真正理解兒童的概念結構，而且國小學童的基礎 背景知識不足，難以單獨使用概念圖法去探究學童對摩擦力的各種想法。而 P-O-E 的質 性研究方式則不會有上述的困難（熊召弟，2000），因此本篇研究採取結合了科學演示 教學與質性研究的 P-O-E 概念晤談的方式，深入探究學童關於摩擦力的各種概念。 二 二 二 二、、、、質性研究與量化研究質性研究與量化研究質性研究與量化研究質性研究與量化研究 以傳統科學實驗的量化研究，無法瞭解社會互動中的種種複雜問題，以及個人心智 中主觀的想法，例如：兒童對摩擦力概念的認知發展的歷程與相關的影響。因此對於不 易以文字表達的國小學童而言，質性研究有其必要性（姜滿，1997）。 當前的教育研究哲學有二大典範：量的研究與質的研究。「量的研究」認為世界上 具有客觀存在、不因人類認知差異而改變的事實或真理。研究偏重於驗證某些預先界定 或挑選的變項，其目的在描述並解釋這些事實。在透過控制的研究情境下，為了客觀與 避免誤差，量的研究方法常以實驗、調查、相關、事後回溯等傳統的研究方法為主。研 究者以旁觀者的角色站在研究對象來了解研究對象。「質的研究」主要是以人為導向， 常藉由訪談與觀察以得到兒童內在的主觀想法，因此質的研究的目的在闡釋兒童主觀想 法的性質與意義。透過質性研究蒐集資料的來源與方法能瞭解人的知覺及感受，所以質 性研究中的原始資料--「純粹描述」、「摘述」常需要深入詳細、正確且徹底的描述事實， 以建立研究之價值可信賴度（吳芝儀、李奉儒，1999）。 要做好質性研究，必須注意以下幾項要求（王文科，2001）：

（一）研究者應很接近被研究的人、事、物或情境，以便深入了解狀況。 （二）研究者須掌握並察覺實際發生的事件，以敘述內容。 （三）研究資料必須包含大量關於人們、活動、互動與場合的純粹描述。 （四）研究資料需含人們所說的對話、以及書面文件上直接的摘述。 如表 2-2-1（整理自 吳芝儀、李奉儒，1999）所示，進行質性研究時，研究者必 須掌握實際發生的事（現場觀察），在對人們、活動、互動和場合的純粹描述時，切記 用自己的話將現場情況重新詮釋，應留給讀者自行去判斷，所以才需要保留直接的摘 述；不刪改對話，否則會失去真實的意義，也避免預先假設答案，多方收錄正反兩面的 資料，而只摘錄支持自己意見的資料。透過表 2-2-1，可以很清楚地了解質性研究與量 化研究間的差異。另外，學童的的思考常因各種外在環境的改變而有所變異，故概念的 研究特別注重質性的分析。 表 2-2-1 質性研究與量化研究比較表 量化研究 質性研究 適用範圍 適用大範圍樣本，且重視樣本的代 表性及客觀性。 適用小範圍樣本，且深入瞭 解某一研究主題。 研究工具與 資料形式、來源 1、通常採計分的方式，依據統計 結果呈現資料形式。而其資料的來 源如：問卷調查表、統計法、有計 分模式的觀察、有設立答案勾選的 晤談。 2、重視且依賴客觀的研究工具。 1、常見的有觀察紀錄、晤 談（非設立答案提供勾選） 及文件資料。 2、重視內容真實、全面的 詳細敘述，甚至包含觀察的 行為、互動及活動歷程或是 研究的對象為一些非語言 的表現。 研究情境 必須具備有控制的變項，存有特立 的限制條件。 常 在 自 然 情 境 下 進 行 研 究，不特意設立研究條件。 報告形式 會以統計結果的數字表現研究成 果是否具顯著的差異。 常會表達研究之「發現」， 以詳細的文字敘述呈現研 究成果。 主觀與客觀性質 講求客觀。 強調主觀，重視人的多面 性，且不可測量性。 成果的效用 擅於研究前設立基準假定，並據以 嚴格控管條件變因下進行實驗式 的研究，以統計結果驗證研究的假 定。 常藉已蒐集的資料進行內 容的歸納、分析，以發現或 驗證某種理論的價值。 基於上述的理由，本研究在探求兒童的主觀概念上採取詮釋性的質性研究方法。

三 三 三 三、、、、DOE 方法的研究方法的研究方法的研究方法的研究 _{DOE 晤談的實施方式，是由晤談者是先設計示範實驗，要求學生預測示範實驗可} 能發生的現象，並說明理由，然後請學生觀察由晤談者所進行的實驗，再請學生指出觀 察的結果與預測間的差異，並由學生再次提出解釋（王淑琴，郭重吉；1994）。晤談者 在整個過程中針對學生的回答作澄清、追問，直到認為明白學生的想法為止。 _{DOE 晤談實施的步驟如下：（1）先將示範實驗的儀器裝置好，並對儀器與操作方} 式加以說明；（2）請學生預測此實驗可能發生的現象，並要求其說明預測的原因；（3） 為觀察實驗示範前，讓學生欣賞其他同學的預測及解釋；（4）請學生比較自己與其他同 學想法的差別；（5）開始進行示範實驗，要求學生仔細觀察，並將觀察描述出來；（6） 請學生說明自己的預測與觀察間的差異；（7）另外，也可讓學生自行操作實驗，然後對 該實驗的現象再次提出解釋。 DOE 晤談的實施，除了可找出學生的另有想法之外，還可以發現（王淑琴，郭重 吉；1994）：（一）學生會同時具有矛盾共存的想法；（二）學生的觀察會受到主觀想法 的影響；（三）學生的想法會因觀察實驗現象而有所改變。 四 四 四 四、、、、POE 概念晤談的發展概念晤談的發展概念晤談的發展概念晤談的發展

POE 的 方 法 源 自 於 DOE 方 式 ， DOE 晤 談 的 實 施 方 式 如 上 述 ， 它 最 初 是 由 Champagne 、 Klopfer 與 Anderson 於 1980 年 所 發 展 出 來 的 ， 當 初 定 名 為 D-O-E （demonstrate-observe-explain），這是一種晤談策略，用來探究並找出 Pittsburgh 大學物 理系一年級新生在物體運動方面關於牛頓力學的另有想法。後來 White 與 Gunstone （1992）重新設計並改良 DOE 晤談策略，認為學生所預測的部分才是教師應專注的重 點，因此特別強調學童的預測工作，重新發展應用並設計成 POE 概念晤談的策略，做 為改進教學的方法。DOE 晤談的實施步驟如上述，可對學生個別晤談以探究其另有架 構（王淑琴、郭重吉，1994）。 POE 符合建構主義的精神，可以經由實驗的裝置引起學生的興趣，讓學童能主動去 建構或組裝自己的概念或想法（White & Gunstone, 1992），甚至可以藉由製造概念衝突 的情境，使學童有檢視自己概念的機會（Liew & Treagust, 1998）。在 POE 的探索過程中， 受試兒童被要求針對某一現象或實驗做出預測，並將預測的結果書寫於紙上，隨後教師 或研究者演示該現象或實驗，讓受試兒童仔細的觀察，觀察完畢之後書寫觀察結果於紙 上，當預測與觀察二者之間出現矛盾時，便請兒童加以解釋，因此兒童的解釋是非常重 要的，而這也是研究者以此探究兒童迷思概念與認知理解差異的重點所在。 要兒童對於自己不熟悉的現象作預測時，兒童很可能會亂猜。因此，在設計 POE 概念晤談的實驗之初，研究者必須考量受試兒童的先備知識與認知程度，使兒童有足夠 的理論基礎可以加以應用，並有能力可以預測出正確的實驗結果。而當兒童的預測結果

與所觀察到的現象不相符合時，兒童所具備的先備知識也才有足夠的理解及思考能力， 去解釋預測與觀察之間的衝突與矛盾。 POE 概念晤談的第三階段是解釋，要求兒童對於其所預測與觀察所產生的矛盾，能 提出解釋。這對兒童們來說是很困難的，所以必須鼓勵兒童思考所有的可能性。而這也 是 POE 概念晤談最關鍵也是最有價值的重點所在。 綜合而言，以 POE 概念晤談探究學童的迷思概念有幾項優點（王淑琴、郭重吉， 1994；葉淑華，2003；White & Gunstone, 1992）：（1）可促使學童對現有的概念知識產

生反省；（2）有助於刺激學童的思考；（3）可引導學童深度學習並發展多樣的觀察、提 問與思考的方法；（4）可引導學童學習正確的科學觀察；（5）有助於深入探究學童的迷 思概念。 本研究使用 POE 為研究工具，乃是因為實際的摩擦力教學演示很容易造成學童的 認知衝突，藉此使學童能深入地思考，表達學童自己的看法。為了使學童能充分地掌握 教學演示，有效地造成兒童的認知衝突，所以本研究對於摩擦力之科學性質、基本的物 理知識、各種相關的概念，都應進一步地了解。因此於下一節中，將繼續討論摩擦力概 念的相關研究。

第三節

第三節

第三節

第三節 摩擦力概念的相關研究

摩擦力概念的相關研究

摩擦力概念的相關研究

摩擦力概念的相關研究

本節有關摩擦力概念的文獻探討分成三個部分：第一部分是摩擦力的性質；第二部 分為國內外國小階段課程中有關摩擦力的介紹；第三部分是摩擦力概念研究現況之介 紹。 一 一 一 一、、、、摩擦力的性質摩擦力的性質摩擦力的性質摩擦力的性質 摩擦力（friction）是指阻礙某固體在另一固體上滑動或滾動之力（大英簡明百科知 識庫，2003）。劍橋百科全書（1995）上有較詳盡的解釋：「摩擦力是指兩物體互相接觸 滑動時產生的與運動方向相反的作用力。摩擦可能足以阻止實際的相對運動。摩擦由表 面的粗糙性和兩個表面原子間的吸引力引起。摩擦係數μ對於給定的一對表面有兩種可 能的取值：兩表面有相對運動產生動摩擦係數；兩表面靜止有靜摩擦係數。靜摩擦係數 比動摩擦係數大。摩擦係數小意味著兩個表面互相易於滑動。」 黃福坤（2003）更說明『兩個互相接觸的物體，其間存在有相對運動或相對運動的 趨勢時，接觸面之間會產生出一個與物體運動方向相反之力，此力稱為兩接觸面間之摩 擦力。若兩物體間有相對運動，此時之摩擦力稱為「動摩擦力」；若兩物體間只有相對 運動之趨勢而無相對運動，此時之摩擦力稱為「靜摩擦力」。靜摩擦力如下圖（圖 2-3-1） 所示：某人施力拉一重物，而重物仍保持靜止不動，此時重物與地面間有靜摩擦力產生 而阻止重物與地面之間產生相對運動。 圖 2-3-1 靜摩擦力示意圖（引自黃福坤，民 92） 物體受外力作用而未啟動時，靜摩擦力恆與外力大小相等、方向相反，而使物體保 持力平衡。但是靜摩擦力有一極大值，當外力超過此極大值時物體就失去平衡而開始運 動。此極大值稱為「最大靜摩擦力」。最大靜摩擦力兩接觸面間的「最大靜摩擦力」，與 接觸面的性質和緊壓程度有關。接觸面的性質可用「摩擦係數」表示，摩擦係數是摩擦 力與正向力的比值，故摩擦力是比例常數，沒有單位。靜摩擦係數愈大表示最大靜摩擦 力愈大。而緊壓程度可用作用於接觸面上之正向力表示。所以，最大靜摩擦力與正向力 成正比。』

二 二 二 二、、、、摩擦力之微觀機制摩擦力之微觀機制摩擦力之微觀機制摩擦力之微觀機制 從巨觀的角度而言，摩擦力可分成動摩擦力與靜摩擦力兩種。動摩擦力指當二個互 相接觸的物體作相對運動時，兩物體在接觸表面上所產生相互作用力，作用力的作用方 向與物體的運動方向相反。兩個靜止物體表面間因摩擦作用而產生以抵抗物體所受外力 作用的作用力，稱為靜摩擦力。當外力大於靜摩擦力的最大值時，兩物體將由靜止開始 發生相對運動；當兩互相接觸的物體以等速率作相對運動時，在其接觸面上會產生阻止 物體運動的作用力，稱為動摩擦力。 蔡春來（2003）指出，要從事摩擦力迷思概念的研究，對於摩擦力的基本原理必須 加以釐清，並深入了解摩擦的物理現象與物理性質。蔡春來（2003）的研究更指出，學 童會形成摩擦力的迷思概念，主要是以巨觀的自然現象去思考摩擦力，其中以「摩擦力 的接觸性質」與「摩擦力與接觸面積的關係」最容易造成迷思概念。因此以下便針對接 觸性質與接觸面積作詳盡的說明，以釐清摩擦的物理現象與物理性質： （一）摩擦力大小與接觸面性質的關係： 本篇研究中所提到的摩擦力，是指兩乾燥平面間彼此因滑動而產生的摩擦力，以微 觀的觀點而言，摩擦是一種非常複雜的物理現象（吳秀錦、黃勝良，1987）。黃福坤（2003） 認為『以摩擦力產生的來源而言，若是兩相同材料物體的接觸面皆非常光滑（從原子大 小的尺度看來），則當兩接觸面接合時，這兩個物體就會由於原子間的靜電吸引力之作 用，使得兩塊物體接合成一塊，即使不同的材料，也會互相吸引。平常我們覺得很光滑 的物體表面，實際上仍然是凹凸不平的。於是當兩物體靠近時，真正的接合面遠小於我 們巨觀以為的表面，甚至相差 104 倍。真正的接合面間會互相吸引，而且接合面的面積 會正比於兩接觸面的正向力。與物體外觀的接觸面積無關，但與實際的接觸面積有關』 如圖 2-3-2 所示。 圖 2-3-2 摩擦力之產生來源示意圖（引自黃福坤，2003） （二）摩擦力與接觸面積的關係： 依照吳秀錦、黃勝良（1987）與陸果（2001）的說法，實際的原子接觸面積是原子 尺度的，它只佔總的幾何接觸面積的一個微小的部分，在同樣的正壓力下，如果接觸的 幾何面積增加一倍，則原子接觸面積所佔幾何面積的比例將減小一半，從而使實際的原 子接觸以及摩擦力保持不變，因此摩擦力與巨觀的接觸面積大小無關。另外，黃福坤 （2003）對此也提出說明『兩塊物體表面間的凹凸面也會互相交錯，所以若兩塊物體有

相對運動時，其中一塊的小區塊會被「撕破」跑去另一塊的表面。這種影響也是與正向 力正成比。如此則介面間摩擦係數會稍微改變，可能變小也可能變大。因此介面的實際 接合面積，介面間凹凸的情形與小區塊被移轉等都會影響摩擦力。』因此摩擦力與外觀 或接觸面積無關，而與正向力成正比。 從以上的說明可知，摩擦力的實際作用情況是非常複雜的，但為了簡化摩擦力的概 念，便將摩擦力概念歸納出三項基本原則：（一）最大靜摩擦力的大小與正向力的大小 成正比；（二）摩擦力的大小與接觸面積大小無關；（三）摩擦力與兩表面的相對速度大

小無關（陸果，2001；Benson, 1995；Halliday & Resnick, 1997）。

二 二 二 二、、、、國小課程有關摩擦力的介紹國小課程有關摩擦力的介紹國小課程有關摩擦力的介紹國小課程有關摩擦力的介紹 本篇研究對象的六年級學童是使用 82 年版的舊課程，三至五年級學童則使用九年 一貫新編課程，為掌握學童的認知發展與知識程度，以下比較新舊課程中關於摩擦力課 程的差異。國內國小自然科課程綱要的比較： （1）82 年版課程標準： 領域：物質與能 內容：力與運動的關係，力的效應及其應用。 項目：地球引力使物體有重量（三年級）。 力有大小、方向的性質（三年級）。 力可以改變物體的形狀與運動速度（四年級）。 自定測量力的工具（四年級）。 （2）九年一貫自然與生活科技領域（教育部，2001）： 力的作用現象 1b.察覺風、水及手的推力，可使物體運動起來 力的作用 2a.知道物體受力的大小可由形變的程度得知（如彈簧拉長、球被壓扁） 摩擦力的影響 3c.察覺摩擦力會影響運動，摩擦力的大小與接觸面的性質有關 力的平衡 4b.知道靜止的物體所受合力為零、合力矩為零 摩擦力 4e.探討影響摩擦力的因素

為了能更深入了解國小三至六年級學童關於摩擦力概念知識的學習狀況，因此就目 前國內各國小版本自然科教材中關於摩擦力概念知識建立命題陳述，並分析比較教科書 的內容。摩擦力概念的命題陳述如下： （一）摩擦力屬於牛頓第三作用定律—作用與反作用定律。 （二）摩擦力分為靜摩擦力及動摩擦力。 （三）摩擦力的方向與物體運動的方向相反，也與所施加的外力方向相反。 （四）摩擦力與摩擦係數、正向力有關。 （五）靜摩擦力會隨著外力的改變而產生不同的大小。 （六）外力須大於最大靜摩擦力時，物體才會移動。 （七）摩擦力與接觸面積的大小、運動速率無關。 表 2-3-1 國小教科書內容分析 命題敘述 （一） （二） （三） （四） （五） （六） （七） 三年級


四年級 五年級


南 一 版 六年級






三年級 四年級

五年級




康 軒 版 六年級 三年級 四年級



五年級 翰 林 版 六年級






三年級



四年級 五年級





牛 頓 版 六年級 註：
_{表在教科書中明列關於摩擦力的教學活動或知識概念} 依據上表（表 2-3-1），將目前國小所使用的各教科書版本中的單元活動或主題整理 成下表（表 2-3-2）：

表 2-3-2 國小教科書課程單元活動分析 命題敘述 （一） （二） （三） （四） （五） （六） （七） 三年級 三下（二）交通工具的動力來源 三下活動 2-3 四年級 五年級 五下 活動 4-2 施力的原理 南 一 版 六年級 六上 活動 4-3 由腳踏車談摩擦力 三年級 四年級 四上（四） 腳踏車 四上活動 4-1 五年級 五上 活動 4-1 力的作用 五上活動 4-1 康 軒 版 六年級 三年級 四年級 四下單元五交通運輸工具 四下單元五交通運輸工具 五年級 翰 林 版 六年級 六下 單元四 生活中各種力的應用 三年級 三下 單元二生活中的力 三下單元二 四年級 五年級 五下 單元三力的世界 牛 頓 版 六年級 茲將各版本教科書中有關於摩擦力的教材部分整理如上表（表 2-3-1 及表 2-3-2）。 由表 2-3-1 及表 2-3-2 可看出，南一版五下活動 4-2 介紹施力的原理及牛頓版五下單元三 力的世界中，以生活中的力教導力的改變與平衡的概念，物體受到幾個力的作用，仍可 能保持平衡而靜止不動。牛頓版三下單元三力的世界及康軒版五上活動 4-1 力的作用 中，物體受到兩個大小不同、方向相反的力，物體會往力量大的方向移動。在翰林版四 下單元五交通運輸工具及康軒版四上腳踏車的單元中提到，汽車要前進，必須由輪胎產 生一個反向的推力，由車胎磨平和雨天路滑時容易發生危險，指出車胎和地面相互摩 擦。在康軒版四上單元五交通運輸工具及南一版六上活動 4-3 由腳踏車談摩擦力中提 到，由腳踏車的剎車塊探討生活中需要增加摩擦力的情形。 因為摩擦力在日常生活中是普遍應用的一種力，因此在南一版六上活動 4-3 由腳踏 車談摩擦力及翰林版六下單元四生活中各種力的應用的教材中，獨立出一個課程單元， 專門教授摩擦力的知識。例如：以腳踏車的車輪胎紋，推論摩擦力是運動中的物體相互 磨損之力；以鞋底的作用，探討接觸面的性質會影響摩擦力的大小；以拉動重物的過程， 指出摩擦力的大小除了與物體的重量有關之外，更與接觸面的性質關係密切；由生活經

驗的討論，提出需要增加或減少摩擦力的實例。 三 三 三 三、、、、摩擦力概念實徵研究之探討摩擦力概念實徵研究之探討摩擦力概念實徵研究之探討摩擦力概念實徵研究之探討 （一）國外文獻

Stead 與 Osborne (1980)，以及 Osborne，Schollum 與 Hill (1981)曾對學童進行過摩 擦力的研究。Stead 與 Osborne 在 1980 年所做的研究，是針對七至十三年級共 47 位兒 童進行摩擦力的個別晤談，使用 IAI（interview-about-instance）事例晤談為研究方法， 透過十張圖片為晤談的研究工具，深入探討兒童關於摩擦力的迷思概念。表 2-3-3 是國 外學者在摩擦力概念上的相關研究。 表 2-3-3 國外有關摩擦力迷思概念的相關研究表（引自 蔡春來，2003） 研究學者 年份 摩擦力相關內容 Stead 與 Osborne 1980 1、學童認為物體沒有運動就沒有摩擦力。 2、學童認為摩擦力就是能量，尤其是熱能。 3、學童認為摩擦力只存在於固體與其所接觸的固體之間，其 他狀態下運動的物體沒有摩擦力。 4、學童認為物體相互撞擊時，撞擊力越大，摩擦力也就越大。 5、學童認為將摩擦力定義為靜電。 Osborne， Schollum 與 Hill 1981 1、學童認為摩擦力的大小與物體運動距離有關，運動距離越 遠，摩擦力越大。 2、學生無法辨識正向力。 3、學童認為動摩擦力大於靜摩擦力。 4、學童認為認為有無摩擦力存在，主要是觀察物體是否運動 及產生熱量。 5、學童認為摩擦力產生的原因是物體摩擦時，因粒子相互碰 撞而產生反彈力，因而產生摩擦力。 （二）國內文獻 國內主要研究兒童摩擦力概念的研究者，是林組明（2002）與蔡春來（2003）。另 外也有部分的研究學者在在探究力與運動的研究（郭重吉、吳武雄，1990；陳義勳，1991； 董正玲，1991；彭泰源，1999；簡順永，2000）中，或多或少地提到了摩擦力。表 2-3-4 是國內研究者在摩擦力概念上主要的實徵研究。

表 2-3-4 國內有關摩擦力迷思概念的實徵研究表 研究者 研究對象 研究方法 研究結果 郭重吉、吳武雄 （1990） 國中生 晤談 一、受試學生不知道摩擦力的作用。 二、運動中的物體不會立刻停下來，是因為物 體還有一種往前衝的力，衝力會慢慢消耗 掉。 陳義勳（1991） 國小高年級 晤談 騎腳踏車上坡較吃力，是因為上坡時摩擦力較 大。 董正玲（1991） 國小高年級 紙筆測驗 晤談 一、學生認為一個木塊放在粗糙的斜面上不動 時，木塊只受到地心引力的影響，忽略了 摩擦力。 二、物體在靜止時，是沒有力的存在的。 三、自然現象如：地心引力、摩擦力，與靜力 平衡無關。 四、只有在固體間才有摩擦力。 五、有學生認為空氣是造成摩擦力的原因。 六、車子的快慢受地心引力的影響，不認為摩 擦力是一種力。 彭泰源（1999） 小五生 封閉式問卷 晤談 一、學生認為摩擦力是定值，推不動物體是因 為施力比摩擦力小。 二、物體運動時才有摩擦力，靜止的物體是沒 有摩擦力的。 三、施力要大於物重，才能使物體移動。 簡順永（2000） 高二生 紙筆測驗 晤談 一、當運動中的物體不受外力作用時，不會立 刻停下來，因為物體本身尚有向前衝的衝 力。 二、學生忽略摩擦力的存在。 林組明（2002） 小六生 IAI DOE 一、摩擦力僅存在於固體與固體之間的相互運 動，不存在於固體與液體之間的相互運動 之中或不存在於固體與氣體之間的相互運 動。 二、物體移動的距離長，摩擦力大；物體移動 的距離短，摩擦力小。 三、當物體受推拉力時，摩擦力會增進物體的 運動速率。

四、當物體受推拉力時，摩擦力的方向與施力 的方向相同。 五、當物體受推拉力時，摩擦力的方向與物體 移動的方向相同。 六、靜摩擦力沒有方向。 七、當物體受推拉力時，仍維持靜止的物體沒 有摩擦力存在。 八、重量輕重對摩擦力大小的影響：（一）重量 重的物體，摩擦力比較小；重量輕的物體， 摩擦力比較大。（二）重量輕重不會影響摩 擦力大小。 蔡春來（2003） 國中生 問卷 晤談 一、接觸就有摩擦力。 二、物體有重量就有摩擦力的作用。 三、物體沒有移動就沒有摩擦力。 四、物體受外力作用仍維持靜止，是因為外力 小於摩擦力。 五、重量就是物體所受的摩擦力。 六、壓力越大，摩擦力也就越大。 林組明（2002）的研究探究了國小階段六年級學童的摩擦力概念，以 IAI 與 DOE 為晤談工具，晤談的重點包括了流體力學等大學普通物理的知識，參考文獻也兼採國中 理化教科書。 蔡春來（2003）的研究與 Stead 與 Osborne (1980)的研究相類似，除了探討國中生關 於摩擦力概念的迷思概念及其成因之外，也比較了海峽兩岸教科書的優缺點。 就上述國內外專家學者對摩擦力概念的實徵研究中，有關於摩擦力的迷思概念或另 有概念，可整理成表 2-3-5： 表 2-3-5 摩擦力迷思概念整理表 摩擦力相關主題 摩擦力迷思概念 摩擦力的方向 1、摩擦力沒有方向性。 2、摩擦力方向與施力或運動的方向相同。 3、學生雖然知道摩擦力的存在，但無法指出其方向。 阻力 1、物體沒有運動，就沒有摩擦力。 2、粒子互相碰撞而產生反彈的阻力，這阻力就是摩擦力。

3、無論是多麼大的作用力，只要靜止就是不受摩擦力作用。 4、摩擦力不是力的一種形式。 5、物體相互撞擊時，撞擊力越大，摩擦力也就越大。 6、阻力是物體與空氣摩擦所產生的。 7、摩擦力可以發出熱量。 8、摩擦產生靜電，所以摩擦力是一種靜電。 9、手握冰，冰不易掉落，所以冰上的物體會有很大的摩擦力。 10、物體移動的距離越長，摩擦力越大。 11、運動中的物體不會立刻停下來，是因為物體還有一種往前衝 的力，衝力會慢慢消耗掉。 正向力 1、要推動物體，作用力一定要大於摩擦力，因為摩擦力等於物體 重量。 2、重量越重，越難滑動，摩擦較少。 3、重量不影響摩擦力，因為接觸性質相同。 4、學生無法辨識正向力。 5、重量重的物體，摩擦力比較小；較輕的物體，摩擦力比較大。 6、物體靜止不動，就沒有力作用在物體上，忽略了摩擦力。 斜面傾角 上坡騎腳踏車較吃力，所以摩擦力較大。 運動速率 1、摩擦力可以增加物體運動的速率。 2、摩擦力使物體移動，所以運動速率越大，摩擦力越小。 摩擦力的大小 1、摩擦力僅存在於固體與固體之間。 2、重量不影響摩擦力，因為接觸性質相同。 3、動摩擦力大於靜摩擦力。 有效的外力 學生沒有淨力平衡的概念。

第參章

第參章

第參章

第參章 研究方法

研究方法

研究方法

研究方法

本研究採用 POE 概念晤談策略以探討國小三至六年級學童在自然與生活科技領域 課程中有關「摩擦力」課程所產生的另有概念與迷思概念，並探討各年級學童摩擦力概 念的差異性。本章分成四個小節來討論，第一節說明研究樣本的選取，第二節介紹研究 工具的設計與使用方法，第三節說明研究的實施程序，第四節進行研究資料的分析。

第一節

第一節

第一節

第一節

研究樣本

研究樣本

研究樣本

研究樣本

研究樣本分成試驗性樣本及正式研究用樣本，試驗性樣本的施測結果作為設計正式 測驗問卷的參考。為避免試驗測驗的結果影響正式測驗的正確性，被選取為試驗樣本的 班級將不列為正式樣本選取的範圍。 一 一 一 一、、、、試驗性研究的樣本試驗性研究的樣本試驗性研究的樣本試驗性研究的樣本 在台中市一所中型國民小學，全校共 51 班，共有學生約 1800 人，以隨機抽樣的方 式自三到六年級中每一年級各選取一班，總共選取 149 位學童，以 DOE 測驗調查學童 的摩擦力概念的各種想法。DOE 測驗所得的結果（如附錄一所顯示，每個年級中約有 半數以上的學童對摩擦力持有迷思概念，並從測驗中收集了近二十餘種的迷思概念）， 作為設計正式研究中晤談大綱設計的參考之一。測驗人數的年級分佈如下表所示： 表 3-1-1 DOE 試驗性研究樣本人數分佈表 年級 三年級 四年級 五年級 六年級 班級數 1 班 1 班 1 班 1 班 人數 37 人 36 人 36 人 40 人 合計 149 人 二 二 二 二、、、、正式研究用樣本正式研究用樣本正式研究用樣本正式研究用樣本 於同一所國民小學，在刪除試驗性樣本取樣的班級後，重新自三到六年級每一年級 隨機抽樣選取二班，每班再實施隨機抽樣各選取四位學童，男女不拘，計共選取 32 位 同學，以進行 POE 概念晤談。各年級選取人數之分佈如下表： 表 3-1-2 POE 概念晤談樣本人數分配表 年級 三年級 四年級 五年級 六年級 人數 8 人 8 人 8 人 8 人 男女人數 男 5 人；女 3 人 男 4 人；女 4 人 男 2 人；女 6 人 男 4 人；女 4 人 合計 男 15 人；女 17 人 共計 32 人

第二節

第二節

第二節

第二節 研究工具之設計

研究工具之設計

研究工具之設計

研究工具之設計

POE 的呈現是一種科學實驗的過程。科學實驗並非盲目的研究，它有明確的指導思 想，以一定的邏輯推理為依據，將實驗對象與操作過程加以理想化，通過人為的控制， 盡可能地減少非必要性因素的干擾，使自然過程以純粹的型態出現，以求充分展現事物 的真相，從而發現其中的規律或是驗證科學的學說（潘永祥，2001）。英國哲學家培根 認為「科學實驗是通向知識殿堂的捷徑」，他認為若要獲得科學知識，不僅只是觀察大 自然的原貌，更應操作我們的世界以探究其中的奧秘。 科學實驗是科教研究不可或缺的一環，科學實驗更是現代科學教育發展不可或缺的 基本要素之一（Hofstein,Ben-Zvi,Samuel, 1976；Penick,Shymansky, 1979；Blosser, 1981； Bate, 1982；許榮富、趙金祁，1987、1990 引自張惠博，1993）。所以科學教育研究的 發展是需要科學實驗的輔助的，若是只學習科學的理論敘述而不從事科學實驗的話，所 學到的科學知識就無法穩固，猶如在蓋一座象牙塔。從事科學實驗時，除了可以學習實 驗的技能之外，更能夠了解科學概念形成的過程，並輔助科學知識的學習，對科學教育 的研究有很大的影響。 自然科學教育的研究中，有些是探究學童關於各種自然現象的想法，而這些自然現 象都是可以以肉眼看得到的，既然學童看得見，就可以將其複製於實驗室中，使學童從 實驗的過程中學習科學。兒童科教研究的樣本主要是選自在學的學童，而且學童的科學 課程中有很多是動手操作的科學實驗，所以科學實驗對兒童科學教育的研究是非常重要 的。 本研究使用的工具是概念圖、科學概念驗證式實驗、及 POE 概念晤談。以概念圖 研究概念類型及不同概念間的相關性，以概念驗證式實驗驗證與研究主題相關的科學概 念，其操作型定義的敘述是作為設計 POE 晤談大綱的參考，實施 POE 晤談以進行學童 的摩擦力概念的質性研究，最後再佐以概念晤談確認 POE 的研究。 一 一 一 一、、、、「「摩擦力概念「「摩擦力概念」摩擦力概念摩擦力概念」」的概念圖分析」的概念圖分析的概念圖分析 的概念圖分析 _{本研究的目的是探究學童的相關概念，為了收集學童具有哪些迷思概念，故須完成} 合乎正統科學的正確概念，並與之作比較。本研究從下列幾方面建立「摩擦力概念」的 概念圖分析（圖 3-2-1）：（一）首先參考國中小教科書及歸納大學普通物理學的論述， 以建立命題陳述（呈現在本篇研究第 16 頁）；（二）與自然科教師及自科所研究生討論 命題陳述；（三）最後請指導教授指正，並修正錯誤的觀點後完成概念圖的分析。

變 化 因 素 產 生 原 因 情 況 差 異 力 的 作 用 方 向 種 類 （ １ ） 不 影 響 為明確探討摩擦力的相關概念，以概念圖的方式將摩擦力的命題陳述表示成圖 3-2-1，圖中加註的括號與數字表示分支概念，為本研究所欲探討的概念主題。 圖 3-2-1 摩擦力之概念分支圖 二 二 二 二、、、、摩擦力概念的操作型定義摩擦力概念的操作型定義摩擦力概念的操作型定義摩擦力概念的操作型定義：：： ：

摩擦力

摩擦力

摩擦力

摩擦力

１ 、 與 物 體 運 動 方 向 相 反 。 ２ 、 與 推 動 物 體 運 動 的 外 力 的 作 用 方 向 相 反 （ １ 、 ２ ） 。 靜 摩 擦 力 動 摩 擦 力 接 觸 面 性 質 、 摩 擦 係 數 （ ６ ） 接 觸 面 接 觸 面 積 大 小 （ ５ ） 物 體 接 觸 面 的 光 滑 程 度 大 小 與 正 向 力 成 正 比 （ ３ ） 大 小 與 有 效 的 外 力 成 正 比 （ ７ ） 摩 擦 力 大 小

為探究國小學童摩擦力的概念類型，並探討其對摩擦力概念的產生成因，本研究依 據「科學—活動過程教學」（Science-a Process Approach，SAPA）的實驗教學步驟（包 含假設、設計實驗、變因控制、實施實驗、結果分析等），設計摩擦力簡易實驗以驗證 本研究所涉及的摩擦力相關概念其操作型定義的正確性。 本研究所涉及的摩擦力概念及相關概念的操作型定義如下（陸果，2001；Halliday & Resnick, 1997；Benson, 1995；）： （1）靜摩擦力與動摩擦力： (a.) 靜摩擦力：將待測物體放置於粗糙水平面上，對物體施加一固定大小的向前 推力，若物體靜止不動，則物體與平面之間的摩擦力稱為靜摩擦力，而摩擦 力的大小等於對物體所施加的外力大小，但靜摩擦力的方向與外力的方向相 反。 (b) 動摩擦力：將待測物體放置於粗糙水平面上，對物體施加一固定大小的向前 推力，若物體開始移動並以等速度向前運動，則物體與平面之間的摩擦力的 大小等於對物體所施加的外力大小，但動摩擦力的方向與外力的方向相反。 （2）阻力：與物體運動方向相反的作用力。 （3）正向力：物體與所在平面之間因重力關係，而使平面對物體產生垂直於物體運動 方向的作用力。 （4）斜面傾角：斜面與水平面之間夾角。 （5）接觸面積：物體與所在平面之間相接觸的接觸面積大小。 （6）摩擦係數：物體與所在平面之間所產生的摩擦力與施加於物體的有效外力兩者的 比値。 （7）有效的外力：施加於物體的外力在物體運動方向上的分量。 三 三 三 三、、、、摩擦力概念之驗證式科學實驗摩擦力概念之驗證式科學實驗摩擦力概念之驗證式科學實驗摩擦力概念之驗證式科學實驗 實驗的內容與實驗方式，參考 82 年版部編版的國小自然科學課程內容及九年一貫 新課程，與各出版社「自然與生活科技領域」中的課程內容（參見第 16 頁之教科書內 容分析），以及實徵文獻中有關的實驗設計（郭重吉、吳武雄，1990；陳義勳，1991； 董正玲，1991；彭泰源，1999；簡順永，2000；林組明，2002；蔡春來，2003；Stead & Osborne, 1980；Osborne、Schollum & Hill, 1981），作為設計實驗的依據。

依據摩擦力的概念分支圖，自科學實驗的分析結果中擷取適合國小學童認知的部 分，作為設計摩擦力 POE 晤談大綱的根據。將七個科學實驗轉化為六個學習活動，以 填充式的學習單進行 POE 晤談研究。為確認 POE 概念晤談學習單的專家效度，於正式 施測前，商請三位自然科教師及二位自科所研究生，針對 POE 學習單進行檢閱（如表