行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
利用實務活動教導學生力與運動之概念(3/3)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2511-S-110-008- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學教育研究所 計畫主持人： 張川木 報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢中 華 民 國 92 年 10 月 31 日
行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 專 題 研 究 計 畫
總 報 告
利 用 實 務 活 動 教 導 學 生 力 與 運 動 之 概 念 Using practical work in teaching conceptions relating to
force and motion
計畫類別： 個別型計畫 整合型計畫 計畫編號：NSC 89-2511-S-110-005，NSC90-2511-S-110-013, NSC91-2511-S-110-008 執行期間：89 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日 計畫主持人：張川木 執行單位：國立中山大學教育學程中心 中 華 民 國 92 年 8 月
一 研究緣起
過去約三十年來，科學教育研究結果顯示出學童於接受正式的學校教育之前 已對自然界的現象發展出來一套他們自己的看法。亦即，學童如同科學家，他們 會對其所遭逢的自然界現象作出「合理化」的解釋(Driver, 1983., Driver & Erickson, 1983., diSessa, 1988)。然而，在這些兒童「自發性」的想法中，有些是與「正統」 的科學概念相互矛盾的，因而會深深地影響後續的學習效果。是以如何改變或修 正學童所自行發展出來的「另有概念」(alternative conceptions)乃成為晚近科學教 育界所關切的的主要議題之一(Camp & Clement, 1994., Mazur, 1997., Howe, 1998)。 此亦是本研究的重心所在。 研究顯示以教師為中心的教學對於修正學童的另有概念所產生的效果似乎 不大，是以不同的研究者乃設計不同的教學策略試圖來修改這些概念(Howe, 1998)。基於此，本研究旨在利用「實務活動」(practical work)教導高一學生「力 與運動」之概念，焦點則在於探究學生在經由此種教學活動後，其有關「力與運 動」概念的改變情形。
二 目標概念
本研究的主要目的在於探究實務活動對於促進概念改變的效能。亦即，研究 者的主要興趣在於深入了解學生在「力與運動」題材的一些想法及設計一些相關 的活動來「修正」或「置換」學生在上述範疇中的另有概念。本研究希望受試學 生在經過實務活動教學後，學到下列目標概念(target ideas)： (1) 起動一物體所需之力大於使其保持等速率運動(起動之後)所需之力； (2) 一物體在不受外力作用的情況下，將保持等速度直線運動； (3) 一物體在受到一個定力的作用下，將作等加速度運動。三 研究問題
基於上述，本研究欲探究的問題為： (1) 高中學生在「力與運動」上的概念發展及另有概念? (2) 在實務活動的教學過程中，受試者在「力與運動」概念上的推理過程為何? (3) 在實務活動的教學過程中，可能引發概念改變的原因及其特徵為何?
四 方法論
(1) 研究工具 「力與運動」概念測驗 如前所述，本研究的主要目的在探究學生在接受「實務活動」教學前後，其「力與運動」概念的改變情形；為達此目的，本研究者首先參考國內外相關文獻 後，發展出一「力與運動」概念測驗。測驗題材為有關「牛頓第一、二運動」之 內容。該測驗於編製完成，經過效度檢測(專家效度)和前導測試、修正等過程後， 總計包括十大題(17 子題)。其中所有題目內容僅涉及「質」的推理過程，無需作 「量」的計算。每個題目分成二部分：首先，受試者需自答案選項中選出一答案， 然後根據其答案，提出理由加以說明。 學習單 本研究希望透過實務活動教學來「修正」學生有關「力與運動」的另有概念。 是以本研究者乃依據受試學生在「力與運動」上的另有概念來設計、發展學習活 動和學習單內容，以為後續施行實務活動教學之用。學習單主要包含「力是什 麼?」、「移動物體」、「力與運動」和「結語」等四大部分。總數量計為十九頁。 活動以二人為一組來施行。大體上，本活動是依循預測、實作和觀察、討 論、比較的過程來完成。亦即，二受試樣本首先需個別對「待學習」的活動分別 加以預測其可能結果，並提出理由加以說明；其次為進行實作活動並記錄結果； 緊接著為討論或比較「預測與實作」間的「吻合」情形。若二者間有差異存在， 則受試者被要求寫下其共同想法。 此項活動需時 5-6 小時。 在實務活動的施行過程中，本研究者大扺扮演協助者和引導者的角色；當受 試者對活動過程有不明瞭的地方，本研究者可立即給予必要的協助。此外，當其 陷於困惑時，研究者適時給予引導，提供其思考方向，以助其解決困惑；然而在 這些學習過程中，研究者並不直接提供答案予受試學生。 (2) 研究樣本 為了測驗施行方便起見，本研究樣本皆取自高雄市。其中包括左營、鼓山、 新莊、小港和高雄女中等五所市立高級中學。為了符應前述研究問題，本研究選 取三種不同的樣本來加以因應。 樣本-甲 為了比較高一學生在接受「力與運動」教學前後，其相關概念的變化情形， 乃由鼓山和左營二所學校各平均選出「已接受」和「尚未接受」該題材教學的學 生共 6 班來接受測試，此部分樣本數為 249 人(118 人為未接受力與運動教學) 樣本-乙 為了了解高中各年級學生有關「力與運動」概念的發展情形；乃抽取上述五 所學校一、二和三年級各一班學生接受測試(一年級為已接受基礎物理教學者， 二、三年級為選修自然組的學生)；此部分樣本數為 564 人。 樣本-丙 為了回答上述問題(1)、(2)，由鼓山中學選取三班學生接受「力與運動」概 念測驗，然後邀請受試學生自由參與實務活動教學。總計有 15 位學生志願參與
該教學活動。然受限於時間因素，共有六對學生實際參與。其中一組有一人僅完 成一半，所以該組不予採計。 (3) 資料蒐集與分析 為了回答研究問題(1)，樣本-甲和樣本-乙在「力與運動」概念測驗上的反應 皆予以逐題加以分析和歸類。為了回答研究問題(2)、(3)，受試者在參與實務教 學活動中所有反應資料皆加以錄影和錄音。錄音部分之資料皆再予以「轉錄」為 書面資料，以為分析之用。
五 結果與討論
(1) 力與運動之「另有概念」 以下為受試學生在力與運動題材上的主要「另有概念」： 運動蘊涵力 物體若沿著某方向運動，則在該運動方向必有一力作用其上。例如，當向空 中擲出一硬幣，在硬幣上昇過程中，有些學生認為作用在硬幣上的合力方向 為「向上方」。 定速率運動蘊涵定力作用 此項想法可能是由「運動蘊涵力」的想法衍生而來。例如，當促使一汽車向 前運動的引擎力大於阻止其前進的力量時，有不少學生認為該汽車應是以等 速率行駛前進。此種「定速率運動蘊涵定力作用」的想法可能衍生出另外一 種觀點：「若作用力相等，則物體停止運動」。例如，在前述題目中， 當被 問及「引擎力等於阻力時，車子將如何運動?」，有些受試者認為車子即停止 不動。 衝力理論： 當一物體被某「媒介物」引發運動時，有些受試者認為該媒介物「賦予」該 物體某種「動力或誘因」，而此物體藉助此動力或誘因繼續運動，直到此種 動力或誘因消耗完後，物體才停止運動。例如，當一砲彈由一水平砲管被射 出時，有些學生認為該砲彈將先飛行一段水平距離，然後在重力的影響下， 開始下降。他們所持的理由為砲彈被射出時，炸藥賦予該砲彈某種「能量或 力量」使其能繼續運動。 「誤解」慣性的意義： 由於牛頓之第一運動定律常被簡化成：「動者恒動，靜者恒靜」來加以描述， 所以學生往往未去考量描述該定律時的重要”前提”：「一物體在不受外力 的作用或所受作用力合力為零的情況下，……，靜者恒靜，動者恒動…」， 所以他們往往直覺地認為原來怎麼運動的物體，後來也應作「類似」的運動。例如，當被詢及「一圓珠子自一螺旋狀的物體內部射出時，其運動狀況如何?」 受試者往往認為該珠子將繼續作螺旋狀運動；其所持理由為：珠子在管子內 部原來是作螺旋狀運動，所以離開管子後也應是持續作相同形狀的運動。 地球與外太空的運動： 由於外太空中沒有地心引力的存在，所以學生往往將地球和外太空中的運動 視為二種不同狀況的運動。亦即，在此二不同的地方，物體似乎是在「不同」 法則的約束下進行運動。例如，有些受試者認為在太空中往前拋出一物體 時，該物體因為沒有受到地心引力的作用，而呈現四處漂移的情形。 情形。 (2) 教學引發「另有概念」的變化? 若將前述”樣本-甲”中二組學生的反應加以比較，其間反應差別似乎不 大。已接受及尚未接受「力與運動」教學者，其在問卷上的答對比率皆低於 15%，而二者的差別僅約 3%。而該二組學生在「力與運動」概念問卷上的主 要另有概念類別和每類別的反應比率的差值亦不大。若假定這些班級都進行常 態編班和教學，則似乎透露出學校裏所從事的「一般性」教學對於「矯正」另 有概念並未有良好的效果；所以教師必需針對學生的另有概念來從事課程設 計，以期能「改正」這些非正統的科學概念。 (3) 實務教學活動 (3-1) 在實務教學過程中受試者所遭遇到的主要學習困難 「移動物體」：啟動一靜止在平面上的物體，然後使其保持等速率運動。在此 活動中，學生最主要的學習困難包括下列事項： 甲：當被要求回答啟動一物體所需之力與使其保持等速運動之力二者之大小關係 時，二種主要的回應為：前者所需之力大於後者，或者是二者大小相等。對 於前項想法，大部分的受試者是根據國中時期所學到有關動摩擦與靜摩擦力 的關係來回答，而很少提到有關啟動物體時需有加速作用。 乙：當在該物體已被啟動，然後使其保持等速率運動的情況下，在被要求回答摩 擦力和外界拉力二者的大小關係時，大部分的受試者認為：為了使物體繼續 運動，所以拉力需大於摩擦力，否則該物體即會變為靜止不動。 「力與運動」：利用滑車拉著紙帶，透過打點計時器和複寫紙，在紙帶上打點， 以教導學生學習牛頓第一、二運動定律。在此活動中，受試 者所遭遇的主要困難有： 甲：無法正確地將紙帶上的打點數據轉換成「速率-時間」關係圖。縱使學生能 夠正確地預測紙帶上的打點圖案，亦有很大的困難將其轉換成相對應的「速
率-時間」關係圖。 乙：無法區分速度與加速度二者的意義。有些學生往往將二者加以混淆使用。是 以可能導致他們推論出：「定速率薀涵定力」，而非是「定力薀涵定加速度」 的想法。 丙：如同上一個活動-「移動物體」，受試者往往認為，當滑車在一光滑的平面 作等速率運動時，需有一不為零的定力作用其上。據此，當滑車欲折回往相 反方向運動的瞬間，有些受試者認為，此時該車所受合力為零，其所持理由 為滑車呈瞬間靜止狀態，所以應未受到任何力的作用。 (3-2) 阻礙「概念改變」的可能因素 在實務教學活動中，下列因素可能是「阻礙」學生學習科學時，引發概念 改變的重要因子： 缺乏先備概念：在不少情況下，受試學生無法了解「待學習」概念的基本意 義。例如，學生往往無法明確地說出「力」、「速率」、「加速度」 等概念，在科學上所代表的意義。由於未具備這些字詞在科學 上所代表的意義，是以即不易學得其間的關係。 未區分科學概念：受試者往往未對某些概念加以區分，而是交互混合使用。 如「力」、「能量」、「衝力」(或「速率」、「加速度」)常為受 試者混合使用，而未區分其間意義的差異。 學習是「情境相關」：受試學生對於題目所作的反應似是與情境有密切關係 的。換言之，學生往往以不同的「法則」來回答受到相 同原理原則約制(constrained)的不同問題。例如，在一沿 著水平方向作等速運動的輸送帶下方懸吊一小球，當在 某一時刻，懸吊該小球的細線被剪斷，若詢及：當輸送 帶是以不同的速率作運動時，地面上的觀察者看到小球 的運動軌跡有何不同?有些學生認為在速率較小的情況 下，小球將筆直掉落；當速度較大時，小球的運動軌跡 將可能呈現其它 (3-3) 在實務教學活動中，可能引發概念改變的因素 在實務教學活動中，可能引發概念改變的因子可能包括： 蘇格拉底式對話法：當受試者對於「待學習」之情境作出說明、解釋時，研 究者對其「所作所為」提出質疑、詢問，以便更進一步 了解當事者的想法，而受試者也可經由此種過程，變得 更為了解他/她所要表達的意思。在某些情況下，受試 者可能在解釋其想法的過程中，自身陷入困境，進而了
解其思慮之不足或是相互矛盾之處。如是以來，受試者 便「可能」產生認知失衡，進而藉此機會更進一步地思 考其原先的想法，而引發概念改變。 同儕互動：本研究之教學活動以二人為一組，協同進行活動，在學習活動中， 小組成員彼此相互討論、論辨、質疑、說明，經由此等過程，各成 員除了使自己的想法更為清徹外，尚可經由對方的協助，了解「待 學習」的題材。 實作經驗：經由實際操弄實務活動，受試者可直接由此活動中感受、比較某 些待學習素材間的差異。例如，在「移動物體」的活動中，受試 者可直接體驗起動一物體所需之力與使其保持等速率運動所需 力量間的差異，進而思考造成此種差異的可能原因。 六 教育上的涵意 本研究結果可作為師資育工作和「力與運動」教學之重要參考資料。 參考書目：
Camp, C & Clement, J (1994). Preconceptions in mechanics: lessons dealing with students’ conceptual difficulties. Iowa: Kend All/Hunt Publishing Company diSessa, A (1988). Knowledge in pieces. In G. Forman and P. Pufall (eds.),
Constructivism in the computer ages. Hillsdale, NJ; Lawrence Erlbaum Driver, R. (1983). The Pupils as Scientists? Milton Keynes: Open University Press. Driver, R & Erikson, G. (1983). Theories-in-action: some theoretical and empirical
issues on the study of students’ conceptual frameworks in science. Studies in Science Education, 10, 37-60
Howe, C 1998). Conceptual structure in childhood and adolescence. London: Routledge
