5E學習環融入系統化教學設計模式之行動研究 -以國小槓桿原理課程設計為例

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(1)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. 5E 學習環融入系統化教學設計模式之行動研究-以國小槓桿原理課程設計為例 An Action research of Combing 5E Learning Cycle with the Systematic Design of Instruction – Take the Example of Lever Principles in Science and Technology Learning Area in the Elementary School. 研究生：王家文撰. 中華民國 100 年 11 月.

(2) 5E 學習環融入系統化教學設計模式之行動研究 -以國小槓桿原理課程設計為例中文摘要傳統觀念認為教學為一門藝術，教師需要透過個人經驗與努力以發展有效教學策略。近代研究則顯示透過計畫性規劃確實可以有效提升教學效益。本研究以行動研究法探討如何以「ADDIE 系統化教學活動設計模式」及「5E 學習環教學理論」為基礎設計國小自然與生活科技領域教案的系統化方法。本研究首先利用 ADDIE 系統化教學設計模式分析 5E 學習環教學理論的特性，進而建構符合九年一貫教學理念的教案設計模式。所設計課程內容透過實際教學進行檢驗，經過三循環歷程，探討設計模式之可行性。本研究所設計之教案以現行國小翰林版第八冊第二單元-簡單機械為例進行課程設計。彰化縣某國小六年級某班同學為實驗教學對象。教學歷程記錄包括課程實況錄影、教師觀察紀錄、教師評鑑調查資料、與教師晤談紀錄等；教學成效記錄資料包括學生學習檔案及實驗教學教師研究日誌等。根據晤談、觀察紀錄、學實況照片、教學實況錄影、調查表及活動學習單等質性資料進行三角校正檢驗。本研究所獲致的課程設計模式具備下列特點：一.同時兼顧教學者及學習者對於教學活動的觀點;二、系統性地融入 5E 教學策略，使課程自然具備探究式教學精神;三、具體描述各階段教學目標及問題解決策略;四、根據九年一貫能力指標建立形成性評鑑項目。關鍵詞：5E 學習環、系統化教學設計、簡單機械. I.

(3) An Action research of Combing 5E Learning Cycle with the Systematic Design of Instruction – Take the Example of Lever Principles in Science and Technology Learning Area in the Elementary School. Abstract The research took the action research to discuss about how to use “ADDIE systematic design of instructional models” and “5E learning cycle teaching theory” as the foundation to design the systematic method of science and technology learning area for elementary school. The research used the ADDIE systematic design of instructional models to analyze the features of 5E learning cycle teaching theory and to establish the teaching plan design models which could be suitable for Grade 1-9 Curriculum concept. The design course content was examined by practical teaching through the three cycling process to discuss the feasibility of design models. The teaching plan designed by the research took the example of “simple machine” from current textbooks of elementary school published by Han-lin publishing company, the second unit of the eighth book, to design courses.. The. experimental teaching objects were certain sixth-grade students of a certain elementary school in Chunghwa County.. Teaching course records included the live. teaching video, the teacher’s observation records, the teacher’s evaluation survey and the teacher’s interview, etc.. The record data of teaching effectiveness included the. students’ learning profile, the teacher’s research journal of experimental teaching, etc. To execute triangulation test according to qualitative data, such as interviews, observation records, live teaching photos, live teaching videos, survey lists and activity learning sheets The courses design models acquired by the research included the following features: first of all, it simultaneously contained the learner’s and teacher’s point view; secondly, it systematically combined with 5E teaching strategies which made the courses with the spirit of inquiry teaching; thirdly, it completely described teaching objectives and problem solving strategies; fourthly, to establish formative evaluation project according to Grade 1-9 Curriculum competence indicators.. Key Words: 5E learning cycle, instructional design models, simple machine. II.

(4) 目次中文摘要 .............................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................... II 目次 .................................................................................................................. III 圖次 ................................................................................................................... V 表次 ................................................................................................................... V 第一章. 緒論 ..................................................................................................... 1. 第一節研究背景與研究動機 ............................................................................................. 1 第二節研究目的和待答問題 ............................................................................................. 3 第三節名詞解釋 ................................................................................................................. 5 第四節研究範圍與限制 ..................................................................................................... 7. 第二章文獻探討 ............................................................................................... 9 第一節 5E學習環教學模式相關概念與研究 ..................................................................... 9 第二節系統化教學設計相關概念與研究 ....................................................................... 17 第三節國小自然『簡單機械』槓桿相關概念 ............................................................... 27. 第三章研究設計與方法................................................................................. 35 第一節研究方法 ............................................................................................................... 35 第二節研究場域、對象與人員 ....................................................................................... 36 第三節研究架構與教材設計 ........................................................................................... 38 第四節資料蒐集與分析 ................................................................................................... 46 第五節研究歷程 ............................................................................................................... 50 第六節研究信度、效度與研究倫理 ............................................................................... 52. 第四章研究結果與發現................................................................................. 55 第一節第一次教學之過程與討論 ................................................................................... 55 第二節第二次教學之過程與討論 ................................................................................... 67 第三節完成後之 5E系統化教案架構內容 ...................................................................... 76 III.

(5) 第四節 5E系統化教案之設計模式比較與討論 ............................................................... 91. 第五章結論與建議 ....................................................................................... 103 第一節結論 ..................................................................................................................... 103 第二節建議 ..................................................................................................................... 105. 參考文獻 ......................................................................................................... 107 一、中文部分 ................................................................................................................... 107 二、英文部分 ................................................................................................................... 112. 附. 錄 ............................................................................................................. 115. 附錄一. 5E系統化教學設計教案 ................................................................................... 115. 附錄二. 5E系統化教學設計補充資料–力學概念圖 ................................................... 122. 附錄三. 5E系統化教學設計補充資料–師生活動表 ................................................... 123. 附錄四. 5E 學習環教學流程表 ..................................................................................... 125. 附錄五. 5E系統化教學設計學習單 ............................................................................... 126. 附錄六行動研究的歷程表 ........................................................................................... 128 附錄七自然科教師訪談暨評鑑表 ............................................................................... 130 附錄八課程滿意度調查表 ........................................................................................... 132. IV.

(6) 圖次圖 2-1-1. BSCS 5E 建構式教學模式 .................................. 13. 圖 2-2-1. ASSURE模式 ............................................. 20. 圖 2-2-2. Dick & Carey模式 .......................................... 21. 圖 2-2-3. Kemp模式 ................................................ 22. 圖 2-2-4. ADDIE模式 ............................................... 23. 圖 3-2-1. 級任教室之平面配置圖 ..................................... 37. 圖 3-3-1. 研究架構圖 ............................................... 40. 圖 3-3-2. 力學概念圖 ............................................... 43. 圖 3-5-1. 研究步驟流程圖 ........................................... 50. 圖 4-3-1. 5E系統化教學設計格式介紹 ................................. 76. 圖 4-3-2. 5E系統化教學設計流程步驟圖 ............................... 87. 表次表 2-1-1. 學習環名稱之沿革 ......................................... 12. 表 2-1-2. 5E教學環之教學方式與內涵 ................................. 13. 表 2-1-3. 5E學習環與傳統教學差異表 ................................. 14. 表 2-2-1. ADDIE內涵架構表 .......................................... 23. 表 2-2-2. 教學設計執行現況相關文獻表 ............................... 24. 表 2-3-1. 槓桿相關名詞整理表 ....................................... 27. 表 2-3-2. 槓桿的種類與特徵 ......................................... 28. 表 2-3-3. 現行國民小學各版本教科書簡單機械概念單元一覽表 ........... 28. 表 2-3-4. 九年一貫課程「自然與生活科技」領域與槓桿概念有關之教材內容細. 目表............................................................... 29 表 2-3-5 各版本教科書有關簡單機械概念單元名稱及摘要目標一覽表 ...... 32 表 3-3-1. 5E系統化教案架構說明表 ................................... 41. 表 3-3-2. 5E系統化教案上部分 ....................................... 42 V.

(7) 表 3-3-3. 5E系統化教案下部分 ....................................... 45. 表 3-4-1. 教案設計評鑑調查表 ....................................... 47. 表 3-4-2. 「槓桿原理」課程滿意度問卷題號及對應向度 ................. 48. 表 3-4-3. 質性資料編碼方式 ......................................... 49. 表 4-1-1. 學生「課程滿意度」評鑑問卷調查統計表 ..................... 61. 表 4-1-2. 第一次行動方案 5E系統化教學設計修正表..................... 66. 表 4-2-1. 教師「5E系統化教案設計」評鑑調查統計表 ................... 70. 表 4-2-2. 第二次行動方案後之 5E系統化教案修正表..................... 75. 表 4-3-1. 教案格式分析與教學目標設計部分 ........................... 77. 表 4-3-2. 教案格式教學活動部分 ..................................... 78. 表 4-3-3. 教案格式形成性評量與回饋部分 ............................. 79. 表 4-3-4. 5E系統化教學設計活動表-探索部分 .......................... 80. 表 4-3-5. 5E系統化教學設計活動表-解釋部分 .......................... 82. 表 4-3-6. 5E系統化教學設計活動表-精緻化部分 ........................ 84. 表 4-3-7. 5E系統化教學設計活動表-評鑑部分 .......................... 85. 表 4-3-8. 5E系統化教案填寫說明表 ................................... 90. 表 4-4-1. 精進教學設計之教案格式 ................................... 91. 表 4-4-2. 傳統教案格式基本資料部分 ................................. 92. 表 4-4-3. 傳統教案格式教案內容部分 ................................. 93. 表 4-4-4. 5E系統化教學設計之教案格式 ............................... 94. 表 4-4-5. 5E系統化教學設計格式基本資料部分 ......................... 95. 表 4-4-6. 5E系統化教學設計格式教學流程部分 ......................... 96. 表 4-4-7. 5E系統化教學設計格式多元評量與回饋部分 ................... 97. 表 4-4-8. 5E系統化教案與傳統教案格式對照表 ......................... 98. VI.

(8) 第一章. 緒論. 本章共分成四節，第一節說明本研究之背景與動機，第二節針對本研究之研究目的與待答問題做一簡要說明，第三節為本研究之名詞釋義，將本研究的重要名詞，做一範圍與內容上的界定。第四節則說明研究範圍與限制，茲將各節內容詳述如下：. 第一節研究背景與研究動機隨著二十一世紀到來，因國與國之間交流頻繁而產生的「全球化現象」，使的社會環境的劇烈變遷、資訊傳播媒體的氾濫、及各項知識內容急速增加，迫使當今教師教學方法及學生學習方式需要進行變革，且傳統式的講述教學及以知識為主要內容的學習目標已逐漸無法符合時代的需求（周祝瑛，2009）。於是世界各國根據各自的國情及環境，希冀透過教育改革提升國家競爭力，吹起了教育改革的世界浪潮，我國在這一波教育改革浪潮中則是以推動「九年一貫」教育為主要代表。「九年一貫」教育的精神乃期望改變過去以知識學科為重心及教師為中心的教育方式，轉變為以學生主動探索及培養基本能力為主的教育方式。九年一貫的綱要強調學校教育「以學生為學習主體」，並根據能力指標建構教學核心目標（任慶儀，2010）。故其所需的學習方式不同以往，教學者在教學現場的定位也產生轉變。也就是教師除了教授教科書上的知識外，更應根據學生能力搭配有效的教學法，方可將概念以清晰易懂的方式傳遞給學生（Shulman, 1986）。因此，教師除了解釋知識性的內容外，更要運用恰當的教學策略編寫教學流程，此種結合教育學方法與學科知識的教育學知識稱之為「學科教學知識」（PCK）。而教學者在學科教學知識調整下，才能與九年一貫教學的改革浪潮相接軌，達到其應有的專業水準。從科學教育觀點而言，學科教學知識是以培養學生具備科學探究能力為主（Shulman, 1986）。惟教學方法應透過教學者對學生進行觀察後，根據學生的能 1.

(9) 力與行為進行明確的描述（謝甫佩，2004），此種方法需因應學習者的特質及教學環境進行適當地規劃與設計，所以教學設計的編寫為教學前的一項重要準備。教學設計是教學者應具備的基本能力。其編輯工作，是由選定教學主題、確立教學目標，並填入對應的能力指標，而後勾勒出教學活動內涵，包括活動目標、教學時間、活動內容，以及使用的教材、評量方法等。吳明德與黃喻淳（2005）便依據思摩特和北市教學資源中心等網路資料庫中的教學設計格式進行比較依據，整理出教學設計基本要項如下：         . 名稱（教案名稱、教學活動名稱）適用年級教學總時間設計者及設計者資訊學習領域能力指標、教學目標教學步驟、時間分配教學相關資源：教材、素材等，或資源來源學習成果評量：學習單、課後評量. 由於現今教學設計的格式缺乏明確界定，經常造成教學者在利用網路資料庫等資源參考相關教案時使用上的不便，進而影響互通性（吳明德、黃喻淳，2005）。教師需要花費時間進行評估修改，對於在教學現場疲於奔命且經常超時工作的教師來說，反倒是加重其早已過重的負擔（李宜蓁，2003）。任慶儀（2010）認為新課程需要一個將能力、概念和知識等因素一同考慮清楚的設計歷程。教學設計需要以理論為依據下建立明確的編寫流程與格式，系統化教學設計是一種「目標導向」及「解決教學問題」為思考架構的鉅觀教學（macro teaching）設計模式。其運用問題解決過程，針對學習者訂立學習目標、以系統方法規劃課程、進行教學、評鑑與課程修正。主要分為「分析 (Analysis)、設計(Design)、發展(Development)、實施(Implementation)、評鑑(Evaluation)」五個基本步驟，每一步驟都是教學設計過程中不可或缺的考量。系統化教學設計常運用於講求精簡高效率的教育訓練課程與多媒體教學。其 2.

(10) 系統架構能將教學理論的理念轉換為教學目標、內容、方法與策略及教學評價等具體設計環節，讓理論能夠具體地運用與實踐。本研究構想以系統化教學設計模式作為教學設計格式之架構參考，並搭配 5E 學習環之教學策略於課程設計方面。研究者將以「簡單機械」槓桿原理單元進行教學內容與格式的製作，期待能夠設計出能夠符合理論與實用的教學設計模式 - 5E 系統化教學設計模式。研究中嘗試將 5E 系統化教學設計運用於國小自然與生活科技「簡單機械」單元中。並依據教學設計進行教學時，由國小教師在現場的教學情況及學生在學習環境下的回饋，修正 5E 系統化教學設計。以期能對教學者在科學領域方面教導與學習上有所助益，並能對科學教育的推展有所貢獻。. 第二節研究目的和待答問題一.研究目的本研究運用系統化教學設計 ADDIE 模式建立具備理論性與普遍適用的教案架構，以及符合九年一貫新課程構想之 5E 學習環理論中『投入(E1)→探索(E2) →解釋(E3)→精緻化(E4)→評鑑(E5)』，為中心理念來設計相關教學設計之課程。並在實際課程活動中，依據學童在過程中對教師、課程的回饋及教師使用 5E 系統化教學設計後的建議進行修正與調整。使教學設計除了符合理論架構，亦能夠運用於實際教學環境。具體而言，本研究目的如下:. 3.

(11) （一）. 以5E學習環與系統化教學設計模式發展出符合九年一貫理念之教學設計內容。. （二）. 探討教師對於5E系統化教學設計模式運用於實際教學現場教學之評價與建議，並依此修正教學設計。. （三）. 研究者依據學童對於5E系統化教學設計下的教學情境感受修正教學設計。. 二.研究問題本研究旨於發展 5E 系統化教學設計並依據實際教學時教師與學生的回饋進行修正。基於上述研究目的，本研究之研究問題為：（一）. 設計5E系統化教學設計格式內容為何？需要注意到哪些環節？. （二）. 協同教師在運用5E系統化教學設計時，對於教學設計的意見與回饋為何？教學設計可以再進一步改善的項目為何？. （三）. 由協同教師評估5E系統化教學設計在課程的實施情形為何？對學生在課堂中及學習情形感受與建議為何？. 4.

(12) 第三節名詞解釋本節旨在針對本研究中關鍵名詞加以澄清，避免意義上的混淆紛亂，以求研究中所提及概念能夠前後一致。茲將本研究所使用的專有名詞定義如下一.ADDIE 系統化教學模式系統化教學設計的理念與發展自二十世紀初期，是一種「目標導向」及以「解決教學問題」為思考架構的教學設計模式。係針對學習者訂立學習目標，運用系統方法規劃、進行教學，並進行評鑑與修正；每一環節都需要相互關連，力求達到佳教學方法與學習效果。系統化教學設計至今已衍生百餘種模式，各種模式都有適用的情境。 ADDIE 系統化教學模式是系統化教學設計其中一種整體性的教學模式，主架構分為「分析(Analysis)、設計(Design)、發展(Development)、建置 (Implementation)、評鑑(Evaluation)」五個基本步驟與九項要素，簡潔明確卻也是教學設計過程中不可或缺的考量。該模式常用於講求效率的企業教育訓練課程與多媒體教學，至今已衍生百餘種系統化教學模式，皆為依循 ADDIE 系統法則而來。故本研究將運用 ADDIE 系統化教學模式的步驟與要素，作為 5E 系統化教學設計在格式上的參考。二.九年一貫能力指標本研究所指之「九年一貫能力指標」，是教育部為符合二十一世紀國家發展需求與世界各國教育改革的脈動，於民國九十二年制定頒布的「國民中小學九年一貫課程綱要」中，列出十大基本能力做為其課程目標。能力指標是由這十項基本能力為架構下明確說明各階段學習領域所要達成之目標(教育部，2003)。各學習領域階段能力指標可作為編輯教材、設計教學、擬定評量及實施測驗的參照依據（李坤崇、林堂馨，2003）。而本研究將採用自然與生活科技學習領域中第三階段的分段能力指標做為教學設計之依據。 5.

(13) 三.5E 學習環教學模式 5E 學習環(Learning Cycle)一詞首次出現於 1970 年美國加州大學科學課程改進計劃（Science Curriculum Improvement Study, SCIS）之教師手冊內，是一種採取探究取向教學法的典型代表（Duit & Treagust, 1998）。 5E 學習環依序為『投入(Engagement) → 探索 (Exploration) → 解釋 (Explanation) → 精緻(Elaboration or Extension) → 評鑑 (Evaluation)』五階段之教學步驟。其特點在於以學生為主體並考量學童心理認知能力，藉由情境活動帶動學習，先由學童自行建構、解釋概念，爾後教師引進新名詞或做概念澄清。最後評鑑部分則為涵蓋整個教學活動歷程的多元性評量而本研究所運用5E學習環作為教學策略，並搭配教學設計中的教學目標、課程活動與形成性評量，來編寫5E系統化教學設計。四.簡單機械在日常生活與工作中，常利用一些工具以完成目的。這些能使我們省力或得到方便的工具，都可稱為「機械」。不論如何複雜的機械，都是由若干組零件所構成，分析各組零件的構造或原理，不外乎槓桿、輪軸、滑輪、齒輪、斜面、螺旋以及劈等幾種基本機械組合而成的。上述的幾種元件皆十分簡單，故稱之為「簡單機械(Simple machine) 」。本研究所編寫 5E 系統化教學設計，將以簡單機械之槓桿原理，作為教學設計中課程活動的實驗內容。. 6.

(14) 第四節研究範圍與限制本節主要分兩部分說明，其一為研究範圍，另一部份則為研究限制。分別論述如下：一.研究範圍本研究對象選擇為國小六年級的學生，以中部一所鄰近海邊小學 - 健康國小（化名）的一個班級學生為研究對象。研究者將以 5E 學習環融入 ADDIE 系統化教學設計模式，進行自然與生活科技的教學教材設計及實施，依據學生對於課程活動的回饋來修正教學設計模式。二.研究限制本研究主要在發展以 5E 學習環教學策略融入系統化教學設計模式的教學活動。在受限於時間、人力等因素下，研究對象限定在彰化縣某健康國小六年級一個班級學生，研究時間為利用自然與生活科技課程時段，故其研究結果不宜引用到其它年級或教學場域。. 7.

(15) 8.

(16) 第二章文獻探討本研究主旨在以系統化教學設計搭配 5E 學習環教學策略，設計出 5E 系統化教學設計模式，運用於國小實驗活動中簡單機械單元之教案。因此，需要對系統化教學設計的定義與理論、5E 學習環教學策略在科學教育中的運用進行探討，以作為本研究活動設計與實施時的參考依據。本章共分三節，第一節為 5E 學習環教學模式相關概念與研究，第二節對系統化教學設計相關概念之探討，第三節則為探討『簡單機械』相關之研究。. 第一節 5E 學習環教學模式相關概念與研究一、學習環理論基礎 5E 學習環於 1960 年由科學課程改革研究(Science Curriculum Improvement Study, SCIS) 所提出。其理論基礎源於為建構主義理念及 Piaget 發展理論，視科學學習為一種概念的轉變，採用建構主義理念觀點，認為人類主動建構所持有的知識，建構過程需要學習者心智上的投入(王靜如，1997)。學習環將教學活動分隔為階段性的探索、概念發明、概念擴展是根據於 Piaget 發展理論「心智功能概念」(mental function concept)(引自羅廷瑛，2002) 的同化、失衡、調適與組整。在 Marek 等人引述 Renner 在詮釋學習環理論和 Piaget 理論的學習機制 (learning mechanism) 中，學習環教學理論的探索 (exploration)其目的便是達成吸收同化(鍾聖校，2000)。. （一）建構主義理論建構主義強調知識是學習者主動建構，在此情境下學習者先備知識能促進或阻礙後續的學習。「學習者主動建構的過程」和「重視學習者原有的想法」是該理論對科學教育最大的影響。教學者必須留意經由透過瞭解學童的起點行為，給予個別人、適性化的方式引導學童學習幫助學童主動地投入所學習的教材，才會 9.

(17) 形成有意義的學習策略，並思考所學內容的潛在結構。經過有意義學習的教材可較長時間保留且成為後來學習的基礎(王美芬、熊召弟，1995)。建構教學下的教師定位於知識的中介者、教學環境的設計者、教學氣氛的維持者、教材內容的提供者、學童學習的輔導者，而非傳授知識者。強調學童定位於「主動參與者」，其在在知識建構過程中主動的必要性，並具備有分享經驗知識的能力。以至於學童得以建構知識、檢視概念、整合所學，並使其理解的概念精緻化。因此，教師應能：(1)營造適當情境刺激學習者進行主動學習。(2)配合教學活動的操作或示範，讓兒童進行類似科學家探究的活動。(3)理解學童先備知識，以利教學的安排。. (二) Piaget 認知發展心理學理論 Piaget 認為生物的發展出對環境適應是一種歷程，而此歷程是由天賦與後天環境交互作用，屬於動態及自我調節性的。其重要概念如下： (1)基模基模為認知理論的基本單位。基模為個體與環境接觸時，為了瞭解事物的性質所產生的基本行為模式。其表現方式可為外顯的身體動作，或是內蘊的認知架構。學習者對科學知識進行理解屬於認知系統在學習歷程中產生變化，是故教師對學童基模知識的瞭解相當重要。認知心理學一直不斷強調人腦裡的知識非鬆散的，而是具有意義性的系統架構中。個體在接觸外在訊息與刺激時，此組織性的建構就如分類化程序一般，根據相似性或是系列性的訊息，來形成基模(羅廷瑛， 2002)。. (2)影響認知發展的因素認知成長是多方面影響的整體結構，在認知發展的過程中，平衡作用是最重 10.

(18) 要卻不是唯一的影響因素。一般而言影響認知發展的因素有下列四項：成熟、經驗、社會傳遞與平衡作用，其中最為廣為教育學者討論之因素為平衡作用。個體本身回復平衡狀態會採取下列兩種途逕：一為同化作用，為促進基模成長或量的改變，將所遭遇的新刺激融入原有認知系統中，並以現有的認知結構去吸收、解釋外界的刺激；另一種是調適作用，能促進基模發展或質的改變，也就是改變現有認知操作模式來符合新的經驗，以適應外界的刺激。當個體接觸新知識時，發現舊認知系統無法解釋，便修正其舊有的認知結構，以容納新的事物(郭生玉， 1998)。. (3)認知發展階段兒童的認知發展是漸進的、順序不變的，均必須完成一階段的能力後，才能進入下一階段。他將兒童依年齡及思考能力依序分為具體運思期、形式運思期四個連續階段，前一階段與後一階段的差異不在於數量或功能上的差別，而是結構的不同。基本上，「探究導向的教學」是符合建構主義的一種教學方法。學習環教學法也是一個典型的建構主義取向教學的代表（Duit & Treagust, 1998）。至今已經過了四十多年，許多的研究證實學習環在探究教學上是一種具成效的教學方法（Wilder & Shuttleworth, 2005），也是一種能有效幫助學生喜歡科學、理解科學內容、以及應用科學過程和概念到其他情境上的教學方法（Colburn & Clough, 1997）。因此，本研究中將採用學習環的教學模式進行教學。. 二、學習環的發展學習環教學法是一種採取建構取向教學法的典型代表（Duit & Treagust, 1998）。1960年代由 J. Myron Atkin and Robert Karplus 於小學科學課程提出學習環教學模式，一開始為初探(Preliminary Exploration)、發明(Invention)和發現 (discovery)三個階段（Atkin & Karplus, 1962）。而學習環(Learning Cycle)這一個詞的首次出現是在1970 年美國加州大學所發展的科學課程改進計劃（Science Curriculum Improvement Study, SCIS）課程之教師手冊內。隨後Karplus針對在教 11.

(19) 育情境中許多教師對“發明(Invention)”、“發現(Discovery)”兩者在區分真正意涵上有所困難的情境下，將三個階段修正為：初探(Exploration) 、概念介紹 (Concept Introduction) 、概念應用(Concept Application)。在學習環理論的發展過程中，三階段的名稱仍是經過一些修改，有各自不同的說法，如表2-1-1 。雖然名詞使用不盡相同，但其基本精神是一樣的（鍾聖校，2000）. 表2-1-1 學習環名稱之沿革（王美芬和熊召弟，1995）三階段. 年學. 者. 代. 一. 二. 三. 探索. 發明. 發現. （Exploration）. （Invention）. （Discovery）. 探索. 概念引介. 概念應用. （Exploration）. （Concept-Introduction）. （Concept-Application）. 探索. 名詞引介. 概念應用. （Exploration）. （Term-Introduction）. （Concept-Application）. 克普勒斯和錫爾 1967. （ Karplus & Their ）克普勒斯和勞森. 1977. （Karplus & Lawson）勞森等. 1988. （Lawson et.al.）. 三、5E 學習環的內涵 5E 學習環是建構主義學習模式數種意涵的其中之一，是由美國生物科學課程研究機構 (Biologi Science Curriculum Study, BSCS）於 1980 年代提出以探究為基礎的 5E 教學模式(Trowbridge & Bybee, 1990)，又稱作 5E 學習環。所謂的 5E 學習環依序為 E1 投入(Engagement)、E2 探索(Exploration)、E3 解釋 (Explanation) 、 E4 精緻化(Elaboration) 與 E5 評量 (Evaluation)，五個與認知理論一致的教學活動階段，流程如圖 2-1-1 所示。 12.

(20) E1 投入：澄清先備知識，發現問題（Engagement). E2 探討：主動參與 (Exploration). E5 評量：檢驗評鑑 (Evaluation). E4 精緻化：概念延伸（Elaboration). E3 解釋：詮釋概念 (Explanation). 圖2-1-1 BSCS 5E 建構式教學模式資料來源(游淑媚，1996) 本研究採取的教學策略為5E學習環探究教學，茲將五階段的教學方式與內涵分別整理如表2-1-2：表2-1-2：5E教學環之教學方式與內涵階. 段. 1.投入(E1) (Engagement) 2.探討(E2) (Exploration) 3.解釋(E3) (Explanation) 4.精緻化(E4) (Elaboration) 5.評量(E5) (Evaluation). 內. 涵. 以活動或問題引起學生參與學習，以幫助學生連結所知和能做的事，澄清先備知識。由生活中情境讓學生思索，以合作實做方式來探討概念，並在老師引導下澄清主要概念和技能。老師介紹概念後，學生解釋所學概念和過程，教師再澄清學生的理解和介紹新概念。製造情境問題激發學生應用所學的概念，建構自己概念的架構，擴展知識及技能。學生自評他們的知識、概念和能力，教師評鑑學生的進展。包含形成性及總結性評量。. 5E 學習環與傳統教學法的差異主要在於概念形成的過程與實驗的模式(紀雅芳、溫媺純，2008)。5E 學習環是以學生為中心發展出由實驗過程中建構概念，傳統式教學則是將實驗定位於說明概念的實證，以教師傳授概念為主體。其差異如表 2-1-3 所示. 13.

(21) 表2-1-3 教. 5E學習環與傳統教學差異表 (林曉雯，1997) 學. 法. 內教. 1.學習環教學法模式. 學. 流. 容. 程. 以學生中心思考，著重現象的探究，及對情境的解釋而獲取結論，同時也注重實驗方面的能力培養。. 探索→ 概念引介→ 概念應用(由“資料數據” → “ 概念” ) 2.傳統教學法模式. 以教師中心思考，注重科學知識的吸收、資料收集將所學概念預測並印證在實驗結果中。. 告知→ 驗證→ 練習(由“ 概念” → “ 資料數據” ). 四、5E 學習環的策略 5E 學習環教學模式的特點是以學生為主，考量學童心理認知能力，由情境活動帶動學習。學童先自行建構、解釋所學概念，隨後教師引進新名詞或做概念澄清，並進一步應用新概念於不同情境或延伸變化。評量則涵蓋整個教學活動歷程中，方式不僅是一般施行的紙筆測驗，更包含教師評量學童學習過程中概念改變情形、知識的擴展或採用學童自評、互評自己與同儕的學習。因此，在運用 5E 學習環教學模式時需考量到一些與傳統教學不同的環節，如 Lawson 等人認為在實施 5E 學習環各階段步驟的內容分述如下：（Douglas, 2005） (一)參與（Engagement）：此一階段老師介紹課程的目標並在教學活動中引發學生的學習興趣。1.教師描述課程目標方面，是讓學生理解在活動學習之後要怎麼介紹課程主題與表達對學習上的期望；2.提升學習興趣方面，經由教師設計引起興趣的示範 (demonstrations) 及歧異事件 (discrepant events)，使學生產生好奇心而探究事情的現象並願意主動參與活動，將經驗與課程內容相連結。3.過程中，並非全盤地同化學生既有的理解。而是經由提問、定義問題與呈現矛盾的結果等方式（歧異事件）創造認知失調 14.

(22) (cognitive dissonance)，或皮亞傑提及的失衡 (disequilibrium)，引出問題與探討主題的方向。 (二)探索（Exploration）：學生發現問題、提出假設進而由實做進行驗證，過程中需要是在充足的時間與沒有老師的指導下進行。1.觀察、紀錄資料時，經由討論與分工合作建構出共同的、一致的經驗。2.在班上學生不同背景經驗下，教師以此共同經驗為基礎，建立起公平的概念和過程技能學習平台。學生也能彼此交換經驗以增廣視野。 (三)解釋（Explanation）：1.使用探索中所得到的觀察及紀錄作為資料，先由學生利用相關資料說明詮釋概念或過程技能。2.接著，老師用口語或教學媒體等易懂的方式介紹科學概念，讓學生能夠產生同化的情形，而後老師進一步詳述科學名詞、定義。3.並在此階段運用學生先前經驗來解釋概念，以矯正學生可能在活動產生的迷思概念。因為在學生經由先前經驗與概念改變中建構出新的認知與想法，這一個階段有時又稱為“概念建立”(Concept Development) 階段。 (四)精緻（Elaboration）：藉由延伸新概念的運用至新的日常生活情境或問題中，強化學生對新概念的認知。學生也在此階段來修正對新概念的理解，由學生間互動，營造學生互相合作討論的學習環境。並且在分享回饋之中，得以建構個人的理解認知。 (五)評量（Evaluation）：學生經過先前探索與解釋後，需要評量所學到的概念或能力，作為回饋及提供教師瞭解學生學習的情形。1.教師可以在教學活動過程中提出形成性評量，經由深入的問題根據學生在知識進展或迷思概念破除的表現上作為判斷、分析以及評鑑，2.也可讓學生自我評量或是互評，瞭解自己的學習情況，來作為此課程或是單元的結束。. 此外，五階段教學活動流程在進行投入、探索、解釋、精緻化四個階段後，也可依需求再次重複進行探索、解釋、精緻化過程等步驟，或評量後再次循環探 15.

(23) 索、解釋等階段，來幫助學生進行學習以達成教學目標（王美芬，2001）。其各個階段老師及學生活動，分項整理如附錄三所示由以上內容可知，5E 探究教學模式能協助學生建立科學探究技能，包含學生學習、實做與解釋等能力。本研究的教案設計理念，是以 5E 探究教學模式來設計教學活動內容，期望能營造一個良好的探究學習環境，設計的活動內容能讓學生主動探究，讓學生有參與、預測、實驗、發問、思考、解釋…等機會，以提高學生的學習動機與興趣。. 五、5E 學習環相關實徵性研究國內外有關 5E 學習環的教學研究，如：國外 NRC 指出 Trowbridge 與 Bybee 的 5E 教學模式，在學習搜尋證據、操作與解釋等科學探究技能方面有助益於學生(Olson & Loucks-Horsley, 2000)；John 和 Shyoyer 則以行動研究的方式，研究人員在國小教室中將 5E 學習環的概念示範給教師。並將其應用在教學電路的問題方面，在學童成就中證明學習環的教學成功；Debbie 將學習環運用於中學的科學教育上，經由教師提問及學童討論、發現的過程，讓學童瞭解水的表面張力和附著力的概念。其結論發現學習環可適用不同主題，滿足不同程度學童需求，可使學童藉由分享學習經驗來發展更高層次的思考技巧(楊勝安，2003)。國內近幾年，也有愈來愈多教師採用用 5E 學習環來進行教學改進與研究，比如：陳裕方和李文德(2005)以 5E 建構式學習環教學與一般教學法探究「生鏽」概念改變成效之研究，獲得 5E 建構式學習環教學法對於學童學習後具有加強延長記憶效果，學童學習後能夠長久記憶而不易遺忘的結論。劉伊真（2008）在結合 KIE 與 5E 學習環對國小學童科學學習影響之研究─以「水中生物」單元為例之研究中，將網路討論區及網頁融入 5E 學習環教學模式，研究結果發現學生科學學習動機有顯著提升，同儕互動與知識交流增加。陳俊宏(2008)在以 5E 學習環教學模組探討國小學童之學習成效-以奈米科技議題為例之研究中，將 5E 教學模式應用於設計介紹奈米科技的課程設計，研 16.

(24) 究結果顯示，學生會主動探索與嘗試，並完成學習活動，活動過程讓學生在學習態度和學習保留都有顯著提升。曾燕玲(2006)則以 5E 學習環教學對國小六年級學童燃燒概念改變之研究，研究結果為 5E 學習環教學可以顯著增進國小學童在燃燒相關概念之學習成效。由此可知，5E 學習環教學法與其教學成效深受科學教師所肯定。. 五、小結綜合以上的文獻探討可知，5E 學習環強調實驗中實際操作及階段性概念介紹與理解，引導學生依據現有認知層次來建構學習知識，將新的認知與先備經驗結合成為完整的概念。教學設計可藉由 5E 學習環的教學策略，發展出具有階段性的教學歷程。因此，本研究採用 5E 學習環作為活動設計的教學策略，建構以探究為基礎的教學模組，讓教學設計依循 5E 學習環各階段進行課程設計並與系統化教學設計格式搭配應用，以助於整個研究計畫的進行。. 第二節系統化教學設計相關概念與研究教學是一個由學習者、教師、教材與學習環境等要素所構成的系統。在教學過程中，每一項要素都具有重要且影響深遠的作用。因此，若能將教學設計時運用系統化觀念，考量並重視各項要素作用及其之間的互動。有助於教學者在教學現場的掌握與學習者學習的情形（林秀芷，2010）。在系統化的架構中，亦能將教學理論的理念轉換為教學目標、教學內容、教學方法與策略以及教學評價等具體的設計環節，讓理論能夠具體地運用與實踐。本節分為系統化教學設計的定義、發展、模式及相關研究四部分說明。. ㄧ、系統化教學設計的定義設計是指在事件發生或演變之前有系統地規劃歷程，是一種計畫性的組織策略行為。而所謂教學設計指的是教師為達成一定的教學目標，對教學活動所進行的系統規劃、安排與決策。李宗薇（1993）將教學設計定義為「對教學的目標與 17.

(25) 學習者的特性，進行一系列分析、規劃、執行與評估的過程」。Smith 和 Ragan （1993）則認為教學設計是「描述教學系統規劃的過程」。總和上述，本研究將教學設計定義為「依據考量學習者特性所制訂的教學目標，有計畫地分析規劃並進行教學、評估成效的過程」。系統從技術層面來說是相關部分的集合，Oz（2001）認為系統是一些元件共同作業下，以組織性的方式來進行輸入、處理和輸出，來達到共同目標。系統是一組互動的元件，用以達成共同的目標，它包含了輸入、處理、輸出與回饋的機制。歸納整理以上國內外學者的論述，茲將系統解釋為「由各部分相關元件共同作業，有組織地進行輸入、處理、輸出與回饋的機制，以達到所預定的目標」教學可視為是一個由學習者、教師、教材與學習環境等要素所構成的系統。在教學過程中，每一項要素都具有重要且影響深遠的作用。在教學的系統中，牽涉到教師、學生、教材、教學方法、評量方式和環境互動等要素經由彼此互動出取得聯繫，整個系統依據回饋來認定是否達成教學目標。若未能達成則進一步修改以求目標達成（Dick & Carey, 2005）。系統方法便是根據系統理論，以系統分析為架構的問題解決方法（沈中偉，2005），具有邏輯性的方式來解決問題。而系統化教學技術，是一個分析教學問題、設計解決方法、對解決方法進行試驗、評量試驗結果、並在評鑑基礎上修正方法的過程，是一套具體的操作程序，直到解決問題的系統化歷程（張秀毓，2007）。美國教育溝通與科技學會（The Association for Educational Communications and Technology，AECT ）之定義與詞彙委員會（Definitions and Terminology Committee）對系統化教學設計的定義是：「系統化教學設計是對學習過程和資源的設計、發展、運用以及評鑑的理論和實務」（Gentry, 1991）。由此可知，系統化教學設計（Instructional System Design,ISD）是指主要依照教學理論、學習理論和傳播理論，進而運用系統科學的方法，對教學目標、教學內容、教學媒體、教學策略、教學評價等教學要素和環節進行分析、計劃所作出具體安排的過程。系統化教學設計在解決教學問題的過程中，採用系統、計畫性的分析、規劃、實做和評估的程序與方法。是一種以「目標導向」的教學設計 18.

(26) 方式，也是以「問題解決」為思考架構的方式（張霄亭等，2001）。因此本研究將系統化教學設計定義為「針對學習者訂立學習目標，運用系統方法規劃、進行教學，並進行評鑑與修正，每一環節都需要相互關連，力求審慎使教學過程中發生具體效應，達到佳教學方法和最佳學習效果」。. 二、系統化教學設計的發展系統化教學設計的理念緣起於二十世紀初，伯比特（Bobbitt）以應用於工廠中的工學程序，來研究課程科學化之課程編製。其所提出的任務分析（Task Analysis）影響了後來的「目標導向」（Objective-oriented）的教學設計模式，開啟了系統化教學設計模式的發展。（歐用生，1987）到 1930 年代，杜威（Dewey）在強調「學生中心」的理念下，根據學生的預期行為來敘寫教學目標，將科學化與系統化的概念運用到教育上，對系統化教學設計理念的發展影響深遠。1970 年代開始，葛雷瑟、蓋聶、席文（Silvern）等人結合任務分析、行為目標、效標參照測驗等理念，正式形成系統化教學設計立大學亦從的理念，發展第一個系統化教學設計的模式。而美國密西根州 1961-1965 年，參照系統方法執行「教學系統發展計畫」。至 1975 年，布蘭生等人受美國陸軍的委託，發展出「聯合軍種教學系統發展模式（Interservice Procedures for Instructional Systems Development, IPISD）。此模式雖以改善軍事訓鍊的效能為目的，然而它將教學設計分為分析、設計、製作、實行及控制五個階段，奠定系統化教學設計的基礎。到了 1980 年代，根據研究報告統計，已有 100 多種系統化教學設計模式，幾乎都是依循聯合軍種此套系統法則而來。在國內，坎普（J. Kemp）1988 年曾舉辦「系統化教學設計」的全國研討會後引起廣大討論。並受美國行為目標運動的影響，國內致力於推動行為目標的運用，以行為目標為核心的「新教學設計」模式。而九年一貫新課程中的能力指標，便依此行為目標的原則所訂定。然而因整體教學環境包括教師、家長及教科書製作者等，仍習慣於課程及知識為標準的架構。導致現今教學環境失調，許多環節無法能夠銜接。便有國內學者認為對於系統化教學設計在台灣還是有再推廣之需 19.

(27) 求與必要性（任慶儀，2010）。. 三、系統化教學設計的模式如同上述所提系統化教學設計在不斷的修改、研究下，至今已有超過上百種模式。以下便將國內較常用的四種系統化教學設計模式進行分析探討（一）. ASSURE 模式(Heinich, Molenda, Russell, & Smaldino, 2002). ASSURE 模式主要著重於實際教學情境中的媒體選擇與運用，教師如何利用媒體來進行教學策略（林秀芷，2010）。由字面所代表下列六步驟，如圖 2-2-1 所示      . A：分析學習者，Analyze Learners S：陳述教學目標，State Objectives S：選擇方法、媒體和資料，Select Methods、 Media and Materials, U：利用媒體和資料，Utilize Media and Materials R：要求學習者參與，Require Learner Participation E：評價和修改，Evaluate and Revise. 圖2-2-1. ASSURE模式分析學習者 (Analyze. 評量與修正. 陳述目標. (Evaluate and. (State Objectives). ASSURE 要求學習者參與. 選擇方法、媒體與教材. (Require Learner Participation). 運用媒體與教材. (Select Methods,. (Utilize Materials). 資料來源：Instructional media and technologies for learning, (pp.54), by R.Heinich, M.Molenda, J. D. Russell, & S. Smaldino, 2002, Columbus: Merrill/Prentice Hall.. 20.

(28) （二）. Dick 與 Carey 模式（Dick & Carey, 2005）. Dick 與 Carey 教學設計模式提供較完整明確的設計過程，並且隨時能夠修正，因此適用的範圍最廣、也是最常使用的模式（李明芬，1999）。其將教學設計歷程分為下列九個階段，如圖 2-2-2 所示 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9). 界定教學總目標(Instructional Goals) 教學分析(Instructional Analysis) 界定起點行為與學習者特性(Entry Behaviors and Learner Characteristics) 編寫學習目標(Performance Objectives) 發展測驗項目的準則(Criterion-Referenced Test Items) 發展教學策略(Instructional Strategy) 發展及選擇教學材料(Instructional Meterials) 設計及實施形成性評鑑(Formative Evaluation) 設計及實施總結性評鑑(Summative Evaluation). 圖2-2-2. Dick & Carey模式分析教學內容. 確定教學目標. 選擇製作教學媒體. 編寫具體學習目標. 發展標準參照測驗. 發展教學策略. 選擇製作教學媒體. 選擇製作教學媒體. 分析學習者起點行為與特性選擇製作教學媒體. 資料來源：Dick & Carey（2005）（三）. Kemp 模式(Kemp, Morrison, & Ross, 1996). KEMP 模式由十個「元素」（如圖 2-2-3）組成，包含（1）學習需求、教學目的、優先順序、限制；（2）主題、工作項目、一般性目標；（3）學習者特性；（4）主題內容、工作分析；（5）教學目標；（6）教學與學習活動；（7）教 21.

(29) 學資源；（8）支援服務；（9）學習評鑑；（10）預試。十個「元素」在排列上依邏輯順序，按時鐘方向排列，可由任一點開始此模型，再依實際需要繼續其後步驟。其可自任一階段開始，使用彈性大，多適用於大規模教育現場的課程設計（張霄亭、朱則剛、張鐸嚴、洪敏琬、胡怡謙、方郁琳、胡佩瑛，2001） Kemp模式如圖2-2-3所示. 計畫修正學習者特. 教學問題. 性. 任務分析. 教學目標. 總結性評鑑. 支援服務. 評估結果. 教學傳遞內容順序設計教學訊息. 教學策略. 專業管理. 資料來源：出自http://edtech.ntu.edu.tw/epaper/940110/prof/prof_1.asp. （四）. ADDIE 通用模式. ADDIE 教學設計模式是進入二十一世紀，最常應用在數位學習時教材設計的教學設計模式，其包含分析(Analysis) 、設計(Design) 、發展(Development)、實施(Implementation)、評鑑(Evaluation)五個階段，縱然目前已有上百種系統化教學設計模式，但仍是 ADDIE 的系統化教學設計模式為基礎而衍生的變化模式。其五大項目。整理如表 2-2-1 ADDIE 內涵架構表. 22.

(30) 表2-2-1 ADDIE內涵架構表步. 驟. 1. 分析. 內. 涵. 評定學習者要學什麼。確定教學目標、學習者分析、教學內容分析和學習環境分析等. (Analysis) 2. 設計. 考量學習者要怎麼學。編寫教學目標、規劃學習內容並設定可信及有效的評鑑工具等. (Design) 3. 發展 (Development) 4. 實施 (Implementation) 5. 評鑑 (Evaluation). 如何編制教學材料。發展教學策略、開發教學教材以及製作教學媒體。進行教學內容的傳授。實施教學活動、運用教材建置學習環境等。考核學習成果或教材品質。包含形成性與總結性評鑑，形成性評鑑可以檢視是否需要要修正教材或教學；總結性評鑑則經由多元評量來評斷是否達到預期的學習成效。而評鑑與上述個環節是相互聯繫的關係。. 由於 ADDIE 模式主要架構只分為五個基本步驟與流程，十分簡潔明確，因此常運用於講求精簡高效率的企業教育訓練課程。ADDIE 模式一般被認定為線性的教學，但學者 Michael 認為其實際運用應屬於環環相扣、相互為用的，如圖 2-2-4 所示，各個步驟間交互相關運作，尤其是評鑑階段應是發生在階段中的每一要素，以系統化觀點來審視，其亦具備整體性循環的型態（趙美聲，2002）。圖2-2-4. ADDIE模式分析. 設計形成性評量發展. 實施. 總結性評量. 23.

(31) 四、教學設計之相關研究研究者根據有關於「教學設計執行現況」之文獻，整理出教學設計無法實際運用之問題及需要改善項目。研究者將所收集相關資料作為建置 5E 系統化教學設計之參考。相關整理文獻如表 2-2-2 所示表2-2-2 研究者. 馮國鈞. 蔡淑惠. 許朝信. 吳志柔. 教學設計執行現況相關文獻表. 年份. 2006. 2004. 2002. 2004. 研究架構. 結論與發現. 大學教師執行教學設計之個案研究. 以問卷調查的方式探討大學教師執行教學設計的程度，執行程度高的階段為「分析」和「設計」，最低的階段為「評鑑」。評鑑部份以「總結性評鑑」之執行程度為較高，而較不執行「形成性評鑑」。. 台北市國民小學教師教學設計執行現況之調查研究. 以問卷調查的方式，瞭解教師使用教學設計的現況與困難；以實施階段執行程度最高，評鑑階段執行程度最低；多數的教師表示無法完全執行教學設計之最大原因是沒有足夠的時間，而教師認為重要但不知如何進行的項目為學習目標的訂定與編寫、教學策略的設計。. 國小教師課程設計能力之研究. 以問卷調查方式瞭解公立國小教師教學設計現況。整體國小教師之課程設計能力程度比中度稍高，顯示仍有相當大的進步空間。各能力層面高低而言，最高為「課程目標訂定」，其餘各層面次第分別是「課程實施」、「課程選擇」、「課程組織」及「課程評鑑」。. 國民小學教師課程設計能力與其自我效能關係之研究. 以文獻分析及問卷調查法為主，探討國民小學教師課程設計能力與自我效能間的關係。研究結果發現國民小學教師課程設計能力與自我效能整體均屬於中上程度。在「課程組織」及「課程評鑑與研究」兩向度的能力，仍有待加強。教師課程設計能力與自我效能間的關係，呈現顯著的「正相關」（r＝.71）。 24.

(32) 表 2-2-2（續）. 楊斐如. 簡文娟. 蔡英姝. 林霓岑. 2001. 國民中小學教師自我導向專業發展之研究－－以九年一貫課程試辦為例. 採用問卷調查輔以訪談的方法分別自九年一貫課程試辦階段教師專業發展現況，與教師自我導向專業發展之動機、需求、資源、誘因、影響因素及途徑等層面提出結論。. 2001. 以文獻分析及問卷調查法為主，發現多九年一貫教改對國數教師認為沒有足夠的時間與能力自中教師的影響與因編教材。政府對家長、教師的宣導都還應之道---以基北區不足夠。班級人數過多、升學壓力大、 14 所自然與生活科學生主動學習意願不高、缺乏設計教材技教師為例及備課時間等，都是教師們所遇之問題。. 2002. 九年一貫課程教師專業能力之相關研究. 採用問卷調查發現現階段國中小教師之「整體專業能力」、「課程能力」、「教學能力」、「評量能力」屬於中等程度；但在「專業能長能力」上則大幅偏高。國小教師在「整體專業能力」、「課程能力」、「教學能力」、「評量能力」、及「專業成長能力」上均顯著高於國中教師。長期研習時數教師在「整體專業能力」上，顯著高於中期與短期研習時數教師。. 國民小學教師設計統整課程之研究. 以兩位國小六年級教師為對象，以訪談、教室觀察、文件蒐集等方法，探討教師設計統整課程的歷程、思考層面，及相關影響因素。發現影響教師統整課程設計的因素有：教師意願、充足的時間、學習成果、印證統整概念、獲得新觀念的交流經驗. 2000. 研究者分析文獻後整理出下列幾點教學設計現況分析項目。. （1）教學設計之執行程度以實施、設計表現較佳，而分析、發展及評鑑部分仍有改善的空間。許朝信（2002）、蔡淑惠（2004）. （2）執行教學設計時的困難與問題，以沒時間為最大的限制。時間是課程設計的關鍵因素，對國民小學教師來說，往往沒有足夠的時間來設計課程，也 25.

(33) 沒有足夠的時間與其他教師進行課程討論。林霓岑（2000）、吳志柔（2004）. （3）教學設計分析部分則以資源分析較佳，至於學習對象在文化背景分析較少著墨；教學內容分析大都習慣以教科書內容為主，自行設計修正執行方面有時間、課程進度壓力限制較難達成。蔡英姝（2002）、楊斐如（2001）. （4）教學設計之設計部分以教學時間與順序的掌握較理想，而教學策略與學習目標的訂定與編寫仍有改善的空間。蔡淑惠（2004）、楊斐如（2001）. （5）教學設計發展部分較常利用現有的教學媒體與評量工具，自行研發方面同樣也是具有時間、課程方面的壓力。蔡淑惠（2004）、簡文娟（2001）. （6）教學設計實施部分較為理想，大都能夠根據學生的反應與回饋進行調整修正。至於在課堂中評估何時適合進行測驗評量是比較需要改善的項目。吳志柔（2004）、蔡英姝（2002）. （7）教學設計評鑑部分是教學設計各部分較為薄弱的地方，教師大都會進行總結性的評量，評量方式以紙筆測驗居多。而在形成性及多元評量方面則較為薄弱。其中多元評量的執行困難亦同於前幾項，為在時間上的限制。蔡英姝（2002）、楊斐如（2001）. 五、小結李宗薇（1990）認為每一種教學模式各自有其優點及不足，不同模式適用於相對應的學習環境，因此研究者在分析各類系統教學設計模式的內容後，認為 ADDIE 的系統教學設計模式較符合做為融入 5E 學習環教學設計模式。因其 ADDIE 教學模式五個階段能與教案架構彈性搭配，其細分九項步驟亦使教案內容詳盡（張慧雯，2005）。不僅重視教學前分析及其後之評量，更在各階段活動中，仍持續回饋修正的工作，具備較佳的應用性，產生理想的學習結果（李宗薇， 1990）。李華隆（2004）與張慧雯（2005）分別利用 ADDIE 的系統教學設計模式進行課程設計，經實際教學後，在內容豐富性、組織性皆受到師生普遍的肯定。因此，本研究決定採用 ADDIE 的系統教學設計模式來進行 5E 系統化教學設計的發展。 26.

(34) 第三節國小自然『簡單機械』槓桿相關概念一、簡單機械具備省力或省力特性的人造工具稱之為「機械」。人們使用機械以達到省力、或省時(減少耗時)、抑或方便操作(施加的力轉變為最有用的形式)的目的。由簡單工具所形成的機械稱之為簡單機械。生活中常見的簡單機械為槓桿、輪軸、滑輪、螺旋以及斜面等。日常生活中許多器具即運用了槓桿、輪軸和滑輪加以設計，使生活更便利、更省力。在設計課程教案時，本單元以日常生活中相關器具為例，讓學生經由操作與探討方式來學習簡單機械槓桿原理. 二、最簡單的機械—槓桿在日常生活中，隨時都能發現許多應用槓桿的事物。比如剪刀、開罐器、鉗子、指甲刀、螺絲起子等，這些槓桿有些省力的，也有部分是省時的。以下是針對槓桿相關名詞所做的整理與說明表2-3-1 槓桿相關名詞整理表名. 稱. 說. 明. 槓桿. 凡是可繞一固定點而轉動的硬棒，皆可視為「槓桿」。. 支點. 槓桿轉動時所繞的固定點。. 施力與施力臂. 作用於槓桿上的力，稱為「施力」。而施力的作用線到支點的垂直距離，稱之為「施力臂」。. 抗力與抗力臂. 槓桿所受阻力，稱為「抗力」。抗力的作用線到支點的垂直距離，則是「抗力臂」。. 槓桿原理的定義為當槓桿保持靜止平衡狀態時，其所受順時鐘方向的力矩與逆時鐘方向的力矩大小相等。此關係稱為槓桿原理，公式如下公式：d 施×F＝d 抗×W. （d 力臂距離、F 施力、W 抗力）. 槓桿亦可以根據支點、施力點、抗力點的相關位置區分成下表中三類，如表 2-3 -2 所示 27.

(35) 表2-3-2 槓桿的種類與特徵種類. 特徵. 第一類槓桿. 1.支點位於施力點與抗力點之間。 2.需考量施力臂與抗力臂的距離來決定其為省力或是費力槓桿 3.蹺蹺板、剪刀、船槳和板手…等即屬此類槓桿。. 第二類槓桿. 1.抗力點位於支點及施力點之間。 2.施力臂長度較抗力臂長，所以皆屬於省力槓桿。可以用較小力量舉起或移動較重的物體 3.手推車、胡桃鉗、榨汁器…等即屬此類槓桿。. 第三類槓桿. 1.施力點位於支點及抗力點之間。 2. 施力臂長度較抗力臂短，故皆屬費力槓桿。需用比重物大的力量來舉起或移動的物體。但能增加施力所推動物體的速度，所移動物體的距離較第二類槓桿所移動的距離遠。 3. 鑷子、筷子、掃帚…等即屬此類槓桿。. 三、國小教科書之『簡單機械』概念分析研究者依照 99 年度現行國民小學自然課程有關簡單機械槓桿概念之教材內容進行分析，將教科書各版本有關簡單機械槓桿概念之單元內容加以分析整理。再從各版本課程中綜合整理簡單機械槓桿相關之教材與課程內容項目，作為 5E 系統化教學設計編製之參考。為了解本單元在各版本的編排情形，首先比較國內各版本國小課程教科書中「簡單機械」相關概念編排所在的年級與冊別，以及從九年一貫「自然與生活科技」領域的課程綱要(教育部，2003)中整理出與槓桿概念有關之教材內容，如表 2-3-3、2-3-4 所示：表2-3-3現行國民小學各版本教科書相關於簡單機械槓桿概念單元一覽表版本. 年級. 冊別. 單元. 單元名稱. 南一. 三上. 一. 二. 力的作用. 六下. 八. 一. 巧妙的施力工具. 四上. 三. 四. 運輸工具與能源. 五上. 五. 一. 力與運動. 六下. 八. 一. 簡單機械. 四下. 四. 一. 有趣的力. 康軒. 翰林. 28.

(36) 表 2-3-3（續）. 牛頓. 六下. 八. 一. 生活中的力. 六下. 八. 二. 簡單機械. 三下. 二. 二. 生活中的力. 五下. 六. 四. 力的世界. 六下. 八. 一. 簡單機械. 表2-3-4 九年一貫課程「自然與生活科技」領域與槓桿概念有關之教材內容細目表課題、主題、次主題. 主要內容. 教材內容細目. 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. 壓力物體的位置 ˙課題：自然界的作用 ˙主題：改變與平衡 ˙次主題： 215 運動與力. 時間測量平衡與不平衡摩擦力的影響速度變化平衡力的作用形式摩擦力力與運動量的改變. ˙課題：生活與環境 ˙主題：. 簡單機械. 2a.知道物體受力大小可由形變程度得知(例如彈簧拉長、球被壓扁)。 2b.利用壓力可以推動物體(例如用筆管吹紙團、擠壓裝水的寶特瓶)。 2c.知道要表達物體的「位置」，應包括座標、距離、方向等資料。 2d.察覺規則性的運動可用來測量時間及方向 (例如日影的改變)。 3a.察覺物體受好幾個力的作用，仍可能保持平衡靜止不動。 3b.實驗發現槓桿原理 (例如利用翹翹板懸掛不等重的東西)。 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。 3e.察覺施力可使物體運動速度改變。 4a.察覺力矩會改變物體的旋轉運動。 4b.知道靜止的物體所受合力為零、合力矩為零。 4c.了解槓桿原理是力矩作用的結果。 4d.知道若以作用形式分，力可分為接觸力和超距力。 4e.探討影響摩擦力的因素。 4k.探討物體受力時，運動量改變的現象。 4l.知道物體做加速度運動時，必受力。 3a.知道日常生活中常利用簡單機械(例如槓桿、滑輪、鏈條、皮帶、齒輪、輪軸等)來做事。 29.

(37) 表 2-3-4（續）生活科技 ˙次主題： 412 機械應用. 簡單機械的原理. ˙課題：永續發展 ˙主題：創造與文明 ˙次主題： 530 設計與製作. 3b.知道鏈條、皮帶、齒輪等裝置可以傳送動力。 3c.知道可利用流體傳送動力。 4b.知道簡單機械(槓桿、滑輪、輪軸、齒輪、斜面)的工作原理，並能設計實用的裝置或玩具。 2a.分析需求；2b.圖文表達； 2c.選用材料；2d.改善機能。 3a.考量資源；3b.變化形式； 3c.使用機具；3d.加工處理。 4a.製作模型；4b.規劃製作程序； 4c.測試與調整；4d.改良技術。. 編碼說明：各次主題下之細目編碼：1 代表國小一、二年級、2 代表三、四年級、 3 代表五、六年級、4 代表國中一、二、三年級。a、b…為流水號。例如：110-1a 為次主題 110 下之第 1 階段(一、二年級)a 項教材「察覺環境中有…」。研究者將我國現行「自然與生活科技」課程，各版本有關簡單機械概念之單元整理如表 2-3-1。而為了更深入了解其所欲達成單元目標或概念，再以各版本列於表 2-3-5，以做為更深入的探討依據。版本南一. 翰林. 年級冊數三上. 單元單元名稱第二單元力的作用. 六下. 第一單元巧妙的施力工具. 四下. 第一單元有趣的力. 單元目標或概念 1.由生活經驗察覺物體受力的變化。 2.由學習活動指出如何分辨力的大小和方向。 3.學習磁鐵有磁力，磁力也有大小和方向性。 4.透過實驗操作，察覺物體在水中，會受到浮力的作用。 1.藉由早期的桿秤了解施力臂與抗力臂的長短和省力、費力相關。 2.設計實驗槓桿原理中省力與費力的解釋。 3.觀察發現滑輪、輪軸和齒輪等生活中施力工具都是槓桿原理的應用，並了解其省力、費力的關係。 4.由腳踏車的輪軸和齒輪的組合，了解腳踏車的機械功能。 1.由實做察覺力的存在、及力可使物體的形狀改變，也能使物體運動狀態改變。 2.在實驗中察覺力有大小區別及方向的特性。 3.運用創造力，設計測量力的方法及完成應用「力」的玩具。 4.察覺浮力所產生的現象，及生活中的應用。 30.

(38) 表 2-3-5（續）. 康軒. 牛頓. 六下. 第一單元生活中的力. 六下. 第二單元簡單機械. 四上. 第四單元運輸工具與能源. 五上. 第四單元力與運動. 六下. 第一單元簡單機械. 三下. 第二單元. 1.生活中有各種不同的力存在，探討力的大小對物體的形狀和運動快慢的影響，及利用時間或距離等操作變因，來描述物體運動的快慢。 2.由物體受到地球引力掉落地面，了解物體重量即物體所受到的重力。 3.利用物體受力形變原理，得知力是可以測量的。 4.操作拔河遊戲，理解受力的大小及運動方向。以及兩力平衡時，兩力大小相等，方向相反。 5.由實驗察覺摩擦力會影響運動，而摩擦力的大小與接觸面的材質有關，並發現生活中摩擦力的應用。 1.實作體會槓桿原理，了解施力臂與施力關係及應用於生活中的工具。 2.實作認識輪軸是一種槓桿的應用，了解施力在輪與軸上的差別及認識歸納生活中省力與費力的輪軸工具。 3.利用實驗認識滑輪裝置，了解定滑輪、動滑輪的差異性與組合。 4.透過實驗了解齒輪可進行動力傳送，腳踏車的動力傳送方式及簡單機械結合科技為人類帶來便利。 1.認識運輸工具的構造，以及輪子的共同性和功能。 2.認識運輸工具的構造，並學習製作動力玩具車。 3.認識生活中常見的能源，並學會節約能源。 1.體驗觀察理解力的形式、作用力的大小可以改變物體的形狀或運動情形，並知道力與重量的關係。 2.學習測量力的大小，並設計圖表來記錄測量結果與表示力的大小。 3.透過拔河比賽，認識兩個力同時作用的情形。 4.察覺摩擦力會受到物體接觸面材質的影響，進而影響物體運動速度的快慢。察覺生活中應用摩擦力，可以使生活更便利。 5.運用時間和距離來描述物體運動的快慢。 1.認識生活中的各種機械原理與作用。 2.藉由實驗，知道槓桿原理達到省力或使工作方便、省時的效果。 3.知道滑輪可以改變施力的方向，也可以省力。 4.知道輪軸可以省力，以及輪軸的應用。 5.知道齒輪、鏈條、皮帶和流體如何傳送動力。 1.知道物體受力的大小可從運動狀態、形狀改變 31.

(39) 表 2-3-5（續）生活中的力五下. 第四單元力的世界. 六下. 第二單元簡單機械. 而得知。 2.認識彈力、浮力、磁力的作用及生活中的應用。 3.認識力在生活中的應用及人類的貢獻。 1.透過觀察實驗，察覺力的大小可由形變或運動狀態改變的程度來度量 2.透過實作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 1.透過操作認識槓桿原理。 2.透過操作、討論，認識輪、輪軸和滑輪等簡單機械。 3.透過實驗，察覺動力可以經由齒輪、鍊條等傳送。 4.透過觀察、操作，察覺許多巧妙的工具常是簡單機械原理的應用，並能把學習到的簡單機械原理應用於生活中。. 表2-3-5 各版本教科書有關簡單機械概念單元名稱及摘要目標一覽表有關各版本教科書之比較結果，簡要說明如下： 1、單元順序編排方式：各版本差異不大，單元順序皆由易至難、活動設計類型大都相近但各自有其特色。值得一提的是單元在年級方面的配置差異頗大，若改採用不同版本時如轉學生，將會有銜接方面問題。 2、能力指標數目差異度高：各版本編寫教材時因不同考量而造成在能力指標次數上差異，雖不影響到課程安排與學生學習情形。但過多或不明確（無法切重單元主要目標）的能力指標，將使教學者在運用及參考上造成紛亂無法組織化的情形（任慶儀，2007）。大幅減低能力指標的功能與美意。 3、學科知識內容的深度、廣度及教學策略有所差異：版本間教材編排模式與教學策略的差異對於教學者在實施教學有一定的挑戰，教學者必須深入理解教材採用的教學策略，才能充分發揮教材內容（許雅婷，2008）。但教材內容編排及策略的差異，則可能產生教學者調適與版本間的銜接問題。. 32.

(40) 四、小結依據上述文獻資料得知，「簡單機械」的教學需要由槓桿原理為基礎，循序漸進轉化為輪軸與滑輪等簡單機械；學童需經過階段性的實作與推理形成概念，並由生活中現成用具延伸支持新的想法（賴燕慶，2007）。而 5E 學習環以學生為中心的五階段教學策略能夠符合搭配「簡單機械」的學習類型。本研究將採用翰林版「簡單機械」單元作為研究的課程內容參考，並搭配 5E 學習環教學策略以及 ADDIE 系統化教學設計模式，進行教學內容與格式的設計。. 33.

(41) 34.

(42) 第三章研究設計與方法本研究聚焦九年一貫自然與生活科技的課程設計模式，探討如何利用 5E 學習環教學策略融入 ADDIE 系統化教學設計格式，發展出國小高年級 5E 學習環系統化課程設計。並檢視所發展出的 5E 系統化教學設計模式，作為自然與生活科技課程發展之教學設計模式的可行性。全章共分六節，第一節研究方法，第二節研究場域、對象與人員，第三節研究架構與教材設計，第四節資料蒐集與分析，第五節研究歷程，第六節研究信度、效度與研究倫理。各節內容分別詳述如下：. 第一節研究方法本研究按照理論與實務部分，分別採用文獻探討與行動研究進行。以下針對研究實務部分所採用之行動研究（action research）做一介紹。「行動研究」一詞由美國社會心理學家勒溫（Lewin, K.）於 1930 年代所提出，用於鼓勵社會工作者運用研究來促進社會的改變。行動研究為教師針對自己實際教學進行研究並證驗假設，以期改善並增進教學專業，是教師專業發展的重要方式（歐用生，1999）。教師以實務研究者角色關注教育問題，先蒐集有效資料，來省思、改進其所關注的問題，以改善實務的教育情境，促發自我省思與專業成長（吳明隆，2001）。本研究旨在設計 5E 系統化教學設計，將 5E 學習環教學策略與系統化的設計模式融入教學設計中，建構出符合九年一貫理念之教案設計。經由行動研究的觀察、討論、評估與持續性反省，在研究歷程中不斷的檢討、修改、創造，進行教學課程之設計，以達成教師專業成長的目的。由此可知本研究與行動研究之理念契合。本研究旨在探討教師實施 5E 系統化教學設計之應用成效及如何調整教學策略、方法，以促進教學實務之成長。因此研究者認為本研究類屬行動研究的技術模式。研究者身為第一線教師，發現到教學中對於教科書提供課程設計無法與實際 35.

(43) 教學相符合及便利地運用，而演變為教學者只採用自己原有的教學策略，無法獲得專業上的成長。故期望能以行動研究發展高年級自然與生活科技的 5E 系統化課程設計；在實施過程中，研究以實踐課程發展的整個歷程，解決切身的問題。研究結果亦可作為自身省思、改進、修正的參考。本研究計畫屬於發展性的，研究者在行動中力求現狀問題之解決，使研究和行動不斷循環改進，以期獲得專業的成長與發展出適用的課程設計模式。. 第二節研究場域、對象與人員本節針對本行動研究進行之場域、對象與人員詳加介紹，內容如下：. 一. 研究場域研究者與研究對象國小位於彰化縣靠近海邊的一所小學，自民國三十年創校迄今，已有七十一年歷史，屬於老社區中之舊學校。學區內家長大多從事漁業及商業，家長社經地位多屬中下階層。而校內教師，由於本校地理位置處於鄉間偏遠之處，前十年教師流動量大，因此教師大都為教學經驗十年內教師；學校教師平均年齡約在三十三歲左右。學校每學年班級數在二至三班，全校班級數計有普通班十五班，幼稚園一班。由於學校校舍較為老舊，目前北棟大樓正在進行校舍拆遷及改建之工程。由於目前學校北棟大樓正在進行校舍改建工程，除了電腦教室外，所有專科教室均改為級任教室。研究者進行自然科教學時，除了於級任教室作一般教學外，也常利用教室內投影機與電腦進行教學與示範操作。如圖 3-2-1 是級任教室之平面配置圖。. 36.