整合式實驗教學在普通物理實驗教學的初探— 以「RC/RL基本交流電路實驗」為例

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國立臺灣大學理學院物理學系暨研究所碩士論文

Department of Physics College of Science

National Taiwan University Master Thesis

整合式實驗教學在普通物理實驗教學的初探—

以「RC/RL 基本交流電路實驗」為例

Exploring Integrated Laboratory Instruction for General Physics Experiments

^—

A Case Study of RC/RL Circuits

蕭民健

Min-Chien Hsiao

指導教授：傅昭銘博士 Advisor: Chao-Ming Fu, Ph.D.

中華民國 100 年 7 月

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誌謝

能完成這篇論文，我要特別感謝我的指導教授－傅昭銘老師，因為教授的指導與修正才能讓我在研究中遇到困難時能順利解決，並掌握研究方向及進行研究。每次的討論，教授總是能提出精闢見解，讓學生獲益良多。我的好友-得光，

感謝你一路的幫忙，才能有今日的時刻，謝謝。在實驗研究過程中感謝普物實驗專任助教宥任與蕙雅的指導與協助，旻峰學長適時提出意見及幫忙，而其他實驗室成員芷吟、明峰學長、兆文學長、彣鈺、靜雯、嘉偉等都在我研究過程適時給我建議、支持與協助，另外還有智同學偉的陪伴，共度了艱難的時刻。口試過程中受到許多人的幫助，無法一一道盡我對大家的感謝，總而言之感謝每一位曾經給予我協助的人，『謝謝大家』!進修過程中受到任教學校同事的幫忙，由於他們的協助，讓進修能更加順利。

最後要感謝的，是在進修過程中給予最大支持與包容的老婆-芊卉，辛苦照顧整個家庭讓我無後顧之憂的完成學業，真的要對妳說謝謝妳的陪伴，感謝妳。還有我們家的開心果-凱懋，總是帶給我歡樂的泉源。以及我的爸媽與家人，一直支持著我，謝謝你們。論文能夠順利完成，真的要謝謝每位協助的人，最後再次對你們說：「謝謝你們」。

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中文摘要

本研究主旨在設計符合國內情境需求的整合式實驗教學，以「RC/RL 基本交流電路實驗」為實驗主題，設計兩種整合式實驗教學模式：「操作技能訓練實驗- 引導式探究實驗-開放式引導探究實驗」及「操作技能訓練實驗-驗證式實驗-開放式引導探究實驗」。在實驗儀器方面使用ELVIS 系統取代一般儀器。主要目的探討此兩種教學模式對學生的學習成效（包含科學概念、儀器操作、問題解決、設計實驗）之影響，及比較兩種教學模式對學生學習成效之差異，最後瞭解學生對整合式實驗教學的接受程度、ELVIS 系統的接受程度。

研究對象以修習同一門普通物理學的學生共 74 人進行分組教學，分別施以不同的整合式實驗教學。利用問卷、成效測驗前後測、教室錄影、實驗記錄學習單等研究工具收集相關資料進行分析。

研究結果如下

（一）整合式實驗教學模式

根據Dick & Reiser（1989）提出的有效教學模式進行教學設計，及前導教學探討的結果，設計兩種整合式實驗教學模式：

（1）第一種：儀器訓練實驗-驗證式實驗-開放式引導探究實驗

（2）第二種：儀器訓練實驗-引導探究式實驗-開放式引導探究實驗

（二）兩種整合式實驗教學在提昇學生的學習成效上效果顯著。

（三）不同的整合式實驗教學在提昇學生的學習成效上效果相當，無顯著差異。

（四）學生對使用ELVIS 系統進行實驗的感受與意見。

（1）ELVIS 系統能引起學生注意力及讓學生想要動手做實驗。

（2）ELVIS 能讓學生感覺容易操作且方便進行實驗。

（3）有八成學生比較喜歡使用ELVIS 系統進行實驗。

（4）學生覺得先熟悉ELVIS 操作對實驗是重要的。

（5）學生覺得第一次實驗ELVIS 學習課程是必要的。

（6）五成學生有信心使用ELVIS 測量電路元件性質，及不害怕操作儀器。

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（2）學生覺得教學者的引導與講解是有助於學習的。

（3）學生能瞭解實驗步驟的意義，及實驗傳達的電學概念。

（4）小組的討論能幫助課程學習。

（5）對於第二次實驗課程，A 組學生喜歡驗證式實驗，B 組學生則有部分學生喜歡探究式實驗，另一部份學生喜歡驗證式實驗。

（6）整合式實驗教學能讓學生學習分析數據、圖形能力，培養探究能力，提昇學習成效，並探討未知電路元件的性質。

（7）學生喜歡整體實驗安排。

（8）學生在整合式實驗教學的收穫最多為電學概念相關性質瞭解及學會 ELVIS 操作。此即符合實驗教學設定的目標。

關鍵字：整合式實驗教學、ELVIS 系統、RC/RL 基本交流電路實驗。

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ABSTRACT

The aim of the study was to design an integrated laboratory teaching system meeting the context in Taiwan – taking RC/RL basic AC circuit as the topic to design two integrated laboratory teaching models, including “manipulation skill training experiment – guided inquiry experiment – open guided inquiry experiment” and

“manipulation skill training experiment – confirmatory experiment – open guided inquiry experiment.” ELVIS was used to replace traditional instrument. The main purpose was to explore the learning effects of the two teaching models on students, which included the influences of scientific concepts, instrument manipulation, problem solving, and experiment design on the students. In addition, the study also compared the differences between students’ learning that the two teaching models caused to realize the degrees students could accept about integrated laboratory teaching and ELVIS.

Seventy four students attending the same general physics course participated in the group instruction of this study. All the data were collected and analyzed by a

questionnaire, pre-test and post-test of learning effects, video recording at classroom, and experiment recording learning sheets.

The results were as follows:

I. Integrated Laboratory Teaching Models

The two integrated laboratory teaching models were designed according to the effective teaching model by Dick & Reiser (1989):

i. Instrument-training experiment - confirmatory experiment - open guided inquiry experiment

ii. Instrument-training experiment – guided inquiry experiment - open guided inquiry experiment

II. The two integrated laboratory teaching methods had significant effects on improving students’ learning.

III. There was no significant difference between the two integrated laboratory teaching methods on improving students’ learning effects.

IV. Students’ feelings and opinions about ELVIS

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iii. Eighty percent of the students preferred to conduct experiments by ELVIS.

iv. Students felt it important to be familiar with ELVIS before conducting experiments.

v. Students felt it necessary to learn ELVIS for the first experiment.

vi. Fifty percent of the students had confidence of using ELVIS to measure the nature of circuit elements and not being afraid of operating

instruments.

V. Students ‘feelings and opinions about integrated laboratory teaching

i. Students felt that the first instrument learning course was helpful for experiments; besides, they would be more familiar with the manipulation of ELVIS after the teacher’s lecturing.

ii. Students felt that the instructor’s guidance and lecture were helpful for learning.

iii. Students could understand the meaning of the steps of experiments and the electricity concepts the experiments conveyed.

iv. Group discussion could enhance learning.

v. About the second experiment, A group students preferred confirmatory experiments, while for B group students, some of them preferred

inquiry-based experiments, others preferred confirmatory experiments.

vi. Integrated laboratory teaching could help students learn the ability of analyzing statistics and graphs, cultivate the ability of exploration, enhance learning effects, and investigate the nature of unknown circuit elements.

vii. Students liked the entire experiment arrangement.

viii. What students gained most in the integrated laboratory teaching included the understanding of electricity-related concepts and the manipulation of ELVIS, which was the goal of this teaching design.

Key words: Integrated Laboratory Instruction , ELVIS, RC/RL Circuits

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第壹章緒論

本章共分為五節，主要說明研究背景與動機、研究目的、研究問題、研究範圍與限制，並針對本研究中所提及之重要名詞加以定義與解釋。

第一節研究背景與動機

實驗教學是科學教育的主要特色，其重要性與必要性一直被科學教師或科學教育專家所接受與推廣。科學包括高度抽象及複雜的主題，學生經由操作實驗才能更瞭解科學。實際之經驗能增進技能發展而能引起科學學習的興趣（Tamir，

1976；引自林秀蓁，1995）。普通物理學實驗是一門重要的基礎課程，培養學生科學探究的能力，藉由實驗建立與強化物理概念，對學生科學態度的養成、技能與思考的訓練有著非常重要的作用。

建構主義是一種討論知識論的理論。建構主義教學觀主張知識是建構而來，

視學習者為能夠主動建構知識的認知主體，重視學習者的自然想法與先備經驗，

認為學習者的知識成長乃是一種「質」的改變。因此學習是一個主動建構知識的過程，學習者在學習歷程中，以自己既有的概念為基礎，建立學習意義，主動地參與知識的社會建構，而不是被動地接受已結構好的知識包裹（甄曉蘭，1997）。

美國國家研究委員會（National Research Council，〔NRC〕，1996）近年來所擬定的國家科學教育標準（National Science Education Standards）中，強調科學探究是科學重要內涵，主張從幼兒教育開始就應該將從事科學探究能力與認識科學探究相關知識列為科學教育重要的內容（NRC，1996）。

一般普通物理學實驗教學以教學者為中心，將實驗目的、原理、儀器等知識進行單方向傳輸，學生再依據既定的實驗手冊進行實驗，只求做出與物理知識相符的實驗結果，忽略實驗的探究過程學習，並且在課程規劃、時間等種種限制下，

進行的驗證式實驗教學顯然無法有效達成實驗教學的目標。Tobin（1990）指出學生常常在不瞭解實驗活動的真正目的下進行實驗。要讓學生進行實驗活動的時

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缺點與限制，導致學生學習成效低，實驗後仍無法瞭解電路元件的特性，電學概念無法建立並應用在日常生活中，在學習興趣方面亦未能產生正面的影響。因此，

教師必須擺脫一般的教學思維，將教學者與學生是教學與學習的機器關係重新思考，體認教師與學生均應該是有思考能力的個體。教師要不斷檢視教學內容與方法是否達到教學目標，並融入新的教學理論，培養學生主動學習的精神，使其在適當的教學環境中，進行科學探究與思考，逐步建構科學概念與實驗技能。

Dick & Reiser（1989）提出有效教學模式（Effective Instruction），Reiser 以為教師應知的教學設計原理與步驟有四：（引自李宗薇，1997）

一、擬定明確的教學目標。

二、根據所定之教學目標，策劃適當且相關的教學活動。

三、根據教學目標、教學活動，設計發展相符的評量方式。

四、根據上述評量結果，修正教學內容或教學活動。

綜合以上所述，在現今各階段科學教育不斷進步的同時，大學實驗教學更應當突破一般教學方式與內容。國外許多大學針對普通物理實驗教學進行教學法、

實驗主題、實驗課程規劃等方面改進，反觀國內較少對普通物理實驗教學改進的相關研究。研究者嘗試以 Dick & Reiser（1989）提出的有效教學模式設計整合式實驗教學模式，以RC/RL 基本交流電路實驗為例，探討其教學成效，並提供整合式實驗教學策略上的建議給教育界先進們進行實驗教學時作為參考。

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第二節研究目的

根據前述的研究動機，本研究之目的如下：

一、設計兩種整合式實驗教學模式，提昇普通物理實驗教學的成效。

二、探討兩種整合式實驗教學模式對學生在RC/RL 基本交流電路實驗的學習成效之影響及其差異。

三、探討學生對兩種整合式實驗教學的感受與意見。

四、探討學生對於使用ELVIS 系統進行實驗的感受與意見。

第三節研究問題

基於上述研究目的，待答問題如下：

一、兩種整合式實驗教學模式為何？

二、兩種整合式實驗教學對大學生在「RC/RL 基本交流電路實驗的學習成效」上的影響及有無差異？

三、學生對兩種整合式實驗教學的感受與意見為何？

四、學生對於使用ELVIS 系統進行實驗的感受與意見為何？

第四節研究範圍與限制

本研究的範圍與限制如下：

一、本研究探討的內容為普通物理實驗中的RC/RL 基本交流電路實驗。

二、由於研究實施方便，本研究選取臺灣大學修習同課程普通物理實驗的學生為樣本，基於人力與物力的限制，無法進行大範圍的樣本研究。

三、本研究只探討整合式實驗教學在RC/RL 基本交流電路實驗的教學成效，及兩種整合式實驗教學模式之間的成效差異。

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第五節名詞解釋

一、整合式實驗教學

研究者所提出新的教學模式，以建構主義教學觀為基礎，以 Dick & Reiser

（1989）提出的有效教學模式進行教學設計，融入下列內涵：（1）以學生為學習主體、（2）整合的意義是為了達到最終的教學目標，整合的項目是多元的，包含實驗主題、實驗類型及實驗工具的整合。接著進行兩次前導教學探討的測試與修正，最後針對RC/RL 基本交流電路實驗提出兩種整合實驗教學模式，包含實驗教學一：實驗儀器訓練教學-驗證式實驗-開放式引導探究實驗及實驗教學二：實驗儀器訓練教學-引導探究式實驗-開放式引導探究實驗），詳細內容見第貳章。

二、一般實驗教學

現行普通物理實驗採行的教學模式。實驗前，教師將實驗內容（包含原理、

過程及結果）對學生做講解，而實驗手冊有詳細的實驗步驟，接著學生按照步驟逐步完成實驗（即驗證式實驗）。

三、ELVIS 系統（實驗儀控平台）

ELVIS 系統全名為 NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite（實驗儀控平台），簡稱NI ELVIS，為美商國家儀器股份有限公司（NATIONAL INSTRUMENTS）開發的系統。ELVIS 系統整合多項一般實驗室常用電子儀器。

NI ELVIS 的工作環境包含了硬體的工作平台及軟體的程式兩個部分。ELVIS 系統的操作均透過電腦軟體進行，具有直覺化、容易操作、功能強大等優點。詳細內容見第三章。

四、RC/RL 基本交流電路實驗

RC/RL 基本交流電路實驗一般係針對電阻、電容、電感等電路元件組成的串並聯電路進行的實驗。本研究中的RC/RL 基本交流電路實驗主要針對 RC 電路的充放電特性、頻率響應、相位關係，及RL 電路的頻率響應、相位關係等部分作為

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五、RC/RL 基本交流電路實驗的學習成效：

本研究的學習成效單純指學習成效測驗前後測及實驗儀器學習測驗的分數。

學習成效測驗及實驗儀器學習測驗為研究者編製，經學者專家及教授電路學的專任教師審查、指導修改後完成。詳細內容見第三章。

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第貳章文獻探討

本章分別就教學原理、實驗教學、國內外大學普通物理實驗教學之探討、整合式實驗教學等節加以討論，以作為本研究的理論基礎。

第一節教學原理

本節將探討教學的意義、教學模式、教學設計及建構主義的教學觀。作為本研究設計實驗教學的依據。

壹、教學的意義

國內學者黃政傑（1997）提出教學是指擁有特定知識、技能、態度等內容的人，有意把這些內容傳授給缺乏這些內容的人，為了達成這個目的而建立的互動關係。藉由教學，課程所訂的學習目標才得以實現。教學活動的核心工作應在於教導學生如何學習，促進學生從事學習活動，不應把學生當成知識灌輸的容器。

教學的意義可以進一步闡述如下：

一、教學是「教」的活動加上「學」的活動—一方面需要施教者進行「教」的活動，另方面需要受教者參與「學」的活動。

二、教學是師生之間的互動—師生互動包含口語和非口語的互動，而其互動型態是相當多樣的。師生的組織型態在教學情境之中會有不少的變化，不同型態的師生組織，其教學目標、內容、活動、方法、績效和成本是不同的。

三、教學是學生與教師、教學資源之間的互動—學習不單是師生的互動，也出在學生和教學資源的互動。教學資源包含書面教材及非書面教材。學生在教師指導下，與這些教學資源互動，進而產生學習。

四、教學是為達成有價值的學習目標之活動—教學應該是具有特定學習目標的活動，有價值是指真理、良善和優美，如此才是教學目標。

五、教學是指師生之間為達成有價值學習目標的多樣態互動—達成教學目標的路徑是多樣態的，最好的教學通常並不是只有一個樣式，教學要素的不同組合，

只要能達到完善的狀態，同樣可以發揮最大的效果。

六、教學是需要妥善計畫相關要素和策略的活動—教學是一個相當複雜的活動，

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動、資源、方法、過程、評鑑、回饋的設計和發展，使學習者、教師和各種教學資源於特定時空中依計畫產生多樣態的互動，進而達成學習目標並不斷反省改進。

綜合上述而論，各種教學活動的進行必先釐清與確認教學目標，再依據此目標擬定教學計畫，針對各項目標安排適當的教學資源、流程，藉由學習者、教師與資源間產生良好的互動，讓整個教學活動發揮最大的成效，才有辦法達成教學目標。目前的普通物理實驗教學，雖然定有教學目標，但在教學實施計畫上缺乏適當的安排，導致教學成效不彰，無法確實達成教學目標。以基本交流電路實驗為例，因實驗內容多且原理太難，加上學生對儀器操作的不熟練，種種因素影響的結果，最後學生無法在規定時間內完成實驗內容，在操作技能、實驗相關物理概念學習、解決問題能力、提昇學習興趣等方面的成效不佳。因此研究者擬設計新的實驗教學模式，並以RC/RL 基本交流電路實驗為例進行實驗教學。

貳、教學模式

教學活動是為達成教學目標，在教學中應該包含與考慮哪些內容，這可以從教學模式中找到答案。從事教學工作，都會遭遇到教學應包含哪些要素，這些要素間的關係如何，以及教學如何運行等事項，這些事項可以統稱為教學模式（黃政傑，1997）。綜合國內外學者專家的主張（Mager，1962；Levine，1989；Briggs et al，1991；General Physics Company，1983；Reigeluth，1983；引自黃政傑，1997），

任何教學均需要經歷計畫、實施、評鑑和改進的四個階段，其內涵如表 2.1.1 所示。教學模式中各階段的實施程序，應該視為循環的過程，而且各階段之間應具有密切的互動關係。至於教學的要素則包含了教學的目標、內容、活動、資源、

學習評鑑、時間和空間。

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表 2.1.1 教學模式的內涵

教學階段內涵

教學設計包含教學方法的選用和組合，使學生能有效地學習所期許的知能。

教學計畫

教學發展

規定和採用最適合的程序，以創造特定情境中的教學之過程，其結果是發展可立即應用的教學資源或教學活動設計。

教學實施將教學計畫付諸行動，是實際的教學運作過程。

教學評鑑針對教學的計畫、實施、結果和改進，蒐集相關資料進行分析，瞭解其成效和利弊得失，進行教學反省。

教學改進依據教學評鑑和反省結果，改進教學的計畫、實施和結果。

參、教學設計

學習是人類獲得各種能力、技能與態度的歷程，雖然學習可以是偶發的未必要透過教學，但教學是啟發學習學習者潛能的途徑，透過對學習外在條件的安排，

使得學習者達成目標；也即是指學習者本身的內在條件，與學習者之外的外在條件交互作用的結果（Gagne，1985）。而如何將教學的外在條件安排的更好，使其與學習者連結的更妥當，這正是教學設計的工作。

教學設計有兩方面的意義：一是教學遵行的藍圖；另方面像教學處方，針對特定對象與目標，選擇應用特定的方法、內容及策略。教學若缺乏良好的設計，

除造成時間與資源的浪費，更會帶來學習無效的後果（Smith & Ragan，1993）。教學設計是描述教學系統規劃的過程，教學設計者的工作主要是回答下列三個問題：教學目標、教學策略與方法、評量與修正。

學者以為教學設計的基本假設有下列五項（Gagne，Briggs，Wager，1992）：

一、協助個人的學習。

二、教學設計可概分為立即及長期的兩類。

三、系統設計的教學能重大影響個人發展。

四、教學設計應以系統方式進行。

五、教學依人類如何學習的知是而設計。

教學設計多以模式來說明及解釋變項間的關係，有助於瞭解複雜的教學現

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模式（Effective Instruction），如圖 2.1.1 所示。

Reiser 以為教師應知的教學設計原理與步驟有四：（以上引自李宗薇，1997）

一、擬定明確的教學目標。

二、根據所定之教學目標，策劃適當且相關的教學活動。

三、根據教學目標、教學活動，設計發展相符的評量方式。

四、根據上述評量結果，修正教學內容或教學活動。

本研究即以有效教學模式作為教學設計的主要理論基礎，並以前導教學探討進行教學設計的討論與改進，最後完成實驗教學設計，期能提高教學成效而達成教學目標。

圖 2.1.1 Dick & Reiser 的有效教學模式（引自李宗薇，1997）

肆、建構主義教學觀

建構主義是一種討論知識論的理論。結合了當代知識社會學和科學的哲學對

「知識的本質」以及「知識的產生與獲得」的解釋，再加上擷取Piaget 和 Vygotsky 擬定

目標

撰寫行為目標

發展測試

發展教學活動

選擇教學媒體

進行教學

分析學生特質選擇/檢視

修正教學教材

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引自林麗惠，2003）：

一、主動原則：強調知識並非由認知主體被動接受而來，而是由認知主體主動建構而來。

二、適應原則：強調認知的功能是適應性的，是用來組織經驗世界，而不是用來發現本體性的真實。

三、發展原則：強調知識的成長是透過同化、調適及反思等歷程逐漸發展而成，

後續發展的知識必須植基於先備知識且受限於先備知識。

建構主義教學觀主張知識是建構而來，視學習者為能夠主動建構知識的認知主體，重視學習者的自然想法與先備經驗，認為學習者的知識成長乃是一種「質」

的改變。在教學活動的設計方面，常安排衝突的問題情境發生，一方面鼓勵學生反省、思辨，另一方面倡導合作學習，認為知識的獲得不僅是個別心智建構的歷程，也是師生質疑、辯證和協商的社會互動歷程，教師應多鼓勵學生發表自己的想法，以及提供機會讓學生充分溝通意見，共同參與互動合作的學習歷程。建構主義教學觀相當強調情境教學，情境學習是自由的、開放的、合作的情境。在評量方面，評量的重點在於概念是否轉變以及心理能力是否提昇（甄曉蘭，1997）。綜合上述言論，教師應該扮演協助學生建構知識的促進者，提供學生建構知識的鷹架，在教師的引導下，由學生主動建構知識、創造知識，並藉由小組合作學習方式，讓學生有機會澄清和精緻化他們的知識。

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第二節實驗教學

本節探討內容包含實驗教學的重要性、實驗教學的功能與目標、實驗教學的類型、探究式實驗教學及練習教學法。

壹、實驗教學的重要性

實驗室教學的重要性，早在 1892 年Griffin 就提到：「實驗室教學活動在學校教育中佔有一席之地，它被用以改革教育，學生將從我們的實驗室教學中獲得觀察及操作的能力。」因此，實驗室教學活動對學生的助益就受到許多學者的重視

（引自蘇懿生和黃台珠，1999）

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、趙金祁，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、實驗室的工作可以給予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。

實驗活動能提供學生真正瞭解的學習方法，藉著做科學工作從事建構知識的過程，透過實驗活動可以提供學生建構知識的機會，並且可幫助學生培養正確的科學態度及科學過程技能（Tamir，1976；Tobin，1990）。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、趙金祁，1987）。Ausubel 於1968 年時指出實驗教學提供學生機會接觸科學精神與方法，促進解決問題、分析與推演的能力，以及提供學生了解科學本質的機會；老師也可藉此瞭解學生學習目標與成效之間的差異，幫助學生構建其知識（蔡執仲、段曉林，2005）。

物理是一門重視實驗實證的科學，物理學本身及相關應用科學的發展和創新

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富，1987）。

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周遭的物理法則，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、過程技能和解題能力，因此「普通物理實驗」實為一門基礎且重要的入門學科（李銘崇，2007）。

綜合上述言論可知，實驗教學在科學教育上的重要性是無庸置疑的。實驗教學能培養學生具備未來從事科學研究的能力，並對一般學習者在科學概念、態度、

方法、能力的學習及養成上扮演重要的角色。物理實驗教學與物理教育的關係就如同實驗教學對於科學教育的關係。普通物理實驗教學更是各項物理實驗教學的基礎。因此，如何改進普通物理實驗教學現況的缺失，更是刻不容緩。本研究擬設計新的整合式實驗教學模式，並以RC/RL 基本交流電路實驗為主題進行研究，

期能改進一般普物實驗教學法的缺點與不足，以達成實驗教學目標。

貳、實驗教學的功能與目標

Simpson & Anderson（1981）曾將實驗室之功能綜合歸納如下：（引自洪姮娥，

1984）

一、教導認識科學和技術的本質—幫助學生瞭解科學與技術之不同及唇齒相關之特性，以及科學內涵與本質。

二、學習解決問題的技巧—藉由學生對物質的處理，培養其解決問題及思考技術等能力。

三、學習操作技巧—藉由實驗活動接觸處理真實材料的機會，正可訓練操作技巧。

四、學習主要觀念和原理—幫助學生組織事實及現象，且經過實驗室踏實的訓練和經驗，使學生較能掌握觀念、原理及原則之關係。

五、發展興趣、態度和價值觀—在實驗室充滿刺激與挑戰的環境中，可使學生發展科學興趣，以及處理科學與人生的科學態度和人生觀。

許榮富和趙金祁（1987）整理國外學者的理論如下：

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（一）發展技能：操作、探究、探討、組織及溝通等技能。

（二）灌輸概念：如假說、理論模型與分類等概念。

（三）培養認知能力：批判思考、解決問題、應用、分析、綜合、評鑑、決策、創造力等。

（四）理解科學的本質：科學領域、科學家彼此間的工作、科學方法的多樣性、各種學科中的科學及相關的技術。

（五）強化科學態度：好奇心、興趣、冒險性、客觀性、精確性、成就感、

負責、一致性、合作及喜愛科學等。

二、Klopfer（1971）認為實驗教學具有下列功能：

（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：1、觀察與測量。2、解釋數據。3、辨認問題 4、尋求解決問題的方法。

（四）鑑賞科學方法。

（五）強化科學態度與興趣。

（六）應用科學知識及方法。

根據前述實驗室的各項功能，許榮富和趙金祁（1987）整理實驗教學的目標有下列特點：

一、學習科學概念二、發展認知能力三、學習科學過程技能四、理解科學本質

五、培養正面的科學態度六、發展良好社會態度七、引起對科學的興趣八、學習如何應用科學原理

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學的態度、探究的精神與方法，利用儀器及既有知能，思考及解決各項實際問題，

建構科學概念，引起學習興趣。為達成如此目標，教學設計決定教學的成效。欠缺教學設計或設計不佳的教學活動不但無法達成教學目標，更會製造相反的效果，例如：降低學生學習興趣。

各個實驗教學目標包含不同的面向，各個目標達成與否，又存在有關連性，

例如：學生對儀器操作不熟練，會影響實驗進行，對學習成效及態度方面就有連帶影響。因此，實驗教學設計需以整體實驗教學目標為依據，並瞭解各個目標的本質，針對教學目標進行完整且有效的教學設計。

參、實驗教學的類型

綜合Simpson & Anderson（1981）、洪姮娥（1984）、許榮富、趙金祁（1988）、

張惠博（1993）及 Roth（1994）之分類方式，將實驗室教學類型分成下列七種（引自林秀蓁，1995）：

一、驗證式實驗—驗證式實驗大部分安排在教學課程之後，主要目的在驗證課程中的原理原則，使學生獲得實際之體驗，使課程與實驗進行相配合。

二、歸納式實驗—學生由實驗觀察及數據綜合歸納自然現象的規律。

三、演繹式實驗—由已知科學定律引導實驗活動，將一般化的原理原則，應用至特殊的問題或事件上。

四、科學過程技能式實驗—培養學生具備科學家從事科學研究中所需的思考過程之方法能力。

五、精熟技術式實驗—幫助學生學習一些儀器之基本技術，而達到精確熟練的程度。

六、探究式實驗—要求學生必須經歷發現問題、指出變因、形成假設，並根據控制變因的原則自行設計實驗、執行實驗以驗證假設，猶如科學家探討過程。

七、建構式實驗—以小組共同進行實驗，藉由討論、協商與詮釋而完成實驗。

從上述分類中可以知道不同的實驗教學會有不一樣的學習成果，亦跟實驗教學的目標有相對應關係。。整合式實驗教學即是將實驗活動重新規劃，在架構上融入各種實驗類型，發展一套新的教學模式，達成實驗教學的目標。因此，在訓

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上則採取驗證式實驗及探究式實驗。

肆、探究式實驗教學

一、探究式實驗教學的內涵與功能

Gibson 和 Chase（2002）與 Hodson（1990）指出科學教育在教學上的改變，

是將以往在一般上著重事實記憶的學習，轉為以探究為主的學習，學生能在此過程中尋求問題的解答，以探究為主的學習是更有效的科學學習方式。NRC（1996, 2000）和 AAAS（1993）亦提出科學是一種探究的過程，探究必須成為課程內容中的中心元素（element），經由教學的方法及學生參與課室內的探究任務，發展出一系列的相關技能。

探究式教學是根據建構主義理論發展出的教學方法，探究式實驗教學將探究式教學的精神融入實驗教學中。Resnick（1989）提出探究式教學具備三項原則：(一) 學習是知識主動建構的過程，不是吸收與記憶片段資訊；(二)學習必須基於先前知識做為新知識產生的主要工具及基礎；(三)學習與所處的情境有密切的關係。

許多關於中學與探究相關的科學活動研究指出，探究式實驗教學對學生在科學成就、認知發展、實驗技巧、科學過程技能以及對於科學知識的整體性理解，

遠較一般上著重於記憶的教學為佳（蔡執仲、段曉林、靳知勤，2006）。

二、探究式實驗教學的階段與分類

美國國家研究委員會（NRC）出版之《探究與國家科學教育標準》（2000）提出探究式教學的五個共同階段如表2.2.1所示。

表 2.2.1 探究式教學的共同階段

階段一使學生接觸科學問題、事件或現象，連結到他們的先備知識，藉機製造與他們想法的衝突，促使他們學習。

階段二學生經由動手做的經驗探究他們的想法，形成並測試假說，解決問題，對觀察結果提出解釋。

階段三學生分析及詮釋實驗數據，綜合他們的想法，建立模型，與他們的教師及其他科學知識來源澄清他們的概念與解釋。

(28)

探究式實驗活動分類依據內容開放的程度而分，開放性層次的界定是依據研究問題、使用器材、研究過程及答案等四個項目是由教師給予或者開放由學生自己決定。Hegarty-Hazel（1986）根據文獻及其研究，將探究實驗層次區別如表 2.2.2（引自楊鍾鳴，2006）。應該讓學生進行哪一個層次的探究實驗，則必須依學生平時學習的狀況來決定。如果學生的先備知能不足，在一開始就實施高層次的探究實驗，

則反而可能成為學生的學習負擔，對學習成效造成相反效果。另外，引導性探究最大的特質在於全班共同探究同一主題，而且在此主題下，學生可避免在開放探究性活動中可能遭遇的困境，如缺乏探究主題、不知如何形成探究題目等等；而且教師也可運用全班共同討論的時間，進行與此探究主題相關概念的教學。（劉宏文、張惠博，2001）。

表 2.2.2 探究實驗的開放性層次（Hegarty-Hazel，1986；引自楊鍾鳴，2006）

層次問題實驗器材步驟答案一般稱謂

0 給予給予給予給予驗證式

1 給予給予給予開放引導探究

2a 給予給予開放開放開放式引導探究 2b 給予開放開放開放開放式引導探究

3 開放開放開放開放開放式探究

在表 2.2.2 中，驗證式實驗與引導探究實驗除了答案，其餘方面則都是教師給予的，這與一般學生的實驗學習經驗較為接近。而兩者差異在於答案是否為開放的，驗證式實驗是先知道答案再進行實驗，引導探究實驗是先進行實驗再建構相關概念，因此研究者在實驗設計時將兩種實驗列在不同教學模式中，並探討其成效差異。此外，探究式實驗教學的設計應有漸進性，以逐步培養學生的探究能力。因此，本研究的整合式實驗教學中將安排兩種模式：「驗證式實驗-開放式引導探究實驗」及「引導探究實驗-開放式引導探究實驗」，使學生在漸進的探究實驗中進行學習。

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伍、練習教學法

根據認知心理學的理論，實驗儀器操作（如示波器、函數產生器、麵包版等）

的學習是屬於程序性知識（procedural knowledge），學生不太可能在老師講解後，

就會使用儀器。必須透過親自操作的過程才能熟練及靈活使用儀器（邱韻如，

2006）。

實作取向的練習教學法，由教師引導學生以不斷反覆的練習，由做中學，使學生對技能、經驗或特定內容的學習達到正確或純熟的結果。例如各項儀器的操作學習，都必須經由練習而臻於熟練和靈巧（高強華，1988）。練習教學法的主要功能，方炳林（1974）認為有三項：（1）養成習慣：一切需要練習的學習活動，

久而自然成為習慣。（2）熟練技能：各種學科皆有不同的技巧、能力需培養，例如：數理自然的實驗，以至於日常生活中應用的各種技能，均有賴練習教學法的練習。（3）強固聯念：一些重要的教材和經驗，經過認知作用，成為知識，形成心理的聯念，這些是學生繼續學習的基礎，有賴反覆練習才能保持並加以運用。

練習教學法的過程，大致可以分為五個步驟（王秀玲，1997）：

一、引起動機：教師應先使學生瞭解練習的目標及教材內容的重要性，運用各種生動活潑的方式，引起學生學習動機。

二、教師示範：包括實物示範、動作示範等方法。為使學生有正確清晰的認識，

教師應做語文的說明，使學生開始時就學習正確的知識、技能，說明和示範越清晰，越有助於學生學習。

三、學生模仿：教師示範後，給學生幾分鐘時間提問題，由教師解答後，學生開始模仿學習正確的動作、知識或技能。必要時，教師必須重行示範、重點示範，以幫助學生模仿，或糾正學生不正確之處給予回饋，學生經由回饋以發現錯誤，然後校正之後再進入下一步驟的練習。

四、反覆練習：反覆練習是練習教學法的主體，學生必須集中注意力，加強正確的部分，以達習慣穩定、動作熟練、知識牢固。反覆練習的方式從時間分配方面而言，有分散練習和集中練習；就教材本身來看，有整體練習與部分練

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參考。

以RC/RL 基本交流電路實驗為例，常用的儀器包括示波器、函數產生器、三用電表等，儀器較多且操作複雜，如果沒有經過適當安排學生學習，學生不易進行實驗內容的操作而影響學習效果。因此，依循上述教學法之步驟進行教學設計，

對於教學的成效應有正面幫助的。在本研究的整合式實驗教學中，將安排實驗儀器訓練教學，並以練習教學法進行，以幫助學生學習實驗儀器操作，作為後續實驗的基礎。

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第三節國內外大學普通物理實驗教學之探討

本節將包含國內學生普通物理實驗能力低落之探討、國內大學普通物理實驗教學現況及國外大學普通物理實驗教學分析。

壹、國內學生普通物理實驗能力低落之探討

國中、高中學生的學習深受一般考試方式影響，考試領導教學的現象實為相當普遍，教師的教學必須以考試作為依歸，學生的學習也以考試得高分為主要目標。邱韻如（2006）指出臺灣的中學生為了升學反覆練習測驗題，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。郭重吉和江武雄（1995）指出學生所學過的科學概念在資料處理與解釋和形成假設的能力很差。

數理成績很高的學生，科學概念的試題通過率很高，但在資料處理中：（1）自行設計表格將實驗數據展現出來（2）自行設計繪製自變數和應變數的關係圖（3）

解釋實驗的結果（4）形成假設等能力很差。換句話說：學生只記憶科學概念，但不了解科學概念的意義，很難應用所學的概念去解決需要推論和統整的問題。國內學者楊文金與許榮富（1987）即指出高中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。這群高中生進入大學後接觸到普通物理實驗，因缺乏實驗操作經驗，形成學習障礙。

在實驗教學方面，普遍存在兩種現象：教師寧願實施課堂教學而不進行實驗教學、實驗教學效果不佳。造成教師帶學生進實驗室的意願低落或是使得實驗教學成效不彰的原因大概有下列幾項（羅慶璋，2004）：

一、教師本身對教材或器材不熟悉二、設備不足

三、時間不足:一堂課45 分鐘太短或是趕課四、人數太多，不易掌控

五、學生配合度差，實驗室秩序難掌控六、硬體設備不足，專人管理支援不夠

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教學困難的最重要因素是學生沒有預習準備，其次是學生的學習動機低落。

綜合以上言論，學生受中學教育影響造成下列結果：

一、學生對實驗課程較不重視。

二、學生在實驗過程中的操作、資料處理、解決問題、探究等方面能力較差。

針對上述結果，要提昇實驗教學成效則必須在教學設計上有更好的規劃，並提升學生對實驗學習的興趣。

貳、國內大學普通物理實驗教學現況

國內學者傅昭銘（2006）整理國內多數大學普通物理實驗課程，指出其實驗的屬性為驗證性實驗和測量性實驗；驗證就是驗證理論定律，測量就是測量物理常數。一般的普通物理實驗教學的模式，會對物理概念、儀器原理及操作示範說明，學生可依據實驗手冊，按部就班去做，像烹調書籍按表操作則會有數據或現象產生。如此的驗證式實驗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）。亦有學者指出學生在學習科學知識或技能時，常常是在不瞭解實驗的本質或目的的情況下進行實驗（李銘崇，2007）。White（1996）也批評學生在做實驗時只動手而不動大腦。Roth（1994）

指出學生喜歡開放式的實驗，對於無法主動探究的驗證式實驗之學習興趣與意願較低，亦認為實驗的過程和方法都較不具意義。驗證式實驗也限制了學生分析、

討論、設計實驗的能力。

現行多數大學的普通物理實驗教學，在實驗內容安排方面，包括實驗誤差分析、力學、熱學、電學、光學及近代物理等內容的基礎性實驗，每週主題都不相同。多數學校因儀器不足，必須實施分組每週輪換進行實驗。劉得光（2009）針對大學生實施的普物實驗教學問卷中指出，學生在課堂中最想學到的是儀器操作能力，最需要幫助的課程內容為實驗流程及注意事項。針對目前的實驗課程內容安排，學生必須每週學習新的實驗儀器操作方法，雖然助教會在課堂上先行講解或以影片方式解說，但儀器的使用屬於操作技能，學生很難在解說中就學會及熟練，唯有親自操作才能習得相關技能。邱韻如（2006）也指出大一學生進行電路實驗時，學生因為無法掌握示波器的各個按鈕的使用，而造成對學習有很大的折

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學習才有幫助。

傅昭銘（2006）針對普物實驗課的學生進行問卷及晤談，意見反應較多前五項為：

一、對按表操作的實驗方法感到枯燥無味。

二、儀器簡陋易壞、實驗數據誤差大。

三、實驗相關理論的先備知識不足。

四、套數不足無法配合普物課程進度進行實驗。

五、疑慮實驗單元無法反應前沿科學、希望採用新進科技儀器與電腦介面操控實驗。

李銘崇（2007）針對國內大專院校普通物理實驗教學進行研究，其中授課教師提出的教學困擾，歸納如下：

一、學生方面：學生實驗基礎能力不足與科學概念不清楚；學生對實驗的預習不足；學生對當天的實驗內容不清楚；每班實驗課學生人數過多；批改實驗報告需要許多時間。

二、學校方面：學校不重視；各系可自行決定開不開課；儀器不足且經常損壞；實驗空間不足；儀器損壞難修復；無實驗室管理人員；無助教。

劉得光（2009）蒐集國內專家意見後指出，專家認為最難達到的教學目標前三項為：（1）探究與設計驗證理論的能力（2）運用數學描述問題的能力（3）分析思考能力。

綜合以上所述，目前的普物實驗教學因為課程本身設計的因素、儀器太少和良率不佳、學生本身心態不正確、學生對儀器操作不熟及對原理不夠瞭解、學生學習興趣不高等，造成教學成果不彰，尤其在探究能力的培養上更是難以達成既定目標。因此，針對這些影響教學的因素，提出下列改進方法：

一、重新檢視實驗教學目標，針對目標進行適當的教學設計。

二、實驗活動安排需依目標的不同進行不同類型的實驗教學

三、實驗的主題與內容，需考量學生的先備知識，並在教學中做適當的引導

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五、ELVIS系統將傳統實驗儀器整合於一個系統中，包括硬體的工作平台及軟體的操作介面，能符合學生希望採用新進科技儀器與電腦介面操控實驗的需求，因此本實驗將以ELVIS系統進行相關實驗。

參、國外大學普通物理實驗教學分析

德國大學會要求學生自己組裝儀器後再進行測量，對學生動手能力要求非常高。實驗指導老師會在實驗開始前以口試方式對學生的預習情況進行檢查，學生必須認真進行預習準備。在口試時實驗指導老師能和學生對實驗中出現的各種問題進行深入的討論，並檢查學生對實驗本身和相關的背景知識的掌握情況。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做區分，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，之後進入中級物理實驗；

其他相關科系則針對與該科較相關的實驗進行。

哈佛大學的Home Lab特色為：發給學生一個實驗箱，裡面有各種小工具或簡單儀器，將實驗作為家庭作業可以帶回家去完成，並有專門設計的教材供學生參考，另外還設立Help Lab，每天有專人在那幫助學生解決這種Home Lab中遇到的問題。

哥倫比亞大學、麻省理工學院的『Upper Division』實驗課，與史丹佛大學、

哈佛大學的『Project』形式的實驗課符合有『設計性、探究性的實驗』。其特點為替學生提供足夠條件，讓學生自行選擇實驗題目、擬定實驗方案、配置實驗設備、

測量數據、分析結果、完成報告。對實驗的時間和最終結果不作規定，學生可根據自己的時間、能力及興趣來安排。許多學生在實驗室中要度過 30 多個小時，一個實驗題目要花費約 10 周的時間，總計 300 多個小時以上。這種教學模式提升了學生的興趣和積極性，培養了學生的科學研究能力和創新能力。

『發表和討論』是東京理科大學物理系，物理實驗教學的一大特色，所謂『發表和討論』是學生作完實驗後，在報告會上將實驗結果作約 10 分鐘的口頭報告，

然後有 5 分鐘針對老師或學生提出的問題回答和討論。每次報告會有 15 名學生和 1 名教授組成，小組中 2 名學生分別準備，但報告同一實驗，其內容包括實驗目的、

原理、實驗裝置和方法、實驗結果和結論以及考察與討論等。（劉得光，2009）

在英國國家課程中，學生探究的過程大致是：確定研究議題—擬定初步計畫—

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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。（李銘崇，2007）

加州大學伯克萊分校的物理實驗室近年來修改新教材的重點在「提問」，以啟發學生開闊創新思考。認為物理實驗的目的不只是教學生使用各種儀器設備，也不僅是讓學生學會一些實驗的方法與手段；主要是讓學生通過實踐真正掌握物理規律的真諦，學會用實驗方法去證明或推翻理論。因此，必須讓學生「在實驗中既動手又動腦」，「用動腦來指導動手」。在教材中提出許多問題，指導學生在實驗前、實驗中和實驗後思考，還組織師生共同討論實驗問題。

伯克萊分校普通物理實驗課分為：實驗前的預習，實驗具體操作（三小時），實驗報告的書寫。由於實驗手冊不給出很詳細的實驗背景知識，而是很多思考題和參考書目，學生在預習實驗時必須查閱大量參考書籍。在實驗開始前，於實驗指導老師對學生預習情況進行檢查，一般學生的預習準備工作都在被認真要求下落實完成。單項實驗結束後，由實驗指導老師負責的小口試，實驗指導老師和學生對實驗中出現的各種問題進行深入的討論，並檢視學生對實驗本身和相關的背景知識的掌握。小口試可以加深學生對實驗的理解。（傅昭銘，2006）

自 1995 年來，中國逐步檢討實驗教學，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，更積極打破了一般的力、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，學生可以再學習物理概念、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、

時間的限制，使教學內容在時間和空間上得到延伸。依照中國「高等院校大專物

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強調學生動手操作的能力、解決和分析問題的能力。

三、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。

學生在本及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、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，在自行研究的基礎上選擇課題、寫出研究報告、實驗方案、完成課題和寫出研究論文。

美國、德國的大學物理實驗教學內容經常更新，最新的科技發展在實驗中得以反映，學生在做實驗時，依靠講義加實驗設備說明書，並輔以有關文獻資料從事實驗。美國、日本、加拿大的一些大學物理實驗課都非常重視討論，鼓勵學生發表自己的見解，師生雙向交流非常活躍。

綜合以上內容，從中歸納國外物理實驗的主要內涵：

一、以學生為學習主體：實驗課程不再是教師為主體的單向傳輸相關實驗知識，然後學生進行驗證實驗，而是營造一個開放的學習環境，學生為學習的主體，把學習主動權交給學生，教師擔任輔助、引導的角色，學生必須主動學習，進而建構與實驗相關的知能。

二、以實驗層次性為分類依據：打破以學科為實驗分類依據，取而代之的是有層次性的實驗課程，學生先學會基本操作技能與實驗方法，再引導學生進行更深一層次、開放的實驗內容，學生經過這些實驗課程，習得完整的實驗探究技能，達成實驗的教學目標。

三、以探究能力為最終目標：實驗課程不再只是為了驗證物理課程上的原理、

理論，而是透過探究與創新性實驗的訓練，培養學生的科學素養和創新應用能力。使學生掌握做科學研究的基本方法和思路、激發學生內在潛能、鼓勵學生進行創新性研究。

從上述第二點內容亦可看出國外實驗教學在教學設計上的突破性，因此本研究依據此點設計整合式實驗教學，包含實驗儀器訓練教學及漸進式的探究實驗教學，

以提昇實驗教學成效。

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第四節整合式實驗教學

本研究旨在設計新的教學模式—「整合式實驗教學」。經由前面的討論，本節將對整合式實驗教學做完整的說明，包含：理論架構與內涵、主題與目標、前導教學探討、教學活動等。

壹、整合式實驗教學的理論架構與內涵一、理論架構

根據前面的探討，本研究所設計的整合式實驗教學其理論架構如下列所示：

（一）以建構主義教學觀為基礎：教師應該扮演協助學生建構知識的促進者，提供學生建構知識的鷹架，由學生主動建構知識，並藉由小組合作學習方式，

讓學生有機會澄清和精緻化他們的知識。

（二）教學設計：以Dick & Reiser（1989）提出的有效教學模式進行教學設計。

先擬定教學目標及行為目標，分析學生特質，測試及發展教材與活動，實施教學，最後針對教學成效實施評量，依據評量檢討改進教學。

（三）教學法的選擇：在儀器操作方面實施練習教學法培養學生操作技能；以講述教學進行一般驗證式實驗的講解與說明；以探究式實驗教學法進行引導探究實驗及開放式引導探究實驗。

二、內涵

研究者針對整合式實驗教學的內涵做下列說明：

（一）整合式實驗教學是以學生為學習主體，以學生的先備知能為起點，以實驗教學目標為依歸，配合不同教學法及實驗類型的特點，所設計的教學模式。

（二）整合的意義是為了達到最終的教學目標，整合的項目是多元的，說明如下：

1、實驗主題的整合：以電路實驗為例，可以安排多個主題，例如分壓電路、

RC/RL 基本交流電路等，這些實驗的儀器大同小異，學生只要在一開始學會儀器操作，接下來的時間就可應用在科學概念及探究技能的學習，增進

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得到具體的科學概念，對實驗也產生了興趣。要有效達到教學目標，必須在教學中適當安排不同類型的實驗，讓學生進行有順序、層次的實驗學習，

在每個階段中學習相關知識與能力，並以此作為進行下一個階段的基礎知能，讓學生不斷進行概念和知能的修正與建構。

3、實驗工具的整合：不管是真實儀器、虛擬儀器或模擬軟體都有其特點，可以在實驗中依照目標及性質做適當的選用，如此可讓整體的實驗課程功能更強大。

貳、整合式實驗教學的主題與目標

本研究根據Dick & Reiser（1989）提出的有效教學模式進行教學設計，以 RC/RL 基本交流電路為題。現行RLC 電路實驗因內容太多且數學原理難度較高，學生往往不易掌握其概念，學習效果不佳。普通物理實驗教學的對象一般為大一學生，

其對RLC 電路的認知主要來自於高中物理課程及大一普通物理課程。高中課程方面對電阻有詳細介紹，對電容只有簡介其結構、原理，對電感及RLC 電路則完全沒提到。一般學習RLC 電路之前，應先學習 RC、RL 電路作為先備知能。大一普通物理課程中，電路主題通常安排在下學期課程，教學內容亦會因教授的不同而有差異，且電路的概念較為抽象，學生往往不易對其有深刻的瞭解。因此，本實驗以RC 電路的充放電特性、RC 電路的頻率響應、RL 電路的頻率響應為主題進行實驗。

依據文獻的討論及上述實驗主題，本實驗教學的目標及具體內容如表 2.4.1 所示。

(39)

表 2.4.1 實驗教學目標及具體內容

（一）熟悉ELVIS 系統操作

1.知道麵包版的接法及ELVIS 平台的儀器連接。

2.熟悉ELVIS 的各種儀器程式操作。

3.瞭解各儀器在實驗中的使用及對實驗的影響。

（二）理解RC/RL 電路的物理概念主題 1：RC 電路充放電的特性

1-1-1 電容電壓、電阻電壓的充放電曲線呈現指數曲線。

1-1-2 電容電壓、電阻電壓的充放電曲線差異。

1-1-3 電流曲線可以電阻電壓曲線代表。

1-1-4 電阻電壓+電容電壓＝電源電壓。

1-2 瞭解電容器在充、放電瞬間在電路中可視為短路、斷路。

1-3-1 知道時間常數（τ＝RC）及當 t＞5τ，視為充放電完全。

1-3-2 電阻或電容越大，時間常數越大，充放電需要時間越長，圖形會有變化。

1-4-1 瞭解以方波進行充放電實驗時電阻及電容的圖形、方波頻率對充放電圖形的影響。

1-4-2 方波頻率遠大於 0.1τ時，電阻電壓的圖形近似方波，電容電壓的圖形近似三角波。

1-4-3 方波頻率遠小於 0.1τ時，電阻電壓的圖形近似脈衝波，電容電壓的圖形近似方波。

主題 2：RC 電路的頻率響應

2-1 以交流訊號（正弦波）輸入RC 串聯電路時，電阻（電容）的電壓曲線為正弦波。

2-2 以交流訊號（正弦波）輸入RC 串聯電路時，電阻電壓曲線（電流曲線）與電容電壓曲線會有時間上的差異（相位差）。

2-3 輸入不同頻率的交流訊號，會影響電阻（電容）的電壓峰值。

2-3-1 輸入頻率越高的訊號，電容電壓的峰值越小，電阻電壓的峰值越大。

2-3-2 輸入頻率越低的訊號，電容電壓的峰值越大，電阻電壓的峰值越小。

2-4 不同頻率的訊號，造成電容的阻抗不同，可以解釋峰值的變化。

2-5-1 低通濾波器：頻率較低時，電容的電壓峰值較大，以電容的電壓作為輸出，

有較大的頻率響應，稱為低通濾波器。

2-5-2 高通濾波器：頻率較高時，電阻的電壓峰值較大，以電阻的電壓作為輸出，

有較大的頻率響應，稱為高通濾波器。

主題 3：RL 電路

3-1 以交流訊號（正弦波）輸入RL 串聯電路時，電阻（電感）的電壓曲線為正弦波。

3-2 以交流訊號（正弦波）輸入RL 串聯電路時，電阻（電感）的電壓曲線會有

整合式實驗教學在普通物理實驗教學的初探— 以「RC/RL基本交流電路實驗」為例

國立臺灣大學理學院物理學系暨研究所 碩士論文

Department of Physics College of Science

National Taiwan University Master Thesis

整合式實驗教學在普通物理實驗教學的初探—

以「RC/RL 基本交流電路實驗」為例

Exploring Integrated Laboratory Instruction for General Physics Experiments

A Case Study of RC/RL Circuits

蕭民健

Min-Chien Hsiao

指導教授：傅昭銘 博士 Advisor: Chao-Ming Fu, Ph.D.

中華民國 100 年 7 月

誌謝

中文摘要

ABSTRACT

目 錄

第壹章 緒論

第一節 研究背景與動機

第二節 研究目的

第三節 研究問題

第四節 研究範圍與限制

第五節 名詞解釋

第貳章 文獻探討

第一節 教學原理

第二節 實驗教學

第三節 國內外大學普通物理實驗教學之探討

第四節 整合式實驗教學