第三章 研究方法
本章呈現本研究所使用的研究方法。第一節介紹研究對象，第二 節為研究工具，第三節說明資料蒐集，第四節描述研究步驟與資料分 析。
第一節 研究對象
本研究的研究對象為民國九十二年五月參與 TIMSS 2003 測驗的 我國八年級學生。參與測驗的學校有 150 所，每校抽測一班，有效樣 本數為 5379 人（男生：2424 位，女生：2237 位）。每一試題的受測 樣本數不盡相同，意即每個參測學生作答的科學試題數有限，並非每 個學生都回答到所有科學試題，各題的受測人數如表 3-1、3-2。
表 3-1 作答物理與化學選擇題的各題人數 選擇題
化學 物理
試題代碼 受測人數 試題代碼 受測人數 S012003 909 S012002 909 S012016 909 S012004 909 S012025 900 S012015 909 S012040 910 S012029 900 S022181 1346 S012037 910 S022183 1341 S022002 1341 S022187 898 S022019 1341 S022188 900 S022040 898 S022198 910 S022041 910 S022202 910 S022042 1341 S022206 900 S022054 1346 S022208 1346 S022058 900 S022276 1341 S022222 898 S032156 459 S022225 900 S032502 442 S032024 447 S032564 889 S032055 889 S032574 455 S032141 447 S032579 447 S032158 459 S032672 445 S032184 442 S032683 1346 S032238 459 S032257 445 S032273 443 S032279 459 S032281 889 S032392 445 S032394 442 S032403 443 S032425 445
表 3-2 作答物理與化學非選擇題的各題人數 非選擇題
化學 物理
試題代碼 受測人數 試題代碼 受測人數 S022191 898 S022022 1341 S032056 459 S022035 900 S032057 889 S022069 1341 S032562 455 S022268 1341 S032565 443 S022279 898 S032570 447 S022281 1346 S032679 442 S022286 898 S032680 445 S022292 1346 S032709 888 S032131 909 S032713（A/B） 888/888 S032272 447 S032369 459 S032375 455 S032625（A/B） 898/898
S032626 889 S032711 888 S032712（A/B） 888/888
第二節 研究工具
本研究所使用的工具為 TIMSS 2003 中的物理和化學試題，以及 學生問卷中的背景資料。工具的信度與效度來自 TIMSS 2003，從發 展試題開始，提出抽樣設計，開始執行測驗到測驗結束後的評分編 碼，以及資料統計與分析的一套國際一致的嚴格標準步驟。
一、 TIMSS 2003 化學試題
本研究使用的化學試題涵蓋 TIMSS 2003 中的所有化學試 題，包含 20 題選擇題和 11 題非選擇題，共 31 題。非選擇題中 有 6 題為釋出試題，5 題為保密試題。釋出試題在本研究中以試 題原貌呈現，而保密試題則只敘述該題所考的概念（表 3-3，由 於本研究未針對選擇題試題概念做探討，故此處不列出選擇題中 的保密和釋出題數）。
二、 TIMSS 2003 物理試題
本研究使用的物理試題涵蓋 TIMSS 2003 中的所有物理試 題，包含 28 題選擇題和 18 題非選擇題，共 46 題。非選擇題中 有 11 題為釋出試題，7 題為保密試題。釋出試題在本研究中以試 題原貌呈現，而保密試題則只敘述該題所考的概念。
表 3-3 化學與物理試題的組成（單位：題）
化學試題 物理試題
試題總數 31 46
非選擇題 選擇題 非選擇題 選擇題 試題類型
題數 11 20 18 28 保密 釋出 保密 釋出
保密或釋出
題數 5 6
－
7 11
－
三、 學生問卷背景資料
本研究探討學生特質和理化課堂活動安排對於學生理化試 題答對率的影響，因此從學生問卷中擷取此部分所需資訊，採用 的問題分列如下：
（一）對科學的信心
來源 問卷內容
學生問卷 第 11 題
※你對下列學習理化的說法同不同意？
1. 我的理化不錯
2. 我覺得理化比較難，其他同學卻覺得比較容易 3. 理化不是我擅長的科目之一
4. 與理化有關的事我學得很快
（二）對科學的價值觀
來源 問卷內容
學生問卷 第 12 題
※你對下面各項有關理化的敘述同不同意？
1. 我希望在學校多上一點理化課
2. 我認為學理化對我的日常生活有幫助
3. 我需要學好理化以進入我心目中理想的學校 4. 我喜歡從事運用到理化的職業
5. 我需要把理化學好才能得到我想要的職業
（三）理化課堂活動安排
來源 問卷內容
學生問卷 第 13 題
※你上理化課時，常做下列的事情嗎？
1. 看老師示範實驗或演示探究活動
2. 自行形成可供檢驗的假說或預測可能的結果 3. 設計及規劃實驗或探索活動
4. 做實驗或進行研究
5. 以小組方式做實驗或進行探究 6. 寫下觀察結果並解釋其發生的原因 7. 學習科技對社會的衝擊
8. 將所學的理化連結到日常生活上 9. 對全班報告結果
10.檢討家庭作業 11.聽老師講課 12.自己做理化題目
13.在課堂上就開始做家庭作業 14.平時考或小考
第三節 資料蒐集
本研究資料為多方蒐集得到：
一、實測學生成就測驗題本
測驗題本共 12 本，由台灣師範大學科學教育中心提供。學科分 類、認知領域和國際平均答對率則由 TIMSS 2003 網站下載之 TIMSS 2003 User Guide for the International Database 取得。
二、學生學習成就測驗成績檔案
本研究使用 SPSS 分析，由 IEA 網站下載 TIMSS 2003 原始資料檔 案，經解壓縮後加以使用。
三、非選擇題評分標準及學生作答實測題本的照片檔 由台師大科學教育中心提供檔案。
四、國中理化教科書
包括國中理化第一冊九十年八月正式本初版三刷，國中理化第二 冊九十一年一月正式本初版三刷，國中理化第三冊九十一年八月正式 本初版三刷，和國中理化第四冊九十二年一月正式本初版三刷，提供 物理與化學非選擇題的試題概念在教科書中分布與敘述的情形。
第四節 研究步驟與資料分析
本研究資料分析分為四個部分：第一部分是分析物理和化學非選 擇題概念在教科書中的位置；第二部分在分析學生特質和試題答對率 的相關，以及課堂活動的安排對於理化試題答對率的影響；第三部分
比較不同認知領域的答對率以及課堂活動的安排對其的影響；第四部 份則是性別與不同類型試題答對率的分析比較。
一、分析物理和化學非選擇題概念在教科書中的位置
步驟一：使用 SPSS 計算各非選擇題中回答各答題碼的人數，以 及其和回答此題總人數的百分比，查看某題是否有多數 使用異於國際常用答案或答錯人數比例特別高的情況。
步驟二：分析試題概念在教科書中的分布，並查看學生是否根據 教科書內容或教科書有遺漏某些概念，而回答異於國際 常用答案或答錯比例較高的情形。
步驟三：根據文獻資料，查閱學生的錯誤概念是否與學者認為學 生常有的迷思概念相符。
二、學生特質和理化試題答對率的相關及課堂活動安排對於理化試題 答對率的影響
（一）試題答對率和空白率的計算
選擇題答對率：分別計算學生答對的題數和回答過的題數，用答
對的題數除以回答過的題數，即可得到選擇題的 答對率。
非選擇題答對率：非選擇題包括簡答題和延伸題，簡答題配分為 1 分，而延伸題為 2 分。正確回答簡答題的答題碼 為 10 至 19。正確而完整地回答延伸題試題概念 的情形下得 2 分，答題碼為 20 至 29，若只回答 出一部分的概念則僅得 1 分，答題碼同樣為 10 至 19。答對的簡答題題數即被評為正確答題碼 10 至 19 的題數加總。延伸題的答對題數即被評 為答題碼 20 至 29 的題數加上被評為答題碼 10 至 19 的題數的一半，再將答對的簡答題題數加 上答對的延伸題題數，除以回答過的總題數即得 非選擇題的答對率。
非選擇題空白率：未作答題目的編碼為 99，因此非選擇題的空 白率即由被評為答題碼 99 的題數，除以回答過 的總題數。因為學生未作答選擇題的情況很少，
所以此處不討論選擇題空白率。
（二）資料編碼
研 究 中 ， 學 生 問 卷 選 項 編 碼 因 應 分 析 時 需 要 ， 經 過 再 編 碼
（Re-code）以方便分析，轉換如下：
（1） 四題信心題「我的理化不錯」、「我覺得理化比較難，其他 同學卻覺得比較容易」、「理化不是我擅長的科目之一」、
「與理化有關的事我學得很快」的回答選項「很同意」、「有 點同意」、「不太容易」、「很不同意」分別以 4、3、2、1 轉換。
（2） 五題價值觀題「我希望在學校多上一點理化課」、「我認為 學理化對我的日常生活有幫助」、「我需要學好理化以進入 我心目中理想的學校」、「我喜歡從事運用到理化的職 業」、「我需要把理化學好才能得到我想要的職業」的回答 選項「很同意」、「有點同意」、「不太容易」、「很不同意」
分別以 4、3、2、1 轉換。
（三）相關分析
相關研究是探討兩個或多個現象之間的相互關係，或是分析變項 之間是否有關係存在，以及彼此之間的關係為何種程度的研究方法，
其關係強度以相關係數來表示。
依據相關係數的大小互強弱與係數的方向符號可對兩個變項之 間的關係進行假設考驗與結果解釋，所謂的大小指的是係數值本身的 絕對值大小而言，其值愈大，表示兩個變項間的相關性愈強；其值愈 小，表示兩個變項間的相關性愈弱。而所謂的方向符號指的是係數本 身的正或負號而言，方向的正負分別代表兩個變項是呈現同方向或反 方向的變動，零相關則表示兩變項毫無線性關係（邱皓政，2006）。
用來測量兩個變項間的關聯程度的相關係數可以分為兩種：一種為 A 型相關，值域介於 0 與 1 之間；另一種為 B 型相關，其值介於-1 到 1 之間，本研究所使用的積差相關係數（Pearson’s product moment correlation coefficient，簡稱 Pearson’s r）即屬於此類。根據相 關係數值的大小與方向，可分為完全正相關 rxy＝1；正相關，0＜rxy
＜1；零相關，rxy＝0；負相關，-1＜rxy＜0；完全負相關，rxy＝-1。
另外，如果樣本大小已經決定，相關係數必須達顯著的值會隨著信賴 水準的增加而增加，而信賴水準增加，表中的 p 值會愈小，如 95%信 賴水準對應於 p＝.05，99%信賴水準則與 p＝.01 相對應。
（四）單因子變異數分析
在課堂活動安排對於理化試題答對率的影響上，本研究採用單因 子變異數分析。變異數分析是一套用來分析平均數變異情形的統計考
驗技術，可以處理超過兩個或兩個以上平均數的比較，而每個課堂活 動項目都有四個選項，因此選擇各個選項的學生的平均試題答對率之 比較便使用此法進行分析。兩個平均數的統計考驗，是以平均數差異 與隨機差異的比值來決定統計顯著性；三個以上的平均數考驗，則是 平均數間的變異數（組間變異）與誤差變異的比值，比值稱為 F 統計 量。在變異數分析中，若 F 考驗達到統計水準，我們即可針對各個平 均數的相互差異進行比較，以決定組間差異是由誰所造成的。例如三 個水準的自變項，產生三個組平均數，如果研究數據表示三個平均數 具有顯著的差異，此時被檢驗的三個平均數的差異即受自變項的影 響。但無法確知詳細的差異為何，此時須進行事後比較。當變異數同 質的情況下，使用 Scheffe 法，因 Scheffe 能針對各組不同的人數加 以處理；當變異數不同質，使用 Games-Howell 法，在人數大於 50 時，
此法所求出的機率估計會較準確（邱皓政，2006）。
（五）設計課堂活動安排對於試題答對率影響的單因子變異數分析表 課堂活動安排的單因子變異數分析表範例見表 3-4，各代號解說 如下：
◎ 統計值
人數：回答該選項的人數
平均答對率：回答該選項者的試題答對率之平均 標準差：離均差平方和除以人數後的開方
標準誤：抽樣誤差的大小
◎ 選項
學生在背景問卷中理化課堂活動回答選項「幾乎每節課」、「約 有一半的課」、「有些課」、「從來沒有過」。
◎ 變異數分析
變異數分析的結果，包含組間離均差平方和、組內離均差平方 和、組間均方和、組內均方和、F 值、顯著性，顯著性可決定 該題是否可以進行事後比較。
組間離均差平方和：導因於自變項影響，造成各組平均數的離 散程度。
組內離均差平方和：導因於自變項以外的影響（即隨機變異）， 造成各組平均數的離散程度。
均方和：離均差平方和除以自由度，即變異數。
◎ 事後比較
事後比較目的在檢視依變項何者間存在顯著差異，表中不等號 顯示事後比較結果達顯著差異者。
表 3-4 課堂活動安排對於理化選擇題答對率的單因子變異數分析表範例 選項
統計值 從來沒有過 有些課 約有一半的課 幾乎每節課 總和 人數 1058 2710 869 275 4912 平均答對率 .6666 .6962 .6847 .6658 .6861
標準差 .26438 .25139 .26126 .26972 .25727 標準誤 .00813 .00483 .00886 .01626 .00367
ANOVA
變異來源 離均差平方和 自由度 均方和 F 值 顯著性 組間 .792 3 .264 3.997* .007 組內 324.265 4908 .066
事後比較（Games-Howell 法）：1＜2
（1）從來沒有過（2）有些課（3）約有一半的課（4）幾乎每節課
*p＜.05
三、比較不同認知領域的答對率以及課堂活動的安排對其的影響
（一）各認知領域答對率的計算
分別計算學生在各認知領域中答對的選擇題數和非選擇題數，
以及在該認知領域中回答過的總題數，用答對的題數除以回答過的 總題數，即可得到此認知領域的答對率。
（二）重複量數單因子變異數分析
指的是同一個受試者重複接受不同的實驗處理或進行多次測量 的變異數分析。如果同一個受試者重複接受不同的 p 次實驗處理，此 時每一位受試者便可視為一個區組，若有 n 個受試者就有 n 個區組。
重複量數設計可說是區組內具有最高同質性的區組設計，因為造成區 組內同質化的原因是受試者個人特性在自變項分組下的重複發生，因 此又被稱為受試者內設計（邱皓政，2006）。本研究想比較的是同一 名學生在各認知領域的能力是否有所不同，因而採用重複量數設計，
且在選擇題方面包含三個認知領域，故使用變異數分析。
（三）設計各認知領域下試題答對率的重複量數單因子變異數分析表 不同認知領域下試題答對率的重複量數單因子變異數分析範例 見表 3-5，各代號解說如下：
◎Mauchly 球形檢定
球面性是指不同水準下的同一個區組的樣本，在依變項上的得 分，兩兩配對相減所得差異的變異數必須相等（同質）。也就是 說，不同的受試者在不同水準間配對或重複測量，其變動情形應 有一致性。若卡方值達顯著，則違反球面假設。如果球面假設違
反，可以採用多種方法來進行修正，其中本研究採用的下限修正 法（lower bound）是最嚴格的一種，又稱為 F 保守考驗（邱皓 政，2006）。
◎重複量數單因子變異數分析
變異數分析的結果，包含組間平方和、組內平方和、組間均方和、
組內均方和、F 值，F 值是否達到顯著水準可決定該題是否可以進 行事後比較。
表 3-5 不同認知領域下試題答對率的重複量數單因子變異數分析表範例
認知領域 推理與分析 概念性理解 事實性知識
理化試題答對率 .630 .662 .719
重複量數 ANOVA
變異來源 平方和 自由度 均方和 F 值
組間 21.387 2 10.694 區組間 575.043 3601 .160 組內
殘差 480.910 7202 .067
160.145*
事後比較（LSD 法）：1＜2＜3
（1）推理與分析（2）概念性理解（3）事實性知識
*p＜.05
（四）相依樣本 t 考驗
t 考驗為平均數差異考驗。不同的樣本反應不同母體的特性，計 算兩個樣本統計量的差異分數（difference score），然後決定差異
分數是否顯著不等於某個理論數值，此一數值多為 0，代表無差異，
此時統計考驗是在檢驗兩個母體的平均數差異的顯著性。當不同的平 均數來自於同一個樣本的同一群人，即重複量數設計，須採相依樣本 t 考驗（邱皓政，2006）。此處比較原理和上述重複量數單因子變異 數分析類似，但因非選擇題僅包含推理與分析、概念性理解兩個認知 領域，因此採用 t 考驗。
（五）設計各認知領域下非選擇題題答對率和空白率的相依樣本 t 考 驗分析表
不同認知領域下非選擇題答對率的相依樣本 t 考驗分析範例見 表 3-6，各代號解說如下：
表 3-6 不同認知領域下非選擇題答對率的相依樣本 t 考驗分析表範例
成對樣本相關 認知領域 平均答對率 人數 標準差 平均數的
標準誤 相關 顯著性 推理與分析 .4209 3587 .36064 .00602
概念性理解 .5797 3587 .39306 .00656
.338 .000
成對樣本檢定
數值 自由度 顯著性（雙尾）
t 考驗 -21.910* 3586 .000 有效觀察值個數 3587
*p＜.05
四、性別與不同類型理化試題答對率的分析比較
（一） 獨立樣本 t 考驗
基本原理同上述相依樣本 t 考驗，但此處平均數來自於不同的獨 立樣本（性別），兩個樣本的抽樣機率亦相互獨立，為獨立樣本設計，
採獨立樣本 t 考驗（邱皓政，2006）。
（二） 設計不同性別下試題答對率的獨立樣本 t 考驗分析表
不同性別下試題答對率的獨立樣本 t 考驗分析範例見表 3-7，各 代號解說如下：
◎變異數同質性 Levene 檢定
進行獨立樣本 t 考驗時，每一個常態化樣本的平均數須具有相似 的離散狀況，也就是母體的變異數須具有同質性。若 F 檢定達顯著水 準，表示母體的變異數不同質，意即兩個樣本在平均數差異外，另外 存有差異的來源，此時需使用校正公式來計算 t 值（邱皓政，2006）。
SPSS 15.0 版提供檢定變異數同質性假設的方法為 Levene 考驗法。
表 3-7 不同性別的理化選擇題答對率之獨立樣本 t 考驗分析表範例
變異數同質性 Levene 檢定 學生性別 平均答對率 人數 標準差 平均數的
標準誤
F 檢定 顯著性 女 .6839 2392 .25627 .00524
男 .6877 2543 .25827 .00512
1.095 .296
獨立樣本檢定
數值 自由度 顯著性（雙尾）
t 考驗 -.513 4933 .608
有效觀察值個數 4935
*p＜.05
