中學教師如何進行教育部科教專案研究 作者：新北高中 鍾曉蘭

1. 中學教師如何進行教育部
科教專案研究
師大科教所書報討論
鍾曉蘭
2009.12.31
1

2. 報告大綱
 教育部科教專案研究類型
 如何撰寫計畫書
 一個研究實例－以多重表徵 的模型活動與動態評
量探究高二學生氣體粒子本質的概念改變歷 程
 一些研究的竅門－閱 讀《 Tricks of the Trade 》
的感想與分享
 研究者的反思－就讀科教研究所對個人信念、教
學與研究的影響
 結語
2

3. 教育部科教專案研究類型
 目的：加強中小學科學教育研究、推廣、研習及輔導工作
，提升中小學科學教育品質。
 補助對象：第一類，公私立高級中等以下學校；第二類，
師範大學、教育大學之科學教育相關系所及單位
 補助範圍：
1. 科學課程教材、教法及評量之研究發展
2. 科學資賦優異學生教育研究及輔導
3. 鄉土性科學教材之研發及推廣
4. 學生科學創意活動之辦理及題材研發
5. 科學教育推廣活動
 申請期間：由本部發函各主管教育行政機關並轉知轄屬學
校辦理期限，各申請案應於每年五月三十一日前送達承辦
單位 3

4. 如何撰寫計畫書
 計畫總表
 計畫主持人資料表
 研究計畫摘要
1. 計畫名稱：
2. 研究計畫之背景及目的：
3. 研究方法、步 驟及預定進度：
4. 預期完成之工作項目、具體成果及效益：
 申請補助費用：類別分為「人事費」、「業務費」、「差
旅費」和「其他」。
 相關內容可查閱本校科教中心網站
4

5. 以多重表徵 的模型活動與動態評量探究
高二學生氣體粒子本質的概念改變歷 程
 研究的構想
理想氣體
的科學學習
與概念改變
專題導向 教學活動
的科學學習 多重表徵 的
科展部分 模型教學
粒子運動模型 電腦動畫組 傳統教學組 多重表徵 模型組
4 人 ( 皆為女生 ) 4 人 ( 皆為男生 ) 41 人 41 人
5

6. 研究動機
 高中學生在學習理想氣體方面，存有極大
的障礙 (Millar, 1990 ）－－
主因是學生在日常生活中不易察覺與體驗
出氣體粒子微觀的想法而產 生迷思概念
 即使如皮亞傑的論點，高二學生已進入形
式操作期，對抽象的概念仍然有其學習的
障礙 (Renner & Stafford, 1972 )
6

7. 研究目的
 本研究設計出多重表徵 的模型教學讓學生
從模型活動中瞭解氣體粒子的科學模型
 藉著理解氣體粒子在微觀的行為與巨 - 微觀
之間交互作用、巨觀現象的因果關係，增
進學生在理想氣體的科學學習
 並藉著一系列的動態評量探究學生認知發
展的歷程
7

8. 研究問題
 在一系列動態評量中，多重表徵的建模與
傳統教學組教學成效是否有差異？
 在一系列動態評量中，兩組學生概念改變
的歷 程為何？
 多重表徵的建模教學活動是如何影響學生
概念的改變？
8

9. 文獻探討－多重表徵的模型 (1/2)
 以模型為基礎的教與學提供學生使用形式表徵的實際
經驗，幫助學生學習科學推理的技能
 讓學生學習如何有系統的建立、檢驗和修正模型以進
一步建立科學的模型
 學習者透過對既有心智模式的評估與修正，得以產生
對知識系統具有更大解釋融貫性的模型 (Gobert,
Snyder, & Houghton, 2002 ； Nersessian, 1999 ；
Gobert, 1994, Buckley & Boulter, 2000 ； Chiu & Chung,
2007)
 教師可根據現象或概念的特性，選用適合的模型表徵
方式與屬性，讓學生藉由呈現模型的多重表徵來學習
而建立具有相同屬性的心智模式 9

10. 文獻探討－多重表徵的模型 (2/2)
 Buckley & Boulter(2000) 的研究中特別針對教學中呈
現模型 (expressed model) 的設計提出建議：教師在
設計呈現模型前要先瞭解現象 (phenomenon) 、物
設計呈現模型前要先瞭解
體之間的行為 (behavior) 以及因果機制 (causal
體之間的 以及
mechanism) ，才能使呈現模型與目標的現象達到
一致性。
 教師在設計各種呈現模型之前，必須要思考呈現模型
中每一個物件與現象中的物體的對應關係、意涵是否
中每一個物件與現象中的物體的
適宜及正確。
 當教師提供的表徵、呈現模型與現象的結構、行為與
機制的訊息達成一致時，呈現模型則可以幫助學生進
行以模型為基礎的學習。
10

11. 文獻探討－動態評量 (1/3)
 動態評量是「測驗－介入－再測驗」的形式進行評量
 教師在教學前要先瞭解學生的認知發展，且要經過不
同的教學方式及情境，讓評量者與被評量者產生互動
 是一種著重學習歷 程或認知改變的評量，與只重視評
量的結果、缺乏師生互動過程的傳統評量方式是截然
不同的
 近年來，研究者與教師們對於動態評量的看法隨著關
注角色上和學習潛能研究的使命而改變，主要強調動
態評量從預測導向的測驗轉變成教學導向的測驗
 從對一般智力測驗的改善轉變成學習過程的描述及分
析，轉變成將動態評量的方法論延伸到一般的學生團
體
11

12. 文獻探討－動態評量 (2/3)
 本研究採用 Campione & Brown(1982) 所提倡的漸進
提示評量 (Graduated Promoting Assessment)
 此種評量模式是以 Vygotsky(1978) 近側發展區
(Zone of proximal development,ZPD) 觀點為基礎
 透過「測驗－練習－遷移－再測驗」的漸進提示系統
透過
模式進行評量，以建立量化的資料
 在試題的設計上則採用一般靜態紙筆測驗的模式，但
是將教學中所探討的微觀現象（特別是氣體粒子的隨
是將教學中所探討的
機運動與分布情形）與微觀－巨觀之間的交互作用納
機運動與分布情形）與
入試題之中
12

13. 文獻探討－動態評量 (3/3)
 本研究動態評量介入情形如圖一，可瞭解學生對理想
本研究動態評量介入情形如
氣體認知發展的歷程
 進一步分析多重表徵的模型教學在哪些模型與表徵上
，能夠有效的提升學生認知發展的潛能
 也嘗試從動態評量的結果中，即時修正教材與教法上
的不足
前測 教學一 教學二 教學 N 後測 延宕測驗
瞭解學生的 動態評量 1 動態評量 動態評量 動態評量
先前概念 2 n (n+1)
圖一 本研究動態評量介入的設計情形 ( 引自 Chiu, 2007)
13

14. 文獻探討－心智模式與概念改變 (1/3)
 Redish(1993) 則認為心智模式是由命題
(propositions) 、圖像 (images) 、程序規則 (rules of
procedure) 、何時 (when) 、如何使用 (how) 的陳述所
構成
 心智模式代表著事物的狀態，扮演著直接表徵或類比
的角色，其結構反映了世上事物的相關狀態
 是一種內在的假設、動態的符號與認知表徵，也是一
種歷程並且會產生心象
 心智模式可視作是由物件和物件的關係所形成的組織
化結構，起源於個體對於自身經驗與觀點的操弄，可
以當作是一種推理、解釋性與預測外在世界工具
（ Johnson-Laird, 1995, 1999 ； Rickheit ＆ Sichelschmidt,
1999 ； Vosniadou, 1994 ； Buckley ＆ Boulter, 2000 ）
14

15. 文獻探討－心智模式與概念改變 (2/3)
 Vosniadou 和 Brewer(1992) 提出了綜合性模式
（ synthetic models ）的觀點
 孩童已日常生活的經驗建構出初始的心智模式
（ initial models ）後，為了與學習的新知取得平衡而
主動形成綜合性模式
 概念改變便是一種漸進的演變趨勢，由最初的初始的
心智模式，經過綜合性模式再轉變為正確的科學模式
(scientific models) 的經歷過程
 概念改變的形式主要有兩種，一為概念的豐富化
(enrichment) －將新概念加入現有的理論架構中，另
一種則為概念的修正 (revision) －在新資訊與現有的
理念或預設想法不同時產生。
15

16. 文獻探討－心智模式與概念改變 (3/3)
 Vosniadou(2002) 在力的意義的研究中指出孩童學習科
學的過程是緩慢，將科學的知識增加到初始的解釋架
構中時，會破壞架構的一致性，最後以和現今科學一
致的方式再度重建架構。
 Chi ＆ Roscoe(2002) 則針對血液循環的心智模式分
為兩大類：非融貫性與融貫性 ( 又分為瑕疵心智模式
及正確心智模式 ) ，並提出心智模式具有正確性
(correctness) 、融貫性 (coherence) 與完整性
(completeness) 的想法。
 對於非融貫性的心智模式， Chi 認為心智模式中的命
題有可能是正確的，但命題的連結是錯誤的 / 非系統
系的，因而對於問題的預測與解釋無法產生一致性。
16

17. 研究方法－研究設計
 準實驗法：實驗組與控制組各 41 位 ( 高二自然
組)
 進行三週 ( 共計十節課，每 節 50 分鐘 ) 的教學
活動
 有 5 節教學活動不同 ( 其他節課內容大致相同 )
17

18. 研究方法－研究工具 (1/2)
 參考邱美虹 (2006) 、吳怡嫺 (2007) 、鍾曉蘭 (2007) ，
修改後的動態評量試題設計成一般靜態評量的測驗題
 分為單選 7 題及多選題 10 題
 診斷學生： (1) 氣體的粒子模型觀是連續 / 不連續的
(2) 密閉容器氣體壓力的成因及影響氣壓的因素
(3) 溫度對氣體壓力 / 體積 / 運動速率 / 動能的影響
(4) 溫度與壓力改變時對粒子運動 / 分布的影響
 修改後試題由二名任教多年的高中化學教師，就題目的
內容適當性、學科概念上，做進一步的修正
 預試對象為已學習過理想氣體的高二學生共計 86 位，
試題信度 (Cronbach α 值 ) 為 0.800
18

19. 研究方法－研究工具 (2/2)
 試題範例
在一定體積的密閉容器中，升高溫度後，則下列那一些
變化是正確的？ (A) 氣體粒子速率變快而使碰撞器壁的頻
率變多 (B) 氣體粒子之間的距離變大 (C) 氣體粒子受熱而
部分集中在容器上方 (D) 氣體粒子體積受熱膨脹而變大
（ E ）氣體粒子動能增加。
將氣球放在乾冰的燒杯中一小段時間後，則下列那一些
變化是正確的？ (A) 氣體粒子速率變慢而使氣球內壓力變
小 (B) 氣體粒子之間的距離變小（ C ）一部分氣體粒子因
動能不足而靜止在氣球底部（ D ）氣球會萎縮 (E ）氣體
粒子遇冷而收縮。
19

20. 研究方法－教學歷程
20

21. 研究結果與討論－教學成效
100
80
得分 60 控制組
40 實驗組
20
0
1 2 3 4 5
動態評量次別
圖二 實驗組與控制組動態評量的得分情形 21

22. 研究結果與討論－教學成效
 動態評量四與動態評量五 ( 兩次評量試題完全相
同 ) 之間的四週時間，兩組皆未進行理想氣體的
相關教學
 然而控制組成績仍持續進步 ( 進步分數為 7.2
分 ) ，經從顯著性 (paired t-test) 比較中已達顯著
進步 (t(40)=3.649, p ＝ .001)
 顯示控制組經過一系列動態評量後對理想氣體概
念的正確性有顯著提升
 研究者推測此部分的進步應可支持動態評量有助
於發展學習、增廣知識與激發學生的認知潛能
22

23. 研究結果與討論－學生概念改變歷程分析
23

24. 研究結果與討論－學生概念改變歷程分析
表五 控制組在一系列動態評量中對於理想氣體本質的相關概念的答題情形(表格內為％)
相關概念 答題類型 評量 1 評量 2 評量 3 評量 4 評量 5
粒子觀 68.3 78.1 95.1 100.0 95.1
氣體粒子觀 連續觀 17.1 7.3 0.0 0.0 0.0
另有想法 14.6 14.6 4.9 0.0 4.9
氣體粒子之間的空隙 真空 0.0 4.9 87.8 95.1 85.4
另有想法 100.0 95.1 12.2 4.9 14.6
科學模式 0.0 7.3 48.8 51.2 48.8
密閉容器氣體壓力的
類科學模式 2.4 22.0 26.8 26.8 24.4
成因
另有想法 97.6 70.7 24.4 22.0 26.8
科學模式 9.8 9.8 58.5 73.2 56.1
密閉容器氣體壓力的
類科學模式 7.3 39.0 22.0 12.2 29.3
影響因素
另有想法 82.9 51.2 19.5 14.6 14.6
科學模式 4.9 － 2.4 7.3 19.5
密閉容器液體飽和蒸
類科學模式 24.4 － 34.1 24.4 9.8
氣壓的影響因素
另有想法 70.7 － 63.5 68.3 70.7
剛性粒子 41.5 56.1 87.8 90.2 95.1
氣體粒子的體積
熱脹冷縮 58.5 43.9 12.2 9.8 4.9
註: －表示該次評量中未測驗此概念
24

25. 研究結果與討論－師生團體討論
現象 行為
氣球受熱體積變大 氣體粒子的
溫 度升高 影響 動能及速率
因果關係的機制
氣體粒子 導致 粒子碰撞器 達平衡時
導致
氣球受熱 動能增加 壁頻率增加 , 氣球體積變大
溫度升高 , 速率變 壓力變大 , 氣 但壓力不變
快 球體積變大
圖三 師生團體討論的內 容 ( 參考自 Buckley ＆ Boulter, 2000)
25

26. 研究結果與討論－師生團體討論
表六 兩組學生在溫度對於氣球影響的迷思概念(達平衡時)的演變情形(表格內為％)
評量次別 動態評量 1 動態評量 2 動態評量 3 動態評量 4 動態評量 5
概念 組別 實驗 控制 實驗 控制 實驗 控制 實驗 控制 實驗 控制
＊
溫度會改變氣壓 46.3 51.2 58.5 63.4 76.9 73.2 14.6 46.3 14.6 36.6
＊ ＊
溫度不會改變氣球體積 48.8 46.3 14.6 19.5 14.6 24.4 12.2 17.1 12.2 17.1
＊ ＊
溫度會改變粒子分布 48.8 61.0 4.9 23.1 0.0 9.8 2.4 9.8 2.4 9.8
溫度會改變運動方向 26.8 46.3 14.6 31.7 2.4 22.0 2.4 14.6 0.0 7.3
＊
部分粒子能量不足而靜止 26.8 36.6 4.9 26.8 0.0 22.0 2.4 14.6 0.0 12.8
＊
：表示迷思概念明顯地修正
26

27. 研究結果與討論－具體混合模型
圖 23 實驗組學生有關肺部呼吸模擬器學習活動的學習
單 27

28. 研究結果與討論－視覺混合模型
圖 25 實驗組學生有關蒸發平衡及蒸氣壓學習活動的學習單
28

29. 結論
 研究者將粒子動態模型與蒸氣壓動畫設計成具體混合
模型及視覺混合模型，將抽象的微觀粒子運動概念轉
為實體或動畫，可以幫助學生對於粒子微觀運動概念
的理解，的確能有效的幫助學生在理想氣體的科學學
習與概念改變 (Gobert, Snyder, & Houghton, 2002 ；
Nersessian, 1999 ； Gobert, 1994, Buckley & Boulter,
2000 ； Chiu & Chung, 2007)
 從一連串的動態評量中，瞭解學生對理想氣體本質的
概念認知發展的歷程，不僅可以增進師生互動，也可
以隨時修正教學方法與教材，為現行的評量方式提出
改進的參考
29

30. 建議
 建議科學教師在設計呈現模型前要先瞭解現象
(phenomenon) 、物體之間的行為 (behavior) 以及因
果機制 (causal mechanism) ，才能使呈現模型與目
標的現象達到一致性
 教師在設計各種呈現模型之前，必須要思考呈現模型
中每一個物件與現象中的物體的對應關係、意涵是否
適宜及正確
 當教師提供的表徵、呈現模型與現象的結構、行為與
機制的訊息達成一致時，呈現模型則可以幫助學生進
行以模型為基礎的學習
30

31. 反思與未來研究方向
 在飽和蒸氣壓的概念上，實驗組學生即使經過動
畫教學後產生即時的概念改變，在延宕測驗卻產
生概念回歸，而且整體的概念改變不盡理想 ( 科
學模式低於 50 ％ )
 顯示簡單的動畫教學無法讓學生了解粒子次微觀
(sub-microscopic) 的複雜行為對於巨觀現象的影
響
 研究者在未來的模型設計應更詳盡地呈現粒子微
觀行為的交互作用是如何影響飽和蒸氣壓，設計
出更符合現象的多重表徵模型來促進學生在蒸氣
壓的概念改變
31

32. 一些研究的竅門－
閱 讀《 Tricks of the Trade 》的感想與分享
 Tricks of the Trade － How to Think about Your Research
While You’re Doing It (Howard S. Becker, 1998)
 分析單位由人轉向活動
 每 件事都有它發生的地點
 敘事分析 vs. 因果分析
 問「如何 (how to) 」不要問「為何 (why) 」
 啥 事都有可能發生－找出會巔 覆你 思考的個案
 概念是定義出來的
(1) 讓個案定義概念
(2) 概念即概推
(3) 概念是相對的
 邏輯
32

33. 研究者的反思－
科教研究所對個人信念、教學與研究的影響
 觀點的改變
科學是確定的→科學是不確定的
科學是絕對客觀的→科學是科學社群的認同 ( 相對的 )
 教學的改變
詰問法－問孩子們，讓孩子們問
模型活動－具體模型、電腦動畫與角色扮演
師生共構－重視師生互動與生生互動
 研究的影響
量化→質性
納入社會學的觀點－視域融合
33

34. 結語
 學生經過多重表徵的模型活動後其學習成效優於傳統教學
 從學習面向的分析→學生對於具體模型、電腦模擬 / 動畫
教學對於提升概念理解與幫助解決問題的面向評價不錯
 對於複雜概念的深層理解與概念之間的聯結、相關程序性
知識的建立與應用，多重表徵的模型活動的效果尚待加強
 近期的研究方向：
建模歷程融入課室教學活動
建模教學對學生心智模式與建模能力發展的影響
不同教學環境中，學生學習歷程的演變 ( 學習模式是否發
生改變，為何改變、何時改變、如何改變 ?)
34

35. The End
 感謝大家的聆聽
 研究需要分享與回饋
 歡迎提出您的想法與意見
35