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96-100學年度大學入學考試化學考科試題分析研究
(2012) 吳國良
本研究利用大學入學考試中心，96-100學年度指考化學考科的試題進行分析研究，主要的方向包括不同類別考生成績的表現、試題類型、試題難度、學生作答上較困難試題與非選擇題考生作答分析。在不同類別考生成績的表現，是以全體參與96-100學年度的考生為比較的基礎；而試題類型、試題難度、學生作答上較困難試題與非選擇題考生作答分析，則採取一組9所學校的學生，分布區域在臺灣的北、中、南三個地區，並含有指考化學考科高、中、低三種成績組合。以100學年度而言，此組學校學生人數共計1,038位，對照全體考生，其成績分布卡方檢定值為17.03小於23.68，該組合學校的學生樣本，可以代表全體考生的分布。不同類別考生成績表現而言，採敘述統計方式；就試題類型，是採因素分析、階層性集群分析與專家判斷法；試題難度採多元迴歸分析；學生作答上較困難試題調查則採專家問卷調查方式；考生非選擇題作答則採類型分析方式。本研究結果顯示，指考化學考科的成績表現，就不同類別考生而言，是男生優於女生、非應屆優於應屆、公立優於私立、學校規模愈大，考生成績愈好。其中，男女與畢業別的差異，效果量小於.2、學校別差異的效果量介於.2~.5、學校規模差異的效果量則是介於.5~.8。以試題類型而言，指考化學考科有三種主要的試題類型，其試題難度呈現階層性關係並具有顯著性差異；就影響試題難度的因素而言，本研究利用四種試題的屬性，對試題難度變異的解釋力可達64%；利用難度預估的迴歸方程式，計算化學考科5年113題所得的難度值與實測值之間比較，若以四種難度類別作區分，大部分是屬於同一類別或差別一個難度類別，僅1題差別兩個難度類別；關於學生作答上較困難的原因，與上述影響試題難度的變項相近，有些則是屬於學生的迷思概念；考生非選擇題的作答分析發現，不同年度的非選擇題，考生的作答表現，可以分類成不同的層級，並可找出考生實際作答的例子進行驗證。未來可嘗試不同科目或不同測驗的試題難度研究，以及教學上如何增進學生較高階認知能力等方向進行。
NGSS 和12 年國民基本教育中探究、實作和建模的比較與分析
(國立臺灣師範大學科學教育中心, 2019-08-??) 李驥; 邱美虹
TIMSS 2003臺灣國中二年級學生的科學成就及其相關因素之探討
(臺灣師範大學科學教育中心, 2005-09-??) 邱美虹
一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之個案研究 ─ 以電化學概念之教學為例
(2016) 楊雅婷; Yang, Ya-Ting
本研究為探討一位高中化學教師使用建模本位教材的教學歷程之個案研究─ 以電化學概念之教學為例。以具有科學教育背景的高中化學教師為研究對象，以此教師的四個班級進行教學，分別為建模與模擬組、建模與操作組、一般與模擬組、一般與操作組，以建模教學與一般教學的教學策略，對學生進行電化學概念的教學。從中探討此教師在建模教學的教學歷程中，教師的建模學科教學知識、與其發展的動態過程、以及建模教學與一般教學的學科教學知識之比較，過程將輔以一般教學進行比較。使用「教學前中後教師晤談問卷」、「教學記錄表」、「學生學習信心/興趣量表與問卷」，在整個教學歷程中進行研究。透過教師、學生、整個情境的各個因素與面向間彼此的交互作用，來探討教師的建模學科教學知識；透過教學推理的理解、轉換、教學、評量、反省、新的理解六個過程，來探討教師的建模學科教學知識發展的動態過程；並以SWOT分析建模教學與一般教學的學科教學知識之比較，輔以學生的情意結果對照比較。本研究結果，教師的建模學科教學知識與其發展的動態過程，提供一個重要的建模學科教學知識 (M-PCK) 發展範例，教師對於建模教學擁有一定的理論基礎與教學經驗，實踐過程以明確外顯式的建模歷程，配合模型與建模觀點的語言解釋、建模文本、建模教學PPT、開放式Q&A、系統性板書、次微觀影片、與開放性紙筆測驗等呈現，完整進行建模教學，凸顯建模教學的特色。本研究也提出未來建模教學在實踐推廣的建議與方向，期許讓教學與學習，能達到更好的進展。
三位國中理化教師的建模學科教學知識之個案研究－以酸鹼單元為例
(2019) 林書繪; Lin, Shu-Hui
為探討教師在教學中使用模型與建模的知識與實踐，本研究以三位國中理化教師為研究對象（分別為一位科教博士與兩位科教碩士)。瞭解不同模型觀與建模教學經驗的教師在教授酸與鹼單元所呈現出的建模學科教學知識有何不同。本研究含模型與建模的知識（Models and Modeling Knowledge；MMingK)（含教師對模型和科學建模型的觀點)與建模學科教學知識（Modeling-Pedagogical Content Knowledge；Ming-PCK)（含教師建模的教學目標與建模教學策略之知識與實踐)兩大面向。由教學前、中、後訪談、課堂觀察與問卷填答收集資料，並在教師教學後，對三位教師的某授課班級學生進行模型本質問卷與建模學習經驗問卷調查。在學生問卷填答之後由各教師推薦九位學生（高中低成就學生各三位)進行晤談，以深入瞭解學生的模型本質觀點與學習經驗感受，研究結果顯示如下：一、建模教學經驗較豐富的教師能明確地說出模型與建模在科學教學上的應用（如：透過粒子動畫模型來讓學生瞭解酸鹼中和的過程)；在教學中能純熟溶入建模歷程且重視微觀與動態表徵模型以協助學生進行建立成分之間的聯結（如透過PhET互動軟體讓學生建構加水後的體積與莫耳濃度變化)。二、建模教學經驗少於一年的教師在模型與建模的教學則多從巨觀與微觀的角度思考，對於動態過程的呈現（如動態模擬軟體以呈現稀釋或稀釋的過程)較少，在建模歷程的設計則較難考量到修正模型與重建模型的步驟。三、無建模教學經驗的教師無法明確說出對模型的定義，課堂中多以文字與講述教學為主，較不重視微觀與圖像（如課程設計中很少呈現出微觀的酸鹼離子），建模步驟中則較注重應用模型（將酸鹼概念用來解題)的部分。四、學生於兩份問卷的填答均無達到統計上的顯著差異，顯示出內隱式教學無法有效提升學生的一般化模型觀。從晤談資料可知，多數學生認為模型是實體，與問卷結果相符；五位中高能力組的學生提到模型可以用來解釋與檢驗（如耐震程度）。部分學生認為自行操作或設計實驗對學習科學理論有助益。
三維度視覺化技能在化學學習上的探討
(臺灣師範大學科學教育中心, 1996-04-??) 廖焜熙; 邱美虹
中學自然科教師的氣體擴散概念及其預測學生氣體擴散測驗表現之研究
(2014) 劉韋彤
本研究主要是藉由二階層氣體擴散診斷試題，探討58位不同背景的中學自然科教師及414位國中及高中學生在氣體擴散的概念、中學自然科教師對其學生在氣體擴散概念上的了解情形以及教師對學生的了解和學生實際表現的之間的差異。研究結果顯示，高中自然科教師在氣體擴散診斷試題中的表現較國中自然科教師表現佳，且師範院校、教育大學或研究所畢業的教師在本研究中的表現也優於一般大學或研究所畢業的教師，主修理化科的自然科教師在本研究中的表現也優於非理化科的教師，不同年資的自然科教師在本研究中的表現則沒有顯著的差異；教師在氣體擴散試題的四個次概念中，以「氣體擴散速率與分子量的關係」表現最好；在答題信心部分，高中教師的答題信心高於國中教師，全體教師在氣體擴散概念中的得分與答題信心程度呈現顯著正相關。在學生表現的部分：高中學生在氣體擴散診斷試題中的表現顯著優於國中學生的表現；在氣體擴散試題的四個次概念中，以「密閉容器兩種氣體擴散的運動情形」表現最好，且高中學生的表現顯著優於國中學生；在答題信心部分，高中學生的答題信心高於國中學生，全體學生在氣體擴散概念中的得分與答題信心程度呈現顯著正相關。在教師預測學生表現的部分：經分析發現，教師在氣體擴散概念中預測學生的表現與學生實際作答情形有差異，教師在「密閉容器兩種氣體擴散的運動情形」以及「氣體擴散速率與分子量的關係」對學生表現的預測雖有差異但較接近學生實際回答情形。在本研究中也發現，當同樣的氣體擴散概念以不同試題類型出現時，不論是國中生、高中生或是在教育現場服務的自然科教師都可能改變自己原本的想法而改用其他的方式解釋題目，教師預測學生回答時，亦會因為試題類型的不同而選擇不同的回答。
中小學學生科學學習成果的評量架構與命題示例之研發
(中華民國科學教育學會, 2009-12-01) 郭重吉; 邱美虹; 黃臺珠; 張惠博; 張俊彥; 周進洋; 王國華; 陳忠志; 譚克平; 黃鴻博
本研究旨在參考評量教育進展的文獻和國內外實施大規模評量的經驗，針對中小學學生科學學習成果研擬評量架構和命題示例。評量架構是針對4、6、9、12年級學生，先從生物、化學、地科和物理的學科內容整理重要概念和原理，其次考慮學生科學實務表現，包括重要科學概念和原理的理解、應用、科學探究能力、量化推理能力、科學本質的認識以及態度與情意因素。從這兩個向度的交叉形成雙向細目表，針對選定的細目，敘寫學生在基礎、精熟、進階等三個層級的預期表現，據以發展試題。本研究係屬先期規劃，過程中邀請中小學教師和專家學者參與研發和諮詢；研究成果尚待考驗，但應可供規劃和發展全國性中小學學生科學學習成果調查之參考。
以p-prim探究學生學習『力與運動』的學習路徑
(2008) 簡于智
本研究的主要目的是利用p-prim 來瞭解學生學習力學的學習路徑。主要的研究方法為質性研究，由研究者擔任教師的腳色，利用POEC教學方式來教導學生學習力學，並且側錄學生在學習過程中其解釋、預測的內容，最後將這些內容編碼以進行分析。研究對象為十二名台北市八年級學生，授課時間為八個小時，共兩週的時間。研究結果發現學生會持有片段的p-prim來進行思考，同時在相同的科學概念情境當中，會使用不同的想法來解決問題。另外在本研究中發現三個新個p-prim，分別是施力必耗能、有公式才有數字、傳遞力三者。其中施力必耗能以及傳遞力可以歸納在diSessa對p-prim既有的分類之下，而有公式才有數字則被研究者歸為一般類別當中。而在學生學習牛頓力學的路徑當中，發現學生在慣性定律上容易受到引導和力為推動者這兩個p-prim的影響，而在第二運動定律的部份則有比較多的人持有力為推動者的想法。在作用力與反作用力這個概念下，則發現對於作用力與反作用力大小相等這個概念對學生來說容易記憶，但是卻難以找到自我解釋的方式。由研究結果顯示，若能根據學生的p-prim設計教學，便能夠使學生較為容易的修正其p-prim，而達成科學概念。
以人臉狀態改變建立輔助科學概念改變教學與評量之系統
(2014-07-31) 宋曜廷; 邱美虹
以多重表徵教學探究高二學生氧化還原、電池和電解的概念改變
(2013) 李雪碧; Hsueh-Pi Li
本研究目的主要探討多重表徵教學活動對於學生學習氧化還原概念、電池和電解概念的概念改變，本研究設計以多重表徵作為教學方法，以電子白板為教學載具，以即時回饋系統作為評量載具，針對新北市某市立高中二年級自然組兩班學生進行研究，將兩班隨機分派為實驗組與對照組，實驗組學生有33位，對照組學生有32位，共65位。實驗組與對照組的主要教學差異為前者以明示法呈現次微觀表徵，後者則是以暗示法呈現次微觀表徵，教學研究為期兩週，共七堂課。研究結果以量化和質性兩者兼具的方法進行分析。在量化方面，採用SPSS統計軟體分析概念表現情形與其差異，而在質性方面，將學生的概念圖進行概念類別以及概念類型的演變路徑分析。本研究結果顯示：1.以明示法呈現次微觀表徵的多重表徵教學能幫助學生建立電池機制。2. 以明示法呈現次微觀表徵的多重表徵教學能有助於學生概念改變。3. 以明示法呈現次微觀表徵的多重表徵教學能幫助學生將氧化還原概念、電池概念以及電解概念作連結。本研究建議教師在化學教學時，要將相關的概念一同教學將有助於學生學習，此外在教學的設計上要使用明示法來呈現次微觀，也要同時呈現巨觀、符號以及語言的表徵，將有助於學生理解化學概念。
以多重表徵的模型教學探究高二學生理想氣體心智模式的類型及演變的途徑
(2007) 鍾曉蘭; Shiao-Lan Chung
在學習化學的歷程中，不論是物質三態、理想氣體模型、碰撞學說與平衡的相關概念的科學學習上，微觀的粒子概念是理解化學概念的重要基礎。然而,學生在日常生活的觀察之中，不容易察覺與體驗出化學概念中微觀世界的想法，導致在學習理想氣體粒子模型與氣體動力論困難重重，甚至對於氣體的巨觀現象做出許多錯誤的推理因，而產生許多的迷思概念或另有概念(Novick ＆ Nussbaum,1981；Millar,1990；Benson et al., 1993)。本研究根據文獻所提及氣體粒子的迷思概念/心智模式類型，設計出一系列相關氣體體積、壓力、蒸氣壓、擴散與微觀世界中氣體粒子運動關係的診斷式紙筆測驗(預試對像為高三學生，男：45，女：37，共計82人，信度為0.913)，來探討學生理想氣體心智模式的類型。在教學方面，根據理想氣體粒子模型的特性（剛性粒子、隨機運動等）設計符合其現象及屬性的多重表徵的模型教學，藉著分析心智模式類型的分佈與演變途徑，及比較教學前、後及延宕測驗中3C(Correctness、Consistency、Completeness)的演變情形（Chi ＆ Roscoe,2002；Vosniadou,2002；邱美虹,2006），來瞭解多重表徵的模型教學（實驗組為39人，男:27、女：12）是否比傳統文本教學（控制組為40人，男：32、女：8）更能有效增進學生對於理想氣體的科學學習與概念改變。經過兩週(共計八節課)教學後，分析兩組學生教學前、後的正確性（correctness）、一致性(consistency)與完整性(completeness)，以及五次動態評量的答題情形，研究結果摘要如下：（1）在教學成效方面：實驗組與控制組兩組學生在教學前並未達顯著差異（paired-t test，正確性：t=.781，p=.440；一致性：t=1.705，p=.081；完整性：t=1.04, p=.306），教學後則達到顯著差異（ANCOVA ，正確性：F=36.4，p=.000；一致性：F=40.9，p=.000；完整性：F=42.4，p=.000）。特別在微觀方面，實驗組的正確性顯著優於控制組（F=43.6，p=.000），顯示出藉由多重表徵的教學方式，的確有助於學生建立正確的微觀氣體粒子運動模型。（2）在教學過程的動態評量中，兩組學生除了第二次評量未達顯著差異，實驗組在其他四次評量的得分率皆顯著優於控制組。（3）研究者以學生回答診斷式試題中六題相關氣體壓力微觀的解釋理由，來判斷學生的心智模式，並歸類出學生的心智模式共有十大類型：科學模式、科學有瑕疵、科學＋其他、分子量模式、體積模式、引力模式、動能模式、活性模式、兩種心智模式並存的雙模式，以及不一致的混合模式。實驗組學生對於氣體壓力主要心智模式的演變途徑為：混合(30.1％)→科瑕(35.8％)→科瑕(46.1％)；控制組學生對於氣體壓力主要心智模式的演變途徑為：混合(45.0％)→混合(45.0％)→混合(37.5％)。實驗組學生心智模式的演變朝向科學模式/科學有瑕疵的方向邁進，控制組的學習活動中由於缺乏與現象相同屬性(動態－隨機)的多重表徵，較難引發學生建立正確的心象，因而控制組學生心智模式的改變並不多。（4）多重表徵的模型教學與動態評量有助於學生建立突現過程本體：實驗組學生經由視覺混合、具體混合、數學混合與動作混合等多重表徵的模型教學後，建立了完整的剛性粒子的概念，並深入瞭解粒子微觀的運動是隨機的、瞭解氣壓的成因是快速運動的粒子對容器壁碰撞時的單位體積內動能轉移，因此教學後有48.7％的實驗組學生產生跨越本體及直接過程轉變成突現過程等較困難的概念改變，另外有20.5％的實驗組學生在學習過程中逐漸演變成突現過程。（5）從學生開放式的問卷中，我們可以瞭解到大部分的學生對於多重表徵模型教學的情意面向是正面的反應居多。本研究嘗試將多重表徵的模型教學融入理想氣體教學中，研究結果顯示教學成效顯著優於傳統文本教學，建議科學教師在課室活動中可以在時間許可下採用模型教學。藉由呈現模型與不同表徵之間的交互作用，幫助學生觀察並進一步瞭解現象中所蘊含的科學模型，藉以動態修正或精緻化個人的心智模式。關鍵詞：多重表徵的模型教學、心智模式的演變途徑、概念改變
以孔恩的常態科學探究高中師生科學社群中科學探索活動的歷程—參與科學展覽活動之得獎個案分析
(2002) 周金城; Chin-Cheng Chou
本研究試圖由高中師生製作得獎科展的研究歷程與經驗，來探討科學研究能夠完成的重要方法與因素，並分析研究個案中概念改變的機制與特質。科展的科學研究是一種孔恩所說的「常態科學」（normal science），而孔恩對其所謂常態科學也分成三類：1.決定重要事實；2.使典範與事實相符合；3.精鍊典範。而本研究以孔恩的常態科學的意涵為基礎，來加以分析科展中科學研究的動態歷程，並且在這三類的常態科學活動中，分析師生所面臨的困難與解決歷程。本研究並根據實踐認識論所強調的理論與實作之間來回辯證的過程，作為本研究探討學生在實作中發生概念改變的動態歷程。本研究是以高中全國科展前三名得獎的師生為研究對象，在研究方法上採用質性化的半結構式訪談為主，每一組約有一至二名教師與一至四名學生，共晤談十一組，所有的受訪者皆是自願的。經資料分析後，本研究得到以下的結論：一、科展的研究問題除了孔恩的三類常態科學研究問題，還包含前典範時期與異例現象的研究。在本研究中，有七組的研究問題是屬於常態科學的研究問題。對於科展研究中最大的困難處是找出解釋現象的理論，也是學生花最多的時間。二、一個好的研究問題最重要的是找出一個有典範指導解題的問題，由本研究中發現有六個研究問題是由教師所提出，而教師大多是根據科學理論來找出研究問題；反之，學生則大多是由現象來提出所欲研究的問題。本研究同時也發現他們的科學研究，其實就是提出問題、設法修改問題與提出不同解釋的理論，使能在有限的證據中尋找適當的理論來與研究結果相互的吻合。三、由分析個案中發現，科學探索歷程的核心是一連串的概念改變，且改變是逐步發生而非孔恩所謂瞬間轉換的。當理論與證據間發生矛盾時，師生常將此矛盾認為是證據上有問題，而非是理論有問題，直到證據重複出現，才會試圖去修正理論。而理論與證據間產生矛盾，是提供研究持續進行的動力。四、良好的外在環境，如家長的支持、團隊的小組合作等，能提供研究者情意方面的支持，有助於研究者去面對解題困境而不放棄。五、師生認為目前實驗課能提供練習實驗操作技能的機會，但對科展研究能力的培養，則需要先引發學生的內在動機，需要有較長的實驗時間讓學生進行思考。
以學習進程發展認識實踐取向的建模本位教學：八年級化學反應學習主題為例
(2024) 曾茂仁; Zeng, Mao-Ren
以建模與認知師徒制開發新興科技融入高中課程之教學研究
(臺灣師範大學科學教育中心, 2009-06-??) 吳武雄; 蔡哲銘; 邱美虹; 常月如; 葉昭松
以推論模式為架構分析大考化學考科非選擇題試題之探究
(國立臺灣師範大學師資培育與就業輔導處, 2016-06-??) 吳國良; 邱美虹; Kuo-Liang Wu; Mei-Hung Chiu
本研究嘗試由推論模式來分析大考化學考料非選擇題，以了解學生推論技能與非選擇題表現的關像。由過去的文獻可知，推論是由已知的訊息推得未知的內容，廣泛應用於閱讀理解。有些文獻亦指出，推論技能可能同時影響學生的閱讀能力與科學學習成就。本研究藉由99 年大考化學考科非選擇題第一大題的3 個小題，區分為以文本為基礎與情境模式的試題，研究發現:考生需在命題語句、推論意涵與衍生解題之間形成相互的連結，才能順利完成解題;此外，就高、低先備知識兩種不同的考生群，在以文本為基礎試題的表現的差距，會小於情境模式的試題。研究結呆顯示:在回答接近情境模式的試題時，除了需具有充足的先備知識外，亦需形成有效的推論，才得以完整地回答問題。根據此項結果，研究者提出教學與命題的參考。
以新興臉部微表情分析技術探討電腦互動POEC與師生共構教學之成效－奈米級鐵粉燃燒認知衝突實驗
(2014) 謝秉桓
　　本研究試圖以臉部微表情分析電腦互動POEC與師生共構教學之成效，其中研究內容可分為四個研究目的，分別為：(1)探討使用「可燃的鐵」認知衝突實驗影片進行教學是否具有概念改變成效；(2)探討有無使用POEC策略進行教學，學生學習歷程的學習成就與臉部微表情變化差異之關係；(3)探討學生觀察「可燃的鐵」教學影片時有無使用師生共構，學習成就與臉部微表情變化差異；(4)探討學生觀察「可燃的鐵」實驗影片之實驗結果時，臉部微表情變化情形。　　由於本研究選擇「可燃的鐵」實驗進行教學，此一實驗是以草酸鐵製備奈米級鐵粉，並由高處往下倒落產生自燃的認知衝突現象，主要教導學生表面積與反應速率概念，反應速率概念主要為國中二年級下學期內容，也因此本研究選擇國中二年級學生並於上學期進行施測（共115名），以「可燃的鐵」概念問卷施以前後測，並在施測同時錄影收集受測學生之臉部微表情資料，並以臉部微表情辨識軟體進行事後分析。　　本研究之研究結果發現：(1) 「可燃的鐵」實驗是一個極佳的認知衝突實驗；(2) 使用具認知衝突情境的認知衝突實驗影片進行教學成效佳；(3) 經歷認知衝突情境的學生較容易產生概念改變；(4) 實驗影片教學中必須加入「預測」步驟；(5) 歷經認知衝突後仍須經由教學才可產生概念改變；(6) 實驗影片教學中「慢速重播」步驟是絕對必要的。
以概念演化探討物質三態變化之教科書內容與教學對學童心智模式發展歷程之影響
(2012) 吳文龍; WEN-LUNG WU
本研究綜合多重的研究資料探討學生物質三態變化之心智模式發展歷程，研究內容可分為四個不同的研究主題，據此，四個主要的研究目的分別為：(1)實施跨年級物質三態變化問卷調查，瞭解學生學習現況及檢驗物質三態變化概念演化假說樹的合適性與符合度；(2)透過相關研究文獻，建立理論的物質三態變化之心智模式及認知特徵，藉由系統發育分類學技術建構物質三態變化概念演化假說樹；(3)分析國小、國中、高中階段科學教科書之物質三態變化單元，以概念發展點探討教科書內容結構及與相關概念的銜接，建立各年級的概念教學進程表，並比較不同版本差異；(4)綜合前述三種不同的研究方法確立學生物質三態變化概念發展路徑後，在國小六年級進行「粒子本質導向之物質三態變化二階段教學」，探討不同概念內容與次序對學生學習物質三態變化的影響。在選樣的部份，研究主題一為四到十二年級跨年級概念調查，研究者考量物質三態變化是日常生活中經常接觸到的現象，且在各年的教學活動亦會應用相關概念，因此受測者以四到十二年級逐年收集的方式收集資料(共832人)；研究主題三為教科書分析，以台灣九十九學年度現行之教科書版本為主，國小階段、國中階段及高中階段共有九種不同版本；在研究主題二實驗教學研究的部份，因研究發現五年級後即超過半數學生具有部份粒子概念，因此以國小六年級四個班級(共110人)進行教學活動。本研究之研究工具及實驗教學包含：「粒子本質暨物質三態變化問卷」、「系統分類學統計軟體(PAUP* 4.0)」、「教科書分析編碼表」、「學習歷程記錄表」、「自然科學習動機問卷」及「粒子本質導向之物質三態變化二階段教學」。「粒子本質暨物質三態變化問卷」用於跨年級概念調查及配合實驗教學之施測，主要在瞭解學生對於物質三態變化概念的理解程度；PAUP* 4.0常用於系統分類學上，主要用來判斷物種親源遠近的統計工具，本研究用以分析物質三態變化心智模式及認知特徵，透過此軟體計算出可能的概念演化樹；「教科書分析編碼表」為分析不同版本教科書相關單元之編碼工具；「學習歷程記錄表」及「自然科學習動機問卷」為教學期間及教學後收集學生對課程內容的反應，以輔助研究結果的詮釋。「粒子本質導向之物質三態變化二階段教學」包含微觀粒子概念與物質三態變化兩部份，此教學法根據物質三態變化概念演化樹之發展路徑做為教學的組織架構，分別安排合適教學內容與次序。二階段實驗教學階段包含第一階段粒子本質教學(角色扮演)及巨觀三態物質教學(一般講述)；第二階段物質三態變化教學(角色扮演組及一般講述組)兩個部份。第一階段為建立不同的先前概念做為後續教學的基礎，第二階段為採用兩種不同的教學法進行物質三態變化教學。本研究以角色扮演進行粒子運動的模擬包含三大特點：「眼罩」模擬粒子隨機運動的無方向性及無目的性；「帽子顏色(紅、黃、綠)」代表不同粒子運動速率；「魔鬼氈手套」代表不同吸引力。因國小階段並未安排微觀粒子相關的課程，因此研究者以學期末時間進行教學，教學時間為五至六堂課。本研究之研究結果發現：(1)物質三態變化概念調查指出學生對於巨觀的概念發展早且已高比例的正確性，但在微觀的部份，大部份國中階段學生尚未建立完整的微觀粒子概念，要到高中階段才會出現高比例的科學概念；而物質三態變化概念的發展大致呈現逐年成長的狀況，但學生對於三態變化中凝結現象答對比例大於蒸發現象，顯示部份的學生仍無法以一致的科學概念解釋三態變化的物相轉變；(2)本研究之物質三態變化概念演化樹22可分為A、B、C、D區，各區出現不同的認知特徵，物質觀點中的混合觀與粒子觀分別在B區及D區出現，由相伴出現的認知特徵可看出各類心智模式對物質三態變化的不同解釋方式；(3)本研究之教科書分析結果認為粒子本質概念在國中階段的教學比重低，即使提到粒子概念也僅解釋物質的微觀結構，對於三態變化時粒子運動觀點要到高一時才有正式的教學活動，因此本研究下一階段實驗教學的主要目標增加粒子本質概念的內容，並瞭解粒子本質概念對學習物質三態變化時的影響；(4)在進行四組實驗組的實驗教學後，本研究之粒子本質教學能顯著地幫助學生學習第二階段的物質三態變化，並且即使第二階段的教學活動未使用角色扮演的方式進行，學生仍能理解物質三態變化概念，達到更好的學習成效。最後，本研究建議概念發展相關研究應採用不同的研究方式，同時進行整合的分析及實驗教學，才能具體對未來課程安排提供合適的建議。
以科技為基礎之課室互動教學環境對於國中學生細胞分裂概念學習之影響
(2011) 楊凱悌; Kai-Ti Yang
近年來，互動式電子白板(Interactive Whiteboard, IWB)整合白板與電腦間雙向互動操作以及多媒體整合呈現之創新，讓IWB融入教學成為各國政府之支持與推動的政策，我國亦於2006年起政策性推動IWB融入各級學校之教學；因此，本研究嘗試探究IWB融入國中細胞分裂主題之教學效益。本研究由文獻分析，依據細胞分裂主題之資訊融入教學的建議與IWB之教學應用的建議，並參考Richard E. Clark、Robert B. Kozma與Richard E. Mayer之論點，發展出「科技輔助科學學習效益之三元決定論：學習科技屬性、教學方法、學習者特質」以及「質量並重的研究方法可以釐清科技輔助科學學習的全貌」兩個論點作為本研究之立論基礎，發展以IWB為基礎之課室互動教學活動，並針對IWB融入國中細胞分裂主題教學之效益進行深入評估。本研究採準實驗研究設計，將參與研究之國中一年級學生共107人，分為「傳統資訊融入教學組」(n=57)與「IWB融入教學組」(n=50)，「傳統資訊融入教學組」於傳統課室環境中應用Microsoft PowerPoint進行教學，「IWB融入教學組」則是於傳統課室環境中應用IWB進行教學。在教學進行前，先針對研究對象實施細胞分裂主題之總結性評量前測、細胞分裂之二階層診斷式測驗(Two-tier Diagnostic Test for Cell Division, TDTCD)前測與Kolb學習風格量表，以收集量化資料；接著進行為期一週的教學，在教學過程中，進行全程課室錄影，以收集質性資料；教學結束後，再實施細胞分裂主題之總結性評量後測、TDTCD問卷後測與建構式多媒體學習環境問卷(Constructivist Multimedia Learning Environment Survey, CMLES)，以蒐集量化資料。本研究針對蒐集到的質性與量化資料進行分析，結果發現：一、相較於傳統資訊融入教學，學生在IWB融入國中細胞分裂主題教學之環境中進行學習，有較佳之學習效益與概念改變情形。二、相較於傳統資訊融入教學，學生認為IWB融入國中細胞分裂主題之教學環境較符合建構式學習環境。三、相較於傳統資訊融入教學，在IWB融入國中細胞分裂主題教學之環境中進行教學，師生互動模式偏向於教師減少講述教學而學生主動參與教學活動之情形增加。四、不同學習風格學生於不同資訊融入教學模式下學習細胞分裂主題，其學習效益與概念改變具有差異。 1. 經驗攫取偏好為「具體經驗」之學生，在IWB融入細胞分裂主題教學環境之學習效益與概念改變情形，顯著優於傳統資訊融入教學環境。 2. 經驗攫取偏好為「抽象概念」之學生，在IWB融入教學與傳統資訊融入教學環境下學習細胞分裂主題，均能獲得相等之學習效益與概念改變情形。 3. 經驗轉換偏好為「主動實驗」之學生，在IWB融入教學與傳統資訊融入教學環境下學習細胞分裂主題，均能獲得相等之學習效益；但是在概念改變情形上，則以IWB融入教學環境下之概念改變情形顯著較傳統資訊融入教學佳。 4. 經驗轉換偏好為「省思觀察」之學生在IWB融入教學與傳統資訊融入教學環境下學習細胞分裂主題，能獲得相等之整體學習效益與概念改變情形。五、不同學習風格學生於不同資訊融入教學模式下學習細胞分裂主題，其在CMLES問卷中呈現之對於學習環境的感受情形具有差異。經驗攫取偏好為「抽象概念」之學生，對於IWB融入教學環境之感受顯著較傳統資訊融入教學環境佳，特別是在「學習探究」、「學習思考」、「相關性」、「易用性」與「挑戰性」之學習感受上，經驗轉換偏好為「主動實驗」之學生，對於「學習探究」、「學習思考」與「挑戰性」的學習感受，顯著較傳統資訊融入教學環境來得正向，經驗攫取偏好為「具體經驗」與經驗轉換偏好為「省思觀察」之學生則對於兩種資訊融入教學環境有相同正向的學習感受。六、不同學習風格個案學生於不同資訊融入教學模式下學習細胞分裂主題，其課程參與度具有差異。經驗攫取偏好為「具體經驗」與經驗轉換偏好為「主動實驗」之學生在IWB融入教學環境下有較高之參與度，經驗攫取偏好為「抽象概念」之學生在兩種資訊融入教學環境下均有高參與度，經驗轉換偏好為「省思觀察」之學生在兩種資訊融入教學環境下多有高參與度，但在「減數分裂之意義與過程」子概念之學習，以在IWB融入教學環境下之參與度較高。
以臉部微表情分析技術與眼球追蹤技術探討認知衝突實驗之成效
(2016) 林俊豪; Lin, Chun-Hao
本研究主要以臉部微表情分析技術與眼球追蹤技術探討認知衝突實驗之成效，研究內容包含三個主要研究目的，分別為(1)探討雙錐體上坡實驗是否具備認知衝突的教學效果，教學過程中有無概念改變的可能性。(2)探討雙錐體上坡實驗在使用OEVC組(無預測)、POEVC兩種教學設計在概念成就上有無差異。(3)探討使用雙錐體上坡實驗在臉部微表情變化與眼球追蹤紀錄之關聯性。本研究主要利用科學概念問卷檢測大學生對於雙錐體上坡實驗的科學概念是否正確，研究設計包含雙錐體上坡認知衝突實驗與融入POEVC的教學設計，教材設計包含視覺化表徵的教學影片與文字表徵的文字投影片，並討論過程中受試者對於預測步驟的成效差異。施測過程中利用臉部微表情分析技術與眼球追蹤系統來收集學習歷程的生理資訊，用來分析認知衝突實驗對於受試者的影響，並討論表情變化與眼球生理訊號的關聯性，藉由學習歷程與學習成效來討論認知衝突實驗的設計建議與學習效果分析。分析受試者科學概念問卷表現來了解先備知識的差異與教學後的成效，概念問卷的試題類型主要以是非問答題、單一選擇題、非選題、生活情境題等題型來評估是否具有迷思概念與精力教學的結果是否達到概念改變的條件，雙錐體上坡的科學概念選擇則以高中範圍的力學為主，主要有轉動與力矩等科學概念。本研究的結果發現： (1)由前測成績在理組與文組間無顯著差異，後測成績理組與文組達顯著，t(18.929)=3.688，(p=0.002)，關鍵概念在兩組的後測結果也達顯著，t(31)=1.773，(p=0.002)，可知科學概念對不同組別受試者的理解難易程度會表現在運用認知衝突實驗的教學成效。 (2)由前後測中的生活情境題結果可知，文組學生在後測的生活情境題中成績與理組比較結果具有顯著性t(31)=-.992，(p=0.042)，可知使用認知衝突情境的實驗在融入教學設計對於關鍵概念的學習是具有成效的。 (3)由實驗影片與關鍵概念教學的各興趣區間數值比較發現，除純滾動文字教學的空白區域外，由各項本研究的眼動指標數值發現，文組受試者的眼動指標數值皆大於理組，可知認知衝突實驗與文字教學設計在眼動指標上與不同類組的受試者有關。文組在前後測成績進步較佳，但與理組的進步成績無顯著性。 (4)認知衝突實驗設計與先備知識有關，例如文組與理組對純滾動概念在高中課程的差異造成具有的先備知識不同，因此在文字教學中的凝視頻率具有顯著差異，t(31)=-1.015，(p=0.01)。 (5)認知衝突實驗影片的播放速度對於不同實驗具有不同的成效，由臉部表情變化指標可知不同受試者會產生微表情變化的區間分布在不同的播放速度區間。不同區間的臉部微表情變化與眼動指標數值具有差異，但未達顯著性。