科學教育研究所
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本所於民國75年秋奉教育部核准設立，經當時理學院吳院長京一、與數學系、物理系、化學系、生物系、地球科學系等系主任，以及本校科學教育學者之籌備和規劃，分別於75年成立博士班，於76學年度招收第1屆博士班學生，83年成立碩士班，於84學年度起正式招收第1屆碩士班學生，87年成立教學碩士班，於88學年度招收第1屆教學碩士班學生。
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Item 探討數位學習環境中學生科學探究歷程和學習策略-總計畫（Ⅲ）(行政院國家科學委員會, 2011-07-31) 吳心楷; 許瑛玿; 黃福坤本縱向研究旨在檢視科技導入學習模組對學生探究能力的影響，並在為期兩年的研究 中與對照組進行比對。我們根據5E 學習環發展了三套學習模組，主題分別為四季、環境議 題及空氣污染。每套模組課程約為10-12 堂課，並在不同的學期進行實施。探究組共有24 名七年級學生，全程參與三種科技導入學習模組；另外，對照組是27 名七年級學生在兩年 內接受傳統教學法。為了追蹤學生的探究能力表現，我們發展了一個測驗工具來評量學生的 提問、計畫、分析及建模能力。結果顯示，探究組在設計可行的實驗流程、辨別數據、使用 科學規則或概念來詮釋數據、描述變因之間的因果關係及透過綜合數種關係建構模式的等能 力顯著優於對照組的表現。經分析這些學習模組的教學設計，發現能顯著增進學生探究能力 的教學設計要素為多重表徵共同作用、漸進增加複雜性、綜合各種鷹架、透過POE 環進行 預測。Item 探討內嵌多層次評量的科技導入探究式學習環境之影 響面向(行政院國家科學委員會, 2015-07-31) 吳心楷; 許瑛玿; 陳志銘; 張文華; 張欣怡本整合型計畫為了能夠以評量來回饋教學設計和達成課程綱要的能力指標的程度，試圖內嵌多層次多面向線上評量於科技導入探究式學習環境來提昇學生科學探究能力和學科知識。將針對學習目標來形塑高品質的探究式學習環境，從課程內容、教學策略、學習活動、評量方式和科技使用等方面考慮如何輔助學生進行科學探究。總計劃乃針對研究進程與教師培訓進行規劃，協調三個子計畫的產出和相互間的合作關係。子計畫一著重於探究教學模組的設計、子計畫二著重於評量的研發、子計畫三致力於建置網路平台來管理和記錄探究式合作學習的歷程。本整合型計畫為期兩年八個月，前八個以發展教學模組、教師培訓模組、評量工具和網路平台為主，第二年以教師培訓和教學實驗為主，第三年以大規模教師培訓和推廣為主。為能探討影響教師實施內嵌多層次評量於科技導入探究式教學的因素，總計畫發展兩項問卷調查「教師科學知識論」和 「教師對探究式教學與評量研習的滿意度」，並晤談合作教師採行探究教學模組與評量的困難所在，據此提出未來教師培訓與教學模組推廣的具體建議。子計畫一針對九年一貫課綱中國中九年級地球科學的4單元：氣象觀測（4節）、板塊學說（4節）、四季（4節）和潮汐（4節）的內容，搭配實驗能力和解釋能力兩項來設計探究教學模組，將透過分析立即性評量（學習單的填答情形）來回饋教學模組的調整和修改，以及探討教學模組如何協助學生發展多面向的科學知能（知識、探究能力和科學知識觀）。子計畫二針對不同的教學模組，發展多層次多面向的評量，分析並比較學生在不同層次、不同單元的評量表現情形，以及探討影響學生在不同層次、不同單元的評量表現之可能因素。子計畫三發展「具支援多層次評量之網路探究式學習系統」平台，輔助學習者透過網路進行科學探究學習，利用基因演算法(genetic algorithm)發展基於同時考量科學探究能力、社會網路互動、學習角色互補與衝突之最佳化網路探究式合作學習分組策略，以支援提升網路探究合作學習成效，第三年將嘗試延伸發展為可支援行動網路探究學習之平台，以雲端架構實現可同時提供桌上型電腦網頁介面與行動裝置App介面之高運算效能同步學習服務。本整合型計畫成果可提供與課室教學密切連結的有效資訊，以作為評估教育改革成效的參考。Item 國立台灣師範大學「邁向頂尖大學計畫」：科學教育中心 iTeaching 計畫(教育部, 2015-12-31) 許瑛玿; 黃福坤; 吳心楷Item 鷹架式建模數位學習環境對學生科學學習影響 之研究-子計畫三：表徵式鷹架對學生科學建模的影響之研究 (3/3)(行政院國家科學委員會, 2008-07-31) 吳心楷; 許瑛玿; 黃福坤科學建模已被科教社群視為重要的學習及教學活動，但是科學建模是個複雜的過 程，學生必須分析系統中各變數，建立變數間的關係，監控建模過程，並透過模擬結果 來修正原模式。由於在教室環境中，個別教師能提供的支援有限，在此複雜而學生可能 無法獨力完成的學習過程中，科技工具能提供的鷹架更顯重要。子計畫三即在深入瞭解 建模工具中的功能，尤其是以表徵方式呈現的鷹架 （representational scaffold），如何扮 演輔助建模的角色，以幫助學生在近側發展區內，完成原本無法獨力完成的複雜學習任 務。計畫第一年將進行專家生手研究，以仔細比較科學家（或是博士班研究生）與高中 生建模過程的差異並探討生手建模的困難，將針對生困難設計建模工具中的鷹架功能。 計畫第二年將進行前導性研究，透過學生建模及鷹架使用行為的分析，改進學習模組內 容及鷹架設計。計畫第三年將進一步以比較性研究（有無表徵式鷹架存在的兩種狀況） 瞭解鷹架對學生建模過程的影響。研究結果將深入釐清工具設計、科學學習與表徵鷹架 間的關係，並豐富鷹架理論在學習科技方面的應用。Item 探討數位學習環境中學生科學探究歷程和學習策略-總計畫（Ⅰ）(行政院國家科學委員會, 2011-07-31) 吳心楷; 許瑛玿; 黃福坤本整合型計劃採行長期追蹤研究方法(Panel study)，擬於3年(8年級到10年級)研究期間，多次針對相同樣本(1班學生)進行4個課程（光學、四季、My World GIS融入環境議題和空氣品質）探究教學實驗，並收集數種量的（電腦紀錄、量表與測驗）和質的（晤談與教室觀察）資料，探討探究課程對學生探究能力的影響。並且選取同校另外一班學生作為空白組，同時接受研究工具的施測，以協助研究者區別出”隨時間遞移學生可能在認知能力增長”與”實際因為探究課程實施帶給學生的認知成長”。第一年完成網站平台建置、教師探究教學訓練、探究能力診斷紙筆與實作測驗、以及光學和四季兩個課程的設計和教學實驗。第二年整合型計劃的總計劃完成的課程為: My World GIS融入水庫單元和校園替代能源單元等教材設計。於學生完成環境議題課程後，針對空白組和實驗組施行探究能力診斷紙筆與實作測驗。經分析課程前後兩組學生的探究能力表現，發現實驗組在計畫分項的平均得分顯著高於空白組的學生，且在計畫分項的平均得分顯著高於空白組的學生，顯示此課程能顯著提昇學生計畫科學探究過程的能力。Item 探討數位學習環境中學生科學探究歷程和學習策略-總計畫（Ⅱ）(行政院國家科學委員會, 2010-09-30) 吳心楷; 許瑛玿; 黃福坤本整合型計劃採行長期追蹤研究方法(Panel study)，擬於3年(8年級到10年級)研究期間，多次針對相同樣本(1班學生)進行4個課程（光學、四季、My World GIS融入環境議題和空氣品質）探究教學實驗，並收集數種量的（電腦紀錄、量表與測驗）和質的（晤談與教室觀察）資料，探討探究課程對學生探究能力的影響。並且選取同校另外一班學生作為空白組，同時接受研究工具的施測，以協助研究者區別出”隨時間遞移學生可能在認知能力增長”與”實際因為探究課程實施帶給學生的認知成長”。第一年完成網站平台建置、教師探究教學訓練、探究能力診斷紙筆與實作測驗、以及光學和四季兩個課程的設計和教學實驗。第二年整合型計劃的總計劃完成的課程為: My World GIS融入水庫單元和校園替代能源單元等教材設計。於學生完成環境議題課程後，針對空白組和實驗組施行探究能力診斷紙筆與實作測驗。經分析課程前後兩組學生的探究能力表現，發現實驗組在計畫分項的平均得分顯著高於空白組的學生，且在計畫分項的平均得分顯著高於空白組的學生，顯示此課程能顯著提昇學生計畫科學探究過程的能力。Item 國際數學與科學教育成就趨勢調查2007(3/4)乙(行政院國家科學委員會, 2008-07-31) 吳心楷; 張俊彥; 譚克平; 許瑛玿; 曹博盛; 任宗浩; 林碧珍; 張美玉; 張文華; 楊文金繼TIMSS 1995、TIMSS 1999(TIMSS -R) 及TIMSS 2003之後，IEA計劃再辦理國際數 學與科學教育成就趨勢調查(Trends in International Mathematics and Science Study 2007, 簡稱TIMSS 2007)。我國目前 是國際教育學習成就調查委員會（IEA）正 式會員，國科會和教育部共同支持補助參 與TIMSS 2007調查，希望經由積極參與國 際性研究計畫，為我國增添一個有利的管 道。可以進一步了解各國學生數學及科學 學習成就及其與各國文化背景、教育環境 等影響因子之相關性，以及我國學生數學 及科學學習成就與國際間之比較情形，其 結果可作為我國科學教育研究與實施參考 之使用。 TIMSS 2007 的主要調查對象為四年級 及八年級學生，共計有59 個國家參與並完 成調查工作，其中50 個國家參加八年級調 查，26 個國家參加四年級調查。國際上 TIMSS 2007 從2005 年2 月開始發展研究 調查架構與試題，我國自2005 年4 月開始 加入TIMSS 2007 國際調查工作，包括提供 命題架構意見、數學和科學試題命題、參 加專家問卷會議、試測（field test）資 料收集、實測（main survey）資料收集、 參加國際成果指標會議、國際資料分析會 議等各項工作。其中我國於2006 年4 月 19 日進行試測，實測部分於2007 年5 月 21 日至6 月8 日舉行，國中、小各抽測150 校，其中四年級有27 所較大型學校抽測兩 班，共抽測327 個班級。參與受測的學生 計有八年級共4046 位學生、四年級共4131 位學生分別完成測驗。每位受測學生需完 成問卷與題本的填答，而受測學校的校長 及教授受測班級數學和科學的教師則需配 合填寫學校問卷與教師問卷。 測驗結果：我國八年級學生科學學習 成就平均成績的國際排名為第二名，與第 一名的新加坡無顯著差異；數學平均成績 的國際排名為第一名，但與第二名的韓國 與第三名的新加坡無顯著差異。我國四年 級學生科學學習成就平均成績的國際排名 為第二名，與排名第一的新加坡有顯著差 異；數學平均成績的國際排名為第三名， 與排名第一的香港和排名第二的新加坡有顯著差異。各學科內容領域與認知領域平 均成績的國際排名分別如下： 【八年級科學部份】 生物第三名，化學第一名，物理 第四名，地球科學第一名；知識 領域第二名，應用領域第一名， 推理領域第五名。 【八年級數學部分】 數第三名，代數第一名，幾何第 一名，資料與機率第四名；知識 領域第三名，應用領域第二名， 推理領域第一名。 【四年級科學部份】 生命科學第四名，物質科學第三 名，地球科學第三名；知識領域 第二名，應用領域第八名，推理 領域第一名。 【四年級數學部分】 數第三名，幾何形狀與測量第四 名，資料呈現第四名；知識領域 第三名，應用領域第三名，推理 領域第三名。 在我國學生成就趨勢方面，與TIMSS 2003 比較，八年級數學有顯著的提昇，從 排名第四躍升排名第一；八年級科學雖持 平排名第二，但卻有退步的現象；四年級 數學雖然排名第三，但相較2003 年的結果， 亦有顯著的進步，不過相較於排名第一的 香港，仍有進步的空間；四年級科學，與 2003 的結果相比，有顯著的提昇。以整體 來說，這個成果顯示我國數學和科學教育 一直有不錯的水準，這是大家對科學教育 關心與努力的結果。 總的來說，在TIMSS 2007 的整體表現 上，我國四年級與八年級學生於科學方面 均名列第二；數學方面則分別名列第三和 第一。而與TIMSS 2003 的表現相較，我國 四年級學生在科學與數學方面及八年級學 生在數學方面均有顯著的進步，惟八年級 科學成就有下降的趨勢。我國學生在對數 理具有高正向態度和對數理具高度學習自 信心的人數比例上皆顯著低於國際平均。 在性別差異方面，我國兩年段學生不論在 數學或科學的成就上，男女生的表現均無 統計上的顯著差異。Item 國際數學與科學教育成就趨勢調查2007(2/4)乙(行政院國家科學委員會, 2007-05-31) 吳心楷; 林陳涌; 許瑛玿; 呂玉琴; 譚克平; 左台益; 任宗浩; 楊文金; 張幼賢; 林碧珍繼TIMSS 1995、TIMSS 1999(TIMSS -R) 及TIMSS 2003之後，IEA計劃再辦理國際數 學與科學教育成就趨勢調查(Trends in International Mathematics and Science Study 2007, 簡稱TIMSS 2007)。我國目前 是國際教育學習成就調查委員會（IEA）正 式會員，國科會和教育部共同支持補助參 與TIMSS 2007調查，希望經由積極參與國 際性研究計畫，為我國增添一個有利的管 道。可以進一步了解各國學生數學及科學 學習成就及其與各國文化背景、教育環境 等影響因子之相關性，以及我國學生數學 及科學學習成就與國際間之比較情形，其 結果可作為我國科學教育研究與實施參考 之使用。 TIMSS 2007 的主要調查對象為四年級 及八年級學生，共計有59 個國家參與並完 成調查工作，其中50 個國家參加八年級調 查，26 個國家參加四年級調查。國際上 TIMSS 2007 從2005 年2 月開始發展研究 調查架構與試題，我國自2005 年4 月開始 加入TIMSS 2007 國際調查工作，包括提供 命題架構意見、數學和科學試題命題、參 加專家問卷會議、試測（field test）資 料收集、實測（main survey）資料收集、 參加國際成果指標會議、國際資料分析會 議等各項工作。其中我國於2006 年4 月 19 日進行試測，實測部分於2007 年5 月 21 日至6 月8 日舉行，國中、小各抽測150 校，其中四年級有27 所較大型學校抽測兩 班，共抽測327 個班級。參與受測的學生 計有八年級共4046 位學生、四年級共4131 位學生分別完成測驗。每位受測學生需完 成問卷與題本的填答，而受測學校的校長 及教授受測班級數學和科學的教師則需配 合填寫學校問卷與教師問卷。 測驗結果：我國八年級學生科學學習 成就平均成績的國際排名為第二名，與第 一名的新加坡無顯著差異；數學平均成績 的國際排名為第一名，但與第二名的韓國 與第三名的新加坡無顯著差異。我國四年 級學生科學學習成就平均成績的國際排名 為第二名，與排名第一的新加坡有顯著差 異；數學平均成績的國際排名為第三名， 與排名第一的香港和排名第二的新加坡有顯著差異。各學科內容領域與認知領域平 均成績的國際排名分別如下： 【八年級科學部份】 生物第三名，化學第一名，物理 第四名，地球科學第一名；知識 領域第二名，應用領域第一名， 推理領域第五名。 【八年級數學部分】 數第三名，代數第一名，幾何第 一名，資料與機率第四名；知識 領域第三名，應用領域第二名， 推理領域第一名。 【四年級科學部份】 生命科學第四名，物質科學第三 名，地球科學第三名；知識領域 第二名，應用領域第八名，推理 領域第一名。 【四年級數學部分】 數第三名，幾何形狀與測量第四 名，資料呈現第四名；知識領域 第三名，應用領域第三名，推理 領域第三名。 在我國學生成就趨勢方面，與TIMSS 2003 比較，八年級數學有顯著的提昇，從 排名第四躍升排名第一；八年級科學雖持 平排名第二，但卻有退步的現象；四年級 數學雖然排名第三，但相較2003 年的結果， 亦有顯著的進步，不過相較於排名第一的 香港，仍有進步的空間；四年級科學，與 2003 的結果相比，有顯著的提昇。以整體 來說，這個成果顯示我國數學和科學教育 一直有不錯的水準，這是大家對科學教育 關心與努力的結果。 總的來說，在TIMSS 2007 的整體表現 上，我國四年級與八年級學生於科學方面 均名列第二；數學方面則分別名列第三和 第一。而與TIMSS 2003 的表現相較，我國 四年級學生在科學與數學方面及八年級學 生在數學方面均有顯著的進步，惟八年級 科學成就有下降的趨勢。我國學生在對數 理具有高正向態度和對數理具高度學習自 信心的人數比例上皆顯著低於國際平均。 在性別差異方面，我國兩年段學生不論在 數學或科學的成就上，男女生的表現均無 統計上的顯著差異。Item 鷹架式建模數位學習環境對學生科學學習影響之研究-子計畫三：表徵式鷹架對學生科學建模的影響之研究 (2/3)(行政院國家科學委員會, 2007-07-31) 吳心楷; 許瑛玿; 黃福坤科學建模已被科教社群視為重要的學習及教學活動，但是科學建模是個複雜的過 程，學生必須分析系統中各變數，建立變數間的關係，監控建模過程，並透過模擬結果 來修正原模式。由於在教室環境中，個別教師能提供的支援有限，在此複雜而學生可能 無法獨力完成的學習過程中，科技工具能提供的鷹架更顯重要。子計畫三即在深入瞭解 建模工具中的功能，尤其是以表徵方式呈現的鷹架 （representational scaffold），如何扮 演輔助建模的角色，以幫助學生在近側發展區內，完成原本無法獨力完成的複雜學習任 務。計畫第一年將進行專家生手研究，以仔細比較科學家（或是博士班研究生）與高中 生建模過程的差異並探討生手建模的困難，將針對生困難設計建模工具中的鷹架功能。 計畫第二年將進行前導性研究，透過學生建模及鷹架使用行為的分析，改進學習模組內 容及鷹架設計。計畫第三年將進一步以比較性研究（有無表徵式鷹架存在的兩種狀況） 瞭解鷹架對學生建模過程的影響。研究結果將深入釐清工具設計、科學學習與表徵鷹架 間的關係，並豐富鷹架理論在學習科技方面的應用。Item 大學創新數位教材研究-量身訂做的學習物件與因材施教的學習環 境(1/3)(行政院國家科學委員會, 2006-12-31) 吳心楷; 蕭顯勝; 趙美聲; 黃福坤; 許瑛玿; 張俊彥; 邱貴發; 李忠謀; 宋曜廷; 張國恩本計畫與美國喬治亞理工學院合作提出了一個創新的適性化數位學習物件資料庫以及可客製化之學習環境(內嵌了教學方法與評量)。這個學習環境包括了一個大型的學習物件導向的資料庫包括了可用於客製化各種學習環境的資訊、知識與模擬材料。這種方式允許學習者以及老師建立他們所偏好的線上學習環境以增進學生在認知與情意上的學習成就，其中包括了學生的領域知識、過程技能、高層次思考能力以及對於學科的態度與技能。
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