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 高三學生液體界面現象迷思概念之研究(2009) 陳建偉本研究探究高三學生液體界面現象的迷思概念以及可能的來源。研究的對象為桃園市某國立高中三年級的學生共40名，研究方法為問卷調查及事後晤談。問卷為研究者自行設計含14題的開放性問卷，題目經過八位專家教師審查，具專家效度。研究發現迷思概念的來源及迷思概念如下：（一）概念誤用：1)『表面張力與浮力』之概念混淆：認為受表面張力作用的物體在水中會有部分的體積，受到浮力作用的物體則沒有在水中的部分；2)『內聚力與水壓力』之概念分不清楚：以水壓力的觀點來解釋內聚力，認為離液面越深，內聚力越大；3)『大氣壓力現象與毛細現象』之概念混淆：以先前所學的托里切利實驗來解釋管內液面上升或下降的情形；4)『濡濕現象與浮力』概念分不清楚：認為毛筆在水中不成尖形是因為受到浮力作用；（二）概念連結有缺失：例如對『能量』概念不甚了解，導致對許多概念的連結上有缺失:諸如『溫度越高，表面張力越大』、『沸點越高，表面張力越大』、『溫度越高，毛細作用越大』等；（三）對定義的不夠了解：例如1)物體在水面上才有表面張力；2)特殊液體不用放置物體就有表面張力；3)密度大的液體凝聚成球珠狀、密度小的液體灘成水膜；4)固體沒有表面張力；（四）由語言造成迷思概念例如認為『內聚』力就是作用力向內；（五）直覺的想法：自認為溫度越高，表面張力越大；（六）受經驗影響：沒看過水銀成薄膜，因此認為水銀皆凝聚成球珠狀；（七）教科書的影響：因看過類似的概念而影響即將學習的概念，如先前在教科書上看到力的方向為物體運動的切線方向，因而認為內聚力的方向是沿液面上升或下降的切線方向。本研究建議教學時要注意下列各項：1)強調相似科學概念之間的差異及原理；2)液體界面現象單元裡的許多概念皆與能量相關，要特別釐清其間的關係；3)以圖表幫助學生了解中文科學名詞的意義；4)課文中概念之間的關係需介紹清楚。Item 五年級與六年級學生對「槓桿」之想法類型探討(2009) 戴文雄; WEN-HSIUNG TAI本研究的主要目的在於探討五、六年級學生對於「槓桿」的想法類型，藉由「槓桿原理之理解問卷」、「槓桿之判定問卷」的半開放式紙筆測驗，以及半結構式晤談來了解學生對於槓桿原理的理解情形，並歸納其對於槓桿的想法類型。研究對象分別為國小五、六年級學生各136人與133人，合計269人。研究發現如下： （1）六年級學生對「槓桿定義、轉動概念、轉動條件、名詞理解及效果判定」的理解，表現皆顯著優於五年級學生。 （2）五、六年級學生對於槓桿的判定，在第一類槓桿的表現並無顯著差異； 在非槓桿物體、第二和三類槓桿的表現，六年級學生顯著優於五年級學生。 （3）學生對槓桿之想法類型包括：外觀、施力、支撐、擺動、省力、類蹺蹺 板、三點共存、轉動八種類型。五年級學生常以施力、支撐、擺動的想法來判定槓桿，而六年級學生常以三點共存的想法來判定槓桿。Item 探究八年級學生對力持有的「意義」、「心智模式」與「內在一致性」(2008) 施宗翰; Tsung-Han Shih摘要 本研究是以Vosniadou(2002)的研究為基礎及使用相同研究的工具，並試圖探討學生在不同情境下持有「力的意義」，與「內在一致性」情形。研究對象為82名台北市八年級的學生，在無教學的情況下給予施測，並挑選30名學生作晤談，最後將這些資料編碼，作為量化與質性分析的來源。 研究結果發現學生的心智模式不同於Vosniadou的結果，學生對於力的意義在不同情境下，會有改變的情形，不同於Vosniadou所宣稱：「近九成孩童的心智模式具有狹隘且內在一致性之力的解釋」。研究顯示學生的心智模式可分成四種模式，分別為「初始模式」、「漸進模式」、「混合模式」與「類科學模式」。本研究並無發現完全符合「科學模式」的類型。在同一個年齡層中，這四種模式有漸進的意涵，有如橫向的概念改變形式。本研究根據所定義的心智模式「內在一致性」，量化一致性的程度。研究結果顯示：四種心智模式中，以「類科學模式」的一致性最高，其次是「漸進模式」，接著是「混合模式」，最低為「初始模式」。 最後，若能針對「混合模式」設計合適的教學，便能夠使學生的心智模式修正成為「類科學模式」或「科學模式」。Item 探究八年級學生對電化學的概念改變歷程(2009) 陳建良本研究根據文獻所提及電化學的迷思概類型，設計出一系列有關「離子移動」、「通路概念」、「物質增減」、「粒子行為」及「鹽橋概念」的診斷式紙筆測驗（題型包含二階層測驗試題、單一選擇題、填充及作圖題），預試對象為國三學生，男：87，女：101，共計188人，信度為0.936，診斷式紙筆測驗用來探討學生電化學的迷思概念。 為調查所發展的多重表徵教學可以協助學生電化學概念的學習成效，以宜蘭縣某國中之57名八年級學生為研究樣本，依準實驗研究設計分為實驗組（28人，男：15、女：13）與對照組（29人，男：18、女：11）。學生在「電化學」學習上的教學策略，包括文本教學，動手作實驗，電腦動畫，微型化學及角色扮演。教學活動均是為了使學生發生概念改變，並比較該教學對學生之影響，並對實驗組學生施以問卷調查，瞭解學生對此種教學的看法。再者，本研究亦想探討老師的教學策略對學生的學習成效。 經過共計九堂課的教學後，分析兩組學生教學前、後的總分、電化學分項概念、概念的屬性及層次，以及三次動態評量的答題情形，在量化上，以spss分析概念的表現，研究結果分述如下： （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（t=0.26，p=0.793），教學後則達到顯著差異（ANCOVA，後測：F=8.29， p=0.006；延宕後測：F=6.18，p=.016）。 （2）在分項概念的組間比較（ANCOVA）中，實驗組與控制組兩組學生在分項概念未達顯著差異，後測在「通路概念」、「鹽橋概念」的概念上達顯著差異。延宕後測於「離子移動」、「通路概念」、「物質增減」及「鹽橋概念」均達顯著差異。 （3）在教學過程的動態評量中，實驗組的得分皆顯著優於控制組，兩組學生除了第一次評量（電離說: t=-1.79，p=0.080）未達顯著差異，在其他的動態評量上均達顯著差異（鋅銅電池: t=-3.79，p=0.000，電解水: t=-2.27，p=0.030）。 由結果發現，實驗組的學生的學習成就顯著高於對照組，顯示本研究所開發之多重表徵教學法能有效地促進學生概念的學習與學習興趣。另外，問卷結果顯示，學生對本教學模型於學習的幫助給予正面的肯定，也喜歡此種的上課方式。 而在教學策略方面，學生對於研究教師給予正面的評價，因此在學校的教學中，實施多重表徵的策略，將更有意義地促進學生的學習。Item 運用4MAT系統於國中光合作用單元的成效(2007) 廖彩良; Tsai-Liang Liao本研究的主要目的在探討依據4MAT系統設計的光合作用課程之成效，包括分析學生的學習風格、學習成就及概念獲得的情形，以及學生在教學活動中的學習偏好。為達成研究目的，以臺北市某國中七年級兩班普通班學生為研究對象，分別施予研究者設計的4MAT系統課程及以講述為主兩種課程，簡稱為4MAT組與講述組，兩組各有37人，授課時間約為150分鐘。研究過程包含使用David Kolb的學習風格量表來區分學生的學習風格，以統計軟體分析學習成就診斷測驗前後測的成績，來比較學生的學習成效，並晤談學生來瞭解其學習偏好。 結果發現：在教學後，兩組學生的成績均有顯著進步，4MAT組的後測成績優於講述組，但未達顯著差異。4MAT組課程較有利於低成就及中成就學生的學習表現，而講述組課程較有利於高成就學生的學習表現。另外，在概念獲得方面，4MAT組對較為抽象困難概念的釐清較佳；而講述組課程對基本知識的概念釐清較佳。以學習風格來看，4MAT組課程較能引導偏好具體經驗學習者的學習。同時，發現到不同學習風格學生在認知層次、概念獲得及學習偏好的表現均有不同，4MAT組課程對於第二類、第三類及第四類學習者來說，課程中的部分活動確實能符合他們的學習偏好。 根據本研究成果，4MAT系統確實可作為教學設計上的參考依據，它可以幫助不同學習風格學生的學習成效。教學過程中提供不同的學習活動，可以促進低成就學生的學習，也有助於偏好具體經驗學習的學生。Item 從力的比較觀點探討九年級學生理解浮力概念困難之研究(2008) 夏秋蘋; SHIA CHIU-PING摘 要 浮力的概念，在物理學當中是屬於重要且不容易學習的單元，學生必須統合之前學過的密度、體積、質量、壓力…等許多相關知識，並且要能掌握阿基米德的原理及物體在液體中抽象的受力情形，才得以架構出完整的浮力概念。鑒於近年來的基本學力測驗，有關浮力問題的答對率普遍偏低，研究者在學生解題過程中發現，普遍學生不太會使用物體在液體中受力比較的情形來解浮力的問題，許多可以用簡單的受力比較來解決的浮力問題，學生卻被其它複雜的想法所困住，反而無法解答。研究者查閱國內外十八篇相關討論浮力的文獻，尚未發現有從受力的比較觀點，來探討物體在液體中所受浮力的情形，因此本研究設計欲探討學生能否從物體受力的比較情形，來減少在浮力方面的學習困難，希望藉此提升學生在學習浮力的整體成效。 本研究主要從「力平衡」的概念為主軸，探討學生在使用物體受力的比較來理解「浮體」浮力、「沉體」浮力、「判斷浮沉」、「液體密度改變後的浮體」浮力、「液體密度改變後的沉體」浮力，這五個面向的浮力問題。本研究的浮力試題經由預試後確定信度、效度皆達到標準後正式施測。 研究結果發現：一、能掌握力平衡概念的學生，在以上有關浮力的五個向度的答對率皆高於未能掌握力平衡的學生。二、整體而言男生在浮力各向度的表現是優於女生的。三、使用「受力比較」模式解浮力題目的答對率高於使用「密度」模式的學生。 綜上所述，使用力的比較方式來解浮力問題可以減少學生在學習浮力的困難，而且可以提高浮力問題的答對率。Item 探討電腦模擬實驗和動手操作實驗對概念學習之影響－以八年級「透鏡成像」單元為例(2007) 陽季吟; Chi-yin Yang本研究針對國中自然與生活科技「透鏡成像」的學習單元，探討兩班八年級的學生使用不同的實驗環境─「電腦模擬實驗」與「動手操作實驗」對學習成效的影響。比較其學習成效與概念內容的成效差異，進而探討兩種實驗環境對不同學習成就學生的影響。本研究對象共70人分兩組教學，電腦組35人，每兩人一組在電腦教室進行電腦模擬實驗；操作組35人，每三人為一組在理化專用實驗室進行透鏡成像實驗。利用概念測驗前後測、問卷、半結構晤談、教室錄影、實驗記錄學習單等研究工具，收集學生在學習過程中的相關資料進行分析。研究發現兩組（組間）分別在前測、後測皆未達顯著差異，但兩組（組內）的後測皆有顯著的進步（電腦組：t（34）= -5.661, p = .000< .05；操作組：t（34）= -4.619, p = .000 <.05）。顯示使用電腦模擬實驗與動手操作實驗皆可使學生達到學習效益。兩組之概念內容的成效也有差異。電腦組表現較佳的概念有「像與物體的動態相對關係」、「由實際光線所成的像為實像」、「凸透鏡部分被遮蔽仍可成完整的像」。而操作組表現較佳的概念有「凹透鏡的成像類型」、「倒立縮小的像為實像」、「實像與物異側」、「像與物圖形的對稱關係」、「照相機的功能」。但操作組易產生的迷思概念有「成像大小與凸透鏡的面積有關」、「眼睛只能看見實像不能看見虛像」與「凸透鏡成像原則等同於實像的成像原則」。研究顯示電腦模擬實驗可以幫助學生將抽象事物視覺化，連結具體與抽象理論，並發展問題解決的概念模式。動手操作實驗能提升具體可觀察的概念，藉實際的經驗增進了技能的發展，而有廣泛的類化效應。若能搭配使用這兩種實驗環境，發揮兩者之特定功能，應能增進學習的概念成長。本研究的發現可提供給自然科教師在進行實驗教學時作為考量，並可作為未來相關研究之參考。Item 探討國中三年級學生對於重力概念之瞭解及心智模式(2003) 余秀麗; Yu Hsiu-Li本研究的主要目的是以重力為例，以三角交叉檢視（triangulation）的方式，使用二階段式設計及臨床晤談等方法，以不同面向探討學生對於力的初始概念、對非接觸力概念的瞭解，並診斷學生對重力另有概念的種類和認知架構，以及學生對詮釋重力概念的心智模式。研究的樣本為國中三年級學生共337人，其中男生181人，女生157人，受測學校分佈的地區為台北縣市共七所公立國中。 發現學生對於重力有一些另有概念的看法，例如：「蘋果和地面之間有空氣存在，蘋果才能掉下來」、「月球和地球之間有一排斥力，此力和地球引力平衡」、「月球在地球的大氣層外，不受地球引力的影響」、「月球因為沒有空氣，所以在月球上的物體或太空人均不會掉落或跌落至月球表面」、「地球會繞著太陽運行，是因為其他星球對地球的拉力達到平衡」等。 本研究分析之國三學生對於重力現象詮釋的心智模式歸納後有四種類別：（一）經驗論模式：他們認為非接觸力作用需要靠介質的傳遞，地球引力僅能存在大氣層內，在月球上因缺少空氣，所以沒有引力，因而月球表面上的物體會任意的飄浮。天體的運行乃是宇宙形成時，具有的自然現象。（二）大氣壓力論模式：學生認為非接觸力是要靠介質傳遞的，但是如果有大氣壓力，則物體不但會受到地球引力的作用，也會因為大氣壓力的作用而具有重量。（三）引力製造論模式：認為引力是星球本身製造出來的，若是製造出來的引力大，則物體所受的引力較大。物體在月球所受的引力較小，是因為月球本身所儲存的能量不足，製造的引力較小的緣故。（四）準科學平衡論模式：學生對於非接觸力的作用具備有較完整的基本科學概念，對於地球環境及月球環境下的事例亦能用基本的科學概念來詮釋現象，延伸至天體運動時，學生會在認知架構中試圖利用靜力平衡的概念來詮釋。Item 探究板塊構造運動的迷思概念與比較多重類比和反駁陳述對促進板塊構造運動迷思概念改變之成效(2005) 吳家鶴本研究探討國三學生有關板塊構造運動的迷思概念，並比較以多重類比與反駁陳述進行的教學活動，對促進板塊構造運動迷思概念改變的成效。研究對象為桃園縣某國中三年級學生共六十九人，是首屆完全使用九年一貫教材的學生。 研究的進行是先偵測學生有關板塊構造運動的迷思概念，做為發展概念改變教材的依據，再進行比較不同概念改變教學的成效。研究的對象分為兩組，一組為多重類比組，另一組為反駁陳述組，分別以多重類比教材與反駁陳述教材進行概念改變活動。分析板塊構造運動概念前後測結果，以及晤談與延宕測驗的結果，比較兩組學生的迷思概念改變之成效。 研究結果顯示，學生有關板塊構造運動的主要迷思概念如下：大陸地殼面積會變小、地震搖晃造成岩層斷裂形成斷層、板塊是地殼和軟流圈組成的地球外殼、海洋地殼面積在變大、板塊會受侵蝕沉積等作用改變大小、海岸線是板塊的交界、板塊擠壓使軟流圈岩漿被擠出形成火山。許多學生因分不清地殼、板塊、陸地彼此間的關係，進而衍伸出一些迷思概念，例如把溫室效應造成海水面上升，解讀成大陸地殼變小或海洋地殼變大；或是倚賴直覺的理解，把地震強大的震動能造成房屋倒塌，當作是岩層被震斷產生斷層的原因。 研究結果也顯示，多重類比和反駁陳述兩組在教學活動後，板塊構造運動概念後測得分明顯提升，但比較兩組得分的進步程度，則未達顯著差異。比較兩組的延宕測驗，也得到和上述類似的結果──未達顯著差異。兩組大部分的學生都對概念改變教學活動持相當正面的反應，在多重類比教材使用的類比物中，以巧克力板比喻火山、拼圖和碎報紙比喻大陸漂移、藤條折斷比喻地震，較受歡迎或印象深刻；反駁陳述教材的各部分，學生印象較深的說明有宇宙膨脹(練習教材)、板塊構造、火山形成等。 本研究亦提供了幾點未來研究上、教材設計上與教學上的建議，希望對教師與教材撰寫者有所幫助。Item 探究電腦多媒體教學對於國三學生學習酸鹼概念與概念改變之歷程(2005) 楊鵬耀; Peng-Yao Yang在科學的課程中，酸鹼概念是相當重要的科學概念，本研究的主要目的在於探討我國國三學生在使用有關酸鹼鹽概念的電腦多媒體教材教學後，其對於酸鹼鹽概念之理解程度、迷思概念及心智模式的類型之改變情形。本研究中，採取了FLASH軟體製作動畫教材，呈現酸鹼鹽單元中抽象的概念，例如：酸性溶液與鹼性溶液的解離情形及中和情形，及酸鹼中和後的水及鹽類的水解情形，並維持教學內容的一致性。 研究對象是以台北縣某高中之國中部國三學生，隨機抽取出二個常態編班之班級共74人。研究重點以國中理化教材為主，統整其中的酸鹼鹽概念，建立重要的教學目標，據此完成電腦教學動畫及教學投影片，將教材分成A、B兩組實施，並採用二階段診斷測驗進行前測、後測、延宕測驗，亦在此兩組各抽取六人，於後測及延宕測驗時進行半結構性晤談，並根據所得的資料，找出學生的迷思概念及心智模式類型的轉變取向。 研究的結果發現：在後測與前測答對率的比較中，A組的學生答對率達顯著差異(p=0.012)；B組的學生答對率亦達顯著差異(p=0.000)，因此實驗教材的實驗可有效地提昇學生在酸鹼鹽單元中概念的學習。但在不同教材上的實施後，A組及B組之組間比較中，兩次測驗答對率的差異並未達顯著水準，也就是說，這兩份教材的不同並不影響學生學習的結果。在延宕測驗與後測答對率的比較中，A組的學生答對率未達顯著差異；B組的學生答對率亦未達顯著差異，因此概念變化的現象並不明顯。在後測六週後進行的延宕測驗，A組及B組之組間之答對率的差異並未達顯著水準，即表示教材的不同，不影響學生在教材實施後，其概念改變的情形。 在兩次晤談的結果比較分析，我們可以看到在不同的題型中，學生在後測訪談與延宕測驗之間的表現相當不一致，在中低成就的學生中，具有迷思概念維持或是迷思概念的型態發生改變的情形較明顯；在高成就的同學中，於弱酸及弱鹼之解離度變化概念、酸鹼中和概念、氣體溶解之酸鹼概念等相關題型中，亦具有迷思概念維持或是迷思概念的型態發生改變的情形。但無論同學們的成就如何，皆會發生迷思概念改變的情形。 在各項迷思概念類型中，其主要的心智模式如下：在溶液酸鹼性質單元有：現象模式、名稱-符號模式。在酸鹼混合單元有：強度模式、量的模式、電中性模式、名稱模式。在氣體溶解溶液酸鹼性單元有：溶液模式、壓力模式。在電解質解離單元有：解離度錯置模式、濃度模式及通電模式。在酸鹼強度與氫離子濃度的有：強度模式、量的模式、溫度錯置模式。在弱酸弱鹼稀釋單元有：恆定模式、體積改變模式、濃度模式、平衡方向錯置模式。