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 探討模型與建模對於學生原子概念學習之影響(2011) 劉俊庚; Liu Chun-Keng模型（model）在科學理解上扮演非常重要的角色，它不僅作為科學現象的外在表徵，更是作為連結學校科學活動與真實科學之間的橋樑。本研究分為三個部分，首先，探討學生對於模型的認識與理解，以及學生如何利用模型來表徵所欲理解的現象、概念。其次，採取內容分析法對國、高中教科書「原子理論」單元進行分析，探究模型在我國教科書中所扮演的角色和功能，以及教科書是否具建模歷程的要素。最後，探討不同建模教學策略對於三組學生於原子概念學習之影響。研究結果顯示，彙整如下： 1. 8和9年級學生對於模型之定義，著重於模型是具體的事物，模型是物體的複製品。10和11年級學生對於模型之認識則已慢慢地轉變為著重於模型的功能，並且認為模型不再是實體的複製品，模型亦可如想法等抽象的形式。 2.學生對於模型認識之架構，分別是語意、本體論、認識論和方法論。語意部分為「實體關係」與「表徵形式」；本體論分為「模型呈現」、「變化關係」和「模型限制」；認識論分為「模型學習」與「模型觀點」；方法論則可分為「模型解釋與推理」和「模型檢驗與預測」。 3. 8年學生對於問題或現象所使用之模型與表徵系統主要以具體形式或示意圖為主，學生所使用之模型表徵以「形態相似性」為主；9年級學生除使用具體形式的模型外，亦開始使用如化學方程式或物理公式來描述現象。10和11年級學生則受到其化學背景知識的增加與概念理解，其使用模型表徵已經會考量模型與其目標系統之間的結構性關係，如抽象形式的化學方程式、物理公式，或關係圖等。 4.高中化學教科書完全符合良好模型特徵之比例偏低，顯示教科書內容以陳述科學事實為主，所使用模型著重於模型物件之呈現（完整性）（95.4%），實驗結果與理論運作之間的概念性解釋（概念性）（64.8%）與提供適當的圖像模型（具體性）（68.5%）則較為缺乏。 5.大部分高中化學教科書著重於描述原子理論內容介紹，「模型描述與選擇」和「模型建立」得分較高（93分，72.7%；106分，82.8%），至於「模型效化」與「模型分析與評估」得分較低（66分，51.6%；48分，37.5%）。 6.經過不同的教學活動後，類比建模組和電腦輔助建模組成績皆優於講述教學組，且原子概念問卷（II）後測亦達到統計上顯著差異（p = .027< .05），此外，原子成就測驗達統計上顯著性差異（p = .000 < .005）。此外，三組學生於建模能力測驗之「模型選擇與描述」、「模型建立」、「模型分析與評估」和「平均建模能力」達統計之顯著差異（p = .047 < .05；p = .035 < .05；p = .027 < .05），惟「模型效化」、「模型調度」和「模型重建」等建模能力則未達統計上顯著之差異（p = .062 > .05；p = .135 > .05；p = .069 > .05）。 7.分析三組學生於「原子概念問卷（II）後測」與「建模能力測驗」之Kendall’s tau相關係數，講述教學組未達顯著相關，類比建模組與電腦輔助建模組達高相關，換言之，透過類比建模教學模式除可以能提升學生的概念理解外，亦可以提升學生的建模能力。 模型與建模在教學上扮演非常重要的角色。本研究認為建模能力是豐富科學學習的重要方式，另外，本研究亦主張模型與建模的了解亦將使學生發展後設認知的知識。Item 高中生使用鷹架式空氣汙染建模軟體的建模實務之研究(2010) 呂蓓榮本研究依據情境學習與社會建構的觀點，搭配鷹架理論，以探討高中生使用空氣汙染建模軟體所發展出的建模實務，以及可能遭遇的困難。 研究對象為北市某高中的學生，採以兩人為一組的方式進行建模活動，共12組（23人），而有效樣本為9組（18人），再依據個人概念試題的前、後測驗成績分成高分群與低分群。活動時間總計四週共16小時。資料收集方面，包括概念試題前後測、課室錄影、螢幕側錄、小組錄音與學生作品。 研究結果顯示，學生在整體的概念上有顯著性的進步，說明了提供機會讓學生參與擬真性的建模活動，可促進概念的理解。高分群在使用軟體功能的事件量上，比低分群多，但統計結果顯示，未達顯著性差異。而學生所進行的建模實務來說，分析實務方面，發現學生可提出其他軟體或課堂上所沒有探討且可能影響汙染物散佈的變因；此外，也能以直觀的方式探討模擬圖中汙染物的散佈情形。關係推理方面，則以單變因的推理為主。實驗模擬方面，學生未能以系統化的方式進行模擬。評估方面，學生並未根據模擬結果來修正模型。Item 從科學史中理論模型的發展暨認知學心智模式探討化學概念的理解－層析理論的模型化案例(2005) 吳明珠; Wu, Ming-Chu模型是一種想法、一個物件、事件、歷程或一個系統的表徵。模型化﹙modeling﹚試圖將「不明確」或「沒有看過」的事物與想法呈現，因此模型蘊含「本源」（source）與「標的」（target）兩個領域。模型化是一種轉換的歷程；在嘗試轉換的程序中，注意力被切換、轉移至特定的意義領域而呈現躍進（leaping）的狀態，因而容易產生創造性的想法，因此模型化（modeling）是一種創造性有意義學習過程。 層析法（chromatography）是物質科學中最常用的分離技術之一，因此是儀器分析課程中十分重要的一部分。層析法的分離作用源自被分離物質和分離系統間的集體現象，涉及分子間作用力、分子的動態分布等概念；相關研究顯示層析技術作用原理的概念理解對大部分學生是複雜和有困難的。 本研究分成三個階段。第一階段，從科學史的角度輔以文獻探討的方式，確認出層析理論發展的五個理論模型－過濾模型、吸附模型、板理論模型、速率模型以及效化熱力學模型。 第二階段，以孔恩的科學革命、拉卡托斯的研究綱領和勞丹的研究傳統等三種科學哲學觀分析層析理論模型的發展，瞭解模型是如何取代。研究結果顯示層析理論的發展是從因果解釋模型如過濾、吸附等分離作用模型發展為兩相間分配板理論模型，隨機分配的速率模型及合併動力學、熱力學形成的最適化模型。理論發展過程中，遭遇必須解決如：成分完全分離、動相的限制、靜相的限制等概念性問題時新理論模型才會出現。新理論模型並促進新的層析儀器的類型的設計和應用，使得分離的一些經驗問題得以解決。因此層析理論模型的發展並非完全累積的，而是聯合、分化和改變的演化歷程，本研究認為層析理論的發展較符合勞丹的科學發展理論。 本研究的第三階段主要探討學習者對於模型的認識表徵(「模型表徵類別」)與層析單元教學以前之相關化學先備能力對於層析單元學習成效與層析模型建構之影響。受試學生是台北某私立技術學院專科部化工科，選修『儀器分析』課程的64位四年級學生（年齡19-21歲），該課程在實驗期間，由研究者利用透過科學史分析所發展出來的模型化導向教學模式（modeling approach teaching）進行層析單元的教學。研究者首先利用根據Grosslight等人(1991)對於模型認識之相關研究結果所自行發展的「學生模型表徵問卷」將受試學生分為「構念－理論」、「構念－空間」、「實體－理論」以及「實體－空間」等四種模型表徵類別後，分別在層析單元教學前與教學後，探討受試者「模型表徵類別」與「化學先備能力」對於層析模型之建構與層析單元成就之影響。 第三階段的主要研究發現為(1)受試學生對於模型之表徵類別與化學先備能力均顯著影響其層析單元之學習成就；(2) 受試學生對於模型之表徵類別與化學先備能力對層析單元之學習成就影響無顯著交互作用；(3)受試學生在層析單元教學前，選擇吸附理論模型為適當層析模型者顯著多於另外三種層析模型；(4) 受試學生在層析單元教學後，選擇隨機的兩相分配速率理論模型為適當層析模型者顯著多於另外三種層析模型；(5)受試者「模型表徵類別」與「先備能力」對於教學前、後之層析模型建構均無顯著影響。由以上(3)、(4)發現，可以推論學生的層析模型建構大致符合科學史發展，也符合教學之進度。然而在單元教學後實際要求受試者解釋層析特例時，發現雖然大部分學生在認知上選擇隨機的兩相分配速率模型為最適當的層析模型，然而在解釋層析特例時，卻大都採過濾模型。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 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 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 (1/3)(行政院國家科學委員會, 2006-07-31) 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 Designing a technology-enhanced learning environment to support scientific modeling(The Turkish Online Journal of Educational Technology, 2010-10-01) Wu, H.-K.; Hsu, Y. S.; Hwang, F. K.Modeling of a natural phenomenon is of value in science learning and increasingly emphasized as an important component of science education. However, previous research has shown that secondary school students encounter difficulties when engaging in modeling activities and need substantial support in order to create meaningful scientific models. Therefore, the purpose of this article is to present the design of a technology-based modeling tool (Air Pollution Modeling Tool, APoMT) that supports students to engage in scientific modeling. The design of APoMT is based on theories and guidelines of scaffolding. APoMT decomposes a modeling process into manageable tasks, supports an increasingly sophisticated modeling process by integrating multiple variables into students’ models, provides multiple representations to help students visualize data and relationships, and embeds expert guidance to help learners apply science content to modeling. An implementation study shows that combining APoMT with well-designed learning lessons could effectively support students’ development of conceptual understandings and modeling abilities (Wu, 2010).