理學院

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學院概況

理學院設有數學系、物理學系、化學系、生命科學系、地球科學系、資訊工程學系6個系(均含學士、碩士及博士課程),及科學教育研究所、環境教育研究所、光電科技研究所及海洋環境科技就所4個獨立研究所,另設有生物多樣性國際研究生博士學位學程。全學院專任教師約180人,陣容十分堅強,無論師資、學術長現、社會貢獻與影響力均居全國之首。

特色

理學院位在國立臺灣師範大學分部校區內,座落於臺北市公館,佔地約10公頃,是個小而美的校園,內含國際會議廳、圖書館、實驗室、天文臺等完善設施。

理學院創院已逾六十年,在此堅固基礎上,理學院不僅在基礎科學上有豐碩的表現,更在臺灣許多研究中獨占鰲頭,曾孕育出五位中研院院士。近年來,更致力於跨領域研究,並在應用科技上加強與業界合作,院內教師每年均取得多項專利,所開發之商品廣泛應用於醫、藥、化妝品、食品加工業、農業、環保、資訊、教育產業及日常生活中。

在科學教育研究上,臺灣師大理學院之排名更高居世界第一,此外更有獨步全臺的科學教育中心,該中心就中學科學課程、科學教與學等方面從事研究與推廣服務;是全國人力最充足,設備最完善,具有良好服務品質的中心。

在理學院紮實、多元的研究基礎下,學生可依其性向、興趣做出寬廣之選擇,無論對其未來進入學術研究領域、教育界或工業界工作,均是絕佳選擇。

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    從眼動與手寫角度來探討幾何問題解決時圖形轉換的性別差異
    (2023) 周瑞仁; Chou, Jui-Jen
    數學教學的主要目標就是培養學生擁有解決各種複雜問題的能力(Wilson, Fernandez,& Hadaway, 1993)。數學問題的解題策略有好多種,但學生總是能在意想不到的地方被困惑著,可能受到先備知識、幾何變換、策略規劃等影響,沒有適當的修正輔導,學生很難建立正確的問題解決能力。傳統診斷方式只能透過學生的動作表現、作答狀況來推斷學生的可能問題點,這十分考驗教學經驗、時間成本以及專注度。本研究希望能在不影響學生的生態校度下,能夠有效率地找出學生問題解決的困難點,以便教師能對症下藥。 為瞭解學生在幾何圖形變換(如平移、旋轉、鏡射等性質)時的認知歷程,以及幾何變換對學生造成的認知負荷。從過去認知心理學的研究中發現,分析眼動儀與數位手寫板的指標能有效地觀察學生問題解決的歷程,尤其是專注於閱讀題目時在特定的AOI的表現以及在為了特定書寫目的下的書寫情況。本研究在解題歷程觀察訊息讀取(輸入)的過程,透過分析閱讀題目時的凝視時間(DT)、凝視次數(FC)、掃視路徑(SL)都能顯著反應認知負荷(吳昭容, 2019; 陳學志, 賴惠德, & 邱發忠, 2010; 黎佩芬 & 賴建都, 2011)。在數學解題中會需要大量的手寫來幫助思考與作答,紀錄並分析問題解決時的過程與結果(輸出)資訊,研究發現手寫筆跡中最大壓力(MaxP)、平均壓力(MeanP)、筆尖停頓次數(SPC)、停頓時間比例(RAT)、平均書寫速度(MeanV) 、平均X軸書寫速度(MeanVx) 、平均Y軸書寫速度(MeanVy)與認知負荷有相關(T. Lin, Xie, Chen,& Tang, 2013; G. Luria & Rosenblum, 2010)。 本研究選取110學年度臺灣北部某國中八年級學生,男性39名、女性22名,設計幾何試題讓學生解題,同時以眼動儀紀錄視覺關注的位置以及數位手寫板紀錄手寫作答時的書寫歷程,觀察幾何問題解決的歷程並探討解題表現以及性別造成的影響。為深入了解幾何變換試題的作答狀況,透過數學學習目標分段給分並標注學生手寫書寫的區域,運用二因子混合設計變異數分析及斯皮爾曼等級相關係數,討論解題表現學生以及性別對於不同幾何問題解決策略上的異同與相關性,提供教師在輔導學生問題解決困難時能有所依據,並期望透過本實驗進一步探索問題解決時眼動數據及手寫數據在輸入與輸出間的相關性。
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    運用Go-Lab不同的探究教學方式對學習成效與認知負荷之影響:以遺傳學中心法則的概念為例
    (2021) 陳必豪; Chen, Bi-Hao
    本研究以建構主義取向觀點切入,探討以電腦模擬結合探究式學習的教學情境中,主動處理對學習成效與認知負荷感受之影響。綜觀過去研究,電腦模擬與探究式學習都是奠定於學習者主動處理的前提之上,而主動處理的過程能給予學習者更多的主控權,進而引發學習者更深層的認知思考過程。然而,主動處理的過程可能在各種嘗試的探索當中產生較高的認知負荷,未必有利於學習。因此,不同的教學設計應納入學習者先備知識程度來進行考量。本研究以生物學遺傳中心法則概念為例,結合電腦模擬與探究式學習情境(Go-Lab),探討學習者是否主動操作電腦模擬(模擬組、影片組)對學習成效與認知負荷感受之影響,並進一步探討此影響是否因學習者先備知識程度而具有調節效果。本研究採準實驗研究法,以108學年度就讀桃園市的高中一年級學生為研究對象,並自編「學習成效測驗」與「認知負荷量表」為研究工具,共回收108份有效問卷。將資料以描述性統計、雙因子變異數分析與共變數分析進行統計分析。本研究結果摘要如下:一、 在電腦模擬結合探究式學習的教學情境中,「影片組」與「模擬組」在學習內容學習成效上,沒有顯著差異。且與學習者先備知識程度無顯著交互作用(無調節效果)。二、 在電腦模擬結合探究式學習的教學情境中,「影片組」與「模擬組」在過程技能的學習成效上有顯著差異,且模擬組優於影片組。但是,此影響與學習者先備知識程度無顯著交互作用(無調節效果)。三、 在電腦模擬結合探究式學習的教學情境中,「影片組」與「模擬組」在實作學習階段之認知負荷感受有顯著差異,且影片組高於模擬組。但是,此差異與學習者先備知識程度無顯著交互作用(無調節效果)。四、 在電腦模擬結合探究式學習的教學情境中,「影片組」與「模擬組」在整體課程之認知負荷感受沒有顯著差異;且與學習者先備知識程度無顯著交互作用(無調節效果)。
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    發展地球科學日月地關係之動畫輔助評量
    (2012) 羅文鑫; Wen-Hsin Lo
    本研究之目的在發展動畫輔助評量,來降低學生答題時非必要之外在認知負荷,此多餘認知負荷與評量目標無關,但可能導致學生解題錯誤,進而影響作答表現。本研究評量內容為國中自然科之地球科學天文月相單元,受試對象為105名九年級學生,其中49名分配到動畫輔助評量組,另外56名為圖文評量組。在評量信度方面,動畫輔助評量的信度為0.6,圖文評量信度為0.5。此外,本研究也試圖分析空間能力及作答成績間的關連性。 研究結果發現,動畫輔助評量組學生的表現顯著高於圖文評量組,且在解題過程有較低的認知負荷;另外,學生對於動畫輔助評量的接受程度亦較圖文評量高。除此之外,學生的空間能力與評量表現有某種程度相關,動畫輔助評量對高空間能力組的學生較低空間能力組有助益,但低空間能力組的學生則未達顯著。因此,在未來的研究上,動畫輔助評量的設計應更仔細考慮學生個體的空間能力差異。
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    發展以動畫為主的月相盈虧課程並探討學生的空間能力對學習成效與認知負荷的影響
    (2012) 曾冠雲; Tseng, Kuan-Yun
    由於概念涉及的時間、空間、日月地的相對關係過於抽象而難以理解,月相盈虧成因是國中學生常感到困難的一個單元。本研究希望發展一套以月相盈虧成因概念為主題的動畫教材輔助國中學生學習。研究者將參考Mayer(2003)與Sweller(2008)的認知負荷理論,開發「月相盈虧成因的多媒體動畫教材」。本研究的主要目的有二:(1)探討增加動畫的呈現,是否比圖文教材更能幫助國中學生減少學習的認知負荷,有效提升月相盈虧成因概念學習成效;(2)探討空間能力、認知負荷、以及國中學生運用不同教材學習月相概念學習成效間的關聯。 本研究以中區某公立國中九年級學生為研究對象,有效樣本共98位學生。學生接受空間能力測驗後,隨機分成動畫圖文組與圖文組,使用多媒體月相盈虧概念教材進行學習。課程結束之後接受月相盈虧成因學習成效測驗、認知負荷量表。資料分析方法使用獨立樣本平均數考驗(t-test, independent samples)與變異數分析法(ANOVA)。 研究結果如下:(1)動畫圖文組與圖文組在學習成效表現上無顯著差異;(2)認知負荷與學習成效呈現負相關(r=-.298, p<.01),空間能力與學習成效正相關(r=.471, p<.01);(3)高空間能力的學習者無論使用動畫圖文教材或圖文教材,學習成效皆顯著優於低空間能力的學習者(F(3,50)=10.458, p=.000, f=0.616);(4)高空間能力的學習者無論使用動畫圖文教材或圖文教材,與低空間能力的學習者的認知負荷沒有顯著差異(F(3,50)=2.56, p=.065, f=0.361);(5)高空間能力學習者的教材效果顯著優於低空間能力的學習者(F(3,50)=9.985, p=.000, f=0.606)。
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    探討自我解釋對四年級學生閱讀不同表徵之學習教材的影響-以國小「繁殖」概念為例
    (2006) 覃湘晴
    摘 要 許多的研究均指出自我解釋有助於學習(Chi et al., 1989, 1991, 1994),因此有些學者發現圖表或圖解具有促進自我解釋的功效( Ainsworth& Loizou, 2003; Cox, 1999),但亦有學者持相反意見(Wilkin, 1997);再者在教材中加入了輔助的圖表或圖解後,是否對學習者產生過多的認知負荷而不利學習亦是研究者想探討的問題;因此本研究以自我解釋的方式閱讀不同表徵的教材,以探討各組的學習表現、自我解釋數量、自我解釋類型的數量分佈、自我解釋的型態、在閱讀時所感知到的認知負荷並探知各組概念改變的情形及對自我解釋的態度。 研究對象為國小四年級中等程度的學生32名,隨機、平均分配至文組、格文組、圖文組、圖格文組共四組進行研究。閱讀過程中以自我解釋的方式學習,並於前測、後測結束後晤談以瞭解受試者的迷思概念及概念改變情形。研究結果如下: 1.各組學習表現:以圖文組表現最佳,之後依序為圖格文組、格文組、文組。 2.自我解釋數量:圖文組自我解釋量為數最多,再來是圖格文組、格文組、文組,且學習表現和自我解釋數量為顯著正相關。 3.自我解釋類型分佈:含有圖片的組別在「情境精緻的自我解釋」比無圖片的組別來得多;含有表格的組別在「講述摘要或大意的自我解釋」比無表格之組別來得多。 4.自我解釋的型態:格文組、圖文組各有5類,圖格文組有6類,其中的共同點為:若受試者有交互參看不同表徵而自我解釋者,在學習表現及自我解釋數量上會表現得較好。 5.各組的認知負荷:圖文組的認知負荷最低,文組的認知負荷最高,且認知負荷和學習表現為顯著負相關。 6.迷思概念與概念改變的情形:在動物和植物的繁殖概念中共同迷思概念為「學生易將繁殖和生長混淆」,且迷思概念主要成因為動、植物之外形、字義上的錯誤學習、日常生活經驗、直覺式的判斷;在概念改變方面,受試者較難產生概念改變的亦為上述這些成因之下的迷思概念。 7.對自我解釋的態度:圖文組和圖格文組「對自我解釋的接納度」及「自我解釋的學習功效」有較高的正向支持率,反之格文組、文組則無。
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    探討國中力與壓力單元之科學圖像表徵種類與學生閱讀理解行為及表現
    (2015) 童士奇; Tung, Shih-Chi
    本研究的目的旨在分析現行國中自然與生活科技教科書(力與壓力單元)中的科學圖像表徵種類,及探討科學圖像表徵種類、性別差異、科學認識觀與科學圖像表徵閱讀理解之關係。本研究以已學過此單元之國九學生為研究對象,並使用科學圖像表徵理解問卷、科學認識觀問卷來探討學生對科學圖像表徵之閱讀理解情形。 研究結果發現:(1)科學圖像表徵種類,在功能形式與內容形式方面,分別以表徵圖及景物圖為主;(2)在理解不同種類的科學圖像表徵時,學生對「組織/資料圖」及「表徵/理論模式圖」的閱讀行為及理解的表現是較差的,而「解釋/概念圖」及「表徵/景物圖」的閱讀行為及理解的表現是較好的,故閱讀所需時間、認知負荷及理解表現是相關的;(3)閱讀「組織/資料圖」、「表徵/景物圖」及「表徵/多元表徵圖」的閱讀行為具在性別差異;(4)學生的科學認識觀與閱讀「表徵/關係圖」、「表徵/理論模式圖」、「組織/資料圖」、「解釋/概念圖」、「表徵/概念圖」、「表徵/景物圖」、「表徵/多元表徵圖」時之行為與表現有相關。 關鍵字:圖像種類、圖像閱讀、認知負荷、科學認識觀、性別差異
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    探討建模教學對於密度及水溶液概念的學習成效
    (2019) 胡琇惠; Hu, Siou-Huei
    科學家利用模型思考,解決問題。在科學課程中,教師利用模型,幫助孩童認識世界。學生透過模型了解理論,教師可運用不同的表徵與模型,幫助學生探索與認識自然。本研究依課程內容可分為密度及水溶液兩單元,課程設計以邱美虹(2016)提出的建模歷程為架構,其過程包含八個步驟:分別為模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型應用、模型調度、模型修正、模型重建。 本研究主要探討在進行建模教學後,對於學生在密度與水溶液的學習成效上是否有幫助。本研究分為兩個研究主題:研究一:探討建模教學對於「密度概念」;研究二:探討建模教學對於「水溶液概念」學習成效。研究對象為台北市某國中八年級四班學生進行研究,將四班隨機分成建模教學組與一般教學組,建模教學組學生有55位,一般教學組學生有54位,共109位。研究工具分為量化與質性工具,量化工具包含密度及水溶液概念之前測、後測與延宕測驗、認知負荷問卷,質性工具包含學生晤談資料。概念測驗工具由兩位具有化學背景的大學教授,與一位資深國中教師建立專家效度,且密度與水溶液試卷信度為0.81及0.79。針對學生測驗結果,將以SPSS進行t-test及共變數分析(ANCOVA) 整體研究結果顯示:(1)建模教學可以幫助學生科學概念的學習與問題解決,其中在密度概念(F=25.1,p<0.001)及水溶液概念(F=13.83,p<0.001)中均達顯著差異。(2)建模教學最能幫助中能力學生學習科學概念,而在較複雜的科學概念上,對低能力學生幫助較低,但對於高能力學生則幫助較大。(3)建模教學運用模型思考,幫助學生學習與解決問題。但由於過程中學生要學習科學概念與建模歷程框架,相較於一般傳統教學,建模教學更容易造成個體的認知負荷,其中在密度概念整體認知負荷(t=2.66,p=0.009,df=89)及水溶液概念整體認知負荷(t=2.58,p=0.01,df=84)中均達顯著差異。
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    結合不同學習策略的工作例對理解幾何證明之影響研究
    (2012) 李健恆; Lei, Kin Hang
    幾何證明是發展數學思維和學習演繹推理的重要工具,卻也是學生數學學習的難點之一。工作例是展示數學思維的基本方式,因此尋找合適的學習策略結合工作例來理解幾何證明的內容是值得探討的議題。我們以平行線截比例線段證明做為工作例的內容,在電腦環境下閱讀相關證明後,配合練習或後設認知問題所形成的閱讀學習模組,以檢驗對學生理解幾何證明的影響。本研究選取254位尚未學習幾何演繹證明的八年級學生,使用理解測驗問卷和認知負荷感受量表,分別檢測學生能否理解相關的內容和其學習成效的保留情況,以及學生的認知負荷感受。從學生回答問題的策略檔案中,進一步分析學生的學習過程與理解幾何證明之間的關係。研究結果顯示,使用類似結構的練習策略有助於學生在當下的理解,但卻容易受工作例所產生的原型影響,僅使用模仿改編策略來回答問題;回答後設認知問題對學生來說是較困難的學習任務,但卻能反映學生真正的理解程度且產生較好的保留成效。因此,後設認知問題可以作為幫助學生反思的理想工具,適當搭配練習題的優點相信能有助於學生理解幾何演繹證明的內容。
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    逐步引導注意力之多媒體教學設計對圓切線性質學習之成效研究
    (台灣數學教育學會、國立臺灣師範大學數學系共同發行, 2016-10-??) 陳明璋; 李俊儀; 李健恆; 楊晨意; Ming-Jang Chen; Chun-Yi Lee; Kin Hang Lei; Chen-Yi Yang
    本研究旨在探討逐步引導注意力的多媒體教學設計對國中生數學學習的影響,並選取了資訊量較複雜的幾何之圓切線性質概念為教學內容,藉著適當引導學生注意圖形的重要元素,使資訊在工作記憶區能與先備知識進行有效的整合。本研究的參與者是116位新竹縣某國中來自四個班級的八年級學生,採二因子準實驗設計以探究不同的教學設計(高元素互動 vs 低元素互動)與不同的學習成就(高 vs 低)對國中生在圓切線性質學習之影響。研究結果發現使用低元素互動教材學習的學生,後測及延後測均有較好的表現,學習效率及投入都達到較高效能的水平。高學習成就的學生如預期般表現優於低學習成就的學生,說明在擁有穩固先備知識的基礎下,逐步引導注意力的設計讓被接收的資訊作更有效的整合。因此,元素互動量在教學多媒體設計中是重要的考量因素之一,其對數學教學設計與學習的遷移及保留效果值得在未來進行更深入的的探討。
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    以工作範例學習平行四邊形面積: 後設認知問題對學習的影響
    (台灣數學教育學會、國立臺灣師範大學數學系共同發行, 2014-04-??) 黃佑家; 吳慧敏; 黃暉娟; 譚寧君; 曾世綺; 曾建銘; You-Jia Huang; Huei-Min Wu; Hui-Chuan Huang; Ning-Chun Tan; Shyh-Chii Tzeng; Chien-Ming Cheng
    本研究目的旨在探討在平行四邊形的工作範例中,有無加入後設認知問題對不同能力學生的學習成效、學習時間、認知負荷的影響。本研究採2 × 2實驗研究法,自變項為「工作範例模式」(「後設認知組」和「對照組」)和「能力」(高、低)。受試者為86位國小五年級學生,依期中考數學成績分為高、低能力群,並以隨機方式分派至實驗組別。結果顯示,整體而言,後設認知問題會增加整體的學習時間,但這差異主要來自教材設計的系統性時間差異,後設認知問題沒有顯著影響高能力群的學習成效和認知負荷,但會降低他們的信心和意願;但對低能力群學生,在工作範例中加入後設認知問題顯著地增加他們在學習階段的負向認知負荷感和學習時間,但並沒有因此而提昇學習成效,也降低他們的信心和意願。