概念构图教学策略对促进国二学生

1、概念构图教学策略对促进国二学生光概念理解及问题解决能力之研究 HYPERLINK .tw/gise/17years/C13.doc .tw/gise/17years/C13.doc林瑞文高雄市立左营国民中学TEL:(07)5820052.0929173883E-mail:elelim.tw FAX:(07)5852495洪振方高雄师范大学科学教育研究所TEL:(07)7172930转3050E-mail: t1873.tw摘 要本研究以行动研究的方法，探讨融入概念构图教学策略的光学教学对国二学生的影响，研究的范围包含：学生光概念的学习与澄清、问题解决能力及教学策略之合适性，经由上述研究的探讨，

2、参考学生对于本教学之合适性调查，再配合研究者在行动研究过程中对于教学模式的精炼，以建立一个更适切的教学模式。研究者以任教的国二班级(N=34)作为样本，以概念构图教学策略进行八堂实验教学，资料的收集包含：测验卷、问卷、教学影带观察等，同时将所得的资料进行质性与量的分析。研究结果如下：（1）概念构图融入教学后，学生的光概念测验卷前后测成绩有显著差异(P0.05)。（2）概念构图融入教学后，学生的问题解决能力试卷平均成绩介于研究者任教且刚复习过光学课程的两个三年级班级之间，显示融入概念构图教学的教学策略和传统教学方法比较并不逊色；比较光概念测验卷和问题解决能力试卷成绩，显示开放性的光概念卷较能真实

3、反映学生的概念学习成果。（3）学生对于概念构图融入教学的认同达81%，显示学生对于此教学策略的肯定。（4）研究者以行动研究精神进行教学反思，考量概念构图的建构意义及学生接受程度，适时加入实验教学并兼采合作学习的方法，来精炼一个更适切的教学模式。关键词：光概念、教学策略、概念构图壹、前言近年来，随着认知心理学发展及日益受重视，心理学家尝试以讯息处理(information processing)、知识表征(knowledge representation)与知识建构(knowledge construction)的观点来解释学生的学习行为及解题历程，因此在教学上强调先备知识(prior know

4、ledge)与知识表征的重要性(陈嘉成和余民宁，1997)。在学习的过程中，教师应该帮助学生了解除非他们能将新的知识与已有的旧知识相结合，否则他们只能死记一些知识，教师若能帮助学生建立概念图，将可协助他们整理所学(黄台珠，民85)，概念构图是Novak等人以Ausubel有意义的学习理论为基础所发展出的学习工具(Novak & Gowin, 1984)，概念构图以概念与概念间的命题关系结合而成网状脉络，以期帮助学习者将新概念的学习和谐的融入原有的认知架构中。在国内，学者对概念构图研究的向度倾向于评量及教学方面讨论，在教学上实务运用于国中科目则以生物及理化科居多(蔡永巳，1997；陈嘉成，199

5、6；王芗茹，1994；许松梁，1989)，所采取的研究法大多是准实验研究法，采取由学生学习绘制概念图的教学策略；在江淑卿及郭生玉(1997)的研究中，接受阅读概念图策略的高、中、低三组国一学生，在知识结构专家化及理解能力上，都不比接受绘制概念图策略的同学差，此研究结果让研究者想到是否可在绘制及阅读之中寻得平衡点，即是把概念构图作为课程的主架构，由师生、分组同学在上课的过程中透过讨论、对话及实验来共同完成概念图，以期突破生手阅读概念图时比较注意节点的讯息，而忽略连结的意义，并且也较难了解建构知识结构的过程的限制(Mccagg & Dansereau, 1991)，并避免绘制过程对生手造成认知及时

6、间的过度负荷。贰、文献探讨概念图的研究自Novak及Gowin(1984)的学习如何学习(Learning How to Learn)一书问世后，受到科学教育界很大的重视，相关的研究数量相当多，虽然Novak等人认为概念图教学可以适用从幼儿园开始的所有学生，但在一些研究仍有歧异的结果，并非每一次的概念图教学都能达到显著的效果，如Chyuan(1991)的研究发现非自然学科系的学生对学习物理概念图持负面态度，许多学生认如要完成一个概念图不是一件容易的事，他们也不认为概念图可以帮助他们学习其它科目，并且不喜欢说明自己的概念图给老师听；在国内黄万居(1992,1995)的实验教学结果实验组及控制组的

7、学习成就测验均未达到差异，他推测可能原因有：(1)受测者动机不足；(2)真正概念构图的时间不够；(3)被研究者委托的教学者本身对概念构图并不十分熟悉(只经两小时训练)。所以陈嘉成、余民宁(1997)认为要使概念图教学产生教学效果，不应单在上课时用少数时间呈现学习单元的概念图，而是要将构图活动与学生的概念学习融合在一起。 研究者发现，许多的概念图的研究都要学生学会自力绘制概念图，全中平(1992)的研究中发现中美两国非自然科学系的大学生都不认为建构一个概念图是容易的事，由此推想建构概念图对国中常态班的学生而言，困难度一定更高。江淑卿和郭生玉(1997)的研究中让国小六年级的学生分别接受绘制概念构

8、图策略、阅读概念构图策略及传统阅读策略教学，并在教学结束一周后，施以知识结构测验及理解能力测验，结果：(1)高能力的学生表现并无差异；(2)对中能力的学生而言，接受不同学习过程的概念构图策略，在促进知识结构专家化和理解能力上，大致比传统阅读策略有效；(3)对低能力的学生而言，接受阅读概念构图策略，在促进知识结构专家化和理解能力上，都比传统阅读策略有效，接受绘制概念构图策略，在促进知识结构专家化上，与传统阅读策略没有差异，但在增进理解能力上，比传统阅读策略有效。一般以概念卡要学生排概念图的作法，若用于测验学生的概念发展情形，尚属合理，但若是用于新概念的学习，和Ausubel学习理论中各种动态学习

9、历程是否相符，着实令人怀疑，所以研究者认为教会学生可以绘制概念图并不是非要不可的目的，概念构图教学的精义应在构图是否融入学生的理解历程，进而对其认知结构产生影响。参、研究目的、问题与方法一、研究目的：本研究具体目的如下：(一)理解概念构图融入光学教学，对学生光学概念的影响。(二)理解概念构图融入光学教学，对学生解题能力的影响。(三)探讨概念构图教融入光学教学之合适性。(四)研究者在整个研究过程，藉由教学省思及修正，提出更合适的教学模式。二、研究问题： 根据上述的研究目的，本研究的研究问题如下：(一)实施概念构图教融入光学教学后，学生对光学概念的理解如何？(二)实施概念构图教融入光学教学后，学生

10、有关光学的问题解决能力如何？(三)学生认为概念构图教融入光学教学之合适性如何？(四)如何发展合适之概念构图融入教学之教学模式？三、研究方法：本研究之教学设计理念如图1所示。概念构图融入教学的光学教学设计乃是以建构教学概念图为教学主轴，配合学生起点行为，辅以课文内容，再加入实验操作、师生对话及分组讨论，组合成整个教学历程，概念构图的过程就是教学的过程，也和学生认知发展的历程相配合，师生共同建构的概念图并不是只单纯告诉学生概念，重心在以构图的过程引导学生对新概念学习产生分化、统整调和等作用，然后可以将之纳入原有的认知结构中。研究工具有(1) 光概念测验卷：主要采用光学史融入教学对高中学生科学本质观

11、及光概念的改变之研究（李玉贞，2000）、凸透镜成像迷思概念的诠释系统研究（古智雄，1992）及成影概念的成长与学习（邱韵如，1998）三篇论文中的光概念试题，选取6题国中生常有的迷思概念问题再加上由托勒密光线折射实验所延伸的题目1题所组成。(2)问题解决能力试卷：由课本习题、联考题及高中推荐甄试题中选择需善用光概念解题的题目加以改编。(3)教学合适性调查表。起點行為實驗操作師生對話課文研讀分組討論概念構圖圖1 教學設計理念圖结果与讨论融入概念构图的教学策略对学生光概念的影响对光概念测验卷中各小题及总分数进行前后测之相依性t考验，总分之相依性t考验P值0.000.05(N=34)，表示经过本实

12、验教学后，学生的光概念测验卷成绩达显著差异，且后测优于前测。针对每个题目作质性分析，发现在光的直进、视物、影子性质及凸透镜实象性质等议题上，经过概念构图融入教学后，概念的转换大多变为符合正统的科学概念，但在平面镜的成像、凸透镜虚像性质及不同介质的折射等议题上，尤其涉及光线作图的问题时，虽有许多同学概念发生改变，但仍多存有迷思概念，尚未建构出正统的科学概念，表示研究者运用概念构图教学策略于这些议题上未能经由一次的实验教学而充分达到教学目标。二、融入概念构图的教学策略对学生问题解决能力的影响 经过融入概念构图的教学后，学生的问题解决能力试卷平均成绩介于研究者任教且刚复习过光学课程的两个三年级班级之

13、间，显示融入概念构图教学的教学策略和传统教学方法比较并不逊色。分析光概念卷后测和问题解决能力试卷成绩，全班整体成绩相关系数0.7(P0.O01)，将所有同学分别依光概念卷后测成绩及问题解决能力试卷成绩排序后以高低各半分组取样，再算出两项成绩的相关系数，结果如表1所示，光概念卷后测成绩高者通常问题解决能力试卷成绩较高，反之则相关系数较低，显示开放性的光概念卷较能真实反映学生的概念学习成果。表1光概念测验卷后测成绩和问题解决能力试卷成绩的相关系数排序项目座号光概念测验卷成绩问题解决能力试卷成绩分组成员所有同学(N=34)光概念测验卷高分组(N=17)光概念测验卷低分组(N=17)问题解决能力试卷高

14、分组(N=17)问题解决能力试卷低分组(N=17)相关系数0.70*0.67*0.47*0.390.55*P0.001 *P0.01 *P0.05三、学生对概念构图融入教学的合适性 学生对概念构图融入教学的合适性达81%，表示对光学部份而言，以学生立场检视概念构图融入教学的教学模式是适合国中生的一种教学策略。四、精炼融入概念构图的教学模式在精炼融入概念构图的教学模式时，研究者先仔细考量两大方向：(一)概念构图的角色及用途：概念构图可以统整新学习的概念，避免学生以记忆、琐碎的方式学习新教材，并帮助学生建构其知识，在新知识之间架起网络，所以概念构图不是教学的全部，而是教学内容的主架构，学生若能掌握

15、此主架构，则要把新知识纳入原有认知系统就事半功倍。(二)以学生的程度思考如何引进概念构图对最易为学生接受：一开始就让学生以自行绘制概念图的方式教学, 在国中常态班级显然陈意太高，对生手也会造成认知过度负荷(江淑卿和郭生玉，1997)，但若是直接展示教师的概念图做为教学纲要又容易让概念图流为教师整理的重点图，免不了又有学生把概念图背起来，更重要的是教师的概念图是教师的思想，没有融入学生思考的过程，所以精炼融入概念构图的教学模式采取的是着重建构历程的概念构图教学法，教学概念图可以是教师课前思考的结晶，以做为教学的主轴，但在上课过程中乃由师生藉由讨论、批判、实验及同学合作学习而建构出概念图，在其中，

16、教师要留多少空间由同学发挥端视课堂上同学反应及课程内容而定，如此可以避免一般只让学生阅读概念图时，学生常忽略炼结的意义，以及较难掌握概念关系的缺点(江淑卿和郭生玉，1997)。融入概念构图的教学策略让学生从零碎、片断的机械式学习提升为注重关系、脉络并充满主动探索活力的有意义学习。为了落实教学反思及研究结果，研究者光的方式直線光線以單眼瞄桌子是否對齊速率每秒30萬km可於介質真空聲速先看到煙火再聽到爆炸先看到閃電再聽到雷聲玻璃陽光可射至地球水為故例有不同的遠大於故不透明物陰影日晷皮影戲日月食形成例為故稱應用透明物反射眼睛折射視物至會會遇原因造成木匠以單眼瞄木頭以確定平整(7)(6)(3)(2)(

17、1)傳播(5)(4)(9)(10)(12)(11)(8)(14)(13)尝试以光学课程的一部份设计融入概念构图的教学方案，如图2所示。图2 融入概念构图的教学方案(N)代表教学事件，教学事件是教师设计来帮助学生建构概念图的鹰架，教学时是先进行教学事件再做概念构图。教学事件说明：事件(1)：探究起点行为，由同学发表学过的光学现象，以为教学的基准。事件(2)：教师提示学生回想在声音章节中的讨论情形然后再与同学研讨在传播的概念下，可以讨论的次概念。事件(3)：进行课文中活动4-1光会转弯吗？前二步骤。进行针孔成像实验，并由同学讨论其意义。事件(4)：小组讨论并发表光线直进的应用。分组课后作业：如果光

18、线会转弯，世界会如何？事件(5)：概念冲突情境的安排以雷射或手电筒照水、透明压克力及平面镜，让学生体会光线遇不同物体会有不同的结果，引出折射和反射的次概念。事件(6)：进行课文中活动4-1光会转弯吗？第三步骤有关影子的实验。事件(7)：小组讨论并发表阴影现象。以本研究中光概念测验卷前第三题让学生讨论。事件(8)：以黑暗中眼睛睁开，却无法视物的情境来挑战学生眼光射出光线造成视物的迷思概念。和学生讨论课本习题选择第5题：当太阳光由窗外射入屋内，我们可以看到空气中的灰尘飞扬，原因是.。以本研究中光概念测验卷前两题让学生讨论。以雷射照线香的烟，由学生讨论所见的现象。事件(9)：以上一章声音的速率及影响

19、音速条件来引导同学讨论光的速率。事件(10)：让两位同学表演伽立略测光速的实验，并讨论失败原因。介绍科学家测光速的方法并提供光速和相关数据，让学生分组算看看光一秒可绕地球几圈及光由日至地球及月至地球的时间。事件(11)：小组讨论并发表左证光速大于声速的现象。事件(12)：由声音只在介质中传播开始让学生分组讨论光可以在那些介质中传播，并举证。事件(13)：展示托勒密碗中硬币加水像似浮起的实验，以引起学生对折射现象的兴趣。事件(14)：横向连结可在概念图大致完成后，由教师鼓励同学思考，例阴影也可和直线概念做连结；速率可以用最快为连结词与真空连结。伍、结论与建议本研究采取的概念构图教学策略是着重建构

20、历程的概念构图教学法，在所生共同建构概念图的过程中，教师要留多少空间由让同学发挥，可由以下因素加以考量：学生能力、课程内容及小组合作学习能力。本研究在平面镜的成像、凸透镜虚像性质及不同介质的折射等议题上，未能经由一次的实验教学而充分达到教学目标，在涉及光线作图的问题时尤然，研究中的概念图是呈现主要概念，所以在细部成像机制(如光线折射的行进方向)上较缺乏，对此，研究者认为在往后的教学中，若在重要实验(如透镜成像)后，应特别和学生共同绘制该实验的概念图，再配合成像作图，以实验操作-概念构图-成像作图三合一历程，期让学生理解折射方向及成像机制。参考文献江淑卿和郭生玉（1997）：不同学习过程的概念构

21、图策略对促进知识结构专家化与理解能力之效果研究。师大学报，42，1-16。李玉贞(2000)：光学史融入教学对高中学生科学本质观及光概念的改变之研究。国立高雄师范大学科学教育研究所硕士论文(未出版)。余民宁（1997）：有意义的学习概念构图之研究。台北市：商鼎文化出版社。黄万居（1993）：国小学生的概念构图和自然科学学习成就之研究。台北市立师范学院学报，24，47-66。Novak, J. D., & Gowin, D. B. (1984). Learning how to learn. New York: Cambridge University Press.附录一：光概念测验卷窗照片林先

22、生问题一：居住在地球上不同位置的A及B两人，在图标的时刻他们是否能看见由太阳所射出的C这条光线？为什么？请利用画图辅助说明。问题二：林先生在一室内，此房间只有一扇打开的窗户而无其它的窗户，室内无其它光源，窗外是白天，请问林先生为什么可以看到墙上的照片呢？请画出光的路径。(参见上右图)光源觀察者障礙物屏幕问题三：(1)请说明影子是如何产生的？并画图表示光线的路径及屏幕上影子的形成（器材包含白色光源、黑色障碍物及屏幕）。(2)如果改变光源的亮度请你预测影子会怎样？(3)如果将屏幕向右移离光源，请你预测影子会怎样？(4)影子有颜色吗？问题四： 请画出王先生看到长方体的像的性质与位置及光前进的路径？若

23、平面镜被黑布遮住下半部(如第二张图所示)，则成像又如何？王先生问题五：(1)在空气中，太阳光线通过凸透镜后，会发生什么作用？(2)一发光物体(形状如 )放在透镜左侧处，己知在透镜右侧A处放置一屏幕，在屏幕上可见到清晰的像(如下图所示)，请画出图中三条光经过透镜后的情形。(3)若在A处稍右后的B处放一屏幕，能看到什么吗？ BA问题六：(1)用一凸透镜做为放大镜来观看物体时，你会看到发生什么情形？画图补助说明。(2)承(1)，此时凸透镜对光线造成会聚还是发散的作用？(3)承(1)，若观看报纸上的字迹，所看到的像位置是在比报纸更远离还是更接近你的眼睛？觀察者问题七：某人用单眼观察在碗内的硬币，因为被

24、碗缘挡住了，所以看不到(见下图，若把碗内装满水，就可以看到硬币了，为什么呢？请以画图说明理由。附录二：问题解决能力试卷选择题：( )1.你的手会在墙上形成影，是因为(1)可以穿越真空 (2)光是以直线前进的方式传播(3)光速比声速快。( )2.蜡烛经下列哪一种镜子子的成像，既不会变大也不会变小？(1)凸透镜(2)凹透镜(3)平面镜。( )3.公车司机从后视镜到乘客的像，并没有倒立且是缩小的。则此后视镜是(1)凸透镜(2)凹透镜(3)平面镜(4)凸面镜。( )4.使用放大镜观察微小的物体时，物体应放在放大镜的(1)焦点内侧(2)焦点上(3)焦点外。( )5.当光由光速快的介质进入光速慢的介质时，

25、若入射角不为0度，则折射级会(1)偏向法线(2)偏离法线(1)沿法线前进。( )6.一蜡烛经凸透镜折射后，在镜后屏幕上呈现倒立的像，若将透镜的上半部用黑色胶带贴上，则像会(1)完全消失(2)向上一半消失(3)向下的一半消失(4)成像位置和大小都不变，只是变暗一些。 ( )7.下列各图中，AB的成像何者正确？A（1）BAB（2）AB（3） ( )8.有关光传播的叙述，下列何者正确？（1）日食和月食的现象，与光的直线传播有关（2）光由光速慢的介质进入光速快的介质时，折射后光的前进方向会靠近法线（3）光在平面镜反射时，反射角与入射角相等；但在凹面镜反射时则否（4）光的传播不需依靠介质，所以光从真空中进入介质时光速不会改变。( )9.从水面上方看到水中的石子时，下列各图何者为合理的光线路径与方向？( )10.光线由向右通过一光学透镜如右图所示。这光学透镜可能是下列哪一个？(1)凹透镜（2）凸面镜（3）平面镜（4）放大镜二、填充题：1.小明站在平面镜前2公尺的地方，观看镜中的自己，小明与像的