概念構圖教學策略對促進國二學生

1、概念構圖教學策略對促進國二學生光概念理解及問題解決能力之研究 HYPERLINK .tw/gise/17years/C13.doc .tw/gise/17years/C13.doc林瑞文高雄市立左營國民中學TEL:(07)5820052.0929173883E-mail:elelim.tw FAX:(07)5852495洪振方高雄師范大學科學教育研究所TEL:(07)7172930轉3050E-mail: t1873.tw摘 要本研究以行動研究的方法，探討融入概念構圖教學策略的光學教學對國二學生的影響，研究的范圍包含：學生光概念的學習與澄清、問題解決能力及教學策略之合適性，經(jīng)由上述研究的探討，

2、參考學生對于本教學之合適性調查，再配合研究者在行動研究過程中對于教學模式的精煉，以建立一個更適切的教學模式。研究者以任教的國二班級(N=34)作為樣本，以概念構圖教學策略進行八堂實驗教學，資料的收集包含：測驗卷、問卷、教學影帶觀察等，同時將所得的資料進行質性與量的分析。研究結果如下：（1）概念構圖融入教學后，學生的光概念測驗卷前后測成績有顯著差異(P0.05)。（2）概念構圖融入教學后，學生的問題解決能力試卷平均成績介于研究者任教且剛復習過光學課程的兩個三年級班級之間，顯示融入概念構圖教學的教學策略和傳統(tǒng)教學方法比較并不遜色；比較光概念測驗卷和問題解決能力試卷成績，顯示開放性的光概念卷較能真實

3、反映學生的概念學習成果。（3）學生對于概念構圖融入教學的認同達81%，顯示學生對于此教學策略的肯定。（4）研究者以行動研究精神進行教學反思，考量概念構圖的建構意義及學生接受程度，適時加入實驗教學并兼采合作學習的方法，來精煉一個更適切的教學模式。關鍵詞：光概念、教學策略、概念構圖壹、前言近年來，隨著認知心理學發(fā)展及日益受重視，心理學家嘗試以訊息處理(information processing)、知識表征(knowledge representation)與知識建構(knowledge construction)的觀點來解釋學生的學習行為及解題歷程，因此在教學上強調先備知識(prior know

4、ledge)與知識表征的重要性(陳嘉成和余民寧，1997)。在學習的過程中，教師應該幫助學生了解除非他們能將新的知識與已有的舊知識相結合，否則他們只能死記一些知識，教師若能幫助學生建立概念圖，將可協(xié)助他們整理所學(黃臺珠，民85)，概念構圖是Novak等人以Ausubel有意義的學習理論為基礎所發(fā)展出的學習工具(Novak & Gowin, 1984)，概念構圖以概念與概念間的命題關系結合而成網(wǎng)狀脈絡，以期幫助學習者將新概念的學習和諧的融入原有的認知架構中。在國內，學者對概念構圖研究的向度傾向于評量及教學方面討論，在教學上實務運用于國中科目則以生物及理化科居多(蔡永巳，1997；陳嘉成，199

5、6；王薌茹，1994；許松梁，1989)，所采取的研究法大多是準實驗研究法，采取由學生學習繪制概念圖的教學策略；在江淑卿及郭生玉(1997)的研究中，接受閱讀概念圖策略的高、中、低三組國一學生，在知識結構專家化及理解能力上，都不比接受繪制概念圖策略的同學差，此研究結果讓研究者想到是否可在繪制及閱讀之中尋得平衡點，即是把概念構圖作為課程的主架構，由師生、分組同學在上課的過程中透過討論、對話及實驗來共同完成概念圖，以期突破生手閱讀概念圖時比較注意節(jié)點的訊息，而忽略連結的意義，并且也較難了解建構知識結構的過程的限制(Mccagg & Dansereau, 1991)，并避免繪制過程對生手造成認知及時

6、間的過度負荷。貳、文獻探討概念圖的研究自Novak及Gowin(1984)的學習如何學習(Learning How to Learn)一書問世后，受到科學教育界很大的重視，相關的研究數(shù)量相當多，雖然Novak等人認為概念圖教學可以適用從幼兒園開始的所有學生，但在一些研究仍有歧異的結果，并非每一次的概念圖教學都能達到顯著的效果，如Chyuan(1991)的研究發(fā)現(xiàn)非自然學科系的學生對學習物理概念圖持負面態(tài)度，許多學生認如要完成一個概念圖不是一件容易的事，他們也不認為概念圖可以幫助他們學習其它科目，并且不喜歡說明自己的概念圖給老師聽；在國內黃萬居(1992,1995)的實驗教學結果實驗組及控制組的

7、學習成就測驗均未達到差異，他推測可能原因有：(1)受測者動機不足；(2)真正概念構圖的時間不夠；(3)被研究者委托的教學者本身對概念構圖并不十分熟悉(只經(jīng)兩小時訓練)。所以陳嘉成、余民寧(1997)認為要使概念圖教學產(chǎn)生教學效果，不應單在上課時用少數(shù)時間呈現(xiàn)學習單元的概念圖，而是要將構圖活動與學生的概念學習融合在一起。 研究者發(fā)現(xiàn)，許多的概念圖的研究都要學生學會自力繪制概念圖，全中平(1992)的研究中發(fā)現(xiàn)中美兩國非自然科學系的大學生都不認為建構一個概念圖是容易的事，由此推想建構概念圖對國中常態(tài)班的學生而言，困難度一定更高。江淑卿和郭生玉(1997)的研究中讓國小六年級的學生分別接受繪制概念構

8、圖策略、閱讀概念構圖策略及傳統(tǒng)閱讀策略教學，并在教學結束一周后，施以知識結構測驗及理解能力測驗，結果：(1)高能力的學生表現(xiàn)并無差異；(2)對中能力的學生而言，接受不同學習過程的概念構圖策略，在促進知識結構專家化和理解能力上，大致比傳統(tǒng)閱讀策略有效；(3)對低能力的學生而言，接受閱讀概念構圖策略，在促進知識結構專家化和理解能力上，都比傳統(tǒng)閱讀策略有效，接受繪制概念構圖策略，在促進知識結構專家化上，與傳統(tǒng)閱讀策略沒有差異，但在增進理解能力上，比傳統(tǒng)閱讀策略有效。一般以概念卡要學生排概念圖的作法，若用于測驗學生的概念發(fā)展情形，尚屬合理，但若是用于新概念的學習，和Ausubel學習理論中各種動態(tài)學習

9、歷程是否相符，著實令人懷疑，所以研究者認為教會學生可以繪制概念圖并不是非要不可的目的，概念構圖教學的精義應在構圖是否融入學生的理解歷程，進而對其認知結構產(chǎn)生影響。參、研究目的、問題與方法一、研究目的：本研究具體目的如下：(一)理解概念構圖融入光學教學，對學生光學概念的影響。(二)理解概念構圖融入光學教學，對學生解題能力的影響。(三)探討概念構圖教融入光學教學之合適性。(四)研究者在整個研究過程，藉由教學省思及修正，提出更合適的教學模式。二、研究問題： 根據(jù)上述的研究目的，本研究的研究問題如下：(一)實施概念構圖教融入光學教學后，學生對光學概念的理解如何？(二)實施概念構圖教融入光學教學后，學生

10、有關光學的問題解決能力如何？(三)學生認為概念構圖教融入光學教學之合適性如何？(四)如何發(fā)展合適之概念構圖融入教學之教學模式？三、研究方法：本研究之教學設計理念如圖1所示。概念構圖融入教學的光學教學設計乃是以建構教學概念圖為教學主軸，配合學生起點行為，輔以課文內容，再加入實驗操作、師生對話及分組討論，組合成整個教學歷程，概念構圖的過程就是教學的過程，也和學生認知發(fā)展的歷程相配合，師生共同建構的概念圖并不是只單純告訴學生概念，重心在以構圖的過程引導學生對新概念學習產(chǎn)生分化、統(tǒng)整調和等作用，然后可以將之納入原有的認知結構中。研究工具有(1) 光概念測驗卷：主要采用光學史融入教學對高中學生科學本質觀

11、及光概念的改變之研究（李玉貞，2000）、凸透鏡成像迷思概念的詮釋系統(tǒng)研究（古智雄，1992）及成影概念的成長與學習（邱韻如，1998）三篇論文中的光概念試題，選取6題國中生常有的迷思概念問題再加上由托勒密光線折射實驗所延伸的題目1題所組成。(2)問題解決能力試卷：由課本習題、聯(lián)考題及高中推薦甄試題中選擇需善用光概念解題的題目加以改編。(3)教學合適性調查表。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 教學設計理念圖結果與討論融入概念構圖的教學策略對學生光概念的影響對光概念測驗卷中各小題及總分數(shù)進行前后測之相依性t考驗，總分之相依性t考驗P值0.000.05(N=34)，表示經(jīng)過本實

12、驗教學后，學生的光概念測驗卷成績達顯著差異，且后測優(yōu)于前測。針對每個題目作質性分析，發(fā)現(xiàn)在光的直進、視物、影子性質及凸透鏡實象性質等議題上，經(jīng)過概念構圖融入教學后，概念的轉換大多變?yōu)榉险y(tǒng)的科學概念，但在平面鏡的成像、凸透鏡虛像性質及不同介質的折射等議題上，尤其涉及光線作圖的問題時，雖有許多同學概念發(fā)生改變，但仍多存有迷思概念，尚未建構出正統(tǒng)的科學概念，表示研究者運用概念構圖教學策略于這些議題上未能經(jīng)由一次的實驗教學而充分達到教學目標。二、融入概念構圖的教學策略對學生問題解決能力的影響 經(jīng)過融入概念構圖的教學后，學生的問題解決能力試卷平均成績介于研究者任教且剛復習過光學課程的兩個三年級班級之

13、間，顯示融入概念構圖教學的教學策略和傳統(tǒng)教學方法比較并不遜色。分析光概念卷后測和問題解決能力試卷成績，全班整體成績相關系數(shù)0.7(P0.O01)，將所有同學分別依光概念卷后測成績及問題解決能力試卷成績排序后以高低各半分組取樣，再算出兩項成績的相關系數(shù)，結果如表1所示，光概念卷后測成績高者通常問題解決能力試卷成績較高，反之則相關系數(shù)較低，顯示開放性的光概念卷較能真實反映學生的概念學習成果。表1光概念測驗卷后測成績和問題解決能力試卷成績的相關系數(shù)排序項目座號光概念測驗卷成績問題解決能力試卷成績分組成員所有同學(N=34)光概念測驗卷高分組(N=17)光概念測驗卷低分組(N=17)問題解決能力試卷高

14、分組(N=17)問題解決能力試卷低分組(N=17)相關系數(shù)0.70*0.67*0.47*0.390.55*P0.001 *P0.01 *P0.05三、學生對概念構圖融入教學的合適性 學生對概念構圖融入教學的合適性達81%，表示對光學部份而言，以學生立場檢視概念構圖融入教學的教學模式是適合國中生的一種教學策略。四、精煉融入概念構圖的教學模式在精煉融入概念構圖的教學模式時，研究者先仔細考量兩大方向：(一)概念構圖的角色及用途：概念構圖可以統(tǒng)整新學習的概念，避免學生以記憶、瑣碎的方式學習新教材，并幫助學生建構其知識，在新知識之間架起網(wǎng)絡，所以概念構圖不是教學的全部，而是教學內容的主架構，學生若能掌握

15、此主架構，則要把新知識納入原有認知系統(tǒng)就事半功倍。(二)以學生的程度思考如何引進概念構圖對最易為學生接受：一開始就讓學生以自行繪制概念圖的方式教學, 在國中常態(tài)班級顯然陳意太高，對生手也會造成認知過度負荷(江淑卿和郭生玉，1997)，但若是直接展示教師的概念圖做為教學綱要又容易讓概念圖流為教師整理的重點圖，免不了又有學生把概念圖背起來，更重要的是教師的概念圖是教師的思想，沒有融入學生思考的過程，所以精煉融入概念構圖的教學模式采取的是著重建構歷程的概念構圖教學法，教學概念圖可以是教師課前思考的結晶，以做為教學的主軸，但在上課過程中乃由師生藉由討論、批判、實驗及同學合作學習而建構出概念圖，在其中，

16、教師要留多少空間由同學發(fā)揮端視課堂上同學反應及課程內容而定，如此可以避免一般只讓學生閱讀概念圖時，學生常忽略煉結的意義，以及較難掌握概念關系的缺點(江淑卿和郭生玉，1997)。融入概念構圖的教學策略讓學生從零碎、片斷的機械式學習提升為注重關系、脈絡并充滿主動探索活力的有意義學習。為了落實教學反思及研究結果，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)嘗試以光學課程的一部份設計融入概念構圖的教學方案，如圖2所示。圖2 融入概念構圖的教學方案(N)代表教學事件，教學事件是教師設計來幫助學生建構概念圖的鷹架，教學時是先進行教學事件再做概念構圖。教學事件說明：事件(1)：探究起點行為，由同學發(fā)表學過的光學現(xiàn)象，以為教學的基準。事件(2)：教師提示學生回想在聲音章節(jié)中的討論情形然后再與同學研討在傳播的概念下，可以討論的次概念。事件(3)：進行課文中活動4-1光會轉彎嗎？前二步驟。進行針孔成像實驗，并由同學討論其意義。事件(4)：小組討論并發(fā)表光線直進的應用。分組課后作業(yè)：如果光

18、線會轉彎，世界會如何？事件(5)：概念沖突情境的安排以雷射或手電筒照水、透明壓克力及平面鏡，讓學生體會光線遇不同物體會有不同的結果，引出折射和反射的次概念。事件(6)：進行課文中活動4-1光會轉彎嗎？第三步驟有關影子的實驗。事件(7)：小組討論并發(fā)表陰影現(xiàn)象。以本研究中光概念測驗卷前第三題讓學生討論。事件(8)：以黑暗中眼睛睜開，卻無法視物的情境來挑戰(zhàn)學生眼光射出光線造成視物的迷思概念。和學生討論課本習題選擇第5題：當太陽光由窗外射入屋內，我們可以看到空氣中的灰塵飛揚，原因是.。以本研究中光概念測驗卷前兩題讓學生討論。以雷射照線香的煙，由學生討論所見的現(xiàn)象。事件(9)：以上一章聲音的速率及影響

19、音速條件來引導同學討論光的速率。事件(10)：讓兩位同學表演伽立略測光速的實驗，并討論失敗原因。介紹科學家測光速的方法并提供光速和相關數(shù)據(jù)，讓學生分組算看看光一秒可繞地球幾圈及光由日至地球及月至地球的時間。事件(11)：小組討論并發(fā)表左證光速大于聲速的現(xiàn)象。事件(12)：由聲音只在介質中傳播開始讓學生分組討論光可以在那些介質中傳播，并舉證。事件(13)：展示托勒密碗中硬幣加水像似浮起的實驗，以引起學生對折射現(xiàn)象的興趣。事件(14)：橫向連結可在概念圖大致完成后，由教師鼓勵同學思考，例陰影也可和直線概念做連結；速率可以用最快為連結詞與真空連結。伍、結論與建議本研究采取的概念構圖教學策略是著重建構

20、歷程的概念構圖教學法，在所生共同建構概念圖的過程中，教師要留多少空間由讓同學發(fā)揮，可由以下因素加以考量：學生能力、課程內容及小組合作學習能力。本研究在平面鏡的成像、凸透鏡虛像性質及不同介質的折射等議題上，未能經(jīng)由一次的實驗教學而充分達到教學目標，在涉及光線作圖的問題時尤然，研究中的概念圖是呈現(xiàn)主要概念，所以在細部成像機制(如光線折射的行進方向)上較缺乏，對此，研究者認為在往后的教學中，若在重要實驗(如透鏡成像)后，應特別和學生共同繪制該實驗的概念圖，再配合成像作圖，以實驗操作-概念構圖-成像作圖三合一歷程，期讓學生理解折射方向及成像機制。參考文獻江淑卿和郭生玉（1997）：不同學習過程的概念構

21、圖策略對促進知識結構專家化與理解能力之效果研究。師大學報，42，1-16。李玉貞(2000)：光學史融入教學對高中學生科學本質觀及光概念的改變之研究。國立高雄師范大學科學教育研究所碩士論文(未出版)。余民寧（1997）：有意義的學習概念構圖之研究。臺北市：商鼎文化出版社。黃萬居（1993）：國小學生的概念構圖和自然科學學習成就之研究。臺北市立師范學院學報，24，47-66。Novak, J. D., & Gowin, D. B. (1984). Learning how to learn. New York: Cambridge University Press.附錄一：光概念測驗卷窗照片林先

22、生問題一：居住在地球上不同位置的A及B兩人，在圖標的時刻他們是否能看見由太陽所射出的C這條光線？為什么？請利用畫圖輔助說明。問題二：林先生在一室內，此房間只有一扇打開的窗戶而無其它的窗戶，室內無其它光源，窗外是白天，請問林先生為什么可以看到墻上的照片呢？請畫出光的路徑。(參見上右圖)光源觀察者障礙物屏幕問題三：(1)請說明影子是如何產(chǎn)生的？并畫圖表示光線的路徑及屏幕上影子的形成（器材包含白色光源、黑色障礙物及屏幕）。(2)如果改變光源的亮度請你預測影子會怎樣？(3)如果將屏幕向右移離光源，請你預測影子會怎樣？(4)影子有顏色嗎？問題四： 請畫出王先生看到長方體的像的性質與位置及光前進的路徑？若

23、平面鏡被黑布遮住下半部(如第二張圖所示)，則成像又如何？王先生問題五：(1)在空氣中，太陽光線通過凸透鏡后，會發(fā)生什么作用？(2)一發(fā)光物體(形狀如 )放在透鏡左側處，己知在透鏡右側A處放置一屏幕，在屏幕上可見到清晰的像(如下圖所示)，請畫出圖中三條光經(jīng)過透鏡后的情形。(3)若在A處稍右后的B處放一屏幕，能看到什么嗎？ BA問題六：(1)用一凸透鏡做為放大鏡來觀看物體時，你會看到發(fā)生什么情形？畫圖補助說明。(2)承(1)，此時凸透鏡對光線造成會聚還是發(fā)散的作用？(3)承(1)，若觀看報紙上的字跡，所看到的像位置是在比報紙更遠離還是更接近你的眼睛？觀察者問題七：某人用單眼觀察在碗內的硬幣，因為被

24、碗緣擋住了，所以看不到(見下圖，若把碗內裝滿水，就可以看到硬幣了，為什么呢？請以畫圖說明理由。附錄二：問題解決能力試卷選擇題：( )1.你的手會在墻上形成影，是因為(1)可以穿越真空 (2)光是以直線前進的方式傳播(3)光速比聲速快。( )2.蠟燭經(jīng)下列哪一種鏡子子的成像，既不會變大也不會變?。?1)凸透鏡(2)凹透鏡(3)平面鏡。( )3.公車司機從后視鏡到乘客的像，并沒有倒立且是縮小的。則此后視鏡是(1)凸透鏡(2)凹透鏡(3)平面鏡(4)凸面鏡。( )4.使用放大鏡觀察微小的物體時，物體應放在放大鏡的(1)焦點內側(2)焦點上(3)焦點外。( )5.當光由光速快的介質進入光速慢的介質時，

25、若入射角不為0度，則折射級會(1)偏向法線(2)偏離法線(1)沿法線前進。( )6.一蠟燭經(jīng)凸透鏡折射后，在鏡后屏幕上呈現(xiàn)倒立的像，若將透鏡的上半部用黑色膠帶貼上，則像會(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變，只是變暗一些。 ( )7.下列各圖中，AB的成像何者正確？A（1）BAB（2）AB（3） ( )8.有關光傳播的敘述，下列何者正確？（1）日食和月食的現(xiàn)象，與光的直線傳播有關（2）光由光速慢的介質進入光速快的介質時，折射后光的前進方向會靠近法線（3）光在平面鏡反射時，反射角與入射角相等；但在凹面鏡反射時則否（4）光的傳播不需依靠介質，所以光從真空中進入介質時光速不會改變。( )9.從水面上方看到水中的石子時，下列各圖何者為合理的光線路徑與方向？( )10.光線由向右通過一光學透鏡如右圖所示。這光學透鏡可能是下列哪一個？(1)凹透鏡（2）凸面鏡（3）平面鏡（4）放大鏡二、填充題：1.小明站在平面鏡前2公尺的地方，觀看鏡中的自己，小明與像的