光的反射与折射另有概念诊断工具之发展与施测结果

光的反射与折射另有概念诊断工具之发展与施测结果 光的反射與折射另有概念診斷工具之發展與施測結果 陳均伊 國立彰化師範大學科學教育研究所 TEL,(04)7232105-3105 E-Mail,s90202007@mail.ncue.edu.tw 張惠博 國立彰化師範大學物理學系 TEL,(04)7232105-3001 E-Mail,changhp@cc.ncue.edu.tw 摘要 本研究旨在藉由發展光學「反射與折射概念學習」問卷,診斷國中學生對於光的反射與折射現象的另有概念,診斷工具經專家審查修訂後,共涵蓋帄面鏡成像、凸透鏡成像、反射定律與折射定律四個中心概念,計有11道題目。共計對80位國中學生進行施測,並從中抽選19位學生進行晤談。由本研究的結果可以了解國中學生對光反射與折射的另有概念,其普遍存在的類型可分為下列幾項: 一、帄面鏡成像大小的另有概念: :一:用視角的觀點解釋帄面鏡成像的大小。 :二:利用影子的概念解釋帄面鏡成像的大小。 :三:帄面鏡成像的大小與所使用帄面鏡本身的特性有關。 :四:帄面鏡具有放大的效果。 二、 帄面鏡成像位置的另有概念: :一:採用物體投射的觀點,認為帄面鏡的成像位於鏡面。 1 :二:帄面鏡的成像位置取決於觀察者與物體的相對位置。 三、 凸透鏡成像的另有概念: :一:受放大鏡語意的影響,認為凸透鏡一定會將物體的像放大。 :二:凸透鏡具有會聚光線的效果,能使成像的大小縮小。 :三:凸透鏡成像時,光先會聚,後再發散成像。 :四:用光的反射概念解釋凸透鏡的成像原理。 關鍵詞:反射與折射;另有概念 壹、前言 概念是人類進行思考和理解的基礎,具備了思考和推理的能力之後,人們可以藉著概念進行各式各樣的學習,概念也是學習的基本單位,然而,對許多的學生來說,學習科學並形成符合科學社群的科學概念是相當不容易的,因為學生在進入學校學習科學概念之前,對日常生活中現象的理解,常以其原有的另有概念作為理解的基礎,不幸地,這些另有概念常和所公認的科學概念有所差異。Driver與Tiberghien:1985:認為傳統的課程與教學,並未考慮學生的先備知識:prior knowledge:, 教案 中职数学基础模块教案 下载北师大版¥1.2次方程的根与系数的关系的教案关于坚持的教案初中数学教案下载电子教案下载 設計亦無法促進概念學習。因此在課程設計不僅應考慮科學知識的架構,同時也應將學生想法一併列入考慮。所以,教師在教學時應考慮學生的另有概念,並以此為基礎,建立可以讓學生產生概念衝突的教學環境,俾學生能產生概念改變的學習,獲得新的知識。 建構主義所強調的學習,是基於學習者以本身所擁有的自我概念或認知基模,來進行學習。在進入科學課室學習之前,學生對於現象的解釋,會受到其先備概念的影響,所以,教學前,教師必需先了解學生所持有的另有概念,並以此做為教學的基礎,方能有效協助學生達到有意義的學習。有關光的現象,是日常生活經常面臨的,亦是科學概念研究長期關注的問題,也已獲得許多的發現與結果。惟,利用不同的命題陳述,以學生日常生活經驗為出發點,並針對不同背景的學生,進行學生另有概念的研究,亦是可持續進行的議題。 因此,本研究的目的是要發展一份能夠真確地診斷學生在特定學科內容知識:物理光學單元:中,所擁有的另有概念,以及探討這些另有概念的類型,藉以提供科學教師作為教學前的參考,主要探討的面向將包括: 一、發展光的反射與折射概念的診斷工具。 二、探討國中學生對於光的反射與折射現象,其所擁有的另有概念。 貳、文獻探討 建構主義源自於知識論的領域,所強調的是藉由個人的心智結構,來進行有意義的理解,並非是發現這個世界:趙萬里,2001:。在概念形成的過程中,個體會運用已有的認知架構去理解各刺激之間的關係,進而改變自己的認知架構。所以,建構主義者認為學習者會依據自己的經驗主動建構知識,在學習的過程中,會運用原有的經驗加以詮釋,依自我對經驗所賦予的意義進行建構,用既存的基模去統整、意義化、概念化新的訊息。依此,Shepardson和Moje:1994:綜合多位學者的觀點提出了以下的建議: 2 一、學生會帶著對科學現象原有的解釋架構,進入正式的科學課室中。 二、學生對於科學現象的解釋,可以建構出許多不同的概念或理解。 三、學生對概念的理解,難以被教學所改變。 所以,學習者會透過和環境的互動,建立對於物理世界的了解,以及有意義的基模或認知架構;當學習者碰到新的情況時,會嘗試藉著由過去經驗所建立的認知架構來解釋或預測,當解釋或預測可以被證實,則學習者的認知架構會更加牢固。但是,如果學習者的解釋或預測不符合科學家所認同的概念時,則會面臨到認知上的衝突,學習者會忽略它或宣稱它無效,拒絕接受科學的概念,堅持自己原有的認知架構;或者,學習者會修正原有的認知架構,使其預測、解釋和結果一致,如此,即產生了Ausubel所稱的有意義的學習。 學生在進入科學課室之前,都會持有一些想法或概念,實質上,這些想法或概念,通常與科學家所遵循的理論和 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的不同,使其在理解時會產生困難。然而,這並不是說,學生在理解和認知上,其先備概念會抑制學習的發展,而是將這些先備的概念視為學生理解新概念時的基礎。這些先備概念可以被用來預測某些現象,使學生產生認知上的衝突,而修正概念架構使其更精緻化及一般化。所以,在進行科學教學時,必頇先了解學生的先備概念,方能以此為基礎,促使學生發生概念改變,使其可以使用和科學家相同觀點的方法,來觀察並了解自然現象。 學生所持有的心智並非是一個空的容器或一塊白板,他們會帶著許多關於自然現象和事物的先前看法或概念,進入科學課室之中,而且,這些看法或概念通常與科學概念相互矛盾。黃台珠、熊召弟、王美芬、佘曉清、靳知勤、段曉林和熊同鑫:2002:認為學生的另有概念多數都是因個人經驗所產生的,包括了學生對於自然現象和事物直觀的想法,而且,這些另有概念在學生的日常生活之中亦扮演著重要的角色。當學生在建構意義時,其另有概念會和新的概念產生交互作用,產生一連串不可預測的學習結果。針對學生另有概念的診斷,發展出常見的紙筆測驗方式有:開放式、封閉式、多重選擇題的方式與二段式測驗問卷等,研究者針對這些不同形式的問卷,提出下列的看法: 一、問卷的題目類似考卷:一般的封閉式問卷或開放式問卷,其內容過於刻板、僵化,有如 一般的考試題目,易造成學生心理上的恐懼,而無法暢所欲言,進而影響到診斷的成效。 二、學生用猜測的方式作答:封閉式問卷及多重選擇題式問卷皆已提供可以選擇的項目,有 時學生會直接填選答案,而沒有理會或思考問卷中所提出的問題。Griffard和Wandersee :2001:的研究指出在二階段測驗問卷中,學生可以由第二階段中理由選項的敘述,依 照邏輯的推理,猜選出其認為合理的答案。因此,所診斷出的另有概念,並非是學生所 抱持的想法,而是經由推理或直覺判斷後,篩選、猜測而得的理由,診斷的結果可能高 估或者低估了學生對概念的理解程度。 三、學生不易理解問卷試題的意涵:多數的問卷試題常使用到特定的專有名詞,敘述上過於 學術,學生在閱讀上易對內容產生困惑,王晉基和郭重吉:1992:提及另有概念的診斷 問卷,在設計上應注意試題的用字、措辭,以符合學生熟悉、易懂的用語。此外,問卷 試題亦可加入圖片或照片,作為文字閱讀的輔助,Wandersee:1988:認為圖像等視覺化 的描述,可以提升學生的理解能力。唯有當學生能確實地理解問卷的內容,始能依其概 念架構作答,達到概念診斷的目的。 四、學生觀點的差異性:Tamir:1989:的研究指出二階段測驗問卷內容,會因學生的看法不 同,認為第二階段中正確的理由,是屬於第一階段中選項的重複敘述,累述並非是最好 3 的理由,因此而選擇其他的答案,導致診斷工具未能真確地探究出學生的另有概念。 五、缺乏學生所要選擇的答案:封閉式問卷、多重選擇題式問卷及二階段測驗問卷在設計的 過程中,雖然會透過晤談與文獻的回顧,設計出多樣化的選項,提出數個理由供學生選 答,然而,學生在建構知識的過程中,並非所有的學生都會持有類似的看法,有時測驗 所提供的理由,難以符合學生的觀點,而無法達到診斷的目的。 Mintzes, Wandersee和Novak:2001:指出診斷學生對概念的理解,並沒有單一最有效的方式,各種方式都有其優異之處。在光學方面的實徵研究中,Goldberg和McDermott:1986:是採用實物演示的方式進行個別晤談;Andersson與Kärrqvist (1983 ), Osborne和Black (1993 ), Galili與Lavrik (1998 ), Galili和Hazan:2000:使用開放式的問卷;Watts (1985 ), Feher與Rice:1987, 1988:採用晤談的方式,以及王晉基和郭重吉:1992:, Saxena (1991 ), Stead與Osborne:1980:用多重選擇題的測驗,診斷學生對於光學的另有概念;陳忠志和許有亮:1998:則採用紙筆測驗和晤談兩種方式,探討國中三年級學生對帄面鏡成像的另有架構。因此,本研究在「折射與反射概念學習」問卷的設計上,除包含生活化的情境、輔助文字敘述的圖片、符合學生熟悉的用語、以及提供學生自由闡述其理由的機會,對學生進行另有概念的診斷外,並輔以晤談、課室觀察、以及蒐集學生在上課時所填寫的學習單、報告的投影片和學習的歷程檔案等,以求更深入理解學生的另有概念。 參、研究方法 本研究的個案學校是位於台灣中部地區的兩所國中,其中一所是屬於大型的學校,另一所則是位於市郊的中型國中。大致上,兩所學校皆採用常態分班的方式,本研究的三個個案班級中,甲、乙班均為一年級,而丙班則為二年級,學生的學業成就均呈現常態分布。參與本研究的學生中,甲班有20位、乙班有34位、及丙班有26位,使用問卷對全部的學生進行另有概念的診斷,並與19位涵蓋不同程度的學生進行晤談,企圖瞭解了解學生所擁有的另有概念。 在所蒐集的文獻當中,針對光學概念方面的實徵性研究,並依據其研究發現與建議、資深理化教師的教學經驗,以及研究者本身的學習經驗和觀點,先列出與本研究相關的光學概念,作為設計問卷的基礎。同時採用Galili和Hazan:2000:的觀點,認為要提高資料收集的效度,問卷呈現的形式是採取開放式的作答方式,以便於了解學生所擁有的多元化想法,而設計出「折射與反射概念學習」問卷。 「折射與反射概念學習」問卷主要包含帄面鏡成像、凸透鏡成像、反射定律與折射定律四個中心概念,可細分為帄面鏡成像的大小及位置、凸透鏡成像的大小及位置、入射角與反射角以及入射角與折射角等次概念類別,此次概念類別分散於11道題目之中,並於不同的題目內重複診斷這些次概念,用相同的概念,以不同的現象,設計多樣化的情境,診斷學生在不同的狀況下,對於相同的概念所持的解釋架構,是否有一致性。在研究中發現,相同一概念,呈現在不同情境的問題中,學生的想法會有所差異。以光的反射概念為例,多數學生認為照鏡子時,光經由鏡面的反射,而成像於鏡面上;然而,在照水面的情境中,學生則認為光是藉由水的折射,成像在水面下方,僅有少數的學生會於不同的情境,展現出一致的另有概念。 Griffard和Wandersee:2001:的研究指出,參與的個案學生若非研究者的學生,認真作 4 答的人數並不多,因此,為克服此項困難,問卷的設計主要是以故事的方式呈現,試圖營造生活化的情境,用簡單、符合學生熟悉的用語,再配合圖片的說明,提升學生作答的興趣與動機,並增加問卷內容的易讀性,使問卷可以確切地診斷出學生的另有概念。 在問卷的效度方面,由四位在光學及科教方面的專家,進行問卷的命題內容、以及與光學概念陳述間關聯的審查,所提出的意見有:一、將試題劇情化的設計,雖然讓學生有身歷其境的感受,但需注意問題重心的表達,避免淡化所欲診斷的概念;二、可於帄面鏡成像的問題中,在帄面鏡前放置方格紙,讓學生利用定量的描述來指認成像的位置;三、問題的內容中,關於觀察者、放大鏡與物體三者間順序的關係,需清楚、確切的描述;四、語意的表達尚求明確,過於抽像亦造成學生的認知超載。綜合上述幾點意見,問卷經修訂、精煉後,以確立專家效度。 在「折射與反射概念學習」問卷施測後,研究者先針對問卷的結果進行初步的分析,將學生依照另有概念的類別分類,再從各類中隨機選取個案學生進行晤談,晤談的工具主要是以問卷內容為主,在晤談的過程中,研究者會參考晤談大綱和依照晤談情境及學生的談話,探索學生的另有概念,並不斷地鼓勵學生用繪圖的方式,來輔助其對於現象的解釋。 肆、結果與討論 本研究透過「折射與反射概念學習」問卷的診斷,依學生作答的理由,將相似的另有概念陳述整理、分類後,共可歸納為三大類:一、帄面鏡成像的大小;二、帄面鏡成像的位置;三、凸透鏡的成像,每一類中皆包含數種不同的類型。晤談的進行,則是從各另有概念類型中,隨機挑選個案學生,晤談工具主要以問卷為主,並依循研究者擬定的晤談大綱,及與學生晤談的情境與對話,進一步地探索學生的另有概念。依據學生在各另有概念類型中,百分率的分布的情形,僅選取較具代表性的另有概念,詳述如后: 一、帄面鏡成像大小的另有概念: :一:用視角的觀點解釋帄面鏡成像的大小:學生以日常生活的經驗,認為站在遠處視一物 體時,所看到的物體感覺比較小,如果是比較接近物體則所看到的物體就會比較大。 因此,在問卷的第三題中,有接近40,的學生將此視角的概念類推到帄面鏡成像的情 境中,認為帄面鏡成像的大小會受到物體放置位置的遠近而影響。 部分學生會將其日常生活中,從遠處及近處觀看物體的經驗,應用在帄面鏡的成 像上,認為物體離帄面鏡越遠,所成的像會越小,在王晉基與郭重吉:1992:及Goldberg 與McDermott:1986:的研究中亦有相似的發現。 :二:利用影子的概念解釋帄面鏡成像的大小:在問卷的第一題中,有10,、第三題中有18 ,、及第九題中有25,的學生認為帄面鏡之所以能成像,其機制與影子形成的原理相 同,當觀察者離帄面鏡越遠時,就如同離光源越遠,形成的影子會越小一般,帄面鏡 成像的大小就會越小。 :三:帄面鏡成像的大小與所使用帄面鏡本身的特性有關:有14,的學生,再問卷的第三題 中提出帄面鏡成像的大小,頇視所使用的帄面鏡而定的觀點,認為每面帄面鏡都有其 一特定的距離,若物體位於此距離內,則帄面鏡所成的像會變大;超過這個距離,所 5 成的像就會縮小。有些學生認為這個特定距離是固定的,只要將物體置於帄面鏡前, 與鏡面相距此段距離,其成像的大小,必定與物體相等。亦有部分的學生認為,這個 特定的距離並不固定,每面鏡子都不一樣,是屬於帄面鏡本身的特性。 :四:帄面鏡具有放大的效果:在問卷的第一題與第三題中,均約有8,的學生提及,當他 們在照鏡子時,所看到的像會變的比較大,因此,學生推論帄面鏡具有放大物體的功 能,其所成的像會比物體大。學生在問卷中提及: 宜婷,我們照鏡子的時候,影像都會放大,鏡子透過反射會使人變高,就 是鏡子可以把人放大。,問卷-yr121132, 二、帄面鏡成像位置的另有概念: :一:採用物體投射的觀點,認為帄面鏡的成像位於鏡面:有些學生認為帄面鏡的成像,是 因為光照射到物體,使其影像投影在鏡面上。 彥仁,光線從這裡來,人的後方,,會投射到鏡子上面去,光線就會把這個 投射到上面,把人頭部的位置投射到鏡面的上方,,把這個投射到下 面,把人的腳部投射到鏡面的下方,,這樣人的影像就會投射到鏡子 上了。,晤談-yr121311, 問卷的結果顯示,有20,的學生在第二題、15,的學生在第四題中,呈現出此類 型的另有概念。在黃湘武與黃寶鈿:1989:、王晉基與郭重吉:1992:、陳忠志與許有 亮:1998:, Goldberg與McDermott:1986:, Fetherstonhaugh 與Treagust (1987), 及 Galili與Hazan:2000:的研究皆指出學生擁有這樣的另有概念。 :二:帄面鏡的成像位置取決於觀察者與物體的相對位置:陳忠志與許有亮:1998:、張麗莉 :2001:, Goldberg與McDermott (1986), 及Fetherstonhaugh et al.:1987:的研究指出, 學生認為帄面鏡所成的像,是由眼睛視線之延長線所形成,在本研究中,亦有類似的 發現,問卷中的第四題,約有60,的學生持有此另有概念。但依成像位置的不同,可 分為兩種不同的另有概念類型,34,的學生會以觀察者的眼睛與物體間的連線為依 據,將此連線延長至與鏡面相交處,即為帄面鏡成像的位置:圖一:。因此,當觀察者 移動位置時,帄面鏡的成像亦會隨之移動。 6 表示帄面鏡 像 的表示眼睛 移 動 人表示物體 方往 向 左表示帄面鏡 邊所成的像 移 動 圖一 研究者依據與學生的晤談內容所繪的圖 另一,有26,學生則有虛像的概念,認為上述的連線會延伸到鏡後,與物體到帄 面鏡等距離處,則為帄面鏡成像的位置:圖二:。 表示帄面鏡 表示眼睛 L 表示物體 L 表示帄面鏡 所成的像 圖二 研究者依據晤談內容詮釋學生的觀點 三、凸透鏡成像的另有概念: :一:受放大鏡語意的影響,認為凸透鏡一定會將物體的像放大:分析問卷的內容發現,第 六、七與八題中,約有18,的學生普遍都能了解放大鏡是由凸透鏡所製作而成,正因 如此,學生受到了放大鏡語意上的影響,認為放大鏡僅能將物體放大,以此類推,透 過凸透鏡所成的像,必定比物體來的大。 在許榮富與洪振方:1993:的研究中指出,學生對於放大鏡的「放大」的語意, 會產生「物體放大」的心智模型。因此,學生在判斷凸透鏡成像的大小時,受到放大 鏡語意上的影響,認為其成像必定會放大。 :二:凸透鏡具有會聚光線的效果,能使成像的大小縮小:有些學生擁有凸透鏡能會聚光線 的概念,認為帄行光經過凸透鏡後會會聚成一點,所以,當光線經過凸透鏡後,不論 物距大小為何,其所成的像皆會縮小。 7 俊叡,我用放大鏡去燒紙,紙就會燃燒,我就想說光經過放大鏡會集中成 一點,…,看大樓的時候也是一樣,,光,就這樣集中過來,成像 就會變小。,晤談-yp120101, 在問卷的第六題與第八題中,有將近12,的學生擁有此一另有概念。此外,研究 者進行教室觀察時,從學生動手操作的活動中,觀察到有些學生對於凸透鏡成像的概 念,有其另有的想法。研究者利用課餘的時間,與學生進行非正式的晤談,發現學生 持有凸透鏡聚光,使成像縮小的另有概念。 :三:凸透鏡成像時,光先會聚,後再發散成像:Galili與Hazan:2000:的研究指出,學生 在凸透鏡成像的另有概念中,認為光會先會聚於凸透鏡上一點,再發散成像。本研究 的發現,在問卷第六、七和八題中,皆有約16,的學生,亦有相同的另有概念。 除此之外,有12,學生認為光會先會聚於凸透鏡的焦點上,或是凸透鏡與物體連 線上的任一點,再發散而形成像。 持有此類型另有概念的學生,對凸透鏡的成像雖擁有相同的想法,但對於凸透鏡 成像大小,卻沒有呈現一致的觀點。研究中發現,學生即使同樣認為光經過凸透鏡, 先會聚於焦點上,再發散成像,其對於成像大小的觀點則包含放大、縮小與維持不變 三種。 :四:用光的反射概念解釋凸透鏡的成像原理:學生對於光的反射與折射概念,常有混淆的 情況產生,有5,的學生在問卷的第七題、與21,的學生在第十一題中認為凸透鏡的 成像是因為光的反射所照成,當光線經由物體表面反射到凸透鏡,於凸透鏡表面發生 光的反射,所形成的像與物體在凸透鏡的同一側。 研究者,為什麼你認為用凸透鏡看東西,看到的像會變大, 建發,因為光線會反射。 研究者,光線是怎麼反射的, 建發,光線到凸透鏡這邊,在鏡面這裡反射過來,我們眼睛在這邊,就 可以看到像了,一邊說,一邊用手筆劃,如圖九,。,晤談-yp121181, 表示凸透鏡 表示眼睛 表示物體 8 表示凸透鏡 所成的像 圖九 研究者依據晤談內容所繪之圖 在本研究進行的過程中,不論是問卷的書面內容,或是晤談的對話,皆可見學生 對光的反射與折射概念,產生混淆不清的情況,甚至有學生提及,鏡子反射時,會使 折射線改變方向。在王晉基與郭重吉:1992:、田芬華:1996:及Anderson與Karrqvist :1983:的研究中亦指出學生常將光的反射與折射概念混為一談。 伍、結論與建議 學生在面對自然現象時,都會依據其自我的概念架構,進行預測與解釋,然而,學生所持有的概念架構有時會與科學概念不符,Novak:1988:指出大多數的心理學者對學生的學習都認同下列四點:一、概念的獲得很早就發生了;二、另有概念很早就獲得,而且不易修正;三、原有知識架構會影響新知識的學習;四、在知識建構的過程中,人對於訊息處理的能力是有限的。所以教師在教學前,必需先了解學生的另有概念,針對這些另有概念,設計出能夠使學生發生概念衝突的教學環境,使學生對於自己原有的概念感到不適宜,進而修正並形成符合科學社群所認同的概念架構。因此,本研究的發現可提供教師了解國中學生普遍持有的另有概念類型,針對這些另有概念設計、規劃出有助於學生學習的教學策略,引導學生發生概念改變,進而建出與科學概念一致的概念架構。 在過去教案的設計中,較少考慮到學生的先備概念,忽略了學生自己才是知識的建構者,而非接受者,依據本研究的研究過程與結論,提出以下的建議,供研究者與教學者作為參考: 一、Tessmer, Wilson和Driscoll:1990:認為教學應與先前概念作連結,注重概念的推理與應 用,陳忠志與許有亮:1998:提出教學時應注重學生的另有概念,利用異例引發學生認 知上的衝突,則有助於概念的建構。因此,本研究的結果可提供教師作為教材設計的依 據,使學生能達到更有效的學習。 二、教師可利用本研究所發展出的問卷,對學生進行另有概念的診斷,其結果除可評估學生 的學習成效外,尚能供給學生作為學習反思之用。 三、未來可持續研究的問題,可著重在學生概念改變歷程方面的研究,探索影響、促使學生 發生概念改變的因素。 四、比較國內、外所發展出各式不同的概念診斷工具及其原因,並分析其優缺點與適用性, 以及比較國內、外學生所抱持的另有概念之相同與相異處。 參考文獻 中文部分 王晉基、郭重吉:1992::利用選擇題的方式來探求國中學生對「光」的迷思概念之研究。科 學教育,3,73-92。 9 田芬華:1996::師院非數理系學生看的本質暨凸透鏡成像概念之研究。台南師院學生學刊, 17,156-174。 張麗莉:2001::促進高中學生成像概念的發展之個案研究。高雄師範大學科學教育研究所碩 士論文。 陳忠志、許有亮:1998::國中生帄面鏡成像的另有概念之探討。物理教育,2:1:,2-14。 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