臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan
翻轉教室—多重表徵的模型教學（下）
鍾曉蘭
新北市立新北高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]
n 研究成果
一、 學習成效
兩組學生在三次評量結果如圖1所示，評量一是在教學前進行的，評量二是在教學五節課後進行，主要學習的內容是反應速率的定義和如何測量反應速率的相關概念，並進一步探討濃度與反應速率之間的關係。評量三則在教學八節課後進行，主要學習的內容是溫度與催化劑影響反應速率的機制，並進一步探討濃度、溫度、催化劑與反應速率之間的關係以及綜合討論的活動。
分析結果顯示，實驗組學生經過投影片教學、分子模型、粒子模型活動及師生討論等多重表徵的模型活動之後，在動態評量二的答題表現大幅度的進步，而且與對照組之間達到顯著性的差異。實驗組學生再經過活化能具體模型、角色扮演與綜合性的師生討論後，兩組再進行動態評量三的測驗，兩組成績亦達到顯著性的差異。
圖1：實驗組與對照組三次動態評量得分平均比較
二、 學生的迷思概念
1. 教學前學生的迷思概念
從學生的選擇題的選項和非選擇的回答內容中，分析出學生常見的迷思概念主要是對於碰撞學說的誤解、對低限能／活化能的定義與影響因素的不了解等。
(1) 碰撞學說的迷思概念：反應物分子只要互相碰撞即產生反應、無法從生成物判斷出活化複體、無法從生成物判斷出有效碰撞的位向。
(2) 低限能／活化能/分子動能分布曲線的迷思概念：溫度增高反應速率加快是因為活化能降低、分子動能分布曲線的高度越高則動能越大或有效碰撞頻率越高、改變容器體積會影響分子運動速率而改變反應速率、加入催化劑不會改變活化能、反應熱或超過低限能的分子數目不受溫度影響。
(3) 催化劑對反應速率影響的迷思概念：催化劑會影響反應熱、催化劑會加速正反應而使逆反應減慢、催化劑會影響分子動能分布曲線、催化劑會增加產率或影響平衡。
(4) 溫度對反應速率影響的迷思概念：溫度會影響活化複體的位能高低、溫度會改變反應途徑、溫度會加速吸熱反應而減慢放熱反應、溫度不會影響產率。
(5) 濃度對反應速率影響的迷思概念：接觸面積/濃度或分壓會影響反應速率常數（k）、增加固體的量可改變濃度而使反應速率增加、濃度會改變有效碰撞分率。
2. 教學中學生的迷思概念
即使已學過碰撞學說和濃度對反應速率的影響，以下迷思概念仍難以移除：
(1) 分子動能分布曲線的高度越高則動能越大或有效碰撞頻率越高（實驗組已完全修正、對照組未移除）
(2) 溫度增高反應速率加快是因為活化能降低
(3) 溫度會加速吸熱反應而減慢放熱反應、接觸面積／濃度或分壓會影響反應速率常數（k）
(4) 增加固體的量可改變濃度而使反應速率增加、濃度會改變有效碰撞分率。
3. 教學後學生的迷思概念
教學後，即使已學過反應速率相關概念，以下的迷思概念仍難以移除：
(1) 溫度增高反應速率加快是因為活化能降低
(2) 增加固體的量可改變濃度而使反應速率增加
(3) 接觸面積會影響反應速率常數（k）
(4) 濃度會改變有效碰撞分率
從答題表現的分析顯示，學生的迷思概念明顯減少，特別在碰撞學說／低限能／活化能／分子動能分布曲線的迷思概念比較能經由教學而移除。
三、 學生情意面向
學習情意問卷主要請實驗組學生針對七個教學活動就三個面向（幫助概念理解、使得學習有趣、提升解決問題能力）進行評價，分析結果如圖2所示。整體而言，學生對於師生討論與具體模型的教學活動評價最好（非常同意：3分，同意：2分，不同意：1分，非常不同意：0分）。學生整體的評價以具體模型最獲好評，有多位學生認為將來教學可再增加具體模型的活動時間。而學生對於角色扮演的活動則認為是新奇、有趣，特別對於第二節課的角色扮演活動印象深而易懂，但第八節課的角色扮演對於概念的理解則評價略低於具體模型和師生討論，投影片應改進字和圖的清晰程度。
圖2：實驗組學生對七種教學活動整體評價
將問卷中學生在問答題的回答整理成表5，從學生開放式的問卷中，我們可以瞭解到大部分的學生對於多重表徵模型教學的情意面向是正面的反應居多。學生給予不同表徵類型的模型教學活動多為正面評價，其中一位學生表示：「不同的活動說明概念不同的面向，每一個教學方式都有其樂趣。」
學生認為本次教學最需要改進的部分多半在投影片教學活動，主要是認為PPT的字太小、顏色不清楚、某些圖片並不清楚，有小部分的同學則不習慣投影片教學，因為不容易記住，且看完之後印象也不深刻。小部分的同學最需要改進的部分是時間不夠、上課太趕、沒有足夠的時間可以吸收新知、應多一點時間進行討論。有極小部分的同學則覺得第八節的角色扮演活動太亂、不容易了解活動所蘊含的意義。
有一些學生則建議教學活動應增加實驗，學生認為做實驗可以親身體驗實驗的過程，親眼看見實驗的結果，印象比較深刻。此部份亦是教學者未來會努力改進的方向之一。
表5：實驗組學生對於多重表徵模型教學活動中的評價（質性部分）
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教學活動 |
學生的回答 |
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投影片 |
l 投影片教學是儘量從理解的方向著手而不是從純粹的背誦，讓我絕得學習的更扎實
l 我覺得上化學課用投影片教學，用新的方法上課，化學變得很有趣
l 可以很清楚的讓我知道重點在哪裡，讓我抄筆記比較快速與方便
l 用投影片教學，可以很清楚圖的意思
l 我不喜歡用PPT上課，因為不容易記住，且看完之後印象也不深刻 |
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師生討論 |
l 師生討論可以釐清一些難懂的觀念
l 從師生討論活動中，才能真正了解在上什麼
l 把問題提出來並且有效率的破除令大家能印象深刻
l 可以讓老師了解我們的看法，並且促使我們反覆思考之前學過的內容
l 師生討論會促進自己也會思考而了解化學 |
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具體模型 |
l 抽象的概念一次就能了解
l 此種教學方式能使我具體感受到化學元素的性質，也能幫助我統整觀念、也有助於記憶
l 可隨著變因的不同容易去更換，很容易理解不同變因對反應速率的影響
l 因為以前上化學課時總是腦子中想圖形、想關係，但有時可能會想錯，現在能直接看到具體模型，再加上說明比較不會有錯誤的觀念 |
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電腦動畫 |
l 把具體模型不夠真實的部份補足
l 分子動能分布的曲線和粒子運動的動畫，讓抽象的觀念具體的呈現，更容易理解溫度對分子動能和反應速率的影響
l 能夠清楚掌握內容，也很吸引人，可以抓好教學時間，很有效率 |
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推導數學公式/關係圖 |
l 因為可以知道來源，忘了可以在導出，而且關係圖是有變化的，不像單單只有文字的乏味
l 比較容易了解來龍去脈，也不容易混淆
l 畫關係圖可以簡單的理解一些觀念 |
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角色扮演 |
l 非常新奇而有趣，越有趣就越有印象，有印象就能幫助了解
l 因富有互動性，能以快速且簡單的形式將概念傳達給我們
l 角色扮演使學習化學變得有趣
l 模型及角色扮演較像真正的化學反應，有趣而且使我較了解內容 |
n 結語
一、 多重表徵的模型教學活動有助於學生化學反應機制概念的學習
實驗組學生在動態評量的總平均分數逐步上揚（40.2 → 66.1 → 80.3），顯示藉由一系列評量不斷的訓練，學生學習思考平日甚少提到的微觀解釋理由，提升學生思考技能、思考的面向和後設認知的能力，從動態評量的分析結果可看出學生的迷思概念的類別和數量逐漸減少，逐漸趨向科學模式。而在教學活動中進行的師生進行的團體討論，的確也讓學生進行聚焦的練習，不僅增進師生之間的互動，也讓學生學習應該要像科學家一樣從事科學的思考。而對照組雖然未經歷特殊的教學活動，然而其一系列動態評量的成績亦緩步揚升（44.3 → 57.9 → 66.3），顯示動態評量有助於學生的反思與修正其迷思概念。
二、 多重表徵的模型教學活動有助於學生學習動機的提升
教學後請實驗組學生針對七個教學活動就三個面向（幫助概念理解、使得學習有趣、提升解決問題能力）進行評價，分析結果顯示，學生對於師生討論和具體模型的教學活動評價最好。質性的部份請實驗組學生針對六個活動針對哪一類型的活動最有趣、印象最深刻、最有幫助、將來教學可再增加時間與需要改進等五個面向進行探究，分析結果顯示，學生整體的評價以具體模型最獲好評，有多位學生認為將來教學可再增加具體模型的活動時間。而學生對於角色扮演的活動則認為是新奇、有趣，但對於概念的理解則評價不如具體模型和師生共同討論，投影片應改進字和圖的清晰程度。
三、 多重表徵的模型教學活動與傳統教學表徵的差異
比較實驗組與對照組的表徵，兩組教學的表徵／活動最主要的差異在於具體混合模型（自製分子模型／粒子動態模型／活化能模型配合教師口語解釋、說明再配合文本中的圖形）與視覺混合模型中的多重表徵方式以補充傳統文本表徵不足的面向（譬如：靜態的表徵、抽象的表徵、單一語文的表徵、單一符號的表徵等），學生在多樣性的活動中，以螺旋形的學習方式不斷地回憶、整合有關反應速率的相關概念，在學習歷程中逐步修正其迷思概念。在師生討論（語言混合模型）的部份，配合學生常發生迷思概念的問題／試題，解構成許多的小問題，再配合圖形、關係圖來引起學生的反思，產生概念衝突，在藉著師生不斷地互動，讓學生從討論活動中逐步釐清自己錯誤的想法，達到深層的理解，並將所學的概念用於問題解決。我們從三次動態評量的分析中可以觀察到實驗組學生在學習完相關子概念後，不僅正確百分比大幅度進步，也顯著優於對照組。
四、 在課室的活動中融入師生團體討論以提升師生之間的互動
學生認為「師生討論可以釐清一些難懂的觀念」、「從師生討論活動中，才能真正了解在上什麼」、「可以讓老師了解我們的看法，並且促使我們反覆思考之前學過的內容」等，若能將課室活動中善加運用師生團體討論，將有助於學生釐清想法，促進學生的科學學習成效。
五、 在課室的活動中融入小組討論以提升生生之間的互動
學生認為「小組討論可以發表一些個人的想法，並從討論中慢慢釐清個人想法」、「從小組討論活動中，才能真正了解各人哪些地方不懂」、「可以讓同學們了解我們的看法，並且促使我們反覆思考之前學過的內容」等，若能將課室活動中善加運用小組討論，將有助於學生釐清想法，促進學生的小組合作學習成效（學習共同體）。小組發表可促進學生口語表達能力，並從學生的發表活動中，讓教師釐清學生的迷思概念，同時也增進學生的解釋能力。
n 致謝
本研究獲97學年度教育部中小學科學教育專案經費補助，特此致謝。
n 主要參考文獻
1. Boulter, C. J.,＆ Buckley,B. C. (2000). Constructing a typology of models for science education. In J. K. Gilbert ＆ C. J. Boulter (eds.), Developing models in Science Education, (pp.41-57). Netherlands： Kluwer academic Publisher.
2. Buckley, B. C.＆ Boulter, C. J. (2000). Investigating the Role of Representations and Expressed in Building Mental Models. In J. K. Gilbert ＆ C. J. Boulter (eds.). Developing models in Science Education, pp.119-135, Netherlands: Kluwer academic Publisher.
3. 鍾曉蘭、謝進生、賴麗玉（2009）。設計多重表徵的模型教學活動以增進高二學生對於化學反應速率的科學學習與概念改變。九十七年教育部科教專案結案報告（未出版）。
4. 鍾曉蘭、謝進生、賴麗玉（2010）。設計建模與多重表徵的模型教學活動以增進高二學生的科學學習－以化學鍵、分子混成軌域、分子形狀與結構為例。九十八年教育部科教專案結案報告（未出版）。
5. 潘冠錡、陽季吟（2006）。氣體動力論。台北市多媒體單元教材甄選觀摩作品。網址： http://163.21.249.238/（教學多媒體部分）