臺灣化學教育

淺談TIMSS(Trends in International Mathematics and Science Study)

國際數學與科學成就調查之參與經驗

張美玉1、李哲迪2

國立清華大學教育與學習科技學系1

國立臺灣師範大學科學教育中心2

mychang@mx.nthu.edu.tw1

chedi@ntnu.edu.tw2

臺灣在1999年第一次參加教育成就評鑑國際協會（International Association for the Evaluation of Educational Achievement ，簡稱IEA）所主辦的國際調查──第三次國際數學與科學教育成就研究後續調查（Repeat of the Third International Mathematics and Science Study，簡稱TIMSS-R）（曹博盛，2005）。該次只有調查八年級學生。2000年，在教育部與國科會的支持下，臺灣師範大學負責籌組TIMSS 2003的研究工作。以當時臺灣師大理學院院長物理系張秋男教授為研究計劃的主持人。研究團隊的共同主持人有臺灣師大科學教育研究所：邱美虹、李田英、楊文金、譚克平；臺師大數學系：洪有情、曹博盛；臺師大化學系：方泰山、洪志明；臺師大生命科學系：林陳涌、張永達；臺師大地球科學系：張俊彥、傅學海；臺師大環境教育研究所：張子超；國立新竹教育大學應用數學系：林碧珍、蔡文煥；國立新竹教育大學教育系：張美玉；臺北市立教育大學數學資訊教育學系：林保平；臺灣師大科學教育中心：張殷榮、羅珮華等教授及研究員。自 TIMSS 2003 以後，TIMSS 所代表的意義改變為 Trends in International Mathematics and Science Study，有別於 TIMSS-R 的 TIMSS 所代表的意義。TIMSS研究的主要目的在提供各國長期追蹤學生數學和科學成就的趨勢，蒐集課程、教學、學習環境、家庭背景、以及教師等與學習成就有關之因素的資料，藉以了解各國的課程規劃與實施結果，並作為後續改進的參考。

TIMSS調查每四年舉行一次，至TIMSS 2019，臺灣已連續參加六次調查。為了感念當年台灣師範理學院張秋男院長率先整合TIMSS研究團隊，建立良好的工作模式。而且，2003年TIMSS測驗主題涵蓋較多面向，之後的測驗，就有所調整。因此本文特別以TIMSS 2003的成就測驗為基礎做介紹。

TIMSS 調查的對象是以國中二年級（即八年級）和國小四年級學生為母群。在TIMSS 2003，參加四和八年級的國家和地區共有51個（部份國家僅參加單一年級），到 TIMSS 2019，參與數則增加至 64。臺灣TIMSS研究團隊的主要工作內容為提供命題架構的意見、數學和科學試題的命題、題本的翻譯、翻譯的確認，學校聯絡人講習、監試人員講習、試測（field test）資料收集、實測（main survey）資料收集、測驗實施的訪視、辦理閱卷、參加國家研究協調人會議、國際資料分析會議等。整個施測過程，在IEA的監督，以及TIMSS主持單位（位於美國波士頓學院的國際研究中心，International Study Center， Boston College，簡稱ISC）的主導下進行。

試測與實測的抽樣是依照TIMSS的規定，先由我國提供全國國中與國小學校的編碼、各校受測年級之人數和班級數，送至加拿大統計局（Statistics Canada）抽取受測學校；再由臺灣師大科教中心使用軟體WinW3S 抽取受測班級。至於參與的規模，以 TIMSS 2003 為例，臺灣的實測（main survey）在 2003年5月19日至6月6日舉行，國中和國小各抽測150校，每校一班，共有5379位八年級學生和4661位四年級學生受測（張秋男，2005）。

TIMSS試題形式除了選擇題，還有非選擇題，稱為自由反應試題（Free Response Test Item），自由反應試題須由人工閱卷。為確保閱卷品質，ISC非常重視閱卷的信度，包括：重複閱卷信度、趨勢題閱卷信度（Trend Scoring reliability）以及跨國閱卷信度（Cross Country Scoring reliability）（張秋男，2005）。

前面已提及TIMSS施測目的主要在提供各國長期追蹤四年級和八年級學生數學和科學成就的趨勢，以及是否與課程、教學、學習環境、家庭背景、教師因素等有某種程度的相關性。這些資料可提供各國教育行政機構推動課程與教學變革時，做為規劃的參考依據。臺灣參與TIMSS的目的，除了暸解我國四年級及八年級學生數學與科學學習成就之外，更在藉著國際比較的結果，掌握我國在規劃二十一世紀國中小數學及科學課程的發展方向。此外，學者專家亦可利用TIMSS資料庫，了解我國學生數學與科學學習成就與家庭背景（張芳全，2011）、學習環境、教師教學等因素的關係（魏瑞汶、 張美玉、 陳義隆 ，2020），並進一步做國際比較分析。藉由參與國際合作的調查研究，也能讓學者專家及研究人員進一步了解評量學生學習成就的新方法（曾建銘、吳慧珉、 趙珮晴 ，2019），提升研究人員資料分析的能力（張秋男，2003）。TIMSS調查分成數學和科學兩個學科，而且分別在四年級和八年級進行調查。以下主要以TIMSS 2003的評量架構為例，簡單說明各科各年級的施測內容。

四年級數學所涵蓋的主題包括：數（number）、測量（measurement）、幾何（geometry）、數型和關係（patterns and relations）、資料（data）。數的主題又分為自然數（whole number）、分數和小數、整數（比、比值、比例）等。測量主題又分為屬性、單位、工具、方法和公式。幾何則包含邊和角、二維和三維形體、全等與相似、位置和空間關係、對稱與交換。數型和關係包含數型、方程式、和公式及關係。資料則含蓋蒐集及組織資料、呈現資料及解釋資料等（林碧珍、蔡文煥，2005）。

八年級數學所涵蓋的主題和四年級略有差異。八年級的主題有數（number）、代數（algebra）、測量（measurement）、幾何Times New Roman及統計（data）。各主題涵蓋的內容，數方面包括自然數（whole numbers）、分數、小數、正數、比、比例，以及百分比等；在代數方面包含樣式（patterns）、代數式、公式以及關係（relationships）等；在幾何方面，包括線、角、二維與三維的圖形、全等與相似、位置（location）與空間關係、對稱與變換（transformation）；統計方面則包含資料蒐集與組織、資料呈現、資料解讀、不確定性（uncertainty）與機率等（曹博盛，2005）。

在科學領域，四年級有生命科學、物質科學與地球科學等三個學科。物質科學包含化學和物理，生命科學與地球科學也包含一些自然資源保育和環境變遷的議題。生命科學的主題含生物的類型、特徵和分類法；生物體的結構、功能和生長過程；生物的生長和生命循環；生殖作用和遺傳；自然法則的多樣化和適應性；生態系統和人體健康。物質科學的主題含物質的分類和成份；水的特性和使用；化學變化；物質的物理形態和改變；能量的類型、來源和轉換；熱和溫度；光；電和磁力；力與運動等。地球科學的主題含地球的結構和物理面貌；地球的形成、運行軌道和歷史；地球與太陽系和宇宙的關係（張美玉、羅珮華，2005）。

八年級科學分為生物、化學、物理和地球科學四科。生物的主題有特徵、分類、與有機體的生命進程；細胞與其功能；生命週期、繁殖與遺傳；多樣性、適應性與自然天擇；生態系統；人類健康等。化學的主題有化學的分類與分子組成；化學分子的屬性；化學變化等。物理的主題有物理的狀態與變化；能量轉換；熱能與溫度；光；聲音；電與磁；力與運動等。地球科學的主題含地球的構造與其物理特徵；地球的運行、週期與歷史；地球的資源、使用與保護；地球與太陽系及宇宙等（張俊彥，2007）。

這些主題好比是十二年國教課程綱要裡的學習內容。TIMSS的評量架構另有認知領域，包含認識、應用和推理三個向度，這好比是十二年國教課綱的學習表現。以TIMSS 2003四年級科學試題所佔的配分比例來看，生命科學佔43%，物質科學佔35%，地球科學佔22％；而TIMSS 2003四年級科學認知領域的配分比例則是認識能力佔35%，應用能力佔42%，推理能力佔23%，科學探究佔17%。

TIMSS 2003的評量架構將科學探究和科學本質融入各學科，且認為須包含知識內容和技能兩方面，所以調查時，用較長的問題解決試題或探究的任務來測驗學生，包含要學生找出問題、形成假設、設計探究方法、收集資料、分析和解釋、下結論或根據證據說明等；在四年級科學中，涵蓋了約10%的科學探究評量。這些試題的形式不只是選擇題，有些需要學生繪圖，有些必須用自己的話來回答問題。這些非選擇題的評量包含簡短回答和申論說明，也是IEA發展多年的表現評量（Performance Assessment）的一部分（Wolf，1994）。到了TIMSS 2019，測驗改為電腦施測。非選擇題的測驗方式更多元化，包含與電腦互動的實驗設計試題（Cotter, Centurino & Mullis, 2020）。

TIMSS 2003四年級科學以選擇題佔最主要部分，其次是簡短回答，申論說明只有5題，而國中二年級學生的測驗，有21題申論說明，這應該和小四學生對較長文字的論述能力較有困難有關（張美玉、羅珮華，2005）。

TIMSS國際研究中心使用定錨法來描述「成就基準點」；這是一種訂定標準點的方式，用以描述學生的成就表現。國際研究中心為四和八年級的數學和科學訂出四個等級的基準點：優級基準點是625分，高級基準點是550分，中級基準點是475分，初級基準點是400分。針對四個基準點，研究中心將試題的難度參數接近每個基準點的試題挑選出來，然後針對每個基準點，綜合地描述答對對應的這些試題所需的知識和認知能力。如此，這四個基準點就能將分數轉化成為有意義的描述（張美玉、羅珮華，2003）。在分析四年級科學或成就基準點時，發現學生是否能正確回答問題以及其成就表現，可能受到許多因素影響。（一）知識內容的深度和廣度；（二）問題內容的抽象程度；（三）科學探究的技能；（四）能否了解圖示和圖表；（五）回答的完整性。根據基準點與成就表現，可以知道學生的科學認知情形，例如四年級科學成就達到優級基準點的學生，能夠應用科學知識，並開始進行科學探究；而達到初級基準點的學生只能初步的了解一些地球生命和自然科學的知識（張美玉、羅珮華，2005）。

在TIMSS 2003，四年級科學前五名平均成就: 新加坡學生的平均分數（565分）最高，臺灣（551分）排名第二，日本（543分）、香港（542分）和英國（540分）排名第三，美國（536分）排名第四。從各國學生的科學平均分數多重比較可以看出，我國四年級學生的平均科學成就顯著低於新加坡學生，而顯著高於日本、香港和英國學生。八年級科學國際平均是474分。我國八年級學生科學平均（571分）顯著高於國際平均，在各參與國中，排名第二，與排名第一的新加坡並無顯著差異。第三名為韓國，平均得分為558分。香港排名第四，平均得分556分。愛沙尼亞552分，日本也是552分，分別排名第五及第六（邱美虹，2005）。有關四和八年級各國科學分科表現可參閱我國國際數學與科學教育成就趨勢調查2003報告（張秋男，2005）。

TIMSS 2003 四年級學生的數學成就表現，第一名為新加坡，平均分數為594分，第二名為香港，平均分數為575分，第三名為日本，平均分數565分，臺灣第四名，平均分數564分，第五名比利時，平均分數551分。至於八年級數學，第一名新加坡，平均分數為605分，第二名韓國，589分，第三名香港，568分，第四名臺灣，585分，第五名日本，570分。總之，與他國比較，臺灣學生的數學和科學成就表現優秀，男女生差異小（張秋男，2005）。

從TIMSS 1999到2019，我國四和八年級學生數學與科學平均成就優異。數學成就有持續進步的趨勢。表 1為我國歷屆數學與科學平均成就排名。此外，值得一提的是:我國四和八年級數學與科學學習落後學生百分比逐漸下降；我國四和八年級學生數學和科學成就在性別差異上不顯著（李哲迪，2021）。

表 1  歷屆TIMSS我國排名與平均學科成就

註：TIMSS 1999年僅調查八年級。
括號內的數值為標準誤。

*：與前一次調查相比，具有顯著差異（p <.05）。

在內容領域和認知領域的成就表現上，以最近一次實測TIMSS 2019為例，我國學生表現如下（李哲迪，2021）：

一、內容領域的成就表現

（一）我國四年級學生在數學「測驗與幾何」表現最好，在「資料」表現最差。

（二）我國四年級學生在科學「物質科學」、「地球科學」表現最佳，在「生命科學」表現最差。

（三）我國八年級學生在數學「幾何」和「代數」表現最佳。

（四）我國八年級學生在科學「化學」表現最佳，在「物理」表現最差。

二、認知領域的教育成就

（一）我國四年級學生在數學「認知」領域表現最佳，「推理」領域表現最差。

（二）我國四年級學生在科學「應用」和「認識」領域表現最佳，在「推理」領域表現最差。

（三）我國八年級學生在數學三個認知領域的平均成就，沒有顯著差異。

（四）我國八年級學生在科學「認識」領域表現最佳，在「推理」領域表現最差。

在學習興趣、學習自信與學科評價方面，以TIMSS 2019為例，我國四年級學生不喜歡學習科學，對科學學習沒有自信的百分比與國際平均沒有差異（張美玉，2021）；而不喜歡數學、對數學學習沒有自信的百分比遠高於國際平均（林碧珍，2021）。八年級學生不喜歡數學和科學，對數學和科學學習沒有自信，也不重視數學和科學的百分比，也遠高於國際平均（曹博盛，2021；楊文金、謝易伸， 2021）。如何提升學生對學習數學和科學的興趣和自信心，是我們可以繼續努力的地方（李哲迪，2021）。

其他和數學與科學學習的相關因素中，僅就較為明顯的部分說明如下。我國四年級和八年級的數學與科學成就，仍然有城鄉教育差距存在（黃敏雄，2015），但至2019，城鄉教育差距有改善跡象（李哲迪，2021） ；教學因素中，顯示我國數學與科學師資優秀；我國四年級和八年級學生的數學與科學成就，沒有因為學校資源匱乏程度而有差異（張瑋寧，2021） ；在課程安排方面，我國四年級數學與八年級科學的教學總時數，與國際平均相當，四年級科學和八年級數學的教學總時數高於國際平均。我國四年級數學、四年級科學、八年級數學、及八年級科學的教學總時數為: 147小時、86小時、157小時、136小時；國際平均則分別為：154小時、73小時、137小時、137小時。

建議：

1.針對我國學生對數學和科學學習的疏離問題，建議落實108課程綱要，強調數學和科學素養能力的培養，落實素養導向的數學教學與科學探究與實作活動，積極提升學生的學習興趣與自信。

2.有關我國四年級學生生命科學領域呈現退步現象，建議於中、低年級科學課程調整相關主題內容及比重，並且與體育和健康課程領域共同研議，將人體健康與生命週期的學習內容落實於健康與體育，以及生命科學中關於國中與國小數學和科學成就城鄉差異的問題，建議持續關注，並且長期追蹤資源的挹注與師資程度的掌握。

■參考資料

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