翻轉教室—多重表徵的模型教學（上） 鍾曉蘭 新北市立新北高級中學 教育部高中化學學科中心 chshirley2007@yahoo.com.tw n  動機與背景 一、  動機 學生在學習的過程中扮演了主動學習，積極建構的角色，個人知識的建構並不是由外在具體世界的反應，而是由個人心智主動建構。學生自小處在不同的生活背景與學習環境，加上個人的智力與學習風格不同，對自然現象的詮釋也會因人而異。因此，了解學生的先備知識及對現象的解釋模式有助於教學活動的設計與進行，也是教師引領學生進入科學世界的不二法門。 當遇到不同問題的情境時，將會決定學生使用的解釋形式，有關學生概念的研究對於瞭解學生所擁有的科學概念內容上，確實對於教師的教學與課程設計有著很大的貢獻。假如我們希望幫助學生學習更複雜的科學概念，可以透過迷思概念（misconception）或另有概念（alternative conception）的研究，使得教師瞭解學生對某些概念的原始想法或另有概念，則在教學上更能確定學生的起點行為，設計適當的教材來改變學生的另有概念，並且協助教師從事知識的整合（Lewis & Linn, 1994，引自鍾曉蘭、謝進生、賴麗玉, 2009）。如何藉由營造社會建構的學習環境，讓師生、生生之間的互動達到最大的教與學的效應，尋求多面向而且能啟發學生多重表徵轉換的教學設計應該是解決方法之一。 本教案設計一系列多重表徵的模型教學策略及教學活動，例如：應用電腦動畫所顯現的動態表徵配合文字、口語敘述等，說明化學反應的碰撞學說中粒子微觀機制，促進學生形成具有與現象相同屬性的心智模式。並進一步將教學中所探討的微觀現象（特別是粒子的隨機運動及粒子之間的交互作用所產生的化學反應的微觀機制）納入試題之中，從一連串的動態評量中，瞭解學生對化學反應速率相關概念的認知發展歷程，並藉著具體模型教具、電腦動畫與角色扮演肢體等多重表徵的模型教學活動讓學生進行聚焦的練習，以期激發學生認知的潛能（Boulter & Buckley, 2000；鍾曉蘭、謝進生、賴麗玉, 2009, 2010）。 二、  理論背景 「分類」是學習者處理大量知識訊息的關鍵過程，當表徵作為學習的媒介時，表徵的分類尤為重要（Boulter & Buckley, 2000）。各家學者對表徵的分類方式及向度不盡相同，Boulter & Buckley （2000） 提出以表徵的方式和表徵的屬性兩個不同的維度來分類及解釋模型：表徵的方式主要分為五種－具體的（concrete）、語言的（verbal）、視覺的（visual）、數學的（mathematical）、動作的（gestural），又可細分為單一或混合的表徵方式。表徵的屬性則分為量化或質性、動態或靜態、決定的或隨機的。五種不同的表徵方式說明如下： 1.        具體的（Concrete）：可觸知的實體，如塑膠製的心臟模型。 2.        語言的（Verbal）：可聽或可讀的陳述、解釋、論點、類比、及譬喻，如心臟就像是一個幫浦。 3.        視覺的（Visual）：可被看到的表格、動畫、模擬、影片，如以線段及圓圈呈現月蝕發生的原理。 4.        數學的（Mathematical）：被化約為公式、方程式、及符號的表達形式，如行星運動軌跡的方程式。 5.        動作的（Gestural）：以肢體動作表達的形式，如學生角色扮演太陽系中星體的運動，包括行星的公轉與自轉。 有些表徵的呈現並非單一方式，而是結合兩種以上的表徵方式與屬性，藉以補足單一表徵各自的限制，讓學習者更能了解現象的過程或原因。舉例說明，以動畫顯示心臟中血液流動的情形，並加上文字與言語的詳細解說就可以分類為視覺的混合模型，而表徵的屬性則歸類為質性–動態–決定的；讓學生以角色扮演的方式說明墨汁在水中擴散的情形，並輔以教師言語詳細解說的課室活動就可以分類為動作的混合模型，而表徵的屬性則可歸類為質性–動態–隨機的。 n  教學目標 本教學設計的目的主要分為五部分： 一、   以多重表徵的模型教學活動與教材改善學習環境：將多媒體教學軟體與課程內容結合，設計電子化教材，讓科學課室的教學多元化、活潑化。 二、   以多元教學活動提升學生學習動機：設計多元的活動讓學生們學習以不同的表徵與策略來學習抽象的化學概念，能夠提升其學習的動機與興趣。 三、   以多元教學活動增進學生解釋能力：學生經模型化的活動，能夠理解現象背後的科學原理，並提出相關的解釋，藉以提升學生解釋的能力。 四、   以多元評量方式評量學生的學習歷程：從一系列評量中瞭解學生對化學反應速率相關概念—碰撞學說、影響反應速率的因素（濃度、溫度、催化劑）的認知發展歷程，不僅可以增進師生互動，也可以隨時修正教學方法與教材。此外在綜合討論的活動採取小組討論與小組發表，讓評量方式更多元。 五、   […]

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 chshirley2007@yahoo.com.tw 〔承《翻轉教室—多重表徵的模型教學（上）》〕 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 […]