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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:鄭茹芬
論文名稱:國中學生在力學課程後對力與運動概念認知之現況調查研究
指導教授:黃福坤黃福坤引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣師範大學
系所名稱:物理研究所
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:227
中文關鍵詞:力學力與運動概念迷思概念另有概念
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學生在國中階段第一次接受正式力學課程。本研究旨在調查接受力學課程後的學生,所具有的「牛頓力學」概念認知情形。並針對學生的迷思概念,探究其背後的概念建構模式。近年來,許多國內外科教研究者針對特定學科深入探討學生們的另有架構,發現他們在「力與運動」方面存在最多的迷思概念,因為學生會以生活中對運動的原有概念作為學習力學的基礎。。
本研究的方法包含紙筆測驗及半結構式晤談。先針對國二至高二的613位學生實施「力學概念評量」(Force Concept Inventory,FCI),觀察不同階段的學生對「牛頓力學」概念的發展情形;並將此FCI評量結果作為本研究中另一份自行研發試題「國中力學概念評量」JMCI(Junior Mechanics Concept Inventory,JMCI)的參考。
JMCI評量試題完全以現行國中力學課程為範圍,參考FCI題目的精神及評量結果設計而成。以學校段考方式實施,對台北市某公立國中國三學後學生394人進行JMCI評量,之後並與當中76位學生進行晤談。將所得評量結果與晤談資料進行量與質的分析,深入了解學生對「力與運動」的想法。
本研究結果顯示:
一、受試者所持有的力學迷思概念與其它的相關研究結果非常類似。最嚴重的迷思情況是(約八成)學生認為「運動中的物體具有一沿運動方向的作用力(impetus)」。本研究中另外發現約七成的學生會以「最大靜摩擦力」的觀念來理解「摩擦力」;約四成的學生認為「靜止在地面上的物體受有摩擦力」;當要推動靜止物體時,外力必須克服此「物體與地面間的摩擦力」,但若要推動物體前進,則所施的外力除需抵銷「物體與地面間的摩擦力」外,還要克服「物體本身的重力」;惟有如此,物體才能移動。
二、藉由JMCI與FCI評量結果配合晤談資料的綜合分析,本研究將學生的力學概念建構模式分為七類,而這七類概念建構模式與概念評量題目的難易度及鑑別度間存在著良好的配合。此分類模式可作為老師們日後在了解學生概念建構與評量概念選題時的一個參考。
三、透過不同階段學生的FCI評量結果發現:普遍來說,愈高年級的學生其力學概念也愈健全,但進步的部份幾乎集中在各階段高分組(評量成績的前27﹪)的學生身上,低分組(評量成績的後27﹪)的學生在力學基本概念的進展上可說是微乎其微。顯示現今的教學方式應更加強了解低分組學生的概念迷思,秉持「有教無類」的精神,達到「因材施教」的效果!
四、本研究將FCI的評量結果與文獻中美國高中與大學生的資料相比較,發現我們中學生在力學基礎概念的表現優於國外的學生。但是否代表未來能有較優異的科學成就? 值得有心者共同來關心這樣議題。
The main purpose of this study is to investigate conceptual development of force and motion for junior high school students after they have learned Newtonian mechanics. Many researches have investigated rather intensively related students’ conceptions development: Students are rather egocentrism, and their concepts structures are quite different from teachers’ and scientists’ structure, especially in mechanics. Because kinematics concepts are basic concepts of “force and motion”, researches found that students have most different alternative frameworks about “force and motion”.
Force Concept Inventory (FCI) is a popular tool to probe student’s concept structure for university or high school students. We also applied it to 613 students, range from 8th to 11th grade, to probe subject’s reasoning on “force and motion” in Newtonian mechanics. With collected data and review articles, we develop Junior Mechanics Concept Inventory (JMCI). JMCI is designed with similar goals as FCI, force students to make choice between Newtonian concepts and commonsense alternatives, but specify for our junior high school students. JMCI post-test was administered to 394 subjects after they have learned Newtonian mechanics, and 76 students were interviewed after right after the test. Data from paper -and-pencil test and interviews were carefully studied to find out students’ misconceptions.
Many of our results support studies from previous research, especially about students’ misconception in “ impetus”, i.e. “There is a force action on an object to keep it in constant motion”. Our new findings are: Almost 70% students treat an object’s friction as “object’s maximum static friction”; About 40% students think “An object remains at rest horizontally is subject to friction”, they consider “A force applied by an external agent to push the object “forward ” must overcome the “friction force” and “gravitation force”.
We categorize our test items into seven styles, in term of students’ concept structure, and found “ difficulty index and discrimination index” for those items fit into the same style almost fit within the same range. Researchers might find it helpful to design or select item problems from test bank according to our category if they want to probe students conceptual understanding in basic mechanics.
Our study have shown that: current instruction in “force and motion” do promote top 27% students substantial progress in conceptual understanding, but almost nothing happened for bottom 27% students. We should do more help those students below average.
Compared with FCI test results for students in the U.S., our students in Taiwan do have much better test score: Our top 27% students’ in high school have higher average score than university physics students in the U.S. However, “Will our students have better science achievements in the future?”, is a good topic for further research..
摘要------------------------------------------------------------------------Ⅰ
目次------------------------------------------------------------------------Ⅲ
表次------------------------------------------------------------------------Ⅵ
圖次------------------------------------------------------------------------Ⅷ
第一章、緒論
第一節、研究背景與動機----------------------------------------------------------------1
第二節、研究目的與問題----------------------------------------------------------------4
第三節、研究假設與限制----------------------------------------------------------------5
第四節、名詞解釋---------------------------------------------------------------------------6
第二章、文獻探討---------------------------------------------------------------------------8
第一節、有關「力與運動」概念的發展與改變
---最早的物理課!---------------------------------------------------------------9
第二節、學生在「力與運動」方面「另有概念」的探討
---我的和牛頓的不同!-------------------------------------------------------20
第三節、介紹FCI (Force Concept Inventory)
---由 「瑣碎」 出發!----------------------------------------------------------32
第三章、研究方法與工具
第一節、研究方法與樣本-------------------------------------------------------------39
第二節、研究工具的設計-------------------------------------------------------------42
第三節、研究流程的進行-------------------------------------------------------------44
第四節、資料處理與分析-------------------------------------------------------------45
第四章、研究結果與探討------------------------------------------------------------49
第一節、國中學生力學概念的迷思 (一)
---分數「送」到了嗎?--------------------------------------------------------51
第二節、國中學生力學概念的迷思 (二)
---我的「迷思概念」!--------------------------------------------------------75
第三節、國中學生力學概念的建構模式
---概念背後的支持!--------------------------------------------------------128
第四節、不同階段學生力學概念的轉變
---我與迷思概念情未了?--------------------------------------------------152
第五章、結論與建議-------------------------------------------------------------------166
第一節、結論------------------------------------------------------------------------------167
第二節、建議------------------------------------------------------------------------------172
參考文獻
英文部份----------------------------------------------------------------------------------174
中文部份----------------------------------------------------------------------------------177
附錄
附錄一:FCI評量試題題目--------------------------------------------------------180
附錄二:JMCI評量試題題目-----------------------------------------------------186
附錄三:JMCI與 FCI相似題型對照表--------------------------------------191
附錄四:FCI學生測量結果統計------------------------------------------------195
附錄五:JMCI學生測量結果統計----------------------------------------------197
附錄六:JMCI與其相對概念比例對照表----------------------------------206
附錄七:JMCI與FCI其相對概念比例對照表--------------------------209
附錄八:88、89年度高中聯考自然科考題
第40、41題及第43、48題--------------------------------------------212
附錄九:學生力學迷思概念彙整----------------------------------------------214
表次
表3.1-1:本研究參與FCI評量的受測學生---------------------------------40
表3.1-2:本研究參與JMCI評量的受測學生--------------------------------41
表3.2-1:現行國中理化第四冊課本第15、16章標題
與JMCI題號對照表--------------------------------------------------43
表3.4-1:本研究的研究問題與所採用的資料分析方式對照表---47
表4.1-1:JMCI中的「送分題」其難易度及鑑別度一覽--------------53
表4.2-1:JMCI中第10、25、26題探討情境比較表-----------------------106
表4.3-1:學生的概念建構模式與評量試題對照表---------------------133
表4.3-2:力學概念題目分類原則與聯考試題對照表-----------------151
表4.4-1:各階段受試者FCI之評量結果-------------------------------------153
表4.4-2:國中不同階段受試者平均分數及標準差--------------------155
表4.4-3:不同階段國中學生多重比較--------------------------------------155
表4.4-4:國中不同階段Scheffe多重比較--------------------------------156
表4.4-5:國二全部學生與國三下學期高/低分組學生
平均分數及標準差-----------------------------------------------------157
表4.4-6:國二全部與國三力學課程後高、低分組學生
多重比較-------------------------------------------------------------------158
表4.4-7:國二全部與國三力學課程後高、低分組學生
Scheffe多重比較--------------------------------------------------------158
表4.4-8:國三全部學生到高中學生平均分數及標準差------------160
表4.4-9:國三下學期全部學生與高中不同階段學生
多重比較-------------------------------------------------------------------160
表4.4-10:國三下學期全部學生與高中不同階段學生
Scheffe多重比較------------------------------------------------------160
表4.4-11:高二自然組的高分組學生與Van Heuvelen
(AV H)大學、Harvard(HU)大學物理系
學生平均分數及標準差-------------------------------------------162
表4.4-12:高二高分組學生與AV H、HU大學學生
多重比較---------------------------------------------------------------162
表4.4-13:高二高分組學生與AV H、HU大學學生
Scheffe多重比較---------------------------------------------------162
表4.4-14:高二自然組學生與Arizona高中
其 Honor program(AZ H)及Regular(AZ R)
的學生平均分數及標準差-------------------------------------163
表4.4-15:高二學生與AZ R高中學生多重比較----------------------164
表4.4-16:高二學生與AZ R高中學生Scheffe多重比較----------164
圖次
圖1.1-1:學生在不同場合中,對「力」有不同的想法------------2
圖1.1-2:在不同情境中,「加速度」給人不同感受--------------- 2
圖1.4-1:本研究中使用的概念名稱關係說明圖--------------------7
圖2.1-1:本研究中「想法」、「概念」、「架構」關係圖----------------11
圖2.2-1:「衝量概念」對牛頓力學教學之影響------------------------------23
圖2.2-2:學生在「擺錘的受力情形」開放性作答結果----------------27
圖2.2-3:學生在 「減速的x-t圖」 開放性作答結果----------------------30
圖2.3-1:本研究中待尋的概念建構模式------------------------------------38
圖4.1-1:JMCI得分組距直條圖--------------------------------------------------50
圖4.1-2:兩所學校JMCI各題答對率比較圖--------------------------------51
圖4.1-3:JMCI各題之難易度直條圖------------------------------------------54
圖4.1-4:JMCI各題之鑑別力(r)直條圖---------------------------------------54
圖4.1-5:JMCI「送分題」之高、低分組答對率比較直條圖--------55
圖4.1-6:JMCI第四題組之附圖---------------------------------------------------66
圖4.1-7:JMCI中的「送分題」的概念模式關係圖-------------------------74
圖4.2-1:JMCI「概念題」之高、低分組答對率比較直條圖--------76
圖4.2-2:JMCI中的「概念題」的概念探討方式說明圖------------------77
圖4.2-3:JMCI第9題與第33題答題情況比較圖--------------------------78
圖4.2-4:JMCI中迷思概念擁有人數比例圖-----------------------------126
圖4.2-5:JMCI中正確概念擁有人數比例圖-------------------------------127
圖4.3-1:JMCI與FCI共56題的難易度與鑑別度關係圖-----------129
圖4.3-2: JMCI 與FCI題目的分類對照圖--------------------------------130
圖4.3-3:學生的概念建構模式與作答題目
難易度(P)及鑑別度(D)對照圖一-----------------------------135
圖4.3-4:學生生活經驗透過「坐井觀天」建構模式
產生另有概念示意圖-------------------------------------------------138
圖4.3-5:學生生活經驗透過「邏輯推理」建構模式
產生另有概念示意圖-------------------------------------------------142
圖4.3-6:學生生活經驗透過「演繹歸納」建構模式
產生另有概念示意圖-------------------------------------------------145
圖4.3-7:學生心目中的F-v圖-------------------------------------------------146
圖4.3-8:學生「F=mv」的建構說明圖---------------------------------------147
圖4.3-9:學生摩擦力觀念透過建構模式產生另有概念示意圖--148
圖4.3-10:學生生活經驗透過建構模式產生另有概念示意圖----148
圖4.3-11:學生的概念建構機制與作答題目
難易度及鑑別度對照圖二----------------------------------------150
圖4.4-1: 各階段FCI評量平均分數圖-------------------------------------154
圖4.4-2: 國中生不同階段概念改變情形---------------------------------156
圖4.4-3: 國二全部與國三上學期學生FCI答對率比較圖-------157
圖4.4-4:國二全部與國三學後高、低分組學生
FCI答對率比較圖------------------------------------------------------158
圖4.4-5:國三至高中階段的力學概念層次圖----------------------------161
圖4.4-6:高二自然組(FCI高分組)學生與HU大學
物理系學生FCI作答結果相較圖-------------------------------163
圖4.4-7:高二自然組(FCI低分組)學生與AZ R
學生FCI作答結果相較圖----------------------------------------164
圖5.1-1:物體受力與運動關係概念圖---------------------------------------168
圖5.1-2:學生概念建構模式與改變難易及作答結果配合圖------170
圖5.1-3:各階段FCI評量平均分數圖 (同圖4.4-1)--------------------171
u 英文部份
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85. 郭重吉、吳武雄(民79):利用晤談方式探查國中學生對重要物理概念的另有架構之研究(II)。
86. 郭重吉(民81):從建構主義的觀點探討中小學數理教學的基礎。科學發展月刊,20(5),548
87. 陳文典(民80):由物理概的演進看科學思想的本質。科教育月刊,137, 頁7
88. 陳宗彥(民91):國小三至六年級學生對有關速率概念認知之研究。臺北市立師範學院科學教育研究所碩士論文
89. 陳忠志(民76):大一學生物理錯誤概念之研究(1)---力學錯誤概念。中華民國大學院校普通物理教學及實驗研究會論文集,頁62
90. 陳忠志(民90):力學錯誤概念與教學成效之關係。翰林文教網,國中自然科學期刊,第三期,http://www.hle.com.tw/bookmark/nature/03/03-02.asp
91. 陳美月(民91):台北市國民小學中年級兒童對物體運動快慢與力之間的另有概念分析。國立台北師範學院授數理教育研究所碩士論文
92. 陳素蓉(民91):利用晤談方式探究國小低年級學童對運動與力另有概念之研究。國立台北師範學院授數理教育研究所碩士論文
93. 陳淑筠(民91):國內學生自然科學迷思概念研究之後設研究。臺東師範學院教育研究所碩士論文
94. 陳瓊森(民87):從建構主義觀點談概念形成及概念轉變。國民中學學生概念學習學術研討會論文集
95. 黃台珠(民73):概念的研究及其意義。科學教育月刊,第六十六期,頁44
96. 黃湘武(民76):學生推理能力與概念發展之研究。認知與學習第一次研討會論文
97. 黃湃翔(民88):概念改變的教學模式。
98. 楊其安、郭重吉(民78):利用臨床晤談探究國中學生對力學概念的另有架構。第五屆科學育學術研討會論文彙刊
99. 楊淑嬋(民91):國民小學高年級學童對有關重力概念認知之分析研究。國立台北師範學院授數理教育研究所碩士論文
100. 劉明智(民79):應用SAE模型探討國小學生力的概念發展。國立彰化師範大學,科學教育研究所碩士論文
101. 董正玲、郭重吉(民81):利用晤談方式探究國小兒童運動與力概念的另有架構。科學教育,3,頁93
102. 鄭昭明(民68):識繁寫簡---論漢字「書體」與「寫體」分開的可能性,華文世界,頁1
103. 鄭湧涇(民87):概念學習研究對科學教學與師資培育的啟示。國民中學學生概念學習學術研討會論文集
104. 謝青龍(民84):從迷思概念到另有架構的概念轉變。科學教育月刊,180,頁22  
105. 鍾文勳(民91):國民小學高年級學童對運動速率與力另有概念之研究。國立台北師範學院授數理教育研究所碩士論文
106. 襲充文、黃世琤、游寶達(民87~90):基本力學概念心智模式發展與改變機制的探討。國科會專題報告NSC88-2511-S194-008
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