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 國中學生「力矩與槓桿原理」之學習狀況分析研究 陳展榮 摘要 本研究旨在探討國中生學習「力矩與槓桿原理」教學單元之學習狀況，以研究者自己任教的兩個班級之學生進行教學上質性的研究，用二段式的紙筆測驗作為評量工具，輔以晤談的方式，綜合出學生進行「力矩與槓桿原理」的概念學習時，容易產生那些迷思概念，再針對這些迷思概念，以皮亞傑的認知發展理論及符合建構主義的教學理論為基礎，提出教學策略。研究結果如下： 一、學生進行「力矩與槓桿原理」的概念學習時，容易產生下列迷思概念： ●學生常認為題目中指定的轉軸，是可以隨意變動位置的。 ●有些學生會將「力的作用線」當成是作用力的本身或是力的作點，另一些學生則會將「力臂」當作是作用力的大小或是作用力的延伸線。 ●當考慮力矩大小時，學生常會單獨以「作用力」或是「力臂」的大小來決定，而無法將兩者與力矩的關係整合在一起。 ●學生較習慣於向前、後、左、右等直線的方向，而對於表達轉動這種圓弧形的方向則較為陌生，常會認為方向相同的作用力，產生的力矩方向就會相同。甚至部分學生直接以作用力的方向當作力矩的方向。 ●兩力同時作用在一槓桿上，當被問及其中一力所產生的力矩方向時，學生常會以兩力合力矩的方向來作答。 二、針對上述迷思概念提出的教學策略： 利用問題「騎腳踏車起動時，踏板在什麼位置開始踩最有利？」引發學生的爭論，鼓勵學生動手求證，並以此一腳踏車的問題貫穿「轉軸」、「力臂」、「力矩的大小」等概念的學習，接著以翹翹板為例，幫助學生建構「兩力矩的平衡與槓桿原理」的概念。
 The Analysis of Students’ Learning Status of “The Torque of Force and the Principle of Lever” in Junior High School Chen Chan-Jung Abstract This study aims to investigate junior high school students’ learning status while studying the unit, “the Torque of Force and the Principle of Lever.” The researcher recruited his students from two classes to conduct this qualitative research. By using a qualitative research, the researcher recruited his students from two classes who had been assessed two-tier paper-pen tests and been interviewed individually during the study. The students were given two-tier paper-pen tests and were also individually interviewed to come up with an assessment. The researcher found some misconceptions that the students often had while learning “the Torque of Force and the Principle of Lever.” Based on these outcomes, the researcher designed teaching strategies using the Piaget’s Cognitive and Constructivism theories. The results were as follows: 1. The misconceptions that easily influenced students’ learning included: ● Students thought that the pivot selected in the question could be moved arbitrarily. ● Some students regarded “the line of action of the force” as “the force itself” or “the point of action of the force”; some regarded “torque arm” as “the magnitude of force” or “the stretch of force.” ● When considering the magnitude of the torque, students often judge only by the “force” or the length of the “torque arm” instead of integrating them with “the torque of force”. ● Students were familiar with the linear directions such as: forward, backward, left, or right, but they were unfamiliar with rotation in a circular direction. They often thought that forces with the same direction should produce the torque in the same direction. Some students even used the direction of the force as the direction of the torque. ● As to two forces acting on the same lever, when asked for the direction of the torque of the separate forces, students often gave the direction of the total torque as their answer. 2. The teaching strategies that the researcher proposes based on these misconceptions are as shown as follows: First, the teacher asks a question like “What is the best position of the pedal for you to step up to when you are trying to start a bicycle?” After inducing students’ arguments and encouraging them to testify physically, the teacher introduces the concepts of “Pivot,” “Torque Arm,” “Torque of the Force,” and so on. After that, the teacher takes the seesaw as an example to help students construct the concept of “the Equilibrium of Two Torque s and the Principle of Lever.”
 目 錄 中文摘要…………………………………………………… Ⅰ 英文摘要…………………………………………………… Ⅱ 目錄………………………………………………………… Ⅳ 表次………………………………………………………… Ⅵ 圖次………………………………………………………… Ⅶ 第壹章 緒論…………………………………………… 1 第一節 研究背景與動機…………………………… 1 第二節 研究目的………………………………………… 3 第三節 限制與範圍……………………………………… 4 第四節 研究假設………………………………………… 5 第貳章 文獻探討……………………………………… 6 第一節 兒童認知發展理論………………………… 6 第二節 建構主義的知識論……………………………… 11 第三節 符合建構主義的學習理論……………………… 16 第四節 概念及迷思概念的相關研究…………………… 20 第五節 概念改變的教學策略…………………………… 24 第六節 研究方法探討…………………………………… 27 第參章 研究設計與實施……………………………… 29 第一節 研究流程…………………………………… 29 第二節 測驗工具的發展………………………………… 32 第三節 研究樣本………………………………………… 34 第四節 資料的蒐集與分析……………………………… 35 第肆章 結果與分析…………………………………… 36 第一節 「力臂」概念……………………………… 36 第二節 「力矩的大小」概念…………………………… 44 第三節 「力矩的方向與轉動」概念…………………… 48 第四節 「兩力矩的平衡與槓桿原理」概念…………… 51 第五節 「槓桿平衡的應用」概念……………………… 53 第六節 第綜合迷思概念……………………………… 64 第伍章 建議之教學策略……………………………… 73 第陸章 結論與建議…………………………………… 81 參考文獻………………………………………………… 83
 參考文獻中文部分王文科 (民 72)：認知發展理論─皮亞傑理論的應用。台北：五南。台灣省七十三學年度省立高中聯招、聯合命題、印卷研究報告(民 73)，台灣省政府教育廳輔導，台灣省立高中聯招聯合命題、印卷委員會出版，台灣省立嘉義高級中學主編。台灣省七十四學年度省立高中聯招、聯合命題、印卷研究報告(民 74)，台灣省政府教育廳輔導，台灣省立高中聯招聯合命題、印卷委員會出版，台灣省立嘉義高級中學主編。台灣省七十五學年度省立高級中等學校聯招命題研究改進委員會研究報告(民 75)，台灣省政府教育廳出版，台灣省立板橋高級中學編印。甘漢銧、熊召弟、鍾聖校 (民 83)：小學自然科學研究。台北：師大書苑。頁 50—59。杜鴻模 (民 69)：從皮亞傑理論看討論式教學的重要性。科學教育學刊，第38期。吳俊升 (民 70)：教育哲學大綱。台北：台灣商務印書館。金吾倫 (民 83)：托馬斯．庫恩。台北：遠流出版社。林生傳 (民 86)：我國學生概念發展的水準與特徵研究。高師教育學系教育學刊，13期，頁 47—82。林清山 (民 65)：科學教育的心理學基礎(上)。科學教育月刊，創刊號，頁 27—36。邱美虹 (民 87)：概念改變研究的省思。第十四屆科學教育學術研討會暨第十一屆科學教育學會年會論文彙編，頁620—627。洪木利 (民 83)：兒童概念發展背景研究。高雄文化出版社。洪木利 (民 91)：物理教育研究法─碩士班研究主題。國立高雄師範大學物理系。洪振方 (民 85)：科學知識重建的認知取向分析。高雄師範大學學報，第7期，頁 293—328。徐順益 (民 81)：我國國中、小學學生對與力相關之整體概念結構的發展研究。國科會專題研究計畫。徐民寧 (民 86)：有意義的學習─概念構圖之研究。台北：商鼎出版社。黃台珠 (民 73)：概念的研究及其意義。科學教育月刊，66期，頁 44—56。黃瑞琴 (民 85)：質的教育研究方法。台北：心理出版社。黃萬居 (民 86)：談建構主義的自然科教學。教育資料與研究，第48期，頁 35—37。陳英豪、吳裕益 (民 82)：測驗與評量。高雄：復文圖書出版社。陳李綢 (民 81)：認知發展與輔導。台北：心理出版社。頁 2—12。國民中學理化第四冊 (民 90)，國立編譯館。國民中學理化教師手冊第四冊 (民 88)，國立編譯館。國民中學理化教學評量手冊 (民 80)，教育部國民教育司編印。莊嘉坤 (民 84)：認知研究在科學教育的省思。科學教育月刊，第一期，頁 25—29。梁惠芳 (民 87)：建構主義的觀點如何應用在自然科學教學。屏師科學教育，頁 11—21。郭重吉 (民 78)：從認知觀點探討自然科學習。教育學院學報第十三期。郭重吉 (民 81)：從建構主義的觀點探討中小學數理課程之改進。科學發展月刊，20卷，5期，頁 548—570。郭重吉 (民 84)：建構主義與數理教學。建構與教學，第1期，彰師大科教中心。郭重吉、許枚理 (民 81)：從科學哲學觀點的演變探討科學教育的過去與未來。彰化師範大學學報。郭重吉、董正玲 (民 81)：利用晤談方式探討國小兒童運動與力概念的另有架構。彰化師範大學科學教育，頁 93—123。郭重吉、謝志仁 (民 82)：國中生化學變化相關概念另有架構之探討。彰化師範大學科學教育，頁 25—51。張靜嚳 (民 84)：何謂建構主義？。建構與教學，第3期，彰師大科教中心。張巨青、吳寅華 (民 86)：邏輯與歷史─現代科學方法的嬗變。台北：淑馨出版社。張春興 (民 83)：教育心理學─三化取向的理論與實踐。台北：東華書局。張春興、林清山 (民 81)：教育心理學。台北：東華書局。頁 76—83，132—136。張川木 (民 84)：促進概念改變教學法(Ⅰ)。科學教育月刊，185期，頁 21—27。張川木 (民 85)：促進概念改變教學法(二)。科學教育月刊，186期，頁 10—18。馮朝霖 (民 85)：建構主義的科學哲學觀點與啟示。教育研究雙月刊，49期，頁 13—15。謝青龍 (民 84)：從迷思概念到另有架構的概念改變。科學教育月刊，180期，頁 23—38。英文部分Block,J.(1982).Assimilation,Accommdation ,and the Dynamics of Person- nality Development.Child Development,53,281—295.Bruner,J.B. 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 1 電腦概念構圖融入國中理化科教學對學生學習成效之影響—以功與能單元為例 2 以迷思概念的發現為基礎發展國中力矩與轉動的教學單元之研究 3 高中物理教科書之數學工具分析—以靜力學單元為例

 1 謝青龍 (民 84)：從迷思概念到另有架構的概念改變。科學教育月刊，180期，頁 23—38。 2 張川木 (民 85)：促進概念改變教學法(二)。科學教育月刊，186期，頁 10—18。 3 張川木 (民 84)：促進概念改變教學法(Ⅰ)。科學教育月刊，185期，頁 21—27。 4 張靜嚳 (民 84)：何謂建構主義？。建構與教學，第3期，彰師大科教中心。 5 郭重吉、謝志仁 (民 82)：國中生化學變化相關概念另有架構之探討。彰化師範大學科學教育，頁 25—51。 6 郭重吉、董正玲 (民 81)：利用晤談方式探討國小兒童運動與力概念的另有架構。彰化師範大學科學教育，頁 93—123。 7 郭重吉 (民 84)：建構主義與數理教學。建構與教學，第1期，彰師大科教中心。 8 郭重吉 (民 81)：從建構主義的觀點探討中小學數理課程之改進。科學發展月刊，20卷，5期，頁 548—570。 9 郭重吉 (民 78)：從認知觀點探討自然科學習。教育學院學報第十三期。 10 黃萬居 (民 86)：談建構主義的自然科教學。教育資料與研究，第48期，頁 35—37。 11 林清山 (民 65)：科學教育的心理學基礎(上)。科學教育月刊，創刊號，頁 27—36。 12 林生傳 (民 86)：我國學生概念發展的水準與特徵研究。高師教育學系教育學刊，13期，頁 47—82。 13 杜鴻模 (民 69)：從皮亞傑理論看討論式教學的重要性。科學教育學刊，第38期。

 1 奈米厚度鎳鋅鐵氧體包覆鎳鐵微顆粒之高頻傳輸與磁阻抗特性 2 應用「改編版民間故事」於高雄市陽明國中「企鵝家族」故事寫作教學之研究 3 看見水平線 4 九年一貫課程脈絡中教師教學實務改變之研究 5 漸進式的指導閱讀對國中學生理化科學習成效之個案研究 6 國中學生「速度概念」之學習狀況分析研究 7 具有電容負載的雙頻微帶天線之研究 8 小六、國中及高二學生對「熱對流」概念之認知類型、層次、頻率及認知發展 9 教學演示用肥皂泡、肥皂膜的製作研究 10 小六至國三學生對熱與體積變化概念之類型、層次、頻率分佈及認知發展之研究 11 小六至國三學生熱與溫度之學生概念之認知類型、層次、頻率分佈與認知發展之研究 12 教學用簡易萊噸瓶的性質及操作技巧研究 13 電學教學演示用教具：便宜的VandeGraaff起電器之製作研究 14 教導學習策略對國中學生數學科的學習成效研究 15 利用『教室觀察評鑑工具』促進國中理化科教師教室教學能力成長之研究

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