本研究旨在從Ross(1988)之操縱變因( controlling variables)複雜性層次基模─分辨原因、描述實驗的缺點、設計適當操縱變因實驗、判斷設計的原則等，用以探討在九年一貫課程下，五年級與八年級學生操縱變因能力的表現。
研究對象以立意選樣的方式，取樣宜蘭縣、台北市、台中市五年級學生197名與八年級學生183名，共380名樣本，施以自編測驗-「國中小學生科學學習能力測驗卷」，將所得資料編碼評分，並訪談特殊樣本後，經分析後得到以下研究結果與結論：
一、 在整體能力方面，八年級學生的操縱變因能力平均分數46.5(滿分一百分)，國小五年級學生平均分數25.4。
二、 八年級學生在四個層次表現皆顯著高於國小五年級學生(p < .01)。若以難度順序一到四層次來分，國小五年級學生主要的能力落在第一層次分辨原因，而八年級學生主要的能力落在第一層次分辨原因和第二層次描述實驗的缺點之間。
三、 年級與層次具交互作用(p < .05)。分析主要效果，年級與操縱變因層次的交互作用出現在年級的因素下，操縱變因的「設計適當操縱變因實驗」層次的差異，八年級的設計適當操縱變因實驗層次表現較趨勢預估要高。
四、 整體而言，性別和學校地區在學生操縱變因能力表現上未達顯著性差異。
本研究依研究結果提出建議包括：
一、 K－12自然領域教材應依能力指標，加強「描述實驗的缺點」、「設計適當操縱變因實驗」、「判斷設計的原則」等層次之教材。
二、 學生對操縱變因複雜性層次能力仍有不足，對於推理與預測之科學過程基本技能造成影響，應針對此方面加強教學輔助。

The purpose of the research is to analysis the controlling variables ability of fifth and eighth graders whom at the Nine-Year Joint Curriculum from the complicacy levels -- Distinguishes instances from noninstances, Remediates flawed experiment, Designs properly controlled experiment and Justifies design with rule that defined by Ross (1988).
Using purposeful sampling method to acquire the samples that are 197 fifth graders and 183 eighth graders which from Yilan, Taipei and Taichung. The 380 samples were applied “Science learning ability test for high school students and elementary school students” which designed by researcher. Coding and scoring data then interviewing some particular samples, after analyzing the data and we can conclude the results as below:
1. As a whole, the rate of passing of the controlling variables ability of eighth graders and fifth graders reach46.5 and 25.4.
2. Eighth graders’ rate of passing of controlling variables ability in four levels is higher than fifth graders’ (p value < .01). As the levels discriminated from difficulty, the main ability of fifth graders is Distinguishes instances from noninstances (level 1) and the main ability of eighth graders is between Distinguishes instances from noninstances (level 1) and Remediates flawed experiment (level 2).
3. Interaction of grades and levels gets significance (p value < .05) on Designs properly controlled experiment (level 3) under the grade factors. Eighth graders’ rate of level 3 is higher than expected trend.
4. There is no significant difference in gender and in school distribution.
Based on the results of this study, the researcher proposed some suggestions as below:
1. Teaching materials of elementary school and junior high school should found on capability index. The teaching materials should emphasize on Remediates flawed experiment, Designs properly controlled experiment and Justifies design with rule.
2. Students’concept of controlling variables is fragmental and lack of science process basic skill of inference and prediction. Thus teachers should reinforce the instructive scaffolding on it.

第一章 緒論 1
第一節 研究背景與重要性 1
第二節 研究目的與問題 3
第三節 待答問題 3
第四節 研究假設 4
第五節 名詞釋義 4
一、 操縱變因層次能力 4
二、 操縱變因基模 5
第六節 研究範圍與限制 5
一、 就研究範圍而言 5
二、就研究限制而言 5
第二章 文獻探討 7
第一節 科學過程技能 7
一、科學過程技能的分類與意義 8
二、科學過程技能的特性 11
三、科學過程技能研究 12
第二節 操縱變因 15
一、操縱變因的角色和地位 16
二、操縱變因基模的概念與操縱變因能力之研究 17
三、Ross之操縱變因基模 19
第三節 從ROSS操縱變因基模分析國中小科學教育教材 22
一、能力指標 22
二、 課程教材 28
第三章 研究方法 35
第一節 研究設計 35
第二節 受試者分析 39
一、預試樣本 40
二、測驗信度樣本 40
三、正式樣本 40
第三節 預試 41
一、專家效度考驗 41
二、預試檢核 42
三、測驗信度考驗 43
第四節 研究工具 43
第五節 資料分析 59
第四章 研究結果 61
第一節 國小五年級學生之操縱變因基模 61
一、 五年級學生在操縱變因各層次答對分數 61
二、五年級學生的操縱變因能力表現在各層次間分析 62
三、五年級學生的操縱變因基模在各層次內的分佈 64
第二節 八年級學生之操縱變因基模 68
一、八年級學生在操縱變因各層次答對分數 68
二、八年級學生的操縱變因能力表現在各層次間分析 69
三、八年級學生的操縱變因基模在各層次內的分佈 71
第三節 五年級與八年級學生操縱變因基模層次與分佈 76
一、五年級和八年級學生在操縱變因各層次答對分數比較 76
二、五年級和八年級學生的操縱變因能力表現在各層次間分析比較 78
三、五年級和八年級學生的操縱變因能力表現在各層次內分佈比較 81
第四節 其他相關變項 84
一、五年級和八年級學生在性別上操縱變因基模的能力表現 85
二、五年級和八年級學生在學校地區上操縱變因基模的能力表現 87
第五章 討論與建議 93
第一節 討論 93
一、五年級與八年級學生操縱變因整體表現 93
二、五年級與八年級學生操縱變因能力層次表現 94
三、其他相關變項的操縱變因能力層次表現 97
第二節 後續研究的方向 98
第三節 建議 98
一、教材應加強操縱變因各層次的深度與廣度 99
二、教學方法應在適當層次給予適當輔助 99
三、本研究之貢獻 100
參考文獻 103
附錄一 國中小學生科學學習能力測驗卷…………………………A-1
附錄二 操縱變因層次能力測驗專家效度檢核……………………B-1

中文部分

毛松霖(1987)。我國中小學生資料處理與解釋能力之工具發展研究。中華民國第三屆科學教育學術研討會論文彙編，321-349。
毛松霖(1998)。民國八十年代國小自然科學課程改進之構想，載於國民小學自然實驗本第十二冊教師手冊。台北：台灣省國民學校教師研習會。
王美芬，熊召弟(1995)。國民小學自然科教材教法。台北：心理。
何寶珠(1990)。科學過程技能教學活動對國一學生之影響：科學過程技能成就水準與科學態度。國立台灣師範大學化學研究所碩士論文，未出版，台北市。
李素卿 譯 (1999)：當代教育心理學。台北市：五南。Thomas L. Good & Jere Brophy　(1995). Contemporary Educational Psychology (5yh ed.). USA: Longman Publishers.
林清山(1976)。科學教育的心理學基礎（上）。科學教育月刊，創刊號，27-36。
林陳涌(1995)。從科學經驗證據和科學理論的關係來探討自然科實驗教學的意義。科學教育月刊，184，2-16。
邱皓政(2000)。社會與行為科學的量化研究與統計分析。台北：五南。
洪信德(2000)。國小五、六年級學生統整科學過程技能心智模式之研究。國立嘉義大學國民教育研究所碩士論文，未出版，嘉義。
胡美婌(2002)。高雄地區國小六年級學生基本科學過程技能之城鄉、性別差異研究--以傳達能力為例。國立嘉義大學國民教育研究所碩士論文，未出版，嘉義。
張俊彥、翁玉華(2000)。我國高一學生的問題解決能力與其科學過程技能之相關性研究。科學教育學刊，8(1)，35-55。
張春興(1994)。教育心理學。台北：東華。
教育部(1993)。國民小學課程標準。台北：國立編譯館。
教育部(2000)。國民中小學九年一貫課程暫行綱要。台北：教育部。
教育部(2003)。九年一貫自然與生活科技課程綱要。台北：教育部。
許榮富(1985)。科學過程技能簡介。中等教育，36(1)，26-31。
許榮富(1987)。國中學生設計實驗技能學習層次分析研究。師大學報，32，425 – 451
許榮富(1990)。統整過程技能潛在結構分析之條件最大概度估計方法。師大學報，35，183-216。
陳素貞、何寶珠 (1993)。設計並進行實驗技能之評量研究-酸與鹼(高中化學)。 行政院國家科學委員會專題研究成果報告(報告編號：NSC 82-01111-S-003-002)。台北：中華民國行政院國家科學委員會。
陳瓊森(1984)。國民中學學生科學方法過程之研究。高雄師範大學教育研究所碩士論文，未出版，高雄。
陳麗煒(1988)。國中二年級學生基本科學過程技能的研究。國立彰化師範大學科學教育研究所碩士論文，未出版，彰化。
楊文金(1987)。統整科學過程技能實作評量分析研究。國立台灣師範大學物理研究所碩士論文，未出版，台北市。
歐雅萍(2001)。國小學生設計實驗能力與後設認知能力之相關研究。國立台北師範學院數理教育研究所碩士論文，未出版，台北市。
鄭美雪(2003)。台北市國小三年級學生自然與生活科技領域視覺觀察能力研究。臺北市立師範學院科學教育研究所碩士論文，未出版，台北市。
鍾文光(1990)。科學過程技能水準之研究─國三化學。台灣師範大學研究所碩士論文，未出版，台北市。
鍾聖校(1984)。國小自然科新舊課程學生科學過程能力之比較研究。台北師專學報（11），1-44。

英文部分

American Association for the Advancement of Science. (1989). Project 2061: Science for all Americans. Washington , D.C.:Author.
Carin, A. A., & Sund, R. B. (1989). Teaching science trough discovery.(6 th ed.) London ：Merrill Publishing Company
Fetherstonhaugh,A. R. (1990). Misconceptions and light: A curriculum approach. Science Education, 20, 105-13
Finley, F. N. (1983). Science processes. Journal of Research in Science Teaching, 20(1), 47-50
Inhelder, B., & Piaget, J. (1958). The growth of logical thinking from childhood to adolescene, New York：Basic Book Inc.
Lawson, A. E., & Wollman, W. T. (1976).Encouraging the transition from concrete to formal cognitive functioning-A experiment. Journal of Research in Science Teaching, 13,413-430
Mattheis, F. E., & Nakayama, G. (1988).Development of the performance of process skills(POPS)test for middle grades students.(ERIC Document Reproduction Service No.ED305252)
Millar, R. & Driver, R. (1987).Beyond process. Studies in Science Education14, 33-62
Padilla, M. J. (1986). The Science Process Skills. Research Matters To the Science Teachers. National Association for Research in Science Teaching. (ERIC Document Reproduction Service NO. ED266961)
Padilla,M.J., Okey, J.R. & Dillashaw, F.G. (1983).The relationships between science process skill and formal thinking abilities.Journal of Research in Science teaching.17,185-190
Philip, S.A & Wynne, H. (1986).A piagetian analysis of process skill test items. Journal of Research in Science Teaching,23,707-726
Ross, J.A, & Maynes, F.J. (1983).Development of a test of experimental problem-solving skills. Journal of Research in Science Teaching, 20,63-75
Ross, J.A. (1988).Controlling Variables:A Meta-Analysis of Training Studies.Review of Educational Research,58(4),405-437
Ross, J.A. (1990).Learning to Control Variables: Main Effects and Aptitude Treatment Interactions of Two Rule-Governed Approaches to Instruction. Journal of Research in Science Teaching,20(6),523-539
Sneider, C., Kurlich, K.Pulos, S., & Friedman, A. (1984).Learning to control variables with model rockets:A neo-Piagetin study of learning field settings.Science Education,68,463-484
Varelas, M. (1997). Third and fourth graders’ conceptions of repeated trials and best representatives in science experiments. Journal of Research in Science Teaching, 34(9), 853-872
Yager, R. E.(1990). The Science/Technology/Society Movement in the United States: Its Origin, Evolution, Rationale. Social Education, 54, 198-201
Yeany, Russell H. (1980). Interactive Instructional Video-Tapes, Scholastic Aptitude, Cognitive Development and Locus of Control as Variables Influencing Science Achievement. (ERIC No. ED187532).