建构式概念教学在化学反应网站之应用研究

1、建構式概念教學在化學反應網站之應用研究翁榮源*，林芳妮靜宜大學應用化學系摘要隨著新資訊時代的來臨，知識像排山倒海似的蜂擁到學習者面前，但是教育理論學者們皆認為知識的形成是透過認知個體主動的建構而成的，因此教師的教學不再只是單純的知識傳授，而是扮演教學活動的促使者與指導者角色，如何協助學習者建立一個有助於知識建構的環境才是教師們最重要的。教師要把教材裡的知識系統結構化，利用心智模式的概念把它們灌進教學軟體中，使學生能夠利用網路上的多媒體資訊，發生主動學習的功效。我們根據這個理念，將化學反應的知識內容加以建構式整理，並使用多媒體技術設計到電腦網路中，學習者則根據個人的需求在呈現的資訊中逐步的建構知

2、識概念。整個教學系統設計及研發之詳細過程，以及如何實施及應用之探討，皆有詳細的描述。本研究之對象計有102位學習者，全部來自修習生活化學課程之靜宜大學學生，我們將其個別學習結果依據各種不同的研究變因，例如性別、先備知識、認知型態、學習時間等進行統計分析，得到以下結論：建構式概念教學有助於低背景知識學生之學習；學習時間的長短，也會影響學生的學習成效；結果也證實網路學習提供了非常好的建構知識環境，可以作為日後科學教育研究者非常適合的工具。AbstractFollowing the new era of computers, information is reaching everybody as

3、a big wave comes to the shore. The learning knowledge can be constructed by the individual parts; the teachers role is not only as an instructor but also as a director of teaching activities. It is very important to set up a knowledge base for the learners to provide a helpful environment. Teachers

4、need to set up a constructed knowledge diagram, and put the entire idea into the learning software, so that the learner can use the Internet tool to accept the multimedia information, as a learner control method. We have used the multimedia techniques to put all the constructed knowledge into the In

5、ternet environment, the learner can used the hypertext structure to study the teaching material, not liner but web styles. The internet learning actually can achieve the constructed knowledge process theory. Our research is based on the constructed learning theory; setting up a chemical reaction web

6、-title, the details of how to set up a web-title and the learning outcome are discussed. The objects of this research are 102 college students from Providence University in the middle of Taiwan. For the different variables such as: agenda, pre-knowledge, learning style and learning time span, are al

7、l go through statistic analysis, we discover that the constructed learning process are very suitable for low pre-knowledge, long time span students; the web environment is a very good tool for the constructed learning. 壹、緒論一、 研究動機科技的日新月異，使得很多資訊可以透過網路來傳達，由於網路的學習環境與一般教室教學環境之最大差異性，在其互動性不足，因而缺乏人性互動之關係建立

8、機制，但網路教學最大的好處就是可以讓學習者透過網路不定時、不定點的進行單一或者群體學習。傳統教育以知識傳授為重點，人類的學習一脈承襲單向傳播與指導的模式，學生被動學習，接受知識的灌輸，但許多建構主義觀點的學者認為，學生不是一架攝影機，只知道被動地將課堂上或教科書中的知識，死記下來；人類的心智也並非如同白紙一樣，只是忠實寫下和反應外界傳進來的概念而已。學生在面對新資訊時，他們可能會嘗試將新的資訊與舊有的資料整合，使這些資訊變得有意義；也就是知識並非被動的接受，而是透過認知個體主動的建構而成的，因此，教師在教學上的角色不再只是單純的知識傳授，而是扮演教學活動的促使者與指導者，主動或被動的協助學習者

9、建立一個有助於知識建構的環境（王希亮，1995；邱富宏，1997）。網路學習給了教育工作者一個可以重新審視學習理念及重新設計學習方式的機會，教學者可以隨意的發展新的學習環境，以驗證建構的學習理念的機會。放眼看去，雖然近年來電腦在教學上扮演著重要的角色，然而目前國內仍缺乏以教學理論為基礎的相關網路教學及學習成效之相關研究，整個龐大的網路學習範疇極度需要相關專業研究人員進一步的研究與探討。二、研究目的本研究主要是在設計及研發一個以建構式概念教學法為理論基礎的化學反應網路教學系統，探討其如何實施、應用在網路，研究者依研究的變因如性別、先備知識、認知型態、學習時間長短等進行分析，探討這些變因是否會影響

10、學習者之學習成效。貳、理論架構一、建構理論建構主義在本質上，強調學習的重心是以學生為本位，幫助學生主動去建構知識，因此，現今的教育，教師不再是權威者，但這並不表示教師就無法教導學生任何的東西，或是任由學生在教室內互動就可建構出任何概念來，只是教師在進行教學時，是扮演一個引導學生探索者的角色（David & Hossein, 2000）。基於建構主義理念的教學法，教師應試著引導學生解決問題，而不是給他們一個答案，教師可以利用動動腦、提供小暗示，使學生注意到不容易忽視的資訊，以作為學習者學習的架構（張靜嚳,1996）。二、概念的研究概念是人類思考和了解事物的工具（Toulmin, 1972

11、）。蓋聶（Gagne, 1970；Gagne and Briggs,1974）認為學習是一種累積的過程。學習者由簡到繁地學習大量具體的規則。由於這些具體的智能技巧可向更高層次技巧的學習中遷移，為進一步組織高層次規則打下了基礎，其最終結果有助於培養解決問題的能力。也就是學習應由概念網系之底部而上，學生先要具備概念網系底部的基礎概念，然後慢慢向上學習，達成最終高階概念學習的目標。因此，要建立高階概念之前，教師應負起為學習者建立合乎科學社群認定的先備科學概念的重責。參、研究方法一、 研究對象 本研究的受測者選定靜宜大學102位大學生參與這項研究，這些學生的年級從大二到大四，男生人數為49人而女生的人

12、數為53，正在選修化學系所開設的課程，這些學生包括了各系學生，大部分學生只修過國中理化。二、系統整體架構系統的Server端部分，我們以Wind2000 Server為工作平台。在網頁製作上則以MS FrontPage2000來建立基本的版面配置與連結架構，運用多媒體、超媒體、資料庫、框架、Java Script、動態圖形等技術，提供系統使用介面。此外本系統利用ASP語法來存取後端Acess所建構之資料，以方便使用者在Win98或Win2000的環境中以Browser來使用本系統的資源。三、系統流程（圖一）當使用者第一次利用瀏覽器登入系統後，使用者需先進行註冊登錄，系統藉此取得使用者之相關基本

13、資料，以便以後進行分析、驗證之用。緊接著進行前測，且系統會紀錄學習者的作答情形，以作為資料分析的收集。當學習者在教學瀏覽活動時，系統會將其學習的過程紀錄下來，以後可作為學習分析之用。各單元詳述如下:Fiqure 1 System Diagram（1）輸入使用者學號 由於本系統的使用者初期以修習本課程之學生為主，故建立使用者身份認證功能，進行登入身份的檢核工作。但仍另提供訪客帳號，讓其他對本系統有興趣的參觀者亦能瀏覽學習，但其統計資料則不列入結果分析之用。（2）前測（課前分析）前測之目的在評估學生在學習之前就已經具有的知識背景，了解學生的起點行為。前測試題的內容題型以文字呈現之選擇題。前、後測試

14、卷的題型及測驗概念一致，但為避免學生對試題尚有記憶，所以利用程式將資料庫中的試題題目順序、題目答案順序做一改變，以確保教學效果的正確性。而題目內容主要是從美國化學學會，根據不同年齡層所設計出來的題庫中，抽樣而得的樣本試題修改後經數位化學專家與教育專家審查後採用。（3）建構式教學課程建構式教學部分以主要是以建構式概念教學為主幹，引導學生發現問題並以文字輔助說明。本系統利用網頁連結的便利性，在教材的建構上，我們可以由淺而深，利用循序漸進的方式，一步一步地讓學習者由低階學習區進步到進階學習區，最後到達高階學習區。課程結構中，與化學專家討論後，主張將以深淺不同的概念階層出現。在教學過程中，為發現學生的

15、學習成就與學習困難，並使得學生在學習過程中能夠堅實地建構以分子形態為基礎的化學反應概念，將教學單元分為三個學習階段：低階內容為物理變化、化學變化、昇華現象、三態變化、吸熱反應、放熱反應；進階內容為元素、原子不滅定律、分子量、原子量、化合物、莫耳數；高階內容為化學反應表示法、簡單之化學方程式平衡。在低階段是一種直覺式的概念，只讓學生從生活中經驗到一些化學變化、物理變化，期望學生從中發現它們之不同；在進階段時則讓學生經驗到分子為肉眼所看不見的小粒子，讓學生學習元素、原子量、化合物等；在高階段時，則進行一些抽象概念的教學，讓學生藉由質量守恆的概念進而學習一些簡單的平衡方程式。（4）隨堂測驗（診斷性評

16、量） 學生在每一個學習區結束後，便會進行診斷性評量，以評量個別學生的學習狀況，評量後，如果發現學生有學習障礙，系統並不會及時給予正確答案，而是提供學生一些概念性的暗示及建議，以便對學生的學習進行引導，使得學生能夠主動地完成學習。診斷性評量不是在分出成績的好壞，而是提供個體自我反省、自我回饋的機會。（5）補救教學（加強學習）補救教學的目的，在使學生除了能了解自己已經具備的概念外，繼續加強未有或較薄弱的基礎概念。補救教學又分為兩階段的補救，當第一階段補救無效時，系統會自動進入第二階段的進一步補救，第二階段之補救教學的部分相較於第一階段之補救，將概念分的更細。兩階段之補救教學是以原先建立之單元為主軸

17、，簡化其教學內容，加強概念性的知識建構，並多做比喻，以釐清學生概念。此外，輔以隨傳隨看的動畫檔來進行補救教學，再以較簡單的文字加強概念性的說明，補救無效時我們更在教學內容中，鼓勵學生進入討論群組，詢問線上小老師與同儕，以達到社會性建構學習。 （6）後測（總結性測驗）我們假設這些已通過層層關卡，來到後測的學生，對本單元之教學內容已有充分之了解，將學生施以後測，藉此可讓學生洞悉自己在學習上的優缺點、有哪些錯誤概念需要更正，以促進自我瞭解。肆、研究結果與討論利用統計軟體進行各項分析，針對：（1）全體學生前後測的平均分數差異是否達統計的顯著水準。（2）性別的前後測成績差異是否達統計的顯著水準。（3）低

18、分組與高分組學生的成績進步是否達統計的顯著水準。（4）長時間學習組與短時間學習組前後測平均得分相差是否達統計的顯著水準。整個研究大體摘要分析如下： （一）全體學生之學習成效全體學生對建構式教學之影響情形，茲將建構式概念教學之前後測成績資料顯示（表4-1.1）如下：表4-1.1 建構式概念教學之前後測成績資料前後測人數平均數標準差前測10256.5415.24後測10280.7912.40前測和後測之差值得平均數為24.24，P值（0.00）結果顯示前測及後測的成績是有明顯差異（表4-1.2），分析結果可以進一步顯示，建構式概念教學有助於學生的學習。表4-1.2 前測和後測之平均數差值平均數差值

19、標準差P值後測-前測24.2418.130.00<.05（二）不同性別之學習成效進一步考慮性別是否可能會造成分析結果不正確，所以我們將性別因素加入統計分析的範圍內。在表4-1.3中，前測成績中男生平均成績為56.87分，而女生的平均成績為56.41分；後測的成績男生的平均成績是81.45，女生則為80.25分。表4-1.3 男生、女生前、後測平均數與標準差前後測性別人數平均數標準差前測男生4956.8716.39女生5356.4114.29後測男生4981.4510.51女生5380.2513.98先將前測成績中加入性別做變異數分析，所得的男生和女生之前測由單因子變異數分析表（表4-1.

20、4）中發現，它們的差異未達統計之顯著水準（P=0.91>.05），所以男生和女生的前測成績是沒有差的。表4-1.4 男生與女生前測之單因子變異數分析表變異來源離均差平方和（SS）自由度（df）均方（MS）FP組間（男女）2.60012.6000.0110.916組內（誤差）23296.42100232.964總和23299.02101再將性別加入後測做變異數分析後，由單因子變異數分析（表4-1.5）表中發現，它們的差異未達統計顯著水準（P=0.589>.05）。表4-1.5 性別與後測成績之單因子變異數分析表變異來源離均差平方和（SS）自由度（df）均方（MS）FP組間（男女）47

21、.575147.5750.29270.589組內（誤差）16251.443100162.5144總和16299.0196101（三）高分組及低分組研究者在前測受測學生中，將學生分成高分組及低分組（以總受測學生平均分數57分以上為高分組，平均分數57以下為低分組），低分組與高分組前測的總平均如表4-1.6：表4-1.6 低分組與高分組前測的總平均（P>0.05）組別有效樣本前測平均成績標準差低分組4549.6612.50高分組5762.5087.674茲將低分組與高分組成績進步是否達統計顯著水準，以獨立樣本t考驗以撿定之（表4-1.7）。表4-1.7低分組與高分組之t檢定摘要表組別有效樣本

22、前後測平均得分相差標準差T test低分組4528.6915.732t=8.96P=.00（<.05）高分組5719.8512.408由表4-1.7的統計可以發現：低分組平均進步分數為28.69分，高分組進步分數為19.85分，且它們的差異達統計之顯著水準（P=0.00<.05）。依不同程度學生分析後，結果顯示低分組學生在使用本系統的成績平均進步分數較高分組高。（四）學習時間對學習成效之影響為了解學生學習本網站的狀況，因此本研究於系統中設計了程式，以記錄學生於本系統中所學習停留的時間，將受測學生分為使用之長時間組與短時間組，並以化學反應成就測驗的成績為依據，考驗學生上網學習的總時間

23、對於學習成就中後測成績的影響（表4-1.9）。學生在本系統中的上網學習情況如下表（4-1.8）所示。表4-1.8 全體學生上網學習情況項次學習人數平均（次數/週）平均（分/週）全體學生1021.21330.89由表4-1.8中得知，所有學生一週內平均上網學習時間為30.89分。以此平均學習時間做為分組依據，將所有受測學生上網學習時間達到30.8分以上者，做為長時間組，該組學生人數為54名；上網學習時間低於30.8分以下者為短時間組的，該組學生人數為48名， 分析所得之結果如下 分析所得之結果如下表（4-1.9）所示。表4-1.9 學生總學習時間對化學反應前後測平均得分相差的影響項次人數前後測平

24、均得分相差標準差FP長時間組5427.97316.4346.99390.01短時間組4820.30614.142由表4-1.9的統計可以發現：在化學反應前後測平均得分相差的成績當中，長時間組學生的學習成就顯著的高於短時間組的學生（P=0.01<0.05）。此研究結果顯示網路學習歷程記錄中的網路學習時間與學習成效具相關性，此項結果與一些研究結果（吳祥明，1998；洪式合，2000）相同，學習時間越久者其學習成效越高。進一步檢視低分組與高分組學生上網停留的時間，其結果如表4-1.10所示。表4-1.10 低分組與高分組上網學習情況時間項次學習人數平均時間（分/週）標準差FP低分組4537.0

25、47（分/週）23.83911.8800.001高分組5723.205（分/週）10.405由表4-1.10可知：低分組的學生在網路上學習的時間較高分組長且達到統計上的顯著差異（P=0.001<.05）。綜合表4-1.9與表4-1.10，低分組和高分組學生在前後測平均得分相差達統計顯著差異（P<0.05）。若我們進一步的比較低分組與高分組在學習時間上，以低分組學生的學習時間較高分組長，且達統計上差異，即學習者的背景知識的高低會影響其學習時間，此結果與林佳宏（1998）所獲之結果相同。 研究者進一步推論造成學習成就差異的原因有以下兩點：（1）一般的教學有時間上的限制，且多採用單項傳輸

26、知識，供學生被動接收知識，並未能即時有效地改變或修正學生錯誤的概念，本系統中，學習時間的長短由學習者自由控制，藉由網頁內容呈現知識的概念，透過網頁呈現層級次序的設計與安排，可提供程度較低的學生去建構完成較為完整的基礎認知程序。對於一些程度較低的學生來說，經本系統診斷性評量後，發現學生概念錯誤或不足時，系統會自動給予回饋，並建議學生進一步學習其不足的概念。低分組的學生因本身許多概念較不足，常須進入補救教學，因此低分組的學生需花費較長的時間來學習自己概念較不足之處。（2）多數低分組學生進入補救教學結束之後，系統會立刻給予診斷性評量，而這些評量的內容也是化學反應成就測驗的重點範圍，因與測驗的內容相關

27、性較高，故多數低分組長時間學習的學生可能較有利於總結性成就測驗的表現，這個結果也與國內學者林生傳（1994）在教育心理學所提出的論點相呼應，即學習內容越相似，越能產生學習遷移的效果。（五）學習者不同的學習風格之學習成效依據藏圖測驗之得分前後27%為分界點，分為場地獨立認知型與場地依賴認知型兩組，茲將建構式概念教學之前測部份成績資料顯示（如表4-1.11），表中發現，場地獨立組前測成績為63.636分較場地依賴組57.826分高，但它們的前測成績差異未達統計顯著水準（P=0.33>.05）。表4-1.11 場地獨立組與場地依賴組前測成績之t檢定摘要表組別有效樣本前測成績標準差T test場

28、地獨立組2263.6320.827t= 0.982P= 0.33（>.05）場地依賴組2857.8218.818學習後，茲將場地獨立組與場地依賴組學習成效是否達統計顯著水準，以獨立樣本t考驗撿定之（表4-1.12）。表4-1.12 場地獨立組與場地依賴組前後測平均得分差異之t檢定摘要表組別有效樣本前後測平均得分相差標準差T test場地獨立組2225.2714.534t=0.782P= 0.437（>.05）場地依賴組2821.4717.737由表4-1.12的統計可以發現：場地獨立組平均進步分數為25.27分，場地依賴組進步分數為21.47分，場地獨立組優於場地依賴組，但其差異仍

29、未達統計之顯著差異P=.437（>.05）。即不同場地特性之學生在接受建構式概念教學後在學習成就上並無明顯差異，這種結果與陳福慶（1997）所做之研究有類似之結果，表示建構概念式設計之網路教學模式對任何場地特質學習者皆非常合適，沒有特別之差異性。伍、結論經過精心之設計與專家修正後，我們建立了一個化學反應概念建構式網站，在102位學習者學習後之資料分析結果得到以下之四個結論：一、 全體學生與性別之學習成效全體學生研究結果顯示：前測及後測的成績有達統計上明顯差異。但在性別之學習成效方面，未達統計上顯著差異。二、 低分組與高分組學生在學習成就與學習情況的差異研究結果顯示，前測較低的學生前後測成

30、績平均進步會高於高分組學生的學習成就。三、 長時間組與短時間組長時間學習組高於短時間組，且達統計顯著差四、學習者不同的學習風格之學習成效研究結果顯示，場地獨立組的學習成效優於場地依賴組，但其差異仍未達統計之顯著差異P=.437（>.05）。即場地獨立型與場地依賴型在接受建構式概念教學後在學習成就上無明顯差異。化學課程的學習困難，常常是因為學生在尚未確實了解學習教材的基礎概念以前，就進入深一層內容知識的學習，或是教材內容所含的化學概念未能與學生的先備知識相配合所發生。在目前大班制的班級中，不論學生程度的高低，所教授的教材架構都是一致的，為了讓老師能夠了解學生的學習狀況，本系統提供了學習歷程的紀錄與補救教學，如此一個具有超連結架構的教學情境，不僅能讓學生在教師的協助下掌握學習進度，進而適當的調整學習的情形，更能因個別的差異，獲得教師不同的協助。如此一來可讓老師輕易地了解班級裡每位學生的學習進度與學習障礙，進一步對程度較低的學生做重點式的輔導。電腦輔助教學是教育中科技應用的重要工具，同時電腦輔助教學的地位亦將因為其本身的優勢而逐步成為教育科技中必然的主流。利用建構式的教學融入電腦輔助教學環境之中，將