中小學(xué)生對於物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)之分類的迷思概念--以「溶解」為例

1、 中小學(xué)生對於物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)之分類的迷思概念-以溶解為例許良榮 彭煜堯臺中師院自然科學(xué)教育系摘要本研究目的為針對中小學(xué)生之物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)之分類溶解概念，發(fā)展雙層試題(two-tire)之評量診斷工具，以做為教材設(shè)計、課程發(fā)展以及科學(xué)教學(xué)的參考指標(biāo)。研究程序首先為前初探性(pre-pilot)的紙筆測驗(yàn)，初步了解學(xué)生可能存有的概念之後，進(jìn)行個別晤談，由個別晤談的結(jié)果之分析，再進(jìn)行雙層試題之設(shè)計以及效化。由雙層試題施測結(jié)果顯示；學(xué)生對於物質(zhì)是否能互相溶解之分類，存有不少的迷思概念。而且學(xué)生可能同時持有以密度大小、是否為油性或其他理由做為分類判斷的依據(jù)，因此如何診斷學(xué)生的多重概念或競爭概念，並審慎考量學(xué)

2、生的概念會受到情境(如試題選項(xiàng))影響的不穩(wěn)定性，是未來試題修訂時必須思考的重要問題之一。關(guān)鍵字：溶解、迷思概念、分類一、研究動機(jī)與目的在心理學(xué)上分類(Classification)是重要的認(rèn)知能力，Rosch等人(1976)指出人們在環(huán)境中會將物體加以分類，形成類別系統(tǒng)(category system)，組織大量訊息於長期記憶(long term memory)中，並藉此而引導(dǎo)他們的推理過程。目前科學(xué)教育的相關(guān)研究文獻(xiàn)中，對於學(xué)生分類概念的研究，大多專注於動植物的分類(如Trowbridge & Mintzes，1988；Braund，1991；黃達(dá)三， 民83；莊志彥、蘇育任，民88)，對於

3、學(xué)生在物質(zhì)科學(xué)的分類概念之研究相當(dāng)少見。但是物質(zhì)的性質(zhì)與辨認(rèn)，以及物質(zhì)之間的交互作用，是中小學(xué)科學(xué)教學(xué)中重要的課程目標(biāo)之一(教育部，1996)。由文獻(xiàn)研究顯示學(xué)生在物質(zhì)之化學(xué)性質(zhì)的迷思概念相當(dāng)多，例如Biddulph & Osborne(1983)以晤談研究38位九、十年級學(xué)生對於金屬的觀念，研究顯示學(xué)生對於何謂金屬所持的理由相當(dāng)多樣性，例如重量、光澤顏色、軟硬程度、磁性.等等，有40%學(xué)生認(rèn)為金屬可以被磁鐵吸引，有55%學(xué)生認(rèn)為奶粉罐子上的鋁片因?yàn)榭梢詮澢圆皇墙饘?，顯示學(xué)生對於金屬的特性具有迷思概念。其他如酸鹼概念(Nakhleh & Krajcik，1991)；燃燒概念(BouJaou

4、de，1991)；物質(zhì)的粒子性質(zhì)(Harrison & Treagust，1996).等等。顯示有關(guān)化學(xué)性質(zhì)的迷思概念相當(dāng)值得科教學(xué)者、課程設(shè)計者與師資培育者的注意，也需要我們進(jìn)一步深入探討學(xué)生在各項(xiàng)化學(xué)性質(zhì)之概念的差異，並建立不同年級學(xué)生在這些迷思概念的發(fā)展，以做為教材設(shè)計、課程發(fā)展以及科學(xué)教學(xué)的參考指標(biāo)。本研究目的即為針對中小學(xué)生之物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)之分類溶解概念，發(fā)展雙層試題(two-tire)之評量診斷工具。二、文獻(xiàn)探討概念的形成基本上是一種分類的過程與結(jié)果，因?yàn)楦拍钍且环N象徵的建構(gòu)(symbolic construction)以用來代表外界事物的共同性。換言之概念所以形成，是由於我們能夠?qū)?/p>

5、外界的事物進(jìn)行歸類(categorization)；把相同的事物歸為一類，以與不同類的事物在理念上分開(鄭昭明，1993)。而以學(xué)習(xí)的觀點(diǎn)而言，使用類別(category)具有節(jié)省記憶、減少需要學(xué)習(xí)的事物.等等之優(yōu)點(diǎn)。對於分類能力的認(rèn)知發(fā)展，Inhelder & Piaget(1969) 對2159位兒童所做的研究中發(fā)現(xiàn)；兒童要到七、八歲以後才漸漸開始發(fā)展分類及排序的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。其研究結(jié)果顯示兒童的分類表現(xiàn)，可大約分為三個階段：(一)第一階段(二歲至五歲半)：兒童把認(rèn)為有關(guān)係的放在一起(collective Objects)，但沒有固定的特性以決定物體應(yīng)屬於那一個集團(tuán)(collection)，而

6、且知覺(perception)主導(dǎo)了分類的操作。亦即在進(jìn)行操作時沒有一般性計劃 (general plan)，只是隨自己的需要把物體加以排列集合；(二)第二階段(五歲半至七歲)：兒童根據(jù)相似性分類，兒童會把所有物體加以歸類，能利用物體的同一屬性(attribute)，並逐漸形成階層(hierarchy)分類；(三)第三階段(七歲至十一歲)：兒童不但能作階層分類同時也瞭解階層之間的關(guān)係，但是他們只能操作真實(shí)物體的分類問題，而不能操作假說性的物體(hypothetical objects)，到了形式操作期兒童才能進(jìn)行假說性物體的分類。由文獻(xiàn)研究顯示學(xué)生在溶解之化學(xué)性質(zhì)有不少的迷思概念。例如Driv

7、er & Russell(1982)研究814歲兒童，近三分之二的兒童，認(rèn)為溶液的重量會少於糖加水的重量。Andersson(1984)以相同的問題研究15歲青少年的概念，結(jié)果超過半數(shù)有相同的迷思概念，他們所根據(jù)的理由有：(1)糖溶解後消失了；(2) 混淆了體積和質(zhì)量的觀念；(3)糖仍然存在，但是變輕了。Driver(1985)則指出15歲青少年會將溶解(dissolving)與熔解(melt)當(dāng)為同義字，而且將糖這個詞當(dāng)為巨觀的性質(zhì)，亦即當(dāng)糖於水中溶解後，就不再是糖。此外，Erickson(1980)的研究指出12歲的兒童傾向於認(rèn)為熱是一種實(shí)質(zhì)的流體，而且認(rèn)為大冰塊熔得慢，是因?yàn)榇蟊鶋K的溫度

8、比小冰塊低。盛承堯(民81)的研究除指出學(xué)童所學(xué)的均與他們的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，也與他們五官所覺察到的有關(guān)係。而簡美容(民90)在對臺北縣、市地區(qū)國小四、六年級的研究也發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的學(xué)童認(rèn)為可溶解的東西，仍多僅止於固體物質(zhì)。該研究也發(fā)現(xiàn)學(xué)童常會用到比較溶質(zhì)、溶劑何者為輕、為重之觀點(diǎn)來描述溶解過程。這是屬於和上述較不同的思考方式。對溶液的理解還有其它觀點(diǎn)，Longden, Black & Solomon(1991)的研究發(fā)現(xiàn)僅僅有11-12歲年齡層百分之20以及13-14歲年齡層百分之30的學(xué)生同時用巨觀(macro)、微觀(micro)觀點(diǎn)來理解溶解，而也有少數(shù)學(xué)生傾向以日常生活經(jīng)驗(yàn)之觀點(diǎn)(巨觀)而不

9、是粒子之觀點(diǎn)(微觀)來理解溶解。簡而言之，學(xué)生對於溶解以及物質(zhì)能否互溶之分類，存有不少的迷思概念，值得科教學(xué)者的重視。三、研究方法（一）、研究設(shè)計與程序本研究目的主要為發(fā)展中小學(xué)生對於物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)之分類之迷思概念的雙層試題，採用的研究程序（如圖一所示）以循序漸進(jìn)的方式，前初探性(pre-pilot)的紙筆測驗(yàn)包括封閉式與開放式問題（包括小四、小六、國二、高二各施測2個班級），主要目的在了解學(xué)生可能存有的概念以及決定個別晤談之事例(instance)，進(jìn)而做為個別晤談之訪談方向之依據(jù)。而個別晤談（小四、小六、國二各抽取10位；高二12位學(xué)生）內(nèi)容與方向之決定除了pre-pilo的紙筆測驗(yàn)之外，同

10、時參考各年級之課程，例如丙酮、乙醚等等，在小學(xué)課程沒有出現(xiàn)過，因此排除於小學(xué)生的晤談範(fàn)圍。經(jīng)由個別晤談結(jié)果分析之後，再進(jìn)行雙層試題之設(shè)計以及效化。本研究發(fā)展雙層試題時程超過一年，期間並經(jīng)過化學(xué)研究群會議討論（國科會整合型計畫）、六位學(xué)科專家之審查，並持續(xù)與初探紙筆測驗(yàn)、個別晤談分析結(jié)果進(jìn)行交叉比對，反覆修訂成為雙層試題初稿。初稿設(shè)計後並邀請三位化學(xué)專長的科學(xué)教育博士協(xié)助審查，提供修訂意見。經(jīng)過反覆多次的修訂，本研究所發(fā)展的評量工具應(yīng)具有某種程度的效度。雙層試題修訂完成後進(jìn)行施測，施測班級數(shù)為小四、小六各八個班級；國二、高二各六個班級。施測時間為民國90年12月中旬至91年1月中旬。並以重測（間

11、隔2週）方式估計試卷的信度，將學(xué)生前、後測之選項(xiàng)(名義變數(shù))進(jìn)行前測、後測之列聯(lián)相關(guān)係數(shù)(contingency coefficient)，以查驗(yàn)學(xué)生在前、後測之選答的穩(wěn)定性或一致性。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)每一題(共五題)皆達(dá)到顯著相關(guān)水準(zhǔn)(P .01)，顯示評量工具頗為穩(wěn)定。（二）、雙層試題發(fā)展原則本研究雙層試題之設(shè)計依據(jù)以下原則進(jìn)行：1.各題之選項(xiàng)必須具有含攝性，亦即能包含學(xué)生可能具有的各項(xiàng)迷思概念；2.每個選項(xiàng)能夠表徵特定的迷思概念；3.每個選項(xiàng)要能具有區(qū)別性，避免概念上的重疊性；4.配合不同年級對語詞的了解，不同年級之試題使用的語詞或選項(xiàng)應(yīng)有所差別；5.每題只能有一所謂的正確答案，以免有恰當(dāng)概念

12、的學(xué)生無所適從；6.設(shè)計時必須持續(xù)與初探紙筆測驗(yàn)、個別晤談分析結(jié)果交叉比對。課程綱要分析(教材內(nèi)容分析) 化學(xué)研究群會議討論文獻(xiàn)探討 施測結(jié)果分析Pre-pilot(紙筆測驗(yàn))專家審查(6位) 進(jìn)行個別晤談選取個別晤談樣本 轉(zhuǎn)錄、分析擬定雙層試題重測信度分析選項(xiàng)(迷思概念)分析施 測修 訂專家審查(3位)圖一 研究程序四、研究結(jié)果與討論（一）、汽油與水能否互溶？ 圖二 汽油與水能否互溶之各年級選答分佈圖(圖中實(shí)線為正確概念)雖然學(xué)生普遍認(rèn)為汽油與水不能互溶，由小四到高二分別合計有%、%、%、%，但是由圖二顯示其所持理由頗有差異。此題之正確概念在小學(xué)的試題選項(xiàng)之?dāng)⑹鍪瞧团c水混和後分為兩層，答對

13、率為小四34.5%、小六為51.3%。在中學(xué)之正確選項(xiàng)的敘述為汽油與水之間吸引力小，答對率為國二10.7%、高二59.8%。由圖二可看出有不少學(xué)生對於水與汽油是否能互溶存有迷思概念，選答因?yàn)槠兔芏缺人〉膶W(xué)生由小四到高二分別為9.1%、18.4%、69.2%、59.8%，雖然小學(xué)的比率低於中學(xué)，但是並不能直接推論小學(xué)生的此項(xiàng)迷思概念明顯低於中學(xué)生，因?yàn)橛锌赡苁钦_選項(xiàng)的敘述之差異所造成，即小學(xué)試題的正確選項(xiàng)汽油與水混和後分為兩層之?dāng)⑹鰧πW(xué)生更有誘答力，而中學(xué)生正確選項(xiàng)的敘述汽油與水之間吸引力小之誘答力低於密度的因素。但是無論如何；不少學(xué)生以密度的理由判斷是否互溶的迷思概念已呼應(yīng)了晤談結(jié)果的

14、發(fā)現(xiàn)。此外，小學(xué)生認(rèn)為汽油與水可以互溶的，以因?yàn)槎叨际且后w的理由為最多(小四26.2%、小六15.5%)，其次為汽油中含有水(小四10.7%、小六5.8%)。中學(xué)生認(rèn)為汽油與水可以互溶的，國二只有2.8%，高二 .8%。（二）、有油字的物質(zhì)（例如甘油、沙拉油）是否與水互溶？圖三 有油字的物質(zhì)（例如甘油、沙拉油）與水能否互溶之各年級選答分佈圖呼應(yīng)前一題的施測結(jié)果，由圖三可看出有不少學(xué)生對於不同液體之間能否互溶存有以密度判斷的迷思概念，選答因?yàn)橛投急人p的學(xué)生，由小四到高二的比率分別為13.5%、34.7%、56.1%、31.1%。而學(xué)生選答因?yàn)橛秃兴某煞值膬A向與上一題類似，小四有15.1%

15、、小六有4.0%，中學(xué)生則幾乎沒有學(xué)生選答此項(xiàng)(都在 .8%以下)。此外，圖三中的第四選項(xiàng)，小學(xué)與國二的選項(xiàng)之?dāng)⑹鰹橐驗(yàn)檫@些油就代表了油性，小四有24.6%、小六有9.7%、國二有7.5%的學(xué)生選答，而高二的選項(xiàng)敘述為因?yàn)檫@些油類都是非極性，有39.5%的學(xué)生選答。雖然這些敘述不同，但是都在診斷學(xué)生是否會由物質(zhì)名稱做為互溶的分類依據(jù)。而值得注意的是；學(xué)生的選答可能會受到試題所提供的選項(xiàng)之影響，其原因可能是學(xué)生同時存有以密度大小、油性與否做為判斷依據(jù)，例如由晤談結(jié)果的分析曾發(fā)現(xiàn)學(xué)生有時會持有不同的判斷依據(jù)，在晤談過程中會改變自己的想法。因此如何診斷出學(xué)生的多重概念或競爭概念，並審慎考量學(xué)生的概念

16、會受到情境影響的不穩(wěn)定性，是未來試題修訂時必須仔細(xì)思考的重要問題之一。（三）清潔劑（例如：洗碗精）與水是否互溶？圖四 清潔劑（例如洗碗精）與水能否互溶之各年級選答分佈圖本題的正確選項(xiàng)之?dāng)⑹鲂W(xué)與中學(xué)有所不同，在小學(xué)是因?yàn)橄赐刖退梢跃鶆蚧旌托∷呐c小六分別有20.2%、37.9%的學(xué)生選答；在中學(xué)是因?yàn)閮烧呖梢曰ハ辔龂c高二分別有22.0%、61.7%的學(xué)生選答。而其它選項(xiàng)方面(迷思概念)，認(rèn)為洗碗精可以溶於水是因?yàn)橄赐刖缓偷?，由小四到國二有逐漸上升的情形（18.3%18.4%27.1%），高二則只有7.2%。而認(rèn)為因?yàn)橛袣馀莓a(chǎn)生就是互溶的，各年級選答的比率約在一成左右，由小四到高二分

17、別為10.7%9.4%15.4%14.4%。此外選擇洗碗精不會溶於水中的學(xué)生除了小四有超過一成的比例外，其餘皆不到一成。（四）、醋酸與水是否互溶？圖五 醋酸與水是否互溶之各年級選答分佈圖在本題中認(rèn)為醋酸與水可以互溶的學(xué)生，各年級階段皆超過六成，但是能選答正確理由(因?yàn)橥耆旌歪?，澄清而透?的學(xué)生，各年級都沒有超過二成，由小四到高二分別為（13.9%7.6%14.0%16.3%），此現(xiàn)象是否由於日常生活接觸的醋大多為有顏色所造成，尚有待進(jìn)一步確認(rèn)。此外值得注意的是學(xué)生選答因?yàn)樗邢♂屪饔玫谋嚷氏喈?dāng)高，尤其國二與高二都已接近六成，顯示中學(xué)生傾向於將稀釋等同於溶解。而認(rèn)為酸性的都可以溶於水的學(xué)生有

18、隨年級而降低的趨勢，由小四的23.0%降低至高二的6.8%。反之認(rèn)為醋酸與水不會互溶的，小四與小六分別有16.3%、11.6%選答因?yàn)榇姿崾撬嵝缘奈镔|(zhì)，中學(xué)生則未超過2%。由此結(jié)果顯示小學(xué)生有傾向於以酸鹼性做為判斷是否與水互溶之依據(jù)的傾向。小學(xué)生除了有不少學(xué)生傾向於以酸鹼性為判斷互溶的理由，也有約一成的小學(xué)生認(rèn)為因?yàn)榇姿岷退畷l(fā)生化學(xué)反應(yīng)因此不能互溶(小四12.7%；小六10.5%)，而選答因?yàn)榇姿岷退拿芏炔煌虼瞬荒芑ト艿某诵×^一成(14.4%)，其他各年級都在7.9%以下，顯示密度是學(xué)生判斷物質(zhì)是否互溶的一項(xiàng)充分條件而不是必要條件。（五）、丙酮與水是否互溶？%，高二59.1%，其差

19、異是否由於學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)所造成，尚有待進(jìn)一步的探究。圖六 丙酮與水是否互溶之各年級選答分佈圖 致謝本文承國科會經(jīng)費(fèi)補(bǔ)助(NSC 90-2511-S-142-004)，謹(jǐn)此致謝。參考文獻(xiàn)1.莊志彥、蘇育任（民88）：國小學(xué)童知覺選擇與動物分類概念之研究?？茖W(xué)教育學(xué)刊，第7卷第2期，135-156。(民83)：國小學(xué)生的生命、動物、植物概念發(fā)展及另有架構(gòu)的研究。國科會專題研究報告：NSC82-0111-S-143-003。3.盛承堯（民81）：國小自然科學(xué)溶液概念及迷思概念之探討。國科會專題研究報告，NSC81-0111-S-026-002-NN。4.鄭昭明（民82）：認(rèn)知心理學(xué)：理論與實(shí)務(wù)。臺北：桂冠

20、圖書股份有限公司。5.簡美容（民90）：國小學(xué)童對溶解相關(guān)概念認(rèn)知之研究。國立臺北師範(fàn)學(xué)院數(shù)理教育研究所碩士論文（未出版）。sson, B. (1984). Chemical reaction. EKNA, University of Gothenburg, Sweden. iddulph, F., & Osborne, R. (1983). Childrens ideas about “Meatls.” learninginscience project (primary). Working paper No. 112. ERIC: No. ED252395. oude, S. (1991)

21、. A study of the nature of students understanding about the concept of burning. Journal of Research in Science Teaching, 28(8), 689-704., M. (1991). Childrens ideas in classifying animals. Journal of Biological Education, 25(2)1 102-110., R. (1985). Beyond appearances; the conversation of matter und

22、er physical and chemical transformations. In R. Driver., E. Guesne., & A. Tiberghien(eds), Childrens idea in science. Open University Press, Milton Keynes., R., & Russell, J. (1982). An investigation in the idea of heat, temperature and change of state, of children between 8 and 14 years. Leeds: University of leeds., G. L. (1980). Childrens viewpoints of heat : a second look. Science Education, 64(3), 323-36.13.Harrison, A. G., & Treagust, D. F. (1996). Secondary students mental models of atoms and molecules: Implications for teaching chemistry. Sci