1. 教育部九十八年度中小學
科學教育專案期末報告
設計建模與多重表徵 的模型教學活動
以增 進高二學生的科學學習－
以化學鍵、分子混成軌域、分子形狀 與結構為例
主持人：鍾曉蘭老師
計畫參與者 : 謝進生老師、賴 麗玉小姐
執行單位：國立三重高中
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2. 研究動機 (1/2)
高中生對學習抽象概念 ( 例如量子世界與分子結構的空
間 ) 有其學習障礙並產生許多迷思概念
學生無法藉由一般的課室或實驗室活動來觀察混成軌域的
形成或變化，也難以立刻將多樣的混成軌域符號，與微觀
中所代表的混成軌域作連結
研究者曾將電腦多媒體教學融入混成軌域與分子形狀、鍵
結的傳統教學中，教學成效不彰 ( 答對率僅 50 ％ )
過去研究的結果顯示多重表徵的模型活動能幫助學生藉由
呈現模型與不同表徵之間的交互作用，可幫助學生瞭解現
象中所蘊含的科學模型
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3. 研究動機 (2/2)
對於混成軌域、分子鍵結與 VSEPR 理論的深層理解與概
念之間的聯結、相關程序性知識的建立與應用，僅僅採用
多重表徵的模型活動就足夠了嗎？
本計劃的構想：
• 讓學生重新經歷化學家研究的歷程，以了解理論模型是如
何建立、修正、效化，如何將理論模型用以解決問題
• 將多重表徵的模型活動融入教學中，也應該將建模歷程
( 模型建立、模型選擇、模型分析、模型效化、模型應用
、模型重建，參考自 Halloun, 1996 ；邱美虹， 2008) 納入
課室活動中
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4. 計畫目的 (1/2)
根據 99 年高中化學課綱在教材及教法之要領：
善用發問技巧與小組討論的方式，以激發學生之思考
教師應運用各種評量方法，適時評量教學過程與結果
，並據以輔導學生學習及改進教學
除設備標準中規定必備之視聽教學媒體（包括電腦、
光碟、錄影帶、影片、幻燈片、投影片、掛圖、模型
等）外，分子三度空間概念的建立尤須藉由電子視覺
媒體及模型幫助學生學習，各校之教學研究會，應鼓
勵教師使用或製作教學媒體，並推廣之，擴大其教學
效能
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5. 計畫目的 (2/2)
本計劃的目的
設計多重表徵 的模型教學活動
設計多重表徵 的教材
設計小組活動 ( 動手自製分子模型 )
設計建模歷 程融入教學活動
評量方式的改進
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6. 執行單位對計畫支持情形與參與計畫人員
參與計畫人員主要為協同計畫主持人謝進生老師
及行政助理賴麗玉小姐
江家珩校長對於本研究亦十分的重視
國立三重高中對於本計畫大力支持，對於教學活
動提供足夠的設備
謝進生老師在教具與動畫設計方面提供專業而具
體的幫助行政人員 ( 包括行政助理賴麗玉小姐、
教學組、設備組與會計、出納組 ) 提供行政支援
，讓本計畫能夠順利進行
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7. 研究方法
研究架構
資料處理
研究設計
與分析
研究方法
研究流程 研究對象
研究工具
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8. 研究架構
鍵結與結構
教學組別 研究工具
建模＋多重表徵 建模歷 程 質性 量化
建模歷 程 建模歷 程 學習單 動態評量
多重表徵 模型 一般分子模型
學習單 學習單
文本 文本
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9. 研究設計 (1/3)
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10. 研究設計 (2/3)
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11. 研究設計 (3/3)
建模教學活動設計
建模的歷程分為模型的選擇、模型建立、模型效化、
模型調度與應用 (Halloun, 1996 ；邱美虹， 2008) 。
小組活動是藉由開放式動手自製分子模型的歷程讓學
生主動學習與從事探究活動，不僅可以讓學生對於科
學概念的學習達到深層的瞭解，也提升學生解決問題
的能力
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12. 研究對象
預試階段
預試對象為台北縣某國立高中高三自然組共計兩班總計
80 位，於高二已學過化學鍵結與分子結構的相關概念，
預測階段的施測對象與正式研究的對象背景相似。
教學對象
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13. 研究工具 (1/2)
動態評量試題： 試題信度 (α 值 ) 為 0.92
主要是發展出一套於關共價鍵、混成軌域、分子形狀與
結構方面於的雙層式試題 (two-tired test) ，工具內容主要
分為二大部分：
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14. 研究工具 (2/2)
表四 共價鍵結與混成軌域相關概念命題與測驗題號雙向細目表(陳述性知識)
認知歷程向度 表徵類型
能力指標 小題
主要概念 知 理 分 應 綜 命 圖 序 綜 題號
(概念內容) 數
識 解 析 用 合 題 像 列 合
氫氣分子鍵結 ＊ ＊ 單選 1
共價鍵 乙炔分子鍵結 ＊ ＊ 單選 8 10
價鍵原理 ＊ ＊ 非選 1
π 鍵與 σ 鍵的定義 ＊ ＊ 單選 3
σ 鍵與 π 鍵的重疊 ＊ ＊ 單選 10
σ 鍵與 π 鍵 8
π 鍵的共振 ＊ ＊ 單選 4
與混成軌域的關係 ＊ ＊ 單選 7
分子結構的判斷 ＊ ＊ 單選 2
分子結構 分子結構的表徵 ＊ ＊ 單選 6 10
順反異構物 ＊ ＊ 非選 2
分子形狀的判斷 ＊ ＊ 單選 5
分子形狀與鍵角 ＊ ＊ 單選 9
分子形狀 8
分子形狀與鍵角 ＊ ＊ 非選 3
分子形狀與鍵角 ＊ ＊ 非選 5
6 8 小計
8 8 6 6 10 6 14 小計 36
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註:單選題含選擇與說明，以兩小題計算；非選 2 包含 3 個問題及說明部份，故以 6 小題計算

15. 研究流程
階段一： 2009.8-9 月 蒐集資料、文獻探討 、確定研究方向及架構
階段二： 2009.10-11 月 發展試題、設計教學策略 / 活動 / 教材
階段三： 2009.12 月 -2010.1 月 預試及修正試題、修正教學策略 / 活動 /
教材
階段四： 2010.2-2010.3 月 教學階段
階段五： 2010.3-7 月 分析資料、撰寫研究結果、完成研究報告
圖 3 研究流程圖
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16. 目前完成的工作與教學成效分析
※ 完成進度約 90 ％，目前進行至研究流程階段五
完成的工作內容：
研究工具設計
研究工具的信、效度
教學策略 / 活動 / 教材等設計
教學活動
資料分析
撰寫初步研究結果
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17. 教師自製 3D 模型
圖 A. sp 混成軌域模
型
圖 B. sp2 混成軌域模
型
圖 C. sp3 混成軌域模 17
型

18. 教學活動－自製串珠 C60 分子模型
※ 探討 C60 分子的分子結構與混成軌域：
鍵結方式 混成軌域 σ 鍵數目 π 鍵數目 單鍵數目 雙鍵數目
※ 依照多面體公式
尤拉公式：個數＋面數－邊數＝ 2
＊ 設 C60 分子有 X 個五邊形、 Y 個六邊形：
X ＋ Y ＝面數
(5X ＋ 6Y)/2 ＝邊數
請同學計算出 C60 分子 ______ 個五邊形； ______ 個六邊形
Q ：請同學依照上述的過程，推論出 C80 分子的分子結構與混成軌
域 18

19. 教學活動－角色扮演
請學生分別扮演 O 原子
與 H 原子、孤對電子
可說明八隅體規則、包
立不相容原理、漢德定
則、鍵結電子對與孤對
電子等相關概念
說明電負度與極性共價
鍵的關係，並以角色扮
演說明水分子為極性分
子的原因
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20. 教學成效比較
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21. 組內 進步 情形
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22. 成果 (1/2)
完成多重表徵模型教學活動及教材設計並將成果應用
在 教學上，有效地幫助高二學生在的化學鍵結、分子
結構相關概念科學學習與概念改變
設計動作混合模型 ( 角色扮演 ) 的教學活動將能有效
提升學習化學鍵結、分子結構相關概念的理解
設計開放式動手自製分子模型的小組活動，藉由動手
做與小組協商的歷程讓學生主動學習與從事探究活動
，不僅可以讓學生對於科學概念的學習達到深層的瞭
解，也提升學生解決問題的能力
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23. 成果 (2/2)
本研究嘗試將建模歷程 ( 模型建立、模型選擇、模型
分析、模型效化、模型應用、模型重建 ) 納入課室活
動中，預期能幫助學生在混成軌域、分子鍵結與
VSEPR 理論的科學學習，初步結果顯示能提升學生
對於相關概念的理解與問題解決的能力
本研究採用一系列的動態評量，在試題的設計上則採
用一般靜態測驗的模式，但是將教學中所探討的陳述
性與程序性知識納入試題之中，從一連串的動態評量
中，瞭解學生對化學鍵結、分子結構相關概念認知發
展的歷程，不僅可以增進師生互動，也可以隨時修正
教學方法與教材，為現行的評量方式提出改進的參考
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24. 檢 討
研究初步結果顯示，多重表徵模型教學不僅有效提升了學
生學習成效，而且也明顯的提升學生的學習動機，未來研
究者將更進一步精緻化模型教學的活動與教材，提供其他
教學者參考
與教學內容有延伸至高三的部分範圍，無法找到適合的對
照組 ( 一般講述法 ) ，因此刪除對照組的設計
由於時間的限制與人員不足，無法進行晤談與情意問卷
未來進行相關教學研究時，研究者應注意教學內容與學校
課程的配合，並在人力的配合，進行晤談與情意問卷，以
確實了解學生學習的歷程與困難所在
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25. The End
謝謝各位的聆聽
請惠賜寶貴的意見
感謝教育部經費補助與支持
感謝師大科教中心的指導
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