國立台灣師範大學物理學研究所

碩士論文

探究與實作課程─「螺旋結構

繞射」

設計與研究 Inquiry and Practical course of

“Diffraction by Helical Structure”

研究生:林語恩

指導教授:賈至達 博士

中華民國一百零七年七月

I    

摘要 本研究為設計探究與實作課程─「螺旋結構繞射」，並探討此課程對學生的科學探究能力以及科學態度成長的影響情況。課程內容依照國家教育研究院於

2017年訂定之「106年6月第四版本十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域課程手冊(初稿)」安排。教學模式主以專題式教學模式進行，輔以Google classroom和Google搜尋引擎，並以引導式層級進行科學探究。本研究實施於台北某市立高級中學高一學生，學生學習內容包含一學期之基礎物理課程或螺旋結構繞射課程。

依照學生之課程分為：自然興趣基礎物理組，自然興趣探究與實作教學兩個組

別。 分析結果顯示：(1)探究與實作教學對學生的科學探究能力影響效果高於傳統教學，但是於「分析與發現」向度不如預期。(2)在科學態度部分學生的成長情形亦是探究與實作教學高於傳統教學，但是於「客觀性」向度不如預期。 本研究證明為期一學期之螺旋結構繞射課程，可以更佳的提升學習者科學探究能力與科學態度，並且在探討過程中亦證明自然興趣學生與非自然興趣學生經

由一學期的自然科學相關課程學習後，成效亦有差異。但是，學生於先備知識不

足的情況下進行成果相互檢核、解釋現象的時候，易有產生錯誤結論或是無法得

出結論之情況。教師可以考量授課的時數，安排探究與實作課程所營造的學習環

境，嘗試藉此提升學生的學習效果。 關鍵字:十二年國教、探究與實作、物理教育、螺旋結構繞射

II    

Abstract This study design an inquiry and practical course of “Diffraction by Helical

Structure” to see the influences on high school students’ scientific inquiry abilities and scientific attitudes. The course is arranged according to the first draft of Science Curriculum Guidelines of 12-Year Basic Education (4th Edition, June, 2017) which is published in 2017 by National Academy for Educational Research (NAER). Project-Based-Learning and Guided-inquiry learning is adopted to this research. Google classroom and Google search Engine is also used to support the lecture and help students’ learning. This research is conducted for freshman in one of senior high school in Taipei. The designed course of “Diffraction by Helical Structure” is implanted to a test group of students who didn’t take the basic required physics course. The students of comparison group were taking basic required physics course without taking the designed course of “Diffraction by Helical Structure”

The results show that: (1) the scientific inquiry ability of the test group is more effective than comparison group, but the ability of “analysis and discovery” is beyond the expectation. (2) The average growth of the scientific attitude of test group is higher than comparison group but the ability of “objectivity” is also beyond the expectation.

This study demonstrates that one-semester course of “Diffraction by Helical Structure” can improve more effectively on the learner’s scientific inquiry abilities and scientific attitudes. After one-semester, there is a significant difference between test group and comparison group. However, for the test group, students did not have enough background knowledge of sound, therefore the “analysis and discovery” of test group is lower than comparison group.

Key words: 12-Year Basic Education、Inquiry and Practice、Physics Education、Diffraction by Helical Structure

III    

目錄 摘要.................................................................................................................................I 目錄...............................................................................................................................III 表目錄.......................................................................................................................... IV 圖目錄...........................................................................................................................VI 第一章 緒論................................................................................................................1

第一節研究背景與研究動機............................................................................1 第二節研究目的與問題....................................................................................2 第三節名詞解釋................................................................................................4 第四節研究範圍與限制....................................................................................9

第二章 文獻探討......................................................................................................10 第一節知識架構..............................................................................................10 第二節課程架構..............................................................................................15 第三節教學方法..............................................................................................18 第四節課程安排與內容..................................................................................23

第三章 研究方法......................................................................................................43 第一節研究對象與情境..................................................................................43 第二節研究設計與流程..................................................................................44 第三節研究工具..............................................................................................48 第四節資料分析方法......................................................................................60 第五節研究倫理..............................................................................................61

第四章 研究結果與討論..........................................................................................63 第一節科學探究能力的變化情形..................................................................63 第二節科學態度的變化情形..........................................................................73 第三節學生對探究與實作課程的觀感..........................................................79

第五章 結論與建議..................................................................................................83 第一節研究發現..............................................................................................83 第二節評量與課程檢討..................................................................................85 第三節未來建議..............................................................................................89

參考文獻......................................................................................................................90 附錄..............................................................................................................................94 附錄一課後學習單..........................................................................................94 附錄二素養試卷(生活中的音樂).................................................................105

附錄三課後問卷(螺旋結構繞射課後問卷).................................................112 附錄四學生名牌............................................................................................113

IV    

表目錄 表 1-3-1思考智能細項內容表.................................................................................4 表 1-3-2問題解決細項內容表.................................................................................5 表 1-3-3科學態度內容表.........................................................................................8 表 2-1-1波動、光與聲音學習內容說明表............................................................10 表 2-3-1探究式教學與傳統教學的比較(Aerson，2002)......................................22 表 2-4-1課程單元及時間表....................................................................................23 表 2-4-2課程分組與課程介紹詳細時間安排及內容說明表................................26 表 2-4-3繞射觀察：水波現象與波動原理詳細時間安排及內容說明表............29 表 2-4-4單狹縫繞射公式建構與實驗操作 1詳細時間安排及內容說明表........33 表 2-4-5單狹縫繞射公式建構與實驗操作 2詳細時間安排及內容說明表........34 表 2-4-6單狹縫繞射公式建構與實驗操作 3詳細時間安排及內容說明表........34 表 2-4-7單狹縫繞射公式建構與實驗操作 4詳細時間安排及內容說明表........35 表 2-4-8單狹縫繞射公式建構與實驗操作 5詳細時間安排及內容說明表........35 表 2-4-9細線繞射與測微工具 1詳細時間安排及內容說明表............................38 表 2-4-10細線繞射與測微工具 2詳細時間安排及內容說明表..........................38 表 2-4-11細線繞射與測微工具 3詳細時間安排及內容說明表..........................39 表 2-4-12彈簧繞射實驗與 Tracker1詳細時間安排及內容說明表......................41 表 2-4-13彈簧繞射實驗與 Tracker2詳細時間安排及內容說明表......................42 表 3-1-1研究對象樣本數........................................................................................44 表 3-2-1各階段工作內容分述................................................................................46 表 3-3-1素養評量與教學內容對應探究學習歷程表............................................48 表 3-3-2素養評量對應科學探究能力表................................................................50 表 3-3-3素養試題(科學探究能力)評分指標.........................................................52 表 3-3-4科學探究能力總分表................................................................................56 表 3-3-5素養評量對應科學態度表........................................................................57 表 3-3-6素養試題(科學態度)評分指標.................................................................58 表 3-3-7科學態度總分表........................................................................................60 表 4-1-1學生Wilcoxon符號等級檢定………………………………...................64 表4-1-2想像創造前、後測效應比較......................................................................65 表4-1-3推理論證前、後測效應比較......................................................................66 表4-1-4批判思辨前、後測效應比較......................................................................67 表4-1-5建立模型前、後測效應比較......................................................................68 表4-1-6觀察與定題前、後測效應比較..................................................................69 表4-1-7計畫與執行前、後測效應比較..................................................................70 表4-1-8分析與發現前、後測效應比較..................................................................71 表4-1-9討論與傳達前、後測效應比較..................................................................72

V    

表 4-2-1彈性前、後測效應比較.…........................................................................74 表 4-2-2客觀性前、後測效應比較….....................................................................74 表 4-2-3批判精神前、後測效應比較….................................................................76 表 4-2-4好奇心前、後測效應比較….....................................................................77 表 4-2-5因果關係前、後測效應比較….................................................................78 表 4-3-1學生課堂活動反應表….............................................................................79 表 5-2-1學生對於前後施測反應與意見.................................................................86 表 5-2-2學生問題與不當引導.................................................................................88

VI    

圖目錄 圖 2-1-1 知識架構圖...............................................................................................12 圖 2-1-2 器材示意圖...............................................................................................13 圖 2-1-3繞射圖形結合螺旋結構.............................................................................14 圖 2-2-1 課程架構圖...............................................................................................17 圖 2-3-1 教學方法示意圖.......................................................................................20 圖 2-4-1 課程分組與課程介紹課程架構圖……………………...........................25 圖 2-4-2 水波現象與波動原理連結單狹縫課程架構圖………………...............28 圖 2-4-3 單狹縫繞射公式建構與實驗操作課程架..………….............................32 圖 2-4-4 細線繞射課程架構圖……………...........…………...........................….37 圖 2-4-5 彈簧繞射實驗與Tracker介紹架構圖……………………...................…40 圖 3-2-1 研究流程圖………………..........…………………….............................45 圖 3-4-1 資料處理流程………………..........…………………….........................61 圖 4-1-1 盒鬚圖(唐麗英，2013) ………………..........……….…...................….63 圖 4-1-2 盒鬚圖法排除離群值(PETER C. BANACOS，2011) ……….……….64 圖 4-1-3 想像創造前、後測驗平均得分差值比較圖……………………….......65 圖 4-1-4 推理論證前、後測驗平均得分差值比較圖……………………….......66 圖 4-1-5 批判思辨前、後測驗平均得分差值比較圖……………………….......67 圖 4-1-6 建立模型前、後測驗平均得分差值比較圖……………………….......68 圖 4-1-7 觀察與定題前、後測驗平均得分差值比較圖…………………….......69 圖 4-1-8 計劃與執行前、後測驗平均得分差值比較圖…………………….......70 圖 4-1-9 分析與發現前、後測驗平均得分差值比較圖…………………….......71 圖 4-1-10 討論與傳達前、後測驗平均得分差值比較圖………..………….......72 圖 4-2-1 彈性前、後測驗平均得分差值比較圖…..........……….…....................73 圖 4-2-2 客觀性前、後測驗平均得分差值比較圖…...............…...................….74 圖 4-2-3 批判精神前、後測驗平均得分差值比較…..……….…...................….76 圖 4-2-4 好奇心前、後測驗平均得分差值比較圖…..........……….…................77 圖 4-2-5 因果關係前、後測驗平均得分差值比較圖…..................................… 78 圖 4-3-1 符號示意圖………………..........…………………….............................81 圖 4-3-2 作業繳交方試示意圖……………..…………………….........................82 圖 5-1-1 思考智能各向度 ES 值比較圖……………….........….........................83 圖 5-1-2 問題解決各向度 ES 值比較圖……….……………….........................84 圖 5-1-2 科學態度各向度 ES 值比較圖….…………………….........................85 圖 5-2-1 學生實驗數據比較簡報圖…..........…………………….........................89

1

第一章 緒論

現行九年課綱強調在自然與生活科技領域，培養學生日常生活應用的基本能力；十

二年國教的核心素養則是幫助學生解決當代及未來在生活中可能會面臨的困難，相較於

九年課綱，十二年國教在應具備的三個面向：知識、能力與態度上，涵蓋更寬廣、更豐

富的教育內涵。為因應更寬廣、更豐富的課程內容，教師需要改變傳統的板書授課，加

入學生實作的環節，以概念模擬為主，實驗操作為輔的方式提升自主探究知識與實作驗

證知識。本章分為三個小節進行詳細說明。

第一節 研究背景與動機

國家教育研究院針對國民中小學學生之學習成就建立常態性資料庫，進行臺灣學生

學習成就評量（Taiwan Assessment of Student Achievement，簡稱 TASA）之分析。此資料

庫設立的目的之一為建立國民中小學、高中及高職學生學習成就長期資料庫，以追蹤、

分析學生在學習上變遷之趨勢，進而檢視目前課程與教學實施成效(杜雨潔，2010)。於

2006 與 2007 年的分析結果顯示：學生在(一)、解決問題(31.3%)；(二)、組織與關聯

(32.78%)；(三)、推斷應發生之事(34.1%)；(四)、察覺日常生活中運用到許多科學概念

(29.7%)。此四項的答對率偏低(曾建銘、陳清溪， 2007)。表示目前的教學方式尚缺少

幫助學生運用科學知識解決問題的訓練，亦顯示出學生運用科學證據進行理論推導，並

從中瞭解自然現象之因果關係的能力薄弱，需加強訓練。研究者接觸相關資料並搜集國

外機構——學生能力國際評量計劃(the Programme for International Student Assessment，簡

稱 PISA)的相關測驗數據。PISA 評測結果指出，我國國三或高一學生在科學解釋的排名

屬前段，但在產生科學興趣與自信的排名屬後端(陳泰然，2015)。2015 年測驗結果亦指

出臺灣學生在科學素養方面表現亮眼，高居總排名第 4 名，但缺乏科學實作經驗(PISA，

2

2015)。另外在教師問卷中，將近 56％的教師表示過半數的學生從未自己設計實驗(程遠

茜，2016)。以上數據顯示我國學生對於科學這門學科可以拿到優良的成績，但在科學探

究能力與科學態度上與成績不成正比，因此需要大幅度更改目前的教學模式，除了傳授

學生理論知識外，培養學生的興趣以及改善對科學的態度是非常重要的課題。

我國目前普遍使用傳統的講述法進行教學，其為單向式的教學。以書面資料、黑板

書寫或是口頭的形式，讓學生吸收知識。有效利用教學時間，明確呈現教學主題、核心

重點與解題方法，是此教學方法的最大優勢，但是因為聲音是傳統教學唯一的刺激源，

所以容易使學生變成被動學習者，以致於課堂中心不在焉。該教學模式缺乏訓練學生語言

表達、溝通討論的技巧。此外，無法及時掌握學生的學習狀況，並針對學生的程度不同予

以個別輔導(國家教育研究院，2000)。

綜觀上述問題以及國內外研究學者的數據統計結果，研究者經過與指導教授、台北某

市立高中老師的討論後，認為結合 12 年國教新課綱的科學素養內涵，設計一項探究實作課

程，能同時滿足 12 年國教新課綱的學習內容架構及提升學生科學探究的能力並改善學生對

科學的態度。此課程站在傳統學科的基礎上，強調跨領域和自主探究、設計實驗的學習。

第二節 研究目的與問題

參考國立台灣師範大學發行之九年一貫課程─自然與生活科技學習領域科學素養

的內涵與解析，科學素養是指經由科學學習來增進能力、態度、知識三大方面的智能。

對應探究與實作課程，將此三大方面的智能詳細定義為(一) 、提供學生探究學習、問題

解決的機會並養成相關之技能的探究能力；(二) 、協助學生瞭解科學知識產生方式及養

成應用科學思考與探究習慣的科學態度與本質(三) 、引導學生學習科學知識的核心概念。

於自然領域課程中，能力與態度為學生的學習表現，即學生面對科學相關議題當下，展

現的科學探究能力與科學態度(國家教育研究院，2016)。科學知識的核心概念為學習內

3

容，即學生積累科學知識的程度。學習表現與學習內容兩者互為表裡，針對第一節提及

之教學問題，學生的學習表現於現階段為最明顯的問題。因此本研究目的不僅為設計開

發探究實作課程—螺旋結構繞射，亦研究此課程對學生的學習表現是否能有正面影響，

並針對不足部分進行課程檢討。本研究之研究目標如下：

(一)、學生的科學探究能力成長情形。

(二)、學生的科學態度成長情形。

(三)、瞭解學生對於本次課程的想法與建議。

根據上述之研究目的，將其細分為以下探討問題：

(一) 、學生探究歷程中「想像創造」能力的成長情形。

(二) 、學生探究歷程中「推理論證」能力的成長情形。

(三) 、學生探究歷程中「批判思辨」能力的成長情形。

(四) 、學生探究歷程中「建立模型」能力的成長情形。

(五) 、學生探究歷程中「觀察與定題」能力的成長情形。

(六) 、學生探究歷程中「計劃與執行」能力的成長情形。

(七) 、學生探究歷程中「分析與發現」能力的成長情形。

(八) 、學生探究歷程中「討論與傳達」能力的成長情形。

(九) 、學生科學態度「彈性」的成長情形。

(十) 、學生科學態度「客觀性」的成長情形。

(十一) 、學生科學態度「因果關係」的成長情形。

(十二) 、學生科學態度「好奇心」的成長情形。

(十三) 、學生科學態度「批判精神」的成長情形。

(十四) 、學生對於本次課程的想法與建議。

4

第三節 名詞解釋

學習表現如前節所述，包含科學探究能力與科學態度兩個子項。國家教育研究院針

對普通型高中必修課程學習表現學習重點如下進行定義解釋。

一、 科學探究能力

參考國家教育研究院十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等

學校自然科學領域（草案），將學生學習表現分為(一) 、思考智能；(二) 、問題解決兩

個範疇。其中思考智能是指能先察覺問題並找出問題的源起，再提出解決策略，進而處

理問題，最後檢討工作結果或發現可再發展的空間，能夠理解問題本身在情境中的意義

和影響。根據定義可將思考智能細分為下列四個向度。

表 1-3-1

思考智能細項內容表

項目 內容

想像創造 能獨立察覺各種自然科學問題的成因，並能依不同情況發想各種假設及可

行的解決方法，進而以個人或團體方式設計不同的實驗步驟，或創造新的

實驗方法(國家教育研究院，2016)。即能運用已學知識到自然科學問題中，

擬定可行之解決方法，進而設計實驗或發展創新的實驗方法，得到成果。

推理論證 能運用一系列的科學證據或理論，以及類比、轉換等演繹推理方式，理解

並推導自然現象的因果關係，或修正、說明自己提出的論點(國家教育研究

院，2016)。即能運用科學證據或理論推導自然現象之因果關係或能修正或

5

提出自己的論點。

批判思辨 能比較科學事實在不同論點、證據或事實解釋的合理性，並透過探索證據、

挑戰思想、回應多元觀點的過程，進行批判論點或判斷科學證據的正確性

(國家教育研究院，2016)。即能區分一個大範圍知識中每個基本概念之間

的相互關係，並能加以結合、應用判斷科學證據的正確性。

建立模型 能依據科學問題自行運思或經由合作討論來建立模型，並使用如『比擬或

抽象』的形式來描述一個系統化的科學現象。進而能分析各種模型的特性，

且了解模型可隨著對科學事物複雜關係的認知增加來修正(國家教育研究

院，2016)。即能建立科學問題之模型，並且分析各個模型之特性，透過分

析過程加深對模型的認知，進而修正此模型。

問題解決即處理問題。處理問題的第一步是要意識到問題的存在，其次是找出與問

題有關的各項變因，提出處理問題的多種策略，再選擇較適合的策略執行。能推測所選

策略執行後應有的結果及過程中所需的資源，最後整合成果並討論、分享。根據定義可

再將思考智能細分為下列四個向度。

表 1-3-2

問題解決細項內容表

項目 內容

觀察與定題 能從學習活動、日常經驗及科技運用、自然環境、書刊及網路媒體 中，

進行各種有計畫、有條理、有效率的觀察，進而察覺問題。或能依據觀

察、蒐集資料、閱讀、思考、討論等，確認並提出與生活周遭或學術探

索相關並適合科學探究或適合以科學方式尋求解決的關鍵問題(或假

6

說)。當有多個問題同時存在時，能分辨並擇定較重要之問題(或假說)(國

家教育研究院，2016)。即有計畫、有效率、有條理的觀察生活經驗、學

習活動、傳播媒體……等，從中察覺問題或使用適合之科學方式尋求生

活周遭或學術探索相關之問題解決方式，並且同時存在多個問題時能辨

別重要度之優先順序。

計劃與執行 能辨明多個的自變項或應變項並計劃適當次數的測試、嚴謹地預測活動

的可能結果和可能失敗的原因。在有限的指導下，能依據指導或個人展

現創意，依問題特性、學習資源（設備、時間、人力等）、 預期成果（包

括信效度）、對社會環境的影響等因素，有效率地規劃最佳化的實作（或

推理）探究活動或問題解決活動。或能正確安全操作適合學習階段的物

品、器材儀器、科技設備與資源。能進行精確、高效之質性觀測或數值

量測，並能視需要運用科技儀器輔助記錄(國家教育研究院，2016)。即能

辨明多個變因並且規劃適當的實驗測試次數，同時預測實驗結果並包括

可能失敗之原因，最後在有限制之環境下，有效率地規劃最佳的問題解

決方式、實作探究活動或能安全操作並進行精確又高效率的數值量測，

且能依不同環境運用科技儀器輔助紀錄。

分析與發現 能流暢運用思考智能、製作圖表、使用資訊與數學等方法，以有效整理

資訊或數據。或能運用科學原理、思考智能、數學、統計等方法，從所

得的資訊或數據，形成解釋、發現新知、獲知因果關係、理解科學問題、

解決問題、或是發現新的問題，並能將自己的結果和同學的結果或其它

相關的資訊進行比較對照，相互檢核、確認結果；如果結果不同，能進

一步探究原因(國家教育研究院，2016)。即能經由思考後，有效利用圖表、

數學……等方法整理資訊或數據，或能運用科學原理、數學統計……等

7

方式解釋所發現之新知，能得出因果關係，並能對照他人成果，相互檢

核，確認正確結果或是探究不同結果產生之原因。

討論與傳達 能理解同學(或經簡化過的科學報告)的探究過程和結果，提出合理而且較

完整的疑問或意見。並能對整個探究過程中，包括：觀察定題、推理實

作、數據信效度、資源運用、活動安全、探究結果等，進行反思、形成

評價與改善方案，作為未來改進與提升能力的基礎。或能利用口語、影

像(如攝影、錄影)、文字與圖案、繪圖或實物、科學名詞、數學公式、模

型等，表達探究之過程、發現或成果，並選擇合適的發表方式和途徑。

視需要能描述目的、特徵、方法、發現、價值、限制、運用與展望等(國

家教育研究院，2016)。即能理解他人探究過程及成果，並給予完整意件，

像是改善方法或利用言語表達、文字、圖案……等來表達探究過程及成

果。

二、 科學態度

不同階段學者對科學態度的詮釋略有不同(林世娟、何小曼，2002)，其中好奇心、

批判思考等同性質定義在各學者詮釋中多次出現，因此推斷好奇心為探究科學之起源，

有了好奇心才開始思考問題發生緣由，最後經由思考進行批判。於十二年國民基本教育

課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域(草案)中科學態度僅為一個大

的學習表現框架，而其子項培養科學探究的興趣、養成應用科學思考與探究的習慣、認

識科學的本質，以紙筆測驗進行評量有困難。如前所述，學者對科學態度定義方式不勝

枚舉，例如：陳英豪等人發展之科學態度定義，且有他們自己的評量表。本研究亦使用

陳英豪等人發展之科學態度定義，並制定本研究所需之評量表進行評量。此種定義方式

不僅容易在紙筆測驗中進行評量，亦普及被引用於現今不少研究論文中。其將科學態度

8

定義為個人能運用科學的方法來思考或探究科學的知識，並於日常生活中應用這些知識

的意願、習慣及處置方式之總稱，因此將科學態度分為(一)、彈性；(二)、客觀性。(三)、

因果關係；(四)、好奇心；(五)、批判精神五大類（陳英豪、葉懋 、李坤崇、李明淑、

邱美華，1991）。

表 1-3-3

科學態度內容表

項目 內容

彈性 思想新穎，思考性之工作，學生是否常有新奇的想法，會以不尋常的方法使

用器材或設計新實驗來做新的思量(陳英豪等人，1991)。即能有新穎的思考，

對於問題能抱持懷疑態度，並嘗試下新結論。

客觀性 對一個問題會考慮正、反面，對於實驗結果或別人的意見甚至批評都能虛心

接受並評估，有實事求是的表現(陳英豪等人，1991)。即對於每一個問題能

夠從正、反兩面去思考，並完整提出自己的想法，同時能開朗接受他人所給

予的意見與批評，完整體認現實。

因果關係 將零星的科學知識統合為較完整的理論體系，並探尋相互之間的關係，有探

討成因及解釋結果之興趣(陳英豪等人，1991)。即能統合零星知識，並有探

尋其間的成因、關係及形成解釋之興趣。

好奇心 對新的觀念不會馬上拒絕，還會仔細考究其可行性，對各種實驗結果感到興

趣，並願意去探尋。常用不同的感官來探索周圍世界，並經常發問(陳英豪

等人，1991)。即對新觀念有興趣去探尋，並且經常發問，同時對於自然科

學實驗與研究保持興趣。

批判精神 學生是否能根據決定下結論？能區辨假說與解釋。有「大膽假設，小心求證」

9

的習慣，能從同學所下結論的矛盾中指出不相符之處(陳英豪等人，1991)。

即根據事實下結論，能指出他人結論矛盾之處亦能區辨假說與解釋。

第四節 研究範圍與限制

本研究以光的繞射現象為主軸設計一系列相關探究實驗課程，研究結果不宜推論至

其他主題，亦不適宜推至母群體或是其他族群。

素養試題設計時需考核其探究的流暢性，並且少許能力與態度涵蓋的內容豐富，不

能僅以單一次的素養試題測驗斷定結果。研究結果僅供課程修正之參考與可能的結果。

10

第二章 文獻探討

去氧核糖酸(DNA)的發現是人類史上最主要的科學研究之一。華生與克里克因解析

其雙股螺旋結構而榮獲諾貝爾獎(The Nobel Prize in Physiology or Medicine，1962)。螺旋

結構繞射課程以水波槽觀察波的特性起頭，用簡單的單狹縫繞射實驗使學生理解光學繞

射現象的相關知識與公式。接著，比較其與細線繞射的差異，並利用漆包線相關物理量

測量學會如何使用繞射公式，進階至彈簧繞射。最後結合雙股螺旋模型，瞭解 X-射線

為何能讓人們得知生物分子的三度空間結構。本章內容包含第一節「知識架構」、第二

節「課程架構」、第三節「教學方法」、第四節「課程安排與內容」、第五節「物理相關

文獻探討」。

第一節 知識架構

根據國家教育研究院 105 年 2 月 4 日第二版本─「十二年國民基本教育課程綱要

國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域(草案)」所規劃的學習內容，著手本次

課程設計。

表 2-1-1

波動、光與聲音學習內容說明表(國家教育研究院，2015)

標題 主要內容 內容說明

波動

與聲

音

波的傳播 1-1 波僅傳播能量不傳遞介質。

1-2 波分為縱波與橫波兩種。

1-3 說明聲波的傳遞。

振動與波 2-1 力學波必須依靠介質傳播。

週期波 3-1 以正弦波定義專有名詞(如：波長、頻率…….

11

等)並說明其間關係。

波的反射與透射 4-1 反射和透射現象。

波的疊加原理 5-1 說明波的疊加原理。

5-2 並非所有波都能滿足疊加原理。

5-3 水波的干涉。

駐波 6-1 性質以及如何產生。

6-2 定義專有名詞(波腹、波節)，並說明其與波長

關係。

基音和泛音 7-1 說明基音與泛音。

聲音的共振 8-1 自然頻率。

8-2 利用實例說明共振的現象。

惠更斯原理 9-1 介紹波前的概念。

9-2 介紹惠更斯原理。

光學 光的波動說 1-1 光的波動性。

折射現象及全反射 2-1 司乃耳定律。

2-2 色散現象。

2-3 全反射現象。

透鏡原理 3-1 透鏡公式與成像的關係。

3-2 透鏡應用。

光的干涉與繞射現

象

4-1 利用疊加原理說明光的干涉現象。

4-2 利用惠更斯原理說明光的繞射現象。

上表 2-1-1 為物理科─普通型高級中等學校針對〈波〉的學習內容，表中黃底醒目

12

提示標示的項目為螺旋結構繞射課程涵蓋的知識內容，並以波的特性(疊加原理、水波

的干涉、惠更斯原理、光的波動說、光的干涉與繞射現象)作為課程的核心概念。

圖 2-1-1 知識架構圖

以雷射光照射細彈簧模擬 X-ray 照射 DNA 的繞射現象作為主題，引導學生探究繞

射現象、理解繞射原理，並且應用至解析物質的結構，體現科學家發現 DNA 雙股螺旋

結構的歷程，從中瞭解波的特性。如圖 2-1-1 呈現的知識架構。研究者將課程知識架構

分為四個階段，包含(一)、水波觀察；(二)、單狹縫繞射；(三)、細線繞射；(四)、彈簧

繞射。

第一階段的水波觀察是藉由學生觀察生活中的水波繞射現象，並瞭解何謂疊加現象、

何謂惠更斯原理，最終明白繞射現象的產生原因。考慮學生以肉眼直接觀察光的繞射現

象不易理解波的疊加過程，以水代替光作為繞射現象的觀察項目。通過水波繞射，讓學

生清楚地察看波的疊加過程。觀察過程中，引導學生以口述方式，明確地描述自己看到

的現象並提出與疊加原理、惠更斯原理相關的問題或想法。在上述的前提下，教師可以

進一步提示學生該現象之物理專有名詞，作為利用網路資源搜尋資料的根據。最後讓各

組學生上臺報告，與其他組別分享研究成果。

疊加現象

繞射現象

惠更斯原理

波的特性

單狹縫繞射

細線繞射

彈簧繞射

水波繞射觀察

DNA 結構

繞射公式

繞射公式應用

現象比較

13

第二階段為單狹縫繞射。本階段讓學生透過實驗找出影響中央亮帶的因素，進而建

構繞射現象的物理相關知識以及繞射公式。下圖 2-1-2 為課程使用的套組器材。

圖 2-1-2 器材示意圖

課程使用之器材為五條不同寬度的單狹縫(黑色部分)，圖中與之對應的則是五條不

同寬度的細線(透明部分)。黑色部分與透明部分相互對應之單狹縫與細線的直徑寬度相

同。學生運用一未知雷射光(𝜆)打在單狹縫(b)上，找尋影響繞射圖案的條件有哪些。找

出變因後，分別進行 5 個不同狹縫寬度與不同距離(r)(狹縫與屏幕的距離)的繞射實驗，

找出狹縫寬度(b)以及屏幕到狹縫的距離(r)與中央亮紋寬度的正反比關係。實驗至此階段，

學生可以得出中央亮紋寬度( )與屏幕到狹縫的距離(r)成正比，但與狹縫寬度(b)成反

比，關係式如下：

Δ𝑦 ∝𝑟𝑏

接著，訓練學生想像實驗。在只有一、兩種雷射筆的情況下，學生必須設法改變實

驗設計或是利用數學方法找出雷射光的波長(𝜆)與中央亮帶的寬度( )的數學關係。在

該條件下，課程安排因次分析的介紹。透過因次分析學生能得知如下關係式：

Δ𝑦 ∝𝜆𝑟𝑏

求得繞射公式的最後一步是尋找比例常數，Δ𝑦與!"!成正比關係，但不代表是等價關

Δy

yΔ

14

係。課程中引導學生將Δy視為前所述之 x 項，而!!!則為 y 項。利用 Microsoft Office Excel

計算兩者之間的公測量(k)。常數計算結果如下：

Δ𝑦 = 𝐾𝜆𝑟𝑏        𝐾 ≈ 2

第三階段是細線繞射。此階段讓學生發現單狹縫繞射與細線繞射之繞射圖形相同與

相異處，搭配漆包線直徑測量實驗，練習應用繞射公式。在觀察過程中，利用上圖 2-1-2

器材找出細線繞射與單狹縫繞射的繞射圖形關係。學生可以很容易的發現細線繞射的繞

射圖形與單狹縫繞射的繞射圖案十分相似並。基於細線繞射與單狹縫繞射之繞射圖形的

能量分部情況相同，學生可以憑藉第二階段單狹縫繞射實驗推演而形成之繞射公式進行

簡易的測量實驗。研究者在本階段準備多種不同直徑的漆包線，並確保不透露各線的直

徑長度給學習者，讓各組學員自由選擇該組想量測的長度並進行測量。本階段採用螺旋

測微器直接量測漆包線寬度直徑的結果與實驗數據進行比對，藉此加深學生對實驗結果

的信任。

最後彈簧繞射讓學生瞭解如何從X形狀的繞射圖型瞭解彈簧的結構以及物理參數。

將漆包線組合或扭曲，查看不同形狀的繞射結果，即從實驗發現光柵產生的繞射條紋明

暗帶排列方向與原始光柵的排列方向垂直。透過投影的方式讓學生理解彈簧與繞射圖型

的關係，如下圖 2-1-3 所示：

圖 2-1-3 繞射圖形結合螺旋結構

在瞭解彈簧幾何形狀與繞射圖形的關係後開始實驗，並搭配單狹縫繞射實驗中建構

15

的數學關係式以及螺旋原理求得彈簧螺旋距離。最後以電腦軟體Tracker進行實際量測，

讓學生比較實驗值與理論值的差異。

第二節 課程架構

讓學生瞭解科學家研究自然界的方法，並從課程中習得相關知識是探究與實作課程

的內涵(簡頌沛、許瑛玿，2015)。依照 106 年 6 月第四版本十二年國民基本教育課程綱

要自然科學領域課程手冊(初稿)，並參考國家教育研究院 105 年 2 月 4 日第二版本─「十

二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域(草案)」對

認知能力的描述安排課程的整體架構。探究與實作學習以問題或議題切入，讓學生從實

作中找出問題，並根據問題的特性、現有的資源、期望的成果等因素，進行自然科學探

究活動，最後發表探究的成果。

探究與實作學習內容分為發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享四個區

塊(國家教育研究院，2017)。首先，發現問題定義如下：基於好奇、求知或需要，觀察

生活周遭和外在世界的現象，察覺可探究的問題，進而蒐集整理所需的資訊，釐清並訂

定可解決或可測試的研究問題，預測可能的結果，提出想法、假說或模型(國家教育研

究院，2017)。因此，課程的第一階段為現象觀察。從辨識現象的特性，引導學生進行

小組討論並推測可能的成因，進而發現問題。依據觀察所得問題，進一步利用網路資源

收集相關文獻、進行資料比較，最後提出適合科學探究的假說。

第二部部分的設計實驗與解決問題定義為根據提出的問題，擬定研究計畫和進度。

辨明影響結果的變因，選擇或設計適當的工具或儀器觀測，以獲得有效的資料數據，或

根據預期目標並經由測試結果檢視最佳化條件(國家教育研究院，2017)。合作學習是教

師普遍能接受的一種教學模式，其良性的競爭可以提升班級的學習氣氛(陳俐燁，2010)。

因此課程中讓學生以組為單位，進行變因尋找，並分析各因素之間的關係、預測可能的

16

實驗結果。各組按照研究主題擬定實驗方法、流程、適當的紀錄表格與實驗中需要的材

料、設備。最後才開始操作實驗。

論證與建模是指分析資料數據以提出科學主張或結論、發現新知或找出解決方案。

發展模型以呈現或預測各因素之間的關係。檢核資料數據與其他研究結果的異同，以提

高結果的可信度，並察覺探究的限制(國家教育研究院，2017)。實驗數據收集完成後，

各組使用電腦軟體或是數學等方法整理實驗數據、製作圖表。與組員一起分析討論由數

據與圖表顯示的結論，並推測可能的因果關係，形成解釋。透過研究結果檢核實驗前各

組提出的假說是否相同。最後，經實驗結果建立合理的模型，以描述各組所觀察的現象。

運用適當的溝通工具呈現重要發現，與他人分享科學新知與想法，推廣個人或團隊

的研究成果(國家教育研究院，2017)。是表達與分享的學習內容。實驗結束後各小組上

台報告，交流彼此學習心得。心得內容包含實驗設計的方法、實驗歷程、探究中遭遇的

困難，以此進行同儕間的相互學習，從各組的經驗發現新的方法來解決問題。課程的架

構如下圖 2-2-1 呈現。

17

圖 2-2-1 課程架構圖

教師需在每週課程開始之前收集學生上傳至 Google classroom 的問題，於課堂一開

實驗操作

結果分析與討論

實驗設計

辨識觀察

搜尋資料

驗證假說

完成學習單

建構知識

前次課程回顧並回答學生課後問題

○1

○2

○3

符合假說

違背假說

實驗操作不當

實驗設計有誤

正確結果

提出假說

課堂報告

獲得結論

發現問題

規劃與研究

論證與建模

表達與分享

18

始回答學生，並且回顧前一節課的學習重點，幫助學生回憶科學知識。課程中現象觀察

活動以現場實驗或是影片來呈現，活動中不斷詢問並引導學生描述自己看到的現象。讓

學生從現象中提出假說去驗證知識。透過設計實驗、操作實驗學生可以體會如何規劃與

研究問題，以數據分析與修正實驗學會如何得出問題答案、獲得實驗成果。最後，經由

實驗成果驗證實驗前提出的假說建構相關知識概念。課後利用課餘時間回顧實驗過程、

上網蒐集資料整理本週習得的知識，完成學習單。

課程架構中有些預設性的迴路，對照圖中○1 ○2 ○3 條路線分別對應編號(一)(二)(三) 。

於實驗結束後，小組討論該次實驗取得的實驗數據準確與否，並且讓學生上網搜尋理論

值，將理論值與實驗值進行對照。在理論值與實驗值差異過大的情況下，引導學生討論

導致結果不準確的可能原因，從而修正實驗。依照檢討結果確認誤差來源為路線(一)、

實驗架設設計問題，或是路線(二)、實驗操作有疏失之處。當取得實驗結果後，與假說

進行對比，查看是否相符。若結果不相符，可經由路線(三) 、重新修正假說，再一次進

行實驗。透過多次實驗與假說的修正，獲得最後結論、建立模型。

在這過程中，學生不僅體會科學探究的歷程，亦透過自主實驗加深對知識的記憶。

最後利用課前已設計好的課後學習單，幫助學生整理每一堂課學會的知識，並且進行記

錄，作為背景知識輔助之後的實驗。

第三節 教學方法

探究與實作課程可以區分成探究、實作兩個面向。探究即科學的一種思考方法。教

師在學生的學習過程中引導學生提出問題，且設立假說。學生擬定實驗設法驗證自己的

假說並獲得結論(張清濱，2002)。實作是學生學習的過程。Dewey 提出 learning by doing，

即作中學的教學方式(Dewey，1910)。換言之，動腦(mind on)與動手(hands-on)皆為探究

與實作教學的重要環節(NRC，1996；陳毓凱、洪振方，2007)。

19

一、 探究式教學的內涵

探究式教學主要內容為科學探究活動(Abd-El-Khalick et al，2004；Keys&Bryan，

2001)。科學探究於美國國家研究委員會定義為研究自然世界，並以研究中獲得的證據

進行解釋之過程(NRC，1996)。即讓學生學習科學家是如何進行實驗，並親身體驗類似

的科學活動(Sandoval，2005)。依照 Tamir(1991)、Colburn(2000)的論點，可將科學探究

分為四個等級。依序為(一)、食譜式實驗；(二)、結構式實驗；(三)、引導式實驗；(四)、

開放式實驗。

探究教學活動不應僅止於按照既定流程操作，必須讓學生有自行設計研究方法進行

探討(Edwards，1997)但考量當今尚有過半數的學生未曾體驗探究歷程且無實作經驗，開

放式探究時學生擬定的實作主題會過於簡單(白佩宜，2009)。並且課程中希望透過學生

的課堂報告進行組間的成果交流，研究者不考慮以開放式實驗進行探究。綜合上述研究

者提供學生研究問題以及器材，讓學生自行設計實驗、發展解決問題的方法，以引導式

實驗層級的內涵讓學生進行科學探究。

學生於此種教學方式中易將過去成長經驗、既有知識，甚至是衝突帶入新的課程內

容，設法解釋課堂中接觸的新資訊(Linn、Clark、Slotta，2013；簡頌沛、許瑛玿，2015) ，

因此在教學中需包含四個過程：(一)、引出學生既有想法，使學習者有機會重反思原有

的想法。(二)、教師提供新想法，以便學生認識特定主題。(三)、師生共同建立判斷標

準，幫助學生能使用證據區辨各個想法的可信度。(四)、區辨想法，建立標準以辨別不

同想法中的異、同之處 (Slotta、Linn，2009；簡頌沛、許瑛玿，2015)。

二、 授課方式

本研究使用之教學結合現行課程以及科學探究並輔以網路科技進行探究教學。以學

生的探究活動為重心，利用現行課程安排合宜的情境，仿專題式課程並輔以網路科技進

20

行。如下 2-3-1 示意圖呈現。

圖 2-3-1 教學方法示意圖

科學探究教學與現行課程的結合為 Project Based Learning(Gwen Solomon， 2003)，

中文稱為專題式課程或科學專題課程(簡頌沛、許瑛玿，2015)。課程按照專題導向探究

(Project Based Inquiry)方式進行，並建立在科學家的探究過程以及課綱內容的教學基礎

兩個面向(洪振方，2003)。透過課程活動的經驗與練習，讓學生增進探究所需的能力

(Basaga、Geban、Tekkaya，1994)。學生學習流程依序為：(一)、找出主題，也就是讓

學生從真實情境中觀察現象，找出問題，並從問題中引導學生訂定研究主題。(二)、設

計題目，依照確立的主題方向，制定研究題目。本次課程為讓全班學生能於報告中進行

各組間的研究成果檢核交流，於研究主題部分已制定一全班共同的主題。因此，課堂中

如何激發學生對影響繞射圖型方法之興趣是一重要的課題。(三)、規劃行動方案，讓學

生設計自己的實驗裝置，並且辨明出該紀錄有哪些重要數據。(四)、透過實驗進行資料

數據收集。(五)、執行問題解決。(六)、建立決策行動。(七)、完成探究歷程。(八)、提

供學習方式。在這個過程中學生是主體，教師是鷹架，協助學生統整每節課所學的內容，

並且在學生遇到挫折時鼓勵他們繼續探究，強調以同儕合作的方式學習知識和技能的建

現行課程 (波的特性)

科技融入教學

(網路教室) (資料搜尋)

科學探究教學

輔助

21

構(徐新逸，2001)。課程實施於台北某市立高中的物理實驗教室，讓學生有足夠的機會

去使用實驗器材，以建構知識與相關概念(Kipnis、Hofstein，2008)。

現行課程與網路科技的結合是翻轉教室的一種教學方法，而科學探究教學與科技融

入教學的結合為網路專題式教學。本次教學中並無大規模將科技融入教學，卻大量使用

科技輔助課程進行。透過科技的輔助幫助學生利用多元的管道取得相關資訊，獲得更多

面的學習(岳修平、 鐘婉莉，2005)。學生於課堂時間充分進行實驗與分析討論，並獲得

更多師生間的互動，解決個別問題(黃國禎，2016) 。課堂外的時間則利用網路資源搜尋

資料，完成自己的實驗學習單以繳交作業，老師每週會公布各組成果，提供學生進行同

儕間相互參考、討論、學習的管道。國外目前常用的教學平台為 Google Classroom

(Logofatu、Visan、Ungureanu，2015) ，因此本次課程選擇此平台嘗試簡易的課程資訊

發布、作業繳交以及同儕討論與回饋。考慮到學生不同的經濟狀況，教師會於課堂中提

供筆電給無法準備電腦的學生，課後亦可利用學校圖書館設備登入該平台。

三、 探究式教學與傳統教學比較

探究式教學相比傳統教學，探究式教學讓學生在學習過程中參與分析並善用各科所

學訊息、資料與知識，在實作體驗中有更深度學習(國家教育研究院電子報第 134 期，

2016 )。但在課程中會消耗數倍的課程時間。除此之外，探究式教學和傳統教學的差異

不僅教師的角色不同，學生的角色也有所不同。

22

表 2-3-1

探究式教學與傳統教學的比較(Aerson，2002)

教

師

角

色

探究

式教

學

促進輔導

者

協助學生處理訊息。

幫助小組溝通討論。

輔助學生操作實驗。

引導學生進行思考。

彈性應用學習教材。

傳統

教學

知識分配

者

傳達課本知識訊息。

與學生個別的溝通。

指導學生如何行動。

解釋概念間的關係。

直接使用相關課本。

課本知識是不變的。

學

生

角

色

探究

式教

學

自我學習

者

統合訊息、分析數據。

提出假說、解釋現象。

設計實驗、自主操作。

找出答案、分享成果。

傳統

教學

被動學習

者

接收資訊。

記憶知識。

遵循教師。

尊重權威。

從表中可以得知教師從原本的知識分配者，變為實驗輔導者；學生則從接收者變為

23

指導者。傳統教學中教師的角色較為單一，僅以傳授知識為主。然而探究式教學中，教

師的角色則多元許多，除引導者外亦是學習者(鄒佳芬，2007)。

第四節 課程安排與內容

因課程實施於台北某市立高中高一多元選修課程，研究者須配合該校可進行課程的

時間將各個主題概念切分，安排進度、落實課程。如下表 2-4-1 呈現之主題。

表 2-4-1

課程單元及時間表

課堂次數 實行日期 單元主題 知識架構對應

一 09/01 課程分組與課程介紹

二 09/08 繞射觀察：水波現象與波動原理 水波觀察

三 09/15 尋找單狹縫繞射實驗變因 單狹縫繞射

四 09/22 單狹縫繞射公式建構與實驗操作 1 單狹縫繞射

五 09/29 單狹縫繞射公式建構與實驗操作 2 單狹縫繞射

六 10/06 單狹縫繞射公式建構與實驗操作 3 單狹縫繞射

七 10/27 單狹縫繞射公式建構與實驗操作 4 單狹縫繞射

八 11/10 單狹縫繞射公式建構與實驗操作 5 單狹縫繞射

九 11/24 細線繞射與測微工具 1 細線繞射

十 12/01 細線繞射與測微工具 2 細線繞射

十一 12/08 細線繞射與測微工具 3 細線繞射

十二 12/15 彈簧繞射實驗與 Tacker 介紹 1 彈簧繞射

24

十三 12/22 彈簧繞射實驗與 Tacker 介紹 2

期末報告準備

彈簧繞射

十四 12/29 學校成果發表，學生報告與教學

下面依照表格中每一個單元主題進行課程目標以及內容說明，並且附上課程的流程

圖以及時間安排表。

一、 分組與課程介紹

螺旋結構繞射課程的教學目標為帶領同學慢慢熟悉科學探索的每一個步驟，並養成

探究的習慣，亦期盼學生能對科學現象更為敏銳，且能迅速朝正確的方向搜尋資料。但

是，在進行科學探究時，伙伴的互相支援、交流也是非常必要的。因此，本單元中培訓

學生如何尋求同儕協助的能力。

大地遊戲可以帶動氣氛也可以增進學生之間的熟悉度(范惠華，2007)，參考多種大

地遊戲並融合分組活動進而設計了關於認識科學家的分組遊戲。第一次課程開場時，利

用簡單的遊戲勾起學生對此門課程的興趣，並從遊戲中瞭解全班的同學都可以成為互相

協助、互相學習的夥伴，活動過程滿足一個極為簡易的探究歷程，同時完成分配組別。

科學探究是針對未知的事物進行探究，所以給予學生的提示皆為他們國中階段不會

接觸到的內容。在分組同時讓學生上網搜尋他們手中所得的提示，利用網路資源取得資

訊與答案，經由討論確認結果，找出自己的組員。

本堂課程的第二階段是訓練學生分享成果的能力，並於過程中認識自己的組員。在

大地遊戲結束後同組成員開始交流、整理彼此在遊戲中得到的資訊，並且互相自我介紹，

最後上台介紹自己的組員及代表科學家。授課流程設計如下圖 2-4-1 呈現。

25

圖 2-4-1 課程分組與課程介紹課程架構圖

課程前教師的準備工作為：(一)、完成課程簡報。簡報內容包含課程大綱、課程介

紹、八組科學家照片以及 Google classroom 的使用說明。(二)、分配完成各組成員(此次

課程共 16 位，兩人一組共分八組)。(三)、設計提示內容。給予每一位同學該組別的相

關資訊。例如：本次課程利用科學家為組別名稱，因此給予學生的訊息則為該科學家的

成就、貢獻、實驗…….等。(四)、完成名牌。讓學生去探尋該資訊對應之科學家。大地

遊戲中使用的提示名牌如附錄四呈現。(五)、開設完成 Google classroom，並且將合作教

師加入共同合作者，方便每位教師批改、閱讀學生作業。課堂中教師協助學生蒐集資料，

並鼓勵或幫助學生進行討論及報告科學家的生平經歷和成就。

準備課程簡報、分組名單及大地遊戲需對應之科學家、學生名牌

學生領取名牌

組員互相認識,並學習上網尋找該名科學家相關資料

學生上台報告介紹科學家及介紹同組同學

課堂規定及繳交作業方式講解

並練習使用 Google classroom 繳交作業

正確結果

分組完成

錯誤結果

作業繳交與

課堂規定解

課前準備

課堂報告

蒐集資料

提出假說

驗證假說

建構知識

蒐集資料

分組活動

課堂報告

課程講解

資料收集與判斷

修正

26

表 2-4-2

課程分組與課程介紹詳細時間安排及內容說明表

課程內容 時間安排

(一)、分組活動：

1.學生排隊領取遊戲使用之名牌。

2.學生使用手機或是電腦上網搜尋得到的資訊，提出可能的科學家

是誰。

3.同儕討論，確認自己搜尋的結果，並找到組員。

20 分鐘

(二)、課堂報告(一組五分鐘)：

1.組員間相互自介紹。

2.組員一起討論大地遊戲中各自取得的資料，並共同整理一份簡短

的口頭報告。

3. 採取介紹對方的方式介紹組員，讓每位學生都有發表機會。

4.介紹代表科學家的生平與貢獻。

50 分鐘

(三)、課程講解：

1.打開課程代碼讓學生於課堂中直接加入課程。

2.現場示範操作一次如何繳交作業。

3. 學生上傳自己的班級、姓名與座號，練習繳交作業。

30 分鐘

二、 繞射觀察：水波現象與波動原理

本次活動透過水波槽實驗期望學生能藉由觀察肉眼可見的水波，了解波的特性。課

27

程中讓學生利用網路資源搜尋資料，並分組討論個人收集之資訊、進行訊息的過濾篩選、

整理課堂報告。學生可以透過網路資料收集、小組討論以及課堂分組報告理解惠更斯原

理與疊加原理，並連結至單狹縫繞射，瞭解何謂繞射現象。觀察活動開始之前，讓學生

認識本次實驗器材─水波槽，並回顧國中已學概念：直線起波源產生直線波，點波原則

產生圓形波。活動分為兩部分的觀察，第一部分對應的知識概念為惠更斯原理與疊加原

理，第二部分是繞射現象。

第一部分觀察過程中學生自由提出各自觀察到的現象並作為假說。教師依照學生提

出假說的內容將學生分為兩大組，分別以惠更斯原理和疊加原理作為主題，讓同組同學

一起上網搜尋資料、討論整理，並嘗試解釋驗證各組提出的假說，最後上台報告。以上

流程培養學生與他人溝通協調合作學習探究科學的能力以及成果表達與分享的能力。第

二部分則因時間關係，學生自由提出各自觀察到的現象後，各自提出假說進行資料收集，

瞭解繞射現象。授課流程設計如下圖 2-4-2 呈現。

28

圖 2-4-2 水波現象與波動原理連結單狹縫課程架構圖

課程前教師需準備課程簡報和學習單。課程簡報內容包含惠更斯原理、疊加原理、

單狹縫實驗裝置圖片、繞射圖型圖片，課後學習單問題詳細見附錄一。為使課程流程能

流暢不中斷，課堂開始前事先架設完成水波槽，並且完成一次實驗，確認儀器穩定無故

準備課後學習單及架設水波槽

學生分兩大組分別觀察兩個水波槽

兩組分別搜尋波的疊加現象和惠更斯原理之資料

水波觀察連結繞射現象

有

了解水波現象

無

是

學生上台報告講解

否

引導思考

完成課程學習單

搜尋資料

課堂報告

辨識現象、

搜尋資料、

建構知識

課後知識統

課前準備

辨識觀察

獲得結論

水波槽觀察

蒐集資料

課堂報告 繞射現象

學生是否發問

老師發問

確認學生是否理解

29

障。因應學校擁有的器材數量，本次課程 8 人一組，共 2 個組別。分組方式以原有的 8

個組別 1-4 組為第一大組 5-8 組為第二大組，口頭報告亦依照此方式分組。

第一部分觀察以直線起波器產生之直線波開始，學生會看到水波投影後亮暗相間的

條紋，亮的部分對應凸起的水波，暗的部分對應凹下的水波。接著改為單一點狀起波器，

讓學生察覺無論是直線或單一點狀起波器起波，亮點與暗點都會連成一條一條的線(一

直線條紋或一圈一圈的條紋)。最後，以兩點波源同時起波，並與單一點波源起波進行

比較，幫助學生發現波有相消與相長的現象。第二部分觀察實驗一樣分別用直線和單一

點起波器起波，但是差別在本次實驗水波槽中間放上兩方型木塊障礙物，做成狹縫形狀，

並給予學生自由調整兩木塊之間的寬度、角度和相對位置，觀察水波通過障礙物後形狀

的改變以及兩木塊之間寬度、角度和相對位置不同所造成的波形變化之機會。

課程中教師激發學生對波是如何傳播的好奇心、協助學生理解網路資料，並且在學

生課堂報告中給予學生引導，協助學生思考。

表 2-4-3

繞射觀察：水波現象與波動原理詳細時間安排及內容說明表

課程內容 時間安排

(一)、水波槽觀察：

1.將學生分為兩大組，以直線起波器讓學生觀察波的形狀。

2.改為般一點波源讓學生觀察其與直線起波器相同處或是相

異處。

3.改為兩個點波源讓學生觀察其與單一點波源相同處或是相

異處。

40 分鐘

30

(二)、搜尋資料：

1.兩組學生分別上網搜尋惠更斯原理和疊加原理，並討論彼此

搜尋得到的資訊，得出最後最佳的解答方式。

30 分鐘

(三)、課堂報告：

1.各組推派代表上台分享、報告，讓同儕彼此互相學習。

2.剩餘同學自由提出問題，相互刺激思考，更深入了解。

10 分鐘

(四)、繞射現象：

1.以直線起波器搭配障礙物讓學生觀察波的形狀改變。

2.改為單一點波源搭配障礙物讓學生觀察與直線起波器相同

處或是相異處。

3. 讓學生去搜尋繞射的相關資料，並討論彼此搜尋得到的資

訊，連結繞射現象。

20 分鐘

三、 單狹縫繞射公式建構與實驗操作

本活動以短片介紹前人利用 X 射線照射 DNA 得到的繞射圖形，發現其結構為雙股

螺旋結構的歷程作為開場。透過前人建立 DNA 結構的方法，了解完整的探究過程。但

是，學生需要了解繞射圖型與被繞射物體的關係是什麼，才能進行後續以彈簧模擬 DNA

繞射的實驗。因此，以單狹縫繞射實驗的活動，讓學生在實驗中由雷射光觀察單狹縫繞

射結果建構數學關係式。

本活動的目的不僅讓學生瞭解何謂光的繞射現象，更為提供學生體驗實驗物理學家如何

由實驗數據分析獲取結果與問題解決的訓練機會。教學內容包含四大重點。(一)、讓學

生認識如何辨明變因。在實驗過程中一次只能變動一個因素是一個重要的觀念，但是對

31

於缺乏實作經驗的學生來說，容易在不知情的情況下一次調整多項實驗條件。因此，課

程中教師引導學生發現：多個因素一起改會無法確定是何項因素影響實驗結果。(二)、

讓學生認識如何設計實驗，並且學會辨識實驗中需要紀錄的重要數值。活動進行的過程

中教師引導學生如何擬定研究計畫，再經由小組討論，完成實驗流程規劃及數據紀錄表

格。(三)、實驗結束後讓學生認識如何進行數據整理並且驗證假說或是下新結論。教師

介紹相關電腦軟體及數學方法，協助學生整理實驗數據得到實驗成果。(四)、培養學生

與他人溝通協調的能力合作學習探究科學。本次課程分為 5 次進行，授課流程設計如下

圖 2-4-3 呈現。

32

圖 2-4-3 單狹縫繞射公式建構與實驗操作課程架構圖

課程前教師事先準備完成課後學習單。課後學習單問題詳細見附錄一。課堂中各組

操作器材觀察單狹縫繞射現象，找出影響繞射條紋寬度之因素，並根據各組提出的條件，

引導學生訂定研究計畫與流程。學生經由小組討論選擇適當的測量方法和器材，各組設計

自己的紀錄格式，並且詳實記錄，以此獲得有效的資料數據。活動進行時依照學生進度介

準備課後學習單與狹縫繞射裝置

學生自行組裝實驗

調整不同變因找出正反比關係式

各組報告討論

尋找影響中央亮帶寬度的因素

學生共同討論結果

完成課程學習單

數據分析用電腦軟體和數學工具教學

提出假說

輔助工具教學

實驗設計、

實驗操作、

結果分析與討

論、

獲得結論

課後知識統整

課前準備

辨識現象 尋找變因

工具教學

關係式建立

課堂報告

無共識

建立公式 數據不足

實驗值與理論值比較 驗證假說、

建構知識

數據比較

誤差過大

共識

修正實驗

合理誤差

課堂報告

33

紹相關的資訊與數學等方法，協助學生有效地整理數據資料，最後製作出數據圖表，獲得

變因間的數學關係。

表 2-4-4

單狹縫繞射公式建構與實驗操作 1 詳細時間安排及內容說明表

課程內容 時間安排

(一)、尋找變因：

1.各組學生嘗試架設自己的儀器。

2.實際操作儀器，尋找會影響中央亮帶寬度的因素。

3.各組學生提出觀察結果、全班學生進行討論。若有無法達成

共識的意見則針對該項目再次觀察，得出每組學員都同意的結論。

30 分鐘

(二)、工具教學：

1.老師實際操作 Microsoft Office Excel 示範一次完整的繪圖流

程。

10 分鐘

(三)、關係式建立：

1.本次統一改變變因─屏幕與狹縫之間距離，學生自己設計實

驗方式以及需記錄之數值，後使用電腦作圖並求得數學關係式。

50 分鐘

(四)、課堂報告：

1.各組推派代表上台與其他同學分享其實驗設計、數據圖和數

學關係式。

10 分鐘

34

表 2-4-5

單狹縫繞射公式建構與實驗操作 2 詳細時間安排及內容說明表

課程內容 時間安排

(一)、關係式建立：

1.本次統一改變變因─狹縫寬度，學生自己設計實驗方式以及

需記錄之數值，後使用電腦作圖並求得數學關係式。

2.統合前一次課程的數據，將得出中央亮帶與屏幕與狹縫之間

距離、狹縫寬度兩條數學關係式合併為一個數學式子

80 分鐘

(二)、課堂報告：

1.各組推派代表上台與其他同學分享其實驗設計、數據圖和數

學關係式。

20 分鐘

表 2-4-6

單狹縫繞射公式建構與實驗操作 3 詳細時間安排及內容說明表

課程內容 時間安排

(一)、工具教學：

1.因次分析概念講解。

2.利用單擺實驗例子讓學生進行因次分析範例練習。

3.實際分析光的繞射關係式子，找出缺漏的變因。

50 分鐘

(二)、關係式建立：

1.本次統一改變變因─入射光波長，學生自己設計實驗方式和

需記錄之數值，後使用電腦作圖並求得綠光波長。

40 分鐘

35

2.驗證因次分析的結果。

(三)、求出 K 常數之數值：

1.利用 Microsoft Office Excel 軟體求得常數 K 值。

10 分鐘

表 2-4-7

單狹縫繞射公式建構與實驗操作 4 詳細時間安排及內容說明表

課程內容 時間安排

(一)、關係式建立：

1.補足缺漏數值，或是數據量不夠的實驗。

60 分鐘

(二)、課堂報告：

1.各組推派代表上台與另外一組同學分享其實驗設計、數據圖

和數學關係式。

20 分鐘

(三)、數據比較：

1.比較理論值與實驗值的結果差異，討論誤差來源。

20 分鐘

表 2-4-8

單狹縫繞射公式建構與實驗操作 5 詳細時間安排及內容說明表

課程內容 時間安排

(一)、關係式建立：

1.根據前一節課的討論結果，修正實驗再次計算 K 值。

50 分鐘

36

四、 細線繞射與測微工具

教師鼓勵學生藉由實驗操作進行現象探索、對照、比較，並讓學員經由思考後得到

相關知識有助於學習者對知識的記憶，並且能促進回想有用的相關資訊(J.Bruner，不可

考)。因此研究者設計細線繞射活動，引導學生觀察細線繞射現象並與單狹縫繞射現象比

較。

本活動分為三次課程進行，讓學生自立操作、分析，並得出結論。以找出相同與相

異之處為作為現象觀察的環節，開始細線繞射與測微工具活動。利用單狹縫繞射實驗的

結論搭配漆包線繞射(細線繞射)實驗，得出漆包線直徑寬度。為方便讓學生確認實驗結

果是否準確，教導學生使用螺旋測微器，比較實驗求得的漆包線直徑長度結果與直接測

量的漆包線直徑長度結果。授課流程設計如下圖 2-4-4 呈現。

37

圖 2-4-4 細線繞射課程架構圖

課程前教師需準備不同寬度漆包線、螺旋測微器、課程簡報和課後學習單。課程簡

報內容包含螺旋測微器使用介紹與裝置圖片；課後學習單問題詳見附錄一。課堂上根據

各組對細線繞射的觀察紀錄於白板，全班學生投票討論每一個想法，並表示支持與反對，

若有某一項想法無法達到全班共識，則針對該項想法進行第二次實驗觀察，找出結果。學

生易質疑單靠繞射實驗求得漆包線直徑寬度，因此教導學生使用螺旋測微器，利用兩種

量測方式得到的數值比較，建立學生對繞射實驗結果的信心。

設計實驗測量漆包線寬度

各組報告討論

觀察並且比較細線繞射與狹縫繞射相同相異處

完成課後學習單

學生共同分享討論各組觀察到之現象

辨識現象

提出假說

螺旋測微器使用教學 輔助工具教學

實際測量漆包線寬度並與前面繞射結果數值比較

課後知識統

課前準備

無共識

實驗設計、

實驗操作、

結果分析與討

論、

獲得結論

驗證假說

準備課程簡報、學習單與繞射裝置和螺旋測微器

觀察現象

漆包線實驗

課堂報告

共識

誤差過大

合理誤差

工具教學與

數據比較

課堂報告

38

表 2-4-9

細線繞射與測微工具 1 詳細時間安排及內容說明表

課程內容 時間安排

(一)、觀察現象：

1.各組學生架設自己的儀器，觀察比較單狹縫與細現繞射關係，

並組內討論，得到該組的結論。

2.各組學生提出該組觀察結果，並全班投票或發表意見。

3.針對無共識的項目再次觀察，比較單狹縫與細現繞射關係。

4. 針對前次觀察無法達成共識之項目進行討論。

70 分鐘

(二)、漆包線實驗：

1.提供不同粗細的漆包線於器材桌，讓各組學生自己選擇需要的

漆包線。

2. 學生自己規畫如何固定漆包線，進行實驗。

30 分鐘

表 2-4-10

細線繞射與測微工具 2 詳細時間安排及內容說明表

課程內容 時間安排

(一)、漆包線實驗：

1.各組學生架設自己的儀器，進行漆包線直徑寬度測量。

70 分鐘

(二)、課堂報告：

1.完成實驗之組別著手準備課堂實驗結果報告。

30 分鐘

39

表 2-4-11

細線繞射與測微工具 3 詳細時間安排及內容說明表

課程內容 時間安排

(一)、課堂報告：

1.各組學生上台報告實驗結果。

50 分鐘

(二)、工具教學與數據比較：

1.教學生如何使用螺旋測微器。

2.學生使用螺旋測微器確認實驗結果。

3.各組比較兩組實驗值，進行誤差討論。

50 分鐘

五、 彈簧繞射實驗與 Tacker 介紹

於單狹縫繞射教學活動中，將科學、數學與科技做整合；於細線繞射與測微應用工具

活動中進行簡單的公式運用練習。因此，本單元讓學生把前面學到的科學應用至生活，以

此使學生能學習完整的科學智能(AAAS，1989；Rutherford、Ahlgren，1990)。

各組學生觀察雷射光照射兩條漆包線組合而成的X型狀物體之繞射圖案，並推廣至細彈

簧的繞射圖案，小組進行討論以猜測影響繞射圖案的變因。提供學生漆包線與各組需要的器

材，引導學生應用單狹縫繞射活動以及細線繞射與測微工具活動中得到的研究成果，從雷射

光照射細彈簧的繞射圖案求得細彈簧的螺距。

Tracker是由Douglas Brown開發設計之電腦影像追蹤軟體。因此，學生可以於課堂中利

用手機相機拍攝實驗器材、實驗成果，並搭配此軟體於電腦上進行分析、獲得數據。透過

上述過程學生可以使用彈簧繞射實驗證據推導螺旋狀的繞射圖型為X形狀，並利用比擬的方

40

法，理解DNA的結構。授課流程設計如下圖2-4-5呈現。

圖2-4-5彈簧繞射實驗與Tracker介紹架構圖

準備課程簡報、課後學習單、繞射裝置，安裝 Tracker

學生從照片 51 想像樣品結構

教師與全班學生共同分享討論

繞射圖型為 X 形狀原因

單一彈簧繞射實驗，測量螺距

利用漆包線組裝，讓繞射圖案與照片 51 相似

實驗尋找影響繞射圖型的因子並找出關係

課堂報告

單一彈簧繞射實驗觀察

辨識現象

建構知識

提出假說

Tracker 使用教學 輔助工具教學

實際測量螺距寬度與繞射結果數值比較

課後知識統整

課前準備

提出假說

驗證假說、

建構知識

觀察現象一

辨識現象 觀察現象二

彈簧繞射

工具教學與

數據比較

完成課後學習單

課堂報告

課堂報告

實驗設計、

實驗操作、

結果分析與討

論、

獲得結論

實驗設計、

實驗操作、

結果分析與討

論、

獲得結論

41

課程前教師需準備漆包線、課程簡報和學習單，課程簡報內容包含照片 51、Tracker

使用介紹與裝置圖片。Tracker 需事先安裝於授課教室使用之電腦，進行測試。課後學

習單問題詳細見附錄一。課程中教師除了教導學生如何使用 Tracker 軟體之外，也需要

引導學生利用投影的方式理解為何螺旋狀結構的彈簧繞射後為 X 形狀，並且輔助學生利

用螺旋原理得到螺旋距離。

表2-4-12

彈簧繞射實驗與Tracker1詳細時間安排及內容說明表

課程內容 時間安排

(一)、觀察現象一：

1.利用 PPT 公開照片 51 給學生觀察，並請學生設想樣品可能的

結構。

2.將可能的結構設想利用漆包線組合，進行實驗。

3.尋找可能影響繞射圖型的因素。

4.觀察兩漆包線夾角角度與繞射後 X 型夾角角度關係。

60 分鐘

(二)、觀察現象二：

1.學生直接觀察彈簧的繞射圖型，並嘗試解釋為何為 X 形狀

2.各組學生提出該組觀察結果，並發表意見。

3.教師引導學生以彈簧的投影後圖形觀察方式，將三維與二維

的關係連接。

40 分鐘

42

表2-4-13

彈簧繞射實驗與Tracker2詳細時間安排及內容說明表

課程內容 時間安排

(一)、彈簧繞射：

1.各組學生架設自己的儀器，進行實驗測量。

40 分鐘

(二)、工具教學與數據比較：

1.教師實際示範 Tracker 軟體使用方式，提供學生多一種管道測

量彈簧螺旋距離。

2.學生使用 Tracker 確認實驗結果。

3.各組比較兩組實驗值，進行誤差討論。

20 分鐘

(三) 、課堂報告：

1.學生上台報告分享實驗成果。

40 分鐘

2.討論期末報告，並製作 PPT。

43

第三章 研究方法

螺旋結構繞射課程於台北某市立高中進行試教，研究者運用素養評量工具與問卷取

得數據資料，並以統計方法進行結果分析。本章分為第一節「研究對象與情境」、第二

節「研究設計與流程」、第三節「研究工具」、第四節「資料分析」、第五節「研究倫理」

進行詳細說明。

第一節 研究對象與情境

本研究之研究對象為台北某市立高中之高一學生，共分為 2 個組別，依序為(一)、

探究與實作課程(實驗班)研究者授課之自然科興趣相關班級；(二)、基礎物理課程(對照

班)除研究者授課班級以外之自然科興趣相關班級。對照班級經由該校之高一基礎物理

課程培養學生的科學探究能力以及科學態度，而實驗班級則是經由螺旋結構繞射課程進

行訓練且無修習高一基礎物理課程。基於研究者即為探究與實作課程班級之教學老師，

因此能夠充分了解該班級學習情況，對於課程變動亦能適時掌握。同時，研究者於課堂

中可以個別指導學生，堅守探究式教學的教學模式。該校為台北市前五志願之學校，並

且為常態分班，因此學生的物理概念程度能代表前段高中生之平均能力。同時，該校為

男女合班，因此參與研究的學生男女總人數相當。由於進行素養評量前、後測的受試者

中，部分學生於施測時間出國進行科展活動以及參與校外其他比賽，因此扣除只有進行

單次測驗之學生。加上原始班級人數不同，最後樣本人數如下表 3-1-1 所示。

44

表 3-1-1

研究對象樣本數

班級 實驗班 對照班

興趣分類 自然科學 自然科學

教學方式 探究與實作 傳統教學

有效人數 11 9

第二節 研究設計與流程

本研究採用素養試題前、後兩次測驗以及每節課後的回饋問卷、期末對整學期的回

饋問卷探討螺旋結構繞射課程設計的不足之處，即學生的科學探究能力與科學態度經由

本課程設計之學習歷程後，成效是否能如預期高於傳統教學之基礎物理課程的成效。研

究者為配合台北某市立高中同意進行測驗之班級人數條件，透過無母數檢定以及 ES 值

(Effect size)瞭解兩組學生於修畢自然科學相關課程後，其科學探究能力與科學態度是否

顯著提升，並且了解兩組學生於各向度之效應程度否有差異。

45

探究與實作課程內

容設計階段

討論確立課程主題

蒐集文獻

將研究者的構想與合作

之台北某市立高中老師

進行討論 修正內容

課程架構與知識架構定案

學生選課人數上限規劃與定案

蒐集文獻

素養試題與回饋問

卷設計階段

設計題目與問卷

將研究者構想指導

老師進行討論

與台北某市立高中合作

老師討論並進行預試

文獻探討

蒐集文獻

修正內容

定稿

未達成 共識

未達成

共識

蒐集文獻

與檢討

修正內容

試題太難、

文字敘述有問題

46

圖 3-2-1 研究流程圖

上圖3-2-1為研究流程圖。研究流程分為：(一)、探究與實作課程內容設計階段；(二)、

素養試題與回饋問卷設計階段；(三)、課程執行階段；(四)、素養問題問卷分析階段。

如下表 3-2-1 將各階段共作內容進行敘述。

表 3-2-1

各階段工作內容分述

工作階段 工作內容

探究與實作課程內

容設計階段

自民國106年起為探究與實作課程─螺旋結構繞射內容設計

階段。研究者閱讀教學相關文獻，並與指導教授討論確立研究方

向和課程主題。確立主題而後著手蒐集與 DNA 結構相關之物理

知識資料，並與合作高中多位老師們討論教學方式與課程安排。

最後由合作高中老師及指導教授多次進行審查定稿。

結果分析階段 1. 評量試題設計

素養評量導向試題需包含：(一)、真實的情境與問題；(二)、

課程執行階段 前測

課程進行 課程錄影

結果分析階段

撰寫論文

資料分析與學生訪談

後測

47

能運用在實際生活；(三)、題組進行模式符合學習歷程三大要

素，因此研究者大量參考 PISA 試題、類 PISA 試題、科學實驗

手冊與其他相關動手做課程內容進行評量設計。告成後與指導

教授、合作老師開會討論確定題目難易度滿足該校高一學生之

程度，並針對不理想的內容進行修正。接著，為減少文字敘述

的瑕疵與誤會，進一步請該校未進行測驗的學生多次閱讀、作

答，最後定稿。

2. 學生問卷設計

除科學探究能力、科學態度的變化情形外，學生對自己的

學習成效滿意度、學習情況以及對課程的意見也不可忽略。課

中問卷於每一節課後採網路問答方式進行，以此了解學生難以

理解或無法吸收的物理知識及課程時間安排不妥的部分。研究

者每周與合作老師針對問卷內容開會討論，對課程的進行方式

與時間安排稍作調整，提高學生學習效果。課後問卷與指導教

授進行多次討論設計定稿，於課程結束後，進行調查。

課程執行階段 自 106 年 9 月至 107 年 1 月為實驗階段。配合選定之台北

某市立高中一年級學生的探究與實作課程與基礎物理課程進

度，於開學第一周進行前測，並確定參與研究�