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研究生: 李孟珊
Meng-Shan Li
論文名稱: 統計分布對於科學概念學習影響之探討 -以馬克士威速率分布為例
An investigation on the effectiveness of teaching scientific concepts via statistical distribution -Using Maxwell distribution as an example
指導教授: 譚克平
Tam, Hak-Ping
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 科學教育研究所
Graduate Institute of Science Education
論文出版年: 2012
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 185
中文關鍵詞: 統計分布分布特徵資料處理馬克士威速率分布
英文關鍵詞: statistical distribution, distribution characteristics, data handling, Maxwell distribution
論文種類: 學術論文
相關次數: 點閱:102下載:7
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  • 本研究目的在於探討統計分布概念的理解是否影響學生學習以分布為基礎的科學概念,因此研究者提出「以統計分布為基礎的資料處理教學模式」(Distribution-Data Handling teaching model, DDH teaching model),並探究該模式是否有助於學生瞭解此類科學概念。本研究以馬克士威速率分布(Maxwell distribution)的概念為例,研究對象為高中3年級的資優學生,已具有氣體動力論的先備知識。採準實驗研究設計,控制組接受直述模式教學,實驗組接受DDH模式教學,兩組學生皆於課程實施前、後進行統計分布概念與馬克士威速率分布概念的前測、後測,並以態度問卷與半結構式晤談瞭解學生的想法。
    研究發現:(1) 統計分布的概念會與以分布為基礎的科學概念彼此對應,學生愈能掌握統計分布的整體特徵,對於馬克士威速率分布概念的學習成效愈佳,愈能以整體的角度來分析氣體運動速率分布,且較能完整詮釋溫度與分子量兩變因對於速率分布函數的影響。(2) 只聚焦於單一或是少數分布特徵的學生,較無法掌握整體的運動速率分布情形,在條件改變時,僅留意部分數值發生的變化,而非掌握了速率分布的整體變化。(3) 透過資料處理與統計分布結合的方式,學生能建構出大量氣體分子的整體速率分布概念,且更能體會各個統計量的內涵,對於速率分布能有全面性的瞭解。

    Maxwell speed distribution is a difficult topic to many senior high school students. This study proposed that a better understanding can be gained if students are taught statistical distribution before the formal introduction of this topic. Towards this purpose, teaching materials on Maxwell distribution were designed according to the Distribution Data Handling teaching model that was developed for this study with emphasis from the perspective of statistical distribution. A teaching experiment was then conducted to test out the effectiveness of this approach according to the quasi-experimental design. The participants were from two grade twelve classes for gifted students in a senior high school located in Taipei city. The effectiveness of the instruction and materials were evaluated by analyzing students’ responses to the statistical distribution concept test, Maxwell distribution concept test, an attitude questionnaire, as well as data from class videos and semi-structured interviews.
    Several results were observed from this study. First, since there is a correspondence between the statistical concept of distribution to those scientific concepts that are based on distribution, students with better grasped of the features of distribution performed better after instruction. They could better relate to the molecular speed distribution from a global and integrated perspective. They could better comprehend the effect of temperature and molecular weight on the Maxwell distribution. Second, for students who tended to focus only on a single or part of the features of a distribution, they were observed not being able to comprehend the Maxwell distribution holistically. When some the surrounding conditions were changed, they tended to focus on changes of a few data points and not on all of the data. Third, after formal introduction to statistical distribution and hands-on experiences with handling data, students could better understand Maxwell distribution holistically as well as the underlying meaning of quantities in relation to the speed distribution.

    第一章 緒論 1 第一節 研究動機與背景 1 第二節 研究目的 3 第三節 研究問題 3 第四節 名詞釋義 5 第五節 研究範圍與限制 6 第二章 文獻探討 7 第一節 科學概念的學習 7 第二節 統計分布概念 13 第三節 馬克士威速率分布概念的教學 20 第四節 文獻探討對本研究之啟示 21 第三章 研究方法 23 第一節 研究設計 23 第二節 研究對象 25 第三節 實驗組與控制組課程研發 27 第四節 研究工具 33 第五節 研究過程 58 第六節 資料處理 60 第四章 資料分析 61 第一節 學生整體表現 61 第二節 馬克士威速率分布概念各向度整體表現分析 70 第三節 細部分析 78 第四節 訪談資料分析 105 第五章 結論與建議 116 第一節 研究結論 116 第二節 綜合討論 118 第三節 建議 119 參考文獻 121 附件 125 附件2-1 高中基礎數學Ⅱ課程綱要 125 附件2-2 高中選修數學課程綱要 126 附件3-1 控制組馬克士威速率分布講義 128 附件3-2 實驗組馬克士威速率分布講義(工作單) 134 附件3-3 實驗組統計分布講義 148 附件3-4 實驗組統計分布學習單 155 附件3-5 氣體分子速率模擬Excel檔案 159 附件3-6-1 統計分布概念測驗前測評分標準 161 附件3-6-2 統計分布概念測驗後測評分標準 164 附件3-7-1 馬克士威速率分布概念測驗前測評分標準 165 附件3-7-2 馬克士威速率分布概念測驗後測評分標準 167 附件3-8 控制組情意問卷 170 附件3-9 實驗組情意問卷 171 附件3-10 訪談問題 173 附件4 統計分布概念測驗評分者評分情形 174 附件5 馬克士威速率分布概念測驗評分者評分情形 178   圖次 圖2-1-1 Chi本體樹架構 8 圖2-1-2 Showalter科學概念結構 9 圖2-2-1 分布與資料的關係 15 圖2-3-1 伽爾頓版實驗裝置 21 圖3-3-1 以分布為基礎的資料處理教學模式(DDH模式) 27 圖3-3-2 Microsoft Excel 資料處理 32 圖3-5-1 本研究流程圖 59 圖4-2-1-1 兩組學生子概念1表現 72 圖4-2-1-2 兩組學生子概念2表現 72 圖4-2-1-3 兩組學生子概念3表現 72 圖4-2-1-4 兩組學生子概念4表現 73 圖4-2-1-5 兩組學生子概念5表現 73 圖4-2-1-6 兩組學生子概念6表現 76 圖4-2-1-7 兩組學生子概念7表現 76 圖4-3-1-1 AM4b標示錯誤 80 圖4-3-1-2 AM4b標示部分錯誤 80 圖4-3-2-1 BM1b標示錯誤 83 圖4-3-2-2 AM4c-1答錯且BM1b答錯之學生理由 84 圖4-3-3-1 BM3a選項(A) 92 圖4-3-3-2 BM3a選項(B) 92 圖4-3-3-3 BM3a選項(C) 92 圖4-3-3-4 BM3a選項(D) 92 圖4-3-4-1 BM3b學生作答內容(A) 93 圖4-3-4-2 BM3b學生作答內容(B) 94 圖4-3-4-3 BM3b學生作答內容(C) 94 圖4-3-5-1 BM3b學生作答內容(D) 95 圖4-3-5-2 BM3b學生作答內容(E) 96 圖4-3-6 BM4a條件二錯誤範例 99 圖4-3-7 BM2a條件一錯誤範例 104 圖4-4-1 訪談問題第12題 110   表次 表2-2-1 分布的定義 14 表2-2-2 分布的特徵 15 表3-2-1 兩組學生特質 26 表3-3-1 直述模式與DDH模式比較 29 表3-3-2 控制組與實驗組教學時間與概念比較 30 表3-4-1 試題題本架構 33 表3-4-2-1 AD1a、AD1b試題修改過程 36 表3-4-2-2 AD3c-1、AD3c-2試題修改過程 37 表3-4-2-3 AD4試題修改過程 38 表3-4-3-1 統計分布概念測驗前測單向細目表 39 表3-4-3-2 統計分布概念測驗後測單向細目表 40 表3-4-4 統計分布概念測驗試題鑑別度、難度 41 表3-4-5-1 統計分布概念測驗前測試題評分者一致性 43 表3-4-5-2 統計分布概念測驗後測試題評分者一致性 43 表3-4-6 馬克士威速率分布概念試題之分布特徵層次 45 表3-4-7-1 AM1試題修改過程 47 表3-4-7-2 AM4e試題修改過程 47 表3-4-8-1 馬克士威速率分布概念前測試題細目表 49 表3-4-8-2 馬克士威速率分布概念後測試題細目表 50 表3-4-9-1 馬克士威速率分布概念測驗前測試題鑑別度、難度 51 表3-4-9-2 馬克士威速率分布概念測驗後測試題鑑別度、難度 52 表3-4-10-1 馬克士威速率分布概念前測試題評分者一致性 53 表3-4-10-2 馬克士威速率分布概念後測試題評分者一致性 54 表3-4-11 訪談工具架構 56 表4-1-1-1 統計分布概念前測試題各題得分之平均值與標準差 62 表4-1-1-2 統計分布概念後測試題各題得分之平均值與標準差 63 表4-1-2 統計分布概念試題得分情形 63 表4-1-3 統計分布概念測驗共變數分析摘要表 64 表4-1-4 統計分布概念後測調整前、後之平均值 64 表4-1-5-1 馬克士威速率分布概念前測試題各題得分之平均值與標準差 66 表4-1-5-2 馬克士威速率分布概念後測試題各題得分之平均值與標準差 67 表4-1-6 馬克士威速率分布概念試題得分情形 68 表4-1-7 馬克士威速率分布概念測驗共變數分析摘要表 68 表4-1-8 馬克士威速率分布概念後測調整前、後之平均值 69 表4-2-1 「馬克士威速率分布」向度表現 70 表4-2-2-1 「馬克士威速率分布」向度各子概念表現 71 表4-2-2-2 「馬克士威速率分布」向度各子概念表現(Z分數) 71 表4-2-3 「馬克士威速率分布」向度後測調整前、後之平均值 74 表4-2-4 「影響馬克士威速率分布的變因」向度表現 75 表4-2-5-1 「影響馬克士威速率分布的變因」向度各子概念表現 75 表4-2-5-2 「影響馬克士威速率分布的變因」向度各子概念表現(Z分數) 75 表4-2-6 「影響馬克士威速率分布」向度後測調整前、後之平均值 77 表4-3-1 子概念1比較之試題:AM4b與BM1a 78 表4-3-2-1 控制組AM4b與BM1a答題情形人數分布 79 表4-3-2-2 實驗組AM4b與BM1a答題情形人數分布 79 表4-3-3 子概念2比較之試題:AM4c-1與BM1b 82 表4-3-4-1 控制組AM4c-1與BM1b答題情形人數分布 82 表4-3-4-2 實驗組AM4c-1與BM1b答題情形人數分布 82 表4-3-4-3 AM4c-2答題情形人數分布 85 表4-3-5 子概念3試題: BM4d 87 表4-3-6-1 控制組BM1b與BM4d答題情形人數分布 87 表4-3-6-2 實驗組BM1b與BM4d答題情形人數分布 87 表4-3-7 子概念4比較之試題:AM5c-1與BM4b 88 表4-3-8-1 控制組AM5c-1與BM4b答題情形人數分布 89 表4-3-8-2 實驗組AM5c-1與BM4b答題情形人數分布 89 表4-3-9 子概念5比較之試題:AM4a與BM3a 91 表4-3-10-1 控制組AM4a與BM3a答題情形人數分布 92 表4-3-10-2 實驗組AM4a與BM3a答題情形人數分布 92 表4-3-11-1 子概念6比較之試題:AM1與BM4a 96 表4-3-11-2 BM4a評分標準 97 表4-3-12-1 控制組AM1與BM4a答題情形人數分布 98 表4-3-12-2 實驗組AM1與BM4a答題情形人數分布 98 表4-3-13 BM4a未完成條件及其累計人次 98 表4-3-14 子概念6特殊試題:BM5 99 表4-3-15 BM5答題情形人數分布 100 表4-3-16-1 子概念7比較之試題:AM5a與BM2a 101 表4-3-16-2 BM2a評分標準 101 表4-3-17-1 控制組AM5a與BM2a答題情形人數分布 102 表4-3-17-2 實驗組AM5a與BM2a答題情形人數分布 102 表4-3-18 BM2a未完成條件及其累計人次 103 表4-4-1-1 BD2試題內容 105 表4-4-1-2 BM7試題內容 106

    一、中文部分
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