藉由POE教學策略探討師生對影響風向儀指向的迷思概念

研究者於2014年3月至8月期間，以蒞臨台灣高雄國立科學工藝博物館參與活動的國中生與自然科教師為研究對象，設計一套風向儀教學套件，採動手做(Hands-on)實驗與POE教學策略，「臆測(Prediction)-觀察或操作(Observation and Operation)-解釋(Explanation)」。POE教學策略在諸多文獻已有許多討論(李家銘,2001;許良榮、蔣盈姿, 2005; 葉淑華、江新合, 2002; Hsu, L. R. , 2004)，簡述如下:

「科學過程技能」是科學教育中相當重要的教學目標之一，根據Abruscato的《自然與科技領域教材教法》（莊奇勳譯，2005）指出「美國的2061計畫非常強調將探究過程技能教給學生」（P.61），該書並說明「基本探究過程技能」包括了觀察、臆測與解釋等八項。POE是「臆測-觀察-解釋」三者的縮寫，符合了這些過程技能內涵(Kearney, M., Treagust, D. F., Yeo, S., & Zadnik, M. G. , 2001; Liew, C. W. &

Treagust, D. F. ,1995; Methembu, Z. 2001)，並用以探索師生的迷思概念。只要妥當設計，利用POE具備的預測-觀察-解釋之特徵，可以期望能夠提升學生在科學過程技能之學習(如圖三)。

茲將本研究的操作流程，分述如下:

(一) 活動前段-臆測:研究者詰問，學生臆測(Teacher’s Interrogation and Student’s Prediction)

研究者為了激發學生參與本風向儀的活動，特別提問一連串演繹式(Induced)的問題，讓學生進行臆測或回答，研究者可以從中知道學生的既有先備概念。

當研究者進行完一連串的詰問後(如表一)，再講述判別風向的儀器稱為風向儀(Anemoscope)，為了進一步瞭解學生對風向儀的作動原理(Working Theory)，隨即「依序」取出數款的風向儀供學生參看，並利用電風扇創造一個「由北向南吹」的北風，當風向儀尚未擺置在電風扇前，請學生臆測如何從風向儀的指向來判定風向，研究根據師生的臆測結果與其依據，推測其可能的迷思概念，結果如表二：

風向儀型式	學生臆測風向儀指向結果	教師臆測風向儀指向結果	師生臆測的依據	可能的迷思概念
1箭頭小箭尾大(圖二)	1. 5% 回答向北 2. 95% 回答向南 3. 5% 未答	1. 68%回答向北 2. 28%回答向南 3. 4%回答不知道	1. 一般道路箭頭標誌指引方向是指路線前進方向。 2. 感覺怪怪的，老師故意要讓我們猜錯。	將道路標誌箭頭聯想到風向儀的箭頭指標
2箭頭大箭尾小(圖四)	1. 65% 回答向南 2. 30% 回答不知道 3. 5% 未答	1. 68%回答南 2. 28%回答向北 3. 4%回答不知道	1. 參考道路箭頭標誌判斷 2. 因與前述一款不同，不敢臆測。	同上
3箭頭小箭尾大且指向相反(圖五)	全班哈哈笑不敢再臆測	(無資料)	因未曾見過類似的風向儀	沒有類似既有概念
4風車型 (圖一)	1. 70%回答向北 2. 30%回答向南	(無資料)	1. 既有經驗或見過的風車會指向風來的方向轉動。 2. 與箭頭小箭尾大風向儀指向理由相同。	風車與風向儀的經驗聯結混淆

1. 90%以上國中學生知道風產生的原因是因為空氣的流動，但有80%的學生卻無法精確地解釋為什麼空氣會流動。

2. 95%的老師知道風的產生是氣壓改變，且是由高壓處流向低壓處，因此產生風，但有60%的老師無法精確的說出產生氣壓改變的原因是什麼。

3. 當利用風向儀判定風向(即風來的方向)時，卻有高達85%的學生與30%的自然領域科教師誤認為風向儀箭頭指向，就是風離去的方向，而非風來的方向。

國中學生與教師對風向儀的指向是依據其既有概念與舊經驗的組合，尚未具有關於風向儀作動原理與轉向是利用哪種科學概念。

(二) 活動中段-觀察與操作: 研究者示範學生觀察與操作(Teacher’s Demonstration, Student’s Observation and Operation)

研究者利用一個紙箱，前面挖一個直徑約10公分的圓洞，當紙箱內充滿煙霧，未擠壓紙箱兩側時，煙霧會從紙箱圓洞缺口緩慢溢出擴散，此即為氣體分子會從濃度高處慢慢往濃度低處飄移。當雙手輕敲紙箱兩側(如圖六)，就會看到一股煙圈(類似中空的甜甜圈)往前往外快速飄動，此可利用波以耳定律(Boyle’s Law)來解釋，紙箱受壓，體積變小，壓力增大，氣體由高壓往相對低壓處移動，紙箱內煙霧離開圓洞缺口，以類似煙圈的形狀快速往外移動，遂可見到空氣流動，當該股煙圈撞擊到前方觀測者頭髮後，頭髮會飄揚起來，觀測者即能深刻體會到風的產生與原因。利用該股煙圈或電風扇吹動風向儀時，會發現

1. 風車型風向儀的風車會指向風來的方向(如圖七)，如北風吹，則風車指向北方。

2. 頭小尾大指標型風向儀，箭頭指標會指向風來的方向，如北風吹，則風向儀箭頭會指向北方(如圖八)。

經由上述幾個動手做風向儀實驗，改變了學生既有概念，也對風向儀箭頭指標意涵的迷思概念有了一些改變。接著，研究者即要進行第三階段的解釋。

(三) 活動後段-解釋: 研究者解釋後、學生再填答(Teacher’s Explanation, Student’s Re-answering the question)

研究者以圖八為例解釋，風向儀頭、尾兩端箭頭指標截面積不同，受風力也就不同，當風向儀指標上支點兩邊的力臂相等時，風向儀後端尾翼因面積比較大，受到的風力也就比較大，以支撐架為支點時，產生比較大的力矩(=風的作用力*力臂)，使風向儀轉動(圖九)，風向儀尾翼因面積大，獲得較大的逆時針轉動力矩，往後運動(圖十)，直到風向儀的方向與風的方向平行時，後端尾翼與前端指標側面上就不再有風的作用力，風向儀即不再轉動，前端指標所指的方向，即是風吹來的方向(圖十一)。