本研究利用TIMSS 2011和TIMSS 2015的四年級科學測驗題目，分析臺灣九年一貫自然與生活科技學習領域課程在TIMSS試題內容的涵蓋情形，了解臺灣四年級學生表現顯著低於國際平均和低於國際平均的題目之答錯原因以及學生表現顯著高於國際平均和高於國際平均的題目之答對原因，並針對學生進行概念教學，分析其科學概念學習的結果，探究概念教學的可能策略。
本研究分成二個部分，第一部分分析TIMSS 2011及TIMSS 2015國小四年級科學測驗題目在臺灣九年一貫課程四年級自然與生活科技領域之涵蓋率，並調查臺灣四年級學生在TIMSS 2011和TIMSS 2015答對及答錯的可能原因；第二部分以臺灣四年級學生在TIMSS 2011和TIMSS 2015測驗表現顯著低於國際平均及答對率低於50%的題目，先對桃園市四年級254位學生進行前測，再針對題目概念設計並由5位科學教師實施教學活動，進行教學觀察與錄影記錄分析，並進行後測。然後再進行前後測比較。研究對象採立意取樣，資料分析採質性與量化二種資料分析方式。
本研究發現：一、TIMSS 2011和TIMSS 2015四年級科學測驗145題IEA釋出的題目中，60.69%超出九年一貫課程四年級範圍，其中以生命科學為最多。根據資深教師推測學生答錯的可能原因為：概念未涵蓋在一至四年級課程範圍、迷思概念或錯誤概念、學生易誤解題意或不善於用文字表達。學生可能答對之原因為：生活影片或課外讀物看過；在生活經驗獲得相關知識；概念未涵蓋在自然領域課程，但涵蓋在其他領域課程；容易從試題中做推論；試題的敘述或圖片呈現與教科書相似。二、透過科學概念教學活動，在生命科學、物質科學與地球科學方面，學生的後測分數顯著高於前測分數，且學生對教學主題內容的喜歡程度與了解程度有顯著相關；生命科學方面，小組討論教學的學習成效顯著優於講述式教學和討論式教學；物質科學與地球科學方面，女生的進步分數顯著高於男生。學生實際前測作答想法，所呈現出的錯誤概念以生命科學為最多，學生的錯誤概念原因有：日常的經驗和生活中的觀察所造成的錯誤、錯誤的類比所造成之混淆、每天所使用的語言、既有概念、受教師影響。TIMSS試題的圖示、或敘述較長也會影響學生的作答，顯示臺灣國小評量題目型式與TIMSS試題有落差。對於概念學習的認知運作之修正：若學生已具備Klausmeier所提出概念學習四階層中的分類層次能力，但學生有錯誤概念或迷思概念，表示學生雖然已經能夠提取概念的關鍵屬性，卻無法提出假設或提出錯誤的假設因而無法驗證、推論概念，本研究建議增加前形式層次，以表示學生的概念學習尚處於介於分類層次和形式層次之間。
對於未來研究與教學建議：一、進一步探討學生科學迷思概念，了解迷思概念的形成原因，發展有效的教學方法，以建立學生科學概念有效學習路徑。二、建議以學生為中心的教學方式進行分組實驗操作、討論發表，以提升學生科學學習之成效。

The purposes of this study were to examine the extent to which the content of Grade 1-9 Curriculum in Taiwan was assessed in TIMSS 2011 and TIMSS 2015 and to explore the reasons for performance whether poor or excellent, on the TIMSS science test by fourth-grade students in Taiwan. We implemented conceptual teaching, analyzed the results of scientific concept learning, and explored possible strategies for implementing conceptual teaching.
The study consisted of two parts. First, we analyzed the coverage rate of the TIMSS 2011 and TIMSS 2015 fourth-grade science test items in Grade 1-9 Curriculum in Taiwan and investigated the possible reasons that fourth-grade students in Taiwan gave correct or incorrect answers on TIMSS 2011 and TIMSS 2015. Second, we used test items for which the scores were significantly lower than the international average and for which the correct response rate was less than 50% on the TIMSS 2011 and TIMSS 2015 test in Taiwan. Two hundred fifty-four fourth-grade students in Taoyuan City took a pretest. We designed a teaching for the topic concept; moreover, teaching activities were carried out by five science teachers, and teaching observation and video recording analysis were implemented. Subsequently, we gave students posttests and compared pretest and posttest results. The study combined qualitative and quantitative methods and adopted the purposive sampling method.
The study results were as follows: First, in the 145 TIMSS 2011 and TIMSS 2015 fourth-grade science items released by the IEA, 60.69% of the item concepts were not covered in the fourth-grade courses of Grade 1-9 Curriculum in Taiwan, and the lack of content concerning life science was reflected in the performance of students in Taiwan. Possible reasons for incorrect responses by students are the following: the concepts were not covered in the curriculum of fourth-grade courses, students had misconceptions about topics, and it was easy to misunderstand the meaning of the items or students were not good at expressing by words. Possible reasons for correct responses by students are the following: students may have gained exposure to films or extracurricular readings, students may have obtained relevant knowledge through life experience, concepts may not have been covered in Science and Technology, but were covered within other subjects, it was easy to make inferences from the test items, and the narrative or picture presentation of the test items was similar to that of the textbook. Second, benefiting from the scientific concept teaching in life science, physical science and earth science, the students obtained significantly higher posttest scores than pretest scores, and the students’ preference for the subject matter of the teaching was significantly related to their degree of understanding. In life science, the effectiveness of group discussion teaching was significantly higher than that of traditional teaching and discussion-based teaching. In physical science and earth science, girls’ progress scores were significantly higher than boys’ scores. According to pretests and the answers of students, life science concepts were the most misunderstood by students. The reasons for the students’ misconceptions could be the following: daily experience and the confusion caused by observations in life, confusion caused by analogical errors, daily language used, existing concepts, and the influence of the teacher. Graphic or long descriptions in TIMSS test items also affected the students’ answers, indicating that there is a gap in the exam question types between elementary schools in Taiwan and TIMSS. With respect to correcting the cognitive operations in concept learning, if a student has already mastered a classificatory level in the four levels of concept learning by Klausmeier but has a misconception, this means that the student has been able to extract the key attributes of the concept but cannot hypothesize or proposes a wrong hypothesis and thus fails to evaluate the hypothesis and infer the concept correctly. This study suggests adding a preformal level to indicate the student's conceptual learning between the classificatory level and the formal level.
For future research and teaching, this study suggests exploring students’ scientific misconceptions, investigating the causes of misconceptions, and developing effective teaching methods to establish an effective learning path for students’ scientific concepts. The study also recommends the implementation of a group experiment operation and discussion and presentation in a student-centered teaching mode to enhance the effectiveness of students’ scientific learning.

目次
第一章 緒論………………………………………………………………………………………………………1
第一節 研究背景與重要性……………………………………………………………………………1
第二節 研究目的與待答問題…………………………………………………………………………4
第三節 研究範圍與限制………………………………………………………………………………5
第四節 名詞解釋………………………………………………………………………………………………………7
第二章 文獻探討……………………………………………………………………………………………………8
第一節 學生科學學習表現………………………………………………………………………………8
第二節 臺灣四年級學生參與TIMSS之科學表現………………………………………25
第三節 學生在TIMSS科學測驗表現不佳之原因……………………………………31
第四節 概念學習、迷思概念與概念改變………………………………………36
第五節 TIMSS科學之實徵性研究…………………………………………………………54
第三章 研究方法…………………………………………………………………………………………………59
第一節 研究設計…………………………………………………………………………………………………59
第二節 研究對象…………………………………………………………………………………………………62
第三節 研究工具…………………………………………………………………………………………………64
第四節 資料蒐集…………………………………………………………………………………………………75
第五節 資料分析…………………………………………………………………………………………………77
第四章 研究結果與討論……………………………………………………………………………………80
第一節 TIMSS 2011和TIMSS 2015題目與臺灣課程之關係……………80
第二節 臺灣四年級學生在TIMSS測驗表現可能答對和答錯之原因…84
第三節 前測答對率與TIMSS 2011和TIMSS 2015臺灣學生答對率之
對照…………………………………………………………………………94
第四節 學生前測作答想法…………………………………………………………………104
第五節 教學後學生概念學習情形……………………………………………………138
第五章 研究結論與建議…………………………………………………………………………172
第一節 研究結論…………………………………………………………………………………………172
第二節 研究建議………………………………………………………………………………………175
參考書目…………………………………………………………………………………………………………177
一、中文部分……………………………………………………………………………………………177
二、英文部分………………………………………………………………………………………………181
附錄
附錄一 試卷（僅呈現試題範例）………………………………………………188
附錄二 生命科學教學活動設計…………………………………………………191
附錄三 物質科學與地球科學教學活動設計………………………………196
附錄四 教室觀察紀錄表…………………………………………………………………204
附錄五 生命科學學習興趣量表…………………………………………………206
附錄六 物質科學與地球科學學習興趣量表…………………………………207
附錄七 授課教師問卷（僅舉一例題呈現）…………………………………209
附錄八 本研究各試題之概念所在九年一貫課程內容及十二年國教
課程綱要學習內容……………………………………………………………211
附錄九 生命科學領域三位教師於活動五「動物的繁殖」教學實錄….224
附錄十 前測答對率………………………………………………………………………226

圖 次
圖2-1-1 TIMSS課程模型…………………………………………………………………………11
圖2-1-2 PISA 2015科學素養評量架構………………………………………………………………16
圖2-1-3 PISA 2015合作性問題解決能力之評量架構………………………………………………………16
圖2-1-4 TIMSS四年級科學實驗情境題目範例………………………………………………………………22
圖2-1-5 PISA 2006科學素養調查題目範例………………………………………………………….23
圖2-4-1 Klausmeier（1973）概念學習與發展模式…………………………………………………37
圖2-4-2 Posner等人（1982）概念改變模型……………………………………………………………………45
圖2-4-3 對我們關於世界實體概念本質的認識論假設……………………………………………………47
圖2-4-4 認識改變種類分類圖…………………………………………………………………………………………49
圖2-4-5 概念改變教學順序……………………………………………………………………52
圖3-1-1 研究流程圖………………………………………………………………………………………61
圖3-5-1 本研究之三角檢證…………………………………………………………………………79
圖4-2-1 TIMSS 2011題目S051049D……………………………………….…..………...85
圖4-2-2 TIMSS 2011題目S041003…………………………………….…….….………..86
圖4-2-3 TIMSS 2011題目S031421………………………………….……….….………..87
圖4-2-4 TIMSS 2011題目S041120……………………………………….…..….……….88
圖4-2-5 TIMSS 2011題目S041201…………………………………….……...………….90
圖4-2-6 TIMSS 2011題目S031273……………………………….…………..….……….91
圖4-2-7 TIMSS 2011題目S041182…………………………………………..….………..91
圖4-2-8 TIMSS 2011題目S031266…………………………..…………………...………92
圖4-2-9 TIMSS 2011題目S041014…………………………………………………….….92
圖4-4-1 生命科學測驗第10題題目………………………….….………….………...…106
圖4-4-2 生命科學測驗第5題題目…………………………………………….…..….…108
圖4-4-3 生命科學測驗第2題題目………………….……………………….….……….110
圖4-4-4 生命科學測驗第25題題目…………………………………………..…………119
圖4-4-5 物質科學與地球科學測驗第6題題目…………..……………………………..125
圖4-4-6 物質科學與地球科學測驗第14題題目………… ………………………..…..127
圖4-4-7 物質科學與地球科學測驗第17題題目…………………..………….…………129
圖4-4-8 物質科學與地球科學測驗第21題題目………………………….…….….……130
圖4-5-1 物質科學與地球科學測驗第13題題目…………..……………………………163
圖4-5-2 概念學習的認知運作與教學…………………………………….……….…..…171


表 次
表2-1-1 歷年參加TIMSS測驗國家數量統計表………………….…………………..…...9
表2-1-2 臺灣及其他參加國家或地區課程對TIMSS 2011四年級科學評量之內容
領域各項主題配分涵蓋率…………… …………………………………..….….12
表2-1-3 臺灣及其他參加國家或地區課程對TIMSS 2015四年級科學評量之內容
領域各項主題配分涵蓋率………………..……………………………….……..13
表2-1-4 PISA 2006、2009、2012及2015科學素養前10名國家..………….……...….18
表2-2-1 TIMSS 2003至TIMSS 2015小學四年級學生科學成就前十名國家...….…….29
表2-4-1 Thagard概念改變的階層…………………………………..……………..………48
表3-1-1 TIMSS 2011和TIMSS 2015釋出之四年級科學測驗題目數量表…………….59
表3-1-2 前測試卷試題分析表………………………………………………….……...…..60
表3-2-1 本研究第一部分之資深教師背景資料………….………………………….……62
表3-2-2 教學者專業背景與教學班級學生數………………………….…………...……..63
表3-3-1 本研究範圍之TIMSS 2011與TIMSS 2015題目分布……...………………….65
表3-3-2 試題概念與課程分析表之第一部分例表…………………………….….…..…..67
表3-3-3 試題概念與課程分析表之第二部分例表…………………………….….…..…..68
表3-3-4 試題概念與課程分析表之第三部分例表………………………….….…..……..69
表3-3-5 臺灣四年級學生在TIMSS 2011和TIMSS 2015答對率顯著低於國際平均
與答對率低於50%之題目分析…………………………………………….……71
表4-1-1 TIMSS 2011和TIMSS 2015試題之主題與認知領域總表…………….….…...81
表4-1-2 TIMSS 2011和TIMSS 2015試題超出九年一貫課程四年級範圍統計表…….82
表4-2-1 臺灣四年級學生在TIMSS 2011和TIMSS 2015答對率顯著低於國際平均和
低於國際平均的題目答錯可能原因之比例…………………………………….85
表4-2-2 臺灣四年級學生在TIMSS 2011和TIMSS 2015答對率顯著高於國際平均和
高於國際平均的題目答對可能原因之比例…………………….………………89
表4-3-1 生命科學前測答對率與TIMSS 2011國際平均答對率、臺灣答對率………….94
表4-3-2 生命科學前測答對率與TIMSS 2015國際平均答對率、臺灣答對率…………95
表4-3-3 物質科學前測答對率與國際平均答對率、臺灣答對率………….……………..97
表4-3-4 地球科學前測答對率與國際平均答對率、臺灣答對率…………………………99

表4-3-5 TIMSS 2007、TIMSS 2011、TIMSS 2015趨勢題之國際平均答對率、
臺灣答對率及前測答對率……………………………………………………...101
表4-3-6 TIMSS 2003、TIMSS 2007、TIMSS 2011趨勢題之國際平均答對率、
臺灣答對率及前測答對率………………………………………………….…..103
表4-4-1 生命科學教學活動設計與學生錯誤概念對照表………………………………133
表4-4-2 物質科學與地球科學教學活動設計與學生錯誤概念對照表…………………134
表4-4-3 本研究TIMSS 2011和TIMSS2015各主題題數與錯誤概念類型數量表……136
表4-5-1 生命科學活動五「動物的繁殖」部分教學歷程分析……………………………143
表4-5-2 學生在生命科學領域前後測得分情形…………………..…………………......143
表4-5-3 生命科學各校學生進步分數比較…………………...…….......................…..…144
表4-5-4 各校學生對生命科學主題內容喜歡程度比較…………….……………..….…152
表4-5-5 各校學生對生命科學主題內容的喜歡程度與了解程度之相關…….……...…152
表4-5-6 學生在物質科學與地球科學領域前後測得分情形………………………...….157
表4-5-7 男女生在物質科學與地球科科學之進步分數比較………….………..…….…157
表4-5-8 各校學生對物質科學與地球科學科學主題內容之喜歡程度比較…….……...166
表4-5-9 學生對於物質科學與地球科學主題內容的喜歡程度與進步分數之相關……166
表4-5-10 學生對於物質科學與地球科學主題內容的喜歡程度與了解程度之相關…...166

一、中文部分
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