Assessment with Computer Simulation:

Science Epistemology Views, Gender Difference

電腦模擬用於評量可能導致的差異: 從科學認識觀與性別角度切入

 

黃福坤 Fu-Kwun Hwang 林于湘 Yu-Hsiang Lin

國立台灣師範大學物理系 2007/10/23
National Taiwan Normal University

Science Epistemology Views (SEVs)
(Demastes, Good, & Peebles, 1995; Hewson & Hewson, 1984; Posner, Strike, Hewson, & Gertzog, 1982; Strike & Posner, 1985)

Learning Orientation 學習者的認識觀(例如對於知識和學習本質的看法)會影響他們的學習方法、理解模式以及處理資訊時的行為(Hofer, 2001)。學生對於知識本質及學習本質的觀點,也會影響學生所選擇的學習策略(Hogan, 2000; Schommer et al., 1992; Tsai, 1998a, 1998b).Tsai (1998a)的研究中發現,建構主義認識觀的學生,在科學概念之間的連結比經驗主義認識觀的學生複雜,並且當給予他們足夠的反思時間,建構主義認識觀的學生能正確的回憶更多的知識,學習成就較高;且建構主義認識觀的學生傾向於使用有意義的學習策略 (meaningful learning strategies),能夠向他人解釋已知的概念及知識、運用後設認知技能以反覆檢視自己所建構的想法、對於科學學習採取更主動的態度、會使用不同的策略來解決相同的問題;而經驗主義認識觀的學生,傾向於機械式的學習,且比較害怕犯錯。

Learning Performance Novak在1985年的一篇研究中,暗示使用傳統的測驗方式並沒有辦法區分學生「有意義的科學學習」。Tsai(1998a、1998b)的研究也發現學生對科學的認識觀點與學校傳統理化測驗的成績並無相關,建構論觀點的學生並非絕對的高成就者,實證論觀點的學生也並非都是成績差的;
以flow map評量成果時,建構組能有較好表現,但是在通常需要限時完成的傳統測驗中,反而可能易受挫。

Tsai (1998, 2000)

Gender Difference

Computer Simulation

Research Settings: 採取問卷調查法,利用文字問卷蒐集資料,問卷部分是使用Tsai & Liu(2005)「多向度科學認識觀問卷」,以調查高中自然組學生之科學認識觀(Science Epistemological Views,簡稱SEVs),及「一維直線運動線上測驗」(One-Dimension Motion Online Test,簡稱ODMOT)來測驗高中自然組學生對一維直線運動的概念。同時在ODMOT中,將試題區分為兩種形式,分別是以文字或靜態圖表呈現題目的「傳統試題」與使用模擬動畫出題的「模擬試題」。

SEVs questionnaire

Five Dimensions of SEVs Tsai & Liu(2005)以台灣北、中、南地區的高中高職生作為研究對象,發現在其在科學認識論觀點的各個向度之間,除了「理論承載的探索」向度與其他向度均有低相關之外,另外幾個向度之間並非都存在相關;亦即對同一個學生來說,可能在某幾個向度持建構觀點,其他某些向度又偏向實證觀點。林宜汶(2005)的研究以台灣中區物理、化學、生物系所的大學生為研究對象,發現其科學認識觀點五個向度彼此間均有相關

Invented and Creative nature of science (IC) 科學知識的本質比較是「被發明的」更甚於「被發現的」,人類的想像力和創造力對於科學知識的發展相當重要。
Test Items :
  • Scientists' intuition plays an important role in the development of science.
  • Some accepted scientific knowledge comes from human's dreams and hunches1. 科學家的直覺在科學發展的過程中,扮演一個重要的角色。
    2. 一些現在被接受的科學知識是從人類幻想與預感而來的。
    3. 科學理論發展的過程中需要科學家的想像力與創造力。
    4. 科學家有時從一些看起來不是很相關的知識或理論中得到解決問題的靈感與想法。
    5. 科學理論是由科學家發明的。
    6. 創造力在科學知識發展的過程中扮演一重要的角色。
    7. 科學理論的提出與建立是依賴對於自然現象客觀的整理,而與科學家的想像力無多大關係。

Theory-Laden exploration (TL)科學家的個人假設、價值和研究方式會影響由他們所主導的科學探索行為,而並非所有科學家都能進行完全客觀一致的探索。
Test Items :
  • Scientists can make totally objective observations, which are not influenced by other factors.
    (empiricist-oriented view, scored in reverse)
  • Scientists' research activities will be affected by their existing theories8. 不同理論背景的科學家對於同一現象的觀察可獲得相同的觀察紀錄。
    9. 科學家依據既有的理論選擇他們所認為有效的方法來研究與了解自然。
    10. 科學家可能選擇部份(而非全部)的實驗數據以驗證自己既有的理論。
    11. 不同理論背景的科學家對於同一現象的觀察可能獲得完全不同的觀察紀錄。
    12. 科學家的研究活動會受他們既有理論的影響。
    13. 科學家可做完全客觀的觀察。
    14. 科學探索的過程中是不會受科學家既有理論的影響。

Changing and Tentative feature of science knowledge (CT) 在科學發展的過程中會涉及到概念的轉變,因此科學知識是不斷的在變化因此它的地位只是暫時性的,並非絕對不變的真理。
Test Items :
  • The development of scientific knowledge often involves the change of concepts.
  • Contemporary scientific knowledge provides tentative explanations for natural phenomena. 15. 不同年代的科學家可能用不同的理論和方法來解釋相同的自然現象。
    16. 有些早期的科學知識恰好和現今的科學知識相反。
    17. 非連續性的思考,也就是說,觀念上的突然重大改變,是許多科學家的特性。
    18. 科學理論是恆久不變的。
    19. 科學知識發展的過程中經歷過概念的一再變更。
    20. 現有科學知識提供對於自然現象暫時性的解釋。
    21. 現在被認可的科學知識可能未來會改變或甚至被捨棄。

The role of Social Negotiation (SN) 科學的發展與成立仰賴科學家之間的協商以及科學社群的討論。
Test Items :
  • New scientific knowledge acquires its credibility through its acceptance by many scientists in the field.
  • Contemporary scientists have agreed upon an acceptable set of standards with which to evaluate scientific findings. 22. 一個新的科學理論需經由科學社群的大部分科學家認可才有其效力。
    23. 科學家們有一套共同認同的觀點與方式進行科學研究。
    24. 科學知識是經由科學家們共同討論辯證出來的。
    25. 科學社群內的討論與成果分享是科學知識成長的主要原因之一。
    26. 有效的科學知識需經由相關領域科學家的認可。
    27. 當代的科學家有一套共同接受的標準以評定科學研究結果的可靠性。
    28. 科學家間的不斷討論辯證可形成更好的科學理論。

Cultural impacts (CU)科學知識的發展會與文化相關,不同文化背景的科學家,獲取知識的方法會有差異。
Test Items :

  • Different cultural groups have different ways of gaining knowledge about nature.
  • Scientific knowledge is the same in various cultures (empiricist-oriented view, scored in reverse). 29. 不同文化族群的人,有不同的方法或過程來獲得有效的科學知識。
    30. 有一部份的科學知識來自民間傳說與神話。
    31. 科學知識對不同文化族群的人有不同的價值。
    32. 不同文化族群的人,有同樣的方法解釋自然現象。
    33. 因為科學具有普遍性和客觀性,所以各個文化下的科學知識都是相同的。
    34. 科學是客觀的,因此科學獨立於民族的文化之外。
    35. 科學知識發展受文化的影響。

One-dimension Motion Online Test (ODMOT)

ODMOT

  1. Traditional Questions (24) :
    text only or some static graph with words
  2. Simulation Questions (22) :
    simulations were created with Easy Java Simulation (EJS)

    試題形式

    內 容

    傳統試題

    模擬試題


    速度與速率

    3,5,7,

    10,12,


    加速度

    4,6,8,

    11,13


    圖表應用

    1,2,14,15,16,17,18,19,

    20,25,26,42,43,44,45,46

    9,21,22,23,24,29,

    30,31,32,33,40,41



    等加速度運動應用

    27,28

    34,35,36,37,38,39


Data analysis 結果與分析 「多向度科學認識觀問卷」包含五個向度,共35 小題,每一小題以Likert量表五等第的方式選擇,得分越高者越偏向建構觀點,得分越低者則越屬於實徵觀點。對35 小題進行主成分因素分析(Principle component factor analysis),將17 個因素負荷量小於0.45 的小題刪除,並求問卷信度之內部一致性:以Cronbachα 係數表示,Hatcher 和Stepanski(1994)認為,對於社會科學研究而言,α 若在0.55 以上即具有統計上的價值。剩餘17 小題各分佈在五個本徵值超過1.0 的五個因素內(本徵值分別為2.374、1.953、1.737、1.707、1.595),整個量表的信度是0.68,雖然不甚高但尚具有良好的內部一致性。

Empiricist group & Constructivist group


Constructivist group
(C-group)
Empiricist group
(E-group)
Average group
Numbers 61 62 285
percentage in each group Scored top 14.95% Scored bottom 15.20% 69.85%

Gender
C-group E-group Average group sum
Male Numbers 48 44 165 257
percentage 18.68% 17.12% 64.20% 100%
Female Numbers 13 18 120 151
percentage 8.61% 11.92% 79.47% 100%
,男生在建構組的分佈比率(18.68%)相近於實徵組(17.12%),女生在實徵組的分佈比率(11.92%)大於建構組(8.61%),由於「建構組」與「實徵組」表示其科學認識觀具有最明顯肯定的傾向,而相對於男生而言,女生在這兩組的人數分佈差異大,顯示女生有較多比例傾向於傳統的科學認識觀
(實徵觀點)。
男生在平均組的分佈比率(64.2%)明顯小於女生的分佈比率(79.47%);在人數分佈比例上的差異,說明相對於男生而言,女生具有極端意見者較少,顯示在對科學認識觀點上,大多數女生意見比較集中在中庸觀點

Gender Difference in all factors 自然組學生在SEVs 各向度分數上,男女得分均沒有明顯的分數差異。但在Tsai & Liu 的研究結果(表4.1-5)中,其發現男女在IC 與CT 向度有顯著差異;

factor gender average S.D. t
IC M 4.32 0.55 -0.09

F 4.33 0.48  
TL M 4.00 0.63 0.28

F 3.99 0.55  
CT M 4.20 0.67 -0.46

F 4.26 0.56  
SN M 3.67 0.64 0.64

F 3.63 0.53  
CU M 3.76 0.64 -0.14

F 3.76 0.60

ODMOT

Students' performance on ODMOT


average S.D. P 難易度D鑑別度
ODMOT 46 questions 35.64 5.96 0.744 0.305
Traditional 24 questions 18.88 3.12 0.774 0.278
Simulation 22 questions 16.76 3.57 0.710 0.332
出學生在模擬試題與傳統試題的得分具有顯著正相關(r=0.583),顯示學生在這兩種不同類型的試題得分,具有相當的一致性。

Gender Difference in ODMOT 在ODMOT 總分上,其平均得分男生顯著高於女生。將題目分為模擬試題和傳統試題分別計分時,男生得分也都顯著高於女生,但在模擬試題的t 值較大,差異比傳統試題更為明顯。

Item AverageS.D.t
ODMOT 46 questions M 36.831 5.636 5.469 ***
F 33.603 5.956
Traditional 24 Questions M 19.412 2.941 4.602 ***
F 17.974 3.227
Simulation 22 Questions M 17.418 3.449 5.035 ***
F 15.629 3.495

3 grade groups 根據郭生玉(1985)之挑選原則,將學生依照ODMOT 總分的高低,分為
三「分數組」,取前27%為高分組,後27%為低分組,其餘列為中分組;


High grade group Middle grade group Low grade group
Number 115 180 113
percentage 28.20% 44.10% 27.70%

Gender Difference in ODMOT 以各分數組來比較男女生的得分,根據t 檢定發現,ODMOT 總分僅在中分組稍有差異(p<0.05),男生分數明顯高於女生;而在模擬試題與傳統試題的得分上,雖然在各分數組中男生的分數似乎都較高,但均未達顯著差異。由此可知,在本測驗中,男女生無論在ODMOT 總分、傳統試題或模擬試題,均有能力拿到同樣的高分,也可能得到同樣的低分。

Item Grade group gender average S.D. t
ODMOT 46 questions H M 42.727 2.075 0.258
F 42.185 1.793  
M M 36.265 2.144 2.146*
F 35.523 2.372  
L M 28.426 2.464 1.697
F 27.559 2.920  
Traditional 24 Questions H M 22.057 1.441 0.853
F 21.741 1.289  
M M 19.278 1.804 0.553
F 19.123 1.816  
L M 15.389 1.795 1.034
F 14.983 2.316  
Simulation 22 questions H M 20.670 1.907 0.031
F 20.444 1.416  
M M 16.987 1.967 1.938
F 16.400 1.923  
L M 13.037 2.373 1.030
F 12.576 2.380  

Gender Difference in grade group 受試者來源是自然組的學生,原本在男女生人數上就有差異,但由下表可以發現,男生女生雖然在人數上有差異,但在各自的分佈比例上,於中分組的分佈比例相當接近(男生44.75%,女生43.05%),但在高低分組的分佈卻有明顯的差異,男生在高分組的分佈為34.24%,而女生僅為17.88%,幾乎只有男生比例的一半;而因此在低分組的分佈恰好相反,男生本身的分佈比例為21.01%,約為女生本身分佈比例39.07%的一半。也就是說男生在高分組的人數比例較低分組為高,女生在低分組的人數比例較高分組為高。

,(1)男女生本身的分佈比例差異,(2)中分組的男女生分數差異。由於男女生幾乎都可以拿到同樣的高分或低分,但是男生本身在高分組的分佈比例比低分組的多,女生則相反,是在低分組的分佈比例較高分組的多;而在中分組的部分,雖然兩性別本身分佈比例幾乎相同,但是分數上男生顯著高於女生,因此最後造成男生總平均分數較女生為高的結果。

Correlation between SEVs and ODMOT 將全部學生的SEVs 總分與ODMOT 得分做比較,發現SEVs 總分與ODMOT總分、傳統試題、模擬試題的得分均沒有相關

Person “ r ” r(all) r (simulation) r (traditional)
SEVs Total score -0.037 -0.026 -0.040

 

Item SEVs group average S.D. t
ODMOT All question C 34.53 5.82 -1.05
E 35.61 5.59
Traditional Question C 18.31 3.14 -0.83
E 18.77 3.06
Simulation question C 16.22 3.60 -0.97
E 16.84 3.49
節由SEVs 總分挑出的建構組與實徵組(稱為SEVs 組),以T 檢定比較兩組在ODMOT 的得分,發現實徵組平均成績似乎較高,但兩者並未達到顯著差異。接著比較其在不同試題形式的傳統試題與模擬試題上的得分,發現雖然實徵組的分數雖然都略高於建構組,但也沒有達到顯著差異。表示不同的科學認識觀,與不同試題形式的得分沒有差異。將學生群再細分為高、中、低三分數組加以比較,各分數組中的建構組與實徵組分數亦無差異再一次顯示在不同成績表現中持有不同科學認識觀的學生,其在不同試題形式形式的得分仍沒有差異。

Gender Difference in SEVs group 在建構組中,男生成績雖然較女生略高,但男女生的成績並未達到顯著差異。但在實徵組中,男生的成績明顯較女生為高,並且在模擬試題上的差異(p<0.01)比傳統試題(p<0.05)更為顯著。

SEVs group Item gender average S.D t
C-group M=48 F=13 ODMOT 46 questions M 35.06 5.73 1.377
F 32.58 5.96
Traditional 24 Questions M 18.52 3.14 0.999
F 17.54 3.18
Simulation 22 questions M 16.54 3.57 1.344
F 15.04 3.60
E-group M=44 F=18 ODMOT 46 question M 36.99 5.22 3.263**
F 32.25 5.13
Traditional 24 Questions M 19.36 2.93 2.469
F 17.33 2.97
Simulation 22 questions M 17.63 3.02 2.945**
F 14.92 3.89

*. 在顯著水準為0.05 時 (雙尾),相關顯著。
**. 在顯著水準為0.01 時 (雙尾),相關顯著。
知建構組與實徵組在ODMOT 總分、傳統試題、模擬試題的得分上,均無顯著差異。區分高中低分組時也沒有顯著差異。單獨比較男生之間或女生之間的建構、實徵組學生的得分,依舊沒有顯著差異。但若僅觀察實徵組,發現無論在傳統試題、模擬試題或總分,男生的得分都明顯高於女生。

Conclusion