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高中生大氣科學表徵素養能力初探

江火明、陳斐卿 * 、王宏仁 中央大學教學與學習研究所

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報告大綱 緣起 表徵素養調查工具之發展 施測 訪談 結果 社會實踐觀點的解釋 應用與建議

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研究表徵 (inscriptions) 之動機 網路科展的經驗

「使用原始數據資料」活動，涉及 constructing inscriptions 能力的培養

建模學習 (learning by modeling) 遊戲的設計 涉及 reasoning inscriptions

但，學校正規教育裡地科課本的圖表，涉及培養 interpreting inscriptions 能力如何？

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研究目的 瞭解高中大氣科學的表徵解讀素養

盤點學生學習大氣科學的障礙

做為建模學習的設計參考

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研究方法 發展高中生大氣表徵素養調查工具

開放題表徵解釋策略之文本分析 複選題統計分析

深度訪談學生：開放題回答詳細或複選答對率高的 高二 11 名、高一 9 名 五次焦點團體教師：兩次

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高中生大氣表徵素養工具之發展 大氣科學表徵能力圖表來源

高中地球科學課本大氣單元圖表 (52 幅）分類 示意圖 數據轉化圖 天氣圖

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問卷結構 每個版本各測驗兩個圖表

1 開放題型，檢驗學生對這兩張圖所能讀出的訊息量、正確性，解讀策略

2 複選題型，將這些圖予以局部標示，設計為選擇題型，以探究其對圖中細部訊息的正確性

A.B 卷 ( 考量三種圖的問卷作答時間將太長 ) 2 題開放問答題 ( 詮釋） 17 題複選題 ( 綜合分析判斷 ) A 卷 : 示意圖 + 數據圖（複選題信度 Alpha =.7768 ） B 卷 : 數據圖 + 天氣圖（複選題信度 Alpha =.4083 ）

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所選取之四圖表 「輻合輻散示意圖」（「僅受氣壓梯度力影響之氣流

方向與氣壓分佈關係圖」）

「水氣含量的飽和曲線圖」（「不同溫度下、空氣達飽和時的水氣含量變化圖」）

「大氣分層結構圖」（「大氣氣溫隨高度變化圖」） 「地面天氣圖」（「 1996 年 5 月 5 日早上八點地

面天氣圖」、「東亞地區夏季平均氣流與氣壓 (百帕 ) 分佈圖」、及「東亞地區冬季平均氣流與氣壓(百帕 ) 分佈圖」）。

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示意圖 : 高低氣壓氣流方向圖（ A ）

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數據轉化圖：飽和曲線圖（ A ）

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數據轉化圖：大氣溫度與高度變化（ B ）

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天氣圖：地面天氣圖（ B ）

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特定學科表徵素養分析的複雜性 純氣象概念（如：科氏力效應） 純數學概念（如：內插） 兼有數學與大氣概念（如：等壓線、座標、

方位）

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問卷施測 施測對象 :N=189

上過基礎地科的高中學生 高一 3 個班 (普通 *2, 數理 *1) 高二 2 個班 (武陵地科選修 ,屏女數理 )

施測時間：下學期開學第一週

班內隨機分配作答 A 卷有效問卷數 92人 B 卷有效問卷數 97人

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開放題結果：讀圖解釋策略 26 種解釋圖表的特徵 粗分

正向特徵 負向特徵

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開放題：正向策略 (1)回答特徵 /解釋策略 百分比 (具特徵人數 /作答人

數）

運用圖上資訊判斷 96%

完整陳述 96%

解釋物理關係 93%

解釋數學關係 80%

說明符號 51%

外延推論 30%

對座標敏感 17%

指出圖表的前提或限制 15%

讀圖技巧的說明 14%

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正向舉例 A12_整體 _指出圖像的理論前提此圖是在無摩擦力的狀況下上圖無法分辨出此氣壓位於南半球或北半球

E2_推論式的從圖中既有的資訊開始外推露點 : 即選擇一溫度 ,配合水氣含量 ,再往左和飽和曲線對應 , 其對應時的那個點 ,往下對照 ,即是該溫度的露點 .( 如 +30℃時 , 水氣含量為 20,該露點應約為 +20 )℃同一水氣壓下 , 如水氣未達飽和 , 氣溫不論為何數 ,露點皆相同

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開放題 ：負向策略 (2)

回答特徵 /解釋策略 百分比 (具特徵人數 /作答人數）

典型說法 (課本說法） 86%

科學條件的忽略 75%

無法僅用圖上資訊判斷 69%

發散式的跳躍串連 59%

主詞缺乏或錯誤 56%

整體式 /標題式的解釋 37%

不確定的陳述語氣 18%

自創名詞或誤用專有名詞 13%

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負向舉例 E5e_標題式的解釋 _對整張圖作用的說明可以大約知道在各種溫度下 ,要達到飽和 , 水氣含

量至少要達到什麼標準

E1e_看到黑影就開槍 _只解釋符號象徵看到圖上的概念，不斷說明這個概念的意義，而不從圖上的特徵來解釋 ..也不是從圖所呈現的關係來推論，而是類似把自己對這個概念的知識講出來

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複選題結果（ 1 ） A 卷複選題答對率平均 47% B 卷複選題答對率平均 46%

高二答對率 (52%) 大於高一 (44%)

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複選題結果（ 2 ）： B 卷難度高

圖表類型 答對率 題數

A 卷示意圖 51% 9

A 卷數據圖 43% 8

B 卷數據圖 29% 3

B 卷天氣圖 49% 14

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複選題結果（ 3 ）：答錯率超過 50%

•天氣圖 6項（ eg. B5-6 ）•數據圖 5項•（ eg. B3-2 ）•示意圖 1項•（ eg. A3-4 ）•氣象 + 數學 8項•氣象 4項

學科分類 圖表類型 問題相關概念 錯誤率氣象 + 數學 天氣圖 天氣圖（氣壓線）、座標 88%

氣象 數據圖 穩定 +垂直運動 80%

氣象 + 數學 天氣圖 地轉風大小、切線、方位、座標 76%

氣象 + 數學 天氣圖 地轉風大小、切線、方位、座標 75%

氣象 數據圖 過飽和 72%

氣象 + 數學 天氣圖 地轉風方向、低壓、座標、方位、切線 69%

氣象 數據圖 穩定 62%

氣象 數據圖 穩定判斷因素不知 62%

氣象 + 數學 數據圖 缺乏座標與飽和水氣含量 59%

氣象 + 數學 天氣圖 地轉風方向、低壓、座標、方位、切線 58%

氣象 + 數學 天氣圖 地轉風方向、低壓、座標、方位、切線 57%

氣象 + 數學 示意圖 氣壓梯度、高低壓、方位、向量、內插 55%

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小結：不同類別之素養能力差異 「數據轉化圖」的素養上最為不足 「數據轉化圖」的解讀困難比較單純受氣象知識的影響

「天氣圖」的困難多半與數學的讀圖素養相伴

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開放題 vs 複選題 vs 在校地科成績 開放題 vs 地科成績 呈現負相關（ -.23 ） 開放題 vs 複選題 呈現負相關（ -0.27 ） 複選題 vs 地科成績 呈現正相關（ .311）

大氣表徵素養問卷的開放題使學生真正讀圖能力裸露，這項能力並不與學生在在校考試能力，或與具有猜題機會的複選題所呈現的表現一致，甚至呈現負相關

這些發現以 A卷為主， B卷的結果大致上都未呈現相關，可能與 B卷難度較 A 卷高有關。

複選題 vs入學基測數學成績顯著弱相關 (0.18) 複選題 vs 高一學期數學成績沒有相關 訊息量與正確性達高度相關，以正確性（得分）為主要

變項

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形成讀圖障礙的可能原因 1

不同科目之間的交互影響與干擾 地理：長期『氣候』尺度的平均現象 大氣科學：瞬間、依據所在位置之條件來判定之『天氣』現象

例如：學生被要求根據一張天氣圖的線索推斷某個區域應該吹什麼風？學生的回應則是說：「西風，因為地理學過那裡是西風帶。」

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這樣兩種科目的學習產生頓時的矛盾處境時，學生也有自己的回應策略：「比如說跟地理有衝突的時候，我說我知道這時候瞬間同學們下了決定，考地理的時候就寫這一個，考地科就寫這個，她們眼睛就睜得大大的，我就說，到底是誰對呢，我說其實，地理也沒有錯，地科也沒有錯，因為那個前提錯。那個叫氣流，這個叫風向」。他們不知道前提不一樣

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兩種在尺度（中尺度 vs小尺度）上的不同，造成學生用地理的基礎理解地科的迷思。

例子：飛彈 vs 投籃 什麼情況下大尺度或小尺度的判斷問題

「學生記得大尺度才要討論科氏力，但是他們不知道哪種狀況是大尺度。」

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科目之間的交互影響與干擾 2

數學 比例尺概念中，有一個標準答案，即所謂的精確值；高中生帶著這樣的精確值來理解本質上具有擾動性，沒有精準分類邊界的大氣科學而言，『精確』與『大概』就成為兩相干擾的概念

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科目之間的交互影響與干擾 3

化學 等到她們化學這兩年都有考三相圖，化學真的有懂，然後她們很自然而然的在地科裡面不會跟三相想在一起，如果這是化學，她就知道這是三相。

告訴她們這一題呢是第幾章的題目，她就會算。你告訴她這一題範圍沒有限制的，同樣題目不會算。你說這一題是地科的題目，她就會從地科裡面亂想一些名詞去繞，如果你說這一題是化學，她就會從化學裡面去繞

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形成讀圖障礙的可能原因 2

國中的精熟學習策略之影響 「他們沒有讀圖表的習慣，就是說他們從小到大背文字，不覺得圖表是在告訴他什麼訊息…反正圖表的訊息，這邊都有寫，他就背文字，至於文字的敘述是圖表哪裡呢？他們不會去想什麼樣是什麼意思…」

科學社群中，圖表為主，文字成為配角。

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小結：兩階段題目的設計效果 開放題：

「發散式的跳躍串連」 「典型說法（課本說法）」

複選題： 「科學條件的忽略」而不能正確作答

例子：高氣壓上升、 低氣壓下降。少寫兩個字「地面」，因為他們不認為「前提」重要

例子：等壓線之間的是同一種壓力（簡化）

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例子： 「無法僅用圖上資訊判斷」 又如量表 B版有兩題複選題設計以「東亞地區夏季平均氣流與氣壓（百帕）分佈圖」、及「東亞地區冬季平均氣流與氣壓（百帕）分佈圖」）為對比

測試學生是否能夠因為冬夏（時間）這一向度的差別，對不同方位之間，氣壓、風向、風速等要素的改變，讀出該圖所透露的資訊。

這樣的測試，清楚的看到許多學生展露「無法僅用圖上資訊判斷」的答題困窘特徵。

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社會實踐觀點 涉及社會文化面的學習動機（ Lave & Wenger, 1

991； Hickey, 2004 ） 在教學講解中，學生偏向記得第一句與最後結論

「她們用她們生存的那一套方式，考地科就寫這個，考地理就寫那個，可是基本上她們認為這兩個是不一樣的。…她們的樂趣不是去找出真正的知識，她們的樂趣是放在分數跟考試上。」

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建議與應用 從社會實踐論的角度分析，並非是本地高中學生的

讀圖素養高低如何，而是深掘出一種學校實踐（ school practice ）濃濃凌駕在學生的表徵學習之上 如何考高分、如何區辨哪些東西考與不考，以便能盡量

用最不花心力的情況下，去得到最高的分數 這種學習的交換價值遠遠凌駕於使用價值之上，使得表徵資料在學生的學習目光之外，無法獲得發展

他們不能展現成熟的讀圖素養，是來自少有參與表徵實踐的機會

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敬請指教

期末報告順利！ 寒假快樂！

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建議與應用 1 國中的學習策略對高中地科學習之影響

國中課程的簡化，使得學生對許多概念只消記得結果，而可以忽略前提、略過推理過程，仍然得到好成績

不同科目之間的交互影響與干擾 物理、化學、數學、地理

大氣科學學門需要的讀圖能力基礎 誤差觀念 尺度概念

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熟悉 vs 複雜

兩階段的表徵學習 學科影響：國中地科、地理 解題策略：不懂但可答對 標準說法 發散式聯想 /從圖表中的概念開始延伸 表達能力不足

學科影響：物理、其他學科的讀圖經驗 對「邊界條件」的敏感性 從數學 /幾何特徵區分解釋步驟

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高中教師 (1) 國中課程簡化 /簡化產生迷思概念 精熟學習的習慣影響 忽略前提 /忽略推論過程 缺乏「長」的邏輯推理 / 關連能力弱 氣候 vs 氣流：地理影響 考試取向 /挑重點 標準答案 vs Local Context 數學困難：比例觀念、誤差觀念 學科困難：尺度變化、抽象

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高中教師 (1)

數學訓練 / 表達能力訓練 / 科展訓練 讀圖經驗的累積 生活化的舉例 實際操作的體驗

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科目之間的交互影響與干擾 4 物理（學習順序） 高三上的氣體動力論 飽和的意義。學生會很奇怪說，為什麼不同溫度下

空氣中的水氣含量就會不一樣？ 有沒有辦法測量一滴水的溫度，用溫度計去測量，她就說太少了，不可能。重點是喔，溫度計在測量一個東西的溫度的時候，是要達到熱平衡，這都是物理觀念，對一年級來講，很難。你要達到熱平衡的時候，如果那個東西跟溫度計本身的質量比起來，太小的話，到底達到誰的熱平衡啊？