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Xiufeng Liu, Anne McKeough Journal of Research in Science Teaching 指導老師：謝寶煖 老師

Developmental Growth in Students ’ Concept of Energy: Analysis of Selected Items from the TIMSS Database. Xiufeng Liu, Anne McKeough Journal of Research in Science Teaching 指導老師：謝寶煖 老師 報告人：周芷吟 ( 物理所 ) 組員：李 寧 ( 土木所 ) 顏裕焜 ( 環工所 ). 大綱. 研究問題

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Xiufeng Liu, Anne McKeough Journal of Research in Science Teaching 指導老師：謝寶煖 老師

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Presentation Transcript

  1. Developmental Growth in Students’ Concept of Energy: Analysis of Selected Items from the TIMSS Database Xiufeng Liu, Anne McKeough Journal of Research in Science Teaching 指導老師：謝寶煖 老師 報告人：周芷吟(物理所) 組員：李 寧(土木所) 顏裕焜(環工所)

  2. 大綱 • 研究問題 • TIMSS簡介 • TIMSS的抽樣方式 • 數據分析 • 題目難度估計 • 不同年齡學生的答對率 • 結論

  3. 研究問題 • 一般能量概念的課程大致依序為：energy source, work, energy transfer, energy conservation。這樣的教學順序是否合理?要在那個年級教才適合? • 考慮學生認知發展的過程，研究能量的各個主題對學生而言的難度順序。

  4. TIMSS • 國際數學與科學教育成就趨勢調查(Trends in International Mathematics and Science Study) • 1995年開始，每四年舉辦一次。 • 1995年有45個國家參與調查。

  5. 抽樣目標對象 • 樣本目標分為三個族群： • Population1:學制中包含最多9歲學生的連續兩個年級。 • Population2:學制中包含最多13歲學生的連續兩個年級。 • Population3:中學最後一年的學生。 • Optional subpopulation:修習進階數學課程的學生、修習進階物理課程的學生

  6. 需以報告說明差異與原因 • 排除原因： • 偏遠地區學校 • 學校規模太小 • 和主流教育體系差異過大 • 只有殘障、無法作答學生的學校(mentally、physically、語言) • 需計算排除的樣本數，必須<10%

  7. 樣本設計 • Minimum cluster size：平均班級人數 • 95%的信心水準： • mean：m±0.1sd • percentage：p±5.0% • correlation：r±0.1 • 考慮clustering effect • Intraclass correlation，以各國過去的研究估計，若無資料則假設為0.3 • 依此計算出一對照表 • 抽樣學校數目最少150所 • 樣本數最少400人

  8. 樣本設計 • 層級(stratification) • Explicit stratification： 依照考慮的變因將學校分成不同群組，不同群組的學校使用不同的抽樣方式。常見的變因如：地理位置、社會階層分布不均等等。 • Implicit stratification： 考慮不同的變因將學校分組或排序，但所有群組仍使用相同的抽樣方式。常見的變因例如：學生的平均學業成就。

  9. 抽樣過程-stage 1 • Systematic probability-proportional-to-size technique • Sample interval=母群學生數/需抽樣學校數

  10. 抽樣過程-stage 2 • 第一階段抽出的學校，每校隨機抽出一個班級。再從此班級內隨機抽出需要的學生人數(minimum cluster size)。 • Population3可選擇以上方式，或是直接在第一階段抽出的學校內，直接隨機抽取需要的學生人數。

  11. 了解能量有不同的來源和形式 將能量的意義推廣到energy as the capacity to do work 開始能夠將生物和非生物對能量的需求做連結。energy as activities 能量是人具有的、有多少之分，且和運動有關。人需要從食物中得到能量，也知道車需要汽油玩具需要電池。 日常用語與生活經驗，例如走路很累 了解energy transfer，例如電從發電廠到居家使用 總是會有unwanted loss(廢熱的產生)，degradation 能了解不同系統中的能量，並能量化的了解封閉系統中的總能，了解能量守恆的概念。 能量的概念和概念發展模型 • The neo-Piagetian theory of Robbie Case

  12. 能量的概念和概念發展模型 • 將題目依內容分為五類： • Activity/Work 7-9歲 • Source/Form 9-11歲 • Transfer 11-13歲 • Degradation 13-15歲 • Conservation 15-18歲 • 3個population的Science題目，共27題和能量相關，有兩題同時出現在P1&P2，有兩題同時出現在P2&P3。 • 只使用美國的data • 各類概念的難度關係 • 不同年紀的學生的答對率差異

  13. 題目難度 • 使用Rasch model計算題目難度。 • 為什麼選用Rasch model? • 真分數模式的限制 • 測驗的統計數(ex.題目難度、鑑別度…)是sample-dependent & test-dependent。 • TIMSS抽樣的設計 • 3個population • Matrix design • Rasch Model的優點

  14. Rasch model • Rasch model常用於心理統計學，用於分析測量能力或態度等的資料。 • 在Rasch model中假設，受試者對問題做出某種回應的機率(P)是由「個人能力」(B)和「題目難度」(D)決定。 • 當受試者的個人能力和題目難度相等時，答對的機率為50% • Rasch model的基本假設： • 單一向度 • 局部獨立

  15. 加權後的Mean Square Residuals，對接近能力值或難度值的值較敏感。 • 期望值為1，1±x代表偏離標準模型x% • 通常多元計分可接受範圍為：0.6-1.4 • 未加權的Mean Square Residuals，對極端的偏離值較敏感。 • 期望值為1，1±x代表偏離標準模型x% • 通常多元計分可接受範圍為：0.6-1.4 • In.ZSTD和out.ZSTD分別為In.MSQ和out.MSQ標準化後的結果。 • 期望值為0 • 通常可接受範圍為-2.0~+2.0 單一向度檢驗

  16. 分散指標 • 分散指標(separation index)：Gp、Gi • 受試者或試題可由模式解釋的變異是誤差變異的幾倍，通常1.5以上可以接受，3.0以上極佳 • 本研究分散指標為22.38 • 分散信度(separation reliability)：Rp、Ri • 受試者或試題觀察變異中可被模式解釋的比例。可和Cronbach α換算，本研究換算出Cronbach α值為1。

  17. 題目難度估計值 • 期望值為0。 • <0代表題目對受試者而言較簡單。 • >0代表題目對受試者而言較困難。

  18. 不同年齡學生的答對率 • 實驗假設： • 7-9 歲 Activity/Work • 9-11 Source/Form • 11-13 Transfer • 13-15 Degradation • 15-18 Conservation • 各population受試者的人數與平均年齡

  19. 不同年齡學生的答對率 • 不同題目類型，各年級學生的答對率

  20. 不同年齡學生的答對率 • Linking items各年級的答對率 • 結論： • 利用TIMSS的database，以Rasch model計算出能量相關題目的難度，各類型題目的難度估計值平均後，可看出難度的趨勢符合預期。 • 觀察不同年級的學生在各題的答對率、各類型題目答對率平均、linking items的答對率，並搭配T檢定，可以發現越高年級有達對率越高的趨勢，符合預期。

  21. 結論 • 抽樣方式 • 隨機性 • 代表性 • Rasch model • 圖表呈現方式

  22. Reference • Liu & McKeough (2005). Developmental Growth in Students’ Concept of Energy: Analysis of Selected Items from the TIMSS Database. Journal of Research in Science Teaching, 42(5), 493-517. • Martin (Eds.) (1996). Sample Design. TIMSS Technical Report Volume I: Design and Development • 陳怡琴 (2009)。 以Rasch模式探討性別及學習機會對數學分數實作評量「差異試題功能」(DIF)之影響。屏教大心輔系碩士論文。

  23. 敬請指教

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