力學心智模式架構 力學心智模式架構 力學心智模式架構 力學心智模式架構

第肆章

第肆章 第肆章 研究結果 研究結果 研究結果 研究結果

本研究受 Voaniadou、Chi 與 diSessa 三人概念改變理論的啟發，試圖以 VCD 理論所建立的「新-心智模式架構」，探討不同年級的學生們對力學概念所形成的 各種心智模式架構。此外，藉由「新-心智模式架構」所提供的各項豐富資訊，

亦可進一步檢驗學生的力學心智模式架構是否具有穩定一致性。另一方面，研究 者也試圖分析不同建模教學對學生科學學習的成效，結合學生的力學心智模式架 構，以及建模能力分析指標所測得的建模能力，探討不同建模教學對學生力學心 智模式與建模能力的影響。因此，本章共分五節：一、力學心智模式架構；二、

力學心智模式是否具有穩定一致性？三、不同建模教學對學生力學心智模式架構 的影響；四、不同建模教學對學生力學建模能力的影響；五、學生力學概念改變 的成效與力學建模能力的關係。以下分就五項主題加以探討。

第一節 第一節 第一節

第一節 力學心智模式架構 力學心智模式架構 力學心智模式架構 力學心智模式架構

研究者參考表 3-3-1、表 3-3-4 與表 3-3-9 的編碼方式，對 48 位學生力學概 念晤談測驗的「前測結果」，將他們的晤談錄音檔逐一轉成文字稿，藉此 48 位學 生的文字稿，綜整出力學概念晤談測驗的新編碼表(如表 4-1-1 所示)。此表囊括 了九大題型中，48 位學生的回答情況、各種答題結果所對應的概念使用類別、

認識迷思預設的類別，以及本體迷思預設類別。有了表 4-1-1 後，研究者便可依 此分析學齡前、國小生、國中生與高中生在未經教學情況下，所持的概念類別與 概念使用情形，建立跨年級學生的力學心智模式架構，並分析各分層架構內的運 作情況(即學生們心智模式的來源、迷思預設的比例、概念使用的情況，與心智 模式的類別)，以及各分層架構間的連繫關係。

一一

一一、、、、跨年級學生的力學心智模式架構跨年級學生的力學心智模式架構跨年級學生的力學心智模式架構跨年級學生的力學心智模式架構

本小節主要是以「新-心智模式架構」為藍圖，建立『學齡前』、『國小』、『國

表 4-1-1 力學概念晤談測驗的新編碼表

中』與『高中』四個年級學生的「力學心智模式架構」。其中，各個年級學生人 數均僅 12 位，所建的架構誠屬 12 名學生的平均表現，並不適合推論成全台學生 的「力學心智模式架構」。在資料分析方面，「新-心智模式架構」多以描述性統 計的結果為主，配合表 3-3-4 的編碼方式，來解釋不同年級學生，其力學心智模 式架構的概觀結果。

(一)學齡前學生的力學心智模式架構

基於學生回答「力學概念晤談測驗」之前測結果，將 12 位學齡前學生對九 大題型的答題轉錄稿，逐一逐題地進行編碼，個人編碼合計的結果如表 4-1-2 所 示。從表中可知，學齡前的學生：(1)其力學概念使用時不具有「因果概念」、「摩 擦概念」與「消耗概念」。(2)每個人都會有「大小概念」的迷思。(3)其物質概念 (迷思預設)的類型共有九種，較多人持有的迷思概念依序分別為「大小概念(5.25 次/人)」、「被推概念(2.5 次/人)」、「被放概念(2.5 次/人)」、「運動概念(2.5 次/人)」

與「重量概念(2.5 次/人)」。

表 4-1-2 學齡前學生回答力學概念晤談測驗前測之概念使用編碼結果

過程概念 物質概念(迷思預設)

物質被動屬性 物質主動屬性 物質本體屬性

學生

因果概念 被推概念 摩擦概念 被放概念 習性概念 運動概念 裝填概念 消耗概念 重量概念 大小概念 穩定概念 外型概念

K1 0 0 0 0 0 0 3 0 9 6 0 0

K2 0 3 0 2 0 4 0 0 2 3 1 0

K3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 3

K4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 3

K5 0 4 0 4 5 5 0 0 0 6 2 1

K6 0 7 0 4 2 0 0 0 0 6 2 1

K7 0 2 0 3 0 3 0 0 6 3 6 1

K8 0 2 0 2 0 5 0 0 2 3 2 0

K9 0 2 0 2 0 5 0 0 2 3 2 0

K10 0 1 0 6 5 5 0 0 0 6 2 1

K11 0 7 0 4 2 0 0 0 0 6 2 1

K12 0 2 0 3 0 3 2 0 9 3 2 1

平均 0 2.50 0 2.50 1.17 2.50 0.42 0 2.50 5.25 1.75 1.00 若再進一步針對學齡前學生「心智模式的來源」、「概念使用的情況」與「心 智模式的類別」等方面做進一步的統計運算，可得表 4-1-3 的整理結果。從表中 可知，學齡前的學生：(1)其心智模式的來源全都以「普適領域(Domain-general)」

的情境(context)作思考，如生活觀察、雜書、電視、社教經驗等。(2)其力學概念

的使用情形全都是「物質概念(迷思預設)」，佔 100%，並不具有任何的因果概念 (科學概念)。(3)若再將物質概念依據「被動屬性」、「主動屬性」與「本體屬性」

分成三大類，其概念使用的比例依序為 31%、15%與 54%，本體屬性的概念具有 主導的情勢。(4)其心智模式主要有三種¹⁸，依照人數高低分別為「物質本體模式 (5 人)」、「物質被動+本體模式(4 人)」與「非科學混合模式(3 人)」。

表 4-1-3 學齡前學生力學心智模式來源、分類與心智模式的類型比例

過程概念 物質概念(迷思預設)

因果屬性 被動屬性 主動屬性 本體屬性 學生 來源

次數 比例(%) 次數 比例(%) 次數 比例(%) 次數 比例(%)

心智模式 K1 生活觀察 0 0 0 0 3 17 15 83 物質本體 K2 生活觀察 0 0 5 33 4 27 6 40 非科學混合 K3 生活觀察 0 0 0 0 0 0 12 100 物質本體 K4 生活觀察 0 0 0 0 0 0 12 100 物質本體 K5 生活觀察 0 0 13 48 5 19 9 33 被動+本體 K6 生活觀察 0 0 13 59 0 0 9 41 被動+本體 K7 雜書得知 0 0 5 20 3 13 16 67 物質本體 K8 雜書得知 0 0 4 25 5 31 7 44 非科學混合 K9 電視得知 0 0 4 25 5 31 7 44 非科學混合 K10 電視得知 0 0 12 46 5 19 9 35 被動+本體 K11 電視得知 0 0 13 59 0 0 9 41 被動+本體 K12 社教經驗 0 0 5 20 5 20 15 60 物質本體

學前生平均 0 0% 6.17 31% 2.92 15% 10.5 54% － 綜合前述，依據表 4-1-2 與表 4-1-3 的分析結果，便可整理出「學齡前學生 的力學心智模式架構」，如圖 4-1-1 所示。當中，若以 Vosniadou 的觀點來看，學 齡前學生的心智模式受第一層限制的迷思預設相當嚴重，佔盡了 100%，其中，

又以本體迷思預設的情況佔多數(54%)，如「概念限制-預設」所示。以 Chi 的觀 點來看，學齡前學生的力學概念均為物質屬性，並無任何的過程屬性，如「信念 或心智狀態的感知」所示；此外，偏向越右邊物質本體屬性的比例越高，越左邊 過程屬性的比例越低，若欲達成概念改變，勢必有其困難性。以 diSessa 的觀點

18 學生的心智模式，依據其過程、被動、主動與本體屬性這四類概念的使用比例做分類，當其 使用這四類概念中任一屬性的比例低於 25%時，代表此一屬性並不佔有 1/4 強的主導情勢，不能 將此屬性歸類成學生的心智模式。如：K12 的過程屬性佔 0%、被動屬性佔 20%<25%、主動屬 性佔 20%<25%、本體屬性佔 60%>25%，主導其心智模式的概念只有本體屬性，故其心智模式屬 於物質本體模式。反之，若其使用這四類概念中任一屬性的比例高於 25%時，必須將此屬性歸 類成學生的心智模式。如：K8 的過程屬性佔 0%、被動屬性佔 25%、主動屬性佔 31%>25%、本 體屬性佔 44%>25%，主導其心智模式的概念有被動、主動與本體屬性，故其心智模式屬於三種 概念的混合，歸類成非科學混合模式。

來看，學齡前學生對問題情境的思考來源均為普適領域(佔 100%)，而非特定領 域；因此，其心智模式仍有改變的空間，如「認知領域」所示。最後，若以 I&V(2001) 的分類觀點來看，學齡前學生的心智模式大多為「物質本體模式」或「被動本體 模式」，離科學模式仍有一大段距離；但是，「非科學混合模式」的出現比率並不 高，僅有 25%的學生持有不一致的心智模式，如底部的力學心智模式所示。

圖 4-1-1 學齡前學生的力學心智模式架構

(二)國小學生的力學心智模式架構

基於學生回答「力學概念晤談測驗」之前測結果，將 12 位國小學生對九大 題型的答題轉錄稿，逐一逐題地進行編碼，個人編碼合計的結果如表 4-1-4 所示。

從表中可知，國小的學生：(1)其力學概念使用時不具有「因果概念」。(2)每個人 都會有「大小概念」的迷思。(3)其物質概念(迷思預設)的類型共有十一種，較多

表 4-1-4 國小學生回答力學概念晤談測驗前測之概念使用編碼結果

過程概念 物質概念(迷思預設)

物質被動屬性 物質主動屬性 物質本體屬性

學生

因果概念 被推概念 摩擦概念 被放概念 習性概念 運動概念 裝填概念 消耗概念 重量概念 大小概念 穩定概念 外型概念

E1 0 3 0 6 2 9 0 0 1 2 1 1

E2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 3

E3 0 4 4 3 0 9 0 5 5 3 2 0

E4 0 2 2 2 0 5 4 0 6 3 2 1

E5 0 4 9 1 1 1 2 0 3 1 2 1

E6 0 9 0 2 0 1 5 0 5 1 1 0

E7 0 2 0 0 0 9 0 0 1 2 1 1

E8 0 2 0 2 0 0 4 0 9 4 2 1

E9 0 2 0 2 0 5 0 0 2 3 2 0

E10 0 3 3 1 0 0 1 0 9 1 2 0

E11 0 9 0 2 0 1 6 0 5 0 1 0

E12 0 4 2 1 0 0 6 0 9 1 2 0

平均 0 3.67 1.67 1.83 0.25 3.33 2.33 0.42 4.58 2.50 1.50 0.67

人持有的迷思概念前三名分別為「重量概念(4.58 次/人)」、「被推概念(3.67 次/

人)」、「大小概念(2.50 次/人)」；最後三名分別為「習性概念(0.25 次/人)」、「消耗 概念(0.42 次/人)」、「外型概念(0.67 次/人)」。

若再進一步針對國小學生「心智模式的來源」、「概念使用的情況」與「心智 模式的類別」等方面做進一步的統計運算，可得表 4-1-5 的整理結果。從表中可 知，國小的學生：(1)其心智模式的來源大多以「普適領域(Domain-general)」的 情境(context)作思考，僅有 2 名學生以學校教導的情境作思考。(2)其力學概念的 使用情形全都是「物質概念(迷思預設)」，佔 100%，並不具有任何的因果概念(科 學概念)。(3)若再將物質概念依據「被動屬性」、「主動屬性」與「本體屬性」分 成三大類，其概念使用的比例依序為 33%(比學齡前多)、27%(比學齡前多)與 41%(比學齡前少)，三種屬性有均衡使用的情況(比學齡前左移了部份比例)。(4) 其心智模式的種類有五，多數人所持的心智模式為「非科學混合模式(4 人)」。(5) 即使來源是學校教導的學生(E11)，其心智模式仍可能是「非科學混合模式」，不 一定科學。

表 4-1-5 國小學生力學心智模式來源、分類與心智模式的類型比例

過程概念 物質概念(迷思預設)

因果屬性 被動屬性 主動屬性 本體屬性 學生 來源

次數 比例(%) 次數 比例(%) 次數 比例(%) 次數 比例(%)

心智模式 E1 生活觀察 0 0 11 44 9 36 5 20 被動+主動 E2 生活觀察 0 0 0 0 0 0 12 100 物質本體 E3 生活觀察 0 0 11 31 14 40 10 29 非科學混合 E4 生活觀察 0 0 6 22 9 33 12 44 主動+本體 E5 雜書得知 0 0 15 60 3 12 7 28 被動+本體 E6 雜書得知 0 0 11 46 6 25 7 29 非科學混合 E7 電視得知 0 0 2 13 9 56 5 31 主動+本體 E8 電視得知 0 0 4 17 4 17 16 66 物質本體 E9 社教經驗 0 0 4 25 5 31 7 44 非科學混合 E10 社教經驗 0 0 7 35 1 5 12 60 被動+本體 E11 學校教導 0 0 11 46 7 29 6 25 非科學混合 E12 學校教導 0 0 7 28 6 24 12 48 被動+本體

國小生平均 0 0% 7.42 33% 6.08 27% 9.25 41% － 綜合前述，依據表 4-1-4 與表 4-1-5 的分析結果，便可整理出「國小學生的 力學心智模式架構」，如圖 4-1-2 所示。當中，若以 Vosniadou 的觀點來看，國小

學生的心智模式受第一層限制的迷思預設與學齡前學生同樣嚴重，佔盡了 100%，如「概念限制-預設」所示。以 Chi 的觀點來看，國小學生的力學概念與 學齡前學生同樣均為物質屬性，並無任何的過程屬性，如「信念或心智狀態的感 知」所示；若欲達成概念改變，勢必有其困難性。以 diSessa 的觀點來看，國小 學生對問題情境的思考來源，開始有選用特定領域的人出現(佔 17%)，因此，選 用特定領域的 2 名學生，其心智模式較其他學生容易破碎不一致，如「認知領域」

所示。最後，若以 I&V (2001)的分類觀點來看，國小學生的心智模式大多為「非 科學綜合模式(33%)」、不一致的心智模式，與 diSessa 的觀點較接近；其他類型 的力學心智模式出現種類雖多，但各種模式的比率並不高(均低於 25%)，且離科 學模式仍有一大段距離，如底部的力學心智模式所示。

圖 4-1-2 國小學生的力學心智模式架構

在國小學生的分析結果中，尚有幾項令人玩味的發現：(1)來源是「特定領 域」的學生，其心智模式可能「不一致(E11-非科學混合模式)」也可能「一致(E12-被動本體模式)」；因此，學生在國小階段學習科學時，可能會面臨非科學混合的 過程，即 diSessa 所謂 p-prim 的思考方式；也可能會面臨一致的思考模式，即

在國小學生的分析結果中，尚有幾項令人玩味的發現：(1)來源是「特定領 域」的學生，其心智模式可能「不一致(E11-非科學混合模式)」也可能「一致(E12-被動本體模式)」；因此，學生在國小階段學習科學時，可能會面臨非科學混合的 過程，即 diSessa 所謂 p-prim 的思考方式；也可能會面臨一致的思考模式，即