力學的迷思概念 力學的迷思概念 力學的迷思概念 力學的迷思概念

第五節 第五節 力學的迷思概念 力學的迷思概念 力學的迷思概念 力學的迷思概念

根據物理學的理論，所有的力均來自於物體與物體之間的交互作用(French, 1971)。因此，許多力學的迷思概念均源自於學生不能了解物體與物體之間交互 作用的機制。自 1980 年開始，陸續有許多國內外的學者紛紛對此議題進行相關 的探討與研究。

在國內學者方面；董正玲與郭重吉(1992)曾對「力學概念」，進行一系列迷 思概念的探討。結果發現，學生可能發生的迷思概念包括：(1)物體不受力時便 會呈現靜止狀態；(2)物體會持續保持原有的運動方式，直到使其運動的力耗盡；

(3)走直線的運動體會比走曲線的運動體來得快；(4)重量是一種磁力。郭重吉與 楊其安(1989)亦在其研究中發現：當學生在說明等速運動體的概念時，他們會用

「與生俱來的力」來解釋慣性的現象。此外，全中平(1993)針對「摩擦力」的研 究議題發現，學生可能具有的迷思概念包括：(1)物體移動的距離越長，摩擦力 越大；(2)物體受到外力時，摩擦力可增加物體的速度；(3)有運動傾向的靜止物 體不受摩擦力。

再者，楊其安(1989)發現國中學生持有的重力迷思概念有：(1)重力與地心引 力不同，前者與重量有關，後者會影響下落速度；(2)地心引力的大小和物體的 高度有關，越高的物體其萬有引力越小。此外，全中平(1994)曾針對大二學生進 行迷思概念的研究，結果發現學生認定運動體在其運動方向必定有一力產生；而 對未接觸力學相關概念的學生而言，有過半數的學生認為：(1)平衡力不會使物 體運動；(2)磁力要在一定的距離才會發生；(3)物體只有向下運動才受地心引力。

最 後 ， 施 宗 翰 (2008) 與 簡 于 智 (2008) 於 去 年 亦 分 別 針 對 I&V(2001) 與 diSessa(1993)的力學概念議題進行準實驗研究，結果發現，學生的迷思概念會因 為情境的不同而有所差異。此外，他們分類整理出學生所持的力學迷思概念(新 p-prim)包括：(1)歐姆現象；(2)力為推動者；(3)力為偏向者；(4)連續力；(5)力為 旋轉者；(6)干擾；(7)消逝；(8)更努力工作；(9)熱機；(10)真空推動；(11)施力必

耗能；(12)有公式才有數字；(13)傳遞力(簡于智，2008)。

綜上所述，國內學者對於學生力學迷思概念的種類約略可分成以下幾類：(1) 物體本身要「受力」才會運動；(2)物體會受特殊的「摩擦力」所影響；(3)物體 重量「隱含」了磁力；(4)物體所受的力會「耗盡」；(5)地心引力與磁力和物體的

「位置或距離」有關；(6)走直線的「運動體」比走曲線的運動體來得快；(7)物 體不受力或力平衡時較「穩定」；(8)物體的重量與「大小」有關；(9)物體的「重 量」會影響其下落速度。其中，各類迷思概念均與物質本體屬性有關(Reiner et al., 2000)，即物質被動迷思(如(1)、(2)、(5))、物質主動迷思(如(3)、(4)、(6))、物質 本質迷思(如(7)、(8)、(9))。

在國外學者方面；由於文獻篇幅眾多，擬由列表方式呈現，如表 2-5-1 所示，

其中，各篇研究對於學生力學迷思概念的種類亦可分成被推的(pushable)、摩擦 的(frictional)、裝填的(containable)、消耗的(consumable)、被放的(locational)、運 動的(transitional)、穩定的(stable)、外型的(corpuscular)、大小的(additive)、習性 的(inertial)、重量的(gravitative)等十一類，若以 Reiner 等人(2000)的分類觀點詮 釋，將可完全囊括這十一個類別的力學迷思概念。

截至目前為止，有關迷思概念的分類研究中，應屬 Reiner 等人(2000)對於力 學迷思概念的分類最為完整。Reiner 等人(2000)認為：許多生手的初始知識(initial knowledge)都具有物質屬性(substance based)，亦即生手對於概念的理解往往植基 於日常生活經驗而來；相關力學迷思概念的物質屬性如下所述：

(1)物質是要「被推的(pushable)」：物體只要被推就有力(Piaget, 1973; Clement, 1982)，但卻沒有合力的概念。

(2)物質是有「摩擦的(frictional)」：物體只要被拖曳就有力，在日常經驗中，

此力常發生在接觸面間(Gunstone & Watt, 1983; White, 1983)，但卻不知形 成此力背後的原因。

(3)物質是可「裝填的(containable)」：物體有沒有力與能量或速度的裝填有關 (Piaget, 1973; Clement, 1982; Halloun & Hestenes, 1985; Brown & Clement,

表 2-5-1 國外學者對於力學迷思概念的研究發現

國外學者/發表年份 力學迷思概念 類別

Gunstone & White

(1981) 離地面越近的物體重量越大 Locational

Gravitative 等速運動的物體是因為有力量持續作用在他身上 Pushable

Containable Clement (1982)

兩物互推時力量通常不相等，取決於物體運動的狀態 Stable Additive McCloskey (1983) 衝力理論：物體具有一種內隱的力，會隨時間而消失 Consumable

Transitional Gunstone & Watt

(1983) 重力是大氣壓力所造成，沒有空氣就沒有重力 Gravitative Frictional White (1983) 日常生活中存有看不見的摩擦力造成力學迷思概念 Frictional

靜止的物體不會因為受力而產生反作用力 Containable 以相對位置來區分速率，而不考慮時間因素 Locational Driver (1985)

重力隨高度的增加而增加 Gravitative

Locational

物體不受力時呈靜止狀態 Stable

主動施力者對受力者提供較大的力氣 Inertial Halloun & Hestenes

(1985)

摩擦力僅存在固體與固體之間，其他態之間無摩擦 Frictional Corpuscular Terry & Jones (1986) 學生不清楚哪些力之間屬於作用力與反作用力 Pushable Brown & Clement

(1989) 力來自物體本身，而非一種交互作用 Containable Bliss et al. (1989) 學生認為的衝力作用基於物體的硬度與速度 Corpuscular Containable Eckstein & Shemesh

(1989) 在等速運動的車中，下落的物體會掉到車後 Inertial Finegold & Grosky

(1988) 學生認為的衝力作用基於物體的形狀與重量 Corpuscular Gravitative Finegold & Gorsky

(1991)

力是屬於物體內在的，而不屬於作用在物體上的外在 實體

Containable Inertial Galili & Bar (1992) 拋體運動當中，物體在最高點不受力 Locational

物體做圓周運動時有繞圓圈的慣性力 Inertial Hestense et al. (1992)

比較大的力或最後作用的力會決定運動的方式 Additive

靜止的物體僅受重力或不受力 Stable

Gravitative Thijs (1992)

物體的慣性力會因為受阻力或重力影響而逐漸減弱 Frictional Gravitative Palmer & Flanagan

(1997) 運動方向便是力的方向 Transitional

1986)，無法理解力的定義。

(4)物質是可「消耗的(consumable)」：物體所受的力會自動被用完(Piaget, 1973;

McCloskey, 1983)，無法理解力會消失的原因。

(5)物質是會「被放的(locational)」：物體被放在不同位置時受力不同(Gunstone

& White, 1981; Driver, 1985; Streri & Spelke, 1988; Galili & Bar, 1992)。

(6)物質是會「運動的(transitional)」：物體能主動運動才有力(Piaget, 1973;

Terry & Jones, 1986; Palmer & Flanagan, 1997)，殊不知生命體與無生命體 的差異。

(7)物質是要「穩定的(stable)」：物體不會自發地出現或消失(Clement, 1982;

Driver, 1985; Halloun & Hestenes, 1985; Carey, 1991)，誤以為物體的穩定與 否與力的大小有關。

(8)物質是有「外型的(corpuscular)」：物體具有表面和體積(Halloun & Hestenes, 1985; Finegold & Grosky, 1988; Au, 1994)，誤以為外型相同物體受力相同。

(9)物質是有「大小的(additive)」：物體可經結合後增加質量或體積(Clement, 1982; Finegold & Grosky, 1988; Bliss et al., 1989; Reiner, 2000)，誤以為物體 的大小與力的大小有關。

(10)物質是有「習性的(inertial)」：物體需靠外界操縱控制(McCloskey, 1983;

Eckstein & Shemesh, 1989; Finegold & Grosky, 1991; Hestense et al., 1992)，才能決定力的大小，殊不知影響物體受力的多重原因。

(11)物質是有「重量的(gravitative)」：物體會往自己下落(Gunstone & White, 1981; Gunstone & Watt, 1983; Driver, 1985; Thijs, 1992)，殊不知地球引力 造成的結果。

屬性(1)到(6)均為學齡前兒童的基本認知技能(Piaget, 1973)：(1)在幼兒時 期，兒童經驗了推/被推的歷程，確實持有「推或拉的概念」；(2)「摩擦」被孩童 認定是一種運動的阻礙；(3)「裝填」是一種透過守恆實驗必須認識的基本技能；

(4)「消耗」常常與食物的概念相連結；(5)「位置」屬於四個月大嬰兒的認知(Streri

& Spelke, 1988)；(6)「運動」是日常生活的常見的狀態。以上屬性均為 1990 年 前，學者們對於兒童素樸概念的研究發現。1990 年後，相關研究學者紛紛補充 其他可能的迷思概念：(7)Carey (1991)發現：兒童認為破碎的物體不具重量，而 Smith 等人(1997)也在八年級學生身上發現這類的迷思概念，亦即物體的「穩定 性」將影響物理屬性；(8)Au (1994)發現：學童對於「微粒的概念」常常會和連

續的觀點混為一談，只要是物體就具有粒子性；(9)Reiner 等人(2000)認為：孩童 有了守恆的概念之後，自然可預期「大小」將形成他們的強烈信念；(10)Reiner 等人(2000)提到：學童不認為液體或蒸汽是物質，但它們本身仍存有某種「習 性」；而這樣的迷思往往可能與電流或光相連結；(11)學童對「重量的概念」是 相當普遍存在的一種屬性(Reiner et al., 2000)。

依據 Reiner 等人(2000)的觀點，許多物質屬性會形成學童的強烈信念，導致 學童難以習得正確的科學概念而發生概念改變。對此，Vosniadou (1994)在其架 構理論中已提到，認知個體存有先天的兩大預設，並主宰了個體的信念：「本體 論(Ontology)與認識論(Epistemology)」。其中，本體論的部份涉及物質本體的屬 性，如 additive、stable、corpuscular、gravitative 等四類，分別涉及物質本體的大 小、穩定性、外型與重量。而認識論的部份則涉及認識物質主動或被動的行為，

如 pushable、frictional、locational、inertial、transitional、containable、consumable 等七類，前四者分別探討物質被動的行為是否可推、受摩擦、受位置或習性而影 響，後三者則分別探討物質主動裝填、運動傳輸、消耗等行為。因此，前述 11 類的 迷思 概念便 可個別對 應到「 概念 分類論(Chi, 1992) 」與「概念 限制論 (Vosniadou, 1994)」的「新-心智模式架構」中。詳細的分類對應方式，將於第三 章研究方法的部份再做更清楚的介紹。

綜上所述，力學的迷思概念大多發生在認知個體的日常經驗當中。從國內外 的文獻整理可知，學生的力學迷思概念大多隸屬於 11 種類別(Reiner et al., 2000)，亦即學生無法理解來自物體之間交互作用所形成的力，反而將力視為是 物體本身所具有的一種物理量。拿「新-心智模式架構」為例，當教師已了解學 生先前概念之後，欲破除其既有的迷思概念，首當對他們的預設信念挑戰，迫使 學生降低「物質概念」的使用機會，將物質概念轉為正確的「過程概念」，進而 達成有意義的科學學習。