第二章 理論基礎與文獻探討
第一節 「原子與分子」概念結構
第二章 理論基礎與文獻探討
本研究在探討由校內教師社群，經共同備課後研擬之 POEC 與分組合作學習模式，
對國二「原子與分子」單元學習成效的影響。故全章針對「原子與分子」概念結構、POE 教學策略原理、分組合作學習、以及校內教師社群等相關文獻進行探討。
第一節 「原子與分子」概念結構 一、概念的形成與迷思概念
概念是由一組觀念(ideas)或符號(symbols)所集合而成的一種觀念或符號，例如「酸」
就是一種化學的概念。當我們提到「酸」時，心中就會產生關於酸的各種意象(mental image)，包含嚐起來酸酸的、有刺鼻味、使石蕊試紙變紅色等相關觀念，或是解離出 H+、 pH＜7 等表示特徵的符號，這些觀念和符號統合而成為「酸」的概念。由此可知，概念 的形成必須經過思考、分類、篩選的歷程，並且要不斷學習才能熟練。概念學習是將屬 於同一類事物的許多具體形象加以比較，找出彼此的異同點，區分其本質特點與非本質 特點，然後把它們的共同本質特點抽取出來，並加以概括，作為代表這一類事物的概念 過程，一旦概念形成後就很不容易改變，因為其中包含個體對該概念已達評價程度的各 種態度和成見。
國中理化各章節裡，「原子與分子」是較難學習的單元，雖然大部分的國中學生都 知道物質是由「原子與分子」所構成的，但因無法直接觀察，是屬於不可見的微觀粒子 概念。形成概念的過程大致有三個步驟:
(1)觀察自然現象或實驗結果，例如：電解水產生氫氣、氧氣。
(2)自行建立結構的想像，例如：水分子由兩個氫原子和一個氧原子構成。
(3)利用符號表徵來解釋此現象，例如：圖像、化學式等。(Barke, 2001)
其中步驟 2 就是學生個人認知歷程，但卻是影響科學學習最終要的過程。學生在建構 自己的想像前，已帶有對此現象先前的概念，因此每個人對同一現象的認知會有所不 同，也就會產生各種迷思概念(林小慧，2008)。國中學生在年齡發展上雖已能夠進行抽 象的思考，但要學會從實驗現象或教師講解，去了解原子與分子的科學概念仍較困難，
因為其中包含許多需要記憶與理解的學說、定律、符號和事實，學生必須以微觀的變 化來解釋巨觀的現象。此時既存之先備概念常會與科學理論發生衝突，由於習慣上傾 向拒絕放棄先備概念，致使學生排斥、扭曲新概念而產生迷思概念（Carey, 1985）。
國內外的研究發現從小學到大學在原子和分子模型學習上持有迷思概念的人數均 達顯著性，如對於原子結構、大小、重量、擬人化的迷思概念，原子是如皮球般可壓縮 的，乃至顏色的改變，而分子則是以棒、桿、或彈簧聯結的有色球體；將巨觀性質視為 粒子特性，例如粒子會受熱膨脹、遇冷收縮等。
另有研究發現，中學生要能理解化學反應更是困難，他們認為將反應物加成在一 起而形成產物就是化學反應，至於分子間進行一連串的斷裂和重組的過程則無法想像，
因而形成迷思概念(Ben-Zvi 等, 1982, 1987)。另一項研究中，學者晤談 14 位高中生關於
7 (連續)的原子模型之心智模式 (Nersessian, 1992,Dagher, 1994, Gentner,1997； Vosniadou 1987, Harrison, Treagust1996)。
表 2-1 是有關「原子與分子」單元迷思概念相關研究的整理，參考引自張容君等(2007)
Griffiths &
Preston, (1992)
Harrison &
Treagust,
8
Gabel, Samul,
& Hunn
Stavy(1988) 國小 國中 Grzybowski , Renner, &
Marek (1992)
高中 紙筆 Wittrock, &
國小
9
10
11
12
13
14
次微觀
（原子、分子、電子）
符號
（結構式、公式、方程式與球棍模型等）
巨觀
(實驗與經驗)
測驗來表示。
綜合以上有關原子與分子的迷思概念，發現即使教師已上完課，許多學生仍 然存有迷思概念，可見原子與分子的確是較難理解的單元。對於國內學生而言，從國二 上學期最後一章開始，若沒能建立科學概念，或良好的模型，影響會一直到大學階段，
不可謂不重要。若要釐清所造成的迷思，就必須從可見的巨觀現象連結到不可見的微觀 粒子，能有次序的分類比較，建立原子與分子的科學概念。
二、概念層級與知識表徵
根據 Johnstone (1991)的研究指出：化學家對於化學概念分為三個概念層級
－巨觀、次微觀和符號(圖 2-1, Johnstone, 1992。引自謝秉桓等，2014)，巨觀的概念層級 表示可觀察的化學現象，包含生活經驗與實驗結果，例如沉澱反應。為了表現這些巨觀 的現象，化學家普遍使用符號表徵，包括圖案、代數、物理和計算的形式表示化學方程 式、圖表、反應機制、類比和模型套件。而次微觀的概念層級是基於物質的粒子理論以 解釋巨觀現象，
圖 2- 1、化學中的三種概念層級
例如：電子、分子和原子的運動，液體與氣體的擴散現象(謝秉桓等，2014)。學生在學 習化學概念時，往往只能操作其中一種習慣的概念層級來解釋，很少能以兩種概念層級 來解釋化學；但是有經驗的教師可以熟練的在三種層級間做轉換。Johnstone (2006)進一 步以化學的三種概念層級為基礎提出「多層次學習」（見圖 2-2），圖 2-2 為一個半定量 的圖，在三角形的任一頂點代表完全以此層級來解釋化學概念（例如：當完全以巨觀方 式呈現化學現象時，三角形中便完全以「巨觀」此一頂點表示），例如教師們上課時利 用化學方程式介紹一些實驗結果時，便會將其歸類為三角形右側的邊上，三角形中另外 兩邊亦然。許多課程中都會同時使用三種表徵進行教學，在這樣的狀況下學習的層級是 位於三角形中的一個點，並依照所使用的比例決定其位置，學生們學習化學概念往往面 臨著必須同時接收三種概念表徵的狀況，對於同一個化學反應以不同面向解釋，需要更 多時間消化、整理，也就更加趨向以自己最容易理解的概念層級來接受，也就更容易產
15
巨觀
表徵
（符號、公式、方程式與圖表）
次微觀
（原子、分子、離子）
以巨觀為主，伴隨著一些次微觀
以表徵為主，伴隨著一些巨觀
各層級同步進行，但以次微觀為主
生所謂的巨觀連續、巨觀粒子等迷思概念了(Nakhleh 等，1999)。
圖 2- 2 化學中的三種概念層級
因此，研究者想藉由適當的教學策略，在「原子與分子」單元當中，讓學生 由巨觀觀察實驗或實作，引導至微觀原子分子的結構，以模型，圖示來類比微觀粒子，
建立次微觀模式，再由次微觀模式解釋巨觀化學反應，最後微觀理論為基礎，完成對於 原子、分子及化學反應式的書寫。
16