多重表徵與科學學習

一、多重表徵

Yore 和 Treagust 在第一屆「Island Conference」中提出在科學學習及科學素養上，

師資培育和教師專業訓練都需更著重語言，教師必須將語言視為建構知識的認知工具，

協助學生轉移經驗到交談再到文本，藉以達到較深層的理解，並提升科學素養（Yore &

Treagust, 2006），而表徵即為這些科學語言之具體呈現，利用不同的形式或模式（如文 字、數學、視覺、及動手操作等）呈現之不同表徵類型（如模式，類比，方程式，圖，

圖解、圖像及模擬等）都可以用來提升概念的理解並且促進溝通，達成科學概念建構之 目的。

在1960年代晚期和1970年代早期，Allan Paivio 即主張雙重編碼理論（dual-coding theory），認為我們以圖像的編碼和語言的編碼表徵訊息，再把此兩種訊息組織成能夠 予以操弄、儲存，甚至往後再提取做後續使用的知識 (Sternberg, 2003)。Paivio (1986) 後 續的研究也指出人類擁有兩套互動但又獨立處理不同類別資訊的系統，一是專門處理語 文方面的語文系統 (verbal system)，另一是專門處理視覺資訊的圖像系統 (visual system)，若兩者併同運用可以增進學習，他的研究也證明當學習者回想時，對文字加圖 片的回想能力優於只有文字的回想。Roberts (2002) 也提出人類的大腦是多工的機制，

並不適合直線性、固定步驟的學習，反而更需要豐富的、複雜的以及多感官的學習環境，

且學習風格理論 (modality theory of learning styles) 認為不同學習者偏好不同的知覺通 道 (Barbe & Milone, 1980)，多元智慧理論 (multiple intelligence theory) 認為不同的學習 者擁有不同的智慧 (Gardner & Hatch, 1989)，均主張學習者各有不同的擅長學習方式，

因此教師教學應該針對學生學習方式的不同優勢來加以處理。換言之，教師在實際教學 當中應該呈現多種教學表徵形式來讓學生進行多感官學習，也就是說，運用此多重表徵

( multiple representation) 可以避免單一表徵所造成的僵化知識和錯誤概念，並激發認知 的變通性而促進遷移和類化。

Ainsworth (1999) 則認為使用不只一種表徵較可能抓住學習者的興趣，且在促進有 效學習扮演重要角色，他提出了多重表徵的功能性分類（圖2-1-1），圖的左邊說明表徵 的使用包含補充訊息或支援補充訊息的認知過程。這個功能在不同表徵（如表格或圖形）

提供相同的訊息時，對一些學習者而言，其中一種模式的表徵可能比另一種更容易被吸 收。Ainsworth 認為學習者被給予使用多重外在表徵機會時，他們可以補償某個策略轉 移到另一策略之不足，這暗示科學教師應該呈現給學生不同表徵來表達同樣的訊息，因

Complementary Roles

Complementary

Processes Complementary Information

Constrain Interpretation

Constrain by Familiarity

Constrain by Inherent Properties

Construct Deeper Understanding

Abstraction Extension Relations

Reification

所不同（Keller, 1998; Wallace, 2004），另外一些研究則證實多重表徵之呈現確實有助 於學生之概念建構與概念改變 (Tsui & Treagust, 2003; 2004；Prain & Waldrip, 2006）；

也有不同觀點的研究提出了幾種妨礙學生對表徵理解的可能性，以認知學習觀點來 看，學生是否能夠成功的理解或解釋相關的表徵，可能在於其個別的差異如邏輯思考 能力或先備知識，以社會實用觀點來看，學生在科學學習上缺乏參與產生、建構、解 釋和呈現表徵的經驗，亦可能造成學生不易透過表徵學習，而並不是由於個人能力不 足或認知缺乏，除此之外，表徵的瑕疵也導致了科學學習的困難，如中學和大學教科 書的表徵經常是模糊的，並缺乏視覺上的支援 (Copolo & Hounshell, 1995; Gilbert, 1999; Klein, 2003)。

因此，教師在選擇及使用教學表徵時，首先必須先對每一種教學表徵的特性充分 瞭解，並著力於思考如何應用各種教學表徵以將學科概念做最適切地表達。且以建構 主義觀點，學生對於不同表徵勢必有不同的偏好與選擇，再加上學生帶著不同的先備 知識進入教室，每個人的學習起始點亦有所不同，是以唯有提供多樣化的教學表徵，

才能夠刺激多數學生的學習動機，進而促進科學知識之建構。

二、多重表徵在科學學習上的應用

（一）圖文整合教學相關研究

有關應用多重表徵於科學學習的早期研究大抵為探討圖片或圖文整合對學生學 習 的 功 效 ， Levin 等 人 (1987) 指 出 圖 形 在 學 習 上 有 表 徵 (representation) 、 組 織 (organization)、解釋 (interpretation)、轉化 (transformation)、裝飾 (decoration) 等五個 主要的功能，前四種功能的圖形, 對於課文的記憶與理解有不同程度的正面效果，但 裝飾類的圖形則不僅沒有正面效果, 甚至有些有負面的影響 (Levin, Anglin, & Carney, 1987)。Carney 和 Levin（2002）在文獻回顧及後設分析中，再次確認除了裝飾外，不 論是以文本或多媒體方式所呈現的圖像，若與文字並列，均能藉由表徵、組織、解釋、

轉化等認知功能而達到促進學習之功效。Pozzer 和 Roth (2003) 也在研究高中生物教 科書圖片之盛行、功能與結構中，以圖片與文字關連性將教科書中的圖片分成四類：

裝飾(decoration)、說明（illustrative）、解釋（explanatory）、補充（complementary），

會引起學生不同程度的注意力，並在非正式研究中發現儘管教科書上的圖片十分豐 富，各階段學生均很少主動注意圖片，而提出學校科學教育仍視文字為主要的科學知 識傳遞工具，應更重視學生如何能由教科書上的圖片進行學習。

而後有許多研究均提出圖文整合對學生學習的助益，如：Mayer 和 Gallini (1990) 研究科學教科書，發現將圖片與文字同時整合在同一頁有較佳的學習效果、圖文同時 呈現對低先備知識學生的輔助效果較好，且同時標示部位與步驟的圖片，對概念性知 識回憶和解題能力效果最好，對於逐字背誦的學習則並無顯著差異；Anglin & Stevens (1987) 比較圖文並呈以及只有呈現文章的學習效果，也發現閱讀圖文並呈的學習效果 顯著優於純文字的呈現；Butcher (2006) 以純文字、簡單或詳細構造圖解配合文字三 種不同表徵研究大學生心臟及循環系統之學習，發現兩種圖解均較能支持心智模型之 發展，但簡單圖解較有助於科學事實的學習，且生手可以利用兩種圖解產生推論，降 低理解過程的錯誤，因此認為視覺表徵在設計支持深層理解的認知過程中不可或缺；

許良榮和邱月玲（2003）在探討不同的圖文配置方式對於國小學生閱讀學習的影響中 發現，四種不同的圖文配置文章在月相概念測驗之閱讀學習成就有顯著差異，其中「對 照式圖文」顯著優於「純文字」與「圖文不相關」文章，而「整合式圖文」顯著優於

「純文字」文章，至於「對照式圖文」、「整合式圖文」之間則沒有顯著差異。

Hegarty 和 Just (1989) 也提出圖片具有可以描繪事物在視覺上與空間上的性質、

可以幫助文章訊息的連結、能提供文章所缺少的訊息，或使文章的訊息更精緻化的特 性，因此可以幫助學生形成文章訊息的表徵；視覺性的呈現確實是任何學習階段之科 學性文章的重要部分，並且在科學概念的傳遞扮演著非常重要的角色 (Ametller &

Pintó, 2002)。

也有許多研究者從認知科學角度切入，關注學生進行多重表徵學習時注意力的分 配，Slykhuis 等人 (2005) 以 Pozzer 和 Roth 分類中極端的裝飾及補充兩類圖片，結果 發現補充類的圖片確實引起了學生更多的注意，且眼動儀資料提供了令人信服的資 料，提供了學生在多重表徵的教學素材中如何分配注意力的資料。Hannus 和 Hyönä 以不同智力的小學四年級學生為對象，以眼動追蹤來探討高低能力者對文章和圖片的

注意力分配和訊息擷取策略有無不同。結果發現兩類讀者對圖片的閱讀時間沒有差 異，但高能力者對文章和圖片中較重要的訊息的注意時間，以及在圖文間相互參照的 次數，都要明顯地多於低能力者 (Hannus & Hyönä, 1999)。由此可見，高能力者確實 較低能力者更能掌握圖文中的重點，也更知道如何分配自己的注意力在適當的內容上。

但 Schnotz & Bannert (2003)提出文本與圖形理解之整合模型 (圖 2-1-2)，認為並非 所有圖形均能促進學生之概念理解，文字理解與圖形理解是人類認知系統的目標導向 過程，個體主動選擇與處理文字和圖形訊息來建構心智表徵以符合當前的需要。根據 雙重編碼理論，文字結合圖形能獲得較精緻化的認知結構，而必有助於記憶所學到的 資訊及在知識的獲得上有較好的表現，但當評估不同種類圖形時，並未提供何者將更 有助於學習，Schnotz 和 Bannert 的研究發現圖形只有在學習者擁有低先備知識且進行 適當任務下，顯現目標知識才能有助於學習，否則圖形反而會干擾學習。

圖2-1-2 文本與圖形理解之整合模型 (Schnotz & Bannert, 2003)

S ub -s ema n ti c P ro ces si n g p erc ep ti o n th ema ti c se lec ti o n

sem an ti c p ro ce ss in g

an al y si s o f sy m b o l- st ru ct u re s an al o g s tr u ct u re -ma p p in g

verbal visual perception/

visual image text surface

representation

mental

model

（二）多媒體教學相關研究

而後隨著資訊科技融入教學愈發蓬勃，開始有許多研究針對靜態圖片與動態畫面呈 現的不同學習效果，而研究結果相當分歧。Mayer (2003) 曾定義多媒體教學訊息 (multimedia instructional message) 為結合文字與圖片所設計來促進有意義學習的教學表 徵，並進一步解釋文字包含印刷或口語形式的文件，圖片包含靜態（圖示、地圖、圖表、

照片）與動態（動畫與影片）形式，Mayer 認為透過圖片、文字的多媒體教學是否能促 進學生的學習與理解，端視所設計的多媒體教學訊息是否與人們的學習方式一致，因此 提出了有關人們學習本質的認知理論（如圖2-1-3），此理論提出三個假設：雙通道假設

（The dual channel assumption）、有限的能力假設（The limited capacity assumption）與 主動學習假設（The active learning assumption）。雙通道假設說明人類透過視覺與語文 表徵處理訊息，即如Paivio (1986) 所提出的雙碼理論，Mayer提出此階段需先經過選擇 (selecting)，不論是電腦學習環境或文本學習形式，學習者都必須從其中的聲音或文字、

動畫或圖形，選擇有關的訊息轉換為語文表徵或視覺表徵做進一步處理；其次為組織 (organizing) 階段，即針對語文訊息建立一致的心智表徵（形成語文模式），及針對視 覺訊息建立一致的心智表徵（形成圖像模式）；最後則為整合階段 (integrating)，在語

動畫或圖形，選擇有關的訊息轉換為語文表徵或視覺表徵做進一步處理；其次為組織 (organizing) 階段，即針對語文訊息建立一致的心智表徵（形成語文模式），及針對視 覺訊息建立一致的心智表徵（形成圖像模式）；最後則為整合階段 (integrating)，在語