學生常常對於表徵的理解以及對其做出連結是有困難的(Keig & Rubba, 1993;
Kozma, 2003; Nakhleh, Samarapungavan, & Saglam, 2005)。因此，僅只讓學生看動 畫，再加上上述所提到的一些挑戰，無法得知學生是否真正理解其科學概念。
Zhang 與 Linn (2011)提到，雖然動畫提供一種新的方式去讓學生理解科學現象，
但是學習者需要被更有效率地引導才能有效學習。建構表徵能夠成功地讓學生加 強動畫的學習，能夠讓學生專注在動畫中關鍵的特徵，也能使他們參與知識整合 的過程，例如添加、評析和精煉對於科學的想法。Harrison 與 Treagust (2000)也 提到，建構表徵的過程具有學習和引發動機的益處，若讓學生在看完動畫後能夠 做一些產出，例如畫圖，可以幫助學生理解概念。雖然學習者在產出過程中可能 較為困難、或是降低學習速度，但是可以加強記憶的滯留以及知識轉移。在課室 研究顯示，若讓學生有所產出，相對於只有讀，更能提升知識的整合(Richland, Bjork, Finley, & Linn, 2005)，且由學生產出的表徵可以是一個有力的學習工具，
能夠展現他們對科學概念的理解以及直覺的想法(Camacho & Cazares, 1998)。創 造和修正視覺表徵的過程，可以引起對科學概念更深一層的理解，因為透過將習 得的科學知識轉為另一種模式(Ainsworth, 2008; Gilbert & Treagust, 2009)。除了學 習上的成效之外，建構表徵，也可能是一種新的方式來讓學生學習科學知識，並 且提供學習動機(Hoban, Loughran, & Nielsen, 2011)。例如，在 Marbach-Ad、Rotbain 和Stavy (2008)的研究中，讓學生觀看電腦動畫以及進行畫圖活動可以促進學生 在分子遺傳學的學習成就，也提到可能的原因，是因此種教學方式有助於學生在 分子層次的學習動機，學生對於視覺的表徵、可視的分子模型，是持有正向態度 的。
在2000 年以前，大部分的研究都是洞悉學習者如何理解已經準備好的圖片 或是動畫，近期已有 越來越多的研 究將興 趣轉移至讓學生建立自己的表徵 (Tippett, 2016)，若對符號層次的反應粒子產出圖形，可以幫助學生理解動畫和連
結想法(Ainsworth et al., 2011; Zhang & Linn, 2011)。近年科學教育的趨勢，除了 培養學生在科學實作的能力之外，還要讓學生主動參與科學過程，因此表徵能力 在化學上也被定義成一種重要的技能，包含使用和轉譯不同的表徵，來去執行推 論、解決問題、溝通想法和建立理論(Kozma & Russell, 1997)。讓學生「使用」表 徵(learning with representation) ， 並 不 妨 礙 學 生 對 表 徵 的 學 習 (learning from visualization)，但前者更能夠反映出「建構和互動(constructive-interactive)」的觀 點，而讓知識建構成為一個主動的過程，並在先備知識、現有經驗與外在資訊之 間的互動(Tippett, 2016)。建構表徵，除了能夠提供評量學生的機會，還可以幫助 學生對於該概念的思考，以及建立理解、了解意義被建立的過程(meaning making)。
Ainsworth (2008)提出不同表徵的功能有以下三點。第一，表徵可當作一個
互補的角色(complementary roles)，例如圖和表之間的轉換，可以相輔相成，但是 又能提供不同的功能性，但前提是要讓學習者充分了解各個表徵所代表的意義，
才能充分發揮其效果。第二，表徵是一種限制性的理解(constrain interpretation)，
主要是提供一個與原本不同的表徵形式，通常新的表徵是較為簡化或是學習者較 熟悉的例子，來讓學習者理解原本較複雜或較易被誤解的概念，嘗試解決學生的 迷思概念，因此選用的表徵不能太過複雜，否則會造成學生的認知負擔。第三，
表 徵 能 幫 助 建 立 更 深一 層 的理 解(construct deeper learning) ，主 要透 過 提 取 (abstraction)、延伸(extension)以及關聯(relation)的方式，提取的過程是要讓學生能 以一個較高層次的組織方式建立自己的心智模型；延伸是一種知識的移轉，希望 學習者能夠將已知的表徵應用到未知的表徵；最後的關聯，是將不同的表徵間做 連結。雖然表徵能夠幫助學習者發展較複雜的概念，但是這些表徵仍需要在適當 的情境下使用，以及必須要小心的處理，才能發揮不同表徵的最大效益。
而表徵被廣泛應用在科學教育上，是隨著二元碼理論(dual-coding theory)以 及認知彈性理論(cognitive flexibility theory)的發展，用來解釋不同的表徵形式對 學習的益處，Wu 與 Puntambekar (2012)說明多種的表徵，包含語言文字（verbal-texual）、數學符號（symbolic-mathematical）、視覺圖像（visual-graphical）及行 動 操 作 （actional-operational ） 的 表 徵 ， 在 科 學 過 程 中 提 供 不 同 的 能 供 性 (affordances)，可以使用不同的表徵，相輔相成以帶給學習者最大的成效，但是若 少了學習者的主動參與，這些表徵的功能無法發揮，因此可以透過小組討論的方
式促進學生參與，而老師在使用這些表徵時，除了要提供鷹架的支持還要配合學 習者的發展層次。若是針對化學的表徵，則是使用Johnstone所提出的三個層次，
分別是巨觀、微觀及符號表徵，其定義整理如表2.1.2。學生的學習困難在於理解 這些不同的表徵層次、對於化學過程的解釋以及在表徵之間的轉換，這些都指出 學生在化學現象、表徵及相關概念之間缺乏連接。因此當學生若要對化學概念建 立理解，他們可能需要在不同表徵與生活經驗間做協調與轉換(Wu, 2003)。三個 化學層次中，對學生來說，理解微觀和符號表徵特別困難(e.g. Gabel et al., 1987)，
原因可歸因於很多種因素，例如對於原子與分子的不可見(Ben-Zvi, Eylon, &
Silberstein, 1986)，學生不完整或不正確的心智模型(Vickie M Williamson &
Abraham, 1995)或是學校所學的科學知識與現實生活經驗的落差(Osborne &
Freyberg, 1985)。
一、 畫圖對於學生學習化學的幫助
Van Meter 與 Garner (2005)以「Generative Theory of Drawing construction (GTDC)」此理論說明讓學生畫圖的好處，畫圖可以幫助學習者藉由限制注意力 對文字上有更佳的理解，關鍵在於學習者為了要產出圖像，當他們在計畫一張圖 時，必須選擇和組織所得到的資訊，整合字句和非字句的表徵。畫圖的好處是由 於學習者的建構行為而產生出的自我解釋(Chiu & Wu, 2009)，學習者在畫圖過程 中，也會採取自我監控策略(self-regulation strategies)，為了要產出圖的需求，會 迫使學習者去設定畫圖的品質目標，以及當他們在產出圖形時去自我審視對於圖 畫理解的品質。
Mason, Lowe, 與 Tornatora (2013)根據動畫處理模式「APM (Animation Process Model)」 的觀點提到自我產出圖畫的優勢，能夠引起學習者對於動畫更 進一步的處理。若以一個已經成形、資訊已被設定好的動畫，會嚴重地限制學習 者去提取和內在化關鍵資訊的機會。由於要對一個概念「理解」，是需要有效的 資訊提取和內化，而這些通常伴隨能夠提升心智模型建立的認知過程。若對於內 容缺乏理解或有誤解，通常是因為當所建立的心智模型是不足夠的，而這正好是 動畫隨著時間變化、資訊短暫呈現的特徵，也就是讓觀看者在處理動畫過程中花
費心思，而與心智模型的品質妥協，尤其是當動畫概念複雜時，學習者要建立一 個高品質的動態心智模型是很困難的。
若當學習者在觀看動畫過程中，沒有以分析性的視角去觀看，學生很有可能 只是輕描淡寫地瀏覽動畫，學習者可能只會提取動畫中較為顯著的特徵，而忽略 較細微但可能與概念相關的資訊，若讓學習者自我產出圖畫來讓學習者對於呈現 的動畫做更深一步的轉化或操作，就能充當一個檢核表，可以防止學生由於動畫 環境所忽視掉的重要概念。
因此Mason et al. (2013)以三個不同的組別探討畫圖對於支持動畫的理解是 否有效。動畫的內容為「牛頓擺(Newton's Cradle)」，一組為提供學生空白的紙，
讓學生對於所看到的動畫，畫出六張圖畫；第二組為提供已經設定好格式的六張 圖，讓學生在看到動畫之後，運用那些圖試著模仿畫一遍；第三組則是只觀看動 畫。完成之後，各組學生都被要求要寫出對於動畫的解釋（當下的理解）；兩個 月後，各組會再被要求寫出事後對於動畫的記憶和理解（延宕的理解）。研究結 果顯示，自我畫出圖畫的組別，對於動畫的理解程度，優於其他兩組，尤其是在 延宕的理解上；除此之外，研究者也發現，產生越豐富和越正確的圖畫，在動畫 的理解上有正向的關係，因此能夠藉由學生所產出的圖畫，預測學生對於動畫的 理解品質。這樣的結果是由於學生要對於所看到的動畫，畫出自己的圖形，學生 必須在動畫和自己的圖畫中來來回回，這樣的循環會使學生更仔細的觀察並且需 要更大的心智操作，支持學生對於所提供的外在表徵選取關鍵的要素，以及組織、
建立內在表徵的過程。Chi (2009)也說到，建構式學習的活動即是要讓學生將原 本的學習內容轉化為另一個不同的產出，能有助於學習內容的精緻化。
此外，Schwamborn, Mayer, Thillmann, Leopold, 與 Leutner (2010)不僅探討 了學生畫圖與否，以及學生畫圖搭配的教學活動，如何影響學生的學習成效。因 此本研究一共分為五組，其中一組為控制組（僅從課本文字上學習）；第二組為 讓學生看完一段文字後產出圖畫；第三組是在閱讀完文字後，在重點地方畫線，
接著再畫圖；第四組是讓學生閱讀完文字後，要先在心中想像文字的內容（組織 和整合）之後再畫圖；最後一組為結合三、四兩組的方法，最後再畫圖。單元內 容為化學中的界面活性劑的概念，提到肥皂和水的清潔過程。研究結果顯示，有 畫圖的組別在測驗分數明顯都優於控制組，除此之外，也印證了畫圖具有預兆的
效應(prognostic drawing effect)，亦即學生所畫出的圖形的品質若越高，學生在後 測分數表現上就越好。
因此以化學學習方面來說，學生若要對所看到的動畫產出較「正規」的圖形，
學生勢必需要把具有的先備知識和化學動畫所呈現的資訊連結起來，學生能有目
學生勢必需要把具有的先備知識和化學動畫所呈現的資訊連結起來，學生能有目