就化學科的概念層次而言，過去的學者曾提出以表徵（representational）和 次微觀（sub-micro）的概念層次來了解巨觀的化學現象（macroscopic phenomenon）
（Johnstone, 1993, 2000, 2006）。以表徵而言，是指化學符號、化學式、化學反應 式、圖形、化學計量（stoichiometry）與數學（mathematics）的部分等，以某些 特殊的符號表徵，代表化學家所描述的概念；次微觀是指肉眼無法觀察到的概念，
如：原子、分子、離子等，利用這兩項表徵來解釋可觀察的巨觀現象（圖2-3-1）。
舉例來說：在常溫時，鐵於潮濕空氣的環境中會生鏽，這種可觀察的化學變化，
以化學的學習而言，即是鐵的氧化作用。其反應的概念可表示如下：
(s) 2(g) 2 (l) 2(s)
2Fe O 2 H O 2 Fe(OH)
由反應式可知2 莫耳的鐵可以和 1 莫耳的氧與 2 莫耳的水作用，形成 2 莫耳 的Fe(OH) ，2 Fe(OH) 即是鐵鏽。化學家可以很熟練地使用原子與分子的概念、2 化學符號、反應式來解釋鐵鏽的生成，故能以此三種表徵交替使用，來表達化學 概念，不會產生任何困難。但就初學化學的生手而言，比較無法由巨觀的現象連 結至不同型式的表徵，也就難以掌握這些表徵的意涵，故無從了解在微觀世界中 所產生的變化。仔細思索此一概念層次，對於三角形的三邊或是位於三角形內部 的點，Johnstone 的解釋是若接近巨觀的邊，則可能是巨觀現象為主與部分表徵 與次微觀的概念；若是接近次微觀內部的點，則是同時含有三種概念層次，以次 微觀為主（Johnstone, 2006）。此種模式在化學教學上有其重要的意義，如何設計 不同的教材或教學方法，使學生藉由各種媒介了解巨觀現象背後的化學原理，是 科學教育的重要議題。
28
巨觀現象
觀察 反應次微觀
概念 示意圖
心智 模式
圖2-3-2 示意圖與學習者建立心智模式的關係 二、化學示意圖與化學學習的概念層次
化學示意圖（chemical diagram）可用來代表化學的資訊，幫助描述想法、
提供解釋，呈現視覺意像，進行預測、演繹與形成假說。示意圖可為靜態或動態、
二維或三維、單一粒子或多重粒子。次微觀的化學示意圖包括分子、原子和次原 子粒子，可以用單一原子、粒子或粒子排列而成，這些都是示意圖形的表徵
（diagrammatic representations）。描述次微觀和符號層次的示意圖，可包括化學 現象、化學反應式和解釋文本。化學家很容易了解這些示意圖的表示方式，但對 學習化學的新手而言，卻是較高的挑戰（Gabel, 1999；Johnstone, 1993, 2000 ,2006 ; Treagust & Chittleborough, 2001）。隨著新科技的進步以及示意圖的正確性逐漸提 昇，這些示意圖形，可促使心智模型的發展以及學習更密切的連結（Chittleborough
& Treagust, 2007； Fiorea, Guevasa & Oser, 2003）。化學示意圖若能明確代表次微 觀層次作為化學概念的解釋工具，促使概念視覺化（visulization），即可發展出 概念的心智模型，而對巨觀現象的解釋有所幫助。
圖2-3-1 學習化學的三種概念層次（Johnstone, 1993, 2000, 2006）
巨觀
表徵 次微觀
甲 乙 丙 丁
圖2-3-2 代表化學示意圖如何提供學習者，對於次微觀概念建立適當的心智 模式。對於解釋真實世界的巨觀現象，如：瓦斯燃燒，如何以次微觀的粒子概念 作解釋，並不容易。瓦斯是碳氫化合物，燃燒是一種氧化作用，碳氫化合物的氧 化會生成水和二氧化碳，藉由化學反應式，C H ( )O2 CO2 H O2
4 2
x y
y y
x x
，
可以了解此反應的進行。但對任何巨觀的現象，如何建構適當的示意圖，使學習 者能有正確的心智模式，一直是學者思索的議題。
就測驗而言，提供適當的示意圖，可扮演了解學生心智模式的工具，以學測 91 年補考第 20-21 題為例，其試題如下：
20-21 題為題組
在 20-21 題的圖中，以大灰球與小白球分別代表兩種不同的原子，回答第 20-21 題。
20. 有關甲、乙、丙、丁四個圖所含的物質，下列的敘述，何者最合理？
(A)甲圖中是化合物 (B)乙圖中是混合物 (C)丙圖中是純物質 *(D)丁圖中是元素
21. 下列的方程式，何者最適合描述下圖中的反應？
(A)A2+B2→A2B
*(B)2A2+B2→2A2B (C)3A2+6B2→6A2B (D)12A+6B→6A2B (E)6A2+3B2→6AB2
30
說明：
這是典型的示意圖，以大灰球和小白球代表兩種不同的原子。第20 題由其 不同的組合（化合）測驗考生對純物質/混合物，元素/化合物定義的了解。第 21 題則由示意圖測驗考生對化學反應均衡的了解。
從上述的例子可知，示意圖可以幫助學生對於化學名詞定義的了解，並可以 解釋化學反應中原子不滅的定律，進而了解反應前後原子種類與數量不變的概念，
以解釋反應物與生成物之間的比例關係。
圖形除了上述可以作為解釋的用途外，還可以擴大在模型的建立和推理。但 在使用上需注意以下兩個原則（Mayer, 2002）：多媒介（multimedia）原則，即結 合文字與圖表會比只單獨使用文字，在提昇深層的學習更有效；連貫性（coherence）
原則，即不適當或過多的文字、聲音或圖片可能會使學習者分心，應該排除以促 進更深層的學習；另外，圖形的表示方式應具有一致性和連貫性。
就上述原則而言，若學習者使用圖形和文字方式以學習困難的概念，比單獨 使用文字呈現資訊的學習方式，更能保留所學的概念（Mayer, 2003）。Kozma 及 Russell（2005）認為化學家和初入門的學習者，最大的不同在於表徵能力，化學 家可以利用表徵將自然界的現象作連結，而與社群的人員進行溝通，故提昇初入 門學生的表徵能力，是化學教育的重要目的之一。
但是，使用示意圖表示次微觀粒子亦有其侷限，例如：粒子（尤其是氣體）是 不斷地在運動，若是以靜態的示意圖來表示動態的氣體分子動力論，有可能造成學 生對情境無法掌握，以至於對氣體的概念有所誤解（Krajcik, 1991）。此外，Bucat
（2004）也強調層次的重要性，需強調的是個別粒子還是可觀察的性質。關於動態 圖示的重要性，Sanger 及 Phelps（2007）重新使用 Nurrenbern 及 Pickering（1987）
測試學生，關於氣體粒子的動力理論的概念理解問題時，Sanger 及 Phelps（2007）
認為學生未能選擇正確答案的原因，在於靜態的圖示並無法表示溫度下降對氣體粒 子的影響，但若改以動態模擬方式呈現時，則可幫助學生選出正確答案。
雖然，示意圖的靜態呈現有其限制，加上動畫有不錯的效果，但也有學者認 為對於不同的主題應提供不同的表徵形式，各種視覺化的資源應具有不同的角色
（Kozma & Russell, 2005）。故不論動態或靜態的形式都有其存在價值，兩者應可 作互補的角色。在最近的例子中，不管是Liang, Chou 與 Chiu（2011）關於氣體 粒子性質的研究，或是吳皇慶及張俊彥（2011）關於地科的研究，都提供了動畫 對學生概念建立的良好模式。
從上述研究可知，圖形在化學的教學與學習上有三個重要的觀點：
1. 符號的表徵，如示意圖，可幫助了解肉眼無法觀察到的物質進行化學表徵。
2. 化學物質的符號層次是一種表徵，但是化學物質的次微觀現象是真實存在。
3. 正確且具體多元符號表徵，對了解化學的次微觀現象提供重要的訊息來源。
此外，以化學素養而言，應包含使用與解釋圖表的能力（Gabel, 1999;
Johnstone, 1993; Treagust & Chittleborough, 2001）。所以，從以上的論述可知，圖 表在幫助學生在概念的理解，實扮演重要的角色。既然圖表在化學學習上有如此 的角色，在入學考試的評量上，應該利用圖表的方式，測驗學生對概念理解的程 度。
三、化學實驗與化學學習的概念層次
實驗工作（laboratory work）是指學生觀察或操弄真實物質以及觀看教師的 演示。就廣義而言，實驗工作不僅是包括學校中正式的實驗或演示，家庭實驗的 試劑組（kits）以及實驗的電腦模擬都包括在內（Hodson, 1990）。一般而言，實 驗目的是教導學生操作的技能（hand skills）以及理論的闡述（illustrate theory）。
也就是說，包含了學科的內容與科學的方法兩種向度（Hirvonnen & Virii, 2002）。
Hodson（1990）也說，實驗工作不僅可以有助於學生興趣的提升，也可對於實驗 技能、科學知識的學習、科學方法的了解以及科學態度的養成，包括開擴心胸與 客觀性等，都有所助益。
32
一般來說，實驗是包括四個主要的過程，分別是探究的計畫和設計、操作的 任務（步驟）、實驗觀察、所得資料的解釋。除了這些設計與操作的項目之外，
有學者也提到兩種實驗可以培養的情意面向，分別是對科學的態度（attitudes to science）和科學態度（science attitudes），前者是指興趣、信心和動機等，後者則 是指思維的方式，包括客觀性、批判性、懷疑性以及對證據的考量（Garnett, Garnett,
& Hackling, 1995）。但是，Johnstone 及 Al-shauali（2001）認為，大部分傳統實 驗，對於學生實驗設計的技能似乎省略；此外，Domin（1999）對於普化實驗的 內容進行分析，發現大部分需要學習者操作的主要認知技能，是屬於布魯姆的前 三項較低階的認知技能，包括：知識、理解和應用，較少後三項較高階的分析、
綜合和評鑑的認知技能。
Hofstein（2004）以及 Hofstein 及 Lunetta（1982, 2004）研究都指出，不同 型式的實驗教學，對學生的概念學習有重大的影響。實驗教學的分類可分成四大 類，分別是說明式（expository）、探究式（inquiry）、發現式（discovery）和問題 為基礎（problem-based）。高中或大學普化階段的實驗內容，大都屬於說明式的 實驗，即其結果是事先已知，探討的方式是採演繹（deduction）而非歸納
（induction）。學生是藉由外在的老師、助教或操作手冊的幫助來完成實驗，與 探究式或發現式的實驗工作有所不同。這些探究式和發現式的實驗，並不知道事 先的結果，是藉由歸納實驗的數據，解釋某些科學現象，研究者必須參考文獻設 計實驗方法，經由不斷地嘗試錯誤，才可能獲得最後的結果與結論。
雖然說明式的實驗，無法像探究式或發現式的實驗方式，對提升較高階認知 技能有所助益，而且與真實的科學探究活動有所出入。但是，對於比較缺乏實驗 資源的學校，包括時間、空間、設備和人員，卻可以滿足基本實驗技能的培養。
雖然說明式的實驗，無法像探究式或發現式的實驗方式，對提升較高階認知 技能有所助益，而且與真實的科學探究活動有所出入。但是，對於比較缺乏實驗 資源的學校，包括時間、空間、設備和人員，卻可以滿足基本實驗技能的培養。