本研究以物質三態變化概念進行研究，分析的基本單位為心智模式，因此本節將 以心智模式做為論述的主題，瞭解心智模式的基本定義、特質、組成型態與類型、一 致性及相關的研究方法，茲說明如下。
一、心智模式之定義
心智模式的相關概念根據 Johnson-Laird (1983)指出最早由 Kenneth Craik 於 1943 年解釋的本質(The Nature of Explanation)一書中所提出，認為人類是資訊的處理者，並 且使用三個不同的推理過程：
(1)「轉譯」外在的過程到內在的表徵，如使用文字、數字和其他符號的方式；
(2)「衍生」由它們而來的其他符號，可藉由某些推論過程。
(3)「再轉譯」這些符號為實際行動，或至少認知協調這些符號與外在事件，瞭解 預測的可能。
Craik 認為有機體具有外在實體的「縮小模型(small-scale model)」，並且在自己的 認知中產生一些可能的行動。藉由構思出多樣的方案，再總結出最好的一個，並且在 事件還未發生前就先反應出未來的可能情況，利用過去的事件的知識去解決目前或未 來的問題，而以更充分、安全的態度去面對緊急的狀況。雖然那時候數位電腦並尚未 發明出來，但 Craik 已將人腦與電腦處理歷程作類比，且「縮小的模型」並不限於實 體的縮小，在 Craik 的想法中包含更多用來預測或解釋事件的方法。
Norman(1983)認為心智模式為個體對於事物的內在描述，其形成原因來自於與目 標系統的交互作用，因此與外在環境的資訊輸入有相當大的關係，所以在思考心智模 式應包含四個不同的因素，分別為：
(一)目標系統(target system)：為個體正在學習或使用中的系統，可做為提供心智模 式產生時的資訊來源。
(二)目標系統的概念模型(conceptual model of the target system)：創造來提供目標系 統一個正確的表徵，通常由教師、設計家、科學家及工程師等所提出，為具有
一致性、正確性及完整性的模型，此模型所呈現的知識結構與當前的科學知識 相符合，因此有許多不同的用途，如溝通概念，傳達知識或進行教學活動等。
(三)使用者對目標系統的心智模式(user’s mental model of target system)：為個體與 目標系統交互作用後所產生的表徵系統，不一定是正確但必須是有功能性的，
此心智模式會在個體和系統在反覆的互動過程中不斷修正與精緻化。心智模式 會受到學習者的背景知識、相似系統的先前經驗及知識處理系統的結構等的影 響。
(四)科學家概念化的心智模式(scientist’s conceptualization of a mental model)：科學 家在進行心智模式運作時所產生，為模型中的模型。
Brewer (1987)指出心智模式的結構單位是基模(schema)，而此基模為組成人類知識 與技能的基礎。基模的根據 Piaget 的理論來說(Wadsworth, 1971)，是一種認知的結構，
為個體主動建構並用以適應及組織環境。因此根據 Brewer 的理論架，心智模式及基模 皆具有一般性的知識組織，而能建構出特定的知識結構，最大的差異在於心智模式為 接受外在訊息時所產生的知識結構，基模則是原先已存在的舊有知識結構。Gagne(1985) 指出基模是敘述性知識的整合單位，包含命題、心像和線性規則三種基本的形式，且 儲存在長期記憶區中做為知識提取的基礎。Norman(1983)也認為心智模式是個人與事 物互動後所產生的內在表徵。更進一步來說，心智模式則與前述的基模不同，心智模 式是存在於問題情境當中，為問題解決歷程中所產生的動態知識結構，因此可將心智 模式視為以基模為處理素材的特定知識結構。
而心智模式的功能方面，可以分為知識理解與問題解決兩種不同的運用情況。知 識理解方面，Gentner(1983)認為心智模式為人們瞭解外界運作的基礎，可藉此理解某 些領域知識的內容與方法；而問題解決方面，Willams、Hollan 與 Stevens (1983)認為心 智模式是一種心智實體(mental entities)的組合，而實體間會有特定的關係、變數及步驟，
主要的目的在於推論與問題解決。由上述可知心智模式的功能不只限於瞭解事物的方 法，而另包括以適合方式表徵外在世界而作出預測的功能，由此更瞭解心智模式與基
模之間功能性的差異。
在認知科學的領域中，心智模式的功能主要在於接受外在訊息，再進行解釋、預 測與推理的活動，進而提供對外在訊息的反應。因此影響心智模式推論結果的因素應 該包含訊息接受端、訊息處理過程及反應輸出端，其中訊息處理過程包含了邏輯規則 的推論及內部的表徵形式，因此心智模式相較於基模或概念等的知識基本單位，在各 方面表現出更多獨特的性質，為更進一步瞭解心智模式運用的方式，本研究在下一段 說明心智模式在運用時所表現出來的特質。
二、心智模式的特質
John-Laird (1983)認為心智模式是做為直接表徵或進行類比的內在心智結構，會反 應出事物的各種狀態，而產生相對應的心智，因此歸納出六種的心智模式特質，分述 如下：
(一)不完整：人們持有的心智模式大都是不完整的。
(二)侷限性：人們執行心智模式時會容易受到知覺的限制。
(三)不穩定：長時間未運用的心智模式，人們經常會忘記運用時的細節。
(四)無明確邊界：心智模式無固定或明顯的邊界，因此人們常混淆類似機制或操作過 程。
(五)不科學：人們常採取迷信(superstitious)的模式，以節省體力和心力。
(六)儉約性：人們習慣經由身體的行動，以減少心智上的負擔。
由上述可看出心智模式並不是精確而無錯誤的運用過程，反而會經常性地出現不 完整、應用限定或錯誤等等的情況，但 Norman(1983)則認為人們應用心智模式的重點 不在於精確性，而是在於實用性。因此心智模式在應用上容錯性大，主要功能是在於 對當下的問題作出即時性的理解，進而快速地建構出合適的解決方案。John-Laird 的理 論中指出心智模式是由人們先前的學習或經驗所建構，而 Franco 與 Colinvaux (2000) 則更明確地由心智模式的運用層面進行說明，認為心智模式有以下的重要屬性：
(一)心智模式是衍生性的(generative)
心智模式形成目的在於對外在環境進行反應，因此在反應的過程中，人們可 以產生解釋或預測的新想法。可知心智模式是具有衍生性的，能由舊事件中產生 新的資訊。
(二)心智模式牽涉到默示的知識(tacit knowledge)
個體擁有心智模式但無法察覺心智模式的各個組成因子，因此個體對於心智 模式如何產生新想法是不自知的過程。因此在瞭解個體的心智模式時，所發現的 是個體和外在互動後的結果。
(三)心智模式是綜合性的(synthetic)
個體是訊號的處理者，而非單純的接收者。心智模式並非完全複製外界呈現 的事物，而包含有意識與無意識的選擇過程，將接受的訊息作刪減及重構的工作，
而使得心智模式的運作能更有效率。因此心智模式具有將各訊息差別化及抽象化 的能力，而用更全面的方式儲存心智模式。
(四)心智模式被個人的世界觀所限制
前述指出心智模式具有將各訊息差別化及抽象化的能力，而此過程與個體成 長的環境有關。在許多的跨國研究中指出，由各特殊文化下成長的個體其心智模 式會被自身的世界觀所限制。以 Vosniadou(1994)的架構理論來說，個體的特殊理 論來自於文化脈絡中的觀察或新資訊，會影響到個體信念，因此在形成心智模式 時會使個體本身的思考時的限制。
目前心智模式的研究已廣為科學教育界所使用，不只限於個體對外界的表徵而已，
更包括個體如何使用心智模式的歷程。因此有許多科學教育的研究藉由分析學生各類 心智模式類型，瞭解科學學習上的困難與限制，下一段將進一步說明心智模式的種類 與型態。
三、心智模式的組成與型態
Johnson-Laird (1983, 1989)認為心智模式是經由聽覺與視覺，並透過次概念層次單 元(subconceptual level unit)的運作而產生概念，而此心智模式為複雜的組合體，內含許 多的組成概念，張志康、林靜雯和邱美虹(2009)將此關係圖進一步擴充，此心智模式的 組成如圖 2-4-1 所示。
圖 2-4-1 Johnson-Laird 對於心智模式與概念之關係圖 (修改自張志康、林靜雯與邱美虹，2009)
由圖 2-4-1 可知 Johnson-Laird 認為心智模式與概念間有直接的相互關係，但此簡 單線性關係 Kessler、Duwe 與 Strohner (1999)提出兩點的修正，認為概念與心智模式間 存有相互振盪的單元(oscillating units)及連結、約束及控制單元(conjunctive, binding or control units) ，並構成次概念動態單元(subconceptual dynamics)。概念動態單元為接受 外界的資訊，並經過處理後形成新概念，且會依據不同的情境產生不同的心智模式，
Kessler 等人修正後之理論架構如圖 2-4-2 所示。
…….
心智模式
概念 次概念層次單元
視覺訊號
聽覺訊號 抽象符號訊號
圖 2-4-2 Kessler、Duwe 與 Strohner(1999)對於心智模式與概念之關係圖
Kessler 等人的理論認為概念與心智模式間沒有直接的關連，之間存在著動態的互 動歷程，藉此可更進一步解釋心智模式與概念間的關係。此動態歷程將會收集由聽覺 及視覺而來的次概念結構，以解釋在不同情境下何以產生許多不同的心智模式，可以 回應到 Norman (1983)認為心智模式容易受到技術背景、相似的先前經驗等因素的影響，
而產生錯誤或加入不必要的概念因子。由 Johnson-Laird 及 Kessler 等人的理論可以看 出概念的形成都是經由聽覺及視覺等的處理而產生內在的表徵，並透過相對應的特定 心智模式提供問題解決的軌道，及相關概念的參考。因此在學生心智模式類別的研究 方面，研究者往往透過外在的聽覺或視覺推論學生可能的概念或心智模式，間接找出 學生心智模式的類型。
張志康(2009)整理八零年代的概念改變研究類型後，將概念改變與心智模式的機制 分為「概念分類論」與「概念限制論」兩類。所謂概念分類論(Chi, 2005; Chi, 2008; 邱 美虹，2000)為使用屬性類別將概念本體做為心智模式的實體參照架構，由概念類別的
張志康(2009)整理八零年代的概念改變研究類型後，將概念改變與心智模式的機制 分為「概念分類論」與「概念限制論」兩類。所謂概念分類論(Chi, 2005; Chi, 2008; 邱 美虹，2000)為使用屬性類別將概念本體做為心智模式的實體參照架構，由概念類別的