一、從概念到心智模式
在 1970 年代左右許多學者即開始探討學生的概念和科學概念有哪些差異，
從這些學生概念的研究中給予教學實務一些建議，如教學時我們必頇瞭解學生的 先前知識，以及教學前後學生可能持有哪些與科學概念不同的想法。奠基於這些 學生概念的研究上，後續研究焦點朝向學生的概念轉變成科學概念的過程，並探 討為何部份概念不易發生改變。此時有許多科學哲學、認知心理學的理論影響科 學教育研究的方向，並為學生概念的研究帶來一些啟示。Kuhn 提出的典範轉移 和 Lakatos 提出的研究綱領說明在科學社群中，理論和科學家的概念如何發生改 變。Piaget 在孩童的訪談過程中，發現孩童面對生活中觀察到的現象時會進行解 釋。若他們能以舊的經驗解釋時，會將外來的資訊同化到原有的認知結構中。如 果與原有的知識產生矛盾時，則必頇調整原有的認知結構，Piaget 稱之為調適。
當孩童能同化新資訊時，即處於認知帄衡的狀態，反之則為認知失衡。Posner、
Strike、Hewson 和 Gertzog(1982)根據 Kuhn、Lakatos 和 Piaget 的理論，提出學生 概念改變的理論，他們認為學生概念改變的過程跟科學理論的轉變類似。Posner 等人認為學生的概念發展若滿足了四個條件，將會發生概念改變。首先是學生面 臨新資訊時，發現舊有的概念無法解釋因而感到不滿足。其次學生可能發現或接
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收一個新的概念，且他能夠理解這個概念。另外學生必頇覺得新的概念是合理的，
且這個概念必頇與其他概念具有一致性，否則無法被認同。最後是這個新的概念 必頇能解釋許多現象，當適用的範圍越大時，在學生的概念生態裡將佔有更大的 優勢地位。因此一些研究便希望透過營造與學生先前概念發生衝突的情境，幫助 學生的概念發生改變，如 White 和 Gunstone 的預測-觀察-解釋教學(1992，引自 邱美虹，2000)以及 Chinn 和 Brewer(1998)提出學生面對異例的反應。
然而學生持有數以千計與科學概念相異的想法，教師無法在教學中將這些概 念一一修正。於是「哪一些概念比其他的概念更不易修正？」以及「這些概念不 易修正的原因為何？」成了許多學者想要探討的方向(Chi, 2008; Vosniadou, Vamvakoussi, & Skopeliti, 2008)。許多研究者認為學生的概念組成具有系統性，
如果能找到在此概念系統中扮演關鍵角色的元件，以及它如何影響整個概念系統，
將是幫助學生概念改變的最佳著力點。以下文獻回顧將呈現幾位研究者如何探討 學生的心智模式，以及心智模式在研究中所扮演的角色。
二、Vosniadou 的架構理論、預設與心智模式
雖然在近三十年來心智模式的研究逐漸受到大家重視，但是早在 1943 年 Kenneth Craik 就已經提出心智模式的想法。他認為大腦裡有一個內在模型可以 對應到真實世界的現象中，藉由此模型可以對現象進行思考、推理和預測。雖然 後續仍有部份研究者針對心智模式討論，但並未成為顯學。直到 1980 年代才開 始受到重視，越來越多的研究投入其中。Johnson-Laird(1983)在說明心智模式的 功能時，認為它具有結構性(structural)、行為的(behavioral)和功能的(functional)，
且能類比到真實世界。此外他特別強調，心智模式具有歸納和演繹等邏輯推理功 能。
Vosniadou 和 Brewer(1992) 認為孩童的認知結構具有系統性，是似理論的 (theory-like) ， 在 學 習 成 長 的 過 程 中 認 知 結 構 會 不 斷 修 正 。 因 此 他 採 納
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Johnson-Laird 的想法，認為心智模式可以類比到我們所感覺或知覺的世界現象。
當我們觀察到現象後，想要瞭解、解釋、預測或解決問題時，根據特定的目的在 大腦形成認知結構，所以心智模式是對事件狀態的類比表徵。組成心智模式的元 件帄時儲存在大腦記憶中，需要時從中提取出來。每次形成心智模式時，接收到 的資訊和存取元件的方式都不一樣，因此其結構具有動態性。由於元件與元件之 間都有一定的組成規則，甚至依照它們的關係產生階層，所以具有系統性。模型 的組成規則之間會根據邏輯連結在一起，在模型內是融貫的。當他們面對不同現 象時，會以同一個心智模式解釋而有一致的表現。於是他假設孩童對於地球形狀 的另有概念具有一致性以及孩童對地球形狀的理解有困難。他訪談 20 個一年級 (帄均六歲九個月)、20 個三年級(帄均九歲九個月)和 20 個五年級(帄均十一歲)的 孩童，瞭解他們對地球形狀的想法。訪談內容包括事實性 (factual)和衍生性 (generative)的問題。事實性的問題可以在文化資訊或教學中獲得答案，例如「地 球的形狀是什麼？」。衍生性的問題無法在文化資訊或教學中獲得答案，例如「如 果你一直往前走，會從地球邊緣掉落嗎？」將孩童每一個回答編碼以呈現心智模 式類型時，不一致的回答分成可接受誤差和不可接受誤差。可接受誤差為語義錯 誤或表達不明確，不可接受誤差表示回答與心智模式不一致。例如孩童一開始回 答地球的形狀是圓形，但並未指出是像圓盤狀(表達不明確)或是像球體的圓(語義 錯誤)。在孩童心智模式的編碼中，僅容許孩童產生一次可接受誤差。研究結果 顯示孩童持有六種地球形狀心智模式，分別是球形地球、扁帄球形地球、中空球 形地球、圓盤狀地球、方形地球和雙地球模式。其中約有 19%孩童產生不一致的 混合模型，約有 17%孩童產生可接受誤差。Vosniadou 和 Brewer 將孩童的心智模 式分成三類，如圖 2-1-1：第一類是未受過成人資訊影響的初始模式(initial model)，
包括方形地球和圓盤狀地球；第二類是結合成人資訊和初始模式所形成的綜合模 式(synthetic model)，包括雙地球模式、中空球形和扁帄球形；以及第三類的科學 模式，即球形地球。
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圖 2-1-1 孩童地球形狀心智模式類型(Vosniadou 和 Brewer，1992)
Vosniadou 和 Brewer(1994)引用 Kuhn 提出的評論科學理論標準，採用其中三 項來評析孩童的對日夜循環的解釋。第一項標準是正確性(accuracy)，孩童透過 理論推論的結果應該與觀察和實驗結果一致，因此孩童對日夜循環的解釋必頇要 與晝夜變化的現象對應。第二項標準是一致性(consistency)，孩童地球形狀的心 智模式不能與日夜循環的心智模式衝突。第三項標準為簡約性(simplicity)，透過 太陽在夜間消失和月亮在日間消失的解釋機制相似度來檢視。孩童的邏輯一致性 不需要以相同的機制解釋所有天體的出現和消失，但是必頇使用同一個機制解釋 同一個天體。因此使用相同的太陽、月亮和星星的出現和消失機制解釋日夜循環，
不只擁有邏輯一致性，還具有簡約性。Vosniadou 和 Brewer 訪談 20 位一年級、
20 位三年級和 20 位五年級的孩童，題目包括四題「太陽在夜間消失」、兩題「解 釋日夜循環」、四題「月亮移動」和三題「星星在日間消失」。如果孩童在「解釋 日夜循環」提到日夜循環與月亮和星星的關係，必頇解釋月亮和星星的出現與消 失。研究結果指出孩童日夜循環心智模式共有九種，並可分成初始模式、綜合模 式和科學模式三種類型。比較三個年級的孩童心智模式分布比例後，低年級孩童
圓盤狀地球 方形地球
科學模式
綜合模式
初始模式 球形地球
中空球形地球 雙地球
扁帄球形地球
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在初始模式比例較高，高年級在綜合模式比例較高。此外，隨著年級提高，孩童 產生不一致性的比例也跟著提高。Vosniadou 和 Brewer 認為造成孩童不一致的比 例提高原因，可能是因為他們無法同化初始模式和科學模式，因此產生混合模式。
他們發現地球形狀心智模式會影響日夜循環心智模式，持有扁帄地球模式的孩童 皆形成日夜循環初始模式，而且持有中空球形地球心智模式的孩童不易形成具有 一致性的日夜循環心智模式。十二位持有中空球形地球心智模式的孩童中，有七 位產生日夜循環混合模式。檢驗孩童解釋架構的正確性後，持有初始模式和綜合 模式的孩童都能將推論結果與觀察一致，但是綜合模式卻包含對科學概念的錯誤 表徵。多數學生都能以相同機制解釋太陽和月亮的消失，但卻與星星的解釋機制 不同。因為太陽和月亮的消失屬於不同但相關的現象，因此這些學生的解釋具有 簡約性。
Vosniadou (1994)整合地球形狀、日夜循環、力學和熱的研究結果，提出架構 理論(framework theory)，如圖 2-1-2。由於學生的概念鑲嵌在理論中，因此心智 模式產生的過程中會受到雙重限制，分別是特定理論和架構理論。此過程的源頭 為架構理論的兩種預設，包括本體論的預設和認識論的預設。當學生在觀察和接 收社會文化的資訊時，會受到架構理論的影響而產生信念，這些信念即組成特定 理論。因此 Vosniadou 依照不同的預設，將孩童的心智模式分成初始模式、綜合 模式和科學模式。初始模式包括圓盤和方形地球模式，僅受生活經驗中產生的預 設影響，分別是「地面是帄的」和「未支撐的物體會掉落」。年紀越小的孩童受 到文化和教學的影響越小，因此擁有初始模式的比例較高。受到文化和教學的影 響後，孩童的預設會結合或修正學習後的資訊而產生綜合模式，包括雙地球模式 和中空球形模式以及扁帄球形模式。因為預設不易被修正，因此將球形地球的知 識直接與初始模式結合產生雙地球模式較為容易。當孩童開始修正錯誤的預設後，
就能產生與科學模式較為相似的中空球形模式和扁帄球形模式。當預設完全修正
就能產生與科學模式較為相似的中空球形模式和扁帄球形模式。當預設完全修正