對於自然世界的理解以及科學教育而言，心智模式所扮演的角色是非常重要的，因為個體會 運用心中存有的內在模式，進行問題的解決，同樣的，在科學教育的研究中，也愈來越多研究根 據探討與分析學生心智模式的發展，以了解學生的想法，因此，本節將心智模式分成兩個部分進 行探討，一為心智模式的定義、組成與特性，二為心智模式的分類，最後則提出心智模式對於本 研究啟示，分述如下。
一、 心智模式的定義、組成與特性
一般來說，心智模式是屬於個別化人的，是不同於他人的一種模式，也可以說成心智模式是 具有「獨特性」與「不可共量性」的（張志康，2008），會因為人、事、時、地而有所差異，因 此，不同研究者對於心智模式的定義也不可共量的，也就是說，不同研究者對於心智模式的定義 也會有所差異。
最早對於心智模式的陳述是於 1943 年由 Kenneth Craik 提出的，他認為個體會透過外在事件 轉譯為內在模式的方式來進行推理，其中涉及了符號的表徵來辨識內在與外在之間是否存在其一 致性（邱美虹、林靜雯，2002），然而，不同研究者對於心智模式的定義，整理如表 2-3-1。
表 2-3-1 心智模式的定義
研究者 心智模式的定義
Johnson-Laird（1983） 心智模式能夠是對事物的直接表徵或是類比
Norman（1983） 心智模式為個體對外在事物互動之後所產生的一個內在 的表徵
Williams、Hollan 與 Stevens（1983） 心智模式為心智實體之間特定關係、變數或步驟的組合，
可以用來推論或進行問題解決
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續表 2-3-1
Vosniadou 與 Brewer（1992） 心智模式是個體在認知過程中所產生的類比表徵，亦是 一個動態的表徵
Johnson-Laird 與 Byrne（2000） 心智模式可視為是各種內在表徵所產生的「概念架構」
Chi 與 Roscoe（2002） 心智模式為某結構中相互關聯概念的表徵
張志康、林靜雯與邱美虹（2009） 心智模式是一種在特定知識領域中會隨時間演變的動態 結構，其中包含了各種相關的表徵
根據表 2-3-1，不同研究者對於心智模式的定義，可以以 80 年代作為分割依據，在 80 年代 之前，研究者對於心智模式的定義比較聚焦在心智模式為個體內在表徵或是心智實體的一種組 合，也反映出與外在事物的相關狀態；然而，於 80 年代後期，心智模式的定義逐漸成為是一種 個體於認知過程中的「動態的概念架構」，也會是如張志康（2009）提及的心智模式不僅是一種 複雜的概念架構，亦是一種不斷改變的內在運作機制，綜合以上，心智模式不僅是個體呈現的內 在與外在的表徵之外，也會隨著時間的演變或是於學習過程中而有所改變。
其中，Norman（1983）則依據其對於心智模式的定義，提出了心智模式具有的五大特性，如：
不完整的、不穩定的、無完整定義限制、不科學的、省力的。也就是說，他認為心智模式為個體 在處理或接受某些訊息時，根據當時的情境或內在知識所產生的不完整心智模式，又心智模式是 不穩定的，可能會容易遺忘產生的過程，而心智模式同時也是根據個體對外在或內在所呈現的表 徵，因此，也無完整的定義限制與不一定會符合科學的概念，最後，提到心智模式是省力的，亦 即個體會以最少的心智複雜度去建立心智模式，而減輕負擔。
然而，不同個體對於心智模式的產生，有如 Norman（1983）提出的心智模式的特性，會因 人而異，產生的心智模式也不盡相同，而在學習的過程中，要如何使學生產生正確的心智模式呢？
畢竟心智模式亦屬於一種複雜的概念運作，而對於這樣複雜的概念架構，可以透過 Johnson-Laird
（1994）提出心智模式的建立是以「概念作用」的方式來整理，而概念作用為視覺圖像訊息、聲
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音訊息或抽象符號表徵等方式，形成次概念單元而組成概念之後進而建立心智模式，如圖 2-3-1。
因此，心智模式雖然為一種複合體，其內涵的組成概念亦會受到外在訊息的或表徵而有所影響，
但是，卻可以形成一個階層性的系統網路關係。因此，在學習上要讓學生發展出正確的心智模式，
必須選擇合適的概念化作用，組成正確的概念及發展其心智模式。
圖 2-3-1 概念與心智模式關係圖（Johnson-Laird, 1994）
透過上述提及網路系統的心智模式關係，可以根據心智模式的功能，分出其心智模式具有特 性，如 Viscuso 與 Spoehr（1986, 引自張志康、林靜雯與邱美虹，2009）提出的四大特性：（1）
可執行的、（2）具連結性訊息、（3）具有因果的連結、（4）具功能性訊息。可執行的為可以透過 心智模式對於外在事件或情境作模擬，並可以預測模擬系統中的改變會如何影響整個心智模式；
具連結性訊息為可以從模擬的系統中，對系統中的所有部分作連結；具有因果的連結為心智模式 的模擬系統，會根據外在的改變而有所影響；具功能性訊息為模擬系統中的每個部分都具有不同 的功能。因此，在學生學習新資訊的時候，可以根據學生的心智模式，透過讓模擬系統中的某些 部分（或組成概念）有所衝突或變異，給予適合學習情境的那些部分（合適的組成概念），引導 讓學生發展出正確的心智模式。
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二、 心智模式的分類
對於心智模式的分類，以 Vosniadou 與 Brewer（1992）的研究最具指標性，針對學生對於地 球形狀概念，將心智模式大致分成三大類，為「初始模式（Initial Models）」、「綜合模式（Synthetic Models）」、「科學模式（Scientific Models）」。其中「初始模式」為基於日常生活經驗或基礎信念 所產生的模式，例如：學生根據所見認為地球是平面的；「綜合模式」為初始模式透過文化背景 或科學解釋的同化，形成得一個綜合模式，此模式還是保有先前直覺信念，例如：學生接受了地 球是圓型的科學解釋之後，也保有先前對於地球是平面的概念，因此認為地球為一個扁圓盤的模 式；第三類「科學模式」為與科學觀點一致的模式。
然而，吳怡嫻（2007，引自張志康、林靜雯與邱美虹，2009）以生物學的分類方法對心智模 式進行解構，她認為物種能夠依據其具有的特徵或狀態進行分類和辨識，如圖 2-3-2，也就是說，
能夠透過心智模式具有的特徵或成分進行分類，如張志康、林靜雯與邱美虹（2009）認為能夠將 心智模式與生物物種作類比，因為心智模式亦是由某些認知的特徵組成的，又可以將這些特徵進 行分類，作為判斷與分類心智模式的依據。
圖 2-3-2 生物物種與心智模式類比（改編自吳怡嫻，2007）(引用改編自張志康，2008)
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綜合前述對於心智模式的分類以及類比，林靜雯（2006）認為若學生在進行科學學習的過程 中，將「心智模式的演變」類比成「生物的演化」，便可以將認知特徵的改變視為是一種演化的 過程，也就是說，心智模式的轉變可以依照概念認知發展的過程或是科學史的方式加以分類，以 得知學生在學習科學概念後，所具有的心智模式為何，亦可以得知學生的學習狀況，其中，張志 康、林靜雯與邱美虹（2009）也提及若要分析學生心智模式的演變，必須選定特定的概念或主題，
才能進行簡化研究的複雜性，又學生認知特徵的改變也必須以「完整的認知狀態(即心智模式)」
作為演變的單位，才能夠真正呈現學生心智模式的演變情形。
三、 心智模式對於本研究的啟示
綜合本節對於心智模式的探討，可以得知心智模式為個別化動態結構的內在表徵，又根據心 智模式的特性可以將心智模式運用於科學教育中，以建立學生正確的心智模式。然而，要如何得 知學生的心智模式呢？從 Johnson-Laird（1994）的概念與心智模式的關係圖中，可以得知學生能 夠透過符號、聲音、圖片等方式組成並建立心智模式，因此，本研究欲透過科學文本(符號、文 字、圖片等)的閱讀讓學生能夠建立其心智模式，也依據學生對於試題的回答分析學生於閱讀文 本前、後的心智模式，又依據 Vosniadou 與 Brewer（1992）、吳怡嫻（2007）與林靜雯（2006）
對於心智模式的分類與類比，以及張志康、林靜雯與邱美虹（2009）對於心智模式演變的觀點，
將本研究原子模型發展的概念依照其「科學史」與「原子核發展」的方式，將本研究之心智模式 的類型分成十一個心智模式，分別為「初始原子模式」、「道耳頓原子模式」、「道耳頓-湯姆森原 子混合模式」、「湯姆森原子模式」、「湯姆森-拉塞福原子混合模式」、「湯姆森-波耳原子混合模式」、
「拉塞福原子模式」、「波耳原子模式」、「進階拉塞福原子模式」、「進階波耳原子模式」、「科學模 式」，更進一步分析學生心智模式轉變的情況。
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