邱美虹(2000)指出科學概念學習困難的原因有下列幾點：1.受到個人經驗的 影響，2.概念本身是抽象的，3.概念本身是複雜的，4.概念本身是微觀的。就受 個人經驗的影響來說，因為科學概念易與學生的素樸想法相違背(Vosniadou, Vamvakoussi, & Skopeliti, 2008)，因為科學概念與學生的初始信念不相容而導致 學生學習困難(Chi, Slotta, & deLeeuw, 1994)，從上述發現學生學習科學時，其 先前知識是相當重要的，然而就 Chi(2008)說明學生在科學課室中有三種先前知 識的類型，分別為學生對於將要學習的概念沒有先前知識，只是沒有先前概念 情況下則學習將發生增加新知識，再者為學生對於將要學習的概念可能有些許 正確但是概念是不完整，在此情況下則學生會將填補差距(gap filling)，最後為 學生已有想法但與將學習的概念相衝突，這種情況下只能在概念改變下才能獲 得知識。前兩者概念獲得為豐富的類型，後者改變先前概念至正確概念，為概 念改變類型。
許多學者對於概念改變的想法不盡相同，Posner, Strike, Hewson, 和 Gertzog(1982)根據科學史和科學著學的認識論觀點，認為概念改變需要滿足四 大條件：對現存概念不滿足(dissatisfaction)、新概念是可理解的(intelligible)、新 概念是合理的(plausible)、新概念是豐富的(fruitful)，需要滿足這四條件後再經 歷調適(accommodation)過程才能概念重組並達成概念改變的目的。
Carey(1985)則認為概念改變有輕微的概念改變以及強烈的或根本的概念 改變兩種，前者屬於弱重建(weak restructuring)亦指生手獲得缺乏的知識，後者 屬於強重建(strong restructuring)亦指理論的改變。
Chi(1992)認為概念改變有兩種，一為概念改變發生在同一本體樹，這類型 的概念改變是容易的；另一為概念改變發生在不同的本體樹，這類型的概念改 變是困難的，因為科學概念與初始信念的屬性是不相容。本體樹是從本體論的 角度分析概念，分成三個類別，分別為實體(entities)、過程(process)以及心智狀 態(mental status)，如圖 2-3-1。
圖 2-3-1 概念本體樹(Chi, 2008)
Vosniadou(1994, 2012)則認為概念改變是緩慢的過程，可以透過豐富與修正 兩種方式，豐富是將新資訊增加至既有的概念結構中，這樣的概念改變較容易 發生，修正是涉及個人信念或預想的改變，此概念改變較不易發生。
Vosniadou(1994)針對地球形狀、日夜循環，力以及熱這四個例子提出架構理論 (圖 2-3-2)，架構理論中的預設會限制特定理論，而架構理論與特定理論的相互 作用後會形成心智模式，心智模式分成三種類型：初始心智模式、合成的心智 模式以及科學心智模式。
圖 2-3-2 Vosniadou 的架構理論圖(Vosniadou, 1994)
綜合上述，研究者認為概念改變發生有賴於概念本身的難易程度亦或者新 概念與學生的先前概念之關係所影響，關係越複雜概念改變越不容易，換句話 說，當學生的先前概念和新概念不相容時，要達成概念改變必須要符合四大條 件，當學生沒有先前概念或者先前概念是不完整時，可透過教師教學來豐富既 有概念結構是較容易。而研究者較認同 Vosniadou(1994)認為概念改變是漸進的 過程，學生要將新資訊增加至既有的概念結構中是較容易發生，但若涉及個人 信念或預想的改變，此概念改變較不易發生，故本研究預瞭解哪些概念對學生 而言是容易概念改變？哪些概念不容易透過多重表徵教學而概念改變？