自從工業革命之後，『科學』就形成一個使社會進步、國家強盛的一個很重 要的根基，連帶的使得科學教育也活絡了起來，但是，隨著科學的越來越進步，
教科書所呈現的科學概念與學生的迷思概念之間的差距越來越大(徐光台，1999)。
所以，研究學生的迷思概念，並在教學中減少學生的迷思概念，建立科學概念便 是一件很重要的事。
過去三、四十年來在概念改變的投入與研究中，研究的焦點由學習的結果轉 成學習的過程，影響學習的主體對象由教師或外在環境轉變在學習者身上，學習 的過程也由學習者『被動接受』轉變成學習者『主動建構』，而這樣改變的風潮 從此引領著科學教育的發展。時至今日，概念改變的研究依然是科學教育中相當 重要的一環，許多研究者也紛紛提出他們對於概念改變的一些想法與看法，以下 擬詳加探討幾個重要的概念改變理論，以作為本研究的奠基。
一、從概念革命來探討概念改變
Tomas Kuhn 是一名物理學家，他在閱讀亞里斯多德、伽利略與牛頓…等不同 時代所建立的不同物理解釋與概念時，探討科學的演變和發展，提出科學概念的 發展不是累積性的改變，而是革命性的轉變。Kuhn 在 1962 年發表了『科學革命 的結構』，認為『常態科學』中擁有其『典範』和『常態科學知識』，當常態科學 中出現了不能解決的『異例』，且此異例越來越多時，新的典範會出現解決異例，
而新的典範會取代舊典範，新的常態科學就出現了(Kuhn，1962/1989)。
這樣科學革命的過程，許多科學教育家都認為與學生在學習科學時的概念改
變十分相似，徐光台(1999)認為教科書呈現新、舊典範的交替，或新典範的提出 供學生學習，呈現革命式的科學發展，可以使擁有迷思概念的學生也能進行一次 次的概念革命，學習新的科學概念。
二、從個體發展來探討概念改變
皮亞傑(Jean Piaget)是近代最有名的兒童心理學家，他以開放的問答方式，
研究兒童的發展，創立了『認知發展論』（cognitive-development theory），此理論 對於日後概念改變的研究有極深的影響。
皮亞傑認為認知發展過程有幾個重要的概念：『基模』是兒童從事外顯或內 隱活動的一般潛能(Hergenhahn，1976/1989，p.353)，基模可以構成兒童個體的認 知結構，用來了解所處的環境。當遇到新的經驗時，若可以用兒童本身既存的認 知結構去解釋新經驗，並將新經驗整合至認知結構中，稱之為『同化』；若既有 的認知結構無法解釋新經驗，需改變既有的認知結構來迎合新經驗，稱之為『調 適』(Hergenhahn，1976/1989)，而認知結構的不平衡，就是驅動認知結構改變的 動力來源。
三、從概念改變的條件來探討概念改變
Hewson(1981)承接 Kuhn 的『科學歷史』發展觀點，認為概念改變的發生有 許多不同的方式，例如：透過更多的經驗、個人發展和與他人接觸，『增加新概 念』；改變表面或中心的一些概念，『重組既存的概念』；或是『拒絕既存的概念』， 進行新概念的置換。所以，Hewson 利用力學中自由落體和物體運動的例子，研 究學生在學習此概念時概念改變的過程，提出概念改變的 PSHG 模式，即概念改 變的四個條件：
1. 對舊有概念不滿足(dissatisfaction)：不滿足發生的方式可能是：新知識、新經 驗已不可忽視，但與原概念不同；或原概念與其認識論的信念不符合。
2. 新概念是可理解的(intelligible)：學習者可以能確認或明暸此新概念中是有一 致的陳述和解釋，讓學習者能理解新概念。
3. 新概念是合理的(plausible)：新概念可以與過去的經驗相符，但新概念比舊概 念更好，讓學習者覺得新概念是合理的。
4. 新概念是豐富的(fruiful)：新概念可以解釋更多的情形，幫助學習者解決問題，
讓學習者覺得新概念是豐富的。
因此，學習者在進行科學學習時，唯有在符合此四個概念改變的條件下，重 組既存的知識，概念改變才得以發生。
四、從概念本質來探討概念改變
Chi(1992)以『本體論』為觀點，提出概念改變的理論架構，她認為所有的 實體(entity)可分為三個類別(category)：物質(matter)、過程(process)，和心智狀態 (mental state)(Chi, 1992; Chi, Slotta & de Leeuw, 1994; Chi & Roscoe, 2002)，請見 圖2-1-1。
Chi(2005, 2008)針對三個類別樹進行修正，修正為：實體(entities)、過程 (processes)、心智狀態(mental state)，每一類別的次類別也稍做更動，請見圖2-1-2。
這三大類別下又有次類別，一層層發展出樹狀圖，形成三顆類別樹，每一類別樹 與其他類別樹在本質上是不同的，所以每顆樹裡面的次類別也有著不同的本體屬 性。
「實體」泛指的可被控制，有重量、體積、顏色，佔有空間的”東西”，類 別下的次類別有：物體和物質；「過程」，指的是事件隨著時間而發生的，類別 下的次類別有：直接的或突現的；「心智狀態」，則指情意的部份，類別下的次 類別有：情緒的和意圖的。
這三顆類別樹在本體論屬性是互斥的、本質上也完全不同，是屬於不可共量 性，所以Chi等人的概念改變理論，便是新概念的屬性不同於既有的認知結構時，
概念會由原先的類別和屬性，轉換到另一類別和屬性，這樣的過程即是概念改變 的過程。轉換的過程可分為『類別內的概念改變』和『類別間的概念改變』(Chi，
1992)，請見圖2-1-3：
1.『類別內的概念改變』：概念改變是發生在同一顆本體樹內，只不過是從 一個分枝到另一個分枝，將概念重新轉換到同一本體樹中的不同階層或分類中，
可視為概念重組、概念修正，屬於弱重建。
2.『類別間的概念改變』：概念改變是發生在不同顆本體樹間，科學概念從 一本體樹遷移到另一個本體樹，將概念重新轉換到另一本體樹的階層或分類中，
可視為根本的概念改變，屬於強重建。
圖2-1-1 本體樹的組織架構(Chi, 1992; 1994 修正;引自邱美虹，2000)
圖 2-1-2 本體樹內部階級和橫向分類(修改自 Chi, 2008)
圖2-1-3 根本與非根本概念改變的圖示法(Chi, 1992，引自邱美虹，2000)
《O 代表原來的概念(original concept)，C 代表根本的概念改變後的概念，a、b 代 表樹狀圖內概念移動或取代概念改變只是樹狀的重組和重建。》
Chi(2005)利用循環系統和擴散概念來解釋在過程屬性中的直接與突現的不 同，循環系統的迷思概念和正確的科學概念都是屬於過程屬性中的直接過程，所 以較容易發生概念改變，但是學生在擴散的迷思概念是屬於過程屬性中的直接過
實體
可以被控制的 有重量 有體積 有顏色 佔有空間
過程
隨著時間發生
心智狀態
直接
有可識別的因 果關係
突現
沒有可識別的 因果關係
物體
有形狀 可以被擲的
物質
有形體 可以隨著時間 改變狀態
情緒的 意圖的
程，不過正確的科學概念卻是屬於過程屬性中的突現過程，所以較不易發生概念 改變。
直接過程和突現過程在本體屬性上是有所不同的，其分類的屬性如表 2-1-1 所示，直接過程是成分之間是有區別的、各司其職，且有些成分只會和某些成分 有交互作用，行為固定；直接過程是有順序、連續的，每一成分之間是有關的，
且此過程會有終止的時候；直接過程的組成成分可以分類成不同的類別，直接過 程成分的行為直接影響呈現出來的型態，有些成分的行為符合呈現出來的型態，
有些組成成分分類的類別有不同的地位，這些成分的行為好像都是為了去完成某 一目的或達成某一目標。
突現過程是每一成分的行為是相同的，且成分之間的運動是隨機的，所有成 分都是獨立並同時在運動，這樣的過程是連續不斷在發生；突現過程是所有組成 成分聚集後呈現出來的成果，突現過程成分的行為不影響呈現出來的型態，成分 的行為是不符合呈現出來的型態，組成成分都是同一的地位，沒有成分是為了去 完成某一目的或達成某一目標而有行動。早期 Chi 的概念改變理論著重在類別間 的概念改變比類別內的概念改變是較為困難，但是，近期 Chi 的概念改變理論著 重在過程屬性中若由與『巨觀現象』有關的『直接過程』跳躍到與『微觀現象』
有關的『突現過程』，雖然是類別內的概念改變，不過，對學習者來說還是非常 困難。
表 2-1-1 直接過程和突現過程的本體屬性(修改自 Chi, 2005)
直接過程 突現過程
成分的交互影響 有區別的 一致的
強制的 沒有強制(隨機的)
連續的 同時發生的
相依的 獨立的
有終止的 連續不斷的
成分-型態的關係 小組(分類) 所有的成分(成分的聚集)
直接的 不直接的
一致的 分離的
不同地位 相同地位
總體的目標或意圖 局部的目標或沒有意圖
五、從概念改變的階層來探討概念改變
Thagard(2008)認為應該從科學歷史中來看科學概念的改變，科學史和科學哲 學是可以來解釋科學知識的發展，他舉了三個例子—生命，心智和疾病，從古至 今，人們或科學家如何對這些問題產生解釋，而這些解釋或理論是如何改變，藉 著探究這些科學史的演變，Thagard 提出概念改變的九個階層(Thagard, 1992, 1999)，其中以種類關係和部分關係特別重要，其階層如表2-1-2 所示。
Thagard 認為信念的修正、增加概念、簡單重組概念階層在科學知識的發展 中常見，但分枝跳躍與樹轉變在概念革命(conceptual revolution)中則較為罕見。
Thagard 進一步指出，一般學習雖然並非僅是簡單的增加新的信念，但也未 必是系統性的、革命性的、概念性的科學革命一般(引自邱美虹，2000)。
表 2-1-2 Thagard 概念改變的九個階層 (引自邱美虹，2000)
六、從個體經驗來探討概念改變
Vosniadou(1994)研究學童對於地球形狀、日夜循環、熱和力的心智模式，從 學生回答半開放性的問題中找出學童的心智模式，更進一步發展出概念改變的理 論。
Vosniadou(2008)針對她所提出的『架構理論』( framework theory)做出統整性
階層 特質
1.增加新例子 瑣碎的
2.增加弱原則 強弱視其實用性
3.增加強原則 強弱視其實用性
4.增加新的部分關係 分解
5.增加新的種類關係 利用上階關係合併(區辨)兩個概念
6.增加新概念 為解釋新理論而產生新概念
7.瓦解部分種類階層 放棄原有的辨別方式
8.藉由分枝跳耀重組階層性 從一階層樹的分枝轉移至另一分枝
9.樹的轉變 改變已有階層性組織的樹狀原理