概念改變相關理論

學生概念的主要來源為感官的印象 (sensual impression)、日常用語 (everyday language)、大腦與生俱來的構造 (innate structures of the brain)、學生在社會環境中的學 習 (learning in students’social environments) 及教學 (instruction)，在這些概念形成的過 程中，感官的限制、日常生活的經驗或用語、老師或教科書提供錯誤資訊或錯誤說明……

等，都可能成為學生的另有概念 (Duit, 1991)。根據建構主義觀點，學生帶著這些包含 了許多另有概念的先備知識進入科學教室，有意義的理解與學習必須把在教室裡所獲得 的新訊息與自己的原有知識加以連結，以固化新的訊息或知識。當學生需要推理或理解 某一科學現象時，學生開始進行認知過程，並在大腦的工作記憶區與自己原有的知識架 構創造關連性，甚至影響自己對問題的觀察和結論（觀察是理論蘊含），進而儲存於腦 中的長期記憶區，發展出個人的理論和模式。換言之，學生的先備知識是先前經過固化 的長期記憶，也是使現階段學習有意義的工具，但另一方面卻要被改變，此一矛盾的情 況，勢必使得概念改變更加困難，尤其另有概念常是合乎自己的一套邏輯，且能應用於 日常生活層面，是以改變既有的已固化記憶，一方面需打破原有連結，一方面又需產生 新的連結，必然需要耗費更多認知資源。因此學生的概念為何難以改變，也一直是研究 者關注的焦點。

Chi等人從本體分類論 (ontological categories) 的角度來分析概念架構，他們的理論 假設學生以本體論範疇之「本體樹」(ontological trees) 來察覺事物，指出概念可分為三 個類別 (categories)：物質 (matter)、過程 (process)、心智狀態 (mental state)，且物質、

過程、心智狀態三大分類在本質上是互相獨立的，當學生學習科學概念時，發生在相同 本體樹內的概念改變不會太困難，但由一個本體樹到另一個本體樹的概念改變對學生而

言則是困難的，因為兩個本體樹類別之間有不可共量性 (incommensurable)，所以這種概 念改變為跨越本體類別間的概念改變 (across ontological conceptual change)，又稱劇烈的 概念改變 (radical conceptual change) (Chi, Slotta, & Leeuw, 1994)。

Thagard (1992) 則提出一個包含9個不同程度的概念改變形式的模型，將科學概念以 樹狀結構表示，這些結構包含種類關係（如鳥類、哺乳類、爬蟲類是動物）、部分關係

（如鳥類有羽毛和鳥喙）、概念和連結概念的規則間的關係（如鯨魚吃沙丁魚），而這 關係同時也是概念本身的一部份，他用這些想法創造了一系列的改變形式，將概念改變 方式分為三種：(1) 概念加成或刪除 (concept addition or deletion)：一個概念被加入（移 出）某概念系統。(2) 枝幹躍遷 (branch jumping)，一個概念由一概念系統轉到另一系統

。(3) 樹狀轉移 (tree switching)：概念間的組織原理改變了，此種轉變是最為劇烈的。

枝幹躍遷與樹狀轉移較不常發生。不過，當它們發生時，Thagard認為此時通常涉及理 論替換，常見於科學革命。

She (2002, 2003, 2004a, 2004b, 2005) 則提出提出概念階層性愈高，概念改變愈不容 易，因為當概念的階層性愈高時，表示其所包含的相關基礎概念愈多，此種概念的建構 或改變難度自然就愈高，因此概念的階層性才是影響學生概念理解是容易或困難的最主 要原因，較高階層的概念若未建立在基礎的階層概念上，將使得概念改變困難。而若能 依循概念階層設計教學活動，突破學生之另有概念及所欠缺之心智狀態，劇烈的概念改 變並不一定需要曠日費時。亦即以一系列循序漸進之學習事件，使每個事件均包含前個 事件之概念，可協助學生完成概念之連結，達到概念改變之目的。

Pintrich則提出動機信念可能直接影響概念改變，學生進行概念改變的過程中有四種 動機構念會影響著學生概念改變的中間歷程，此四種動機構念分別為：目標、價值、自 我效能以及控制信念。因此如果我們能理解學生對其在學習社群中所扮演的角色以及其 動機信念，應可更瞭解學生概念改變之機制 (Sinatra & Pintrich, 2002)。

也有學者以社會學觀點來看概念改變，認為 (1)概念化與概念改變根深蒂固於信念

、意見和先備知識。 (2)不同文化來源或不同社會階層所學習的知識本體不同。 (3)教

師或學生帶入教室有關社會的質樸理論可能抑制概念形成。 (4)認知機制不能解釋學校 和教室所有的事，因為社會在多方面影響著教育。因此學校科目的概念改變或以教學為 基礎的概念改變需透過教師引導或同儕支持，亦即有意圖的概念改變需要社會文化的和 認知的構想，因為有意圖的重組知識體系並不容易，它不但費時費力，且學生總傾向保 持先備知識，也並不精於利用新證據修正其心智模式 (mental model) (Schnotz,

Vosniadou, & Carretero, 1999; Sinatra & Pintrich, 2002)。

Vosniadou 和 Brewer 的模型則提出在知識論為前提下，可能促進或強迫概念改變

，以知識論為前提包括個人用來判斷什麼構成現象、現象需要解釋及因果的解釋可用來 說明現象的準則，這概念改變需要緩慢漸進的過程而不是理論突然的轉移，瞭解改變通 常牽涉較小的改變，這較小的改變可用來解釋在新的訊息、教學、加入、刪除、重新組 織或增強概念間的關係等等的基礎上調整心理模型的重要信念的改變。Vosniadou 和 Brewer將知識的重建情形分為二類：整體 (global) 與特定領域 (domain-specific) 的重建

。按皮亞傑之認知發展階段論而言，人類認知能力之發展是循一絕對、整體的形式發展 出來，而與他們接觸的經驗或待教教材無關。此種將認知發展認為是整體重建的論點，

已受到強烈的批評；因為證據顯示個體知識的發展，是與待教教材的領域有關 (domain-dependent)，而認知發展是循著特定領域之推理方式展現出來 (Behrendt &

Dahncke, 2001; Sinatra & Pintrich, 2002)。

另外，在科學本身之發展歷程中，概念轉變也曾被科學家用來描述知識的成長情形

。科學史家Kuhn 在「科學革命的結構」一書中描述：在某科學社群工作之科學家通常 依循他們自己的典範 (paradigm) 去從事「解謎」(puzzle-solving) 工作。假如既存之典 範無法解釋異例 (anomaly) 現象時，則會發生典範轉移 (paradigm shift)。典範轉移是「

格式塔」(gestalt) 式的轉換，舊典範被新典範取代。認為學生的學習與科學家工作類似

，因此概念改變過程亦有所相似 (Kuhn, 1970)。

本研究所呈現的概念改變之教學內容設計是參考She (2003) 針對「熱膨脹」概念之 雙重情境學習模式的研究。而She (2002, 2003, 2004a, 2004b, 2005) 提出之雙重情境學習

模式中所謂的雙重 (dual) 有三層含意，一是所設計的情境學習事件一方面製造學生認 知的不協調，一方面提供其新的心智架構；二是情境學習過程中一方面要激發其概念重 整的動機，一方面要挑戰學生原本的科學信念。三是科學概念的本質與學生對科學的信 念的雙重交互影響。而所謂情境學習 (situated learning) 則強調概念的改變必須架構在 科學概念的本質與學生對科學概念的信念這兩個基礎之上，教師需瞭解學生要建構完整 的科學概念所缺少的心智架構，再根據學生所缺少的心智架構設計一系列由淺而深、緊 密相關的情境學習事件，且每一學習事件必須架構在前一學習事件之上，藉以輔助學生 的概念改變。而DSLM的教學內容及施行則包含以下六個階段，階段一：分析科學概念 屬性，以瞭解建構此科學概念所需的心智架構。階段二：找出屬於此科學概念常見的另 有概念，此階段需要瞭解學生所存有的先備概念以及學生對於此概念的理解。階段三：

分析學生對於建構新的科學概念所缺少的心智架構。藉由第一階段和第二階段的資料比 較分析，可以找出學生對於建構新的科學概念所缺少的心智架構，來作為設計一連串的 DSLM情境學習事件的依據。階段四：設計雙重情境學習事件。此階段運用的原理是先 設計一連串雙重情境事件讓學生的另有概念無法解決問題，產生不帄衡、不滿足的認知 狀態。詴著將學生所缺少的心智架構導入，慢慢讓學生建構較接近科學概念的概念輪廓

。階段五：進行雙重情境學習模式的教學。情境事件讓學生能親自體驗、操作、思考驗 證其想法，詴著將學生所缺少的心智架構導入，慢慢讓學生建構較接近科學概念的概念 輪廓。階段六：挑戰情境學習事件。這個階段可以檢驗學生是否真的在教學過程中獲得 原來缺少的心智架構，能運用解決類似的情境學習事件，其理論架構及運作機制見圖 2-5-1及圖2-5-2。

圖2-4-1 雙重情境學習模式 (She, 2004)

圖2-4-2 雙重情境學習模式的運作機制 (She, 2004)

雙重情境學習模式可促進學生有關物質 (matter)、過程 (processes) 及階層屬性

Nature of Science Concept

Students’ Belief of Science Concept

Creating Dissonance

Building New Mental Set

Motivate Students’

Concept Reconstruction

Challenge Students’

Belief of Science Concept

Dual-Situated Learning Events

Provide students the opportunity to apply all the mental sets they have acquired to a new situation.

Determine what essential mental sets are needed to construct a scientific view of the science concept.

Instructing with Challenging Situated Learning Event

Examining the Attributes of the Science Concept

Provide students with an opportunity to create dissonance as well as build up a new mental set.

Instructing

Probe students’

beliefs of the science concept.

Design a series of dual situated learning events which is based upon S3 results.

Pinpoint which particular mental sets students lack for restructuring the science concept.

Designing Dual Situated Learning Events

Analyzing Which

Mental Sets

Students Lack

(hierarchical attributes) 理解上激烈的概念改變，與先前有關概念改變模型有個最大的 不同之處，先前的模型或機制並無法有效的及高效率的帶來激烈的概念改變，但DSLM 則可加速激烈的概念改變，使概念改變不再如此困難，不再一定需要緩慢或漸進的過 程。然而想達成此一目標，教師需要知道學生科學概念的先備信念，及這些概念的性 質，再藉由挑戰學生有關科學概念的知識論和本體論，造成學生先備知識的不一致，

並提供必要的心智支持，讓學生重新建構更多這些概念的科學觀點，才能夠對概念改 變過程有所助益。換言之，面對難以改變的概念，教師更需思量整個科學概念抽象與 微觀之處，及學生已存在的迷思概念或另有概念，設計其所需的情境學習事件，讓抽 象成為具體，讓不可見變為可見，方可讓學生一步緊接著一步，循序漸進去經驗所缺 乏的心智形式來建構特定的概念，也才有可能幫助學生在短時間內發生概念改變。因 此 DSLM 最關鍵之處即為情境學習事件之設計，如何謹慎且適當選擇衝突事件或教學 方法，也將是教師促成學生激烈概念改變之最大挑戰。另外，在連串的心智架構或情

並提供必要的心智支持，讓學生重新建構更多這些概念的科學觀點，才能夠對概念改 變過程有所助益。換言之，面對難以改變的概念，教師更需思量整個科學概念抽象與 微觀之處，及學生已存在的迷思概念或另有概念，設計其所需的情境學習事件，讓抽 象成為具體，讓不可見變為可見，方可讓學生一步緊接著一步，循序漸進去經驗所缺 乏的心智形式來建構特定的概念，也才有可能幫助學生在短時間內發生概念改變。因 此 DSLM 最關鍵之處即為情境學習事件之設計，如何謹慎且適當選擇衝突事件或教學 方法，也將是教師促成學生激烈概念改變之最大挑戰。另外，在連串的心智架構或情