概念改變理論最早的發展為 Posner、Strike、Hewson 與 Gertzog (1982)基於 Kuhn (1962)科學革命的結構及 Lakatos (1970)的科學研究綱領，創建科學教育上的概念改變 理論基礎，進而引發許多概念改變的討論與研究。Posner 等人(1982)認為學習是一種理 性探究的過程，學生基於已有的證據進行判斷與決定是否發生概念改變，是否要將原 有的概念作重置或重組。因此概念改變發生的條件包含：
(一)不滿意(dissatisfaction)：學習者需先對自己原有的概念產生不滿足，如異例的出現，
學習者無法將新概念或新經驗同化到原有的概念系統中，因而引發概念改變的動 機。
(二)可理解性(intelligible)：新概念或經驗必須是學習者可以理解的內容，也就是學習者 原有的概念結構具有理解新資訊的條件。
(三)合理性(plausible)：新概念或經驗至少要能解決原先無法解決的問題，如解釋先前
無法解釋的異例，能符合先前的概念結構且新舊概念能相互結合。
(四)豐富性(fruitful)：新概念除可用來解決目前的問題或異例外，還能解釋其他可能出 現的問題或做為思考的工具，而更具有解釋上的效力。
但由於此模式太過強調理性與線性的發展過程，因此 Strike 與 Posner(1992)進行概 念改變理論的修正，認為概念改變的過程應是概念系統動態且持續性的交互作用，因 此 Posner 等人所提出的條件對於概念改變的發生仍具有引導的效果。
但 Nussbaum (1989)認為就算學生真的看到概念衝突的地方也不必然就會發生概 念改變，學生可能仍持有原有舊概念的成份。因此 Chinn 與 Brewer (1993)研究學習者 面對異例時的可能反應，共歸納出 7 種反應分別是：否認異例、忽略異例的存在、排 除異例、將異例擱置一旁、重新詮釋異例、外圍理論的改變及理論的改變(詳見表 2-1-1)，
只有後二項的改變發生時個體才會真正地發生概念改變。此分類法當時因當時並未有 實徵的資料作支持，而受到質疑，因此 Chinn 與 Brewer (1998)再以實徵的數據作說明。
上述的七個層次反應中，僅有第六及第七個層次會牽涉到概念改變，可知概念衝突所 造成的不滿足不必然是造成概念改變的主要原因，因此在 Posner 等人(1982)提出概念 改變發端的文章後，許多學者便進行修正與擴充的研究，而研究的內容也不再限於概 念改變的直線過程，更包含了概念本身及學習者的認知結構。
表 2-1-1 學習者面對異例的反應
(Chinn & Brewer, 1993; 引自邱美虹，2000，頁 21) a：個體可能接受該訊息為有效的，或者對該訊息仍是否有效持不可知的態度
b：個體期望未來該訊息能為目前的理論所解釋 c：只有保護帶上的信念被改變
d：核心信念被改變
Chi(1992)提出本體論的概念改變觀點，依知識屬性提出三棵相互獨立的概念樹，
分別為「物質(matter)」：含特定屬性者；「過程(process)」：事件的發生；「心智狀態(mental status)」：與情意相關的概念(詳見圖 2-1-1)。據此可瞭解學生科學概念學習的困難點在 於學生將概念歸類到錯誤的概念，而造成後續學習上的困難。而概念改變的難度就在
Chi 的理論後續不斷進行修正及精緻化(Chi, 2005)，將本體樹中的過程再進一步分 為直接過程(direct process)和突現過程(emergence process)。兩者的差異在於直接過程的
成份層次互動是「有區別的」、「有界限的」、「序列的」、「相互依賴的」和「有終點的」， 成分與模式關係為「子集合」、「直接的」、「相關的」、「不同狀態」和「全面性目的和 互動」；而突現過的成份層次互動是「一致的」、「無界限的」、「同時發生的」、「獨立的」
和「連續的」，成分與模式關係為「所有成分集合」、「非直接的」、「不相關的」、「同等 地位」和「局部性目的或不具意圖性」。突現過程對於理解微觀粒子的概念具有重要的 關鍵，最大的原因就是在於學生容易將微觀粒子的運動歸類於直接過程，因此造成學 生無法理解粒子運動時無目的、隨機的運動，對於微觀粒子運動累積而產生的巨觀現 象更是造成學習上的阻礙，由上述可知 Chi 的理論可對學生微觀粒子的概念提供合適 的理論基礎。
圖 2-1-1 Chi 本體樹的組織架構 (Chi, 1992; 1994; 引自邱美虹, 2000, p.5)
Vosniadou (1994)以概念系統的概念解釋概念改變的歷程，對於知識的結構上認為 孩童具有大的知識架構，且將較細緻的概念包含在其中，因此這些較細緻的概念會受 到大架構的影響而形成預設，限制孩童心智模式的產生。因此大架構在 Vosniadou 的理 論中又稱為素樸架構理論(naïve framework theory)，此概念架構來自於孩童日常生活中
的經驗，又可分為本體論及認識論兩個預設，進而形成孩童防衛的預設，產生一些根 深蒂固而難以改變的想法而影響到孩童對現象的解釋方法。在 Vosniadou 的理論中，特 殊理論(specific theory)來自於個體觀察所獲致的新資訊，進而形成自身的信念(詳見圖
由上述可知 Vosniadou 將概念改變的過程視為逐步改變的歷程，其架構理論中的本 體論及認識論預設會與孩童所學習到或觀察到的知識共同形成信念，因此影響到孩童 對於現象的解釋方法，孩童在逐漸豐富或修正過程中會產生許多不同心智模式。
圖 2-1-2 Vosniadou (1994)素樸架構理論
Thagard (1992)提出概念革命的結構，使用階層的方式來表示概念改變的類型，使 用概念樹分出種類關係(kind of)及部份關係(part of)，其概念樹之樹狀圖結構如圖 2-1-3 所示。由圖 2-1-3 可看出最大的概念種類為動物，而下方連有部份關係，如鳥類與哺乳
圖 2-1-3 Thagard (1992)概念階層的範例
係(kind relations)
利用上位關係來
(Thagard, 1992，範例改編自作者)
表 2-1-2 之層級 1 至 3 為簡單的概念增加；層級 4 到 7 則為增加或減少部份的關係
念樹型的轉換，因此屬於較劇烈的概念改變。可知 Thagard 對於概念改變的程度提出 精緻的階層分類，因此學生的概念改變不僅是概念作轉變，而更包含改變的層級，對 學生的概念學習提供更深入的探討基礎。
後續的概念改變研究逐漸朝向多重面向的討論，以綜合的面向探討概念改變的發 生。Chiu (2008)分析許多相關研究文獻後提出概念改變的綜合性理論(Research And InstructioN-Based/Oriented Work, RAINBOW)，透過多重的面向提供更具體的研究分析 架構，茲將 Chiu 的 RAINBOW 模式的七種成份分述於下：
(一)發展面向(Developmental Approach, DA)：皮亞傑的認知發展理論取向長久以來影響 著科學教育及認知心智學者的研究方向，研究焦點集中在學生在科學概念的發展 及教學前的先前概念。雖然皮亞傑的階段發展受到相當多的評論，但是此類發展 歷程取向仍然為認知科學研究的重要方向，其最常見的理論包含漸進式(Toulmin, 1972)或是革命式(Kuhn, 1962)的兩種發展觀點，兩者均提供研究概念發展時的重要 理論基礎。
(二)本體面向(Ontological Approach, OA)：此面向採用 Chi 的不可共量理論( incompatible theory)(Chi, 1992; Chi, 2005; Chi, Slotta, & deLeeuw, 1994)，將概念改變視為不同本 體類別概念的重新調整與分配。許多難以改變的迷思概念在於錯誤歸類概念的本 體樹類別，但學生的概念結構仍存有一致性，因此概念改變時的難度較高。如果 僅涉及到原本概念本體類別內的再概念化則屬於「概念的重組」，便無本體類別的 改變，則屬於較易改變的概念。
(三)認識論面向(Epistemological Approach, EA)：此面向涉及 Posner 等人(1982)的概念改 變理論及 Vosniadou(2002)的架構理論兩者。PSHG 的概念改變模式包含不滿足、可 理解性、合理性及豐富性四個線性發展的因素；而 Vosniadou 則指出孩童解釋物質 世界的概念系統，可能受到社會文化而形成預設，進而限制孩童心智模式的形成。
(四)情意與社會面向(Affective/Social Approach, AA)：此面向主要因為學習的發展不是 只受到理性及認知因素的影響，如自我效能、課室社會脈絡、意圖性、期望和動 機皆有可能會影響到學習的發生。
(五)演化面向(Evolutional Approach, VA)：此面向採用科學學習的演化理論，使用跨學 科的系統發育分類學技術，探討學習者科學概念學習時的改變。此面向整合演化 認識論與系統發育分類學(Lin & Chiu, 2006)，最主要目的在於找出學生某種概念特 徵的演化歷程，並以概念演化假說樹的結果進行實證資料的驗證。
(六)教學面向(Instructional Approach, IA)：此面向以 Meheut(2004)教學序列
(Teaching-Learning Sequences, TLS)做為引導科學教育者的關注焦點，進而成為分 析探討的基礎。教學序列為科學與學生觀點間漸進式的演化歷程，考慮科學的內 容結構及學生對科學的理解後，可做為實際教學模組的基礎。
(七)整合面向(Approach with Integration, AI)：多面向的結合可以達到對理解學生學習的 研究目的。RAINBOW 模式其中的五種取向(DA、OA、EA、AA 及 VA)可以相互 整合以應因不同的研究目的，進而可以設計出教學取向(IA)，詳見圖 2-1-4。
RAINBOW 模式為苯環的共振結構，意指各面向間的相互配合，符合目前多重表 徵及社會文化脈絡的科學學習。
圖 2-1-4 Chiu 之 RAINBOW 模式(Chiu, 2008)
在概念改變理論由初期 PSHG 的理論到 Chiu 多重面向理論架構，逐漸由革命式的 情意與社會面向(AA)
教學面向(IA) 演化面向(VA)
認識論面向(EA)
發展面向(DA)
本體論面向(OA)
Approach with Integration (AI)
轉變趨向於漸進式的演變歷程，而且也注意到學生學習時的教學面向。本研究以概念 演化的觀點探討學生對於物質三態變化的發展歷程，考慮學生發展的階段、先備的知 識結構及物質三態變化概念的本體分類，透過演化認識論及系統發育分類學找出可能 的發展歷程，綜合前述的研究開發教學活動，以達到多面向的研究成果。
此段文獻探討的目的在建立概念改變可能的發生起因及後續的動態歷程，並以此 為基礎建構出更完整的發展歷程及概念改變的動力學。目前討論概念改變時主要是以 個別概念改變的分析調查為主，但在實際的教學場域中概念改變的歷程會更加複雜，
因此本研究以更廣的面向進行概念發展的討論，除單一概念的改變序列外，更包含不 同概念的分化點，並以心智模式做為分類的基本單位，依心智模式可能的子成份-認知 特徵進行分支發展的排序。因此為達到本研究探討學生概念發展歷程的目標，概念改
因此本研究以更廣的面向進行概念發展的討論，除單一概念的改變序列外，更包含不 同概念的分化點，並以心智模式做為分類的基本單位，依心智模式可能的子成份-認知 特徵進行分支發展的排序。因此為達到本研究探討學生概念發展歷程的目標，概念改