生物經歷漫長的演化歷程， Toulmin(1972)認為智力發展過程就如同演化論 的「變異」和「天擇」，而人類的知識的增長過程就是一部漫長的演化史。概念 改變與演化之間的關係，可以分成兩個部份：
1. 變異的單位(the units of variation)：就如同短暫存在學科中的各種概念。
2. 有效修正的單位(the unit of effective modification)：就如同概念改變可以 確實地在學科上執行。
Toulmin根據變異和有效修正的單位來說明概念改變的歷程，從族群模式觀 點來看學科中概念改變的過程，可呈現出三種不同的模式：
1. 系列的表徵組(representative sets)：在連續時間內，某學科的概念組成情形 (圖2-2-1)，橫向模式可以協助我們將焦點著重在較傳統、有系統的科學整體 觀。
2. 特定概念的祖譜系(genealogies)：上個方式已考量外表情況，接著就要探討 特定概念的後續發展和最終命運情形(圖2-1-2)，縱向(或祖譜系)模式可以提 供證據的連續性，概念的分支點或終止，都是概念改變的「單位」。
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圖2-2-1 橫向或時間切割的表徵 (修改自Toulmin, 1972)
圖2-2-2 縱向或祖譜系的表徵(修改自Toulmin, 1972)
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3. 演化表徵(evolutionary representation)：結合上述兩個方式，藉由連續表徵組來 追蹤所有相關概念的祖譜系發展，分析概念改變的兩個結果—概念變異和智 力選擇(圖2-2-3)。演化表徵模式可以清楚地看出創新和選擇的差異，詳細的 紀錄學科中出現的概念事實或某個時間點出現的爭論和創新。在自然情況 下，有許多不同的生物族群生存在相同的環境，族群內的個體有許多變異存 在，許多族群大量地繁殖，但因為環境有限，導致生存競爭，適合當時環境 的族群被存活下來。概念改變就如同上述的演化過程，在相同的時間下，存 有各種不同的概念，有時後概念會發現變異的現象，概念可以並存，不過當 概念間發生衝突，發生辯證，競爭後有些概念消失，有些概念依舊存在。
圖2-2-3 演化表徵(Toulmin, 1972; 引自吳怡嫺, 2007)
與Toulmin同時期，Paiget(1972)提出認知發展論，至今仍被許多教育政策作 為理論依據，早期理論主要以他自己對三位子女的觀察紀錄，進而分析兒童的智 能表現與年齡的關係，不同年齡兒童所表現的認知差異，意味著人類的認知行為 會隨著年齡的增長而出現質的變化。Paiget以基模(schema)做為認知發展的基本 單位，意指個體運用與生俱來的基本行為模式，了解周為世界的認知結構，而偵 結構是基模的不斷重組。他使用演化觀點中的「適應」說明個體的基模或認知結
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構(cognitive structure)，經歷環境變動而改變的歷程，藉由「同化」和「調適」
來調整基模：
1. 同化(assimilation)：個體以原本具有的基模去面對問題或吸收新經驗的 歷程，將新的事物納入原有的認知結構中。
2. 調適(accommodation)：當原本的基模無法同化新知識的時候，個體只好 改變原有的認知結構以符合環境要求。 概念具備有素樸概念(naïve conception)或先前概念(preconception)，也就是常用的 類比學生帶著有色的眼鏡進入教室，因為原先既有的概念影響到往後新概念的學 習。Cochran, DeRuiter, & King (1993)強調個體在知識獲得的過程中，扮演著主動 的角色，是個體主動對外在事物的建構歷程，而非被動的接受知識。這也顯示出
23 為基礎的分類法，稱為系統分類學 (phylogenetic systematics)，最早由Henning於 1950年提出，主要使用裔徵去重 新建構共祖關係，並歸納共同祖先下分類群。
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1.大數原則：盡量收集各種特徵資料，可以忽略隨機因素所造成的影響。
2. Henning輔助原理：在沒有相反證據的情況下，假設同源，而不要假設 趨同演化。
3. 歸納法則：強調裔徵是共同祖先關係的證據，藉此可以分類。
4. 包含/排除法則：將許多樹型圖做整合，不合邏輯的部份就完全排除，
5. 相對裔徵決定法則：找尋姐妹群可以正確判斷祖徵和裔徵，單系群裡的兩個 或兩個以上的同源特徵中，能在該單系群的姐妹群找到的特徵稱祖徵，而只 能在內群找到的特徵是裔徵。
6. 儉約性：屬於事後的工作，也就是篩選完所有可能的概念演化樹後，節以儉 約性原則，選出最短樹長的系統發育樹，最適合的樹型不只有一棵，也可能 產生一組同等的儉約性的系統發育樹。
7. 近代技術：通常有三種常用的方法來評估最適樹，分別為「窮盡搜尋」、「分 支—界線搜尋」和「啟發式搜尋」，一般而言，當數據組頗大，PAUP* 4.0*軟 體可以先選用啟發式搜尋挑選最適系統發育樹，再用該圖的樹長作為起始上 限，使用分支-界線搜尋法求得準確的系統發育樹。
以生物系統分類學將現有生物的特徵輸入之後，藉由支序圖或系統發育樹 的內容找出各個物種的親源關係，而Lin & Chiu(2007)利用生物系統發育學中的 支序學派觀點，建立出兒童於電學概念之學習歷程概念演化樹，首創將生物領域 之研究方法帶入科學教育領域，探究學生之概念發展歷程。
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