概念改變與教學策略

ㄧ、概念改變

概念改變的研究肇始於 1980 年代另有概念研究的興起，溯及源頭可推到西 元 1962 年學者孔恩(Kuhn)所發表的科學革命的結構(Structure of Scienfific Revolutions)一書，文中提及科學概念的改變過程就如同進行革命一般，從一處 於危機中的典範轉移到新典範，常態科學的危機因新典範的出現而結束。

概念改變理論的詮釋有多種面向，各種面向雖無法涵蓋所有概念改變的解釋 與形式，但這不同的觀點卻讓我們可以對概念改變有更深入的了解(劉嘉茹, 2000)。以下針對常見的概念改變理論做闡述：

(一) Posner, G. J., Strike, K. A., Hewson, P. W., & Gertzog, W. A.(1982)的概念改變 模式理論(conceptual change model, CCM)

科學教育領域裡最為人熟悉的理論。Posner等人(1982)以認識論為基礎，認 為概念改變即學生利用現有概念產生的同化(assimilation)與根本上取代或重新整 理的調適(accommodation)過程，其中調適過程發生在學生的現有概念不足以成功 解釋新的現象，而需置換或重組其中心概念時，是更為徹底的概念改變。在概念 改變的過程中有四個條件必須要滿足，本研究亦針對此四項條件發展出兩種對應 的策略(表2.2.1)。研究中設計的異例動畫提供學生不滿足的情境，促使學生產生 認知衝突；電腦模擬動畫是根據專家的科學概念製作而來，因此須具備豐富的科 學內容，模擬動畫的操作過程所需的概念是容易理解的，科學概念內容亦是合理 的。

表 2.2.1 概念改變四條件與對應策略

(intelligible)

新概念需是看似合理的。

2. 類比(analogies)與隱喻(metaphors)：類比與隱喻可以提供新的想法，使新的概 念更合理。

3. 認識論(epistemological commitments)：大多數的知識領域都具有判斷何者為成 功解釋的標準。

4. 形而上的信念和概念(metaphysical beliefs and concepts)：特定的科學概念通常 具有形而上的特質，而信念連結科學概念與一般經驗。

5. 其他(other knowledge)：新概念要比其他競爭的概念具有更多的發展性。

綜觀以上，可得知學習者對於現有概念的不滿意是概念改變過程的中心，透 過此步驟，學生瞭解到經過取代或重組舊的概念，才能接受其他新的知識概念，

如此才會產生概念改變(劉俊庚, 2002)。

(二)Thagard(1992)的概念革命(conceptual revolution)理論

Thagard(1992)藉由科學史的分析，將概念改變藉由概念樹的方式區分成種類 關係(kind-relation)及部分關係(part-relation)的改變。「種類關係」意指概念樹中 階層較上位的概念；而「部分關係」則指階層中較下位的概念，概念改變便是種 類關係與部分關係的變化。概念改變的階層共有以下九種，如下表(表 2.2.2)所 示：

其中第一種形式的改變：增加新例子，涉及改變概念的結構是相當地瑣碎 的。在第二和第三種形式的改變之區分在於實用性(pragmatic)，例如：假設你是 高緯度的冰島人或愛斯基摩人，表列第二種形式(如範例)可能有較強的重要性。

第四種形式的改變，增加新的部份關係，稱為分解(decomposition)。例如原本原 子被認為是不可分割的整體，後來電子的發現使得階層性改變了。第五種形式的 改變涉及了增加新的種類關係，例如溫度與熱的聯結。第六種形式的改變是增加 新的概念，例如夸克是為了解釋新的理論而產生的新概念。第七種形式的改變可 以是瓦解或者放棄原有的概念，例如牛頓放棄亞里斯多德的觀點。第八種形式的 改變涉及將概念從一樹的分枝移到另一分枝上，例如哥白尼將地球歸類為行星，

而非自成一格的星球。第九種形式的改變必須要做類別階層性或部分階層性根本 的改變，例如達爾文不僅將人類分類為動物，亦改變了“分類”的意義。

表 2.2.2 Thagard(1992)的概念改變階層理論 (引自邱美虹, 2000, P.10)

分解(decomposition) 例如：海豚是鯨魚的一種

5.增加新的種類關係(kind

9.樹的轉變(tree switching) 改變已具有階層性的樹狀組織原 理

例如：達爾文改變分類的意 義

註：*強弱指的是解決問題及解釋時原則的重要性

(三)Chi(1992)的本體論(ontology)

Chi(1992; Chi, Slotta, & de Leeuw, 1994)依本體屬性不同將其分為三種類 別：物質（matter or things）、過程（processes）和心智狀態（mental states）（Chi, 1992，如圖 2.2.1），「物質」指的是特定屬性的東西，如藍色的衣服、有生命 的東西、固體或液體等；「過程」則指事件的發生具有序列、因果關係，並反映 出自己特定的屬性，例如打架是有目的性、因果關係的；「心智狀態」是指情意 的部分，如情緒上的害怕或喜歡。物質、過程與心智模式三者是獨立的概念樹，

概念類別在本體樹之間的轉換依跨越的情形可分為本體類別內的概念改變 (within ontological conceptual change)和跨本體類別的概念改變(across ontological conceptual change) (邱美虹, 2000)。

圖 2.2.1 本體樹的組織架構(Chi, 1992；引自邱美虹, 2000, P.5)

物質 過程

步驟 事件

活的 人造

植物 動物 固體 液體

自然種類 情緒的

心智狀態

意圖的

意圖的 隨機的

不是活的

人造物質 ^{事件為主的}

交互作用

自然現象

這兩種關係我們可以透過圖 2.2.2 來說明：

1. 本體類別內的概念改變：在同一本體樹內若是只在同一類別內的概念歸屬發 生改變，是高低階層節點間的概念發生轉移，此種轉變並不需要改變本體樹。例 如經過長時間的學習之後我們知道鯨魚不是魚類而是哺乳類，這種類別還是物質 類別內的改變(邱美虹, 2000)。

2. 跨本體類別的概念改變：本體樹內不同類別間產生轉移，這種改變即是根本 的概念改變(radical conceptual change)。學生學習電學時常將電屬於物質類別內，

而科學家的科學概念認為電是粒子間的交互作用，學生學習的概念改變過程需要 跨越類別間的轉變，文獻指出這樣的改變是較難達成的(劉俊庚, 2002)。

圖 2.2.2 本體內與跨本體類別的概念改變示意圖(Chi, 1992；引自邱美虹, 2000,P9)

根本的概念改變

概念改變

概念改變

(四) Vosniadou(1994)的認知架構理論

Vosniadou(1994)認為知識架構是先有一個大的架構，然後逐步填入細 部的概念，這個孩童具有的大架構稱為素樸的架構理論(naive framework theory)，源自兒童早期的日常生活經驗。此架構受制於兩個預設的認知結 構：本體論與認識論，而細部的概念稱為特定理論(specific theory)，源自 個體的觀察或文化的脈絡。Vosniadou 的理論詮釋如圖 2.2.3 。朝右的箭 頭表示在架構理論預設的限制下，孩童詮釋觀察到的現象與接受資訊時，

會持續修正特定理論與豐富其內容，修正的過程便稱為概念改變。

圖 2.2.3 Vosniadou(1994)的認知架構理論(引自劉俊庚, 2002, P.120)

本概念理論中利用心智模式來描述孩童心智模式的改變，並認為概念改 變的形式有兩種：

1. 豐富（enrich）：將新的概念加入現有的理論架構。

2. 修正 (revision)：所獲得的資訊與現有的信念或預先的想法不一致時，即會進 行修正。“修正”的意涵與調適(Posner et al., 1982)或概念的獲得(Hewson, 1981)類 似。

架構理論 特定理論

本體論的預設

認識論的預設

教學脈絡中的 觀察或新資訊

信念

心智模式

上述概念改變理論中，Posner等人提出的同化、 Vosniadou 所提的概念豐富 化、Chi 所提的本體類別內的概念改變是較容易發生的；而Posner等人提出的調 適、Vosniadou 所提的信念與預設修正、Chi 所提跨本體類別間的概念改變是較 難發生的概念改變。綜合各家理論，依概念改變難易度整理如下表(表 2.2.3)：

表 2.2.3 概念改變理論整理(修改自陳盈吉, 2004)

概念改變的難易度

提出者 理論要點

簡單的改變 困難的改變

Posner等(1982) CCM模式 同化 調適

Thagard(1992) 概念革命與概念改變階層(9層) 3、4、5、6階層 7、8、9階層 Chi(1992),Chi &

Slotta(1994)

本體論 本體類別內的概念

改變

跨本體類別間的概 念改變

Vosniadou(1994) 認知架構理論 概念豐富化 信念與預設修正

二、概念改變教學策略

許多研究指出學生的概念是相當難以改變的(劉俊庚, 2002)，在傳統教學中 教師易忽略學生迷思概念的存在，甚至傳統評量本身也無法檢視出學生的迷思概 念，即使學生學習成就高，學生可能仍持有迷思概念(Nurrenbern & Pickering, 1987)。為了有效改變學生所具有的迷思概念，許多的教學策略被提出來以促進 學生進行概念改變(何玉婷, 2005)。

促進概念改變中常見的教學策略有以下三種，分述特性如下：

(一)概念衝突與異例(anomaly)

在上述概念改變的理論中提到除非學生對現在所接受的概念不滿意，否則將 不會產生概念改變的動機，所以在諸多促進概念改變的教學策略裡，Hewson &

Hewson(1984)認為概念衝突對於學生概念改變是有助益的。常見的認知衝突策略 是使用：反駁性文章(refutational text)、差異性事件或歧異事件(discrepant event)、

異例(anomaly)等，讓學生產生認知上的不平衡(Piaget, 1970)，進而促進認知發 展。而學生在面對異例事件並非全然接受，可能有的七個現象為：(1)忽略(ignoring) 異例存在。(2)拒絕(rejecting)異例。(3)排除異例。(4)擱置異例。(5)重新詮釋。(6) 接受異例但只產生部份改變。(7)接受異例並產生理論的改變(Chinn & Brewer, 1993)。而在使用認知衝突的教學方式要注意避免學習者形成迷思概念(劉俊庚，

2002)。

(二)類比法(analogy)

類比教學亦是常使用的教學策略。所謂的類比指的是：透過兩種不同知識系 統中某種關係的相似性，將已知的知識系統推導至欲知的知識系統，此獲得知識 的過程稱之為類比(Duit, 1991; Gentner, 1998)。茲舉類比橋(bridging analogies)的 教學模式(Brown & Clement, 1989; Clement 1993)來說明：

例：為了教授關於力的概念，教師使用彈簧、可彎曲的軟桌子、堅硬的桌子與書 本等教具，依照以下設計要點進行教學(說明如圖 2.2.4)：

(1) 呈現錨類比(anchoring analogy)：當用手按壓彈簧，則彈簧會因受力而變 形(圖 2.2.4 (a))。

(a) (b) (c) 圖 2.2.4 類比橋實例設計(修改自劉俊庚, 2002, P.136)

設計良好的類比教學亦可以引起學習動機(Venville & Treagust, 1997)。在類 比教學中類比物的使用需要特別注意，避免學生產生迷思概念(Webb, 1985)。同 時教師應該鼓勵學生在學習過程中自我調整(Mason, 1994)。

(三)電腦模擬(Computer simulation)

電腦模擬教學是利用電腦程式來模擬許多科學的現象(Hameed et al., 1993)，

Alessi 和 Trollips (1985)認為電腦模擬教學的優點是可以將自然現象中變化緩慢 或持續很久的現象有效的呈現在學生面前，而月相盈虧需時一個月的變化周期便 可以透過電腦模擬快速的呈現。

教學策略中的教學模式關係到課程內容設計，而由 Hsu, Ying-Shao, Wu, Hsin-Kai & Hwang, Fu-Kwun (2008)所提出的 TEL model 為一科技融入教學設計 的架構，提供教師製作科技融入教學的環境，將認知過程分為：(1)情境化 (contextualization) 、 (2) 意 義 化 (sense making) 、 (3) 探 究 (exploration) 、 (4) 建 模 (modeling)以及(5)應用(application)五個步驟。教師首先給予情境或議題，接著學 生操作電腦模擬動畫進行科學探究，之後教師列舉出關鍵概念、學生建立概念間

教學策略中的教學模式關係到課程內容設計，而由 Hsu, Ying-Shao, Wu, Hsin-Kai & Hwang, Fu-Kwun (2008)所提出的 TEL model 為一科技融入教學設計 的架構，提供教師製作科技融入教學的環境，將認知過程分為：(1)情境化 (contextualization) 、 (2) 意 義 化 (sense making) 、 (3) 探 究 (exploration) 、 (4) 建 模 (modeling)以及(5)應用(application)五個步驟。教師首先給予情境或議題，接著學 生操作電腦模擬動畫進行科學探究，之後教師列舉出關鍵概念、學生建立概念間