一、研究範圍
本研究以彰化縣某國小六年級學童為研究對象，針對研究樣本選擇六年級兩 班的學童作為晤談實施對象，並從兩班自然與生活科技領域93年度上學期成績分 成學業成就高、中、低三等級，徵詢該班級任老師的意見，選出表達能力較佳，
各五名學童進行晤談，深入探討學童對簡單機械齒輪題目的推理表徵，因為晤談 時間耗時較長，只選取三十名學童為深入晤談分析的對象。
在研究內容上，主要利用簡單機械齒輪的基本概念進行探討，分成轉向、傳 動、機械利益等三方面的問題來設計，並參酌專家、學者對簡單機械齒輪概念的 研究成果，及學童生活中的認知架構為研究之內容，研究中並未提到相關較深奧 難懂的名稱。
二、研究限制
（一） 本研究之研究對象取樣自彰化縣某國小的學生，受到時間、空間因
素、經費、人力資源、學童所居住的環境、文化背景、家長社經水準… … 等限制，非經隨機抽樣取得，無法代表全國的國小六年級學童，因此 分析結果僅可提供做為區域性質的研究參考，研究結果之解釋與推論 不宜做過度推論。
（二） 本研究所謂的齒輪，僅涉及齒輪的轉向、傳動、和機械利益，其 他方面並不加以討論。
第四節 名詞解釋
一、概念（ concept）
概念是學習個體瞭解、解釋、預測事件或系統的心智活動表現，也是一種思 考的工具，是個人在同一事件中，抽取出的共同特徵，個人會用此特徵去認識新 的事物，若符合此特徵便歸為一類， 抽取出之重要特徵，即為個人對此事物的 概念（引自薛靜瑩、林陳涌，1999）。
二、簡單機械（simple machine）:
在日常生活與工作中，我們常利用一些工具來完成一些目的。這些能使我 們省力或得到方便的工具，都可稱為「機械」（machine）。使用機械的目的是 省力、或加快速度(省時)、或操作方便(改變力的方向)，使用機械絕對不能省 功，也不會產生功，而只能傳遞或轉換功和能。而不論如何複雜的機械，都是 由若干組零件所構成，分析各組零件的構造或原理，都不外屬於下列簡單機械 的其中之一，即槓桿、輪軸、滑輪、齒輪、斜面、螺旋等幾種基本機件。上述 的幾種元件都是十分簡單的，所以稱之為「簡單機械」。機械是由若干簡單機
件的組合體，能傳達力量及運動，並能將輸入的各種能量變成有用的功，如腳 踏車、汽車、飛機等（何定樑，1997）。
三、推理（reasoning）
張春興（2003）認為，推理（reasoning）是指在思維時遵循某種邏輯法則，
以已知的事實或假設條件為基礎，推演出有效結論，從而對事理間之關係獲得理 解的歷程。此一定義中含有三點要義：（一）、推理是遵循邏輯法則進行的思維 歷程，故而推理一詞有時也稱邏輯推理，邏輯推理方式有多種；（二）、推理是 以已知的事實或假設條件為基礎，沒有已知事實或假設條件做根據，推理將無法 進行；（三）、推理的目的旨在從事理的關係中獲得結論，做為對事理的是非對 錯作進一步判斷之根據。
《教育百科辭典》（教育百科辭典編審委員會，1994）中描述「推理由判斷 所組成。它可以是由許多特殊情形引出一般結論的活動，即由特殊到一般，這是 歸納推理。但也可以是從一般規律、規則、原理到特殊情形並作出新結論的活動，
即由一般到特殊，這是演繹推理。」
四、推理的表徵（representation）
《張氏心理學辭典》(張春興，1989）指出，表徵是指將外在現實世界轉換 為心理事件的歷程，將訊息經譯碼後轉換成另一種形式以便儲存或表達，既代表 和傳遞某種事物的訊息，同時也是一種內部的心理結構。
《中國大百科全書》(中國大百科全書編審委員會，1991)對表徵提出類似的 看法：表徵是信息在頭腦中的呈現方式，根據信息加工的觀點，當有機體對外界 信息進行加工(輸入、編碼、轉換、存儲和提取等)時，這些信息是以表徵的形式 在頭腦中出現的。表徵是客觀事物的反映，又是被加工的客體。
因此推理的表徵應該包含了內在的認知模式與利用推理顯現於外的表達與實 踐歷程。
第二章 文獻探討
本章旨在敘述與本研究相關的中外文獻，並作為研究時的參考，共分為三 節，第一節敘述有關推理能力的文獻，第二節說明齒輪的相關研究，第三節介紹 兒童推理能力表徵的探究方法。
第一節 推理能力
推理能力是古今中外人士所好奇與著迷的能力，人類對問題的解決，對事物 的判斷，甚至進而引發創造與發明的動機，都是人心智活動中推理的表徵，例如 解決問題時的所持的個人模式或觀點、人的智商、人的學習活動、分析事物、形 成假設、歸納出原理原則、邏輯推理等能力都是，以下僅就收集的資料，粗淺分 為推理能力的認知模式、推理能力與認知發展、推理能力與學習、推理能力的 分類、推理能力的表徵等加以探討。
一、推理能力的認知模式
Angell（1964）指出（引自郭靜芳，1997），推理（reasoning）是一種動態 的人類活動，推理是我們做的一些事，也是一種心理活動，這種活動包括解決問 題、想出某事。它有以下幾個特點：推理是過程、有目的；依據推理目標而採取 特定的推理方式；屬於個人的；是一種心智及內心的活動。《科學學習心理學》
(熊召弟、王美芬、段曉林、熊同鑫(譯)，1996）中也提出，一個學生在推理一 個科學現象時，它可以用人類的資訊處理系統的成分來發展他腦中的個人心 智模式，學生進行認知過程，並架構頭腦中工作區的各種關聯，這些關聯在
問題解決環境中對於問題、觀察和結論都能產生衝擊。當學生的腦海裡推理 出一個科學現象時，他就發展了一個個人模式，基本上學生要常常面對一個 含有疑問、觀察和結論的問題解決環境，學生要進行一些認知過程並在他的 腦中的工作記憶區裡創造出關聯性，當學生在推理時，他會描繪出適當的事實、
原理和技能，並將它們儲存於腦中的長期記憶區，學生這一連串科學推理的產物 就是個人理論和模式。科學推理的認知模式圖示如下
圖 2-1 科學學習心理學的科學推理認知模式(取自熊召弟、王美芬、段曉林、熊 同鑫(譯)，1996）
問題解決環境 1. 問題 2. 觀察 3. 結論
學生的工作記憶區 1. 認知過程 2. 建構關聯
學生的長期記憶區 1. 科學的事實與原理 2. 基本科學方法和統
整科學方法 3. 理論和模式
Hengan 和 Keller 認為，科學推理通常是科學探究期間發生的思考過程，學 生在進行科學探究過程中，獨自思考或小組討論時產生的推理思考表徵有以下六 種（引自陳素玲，2002）：
（一）分析的推理（analytical reasoning）：檢驗整體的每個部分及如何將他 們的功能放在一起，包括個人的假設、主張、解釋等推理之成分分析。
（二）類比的推理（analogical reasoning）：識別兩個或更多事物的相似點（不 考慮其不同處），常常是藉由比較更多熟悉的例子以了解或說明故事 情境、想法或問題的顯著特徵。
（三）對話的推理（dialogical reasoning）：試著以不同觀點來考慮事物的各 方架構。對話推理有一部分是辨證推理，意在測試對立觀點孰強孰弱。
（四）推論的推理（inferential reasoning）：連結兩個情況做出某些事情是如 此，因為…等等的結論。推論思考的模式有兩種，一為歸納思考；一 為演繹思考，前者是從一些特殊的例子或證據引出結論，並將其一般 化。後者是應用一般的原理或前提，推演至特殊事例形成結論。
（五）評估的推理（evaluative reasoning）：根據某些表面的準則來審定某事 的價值或品質，例如只用這個方法夠不夠？是否還需要其他方法？並 評估其根據的合理性。
（六）整合的推理（integrative reasoning）：把不同片段的資訊或知識來源 整合成一體。
二、推理能力與認知發展
認知發展論的首要代表人物 Piaget，其研究重點是了解兒童如何從直覺推理 發展至邏輯、抽象推理的過程。他將兒童的認知發展歷程分成四個階段，即感覺 動作期、前運思期、具體運思期、形式運思期。每個階段開始的時間雖有個別差
異，但各階段的發展的先後順序不會改變。以下是四個主階段的劃分標準：
(一) 感覺動作期(sensorimotor stage)：從出生到 2 歲左右。在這段時間，嬰 兒用動作和感覺對四周環境的刺激發生反應。對看不見的東西沒有保留 的觀念，以為看不到的東西就不存在。這一階段是以後認知發展的基礎。
(二) 前操作期(pre-operational stage)：2 歲到 7 歲的兒童，自我中心很強，
還不知道可逆性，沒有質量、容積等保留觀念，雖然能開始思考，但還 無法進行邏輯的思考和推理。
(三) 具體操作期(concrete operational stage)：7 歲到 11 歲的兒童，在此時 已有質量、容積等保留的觀念，也有可逆性的觀念。他們能進行簡單的 邏輯思考，能排列次序(serial order)，能用不同的特性分出類群(group)，
但仍須透過具體的實物或教具方能理解，而且不能靠抽象的符號來使他 們處理事務。
(四) 形式操作期(formal operational stage)：11 歲到 15 歲的青少年，和具體 操作期比較，此階段的青少年大多脫離依賴直接感覺階段，他們具有系 統的和抽象的邏輯思考，可以和成人一樣反省，也可以根據假設進行演 繹推理(deductive reasoning)，並進行控制變因的實驗。
由以上可知，皮亞傑認為 11-15 歲的青少年認知發展已步入形式操作期。依 照 Piaget 的認知發展歷程來看，兒童的推理能力隨著年齡的增長會逐漸的發展、
改變，直到進入形式運思期後才會趨於成熟，因此本研究以六年級學童為樣本，
探究學童認知發展進入形式操作期後，推理能力的發展情形。
三、推理能力與學習
推理能力是屬於一種高層次的認知能力，也是一種重要的能力。以學習的觀
點而言，學生在學習語文時，需在閱讀的歷程中進行閱讀推論的活動；學習數理 時，更需要邏輯推理的活動以培養解決問題的能力。教育研究的結果也證明「智
點而言，學生在學習語文時，需在閱讀的歷程中進行閱讀推論的活動；學習數理 時，更需要邏輯推理的活動以培養解決問題的能力。教育研究的結果也證明「智