科學概念的學習

本節將針對科學概念的學習，就科學概念、學習遷移與有意義學習理論進行 重要的文獻探討與整理。

一、科學概念

各學者對於概念有許多不同的定義，Markle 與 Tiemann(1970)將概念描述為

「一種實體」，Tennyson(1977)進一步說明概念是由特定物體、符號或事件組成，

具有共同的特徵，可以特殊的名稱或符號表示(引自 Herron, 1996, p. 106)。Novak 與 Gowin(1984)將概念定義為事物或事件中可被某些名稱表示出的共同規律。

Duit 與 Treagust(1995)認為概念是一類事物或事件的共同屬性，能以信號或符號 所表示的概括化名稱。綜合上述定義可知，概念除了可以特定的符號或名稱表 示，同類的概念應具有相同的屬性或特徵。

Gagne(1985)將概念分為「具體的」概念與「定義的」概念，具體的概念是 以知覺上的特徵作為分類的依據，如「藍色」；定義的概念須以文字或語言加以 說明，如「美麗」。Chi(1992)則將概念依照本體屬性分為「物質」、「過程」與「心 智狀態」三大範疇，範疇下又依屬性再細分，如圖 2-1-1 所示。而其中物質概念 指的是石頭、建築物等類的「東西」；過程概念指的是事件的發生，如：閃電、

親吻；心智狀態則是指情意方面，如：害怕、渴望。

圖 2-1-1 Chi 本體樹架構(引自邱顯博，2002)

在 Chi 的本體架構中能看出概念之間具有含攝關係，Showalter(1974)則是將 科學知識的概念結構由下至上依序分為知覺、真實的概念、事實、定律、發明的 概念、原理與學說(圖 2-1-2)。知覺的概念是可透過感官直接得知，如甜；真實的 概念具有實體特性，如貓；事實是指發現的事實，因此並不一定正確，如旭日東 昇；定律是說明事實的狀態或趨勢，如氣體定律；發明的概念則是為解釋現象而 創造，如原子；原理是由至少兩個以上的概念所組成，且必須含有一個以上發明 的概念；學說則是科學知識結構的最上層，最概括化，具有解釋或預測自然現象 之功能。

圖 2-1-2 科學概念結構(Showalter, 1974)

二、學習遷移

學習遷移是舊學習效果影響新學習效果的現象，將某一情境中所習得的知 識，應用於另一個不同的情境中(Gagne, Yekovich, & Yekovich, 1993; Singley &

Anderson, 1989; 林清山、張春興，1984)。R. M. Gagne 將遷移分為兩類，分別為 水平遷移(lateral transfer)與垂直遷移(vertical transfer)。水平遷移為將已知的知識 應用於其他難度或複雜層級相同之新情境中，而垂直遷移則是指將已知的知識應 用到一些更複雜或需合併已知知識的新知識之學習情境。茲針對各學派提出之遷 移理論進行整理。

(一) 共同元素理論 (Identical elements theory)

Thorndike 於 1906 年提出「共同元素理論 (Identical elements theory)」，指出 舊的學習之所以能促進新的學習，乃因新、舊知識之間存在有「共同元素(identical elements)」，並且，助益的程度取決於「共同元素」的多寡，即兩者間共同元素 愈多，遷移效果愈強，若無共同元素，則不會產生遷移。

(二) 類化理論 (Generalization theory)

Judd(1908)進一步提出遷移的類化理論，主張遷移的關鍵在於學生是否學習 到知識的一般性原理、原則。Judd 對比有、無經過「折射」原理教學的兩組學 生，考驗其水下擊靶的準確性，研究發現有經過折射原理教學的學生較未經過教 學之學生擊中目標的準確性較高。因此，Judd 認為新、舊學習經驗之間的共同 元素僅為遷移發生之必要條件，能否產生遷移的關鍵須視學生是否能由舊學習經 驗中歸結出原理、原則，將其應用於新學習經驗中，即學習經驗的類化。

(三) 轉換理論 (Transposition theory)

轉換理論為完形心理學派學者所主張，強調知識或學習經驗的「整體性」， 認為知識有其特殊之形態(pattern)，遷移為兩知識結構間整體的轉換，即兩知識 形態愈相似，發生遷移的效果愈強。Kohler(1929)進行試驗，讓小雞與兒童於不 同深淺程度的灰色紙張下尋找食物，經過條件制約後，習得由深灰色紙張下才能 獲得食物。接著，實驗情境將淺灰色紙張更換為黑色紙張，研究發現約 70%的小 雞對黑色紙反應，30%的小雞對原深灰色紙反應，而兒童只對黑色紙做出反應。

因此，Kohler 認為遷移是學習者發現情境間的「關係(relationship)」，非共同元素 或共同原理、原則所致。

然而，學習遷移亦有許多失敗的例子 (蔡福興、游光昭、蕭顯勝，2008) ， 人們在嘗試解決一個新問題時往往疏於瞭解自己已具備一些可運用之相關知識 (Gagne, Yekovich, & Yekovich, 1993)。Bransford 與 Schwartz(1999)認為以往關於 學習遷移的研究皆為相同的研究模式，先讓學習者學習後，再使其接受「隔離的 問題解決(sequestered problem solving)」，因此造成無法找出學習遷移的證據。

Schwartz、Bransford 與 Sears(2005)進一步提出學習遷移可分為兩種類型，分別為

「向外遷移（transfer out）」與「向內遷移（transfer in）」。向外遷移是指學習者 應用舊知識去解決新的問題情境，而向內遷移則是指學習者應用舊知識來學習新

知識，以往的研究難以找出學習遷移的證據原因通常為，僅強調向外遷移或向內 遷移其中之一，而未考慮到另一類型所致。

三、

學習理論

1930年代開始，科學教育逐漸著重以活動、專題與討論為基礎的教學，強調 問題解決與發現學習，起因於講述式教學無法有意義的呈現教學內容，而為求精 熟概念的反覆式機械學習(rote learning)亦無效於概念的理解，於是D. P. Ausubel (1918- 2008)提出有意義學習(meaningful learning)理論，強調學生知識結構的連 結，教師或教材應將概念進行邏輯性的重組，呈現前置組織，將新概念融入學生 舊有的知識結構。

(一) 認知結構

個體的認知結構為概念與概念間的關係網絡，對於新概念的學習為重要的影 響因素，若個體的認知結構是穩定、清楚、有組織的，便會產生有效且明確的意 義(Ausubel, 1963, p. 26)。

(二)有意義的學習

當學生學習新概念時，即使在教學過程與環境都相當理想的情況下，仍會產 生知識的遺忘。Showalter(1974)指出，科學概念的結構中，知覺、真實的概念、

事實與定律等位於結構下方的四個元素，多是從環境透過感官的刺激而習得，因 而需要強化學生相關的認知結構，將新、舊概念彼此連結，否則容易發生遺忘，

有意義的學習即是將相關的、涵蓋較廣的概念彼此關聯，並錨定至認知結構中 (Ausubel, 1963, p. 42)。

(三) 前置組織因子

前置組織因子是置於學習材料之前，為較籠統、較高層次的概念，涵蓋性較 廣，具有定錨作用，可增加認知結構的組織強度(Ausubel, 1963, p. 81)，前置組織

能含攝新概念，統整新、舊知識。前置組織因子可分為「解說式組織因子」與「比 較式解說因子」，解說式組織因子用於新概念的學習，產生定錨作用，為幫助學 生理解後續教材的概念架構；而比較式解說因子則可用於比較過去學習過的相似 概念或相異概念之異同，避免發生概念的混淆。

知識結構對學習的影響相當重大，在 Chi、Feltovich 與 Glaser(1981)的研究 中可發現，專家與生手的知識結構確實有所不同。專家的問題基模會有較多原理 原則的部分，而生手的問題基模含有較多問題中的字面特徵，較缺乏系統與組 織。經由生產法則的分析後可知，專家擁有大量的程序性知識，且可以衍生出其 他應用的部分；生手的陳述性知識亦相當多，只是缺乏提取解答的方法，無法從 問題字義上的理解推論出解題所需的知識。

教室中的實作可幫助學生有意義的學習概念，Haury與Rillero(1994)指出動手 做(hands-on)活動能使教學中的經驗有意義，學生可沉浸於教材或教學過程中，

並激發其自信，使學生能成功的學習科學。Bross(2008)即透過科學論證與實驗使 學生進行有意義的學習，並檢視學生經過學習之後的化學知識理解情形，發現學 習者對知識的理解和有意義學習的程度相關，產生影響的主要原因為有意義學習 可引出明確的學習方向，並且連結小學與國中已學過之科學知識，顯示知識結構 與前置組織在學習中的重要性。