研究者以粒子觀點做為物質三態變化的發展架構，在物質三態變化的教學活 動經常以巨觀性質的改變做為教學素材，而微觀的部份往往要到國中才會提及部 份概念，甚至到高中才會有完整的粒子本質教學，因此本研究將物質三態變化心 智模式及其相關的認知特徵進行文獻分析，以系統分類學的方法建立且分析不同 認知特徵的可能演化路徑。藉由此歷程可以找出理論上的概念發展路徑，提供課 程安排的方向。
一、物質三態變化概念之心智模式類型
由第二章文獻探討中，本研究歸納出的主模式有「初始模式」、「混合模式」、
「類科學模式」及「科學模式」四種，其下各有一至二種次模式，分別為：「感 官模式」、「異物質轉換模式」、「物質特性改變模式」、「粒子改變模式」、「粒子間 重組模式」、「粒子速率改變模式」、「粒子動態平衡模式」共七種心智模式，將進 一步進行認知特徵與認知狀態的編碼。
二、物質三態變化概念之認知特徵與認知狀態
本研究將物質三態變化的概念分為認知特徵及認知狀態兩層，第一層認知特 徵根據本研究範圍概念圖(圖 2-5-1)進行選擇，第二層認知狀態為該認知特徵不同 表現，將包含科學概念或另有概念等。本研究之物質概念演化樹針對物質三態變 化過程中物質變化及變化過程兩大部份，因此認知特徵將包括 1.物質觀、2.變化 過程、3.相同物質、4.溫度、5.可復原、6.質量守恆、7.粒子數量、8.粒子不變、
9.粒子間吸引力、10.粒子結構及 11.動態平衡共十一項，其中 2 至 4 項為物質變 化的類別，而 5 至 11 則為變化過程的類別，如表 4-2-1 物質三態變化之認知特 徵與認知狀態表所示。茲將各類別詳細說明如下：
(一)物質觀：本研究之物質觀的分類包含連續觀及粒子觀兩者，並且再加上兩者 共存的混合觀，本研究依次將認知狀態分為「1-0 連續觀」、「1-1 混合觀」及
「1-2 粒子觀」。
(二)物質變化類別
根據第二章的圖 2-5-1 研究範圍概念圖，此類別的認知特徵屬於 C.物理變化 中的「物質變化」，包含「C1 成份未變化」、「C2 相同物質」及「C3 溫度改變-潛熱」，分別再命名為「2.變化過程」、「3.相同物質」及「4.溫度變化」，分別說 明於下。
「2.變化過程」的認知狀態可分為「2-0 產生不同成份」指三態變化過程中 物質會產生不同的成份；「2-1 部份產生不同性質」指三態變化過程中部份的物質 會產生變化；「2-2 成份完全相同」指三態變化過程中物質會完全相同。「3.相同 物質」的認知狀態可分為「3-0 不相同的物質」指三態變化後會新產生不相同的 物質；「3-1 部份相同的物質」指三態變化後物質的一部份不變，而一部份產生變 化；「3-2 完全相同的物質」指三態變化後物質都還是完全相同。「4.溫度變化」
的認知狀態可分為「4-0 無影響」指尚未建立溫度高低與三態變化的關係；「4-1 持續上升或下降」指三態變化的過程中溫度上升下降是呈現線性的變化；「4-2 特定溫度短暫不變(潛熱)」指三態變化過程中溫度上升下降會有短暫的停止，熱 量用來改變物質結構。
(三)變化過程類別
根據與上述相同的概念圖，此類別來自於「C4 粒子運動狀態改變」、「C5 動 態平衡」、「C6 可復原」、「C7 質量守恆」、「C8a 粒子數量不變」、「C8 粒子重量 不變」、「C8c 粒子體積不變」及「C9 粒子間吸引力改變」，詳細的認知特徵與認 知狀態分別說明如下：
「5.可復原」根據「C6 可復原」而來，其認知狀態可分為「5-0 不會變回原 物質」指物質發生三態變化後，即使溫度再改變也不會再變回原來的物質；「5-1 會變回原物質」指物質發生三態變化後可以再變回原來的物質。「6.質量守恆」
根據「C6 可復原」而來，其認知狀態可分為「6-0 重量改變」指三態變化過程會 扮隨著重量的改變；「6-1 重量相同」則是指三態變化過程重量的不會改變。
以下的認知特徵與微觀粒子的變化有關，「7.粒子數量」根據「C8a 粒子數
量不變」而來，其認知狀態分為「7-0 數量改變」指三態變化過程中粒子的數量 會變多或變少；「7-1 數量不變」指三態變化不會有粒子增加或消失的情況。「8.
粒子不變」由「C8 粒子重量不變」、「C8c 粒子體積不變」兩項而來，其認知狀 態可分為「8-0 無粒子概念」指不認為物質是由粒子構成；「8-1 粒子不變」指三 態變化過程中溫度會造成粒子的重量或體積改變；「8-2 粒子不變」指三態變化過 程中粒子的重量或體積都不會改變。「9.粒子間吸引力」由「C9 粒子間吸引力改 變」而來，其狀態可分為「9-0 吸引力不變」指未建立物質三態變化過程中吸引 力會改變的概念；「9-1 吸引力改變」指物質三態變化過程中粒子間吸引力會有所 不同。
「10.粒子結構與運動」由「C4 粒子運動狀態改變」而來，其認知狀態是依 據使用何種方式解釋物質三態變化的過程，可分為「10-0 無改變」指無法利用微 觀解釋物質三態變化；「10-1 結構改變」指利用各個粒子之間的結構變化解釋物 質三態變化；「10-2 運動速率改變」指利用粒子運動速率的改變解釋物質三態變 化。
「11.動態平衡」由「C5 動態平衡」而來，其認知狀態可分為「11-0 繼續改 變」指兩相共存時即使無能量進出也會繼續發生三態變化；「11-1 不再改變」指 兩相共存時因為無能量進出三態變化就會停止，微觀的變化也是如此；「11-2 正 反向改變相同」指兩相共存時巨觀上變化停止，但微觀上改變仍然進行中，原因 是正向與反向的改變速率相同，因此巨觀看來不再改變。
表 4-2-1 物質三態變化之認知特徵與認知狀態表
表 4-2-2 物質三態變化之認知特徵編碼組合
主模式 次模式 代號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 初始模式 感官模式
(Sense model)
(S) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 異物質轉換模式
(Different material model)
(D) 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 混合模式 物質特性改變模式
(Property change model)
(P) 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 粒子改變模式
(Change-of-particle model)
(C) 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 粒子間重組模式
(Re-organization between particles model)
(O) 2 2 2 1 1 1 0 1 1 1 1
類科學模式 粒子速率改變模式
(Particle rate change model)
(R) 2 2 2 2 1 1 1 2 1 2 1 科學模式 粒子動態平衡模式
(Dynamic equilibrium model)
(E) 2 2 2 2 1 1 1 2 1 2 2
圖 4-2-1 物質三態變化概念演化樹長分佈圖 註解：中間虛線為節省空間剪去 120~240 之垂直軸
本研究以樹長 18 步，CI 值及 RC 值等於 1 的編號 22 號概念演化樹做為本研究之 概念演化假說樹，如圖 4-2-2 所示，茲說明如下：
代號 節點位置 認知特徵與狀態分佈 No.12 ~ S 模式 4-0 溫度無影響
A 區 No.12 ~ No.11 1-1 物質混合觀 3-1 部份相同物質 11-1 無動態平衡-不再改變
B 區 No.11 ~ No.10 2-1 部份產生不同性質 5-1 可復原 8-1 粒子改變 C 區 No.10 ~ No.9 1-2 粒子觀 2-2 成份完全相同 3-2 完全相同的物質
6-1 重量相同 9-1 吸引力改變 10-1 粒子間結構改變 D 區 No.9 ~ No.8 4-2 在特定溫度短暫不變(潛熱) 7-1 數量不變
8-2 粒子不變 10-2 運動速率改變 No.8 ~ E 模式 11-2 正反向改變相同
圖 4-2-2 物質三態變化概念演化樹 22
圖 4-2-2 上方為物質三態概念演化樹 22，因本研究以 7 種心智模式進行分類，因 此在各分叉點的編號由左到右從 8 開始編號，節點內的認知特徵並無先後的次序。為 方便研究者進行解說將節點 12 到 11 的位置以 A 區作代號，同理節點 11 到 10 代號為 B 區，節點 10 到 9 代號為 C 區，節點 9 到 8 為 D 區。各區內出現的認知特徵將代碼 編於圖示下方。
綜觀概念演化樹 22 的樹型發展最早期的感官模式對於溫度的影響並未建立因果 關係，因此無法理解溫度造成的物質三態變化；在 A 區及 B 區出現物質混合觀，認為 物質由粒子及連續的物質共同組成，且物質三態變化的前後會產生部份不同的性質，
且只有部份相同的物質，例如異物質轉換模式及物質特性改變模式，而粒子觀的部份 並非科學觀點的粒子，具有三態變化的過程中會發生粒子性質改變的錯誤概念，如粒 子重量或體積改變，故名為粒子改變模式，此二區並未建立動態平衡的概念而是認為 溫度不改變則物質便停止變化，在可復原方面，已建立物質三態變化後可以再變原先 的狀態；
在 C 區的部分為建立部份正確的粒子觀，但僅限於物質都是由粒子所構成，對於 物質成份及變化的過程已建立完全相同的概念，所以反應前後的重量不會發生改變。
此區域的吸引力改變有助於建立粒子間結構改變的概念，吸引力會造成各個粒子之間 的距離不同，造成物質產生三態變化，也就是粒子重組模式。
在 D 區的認知特徵已出現正確的粒子觀點，認為物質三態變化的過程中粒子數量 及粒子重量體積都不會改變，取而代之的是粒子運動速率發生變化，進而改變各個粒 子之間的吸引力，造成物質結構改變，此即粒子速率改變模式。潛熱的概念也在此區 域出現，熱量的進出不代表溫度必然會上升下降，部份熱量可能用來改變物質的微觀 結構。最後，在節點 8 至粒子動態平衡模式間產生動態平衡的概念，瞭解物質相變化 時如果沒有能量進出，不同物質相的微觀粒子會不斷變化，但因為正反向的反應速率 相同，因此巨觀上雖然無變化，但微觀粒子仍不斷的反應中。
四、概念演化樹 22 之認知特徵分佈
本小節將針對質三態變化概念演化樹 22 之發展路徑進行說明，依認知特徵之次序 逐一說明如下：
(一)物質觀
本研究之物質觀分為「1-0 連續觀」、「1-1 混合觀」及「2-1 粒子觀」，由概念演化 樹 22 的結果可發現為最早開發發展的概念之一，在 A 區由物質連續觀轉變為混合觀，
但正確的粒子觀則是在 C 區出現。此發展歷程符合文獻上學生早期對物質組成為連續 的觀點，出現粒子的概念也視粒子是存在於連續的構造當中(Johnson, 1998a)，因此物 質完全由粒子構成的概念則更晚出現。
(二)物質變化過程
在三態變化前後的物質的變化過程，本研究分為 2-0 變為不同物質成份、2-1 部份 產生不同性質及 2-2 成份完全相同。由概念演化樹 22 可發現在 B 區出現部份產生不同
在三態變化前後的物質的變化過程，本研究分為 2-0 變為不同物質成份、2-1 部份 產生不同性質及 2-2 成份完全相同。由概念演化樹 22 可發現在 B 區出現部份產生不同