第三節 生物學細胞分裂主題之迷思概念與教學設計
三、 細胞分裂主題之數位教學設計的原則
由上述的文獻回顧可以知道，學生對於細胞分裂主題的學習困難與成因，而 近年來資訊科技的優勢已逐漸能輔助並改善上述的學習困難。以下依據資訊科技 之優勢，提出資訊科技融入細胞分裂主題教學的設計原則，分別說明如下：
(一) 次微觀結構的具象化
由表 2-3-2 可知，遺傳學之基本結構與結構間的關係，是學習細胞分裂概念 的基礎，其中，染色體不僅是遺傳學教材的基本單位，更是細胞分裂過程中的實 體(楊坤原與張賴妙理，2004；Lewis et al., 2000b；Kindfield, 1991；Oztap et al.,
2003)，然而，無論是染色體、細胞或細胞核等相關概念，在生物體制上均屬於 微觀或次微觀的層次(Duncan et al., 2009; Knippel et al., 2005)，學生對這些概念缺 乏相關的學習經驗，而無法視覺化細胞分裂過程的實體與過程，進而造成學習困 難(Chinnici et al., 2004)。因此，若能將這些次微觀結構具象化，即具體呈現基本 結構—細胞、細胞核、染色體和基因以及這些基本結構之間的關係，以協助學生 建構染色體模型並發展出融貫的概念架構，將有助於學生對遺傳學有更好的理 解。然而，傳統講述式的教學與教材圖示卻無法協助學生發展此一融貫的概念。
許多研究指出，生物領域中模型的使用可以大大地強化學生的理解，例如染 色體與染色體行為的建模(Clark & Mathis, 2000)。然而，Brown(1995)指出，在呈 現染色體的結構上，僅採用 2D 圖示是不適切的，學生必須理解染色體 3D 的結 構，才有助其建立一個融貫之遺傳學的概念架構。學習科技之相關研究也指出，
視覺化(visualization)工具、以 2D、3D 圖示或動畫來表徵一個科學現象，有助於 讓學生看見現象或抽象的概念，呈現出文字無法具體描述的想法(Linn, 2003;
Krajcik & Czerniak, 2007)。此外，結合影片、圖片、文字與互動性的微世界 (microworld)、互動式多媒體與模擬(simulation)工具，能具體提供學生直接、豐 富的經驗(Krajcik & Czerniak, 2007)，讓學生透過主動地參與來發展有意義的科學 概念並提高其學習動機，而這些多模態與多重感官所提供的經驗，不但能增強學 生在細胞分裂主題上的學習(Smith & Kindfiled, 1999)，也有助於克服學生對於遺 傳學難以學習之印象(image)與低動機(Knipples et al., 2005)，並提供數位化多模態 的訊息給予不同偏好之學習風格的學習者(Gilman, 2006)。該原則可以從相關線 上課程獲得支持，例如：針對遺傳學所開發之 BioLogicaTM軟體，在學生學習孟 德爾定律與基因的表現型之前，先讓學生透過 3D 互動軟體來學習細胞的結構(如 圖 2-3-4)，以協助學生建構細胞、細胞核與染色質的結構以及物理性的連結關 係；除此之外，並讓學生知道基因產物—蛋白質的表現，是透過核孔、粗糙內質
網、高基氏體等層層傳遞，將蛋白質表現來，以影響生物體的表型(phenotype)。
圖 2-3-4 BioLogicaTM生物網站中以 3D 互動軟體介紹細胞結構之介面(引自
http://biologica.concord.org/)
(二) 動態本質的視覺化
由表 2-3-2 可知，學生對於兩種細胞分裂存在許多迷思概念，究其原因主要 為細胞分裂具有動態的本質且發生於細胞中，屬於微觀抽象的概念，對於尚未具 備形式操作認知能力的學生而言，屬於較難理解的概念(楊坤原與張賴妙理，
2004；Lazarowitz & Penso, 1992)，而且，學生對這些屬於生物體制之微觀或次微 觀層次的概念，缺乏相關的學習經驗，因而無法視覺化細胞分裂的實體與過程 (Chinnici et al., 2004; Duncan et al., 2009; Knippel et al., 2005)。因此，若能有效在 教學過程中具體呈現細胞分裂的動態本質，將有助於學生克服該學習困難(Brown, 1995; Kindfield, 1991; Oztap et al., 2003; Smith & Kindfield, 1999)。
近年來隨著 Java、Adobe Flash 等軟體之發展，電腦視覺化與動畫軟體已成 為輔助科學學習之可行的方法(Barak, Ashkar, & Dori, 2011; Dori, Barakr, & Adir, 2003)；以動畫來表徵一個科學現象，有助於讓學生看見現象或抽象的概念(Linn, 2003; Krajcik & Czerniak, 2007)，尤其是對於課堂中不可見或難以解釋之過程的 視覺化特別有效(Barak et al., 2011)。Dori 與 Barak (2001)也建議，在學習的過程
中，若涉及複雜的空間結構與動態過程時，可以採用動畫輔助學習。由此可知，
動畫軟體適用於呈現具有動態本質之細胞分裂概念。然而，對於同樣具有動態本 質之有絲分裂而言，減數分裂的過程更為複雜，對於學生而言更加困難(Brown, 1995)。但是，減數分裂產生產配子的過程卻是學生瞭解遺傳現象、孟德爾古典 遺傳學數學內涵與棋盤方格應用的基礎(Duncan et al., 2009; Knippels et al., 2005)，Duncan 等、Knipples 等以及 Stewart 等(2005)均強調，明顯地銜接減數分 裂與遺傳學現象是解決學生學習遺傳學困難的原則之一，故細胞分裂動態過程的 視覺化，便是突破該學習困難的有效方法。以實徵性研究與數位課程開發為例，
針對遺傳學所開發之 BioLogicaTM軟體(Hickey, Kindfield, Horwitz, & Christie, 2003)，設計了兩個網路實驗室—「恐龍遺傳學(Dragon Genetics)」與「孟德爾豌 豆(Mendel’s peas)」，來輔助學生學習遺傳學基因型、表型、減數分裂與家族譜系 的概念。其中，「恐龍遺傳學」是源自於 GenScope 軟體 (Hickey et al., 2003)，
GenScope 透過富有想像性的生物—「恐龍」來輔助學生學習基因型與表型的概 念，其設計了多個視窗同時展示遺傳因子傳遞的過程與結果，包含「減數分裂視 窗」—讓學生看見減數分裂形成四個配子的動態過程(讓學生瞭解減數分裂過程 的聯會與互換)以及配子的結合，來輔助學生對於等位基因配對、基因型與表型 的學習。另外，何秋萱(2004)探討 Adobe Flash 動畫軟體對於國中學生學習遺傳 概念之影響，發現 Adobe Flash 動畫軟體能模擬並具體呈現減數分裂的動態過 程，有助於學生對物體作直覺的瞭解，並降低其抽象思考的層次，對於學生的概 念學習與概念改變具有幫助。
(三) 概念差異性的比較
除上述之外，從表 2-3-2 還可以發現，學生經常將有絲分裂與減數分裂混淆。
除了部分學生沒有查覺到細胞分裂有兩種類型之外，大多數的學生雖然知覺到兩 者間的差異，卻不清楚差異的本質為何，分不清楚哪一種過程出現在哪一種細胞
分裂中。為了協助學生釐清兩種細胞分裂間的差異，Lewis 等(2000b)以及楊坤原 與張賴妙理(2004)建議，若能將兩種細胞分裂之間的異同，明確地以目的、產物 與過程來加以區分，將有助於學生釐清兩種細胞分裂間的差異。
另外，由於有絲分裂與減數分裂這兩種細胞分裂，對於生物體的重要性與意 義是不同的。有絲分裂的目的在於確保子細胞與母細胞間具有相同的染色體數與 遺傳物質，而減數分裂則在形成染色體數減半之配子，並增加配子間的遺傳變 異，此外，減數分裂過程中因為染色體的獨立分配以及互換(cross over)形成重組 染色體，所產生之配子的遺傳變異亦是有性生殖過程中造成遺傳變異的原因之一 (Campbell et al., 2008)。而且減數分裂概念之學習對於學生學習有性生殖與無性 生殖具有決定性之影響，Hickey(2003)進一步指出，學生雖然瞭解減數分裂過程 中的各種生物事件，例如染色體聯會、互換 DNA 片段等，卻不知道互換對於遺 傳的影響。Lewis 等 (2000b)、Knipple 等(2005)以及 Smith 與 Kindfield(1999)建 議，在討論有絲分裂、減數分裂與受精作用三者間的關係時，染色體的行為、遺 傳訊息之間的傳遞與連結應明確呈現。因此，在設計此兩種細胞分裂以及兩種生 殖策略的比較時，可以嘗試採用 BioLogicaTM網站中多頁面同時呈現的設計或是 GenScope 多視窗的設計(Hickey et al., 2003)，並結合互動式動畫軟體，讓學生同 時比較兩細胞分裂與生殖策略的差異，並提供學生表格作為引導的鷹架，讓學生 從細胞分裂的目的、染色體的複製、分裂過程、產物等方面來比較其異同。除此 之外，GenScope 多視窗的設計中特別注意到減數分裂過程中染色體的互換，並 引導學生瞭解互換對於遺傳變異的意義(Hickey et al., 2003)，是一個很重要的設 計。
(四) 由微觀到次微觀的教學順序
由前述文獻分析可知，遺傳學各概念間存有相互依存的關係，若學生無法具 有一個融貫的遺傳學概念架構，則無法對各概念間作出有意義的連結，將致其混 淆遺傳學的專有名詞而產生迷思概念(楊坤原與張賴妙理，2004; Lewis et al., 2000a, b; Oztap et al., 2003)。因此，Smith(1991)以及楊坤原與張賴妙理(2004)建 議，為能符合 Ausubel 所提之含攝理論(subsumption thory)，讓學生可以透過同化 的原則，對於細胞分裂進行有意義的學習，應先介紹染色體的知識，包含：染色 體的本質、染色體在減數分裂過程中的角色，以及染色體與基因間的關係等，亦 即建立染色體模型 (Brown, 1995; Oztap et al., 2003)與建立融貫的概念結構 (Lewis et al., 2000a, b)，待學生建立起染色體的模型後，再呈現兩種細胞分裂各 階段的動態過程與染色體的變化並比較兩者間的差異，將有助於學生對染色體與 細胞分裂各步驟產生有意義的連結。
四、小結
近年來，生命科學與技術之快速進展，讓許多新科技與新發現不斷地進入公 共領域並與公民日常生活息息相關，因此，讓公眾具有一個較好之遺傳學素養是 相當迫切的(Duncan et al., 2009; Knippels et al., 2005)，而首要之務就是紮根於基 礎義務教育中。然而，在眾多生物課程裡，遺傳學又是教師與學生公認最困難教 學與學習的單元(Brown, 1995)，而細胞分裂又是學生學習與理解生長、發育、繁 殖與遺傳學以及演化學的基礎(Clark & Mathis, 2000; Oztap et al., 2003; Smith &
Kindfield, 1999)，若要讓學生能進入當代遺傳學的領域，則須先讓學生掌握細胞 分裂這個關鍵主題。
從近三十年來大量相關文獻可以發現，學生對於細胞分裂的學習困難主要 有：(1)對於遺傳學之基本結構與其物理性的連結關係不清楚，並對於遺傳學的
專有名詞感到困惑、(2)細胞分裂發生於細胞中，學生無法親眼看到這個動態的 過程，特別是染色體與基因訊息在細胞分裂過程中的變化、(3)無法區辨兩種細 胞分裂的異同處。因此，若能協助學生建立起一個融貫的概念架構，並結合教材 輔具來呈現細胞分裂的動態過程，將有助於克服學生的學習困難(Brown, 1995;
專有名詞感到困惑、(2)細胞分裂發生於細胞中，學生無法親眼看到這個動態的 過程，特別是染色體與基因訊息在細胞分裂過程中的變化、(3)無法區辨兩種細 胞分裂的異同處。因此，若能協助學生建立起一個融貫的概念架構，並結合教材 輔具來呈現細胞分裂的動態過程，將有助於克服學生的學習困難(Brown, 1995;