本研究為瞭解學生物質三態變化之心智模式發展歷程，因此先分析相關概念 的教科書內容與順序，定位出目前教科書內容的概念脈絡，做為後續分析學生概 念發展歷程的研究資料。再以概念演化的理論及系統演化學的方法建立理論性的 物質三態變化概念演化假說樹，並以跨年級概念分佈頻率比對概念演化樹之認知 特徵發展路徑，且先前研究階段的教科書分析結果可進一步定位各認知特徵的教 學時間點與內容。最後，依概念演化樹的結果設計符合概念演化發展次序的教學 與評量方法，在教學中瞭解學生的概念發展路徑。基於上述目的，本研究探討及 回顧眾多的相關文獻，以建立合適的概念演化研究理論基礎，並瞭解學生對於物 質三態變化的學習困難與迷思概念，茲將整個文獻探討作全面的總結論述。
在概念演化研究理論基礎的建立方面，科學教育中對於知識學習的歷程一直 以來都是研究的重點，對於科學知識的本質及個人認知的歷程在各研究門派中所 著重的比例不同，因此出現相當多研究的取向，其中概念改變研究被認為由 1980 年代迷思概念的相關研究開始，Posner 等人(1982)所提出的概念改變模式成為科
學教育上最早的知識學習理論架構，此模式著重在概念改變的條件及線性的發展，
因此受到後期概念改變的研究學者批判，特別是在於格式塔的轉變觀點方面，因 此 Strike 及 Posner(1992)亦作了相當的修正，強調概念生態系的重要性，認為概 念改變應為動態的歷程，且許多概念之間不斷地發生交互作用；Chi(1992)則以 本體論觀點認為概念改變在於本體樹上概念轉移的方式，困難與簡單的概念改變 是指在於本體樹的中心節點是否發生根本的改變；Vosniadou (1994)更進一步視 概念改變為一種漸進的過程，可分為單純新增資訊到原有概念中的「豐富過程」， 也有需要先修正原有概念架構再加入新概念的「修正過程」。可知概念改變的研 究趨勢已由格式塔式的概念改變再加入漸進的過程，以更為精緻或整體性的理論 來說明概念改變的發生。
在朝向概念改變的新理論中，已有許多知識發生或知識學習的理論引用演化 學的理念，此跨學科的應用主要著重在知識的變異、傳遞及選擇等，其中一般認 為最早是由 Campell(1988)以演化的觀點解釋人類和知識間的相互關係，也就是 個人認識的過程，此類論述能提供概念改變細緻的發生過程與選擇歷程。在演化 學中的突變與選擇對於概念改變的研究可以同時提供激進及溫和兩派概念改變 的理論基礎(林靜雯及邱美虹，2009)，且本研究強調學生長期的概念發展歷程，
更適合以概念演化的方式進行研究分析。因此本研究以系統發育分類學進行物質 三態變化的概念研究，目前已有其他研究者採用此方式進行，其最大的優點為透 過系統發育分類學可以先獲得合適的概念演化假說樹，再透過其他不同的研究方 法驗證概念演化假說樹的合適性，增加概念演化樹的信效度。
為瞭解學生概念發展歷程，本研究透過課室學習中最常接觸到的教科書，探 討教科書安排對於學生概念發展的影響，且能與前述概念演化樹進行交互比較。
教科書的研究主要方向有課綱內容與教科書的發展、教科書內容分析及教科書應 用分析，其中前兩項都能看出教科書中對於特定概念的脈絡，本研究藉由分析課 綱與教科書內容定位出學生概念發展的內容與時間點，並找出相關的序列。在教 科書的內容中有許多對於物質三態的微觀粒子圖文教學，藉以逐漸建立學生對於
物質三態的概念，但教學內容的安排次數和表徵方式可能對學生的學習產生影響，
藉由此類的分析可以瞭解學生概念發展的如何產生與概念間如何聯結。
將系統發育分類學運用於科學學習上，首先將面臨到的問題就是類比時目標 物與類比物間的相似與限制。在生物學中系統發育分類學分析的基本單位為物種 及其特徵，分類時物種間的特徵需有代表性，才能達到將物種進行分類的目標。
在各類學生心智結構的研究中，心智模式以模組方式將心智模式的概念成分作探 討，相較於其他概念研究可提供更具體的心智思考模式，且研究調查的方式也經 過廣泛的討論而有許多參考的依據，因此本研究採用心智模式與其認知特徵做為 分析單位。科學教育上的心智模式最早由 John-Laird (1983)認為心智模式是做為 直接表徵或進行類比的內在心智結構，會反應出事物的各種狀態，產生相對應的 心智模式。可知心智模式具有動態的特質，會隨環境改變而出現不同的反應，
John-Laird 的觀點中認為內在的心智結構由概念組成，因此應具有高度的穩定性，
但 diSessa (1993)的現象原詞單元理論認為知識會經過抽象化而獲得此類的概念 知識，因此個體的知識結構都是破碎而無意義。在後續的研究中(Vosniadou &
Brewer, 1994; Chi & Roscoe, 2002)，學者以概念預設或是自身信念合理化的方式 解釋心智模式的一致性，對於心智模式的一致性提供合理的解釋基礎，因此本研 究分析心智模式的演變時亦將一致性納入，做為心智模式做為概念演化分析基本 單位的參考依據。
在心智模式的研究方法中，早期最常使用的方式為開放性問答及繪圖，後期 的研究除前述的方法外，更增加了半結構晤談及二階層紙筆測驗，除增加研究的 樣本數還可做為相互驗證的檢驗工具。本研究所進行分析的心智模式根據 Heyworth(1988)對心智模式類型的定義有兩種不同的取向，第一個取向為結合概 念模式與學生心智模式研究，主要為建立理論性的概念演化假說樹，因此本研究 以專家學者的概念模式及先前研究對於心智模式的研究結果做為建立假說樹的 基礎資料；第二個取向為推論的心智模式，因為本研究在進行概念演化假說樹的 驗證時，將調查跨年級學生的心智模式類型的比例，因為心智模式無法直接觀察，
因此將透過測驗或觀察將學生內在的心智模式概念化。
在物質三態變化的研究中對於微觀粒子概念被視為關鍵的影響因素，學生對 於微觀粒子的理解為學習物質三態的組成或變化的基礎，因此在調查學生物質三 態變化時，本研究將微觀粒子的組成與運動等概念納入，可進一步瞭解微觀粒子 與物質三態變化概感之間的交互關係，因此本研究對於物質三態變化的概念範圍 包含物質三態的組成與變化兩個大項。除了概念的成份外，學生在物質三態變化 的學習困難還包括思考能力的限制，Tsitsipis 等人(2009)的研究中認為學生概念 發展會受到認知發展階段的影響，特別是在守恆的部份，影響到學生是否能理解 物質發生三態變化的過程中物質雖然看不見(如水蒸氣的產生)但物質事實上依 然存在，又或物質狀態發生改變但總質量不會改變。根據物質三態變化的迷思概 念研究概念範圍，主要可分為物質組成面向、物質性質面向、物質三態結構面向 及物質三態變化面向四個主題，本研究將藉由這些學生所表現出的迷思概念做為 建立理論性的概念演化樹的認知組成參考，且做為跨年級心智模式調查時題目的 選項安排，藉由相關文獻的探討重建學生物質三態變化的思考模式改變歷程。
物質三態變化在概念成份上包含微觀粒子的組成及行為，因此對學生來說是 相當抽象且複雜的概念，且先前研究中亦指出物質三態變化的學習會受到認知發 展階段的限制，可知物質三態變化對研究科學概念學習的長期發展是一個相當好 的題材。而在研究方法上使用跨學科的方法重建物質三態變化的概念演化樹，雖 然已有相同研究方法的研究(Lin & Chiu, 2006; Wu & Chiu, 2011; 辛怡瑩、邱美虹，
2010)，但是為進一步效化概念演化樹上的概念發展路徑，本研究再藉由探討教 科書上概念的內容與次序，及調查跨年級學生心智模式的發展頻率，做為效化概 念演化樹的重要輔助資料。本研究期待透過物質三態變化的概念發展研究找出學 生可能的概念發展路徑，對於後續課程的安排提供具實徵研究的參考資料。
第參章 研究方法
概念教學活動最重要的就是學習的素材能符合學生的先前概念，且能引導下 一階段的學習，而化學學習最重要的一環就是對微觀粒子概念，許多化學的概念 往往先從微觀粒子概念開始，而物質三態變化在國小、國中及高中階段都有相當 多的教學活動，因此本研究進行研究主題一：跨年級的概念調查，瞭解學生微觀 粒子及物質三態變化的概念。其次，進行研究主題二：心智模式演化樹，由微觀 粒子與物質三態變化的相關研究文獻，找出學生在學習物質三態變化時所具有的 心智模式，及組成心智模式的認知特徵，利用現代系統發育分類學的技術，建構 適合的概念演化樹。再由研究主題三：由不同版本教科書審視目前教學的安排進
概念教學活動最重要的就是學習的素材能符合學生的先前概念，且能引導下 一階段的學習，而化學學習最重要的一環就是對微觀粒子概念，許多化學的概念 往往先從微觀粒子概念開始，而物質三態變化在國小、國中及高中階段都有相當 多的教學活動，因此本研究進行研究主題一：跨年級的概念調查，瞭解學生微觀 粒子及物質三態變化的概念。其次，進行研究主題二：心智模式演化樹，由微觀 粒子與物質三態變化的相關研究文獻，找出學生在學習物質三態變化時所具有的 心智模式，及組成心智模式的認知特徵，利用現代系統發育分類學的技術，建構 適合的概念演化樹。再由研究主題三：由不同版本教科書審視目前教學的安排進