臉部表情相關研究在近二十年來蓬勃的發展，作者在 Web of Science 電子資 料庫中以“facial expressions（臉部表情）”為關鍵字對相關組題進行搜尋，發現自 1994 至 2014 年初一共有 14624 篇相關文獻（至 103 年 1 月 14 日）而其中包括 了臉部表情辨識（例如：Hammal, Couvreur, Caplier, & Rombaut, 2007）此類的文 獻，而這也是本研究之臉部微表情辨識研究工具的理論基礎。不過令人訝異的是，
若將這些文獻對其進行不同領域的分類，發現與教育有直接相關的文章總共才 147 篇，這些文章中更沒有任何與科學教育有直接相關的文章出現。因此邱美虹 教授與其研究團隊利用臉部微表情辨識進行科學教育相關的先驅研究，並於 2013 年底發表了相關的研究結果，而本研究便是以此研究(Chiu et al., 2014)結果 為基礎進行。
一、臉部表情與情緒
進行臉部微表情的相關研究前，所有的研究者想必都問過自己這個問題：「為 什麼我們要了解臉部表情？」。臉部表情是情緒最主要的傳達方式，而作者相信 研究者對臉部表情感到興趣進而深入研究的研究者內心必定會有一個研究假設，
此一假設即是「受測者的臉部表情代表著他們的情緒」。
對於人類情緒的相關研究有著極為悠久的歷史，甚至可以回推到十九世紀 Charles Darwin 其著作 The Expression of the Emotions in Man and Animals，Darwin (1896)提到臉部表情具有一般性(universal)以及與生俱來的特性。到了近代，因科 技的進步，對於情緒的測量也有了多樣化的方式及進展。其中 Mauss & Robinson (2009)的研究中整理了近代各種情緒相關的測量方式，其中包括：自我報告、驚 嚇反應幅度、fMRI、聲音特色、膚電、觀察員評斷（臉部微表情）…等。而其 中使用觀察員評斷臉部微表情的方法，是利用 Ekman (1999) 的研究將人類的臉 部表情分為除了中性(neutral)之外，還有其他六種基本表情，包括：快樂、驚訝、
噁心、悲傷、生氣以及害怕。而此七種表情的分類方式主要是依照臉部不同部位 肌肉之變化作為區隔，而 Ekman 也將此七種表情分類做出臉部表情的編碼系統 並被廣泛使用，此一系統被稱為「Facial Action Coding System（臉部動作編碼系 統）」(FACS; Ekman & Friesen, 1978; Ekman, Friesen, & Hager, 2002)，在早期的臉 部辨識研究主要使用具有臉部動作辨識執照的觀察員進行觀察員評斷，其主要評 斷的方式是觀察員對某一片段之受測者照片進行評斷，而評斷的規準就是依照 FACS 所訂下的編碼規則對一張張的照片進行觀察員評斷。而本研究所使用之臉 部微表情辨識系統是將此一方法經由電腦自動化，但仍依照 FACS 的標準以一秒 鐘擷取數張畫面進行編碼的方式辨識表情。
二、臉部表情與科學教育
經由文獻的搜尋，發現近代幾乎沒有任何臉部表情與科學教育相關的研究，
然而將臉部表情用於科學教育研究具有易觀察且方便運用的特性，因此 Chiu et al.
(2014)的研究正式將臉部微表情用於觀察學生進行科學學習的用途。然而，在科 學教育的領域一直有一大部分的學者試圖結合生理訊號進行科學教育的實證研 究，而這些生理訊號主要以腦波儀和眼動儀為大宗。腦波技術和眼動儀相關技術
步階段，也因此在進行臉部微表情研究時會選擇含有「認知衝突」的相關題材著 手以引起學生的臉部微表情變化並觀察學生進行科學學習或概念改變的過程與 臉部微表情之間的關係。
Chiu et al. (2014)研究中主要探討臉部微表情（facial microexpression state, FMES）的變化能否用以判別認知衝突的瞬間，由於引起認知衝突是概念改變發 生的四個條件之首（Posner et al., 1982），也因為如此，若受測學生的先前知識與 其所看到的實驗結果有不同，便會產生認知衝突，概念改變就會發生。而此研究 中的研究問題有以下兩點：
1. 概念衝突能夠引發臉部微表情的變化嗎？
2. 「缺乏臉部微表情變化」能夠成為缺乏概念改變的指標嗎？
圖 2-1-1 Chiu et al. (2014) 理論架構圖
圖 2-1-1 為 Chiu et al. (2014)的研究理論架構圖，由圖中可看到在研究的一開 始，研究者必須先了解學生的先備知識程度，而先備知識的程度猶如一道連續的 光譜，光譜越左側表示受測學生對於理解實驗內容之先備知識越少，反之光譜越 靠右側則表示受測學生擁有越多理解實驗內容所需要的先備知識，在研究中則會 先以前測測得先備知識程度。而受測學生的先備知識則會和異例實驗內容相互作
先備知識光譜
認知衝突實驗
經歷認知衝突 情境的程度
概念改變光譜 教學
無．．．．．．．．．部分．．．．．．．．．完全
無．．．．．．．．．不確定．．．．．．．．．有
初始．．．．．．．．綜合．．．．．．．．．科學
用而產生認知衝突。至於受測學生所經歷之認知衝突程度則由沒有經歷認知衝突 情境到有經歷認知衝突情境，若學生經歷了不同程度的認知衝突情境後經過教學 則會產生不同程度的概念改變，概念改變的程度也由少到多分別為初始模型、綜 合模型到科學模型，且概念改變也如同光譜具連續性。學習者在經歷異例實驗和 實驗後教學後，其過程會以如圖 2-1-1 中的路徑產生概念改變，而這些路徑並不 會由光譜的右側往左側前進，也就是說有較多先備知識的學生其經歷認知衝突情 境的程度會較高，概念改變的光譜也會較靠近科學模型。
結果顯示，大部分對異例實驗做了錯誤預測的學生經歷認知衝突時都有被偵 測到臉部微表情變化。更進一步可發現，缺乏臉部微表情變化可成為較低程度概 念改變的指標，而存在著臉部微表情變化會使概念改變的可能性加倍。研究結果 證實，臉部微表情變化可用於偵測學習者是否意識到衝突概念，並觀察學習者科 學理解的過程。