第一節 視覺化表微之定義與內涵
在 心 理 學 與 教 育 研 究 常 使 用 視 覺 化 一 詞 ， 如 外 在 視 覺 化 (external visualization)、內在視覺化(internal visualization)，以及視覺化空間技能 (spatial skill)，以下根據 Gobert(2005)分就這三類說明：
視覺化如同外在表徵－如一般常使用於學習中的表徵，稱為外在視覺化。像 是科學中所使用語意豐富(semantically-rich)的圖、表、模型、模擬等(Frederiksen
& Breuleux, 1988)，其牽涉到複雜、特定領域的符號系統。也就是說，語意豐富 的外在表徵可從具有象徵性的(iconic)視覺化表徵分辨出，例如：停止符號。然 而其伴隨著語意豐富的視覺化表徵較為複雜，必須透過理解與推論才能了解其涵 意。然而對於學習者來說，不同的外在表徵有不同的特性，並且也會有不同的認 知負荷，因此在教學上來說有著更大的啟示。
視覺化如同內在表徵－視覺化一詞也使用於描述內在心智結構，即心智模型，
經由個體在心中所產生的心智圖像用以解決問題，並藉此讀出其心智模型 (Johnson-Laird, 1985)。
視覺化如同空間技能－視覺化也被用於說明空間技能。視覺化是「操弄或轉 換圖像、空間型態至其它安排之能力」(Ekstrom, French, Harman, & Dermen, 1976)，
並且對於需要高度視覺化領域(如建築方面)來說，是一項重要的能力(Salthouse, 1991; Salthouse et al, 1990)。
對於外在視覺化、內在視覺化、空間視覺化技能而言，其重要的是這三個並 非是相互獨立之結構或過程(Gilbert, 2005)。舉例來說，個體在探究活動底下學習
外在視覺化表徵需要建構物件或對於現象之內在心智表徵，並且個體在這建構過 程也需要空間視覺化技能。另一方面，化學家與新手所使用的視覺化表徵又有何 不同呢？
化學家通常會使用視覺化表徵用以了解化學現象，其中包含內在的心智表徵 與外在符號表示，並且所有化學家都會運用這樣的能力去「看(see)」他們心裡的 分子圖像與其轉換。其中這兩種型態分別為內在表徵，如概念、原則或心智模型；
其二為外在的符號表示，如圖、表、方程式等。這使得化學家很自然的能夠寫下 方程式與繪製圖表，這樣的符號表示稱為視覺化表徵(Kozma, Chin, Russell, and Marx, 2000)。因此視覺化表徵是知覺的、符號圖形或者真實物件，被使用於呈現 化學現象的概念，並且其中多數現象是無法看見。以下就化學家與學生所使用的 視覺化表徵來說明：
一、化學家的視覺化表徵
在 Kozma, Chin, Russell, and Marx (2000)針對化學實驗室中表徵與工具角色 的研究，觀察兩位大學生與一位博士後研究員在導師的指導下問題解決，發現化 學家常會在會議室、休息室的白板或門板上使用化學結構推導化學方程式，並且 也常見化學家使用視覺化表徵於核磁共振(NMR)與質譜儀，此顯示兩個重要訊息，
其一視覺化表徵提供無法感知的材料本質與特性，幫助知覺與操弄；其二當化學 家在合成所要的化合物時，視覺化表徵幫助與支持想法的表達。除此之外，在研 究中發現化學家使用視覺化表徵的時機有以下五點：第一，化學家使用視覺化表 徵用以表達想要合成之分子化合物結構，也就是說，化學家使用結構圖用以說明 想要合成之化合物的組成與立體結構；第二，他們在合成這些化合物時，會使用 視覺化表徵推論化學或物理變化過程；第三，化學家透過分析儀器，使用視覺化 表徵用以證明所要合成之化合物之組成與結構；第四，他們使用視覺化表徵讓其 它科學社群了解他們所合成的化合物；第五，化學家使用多樣的視覺化表徵讓科 學社群成員與實驗室中的大學生、博士後研究員開發化學技能與實務學習。
二、學生使用視覺化表徵
化學背景的學生使用視覺化表徵與化學家以多樣的方式視覺化化學本質與 過程不同，並從實驗室的實務研究中可發現他們使用的能力與表徵形式截然不 同。
根據 Kozma (2000b, 2003)觀察大學學生在有機化合物課程的實驗活動，在學 生同儕間的互動，研究發現以下兩點：其一，學生在實驗時不常使用視覺化表徵，
而聚焦在他們實驗時的物理現象、實驗器材與試劑的物理性質，此外在同儕間所 討論的多為實驗設備的建立、實驗順序的問題、以及使用試劑的物理性質交互作 用表現(晶體產物是否洗淨或乾燥完全)；其二，學生很少論及反應物之分子本質，
以及他們合成化合物之反應機制。
此外，另一項 Kozma 與 Russell (1997)針對專家-新手的視覺化表徵研究做了 兩個實驗，首先他們邀請 11 位中西研究大學(Midwestern research university)的化 學系學生，以及 5 位醫藥公司裡的化學家，並讓他們看 14 個化學反應的動態影 片，包含實驗、分子動畫、動態的物理性質影片與化學反應，接著給予專家與新 手們這些影片與化學反應所對應的卡片，並請他們各別對這些卡片給予有意義的 組合，並解釋組合的原因。研究結果顯示專家與新手都對這些表徵給予有意義的 組合，然而新手主要是依表面性質而歸類(如所有都是圖、所有都是方程式等)，
專家則是依概念而歸類。
在第二個實驗裡，他們還是給予多樣的視覺化表徵，包含化學方程式、實驗 影片、動態的物理性質影片、以及有關分子的動畫，接著請他們說明看到什麼，
並轉換視覺化表徵於其它形式。研究結果顯示由於專家對化學原則與概念有較深 的理解，而更能提出口頭上的描述，並且當專家在視覺化表徵作轉換時(如繪圖 或寫下化學式)，也比新手來的好。
綜合來說，專家能對化學現象使用較有深度的概念知識與心智模型，去建構 這些有意義化的視覺化表徵，不僅有更廣博的知識，並且能與其它人在溝通時使 用更多樣的視覺化表徵，而新手僅依據視覺化表徵的表面特徵或物理反應的特性 (Kozma 與 Russell, 2005)。