表徵能力可經由學生口語交流與調查活動的過程中開發，從而對現象能有較 深入的理解(Kozma, 2005)。然而視覺化表徵如何轉化成知識？在有意義的建構過 程中，心智如何運作？Gilbert (2008)認為其中重要的在於開發「後設視覺化能力 (metavisual capability)」或者「後設視覺化(metavisualization)」，其談到透過教師 帶領學生學習視覺化表徵之實務訓練，搭配教科書中技能訓練，能幫助學生使用 視覺化表徵，使得學生能夠流暢的在 2D 與 3D 之間轉換、使得學生能在心裡透 視給予的 3D 視覺化表徵(旋轉)、使得學生能夠操弄表徵本身(鏡像反射或倒置)，
除此之外也應培養學生知道表徵的種類與其使用時機、知道表徵的限制(Gilbert, 2007)。
另一方面，化學家在思考化學現象時，會使用三個層級，包括巨觀、次微觀 以 及 符 號 表 徵 (Johnstone, 1993; Gilbert & Treagust, 2009; Johnstone, 2010;
Talanquer, 2011)。巨觀層級牽涉到觀察化學現象所使用的五個感官(例如：顏色變 化、氣味等)，次微觀層級涉及現象中原子、分子、離子的行為，符號層級涉及 使用符號呈現較為抽象的概念(化學符號和方程式、平衡方程式等)。通常學生在 思考化學時，他們往往會把這三個層級分開來思考，這也許是因為教師並沒有同 一時間比較這三個層級之間的關聯，使得學生遇到問題往往先從生活經驗來評斷 與衡量而解決，但是實際上並非巨觀層級所體現與實際在次微觀層級是相同的，
如：金在巨觀上是金黃色，但在奈米層級是黑色。在化學教學中通常會把很多觀 念濃縮在抽象、符號層級，教師往往會忽略或沒有考慮學生在這三個層級之間的 思考(Gabel, 1999)。如此一來，教師若缺乏這方面的考量，三個層級同時呈現給 學生，將不會幫助學生，甚至可能造成認知負荷與工作記憶的負載(Gabel, 1999;
Johnstone, 1993)。Mahaffy(2006)認為化學在人類的真實環境中，因此除了巨觀、
次微觀以及符號表徵三層級外，還要加上人的因素(Human element)作為化學教育 的第四層級，而化學教育中的第五層級為語言，語言會影響學生理解複雜的科學 概念(Chiu, 2012)，此外，Chiu(2012)將中觀(meso)取代次微觀，更強調巨觀和次 微觀世界的連結，如圖 2-3-1。然而要如何利用這三個層級來幫助學生發展視覺
化表徵能力呢？
圖 2-3-1 化學教育四面向(Mahaffy, 2006) 一、獲得巨觀層級之外在視覺化表徵
在科學與科學教育中，在實驗中探討巨觀現象的外在表徵，透過現象的變化 使得更接近或反而遠離真相，顯示在現象底下的概念需要教師引導(Driver, Guesne, & Tiberghien, 1985)，再者，從「科學」到「日常生活」的學習遷移，必 須幫助學生建立如何去建構巨觀現象的經驗。發展巨觀層級視覺化外在表徵能力 應該突顯現象底下的性質以幫助學生獲得概念(Gilbert, 2008)，其中應幫助學生注 意以下幾點：其一，應顯示此現象和什麼相關，從何而來？其二，應聚焦於此現 象底下的概念，幫助學生解釋並提供次微觀與符號層級的表徵；其三，應顯示科 學的解釋，以應用於越來越複雜的現象例子；其四，幫助學生體會在巨觀層級之 外在表徵與日常生活經驗的相關；其五、提供巨觀層級之表徵，幫助學生作為探 索日常生活經驗之切入點；其六、基於巨觀的外在表徵，幫助學生產生問題，以 提升學生感知日常生活經驗。
二、獲得次微觀層級之外在 3D 視覺化表徵
3D 外在視覺化表徵的種類很多，就化學而言可概分成三種類型：展開式 (open) (如球棍模型、骨架模型)、空間填充(如分子、離子)與軌域(orbital)(Ingham
& Gilbert, 1991)(p. 194)，然而每個模型使用條件與限制不同，學生對多個表徵系 統間感到困惑，導致當要說明某一現象時，使用不適當或不正確的視覺化表徵，
舉例來說，在 Carr 與 Oxenham (1985)的研究，發現高中生時常困惑布-洛 (Bronsted-Lowry)與阿瑞尼士(Arrhenius)酸鹼模型，導致說明某一現象時，使用不 適當；此外當教過較優越的模型時，Coll 與 Treagust (2001)也發現大學化學系學 生較喜歡使用曾經學過較為簡單的模型來解釋現象。從中也顯示學生並無系統性 的了解表徵的使用限制，舉例來說，Ingham 與 Gilbert (1991)針對 39 位大學生與 化學研究生對使用球棍表徵的觀點，有 6 位認為過去沒有教過，24 位不熟悉但 能夠推論，9 位不熟悉也不能夠推論。
雖然這些問題存在，使用 3D 外在表徵於教學中仍發現有所助益，舉例來說，
研究指出教授模型能有效的幫助減少高中生與大學生在電化學學科的迷思概念，
並且學生更有意願使用多種型態的 3D 表徵去解釋現象(Huddle, White, & Rogers, 2000)，使得學生有機會去探索這些表徵的範圍與限制，並鼓勵他們使用多樣的 模型以改善一般對表徵的了解，從中感受所使用的模型，更加清楚模型之價值 (Harrison & Treagust, 2000)。
三、獲得符號層級之外在視覺化表徵
符號層級之外在視覺化表徵在化學中常見的如化學方程式，而化學方程式有 多種表示法，舉例來說，在英國會使用文字的化學方程式，如下：
鋅(Zinc) + 鹽酸(hydro chloric acid) 氯化鋅(zinc chloride) + 水(water) 然而文字的化學方程式對教師來說有些方便，第一，其化學方程式所連結的 是符號層級與巨觀層級，並無複雜的次微觀層級涉入其中；第二，其讓教師能去 整合反應，例如金屬加酸、酸加鹽、金屬氧化物加酸等。然而 Taber (2002)指出，
這樣的取向有一些缺點，第一，文字的化學方程式缺少物質的狀態(如固態)；第 二，當使用文字時，有些較複雜的詞彙學生可能不熟悉。這些問題導致學生不能 知覺符號底下的問題，也就是說過於簡化的化學方程式可能缺少了某些訊息，反
觀過多的訊息可能導致失焦，教師必須幫助學生了解符號底下重要的訊息。
四、視覺化與 3D、2D、1D 表徵的轉換
對於說明 3D、2D、1D 表徵底下概念之能力為後設視覺化(metavisualization) 重要的關鍵(Gilbert, 2008)。然而一般「視覺化教育」缺乏巨觀到次微觀、符號層 級的連結(包含 1D 轉 2D、1D 轉 3D、2D 轉 1D、3D 轉 1D、2D 轉 3D、3D 轉 2D)，
其對於學生來說是困難的且難以掌握的。根據 Hinton 與 Nakhleh (1999)的研究發 現，大學化學系學生能夠形塑化學現象之巨觀與符號層級的表徵，然而對現象次 微觀表徵的連結卻有困難。反觀化學家有這樣的能力(Kozma, 2003; Kozma, Chin, Russell, & Marx, 2000; Kozma & Russell, 1997)，並且同樣的其它的科學也需要這 樣的能力，因為有證據顯示提升能 力能幫助解決問題(Bodner & McMillen, 1986)。
綜合以上所述，就本研究而言將透過視覺化表徵能力教學，由教師帶領學生 學習視覺化表徵能力，思考巨觀、次徵觀、符號、語言等層級，以提升學生能力，
幫助學生知覺巨觀現象或表徵底下的概念，並作表徵層級間的轉換，以便於思考 或幫助詮釋某一現象或化學概念，透過語言詮釋所看到的現象或表徵其背後的概 念，連結相同概念，並應用於評估新情境。