角色；本章第三節「分子相關概念與化學學習」，探討學習者解釋分子相關概念 的學習表現。
第一節 視覺化表徵
在談論視覺化表徵之前，首先要探討視覺化的定義，許多學者採用視覺化一 詞指涉一種技能(Ekstrom, et al., 1976；引自 Gobert, 2005; Ferk et al., 2003; Seddon
& Moore, 1986 ； 廖 焜 熙 和 邱 美 虹 ， 1996) 、 過 程 (Briggs & Bodner, 2007;
Johnson-Laird, 1983; Tufte, 2001，引自 Gilbert, 2007)、或物件(Gobert, 2005; Rapp, 2007; Tufte, 2001，引自 Gilbert, 2007)，對視覺化表徵著重的焦點也有所不同，因 此本節的第一個部分探討學者對「視覺化的定義」，第二個部分探討學者對「視 覺化表徵的定義」，第三個部分探討「視覺化表徵的特性」，第四個部分探討「視 覺化表徵的評量及技能」，茲分述如下。
一、視覺化的定義
科學著重的是對自然現象的解釋，並依賴各種模型(Models)以體現自然現象 (Gilbert, 2008)，這些模型以三種不同的表徵層級(Representational levels)體現，包 括巨觀層級、次微觀層級、及符號層級(Gabel, 1999; Gilbert, 2008; Johnstone, 1993)。這三個表徵層級的心智轉換，是解釋自然現象不可或缺的技能，這些技
能是許多學生學習的困難所在，視覺化(Visualization)即這些重要技能之一(Gilbert, 2008) 。 視 覺 化 牽 涉 到 外 在 表 徵 (External representation) 及 內 在 表 徵 (Internal representation)，外在表徵用以有系統的體現訊息，例如，圖片、圖表、及表格(Tufte, 1983，引自 Gilbert, 2008)；內在表徵即心智的產物、貯存、及使用(Gilbert, 2008)。
有些學者(Gobert, 2005; Rapp, 2007; Tufte, 2001，引自 Gilbert, 2007)以外在表 徵的觀點談論視覺化，Tufte (2001，引自 Gilbert, 2007)以視覺化(Visualization)這 個字指稱兩種意義，一種是指將資訊有系統的以圖表的形式做視覺呈現，另一種 則屬於內在表徵。Rapp (2007)認為視覺化可以定義為將資料以新奇的方式做視覺 的呈現(Visual presentation)，包括將資料以線條的形式簡單呈現、以三維度的圖 形詳細呈現、及以超媒體為基礎(Hypermedia- based)的環境，視覺化具有兩種功 能，一種是可以用來描述複雜機制背後，其個別元素的互動情形，而大多數的科 學知識即包含了動態系統中的複雜解釋及因果關係；另一種是幫助人們體驗日常 生活中無法經歷、無法觀察的現象，例如地質學家及生物學家研究幾千年前地球 所發生的變遷、化學家以微觀的層面描述化學變化的過程，視覺化使學生能夠以 可信、可見的方式經歷這些情境。Gobert (2005)歸納視覺化一詞在心理學及教育 上常用的三種學術用法，包括外在視覺化(External visualization)、內在視覺化 (Internal visualization)、以及空間視覺化技能(Spatial visualization skills)，外在視 覺化是指那些常用於學習的表徵，這些表徵是語義豐富的(Semantically-rich)，具 有複雜、領域特定的符號系統，例如，圖表、模型、模擬等。這些語義豐富的視 覺化表徵有別於那些僅有單純圖像的視覺表徵，例如，停止的標誌。外在視覺化，
也就是語義豐富的表徵，常在學習時被使用，且根據它們不同的特徵而在教學上 具有不同的意涵，給予學習者不同的幫助。
有些學者(Briggs & Bodner, 2007; Johnson-Laird, 1985; Tufte, 2001，引自 Gilbert, 2007)以內在表徵的觀點談論視覺化，Tufte (2001, 引自 Gilbert, 2007)以視覺化 (Visualization)這個字指稱兩種意義，一種屬於外在表徵，已於上段論述，另一種
則指單純的在腦中產生對外在素樸世界的真實影像，而個體透過眼睛觀察外在現 象，進而在腦中建構的知識則不盡相同。Briggs & Bodner (2007)說明視覺化是一 種使用表徵(Representations)和操弄(Operations)做心智建模(Mental modeling)的過 程，視覺化是一種在心智表徵與指涉物(Referent)之間操弄的過程，而表徵即是操 弄的物體和結果。舉例來說，當學習者看到一個印在紙上的二維度表徵，並將它 轉化為心智表徵，這樣的操弄過程為視覺化，而操弄的產物稱為表徵。視覺化一 詞被用以指稱內在的心智建構(Internal mental constructs)，例如，那些存在於學習 者腦中的心智影像、用以解決問題的心智模式(Johnson-Laird, 1985；引自 Gobert, 2005)。
有些學者(Ekstrom, et al., 1976；引自 Gobert, 2005; Ferk et al., 2003; Seddon &
Moore, 1986；廖焜熙和邱美虹，1996)則將視覺化視為一種心智操弄的過程，例 如，用以描述一種空間技能，視覺化是一種操弄(Manipulate)或轉換(Transform) 空間模組(Spatial patterns)，使之成為另一種排列的能力(Ekstrom, et al., 1976；引 自 Gobert, 2005) 。 有 些 學 者 則 使 用 視 覺 化 一 詞 指 涉 一 種 空 間 操 弄 (Spatial operations)的能力，包括旋轉(Rotation)、翻轉(Inversions)、及反射(Reflections)( Ferk et al., 2003; Seddon & Moore, 1986)。視覺化是一種空間技能，包括空間視覺化 (Spatial visualization) 、 空 間 方 位 (Spatial orientation) 、 及 空 間 關 係 (Spatial relations)( Barnea, 2000; Tuckey & Selvaratnam, 1993)。
上述的三種視覺化的用法並非相互唯獨的建構或過程，例如，當學習者以外 在視覺化作為學習的工具時，同時也建構自己的內在視覺化表徵，而這種建構的 過程深受學習者本身空間視覺化能力的影響 (Gobert, 2005)。
二、視覺化表徵的定義
許多學者對視覺化表徵提出看法，有的學者由概念改變的觀點談論表徵 (Boulter & Buckley, 2000; Buckley & Boulter, 2000)，有的學者由情境認知的觀點 談論視覺化表徵(Kozma & Russell, 2007)，有的學者則由訊息處理的觀點談論表 徵(Paivio, 1986; Wu, Krajcik & Soloway, 2001)。
由概念改變的觀點，表徵即模型體現的方式，模型(Model)一詞常用以表達學 習者感知外在物理世界時，所產生或具有的內隱及外顯表徵，例如，無論在教室、
博物館中，老師或學習者都藉由模型進行意義的建構，模型可以是一個想法、物 件、事件、過程或系統的表徵(Gilbert & Priest, 1997，引自 Buckley & Boulter, 2000)。有些學者以心智模型(Mental model)一詞指涉學習者內隱的認知表徵，用 以 對 現 象 進 行 推 理 、 並 敘 述 、 解 釋 及 預 測 現 象 (Gentner & Stevens, 1983;
Johnson-Laird, 1983; Rouse & Morris, 1986，引自 Buckley & Boulter, 2000)；有些 學 者 以 表 達 模 型 (Expressed model) 指 涉 那 些 用 以 溝 通 及 推 理 的 外 顯 表 徵 (Kindfield, 1993; Larkin, 1989; Larkin & Simon, 1987，引自 Buckley & Boulter, 2000)。心智模型、表達模型、及外在現象三者之間具有交互作用（如圖 2-1-1）， 心智模型用以理解和創造表達模型，表達模型影響了個體對外在現象的知覺，進 而影響個體的心智模型，表達模型也可以用以體現個體的心智模型及外在現象 (Buckley & Boulter, 2000)。由上可知，概念改變學者關注的是模型或表徵在教學 和學習中扮演的角色，學生如何透過表徵理解科學概念，而表徵如何影響學生理 解科學概念。表徵一詞常用以解釋模型的內容或類型，而模型一詞常用以表達完 整的表徵系統，兩者密不可分。
圖 2-1-1 模型與現象的交互關係（引自 Buckley & Boulter, 2000）
由情境認知的觀點，表徵(Representations)在場域中扮演重要的角色，表徵使 得場域中發生的人際及心理歷程得以體現或凸顯。所謂表徵，即該場域中用以體 現或凸顯人際或心理歷程的資源，例如，文字、符號、手勢或圖表。化學家可以 透過表徵來視覺化、討論、理解分子結構及化學過程，表達實驗室中所感知到的 化學現象。表徵的意義並非鑲嵌於表徵本身，而是體現在使用表徵的過程中 (Kozma & Russell, 2007)。情境認知理論主張，在特定場域下的實體及社會元素，
構成了在該場域發生的人際及心理歷程，而這些歷程則涵蓋了學習及理解 (Greeno, 1998; Lave & Wenger, 1991; Roth, 2001；引自 Kozma & Russell, 2007)。
情境認知理論強調，特定場域下的實體元素，可以激發或抑制發生在該場域的活 動，包括談話、思考及理解，舉例來說，實驗室中，時常以化學反應式作為表達 思想或溝通的媒介，實驗室即特定的場域，化學反應式即實體元素，化學反應式 可以激發與化合物的屬性有關的討論，例如，顏色、黏性及味道，而有關分子的 組成、結構或分子構形之間的轉換，則不那麼被激發(Kozma, 2000；引自 Kozma
& Russell, 2007)。情境認知理論不僅強調特定場域下實體與個體的互動，也強調 個體與個體間的互動，當這些個體參與該場域中所發生的活動時，則被視為一個 社群，社群中的個體藉由參與的過程，形成社會認同及彼此間的聯繫，個體間的 認同和聯繫則影響了個體參與社群活動的動機(Kozma & Russell, 2007)。
心智模型
（體現於個體心智中）
表達模型
（體現於外在）
現象 感知
表徵不僅是視覺化的呈現，也是概念的建構，因此，學生要理解表徵，不僅 需要具備視覺空間的能力，也要具有足夠的概念知識(Wu, Krajcik, & Soloway, 2001)。由上述情境認知理論及概念改變理論可知，情境認知理論強調個體對表 徵自發的使用，在社會情境下用以溝通；而概念改變學者則著重於個體感知日常 經驗、或個體感知表徵後，對概念的影響。然而，個體使用表徵或感知表徵的心 智過程為何？訊息處理論提出了個體心智過程的假設性解釋。
Paivio (1986)表徵可以由具體到抽象的程度分為三個層級，最具體的層級即 使用表徵體現可觀察的現象；較為抽象的層級即使用表徵指涉個體觀察現象後，
內隱的認知歷程或心智模式；最為抽象的層級即以表徵描述認知系統的結構 (Structural)及功能(Functional)屬性，即二元編碼理論。就結構來說，認知系統中 具有語言的(Verbal)及非語言(Nonverbal)的兩個次系統，兩個系統分別感知及處 理語言刺激(Verbal stimuli)及非語言刺激(Nonverbal stimuli)；就功能來說，語言 及非語言系統彼此之間可以單獨運作，也可以平行處理，兩系統之間具有交互作 用(Paivio, 1986) （如圖 2-1-2）。
Wu, Krajcik & Soloway (2001)以 Paivio (1986)二元編碼理論為基礎，提出個體 在解釋視覺表徵時的視覺化過程模型，稱為「二元編碼理論的視覺及概念系統 (Visual and conceptual systems of dual coding theory)」。學生理解化學表徵，可能 需要建構三個基本的認知連結，這些連結包含了概念和視覺的資訊，分別為概念 資訊的連結(Representational connections between conceptual information)、視覺資 訊的連結(Representational connections between visual information)、及概念系統與 視 覺 系 統 的 對 應 連 結 (Referential connections between visual and conceptual systems)（如圖 2-1-3）。
圖 2-1-2 語言及非語言符號系統基模（引自 Paivio, 1986） (Verbal stimuli)
非語言刺激 (Nonverbal stimuli)
感知系統(Sensory systems) (Verbal responses)
非語言反應 (Nonverbal responses) 語言系統
(Verbal
非語言系統 (Nonverbal system)
指示連結
(Referential connections)
（二）視覺資訊的連結(Representational connections between visual information)：
個體接收到外在的視覺刺激後，所體現或內化的視覺心智表徵，例如，甲 烷的結構式為外在視覺刺激，則個體產生甲烷結構的心像。
（三）概念系統與視覺系統的對應連結(Referential connections between visual and conceptual systems)：個體將心智中的語言表徵與視覺表徵做對應的連結， (Conceptual Stimuli)
甲烷的鍵結只有單鍵，是碳 (Visual Stimuli)
視覺表徵 (Verbal Representation)
甲烷結構的心像
概念系統 (Conceptual System)
視覺系統 (Visual System)
由外在資源體現
由個體體現
連結一 連結二
連結三
三、視覺化表徵的特性
（一）表徵的多重性質
就表徵的類型而言，Boulter & Buckley (2000)認為表徵具有五種基本的類
就表徵的類型而言，Boulter & Buckley (2000)認為表徵具有五種基本的類