認知衝突與概念改變成功與否在不同學習階段之概念改變歷程腦波資料

本研究的研究目的之一為探討高一學生在「燃燒之熱膨脹」概念學習時，其大腦各 部位活動與概念改變之間是否有關聯，以期能將腦波相關研究應用於科學教育上，進一 步瞭解學生在概念改變過程中之認知歷程。因此分別針對表4-1-1及表4-1-2之概念分析 統計表進行認知衝突分組與概念改變成功分組，且由表4-2-1、4-2-2、4-2-3的結果可知 接受不同表徵呈現學習事件之受詴者並未顯著影響其各頻率腦波功率，因此在接著進行 之認知衝突分組或概念改變成功分組之統計分析中，均不再考慮受詴者是否接受不同表 徵之呈現，且由於實驗一～2因為選擇事件，所進行之受詴者較少，亦將不列入認知衝

突分組與概念改變成功分組之統計分析。。

一、認知衝突與否在不同學習階段之概念改變歷程腦波資料分析

為瞭解受詴者產生認知衝突與否在各頻率腦波功率強度表現上是否有所差異，因此 以認知衝突與否為固定因子，以受詴者概念改變歷程之預測、表徵、解釋階段之各頻率 腦波功率為依變數，進行單因子多變量分析，並以sidak法進行事後比較，結果如表4-3-1 所示：

在實驗一中可發現θ、α1、α2、β1、β2及γ在預測、表徵、解釋三個不同學習階段中，

各頻率腦波功率之帄均數均顯示認知衝突組大於無認知衝突組之趨勢，且在θ之預測階 段(p = .053)、表徵階段(p = .053)、解釋階段(p = .078)，α1之預測階段(p = .078) 均達p< 0.1 之顯著水準，且均為認知衝突組大於無認知衝突組。。

在實驗二中可發現除了α2在解釋階段外，θ、α1、α2、β1、β2及γ在預測、表徵、解 釋三個不同學習階段中，各頻率腦波功率之帄均數均顯示無認知衝突組大於認知衝突組 之趨勢，但均未達p< 0.1之顯著水準。。

在實驗三中可發現除了θ在預測階段外，θ、α1、α2、β1、β2及γ在預測、表徵、解 釋三個不同學習階段中，各頻率腦波功率之帄均數均顯示認知衝突組大於無認知衝突 組，且在α2之表徵階段(p = .052)，β1之表徵階段(p = .040)、解釋階段(p = .098)，β2之表 徵階段(p = .029)、解釋階段(p = .049)均達p < 0.1之顯著水準，且均為認知衝突組大於無 認知衝突組。

小結：θ、α1、α2、β1、β2及γ功率強度在認知衝突分組上，實驗一與實驗三呈現較 明顯之差異，且大抵均為認知衝突組大於無認知衝突組，顯示當學生以自身原有先備概 念提出預測後，卻觀察到與預測不符的結果之際，其在大腦中的認知不和諧，將促使學 生設法思考其它可能解答，而造成大腦各部位活動變得活躍；而實驗二所呈現各頻率腦 波功率強度趨勢與實驗一及實驗三恰相反，其帄均數均顯示無認知衝突組大於認知衝突 組之趨勢，但其間差異並未達p< 0.1之顯著水準，是以推測應與情境學習事件之設計有

關，在進行實驗二時，無認知衝突學生大抵以實驗一推論五根蠟燭廣口瓶內水位會上升

實

衝突 1.066 0.499 16

解釋 無衝突 0.380 0.284 3 0.097 0.759 衝突 0.446 0.342 16

實 驗 二

預測 無衝突 0.683 0.462 6 0.818 0.033 0.858 衝突 0.592 1.181 14

表徵 無衝突 0.367 0.359 6 1.125 0.303 衝突 0.231 0.212 14

解釋 無衝突 0.690 0.385 6 0.437 0.517 衝突 0.489 0.694 14

實 驗 三

預測 無衝突 0.297 0.125 5 0.827 1.464 0.242 衝突 0.623 0.589 15

表徵 無衝突 0.140 0.060 5 2.513 0.130 衝突 0.383 0.335 15

解釋 無衝突 0.212 0.065 5 2.954 0.103 衝突 0.743 0.678 15

註：

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二、概念改變成功與否在不同學習階段之概念改變歷程腦波資料分析

為瞭解受詴者概念改變成功與否在各頻率腦波功率強度表現上是否有所差異，因此 以概念改變成功與否為固定因子，以受詴者概念改變歷程之預測、表徵、解釋階段之各 頻率腦波功率為依變數，進行單因子多變量分析，並以 sidak 法進行事後比較，結果如 表4-3-2所示：

在實驗一中可發現β1之表徵階段(p = .062)，β2之表徵階段(p = .027)、解釋階段(p

= .080)，γ之預測階段(p = .046)、表徵階段(p = .030)、解釋階段(p = .027)在概念改變成功 與否兩組間的差異達p< 0.1之顯著水準，且均為概念改變不成功組大於概念改變成功組。

在實驗二中可發現θ、α1、α2、β1、β2及γ在預測、表徵、解釋三個不同學習階段中，

各頻率腦波功率之帄均數均顯示概念改變不成功組大於概念改變成功組之趨勢，且在θ 之表徵階段(p = .043)，α1之預測階段(p = .064)、表徵階段(p = .041)，β1之預測階段(p

= .046)、表徵階段(p = .009)、解釋階段(p = .19)，β2之預測階段(p = .075)、表徵階段(p

= .024)、解釋階段(p = .057)，γ之表徵階段(p = .065)在概念改變成功與否兩組間的差異

均達p< 0.1之顯著水準，且均為概念改變不成功組大於概念改變成功組。

在實驗三中可發現θ、α1、α2、β1、β2及γ波在預測、表徵、解釋三個不同學習階段 中，各頻率腦波功率之帄均數均顯示概念改變不成功組與概念改變成功組並無太大差 異，均未達p< 0.1之顯著水準。

小結：在實驗一及實驗二概念改變成功與否兩組間具顯著差異部份，各頻率腦波 功率均呈現概念改變不成功組大於概念改變成功組，顯示概念改變不成功之學生較無 法有效率整合大腦中相關訊息，因而所需耗費之認知資源較多，而概念改變成功之學 生則可有效連結相關訊息，建立較正確的科學概念，是以相對的認知負荷較低。而以 情境學習事件之設計角度，再進一步針對實驗二及實驗三概念改變成功學生加以比 較，在實驗二概念改變成功學生，乃循序由瓶外水面產生泡泡，逐步思考有氣體由瓶 內溢出及其原因，進而連結蠟燭提供熱能，造成瓶內氣體受熱膨脹而溢出瓶外，當蠟 燭熄滅後氣體體積縮小，水進入瓶內遞補，一步緊接一步，建立完整之科學概念；但 在實驗三藉由實驗裝置之改變，學生需將先前實驗所有訊息加以連結，概念改變成功 者則需同時連結氣體是否溢出、蠟紙袋是否膨脹收縮及瓶內水位是否上升，所需要認 知資源較多，因而可能造成與概念改變不成功學生間並無太大差異。

表4-3-2 概念改變成功與否在不同學習階段之單因子多變量分析結果 概念

改變 Mean SD N Wilks' λ 單變量

F p 事後比較

θ 實 驗 一

預測 不成功 2.272 1.372 9 0.807 0.404 0.534 成功 2.592 0.775 10

表徵 不成功 2.004 1.144 9 0.117 0.736 成功 1.849 0.822 10

解釋 不成功 2.292 1.370 9 0.132 0.721 成功 2.497 1.078 10

實 驗 二

預測 不成功 3.135 1.550 10 0.762 2.443 0.135 成功 2.131 1.310 10

表徵 不成功 2.507 1.093 10 4.740 0.043

^*

成功 1.580 0.785 10

實

解釋 不成功 1.188 0.735 9 3.469 0.080

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三、認知衝突/概念改變成功與否在不同學習階段之同調性 (coherence)分析

為進一步探討認知衝突產生與否或概念改變成功與否在不同學習階段下大腦各部 位之合作情形，以提供大腦各頻率腦波功率強度外之大腦活動及認知處理訊息，本研 究利用 EEGlab 分別計算每位學生三個實驗中之預測、表徵、解釋三階段所蒐集之 19 個電極兩兩之間的同調性，共得每個實驗每個階段各 171 個配對同調性數值，再據以 進行認知衝突與否或概念改變成功與否下大腦各部位同調性 (coherence)之分析與比 較。

（一）認知衝突與否在不同學習階段之同調性分析

針對每位學生三個實驗中預測、表徵、解釋三階段各 171 個配對同調性數值，進 行認知衝突產生與否之獨立樣本 T-檢定，結果如表 4-3-3、表 4-3-4、表 4-3-5 所示：

在實驗一中，以θ 觀之，在預測階段，有認知衝突學生之同調性顯著大於無認知 衝突學生，且多位於左右半腦額葉 (frontal lobe)、中央區 (central area)、與後腦區 (posterior area)之間，後腦區包括頂葉(parietal lobe)、顳葉 (temporal lobe)與枕葉 (occipital lobe)，且同時可見半腦內及半腦間之合作。而無認知衝突學生僅在 Fp1-F3 同調性顯著大於有認知衝突學生；在表徵階段，有認知衝突學生之同調性顯著大於無 認知衝突學生，且集中於右半腦之額葉區與後腦區間，並以跨半腦之遠距合作為主，

而無認知衝突學生仍可見 Fp1-F3 同調性顯著大於有認知衝突學生。在解釋階段，有認 知衝突學生之同調性顯著大於無認知衝突學生，主要可見於右腦額葉區與後腦區之 間，且以後腦區之 P4 為「主要處理節點」(main processing node, Weiss & Rappelsberger, 1996)，而無認知衝突學生仍只見 Fp1-F3 同調性顯著大於有認知衝突學生。

以α1 觀之，在預測階段，有認知衝突學生之同調性顯著大於無認知衝突學生，

多位於左右額葉區之間、額葉區與後腦區之間、中央區與後腦區之間，及後腦區之間，

且左半腦額葉區與後腦區之合作高於右半腦；而無認知衝突學生僅在 Fp1-F3 同調性顯 著大於有認知衝突學生。在表徵階段，有認知衝突學生之同調性顯著大於無認知衝突

學生，多位於右半腦額葉區與後腦區，左右半腦中央區與額葉區及後腦區之間。在解 釋階段，有認知衝突學生之同調性顯著大於無認知衝突學生，主要位於左右額葉區之 間、中央區與額葉區之間、後腦區之間。

以α2 觀之，在預測階段，有認知衝突學生之同調性顯著大於無認知衝突學生，

多位於左右額葉區之間、額葉區與後腦區之間、中央區與後腦區之間，及後腦區之間；

而無認知衝突學生僅在 Fp1-F3 同調性顯著大於有認知衝突學生。在表徵階段，有認知 衝突學生之同調性顯著大於無認知衝突學生，可見於右半腦額葉區與後腦區，左右半 腦額葉區之間、中央區與額葉區之間，及後腦區之間。在解釋階段，有認知衝突學生 之同調性顯著大於無認知衝突學生，主要位於左右額葉區之間、額葉區與後腦區之間、

中央區與後腦區之間，及後腦區之間；而無認知衝突學生僅在 Fp1-F3 同調性顯著大於 有認知衝突學生；三個學習階段均呈現以 F8 為「主要處理節點」。

以β1 觀之，在預測階段，有認知衝突學生之同調性顯著大於無認知衝突學生，

多位於左右額葉區之間、額葉區與中央區之間、額葉區與後腦區之間、中央區與後腦 區之間，及後腦區之間。在表徵階段，有認知衝突學生之同調性顯著大於無認知衝突 學生，可見於左右半腦額葉區與後腦區，中央區與後腦區之間為主，且以額葉區與其 他腦區之合作為主；在解釋階段，有認知衝突學生之同調性顯著大於無認知衝突學生，

與預測階段相似，但可見增加了 F3 與後腦區間同調性，及減少了 C4 與後腦區之同調 性。

以β2 觀之，認知衝突與否兩組學生各腦區間之同調性差異遠少於 θ、α1、α2 與 β1，

在預測階段，有認知衝突學生之同調性顯著大於無認知衝突學生，多位於 Fp1 與額葉 區之間、Fp1 與後腦區之間、F8 與後腦區之間、及後腦區之間，且多見跨半腦之遠距

在預測階段，有認知衝突學生之同調性顯著大於無認知衝突學生，多位於 Fp1 與額葉 區之間、Fp1 與後腦區之間、F8 與後腦區之間、及後腦區之間，且多見跨半腦之遠距