語意流程圖析法

人類的認知結構是如何儲存、提取、操作知識呢？這是認知心理學家 一直汲汲營營欲取得的答案。雖然我們無法知道認知結構的內涵，但是能 根據知識呈現於外的形式，亦即表徵（representation），來間接推論知。所 謂的「知識表徵」（knowledge representation），即是指外在的知識結構經過 認知活動後存在於人類心理的內在表徵方式，亦即知識表徵是人類對知識 的記憶或儲存的形式（余民寧，1997）。關於知識表徵的類似用語包括知識 結構（knowledge structure）、概念結構（concept structure）與認知結構

（cognitive structure）等。其中，當我們談論到某位教師或學生記憶中的結 構時，我們指的是認知結構，而認知結構即是一種由記憶中的概念（及其 關係）所組織而成假想建構（Shavelson, 1974）；換句話說，認知結構所指 的便是長期記憶中概念的關係和組織架構，有助於人們進行儲存、提取和 操作等訊息的處理歷程（江淑卿、郭生玉，1997）。

一、 語意流程圖

認知結構在教育的應用上，時常以各種不同的測量方法提取受試者的認 知結構，Anderson 和 Demetrius（1993）提出以「語意流程圖」（flow map）

來分析認知結構。這個方法為採訪者在過程中以最小的干預和影響來進行，

訪談中利用錄音設備將受訪者的學習的內容轉錄成流程圖，然而，繪製出來

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的認知結構圖像雖然簡易，卻能有效地表達受訪者思考的順序性和多重關係 性。

「語意流程圖析法」（flow map method）是一個比較新的認知結構表徵 法，這個方法是研究者以不具引導性的問題進行訪談，訪談中配合「後設 重聽法」以獲得更完整的受訪者認知結構的訊息，研究者再將受訪者在錄 音訪談時所呈現的內容依照其順序轉錄成語意流程圖，以分析受訪者的認 知結構（吳穎沺、蔡今中，2005）。「後設重聽法」（meta-listening

technique） （Tsai, 2001）係受訪者第一次陳述概念完畢後，採訪者利用錄 音設備播放錄音內容給受訪者重聽，再將其補充或修改的相關描述同樣進 行錄音，讓研究者更能完整地了解學習者的知識結構，可以更清楚地描繪 出受訪者真正的認知結構。

二、 語意流程圖析法之理論

近年來，科技教育鼓勵以多元方式評價學生表現。而學生認知結構的 評量則是評價其學習與呈現的重要指標，在教育的範疇中，已有許多表徵 個體認知結構的方法被提出（如：樹狀圖、概念圖、心像圖及語意流程 圖），然而，單純的傳統紙筆測驗無法真正觀察出學生學習的成效，亦即，

無法評量認知結構。

Tsai 和 Huang（2002）歸納整理出五種表徵認知結構的方法：「隨意

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字義聯想法」（free word association）、「控制字義聯想法」（controlled word association）、「樹狀圖」（tree construction）、「概念圖」（concept map） （Novak & Gowin, 1984）和「語意流程圖析法」（flow map

method） （Anderson & Demetrius, 1993）。以下分別就這五種方法做簡單 介紹：

（一） 「隨意字義聯想法」（free word association）：

研究者首先提出一個主要概念，在沒有時間限制下，請受試者在白紙 上盡可能寫出自己認為和研究者所提出的主要概念有關的概念。圖 2-4 是一 個簡單的「隨意字義聯想法」的例子，研究者所提出的主要概念為「岩石 與礦物」，受試者則隨意寫下和「岩石與礦物」有關的概念，例如：「沈 積岩」、「變質岩」、「火成岩」、「硬度」、「建材」等概念。

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圖 2-4 「岩石與礦物」隨意字義聯想法圖

資料來源：Tsai, C.C., & Huang, C. M. (2002). Exploring students’ cognitive structures in learning science: A review of relevant methods. Journal of Biological Education, 36(4), 163-196.

（二） 「控制字義聯想法」（controlled word association）：

「控制字義聯想法」與「隨意字義聯想法」最大的不同就在於其計分 方式，以圖 2-5 為例，順序一的概念為「沈積岩」，所以這個概念就給五 分，其他概念的分數以此類推。然而，「控制字義聯想法」必須使用複雜 的矩陣運算，受試者對同一個主要概念反覆測試的過程之後，研究者計算 受試者所回答的每個概念出現的頻率，再透過複雜的矩陣運算得到每個概 念間的相對距離以表示概念間的連結，以了解受試者和專家認知結構中概 念之差異，這樣的方法稱為「控制字義聯想法」。

圖 2-5 「岩石與礦物」控制字義聯想法圖

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資料來源：Tsai, C.C., & Huang, C. M. (2002). Exploring students’ cognitive structures in learning science: A review of relevant methods. Journal of Biological Education, 36(4), 163-196.

（三） 「樹狀圖」（tree construction）：

「樹狀圖」可以算是「概念圖」的原形圖。在製作「樹狀圖」時，研 究者會先告訴受試者一個主要概念，受試者則開始聯想和這個主要概念有 關的概念，再根據這些概念不斷聯想出相關概念，所得到的圖像表徵即是

「樹狀圖」；由圖2-6 的「樹狀圖」為例，我們可以得到兩個概念間的關係 以及這些概念的階層性。

圖2-6 「岩石與礦物」樹狀圖

資料來源：Tsai, C.C., & Huang, C. M. (2002). Exploring students’ cognitive structures in learning science: A review of relevant methods. Journal of Biological Education, 36(4), 163-196.

（四） 「概念圖」（concept map）：

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「概念圖」最基本的單位是「命題」（proposition），一個命題之中包含 兩個概念與它們之間的關係（relation），例如圖 2-7 是一個命題，「變質岩」

和「大理石」是兩個概念，而它們之間的關係是「連結字」（linking

words）-「包括」，所以這個命題所代表的意義為「變質岩包括大理石」。

圖2-7 「岩石的種類」概念圖

資料來源：Tsai, C.C., & Huang, C. M. (2002). Exploring students’ cognitive structures in learning science: A review of relevant methods. Journal of Biological Education, 36(4), 163-196.

（五） 「語意流程圖析法」（flow map）：

相較於上述的四種方法，「語意流程圖析法」是一個比較適切的認知 結構表徵法。許多研究者利用語意流程圖析法來探測學習者認知結構與訊

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息處理模式（Anderson & Demetrius, 1993；Tsai, 2000；Bischoff & Anderson, 1998；Tsai & Huang, 2001），可見語意流程圖析法為一有效的資料收集方 法。這個方法主要是以不具引導性的問題與學習者進行晤談，針對單元學 習到的內容提出說明或解釋，讓學習者自由陳述所學到的相關概念，再將 這些代表學習者內心想法的錄音帶內容，轉成圖像式的表徵，透過這樣外 顯的方式，可以讓研究者得知學習者所學習到的知識與概念，以及學習者 認知結構中概念間的邏輯性與相關性，以及訊息處理的先後順序等重要的 特性。經由語意流程圖析法的分析，研究者可更深入地了解學習者知識結 構的諸多向度（例如知識的整合性、豐富性、可得性），並給予量化指標，

這對於探討每個學習者知識建構的獨特性具有重要的貢獻（吳穎沺、蔡今 中，2005）。

為了求得受訪者更完整的認知結構訊息，本研究利用「後設重聽法」

（meta-listening technique），係為準備兩臺錄音設備，一臺在受訪者第一次 完整說明所陳述的概念及內容後，將說明過程中所做的錄音內容，播放予 受訪者重聽；另一臺將受訪者聆聽的過程中所修正或補充的內容，繼續做 錄音流程的記錄。後設重聽法除了讓學生有更多的時間進行記憶的喚取，

亦能讓學習者進行後設認知的確認，透過個人控制及引導心智歷程的現 象，從而達至學習效果，讓研究者能夠提高對於了解學生的認知結構之完 整性（Tsai, 1998a）。

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三、 工程設計思考之認知結構向度

教育心理學普遍學習者的認知學習歷程不同於行為主義，因為認知心 理學不單就重視學生最後的行為表現，而是分析學習者接觸教材的知識性 質。透過了解學習者本身的特性，教學者使用適當的教學策略，探究學習 的學習歷程，及對學習者認知結構產生了多少變化（林清山，1991）。因 此，欲了解人類心智中的知識表徵，需要藉由其表現出來的樣子以及其運 作的情形來推論。然而，工程設計是一項複雜的過程，必須考量問題的限 制或滿足許多抽象條件的需求，完成一個設計並非單純的描述、呈現設計 方法，而是於設計的過程中，表達腦中思考的內容（Dym & Little,

2004）。

前面已探討知識表徵就是指外在的知識結構存在於人類心裡的內在表 徵方式，意即人類對知識的記憶或貯存型式（余民寧，1997），便是透過 內在表徵的形式來處理訊息。認知心理學家在研究概念形成和思考運作 時，常探討著「認知結構的內在表徵」。因此，若能由學生在學科的表徵 上著手，將有助於了解學生是如何組織知識，以及在學生的認知結構裡概 念與概念之間的關係為何？研究者就可利用不同的表徵系統理論，來解釋 知識結構的組織、統整與儲存。人類對知識結構早期的看法，是由 Collins

& Quillian（1969）等人提出的階層網路結構模式（hierarchical network

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structuremodel），在人類的記憶系統中，是由許多基本概念的節點

（node），以及節點和節點間用以某種符號連結而成的語意網路（圖 2-8）

（余民寧，1997）。

圖 2-8 階層網路結構模式之知識階層結構圖

資料來源：余民寧（1997）。有意義的學習：概念構圖之研究。臺北：商鼎出版社。

因此，研究工程設計之思考流程需要仰賴記錄認知概念的流程，認知 結構若要符合受訪者真實思考內容，需對於認知結構向度做分析與歸納。

認知結構向度是用以分析認知結構的必循方向，Tsai 和 Huang（2002）提 出了五個向度來分析「認知結構」，分別調整歸納如下（吳穎沺、蔡今 中，2005：38）：

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（一） 「概念廣度」（extent）：「概念廣度」代表的是「認知結構」

中概念的數量多寡，如果存放在「認知結構」中的概念越 多，則代表學習者能夠喚取的概念就越多，但此向度統計並 不包含錯誤概念。

（二） 「正確性」（correctness）：「正確性」代表的是學習者「認 知結構」中的概念是否和一般正式工程的概念相符，透過這 個向度可以了解學習者的「認知結構」中是否有「迷思概 念」。

（三） 「整合性」（integration）：「整合性」所代表的是學習者

「認知結構」中概念與概念間的連結情形。概念若是能有組 織地存放在「認知結構」中，學習者就可以有系統的提取所 需要的概念，就如同一個組織良好的資料庫，可以讓使用者 最有效率地找到所需要的資訊。

「認知結構」中概念與概念間的連結情形。概念若是能有組 織地存放在「認知結構」中，學習者就可以有系統的提取所 需要的概念，就如同一個組織良好的資料庫，可以讓使用者 最有效率地找到所需要的資訊。