兒童地球形狀概念演化樹之跨年級調查驗證

吳育倫、林靜雯 教育科學研究期刊 第五十八卷第四期回官討回 2013 年，

58 (4)

,

133-163

~站起自 ωi:

10.6209

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固油

1

地球形狀演化樹之驗挂﹒ 133

•

兒童地球形狀概念演化樹之跨年級調查驗證

吳育倫

金北市正教育大學 應用物理暨化學系科學教育組

摘要

林靜雯

國立東華大學 課程設計與潛能開發學系暨科學教育研究所 跨年級研究有助於課程的縱向發展，但卻耗時、費力且難以效化。而藉由電腦建立學生 於不同科學主題之最適概念演化樹的「支序分類之概念演化取向」卻可克服上述限制。據此， 研究者採用此取向，並以概念改變研究中已被不同學者確認心智模式額型的「地球形狀」為 主題，建立了地球形狀概念演化樹之最適假說。本研究則以一、三、五年級共 336 位學生為 研究對象，設計地球形狀概念測驗，藉此獲得學生於各認知特徵比例消長情形，以檢驗地球 形狀概念演化樹之最適假說。研究結果顯示，此假說與跨年級調查結果大致相符，且藉由假 說與跨年級資料之整合，本研究清楚呈現兒童地球形狀概念發展之全貌，並對支序分類之概 念演化取向之可行性提供進一步的支持。 關鍵字:支序分類之概念演化取向、地球形狀、概念演化樹、跨年級調查

通訊作者林靜雯，

E-mail: jingwenlin@mai

1.

ndhu.edu.tw

.

134

.地球形狀演化樹之驗證

壹、緒論

吳育倫、林靜雯

自 Posner 、 Strike 、 Hewson ，f日 Gertzog

( 1982

)提出概念改變(

conceptual

change) 的模型 解釋兒童的科學學習以來，科學教育研究關注學生教學前的概念已近 30 年。以 pfundt ，f日 Duit

(2009

)所整理之學生概念文獻資料庫(s叫de帥，

and teachers' conceptions and science

education) 為例，相關論文已超過 8 ，300 篇，其間，陸續有學者指出概念改變是漸進的歷程。 例如 Thagard

( 1992

)主張概念改變是概念階層連續性的轉變;

Vosniadou ( 1994

)的架構理論

亦強調概念發展的漸進性; Duit 與 Treagust

(2003

)更指出概念改變中，I 改變」一詞容易讓

人誤以為科學學習是科學概念與學生先備概念的交換，而傾向於認為概念改變應是教學前概 念轉變為科學概念的學習路徑。上述這些觀點雖然皆以「概念改變」一詞為名，然而實際上 已隱含「概念演化」的理念，故部分學者呼籲，應實施跨年級研究以從中瞭解學生概念獲得 的演化歷程(例如:林靜雯、邱美虹，

2009a

;黃達三.

2004 ; Driver

,

Leach

,

Scott

, &

Wood-Robinson

,

1994)

，如此一來，我們方能莫基於此，達成科學課程縱向發展的連續性以設

計良好的科學課程。但在這擁有豐富學生概念研究的資料庫中，若搜尋以「跨年齡J

(a1cross

age) 、「跨年級 J

(a/cross

grade) 、「概念發展J

(conceptual

development) 或「學習路徑」

( learning

pathway) 為論文標題的研究僅得34 篇，顯見與學生科學概念趨勢發展有關的研究

極為缺乏，且有其重要性及迫切性。這些有關概念發展或演化之研究大多透過大尺度的跨年 級研究或少數學生的學習路徑調查等方式獲得學生概念發展過程。然而，上述兩者研究取向， 不僅耗時費力，且難以效化與綜觀全面，因此林靜雯及其同儕(林靜雯，

2006 ; Lin

&

Chiu

,

20俑， 2013 )基於 Campbell (1974) 與 Toulmin

( 1972

)的認識演化論，以及生物領域裡支序 分類分析 (Wiley，

Siegel-Causey

,

Brooks

, &

Funk

,

1993) 的類比，首先提出「支序分類之概念 演化取向 J '企圖以較具科學化與系統化的角度詮釋兒童概念演化的歷程。而其所建立的串聯 電路心智模式演化路徑的最適假說，與三、五、七、九年級共千人以上學生之跨年級調查比

較，顯示可解釋八成以上跨年級調查的實徵資料(林靜雯，

2006

;林靜雯、邱美虹.

2009a ;

Lin

,

2013; Lin

&

Chiu

,

2007)

.亦陸續有其他科學教育研究者，將其應用至探索學生於演化論

(辛怡瑩、邱美虹， 2010) 、理想氣體運動(邱美虹、吳文龍、鍾曉蘭、李雪碧.2013) 等其 他科學主題上的概念演化，是一具潛力、值得其他科學主題進一步驗證或採用的研究方法。

「支序分類之概念演化取向」需莫基於完整的心智模式研究(林靜雯.

2006)

，而在眾多

科學主題中，由於「地球形狀」是許多其他重要天文概念(如:日夜循環、月相盈虧、四季

變化等)建立的基礎，因此，兒童地球形狀的心智模式成為少數在不同時間、不同國家皆獲

得一再驗證的主題之一。Nussbaum 等人 (Nussbaum，

1979; Nussbaum

&

Novak

,

1976) 首先有

吳育倫、林靜雯 地球形狀演化樹之驗證﹒ 135

•

Vosniadou

,

2007; Vosniadou

&

Brewer

,

1992; Vosniadou

,

Skopeliti

,

&

Ikospentaki

,

2004) 對此一

主題的探討最為詳盡。其研究多以跨年級學生為對象，採一對一唔談方式(或伴隨模型操作)

,

以歸類不同年齡見童所具有的心智模式(或稱為概念架構)種類及比例。然而，這些研究主 要著重於探討形成地球形狀心智模式所涵蓋的相關概念內容，較少關注於心智模式中各概念 之間的連結與發展順序，殊為可惜。若能真基於這些研究結果，進一步釐清各心智模式裡相 關概念之間的連結與轉變，課程設計者便可據此設計相應的概念教學順序，使地球形狀概念 的教學更達效果。據此，吳育倫 (2012 )綜合 Vosniadou 團隊及其相關之一系列地球心智模式 研究後，同樣以支序分類之概念演化取向，獲得地球形狀概念演化樹最適假說(演化樹 2)' 藉以詮釋兒童地球形狀概念演化的趨勢及概念間相互連結情形。然而，一個良好的假說，必 須經由嚴謹的實徵研究加以驗證'因此，本研究之目的乃希冀進行跨年級調查，從實徵資料 中，一方面瞭解跨年級學生地球形狀認知特徵分布之情形，另一方面藉此檢驗地球形狀概念 演化樹最適假說之合理性，希望從不同科學主題，再次檢視「支序分額之概念演化取向」之 可行性。

貳、文獻探討

一、兒童概念發展/演化的研究取向

有關兒童概念發展/演化的研究取向，目前多採橫斷式的跨年級(齡)研究，或縱貫式 的學習路徑調查，在大尺度下或長時間內觀察兒童對特定主題概念變化的情形，進而瞭解該 主題概念發展的歷程(

Chiu

&

Lin

,

2008

)。然而，跨年級(齡)的研究雖能透過廣泛蒐集不同

兒童於各學習階段的表現情形，以推論概念發展的過程，但對於整體概念的縱向發展卻容易

流於片段(林靜雯、邱美虹，

2009a)

，無法深入暸解各概念隨著時間推移的變化情形;而學習

路徑調查雖能藉由長時間追蹤單一或少數兒童，以深入瞭解同一樣本跨時間之概念轉變情

形，分析其學習路徑，但可能產生樣本不其代表性、樣本j咸耗等問題(

Chiu

&

Lin

,

2008

)。因

此，林靜雯等人(林靜雯，

2006 ; Lin

&

Chiu

,

2006

,

2007

)基於 Campbell

(

1974) 、 Hull

( 1988

)與 Toulmin

(

1972) 所提出的認識演化論觀點，以及生物領域的支序分類學 (Wileyet

a

l.,

1993

)的類比與其可表徵歷史並再現的特性，提出「支序分類之概念演化取向」。其中，認 識演化論主張從「變異」與「選擇」的演化概念，類比科學知識及科學概念的成長與發展， 而支序分類學則著重藉由物種分類，以親緣關係追溯生物演化的觀點，因此「支序分類之概

念演化取向」兼具兩者理念，主張利用概念問連結關係'重建兒童心智模式發展的路徑(詳

細理論基礎，請見林靜雯，

2006 ; Lin

&

Chiu

,

2013

)。在林靜雯等人的研究中，藉由電腦軟體 的幫助，快速獲得學生於電學主題之心智模式演化路徑的假說 電學概念演化最適樹，並據

.

136

.地球形狀演化樹之驗誰 吳育倫、林靜雯 方法所建立的演化最適樹，得以經由實徵研究結果再次驗證'並與過往文獻比較，最終獲得

支持、修正或拒絕，更凸顯出科學化與系統化，具備一般縱向研究較為缺乏的特點。研究結

果所獲得的概念演化樹不僅可總覽學生整體概念發展之趨勢，亦可觀察特定階段學生心智模 式與認真日特徵的演化情形(林靜雯、邱美虹. 2009a) 及檢視學生概念演化與課程之間的關係

(林靜雯 ·2008) .兼具跨年級(齡)研究與學習路徑調查兩取向之優點(

Chiu & Lin

,

2008) •

依據電學概念演化最適樹之建議所設計之相關電學教 學序列，亦顯示具有良好的教學成效 (林靜雯、邱美虹. 2009b)。吳育倫 (2012 )之前的研究亦採取此種創新取向建立了地球形 狀概念演化的最適假說(將於後段文獻探討處詳細說明) .並設計跨年級調查加以驗證。

二、跨年級(齡)兒童的地球形狀概念相關研究

過去已有許多科學教育學者對兒童的地球形狀與重力概念進行調查，大多數的研究著重 於探討兒童如何形成正確球形地球的概念及對各種相關概念的看法，迄今已累積相當可觀的 研究結果。大致上，由 Nussbaum 開始以系統性的方式進行地球形狀相關研究(

Brewer

,

2008

)。

Nussbaum 等人 (Nussbaum，

1979; Nussbaum & Novak

,

1976) 曾對跨年齡兒童進行地球形狀相

關概念研究，並將兒童所持有的地球形狀與重力概念大致分為五種概念類型，分別是: (一) 地球是平坦，且向兩側及向下無限連續地延伸，重力向下; (二)地球是由兩個半球組成的巨 大球體，上半球是由空氣或天空所組成，下半球是由泥土及岩石所組成，地球外部是空曠的 太空，而人居住在下半球裡的平坦處，重力向下; (三)地球是受到天空及太空圍繞四周的巨 大球體，但人只能居住在地球表面的頂部，重力向下; (四)地球是受到天空及太空圍繞四周 的巨大球體，且人可以居住在地球上的任何一處，地球外部的重力指向地心，但地球內部的 重力向下; (五)地球是受到天空及太空圍繞四周的巨大球體，且人可以居住在地球上的任何 一處，重力指向地心'屬於正確的科學概念。 其後， Vosniadou 與 Brewer

( 1992

)則以「心智模式」的觀點看待兒童對地球形狀的概念 發展情形。 Vosniadou 與 Brewer 認為在地球形狀的概念上，兒童會對正確科學概念的建構產生 困難，主要乃受到三個預設的影響，其分別為: (一)看起來平坦的物體即是平坦(

things that

look flat are flat) ;

(二)物體會向下掉落(

things fall down to the ground) ;

(三)地球是受支撐

的(

the earth is supported) ( Brewer

,

2008

)。基於這些預設. Vosniadou 等人(

Diakidoy

,

Vosniadou

,

& Hawks

,

1997; Samarapungavan

,

Vosniadou

,

& Brewer

,

1996; Skopeliti & Vosniadou

,

2007;

Vosniadou & Brewer

,

1992; Vosniadou et a

l.,

2004; Vosniadou

,

Skopeliti

,

& Ikospentaki

,

2005

)曾

對不同文化情境下的跨年級兒童進行一系列有關地球形狀的研究，經吳育倫(2012 )整理歸 納後發現，兒童對地球形狀的解釋主要持有矩形地球(rectangular earth) 、圓盤地球(

disc

earth) 、太空裡的圓盤地球(

disc earth in

space) 、太空裡的空心球(

hollow sphere earth in

space) 、

吳育倫、林靜雯 _{地球形狀演化樹之驗證﹒ 137}

_•

gravity) 及球形地球(

sphere

earth) 等八種常見的心智模式(各心智模式的定義如表 l 所示)

•

而模式的形成主要與地球形狀、維度、天空位置、天空分布範圍、重力方向、平坦限制、地 球邊緣及支撐限制等八項概念有關。其中. I 雙地球」或「圓盤地球」的心智模式可能是兒童 將來自教學上「地球是球體」的科學知識，與其原有「地球是平坦」的初始概念加以融合而 形成，能充分解釋地球既圓又扁的矛盾，而達成一致性，但這樣的一致性卻顯示出兒童具有 狹隘且融貫的綜合想法，並以此作為其他問題及現象的詮釋，因而出現片斷概念或不一致性。 扁平球 雙地球 圓盤地球 球形地球 短形地球 太空裡的空心球 表 l 地球形狀心智模式類型 {;-智模式類型 _{心智模式定義} 地球形狀是長方形或正方形，根植於地面，天空僅座落於地球上方。地球具 有會使人掉落的邊緣，而人僅能居住在地球的上方。 地球是根植於地面的圓盤，天空僅座落於地球上方。地球具有會使人掉落的 邊緣，而人僅能居住在地球的上方。 地球是漂浮在太空裡的圓盤，天空僅座落於地球上方。地球真有會使人掉落 太空裡的圓盤地球 的邊緣，而人僅能居住在地球的上方。 地球是中空的球體，四周被太空所圍繞，上半球是天空，形成圓頂狀覆蓋下 半球，而下半球由土地或水所組成。地球沒有邊緣，人居住在地球內部平坦 處，不會掉落至地球外 o 有兩個地球，一個是高掛天空，四周受太空圍繞的球形地球，另一個是人所 居住根植於地面的平坦地球，天空座落於兩個地球之間 o 人無法居住在天空 上的球形地球，而是居住在具有會讓人掉落的邊緣的平坦地球上 o 地球形狀像塊厚煎餅 (pancake) .上下平坦，兩側圓弧'四周被天空及太空 所圍繞。地球沒有會使人掉落的邊緣，人可以居住在地球表面頂部及底部平 坦處 o 地球是球體狀，四周被太空所圍繞，天空僅座落於地球外部上方 o 地球沒有 球形地球而無重力 會使人掉落的邊緣，但是人僅能居住在地球表面頂部，若是居住在底部則會 掉落。 地球是球體狀，四周被天空及太空所圍繞。地球沒有會使人掉落的邊緣，人 可以居住在地球表面四周而不會掉落。(正確的科學模式) 註:引自見童地球形狀概念演化樹之建立及其跨年級調查之驗詣，吳育倫 ·2012· 臺北市立教育大 學碩士論文，未出版，臺北市 o

三、兒童地球形狀概念演化樹之最適假說

吳育倫 (2012 )參考林靜雯等人(林靜雯.

2006 ;

Lin

&

Ch凹， 20俑， 2013 )所提出之支序 分類之概念演化取向，進而形成地球形狀心智模式演化路徑之假說，由於該取向是將兒童的

﹒ 138· 地球形狀演化樹之驗證 吳有倫、林靜雯

概念類比為生物的物種，物種是確切存在而非虛擬，才能透過親緣關係的分類追溯演化歷程; 同樣地，兒童的心智模式也必須透過完整的研究證明其實際存在，才能與物種做一類比。因 此，該假說是奠基於 Vosniadou 等人長期於地球形狀心智模式相關研究之豐碩成果建立而來。 首先，從地球形狀相關重要文獻(

Diakidoy et a

I.,

1997; Samarapungavan et

泣，

1996; Skope1iti

&

Vosniadou

,

2007; Vosniadou

&

Brewer

,

1992; Vosniadou et a

I.,

2004

,

2005

)中歸納出八個心智模 式(如表 1

)

.然後再依照上述提及之八類概念(地球形狀、維度、天空位置、天空分布範團、

重力方向、平坦限制、地球邊緣及支撐限制)加以解構，之後再將之轉成矩陣方式輸入電腦

軟體 PAUP

4.0

.軟體根據支序分類分析中「相對裔徵決定法則」、「儉約性」、「最大概似法」

與「距離最小平方法」等相關判斷原則，以及樹長(

tree

length) 、一致指數(

consistency index

,

C1

)及校正的一致指數(

rescaled consistency index

,

RC

)等相關評鑑指標(

Wiley et a

I.,

1993 ) •

建立兒童地球形狀概念演化樹 1 與演化樹 2 兩假說。兩假說僅於對「地球是否具平坦限制」 一概念的假設上有所不同。而後，研究者根據 Nussbaum 等人 (Nussbaum，

1979; Nussbaum

&

Novak

,

1976) 對地球是否具平坦限制的研究結果挑選演化樹 2 (圓 1 )為最適假說。演化樹 2

所假設的概念演化路徑業經與 Vosniadou 等人(

Vosniadou

&

Brewer

,

1992; Vosniadou et

泣，

2004

,

2005) 及 Nussbaum 等人的研究結果一一比對，三者的研究結果彼此之間有極為良好的 支持(吳育倫， 2012) 。由於支序分類之概念演化取向乃得自生物演化之敢發，因此，林靜雯

(2006

)將概念與生物之特徵類比，並以「認知特徵」為名，故吳育倫(

2012

)亦沿用相關 名稱，而以認真日特徵指稱這些構成心智模式的各種類型的概念。 從地球形狀概念演化樹之最適假說演化樹2 (圖 1 )所提供的資訊可知，圖左虞如樹的根 部，視為兒童心智模式發展的起點虛，而圖右處則如樹的頂部，視為兒童心智模式發展的終 點虞。圖右處共有八種模式類型，代表八種地球形狀心智模式，其中粗線為朝向正確科學模 式(球形地球)的概念演化路徑，路徑上成對的數字代表認真日特徵及其狀態，如8-1 '前碼代 表「第 8 個」認知特徵，後碼則代表此認知特徵下.I 第 l 個」認知狀態。查閱編碼表(附錄 一) .對照其意義顯示第 8 個認知特徵為「支撐限制J '而代表該認知特徵下的第 l 個認知狀 態則為「無」。因此，圖 l 中朝向科學模式的粗線路徑為:

8-1

(支撐限制，無)→ 2-2 (維度， 三維)→ 7-1 (地球邊緣，無)→ 6-1 (平坦限制，無)→ 5-2 (重力，向中心)、 4-1 (天空分布 範圍，四周)。此一路徑意謂著兒童初始認為地球不受到任何物體的支撐(

8-1 )

，且在概念發 展早期便具備了三維的概念 (2-2) .接著暸解到地球並沒有邊際，人不會走到地球的邊緣而墜 落(7-1 )。之前，兒童雖有三維的概念，但多認為地球是平坦的，直到瞭解了地球無邊無際後， 兒童開始不再認為地球是平坦的(

6-1

)。而重力的概念在地球形狀心智模式形成的最後期才發 展出來，學生於此時方能體會重力往地球中心 (5-2) .並瞭解地球存在太空，而天空分布於地 球四間的概念(

4-1

)。此外，在演化樹 2 中，節點 10 與節點 9 間有兩個認知狀態 5-2 (重力， 向中心)、 4-1 (天空分布範圍，四周) ，這意謂著 5-2 與 4-1 兩個認真日狀態屬於同一時間發展，

吳育倫、林靜雯 _{地球形狀演化樹之驗證﹒ 139}

•

師無

撐川

支 f

Il---M

.

lll

形維部方下有有有

圓二外上向。。。

213 水 2l678

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心

45

制緣制

狀度

J間力限邊限

形維子範重坦球撐

球置布平地支

地位分

出工均工

天天

地球形狀 I-I 短形 短形地球 圓盤地球 太空裡的 圓盤地球 太空裡的 空心球 地球形狀平坦限制 1-3 煎餅狀 6-0 有

;3

地球邊緣| 重力天空分布範圍 I

I

I

扁平球

l

μI 站 5-2 向中心 4-1 四周 I

I

~ II

I

I

I

9

l

維度

I

I

I

!

l

球形地球

I

2-2 士維 I

~~， I.O

仁三五、:1 平坦限制| L~ 6-1 無

|

球形地球

天空分布範閏

支撐限制

而無重力

4-3 居中 8-2 都可能 天空位置 3-2 地球內部 雙地球 圖1. 兒童地球形狀慨念演化樹最適假說一演化樹2 且彼此相互影響。值得一提的是，認知特徵出現的時間愈接近演化樹的根部，表示該認知特 徵發展愈早，意即學生於低年級時所持有的比例會明顯較其他年級來得高，而愈接近演化樹 末端，則表示該認知特徵發展愈晚，即學生應在高年級時所持有的比例與其他年級相較會是 最高。由於這些資訊皆可視為一個個的預測，這使得支序分類之概念演化取向得以被實徵研 究加以檢驗，因此較傳統跨年級研究更為科學化。

參、研究方法

一、研究對象與流程

本研究以臺北市與新北市各 l 所國小一、三、五年級各二班，共 336 名學生為研究對象。 研究者於挑選合作學校時，主要選擇大型學校，學生家庭社經中等以上的學校。其中一年級 學生因考量其電腦操作能力，故將測驗題目以 1 人一機的方式，透過投影片在電腦螢幕上呈 現，由研究者引導學生逐一讀題，確保學生能理解測驗題目與選項之意思後，學生再從題目 中選擇符合想法的答案，以紙筆作答方式在答案卷上寫下答案，其餘三年級與五年級則以 1 人一機電腦網路施測的方式進行。詳細研究流程如圖 2 所示。

開F

• 140

.地球形狀演化樹之驗證 吳育倫、林靜雯

一年級

臺北市 A 公立小學三班 (57) I| 投影片+紙本 新北市 B 公立小學二班 (55)

I

網路

>

地球形狀概念測驗

三年級

臺北市 A 公立小學二班 (55

)

新北市 B 公立小學二班 (59

)

五年級

臺北市 A 公立小學二班 (55

)

新北市 B 公立小學三班 (55

)

也=>

圖2. 研究流程

二、研究工具

如何獲得兒童地球形狀的概念，

Brewer (2008

)曾針對開放式唔談及結構式選擇題撰文討 論， Brewer 指出唔談所使用之開放性問題，能鼓勵兒童使用其所具備的科學資訊處理問題情 境，但多少伴隨評分者主觀的詮釋及偏見;而選擇題可以避免兒童模糊不清的回應，但卻可 能僅是兒童對文化所接受且符合科學選項的「再認」與「辨識J '並非其所持有概念的其實反 應。故此，不論探用何種測驗形式來獲得學生概念都有其限制所在。因而在本研究中，研究 者為能更有效率地對更多兒童進行測驗，同時降低受試者受到自身與實驗者間社會互動的影 響，所採用之研究工具為結構式選擇題之「地球形狀概念測驗」。該測驗主要參考Panagiotaki 、

Nobes 與 Potton

( 2009

)及 Straatemeier 、 van

der

Maas 與 Jansen

( 2008

)及 Vosniadou 與 Brewer

(1 992) 研究之測驗題目，並根據地球形狀概念演化樹最適假說一演化樹2 之八項認真日特徵 設計而成。由於測驗內容是基於早期相關文獻而來，故可與過去研究發現的結果相互呼應。 測驗題目之參考來源與欲測之認真日特徵關係如表2 所示。 測驗共有 6 題。第 1 題「地球形狀 J '在於獲得兒童以「總體」觀點角度所描述的地球形 狀想法;第 2 題「天空位置J '則是希望透過天空與地球間相對位置的關係，獲知兒童對於地 球座落於太空的情形;第3 題「人們居住地方J '主要希望透過地球與人們居住環境的關係， 獲知兒童所持有的重力概念及其是否受到平坦預設的限制;第4 題「巨人踢球J '是透過兒童 對於「地球是否存在邊緣」的看法，獲知其對重力的概念;第5 題「地球之下景象J '希望藉 由兒童對於地球下方空間分布情形的看法，獲知其是否受到支撐預設的限制;第6 題「地球 四周景象 J '則是在選項裡結合第 2 題與第 5 題問題的選項，嘗試透過多概念問題情境的呈

吳育倫、林靜雯 _{地球形狀演化樹之驗證﹒ 141 ﹒} 表 2 測驗題目與認知特徵對應表 認知特徵 參考來源 測驗題目 _{1 地球 2維度 3天空 4天空分 5重力 6平坦 7t世球 8支撐} 形狀 位置 布範圍 方向 限制 邊緣 限制

VosniadouWBrewer (1992)

l.地球形狀

V

V

Panagi。但ki等 (2009

)

Vosniadou與Brewer

( 1992 )

2. 天空位置

V

V

Vosniadou與Brewer

( 1992 )

3. 人們居住地方

V

V

VosniadouWBrewer ( 1992 )

4. 巨人踢球

V

V

Straatemeier等 (2008

)

Vosniadou與Brewer

( 1992 )

5固地球之下景象

V

此題為吳育倫 (2012 )融合第2 、 6. 地球四周景象

V

V

5題而來 現，獲知兒童對於天空的看法，以及其是否受到支撐預設的限制。測驗形式採選擇題方式， 為單選題，每個題目各有八至九個由心智模式解構而來的選項，呈現方式則包含文字描述與 彩色圖片，其中文字描述因考量一年級與三年級學生的認知程度，故皆以國字輔助注音呈現。 本研究以第 3 題(附錄二)及第 4 題(附錄三)為例，顯示題目之內容及形式。 此測驗除了參考文獻及地球形狀概念演化樹最適假說于演化樹 2 進行編製外，另由 l 位 同時具地球科學及科學教育專長之幼兒教育背景學者及 l 位國小科學教育專長之學者，針對 內容正確性及語意、語法適切度進行專家效度，並以臺北市某國小一年級與三年級各 l 位學 生進行第一次預試。問卷經專家及第一次預試之回饋修正後，再選擇臺北市某校三年級一班，

29 人，進行第二次預試，最後，分別經本研究正式施測學校之一年級 58 人、三年級 55 人及

五年級 55 人測驗後，獲得內部一致性 KR20 係數，其依序為 .614 、 .652 及 .823 。

三、資料分析

本研究根據研究目的，將資料分兩部分進行分析，茲分述如下: (一)學生認知特徵之分布情形 此部分之資料分析，主要是針對學生於地球形狀概念測驗之答題情形，統計一、三、五 年級學生於各認知特徵之百分比，以暸解跨年級學生於各認知特徵之發展趨勢。於八項認知 特徵中，部分認知特徵屬於「單一題目測驗單一認知特徵 J .是計算學生於單一題目中選擇各 認知狀態的比例，作為該認知特徵的百分比;部分認知特徵屬於「多個題目測驗單一認知特 徵 J '是計算學生於多個相關題目中選擇各認知狀態的比例之平均，即為該認知特徵的百分

.

142

.地球形狀演化樹之驗證 吳有倫、林靜雯 比 o 而後，研究者並進一步利用「百分比同質性檢定」進行統計考驗，以檢驗不同年級學生， 對單一認知特徵內各認知狀態之所占比例是否有顯著差異，若達顯著差異，則以 Z 檢定進行 事後比較。

(二)地球形狀概念演化樹最適假說之檢驗

基本上，在概念演化樹上的認知特徵'其出現的時間愈接近演化樹的根部，表示學生在 一年級時所持有的比例與其他年級相較會是最高，相較之下可能發生在較年幼的兒童身上; 而愈接近演化樹末端，則表示學生在五年級時所持有的比例與其他年級相較應是最高的，相 較之下可能發生在較年長的兒童身上(林靜雯. 2006) 。在本研究裡，判斷各認知特徵出現時 間的依據，主要是考量該認知特徵之各認知狀態的比例必須在各年級中超過 50% 且為所占比 例最高者(林靜雯、邱美虹，

2009a)

，並將跨年級學生於各認知特徵所占比例與概念演化最適 樹演化樹 2 之預測相互對照，檢驗兩者問符合程度。

肆、研究結果與討論

以下研究者將逐一呈現各認知特徵跨年級施測的結果，檢視其比例消長的關係'而後進 行地球形狀概念演化樹最適假說之檢驗。而由於本研究中八個認知特徵中有三個為兩個題目 平均所得之結果，這三個認知特徵於各單一題目之百分比及整體平均之結果亦呈現於附錄四 供讀者參考。 一、跨年級學生地球形狀認知特徵分布情形 (一)認知特徵 1 ["""地球形狀」之比例分布 此認知特徵是指地球的形狀，分為r 1-1 矩形」、 r 1-2 圓形」及 r 1-3 煎餅狀 J

(pancake)

三種認知狀態。由圖3 可知，持有 r 1-2 圓形」認知狀態的學生，所占比例在一年級至三年級 之間略為上升(從99.1%上升至 100.0%) ，在三年級時到達頂峰，而在三年級至五年級之間略 為下降(從 100.0%下降至 95.5%) ;而持有 r 1-3 煎餅狀」認知狀態的學生，所占比例則在三 年級至五年級之間增加較為明顯，從0.0%上升至 4.5% 。此外，在本研究中並無任何學生持有

r

1-1 矩形」認知狀態 o 進一步以百分比同質性檢定進行統計考驗，結果發現，在認知狀態 r 1-1 矩形」、 r 1-2 圓

形」及 r 1-3 煎餅狀」上，三個年級學生所占比例已達到顯著差異 (χ2=7封9，

df=2

,

p=

.025) 。

然而，以 Z 檢走進行事後比較後發現，三年級學生雖然在r 1-2 圓形」所占比例最高，但與其 他兩個年級學生相較，並未達顯著差異;而五年級學生，雖然在r 1-3 煎餅狀」所占比例最高， 但與其他兩個年級學生相較，亦未達顯著差異，顯示三個年級學生在認知特徵1 r 地球形狀」 內各認知狀態所占比例，雖呈現差異情形，但皆未達到顯著水準。

4.5%

0.9%

0.0%

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0.0%

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一年級 三年級 五年級

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吳育倫、林靜雯

100.0%

90.0%

80.0%

70.0%

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50.0%

1:

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40.0%

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99.1%

100.0%

地球形狀演化樹之驗誰﹒ 143

•

..

_95.5%

。← 1-1 短形

•.-

1-2 圓形 也r 1-3 煎餅狀 圖 3. 跨年級學生認知特徵「地球形狀」比例分布 (二)認知特徵 2 I 維度」之比例分布 欲區別兒童所認為的「圓的」地球，究竟是指「平面」的圓形?或是「立體」的球形? 涉及兒童對於「維度」的概念，對於持有「地球是圓的」概念的兒童來說，必須進一步釐清 所指的地球形狀是二維的圓形或是三維的球形(圓得像顆球) ，兩者的差異會影響最後所建構 的心智模式類型。此認知特徵是指地球的形狀在空間座標上的數目，可分為， 2-1 二維」與 '2-2 三維」兩種認知狀態。二維是指地球形狀是由長度和寬度(或是曲線)所形成的一個平 面;三維則是二維加上高度，而形成一個立體的體積。由圖 4 可知，持有 '2-2 三維」認知狀 態的學生，其比例分布隨著年級增加而遞增(從 93.8% 上升至 97.3%) ;反之，持有， 2-1 二維」 認知狀態的學生，其比例分布則是隨著年級增加而遞減(從 6 .3%下降至 2.7%) 。 進一步以百分比同質性檢定進行統計考驗，結果發現，在認知狀態， 2-1 二維」及 '2-2

三維」上，三個年級學生所占比例未達顯著差異 (χ2=

1.

617

,

df=2

,

p=

.445)' 顯示從一年級

經三年級到五年級，雖然'2-2 三維」的比例隨著年級增加而逐漸上升，實際上三個年級學生 所占比例並未有所差異。

.

144

.地球形狀演化樹之驗證 吳育倫、林靜雯

100.0%

90.0%

80.0%

70.0%

百 60.0% 分 比

50.0%

40.0%

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.

2.7% 一…… 司， 4已

...

→秒 2-1 二維 ...2-2 三維 一年級 三年級 五年級

年級

團4. 跨年級學生認知特徵「維度」比例分布 (三)認知特徵 3 I 天空位置」之比例分布 瞭解兒童「天空與地球相對位置」的概念，能協助釐清兒童認為「地球是一個座落於太 空且伴隨太陽系天體圍繞的球體」的想法，或是「月亮、星星和天空只位於地球頂部之上」 的想法(

Vosniadou

&

Brewer

,

1992) 。此認知特徵是指天空座落的位置，可分為，. 3-1 地球外部」

及，. 3-2 地球內部」。由圖 5 可知，持有，. 3-1 地球外部」認知狀態的學生，所占比例在一年級 和三年級之間，從 58.9%上升至 67.5% .但卻在五年級下降至 62.7% 。 進一步以百分比同質性檢定進行統計考驗，結果發現，在認知狀態，. 3-1 地球外部」及

,.

3-2 地球內部」上，三個年級學生所占比例未達顯著差異 (χ2=

1.

8102

,

df=2

,

p=

.414) 。雖

然三個年級之間的比例趨勢未達到顯著差異，但五年級持有，.3-1 地球外部」之科學概念的比 例卻呈現略低於三年級之趨勢。一年級學生在，.

3-1

地球外部」所占比例低於三年級學生是可 被理解的，而為何五年級持有，.

3-1

地球外部」之比例略降?據此，本研究另進行教科書分析， 結果發現，目前在自然與生活科技領域裡，各版本教科書皆於五年級上學期第一單元安排關 於「太陽」的課程，且於課本中放置「立體天空模型」圖片(如圖 6) ;該圖主要協助學生記 錄太陽 l 天的位置，這樣的表徵明顯將天空繪製於半圓地球的內部。由於本研究受試者的施 測時間安排於上學期末，因此推論五年級學生可能或多或少受到該表徵或該課程內容的影 響，使得持有地球內部(3 -2 )認知狀態的學生比例上升。由於此並非本研究之主要研究問題，

吳有倫、林靜雯

100.0%

地球形狀演化樹之驗誰﹒ 145

•

58斗一三-干+-:

一一豆子一一一一

90.0%

80.0%

70.0%

百 60.0% D-. {i.

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40.0%

•

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32.5%

37.3%

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3-1 地球外部

•.-

3-2 地球內部 區基 L 一年級 三年級 五年級

年級

圖 5. 跨年級學生認知特徵「天空位置」比例分布 且百分比同質性檢定並未達顯著考驗，因此不宜過度推論，須待更有系統之研究設計加以驗 證。 (四)認知特徵 4 I 天空分布範固」之比例分布 在 Vosniadou

( 1994

)的特殊理論下，關於地球形狀可觀察的資訊中，兒童受到本體論與 認識論預設的影響而產生的假定之一，便是「天空位於地面上方 J '因此獲知兒童對於「天空 分布範圍」的想法，可進一步瞭解兒童是否受到預設的限制。此認知特徵是指天空分布在地 球的範圍，分為 '4-1 四周」、 '4-2 上方」及 '4-3 居中 J (意指兩地球的中間)。從圖 7 可發 現，持有 '4-1 四問」認知狀態的學生，所占比例隨著年級增長而逐漸上升(從 27.2%上升 至 52.3%) ;而持有 '4-2 上方」認知狀態的學生，所占比例則隨著年級增長而逐漸下降(從 7 1.9%下降至 46.8%) ;持有 '4-3 居中」認知狀態的三個年級學生，其比例皆不超過 2.0% '所 古比例相當少，顯示該概念的變化主要是在 '4-1 四周」及 '4-2 上方」兩認知狀態上比例的 消長。 進一步以百分比同質性檢定進行統計考驗，結果發現，在認知狀態、 '4-1 四周」、 '4-2 上

方」及 '4-3 居中」上，三個年級學生所占比例達顯著差異 (χ2=30.269，

df=4

,

p

<

.001) 。

以 Z 檢定進行事後比較後發現，一年級學生在 '4-2 上方」所占比例，顯著高於三年級與五年 級學生;五年級學生在 '4-1 四周」所占比例，顯著高於一年級及三年級學生;而三年級學生

.

146

.地球形狀演化樹之驗證 吳育倫、林靜雯 南方 6月 東方 (a)牛頓版 北方 (b)康軒版 審分、秋分 至 天頂90· 南 日出 東 日出 :it O· 60· (c)翰林版 (d)南一版 圖 6. 各版本教科書「立體天空模型」。引自國民小學自然與生活科按(第五冊).牛頓國編本 出版有限公司，

2012

'臺北市:作者;國民小學自然與生活科技(第五冊)，南一書局企業股 份有限公司，

2012

.臺南市:作者;國民小學自然與生活科按(第五冊)，康軒文教集團， 2012 ，新北市:作者;國民小學自然與生活科技(第五冊)，翰林出版事業股份有限公司，2012

'

新北市:作者。 在 r 4-1 四周」所占比例，顯著高於一年級學生，在 r 4-2 上方」所占比例，顯著高於五年級 學生。該結果顯示，學生隨著年級增加，

r

4-1 四周」的比例也隨之上升，且上升幅度在三個 年級之間出現顯著差異。 (五)認知特徵 5 r 重力方向」之比例分布 此認知特徵是指重力(或稱地心引力)在地球上的作用方向，亦即受到「東西會掉在地 上」預設的限制與否。此特徵可分為 r 5-1 向下」及 r 5-2 向中心」兩認知狀態。由圖 8 可知， 持有 r 5-2 向中心」認知狀態的學生，所占比例隨著年級增長而上升，尤其在一年級與三年級 之間，呈現驟升情形(從 28.1%急遞上升至 53.5%) ;而持有 r 5-1 向下」認知狀態的學生，所 占比例則隨著年級增長而下降。

吳育倫、林靜雯 _{地球形狀演化樹之驗證﹒ 147}

•

100.0%

90.0%

80.0%

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1.

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一年級 三年級 五年級

年級

圖 7. 跨年級學生認知特徵「天空分布範團」比例分布

100.0%

90.0%

80.0%

70.0%

60.0%

百 分 50.0%

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一年級 三年級

年級

圖 8. 跨年級學生認知特徵「重力方向」比例分布

56

.4%

43.6%

五年級

--+-

4-1 四周 ...4-2 上方 ...4-3 居中

。← 5-1 向下

...

5-2 向中心

.

148

.地球形狀演化樹之驗誰 吳育倫、林靜雯 進一步以百分比同質性檢定進行統計考驗，結果發現，在認知狀態、 '5-1 向下」及 '5-2

向中心」上，三個年級學生所占比例達顯著是異 (X

2

_{=43.503 ，}

df=2

,

p

<

.001) 。以 Z 檢定進

行事後比較後發現，一年級學生在 '5-1 向下」所占比例，顯著高於三年級與五年級學生;三 年級與五年級學生在 '5-2 向中心」所占比例，皆顯著高於一年級學生。該結果顯示，認知狀 態 '5-2 向中心」的比例雖然隨著年級增加而稍微上升，但在三年級與五年級之間的微幅上升 並未達顯著差異。 (六)認知特徵 6 I 平坦限制」之比例分布 此認知特徵是指受到「看起來平坦的東西是平坦的」預設的限制所產生的概念，分為 '6_。 有」及 '6-1 無」兩種認知狀態。前者意謂著學生會受到眼前所見的事物樣貌而進行判斷，即 受到「看起來平坦的東西是平坦的」的預設而影響其對地球形狀的理解，後者則是對地球形 狀的理解不受該預設影響。從圖 9 可知，持有 '6-1 無」認知狀態的學生，所占比例在一年級 至三年級之間急邊上升(從 33.9%上升至 67.5%) ，但在三年級至五年級之間略為下降(從 67.5%下降至 66.4% )。

100.0%

90.0%

80.0%

70.0%

I

66.1%

67.5%

66

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6-1 無

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10.0%

0.0%

一年級 三年級 五年級

年級

圖 9 _{跨年級學生認知特徵「平坦限制」比例分布} 進一步以百分比同質性檢定進行統計考驗，結果發現，在認知狀態 '6-0 有」及 '6-1 無」

上，三個年級學生所占比例達顯著差異 (X

2

_{=33.095 ，}

d[=2

,

p

<

.001) 。以 Z 檢定進行事後比

吳育倫、林靜雯 _{地球形狀演化樹之驗證﹒ 149}

_•

較後發現，一年級學生在 r 6-0 有」所占比例，顯著高於三年級與五年級學生;而三年級與五 年級學生在 r 6-1 無」所占比例，則皆顯著高於一年級學生。該結果顯示，雖然 r 6-1 無」在 五年級時，從 67.5%略降至 66.4% '但實際上下降幅度並未達到顯著差異。 (七)認知特徵 7 I 地球邊緣」之比例分布 瞭解兒童對於地球是否存在「邊緣」的概念，可獲知他們對地球形狀再概念化的情形。 兒童無法只仰賴成人所提供的地球形狀的片斷資訊來面對問題情境，他們必須創造一個地球 的心智表徵，並使用此心智表徵解決問題。此認知特徵是指地球是否有會讓人掉落的邊緣， 分為 r 7-0 有」及 r 7-1 無」兩種認知狀態。從圖 10 可看出，持有 r 7-1 無」認知狀態的學生，

所占比例在一年級至三年級之間呈現下降(從 75.0%下降至 70.2%) ，但在三年級至五年級之

間改轉為上升(從 70.2%上升至 83.6% )。

100.0%

90.0%

80.0%1

… 7 'i .O%一一 … …←一………一

70.2%

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60.0%

百 分 50.0% 比

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83.6%

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•..

7-1 扭

20.0%

10.0%

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25.0%

29.8%

16

.4%

一年級

三年級

五年級

年級

圖 10. 跨年級學生認知特徵「地球邊緣」比例分布 進一步以百分比同質性檢定進行統計考驗，結果發現，在認知狀態 r 7-0 有」及 r 7-1 無」

上，三個年級學生所占比例並未達顯著差異 (χ，2=5.723 ， df=2

,

p=

.057)' 顯示在 r 7-1 無」

上，雖然在三年級時，從75.0%稍微下降至 70.2% '但下降幅度並未達顯著差異。雖然如此， 建議未來仍可持續關注此概念重複驗證的情形，若仍有正確概念從一年級至三年級下降的趨 勢，應嘗試蒐集教科書分析與學生暗談的結果加以對應與解釋;而五年級時，雖然從70.2%上

• 150

.地球形狀演化樹之驗誰 吳育倫、林靜雯 升至 83.6% '但上升幅度也同樣未達到顯著差異，亦即三個年級學生在，7-1 無」所占比例雖 呈現先降後升的趨勢，但實際上各年級間的差異並不顯著。

(j\

)認知特徵 8 I 支撐限制」之比例分布 此認知特徵是指受到「地球是受支撐的」預設的限制所產生的概念，分為'8-0 有」、 '8-1 無」及， 8-2 都可能」三種認真日狀態。，8-0 有」表示學生會受到該預設的限制而影響其對地球 形狀的理解;

,

8-1 無」表示不受該預設的影響;而 '8-2 都可能」則是在持有雙地球概念時才 會出現。從圖 11 可知，持有， 8-1 無」認真日狀態的學生，其比例隨著年級增長而逐漸上升，

在一年級至三年級之間僅呈現略微上升(從 84.8%上升至 85.1%) ，而在三年級至五年級之間

則是呈現大幅上升(從 85.1%上升至 94.1%) ;相對地，持有 '8-0 有」認知狀態的學生，所占 比例則隨著年級增長而逐漸下降;此外，持有 '8-2 都可能」認知狀態的學生，其比例消長並 無一定趨勢。

100.0%

I _{Y斗 .1/0}

90.0%

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一年級

三年級

五年級

年級

圖 1 1. 跨年級學生認知特徵「支撐限制」比例分布 進一步以百分比同質性檢定進行統計考驗，結果發現，在認知狀態 '8-0 有」、， 8-1 無」

及， 8-2 都可能」上，三個年級學生比例分布之情形已達顯著差異 (x

2 =

15

.4

62,

df= 4

,

p

= .004) 。以 Z 檢定進行事後比較後發現，一年級學生在 '8-0 有」所占比例，顯著高於五年 級學生;三年級學生在 '8-2 都可能」所占比例，顯著高於五年級學生;而五年級學生在，

8-1

吳育倫、林靜雯 地球形狀演化樹之驗誰﹒ 151

•

無」所占比例，顯著高於一年級與三年級學生，該結果顯示，三個年級學生在 '8-1 無」所占 比例是呈現隨著年級增加而上升的趨勢，但在一年級與三年級之間的微幅上升並未達顯著差 異。

二、概念演化最適樹演化樹 2 與跨年級調查結果相符情形之比較

研究者將跨年級調查結果與概念演化最適樹演化樹 2 整合，繪製跨年級學生實測與概念 演化最適樹演化樹 2 之對應情形，其結果如圖 12 所示。藉由圖 12 .研究者得以明確比較演化 樹 2 之預測與學生地球形狀心智模式之認知特徵演化之實徵調查之間有何異同。概念演化最 適樹演化樹 2 顯示，兒童地球形狀最初始之心智模式一開始在八個認知特徵中，便已有認知 特徵 l 和 3 為科學概念，此模式與「圓盤地球」的模式相當。此點在實徵調查上亦獲得支持， 圖 3 顯示一年級學生於認知狀態 1-2 的比例便己高達 99.1%' 且呼應 Nussbaum 與 Novak(

1976)

提及，持有概念一的兒童知道「地球是圓的J .即使他們在其他相關概念上的表現仍持有「地 球是平坦」的觀點。另一個一開始在初始模式便是科學概念的特徵為認知特徵3 I 天空位置 J • 一年級學生於一年級以前，有關此特徵之科學狀態「地球外部 J

(3

-1

)也超過 50% .達 62 .1%。 此點在相關文獻中亦可獲得佐證. Vosniadou 與 Brewer

( 1992

)指出，持有平坦、矩形或圓盤 地球這些初始模式的兒童一致認為「天空座落於地球之外」。整體而言，演化樹 2 對初始心智 模式之認知特徵的預測與實徵調查的結果大致相符，且獲得相關文獻支持。接著，研究者將 跨年級學生在各認知特徵上所占比例，逐一標定至概念演化最適樹演化樹 2 假說圖上的粗線 (如圖 12) .由於認知特徵 l 與 3 業己檢視如上，以下便依照認知特徵於演化樹 2 發展路徑上 所出現的順序(亦即認知特徵 8 、 2 、 7 、 6 、 5 、 4) 11日以比較。此外，假說與跨年級實徵對應 後，大致形成三個區域，分別代表三個不同的發展時段，研究者以下為文，亦據此分段說明。 茲說明如下。 首先，發生概念轉變的是「不受到支撐限制 J

(8-1 )

.由於一年級學生在此狀態所占比例 為 84.8% .已超過判定標準的 50.0%許多，表示早在一年級以前，學生就己放棄 Vosniadou 所 謂的「支撐預設」的限制，認為地球是座落於太空中，不需要受到任何物體(如泥土或岩石 等)的支撐;接著，是「三維 J (2-2) 概念的出現，已有 93.8%的一年級學生持有此概念，表 示在一年級時，學生己能釐清地球並非「平面的」矩形或圓形，而是「立體的」球狀;之後， 則是「地球是否存在邊緣」的概念進行轉變，一年級學生在「地球不具有會讓人掉落的邊緣」

(7-1

)所占比例為 75.0% .明顯超過 50.0% ﹒表示此階段的學生己能明白地球是球體，且不 會將地球與一般物體做錯誤的類比。上述 8-1 、 2-2 及 7-1 由於在一年級時，便已超過 50%許 多，判斷這些認知狀態皆於一年級之前便已發展，因此研究者在圖 12 中以 I~J 符號標定。 就此三項狀態而言，概念演化最適樹的預測與跨年級實徵調查完全相符。

.

152

.地球形狀演化樹之驗證 吳育倫、林靜雯

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扁平球 球形地球 球形地球 而無重力 雙地球

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圖 12 跨年級學生實測與觀念演化最適樹演化樹2之對應情形。(I) r_

_J

表依照實徵結果之趨 勢，可能於未調查到之年級中獲得驗證。意 flr 一年級前之 r_

_J

，表示該認知狀態可能於一年 級之前獲得驗詮。 (2) 研究者於各認知特徵下列出跨年級調查的百分比，而該概念發展之年級 則以粗斜體及底線表示。 再接下來出現的概念是「不受到平坦限制 J

(6- 1

)。從學生實際表現來看，發現「不受到 平坦限制 J

(6-1

)在三年級時所占比例超過50.0% '為 67.5% 。表示大多數學生在三年級時， 已放棄 Vosniadou 所謂的「平坦預設」的限制，不再認為地球僅侷限於眼前所見的一片平坦。 人們會嵐覺自己站在「平坦」的地面是因為人與整個地球相較，在尺度上的差異太大，以致 於難以戚受到地球角度的變化。 緊接著是「重力向中心J (5-2) 及「天空圍繞地球四周J

(4-1

)兩個認知狀態的發展，根 據概念演化最適樹演化樹2 的預測，同節點間的認知狀態應屬相近時間發展的概念，但從學 生實際表現發現，三年級學生雖然在「重力向中心J (

5-2

)所占比例超過 50.0% '但在「天空 圍繞地球四周 J (

4- 1

)所占比例卻僅有 39.9% '尚未達到概念出現的標準，表示這兩個概念顯 然不是同時在三年級發生。若檢視這兩個認知狀態於五年級的比例，則發現兩者皆超過 50%

'

且比例相近 (r 重力向中心 J (5-2) 為 56 .4%、「天空圖繞地球四周 J (

4-1

)為 52.3%) ，因此， 將這兩個認知特徵同時歸於五年級發展可能較為妥當。雖然「重力向中心 J (

5-2

)之比例於三

吳育倫、林靜雯 地球形狀演化樹之驗證﹒ 153

•

年級時便已超過 50% '與概念演化最適樹演化樹 2 的預測不符，但由於三年級與五年級之間 並無顯著差異，且 Vosniadou

( 1994

)曾指出兒童會受到「空間具上下之別」及「物體會向下 掉落」兩個預設的限制，而影響對地球形狀概念的發展。從這樣的觀點來看，由於相對於地 平面，空間具有「上下」的差別，因此根據日常生活的直觀經驗，兒童所認知的「天空」是 位於地面的「上方 J '而人則是站在平坦的地面上，受到地面支撐而不會向下掉落，形成重力 向下的概念。倘若兒童能克服「物體會向下掉落」的預設，而認知到人是居住在地球表面四 間，其重力向下的概念便會轉變為向地心;同時也會因人的居住地是分布在地球表面四周， 而認真日到天空分布的範團應是合括整個地球四周，因此重力向中心(

5-2

)與天空圍繞地球 四周(

4-1

)確實有相互影響的可能，故概念演化最適樹演化樹 2 的預測亦有其合理性，至於 何者較貼近兒童真正概念演化的路徑，尚待末來設計研究進一步檢驗。

伍、結論與建議

一、跨年級學生地球形狀認知特徵分布情形

跨年級學生在正確科學模式演化路徑上的認真日狀態，其比例分布大多呈現隨著年級增長

而遞升的趨勢，僅「地球形狀為圓形 J

(

1-2

)及「天空位於地球外古巴 J

(3

-1

)在五年級時出現

下降情形，其中後者經百分比同質性檢定後，雖未達顯著差異，但由於五年級低於三年級將 近 5% '因此本研究特別檢視相關課程及教科書後發現，可能受到各版本教科書中「立體天空 模型」表徵的影響，建議未來可結合此部分之課程，進而設計相關實驗以驗證此推論。此外， 再以 50.0% 作為概念出現的判斷標準， r 地球形狀為圓形 J (

1-2

)、「具備三維概念 J

(2-2

)、「天 空位於地球外部J

(3

-1

)、「地球不具有讓人掉落的邊緣 J

(7

-1

)、「地球不受到支撐 J

(8-1

)等 五個概念主要在一年級時，甚至更早之前就已發展;而「重力方向指向中心J (5且2) 及「不受 到平坦預設的限制J

(6-1

)則在三年級時出現;最後，r 天空圍繞地球四周J

(4-1

)則是要到 五年級時，甚至更晚之後才會發展。研究者認為，此結果除了呈現兒童在建立正確科學心智 模式的過程中，每個相關概念出現轉變的可能時機之外，亦有助於指引課程設計者在各個學 習階段，適當編入合乎該學習階段發展的相關概念，逐步協助兒童建立正確的科學心智模式。

二、概念演化最適樹演化樹2 之預測與跨年級實際表現大致相符

過去地球形狀心智模式的相關研究，著重於兒童地球形狀心智模式類型的探究，難以進 一步獲知在單一特定心智模式中，各個細部概念的轉變可能出現於哪個特定年段(或年齡)。 本研究在跨年級調查中發現r

I

地球形狀」、 r2 維度」、 r3 天空位置」、 r4 天空分布範圓、 r6 平坦限制」、 r7 地球邊緣」及 r8 支撐限制 J '共七項認知特徵，其認知狀態轉變的可能時間 與跨年級學生的實際表現有所呼應。此外，在 Chiu 與 Lin (2008) 的研究中，將概念改變區

.

154

.地球形狀演化樹之驗誰 吳育倫、林靜雯 分成認識論、本體論、情意、概念演化、概念發展及教學六大面向，此理論架構明確將「概 念發展」與「概念演化」進行區別。其中，前者著重的是個體認知能力的發展，後者則偏向 個體與外在社會環境(包含課程)互動所造成的概念演變情形。目前有關概念演化樹的研究 主要是基於概念架構的特質進行分類，其分類依據受到外在環境及課程介入的影響較重，而 受到個體認知發展的影響較弱(例如:林靜雯，

2008)

，屬於 Chiu 與 Lin 理論架構的「概念演 化」一類。若從該角度反觀本研究，演化樹所建議第一階段和第二階段所發展的認知特徵及 其狀態(例如: 2-2 三維、 7-1 地球不具有邊緣及各1 地球不受到支撐限制)顯示，這些概念 的特質，易與兒童日常生活經驗緊密結合，例如:兒童雖然看不到地球的全貌，但可從直觀 經驗推理，或接收來自成人或媒體提供正確科學概念的資訊或表徵;而第三階段所發展的認 知特徵及其狀態(例如:5-2 重力向中心、 4-1 天空圍繞地球四周)則顯示，這些概念本身具 備較複雜且抽象特質，無法透過直觀經驗，需借助學校課程與教學的介入，才得以順利建立 (例如:重力涉及兒童對「重量」及「力」兩個概念)。這些概念的不同特質，有助於協助我 們闡釋學生概念演化由易而難的進程。 雖然概念演化最適樹演化樹2 對於「重力方向指向中心J

(5-2

)的預測與學生實際表現似 乎有待商榷，但一方面由於已有相關文獻(Vosniadou，

1994

)支持該預測，另一方面，因認知 狀態為多題施測，結果顯示，各單一題目之比例與平均比例之間略有落差(詳見附錄四) ，似 乎隱含著測驗此認知狀態之題目有需要修改的可能性。因此，研究者建議未來除了可針對此 部分設計相關實徵調查，確認此概念之發展情形外，亦值得持續蒐集更多學生的資訊，進一 步支持、修正或拒絕概念演化最適樹演化樹 2 。此點亦凸顯支序分類之概念演化取向是具系統 性與科學性的研究取向。整體而言，概念演化最適樹演化樹 2 的預測與兒童地球形狀概念發 展的實徵趨勢大致相符，不僅顯示透過概念演化樹可以有效預測形成心智模式的過程中，細 部概念出現轉變的可能時間，更是進一步以不同領域的主題驗證並支持林靜雯及其同儕(林

靜雯，

2006 ; Lin & Chiu

,

2006

,

2013

)所提出之支序分類之概念演化取向的可行性，提供科學

教育研究者更為省時、省力且可進一步效化之研究方式。

誌謝

本研究凰謝行政院國家科學委員會經費補助(計畫編號:

NSC99-25

1l

-S-133-002-MY3)

,

在此特致謝忱。

吳育倫、林靜雯

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附錄一

地球形狀認知特徵編碼內容表

認知特徵 認知特徵內涵 詔知狀態 1.地球形狀 地球的形狀 l 矩形， 2 圓形; 3煎餅狀 2. 維度 地球的形狀在空間座標上的數目 1 三維 ;2 三維 3. 天空位置 天空座落的位置 1 地球外部 ;2地球內部 4. 天空分布範闇 天空分布在地球的範圍 l 四罔 ;2上方 ;3 居中 重力(或稱地心引力)在地球上的 5. 重力方向 作用方向，亦即受到「東西會掉在 1 向下， 2向中心 地上」預設的限制與否 6. 平坦限制 受到「看起來平坦的東西是平坦的」 。有; 1 無 預設的限制與否 7. 地球邊緣 地球是否有會讓人掉落的邊緣 。有; 1 無 8 支撐限制 受到「地球是受支撐的」預設的限 。有， 1 無， 2都可能 制與否