金屬迷思概念改變之研究

目次

第一章 緒論………1 第一節 研究背景與動機………1 第二節 研究目的與待答問題………4 第三節 名詞定義………5 第四節 研究範圍與限制………7 第二章 文獻探討………9 第一節 金屬迷思概念之相關研究………9 第二節 分類與概念學習………15 第三節 迷思概念與科學學習………20 第四節 概念改變………26 第五節 概念改變之教學策略………32 第六節 本研究概念改變教學策略之設計理念………43 第三章 研究方法與步驟………46 第一節 研究方法………46 第二節 研究對象………53 第三節 研究工具………55 第四節 研究流程………55 第五節 資料收集與分析………57

第四章 研究結果與討論………59 第一節 初探研究結果與討論………59 第二節 初探研究晤談分析………66 第三節 正式研究結果（一）教學成效之差異性分析………75 第四節 正式研究結果（二）各試題選答機率分析………79 第五節 正式研究結果（二）各試題選答變化分析………84 第六節 綜合討論………...100 第五章 結論與建議………109 第一節 結論………109 第二節 建議………112 參考文獻 ………115 附錄 附錄一 金屬性質問卷………126 附錄二 金屬概念教材審查意見表………129 附錄三 金屬概念改變教案………131 附錄四 金屬概念閱讀教材………142

表目次

表 2-1-1 國民中學自然與生活科技學習領域課程綱要………12 表 2-4-1 概念改變模型之描述訊息………28 表 2-6-1 金屬之迷思概念類別與概念改變型態分析………45 表 3-1-1 實驗研究變項表………49 表 3-1-2 迷思概念之概念改變教學設計分類模式………49 表 4-1-1 初探研究試題一卡方檢定表………61 表 4-1-2 初探研究試題二卡方檢定表………62 表 4-1-3 初探研究試題三卡方檢定表………64 表 4-1-4 初探研究試題四卡方檢定表………64 表 4-1-5 增修之教學項目對照表………65 表 4-3-1 二組學生前測答題統計表………76 表 4-3-2 二組學生後測答題統計表………76 表 4-3-3 二組學生延宕答題統計表………76 表 4-3-4 二組學生後測答題共變數分析表………78 表 4-3-5 二組學生延宕答題共變數分析表………78 表 4-4-1 正式研究試題一卡方檢定表………80 表 4-4-2 正式研究試題二卡方檢定表………81 表 4-4-3 正式研究試題三卡方檢定表………82 表 4-4-4 正式研究試題四卡方檢定表………83 表 4-5-1 試題一選答分布表………86 表 4-5-2 試題二選答分布表………88

表 4-5-3 試題三選答分布表………89 表 4-5-4 試題四選答分布表………91 表 4-5-5 試題一選答變化統計表………92 表 4-5-6 試題二選答變化統計表………96 表 4-5-7 試題三選答變化統計表………97 表 4-5-8 試題四選答變化統計表………99 表 4-6-1 迷思概念百分率比較表………107

圖目次

圖 2-1-1 金屬概念圖………11 圖 2-4-1 本體類別………30 圖 2-4-2 認識論改變種類的分類………31 圖 2-5-1 建構主義的教學順序………34 圖 3-1-1 實驗設計圖………47 圖 3-1-2 金屬教學流程圖………51 圖 3-4-1 研究流程圖………56

金屬迷思概念改變之研究

摘要

本研究目的為針對學生在金屬分類之迷思概念，由其成因設計教學策 略以及教材，以探討概念改變的學習成效。教學教案及閱讀教材開發完成 後進行一小規模的初探研究，作為改進後續教學之依據。正式研究對象為 台中市某國中二年級之二班學生，採準實驗研究法，並採不等組前測─後 測設計，將研究對象分為教學組與閱讀組，二組皆為四十名學生。二組學 生均接受金屬概念雙層試題之前測；教學組學生接受教學策略設計教學， 閱讀組學生自行閱讀金屬概念教材，後測結束後一個月，再同時接受相同 工具之延宕測驗。統計考驗採用獨立樣本T 檢定、共變數分析以及卡方檢 定等方法進行分析。研究結果顯示，不論教學組與閱讀組學生，在教師教 學或自行閱讀教材後，後測及延宕成績皆較前測有所提升，前測、後測與 延宕測驗，教學組平均分別為1.02、3.05 與 2.55；閱讀組平均分別為 1.13、 2.63 與 1.95，顯示教師教學或自行閱讀教材，對於學生概念改變皆具有某 種程度的成效。此外，本研究由學生前測、後測與延宕測驗之選答變化深 入分析各迷思概念，以了解學生概念改變之特徵，並發現學生在「金屬是 否會被磁鐵吸引」、「汞含有『銀』的成分」、「容易導熱的就是金屬」等迷 思概念上較為固著。最後本研究對於教學、教材設計以及未來研究提出建 議。 關鍵詞：金屬、迷思概念、教學策略

A Study of Misconceptual Change about Metal

Abstract

The purpose of this research focuses on the misconceptual change regarding categorizing metal concepts, discusses how these concepts formed, and therefore design teaching strategies and materials to correct these misconceptions. After the process of designing the teaching plan and reading materials completes, the researcher proceeds the pilot study in a small scale as the resources to improve the formal teaching. This research adopts quasi-experimental and the pretest-posttest nonequivalent-groups design. The subjects are the students in two classes of a junior high school in Taichung, and dividing them into a teaching group and a reading group, each with 40 students. Students in both groups take pretest of two-tier test items about metal concepts. The students in teaching group undergo designed teaching with teaching strategies while the students in reading group read materials about metal concepts on their own. A month after the posttest, students in both groups takes the same delayed test. The formal study is analyzed by several statistic tests including t-test, ANCOVA, Chi-square test, etc. According to results of the research, the scores are raised both in the posttest and delayed test in both teaching and reading group. The scores in the teaching group are 1.02 in pretest, 3.05 in posttest, and 2.55 in delayed test while in the reading group are 1.13 in pretest, 2.63 in posttest, and 1.95 in delayed test. The result shows that both the teacher’s instruction and the student’s independently reading are in some degrees helpful in changing students’ concepts. Besides, the research, according to students’ selected answers in pretest, posttest and delayed test, thoroughly analyzes various misconceptions to understand the students’ characteristics of concepts changing. By doing so, this research also discovers that students have robustel concepts like “all metals are attracted by a magnet,” “mercury includes the component of silver,” “metals are something that conducts heat easily”. Finally, the research will propose suggestions for the teaching, teaching materials designing and future research.

第一章 緒 論

本章將就研究背景與動機、研究目的與待答問題、名詞定義及研究範 圍與限制，分成四節加以敘述。

第一節 研究背景與動機

壹、研究背景 人類文明的開端，便是使用金屬的開始，從早期的「石器時代」，來 到「青銅器時代」及「鐵器時代」，便是利用當時代人類使用的金屬作為 定義歷史年代的一種方式。由此可見，人類利用金屬製造器具的年代已經 有相當久遠的歷史，十八世紀工業革命後，人類更是仰賴大量金屬製作的 機械作為生產製造的工具。而對現代人來說，「金屬」是一個多麼普通的 概念，日常生活中隨處可見金屬製品的存在，所以金屬和人類的生活是有 相當密切的關聯的。 從 1970 年中葉開始，認知心理學及建構主義相繼的興起，教育學者 對「學習」一事有了新的看法。教育學者不再假設學生在進入學習情境時 猶如一張白紙，只是被動的接受教師所給與的知識，而傾向於重視學習者 本身的既有想法與學習過程。因此學生在學習科學時，就如同科學家對於 自然現象進行觀察和探討(Driver & Erickson, 1983; Gauld, 1988。引自謝志

仁、郭重吉，1993)。在現行的中小學自然與生活科技課程中，有許多課程

內容是需要透過操作活動的過程，以幫助學生瞭解物質的本質及交互作 用。支持經驗論的學者認為學生要理解「金屬」這個概念，必須先瞭解金、 銀、銅、鐵等材料有什麼性質，再去瞭解這些材質的共通性，然後從這些

概念中，瞭解什麼叫做「金屬」(Sloma,1996。引自任宗浩，2001)。 誠如上述，學生在進入新的學習情境時，並不是一張白紙，只單純且 被動的接受訊息，根據認知心理學家(Ausubel, 1963; Carvey, 1985; Novak, 1996; Wheatley, 1991)的研究：學生在學習新知識前，面對各種事物或現 象，就會產生一套自我解釋的模式，這時就會以自己的先前知識來主動建 構意義。由於學生在學習時憑著已學過的有限知識來推理或觀察，所以會 和科學家的概念不同甚至於違背，因而產生偏差的概念，這些稱為「迷思 概念」(misconceptions)。因此，學生在金屬分類概念的形成上難免會有迷 思概念，幫助學生達成概念的理解與改變，正是教師的責任，我們不能期 待學生本身去確認和改正其迷思概念，而是應加上教師的協助，才能解決 迷思概念的問題。身為一個教師要如何幫助學生學習、建立正確的科學概 念呢？概念改變的過程並不容易，有時即使改變看起來很合理的，但卻仍 然很難被學習者所接受。因此瞭解概念改變如何發生和概念改變的機制已 是一門相當重要的課題。根據建構主義，強調學習者為一個能由本身經驗 主動建構學習的有機體，因此教師扮演的角色宜由過去重視「該傳授什麼 內容給學生」轉而重視如何在學生既有的經驗與興趣上去建構新的知識， 解決實際的問題(Duit, 1991)。由此可知，瞭解學生的概念與概念改變的情 形是相當重要的。 貳、研究動機 人們秉持著某種依據或準則來觀察並分類事物，似乎已是一個習以為 常的好方法，例如生物學家根據物種的特徵等，將生物界分類為界、門、 綱、目、科、屬、種等七個類別。而在一般展覽場所如博物館、動物園等 等，亦常看到參觀者會以展示場所的圖示解說來判定是對應於哪一個實物

或動植物。在日常生活中也存在著許多分類系統，例如圖書分類系統、網 路入口網站所提供的分類搜尋功能等等，協助了人們處理、過濾大量的資 料，使成為有意義的資訊。 在九年一貫課程中自然與生活科技學習領域之分段能力指標部份提 到（教育部，2001）：分類能力是學生在學習各階段上，所應習得的科學 探究過程之心智運作能力指標（過程技能）之一。因此，分類能力是屬於 自然科學學習時，學生所應具備之國民科學素養的內涵。而對於物質的性 質與辨認以及物質之間的交互作用，是中小學科學教學中重要的課程目標 之一（教育部，1993），故此，探討學生對於各類物質之化學性質的分類 表現，是一個值得深入探究的問題。 對於有著具體實物或內容的事物，人們會依循某些特徵、形狀或明文 敘述來做分類，「金屬」之分類便是依據所具有的共同特徵而進行分類， 在我們的日常生活中「金屬」扮演著相當重要的角色，中小學課程中「金 屬」也經常有相關的教學內容，因此「金屬」是一個重要的科學教育主題， 學生的分類能力亦是相當重要的指標之一。 教科書在教學中占有極為重要的角色，不僅是教師在教學時的依據， 也是學生獲得知識的主要來源之一（許良榮，1994）。「閱讀」是一切學 習的基礎，也就是說，我們可以利用閱讀來進行學習。在國小高年級階段， 學生已經具備相當的閱讀技巧，並且由二~三年級的閱讀能力獨立、進步 期，進入四~六年級的由閱讀學習期（吳宜貞、黃秀霜，1998）。閱讀就 如同是問題解決的過程一樣，為了獲得閱讀的理解，讀者必需運用基模， 建立並且考驗心中的假設，而後逐步修正假設。這個過程就是所謂的閱讀 思考活動（引自許雅惠，2001），由此可知，閱讀亦是學生獲得概念的重 要學習方式之一。

根據許良榮（2003a）國科會研究計畫「中小學生對於物質化學性質 的分類迷思概念的成因之研究」成果顯示，中小學生對於金屬分類存在許 多之迷思概念，例如，在「汞（水銀）」的分類中，有不少中學生將「汞 （水銀）」分類為金屬之原因，解讀為因為「汞（水銀）」含有「銀」的 成分，而小學生則有不小之比例認為水銀含有水，所以將之歸類為非金 屬，在此，顯示了語言對於學生之分類佔有頗重要的影響。除了語言之影 響外，研究中亦發現生活經驗、邏輯推理以及學校學習經驗等等皆會對學 生之迷思概念發展產生影響。 由上述之研究(許良榮，2003a)可知學生在金屬之分類上具有相當多樣 性的迷思概念，頗為值得關注以及進一步探究如何改變學生的迷思概念， 因此，本研究擬針對上述之研究成果，學生對於金屬分類之迷思概念進行 分析，並設計教學，教學策略設計乃融合參考 Thagard（1992）之科學史 概念改變類型、Chi（1992）之本體樹、Hewson（1992）之概念生態與概 念狀態以及Bruner（1968）之概念達成模式，所設計出改變學生迷思概念 的教學方法，以做為改進教學、促進學習效果、教材設計以及課程發展的 參考。另亦將討論學生自行閱讀教材，對其概念改變之影響及成效。

第二節 研究目的與待答問題

壹、研究目的 由上述之研究背景及動機中，我們得知學生的迷思概念類型具相當之 繁雜性，因此針對不同類型的迷思概念設計適合的教學策略是必要的，如 何讓學生達到概念改變成為一個重要的研究議題。由許良榮（2003b）的

研究發現學生在金屬分類之迷思概念的發展與成因包括了生活經驗、語 言、邏輯推理以及學校學習經驗等等，針對學生之迷思概念，探討如何進 行教學策略設計與教學，以達成概念改變之學習成效，並做為改進教學、 促進學習效果、教材設計以及課程發展的參考。因此，本研究目的為： 針對學生在金屬分類之迷思概念，由其成因設計教材以及教學策略， 以探討概念改變之學習成效。 研究結果對於提昇學生在金屬分類之概念理解與改變，以及未來的課 程設計上，應具有相當值得重視的參考價值。 貳、待答問題 基於上述研究目的，研究者提出下列待答問題： 一、本研究發展之金屬概念教學策略對於學生之概念改變情形如何？ 二、本研究發展之金屬概念閱讀教材對於學生之概念改變情形如何？ 三、「教師教學」以及「學生自行閱讀教材」，對於概念改變之差異 性為何？

第三節 名詞定義

為了對本研究所探討的各類問題，能有清楚明白的界定，本節將界定 研究中所使用的相關名詞，以期能使參考者有更進一步的瞭解。本研究之 重要名詞包括「金屬」、「迷思概念」、「概念改變」、「教學策略」、「閱讀教 材」，分述如下： 一、金屬（Metal） 依據何培之（1988）對金屬的界定如下：

（一）金屬都具特殊的金屬光澤（metallic luster）。除銅、金等個別金屬 外，一般金屬都是銀色或灰色。

（二）與非金屬固體比較，除了鋰、鈉外都有較高的密度。

（三）有良好的導熱性（thermal conductivity）和導電性（electrical conductivity）；它們均隨溫度的升高而降低。

（四）有很好的可塑性和延展性（ductility and malleability）。 二、迷思概念（Misconceptions） 迷思概念是由英文的「misconception」一詞翻譯而來，是指學童從生 活經驗中所學得用以瞭解和解釋自然現象的一套想法，不同於一般正統之 「專家概念」。 三、概念改變（Conceptual change） 指學童之原有概念經由教學或成長歷程，產生變化、不同於原有概 念，即先存概念的變化狀況。廣義之概念改變有概念增加成長與概念修正 之意，狹義之概念改變乃指概念修正。本研究是指學童在經歷教學活動之 後，產生概念的修正或轉變等通稱為概念改變。 四、教學策略（Instructional strategy） 本研究所指的教學策略乃融合且參考Thagard（1992）之科學史概念改 變類型、Chi（1992）之本體樹、Hewson（1992）之概念生態與概念狀態 以及Bruner（1968）之概念達成模式，所設計出改變學生迷思概念的教學 方法。 五、閱讀教材（Reading materials） 本研究所指之閱讀教材，乃研究者根據教學策略設計，自行開發之「金 屬概念閱讀教材」，該閱讀教材與教學教案將進行專家審查，力求教學教 案與閱讀教材二者，所包含之金屬概念為相同。

第四節 研究範圍與限制

本研究採用「準實驗研究法」。在研究過程中，主要的範圍及其限制 如下述。 壹、研究範圍 一、研究樣本的範圍 本研究對象採立意取樣，在樣本的選擇上受研究者的人脈、能力、地 域及經費等多種因素的限制下，研究者選擇台中市某國民中學二年級二個 班的學生作為研究對象，一班學生為教學組接受教學策略之教學，另一班 學生為閱讀組自行閱讀教材，閱讀教材係研究者根據教學策略自編之「金 屬概念閱讀教材」。之後再從教學組及閱讀組學生中，選取數位實施個別 晤談。 二、研究內容的範圍 本研究所探討之概念範圍為國民中學自然與生活科技課程中有關「金 屬」方面的概念，其重要概念為：金屬屬於集合概念，在分類金屬與非金 屬時，不能由單一性質即據以判斷。 貳、研究限制 一、本研究只選取台中市的一所國中二年級的兩班學生為研究樣本，若 欲進行推論，則需考慮其他相關因素，如地區、年級、學校規模等 母群體差異不大的樣本。 二、本研究僅限於國中二年級學生有關「金屬」之迷思概念改變分析， 限於研究人力及物力下，無法針對所有不同年級學生的概念做更完

整詳盡的描述及分析，因此若要將研究結果推廣，需審慎評估。 三、本研究所探討之主要概念為「金屬」，其重要概念為：金屬屬於集

合概念，在分類金屬與非金屬時，不能由單一性質即據以判斷。研 究範圍有限，本研究結果不宜推論至其他概念，僅供做類似教學內 容設計之參考。

第二章 文獻探討

爲配合本研究的需求，本章共分成六節。第一節「金屬迷思概念之相 關研究」：主要是探討金屬的定義以及國內外有關金屬迷思概念之研究； 第二節為「分類與概念學習」：因判斷物質為金屬或非金屬，牽涉到學童 的分類能力，因此將說明概念在分類上所扮演的角色，主要分為「分類對 學習的重要」以及「分類與概念學習的相關」等二部分進行探討；第三節 「迷思概念與科學學習」：主要探討學術界對迷思概念的綜合研究；第四 節為「概念改變」：針對國內外有關概念改變之基本理論，其相關研究進 行說明；第五節則為「概念改變之教學策略」：主要呈現目前對於概念改 變教學之相關策略；第六節「本研究概念改變教學策略之設計理念」：主 要說明在本研究中教學策略設計之理念。

第一節 金屬迷思概念之相關研究

壹、金屬的定義 史前人類使用金屬的開始，便是文明的開端，例如：「青銅器時代」 便是人類用當時使用的金屬定義歷史年代的一種方式。對現代人來說，「金 屬」是一個多麼普通的概念。製作炊具的鋁，製造罐頭的鋅，打製首飾的 金，還有製作各種工具的鐵等等，不都是金屬嗎？在門捷列夫的元素週期 表中，左下角絕大部分是金屬的領域，僅右上角才是非金屬的地盤。在人 類至今認識的109 種化學元素中，非金屬只有 22 種，而金屬占了近 80％。 這些金屬在常溫常壓下，都是具有光澤而不透明的固體（除汞外），它們

與非金屬之間存在著一條涇渭分明的界限。日常我們見到的金屬有相當 多，這些純金屬雖各具有不同性質，但基本上仍具有其共通性，依據何培 之（1988）對金屬的界定如下： 一、金屬都具特殊的金屬光澤（metallic luster）。除銅、金等個別金屬外， 一般金屬都是銀色或灰色。 二、與非金屬固體比較，除了鋰、鈉外都有較高的密度。

三 、 有 良 好 的 導 熱 性 （thermal conductivity ） 和 導 電 性 （ electrical conductivity）；它們均隨溫度的升高而降低。

四、有很好的可塑性和延展性（ductility and malleability）。

上述的金屬性質都是其內部結構特徵和鍵結方式的反映。由於同種金 屬原子的大小相同，因此金屬晶體結構可用等徑圓球堆積（close packing） 來描述。由於堆積的緊密程度常用空間利用率，即金屬原子體積所占整個 空間的百分比來表示。因此金屬物質的密度大都高於非金屬固體。（引自 何培之，1988，56 頁）。由此可知，「金屬」屬於集合概念，不是由導電、 容易導熱、延展性佳、有光澤、沸點高…等等單一性質所界定，而是這些 性質的集合才屬於金屬。整理關於金屬之概念圖，如圖2-1-1 所示：（引自 陳舜佳，2003）。

包括 包括 的 的 的 例 除 除 如 了 了 除 但 了 除 了 其 它 是 圖2-1-1 金屬概念圖（引自陳舜佳，2003，頁 31） 元素 金 屬 非金屬 外 觀 具 金 屬 光 澤 金 、 銅 不 透 明 大 多 是 固 體 汞 都 有 ﹃ 金 ﹄ 字 邊 汞 化 學 性 質 金 屬 會 生 鏽 元 素 金 物 理 性 質 會 導 電 高 熔 點 高 沸 點 汞 ︵ 水 銀 ︶ 固 體 硬 度 大 鑽 石 最 硬 延 展 性 好 比 熱 小 容 易 導 熱 傳 熱 較非金屬

貳、學生金屬之迷思概念相關研究 在現行的九年一貫自然與生活科技教科書中，也有不少和金屬有相關 的單元，以下就國中的九年一貫課程綱要做說明： 表2-1-1 國民中學自然與生活科技學習領域課程綱要（教育部，2002） 編號 分段能力指標 1-4-1-2 能依某一屬性(或規則性)去做有計畫的觀察 2-4-4-2 探討物質的物理性質與化學性質 2-4-4-4 知道物質是由粒子所組成，週期表上元素性質的週期性 2-4-5-2 瞭解常用的金屬、非金屬元素的活性大小及其化合物 2-4-4-5 認識物質的組成和結構，元素與化合物之間的關係，並瞭解 化學反應與原子的重新排列 ＊ 編號第一碼代表主項目序號、第二碼代表年段(4 代表第 4 階段國中 一、二、三年級)、第三碼代表能力指標之次要目標序號、第四碼代表 流水號 教科書的內容是學生學習經驗的主要來源之一，學生或許曾聽教師講 授過，但是本身固有的概念、隱喻及不當的聯想以及錯誤的示範、操作等， 都可能讓學生形成迷思概念。White(1988)指出若要將物質加以分類，例 如：動物、植物、金屬等，專家和兒童會以不同的分類方法而分類。當區 分金屬和非金屬時，專家會觀察物質的特性然後再做分類，學生則會依照 金屬的定義、功能來做分類。學生的分類方法可能是兩種情形： 一、直觀（intuitive）的方法：直接靠感覺去猜的，不是真正熟悉他們 兩組間的關係或不同點。 二、分類有時不是十分瞭解它們之間的內涵。 國內外文獻對於金屬之概念的相關研究中有某些研究指出學生對於

金屬具有值得注意的迷思概念，Biddulph & Osborne（1983）以晤談研究 38 位九、十年級學生對於金屬的觀念，研究顯示學生對於何謂金屬所持的 理由相當多樣性，例如重量、光澤顏色、軟硬程度、磁性等等，有40%學 生認為金屬可以被磁鐵吸引，有55%學生認為奶粉罐子上的鋁片因為可以 彎曲所以不是金屬，顯示學生對於金屬的特性具有迷思概念。de Posada （1997）以開放性問題探討高中學生（10∼12 年級）對於金屬內在結構的 概念，研究結果顯示十年級學生有37%持有非連續觀點（缺乏原子分子之 粒子概念），11、12 年級則降至 5%以下。而持有非連續（粒子）觀點的學

生也未必能恰當地解釋金屬結構。此外，Coll, Richard., & Treagust（2000） 半結構（semi）訪談高三、大學、研究所各 8 位的學生對金屬鍵的心智模 式（mental model），研究結果發現高中生對金屬格狀結構感到困擾，而大 學生及研究生則會畫圖甚至會加以說明格狀結構，但是雖然大學及研究所 學生比高中生學習者提供較多有關於金屬本質--格狀結構意義，但仍然無 法完整的將合金架構及其結構做解釋。Coll, Richard., & Treagust（2000） 指出，學習者雖無法提供具探究性的心智模式解釋金屬物質的導電性 （conductivity）及延展性，但學習者的心智模式具有獨特性，是根據自己 的發現做總結的。 根據許良榮（2003a）研究發現學生在金屬性質的迷思概念包括了以 下幾項： 1. 認為「鑽石是金屬」的學生由小四到高二分別為 27.8%，22.0%， 18.7%，6.1% 2. 認為鑽石不是金屬的學生中以勾選「因為鑽石不會被磁鐵吸引」 的理由為最多，由小四到高二都在17.4%以上。 3. 小四總計有 63.5%、小六有 56.7%認為水銀不是金屬，其理由以「因

為金屬是固體，而水銀是液體」為最多（小四37.7%；小六 33.2%）； 其次為「因為水銀不能被磁鐵吸引」（小四13.5%；小六 15.2%）。 4. 中學生認為汞是金屬的人數比小學多，國二總計有 74.3%、高二有 88.3% 認 為 汞 是 金 屬 ， 但 是 其 所 持 理 由 在 國 二 達 到 近 半 成 （48.6%）、高二則有10.6%的學生認為是「因為汞有『銀』的成分」 5. 小四到高二分別有 14.3%、22.4%、12.6%、16.7%認為水銀（汞） 是金屬的理由是「容易導熱的就是金屬，而水銀（汞）容易導熱」。 6. 國二學生有近半成（49.5%）、高中則只有 5.7%學生認為碳棒不是 金屬的理由是「因為金屬都會生銹，碳棒不會」。 7. 認為「名稱有『金』字邊的就是金屬」的小四到高二分別為 7.5%、 3.2%、25.7%、31.1%，顯示中學生傾向以物質名稱為判斷的依據 比小學生高出不少。 8. 認為鋁不是金屬的學生當中，小四與小六在三項理由的選答比率 頗為平均，依序為「因為鋁比較輕、軟」（小四18.7%、23.8%）；「因 為金屬的成分是鐵」（小四14.7%、13.7%）；「因為鋁不會被磁鐵吸 引」（小四15.9%、24.9%）。 誠如上述，學生關於金屬之迷思概念具有相當之多樣性，其成因包含 生活經驗、語言、邏輯推理以及學校學習經驗等等，值得進一步關注與研 究。

第二節 分類與概念學習

壹、分類對學習的重要

學生的錯誤，實際上是通向理解的自然階梯(杭生譯，1987)，「達到 理解」和「概念」是同義詞，因此控制概念的形成是必要的(姜文閔譯， 1992)。而概念的形成基本上便是一種分類的過程與結果（Smith & Medin, 1981），因為「概念」是一種象徵的建構（symbolic construction）以用來 代表外界事物的共同性。換言之概念所以形成，是由於我們能夠對外界的 事物進行歸類（categorization）；把相同的事物歸為一類，以便與不同類 的事物在理念上分開（鄭昭明，1993） 在台灣的現行教育中，「分類」一直是學校科學課程中所重視的。例 如：在國小自然科課程標準（教育部，1993），國小一年級就要「指導兒 童從學習中，擴展五官及觀察能力，習得辨認特性及異同比較的觀察方 法。」其主要是藉由兒童的感官培養兒童分類的能力。自九十學度開始實 施的國民中小學九年一貫課程中的自然與生活科技學習領域之分段能力 指標部份，將自然科學的技能學習過程，納入了觀察、比較與分類、組織 與關連、歸納與推斷、傳達等指標（教育部，2001）。也就是說「分類」 應是學生在學習各階段上，所應習得的科學探究過程之心智運作能力指標 之一，因此「分類」在自然科學習中是不可忽視的。 國 內 學 者 鄭 昭 明 （1993 ） 認 為 在 個 人 心 智 歷 程 的 運 作 上 ， 歸 類 （categorization）可以是學習記憶的一種策略，而歸類的操作活動，本質 上就是分類的表現。Markman & Callanan (1983) 對兒童分類行為的研究顯

示七歲以後的孩童會根據「分類學法則關係」（taxonomic relation）來區分

事物分類。例如：在樣本配對作業中，若目標物件是一隻蜘蛛，接著要孩 童由蜘蛛網及蚱蜢中挑出另一物件，年紀較大的兒童會挑選蚱蜢，這屬於 「分類學法則關係」，因為在兒童的心中，可能蜘蛛和蚱蜢同屬於小動物， 因此他們被劃歸為同一類別群組；但是年紀較小的孩童則會挑選出蜘蛛作 為目標物件的群組物件，因為蜘蛛結網，兩者之間具有「主題式的關聯」 (引自任宗浩，2001，頁25)。郭重吉（1993）則把概念動態化，認為概念 是學習者接受外來訊息後，再統整於原有知識（prior knowledge）或先前 概念（preconception）而建構發展出來的結果。由此可以看出「分類」與 「概念」是相輔相成的—我們將事物進行分類以形成概念，先前概念又影 響或協助我們對事物進行分類，因此分類可以說是一種動態的過程，在學 習過程中不斷變化與成長。 在認知心理學派中，亦對於「分類」有過相關討論，在1969年瑞士的 兩位兒童認知發展研究學者Inhelder and Piaget對2159位兒童所做的研究中 發現：兒童要到七、八歲以後才漸漸開始發展分類及排序的認知結構(引自 Ginsburg & Opper, 1979)。其研究結果顯示兒童的分類能力發展，可約略分

為三個階段：(一)第一階段(二歲至五歲半)：在這階段的兒童會把他認為有 關係的物體放在一起（collective objects），但沒有固定的特性以決定物體 應屬於那一個集團（collection），而是透過他個人的知覺（perception）主 導了分類的操作。亦即在進行操作時沒有全盤計劃（general plan），只是 隨個人的需要把物體加以排列及集合，並留下一些物體未加處理和分類； (二)第二階段(五歲半至七歲)：在這階段的兒童根據「相似性」分類，他會 把所有物體加以歸類，能利用物體的同一屬性（attribute）作為物體分類的 標準，並逐漸形成階層（hierarchy）分類；(三)第三階段(七歲至十一歲)： 在這階段的兒童不但能作階層分類，同時也瞭解階層之間的關係。但是他

只能操作真實物體的分類問題，而不能操作假說性的物體（hypothetical objects）。到了形式操作期兒童才能進行假說性物體的分類。

皮亞傑的研究中(Inhelder & Piaget, 1969)提到：「在日常生活中，能夠 合理的將事物分門別類者，即表示能以精確明辨的方式替代含糊籠統的反 應」。皮亞傑認為邏輯分類的思考能力之教育價值在：「學童如果不具備 系統化及靈活的邏輯分類與關係概念，則學習方法非但呆板，而且會曲解 事實，因為他只能注意吸引其興趣的片面情況。從認知發展的觀點而言， 能夠靈活運用邏輯分類系統，尤其是建立穩固之「量化包含類別」概念， 實為日後青少年期推理演繹思考能力之基礎」。因此，皮亞傑曾假定邏輯 分類概念具備如下三種功能:(一)聯繫事物間之共同點。(二)辨別事物之相 異點。(三)量化。(引自俞筱鈞，1982，頁146-147)。 Rosch等人（1976）之研究亦指出：人們會在環境中對事物加以分類， 藉由類別系統(category system)來組織大量訊息，並使其能被保留於長期記 憶中(引自莊志彥、蘇育任，1999，頁135)，而赫胥黎(Huxley)曾說：「我 人之所以將事物分類者：所以分其異，類其同，以求區別事物，而便於辨 識記憶也。」(王省吾，1982)。 因此分類對概念學習是重要的；歸類行為使得「概念」得以形成，進 而也使得個人得依此獲得的「概念」對事物進行分類，「概念」與「分類」 兩者具有交互運作的互動關係，分類能力的呈現是以個人在進行歸類行為 時所持之概念為基礎。 貳、分類與概念學習的相關 關於「分類」與「概念」之間的相關，皮亞傑認為分類認知結構是發 展邏輯運思的基礎，認為兒童要到了七、八歲，即踏入具體運思期以後，

才漸漸開始發展分類及排序的認知結構(Inhelder & Piaget, 1964。引自 Ginsburg & Opper, 1979)。分類的目的，在便於辨識與記憶事物的特質。而 Neisser認為知覺是一種週而復始的活動，可以由資訊處理學說來加以修 正。他認為任何一種學說的解釋都不完整，因為它分割了正常進行的活 動，知覺不是靜態、孤立的活動，而是一種週期的過程。從建構學說部份 來說，他使用認知結構中的基模來導引資訊處理，在直接學說部份，強調 視覺陣列提供人類資訊，很少有認知處理。因此，在此模式中，知覺沒有 終結，各組成以循環方式排列，基模的作用就如同計畫或預期，導引下一 步的資訊處理。而知覺的探究則根源於移動或行動，它的功能是為了擷取 的資訊會修正使用的基模(引自黃秀瑄、林瑞欽編譯，1991，頁128∼130)。 在國外有關分類的迷思概念研究中，有許多學者專注於學生對於動植 物之分類的表現，如Braund(1991)研究12到16歲學生對於動物的分類概 念，結果發現學生的年齡、性別等因素，與其分類概念有關。Voelker(1972) 的研究顯示小學六年級學生對於哺乳類動物、魚類等脊椎動物的概念較為 清楚，對於無脊椎動物則較不清楚。另一方面；小學生經常以腳的數目、 體毛、棲息地等屬性分類各種動物，而大學生則傾向於使用科學上定義的 屬性做分類。國內學者陳世輝（1995）研究兒童的遺傳概念，也發現兒童 在分類時經常使用的屬性，主要依據以下幾項：(一)外形；(二)生長地；(三) 食性；(四)運動方式；(五)類別名稱；(六)習性。這些屬性主要是「知覺性」 的、「功能性」的，而使用的時機也會因環境時空因素而異。 概念是人類萃取相同性質在物體、事件或其他概念中之共同性，使用 文字、語言等方式予以符號化的產物，人類為有效溝通，需要學習此符號 化的產物，學習的過程中，分類協助了人類形成概念。「分類」的操作歷 程可以協助學生建構概念、組織知識；所形成後的概念又可以做為提供學

生在歸類事物、現象上的依據。例如學生在對顏色分類的學習過程中形成 了「紅色」概念，而形成了「紅色」概念之後，則可以提供學生在應用指 示劑顏色之判斷。例如以石蕊試紙在酸性溶液中為紅色，來判斷溶液中是 否含有酸性物質。 日常生活所使用的概念並非單純的一個屬性就能界定。有許多都是 由兩個以上的屬性共同來界定的，這類的概念稱為複雜概念（complex concept）（鄭昭明，1993）。鄭昭明整理Bruner等人（1956）的研究在複雜 概念中，又包含「交集概念」（conjunctive concepts）、「聯集概念」（disjunctive concepts）及條件式概念（conditional concepts）。交集概念是指一組的屬性 共同連合來界定一個概念，例如：「少女」是一個交集概念，因為她是由 「年齡」及「性別」兩個屬性的值量共同聯合界定的，其中一個屬性不符 合，就不稱為「少女」。聯集概念仍舊是由兩個以上屬性或值量所決定的 概念，但不必共同界定，只要其中某一個屬性單獨出現就可界定，例如： 客戶。條件式概念是指界定的屬性彼此之間存在著某種條件的限制，例如

當A成立，B也必須成立。另外「雙條件式概念」（bicondition concepts）和

「條件式概念」在邏輯上相關，前者比後者有更多的條件以限制概念的正 例，即有選擇性的，例如偽君子看到熟人禮讓，陌生人則不禮讓。依「金 屬」而言，是由二個以上的屬性集合，必需有共同屬性來界定，不是由會 導電、容易導熱、有特殊金屬光澤、延展性佳……單一屬性所組成，所以 「金屬」是一種交集概念。 概念與分類既有著如此緊密的互動關係，也就突顯出概念的價值性。 饒見維（1994）曾指出概念的功用與重要性在： 1. 概念化作用是人類認識世界的基本方式。 2. 概念的使用可以幫助人類解決問題。

3. 概念的使用可以簡化或協助人類的溝通。 4. 概念可以用來記錄人類的經驗與智慧。 5. 概念化是維持人類社會許多活動的基礎也是紛爭的起源。 依Robert（1996）所提：概念是知識的基本組成單元，分類是在以一 些共同的特點或類似於某一原型為基礎來組織概念。概念的學習（concept learning）是根據對個別事例之經驗而習得新的分類原則（林清山譯， 1997）。因此概念可以幫助人類記憶，同時可以用來協助人類分類進一步 直接學習，以減少重新學習的需要。

第三節 迷思概念與科學學習

人本建構論者（Human Constructivist）的回顧指出：「1978年是科學 教育的研究由學院派（例如Bruner, Gagne, Piaget, Schwab and Skinner 等代 表人物的理論）轉變到人本建構論的重要一年。相對於學院派時期（著重 學科的結構、科學的探究、人類認知之發生和發展時期的劃分以及行為的 改變等），現在的科學教育著重有意義的學習、知識的重建以及概念的改 變。科教研究的這種轉向深受認知科學和科學史哲之研究成果的影響」。 （Mintzes& Wandersee, 1998, p.65。引自林財庫，2004)。另外Nussbaum指 出：「建構論者在科教領域的蓬勃發展相當受益於學生迷思概念的研究」。 而以往自然科學的教材組織、活動設計，往往以正統科學知識結構為依 歸，再經由專家學者的轉化加以編排、呈現，至於學生對此科學知識的看 法為何，並未被列入考慮。然而有關兒童迷思概念(misconception)的研究 結果已達成一個共識，那就是兒童有許多想法常常和正統科學不一致，有 時甚至是互相衝突，因而，學生在學習時產生很大的困難。因此，教學者

應該關心學生的學習過程，深入的瞭解學生如何解釋他所面對的科學知 識；又當學生在學習新概念時，其概念改變的過程為何，以及其間可能有 哪些關鍵性的影響因素等。如能掌握以上學習的各個環節，診斷出學習的 困難所在，才能設計適切的教學活動，以幫助學生達到概念的改變。 先前的研究顯示，學習者概念的發生、發展（或重建）和轉換（或改 變）的模式、過程和機制與科學哲學之知識發展觀、認知科學之認知發展 觀以及科學史中科學家個人或群體之概念或思維的發展觀等，有某種平行 關係（例如Piaget, 1972; Mintzes, Wandersee & Novak,1998, p.76。引自林 財庫，2004），因此可由認知科學各流派的認知發展觀以及科學史中重要 科學家之個人或群體的概念或思維的發展觀來嘗試分析學習者迷思概念 和概念結構的樣式（patterns）、層次以及成因，以瞭解學習者在學習時之 困難，促成學習之成效。 壹、迷思概念產生的原因 概念之形成是由於我們能夠對外界的事物進行歸類（categorization）， 以行為學派的觀點而言：概念是指一群能夠對特殊的反應產生相關的刺 激；而認知學派傾向認為：概念是一種心智性的活動，經過不斷的學習並 由各種經驗中獲得，經由不斷的學習和經驗，學生對於某一些特定概念的 認知，逐步由模糊而清晰，由具體而漸次發展為抽象的複雜過程。但是每 個人擁有的概念並非穩固不變，Driver（1994）等人指出，兒童對世界的 看法會隨著年齡不同而有所差異，在不同年齡發展層次的兒童會以不同的 的語言和經驗來解釋其所看到的外在知識；亦即隨著年齡的增長，個人對 於同一個概念的理解與解釋是時時在變的。迷思概念的形成原因相當繁 雜，就以下幾點加以分析：

一、日常生活經驗

迷思概念可能起因於學生企圖去理解每天日常生活中的經驗（Bendall, Goldberg., & Ggalili, 1993; Garnett et al., 1995），透過此理解的過程，學生 會發展自發的概念，其中也會包括某些迷思的概念。例如Lewis ＆ Linn （1994）的研究裡，學生在熱平衡的概念上，他們會認為金屬在熱的環境 裡，金屬會比外在的環境更熱，相反地，若是金屬在較冷的環境裡，金屬 會比外在的環境更冷，雖然他們知道物體會和環境達成相同的溫度，但是 日常經驗卻不是如此的結果；因此，Lewis ＆ Linn（1994）認為學生的直 覺概念是歷經許多年的觀察，並且企圖去理解每天日常生活的現象所產 生。 二、文化語言因素 學生除了與物理環境的接觸外，學生也可能會從他們生活的社會環境 中獲得一些迷思概念。因為他們所使用的語言、文化的信念與他人的互 動，也是迷思概念主要的來源（BouJaoude, 1991; Bergquist & Heikkinen, 1990; Lewis & Linn, 1994; Longden et al., 1991; Trumper & Gorsky, 1993）。 Solomon（1993）的研究認為，學生的先前概念會受到其根深蒂固的文化 所影響，因此會對於反應回答產生的程式和認知都有重要的影響。而且， 此文化及語言的效應是無法被學生的教學所消滅的。Lewis & Linn（1994） 認為每天所使用的語言是導致直覺概念的來源，他們能夠使用許多合適的 語言，或是字彙，但卻有很少的理解，會造成如此的因素是每天所使用的 語言並未明確地來使用，並且是限制於特殊的經驗，所以會促成了與科學 原理不一致的直覺概念。因此，在平時的教學過程中，教師應特別地強調 每天日常用語和科學語言之間的相異之處，藉以改變學生的迷思概念。 三、社會因素

除了文化的影響是產生迷思概念的原因，學生在與社會中的互動過程 中也會產生迷思概念，因為他們會傾向於簡化科學的概念，而使得他們更 易瞭解這個社會（BouJaoude, 1991）。在Prieto, T., Blanco, A., & Rodriguez, A. （1989）對於學生溶液概念的研究裡，他們亦認為學生的情境（如課 堂、實驗室和教科書）與社會情境（家庭、電視、收音機、烹飪食譜）， 都是學生概念的主要來源。Galili & Lavrik（1998）也認為由於社會的互動， 和天真想法廣泛地被使用（通常是以“常識”的形式），如此將豐富了學生 自發的想法，並且減低了正常化教學的效益。

四、教師與教科書因素

有許多研究指出，教師是迷思概念的來源（例如：Bar & Travis, 1991; Banerjee, 1991; McClelland, 1984; Osborne & Cosgrove, 1983; Quilez-Pardo & Solaz-Portoles, 1995）。老師有可能在教學過程中有錯誤的詮釋、缺乏 科學知識的本質的瞭解或是企圖簡化概念（Bonder, 1991），而來提供對 於概念描述，如此都可能使學生產生迷思概念。舉例來說，在教室裡，當 學生的實驗結果與老師的標準答案不相同時，學生可能會受到責罵，如此 是不同於課堂外真實的科學實驗，結果的檢驗是根據自然的定律，而不是 對或錯。在這樣的情況之下，學生會發展出兩種形態的知識，而這兩種知 識是不相容的。例如當老師在解釋理想氣體方程式時，事實上教師使用了 兩種知識來傳達給學生，一個是理想狀態，是使用在課堂之中和實驗室； 另一個則是真實狀態，是可以用來解釋每天日常生活的經驗（Fensham, 1982）。在如此的教學模式之下，學生也可能對概念有錯誤的詮釋。

此外，教科書亦是學生迷思概念的來源之一（Andersson, 1986; Jones & Lynch, 1989;Stavridou & Solomonidou, 1998），在Summers（1983）分析一 些教科書對於熱的定義，他發現在不同的教科書中對於熱有不同定義的方

式，但似乎都會困擾學生，使學生獲得不同熱的概念，例如常把熱與內能 混在一起，或把熱當作物質的熱質理論。因此，Summers建議應該把heat 改 為heating，因為heating 屬於一種過程，當物體的內能改變時，則會導致 物體溫度的改變。老師與教科書設計者應多留心學生的概念，在課程上應 呈現多樣的化學反應，包含只有一個反應物的化學反應，如此才能避免學 生迷思概念的產生。 根據許良榮（2003a）國科會專題研究成果顯示，對於「金屬」的分 類學生有類似的傾向，例如小學生除了傾向以直接知覺（例如固體、磁鐵 吸引、輕重、清脆聲音…等等）做為歸類依據，並且有隨著題目而變化（分 類的客體不同以及選項之變化）的不穩定現象。例如「摔在地上有清脆聲 音」的判準而言，在「鋁」的分類小四與小六都有超過10% 的學生選答這 個理由，但是在「鑽石」的分類，小四與小六選答此項判準的都不到4%。 顯示小學生對於金屬之分類，並未有一致性的歸類依據。類似的情形是「是 否被磁鐵吸引」的歸類依據，在「鑽石」選擇此項依據的到了高二都還有 17.4%，但是在「汞（水銀）」以及「鋁」只有小學生選答的比率維持在15% 以上，中學生選答此項判準的都約在5%以下。由研究也發現不論中學小 學，語言對於學生的歸類具有頗為重要的影響，有不少學生將「汞（水銀）」 解讀為含有「銀」的成分，尤其國二有幾近一半學生（48.6%）持有此項 觀點，小四學生則有11.9%認為水銀含有水所以不是金屬。而國二與高二 認為「因為名稱有金字邊就是金屬」的比率比小學高了約20%，顯示年級 越高，語言的影響有越明顯的傾向。因此在教學或教材設計時，應注意如 何避免學生過度的通則化語言（或文字）的意涵。

貳、迷思概念的研究方法

在迷思概念的研究法上，主要有幾種不同的研究取向，包括診斷性測 驗（diagnostic test）(例如Anderson, 1986; Erickson, 1980; Treagust, 1992)、 臨床訪談法（clinical interviews）（例如Novick & Nussbaum, 1978; Hewson & Hewson, 1983; Brumby, 1984）、概念圖法（例如Novak & Gowin, 1984; Novak, 1996）、自由分類（free sorting）（例如Gorodetsky & Gussarsky, 1986; Hambleton & Sheehan, 1977）和畫圖法（例如Galili et al., 1992; Sanger, 2000）。在許多的迷思概念研究中，我們會發現有些研究者通常不會單獨 使用一種方式，他們在一個研究裡會使用兩種以上的研究方式（Osborne & Cosgrove, 1983; Ross & Munby, 1991）。Jones等人（2000）認為使用不同 的評量方法會引出知識的不同形式。例如概念圖在描述學生在教學之前已 存在的基模相當具有成效；卡片的分類測驗則可以提供學生的概念組織的 訊息；訪談與對話的轉譯則可用來反映當學生以現有的知識來詮釋新的觀 察的過程和先前的知識。在Duit 等人（1996）的研究裡，他們也認為使用 不同的方式意謂著將會導致不同學生的概念。 王美芬(1991)指出研究者常用晤談法（interview）及紙筆測驗法來診 斷學生的錯誤概念。常見的紙筆測驗方式可分為封閉式和開放式測驗兩 種，郭生玉（1997）指出開放式問卷雖然資料較能深入，但資料難以數量 化和解釋，且回收率低。封閉式問卷的問題答案形式標準化，可得到較高 的信度，但不易探入瞭解所要探討的事實。Treagust(1988)採用二段式選擇 題(two -tier)的方法，此種診斷方式的第一階段是針對內容，第二階段是探 索理由。他指出此種評量方式可以增加研究者察覺學生在概念上的狀態， 這種方式可以使用在集體討論。此法可摒除開放式問卷的缺點，又能補單 層封閉式問卷的不足，且易於評分及評分較客觀的優點。Treagust（2002）

指出兩段式雙層問卷工具特別被設計來檢視某個主題領域中學生所持有 的另有概念或迷思概念。晤談法可以用來深入瞭解學生解釋事例的理由， 而且能探索學生的思考模式。

第四節 概念改變

壹、概念改變之基本理論 近來許多科學教育的研究發現，很多學生對於科學概念存有許多迷思 概念，他們同時也發現無論是傳統演講－實驗（lecture- lab），或是啟發 式科學（discovery science）教學法，二者對於幫助學生們摒棄、或實際上 改變他們的迷思概念之效果都很小，這些迷思概念大多是根深蒂固不容易 改變（Trowbridge & Mintzes, 1988）。而概念改變成為一個研究的議題， 主要是源自在1980年代另有概念運動的快速發展（Wandersee, Mintzes, & Novak, 1994）。它與其他的學習理論不同之處在於，它是在知識的獲得被 視為主動建構的過程的建構主義認識論自然發展的結果（Tyson et al., 1997）。 在科學教育領域裡概念改變最具影響力的理論，即屬Posner et al. （1982）所提出的概念改變理論。Posner et al.（1982）從學習的觀點出發， 他們認為學習並不是單純地加入新的片斷訊息而已，而應是涉及新舊知識 之間的互動關係。並且概念改變的形式可分大範圍與小範圍，稱之為同化 （assimilation）及調適（accommodation）。若學習者僅是將新知識加入原 有的知識當中，而新、舊知識二者並未重新組織，稱之為同化這種學習方 式並未使原有的概念體系發生重大的改變。此外，若學習者的現有概念不

適當，使其無法成功地掌握新情況時，學生必須取代或重新組織他們的概 念，則稱之為調適，這種學習方式需要較大規模的概念改變。典範的轉移 或個人的概念核心改變亦可稱為調適的例子。 Posner等人所提出的概念改變需要滿足四個條件，分別為（1）必須對 於現存的概念是感到不滿意（dissatisfaction）；（2）新的概念必須是可以被 理解的（intelligible）；（3）新的概念必須具有似真性（plausible）；（4）新 的概念要具有可應用於不同情境的豐富性（fruitful）。最後三個條件--可理 解的、似真的和豐富性，Hewson & Hewson（1992）稱之為「概念狀態 （status）」(見表2-4-1)，由Hewson & Hewson的觀點而言，科學教學的目 標是增加科學概念的狀態而不是「消減」迷思概念。 Roth（1991，引自邱美虹，1994）亦提出與 Posner 等人相似的看法， 認為學生必須明瞭他們個人的理論與實驗是不適當的（inadequate）、是 不完整的（incomplete）、或是不一致的（inconsistent），而科學性的解 釋可作為一個更具說服力且合理的取代物，那麼概念改變才有可能發生。 Gallagher（2000）則認為學生不能理解和應用新的科學訊息，是表現在課 堂上的四個相關事實：（1）它對學生不是真實的，而評量和測驗需要遠超 事實的回想；（2）學生未被教導應該如何處理新的訊息，並使其有意義； （3）學生未被教導應如何將先前學過的訊息和訊息連接，而能更深入的 瞭解科學（4）很少重視科學知識的應用﹙given little importance in science classes﹚，並由考試決定成績。

Hewson & Hewson（1992）提出的概念改變模式指出：首先符合某些 條件以使學生進行概念改變； 第二，個人的概念生態提供了影響概念改 變之發生、賦予意義的情境。概念生態包括個人現有的概念和信念（包括

表2-4-1 概念改變模型之描述訊息 概念 描述 可理解性 (INTELLIGIBLE to me) -我必須知道這個概念的意義 -這些字必須是能瞭解的 -這些字必須是有意義的 -我應該可以用自己的話描述 -我可以舉出實例 -屬於該類的例子 -屬於不同類的例子 -我能找到方法向他人表示我的想法 -利用畫圖或圖形舉例說明 -能談論或解釋 -使用概念圖 似真性 (PLAUSIBLE to me) -它必須是可理解的 -我確信它真實存在這世界上 -它是真實的 -它符合我對於世界的印象 -它與我所知道或相信的其他概念吻合 -它是一個方法 -我確實瞭解與我相關的事物 -我知道事情的運作 豐富性 (FRUITFUL to me) -它必須是可理解的 -它應該具有似真性 -我明白它是有用的 -它可以幫助我解決問題 -它幫助我以新的方法解釋一些概念 -我可以將它應用在其他概念 -它給我一些新的想法從事更進一步的探究 -它對某些事物是個更好的解釋 -它提供一個新的思維去看待事物 (譯自 Hewson，1992；p177) 在討論概念改變的意義，Hewson & Hewson（1992）認為「改變」並 非完全清除或消除了學生的概念，其原因有：首先，學生的既有概念在日 常生活的大多數情境是有價值的。第二，大多數成年人以及專家擁有的各

領域概念，不是學生所熟悉。最後，研究顯示舊概念不可能完全被消除， 經常與新概念共存。由此觀點，科學教學的目標不是要清除學生的舊概 念，而是使正確的科學概念更有價值，舊概念被限定的情境。 貳、由本體論看概念改變 Chi（1992，引自邱美虹，2000）從許多文獻的研究，發現某些學生 的概念在教學之後是容易改變，然而有些概念則是在具有堅固、拒絕改變 的特性，而這些拒絕改變的迷思概念是一些特定的物理概念，例如力學和 電學的概念。為什麼有些特定的科學概念難以改變？是什麼阻礙去改變 呢？Chi等人（1994）認為最困難的改變是涉及本體論類別的重新分類， 換句話說，概念改變就是改變一些已存在的概念，依據這樣的觀點，概念 的類別明顯地重要，因此在此理論裡，概念被安排那一個類別決定了概念 的意義。 Chi（1992，引自許良榮，1998a）以本體論為基礎研究學生之科學概 念 的 改 變 ，Chi 將 物 理 世 界 分 為 三 個 基 本 的 本 體 類 別 （ ontological categories），分別是物體（matter）、事件（event）與抽象（abstract），三 個基本類別分別有次級類別（參見圖2-4-1）。所謂「物體」是指物體有特 定的條件，能指出它所擁有的狀態和屬性。如紅色的衣服、石頭是重的； 「事件」則是指事件的發生，可能有序列性、有因果關係，也可能只是機 率問題，但它反映出自己特定的屬性；而「抽象」是指情意的部份，如情 緒或傾向。 Chi（引自許良榮，1998a）指出科學概念的改變包含，(1)本體類別之 內的改變，例如「熱」的概念由「流體」轉變為「粒子」的概念改變，是 屬於本體類別之內的改變，因為都是將熱視為一種「物質」的本體觀；(2)

本體類別之間的改變，例如對於「熱」的概念由「物質」轉變為「能量」 的概念改變，由於物質與能量是不同的本體類別，因此是本體類別之間的

改變。Chi 指出本體類別之間的概念改變是一種全然翻新的概念改變

（radical conceptual change），需要跨越本體樹類別間，即為根本概念改 變。此種概念改變比本體類別之內的概念改變更為困難，這也是造成科學 概念之學習效果不彰的主要原因之一。 所有本體 物 體 事 件 抽 象 自然的 人造的 意圖的 有範疇的 情緒的 心智的 生物 非生物 自然發生 人為建構 植物 動物 固態 液態 圖2-4-1 本體類別（取自Chi，1992；p.131。引自許良榮，1998a） 許多研究發現學生通常會將例如光、熱、電流等困難的概念賦予物質 的性質。概念改變則需考慮這些這些物質概念的安排，並且也需要考慮這 些迷思概念是如何在教學過程中來被改正。在這些研究中（Fredette & Markman, 1980; Cohen, Eylon, & Ganiel, 1982; Shipstone, 1984）也指出初學 者傾向於將電流視為一個真實的物質，而不是某些物質的運動。

如果以原子、分子的抽象概念為例，可以發現有些因素是由於我們在 教學上忽略了學生之本體觀與科學上之本體觀的差距。Pauling（1983）的 研究指出大一以及中學的化學教科書對於原子與分子的概念，主要是以理 論性的、抽象的方式處理，此種偏離學生本體觀的課文使學生的學習產生

問題。Osborne & Cosgrove（1983）也指出學生不容易學習原子理論可能 的原因是一般的科學教學常以抽象的方式教導原子、分子理論。因此，如 何設計教學以銜接學生與科學家之本體觀的差距以幫助學生學習科學概 念，是概念改變研究應重視的問題之一。 類似於Chi的本體論分類，Thagard(1992)利用科學革命的案例研究來 建 立 概 念 的 改 變 的 模 式(如圖2-4-2)，他將科學史中的「認識論改變

（epistemic change）」分為「信念修正（belief revision）｣與「概念改變 （conceptual change）」，其中「概念改變」共有七種類型，包括「概念加 成（addition）」、「概念刪除（deletion）」、「概念重組（reorganization）」與 「階層的重新界定（hierarchy；本體樹的轉移）」，其中「概念重組」包括 了 「 修 正 （ 本 體 分 枝 的 跳 躍 ）」 以 及 「 單 純 （simple ）」 的 「 區 分 （differentiation）」、「合併（coalescence）」與「分解（decomposition）」三 種。 認識論改變 信念修正 概念改變 加入 刪除 加入 刪除 重組 階層重新界定 （本體樹的轉移） 單純 修正 （分枝的跳躍） 區分 合併 分解 圖2-4-2 認識論改變種類的分類(Thagard，1992)

上述文獻討論提供了我們對於概念改變的理論基礎，瞭解兒童之概念 發展的本質與特徵。本研究之所以著重「本體論」之類別區分的理論基礎， 是因為本研究專注於探索學生金屬「分類」之迷思概念，「本體論」之類 別區分對於學生在物質之「分類」的迷思概念，提供了迷思概念之發展與 成因的本質之瞭解與方法學之理論基礎，對於將進行的概念改變研究，具 有引導性以及啟發性的作用。

第五節 概念改變之教學策略

在許多研究上均強調學生的迷思概念是學習的一項障礙，而一味地追 求「革命的概念改變」。在洪振芳（1994）的研究中，發現學生對科學知 識做結構、組織上的技術理性之目的論處理是「弱重建」，很少有本體主 張改變的「根本重建」，並且強調整體的「弱重建」是通往局部的「根本 重建」的途徑，而局部的「根本重建」則是整體的「弱重建」的一環，因 此學生在其先前知識的「弱重建」的認知努力，應當在研究與教學上獲得 重視。相似地，在Shymansky等人(1997)的實驗結果顯示，學生的的知識結 構在10個星期的教學之後，依然是保持相當地穩定，並且在教學過後4週 也仍未改變。因此，他們認為知識重新建構的過程很少會發生在學生的學 習方面，並且可能更壞的是，學生已有的知識並未受到足夠的挑戰，而來 促進其建構或重新建構的過程。 為了將學生的迷思概念導向科學概念，文獻中有不少學者以Piaget之 「認知衝突」為基礎，設計使學生應用舊概念無法解釋或說明實驗現象， 產生矛盾的困境，再進而引介可適用於學習情境的新概念之教學。但是值

得注意的是，就算學生觀察到教師所安排的特徵，單一的實驗證據通常仍 不足以動搖他們原有的觀點；學生會嘗試以實驗時的特殊狀態說明實驗產 生非預期的結果。在Tiberghien(1980)的研究發現：學生必須發現用羊毛覆 蓋冰塊，是否比用鋁箔覆蓋熔化得快。學生會認為用羊毛覆蓋的冰塊溶得 快，因為我們用羊毛保暖，其他研究也有類似發現。而實際實驗時用鋁覆 蓋的冰塊會先熔化，這個現象並沒有動搖學生的原有想法。Tiberghien的研 究顯示，即使教師當場演示教學，仍無法有效改變學生的另有想法，學生 往往將單次實驗驗證看成日常生活的例外。學生的反應一如過去科學史中 所記載的科學家的行為反應，單一的異例通常不足以使觀察者放棄已有的 理論或想法（Kuhn，1970）。 另一方面，將學生概念轉變為科學概念，可藉由「連續」與「非連續」 的教學方法達成，類比於Kuhn(1970)的「演化」與「革命」的科學史演變。 「連續」的教學是以學生已有的概念中為起點，而此概念是與科學概念相 一致，或是可以用科學觀點再詮釋的概念。「非連續」的教學通常包含「認

知衝突」的策略，Asoko & Driver(1994)回顧相關文獻指出，教學上主要有 三種認知衝突：(1)學生的預測與實驗結果之間的衝突。(2)學生的概念與 教師的概念之間的衝突。(3)不同學生之不同概念的衝突。雖然認知衝突的 策略曾經被發現有效，但是使用時仍必須特別注意。最重要的不是學生能 否「看到」衝突，而是要能讓學生「認為」是一種衝突，而不是由老師的 觀點決定是否產生認知衝突。 在概念改變的教學中，由 Driver(1988)提出的建構主義教學順序是被 相當多研究者引用的範例。其教學如圖2-5-1 所示，首先引出學生的舊概 念(包含探索自己的概念、學生互相討論自己的不同概念之差異、進行實 驗和嘗試解釋觀察的現象)，學生通常會察覺到自己的觀點和其他人觀點

的差異。在「再結構(restructure)」階段，學生的概念會被澄清、質疑，並 透過與他人的討論來交流，或者由教師經由示範或實驗，提供概念衝突。 正確的科學概念可由學生之間或教師引介後，再由實驗或徹底的釐清其含 意。在應用階段，給予學生機會，藉由應用於熟悉的和新的情境中，以鞏 固和加強新的概念。在回顧階段，讓學生把新的概念與先前的舊概念做比 較。 圖2-5-1 建構主義的教學順序（Driver，1988） 上述建構主義教學順序的關鍵特色，是讓學生的舊概念和科學概念相 互對照的階段。之前已提到老師是學生建構過程的「促進者」而不是科學 概念的「傳輸者」。然而，這個階段有某種程度的危險，例如，學生可能 Orientation 定位 引出舊概念 概念的再結構 澄清和交換 認知衝突情境 建構新的概念 評價 應用新概念 重新檢討改變的概念 Comparison with previous ideas 比對先前的概念

無法察覺到就概念和新概念之間的差異，尤其是年紀小的學生，常會寧願 知道正確答案而不願思考其舊概念的恰當性或問題。 壹、利用類比促進概念改變 概念的類比（analogy）是一種科學教師常用的教學方法，因為這樣便 可把抽象的概念形象化。在Harrison ＆ Treagust（1996）認為若是沒有類 比模式，則化學教學會縮減到僅僅只是巨觀性質的描述而已，類比模式是 化學瞭解過程裡的一種固有的本質。 類比推理在科學的發展上起著相當大的作用。物理學上有許多重要的 理論，都是先從類比來提出科學假設，然後經過實驗的驗證才成為科學理 論的。例如麥克斯韋曾說：「借助這類比，我試圖以便利的形式提出研究 電現象所必須的數學手段和公式」。類比是指事物的某種關係或特性，並 不是指事物本身，日本物理學家湯川秀樹以牛頓發現萬有引力的過程所作 的類比時也強調：「牛頓並沒有將一個物體與另一個物體看作相同，而是 認為在某一種情況下物體之間的關係與另一種情況下物體之間的關係是 相同的。」 根據文獻分析，類比在科學教育上是相當重要的，Lawson(1993）曾 提出兩個觀點，第一是關於概念的獲得上，第二則是科學推理技能的發 展。學生無法直接地經驗原子的本質，但是卻能夠經驗較大的事物，例如 球的運動。因此，科學教育者便能應用學生可經驗或易於觀察之事物，類 比於較抽象或較不易觀察之事物。 在BouJaoude ＆ Tamim（2000）的研究中，分析了一些學生提議的關 於科學概念的類比，他們把這些類比分為四類：(1)「日常架構」：這種形 式的類比是把科學名詞比喻作日常生活接觸到的，與此項目外貌相似或有

相同外型特徵的物件或架構。例如：細胞的構造有如雞蛋；(2)「日常程序」： 即把科學名詞類比為日常生活中遇到的活動或程序。例如：DNA的密碼有 如編織書上的密碼決定了鏈的種類和次序；(3)「科學名詞– 架構」：就是 把科學名詞類比作另外一個與其有共同構造的科學名詞。例如：DNA的縲 旋形構造有如水綿（spirogyra）內的葉綠體；(4)「科學名詞–程序」：此 種形式的類比是把兩個有類似功能的科學名詞作比較。例如：細胞核有如 腦部，都是控制中心。在BouJaoude 和Tamim（2000）的研究中發現，學 生最常採用類比的形式是把科學名詞比喻為他們在日常生活中遇到的程 序（37.4%），而最少的類別則是把兩個有共同構造的科學名詞作比較 （6.7%）。 因此教學的意涵上，教師可以找出哪一些在現今文化中特別流行的日 常程序或活動，以此應用於教學上，然後再講解這些類比所揭示的意念， 從而突顯課堂與日常科學之間的關係。 對於一個好的類比教學或是不好的類比教學，Thagard（1992）認為可

以從實用性（pragmatic）、語意（semantic）和結構限制（structural constraints） 三個方面來理解。在此，類比之間的語意和結構的相似性，是需要更為清 楚的描述，而來提供所要的解釋，若是在類比解釋有不好的類比特徵，則 是需要藉由指出類比失效的地方，並且予以克服，或是利用多重類比，利 用不同的特徵來比較目標物與類比物之間的差異。

然而，在教學上利用類比的效益，依然是具有疑問的。許多研究都有 不同的結果（Gabel & Sherwood, 1983；蔡聰暉，2001），可能的原因是類 比目標物的使用，與學生熟悉的程度有關，或是學生不熟悉類比對應的關 係。因此，類比在教學上的限制是需要注意的（Webb, 1985），因為有些 類比會產生迷思概念，而有些則是無法建構學習所能夠想像的情況。所

以，在教學的意涵上，假如教師未能花費相當長的時間在解釋類比，則類 比將可能會失效，特別是當物理現象是以數學化的方式來呈現時（Friedel et al. 1990）。 沒有一種類比是沒有缺失的。Thiele ＆ Treagust（1991）認為類比在 教學上的限制有下列三點：(1)屬性的不正確遷移（incorrect transfer of attribute）：當類比的對應關係不是很明確時，將可能造成學生在概念上的 混淆；(2)對於類比物的不熟悉：老師或教科書的編輯者認為符合類比的情 境卻不一定可以得到學生的認同；(3)認知發展階段的影響：當學生的認知 發展階段還未達到形式操作期時，他們比較不容易做抽象性的思考。 因此，為了使學生能夠從類比教學上得到有益的結果，學生必須瞭解 類比的充足性，然後能應用在問題上，亦即學生必須能夠看到類比與現象 或過程之間的關係。教師在教學上除非是使用更多的時間在解釋類比或指 引，否則類比很可能會失敗（Friedel et al. 1990）。Chi等人（1994）認為 一般老師在使用類比於教學過程時，常常忽略了對於事、物機制的功能概 念轉換，例如在電流教學裡，老師們均喜歡以水流來類比電流，但電流是 屬於「過程」的本體範疇，利用水流來作類比，有時候學生會認為電流是 一種「物質」範疇的另有概念（如佔有空間和體積）。由此例子看來，類 比的功能並不是在靜態物質的相互比對上，最重要的是類比物與標的物機 制過程的範疇角色（郭金美，1997）。 由上述，我們可觀察到關於類比在教學應用上的好處以及限制，當進 行類比教學策略之設計時，不能只注意到類比可達成之教學成效，而不關 注於若應用不當，則類比將無法達成預期之成效，更進一步則可能造成學 生之迷思概念。因此，教師必須審慎於類比物之選擇並熟悉類比教學之模 式，以期達成利用類比促進學生之概念改變。

貳、Bruner之概念達成模式（Concept Attainment modle） 在Bruner的發現式探究教學法中，他特別強調需注重概念的分析以及 概念的發展、形成(甘漢洸、熊召弟、鍾聖校，1991)。所謂探究（Inquiry）， 就是尋找問題和解決問題的過程，是一種人類的思考方式、一種尋找資料 的方法、一種了解事物的過程。Bruner認為：若先將事物分門別類，根據 屬性組合後，有助於我們研究與了解各種概念。若依思考歷程可分成兩種 模式： 一、接受中心的概念達成模式： (一)教師將例證分為正負例證 (二)由學生研討後指出正負例證的分類標準 (三)由此概念定名 (四)以此概念的主要屬性說明本概念之定義 二、選擇中心的概念達成模式 (一)學生對未標示正負的例證，分析他們的各項屬性 (二)制訂正負例證的分類標準 (三)為此概念定名 (四)以此概念的主要屬性說明本概念之定義 所謂接受中心以及選擇中心則如下所示： 1. 接受中心的三階段 (1) 提示已標示正負的例證數據、指認概念 (2) 思考過程分析 (3) 檢驗所達成之概念 2. 選擇中心的三階段 (1) 提示未標示正負的例證數據、指認概念