溶解迷思概念之概念改變研究

國 立 台 中 教 育 大 學 自 然 科 學 教 育 研 究 所 論 文

指導教授：許良榮 教授

溶解迷思概念之概念改變研究

研究生：李莘怡 撰

溶解迷思概念之概念改變研究

摘要

本研究主要目的為探討 POE（Prediction-Observation-Explanation）教學策略 與閱讀教材，對於「溶解」迷思概念改變之成效。在教學教案及閱讀教材設計完 成後，即進行初探研究，作為改進正式研究之依據。正式研究採準實驗研究法， 以不等組前測─後測設計，研究對象為台中市某國民中學二年級的二個班級，一 班為教學組由研究者進行 POE 教學；另一班為閱讀組由學生自行閱讀研究者所 設計的教材。透過雙層試題，研究者收集二組學生在前測、後測以及延宕測驗的 資料。並以描述性統計、獨立樣本 T 考驗、單因子共變數分析以及卡方考驗等統 計方法對所得資料進行分析。 研究結果顯示二組學生在後測答對率皆高於前測，表示「POE 教學」和「閱 讀」二種教學策略，對於迷思概念改變皆具有成效。二組學生在延宕測驗的答對 率高於前測，但低於後測，顯示經過一個月後，二組學生皆呈現部分概念回歸的 現象。而單因子共變數分析顯示，二組學生在後測答對率中有一題達顯著差異， 而延宕測驗有四題與總分達顯著差異，顯示教學組之「直接經驗」對概念改變的 效果與持續性皆高於閱讀組之「替代經驗」。選項變化分析顯示，前測時最多學 生選答與「密度」有關之選項，而「密度」與「稀釋」的迷思概念會出現 概念競爭的現象。最後本研究提出對教學上及未來研究之建議。 關鍵詞：溶解、迷思概念、概念改變、POE（Prediction-Observation-Explanation）

A Study of Misconceptions Changes for Dissolving

This research analyzes the effects of two approaches to conceptual change of students’ misconceptions for dissolving. The two approaches are Prediction-Observation-Explanation (POE) instruction and reading-focused instruction. After a pilot-study, the research was conducted using a pretest-posttest nonequivalent-groups design. The subjects of the experiment are 8th grade students of junior-high school in Taichung. POE instruction was conducted in classes for the experimental group of students, while assigned readings on the same learning contents written by the researcher were given to the contrast group for self-study. Through a two-tier test items, the researcher collected data of students’ pre-test, post-test and of a delay test after a one-month. Results were analyzed using descriptive statistics, T-test, ANCOVA, and Chi-square test.

The result of the study showed that both groups score higher in the post-test than the pre-test, which implies that both instructional strategies are effective for conceptual change; for the test given a month later, both groups of students score higher than the pretest but lower than the posttest, which indicates that misconceptions return in a certain degree after a certain period of time. There is ANCOVA significantly effect between the two groups in one of the post-test questions; however, there are significantly effect in four of the questions in the delay test. Thus, the effects of direct experience through POE instruction last longer than vicarious experience through readings. Students’ misconceptions of ‘density’ were most obvious in the pre-test. There also appeared ‘conceptual competitions’ on ‘density’ and ‘dilution’. In the final chapter, the researcher brought thoughts and suggestions for teaching and further research.

Keywords: Dissolving , Misconceptions, Conceptual Changes, POE（Prediction-Observation-Explanation）

目 次

第一章 緒 論 ……… 1 第一節 研究背景與動機 ……… 1 第二節 研究目的與問題 ……… 5 第三節 名詞定義 ……… 6 第四節 研究範圍與限制 ……… 7 第二章 文獻探討 ……… 10 第一節 迷思概念之探討 ……… 10 第二節 概念改變相關研究 ……… 22 第三節 概念改變之教學策略 ……… 34 第三章 研究方法與設計 ……… 45 第一節 研究方法與設計 ……… 45 第二節 研究對象 ……… 54 第三節 研究工具 ……… 57 第四節 研究流程 ……… 59 第五節 資料收集與分析 ……… 61

第四章 結果與討論 ……… 64 第一節 初探研究結果 ……… 64 第二節 初探研究晤談分析 ……… 71 第三節 正式研究結果（一）：教學成效之差異性分析 ………… 82 第四節 正式研究結果（二）：各試題選答機率分析 ……… 86 第五節 正式研究結果（三）：各試題選答變化分析 ……… 93 第六節 POE 教學活動單之分析 ……… 114 第七節 綜合討論 ……… 117 第五章 結論與建議 ……… 125 第一節 結論 ……… 125 第二節 建議 ……… 127 參考文獻 ……… 130 中文部分 ……… 130 英文部分 ……… 135 附 錄 ……… 140 附錄一：溶解概念迷思之教案 ……… 140 附錄二：溶解概念閱讀教材 ……… 153 附錄三：溶解概念教材專家審查意見表 ……… 155

附錄四：POE 活動單 ……… 157

附錄五：溶解概念問卷 ……… 161

附錄六：訪談大綱 ……… 165

表 次

表 2-2-1 概念改變模型之描述訊息……… 28 表 3-1-1 實驗研究變項表……… 47 表 3-1-2 溶解迷思概念之類別與概念改變型態分析……… 49 表 3-1-3 迷思概念之概念改變教學分類……… 51 表 4-1-1 初探研究試題一卡方檢定表……… 66 表 4-1-2 初探研究試題二卡方檢定表……… 67 表 4-1-3 初探研究試題三卡方檢定表……… 68 表 4-1-4 初探研究試題四卡方檢定表……… 68 表 4-1-5 初探研究試題五卡方檢定表……… 69 表 4-3-1 二組學生答題統計表……… 84 表 4-3-2 二組學生後測成績共變數分析表……… 85 表 4-3-3 二組學生延宕測驗成績共變數分析表……… 86 表 4-4-1 正式研究試題一卡方檢定表……… 87 表 4-4-2 正式研究試題二卡方檢定表……… 89 表 4-4-3 正式研究試題三卡方檢定表……… 90 表 4-4-4 正式研究試題四卡方檢定表……… 91

表 4-5-1 試題一選項分佈……… 94 表 4-5-2 試題二選項分佈 ……… 96 表 4-5-3 試題三選項分佈 ……… 99 表 4-5-4 試題四選項分佈 ……… 101 表 4-5-5 試題五選項分佈 ……… 103 表 4-5-6 試題一選項變化 ……… 106 表 4-5-7 試題二選項變化 ……… 107 表 4-5-8 試題三選項變化 ……… 110 表 4-5-9 試題四選項變化 ……… 111 表 4-5-10 試題五選項變化 ……… 113 表 4-6-1 教學組 POE 教學活動單結果分析表……… 114

圖 次

圖 2-1-1 油、密度與溶解之迷思概念形成……… 21 圖 2-1-2 酸鹼性與溶解之迷思概念形成……… 21 圖 2-2-1 建構主義的教學順序……… 25 圖 2-2-2 本體類別……… 30 圖 2-2-3 認識論改變種類的分類……… 33 圖 2-3-1 Dale 之學習經驗塔……… 36 圖 3-1-1 實驗設計圖……… 46 圖 3-1-2 溶解 POE 教學流程圖……… 53 圖 3-4-1 研究流程……… 60 圖 4-7-1 學生溶解概念之發展……… 123

第一章 緒論

本章將分為四節，依序說明研究背景與動機、研究目的與問題、名詞定義、 研究範圍與限制。

第一節 研究背景與動機

壹、研究背景 過去數十年的研究，科學教育學者們已經了解，學生在進入教室之前，個人 對世界上的事物就已經存有先前概念（Preconception），當他們進入學習環境之 際，便把此先前概念一併帶到課堂上，這些概念可能不是科學家可接受的「正確」 概念（熊召弟等，2000）。學生不是一塊「空白石板」（Blank slate），對於老師 所講授的科學知識內容並非「沒有概念」，老師想刻上什麼就可以刻上什麼；相 反的，學生對於老師所講授的科學知識、原理、法則，甚至自然界的各種物象， 均已先有自己所堅信的「概念」（Conceptions），有一套根深蒂固的想法和解釋（鄭 湧涇，2001）。 存在於學生自身的想法和概念，常常與科學家的科學概念有著很大的差異， 因為學生所擁有的概念，異於科學家或科學社群所認知的科學知識，所以被稱為 迷思概念（Misconception）、另有概念（Alternative conception）、另有架構 （Alternative framework）等（王美芬、熊召弟，1995）。身為一個教師要如何幫 助學生改變迷思概念，學習建立正確的科學概念呢？我們發現對教師來說，找出 學生在某些學科中主要的迷思概念，讓學生知覺到自己的想法是錯誤的，使學生

產生認知衝突，藉由概念改變教學策略導引學生到正確的概念，進而產生概念改 變，就是接下來的一個很重要的議題了。 概念改變的過程並不容易，多數學生會認為自己的想法才是正確的，除非有 認知上的衝突，否則迷思概念是很難加以改變的。Chi（1992）指出科學概念的 改變包含：一、本體類別之內的改變；二、本體類別之間的改變。Thagard（1992） 以知識改變的方法論來探討概念改變，認為概念改變過程包含了信念的修正與概 念改變。Posner, Strike, Hewson, & Gertzog（1982）的研究中提出了概念改變模式， 指出學習是一連串概念改變的過程，學生的概念在新概念與新發現交互作用下， 進行改變。而概念改變必須符合四個條件：「學習者對原本現存概念感到不滿足、 新的概念必須是可理解性、似真性以及豐富性」。Posner et al.認為對於現存原有 概念的不滿意，可說是概念改變過程的中心，他們強調學生迷思概念的地位必須 降低，而正確概念在學生心目中的地位必須提高，如此才會產生概念改變。 許瑛昭、謝惠珠（2004）整理國內外學者所提出的概念改變教學策略，指出 大多研究都強調在進行學生概念改變之前，必須先了解學生原有的知識，即所謂 的「另有概念」或「迷思概念」，教學者若依照傳統的教學方式，將新概念直接 傳授給學生，而不針對學生特有的迷思概念設計教學活動，將無法造成適切的概 念改變。建構主義的教育哲學，希望教師能在教學前探查學生的先前概念，再透 過適當的方法，協助學生建立新的概念或改變迷思概念（張美玉，2003）。為了 要讓學生有意義的學習，在教學活動前，教師應先收集學生迷思概念的相關資 料，審慎規劃和設計教學內容，才能促進學生有意義的學習與概念的改變（邱美 虹，1993）。進行概念改變教學時，要以學生的迷思概念為中心，不論是任何一 種教學策略，都必須先引出學生的想法，進而使學生產生概念衝突，而有認知調

適的需要，再藉由教師以適當的教學策略，進行概念改變教學，促進學生產生概 念改變（張靜儀，2002）。 貳、研究動機 Ausubel（1968）曾說：「影響學習最重要的因素是學生已經知道了什麼？」 （引自張美玉，2003），也就是說學生已有的概念，是決定後來學習最重要的因 素，教師在教學前應先調查學生的先前概念，用適當的方法去引導學生學習（張 美玉，2003）。杜威也認為教學應該把學科知識和學生的經驗連結在一起（引自 張美玉，2003），這些看法和我們傳統教學，一開始就以學生經驗所觸及不到的 事物或概念來教學，是截然不同的。 「溶解」是學生在日常生活中經常用到的科學概念，由文獻研究顯示學生 對於物質之溶解迷思概念相當多，根據許良榮（2002）國科會專題研究結果發 現，學生在溶解性質普遍存有：「汽油不溶於水，是因為汽油密度比水小」、「汽 油與水可以互溶的，因為二者都是液體」、「不同液體之間能否互溶可以密度判 斷」、「認為有『油』字的物質（如甘油）都不溶於水，因為油都比水輕」、「不 同的物質不會互相溶解」、「丙酮與水不會互溶，因為丙酮和水的密度不同」等 六個迷思概念，顯示學生在國中階段，學習到「密度」這個概念後，有過度推 論「油、密度與溶解的關係」的傾向。由於實施九年一貫課程後，在國小課程 中並未教授「密度」的概念，因此本研究將研究對象設定為國中二年級學生。 鍾聖校（1994）認為迷思概念可區分為二個層次，即錯誤概念和迷思想法， 其中迷思想法是一連串錯誤概念背後的思考體系、架構和方式。Abimbola（1988） 曾對錯誤概念修正發表意見，認為錯誤概念要修正，迷思想法要容忍。Dupin &

Johsua（1987）也指出錯誤概念若要與迷思想法一起改變，那是極為長期的工 作（引自鍾聖校，1994）。科學教育的目的之一是要讓學生學得正確的科學概 念，然而有關迷思概念的形成原因相當複雜，針對不同類型的迷思概念，設計 適合的教學策略是必要的，因此成功的教學必須考慮學生的迷思概念，並配合 適當的策略（許瑛昭、謝惠珠，2004）。 根據文獻顯示概念改變的教學策略有許多方式，例如：概念構圖、動態評量、 類比、閱讀及POE（Prediction-Observation-Explanation）等。其中以POE策略最能 讓學生達到自身的概念衝突，符合Posner et al.（1982）所提出的概念改變需要滿 足四個條件之一，必須對於現存的概念是感到不滿意（Dissatisfaction）。POE策略 與教育部（2003）所頒佈的九年一貫「自然與生活科技」學習領域課程綱要的理 念相近，強調以學生為主體，以探究和實作的方式進行科學學習，強調手腦並用、 活動導向、智能與態度並重，激發學生主動探索和研究精神，並培養學生獨立思 考、處理事物與解決問題的能力。在POE的活動中，教師的角色是非常重要的， 他必須不斷鼓勵學生提出自己的想法，一但發現學生存有迷思概念，就必須適時 營造概念衝突的情境，幫助學生讓新的概念取代舊有的迷思概念，達成概念改 變。同時POE策略透過學生實際參與活動的實作觀察，符合Dale學習經驗塔中第 一層次之「直接經驗」，因此本研究採用POE為教學組之概念改變教學策略。另 一方面，雖然「閱讀」是屬於Dale學習經驗塔之「替代經驗」，但Yore（1987）的 調查顯示90%的中學科學教師認為閱讀對學習科學是重要的；Armbruster （1992/1993）也認為科學教育不應忽略閱讀的重要性（引自許良榮，1994）。然 而今日自然科教師及專家學者，常以為實作經驗之重要性優於知識概念，事實 上，許多時候知識概念的重要性是超越實作經驗的價值（許雅惠，2002）。就學

習經驗而言，「替代經驗」雖較「直接經驗」為抽象，但教材設計只要能符合Posner et al.（1982）所提出的概念改變的四個條件，仍不可忽視其效果。研究者在考量 目前國內中學教育環境，因為升學主義興盛，並非所有實驗皆能由學生親自操 作，因此設計「閱讀」教材作為本研究對照組教學策略。 本研究主要動機，是了解國中學生對物質溶解存有哪些迷思概念，並以 POE 及閱讀作為概念改變教學策略，更進一步了解學生在接受教學策略教學後，概 念改變的情形，並作為日後改進教學、促進學習效果、教材設計以及課程發展 的參考與建議。

第二節 研究目的與問題

壹、研究目的 根據前述的研究背景與動機，我們得知有關迷思概念的形成原因相當複 雜，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，已成為一個重要的研究議題。因此本研究目的為針對許良榮（2002） 研究所發現之溶解迷思概念，以國中二年級學生為研究對象，探討以 POE 與閱 讀為教學策略，達到修正與改變迷思概念之成效。 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POE教學策略對於學生概念改變之成效為何？

二、本研究發展之閱讀教材對於學生概念改變之成效為何？ 三、比較 POE 教學策略與閱讀教材，對於概念改變成效之差異性為何？

第三節 名詞定義

針對本研究所提及之相關名詞，在本節中將加以闡述。 壹、溶解（Dissolve）： 本研究的研究主題只限定溶劑為水，探討學生對於不同物質是否與水互溶 的概念。 貳、迷思概念（Misconception）： 迷思概念是由英文的「Misconception」一詞翻譯而來，係指學生對於某一 科學概念有不完整、甚至是錯誤的想法，與現今科學社群所接受的科學概念不 相符合者（王美芬、熊召弟，1995）。科學教育學者將與現行科學概念有抵觸、 錯誤、不完備的概念，稱之為迷思概念（郭重吉，1988）。 參、教學策略（Instructional Strategy）：

本研究所採用教學策略為 POE 教學及閱讀教材，內容乃參考 Posner et al. （1982）之概念改變條件、Thagard（1992）之認識論概念改變類型、Chi（1992） 之本體樹、Driver（1988）之建構主義理念教學以及 Hewson（1992）之概念狀

態，所設計出改變學生迷思概念的教學方法。 肆、Prediction-Observation-Explanation 策略(POE)： POE 策略是在活動過程中採用Prediction(預測)、Observation(觀察)、 Explanation(解釋)等三個步驟的教學策略，要求學生於活動過程中針對所探究的 現象，先以自己原有的科學知識進行預測，而後學生觀察實驗過程與結果，最後 由學生針對其觀察的結果提出解釋。 伍、概念改變（Conceptual Change）： 概念改變是指學生在學習概念的歷程中，必須修正他的先存概念以符合新 學習的科學觀點，即先存概念的變化狀況。本研究是指學生在經歷教學活動之 後，產生概念的修正或轉變等結果，皆通稱為概念改變。

第四節 研究範圍與限制

壹、研究範圍 一、研究樣本的範圍 根據文獻顯示學生在溶解方面存有不少迷思概念，尤其國中生在學習「密度」 的概念後，有過度推論「油、密度與溶解的關係」的傾向。由於實施九年一貫課 程後，在國小並未教授密度這個概念，因此本研究將研究對象設定為國中二年級 學生。研究對象是採立意取樣，樣本的選擇受研究者的人際關係、能力、地域及

研究對象，其中一班學生接受POE教學策略，另一班學生自行閱讀教材。 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科學課程中有關「溶解」方面的概 念，其重要概念為：「不能以是否含有油字判斷物質是否溶解於水」、「密度並 不能判斷物質是否溶解於水」。 三、教學策略的範圍 根據文獻探討可知概念改變教學策略有許多種方式，本研究所採用的教學策 略為POE教學及閱讀策略。 貳、研究限制 一、研究樣本的限制 本研究僅限於國中二年級學生有關「溶解」之迷思概念改變分析，無法針對 所有不同年級學生的迷思概念做更完整詳盡的描述，且研究對象有限，不宜推論 至其他年級學生。 二、研究內容的限制 本研究所探討之概念為「溶解」方面，其重要概念為：「不能以是否含有油 字判斷物質是否溶解於水」、「密度並不能判斷物質是否溶解於水」。研究概念 僅限與此，不宜推論至其他溶解概念，僅提供類似教學內容設計之參考。

三、教學策略的限制 本研究所採用的概念改變教學策略為POE教學及閱讀教材，故教學策略之成 效，僅提供類似教學策略設計之參考。 四、研究結果的限制 本研究在有限的測試工具內進行探討，紙筆測驗可能無法涵蓋學生所有的概 念，因此研究結果不宜做過度推論，僅供類似研究情境時的參考。

第二章 文獻探討

本章共分為四節，第一節為迷思概念之探討，第二節為概念改變相關研究， 第三節介紹概念改變之教學策略。

第一節 迷思概念之探討

壹、迷思概念定義 關於概念的意義，有眾多學者嘗試加以定義，概念之形成是由於我們能夠對 外界的事物進行歸類（Categorization）。認知學派認為概念是一種心智活動，是 藉由學習與經驗所建構而成的，其內容會隨著個體成長而修正；而行為學派的學 者則認為，概念是一群能產生特定反應的相似刺激（郭惠芳，2003）。此外張春 興（1996）對概念提出了廣義與狹義的定義，就廣義定義而言，概念是指個體對 具同類屬性事物，獲得的概括性之單一經驗；而就狹義定義而言，藉由單一概括 性的名稱或符號，可將具有共同屬性的一類事物的全體加以分類，此名稱或符號 所代表者為概念，且概念具有歸類與共通性。 並非每個人擁有的概念是穩固不變，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化的。黃台珠（1984）指出，概念是人類思 考和了解的工具，亦是學習的基本單位，經由有意義的學習而獲得的概念，使

得人類能夠具有深入思考的能力。我們所能接受的知識，可以說是透過許多經 由經驗及有意義學習而來的概念結構之過濾。 而在概念發展的過程中，由於各種因素的影響，也會有一些迷思概念 （Misconception）產生。但因各學者的論點不同，或因研究方法而異，所以有關 迷思概念的各種名詞紛紛出現，如「錯誤概念」、「另有概念」、「另有架構」 等；而英文則有「Alternative framework」、「Preconception」、「Misconception」 等，其中又以Misconception一詞最為常見（裘維鈺，1995）。根據Gilbert & Watts （1983）的觀點，大多數學生對自然現象所抱持的看法、原則或信念，可能與課 本或專家的看法、原則和信念有所不同，便稱為學生的迷思概念。 裘維鈺（1995）認為所謂迷思概念是指學生的概念，隱含著錯誤的概念，且 此概念與現行廣受接納的科學知識相衝突，通常是指學生接受了正式的科學教育 課程教導後，因同化不當而產生誤解。而迷思概念對學生來說就如同真的一般， 學生大多以為自己的解釋與看法是對的，事實上，他們並不知道自己的想法是有 偏差的。 除此之外，根據鍾聖校（1995）的歸納整理，迷思概念包括： 一、學生在正式上課前所持有的先備概念。 二、另一種想法的替代性結構。 三、兒童對科學的直覺或是有缺陷的、不成熟的知識等。 本研究綜合各家見解，將迷思概念一詞定義為：學生藉由學校教育、日常生 活經驗或其他途徑等綜合的影響力，產生對某一科學概念錯誤的想法或錯誤的解 釋，換句話說就是學生的認知，因為某些因素而形成與教科書、科學教師以及科 學界所認同的科學概念有所不同之想法，均視為迷思概念。

貳、迷思概念來源與特性 迷思概念並不僅是缺乏知識、事實的錯誤或錯誤的定義，相反的，它代表 著學生依其早期知識和經驗所建構出來對現象的解釋。Cobern（1988）曾從世 界觀的角度來看迷思概念的來源，他認為迷思概念的來源有二（引自陳柏棻， 1993）： 一、對事實瞭解的錯誤：由非正式天真想法與錯誤的教學、訊息所導致。 二、從另有世界觀所演繹出的解釋。 Fisher（1985）則提出迷思概念具有以下的特性： 一、迷思概念和同領域專家所有的概念有差異。 二、單一的迷思概念或少數的迷思概念有其普遍性（許多不同個體皆擁有）。 三、多數迷思概念很難改變，至少傳統教學法是很難改變它。 四、迷思概念有時包括另有信仰系統，由學生以系統方式連接命題而形成。 五、有些迷思概念具有歷史淵源，可能是該領域中早期被接受的想法。 六、可能產生迷思概念的原因： （一）神經系統或基因的問題。 （二）日常生活的經驗。 （三）學校或其它情境的教學。 迷思概念的形成原因相當繁雜，綜合國外文獻顯示大致有下列幾項因素 （Head, 1986; Sutton & West, 1982; Osborne, Bell & Gilbert, 1983）：

一、教科書內容不恰當。 二、教師的教學過程有問題。

三、來自日常生活的經驗與觀察。 四、受到同儕文化之影響。 五、兒童自發性的素樸觀念。 六、日常用語或隱喻的誤解。 七、不當的類比或字義的混淆。 八、科學知識的不足。 九、過度的自我中心（Ego-center）。 十、兒童個別的特定偏好所產生的不同的解釋。 國內學者蘇育任（2000）指出迷思概念對科學教育的隱涵以及與迷思概念 成因如下： 一、在科學情境中使用日常生活用語的問題。 二、過度簡化科學概念並使用不合格之一般化的敘述。 三、使用多重定義及模型。 四、死背概念及公式。 五、學生從先前本身經驗世界所產生的「先前概念」。 六、將相似的概念重疊在一起。 七、將物件賦予人類或動物的特徵。 八、學習一概念所須之先備知識不夠。 九、學生無法「摹想」物質的粒子性質或微觀性質。 十、教學策略與概念太廣泛。

模式： 一、直觀模式。 二、推理、聯想不當模式。 三、誤用類比或模型模式。 四、記憶連結錯誤模式。 五、名詞錯誤模式。 六、生活經驗誤用模式。 七、猜測模式。 八、教學途徑誤導等。 依據學生對水溶液所持迷思概念的心智模式，可歸納出八個成因，分別為： 一、依賴直觀的觀察。 二、科學知識不足。 三、相似概念的混淆。 四、日常生活經驗。 五、語言的因素。 六、視聽媒體的傳播。 七、師長的誤導。 八、教科書的影響等。 陳淮璋等（2001）亦針對國小學生對水溶液迷思概念做研究，歸納出迷思 概念的來源有七項： 一、同時事件的干擾。 二、語意的模糊不清。

三、不當的認知。 四、實驗操作不當。 五、記憶的混淆。 六、不當的推論。 七、自行建構。 綜合上述，可知迷思概念的來源相當的多，所涉及的層面廣泛，研究者綜合 歸納如下： 一、生活經驗與觀察：學生本身的觀察經驗，生活的直覺想法，靠著似是而非 的生活經驗，自行發展出一套合理的解釋。 二、個人特質：學生認知發展不成熟，背景知識不足導致迷思概念產生。學生 認知發展尚未到達學習某一概念層次，對於抽象世界的不瞭解，以致於無 法達成有效的學習遷移。 三、語言用法：日常用語的誤導、隱喻的使用、不適當的科學名詞、類比的聯 想易導致迷思概念的產生；在日常生活用語中，有許多是過去所延用的習 慣用語，或是因為相近的字義而使學生混為同類事物，例如：「太陽升起 來了」，並非使用「現代」觀點，雖是地球繞著太陽「運轉」，但學童可 能有太陽繞著地球運轉的想法。 四、教學過程：教學的過程中，教師學科知識不足或錯誤、教師未留意學生的 想法、教科書上的錯誤或不當的類比，皆可能造成學生的錯誤想法，而且 更為根深蒂固。例如以「水流」來類比「電流」作為教學，或當電池耗盡 時，會用電池「沒電」來形容，若解釋不當可能造成學生的迷思概念。 歷年來對於迷思概念的研究非常多，鄭麗玉（1998）整理Wandersee（1994）

的研究，歸納出大多數研究者對迷思概念的所得結論如下： 一、學習者帶著多樣有關自然界中事、物的迷思概念，進入正式的科學課 程。這些概念通常和科學家所持觀點不同。身為自然科學教師若不知道 學生的這些概念，對於教學有很大的不利。 二、學習者對於正式科學課程的迷思概念，是跨越年紀、能力、性別和文化 藩籬。不過，基於之前教學的層次、品質以及教室之外的個人、社會經驗 等因素，學習者迷思概念的出現就有相當的變化性。 三、以傳統教學策略，迷思概念非常固著且不易消失。但並非所有的迷思概念 都很固著，在設計良好的傳統教學下，迷思概念還是可以改變的。 四、今日學生的某些迷思概念和從前科學家對自然現象的解釋非常相似，雖然 沒有足夠的證據顯示學生在學習科學概念時，會重蹈歷史的覆轍，但建議 可用科學史來鼓勵、幫助學生發現自己的迷思概念。 五、迷思概念起源自多樣的個人經驗，包括對自然直接觀察和知覺、同儕文化、 日常語言的使用、大眾媒體的影響以及源自教師的解釋和教材設計。 六、教師和學生可能同樣持有迷思概念，因為在過去小學教師比中學教師修較 少專業的科學課程，因此小學教師所具有的迷思概念和一般大眾不會有太 大的不同。 七、學習者先前的知識和正式教學中呈現的知識交互作用，可能產生很不一樣 的學習效果。 八、一些促進概念改變的教學取向，很可能是有效的教室工具，這包括使用概 念衝突、類比和後設認知策略等。

參、溶解之迷思概念 一、溶解的定義 「溶解」是學生在日常生活中常見的現象，也是科學教育上重要的科學概 念之一。在九年一貫課程綱要中就有不少與溶解相關的概念，例如能力指標 「2-4-4-3 知道溶液是由溶質與溶劑所組成的，並了解濃度的意義」；「2-2-3-1 認識物質除了外表特徵之外，亦有性質的不同，例如溶解性質、磁性、導電性 等」。各主題中之細目包括「察覺很多物質能溶於水及空氣具助燃性（次主題 110）」；「察覺物質各具性質（例如不同物質雖然大小相同，輕重卻不同，如導 熱性不同，如有的易溶於水有的不易，如有的硬脆有的可延展）（次主題 131）」； 「察覺不同物質在水中的溶解程度也不同（次主題 224）」（教育部，2003）。 「溶解」和「溶液」的概念涉及物質的粒子理論、物質的物理變化和化學 變化，是化學上重要的基本概念。但何謂溶解？一般學生對溶液的例子常只想 到固體溶解於液體中；但是學生也會存有其他一些想法，楊純珠（1999）的研 究結果則指出，有大約一半的學生會誤把「溶解」與「熔化」當成同義字。 Driver （1985）等人則指出 15 歲青少年會將「溶解（Dissolving）」與「熔解（Melt）」 當為同義字。誠如此處中文字「熔」、「溶」音同義異的情形所示，學生對此 兩個過程有著一些獨特或混淆的想法，例如，在英語裡，有些人們所熟悉常用 的字彙，當使用於化學上時，其意義是不同的，舉例而言常說糖果熔（Melt） 於口，而不是說糖果溶（Dissolve）於口。而在梁實秋（1986）所主編之英漢辭 典裡，對 Melt 有著下列兩種的舉例說明：

（一）溶解：糖在茶中溶解（Sugar melts in tea.）。 （二）逐漸消失：雪熔化了（The snow melted away.）。

但就物理、化學的角度來看，第一例應是溶解概念，而第二例則是物相變 化的概念，兩者是截然不同概念的用法。而在黃文儀（1989）所主編之英漢辭 典裡，也有著混淆的類似說法如：「melt。熔解、溶解、融解；漸漸消散、溶 入」。 而溶液（Solution）的定義為何？郭重興（1989）所主編的化學辭典對此有 一番說明：「單一的、均勻的液相、固相或氣相的混合物。其中組成液體、氣 體、固體或彼此結合的，均勻地分佈在整個混合物中。可分為氣體溶液、液體 溶液和固體溶液三類」。簡明大英百科全書（1988）則解釋：「溶液是兩種或 多種化學性質不同的物質，在分子尺度上的均勻混合物。一般指液體溶液，也 存在於固體溶液和氣體溶液之中。」而大美百科全書（1991）對溶液定義為： 「溶液是兩種或多種化學物質組成的體系，體系中的任何一部份都具有相同的 化學組成和物理性質。」王佩蓮（1991）則認為溶液是一種由兩種或更多種的 分子、原子、離子或不同物質所組成的均勻混合物，溶液可分成三種狀態：氣 態溶液、液態溶液、固態溶液。由上述定義可知溶解為溶質溶於溶劑而產生溶 液，且溶液為一均勻混合物。 二、物質互不互溶與溶液的迷思概念之相關研究 由文獻研究顯示學生在物質之的溶解迷思概念相當多。例如 Driver & Russell（1982）以 8∼14 歲學生為研究對象，發現近三分之二的學生認為糖水 溶液的重量會少於糖加水的重量。Anderson（1990）以相同的問題針對 15 歲青 少年為對象，結果超過半數有相同的迷思概念，他們所根據的理由有： （一）糖溶解後消失不見了。

（二）混淆了體積和質量的觀念。 （三）糖仍然存在，但是變輕了。 國內陳淮璋等（2001）針對國小學生對水溶液迷思概念所做的研究，亦有 類似發現，學生普遍存在以下迷思概念： （一）物質溶解看不見即不存在。 （二）物質有重量，若久置不繼續攪拌就會沉澱。 （三）攪拌會增加溶解量。 （四）顆粒小的溶解量比較大。 （五）誤將「溶解」體會成「懸浮」狀態。 許多研究發現，學生對溶液的例子常只想到固體溶解於液體中。Prieto et al. （1989）之研究，得到以下結論： （一）約有四分之三的學生認同溶液的同質性； （二）約有二分之一的學生說溶液是一連續體（Continuous）； （三）即使研究者使用更多科學性單元來教學，學生還是常用他們所熟悉的 術語而不是科學性的術語，來描述溶解過程； （四）學生對溶液的例子常只想到固體溶解於液體中。 簡美容（2001）在對臺北縣、市地區國小四、六年級學生所做的研究，亦 發現大多數的學生認為可溶解的東西，仍多僅止於固體物質，且學生常會使用 溶質、溶劑何者為輕、何者為重之觀點，來描述溶解過程。對溶解的概念，學 生需要去察覺它是怎麼運行的，而不是僅視為一個概念。但部份研究發現有些 高年級的學生是以化學變化觀點來看溶解的，例如，有些八年級的學生認為鹽

加到水後，化學變化發生了（Abraham, Grzybowski, Renner & Marek, 1992）。亦 有些國中、高中以及大專生認為糖與水混合時，糖產生化學變化，成為一新物 質；或者糖分解為離子（Ions）或元素（Elements）（Abraham, Williamson & Westbrook, 1994）。在 Ebenezer & Erickson（1996）的研究中，一位十一年級學 生認為糖的溶解是糖與水的化學組合而產生了與原成份不同的、嚐起來也不同 的「糖—水」（Suger-water）。 國內的學者黃寶鈿（1989）針對國中、小學生溶液相關概念之研究發現， 學生的迷思概念與日常生活中的經驗有關，這些迷思概念會影響他們濃度概念 的學習，同時對於「過飽和」的現象，僅有少數人能夠瞭解，而大多數學生對 飽和的概念不清楚，甚至是錯誤的。 盛承堯（1992）的研究指出學生的迷思概念除了與他們的學習經驗有關外， 也與他們五官所覺察到的有關係。他曾針對臺北、花蓮地區四所國小，三到六 年級共六十位學生溶液概念的研究發現： （一）學生無法明確分辨物質與混合物。 （二）不清楚溶質、溶劑和溶液之間的關係 （三）認為糖水蒸發後，不能恢復成原來的糖。 （四）溶液是有雜質的。 學生除了在「濃度」、「溶解量」、「溶質、溶劑與溶液三者的關係」存有迷 思概念外，許良榮與彭煜堯（2002）以雙層（Two-tire）試題評量診斷中小學生 之「物質化學性質之分類—溶解」概念之研究結果顯示：學生對於物質是否能 互相溶解，亦存有不少的迷思概念，且學生可能同時持有以密度大小、是否為 油性或其他理由做為判斷物質是否互溶的依據。許良榮與劉政華（2004）的研

究也有類似發現：中、小學生在判斷物質是否溶於水中時，最主要的判斷是以 「物質名稱」為依據，部分學生甚至會以「物質的化學式」作為判斷是否溶於 水的依據，而隨著學生獲得「密度」的概念，以「密度」作為判斷物質之溶解 性的傾向增加，學生亦有過度推論「油、密度與溶解的關係」（見圖 2-1-1）以 及「所有的酸溶於水」（見圖 2-1-2）的傾向。 ↙ ↘ ↗ 油浮在水面 → 油不溶於水 →（因為）油密度小於水 → 圖2-1-1 油、密度與溶解之迷思概念形成（引自許良榮、劉政華 2003） ↓ 酸可以稀釋 → 因為酸溶於水 → 圖 2-1-2 酸鹼性與溶解之迷思概念形成（引自許良榮、劉政華 2003） 根據許良榮（2002）研究小四、小六、國二以及高二學生在溶解性質的迷 思概念，包括了以下幾項： （一）認為「汽油不溶於水，是因為汽油密度比水小」的學生由小四到高二 分別為 9.1%、18.4%、69.2%、59.8%。 （二）小學生認為汽油與水可以互溶的，以「因為二者都是液體」的理由為 最多（小四 26.2%、小六 15.5%）。 學校經驗/生活經驗 （推論）油都不溶於水 （推論）密度影響溶解 學校經驗/生活經驗 （推論）所有的酸溶於水密

（三） 學生對於不同液體之間能否互溶，存有以密度判斷的迷思概念，選答 「因為油都比水輕」而認為有「油」字的物質（如甘油）都不溶於水 的學生，由小四到高二的比率分別為 13.5%、34.7%、56.1%、31.1% （四）認為洗碗精可以溶於水是因為「洗碗精不含『油』」的，由小四到國二 有逐漸上升的情形（18.3%、18.4%、27.1%），高二則只有 7.2%。 （五）認為「因為有氣泡產生就是互溶（洗碗精）」，各年級選答的比率約在 一成左右，由小四到高二分別為 10.7%、9.4%、15.4%、14.4% （六）超過半數的中學生認為丙酮不溶於水（國二 58.1%，高二 59.1%），其 所持理由以「因為丙酮只溶解油類」為最多（國二 23.8%，高二 47.7%）。

第二節 概念改變相關研究

壹、概念改變之意涵 Piaget的認知發展理論當中，曾提出過「同化」（Assimilation）和「調適」 （Accommodation）這兩個名詞。「同化」係指個體以其既有的基模或認知結構 為基礎，去吸收新經驗的歷程；「調適」則是指當個體遇到新的情境，原有認 知結構不能適合環境要求時，他只能改變已有的認知結構，以符合環境的要求， 否則他與環境之間就無法保持平衡（引自張春興，1991）。根據「同化」和「調 適」的意義，概念改變的觀念似乎是較為傾向於「調適」的概念，因為概念改 變的認識論，即在學習的過程中強調概念的改造。 鍾聖校（1994）認為迷思概念可區分為二個層次，即錯誤概念和迷思想法， 其中迷思想法是一連串錯誤概念背後的思考體系、架構和方式。Abimbola（1988）

曾對錯誤概念修正發表意見，認為錯誤概念要修正，迷思想法要容忍。Dupin & Johsua（1987）也指出錯誤概念的改變若與迷思想法一起改變，那是極為長期 的工作（引自鍾聖校，1994）。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。認知衝突是針對學生所欲學習的概念，已經存有迷思概念時的一種教學 策略，教學上藉著引入異例事件，誘發學生面對問題時能產生認知衝突，而促 使學生主動探究原有概念與事件間的差異，進而鼓勵學生尋找答案來解釋異 例，因而產生調適作用，改變其原先想法並接受正統的科學概念（張靜儀， 2002）。

Asoko & Driver（1992）指出，概念教學上主要有三種認知衝突：

一、學生的預測與實驗結果之間的衝突。 二、學生的概念與教師的概念之間的衝突。 三、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，並不 是由老師的觀點決定是否產生認知衝突。因為有時就算學生觀察到教師所安排 的衝突，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）的研究請 學生預測用羊毛覆蓋冰塊，是否比用鋁箔覆蓋熔化得快？學生會認為用羊毛覆 蓋的冰塊熔得快，因為我們用羊毛保暖，而實際實驗時用鋁覆蓋的冰塊會先熔 化，但這個現象並沒有動搖學生的原有想法。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）。 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 2-2-1 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，或經由教師示範、實驗，提供概念衝突。正確的科學概念可由學生之間 討論或教師引介後，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。 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。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。

圖 2-2-1 建構主義的教學順序（ Driver, 1988） 有關概念改變的條件，在文獻中經常引用Posner et al.（1982）所提出的概念 改變需要滿足四個條件，分別為： 一、必須對於現存的概念是感到不滿意（Dissatisfaction）： 學習者只有在本身所持有的概念無法解釋所遭遇的現象，或無法解決問題 的時候，才會想要改變他們的概念，也就是個人對目前的概念用來解決問題失 去信心時，調適才有可能發生，而對原本概念不滿足的來源，就是在概念上有 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

的情況，在這個時候，學習者為了減少本身認知的衝突，才會對個體本身已存 在的概念做修正。 二、新的概念必須是可以被理解的（Intelligible）： 學習者必須領會新概念的內涵，以比喻或類比的方式可幫助學習者瞭解新 的概念。個體在對新概念有所認識的情況下，才能產生概念的改變。 三、新的概念必須具有似真性（Plausible）： 新的概念必須與學習者其它的概念相符合，能與學習者過去的經驗一致； 新概念必須具有解決其原來問題的能力，才可以替代先前的概念。 四、新的概念要具有可應用於不同情境的豐富性（Fruitful）： 新概念不僅可以解決學生原有的問題，還需具有解決其它問題的潛力，能 進行新領域的探索。

上述後三個條件「可理解性」、「似真性」和「豐富性」，Hewson & Hewson

（1992）稱之為「概念狀態（Status）」，此四個條件是有程度的差異與階層性的， 也就是說當一個新概念對學生而言，應用的層次若能達到「豐富性」，其改變的 程度就遠勝於僅達到「不滿意」、「可理解性」或「似真性」的改變程度，相對 來說，如果新概念只是滿足「可理解性」的條件，便居於較低的地位。Hewson & Lemberger（2000）認為以狀態的觀點來看概念改變，可以更加深入了解概念改 變的過程，Hewson更進一步建議，狀態是概念學習的保證（hallmark）。若透過 狀態的觀點來描述科學教育的目標，則是要「提昇學生科學概念的狀態，並降低 學生另有概念的狀態」。 就科學教學的目標而言，是要增加科學概念的狀態而不是「消減」迷思概念。 Hewson & Hennessey（1992）以七週的時間讓受測的學生學習「可理解性、似真

性、豐富性」三個概念狀態術語（見表2-2-1），讓他們對這些術語能有一致且正 確的理解，並深度訪談一位學生，發現學生能夠決定自己的概念狀態，狀態的澄 清對老師在教學上，如何讓學生產生概念改變以及學生如何在學習上造成概念改 變，都是同等重要的。

Hewson & Hewson（1992）提出的概念改變模式指出：首先必須符合某些條

件以使學生進行概念改變，而個人的概念狀態亦提供了影響概念改變之發生、賦 予意義的情境。概念狀態包括個人現有的概念和信念，他們之間多重的相關性。 在討論概念改變的意義，Hewson & Hewson認為「改變」並非完全清除或消除了 學生的概念，其原因有三：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，大多數成年人及專家所擁有的各領域概念，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。由此觀點而言， 科學教育的目標，不是要清除學生的舊概念，而是讓正確的科學概念更有價值， 而舊概念被限定的情境。同樣地，Hewson & Thorley（1989）認為概念改變是新 的概念和概念生態中的因素交互作用而改變概念生態的歷程。在進行概念改變的 過程中，並非所有的概念全部被取代，有些概念會被保留用來指導概念改變的發 生，而這些控制概念改變的概念，就總稱為概念生態（conceptual ecology）。Hewson & Lemberger（1999）指出概念生態是指在一個人所擁有的知識基礎中所發生的

互動，以及在互動過程中提升或降低某概念的狀態。所以說概念的狀態，可說是 概念生態中的標準與概念彼此互動的產物。

表 2-2-1 概念改變模型之描述訊息（Hewson & Hennessey, 1992） 概念 描述 可理解性 （INTELLIGIBLE to me） -我必須知道這個概念的意義 -這些字必須是能了解的 -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 -我確實了解與我相關的事物 -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 Posner et al.（1982）認為對於現存原有概念的不滿意，可說是概念改變過程 的中心，他們強調學生迷思概念的地位必須降低，而科學概念在學生心目中的地

位必須提高，如此才會產生概念改變。Posner et al.同時提到了利用講課、實驗與 演示，由教師提出問題，製造學生概念上的衝突，有助於學生概念改變，教師必 須找出學生思考上的錯誤與原因，發展策略以處理學生的迷思，可以利用模型幫 助學生理解學科內容，幫助學生建立科學式思考的模式，並發展概念評量技巧， 以幫助教師瞭解學生概念改變的情形。 國內學者耿筱曾（2000）針對國小三到六年級學生進行空氣概念學習的相關 研究，將學生概念改變的可能類型，歸類如以下三點： 一、概念獲取型（Conceptual capture）： 這種類型的概念改變，如同Piaget所提出的認知「同化（Assimilation）」， 即新概念與原有概念不產生衝突，或是比原有概念更高階，使得學生很容易便 能將新概念含攝於原有概念架構中，而產生「量」的改變。 二、概念重組型（Conceptual restructuring）： 如同Piaget的「調適（Accommodation）」觀點，這類型的概念改變是當學 生遭遇到認知衝突時，能藉由將原有概念重組或分化來接受新的知識，在概念 架構中，這是屬於「質」的改變。 三、概念替換型（Conceptual exchange）： 這類型的概念改變屬於概念改變的最高境界，如同 Kuhn 的典範遷移， 給學生帶來的衝擊也最大。當學生以新概念替換原有的概念時，新概念會轉 變為學生概念生態的一部份。 貳、由本體論看概念改變 Chi（1992）以本體論為基礎，研究學生之科學概念的改變，將物理世界分

為三個基本的本體類別（Ontological categories），分別是物質（Matter）、事件 （Event）與抽象（Abstrct），三個基本類別分別有次級類別（參見圖2-2-2）。所 謂「物質」指的是含有特定屬性（Attributes）的「東西」，如紅色的太陽、有生 命的東西等；所謂「事件」指的是事件的發生，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；所謂「抽象」則指情意的部分， 如情緒或傾向。在這三個類別之下有所謂的次概念，如自然種類、人造物質、步 驟、事件、滿足限制條件的交互作用等。基本上，物質、事件與抽象狀態在本質 上是相互獨立的，因此三者之間的轉換屬於根本的概念改變（Radical conceptual change）。另外較輕微的概念改變，為信念修正（Belief revision），大都透過增 加（Addition）或減少（Deletion）一些屬性的方式來改變概念結構，這僅屬於局 部的變化，不需本體上的改變（邱美虹，1998）。 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 2-2-2 本體類別（Chi, 1992）

Chi（1992）指出科學概念的改變包含： 一、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。 二、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。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），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。 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來學 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。 Chi（1992）建議可透過教學的過程，來加強新概念的意義，進而放棄原有 的概念（引自邱美虹，1998）。此外，劉嘉茹（2000）以化學平衡概念進行概念 改變研究亦發現：學生之概念要由物質類別跨越到過程類別是困難的。

參、由概念革命的觀點看概念改變

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2-2-3），從樹轉換（Tree switching）和分枝跳躍（Branch jumping）的觀點探討概念改變的機制，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「概念加入（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。 Thagard（1992）以知識改變的方法論來探討概念改變，認為概念改變過程包 含了信念的修正與概念改變，其中信念的修正包括了信念的增加與信念的減少； 而概念改變則有概念的增加、減少、重組與重新界定階層，也就是樹的轉變；不 過，概念重組的因素，可能為概念的分枝跳躍或概念的分解、合併及區辨。信念 的修正、概念的增減、重組概念階層，在科學知識的發展中常見，但分枝跳躍與 樹轉變則較為罕見，可視為根本的改變。 Thagard利用樹轉換與分枝跳躍來探討概念改變的機制，並將概念改變的程度 分為九類（引自邱美虹，2000）： 一、增加新範例：概念是瑣碎的，例如：海洋遠處看到的黑色小點是鯨魚。 二、增加（減少）弱原則：視其實用性決定原則強弱，例如：鯨魚可在北冰洋 中發現。 三、增加（減少）強原則：視其實用性決定原則強弱，例如：鯨魚吃浮游生物。

四、增加（減少）新的部分關係：概念的分支，例如：鯨魚有肺臟。 五、增加（減少）新的種類關係：利用上層的關係來結合兩個概念，例如：海 豚是鯨魚的一種。 六、增加（減少）新概念：有助於科學知識的發展，例如：電學與磁學合成電 磁學。 七、瓦解部分種類的階層：放棄原有的辨別方式，例如：牛頓放棄亞理斯多德 的觀點。 八、藉由分枝跳躍重組階層性：例如，哥白尼認為地球是行星之一而非「地心 說」。 九、樹的轉變：改變已有階層性的樹狀組織原理，從一階層樹的分枝轉移到另 一分枝，例如：達爾文改變分類的意義，人是由其他生物演化而來。 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

第三節 概念改變之教學策略

對於概念改變之教學策略，Hewson（1982）等人建議之策略有四方面： （一）整合（Integration）：整合學生的先前概念及舊概念。 （二）區別（Differentiation）：利用教學策略區分學生的先前概念與新概念。 （三）交換（Exchange）：製造認知衝突，使學生用新概念與舊概念做替換。 （四）概念橋（Conceptual bridge）：教師幫助學生將抽象觀念與實際經驗連結， 使新概念合理。 上述四種教學策略中，製造認知衝突是科學教學中常用的方法之一。根據 Posner et al.（1982）提出，學生遇到新概念與原存概念相衝突，即產生異例時， 將會產生下列可能的情況： 一、異例無法使原概念產生不滿意： （一）拒絕：排斥新的概念。 （二）忽視：對新概念視若無睹，意味著使之與原概念發生衝突，仍未對其提 出解釋。 （三）隔離：將新概念與原概念做區分，以避免其對原概念產生衝突。 （四）同化：嘗試將新概念納入原架構中。 二、異例使原概念產生不滿意 （一）了解：了解新概念與原概念間的差異。 （二）調和的需要：學生相信將新概念與原概念調和的必要。 （三）減少不一致：學生認為新概念與其所擁有之信念是不一致的。 （四）同化不成功：學生嘗試將新的概念與原概念同化，但不成功。

概念改變教學除了要滿足Posner et al.（1982）所提出的概念改變的四個條件 外，學生的學習經驗也會影響學習效果。以下本節就學習經驗、閱讀策略以及POE 教學策略作整理介紹。

壹、Dale之學習經驗塔（The Cone of Experience）理論：

美國學者Dale於1954 年提出學習經驗塔（見圖2-3-1），將學生學習經驗依 性質分成「直接經驗」、「間接經驗」以及「替代經驗」三個層次（引自楊榮祥， 1979）。只要是學生親身參與的教學活動，都是屬於「直接經驗」，包括了有目的 的直接經驗、設計經驗以及演劇經驗。在此階層中，強調學生自身經驗、感受及 參與學習的重要性，教師的地位是「輔導者」，而不是「講師」，學生是活動的主 角，也可以說是「以學生為中心」的教學活動。第二層次為「間接經驗」，包括 了示範、參觀與展覽三類，這三類為學生運用全部或部份的感官從事學習活動， 如野外教學或博物館的展示教學等。「間接經驗」比「直接經驗」來得抽象，學 生所學習的對象可能是立體的實物，但都不是由學生親手操作來學習的。間接經 驗和直接經驗的教學活動兩者主要的不同點就在於學生是否親身參與，例如同樣 的測量水流流速活動，學生親自測量和只有老師示範如何測量就是不同的階層， 前者屬於有目的直接經驗，後者則歸類為間接經驗中的「示範」，而兩者的學習 感受及效果亦不相同。經驗塔最頂層的部分，屬於「替代經驗」，包括了電視電 影、錄音廣播與靜畫、視覺符號以及語文符號，這個階層最為抽象，且學生也只 能使用一種或兩種的感官學習。

圖2-3-1Dale之學習經驗塔（引自楊榮祥，1979） Dale認為，學生運用感官親自參與直接體驗的學習活動，不僅會有很高的學 習動機和興趣，且可由親身經驗中自行發現知識，建構正確觀念，進而以其所得 的學習經驗為基礎，繼續發展新的學習。因此，教學的方式，應儘量往經驗塔的 最底層出發與開展，越低越好，讓學生由直接經驗來學習（引自徐鉅昌，民76）。 POE教學策略，除能讓學生達到自身的概念衝突，符合Posner et al.（1982）所提 出學生必須對於現存的概念是感到不滿意（Dissatisfaction）之外，POE透過學生 實際參與活動的實作觀察，更屬於Dale學習經驗塔之「直接經驗」。另一方面， 雖然「替代經驗」較「直接經驗」抽象，但教材設計只要能符合Posner et al.（1982） 所提出的概念改變的四個條件，仍不可忽視其效果。研究者在考量目前國內中學

教育環境，因為升學主義興盛，並非所有實驗皆能由學生親自操作，因此設計「閱 讀」教材之「替代經驗」，作為本研究教學策略之一。 貳、POE之教學策略（Prediction-Observation-Explanation） 「預測－觀察－解釋」是POE（Prediction-Observation-Explanation）的基本 程序，首先設計某一情境，先讓學生進行預測（Prediction）將會有何結果或現象 發生，再讓學生寫下自己的預測以及理由之後，之後讓學生實際操作、觀察 （Observation）有何現象發生？待觀察之後寫下觀察結果，如果與自己的預測不 一樣，請學生說明（Explanation）原因或理由。此歷程具有認知衝突（Cognitive conflict）的特色，即情境是以學生的迷思概念為基礎，設計發生的現象與學生的 預測不一樣，進而探索學生如何解釋自己的觀點與現象之間的差異。 White & Gunstone（1992）指出POE策略的主要步驟有三：

一、預測（Prediction）：學生運用其原有的知識去預測一個事件的結果，其預 測必須要有其支持的理由，才能提出。 二、觀察（Observation）：在事件完成之後，學生去描述這事件的真正結果。 三、解釋（Explanation）：學生要去解釋他的預測和真實結果之間的矛盾，通 常他們會遇到困難，教學者要鼓勵學生去考慮所有的可能因素；此時的鼓 勵是重要的，因為學生在這個步驟中，會展現出他們對於事件的理解。 White & Gunstone（1992）舉出數個在力學概念、熱學概念以及Piaget的體積

保留概念，都屬於POE型式的研究工具，能夠有效而深入探索學生的迷思概念。 例如Liew & Treagust（1998）綜合採用POE、個別晤談以及班級討論，以診斷11 年級學生包括水的膨脹、鹽的溶解度以及燈泡的功率與電阻等概念，該研究顯示

POE除了能有效掌握學生的概念理解，也適合做為教學活動之設計。除了診斷學

生的迷思概念，POE也是設計概念改變教學策略時，相當值得參考的設計。另外， Searle & Gunstone（1990）在為期十二週的教學研究，探討以POE為教學策略對

於學生在力學的概念改變，研究結果顯示雖然要達成長期性（Long-lasting）的概 念改變是困難的，不過POE的教學策略達成了某些成效。

李家銘（2001）探討6位國三學生，在POE教學活動中的電學概念發展情形， 由研究結果發現學生經過POE教學後，在十二個認知概念和七個技能概念中，有 明顯的進步。Fekete & Walker (1997)運用POE策略於熱力學的教學活動，發現學 生除了在評量成績上的提升之外，在學習動機、活動參與度、學習自主性等方面 都有提高的現象。Fekete & Walker也主張，學生認為POE策略活動讓他們感受到 這是一個有趣的、令人興奮的、令人滿足的、富有挑戰性的、有收穫並且會引發 思考的活動。張宗義（2003）以POE為教學模式，探究國小四年級學生水溶液概 念改變的情況，發現POE對於水溶液概念學習有明顯助益，尤其對於低成就學生 而言，他們在接受POE教學後，最容易產生概念完全改變類型，顯示迷思概念越 多，經過POE教學概念衝突的情形越明顯，改變原有的迷思概念越容易；而相對 於中、高成就學生而言，經過POE教學後最易產生概念增加性的改變類型，顯示 中、高成就學生最能進行概念的再建構，而達到有意義的學習。 邱彥文（2000）從國中浮力活動的課室觀察資料、學習感受問卷與晤談資料 中發現，學生對於教師所進行POE教學的反應，多傾向正向的回應，並且提出POE 教學活動能夠提昇學生學習興趣、幫助課業的學習、思考與解決問題能力、在生 活上增加知識的應用，此外還包括了解不同想法、增進人際關係與溝通以及動手 操作，獲得真實的體驗等面向的增強效果。

蔣盈姿（2004）以POE策略及晤談方式，探究國小六年級、國中二年級、高 中一年級三個年齡層之學生，對於物質之可燃性的另有概念及相關的影響因素， 發現學生對物質可燃性的概念呈現多樣化、不一致及經驗導向等特徵，多數學生 可透過POE活動，調整對於物質可燃性概念之判斷，學生會試圖解釋其原因。陳 志偉（2004）指出在POE策略下，學生在過程技能、科學本質、科學態度、思考 智能、科學應用與合作學習等方面，都有良好的學習成效。蔡明儒（2004）研究 國小學生光學概念改變，研究結果發現學生概念改變途徑，主要是以概念衝突為 主，當學生對於「日常生活中的經驗或現象」無法解釋之際，便會產生困惑與矛 盾，為了減少本身認知的衝突，因此產生概念改變的動機，進而促進了概念改變。 黃朝琴（2003）更指出POE策略，除了可獲得兒童預測的先前想法外，更可進一 步了解兒童在實作後概念改變的結果，學生在POE活動中，需要去結合學生對自 己先前概念的理解，並利用已有的先前想法，進行科學活動的探究，透過驗證的 方式來查核自己的想法，並在科學的探究活動中，瞭解科學知識是需要經過考驗 的。在教學工作使用POE策略，可以引出學生的先前概念，透過實作活動，促進 學生對科學概念的理解，並且培養學生能設計科學活動，來驗證自己的想法。 吳穎沺和蔡今中（2005）探討以建構主義式的科學學習活動，對國小高年級 學生認知結構之影響，指出POE策略是兼採「激進建構主義」與「社會建構主義」 兩者所主張的教學策略，學生經過POE策略的科學學習活動後，不論是在認知結 構中的概念數量或是認知結構的統整性，都能獲得較佳的科學學習成果，且更能 有效學習單元中主要的科學概念。在瞭解學生對於自然現象所自我建構的概念之 後，教師的工作就是要幫助學生修正他們的先前概念，朝向科學界更能夠接納的 觀點。POE策略正符合這些趨勢，因為這種教學策略不但基於建構論的觀點，而

且確認孩童科學上之迷思概念的重要性，在POE的每個階段，設計上都需要考量 到學生面臨新情境之衝突（Clayton, 1993; 引自邱彥文，2000）。 邱彥文等（2001）整理多篇文獻，歸納POE對於科學教學以及評量學生的了 解層次，有許多重要的啟示： 一、POE是一種有效的教學策略。 二、教師對於POE教學持有正向的看法。 三、POE可以幫助教師了解學生的先前概念。 四、學生認為這樣的方式是有趣的。 五、有些單元適合POE教學，有些單元則不適合POE教學。 由以上文獻可知，POE策略不僅可用在晤談以了解學生的概念改變過程，亦 可以融入教學活動中。在POE策略設計教學活動中，學生可實際參與活動，讓學 生不再是被動的學習者，而成為活動中的主角；而教學者也藉由學生在POE活動 中所呈現的預測、觀察、解釋等文字紀錄，進而能深入了解學生在概念上的學習。 POE是一具有潛在價值的教學策略，POE策略讓學生達到自身的概念衝突，符合 Posner et al.（1982）所提出的概念改變需要滿足四個條件之一，必須對於現存的 概念是感到不滿意（Dissatisfaction）。在POE的活動中，教師的角色是非常重要的， 他必須不斷鼓勵學生提出自己的想法，一旦發現學生存有迷思概念，就必須適時 營造概念衝突的情境，幫助學生讓新的概念取代舊有的迷思，讓所觀察的現象有 更合理的解釋。教師可藉由口語問答、實作和讓小組討論後提出報告這三種方式 來引出學生的原有想法；教師在教學時，可以藉由質疑、讓學生預測後再實驗、 讓學生辯證、透過比較和示範等五種方式，使學生產生失衡，進而產生概念改變 （陳麗美，2004）。

POE不但可以幫助教師診斷學生的學習狀況，更可以從活動中進行教學反省 與改進，幫助教師反思教學理論，並落實在教學實務中；同時學生對於POE的學 習情境持正向的看法，她們喜歡這樣的活動，認為這對科學概念的學習有幫助， 並可刺激思考與學習的好奇心（邱彥文等，2001）。POE策略亦較能顧及低學習 成就的學生，葉辰楨（2000）表示：POE模式讓學生先作「預測」，較不易受到 「什麼是正確答案」的想法影響，對於低學習成就及平常不善表達的學生，較能 在教師與同儕的鼓勵下發言，而在實驗活動中，學生亦能更加投入，因此本研究 將以POE做為實驗組概念改變教學策略，使迷思概念改變更具成效。 貳、閱讀之教學策略 閱讀是獲得知識的重要方法之一，閱讀是兒童在學校最主要的學習活動，兒 童在早期接觸書本時，是以「學習閱讀」為主，直到兒童逐漸年長後，便以閱讀 為工具進行學習，即「藉閱讀而學習」。閱讀不但成為兒童所需學習知識的基礎， 也是從事其他學習與知識吸收時，所不可或缺的主要工具與媒介（柯華葳，1994； 黃瓊儀，1996）。根據閱讀學家的研究，人類全部知識的百分之八十五，是通過 閱讀而獲得的（楊淑純，2004）。然而今日自然科教師及專家學者，常以為實作 經驗之重要性優於知識概念，事實上，二者在科學探究及科學學習上，並不易區 分何者較為重要，甚至許多時候，知識概念的重要性超越實作經驗的價值。因為 科學家的研究及學生學到的科學觀，往往是受到知識概念的影響，缺少了知識概 念的指引和支援，過程技能及實作經驗也將失去重要的意義（許雅惠，2002）。 自1960年之後，科學課程便開始重視「由做中學」（Learning by doing）以 及探討本位的教學，針對科學課文閱讀理解的研究很少，而且趨向實作教學。傳