國小低年級學生科學表徵學習活動之研究－以2D和3D蝴蝶表徵為例

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(1)國立台中教育大學科學應用與推廣學系科學教育碩士學位暑期在職進修專班碩士論文. 指導教授：游淑媚博士. 國小低年級學生科學表徵學習活動之研究-以 2D 和 3D 蝴蝶表徵為例 A Study for junior graders’ Representational Practices in science learning: 2D and 3D Representing of the butterfly. 研究生:陳美琴撰. 中華民國 102 年 7 月.

(2) 致. 謝. 我真的畢業了嗎?像作夢一般! 重回學生的生活，是我所嚮往的，親愛的老師、同學，謝謝您們陪我一起歡笑、一起討論、一起熬夜趕作業的日子，為我、為家中小寶貝、為所教的學生開啟科學探索之門，原來科學世界這麼有趣，感謝科廣所內所有的老師、助教。感謝指導教授-游淑媚教授，沒有您，絕對沒有現在的美琴以及這本論文，過程中母雞帶小雞般的教導，從上網搜尋文獻、論文內容撰寫、文句的精雕細琢…，您花在美琴身上的時間何其多，過程中美琴曾經因為個人及家庭因素，兩度想要放棄，是您又是鼓勵又是責罵又是開導的讓我重回電腦前繼續修改論文，說不盡的感謝。另外，感謝口試委員王國華教授、李松濤教授過程中的鼓勵，細心的指導我論文的修改方向與內容。我也要謝謝親愛的同學和同事們，麗如、倍誠、芷郁、品瑜、雅婷、鈺心、兩位雅慧、雅惠、雅琦、創偉…，還有幫我校稿的千芳學姊、梓倫學長，還有辛苦幫我做專家審核意見的博士後教師，沒有您們，美琴無法完成論文。還有...還有...最重要的是跟我一起做表徵學習、一起養蝴蝶的學生們，你們太棒了! 謝謝我親愛的家人，瑄瑄、彥彥、孩子的爸，這些日子辛苦你們要忍受媽咪情緒失控的時候，你們是我完成論文背後的推手。最後最後，感謝老天，讓我還有時間陪伴您，我最不捨的媽媽，現在換女兒當您的手，當您的腳，我不能分擔您的痛，但讓我能扶您、推著您，走未來辛苦的路。. 美琴謹誌 2013.07.

(3) 國小低年級學生科學表徵學習活動之研究－以 2D 和 3D 蝴蝶表徵為例摘. 要. 本研究旨在探究低年級學生在蝴蝶不同階段身體構造、生活史中所發展的 2D 繪畫和 3D 勞作，其可能出現的視覺表徵類型之發展過程、2D 和 3D 多重表徵功能之改變情形、視覺表徵與語文間的連結變化以及後設表徵能力之改變情形。本研究為質性研究，對象為六位國小二年級學生，由研究者設計經專家審查「蝴蝶各階段與生活史的 2D 和 3D 表徵之前、後測與半結構訪談大綱」為研究工具。主要活動依照修正式學習環設計教學，投入階段先以課堂討論了解學生所知道有關蝴蝶的事；探索階段以小組觀察蝴蝶各階段的關鍵構造，每週 2-3 次，配合以電子白板播放其 3D 不同角度影片進行課室討論；鞏固和再鞏固階段由學生做出蝴蝶不同階段的 3D 黏土勞作和 2D 繪畫作品後進行小組評論，探討其對關鍵構造的理解之後進行評量。資料收集主要有視覺表徵資料包括蝴蝶各階段 2D 和 3D 作品照片，語文資料包括小組觀察、課室討論、表徵活動對話、小組評論之錄影、錄音及前後測訪談逐字稿。資料分析中，視覺表徵類型參酌並修改自 Danish 與 Enyedy (2007)所使用的表徵類型做出歸類，多重表徵功能參酌並修改自 Ainsworth (1999, 2006)所定義之多重表徵功能，視覺表徵與語文連結參酌並修改自 Tippett (2011)之歸類，以 Schnotz (2002)提出之視覺表徵與語文理解模式探討其間整合情形，後設表徵能力參酌並修改自 diSessa (2004)所定義之後設表徵能力進行分析。研究者與另一位具科學專長之碩士班同學進行評分者一致檢核，整體評分者一致為 89.04%。研究結果發現：一、學生在科學內容之視覺表徵類型經教師提供的多重表徵環境及學生自行發展的多重表徵學習過程出現不同的發展過程：經教師提供之環境就能表徵關鍵特徵與位置關係；過程中逐步發展出關鍵特徵與位置關係；後測出現退回科. I.

(4) 學細節三種；個人的視覺表徵類型中個人想法、擬人化主要出現在個案的前測作品為主，而吸引人主要出現在蝴蝶成蟲作品為主。二、學生出現的 2D 和 3D 視覺表徵之多重表徵功能包括互補、增加溝通與建構三種，其變化過程以逐漸出現建構功能為主，另外 3D 成蟲作品出現建構功能的趨勢，2D 幼蟲作品出現互補之趨勢。三、學生經科學學習在視覺表徵(2D 和 3D)與語文表徵(口語、文字)之連結改變情形，在蝴蝶的卵與生活史階段出現關鍵整合，在成蟲階段出現逐漸整合為關鍵，蛹與幼蟲階段在不同個案間出現不同的整合歷程趨勢。四、學生發展視覺表徵過程的後設表徵能力包括解釋、調整、評論與創作四種，學生藉由教師提供的多重表徵環境過程中出現不同的變化過程：當學生能掌握關鍵特徵則能發展調整或創作到評論之能力；學生透過表徵創作與作品評論的互動中能做檢驗則能發展出評論到調整之能力；學生經表徵與評論過程仍以解釋能力為主。未來研究建議探索學生視覺表徵與語文表徵間相互建構的情形，教學上建議適當發展 3D 表徵作品，讓學生能在科學上建構適當的空間、位置和方向之關係。. 關鍵字：多重表徵、視覺表徵與語文連結、後設表徵能力、修正式學習環. II.

(5) A Study for junior graders’ Representational Practices in science learning: 2D and 3D Representing of the butterfly Abstract The purpose of this study was according to the creating of 2nd graders in the elementary school for the butterfly’s physical structures at different phases and their representation practices showing the butterfly’s life history to investigate the possible developing process of 2D and 3D visual representation, the changing status of the functions of the multiple representations, the variation of the links between visual and verbal representations, and the changing situation. of the metarepresentational. competence. The participants in this qualitative case study were 6 2nd graders. This study developed the 2D and 3D representations of butterfly instrument and a semi-structure interview guide at pre- and post-test which was checked by two experts. During the instruction sequence which was developed by modified learning cycle, engagement stage was to explore all about the butterfly students known by discussed in class.. Exploration stage was to observe the key structure of the butterfly’s different stages in group, twice or three times a week, and discussed the 3D structure with interactive white board. Consolidation and re-consolidation stages were to produce 3D artifacts by clay and 2D drawings and critiqued in group to interpret their understanding about the butterfly’s different stages. Assess stage was held. Data were collected from multiple sources, including visual representations “the 2D photos and 3D artifacts”, and verbal representations including “transcripts of video about observation in group, discussion in class, talking in representations practice, critique in group, pre- and post-interviews”. For the data analysis, the categories of visual representation was modified and categorized referring to the ones shown in Danish and Enyedy (2007), the functions of the multiple representation refer to the definition from the theory of Ainsworth (1999, 2006) with modifying, the links between visual and verbal refer to the category. III.

(6) introduced in Tippett (2011), adopting the models of visual and verbal comprehension from Schnotz (2002) to investigate the integration between them, and performing analysis according to the meta-representational competences defined by the theory of diSessa (2004). The inter-rater reliability obtained from the checking results working in concert with another researcher was 89.04%。 According to the results of this study, we found: 1.. Through the multiple representations environment provided by teachers and the learning process with multiple representations developed by students themselves, it showed that there were three different variation about the developing process for visual representations’ categories in scientific content: students could represent the key structures and location relation as soon as the environment was provided by teachers; students could represent the key structures and location relation step by step following the process; the category of visual representation returned to scientific details. In addition, among the individual visual representation’ categories, students’ artifacts at pre-test revealed mainly “individual thought” and “anthropomorphic”, and the artifacts at the butterfly’s adult phase reveal mainly “attraction”.. 2.. The functions of multiple representations of 2D and 3D visual representation presented by students included “complementary, the raising communications, construction", the developing process was mainly depend on the construct functions appeared gradually, in addition, the 3D artifacts of adult tended to represent construct function, and the 2D artifacts at larvae tended to exhibit complementary functions... 3.. The changing status of the links between visual (2D and 3D) and verbal (oral and writing) representations in scientific learning: the egg and life cycle’s representations tended to appear "key integration". The key of adult’s representations is the occurrence of “continuous to integrate ". The representations at larvae and pupa phases present different integrated progress among each individual.. IV.

(7) 4.. The metarepresentation competences from students’ visual representation developing process included explanation, modification, commentary and creation. Through the multiple representations environment provided by teachers, there existed different variations: Students could develop competences of modification or creation to commentary if they could know well about the key features. Students could develop competences of commentary to modification if they could do test through the interaction between the creation for representation and the commentary for the artifacts. Students mainly could gain the competence of explanation through the processes of representation and commentary. About the research in the future, it was suggested to investigate the process for. mutually. construction. between. students'. visual. representations. and. verbal. representations. And it was suggested to develop 3D representation properly, so as to help students construct the appropriate relationship between space, locations and directions in science.. key words: metarepresentational competence, modified learning cycle, multiple representations, the links between visual and verbal representations. V.

(8) VI.

(9) 目錄第一章緒論................................................................................................................... 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 第三節名詞解釋 .................................................................................................. 5 第四節研究範圍與限制 ...................................................................................... 7 第二章文獻探討........................................................................................................... 9 第一節多重表徵 .................................................................................................. 9 第二節視覺表徵與語文的連結 ........................................................................ 16 第三節後設表徵能力 ........................................................................................ 20 第四節視覺表徵之相關研究 ............................................................................ 23 第五節探究學習環 ............................................................................................ 29 第三章研究設計與方法 ............................................................................................ 33 第一節研究架構 ................................................................................................ 33 第二節研究對象與情境 .................................................................................... 34 第三節研究設計與流程 .................................................................................... 36 第四節研究工具 ................................................................................................ 41 第五節資料蒐集與分析 .................................................................................... 44 第四章研究結果與討論 ............................................................................................ 61 第一節 2D 和 3D 視覺表徵類型 ........................................................................ 61 第二節 2D 和 3D 視覺表徵之多重表徵功能.................................................... 78 第三節視覺表徵與語文之連結 ........................................................................ 86 第四節後設表徵能力 ...................................................................................... 103 第五章結論與建議................................................................................................... 117 第一節結論....................................................................................................... 117 第二節建議....................................................................................................... 121 參考文獻..................................................................................................................... 123 附錄......................................................................................................................... 129 附錄一家長同意書 .......................................................................................... 129 附錄二活動實施教案 ...................................................................................... 130 附錄三無尾鳳蝶各階段的觀察記錄 .............................................................. 135 附錄四蝴蝶各階段與生活史 2D 和 3D 表徵之前、後測與訪談大綱 ........ 136 附錄五之一蝴蝶幼蟲階段評量單 .................................................................. 140 附錄五之二蝴蝶生活史評量單 ...................................................................... 141 附錄六「科學內容」之 2D 視覺表徵類型之歷程 ....................................... 142 附錄七「科學內容」之 3D 視覺表徵類型之歷程 ....................................... 143. VII.

(10) 附錄八「個人」之 2D 視覺表徵類型之歷程 ................................................. 144 附錄九「個人」之 3D 視覺表徵類型之歷程 ............................................... 145 附錄十蝴蝶不同階段的 2D 視覺表徵與語文整合之連結歷程 ................... 146 附錄十一蝴蝶不同階段的 3D 視覺表徵與語文整合之連結歷程 ............... 147 附錄十二個案在蝴蝶各階段 2D 之後設表徵能力之學習歷程 ................... 148 附錄十三個案在蝴蝶各階段 3D 之後設表徵能力之學習歷程 ................... 149. VIII.

(11) 表目次表 2-4-1 2D 與 3D 表徵相關研究彙整 ....................................................................... 27 表 2-5-1 三種探究學習環間之時代背景與內容 ........................................................ 30 表 3-2-1 研究對象 ........................................................................................................ 35 表 3-3-1 蝴蝶表徵活動實施流程 ................................................................................ 40 表 3-4-1 前測、主要活動與後測之創作順序對照表 ................................................ 43 表 3-5-1 資料種類與蒐集時間、研究問題對照表 .................................................... 45 表 3-5-2 視覺表徵作品編碼原則 ................................................................................ 47 表 3-5-3 語文資料編碼原則 ........................................................................................ 48 表 3-5-4 蝴蝶科學內容之視覺表徵類型之定義說明例子 ........................................ 50 表 3-5-5 個人之視覺表徵類型之定義說明例子 ........................................................ 53 表 3-5-6 2D 和 3D 視覺表徵的多重表徵功能之定義說明例子 ............................... 54 表 3-5-7 蝴蝶視覺表徵與語文的連結之定義說明例子 ............................................ 55 表 3-5-8 蝴蝶不同階段身體構造與生活史作品 MRC 之定義說明例子 ................. 58 表 3-5-9 資料歸類之評分者一致性 ............................................................................ 60 表 4-1-1「個人」的視覺表徵類型分布 ..................................................................... 71 表 4-1-2 個案在科學內容中 2D 和 3D 作品出現不一致之分布 ............................. 75 表 4-1-3 個案在個人視覺表徵類型中 2D 和 3D 作品出現不一致之分布 .............. 76 表 4-2-1 個案整體之 2D 和 3D 之多重表徵功能的變化 .......................................... 79 表 4-2-2 個案蝴蝶各階段與生活史中 2D 和 3D 多重表徵功能之比較 .................. 83 表 4-3-1 2D 和 3D 視覺表徵與語文連結之比較 ..................................................... 101 表 4-4-1 發展視覺表徵過程中後設表徵能力之改變情形 ...................................... 104 表 4-4-2 2D 和 3D 之後設表徵能力比較 ................................................................. 114. IX.

(12) 圖目次圖 2-1-1 本研究中之多重表徵理論架構 .................................................................... 11 圖 2-1-2 多重表徵功能間的比較(實線為直接關係，虛線為部分相關) ................. 16 圖 2-2-1 視覺表徵與語文連結（修改自 TIPPETT, 2011, P. 71） ........................... 17 圖 2-2-2 文字和圖畫理解的整合模式(引自 SCHNOTZ, 2002, P. 109) ................... 18 圖 2-5-1 三種探究學習環之比較(實線為直接對應，虛線為部分對應關係) ......... 32 圖 3-1-1 課室實體觀察、教室外的網室觀察及上課討論蝴蝶各階段之照片........ 33 圖 3-1-2 研究架構 ........................................................................................................ 34 圖 3-3-1 研究流程圖 .................................................................................................... 37 圖 3-5-1 低年級學生於蝴蝶各階段身體特徵與生活史之心智圖 ............................ 49 圖 3-5-2 視覺表徵與語文整合模式 ............................................................................ 57 圖 3-5-3 多重表徵功能不一致之歸類舉例 ................................................................ 60 圖 4-1-1 整體科學內容之視覺表徵類型歷程 ............................................................ 62 圖 4-1-2 成蟲作品出現關鍵特徵與位置關係之視覺表徵類型 ................................ 63 圖 4-1-3 幼蟲作品出現關鍵特徵與位置關係之視覺表徵類型 ................................ 64 圖 4-1-4 無尾鳳蝶成蟲側面與腹面之不同角度照片 ................................................ 64 圖 4-1-5 無尾鳳蝶幼蟲側面與腹面之不同角度照片 ................................................ 65 圖 4-1-6 成蟲作品逐漸表徵關鍵特徵與位置關係 .................................................... 66 圖 4-1-7 幼蟲作品逐漸表徵關鍵特徵與位置關係 ................................................... 67 圖 4-1-8 蛹作品在科學內容之視覺表徵類型出現退回 ............................................ 69 圖 4-1-9 幼蟲作品在科學內容之視覺表徵類型出現退回 ........................................ 70 圖 4-1-10「個人想法」之視覺表徵類型 ................................................................... 72 圖 4-1-11「擬人化」之視覺表徵類型 ....................................................................... 73 圖 4-1-12「吸引人」之視覺表徵類型 ....................................................................... 73 圖 4-1-13「吸引人」之 3D 視覺表徵類型-以幼蟲、蛹作品為例 .......................... 74 圖 4-1-14 蛹 2D 和 3D 作品出現不一致之視表徵類型 ............................................ 75 圖 4-1-15「個人想法」-以成蟲 2D 作品為例........................................................... 77 圖 4-1-16「擬人化」之視覺表徵類型 ....................................................................... 78 圖 4-2-1 個案作品從互補逐漸出現建構功能-以幼蟲作品為例 .............................. 80 圖 4-2-2 個案作品從互補逐漸出現建構功能-以蛹作品為例 .................................. 81 圖 4-2-3 蛹作品在過程中均為互補功能 .................................................................... 82 圖 4-2-4 幼蟲作品在過程中以互補和建構功能為主 ................................................ 82 圖 4-2-5 幼蟲 2D 作品提供互補功能 ......................................................................... 84 圖 4-2-6 成蟲 3D 作品出現建構功能 ......................................................................... 85 圖 4-3-1 整體視覺表徵與語文連結之歷程 ................................................................ 87 圖 4-3-2 關鍵整合之生活史作品 ............................................................................... 88 圖 4-3-3 持續整合為關鍵-以成蟲作品為例 .............................................................. 89 圖 4-3-4 小組評論對照圖-個案 C 作品 ...................................................................... 90. X.

(13) 圖 4-3-5 關鍵整合-個案 C 在蝴蝶生活史之視覺表徵與語文之整合 ...................... 91 圖 4-3-6 持續整合為關鍵-個案 O 成蟲階段之視覺表徵與語文整合 ..................... 92 圖 4-3-7 持續整合為關鍵-以幼蟲 2D 作品為例 ....................................................... 94 圖 4-3-8 視覺表徵與語文持續整合為關鍵-以個案 Q 幼蟲作品為例 ..................... 95 圖 4-3-9 提升連結後維持-以 2D 幼蟲作品為例 ....................................................... 96 圖 4-3-10 小組評論-個案 Q 的幼蟲作品.................................................................... 97 圖 4-3-11 視覺表徵與語文提升連結後維持-以個案 H 幼蟲作品為例 ................... 98 圖 4-3-12 提升連結後退回-以 3D 蛹作品為例.......................................................... 99 圖 4-3-13 視覺表徵與語文提升連結後退回-以個案 S 蛹作品為例 ..................... 100 圖 4-3-14 視覺表徵與語文間出現不一致之情形(前測) ......................................... 102 圖 4-3-15 視覺表徵與語文間出現不一致之情形(主要活動與後測) ..................... 102 圖 4-4-1 幼蟲表徵過程出現調整、創作、評論能力 .............................................. 105 圖 4-4-2 小組評論-個案 O 幼蟲作品對照圖............................................................ 106 圖 4-4-3 成蟲表徵過程出現調整、評論能力 .......................................................... 107 圖 4-4-4 成蟲表徵過程出現解釋、評論、調整能力 .............................................. 109 圖 4-4-5 小組評論-個案 O 成蟲作品對照圖............................................................ 110 圖 4-4-6 成蟲表徵過程出現解釋、評論、調整能力 .............................................. 110 圖 4-4-7 小組評論-個案 H 蛹作品對照圖................................................................ 111 圖 4-4-8 蛹作品表徵過程出現解釋、評論又回到解釋能力 .................................. 113 圖 4-4-9 2D 和 3D 作品中發展出創作的 MRC ....................................................... 115 圖 4-4-10 2D 和 3D 作品發展出不同的 MRC ......................................................... 116. XI.

(14) XII.

(15) 第一章緒論本章共分為四節，依序第一節說明研究背景與動機，第二節說明研究目的與待答問題，第三節為名詞解釋，第四節為研究範圍與限制。. 第一節研究背景與動機本節內容分為研究背景與研究動機，分述如下：. 一、研究背景現今科學教育強調科學素養以及科學探究的能力，教師應該讓學生從不同的情境中進行批判性的思考，試著將自己的想法與科學社群做溝通(NRC, 1996, 2000)。Yore 與 Hand (2010)指出語言在科學的建構和溝通上扮演重要角色，學校的科學學習傾向於強調口語和數學語言的表徵，但如能同時注意其他形式的表徵，不同模組間更能促成有效的溝通與科學概念的建構，而學習者在投入科學學習活動中，也將因多重表徵(multiple representations)而建構對科學豐富的理解，並能在公開場合中參與科學、技學、社會和環境(STSE)的議題討論。因此有別於以往只重視語文的表徵，不同形式的表徵也應該被重視，其中包括繪畫、3D 勞作等視覺表徵。不同的表徵使用可以增加概念理解和改善溝通，研究中指出多重表徵比單一表徵有效果，使用不同的表徵能使困難的科學概念更容易被學生理解(Ainsworth, 2006; Ainsworth, Prain, & Tytler, 2011; Niebert, Marsch, & Treagust, 2012; Yore & Treagust, 2006)。多重表徵的介入，使學習過程產生的想法、概念、衝突被凸顯，教學和學習也因此有更深入的溝通與修正的機會，以建構更完整的學習架構(Yore & Hand, 2010)。由上可知，不同形式的表徵可以讓學習者外顯其學習過程的想法或是外顯其過程中認知的衝突，因而讓教學與學習有更深入的溝通機會，並於其中做出調整或修正其所學習中可能存在的另有概念。. 1.

(16) Ainsworth 等(2011)指出以往的科學課室，學生主要以詮釋別人、教科書的視覺表徵為主，學習者較少創造自己的視覺表徵，或在自己的視覺表徵中將自己所理解的與他人進行溝通，但在科學教育上，視覺表徵和寫作、閱讀、對話一樣扮演重要角色，在科學學習中繪畫形式的表徵能提升學習動機。學習者可以不受時間地點限制，隨時隨地以繪畫進行科學學習，將眼睛所看到的，腦中所理解的想法、概念、衝突，藉由一枝筆、一張紙就能在繪畫中做表達，並在公開場合輔助溝通，這是以往科學課室較少重視的學習方式。視覺表徵與語文符號在腦中是以兩種不同系統進行，學習者的學習經視覺表徵與語文的雙碼系統間取得聯繫，其科學概念將更為穩固，也更利於日後的認知提取(Schnotz, 2002; Tippett, 2011)。視覺表徵的角色支持科學的學習、推理和發展科學解釋架構，也能建構和證明有關自然世界的知識；教師和學習者在科學上能藉著口語、視覺表徵做出有證據且有意義的協商(Tytler, Haslam, Prain, & Hubber, 2009)。尤其是在相關知識較少的情形下，如年幼學生以圖像可以活化非語文系統，產生心像，形成視覺基礎模式，進一步視覺與語文的互動，文字與圖像間轉換，有助於知識較少的兒童建構其科學概念（Danish & Enyedy, 2007; Samarapungavan, Mantzicopoulos, & Patrick, 2008; Yore & Hand, 2010）。由上可知，視覺表徵可協助年幼兒童發展其科學想法，再者視覺表徵與語文的互動可以幫助學生科學想法的建構。. 二、研究動機近幾年的研究雖然知道多重表徵的學習能增加學習者的參與和投入科學課室中的活動與問題解決(Hubber, Tytler, & Haslam, 2010; Yore & Hand, 2010)，但在教學現場上，2D 繪畫佐以 3D 立體勞作形式表徵，讓低年級學生將想法轉換視覺圖像並由語文中做出科學解釋、評論對話以促進其科學學習的研究，尚有不足 (Ainsworth et al., 2011)。有越來越多的研究以視覺表徵輔助科學學習，教師如何協助學生從視覺表徵呈現科學想法並與語文做連結，是未來研究更需關心的. 2.

(17) (Danish & Enyedy, 2007; Danish & Phelps, 2011; Ehrlén, 2009)。這也是形成本研究想要以視覺表徵為主題進行探討，尤其加入 3D 勞作在學生自行發展的視覺表徵過程中，了解學生在發展生物身體構造其想法歷程與語文間可能出現的整合情形。現今科學教育，強調教師應以學生熟悉的周遭生活為科學探究的起點，讓孩子從自然的、科學的世界中，去發現與學習科學(NRC, 1996, 2000)。以建構主義觀點來看，學生主動在生活環境中學習，建構其對環境的認識，透過實際體驗可以增加與社會、自然的互動（王真麗，2003；教育部國教司，2008）。教育部的課程綱要中指出低年級學生要能對動物做持續性的觀察，察覺動物吃什麼？做什麼活動？成長時身體型態的改變？並將自己的構想動手實作出來。但在低年級生活課本（南一出版社，2102；康軒出版社，2012；翰林出版社，2012）中，教科書對昆蟲的學習和評量，以書面或實物照片為主，對動物的身體構造較少讓學生自行發展圖像或立體創作的表徵學習活動去支持其學習。研究者基於多年在低年級教學的經驗觀察到低年級孩子在動物飼養或觀察方面有很濃的興趣，但真實與自然動物接觸的經驗有限，故擬定以動物飼養為研究主題，以觀察貼近其生活經驗，接著考慮教室空間上，飼養動物對課室教學干擾最少情況下可能飼養的物種，最後選擇以校園內常見卻又容易忽略的蝴蝶幼蟲為飼養觀察對象，因蝴蝶具有完全變態的身體構造與豐富的生活史變化具有科學學習的意義。另外，國外研究指出國小低年級學生對昆蟲身體構造的想法，一般存有「小小的、像蟲子、有點可怕、有腳、有些有觸角、會爬、會飛、會跳、身體分兩部位」(Shepardson, 2002, p. 638)，但昆蟲種類眾多，國內國小學生對周遭環境中熟悉的昆蟲學習，與亞洲其他國家相比，仍略低於日本、新加坡，尤其對昆蟲的腳與翅膀位於胸部，身體分為頭、胸、腹部等科學內容，存在著另有概念（TIMSS 國際數學與科學教育成就趨勢調查成果報告，2003，2007）。教育部（2008）在低年級自然與生活科技領域中的九年一貫能力指標，國小低年級教材歸入生活科，強調「觀察」、「組織」與「傳達」，低年級學生若能在真實情境中，運用五. 3.

(18) 官去觀察蝴蝶各階段身體構造，把一系列的觀察資料，做出組織，並嘗試在同儕的科學社群中傳達蝴蝶各階段身體特徵，以及蝴蝶生活史的變化，應能促其發展更多科學「觀察」、「組織」與「傳達」的能力。綜合上述，在動物飼養的真實經驗裡，需考慮飼養的空間與學習者的興趣，昆蟲對居住在都市或是鄉下的學生而言，是最常見到的小動物，研究者選擇以蝴蝶為例做科學觀察與發展蝴蝶各階段身體構造之表徵，具有地利之便、教學意義與生態考量。蝴蝶幼蟲的食草、蜜源植物可來自生活周遭環境，不需要另外購買，而羽化後的蝴蝶可以野放回歸自然，不會造成環境的負擔（許寧真，2008； Shepardson, 1999），本研究考量到環保、生態與重視生命的教育環境，希望以觀察生活中常見的蝴蝶為研究主題，希望透過 2D 和 3D 視覺表徵創作，探討低年級學生在蝴蝶不同階段的身體構造之視覺表徵類型、多重表徵功能及視覺表徵與語文間之連結、後設表徵能力等之歷程情形。. 第二節研究目的與待答問題本研究目的以修正式探究學習環在真實飼養蝴蝶的情境中，教師提供多重表徵環境及學生自行發展蝴蝶各階段的身體構造與生活史表徵的學習歷程，探討低年級個案學生進行蝴蝶幼蟲、蛹、成蟲、卵不同階段身體構造與生活史的 2D 和 3D 視覺表徵創作中視覺表徵類型的發展過程、2D 和 3D 視覺表徵作品中多重表徵功能之改變情形，接著探討在科學上多重表徵的學習環境下，學生的視覺表徵 (2D 和 3D)與語文表徵(口語、文字)間的連結變化情形，以及發展視覺表徵過程中後設表徵能力之改變情形。基於上述研究目的，本研究想要藉由教師提供的多重表徵環境裡，以低年級學生自行發展的 2D 平面繪畫和 3D 立體勞作進行蝴蝶幼蟲、蛹、成蟲、卵不同階段身體構造與生活史的科學表徵學習活動中探討下列問題：一、學生自行發展的 2D 和 3D 視覺表徵創作中在科學內容與個人之視覺表徵類型的發展過程及 2D 和 3D 中發展出不同的表徵類型為何?. 4.

(19) 二、學生 2D 和 3D 視覺表徵作品中的多重表徵功能之改變情形及 2D 和 3D 作品中出現不同的多重表徵功能情形為何? 三、學生在科學學習中的視覺表徵(2D 和 3D)與語文表徵(口語、文字)間的連結變化情形及 2D、3D 視覺表徵與語文連結出現不同的情形為何? 四、學生發展視覺表徵過程的後設表徵能力改變情形及 2D 和 3D 視覺表徵發展過程中後設表徵能力之不同處為何?. 第三節名詞解釋本節針對研究中所使用到的名詞，包括「多重表徵」、「視覺表徵類型」、「多重表徵功能」、「視覺表徵與語文連結」、「後設表徵能力」做說明與定義，分述如下：. 一、多重表徵科學課室的學習與教學中，充滿不同形式的多重表徵(multiple representations)，「多重表徵」能表徵出相同的科學概念或過程(國科會，2012； Ainsworth, 1999; Prain, Tytler, & Peterson, 2009)。Yore 與 Hand (2010)指出多重表徵包括繪圖、引導式想像以及其他視覺化表徵，同時也包括語言和科學形式的表徵。邱美虹與劉俊庚（2008）提出學生反覆練習建模(表徵形式)的過程也是一種表徵的形式。根據上述，本研究指的多重表徵於待答問題一和二，指的是學生所創作的 2D 繪畫和 3D 立體勞作捏塑等視覺表徵，而課室中除了視覺表徵外還有語文表徵，故研究問題三和四的多重表徵除了上述視覺表徵外，另加入小組觀察、課室討論、小組表徵活動過程、小組作品評論、活動觀察記錄、作品旁的註記文字和前後測訪談等語言和文字表徵資料。. 二、視覺表徵類型. 5.

(20) Danish 與 Enyedy (2007)提出視覺表徵類型(the categories of visual representation)包括課程內容、個人方面、活動方面之表徵類型。Prain 等(2009)提出，學生在 2D 繪圖表徵上呈現「自我為中心」的知覺表徵類型、經他人介入後「整合出科學想法」之表徵類型。另外 Brooks (2009)也提出學生的表徵類型包括「自發性想法」的類型，學習後轉換為「科學想法」的類型。根據上述，本研究定義之 2D 和 3D 視覺表徵類型歸類主要分為兩大類「科學內容」與「個人」。. 三、多重表徵功能 Ainsworth (1999, 2006)提出多重表徵功能(The functions of multiple representations)包括(一)互補，用表徵去納入互補資訊或支持互補的認知過程；(二) 限制，使用一個相近的表徵支援解釋更抽象的表徵或者限制其他可能的詮釋；(三) 建構，使用多重表徵去建構更深的理解，包括提升抽象過程，了解不同表徵間的關係。邱美虹與劉俊庚（2008）提到 3D 建模中的多重表徵功能包括解釋性、描述性、溝通、模擬、抽象化、預測性、推理性、問題解決；Ainsworth 等(2011) 提出繪畫等形式之多重表徵功能中可以增加投入、促進理解、進行推理、有效學習、溝通等五種好處。根據上述，本研究定義之多重表徵功能，主要為學生在蝴蝶不同階段身體特徵與生活史的 2D 和 3D 作品中之多重表徵功能，參酌 Ainsworth (1999, 2006)所提並把第二點「限制」配合本研究 2D 和 3D 表徵可以支援解釋修改為更明確的「增加溝通」功能，為互補、增加溝通和建構等三項多重表徵功能。. 四、視覺表徵與語文連結 Tippett (2011)指出在認知系統內的語文通道(verbal channel)與視覺通道 (visual channel)間的視覺與語文的連結(the links between visual and verbal)情形，可能出現的三種不同連結方式，包括弱連結、強連結、更強的連結。本研究以 Tippet 提出之連結方式，將學生在視覺與語文間的連結分為「無連結」、「弱連結」、「中. 6.

(21) 連結」和「關鍵連結」，其中因為學生對蝴蝶生活史某些階段一開始並不知道，所以沒有任何視覺作品，因此提出「無連結」，另外將更強連結改為「關鍵連結」，以檢視學生在學習歷程中對各階段關鍵特徵的掌握。Schnotz (2002)以文字和圖畫的學習整合觀點來看外部描述性的表徵（語文）與內在陳述性的心智模式（視覺表徵），在交互作用的過程中，學習者透過語文與視覺表徵間的內部與外部連結，其在認知過程中的互相檢驗與交互作用。本研究依無、低、中、關鍵等不同程度的連結，再以 Schnotz 所提之文字與圖畫整合觀點來檢視低年級學生在視覺表徵與語文間整合的歷程。. 五、後設表徵能力 diSessa (2004) 提出之後設表徵能力(metarepresentational competence，MRC) 包括(一)藉由知覺和心理能力解釋表徵，以發現藏在後頭的東西；(二)理解表徵的運作，以提供溝通、支持與推理；(三)評論和比較表徵的適當性和判斷他們對不同任務的合適性；(四)學生有策略去學習新表徵，以促進他們自己使用新的表徵； (五)創作或設計一個新的表徵，屬於建構性的知識。本研究針對 2D 和 3D 視覺表徵活動中的後設表徵能力，參酌 diSessa (2004) 所提，同時顧及學生溝通及解釋間的連貫性，將第一點、第二點合併為「解釋」，修改第四點為「調整」，提出學生之後設表徵能力為(一)解釋，能以自己現有的心智想法去詮釋、溝通自己的作品，包括個人想法或科學想法；(二)評論，學生能以目前擁有的知識去批判同儕作品中與科學觀察不合理的地方；(三)調整，學生能經由學習調整個人先前錯誤想法，修正表徵以符合觀察之科學事實；(四)創作，學生能在表徵作品中自行轉換以解決創作中的問題。. 第四節研究範圍與限制本研究為質性研究，以研究者任教的低年級班級學生為對象，以下分別以研究對象、研究者本身限制二點進行說明：. 7.

(22) 一、研究對象研究對象為台灣中部偏郊區學校，研究者以其任教的低年級班級學生為對象，為便利取樣，研究者能有更多機會了解學生的學習狀況，但選取研究個案則為立意取樣，取其具豐富之視覺表徵資訊與願意做語文表達之學生為研究個案。. 二、研究者本身限制本研究為質性研究，過程中研究者力求訪談資料客觀，但仍不免受限於個人主觀與能力的限制。 (一)主觀研究者在研究期間，受限於人力，既是研究者，也是教學者；是觀察者也是訪談者，基於研究倫理，必須克守「客觀」立場，但因個人背景、經驗等因素，對於資料蒐集與資料詮釋仍不免有所疏漏或失之客觀。 (二)能力研究者為質性研究的初學者，受限於研究技巧與經驗，在個案訪談時研究者的敏感度與洞察力不免因經驗不足以致資料未能收集齊全和有所偏失，錯失一些更深入收集資料的機會，而使研究中的訪談資料與資料詮釋中有所缺漏。針對上述兩點，研究者在主要研究進行前，請同在國小任教過，且具生物相關背景的博士後教師進行教案、前後測與前後測訪談大綱、各階段蝴蝶身體構造與生活史之心智圖之專家檢核；另外在資料整理後之視覺表徵類型歸類上，由一位具生物背景教師進行類型細項的檢核與討論；資料分析請另一位同為國中小自然科教師之研究所同學進行評分者一致檢核，以求降低研究者主觀與能力限制之影響。. 8.

(23) 第二章文獻探討本章分為五節，探討多重表徵、視覺表徵與語文的連結、後設表徵能力、視覺表徵之相關研究與探究學習環等，作為本研究的理論依據。. 第一節多重表徵本節主要探討多重表徵之意涵與重要性、本研究在多重表徵之理論架構、語文表徵、2D 和 3D 視覺表徵類型及 2D 和 3D 多重表徵功能，分述如下：. 一、多重表徵之意涵與重要性布魯納將兒童對環境的知覺轉換成內在心理事件的過程稱為認知表徵，有動作表徵、圖像表徵、符號表徵（張春興，2008）。表徵依其存在的形式分為(一) 外部表徵：指的是物理上的、客觀的，如語文、圖片、具體物等；(二)內部表徵：指的是心理的、主觀的（蔡興國、陳錦章、張惠博，2010；Hieberrt & Carpenter, 1992）。內部表徵和外部表徵的差別在於前者是在心智內建構的假設狀態，而後者是有形符號建構，包括外顯的個人心理認知狀態和社會互動的進行，但內部表徵和外部表徵間具有相互作用（林靜雯、吳育倫、林燕青，2011；鍾曉蘭、邱美虹，2012；Kaput, 1999）。由上可知表徵可分為內部與外部表徵，兩者間相互作用。多重外部表徵中，語文是所有表徵中最常用於科學社群的溝通方式，但透過其他形式的表徵，能提供更多關於學習者知識建構過程中的想法資訊，而小組或社群也需透過除語言外的多重表徵，對所學知識進行傳達、溝通、澄清和批判(Yore & Hand, 2010)。鍾曉蘭與邱美虹（2012）提出科學課室中，教師經有系統的統整課程，適時的引導學生經由視覺、動作等感官刺激，透過視覺與語文等不同形式的多重表徵，在符號、科學概念間，可以逐步修正和精緻化個體的心智模式，進. 9.

(24) 行有意義的科學學習。由上可知，經適當設計過之視覺與語文多重表徵的科學學習，可以對所學科學內容作溝通、批判及修正心智模式。另外，Prain 等(2009)提出學生必須藉由多重表徵去解釋、說明、溝通與澄清所理解的科學概念，但學生常以自我中心的知覺感受去解釋並做因果關係的推論，透過多重表徵包括口語、寫作與視覺表徵，學生的科學知識能被澄清、整合與修正。邱美虹與劉俊庚（2008）提出教師應適時提供機會，讓學生使用舊知識去整合新訊息以產生表徵，在反覆練習表徵形式的建模過程，重新建構概念與產生有意義的內化表徵。而對於年幼兒童，語言文字尚在發展階段，透過視覺表徵或操作表徵的觀察，能具體的呈現他們的學習與認知狀態（Danish & Enyedy, 2007; Samarapungavan et al., 2008; Yore & Hand, 2010)。綜合上述學者所提，語文表徵在一般科學學習中已被廣泛使用，但學生自行發展的視覺表徵較少被討論，本研究因個案學生年紀較小，所以透過視覺表徵作品之創作傳達其內在想法，在待答問題一和待答問題二中的多重表徵為學生所創作的 2D 繪畫和 3D 立體勞作捏塑等視覺表徵，在研究問題三和四的多重表徵指的除了上述視覺表徵外，另加入小組觀察、課室討論、表徵活動過程對話、小組作品評論、活動觀察記錄、作品旁的註記文字和前後測訪談等語言和文字表徵資料。. 二、本研究在多重表徵之理論架構本研究以學生發展之多重表徵為研究範疇，但多重表徵範疇包括語言、文字、圖片、表格、電腦符號、數學方程式、手勢..等(Adadan, Trundle, & Irving , 2010; Prain e al., 2009; Rosengrant, Etkina, & Heuvelen, 2006)。本研究主要探討在學習過程中，由視覺系統發展出來的 2D 和 3D 視覺表徵為範疇，理論架構中先探討學生發展出的 2D 和 3D 之視覺表徵類型、2D 和 3D 視覺表徵之多重表徵功能理論，接著探討視覺表徵與語文連結之理論，最後探討學生發展視覺表徵過程中以既有的知識去覺知與監控其表徵行為的後設表徵能力，本研究之理論架構如圖 2-1-1 所示。. 10.

(25) 圖 2-1-1 本研究中之多重表徵理論架構. 三、語文表徵 Yord (2011)提出有關語文的建構觀點(Constructivist view of language arts strand)中包括寫作和閱讀、談論和聆聽、表徵和視覺等三組語言技巧之對應關係，其中學習者在寫作(文字)、談論(語言)、表徵上進行科學建構，在閱讀(文字)、聆聽(語言)和視覺上進行科學詮釋。由上可知，在課室中語言、文字扮演著建構與溝通之角色。 Bently 和 Watts (1992)提出，學生在科學課室中以語言進行溝通，其想法藉此進一步澄清與轉化，Bently 和 Watts 所提的三種溝通形式，（一）解說 (Explication)：學生將想法轉換成語文，清楚的說出過程，澄清其中意涵；（二）預期(Expectation)：檢驗自己的想法、假設，預期其發展的過程，甚至在想法上自我檢核、修正以符合自己經驗。（三）探索(Exploration)：以他人不同的觀點來測試自己所建構出來的概念，過程中引領學生重新建構想法。林雅慧、張文華與林陳涌（2003）以國小低年級學生進行課室中的科學對談，其研究發現課室對談內容會有三種不同的發展趨勢，包括根據事實或反例解釋中呈現擴散無法聚焦，. 11.

(26) 偏推理過程對談較有深入的延伸、直接呈現結果會出現阻滯等趨勢。由上述文獻可知，課室中的語文互動，學生能因為語文溝通或對談的刺激，進一步形塑或重建自己的想法，而課室對談會因為談論的內容屬性而有不同的發展趨勢。 Shepardson (1999)以 Vygotsky 的觀點探討社會互動中的學習，其提出藉由社會互動，學生的想法得以調解(mediation)，學生從互動中得到科學社群使用的語言，並以此思考他們每天所觀察到的自然現象，Shepardson 認為語言可以當作一種心理的工具，其研究中學生使用語言去詮釋和解釋他們對蝴蝶或是甲蟲一生的觀察與發現，包括卵、幼蟲、蛹到成蟲，透過社會性的談話，學生能對科學現象產生新的觀察、行動、對談、想法及解決問題、發展作品，並以此和真實世界做出連結。顏瓊芬與黃世傑（2003）在開放過程的探究中提出，小組內的互動包括交換意見、討論、批判，學生能增加自己的整合能力，深入的改善探究實驗的品質。吳穎沺與蔡今中（2005）在建構主義式的科學學習活動中以整合的「衝突圖」及 POE 策略，讓學生先寫下他的預測(文字)，接著在同儕中以語言討論、發現不同的看法，當發現結果與他原先預測不符後，進一步與同儕討論其原因，以瞭解並接受新概念。由上述文獻中可知，課室中同儕以語文進行討論、批判或是解釋，能增加學習者整合與修正原先不同的看法。綜合上述，語文在社會互動過程扮演重要的角色，包括解釋、討論、對談和批判，學生透過語文進行社會互動的過程，並進一步整合自己的想法與科學社群的觀點，對想法上做出調整與修正。. 四、2D 和 3D 視覺表徵類型 Danish 與 Enyedy (2007)在幼稚園和小一(5-7 歲)混齡的教室裡進行授粉表徵創作，研究有關個人的想法透過課室內的社會交互作用創作出的科學表徵，探討學生在授粉表徵中主題的選擇及問題解決，研究顯示學生創作表徵過程中，個人喜好介入表徵活動中，課程內容與個人喜好在作品與小組中不斷做出互動，Danish 與 Enyedy 將介入學生自行發展的授粉表徵創作因素歸為三大類型，(一)個人類型：屬於個人的包括引起成就感(個案感覺表徵是有價值的)、吸引人注意的(如個. 12.

(27) 案覺得顏色是漂亮的)、個人偏好，或是其他可能被解釋為源於他們自己的想法； (二)課程內容類型：關於學生學習的科學內容，包括有關課程內容、授粉細節、授粉者和植物間彼此關係和其他有關課程內容，例如授粉需一對相同的花、授粉者間特定關係（如蜜蜂和花粉、雌蕊）或社會科學規範；(三)活動類型：有關活動系統，能引起其他人共鳴的(如這樣做不好，因為沒有人能懂)，像文化、信念、價值和例行的規範，包括別人的想法、小組目的、材料限制、老師的指導、其他同學的影響等。在 Prain 等(2009)的研究指出，學生在做「蒸發概念」的表徵時，會把自我為中心的知覺感受呈現出來，透過小組合作式的討論、教師的挑戰性質問，學生會修正與整合原先自我中心的認知架構為科學想法之表徵類型。而 Samarapungavan 等(2008)也提到幼稚園學生能把觀察到帝王蝶成長過程，做出具科學表徵的文字、圖畫紀錄。而國內蔡興國等（2010）所做的高中生力圖表徵解題研究，提出學生所繪迷思力圖傾向於個人想法的情境圖，而非考慮腦中據以列式的力圖。活動過程，學生間的互動包括手勢、動作、語言轉換為其他符號，持續且動態的影響學生的學習，這中間還包括必須組織與整合個人直覺與認知的挑戰、社會互動與主題間的互動(Goodwin, 2000; Shepardson, 1999)。由上可知，學生的學習不能排除於個人自我中心的認知架構以及社會互動過程的交互作用，本研究在此把學生發展作品時，源自「科學內容」、「個人」的可能表徵類型放入 2D 和 3D 視覺表徵類型的探討範疇，另外將「活動」過程中所發生的社會互動放入視覺表徵與語文連結的研究問題中進行探討。在 Tippett (2011)的研究中以國小五年級學生閱讀有關地球和太陽大氣結構的科學文章，要求學生畫出其大氣結構的 2D 表徵，研究中提到學生的圖畫中加入不同顏色之大氣結構，探討學生加入顏色的原因包括便於做出科學解釋、讓圖畫更容易閱讀、改善圖畫外觀等科學內容的想法，或是消磨時間等個人直覺想法。 Brooks (2009)讓國小一年級的孩子畫出光的想法，研究顯示學生透過繪畫形式的視覺表徵，能將日常中自發性想法轉換為科學想法，繪畫讓孩子將內在想法外顯. 13.

(28) 為外部表徵，而當他們將想法發展為視覺作品時，學生的後設認知與繪畫作品做出互動包括產生對話、重新審視、想法修正。由上可知兒童一開始的視覺表徵會展現自發性的想法或是個人直覺的想法，但透過自行發展的視覺表徵，個人的表徵類型有機會轉換為科學內容的表徵類型。綜合上述，相同的視覺表徵之科學學習活動，學生在「蒸發」、「授粉關係」、「帝王蝶觀察」、「力圖」、「地球科學」、以及「光」的學習上，會有科學內容、個人直覺性想法、社會互動的表徵型態加入其視覺作品中。顧及研究對象年齡與研究主題，本研究參酌 Danish 與 Enyedy (2007)的研究，對於學生發展蝴蝶各階段身體構造和生活史的 2D 和 3D 表徵類型歸類為源自「科學內容」、「個人」等二大類別，把 Danish 與 Enyedy 所提「活動」類型包括小組、教師等社會互動，歸到視覺表徵與語文連結之研究問題中進行探討。. 五、2D 和 3D 多重表徵功能國內，邱美虹與劉俊庚（2008）在討論具體模型(包括 2D、3D、類比形象) 和抽象的模型時，指出經由表徵實體的過程可以幫助建立心智模式以及建構出個人的理解，表徵實體可以使外部表徵與內部心智模式間進行交互作用，其中提到多重表徵出現的功能包括解釋性、描述性、溝通、模擬、抽象化、預測性、推理性、問題解決等。Ainsworth 等( 2011)提出以視覺表徵進行科學學習時，有五種好處包括(一)增強學習者投入，化被動為主動；(二)深化自己的理解；(三)進行科學上的推理；(四)有效的學習策略；(五)在公開場合分享自己的想法，提供更明確的評論與溝通。 Ainsworth (1999, 2006)提出兩種表徵間，其多重表徵以不同方式在支持學習，產出更廣義的學習，並指出兩個以上的表徵學習比一個表徵的學習還要好，其多重表徵指的範圍包括繪畫、圖表、方程式、座標等，其提出的多重表徵功能包括互補、限制和建構，分述如下： (一)互補：用另一個表徵提供互補資訊或支持互補的認知過程。在互補資訊部分，學習者在互補的過程中藉由多重表徵的組合，學習者比較不會被單一表徵的. 14.

(29) 優劣勢所限制；在互補的認知過程部分，不同的資訊，允許學習者去創作更多表徵，藉由分享資訊支援新推論。 (二)限制：使用一個相近的表徵去支援另一表徵，學習者擴大概念或修正迷思概念，目的並不在於提供新資訊，而是提供學習者在不相似表徵上的推理，或限制詮釋。讓表徵的內在特質增加第二個表徵的詮釋，孩子在不同表徵中學習去做解釋，他們領悟將會增加。 (三)建構：建構更深的理解，提升抽象過程，從最初的表徵中去提取代替物減少抽象，學習不同表徵間的關係，另外可以支援擴大或概括化，建構表徵間的關係，學習如何在兩個表徵間詮釋，並對表徵間的關係有更深的理解。在 Ainsworth (1999)所提之多重表徵功能中，國內學者林靜雯與邱美虹（2005）依照其所提原則設計電學多重類比教材，以兩種表徵設計出相似類比組(限制功能：障礙賽和簡單用水系統)及互補類比組(互補功能：障礙賽和複雜用水系統)，以 2D 圖形表徵進行電學類比的教材設計。綜合上述研究，邱美虹與劉俊庚（2008）在具體模型與抽象模型中提到多重表徵功能包括解釋性、描述性、溝通、模擬、抽象化、預測性、推理性、問題解決；Ainsworth 等( 2011)以 2D 繪畫提出多重表徵間可以增加投入、促進理解、進行推理、有效的學習策略、溝通等五種好處；Ainsworth (1999)以繪畫、方程式、圖表、座標等各種形式的多重表徵，提出具有互補、限制與建構更深理解的多重表徵功能。上述三種多重表徵之功能比較其範疇，Ainsworth 在 1999 年提出之多重表徵功能指的包括繪畫、方程式、圖表、座標、3D 等各種形式的多重表徵，檢視兩者或兩者以上之表徵所提供的功能，另外其在 2011 年提出多重表徵的好處主要指的是 2D 繪畫，而邱美虹與劉俊庚所提之多重表徵指的是具體模型與抽象模型間，其範圍可以是最廣義的多重表徵，包括有形與無形的模型。研究者以 Ainsworth (1999)提出的多重表徵功能，比較另外兩篇研究中所提如圖 2-1-1 所示，其中實線表示具有直接關係，虛線表示具有部分相關。Ainsworth (1999)所提互補功能含括了邱美虹與劉俊庚（2008）以及 Ainsworth 等(2011)所提. 15.

(30) 到之提供解釋性、描述性與增加投入功能，另外具有部分的溝通與模擬功能；限制功能含括溝通，具有部分的解釋性與預測性；建構更深的理解含括了模擬、抽象化、預測性、推理性、問題解決以及促進理解、有效的學習策略。邱美虹與劉俊庚（2008）. Ainsworth (1999). Ainsworth 等 (2011). 解釋性描述性. 互補資訊與認知過程. 增加投入促進理解. 溝通模擬限制可能迷思的進行推理詮釋抽象化預測性有效的學習策略推理性建構更深理解問題解決溝通圖 2-1-2 多重表徵功能間的比較(實線為直接關係，虛線為部分相關) 本研究因對象年齡及研究主題，較無推理、模擬、預測等功能，故參酌 Ainsworth (1999)之多重表徵功能，把其中第二點「限制」修改為更具體明確的「增加溝通」功能，以互補、增加構通與建構三種多重表徵功能，探討學生在 2D 平面繪畫和 3D 立體勞作兩種表徵間，在蝴蝶不同階段與生活史出現的多重表徵功能之歷程，並提出研究主張。. 第二節視覺表徵與語文的連結以下分述視覺表徵與語文間的關係、視覺表徵與語文間的連結、2D 視覺表徵與語文間的連結和 3D 視覺表徵與語文間的連結。. 一、視覺表徵與語文間的關係 Mayer 與 Moreno (2003)提到有意義的學習包括從語文和圖表兩個系統作出更深的理解，學習者能以現有知識，在其心智上對語文與圖表進行組織與整合。 Carney 與 Levin (2002)提出圖表提供給文本有五個常見功能，分別是裝飾. 16.

(31) (decoration)：文字內容只有些微關係或沒有關係，視覺表徵與文字間連結性較弱的；表徵(representation)：反映部分或全部語文內容，最常使用的是圖解形式，視覺表徵與語文間出現多且強的連結；組織(organization)：圖表提供文字上有用的架構，如路線圖，視覺表徵與語文間出現多且強的連結；詮釋(interpretation)：幫助去澄清語文中困難的概念(如用幫浦系統來表徵血壓)，需要學習者去創造視覺表徵與語文間的連結，雖然連結少但都非常強；轉換(transformation)：使用圖表符號提升對語文訊息的提取。. 二、視覺表徵與語文間的連結 Tippett (2011)指出學習是伴隨著表徵而來，若能在視覺表徵創作的同時，發展具解釋力的語文表徵，學習者把語文訊息與視覺表徵間相互做詮釋與轉換，其研究中提出裝飾性視覺表徵提供較少機會讓人去創造連結，且連結較弱如圖 2-2-1 左所示；表徵性或組織性的視覺表徵提供具目的性資訊的連結為中連結如圖 2-2-1 中所示；詮釋性表徵為學習者創造出自己的連結，為強連結如圖 2-2-1 右所示。由上可知學習者在視覺表徵與語文間會有不同連結程度的整合，連結程度愈高，不僅兩者間可以互相整合對照，而且有助於澄清困難的概念或是日後訊息的提取。綜合上述，學習者在視覺與語文間發展出的連結可能包括強連結到弱連結之情形，不同程度的連結顯示出學習者能做不同程度的組織與整合。. 圖 2-2-1 視覺表徵與語文連結（修改自 Tippett, 2011, p. 71）另外，Schnotz (2002)以圖畫和文字間的學習整合觀點來看描述性文字和陳述性圖畫間的互動，文字與命題表徵間互動是基於符號處理，圖畫與心智模式間互動是基於表徵間結構的相似性類比，圖畫與文字在兩個不同系統中互相建構與互相檢驗如圖 2-2-2。. 17.

(32) 圖 2-2-2 文字和圖畫理解的整合模式(引自 Schnotz, 2002, p. 109) 圖 2-2-2 左側是文字系統，以符號形式經口語組織與分支語意處理形成文字表面表徵，向上再經語意處理形成命題表徵(包含所讀取的資訊，並以命題格式被編碼，為語文上符號處理所產生)，右側是視覺系統，基於類比結構之相似性，由圖畫、圖表經知覺以及視覺組織形成視覺形象，向上經過主題選擇形成心智模式 (即圖片之間共同的特徵及內容，表徵圖形上的主題事件，基於圖形類比所產生)，學習者藉由命題組織與心智模式形成概念圖，左側文字系統與右側視覺系統會進行由下到上以及由上到下的互動，同時在命題表徵、心智模式、視覺形象、文字表面表徵四者間進行交叉互動。本研究基於文字與語文間的相似性，圖畫與視覺形象之相似性而擴展此架構之應用範疇，將文字延伸為語言和文字之語文表徵，圖表修改為包含 2D 和 3D 視覺表徵，以修改過後的架構進行學生在蝴蝶各階段之視覺表徵與語文整合之討論。. 18.

(33) 三、2D 視覺表徵與語文間的連結 2D 視覺表徵和語文的連結方面，Zhang 與 Linn (2011)於化學上以動態的視覺表徵進行研究，研究中指出繪畫形式的 2D 視覺表徵可以提供學習者以另一種新的方式去解決較複雜的問題與作出整合。使用 2D 視覺化的工具可以使語文符號與迷思想法從表徵中浮現出來，學生可以更積極的投入討論，彼此從互動中產生更豐富的語文符號，並提升理解(Wu, Krajcik, & Soloway, 2001)。不過 Zhang 與 Linn 研究中也指出，2D 視覺表徵也不一定都是有效的教學利器，視覺表徵可能會讓學生面對一堆挑戰性的問題，或是加重認知系統的負荷，謹慎的設計、適當的引導式教學，且經過多次的循環練習過程，學生始有可能在 2D 視覺表徵上展現出精緻化的應用與理解。左台益與蔡志仁（2001）提到多重表徵中 2D 圖形表徵能讓學生抓取關鍵概念，學生的語意表徵往往需要靠圖形表徵的輔助，並且其研究中強調能使用圖形表徵與多重表徵，學生可從中調和其間的關係，靠著輔助圖形學生可以增加連結，掌握關鍵概念。另外，林靜雯與邱美虹（2005）以 2D 圖形之多重表徵在兒童電學概念學習上開發合適的多重類比(一種特殊形式的視覺表徵)教材，藉由 2D 圖形和多重類比促進兒童的概念學習，學生經由圖形類比，與語文互動，2D 圖形與語文間有較強的連結，且學生可以由語文中溝通自己對不同類比的喜好及理由。由上可知自行發展 2D 視覺表徵可以輔助複雜的問題，透過語文間的互動，增強視覺表徵與語文間的連結強度，不過教學者須事前做出謹慎的活動設計，避免學生陷入太多挑戰性任務或是認知負荷過大。. 四、3D 視覺表徵與語文間的連結 3D 視覺表徵和語文的連結方面，鍾曉蘭與邱美虹（2012）在學生建構理想氣體的多重表徵模型(包括 2D 和 3D)的研究中，採用具體 3D 模型和 2D 形式之影像、圖形繪製等，3D 模型如粒子運動的動態模型(在箱子裝保麗龍球，觀察氣流在裡面的運動方式)，研究結果支持多重表徵模型教學有助於學生持續建構更正確的氣體粒子觀。Tytler 等(2009)以多重表徵方式進行學生科學探索、推理與解釋，. 19.

(34) 過程中含括了 2D 繪圖、海報、筆記、統計圖、3D 模型等，讓學習者對其校園棲地內的小動物做調查，並做出動物之多樣性報告，包括動物具有何特徵能適合存活於此棲地，這些生物間的相互依存關係為何？過程中教師讓學生建構 3D 模型，以表徵動物之運動方式或是禦敵方式，學生最後被要求在課堂中報告特定之動物其身體構造、行為以及適應棲地之生存策略。Danish 與 Enyedy (2007)的花朵授粉研究，讓學生以雕刻、黏土、繪畫等 2D 和 3D 視覺表徵進行花朵的授粉表徵活動，研究中提出學生的表徵活動歷經小組過程的社會建構與發展後設表徵能力，並由表徵過程探討可能介入學生表徵作品的表徵協商機制。由上可知，不管物理或是生物方面的科學學習，3D 視覺表徵與語文間能相互協商整合，學生可以據此展現推理與科學溝通、評論等語文之整合。綜合以上文獻所提，3D 視覺表徵與語文之整合可以解決科學上較複雜的問題並對科學內容有更深的理解，科學課室中的科學社群透過 3D 視覺表徵與語文間的互動，能彼此檢驗可能存有的迷思想法，而小組間對作品的批判與評論，可以促其語文組織得更豐富，並對命題表徵做出修正與重新建構，以達成視覺表徵與語文間的整合。3D 視覺表徵與語文間不斷的互動，使學生有機會更深入的學習科學與說出其理解的科學內容。本研究參酌 Tippet (2011)提出之連結方式，增加「無連結」以配合部分個案學生在前測蝴蝶生活史中未做出蛹或卵作品，並把「更強連結」改為對關鍵特徵之「關鍵連結」，提出視覺作品與語文間的連結為「無連結」、「弱連結」、「中連結」和「關鍵連結」，接著以 Schnotz (2002)之圖畫與文字的學習整合觀點，檢視個案學生在蝴蝶各階段身體特徵與生活史之視覺表徵和語文整合歷程，提出「關鍵整合」、「持續整合為關鍵」、「提升後維持或略退」之主張。. 第三節後設表徵能力以下分為後設表徵能力之意涵和後設表徵能力之理論做說明。. 20.

(35) 一、後設表徵之意涵認知心理學裡講的後設認知，亦即「認知的認知」，或是認知的自我監控，能覺知與控制自己擁有的知識，指揮自己去使用這部分的知識（鄭昭明，2010），同理可推「後設表徵」即學生擁有知識去覺知與監控自己的表徵行為。diSessa 與 Sherin (2000)提出後設表徵能力，為學生自行發展視覺表徵作品時，有關於建構和使用表徵的所有可能能力，包括學生知道如何創作表徵作品，過程中更深理解表徵，並學習新概念以解決新問題，後設表徵能力對學科學的學生是有價值且重要的。. 二、後設表徵能力之理論 diSessa (2004)所提後設表徵能力(MRC)有五種，其將 diSessa 與 Sherin (2000) 所提的「功能」(Function)分為「理解運作」與「解釋」，分述如下(一)解釋：學生清楚描述如何用這個表徵，藉由解釋表徵發現藏在表徵背後的細節特徵。 (二) 理解運作：學生瞭解這些表徵如何運作？它提供學生溝通、支持推理、確認資料的模式，學生理解表徵角色的程度和使用方法。(三)評論：學生擁有豐富且關鍵知識，並據此評論和比較表徵的適當性和判斷他們對不同任務的合適性。(四)學習：學生有策略去促進自己的學習和使用新的表徵，例如，在草圖中填出表徵的構造，學生有能力使用新的或不相似表徵，以解決問題。(五)創作：學生擁有知識、技能和想法（建設性的資源），允許他們解決問題去創作或設計一個新的表徵。由上述文獻可知，後設表徵能力在於學生可以藉由表徵實作活動，表徵出對特定任務的認知、並據此認知在科學社群中做出評論、解釋等的溝通，並在過程中隨著認知的轉變，跟著調整與修正自己的表徵作品。 Danish 與 Enyedy (2007)提到後設表徵能力(MRC)，指出有關於學生創作和分析表徵中的想法，表徵提供學生機會去創造、修正和討論，這包括表達和移除個人錯誤的想法(Prain et al., 2009)。Brooks (2009)研究中指出，透過繪畫表徵，年幼孩子表達對視覺空間的詮釋，方向和關係間的互動能力，當學生能將自己的想法. 21.

(36) 發展出視覺表徵作品，足以呈現出他們在後設認知中的運作。Tippett (2011)的研究中定義視覺表徵能力，包括詮釋、轉換和自行發展作品的能力，它和科學閱讀、寫作一樣是科學素養的重要關鍵部分。Brooks (2009)以國小一年級的孩子畫出對光的想法，研究指出視覺表徵可以將個人想法與空間、方向、關係做互動，透過後設認知的運作可以挑戰更複雜的科學想法。由上可知，後設表徵在學生學習上，能使孩子做出創作、溝通或是透過表徵修正想法。 Acevedo、Van 與 Verschaffel ( 2013)以國中、高中學生在不同表徵中，提出解決線性數學問題之理由，歸納出四種類型：關於任務、關於主題、關於課程內容、關於表徵方面，學生的選擇主要以任務、主題為主，部分學生在做選擇前嘗試以後設表徵能力去調和這四種因素並做出適當的表徵選擇。從上可知學生選擇不同的表徵以解決問題，依據其心中的想法與理由作出最後選擇的決定。Medina 與 Suthers (2013)以三名學生解決數學問題的研究中指出，表徵活動的實作能發展出問題解決能力，學生會先分解問題、轉化問題和細分問題，並從表徵活動中去調整不同做法，分解視覺化的表徵練習，而後設表徵能力會隨著時間做出組合。由上可知，學生在表徵活動中解決不同的數學問題，學生對問題做出分解、轉化，並依據心中想法與理由去做出選擇、決定與調整。綜合上述，後設表徵能力使認知表徵背後的想法能更完整的被呈現，讓隱藏在表徵後的認知被引出，包括學生能進行創作、詮釋、溝通，評論與轉換的能力。本研究參酌 diSessa (2004)所提之後設表徵能力，為顧及學生在溝通及解釋間的連貫性，把第一點和第二點合併為「解釋」，另外配合研究將 diSessa 第四點「學習」和 Danish 與 Enyedy (2007)所提「修正與移除個人錯誤的想法」做結合，修改為「調整」。綜而言之本研究所提之後設表徵能力有四類，分別為一、解釋，能以自己現有的心智想法去詮釋作品包括部份科學細節或是關鍵特徵；二、評論，學生能以目前擁有的知識去批判同儕作品與科學觀察中不合理的地方；三、調整，學生能移除個人先前錯誤想法，修正表徵以符合觀察之科學事實；四、創作，學生能在表徵作品中自行轉換以解決創作中的問題。. 22.

(37) 第四節視覺表徵之相關研究以下分別以 2D 視覺表徵之相關研究與同時含括 3D 和 2D 視覺表徵之相關研究進行說明。. 一、2D 視覺表徵之相關研究在學生自行發展 2D 視覺表徵作品部分，Samarapungavan 等(2008)研究中曾以幼稚園學生飼養帝王蝶的探究活動，蒐集學生的 2D 視覺表徵資料，檢視學生進行探究活動的能力，質性資料主要有二，一為每個單元中的作品，包括繪畫、海報、科學筆記，二為錄影資料和逐字稿。研究指出對於某些不習慣語言表達的學生或是寫字能力欠缺的孩子，在科學筆記中能以繪畫表徵參與課程，將所觀察到的帝王蝶幼蟲細節畫出來。Danish 與 Phelps (2011)研究中讓學生畫出蜜蜂採蜜的四格故事版，學生能將蜜蜂採蜜過程說得更多與說得更有深度，表徵活動幫助學生修正錯誤並能以更細膩的科學觀點檢視所學的內容，學生能在小組中評論同儕的表徵作品，學生有能力去創作另一個新的或是不相似的表徵活動。林玉雯、黃台珠與劉嘉茹（2010）讓護專學生描繪血球圖形，分成真實彩色、彩色圖片和黑白圖片，研究發現三種不同描繪血球的方式，有助於學生辨識血球圖形，並改善低學習成效學生的認知負載。由上可知，學生自行發展生物相關之繪畫形式表徵，可以將生物特徵、細節精緻的表徵出來，另外在 Danish 與 Phelps 的研究中更進一步指出，學生以 2D 繪畫中的四格故事版與小組做對話、評論，學生可以進一步創造、評量和修正自己的表徵作品，發展出更有深度的科學內容。 Adadan 等(2010)在粒子物理之學習歷程的研究，學生以小組方式進行學習，過程中不僅讓學生口語文字表達他們對科學理解的想法，也讓學生進行繪圖表徵，去畫出自己的心智模式，透過口語和畫畫表徵，學生發展更為一致科學進程，研究過程中包括收集訪談、繪畫與寫作資料，將學生在粒子物理的科學概念歸出五種學習進程：科學理解、不完整的科學理解、科學理解中含另有概念，另有概念中含少部分科學理解、只有另有概念。Prain 等(2009)採個案研究，讓學生課室. 23.

(38) 討論並語文中描述水的沸騰、凝結、樹木香氣散佈的現象，過程中要求個案以 2D 圖畫表徵、口語解釋、3D 手勢和 2D 標題畫配合口語訪談，研究顯示國小四年級學生會以因果關係及自我為中心的知覺感受去做解釋，透過教師介入討論表徵作品，學生蒸發概念的學習能適時做澄清、修正和整合，表徵作品支持學童投入更多科學想法的理解與建構。由上述對於粒子物理上的研究可知，繪畫表徵可以具體呈現學生心智模式、內在知覺的想法，學生透過自行繪畫以及同儕、教師的互動中，能將不一致的想法，漸漸做出整合、修正。 Tippett (2011) 讓學生閱讀有關地球和太陽大氣結構的科學文章後，要求學生畫出地球和太陽之大氣結構的視覺表徵，並以其表徵科學內容之豐富與精確度分為 1 至 5 的評分等級，研究中也同時指出，學生在其繪圖形式的表徵中，加入不同顏色之原因包括解釋不同氣層的大氣結構資訊、讓圖畫更容易閱讀、改善外觀或是消磨時間等，圖畫中加入顏色對大部分國小高年級學生而言，能展現其對所學科學知識之後設認知。Ehrlén (2009)的研究以 6-9 歲兒童為對象，讓兒童在 A3 紙上以蠟筆畫出其所了解的地球後做訪談，研究者在訪談後會鼓勵學生畫出另一種形式的地球樣子，或是讓學生畫出人們會在地球的哪裡？所以每人有一至三張的地球 2D 繪畫作品，研究中指出認知與文化會介入繪畫和文字中，即使是相似的圖畫也可能存在著不同的科學想法，教師必須透過學生對其圖畫的語文詮釋，才能抓住學生隱藏在繪畫中的意涵。由上述地球科學的相關研究中可知，在繪畫形式的表徵，能表徵出學生不同的內在心智想法，但即使相似的圖畫，也必須藉由語文詮釋才能更抓住學生的想法。另外，蔡興國等（2010）所做的高中生力圖表徵研究，從學生的列式與力圖表徵中，對其可能的迷思力圖與列式類型做分析，學生在做系統選取時，容易以表徵題意情境的力圖(外在表徵)，而非腦中所想的列式力圖(內在表徵)，所以容易在畫力圖時產生迷思概念，而學校課程重視列式過程忽略力圖表徵，因此學生容易忽視正確力圖的繪製而產生迷思概念。Brooks (2009)的研究中，以國小一年級的孩子在繪畫中探討他們對光的想法，學生從日常中自發性想法轉換為科學想. 24.