高三學生「元素的性質與分子的結構」概念之精熟學習研究

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(1)國立臺灣師範大學化學系碩士班碩士論文指導教授洪志明博士. 高三學生「元素的性質與分子的結構概念」之精熟學習研究. 研究生蔡妤珩撰中華民國九十八年六月.

(2) 摘要. 元素的性質與分子的結構概念在高中化學的課程中，都是相當重要的部分，也會影響到將來相關概念的學習。鑑於高三學生普遍對化學科的學習成就低落，故本研究採用 Bloom 的精熟學習理念，發展元素的性質與分子的結構概念學習模式，並依據認知學習與發展理論將元素的性質與分子的結構概念作學習階層分析。本研究的目的在設計元素的性質與分子的結構概念的精熟學習，研究流程包括分析學習目標、編製元素的性質與分子的結構概念的教學資料、編製元素的性質與分子的結構概念各階層形成性評量試題、設計校正活動與充實活動及編製總結性評量試題。探討此教學模式在高三化學課程中的實施成效，研究對象為彰化縣某公立高級中學共 38 名的高三學生為實驗組。本研究得到結果如下： 1.以高中化學課程為主，參考相關文獻統整其中的元素的性質與分子的結構概念，完成元素的性質與分子的結構概念內容分析，包括元素的性質與分子的結構概念圖、元素的性質與分子的結構概念鑑別性屬性與可變性屬性分析。 2.進行精熟學習，並以 S-P 表分析教學的成效，在校正活動前後進行前測與後測之評量，後測的 S 曲線和 P 曲線皆向右下偏移，結果顯示此種教學方法是有效的，顯示全班超過百分之八十的學生，可以在各階層的學習中達到其精熟標準，即通過率大於 80％。另外，總結性評量的結果，以精熟學習教學之班級的精熟比率為 87％，而以傳統教學的精熟比率為 23％，證明精熟學習教學策略優於傳統教學。關鍵字：元素的性質與分子的結構概念、CLD 理論、精熟學習。. I.

(3) Abstract Properties of elements and the concept of molecular structure in the senior high school chemistry curriculum are a very important. They will also affect the future learning related concepts. The majority of the 12th grade students are afraid of Chemistry teaching and do not learn well. In concern of this problem, this study applied the mastery learning concepts of Bloom to develop a model on and the Properties of elements molecular structure concepts and the learning levels of Properties of elements and the molecular structure according to the CLD theory were also studied. The purpose of this study is to develop a mastery learning model of the Properties of elements and the concept of molecular structure concepts and to identify the efficiency of this model. The procedures of this study include analyzing learning goals, defining mastery criteria,designing teaching strategies, teaching materials, evaluation tools and correction activities. The sample were 38 students in the 12th grade of a senior high school in Changhua. The findings of this study are as folloes: 1. This study based on the Properties of elements and the molecular structure concepts in the present senior-high Chemistry textbooks and the references of related literature, including a concept mapping, critical attributes, and variable attributes of the elements of nature and the molecular structure concepts. 2. The test results were analyzed by the S-P chart. It showed that this mastery learning process did have a positive effect on learning elements of nature and the. molecular structure concept. Most. students achieved the mastery criterion of every CLD theory learning level. The final test was compared between the classes of mastery learning class and traditional teaching class. Results showed that 87％ of the students in mastery learning class achieved the mastery criterion and only 23％ of traditional teaching class achieved the mastery criterion.. Key words：elements of nature and the molecular structure concepts/ CLD theory/ mastery learning.. II.

(4) 目錄中文摘要....................................................................................................................................I 英文摘要.................................................................................................................................. II 目錄......................................................................................................................................... III 表次.........................................................................................................................................VI 圖次...................................................................................................................................... VIII 第一章緒論............................................................................................................................. 1 第一節研究背景與動機 ................................................................................................. 1 一､研究背景 ............................................................................................................ 1 二､研究動機 ............................................................................................................ 3 第二節研究目的 ............................................................................................................. 4 第三節名詞釋義 ........................................................................................................... 4 第四節研究範圍與限制 ................................................................................................. 6 一､研究範圍 ............................................................................................................ 6 二､研究限制 ............................................................................................................ 6 第二章文獻探討..................................................................................................................... 7 第一節概念學習......................................................................................................... 7 一､概念的意義與特性............................................................................................ 7 二､概念的屬性及其特性...................................................................................... 11 三､概念學習的意義.............................................................................................. 12 四､概念的認知心理架構...................................................................................... 15 五､概念的形成與建構.......................................................................................... 19 六､科學概念的形成.............................................................................................. 21 七､從認知論看概念學習...................................................................................... 26 八､迷思概念的意義與來源.................................................................................. 27 九､迷思概念的類型與特性.................................................................................. 29 十､概念改變 .......................................................................................................... 29 十一､元素的性質與分子的結構概念之迷思概念與相關研究.......................... 36 第二節精熟學習....................................................................................................... 38 一､精熟學習的理論.............................................................................................. 38 二､精熟學習與 Keller 計畫的比較...................................................................... 48 三､精熟學習於班級教學的應用.......................................................................... 52 四､實施精熟學習的主要步驟.............................................................................. 55 五､精熟學習的限制.............................................................................................. 57 第三節認知學習與發展理論 ....................................................................................... 58 一､Gagné 的學習階層 .......................................................................................... 58 二､認知學習與發展理論...................................................................................... 59 III.

(5) 第四節 S－P 表學習成就評量...................................................................................... 62 一､試題反應表(item-response table)： ................................................................ 62 二､S-P 表的建立 ................................................................................................... 62 三､S-P 表的基本特性 ........................................................................................... 63 四､Pj，D，CSi，CPj 的定義 ................................................................................ 63 第三章研究方法與步驟....................................................................................................... 66 第一節研究對象 ....................................................................................................... 66 第二節研究內容....................................................................................................... 66 一､確定元素的性質與分子的結構之課程內容.................................................. 67 二､CLD 理論元素的性質與分子的結構概念分析............................................. 68 三､元素的性質與分子的結構概念精熟學習的教學設計.................................. 69 四､進行元素的性質與分子的結構概念精熟學習教學...................................... 77 第三節研究程序 ......................................................................................................... 80 第四節資料分析....................................................................................................... 81 第五節元素的性質與分子的結構概念學習評量工具的信度與效度................... 83 第四章資料分析與結果....................................................................................................... 85 第一節高中課程元素的性質與分子的結構概念分析的結果 ................................... 85 一､元素的性質與分子的結構概念圖.................................................................. 86 二､元素的性質與分子的結構概念屬性分析...................................................... 87 三､CLD 理論元素的性質與分子的結構概念學習階層..................................... 88 第二節精熟學習的教學設計與教學過程 ................................................................. 89 一､元素的性質與分子的結構的學習目標.......................................................... 89 二､元素的性質與分子的結構的教學資料.......................................................... 91 三､評量試題 .......................................................................................................... 91 四､教學模式與校正活動...................................................................................... 92 第三節「精熟學習」策略實施之結果 ................................................................. 93 一､具體階層的形成性評量：.............................................................................. 94 二､辨認階層的形成性評量：.............................................................................. 97 .................................................................................................................................. 99 三､類推階層的形成性評量：............................................................................ 100 四､活用階層的形成性評量：............................................................................ 103 五､總結性評量：................................................................................................ 106 第四節總結性評量在另一班級施測知結果 ....................................................... 110 第五節試題分析 ................................................................................................... 112 一﹒試題鑑別力與試題難度................................................................................ 112 二､試題作答結果與概念分析............................................................................ 113 第六節元素的性質與分子的結構評量工具的信度與效度 ..................................... 124 一､信度 ................................................................................................................ 124 IV.

(6) 二､效度 ................................................................................................................ 126 第七節研究結果 ......................................................................................................... 126 第五章結論與建議............................................................................................................. 127 第一節結論............................................................................................................. 127 第二節建議 ............................................................................................................... 128 參考文獻............................................................................................................................... 131 一､中文部分 ............................................................................................................... 131 二､英文部分 ............................................................................................................... 134 附錄....................................................................................................................................... 137 附錄一 ........................................................................................................................... 138 附錄二 ........................................................................................................................... 172 附錄三 ........................................................................................................................... 182 附錄四 ........................................................................................................................... 187. V.

(7) 表次表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表. 2-1 傳統教學制度與精熟學習模式之區別 ................................................................... 43 2-2 Bloom 之精熟學習的基本要素 ................................................................................ 50 2-3 Bloom 與 Keller 精熟學習模式比較 ........................................................................ 50 2-4 形成性評量與總結性評量之比較 (毛連塭，陳麗華，1987) .............................. 51 2-5 傳統教學制度與精熟學習模式之區別(毛連塭、陳麗華，1987) ........................ 54 2-6 試題反應表 ............................................................................................................... 62 2-7 D(b)值......................................................................................................................... 64 2-8 學生作答情形的 S-P 表............................................................................................ 65 3-1 高一基礎化學(全)、高二化學(上)元素的性質與分子的結構的相關概念.......... 67 3-2 CLD 理論各階層所涵蓋的元素的性質與分子的結構概念 ................................... 68 3-3 形成性評量各階層試題類型 ................................................................................... 75 3-4 形成性評量與總結性評量之比較(黃政傑，1996)................................................. 76 3-5 各類型校正活動及實施型態(取自陳麗華，1987)................................................. 77 3-6 20 種常見的教學行為(Munby,1984) ..................................................................... 78 3-7 教學活動流程表 ....................................................................................................... 79 4-1 CLD 理論元素的性質與分子的結構概念學習階層 ............................................... 89 4-2 評量試題一覽表 ....................................................................................................... 92 4-3 具體階層之 S-P 表-(A)卷......................................................................................... 95 4-4 具體階層之 S-P 表-(B)卷......................................................................................... 96 4-5 辨認階層之 S-P 表-(A)卷......................................................................................... 98 4-6 辨認階層之 S-P 表-(B)卷......................................................................................... 99 4-7 類推階層之 S-P 表-(A)卷....................................................................................... 101 4-8 類推階層之 S-P 表-(B)卷....................................................................................... 102 4-9 活用階層之 S-P 表-(A)卷....................................................................................... 104 4-10 活用階層之 S-P 表-(B)卷..................................................................................... 105 4-11 總結性評量之 S-P 表............................................................................................ 107 4-12 各評量試題中學生注意係數 CSi 值 ................................................................... 108 4-13 各階層學生學習異常情況分析 ........................................................................... 109 4-14 總結性評量之 S-P 表(傳統教學)......................................................................... 111 4-15 精熟學習與傳統教學之比較 ............................................................................... 112 4-16 「原子軌域、能階及電子組態」之具體階層形成性評量 ............................... 114 4-17 「元素的週期特性」之辨認階層形成性評量 ................................................... 118 4-18 「分子結構」之類推階層形成性評量 ............................................................... 120 4-19 「分子形狀與極性」之活用階層形成性評量 ................................................... 123 4-20 評量一標準參照測驗百分一致性信度 ............................................................... 124 4-21 評量二標準參照測驗百分一致性信度 ............................................................... 125 VI.

(8) 表 4-22 評量三標準參照測驗百分一致性信度 ............................................................... 125 表 4-23 評量四標準參照測驗百分一致性信度................................................................ 125. VII.

(9) 圖次圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 2-1「知識、資訊形成記憶之過程」的 ACT* 模型 .................................................... 19 2-2 Bloom 精熟學習理論的因果模式圖 ........................................................................ 41 2-3 傳統教育的教學順序(a)和成就分配曲線(b) .......................................................... 42 2-4 精熟學習的教學順序(a)和成就分配曲線(b) ........................................................... 42 2-5 傳統教學的成就分配圖 2-6 精熟學習的成就分配............................. 52 2-7 實施精熟學習法的計畫步驟 .................................................................................... 56 2-8 精熟學習的教學過程 ................................................................................................ 56 2-9 精熟學習的教學過程(毛連塭、陳麗華，1987)..................................................... 57 2-10 Gagné 的學習階層.................................................................................................. 59 2-11 CLD 理論學習達成的四各階層 ............................................................................. 59 2-12 概念學習的認知運作(取自 Klausmeier 等,1976) ................................................. 61 2-13 S-P 曲線分離 A 圖 2-14 S-P 曲線分離 B .......................................... 64 3-1 元素的性質與分子的結構概念精熟學習的教學設計 ........................................... 70 3-2 元素的性質與分子的結構具體階層概念架構 ....................................................... 71 3-3 元素的性質與分子的結構辨認階層概念架構 ....................................................... 72 3-4 元素的性質與分子的結構類推階層概念架構 ....................................................... 72 3-5 元素的性質與分子的結構活用階層概念架構 ....................................................... 73 3-6 教學內容、形成性評量與總結性評量的範圍關係 ............................................... 76 3-7 研究流程 ................................................................................................................... 80 3-8 學生診斷分析 ........................................................................................................... 82 3-9 試題診斷分析 ........................................................................................................... 82 4-1 元素的性質與分子的結構概念圖 ............................................................................ 86 4-2 總結性評量學生在 CSi 值對分數作圖中的分佈 ................................................. 110 4-3 具體階層形成性評量一(A)卷試題在 CPj 值對分數作圖中的分佈.................... 115 4-4 辨認階層形成性評量二(A)卷試題在 CPj 值對分數作圖中的分佈.................... 118 4-5 類推階層形成性評量三(A)卷試題在 CPj 值對分數作圖中的分佈.................... 121 4-6 活用階層形成性評量四(A)卷試題在 CPj 值對分數作圖中的分佈.................... 123 5-1 學習金字塔 ............................................................................................................. 129. VIII.

(10) 第一章緒論第一節研究背景與動機一､研究背景「教學」對教師而言，是一份極具挑戰性的專業工作，也是教師的責任，無可諱言的教師的教學方法不僅影響學生的學習成就，同時也塑造了學生的學習程度，因此改進教學方法便成為教師所應努力的目標之一(蔡錦廷，1988)。長時間以來，我們都習慣將學生的學習成績低落，歸咎於學生的智力不佳、不夠認真、學習態度不夠積極、學習意願不強、教材過於艱深，或是家庭社經地位與社區環境等因素，但卻少去思索如何能夠有更有效的教學方法，來提升教育的素質(蔡錦廷，1988；徐志成，1994)。化學教學最普遍的方式是「講述式教學」，教師照課本內容作單向的口頭闡述，學生被動接受知識，然而學生的學習存在個別差異，尤其在實施常態編班的大班教學，個別差異更加明顯。「化學」這門學科，被大部分的高中學生認為是較艱澀的科目之一，因此造成很多學生在心理上產生恐懼和排斥，然而原子的概念與大多數化學現象的解釋有關聯 (Abraham et al.,1992)，化學教育的學者一般同意原子與分子的概念是學習化學的基礎，會影響後續的學習(Griffith & Pereton,1992)，然而判斷化學分子形狀是思考化學過程的一步，往往是科技快速發展的因素，因此建立自信，使每一位學生對科學的認知可以達某一水準，是每位身為化學科教師所應努力的方向(施朱娟，1997)。在傳遞科學知識的學科中，「概念」是極為重要的學習單位，經由有意義的學習而獲得的概念，可對更多的知識做有機的連鎖反應，才能使人類具有深入思考的能力，並作為繼續研究的根據(陳珊珊，1993)。學習心裡學者們認為概念的學習乃是最有效的學習。Bruna(1960) 強調教育應避免片段而零散的知識提出來教授學生，應該選擇學科(主題)的基本概念傳 1.

(11) 授，因為學習的概念越基本，適用到新問題的範圍也就越廣泛。此外，先前的學習階段，如果沒有紮實的學習，往往阻礙學生往後進一步的學習。學習是在原有的知識框架、概念模式和能力等基礎上逐漸擴充，最後終能形成穩固的體系。Reigeluth 和 Beatty(2003)指出學生在學校學習時成就落後有四個主要原因。其中缺乏學習的基礎，是指學生缺少能促進學習的知識(技能、理解或資訊)，將會造成在接受新知識時，不易瞭解。但為了通過各項測驗，以死背硬記等方法處理新資訊，因此當學生新的學習發生阻礙，自然無法在原有基礎上形成紮實的新架構。學生產生不紮實學習的主要原因，是學習內容「雜」、「亂」，因此在課程設計上，更應針對教材內容做詳細的規劃，再依此設計出循序漸進的教學引導模式，並一步步使概念逐漸穩固。近年來，政府不斷提倡「因材施教，有教無類」、「適性教育」、「小班教學」等教育改革方案，其目的是期望教師能體認每個學童都應受同等的重視，不但不放棄任何一個學生，並且瞭解唯有學生的成功，才是教育的成功。然而學生的學習存在著個別差異，教師必須充分掌握學生的此種差異，瞭解學生的個別困難，尤其在實施常態編班的大班教學，個別差異更加明顯，因此實施個別化教學就益形迫切。個別化教學並不拘泥呈現一對一的形式，教師可以針對學生的獨特興趣、能力、性向、習慣或學習困難等條件，分別提供不同的充實學習活動或補救教學。在個別化的教學環境中，學生可依個人的步調、喜好，選擇適當的學習內容、進度、份量。因此個別化教學可說是是一種尊重個體、講求設計的教學(胡峻豪，1999)。目前在班級教學的架構下，欲從事個別化教學，發揮因材施教的功能，必須掌握以下四項具體的行為目標，以建構教師在班級內的教學技巧(潘慶輝，1999)。一､教師對於學童在個別學習時所需要的資料，能夠加以蒐集、組織，並分析診斷。二､教師擬定的教學計畫，能夠滿足學童的獨特需要與學習方式。三､教師從事的教學活動，能夠適合學童的需要與學習方式。四､教師在學童的學習回饋中，能夠提供適切的學習方案，以協助他們完成學習的目標。 2.

(12) 二､研究動機根據近幾年來科學教育的研究，學生已不再像是我們以前所認為：在接觸我們所教予的教材前，仍是一張白紙，可接受我們所教予的。而是在接觸教材之前，學生常已經具有一些看法，這些看法有些與真正的科學理論相違背，在國外稱之為 misconception，在國內「迷思概念」或「錯誤概念」均指相同之事。教師如果能在施教前，對學生哪些概念會較容易出現錯誤能有所瞭解，那麼施教時便較能對症下藥，建立學生正確的概念(黃財堂，1999)。高中化學是進階化學的基礎，如果對分子的結構無法做正確的判斷，對之後學習生物化學、化學或其他相關領域的概念會產生很大的阻礙。分子結構存在微觀世界中，在學習立體化學時，分子中原子間的相對位置或某些特性，對學生的學習上有相當的困難。要瞭解分子中原子間的立體關係，必須具備一些想像力或藉助模型來瞭解其空間相對位置，這對一般缺乏訓練的學習者而言，不是一件容易的事(邱美虹，1993)。高中化學帶給學生的原子觀應逐漸修正為波耳的原子模型、電子軌域、能量量子化(能階)、原子之間以軌域混成、軌域重疊形成共價鍵分子等等概念。只需要畫簡單的能階圖形及電子，便可以判斷結構式；相對的，學生要理解的概念也隨之增加，如包立不相容原理、罕德定則都必須瞭解才能應用此法。寫出結構式是判斷分子形狀的跳板，使用軌域的概念，必須連結混成、電子躍遷規則以及軌域本身意義及符號，因此學生不但要能從符號推測軌域與混成軌域的形狀，也需具備元素與軌域符號表徵連結的能力。此外，概念的學習的重要性，學者林生傳(1994)曾對概念教學做實驗研究，研究結果提出概念發展的好，接受教育的效果也好，對於解決生活上所遭遇的問題也有相當的助益。而他也提出概念在認知上是極為重要的一環，可以藉以對外在事象，予以抽象化、概括化，繼而執簡御繁。反觀我們目前的學校教育，由於知識的暴增、課程內容的吃重，傳統知識教學之下，學生為了考試，對功課內容往往囫圇吞棗，學生學來痛苦，也難期學以致用。再者，現行 95 課綱教育部有別於早期教學內容，將此概念分 3.

(13) 別於高二及高三採用螺旋式教學，因此設計元素的性質與分子的結構概念教學模式以期有效促進學生概念發展並達到複習的效果，並使班級中的學生能夠達到精熟學習，降低對化學的恐懼。. 第二節研究目的本研究的目的為設計元素的性質與分子的結構概念精熟學習教學模式，使班級中的每一位學生都可以達到精熟學習的水準。本研究的主要工作為： 1.應用 Klausmerier 等(1974)認知學習與發展理論(Cognitive learning and development theory)，以下簡稱 CLD 理論，分析元素的性質的分子的結構概念。 2.應用 Bloom(1974)精熟學習(mastery learning)理論作元素的性質與分子的結構概念精熟學習課程的設計，工作內容包括： (1)確立精熟的基準(defining mastery) (2)精熟學習的設計(planning for mastery) (3)精熟學習(teaching for mastery) (4)精熟學習的評量(grading for mastery) 3.實際應用 CLD 理論與精熟學習於高三學生的教學上，探討精熟學習模式在國內高中化學元素的性質與分子的結構單元實施的效果。 4.根據研究結果提出具體的建議，做為教師教學、課程設計、教學評量之參考。. 第三節名詞釋義本論中常用到的一些名詞，在本文中的意義如下： 1.認知學習與發展理論(cognitive learning and development theory)，CLD 理論：將概念學習分為四個階層： 1 具體階層： ○. CLD 理論中的原文為 concrete level，為具有認識並記住一個概念例子的能力(洪志明，1993)。在本文中引申為可以完整認識原子的結構及波耳氫原子模型，量子力 4.

(14) 學對電子行為的描述，並利用遞建原理、包立不相容原理及罕德定則填寫電子組態。 2 辨認階層： ○. CLD 理論中的原文為 identity level，為具有認出一個概念之兩個例子的能力(洪志明，1993)。在本文中引申為可以完整認識元素的性質，包括游離能、電子親和力與電負度。並能利用電子組態、原子半徑等觀念判斷影響其原因及關係。 3 類推階層： ○. CLD 理論中的原文為 classificatory level，為具有認出一個概念之兩個以上例子上的能力，並概括出概念的通則(洪志明，1993)。在本文引申為可以概括出化學鍵形成的原因，並能清楚的說明兩個氫原子形成氫分子時距離和位能的關係，同時分辨 σ 鍵和 π 鍵，並正確表示出路易士結構。 4 活用階層： ○. CLD 理論中的原文為 formal level，為具有區分出一個概念的鑑別屬性和不相關屬性之正例與非例的能力並解決問題(洪志明，1993)。在本文中引申為可以利用混成軌域解釋分子形狀、鍵長、鍵角及鍵能的關係，並由鍵的極性和分子的幾何形狀來推測分子極性。 2.「精熟學習」(mastery learning)的中文譯名有很多，有：「精粹學習」、「精熟學習」、「完全學習」等，都是指 Bloom(1974)所提出的 mastery learning。精熟學習是一套校正和回饋的程序，使每位學生都可以達到預期的學習目標。精熟學習的教學過程包括分析學習目標、編製形成性評量、安排校正活動與充實活動、編製總結性評量。本研究精熟學習的基準是配合 CLD 理論各學習階層分析的結果，使學生可以在各階層達到精熟的標準。 3.元素的性質與分子的結構概念：根據教育部九十四年修正公布之普通高級中學選修化學課程標準所編定的高中化學教材，選修化學第一冊第一章元素的性質與分子的結構 (康熙出版社，民 97)(個人並加入課本中提到的相關性質)。. 5.

(15) 第四節研究範圍與限制一､研究範圍 1.本研究的元素的性質與分子的結構概念分析與學習目標的訂定，為配合研究對象學校學習進度和內容，涵蓋高中元素的性質與分子的結構概念學習範圍，並不侷限於高三階段，因此精熟學習成效的評估亦以所設定的範圍為主。 2.本研究採個別化精熟學習，探討在教學過程中個別學生對元素的性質與分子的結構概念的學習成就。評量的方式採基準參照精熟學習評量，只研究個別學生是否達到精熟的基準，不與他人比較。但為了探討本研究的教學法是否比目前一般的教學法有效，本研究的總結性評量亦施測在另一班傳統教學的學生。 3.在精熟學習中，只要給學生足夠的時間，每一個人都可以達到精熟的標準。本研究受到學校教學時間和進度的限制，若無法充裕的提供每一位學生真正達精熟所需的時間，故無法使全班的學生達到精熟的標準，只能使全班絕大部分的學生達成，約為全班人數的百分之八十以上。. 二､研究限制由於研究樣本僅限於彰化縣一所公立高級中學的一個班級，為方便樣本取樣，並非隨機取樣，故缺乏母群體的代表性，因此本研究結果僅能描述研究樣本，非能正確類推母群體真實情況。. 6.

(16) 第二章文獻探討科學的學習除了記憶重要事實，更重要的是概念的形成、獲得，以及由原有概念轉變為符合較新事實或理解之新概念，即牽涉到概念的改變，有關本研究之文獻探討共分為四大部分：概念學習、精熟學習、認知學習與發展理論以及 S－P 表學習成就評量，茲將其分述如下。. 第一節概念學習一､概念的意義與特性所謂「概念」(concept)，是個人知識體系中的基本單位(徐綺穗，1995)，人類基本的能力之一是把個人的經驗加以歸類整理。透過歸類整理建立起來的範疇或類目，就稱為概念(concepts)(Mervis & Rosch,1981)。概念是一種認知過程(cognitive process)的觀念、符號或意念，使個體能概括抽象及理解的事物，而表現在有層次的結構上即概念結構(歐陽鍾仁，1990)。概念是依據某些事物共有的重要屬性或特徵將它歸於一類，在瞭解一個概念後可以看出它分類的規則，並且找出此概念與其他概念間的相關性以及差異性(黃台珠，1984)。簡單來說，概念即同類事物的總名稱(以一個符號來代表一類具有共同性質的事物)。Kagan，Moss 和 Sigel(1963)認為概念的進展是自知覺至機能的步驟。Lenneberg(1967)認為概念是透過經驗的聯想，統整而成的，並可與已知的概念或相似的概念作比較。Nelson(1973)強調機能的概念是知覺的必要條件(引自趙寧， 1996)。Mirrill，Tennyson 和 Posey(1992)以為一組特別的物件、記號或事情因為具有相同的特性，而擁有一個共同的符號或者名稱就叫概念。根據科學教育學者的解釋，認為概念是一種從一件或多件事物、事件或過程之中，其所具有的性質中所抽取出來，有次序的訊息(引自宋志雄，1992)。而針對於概念的眾多定義，林生傳(1994)綜合多位學者的看法，認為概念具有下列的九大特性： (1) 抽象性：把某類事物抽取其共同屬性，而以特定方式表示之。 (2) 社會文化性：概念常為社會所贊同或認同。 7.

(17) (3) 結構性：由個人對單一或更多實體的組織訊息所組成。 (4) 可學習性：概念可以學習，有些概念容易學習，有些概念較為困難。 (5) 清晰性：概念的清晰性不一。 (6) 可使用性：概念對瞭解原則及問題解決有助益。 (7) 繁衍(長)性：已形成的概念可以藉以獲得其他概念。 (8) 位階性：概念彼此是相互包容且上下高低的複雜位階關係。 (9) 意構性：概念也可能以非客觀事象來形成。人類由周遭世界感知訊息、資料後，對於事務如何運作、進行的原理以及產生現象的原因，在心中形成了一套想法(idea)，這些想法就是我們所謂的「概念(concept)」；而這些想法在腦中以我們熟知的字彙、詞語、圖像，產生知識的表徵，進而形成意象 (imagery)，故「概念」即為「已被連結到特定詞彙的心智建構」，可將概念區分為四個類型(Lawson et al., 2000)： (1)感知性概念(concepts by apprehension)：如冷、熱、輕、重、顏色間的差異、飢餓、口渴、疲累…等等生理感覺，這些來自對外界環境及個體自身的感官訊息，一旦被接受到，立即能產生其對應的意義而形成概念，與語言、族群、地理、文化等背景無關。 (2)敘述性概念(descriptive concepts)：如桌、椅、樹、花、草、人…等物體的名稱，跑、跳、走、滑…等動作的形容，高矮、胖瘦、長短、平滑或粗糙…等比較的描述。這些概念的意義來自對事物的觀察，及同類或不同類物體之間的比較，用來組織、描述個體所經歷的外界經驗。當然個體對第一次接觸的此類概念，並無法形成清楚的意義，但只要在之後的成長歷程，不斷有類似的生活經驗，就能得到足夠的訊息來支持其形成。而由認知心理學的角度分析，腦中形成所需連結的過程，也會隨著經驗次數被強化，最後達到「熟練」的程度。所以現在當我們使用、表達這些概念時，常不自覺地忽略了其建構、學習所經歷的過程，而把它當作、視為「常識」。 8.

(18) (3)理論性概念(theoretical concepts)：如神祇、鬼魂、分子、原子、電子、光子、基因、力、場…等。前二者屬於宗教信仰的ㄧ部分，並用來解釋不可預知的福禍之發生，或神秘事件的成因；而其餘的是在科學進展中，用來說明造成某些現象的不可見物體或作用。人類由思考得到邏輯上的因果律，在遇到事物或現象，無法察覺其產生作用的因果角色(causual agent)時，我們認為「事出必有因」，故設想出某些邏輯關係或特定理論，依此關係或理論產生上述的諸般觀念，並賦予它們對應的意義。 (4)假設性概念(hypothetical concepts)：由 Lawson et al.(2000)提出，其層次應介於「敘述性概念」和「理論性概念」之間，它比「理論性概念」具體，但比「敘述性概念」抽象。Lawson 以古生物的「演化」為例，說明這類概念的意義，來自對於超過一般時間尺度(time frame)的觀察(如：某類生物化石標本在不同的年代中的變化差異)，甚至是推論可能會發生的事件(如：天擇作用)。同時，概念亦為人類高層次學習的重要基礎(李詠吟，1998)。概念可以代表(1)同一類的物體，諸如球；(2)同一類的事件，諸如走路或談話；(3)同一類有生命的有機體，諸如人類或馬；(4)同一類的特性，諸如紅色或大、小；(5)一種抽象的事物，諸如真理或愛；(6)一種見解，諸如 A 比 B 聰明。概念之所以能代表這麼多種事物，原因在它的本質是「關係」(鍾勝校，1994)。 Burner(1961)認為概念具有下列五種要素：(1)名字(a name)；(2)事例(examples)，包含了肯定的例證與否定的例證；(3)屬性(attributes)，指本質與非本質的；(4)屬性價值 (attribute values)；(5)規則(rules)。因此，要理解一個概念，意味著了解這一概念的所有元素(引自趙中建，1992)。根據希拉克的研究，概念具有以下數個通則(歐陽鍾仁，1988)： (1)含有心理的意義：概念是個體對各種事物加以分類，連結其相關而有明顯或不明顯的屬性和用途，而形成的一種聯想。 (2)有內含的通性：不同類的事物，具有顯著可歸納於同一種通性者，內含性是形成概 9.

(19) 念中抽取共同因素或共同特質。 (3)含有抽象性：概念本身是一種抽象的心理意義，它可從最具體到最抽象 (4)具有概括性：不同的例子，概括同一個概念。 (5)含有不同的結構：概念各個性質間之關係稱為結構。分別有連接性的概念、分離性的概念、關聯性的概念。 (6)含有功能性：具有分析的功能，使個體分析反應各項事物的功能；具有媒介的功能，作為刺激和行為間的媒介。 Bruner(1961)對概念應用在教育上的假設，提出以下幾點建議，而強調概念的功能： 1. 眾多學者研究或有系統的學科，他的概念組織是簡單、簡明的。 2. 概念可以發展成為一種模式，此模式可以讓兒童有發現的機會，亦即兒童由最初只能用簡單文字來表達意念，漸漸地便能用一些深度的文字來表達複雜和抽象的事物。 3. 概念可以當成課程組織的重心，而這些重心可以呈現出學生各階段的發展。 4. 如果教師的教法，是教學生去發現某一學科裡的組織概念，那麼學生將會獲得以下的好處： (1)能加強學生的記憶力。 (2)能提高學生在學科範圍內的理解力。 (3)能強化轉變學習。組織概念是聯繫事實的原則，且此原則則深富彈性，可以多方面的靈活運用。 (4)是學生使用每種學科的語言。概念具有統合(unifying)的力量。它把許多意義匯集到一個焦點。勃坦等人(Burton, Kimball, and Wing,1960)從意義為主的角度來看概念(鍾聖校，1994)： 1.概念是一種被界定的意念，這意念指出這名詞用來表達的東西及其所有意義。 2.概念是一個人對任何事物、人或歷程所了解意義的總量。 3.概念是一種被提出的意義(a suggested meaning)，從產生它的特殊情境分離出來，而掛上一個名稱。 10.

(20) 4.概念是一邏輯的建構(a logical construct)能在人際間使用。 5.概念是一個字或其他象徵符號，代表一些物品或情境的共同性質。 6.概念是被設定的意義，藉之我們能安心的相信並使用(rely with assurance)。. 二､概念的屬性及其特性概念的本質中，充滿著不確定性、朦朧性(fuzzy)，故在概念的學習過程中，不僅是配合先備知識的運用瞭解其基本的定義與屬性，更必須依靠對情境及相關線索的掌握、發展、調適、類化概念知識和程序性知識，方能獲得有效的概念學習(林曉芳，1999)。其本質與內容對整個系統的認知運作有定性的關係。在知識系統裡，概念常被看成是一個「節點」(在樹狀或網狀的系統裡面)或是一個「幾何點」(在空間的系統裡面)，而其內容只不過是一組的「指向連結」或一組的「屬性」或「特徵」。就概念的特性來說，主要有三個(黃台珠，1984；蔡枚芳，1999)：第一個特性是「共同性」，第二個特性是「符號化」，第三個特性是「使用者」，若缺少其中任何一個，此概念就無法存在。一個「概念」是一個象徵的建構(symbolic construction)，它用來代表外界事物或事件的共有性。譬如，「人」、「紅色」、「三角形」、「憤怒」與「學習」等都是「概念」，事實上，日常生活所使用的語詞，無一不是概念的名稱。概念之所以形成，當然是由於我們能夠對外界的事物進行歸類，把相同的事物歸為一類，以與不同類的事物在理念上分開。概念的形成與獲得，讓我們感覺外界的事物井然有序，不會雜亂無章。概念與歸類也能讓我們對外界的事物進行有效而正確的辨識，因此它具備適應環境的功能，而有其生態的意義與價值(鄭昭明，1993) Klausmeier 等人為了獲得概念發展學習研究所需資料，分析概念的相關及不相關特性的資料和它的學習達成層次之關係，而將概念屬性分成鑑別屬性(critical attributes) 和可變性屬性(variablr attributes)(洪志明，1993)。概念屬性也被稱為關鍵特徵(critical features)或鑑別性屬性(紹瑞珍、皮連生，1989)。係只可以辨認的特徵，舉凡事物的形、色、大小、質量等，皆可成為概念的屬性(張春興、林清山，1985)。在概念中如果所包 11.

(21) 括的屬性愈少，其含義就愈抽象、概括的範圍也愈大；但同樣的，由於屬性少，也等於限制愈少，所以比較容易學習；反之，當概念的屬性增多時，反而容易混淆，使學習較為困難(裘友善，1978；趙寧，1998)。此外 Tennyson 等(1972)亦曾利用屬性來定義概念，強調一個正式完整的概念定義能幫助學習者學習概念，區別概念與概念間的差別，以及個別概念的鑑別性屬性歸屬的階層。Klausmeier 等(1974)則指出概念屬性具有八個特性，分別是可學性(learnability)、可用性(usability)、有效性(validity)、概括性 (generality)、結構性(structure)、廣用性(power)以及舉例時的易覺性(perceptibility)與多量性(numerousness)。. 三､概念學習的意義概念是學習的基本單位，也是了解和思考的基本工具 (Beasley & Heikkenen,1983;Tolumun,1972)。概念是由一組觀念(ideas)或符號；概念是反應個體以達評鑑程度的各種態度(attitude)或成見(prejudices)；概念是一種心理意義(mental image)，特別是指結合同ㄧ類事物的各項特徵，使其成為一種意念(notion)的各種概括概念(歐陽鍾仁，1991)。概念學習(concept learning)是一種抽象化的歷程，更是學習歷程中的先決條件，概念學習可視為是思考與解決問題的歷程。但因概念是個抽象存在的物體，而非具體存在於實體界。因此，概念學習在教育上的涵義即是，希望藉由將概念具體意義化，幫助學生能在概念學習上有所了解，以促進學生能以抽象的方式使用具體的概念(林曉芳，1999)。概念被認為是科學過程的產品，是繼續研究科學的根據，以及有時也被認為是技術人員運用的技術。就科學方面而言，根據一些教育工作者認為，獲得概念是理科教學所希望的結果。概念不只是科學經緯組織，而且是學生應付科學發展的一種方法(Pella,1966)。概念的學習可以幫助學生一以貫之，學習遷徙。概念學習指對不同事物能夠根據自己的標準予以分類處理，並能給予各類別不同名稱。學習能力發展至此一階層時，即可教他學習抽象概念。概念的學習有下列幾點益處(Bruner,1961)： 1.概念的學習有助於記憶。 12.

(22) 2.概念的學習有助於學科的了解。 3.概念有助於學習遷移。 4.概念有助於分辨教材的初級與高級的知識。雖然自然概念的學習很多時候可能採用典型例證學習，但有研究者(Martin & Caramazza，1980)發現受試者有時也採用假設驗證，而且也有研究者(Richardson， Bhavnani & Browne，1982)認為以特徵為基礎的學習無法解釋整個事實。所以人門對自然類別的學習應具有相當的變通力，採用何種策略視情況而定(引自鄭麗玉，1993)。據 Brooks(1978)和 Nelson(1974)的研究顯示，概念學習中最重要的是屬性的餞別與規則的形成。因此他們強調，記憶中所儲存的是原型(prototype)，而學習者將最新所學的例題和記憶中的原型相配對，就能達到學習的效果(引自趙寧，1998)。 Tennyson 和 Park(1987)的研究更指出學習概念需要擁有推論和鑑別的能力。而這種技巧發展(skill development)最好是把概念學習的例題範圍從簡單變為複雜，變項的屬性有階層的差別，而且在屬性相似的基礎上，要把正例與非例搭配。類此研究者皆暗示著學習者在記憶中所儲存的一個既定概念即為原型，因此學生在原型中所知覺的是概念階層本身，在推論和鑑別能力發展的過程中，學生把原形和新例題做對照時，會選擇性地比照相關屬性的有無，所以呈現方式的不同，是否會對學習者學習的效果與效率生成影響？就成為一個值得探討的關鍵問題(趙寧，1998)。一般來說，概念的學習可以細分為兩個階段，第一階段是概念的形成(concept formation)，它是一種由學習者所歸納發現某一類事物有一些基本屬性存在的學習歷程；第二階段是概念的類化(concept assimilation)，它是一種學習者因被提供其概念定義而了解概念屬性的學習歷程。Ausubel 指出現實學習經由後者開始(李詠吟，1998)。概念的學習，包含了屬性的學習與規則的學習，這兩者都是一般概念學習的ㄧ部分，兩者都可能並存於一個概念問題的學習之中，因此時常的相互混淆。如果要評價一個概念學習的困難有多少是由規則的學習造成的？有多少是由屬性的學習所造成的？則應進行嚴格的實驗控制與評估(鄭昭明，1993)。 13.

(23) (一)屬性的學習如果一個概念的形成是由外界眾多的事物、眾多的屬性中去發現其界定的屬性，則這類的概念學習傳統上稱為屬性的學習(attribute learning)。這類的學習當然是要求學習者應去注意到相關的屬性，同時排除不相關的屬性。一個屬性是否能夠被注意到，完全是看此屬性在眾多的屬性中是否具有凸顯性(salience)，愈突顯的愈能夠被注意到。如果相關的或界定的屬性是較凸顯的，則概念的形成就較為容易，反之則較不容易。當然，屬性的凸顯性並不是絕對的，從一方面來看，它因人而異，也因專業的程度而異。從另一方面來看，它也因外在的條件而異。譬如，就「大小」的屬性而言，它是否凸顯而容易受到注意，受其值量變化的大小決定。如果值量變化的差距甚大，則此屬性就較容易引起注意，反之，則較不容易引起注意。從眾多的屬性中尋求一個概念的界定的屬性，本身就是一個假說驗證(hypothesis testing)的歷程。在驗證的過程中，無關的屬性逐一的受到淘汰，有關的屬性則繼續被保留著(鄭昭明，1993) (二)規則的學習通常，一個概念的形成，除了由一組的屬性來界定之外，還必須由一個屬性混合 (combination)的規則(rule)來界定。譬如，考慮兩個屬性「大小」與「形狀」，此兩屬性的聯集所界定的概念當然不等於兩者交集所界定的概念。如果概念的學習是強調在尋求一個屬性混合的規則，則此類的學習傳統上稱為規則的學習(rule learning)。 Neisser 與 Weene(1962)把前面所提的界定概念的規則，依其複雜度，分為三個層次。第一個層次是簡單的概念所用的規則：肯定(affirmation)，與否定(negation)。第二個層次是交集與聯集。第三個層次是條件式與雙條件式。複雜的程度是由第一個層次到第三個層次，因為他們發現，當要求受試者從事各種不同規則的學習時，最容易的是一個層次的規則，依次為第二與第三個層次的規則。但是以上的看法應有相當的保留，因為有些較易獲得的規則，可能並不是由於它本身的簡單性，而是由於在日常生活之中，此規則出現的機會較多，因此具較高的熟 14.

(24) 悉性與偏好性。譬如交集的規則在日常生活中使用的機會比聯集與條件式的規則多，因此一般人使用前者的偏好也較高，這當然使得一個交集的規則比較容易學習。 Haygood 與 Bourne(1965)為了評價屬性的學習與規則的學習對一個概念學習的影響，設計了三種不同的作業：屬性學習、規則學習與概念學習。在「屬性學習」的作業中，受試者首先被告知混合屬性的規則為何，受試者只是單純的從一組的屬性中尋找界定的屬性(引自鄭昭明，1993)。無庸置疑地，概念學習的重要性再怎麼強調都不為過。概念思考歷程的基本元素，世界觀的本體，使我們得以解釋世界和我們自己的行為。它們減低環境的複雜性，並使我們得以進行類化、做決定與表現出合宜的行為(李茂興，1998)。. 四､概念的認知心理架構由認知心理學的觀點來看(Solso,1995)，概念是由「知識」及「知識間的關連」所組成，而「知識」可視為組織化的資訊。資訊由外在感官或內在思維，經過「感知 (sensation)：眼、耳、鼻、舌、身、意接受訊息→ 知覺(perception)：感受訊息進入→ 覺知(recognition)：形成意義」的處理過程而獲得，並在腦部的「記憶」結構中儲存、累積、整理，系統化而形成知識。所以要了解概念在腦中的架構，可由「記憶」開始。 (一)記憶：由生理學、行為科學及臨床上的研究，得知記憶儲存有兩種模式(或類型)：程序性記憶(procedural memory)和陳述性記憶(declarative memory)。而 Waugh 和 Norman (1965) 建立了「初級—次級」的二元記憶模型，並經 Atkinson 和 Shiffrin (1968)擴充為「資訊處理模型 (Information Processing Model) 」，將記憶儲存的結構分為三個次系統 (sub-system)（引自 Solso,1995）： (1)「感官記憶(sensory register or sensory store)」－感官接受刺激後，得到數百毫秒之神經活動； (2)「短期記憶(short-term memory)」－簡稱 STM，容量有限，Miller(1956)認為只有七個單位(chunk)（引自 Solso,1995）； 15.

(25) (3)「長期記憶(long-term memory)」－簡稱 LTM，容量極大，近乎無限。外界刺激經由感官的感知，存放在感官記憶中；腦部的 LTM 中則儲存了容量龐大的知識，而 STM 容量雖有限，但其功能卻極為巨大。一方面感官記憶中的訊息經由 STM 處理、儲存（由於感官記憶來自感官接受的刺激，故 STM 的編碼形式包含聽覺編碼、視覺編碼、語意編碼），STM 中的資訊除了會隨時間產生強度減弱，由於容量小，新舊資訊間的干涉也會使記憶消退產生遺忘；訊息在 STM 中存留時間夠久，就可能進入 LTM 中長期儲存。流程如下所示：感官記憶 → 短期記憶 → 長期記憶另一方面，在腦部進行回憶及思考等過程時，由 LTM 中提取訊息、知識，並儲存在 STM 中，以執行進一步之處理，再產生新的心智表徵，甚至以文字、圖像、言語等方式輸出。其流程如下：長期記憶 → 短期記憶 → 心智表徵 → 輸出所以 STM 的角色可比喻為工匠的工作台，可在上面施作、處理，也可以暫時堆放材料。 LTM 中儲存的知識來自 STM 中的訊息，故其編碼方式也相同。但資料進入 LTM 中記憶後，並非意指就能永久保存；當訊息知識不再被加以利用或複誦(即重新提取)，就會隨著時間愈久而逐漸遺忘，此即記憶的「消退」。那麼要如何使 LTM 的記憶能存留較久？經由 Zimchenko (1962)「Level of Recall」及 Craik 和 Lockhart(1972)「level of processing」的研究（引自 Solso,1995）得知：外來的資訊，若經過專注、分析、聯想等深層過程的處理，才能成為留存較久的記憶；另外，目標記憶如果能與其他已存的相關知識互相連結，那麼在 LTM 中的留存時間就會增加(引自 Solso,1995)。腦中內在記憶的結構及運作模式，一直是認知心理學家深感興趣，並不斷試圖去解析的主題。由神經科學得知腦的運作是整體性的，但某些活動則偏重於腦部特定區域的活化。而對腦部組織的研究發現，大腦皮質中的神經元，是並聯式的分配系統。依此形成了「平行分布處理(parallel distributed processing，PDP)」認知模型，此模型認為人類腦部以類似於神經邏輯網路的方式處理訊息。 16.

(26) 在同一時間，不同區域的神經元透過簡單的連接，使訊息的處理增強或減弱。 Rumelhart 和 McClelland 以 PDP 模式為基礎，提出了「記憶的連結說模型 (Connectionism Model of Memory)」（引自 Solso,1995）： (1)腦中存在著一些具有特定屬性的抽象位置—單元，它們代表著語意或程序性記憶的最小單元，由這些單元來組織、連結為平行分佈處理（PDP）網絡；訊息被接受後，先根據訊息的屬性分析，並通過網絡中單元間的組織性，可在短時間內連結到腦中相關的單元，去提取所需的記憶資訊，最後產生輸出，此即發生在 PDP 網絡中的心智運思(metal process)過程。 (2)而訊息的處理過程，會在腦中形成某些單元間的連結，即留下了「痕跡(trace)」；每處理一次相同的訊息，此相關連結的強度便被增強(不相關的連結路徑則被抑制而減弱)，隨著相同訊息處理次數的增加，連結的強度就愈強，愈容易運作相關的記憶資訊。即概念的相關知識愈多，它在記憶中抽象位置的定位網絡愈豐富，愈容易被連結。 (二)知識表徵：在了解「記憶」在腦中的結構後，接著來看「知識」在腦中的表徵（representation of knowledge）。這包含了內容、結構、處理方式等三個要素。由前面所述，概念由知識建構，而概念也是人們心中的想法，並具體的以對應的字彙、詞語表述，也就是說，經由研究人類語言中所使用的字句，其語意在記憶中的表徵，即可獲得知識的表徵。研究也證實，語意組織對記憶的影響極大。故從認知模型的觀點來看，了解語意在記憶中的組織，即能得知腦中知識表徵的組織。整合依此觀點所進行的研究之成果，語意記憶的概念結構為：語意記憶由較大的概念組成，而多個具有特定意義的最小語意知識單元（ proposition ），及其屬性（relationship）形成概念。概念間由一系列的「聯想結」連結，構成語義知識網絡（propositional network），而概念間連結的聯想強度，是由「擴張活化作用（spreading activation）」或抑制作用決定（Collins ＆ Loftus，1975），並依此產生辨識（recognition）（引自 Solso,1995）。 17.

(27) 依據和語意記憶有關的多種認知模型，以及神經認知科學的實驗結果，知識表徵的運作可用前面提到的「聯結說(connectionism)」來說明：心智中存在著一個組織，由數量龐大的「單元(unit)」及它們之間的聯結所形成，連結的結構為「平行分佈處理（PDP）」網絡；藉由此網絡，可同時處理知覺、記憶、思考等多種腦中的運作。以視覺為例，接受刺激後知覺形成的圖像（image），本身並未儲存在腦中，因為所含的訊息極多，若每一個視覺刺激都以圖樣原形儲存，會使腦部的負荷太大，降低思考等運思活動的運作效率，故真正被儲存的是那些能夠形成原來圖形（pattern）的單元，彼此間之連結性強度。在學習的過程中，強化了某些相關聯結，並同時抑制了某些聯結，改變了單元間聯結強度之關係（也可說是：學習使單元間的聯結獲得強度），即在儲存知識表述時，也影響到處理過程的本身；如此將使得訊息會循強度較大的聯結路徑處理，提高了訊息處理的效率。前面提到記憶儲存的兩種模式：程序性記憶(proceduralmemory)和陳述性記憶 (declarative memory)，Anderson 則認為記憶依特性可分為（引自 Solso,1995）： (1)工作記憶（working memory）－短期記憶，類似 STM；含剛取得的資訊，為心智運思過程中的暫存記憶。 (2)陳述性記憶(declarative memory)－儲存和語意有關的資訊。 (3)生產性記憶(production memory)－類似程序性記憶，儲存與「操作過程」所需的相關知識。並依此提出「知識、資訊形成記憶之過程」的 ACT* (adaptive control of thought)模型（引自 Solso,1995），如圖 2-1。由此延伸，進一步可建立一個知識結構的模型，即一般所謂的「知識」可分為： (1)陳述性知識(declarative knowledge)－明確的知識，包含事實。 (2)程序性知識(procedural knowledge)－含蓄、隱喻的知識形式，只能由具體的表現、操作去理解。 18.

(28) 圖 2-1「知識、資訊形成記憶之過程」的 ACT* 模型 (Solar,1995). 因此，由前述認知心理學的研究成果，我們認識了腦中知識表述的形式，和知識在腦中運作的模式；概念即藉著訊息的知覺和儲存、記憶的提取，以及知識架構的連結和心智運思而得到。五､概念的形成與建構對於個體，學習知識除了記憶資料，也包含思考、推論等能力的培養。在形成概念時，許多訊息已被分類處理，並產生不同層次的意義，所以「概念」可說是個人知識體系中的基本單位(徐綺穗，1995)；經由將訊息經過認知結構整合為概念的過程，記憶上的負擔變少，有助於推理和思考的進行。因此我們可以說：概念相當於學習的基本單位，並可作為理解事物本身、事物之間的關係，以及思考的基本工具（Beasley & Hiekkenen,1983; Tolumin,1972）。而概念的形成，是思考的基礎(鄭麗玉，1993)；經由以形成概念為主的學習內容，人類才能具有深入思考的能力，這才是「有意義的學習」，而不是以資料背誦為重心。由前面所述可知：概念代表著我們對周遭世界的感知與判斷，且概念形成對學習非常重要。那麼這些概念是如何形成、建構和發展的？Lenneberg(1967)認為概念是透過經驗的聯想、統整而形成的，並可與已知的概念或相似的概念作比較。而根據智能發展理論(develop-mental theory)，智能發展的過程，部分依賴「程序性知識結構（procedural knowledge structures）」〈或稱操作性(operational)知識結構〉，及推論模式 19.

(29) (reasoning patterns)；另一部分則得自「先前陳述性(prior declarative)知識結構」。經 Lawson 等(2000)比較各家說法而得，其中，「程序性結構」的發展會隨著個體的年齡與日俱增，因為個人的成長、社會和生理上的經驗及自我調和機制 (self-regularity mechanisms)，都會隨著年齡逐步累積；而「先前陳述性知識結構」則由學習的過程逐步建構(Lawson et al., 2000)。故 Lawson 等人(2000)認為：在概念發展的過程中，首先產生的是與感官經驗有關的「感知性概念」，而「敘述性概念」大部分在兒童時期建構，「理論性概念」則須等到青少年至成人時期才能發展形成。建構「敘述性概念」較容易，因為能夠由身心經驗直接得到其對應意義，並與對應的辭彙形成連結。而 Lawson 等提出的「假設性概念」，由於它和「敘述性概念」不同，需要藉著想像過去發生的事件或未來可能的變化來得到其意涵，故其建立難度為中等。要形成「理論性概念」則最為困難，因為不論往前回溯多久的年代或向未來延伸多長的時間，都無法以觀察實體的方式，得到概念本身的意義。而在此同時，由這些概念建構與智能發展的相關理論，可得到以下已經過研究結果確認的預測或論點： (1)學生如果在其「程序性知識結構」的發展有程度上的差異，那麼不論是何種年齡，當科學課程中提到「敘述性概念」、「理論性概念」及「假設性概念」時，他們的學習情形也會有所差異。 (2)因「敘述性概念」在層次上低於「理論性概念」，故在形成「理論性概念」時，學生會由「敘述性概念」的基礎，試圖產生「理論性」的解釋〈可能是另有的(alternative)〉，並去測試它能否通過問題的考驗。但這並非意指：學生在尚未發展出高層次的「推論模式」或「程序性知識結構」前，不適合或沒有能力討論著重因果關係的「理論性」問題；相反地，當學習者探討有關「理論性」問題時，在他們產生、測試另有的其他理論之可能性的過程中，會逐漸陶冶、導致高層次思考能力的發展。所以即使學生心智發展層次仍處於較低的情況，仍有可能發展出較高層次的知識架構（Lawson et al., 2000）。 20.

(30) 六､科學概念的形成時至今日，在對於學習和教學之過程的了解上，認知心理學的貢獻已無需存疑（ Brown,1995;Gardner,1985 ），尤其是其中與此方面最為相關的主題「知識表徵（representational nature of knowledge）」之研究。它提供了描述心智表徵（mental representation），特別是在某個知識領域之專家表現的過程，有關其理論的元素及細節（引自 Greca & Moreira, 2000）。科學教育學者藉由分析人類內在表徵對外界事物、現象的描述，研究：概念是內具（innate）或獲得（acquire）(或建構)的？若為獲得，則要問：如何獲得？能夠設想出可以促進概念獲得的方法嗎？由此建立了較完整的概念形成理論。而科學概念大多屬於前面所提到的「理論性概念」，具有抽象、複雜的性質（邱美虹，1993，1998，2000）。所以近年來科學教育在理論方面的研究主軸為以下三者：「心智模型（mental models）」、「概念性模型（conceptual models）」和「模型化（modeling）」（引自 Greca & Moreira,2000）。在科學方面，「模型（models）」和「模型化（modeling）」格外具有意義，因為科學理論的本質，就是對外界事物及現象的理解和解釋，且科學理論（尤其是物理和數學）本身，經常需以「模型」來有效地傳達相關的複雜概念。因此「模型」是描述科學理論的語意表述（syntax representation），也是自然現象到理論模型的連結方式；而由事物和現象的觀察、提取元素到建立可以容易、清楚傳達的模型之過程，即為「模型化」。這也是科學，以及科學教育的主要工作。而由Greca 與 Moreira（2000）的論述，我們可以一窥「心智模型」、「概念性模型」和「模型化」三者的意涵，並說明如下： (一)心智模型（mental models）有關心智模型的探討，有兩種觀點（Moreira,2000）：一種是由 Johnson-Laird 在 1983 所主張「理論性觀點（theoretical approach）」，試圖對於不同的（distinctive）認知現象，如演繹推論（deductive reasoning）、論述（discourse）、理解（comprehension）等，提供一個具有一致性和解釋作用的理論；另一種是「教學上觀點（instructive approach）」，著重在物理現象－尤其是人類發展機械、科技裝置－的相關知識，而不從事於提出理 21.

(31) 論上統一解釋的研究。 Barquer 指出：「心智模型」是由個體對外界的知覺和處理經驗所形成的知識表徵，在其心智中建構而成，藉著它個體得以了解外在事物和現象，並能對以此模型表示的實體系統作出反應和預測。所以心智模型雖然具有內隱（implicit）、不完整、不精確、與不同領域之標準知識不同調（coherent）等特性，但卻是極為有用的，而因它是由個體建構，故其功能只屬於建構者個人。 Genter ＆ Stevens 假設：腦中所建構的心智模型，應該是如同以電腦來處理事件資料一般，是真實情況在心智中模擬的過程，因此有兩個處理階段。 (1)分析事件系統中構成要素的拓樸表徵、各要素的可能狀態及各要素間的結構關係〈即狀態改變（change of states）的關係〉，也就是將事件元素「表徵化＋編碼」的階段。 (2)依照由(1)階段分析所得的系統要素間之關係，代入基本操作規則，或以通行科學原理為基礎的推論模型，進行運作、執行。以「腳踏車如何運作」為例，在我們腦中的心智模型，會先分析印象中（即由記憶中提取）構成腳踏車這個系統的要素（如車輪、把手…等），它們的可能狀態（如車輪的大小…），以及要素間的結構關係（如鏈條與齒輪、踏板與輪軸…等），然後以機械、動力學、靜力和動力平衡等科學原理所形成的模型，推想出踏板施力後所產生的前進速度，進而能在腦中運作此模擬。而從 Johnson－Laird 理論性的觀點來看，其理論中最顯著的特質為：心智模型是真實世界的類比表徵，面對某個特定情況，就有某個心智模型被選用來處理此狀況。這些模型本身，連同經由知覺（perceive）或想像（imagine）所得到它們之間的關係，共同決定扮演此情況之替代品的內在表徵。當這些「替代品」在進行內在處理時，此系統或者說此情況的某些性質，包含所含要素間不外顯（explicit）的關係，也可直接被「讀取」。如前面所述「腳踏車如何運作」的心智運作，由於「替代品－心智模型」間所具有的類比特性，使我們能直接由替代品想像此系統的運作，得知：「如果鏈條斷了，會發生什麼狀況？」，而不需詳述鏈條、齒輪、踏板等元件間的關係。 Johnson－Laird 並且提出「心智表徵」至少分為三類：語意表徵（propositional 22.

(32) representation）、心智模型（mental model）和心智圖像（image）： (1)語意表徵：被定義為類似自然語言系統的一連串符號，因為也需要和語意規則（形式邏輯關係或創造法則）結合。 (2)心智模型：是外界事物、現象的結構化心智類比。 (3)心智圖像：由心智模型所勾勒，並具體化成為視覺或空間上的概念，接近實際現象。從功能上來看，將「內在心智表徵」和電腦程式使用的語言作類推比較（analogy comparing），語意表徵可比擬為由「0」、「1」組成的二進位低階機械語言（machine language），它代表特定的語法（syntax）〈布林代數（Boolean algebra）〉，而心智模型和心智圖像則相當於高階的程式語言。前者用來直接輸入電腦，產生運作；後者則是經由將前者簡化，以方便程式設計者依目的編寫、測試所需功能的新程式，在輸入介面後會轉換為機械語言，再輸入電腦。例如物理現象經由「言詞敘述」或「數學公式」產生語意編碼，使敘述、公式所表示的性質或過程建構為心智模型，進而被理解，並可在腦中產生心智圖像；然後再由記憶中 LTM 的聯結加入許多相關的細節（如言下之意），形成豐盛、清晰、具體的意象（imagery）。心智模型的另一特質，是「回歸性（recursiveness）」（Johnson－Laird），即心智模型是動態的（dynamic）心智表徵。個人腦中的心智模型永遠不會達到完善（complete），但可經由新資訊的加入而擴大、進展、塑造（modify），這就是「學習」或者「論述理解（discourse comprehension）」時發生的歷程。而心智模型改變的情形，則和個人原有的知識、聰敏程度，以及心智模型為何而建構等因素有關，這些因素則分別對應於「先備知識」、「智能及注意力」以及「學習動機」等教育理論的研究項目（引自 Greca& Moreira,2000）。 (二)概念性模型（conceptual models） Nersessian(1992)認為：「心智模型」是介於「現象」和最後得到的「數學化模型」的中間分析層次（intermediate level of analysis），而「數學化模型」就是「概念性模型」。「概念性模型」是由研究者、教師、工程師等專業人員所創造，由特定群體共享的外在表徵（external representation）。它是精確的、完整的，並和科學上已接受的知識具有 23.

(33) 一致性，並且對事物的理解或系統化的教學有促進的功能。這些外在表徵可被具體化，成為數學公式（mathematical formulations）－如核子物理中殼層模型的能量公式，和類比（analogies）範例－如拉塞福的原子模型與太陽系，或是實體的工藝品（artifacts）－如能顯示抽水機工作原理的教具。也就是說「概念性模型」是實際物品、現象或情境經過簡化的表述。在教學時，我們常假設：學生所獲得或建構的「心智模型」，應該是教學者呈現之「概念性模型」的複製，但實際上學習並非是如此簡單的過程。Duit ＆ Glynn（1996）認為：有意義的學習，是學生由原本的「心智模型」逐漸轉變成所要學習的「概念性模型」，但學生不一定能看出「概念性模型」和自己「心智模型」之間的簡易、直接關聯，因為：. (1)他們常缺乏和「概念性模型」相關領域的必需知識，以致無法判斷。 (2)他們無法找出正確的知識、概念，來形成相關的先備「心智模型」； (3)學生在還沒真正認識實際現象和情境時，常無法理解：「概念性模型」是真實現象或情境的簡化、理想化表徵，這也說明了科學概念為何「抽象」。因此，學生要能理解「概念性模型」，必須先由其中提取出他個人認為有關聯的元素，並連結到「心智模型」中已經知道的知識，這也會導致「心智模型」與「概念性模型」的不一致。 (三)模型化（modeling）如何使學生建構出科學上可接受知識的內在表徵？答案就是－「模型化」。「模型化」是科學家在形成、產生或應用科學理論上的主要工作。前面提到：學習者建構的「心智模型」可能和「概念性模型」不一致，但這並不一定會造成學習障礙。例如科學家在探究「電磁場」這個「概念性模型」時，引用了橫波波形、向量箭號等各種「心智模型」，這些雖然不是精準或正確的「概念性模型」，但對於理解、學習卻十分有用；類似這樣的過程，就是「模型化」。. 24.