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從概念改變理論探究建模教學對學生力學心智模式與建模能力之影響

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Academic year: 2021

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(1)第壹章 緒論 科教領域中,概念改變的研究自 1980 年起至 2009 年已長達將近 30 年之久; 從另有概念運動的發起,到認知研究蓬勃發展的今日,已累積了三千多篇的相關 研究1。根據林靜雯(2006)在 2005 年 3 月的搜尋結果與研究者在 2008 年 12 月的 累積文獻相比,短短三年多的時間竟足足增加了兩千多篇的文獻,其蓬勃發展的 情況可見一斑。然而,概念改變的研究風潮到底還能延續到何時?沒有人能預測 更沒有人能保證,答案應取決於科教學者們的關注程度。除非有學者樹立了理論 典範並將概念改變的議題劃上完美的句點,否則概念改變的研究將持續不斷。 另一方面,自 Duit 與 Treagust (2003)提出概念改變的有力框架(powerful framework)以來,在近三年(2006〜2008 年)概念改變相關的研究中,又屬「模型 導向的學習(Model-based learning)」與「建模教學(Modeling teaching)」兩大議題 的研究備受學術圈的青睞,在 2382 篇概念改變的相關文獻中便佔了 1638 篇的驚 人數量2。因此,超過半數概念改變的相關文獻都會提到「模型」或「建模」對 概念改變的影響,而此類研究議題的重要性自然不容小覷。 1990 年開始,自 diSessa (1988)提出「零碎的知識觀(Knowledge in pieces)」、 Chi (1992)提出「概念改變的本體論(Ontology)」與 Vosniadou (1994)提出「概念 改變的架構理論(Framework theory)」後,便激起許多國內科教研究者對這些理論 典範的關注3。到底何種理論才是影響概念改變難易的正確機制?此待答問題似 乎成為近幾年來爭議不休的一個議題(Vosniadou & Ioannides, 1998; Chi, 1992; diSessa, Gillespie & Esterly, 2004)。因此,我們不禁要開始思考: 「在心智模式中, 概念處理的運作機制到底是什麼?」為何某些概念是根深蒂固的,而某些特殊概. 1. 2008 年 12 月在不限定任何搜尋條件下以“conceptual change”對 ERIC 資料庫進行搜尋,可尋獲 3406 篇相關文獻。 2 林靜雯(2006)在 2005 年 3 月以“conceptual change”的搜尋結果為 1024 篇,若設定 2006 到 2008 年的範圍,以“conceptual change” and “model” or “modeling”的搜尋條件可尋獲 1638 篇相關文獻。 3 2008 年 12 月在限定科學教育系所下以“diSessa or Chi or Vosniadou”對全國碩博士論文資訊網, 可尋獲 233 篇相關文獻。 1.

(2) 念又能簡單的做格式塔轉換?在近三年兩千多篇的文獻中,又是如何看待其心智 模式的機制?在學術研究盛行的今日,是該找出問題解答的時候了。 既然「模型」與「建模」的議題在科教研究領域中被如此的重視,那麼這些 議題又分別以何種方法來促進學生的科學學習呢?近十多年以來,來自全球各界 的科教學者紛紛提出了許多「建模教學」的實務研究(Clement, 1989; Nersessian, 1995; Halloun, 1996; Greca & Moreira, 2000; 邱美虹, 2007),藉以促進教師與學生 們在「動手做(hands on)」與「動腦想(minds on)」的結合,增加科學知識的實用 性 , 並 讓 學 習 的 過 程 變 得 更 有 意 義 。 舉 凡 「 電 腦 導 向 建 模 (computer-based modeling)」 、 「類比建模(analogy modeling)」 、 「思考實驗建模(thought-experimental modeling) 」 等 方 法 , 均 可 刺 激 建 模 者 在 教 學 歷 程 中 產 生 心 智 模 擬 (mental simulation)、增加科學的解釋、製造有效的類比物,藉以促進心智模式的活化並 產生有意義的學習(Nersessian, 1995)。 因此,本研究擬由 Vosniadou、Chi 與 diSessa (簡稱 VCD)的綜合理論建立「新 -心智模式架構4」,嘗試整合三位學者的觀點,重新解釋概念運作的機制。一方 面,本研究以「新-心智模式架構」檢驗學生對力學概念的運作機制,進而分析 學生力學心智模式是否具有一致性(coherence),並從分析結果中針對 Vosniadou、 Chi 與 diSessa 的爭議,提出另一個思考的面向。另一方面,藉由近十多年來多 位科教學者所極力提倡的建模教學(如電腦導向建模、類比建模、思考實驗建模 等),刺激學生們對科學概念的活化,分析不同建模教學的功能與差異。本研究 希望從力學建模教學的實務,來輔助科學教師的教學與學生建模能力的養成;配 合 VCD 理論,探討不同建模教學的設計對跨年級學生力學心智模式與建模能力 之影響。以下,研究者擬分別就研究背景、研究動機、研究的重要性、研究目的 與問題詳細闡明,接著再針對研究中所出現的專有名詞加以定義與解釋,最後, 再明確界定本研究的研究範圍與限制。. 4. 「新-心智模式架構」為研究者依據 Vosniadou、Chi 與 diSessa 等人的文獻所發展的理論架構。 2.

(3) 第一節 研究背景 獲得科學概念是學生學習科學的重要目的,在科學學習的過程中,若欲了解 學生心智模式(mental model)的研究者,都要先探討概念的屬性及其改變。概念 改變的研究是從 80 年代研究迷思概念的題材迅速擴展而來(Wandersee, Mintzes, & Novak, 1994),而探討概念改變的學者們也都基於「概念組織」與「概念分類」 的方式形成解釋的機制,如 diSessa (1988)的知識觀、Chi (1992)的本體論。因此, 任何概念的運作機制都必須透過個體的同化調適去學習科學、確立概念地位 (Davis, 2001),進而不斷地反覆檢核概念元素是否放在正確的分類組織中,這種 影響概念運作的機制,亦可稱作個體的「心智模式」(Johnson-Laird, 1983; Gentner & Stevens, 1983)。近年來隨著心智模式相關研究的蓬勃發展, 「科學概念的教學 模式」與「教學對心智模式的影響」均受到許多科教學者們的關切(Zeitoun, 1984; Duit, 1991; Clement, 1993 et al.)。然而,如何運用有效的教學模式來促進心智模 式中的概念改變,就成了重要的議題。循此,本節第一部分將探討科學概念與心 智模式的研究背景;第二部份則探討促進概念改變的各種教學模式。 一、科學概念與心智模式的研究背景 根據 Pella (1975)指出學者們對「概念」的看法包括:(1)Hempel (1965)認為 概念是學科知識結構中的基礎元素,以符號或文字賦予概念的意義;(2)Hunt (1973)認為概念是一種想法或意見,經由通則化所組成的心智圖像;(3)Cronbach (1951)認為概念是由一群事物中,萃取其相似的共同因素;(4)Klausmeier (1974) 則認為概念是一個有組織的資訊,它可使我們從相關事物中區辨出一個特定的事 或物。因此,科學概念應屬「科學知識結構」中的基礎元素,是科學家們的想法, 經通則化可組織成「心智圖像(mental image)」;此外,科學概念可由一群相似事 物中萃取出來,具有系統的「組織」架構,並可對各項事物做明確的「分類」 。 由上述的定義中可發現,科學概念植基於「分類組織」而形成,對於學習者 而言,面對這些人為的外在科學概念(Cohen, 1983),勢必需透過個體的「心智模 3.

(4) 式」與之進行交互作用。然而,有關個體心智模式,並與「科學概念」緊密相連 的理論主要有三:(一)「Vosniadou (1994)的架構理論」 :強調生活經驗累積的「預 設(如重的東西掉得快)」對個體心智模式的影響。(二)「Chi (1992)的本體論」: 將科學概念分成三種「屬性」 ,藉以探討概念屬性的錯置(如過程概念視為物質概 念)對個體建立科學心智模式的影響。(三)「diSessa (1988)的零碎知識觀」:強調 科學概念的學習是在「特定領域(domain specific)」中,從零碎的概念組織成有意 義的科學知識,進而對個體的心智模式產生影響。截至目前為止,三者對於「心 智模式的運作機制」與「概念改變的難易」似乎仍抱持不同的觀感,Vosniadou 強調心智模式的一致性與根深蒂固的信念,Chi 重視心智模式的正確性與概念屬 性的分類,而 diSessa 則否定心智模式的一致性並強調特定領域中的概念重整。 事實上,此三人所建立的理論典範,在科教相關研究均具有絕佳的解釋力。 Wandersee 等人(1994)探討二十多年來四百多篇「科學迷思概念」的研究顯示: (1)學習者從生活中帶著對事物的迷思進到科學課室中,且其迷思概念跨年級、 能力、性別、文化的藩籬,相當頑強不易消失;(2)迷思概念起源於多樣的個人 經驗,包含對大自然、同儕、語言、電視、大眾傳播;(3)科學學習、課本與教 師解釋均可能產生迷思概念;(4)學習者的先備知識與正式教學的作用可能產生 不同的學習效果。其中,前兩項研究發現均符合 Vosniadou 的觀點,亦即「生活 現象與經驗」會影響個體的心智模式。而後兩項研究發現較符合 diSessa 與 Chi 的觀點,即「特定領域的教與學」會影響學習者對科學概念的組織重整,過程中 可藉由「本體類別間或類別內的轉換」獲得正確概念,進而形成科學心智模式。 綜上所述,若能將這三種具有絕佳解釋力的典範理論加以結合,一來將可調 解三方歧異的觀點,二來亦可嘗試分析整併後的效用,三來提供相關研究學者們 一種新的論點,以多元的面向,完整地分析學習者的心智模式。 二、促進概念改變的教學模式 自概念改變相關研究的蓬勃發展以來,許多研究者紛紛提出各種教學法或教. 4.

(5) 學模式促進學生的科學學習。例如:概念改變教學模式(Nussbaum & Novick, 1982);類比教學的一般模式(Zeitoun, 1984);認知師徒制(Collins, Brown, & Newman, 1987) ;類 比 橋模 式(Clement, 1993) ;模 型導 向 學習 模 式(Clement, 2000);建模的模式架構(Justi & Gilbert, 2002)。其中,除了認知師徒制外,各個 教學模式大致遵循以下步驟:(1)呈現先前概念;(2)討論評估;(3)創造衝突情境; (4)重建概念(Nussbaum & Novick, 1982)。到了 2000 年以後,多數學者們紛紛將 各自的教學模式發展成模型導向學習(Clement, 2000),如圖 1-1-1 所示;或建模 歷程學習(modeling process learning),如 Hestenes (1995)、Halloun (1996)等人。 先前概念 -另有的 概念與模型 -實用的 概念與模型. 中介模型 M1. 中介模型 M2. 目標 模型 Mn. 專家 共識 模型. 學習歷程. 自然理解的 技巧. 圖 1-1-1 模型導向學習架構(Clement, 2000) 促進概念改變的「模型導向學習架構」,在近期的研究頗受科教界的重視, 相關的研究文獻亦高達千篇5,其研究的重要性也逐漸地被彰顯。如上圖所示, 學生在學習過程中,其先前概念可能包括「另有的概念與模型」或「實用的概念 與模型」,它們是學生自然理解的技巧;透過持續地學習,學生們的先前概念將 可轉為「中介模型(Mi=1,2,…)」,藉由不斷的經驗與修正,最後形成「目標模型 (Mn)」,進而達成與專家相似的「共識模型(Consensus model)」 。從此架構便可看 出促進概念改變的「教學歷程」,其實必須讓學生不斷地修正舊有的模型,使之 成為解釋力更廣、更具實用性的科學共識模型。. 5. 2008 年 12 月在不限定任何搜尋條件下以“model based”對 ERIC 資料庫進行搜尋,可尋獲 1071 篇相關文獻。 5.

(6) 第二節 研究動機 誠如第一節所述,若將 Vosniadou、Chi 與 diSessa 的觀點整併成 VCD 理論 後,該如何樹立典範(paradigm),重新詮釋心智模式與概念改變的機制?再者, 使用「模型導向的教學」又該如何設計課程,藉以促進學生的概念改變?這二個 問題正是本研究的研究動機所在。對此,將分成以下幾點來說明。 一、重建心智模式的 重建心智模式的理論典範 心智模式的理論典範 自 Kuhn (1962)以科學史的角度提出「典範」以來,引發了許多科學社群的 回響;依此觀點,對科教社群而言,現今「心智模式的理論典範」又是什麼?十 多年來,VCD 三人同樣都在解釋心智模式的機制,但在理論詮釋上卻無法得到 一個共識,仍處於 Kuhn 所言的「危機(crisis)」階段。因此,在學術研究高漲的 今日,是否已到了「科學革命(science revolution)」 ,甚至是「新常態科學(new normal science)」的階段(Kuhn, 1962)?當 Vosniadou (1994)對 Chi (1992)的本體論提出質 疑的時候,diSessa 等人(2004)也發現了許多架構理論(Vosniadou, 1994)的問題, 甚至對心智模式提出了破碎的(fragmented)想法。難道心智模式的理論典範真的 無解嗎?這個議題著實令人感到好奇。 二、設計力學相關的建模教學 設計力學相關的建模教學 由於「模型導向學習(model-based learning)」與「建模能力(modeling ability)」 在近期的研究頗受重視(邱美虹,2008),導致「模型導向的教學模式」受到許多 研究者的關注。在教學內容方面,基於 diSessa 等人(2004)對 I&V (2001)6研究設 計與理念的爭議,研究者選擇「力學概念」作為深究的議題,企圖對學生心智模 式的一致與否做進一步的釐清。此外,若欲設計力學相關的建模教學,對學生們 進行各種模型導向的教學時,這對學生的概念改變與建模能力有何幫助?在課程 設計上又該如何兼顧力學概念的獲得與建模能力的提升?以上問題,均仍待研究. 6. I&V(2001)意指 Ioannides & Vosniadou(2001)的研究,由於之後將會經常提到,故以簡稱呈現。 6.

(7) 者作進一步的設計與探討。 三、小結 綜合前述,從 VCD 理論所開發的「新-心智模式架構」是否能有效詮釋心智 模式與概念改變的機制?生手與專家在面對相同問題情境時,兩者的心智模式架 構是否會有顯著的差異?若有,以建模教學又如何能促進初學者的概念改變與建 模能力?再者,建模能力的高低是否會影響科學概念的學習?建模能力的提升與 科學概念的進步兩者之間存在何種關係?以上種種複雜的問題將有待研究者做 進一步的分析探討。. 7.

(8) 第三節 研究的重要性 本研究聚焦於學生力學心智模式與建模能力的探討。有些學者指出學生先備 的力學心智模式是破碎的、尚未經過組織連結,也沒有系統,根本稱不上是一種 模式(Minstrell, 1992; diSessa, 1993)。然而,在力學概念改變的研究中,卻有另一 群學者認為學生許多的概念是根深蒂固且難以根除的(Anderson & Smith, 1987; Trowbridge & Mintzes, 1988; Vosniadou, 1994)。面對此一爭議,若想了解學生們 進行概念改變背後的運作機制,著實需要對「心智模式的機制」進行更深入的研 究。除此之外,在近期眾多模型導向的教學模式中,對於學生們概念改變的效果 與建模能力的提昇又有何差異?為此,本研究的重要性可從以下幾點說明。 一、力學概念研究的特殊性 diSessa 等人(2004)為了探討學生力學概念的發展,設計了一套準實驗研究 法,藉以驗證學生的心智模式到底是「一致的」還是「破碎的」 。diSessa 等人指 出:I&V (2001)的理論與研究方法是不夠縝密的,其最大的問題在於不當的情境 推論(contextual inference)與模糊的相關結構(relational structure)。因此,diSessa 等人針對 I&V (2001)所設計的力學概念問題,複製其實驗方式對 30 位學生進行 施測,結果竟然與 Vosniadou (1994)的理論產生極大的差異。有鑑於此,這份力 學概念試題似乎成了學生心智模式是「一致的/破碎的」評斷工具,並且視使用 者的不同而有不同的預期結果。 因此,本研究將再度使用這份力學概念試題,藉由該試題的特殊性,探討跨 年級台灣學生在回答力學概念試題時,心智模式的運作機制到底為何?重新審視 心智模式是「一致」還是「破碎」的爭議。循此,不同國家的學生,若以相同方 式施測,得到的結果就有其重要的參照價值。 二、「新-心智模式架構 心智模式架構」 心智模式架構」的價值性 誠如前段所述,I&V (2001)的理論與研究方法是不夠縝密的(diSessa et al.,. 8.

(9) 2004),而其主要原因在於「情境」與「關係結構」兩部分。因此,「新-心智模 式架構」的建立就必須考量到 Vosniadou 的理論在情境與關係結構上的問題。在 情境方面,「新-心智模式架構」必須將 Vosniadou 的特定理論(specific theory)增 加「特定領域(domain specific)」的類別,用來解釋學生在特定科學概念的情境下, 其概念運作的模式;在關係結構方面, 「新-心智模式架構」必須將 Vosniadou 的 信念(Belief)以「Chi 的本體論」進行概念分類,重建概念與概念間的關係結構, 藉以調解 VCD 三人對概念改變理論的爭議。詳細的內容將於之後的章節再作論 述,或請讀者參考圖 1-5-1 的簡易說明。 有鑑於此,為了讓「新-心智模式架構」能踏在三位巨人的肩膀上而形成典 範,本研究擬將「Chi 的本體論」與「diSessa 的認知情境」分別補充到 Vosniadou 理論的「信念」與「特定理論」之中,整合成一種新-心智模式的運作機制;藉 由 VCD 理論與諸多概念改變研究的理念與結果,廣泛檢驗「新-心智模式架構」 的效度,藉以增加此架構的價值性。 三、各類模型導向 各類模型導向教學模式的實用性 導向教學模式的實用性 近十多年以來,雖然「模型導向的教學模式」在科教研究領域中受到許多的 重視(Clement, 1989; Nersessian, 1995; Halloun, 1996; Greca & Moreira, 2000; 邱美 虹, 2007),但卻甚少有人針對不同模型導向的教學模式作比較,甚至也很少有人 能解釋此類教學模式促進學生概念改變與建模能力的原因。因此,本研究擬運用 「新-心智模式架構」與「建模能力分析指標(張志康與邱美虹,2009)」作為研究 的工具,探討不同模型導向的教學模式對學生的心智模式與建模能力會產生何種 影響?藉由學生們「新-心智模式架構」與「建模能力」的改變,比較不同模型 導向教學模式的效果有何差異。最後,希冀從研究結果中提供教學者實務面的參 考,分析各種模型導向的教學模式對於建模者產生的學習成效,透過實徵研究, 幫助建模者建立有意義的學習,並找出各種模型導向教學模式的實用性。. 9.

(10) 第四節 研究目的與問題 根據前述之研究動機,本研究主要欲深究的目的有五:首先,基於 VCD 理 論,利用文獻回顧的方式建立「新-心智模式架構」 ,藉以分析學生的力學概念與 心智模式,從中檢核並解釋概念改變難易的原因。其次,藉由 diSessa 等人(2004) 「跨年級的準實驗研究法」探討學生的力學心智模式是否具有一致性,檢視心智 模式是一致或是破碎的爭議。此外,從文獻探討中篩選「三種建模教學」(電腦 導向建模、類比建模、思考實驗建模),結合建模能力分析指標(張志康與邱美虹, 2009)設計課程,探討不同建模教學對於學生力學心智模式的影響。再者,同樣 基於「建模能力分析指標」 ,探討不同建模教學對於學生建模能力的影響。最後, 結合「建模教學教室觀察」、「新-心智模式架構」與「建模能力分析指標」三種 分析工具,探討「不同建模教學」對學生「力學概念改變」與「力學建模能力」 的交互關係,分析不同建模教學對跨年級學生力學概念改變與建模能力之影響。 循此,五大研究目的可簡單臚列於下: 目的 1:以「VCD 綜合理論」探討學生的「力學心智模式架構」 。 目的 2:以「準實驗研究法」探討學生「力學心智模式」是否具有一致性。 目的 3:探討不同建模教學對學生「力學心智模式架構」的影響 目的 4:探討不同建模教學對學生「力學建模能力」的影響。 目的 5:探討不同建模教學對學生「力學概念改變」與「建模能力」的交互關係。 根據上述研究目的,本研究意欲深究的研究問題如下: 問題 1:跨年級學生力學心智模式架構與組成關係為何? 1-1:跨年級學生「力學心智模式架構」為何? (1-1-1)學齡前學生的力學心智模式架構為何? (1-1-2)國小學生的力學心智模式架構為何? (1-1-3)國中學生的力學心智模式架構為何? (1-1-4)高中學生的力學心智模式架構為何? 10.

(11) 1-2:在跨年級學生力學心智模式架構中,各分層架構的運作與關係為何? (1-2-1)跨年級學生在「心智模式來源方面」的各項人次比例為何? (1-2-2)跨年級學生在「個體迷思預設方面」的各項人次比例為何? (1-2-3)跨年級學生在「概念使用方面」的各項人次比例為何? (1-2-4)全體學生在「心智模式來源、概念使用、心智模式類別」三方面 間的關係為何? 1-3:在跨年級學生力學心智模式架構中, 「心智模式」的類別與比率為何? (1-3-1)跨年級學生心智模式的類別為何? (1-3-2)跨年級學生各類心智模式的比率(答題一致性的情形)為何? 問題 2:跨年級學生力學心智模式架構在「未經教學」的情況下,隨時間演變的 情形為何? 2-1:在跨年級學生力學心智模式架構中,各分層架構的改變情形為何? (2-1-1)跨年級學生在「心智模式來源方面」,隨時間的改變情形為何? (2-1-2)跨年級學生在「個體迷思預設方面」,隨時間的改變情形為何? (2-1-3)跨年級學生在「概念使用方面」 ,隨時間的改變情形為何? (2-1-4)跨年級學生的「力學心智模式」,隨時間的改變情形為何? 2-2:在跨年級學生力學心智模式架構中,各分層架構是否具有一致性? (2-2-1)若心智模式有一致性,各組成成分具一致性的比例為何? (2-2-2)若心智模式無一致性,跨年級學生「力學心智模式架構」隨時間 的改變情形為何? 問題 3:不同建模教學對學生力學心智模式架構的影響為何? 3-1:跨年級學生經不同建模教學後,力學心智模式架構的改變為何? (3-1-1)跨年級學生經電腦建模教學後,力學心智模式架構的改變為何? (3-1-2)跨年級學生經類比建模教學後,力學心智模式架構的改變為何? (3-1-3)跨年級學生經思考建模教學後,力學心智模式架構的改變為何? 3-2:不同建模教學對跨年級學生力學心智模式架構的改變為何? 11.

(12) (3-2-1)不同建模教學對學齡前學生力學心智模式架構的改變為何? (3-2-2)不同建模教學對國小學生力學心智模式架構的改變為何? (3-2-3)不同建模教學對國中學生力學心智模式架構的改變為何? (3-2-4)不同建模教學對高中學生力學心智模式架構的改變為何? 3-3:全體學生經建模教學後,力學概念改變的成效有何差異? (3-3-1)全體學生經建模教學後,力學概念改變的成效是否有顯著差異? (3-3-2)全體學生經建模教學後,力學概念改變的成效為何? 3-4:跨年級學生經不同建模教學後,力學概念改變的成效有何差異? (3-4-1)跨年級學生經電腦建模教學後,力學概念改變的成效為何? (3-4-2)跨年級學生經類比建模教學後,力學概念改變的成效為何? (3-4-3)跨年級學生經思考建模教學後,力學概念改變的成效為何? 3-5:不同建模教學對跨年級學生力學概念改變的成效有何差異? (3-5-1)不同建模教學對於學齡前學生力學概念改變的成效為何? (3-5-2)不同建模教學對於國小學生力學概念改變的成效為何? (3-5-3)不同建模教學對於國中學生力學概念改變的成效為何? (3-5-4)不同建模教學對於高中學生力學概念改變的成效為何? 問題 4:不同建模教學對學生建模能力的影響為何? 4-1:全體學生經建模教學後,力學建模能力有何差異? (4-1-1)全體學生經建模教學後,力學建模能力是否有顯著差異? (4-1-2)全體學生經建模教學後,力學建模能力的成效為何? 4-2:跨年級學生經不同建模教學後,力學建模能力有何差異? (4-2-1)跨年級學生經電腦建模教學後,力學建模能力的成效為何? (4-2-2)跨年級學生經類比建模教學後,力學建模能力的成效為何? (4-2-3)跨年級學生經思考建模教學後,力學建模能力的成效為何? 4-3:不同建模教學對跨年級學生的力學建模能力有何差異? (4-3-1)不同建模教學對於學齡前學生力學建模能力的成效為何? 12.

(13) (4-3-2)不同建模教學對於國小學生力學建模能力的成效為何? (4-3-3)不同建模教學對於國中學生力學建模能力的成效為何? (4-3-4)不同建模教學對於高中學生力學建模能力的成效為何? 問題 5:不同建模教學對學生「力學概念改變」與「建模能力」的交互關係為何? 5-1:跨年級學生經「電腦建模教學」後,對「力學概念改變的成效」與「力 學建模能力的提升」,兩兩間的關係為何? 5-2:跨年級學生經「類比建模教學」後,對「力學概念改變的成效」與「力 學建模能力的提升」,兩兩間的關係為何? 5-3:跨年級學生經「思考建模教學」後,對「力學概念改變的成效」與「力 學建模能力的提升」,兩兩間的關係為何? 5-4:全體學生經過「三種建模教學」後,對「力學概念改變的成效」與「力 學建模能力的提升」,兩兩間的關係與差異為何?. 13.

(14) 第五節 名詞釋義 一、心智模式的一致性 心智模式的一致性 Vosniadou (1994)認為,個體的心智模式與其信念(Belief)有關,而信念又受 制於本體與認識論的預設,因此,根深蒂固的預設主宰了心智模式,使其成為內 部一致性的結構。此外,Chi, Siler, 與 Jeong (2004)對信念補充到:信念是以某種 有意義的方式,藉由概念使用的情形(即本體樹的架構),組織其心智模式。因此, 若依照 Chi 的想法來分析心智模式的一致性,便可從概念的正確與否分成「一致 且錯誤」與「一致且正確」的心智模式(Chi & Roscoe, 2002)。基於此二人的觀點, 任何人的心智模式都具有某些程度的一致性,只是有些人的心智模式與科學的原 理原則相連,而有些人則與日常生活經驗的預設相連,如此而已。在本研究中所 定義的「一致性」,除了採用 Vosniadou 與 Chi 的觀點外,亦增加了「時間」的 因素做考量,藉以探討學生的心智模式是否會隨著時間的改變而產生不穩定、不 一致的反應(diSessa et al.,2004)。 二、VCD 綜合理論 心智模式架構」 綜合理論(或稱 理論 或稱「 或稱「新-心智模式架構 心智模式架構」) 認知情境 (diSessa et al., 2004) 特定領域. 普適領域. 信念 (Vosniadou, 1994; Chi et al., 2004). 認知限制-預設 認知限制 預設 (Vosniadou, 1994). 過程屬性 (Chi, 1992). 物質屬性 (Reiner et al., 2000). 因果概念. 物質被動行為. 物質主動行為. 物質本體屬性. Normative understanding of Force (力的規準理解). Pushable (被推的) Frictional (摩擦的) Locational (被放的) Inertial (習性的). Transitional (運動的) Containable (裝填的) Consumable (消耗的). Gravitative (重力的) Additive (大小的) Stable (穩定的) Corpuscular (外型的). Ontology (本體論). Epistemology (認識論). 力學心智模式-改編自 力學心智模式 改編自 I & V (2001) 科學模式. 類科學模式. 物質被動 模式. 物質被動+ 主動模式. 物質主動 模式. 物質主動+ 本體模式. 物質被動+ 本體模式. 物質本體 模式. 非科學 綜合模式. 圖 1-5-1 新-心智模式架構 本研究所定義之「VCD 理論」意指研究者將「Vosniadou (1994)的理論」 、 「Chi (1992)的本體論」與「diSessa 等人(2004)的特定領域」三方整併後,所研發的一. 14.

(15) 種「新-心智模式架構」,如圖 1-5-1 所示。VCD 理論不僅將心智模式的來源(或 稱特定理論)區分成「特定領域」與「普適領域(domain general)」來探討外,亦 將 Vosniadou 的信念依照 Chi 的觀點細分出「過程屬性」與「物質屬性」,藉其 強有力的分類架構來解釋概念改變的難易。一般學生在面臨各種問題情境時,首 先都會將此問題自動切割成兩種思維(Snow, 1963): 「特定領域」或「普適領域」, 並在兩種思維間萃取腦中的概念(即過程屬性或物質屬性的概念),然後再經過架 構理論中個體預設的選汰後,形成個體內在的信念(概念),進而產生其獨特的心 智模式,反應個體所面臨的種種問題。 三、概念改變 本研究所定義的概念改變意指「新-心智模式架構」中,概念使用情形的改 變,即物質或過程屬性中各種類別出現比例的改變。如圖 1-5-1 所示,當學生面 臨某個問題,在 T1 時刻,其心智模式的來源若為「普適領域」 ,其回答的概念類 別在「過程屬性佔 P%」、「物質屬性(含 11 類加總)佔 Q%」時,便可依據 P、Q 值來確定該生的心智模式(M)。過了一段時間,該生面臨同樣問題,在 T2 時刻, 其心智模式的來源若變成「特定領域」,而其回答的概念類別在「過程屬性佔 P’%」 、 「物質屬性佔 Q’%」時,同樣可依據 P’、Q’值來確定該生的心智模式(M’)。 在 T2-T1 的期間,我們可以發現:(1)該生心智模式的來源發生了改變(普適≠特 定);(2)該生在過程與物質屬性的概念比例發生了改變(P≠P’、Q≠Q’)7;(3)該生的 心智模式發生了改變(M≠M’)。然而,概念改變的定義僅聚焦於概念使用情形的 改變;因此,在概念改變的分析上僅與 Chi 的分類架構有關。此外,Duschl 與 Gitomer (1991)認為學生的概念改變相似於 Lakatos (1970)的研究綱領,放棄硬核 (不使用 Vosniadou 的預設)就是強重建,屬於較難的概念改變;修飾保護帶(使用 diSessa 的特定領域進行思考)就是弱重建,屬於容易的概念改變。這樣的觀點, 亦與 VCD 綜合理論(或稱新-心智模式架構)類似,有相互呼應之效。. 7. P+Q=P’+Q’=100,詳情參見第貳章第二節的解釋說明。 15.

(16) 四、建模教學 基於科教學者們對教學實務提出的觀點,研究者採用三種促進科學建模的教 學法:(一)電腦導向學習的建模(Modeling of computer- based learning)-學習者利 用教師完全建構好的電腦學習環境,藉由軟體介面的操作過程,進行科學建模的 學習。(二)類比學習的建模(Modeling of analogy learning)-教師在進行建模教學 時,應依循介紹目標物、回顧類比物、辨認相似的特徵、對應相似的特徵、指出 失效處、引出目標物等方式,融入科學建模的歷程進行教學。 (三)思考實驗的 建模(Modeling of thoughtful experiment)-教師以科學家的建模歷程為例,引導學 生藉由思考實驗的方式,進行科學建模的學習。. 16.

(17) 第六節 研究範圍與限制 茲將本研究的研究範圍與限制陳述如下: 1. 本研究主要選取基隆市幼稚園、國小與完全中學的學生,進行跨年級力 學心智模式與建模能力的晤談。受試者的選樣乃方便選樣,總人數僅 48 人;因此,分析所得之跨年級學生心智模式與建模能力的演變趨勢不僅 不宜推論至其它地區之學生,亦不宜過度推論至所有基隆市的學生。 2. 本研究中所謂「心智模式的一致性」乃從學生對於相類似問題情境中的 回答,或未經教學前後期間的回答,彼此間是否具有一致性加以判斷。 惟研究者依據學生的回答所界定的心智模式對某些學生而言可能並非完 全如此。此外,學生表達能力的好壞,亦可能影響其心智模式的類型, 礙於研究假設的推估,對於學生真正概念使用的情形仍有其限制性。 3. 本研究僅針對力學概念中靜力學與牛頓三大運動定律設計建模教學,並 由研究者親自授課,所得的研究結果並不適宜過度推論至其它學習概念 的內容及其他尚未接受研究者所進行教學的學生。. 17.

(18) 18.

(19) 第貳章 文獻探討 依據本研究之目的,本章首先將回顧概念改變的理論,並對各種理論的歧異 處進行深入的探討,試圖找出「概念改變難易」的最佳詮釋;接著,探討心智模 式的本質與特性,並從 Vosniadou、Chi、diSessa 三者的理論建立「新-心智模式 架構」 ,藉由新-心智模式架構多面向的觀點,檢視所有影響心智模式的成因;最 後,則討論各種「模型導向的教學模式」 、發展「建模能力分析指標」 ,並整理「力 學研究相關的迷思概念」,藉以篩選具體有效的建模教學,以及力學概念測驗分 析的工具。對此,本章將區分五節來說明,第一節介紹概念改變的理論;第二節 探討心智模式的機制;第三節回顧模型與建模的教學;第四節分析建模能力指標 的發展;第五節說明力學的迷思概念。. 第一節 概念改變的理論 概念改變的理論 70 年代開始,由於認知心理學與皮亞傑理論的盛行,教育學者對學童的迷 思概念相當地有興趣,而使概念相關的研究蓬勃發展,有時稱這段期間為一種另 有概念的運動(Keith, 2000)。事實上,概念改變的研究主要源自 80 年代,學者們 紛紛投入迷思概念的研究才被迅速擴展出來(Wandersee, Mintzes, & Novak, 1994)。時至今日,概念改變的研究仍舊相當地盛行,而多數學者們對於概念改 變的看法仍存有各種不同的見解。因此,本節將綜整概念改變的定義、理論、條 件等觀點,對各種理論的歧異處進行深入的探討,並找出「概念改變難易」的最 佳詮釋,藉以發展「新-心智模式架構」的雛型;同時,也替第二節心智模式的 機制埋下研究分析的伏筆。 一、概念改變的定義 概念改變的研究,自 Kuhn (1962)「科學革命的結構」一書發行以來,便成 了一股瘋狂投入的熱潮。何謂概念改變?根據 Kuhn 的觀點,概念改變是一種格 式塔(Gestalt)的轉換,一種瞬間變化全有全無的過程。然而, 「瞬間變化的那個概 19.

(20) 念」又是什麼呢?Arnone (1971; 引自歐陽鍾仁)認為:概念是由觀念(ideas)或符 號(symbols)所組成,可以反映個體的評價程度或意見,是一種結合同類事物的心 理意象,可以稱作一種意念(notion)。因此,概念是一種有組織的資訊,可使我 們 分 辨 相 關 特 定 的 事 物, 是 一 種 由 許 多 事 物 (objects) 、 事 件 (events) 或 過 程 (processes) 中 所 抽 取 出 來 具 有 次 序 的 訊 息 (ordered information)(Klausmeier, 1974),如圖 2-1-1 所示。 概念 1 i. s. 概念改變. 或 i. i. s. 格式塔轉換. s. 有組織的意念(Arnone, 1971). 事物. 事件. 概念 2. (Kuhn, 1962). 過程. 抽取有次序的訊息(Klausmeier, 1974) 圖 2-1-1 早期研究者對概念與概念改變的定義(i 表觀念;s 表符號) 80 年代開始,對「概念」一詞下定義的學者,便如雨後春筍般紛紛地冒出。 Mervis 與 Rosch (1981)認為:人類把個人的「經驗」加以歸納整理,根據歸納整 理建立起來的範疇或類目,就稱為概念;因此,許多概念都可組織成階層的形式 (hierarchies) , 亦 即 上 層 分 類 (super-ordinate categories) , 基 層 分 類 (basic-level categories),下層分類(sub-ordinate categories);其中,合理的證據顯示,人們通 常只使用基層分類組織其概念。Medin 與 Smith (1981)認為:概念是根據「分類」 的方式所形成的階層組織,新概念的獲得是根據既有概念的相似性被分類。 Cohen (1983)認為:概念的「屬性」包括人為概念(artificial concept)與自然概念 (natural concept);其中,人為概念具系統性、較為明確,而自然概念具自發性、 較為模糊。Duit 與 Treagust (1995)認為:概念是具有特性的心智表徵(idiosyncratic mental representation),其意涵與一般慣用的觀念(idea)不同,觀念是指一些已明 確定義或廣泛為大眾所接受的想法。Murphy (2002)認為:概念是一種心智的黏. 20.

(21) 著劑,它能將我們過去的經驗與現在外在世界的互動緊密地黏結起來;因此,概 念是一種知識結構的連接體。綜上所述,研究者將「概念」與「經驗、分類、屬 性」的關係,自行繪製成圖 2-1-2;由圖可知,「概念」需透過個人的「經驗」 , 在心理表徵中「分類」,然後再對物件類別的「屬性」作有意義的組織後,方可 形成。事實上,概念(concepts)與分類(categories)是很難區別的,其中,概念是物 件類別的心理表徵,而分類則是物件在概念中的類別(Murphy, 2002)。 Step 3. 概念將經驗與心智緊密黏結(Murphy, 2002) 概念將經驗與心智緊密黏結. 上層分類. 心智表徵特質 (Duit & Treagust, 1995). 自然概念 經驗. 基層分類. Step 1. 歸納整理、 歸納整理、分類 (Mervis & Rosch, 1981). 下層分類. Step 2. 概念. (Cohen, 1983). 相似性分類 相似性分類, 分類,形成新概念 (Medin & Smith, 1981). 人為概念. 觀念(Duit & Treagust, 1995) 觀念. 圖 2-1-2 近期諸位學者對概念的定義 若欲探討「概念改變」的定義,首先應須了解「概念發展的層次」 。Klausmeier (1974)提出四種概念層次:(1)具體層次(concrete):能說出概念的重要屬性;(2) 同一層次(identification):能指出與概念相仿的例子;(3)分類層次(classification): 能將概念推廣出新的例子;(4)形式層次(formalization):能給概念清楚的定義並 區辨新的例子。其中,越低層次的概念較偏向「自然概念(natural concept)」的屬 性;而越高層次的概念越符合「人為概念(artificial concept)」(Cohen, 1983)。整 合 80 年代早期與近期研究者的觀點, 「概念改變」就是一種概念層次的轉變,從 自然概念到人為概念(或科學概念)的一種轉換過程,如圖 2-1-3 所示。 形式層次 分類層次 同一層次. 人為概念 概念 層次. (Cohen, 1983). 自然概念. 具體層次 (Klausmeier, 1974). 圖 2-1-3 概念改變的定義. 21. 概念改變 (整合觀點 整合觀點) 整合觀點.

(22) Hashweh(1986)認為:學生的先前概念(或自然概念)有時並非錯的,而是有其 侷限性。如圖 2-1-4 所示,學生的先前概念(C1)或許和真實世界的某個現象(R2) 與科學概念(C2)相衝突,但學生的 C1 仍可正確解釋真實世界的另一個現象(R1)。 因此,學生的先前概念若未能被有效地呈現,將難以促其概念改變(Trumper & Gorsky, 1993)。事實上,80 年代的學者在討論概念改變議題時,多數僅專注在「想 法世界的改變」或是「現象與概念間的正確對應」(Hashweh, 1986);甚少有人對 二者間進行多元面向的分析與探討,因而提出了多面向概念改變的定義。. 圖 2-1-4 多面向概念改變的定義(Hashweh, 1986) 有鑑於此,概念改變的分析面向應考量到以下幾個部份:(1)真實世界與想 法世界(外在經驗與內在心智)間的改變;(2)人為概念與自然概念間的改變;(3) 個體概念分類架構的改變。相關深入的探討,將於第六小節中補述。 事實上,概念改變的相關研究日漸趨多,從迷思概念研究的後設分析顯示 (Pfundt & Duit, 1994):在 1985〜1994 年間,迷思概念的論文數有逐年增加的趨 勢,從 1985 年的 700 篇到 1994 年的 3500 篇足足增加了 5 倍的驚人數量。在文 獻回顧的部分,3500 篇的研究均涉及「素樸理論(Naïve theory)」(Resnick, 1983)、 「迷思概念(Misconception)」(Arnaudin & Mintzes, 1985),或「另有架構(Alternative framework)」(Driver, 1981)的觀點詮釋學生在概念改變前各種可能的先前概念。 Minstrell(1992)認為:學生在概念改變前,其概念可視為一種知識的片段或是一 種傾向,與問題的情境相連結。亦即當學生遇到一個特別的問題情境時,他/她 會傾向於用某一特定方式,與情境相關的部分啟動,藉以處理問題。因此,學生 22.

(23) 的概念改變與外在情境(contextuality)有關,在不同的情境下會產生不同的概念解 釋(Tytler, 1998; diSessa 等人, 2004),是一種情境相依的歷程。 最後,以 Pella(1966)對概念特徵的解釋對本小節作綜整:(1)概念是一種象徵 性的描述;(2)概念是人類所做的決定;(3)概念需根據人類觀察事物的經驗所做 的決定;(4)概念是人類從經驗萃取出來的;(5)概念已超出個人經驗的類化;(6) 概念包含有意義或合理事實的關聯;(7)概念是描述一個人工造成的觀念;(8)概 念是描述一種觀念而具有不同階層的複雜性;(9)概念是用於預測或統計資料的 工具。因此,筆者認為:概念的定義應與「人擇、經驗、人工(科學)、複雜階層、 情境預測」等多元因素有關,而這些因素均需謹慎考量在「新-心智模式架構」 中,方可完整探討個體心智模式中,影響概念改變的因素及概念使用的情形。 二、概念改變的理論 國內研究概念改變許久的科教學者-邱美虹教授,曾在 2000 年科教學刊所 發表的「概念改變研究的省思與啟示」一文中指出:雖然我們難以對概念改變下 一個操作型定義,或對概念改變的機制提出一個具體的詮釋;但對概念改變相關 的理論來說,其各類觀點應有助於教學者思考如何有效地促進學生的學習(邱美 虹,2000)。有鑑於此,本小節將分述各類概念改變相關的理論,期能為筆者擬 提出的「新-心智模式架構」提供一個多面向的審視,建立較為完整的理論基礎。 (一)科學史哲觀點 Kuhn (1962)以科學史哲的觀點,提出「科學革命的結構」 ,將科學概念視為 不同時期所產生的一種典範;當前期概念遇到難以解釋的異例之後,將可能引發 數種後期的科學概念,一但後期概念克服了異例之後,科學典範將以格式塔的方 式,達成科學革命。其後,Lakatos (1970)將 Kuhn 的觀點加以精緻化,提出「科 學研究綱領方法論」,並對概念改變的解釋機制,增加了「硬核、保護帶、正面 啟發法、反面啟發法」等觀點,藉以說明科學革命的過程並非像 Kuhn 所言-格 式塔的方式,而是以正/反面啟發的方式不斷地在硬核與保護帶之間競爭著。因 23.

(24) 此,Kuhn 與 Lakatos 的理論均以「科學歷史發展」的觀點,來詮釋科學概念改 變的歷程;兩者的理論其實是大同小異的,而 Lakatos 只不過是將 Kuhn 典範轉 移的過程用在概念思考的機制上,有效地詮釋了許多概念改變的過程。 而後,Posner, Strike, Hewson, 與 Gertzog(1982)又根據 Kuhn 與 Lakatos 的理 論發展出「PSHG 的模式」 ,即概念改變的四個條件:(1)不滿足(dissatisfaction): 學習者必須對現有概念不滿意;(2)可理解(intelligible):新的概念必須是可理解 的;(3)合理的(plausible):新的概念必須是合理的;(4)豐富的(fruitful):新的概念 必須是豐富的。符合上述四個條件,再透過「調適」的過程(Piaget, 1972),才可 能使概念重組達成概念改變。而後,Posner 與 Strike (1985)又修正了 PSHG 的模 式,將影響「概念改變的因素」擴大成七個範疇:(1)異例現象;(2)類比與象徵; (3)範例與影像;(4)後來經驗;(5)認識論的立場;(6)形而上的信念;(7)其他知識 來源;藉以豐富 PSHG 的解釋範疇。 除此之外,Strike 與 Posner(1992)亦補充建議三個「概念改變應探討面向」 : (1)應在教學前調查學生「迷思概念」及其來源;(2)應擴大「概念生態(Toulmin, 1972)」的解釋範圍;(3)應討論學生看待這個世界的「合理性」 。由此可知,PSHG 的模式已轉為強調個體知識結構與環境的互動,注重「個體知識架構的合理性」 以及「社會情境對概念改變的影響」 。總之,影響概念改變可能的因素眾多,但 不外乎與上小節所談到的三種分析面向有關,即(1)外在經驗與內在心智間的改 變-調查迷思概念;(2)人為概念與自然概念間的改變-擴大概念生態;(3)個體 概念分類架構的改變-審視合理性。 延續 Lakatos (1970)的研究綱領,Thagard (1992)認為概念改變應可分成三個 層次:(1)信念修正-個人對其相信事實的改變;(2)認識的改變-個人對整體知 識結構的改變;(3)概念改變-個人對組成信念結構中基本信念的改變,如下圖 2-1-5 所示。Thagard 認為概念改變遠超過信念修正的基本特質,其中,簡單的概 念重組包含既有關係的延伸(區辨、合併、分解),它與分支跳躍的修正不同;而 信念修正、增加/減少概念、簡單重組概念在科學知識的發展中常見;但是,分 24.

(25) 支跳躍與樹轉變在概念革命中則較罕見。Thagard 近一步指出:雖然一般的學習 並非僅是簡單地增加新的信念,但也未必如系統性的、概念性的科學革命一般。. 圖 2-1-5 知識改變分類方法論(Thagard, 1992) 總而言之,以科學史哲的觀點分析概念改變時,從 Kunh、Lakatos、PSHG、 Thagard 等人的理論中我們不難發現:(1)欲達成概念改變是有條件的,而在個體 的心智中似乎存有某種內在的運作機制;(2)有些概念難以改變,而有些概念容 易改變,具有某種層級之分。因此,影響概念改變可能的因素眾多(如 PSHG 的 模式),唯有形成心智運作的解釋機制(如 Kuhn、Lakatos),或將概念改變的層級 作區分(如 Thagard),方可為「新-心智模式架構」建立完整的理論基礎。 (二)認知心理學觀點 Carey (1985)認為兒童大都擁有所謂「似理論般(theory-like)」的概念結構, 而這些概念結構往往受到某一特定知識領域的累積,而逐漸形成新的概念。如專 家知識的獲得,僅止於心理表徵的增減,屬於「弱的概念改變」 ;而典範轉移的 過程(Kuhn, 1962),類似認知心理學中格式塔的轉換,屬於「強的概念改變」 。 Dykstra, Boyle, 與 Monarch(1992)基於力學概念改變的研究與課室教學的經 驗,提出他們自己的概念改變理論,區分三種概念改變的形式:(1)類別區分(class differentiation)-某些力學概念在結構上是相似的,例如電流與電能,學生常會將 25.

(26) 兩者混淆,因而需要幫助認知個體做概念類別的區分;(2)類別延伸(class extension) -將個體已存在的概念類別作延伸,使個體概念能解釋更多現象,屬於一種概念 精緻的過程;(3)再概念化(re-conceptualization)-此類別的概念類似專家的思考方 式,欲從生手的概念轉換(再概念化)成專家的概念,其過程是相當困難的。 因此,從 Carey (1985)與 Dykstra 等人(1992)的觀點可知,概念改變是一種「似 理論般(theory-like)」概念結構的改變,其形式可能是類別區分、類別延伸,或是 再概念化,同樣具有難易層級之分。他們對概念結構形式與概念改變難易的看 法,亦與前述許多學者的觀點有異曲同工之處,如 Klausmeier (1974)、Mervis 與 Rosch (1981)、Thagard (1992)…等。 Vosniadou (1994)跳脫 Carey (1985)的觀點,改採 Rumelhart 與 Norman (1981) 的想法,將概念改變的形式簡單分成「豐富(enrichment)」與「修正(revision)」的 過程。Vosniadou 認為:當兒童面對所學與先前概念架構一致時,其所學能更豐 富自己的概念架構;反之,當兒童面對所學與先前概念架構不一致或受限於特定 理論時,其概念必須經歷修正的階段,且不容易發生。對此,Vosniadou (1994) 提出其概念改變的理論,如圖 2-1-6 所示;針對地球形狀、日夜循環、熱及力等 四個概念的心智模式進行研究,企圖藉此建立物理世界概念改變的理論。 特定理論. 概念改變的形式: 念改變的形式:豐富、 豐富、修正. 架構理論 防衛的預設. 文化脈絡中的 觀察或新資訊. 本體論的預設 信念 -第一層限制 -第二層限制. 認識論的預設. 心智模式 圖 2-1-6 Vosniadou (1994)概念改變的理論 Vosniadou (1994)認為:概念改變的理論要先有大的架構,然後才能逐漸新 增知識去填充細部的概念。她將兒童具有的「架構理論(Framework Theory)」稱 26.

(27) 為素樸架構,此架構源自兒童早期的日常生活經驗,又可分成認識論和本體論兩 個 預 設 (presupposition) ; 預 設 中 細 部 的 概 念 則 根 源 於 「 特 定 理 論 (Specific Theory)」,即文化脈絡中的觀察或新的資訊,它包括了相關概念的屬性或信念, 藉以解釋物理世界的現象或行為,並構成所謂思考上的第二層限制(second constrain)。因此,「架構理論」在解決問題情境時會影響心智模式的形成,是特 定概念表徵的基礎;然而,兒童之所以會有迷思,乃源自於自己將新的訊息納入 舊有的概念結構所導致。換言之,架構理論中的預設將成為兒童概念改變最主要 的第一層限制。 此外,Vosniadou 與 Ioannides(1998)認為學生難以概念改變的原因是:(1)學 生無法自我察覺「預設」和「信念」限制著他們的學習,並傾向於將他們的預設 或信念視為物理世界運作的方式;(2)學生所使用的概念架構缺乏像專家一樣的 系統性與一致性;因此,概念改變所牽涉的因素不僅是預設與信念的改變,同時 也須要後設概念覺知的發展,以協助學生建立一種更有系統、更一致及更具解釋 性的理論架構(邱美虹與林靜雯,2002)。 綜上所述,Vosniadou (1994)的架構理論提供了兩個重要的因素(factors):(1) 架構理論中的「預設」;(2)特定理論中「文化脈絡的觀察與新的資訊」。其中, 預設是影響概念改變的第一層限制,亦屬個體與生俱來、無法自覺的一個重要因 素;而文化脈絡的觀察與新的資訊是影響概念改變的第二層限制,必須透過豐富 與修正的過程即可達成概念改變,屬於簡單改變、不可或缺的另一個重要因素。 若以 Vosniadou (1994)概念改變的理論來詮釋影響心智模式的各個因素,將有助 於「新-心智模式架構」在預設與生活經驗面向上建立完整的理論基礎。 (三)知識本體論觀點 知識本體論的始祖 Keil (1979)將「知識」分成三個基本的本體類別:(1)物質 (material);(2)事件(event);(3)抽象(abstraction);藉以解釋不同知識的本體屬性。 其後,Harre (1986)以「可見-不可見」的解釋向度,重新區分經驗世界的三種本. 27.

(28) 體:(1)具體可見實體;(2)工具可見實體;(3)理論不可見客體;藉以擴大解釋 Keil (1979)的本體論。自此,便逐漸開啟了知識本體論的研究大門。 Chi (1992)承襲 Keil、Harre 的觀點,以「本體論」提出概念改變的理論架構。 Chi 指出:概念可分為三個類別「物質、過程、心智狀態」 ,如圖 2-1-7 所示;在 這三個類別下有所謂的次類別,如自然種類、人造物質、步驟、事件、條件為主 的交互作用、情緒的、意圖的等等。每個樹狀圖內的類別在本質上與另一樹狀圖 是不同的,因為三顆樹中的次類別有著不同的本體屬性。. 圖 2-1-7 本體樹的組織架構(Chi,1992; 1994 修正; 引自邱美虹, 2000) 在概念改變難易的解釋方面,Chi 的本體論認為:(1)科學概念從一顆本體樹 遷徙到另一顆本體樹時,這種類別間的轉移稱為根本的概念改變,必須對原本的 概念本體樹整個打掉重新建立,屬於困難的概念改變;(2)概念改變的發生若在 同一顆本體樹內作上下位置的調整,而不是跨越不同的本體樹時,這種類別內的 轉移可視為概念的修正,屬於簡單的概念改變。因此,本體論概念改變的模式傾. 28.

(29) 向於將「素樸的本體樹」導向「科學的本體樹」 ;基於系統架構的修正是否複雜 的觀點,探討概念改變的難易。 此外,Solomon (1994)認為:科學概念的知識觀是讓學生造成迷思概念的重 要因素;教師若能引導學生建立正確的本體樹,將可降低迷思概念的形成。同時, Osborn (1996)的研究亦發現:科學教學過程中有許多不可見的客體概念,應多藉 由類比連結的方式,將不可見的客體概念連結到可見的實體概念。因此,教師應 將學生素樸的本體樹妥善地連結到科學的本體樹,藉以形成正確的概念改變。 綜上所述,Chi (1992)的本體論亦提供了三個重要的因素(factors):(1)物質; (2)過程;(3)心智狀態。其中,物質因素是影響概念改變能否成功的關鍵之一, 亦屬學生產生迷思概念、無法正確理解物理知識的一個重要因素(Reiner, Slotta, Chi, & Resnick, 2000);而過程因素是學生認識科學正確概念的前哨,亦屬學生形 成準科學概念到科學概念的另一個重要因素(Chi & Roscoe, 2002)。若以 Chi (1992) 的本體論解釋科學概念學習中概念調適的過程,將有助於「新-心智模式架構」 在概念改變難易的詮釋上,建立完善的理論基礎。 (四)情境概念相依 diSessa (1988)對於知識概念的形成提出了破碎的知識觀,diSessa (1993)認 為:學生的心智模式是破碎而不具一致性的,並受到不同的情境(context)所影響 (diSessa, 1993; Ranney, 1994; Clark, 2006; 施宗翰, 2008)。因此,學生對於世界的 想法既不屬於似理論(Carey, 1985)的結構,亦非一致性的心智模式(Vosniadou, 1994);他們早期的知識觀並無法用來解釋、預測各種問題情境(diSessa, 1993)。 Tao 與 Gunstone(1999)從概念改變的實證研究中發現:學生的概念會在「另 有概念」與「科學概念」間擺盪,明顯受到情境的影響。此觀點與 diSessa 等人 (2004)的研究結果相呼應,亦強調學生的認知概念會因為「情境」的不同而有所 改變。此外,Perkins 與 Simmons(1988)為了解釋情境概念相依的現象,提出概念 生態的四個架構因素(frame factors):(1)內容架構(content frame);(2)認識架構. 29.

(30) (epistemic frame);(3)探究架構(inquiry frame);(4)問題-解決架構(problem-solving frame);藉以分析不同情境下,概念改變的情形。 因此,以情境概念相依的觀點分析概念改變時,從 diSessa (1988)的理論與 Tao 與 Gunstone (1999)的實徵研究中我們不難發現:(1)學生的概念是破碎、不完 整的,欲形成正確的科學知識,必須不斷地提升其概念的系統性;(2)學生的概 念會在不同情境間擺盪,受到不同情境而左右。因此,影響概念改變的要素之一, 在於學生面臨不同情境時,會在不同的認知領域下形塑其破碎的知識觀,若將此 因素考量到「新-心智模式架構」的建立,亦屬相當重大的突破。 綜前所述,結合科學史哲、認知心理、知識本體、與情境相依這四種觀點來 看,若欲使概念改變的理論能涵蓋前述各項觀點,多重向度架構的理論,勢必將 成為概念改變理論的最終型態。 (五)多重向度架構觀點 多重向度架構觀點的始祖-Tyson, Venville, Harrison, 與 Treagust (1996);他 們將概念改變分成「認識論、本體論、社會/情感」三個向度來探討,試圖以多 元的觀點含攝概念改變的各種面向。其中, 「認識論」較傾向於認知心理的觀點、 「本體論」則隸屬知識本體的觀點,而「社會/情感」則包括科學史哲/情境相依 的觀點,如圖 2-1-8 所示。. 圖 2-1-8 多重向度架構的概念改變(Tyson et al., 1996) 此外,Tyson 等人(1996)為了解釋概念改變的動態歷程,便將其多重向度架 構的概念改變依時間軸畫了一個示意圖,如圖 2-1-9 所示。雖然此架構未能詳細 交代概念改變的運作機制,但卻提供了後續研究相當豐富多元的想法。因此, 30.

(31) Tyson 等人不僅將概念改變的理論涉及了多元的面向,亦增加了隨時間演變的觀 點,這對「新-心智模式架構」的建立來說,亦提供了另一項重要的參考指標。. 圖 2-1-9 多重向度架構概念改變的動態歷程 國內學者方面,Chiu (2008)以多重向度的觀點,對概念改變的研究提出「以 研究和教學為基礎/導向的工作(Research And InstructioN-Based/Oriented Work,簡 稱 RAINBOW)」 。Chiu (2008)認為:概念改變的研究有六個向度可以考量,分別 是「發展面向(developmental approach)、本體論面向(ontological approach)、認識 論 面 向 (epistemological approach) 、 情 意 面 向 (affective approach) 、 演 化 面 向 (evolutional approach)、教學面向(instructional approach)」,如圖 2-1-10 所示;最 後再將此六面向整合起來,成為概念改變整合型的理論架構。 本體論 發展. 認識論. 教學. 情意 演化. 圖 2-1-10 RAINBOW 理論架構(Chiu, 2008) 基於前述,Chiu (2008)以歷史發展的角度,探討不同時期概念改變的相關理 論,藉由多元面向的理論,分析科學教育與學生概念學習的關係,因而提出了 RAINBOW 理論架構的概念改變整合觀點。其中,發展心理面向源自 Toulmin (1972)概念生態的觀點,認為概念的發展是漸進的而非革命式的;本體論面向則 從 Chi (1992)的理論而來,藉此解釋概念改變的難易;認識論面向則源自於 Posner 31.

(32) 等人(1982)的理論與 Vosniadou (1994)的架構理論而來,用以解釋學生觀察學習的 過程;情意面向則從 Pintrich 等人(1993)來探討學生學習科學時的自我效能、學 校情境等等;而演化面向則是以 Darwin 的演化論解釋學生在學習的過程中,不 同概念間相互競爭的情形;最後關於教學面向則引進「教學序列(Meheut, 2004)」 的觀點為設計課程的基礎。 最後,以提供「新-心智模式架構」關鍵因素(factors)的五項觀點,對本小節 作綜整:(1)科學史哲觀點-藉由 Lakatos 的「科學研究綱領方法論」,可說明概 念思考的機制;(2)認知心理觀點-藉由 Vosniadou (1994)的觀點,可強化「預設 與生活經驗」面向的理論架構;(3)知識本體觀點-藉由 Chi (1992)的觀點,可強 化「概念改變難易」面向的詮釋;(4)情境相依觀點-藉由 Tao 與 Gunstone (1999) 與 diSessa 等人(2004)的觀點,可將心智模式視為生活經驗與科學概念間擺盪的 結果,受到「認知領域」的不同而影響;(5)多重向度架構觀點-藉由 Tyson 等人 (1996)與 Chiu (2008)的觀點,以「多元、動態歷程的模式」詮釋概念改變的理論。 三、概念改變的條件原則 在上小節中已提過,Posner 等人(1982)對概念改變發生的四個條件分別是: (1)不滿足;(2)可理解;(3)合理的;(4)豐富的。因此,概念改變的首要關鍵在於 個體須發現其「先前概念」是有問題的,才有可能發生概念的改變。然而, Vosniadou (1994)卻將個體的先前概念視為自發的、固著的一種預設,因此欲達 成概念改變是相當困難的,同時也容易在改變過程中導致「迷思概念」的產生。 對此,Wandersee 等人(1994)探討四百多篇迷思概念的研究,認為其特性主 要包括:(1)學習者從「自然界」中帶著對事物的迷思到科學課室中;(2)帶進課 室中的迷思概念「跨年級、能力、性別、文化」的藩籬;(3)迷思概念「頑強不 易消失」 ;(4)學生的迷思概念與科學家「早期形成的概念」相似;(5)迷思概念起 源於「一組多樣的個人經驗」 ,包含對大自然、同儕、語言、電視、大眾傳播、 課本、教師解釋;(6)「教師」與學生一樣可能有迷思概念;(7)學習者的先備知. 32.

(33) 識與正式教學的作用可能「產生不同的學習效果」 ;(8)使用概念衝突、類比、後 設認知等教學策略「應防範負面效果」的產生。因此,迷思概念具有普適難以改 變的特性,是一種跨年級、能力、性別、文化、經驗而自然存在的結果,與 Vosniadou (1994)的架構理論有相互呼應的情況。 Trowbridge 與 Mintzes (1988)在其實徵研究中亦發現:許多學生對於科學研 究仍存有許多的迷思概念,無論是「解說式實驗(lecture-lab)」或是「發現式科學 (discovery science)」,兩者對於修正學生迷思概念的效果都很小,且他們的迷思 概念都是根深蒂固而不易改變的。對此,Venville 與 Treagust (1998)認為,Posner 等人(1982)的理論只專注學生的認知,卻未考慮學生的「動機信念」和他們在「教 室學習」中所扮演的角色。因此,影響概念改變的條件,除了與個體的動機信念 有關之外,亦與個體所處「情境」有一定程度的關係,與 diSessa (1988)的觀點 有相互呼應的情況。 Chinn 與 Brewer (1993)認為:學生和科學家一樣,有概念衝突通常不會導致 概念改變。當他們遇到異例時,常伴隨七種可能的反應,即忽略、否認、排除、 擱置、再解釋、周圍理論改變、理論改變;而各種反應的層次仍須取決於個體的 「動機信念」而左右。畢竟,學生原本素樸的想法(另有概念、迷思概念),通常 是穩定、強韌、或拒絕學習的(Anderson & Smith, 1987)。因此,學生的「動機信 念」為影響概念改變不可或缺的關鍵因素,對研究者來說,亦須將此要素放進「新 -心智模式架構」中加以考量。 最後,以 Novak (1988)對迷思概念的改變原則做綜整:(1)迷思概念源於早年 的生活,應儘早導正;(2)迷思概念難以修正,應持續改變不輕言放棄;(3)先前 概念會影響新的學習,應儘早發現先前概念的迷思;(4)訊息處理過程的容量是 有限的,應分段處理;(5)大部分的知識均以階層的方式儲存,應建立個人的本 體樹促進概念改變;(6)學習者甚少意識到個體的認知過程,應強化認知學習的 歷程;(7)個體認識論的預設會影響學習,應注意此情形;(8)思考、感覺、行動 是一個整體,應同步發展概念改變的學習。 33.

(34) 四、概念改變理論的歧異 在第壹章第二節的研究動機中曾提到:VCD 三位學者對概念改變理論的歧 異觀點。對此,挑選 Chi (1992)、Vosniadou (1994)、I&V (2001)、diSessa (1993)、 與 diSessa 等人(2004)的五篇文獻,深入探討諸位學者對概念改變歧異的看法。 (一)概念改變理論架構的歧異 在諸位學者的理論架構中,最先提出的應屬 diSessa (1988)破碎的知識觀。 當時,diSessa 認為:知識結構是由許多「現象原詞(phenomenonal primitives, p-prim)」的小單元所構成,而這些小單元都是個體抽象化自身的經驗所得到的; 因此,個體先前的概念知識往往都是破碎且不具意義的。對此,I&V (2001)對 p-prim 的觀點提出了下列的看法: [Mechanisms of change] Concerning the question of change, diSessa (1988) describes it as a process of collecting and systematizing the fragments of knowledge (p-prims) into consistent wholes. This happens as p-prims change their function in order to be integrated into the scientific framework. In this framework, p-prims “can no longer be self-explanatory but must refer to much more complex knowledge structures, physics laws, etc., for justification” (diSessa, 1993). [Initial Knowledge Structures] The results of this study do not agree with diSessa's (1988; 1993) position that initial knowledge about the world consists of an unstructured collection of small and discrete knowledge elements. On the contrary our findings showed that the majority of even the youngest children in our sample had collected their intuitive observations and information they received from the culture to form either a) one of two initial meanings of force -the internal force and the acquired force meanings- or, b) two hybrid meanings showing a transition from the internal force to the acquired force.. Vosniadou 認為:在 diSessa 的理論架構中,p-prim「不算是一種自我解釋」, 而必須提到更多複雜的知識結構、物理定律作為解釋 p-prim 的正當理由。此外, 學生源自文化脈絡的「直觀觀察」與「新資訊的獲得」會形成「初始意義或綜合 意義」,並非 diSessa 所言:先前結構是無結構、小的、破碎概念的知識蒐集。 而後,diSessa (1993)也對 Vosniadou (1989)「兒童素樸知識的本質(以天文學 為例)」一文提出解釋的觀點: Especially during the last 15 years, a significant body of data has accumulated concerning intuitive physics, sometimes under the label of “preconceptions”, “mosconceptions”, or “alternative conceptions”(…, Vosniadou, 1989) When confronted with qualitative problems, most of which scarcely appear tricky or out of the range of basic understanding, students offer discriptions and solutions that are inconsistent with and often inderct contradiction to basic physics principles.. diSessa 認為:自 1980 年代以來,有關「直觀物理」的重大資料已累積多年; 34.

(35) 在 Vosniadou 的文章中,曾把學童的直觀物理貼上「先前概念」 、 「迷思概念」或 「另有概念」的標籤。事實上,當研究者面臨概念分析的質性問題時,大多很少 出現背離基礎理解的範疇;必須讓學生提供描述與答題結果後,才能比較其與基 礎物理原則的矛盾與不一致之處8。 另一方面,在 diSessa (1993)發表「物理認識論」一文的前一年;Chi (1992) 已提出了她的本體論,並對 diSessa (1988)p-prim 的理論持尊重的看法。Chi (1992) 認為:許多時候,學生的解釋在一段時間內是固執、一致的;而有些時候學生的 想法會在橫跨不同情境時卻被貼上一致的標籤9。 Most of the time, students’ explanation are robust, consistent over time, and sometimes consistent across different situations that tap the same concepts…. one could think of diSessa’s analysis as a reduction of the components of a theory into fundamental primitives. Such reductions need not be viewed as supplanting the claim that the naïve belifs are theorylike (Haugeland, 1978). Reductions can be viewed as independent of the issue of whether or not the set of belifs constitutes a coherent theory. On the other hand, the discrepancy might be resolveable if we adopt a uniform definition of a “theory”.. Chi (1992)認為:在某些時候,人們可以將 diSessa 的分析視為一種理論成分 的簡化形成「基本原始事物」。這樣的簡化不必被視為在取代「素樸信念」是似 理論的看法(Haugeland, 1978)。簡化可以被視為獨立的議題而不要管信念集合是 否形成一致的理論。在另一方面,如果我們對「理論」採取不一致的定義時,這 種不一致是可解決的。亦即 diSessa (1993)的 p-prim 可視為一種獨立的議題、一 種理論,端賴學者們如何對理論下定義,清楚解釋概念改變的運作機制。 當 Chi (1992)談到 Vosniadou 的研究時認為:Vosniadou 與 Brewer(1989)有許 多同化的例子: Vosniadou and Brewer (1989) have some great examples of assimilation … Vosniadou and Brewer found that children assimilate the new correct information that the experimenter provided in numerous interesting way… (Although young children do not remove their misconception about the shape of the earth that people stand on, this example of robustness illustrates a different cause of resistance than the factor of ontological change.). 引述中,Vosniadou 與 Brewer (1989)曾發現:學童會同化新的、正確的資訊。 雖然他們沒有移除迷思概念,但是這種固執的實例比本體改變的因素多說明了阻 8 9. Vosniadou 並沒有對學生的迷思概念與基礎物理原則進行分析比對。 Chi 的觀點雖與 Vosniadou 類似,但也尊重 diSessa 考量情境因素的想法。 35.

(36) 撓概念改變的原因(Chi, 1992)。因此,Chi 藉由 Vosniadou 的研究發現,補充說 明了科學學習的過程,但她並未將學童固執的現象放到本體論的架構中做詮釋。 後來,Vosniadou (1994)在其架構理論的文章中,雖然同意概念本體會因為 錯誤的概念分類而導致迷思概念的發生,但對 Chi (1992)的本體論仍抱持某些程 度上的質疑: The importance I have attributed to underlying ontological and epistemological presuppositions agrees in some respects with Chi, Slotta and de Leeuw’s (this issue) ... According to Chi et al., misconceptions arise because students assign science concepts to an ontological category to which they do not belong ... The explanation of conceptual change in terms of the reassignment of a concept from one category membership to another, does not explain why such change is difficult to occur or why some reassignments are difficult while others are not. Why is it so difficult to reassign the concept heat from the category “matter” to the category “process” and it is not so difficult to reassign the concept of “whale” from the category “fish” to the category “mammal?” Finally, some of the categories that Chi et al. use seem rather arbitrary ... The Chi et al. theoretical approach presents a “syntactic” rather than a “semantic” explanation of conceptual change .... Vosniadou 認為:Chi 的本體類別轉換並不能清楚解釋概念改變的難易,舉 例來說,為何將「熱」從物質類別轉到過程類別是困難的,而將「鯨魚」從魚變 到哺乳類是「容易」的?此外,Chi 的分類方式似乎有些武斷,比較屬於語法的 分類而非語意的分類,且其分法仍存在不少的爭議。 I&V (2001)在文章中引述 Chi 的觀點時又談到,Chi 與其同事的觀點似乎相 信概念改變是一種「激進的過程」 ,當個體對於某個給定的概念習得正確的本體 架構時,概念改變就可能在短時間內發生: Chi and her colleagues seem to believe that conceptual change is a radical process that happens in a short period of time, as an individual learns the correct ontology for a given concept. In contrast to the above-mentioned position, as well as other misconceptions-based accounts of conceptual change, we believe that conceptual change does not usually happen suddenly but is a gradual and time-consuming process. … we are not predicting a sudden change in ontological categories, but rather smaller changes in beliefs and presuppositions, that will create synthetic meanings of force, slowly bringing children’s conceptual systems closer to the conceptual system of scientifically literate adults … … the conceptual system is a dynamic one with changes in representations and beliefs taking place all the time preparing the ground for more radical re-organization in ontology or epistemology … this conceptual change still happens in the context of an explanatory framework where force continues to be categorized as a property of physical objects, rather than as a process. 引述中提到(I&V, 2001):概念改變是漸近費時的過程,而非 Chi 所言的激進 過程。事實上,孩童的概念改變發生在信念與預設中極些微的改變,藉由綜合意 義的產生,慢慢地將孩童的概念系統帶往科學的概念系統。此外,概念改變的形 36.

(37) 式應屬動態概念系統的改變,並發生在「解釋架構的情境」中,受制於物質屬性 而非過程屬性中。 最後,diSessa 分別在 1993 與 2004 年針對 Chi 的理論提出了不同的見解, 在 1993 的文章中: … I am suggesting here that it is implausible that experts would avoid using surface feature in encoding dispositions for problem solving. See Chi et al.(1981) … with regard to the plausibility of experts using surface features as part of their expertise. … Learning must happen by acquisition of a new ontology or a major shift of a category from one ontology to another … motion must be done as a sequence of static configurations and that no properties intrinsic to motion other than those evident in discrete change can be considered. This amount Chi(1992) has recently offered an ontological account of diffuculties in learning that contrasts strongly with the view presented here.. diSessa 認為:專家在問題解決時會避免使用「表面特徵」的說法,是令人 難以置信的,因為 Chi 等人(1981)未把專家使用表面特徵視為他們專業的一部 份,所以她們根本就不知道使用表面特徵就是個體認識物理時最初始的觀感。此 外,diSessa 雖認同「學習」必須藉由「本體類別的轉移」 ;但是,在做正確詮釋 時,運動必須是一連串靜態結構的完成,除非考慮抽象變化的部份,否則運動並 沒有本質屬性。這類的觀點在 Chi (1992)的研究中雖有許多的呈現,但 diSessa 卻沒有做任何的批判,直到 2004 年的文章中才談到: [Ontological aspect] The existence or non-existence of something tells little about its nature. What is the nature of a force, its ontology? In this aspect, we tread a middle ground between highly abstract ontological categories such as matter or process (Chi, 1992; Keil, 1989) and some full specification of “the nature of force.” In particular, we include spatial–temporal issues, and issues concerning the relation of forces to objects.. diSessa 將本體論視為某一物理概念(如 Force)的本質,循此,diSessa 的研究 採中立的觀點,將概念本質介於「高度抽象的本體類別(如物質屬性、過程屬 性)(Chi, 1992)」與「充滿特定類別(如 domain specific)」之間。因此,diSessa 認 為真正的概念本質應存在於「Chi 的本體論」與「科學概念(domain specific)」之 間,與 Vosniadou 認為的概念本質(即預設、信念),有相當大的差異。 (二)概念一致與破碎的歧異 有關概念架構到底是一致或破碎的歧異觀點,最先提出的應屬 Chi (1992)的 本體論一文,她在文章中提到: 37.

參考文獻

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