運用概念圖教學探究國中生概念改變之研究-以「壓力」單元為例

運用概念圖教學探究國中生概念改變之研究-以「壓力」單元為例 物理教育學刊

2008, 第九卷第一期, 19-42

Chinese Physics Education 2008, 9(1),19-42

運用概念圖教學探究國中生概念改變之研究-

以「壓力」單元為例

林素妃

1

蘇明俊

2

周建和

3 1 高雄市立龍華國民中學 2 私立樹德科技大學 休閒事業管理系 3 國立高雄師範大學 物理系 （投稿日期：民國 97 年 4 月 30 日，修訂日期：97 年 6 月 25 日，接受日期：97 年 7 月 10 日） 摘要：本研究旨在運用概念構圖策略探究國中二年級學生「壓力」之另有架構及概念 改變之情形。以質性研究為主，輔以量化統計考驗教學成效的差異性。研究對象為高 雄市某國中二年級學生共 78 人，分派為實驗組和控制組。研究工具包括 Novak 所提出 的「概念圖」及自編的「自然科教學成效試卷」等，另外輔以個別晤談方式，釐清學 生之想法，以探究學生教學前後的另有架構類型、概念改變類型及概念構圖教學的成 效。研究結果有：一、學生在教學前「壓力」之另有架構類型可分為七種：1.隱喻誤 解型；2.感官經驗型；3.事實脫節型；4.概念類比型；5.概念固執型；6.情境連結型；7. 以偏概全型。二、學生在教學後「壓力」之另有架構類型仍保留四種：1.隱喻誤解型； 2.感官經驗型；3.概念固執型；4.情境連結型。三、學生教學前後的概念改變可歸類為 六種類型：1.概念保留；2.概念增加；3.概念取代；4.概念共存；5.概念重組；6.概念捨 棄。四、在「自然科教學成效」方面：概念構圖教學有助於學生壓力概念的學習。 關鍵詞：概念圖、概念構圖、另有架構、概念改變

壹、前言

學習是一種概念改變的過程，也是一種 探究的歷程( Posner, 1983；Strike, 1983； Strike & Posner, 1983 )，然而在許多的研究發現，學 生學習科學時，常常必須經歷一段相當困難 的概念改變歷程，方能達到有效的學習，此 乃因早已存在於學生腦中的先備知識中，常 會有與科學家公認的知識架構不同的另有架 構( alternative frameworks )，這將會使學生解 釋科學教學內容受影響，甚至根深蒂固難以 改變（熊召弟等譯，2002）。爲了達成有意義

一、有意義的學習

的學習，Ausubel 即主張新知識必須與學習者 既有的舊知識和舊經驗相聯結，並自我統整 於原先的概念架構( conceptual framework ) 中，再形成一個更大、更廣的概念架構，以 作為後續學習的先備知識。因此，探究概念 改變的歷程之前，首先須瞭解學生的先備知 識，發掘另有架構，並採用有效的概念改變 教學策略來引導學生進行有意義的學習。 在 Ausubel「認知同化論」中，其中心思 想即是所謂的「有意義的學習」( meaningful learning )。有意義學習的產生是個人將新知 識聯結於原有認知結構中的舊概念或舊命 題，不斷整合、運作，使之成為更穩固的認 知結構。當個體進行有意義的學習時，會以 既有的先備知識與新知識相聯結並進行檢 核，再吸收同化為自己的知識。 美國康乃爾大學教授 Novak 於 1984 年根 據 Ausubel( 1968 )「有意義的學習」理論 ( meaningful learning theory )的精神，提出了一 種學習的工具，幫助學生學會如何去學( learn how to learn )， 稱之 為 概念 構圖 ( concept mapping )( Novak, 1990 )。其是將概念以整 合、階層方式表現其間相互關係，並以命題 陳述的方式，將概念間的關係以兩向度的圖 形來描繪表示概念架構。由於概念圖能使概 念間的關係外顯，有助於表徵學生學習「質」 （qualitative）的部份及學習者建構和重組的 知識結構（江淑卿，1997；Heinze-Fry, Crovello ＆ Novak, 1984 ）。 為了達成有意義的學習必須合於三個條 件（林清山，1997； Ausubel, 1963; Mayer, 1987; Novak, 1988 ）： （一）教材本身要有意義： 學習材料本身在本質上必須有意義的， 亦即具有讓學習者以有意義方式聯結其知識 結構的潛力。我們無法以無意義音節或隨機 擷取一段文章材料，就要求學習者能夠產生 有意義的學習。 （二）學習者必須具備相關的知識或概念 （此指「先備知識」）： 學習者必須事先具備足供聯結新學習概 念的既有概念架構( conceptual framework )。 概念構圖在教學上具有多元化的運用方 式，包括瞭解單元學習的全貌、先備知識的 探查、釐清另有架構、發展合作性的關係、 評鑑教學成果等（黃鴻傅，1998）。然而，應 用概念構圖的教學策略能否改變國中學生的 物理概念，則仍待探討，因此本研究的目的 為：透過概念構圖教學來探討國中學生科學 概念改變。所擬定的問題如下：一、國中生 在「壓力」單元教學前、後具有哪些另有架 構類型？二、國中二年級學生在「壓力」單 元教學前、後有哪些概念改變類型？三、概 念構圖與傳統教學兩種教學策略對教學成效 之影響為何？。 （三）學習者必須顯示出有意義學習的心向： 學習者必須擔負起自己學習的責任，願 意主動嘗試將新知識與既存的概念架構作聯 結，以建構起有意義的理解。 教師若能將新知識建立在學生既有的先 備知識之上，便容易使學生知覺到學習是有 意義的行為，進而構成學習動機，主動追求 有意義的活動以達成終身學習的教育理想。

二、另有架構的類型

學生在學習之前，所帶有不易經由教學 改變的另有架構，常會妨礙正確學習的進展 （郭重吉，1988)，因此另有架構對於概念改

貳、文獻探討

變、概念學習與概念發展有相當的影響力， 故國內外有相當多探究另有架構來源的研 究。研究者綜合王美芬、熊召弟（2000）、 洪瑞英（1998）、楊世麒（2001）、楊明達、 王靜如（2000）、趙素敏（2003）、樊雪春 （1999）、謝秀月（1995）、Blosser( 1987 )、 Head( 1986 )、Jiang Broadstock( 1992 ）等學者 對另有架構來源的重要看法，整理如下：1. 日常生活語言和隱喻；2.來自日常的經驗和 生活中的觀察；3.來自個體本能性的意念； 4.先前學習過程中所產生的迷思概念；5.學科 背景知識不夠；6.由直覺判斷；7.經由類比的 方式所造成的錯誤推論。

三、概念改變的類型

科學教育學者自 Kuhn( 1970 )提及科學 概念改變過程中，新舊概念的轉換如同進行 革命一般，因而開始關注科學教育中革命性 的概念改變( Thagard, 1992 )。學習其實是一 種概念改變的過程，也是一種探究的歷程， 其主要是由迷思概念改變到科學家的概念 ( Posner, 1983; Strike, 1983; Strike & Posner, 1983 )。Chi( 1992 )對概念改變提出操作型定 義：一個概念本身的意義是由其所屬的類別 決定的，當其所屬的類別發生改變時，就是 所謂的概念改變。

在 有 關 概 念 改 變 的 研 究 中 ， Tyson, Venville, Harrison 和 Treagust ( 1997 )以及 Harrison, Grayson 和 Treagust ( 1999 )等所提出 的兩篇文獻，綜合了過去的研究，將較為著 名的概念改變類型，歸納出至少兩種的概念 改變層次：一是簡單的；一是困難的，如表 1： 綜合多位之研究，將透過概念構圖教學 產生的概念改變歸納為下列五種類型（耿筱 曾，2000；徐兆正，2001；陳蕙菁，2001； 楊世麒，2001；時德平，2000；朱景生，2003； 蕭惠文，2005；盛嘉惠，2005；張中外，2005； 表 1：各學者主張的概念改變類型 學者 年代 資訊的增加 簡單的概念改變 困難的概念改變 Kuhn 1962 常態科學 革命科學 Lakatos 1970 軟核（較一般、周邊 的概念）的改變 硬核（較核心的概 念）的改變 Posner＆Strike 1992 同化作用 調適作用 Hewson 1981，1982 概念捕獲 概念交換 Carey 1986 簡單的增加 弱重建 強重建 Vosniadou 1994 簡單的增加 弱重建 根本性重建 Chi, Slotta ＆ de Leeuw 1994 隱含的增加（資 訊的增加） 分枝跳躍（部分性， 即新分類） 樹轉換（根本性， 即本體性的改變） Duschl ＆ Gitomer ；Landan 1991 1984 逐漸或改革性的新概念發展 Thagard 1992 從增加例子、繼續改變到樹的轉變共區分成九個階層

王光平，2004；蔡慈清，2003；蔡惠女，2004； 揚金芳，2005； Smith, Carey & Wiser, 1985 ）

概 念 構 圖 是 由 美 國 康 乃 爾 大 學 學 者 Novak 和其同僚，根據 Ausubel( 1968 )的認知 學習理論，研究發展出一套促進思考、幫助 理 解 學 習 材 料 的 方 法 ( Novak & Gowin, 1984 )。概念圖乃是一種結構表徵的方式，由 節點與連結線構成，節點表示重要概念，連 結線表示概念間的關係，並於連結線上標記 聯結語，以輔助說明概念與概念間的連結關 係，兩節點與概念間的連結線稱之為命題， 概念圖即以此為意義的基本單位，也是用來 判斷概念間關係有效性的最小單位( Novak & Gowin, 1984 )。概念構圖是一種由「點」的學 習擴及至「面」的學習方式，能將所欲學習 的概念含攝在一連串命題中來進行，而使學 習者知覺到除了這個概念意義的學習外，尚 包括許多與這個概念相關聯的外衍意義及用 法（余民寧，1997）。 （一）概念獲取型： 當新概念與現有概念不發生衝突，或是 新概念比現有概念呈現更合邏輯的狀態時， 學習者將這個新概念同化到他原有的概念架 構中，此乃在概念架構中產生「量」的改變。 （二）概念重組型： 當學習者遭遇到認知衝突時，學習者可 以重組或分化原有的概念，藉此來接受新的 知識概念，此乃在概念架構中產生「質」的 改變。 （三）概念替換型： 學習者以新的概念替換原來有的概念； 也就是現有的概念必須呈現較低的狀態，並 且新的概念轉變成為學習者概念生態的一部 份。 （四）概念共存型： 根據 Novak 和 Gowin( 1984 )的評分建 議，可以圖 1 說明一個典型的概念圖記分例 子： 是指不改變先前概念，直接建構出新概 念，新舊概念並存於學童的概念架構中， 當 學童遇到不同情境時， 新舊概念則互有消 長。 學生通常在第一次概念構圖時，會有受 挫的感受，一般至少作了十張圖之後，才能 漸漸掌握其中訣竅。由於這是新的經歷，許 多學生習慣於其他正式的或非正式的學習策 略後，對於策略的改變常抱持著質疑的態度 而有所排斥，特別是曾在測驗題上有好的表 現之學生，但他們透過概念構圖歷程逐漸感 受到此策略能幫助他們學習，而逐漸接受並 變得熱心，通常具有低或中等能力的學生對 概 念 構 圖 這 樣 的 新 學 習 策 略 會 較 期 待 。 Mintzes 等人( 1998 )建議使用小型圖來對學 生引介概念圖，而小型圖是指概念圖上只限 於 有 限 的 概 念 以 及 例 子 ( Trowbridge & Wandersee, 1994 )。 （五）概念增強型： 學童的新舊概念會在「同化」或「調適」 的交互作用下，不斷地產生概念增強。 由上述可知，學習其實是一種探究的歷 程，也是一種認知結構不斷在同化、調適、 統整和改變融合新的概念，最後形成概念改 變的過程（余民寧，1997）。教師應多鼓勵 學生以既有的認知架構解釋自然現象的方 式，使其造成概念衝突，製造學生重新思考 和調整自我之概念架構的機會，才能增加概 念改變的可能性，學習才會有意義（耿筱曾， 2000）。 學生可以透過概念構圖的過程審視自己 的概念架構，進行修正、重組、同化、適應， 並有效地提昇分類、統整新知識的能力，以

四、概念構圖教學

重要概念

聯結

聯結

聯結

一般化概念

一般化概念

一般化概念

概念

概念

概念

概念

較不一般

化概念

較不一般

化概念

特殊化

概念

特殊化

概念

特殊化

概念

聯結

聯結

聯結

例子

聯結

例子

例子

事件

事件

聯結

聯結

聯結

聯結

聯結

例子

物件

物件

聯結

聯結

交

叉

聯

結

交叉聯結

階層

第一階

第二階

第三階

第四階

計分：

（僅計算有效且重要者）

（分數）*（個數）

關係 ： 1 * 14＝14（分）

階層 ： 5 * 4＝20（分）

交叉連結 ： 10 * 2＝20（分）

舉例 ： 1 * 4＝ 4（分）

總計： 58（分）

圖 1：概念圖計分例子

達有意義的學習，教師則可藉由概念圖中概 念間的連結是否正確、概念層級的安排是否 適當等，來瞭解學生的學習情況、偵測出學 生的知識結構及其錯誤概念來。因此，無論 對教師或學生而言，概念構圖都是一項有效 的工具。

參、研究方法

一、研究對象：

本研究以第一研究者所任教之高雄市某 國中二年級學生共兩班為研究對象，分派為 概念構圖組及傳統教學組，共 78 人。兩組的 教學教材皆為國民中學南一版（民 94）二年 級下學期自然與生活科技課本 6-3「壓力」單 元，概念構圖組乃以概念構圖教學，傳統教 學組則以講述法教學。

二、概念構圖教學概述：

研究全程主分為三階段進行： 第一階段：「教學準備」階段 此 階 段 主 要 是 依 據 Novak 和 Gowin( 1984 )所建議的教學前準備活動介紹 概念圖，讓從未接觸概念構圖活動的學生練 習概念構圖技巧。故於第二次段考後即依據 教學進度作為概念構圖練習的主題。練習 前，說明這不是考試；練習時，觀察學生的 反應，給予學生適當的協助；練習後，分析 學生的概念構圖，作為教學改進之依據，進 而分享與討論，並輔導概念構圖學習困難之 學生，以使施測工具有效。 第二階段：「教學實施」階段 乃指進行「壓力」單元的概念構圖教學 活動，並分別蒐集學生在「壓力」單元教學 前、後所繪製的概念圖，進行分析及評分， 再針對不清楚或可能存有另有架構的概念圖 進行個別晤談，故教學前、後晤談樣本分別 為 14 位與 10 位。教學進行期間仍利用小範 圍的教學內容，讓學生再增加繪製概念圖的 經驗、教學內容的熟悉度及思考的機會。完 成教學後概念圖繪製，再進行自然科教學成 效試卷施測。茲將概念構圖教學過程的步驟 分述如下： 1. 在「壓力」單元教學前，先進行教學前「壓 力」概念圖繪製。 2. 選擇一段課文，讓學生閱讀並選出可以幫 助了解這段文章的關鍵字。 3. 將學生所選的關鍵字依最重要的、包含最 廣的順序依次排列。 4. 請學生選出適當的連接詞、形成命題。 5. 請學生做概念間的橫向聯結，並且使用適 當的連接詞形成意義。 6. 建議學生將自己的概念圖再做幾次，可以 幫助自己釐清一些概念。 7. 再選擇另一段課文讓學生閱讀，然後重複 1-6 步驟。 8. 讓學生將前段所學的概念加入在新的概 念圖，並與同學討論。 9. 推 舉 幾 位 學 生 將 概 念 圖 畫 在 黑 板 上 解 釋，幫助自己釐清概念，也可讓其他人了 解。 10.最後在「壓力」單元教學後，讓學生進行 整個「壓力」單元的概念構圖。 第三階段：「資料分析」階段 乃指將上階段所蒐集教學前、後兩次概 念圖、兩次個別晤談錄音及自然科教學成效 試卷等資料，進行轉錄成逐字稿、分類、處 理及分析。

三、研究工具：

本研究主要是以概念圖及自然科教學成 效試卷為研究工具來進行分析。 （一）概念圖：

在分析及評分教學前、後的概念圖時， 可從概念圖的四個結構成分進行，如下表 2 ，此兩次概念圖一方面作為探究學生另有架 構類型及概念改變之情形的工具；另一方面 作為分析教學成效的工具： （二）自然科教學成效試卷： 其乃根據國民中學南一版（民 94）二年級下 學期自然與生活科技課本及教師手冊內容來 表 2：概念圖評分表 結構成分 意義 評分準則 計分 關係 指將兩個概念聯結成一道命題的連結關係，且連結 線和連結語必須表達出這兩個概念間的連結關係 是有意義 每一個有效、有意義的 聯結關係 1分 階層 指概念圖中所呈現出的階層個數，且每一個附屬概 念應比其上階層概念更具特殊性、更不一般化 每一個有效、有意義的 分層 5分 每一個有效、有意義的 交叉聯結 10分 交叉連結 指概念圖中某概念階層的一部份和另一階層的部 份概念間呈現有意義的聯結，且所呈現的聯結關係 必須是重要且有效的 每一個有效，但不能指 出相關概念或命題之組 成的交叉聯結 2分 舉例 指學習者能根據自己的理解，舉出特殊且具代表性 的例子，且所舉的例子必須是學習者將知識作一番 統整後，以特定的事件或物件做為例子才行。可以 幫助學習者澄清概念的意義 每一個已標明出其概念 間關係的事件或物件例 子 1分 表 3：雙向細目表 記憶 理解 應用 分析 綜合 評鑑 壓力的基本定義 1 2、3 17 4 12 12 液體壓力的方向性 5 6 靜液壓力與液體密度、深度之關係 7 22 8 9、10 11 連通管原理 13 13 14 帕斯卡原理 15 16 17 大氣壓力的方向性 18、19 托里切利實驗 20 21 22 大氣壓力的應用 23 24 25 26 大氣壓力的單位 27

一、教學前、後壓力之另有架構類型

命題的，藉由雙向細目表的分析，如表 3， 來監控試題內容的分布及認知層次的適當 性，並建立專家效度，求得信度α值為 0.87。 本研究針對學生所建構的概念圖，探究其在 「壓力」教學前、後所持有的另有架構類型， 輔以個別晤談，以釐清學生的想法，發現學 生在「壓力」教學前的另有架構類型有七種， 而在教學後保留了四種。茲將教學前後之另 有架構類型整理如表 4，並分述各種另有架 構類型如下：

肆、研究結果及討論

根據本研究之目的，茲將研究結果與討 論分為「教學前、後壓力之另有架構類型」、 「教學前後的概念改變機制」及「概念圖教 學的成效」等三部份，並說明如下： （一）隱喻誤解型： _{在日常生活及科學中的言談或描述中，常常} 表 4：教學前後另有架構整理表 教學前 教學後 「隱喻誤解」型 「隱喻誤解」型 「感官經驗」型 「感官經驗」型 「概念固執」型 「概念固執」型 「情境連結」型 「情境連結」型 另有架構類型 「事實脫節」型 「概念類比」型 「以偏概全」型 圖 2：S14 教學前概念圖

力有不一樣，然後由壓力高流向壓力 低的地方。 帶有隱喻式的字詞，由於太過平常，因此常 互相混淆。例如：S14 學生會透過壓力「差」 及電位「差」的「差」字所隱喻的意義，而 自我連結「電位差」與「壓力差」兩個概念， 但不清楚電位差與壓力差的本質。 （二）感官經驗型： 有些概念在建立的過程中，常會受限於 感官及思考能力的侷限，以致於產生有別於 科學家的解釋與想法。例如：大部分的人都 有將浮體（如浮板）壓入水中，放手後又浮 出水面的經驗，而 S12 學生藉由「壓」的動 作及有「力」存在的感受，即以此聯想液體 中的物體所受的「壓力」作用。 S14 教學前概念圖：(如圖 2) S14 教學前個別晤談： T ：你認為造成電子移動的原因是什 麼？ S14：嗯…..電池兩端有電位差才可以 驅動電子。 S12 教學前概念圖：(如圖 3) T ：你覺得電子的移動與壓力高低有 沒有關係？若有，是什麼關係？ S12 教學前個別晤談： T ：如果我拿兩個同樣材質、厚度， 但一個面積較大，另一個面積較小 的浮板同時壓入到一樣深度的水中 S14：嗯….我是認為電池的負極是壓 力高，而正極壓力低，電子是因為壓 圖 3：S12 教學前概念圖

圖 4：S05 教學前概念圖

S16：我是覺得水的深度越深，壓力 越大，那高度越高，大氣壓力也是 越大。 ，你覺得哪一個所受水的壓力較大？ S12：應該是大的。 T ：為什麼？ （五）概念固執型： S12：因為平常我們壓大的浮板進入 水中感覺要很用力，那表示水的壓 力很大。 若在已有的概念架構中有部份非常穩固 不易動搖的另有架構，在未造成概念衝突之 下，以這些穩固不易動搖的另有架構去判斷 自然現象時，往往會間接造成錯誤的想法， 例如：S34 學生已有不符合科學概念的「液 體沸騰愈快，則其沸點愈高」的另有架構， 對於「山上大氣壓力較小，水會很快沸騰」 的現象，會間接地錯誤判斷「大氣壓力與沸 點」間之關係。 （三）事實脫節型： 學生對於未體驗過的情境欲提出解釋 時，會以已有的正確概念去過度解釋，而未 考慮其是否具有必然性。顯現出概念架構的 不夠完整與精緻，例如：S05 學生未有「氣 球放入水中因壓力大而破掉」的經驗，會以 已有的「液體壓力會隨深度變化」正確概念 去推論、猜測，並以直覺認為只要氣球放入 一定深度就會被足夠大的液體壓力壓破。 S34 教學前概念圖：(如圖 6) S34 教學前個別晤談： T ：你如何去判斷「壓力越小，沸 點會越高」？ S05 教學前概念圖：(如圖 4) S05 教學前個別晤談： S34：嗯……因為在山上水很快就沸 騰了，表示沸點就比較高，而山上 的壓力比較小，所以才這樣寫的。 T ：既然你沒有「將氣球放入水底 會破掉」的經驗，為何會有這種想 法？ （六）情境連結型： S05：我會這樣想是因為在水中越深 的地方，壓力會越大，所以覺得將 氣球放在水裡超過某個深度，氣球 就會因為壓力大而破掉。 在同一情境中常會有多種現象同時存 在。當我們對這些現象提出解釋時，會將這 些解釋所呈現的概念直接連結成必然性的關 係，卻不符合科學概念的連結，例如：S12 學生（參見圖 3）對於同一情境「外太空」 中，知道「沒有大氣壓力」及「物體會浮起 來」兩種現象，但將此兩種現象，理所當然 地聯想成必然會有因果關係的存在。 （四）概念類比型： 當學生在不足的知識背景之下遇到新情 境時，會搜尋已有的知識，找到具有類似特 徵的舊知識，以類比方式來解釋或推論所遭 遇的情境，例如：S16 學生對於看不見、不 易感受的大氣壓力，會以既有的「液體壓力 與深度」認知，類推其與高度的關係，兩者 有相類似的「壓力與距離」特徵，但卻類比 至不當的情境。 S12 教學前個別晤談： T ：你認為太空中的物體為什麼會 浮起來？ S16 教學前概念圖：(如圖 5) S12：因為外太空是無重力，而且也 是真空狀態，真空是沒有大氣，沒 有大氣就沒有大氣壓力，沒有大氣 壓力，物體就會浮起來了 S16 教學前個別晤談： T ：你可以說說看高山上的氣壓比 平地高的原因嗎？

圖 6：S34 教學前概念圖

（七）以偏概全型： 人們對於自然現象的解釋，常常會 透過個人信念的驅策，以自我中心為基 點，將部分科學概念侷限在自我的有限 概念中，因而缺乏完整性，例如：S21 學生會透過「空杯子（固體）放在桌上」、 「空杯中倒入水（液體）」等感官刺激， 再 決 定 壓 力 的 計 算 方 式 是 P=F/A 或 P=h*D，將壓力的基本定義 P=F/A 只限 定於固體壓力的描述，缺乏完整性。 S21 教學前概念圖：(如圖 7) S21 教學前個別晤談： T ：如果我拿一個空的杯子放在桌 上，你會如何求桌上所受的壓力大 小？ S21：因為杯子是固體的，把它放在 桌子上就可以用 P=F/A 求，然後 F 代入杯子的重量，A 代入杯子與桌 子接觸的面積。 T ：若我在杯子中倒入高度 10 ㎝的 水，而水的密度是 1g/cm3 ，你會如 何求得桌面上所受的壓力大小？ S21：我會用 P=h*D 來算，h 代入 10， D 代 1，所以 P 為 10。 T ：你能不能說明一下，用 P=h*D 的理由嗎？ S21：如果要以 P=F/A 來算，則必須 只將水放在桌子上，但水會灑在桌 子上，沒有固定面積，所以無法用 P=F/A 計算，只能用 P=h*D 求。 如表 4 所示，在概念構圖教學後， 學生並未出現「事實脫節」型、「概念類 比」型、「以偏概全」型三種另有架構類 型，顯示經過教學後此三種另有架構類 型經過概念構圖教學易於改善，以符合 科學社群的觀點。研究者也發現有些學 生所產生的另有架構類型（例如：概念 固執型），彼此之間是以一種互相聯結的 方式組成另有架構組織，且這些另有架 構的產生多是由於個體為證明先前所提 到的另有架構而衍生出來，此點與楊世 麒(2001)的發現是一致的。 本研究所發現的七種另有架構類型 中，「隱喻誤解」型、「感官經驗」型、「概 念類比」型、「概念固執」型及「以偏概 全」型等五種類型與文獻探討中多位學 者對另有架構來源的觀點有一致的看 法，而「事實脫節」型及「情境連結」 型並未有相同的看法，顯示研究不同的 概念、採用不同的教學法或以不同的研 究工具探究另有架構，所發現的另有架 構類型也會各有不同。

二、教學前後的觀念改變類型

Novak 指出概念圖的基本單位是由 兩個概念及標明其關係的連接詞的命題 所組成，故本研究針對學生概念圖的命 題，來分析其概念改變情形。本研究發 現學生概念改變主要有六種類型，如下 圖 8： （一）概念保留： 學生在教學前所持有的概念，經過 教學活動後，有些概念並未產生改變， 仍然繼續保留在概念架構中，依據其保 留的概念是否符合科學概念，研究者又 將之分為另有架構保留及科學概念保留 兩種。 （二）概念增加： 學生在教學活動後增加了新概念， 並同化到自己原有的架構中，呈現了概 念「量」的增加，研究者依據學生所繪 製的概念圖，將此類概念改變又分為： 同階層的概念增加、不同階層的概念增

概念改變類型

概念

保留

概念

增加

概念

取代

概念

共存

概念

重組

概念

捨棄

另

有

架

構

保

留

科

學

概

念

保

留

同

階

層

的

概

念

增

加

不

同

階

層

的

概

念

增

加

交

叉

聯

結

增

加

概

念

被

取

代

概

念

間

關

係

被

取

代

圖 9：S17 教學前的概念圖 圖 8：概念改變的類型

圖 10：S17 教學後的概念圖

加及交叉聯結增加三種。 （三）概念取代： 在教學後學生放棄原有的命題，取 而代之的是教學後所建構的命題。由於 影響命題的因素有概念及用來表示概念 間之關係，故研究者將此類概念改變又 細分為概念被取代及概念間關係被取代 兩種。 （四）概念共存： 學生在教學前存有的命題，經由教 學過程並未放棄，，甚至又再建構新的 命題，而這兩個新、舊命題卻又不相容。 學生在面對不同情境時，會先衡量此兩 個新、舊命題，選擇自認為適當的命題 來解釋。以 S17 為例： S17 教學前的個別晤談： T ：若我取兩個相同玻璃杯， 倒入相同容量的水，一個放在 較高的地方，另一個放在較低 的地方，你覺得哪一個玻璃杯 底面的水壓力比較大？ S17：放在較高的，因為較高的 水沖下來的衝力會比較大。 S17 教學後的個別晤談： T ：既然你認為「水的位置高， 衝力大，水壓就大」，那你所指 的「水壓大」，是指一杯水倒到 地上時，水給地面的壓力，還 是水還沒倒下來時杯內底部的 水壓力呢？ S17：兩個都是。 T ：如果兩個相同杯子中裝入 相 同 高 度 的 水 ， 一 個 位 置 較 高，一個位置較低，哪一個杯 底所受的水壓力較大？ S17：嗯………位置較高的。 T ：若這兩個相同杯子中裝入 同高度的水，且放在同一個位 置，哪一個杯底所受的水壓力 較大？ S17：水較深的。 S17 教學前的概念圖：(如圖 9) S17 教學後的概念圖：(如圖 10) （五）概念重組： 是指學生原有概念架構中的概念在 教學後有改變其階層或移動至其他分支 概念。由於未教學前的既有概念呈現不 足，透過教學活動學生會自覺到既有的 概念架構並非完整，因此會思考並調整 概念的位置及聯結。以 S02 為例： S02 教學前的概念圖：(如圖 11) S02 教學後的概念圖：(如圖 12) （六）概念捨棄： 在學生原有的概念架構中可能存在 著另有架構，當學生經過教學的過程逐 漸發現這些另有架構是不符合科學概念 的，因而選擇放棄，此即為「概念捨棄」。 當學生捨棄了另有架構，建立符合科學 的概念，有意義的學習就產生了。

三、概念構圖教學的成效

經平均值差異考驗比較（表 5）及 共變數分析（表 6），可知概念構圖組顯 著優於傳統教學組，這表示概念構圖教 學策略更能增進學生的有效學習（F 值 為 9.93，P＜.01，達到顯著差異）。 在表 7 中，概念構圖組的概念圖 前、後測之 t 值為 9.17，P 值 0.000＜0.05， 達顯著差異水準，由此可得知概念構圖 教學是具有教學效能的。

伍、結論與建議

一、結論

（一）學生在教學前「壓力」之另有架 構類型可分為七種： （一）隱喻誤解型；（二）感官經驗 型；（三）事實脫節型；（四）概念類比 型；（五）概念固執型；（六）情境連結 型；（七）以偏概全型。在教學後仍保留 四種：（一）隱喻誤解型（二）感官經驗 型（三）概念固執型（四）情境連結型。 （二）學生教學前後的概念改變可歸類 為六種類別： （一）概念保留（二）概念增加（三） 概念取代（四）概念共存（五）概念重 組（六）概念捨棄。 （三）在「自然科教學成效」方面： 概念構圖教學有助於學生壓力概念 的學習。

二、建議

（一）在教學上的建議 1.國中科學教師多運用概念構圖教學策 略 概念構圖教學具有教學成效。因此 建議國中科學教師多運用概念構圖教學 表 5：教學前、後自然科教學成效之成績比較 教學前月考成績 教學後教學成效 組別 平均數 標準差 平均數 標準差 概念構圖組 _{62.71 3.86} 54.08 _3.47 傳統教學組 _{64.25 3.46} 48.36 _3.05 表 6：教學前、後自然科教學成效之共變量分析表 變異來源 型 III 平方和 自由度 平均平方和 F 檢定 顯著性（P） 共變量（教學前月 考平均） 24526.51 1 24526.51 260.6529 .000* 組間（教學策略） 934.5034 1 934.5034 9.931335 0.002* 組內（誤差） 7057.234 75 94.09645 表 7：概念圖前、後測成績之差異考驗表 概念圖前測 概念圖後測 t 值 P 值 平均成績 17.31 31.17 標準差 10.50 12.72 -9.17 .000*

策略。至於訓練學生概念構圖技巧純 熟，可配合國小階段晨光時間或於準備 進入國中的暑期輔導時間，先對學生進 行概念構圖技巧的訓練，一方面準備時 間較充裕，二方面可以直接於正課時間 進行概念構圖教學，而不會因課程進 度，影響概念構圖的品質。 2.以學生為中心的教學 由研究中發現，學習前之學生所具 有的另有架構，往往會影響之後的學 習，其將是決定教學成敗的關鍵因素之 一，在本研究中事實脫節型、概念類比 型及以偏概全型，可透過概念構圖教學 改善。至於其他另有架構類型，應以何 種教學法才易於改善，本研究建議，無 論教學者採用何種教學策略，應先引出 學生的原有想法，做為單元教學的起 點，並能針對學生的另有架構類型，選 擇適當的教學策略，方能達到有意義的 學習。 （二）在研究上的建議 1.建立適用於台灣國中生的概念構圖評 分判準 綜觀概念圖相關文獻，概念圖的評 分多是根據 Novak & Gowin（1984）的評 分建議，然後再根據個別研究需求增訂 不同的評量項目，且是以國外學生為評 分對象，並未標準化，因此為了建立評 分的客觀性，常須尋求多位學者的協助 評量，造成教師在使用上的困擾與不 便，因此研究者建議要建立一個適用於 台灣國中生的標準化概念圖評分程序。

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Exploring Conceptual Change Using Concept Map as Strategy

to teach Physics

Shu-fei Lin1 Ming-Jun Su2 Chien-Ho Chou3

1

Kaohsiung Municipal Longhua Junior High School

2

Leisure Recreation & Tourism Department at Shu-te University

3

Department of physics at National Kaohsiung Normal University

Abstract

This research apply Concept Mapping Strategies and analyze secondary school students’ alternative frameworks and mechanism of conceptual change in learning pressure. The research method depends primarily on qualitative research as well as on quantitative research secondarily. The target subjects were from two classes of the second graders in one secondary school in Kaohsiung County. One class was the experimental group who received the teaching integrated with Concept Mapping Teaching Strategies, and the other one was the control group who carry on teaching by the way of tradition.

The research tools used by this study include, “Concept map”, and “Achievement in Natural Science Test”, additionally with the assistance of the individual interview for understanding student’s experiences and thoughts, to research students’ type of alternative frameworks, the students’ type of conceptual change and achievement of conceptual mapping. The result of the research were summarized as follows:

The alternative frameworks of students’ learning ‘pressure’ unit was categorized into seven types: A. metaphorical misconstruction, B. sensory experience, C. truth disconnected, D. conceptual analogy, E. conceptual obstinate, F. scenario connect, G. imperfect concept. 2. The alternative frameworks of students’ learning ‘pressure’ unit was categorized into four types: A. metaphorical misconstruction, B. sensory experience, C. conceptual obstinate, D. scenario connect. 3. The Conceptual Change Mechanism of students’ learning ‘pressure’ unit was categorized into six types: A. Concept Retain, B. Concept Increase, C. Concept Substitution, D. Concept Coexistence, E. Concept Reconstruction, F.Concept Abandon. 4. The influence of the learning performance for the different teaching methods: The result shows the experiment group is more progressive than the control group which using the traditional or direct teaching method.