國 立 交 通 大 學 教 育 研 究 所
碩 士 論 文
探討多重表徵之呈現方式對高中學生「熱膨脹」概念
改變的認知歷程與腦波變化的影響
Explore the Impact of Multiple Representations of Thermal Expansion
Conceptions on High School Students' Conceptual Change Process
and Brain Process
研 究 生：黃莉郁
指導教授：佘曉清 教授
探討多重表徵之呈現方式對高中學生「熱膨脹」概念改變
的認知歷程與腦波變化的影響
Explore the Impact of Multiple Representations of Thermal Expansion
Conceptions on High School Students' Conceptual Change Process and
Brain Process
研 究 生：黃莉郁 Student: Li-Yu Huang
指導教授：佘曉清 教授 Advisor: Hsiao-Ching She, Ph.D.
國 立 交 通 大 學
教 育 研 究 所
碩 士 論 文
A Thesis
Submitted to Institute of Education College of Humanities and Social Science
National Chiao Tung University For the Degree of
Master in Education
Jan, 2009
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
探討多重表徵之呈現方式對高中學生「熱膨脹」概念改變
的認知歷程與腦波變化的影響
學生：黃莉郁 指導教授：佘曉清教授國立交通大學人文社會學院教育研究所碩士班
摘 要
本研究應用雙重情境學習模式 (She, 2002, 2003, 2004a, 2004b, 2005)之概念改變理 論，針對學生「熱膨脹」的另有概念設計4組雙重情境學習事件，再根據多媒體學習認 知理論 (Mayer, 2003)，分別以靜態圖文整合及動態影片呈現方式，進行不同表徵之概念 改變學習設計，以探討學生在不同的多重表徵呈現時概念改變的認知歷程與腦波變化。 研究對象為新竹市三所高中的高一學生20人，依研究設計分為靜態圖文與動態影片 兩組，每組各10人，靜態圖文組以文字與圖片進行學習，而動態影片組則以影片與聲音 進行學習，並在不同表徵學習前及學習後，以事件晤談法請學生進行預測與解釋，以明 瞭學生概念改變情形，全程並蒐集腦波相關資料，希望一方面能促進學生概念改變，一 方面能瞭解學生在科學概念改變歷程中大腦的運作模式，因此針對學生事件晤談結果、 腦波資料（包括：大腦各頻率腦波功率、同調性、拓樸圖）進行分析，以期能進一步瞭 解學生在建構科學概念及概念改變歷程中如何進行訊息處理。 結果顯示針對「熱膨脹」概念所設計之雙重情境學習事件，在兩種不同的表徵呈現 下，均可有效促使學生概念改變成功；且透過概念改變歷程中大腦各部位θ ( 4~7.9 Hz）、 α1 (7.9~10 Hz)、α2 (10.1~12.9 Hz)、β1 (13~17.9 Hz)、β2 (18~24.9 Hz)、γ (25~35 Hz)等不 同頻率之腦波功率、同調性與拓樸圖之分析，可獲得學生在概念改變歷程中大腦的認知 處理相關訊息；而結果也顯示當學生嘗詴提出新的論點、認知產生不和諧及概念改變不 成功時，大腦活動更形活躍；但所呈現之靜態圖片加文字與動態影片加聲音兩種不同表 徵形式，在概念改變歷程腦波資料上則無顯著差異。 關鍵字：多重表徵、雙重情境學習模式、同調性、拓樸圖Explore the Impact of Multiple Representations of Thermal Expansion
Conceptions on High School Students' Conceptual Change Process
and Brain Process
Students: Lu-Yu Huang Advisor: Hsiao-Ching She National Chiao Tung University, School of Art and Society, Institute of Education
ABSTRACT
This study employed the Dual Situated Learning Model (DSLM) (She, 2002, 2003, 2004a, 2004b, 2005) to design four dual situated learning events for facilitating students’ conceptual change involving thermal expansion. One of the purposes of this study is to investigate whether the multiple representations (static picture-text vs. video-narration) would have any impact on students’ conceptual change. In addition, to explore the brain
process while students involve in the process of conceptual change. There are twenty 10th
grade students from three high schools in Hsinchu City involved in the study. They were randomly assigned to static text with picture representation and video with narration representation two groups, respectively. All of the students were interviewed during the process of conceptual change while their EEG recorded. The EEG was used to measure students’ brain process during the scientific conceptual change process.
Results indicated that DSLM indeed facilitated students’ conceptual change of thermal expansion across four dual situated learning events and one challenging event, regardless any types of multiple representations. The greater brain activities emerge at the stage of reconstructing a more scientific view of the concept than to the stages of making predictions or presenting mental sets. Moreover, it also shows that students, who are undergoing dissonance with their pre-existing knowledge or not able to change their concepts, have greater brain activities. Again, students’ brain activities would not vary during the process of conceptual changes, regardless of any types of multiple
representations were given.
誌 謝
帶著滿心的感動與感恩，我畢業了！最感謝的人莫過於指導教授 佘曉清教授，在 崎嶇難行的研究之路，總是適時地扮演著引路的明燈，在研究的態度與論文的方向上， 給予最多最好的示範、指導與鼓舞，這份親炙之情，令人受益匪淺而終生難忘。也十分 感謝口詴委員周進洋教授及田意民教授對本論文細心的審閱與指正，並在論文口詴時提 供精闢的見解與諄諄的鼓勵。 回首來時路，赫然發現自己似乎常未能在對的時間做對的事，讀書也是如此，大三 曾寫下「實驗室初探」記錄自己對第一份研究工作的心情，以為自己會一路深造、投身 研究，卻一晃十數年，才完成這本小小碩論。不過，我寧願相信在每個人不同的人生劇 本中，上天只不過是為我添加了多一些的創意，讓我能夠有一些更特別的演出。回想入 學口詴時才驚覺自己是多麼的非主流，卻仍執著的想證明「教育可以創造無限可能」， 也許我不是預期中的研究生模爯，也許沒有人明白我為何來走這一遭，但走過這二年半 ，我的收穫是滿溢的，畢竟在學術的殿堂下，研究的壓力中，心靈與視野都獲得了快速 的成長與進步。 這本論文的誕生，特別還要感謝從這個研究一開始就一同努力的文己，很懷念那些 共同解決問題的日子，更衷心感謝你一路走來的鼎力相助。感謝交大腦科學研究中心的 尚文，為我們解決了 Matlab 與 EEGlab 所有的指令問題。感謝教育所的所有師長、助 理、學長姐、同學與學弟妹們，總不吝惜提供許多專業的知識與溫暖的後援。感謝思瑋 、佩樺、秉叡、明樺、佩蓉、力升、筱嵐、米珊、晏如、汝紋在資料分析上的大力協助 。感謝九五級一同走過的同學們，文己、淑娟、珮菁、千祈、孟玲，不能忘懷那些互相 加油打氣的日子。感謝若筑、黎珊協助徵求受詴者，更感謝耗時費力參與實驗的所有受 詴者們。 感謝始終如一給予無限支持的創業伙伴淑秀，鼓勵我重新投入這條研究之路，容忍 我在論文寫作期間把工作當成了副業，提供生活上與精神上最大的支柱。感謝永遠的支 持者，我最親愛的家人，爮爮、媽媽、啟真、麗芳、啟桓、雪香、若筑、若翔、宸璘。 願所有人能一同分享我的喜悅與榮耀，有了你們，這一切才顯得更有意義。 黃莉郁 謹誌 民國98年1月目 錄
中文摘要 ... I 英文摘要 ... II 誌 謝 ... III 表 目 錄 ... VI 圖 目 錄 ... VII 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究背景與動機 ... 1 第二節 研究目的 ... 2 第三節 研究問題 ... 3 第四節 名詞釋義 ... 4 第五節 研究範圍與限制 ... 7 第二章 文獻探討 ... 8 第一節 多重表徵與科學學習 ... 8 第二節 工作記憶與認知負荷理論 ... 16 第三節 腦波與科學學習 ... 19 第四節 概念改變相關理論 ... 23 第三章 研究方法 ... 30 第一節 研究對象 ... 30 第二節 研究設計 ... 30 第三節 研究流程 ... 32 第四節 概念改變學習內容設計 ... 33 第五節 研究工具 ... 35 第六節 資料蒐集與分析 ... 40第四章 研究結果與討論 ... 41 第一節 雙重情境學習事件晤談結果之概念分析 ... 41 第二節 不同表徵呈現學習事件下三個不同學習階段之概念改變歷程腦波資料分 析 ... 50 第三節 認知衝突與概念改變成功與否在不同學習階段之概念改變歷程腦波資料 分析 ... 67 一、認知衝突與否在不同學習階段之概念改變歷程腦波資料分析 ... 68 二、概念改變成功與否在不同學習階段之概念改變歷程腦波資料分析 ... 72 三、認知衝突/概念改變成功與否在不同學習階段之同調性 (coherence)分析 ... 77 四、認知衝突/概念改變成功與否在不同學習階段之拓樸圖 (topography)分析 ... 97 第五章 結論與建議 ... 112 第一節 結論 ... 112 第二節 建議 ... 120 參考文獻 ... 123 附錄一：「熱膨脹概念」學習事件 ... 133
表 目 錄
表1 熱膨脹概念改變學習內容設計 ... 35 表2 預測階段概念及其與學習事件之呈現是否產生衝突之認知歷程分析表 ... 46 表3 解釋階段概念及概念改變成功與否之認知歷程分析表 ... 47 表4 認知衝突/概念改變成功與否與不同表徵之交叉比較結果 ... 49 表5 不同表徵呈現學習事件下三個不同學習階段之重複量數分析結果 ... 51 表6 實驗一θ之單純主要效果摘要表 ... 53 表7 圖文與影片表徵呈現下三個學習階段之重複量數分析結果 ... 56 表8 不同學習階段下圖文與影片表徵呈現之單因子多變量分析結果 ... 60 表9 不同學習階段腦波之重複量數分析結果 ... 65 表10 產生認知衝突與否在不同學習階段之單因子多變量分析結果 ... 69 表11 概念改變成功與否在不同學習階段之單因子多變量分析結果 ... 73 表12 認知衝突與否在實驗一不同學習階段之同調性之T檢定結果 ... 79 表13 認知衝突與否在實驗二不同學習階段之同調性之T檢定結果 ... 82 表14 認知衝突與否在實驗三不同學習階段之同調性之T檢定結果 ... 85 表15 概念改變成功與否在實驗一不同學習階段之同調性之T檢定結果 ... 89 表16 概念改變成功與否在實驗二不同學習階段之同調性之T檢定結果 ... 92 表17 概念改變成功與否在實驗三不同學習階段之同調性之T檢定結果 ... 95 表18 實驗一各頻率腦波之拓樸圖 ... 98 表19 實驗二各頻率腦波之拓樸圖 ... 102 表20 實驗三各頻率腦波之拓樸圖 ... 106圖 目 錄
圖1 多重表徵的功能性分類 (Ainsworth, 1999) ... 9
圖2 文本與圖形理解之整合模型 (Schnotz & Bannert, 2003) ... 12
圖3 多媒體學習的認知理論 (Mayer, 2003) ... 14 圖4 雙碼理論之多媒體學習示意圖 (Mayer和 Sims, 1994) ... 15 圖5 工作記憶模型 (Baddeley, 2000) ... 17 圖6 國際10-20制電極位置標定 ... 20 圖7 雙重情境學習模式 (She, 2004) ... 27 圖8 雙重情境學習模式的運作機制 (She, 2004)... 27 圖9 研究設計架構圖 ... 31 圖10 研究架構圖 ... 31 圖11 研究流程圖 ... 33 圖12 學習事件一情境說明一 ... 37 圖13 學習事件一情境說明二 ... 37 圖14 學習事件一圖文投影片一 ... 38 圖15 學習事件一圖文投影片二 ... 38 圖16 學習事件一圖文投影片三 ... 38 圖17 學習事件一圖文投影片四 ... 38 圖18 學習事件一圖文投影片五 ... 38 圖19 學習事件一圖文投影片六 ... 38 圖20 Neuron-Spectrum-5 腦波儀 ... 39
探討多重表徵之呈現方式對高中學生「熱膨脹」概念改變
的認知歷程與腦波變化的影響
第一章 緒論
本章共分為五節，分別就研究背景及動機、研究目的、研究問題、重要名詞釋義和 研究範圍與限制等方向加以闡述。第一節 研究背景與動機
近年來，網路學習與多媒體教學愈來愈蓬勃發展，資訊融入教學相關的研究也愈來 愈多，但另一方面，教科書或文本仍是教師傳道授業、學子求取知識的最主要管道，而 過去的研究，在探討靜態圖文與動態多媒體教學呈現之間，究竟是何者較有利於學生對 訊息之處理或科學概念之學習，一直眾說紛紜，歧異性很大 (Grimley, 2007; Lewalter, 2003; Lowe, 2003; Mayer, 1997, , 2003; Park & Gittelman, 1995; Park & Hopkins, 1992; Schnotz & Bannert, 2003; Schnotz & Lowe, 2003; Seufert, 2003; Stern, Aprea, & Ebner, 2003)。然而很多科學概念是抽象、微觀和需要循序漸進的建立心智架構的，因此教學 表徵將不可避免的影響學習者概念的理解和心智模式的建構，也就是說，教師在選擇及 使用教學表徵時，更應該思考如何藉由教學表徵將學科概念進行適切地表達，並對於每 一種教學表徵的特性進一步了解。且以建構主義觀點來看，學生對科學學習本就具有不 同的認識觀及學習風格，單一表徵之教學勢必不能適合全部的學生，加上學生都帶著先 備知識進入教室，每個人的學習起始點亦有所不同，是以提供表徵多樣化教學，當可刺 激多數學生的學習動機，促進科學知識之建構。 不過，儘管許多文獻支持多重表徵 (multiple representation) 有利於學習者的科學學 習 (Chang ＆ Chiu, 2004; Keller, 1998; Prain & Waldrip, 2006; Treagust, Chittleborough,& Mamiala, 2002; Tsui & Treagust, 2003, 2004; Wallace, 2004），但究竟為何或如何有利 於學習卻沒有太多答案，原因之一是我們並不瞭解人類如何整合多重表徵，也無法直接 觀察人類思考之認知歷程。在認知神經科學與認知心理學領域有愈來愈多的研究以腦波 儀來更深入探究人的訊息處理與認知歷程，但在科學教育上之應用則尚不多見，尤其藉 由腦波探討學習者在科學學習中概念改變歷程之研究更是付之闕如，因此期盼能透過本 研究對於學生的科學學習與概念改變，提供另一不同角度之思考。
第二節 研究目的
學習者透過靜態的圖文或動態的影片將外在的知識表徵轉換為內在心智模式的過 程中，所歷經的認知歷程是否相同？學習成效是否相同？於是有學者開始利用腦電圖 (EEG) 研究學習者面對多媒體與文本等不同學習表徵時的不同認知歷程，結果顯示腦波 的相關測量確實可提供有關學習者在科學學習歷程中大腦運作的資訊 (Gerě & Jaušcvec, 1999)，甚至在科學學習上，也可佐證學習者是否歷經深層思考。 另外，學生在進入科學教室所帶著的先備知識是先前經過固化的長期記憶，也是使 現階段學習有意義的工具，但當此先備概念為另有概念時，此概念卻又必須被改變，此 一矛盾的情況，勢必使得概念改變更加困難，尤其另有概念常是合乎自己的一套邏輯， 且能應用於日常生活層面，一旦必須改變自己既有的已固化記憶，則一方面需打破原有 連結，一方面又需產生新的連結，必然需要耗費更多認知資源，因此也就不難理解學生 的概念為何難以改變，而如何協助學生之概念改變，也就一直是研究者關注的焦點。She (2003) 的研究發現，絕大部分的學生認為「在水槽內點燃蠟燭，倒蓋廣口瓶待蠟燭熄滅 後，瓶內的水位會上升」的原因，是與消耗氧氣有關（另有概念），而並非由於熱膨脹 （科學概念）。因此本研究針對學生關於「熱膨脹」的另有概念，應用She (2002, 2003, 2004a, 2004b, 2005) 所提出之雙重情境學習模式 (Dual Situated Learning Model, DSLM) ，以科學教科書使用頻率最高的圖文並呈之表徵形式，及多媒體教學上常用之影片呈現 方式，進行不同表徵之學習設計，希望一方面能促進學生概念改變，一方面藉由腦波類型瞭解學生大腦運作之認知歷程，以期能提供更直接的資料，進一步瞭解學生在建構科 學概念及概念改變歷程中如何進行訊息處理。 研究目的如下： 1. 依據She (2002, 2003, 2004a, 2004b, 2005) 所提出學生之「熱膨脹」另有概念及雙重情 境學習模式理論，進行多重表徵之概念改變內容設計，瞭解靜態圖文與動態影片在學 生概念改變過程中所扮演的角色。 2. 探討高一學生在多重表徵（靜態圖文、動態影片）學習時腦波變化的情形，以瞭解學 生在不同表徵學習過程中大腦各頻率腦波功率 (spectral power)強度，及不同表徵學習 之間各頻率腦波功率強度的差異。 3. 探討高一學生在多重表徵（靜態圖文、動態影片）學習時，其大腦各頻率腦波功率強 度、同調性 (coherence)及拓樸圖 (topography)與概念改變成功與否之間是否有關聯， 及以腦波資料是否可提供科學概念改變歷程中大腦運作模式之相關訊息。
第三節 研究問題
本研究以DSLM理論為基礎設計不同呈現方式的多重表徵（靜態圖文、動態影片） 之學習事件，運用腦波儀蒐集腦波活動資料，探討高一學生在多重表徵學習過程中的腦 波類型與強度，並進一步探究腦波類型與強度與概念改變成功與否之關聯性，因此根據 研究的動機與研究目的，本研究之待答問題為： 1. 不同呈現方式的多重表徵（靜態圖文、動態影片）學習設計對促進高一學生概念改 變上是否有差異？ 1.1. 靜態圖文表徵學習之設計對高一學生概念改變之成效為何？ 1.2. 動態影片表徵學習之設計對高一學生概念改變之成效為何？ 2. 高一學生在不同表徵（靜態圖文、動態影片）學習過程中所呈現之腦波類型與強度是否有差異？ 2.1. 高一學生在靜態圖文表徵之學習過程中所呈現之腦波類型與強度為何？ 2.2. 高一學生在動態影片表徵之學習過程中所呈現之腦波類型與強度為何？ 3. 高一學生在不同呈現方式的多重表徵（靜態圖文、動態影片）學習時，其大腦各頻 率腦波功率強度、同調性及拓樸圖與概念改變成功與否是否有關聯？ 3.1. 高一學生在靜態圖文表徵之學習過程中所呈現之大腦各頻率腦波功率強度、同 調性及拓樸圖與概念改變成功與否是否有關聯？ 3.2. 高一學生在動態影片表徵之學習過程中所呈現之大腦各頻率腦波功率強度、同 調性及拓樸圖與概念改變成功與否是否有關聯？
第四節 名詞釋義
一、多重表徵 ( multiple representation)表徵可包含各種圖片 (pictures)、模型 (models)、句子 (sentences)、及心智狀態 (mental states) 等，雖然這些事物各有其表徵能力並以不同方式被使用，但它們的 共同特性是它們所要呈現的並不是自身，而是它們所能喚起其他事物的表徵能力 (Perner, 1991)。而以二種以上的表徵呈現所要描繪之事物或知識，即為多重表徵， 多重表徵通常同時提供可由不同感覺通道收錄之訊息，期望學習者連結不同表徵而 能成功的獲得知識。(Seufert, 2003) 二、另有概念 (alternative concept) 或稱「另有架構」，為Driver和Easley (1978) 所提出，用以區分之前研究所提出的 「迷思概念」(misconception) 與「先前概念」 (preconception)，認為學習者的另有 概念並非指稱錯誤理解的來源，而是學習者為了概念化自己在外在世界的經驗，所 發展出自動化的架構，因此另有概念常是合乎學習者自己的一套邏輯，且能應用於
日常生活層面，此一情況也使得另有概念往往根深蒂固而難以改變。
三、概念改變 (conceptual change)
以建構主義觀點看概念改變的本質，學習者必須確認自己的原有概念、評估這些概 念、決定是否重新建構概念，假使學習者決定重新建構概念，則必須重新檢視與重 新架構其他有關理解這個概念的觀點，以達概念的一致性 (Mintzes, Wandersee, & Novak, 1998)。
四、雙重情境學習模式 (Dual Situated Learning Model, DSLM)
結合科教與認知相關理論所發展出的概念改變教學模式，教師根據學生所缺少的心 智架構設計一系列由淺而深、緊密相關的情境學習事件，且每一學習事件架構在前 一學習事件之上，藉以輔助學生的概念改變，DSLM的教學內容及施行包含以下六 個階段，階段一：分析科學概念屬性。階段二：找出屬於此科學概念常見的另有概 念。階段三：分析學生對於建構新的科學概念所缺少的心智架構。階段四：設計雙 重情境學習事件。階段五：進行雙重情境學習模式的教學。階段六：挑戰情境學習 事件 (She, 2002, 2003, 2004a, 2004b, 2005)。 五、腦波 (brain wave) 不同的大腦區域在進行不同認知活動時所產生的電位變化，在頭皮上的強度及分布 情形會有所不同，而可據以推論進行此認知作業時所涉及的認知歷程，此電位變化 就是腦波 (Andreassi, 2000)。 六、腦電圖 (electroencephalograms, EEGs) 大腦皮質內神經細胞藉由改變細胞膜對帶電離子穿透性的方式傳遞訊號，這個過程 會沿著細胞膜產生電流，當一大群神經細胞同時活動時，伴隨電流所產生的電場變 化，即可以在頭皮上加以量測，得到腦波的電訊號，再利用腦波儀將頭皮電極記錄
下來電訊號加以放大後，以波型顯示腦細胞活動的記錄圖，便是腦電圖，可用來評 估大腦細胞活動的狀況，提供我們探索大腦功能的許多資訊 (Andreassi, 2000)。
七、同調性 (coherence)
標準化的交叉相關 (cross-correlation) 分析，可提供大腦不同區域之間合作的訊息 ，同調性藉由某些方式所呈現的電位關係，來反映各腦區間功能上的關聯性 (Jaušcvec & Jaušcvec, 2000)。
八、拓樸圖 (topography)
拓樸圖可針對指定頻率腦波的振幅或功率繪圖，以呈現神經元活動分佈的區域性， 通常用來研究神經元活動之空間分佈模式，對瞭解大腦如何同時整合分散與歧異的 活動而成一致的模式十分重要(Quyen, Martinerie, Adam, & Varela, 1999)。
九、工作記憶 (working memory)
Baddeley 和 Hitch 於1974年提出多元件工作記憶 (multicomponent working
memory) 概念，強調工作記憶系統中各個元件功能的重要性，認為我們的工作記憶 能力是有限的，能夠暫時儲存及操弄感官系統所收錄的訊息，以理解、學習及推理 複雜的認知任務，並將此認知的運作系統分成中央執行系統 (central executive)、視 覺空間模爯 (visuospatial sketchpad) 和語音迴路 (phonological loop)，並在2000年增 加事件緩衝器 (episodic buffer) (Baddeley, 2000, 2001, 2003)。
十、認知負荷理論 (cognitive load theory)
Sweller (1988) 提出認知負荷理論，將認知負荷理論引進教學設計中，認為認知負 荷與短期記憶和工作記憶所能負荷的記憶單位數目有關，如果學習內容遠超過學習 者的工作記憶，那麼學習者的理解力和學習能力將會下降，亦即認知負荷理論對人 類認知架構的基本假定，是根據 Baddeley的工作記憶理論，強調人類工作記憶容量
是很有限的。Paas & Van Merriënboer (1994) 也定義「認知負荷」是將一特定工作 加諸於學習者認知系統時所產生的負荷，也就是工作記憶的負荷。
第五節 研究範圍與限制
本研究的受詴者來自新竹地區三所高中的高一學生20人，不具有全國高中學生的代 表性，因此研究結果的推論有其限制性，不宜做廣泛或大樣本的推論，且概念改變內容 設計僅針對「熱膨脹」概念，研究結果若要推論到其他概念時，尚需謹慎衡量。第二章 文獻探討
第一節 多重表徵與科學學習
一、多重表徵
Yore 和 Treagust 在第一屆「Island Conference」中提出在科學學習及科學素養上， 師資培育和教師專業訓練都需更著重語言，教師必須將語言視為建構知識的認知工具， 協助學生轉移經驗到交談再到文本，藉以達到較深層的理解，並提升科學素養（Yore & Treagust, 2006），而表徵即為這些科學語言之具體呈現，利用不同的形式或模式（如文 字、數學、視覺、及動手操作等）呈現之不同表徵類型（如模式，類比，方程式，圖， 圖解、圖像及模擬等）都可以用來提升概念的理解並且促進溝通，達成科學概念建構之 目的。
在1960年代晚期和1970年代早期，Allan Paivio 即主張雙重編碼理論（dual-coding theory），認為我們以圖像的編碼和語言的編碼表徵訊息，再把此兩種訊息組織成能夠 予以操弄、儲存，甚至往後再提取做後續使用的知識 (Sternberg, 2003)。Paivio (1986) 後 續的研究也指出人類擁有兩套互動但又獨立處理不同類別資訊的系統，一是專門處理語 文方面的語文系統 (verbal system)，另一是專門處理視覺資訊的圖像系統 (visual system)，若兩者併同運用可以增進學習，他的研究也證明當學習者回想時，對文字加圖 片的回想能力優於只有文字的回想。Roberts (2002) 也提出人類的大腦是多工的機制， 並不適合直線性、固定步驟的學習，反而更需要豐富的、複雜的以及多感官的學習環境， 且學習風格理論 (modality theory of learning styles) 認為不同學習者偏好不同的知覺通 道 (Barbe & Milone, 1980)，多元智慧理論 (multiple intelligence theory) 認為不同的學習 者擁有不同的智慧 (Gardner & Hatch, 1989)，均主張學習者各有不同的擅長學習方式， 因此教師教學應該針對學生學習方式的不同優勢來加以處理。換言之，教師在實際教學 當中應該呈現多種教學表徵形式來讓學生進行多感官學習，也就是說，運用此多重表徵
( multiple representation) 可以避免單一表徵所造成的僵化知識和錯誤概念，並激發認知 的變通性而促進遷移和類化。 Ainsworth (1999) 則認為使用不只一種表徵較可能抓住學習者的興趣，且在促進有 效學習扮演重要角色，他提出了多重表徵的功能性分類（圖2-1-1），圖的左邊說明表徵 的使用包含補充訊息或支援補充訊息的認知過程。這個功能在不同表徵（如表格或圖形） 提供相同的訊息時，對一些學習者而言，其中一種模式的表徵可能比另一種更容易被吸 收。Ainsworth 認為學習者被給予使用多重外在表徵機會時，他們可以補償某個策略轉 移到另一策略之不足，這暗示科學教師應該呈現給學生不同表徵來表達同樣的訊息，因 為每一表徵都提供同一狀況顯著不同的觀點，很少有單一表徵對每個任務都是有效的。 圖的中間部分說明多重表徵如何使用一種表徵來限制第二種表徵的解釋，以幫助學習者 發展更好的概念理解，此功能可透過兩種方式達成：一是使用一個熟悉的表徵來支持他 們所較不熟悉或較抽象的表徵，二是利用一種表徵固有的特性來限制第二種表徵的解 釋。圖的右邊則與多重表徵引導更深的概念理解有關，可以包括促進抽象理解、鼓勵普 遍化，並且教導表徵之間的關係，藉以延伸相關領域知識。 圖2-1-1 多重表徵的功能性分類 (Ainsworth, 1999) 有些實徵的研究也發現學生對各種表徵的偏好不同，連結與轉換表徵能力也會有 Functions of MER Complementary Roles Complementary
Processes Complementary Information
Constrain Interpretation Constrain by Familiarity Constrain by Inherent Properties Construct Deeper Understanding
Abstraction Extension Relations
Reification Re-ontologisation Subtraction Strategy Individual Differences Task Shared Information Different Information
所不同（Keller, 1998; Wallace, 2004），另外一些研究則證實多重表徵之呈現確實有助 於學生之概念建構與概念改變 (Tsui & Treagust, 2003; 2004；Prain & Waldrip, 2006）； 也有不同觀點的研究提出了幾種妨礙學生對表徵理解的可能性，以認知學習觀點來 看，學生是否能夠成功的理解或解釋相關的表徵，可能在於其個別的差異如邏輯思考 能力或先備知識，以社會實用觀點來看，學生在科學學習上缺乏參與產生、建構、解 釋和呈現表徵的經驗，亦可能造成學生不易透過表徵學習，而並不是由於個人能力不 足或認知缺乏，除此之外，表徵的瑕疵也導致了科學學習的困難，如中學和大學教科 書的表徵經常是模糊的，並缺乏視覺上的支援 (Copolo & Hounshell, 1995; Gilbert, 1999; Klein, 2003)。 因此，教師在選擇及使用教學表徵時，首先必須先對每一種教學表徵的特性充分 瞭解，並著力於思考如何應用各種教學表徵以將學科概念做最適切地表達。且以建構 主義觀點，學生對於不同表徵勢必有不同的偏好與選擇，再加上學生帶著不同的先備 知識進入教室，每個人的學習起始點亦有所不同，是以唯有提供多樣化的教學表徵， 才能夠刺激多數學生的學習動機，進而促進科學知識之建構。
二、多重表徵在科學學習上的應用
（一）圖文整合教學相關研究 有關應用多重表徵於科學學習的早期研究大抵為探討圖片或圖文整合對學生學 習 的 功 效 ， Levin 等 人 (1987) 指 出 圖 形 在 學 習 上 有 表 徵 (representation) 、 組 織 (organization)、解釋 (interpretation)、轉化 (transformation)、裝飾 (decoration) 等五個 主要的功能，前四種功能的圖形, 對於課文的記憶與理解有不同程度的正面效果，但 裝飾類的圖形則不僅沒有正面效果, 甚至有些有負面的影響 (Levin, Anglin, & Carney, 1987)。Carney 和 Levin（2002）在文獻回顧及後設分析中，再次確認除了裝飾外，不 論是以文本或多媒體方式所呈現的圖像，若與文字並列，均能藉由表徵、組織、解釋、 轉化等認知功能而達到促進學習之功效。Pozzer 和 Roth (2003) 也在研究高中生物教 科書圖片之盛行、功能與結構中，以圖片與文字關連性將教科書中的圖片分成四類：裝飾(decoration)、說明（illustrative）、解釋（explanatory）、補充（complementary）， 會引起學生不同程度的注意力，並在非正式研究中發現儘管教科書上的圖片十分豐 富，各階段學生均很少主動注意圖片，而提出學校科學教育仍視文字為主要的科學知 識傳遞工具，應更重視學生如何能由教科書上的圖片進行學習。 而後有許多研究均提出圖文整合對學生學習的助益，如：Mayer 和 Gallini (1990) 研究科學教科書，發現將圖片與文字同時整合在同一頁有較佳的學習效果、圖文同時 呈現對低先備知識學生的輔助效果較好，且同時標示部位與步驟的圖片，對概念性知 識回憶和解題能力效果最好，對於逐字背誦的學習則並無顯著差異；Anglin & Stevens (1987) 比較圖文並呈以及只有呈現文章的學習效果，也發現閱讀圖文並呈的學習效果 顯著優於純文字的呈現；Butcher (2006) 以純文字、簡單或詳細構造圖解配合文字三 種不同表徵研究大學生心臟及循環系統之學習，發現兩種圖解均較能支持心智模型之 發展，但簡單圖解較有助於科學事實的學習，且生手可以利用兩種圖解產生推論，降 低理解過程的錯誤，因此認為視覺表徵在設計支持深層理解的認知過程中不可或缺； 許良榮和邱月玲（2003）在探討不同的圖文配置方式對於國小學生閱讀學習的影響中 發現，四種不同的圖文配置文章在月相概念測驗之閱讀學習成就有顯著差異，其中「對 照式圖文」顯著優於「純文字」與「圖文不相關」文章，而「整合式圖文」顯著優於 「純文字」文章，至於「對照式圖文」、「整合式圖文」之間則沒有顯著差異。 Hegarty 和 Just (1989) 也提出圖片具有可以描繪事物在視覺上與空間上的性質、 可以幫助文章訊息的連結、能提供文章所缺少的訊息，或使文章的訊息更精緻化的特 性，因此可以幫助學生形成文章訊息的表徵；視覺性的呈現確實是任何學習階段之科 學性文章的重要部分，並且在科學概念的傳遞扮演著非常重要的角色 (Ametller & Pintó, 2002)。 也有許多研究者從認知科學角度切入，關注學生進行多重表徵學習時注意力的分 配，Slykhuis 等人 (2005) 以 Pozzer 和 Roth 分類中極端的裝飾及補充兩類圖片，結果 發現補充類的圖片確實引起了學生更多的注意，且眼動儀資料提供了令人信服的資 料，提供了學生在多重表徵的教學素材中如何分配注意力的資料。Hannus 和 Hyönä 以不同智力的小學四年級學生為對象，以眼動追蹤來探討高低能力者對文章和圖片的
注意力分配和訊息擷取策略有無不同。結果發現兩類讀者對圖片的閱讀時間沒有差 異，但高能力者對文章和圖片中較重要的訊息的注意時間，以及在圖文間相互參照的 次數，都要明顯地多於低能力者 (Hannus & Hyönä, 1999)。由此可見，高能力者確實 較低能力者更能掌握圖文中的重點，也更知道如何分配自己的注意力在適當的內容上。
但 Schnotz & Bannert (2003)提出文本與圖形理解之整合模型 (圖 2-1-2)，認為並非 所有圖形均能促進學生之概念理解，文字理解與圖形理解是人類認知系統的目標導向 過程，個體主動選擇與處理文字和圖形訊息來建構心智表徵以符合當前的需要。根據 雙重編碼理論，文字結合圖形能獲得較精緻化的認知結構，而必有助於記憶所學到的 資訊及在知識的獲得上有較好的表現，但當評估不同種類圖形時，並未提供何者將更 有助於學習，Schnotz 和 Bannert 的研究發現圖形只有在學習者擁有低先備知識且進行 適當任務下，顯現目標知識才能有助於學習，否則圖形反而會干擾學習。
圖2-1-2 文本與圖形理解之整合模型 (Schnotz & Bannert, 2003)
S ub -s ema n ti c P ro ces si n g p erc ep ti o n th ema ti c se lec ti o n sem an ti c p ro ce ss in g an al y si s o f sy m b o l-st ru ct u re s an al o g s tr u ct u re -ma p p in g verbal organisation visual organisation text propositional representation conceptual organisation model construction model inspection picture/ diagram visual perception/ visual image text surface representation mental model
（二）多媒體教學相關研究
而後隨著資訊科技融入教學愈發蓬勃，開始有許多研究針對靜態圖片與動態畫面呈 現的不同學習效果，而研究結果相當分歧。Mayer (2003) 曾定義多媒體教學訊息 (multimedia instructional message) 為結合文字與圖片所設計來促進有意義學習的教學表 徵，並進一步解釋文字包含印刷或口語形式的文件，圖片包含靜態（圖示、地圖、圖表、 照片）與動態（動畫與影片）形式，Mayer 認為透過圖片、文字的多媒體教學是否能促 進學生的學習與理解，端視所設計的多媒體教學訊息是否與人們的學習方式一致，因此 提出了有關人們學習本質的認知理論（如圖2-1-3），此理論提出三個假設：雙通道假設 （The dual channel assumption）、有限的能力假設（The limited capacity assumption）與 主動學習假設（The active learning assumption）。雙通道假設說明人類透過視覺與語文 表徵處理訊息，即如Paivio (1986) 所提出的雙碼理論，Mayer提出此階段需先經過選擇 (selecting)，不論是電腦學習環境或文本學習形式，學習者都必須從其中的聲音或文字、 動畫或圖形，選擇有關的訊息轉換為語文表徵或視覺表徵做進一步處理；其次為組織 (organizing) 階段，即針對語文訊息建立一致的心智表徵（形成語文模式），及針對視 覺訊息建立一致的心智表徵（形成圖像模式）；最後則為整合階段 (integrating)，在語 文模式、視覺模式及先備知識之間產生連結。此三階段重複進行，最後才能將此知識儲 存到長期記憶區供日後使用。有限的能力假設則如Baddeley (2001)的工作記憶模型及 Sweller (1988) 的認知負荷理論，認為每一訊息處理通道所能處理的訊息量十分有限， 可能是一個句子或十秒鐘的動畫。主動學習假設則認為有意義的學習需要學習者主動的 認知處理，包括注意有關的文字與圖片，將它們組織為一致的語文和視覺表徵，再將它 們彼此整合並與先備知識產生連結。
圖 2-1-3 多媒體學習的認知理論 (Mayer, 2003)
Mayer (2003) 的研究也提出了多媒體學習的四個效應：(1)多媒體效應－不論在文本 或電腦學習環境，學生藉由圖片與文字的學習較單獨文字的學習效果為佳。(2)一致效應 (coherence effect)－不論在文本或電腦學習環境，學生對排除無關訊息的學習比納入無關 訊息的學習效果為佳。(3)空間接近效應 (spatial contiguity effect)－不論在文本或電腦學 習環境，學生對文字接近相關圖形的學習比文字遠離相關圖形的學習效果為佳。(4)個人 效應 (personalization effect)－在電腦學習環境上不論以口說或文字方式呈現，學生對對 話型式的學習比正式型式的學習效果為佳。 在多媒體的設計上，Mayer (1999) 發現將資訊分段依序呈現(如動畫、聲音分段交 錯依序呈現)比一次呈現所有的資訊(動畫、聲音依序呈現)，有較佳的學習成效。Moreno 和 Mayer (1999) 指出動畫與旁白同步呈現學習效果好，並且強調聲音效果優於書面文 字。Mayer 和 Gallini (1990) 以科學教科書為教材，研究發現將圖片與文字同時整合在 同一頁有較佳的學習效果。後來Mayer 和 Sims (1994) 以多媒體教學方式作實驗，發現 「圖文整合同時呈現」學習效果較佳，也證實了雙重編碼理論在多媒體應用上的效果（見 圖2-1-4）。 Eyes Ears Pictorial Model Verbal Model Images Sounds Prior Knowledge Words Pictures WORKING MEMORY SENSORY MEMORY MULTIMEDIA PRESENTATION LONG-TERM MEMORY selecting words selecting images organizing words organizing images integrating
圖2-1-4 雙碼理論之多媒體學習示意圖 (Mayer和 Sims, 1994)
針對靜態圖片與動態畫面呈現的不同學習效果，Park 和 Hopkins (1992) 在文獻回 顧的研究中提出了六種可有效率使用動態視覺呈現 (dynamic visual display, DVD) 的 教學情況：(1) 示範程序性任務之連續動作；(2) 模擬複雜系統行為的因果模型；(3) 提 供不可見系統功能與行為的外顯表徵；(4) 呈現文字困難表達的任務；(5) 提供抽象及 象徵性概念視覺的類比；(6) 將注意力聚焦於特定任務或表徵。Lewalter (2003) 的研 究比較純文字、動態圖文與靜態圖文何者較有利於學生學習，結果發現圖文並呈的效 果均顯著優於純文字，但動態與靜態圖文兩者對學生學習成效並無顯著差異。 Lowe (2003) 也認為雖然愈來愈多的動畫教學詴圖取代靜態圖片的呈現，但動畫 教學卻並不一定有利於學生的學習，學生在處理動畫訊息時可能面臨與靜態圖片相 似，甚至更多的挑戰，原因在於 (1) 動畫的呈現使學習者被迫承受處理更多訊息的負 擔，此點也如 Sweller 所提出的「認知負荷」理論 (Sweller & Chandler, 1994)；(2) 減 低了學習者進行有價值的訊息處理活動的程度。Gerlic & Jausovec (2001) 研究 40 位預 備教師以文本（含文字和圖形）與多媒體課程學習物理課程時，發現進行多媒體課程 Mental representation of visual system Mental representation of verbal system Presentation of visual explanation Presentation of verbal explanation Performance Long-term Memory Working Memory 1 2 3
並同時操作電腦時，一方面需要較多的心智活動，另一方面在大腦各區域間的合作又 顯示較少的訊息轉移。 本研究綜合上述多媒體組合的優點，設計靜態圖文整合及動態影片呈現方式之雙 重情境學習事件，在靜態圖文整合部分，採圖片與文字上下配置並同時出現，供學習 者隨時參照；在動態影片呈現部分，則採影片搭配旁白同步呈現，讓學習者能更聚焦 於影片內容。受詴者在學習過程中，以認知神經科學相關研究為基礎，記錄學生在進 行此二種不同呈現方式之多重表徵學習時腦波的相關資料，期能以不同角度分析學習 者面對多重表徵時的認知處理相關訊息，以提供未來設計有助於學生學習之多媒體素 材或文本之參考。
第二節 工作記憶與認知負荷理論
多重表徵的科學課程設計，除了在內容上針對學習者常有的另有概念進行概念改變 外，學習者的工作記憶容量和影響認知負荷的因素，都是決定學習效果的重要因素。一、工作記憶理論
Baddeley和Hitch 於1974年提出多元件工作記憶 (multicomponent working memory) 概念，強調工作記憶系統中各個元件功能的重要性，認為我們的工作記憶能力是有限的 ，能夠暫時儲存及操弄感官系統所收錄的訊息，以理解、學習及推理複雜的認知任務， 並將此認知的運作系統分成中央執行系統 (central executive)、視覺空間模爯
(visuospatial sketchpad) 和語音迴路 (phonological loop)，並在2000年增加事件緩衝器 (episodic buffer)。四者主要功能分述如下：(Baddeley, 2000, 2001, 2003)（圖2-2-1） 1. 中央執行器：負責注意力的控制，協調及監控各子系統的運作，適當分配有限的認知
資源以處理不同訊息，而不論由聲音或影像進入的訊息都可與長期記憶溝通或結合。 2. 視覺空間模爯：整合來自感官收錄或長期記憶的空間、視覺、動覺相關訊息成為單一
的表徵，並進行短暫的儲存及操弄，以等待中央執行器的處理。
3. 語音迴路：與語音的知覺（語音儲存；phonological store）與產生（發音複誦元件； subvocal rehearsal component）有關，可將聽覺複誦或語文理解所收錄的訊息短暫的 儲存及操弄，以等待中央執行器的處理。
4. 事件緩衝器：事件緩衝器是一個有限容量的暫時儲存系統，由中央執行器所控制，可 有意識的自長期記憶提取、反思、操弄及修飾訊息，以整合來自不同來源的訊息，形 成一個單一的事件表徵。
圖2-2-1 工作記憶模型 (Baddeley, 2000)
Engle 基於工作記憶有限而提出工作記憶容量 (working memory capacity) 觀點，認 為每個人的工作記憶容量大小不同，因而有不同的智力表現，工作記憶容量主要牽涉兩 個不同的重要活動，即訊息處理與儲存，前者是指將訊息接收至大腦，後者則是將訊息 理解後進行儲存（暫時將訊息維持在活化的狀態），兩者同時發生且相互競爭，結果可 以預測未來的學術或智力活動，也證明了人的工作記憶容量真的非常有限 (Rosen & Engle, 1998)。 由上述文獻可知，實徵研究顯示工作記憶與學習確實呈現顯著的關連。處理資訊系 統的認知容量是有限的，並非無窮大，因此若將所有的學習內容全部都擠在同一時段
中，可能導致學習者無法利用工作記憶處理所有的內容資訊，造成了高認知負荷，降低 學習成效。
二、認知負荷理論
Sweller (1988) 提出認知負荷理論 (cognitive load theory)，將認知負荷理論引進教 學設計中，認為認知負荷與短期記憶及工作記憶所能負荷的記憶單位數目有關，如果學 習內容遠超過學習者的工作記憶，那麼學習者的理解力和學習能力將會下降，亦即認知 負荷理論對人類認知架構的基本假定是根據 Baddeley 的工作記憶理論，強調人類工作 記憶容量是很有限的。Paas 和 Van Merriënboer (1994) 也定義「認知負荷」是將一特定 工作加諸於學習者認知系統時所產生的負荷，也就是工作記憶的負荷。 Sweller 和 Chandler 研究為何有些教學素材難以學習，以認知負荷理論觀點分析 ：(1) 當處理高度認知活動及被設計來因應有限的工作記憶和強調我們高效率的長期記 憶時，基模的獲得及自動化是主要學習機制。(2) 有限的工作記憶使同時同化多重要素 的訊息是困難的。(3) 在多重要素交互作用的情況下，它們必須同時被同化。(4) 結果 ，當處理高度交互作用要素的教材時，學習者需承受較高的認知負荷。(5) 高度交互作 用要素和有關的認知負荷可能來自學習素材的內在性質及其呈現的方式。(6) 若內在的 要素交互作用和隨之的認知負荷較低時，來自教學設計的外在認知負荷便較不重要，反 之，當需處理高度內在要素交互作用的學習素材時，外在的認知負荷則是學習容易或困 難的關鍵。因此當學習素材有高度要素交互性時，未必有利於學習，尤其新的學習素材 若含大量訊息，將可能比含較少訊息的素材更難以學習 (Sweller & Chandler, 1994)。
Sweller 等人也以教學設計的觀點，將認知負荷的來源分為三類：(Sweller, van Merrienboer, & Paas, 1998)
1. 內在認知負荷 (intrinsic cognitive load)：內在認知負荷源自教學內容的性質，也就是 教學內容本身的難易程度，主要影響因素是教學內容之要素交互性 (elements
較高的工作記憶負荷，此內在認知負荷無法藉由結構性教學或教材呈現方式而改變。 2. 外在認知負荷 (extraneous cognitive load)：外在認知負荷源自教學內容的呈現方式及
學習者必須從事的活動。外在認知負荷可藉由教學設計而降低，使學習者更能利用有 限的工作記憶來處理與學習內容相關的資訊。
3. 相關認知負荷 (germane cognitive load)：相關認知負荷則源自學習者基模之建構，也 是外在認知負荷的一種。適當的教學設計，可以降低外在認知負荷，卻會提高相關認 知負荷，在此過程中，學習者藉由獲得基模及使其自動化讓學習更有意義。 根據 Sweller等人的研究，當學習者必須分散注意力來整合圖片與文字時，將會讓 有限的工作記憶容量過度負荷而抑制學習（分散注意力效應；split-attention effect)，但 此時若將文字訊息以聲音方式呈現時，工作記憶反而可因同時使用視覺與聽覺通道而擴 大（感覺通道效應；modality effect），也就是說，雙重表徵的呈現並不是降低外在認知 負荷，而是擴增工作記憶的容量，此效應將有助於解決分散注意力所產生的認知負荷問 題。後來的研究也同樣發現此效應：學習者由動畫搭配聲音比動畫搭配文字可獲得較好 的學習成果 (Guan, 2006; Mayer, 2001)。 因此本研究綜合上述文獻，選取圖文整合與影片搭配聲音作為學習表徵，記錄學習 者在學習與概念改變的歷程中，腦波相關的變化。
第三節 腦波與科學學習
認知神經科學以人的大腦作為一個訊息處理系統，研究大腦如何登錄外界或內在環 境所進入的各式訊息，這些訊息又如何形成表徵儲存於大腦，並待日後被提取、處理， 進而產生對外界輸出的訊息。由於不同的大腦區域在進行不同認知活動時所產生的電位 變化，在頭皮上的強度及分布情形會有所不同，而可據以推論進行此認知作業時所涉及 的認知歷程，此電位變化就是腦波，大腦皮質內神經細胞藉由改變細胞膜對帶電離子穿 透性的方式傳遞訊號，這個過程會沿著細胞膜產生電流，當一大群神經細胞同時活動時，伴隨電流所產生的電場變化，即可以在頭皮上加以量測，得到腦波的電訊號，再利用 腦波儀將頭皮電極記錄下來電訊號加以放大後，以波型顯示腦細胞活動的記錄圖，便是 腦電圖 (electroencephalograms；EEGs)，可用來評估大腦細胞活動的狀況，提供我們探索 大腦功能的許多資訊。利用電極黏貼法可測量各種不同頻率的腦波，這也是目前研究者 最常採用的方法，而其電極位置標定則常採用國際10-20制 (international 10-20 system) ，電極之使用為19個均勻分布於頭皮上，分別對應大腦的額葉 (frontal lobe)、頂葉 (parietal lobe)、顳葉 (temporal lobe) 與枕葉 (occipital lobe)，再加上兩側的耳電極，共 21個電極（見圖2-3-1）。
圖2-3-1 國際10-20制電極位置標定
目前較普遍的腦波分析方式有頻率面分析 (frequency domain analysis) 與時間面分 析 (time domain analysis) 兩種，頻率面分析以頻譜分析 (spectral analysis) 為代表，以 快速傅立葉轉換 (fast Fourior transformation, FFT) 將過濾過的腦波分解為頻譜功率圖 (spectral-power plot)，再以統計方法比較不同情境下某段頻率之帄均功率是否有差異； 時間面分析則以事件相關電位為代表 (event-related potentials, ERP)，可對作業引起腦部 活動在時間上的變化，提供有用的訊息，但因大部分ERP訊號隱藏於腦波的背景訊號裡 ，故需以多次引發之腦波反應加以帄均後才可獲得 (Andreassi, 2000)。
儘管許多文獻支持多重表徵有利於學習者的科學學習 (Tsui & Treagust, 2003, 2004; Prain & Waldrip, 2006），但究竟為何有利於學習卻沒有太多答案，原因之一是我們並不 瞭解人類如何整合多重表徵，也無法直接觀察人類思考之認知歷程，而後 Gerě 和 Jaušcvec開始利用腦電圖研究學習者面對多媒體與文本等不同學習表徵時的不同認知歷 程，結果顯示腦波的相關測量確實可提供有關學習者在科學學習歷程中大腦運作的資訊 (Gerě & Jaušcvec, 1999)。
Gerě 和 Jaušcvec 研究40位預備教師以文本（含文字和圖形）與多媒體課程學習物 理課程時，進行α波功率（分為α1, 7.9-10.0 Hz與α2, 10.1-12.9 Hz）、α波同調性之測量發 現(1)多媒體學習之α1與α2在O1、O2、T5、T6均顯著低於文本學習，顯示多媒體學習過 程中需要較多的心智活動，也符合目前所知顳葉與枕葉之聽覺與視覺收錄功能。(2)文本 學習呈現較高的同調性，顯示文本學習比多媒體學習有更多大腦各區域的合作。綜合兩 者，進行多媒體課程並同時操作電腦一方需要面需要較多的心智活動，另一方面在大腦 各區域間又顯示較少刺激訊息的轉移 (Gerě & Jaušcvec, 2001)。
同調性是計算在特定頻率下大腦兩個區域間EEG訊號的相關性，數值介於0到1之 間，可用以解釋大腦區域間的訊息傳遞；在認知任務進行時，大腦各部位同調性增高可 能是有效率完成任務之功能性機制 (Weiss & Rappelsberger, 1996)。
Molle 等人研究文字與臉部記憶任務中，發現以α2去同步化加上θ同步化 (α2 desynchronization＋θ synchronization) 較個別波更能區分有意圖的登錄 (encoding)，結果 顯示在左額葉區文字優於臉部學習，而在右頂葉區則臉部再認優於文字。其計算方式如
下：α-2 DS =[α-2 MR－α-2 L /α-2 MR]×100；θS=-[θMR－θL /θMR] ×100，α-2 MR及θMR代表休息
時的α-2及θ波，而α-2 L及θL代表學習時的α-2及θ波 (Molle, Marshall, Fehm, & Born,
2002)。
Jaušcvec 和 Jaušcvec (2000) 也利用α波及α波同調性探討問題複雜度和問題類型與 腦波活動的關係，比較α1 (7.9-10.0 Hz) 與α2 (10.1-12.9 Hz) 在不同心智功能上的表現， 發現在簡單與複雜問題上，α1、α2及其同調性均無顯著差異；在問題表徵形式（圖形或 文字）上，圖形任務在所有位置的α1均明顯較低，顯示了高心智活動；同調性則與問題
解決所需創造力階層有關，所呈現的大腦間各區域合作具任務特定性 (task-specific)。 Jaušcvec 和 Jaušcvec (2004) 比較不同智商 (IQ) 學生之工作記憶 (WM) 任務及圖 像學習任務不同的腦波活動，發現：(1) 在WM任務中，高智商組之θ波增加（θ同步化； θ synchronization，代表高度心智活動）在最初500nm，而低智商組則在整個任務中 (2000nm) θ波均增加，尤其是後段任務 (1000-2000nm)，顯示高智商組比之低智商組有 較快且較有效率的訊息處理能力，也據以提出擁有較快速訊息處理能力的高智商組，在 工作記憶之問題解決任務上也能有較快的學習過程，並使之更自動化，來降低學習時的 認知負荷。(2) 在圖像學習任務中則發現3個波段的α波 (lower-1, 6.17-8.16 Hz；lower-2, 8.17-10.16 Hz；upper α, 10.17-12.16 Hz) 均有去同步 (desynchronization)現象，且發現低 智商組之upper α波在額葉區有較大去同步化，高智商組在頂-枕葉腦區有較大去同步 化，顯示高智商組在學習過程中之心智負荷較低，且此區在空間訊息之收錄與提取佔重 要地位，因此認為高智商組在訊息處理之選擇策略較正確，可將注意力做較適當的分配。
Papousek 和 Schulter研究大學生文字流暢性任務 (word fluency tasks) 及心智運算 任務 (mental arithmetic tasks) 中的大腦之不對稱性，分析α波 (8–12 Hz)、β波 (12–30 Hz) 及腦波偏側化係數 (laterality coefficients, LC；LC＝((L－R)/(L＋R)) ×100)，提出 (1) 半 腦間的不對稱性比之左或右半腦活化程度更重要。(2) 額端不對稱 (frontopolar
asymmetry) 與情緒之相關性和背外側不對稱 (dorsolateral frontal asymmetry) 相反，當額 端不對稱轉移至右側，焦慮感減少。(3) 文字流暢性任務之效果只有在β波被發現，顯示 認知處理亦與β波相關 (Papousek & Schulter, 2004)。
綜合以上文獻，可發現與認知活動或科學學習有關的研究，較多聚焦於θ、α與β波 的量測，α波的變化與心智活動程度呈相反的關係，高度心智活動時呈現α節律之降低， 稱之α阻斷 (alpha blocking) 或α去同步化 (alpha desynchronization)，而θ與β波與心智活 動則成正向關係；然而近期的研究也發現高心智活動不一定伴隨α之去同步化，在特定 情況下α波之振幅或功率強度反而會增加 (Cahn & polich, 2006; Klimesch, Sauseng, & Hanslmayr, 2007; Sewards & Sewards, 1999; Ward, 2003)。另外，也愈來愈多研究在著力 於分析認知歷程中大腦各部位之同調性，以明瞭大腦在認知處理過程中不同腦區間的合
作關係。
EEG 應用於科學教育上之研究尚不多見，而根據上述文獻，學生以不同方式呈現 多重表徵進行科學學習，應可觀察到不同的 EEG 類型。
第四節 概念改變相關理論
學生概念的主要來源為感官的印象 (sensual impression)、日常用語 (everyday language)、大腦與生俱來的構造 (innate structures of the brain)、學生在社會環境中的學 習 (learning in students’social environments) 及教學 (instruction)，在這些概念形成的過 程中，感官的限制、日常生活的經驗或用語、老師或教科書提供錯誤資訊或錯誤說明…… 等，都可能成為學生的另有概念 (Duit, 1991)。根據建構主義觀點，學生帶著這些包含 了許多另有概念的先備知識進入科學教室，有意義的理解與學習必須把在教室裡所獲得 的新訊息與自己的原有知識加以連結，以固化新的訊息或知識。當學生需要推理或理解 某一科學現象時，學生開始進行認知過程，並在大腦的工作記憶區與自己原有的知識架 構創造關連性，甚至影響自己對問題的觀察和結論（觀察是理論蘊含），進而儲存於腦 中的長期記憶區，發展出個人的理論和模式。換言之，學生的先備知識是先前經過固化 的長期記憶，也是使現階段學習有意義的工具，但另一方面卻要被改變，此一矛盾的情 況，勢必使得概念改變更加困難，尤其另有概念常是合乎自己的一套邏輯，且能應用於 日常生活層面，是以改變既有的已固化記憶，一方面需打破原有連結，一方面又需產生 新的連結，必然需要耗費更多認知資源。因此學生的概念為何難以改變，也一直是研究 者關注的焦點。
Chi等人從本體分類論 (ontological categories) 的角度來分析概念架構，他們的理論 假設學生以本體論範疇之「本體樹」(ontological trees) 來察覺事物，指出概念可分為三 個類別 (categories)：物質 (matter)、過程 (process)、心智狀態 (mental state)，且物質、 過程、心智狀態三大分類在本質上是互相獨立的，當學生學習科學概念時，發生在相同 本體樹內的概念改變不會太困難，但由一個本體樹到另一個本體樹的概念改變對學生而
言則是困難的，因為兩個本體樹類別之間有不可共量性 (incommensurable)，所以這種概 念改變為跨越本體類別間的概念改變 (across ontological conceptual change)，又稱劇烈的 概念改變 (radical conceptual change) (Chi, Slotta, & Leeuw, 1994)。
Thagard (1992) 則提出一個包含9個不同程度的概念改變形式的模型，將科學概念以 樹狀結構表示，這些結構包含種類關係（如鳥類、哺乳類、爬蟲類是動物）、部分關係 （如鳥類有羽毛和鳥喙）、概念和連結概念的規則間的關係（如鯨魚吃沙丁魚），而這 關係同時也是概念本身的一部份，他用這些想法創造了一系列的改變形式，將概念改變 方式分為三種：(1) 概念加成或刪除 (concept addition or deletion)：一個概念被加入（移 出）某概念系統。(2) 枝幹躍遷 (branch jumping)，一個概念由一概念系統轉到另一系統 。(3) 樹狀轉移 (tree switching)：概念間的組織原理改變了，此種轉變是最為劇烈的。 枝幹躍遷與樹狀轉移較不常發生。不過，當它們發生時，Thagard認為此時通常涉及理 論替換，常見於科學革命。 She (2002, 2003, 2004a, 2004b, 2005) 則提出提出概念階層性愈高，概念改變愈不容 易，因為當概念的階層性愈高時，表示其所包含的相關基礎概念愈多，此種概念的建構 或改變難度自然就愈高，因此概念的階層性才是影響學生概念理解是容易或困難的最主 要原因，較高階層的概念若未建立在基礎的階層概念上，將使得概念改變困難。而若能 依循概念階層設計教學活動，突破學生之另有概念及所欠缺之心智狀態，劇烈的概念改 變並不一定需要曠日費時。亦即以一系列循序漸進之學習事件，使每個事件均包含前個 事件之概念，可協助學生完成概念之連結，達到概念改變之目的。 Pintrich則提出動機信念可能直接影響概念改變，學生進行概念改變的過程中有四種 動機構念會影響著學生概念改變的中間歷程，此四種動機構念分別為：目標、價值、自 我效能以及控制信念。因此如果我們能理解學生對其在學習社群中所扮演的角色以及其 動機信念，應可更瞭解學生概念改變之機制 (Sinatra & Pintrich, 2002)。
也有學者以社會學觀點來看概念改變，認為 (1)概念化與概念改變根深蒂固於信念 、意見和先備知識。 (2)不同文化來源或不同社會階層所學習的知識本體不同。 (3)教
師或學生帶入教室有關社會的質樸理論可能抑制概念形成。 (4)認知機制不能解釋學校 和教室所有的事，因為社會在多方面影響著教育。因此學校科目的概念改變或以教學為 基礎的概念改變需透過教師引導或同儕支持，亦即有意圖的概念改變需要社會文化的和 認知的構想，因為有意圖的重組知識體系並不容易，它不但費時費力，且學生總傾向保 持先備知識，也並不精於利用新證據修正其心智模式 (mental model) (Schnotz,
Vosniadou, & Carretero, 1999; Sinatra & Pintrich, 2002)。
Vosniadou 和 Brewer 的模型則提出在知識論為前提下，可能促進或強迫概念改變 ，以知識論為前提包括個人用來判斷什麼構成現象、現象需要解釋及因果的解釋可用來 說明現象的準則，這概念改變需要緩慢漸進的過程而不是理論突然的轉移，瞭解改變通 常牽涉較小的改變，這較小的改變可用來解釋在新的訊息、教學、加入、刪除、重新組 織或增強概念間的關係等等的基礎上調整心理模型的重要信念的改變。Vosniadou 和 Brewer將知識的重建情形分為二類：整體 (global) 與特定領域 (domain-specific) 的重建 。按皮亞傑之認知發展階段論而言，人類認知能力之發展是循一絕對、整體的形式發展 出來，而與他們接觸的經驗或待教教材無關。此種將認知發展認為是整體重建的論點， 已受到強烈的批評；因為證據顯示個體知識的發展，是與待教教材的領域有關
(domain-dependent)，而認知發展是循著特定領域之推理方式展現出來 (Behrendt & Dahncke, 2001; Sinatra & Pintrich, 2002)。
另外，在科學本身之發展歷程中，概念轉變也曾被科學家用來描述知識的成長情形 。科學史家Kuhn 在「科學革命的結構」一書中描述：在某科學社群工作之科學家通常 依循他們自己的典範 (paradigm) 去從事「解謎」(puzzle-solving) 工作。假如既存之典 範無法解釋異例 (anomaly) 現象時，則會發生典範轉移 (paradigm shift)。典範轉移是「 格式塔」(gestalt) 式的轉換，舊典範被新典範取代。認為學生的學習與科學家工作類似 ，因此概念改變過程亦有所相似 (Kuhn, 1970)。
本研究所呈現的概念改變之教學內容設計是參考She (2003) 針對「熱膨脹」概念之 雙重情境學習模式的研究。而She (2002, 2003, 2004a, 2004b, 2005) 提出之雙重情境學習
模式中所謂的雙重 (dual) 有三層含意，一是所設計的情境學習事件一方面製造學生認 知的不協調，一方面提供其新的心智架構；二是情境學習過程中一方面要激發其概念重 整的動機，一方面要挑戰學生原本的科學信念。三是科學概念的本質與學生對科學的信 念的雙重交互影響。而所謂情境學習 (situated learning) 則強調概念的改變必須架構在 科學概念的本質與學生對科學概念的信念這兩個基礎之上，教師需瞭解學生要建構完整 的科學概念所缺少的心智架構，再根據學生所缺少的心智架構設計一系列由淺而深、緊 密相關的情境學習事件，且每一學習事件必須架構在前一學習事件之上，藉以輔助學生 的概念改變。而DSLM的教學內容及施行則包含以下六個階段，階段一：分析科學概念 屬性，以瞭解建構此科學概念所需的心智架構。階段二：找出屬於此科學概念常見的另 有概念，此階段需要瞭解學生所存有的先備概念以及學生對於此概念的理解。階段三： 分析學生對於建構新的科學概念所缺少的心智架構。藉由第一階段和第二階段的資料比 較分析，可以找出學生對於建構新的科學概念所缺少的心智架構，來作為設計一連串的 DSLM情境學習事件的依據。階段四：設計雙重情境學習事件。此階段運用的原理是先 設計一連串雙重情境事件讓學生的另有概念無法解決問題，產生不帄衡、不滿足的認知 狀態。詴著將學生所缺少的心智架構導入，慢慢讓學生建構較接近科學概念的概念輪廓 。階段五：進行雙重情境學習模式的教學。情境事件讓學生能親自體驗、操作、思考驗 證其想法，詴著將學生所缺少的心智架構導入，慢慢讓學生建構較接近科學概念的概念 輪廓。階段六：挑戰情境學習事件。這個階段可以檢驗學生是否真的在教學過程中獲得 原來缺少的心智架構，能運用解決類似的情境學習事件，其理論架構及運作機制見圖 2-5-1及圖2-5-2。
圖2-4-1 雙重情境學習模式 (She, 2004) 圖2-4-2 雙重情境學習模式的運作機制 (She, 2004) 雙重情境學習模式可促進學生有關物質 (matter)、過程 (processes) 及階層屬性 Nature of Science Concept Students’ Belief of Science Concept Creating Dissonance Building New Mental Set Motivate Students’ Concept Reconstruction Challenge Students’ Belief of Science Concept
Dual-Situated Learning Events
Provide students the opportunity to apply all the mental sets they have acquired to a new situation.
Determine what essential mental sets are needed to construct a scientific view of the science concept.
Instructing with Challenging Situated Learning Event Examining the Attributes of the Science Concept
Provide students with an opportunity to create dissonance as well as build up a new mental set. Instructing with Dual Situated Learning Events Probing Students’ Misconception of the Science Concept Probe students’ beliefs of the science concept.
Design a series of dual situated learning events which is based upon S3 results.
Pinpoint which particular mental sets students lack for restructuring the science concept.
Designing Dual Situated Learning Events Analyzing Which Mental Sets Students Lack S4 S5 S3 S2 S6 S1
(hierarchical attributes) 理解上激烈的概念改變，與先前有關概念改變模型有個最大的 不同之處，先前的模型或機制並無法有效的及高效率的帶來激烈的概念改變，但DSLM 則可加速激烈的概念改變，使概念改變不再如此困難，不再一定需要緩慢或漸進的過 程。然而想達成此一目標，教師需要知道學生科學概念的先備信念，及這些概念的性 質，再藉由挑戰學生有關科學概念的知識論和本體論，造成學生先備知識的不一致， 並提供必要的心智支持，讓學生重新建構更多這些概念的科學觀點，才能夠對概念改 變過程有所助益。換言之，面對難以改變的概念，教師更需思量整個科學概念抽象與 微觀之處，及學生已存在的迷思概念或另有概念，設計其所需的情境學習事件，讓抽 象成為具體，讓不可見變為可見，方可讓學生一步緊接著一步，循序漸進去經驗所缺 乏的心智形式來建構特定的概念，也才有可能幫助學生在短時間內發生概念改變。因 此 DSLM 最關鍵之處即為情境學習事件之設計，如何謹慎且適當選擇衝突事件或教學 方法，也將是教師促成學生激烈概念改變之最大挑戰。另外，在連串的心智架構或情 境學習事件中，如何協助學生找到自己的學習起始點，讓學生由起始點開始進行情境 學習活動，將也可讓學習更有效率。 而在「熱膨脹」另有概念的研究部分，絕大部分的學生認為「在水槽內點燃蠟燭， 倒蓋廣口瓶待蠟燭熄滅後，瓶內的水位上升」的原因與消耗氧氣有關 (Brick & Lawson, 1999; Kwon & Lawson, 2000; Peckham, 1993; She, 2003)，而其最主要的原因是許多教科 書或研究提及以此實驗來驗證空氣中含有21 %的氧氣 (Brick & Lawson, 1999; Fang, McWherter, & Gilbert, 1998; Peckham, 1993)，但 Brick 和 Lawson (1999) 的研究發現蠟 燭熄滅後，瓶內的水位會迅速上升的原因幾乎完全是由於氣體的熱膨脹（科學概念）， 而非消耗氧氣（另有概念），亦即燃燒中的蠟燭加熱了瓶內空氣使之膨脹後溢出瓶外， 待蠟燭熄滅後，仍留在瓶內的氣體冷卻收縮，使得瓶內的壓力小於瓶外，而牽引外面的 水進入以帄衡廣口瓶內外壓力，只是在某些狀況下，碰巧上升的水位接近廣口瓶容積的 21 %，也讓許多學生持有「蠟燭燃燒消耗了 21 % 的氧氣，而使水位上升了 21 %」之 另有概念。She (2003) 的研究更進一步請32個九年級學生預測「在水槽內點燃一根、三 根、五根三組蠟燭，倒蓋廣口瓶待蠟燭熄滅後，瓶內水位上升高度是否相同」，結果 40.1%
的學生認為因為5根蠟燭消耗較多氧氣，所以水位上升高度最高；9.4%的學生認為5根蠟 燭佔有較多體積，所以水位上升高度最高；37.5%的學生認為因為三組蠟燭消耗等量的 氧氣，所以水位上升高度相同；而僅有 3.1 %的學生指出五根蠟燭產生較多的熱使瓶內 空氣膨脹，在蠟燭熄滅後隨之冷卻收縮，所以水位上升高度最高。因此本研究即根據 She (2003) 的研究中所指出的三個另有概念，分析學生欠缺的心智架構，進行概念改變內容 及不同表徵學習之設計，以四個雙重情境學習事件，配合事件晤談方式，循序建立學生 的心智架構，希望一方面能促進學生概念改變，一方面能瞭解學生在面對不同表徵學習 時的認知歷程。
