科學教育的心智遠景一新的顛覆活力
趙金祁
國立臺灣師範大學科學教育研究所
摘要 作者認為，科學教育歷來對典範理念、發生認識論、與訊息流原呵，頗多苦學，因此，呼籲對關 聯此三者之認知科學，不容有所忽視。心科研究是招生1I科學的電點，故作，首先闡明 Jtf~ 象中之知覺感受、 理性忠維、 J己憶、創造等“運算"情況，進 [(rj 根操 ACT* 原呵，現明，心科中科學概念革命之必定伴隨相 關命題的變遷。因此，聯航主義系統中，代表大腦的節點網路間活化體式，亦勢必因而有所變化。最後， 作者介紹薩卡怯的「概念革命 J --.書，以說明活化問式變演下，是化命題改變數據之計算方式，以表明 其對判定科學概念{司的笠革命與否的標誌功能壹、目IJ
a
白從前蘇聯政府發射人世間第 f頁人 造衛星以來，科學教育由於美國的倡導歧 其透過國際組織大力推動，驟然間轉變成 大眾關注的 A 門學科，儼然是社界各國當 時的一門顯學。 棋據系統論的觀點，由於科學教育是 將科學與教育兩個 f 系統，納在同一系統 內的另外-門學科，故兩者問勢必從無組 織的基元性，向有層次結構的組織性、從 低階的簡單性向高階的複雜性、以及從算 術相刀LI 的線性，向歸屬指數型的非線性發 展。更因科學涉及分門別類的學科特徵， 如科學共同體生態、技術改進、生產力發 展、社會資源分配、國勢強弱等，而教育 牽扯更廣，與學生習性、家庭環境、社會 條件、師資特徵、國計民在、社會利益、 人性本質等皆有所關聯，故經由各該相關 因素間之整合，結果必更不單純，且在衍 生複雜課題的質與量兩方面的頻幅上，也 呈現非線性成長的趨勢。2
對此，作者曾在「科學教育的系統觀」 -文中，有關科學教育整體目標、科學本 體知識、科學方法過程、學術態度、認真日 信念、相關共同體互動形態、政經發展、 人間人為浩劫送興等屬於整合體執行|三應 f 注意之學牟大端，提出個人粗淺的看 法，求教海內外學苦專家(趙金兩口，民 91 )。 管見認為這是值得科學教育從業人員 有所深思的重點，也惟有一洞察學科統合下 的結果，才有可能了解推動科學教育時遭 遇的叫能問題與其利弊得失:如此，再經 擇優謹慎執行各項措施，才有主導功能， 裡益學科本身以及社會大眾的發展。否 則，出諸急功泣利蠱惑 F' 習俗上人云亦 云的科學教育推動方式，恆以解決枝節問 題為滿足，其實施後果，縱不能完全預估， 然極有可能適得其反，形成科學發展的負 面效應 O 系統論曾揭示，有生命特徵的學科， 必需具備開放的特性原則，以擷取滋養， 藉以獲致學科發展的條件，。若慮不及此，則結果不僅失去其獨特學科的功能，亦且 陷入可能回歸學術['.更具悠久發展歷史， 且內容上涵蓋更為廣寰的教學技能、課軒 設計、測驗評量等 A 般教育學門的範間內。 A 九九二年，薩卡德曾在其「概念革 命」一書中，落實認真日科學 111 模擬人體大 腦為聯結主義網路的節點假說，求得學習 者的概念革命前後，不同種類相關命題間 的關係數據，獲得其概念改變中思維變演 的數字參證基礎，值得科教同仁注意及此 (邱美虹等，民侶，
orig. ed.
Thagard's
“
Conceptual Revolution"
)。 為避免科學教育失去發展潛能，本文 乃就其統整組合與永續經營要求f' 面對 當前認知方面的新作為，提出個人的瞻望 與看法以求教海內外方家學者，請予指正。 由於神經科學研究群中，不無將甜、知 科學當前的研發視為對傳統心理學的→項 顛覆性挑戰，故本文如上命名，雖較為突 兀'然睡不難理解，特予注釋。貳、科學教育改革初期突顯的事蹟
白 -·f 。世紀下半葉起，以美國為首的 科學教育改革運動-開始就在人J 、課程 教材、師資、學習方式、評量測驗等課題r.
'著力甚深。當時，不少科學專業人士 亦踴躍參與;顯見，科學教育亟待改進之 目標，至為明確，乃能蕾萃各方人才貢獻 其力量並提出各自領域內的改革灼見，誡 美國科學教育史 L 少見的盛況。 其實，美國十人委員會早絡提出呼籲 要求全面加強科學教育工作的推動，才趕三 -3 一 次 ttt 界大戰結束更發現科學專業人才大量 不足，修習科學學門的中學生人數，亦未 見佔有優勢(Duschl ' 1990 ; De Boer '
1991)
;在適逢國際 I". 太空競賽失利時，有 關單忱乃擇定中學科學課程教材'著手己文 苔，可于理解。同時，布魯納(J. Bruner)
更提出任何學科祇要翻譯成學中能懂的 話 ， Nil 可向任何學生傳習等涉及學習心理 層面的見解;因此，高年級科目改在低班 級施教的「水向 F 流」式課軒處理，→時亦能為大眾接受。
不過，參預科教改革的專家學者，對 行為學派以白老鼠、鴿子等不f: 實驗中的外 顯行為，類比人類的學習過程，頗難苟同; 尤其從事科學專業之專家，習性上比較務 實，對此更不以為然:因此，皮亞傑(J.
Piaget) 以其于:y:-為臨床研究對象的發展心 理觀點，乃廣受大眾歡迎。進而，皮氏將 于物學、認識論、邏輯觀念等的重點內游 l 連結在 J 起，創立發生認識的理論體系， 以揭示認識增長的運行機制;同時，亦賦 予概念結構或基模深一層意義，而提出認 知['.的建構理論。 正當科學教育改革之初，學術界圖書 館學同時亦風行一時，美國教育研究資訊 中心 (ERIC) 乃應運而成立，科教研究團 體亦在俄亥俄州哥倫布市設立 ERIC 的科 教資訊交流單位，處理來自包括世界各國 在內大量湧入的科教資訊材料。當時，郝 禾 (R.W.
Howe) 、海格遜(S.
L.
Helgeson)、 與勃勞賽 (P.E.
Blosser) 等三人根據基礎 訊息、資訊理論擬訂章則、建立制度、執中華民國九十二年十一月 第 264 期 科學教育月刊 新興學科的特徵'誠難能可貴。 行計畫。'為科學教育保留完整的檢索、研 問然，科教改革之初，美國經歷的特 究、發展資料，居功厥偉 (Abraham ， 1978) 。 殊事蹟不勝枚舉，例如，企圖推出全國性 布魯、納是心理學家，但在 1960 年出版 中學以 F 理科教材，甚至擴及世界各地， 的「教育過程」一書巾，卻涉及認識論問 也標榜其為世界性人才融爐，吸納各國才 題，指出科學本體知識中具單一性與層次 俊之 I: 等:然而，作者於此僅選擇與本文 -九六一半 性自然科學概念結構的重要性。 主旨關係較為密切者，作如仁之驢述。 年，于L ，恩(T.
S.
Kuhn) 在「科學革命的結參、人智與認知科學
人智是人類的心智或人類的智力，心 -書中，也認定自然科學發展中，問 令尊地位的典範隨科學發展|而不斷更 構」於
逞，賦予科學領域中的自然科學，顯然與 智的英譯名詞是 'M1NDJ
' 也叫解釋為精 無典範制約的社會科學，截然不同的本體 神，在英文裡神聖的精神就是仁帝的同義 意義。同一時期內，柯奈 (J.B.
Conant)
詞。人類既認定心智是屬於精神層面的， 在哈佛大學校長任內，大力鼓吹與倡導科 而包括大腦在內的人體卻是實體的事物， 學教育應重視科學史研究，並說明科學教 故在丈藝復興以前心智具有單面向控制人 育在學科本體知識外，更應考慮科學方法 體或大腦的功能，反之則否;T§::平令笛卡爾 與科學精神的傳習，率直指出僅祇瞭解科 之後，才認定兩者是雙向亢為因果，具有 學知識並不等同透徹理解科學全部內涵的 相互作用的能力(Fetzer
,
1991
)。 具哲學意義的觀點。 具體說來，人類外顯的知覺感受、記 綜合以上分析，可知當時科學教育標 憶、動機、語言、理性、辨識、夢幻、創 誌的努力目標，至為明確，且可形成大眾 造等心理行為，基本上都是意識經驗下大 共識，具有號召不同領域人才參與的誘 腦與開遭環境經訊息的居間傳遞而反應的 因。在傳習科學知識上，及時提出推廣三 結果。這些行為能力的總稱就是人類的心 合→的科學素養教學之議，即包括概念、 智或人智，故就訊息流原理來說，人智是 方法、態度等三方面的教材內容。除此之 人類成長性的訊息湧現，而大腦是有機體 外，當時已體會自然科學與社會科學不同 訊息派送與承載的工具，兩者唇齒相依， 之處，即瞭解各領域中典範的獨特性，進 密不可分。 而強調層次結構在科學教學上的重要性。 就史實分析，學術 l 半以科學方法研究 尤有甚者，莫過於其能掌握時勢，處理資 心智問題的認知科學，始白電腦科學、控 料上及時引進訊息理念的運用，教學 1 ~改 制論、系統論、訊息理論等的有效發展， 採符合認知科學發展節奏的皮氏發生認識vsj
為時僅祇不到半個世紀，故認真口的嚴格界 定，言人人殊，迄無定論。-4
理念。當時的科學教育圈，生機盎然，確 能掌握契機、選定目標、多方衝刺，發揮人類的第-台電腦是」九四半年由德 國楚斯( Zuse) 用繼電器發展而成，型號 為 Z-3 。當時因在二次大戰時間，故並未公 開 O 桐後，在」九四四年哈佛大學的阿爾 根 (Alkan) 以類似的原理製造 Mark-I 自 動程序控制計算機(張文彥， 1990) 。在這 基礎上，一九四八年希刻遜( Hixon) 基金 會在加州理仁學院資助召開的「行為的大 腦機制」研討會 c_ '主題講演人著名數學 家范-紐曼 (J.
Von
Neumann) 就指 lJ1人腦應 與電腦類比，加以解釋。也就是說，認知 科學研究的心智應由具體可以邏輯操作的 電腦學識入于，相互對照研究，方為正辦。 以當時的電腦科學與其周邊的科|際學術， 尚屬萌芽或開發階段，故紐氏的這番言 論，予人猶有科幻的感覺( Gardn 釘， 1985) 。 隨手三!-ttl:*'己 60 年代結束之際，有關電腦 研究已有具體的相當基礎，與其跨科的周 邊學說，亦同時獲得相當成就，紐氏的話 才逐漸明朗。 認知科學旨在研究人類、其他動物、 甚或機器的心智本質。 初期，基於電腦科式之與認知理念，竿，為切近，因此集中在
訊息處理概念而以心智表象主義的方式， 進行研究。 晚近，除電腦程式外，聯結主 義的想法加採可以處理程式而較比貼切的 類似大腦神經元網路，也就是說，依循相 互連接的處理單元，繼續研究發展。這是 一門涉及哲學、電腦科學、控制論、系統 論、心理學、神經科學、語意學、人類學 等領域的學說，其將來想必方興未艾，值 得加以重視。 大致 I二說來，心智是在意識經驗卡遂 行，而意識卻是-個不能完全擺脫形上說 法的標識。這是→種經驗或感受包括自我 在內的環境之能力，並經想像獲致足以代 表現場實況或可能事態的外形，也就是個 人對其身心活動，透過內有等類似可感受 知覺的反省，結果獲致自我認識。這種說 法不免直接衝撞科學上客觀性的要求，例 如，提出主觀的特許理解方法是古有能力 檢測自己的身心內涵?又如何適當地與忠 誠地加以表達?故而，意識的了解不無仍 保留著以哲學方式研究心理功能的印象。 更何況，意識可區別為認知與感性兩部 分，甜、知;意識涉及理性思維，尚有途徑加 以部分規範'而涉及感性意識的感性部 分，則難予掌握，有待將來加以解決。準 此，意識在心理上的討論，雖很早就是關 注的重點之. ，然在行為學派盛行的一段 時間，卻大為沉潛，而今又因學術上心智 研究與認知科學的凸出發展而重新引起大 眾的興趣。由此分析，可知認知科學猶待 解決的難題，亦俊不少，冀期將來加以克 服。 心智的遵循科學方法研究，必須使有 機體運作心智的整體環節，都能通過控制 論的機制，將其輸入經過特定規則核對確 屬配合，而在迴路中經逐步完成的次目 標，最後達成最終目標，即另一種型態冀 期中的輸出，至於所謂特定規則，其作用 情況與電腦中使用語言的文法相似，使各 別指令匯集而獲致可加辨識的意義，並藉 以經檢索而獲取記憶，進而將其合 f并在輸 戶、 J科學教育月刊 第 264 期 中華民國九十二年十一月 入訊息中運行，最後達成在迴路巾輸出另 可重型態的結果， .tlIJ 完成符號計算，再盡 其在輸入 IH 之間扮演的計算 r.作。 綜上所述，人類對心智的理解，己由 遙不叫泣的神秘想像轉向實在的科學解 釋，然|大|意識尚含有似華萊利形容其叫予 統轄，而不能管理的模稜成份( Valery司 1970) ，使其在心智與行為中間的變換控制 機制，部份祇有接受哲學羈絆而以假說明l 接或逕予擱置;故而， 1969 年拉斯洛攪和 辯證論而屬原始科學的工作假說， f0J 叫參 考，容作昌在下文適當古巴悅，阿 f 引用
(Laszlo
,
1969) 。肆、行為外顯與心理解說
笛卡爾指出，人智與人體呈現二元的 特性，彼此影響與作用;1:一節先從認知 科學訶論，揣測其與人智的關係。本節則懼、愛、惡、慾等七種往往引發失衡現象
的意識純驗然梢似前述，感性方面的解 驛，迄今尚無共識;然而，人類既已知悉 情緒的感性意境，都能引發人體生理 t 與 If:. 化 I ~的異常變化，則勢必確認其為身心 兩方面的重要課題，終將必須嚴肅面對。 美國結構主義心理理論，風行不久， 即因進化論與實證觀點的強勁影響，乃改由行為心理取代其在心理學術中的主流地
忱。影響所泣，難以捉摸的意識以及失諸 主觀的內省法于段，改由行為表現以觀 察、實驗的手段所取代。行為心理學亦重 視口Jf 測錄的制約作用以及強調鼓勵功能 的增強原理。總之，當時的行為心理學， 適應時勢，使其白十九世紀中葉起，大行 其道，盛極.~日寺，使內省、思維的層次結 構、意識等不能直接外顯而加觀察的心理 現象，遭受莫大的壓抑，暫時值旗息鼓。 從人體外顯的行為，檢視心理學對其所作 另 -派值得一提的是格式塔 (Gestalt) 的種種解釋，以評估兩者的研發走向以及 彼此整合應遵循的版則。 人類的研究心理，歷史悠久，公元的 四、五百年希臘先賢已涉獵及此:不過， 心理學的現代化，卻是自﹒百多年前才開 始的事。心現學人士在 1979 年，~召開新 心理學的內。週年慶祝會，可見 'f11 0 現代心理學經歷經驗主義與實驗于段 的沖繭，馮德(W. Wundt
)才提出結構主 義的觀點，即自個體本身的自覺經驗入 手，分析與探討內在意識的各項元素，且， 除涉及感知與思維兩方面的認知意識之 外，也推敲感性方面，包括喜、怒、哀、 -6 一 心理學，亦稱為完形心理學。基本上，格 式塔認定心理現象可區分成一組組相似 的、聚合的、連續的、不可分的整體，並 採納部分的總和不等於整體這一與生命體 性質極為甫間的思維理念。因此，格式塔 心理學既不同意將意識分析成心理元素的 結構論，也不贊同以行為分析為主的行為 學派。也就是說，完形心理不僅指出事物 有其完形的-面，更強調人性必需完整發 展，以補足對事物的解釋有欠完整的缺 失。這是既非鉅觀、亦非微觀的一門中觀( Mesocosmic
)學說。 甜、知心理學是以認知行為作為研究主題的學科，屬於認知科學的自1 分:並隨 著二十世紀六、七十年代發生認識論與認 真日科學的發展而成長，認知科學除廣受學 術人士重視外，更將狹義的訊息處理。心理 問題大幅擴充，且 IJ 以訊息的接受、 47 存、
運算、與處理等視為基幹'了解，心理 ij 為
的過去來由與將來演變 uf 能的後果( Gag肘，1985
)。 由上述種種敘述，顯見認知以外每→ 時代的當令心理學研究的對象，不外人類 身心內在世界中的整體思維結構以及身驅 本體對外表露的行為活動及其功能等兩大 類型，白IJ 對參與實際活動的大腦及其錯綜 複雜的內涵，相少置日象，寧非-大諷刺。 因此，祇有讓涵蓋認知心理學的認知科 學，在系統原理的機體同論牽引卡，解釋 清楚模擬人類大腦的模型結構及其功能， J 有望將認知推理的輸入內涵，經訊息觀 點 f 解其歷經!告知、 HT 存、檢索、運算、 與處理等過程之所以形成意願中的外顯行 為的道理。因此，這是→門具鉅觀而且野， 父能反映微觀分析意涵的建構學術，縱令 日前尚在發展中，卻是，門值得加以注意 的學科。更何況電腦與認生[)的心智棋式， 最大的共通點是經由訊息傳播而完成建構 式運算或思維。認知科學是-門新興的原 始科學學科，相信將來的研究發展，必口j大放異彩。
但是，由於認真日科學的界定向在肇始 的階段，為避免口j 能發生過於偏離主旨， 仿宣認定在其研究中必須遵守以 F 四點原 則，不允逾越: 第→、不宜僅依賴生物及神經科學來處理 心智問題，尤不宜強調其受到社會 及文化因素的有關影響。 第:、心智研究肇始向電腦，而電腦知識 依賴訊息流理論而發展，故不僅應 從狹義 L 加以了解，更應擴大其定 義範圍，例如作者曾在前文指出， 心智可定義為訊息流中的成長性湧 現，而大腦跟載波電流之線路相 似，是有機體訊息派送與承載的 l 具，。 第三、值此認知科學研究伊始，暫時不考 慮需感 i生、無理性等的意識經驗， 祇有在確實掌握認知的常態活動， 才有擴及失衡意識的可能。 第凹、認知科學植基於哲學、電腦科學、 心理學、控制論、系統論、人下令智 慧、語意學、人類學等學科，是研究人類外顯行為的跨科學門，必須
兼顧微觀與鉅觀兩方面的重點。 由本節以及仁吾有的分析 '!-If 知無論 從心智或行為 1'£-- 方面著于一探討或回溯其 發展過程，最後都應歸結至認知科學的解 釋，才有望透徹 r 解兩者的意涵，因此， 認知科學研究的迫切性與重要性，可見→ 斑。 伍、大腦與電腦模型 歷史上，達爾文將人類看成動物，笛 卡爾父將動物譬輸成機器，而 j去闖醫生邁 德利 (1.O. de La
Mettrie) 在一七;jL七年發 表的「人這部機器」一書中，拍山以上 -7 一中華民國九十二年十一月 第 264 期 科學教育月刊 聯結主義模型亦可遂行平行分配處理 過軒，即可同時進行各臼獨 iJ:
'
jM 屬多重 [;</ij 前提的結論，即人是自供動力的機措。 邁氏曾指出，人智的思想不過是電流、運 動能力，與迄不可測其奧秘的組合體共同 性質的運算 1·0 作。電腦巾的平行處理則係 透過多重而各白獨立的巾央處理單元完 運作的結果。此種看法由於系統論所遵循 成;而大腦卻經 rB 功能獨立之神經組織結 的機體理念，即活力論與機械論合而為 構達成。平行運算常然吋以處理大量訊 思維看法的逐漸為人注意，使嚴格要求以 息，不過，祇有在同」組織結構具有其他 科學方法處理人智的睬則，口J 予信賴，值 組織結構不必須之某特定訊息時 ， ~>r- 能完 i式:以r: ~P 山聯結主義網路入于，討得
!此，特此敘明。 論人腦的人智問題。 平行分配處理單兀 (PDP) 專屬聯結主 認知科學之大腦聯結主義模型與人r. 義系統，故亦稱為聯結系統單元。這 A 稱 智慧模式相較，發現人工智慧將大腦看成 謂的來源，起日聯結主義系統中的知識是 義模型則 相互聯結神將元網路，而聯結 經過分配的'\it山網路中跨過多重處理單 由相互聯結的處理單元或節點組成，而每 元記憶不同活化程度糢式，藉以代表分配 →處理單元是根據感官輸入器或其他處理 F 的各別知識。就學習機制來說， PDP 之 單元兩者所接受之訊息轉致的不同輸入而 表演較為優異，因代表分配知識的活化程 對應外顯各不相同的行為;當然，前述訊 度模式，極容易受輸入經驗之激發或抑制 息流原理控制人工智慧與聯結主義模型各 而變油，使外顯的行為改變，亦易於促成。 別輸入出訊息或行為活動，基本江論還是 換言之， 而受電腦血口初期的范﹒紐曼 相同。 半時間內祇處理單-系列的數據、同
汗 f 相對於大腦之神經元，在聯結主義系 訊息、或知識，而聯結主義大腦模型可平 統中具有三種處理單元的功能，即輸入單 行處理，亦即同時處理兩個或兩個以上系 元，其刺激源導白外界之與系統本身接 列的訊息。因此，為達成平行處理，美理 觸;次為輸出單元，其活動結果幹動向外 斯(w.D.
Hillis) 系統是將甚多升空性電 輸出;再則，為特種變異所需之掩蔽單元， 腦，刻意安排，使同時處理多重序列訊息， 其輸入出皆在系統 ri1進行。處理單元間的 (日每一台手段機器還保留著其依序列處理 連接叮以單向或雙向完成，即可是激發器 本性 (Johnson-Laird' 1988) 。 的單 也可是抑制器，視扮演激發或抑制其他處 根據分析，凡運用大腦模型，核對→ 理單元活化性質巾，異。每」聯結系統之訓 串約七、八個數字中，是否確屬重複出現 練層面活動，在於矯 IE 掩蔽單元的活化閥 某→特定數字時，經單♂序列處理之實驗 值，即改變系統輸入出間的連接強度。司司 發現，每次核對需時約二十五分之令秒。 1fJ.fr 人智中，可能因必須同時進行活化程 ~8 一 於電腦部份，則眾所週知係由反映正反雙 穩態電路之一半極體完成運算，不再贅言。進步或退步的一種標誌。 度閥值之調整， [天|此，叫於此類比估定長 此外，學習也口j 解釋為模型中，新輸 串數字中，可以出現某-特定數字的具體 入訊息與記憶中)卓有訊息併合運算而旦現 口 一半 1 人 fly
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的進步性湧現:閃此，也是以新舊訊息為 能延長或縮短估定是百出現的時間。父如 主體，遵循製作規則或系統而進行新一輪[
:所述，聯結主義大腦模型的記憶特性， 的製作或執行程式;至於規則本身，又可 業經解釋成節點網路中活化模式的記憶， 為適應新輸入訊息，猶似拉斯洛所述，經 故扮演著符直;學 LjJ大型訊息的符號功能。 白組織與白穩定過程而變遷或演化。這也 這一功能除記憶知識、數據等訊息外，1)\
叮能是學習進步與否的 ~-f重標誌。 包括活動中涉及之內在或外在狀態，即符 參照目前的估計，每→神經元具備約 立學中的解;意，例如相似性、因果關係、 10 的三次方數量級的連接數，若乘以大腦 或習慣成白然等等因素，而獲致影像內 中約 10 的十:次方數量級的神經元，則連 涵。可能就是這些影像之形成與影響，造 接狀態約達 10 的卜五次方數量級之譜，另 成估定是再重複出現某→特定數字所需忠于 增半 1f 分配虞理的可能發生，叫生日大腦運 間之延長或縮短。平行分配處煦的解釋方 算量，為數至大且鉅(Fetzer
,
1991
)。人腦 品是，猶待進 , 式不少，眾說紛耘，莫衷 功率之火，由此可見。 步證明。 人智在意識狀態、 F 思維時，思維究竟 陸、模型系統運算設計 -問題，作者試問讀者 何所指?為答覆此 茲為進-步說明電腦、生日覺感受、認 是否討厭身旁的夥伴?也許，讀者答以確 如]等系統設計情況，特轉載以下了三個示意 實討厭他、或者揮于飽以老拳、或者向其 圖，另附拉斯洛工作假說環路圖，以資參 時眼、抑或續持械默。顯見，這些答案Ij l 考。 前苦是語言、後者是沉默語言、而中間兩 者皆為肢體或姿態語舌。由此可見，思想 中央處理單元 口[以不同符號，循共識的規則排序，代表 其意義。如前所述，人智的理性語言 q 必令使用的符號遵守語法或規則的指司 完成其意義的旱現;枉電腦中則依賴規則 達成指令之傳達;同理，人腦模型中如的 抖(例通 數條通 廿 fJ l-r I-·'"I(' 述的連接，是透過輸入訊息匹配製作規 圓 I 電腦系統設計示意圖 (Johnson一 Laird ，1988)
-9 一 則， -1'-能經由矯正發生節點問激發或抑制 的活化作用，而在意識中凸顯或遺棄代表 意義的認知行為。口J 能，這就是學習某
科學教育月刊 第 264 期 中華民國九十二年十一月 如圖 -1 所示，一般的電腦 ，If. 少涵蓋五 個基本部門，即輸入、記憶、算數邏輯、 控制、以及輸出等，其運作的重要步驟包 括由輸入獲取數據，依照記憶中的和式進 行運算，並輸出最後的結果。圖中的中央 處理單元包括算術邏輯單元，以完成計算 t 作為主、控制單元負責將與計算同步的 訊息，對外傳遞、以及小型臨時記錄器， 其作用在執行程式並繼續處理來自記憶的 後續指令等。記錄器之一經命名為程式計 數器，具有記錄記憶中每寸主續運作指令 地址的功能;其他的記錄器分屬升空用的 標誌計算成果器與累加器等兩大類。電腦 中的短程記憶即由累力 11 器與其他記錄器構
成，而他如唯讀存儲與隨機存取等為長程
記憶。可有於各部分間的交通，則由過路完 成，最後也藉以輸出計算結果。由於圖示 的運作過程，一般擁有運用電腦經驗者皆 耳熟能詳，不再贅首。 於此，作者綜合說明，本文巾的運算-§司，其英譯為 r
COMPUTATION
J'然其
界定業予擴大，賦予嶄新的意義，即白輸 入以迄輸出，出自輸入訊息經其完成與變 演不出的當時瞬間規則的匹配核對，乃遂 行接受、儲存、檢索等步驟，且將檢索所 得記憶中的原有訊息與輸入訊息合作千，造 成節點問活化模式的控制作用，獲致具新 意義的另一種模式訊息的輸出;逗，種輸 入出問系統化控制移轉的整體連繫過程， 即運算之謂也。 一 10界觀
、了乎山每 f幸 illl j 意、 國 2 知覺成受在統設計示意圖(Gardner
,
198
7)
知覺感受系統設計示意圖，如圖-2 所 示，說明來白感官的種種輸入訊息，經短 程存儲與選擇過濾後，流向有限容量進 阱，恰似宴會中日曹雜談話，皆經選擇性聽 取，而選擇過濾作用係由長程記憶所控 制，故不在談話中偶然聽到長程記憶中專屬個人的姓氏，則注意力或意識經驗立即轉
移而擷取其後績之有關內容。才玉-於與知覺 感受對應的外星且行為，般是經往事存儲 記憶的匹配等過程而竟全程運算所達到的 輸出。其間，短程存儲的訊息以迄過i膚、完 畢或為獲得之其他輸人取代，歷時極短， 僅數秒鐘時間。父圖r !J亦顯示，輸入訊息 經有限容量進路後，亦口J 走循環迴路重複 流過短程存告者， l1Ti 延長記憶時間。此種情 景口j 在每一個人臨時取得新電話號碼起， 以迄完成撥出該號碼之全程輸出中，必經 默默複誦，延長瞬間記憶。 如國 3 所示，即認知設計示意圖，代 表人智認知中各聯結古巴門配合輸入之訊息 運作而達成知覺感受、確認、記憶、推理、 問題解決、行為外顯等之全部流程。顯見， i合似符號人 r 智慧(Symbolic AI )
，認定經大腦運作的符號，即是人類心智的來源; 而更重要的是這些符號的運算，必先匹配 並遵照規則，:.t能在大腦中完成由心智代 表的認知過程與行為外顯。認生[1 設計主要 內涵包括表示短程記憶之工作記憶、長程 陳述記憶、以及亦可反映技術活動的製作 記憶。製作記憶主要代表制約行為外顯的 關係規則，而且一般「若....則... J 形式亦 必須遵循與完成 O 此外，長相記憶還分兩 大類，其一為事實、經驗，而其次是技術 記憶。 編碼 T I 整幣執 lJ 外界 圓 3 認知系統言丈計示意圖 (Johnson 一Laird， 1988) 由示意圖可知外界進入編碼後的訊 息，先經工作記憶，部分即可在此短程記 憶中處理而執行，並對外輸出行為，另一 部份藉短程記憶的指令，透過製作系統記 憶的匹配， {并合兩方面長程記憶的原有訊 息，加以運算，再問到仁作記憶而達到對 外執行行為的輸出。整個過程皆遵循安德
笙制定之 ACT 系統 (Adaptive
Control of
Thought
System) 原理。安式指出所謂遵循 製作記憶系統，必須在一般成套原則 F 完 成控制、記憶、理性運思、語言等所有認 知能力，以竟輸出之運算全功。一九八二 年，安氏再版 ACT 系統問世，說明其適用 性可涵蓋生物與非生物兩類機體(Anderson
,
1983
)。 於此，作者再度提示，聯結主義系統 中，參與運算的儲存或記憶，是以聯結網 路活化程度為基幹;也就是，在類比神經 元組合的網路中，跨越過多重處理單元或 節點，將其所形成的活化模式，納入記憶， 並非一般電腦昨存的數據、知識等訊息的 諸般各別項目 O 學習既是在獲致新的經驗訊息後，再 併入 L卓有訊息的基幹上，從事編製與執行 新布命的程式，故學習的進步，顯見是新 程式中形成活化模式的重組或創新，這才 保障學習進步的吋能發生。更且，製作規 則或系統本身亦有可能循演化規律而變演 不屑。依照拉斯洛的工作假說，如圖 4 所 示，人智的受到外在環境中，新經驗訊息 的引發，故經由探索適應步驟，必使人智 網路中抨制 密碼變動而經白組織功能進 A 步達到新自穩定狀態、(趙金祁'民 91 )。 由此可見，網路設計中，既有自身即可反 映經學習獲致進步的可能，更有拉氏工作 假說，可能在長程、短程記憶中發揮其機 制，而經演化進而達到進步的助益:兩者 功能，同時並進，特於此說明。 一 II 一科學教育月刊 第 264 期 中華民國九十二年十一月
~戶(
圖 4 拉氏工作假說環路 (Laszlo，1969)
E三外在環境，由El 變成 E2 '圖中經簡化，仍保 留為 E 。 乎成覺傳嵐器中代表輸入事件。 C=控制 密碼過程，可對應El 及 E2 由 Cl 改變至C2
0 R=~ 統的新輸出。 二)=探索適應的自組織過程。梁、結語一科學教育應有的反思與應
用實例
插憶-九八七年，中華民國關立台灣 自IIi 範大學科學教育研究所，首先推出以傳 習科學哲學為主的科學理念科曰:隨之，于L 八九年美國佛羅早大( Florida) 大學也
在其校區舉辦首次「歷史、哲學、與科學 教學國際研討會 J 更早， 公九七 O 年在 布，美國俄亥俄州立大學科學與數學教育 研究所指定孔恩「科學革命 J ---書為所內 研究中必讀書籍。但是，科教研究圈在科 學哲學主題之研究卜，究竟獲得何種啟 示?美國國家基金會及我國國家科學委員 會科教單位，交支助多少相關之研究方 案?不得而知。就成效說來，過去推廣的 研究重點味守舊、 4 本萬貫，遵循傳 統方式，在教材、教法、資優、人才、創 一 12 造、行動研究 k 打轉，幾乎全無自我創新 的獨立作法，後效顯然不足。 如前所述，科學教育改革發朝之初， 縱經提供皮啞傑發生認識論之推廣機會， 並廣泛採用訊息處理原則辦理科教資料彙 編:然而，歷年來科教闢卻未曾趕 t 這兩 方面研發的步調，努力促使認知科學的成 形與其在研究 I二的應用，而仍守在原有枝 節問題上的求解，實為可惜。 首先，科學教育圈縱有開授科學史哲 科口的事實，然[表|缺少有關科學哲學主題 研究計劃，以有三未曾及時發現自然科學與 社會科學不同，具有奉典範為一尊的研究 方法特性，即放棄其他近似典範或將其納 入當令典範中，加以說明。其次，科學教 育亦未注意到認知科學進步甚大，尤其遵 照安氏所提出的 ACT* 系統原則，以具控制 特徵製作規則為中心支撐的功能，可引領 圍繞之隸屬命題，紛紛併發，且可相互連 接，而加以計量計算。再次，科教圈亦疏 忽皮盟傑之研究，根本末觸及教育層面， 僅屬兒章至成年期間的思維與推理本質的 變化推敲。因此，在其臨床研究中與其子 立為對象種種對話命題，都是圍繞著孩于 邏輯思維結論中心並相互連接的衍生命 題。 白然科學教育中，應及早體會以 t 三 者確口J 形成莫大一個研究契機，更增以拉 氏的演化環路機制之助益，也許，就因此 促使加拿大滑鐵盧大學哲學教授薩卡德撰 寫「概念革命 J --書;薩氏乃綜合以上三 者的要件，對可視為科學概念革命判準之種種相關之衍生命題，求得其活化數據， 以為革命確曾發生與百的佐證( Thagard、
1992
)。 薩氏認為，人智理論必須有口J 能反應 人智活動的增強與人體感知行為 L 由因應 而作為之間的相關關係'即前述人智與人 體間關 1 系，也就是所謂活化程度變化的效 應。依照聯結主義的看法，大腦模擬神經 亢的網路，即具有無數口J 予活化的節點: 而節點可經連接與其他節點聯結，並視其 活化程度與活化情況而增強或減弱其他節 點的水準;這樣的構思，猶似前述人智的 潛在活化序列數可以是 1 0 乘十五次方的 函數代表，故活化狀態所標誌的記憶模 式，為數既至為驚人，且模式亦口J 大為不 同。薩氏就依循這樣的的思路，經過命題 分析，各別連接、壘化、特定概念革命事 件諸命題論證的網路繪製、以及表示聯結 性的連接間活化程度的量化數值，表徵相 關命題於概念變移前後間的不同融貫程 度反映各別學習者對變移概念所持的態度，亦經改變。
基於以 L 理念，薩氏運用人T.智慧慣 用的 LISP 語言中 ECHO 程式，算出科學概 念革命前後，學習者對有關命題抱持的態 度改變的量化數值。其間，也運用再生循 環函數，除表達各命題的活化程度，也襯 托其活化過程，最後並將列表機製作成曲 線圖，以呈現革命後概念結構的變遷(邱 美虹，民的:薩氏原著中譯本)。 薩氏綜合孔恩學說要義、發生認識論 觀點、概念成份間邏輯推算思維、 ACT*系 統說、電算機技巧，使近似抽象而較其哲 學意味的概念革命，賦予幫為具體的計量 數字，且推廣至學生學習中改變概念的情 況，值得科學教育同仁參考。捌、誌~~1
~OO 三年，筆者承國立台灣師範大 學科學教育研究所的任所長邱美虹教授囑 咐為以其為首之「概念革命」譯作撰寫導 讀，作者官|寸才疏學淺，乃寫成引介一篇; 此舉提供作者機會，就以概念為典範的革 命，所引發對種種相關命題，在態度上可 能呈現重大改變的問題，進行深入研究， 而成此懦，特此謝忱。不I: 本文撰寫中，國 II 東華大學電機仁程學系所長趙涵捷教 授，提供認知科學資訊，國:在臺it 科技大 學進修學院主任李金連教授，國立高雄師 範大學科學教育研究所洪振方博卡，國立 屏東師範學院數月教育研究所莊嘉坤教 授、洪文東教授等貢獻各方面資源， 一(并 致謝。 本文簡 IIU~ 之處，誠屬難免，祈海內外 專家不吝賜教，為禱。參考文獻:
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