學生對基因相關概念瞭解之研究

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(1)國立台灣師範大學生命科學系. 碩士論文. 學生對基因相關概念瞭解之研究 A study on students’ understanding of gene-related concepts. 研 究 生:柯元蘋 Yuan-Pin Ko. 指導教授:林陳涌博士 Chen-Yung Lin. 中 華 民 國 九 十 八 年 七 月.

(2) 摘要 本研究為一跨年齡學生基因相關概念之研究,目的為探究國中、 高中、大學學生對基因相關概念之瞭解,比較不同年齡學生基因相關 概念之異同,探究學生之基因相關概念的縱向發展,以及學生在整合 基因相關概念時產生的困境。基因相關概念既多重複雜又緊密相關, 為深入瞭解學生之概念,本研究將與基因相關的概念區分為下列四個 項目: 「一般基因概念」 、 「基因物質」 、 「基因與表現」 、 「基因決定論」 。 並針對上述四個項目分別設計問題,以十名國中八年級學生、十一名 高中二年級學生、十一名高中三年級自然組學生、十一名大學生物相 關科系學生為研究對象,進行半結構型晤談,以期能夠探究不同年齡 學生對基因相關概念的瞭解。晤談結果採用質性研究的分析方式,並 進行跨年齡分析比較。獲得之結果呈現出學生的部份基因相關概念隨 著年齡增長而成長,變得越來越豐富;部份基因相關概念隨著年齡增 長而增加,從無到有增加了與分子遺傳學相關的概念;部份基因相關 概念隨著年齡增長而有所改變,從接近古典遺傳學的概念逐漸轉變為 接近分子遺傳學的概念;部份基因相關概念固著而穩定,並不隨著年 齡增長而有所改變;以及同時擁有古典遺傳學的基因相關概念與分子 遺傳學的基因相關概念的學生,難以區別釐清兩邊的基因相關概念, 因而可能造成其學習上的困難。整體看來學生的基因相關概念隨著年. I.

(3) 齡增長而逐漸變化,增加了分子遺傳學的概念,但古典遺傳學的概念 並未消失,因此概念變得更加豐富,然而因為無法清楚區別兩種遺傳 學的概念,也會因此而產生概念學習上的困難。 關鍵字:遺傳學、基因、基因相關概念、跨年齡研究. II.

(4) Abstract This cross-age study is carried to analyze high school and college students’ understanding of gene-related concepts, to unravel and compare relevant conceptual developments throughout high school education. Difficulties encountered during conceptual coordination are also discussed. Our research focuses on probing into students’ core concepts about genes, i.e. understanding of genes and other associated notions. To clarify the complexity of genetic abstractions, four divisions are made to examine students’ understanding: 1. General knowledge; 2. Genetic materials; 3. Genes expressions; 4. Genetic determinism. Questionnaires are designed according to the divisions, and 10 eighth-grade, 11 11th-grade, 11 12th-grade, 11 college students majoring in biology are interviewed in a semi-structural style. Results of interviews are analyzed with qualitative research methods and compared cross-agedly. Analysis reveals that some concepts develop and expand into partial mixture with molecular genetics, some modify from pro-classical to pro-molecular, and some remain fixed. Some students have simultaneous classic-genetic and molecular-biological genetic conceptions but cannot seem to differ between two sides, and thus experience difficulty integrating their conceptual framework. Overall, students’ gene-relevant concepts develop with time, adding molecular genetics to classic notions that are not replaced, thus building up a bigger genetic lexicon. However, difficulty in differentiation of the two disciplines may obstruct learning. Keyword: genetics; gene; gene-related concepts; cross-age study. III.

(5) IV.

(6) 目. 錄. 中文摘要.........................................Ⅰ 英文摘要.........................................Ⅲ 目. 錄.........................................Ⅴ. 表 目 錄......................................... Ⅶ 圖 目 錄.........................................Ⅷ. 目 第一章. 錄. 緒論…………………………………………………………1. 第一節. 研究背景與重要性……………………………………1. 第二節. 研究目的與待答問題…………………………………7. 第三節. 相關名詞釋義…………………………………………8. 第四節. 研究範圍與限制………………………………………11. 第二章. 文獻探討……………………………………………………13. 第一節. 學生概念發展之探討…………………………………13. 第二節. 遺傳學史上基因概念之發展…………………………20. 第三節. 影響學生學習遺傳學概念之相關研究………………29. 第四節. 探討概念的研究方法…………………………………37. 第三章. 研究方法……………………………………………………45. 第一節. 研究架構與流程………………………………………45. V.

(7) 第二節. 研究對象………………………………………………47. 第三節. 研究工具………………………………………………49. 第四節. 資料的蒐集與分析……………………………………57. 第四章. 研究結果與分析討論………………………………………61. 第一節. 學生「一般基因概念」之概念分析…………………61. 第二節. 學生「基因物質」之概念分析………………………93. 第三節. 學生「基因與表現」之概念分析……………………110. 第四節. 學生「基因決定論」之概念分析……………………148. 第五節. 基因多義性與學生學習基因相關概念的困難………155. 第五章. 結論與建議…………………………………………………170. 第一節. 結論……………………………………………………170. 第二節. 建議……………………………………………………175. 參考文獻 一、中文文獻…………………………………………………………180 二、英文文獻…………………………………………………………182 附錄 附錄一 晤談大綱……………………………………………………192 附錄二 晤談問卷……………………………………………………196. VI.

(8) 表目錄 表 3-3-1:古典遺傳學和分子遺傳學之概念相異表…………………51 表 3-3-2:晤談題目對應項目與目的…………………………………54 表 4-1-1:學生基因概念的來源………………………………………64 表 4-1-2:學生描述基因時提及與遺傳學有關的關鍵字……………63 表 4-1-3 :不同年齡學生對基因的比喻………………………………86 表 4-1-4 :國二生對基因的比喻………………………………………86 表 4-1-5 :高二生對基因的比喻………………………………………89 表 4-1-6 :高三生對基因的比喻………………………………………89 表 4-1-7 :大一生對基因的比喻………………………………………90 表 4-2-1 :不同年齡學生畫出來的基因………………………………94 表 4-2-2:國二生所畫的基因…………………………………………96 表 4-2-3:高二生所畫的基因…………………………………………96 表 4-2-4:高三生所畫的基因…………………………………………98 表 4-2-5:大一生所畫的基因…………………………………………98 表 4-2-6 :學生看雙股螺旋圖片的回答……………………………102 表 4-2-7 :學生看染色體圖片的回答………………………………107 表 4-3-1 :學生對性狀的定義………………………………………116 表 4-3-2 :學生對性狀範例的選擇…………………………………118. VII.

(9) 表 4-3-3 :學生修改對性狀的定義…………………………………125 表 4-3-4 :學生心目中基因的影響…………………………………131 表 4-3-5 學生認為基因如何產生影響………………………………140 表 4-3-6 學生認為基因是否會製造什麼東西………………………142 表 4-3-7 學生提到基因遵循顯隱性法則產生結果…………………142 表 4-3-8 學生在第十五題的選擇(相同的用粗體) …………………144. 圖目錄 圖 3-1-1:研究流程圖…………………………………………………46 圖 3-3-1:遺傳概念發展線相關圖……………………………………52. VIII.

(10) 第一章. 緒論. 第一節 研究背景與重要性 近年來由於生物科技進展迅速,學生除了在課堂上會學習到與遺 傳相關的概念之外,日常生活所及之處亦常常接觸到基因、DNA、基 因工程、基因改造、遺傳工程、複製技術之類與遺傳學相關的資訊和 專有名詞。而在我們的週遭,不論是商品廣告、報章雜誌、新聞報導、 科普節目、網路消息、電影、小說、甚至日常對話等等地方,都可能 出現這些與遺傳學相關的訊息。但這些遺傳學上的專有名詞大部分都 很困難,例如學生可能無法區分遺傳工程與基因工程的差別,或是不 瞭解複製技術的理論與過程,甚至不清楚基因改造這個詞彙所代表的 意義。然而, 「基因」這個名詞,既簡單又常見,更不像大部分科學 專有名詞那樣生澀難懂,大部分人都聽過這個辭彙,又能夠琅琅上 口。不論專家學者、一般大眾、各階層的學生,當他們提起基因,都 可能對「基因」有一套自己的想法,而學生在踏入課堂正式學習遺傳 學之前,往往已對基因的相關概念有自己的一套想法。 而遺傳學是生物課程的一大重點,也是生物科學的核心領域之一 (Wandersee, Fisher, & Moody, 2000),過去二十年來的研究也清楚顯 示,遺傳學是理解基因工程等因生物科技快速發展所衍生的當代社會. 1/199.

(11) 議題之重要基礎(Browning & Lehman, 1988; Mertens & Hendrix, 1990)。 但即使遺傳學如此重要,在教學上也普遍受到重視,它卻一直是老師 覺得難敎,且學生也覺得難學的單元(黃台珠,1990;薛靜瑩,1998)。 關於遺傳學概念的研究非常豐富,研究內容較常探討學生在學習整個 遺傳學時,產生的另有概念,以及推測其形成原因。例如探討學生使 用孟德爾遺傳定律來計算棋盤方格表、推測子代基因型與性狀時,所 遭遇的困難與另有概念。或者探究學生在學習關於獲得性遺傳、減數 分裂、生殖、孟德爾遺傳法則等遺傳上較大的概念的情況與所產生的 另有概念。研究結果並指出遺傳學的概念經常是最難理解的科學概念 之一(Bahar et al., 1999a, 1999b; Banet & Ayuso, 1999; Johnstone & Mahmoud, 1980; Mysliwiec, 2003; Tsui & Treagust, 2003, 2004),亦呈現出 遺傳學概念與基因概念學習與教導上的各種困難:造成遺傳學學習上 產生困難的原因很多,首先遺傳學概念本身就很複雜難學,因為遺傳 學所包含的概念跨越了巨觀、微觀、抽象以及符號的表徵;其次遺傳 學術語亦很難懂,對學生學習時產生了語言上的困難(Treagust et al., 2004; Bahar, Johnstone, & Hansell, 1999);此外,因為文化背景、生活經 驗或語言上的聯想,導致學生產生錯誤的先備概念也會造成遺傳學學 習上的困難;而學生在學習遺傳學時,因為無法理解或知識不足產生 的另有概念亦會阻礙學習。. 2/199.

(12) 基因的概念,是遺傳學裡最重要的概念之一,提到遺傳學,幾乎 不能不談到基因的概念。基因概念可以說是遺傳學的核心概念,與遺 傳學中多數概念緊密關聯,若基因概念的定義改變,則與基因相關的 其他概念,例如性狀、基因表現、基因決定論等等概念的定義亦會改 變。但是,究竟何謂「基因」?基因的定義為何?這個問題卻沒有一 個顯而易見的標準答案。隨著遺傳學史的發展,基因的概念不斷演 變,因此難以給予單純的定義。Falk(1986)以孟德爾為遺傳學基因概 念的正式起始,提出基因概念在歷史上的發展與演進過程,認為最早 的基因是指「能夠決定遺傳單一性狀的這個東西」 ,甚至不知道到底 是不是物質,因此基因的概念只是一種計算用的符號與工具,故稱之 為「工具的基因」概念;接下來,科學家證實了基因是位於染色體上 的物質實體,基因概念的意義變成「物質的基因」 ,但當時基因仍然 只是一個理論的、假設的、功能的單位;接著 1953 年 Watson 跟 Crick 提出 DNA 雙股螺旋模型,科學家從此瞭解基因的物質本體是 DNA, 基因是解譯蛋白質的 DNA 分子的一個片段,因而將此時的基因概念 稱之為「DNA 基因」 ;但隨著科學進步,分子遺傳學家逐漸發現,基 因的表現很複雜,越研究就越沒有辦法清楚的下定義,所以近期基因 的概念變得十分模糊,稱為「費解的基因」。Gericke 等人(2007)按照 遺傳學歷史演進,將基因的概念做更詳細的區分,描述出按歷史時間. 3/199.

(13) 順序產生的五種不同基因功能模式(model),而每個模式中,基因的結 構和物質本體、基因在有機體層次如何使用、基因和其他遺傳學概念 之間的關係、以及基因本體對其特性的影響都有所不同。而其結論亦 是近年來分子遺傳學的研究,使得基因的定義變得更加複雜曖昧而不 明確,而且定義繁多。而分子遺傳學家能夠針對每個不同的特定情 況,給基因下許多不同的定義,但其中卻沒有一個能包含了所有已知 的情況(Morange, 2001)。 在目前被生物相關科系廣泛使用的大學教科書「生物學(Biology)」 第七版中,作者 Campbell(2005)提到,給基因下定義,必須要依據遺 傳學史的背景。隨著遺傳學史的發展,基因不斷的被給予各種定義。 首先,從孟德爾概念下的基因定義、也就是決定性狀,到 Morgan 的 概念、也就是基因位於染色體上,再來是視基因為特定 DNA 序列的 概念,以及基因是一段可以轉譯出特定多肽鍊的 DNA 序列,這些都 是不同的基因概念。Campbell(2005)又說明,所有上述的這些定義都是 有用的,但必須要依據這個基因所處的研究情境來做選擇。簡單來 說,這些不同的基因定義,都是選擇性的有用。也就是說在特定的情 境之下、基因的定義是不同的,而且,他們都是有用的,並沒有互相 排斥哪個定義不對。舉個例子來說,在 1865 年孟德爾提出遺傳法則 之後,開始了古典遺傳學,一直到 2007 年,這個學門仍然存在。然. 4/199.

(14) 後以 1953 年 Watson 跟 Crick 提出 DNA 雙股螺旋結構為關鍵點,開始 了分子遺傳學,一直到 2007 年,這個學門也仍然存在。古典遺傳學 探討的是「親代與子代間的關係」,在這個學門,基因的概念是控制 性狀的遺傳物質。分子遺傳學探討的是「基因在個體(或是個體以內) 的表現」 ,基因的概念是能轉譯出特定多肽鏈的 DNA 序列。這兩者基 因的定義是截然不同的,但是都適合他們的研究、並且能夠使用。 再看目前國內中學教科書的編排,國內的中學課本,對基因也各 有不同的定義。以康軒版給國一學生使用的,國中自然與生活科技 1 下(2007)課本為例,基因的定義為: 「DNA 上控制某一種性狀的片段。」 (p.33)再來,以南一版給高二學生使用的,高級中學生命科學下冊(2007) 為例,基因的定義為: 「…生物的遺傳性狀是由因子所控制,他用英 文字母的大寫代表顯性因子,小寫代表隱性因子,是兩兩成對存在… 現在稱此因子為基因。」(p.92)接下來,在南一版給高三學生使用的, 普通高級中學生物下冊(2007)的基因定義為:「基因是 DNA 的一部分 片段,它儲存著遺傳訊息,可以準確地複製(有可能發生突變),並透 過控制蛋白質的合成而控制生物的性狀,因此,基因是遺傳的功能和 構造單位。」高三的課本,也就是,只有生物主修的學生,才會使用 到的課本內容。可以想見因為高三生物主修的學生,將來有機會踏入 生物科學的相關專業領域,因此課本中對於基因的定義,試圖描寫得. 5/199.

(15) 更清楚、更詳細。在教科書的編排上,幾乎都習慣先安排古典遺傳學 再進展到分子一傳學,感覺上似乎合乎遺傳學史的時間安排,但是, 現在的中學遺傳學教教材卻都沒有強調要學生依照使用情境來選擇 基因定義。基因這一詞貫穿了古典遺傳學與分子遺傳學,但教材編排 時卻分開來教導,也未做兩者之間的關聯與比較,學生必須自行建構 基因的概念在不同遺傳學背景之間的關連,因此,本研究意欲瞭解學 生對基因相關概念的理解。 本研究旨在探究當學生在課堂上與生活中學習到了眾多不同的 基因定義與其相關概念,會如何理解這些概念?學生學習後呈現出什 麼狀況?此外,隨著學生從中學到大學,不同的教育程度,這些不同 年齡學生對基因相關概念的理解是否會有差異、有變化?本研究由上 述角度切入,設計問題與學生進行半結構型晤談,而使用晤談方式能 深入瞭解學生真正的想法,同時也可以針對過去並無範例的研究建立 研究架構,是很重要且具價值的研究方式。對晤談結果加以分析後可 深入探究學生對基因相關概念的理解,以及學生理解基因相關概念時 所遭遇的困難。期望在與學生晤談的過程中針對這個課題進行瞭解, 提供給學生學習遺傳學概念的後續研究作為參考,研究所得的結果亦 可做為未來量化研究進行大量施測時,製作問卷與設計研究方法的基 礎。. 6/199.

(16) 第二節 研究目的與待答問題 根據前述的研究背景,研究者提出下列研究目的與研究問題: 一、 研究目的 本研究的目的在於探究國中八年級學生、高中十一年級學生、高 中十二年級自然組學生,以及大學生物相關科系一年級學生,對基因 相關概念之瞭解,並探討比較這些不同年齡學生對基因相關概念的理 解之差異。而學生對基因相關概念的理解,是指下列四個項目:學生 對「一般基因概念」之瞭解、學生對「基因物質」之瞭解、學生對「基 因與表現」之瞭解、學生對「基因決定論」之瞭解。本研究期望瞭解 不同年齡學生在此四個項目的基因相關概念上的理解,並呈現學生學 習基因相關概念時所表現出來的情況。. 二、待答問題 根據本研究之研究目的,共列出下列四個待答問題。 1.. 探討國中、高中和大學學生對「一般基因概念」的瞭解、發展. 狀況以及異同。 2.. 探討國中、高中和大學學生對「基因物質」的瞭解、發展狀況. 以及異同。 3.. 探討國中、高中和大學學生對「基因與表現」的瞭解、發展狀. 7/199.

(17) 況以及異同。 4.. 探討國中、高中和大學學生對「基因決定論」的瞭解、發展狀. 況以及異同。. 第三節 相關名詞釋義 以下,針對本研究中所涉及的重要名詞進行定義以及解釋,分別 說明本研究所指涉之古典遺傳學、分子遺傳學,和基因相關概念的意 義:. 一、古典遺傳學: 本研究所稱古典遺傳學,又稱傳遞遺傳學(transmission genetics)或 孟德爾遺傳學(Mendelian genetics)。開始於 1865 年孟德爾提出遺傳法 則,探討生物代與代之間的遺傳關係。古典遺傳學所使用的模式生物 是帶有雙套染色體(2N)的真核生物,只能解釋 2N 生物的遺傳問題, 而為了比較子代與子代之間、子代與親代之間的遺傳關係,所使用的 研究方法多為交配育種。 在古典遺傳學中,基因是控制性狀的單位,計算時用符號來代 表。成對基因在代與代之間傳遞時,遵循孟德爾遺傳法則分離或組 合,而每一對基因控制一種性狀,因此當基因的組合不同,表現出來. 8/199.

(18) 的性狀便有所差異。而性狀通常是看得見、可辨識、清楚明確的外觀 表徵,依照其被表現出來的機率而有顯隱性之分。 此外,由於古典遺傳學中所謂的性狀通常是指生物的外表特徵, 因此只能在同樣的物種中做推論與預測,而無法將預測的結果直接推 論到其他生物或其他性狀。. 二、分子遺傳學: 本研究所稱分子遺傳學,始於 1953 年 Watson 跟 Crick 提出 DNA 雙股螺旋結構,探討基因本身在個體層次或分子層次的表現。由於基 因是 DNA 片段,因此分子遺傳學的研究使用各種含有 DNA 的模式生 物、不再侷限於 2N 的生物。同時,分子遺傳學大量運用各種生化技 術,藉由直接或間接操弄 DNA 來探討基因。 在分子遺傳學中,對基因的定義模糊而複雜,隨著不同的情境而 有所差異,基因可能是 DNA 上的一段片段、基因可能是 DNA 上的許 多片段、甚至還可能包括了某些 RNA 與蛋白質。基因的表現遵循中 心法則(central dogma),由 DNA 轉錄為 mRNA,mRNA 再轉譯為多肽 或蛋白質,但這個過程中可能包含複雜的調控機制,例如外顯子與内 隱子的剪接、轉錄後修飾、轉譯後修飾以及其他中介物質的影響等 等。而轉譯出來的蛋白質可能直接影響外表特徵或生理特徵,或是藉. 9/199.

(19) 由影響其他蛋白質再來間接影響外表或生理。因此,基因的表現可分 為很多層次,從 mRNA、多肽或蛋白質、生物體的生理特徵、到生物 體明顯可見的外表表徵。除此之外,基因的表現還會受到環境的影 響。不只是細胞內的微環境,例如周圍的蛋白質,會影響基因表現與 否;體外的大環境,例如溫度,也會影響基因是否表現,進而影響生 物的特徵。 此外,由於 DNA 上的密碼子對應的胺基酸,在各個物種間幾乎 都一樣,故而若兩物種有相同的遺傳密碼,則其就會產生相同的蛋白 質。因此,基因的功能通常可以推論到其他擁有同樣基因的物種。. 三、基因相關概念: 本研究中所指之基因相關概念,共分為四個部份。 1.「一般基因概念」 :是指學生對基因一詞所產生的第一印象、概 略概念,包含學生認為基因是什麼、像什麼?以及學生對基因的功能 之瞭解、學生對基因所扮演的角色的看法。 2.「基因物質」 :基因物質是專指基因的物質本體,而不牽涉到基 因的功能與其所扮演的角色。此項目是為了探究學生對組成基因的物 質之概念,瞭解學生認為基因有無物質實體?若學生對基因沒有物質 實體的概念,則學生認為基因是什麼?若學生認為基因有物質實體,. 10/199.

(20) 則進一步探究學生認為基因位於何處、組成為何、結構為何,或其與 染色體、細胞、生物體的組成關係為何。 3.「基因與表現」 :基因的表現可分為很多層次,從 mRNA、多肽 或蛋白質、生物體的生理特徵、到生物體明顯可見的外表表徵等等。 此項目是為了探究學生對基因的表現程度的看法,以及瞭解學生認為 基因如何表現、基因與其所表現出來的結果之間的關係為何。晤談 時,使用「基因的影響」和「性狀」兩詞來探究學生對基因的表現的 看法。 4.「基因決定論」:基因決定論是指只要基因本身的組成沒有改 變,基因就能夠直接決定生物體的各種特徵,不受到其他因素的影 響。所謂的其他因素並不包含基因本身因輻射等原因導致的突變或複 製錯誤而產生的自然突變、也不包含遺傳時基因的排列組合改變;而 是指基因會受到各種來自 DNA 片段、其他基因、mRNA、酵素與蛋 白質、細胞內外環境、生物體外大環境的變化這些調控,影響其是否 表現。此項目是為了要探究學生對基因決定論的看法,包含瞭解學生 是否有調控的觀念、以及學生是否有環境影響基因表現的觀念。. 第四節 研究範圍與限制 本研究欲探討學生對概念理解的縱貫性發展,實應以縱貫性研. 11/199.

(21) 究、長期追蹤同一批學生的概念之發展為最佳方式,但礙於縱貫性研 究需要長時間,耗時耗力,無法使用於短期研究。故本研究採用跨年 齡研究(cross-age study)方式,研究對象跨越四個不同年齡層,分別為 國中八年級、高中十一年級、高中十二年級、大學一年級,並同時針 對這四個不同年齡層學生的基因相關概念之瞭解做探究與比較。 此外,本研究限於研究者之人力物力及時間因素,以便利性取 樣,選擇台北縣某國中八年級學生、台北縣某高中十一年級學生、十 二年級自然組學生,以及中部某國立大學生物相關科系一年級學生, 為對象族群進行取樣研究。故本研究之結論若需推論至其他學科、其 他年級或其他地區學生,應相當謹慎。. 12/199.

(22) 第二章 文獻探討. 本研究旨在探究學生對基因相關概念的瞭解之狀況與發展,並探 討由中學到大學,不同年齡學生對基因相關概念瞭解的差異,以供未 來相關研究發展之參考。本章將根據學者們的研究,在第一節中,探 討關於學生概念的形成和發展;在第二節中闡述基因概念在遺傳學史 上的發展與轉變;在第三節裡進一步整理國內外有關影響學生學習遺 傳學概念之相關研究;最後在第四節中整理探討概念的研究方法,並 以質性研究的資料收集方法為主,詳述本次研究使用的概念研究方法 與題目類型:半結構型晤談與開放型問題。. 第一節 學生概念發展之探討 本研究意欲探究學生對基因相關概念之瞭解的發展,因此本節先 就學生概念之發展作探討。早在古希臘時代,蘇格拉底就曾提問: 「概 念是什麼?」根據韋氏大辭典的解釋,概念(concept)是指個人對一串 特殊事例思考後形成的意念,不論是抽象或模糊的都包含在內。而教 育百科辭典(1994)指出,概念什麼?概念是人類藉此來認識客觀現實 中,各種事物與現象本質上特徵的思考形式,又可分為日常生活概念 (前科學概念)與科學概念兩種,但概念一詞在不同領域中又有各種不. 13/199.

(23) 同的解釋,被賦予多元的意義。下列分為三個部份來探討,分別是: 概念的本質、學生的概念之形成與建構、以及學生的概念之改變與發 展。. 一、概念的本質 關於概念的本質,有各種不同的說法,且正因為概念一詞被廣泛 使用,所以更難以精確定義。而由於任何概念都可以是概念的一個例 子(Skemp, 1987),因此要使用簡潔的一句話來描述概念非常困難,各 種定義皆有其不足之處。在此綜合不同學者的說法,約略歸納出概念 的本質:概念是一個人在辨認事物時,從各種事物中所抽取出的同一 類事件或物件的共同重要特徵、普遍性質,並且會將之以抽象符號意 義來呈現。換句話說,概念是個人自己整理歸納出來的、個人所單獨 具有的標籤。個人對於具有某一種共同特質之事物,以某些特定的標 籤表示出這些事物的共同性,並整理歸納出這些事物的範疇與編碼類 目。而個人在辨認新事物時,也會使用其所抽取出的此重要特徵作為 依據,當新事物符合此一特徵時,便將之歸為同類。因此,概念是一 種會改變的、動態的關聯,用以維持個人對各種不同事物間的觀念。 由此可知,每個學生對概念的瞭解也會有所不同,而探究學生的概念 可以得知學生對世界的理解。. 14/199.

(24) 不同的學者針對概念,也做出許多不同的分類方式。心理學領域 行為學派認為概念是一群能產生特定反應之相似刺激,而認知學派則 視概念為一種心智活動,在本研究中傾向使用認知學派的看法。針對 概念所對應的對象,又可以把概念區分為具體概念和抽象概念,具體 概念指的是此概念對應到具體的事物,而抽象概念指的是此概念對應 到抽象的事物。針對概念產生的目的,又可將概念分為自然概念與邏 輯概念,為應付日常生活所生的概念為自然概念,而以特定目的創造 出來、使用於特定領域作為分類推理基礎的則為邏輯概念(鐘聖校, 1997)。 而概念本身亦有階層之分,一如概念一詞本身所具有的多元意 義,在不同領域中亦有許多學者以各種角度切入將概念區分為眾多層 次。Skemp(1987,1989)認為學生將學習經驗抽出共同特性,以備將來 能夠辨認出具有類似特性的狀況,而此過程中的概念有階序之分,由 低階序較不抽象的概念循序漸進到高階序較抽象的概念。Skemp 並且 依照這樣同一類型概念的抽象程度,將概念區分為個人由感官對外經 驗所得的「初級概念」 ,和由數個初級概念再抽象而得的「次級概念」 兩種。此外,針對同一個概念,又將之分為表面結構與深層結構兩個 部份,表面結構是指個人使用文辭句型等符號來操作,而深層結構則 指概念本身,亦即這些文辭底下所代表的意涵。研究者意欲探討的. 15/199.

(25) 是,當學生使用「基因」或「DNA」這一類遺傳學上常用的語詞符號 在回答問題時,其所代表的深層結構為何?學生對這些概念的瞭解為 何?. 二、學生的概念之形成與建構 由於概念是個人由自身經驗產生出對事物的理解與歸納,所以每 個人、每個學生的概念當然會有所差異。甚至個人在生命的各個階 段、不同時間點上,對同一類事物的概念亦不盡相同,接下來則介紹 關於學生的概念之形成與建構。 概念與個人對事物的屬性、特徵之分類有極大的關連,而個人會 經歷一連串學習歷程形成概念,學習歸納與推理、從觀察到的事物中 概括出共同點與抽取出其共有的規則。形成概念的過程,以心理學領 域而論,行為學派以聯結論來解釋概念的形成,說明概念是藉由正確 配對刺激與反應來增強、類化、區辨而逐步形成的。認知心理學家則 認為概念的形成可分為兩種不同的方式:1.假設驗證:個人假設某些 重要特徵屬於一概念,反覆驗證此一假設,直至無誤而形成此概念。 2.例證學習:此學習策略是使用典型的例證來瞭解一概念所包含的共 同屬性。 而在個體成長過程中,會根據個人的經驗與理念,進一步將各種. 16/199.

(26) 不同概念組織化,找出其關聯與層次,形成概念架構。此因人而異的 概念架構將被個人用來評斷新事物,並隨著新概念的加入不斷修正、 完備。以建構論角度論,學生具備適當先備知識,經內化過程主動建 構其連結概念的階層架構、發展或改變其概念。至此,概念已不只是 單純的事物共同特徵了。科學是人類對生存環境的探索,因此科學概 念還代表了個體的信念、對世界的理解以及對事物運作之解釋 (Confrey, 1989)。所以部分概念一經建構則很難改變,因為改變概念意 味著個體原先對世界的認知有錯誤、不真實,並不容易為個體所接受。 建構論觀點對於概念的研究,則認為學生若只是機械性的背誦出 片段的知識,並不能算有意義的學習,亦無法透過此種方式證明學生 已瞭解。而應該重視學生如何用本身的知識與經驗去獲取、理解、消 化和應用許多公眾的知識,內化為自身個人的理解;或者用自己已有 的經驗去解釋生活中新的經驗。因此,個人受這些自身的經驗、也就 是先備概念、先備知識的影響,是用一副「概念的眼鏡」在觀察世界 (Thomas S. Kuhn, 1970),Kuhn 稱此概念的眼鏡為「典範」(paradigms)。 這副概念的眼鏡會決定學生所注意、所選擇、所主動想學習的資訊 (Glynn, Yeany & Britton, 1991)。也就是說,正式學習之前,學生已有 自己的先備科學概念架構,並使用此架構來解釋、描述新舊科學知 識。依據 Ausubel 的有意義學習理論,認為學生的先備知識、先備概. 17/199.

(27) 念是建構知識的必要條件,且學習者學習時必須發展出一套完整的知 識架構。而學生本身的心智模式,是藉由學生自己的親身經驗而來, 教師在教學時並不能灌輸學生心智模式,只能在教導時引介語詞,使 學生連結其心智模式和語詞而產生出概念(Lawson, 1986)。因此教師要 幫助學生有意義的學習科學概念,還要引導學生連結新舊概念,並透 過正確的覺知、想像、組織、精緻化的關聯過程產生有意義的學習。 這個過程會幫助概念間的關聯與建構,讓學生主動建立出一個屬於自 己的有意義的概念架構。相反的只靠背誦無法發展出良好的知識架 構,還會讓學生產生許多另有概念(Novak, 1997)。 綜上可知,只有當學生能夠建構出自己對事物的概念時,才能夠 理解知識與客觀事物的意義,因此概念的建構對於學習十分重要。而 每個學生都會形成與建構出屬於自己獨有的概念,這些概念將深深影 響學生的學習,也間接影響了教師的教學,因此對於學生的概念之研 究是不可或缺的重要研究。. 三、學生的概念之改變與發展 而概念不只因人而異,形成後亦會有所改變與發展。對於學生而 言,概念的形成與建構是自然而然的,學生對生活中常見的自然現 象,在到學校學習之前,就會建構出屬於自己的想法,這些想法又可. 18/199.

(28) 稱為先存的另有概念,而這些概念的來源可能是學生的日常經驗、再 加入部份個人知識,並在預測與理解新經驗時做驗證,調整其概念的 架構。認知心理學者指出概念發展有三個歷程:1.概念最初的孕育: 由理論智慧和方法行動兩者配合。2.概念之成長與發展:從知覺特徵 推向概念定義。3.概念之熟成:從日常生活概念轉移到學科專家的概 念。 但研究顯示,學生的概念在發展過程中,當其原先擁有的日常生 活概念不正確時,要由日常生活概念轉移到學科專家的概念時,卻有 可能難以改變過去。特別是由於科學概念是個人的(personal)、固執的 (persistent)、強韌的(robust)、一致的(consistent)、穩定的(stable),這些 特質會阻礙學生在學習科學的過程中進行概念的改變(Pfundt & Duit, 1991)。針對學生的概念難以改變,許多學者提出不同的看法,Posner 等人(1982)提出概念改變的四個條件,認為只有當概念符合這四個條 件,而且透過個人自身對概念的調適、也就是重新組織或取代既有的 中心概念,才能使概念重組以達成概念改變。這四個條件分別是:1. 學生對現有的概念產生不滿,也就是學生感受到既有的概念已不具功 能性,當學生舊有的概念仍可使用時是不會產生概念改變的;2.新的 概念對於學生來說是可以理解的,但對於學生來說,這些科學性的新 概念通常是反直覺的、或者不可理解的,造成概念難以改變;3.新的. 19/199.

(29) 概念必須是合理的,必須能夠解決原來其他的問題,並且不違背其他 的概念;4.新的概念必須是豐富好用的,不僅可解決現存的問題,還 可用以預測新的狀況。 此外,Thagard(1992)提及新舊理論之間的關係,有四種可能性: 合併(incorporate)、含攝覆蓋(sublate)、取代(supplant)與忽視不理 (disregard)。其中取代是完全拋棄舊有的理論,以新理論取代之,例如 達爾文的演化論取代了舊有的其他演化理論,板塊學說取代了舊有的 其他地質學上的學說;而含攝覆蓋是將舊有的概念再重新組織,使之 可以納入新理論中,例如愛因斯坦的相對論。以此而論,對於學生而 言,新舊概念之間的關係亦有可能是如此,學生可能將新概念合併到 舊概念,也可能重整舊概念使之納入新概念中,或者完全棄卻舊概 念,又或者不理會新概念。而學生對於遺傳學上基因相關概念的理 解,亦有可能產生這樣的情形。下一節將進一步說明,基因一詞所代 表的意義在遺傳學史上的發展與變化,以及基因概念特有的複雜性與 多義性。. 第二節 遺傳學史上基因概念之發展 遺傳學中所包含的各個概念是難以切割開來獨立學習的,它們彼 此相互關聯、依存,形成複雜的關係,基因的概念則是遺傳學最核心. 20/199.

(30) 的概念之一,也涉及遺傳學大部分的概念,可是基因的概念本身卻也 是最不明確的,包含有多元意義。而許多研究者也都提及,學生產生 遺傳學另有概念,是因為無法將遺傳學中各種概念作出有意義的連結 (楊坤原和張賴妙理, 2004)。 以下將針對兩個部份作說明,分別是:基因在遺傳學史上的發 展、基因相關概念的多元意義。. 一、基因在遺傳學史上的發展 基因(gene)一詞是在 1909 年由 Jonannsen 提出,但早在數千年前這 個概念就被不同的科學家提及,並賦予不同的意義。在孟德爾的研究 出現之前,也有不少科學家做了相關的遺傳實驗,但大都未將焦點集 中在某一特徵也沒有具體的統計方式,因此缺乏引人注目的成果。 Falk(1986)以孟德爾為遺傳學基因概念的正式起始,提出基因概念 在歷史上的發展與演進過程:由最早的工具的基因、後來的物質的基 因、然後是 DNA 基因、到最後的費解的基因。最早的「工具的基因」 的概念,指的是從 1865 年孟德爾的遺傳法則中提出的概念開始,認 為基因是「能夠決定遺傳單一性狀的這個東西」 ,甚至不知道到底是 不是物質。因為起初遺傳學只談外表相似的性狀,而不像後來談造成 這種相似背後的機制,但性狀的遺傳是有變異性的,因此必須要假設. 21/199.

(31) 在性狀的背後還有其他的事物在控制著,而推測出基因的存在。所以 基因其實是個工具,是決定性狀、計算遺傳法則的工具,故稱之為工 具的基因。而 Morgan 從 1908 年開始做果蠅實驗,他的實驗證實了基 因與染色體的關係,從此基因成為位於染色體上的物質實體,基因概 念的意義變成「物質的基因」 。1940 年代 Muller 歸納分析「基因的定 義」包括:互換的單位、斷裂單位、突變和功能的單位、複製的單位。 可見,即使基因已有物質的意義,但當時基因仍然只是一個理論的、 假設的、功能的單位,它在不同需要下被賦予了不同的角色,包含功 能概念、互換概念、突變概念等。接著,1953 年,Watson 跟 Crick 提 出 DNA 雙股螺旋模型,科學家從此瞭解基因的物質本體是 DNA,基 因是轉譯出蛋白質的 DNA 分子的一個片段,因而將此時的基因概念 稱之為「DNA 基因」 。但科學家發現,基因的表現很複雜,越研究就 越沒有辦法清楚的下定義,所以近期基因的概念變得十分模糊,稱為 「費解的基因」,代表進入分子遺傳學時代後,基因概念變得令人迷 惑。 此外,Gericke 等人(2007)按照遺傳學歷史演進,將基因的概念做 更詳細的區分,描述出按歷史時間順序產生的五種不同基因功能模式 (model):分別是孟德爾模式(Mendelian model)、古典模式(Classical model)、生化-古典模式(Biochemical-Classical model)、新古典模式. 22/199.

(32) (Neoclassical model)與現代模式(Modern model)。在每個模式中,基因 的結構和物質本體、基因在有機體層次如何使用、基因和其他遺傳學 概念之間的關係、以及基因本體對其特性的影響都有所不同: 在「孟德爾模式(Mendelian model)」中,沒有區分表現型和基因型, 基因直接連結到表現型,基因這個專有名詞只描述了單位而不暗示任 何組成或結構。Morgan 和 Sturtevant 藉由果蠅的 cross-over 做出了染色 體上的基因地圖後,物質的基因概念使基因型和表現型被嚴格的區分 開,開啟了「古典模式(Classical model)」 。基因地圖將染色體描繪為一 串珠子,上面每一顆珠子代表一個不同的基因,每個基因被認為是彼 此獨立與鄰近基因無關的,並且有其在染色體上的固定位置。同時, 基因被解釋為一個不可分割的遺傳傳遞、重組、突變和功能單位。接 著,1940 年代,開始研究生化路徑,並發現這些路徑包含一系列編好 的化學步驟,每一個步驟都由一個基因控制,進入「生化-古典模式 (Biochemical-Classical model)」。至此,基因之間開始產生關聯,而遺 傳學的重點轉移到基因一般性的功能運作以及個體特殊的發展過 程。1941 年 Tatum 針對基因功能提出「一個基因,一個酵素」的假說, 至今科學界仍認若以微生物基因而論,則這個假說基本上正確的。但 是,當時的概念並無法解釋生化路徑的本質,因為上述發現是屬於生 化和分子遺傳學的領域,但當時的科學家使用的卻是古典遺傳學的概. 23/199.

(33) 念工具。當 1953 年 Watson 跟 Crick 提出 DNA 的結構模型時,進入「新 古典模式(Neoclassical model)」 。基因的概念有所改變,因為 DNA 就是 基因的物質基礎,且會自動複製與裝載資訊,由此可知基因本身不會 進入發育的路徑,DNA 只是當作一組指令而已。討論的焦點轉移到 攜帶密碼與資訊的基因,但這也暗示著只有 DNA 有影響力,遺忘了 基因對細胞情境必要的依賴(Fox-Keller 2000)。1970 年代以後對基因功 能的研究,增加了很多反常的異例,科學家們發現新古典模式無法滿 足的解釋高等真核生物的遺傳現象,至此進入新的「現代模式(Modern model)」。啟動基因表現的機制非常複雜,基因也不只製造單一的 mRNA。此外基因也並非簡單的線狀排列在一起、更不是位於染色體 上的固定位置,因為某些 DNA 序列是可動的,還可能含有巢狀基因。 每個基因可能包含一個或多個 DNA 片段,而且還會相互調節基因的 傳遞和表現。因此,在這個模式中,提及基因不再談論其為分離的物 質單位,而完全注重在功能。而在此的功能並非只是指製造多肽,而 是視基因的各種功能而定,可能是製造酵素的基因、可能是調控基 因、可能只是產生 mRNA 的基因等等,甚至有時將基因當作資訊傳 遞的過程看待。在現代模式的觀點,基因和其功能更開放而複雜,不 再是一個真實而一般的描述,相反的,是不同科學家就會有不同的意 義。. 24/199.

(34) 二、基因相關概念的多元意義 若按照遺傳學的發展而論,Falk(1986)將遺傳學分為兩個不同的世 代:以 1953 年 Watson 跟 Crick 提出 DNA 雙螺旋為分際,在此之前歸 為以孟德爾遺傳法則為主的古典遺傳學世代;在此之後則進入以 DNA、RNA 與蛋白質三者的關係成為中心的分子遺傳學世代。這兩 個不同世代,對基因概念有著全然迥異的定義(Falk, 1986)。而既然基 因概念是遺傳學概念的核心,並且與遺傳學中其他概念息息相關、彼 此緊密關聯、交織成複雜的概念結構,所以基因概念的意義有所變化 時,遺傳學中其他概念的意義當然也隨之改變,至此,造成了整個遺 傳學中基因相關概念的多元意義。 本研究中將基因相關概念區分為四個大項目:「基因概念」 、「基 因物質」、 「基因與表現」、 「基因決定論」,在此將針對這四個基因相 關概念在古典遺傳學與分子遺傳學中所代表的意義與其中的差異作 說明。 第一,關於基因的概念:在古典遺傳學以及分子遺傳學中就有極 大的不同。古典遺傳學起源於孟德爾,而在孟德爾的時代是看不見基 因本體的。當時所稱的基因(遺傳因子),是孟德爾先看見了一個性狀, 反推回去假設有個基因決定了這個性狀(Lewis, 2004),而基因的定義. 25/199.

(35) 便是遵循孟德爾法則、決定單一性狀的分離單位(Venville et al., 2005)。但相對於古典遺傳學中基因概念明確的定義,到了分子遺傳 學的世代,基因的概念卻變得模糊不清。當科學家們對基因研究得越 多、瞭解得越深,基因就逐漸的失去它簡單明遼的意義,而變得鬆散 了。基因概念開始解構,對於何謂「一個基因」 ,科學家們越來越找 不到唯一一個、普遍而令人信服、放諸四海皆準的定義。基因變成了 一個曖昧而不明確的概念,針對不同的特定情況,可以給基因下許多 不同的定義,但其中卻沒有一個能包含了所有已知的情況。分子遺傳 學家,會對「某一個基因」提出「一個對應特定情境的定義」,來解 釋特定狀況(Morange, 2001)。 第二,關於基因物質的概念:在古典遺傳學中,基因是由性狀回 推出來的存在,是否有真正的物質、以及其屬於何種物質並不是最重 要的問題,最重要的是能夠用來預測性狀,因此計算孟德爾遺傳法則 時皆使用符號來代表基因。但在分子遺傳學中,基因的組成是每三個 含氮鹼基形成的密碼子、基因是可以轉譯出蛋白質的 DNA 分子的一 個片段,因此,基因的化學結構和功能就被明確定義出來(Morange, 2001)。 第三,關於基因與表現:在古典遺傳學中,基因與其表現出來的 產物間的關係非常直接,基因的產物就是明確的性狀,基因型就是表. 26/199.

(36) 現型的縮圖,與細胞中其他物質沒有關聯。基因這個因子和細胞因子 間存在著一對一的關係,一個有機體有多少性狀就有多少遺傳因子 (Gericke, 2007)。而在分子遺傳學中,基因與其表現出來的產物之間的 關係,亦有所改變。古典遺傳學中主要是討論代與代之間的遺傳,以 外表明確可見的性狀來描述基因的功能。但分子遺傳學中基因表現的 層級卻變得更複雜,因為在分子遺傳學中更進一步討論基因在生理、 個體、分子層次中的角色,所以解釋基因的表現時,也傾向用微觀層 級、也就是分子或細胞層級來討論,外表性狀和宏觀的顯隱性對於定 義基因來說已經不再是問題。 第四,關於基因決定論:在古典遺傳學中,基因控制性狀,不受 其他的因素干擾。因此古典遺傳學中,基因和表現型之間是單純清晰 的一對一關係,但分子遺傳學中,卻變成是複雜的多對多關係。因為 分子遺傳學中,遺傳資訊的傳遞是從 DNA 模板到 mRNA 到多肽和酵 素,絕大多真核基因都包含了切開的 DNA(外顯子和內隱子)片段,且 會進行各種轉譯前修飾,因此通常一段 DNA 可以製造超過一個以上 的 mRNA,基因和 mRNA 間不再具有一對一的關係(Gericke, 2007),因 此不再是一個基因就能夠確定一切後續的發展。此外,也不再能夠單 純的靠基因決定一切,基因的表現會受到其他的因素,包含其他 DNA 片段、mRNA、酵素或蛋白質、細胞內外環境等等的影響。所以相較. 27/199.

(37) 於早期的遺傳學理論,分子遺傳學的解釋通常又複雜又不直接。 因此,Sterelny 和 Griffiths(1999)探討孟德爾遺傳學(古典遺傳學)和 分子遺傳學兩者間的關係,是取代(displacement),合併(incorporation) 還是整合(integration)?孟德爾遺傳學和分子遺傳學共用的專有名 詞,例如基因,在兩邊的意思非常不同,沒辦法把孟德爾的基因直接 對應到任何分子的形式。但古典遺傳學和分子遺傳學卻又能解釋同樣 的東西,只是必須在每個個別的情況下(case by case)做個別解釋,因 此兩者間的關係時而是取代、時而是合併、時而是整合。 Campbell(2005)在目前大專院校生物相關科系普遍使用的教科書 「生物學(Biology)」第七版中也提到:給基因下定義,必須要依據遺 傳學史的背景。隨著遺傳學史的發展,基因不斷的被給予各種定義。 首先,從孟德爾概念下的基因定義、也就是決定性狀,到 Morgan 的 概念、也就是基因位於染色體上,再來是視基因為特定 DNA 序列的 概念,以及基因是一段可以轉譯出特定多肽鍊的 DNA 序列,這些都 是不同的基因概念。Campbell(2005)亦認為,所有上述的這些定義都是 有用的,但必須要依據這個基因所處的研究情境來做選擇。簡單來 說,這些不同的基因定義,都是選擇性的有用。也就是說在特定的情 境之下、基因的定義是不同的,而且,他們都是有用的,並沒有互相 排斥哪個定義不對。舉個例子來說,在 1865 年孟德爾提出遺傳法則. 28/199.

(38) 之後,開始了古典遺傳學,一直到 2007 年,這個學門仍然存在。然 後以 1953 年 Watson 跟 Crick 提出 DNA 雙股螺旋結構為關鍵點,開始 了分子遺傳學,一直到 2007 年,這個學門也仍然存在。古典遺傳學 探討的是「親代與子代間的關係」,在這個學門,基因的概念是控制 性狀的遺傳物質。分子遺傳學探討的是「基因在個體(或是個體以內) 的表現」 ,基因的概念是能轉譯出特定多肽鏈的 DNA 序列。這兩者基 因的定義是截然不同的,但是都適合他們的研究、並且能夠使用。 綜上所述,可以發現基因的概念依循遺傳學史有各種不同的定 義,且依照基因被研究的情境不同,所有這些定義都是有用的 (Campbell & Reece, 2005, p330),只是要針對每個情況作個別的解釋。. 第三節 影響學生學習遺傳學概念之相關研究 國內外以遺傳為主題的概念研究並不少,主要都是在探討遺傳學 為何會如此難以教導又難以學習?影響學生學習遺傳學的因素有哪 些?造成學生學習遺傳學的困難有哪些?而相關研究內容多期望瞭 解造成另有概念的原因,與另有概念影響學生學習遺傳學的情況。本 節將針對造成學生學習遺傳學概念困難的因素作探討,首先是把學生 學習遺傳學的困難焦點放在遺傳學概念的本質上,闡述遺傳學概念本 身的複雜特性導致的問題;其二是說明學生學習遺傳學時,受到文化. 29/199.

(39) 背景與日常生活等因素產生之另有概念,造成學生概念改變上的困 難。以下將依這兩點分別整理闡述,並將重點放在探討造成學生學習 遺傳學困難、產生另有概念的原因。. 一、遺傳學概念的複雜性: 遺傳學是各級學校的師生一致感到難以教與學的生物學單元之 一,但學生學習遺傳學時到底受到哪些因素所影響?早期的遺傳學研 究多專注於學生對孟德爾遺傳定律的演算,而研究顯示即使學生能夠 運用棋盤格法得到正確的答案,卻不一定表示他們真正瞭解,部分學 生無法以減數分裂或孟德爾遺傳定律來解釋棋盤格的進行,只是憑習 得的算則做刻板的操作(黃台珠, 1990, 1993; Kindfield, 1991a; Moll & Allen, 1987; Stewart, 1982; Tolman, 1982)。就其原因,遺傳學概念本質 的複雜性,便是造成學習困難的原因之一。學習孟德爾遺傳定律時, 必須以其他遺傳學概念為基礎,但這些概念多屬抽象概念,此外還要 統合機率與遺傳學概念,屬於概念階層中十分高階的概念。因此,對 尚未具形式操作能力的學生較不易瞭解(楊坤原和陳進利, 1990; Radford & Bird-Steward, 1982)。此外,計算孟德爾遺傳定律時,必須牽 涉到抽象符號,若學生無法瞭解基因型的定義(Hendrix et al., 1981)或 不懂以英文字母來代表顯隱性的真正用意,則會造成學習上的困難。. 30/199.

(40) Johnstone(1991)曾指出,一般人的概念通常最容易建立在不依靠儀 器便可感知的事物上,但除了性狀之外,染色體、基因或 DNA 這些 都不是能輕易看見的東西,所以針對這些看不見的實體,其概念原本 就不容易建立起來。此外,遺傳學中,除了這些實體之外,還牽涉到 抽象的符號來代表某些概念,導致遺傳學概念跨越巨觀、微觀和抽象 (符號)思考:性狀是巨觀層級的、染色體是微觀層級的、DNA 是次微 觀層級的、基因型(genotype)卻又是抽象層級、用來思考的符號。也就 是說,學生在學習基因時,巨觀上學生原本就能看見的是基因表現在 外的性狀,但微觀上學生又必需瞭解某個基因出現時所造成的影響, 可是在符號上卻又要學會使用基因型的記號來代表基因。在教導遺傳 學的時候,期望學生能同時理解基因和基因的表現在:巨觀、微觀、 抽象這三個層面,實在是非常困難。 亦有學者(Herron, Cantu, Ward & Srinivasan, 1977; Merrill, Tennyson & Posey, 1992)把遺傳學中所使用的專業術語本身所代表的概念依其 他方式作分類:例如基因、基因型屬於符號概念,是指物體本身的屬 性;細胞分裂、減數分裂則是屬於事件概念,是指特定時間內以特殊 方式進行交互作用;若依 Chi 和 Slotta(1993)的本體論來區分,基因、 染色體屬於物質(matter),減數分裂屬於過程(processes)下的程序 (procedure),而構成減數分裂的步驟又屬於過程下的事件(event)。. 31/199.

(41) 此外,Driver(1983)和 Lazarowitz(1992)等人,認為基因、減數分裂 這些概念的實體皆無法直接感知,屬於抽象概念,其意義必須由一些 想法結合經驗才能習得。 而基因概念無疑是遺傳學概念中最重要的部分之一,基因為肉眼 所不能見,對不具抽象思考能力的學生而言當然較為困難(湯清二, 1990; 楊坤原和陳進利, 1990)。且基因概念屬於遺傳學核心概念,與 遺傳學多數概念皆有所關連,舉例而言,若要瞭解基因位於染色體 上,就須瞭解染色體在減數分裂時的行為與基因離和間的關係,還要 瞭解基因與染色體的本質皆有 DNA,並且要知曉同源染色體、對偶 基因等名詞的真正意義。因此,基因的概念難以單獨習得,有些中學 生和大學生,顯示出其無法將基因、對偶基因、染色體等相關概念作 有意義的連結,則產生學習上的另有概念(Fisher, Lipson, Hildebrand, Miguel, Schoenberg, Porter, 1986)。 Tsui 和 Treagust (2003, 2004)則認為遺傳學上有兩種不同的基因概 念,分別是孟德爾的基因概念與分子遺傳學的基因概念。孟德爾的遺 傳法則在解釋機制以及解決問題時,是視基因為一個粒子(particle), 在 Chi 的分類屬於物質(matter),而過去的研究也多把基因分類在物質 (matter)下,但如果用分子遺傳學的角度來看,視基因為製造蛋白質的 指令(Treagust et al., 2004)或訊息(Venville et al., 2005),就應該把基因歸. 32/199.

(42) 在於過程(processes)的分類之下。Treagust 認為,孟德爾的基因概念在 分子遺傳學發達的現代已經不適用了,可是學生還是常常擁有這樣的 基因概念,造成學生學習遺傳學的困難,應該用 Chi 的本體論的概念 改變理論,對學生進行概念改變,改變成分子遺傳學的基因概念。據 此,Treagust 以準實驗法嘗試改變學生的概念,但研究結果不盡理想。 綜上所述,可知由於遺傳學中所包含的概念跨分類的特性,再加 上遺傳學各觀念之間彼此關聯、構成複雜的概念結構網絡(楊坤原和 張賴妙理, 2004),只要對其中的部分概念或概念間的關係有所誤解, 就容易造成許多相關概念的迷思,使得遺傳學概念成為學生學習與教 師教學上的難題。. 二、文化背景與日常生活造就的另有概念 遺傳學概念本質上的特性,就容易造成學生的另有概念,而若把 問題的焦點脫離遺傳學概念的本質,探討除了遺傳學概念的本質以外 的問題,可發現促使學生產生另有概念的外來來源也很多。由於科學 和科學教育也屬於文化的活動(Baker & Taylor,1995; Fang, 2005; Maddock, 1981),所以科學概念的學習並不能脫離文化背景的影響, 可知學生對遺傳學概念的學習當然亦會受到學生所處的日常生活與 文化情境影響。不同文化中可能存有不同的先備概念,根據建構論的. 33/199.

(43) 觀點,先備概念對學習是必需的,但學生的先備概念架構卻不一定同 於正式的科學概念。且學生的先備概念架構中所包含的某些概念,可 能普遍存於各種背景的學生,跨越年齡、能力、國界。若這些先備概 念與正式科學概念不同,傳統教學卻難以改變此先存的概念架構 (Confrey, 1989)。因此,對遺傳學的學習當然也受到學生擁有的先備概 念的影響。關於學生學習遺傳學的研究顯示,正因為不同的文化擁有 自己的概念,當這些先存的概念既根深蒂固卻又不科學的時候,會讓 學生產生不同於科學概念的另有概念架構,妨害了學生對科學概念的 學習(Mbajiorgu et al., 2007)。在學習遺傳學時,學生通常只具表面認識 而未能瞭解其真正機制,所以學生大多集中注意外部可見的性狀,再 根據其日常經驗或感覺來詮釋(陳世輝, 1994; 薛靜瑩, 1998; Deadman & Kelly, 1978; Hackling & Treagust, 1982; Kargob et al., 1980),因此學生 之所以會產生這些不正確的另有概念,也可能是由於學生無法正確瞭 解自然現象背後的機制、或者運用了不正確的類比、或是未能把學到 的知識概念與生活現象做關聯、或者是無法將習得的知識做融會組織 (Eylon & Linn, 1988)。即使學生原先並未有先備概念,但因為知識或 經驗有限,只好取最接近、最有可能的先備概念來解釋,這也會造成 學生的另有概念(Dreyfus & Jungwirth, 1989)。 因此,即使教師在課堂上教導科學概念,但學生對遺傳學的學. 34/199.

(44) 習,亦會受到日常生活和文化經驗所造成的另有概念所影響。許多學 生在學習遺傳學時,會想要依照日常生活上的想法和另有的概念架構 來試圖瞭解老師所敎導的概念,而這些先備概念可能比正式教學中的 基因概念更易於解釋日常經驗,導致形成雖經教學卻難以破除的另有 概念(Hackling & Treagust, 1982)。因此,Lewis (2004)指出,如果學生想 發展對科學模式的瞭解,就必須重新檢視他們的日常模式。Venville 和 Treagust (1998)指出,大部分學生對基因的概念並沒有進步到較成 熟的程度,可能是因為科學本身也是一種文化,因此會受情境所影 響。Treagust 等人(2002)認為學生每天接受的日常資訊帶給學生「基因 是粒子」這樣天真的想法(naïve ideas)、亦可稱之為先備概念。若學生 能多瞭解基因的功能,概念將會轉變為「基因是 processes」,應該就 能夠讓學生的概念改變,將基因的概念由 matter 的分類移到 processes 的分類下。 除此之外,近年來因為分子遺傳學的進展,生物科技與基因工程 發達,使得遺傳學術語變得廣泛流傳。但遺傳學概念本身就已經很困 難,代表其概念的專業術語當然也不好理解。研究顯示,學生對遺傳 工程的定義及其所涉技術知之甚少,可能是由於遺傳工程牽涉到細胞 雜交與 DNA 操作技術,學習時學生需要具備遺傳學大部分的概念才 能清楚瞭解。此外,來自媒體不正確的訊息亦可能造成學生對遺傳工. 35/199.

(45) 程的誤解(Kinnear & Martin, 1987),因為流行文化中出現的遺傳學術語 其意義通常不明確、也不一定合乎科學概念,而造成學生的誤會,甚 至讓學生以為基因與 DNA 是具不同功能的不同東西,且在身體的不 同地方(Venville et al., 2005)。 而文字的慣用語義也會影響學生對科學專有名詞的瞭解(張筱莉 和林陳涌, 2001),學生在學習生物學複合詞之概念時,可能從複合詞 中的個別字、詞來猜測整個詞彙的意義,但基因、顯性、隱性、中間 型、不完全等等這些詞彙所使用的文字,也可能與日常用語或生活經 驗有所聯結,而使學生將之與遺傳學上的意義相混淆,賦予一些錯誤 的關連(misassociated) (Donovan, 1997; Fisher et al., 1986; Hackling, 1982; Pearson & Hughes, 1988)。 研究者認為,劉誠宗(2003)的研究中,對於學生對物種形成解釋 架構的概念為何連結到非科學,提出的三種類型缺失,雖然是針對學 生對物種形成解釋架構的概念,但亦有可能在學生學習生物學其他概 念時出現。此三類型的缺失分別為:1.學生對於科學本質了解不足, 因此會以「目的論」或「需要」來解釋科學上的現象,有時對某些現 象做出價值判斷,或將人類的影響力過於延伸;2.學生的邏輯思考能 力不足,常會有跳躍性的說法出現,表現出概念的連結不全,而在因 果關係的推論上也常會做主觀的認定、過於遷強,有時試圖以特定模. 36/199.

(46) 式解釋其他狀況卻以偏概全、類比錯誤;3.學生的科學先備概念不 足,而學生對其不足處會以各種不知所以的說法來填補,或含糊其詞 試圖帶過,此外亦有些學生對科學概念有錯誤信念。. 承上總結,可知有許多不同的因素影響學生學習遺傳學,且使得 遺傳學變得難以學習。遺傳學所包含的概念是跨越至少巨觀、微觀、 抽象這三個不同層次的概念,因此要求學生能夠同時理解這三個層面 是非常困難的。若將這三個層面以基因概念之多元意義角度切入,可 以做這樣的解釋:巨觀上基因表現在外的性狀,可稱之為古典遺傳學 中基因的表現;微觀上某個基因出現時所造成的影響,可以稱之為分 子遺傳學中基因的表現;符號上使用基因型的記號來代表基因,是用 來代表古典遺傳學中沒有實體的基因。承上所述,可以知道學生若同 時學習到這三種不同的層面,卻不能瞭解基因概念本身所具有的多元 意義,將可能對其學習遺傳學中基因相關的概念產生困擾,再加上學 生在生活經驗中所建構出來的另有概念,將使遺傳學變得更難學習。. 第四節 探討概念的研究方法 探討概念的研究方法有許多種,綜合前人所使用的各種探究概念 發展的方法,約有自然觀察、晤談、選擇題、問卷、分類法、兒童繪. 37/199.

(47) 圖、開放式測驗、概念間關聯(包含概念圖、關係圖、文字分類法、 概念樹法等等)、二階層診斷式測驗等方法。而近年來科學教育研究 探索學生概念最常用的方法是臨床晤談(Fisher, Wandersee & Moody, 2000),Wandersee 等人(1989)針對 19630 到 1989 年間 103 篇探究學生 生物概念的研究做統計,亦是晤談法最多。以下就晤談結構與晤談時 採用的題目類型做闡述:. 一、晤談方式 晤談方式可分為很多種,若就研究者對晤談結構的控制程度來區 分,可列出三種類型: 「結構型(封閉型)」 、 「半結構型(半開放型)」 、 「無 結構型(開放型)」(Bernard, 1988; Fontana & Frey, 1994)。 在結構型(封閉型)晤談中,研究者主導晤談的步驟。研究者事先 根據想要探究的概念,編寫作為探針(probe)的題目,做成一份問卷, 問卷中有固定的結構,題目與提問順序都是不變的。晤談過程則依此 設計好的統一問卷進行,而晤談對象的選擇標準、選擇方法、晤談的 記錄方式,都是標準化的。因此,結構型晤談能夠得到有結構性的資 料,便於建立大量關於學生知識架構的描述。 在半結構型(半開放型)晤談中,研究者對晤談結構只有部分的控 制作用,其餘部分開放給受訪學生參與發揮。研究者事先依照想要探. 38/199.

(48) 究的概念,製作一個粗略的晤談大綱,並依此對學生提出問題。但晤 談大綱只是一個提示,在晤談過程中學生能夠根據晤談大綱提出自己 的看法,而研究者亦可視情況調整晤談的順序和內容。 而在無結構型(開放型)晤談中,沒有固定的晤談問題,晤談形式 亦不拘,可按情況隨機做調整。研究者鼓勵學生按自己的想法發表, 而研究者只是站在一個輔助者的角度,幫助學生自由思考與表達。此 類型晤談的目的通常在於瞭解學生看待問題的角度、對意義的解釋, 感到重要的問題、使用的概念和表述的方式等等(陳向明,2002)。 在正式晤談前,通常會進行小規模試晤(pilot study),以便研究者 能夠修正其題目、練習提問方式與流程,以及找出最適當的晤談時間 長度。晤談是為了探究學生真實的概念,所以應給予充分的思考與作 答時間,但晤談時間仍不宜太長,避免學生產生疲累、降低作答意願, 甚至胡亂回答。 而晤談過程中有一些應注意的原則,首先研究者不該在學生作答 時給予任何提示或建議,要讓學生以自己的語言提出個人的解釋。皮 亞傑曾提到言語的提示以及習慣動作(肢體語言)的提示是特別危險 的,研究者必須避免自己的反應讓學生感覺其回答是錯誤的或可笑 的,進一步要使用正面與鼓勵性的言語,讓學生感到舒適放鬆,以提 高學生的回答意願、使其能夠放心說出內心真實的想法。此外,. 39/199.

(49) Southerland 等人(2000)也曾針對提供實例給學生進行晤談時,提出四 個原則: 1.傳統評量經常要求學生機械式背出定義,容易使學生無法真正 瞭解該定義背後所包含的概念,而此種評量方式也無法得知學生真正 的概念。因此晤談中當學生需使用特定概念才能回答時,研究者不應 強迫學生解釋其定義。 2.若學生因為不具備此概念而無法作答或無法下判斷時,亦真實 呈現出其概念架構的狀況,因此不需強迫學生做出特定反應或決定。 3.當研究者給予學生發揮的機會,並瞭解學生對問題的反應後, 方可進一步追問學生有關概念的定義。 4.給予學生充分的時間思考,則學生的反應會增加、反應的認知 階層也會提高,因此研究者發問後至少要等待 3-5 秒。 此外,Southerland 等人(2000)亦提出,前人的研究經驗中發現,在 研究過程中學生的概念是動態改變的,學生在面臨其預測結果與事實 不一的衝突下會修正自己的概念。 晤談可以有不同的策略,理想的晤談策略應能夠讓學生提出其對 特定概念的理解而非單純的背誦片段知識。而晤談時應依照研究的問 題、目的、對象和情境等來選擇晤談形式和安排晤談策略,必要時可 結合不同形式的晤談。且資料的搜集應盡可能達到飽和,甚至可依照. 40/199.

(50) 需要增加不同情境的晤談或晤談次數,因為從不同的環境中獲得的研 究結果可以相互驗證、充實,增加研究結果的豐富性與可靠性。量的 研究若採用晤談,通常使用結構型晤談,以便蒐集利於分析的統一數 據,但過去研究中發現量的測量無法精確描繪出學生個人對概念的建 立與修正(Southerland, Smith & Cummins, 2000),探究概念間關係的成 效較不佳,因此概念研究較少採用量的研究。而質的研究往往使用無 結構型或半結構型的晤談,重點在於追問晤談中出現的重要問題以及 壆生的思考方式,當研究者要求學生進一步解釋其答案的過程中,通 常就可顯露出其各種概念的聯結網絡或另有概念。因此質的研究能深 入探究學生對概念的認識,取得更詳細的資訊(Erickson, 1998),亦可 確認未預期的現象和影響。. 二、晤談問題 晤談中研究者用來向學生提問的問題或晤談大綱,亦可區分為幾 種類型:開放型與封閉型、具體型與抽象型、清晰型與含混型(陳向 明,2007) 以回答內容作為區分,可分為開放型與封閉型問題。開放型問題 通常以「什麼?」 、 「如何?」 、 「為什麼?」為問句的主線,而學生的 回答內容就會比較傾向無固定答案、範圍廣泛,讓學生有充分的餘裕. 41/199.

(51) 自由發揮。但使用開放型問題必須注意受訪學生的個人特質,因為過 於開放的問題可能使學生不知針對哪個方向回答,而感到手足無措、 迷惑不解、焦慮不安、甚至畏懼作答。因此開放型問題雖不該對回答 內容提出具體要求,卻可適時採用晤談大綱確立基本思考方向。也就 是說,可以引導學生針對基本方向來作思考,卻不可提示或引誘學生 針對具體的內容作答。 封閉型問題又稱「是或否問題」 ,把回答內容作嚴格限制,學生 通常只能回答「是」或「不是」 ,或者只有兩種選項供學生選擇,因 此使用封閉型問題晤談時,若研究者沒有繼續追問,就無法得到學生 更深入的想法。同時封閉型問題也可能會限制了學生的思考,因為學 生內心的想法也許很矛盾、很複雜、有多重考慮,無法單純的符合研 究者所設定的兩類答案。此外,封閉型問題亦迫使學生採取被動,因 此學生可能失去對晤談或思考的興趣。在質的研究進行開放型晤談或 半開放型晤談時,為了求得學生內心真正的想法,不論晤談結構、問 題形式、回答內容都應以彈性靈活為原則,因此通常會採用開放型問 題。但開放型問題可能過於廣泛,反而使學生難以作答,因此可以視 情況並行採用兩種問題。 以晤談發問時研究者期待得到的回答內容來做區分,可分為具體 型問題和抽象型問題。具體型問題詢問的是具體事件的時空、流程、. 42/199.

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參考文獻