探究七年級在「光學」建模教學的心智模式改變與建模能力表現

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(1)第壹章緒論本章共分為四個部分，第一節介紹研究背景與動機；第二節為研究目的與問題；第三節為名詞釋義；第四節為研究範圍與限制，以下將分別論述。. 第一節. 研究背景與動機. 由於自己本身的教學經驗，發現學生即使在二年級學過光學，但是到三年級時仍然對光學持有許多另有概念，這樣的情形讓研究者感到很困惑，因為大部分學生覺得理化很困難的原因，大部分歸咎於要學的科學名詞與定義太多(例如元素符號、化學反應式、以及有機化合物的種類等) 或是牽涉到計算(例如速度與加速度的計算、莫耳數與重量的關係等)，但國中的光學課程主要著重在幾何光學，並沒有牽涉到計算，而且也不像化學單元常牽涉到巨觀與微觀的轉換，加上日常生活中幾乎天天都用得到光學原理，但是學生還是覺得學習光學很困難，而且充滿許多非常原始的另有概念，例如學生認為燈打開後照到物體，物體會傳送影像到眼睛才看得到，或是只要等眼睛適應，在完全黑暗的房間裡仍可看到東西等，這些現象真是令研究者感到驚訝，所以想利用此次研究來探討國中學生在教學前所擁有的先備知識以及在教學前後普遍存在哪些另有概念，也想試著找出學生的光學心智模式，並且想知道在教學後學生是否產生概念改變，而概念改變改變了什麼，學生的困難點到底在哪裡。. 1.

(2) 光學的現象雖然是我們每天都會接觸到的，但是就如同 Eaton, Andersson 與 Smith (1983) 指出因為光學的許多現象常常超出人類的感覺以及經驗範圍，學生會以直覺去解釋感官所接收到的資訊，例如我們只要睜開眼睛就可以看到東西，當然不會覺得是因為眼睛接收到光而產生視覺，因此這樣的特性反而使學生容易產生另有概念，而且因為每天都在經歷，所以在教學前所具有的素樸概念可能已經根深蒂固，即使在學習後，學生仍無法以適當的科學概念解釋光學的現象。Galili 與 Hazan (2000) 也有類似的看法，他們提出一些光學知識令人難以理解的原因，他們認為光學具有與其它知識不同的特性，我們所看到的光學現象是無法直接對應到原理的，而且在凡事要求客觀的科學領域，光學結果往往必須考慮到觀察者的眼睛，因此學生所擁有的光學概念常常是與科學概念不符的，而科學教育在此部分也常難以達到良好的學習成效。. Vosniadou 曾在 2001 年的時候，針對當下的科學教育情況總結出三個結論： (1) 科學學習是困難的，即使在經過這麼多年的努力下，學生對於理解科學概念似乎仍有困難。 (2) 科學學習具有另有概念的特性，科學所有領域都已注意到迷思概念。 (3) 科學學習是遲鈍的，意即學生在學校學會如何解決問題，但是無法將知識應用於解釋生活中的自然現象 (Vosniadou, 2001) 。從他提出至今又經過了快 10 年，在科學教育上已有許多重大且具突破性的發展與進步，但在教學現場的研究者，發現這三個現象仍然存在於國中學生身上，因此帶給研究者很大的省思，研究者希望自己能結合在台師大科學教育研究所獲得的資源與實際的教學工作，改善這些情況。. 2.

(3) 的確如 Vosniadou(2001)所說，科學教育近年來非常重視另有概念的研究，因此國內外對於光學概念的相關研究理所當然非常多，從最早 1974 年 Piaget 開始晤談孩童對於光的概念後 (引自 Andersson & Karrqvist, 1983) ，陸陸續續也有許多學者著重在另有概念的研究 (Andersson & Karrqvist, 1983; Feher & Rice, 1988; A. Fetherstonhaugh, Happs, & Treagust, 1987; T. Fetherstonhaugh & Happs, 1988; T. Fetherstonhaugh & Treagust, 1992; Galili & Hazan, 2000; Goldberg & McDermott, 1986; N.F.Selley, 1996; Osborne & Black, 1993; Saxena, 1991) 。所以本研究根據文獻中所提及的另有概念與心智模式類型，設計出光學雙層診斷測驗，內容包括探討視覺產生的原因、光的直進、影子形成原因、光的反射現象、平面鏡成像結果，以及光的折射現象，藉由此工具來探討我國學生所擁有的另有概念與國外是否有差異。. 想要達到有效的教學，必須先從學生的初始心智模式開始進行教學，所以我們必須了解學生的先備知識，一般我們會常藉由晤談、概念圖來獲取學生的概念，但這些方法都必須做轉錄，會花費許多時間，而且評分者必須受過專業的訓練才有評分及解釋能力，因此常常會讓在職教師不願意也沒時間去進行這些探索，直接拿了課本，進了教室就開始上課，因此研究者採用 Treagust 在 1988 年所提出的雙層診斷測驗，不但可以用來了解學生的學習成效外，還可以藉由第二層蒐集學生的另有概念，這樣的方式可以利用簡短的時間大量收集學生的概念，了解學生的先備知識，在質的方面也可以了解學生作答的解釋，解決以往封閉式選擇題無法得知學生填答理由的限制。. 3.

(4) 從行為主義轉向建構主義，從奧蘇貝爾的有意義學習到鷹架理論，科教學者認為學生在學習新知識時，應扮演主動建構的角色，而教師只是提供適當的學習情境，讓學生進行有效的學習，不過在實際的教學現場卻常發現大部分的教師因為時間與個人的因素，仍以講解為主，學生只能被動接受知識，以致於教學成效不彰，所以研究者將重點放到近來非常熱門的觀點，針對國中光學課程發展以建模為基礎的教學。邱美虹(2008)指出對科學教育而言，模型與建模不但是科學發展的重要元素，也是科學學習中科學發展不可或缺的元素。而 Gilbert (1993) 也強調以建模為基礎的教學，可以幫助學生建立接近於科學概念的模型，並應用模型去解決問題因此在本研究中研究者嘗試改變傳統教學，依據 Halloun 在 1996 年所提出的科學模型建模歷程為架構，重新編排課程順序以及配合各歷程的目標去設計教學，並且在過程中增加許多提問促進學生思考以及體驗活動讓學生建立模型並且進行模型的應用與調度，強調建立一個學生可以主動建構的環境，希望能藉由這樣的方式有效增加學習成效。. 4.

(5) 第二節. 研究目的與問題. 基於上述的研究動機，本研究有六大目的，對應的研究問題詳述如下：研究目的 1.探究學生在教學前後對於光學的概念理解情形。問題 1-1 學生在教學前後所具有的另有概念分布情形為何? 問題 1-2 學生對於光學各子概念的理解情形有何差異? 研究目的 2.探究學生在建模教學與傳統教學下的光學學習成就。問題 2-1 實驗與控制組學生在教學前後的學習成效為何? 問題 2-2 實驗與控制組學生在教學前後的學習成效有何差異? 研究目的 3.探究學生在建模教學與傳統教學下的光學正確性與一致性。問題 3-1 實驗與控制組學生在教學前後正確性與一致性的表現為何? 問題 3-2 實驗與控制組學生在教學前後正確性與一致性的演變途徑有何差異? 研究目的 4.探究學生在建模教學與傳統教學的光學心智模式。問題 4-1 實驗與控制組學生在教學前後心智模式的類型分布為何? 問題 4-2 實驗與控制組學生在教學前後心智模式的演變途徑有何差異? 研究目的 5. 探究學生在建模教學與傳統教學下的建模能力。問題 5-1 實驗組與控制組學生在教學後的建模能力為何? 問題 5-2 實驗組與控制組學生在教學後的建模能力有何差異? 研究目的 6. 探究學生對於建模教學與傳統教學下的學習觀感。問題 6-1 實驗組學生對於建模教學的學習觀感為何? 問題 6-2 控制組學生對於傳統教學的學習觀感為何? 問題 6-3 兩組學生對於兩種教學的學習觀感有何差異?. 5.

(6) 第三節. 名詞釋義. 一、光學概念本研究是依據現行九年一貫課程國中自然與生活科技之光學部分，將內容分為「光與視覺」、「光的行進與影子形成」、「光的反射與平面鏡成像」、「光的折射」四個部分，文中簡稱為「光與視覺」、「光的本質」、「光的反射」/「反射」以及「光的折射」/「折射」四個子概念。. 二、另有概念學生因為學校的學習、日常生活的經驗或使用的語言，對於某些科學現象有其獨特的想法或解釋，所持的概念與共同認定的科學概念有所出入，這些概念通常是不完整、或有錯誤者，或甚至是自相矛盾的。在本研究中，以學生不同於國中教材中所提到的光學科學概念，便視為具有另有概念。. 三、光學雙層診斷測驗主要根據 Treagust 在 1988 年所提出「雙層診斷測驗」(two-tier) 設計方法，針對所要探討的光學概念，並參考文獻的題目，修改完成，共 13 題。每一題都包括兩個部分，第一部分(第一層)與內容有關，第二部分(第二層)則為第一部分作答的理由，兩層皆為單一選擇題，而第二層的選項中最後還有一「其他」選項以備學生有其他想法時可以寫出。. 四、建模教學實驗組本研究之實驗組的教學是以 Halloun 在 1996 年所提出的科學模型. 6.

(7) 建模歷程為基本架構，依序配合模型選擇、模型建立、模型效化、模型應用、模型調度各歷程來設計教學活動，因此將此班學生稱為建模教學實驗組。. 五、一般教學控制組本研究之控制組的教學依照課本順序，並以講述法為主的傳統方式教學，因此將此班學生稱為一般教學控制組。. 六、學習成就本研究所定義的學習成就意指學生在光學雙層診斷測驗中的答對率，共 13 題，每題二層皆答對可得 2 分，第一層答對、第二層答錯可得 1 分，其餘不給分，計算每個人在 13 題的得分，並除以滿分 26 分，即可得到答對率，以百分比表示。. 七、正確性與一致性本研究所定義的正確性意指將學生在光學雙層診斷測驗兩層皆對的題數除以總題數 13 題，一致性意指學生對於光學相同概念題目具有一致解釋的總得分除以最高可能得分 6 分，詳細計算方式見第三章第五節資料處理與分析。. 八、建模能力本研究所定義的建模能力意指學生在建模能力問卷中各建模歷程得分的平均分數，即 0~5 分。各歷程的得分是將學生在各歷程的回答依照建模能力對應指標判定學生所達到的層次(共為 Level 0~Level 5)，並依照層次給予相等分數，如 Level 0 不給分、Level 1 給 1 分。. 7.

(8) 第四節. 研究範圍與限制. 一、本研究討論的主題僅限於國中自然與生活科技之光學部分，包含「光與視覺」、「光的行進與影子形成」、「光的反射與平面鏡成像」、「光的折射」四個子概念。二、由於本研究取樣樣本之僅限於台北市市立某國中一年級學生，並非隨機取得，因此結果不宜加以過度推論。. 8.

(9) 第貳章文獻探討本章共分為四個部分，第一節探究光學相關研究；第二節探究概念改變的理論；第三節為心智模式的定義；第四節探究模型與建模在教學上的應用，以下將分別論述。. 第一節. 光學相關研究. 光是自然界最普遍，也是人們每天最常接觸到的一種現象，但對人類來說，視覺雖然提供了人類一半以上的訊息來源，但光學的知識對學習者來說卻是難以理解的 (Galili & Hazan, 2000) ，我們也從許多研究發現到不論兒童、大學生、甚至教師，在光學領域中皆存有相當多的另有概念，而且這些另有概念差異不大，並沒有年齡與文化的差異。Eaton 等 (1983) 就提到因為我們生活中無處不是光的現象，當人去知覺外在世界時，會自動建構許多素樸的概念，而且許多現象常常超出人類的感覺以及經驗範圍，造成學生所建立的概念常常是與科學概念不符的。. Galili 與 Hazan (2000) 針對光學難以學習的原因，提出了幾點我們必須要意識到的論點，才有可能改善學習成效: 1. 在經驗中，我們所看到的現象是無法直接對應到這些光學定理，例如光學雖然具有波動性，但是因為光的速度遠遠超過人類所可感知的極限，學生當然難以建構出光是會前進的概念。 2. 我們常常忽略視覺也是光學系統的一部分，在科學的領域，我們一直強調客觀，想要排除主觀，但在實際狀況下，我們卻要考慮到觀. 9.

(10) 3. 「語言」也是產生另有概念的成因之一，例如我們平常慣用的詞語「光線」會讓學生誤認為光會從光源散發出一條一條「光線」出來，或是「物體的影子」會造成學生以為影子是具體的東西。 4. 我們在學習幾何光學時，會利用到許多圖形表徵來解釋現象，但是如果學生對這些表徵的意義不是完全理解，反而更容易讓學生產生許多另有概念。. Goldberg 與 McDermott (1986) 很早就指出想要解決光學難以學習的困境，必須讓學生能夠將物理的形式與真實世界連結，培養學生有辦法畫出光圖來解釋成像，也要針對學生的另有概念，採取適當的教學策略，清楚地解釋各種概念，讓學生確實能夠建立「正確的科學概念」。. 另外從光學的發展史來看，我們發現光學是一個典型的科學革命實例，是整個典範的轉移，雖然人類在早期就有光學儀器的發明與使用，但對於光到底是什麼，也是經過長久的累積與革命，才形成我們現在所認同的科學理論；甚至人們即使在歐幾里德時代就已經知道反射定律，但一直經過了幾千年後才能對平面鏡成像作詳盡的解釋(馬文蔚、唐玄之、周永平，1995)，而我們期許學生在短短的幾堂課就能夠建立完整的光學知識，就必須先了解學生的先備知識，針對這些另有概念的特徵，設計有效的教學策略，使學生能夠產生概念改變，發展成科學概念。因此接下來先對國內外光學的相關研究進行回顧：. 10.

(11) 一、國外光學相關研究從皮亞傑在 1929 年開始晤談孩童關於光學的概念，就開啟了大家探討的興趣，陸續有很多相關研究，嘗試使用不同的方式去探索不同年齡層的對象所具有的另有概念情形，接下來就幾個重要的研究詳述如下： Andersson 與 Karrqvist (1983) 以開放式問卷與晤談，探究 12-15 歲的學生關於「光的行進」、「視覺」、「光的折射」等概念，發現學生並不認為光是一種能量，反而是一種真實的物體，普遍認為 (1)光是一種狀態，只會照射，但不會前進 (2)光會從光源流出或發射出來，可傳至無限遠 (3)光的發射是直線的，所以叫射線 (4)光行進的距離與光遇到障礙物有關，而且光在夜晚傳得比較遠；對於視覺的產生認為是因為有些東西能從眼睛放射出來，才可以看到東西；另外學生常將反射與折射混淆，會以反射解釋筷子在水中折斷的現象，也不知道光由一介質通過另一介質時，會偏向何方。 Goldberg 與 McDermott (1986) 以個別晤談與問卷調查 9-12 歲的學生對於平面鏡成像的想法，發現學生認為像是物體在平面鏡的投影，而平面鏡的像必須落在鏡前的範圍內，才能被看見，另一類普遍認為成像的位置是由眼睛視線的延長線所形成的，因此當觀察者不同時，成像的位置也會不同，雖然知道反射定律的入射角等於反射角，但卻無法利用反射定律來解釋成像的結果，也具有人離鏡子越遠時，所成的像會變小等另有概念，因此建議教師在教學過程中必須設計一些實驗提供學生更多機會去將經驗與理論對應起來。 Fetherstonhaugh、Happs 與 Treagust 在 1987 年探討 13-15 歲的學生對於「光的本質」與「光與視覺」的概念，陸續在 1988 年探討 8-11 歲的學生對於「光的行進」與「光與影子」的概念，去了解這些想法是. 11.

(12) 否會影響到學生未來學習光學的情形。在這兩份研究中發現學生對於光所具有的另有概念為 (1)光並不是能量，而是一種真實的物體，分布於整個空間 (2)光是無法行走，只存在明亮的地方 (3)光的行進距離與晝夜有關，在晚上光傳播的距離較遠 (4)光行進的距離與光遇到障礙物有關；對於視覺的另有概念存有經由眼睛產生視覺去看到物體的觀念，因此認為在完全黑暗環境中，人亦能視物。在 1992 年，Fetherstonhaugh 與 Treagust 設計了 16 題診斷式測驗，針對更多的光學概念進行研究，包括光的本質、視覺的產生、影子的形成與平面鏡成像，發現學生認為影子是存在空間的一種東西，認為平面鏡所成的像是物體的投影，而且平面鏡的像必須落在鏡前的範圍，才能被看見 (A. Fetherstonhaugh, Happs, & Treagust, 1987; T. Fetherstonhaugh & Happs, 1988; T. Fetherstonhaugh & Treagust, 1992) 。 Feher 與 Rice (1988) 晤談 9-13 歲學生對於影子的想法，發現只有少數學生認為影子的形成必須要有光的存在，大部分的學生會將影子具體化，認為影子是物體的一部分或以物體所具有的特徵來解釋，因此在黑暗處也有影子；受到慣用口語的影響，部分學生認為影子是物體的一種所有物，或認為影子是由物體投射出來的，對於影子的形成原因有以下的另有概念： (1) 光被物體偏斜（反射、彎曲）後產生影子 (2) 影子是由所謂的暗光形成 (3) 光促使物體產生影子 (4) 光只是幫助我們去看到影子。Feher 與 Rice 認為學生對於光的認知有雙重角色，稱之為「觸發」模式，主要特徵認為因為光的觸發，使物體產生影子，即使有些學生認為物體本身就具有影子，但也是需要光去幫助我們看到物體的影子或光能將影子傳送到屏幕上讓我們看到。因此建議在教學中必須先讓學生確實瞭解表徵圖形以及口語表達的意義，才不會讓學生很容易產生另有概念。. 12.

(13) Saxena (1991) 以多重選擇題以及晤談 16-20 歲的學生，探討有關「光的本質」、「光的行進」、「視覺」以及「像的形成」等概念，發現學生雖能了解光的基本性質，但卻無法將其理論應用在情境上或用來解釋實際現象，他認為原因來自於在實際的課堂上也很少談到理論的應用情形。 Osborne 與 Black (1993) 讓學生以開放式問卷以及晤談的方式來了解 7-11 歲學童對於光的概念發展，結果發現學生對於視覺產生的概念可分為四種層次為 (1) 沒有解釋 (2) 能提出解釋，但無法提出連結 (3) 依據單一連結來解釋 (4) 以雙重連結提供解釋，而且他們發現學生具有光就是光源、光不會動的另有概念，並且以視線觀點來解釋視覺的產生，還有一些學童認為光會先到眼睛後，眼睛才能去看到物體，所以這些學童認為要看到物體，光源是必要的，另外他們發現學生會隨著情境來回答問題，雖然高年級的概念架構略比低年級的概念架構複雜，但學生對光的理解在教學後並沒有太多的改變，顯示教學成效對學生影響不大。 Selly (1996) 研究學生對於光與視覺的縱向分析，他從 8-10 歲學生的繪圖與填答，並進行晤談後，將學童的視覺模式整理成九種模式，詳細說明請見下表 2-1-1。他認為在進行教學時必需強調以下幾點原則: (1) 光是直線前進，但因為光速快到令人無法察覺，因此會讓人感覺是立即的或是不動的 (2) 在學習光學時，幾何光學是很重要的，我們常會以直線與角度來說明現象的成因，因此必須詳細解釋這些表徵代表的意義 (3) 我們所講的「光線」、「一束光」並非是肉眼可見，而只是建構出來的概念 (4) 光從光源發散時，是有無限多條光，但是我們在作光線圖只會應用少數光線來表示。他認為我們在利用這些特定的用法教學時，必須先向學生講清楚這些原則，才不會誤導學生。. 13.

(14) 表 2-1-1 Selly 提出的兒童視覺模式視覺模式. 說明. A2 共同放射. 光源和眼睛同時指向物體形成視覺. A1 刺激放射. 光源先照射眼睛，透過眼睛再照射物體. A0 簡單照射. 只有眼睛照射物體，不需要光. D 發射與反射. 光源先照射眼睛，再由眼睛和物體產交互作用. B1 二段式接收. 光源照射物體，再反射到眼睛. B0 主要接收. G 二段式接收發射. O 光海. F 雙重照射. 光源直接照射眼睛. 光源先照射物體，物體再與眼睛交互作用. 光向四面八方照射. 光同時照射眼睛和物體. 資料來源：取自 Selly (1996). 14. 圖示.

(15) Galili 與 Hazan (2000) 以開放式問卷研究高中與學院學生對光的概念改變，發現學生普遍所具有的另有概念為 (1) 人只要張開眼睛，自然就可以看到或只要光照亮物體，就可以看見，與光的反射無關 (2) 光就是光源 (3) 學生會將光視為是一種實體，存在於空間中，並且只會朝著某一方向傳播 (4) 學生認為光就像是空間中的物體，偶而停留在物體的表面 (5) 影子是物體再反射的結果 (6) 影子是真實物體的複製，將影子具體化 (7) 鏡子具有複製影像的效果，甚至在沒有光的情形下也會有像的形成 (8) 學生在平面鏡的成像作圖裡，會將形成的影像置於平面鏡背後相等距離的位置，但最後的結果依然使用不正確的作圖方式來描述所畫的影像，所以他認為應該針對學生常具有的這些另有概念提供一些實驗融入教學中，可預防另有概念的產生。將以上國外光學相關研究綜合整理如表 2-1-2。表 2-1-2 國外光學相關研究文獻探討(依照出版年前後排序) 研究者 Andersson & Karrqvist (1983) Goldberg & McDermott (1986) Fetherstonhaugh、 Happs & Treagust (1987,1988,1992) Feher & Rice (1988) Saxena (1991) Osborne & Black (1993) Selly (1996) Galili & Hazan (2000). 研究對象研究工具研究內容 12-15 歲開放式問卷、光的行進、視覺、晤談光的折射 9-12 歲問卷平面鏡成像晤談 13-15 歲診斷式測驗光的本質、光與視覺 8-11 歲 (含選擇的半光的行進、光與影子開放式晤談) 平面鏡成像 9-13 歲晤談影子 16-20 歲多重選擇題、光的本質、光的行進、晤談視覺、像的形成 7-11 歲開放式問卷、光的概念晤談 8-10 歲繪圖、填答、視覺模式晤談高中與學開放式問卷視覺、影子、院學生平面鏡成像. 15.

(16) 二、國內相關研究國內學者也陸陸續續對學生在光學的另有概念進行探討，包括唐明 (2002)、江文雄(2003)、李采褱(2003)針對國小學生進行研究，許有亮與陳忠志(1998)、何嘉峻(2003)、黃可欣(2005)針對國中學生進行研究，而吳政勳(2003)針對高中學生進行研究，另外蕭倍如(2004)針對中小學學生進行跨年級的研究，發現在不同階段的學生所具有的另有概念都很相似，詳述如下：許有亮與陳忠志(1989)利用開放式紙筆測驗與晤談探討國中三年級學生對於平面鏡成像的概念，發現常見的另有架構為(1)成像在眼睛到物體的連線延伸，成像位置在鏡面或鏡後 (2) 成像位置在物體發出光線經平面鏡鏡面反射處的反射點上 (3) 像的位置正確，再以像和眼睛的連線來決定是否可從平面鏡中看到成像 (4) 像要落在視線內，也就是眼睛與平面鏡兩端連線的的範圍內 (5) 誤以為成像是物體在鏡面上的影子，而且發現學生普遍以一條光線作圖來決定成像位置。唐明(2002)以紙筆測驗與晤談的方式去探討國小五年級的學生，對於「光的行進」、「光和視覺」、「光的反射與折射」、「光與影子」的概念，發現學生的另有概念為 (1) 學生認為光源即是光，因此認為光不是直進的 (2) 學生認為光會存在於光源之中，或在光源四周，視光為一種明亮的狀態 (3) 學生認為肉眼無法看出光的移動，所以光會照射，但光不會動 (4) 學生認為他們能看到物體是由於光照亮物體，眼睛便能視物 (5) 當光照到眼睛，眼睛具有視覺功能便能視物 (6) 學生對於折射的定義不了解，會依文字聯想的方式解釋 (7) 學生將折射與反射混淆 (8) 學生認為折射是因為物體及容器形狀造成，或水造成折射 (9) 影子的形成是因為光對物體作用產生影子 (11) 影子是物體的一部分，只要有光就可看到。. 16.

(17) 江文雄(2003)利用光概念二段式問卷以及晤談，研究國小高年級學生對於光的概念，他所探討的概念包括 (1)視覺現象 (2) 光的行進 (3) 光的性質 (4) 光的直線前進 (5) 光的反射(6) 光的折射 (7) 光的顏色，他將各概念常見的類型整理成表，希望能藉由這些另有概念提供教師了解學生的起點，再根據起點去設計教學方法。李采褱(2003)利用晤談與文獻探討發展光概念二階測驗去探討國小中高年級的迷思概念，希望能夠提供教師改進教學方法，他發現學生會將光源當作光，或認為光是明亮的、光是緩慢的，無須任何幫助即可傳遞，而且認為光在黑暗中比白天傳得更快；對於影子的形成，學生認為黑暗中依然有影子，或是影子是由物體反射而產生的，只要光照亮物體，人的眼睛就可以看到物體；學生容易將反射與折射混淆，也無法指出反射角等於入射角的觀念，而且在他的研究中，發現六年級的表現明顯優於三、四、五年級，而男生優於女生。何嘉峻(2003)採用封閉式的選擇題探討國中二年級、三年級不同性別學生對於光學另有概念的差異，他所探討的光學範圍包括光源、光的直進、光的反射、光的折射、光與影子、光與視覺、光與顏色，他發現學生對我們能看見月亮是因為太陽光經月亮折射到眼睛成像，部分認為是因為月亮吸收太陽光，再產生光線到我們眼睛成像；而在平面鏡成像的解釋認為物體直接投影在平面鏡上，而不會用反射定律解釋；在光的本質所具有的另有概念有 (1) 認為光源所發出的光會集中在日光燈附近 (2) 光可以走曲線 (3) 光源發出的光可以停留在空間不散，如同空氣，佈滿整個空間。吳政勳(2003)利用光學概念診斷測驗卷以及晤談來探究高中生對於光的概念，他發現對於視覺之另有概念類型有 (1) 光把物體照亮，眼睛就可以看到物體 (2) 眼睛能反射光線而看到物體 (3) 物體會發. 17.

(18) 出影像到人眼，因而產生視覺；對於平面鏡成像之迷思類型有 (1)平面鏡成像在鏡面上 (2) 入射光的延長處為成像處 (3) 成像位置正確，但入射角與反射角未遵守反射定律，他總結學生會產生這些另有概念的原因有以下數點： (1) 把日常生活經驗與類似科學概念混淆 (2)缺乏邏輯性思考 (3) 倒果為因 (4) 以直覺的觀點 (5) 對於物理定義的認識不清。蕭倍如(2004)利用紙筆測驗針對台中縣國中小學作跨年級的研究，他發現學生對於光學的正確率會逐年增加，但仍具有另有概念，只是比例會減少，他發現學生對於光的另有概念為 (1) 光會前進，但是光遇到障礙物後會停留在障礙物上不動 (2) 學生認為等觀察者眼睛適應黑暗後，可以在黑暗中看到模糊的物體影像；對於平面鏡成像的觀點有： (1) 只有在鏡子正前方的物體所發出的光，才能經鏡子反射進入觀察者的眼中 (2) 鏡子前面所有物體所發出的光，都會經鏡子反射進入觀察者眼中 (3) 平面鏡成像於鏡面，因為物體的影像會投影到鏡面上 (4) 平面鏡成像於鏡後，因為物體的光遇到鏡面產生折射；而對折射的解釋認為是水或玻璃杯使光行進的路線發生偏折，甚指有些學生認為光由空氣進入水中會維持原本的行進方向或本身就會偏離法線或以彎曲的方式行進；對於影子的解釋也有許多另有概念： (1) 黑暗中仍有影子 (2) 光照射在物體上時，物體就會產生影子 (3) 物體使光偏折形成影子 (4) 物體會反射光線形成影子。黃可欣(2005)以國中光學概念為主題發展二階段評量診斷工具，希望能找出國中生在光學常見的另有概念，來幫助教師設計可打破學習者另有概念的教學活動，而且證明此工具是一種可以讓教師快速診斷出學生另有概念的方法。. 18.

(19) 林哲正(2006)採取以建構主義為基礎發展的五階段探究式教學法，依序為參與(Engagement)、探索(Exploration)、解釋 (Explanation)、精緻化(Elaboration)、以及評量(Evaluation)，簡稱 5E 學習環進行教學，並採用光學概念問卷來了解學生在光學單元的概念改變與學習成效。將以上國內光學相關研究整理如表 2-1-3。表 2-1-3 國內光學相關研究文獻探討(依照出版年前後排序) 研究者研究對象研究工具研究內容許有亮國中開放式紙筆測驗、平面鏡成像陳忠志晤談 (1989) 唐明國小紙筆測驗、光的行進、光和視覺、 (2002) 晤談光的反射與折射、光與影子江文雄國小雙層紙筆測驗、視覺現象、光的行進、 (2003) 高年級晤談光的性質、光的直線前進、光的反射、光的折射李采褱國小雙層紙筆測驗、光的本質、光的行進、（2003）中、高年級晤談影子的形成、光與視覺、光與反射、光與折射何嘉峻國中封閉式選擇題光源、光的直進、（2003）二、三年級光的反射、光的折射、光與影子、光與視覺吳政勳高中生概念診斷測驗、視覺、平面鏡成像、（2003）晤談折射與透鏡成像蕭倍如跨年級問卷調查法光的行進、光與視覺、 (2004) (國小、國光的反射、光的折射、中、高中) 光與影子黃可欣國中生雙層評量診斷工具、視覺概念、影子的形成、 (2005) 晤談針孔成像、光的反射、平面鏡成像、光的折射、實像與虛像林哲正國中生問卷調查光的傳播與光速、 (2006) 光的反射與面鏡、光的折射與透鏡. 19.

(20) 三、. 小結. 統整以上國內外光學相關文獻，我們發現研究內容包括光的本質、視覺的產生、光的反射、平面鏡成像、光的折射、透鏡成像、光的色散等範圍，而且在每部分的另有概念類型幾乎沒有文化差異，雖然隨著年齡增長或在教學後會有較佳的表現，但是不管什麼年齡層以及對身份，仍存有一些特定的另有概念，因此依照四個部分「光與視覺」、「光的行進與影子形成」、「光的反射與平面鏡成像」、「光的折射」，再針對每部分整理出常見的另有概念類型，分別敘述如下，並整理成表 2-1-4。 1. 光與視覺：對於視覺的產生，共整理成五大類型，「自然視覺」認為看見東西是眼睛的功能，不需要任何機制；在「視線說」與「影像說」中，眼睛扮演著主動與被動的角色，而無光與視覺的連結；「眼睛發光說」認為眼睛會發出光線到物體，因此以上這四種類型都認為在黑暗中仍可以看見物體。觸發模式的前提是認為有光就能看見，但對於視覺產生的路徑又分為「光照亮物體，眼睛主動視物」、「光照亮物體，將影像帶入人眼」、以及「光照到眼睛，眼睛便具有視覺功能」。 2. 光的行進與影子形成：對於光的本質，第一種類型將光誤認為就是光源，因此認為光不是直進的；而第二、三種認為光是靜止的，將光看成是一種真實的物體或是一種明亮的狀態，第四種類型甚至認為光是由許多光線組成，充滿整個房間。對於光的前進，主要分成兩種類型，一種認為光直線前進，但遇到物體後就會停止不動，且認為前進的距離與晝夜也有關，另一種類型認為光可以走彎曲的路徑。對於影子的成因，共分成三大類型，「本性論」認為影子是物體與生俱來的，而「激發模式」認為光照到物體，使物體反射、發射或反面發射出影子，影子是物體的複製物，而「光. 20.

(21) 3. 光的反射與平面鏡成像：學生即使知道光遇到鏡子會產生反射，但對於反射的路徑卻有許多另有概念，例如沿原路徑反射。而對「功能說」認為鏡子本身就具有於平面鏡成像的解釋有三大類型，成像的功能，只要將物體放在鏡前即可成像；「投影說」認為成像是由物體直接投影到平面鏡，成像在眼睛與物體延伸的延長線上，成像的位置可能在鏡面或鏡後；而第三類認為是光的作用，解釋理由有 (1) 利用光的直射將影像傳到鏡子 (2) 光將物體的影像反射 (3) 光將物體的影像折射到鏡子，這裡的折射並非正統科學概念的意思，而只是指影像與物體左右相反的意思。 4. 光的折射：學生對於折射的另有概念比較零碎，因為在教學前並沒有折射的概念，也容易將反射與折射搞混，或即使知道折射，但常會依文字或是將看到的現象解讀為光的折射，例如將筷子的偏折方向直接當做光的偏折方向。. 表 2-1-4 國內外常見的光學另有概念類型整理主題一：光與視覺(視覺的產生) 另有概念類型的特徵研究學者(依照年代前後排序) 1. 自然視覺: Piaget, 1929 (1) 不需任何機制，張開眼睛就能看見 Galili & Hazan, 2000 (2) 沒有眼睛、物體與光之間的連結 2. 視線說(發射理論)： Stead & Osborne, 1980 主張人的眼睛會發射視線，從眼睛延伸到 Andersson & Karrqvist, 1983 物體而產生視覺 Guesne et al., 1983 Feher & Rice, 1986 Fetherstonhaugh et al.,1987 江文雄，2003. 21.

(22) 3. 影像說(插入理論)：認為物體會發出理想型像或影像到達眼睛而產生視覺 4. 眼睛發光說：認為眼睛會發出光線，所以能夠看到物體 5. 觸發模式：必須要有光就能看見 (1) 光照亮物體，眼睛便能主動視物 (2) 光照亮物體，將影像帶入人眼 (3) 光照到眼睛，眼睛具有視覺功能. 光的本質. Andersson & Karrqvist, 1983 Feher & Rice, 1986 吳政勳，2003 Romands & Driver, 1989 Monk, 1991 Guesne, 1978 Stead & Osborne, 1980 Feher & Rice, 1986 Saxena, 1991 Galili & Hazan, 2000 唐明，2002 李采寰，2003 吳政勳，2003. 主題二：光的行進與影子形成另有概念類型研究學者 1.將光誤認就是光源，會把電燈、蠟 Guesne, 1978 燭直接當作光敘述唐明，2002 江文雄，2003 李采寰，2003 2.認為光是一種真實的物體，分布在 Guesne, 1978 整個空間當中，偶而停留在物體的表 Andersson & Karrqvist, 1983 面，就可以被觀察到 Shapiro, 1989; Galili & Hazan, 2000 何嘉峻，2003 李采褱，2003 3.認為光是一種明亮的狀態，不會移 Andersson & Karrqvist,1983 動，光會存在於光源之中或光源四周 Fetherstonhaugh et al.,1987 Fetherstonhaugh & Treagust,1992 唐明，2002 江文雄，2003 李采寰，2003 4.光是由許多光線組成，充滿整個房 Galili & Hazan, 2000 間(受文字影響). 22.

(23) 1.光直線前進，但遇到物體後會停止；且前進的距離與晝夜有關. 光的直進 2.光可以走彎曲的路徑. 1.本性論：影子是一種實體，有物體就會有影子，而且影子具有物體的特徵，因此在黑暗中也會有影子，只是有光才可以看到影子. 2.激發模式：光照到物體，使物體反射、發射或從反面發射出影子，所以影影子是物體的複製物. 子形成. 3.光的多元論：光遇到物體時，被物體反射、折射或偏折到屏幕上產生影子；光照到物體，沒被擋住的暗光射到屏幕上形成. 23. Stead & Osborne, 1980 Andersson & Karrqvist,1983 Fetherstonhaugh et al.,1987 Fetherstonhaugh & Treagust,1992 唐明，2002 蕭倍如，2004 Saxena, 1991 Osborne & Black, 1993 Galili & Hazan, 2000 何嘉峻，2003 Feher & Rice, 1988 Saxena, 1991 Fetherstonhaugh & Treagust,1992 Galili & Hazan, 2000 唐明，2002 江文雄，2003 李采寰，2003 蕭倍如，2004 Guesne, 1978 Feher & Rice, 1988 Galili & Hazan, 2000 唐明，2002 李采寰，2003 蕭倍如，2004 Guesne, 1985 江文雄，2003 蕭倍如，2004.

(24) 主題三：光的反射與平面鏡成像另有概念類型研究學者學生雖然能夠正確說出成像結果，但學生 Goldberg & McDermott, 1986 的理由違背反射定律江文雄，2003 吳政勳，2003 1.功能說:鏡子具有複製影像的效果，只 Galili & Hazan, 2000 要將物體放在鏡前，鏡子就會產生物體的像，甚至沒有光的情形下也會有像的形成 2.投影說:成像是由物體直接投影到平面鏡，成像在眼睛與物體延伸的延長線上因此平面鏡成像位置取決於觀察者與物體間的相對位置。. Golberg & McDermott,1986 Fetherstonhaugh & Treagust,1992 Galili & Hazan, 2000 許有亮與陳忠志，1989 何嘉峻，2003 吳政勳，2003 蕭倍如，2004 3.光的作用 Golberg & McDermott,1986 (1) 光的直射將物體的影像傳到鏡子 Fetherstonhaugh et al.,1987 (2) 光將物體的影像反射到鏡子許有亮與陳忠志，1989 (3) 光將物體的影像折射到鏡子(此處折江文雄，2003 射並非正統科學概念所說的折射，而蕭倍如，2004 是指影像與物體左右相反的意思) 主題四：光的折射另有概念類型 1.光進入不同介質會維持相同的方向行進，不會折射 2.將折射與反射混淆 3.光由一介質通過另一介質時，不知其會偏向何方(光由空氣進入水中會偏離法線) 對於鉛筆折斷現象的解釋認為 (1) 水使鉛筆看起來像是折斷 (2) 水彎曲了光線 (3) 杯子的形狀使鉛筆看起來是彎曲的. 24. 研究學者 Andersson & Karrqvist, 1983 Saxena, 1991 Galili & Hazan, 2000 唐明, 2002 李采褱, 2003 Shapiro, 1989 唐明，2002 蕭倍如，2004.

(25) 第二節. 概念改變相關研究. 學習的過程是一種概念改變的過程，既然想要改進教學成效，就必須促進學生進行概念改變，因此我們必須先了解概念改變的機制，才有可能提供學生適當的學習環境，所以接下來依照年代的先後順序探討重要的概念改變理論。. 一、 PSHG 模式 Posner, Strike, Hewson 和 Gertzog 四人在 1982 提出概念改變模式(Conceptual change Model,CCM)，是以建構主義的認識論為基礎，牽涉到新舊知識之間的互動關係，將概念改變的形式依照不同程度分成同化(assimilation)與調適(accommodation)。同化就是利用現存的概念去處理新訊息，這種方式並不會使原有的概念架構發生太大的改變；而調適就是當原有的概念無法解釋新訊息時，學生必須重組中心概念去處理新訊息，這種方式需要進行程度較大的概念改變。Posner 等人提出學生要能進行調適的四個條件為: 1. 必須對於舊概念感到不滿足(dissatisfaction)。 2. 新概念必須是可理解的(intelligible)。 3. 新概念必須是合理的(plausible)。 4. 新概念必須是豐富的(fruitful)。 Roth (1991) 也提出類似的觀點，指出學生必須明瞭他們個人的理論與實驗證據相比是不足夠的(inadequate)、不完整的(incomplete)、或是不一致的(inconsistent)，才有可能進行概念改變。在 1993 年， Posner 等人採取了 Toulmin (1972) 的概念生態的觀點，體認到原有的理論過於強調理性，忽略情感和社會的影響，對於原先的概念改變模式. 25.

(26) 提出了修正，認為學習與環境有關，另有概念不只是原先已經存在，在教學中也可能產生，所以我們必須考慮學習環境的影響(邱美虹，2000)。. 二、 Chi 的概念改變理論 Chi 在 1992 年時以本體論的觀點將所有概念分成三種本體類別，分別是物質(matter)、過程(process)與心智狀態(mental state)。物質是指含有特定屬性的東西；過程是指事件的發生，可能有序列性與因果關係，也可能只是機率問題；心智狀態是指情意的部分，這三種類別彼此獨立，本質上採取 Kuhn 所謂的不可共量性，而各類別下又有次類別，詳細分類請見圖 2-2-1，所有概念分別隸屬於各個類別。. 圖 2-2-1:Chi 本體樹的組織架構 (Chi,1992；1994 修正，引自邱美虹，2000). 26.

(27) Chi 將概念改變分成「類別內的概念改變」與「類別間的概念改變」。類別內的概念改變是指概念改變發生在同一本體樹內作位置的遷移，並未跨越不同的本體樹，可視為信念的修正;類別間的概念改變是指概念改變發生在不同本體樹間，當概念原始指定的類別轉移到另外一個類別，稱為根本的概念改變。Chi 認為跨越本體間的概念改變有三個步驟: 1. 經由獲得的過程，學習到新的本體類別。 2. 經由獲得的過程，學習到個別概念的意義。 3. 重新將概念分類到新的類別中，可能的方式有三: (1). 學習者主動放棄原來對某一種概念的意義或定義，並且以一個新的意義取代原來的概念意義。. (2). 學習者以新、舊概念並存，新舊概念出現的時機則隨情境不同而不同。. (3). 透過教學方式而加強新概念的意義，使學習者放棄原有的概念意義。. Chi 在 1992 年提出時，是將所有的實體分為物質、事件(event)、心智狀態，但隨後在 1994 年修正，將事件改為過程下的一個分枝並提昇「CBI」與「事件」為相同階層。因此過程分為步驟、事件、以條件為主的交互作用(CBI)，然而經由不斷的修正，近來將事件改成直接過程，而 CBI 先改成平衡過程(EP)，而後又改成突現過程(EP)，在此概念階層中，不同概念類別均有其本體屬性上的差異而被區別，而越高階層的分類其共同屬性越少。概念改變若是發生在同一類別，是比較容易發生的，可能只牽涉到信念的修正、增加、刪除、普遍化、區分屬性等，為 Carey (1985) 所稱的弱重建，而 Keli 稱為非根本概念改變，而跨越本體間的概念改變是比較困難的(邱美虹，2000)。. 27.

(28) 值得注意的的是從直接過程轉變成突現過程雖然是歸屬於同一過程類別間轉變，但由於學生缺乏突現過程的類別觀，或是無法察覺必須進行概念改變，因此也歸屬於較困難的概念改變。. 三、 Thagard 概念革命的觀點 Thagard (1992, 引自邱美虹，2000) 利用科學史上科學革命的實例來將概念改變作分類，他以種類關係和部分關係排序，並將概念改變分為九種層級：(1)增加新例子(2)增加弱原則(3)增加強原則(4)增加新的部分關係(5)增加新的種類關係(6)增加新概念(7)瓦解部分種類的階層(8)藉由分枝跳躍重組階層性(9)樹的轉變。前三種只是信念的改變，後五種牽涉到概念階層的變動。他以知識改變的方法論架構來看概念改變，他將信念的修正分為增加與刪除，而概念的改變包括增加、刪除、重組以及重新界定階層；而簡單的重組包括區分、合併、分解，修正的重組就是分枝的跳躍，而重新界定階層即為樹的轉換(圖 2-2-2)。他指出信念修正、概念的增加刪除、簡單的概念重組在科學知識發展中是比較常見的，而分枝跳躍和樹的轉換必須伴隨著概念革命才有可能發生。. 圖 2-2-2 Thagard 的知識改變分類圖資料來源：概念革命(49 頁)，邱美虹等譯(2003)，台北市，洪葉文化。. 28.

(29) 四、 Vosniadou 的概念改變理論 Vosniadou (1992) 提出了架構理論(framework theory)與特殊理論(specific theory)的主張，他不同意 diSessa 所提出的知識片段觀點，他認為學生的信念其實已經形成內在一致性的知識結構。Vosniadou 和 Brewer 認為知識結構並不是由許多小的概念經由相似性所連結而成，而是先有一個大的架構之後才逐漸填充其中細部的概念，孩童所具有的大架構稱為素樸架構理論，來自於本體論與認識論的預設，主要源自於學生早期的日常生活經驗，而細部的概念稱為特定理論，包括描述物理事件的性質和行為的相關命題和信念，其產生受到架構理論的限制，是透過架構理論去解讀外界所呈現的訊息(圖 2-2-3)。他認為概念改變必須從豐富(enrichment)與修正(revision)兩方面去探討，逐步修正自己對外在世界的心智模式。豐富是指將新概念加入現有的理論架構，而修正學生所欲學習的與原有架構不一致或受限於特定理論時，會修正原有的特定架構或預設、信念，其中又細分為下列三種 (Vosniadou, 1994) (1)單純特定理論的修正。(2)牽涉到架構理論的特定理論的修正。 (3)架構理論的修正。其中，豐富是最容易發生的，修正時，架構理論的改變比特定理論的改變困難，尤其當概念改變必須牽涉到基本預設的改變時，概念改變會變得相當困難。其他學者也提出特殊理論較架構理論容易修正的原因有三: 1. 學習者無法覺知這些隱含的本體與認識預設的存在。 2. 這些預設不斷的被驗證與增強。 3. 當架構理論被修正時，以它為基礎的特殊理論勢必跟隨修正。. 29.

(30) 圖 2-2-3 Vosniadou 的架構理論(1994, 引自鍾曉蘭，2007). 五、多面向概念改變理論在 1997 年，Tyson、Venville、Harrison 與 Treaguest 統整了各派學者的研究與主張，提出概念改變的多元架構，必須從三個面向考慮，分別是本體論、認識論與情意面向(圖 2-2-4)。本體論用來了解學生是如何看待事物的本質；認識論探究學生是如何理解外在事物的知識；情意面向是用來了解概念改變與情境、學習動機等是否有關。並且從三面向去探討概念改變的情形，見圖 2-2-5(引自鍾曉蘭，2007)。. 圖 2-2-4 概念的多面向架構. 圖 2-2-5 概念改變的歷程. 30.

(31) 六、邱美虹的 RAINBOW 理論邱美虹(2008)從歷史演進的角度，比較探討不同時期概念改變理論，提出了彩虹理論的概念改變觀點(Research And InstructioNal Based/Oriented Work-RAINBOW)，包括六個分析面向：發展性、本體論、認識論、情意社會、演化性以及教學性(圖 2-2-6)，希望能夠藉由多元面向去探討概念改變，並用來發展、分析與解釋概念改變的現象。. 發展性認識論. 本體論. 演化性. 情意社會教學性. 圖 2-2-6 彩虹模型的成分 (Chiu, 2008; Chiu and Lin, 2008). 七、小結以往的概念改變研究大部分只集中看教學的成效是否有了進步，從前測與後測的量化統計來了解是否有顯著差異，但對於概念改變，到底改變了什麼就比較少著墨，如果我們可以探討出哪些概念容易改變，哪些概念難以改變，探討難以改變的理由，相信這樣在教學上是非常有幫助的，多面向的概念改變理論也提供了從許多嶄新的面向去探索，因此本研究探討學生的概念改變，不只是量的改變，也想了解質的改變。. 31.

(32) 第三節. 心智模式的研究. 我們認為心智模式是人類用來解讀外在世界的內在表徵，要了解學生的學習狀況，必須了解學生心智模式，因此我們從心智模式的定義、特質來探討。. 一、. 心智模式的定義. Kennth Craik (1943,引自 Gilbert, Boulter, & Elmer, 2000) 最早提出心智模式，他認為心智模式是一種特殊形式的心智表徵，人們會自動轉譯外在事件成為內在的符號或表徵，再利用這些內在的模式去進行解釋、推理，用來回應所遭遇到的問題與情境，或是用來預測未發生的狀況。 Johnson-Laird (1983, 1989, 1999, 引自鍾曉蘭，2007) 主張心智模式是一種動態的表徵或是對世界的模擬，表示心智模式不但是一種類比，也是一種歷程，可用來理解語言與日常生活的現象，因此心智模式的結構對應著所表徵的情境，也反應了外在事物的關聯，而且會受情境的影響與限制。Johnson-Laird 認為心智模式的形成是透過感官知覺，在次概念階層透過操弄這些符號或表徵而產生概念，並形成心智模式，這些心智模式代表事物的狀態，可以讓個體據此作出推論與預測、了解現象、決定並控制行動的進行，見圖 2-3-1。心智模式概念次概念階層單元感官(視覺、聽覺等). 圖 2-3-1 Johnson-Laird 提出的心智模式(1983，引自鍾曉蘭，2007). 32.

(33) Norman (1983) 認為心智模式最主要的角色是讓個體可以解釋與預測外在世界的各種現象，也反映出個體對外在世界的認識，他提出心智模式包含四個組成： 1. 目標系統(the target system)：學習者用來學習或使用的系統。 2. 概念模式(the conceptual model of that target system)：由科學家、教師或專家所整理出具有一致性、正確性、完整性，並且與科學知識相符合的知識結構，可用來傳送或是教導目標系統。 3. 學習者的心智模式(the user’s mental model of that target system)：學習者與目標系統交互作用後，對目標系統產生的表徵，並非一開始就是完全正確的，而是經過不斷地與目標系統互動，學習者的心智模式會發生持續的修正與精緻化，逐漸達到切實可行的心智模式。 4. 科學家心智模式的概念化(scientists’conceptualization of mental model)：科學家在進行心智模式的運作時，對內在的心智模式給予概念化的一種模式，換言之即為心智模式的概念模式。因此他認為在進行課程設計時，必須透過科學家心智模式的概念模式以及學習者的心智模式，去發展出適合且正確的概念模式，使學習者與目標系統交互作用，經過不斷地修正與精緻化，建立與概念模式最相似的心智模式，讓學生可以正確預測目標系統的運作。 Vosniadou 與 Brewer (1992) 認為心智模式的形成是為了回答及解釋問題所產生的一種動態結構，而該心智模式受限於個體本身所具有的概念結構，他發現學生在解釋自然現象時有下列三種模式： 1. 初始心智模式(initial models)：表示孩童基於日常生活的經驗建構出的心智模式，是由基礎的信念所組成。 2. 綜合模式(synthetic models)：孩童基於日常生活的經驗，在文. 33.

(34) 3. 科學模式(scientific models)：與科學觀點一致的模式。建構主義比喻學生並不是一張白紙，他們是帶著原本的初始模式來學習科學模式，因此產生了綜合模式，再經由不斷的修正與精緻化，學生才慢慢具有接近科學甚至完整的科學模式，但這不意味兒童具有科學概念時，其他模式就會消失會被取代，兒童可能同時擁有兩種模式，會依情境的不同而使用。綜合以上各學者的定義，心智模式是一種內在的表徵、系統，用來解釋以及表示外在的世界，用來解決我們所遇到的問題，心智模式的運作是一種動態的過程，因此我們必須了解在不同情況下學習者的心智模式，才能隨時提供學習者最佳的學習環境。. 二、. 心智模式的特質. 因為心智模式是內隱的、個人的，非直接外顯的，Franco 與 Colinvaux (2000, 引自林靜雯，2005) 指出要獲取心智模式的方法，可由檢測個人的表達模式(expressed model)來達成。雖然心智模式不能直接取得，但經由許多學者提出的心智模式特質，可以更了解心智模式。 Norman (1983) 提出心智模式的特質有： 1. 不完整性：對於現象所具有的心智模式通常是不完整的。 2. 局限性：執行心智模式時，能力是受限制的。 3. 不穩定的：一段時間沒有使用，通常會忘記所使用模型的細節。 4. 沒有明顯的邊界：常會混淆類似的機制或是操弄。 5. 不科學的：為了節省體力或心力，會使用迷信的模式。 6. 簡約的：減少心智上的負荷與複雜度。. 34.

(35) Franco 與 Colinvaux (2000,引自林靜雯，2005) 提出心智模式的四項主要特徵，用來界定心智模式： 1. 心智模式具有衍生性(generative)：個體會藉由運用心智模式進行推理，產生預測與新的想法。 2. 心智模式包含默示知識(tacit knowledge)：心智模式的持有者本身不會意識到心智模式每個組成的向度。 3. 心智模式是綜合的(synthetic)：為了要有效率，心智模式包含許多目標系統或事件的簡化表徵。 4. 心智模式受限於世界觀：心智模式會受到人們所持有的信念系統影響。 Grosslight、Unger 與 Jay (1991) 認為心智運作建構一個特定的心智模式來理解因果情境，所建立的心智模式又去影響產生新的心智運作，形成連續不斷建構、再建構、回饋循環的過程。也因為這樣，心智模式會受到個體的觀察與文化脈絡的影響，但每個個體的感受以及背景都是不同的，因此學生的心智模式除了具有以上提到的各種特性外，不完整、不科學、不穩定等，每個人的心智模式也具有獨特性。. 三、. 心智模式的一致性. diSessa (1998,引自林靜雯，2005) 認為素樸概念是片斷的、零碎的、鬆散的，而且無一致的，他將孩童知識的最小單位稱為現象原生詞 (phenomenological-primitive principle 或 p-prims)，而這些現象原生詞所組成的系統缺乏系統性的連結，因此在解釋事物的時候，是缺乏一致性的。 Vosniadou 和 Brewer (1994,引自林靜雯，2005) 則認為學生的素樸概念是具有一致性的，他認為由孩童主動建構出的心智模式具有一致性，. 35.

(36) 受制於本體與認識論的預設，因此這些心智模式具有固著性的，所以概念改變才比較難發生。另外他也提到了心智模是可以用精確性(accuracy)、一致性(consistency)，以及簡單性(simplicity)三個面向來分析。 Chi 與 Roscoe (2002) 認為心智模式為片段還是一致性的結構，必須依據領域特化(domain-specific)的觀點來看，他提出心智模式具有三個影響因素，為一致性、正確性及完整性，可用來將心智模式分為一致的心智模式(coherent mental model)與不一致的/片段的心智模式 (incoherent/fragmented mental model)，一致的心智模式又可分為正確的心智模式(correct mental model)與有瑕疵的心智模式(flawed mental model)，有瑕疵的心智模式命題雖然正確，但命題的連接有可能是錯誤的或非系統的，因此對問題的預測與解釋仍無法產生一致性，見圖 2-3-2。. 圖 2-3-2 Chi 與 Roscoe 提出的心智模式類型 (2002,修改自陳婉茹，2004). 36.

(37) 四、. 小結. 學生會以既有的心智模式來推理並理解科學理論，本研究利用 Chi 與 Roscoe (2002) 對心智模式的分類來看學生在光學概念的心智模式，具有哪些程度的正確、錯誤、一致與不一致情形。以正確性為橫軸，一致性為縱軸劃分成四個象限，將學生分成四類，第一象限的學生命題正確且連結方式是十分有系統的，具有正確且一致的心智模式；第四象限命題正確，但命題的連結是非系統性或錯誤的，具有不一致的心智模式，因此在預測問題時仍會產生不一致的解釋；第二象限命題不正確，但卻有系統化的連結，具有錯誤但一致的心智模式，因此學生並不會有不了解的自覺；第三象限的學生則具有命題不正確且為片段的心智模式，見圖 2-3-2。一致性. 第二象限錯誤且一致的心智模式. 第一象限正確且一致的心智模式. (flawed). (correct). 正確性第三象限錯誤且不一致的心智模式. 第四象限不一致的心智模式 (incoherent/fragmented). 圖 2-3-3 心智模式依照正確性與一致性的分類. 37.

(38) 第四節. 模型與建模. 在科學教育的領域，模型(model)與建模(modelling)是科學發展的元素，也是科學學習中不可缺少的認知與能力(邱美虹，2008)，因此以下對於模型與建模是什麼，還有建模能力的判定分別說明：. 一、模型與建模科學家會以模型來描繪外在的世界，進行科學研究時也會使用模型，而科學史與科學的模型更是科學的重要結果。模型到底是什麼， Gilbert 與 Boulter (2000,引自邱美虹，2008) 認為模型是一種表徵的形式，可以是一個想法、物件、事件、歷程或系統的重新呈現。Treagust、 Chittleborough，以及 Mamiala (2002,引自邱美虹，2008) 則指出摩型有五大類型： (1)模型是多重表徵。 (2)模型是精確的複製。 (3) 模型是解釋的工具。 (4)科學模型的使用。 (5)模型變化的本質。我們發現模型會以不同的方式呈現，包容性非常廣，但也就是說沒有明確的界線與定義，因此許多學者嘗試著去對模型分類，希望藉由分類的基準讓我們更認識以及了解模型。Gilbert, Boulter, 與 Elmer (2000) 將模型分為心智模型、表達模型、共識模型、歷史模型、課程模型、教授模型等，詳細定義見下表 2-4-1：. 表 2-4-1 模型的種類與定義模型種類 1.心智模型 (mental model) 2.表達模型 (expressed model). 模型的定義心智模型是私人且個人化的認知表徵，是由個人或小組討論所形成是由個人或小組置於公眾領域的模型，通常是透過一個或較多表徵的使用與他人產生互動. 38.

(39) 3.共識模型 (consensus models) 4.歷史模型 (historical model) 5.課程模型 (curricular model) 6.教授模型 (teaching model). 在討論實驗之後，不同的小組均同意表達模型是有用的，因此形成一個共識模型這些共識的模型是在特殊的歷史情境產生，並且隨後常被取代若是將歷史或是科學模型的產生包含入正式的課程，通常是在簡化以後通常共識、歷史和課程模型是較難產生，而教學模型是發展來促進這些歷程，可藉由教師或學生來發展 7.混合模型藉由合併每個不同模型的特徵，而用來課程與 (hybrid model) 課堂的教學，猶如它是一個具一致性的整體 8.教學模型教師在課堂中使用的模型，並且考量科學的本 (model of pedagogy) 質、科學教學的本質與科學學習的本質. Buckley 與 Boulter (2000) 指出在課堂中模型常以不同的角色被使用，但教師與學生卻不知道他們正在使用與建立模型，因此他提出以表徵的方式和表徵的屬性兩個不同的維度來分類，根據不同的表徵方式將模型分成下列幾類： 1. 具體的(concrete)：是指三度空間的實體模型，例：一個塑膠的心臟模型。 2. 言語的(verbal)：是指被聽到或被讀到的模型，屬於描述的、解釋的、敘述的、辯論的、類比的或是隱喻的，例：心臟是一個幫浦。 3. 視覺的(visual)：是指被看到的模型，像圖表、動畫、模擬、影片，例：月蝕過程的描繪。 4. 數學的(mathematical)：是指式子、方程式、模擬。例：行星運動的方程式。 5. 動作的(gestural)：物體或物體部分的移動，例：以學生互相繞來繞去表示太陽系模型。. 39.

(40) 6. 具體混合的(concrete mixed)：附有視覺、言詞或數字的具體模型，例：標有解釋的太陽系儀。 7. 言語混合的(verbal mixed)：附有視覺或數字的文章，例：附有一個心臟結構相關圖像的解釋文章。 8. 視覺混合的(visual mixed)：附有言詞或數字的視覺模型，例：富有詮釋的心臟結構圖。 9. 數學混合的(mathematical mixed)：附有言詞解釋的式子或方程式，例：一個附有文字說明的行星運動方程式。 10.動作混合的(gestural mixed)：附有言詞解釋的動作表徵，例：學生一邊做地球和月球的移動，一邊談論他們的移動。另外若從模型表徵的屬性，可考慮以下幾點特徵： 1. 模型是量化(quantitative)或質化(qualitative)。 2. 模型是靜態(static)或動態(dynamics)。 3. 模型的結果是決定論(deterministic)或隨機的(stochastic)。藉由以上各類別的特性不但可以讓我們更了解模型，也可以讓教師在了解各種模型的特徵後，藉由不同的表徵方式來呈現模型，並且配合教學目標選取合適的教學策略，幫助學生建立與科學模型相近的概念模型，並且形成穩定、一致性高，且可用來解釋外在現象的心智模式。. 如果將科學理論看成模型，而學習科學的過程就是一種建模的歷程。Buckley (2000,引自邱美虹，2008) 認為建模是以「模型」為基礎的學習，是模型的建構，是透過形成、使用、修正與詳細闡述的反覆過程，個體在科學學習的過程中，會使用以及修正舊模型去理解新的學習，並形成新模型，並且透過這樣反覆的歷程，學習正確的科學模型。. 40.

(41) 二、建模能力： Grosslight 等人 (1991) 透過晤談的方式收集國高中與專家對模型的看法與了解，將他們對模型的理解分為三種層次，並根據學生理解程度來判斷他們的建模能力，分別為： 1. 層次一(Level 1)：認為模型是玩具或實體的簡單複製，模型被認為是有用的真實物體或動作的複製。 2. 層次二(Level 2)：認為模型的建構是有特定明確的目的，建模者是有意識的透過模型達成某種目的，模型不一定完全與實體一樣，但仍強調模型與實體的關連。 3. 層次三(Level 3)：此層次有三個主要特徵 (1) 認為建構模型是為了發展或測試抽象的想法，而非只是實體的複製。 (2) 建模者在建模過程扮演主動的角色，評估模型的設計是否符合目的。 (3) 在發展與測試的過程中，模型會被運用來測試想法，建模是一種循環的過程。. Gilbert (1991,引自邱美虹，2008) 認為模型的建構是一種較為進階的過程技能，發展此能力是科學教育的目標之ㄧ。Halloun (1996) 認為建模是一個複雜且包含許多活動與技能的歷程，所以對於實際模型建立的機制並不清楚，他試著提出一個較具體的建模歷程來幫助大家了解模型是如何建立的： 1. 模型選擇(model selection)：建立模型的第一步必須起於從熟悉的模型中，選擇適當的模型來解決問題，而建模目的會影響到模型的選擇。. 41.

(42) 2. 模型建立(model construction)：針對選擇的模型，學生必須建構或重現選擇模型的成分與結構，完整的模型包括敘述性 (descriptive)與解釋性(explanatory)。 3. 模型效化(model validation)：在建構模型的同時，必須進行效化，也就是利用不同形式檢驗模型的內部一致性，了解模型是否可以需要修正，是否有符合目標。 4. 模型分析(model analysis)：利用已建立好以及效化好的模型來針對問題提出答案，並且加以證明、解釋。(本研究解釋為模型應用) 5. 模型調度(model deployment)：將模型應用到其他新的情境。 6. 模形重建(model re-construction)：若原本的模型無法解決問題，就必須重新進行相同的步驟，建立新模型，並對新模型進行效化、分析與調度。 Halloun (1996) 認為在教學中可透過互動與辨證的歷程，幫助學生在建模的歷程中發展其模型的有效性和調度性，不過他也強調這五個過程並沒有等級的關係，甚至步驟會重疊。而 Hestenes 也同意模型的發展和模型的分析是建模步驟中非常重要的活動 (Hestenes, 1997，引自邱美虹，2008) 。. 想要了解學生建模能力與科學學習是否確實有關係，必須要診斷出學生的建模能力，但建模能力是一種抽象的能力，因此邱美虹等人(2007) 在國科會-化學教育中建模模式的研發與實踐計劃中，以 Halloun 在 1996 提出的建模歷程理論與 Biggs 與 Collis 在 1982 年提出的觀察學習表現架構(簡稱 SOLO)兩大理論為基礎，發展出「建模能力分析指標」，如表 2-4-2 所示，該指標由「六種建模歷程」與「六種答題層次」. 42.

(43) 組成 6×6 的矩陣表格，我們可以利用建模能力分析指標，設計一系列的建模相關試題，並建立相對應的分析編碼表來界定學生的建模能力。. 所謂的 SOLO 分類法(Biggs’Structure of the Observed Learning Outcome)是指 Biggs 用來區分描述學習者在經歷各種複雜學習後的成長情況，他將學生的學習表現分成四個層次： 1. 單一結構反應(uni-structure response)):反應出一種簡單且正確的因素。 2. 多重結構反應(multi-structure response)：反應出兩種或兩種以上的因素，但無論及之間的關連性。 3. 關係反應(relational response)：反應出因素與因素間的關連性、交互作用、與影響。 4. 延伸抽象反應(extended abstract response)；基於因素與因素間的關係後，獲得近一步延伸推廣的反應。. 邱美虹等人(2007)則將建模能力修改成五個層次，分別為： Level 1 經驗反應：無法體會問題的意義，答不出來或說出與問題無關的答案。 Level 2 單一因素：對問題反應出一種相關的因素。 Level 3 多重因素：對問題反應出二種以上相關的因素。 Level 4 關係層次：對問題能反應出因素間的關係。 Level 5 延伸關係：對問題能反應出因素間複雜的關係。 Level 6 科學理論：完全是科學家/專家的角色，了解整個科學理論，對問題能反應出因素間複雜的關係。. 43.

(44) 表 2-4-2 建模能力分析指標(引自邱美虹等人，2007) 答題反應層次 Level 0 Level 1 (新增) 單一結構. Level 2 多重結構反應出一種反應出兩種或兩種以上無反應簡單且正確的因素，但的因素 (factor) 無論及之間的關連性. Level 3 關係結構建模反應出因素定義歷程與因素間的關連性、交互作用、與影響指出兩個以從熟悉模型指出兩個以模型中，選擇出一無指出指出單一特上特徵，據上特徵之因徵，據此選此選擇模果關係，據選擇個合適的模型擇模型。此選擇模以解決問題。型。型。確認所選模型確認兩個以模型確認因果解無確認確認單一特建立的相關成份與徵的模型。上特徵的模釋的模型。結構。型。利用模型的相利用單一變利用兩個以利用各變數關成分進行不模型同形式的評無利用數作評估，上變數作評間的因果關進行模型的估，進行模係作評估，效化估，檢驗或修效化。型的效化。進行模型的正模型的內部效化。一致性。模型使用已效化使用已效化使用已效化應用使用已效化的模型中的單模型中的多模型中的關 (改自模模型解決相似無使用一結構解決重結構解決係結構解決型相似情境的相似情境的相似情境的情境的問題。分析) 問題。問題。問題。使用已效化使用已效化使用已效化模型中的單模型中的多模型中的關模型使用已效化的無使用一結構解決重結構解決係結構解決模型解決新情調度境的問題。新情境的問新情境的問新情境的問題。題。題。察覺模型的察覺模型的察覺模型的限制，藉此限制，藉此限制，藉此模型察覺模型的限重建制(如異例)，再發展新模無察覺修正原模型修正原模型修正原模型 (新增) 型。中的單一物中兩個物件中的關係結件特徵。以上特徵。構。. Level 4 延伸抽象. Level 5(新增) 多重延伸抽象. 基於因素與因素間的關係，獲多重延伸抽象得近一步延伸的反應層次推廣的反應找出數種因果找出多重因果關係，『判斷各因果關係的合關係的交互關係，據此選擇模適性』，據此選型。擇模型。確認數學(抽確認多重抽象象)形式的模形式的模型型。利用各種因果利用多重因果關係的交互作關係的交互關用作評估，進行係作評估，進行模型的效化。模型的效化。使用已效化模型中關係結構的交互作用解決相似情境的問題。使用已效化模型中關係結構的交互作用解決新情境的問題。. 使用已效化模型中多重關係結構的交互關係解決相似情境的問題。使用已效化模型中多重關係結構的交互關係解決新情境的問題。察覺模型的限察覺模型的限制，藉此修正原制，藉此修正原模型中關係結模型中多重關構的交互作用。係結構的交互關係。. (資料來源：國科會計畫-化學教育中建模模式的研發與實踐). 三、小結因此本研究以建模為基礎的教學，除了依照建模歷程依序教學，並使用許多問題讓學生可透過討論、辯證的過程來建立模型，也增加了體驗活動與實驗讓學生能夠有更多應用模型的機會，讓學生能利用已建立好的模型去解決問題，將現象與理論連結起來，克服科學學習的困難。另外也試著利用建模能力分析指標去設計以光學概念為基礎的建模能力問卷，並發展出答案分析對照表，用來判斷學生的建模能力。. 44.

(45) 第参章研究方法與步驟. 本章共分為六個部分，第一節為研究設計；第二節為研究對象；第三節介紹教學與教材設計；第四節為研究工具；第五節為資料處理與分析；第六節為研究流程，以下將分別論述。. 第一節. 研究設計. 本研究主要採用雙層診斷測驗(Two-tier Diagnostic Test)，來探討國中學生在教學前後對於光學相關概念理解情形與心智模式的演變情形。本研究的研究工具是依據國中自然與生活科技的課程目標發展概念圖與命題陳述，並進行文獻探討，發展光學雙層診斷測驗，經專家效度與信度的考驗後，修正定稿，作為研究工具，並配合情意問卷與建模能力晤談，瞭解不同教學法對學生在認知、情意與技能的影響。另一方面針對課程目標與內容，實驗組以 Halloun (1996) 提出的建模歷程為架構設計課程，而控制組採取傳統教學法，去探討兩組學生的概念改變情形以及學生的建模能力，詳細架構如下圖 3-1-1。探究國一學生在「光學」建模教學的概念改變與建模能力. 研究設計. 教學設計. 建模教學. 傳統教學. 實驗組. 控制組. 研究工具. 教材設計. 質性. 量化. 光學二階診斷測驗教學省思 (錄影帶、學習單) 情意問卷建模能力晤談. 文本簡報學習單. 圖 3-1-1 研究設計 45.

(46) 第二節. 研究對象. 研究對象分為預試階段、正式施測階段、晤談階段三個部分，說明如下：一、預試階段本研究的預試階段，採方便取樣，選取對象為台北市某公立國中三年級共計二班，取得有效樣本共 75 人(男 42 人，女 33 人)，預試階段的研究工具與正式施測階段相似，為雙層診斷測驗初稿，藉此階段修正題目，完成光學雙層診斷測驗試題，作為正式階段之研究工具(附錄一)。. 二、正式施測階段本研究的正式施測階段，採方便取樣，對象為預試階段同國中一年級的二個班級，兩班人數皆為 37 人，除國小課程外，未接觸到國中理化課程以及完整的光學課程(詳情見表 3-2-1)。此二班於研究開始以班級為單位隨機分派一班為「建模教學實驗組」、一班為「傳統教學控制組」兩組，皆由研究者親自進行教學。表 3-2-1 正式施測對象人數教學組別建模教學實驗組傳統教學控制組. 班級人數 37 37. 男 20 19. 女 17 18. 三、晤談對象依據雙層診斷測驗後測答對率，將兩班學生分成高、中、低三組，高、低分組各為 12 人、中分組為 13 人，詳細分布見下表 3-2-2，各組隨機抽取 2 人(1 男 1 女)，由研究者利用半結構建模能力問卷進行晤談。表 3-2-2 兩組高、中、低分組男女分布後測分組組別教學組別建模教學實驗組傳統教學控制組. 低分組男女 5 7 8 4. 中分組男女 7 6 5 8. 46. 高分組男女 8 4 6 6.

(47) 第三節. 教學與教材設計. 實驗組的教學步驟主要是按照 Halloun(1996)所提出的建模歷程：模型選擇模型建立模型效化模型應用模型調度，針對每一個歷程分別設計引導問題、實驗與體驗活動，教學強調必須由學生主動建構，因此所有的教學概念必須由學生口中講出，教師才能繼續往下一步驟教學，教師必須藉由一系列的問題與活動來引導、幫助學生思考，不可以直接給學生答案；而控制組的教學設計是依據課本的編排順序，教學強調由教師主導，以講述為主(詳細教學活動設計見附錄二)。兩組教材皆以國中自然與生活科技二年級翰林版課本為主要文本，並配合研究者設計的實驗組與控制組學習單輔助(見附錄三)，以下對教學內容與教學目標、教學時間的安排以及兩組的教學設計比較做詳細說明。. 一、教學內容與教學目標：本研究所探討的光學內容為國中自然與生活科技二年級翰林版課本第四章「光、影像與顏色」的前三節，分別為 4-1 視覺與光的直進、 4-2 光的反射與面鏡、4-3 光的折射，教學目標見下表 3-3-1。表 3-3-1 第四章光學相關單元之教學目標章節節數 4- 1 1 節視覺與光的直進. 單元目標 1. 知道視覺產生的原因與條件。 2. 知道光的直進性。 3. 了解影子的形成。 4. 了解針孔成像的原因及性質。. 具體目標 1-1 學生能分辨出發光物體與不發光物體。 1-2 學生能了解看到發光物體是由於光進入眼睛所引起的。 1-3 學生能了解看到不發光物體是由於不發光物體反射光的現象。 2-1 學生能說出光傳播時是以直線前進的現象。 3-1 學生能利用光的直進性，說明影. 47.