跨年級中學生認知地圖之分析研究

(1)

邱美虹、鐘建坪、張志康、白勝安中學生認知地圖之研究﹒ 207

•

教育科學研究期刊第五十六卷第二期 2011 年 '56

(2)·207-240

跨年紋中學生認知地圍之分析研究:

以粒子行為試題為例

邱美虹

_鐘建坪

國立臺灣師範大學科學教育研究所教授國立企灣師範大學科學教育研究所研究生

張志康

學，所立、大 krzd 究 J一刊研生隨即 H 育究刊防教研 LEd 學 tL 立科國基隆市立暖暖高中教師摘要

本研究針對全國概念調查的結果進行次級資料分析(seconda可 data

analysis)

，目的在探索

中學生的認知地圖及其形成的相關限制因素。研究的分析架構是以Hempel (1958) 描述現象

觀察的理論解釋與Wellman

( 1994

)和其他學者 (C峙ib-draa

&

Desharnais

,

1998;

Pe缸， Sossa，

&

Gutierrez

,

2008) 詮釋因果推論的認知地圖為基礎。首先，研究者依據全國概念調查雙層診斷測驗試題內容 (Chiu，

2007)

，找出特定概念間的相互關係;其次，透過雙層試題的語意連結，形成不同試題選項之認知地圍的質性描述;最後，分析跨年級中學生認知地圖的分布情形，藉以瞭解學生在概念發展上的差異。本研究結果指出:一、跨年級中學生正確連結理論系統與經驗觀察的人數比例，雖然隨年級增加而提高，但是比例仍然偏低。二、在相似情境試題中，跨年級中學生受到壓力、重量以及隨機性等不同限制因素的影響，會形成不同類型的認知地圖。本研究所確認的概念限制因素可解釋認知地圖在概念圖像化的因果推論關係，而以認知地圖作為次級資料分析的研究方法所產生的限制與對研究的意涵將在文末一併討論。關鍵字:次級資料分析、概念調查、認知地圖、雙層診斷測驗通訊作者，邱美虹.

Email:mhchiu@ntnu.edu.tw

收稿日期 20101071 凹，修正日期 2011105105 、 20111061 日，接受日期: 2011/06/15 。

(2)

二、研究目的與問題

本研究冒在探討跨年級中學生，回答全國科學概念調查化學科氣體粒子行為試題時的認知地圖類型與其可能抑制正確連結的相關限制因素。研究問題如下: (一)跨年級中學生在不同情境試題中，試題選項反應的分布情形為何? (二)跨年級中學生的認知地圖種類以及在不同情境試題中的分布情形為何? 對於學習者的認知結構觀點不論是抱持鬆散現象原詞 (phenomenological

primitives

,

p-prims) 的配位集合(

coordination class) (e.g.

,

diSessa

,

1993; diSessa & Sherin

,

1998) 或是具

有融貫性的心智表徵(

e.g.

,

McClosk句，

1983; Vosniadou

,

1994)

，學者們都認為，學習者的先前知識 (pre-knowledge) 會影響日後的學習;然而，學生所具備的先前知識往往與科學社群所

接受的科學知識有所差異(Carey，

1985; Duit & Treagust

,

1995) 。因此過去 30 年間，國內外「男

有概念(

alternative conception) (Driver

&Easl旬， 1978) 或稱為「迷思概念 J

(misconception)

(Helm

,

1980) 的研究，在科學教育領域有非常大量的文獻發表(

Duit

,

2009

)。本文將採取「另有概念」來取代「迷思概念」一詞，以指稱學生特有的想法。雖然國內學者對於學生概念的研究已經累積相當多的資料，但是缺乏系統性的資料檢驗全國學生的學習狀況，以供學校教師以及課程設計者參考 (Chiu， 2007) 。在行政院國家科學委員會的補助下，國內學者自2000 年起進行科學概念學習的大型計畫，名為國家科學概念學習研究(the

National Science Concept

Learning Study

,

NSCLS

;詳見 Treagust，

Chiu

, &

Guo

,

2007)

，研究對象是透過類似國際數學與

科學成就趨勢調查(

Trends in International Mathematics and Science Study

,

TIMSS

)的抽樣方法

( Tam & Li

,

2007

)取樣，以雙層式診斷測驗評量檢驗國內四年級、八年級、九年級以及高二學生的物理、化學以及生物概念理解情形，目的除了建構學生理解科學的資料庫及其分布之外，也想尋找學生概念理解的發展模式，以發展適合本國學生的學習理論(

Chiu

,

2007

)。本研究針對上述化學科概念調查研究的全國性資料進行次級分析(seconda可 analysis)

,

以 Hempel (1958) 表述理論與現象觀察間的關係之論點，表徵學生在 Treagust

( 1988

,

1995)

所提出的雙層式診斷測驗中不同階層試題反應的配對情形，再依據認知地圖(

cognitive maps

,

CMs)說明觀察與理論之間的概念連結(

Chaib-draa & Desharnais

,

1998;

Pe缸，

Sossa

,

& Gutierrez

,

2008; Wellman

,

1994)

，以瞭解中學生對於氣體粒子模型因果推論的理解情形。

.

208

.中學生認知地圖之研究

一、研究背景與動機

壹、緒論

(3)

邱美虹、鐘建坪、張志康、白勝安中學生認知地圍之研究﹒ 209

• 貳、文獻探討與理論架構

本文理論架構(見圖1)主要基於觀察與理論解釋的連結 (Hempel， 1958) 與可以詮釋因果推論的認知地圖(

Chaib-draa & Desharnais

,

1998; Pefia et

泣，

2008;

Wel1m妞， 1994) 為基礎;可文獻探討部分首先說明Hempel 理論與觀察間的關係，再陳述認知地圖的意涵，並透過對應規則(

corresponding

rule) 的方式將認知地圖視為一種心智模式，後以概念學習的發展限制，說明學生形成氣體粒子認知地圖的限制因素。

|

心智模式

|

外界環境

|

心智模式

(Vosniadou

,

1994 )

觀察的現象認真日地圖理論系統

y: 時|相互依附間一(心

I

(Chaib-dr組&

Desharnais

,

1998;

Pefia et a

I.,

2008; Wellman

,

1994)

β 『

理論與觀察間的關係

(Hempel

,

1958)

圖 l 科學理論的經驗基碴、認知地圖以及心智模式的關係一、理論與觀察之間的關係

Hempel

(1958) 認為，完備的科學理論除了能夠解釋過去與現在之外，尚能夠對於未來的經驗現象具有預測能力。Hempel 透過類比方式說明科學理論模型與經驗觀察之間的關係 (如圖 2 所示)。他將科學理論比喻為空中錯綜複雜的網絡，其中節點的部分則表示為理論的術語，連結節點的繩子某一部分為基本定義，而某一部分為基本的或者是輔助性假說，整可本文透過 Hempel

( 1958

)對應規則將觀察與理論語詞相連結，讓研究者獲得學生對現象與其解釋內容的對應狀況﹒哲學觀點主要依據邏輯經驗論的公認觀點來表述現象觀察與理論解釋的關聯，強調觀察語言與理論語言間的邏輯關係'雖然與歷史觀點學者所認為的觀察是理論負載而難以區分觀察與遑論語詞等有所差異(詳見林正弘.

1988 ;

Sup阱，

1977)

.但仍符合 Treagust

( 1988

,

1995

)雙層試題的設計方式，本研究並非強調科學理論的內部結構是否能夠對應「其實實體 J '而是強調 Hempel 的語意規則類比雙層試題的前後不同階層試題的連結。

(4)

• 210

.中學生認知地圖之研究邱美虹、鐘建坪、張志康、白勝安

m

戶 UV Vd nδ

統叫

系.的

論別

理刊

層

上

P

I

•

-v' _{語意規則(}

_{Semantic Rules)}

現象、經驗觀察 (底層一 Observations) 圖2 科學理論模型示意資料來源:

Hempel ( 1958 )

個理論系統 (theoretical system) 在現象或經驗觀察( observations) 平臺的上方，透過語意規則(

semantic

rules) 與經驗觀察或現象相連結，以獲得經驗現象的解釋或預測;理論的網絡並非完全皆與經驗觀察相連結，而是部分相連，使整個理論系統是真有經驗意義與理論性定律的。例如:科學家利用壓力、體積、粒子數目以及溫度等術語建構氣體粒子行為的相關理論，用以解釋氣球升空變大等觀察的生活現象。二、認知地圖

(一)認知地圓的定義與內涵

認知地圖、概念圖 (concept map) 以及心智地圖 (mind map) 都是以視覺化表徵概念之間的連結，然而認知地圖不同於後述兩者，其中概念圖是指兩個概念可以上階、從屬或是舉例的關係連結 (Novak

& Gowin

,

1984)

;心智地圖是指用一個中心的關鍵詞或想法所描畫出形象化的分類構造，其彼此間的關係連結主要圍繞在中心的關鍵詞(Buzan，

T. & Buzan

,

B. ,

1993)

;而認知地圖是對欲分析的概念進行解構，形成主要由兩種元素構成的概念間因果關係(

Chaib-draa & Desharnais

,

1998; Wellman

,

1994)

.通常使用在表徵真實事件。認知地圖的發展是從決策考量的政治科學領域開始(Chaib-dr組&

Desharnais

,

1998)

.目前已經逐漸擴充至

其他領域，例如:管理科學(

Eden

&

Sims

,

1979) 、遊戲理論(

Klein

&

Cooper

,

1982) 、多對象

觀點預測(

Chaib-draa

,

2002)

.以及以網路為主的教育系統等，而認知地圖在教育領域主要使用在表徵個體認知結構中因果推論的動態互動關係(Peiia

et

祉， 2008 )。

(5)

•

(二)認知地圖與心智模式的關係

認知地圖是處理具有交互作用概念的分析技術'涵蓋一組概念以及表達概念間關係的因果表徵(

Chaib-draa &

Deshama吟，

1998)

，可呈現認知結構中因果推論的互動關係'以推論心智表徵的動態演變過程(

Pefia et a

i.,

2008)

0

Vosniadou

(1994) 認為，心智模式為一種動態的

心智結構，可以產生因果解釋用以推論以及解決實際的問題;若從因果推論的面向來看，認知地圖即是個體本身對於特定議題 (issue) 的認知結構分析，則一種認知地圖可以視為一種心智模式 (Pefia

et

此，

2008)

，它用以解釋觀察現象與理論系統之間的因果關係(Wellman，

1994)

，透過視覺表徵呈現個體對於概念以及概念間推論判斷的想法(Pefia

et

泣， 2008 )。 (三)透過認知地間的推論理解機制認知心理學學者認為透過現象觀察，學生活化長期記憶中相關的概念，透過提取與整合

的方式形成一套理論系統 (Vosniadou

&

Ioannides

,

1998) 。受到生活經驗與學習情境的影響，

對於同樣的現象，不同的學生可能活化不同概念而形成不同的理論系統，表徵於外而形成不同種類的心智模式，因而持有不同心智模式的學生，對現象也因而形成多種不同種類的解釋。表徵個人對其實事件概念因果關係的認知地圖，同樣可以透過個體因果的推論顯示概念間的交互作用，然而，個體認知地圖其因果推論的依據是什麼呢? Pefia 等 (2008 )認為因果推論的判斷，可以從個人的生活經驗、直觀想法與信念，以及正確的科學理論而來;也就是透過個體心智結構的理論網絡對經驗現象產生因果關係推論，使得個體經驗現象的觀察與理論實體產生連結 (Hempel， 1958) 。認知地圖即是個體對經驗或現象可能存在因果關係的心智表徵描述。不同的個體會受到個人經驗、直觀思考以及科學理論的因素，形成不同種類的認 \ 知地圖，而每一種認知地圖都是表徵個體對於經驗或現象觀察的理論解釋。不完整或錯誤因果推理的認知地圈，通常是由於個體只有考量分析實體中的少數元素而造成;個體唯有透過正確科學理論的實體架構與待解釋的經驗或觀察現象形成正確的因果連結關係'才能形成正確的科學解釋，也才是個體對於自然現象的真正理解。

三、概念發展的限制因素

不同學習歷程階段中，某些隱含的假設( assumption) 會限制學生的想法與推理

(Talanquer

,

2009) 。限制因素會在特定認知情境的思考推理過程中活化，而形成對現象的局部融貫解釋 (Sloman， 1996) 。一般而言，愈高年級的學習者所學到的概念知識應該比低年級者更加正確並且趨於融實。無論如何，這些限制因素會影響不同學習歷程以及不同領域的概念發展。當確認這些認知限制因素的時候可以協助教師設計診斷評量工具，確認學生的概念理解以及學習困難之處。本文這裡所指的限制是以 Talanquer (2009) 的觀點為主，統合知識結構是片段或融貫的觀點，認為限制代表引導、促進或是抑制認知發展的知識系統元素。

(6)

• 212

四、氣體粒子另有概念研究與眼制因素

將微觀粒子的模型觀點內化並改變學習者的先前知識不容易達成，而氣體粒子便是其中之一 (Ch悶， 2007 )。正確科學思維的氣體粒子觀點是以微觀粒子、內部動態的交互作用而對外突現( emergent) 出氣體的性質，與學生以經驗到的巨觀現象去解釋微觀氣體粒子行為的素樸想法 (naIve ideas) 不同。因此，氣體粒子的另有概念往往來自於學生將巨觀層次所觀察到的現象當作氣體粒子的本質，去解釋微觀層次的運作機制，此時巨觀現象的特徵則成為個體解釋氣體粒子行為的限制因素，例如:學生會受到氣體粒子重量特徵的影響，而推論輕的粒子會往上升，重的粒子會往下掉，造成氣體粒子在容器中分布不均(e.g.， Ch凹，

2007;

Leboutet-Barrell

,

1976; Marge1

,

Ey1on

,

& Scherz

,

2008; Millar

,

1990; Nussbaum

,

1985;

Sta可心 1988;

Talanquer

,

2009 )

;其重量特徵就是巨觀下限制個體推論微觀層次的限制因素，可能來自於輕的氣球往上升，重的物體往下掉的日常生活經驗 (e.g. ，

Chiu

,

2007; Nussbaum

,

1985; Vosniadou &

Brewer

,

1992)

;同樣地，學生會直覺地認為粒子運動是受到外力的影響，才會使得粒子產生還

動 (e.g.，

Kautz

,

Heron

,

Loverude

,

& McDermott

,

2005; Nussbaum

,

1985)

.最後，依據巨觀層次

認為物體最後會停止的限制因素而形成分布不均句的靜態(static) 粒子 (e.g.，

Johnson

,

1998;

Novick

&

Nussbaum

,

1978; Pozo

&

Gomez-Crespo

,

2005; Talanquer

,

2009; Treagust et a

l.,

2010) •

可能來自於教科書插圖的誤導 (e.g. ，

Adbo

&

Taber

,

2009;

An

dersson

,

1990; Harrison

&

Treagust

,

2002)

.或是運動的物體必定會停下來的日常生活經驗。五、本研究分析架構:分析雙層試題形成認知地圖如圖 3 所示，本研究的分析架構是以Hempel (1958) 經驗現象的理論解釋和認知地圖因果解釋關係為基礎，類比雙層試題以解釋學生概念系統與經驗現象的因果關係連結:下層為經驗現象的觀察結果，等同於雙層式診斷測驗中的第一層試題的經驗現象觀察結果;而上層為理論概念系統，等同於雙層式診斷測驗中的第二層試題的原因解釋;而中層為認知地圖所形成的語意規則，用以連結經驗現象觀察的結果與其概念解釋的因。若要符合正確的科學概念，學生必須在雙層測驗的反應連結要正確;學生在回答問題時所具有的理論系統對於觀察現象的因果連結是正確的，也就代表學生因果解釋的認知地圖是符合科學理論的;而其餘不同的連結方式，都是不符合科學的解釋。連結的型態可以有多種形式，而形成不同種類的認知地圖，如圖4 的說明所示。本研究先依據是否符合邏輯性將認知地圖區分為二大類別，分別是符合邏輯性之認知地圖(圖4-A 區)以及不符合邏輯性之認知地圖(圖4-D 區)。前者再依據是否符合正確科學概念區分為二個次類別，分別是正確的科學認知地圖(圖4-C 區)以及非科學認知地圖(圖4-B 區) .其中正確科學認知地圖是指第一層試題回答正確且第二層試題也回答正確;而非科學認知地圖，表示無法同時答對第一層試題與第二層試題;而後者不符合邏輯性之認知地圖，因無法知悉

(7)

•

理論概念系統 (Theoretical

System)

G

φ

第二階層試題一知識理解系統一對於現象觀察解釋的因 (cause) 語意規則透過認知地圖 (CMs) 形成因(第二階層試題)與果(第一階層試題)的連結經驗現象觀察(

Observations)

第一階層試題一經驗現象觀察結果(

effect)

圖3 本研究之理論架構示意所有種類認知地圖不符合邏輯性之認知地圖 (D) 是否符合邏輯性? 否---\是符合邏輯性之認知地圖 (A) 科學之認知地圖 (C) 是否符合|科學性? 否/人\是非科學之認知地圖 (B) 無法知悉其原有想法，本研究暫時將其排除圖4 本研究區分之認知地圖種類其原有想法，因此本研究暫時將其排除不予以分析。以試題HCABC06 為例(附錄一) ，若學生第一階層圈選「兩氣體到處隨機充滿在所有可移動到的空間於容器中J '而第二層圈選與第一階層不能邏輯對應的選項例如.r 大部分氣體在原容器，僅少部分在中間擴散混合」等，則視為不符合邏輯之認知地圖，歸類在圖4-D 區。雖然從 1970 年代末至今，我們對學生所持有氣體粒子概念的研究已經非常徹底(Chiu，

2007)

，但是如何依據這些廣泛的另有概念找出學生因果推論的認知地圖，以推估學生現象與

(8)

參、研究設計

本研究以全國概念調查資料庫的量化資料進行次級分析，依照研究目的規劃設計，區分為研究對象與情境、研究步驟與流程、研究工具與發展，以及資料蒐集與分析。理論之間的連結關係呢?並且從不同的認知地圖中，如何找尋可能造成因果推論的限制因素呢?本研究不同於其他心智模式以答題正確率為依據的分析方式，而是以認知地圖對於因果關係的詮釋，架構觀察與理論之間的連結，形成圖 l 理論架構，類比雙層試題的前後不同階層試題的連結，以認知地圖的視覺化表徵描述，協助研究者理解個體理論系統對所觀察現象因果解釋的情形，找出存有互動性概念間的關係'並從認知地圖中系統性地歸納出影響學生因果推論的限制因素，以表徵學生個人內在的心智模式。邱美虹、鐘建坪、張志康、白勝安

• 214

.中學生認知地圖之研究一、研究對象與情境本研究量化資料取自全國科學概念調查研究(

Chiu

,

2007)

.該研究之施測對象為2003 年 3 月就讀八年級、九年級及高二之學生，其抽測範圍區分為北、中、南、東四個區域，國中(N

=2

,

934

)與高中 (N=6，989 ) 人數總計為 9，923 人;所有受試學生在國中階段都是使用國編版理化課本，其中粒子相關概念內容是設定在八年級下學期教導;受試的高二學生包含社會組以及自然組，無論自然組或社會組學生在高一時都必須選修基礎物理、基礎化學、基礎生物以及基礎地球科學等相關科目，而高二自然組學生會再增加選修物質科學一化學及物理科目;粒子相關內容在高中課程部分主要設定在基礎化學以及物質科學一化學教導;基礎物理部分主要是以物質三態為主，而物質科學一物理是以氣體動力論為主。

二、資料分析的編礦工具與發展

全國科學概念調查研究正式施測時共區分為 A 、 B 、 C' 三種版本，所施測之概念為化學平衡、酸鹼、粒子、電池與電解、材料科學、物質分類以及氧化還原。其中不同施測版本間的國、高中共同題目有 8 題(詳見 Ch凹，

2007)

.而本研究欲分析的試題與資料為化學科氣體粒子行為概念之共同試題HCABC06 (附錄一)、 HCABC17 (附錄二)與學生作答結果。下述試題編碼以試題HCABC06 為例說明如下: (一)試題編厲試題編碼步驟如下:

步驟 1

區分二階段試題描述之因果關係，如表l 所示。首先，將第一層試題的題目條件描述與

(9)

邱美虹、鐘建坪、張志康、白勝安

刷一抽一呵呵

層一

中學生認知地圖之研究﹒ 215

•

編碼成為現象觀察的結果結果解釋的原理因素選項內容描述，依據選項分別編碼成現象觀察的結果;而第二層為現象描述的解釋，將其編碼成結果解釋的原理因素。例如:試題 HCABC06 之題目條件為「兩等體積容器水平放置，分別裝入 1 a恤氫氣與 2atm 氧氣 J '而第一層試題的六種選項內容都是描述氣體粒子受到第一層試題的因素影響而形成不同的分布情形，因此，氣體粒子的分布情形是現象觀察的結果描述;而第二層試題的四種選項是解釋第一層試題的理由，本研究將其編碼成因，用以解釋第一層氣體粒子分布情形。

步驟 2

從雙層試題題意中，找出影響氣體粒子分布情形的所有可能因素，如表 2 及表 3 所示。壓力差異形成粒子向不同容器擴散，且因為粒子重量差異因素而分布不均兩氣體到處隨機充滿在所有可移動到的空隨機性因素影響粒子分布問於容器中表 2 第一層試題與可能影響因素選項題目內容保持原狀

2

僅中間有氣體混合

3

氧氣將氫氣推向左方

4

只有氧氣進入左側容器下方，氫氣活動空間變小

5

在兩容器上方是氫氣，下方是氧氣

6

影響氣體粒子分布影響因素粒子真有固定位置的非隨機性因素影響非隨機性因素影響壓力差異因素壓力差異以及重量差異因素表 3 第二層試題與可能影響因素選項題目內容

A

因為氧氣壓力大，氫氣被氧氣壓縮

B

大部分氣體在原容器，僅少部分在中間擴散混合

C

氣體會互相流通，但較輕的氣體分布於上方

D

氣體隨機自由移動，最後平均分布於容器中影響氣體粒子分布影響因素壓力差異是造成氫氣被壓縮的因素只能在中間擴散混合，顯示學生不具真正隨機性的粒子分布概念重量因素是造成氣體粒子分布不均的因素粒子隨機運動是造成分布結果的因素

(10)

.

216 步驟 4

找出每個選項中，所有可能因素變化對現象解釋的因果連結關係。依據步聽 3 因果變化連結關係的編碼方式，分析所有雙層試題搭配的選項(如表 5 所示)。試題 HCABC06 第一層選項有六個，而第二層選項有四個，共有二十四個連結的情形。本文作者先以壓力、重量、粒子方向性與粒子位置進行第一次編碼，再依據氣體粒子分布的影響進行的第二次編碼，將「成因」的改變對「結果」改變有「間礙」、「傷害」、「抑制」的作用因素變化的種類

O

+

表 4 本研究認知地圖編碼影響因素「成因」的改變對「結果 J r 成因」的改變對「結改變具有「提升」、「但果」改變「無效果」、進」、「加強」的作用「無關係」、「無影響」壓力差異「促進(+ )J 粒子分布不均。壓力因管壓力因素「不影響 (O)J 粒子分布。素磊重量差異「促進(

+ )

J 粒子分布不均。重量變賣

化自重量因素「不影響 (0) J 粒子分布。

EE 影粒子運動「無固定方向性」且「無固定位置 J' 則「促進(

+ )

J 粒子隨機性分布。

隨機性a 肌響粒子運動有「固定方向性」或「固定位置 J .則「抑制(一 )J 粒子隨機性分布，

視為粒子非隨機運動。 a 表示運動方式有兩種因素影響:其一為隨機性因素，其二為非隨機性因素。此二者是相對性的，若不受隨機性因素影響，則是非隨機性的因素一粒子有固定運動方向或固定位荳從試題中尋找解釋現象觀察的因，在這些選項中可能的因素具有「壓力」、「重量」、「粒子運動方向性」以及「粒子運動位置」。而我們將「粒子運動方向性」以及「粒子運動位置」合併成為「隨機性」﹒表示粒子運動時不具有固定方向以及不固定位置。因此，共有三個概念限制因素影響個人理論系統的解釋。

步驟 3

依據可能因素變化的種類對粒子分布的影響關係予以編碼，如表 4 所示。依照步驟 l 及步驟 2 找出欲分析試題的所有可能因素後，依據認知地圖的編碼規則，將所有因素變化而影響粒子分布情形的關係以予編碼，規則如下:若「因」的概念對於「果」的概念具有正向促進影響、負向抑制影響或是無影響、無關聯時則將因果關係分別編碼為+、一以及 O 的符號。例如:試題 HCABC06 選項 3孔，因為容器中氧氣壓力大於氫氣壓力，因此兩端壓力差的變化，使得壓力大一端的氧氣向壓力小一端的氫氣擠壓，而形成粒子分布不均的現象，因此，壓力因素對粒子分布情形的因果關係編碼為 r

+

J 。

(11)

•

表 5 試題 HCABC06 雙層選項與對應編碼結果選項編碼結果邏輯性a 壓力重量隨機性 (方向性，位置)

I-A

o

0 ,

o

0 ,

O

(+一，一一)

I-B

o

0 ,

o

0 ,

O

(+

+，一一)

l-C

o

0 ,

o

+,

O

(+一，一一)

I-D

o

0 ,

o

0 ,

O

(+

+,

+一)

2-A

o

+,

υ

o

0 O

_{(+一，一一)}

2-B

o

0 ,

o

0 O

+

2-C

o

0 ,

o

+,

O

(+一，一一)

2-D

o

0 ,

o

0 ,

O

(+

+，一一)

3-A

++,

o

0 ,

O

+

3-B

₊

0 ,

o

0 ,

O

(一+，一一)

3-C

++,

+

+,

O

+

3-D

₊

0 ,

o

0 ,

O

(一+，一+)

4-A

++,

+十，

O

+

4-B

₊

0 ,

+

0 ,

O

(一+，一一)

4-C

++,

+

+,

O

+

4-D

₊

0 ,

+

0 ,

O

(一+，一+)

5-A

++,

+

+,

O

+

5-B

o

0 ,

+

0 ,

O

(一+，一一)

5-C

o

0 ,

+

+,

O

+

5-D

o

0 ,

+

0 ,

O

(一+，一+)

6-A

o

0 ,

o

0 ,

O

(0 一，+一)

6-B

o

0 ,

o

0 ,

O

(\ o

0 ,

+一)

6-C

o

0 ,

o

+,

O

(+一，+一)

6-D

o

0 ,

o

0 ,

+

(+

+,

+ +)

+

a 合乎邏輯以 r

+

J 表示;不符合邏輯以「一」表示粒子方向性以及粒子編碼為「隨機性 J '而形成所有的認知地圖。例如: HCABC06 第一層選項 3 初始編碼為(壓力，重量，方向性，位置)

=

(+,

0，一，一) ，而第二層選項A 初始編碼為(壓力，重量，方向性，位置)

=

(+,

0，一，一)。其中，氣體粒子具有特定方向以及特定的位置皆對粒子隨機運動產生抑制(一)，而此時粒子隨機性運動對粒子分布情形則顯現無影響 (0) ，最後考慮粒子方向性以及位置對隨機性的影響，將3-A 選項編碼合併形成(壓力，重量，方向性，位置)

=

(+

+， 00，一一，一一)。再將方向性與位置合併考量對隨

(12)

三、編碼效度本研究工具之編碼系統經由國內 2 位化學領域背景之科學教育專家進行專家審查;經由專家審查後再經由 2 位研究成員進行評分者一致性分析，每位評分者依據壓力、重量、方向性以及位置評定可能之概念關係為促進、無關或是抑制三種類別，總數為 352 '其中二個不一致， Kappa 係數為 .99 '因為試題概念間的存有關係具有正確的科學連結，因此評分者一致性機性的影響，因此將編碼寫成【壓力，重量，隨機性(方向性，位置)】=

[+ +

,

°

0,

(一一，一一)】，合併之後包括壓力、重量、方向性以及位置編碼相同，因此簡化成【壓力，重量，隨機性(方向性，位置)】=【+， 0，

°

(一，一)】。若是二階層合併時編碼不相同，則需依據邏輯判斷兩種關係同時顯現時的合理性。以選項 I-A 為例:二階層編碼合併之後，併考量方向性與位置對隨機性的影響編碼為【壓力，重量，隨機性(方向性，位置)】為【 0+ ，

°

0 ,

(+一，一一)] ，對壓力以及粒子運動方向性因素而言，邏輯上壓力因素無法同時存在對粒子分布有正向影響(+ )以及無影響 (0); 而粒子運動方向性因素也無法存在抑制(一)與促進(+ )的影響。本研究將之歸類為不合邏輯之心智地圖;在分析時將不合邏輯之心智地圖排除，只分析符合邏輯之認知地圖。綜合上述，本研究利用 C

j

、 C

₂

、 C

₃

、 C

₄

、 C

_s

代表試題中，所有可能形成因果解釋的因素概念，例如:壓力、重量、隨機性等;而利用α

、戶、

y

以及

E代表因素產生改變時對結果影響的變化情形，其可以為促進 (+)、抑制(、;:-)、無影響或無關係 (0) 其中之一;而 C l，

C

2

,

C

3

(C

₄

,

_{Cs )}

=α，戶， y

(D

,

E) 為雙層試題內容與學生試題反應的認知地圖編碼，表示理論系統中的概念因素對於現象觀察的結果解釋具有何種因果推論的關係。 (二)學生反應編聶依據個別學生試題反應，找出學生在兩個試題中的認知地圖。編碼步聽如下:

步驟 l

保留試題編碼選項配對中合乎邏輯的編碼結果，刪除學生試題反應中不合邏輯的部分。無邏輯性選項的組合搭配也顯示出雙層式診斷測驗的缺失，本研究目前不予以分析。主要原因是學生若具備不合邏輯性之認知地圈，我們無法判斷學生理論系統對現象解釋的因果關係。

步驟 2

試題選項配對中具有相同因果關係之編碼，則視為同類型認知地圖，表示不同學生在現象解釋上其有相同的因果推理，也代表對於現象解釋的理論系統，其支配的概念影響因素是相同的。例如:以 HCABC06 為例，選項 3-C 、 4-A 、 4-C 以及 5-A 其因果關係編碼皆為【壓

力，重量，隨機性(方向性，位置)】=【+，十，

°

(一，一)]﹒則表示選取這些選項之學生

皆具有同一類型的認知地圖。

(13)

邱美虹、鐘建坪、張志康、白勝安

有相當高度一致的結果，如表 6 所示。

表 6 試題編碼的評分者信度

中學生認知地圍之研究﹒ 219

• Value

Asymp. Std. Error"

Approx. T

b

Approx. Sig.

Measure ofAgreement

Kappa

.988

.008

18.545 .000

N

ofValid Cases

352

a 未假設虛無假設為真 ;b 使用假定虛無假設為真時之漸進標準誤

四、統計分析

本研究採取兩種統計方法計進行分析: (一)描述性資料:利用 Excel 軟體分析跨年級學生在試題表現上百分比的分布情形。(二)卡方考驗:以 SPSS 15.0 進行分析跨年級中學生所具有的認知地圖種類百分比同質性考驗;由於無法直接使用 SPSS 套裝軟體進行年級(八年級、九年級、高二)與認知地圖種類(五種)交叉多組的事後比較，因此，本研究採取同時信賴區間 (simultaneous

confidence

interval) 估計法進行事後分析。此估計法屬於沒有方向性

的雙側考驗，本研究以 95%信賴水準為臨界值，如果同時信賴區間的值包括 O 在內，則需接

受虛無假設;反之，必須拒絕虛無假設。五、研究阪制

本研究的分析對象為參與受試的八年級、九年級以及高二學生，並只針對氣體粒子行為2 題做內容概念分析，雖然本研究已經排除不合邏輯、的雙層試題連結，但仍無法完全排除學生猜測的因素;另外，本研究為橫斷式(

cross grade study)

(e.g.，林靜雯、邱美虹，2009) 而非縱貫式(

longitudinal study) (e.g.

,

Trundle

,

Atwood

,

& Christopher

,

2007

)的跨年級概念分析比較，因此，研究結果的解釋並不適切擴充至其他不同年級、不同概念，以及相關長期追蹤研究的結果。

肆、研究結果與討論

本節依據所獲得的分析結果，包括跨年級學生試題選項反應分布的情形、認知地圖的種類，以及不同情境試題認知地圖的分布情形以回應研究問題，分別說明如下。

一、跨年級中學生在不同情境試題中試題選項反應分布的情形

(一)跨年級中學生不同情境試題選項反應分布本研究分析之試題為全國科學概念學習研究化學科診斷試題編號 HCABC06 以及

(14)

HCABC17

(以下我們分別以 Q6 、 Q17 表示)。學生試題反應結果如表7 及表 8 所示， Q6 試題正確率:八年級約占 17% 、九年級約占 23% 、高二約占 35% '其中最佳的誘答選項為 5-C' 雖然不是正確選項 (6-D) ，但是作答人數比例卻超出正確選項，八年級約占34% 、九年級約占 34% 、高二約占 37%; Q17 試題正確率:八年級約占 16% 、九年級約占 20%; 高二約占 23%

'

其中最好的誘答選項為 5-A' 其作答人數比例與正確選項 (4-D) 約略相同，八年級約占 19% 、九年級約占 18% 、高二約古 19% 。試題反應分布情形說明詳見 Chiu (2007) 。

• 220

.中學生認知地區之研究邱美虹、鐘建坪、張志康、白勝安表 7 八年級、九年級以及高二學生在Q6 化學粒子試題的細頂反應百分比分布第二階層第

_A

_B

_C

_D

_小計階層

八九-高一一八九高二八九高一八九萬一

一八

九

年級年級

年級年級一年級年級

年級年級

、

1.

28

0.90

0 .3

8

0.75

0.87

0 .1

4

0 .5

6

0.63

0 .1

0

0.61

0.54

0 .1

0

3.20 2.94 0.73

2

1 .2

5

0.84

0.21

5 .5

3

5.00

1.

88

1.

72

1.1

7

0 .2

8

0.75

0.69

0.21

9.25 7.70 2.58

3

9.53

8 .3

0

8.69

1.3

9

1.44

0.63

2.06

1.

65

1.

05

ζ

1.1

4

1.

05

0 .3

1 14

.1

2 12.44 10.68

4

7.03

6 .3

2

5 .3

8

1.

03

1.

26

0.28

5 .3

1 4.58

4.61

1.1

4

0.78

0 .5

9 14.50

12.95 10.86

5

1.08

0.81

0 .2

8

0 .5

3

0 .3

6

0 .1

4 34.01 33.74 37

.2

8

1.

53

1.

44 0.52 37

.1

5 36

.3

5 38.22

6

0 .3

3

0.27

0 .1

4

1.

25

1.08

0.03

3 .3

9

3 .4

2

1.3 3 16.78" 22.86" 35

.3

6" 2

1. 76 27.63 36.86

小計 20.5 1

17.44 15.08 10

.4

8 10.01

3 .1

1 47.04 45

.1

9 44.64 2

1. 95 27

.3

6 37

.1

0 99.97

1 ∞.∞ 99.93 a 代表正確選項之人數百分比表 8 八年級、九年級以及高二學生在 Q17 化學粒子試題的細頂反應百分比分布第二階層

第一

A B C

D

小計

階層一一一一一

八九一八九

高二

八九

萬二

八九一八九一

年級年級自一年級年級

年級年級

一年級年級

一

1

2.85

3.10

3.62

1.

68

1.

53

0.80

1.

65

1.

50

1.

57

1.

79

1.

26

0 .1

7

7.97

7 .4

0

6 .1

7

2 17.58 14.98 15.53 1

1. 88 14.26 14

.1

1 6

.4

3

8 .3

3 1

1.

22

1.

98

1.

77 0.56 37.87 39.34 4

1.

41

3

4.61

3.46

3.31

2.10

1.

71

1.1

5

1.7

0

1.

50

1.

60

2.01

1.

65

0 .4

5 10

.4

2

8 .3

3

6.51

4

1.

26

0.78

0 .2

1

1.

84

1.3

5

1.

22

1.

48

1.

20 0.80 15.79" 20

.3

6" 23

.4

1" 20

.3

7 23.70 25.64

5

19 .4

2 18

.1

1 19.05

0.89

0.99

0 .3

1

1.

90

1.

29

0.73

1.1

2

0.78

0 .1

4 23

.3

4 2

1.1 7 20.24

4、言十

45.72 40

.4

2 4

1. 73 18

.3

9 19.85 17.59 13

.1

6 13.83 15.92 22.69 25.83 24.73 99.97 99.94 99.97

a 代表正確選項之人數百分比 (二)雙層試題選項配對的類型與跨年級正確率情形試題反應類型區分為四種類型，包括類型 1 :兩層試題皆答對，代表對於觀察的經驗現象

(15)

•

形成完整正確的解釋系統;類型 2: 兩層試題皆答錯;類型 3 :第一階層試題答對而第二層試題答錯。表示具有正確的經驗現象卻無法使用合理的理論系統解釋;以及類型 4: 第一層試題答錯而第二層試題答對。表示具有的理論系統錯誤解釋經驗現象。依據試題選項在不同階層的正確性分類可得表 9 及表 100_{Q6 以及 Q17 試題選項在前述} 類型 3 及 4 皆屬於不符合邏輯;類型 l 為正確答題選項;類型 2 可再區分成兩種情形，即符合邏輯與不符合邏輯。若依據前述將不合邏輯部分刪除，則兩層試題皆答錯即指學生對於現象觀察與其解釋系統都不合乎科學的解釋。表 9 依據正確性區分 Q6 試題選項第一階層第二階層不正確 (6-A 、 6-B 、 6-C) a (額型 3) 正確不正確 a 代表不合邏輯選項正確

6-D

(類型1)

( I-D

、 2-D 、 3-D 、 4-D 、 5-D) a (類型的 2-B 、 3-A 、 3-C 、 4-A 、 4-C 、 5-A 、 5-C (類型2符合邏輯)

(

I-A 、 I-B 、 I-C) a

(類型2不符邏輯) 表 10 依據正確性區分 Q17 試題選項第一階層正確正確

4-D

(類型1) 第二階層不正確 (4-A 、 4-B 、 4-C) a (類型的不正確 (l -D 、 2-D 、子D 、 5-D) a (類型的

I-A 、 I-B 、 I-C 、 2-A 、 2-B 、 2-C 、 3-A 、 3-B 、 3-C 、 5-A (類型2符合邏輯) (5-B 、 5-C) a (類型2不符邏輯) a 代表不合邏輯選項區分學生在二階層試題 Q6 以及 Q17 的正確作答情形可得表 11 及表 12 。以二階層正確與否配對類型結果如下:類型 3 以及類型 4 屬於不符合邏輯，從學生的試題反應結果顯示，其人數占各群組比例未達 7% ﹒且隨著年齡的增加，在此兩種不符邏輯的類型有下降的趨勢。詳細說明如下: 類型 1 :兩層都對結果顯示，試題 Q17 比 Q6 第一階層與第二階層皆正確的人數比例來得低些，尤其是高二

(16)

• 222

.中學生認知地圖之研究邱美虹、鐘建坪、張志康、白勝安表 11 八年級、九年級以及高二學生在 Q6 化學粒子試題的正確性反應百分比分布第二階層第一階層正確不正確

八年級

九年級

高二

_八年級

_九年級

高二正確

_16.78

_22.86

_35.36

_4.97

_4.76

1.

50

不正確

_5.17

₄

_.5

₀

_1.

₇₅

_73.05

_67.88

₆

_1.3

₃

表 12 八年級、九年級以及高二學生在 Q17 化學粒子試題的正確性反應百分比分布第二階層第一階層正確不正確

八年級

九年級

高二

_八年級

_九年級

高二正確

_15.79

_20.36\

₂₃

_.4

₁

_4.58

₃

_.3

₄

_2.23

不正確

_6.90

₅

_.4

₇

_1.3

₂

₇₈

_.4

₀

_74.89

_75.37

學生改變幅度最大，差異約 12% ;而二層試題皆答錯的人數比例亦顯示試題 Q17 在高二學生部分改變幅度最大，約差異 14% 。其中，正確回答試題 Q6 者，以高二學生比例最高，約古

35% (SD=

.015); 九年級學生其次，約占23%

(SD=

.015); 最低為八年級學生，約占17%

(SD=

.015) 。根據百分比同質性檢定發現三組學生在試題

Q6 正確的百分比有顯著不同(χ2

=304.紗， df=2， p

<

.001) 。利用同時信賴區間估計法進行事後分析得知，高二學生答對率顯著高於 (p

<

.05) 九年級以及八年級學生;九年級學生答對率也顯著高於 (p

<

.05) 八年級學生。同樣地，正確回答試題 Q17 者，以高二學生比例最高，約占 23%

(SD=

.015); 九年級學生其次，約占 20%

(SD=

.015); 最低為八年級學生，約占 16%

(SD=

.015) 。根據百分

比同質性檢定發現，三組學生在試題Q17 正確的百分比有顯著不同(χ，2=60.50，

df=2

,

p

<

.001) 。利用同時信賴區間估計法進行事後分析得知，高二學生答對率顯著高於 (p

<

.05)

九年級以及八年級學生;九年級學生答對率也顯著高於(p

<

.05) 八年級學生。類型 2: 兩層都錯扣除掉不合邏輯的試題反應部分，對學生在兩階層試題的概念連結情形而言，如果學生無法以正確的科學概念連結第一階層以及第二階層試題，表示學生無法對於第一層觀察到的經驗現象做正確科學的理論系統解釋。而研究者已經排除不符合邏輯的部分，表示學生作答時必定受到某種因素影響學生所構成欲解釋的理論系統;反之，此理論系統影響著學生的作答情形。

(17)

邱美虹、鐘建坪、張志康、白勝安中學生認真口地圍之研究﹒ 223

•

類型 3 :第一層對，第二層錯(不符合邏輯試題選項) 研究結果顯示在兩個試題中，屬於此類型者，皆不達該群組人數 5% 0 Q6 試題中，八年級學生比例最高約 5.0% .九年級學生約略下降為 4.8% .而高二最低為 1.5% 。百分比同質性

檢定發現三組學生在試題 Q6 為此類型的百分比有顯著不同 (χ2=6 1.91 ，

df=2

, p

<

.001) 。利

用同時信賴區間估計法進行事後分析得知，高二學生錯誤率顯著低於 (p

<

.05) 九年級以及八年級學生。 Q17 試題中八年級比例最高約 4.6% .九年級約略下降為 3.3% .而高二最低為

2.2% 。百分比同質性檢定發現三組學生在試題 Q17 為此類型的百分比有顯著不同 (χ2=26.的，

df=2

,

P

<

.001) 。同時信賴區間估計法進行事後分析得知，高二學生錯誤率顯著低於 (p

<

.05) 九年級以及八年級學生。

類型 4: 第一層錯，對二層對(不符合邏輯試題選項) 在兩個試題中，屬於此類型者，仍不達該群組人數 7% 0 Q6 試題中，八年級學生比例最高約 5.2% .九年級約略下降為 4.5% .而高二最低為1. 8% 。百分比同質性檢定發現三組學生

在試題 Q6 為此類型的百分比有顯著不同 (χ，2=53.57，

df=2

,

p

<

.001) 。利用同時信賴區間估

計法進行事後分析得知高二學生錯誤率顯著低於 (p

<

.05) 九年級以及八年級學生。 Q17 試題中八年級比例最高約 6.9% .九年級約略下降為 5.5% .而高二最低為1. 3% 。根據百分比同

質性檢定發現三組學生在試題 Q17 羊毛此類型的百分比有顯著不同 (x

2

= 114

.4

2 ,

df=

2 ,

P

<

.001) 。利用同時信賴區問估計法進行事後分析得知，高二學生錯誤率顯著低於 (p

<

.05)

九年級以及八年級學生。

從跨年級正確試題反應比例逐漸增加而言，可知學生的知識建構是一個漸進的歷程(Chiu，

2007; Vosniadou

,

1994 )

;然而，學生回答本研究試題的低正確性顯示學生作答時，會受到其特定因素的限制影響，產生與科學概念相異的推論，而這特定的限制因素，是影響心智模式運作的主要成因。本研究將繼續探討經驗觀察與理論系統的連結情形，以發展學生因果推論的認知地園。二、跨年級中學生的認知地圖種類本研究認知地圖分析是透過雙層試題的連結形成。在認知地圖因果推論的判斷上，主要是依據試題中第一層與第二層試題連結的語意邏輯而定。而隱含未明確顯示的部分，為求慎重起見，在分析上並末將隱含的因素納入，也就是說先以選項是否合乎邏輯性做區分，不合邏輯選項的試題反應在往後的心智地圖分析中以予刪除(包括 Q6:

I-A

、 l-B 、 l-C 、 l-D 、 2-A 、 2-C 、 2-D 、 3-B 、 3-D 、 4-B 、 4-D 、 5-B 、 5-D 、 6-A 、 6-B 、 6-C

;

Q-17 : 1-D

、 2-D 、 3-D 、 4-A 、 4-B 、 4-C 、 5-B 、 5-C 、 5-D) .這些選項試題反應的人數占各群組總人數比例幾乎在 2%以下。透過上述方式找出欲分析試題選項的所有種類的認知地圖，歸類如下(見表 13 和圖 5)

:

(18)

• 224

.中學生認知地圖之研究表 13 認知地圖種類與試題選項配對情形邱美虹、鐘建坪、張志康、白勝安認知地圖種類

CM

l

CM

2 C

_孔

13

CM

4

CM

s

Q6

2-8

3-A

3-C 、 4-A 、 4-C 、于A

5-C

6-D

試題選項

Q17

1-8

、 2-8

l-C

、 2-A 、 2-C 、 3-8 、 3-C I-A 、 3-A 、 5-A

4-D

|粒子分布情形 I

I 粒子分布情形|

|粒子分布情形I

I 粒子伸懶|

(a)認知地圖類型1

(CM

l ) (c)認知地圖類型 3

(CM

3 )

( @ @

@)9/

|粒子分布情形|

(b)認知地圖類型2

(CM

2 ) (d)認知地圖類型4

(CM

4 ) (e)認知地圖類型 5

(CM

_{s )}

圖5 跨年級不同認知地圖類型

(19)

• (一)認知地圖類型 1

(cognitive map 1

,

CM

1 ) 在兩個試題中為 Q6 獨自具有，為選項 2-B 。兩端氣體壓力的差造成只有在中間部分擴散混合的粒子分布現象。如圖 5(a)所示，其因素以及關聯性標示羊毛【壓力，重量，隨機性(方向性，位置)】=【 0， 0， 0 (一，一)】。具有此類型認知地圖的學生，會認為氣體粒子的分布情形，是粒子具有固定方向以及固定位置運動的因素影響，表示粒子非隨機性分布，與壓力、重量以及隨機性無關，也就是說對於現象觀察一粒子分布的情形，所連結的理論系統為非隨機性，而隨機性與分布情形無關聯。因此 'CM

_l

認知地圖並沒有顯現出壓力、重量以及隨機性對粒子分布的交互作用關係。 (二)認知地圓類型

2 (cognitive map 2

,

CM2 )

在兩個試題中為 Q6 選項 3-A' 而 Q17 選項 l-B 、 2-B 。容器兩端氣體壓力的差異造成某一端的氣體粒子被壓縮，形成氣體粒子局部而非隨機分布。如圖 5(b)所示，其因素以及關聯性標示為【壓力，重量，隨機性(方向性，位置)】=【+， 0， 0 (一，一)】。真有此類型認知地圖的學生，會認為氣體粒子的分布情形，除了粒子具有固定方向以及固定位置運動的因素影響，同時也考量壓力差異的因素，形成粒子非隨機性分布。對於現象觀察一粒子分布的情形，持此認知地圖的學生，所連結的理論系統為壓力與非隨機性。

(三)認知地圖類型 3

(cognitive map

3 ,

CM

3 )

在兩個試題中為 Q6 選項 3-C 、 4-A 、 4-C 以及 5-A' 而 Q17 選項 l-C 、 2-A 、 2-C 、 3-B 以及 3-C 0 包括壓力差異以及粒子重量因素，形成粒子非隨機性分布的現象。如圖 5(c)所示，其因素以及關聯性標示為【壓力，重量，隨機性(方向性，位置)】=【+，

+,

0

(一，一)】。具有此類型認知地圓的學生，會認為氣體粒子的分布情形是同時受到壓力以及粒子重量的影響，具有固定位置以及方向的運動方式，形成非隨機的粒子分布。對於現象觀察一粒子分布的情形，持此認知地圖的學生，所連結的理論系統為壓力、重量及非隨機性。

(四)認知地圖類型 4

(cognitive map 4

,

CM

4 )

在兩個試題中為 Q6 選項 5-C' 而 Q17 選項 I-A 、 3-A 、 5-A 。重量因素影響粒子分布情形。

如圖 5(d)所示，其因素以及關聯性標示為【壓力，重量，隨機性(方向性，位置)】=【 0，

+,

o

(一，一)】。具有此類型認知地圖的學生，會認為氣體粒子的分布情形是受到粒子本身重量的影響，使得粒子真有運動的方向性與固定位置，形成氣體粒子的非隨機分布。對於現象觀察一粒子分布的情形，持此認知地圖的學生，所連結的理論系統為重量與非隨機性。

(五)認知地圖類型 5

(cognitive map 5

,

_{CMs )}

在兩個試題中為 Q6 選項 6-D' 而 Q17 選項 4-D 。此類型認知地圖為正確的語意連結，表示對於現象觀察的理論系統解釋是符合科學理論的。如圖 5(e)所示，其因素以及關聯性標示為

(20)

• 226

.中學生認知地圖之研究邱美虹、鐘建坪、張志康、白勝安【壓力，重量，隨機性(方向性，位置)]

=<

0 ,

+

(+,

+)】。其有此類型認知地圖的學生，認為氣體粒子的分布不會受到氣體壓力差異以及重量差異的影響，而平擾粒子最後隨機分布的結果。對於現象觀察一粒子分布的情形，持此認知地圖的學生，所連結的理論系統為隨機性。我們透過雙層試題分析，找出可能影響理論系統推理的概念因素，再將概念因素透過編碼系統呈現形成因果解釋的語意連結，勾勒出可能對於氣體粒子分布的限制因素，再以第一層與第二層的對應關係'找出相對應的促進、抑制或無影響的因果推論關係，最後形成個人認知地圍的質性描述。若持有符合科學理論的認知地圖者顯示觀察特定現象之後，會擷取正確概念彙整而成的理論系統;而持非科學的認知地圖者，即表示學生在提取(retrieve) 理論的概念因素時，並非捉取正確科學概念，而是受到直觀思考(diSes間， 1993) 或預設的因素

(Vosniadou

,

1994) 影響，以致形成錯誤的理論系統，對於現象觀察才會形成錯誤的因果解釋。三、不同情境試題中跨年級中學生認知地圓的分布情形 (一)跨年級中學生在試題 Q6 的認知地圖分布如表 14 所示，不同年級，持有非科學認知地圖的人數比例分布為 CM4最多(八年級學生:

34% .

SD=

.014; 九年級學生:

34% •

SD=

.014; 高二:

37%'

SD=

.015)' 而 CM] 最少(八年級學生:

5.5% .

SD=

5.0% .

SD=

.017; 高二:

1. 9% .

SD=

.018) 。其中持有 CM] 與 CM

₃

(八年級學生:

15% .

SD= .015

;九年級學生:

13% .

SD=

.016; 高二:

11% .

SD=

.018) 認知地圖的分布隨年級增加而減少，而持CM

₂

認知地圖維持相似人數

比例(八年級學生

:9.5%·SD= .016; 九年級學生:

8 .3%'

SD=

.017; 高二:

8.6%'

SD= .018)'

但是持 CM

₄

認知地圖在高二的人數比例上比八年級學生與九年級學生有些微增加。持有正確科學認知地圖_(CM

_s

_{) 的分布，則隨年級增加而增加(八年級學生:}

17% .

SD=

23% •

SD= .015

;高二:

35% .

SD=

.015) 。百分比同質性檢定發現三組學生在試

題 Q6 持有認知地圖的百分比有顯著不同(χ2=536.59，

df= 10

,

P

<

.05) 其他類型之認知地

圖;高二學生雖然持有 CM

₄

比 CM

_s

高些，但未達顯著差異 (p

>

.05)' 然而高二學生持有 CM4以及 CM

_s

皆顯著高於 _(p

<

_{.05) 其他認知地圖類型。除了 CM}

_s

_{之外，事後分析比較不} 同年級持有特定種類之認知地圖類型，皆未達顯著差異 (p

>

.05) 。對於正確的科學認知地圖，高二學生顯著高於 (p

<

.05) 八年級學生及九年級學生;而且九年級學生也顯著高於 (p

<

.05) 八年級學生。

Q6 試題持有非科學認知地圖的人數比例以 CM4最多，其選項是 5C 。依據認知地圖(圖 5d) 顯示持有此種類型認知地圖的學生會認為分子重量差異會影響容器內部氣體的行為表現;也就是說學生提取相關概念時受到巨觀現象的推理限制，對氣體粒子分布的解釋產生較輕的氫氣粒子在容器上方，而較重的氧氣粒子分布在容器下方。

(21)

•

事後比較d

x

2

df

p

536 .5

9

10 .000

高二

八

CMs

表 14 試題 Q6 跨年級認知地圖類別百分比分布

年級

九

CM

,

CM

2

CM

3 C扎r1

₄

b

CMs

5.53"

5.00

1.

88 (0.016 )

( 0.01

7)

(0.018 )

9 .5

3

8.30

8.69 (0.016 )

( 0.01

7)

(0.018)

15 .4

8

13 .3

7

11 .3

1 (0.015 )

(0.016 )

(0.018 )

34.01

33.74

37.28 (0.014 )

(0.014 )

(0.015 )

16.78

22.86

35.36 (0.015 )

(0.015 )

No S. S:

NoS. S.

高二>九年級高二>八年級

九年級>八年級

CM

4

>CMs

C~>CM3

CM

4

>CM

2 CM4>C泌1 ， C!\仇 >CMs C!\也 >C孔1

3 CM

4

>CM

2 C!\也 >C如1 ，事後比較c C~>CM3 Ct\.也 >C此1₂

CM

4

>CM

1

CMs >CM3

C扎已>CM

2 CMs>CM

,

a 持有認知地圖類型之人數百分比 ;b 試題 Q6 不同年緩最多人數持有之認知地圖類型 ;c 相同年級不同認知地團比較 (p

<

.05);

d 相同認知地圈，不向年級比較(p

<

.05);

e 未達顯著差異 (二)跨年級中學生在試題Q17 的認知地回分布由於影響因果推論因素的差異，使得試題Q17 的反應類型並不具有認知地圖CM，。如表 15 所示，不同年級，持有非科學認知地圍的人數比例分布為CM) 最多(八年級學生:

29%·

SD=

28% •

SD= .015

;高二 :31%·SD= .015)' 而 CM

_{2 最少(八年}

級學生 :

14% •

SD=

16% •

SD=

.016; 高二:

15% •

SD=

.01 7) 。不同年級持有 CM

₂

， CM) 、 CM

₄

(八年級學生:

27% •

SD=

25% •

SD= .015 ;

高二:

26% •

SD=

.016) 約略相同。持有正確科學認知地圖(CM

_s

) 的分布，則隨年級增加而增加(八年級:

16% •

SD= .015

;九年級:

20% •

SD= .015

;高二:

23% •

SD=

.015) 。

百分比同質性檢定發現三組學生在試題Q17 持有認知地圖的百分比有顯著不同(χ，2=536.59，

df= 10

,

p

<

.001) 。利用同時信賴區間估計法進行事後分析得知八年級學生持有 CM) 與 CM

₄

無顯著差異 (p

>

.05); 但是持有 CM) 與 CM

₄

皆顯著高於 _CM

₂

_與

_CM

_{s (p}

<

_{.05) 。九年}

(22)

• 228

.中學生認知地圖之研究邱美虹、鐘建坪、張志康、白勝安事後比較d

i

df

p

536 .5

9

10 .000

高二

j\

CMs

表 15 試題 Q17 跨年級認知地圖類別百分比分布

年級

九

CM

l

No S. S:

CM

2

CM

3 b

CM

4

CMs

13.56"

15.80

14.91 (0.016 )

(0.016 )

(0.017)

29 .4

7

28.05

3

1.

08 (0.014 )

(0.014 )

(0.015 )

26.89

24.68

25.99 (0.014 )

(0.015 )

(0.016 )

15.80

20 .3

7

23 .4

1 (0.015 )

(0.015 )

NoS. S.

高二>九年級高二>八年級

九年級>八年級

CM

3

>CMs

CM

3

>CM

2

C

l\4

>CMs

事後比較c CM1>CM情 CM、 >CM電 CM電 >CM? CM、 >CM? C卸4>CM₂

CM

4

>CM

2 Cl\也>

CM

2

CMs> CM

2 a_{持有認知地圖類型之人數百分比} _;b_試題

_Q17

_{不同年級最多人數持有之認知地圖類型} _;c_相同年級不同認知地圖比較

_(p

_<

.05);

d_{相同認知地圖，不同年級比較}

_(p

<

.05);

e_{未達顯著差異} 級學生持有CM)

與

CMt並無顯著差異(p

>

.05); 但是持有CM)

與

CMt皆顯著高於 CM2 (p

<

.05); 對正確的科學認知地圖 _CM

_{s 與}

_CM

_{3 達顯著差異}

_(p

_>

_.05)' 其餘比較皆無顯著差異 (p

>

.05); 高二學生持有 CM)

與

CM4 並無顯著差異 (p

>

.05); 但是持有CM)

與

CM4 皆顯著高於 CM2

(p

_<

.05); 對正確的科學認知地圖 _CMs 與 CM)

_及

CM2 達顯著差異 (p

>

.05)' 其餘比較皆無顯著性 (p

_>

.05)。

與

Q6 結果比較顯示. Q17 試題中持有 _CM_{2 大致維持相同。然而，不同年級持有非科學} 認知地圖的人數比例以CM)最多，且比例顯著上升;而持有CMt人數比例雖有下降，但是仍多於正確科學認知地圖 (CM

_s

) 的分布(不同試題比較時會再詳細說明)。依據認知地圖的概念關係(圖 _{5(c) 、 5(d)}_{)推論多數學生在}_Q17試題中，雖然認為分子重量差異會影響容器內部氣體的行為表現，但是在直立容器的考量下，學生也同時認為當容器氣閥打開時，氣體粒子會因為壓力差異的因素使其運動到容器的另一半部;但是多數學生認為，粒子最後分布的情形卻仍限制於重量因素，使較輕的氫氣粒子在容器上方，而較重的氧氣粒子分布在容器下方。 (三)不同情境試題，跨年級中學生認知地圖改變的情形試題

Q6

中(表 14) .跨年級中學生最多人持有的認知地圖為C

Mt

.九年級學生 (34%)

與八年級學生

(34%) 的人數比例約略相同，但是高二學生(37%)又再增加，而 CM

l 、

CM

2 、

(23)

•

CM

_{3 以及}

C~' 隨著年級增加人數比例下降，而正確科學認知地圖 CM

_s

隨著年級增加而人數

比例增加。表示以重量因素作為支配推論的認知地圖 CM

₄

最不會隨著年級的增加而做心智模式的改變。試題Q17 中(表 15) .跨年級中學生最多人持有的認知地圖為 CM

₃

.九年級學生 (28%) 比八年級學生 (29%) 的人數比例下降，但高二學生(3 1%) 又再增加，而 CM

₂

、 CM

₄

的比例雖然少於 CM

₃

• 但在跨年級的人數比例約略是相似的。顯示以壓力或重量因素作為推論氣體粒子分布的認知地圖 CM

₃

、 CM

₂

_以及

C~ 都是不容易進行心智模式的改變。根據學生認知地圖的研究結果顯示，本文作者發現學生對微觀氣體粒子分布的解釋，仍然存在相當多的迷思，而其主要來源是學生以巨觀現象的變化作為解釋的依據。比較八年級學生、九年級學生以及高三學生後發現某些認知地圖人數比例相當，這顯示高中生在學過更多氣體公式之後(如波以耳定律、查理一給呂薩克定律等) .對於粒子微觀分布的解釋仍不瞭解。

四、本研究與其他雙層診斷試題尋找心智模式的差異與眼制

如表 16 所示，目前其他透過雙層診斷試題而判斷學生心智模式的研究，主要方法為針對許多相同概念試題，偵測學生回答的一致性，若學生在相類似的概念中具有一致性的回答型態，則該學生即可判別屬於某種心智模式類型，此種方法屬於由下而上( bottom-up) 的方式

(e.g.

,

Vosniadou & Brewer

,

1992)

;與前述方法不同，本研究心智模式的種類判別是基於學生

認知地圖的因果推論模式而來，屬於由上而下(top-down) 的方式 (e.g.，

Nobes

,

Mart血，&

Panagiotaki

,

2005)

.即先從試題連結的關係中，找出該試題中會影響學生推論的因素，再依據因素不同的變化而影響現象觀察，推論學生所持有的認知地圖，再透過Vosniadou (1994) 對於心智模式的定義，判斷不同因素影響的認知地圖，即代表各種類的心智模式，最後從學生的試題反應區分出學生所擁有的心智模式類型。表 16 本研究與其他雙層試題觀念研究的比較與眼制其他相關雙層試題研究研究著手面向由下而上:先經過訪談或文獻探討形成雙層試題，雙層試題的選項即為學生可能之迷思概念如何決定心智模式採用問卷之內相似試題的作答情形，再依據相似作答的內容判斷學生持有之J 心智模式限制長時間的資訊蒐集與試題開發本研究由上而下:找出學生雙層試題反應選項背後概念限制因素，未來可根據找出的限制因素，發展新的雙層試題診斷不同年級可能形成的非科學解釋由視覺表徵概念之間的因果關係'可以直接明瞭概念間因果推論的情形必須評斷概念間的交互作用關係

(24)

• 230

.中學生認知地圍之研究邱美虹、鐘建坪、張志康、白勝安本研究方法的挑戰主要來自如何標定科學概念之間無相關以及抑制的關係。認知地圍之所以能夠表徵科學概念之間的交互作用，主要來自於科學概念彼此之間在特定科學模型的架構下具有相互依存關係;然而，科學概念彼此之間的因果關係通常只顯示出「促進」的效果，也就是說，在認知地圖內需要納入哪些概念是屬於「無關係 J' 以及哪些概念間的關係屬於「抑制 J '可能會是此研究方法往後發展的局限之處，例如:試題選項沒有提及的概念，學生是否就沒有存在相互關係，或是壓力、重量等概念若存在抑制關係的科學意涵是什麼。本研究雖然以所選試題題幹的概念組成作為認知地圖的要件，透過題幹的語意連結藉以判斷組成概念間是否具有特定關係'然而，判別上仍可能使認知地圖難以表徵個體特定心智模式的完整面向。

五、本研究與傳統資料庫資料研究的差異

許多學者建議，多使用準確建置的教育資料庫進行次級分析研究(例如陳正昌.

2006)

,

\ 除了經濟效益的考量之外，可以透過次級分析找出適當的學習理論以適合本國學生(

Chiu

,

2007)

;然而，許多學習成就評比測驗結束之後，負責單位會發布評鑑學生學習的成效，其報告內容主要顯示相關概念學習的效果(e.g.，曾建銘、陳清溪，

2009)

，而次級分析主題主要著重在不同外在或中介變項對學習成就的影響(e.g.，張芳全 ·2009) ，很少再針對測驗試題做分析找出影響學生的迷思概念或限制學生概念學習的因素。慶幸地，國家科學概念學習資料庫的建立是以雙層試題的設計方式，它可以協助研究者找出受試者概念想法的推理機制

(Treagust & Chandrasegaran

,

2007)

;然而，許多雙層試題研究的結果仍著重在學生表現的差異比較，以及所形成的迷思概念類型(e.g.，李賢哲、獎琳、張蘭友，2005 ;張容君、張惠博，

2007)

，並沒有透過試題的再分析找出學生形成特定迷思概念背後可能的共同推論限制因素。本研究主要採用已經在決策科學有貢獻的認知地圖，對學生答題反應進行次級分析，除了協助教師或研究者清楚瞭解學生答題反應的因果推論類型，同時也能真正瞭解限制學生做出如此推論的因素是什麼。

伍、結論與教育意涵

一、結論

(一)利用認知地圖表徵心智模式，找出眼制因果推論的條件因素

心智模式是內在心智結構的外在表徵，用以推理而解決問題(Vosniadou， 1994) 。心智模式會受到既存概念結構的限制(

Chiu

,

2007 )

，研究上除了期望找出學習者的心智模式之外，也期望確認影響心智模式推論的限制因素;然而，以往的概念研究，往往只透過雙層診斷測驗的方式，暸解學生迷思概念的分布情形，或者從不同試題的正確性判斷學生的心智模式，無