跨年級學生氧化還原概念發展歷程

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士班碩士論文. 指導教授：邱美虹博士. 跨年級學生氧化還原概念發展歷程與解釋融貫性之探究. 研究生：張育倩. 中華民國 98 年 6 月.

(2) 中文摘要. 本研究主要目的為探究跨年級學生氧化還原概念之發展歷程以及解釋融貫性之相關性，研究工具以問卷為主，研究對象為七年級、八年級、九年級、高中一年級、高中二年級以及大學階段之學生，人數共 702 人。本研究將氧化還原概念分為四個主概念，分別為「概念本質」、「反應過程」、「氧化力」、「反應次序」。研究結果發現氧化還原概念在各個主概念皆包含重要類型 3 至 5 種，並且可以統整出 10 種心智模式，其中狹義科學模式主要在八年級階段建立，而廣義科學模式則是在高一階段建立。最後利用 PAUP*軟體進行概念演化樹分析，並綜合統整出跨年級學生氧化還原概念發展歷程，在狹義科學心智模式的發展歷程中，首先建立主概念一「概念本質」，其次為主概念二「反應過程」和主概念三「氧化力」，最後才發展主概念四「反應次序」。而在廣義科學心智模式的發展歷程中，首先建立主概念四「反應次序」，其次為主概念一「概念本質」和主概念三「氧化力」，最後才建立主概念二「反應過程」。其中，在狹義科學心智模式的發展中，雖然主概念四「反應次序」最晚建立，但是一旦建立後就不容易回歸於錯誤概念，但主概念三「氧化力」不論是在狹義科學或廣義心智模式的發展中，都較難完全成功建立。.

(3) Summary. The main purpose of this research is to study the developing process of cross-grade students’ oxidation-reduction conception and the correlation of explanatory coherence. Survey is the major study tool, and the target group is grade-7th, grade-8th, grade-9th, fresh-man and sophomore in high-school, and university students. The total amount is 702 students. The research divides oxidation-reduction conception into 4 major concepts, including 「nature」,「reaction process」,「oxidation capability」and「reaction sequence」. We find the oxidation-reduction conception in each major concept includes 3 to 5 major types, and there is 10 mental models. In which, the science model of narrow sense is established in grade-8th and the wide sense is established in the first grade of high school. Finally, use PAUP*software to proceed concept-evaluation-tree analysis and obtain developing process of cross-grade students’ oxidation-reduction conception. In the developing process of science mental model of narrow sense, first of all is to establish major concept 1st 「nature」, secondary is concept 2nd 「reaction process」and concept 3rd 「oxidation capability」 and then finally is concept 4th 「reaction sequence」. However, the developing process of science mental model of wide sense, first of all is to establish concept 4th 「reaction process」, secondary is concept 1st 「nature」and concept 3rd 「oxidation capability」, and then finally establish concept 2nd 「reaction process」. In the developing process of science mental model of narrow sense, although concept 4th 「reaction sequence」is the last established, once it is established and will not easily to lead to wrong concept; however, no matter in narrow or wide sense, it is more difficult to establish concept 3 rd 「oxidation capability」..

(4) 總目錄第壹章. 緒論…………………………………………1. 第一節. 研究動機……………………………………………………1. 第二節. 研究目的與研究問題………………………………………2. 第三節. 名詞釋義……………………………………………………4. 第四節. 研究範圍與限制……………………………………………5. 第貳章. 文獻探討與分析……………………………7. 第一節. 概念改變……………………………………………………7. 第二節. 概念發展與演化……………………………………………19. 第三節. 解釋融貫性與 ECHO 程式…………………………………25. 第參章. 研究方法……………………………………37. 第一節. 研究對象……………………………………………………37. 第二節. 研究設計……………………………………………………39. 第三節. 研究工具……………………………………………………40. 第四節. 研究流程……………………………………………………51. 第五節. 資料處理與分析……………………………………………53. I.

(5) 第肆章. 結果分析與討論…………………………………………59. 第一節. 不同年級學生氧化還原概念之認知狀態與比例……………59. 第二節. 不同年級學生氧化還原概念之類型與比例…………………74. 第三節. 不同年級學生氧化還原心智模式之類型與比例……………89. 第四節. 跨年級學生氧化還原概念發展情形…………………………109. 第五節. 氧化還原心智模式之解釋融貫性……………………………121. 第伍章. 結論與建議……………………………………141. 第一節. 研究結果與討論………………………………………………141. 第二節. 建議……………………………………………………………143. II.

(6) 表目錄表 2-1-1 Thagard 概念改變的九個階層…………………………………...………14 表 2-1-2. 新舊理論概念關係之相關性……………………………………………16. 表 2-1-3. 科學史上新舊理論系統間之關係………………………………………17. 表 2-1-4. 科學史上概念改變之類型………………………………………………18. 表 2-3-1 ECHO 程式與解釋融貫性理論相關名詞之對應………………………31 表 2-3-2. 氧化理論與燃素說之 ECHO 程式命題編碼………………….…………33. 表 2-3-3. 氧化理論與燃素說之 ECHO 編碼與解釋關係………….………………34. 表 3-2-1. 各年級學生施測人數統計………………………………….……………39. 表 3-3-1. 氧化還原反應組成概念與認知狀態編碼表………………….…………40. 表 3-3-2. 氧化還原概念試題之測驗項目細目表……………..…..……..………...42. 表 3-5-1. 氧化還原概念試題各選項與認知編碼對照表…………………..……..54. 表 4-1-1. 不同年級學生氧化還原「概念本質」之認知狀態與百分比………….60. 表 4-1-2. 不同年級學生氧化還原「概念本質」之正確認知狀態與百分比…….62. 表 4-1-3. 不同年級學生對於氧化還原「反應過程」之認知狀態與百分比……….63. 表 4-1-4. 不同年級學生氧化還原「反應過程」之正確認知狀態與百分比……….65. 表 4-1-5. 不同年級學生對於氧化還原「氧化力」之認知狀態與百分比………….66. 表 4-1-6. 不同年級學生氧化還原「氧化力」之正確認知狀態與百分比………….68. 表 4-1-7. 不同年級學生對於氧化還原「反應次序」之認知狀態與百分比……….69. 表 4-1-8. 氧化還原概念試題各題組的第 6 小題各選項之內容…………………..70. 表 4-1-9. 各年級學生對「反應次序」各認知狀態解釋理由之選項與百分比…….71. 表 4-2-1. 不同年級學生氧化還原「概念本質」之類型與百分比………………….76 III.

(7) 表 4-2-2. 不同年級學生氧化還原「概念本質」各類型之認知狀態組合與百分比...............................................................................................................77. 表 4-2-3. 不同年級學生氧化還原「反應過程」之類型與百分比………………….79. 表 4-2-4. 不同年級學生氧化還原「反應過程」各類型之認知狀態組合與百分比……………………………………………………………………..….80. 表 4-2-5. 不同年級學生氧化還原「氧化力」之類型與百分比…………………….83. 表 4-2-6. 不同年級學生氧化還原「氧化力」各類型之認知狀態組合與百分比….84. 表 4-2-7. 不同年級學生氧化還原「反應次序」之類型與百分比………………….86. 表 4-2-8. 不同年級學生氧化還原「反應次序」各類型之認知狀態組合與百分比………………………………………………………………….……..87. 表 4-2-9. 主概念一「概念本質」之重要類型與百分比…………………………….89. 表 4-2-10. 主概念二「反應過程」之重要類型與百分比………………………….89. 表 4-2-11 主概念三「氧化力」之重要類型與百分比……………………………..89 表 4-2-12. 主概念四「反應次序」之重要類型與百分比…………………………...89. 表 4-3-1. 不同年級學生氧化還原心智模式之百分比…………………………….90. 表 4-3-2. 氧化還原心智模式類型與名稱………………………………………….91. 表 4-3-3. 七年級學生氧化還原心智模式之類型與百分比………………………93. 表 4-3-4. 八年級學生氧化還原心智模式之類型與百分比……………………….96. 表 4-3-5. 九年級學生氧化還原心智模式之類型與百分比……………………….98. 表 4-3-6. 高中一年級學生氧化還原心智模式之類型與百分比…………...……100. 表 4-3-7. 高中二年級學生氧化還原心智模式之類型與百分比………………...102. 表 4-3-8. 大學化學系學生氧化還原心智模式之類型與百分比………………...103 IV.

(8) 表 4-3-9. 不同年級學生科學心智模式之比例…………………………………...106. 表 4-3-10. 不同年級學生氧化還原心智模式之整體類型與總百分比………….107. 表 4-4-1. 跨年級學生心智模式發展情形之心智模式類型與比例……………...110. 表 4-4-2. PAUP*編碼表…………………………………………………………...112. 表 4-4-3. 各類型心智模式對應之 PAUP*編碼…………………………………...113. 表 4-4-4. 氧化還原概念演化樹分支改變與概念類別之對應…………………116. 表 4-5-1. 各類型心智模式對應之認知狀態組合………………………………...123. 表 4-5-2. 氧化還原心智模式認知狀態之命題編碼與 ECHO 編碼細目表……...124. 表 4-5-3. 心智模式 SG 各命題與解釋融貫性係數……………………………….126. 表 4-5-4. 心智模式 SS 各命題與解釋融貫性係數……………………………….127. 表 4-5-5. 心智模式 ODI1 各命題與解釋融貫性係數…………………………….129. 表 4-5-6. 心智模式 ODI5 各命題與解釋融貫性係數…………………………….130. 表 4-5-7. 心智模式 ODI7 各命題與解釋融貫性係數…………………………….132. 表 4-5-8. 心智模式 OI1 各命題與解釋融貫性係數………………………………133. 表 4-5-9. 心智模式 OI3 各命題與解釋融貫性係數………………………………134. 表 4-5-10. 心智模式 OS 各命題與解釋融貫性係數……………………………...136. 表 4-5-11 心智模式 OES3 各命題與解釋融貫性係數…………………………..137 表 4-5-12. 心智模式 ES 各命題與解釋融貫性係數……………………………...139. V.

(9) 圖目錄圖 2-1-1. 概念本質的本體樹………………………………………………………..9. 圖 2-1-2. Vosniadou 的概念改變架構—以地球形狀為例………………………..11. 圖 2-1-3 概念的階層性－以拉瓦錫的氧化理論為例……………………………….…………..13 圖 2-1-4. 知識改變之分類圖…………………………………………………………………………..……15. 圖 2-2-1. 橫向或時間切割的表徵…………………………………………………20. 圖 2-2-2. 縱向或祖譜系的表徵……………………………………………………20. 圖 2-2-3. 演化表徵…………………………………………………………………21. 圖 2-3-1. Necker 立方體……………………………………………………………28. 圖 2-3-2 以連結主義觀點詮釋 Necker 立方體之網路連結………………………..30 圖 2-3-3 氧化理論與燃素說各命題與現象之網路關係…………………………..32 圖 2-3-4 ECHO 程式介面…………………………………………………………………………………….35 圖 2-3-5 氧化理論與燃素說之 ECHO 命題結構圖………………………………...36 圖 3-1-1. 研究設計架構………………………………………………………….…………………………….38. 圖 3-3-1. 認知編碼設定原則……………………………………………….……………………………….45. 圖 3-4-1. 研究流程圖………………………………………………………………..………………………….52. 圖 4-1-1. 不同年級學生氧化還原「概念本質」之認知狀態與百分比…………….61. 圖 4-1-2. 不同年級學生氧化還原「概念本質」之正確認知狀態與百分比……….62. 圖 4-1-3. 不同年級學生對於氧化還原「反應過程」之認知狀態與百分比……….64. 圖 4-1-4. 不同年級學生氧化還原「反應過程」之正確認知狀態與百分比……….65. 圖 4-1-5. 不同年級學生對於氧化還原「氧化力」之認知狀態與百分比………….67. 圖 4-1-6. 不同年級學生氧化還原「氧化力」之正確認知狀態與百分比………….68 VI.

(10) 圖 4-1-7. 不同年級學生對於氧化還原「反應次序」之認知狀態與百分比……….69. 圖 4-1-8. 不同年級學生對於氧化還原「概念本質」之認知狀態百分比………….73. 圖 4-1-9. 不同年級學生對於氧化還原「反應過程」之認知狀態百分比………….73. 圖 4-1-10. 不同年級學生對於氧化還原「氧化力」之認知狀態百分比…………...74. 圖 4-1-11 不同年級學生對於氧化還原「反應次序」之認知狀態百分比………...74 圖 4-3-1. 七年級學生氧化還原心智模式之類型與百分比……………………….95. 圖 4-3-2. 八年級學生氧化還原心智模式之類型與百分比……………………….97. 圖 4-3-3. 九年級學生氧化還原心智模式之類型與百分比……………………….99. 圖 4-3-4. 高中一年級學生氧化還原心智模式之類型與百分比………………101. 圖 4-3-5. 高中二年級學生氧化還原心智模式之類型與百分比………………...103. 圖 4-3-6. 大學化學系學生氧化還原心智模式之類型與百分比………………...105. 圖 4-3-7. 不同年級學生科學心智模式…………………………………………...106. 圖 4-3-8. 不同年級學生氧化還原整體概念之類型與百分比…………………...108. 圖 4-4-1. 跨年級學生氧化還原心智模式與概念類型之發展情形…...…………111. 圖 4-4-2. PAUP*軟體之概念演化樹分析………………………………………...114. 圖 4-4-3. 跨年級氧化還原概念之最佳概念演化樹（tree number 5）…………….114. 圖 4-4-4. 跨年級學生氧化還原概念之概念演化樹………………...……………119. 圖 4-4-5. 跨年級學生氧化還原概念發展歷程…………………………………...121. 圖 4-5-1. 心智模式 SG 之命題結構圖…………………………………….………………………….127. 圖 4-5-2. 心智模式 SS 之命題結構圖………………………………………………..……………….128. 圖 4-5-3. 心智模式 ODI1 之命題結構圖…………………………………………………………….129. VII.

(11) 圖 4-5-4. 心智模式 ODI5 之命題結構圖…………………………………………………………….131. 圖 4-5-5. 心智模式 ODI7 之命題結構圖…………………………………………………………….132. 圖 4-5-6. 心智模式 OI1 之命題結構圖……………………………………………….………………133. 圖 4-5-7. 心智模式 OI3 之命題結構圖…………………………………………....135. 圖 4-4-8. 心智模式 OS 之命題結構圖…………………………………………………………..…...136. 圖 4-4-9. 心智模式 OES3 之命題結構圖………………………………………….…………………138. 圖 4-4-10. 心智模式 ES 之命題結構圖…………………………………….………………………...139. VIII.

(12) 第壹章. 緒論. 本章節分為四個部分，分別針對研究背景與動機、研究目的與研究問題、名詞釋義與研究範圍與限制加以說明。. 第一節. 研究背景與動機. Finley，Stweart 及 Yarroch 等人（1982）指出，許多科學教師認為氧化還原單元、化學平衡與化學計量等單元是學生較困難學習之課程。Butts＆ Smith（1987）調查五十個化學相關概念的困難程度，發現氧化還原反應中氧化劑與還原劑相關概念被學生視為較為困難之概念。另外，Tan、Treagust 及 Goh 等人（2002）以二階層試題評量高中學生氧化還原反應等單元，發現學生對於氧化還原反應存有許多迷思概念。因此可發現學生在學習氧化還原概念實有困難之處，因此本研究將以七年級、八年級、九年級、高中一年級、高中二年級以及大學學生為研究對象，深入探討氧化還原概念發展歷程，以促進學生氧化還原概念的學習。. 1.

(13) 第二節研究目的與研究問題. 根據上述之研究動機，本研究主要所欲探究之目的包含以下五個部分：一、瞭解不同年級學生氧化還原概念之類型與比例，二、統整氧化還原概念相關分析，進而探究不同年級學生氧化還原心智模式的類型與比例，三、基於生物系統發育分類分析方法建立跨年級學生氧化還原概念發展歷程，四、藉由 ECHO 程式檢驗學生氧化還原心智模式的解釋融貫性。. 根據上述研究目的，因而衍生之研究問題如下： 1. 不同年級學生氧化還原概念之類型與比例為何？ 1.1 不同年級學生氧化還原之「概念本質」包含哪些類型？各類型比例為何？ 1.2 不同年級學生氧化還原之「反應過程」包含哪些類型？各類型比例為何？ 1.3 不同年級學生氧化還原之「氧化力」包含哪些類型？各類型比例為何？ 1.4 不同年級學生氧化還原之「反應次序」包含哪些類型？各類型比例為何？. 2.. 不同年級學生氧化還原整體概念之組合與比例為何？. 2.1 七年級學生氧化還原整體概念之組合？各組合比例為何？ 2.2 八年級學生氧化還原整體概念之組合？各組合比例為何？ 2.3 九年級學生氧化還原整體概念之組合？各組合比例為何？ 2.4 高中一年級學生氧化還原整體概念之組合？各組合比例為何？ 2.5 高中二年級學生氧化還原整體概念之組合？各組合比例為何？ 2.6 大學化學系學生氧化還原整體概念之組合？各組合比例為何？ 2.7 不同年級學生持有氧化還原科學整體概念之比例為何？. 2.

(14) 3. 跨年級學生氧化還原概念發展情形為何？ 3.1 跨年級學生對於氧化還原之「概念本質」之類型？比例為何？ 3.2 跨年級學生對於氧化還原之「反應過程」之類型？比例為何？ 3.3 跨年級學生對於氧化還原之「氧化力」之類型？比例為何？ 3.4 跨年級學生對於氧化還原之「反應次序」之類型？比例為何？ 3.5 跨年級學生氧化還原心智模式發展情形為何？. 4. 不同年級學生氧化還原心智模式之解釋融貫性為何？ 4.1 不同年級學生氧化還原心智模式之解釋融貫性係數為何？ 4.2 不同年級學生氧化還原心智模式之命題結構圖為何？. 3.

(15) 第三節名詞釋義. 一、概念演化樹 1966 年德國昆蟲學家 Willi Hennig 所提出，藉由裔徵來重建與共同祖先的關係，支序圖（cladogram）又稱為系統發育樹（phylogenetic），以圖像表徵出研究者所認識分類群之間的關係。本研究以學生對氧化還原概念的解釋為分類單元，運用支序學派分析演化概念發展歷程，由於應用於科學教育領域上，因此採用林靜雯（2006）首先提出之「概念演化樹」一詞，以說明學生概念發展歷程之情況。. 二、解釋融貫性 Thagard(1992)認為一套命題系統之解釋融貫性決定於命題與命題之間相互的融貫性，而並且一個新理論若能取代舊有的理論，是由於新理論的命題系統具有較廣大的解釋融貫性。. 4.

(16) 第四節研究範圍與限制. 本研究之研究範圍與限制茲列如下： 1. 本研究選取之研究對象主要以北部地區的國、高中及大學學生為主，高中階段僅限於自然組學生，大學階段亦限於化學系學生，此外，每階段施測人數僅約 100~120 人，故研究結果不宜廣泛推論至其他地區或其他領域之學生。 2. 本研究使用 ECHO 程式運算學生概念架構之解釋融貫性，運算所使用之命題、命題編碼以及命題之間的關係是由本研究之目標概念延伸而來，因此不宜過度推論至其他單元。. 5.

(17) 6.

(18) 第貳章. 文獻探討與分析. 第一節概念改變一、 PSHG 的概念改變模式 Posner, Strike, Hewson & Gertzog(1982)根據科學史和科學哲學的認識論觀點，提出概念改變模式(Conceptual Change Model, CCM)，解釋學習中概念改變發生的四個必要條件，當這些條件符合便可促使概念改變的發生：. 1. 對於先前概念感到不滿意(dissatisfaction)：學習者面對異例(anomalies)或無法解釋的現象時，發現無法採取將新概念同化，必頇發生調適。 2. 新概念具備易於理解的(intelligible)的其他條件(alternative)：新概念提供易於理解的方法，勝過於只調適先前概念。運用適當的類比(analogy)和隱喻 (metaphor)的方式，讓概念易於理解，達成概念改變。 3. 新概念是合理的(plausible)：新概念與其他知識一致的且合理的，才能讓學習者接納，促成概念的改變。 4. 新概念具有豐富的(fruitful)解釋和預測力：新概念可以提供有利的解釋，還具有預測力，讓學習者捨棄原有觀點改採另一個新概念。. 根據概念改變模式可知，藉由教學策略的使用可以協助學生概念改變，異例資料已儼然成為許多教學方法中的重要成分。Chinn and Brewer(1998)檢視學生面對異例所出現的八種回應：忽略、拒絕、排除不確定的資料、暫時擱置、重新詮釋、接受資料只對於目前理論做外圍局部的改變、接受資料並且改變理論。其中除了第八點之外，其餘依舊保留原有的理論，這樣的分類將有助於科學教師協助學生進行理論改變，亦可以將此分類架構引導學生在課室中討論有關科學的推 7.

(19) 理。除了異例之外，類比也可協助學生建立抽象的表徵(Brown, 1992)，使用圖像的類比可以促進抽象概念之理解(Duit, 1991;引自林靜雯, 2000)。隨著概念改變模式(CCM)提出後，Stike and Posnor(1992)發現原有理論過於階層性，忽略了情意面向，因此採取了Toulmin(1972)的觀點，將這種概念情境稱為概念生態(conceptual ecology)，並且修正其內容，提出學生所具有的概念形成一個環境，而環境生態會影響學生的概念改變與否，概念生態內包含了異例、類比和隱喻、認識論的認可、形而上學的信念、其他知識等等。概念生態的想法說明了概念間的動態和交互作用之歷程，涉及的面向也更為廣泛。許多學者開始重視概念生態的構想，展開了一系列概念改變的相關研究。首先，Hewson & Hewson(1992)利用「概念生態(conceptal ecology)」和「概念階層(concept status)」來解釋概念改變，概念生態內容提到新概念必頇要能夠與學生既有的概念作連結，所以教師對於學生的概念生態的了解，將有助於學生在學習歷程中進行概念改變。而概念階層可以分成三個階層：理解的(intelligible)：學生可以理解新概念的意義與內涵；合理的(plausible)：學生認同新概念可以合理地解決問題；豐富的(fruitful)：學生認為新概念可以解決更多問題，並且解釋更加完整。當新概念符合概念階層的內容較多，而概念改變的機會也就越高。. 二、 Chi 的本體論概念改變 Chi(1992)根據知識的本質提出概念本體樹的理論架構(圖2-1-1)，其理論架構隨著實證研究結果逐年修正更加精緻化，而本文使用將以最新的理論架構來說明。Chi指出所有實體(Entities)可以分成「物質(matter)」、「過程(process)」和「心智狀態 (mental status)」，三個類別分屬互相獨立的本體樹。物質(event)代表具有本體屬性(像是可容納的和可儲存的)，例如：沙子或油漆，擁有體積、質量、顏色等等，而過程(process)經過幾次修正，過程可以分成兩個次類別分別為直接過程和突現過程(Chi, Slotta, & de Leeuw, 1994; Chi & Roscoe, 2002; Chi & 8.

(20) Hausmann, 2003; Chi, 2005)。. 圖2-1-1. 概念本質的本體樹(Chi, Slotta ,& de Leeuw, 1994; 1997; 2005). Chi, Slotta, & de Leeuw(1994)提到概念屬性錯置需要進行概念改變，而概念改變區分為兩種類型：本體類別的概念改變和跨越本體類別的概念改變。本體類別的概念改變意指在相同本體樹下的改變，這種改變可以視為信念修正，屬於相容性的概念，所以較容易被學習。而跨越本體類別的概念改變，意指概念由一個本體類別轉移到另一個本體類別，這種概念改變才是根本的概念改變，由於概念間屬於不相容的關係，因此在學習上較為困難。許多科學概念都屬於過程屬性下的概念，例如：學生對於物理領域的電流概念以及生物領域的循環系統，這兩種概念較難改變主要是因為學生將概念本體的屬性錯置。McCloskey, Caramazza, & Green (1980)研究也發現即使是大學生也會出現錯置概念屬性。Chi, et al. (1994) 對於概念錯置的情況提出「不相容假說(Incompatibility Hypothesis)」，當學習的新 9.

(21) 概念與學習者的素樸概念不相容時，學生的素樸概念可能具有以下六類特性： 1. 堅定的(robust)：學生堅決地保有素樸概念，不太容易因為教學、認知衝突、或是其他相關挑戰而推翻。 2. 一致的(consistent)：隨著時間和情境的改變依舊存在，表示學生的素樸概念持續存在，即使經過了長時間和不同內容的刺激，依舊無法改變。 3. 持久的(persistent)：大學生和小學生，雖然年紀和具備知識有所不同，但卻存在相同的素樸概念。 4. 同質性的(homogeneous)：不同的學生或不同情境下，出現相同的素樸概念。 5. 重演的(recapitulated)：中古時代的科學家和現今學生的素樸概念，即時跨越了時空，概念內容依舊相同。 6. 有系統的(systematic)：素樸概念是否有符合一致的「理論」或是迷思概念是零碎的。. 三、 Vosniadou 的架構理論 Vosniadou(1994)根據地球形狀、日夜循環、力和熱四個例子提出概念改變的架構(圖2-1-2)，概念早期會形成一個大的架構，主要源自於兒童時期的日常生活經驗，這個架構稱為架構理論(framework theory)，可分成本體論和知識論的兩種預設，隨後再漸漸地增加內部的細部架構，內容源自於文化情境下的觀察和信念，持續地增加和修正整個概念架構，這個細部的架構稱為特定理論(specific theory)，架構理論中的預設無形中會限制了特定理論，兩者理論交互作用形成心智模式，心智模式是個體在認知過程的的表徵，屬於動態的，可以用來預測事物。深入分析兒童的日夜循環概念後，發現出現三種類型的心智模式存在：初始的心智模式、合成的心智模式和科學的心智模式(Vosniadou, 1994; Vosniadou & Ioannides, 1998)。由此可知，心智模式來自於他們預設、文化情境的觀察和信念交互作用產 10.

(22) 生，然而兒童對日夜循環科學解釋主要受到地球是平坦、靜止不動、有支撐的初始心智模式限制，顯示出概念的獲得是有順序性的，在學習日夜循環經歷了逐步的修正其預設內容，也就是說概念改變的過程是漸進的，改變歷程分成兩類：. 1. 豐富(Enrichment)：當新知識與存在的概念架構相容，知識很容易被納入概念系統。 2. 修正(Revision)：學生的解釋受限於架構理論內的預設，若知識與存在的概念架構不相容時，知識不容易被納入概念系統，在此過程裡很容易產生迷思概念。. 圖2-1-2. Vosniadou的概念改變架構—以地球形狀為例(Vosniadou, 1994). 綜合上述，許多學者對於概念改變各別提出一套架構理論，有些學者認為概念改變是屬於突然發生的改變，例如：Kuhn(1962)提出的科學革命，而另一派學者卻認為概念改變屬於漸進式的改變，例如：Strike and Posner(1992)認為概念改變屬於是一種概念生態，概念間彼此發生交互作用而產生；Thagard(1992)則認 11.

(23) 為概念改變具有連續的階層關係；Chi(1992)的觀點較為保守，她認為在本體類別內的概念改變是漸進的，但跨越本體的概念改變卻是突然發生的；Vosniadou(1994) 對於概念改變過程也認同屬於漸進式的改變。從時間的歷程來看，概念改變需要經歷一段時間才慢慢地形成，但若將焦點放在概念改變當下來看則會認為概念改變應屬於突然發生的。而研究者較認同Vosniadou(1994)認為概念改變歷程為漸進式的，因此本研究將跨年級學生之演化概念發展歷程，分別將不同年級學生的演化概念結果連結起來，以說明學生在學習歷程中演化概念的發展。. 四、 Thagard 的概念革命理論（一）概念階層 Thagard（1988）認為概念是一個複雜的結構，可以把通則化、類比與其他推論形式計算在內。他將概念視為一個似框架之結構（frame-like structures），並且優先考量種類和部分之於整體之間的關係，以確定其階層，同時強調應以比簡單變項更為複雜的規則來表達事實資訊(Thagard, 1992)。 Thagard（1992）指出概念系統乃是種類階層和部分階層的概念組合，並且藉由規則相互連結，因此，可將概念系統視為一個具有節點的網絡，每個節點和一個概念相關，而網絡中的線段即是兩概念間的連結。在此以拉瓦錫的氧化理論概念階層關係為例，其中概念的節點以橢圓形表示，而此網絡包含種類連結（kind links）與規則連結（rule links）兩種連結關係（圖 2-1-3）。. 12.

(24) 圖 2-1-3 概念的階層性－以拉瓦錫的氧化理論為例. （二）概念改變 Thagard(1992)認為概念系統是一個具有節點相互連結的網絡，而概念改變則是包含節點和連結的增加與刪除，並且這樣的改變通常涉及整個概念系統。常見的改變包含以下連結關係的增加：. 1. 新概念節點 2. 概念節點之間新種類之連結 3. 概念節點之間新規則之連結. 然而，並非所有節點和連結的增加與刪除都同等重要，種類關係和部分關係的改變通常會涉及概念系統的重建，這與僅僅是增刪節點與連結是有所差異的。因此，大部分戲劇性的改變都會牽涉新概念、新規則及新種類的增刪，因為此時新概念和連結將會取代舊有的網絡(Thagard, 1992)。 13.

(25) Thagard(1992)將概念改變分類成九個階層（表 2-1-1），其中前三項階層只屬於簡單的信念修正，而後六項階層才是為涉及概念改變。然而在知識改變的分類中，信念修正包含了信念的增加與刪除，而概念改變則包含了信念的增加、刪除、重組以及概念階層的重新定義，因此在知識的發展上，概念改變的重要性遠超過單純的信念修正。然而，簡單的概念重組僅包含已存在之概念的相關延伸，這是有別於概念在整個階層樹中轉移的分枝跳躍（圖 2-1-4）。在科學知識的發展中，信念修正、概念增刪與簡單的概念重組是較為常見的，而分枝跳躍與樹的轉換則往往伴隨概念革命而來。. 表 2-1-1. Thagard 概念改變的九個階層(Thagard, 1992). 層級信念修正. 念改變. 以科學革命為例. 1.增加或刪除一個新事例（instance）. 瑣碎的概念結構改變. －. 2.增加或刪除一條弱的原則（weak rule）. 加入不同強度的規則，且依實用性決定強弱. －. 3.增加或刪除一條強的原則（weak rule）. 加入不同強度的規則，且依實用性決定強弱. －. 4.增加或刪除一個新的部. 分解（decompositon）或湯木生發現電子之前. 分關係（part-relation）. 概. 特質. 發現新的部分. 的原子模型. 5.增加或刪除一個新的種〃聯合(coalescence)：利 Black 區辨「熱」與「溫類關係（kind-relation）用上階關係連結兩概念度」的不同〃分化(differention)：找出兩概念之區別 6.增加或刪除一個新的概念（concept）. 有助於科學知識之發展. 增加「氧化」，刪除「燃素」的概念. 7.崩塌一部份的種類階層（kind-hierarchy）. 減弱或放棄原有的分類架構. 達爾文打破物種與變異間的區別. 8.藉由分枝跳躍（branch jumping）而重組階層. 概念從某一階層樹的分枝跳躍至另一分枝. 哥白尼將地球重新分類為行星的一種. 9.樹的轉換（tree switching）改變原有階層樹的組織. 愛因斯坦的相對論改. 原理. 變原有的時空概念. 14.

(26) 圖 2-1-4. 知識改變之分類圖 (修改自 Thagard, 1992). （三）概念革命. 根據解釋融貫性理論以及概念系統的觀點，可推論新舊理論轉換會有以下四個歷程：(Thagard, 1992). 1. 能察覺到一個新理論，並且該理論能與舊理論之概念系統相抗衡。 2. 即使對新理論抱持存疑，但仍能對新理論之概念系統逐漸累積並對其解釋觀點更加瞭解。 3. 能體會新理論比舊理論有更廣大的解釋融貫性。 4. 舊理論與其概念系統被捨棄。. 15.

(27) Thagard(1992)認為新舊理論或趨勢之間的概念關係與解釋關係有四種可能的相關性：吸納（incorporation）、否決（sublation）、排擠（supplantation）、漠視（disregard）（表 2-1-2）。然而，在科學領域中大部分非革命性的發展均屬於理論的吸納，但自然科學的革命則傾向於理論的否決與排擠，而在非科學領域或是某些社會科學領域的發展，則通常屬於理論的漠視。以拉瓦錫的氧化理論與達爾文的演化論為例，這些新理論分別排擠了燃素說和創造論。而在物理學上的科學革命，通常是以新理論否決舊理論，例如愛因斯坦的量子理論即是如此，但二十世紀的物理學革命則是傾向於理論的排擠。此外，心理學上則是由認知學派以更大的包容性來解釋人類的心智活動與行為，進而取代行為學派的觀點(Thagard, 1992)。（表 2-1-3）. 表 2-1-2 新舊理論概念關係之相關性(整理自 Thagard, 1992) 內容. 累積性. 吸納（incorporation）若新理論 T2 完全吸收舊理論 T1，則 T2 吸納 T1 否決（sublation）若新理論 T2 吸收部分舊理論 T1，並捨棄部分舊理論 T1，則 T2 否決 T1. T2 是 T1 的延伸，可視為全部累積否決的概念涉及捨棄與保留. 排擠（supplantation）若新理論 T2 幾乎完全捨棄舊理論 T1，則 T2 排擠 T1 漠視（disregard）若完全忽視舊理論 T1，而直接採用新理論 T2，則 T2 漠視 T1. T1 被 T2 取代，幾乎沒有累積性兩理論在本質上沒有關係. 16.

(28) 表 2-1-3 科學史上新舊理論系統間之關係(Thagard, 1992) 科學革命. 吸納. 否決. 排擠. 拉瓦錫的氧化理論. . 達爾文的演化論地質學的板塊構造學說哥白尼的天文學牛頓力學愛因斯坦的相對論.    . 漠視.  . 量子理論行為主義認知學派.  . Thagard(1992)提出概念革命理論，用以說明科學概念轉變的本質與機制。概念革命理論的論點如下：. 1. 科學革命涉及概念和命題系統之主要轉變 2. 概念系統主要是由種類階層（kind-hierarchies）和部分階層（parthierarchies）所構成 3. 新的理論概念通常是經由概念組合(conceptual combination)的機制所產生 4. 命題系統主要是由解釋融貫性的關係所結構而成的 5. 新的理論假說一般由外延（abduction）產生 6. 新的概念和命題系統的轉變，乃由於新的命題使用新概念時擁有更廣大的解釋融貫性. 根據比較不同領域中革命性的概念發展（表 2-1-4），可發現大部分的科學革命多屬於概念的增減以及分枝跳躍，其中分枝跳躍由於牽涉概念階層的修正，所以比簡單的概念增減較為劇烈。此外，樹的轉換則是更為少見，因為其 17.

(29) 涉及種類階層與部分階層的重新定義。. 表 2-1-4 科學革命拉瓦錫的氧化理論達爾文的演化論地質學的板塊構造學說. 科學史上概念改變之類型(Thagard, 1992) 概念增加. 氧化天擇板塊. 概念減少. 分枝跳躍. 燃素神創的地球收縮. 黃金是一種元素人類是一種動物. 樹的轉換種類大陸漂移與海底擴張. 哥白尼的天文學牛頓力學愛因斯坦的相對論量子理論. 重力理論渦旋相對論質量以太光量子. 地球是一種行星運動是一種狀態質能守恆波與粒子雙重性. 心智. 思考是一種反應. 行為主義認知學派. 資訊. 思考是一種計量. 18. 時空概念測不準性.

(30) 第二節概念發展與演化. 生物經歷漫長的演化歷程， Toulmin(1972)認為智力發展過程就如同演化論的「變異」和「天擇」，而人類的知識的增長過程就是一部漫長的演化史。概念改變與演化之間的關係，可以分成兩個部份：. 1. 變異的單位(the units of variation)：就如同短暫存在學科中的各種概念。 2. 有效修正的單位(the unit of effective modification)：就如同概念改變可以確實地在學科上執行。. Toulmin根據變異和有效修正的單位來說明概念改變的歷程，從族群模式觀點來看學科中概念改變的過程，可呈現出三種不同的模式：. 1.. 系列的表徵組(representative sets)：在連續時間內，某學科的概念組成情形 (圖2-2-1)，橫向模式可以協助我們將焦點著重在較傳統、有系統的科學整體觀。. 2.. 特定概念的祖譜系(genealogies)：上個方式已考量外表情況，接著就要探討特定概念的後續發展和最終命運情形(圖2-1-2)，縱向(或祖譜系)模式可以提供證據的連續性，概念的分支點或終止，都是概念改變的「單位」。. 19.

(31) 圖2-2-1. 圖2-2-2. 橫向或時間切割的表徵 (修改自Toulmin, 1972). 縱向或祖譜系的表徵(修改自Toulmin, 1972). 20.

(32) 3. 演化表徵(evolutionary representation)：結合上述兩個方式，藉由連續表徵組來追蹤所有相關概念的祖譜系發展，分析概念改變的兩個結果—概念變異和智力選擇(圖2-2-3)。演化表徵模式可以清楚地看出創新和選擇的差異，詳細的紀錄學科中出現的概念事實或某個時間點出現的爭論和創新。在自然情況下，有許多不同的生物族群生存在相同的環境，族群內的個體有許多變異存在，許多族群大量地繁殖，但因為環境有限，導致生存競爭，適合當時環境的族群被存活下來。概念改變就如同上述的演化過程，在相同的時間下，存有各種不同的概念，有時後概念會發現變異的現象，概念可以並存，不過當概念間發生衝突，發生辯證，競爭後有些概念消失，有些概念依舊存在。. 圖2-2-3. 演化表徵(Toulmin, 1972; 引自吳怡嫺, 2007). 與Toulmin同時期，Paiget(1972)提出認知發展論，至今仍被許多教育政策作為理論依據，早期理論主要以他自己對三位子女的觀察紀錄，進而分析兒童的智能表現與年齡的關係，不同年齡兒童所表現的認知差異，意味著人類的認知行為會隨著年齡的增長而出現質的變化。Paiget以基模(schema)做為認知發展的基本單位，意指個體運用與生俱來的基本行為模式，了解周為世界的認知結構，而偵結構是基模的不斷重組。他使用演化觀點中的「適應」說明個體的基模或認知結 21.

(33) 構(cognitive structure)，經歷環境變動而改變的歷程，藉由「同化」和「調適」來調整基模：. 1. 同化(assimilation)：個體以原本具有的基模去面對問題或吸收新經驗的歷程，將新的事物納入原有的認知結構中。 2. 調適(accommodation)：當原本的基模無法同化新知識的時候，個體只好改變原有的認知結構以符合環境要求。. 同化和調適以上兩種歷程，都是朝向平衡發展，一個平衡良好的觀念組合，將個體新學得的概念結合到整體的心理系統中，使得個體從環境所獲得的東西能夠緊密的連結到他過去的學習經驗中(張春興, 2005)。換而言之，在學習歷程中會遇到與本身既有概念的衝突，這時就會出現同化或調適，最後達到平衡的狀態，這意味著學生在學習新知識之前，腦袋並非是空白的，應該是對於欲學習的概念具備有素樸概念(naïve conception)或先前概念(preconception)，也就是常用的類比學生帶著有色的眼鏡進入教室，因為原先既有的概念影響到往後新概念的學習。Cochran, DeRuiter, & King (1993)強調個體在知識獲得的過程中，扮演著主動的角色，是個體主動對外在事物的建構歷程，而非被動的接受知識。這也顯示出學習過程經歷概念間的相互關係，經過個體的選擇，由學習者自己建立出屬於自己的知識架構，從學生的學習角度來看概念發展，可發現學習可視為概念改變的歷程(邱美虹, 2000)，當概念初步孕育之後，經由學習和實際體驗，概念會逐步成長，所以應該把研究焦點放在概念發展歷程。. 概念發展是個緩慢且不斷精緻化的演化過程，Riedl(1977)認為人類認知發展過程如同演化論一樣，而人的認知狀態可類比基因組合的基因型和表現型，外在的感官經驗可以得到外顯的認知(表現型)，個體經過內化而形成的認知(基因 22.

(34) 型)。兩種認知會相互影響，使認知結構發生變化，歷經選擇過程，最後適應環境(引自林財庫, 2005)。因此，人類的認知發展過程，與物種演化論的發展過程、模式和機制有許多可以並行的關係，就演化論來說明認知發展歷程，使用遺傳學的性狀表現型和基因型，並說明在巨觀下的結果和微觀下的變異間互動。綜合上述可知，概念系統內許多概念在相同或不同時間點出現，概念間彼此互動，有時候會出現概念混合型(兩個概念混合)，互動結果有些概念繼續存留，而無法經歷考驗的概念終止發展，構成以時間為橫軸的概念發展歷程。本研究以概念發展歷程為研究目的，從概念演化觀點探討學生在氧化還原單元的概念發展，參考林靜雯(2006)研究架構中使用生物系統分類學之支序學派，分別運用在物理領域的電學和化學領域的氣體概念。在生物領域中以演化歷史為基礎的分類法，稱為系統分類學 (phylogenetic systematics)，最早由Henning於 1950年提出，主要使用裔徵去重新建構共祖關係，並歸納共同祖先下分類群。支序圖就是一種根據分類群關係繪製而成的圖像表徵，然而這些分類群的特徵主要源自於觀察者本身。換而言之，支序圖是一種分類層次上的假說，並不一定表示為正確的事實，不過可藉由物種之間關係的改變情況提供我們更深入的探究與了解(Crandall, 1994)。 Wiley, et al. (1993)認為支序圖包含轉換系列(Transformation series)，表示所有轉換系列都是同源的特徵群，也就是研究當中選用的主概念(特徵)，代表為轉換系列的其中一項。如果轉換系列有序列性，也意味著演化朝向特定方向，但是不表示這樣的路徑必然出現。觀察者或研究者提供認知特徵與分類群(taxa) 搭配電腦軟體的使用繪製出許多系統發育樹，依照「大數原則」、「Henning輔助原則」、「歸類法則」、「包含 /排除法則」、「相對裔徵決定法則」、「儉約性」、「最大概似法」、「距離最小平方法」、和「近代技術」將資料作歸類，選出數棵最佳的系統發育樹(引自林靜雯, 2005 ; Wiley, et al., 1993)，以下將根據九個法則說明：. 23.

(35) 1.大數原則：盡量收集各種特徵資料，可以忽略隨機因素所造成的影響。 2. Henning輔助原理：在沒有相反證據的情況下，假設同源，而不要假設趨同演化。 3. 歸納法則：強調裔徵是共同祖先關係的證據，藉此可以分類。 4. 包含/排除法則：將許多樹型圖做整合，不合邏輯的部份就完全排除， 5. 相對裔徵決定法則：找尋姐妹群可以正確判斷祖徵和裔徵，單系群裡的兩個或兩個以上的同源特徵中，能在該單系群的姐妹群找到的特徵稱祖徵，而只能在內群找到的特徵是裔徵。 6. 儉約性：屬於事後的工作，也就是篩選完所有可能的概念演化樹後，節以儉約性原則，選出最短樹長的系統發育樹，最適合的樹型不只有一棵，也可能產生一組同等的儉約性的系統發育樹。 7. 近代技術：通常有三種常用的方法來評估最適樹，分別為「窮盡搜尋」、「分支—界線搜尋」和「啟發式搜尋」，一般而言，當數據組頗大，PAUP* 4.0*軟體可以先選用啟發式搜尋挑選最適系統發育樹，再用該圖的樹長作為起始上限，使用分支-界線搜尋法求得準確的系統發育樹。以生物系統分類學將現有生物的特徵輸入之後，藉由支序圖或系統發育樹的內容找出各個物種的親源關係，而Lin & Chiu(2007)利用生物系統發育學中的支序學派觀點，建立出兒童於電學概念之學習歷程概念演化樹，首創將生物領域之研究方法帶入科學教育領域，探究學生之概念發展歷程。. 24.

(36) 第三節解釋融貫性與 ECHO 程式一、解釋融貫性理論（Theory of explanatory coherence，TEC）. Thagard(1992)認為解釋融貫性理論是科學概念改變的核心，而概念革命的發生必頇有一個能說服人們放棄舊概念並接納新概念系統的機制。解釋融貫性存在以下相關性：(Thagard, 1992). （a）一個存在兩命題之間的關係。（b）一個整套相關命題的性質。（c）一個在整套命題內的單一命題的性質。. 其中（a）是解釋融貫性的基礎，而（b）建立於（a）的基礎之上，（c）建立於（b）的基礎之上。由此得知，一套命題系統之解釋融貫性決定於命題與命題之間相互的融貫性，也就是說，單一命題的解釋融貫性建立於其在一套命題系統中之融貫性。Thagard(1992)認為解釋融貫性則是因為命題與命題之解釋關係而相互支持，因此假若「命題 P 與 Q 融貫，並且有一解釋關係存在它們之間」，則有以下可能性：. 1. P 是 Q 解釋的一部份。 2. Q 是 P 解釋的一部份。 3. P 聯合 Q 是某 R 解釋的一部份。 4. P 類似於 Q，且分別解釋 R 和 S。. 綜合以上觀點，Thagard(1992)認為解釋融貫性理論包含七個原則，這些原則可用以作為評估命題在解釋系統中可接受性之判準。解釋融貫性 25.

(37) 理論原則茲列如下：. 原則 1.對稱（Symmetry）兩命題之間的融貫性或不融貫性是呈現對稱關係。（a）若命題 P 與 Q 彼此融貫，則命題 Q 與 P 融貫。（b）若命題 P 與 Q 彼此不融貫，則命題 Q 與 P 不融貫。. 原則 2.解釋（Explanation）解釋原則是評估解釋融貫性最重要的依據，並且在此預先假定解釋原則是限制關係多於推論，否則任何兩命題皆可被證實為融貫。. （a）若數個命題皆能解釋同一個證據，則此些命題各自皆與該證據融貫。若命題 P1、P2、P3、……Pn 能解釋同一個證據，則命題 P1、 P2、P3、……Pn 的任何一個命題皆與該證據融貫。（b）若數個命題共同解釋同一個證據，則此些命題與命題皆彼此融貫。若命題 P1、P2、P3、……Pn 能共同解釋同一個證據，則命題 P1、P2、P3、……Pn 彼此皆相互融貫。（c）解釋某一證據所使用的命題數目愈多，則該證據與命題之間的融貫性愈低，命題與命題之間的融貫性也愈低。. 因此，「簡單性」（simplicity）應是最適當科學理論的篩選標準。也就是具有較少特定假設的理論其解釋融貫性較高。. 原則 3.類比（Analogy）假如命題 P1 能解釋命題 Q1，命題 P2 也能解釋命題 Q2，此時若命題 P1 類似於命題 P2，命題 Q1 也類似於命題 Q2，因此若命題 P1 與 P2 融貫， 26.

(38) 則命題 Q1 與 Q2 也會相互融貫。. 原則 4.資料優先（Data priority）描述觀察結果而得的命題，此命題在該命題系統中有一定的可接受程度。. 原則 5.矛盾（Contradiction）兩個語法或語意相互矛盾的命題，它們相互必定不融貫。也就是說，假若命題 P 與 Q 彼此矛盾，則命題 P 與 Q 彼此不融貫。. 原則 6.競爭（Competition）假如命題 P 與 Q 都可以解釋某一命題 R，且命題 P 與 Q 之間不能被連貫地解釋，則命題 P 與 Q 彼此被視為不融貫。若要命題 P 與 Q 被視為能相互連貫解釋，除非它們其中之一可以解釋另一方或是 P 與 Q 可以共同解釋某個命題。亦即：. （a）P 是 Q 解釋的一部份。（b）Q 是 P 解釋的一部份。（c）P 與 Q 共同是某命題的部分解釋。. 因此，兩個解釋相同證據的假說，除非它們之間有其他的解釋關係，否則此兩個假說必然會是相互競爭。. 原則 7.可接受性（Acceptability）. （a）一個命題 P 在命題系統 S 中的可接受性，取決於此命題 P 在 27.

(39) 該命題系統 S 中的融貫性。（b）假如許多相關實驗的觀察結果都無法解釋某一證據，則僅可以解釋部分證據的命題 P，其可接受性也就大為降低了。. 因此，若是命題 P 在命題系統中與部分命題融貫，但同時也與其他命題不融貫，此時不能單純只是去計算與命題 P 融貫和不融貫的命題數目，而是必頇以動態的方式考量該命題在此命題系統的融貫關係。. 二、 ECHO 程式（一）連結主義與 Necker 立方體（Necker cube）. 1980 年代，神經網路演算法的復甦是認知科學上極為重要的發展，許多心理學家與電腦科學家開始發展一種不同型態的計算法模式，將每個組成單元視為猶如大腦的神經元一般，藉由刺激與抑制而連結成為一個網路系統，並且將此應用於視覺、語意網路及語言學習等認知現象。在此我們詴以 Necker 立方體說明連結主義的網路連結關係（圖 2-3-1）。(Thagard, 1989). 圖 2-3-1 Necker 立方體（Thagard, 1989）. 28.

(40) Necker 立方體中，由於知覺轉換的緣故，因此平面 ABCD 或平面 EFGH 都可視為立方體的前方平面，但是因為立方體是整體被知覺的，所以當我們將平面 ABCD 視為立方體的前方平面時，則角 A、角 B、角 C、角 D 必定同時被知覺為在立方體的前方，相反地，角 E、角 F、角 G、角 H 必定被知覺為在立方體的後方。因此，若設定假說 Af 代表將角 A 視為在立方體的前方平面，假說 Ab 代表將角 B 視為在立方體的後方平面，依此原則也可建立 Bf、Bb、Cf、Cb、Df、Db、 Ef、Eb、Ff、Fb、Gf、Gb、Hf、Hb 等彼此獨立的假說。然而，因為角 A 不可能同時被視為在前方平面或後方平面，所以假說 Af 和 Ab 必定相互矛盾，所以在 Af 和 Ab 之間存在抑制性連結（inhibitory link）。另外，角 A、角 B、角 C、角 D 必定同時被知覺，所以 Af、Bf、Cf、Df 之間具有解釋關係，所以 Af、Bf、Cf、Df 之間存在激發性連結（excitatory link）。同理，這樣的矛盾關係和解釋關係也存在於其他假說之間。根據連結主義的觀點，可建立在 Necker 立方體中各個假說之間的網路關係（圖 2-3-2）。在這樣的脈絡中，由於各假說之間具有不同的解釋關係，因此有些假說會被活化（activation），有些則會死化（deactivated）。假設若將角 A 視為在立方體的前方平面，則假說 Af 將被活化，而與假說 Af 有矛盾關係的假說 Ab 將被死化，此外，與假說 Af 存在激發性連結的 Bf、Cf、Df，也同時會被活化，相對的，與假說 Ab 存在激發性連結的 Bb、Cb、Db，也同時會被死化。由此可知，一個命題的活化或死化，會由於該命題與其他命題的相對關係而相互影響，因此這樣的網路關係是整體而全面的。. 29.

(41) 圖 2-3-2 以連結主義觀點詮釋 Necker 立方體之網路連結（Thagard, 1989）. （二）ECHO 程式. 根據解釋融貫性理論的觀點，一個新理論若能取代舊有的理論，是由於新理論的命題系統具有較廣大的解釋融貫性，而 ECHO 程式即是直接應用連結主義的演算法，具體呈現解釋融貫性理論中一個命題性系統中各個命題的可接受性（表 2-3-1）。 ECHO 程式是一個以 Common. LISP 設計的電腦程式。ECHO 程式中，每. 個假說或是命題以單元（unit）的方式呈現，並且根據解釋融貫性理論在各單元之間建立連結關係。依據解釋融貫性理論，假若兩命題具有融貫性，則 ECHO 程式將會在兩命題之間建立激發性連結（excitatory link），相反地，假若兩命題不融貫，則兩命題之間便會建立抑制性連結（inhibitory link）。 ECHO 程式依據解釋融貫性理論的資料優先（Data priority）原則，假定系統中存在一活化值為 1 的特殊命題（special），而此特殊命題能與命題系統中所有命題融貫。最後，ECHO 程式將會計算各個命題在整個命題系統中的權重，任一命題 30.

(42) 的權重是該命題與特殊命題在整個命題系統中的可接受程度，因而該權重為一相對數值。激發性連結的權重為正值，抑制性連結的權重為負值，而每個單元的活化範圍皆介於 1 和-1 之間，假若該單元的活化值為正值，則代表此命題在整個命題系統中是可被接受的；假若該單元的活化值為負值，則代表此命題在整個命題系統中是被拒絕的，而活化值為 0，代表該命題在命題系統中呈現中立。. 表 2-3-1 ECHO 程式與解釋融貫性理論相關名詞之對應（Thagard, 1992）解釋融貫性理論. ECHO 程式. 命題（proposition）. 單元（unit）. 融貫（coherence）. 產生激發性連結（excitatory link）. 不融貫（incoherence）. 產生抑制性連結（inhibitory link）. 資料優先（Data priority）. 特殊命題（special）. 可接受性（Acceptability）. 活化（activation）. （三）ECHO 程式的執行與科學革命之應用 Thagard(1992)認為以認知或演算取向瞭解科學比用傳統哲學或社會學的方法有更多的優點，乃由於認知或演算取向能詳細界定引起重要科學發現的心理機制。然而在不同的科學革命中，我們看到不同類型的科學發現過程，但大部分科學革命多以解釋導向（explanation-driven）的發現類型為主，經由概念與假說去解釋令人困惑的事件。在概念革命中，解釋融貫性是理論被接受的主要機制，但解釋融貫性的不同重點決定不同的理論替代。對大部分的科學革命而言，新理論能解釋的廣度是解釋融貫性的最大因素。在此以拉瓦錫（Lavoisier）的氧化理論（oxygen theory） 31.

(43) 取代史塔（Stahl）的燃素說（phlogiston theory）為例，進而說明 ECHO 程式的執行與在科學革命上之應用。史塔的燃素說是十八世紀中葉最重要的化學理論，他認為燃燒、呼吸、生鏽與鍛燒等現象都是由於燃素的釋放，而拉瓦錫的氧化理論則是認為這些現象都包含氧氣吸附的過程。根據燃素說與氧化理論不同的立論基礎，各命題與現象之間會存在相互解釋或是競爭的網路關係（圖 2-3-3）。. 圖 2-3-3 氧化理論與燃素說各命題與現象之網路關係（Thagard, 1992）. 32.

(44) 在 ECHO 程式的實際執行上，首先必頇將氧化理論與燃素說視為兩個獨立之假說，而燃燒和鍛燒的不同現象作為證據，並對這兩個假說與相關證據進行命題編碼（表 2-3-2），接著將兩個假說之各命題與證據之解釋關係建立 ECHO 編碼（表 2-3-3），最後再將 ECHO 編碼鍵入 ECHO 程式的 input 欄位，按下 run ECHO 鍵，則會在 accepted 與 rejected 欄位中出現各命題的活化值（圖 2-3-4）。若按下 graph 鍵，ECHO 程式則會自動繪製命題與特殊命題之間的命題結構圖（圖 2-3-5）。. 表 2-3-2 氧化理論與燃素說之 ECHO 程式命題編碼（Thagard, 1992）證據/假說證據. 氧化理論. 命題 E1. 燃燒時會釋放出光與熱. E2. 可燃性是由一種物體傳遞到另一物體. E3 E4 E5. 只有在純的空氣中才可能發生燃燒燃燒後，物體增加的重量會等於自空氣中吸附的重量金屬可以鍛燒. E6 E7 E8. 鍛燒時，物體的重量會增加鍛燒時，空氣的體積會減少還原時，會出現類似沸騰的現象. OH1 純的空氣中含有氧 OH2 純的空氣中含有火和熱的物質 OH3 OH4 OH5 OH6. 燃素說. 燃燒時，空氣中的氧與燃燒的物質結合氧具有重量鍛燒時，金屬與氧結合變成灰燼鍛燒時，會釋放出氧. PH1 可燃的物體含有燃素 PH2 可燃的物體含有熱的物質 PH3 燃燒時，會釋放出燃素 PH4 燃素能從一物體通過到另一物體 PH5 金屬含有燃素 PH6 還原時，會釋放出燃素. 表 2-3-3 氧化理論與燃素說之 ECHO 編碼與解釋關係（Thagard, 1992）假說. ECHO 編碼. 解釋關係 33.

(45) explain((OH1,OH2,OH3),E1). explain((OH1, OH3),E3). explain((OH1,OH3,OH4),E4) 氧化理論. explain((OH1, OH5),E5). explain((OH1,OH4,OH5),E6). explain((OH1,OH5),E7). explain((OH1,OH6),E8). OH1、OH2、OH3 共同解釋 E1 （純的空氣中含有氧、火和熱的物質，燃燒時，空氣中的氧與燃燒的物質結合，因此會釋放出光與熱。） OH1、OH3 共同解釋 E3 （純的空氣中含有氧，燃燒時，空氣中的氧與燃燒的物質結合，所以只有在純的空氣中才可能發生燃燒。） OH1、OH3、OH4 共同解釋 E4 （純的空氣中含有氧，而且氧具有重量，燃燒時，空氣中的氧與燃燒的物質結合，所以燃燒後，物體增加的重量會等於自空氣中吸附的重量） OH1、OH5 共同解釋 E5 （純的空氣中含有氧，鍛燒時，金屬與氧結合變成灰燼，所以金屬可以鍛燒。） OH1、OH4、OH5 共同解釋 E6 （純的空氣中含有氧，而且氧具有重量，鍛燒時，金屬與氧結合變成灰燼，所以物體的重量會增加。） OH1、OH5 共同解釋 E7 （純的空氣中含有氧，鍛燒時，金屬與氧結合變成灰燼，所以空氣的體積會減少。） OH1、OH6 共同解釋 E8 （純的空氣中含有氧，還原時，會釋放出氧，所以會出現類似沸騰的現象。）. explain((PH1,PH2,PH3),E1). explain((PH1,PH3,PH4),E2) 燃素說 explain((PH5, PH6),E5). PH1、PH2、PH3 共同解釋 E1 （可燃的物體含有燃素與熱的物質，燃燒時，會釋放出燃素，因此會釋放出光與熱。） PH1、PH3、PH4 共同解釋 E2 （可燃的物體含有燃素，燃燒時，會釋放出燃素，燃素能從一物體通過到另一物體，所以可燃性是由一種物體傳遞到另一物體。） PH5、PH6 共同解釋 E5 （金屬含有燃素，鍛燒時，會釋放出燃素，所以金屬可以鍛燒。）. Data(E1,E2,E3,E4,E5,E6,E7,E8). 34.

(46) 圖 2-3-4 ECHO 程式介面（以拉瓦錫氧化理論為例）. 35.

(47) （a）氧化理論之 ECHO 命題結構圖. （b）燃素說之 ECHO 命題結構圖. 圖 2-3-5 氧化理論與燃素說之 ECHO 命題結構圖. 36.

(48) 第參章. 研究方法. 此章節主要介紹本研究的架構設計與工具發展，共分為五小節，分別為研究設計、研究對象、研究工具、研究流程，以及資料處理與分析。. 第一節. 研究設計. 本研究欲探討不同年級學生所持有之氧化還原心智模式類型以及其概念發展歷程，研究工具以問卷為主，在設計上沒有安排特定的教學或活動介入。問卷內容包含兩種題型，一為選擇題，二為問答題。因考量不同年級學生之認知發展以及受詴者對詴題中部分專有名詞的理解，因此選擇題的部分，設計為生活化的情境題，包含五個題組，共 30 小題；問答題的部分，則屬於開放式問答題，共 3 題。首先根據每個學生對氧化還原概念問卷之作答結果，根據氧化還原概念詴題各選項與認知編碼對照表進行編碼，接著計算每一位學生在回答同一主概念之問題的每一類型概念頻率，最後再把每年級學生同一類型的概念頻率相加再除以該年級總人數即為該年級學生氧化還原概念類型之比例。最後將不同年級學生氧化還原概念類型與比例進行比較。接著分析學生在四個主概念下之類型組合，構成學生之整體概念類型。再依據整體概念類型所對應之認知狀態組合統整出 12 種心智模式，藉由 PAUP*軟體繪製氧化還原演化樹，並計算每一種心智模式之解釋融貫性，並將兩者加以比較，以推知跨年級學生氧化還原概念發展歷程。. 37.

(49) 圖 3-1-1. 研究設計架構. 38.

(50) 第二節. 研究對象. 本研究主要目的為探究跨年級學生氧化還原概念之發展歷程，考量不同年級氧化還原相關概念課程內容安排，以及正式施測的時間，因此選取的研究對象為七年級、八年級、九年級、高中一年級（不分組）、高中二年級（自然組）以及大學部（化學系）學生。本研究之樣本選取乃方便取樣，選取的研究對象以北部地區之國、高中以及大學學生為主，每個年級施測班級數約 3 至 4 班，各年級施測人數約 100 至 180 人。在國中方面，研究者選取桃園縣一國中七年級 3 個班級，人數共 99 人，八年級 3 個班級，人數共 95 人，九年級 3 個班級，人數共 87 人。高中部分則選取桃園縣一國立高中，高中一年級（不分組）4 個班級，人數共 177 人，高中二年級（自然組）4 個班級，人數共 173 人，以及大學部（化學系）人數為 71 人，詳細施測班級數與人數統計見表 3-2-1。本研究以氧化還原概念詴題 30 小題以及開放式問答題 3 題皆有作答作為判準，回收有效問卷共 702 份。. 表 3-2-1. 各年級學生施測人數統計施測對象. 班級數. 總人數. 七年級. 3. 99. 八年級. 3. 95. 九年級. 3. 87. 高中一年級（不分組）. 4. 177. 高中二年級（自然組）. 4. 173. 大學部（化學系）. 2. 71. 39.

(51) 第三節一、. 研究工具. 氧化還原概念問卷之設計氧化還原概念問卷的主要目的是用以瞭解不同年級學生氧化還原心智模式. 以及認知狀態之類型與比例，並進一步藉由跨年級的資料分析學生對此概念架構之認知發展情形。統整國內外氧化還原概念相關研究以及不同年級氧化還原相關概念課程內容安排，推測學生可能持有的氧化還原心智模式及各類認知狀態，藉此歸納出氧化還原概念的四個主概念：概念本質、反應過程、氧化力、反應次序，並依此設計氧化還原概念問卷。問卷內容共包含四個主概念，第一個主概念為「概念本質」，共有五種不同的認知狀態；第二個主概念「反應過程」與第三個主概念「氧化力」，又依據第一個主概念「概念本質」的五種認知狀態細分為五種本質類別，各類別又包含二至三種不同的認知狀態；第四個主概念為「反應次序」，依照對於名詞上的誤解以及反應是否能獨立發生，可分為三類，各類別又包含一至三種不同的認知狀態（表 3-3-1）。問卷題型的設計包含兩種類型，一為選擇題，包含五個題組，共 30 小題；二為開放式問答題，共 3 題。因考量不同年級學生之認知發展以及受詴者對詴題中部分專有名詞的理解，因此選擇題的部分，設計為生活化的情境題，題組一為關於蘋果在削皮或是切開後，果肉會由原本的淡黃色變成顏色較深的黃褐色的相關想法；題組二為關於燃燒的概念；題組三為有關於漂白水的去污原理；題組四為關於生鏽的概念；題組五為臭氧層遭受氟氯碳化合物破壞的相關概念。問答題的部分，第一題為請學生說明何為氧化還原反應，第二題請學生說明如何判斷一個反應為氧化還原反應，第三題則請學生舉出一個氧化還原反應的實例，並利用第二題所提出的方法去說明為何此例子為氧化還原反應。 40.