探討建模教學對八年級學生酸鹼概念發展與建模能力的影響

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(1)國立台灣師範大學科學教育研究所碩士論文. 指導教授：邱美虹博士. 探討建模教學對八年級學生酸鹼概念發展與建模能力的影響 Investigating the Effectiveness of Model-based Teaching on Eighth Graders’ Conceptual Development and Modeling Ability in Acid and Base. 研究生：黃文田. 中華民國 102 年 6 月.

(2) 摘要本研究選取國民中學教科書自然與生活科技第四冊『酸與鹼』單元為研究主題，依課程內容擷取『酸鹼的定義與通性』、『酸鹼濃度與 pH 值』和『酸鹼中和與鹽類』三個主題概念設計教學活動。分別進行『建模教學』、『建模合作教學』和『一般教學』三種不同教學模式，探討不同教學法對學生酸鹼概念與建模能力的影響，並進一步探討兩者間的相關性。本研究的研究對象為國中八年級三個班共 88 位學生，所使用的研究工具為研究者針對主題概念所研發的『酸鹼概念診斷測驗』與『建模能力分析試題』，據此工具以量化的形式來分析學生的酸鹼概念與建模能力。研究結果如下：一、兩種建模教學(實驗組)在教學後酸鹼概念的後測及延宕測表現，都顯著優於一般教學(控制組)，在兩實驗組間的比較上，『建模合作組』在後測和延宕測的表現皆優於『建模教學組』。建模教學與建模合作教學在『酸鹼的定義與通性』和『酸鹼濃度與 pH 值』主題概念的學習，都能顯著優於一般教學。但在較為複雜的『酸鹼中和與鹽類』概念學習上，建模教學無法顯著優於一般教學，而建模合作教學依然能顯著優於一般教學。二、教學前三組學生在『酸鹼中和』心智模式皆以現象模式、直覺濃度模式與不一致的混合模式、競爭模式和散亂模式為主。教學後『一般教學組』達類科學模式的比例為 25%，『建模教學組』的類科學模式比例為 35.7%，『建模合作組』有 34.7%的類科學模式，且有 9.4%達科學模式。延宕測後『建模教學組』與『建模合作組』在類科學模式以上的比例稍增加，但『一般教學組』卻減少，顯示建模教學較一般教學能幫助學生建構出正確的科學心智模式。三、兩種建模教學(實驗組)在教學後建模能力的後測及延宕測表現，都顯著優於一般教學(控制組)，在兩實驗組間的比較上，『建模合作組』後測的表現優於『建模教學組』。延宕測後『建模合作組』在三組間仍然保有最佳表現。建模教學在各個建模歷程的後測和延宕測表現上都優於一般教學，顯示建模. I.

(3) 教學較一般教學更能有效提升學生的建模能力。研究中亦發現，兩實驗組在前三個歷程的建模能力表現上差異不大，但在後二個建模歷程，『建模合作組』的表現明顯優於『建模教學組』。可見透過合作式的建模教學，對於學生高階認知與推論能力的培養具有較佳的成效。四、教學前三組中僅『建模合作組』的酸鹼概念與建模能力達顯著相關(p＜.01)，其餘兩組的相關性低。教學後三組均達顯著正相關(p＜.001)，顯見三種教學模式均能同時提升學生的酸鹼概念與建模能力。而建模教學比一般教學較能同時提升教學成效與學生的建模能力，且透過合作式學習，更能增進整體的成效。. 關鍵字：模型與建模、酸與鹼、心智模式、合作式建模教學. II.

(4) Abstract The topic of this research was chosen from “Acid and Base”, Science and Technology, Book Ⅳ in junior high school. It contained three subconcepts of “definition and generality of acid and base”, “concentration and pH value of acid and base”, and “neutralization and salts” to design the instruction. It conducted three different teaching models of “modeling teaching”, “cooperative modeling teaching”, and “general teaching” to investigate the effectiveness on students’ concepts of acid and base and modeling ability and further explored the correlation between them. The participants in this research included 88 8th graders from three classes. The research instruments included “diagnostic test of concepts of acid and base” and “analytic test of modeling ability” which were designed by researcher to analyze students’ concepts of acid and base and modeling ability quantitatively. The research results were mentioned as below: 1. The performance of posttest and retention test in the concepts of acid and base of the two modeling teachings (experimental groups) were significantly superior to the general teaching (control group) after teaching. Compared with the two experimental groups, “cooperative modeling teaching group” was superior to “modeling teaching group” in both posttest and retention test. The modeling teaching group and the cooperative modeling teaching group were also significantly superior to the general teaching group in the subconcepts of “definition and generality of acid and base” and “concentration and pH value of acid and base”. However, in the learning of more complicated subconcept of “neutralization and salts”, the modeling teaching group was not able to be superior to the general teaching group, but the cooperative modeling teaching group still did. 2. Before the teaching, students’ “mental model of neutralization ” in the three groups all came with phenomenon model, intuitive concentration model, mixed model, III.

(5) competitive model, and messy model. After the teaching, there were 25% students could reach to scientific-like model in the “general teaching group”, 35.7% students in the “modeling teaching group”. There were 34.7% students could reach to scientific-like model and 9.4% students could reach to scientific model in the “cooperative modeling teaching group”. In the retention test, the “modeling teaching group” and the “cooperative modeling teaching group” both slightly increased the rate of scientific-like model, but the “general teaching group” decreased. It revealed that modeling teaching could help students constructing more correct scientific mental model than general teaching did. 3. The performance of posttest and retention test in modeling ability of the two modeling teachings (experimental groups) were significantly superior to the general teaching (control group) after the teaching. Compared with the two experimental groups, the “cooperative modeling teaching group” was superior to the “modeling teaching group” in the posttest. The “cooperative modeling teaching group” still had the best performance among the three groups in the retention test. In every modeling process, modeling teachings were superior to general teaching in both posttest and retention test. It showed that modeling teachings could efficiently promote students’ modeling ability than general teaching. It also found that there was not significant difference on modeling ability between the two modeling teachings in the first three modeling processes, but the “cooperative modeling teaching group” was superior to the “modeling teaching group” in the last two modeling processes. As we can see that through the cooperative modeling teaching could promote students’ high level cognition and deductive ability. 4. Before the teaching, only the “cooperative modeling teaching group” had a significant and positive correlation (p＜.01) between the concepts of acid and base and modeling ability. After the teaching, there were significant and positive IV.

(6) correlations (p＜.001) in the three groups. It showed that the three teachings could simultaneously promote students’ concepts of acid and base and modeling ability. Modeling teachings could simultaneously facilitate teaching effects and students’ modeling ability than general teaching. Through the cooperative learning, it could enhance even more in the whole effects.. Keywords：model and modeling, acid and base, mental model, cooperative modeling teaching. V.

(7) 目次第壹章緒論................................. 緒論...............................................................................................1 ...............................................................................................1 第一節研究背景與動機......................................................................................1 第二節研究目的與研究問題..............................................................................3 第三節名詞釋義...................................................................................................4 第四節研究範圍與限制......................................................................................6. 第貳章文獻探討............................ 文獻探討......................................................................................7 ......................................................................................7 第一節概念改變...................................................................................................7 第二節心智模式.................................................................................................17 第三節模型與建模.............................................................................................22 第四節. 合作學習的基本概念............................................................................37. 第五節. 酸鹼概念研究....................................................................................39. 第参章研究方法........................................................ 研究方法......................................................................................49 ......................................................................................49 第一節研究設計...................................................................................................49 第二節研究對象...................................................................................................52 第三節研究工具...................................................................................................53 第四節研究流程...................................................................................................58 第五節資料處理與分析.......................................................................................60. 第肆章研究結果與討論................ 研究結果與討論............................................ ..........................................................................63 ..........................................................63 第一節酸鹼概念學習成效分析..........................................................................63 第二節酸鹼主題概念學習成效分析..................................................................67 第三節酸鹼中和心智模式分析...........................................................................78 第四節酸鹼建模能力分析...................................................................................88 第五節各建模歷程之建模能力分析.................................................................93 VI.

(8) 第六節. 酸鹼概念和建模能力的相關性...........................................................109. 第伍章結論與建議.................................................... 結論與建議.................................................................................119 .................................................................................119 第一節結論..........................................................................................................119 第二節建議..........................................................................................................122 參考文獻...................................................................................................................125 一、中文部分..................................................................................................125 二、西文部分..................................................................................................127 附錄一. 酸、鹼、鹽概念圖........................................................................133. 附錄二. 酸鹼概念命題陳述........................................................................134. 附錄三. 建模教學組教學設計....................................................................135. 附錄四. 建模合作組教學設計....................................................................138. 附錄五. 一般教學組教學設計....................................................................141. 附錄六. 建模教學組與建模合作組課程學習單......................................143. 附錄七. 一般教學組課程學習單................................................................156. 附錄八. 酸鹼概念診斷測驗.........................................................................166. 附錄九. 酸鹼建模能力分析試題................................................................170. 附錄十. 酸鹼建模能力試題計分標準........................................................175. VII.

(9) 表次表 2-1-1. 概念改變相關理論的特質.............................................................................8. 表 2-1-2. Thagard 概念改變的階層................................................................................9. 表 2-1-3. 直接過程與突現過程的演變程...................................................................12. 表 2-1-4. 直接過程和突現過程的本體屬性...............................................................13. 表 2-3-1. Harrison 與 Treagust 的類比模型分類........................................................24. 表 2-3-2. 類比模型的分類.............................................................................................25. 表 2-3-3. 建模能力分析指標－MAAI(6×6 矩陣).......................................................35. 表 2-4-1. 學生酸鹼心智模式的特徵............................................................................45. 表 2-4-2. 酸鹼相關概念之迷思概念與心智模式.......................................................46. 表 3-1-1. 三組之教學活動內容.....................................................................................51. 表 3-2-1. 本研究參與對象人員分布............................................................................52. 表 3-3-1. 研究工具的設計要點.....................................................................................53. 表 3-3-2. 酸鹼概念命題陳述與題號對照表...............................................................54. 表 3-3-3. 酸鹼中和概念認知特徵編碼表...................................................................55. 表 3-3-4. 酸鹼中和概念認知特徵內容........................................................................56. 表 3-3-5. 酸鹼中和概念心智模式................................................................................57. 表 4-1-1. 『酸鹼概念診斷測驗』前測 ANOVA 分析...............................................64. 表 4-1-2. 『酸鹼概念診斷測驗』前測 vs 後測相依樣本 t 考驗分析.....................64. 表 4-1-3. 『酸鹼概念診斷測驗』前測 vs 後測 ANCOVA 事後比較分析..............65. 表 4-1-4. 『酸鹼概念診斷測驗』前測 vs 延宕測相依樣本 t 考驗分析................65. 表 4-1-5. 『酸鹼概念診斷測驗』前測 vs 延宕測 ANCOVA 事後比較分析.........66. 表 4-1-6. 三組酸鹼概念前、後、延宕測平均分數與標準差..................................66. 表 4-2-1. 三組酸鹼主題概念前測 ANOVA 分析.......................................................68. 表 4-2-2. 『酸鹼的定義與通性』前測 vs 後測相依樣本 t 考驗分析.....................69. VIII.

(10) 表 4-2-3. 『酸鹼的定義與通性』前測 vs 後測 ANCOVA 事後比較分析..............70. 表 4-2-4. 『酸鹼濃度與 pH 值』前測 vs 後測相依樣本 t 考驗分析.......................70. 表 4-2-5. 『酸鹼濃度與 pH 值』前測 vs 後測 ANCOVA 事後比較分析................71. 表 4-2-6. 『酸鹼中和與鹽類』前測 vs 後測相依樣本 t 考驗分析..........................71. 表 4-2-7. 『酸鹼中和與鹽類』前測 vs 後測 ANCOVA 事後比較分析..................72. 表 4-2-8. 『酸鹼的定義與通性』前測 vs 延宕測相依樣本 t 考驗分析.................73. 表 4-2-9. 『酸鹼的定義與通性』前測 vs 延宕測 ANCOVA 事後比較分析..........73. 表 4-2-10 『酸鹼濃度與 pH 值』前測 vs 延宕測相依樣本 t 考驗分析...................74 表 4-2-11 『酸鹼濃度與 pH 值』前測 vs 延宕測 ANCOVA 事後比較分析............74 表 4-2-12 『酸鹼中和與鹽類』前測 vs 延宕測相依樣本 t 考驗分析.....................75 表 4-2-13. 『酸鹼中和與鹽類』前測 vs 延宕測 ANCOVA 事後比較分析...............75. 表 4-3-1. 『酸鹼中和』概念之心智模式認知內容....................................................78. 表 4-3-2. 建模教學組之『酸鹼中和』心智模式分布(%).......................................79. 表 4-3-3. 建模合作組之『酸鹼中和』心智模式分布(%).......................................82. 表 4-3-4. 一般教學組之『酸鹼中和』心智模式分布(%).......................................85. 表 4-4-1. 『酸鹼建模能力』前測 ANOVA 分析.......................................................89. 表 4-4-2. 『酸鹼建模能力分析試題』前測 vs 後測相依樣本 t 考驗分析.............89. 表 4-4-3. 『酸鹼建模能力分析試題』前測 vs 後測 ANCOVA 事後比較分析.....90. 表 4-4-4. 『酸鹼建模能力分析試題』前測 vs 延宕測相依樣本 t 考驗分析.........91. 表 4-4-5. 『酸鹼建模能力分析試題』前測 vs 延宕測 ANCOVA 事後比較分析...91. 表 4-4-6. 三組建模能力前、後、延宕測平均分數與標準差..................................92. 表 4-5-1. 三組各建模歷程之建模能力前測 ANOVA 分析.......................................94. 表 4-5-2. 『模型選擇』前測 vs 後測相依樣本 t 考驗分析......................................95. 表 4-5-3. 『模型選擇』前測 vs 後測 ANCOVA 事後比較分析..............................95. 表 4-5-4. 『模型建立』前測 vs 後測相依樣本 t 考驗分析.....................................96. 表 4-5-5. 『模型建立』前測 vs 後測 ANCOVA 事後比較分析..............................96 IX.

(11) 表 4-5-6. 『模型效化』前測 vs 後測相依樣本 t 考驗分析......................................97. 表 4-5-7. 『模型效化』前測 vs 後測 ANCOVA 事後比較分析..............................97. 表 4-5-8. 『模型應用』前測 vs 後測相依樣本 t 考驗分析......................................98. 表 4-5-9. 『模型應用』前測 vs 後測 ANCOVA 事後比較分析..............................99. 表 4-5-10. 『模型調度』前測 vs 後測相依樣本 t 考驗分析.....................................99. 表 4-5-11 『模型調度』前測 vs 後測 ANCOVA 事後比較分析.............................100 表 4-5-12. 『模型選擇』前測 vs 延宕測相依樣本 t 考驗分析..................................101. 表 4-5-13 『模型選擇』前測 vs 延宕測 ANCOVA 事後比較分析.........................101 表 4-5-14. 『模型建立』前測 vs 延宕測相依樣本 t 考驗分析.................................102. 表 4-5-15. 『模型建立』前測 vs 延宕測 ANCOVA 事後比較分析.........................102. 表 4-5-16. 『模型效化』前測 vs 延宕測相依樣本 t 考驗分析................................103. 表 4-5-17. 『模型效化』前測 vs 延宕測 ANCOVA 事後比較分析.........................103. 表 4-5-18. 『模型應用』前測 vs 延宕測相依樣本 t 考驗分析...............................104. 表 4-5-19 『模型應用』前測 vs 延宕測 ANCOVA 事後比較分析........................104 表 4-5-20 『模型調度』前測 vs 延宕測相依樣本 t 考驗分析................................105 表 4-5-21 『模型調度』前測 vs 延宕測 ANCOVA 事後比較分析........................105 表 4-6-1. 三組前測之酸鹼概念 vs 建模能力的相關性分析................................109. 表 4-6-2. 三組前測之酸鹼概念 vs 各歷程建模能力的相關性分析....................111. 表 4-6-3. 三組後測之酸鹼概念 vs 建模能力的相關性分析.................................112. 表 4-6-4. 三組後測之酸鹼概念 vs 各歷程建模能力的相關性分析....................113. 表 4-6-5. 三組延宕測之酸鹼概念 vs 建模能力的相關性分析............................114. 表 4-6-6. 三組延宕測之酸鹼概念 vs 各歷程建模能力的相關性分析................116. 表 4-6-7. 三組酸鹼概念 vs 建模能力的相關性分析..............................................116. X.

(12) 圖次圖 2-1-1. 知識改變分類方法論....................................................................................10. 圖 2-1-2. Chi 本體樹的組織架構..................................................................................11. 圖 2-1-3. Chi 本體樹內階層的分類..............................................................................13. 圖 2-1-4. Vosniadou 的概念改變架構理論...................................................................15. 圖 2-1-5. RAINBOW 的理論架構..................................................................................16. 圖 2-2-1. Johnson-Laird 概念與心智模式關係圖........................................................19. 圖 2-2-2. 地球形狀的心智模式.....................................................................................21. 圖 2-3-1. Hestenes 的一般性建模歷程.........................................................................28. 圖 2-3-2. 建模模型的架構.............................................................................................30. 圖 2-3-3. 學生模型觀點的三面向示意圖....................................................................31. 圖 2-3-4. 模型為基礎學習的基本理論架構...............................................................33. 圖 2-3-5. 科學建模的學習發展....................................................................................33. 圖 3-1-1. 研究設計架構.................................................................................................50. 圖 3-1-2. 實驗組與控制組研究流程............................................................................51. 圖 3-4-1. 研究流程圖......................................................................................................60. 圖 4-1-1. 三組酸鹼概念前、後、延宕測平均分數...................................................67. 圖 4-2-1. 三組『酸鹼的定義與通性』前、後、延宕測平均分數..........................76. 圖 4-2-2. 三組『酸鹼濃度與 pH 值』前、後、延宕測平均分數...........................76. 圖 4-2-3. 三組『酸鹼中和與鹽類』前、後、延宕測平均分數.............................77. 圖 4-3-1. 建模教學組之『酸鹼中和』心智模式分布圖..........................................80. 圖 4-3-2. 建模教學組『酸鹼中和』心智模式分布與轉變情形.............................81. 圖 4-3-3. 建模合作組之『酸鹼中和』心智模式分布圖..........................................83. 圖 4-3-4. 建模合作組『酸鹼中和』心智模式分布與轉變情形..............................84. 圖 4-3-5. 一般教學組之『酸鹼中和』心智模式分布圖..........................................86. XI.

(13) 圖 4-3-6. 一般教學組『酸鹼中和』心智模式分布與轉變情形.............................87. 圖 4-4-1. 三組建模能力前、後、延宕測平均分數...................................................92. 圖 4-5-1. 三組『模型選擇』建模能力前、後、延宕測平均分數.......................106. 圖 4-5-2. 三組『模型建立』建模能力前、後、延宕測平均分數.......................106. 圖 4-5-3. 三組『模型效化』建模能力前、後、延宕測平均分數........................107. 圖 4-5-4. 三組『模型應用』建模能力前、後、延宕測平均分數........................107. 圖 4-5-5. 三組『模型調度』建模能力前、後、延宕測平均分數........................108. 圖 4-6-1. 建模教學組學生前測之酸鹼概念 vs 建模能力分佈圖..........................110. 圖 4-6-2. 建模合作組學生前測之酸鹼概念 vs 建模能力分佈圖..........................110. 圖 4-6-3. 一般教學組學生前測之酸鹼概念 vs 建模能力分佈圖..........................110. 圖 4-6-4. 建模教學組學生後測之酸鹼概念 vs 建模能力分佈圖..........................112. 圖 4-6-5. 建模合作組學生後測之酸鹼概念 vs 建模能力分佈圖..........................112. 圖 4-6-6. 一般教學組學生後測之酸鹼概念 vs 建模能力分佈圖..........................113. 圖 4-6-7. 建模教學組學生延宕測之酸鹼概念 vs 建模能力分佈圖.......................114. 圖 4-6-8. 建模合作組學生延宕測之酸鹼概念 vs 建模能力分佈圖.......................115. 圖 4-6-9. 一般教學組學生延宕測之酸鹼概念 vs 建模能力分佈圖.......................115. XII.

(14) 第壹章緒論本章共分四節，第一節介紹本研究之研究背景與動機，第二節提出研究目的與研究問題，第三節闡述本研究使用之專有名詞，第四節說明本研究的研究範圍與限制。. 第一節研究背景與動機概念是人類思考和理解的工具，學生在學習新知識之前，心中已具有一套既有想法，但此想法往往與科學概念不甚相符。學生對於科學概念的認知，容易因為某些因素而產生另有概念。產生另有概念的原因很多，一般而言，大多為學習者和環境之間交互作用所造成。陳均伊等人(2004)結合Fisher (1985)、Galili & Lavrik (1998)、Lewis & Linn (1994)以及Stavridou & Solomonidou (1998)對學生的另有概念，探究其成因，將另有概念的可能來源歸納如下：1.日常生活的經驗與觀察； 2.類比造成的混淆；3.生活用語或隱喻的使用；4.同儕與社會文化。另有概念的來源是多面向的，因此，教師在進行教學前，應該多方面地探討學生可能的另有概念。瞭解學生的先前知識後，設計有利於概念改變的教學活動，逐步引導學生修正自己的概念，達到有意義學習，俾利於增進教學成效。學習可視為概念改變的過程，在科學教育的領域中，許多著名學者提出種種的概念改變理論（Posner, Strike, Hewson, & Gertzog, 1982；Thagard, 1992；Chi, 1992； Vosniadou, 1994）。各理論的觀點雖然不盡相同，但相關研究所提出的觀點、教學策略或思考方向有助於教學者思考如何有效促進學生的學習(邱美虹，2000)。學生許多認知概念的背後，可能存在著許多心智模式的運作。根據Vosniadou (1994) 的觀點，心智模式是一種特別的心智表徵，是個體在認知過程中所產生的類比表徵，可以保存所表徵事物的結構。Vosniadou (1994)針對學齡前與小學生天文相關概念的研究指出，孩童對於地球形狀與日夜循環存在著不同的心智模式，而這些初始的心智模式(initial mental model)隨著年齡增長，個體藉由教學或生活經驗接收到相關的科學知識後，漸漸轉化為綜合的心智模式(synthetic mental model)，最 1.

(15) 後再演成為科學心智模式(scientific mental model)。關於心智模式的研究，也開始不斷地擴及其他科學領域。基於此，研究者擬以Vosniadou (1994)概念改變的架構理論(framework theory)為基礎，設計一套教學，試圖從中瞭解學生關於酸鹼概念學習前後的心智模式演變情形。近年來，關於「模型(model)」與「建模(modeling)」的研究深受科學教育所重視。Gilbert (1991)認為「科學」是建構模型的過程，而「學習科學」則是學習建構模型的過程。由於許多科學理論非常抽象，學習者在學習過程中如果缺乏良好的引導，難以發展出正確的科學概念。對科學教育而言，模型與建模是科學發展的元素，也是科學學習中不可缺少的認知與能力(邱美虹，2008)。因此，教學者若能在教學過程中將科學概念利用模型來呈現，並培養學生建構模型的能力，將知識和能力結合在一起，如此一來，科學理論的學習將變得更加完善。研究者在國民中學執教數年，發覺理化課程中的部分化學單元，總是困擾著學生，例如酸鹼鹽、化學平衡、電化學……等等。學生對於抽象的內容難以完全掌握概念，因而往往在學習過程中產生許多不符合科學的心智模式。關於酸鹼概念的研究，國內外許多文獻（宋志雄，1992；陳姍姍，1993；李詩閔，2001；姚錦棟，2002；楊鵬耀，2005；邱柏融，2009；Nakhleh & Krajcik, 1994；Lin & Chiu, 2007, 2010）指出，學生存在著許多的迷思概念。例如：學生會以味覺來判斷物質的酸鹼性、以腐蝕性或 pH 值判斷強酸(鹼)或弱酸(鹼)、酸鹼中和的鹽類即為食鹽、酸鹼中和是因為正負離子電量相同而呈電中性……等等，顯示學生對於酸鹼概念的學習難以完全掌握，缺乏系統性和融貫性。周金城(2008)的研究指出，國內中學生對於模型本質的認識仍存有部分的不確定性。而在教師方面，Van Driel 與 Verloop (2002)指出，教師對於學生在模型與建模的知識非常有限，無法有效地運用到他們的教學活動中，如此將難以引導學生關於模型的認識與如何使用模型。因此，加強教師對建模教學的認識與運用是刻不容緩的議題。身為現職中學科學教師，應當瞭解當前科學教育的脈動，試圖精進教學以幫助學生科學概念的發展並提升其問題解決的能力。 2.

(16) 基於上述，研究者擬參照Halloun (1996)的建模歷程理論，設計一套以模型為基礎的建模教學活動，試圖瞭解八年級學生透過建模教學後，對於酸鹼的概念改變情形與心智模式的演變，並藉以探討此建模教學法對於學生建模能力提升的成效。以期能培育出知識與能力兼具的學生，進而能靈活運用概念知識來幫助其往後的問題解決。. 第二節研究目的與研究問題本研究針對國民中學自然與生活科技之「酸與鹼」單元為研究主題，擬以 Halloun (1996)所提出之科學模型建模歷程為基礎，輔以邱美虹(2007)所提出的觀點，將建模歷程歸類為五個面向：模型選擇、模型建立、模型效化、模型應用、和模型調度，並將其納入教學活動。研究中設計『建模教學組』、『建模合作組』與『一般教學組』三組作為比較，藉此探討不同教學模式對學生學習酸鹼概念的概念改變情形和建模能力提升的差異情形。基於本章第一節所述之研究背景與動機，本研究的研究目的與欲探討的問題說明如下：目的 1：探討不同教學模式對學生酸鹼概念學習成效的影響。 1-1 三組學生教學前之酸鹼概念異同為何？ 1-2 三組學生教學後之酸鹼概念異同為何？ 1-3 三組學生延宕測後酸鹼概念異同為何？ 1-4 三組學生教學前後酸鹼概念學習成效的異同為何？是否達顯著差異？目的 2：探討不同教學模式對學生『酸鹼中和』心智模式的影響。 2-1 三組學生教學前之『酸鹼中和』心智模式類型為何？ 2-2 三組學生教學後之『酸鹼中和』心智模式類型為何？ 2-3 三組學生延宕測後『酸鹼中和』心智模式類型為何？ 2-4 三組學生教學前後『酸鹼中和』心智模式的改變情形為何？. 3.

(17) 目的 3：探討不同教學模式對提升學生建模能力的影響。 3-1 三組學生教學前之酸鹼建模能力異同為何？ 3-2 三組學生教學後之酸鹼建模能力異同為何？ 3-3 三組學生延宕測後酸鹼建模能力異同為何？ 3-4 三組學生教學前後酸鹼建模能力的異同為何？是否達顯著差異？目的 4：探討不同教學模式下學生『酸鹼概念』和『建模能力』的相關性。 4-1 三組學生教學前『酸鹼概念』和『建模能力』的相關性為何？ 4-2 三組學生教學後『酸鹼概念』和『建模能力』的相關性為何？ 4-3 三組學生延宕測後『酸鹼概念』和『建模能力』的相關性為何？ 4-1 三組學生教學前後『酸鹼概念』和『建模能力』相關性的異同為何？. 第三節名詞釋義一、酸鹼概念本研究之酸鹼概念係針對國民中學自然與生活科技課程，採用阿瑞尼斯 (Arrhenius)的電離說理論來定義。學習概念內容包括『酸鹼的定義與特性』、『酸鹼濃度與 pH 值』和『酸鹼中和與鹽類』，各概念之相關命題陳述請參照附錄一。. 二、心智模式(mental 心智模式(mental model) Vosniadou 與 Brewer (1992)認為，心智模式是為了回答或解決問題，並藉以處理某種狀況所產生的一種動態結構。本研究中的心智模式是藉由教學前後學生在『酸鹼概念診斷測驗』的作答情形作為連結，以推論學生在回答問題時所具有的認知特徵。. 三、概念改變學習本身是一種概念改變的過程，Vosniadou (1994)認為概念改變應該從豐富 (enrichment)和修正(revision)兩方面來探討。本研究採用 Vosniadou (1994)的架構理. 4.

(18) 論，將學生概念(conception)所統整出的心智模式分為三大類，依初始模式(initial model)→綜合模式(synthetic model)→科學模式(scientific model)的演變情形作為概念改變的依據。. 四、建模教學組本研究之建模教學組是以 Halloun (1996)所提出之科學模型建模歷程為基礎，輔以邱美虹(2007)所提出的觀點所設計之教學組別。教師藉由模型選擇、模型建立、模型效化和模型應用的建模歷程，引導學生進行教學活動。. 五、建模合作組邱美虹(2008)指出，透過互動(interactive)和辯證( dialectic)的歷程，有助於學生在建模的歷程中發展其模型的有效性和調度性。本研究中建模合作組的教學設計同樣運用建模歷程進行教學活動，過程中將學生分為六組進行教學，以學生為主體，由教師適時引導，讓學生能夠透過分組討論與發表主動建構科學模型。. 六、一般教學組本研究之一般教學組的教學活動由教師引導依一般教學學習單進行教學，教學內容與實驗組相同，包含實驗活動、影片和動畫。. 七、建模能力(modeling 建模能力(modeling ability) 本研究所定義之建模能力是將學生在『酸鹼建模能力分析試題』中各建模歷程的作答情形，依據『建模能力試題計分標準』判定，以量化的形式呈現學生的建模能力。. 八、模型選擇本研究所定義之模型選擇能力係指當學生面對酸鹼問題時，能先決定目標，根據個人經驗選擇模型來解決問題，屬於建模歷程的第一步。. 九、模型建立本研究所定義之模型建立能力係指學生能依第一步所選擇模型之相關成份 5.

(19) 作歸納推理(Inductive Reasoning)，瞭解酸鹼水溶液中所含離子的概念，建立以阿瑞尼斯(Arrhenius)電離說理論為基礎的模型。. 十、模型效化本研究所定義之模型效化能力係指學生在建立阿瑞尼斯(Arrhenius)的酸鹼模型後，能利用實驗實際操作或以日常生活實例說明，以檢驗模型的正確性，藉以判斷是否須修正模型。. 十一、模型應用本研究所定義之模型應用能力係指學生在效化或修正酸鹼模型之後，能利用已效化的模型對相似情境的問題加以詮釋，求得問題的解答，藉此證實模型的適切性。. 十二、十二、模型調度本研究所定義之模型調度能力係指當學生證實模型的適切性後，能試圖利用此模型自行設計實驗用以解決新情境的問題，將模型作適度的推論。. 第四節研究範圍與限制茲將本研究的研究範圍與限制陳述如下：一、本研究針對國民中學『酸鹼概念』設計教學活動，由研究者親自教學，所得的結果不宜過度類推至其他概念的學習與教學。二、本研究所得之心智模式為研究者根據學生作答之概念連結所得，在類型上有其限制，研究結果並未涵蓋所有酸鹼心智模式。三、本研究之研究對象為新北市某市立國民中學八年級學生，屬方便取樣，樣本並非隨機所得，故研究結果不宜過度推論至其他地區或不同年齡層學生。四、本研究的建模教學活動為研究者自行設計，學生在新的教學情境下有可能產生霍桑效應進而影響實驗的外在效度。 6.

(20) 第貳章文獻探討本章共分為五節，針對與本研究相關的文獻進行探討與分析。第一節介紹關於概念改變的相關理論；第二節說明心智模式的意義；第三節描述模型與建模理論及其在教學上的運用；第四節論述合作學習的基本概念；第五節回顧國內外對於酸鹼概念的相關研究。. 第一節概念改變在科學概念的學習中，概念的構成是最基本也最重要的課題。認知心理學家認為，學習是學習者本身既有知識結構與生活經驗相互平衡的過程。學習者在建構知識的過程中，其所持有的概念往往會與新的概念進行交互作用，產生一連串難以預測的學習結果。因此，瞭解概念改變的機制，教學者方能提供適宜的教學環境，幫助學習者克服學習困難。. 一、概念改變的相關理論在科學概念的認知上，學習者往往會因為生活經驗或直覺的判斷而對一些現象建構出一套屬於自己的解釋觀點，例如孩童會以味覺來判斷物質的酸鹼性，認為酸性物質有酸味，鹼性物質有鹹味(陳姍姍，1992)。自1970年代以來，科教領域開始致力於學生素樸概念與另有概念的研究，也因為這方面的研究累積了相當多的文獻，因而促使概念改變相關理論的發展。許多科教學者經由研究，對概念改變的特質提出不同看法，例如Posner、Strike、Hewson與Gertzog (1982)提出的CCM 模式；Chi (1992)的本體論；Thagard (1992)的概念革命；Vosniadou (1994)的架構理論與特定理論；Chiu (2007)所提出「以研究和教學為基礎/導向的工作(Research And InstructioN-Based/Oriented Work)」，簡稱『RAINBOW』的整合面向觀點。眾多的理論當中，主要在探討概念改變的機制與概念改變的難易，其相關內容如表2-1-1 所示。以下就相關的概念改變理論予以探討與分析。. 7.

(21) 表 2-1-1 概念改變相關理論的特質研究者 Posner等人 (1982). 概念改變特質 1.對舊概念不滿意 2.新概念是可理解 3.新概念是合理的 4.新概念是豐富的. Chi (1992, 1994). 本體分類論：本體類別內、跨本體類別的概念改變. Thagard (1992). 概念改變的九個階層： 1.增加新例子 2.增加弱原則 3.增加強原則 4.增加新的部份關係 5.增加新的種類關係 6.增加新概念 7.瓦解部份種類的階層 8.藉由分枝跳躍重組階層性 9.樹的轉變. Vosniadou (1994). 架構理論、特定理論：概念改變是藉由豐富(enrichment) 和修正(revision)逐步演進的過程. Chiu (2007). 概念改變的多重面向考量： 1.發展面向 2.本體論面向 3.認識論面向 4.情意面向 5.演化面向 6.教學面向. 二、Posner 等人的 CCM 模式 Posner、Strike、Hewson 與 Gertzog (1982)以科學史哲的理論為基礎，認為要使學習者的概念發生改變，必須達到以下四個條件： 1.學習者對舊概念感到不滿意(dissatisfaction)：舊有的概念無法解釋面臨的問題。 2.新概念是可以理解的(intelligible)：新概念對於現象的解釋能使學習者瞭解。 3.新概念是貌似真實的(plausible)：新概念和學習者過去的經驗相符，可以合理解釋面臨的問題。 4.新概念是豐富的(fruitful)：新概念可以解釋更多問題，使用的範圍更廣。因此，學習者在學習過程中，會經由同化(assimilation)處理一些訊息，當面 8.

(22) 臨到難以解決的問題時，再透過調適(accommodation)的過程將概念重新組織 (reorganization)而達到概念改變。. 三、Thagard 的概念革命的概念革命 Thagard (1992)在概念革命(Conceptual revolution)一書中，將概念改變的機制分為九個階層，如表2-1-2所示。在不同的階層中，知識架構的改變程度也不同，前三種只是信念的修正，較容易發生；第四到第七種是將概念增加、刪減和簡單的重組(既有關係的延伸)；而第八、九種的分枝跳躍(branch jumping)和樹的轉換(tree switching)牽涉到種類關係的變動或重新界定階層關係，在科學知識的發展中較不易發生。表 2-1-2 Thagard概念改變的階層特質. 階層. 範例. 1.增加新例子. 瑣碎的. 如遠處的小斑點是鯨魚. 2.增加弱原則. 強弱視其實用性. 如鯨魚可在北冰洋發現. 3.增加強原則. 強弱視其實用性. 如鯨魚吃沙丁魚. (實用性指解題和解釋) 4.增加新的部份關係. 分解. 如鯨魚有脾臟. 利用上階關係來結合兩. 如海豚是鯨魚的一種. (part relations) 5.增加新的種類關係 (kind relations). 個概念. 6.增加新概念. 有助於科學知識的發展. 如電學與磁學合成電磁學. 7.瓦解部份種類的階層. 放棄原有的辨別方式. 如牛頓放棄亞里斯多德的觀點. 8.藉由分枝跳躍 (branch jumping). 從一階層樹的分枝轉移. 如哥白尼認為地球應是行. 到另一分枝. 星之一而非自成一類的觀. 重組階層性. 點(日心說) 9.

(23) 9.樹的轉變. 改變已具有階層性的樹. (tree switching). 如達爾文改變分類的意義. 狀組織原理. Thagard也就科學發展史的演變提出範例，藉以說明其概念改變階層理論，例如：拉瓦錫以氧化論來取代燃素論，刪除了燃素概念，增加了氧氣概念，屬於分枝跳躍階層；而達爾文的演化論刪除上帝創造萬物的觀念，增加天擇概念，將人類視為動物之一並提出了物種分類的新方法，涉及分枝跳躍和樹的轉換。另外，Thagard (1992)以一個認識改變(epistemic change)的理論架構來說明概念改變，如圖 2-1-1 所示。. 認識的改變. 概念改變. 信念修正. 增加. 減少. 增加. 重組. 減少. 簡單. 重. 修正︵. 區合分分辨併解枝跳躍︶. 新界定階層︵樹的轉換︶. 圖 2-1-1 知識改變分類方法論(Thagard, 1992). 10.

(24) Thagard認為信念修正包含增加(addition)或刪減(deletion)，而概念改變所必須的特質，則包含了增加、刪減、重組概念或重新定義階層的本質。簡單的概念重組包含區辨、合併與分解，而分枝跳躍的修正則不同，它包含在階層中移動概念和拒絕舊種類或部份關係，同時也增加新的關係。至於樹的轉變，必須重新界定階層，做類別階層性或部份階層性根本的改變。. 四、Chi 的本體分類論 Medin 與 Smith (1981)認為概念知識是依據分類而階層性的組織起來，新的概念學習是依據既有概念的相似性而被分類的，所以在概念階層的分類中，相同的類別應該享有共同的屬性(引自何佳燕，2002)。Chi 承襲了 Medin 與 Smith 的想法，從本體類別的觀點談論概念改變，將概念分為物質(matter)、過程(process) 和心智狀態(mental state)三個類別(category)，如圖 2-1-2 所示(Chi, 1992; Chi, Slotta, & deLeeuw, 1994; Chi & Roscoe, 2002 )。. 圖 2-1-2 Chi 本體樹的組織架構(引自邱顯博，2002). 11.

(25) 所謂的「物質」，指的是含有特定屬性(attributes)的東西；「過程」指的是事件的發生可能具有序列性或因果關係，或是突現的現象；「心智狀態」則是指情意的部份，分為情緒和意圖兩個次類別。每個樹狀圖內的類別在本質上與另一個樹狀圖是不相同的，它們存在著不同的本體屬性。 Chi (1992)將概念改變的發生分為兩種形式： 1.本體類別內的概念改變(within ontological conceptual change)：概念改變發生在同一本體樹內次類別之間的轉換，只是樹狀的重組和重建，概念本身的意義並不變，屬於非根本的概念改變，較容易發生。例如：學習者將鯨魚為魚類的概念轉為哺乳類，只是『物質』類別內的轉變。 2.跨本體類別的概念改變(across ontological conceptual change)：概念改變從一棵本體樹遷移到另一棵本體樹，將概念原來所歸屬的類別移至另一個類別，屬於根本的概念改變，較不易發生。例如：學習者必須將熱的概念由『物質』類別轉移到『過程』類別才能獲得正確的科學知識。 Chi (2002, 2003)將因果過程改為直接過程(direct process)，非因果過程改為突現過程(emergent process)，其演變過程如表 2-1-3 所示。表 2-1-3 直接過程與突現過程的演變過程突現過程的演變. 直接過程的演變事件(event, 1992). 事件(event)的次類別(1992). →因果過程(causal process, 2002). →條件為主的交互作用(CBI, 1994). →直接過程(direct process, 2003). →突現過程(emergent process, 2002). Chi (2005)的研究中，利用血液循環系統和擴散現象來解釋過程屬性中直接過程和突現過程的差異。研究結果顯示，循環系統的概念是屬於直接過程，其組成成分的行為會直接影響呈現出來的型態；擴散現象的概念屬於突現過程，其組成成分是各自獨立的，最後的型態是所有成分聚集後呈現出來的結果。Chi 認為將概念從直接過程轉變為突現過程雖然屬於同一類別內的概念改變，但許多學生 12.

(26) 普遍缺乏突現過程的觀念，因此從直接過程轉變為突現過程仍然歸屬於困難或較為根本的概念改變。直接和突現兩種次類別，其本體屬性如表 2-1-4 所示。表 2-1-4 直接過程和突現過程的本體屬性(修改自 Chi, 2005). 成分的交互影響. 成分－型態的關係. 直接過程. 突現過程. 有區別的. 一致的. 強制的. 沒有強制(隨機的). 連續的. 同時發生的. 相依的. 獨立的. 有終止的. 連續不斷的. 小組(分類). 所有的成分(成分的聚集). 直接的. 不直接的. 一致的. 分離的. 不同地位. 相同地位. 總體的目標或意圖. 局部的目標或沒有意圖. Chi (2008)再次修正了三個本體類別為實體(entity)、過程(process)和心智狀態 (mental state)的架構(如圖 2-1-3)。『實體』泛指可被控制，佔有空間、具有重量的東西，次類別分為具體物體和物質；『過程』指的是事件隨時間發生，次類別分為直接和突現；而『心智狀態』為情意的部分，包括情緒和意圖。由此可見， Chi 對於概念改變的觀點隨著研究結果不斷地進行修正，使其理論能更臻完善。實體. 過程. 可被控制的有重量的佔有空間的. 隨時間發生. 具體物體物質. 突現. 直接. 心智狀態. 情緒. 圖 2-1-3 本體樹內階層的分類(修改自 Chi, 2008) 13. 意圖.

(27) 五、Vosniadou 的架構理論 diSessa (1993)認為兒童的知識結構是由許多現象原詞 p-prims (phenomenonal primitives)的小單元所組成，而這些小單元都是個體抽象化自身的經驗所獲得。 diSessa 表示 p-prims 是某種最早的基模，特別的 p-prims 會引起迷思概念。兒童的直覺知識是零碎的(fragmented)、片段的(knowledge in pieces)，缺乏一致性和連貫性的理論。要達到概念改變，便要將 p-prims 的功能改變，終止自我解釋，再與複雜的知識結構連結。 Vosniadou (1994)對此不表示贊同，她認為概念並非由許多相似性的片段知識連結所成，而是在幼年時期便建立出一個素樸架構(naïve framework)，主要是源自於早期的生活經驗所致，可分為本體論(ontological)和認識論(epistemological)兩種預設(presupposition)。素樸架構中的預設會限制孩童正確概念的發展，孩童在學齡前因為日常生活經驗的累積，對於一些現象已經存有基本的認知，這些根深蒂固的觀念有時難以改變，致使往後對於正確概念的學習受到阻礙。而個體經由觀察或文化脈絡的影響下所衍生的概念，會形成特定理論(specific theory) (如圖 2-1-4)。架構理論和特定理論使個體產生個人信念(belief)，在問題解決情境時可提供心智模式的產生，並成為特定表徵的基礎(邱美虹、林靜雯，2002)。 Vosniadou (1994)認為概念改變是藉由豐富(enrichment)和修正(revision)逐步演進的過程。所謂的豐富是增加資訊到既有的概念架構中；修正是個體對信念或預設的改變，當個體試著同化和自己預設矛盾的科學概念時，易產生迷思概念。因此，對於概念的修正，Vosniadou認為是預設難以改變，不是迷思概念本身。學生無法自我察覺到預設和信念的假設限制著他們的學習，是因為他們傾向於將它視為物理世界運作的方式而非預設(Vosniadou & Ioannides, 1998)。. 14.

(28) 架構理論. 特定理論. 文化脈絡中的觀察或新資訊防衛的預設. 本體論的預設信念認識論的預設心智模式. 圖 2-1-4 Vosniadou (1994)的概念改變架構理論. 六、Chiu 的多重向度觀點國外學者中，Duit 與 Treagust (2003)曾對概念改變過程提出多重觀點的架構，他們主要是以認識論、本體論和社會/情感三個面向來瞭解概念改變的本質。在認識論的觀點中，以 Posner、Strike、Hewson 與 Gertzog (1982)的 CCM 模式和 Vosniadou 與 Ioannides (1998)強調的後設認知學習來論述；在本體論的觀點中，以 Chi 等人 (1992, 1994)本體類別轉變和 Vosniadou (1994)架構理論中本體預設的修正來說明；而社會/情感面向則引述 Pintrich、Marx 與 Boyle (1993)所提，概念改變的發生不僅需要合理性(Rationality)，也要有動機(Motivation)，必須將學習環境和學習者個人特質的因素同時加以考慮。在國內學者的研究當中，Chiu (2007)對概念改變提出「以研究和教學為基礎/ 導向的工作(Research And InstructioN-Based/Oriented Work)，簡稱『RAINBOW』的整合面向觀點，其架構如圖 2-1-5 所示。Chiu 與 Lin (2008)認為概念改變可以從六個面向(approach)來作考量，其相關內容如下：： 1.發展面向(Developmental approach)：以 Toulmin (1972)的概念生態觀點解釋概念的發展是漸進的，此觀點能夠解釋為何長久以來某些概念依然存在，與 Kuhn 的概念革命觀點相左。 15.

(29) 2.本體論面向(Ontological approach)：採用 Chi 等人的不相容理論，認為概念改變是概念的轉移跨越本體界線的過程，必須學習者能完全瞭解概念所屬的不同本體類別。 3.認識論面向(Epistemological approach)：此面向的闡述包含兩個主要理論，一個是 Posner、Strike、Hewson 與 Gertzog (1982)的 CCM 理論；另一個是 Vosniadou (2002) 的架構理論，更討論了關於學生後設認知的概念學習。 4.情意面向(Affective/Social approach)：學習不能只考慮合理性和認知的因素(Strike & Posner, 1992 ; Pintrich, Marx, & Boyle, 1993 ; Pintrich & Sinatra, 2003)。必須同時將自我效能、教室中的社會情境、意向、期待和動機納入影響概念學習的因素。 5.演化面向(Evolutional approach)：此面向採用許多科學學習上的演化理論，應用了生物分類學的觀點，將概念的演變以演化樹的圖形來表徵呈現(Lin & Chiu, 2007a)，藉此研究學生的概念發展路徑和學習困難之處。 6.教學面向(Instructional approach)：引進 Meheut (2004)所提出的教學序列(TLS)教學法為基礎來討論教學面向。TLS 是一種利用漸進的方式，步驟式地將學生和科學概念之間搭起橋樑，幫助學生學習。也提及其它的教學方式，包括建模活動 (modeling activities)和 POEC (Prediction-Observation-Explanation-Comparison)。. 圖 2-1-5 RAINBOW 的理論架構(Chiu, 2007). 16.

(30) 為了瞭解學習者如何方能達到較佳的科學學習，Chiu 認為需要從多重面向的觀點來探討。因此，她將此六種面向整合起來提出 RAINBOW 理論，因應不同的研究目的，以整合面向(approach with integration)的觀點，將各個面向做不同的組合來進行教學設計，藉以幫助學習者進行概念發展與概念改變。. 七、概念改變對本研究的啟發在科學學習的過程中，學習者難免會因為個人認知或外在因素的影響而產生另有概念。綜合以上文獻，各學者所提之概念改變理論各有其特質，觀點雖有所差異，但對於教育研究而言，實則提供了更多面向的觀點作為教學設計的參考，能幫助教學者發展出更具完整性的概念改變教學活動，以有助於學習者學習正確的科學概念。本研究的研究工具中設計一份『酸鹼概念診斷測驗』，目的在探討三種不同教學模式下，學生的後測和延宕測與前測比較的概念改變情形。對於研究資料的分析，研究者擬以Vosniadou的架構理論探討學生酸鹼概念的概念改變情形，從中瞭解學生日常生活中對酸鹼概念的預設或教學脈絡中所得資訊對其概念學習的影響。. 第二節心智模式人的心中存有一些內在模式並用以處理所面臨的問題，此種內在模式，研究者將其通稱為『心智模式(mental model)』。心智模式具有獨特性與不可共量性，是個體在認知過程中所產生的心像元素，是一種有別於他人的個人模式。心智模式的相關研究，在近年來的科教領域中，相當普遍與活絡，而許多科教學者對於心智模式的看法，其詮釋觀點也存有一些差異。. 一、心智模式的定義與特性有關心智模式的陳述，Kenneth Craik 於1943年主張人類會自動轉譯外來的事件成為內在的模式，並藉由操弄這些符號表徵來進行推理、產生行動，或覺察到 17.

(31) 這些符號和外在世界的一致性(引自邱美虹、林靜雯，2002)。 Norman (1983)則認為心智模式是個人與事物互動後所產生的內在表徵，具有五種不同特性： 1.不完整的(incomplete)：心智模式通常是人類在處理某些資訊時所產生，適合於當時的情境或內在知識，此種表徵具有不完整性。 2.不穩定的(unstable)：心智模式是一種不穩定的動態知識結構，當一段時間未曾使用，容易因此而遺忘其產生的過程。 3.沒有完整定義限制的(no well defined limits)：心智模式在操作的過程中，並沒有完整的定義限制，因此，在一些類似情境的運作會產生混淆。 4.不科學的(unscientific)：心智模式所呈現的表徵，是個體對外在物理世界的理解而產生的信念，然而此信念通常不符合科學的概念。 5.省力的(parsimonious)：人類會使用最少的心智複雜度，快速地運作心智模式以減輕額外的操作負擔。 Norman 認為心智模式可以反應出個體對外在物理世界的理解與信念，並以之解釋和預測外在物理系統。心智模式可以不斷地修正與精緻化，逐漸達到具一致性的心智模式系統。 Johnson-Laird (1989)認為心智模式代表著事物的狀態，扮演著直接表徵或類比的角色，其結構反應了世上事物的相關狀態。Johnson-Laird (1994)的研究進一步指出，心智模式可經由知覺、想像或是對話語的理解所形成的概念作用而建立；模式中可能包含視覺圖像、聲覺訊息，也可以是抽象的符號或無法視覺化的表徵情境所組成，其關係如圖2-2-1所示。由此可知，心智模式內含許多階層性連結而成的單元概念，是由許多概念所組成的複合體。. 18.

(32) 視覺圖像訊息. •••••. 聲覺訊息. 抽象符號表徵. 次概念單元. 組成概念. 心智模式. 圖 2-2-1 Johnson-Laird (1994)概念與心智模式關係圖關於心智模式中的概念是否能形成融貫且一致的知識系統，許多學者持有不同的看法。以Carey (1985)的觀點而言，她認為兒童種種的素樸概念已經組成了系統性、一貫性的知識系統(引自陳婉茹，2004)。而diSessa (1993)所提出的 p-prims 概念，則認為孩童對物理世界的直覺概念是零碎的，並沒有被整合成系統化知識，缺乏一致性。Vosniadou (1994)對於心智模式的研究中提出和diSessa不同的看法，認為迷思概念的形成並非缺乏融貫性，而是孩童想主動建構出心智連貫性 (coherent)的結果，概念改變是一種藉由豐富和修正轉化心智模式的漸進歷程。 Chi 與 Roscoe (2002)認為心智模式是一組鑲嵌在某一結構中相互關聯概念的表徵。Chi對於心智模式是否具融貫性採較為中立的看法，她在針對血液循環的研究中，將心智模式分為『非融貫性心智模式(incoherent mental model)』與『融貫性心智模式(coherent mental model)』。其中融貫性心智模式又細分為『瑕疵心智模式(flawed mental model)』和『正確心智模式(correct mental model)』。由此可知，學生心智模式中對於概念的命題可能是正確的，但概念之中會因為含有不正確但自己卻未知覺的錯誤連結，因而產生瑕疵心智模式。. 19.

(33) 二、Vosniadou 心智模式的研究 Vosniadou 與 Brewer (1992)認為心智模式是為了回答、解決問題或是處理某種狀況所產生的一種動態結構，源自於概念結構，並受其限制。Vosniadou 與 Brewer 針對60名小一、小三和小五(各20名)的學生，進行關於地球形狀概念的訪談。從資料中分析出孩童具有六種心智模式，包括方形模式、圓盤形模式、雙地球模式、中空模式、扁形模式和球形模式(如圖2-2-2所示)。六種模式又區分為三大類，初始模式(Initial Models)、綜合模式(Synthetic Models)和科學模式(Scientific Models)。分述如下： 1.初始模式：基於日常生活經驗所產生的模式，不受文化背景或科學模式影響。因為平常所看見的地球是平面的，所以衍生出方形模式(A)和圓盤形模式(B)。 2.綜合模式：初始模式在文化脈絡下相互作用所結合而成的模式。在雙地球模式 (C)中，學生增加科學資訊進入既存概念架構，不需改變信念和預設；中空模式(D)中，接受地球是球形的，但依然受到重力概念的限制，無法理解為何在地球外的人和物體不會往下掉，為了解決這問題，認為人住在地球內部的平坦地面；扁圓形模式(E)中，修正了重力的預設，但依然相信人走在平坦的地面。 3.科學模式：與科學觀點一致的模式。地球是球形的，球形地球模式(F)便是科學中的正確概念。 Vosniadou (1994)進一步針對地球形狀、日夜循環的概念進行研究，發現不同年齡層兒童擁有的心智模式有所差異。學齡前兒童擁有的初始心智模式種類較少，透過教學後的兒童產生的綜合心智模式種類較多。Vosniadou 將兒童的概念架構區分為素樸架構理論(naïve framework theory)和特定理論(specific theory)。素樸理論是源自於日常生活經驗，分為本體論和認識論兩種預設；特定理論則是藉由觀察或文化脈絡的影響所形成。兩者使個體構成自我信念(belief)，進而形成心智模式，其架構如前一節圖 2-1-4 所示。另外，Vosniadou (2002)對於力學的研究中指出，孩童關於科學學習的過程是緩慢地將科學知識增加到既有的知識架構中，. 20.

(34) 過程中可能會打破架構的一致性，最後再重新架構出與現今科學知識一致的心智模式。. (A)方形地球模式. (B)圓盤形地球模式. (D)中空地球模式. (E)扁圓形地球模式. (C)雙地球模式. (F)球形地球模式. 圖 2-2-2 地球形狀的心智模式(Vosniadou, 1992) Vosniadou 認為心智模式是一種特殊的心智表徵，是個體在認知過程中所產生的類比表徵，可以保存所表徵事物的結構。心智模式也是一種動態表徵，可以經由心智處理來提供現象的因果解釋，且能對自然世界中事件的狀態作預測。大部分的心智模式是在處理特別的問題解決情況下所創造的，個體在認知活動中產生或取回心智模式，便是將新資訊融入原本的知識基礎。因此，學生在概念改變的過程中，容易因為特定因素而引發迷思概念，產生許許多多不同的綜合心智模式，這方面值得教學者從各角度作探討與分析，以提升學生的學習成效。. 21.

(35) 三、心智模式對本研究的啟發綜觀上述學者對心智模式的陳述與研究，多數學者認為，心智模式是一種動態結構的內在表徵。瞭解學生心智模式的發展對概念改變的研究十分重要。就教學取向而言，心智模式是命題表徵的集合，它包含一連串的命題和相互關係的連結。透過對心智模式的統整與分類，可以幫助教學者瞭解學生對概念的認知特徵與思考型態，再從中尋求方法進行概念改變，使學生能獲得正確的科學模式。研究者在本研究的研究工具『酸鹼概念診斷試題』中，對於酸鹼中和概念部分，從中選取相關試題，將各試題的選項作連結，以推論出學生在回答問題時所具有的認知特徵，再進一步歸納出其酸鹼中和概念的心智模式。分析學生在三種不同教學模式下，前測、後測和延宕測的心智模式轉變情形。依Vosniadou對心智模式的分析，探討學生透過不同教學後從初始模式轉變為綜合模式和科學模式的情形。. 第三節模型與建模建構主義的學習觀點強調學生為知識建構的主體，學習過程中必須主動探索，澄清概念，方能達到有意義學習的目的。對於科學教育而言，模型(model) 與建模(modeling)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，科學學習的過程，也是學習建構模型的歷程，學生若能確實瞭解模型的本質與意義，並培養建構模型的能力，將有助於科學概念的理解與問題解決能力的提升。. 一、模型的定義、模型的定義、本質與類型在科學發展的過程中，模型的建立與試驗扮演了相當重要的角色，關於『模型』，通常學生會直覺式地認為它只是一個實體或人工複製品。然而，科學家對於模型的使用，更加考慮了圖像、符號、現象和抽象概念的表徵。根據Gilbert、 Boulter 與 Elmer (2000)的觀點，認為模型通常被視為是一個物件、現象、過程、 22.

(36) 想法和系統的表徵。因此，模型的存在是藉由建模者對目標物(target)的解釋和建立模型的目的。在實務面上，模型時常被視為橋樑(bridge)或介質(mediator)，因為它扮演著連接或轉換理論與現象的角色(Koponen, 2007; Morrison & Morgan, 1999; Rotbain et al., 2006；引自 Oh & Oh, 2011)。因此，模型連結了理論和現象，可幫助我們從數據發展理論且將理論轉換到自然世界。科學模型會以不同的方式呈現，許多學者嘗試利用一些原則作為分類，來幫助我們對模型的瞭解。Gilbert等人 (2000)根據模型的本體地位來區分模型，並針對每一種模型的特點說明與解釋(引自邱美虹、劉俊庚，2008)。 1.心智模式(mental model)：心智模式是私人且個人化的認知表徵，它是由個人所形成。 2.表達模型(expressed model)：為了使個人的心智模式能夠與他人溝通，在與他人的互動過程中，透過模型予以表徵和使用，此即為表達模型。 3.共識模型(consensus model)：不同的群體經由討論與實驗之後，均同意表達模型是有用的，原有的表達模型即成為一個共識模型。 4.歷史模型(historical model)：這些共識模型是在特殊的歷史情境下產生，隨後可能會被取代。若是模型發生取代的過程，則被取代的模型可稱為歷史模型。 5.課程模型(curricular model)：若是將歷史或是科學模型予以簡化，包含入正式課程中，即為課程模型。 6.教學模型(teaching model)：通常共識、歷史和課程模型的產生非常困難，可藉由教師或學生來發展以促進這些歷程，稱為教學模型。 7.混合模型(hybrid model)：藉由合併每個不同模型的特徵，而用於課程與課堂的教學，使它成為具一致性的整體。 8.教育學模型(model of pedagogy)：教師考量科學的本質、科學教學的本質、和科學學習的本質，在教學活動中所使用的模型。 Buckley 與 Boulter (2000)則是依據表徵的方式，將模型區分為： 1.具體的(concrete)：三度空間的實體模型。 23.

(37) 2.言語的(verbal)：是指被聽到、讀到或是描述的、解釋的、陳述的、辯論的、類比的和隱喻的模型。 3.視覺的(visual)：是指被看到的模型，例如圖表、動畫、模擬、影像。 4.數學的(mathematical)：是指公式、方程式或是一些模擬。 5.動作的(gestural)：身體或部分身體的移動。例如：角色扮演。 6.混合的(mixed)：將上述模型混合使用的模型。 Harrison 與 Treagust (2000)文獻分析後將類比模型分為四大類型：科學和教學模型(Scientific and teaching models)、建立概念知識的教學類比模型(Pedagogical analogical model that build conceptual knowledge)、描述多重概念和過程的模型(Model depicting multiple concepts and/or processes) 、實體、理論和過程的個人化模型 (Personal models of reality, theories and process)。接著又從中細分出十種次類型，茲將各模型的描述整理如表2-3-1。. 表 2-3-1 Harrison 與 Treagust (2000)的類比模型分類類型科學和教學模型. 次類型. 描述. 1.尺度模型. 尺度模型反映外在的比例，但. (scale models). 很少展現出內在的結構、功能和使用。所有在教學和學習所使用到的都稱為類比模型，包括尺度模. 2.教育的類比模型 (pedagogical Analogical 建立概念知識的教學類比模型. Models) 3.圖像與符號模型 (iconic and symbolic models) 4.數學模型 (mathematical modes). 描述多重概念和過程的模型. 型。化學反應式中的化學式和方程式即為符號模型的表徵。數學公式和圖表可以用來表徵. 5.理論的模型. 物理性質與過程，因為它可以精緻描述概念間的關係。理論模型是由人類所建構用來. (theoretical models) 6.地圖、圖表和表格 (map, diagrams and tables). 合理地描述理論實體。這些模型表徵型態、路徑與關係，使學生容易透過視覺化來瞭解。. 24.

(38) 實體、理論和過程的個人化模型. 7.概念－過程模型 (concept-process models). 許多科學概念屬於『過程』而非『物體』，教師使用模型有助於學生瞭解過程。. 8.模擬 (simulations) 9.心智模式 (mental models). 模擬是多重動態模型的獨特類別，模擬模型是複雜的過程。心智模式是一種特殊的心智表徵，是個人認知過程中所產生. 10.綜合模型 (synthetic models). 的類比表徵。綜合模型是學生的直覺模型與教師所教的科學模型交互作用所形成的模型。. 在國內的研究方面，陳瑞麟(2004)認為模型可分為『理論模型』與『可落實模型』。理論模型是一個較高層次的架構，可落實模型則是一個較低層次可接近具體的小架構，理論模型必須藉由可落實模型的實行才能達成。陳瑞麟由科學哲學的觀點依科學模型的存有狀態，將科學模型分類如下(表2-3-2)。. 表 2-3-2 模型的分類 (修改自陳瑞麟，2004) 模型類型. 實例. 實物模型. 模型玩具. 圖像模型. 原子結構、 DNA的心中形像. 概念模型. 數學模型邏輯模型. 電腦模型. 存有狀態. 特別的模映關係. 三度空間的再現、模倣與實體物類比二度空間的再現、類比. 原子、DNA、各. 圖案或心像. 種人造物體. 概念系統、動概念解釋、類比物行為、社會學理論運動定律、數學存目量化模擬供需定律兩集合間一集合論存目函應或函射般性的關係結構螢幕模擬駕駛、飛行. 被模映事物實例. 程式. 模擬. 25. 建築物、汽車. 人類或生物的行為、社會物體運動、自然現象、經濟現象各種關係性的對象系統飛行、駕駛、天氣種種動態事物.

(39) 綜合上述，各學者依不同觀點對模型所做的分類雖有所差異，然而這些模型的表徵有其共通性。模型的來源(source)通常並非直接相對應於目標(target)，形成時必須透過部分性質的轉換，在目標與來源之間尋找相似度可被接受或被理解程度，此即模型性質轉移的程度(邱美虹，2008)。模型的定義在特定領域(科學領域) 和普適領域(生活經驗)屬於兩種截然不同的觀點，大部分學生無法察覺關於模型的抽象功能，而將模型視為複製品或事物。事實上，科學模型更具有描述和預測未知事物結構和過程的功能。因此，若能增進學生對模型的認識，瞭解模型與對應物之間的轉換關係，將有助於科學概念的理解。另一方面，教師也必須先對科學模型的本質與功能有所瞭解，方能在教學過程中協助學生建立、發展與修正模型，將學生的日常生活模型轉換為科學模型，以達到有意義的科學學習。. 二、建模與建模能力科學知識的發展過程中會形成許多理論，若將科學理論視為模型，那麼科學的學習即為建構模型的歷程。在科學上，建模的目的是描述、解釋和預測自然世界的特定觀點(Halloun, 2004)，使內外在(mentally and externally)能模擬所關注的現象，藉以解決面臨的問題。科學的模型和建模不僅僅是傳達模型的知識內容 (model content-oriented)，更應強調模型的思考和產出(model-thinking- and model-production-oriented)，如此可幫助學生利用模型來解釋現象以及創造他們自己的模型(Henze et al., 2007)，模型思考上應重視模型的功能和推論；而模型的產出則關係到模型的重建。邱美虹和劉俊庚(2008)認為建模即是產出模型的過程，建模是一種動態的歷程，企圖去協助學生瞭解知識是人們所建構，具有促進科學理解的潛能。關於建模，Hestenes (1995)曾提出『一般性建模歷程』的模型(如圖 2-3-1)，認為建模歷程是一個反覆循環的過程。首先，必須辨認和描述每個物理系統的組成物和個別現象，接著(或同時)定義建模的目的和效化預期的結果。藉由這些步驟在情境中選擇適當的理論，合適的模型即被選擇和建立，接下來便是分析模型和. 26.

(40) 持續效化模型，最後推論出適當的結論(Halloun, 1996)。 Halloun (1996)以 Hestenes 的理論為基礎，在教學上提出解決典範性問題 (Paradigm Problems)的建模歷程，包含五個步驟：模型選擇(selection)、模型建立 (construction)、模型效化(validity)、模型分析(analysis)和模型調度(deployment)。茲將各歷程的內容分述如下： 1.模型選擇：要解決教科書中的問題時常牽涉到基本模型(basic models)和突現模型(emergent models)所組成的特殊基本模型(specific basic models)。因此，建模的歷程應該先從所有特定理論中熟悉的模型選擇出適當模型。 2.模型建立：此階段，引導學生建構出數學模型(mathematic model)以幫助他們解決問題，建立每一個組成模型的組成和結構。有些問題需要藉由描述性模型 (descriptive models )，有些問題需要解釋性模型(explanatory models)，最佳的典範問題必須同時包含描述性和解釋性的綜合模型。 3.模型效化：此階段有時可與模型建構同時一起進行，特別是關於內部一致性。效化包括許多不同形式的評估，提供學生機會去執行一個科學教育的主要目標－批判思考(critical thinking)。 4.模型分析：模型分析在於解決課本上數學模型(mathematic model)的問題，尋求問題的答案，並且解釋(interpreting)和校準(justifying)答案。 5.模型調度：此階段可幫助學生發展學習遷移，包括：使用已知模型來描述、解釋和預測新的物理情況；推論模型中其他事物的關聯性；推斷目前模型以建立出一個新模型。模型調度也包括反思活動，學生可以藉此新的建模經驗檢視與精緻化他們學得的知識。 Halloun (2007)進一步指出，建模教學是以學生為中心，讓個別的學生有足夠的機會建立(construction)與調度(deployment)模型以發展概念。學生在五步驟建模學習環的學習過程中，經由教師的引導和調停，能更有效提升學習成就，特別是應用在高中和大學的物理課程。. 27.

(41) 情境. 系統現象. 模型. 目的. 效化. 分析. 結論/辯護. 圖 2-3-1 Hestenes(1995)的一般性建模歷程(修改自 Halloun, 1996) 張志康與邱美虹(2009)整理研究各學者對建模歷程的分類分式，基於『科學與建模實務』的考量，以Halloun (1996)的建模歷程為基礎，輔以循環作用的觀點，將建模的歷程分為六個階段。包括模型選擇、模型建立、模型效化、模型應用、模型調度和模型重建 (reconstruction)。前五項是以Halloun的架構為主，第六項是來自邱美虹(2007)。其內容說明如下： 1.模型選擇：當學生面對某一特定的問題時，會自動從腦袋中選出能解決該問題的模型；意即學生從自己熟悉的模型中，選擇一個合適的模型來解決問題 (Halloun, 1996)。在這個階段中，必須透過選擇的方式澄清問題的導向或是分析問題的源頭。 2.模型建立：在覺察問題之後，接著確認第一階段所選擇模型相關的成分和結構，產生科學假設，以表徵具體的模型。此階段必須建立個人解題的初步模型，藉以解決眼前的問題。 3.模型效化：建立初步模型後，便可使用各種不同的方式檢驗初步模型的內在一致性，以判斷是否須修正模型。. 28.