第貳章文獻探討

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第貳章文獻探討

本研究主要探討跨年級學生的演化概念發展情況，文獻探討共分成五節，第一節主要介紹概念發展與演化歷程，從生物演化的觀點詮釋學生的概念發展；第二節主要是介紹概念改變的理論，探討學生在學習過程中概念改變的機制；第三節深入探討演化的內涵；第四節回顧文獻上有關學生演化概念的研究結果；第五節以教科書的分析為主，比較學生在演化概念上的認知與教科書的關連性。

第一節概念發展與演化

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 2-1-1)，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。

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圖 2-1-1 橫向或時間切割的表徵 (修改自 Toulmin, 1972)

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」。

圖 2-1-2 縱向或祖譜系的表徵(修改自 Toulmin, 1972)

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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 2-1-3)。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 2-1-3 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

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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。

許多十九世紀時期的科學哲學家都試圖用演化觀點來詮釋認識論，其中

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Popper(1968)是第一個使用「演化認識論(evolutionary epistemology)」一詞探究科學真理，他認為科學研究並非依照個人的感官經驗，正確地描述外在世界，而是在科學家解決遭遇問題過程中，針對問題情境提出各種試探性的解決(tentative solution)或試探性的理論(tentative theory; TT)，這些方法不只一個，需要排除錯誤的解決方案，保留下來的方法可能還會面臨到新的問題，這種試探性解決方法或理論，屬於開放性的演進模式，就如同達爾文演化觀點中的生存競爭，生存下來的個體必須經過嚴格的考驗(圖 2-1-4)。從演化認識論來看科學理論，科學主要的活動，排除先前科學家所提出的理論，也就是科學理論並非代表「真理」，科學家正努力地尋求「真理」，科學本質的研究是就是一個動態的演化歷程。由此可知演化概念除了可以用來解釋生物演化過程，亦可作為科學家在遭遇問題時處理方式的過程詮釋，試探性的解決就如同演化中的個別變異，經過時間和空間考驗，最後排除錯誤，也就是適者生存、不適者淘汰，雖然適者在當下環境裡能夠存活，然而當環境一改變，適者將面臨到新的難題。

圖 2-1-4 Popper 的演化認識圖(Popper, 1972)

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、

P1(問題一) P2(問題二)

排除錯誤 (elimination of error ; EE) 試探性的解決

(tentative solution; TSn) 或試探性的理論 (tentative theory; TT)

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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演化單元的概念發展，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。而本研究將以生物領域的演化單元進行分析。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。

Campbell & Reece (2002)認為目前多數科學家都以支序學(cladistics)繪出支序圖(cladogram) 或系統發育樹(phylogenetic tree)。藉由分析同源構造的特徵，可明確地了解生物演化史的祖徵和裔徵改變情形，其中分類被歸為同一類者，則稱為分類群(taxon)，複數為 taxa (de Queiroz,1988; 1994)。同一階層的分類群，因其成員(物種)彼此與祖先的關係，依照其分類群可分成三類：

1. 單系群(monophyletic)：同一分類群中所有成員的祖先亦屬該分類群，及分類群包含祖先及所有後代成員。

2. 並系群(paraphyletic)：同一分類群中成員，包含共同祖先，但是與單細群最大的不同在於不包含共同祖先的所有後代成員。

3. 複系群(polyphyletic)：同一分類群中的成員，不包含共同祖先，通常因為共同祖先缺少成員所具有的特徵。

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圖 2-1-5 單系群、並系群和複系群的比較(Darren, 1997)

Wiley, Siegel-Causey, Brooks, & Funk(1993)提到唯有單系群可以被驗證為系統發育樹的分類群，而並系群意指包含一個祖先和部分非全部的後裔，多系缺少共同的祖先，這兩種都無法符合支序學派(cladistics phylogenetics systematics)的中心思想由利用共同的裔徵¹(derived or apomorphic character)來重新建構共祖關係，而且分類群主要以共同祖先為主，藉此來解釋分類群的親緣關係。

根據裔徵相關資料而繪製成支序圖(cladogram)，所謂的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。

假如有兩個特徵的情況下，所有的特徵序列都會自動的排列，但不一定有方向性，例如：ab(圖 2-1-6，第 1 項)稱為不具方向性的雙特徵，而 a→b(圖 2-1-6，

第 2 項)稱為有方向性的雙特徵。若轉換系列具有兩個以上的特徵，稱為多重特

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徵系列(multicharacter transformation series)，假若多重特徵系列沒有序列性，許多路徑都是有可能發生的，例如：圖 2-1-6 第 3 項，各種特徵之間的關係都有可能會發生。這也表示不具方向的轉換系列，其特徵的演化不具有特定的方向性(圖 2-1-6，第 1、3 和 4 項)，然而具有方向的轉換系列可以根據祖徵或裔徵來決定其方向性(圖 2-1-6，第 2 和 5 項)。

圖 2-1-6 轉換系列(Transformation series)的特徵(修改自 Wiley, et al., 1993)

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：

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，

a 1

b

a

c

a b b

2 3

4 5

a b c a b c

※特徵：a, b, c

※關係：、

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而符合邏輯的部份可以整合到單系群裡。

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，而本研究參考此項創舉利用支序分析方法，探究跨年級學生之演化概念演化樹，本研究將以概念演化樹說明跨年級演化概念之發展，以下採用林靜雯(2006)首創的「概念演化樹」一詞來說明。

現代生物技術發達，其中 Swofford(1990)設計的 PAUP* (Phylogenetic Analysis Using Parsimony)軟體包含許多豐富的篩選方式，亦是本研究所分析使用的軟體，本研究選用「窮盡搜尋」(exhaustive search)法，所有可能概念演化樹都進行篩選，最後找出樹長最短的支序圖，通常以 10 種分類群較為有效，當數量過大將耗費較多時間，存留下來的概念演化樹也多，因此較不建議。

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PAUP* 軟體將根據概念演化樹的樹長(Tree length)、一致性指數(consistency index)和 F 比率(F ratio)等等來刪除不合適的概念演化樹，存留下來一些合適的概念演化樹，其中樹長 (Tree length) 表示統計概念演化樹其各個分支和節間 (intercode)改變特徵的數目。從資料可以得知最佳的概念演化樹，意即最短樹長的概念演化樹，原因在於最短樹長可以看出最儉約的描述，也可從最佳的概念演化樹中分析出正確分類群間的共祖關係 (Wiley, 1975) 。至於，一致性指數 (consistency index) 由 Kluge & Farris(1969) 提出，可以用來檢視轉換系列 (transformation series)和所有資料，是否與特定的概念演化樹吻合，其計算公式如下：

C= s

m (m：最小改變步數量 s：概念演化樹上所顯示改變步數量)

另外，F 比率(F ratio)是另一種用來報導概念演化樹的穩定度，檢視特徵與路徑距離的關係。除了以上所提及三種數據外，還包含許多分析指數共同判定出適合的概念演化樹，樹可能不只有一棵，最後還需要觀察者或研究者再更近一步選出最佳的概念演化樹(Wiley, et al., 1993)。

總結上述，達爾文在物種原始書中提到，以生物的譜系關係和相似程度做為分類的依據，有三種重要的功能：加速資料的讀取、查詢資料的便利、且可以作為比較生物學的基礎(引自 Mayr, 1982)。若能以學生的概念發展為基礎，依照系統分類學的原理原則繪出系統發育樹，找出不同年級學生的概念系統發展路徑，

對於往後在演化單元的教學上也能提供適當建議，並參考演化概念的系統發育樹適當地給予學生刺激，讓正確的科學概念得以繼續發展。

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第二節概念改變

Kuhn(1962)提到科學理論的轉變，如同革命一樣。許多科學教育學者認為除了科學家之外，許多人的科學學習歷程中亦會經歷概念改變的過程，Kuhn 所提出的科學革命可謂科學教育中概念改變之開端，隨後，概念改變的議題逐漸被受重視，

本節針對科學教育領域的重要概念改變理論探討與分析。

一、PSHG 的 CCM 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，必須發生調適。

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。

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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須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。

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二、Thagard 的概念革命

Thagard(1992)提出概念系統是在種類階級和部分階級的概念組合，藉由規則相互連結，也就是一個概念系統可被分析成具有節點的網絡，每個節點和一個概念相關，而網路中的線段就是兩個概念間的連結。圖 2-1-1 以動物概念階層性的關係，

節點使用橢圓形表示，此網絡使用了五種連結，分別為種類(…的一種)、例子、規則(有…的規則)、屬性(有...的屬性)和部分(…的一部分)。概念系統包含了如圖 2-2-1 所描述的節點連結網絡，而概念改變包含了節點和連結的增減。利用這樣的概念系統，Thagard 將概念改變分成九個層級(表 2-2-1)，一到三項只包含簡單的信念修正，

而第四到第九項牽涉到概念改變的階層，例如：達爾文提出的演化革命，去除神創論的概念架構，而是採用新的一套概念架構，完整的取代先前的概念系統，這就於概念改變的階層。

圖 2-2-1 概念的階層性—以動物概念為例(Thagard, 1992)

鳥類爬蟲類藍色

動物

金絲雀藍背鳥

顏色

黃色鳥喙

哺乳類

崔弟鳥

…的一種 …的一種

例子

…的一部分 …的一種 …的一種 …的一種 …的一種 …的一種

有…的屬性有…的規則

有…的規則

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表 2-2-1 概念改變的九個層級(內容整理自 Thagard, 1992)

層級 內容說明 例子

1 ^{加入或刪除一個新的事}

例(instance) 瑣碎的概念結構改變遠處那一團就是鯨魚 2 ^{加入或刪除一條新的弱}

原則(weak rule)

鯨魚可以在北極海中被找到

信念修

正 3 ^{加入或刪除一條新的強} 原則(strong rule)

加入不同強度的規則(強弱根據加入規則對問題解決的重要程度區分)，區別在於實用取向 (pragmatic)

對愛斯基摩人或俄國的漁夫而言，較容易在北極海找到鯨魚

4

加入一個新的部分關係 (part-relation)或分解

(decomposition)

發現新的部分物理領域分子、原子、

微原子的依序發現合併(coalescence)：加入一個新

的上級(superordinate)關係來連接先前無關的兩件東西(Carey, 1985)

「活的」來連接動物和植物兩個下級概念。

5 ^{加入一個新的種類關係} (kind-relation)

分化(differention)：找出兩種不

同事物的分別熱和溫度的差異

6 ^{加入一個新的概念} (concept)

科學知識的發展扮演重要部分新概念是為了解釋而產生

氧、電子、垮克和基因概念的產生

7 ^{崩塌一部份的種類階層} (kind-hierarchy)

科學知識發展中也有減少或捨棄先前所區分的架構

達爾文打破物種和變異的區別

8 ^{重組階層—分枝跳躍} (branch jumping)

概念從同一個階層樹分支跳躍至另個分支

達爾文重新分類將人類視為動物的一種概

念改變

9 ^樹的轉換 (tree switching)

最劇烈的概念改變

影響階層樹中的組織原則

分類依據應依照親緣關係的基本原則

三、Chi 的本體概念改變

Chi(1992)根據知識的本質提出概念本體樹的理論架構，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

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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 & Hausmann, 2003;

Chi, 2005)。

圖 2-2-2 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(表 2-2-2)。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

自然

種類意圖的

有生命的

植物

（需要）

“凋謝＂

（花）

物質心智狀態

人為加工品

過程

直接情緒的

無生

命的意圖的隨機自然的人工的

動物固體液體

“一小時久的＂“昨天發生的＂

（一天休假、暴風雨）

“固定的＂

“破碎的＂

（燈）

“起因於＂

“有開始和結束＂

（親吻、打架）

“平衡＂“進化＂

（煙霧、塞車）

（害怕）

“飢餓＂

（蜜蜂）

“閃耀＂

（鑽石）

“漏洞＂“累積＂

（牛奶、水）

“為某種目的＂

（打架、親吻）（丟硬幣）（閃電、物種形成）（電流）

“是真實的＂“是未知的＂

（作夢、想像）

“是紅的＂“是重的＂“是很瘦的＂

“具有重量＂ “佔有空間＂

（石頭、建築物）

突現

(16)

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。

(17)

表 2-2-2 概念改變的類型(整理自 Chi, et al. 1994)

概念改變 內容 概念之間關係 學習

本體類別的概念改變

1. 同一本體樹內的概念的轉變。

2. 信念修正。相容概念容易學習

跨越本體的概念改變

1. 由原先本體類別轉移到另一個新的類別。

2. 根本的概念改變。

不相容概念不容易學習

Chi(2005)研究焦點著重在本體樹下的過程屬性，以人體血液循環和分子擴散作為例子，詳細說明過程屬性下的有些概念很難改變的原因。這兩個過程的因果機制相似處有六點：

1. 具有整體的形式(pattern)和組成成分：流動的整體形式可以使用各種分是來描述，但是循環可能會比較重視方向或速度，例如：血液由心臟流向肺部、染料由高濃度移到低濃度。

2. 組成成分具有多重的層次(multiple level)：其聚合層次(aggregate level) 在循環為心臟和血管；擴散為藍色染料和水溶液。另外還可以把聚合層次解構成組成層次(constituent level)，循環為血液內的紅血球和細胞質、心房和心室的細胞或組織。

3. 組成成分的的相互作用：循環系統裡，心臟藉由幫浦與血液產生作用，

而血管藉收縮與血液發生作用。在組成層次中，瓣膜可以避免血液逆流。在擴散系統裡，聚合層次裡藍色染料流進水溶液中，且組成層次中染料和水分子相互碰撞，可見不論聚合層次或組成層次都有發生交互作用。

4. 有時候形式(pattern)、聚合層次和組成層次的過程是無法看見的：循環系統中，很難看見血液循環本身的形式，包含聚合層次的組成成分(心

(18)

臟和血管)和組成層次的組成成分(心臟和血管的組織細胞)：擴散系統中，形式和聚合層次是可以看見的，但是絕對不可能看到組成層次的成分(染料和水分子)。

5. 形式和組成成分裡包含許多簡單和複雜的描述符號(descriptors)：循環系統裡，形式(pattern)中的簡單描述符號為血液的顏色，複雜的描述符號為壓力和彈性，另外組成成分(component)的簡單描述符號為心臟的大小，複雜描述符號為心臟組織的收縮機制；擴散系統裡，型式的簡單描述符號為溶液的顏色，複雜描述符號為濃度和平衡，另外組成成分的簡單描述為分子的大小，複雜描述符號為布朗運動的機制(圖 2-1-3)。

6. 各種因素(操作與控制變因)會影響整體的流動形式和局部組成成分的行為：在循環系統裡，任何整體的變化(心臟和血管的收縮力量、動脈內膜厚度、)，另外局部的因素也可以影響到組成成分的行為，例如：

鄰近的分子可以造成特定的結果(分子間的碰撞與否)；在擴散系統裡(圖 2-1-3)，任何整體的變化(染料分子在原燒杯內的濃度、連結兩個容器的管狀孔徑大小、溶液的溫度)，許多局部的因素可以影響到組成成分的行為，例如：介於心房和心室之間的瓣膜可以適當地讓血液流回心房。

(19)

圖2-2-3 突現過程：形式和組成成分層次裡的描述符號內容—以擴散為例 (Chi, 2005)

雖然分析循環和擴散概念有許多相似處，然而在本質上兩個概念是有所差異的，原因在於循環系統的聚合層次或組成成分層次可以直接對於整體的流動造成影響，Chi 將這種概念本質的屬性稱為直接過程，而擴散系統中，不論聚合層次或組成成分都無法直接地描述整體流動的機制，因此 Chi 將這種概念本質的屬性稱為突現過程。總體而言，學生對於概念本體屬性的認識，會影響概念改變的難易度，概念改變有層級的差異，當概念改變涉及類別內的轉變(例如：血液循環)，

這樣的概念改變較為容易；但是若涉及跨類別的概念改變(例如：力學或電學)，

則概念改變不易發生。Chi 的研究中可發現概念本體需要事先被建立，一旦錯置了概念本體屬性，就需要花費相當大的精力來達成概念改變，至於跨越本體的概念改變，Slotta & Chi(2006)建議教學前先進行本體訓練(ontology training)，教學上應避免使用物質屬性的說法、類比或圖片，協助學生建立本體觀點，這樣的訓練適合於屬於突現過程的概念，例如：擴散作用、演化、電流或熱等等，然而屬於直接過程的概念，不需要概念樹的轉移，所以不需要事先作本體訓練。

流動形式(pattern)/

聚合層次

(Aggregate level)

組成成分層次 (Constituent components level)

 濃度

 平衡

 流動速度

 濃度和流動速率間的因果關係

 布朗運動

 分子的大小

 分子位置和分子週遭其他分子間碰撞的因果關係

描述符號

(20)

表 2-2-2 直接和突現過程分別以血液循環和擴散作用為例說明(修改自 Chi, 2005) 過程 直接過程 以血液循環為例 突現過程 以擴散作用為例

有區別的(Distinct) 瓣膜與心臟的腔室組

織行為不同一致的(Uniform) 所有分子行為都相同有限制的

(Constrained)

血管的瓣膜與血液產生交互作用，不和心臟的隔膜作用

無限制的 (Unconstrained)

分子可以相互碰撞，隨機的交互作用

序列的(Sequential) 心室收縮前，心房收縮並將血液注入心室中

同時發生的 (Simultaneous)

所有分子在任何位置相互碰撞或擦肩而過相互依賴的

(Dependent)

心房先收縮，心室再收縮

獨立的 (Independent)

不限定分子類型，分子間彼此發生碰撞組成成分的

互動關係 (Component

Level Interactions)

有終點的 (Terminated)

當流動形式停止，血液停止流動，心室也會停止收縮

連續的 (Continuous)

即使流動形式停止，分子間依舊繼續碰撞子集合

(或種類) (Subgroups)

肺只扮演血液循環的其中一條路徑，從右邊心臟出發的循環

所有成分(或所有成分的集合) (Components)

所有分子都要負責整個流動的形式直接的(Direct) 如果有個成分發生問

題，例如：隔膜破裂，

隨後循環的效率也會遭受影響

非直接的 (Non-Direct)

任何分子的碰撞對整體流動沒有直接影響，移開某些分子，其他依舊還能保持流動的形式

相關的

(Corresponding)

血液流動方向與瓣膜的開關是相關的

非互相相關的 (Disjoint)

分子間的碰撞與整體流動方向可能是不同的，甚至是相反的不同狀態

(Differential Status)

心室沒有適當地收縮比辦膜沒有適當關閉對於血液流動造成影響大

同等地位 (Equivalent Status)

沒有特定的分子碰撞比其他還要重要，貢獻都是相同

組成成分與形式關係 (Component-

Pattern Relations)

整體性目的 (Global Goal)或有意圖(Intentional)

辦膜的開關可阻止血液逆流，將氧氣和營養攜帶至身體各部位，並移除二氧化碳和廢物

局部性目的 (Local Goal)或沒有意圖的

(Unintentional)

分子在做布朗運動，可能互相碰撞或沒有碰撞，對於整體流動模式沒有意圖

(21)

四、Vosniadou 的心智模式概念改變

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 2-2-1)，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。

(22)

圖 2-2-4 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。

 事物就像它們看起來的模樣。

 地球是平坦和固體的。

 地球是靜止的。

 地球是由底下的土地和水所支撐的。

 太陽/月亮/星星都座落在地球的頂端‧

 面是長距離的平面延展。

 天空座落於地面之上。

 太陽/月亮/星星都是在天空中。

 地球底下有土地或水。

本體論

特定理論 (Specific Theory)

預設(Presupposition)

認識論

 固體。

 靜止的。

 上/下的系統。

 上/下的重力。

在文化情境下的觀察 (Observation in Cultural Context)

信念(Beliefs)

初始心智模式(Initial Mental Model)

架構理論 (Framework Theory)

矩形地球圓盤地球環狀地球

(23)

第三節演化的內涵

18 世紀末期，許多自然學家皆認為生命會隨著環境改變而演變。拉馬克(Jean Baptiste Lamarck)在 1809 年發表他對於物種起源的看法，由於平時在巴黎的自然歷史博物館工作負責無脊椎標本的收集，藉由觀察化石標本，提出了一套說明生物如何演化的模型，其理論內容重點有二(Campbell, 2002)：

1. 用與不用(use and disuse)：時常用於應付環境的身體部位會增大增強，而不用的部位會退化。例如：鐵匠因揮舞鐵槌使手臂的二頭肌特別發達、長頸鹿拉長脖子為了可以吃到較高的樹葉。

2. 獲得性特徵的遺傳(inheritance of acquired characteristics)：生物在生命週期中獲得到修飾特徵，可以遺傳給他的子代，例如：歷代祖先體型的拉長而逐漸長高。

然而，目前尚無證據可以證實獲得性的特徵是可以遺傳的，鐵匠可以因為一輩子都在鎚擊敲打而增加肌力和耐力，可是這些獲得性的特徵不會藉著配子遺傳給後代，導致基因發生改變。然而，在當時拉馬克所提出的演化概念卻廣泛地被接受，目前已發現有些錯誤，不過拉馬克的理論也絕非都是錯誤的，他的理論在許多方面都很有遠見：主張化石記錄可以說明當代生物多樣性和演化歷程、從演化可以瞭解地球的歷史以及強調演化是對環境適應的初步結果。

時空轉換到 19 世紀初，達爾文於 1809 年出生，從小就熱愛大自然，父親是醫生，也期望他從醫，然而他因為興趣不符而到劍橋大學就讀，希望可以成為一位牧師，當時多數的自然學家或科學家都是神職人員，由於教授的推薦而參加了小獵犬號(Beagle)，其中物種的分布引起他的興趣，在加拉巴哥群島發現許多不

(24)

同型的鷽鳥，這些鳥類雖然相似，但似乎是不同的物種，由於觀察的收穫加上萊爾的《地質原理》，他開始懷疑「地球是一成不變」的見解，他認為地球的歷史久遠，且地球持續地在變化，除此之外更進一步思考地球上的生物也同樣地在進行演化(Mooreead, 1971)。在 1859 年 11 月 24 日，達爾文發表了《物種起源—藉由天擇的方法》，開啟了科學家對生物多樣性、生物起源及親緣關係、生物間的相似和相異性、生物的地理分布、以及生物對於環境的適應等。書中提到物種起源的重要觀點：

關於物種起源，完全可以想像得到的是，一位博物學者如果對生物的相互親緣關係、胚胎

關係、地理分布、地質演替以及其他相關的事實加以深入思考，那麼他大概會得出這樣的

結論：物種不是被獨立創造出來的，和變種一樣，是從其他物種傳下來的。………而且，

我還相信自然選擇是變異的最重要，但不是唯一的途徑。

演化生物學家 Mayr(1982)基於下列五種觀察，將達爾文演化論做深入分析，

共有五個觀察事實和三個推論(圖 2-3-1)：

觀察一：生殖潛能—所有物種都具有很大的生殖潛力，假使所有被生下來的物種都能夠成功的繁殖，則他們的族群數量將以指數型式成長。

觀察二：族群數量穩定—族群傾向於維持穩定的數量，除了季節性的變動外。

觀察三：資源有限—環境資源是有限的。

推論一：生存競爭—若產生比環境所能夠負荷的個體數目還多，將會導致族群內個體的生存競爭，且每一世代只有少部分的子代得以存活。

觀察四：個別變異—族群內個體特徵的差異大，沒有任何個體是長得一模一樣的。

觀察五：遺傳的決定—大多數的變異也許都是可以遺傳的。

(25)

推論二：適者生存—生存競爭中的倖存不是隨機的，有一部份取決於個體的遺傳組成。那些具有遺傳到使他們對環境有更加適應力之性狀者，

似乎比使適應不良的個體能夠留下較多的子代。

推論三：歷經世代的改變累積—諸個體之存活(區域性的適應)及生殖的不均 (生殖優勢)等能力將導致族群內經過許多世代而累積出有利特徵的比例逐漸改變。

圖 2-3-1 達爾文演化天擇的解釋模型(引自 Mayr, 1997)

達爾文的《物種原始》樹立了演化的基礎的五大理論：(一)、生物會隨著時間而穩定的演化；(二)、不同的生物皆傳承自共同的祖先；(三)、物種數會隨著時間而增加；(四)、演化透過族群的逐漸改變得以發生；(五)、演化的機制基於許多獨立個體間對於有限資源的競爭，導致生存和繁殖的變異(引自 Mayr, 1982)。達爾文所提出的演化論解釋了生物領域中物種起源的謎題，他的理論能夠解釋較多的事實，直到目前為止依舊被大眾廣為接納。Ohlsson(1990)認為達爾事實三：

自然資源是有限的來源：馬爾薩斯的觀察結果

事實二：

族群實際大小呈現平衡狀態

來源：普遍觀察結果

推論一：

個體間必有競爭存在來源：馬爾薩斯的推論事實四：

每個個體的獨特性來源：動物育種家和分類學家

事實五：

許多變異具有遺傳性來源：動物育種家

推論二：

個體生存率的差異(也就是天擇) 來源：達爾文的推論

推論三：

經歷多代的天擇，即發生演化。

來源：達爾文的推論事實一：

族群具有等比級數增加潛力(過度生育) 來源：佩利和馬爾薩斯等人的觀察結果

(26)

文演化論包含五個要素：

1. 種內的任意變異(個別變異)：某個特定種類的個體，不同於世代中其他個體，包含物理特徵(大小、顏色)、心理特徵(察覺、記憶、智慧)和行為特徵(養育孩子、餵食)。

2. 某些特徵的遺傳(遺傳的決定)：有些變異的向度是由遺傳所決定的(個體被遺傳的特徵)或是其他變異的向度是可獲得的(個體表現出經驗與生活方式)。

3. 不同的存活率(區域性的適應)：不同特徵可能有助於個體在現有的環境中存活。那些適合於環境的特徵將會藉由在環境中存活率機會大增而被選出來。

4. 不同的生殖率(生殖優勢)：不同的存活率轉換為不同生殖率。生殖率很高的個體更有可能將他們的基因傳遞至下一代。

5. 歷經世代的改變累積：只有小的演化改變發生在單個世代內。但是因為此過程一再地被重複許多世代，這樣的累積改變可以導致被隔離的亞種在本質上之差異，甚至出現新的物種。

綜合上述可知，演化過程需要經歷許多事件組成，Mayr(1982)和 Ohlsson(1990) 再重新解釋達爾文理論上內容幾乎相同，只是呈現方式有所差異，Campbell(2002) 將物種起源書中達爾文的主要思想歸納可分成三點：個體的存活和生殖率是不相等的；天擇透過環境和族群內個體的遺傳變異兩者互動；天擇的結果是生物族群對其環境的適應。整體來說，天擇可以解釋演化的機制，而演化的發生有賴遺傳變異和天擇決定後的產物，達爾文的解釋讓生物學的許多概念獲得統整，也開啟了族群遺傳學的研究。

(27)

20 世紀初孟德爾(Mendel)遺傳定律的崛起，開啟了遺傳學領域，出版了《遺傳學與物種起源》，突變的議題出現更精確地解釋天擇，把遺傳學與演化論做完整的結合。目前演化概念發展出新的理論—現代合成理論(morden synthesis)或新達爾文理論(Neo-darwinism)，這個理論結合了達爾文演化學說和孟德爾的遺傳定律(Geraedts & Boersma, 2006)。關於達爾文的演化論，Mayr(1982)則認為因為達爾文並未提出有關性狀遺傳的概念，且李學勇(2007)也提到近代演化學說的內容，與達爾文原先的學說，最大的差異就是放棄生存競爭的基本涵義，改以「變異」和「隔離」是形成物種的必經步驟。所以目前大多數的生物學家都支持新達爾文理論的內容，族群中新性狀的出現，主要來自於突變和基因重組，但性狀出現頻率的隨著時間改變，主要是因為天擇的作用導致不同的生殖成功率。

目前在演化單元的教學內容多以新達爾文理論來做說明，國內課程演化單元於遺傳概念之後，也就是在學生具備遺傳概念後，才開始進行演化單元的教學。Geraedts & Boersma(2006)比較拉馬克和新達爾文理論的差異(表 2-3-1)，顯然可以看出新達爾文理論較複雜，不單只是包含概念的數目多寡，生物組織的層次也不一樣。在細胞層次上可以解釋突變和重組是出現遺傳變異的過程，這樣的遺傳變異可用來解釋族群裡的表型不同，所以演化概念的層次為族群，而拉馬克理論，演化改變在個體的層次上，而非在族群上，環境可以直接刺激演化改變，

引導個體去適應環境，這促使演化成為一個決定性的過程，但是新達爾文理論認為演化的本質應該是隨機的過程。基於相關研究都指出學生具備拉馬克的迷思概念，針對高中學生設計一套引導式重新創造的課程，進行模擬活動，學生根據回答一系列的問題，重新建立天擇概念。在教學活動結束後，結果顯示只有少數拉馬克理論依舊存在，大部分的學生都已經發展出達爾文或新達爾文理論。

(28)

表 2-3-1 比較拉馬克、達爾文和新達爾文理論本體上的差異 (修改自 Geraedts & Boersma, 2006))

拉馬克理論 達爾文理論 新達爾文理論

涵蓋的概念數量少中高

涵蓋生物組織 的層次

個體層次個體層次族群層次

細胞層次個體層次族群層次演化改變的層次個體層次族群層次族群層次

環境的角色指導/適應選汰(selection) 選汰(selection) 過程的本質決定取向的隨機取向隨機取向

(29)

第四節演化概念相關研究

學生在生物學的學習，主要的困難是來自於許多生物的概念屬於廣泛性的概念，不同於物理領域上的學習困難起源於違反直覺的想法，許多生物學上的概念困難是因為須要牽涉多方面知識的整合，演化和生態學就是最好的例子(黃台珠譯, 2002)。教科書內的演化單元，通常都是編排在生殖和遺傳單元之後，主要在於演化概念需要結合許多子概念(包含有性生殖和突變)，運用遺傳相關概念來解釋經歷漫長時間的演化過程，若是之前概念學習不夠完整，就很容易導致學生在學習演化概念上的困難。

Dobzhansky(1973)認為演化概念在生物領域中是屬於結構性的主題之一，而且許多研究結果都顯示學生在演化概念的學習上有許多困難，原因有二：一、演化概念與學生的信仰發生衝突；二、學生所具備的演化概念與科學上真正演化概念不相符合。除了上述兩點外，演化概念屬於生命現象的過程，整個過程需要花費長時間，短則數百年，甚至幾千年都有可能，因此 Fisher & Lipson(1985)指出從學生的測驗與晤談中，發現學生在生物領域的學習上有許多迷思概念。

Brumby(1984)以醫學系學生作為探討演化概念的對象，發現大部分學生仍認為演化是因為生物受到環境的驅使而造成的，學生相信生物因為需要，而逐漸演化以適應環境的改變，顯示出學生在演化概念的學習是有困難的，拉馬克的觀點會影響著學生的演化概念學習。Bishop & Anderson(1990)則是針對大學非生物主修學生之演化概念，歸納出學生有三個概念與正確科學概念有所不同(表 2-4-1)：

一、改變性狀主要是因為適應過程的需求，而非突變或基因重組出現；二、族群內的個體或是新出生的個體都沒有性狀的變異；三、同一個族群內，性狀的改變是漸進的。依照學生針對性狀改變的解釋還可細分成三類：(一)、需要：個體發展出新的性狀，因為他們需要這個性狀才能夠存活；(二)、使用和不使用：改變

(30)

的發生因為物種的某些成員使用或不使用某些器官或能力而造成，這種解釋偏向拉馬克所提出的用進廢退觀點；(三)、適應：許多學生使用適應這個詞描述個體改變以適應環境，用來解釋演化上的改變。學生的解釋內容暗藏著拉馬克的想法：獲得的性狀是可以遺傳的，雖然那些拒絕拉馬克理論的學生，在描述演化過程就如同圖 2-4-1 b 內容的單步驟過程，這也意味著表面上學生拒絕拉馬克理論，但學生依舊沒有充分了解兩個複雜過程的內容。

表 2-4-1 大學生對於演化概念的認知(整理自 Bishop & Anderson, 1990)

演化子概念 科學概念 學生的素樸概念

1.族群裡新的性狀的出現與存活

 包含兩個複雜的過程：

1. 遺傳上(突變或基因重組)的任意改變 2. 存活與否主要在於環

境的選擇(天擇)。

 只有單一步驟過程：

1. 物種的新性狀的出現是漸進式的。

 學生對於新性狀出現的解釋可分三類：

1. 需要：個體發展出新的性狀，因為他們需要這個性狀才能夠存活。

2. 使用與否：因為物種使用或不使用某些器官而造成新性狀的出現。

3. 適應：許多學生用適應這個詞描述個體改變以適應環境，解釋演化上的改變。

2.變異在族群中所扮演的角色

 族群中的變異是演化改變的先決條件。

 有些個體具有生殖上的優勢，因為他們具有優於其他個體的性狀。

 學生不認為變異是演化中重要的部份。

 演化是塑造物種的過程，而非考慮演化主要在討論族群內的個體間之差異。

3.演化是個體間擁有某個性狀比例的改變

 新的性狀出現是因為個體間的性狀改變而來。

 新的性狀漸漸出現在族群中，主要因為具有此性狀個體的比例增加。

演化是性狀本身的改變，也就是性狀會隨著世代而逐漸改變，而不是性狀在族群中出現個體的比例改變。

(31)

a.適應 (adaptation)

 指族群內的性狀隨著天擇作用而改變。

 演化過程是由個體的出生和死亡所驅使，而不是個體在生命歷程中的改變。

 直接用日常生活中的『適應』來解釋：個體改變他們自己努力、

形式、功能或行為，例如：狗適應了牠的新家。

 環境趨使性狀的出現和發展。

4.

名詞混淆

b.適應力 (fitness)

 個體(或基因)產生具備生存能力的下一代。

 任何可以增加子代存活率的性狀，也增加了個體的適應力。

 被認為是令人嚮往的性狀，例如：健康、體能或智力。

 只有強壯的個體才能存活下來。

演化概念包含許多概念，因此相關文獻中的遺傳概念研究結果，也可以作為本研究的參考依據。楊坤原和張賴妙理(2004)整理遺傳概念之文獻回顧整理，

提到有性生殖之主要的生物意義可完成基因重組，產生遺傳變異性，使子代具有各種與親代未必相同的性狀。與本研究中演化概念之次概念二「族群裡的變異」

測驗學生是否理解族群裡的個體不盡然相同，以及次概念三「可遺傳的變異」測驗學生是否理解遺傳造成變異。另外，學生在有性生殖概念會出現「人類的牙齒、

骨骼和眼睛是自然而然出現，沒有受到任何機制控制」的迷思概念(楊坤原和張賴妙理, 2004)。這也顯示出學生對於物種起源的仍感疑惑，因此本研究當中的次概念一「變異的來源」對此迷思概念檢視學生的解釋類型。

(32)

圖 2-4-1 比較科學和學生對於演化機制之理解(引自 Bishop & Anderson, 1990) 新的族群

環境因素造成死亡

存活的族群

有些存活者無法繁殖下一代

世代＃1

世代＃2

親代的生殖和死亡

新的族群

環境造成族群對某些特定性狀的需求

世代＃1

親代的族群親代的族群(性狀部分適應)

物種『適應』

(因為需求而改變)

環境造成族群對某些特定性狀的需求

新的族群新的族群

世代＃2

繁殖性狀『改變』

物種進化

物種所具有的性狀，因為環境趨使和誘導，而發生非任意的改變。

死亡不會造成任意的性狀改變，但繁殖會造成性狀任意的改

缺乏適應環境性狀的個體具備適應環境性狀的個體

有新性狀出現或發生性狀改變的個體性狀部分適應的個體

a. 科學上描述演化概念的內容 b. 學生對演化素樸概念之歸納

突變或基因重組

(33)

Ferrari & Chi(1998)依據 40 位大學非生物主修學生的解釋做述詞分析，發現其中有 63%的解釋是屬於非達爾文式的(表 2-4-2)，大致可分成三類：

一、變質演化(跳躍式演化)：意味一個較大的突變或跳躍產生新的種類，這部份的解釋屬於少數，僅佔 9.8%，根據學生解釋還可以在細分成兩類：

(一) 希望的怪物：原先族群裡的個體無法適應環境的改變，當有個新的個體出生比原有的族群成員好，就可以形成新種，而原有的就會滅絕。

(二) 雜交：族群裡的同種個體有其特定的性狀，透過交配可以把性狀傳給下一代，交配方式可分成兩種：

1. 混合：兩種不同的物種交配，就能產生新的物種。

2. 增強：強壯的物種交配可以產生強壯的特徵。

二、變異演化(拉馬克式)：演化是自然或有意圖的的方式，逐漸地改變變成較優勢的物種，這種解釋類型出現比率高達 52%，適應可分成兩種：

(一) 外表型的轉變：外表型出現變異，變異方式有兩種：

1. 自動的適應環境：新性狀是自動產生的，可以自動地適應新環境的生存條件。

2. 意圖的適應環境：族群裡的成員因應環境的改變，主動地產生需要的變異。

(二) 基因型的轉變：族群類的個體會從基因型的改變著手，透過基因型的改變可以產生變異。

三、其他：解釋內容不清楚，不屬於前兩個類型，則都歸於第三類型，可以分成兩種：

(一) 模稜兩可：解釋內容太過含糊，以至於無法區分屬於哪個類型。

(二) 其他：描述內容沒有提到任何解釋。

(34)

然而，出現最多的類型是拉馬克的解釋方式—變異演化，正是我們所說的器官用進廢退，例如：長頸鹿因為要吃較高的樹葉，所以脖子就慢慢地變長，並且世代相傳。總而言之，有 62%學生的解釋類型被歸類在變質和變異的類別，而其餘的部份(38.3%)則為無法歸類的解釋，也就是說將學生的解釋內容述詞分析後，發現有將近四成學生的解釋是模糊不清，由於問答題的方式測驗，所以無法很明確了解學生的思考脈絡，這部份可加入晤談確認學生的真正想法。研究者認為學生解釋不明確的比例高達 38.3%可能原因有二，研究問題的設計可以再細分，或是概念分析架構只分成變質演化、變異演化和混雜三大類別略嫌太少，也就是學生的解釋類型比我們想像中還要多，此處確實值得深入探討，但是根據研究者詳讀研究試題發現試題都與演化的概念很吻合，讓學生用寫作的方式呈現，

或許不夠深入，可以搭配一些晤談個案，深入追蹤學生對演化概念之解釋，加上每個概念只用一題問答來檢視，可能因為題目的情境造成學生對答題方式的不理解，所以單憑一題問答題似乎無法真正明確看出學生的理解狀況。

表 2-4-2 學生出現非達爾文式的解釋類型(引自 Ferrari & Chi, 1998) 非達爾文 1：變質演化(9.8%)

(transmutation Evolution)

非達爾文 2：變異演化(51.9%) (transformation evolution)

非達爾文 3：混雜(38.3%) (Miscellaneous)

 希望的怪物(突然改變) 例如：這個孩子可以將這種對抗亨丁頓舞蹈症疾病傳遞出去，很快地每個人都具備有對抗此疾病的免疫力，很快地，

疾病就消失了。

 外表型的轉變 1. 自動的適應環境

例如：其他未餵食用老鼠和餵食的第一代老鼠相比較不強壯，主要因為餵食高蛋白老鼠的身體已經開始習慣蛋白質了。

2. 意圖的適應環境

例如：假若老鼠雙親持續吃很多蛋白質，之後就能生下具有強壯肌肉的老鼠。

 模稜兩可

例如：只要蝴蝶依舊在原來的地方，我不認為牠們翅膀的顏色會造成演化。

(35)

 雜交

1. 混合(不同物種混合) 例如：如果他們和不同種類的蝴蝶交配，就有可能演化出新種。

2. 增強(強的相同物種混合) 例如：兩隻強壯而有活力的老鼠生下的子代，這個子代遺傳到更具有強壯的肌肉。

 基因型的轉變

例如：樹接觸到自然的世界後，可能會輕微地改變樹本身的遺傳編碼。

 其他

例如：不，顯然鮮豔的蝴蝶易被捕食。不，如果他們的顏色不改變，他們將會持續被攻擊而無法產生更多。

除了上述針對大學生演化概念為研究對象，另外 Evans (2000)研究 49 位國小學生對於物種起源的解釋內容，歸納出學生四種常出現的解釋類型：一、自然生成論：任何一種變異的出現是由於自然，而不是由變異(transformation)而來，學生解釋會提到「來自於地球」、「出現」、「生長」字眼；二、神創論：解釋過程中使用到神、某個人或造物主，將在地球上創造、規劃或放置了新的物種；三、演化論：解釋內容指出其中物種經歷了自然變異(transformation)，從一個物種轉換成另個不相關的物種(不同的物種名稱)；四、雜交：這個解釋類型也被包含進來，

因為有些學生會假設某個物種，因為外型與猪和松鼠相似，他們就認為這個物種來自於猪和松鼠的雜交。由於西方國家的信仰造成學生對於演化觀點會出現神創論的解釋(Evans, 2006)，甚至與 19 世紀的科學家一樣，無法接受演化論觀點，加上研究對象年齡包含學齡前和國小兒童與演化有關的生活經驗來源即為宗教信想，所以此階段兒童會因為宗教信仰而出現對於演化論有許多不同的想法 (Downie & Barron, 2000)。然而，劉誠宗(2003)研究國內的國高中學生信仰與演化概念之間未達顯著相關，由此可知東方國家的信仰對於演化概念影響較小。本研究的研究對象也有選用國小階段的學生，亦能與之比較學生對演化概念是否有創造論的想法，將上述研究結果列入本研究的問卷題型參考依據。

Settlage(1994)則選定 50 位高中學生進行教學前後的紙筆測驗，考題為兩題

(36)

學生會出現目的取向的解釋；二、使用：因為個體使用促使性狀更發達，或因為性狀不常使用而消失，這意味著學生的解釋屬於拉馬克的用進廢退；三、適應：

學生提到生物對環境的適應，然而卻沒有做更深入的解釋；四、突變：性狀的出現是因為自發性的突變；五、變異：回答內容提到族群之間的差異；六、其他：

解釋內容不屬於上述五類。從學生前側和後測結果發現，學生解釋由「需要」和

「使用」兩類轉變成「變異」，出現的次數達到顯著差異(z=3.769, p<.01)，但是學生在前後測回答沒有改變的以「需要」居多，教學也無法讓大多數的學生都可以善用科學來解釋演化的機制。

Bishop & Anderson(1990)與 Settlage(1994)的研究結果十分相似，雖然對象略有差異，前者為大學非生物系學生，而後者為高中生，主要因為大學非生物系學生在高中之後沒再接觸演化相關概念，所以研究結果十分相近，但 Settlage(1994) 的解釋類型較多，這似乎間接顯示隨著年齡增長，某些解釋類型會逐漸減少，顯示概念有消長的現象發生。

國內吳美芬(2002)以師院學生為研究對象，將學生解釋架構分成十三種類型：「目的論型」、「目的用進廢退型」、「用進廢退選擇型」、「先演化後選擇型」、

「變異選擇型」、「用進廢退轉變基因型」、「用進廢退型」、「轉變性狀型」、「轉變性狀選擇型」、「產生變異選擇型」、「變異與用進廢退並存型」和「目的用進廢退與變異並存型」共十三種類型，除了解釋類型的區分外，口語資料的述詞分析也發現問卷資料高分組的學生運用較多突現過程屬性，而低分組學生運用較多直接過程屬性。另外陳藍萍(2004)研究結果亦有相同的發現，擁有正確的科學概念學生大多傾向以突現屬性來說明演化，而持有拉馬克或目的論的學生則常用直接屬性來說明。更進一步驗證Chi(1994)所提出的本體樹架構，學生易將演化概念錯置，以直接過程屬性來解釋演化機制，所以演化的本體屬性是學生在學習演化概念的重要關鍵。劉誠宗(2003)認為學生會出現演化的迷思概念主要原因有在於學

(37)

生對於科學本質的了解不足，導致許多迷思概念的存在。邏輯思考能力的不足，

以及科學先前概念的不足，都會造成概念在連結時發生錯誤。除了上述有關學生在學習演化概念上感到困難，教師在教學上亦覺得演化單元的教學十分地困難 (張賴妙理, 1999)。

總合上述，國內外學者針對各個年級學生的演化概念研究，以表 2-4-3 綜合整理國內外學者對演化概念相關研究內容與結果(表 2-4-3)，可作為本研究當中的演化概念內容與認知狀態類型之參考。

表 2-4-3 整理國內外學者對演化概念相關之研究

學者 研究對象 概念內容 研究結果

Brumby(1984) 醫學系學生演化解釋生物因為需要，而逐漸演化以適應環境的改變。

Bishop &

Anderson(1990)

大學非主修生物學生

變異的來源

族群裡的變異特定性狀比例改變

適應

以需要、使用與否和適應三種來解釋。

環境趨使性狀出現。

族群裡的個體都相同或新出生的個體沒有性狀差異性狀的出現是漸變的。

使用日常生活中的適應來解釋，例如：努力。

只有做強壯可以存活。

具備令人嚮往的性狀：如：

健康、體能或智力。

Settlage(1994) 50 位高中生演化解釋需要、使用、適應、突變、

變異和其他 Ferrari & Chi(1998) 40 位大學非生

物主修學生

族群裡的變異變異的來源性狀的存活生殖優勢累積世代的改變

變質演化(跳躍式演化)、變異演化(拉馬克式演化)和其他共三類解釋

Evans (2000) 49 位國小學生物種起源解釋自然生成論、神創論、演化論(物種轉換)和雜交

第貳章 文獻探討