第一節 概念的形成

第二章 文獻探討

第一節 概念的形成

「概念」是人們對於周遭事物的運作及成因，在心中所形成的 想法(idea)。根據這些想法所具有的意義(meaning)，可將「概念」

分為三個類別(Northorp,1949；Lawson,Abraham,& Renner,1989；

Lawson,Alkhoury,Benford,Clark,& Falconer,2000)：

第一類是最基本的「感知的概念」(concepts by apprehension)，

由感官訊息的知覺所立即察覺到的意義，如：冷熱、輕重、顏色 差異等。

第二類是「敘述性的概念」(descriptive concepts)，由對於事物 本身的觀察或事物間的比較，得到其意義，如：桌椅、高矮、跑步等。

這些概念並非立即由感官察覺，所以並不是首次接觸這樣的外界經驗 就能了解的。但在個體成長的生活經驗中，能經常接受到支持形成 這些概念的訊息，因此這些概念被我們認為是「常識」。從認知心 理學的觀點來看，腦中形成這些概念所需的記憶已經有豐富的儲存，

而且腦中所需進行的連結過程也早已被強化和熟練。舉例而言，

「椅子」這一概念形成於日常生活經驗，我們在長期記憶中儲存了 關於各種見過的椅子的外觀、功能等特徵，透過各種特徵的連結勾勒

出「椅子」這個概念。當我們見到生活中的物品，我們可以在腦中比 對各種特徵進而判斷其是否為一個「椅子」。由於經驗中的椅子特徵 極多(從小到大見過無數種設計的椅子)，又日常生活中，判斷一物是 否為椅子的次數極多(腦中運作無數次連結比對)，故概念形成的過程 自然順暢快速而不易察覺。

第三類是在最上層的「理論性的概念」(theoretical concepts)，

這種概念是為了解釋一些無法察覺其作用原因的現象(如：神鬼、

科學上的原子、電子、光子、基因等)，根據邏輯上的因果關係或所 對應的特定理論之假設，而發展出的(Northrop,1947；Lawson,1958；

Suppes, 1968；Lewis,1980：1988)。這一類概念因而比「敘述性的 概念」抽象。

為了進一步說明說明概念在腦中的建構，我們先從認知心理學的 研究(Solso,2001)，了解記憶的儲存與提取。由許多研究，心理學家 假設兩種記憶型態的存在：短期記憶(short-term-memory)，縮寫為 STM；長期記憶(long-term-memory)，縮寫為 LTM。在 Atkinson &

Shiffrin(1968)所 Information-Processing Model 中，認為記憶 結構具備數個次系統(subsystems)：

感官記憶(sensory store)：幾百毫秒的神經活動。

短期記憶(STM)：容量極小，有些會轉入長期記憶。

長期記憶(LTM)：容量似乎無限。

STM 的功能在於決定如何處理「外界刺激(由感知產生)」和

「內在容量龐大的 LTM 中儲存的訊息和知識」之間的關係。STM 容量 雖小，功能卻極大。可以將之比喻為木匠的工作檯，可以在上面施作 也可以堆放材料。STM 的編碼包含聽覺編碼(聲碼)、視覺編碼(形碼) 及語意編碼(意碼)。而 LTM 則是以聽覺編碼、視覺編碼及語意編碼被 編譯的。若訊息在 STM 停留時間夠久，便有機會進入 LTM 儲存。而能 夠與其他已存以及相關知識相聯結的訊息，在 LTM 中保存性較高 (Donald Hebb)。此外，經過深層過程(如：專心、分析、聯想等) 處理的資訊，才能存留較久(Craik & Lockhart,1972)。

知識的內在表述，在運思活動發生時，其運作可以 Rumelhart &

McClelland (1986)的「PDP 模型」說明(引自 Solso,2001)。Rumelhart 等人 (1986) 的研究著重於知識表徵在記憶中的統馭規則之產生方 式。其研究以『平行處理網絡』(Parallel Distrbuted Processing，

縮寫為 PDP)模型，描述複雜的記憶系統之運思模式。其基本假設：

所有運思活(mental process)均發生於由小單元及小單元間相互 關係(如：屬性)所形成的網絡中。小單元可以是語意的最小單元或

程序性的記憶單元等。小單元可以比喻為原子。原子既是構成物質的 單元，也是單元間相互結合的力量來源。小單元的組織性可比喻為 原子組成分子的一些特性。所有單元組織相互聯結成平行處理網絡。

從訊息被接收到由記憶中提取所需，訊息經過若干單元組織，根據 訊息之相關性分析，在短時間內尋找其在腦中的抽象位置。最後產生 輸出。例如：某個朋友的名子在記憶中的抽象位置，很可能由一些如：

「長相」、「住在哪裡」、「和你經常一起做些甚麼」等關係而『定位』

的。訊息的處理過程會在腦中留下『痕跡』(trace)，亦即改變單元 間的聯結強度。每經過一次訊息處理，連結強度便增強了一些(或 沒有連結的路徑減弱了一些)。就如同先前(第一段)所說明「椅子」

一概念的形成一樣，連結次數愈多，連結強度愈強，相關訊息運作 愈快速。而和椅子的相關知識愈多，「椅子」這個概念在記憶的抽象 位置的「定位網絡」愈豐富。

概念由知識(knowledge)建構，而知識是資訊(information)在 記憶中的儲存、累積與組織。資訊由感官獲得，而知識是組織化的 資訊。先前說明概念是人們的想法，人們會將心中想法以對應字彙、

辭語表述。也就是說，透過了解詞彙語意在記憶中的表述，即可了解 關於知識在腦中，包括內容、結構、處理方式三要素的表述特徵

(representation of knowledge)。所以由認知模型的觀點，了解 語意在記憶中的組織，便可反映知識表述的組織。

綜合許多由認知觀點出發的研究，語意的概念結構是由多個具有 意義的最小語文單元(proposition)及單元的屬性(relationship) 組成大的概念，彼此以不同強度的活化或抑制作用(Spreading Activation)，相聯結而構成網絡(propositional network)。因此 由語意記憶的許多認知模型理論及在神經認知學的實驗支持下，綜合 多種前人的研究，關於知識的表述特徵可以『聯結說模型』

(Connectionism model)敘述之。『聯結說模型』可以定義為：心智中 一個由「數量龐大的單元及間之聯結所形的組織」之系統。其聯結的 結構以「平行分布網絡」存在(PDP)。而藉由這個網絡，可以同時 處理多種腦中運作(如：記憶、知覺、思考…)。

以視覺刺激來說，所知覺到的圖樣(image)本身並不直接儲存。

如果每一個我們所經歷的視覺刺激均以原型儲存，勢必會造成大腦 很大的負荷，以致思考變慢而沒有效率。所以視覺知覺儲存的是能夠 構成原圖樣(pattern)之單元間的聯結性。因此學習的過程可以強化 某些聯結，或同時抑制某些聯結，於是單元間聯結強度之關係變改變 了。故知識表徵的儲存直接影響網絡處理過程本身。如此依照 PDP

模式，處理訊息效率便提高(Solso,2001)。

由認知心理學的發展成果，人類似乎可以了解到知識在腦中的 表徵(mental representations)及其在腦中的運作。那麼這些成果在 教育上的重要應用意義，便是以下幾個問題能否得到解答了：「概念 是內在儲存的(innate)抑或是由外在獲得(acquired)或被建構

(constructed)的？」、「如果是被建構的，那麼學生是如何建的？」、

「有何方法或設計來促進其建立？」(Greca ＆ Moreira,2000)。

依照心智發展的理論，「敘述性概念」和「理論性概念」的建構，

和智能的發展有關，因為智能發展過程部分依賴「程序性

（procedural）或操作的（operational）知識結構」（即推論模式，

reasoning patterns），以及「先前陳述的（prior declarative）

知識結構」（經 Lawson et al.比較各家說法而得）；「程序性結構」

的發展會隨著個體的成熟、社會和生理上的經驗，及自我調和機制

（self-regularity mechanisms）而產生(Lawson et al.,2000)。

所以在概念發展的過程中，首先產生「感知性概念」，而「敘述 性概念」在兒童時期、「理論性概念」在青少年及成人時期分別建立。

建構「敘述性概念」較容易，因可由經驗直接得到意義；而建構「理 論性概念」則最難，因為不論將時間往前或往後延伸多久，都無法由

觀察的方式得到概念的意義(Lawson et al.,2000)。Lawson (2000) 提出在「敘述性概念」和「理論性概念」之間應有「假想性概念 (hypothetical concepts)」。建構 Lawson 的「假想概念」之難度為 中等，因為它與「敘述性概念」的不同，需要藉著想像過去或過去的 事件來得到意涵，如：演化理論的理解便屬於「假想性概念」。關於 青少年的心智發展及學習特性，我們於第四節詳細探討。

由於科學概念多屬「理論性的概念」，於是具有抽象、複雜之 性質。在認知心理學關於內在表徵的研究貢獻下，科學教育學者利用 人類對外界事物、現象描述之內在表徵，建立了較完整的概念形成 理論。Krappas 等人(1997)提到：許多近年的科學教育研究以「心智 模型(mental models)」、「概念模型(conceptual models)」及「模型 化(modelling)」為科學教育理論的主軸(引自 Greca ＆ Moreira, 2000)。以下即以對此三主軸的說明，於第二節探討科學概念的形成。

第二節 科學概念的形成

由第一節我們了解到科學概念多屬「理論性概念」，而較抽象、

複雜。「心智模型(mental models)」、「概念模型(conceptual models)」

及「模型化(modelling)」在科學教育研究中，受重視的情形。

事實上，「模型(models)」及「模型化(modelling)」在科學領域 中，具有特殊的意義。對外界事物及現象的理解及解釋是科學理論的 本質，而「科學理論」本身，尤其物理的和數學的理論，就是以

「模型」來表述。模型是由「小單元(elements)」、單元間屬性 (relations)、運作作用(operations)及交互作用的規則(rules governing interactions)所構成的概念系統。藉由「模型」，我們 可以有效率的傳達觀念。換言之，描述科學現象的語意表述(syntax representation)，變成了現象本身到理論模型間的連結方法。沒有 經過言語、文字、實體、圖表或電腦模擬等表達媒介，概念系統就 無法發揮功能(Lesh,Carmona,Post,2002)。從事物、現象到建立易於 傳達的模型，便是「模型化(modelling)」過程。這模型化過程，

被人類視為科學的主要工作。以下由 Greca ＆ Moreira(2000)的 論文，整理「心智模型」、「概念模型」及「模型化」的意涵。

(一)心智模型：

Barquero (1995)認為關於心智模型的探討有兩個切入觀點：

一為理論性探討(theoretical approach)，主要由 Johnson- Liard(1983)所提出的觀點。此觀點釋圖以一個具有一致性和解釋 作用的理論解說(deductive reasoning)及論述理解(discourse comprehension)等認知現象做研究。二為指導性探討(instructive approach)，主要由 Gentner ＆ Stevens(1983)所提出。此觀點著重 於物質的，尤其是機械科技發明物品的現象，而不去做對於構思出 發明物品之統一性的理論。

心智模型是由個體對外界世界的經驗知覺所形成的知識表徵，

在心智中的建構。依此，個體能夠了解外界事物現象，更甚而能夠 預想並作出反應，與外界互動。因此心智模型是一種內在的、不完整 的、不精確的、有時和一般公認的知識範本不同調的，卻是十分有用 的知識表徵。

心智模型建構的目的是讓建構者能解釋、預測外在物質世界的 運作方式，其功能是屬於建構者的。在 Gentner ＆ Stevens(1983) 的書中，做了以下假設：腦中所建構的心智模型要能有效能，則此 模型本身必須具有能被作成電腦模擬的特性。也就是說，他們將心智

模型視為一種真實情況的心智模擬。無論是心智中的或電腦上的 模擬，都是必經過兩個階段：(1)將事件元素表徵化、做編碼。

(2)將元素之間的關聯性依基本運作規則、共同的科學原理模擬 運作。舉例來說，我們對於「一部腳踏車是如何運作的」有概念。

當我們被問及此問題，我們便利用腳踏車運作的心智模型回答。這個 心智模型必有輪子、把手、鏈條、齒輪、踏板等元素，也有機械、

動力及平衡等科學原理。於是我們可以在腦中運作「順利騎腳踏車」

的腦中模擬(Greca ＆ Moreira,2000)。不過，我們可以察覺，

這個心智模型不見得很清晰、確切，因為它不需要精確到表述每一個 零件的作用；也會發現每個人心中建構的模型不盡相同；雖然都有

「平衡」的原理，但對「平衡」原理的解釋不見得與科學上的理論 完全相符。這可呼應上一段的論述。

以 Johnson-Laird 的理論探究心智模型的形成，心智模型被認為 是對真實事物的心智類比表述。當遇到不同情況，就有不同心智模型 被選擇來應付。這些心智表徵，簡言之，就是一個真實事件的「代替 品」。由於這「代替品」具有「類比」的特性，故而使人們不必一一 詳述元件和元件間的作用力關係，就可以由模型運作，預想「如果 鏈條斷了，會發生什麼情形」。這一點解釋了心智模型可以是不完整、

不精確的原因。

Johnson-Laird 提出心智表徵(或內在表徵)至少可分為三類：

「語意表徵(prepositional representations)」、「心智模型(mental models)」及「心智圖像(images)」。「語意表徵」被定義為一連串的 符號，以類似語言系統中的語意結構(包含邏輯關係及創造法則)，

儲存、處理。當然我們必須強調，是類似，卻不相同。先前於第一節 以強調心智語意組織可反應知識表述的組織。關於人類語言系統表達 心智語意表述的作用，在第三節再做詳細論述。「心智模型」是外界 事物現象的類比心智建構。而「心智圖像」則是根據心智模型所勾勒 出的腦中圖像。這個圖像是比心智模型更具體化為視覺上的、空間上 的概念，因此與實際現象更接近。

從其功能來說明，以上三種心智表徵可以用電腦的兩種程式語言 做比擬。現今電腦功能是從「機器語言(machine language)」的『0 與 1』的組合而產生；這些組合對應到特定的「語意(syntax)」---

「布林代數(Boolean algebra)」。而程式設計者則利用更高階的「程 式語言」編寫、運作程式，使得過程更為便利。那麼語意表徵如同 低階機器語言，而心智模型及心智圖像則如同高階的程式語言 (Johnson-Liard,1983)。

以上三種心智表徵我們可以「意象(imagery)」概括說明。意象 是對於『未出現在眼前的事物』在心智中的『表述特徵』；視覺圖像、

聲音及其感官的知覺，以及由記憶和語意中提取的訊息，都可產生 意象。關於意象的理論有三種(Solso,2001)：

(1)雙碼假設(Dual-Coding Hypothesis)：記憶以兩種方式表徵--- a.非言詞的意象處理(nonverbal imagery process or

imaginal)

b.言詞的符號處理(verbal symbolic process or verbal) (2)概念命題假設(Conceptual-Propositional Hypothesis)

記憶儲存的是意象(無論 imaginal 或 verbal 的)在腦中的釋譯。

那麼以處理外在言語知覺為例，言語刺激產生的內在表徵和其 記憶中形成的意象之不同，在於其豐盛度。如閱讀到”James Bond ran to his car and drove to the casino.”一句。

外界文字輸入僅僅如此一句，但腦中形成的意象卻被我們 填入許多『言下之意』的細節，以致豐盛度增加。所以包括

『發動車子』、『轉動方向盤』等細節，均包含在其所形成的意象 之中。好比導演讀了劇本後，對演員的期待。這些加入的細節 均來自於 LTM 的聯結。受此影響，一段時間後，表達出來的

(in ones own word)未必與原詞句相同。

(3)功能等價假設(Functional-Equivalency Hypothesis)

意象與真正的知覺相似，且產生意象時，會活化大腦中相關的 知覺區域及記憶區域。也就是說，當知覺外在刺激時，會活化 對應的知覺區，並在 STM 決定提取 LTM 中適當的知識輔助下，

進而認知形成意象。此為一自然的『由下往上』過程，故可輕 易達成。但在回憶意象時，由於外界刺激已不存在，故須由 LTM 中提取更多的相關知識作為提示(cue)，即活化與此意象 相關的聯結才能重新活化相關知覺區。此為一『由上往下』的 大腦運作過程，故回憶時，大腦運作比單純接受刺激，負荷更 大。而如果儲存的相關聯結太少或太弱，即無法形成清晰的 意象。我們可以一個多數人都有經驗過的常例來說明此現象：

就我們不是以英語為母語的人而言，學英文時，常發現有些 單字或片語的用法，在閱讀時，可以辨認及了解其意義的，但 當寫英文作文時，或面對外國人要使用這些單字或片語時，則 往往無法順利從腦中適時提取運用。常謂『聽、說、讀、寫』，

『聽和讀』是由下往上的接受訊息；『說和寫』則是由上往下 的回憶，大腦運作負荷較大，若儲存的相關聯結太少或太弱，

即無法形成清晰的意象，更無法適時運用了。

值得一提的是，心智模型雖然是個人的、不精緻的心中比擬，

但當個體不斷接收新訊息時，這個模型便不斷增長，塑型。這正是「學 習」或「論述理解(discourse comprehension)」時，所發生的情形。

至於模型會變成什麼「樣子」或改變多少，與個體的原有知識、靈巧 機敏程度及促使模型改變的因素有關(Greca ＆ Moreira,2000)。

這三者可以對應到一般教育理論中的「先備知識」、「智能及注意力」

和「學習動機」。

(二)概念模型：

Nersessian(1992)將心智模型視為現象和現象背後的最終數學 理論模型之間的中間層次(intermediate level)。所謂的最終數學 理論模型就是一種「概念模型」。一般而言，「概念模型」是科學家、

教師、工程師等所創造的「外在表徵(external representations)」。

利用共通的概念模型來促使理解(comprehension)或教學等溝通達，

變得簡捷順利。這些外在表徵可以具體化表述為數學形式

(mathematical formulations)、類比(analogies)或具實體的工藝品 (artifacts)。例如：抽水機教具模型是實體工藝品；拉塞福原子

模型與太陽系之類比是類比關係；而原子核物理中的殼層能量公式是 數學形式。換言之，概念模型是具體物品、現象或情境的簡化表述。

當教學活動進行時，課本呈現了「概念模型」給學生，我們期待 學生能把概念模型中的元素做選擇並與學生原有的先備概念所形成 的心智模型組合、建構，而後使心智模型轉換為概念模型的複製。

然而，學生不一定有足夠的知識將所見內容釋譯為概念模型。另外，

學生在尚未經驗過實際現象前，很難理解概念模型這樣已經簡化、

理想化的表述。這也正解釋了科學概念之所以抽象、難理解的原因。

(三)模型化

不過心智模型與概念模型不一致，不一定造成學習障礙。科學家 在思索電磁場時，也常以幾何形式表述，換言之，他們以一個和概念 模型不一致的心智模型來幫助概念的理解。於是教科書上講解電磁波 時，會出現類似橫波波形及許多箭號的圖形。這雖然並非概念模型，

卻是十分有用的心智模型，來幫助學生理解。這樣的過程可謂之「模 型化」。

「模型化」過程是學習如何認識一個系統中所有重要元素的一 連串步驟，並且根據另外的規則使之演化為成一個模型。換言之，

模型化過程是使學習者學會用「另一種語言」從另一種察覺管道 (perception)，表述現象。這樣的協助理解過程，可能包含恰當的 類比、具體化為視覺圖像或假想實驗的運用(Nersessian,1995)。

既然模型化為幫助學生建構「能夠理解概念模型之心智模型」的 步驟，那麼教科書中單單列出整串的公式、定義和練習題，自然無助 於學生的理解。

不過，模型化過程，自然地，不太可能是將學生原有的心智模型 (或先備概念(prior concept))直接換成另一個心智模型。任何形式 的「概念轉變(conceptual change)」都是原有心智模型的增長，

只有增長到極致狀態，才能有完全的轉變。

總結前面的探討，科學概念，尤其物理概念，多以數學形式等 概念模型表述。這些模型其實是經由科學家們的種種努力，將現象作 模型化過程，所得的表述形式。這些表述形式具有簡化、邏輯結構化 且共通化的特性。這些概念又多不能由日常生活經驗直接察覺，而是 必須思考各種現象背後的原因才能理解的。科學學習者在正式進入 科學課程學習之前，為因應日常生活經驗，已存在一些先備概念。

這些先備概念在心智中的表述，即是為了解釋現象而產生的心智模 型。學生建構心智模型的過程，不一定如同科學家們形成概念模型

時，所經過的中間過程(intermediate level)。於是科學學習是原有 概念的逐漸增長、改變。單單傳達概念模型給學生並不能使學生在 腦中複製模型。因此，教師應使學生學會「模型化」過程，而幫助 學生學習抽象的科學概念。

那麼如何促進學生學習抽象科學概念？下一節我們探討「表達」

的意涵及其促進抽象科學概念學習的功能。

第三節 表達與抽象科學概念的學習

基本上，教師所應用的許多解釋概念的方法，都是教導學生形成 有功能性的心智模型的過程。從公認的概念轉變之四條件(Posner et at.,1992)：a.發現自己原有概念之不足; b.新概念是可理解的;

c.新概念是合理的; d.對解決問題更有幫助，可以了解到「學生察覺 到自己腦中對於理解、預測外界事物的表述」，在促進概念轉變上，

是被認為重要的(Hennessey,1993; Mason,1994；Vosniadou, 1994;

轉引自 Mason,2001)。從另一個觀點說明，學生察覺自己的心智模型 有助於使心智模型繼續增長、豐富而漸漸使學生能理解、接受概念 模型。我們再對照上一節有關意象的探討。在回憶意象時，由於外界 刺激已不存在，故須由 LTM 中提取更多的相關知識作為提示(cue)，

即活化與此意象相關的聯結才能重新活化相關知覺區。此為一『由上 往下』的大腦運作過程，故回憶時，大腦運作比單純接受刺激，負荷 更大。如果儲存的相關聯結太少或太弱，即無法形成清晰的意象。

學生在接觸概念模型時，自然會形成心智模型或心智圖像。這是意象

『由下往上』的自然形成。當我們依照促進概念轉變之發生所須的 條件：讓學生察覺到理解外界事物的腦中表述，給學生機會回憶自己 心中的意象，那麼這將迫使大腦作『由上往下』的運作(activity)。

教學上，使學生「回憶意象」最直接的施行方法，便是讓學生將所知

「表達」出來。當學生試圖表達出心中的意象或心智模型時，學生 自然必須連結腦中相關知識的記憶。這樣的思索過程，自然可以強化 腦中被學習者篩選為『合理的』之連結，當然也有同時迫使學生「篩 選」的作用。最後心中意象或心智模型便具體呈現，而增進了概念 轉變的可能。

「表達」是以聲音(以言語為主)或符號(以文字、圖形為主)的 語言系統，表述傳達。語言是一種溝通的系統，藉由聲音(如：話語、

音樂)與符號(如：文字、表情)的意義來傳遞思想。人類的語言系統 以「內在表述」在腦中運作符號及意義的關係，而表現出高度的抽象 化作用。所以人類在思考及解決問題時，可在內心構思，不必持續由 外界得到刺激或資訊(Solso,2001)。

語言學家為了解語言的結構把重點分為--「規則性（regulari- ty）」：即文法（grammar）；「可創性（productivity）」：只要有足夠 的想像力和時間，可以創造出許多涵義相同的不同句子。Chomsky 的 文法理論讓我們得到一個概貌。Chomsky 將語言分為三大部分

(Solso,2001)：「表面結構(surface structure)」－可依慣例被 分析、分段、標明的實際句子；「深層結構(deep structure)」－

語意及涵義；「文法轉換(transformation rule)」－只有語言學

『形式』上的改變，但所傳達的訊息是相同的（只改變 surface structure，不改變 deep structure）。例如：「我打他。」和

「他被我打。」這兩句，就是深層結構相同，而表面結構不同。

語言的重要結構偏重於文句的意義，而非其表面的特徵。值得一提 的是 Chomsky 認為，語言的有效部分（essential components）

是天生具有的，而外界的增強只影響語言發展中的「詞素」部分。

我們為了產生合乎文法的語句，在腦中有與生具來的組織體系，不需 學習就能處理資訊和形成抽象化的語言結構，如：兒童能組合出未曾 聽過的句子。而且所有語言的主要結構是通用的，意即反映出人類的 思考邏輯是相同的。至於有關對實物和現象的內在表述在腦中如何 結構化，則和特定的語言編碼有關。不同的語言，有不同的編碼。

這在 Whorf 的「語言相對學說（Linguistic relativity Hypothesis）」 中，另有詳細探討。

以語言呈現的知識是如何被理解的？Kintsch 的理解模型（a model of comprehension）可以讓我們更了解「理解」的一些通則。

他發現當我們閱讀如下句子：「甲部落與鄰近部落因牛隻的問題而發 生戰爭。在戰士們當中有兩位未婚年輕人 K 和弟弟 G。K 在戰爭中喪

生。」人們的思考過程如下：

第一句：

發生戰爭

甲部落 鄰近部落 因牛隻問題

推

第二句：

論 有兩位年輕人

在戰士們當中 未婚的 K 和 G 復位搜尋 弟弟 G 失敗

(改編自 Kintch,1979；轉引 Solso,2001)

[圖 2-1] Kintsch 的理解模型

為了理解第二句，會由 STM 尋找相關的資訊；若不在 STM 中，則自動 尋找 LTM。此過程稱為「復位搜尋」（reinstatement search）。這 表示閱讀的理解過程，不只是記憶（STM、LTM）的回想，也包含推論

（inference）。

在研究 Kintsch and van Dijk 所作『閱讀後重寫』的分析描述 實驗(引自 Solso,2001)，就受試者分別於閱讀文章隨後、經過一個 月及經過三個月的時間，所寫出的文章中，做以下三點的分析：

a.正確寫出文中敘述，唯字句有差異（re-production）；b.架構差不

多，但文義有差別（re-construction）；c.增加自己的看法、立場 (meta-statement)。結果顯示：re-production 的比例逐漸降低，

三個月時最低；而 re-construction 及 meta-statement 的比例逐漸 升高，三個月時最高。我們可以將所閱讀的材料看成是一個或多個 概念模型，而回述重寫的內容則是在表達接收了知識傳達後，所建構 的心智模型或心智圖像。

以上兩個關於如何理解的研究顯示：(1)由於閱讀的理解不只是 記憶的回想，也包推論，故「先備知識」越多的閱讀者，其理解能力 越強。其中的推論過程便是理解後，心智模型的增長，亦屬概念改變 的一種形式。(2)從知識的留存情形來看，只有能被閱讀者理解的概 念才能留存。也就是能夠在自己閱讀之前的原有概念上架構的新資訊

，才能留存長久。只有建構成功，成為有意義的訊息，才能進入長期 記憶。另外，由於留存較久的知識都是所接收概念的主體架構，旁支 末節多會被遺忘，故可知「理解」多為由整體到部分、主體到支節(top

－down)的過程。

本節第一段提到，「表達」即是回憶描述意象的過程，這個過程 可以使學生連結相關知識記憶來重新建構出心智模型。那麼從此觀 點及對表達涵意之探討，我們整理出「表達」有以下幾個功能：

(1)由強化相關的知識記憶，而活絡了已形成之心智模型或表述系統。

(2)篩選合理知識的功能。表達牽涉傳達的功用，意思要傳遞，同時 也要設法達到他人能理解的作用。因此表達者必須設法使自己「言 之有物」，而整個過程有促使學習者整理、選擇、澄清知識的功能，

進而能結合不同的概念。

(3)透過學生的表達可以使學習者具體呈現心智模型。此功能有兩個 作用：一為學習者可以對照其心智模型與所要學的概念模型，

進而自我修正，或與他人溝通互動，以達概念轉變；二為教師 可以了解學生所建構的概念，而運用「模型化」的過程(或教學 策略)幫助學生學習。

利用表達的功能促進抽象概念的學習，實際教學應用方式主要 有二：一為口語表達；二為書面表達。口語表達包含師生及同儕互動 討論。書面表達包含寫作或繪圖表等方式。以下就前人文獻，做課堂 討論及寫作之探討。

一、課堂口語討論

「主動學習」(active learning)是一個基於「學習者主動學習為 一自然天性」的假設上的學習理論，而不同人有不同的學習方法 (Meyers & Jones,1993；Jones,2000)。因此「主動學習」提供學生 聽、說、讀、寫、對話與反應的機會。其中「課堂討論(collaborative oral discourse)」便是一種效率高的施行「主動學習」之教學策略。

如此不但提供學生表達的機會，更提供對所學主題即刻的師生間及 同儕間互動的機會。一般認為，傳統講述式教學過程是 IRE

(initiation, response, evaluation)(Mehan,1979；引自 Mason, 2001)，由教師提問引起動機，學生回答後，接下來的推導、論述、

總結均由教師完成，於是學生少有以語言表達科學知識的機會。學生 不必自己找論據、不必提問、沒有和他人交換概念的機會。因此教師 只有單方面傳達資訊，並只給學生表達特定知識的機會(如：回答 有特定答案的簡答題)。若教學模式單用講述是教學，便似乎少了

「主動學習」之精神的融入。

Vygotsky 認為對某個主題熟練的人和不熟練的人的互動是有助 於學習的(引自 Swafford & Bryan,2000)。Spector & Gibson(1991) 的研究肯定了互動對學習的正向作用。Alvermann,Hynd 和 Qian

(1995)的研究顯示(引自 Swafford 等人，2000)，當老師組織架構性 的討論，可以促進概念轉變。如同科學家的研究過程，一個理論的 統整，必須經過所有證據的嚴密分析，甚至批判。Kuhn(1993)建議，

當學生討論甚至爭論時，相似於科學家的思考過程便出現，於是科學 化的運思便產生。爭論的過程，可以視為資訊的合理化(information reasoning) (引自 Swafford 等人，2000)。同儕討論的合作學習作用，

在於提昇學生開始思考新知識或交換意見的動機(Dole & Sinatra, 1998)。而在共同協調甚至爭論的過程，發展出運用科學方法、科學 態度、科學知識的學習環境(Driver,Asoko,Leach,Mortimer,& Scott, 1994,1995)。在活絡的討論中，建立科學知識、學會使用科學化語言，

而達到較高的認知層次(Mason,1996)。但當學生討論各種提出的見解 或證據時，不見得能看出其與自己原本所想的理論是否有衝突性。

這時教師的提問或結構化所討論的內容，便可以提醒學生所忽略。

在此過程教師的引導技巧自然是重要的(Swafford & Bryan,2000)。

Jones & Carter(1994)的研究顯示，當能力較高的學生與能力較 低的學生合作時，高能力學生尤其能夠將他們之前使用於學習的思考 過程及策略模型化，並組織語意表達，且鼓勵能力較低的學生表達其 思考方式。如此的互動，能力低的學生在參與性和後設認知運用均有

所進展。所以教導學生如何檢視自己的思路可幫助他們增進抽象 運思。如此概念轉變及認知發展較可能發生(Swafford & Bryan, 2000)。

簡言之，課堂討論是建立科學認知的有效方式之一。其中包含 (1)口語表達使學生在短時間內連結並組織知識，表達心中想法或描述 內在意象。這一點達到先所提表達的前兩項功能，活絡內在表述系統，

篩選知識。 (2)在口語表達之後，可以短時間之內獲得教師或同儕之 回應，而在互動過程中，反覆對主題作思考，最後達到對抽象概念之 學習。「同儕互動(collaborative interaction)」正是「合作學習 (collaborative learning)」之理論及策略的重點精神。合作學習的 過程中，可以使學生為了清楚解釋自己的想法而更透徹理解。在接受 他人的不同意見後，找出自己之不足而產生疑問與新解答(Kobayashi ,1994；Mason & Santi,1998)。一般而言，合作學習的主要教學效果 有五(Kagan,1994；引自 Jacobs & Ward,2000)：產生

○¹ 正向的同儕相互依賴，好比同舟共濟。

○² 個人對團體的責任感。

○³ 合作技巧的提升，如：聽取並接納他人意見、適時表達自我意見。

○⁴ 同等的參與機會。

○⁵ 同時多人表達的機會，彌補大班教學中，平均每位學生得到表達 機會之不足。

在科學學習上，由於科學概念之抽象性質，互動過程增加了參考 其他心智模型之可能性。由此可以適當修改自己的心智模型，而使之 對所要學之概念模型的理解，變得有幫助。另外，由於討論活動是在 課堂上進行的，教師可以隨時引導、組織、主持討論內容，而使效率 更高。當然課堂討論在營造科學學習氣氛及促使科學生活化，進而使 學生對科學有通盤了解，有很大的作用。在這些過程，使用科學名詞、

用語及邏輯思考方式的運用均成了學生間的互動方式。於是科學名詞 的使用和科學的理性邏輯思考方式不再是課本中生硬的知識，而是 可運用於同儕溝通的自然表達方式。這些合作學習在科學學習上的 功能有一部分是配合認知及情意的發展，更是成功學習的重要因素之 一。我們將探討青少年認知及社會發展的特徵，於第四節再作更詳細 的分析。

二、寫作促進學習(writing to learn)的意涵

『寫作』被廣義定義為：書面上語言的選擇(language choice on paper)。可以包含筆記製作、畫圖表等，而填充等則不含在內，

因其不牽涉文字的選擇性。有些教師認為抄寫或填充雖僅有極少語言 選擇的成分，但仍可視為科學課程進行中，討論、實驗活動的開端或 中間點(Peasley,Rosaen,& Roth,1992)。當學生作語言選擇時，就是 在連結相關知識記憶，篩選、整理合理知識。在此將內在表徵具體化 為外在表徵的過程，可以幫助學生連結不同的概念表徵，如：物體的、

圖像的、符號的、文字的…概念表徵(劉祥通和周立勳，1997；引自 胡瑞萍和林陳涌，2002)。所以寫作可以讓學習者的思慮清晰，促進 學生的解題及高階思考能力(胡瑞萍等人，2002)。

Bereiter & Scardamalia (1987)在對寫作進行研究之後，提出 了兩個關於寫作的心理歷程之理論模型：一是「知識告知模型

(knowledge telling model)」；另一個是「知識轉換模型(knowledge transforming model)」(轉引自胡瑞萍等人，2002)。在「知識告知 模型」中，基本的過程包含產生寫作作業的心智表徵，寫作作業主題 的確認，透過延伸活化(spreading activation)的過程，提取資訊，

例如：紙筆測驗就是相當典型的知識告知過程。學生閱讀完題目，

就在記憶(長期的或短期的)的資料庫中，搜尋符合題目的答案。

如果未能找到就只能猜測或放棄作答。這對於教師了解學生的先備 概念以及學生覺知自己知識狀態，具有相當的功能。以「知識轉換 模型」從事寫作時，在內容空間(content space)中，寫作者對知識、

概念(包括先存知識及新資料)之連結進行考量；而在修辭空間 (rhetorical space)中，寫作者考量如何表達內容。這牽涉對讀者 意義的溝通及對寫作的文章本身語言及文法選擇的需求。這兩空間中 任一空間的輸出會作為另一空間的輸入。這樣的互動是一種對談 處理，於是刺激寫作者對於所表達的反思。最後在寫作過程中，因 邏輯呈現和組織概念連結的需求，而促進寫作者對科學深入的思考。

Staton(1980)的研究指出，當學生學到新概念時，學生可以隨時 增加或修改書面上呈現的文字，書寫可使學生多向思考，比被動接受 知識更真正完全參與學習。書寫可以幫助學生做多種概念的機動連結 進而促使科學概念完整，此功能具有相當大的潛力。書寫迫使學生做 更多面向的思考，並且可使學生熟悉而掌控所學(Peasley et al., 1992)。書寫時，學生為了更精確表達而自我澄清概念。思考與寫作 的交互作用在於書面文字不單是思考的一面鏡子或一扇窗，而是所 思考的內容反而被書寫過程影響(Bereiter,1990,1994)。在以獲得

知識為目的時，寫作是一種使學生發展整理知識及表達想法的工具 (Mason & Boscolo,1999)。從以上多人的研究，可以了解寫作如何 促進學習。也印證了先前所提表達之多種功能。近年教育學家已注意 到一個科學素養高的學生是一個能夠『形容』、『預測』、『解釋』、

『掌握』真實世界的現象的人。而不是只是一個熟練科學過程或知道 很多孤立科學知識的人。知識的價值在於對個人的意義及功能

(Anderson & Roth,1990)。在寫作這意義化的過程，提供了一個練習 關於某個主題，我們所擁有的背景知識、主動學習、組織以及「後設 認知(meta-cognition)」的途徑。探討「個人對自己認知狀態的覺知 與調整」，稱之為「後設認知」。「後設認知」是近二、三十年來，

認知心理學中之訊息處理理論主要的研究課題。個人對其認知或與 認知有關的行動、策略、動機、情緒或整體認知情境、認知歷程的 了解、監控與自我調適活動，皆可謂之後設認知(Brown ,1987 ; Flavell,1987)。Kuhl(1994)指出，後設認知即為認知策略的選擇、

控制與監控之執行功能。

根據以往的研究(Langer,1986；Durst,1989；Santa & Havens, 1991；Langer & Applebee,1987；Keys,1994；Fellows,1994)，寫作 對於科學學習的幫助可歸納為(引自胡瑞平和林陳涌，2002)：

(1)增進學生認知策略的使用

(2)創造以學習者為中心的學習環境 (3)作為師生間雙向溝通的媒介 (4)增進學生的科學推理能力 (5)促進科學概念的發展。

這些功能與口語討論相似，但對學習者的影響，其深刻度是不同 的。最主要的因素在於寫作思考時間較長，較能造成徹底的理解。

經由寫作表達所形成的概念自然較具結構性且較完整深刻，於是亦能 留存較久。這其實也是因為一般而言，我們對寫作作業的表達層次 要求較高，或著可以說，寫作必須執行較多項後設認知技巧，包括 計畫書面上的呈現方式：是否運用圖表或甚至修辭上的考慮；自我 調整：以克服障礙、改正錯誤；最後自我評估寫作所呈現是否與目標 吻合。它不能如同口語討論般，可較不嚴謹呈現。

根據先前對寫作的廣義定義，科學課程中，原本就有大半時間 進行寫作，但分析其內容，多半的寫作都不是做『寫下重點整理』、

『下結論』、『分析想法』、『連結資料』的工作，甚為可惜(Applebee, 1981；引自 Peasley et al.,1992)。若寫作時牽涉的語言選擇不多，

則對幫助理解的作用不大。另外，學習科學需要的，不是不斷累積

知識，而是將已知知識重新建構成另一種認知模型。於是寫作便於 此扮演協助整理、轉化的角色(Patterson,2001)。有些教師在假設 寫作有幫助學習的想法下，讓學生大增書寫與學習主題相關的作業，

這不見得有助於幫助理解(Rosaen,1991；引自 Peasley et al., 1992 )。Giroux(1979)強調應將寫作當作是理解過程的一部分、學習 的工具，而非所要學的技巧。關於課程中的甚麼部分適合實施書面 寫作，Langer & Applebee(1987)認為以下三種情況下實施最有意義：

(1)抓出要領(Writing to draw on relevant knowledge) (2)結合新知(Writing to consolidate new information)

(3)引伸知識(Writing to reformulate and extend knowledge) (引自 Peasley et al.,1992 )

寫作融入教學有其挑戰性。對於學生而言，在他認定寫作的 對象(audience)是老師時，過度關注於用字遣辭的現象便出現。而 寫作的意義及意願減少的一種可能原因是，學生認定寫作對象本來就 懂，動機於是下降(Applebee,1981)。這是實施寫作促進學習可能的 障礙。若能配合課堂討論應可彌補缺失。Dysthe(1996)認為口語討論 及書寫作業並用，較單用口語練習或書寫作業有效果(引自 Mason, 2001)。這正所謂運用多管道學習。當學習者被激發而能注意到自己

的想法，便能主導自己的學習(Bereiter & Scardamalia.1989)，

而提升到更高層次的學習。學習者便能思考：『我是怎麼想的』、

『我是否注意到自己的想法』、『我為什麼這樣想』、『我的想法和他人 的想法異同之處』、『我如何說服他人我的想法』、『或許我可以合併多 人的觀點』。

另外，透過討論，學生可以表達出高層次的科學認知，但以寫作 表達時，表現卻較不如。若先寫出寫作架構(writing scaffold)，則 無論對於形成句子或形成文章均有幫助(Patterson,2001)。至於知識 的增進是否因背誦或為真正的理解，可以由以下準則判斷：

1.其敘述在科學上不完全正確，但合於邏輯推理，且敘述方式不太 可能由其他資料來源取得，則應為學生所新建構。

2.敘述在科學上完全正確，則須讓學生進一步解釋原由。

特別值得提出的是，多數老師認為繁重的教學工作量使他們無法 在現有課程中增加額外負擔。因此對研究者而言，發展出有效的寫作 融入學習過程之施行方法是一種挑戰(Calkins,1986；Rosaen,1990；

引自 Peasley et al.,1992)。

第四節 表達與青少年的認知發展

青少年時期由於生理上、心理上(尤其認知心理和社會心理)均 同時明顯發展，所以是個人人生中的一大關鍵。一般認為生理上的 發展有助於認知的發展條件，也會影響社會發展。而個人社會經驗與 社會對個人的期待，亦會影響個人的各項發展。在此我們關心如何 有效促使中學生學習科學概念，因此我們將探討重心擺在：在考量 生理的發展及社會心理的發展之影響下，如何促使認知的發展。

從腦部的成長研究發現青少年時期的幾個成長可能性(引自 Kwon

& Lawson,1999)：(1)從大腦重量增加和頭骨增大的證據，Epstein (1974,1978)認為在孩童時期和青少年時期，腦部的學習曲線應有一 系列的快速進展(spurts)和高原期(plateau)。而約 85% 人，在 12-14 歲大腦便停止增長了。更進一步的腦電掃描器的資料顯示，人的成長 過程有五個學習曲線的高峰，最後一次的快速進展約發生於 18 歲 以前，而這些學習曲線的特徵，與皮亞傑的發展階段研究大致相吻合 (Epstien,1986; Hudspeth & Pribram,1990;Thatcher,1991;

Thatcher,Walker,& Giudice,1987)。(2)雖然神經軸突的數目大抵在 出生時即被決定，但有研究顯示，在額前葉的軸突於青少年時期似乎 繼續成長(Schade & VanGroenigen,1961)。更具體些，在額前葉的

錐狀軸突，在長度及寬度上於青少年時期比運動前區和感覺運動區的 軸突明顯持續成長(Blinkov & Glezer,1968)。另外從腦波圖偵測到 的進發活動均於額前葉發生(Thatcher et al.,1987)，故十四至十六 歲的腦部發展主要發生於額前葉，而根據腦神經學的一些相關實驗，

包括對額前葉受損的病人的研究，可以肯定額前葉的發展有助於青少 年能夠抑制與任務無關的訊息的能力而能成功心智表述和任務相關 之訊息。同時因社會經驗逐漸豐富的影響，科學理解能力及否定直觀 產生的迷思概念的能力大大提升。於是更能接受科學的且反直覺的 理論性概念。理論性概念多為複雜的、具假設演繹性的論點或為有關 無法直接觀察的抽象科學概念。

額前葉成熟→

腦容量增加→

計畫、抑制直觀 及發覺深層意義等 能力的增長

年齡 假設演繹性論點的理解 理論性概念的了解

豐富的 生理經驗 和 社會經驗

改編自 Kwon,Lawson,1999

[圖 2-2]重要理論間關係(Key theoretical relationships) 那麼青少年在社會心理方面的發展又如何影響認知發展？

Erikson 的社會心理理論將個體的發展分為八個主要階段。其中青少 年時期跨越兩個主要階段：「勤業對自卑(Industry vs. Inferior- ity ) 」與「自我認同對角色混淆(Identity vs. Role Confusion)」

(Manning,1988,1993；Swafford & Bryan,2000)。因此中學生有一個 主要的心理特徵：由對長輩的依賴轉而向同儕的依賴。舉凡態度、

行為表現、價值觀、社會經驗，以致於獲得友情及肯定，均大大受 同儕影響。在自我認同感的發展過程，來自於同儕及長輩的安全感及 被接納感是十分重的。因此營造同儕正向互動的教育環境有助於青少 年自我認同及學習態度的提昇。由於在此階段同儕的影響大大增加，

因此學生是否能從教育中發展出支持幫助同儕的社會技能，成為重要 的課題。以上這些社會心理層面的特徵，支持了課堂討論促進學習與 認知的效果。課堂討論提供個人表達及同儕互動的機會，於是滿足了 中學生自我肯定及被同儕認同的的心理需求，同時也能培養協助同儕 的能力。另外，在抽象科學理論的學習上，概念轉變的發生先決條件 之一就是必須有接納不同想法的心理層面能力之配合(Nesbit &

Rogers,1997；Swafford & Bryan,2000)。教師指導學生時，應將 青少年發展的特徵加以考慮。於是與同儕、師長的正向互動、參與 實際操作、精緻的抽象性、假設性思考的課程設計，是很重要的。

於是閱讀(reading)、討論(discussion)及寫作(writing)三種策略均 有助認知發展，也能配合青少年成長需求(Swafford & Bryan,2000)。

總而言之，生理上，腦部發展的條件使抽象概念的學習變成可能。

社會經驗也會促使認知上的發展，因為它提供本身身體經驗以外的 資訊及知識。而心理層面上的自我肯定和同儕認同的需求，則促進了 學習的動機。因此這些中學生的特質，支持了「表達」在科學概念 學習上的功能。