第二章 文獻探討
本研究的目的主要是想要探討教科書內知識表徵的分佈，以及教 科書內所呈現出來的知識表徵對於學生的閱讀學習到底會產生什麼 樣的影響。故本章會先將學生的科學學習、知識表徵以及閱讀理解的 歷程做初步的探討，最後一節再針對科學文章的學習做一簡單的介 紹。
第一節 學生的科學學習
學習一直是一個熱門的話題，因為人們從小開始就和此息息相 關，故「人們如何學習」、「如何幫助學習」是從事教育的工作者所關 心的。1960 年代以前，行為主義當道，他們認為學習是一刺激與反 應之間關係的連結（張春興，1997）。1960 年代之後，認知心理學逐 漸盛行，大家所關注的是：學習者在學習的過程當中心智運作的過 程，他們想要探討外在的刺激和學習者之間到底如何產生交互作用。
科學教育相關的研究方向也深深受到心理學研究的影響。現在就幾種 現今重要的科學學習理論做一簡單的描述。
一、 訊息處理模式
訊息處理模式（information –processing model）是使用了電腦處 理資訊的方式來描述人類心智運作的過程（Chiappetta, Koballa &
Collette, 1998），它是順應時代潮流的產物，這四十多年來廣為盛行，
主要原因在於他們不再把學生當作被動的學習者，其相信人與環境交 互作用中，人會主動選擇甚至操縱環境，從中獲得知識（張春興，
1997）。
雖然訊息處理模式被提出的形式有很多種類，但是，無論是哪一 種，大致上都包含了以下三個主要的成分（林清山，1992；張春興，
1997；Gagné et al, 1993）：
1. 立即記憶（immediate memory）
指外來訊息經由接受器接收，透過神經傳導被送至中樞神經系 統，而保留在立即記憶的儲存器中。它保留的時間相當短暫，也 會隨著時間消失，除此之外，它對於外來訊息的表徵保留原來的 形式。
2. 短期記憶（short-term memory）或工作記憶（working memory）
指外來訊息消失前，再經過注意（attention）而將部分的訊息送 到此儲存器中。短期記憶的訊息儲存時間很短，除非主動的復誦
（rehearse）否則約在 10 秒內就會消失，其記憶容量也很小。除 此之外，他也具有將訊息作深一層心理運作的功能，所以又稱為 工作記憶。
3. 長期記憶（long-term memory）
指將短期記憶的訊息加以編碼（encode），而被儲存在長期記憶 中。長期記憶是以統整（integrated）新舊訊息的方式來儲存，而 且可以保留相當長的時間，甚至一輩子都不會忘記，訊息會遺忘 主要是因為沒有適當的提取線索。
整個訊息處理並非單向進行，而是個體與外來訊息發生複雜的交 互作用。當外來刺激進入的時候，會先經過接受器而輸入至立即記憶 體內，在此記憶體內經由選擇性的知覺歷程，就會將訊息送至短期記 憶體（工作記憶體）內，在這個儲存器內經過一些編碼的運作，接著 進行一些統整工作，再將最後的結果送到長期記憶體儲存起來。等到 以後需要此訊息的時候，再由提取的歷程將長期記憶的訊息譯碼
（decode）。而在這整個訊息處理的過程當中，需要大量注意力的歷 程稱為控制歷程（control process），也就是我們所熟知的後設認知歷 程（metacognition process）（圖 2-1）。
圖 2-1 訊息處理模式（Gagné 等人, 1993）
二、 神經網路模式
網路神經模式（a neural network model）又稱為平行分佈處理模 式（parallel distributed processing），它是越來越被常用到的一個模式
（Gagné et al, 1993），主要是在彌補訊息處理理論的不足之處。支持 此觀點的人認為，認知歷程的過程並不單單只是線性的流動，況且同 一時間內，外來刺激的種類也不僅僅只有一種，可能會有好多種，所 以，當外界訊息被受器接收之後，會同時啟動不同的神經網路，因此，
不同的認知歷程會同時發生。
圖 2-2 神經網路模式（Gagné 等人, 1993）
Chen, Smith, Larsgaard, Hill 和 Ramsey（1997）指出，一個人接 收訊息可能同時包含文字和圖形，經過注意（attention）的動作，而 產生選擇性知覺，此時會活化一連串互相關連的處理單位（Hoshino, 2003; J. A. Marshall & Srikanth, 2000），而各單位被活化的程度會有所 不同。Gagné 等人（1993）利用 S. P. Marshall 的研究當例子來說明：
當一個文字的問題出現的時候，學習者接收到訊息以後，工作記憶體 內的各個處理單位會被活化，將訊息加以運作，同時，長期記憶體內 的處理單位也會被活化，緊接著，長期記憶體和工作記憶體內的處理 單位會做連結，最後，學習者決定這是屬於哪一類的問題，也就是學 習者經由兩者的連結之後，做出最後的反應（動作或學習）（圖 2-2）。
三、 概念改變模式
概念改變（conceptual change）的研究是經由 1980 年代研究另有 架構題材快速發展而來（劉嘉茹，2000）。近二十年來，對於科教的 研究有很深遠的影響。
概念改變包含了概念的取代（conceptual exchange）以及概念的 擴張（conceptual expansion）（Hewson & Lemberger, 2000）。學習者在 學習新的概念時，會將外界的訊息同化在原來的認知結構當中，此即 為概念的擴張，也稱為同化（assimilation）；但是，當學習者腦中現 有的概念無法使其理解新的概念時，學習者就會發生取代或重新組織 他的核心概念（central concept），這就是概念的取代，亦即調適
（accommodation）。
Posner, Strike, Hewson 和 Gertzog（1982）根據 Toulmin「心智環 境（intellectual environment）」的說法，提出概念生態（conceptual ecology）的觀念。他們認為學生的學習就有如一生物，想要進入新 環境一般，新環境的各項因素會影響到這生物的適應與否，同樣的，
學生在其所擁有的概念當中，會形成一個環境，這個環境會影響這位 學生對新概念的學習，甚至產生概念的改變，而這個內在和外在的環 境就是所謂的概念生態。這三位學者認為概念生態包含下列幾項元 素：
1. 異例（anomalies）
和原本的認知結構不相符合的例子，無法用現有的概念加以解 釋，這是讓學習者有機會重新思考原有概念機會的一個重要之特 性。
2. 類比和隱喻（analogies and metaphors）
類比和隱喻的使用，讓類比物和新的概念相連結，使學習者對於 欲介紹的新概念產生理解。
3. 認識論的認同（epistemological commitments）
不管是專業領域或一般領域，對於學習者而言，能夠成為其認為 是成功知識的特性或解釋。
4. 形上學的信念和概念（metaphysical beliefs and concepts）
學習者對於科學的信念常常會影響他對認識論的觀點，進而影響
到其對於各種解釋的選擇；另一方面，科學本身也具有形上學的 特性，例如：時間和空間的絕對性。
5. 其他知識
一方面是指其他領域的知識；另外，對於學習者而言，可能選擇 新概念的可能條件在於：眾多競爭者（其他概念）當中，這個新 概念有較佳的字據、條件。
這五個元素會在學習者的腦中以及身處的環境之中形成概念生 態，這些元素深深影響了學生的學習。換句話說，學習者所處的外在 環境，它所形成的概念生態，可以讓學習者自己所擁有的概念生態產 生作用，進而引發學生的概念改變。
四、 形成模式的學習模式
二十世紀中，模式（model）被認為在概念的發展上扮演十分重 要的角色，因此，形成模式（modelling）或以模式為基礎（model-based）
的學習在科學教育上逐漸受到重視（Gilbert, 2003）。
科學的模式是為了某個目的而產生的一個現象表徵，它可以是由 具體的實體（entity）所組成；也可能是指抽象的實體，例如力、能 量等；也可以是一個概念（idea）。除此之外，一個模式也可能是抽 象和具體的混合，也可能是指一個系統（system）、事件（event）、過 程（process）（Gilbert, Boulter & Elmer, 2000）。以模式為基礎的學習 通常都會包含兩種模式，第一種為心智模式（mental model），另一種 為表現模式（expressed model）（Buckley & Boulter, 2000）。
1.心智模式（mental model）
心智模式是指人們為了描述、解釋、、推理、預測現象，甚至 控制它們而形成內在的認知表徵（cognitive
representation），它影響我們對現象的理解。
2.表現模式（expressed model）
它是一種外顯的表徵（external representation），主要是用來彼 此溝通及論證。
整個形成模式的學習如圖 2-3。當一個人接收到新的訊息（即表 現模式）時，學習者的先備知識（prior knowledge），也就是圖中所指
的心智模式，會和接收到的訊息產生交互作用，經過不斷的比對，慢 慢的，學習者的腦中就會建立新的心智模式。在整個過程當中，假如 原本的心智模式能和外來的訊息相符合，則此心智模式會被增強；但 是當兩者發生衝突的時候，就會產生兩種情況，一種是會將原本的心 智模式作一個修正；另一種情況是拒絕原來的心智模式，而產生一個 完全不同的心智模式（Buckley, 2000）。
從以上的文獻當中可以發現，不管是哪一種學習模式，都認為學 習不再只是知識的灌輸；即使給予每位學生同樣的外在刺激，不見得 得到相同的結果。換句話說，應該要重視學習者腦中到底在想什麼。
另一方面，其實，並不難看出，這些學習模式都提到了「外來訊息特 性」的元素，不斷的強調在學習的過程當中，外來的訊息會和學習者 產生交互作用，而這些訊息傳達的方式深深影響學生腦中的認知結 構。綜合以上所述，外來訊息對科學知識的學習是很重要的，而且每 位學生的認知結構又不盡相同，在教學時只提供一種類型的刺激並不 夠。如果能給予多元的外在訊息，可讓各種不同的學生皆有學習的機 會，以達到教學的目的。
圖 2-3 形成模式的學習模式（Buckley, 2000）
模式的修正 模式的增強
模式的拒絕
表徵
現象 模式的形成
模式的使用 心智
模式
第二節 知識表徵
從上一節的敘述當中我們瞭解到，現今主要的四種學習模式都強 調在學習的過程當中，外來的訊息特性和每一位學習者的學習情形息 息相關。是故「表徵（representation）」占重要的地位。
「表徵」這個名詞源自於認知心理學，它通常包含內在的表徵
（internal representation）及外顯表徵（external representation）。而「知 識表徵（knowledge representation）」是指：在我們的長期記憶和工作 記憶中，訊息如何呈現的方式（Gagné et al, 1993）。因為不管是內在 表徵或外在表徵，都是人們經由長期記憶和工作記憶相互運作所呈現 出來的，所以，本研究中所指的知識表徵是課本中所呈現的表徵。以 下就知識表徵的分類、知識表徵與學習以及其相關研究作一簡單的介 紹。
一、 知識表徵的形式
學者們依據不同的面向，將知識表徵區分成不同的類別，下面是 四個主要的分類
（一） 以認知發展區分
布魯納（Bruner）一直強調結構（structure）的重要性，他認為：
想從事教學或教育的人都應該瞭解，不論哪一個科目，基本結構
（fundamental structure）是很重要的（Bruner, 1977），也就是說，學 生應該要學會、理解該學科的基本概念、原理、原則；他也認為此基 本的原理、原則都能以某些形式教給任何年齡層的學生。因此，隨著 年齡的不同，人類知識表徵也有不同的發展，他把知識表徵分為三個 階段（張春興，1997；鄭昭明，1994）：
1. 動作表徵（enactive representation）
人類在三歲以前，需要靠動作來認識這個世界，以及獲得知識，也 就是需要親自操作才能吸收新知。
2. 形象表徵（iconic representation）
此時期的學習者可藉由圖像來學習，他們也可以把對物體的知覺交 由記憶中的心像（mental image）來決定。
3. 符號表徵（symbolic representation）
這時候的學習者，會運用語言文字及符號來學習。認知發展到此階 段，學習者已能用抽象思考的方式獲得知識。
雖然布魯納是依認知發展來區分，但是，他也強調：即使同年齡，
也具有個別差異，因此，在教學時，並不是只使用上述所提的某一知 識表徵，而應視學生實際情況而定。
（二） 以大腦結構區分
Paivio（1986）提出二元編碼（dual coding）理論。他將人的認 知結構分為兩個系統，一個是語文（verbal）系統，另一個為非語文
（nonverbal）系統。語文系統處理的是語文方面的表徵，它是有序列
（sequential）性的；而非語文系統是在處理心像（image）方面的表 徵，其具有空間及連續的特性。雖然有其他學者反對這種說法，認為 人類大腦中的認知結構只有一個系統（Anderson, 1983），沒有語文和 非語文兩種系統之分，但是楊牧真（1997）的實驗結果顯示受試者對 於刺激的形式，左右腦有不同的誘發狀況，因此，比較支持 Paivio 的說法。
（三） 以知識分類區分
很多學者試著從知識的分類加以區分知識的表徵。McNamara
（1994）和 Gagné 等人（1993）這些學者先把知識分為兩類，一類是 敘述性知識（declarative knowledge），意指瞭解事件本身的知識，是 有關事實、理論、事件及物體的知識；另一類是程序性知識（procedural knowledge），它是指事情如何做的知識，其中包含了動作技能（motor skills）、認知技能以及認知策略。接著，他們認為各類的知識因為本 質的不同，因此，會有不同的知識表徵。雖然，他們使用的名稱會有 所不同，但卻代表相同的意義。
以下就將這些學者他們對於知識表徵形式的看法作一個簡單的 介紹：
1. 敘述性知識
在敘述性知識方面，McNamara（1994）認為會有兩種知識表徵
（圖 2-4）
它們分別為
（1） 類比式（analogical）知識表徵
意指被表徵的世界和表徵的世界具有直接的共通性
（Rumelhart & Norman, 1985），同時仍然保存物體與事件的感官 特質。此類表徵和 Gagné 等人（1993）所提出的圖像（image）
表徵的屬性相一致。
（2） 符號式（symbolic）知識表徵
它是一連串符號或命題的組合，所以通常是有規則性的陳述
（Rumelhart & Norman, 1985），而且具有抽象的特性。此表徵一 般包含兩項元素：第一個是關係（relation），另一個是論點
（argument），論點指的是組合當中的主題（topic），兩個主題則 利用關係連結起來。Rumelhart 和 Norman（1985）以及 Gagné 等人（1993）則是「使用命題（proposition）表徵」這個名詞來 代表。
Gagné, Yekovich 及 Yekovich（1993）認為，敘述性知識並 不單單只包含這兩項知識表徵，還有另一項表徵，那就是線性規
敘述性知識 程序性知識
類比式 符號式
視覺的 空間的 聲音的 嗅覺的 觸覺的
命題 生產法則
知識表徵
圖 2-4 知識表徵的分類（McNamara, 1994）
則（linear orderings），它是指一組元素之間具有序列（ordinal）
的關係，例如英文字母 ABC。他們三位學者認為這三項知識表 徵構成了敘述性知識的基本單位，而這些基本單位是不可能單獨 存在於大腦之中，它們會互相連結而形成一個網路，也就是基模
（schemas）。
2. 程序性知識
此種知識是根據一活動性的過程來表徵，也就是以生產法則
（productions）來呈現。生產法則是「假如…則…」的陳述，因 此，形成了條件—行動的配對（condition-action pairs）。而一連 串的生產法則結合在一起形成一個組合（a set），此代表了內心 或外顯行為程序的所有步驟。
（四） 以來源區分
知識表徵的功能主要是在顯示某一個現象（Boulter &
Buckley,2000）或是為了瞭解某一個現象所形成的。一個人腦中的知 識表徵必須要靠外顯的知識表徵才能和社會互動。學者就依據外顯 知識表徵將知識表徵加以分類，Boulter & Buckley（2000）把表徵分 為十類，包含具體、語文、視覺、數學、動作、及各種混合的形式。
Gilbert（2003）將這十類表徵再加以簡化，認為共有五種基本的表 徵：
1. 具體的形式（concrete mode）
此種表徵形式是具有立體、3-D 的特性，例如：球和枝條
（ball-stick）的組合來表徵某一化合物的結構。
2. 語文的形式（verbal mode）
由各個實體及其關係的描述所組合而成；它也可能是利用類比及 比喻的形式來呈現，此包含「說」和「寫」。
3. 符號的形式（symbolic mode）
此種形式是由一堆的符號、公式、平衡式以及數學的恆等式所組 合而成的。
4. 視覺的形式（visual mode）
它是一種二向度（two-dimensional）的表徵，可能包括圖、表、
流程圖或者是動畫等。
5. 動作的形式(gestural mode)
利用整個身體或身體的某一部分來表徵某一個概念。
這些相異的分類方式都有其不同的分類依據，各類的研究也依照 研究本身的目的及需要來使用。但無論是哪一種表徵分類，主要都是 想要對人類的認知結構及外在環境和認知結構的關係有一個更深入 的瞭解。
二、 知識表徵與學習
現今不論是以心理學觀點出發的認知心理學，還是哲學觀點的建 構論，都認為學習者在學習的過程當中，並不是被動的接受，而是會 和他所身處的環境，也就是外來的訊息產生交互作用，最後學習者的 腦中會對某一概念有一特定的思維方式。因此，特別強調學習者「認 知結構（cognitive structure）」的重要性。
既然學生的認知結構在學習的歷程這麼重要，很多的研究逐漸開 始探討所謂的認知結構到底是什麼？也開始想瞭解，既然外界的訊息 會和認知結構發生作用，到底又是如何作用？因為大家產生這樣的疑 問，經過一連串的研究，「知識表徵」漸漸被廣泛的使用，也開始研 究起知識表徵到底有哪些，以及其功能。Buckley 和 Boulter（2000）
利用現象、心智模式及表現模式（expressed model）三者的關係，將 表徵的運作做一個簡單的說明（圖 2-5）。
心智模式 表現模式
現象 知覺
視覺 聽覺 感官-動作
圖 2-5 現象、心智模式和表現模式的關係圖(Buckley & Boulter, 2000）
心智模式，也就是人們腦中所形成的表徵，它被用來瞭解及創造 表現模式（即外來訊息的表徵），它也影響人們對外界現象的知覺
（perception）；相反的，外界現象的感知也同樣影響了我們的心智模 式；另一方面，表現模式呈現了被選擇的現象，也呈現了被某（些）
人選擇的心智表徵。
很多學者更進一步探討知識表徵與學習的關係，Paivio（1986）
就提出了大家所熟知的二元編碼（dual coding）理論（圖 2-6）。
Paivio 認為有效學習的發生主要是因為同時接收到互補的訊息 密碼（codes），所謂的互補訊息密碼指的是視覺性（visual）的資訊 和敘述性（narrative）的描述（Alessi & Trollip, 1991）。因此，他將知 識表徵分為兩大類，一類為語文；另一類為非語文。支持二元編碼理 論的學者主張人們的長期記憶當中，有這兩種不同的系統，當接收到 來自外界的語文和非語文表徵時，會分別到各自的系統進行運作，這 些研究者認為兩個系統的運作是各自獨立，但是，會利用參考性連結
（referential connection）互相連接；另一方面，當接受到某一類型表 圖 2-6 二元編碼模式（Paivio, 1986）
徵的刺激時，除了使其相同的記憶系統產生運作外，也會透過參考性 連結（referential connection）刺激另一個系統開始運作，最後再儲存 下來。
有些學者並不贊同二元編碼理論，而提出了單一編碼（single coding）理論。他們並不否認圖像（image）表徵的存在，但是，他 們相信這些圖像表徵僅存在於外來訊息以及短期記憶體之中，所以，
當這些外來的訊息，不管是命題形式的表徵或者是圖像表徵被接收了 之後，人類最終皆會以抽象命題的方式儲存在長期記憶體內的敘述性 知識系統中，往後需要這些訊息的時候，再由此提取出來。Anderson
（1983）稱此種理論為單一心智理論（unitary theory of mind），他承 認此種單一心智理論並非當時的主流價值，但是，他把人類的心智系 統比喻作電腦，他認為不管是哪一種外來的刺激，人們的心智活動就 像電腦一般是由抽象的命題所組合而成的。
對於這兩種說法雖然還沒有一個確切的定論，但是，許多國內外 的實驗研究（楊牧真，1997；Kosslyn, 1975; Kulhavy, Lee & Caterino, 1985），其結果都比較支持 Paivio 的二元編碼理論，許良榮（1996）
整理文獻發現，課文當中圖形的呈現對學習有不同的影響，再加上單 一編碼理論難以解釋「夢」的存在，因此他認為二元編碼理論對於圖 -文的訊息處理有較合理的解釋。
三、 知識表徵的相關研究
知識表徵至今仍是一個備受矚目的話題，因為有效的使用表徵可 以幫助學生理解一個概念，甚至有些學者認為多重表徵（multiple representation）具有提供補充的資訊、支持認知歷程、供應某一現象 的反例等功能，所以更能加速學習（Treagust, 2003），正因為如此，
相關研究也一直沒有斷過。
Holmes（1987）利用學生的推論能力（inference）研究圖片（picture）
表徵對學習的效果，他將學生分為三組，一組是只讀文字、第二組只 讀圖片，第三組是文字加圖片，實驗結果顯示，第二組和第三組的表 現優於第一組，因此，可以證實圖片有助於學習。張欣怡（1997）的 研究顯示讀圖能力高的學生對於圖片加文字的教材有較佳的學習效
果；而且此類教材普遍來說，也有較佳的記憶保留效果。但是，圖片 表徵的使用真的都是有幫助的嗎？Alessi（1988）就認為圖片的真實 性（fidelity）對學習效果的影響十分巨大，對於初學者而言，低真實 性的圖片可以產生較佳的學習，但是對於專家而言，高真實性的圖片 反而能增加他們的學習成效（圖 2-7）。
也有學者在探討流程圖的表徵對學習的影響。Holliday, Burnner 和 Donais（1977）以高中學生共 83 人為樣本，大氣循環為材料，分 別製作出圖文並茂（picture-word）的流程圖以及只有文字
（block-word）的流程圖，將學生分成兩組閱讀不同的教材，實驗結 果顯示，整體而言，圖文並茂組的後側成績明顯優於只有文字組的學
圖 2-7 圖片真實性和學習效果關係圖(Alessi, 1988）
註 1： 最佳學習線（best learning）
此條線通過的點，代表此類的學生在這個點時，具有最佳的學 習效果。
註 2： 最佳經濟效益（most cost-effective）
每一類的學生曲線和此條線皆相交於一點，代表在此點時，學 生有最大的經濟效益，超過這點，雖然圖片的真實性增加，但 相對的，學生的付出也增多了，學習不見得和付出的成正比。
有效的課程應根據這條線來設計。
生；語文程度低的學生當中，閱讀圖文並茂流程圖的學生比閱讀只有 文字流程圖學生的測驗分數為高；另外，只看只由文字流程圖的組 別，語文程度高的學生，他們的學習成效比語文程度低的學生還要 好。Holliday 等人（1977）認為因為流程圖讓學習者對於概念產生一 個整體的感覺，因此，對於學習有很大的幫助。
「表格（chart）」也是大眾所常用的表徵，Robinson 和 Schraw
（1994）就做了相關的研究。他們從某一所大學當中找了 138 位自願 參與的學生，將他們分為三大組，個別進行三項實驗，第一項實驗是 先將 48 位學生分為三小組，分別看不同的文本，第一小組只看文字 的文本，第二小組看含大綱的文本，第三小組則看含表格的文本，實 驗結果發現，第三小組學生的學習效果最佳；第二項實驗的設計和第 一項相同，只是把閱讀時間縮短，實驗結果也是一樣；而第三項實驗 的實驗設計和第一項實驗相同，只是把測驗的時間往後延，結果顯 示，不管是閱讀哪一種文本，都沒有差異。研究者認為表格的表徵能 在二度空間當中，將各物件的關係表現出來，使得閱讀者減少搜尋各 概念關係的時間，但是，這只是在工作記憶體運作的部分，當隔一段 時間測驗時，因為他們都還沒將這些表徵送到長期記憶體儲存，因 此，呈現無差異的情況。而張欣怡（1997）的研究則發現，含有表格 表徵的教材，對於低讀圖能力的學生反而有較短的反應時間及較佳的 學習成效。
在互動式媒體的使用上，很多研究會以表徵當作分析的工具，來 評估某種互動式媒體的成效。Barbara（2000）在生物課上，利用互 動式多媒體來教學，此種軟體提供學習者眾多表徵，包括文字、圖像、
立體實物及動畫等等，他利用前測、後測、晤談等方式來看學生的知 識建構。結果顯示出學生的知識建構比前測還好。Mayer 和 Anderson
（1992）也是運用多媒體在教學上，他們根據研究結果，提出了他們 的主張，他們認為在教學時，字和圖應並存，而非字在圖的前面，或 圖在字的前面，並且要在適當的時機使用，如此，學生解決問題的能 力將提升。
由上面的文獻可以發現，外來訊息形式的多樣化，對學生的學習 有正面的效果，Porzio（1997）觀察大學數學微積分的課程以及學生
的學習情況，他也發現教學當中如果使用多種知識表徵，可以幫助學 生對於某個特定概念的不同表徵之間產生連結，進而促進學習。這也 可以經由 Paivio 的理論加以解釋。基於二元編碼理論，不同的刺激形 式會促發腦中不一樣的系統，但兩系統之間具有參考性連結，因此，
某一種刺激會讓腦中兩大類系統先後被啟動。如果語文及非語文兩大 類表徵同時存在，可以讓參考性連結不斷產生，這樣對於概念的理解 是有助益的。
本研究的研究材料為文本，綜合以上的文獻所述，研究者先將知 識表徵分為兩大類，第一大類為語文表徵（verbal representation），第 二大類為視覺表徵（visual representation）。接著，再把語文表徵細分 為概念陳述、文字的類比、正向的例子和負向的例子；視覺表徵方面，
則是細分為實物圖像、示意圖、流程圖、圖像的類比以及表格。
第三節 閱讀理解的歷程
無論是學習哪一門學科，「閱讀（reading）」是一項基本而且重要 的技能，有 45 個國家參與的 Development’s Programme for International Student Assessment(PISA)就認為閱讀的素養是學童往後適應社會的 重要能力（Treagust, 2003）。 許多學者提出「學習去閱讀（learning to read） 」和「由閱讀而學習（reading to learn）」是不一樣的（林清山，
1992）。如果想要藉由閱讀有效的來學習某些領域的知識，則必須要 先學會如何去閱讀，然而，要學會如何閱讀，我們就必須瞭解閱讀者 在閱讀的過程當中，到底會做些什麼事。在行為主義學派盛行的年 代，閱讀歷程方面的研究不受重視，也很少證據能提供這方面的答 案，直到認知心理學的興起，才又有學者漸漸開始這方面的研究（林 清山，1992）。
經過這麼多年的探索，眾多學者對於閱讀理解的歷程提出了他們 的見解，也發表了研究出來的模式，在整理歸納過後，不外乎下列三 種（林清山，1992；許良榮，1997；Swaffar, 1988; Yore & Denning, 1989;
Yore & Shymansky, 1991）：
1. 文本為中心（text-driven）的模式
又稱為由下而上的模式（bottom-up model）。支持此模式的人特別 強調從外在刺激感覺到心智表徵的知覺歷程，因此認為解碼的技 能（decoding skill）十分重要。閱讀者在閱讀的過程當中，必須 以對字義的瞭解為基礎，再逐字閱讀，也就是說要先認識每一個 字，再經由句子的結構以及和內容的關係來瞭解，必須如此，才 能產生閱讀理解。
2. 閱讀者為中心（reader-driven）的模式
此模式的另一個名稱是由上而下模式（top-down model）。贊同此 觀點的人認為，應該要特別重視閱讀者本身所現存知識如何把吸 收擁有的進來的感官資料加以組織的認知歷程。也就是說閱讀者 因為本身具備的訊息勝過課本所要告知的訊息因而產生理解。這 個模式的學者強調後設認知技能的重要性，閱讀者本身能掌控自 己所具有的知識及語言能力，對課文內容作推論性的理解。例 如：根據上下文，閱讀者可能會形成某種假設，推論下面的文字 會有怎樣的發展。
3. 互動建構（interactive- constructive）的模式
互動建構模式利用基模理論（schema theory）來解釋先備知識和 閱讀的交互作用。支持此觀點的學者認為此模式合併了上述兩 者，閱讀理解的歷程是雙向的，而非前面兩種模式只考慮單向的 過程。亦即此模式重視由下而上對視覺刺激的歷程，以及由上而 下閱讀者本身的認知結構和後設認知技能運用的過程，文本和閱 讀者的認知結構會產生互動。
建構論（constructivism）主張「個人知識的建構（personal knowledge construction）」的概念，支持此觀點的人同時也強調在教學 的過程當中，應該要有適當的概念網路模式，學生才能同化教材或教 學的內容（Mintzes,& Handersee, 1998），再加上並沒有充分證據能證 明閱讀理解絕對是由下而上或由上而下，因此，互動建構模式和建構 論的觀點相呼應。
閱讀歷程的成功與失敗可以用「基模的建立」、「基模的選擇」和
「基模的保存」加以解釋。學習者在閱讀一篇文章時，一方面必須將
外界呈現的訊息選擇性接收後進行轉換，另一方面，還需要將這些轉 換的訊息和他們的記憶力做比對（Yore & Shymansky, 1991）。學習者 會從文章當中擷取出他要的資訊，並加以解碼，以增加自身對文章的 瞭解，這是所謂的文本為主的模式；然而，他也會監測、評估自己所 運用的策略是否有效，這就是屬於以閱讀者為主的模式，因此，互動 建構模式包含了後設認知的策略和認知的技能。這個模式的提出，讓 大眾對於閱讀理解的歷程有更深一層的認識，同時，它也提供給教育 領域，尤其是給閱讀教學方面一個基本但穩固的研究架構。
第四節 科學文章的學習
上一節對於文本的閱讀理解歷程做了一個詳盡的介紹，它提供科 學教育學者一個思考方向，對於學生如何去閱讀文章，能有更進一步 的瞭解。然而，科學領域的文章具有其特異性，教育者除了要瞭解學 生閱讀理解的一般歷程之外，更應該知道科學領域的獨特性，如何影 響學生的閱讀理解與學習。因此，本節將從科學知識的特性開始探 討，接著，就科學文章的特性做一個簡單的介紹，最後，再將科學文 章的閱讀理解與學習做個初步的說明。
一、 科學知識的特性
布魯納（Bruner）（1977）在他自己的一本著作（The Process of Education）中曾經提到：學習任何學科，主要是要使學生掌握這一門 學科的基本結構。此處所謂的基本結構指的是各種基本概念、基本原 理以及他們相互之間的規律和聯繫。而且他也強調，假如無法掌握基 本結構，學習意義較深遠的課程或技能是不經濟的。科學領域也不能 例外，美國的國家科學教育標準（National Science Education Standard）
朝向全民達到科學素養的目標邁進（Collins, 1995），其中強調「基本 概念」的重要性，學生知識的成長以及科學概念的瞭解是科學素養進 步的基礎（Treagust, 2003）。
許多研究都指出學生對於科學知識的學習有困難，而且主要的原 因是在於科學知識的本質（Barak, 1999; Gilbert, 2003），所以，許多
學者開始探討科學知識的特性。Tversky（1989)把知識一分為二，一 種是具體的（concrete）知識，這種知識是感官所組成的單位，另一 種是抽象的（abstract）知識，它則是由功能所組成的單位；Buckley 和 Boulter（2000）擴大了 Tversky 的解釋，他們認為知識還包括行 為和機制，因此把知識細分為四類，分別為構造、功能、行為和機制；
Leach（1999）認為：科學知識分做兩類，一類是指感官可感覺的到 的實體，以及兩個存在的實體之間的關係；另一類則是指看不見的機 制。
Chi, Slotta 和 deLeeuw（1994）以本體論的觀點分析所有的概念 都有所屬的類別，分為以下三種類別：物質（matter）—含有特定屬 性的東西，紅色的太陽、有生命的東西、固體；過程（process）—指 事件的發生，可能有序列性、因果關係、或機率問題；心智狀態（mental state）—指情意的部分，如情緒或傾向。
在這三種類別中，每一類別皆有其特殊的屬性，而類別之間的屬 性，則又明顯的區分並且具有階層性。修飾一個概念的述詞將會同時 修飾在它同一樹狀下的其他概念；若述詞來自同一樹狀的不同旁枝或 不同樹狀，若被用來修飾不同樹狀下或旁枝的概念，句子將變的沒有 意義。例如：“雷雨破了。”其中，“雷雨”是“事件”，“破”是“物質”述 詞，使得這句話變成無意義的句子。
雖然，學者用的名詞不大一致，但是，對於科學知識的分類具有 共同性，從上面的敘述可以發現，大體上，具體和抽象是學者們在分 類時的兩大分野。「生物」是屬於科學的範疇，因此，生物知識也具 有這些特性。除此之外，生物也具有其獨特性，Wandersee, Fisher 以 及 Moody（2000）就指出生物知識具備下列五種特性：
1. 統整性（integation）
生物知識是由很多概念整合而成的網狀結構，我們大腦會以影 像、例子或類比的方式儲存。
2. 廣泛性（vastness）
生物知識會進化，結構性比較不夠，而且十分依賴情境及方 法。
3. 模糊的界線（fuzzy edges）
「生物」，或者說「生命」本身，其實界線是模糊不清、意義 也不是十分明確。
4. 次領域（subdomains）
生物是由很多次領域所集合而成，從巨觀到微觀，從過去到 現在，從極小的單細胞到巨大的多細胞。
5. 獨特性（uniqueness）
生物利用其他科目的知識，例如：物理、化學，但是絕對不 可能成為這些科目。
這些特點中，最被大家提及的就是「統整性」這一項，生物因為 這一項特質，所以，學生的學習更加困難。Aleixandre, Amir, Brody, Tamir 和 Tomkiewicz（1996）也提到生物是由很多概念集合而成，而 且需要其他科目的知識。生物學是由兩大元素所組成的，一個是物體
（objects），另一個是過程（process）。所謂的「物體」，通常會被問 及：它是由什麼組成？這些組成的元素是什麼？這些組成元素的特性 又為何？而「過程」通常會針對：它的功能是什麼？它會產生什麼？
形成的過程為何？它在哪裡發生？等問題找尋答案（Fisher, 2000）。
由此可知，生物知識的內容不僅僅只是強調生命世界的組成元素，還 包括了各元素之間的相互關係，不但包含了巨觀的知識，有很大的部 分是屬於「過程性」，也就是微觀的知識（Barak, 1999; Buckley, 2000）。
綜合上述的文獻，再加上 Honey（1996）引用 Rosenberg 的想法，
認為將一小群被定義的有機體集合起來，由他們的構造或功能所結合 而成，這些元素組成了某一個概括性的概念，這就是所謂的生物知 識。因此，本研究把生物知識分成兩大類，一類是構造性的知識，另 一類則是功能性的知識。構造性知識是指一知識系統內結構組成的部 分，各部分之間具有空間關係，通常是具體的實體（entity）；功能性 知識則是包括某一知識所扮演的角色、一連串的步驟或改變、造成此 行為的機制，這通常是抽象的實體。
二、 科學文章的特性
許多學者將文本分成兩種形式，一種是敘述性的文本（narrative
text），另一種是說明性的文本（expository text）（Armbruster, 1991）。
敘述性的文本指的是像故事書、小說這一類的文章，通常此類的文章 充滿愛恨情仇的情節、生活用語多，有預測性的故事主軸，且劇情起 伏大；說明性的文章包括了像科學、語文、地理等方面的文章，這一 類的文章並不會有如敘述性文章一般，會有一成不變的故事結構，但 是，它具有比較、描述、集合、因果關係及問題解決這些可預測的形 式，說明式的文章通常會由一個主題利用幾個句子把它組織起來，而 且，這些組織方式常常是採用標題、大綱、視覺表徵（visual adjunct）
等形式來傳達想要表達的意思（Yore & Shymansky, 1991）。
科學知識有上一小節所描述的特性，再加上科學文章是屬於說明 性的文章，因此，它也會不同於一般的文章。科學文章通常會處理很 多和生活經驗不相關的描述，科學的語言利用很多專有名詞
（lexicon），這些專有名詞是由希臘、拉丁等字所組合起來，都具有 獨特的意義，日常生活當中並不會常常使用到，科學語言也包含了很 多特殊的語法，邏輯的敘述。因為它是說明性的文章，因此，具有比 較、因果關係等特性，而且，此類文章通常是簡單明瞭，不會像小說 一般有繁長的語句。另一方面，科學文章所組成的句子常常都是連鎖 的，也就是說，會用邏輯的方式把兩個句子或命題連接起來，而且一 整個完整的句子通常是侷限在兩個概念（idea）之間的關係，所以，
在科學文本內常常可以看到逐步邏輯的敘述。正因為如此，科學文本 當中也會包含數學語言、大量的視覺表徵，例如：圖、表等來整合整 個概念（Yore & Denning, 1989）。
在學校教育中，最常被大家使用到的科學文章就屬教科書莫屬 了。因為教科書的功能是提供學生和老師一個課程的參考，針對某一 個科學知識的統整性介紹（Collett & Chiappetta, 1994），這對學生來 說，是獲得科學知識的重要來源。Meyer（1991）就認為一本好的科 學文本或一篇好的科學文章必須要考慮到：（1）要闡述某一個科學知 識時，在符合科學的特殊描述下，例如：因果關係，必須將幾個被談 論到的概念（ideas）做系統性的編排（2）這些概念也要有邏輯性的 連結（3）避免容易使人混淆的訊息（4）要特別注意到閱讀者可能具 備的背景知識（background knowledge）。這些特性都具備了，才是一
本完善的教科書。
三、 促進理解的科學文章
科學知識有其特異性，科學文章也有獨特的地方，這就影響到學 習者的閱讀與學習。要讓學習者學到教育者希望他們學到的知識，就 必須對科學知識、科學文章的特性，以及學生怎麼學習科學文章多所 瞭解。既然科學知識通常都是在闡述一個複雜的主題（complex topic），學生就要依序瞭解：每一個概念的內容、各概念之間的相互 關係和在相互關係上，扮演重要角色的連結概念（linking concept）
（Waheed & Lucas, 1992）。
Perfetti（1989）認為學習者閱讀科學文章時，會包含兩種情況的 理解，第一種是從文本當中獲得意義（meaning）：意義通常以文本為 基礎，且由很多的符號、命題所組成，閱讀者想要獲得意義的理解，
必須依賴以語義、符號為基礎而產生意義的歷程（symbol-based meaning process）；第二種則是從文本當中獲得詮釋性（interpretation）
的理解，所謂的「詮釋」並沒有很多的符號，也沒有很多的命題，且 不是以文本為主體，而是有很多推論（inferential）的特性，因此，閱 讀者想要得到詮釋性的理解，必須對於文本內的整個情境要有所瞭 解，然而，希望瞭解整個文本的情境，先備知識就是一個很重要的元 素，先備知識充足，才能對科學文本的內容作一個推論。
既然學習者想要理解，Yore 和 Denning（1989）則提出必須具備 三項技能：
1. 字彙的技能（vocabulary skill）
字彙的技能包括定義及使用專有名詞；會使用連接詞及字的 組合對某個詞下定義；由文章的脈絡決定一個字的意義，將 某個字分類到更大的群組裡；也能瞭解類比及隱喻和目標物 的關係。
2. 理解的技能（comprehension skill）
理解的技能包含了三方面的理解：
（1） 字義的（literal）理解
具備辨認主要的概念的技能；為了能更加瞭解各概念之間
的關係，會使用圖、表、恆等式等。
（2） 推理的（inferential）理解
具備區別事實（fact）和意見（opinion）的技能；會做出摘 要；從證據當中提出主張；推論因果關係；藉由比較及對 照找出兩個概念的相似處及相異處。
（3） 應用的（applied）理解
能完成應用性作業的技能，也就是會將所理解的概念，解 決相關的問題。
3. 探究的技能（study skills）
探究的技能是指能有效的組織及做筆記；會利用畫圖以做更 詳盡的解釋；能詳細搜尋特殊的訊息；辨識教科書或科學文 章的組織結構。
為了要使學習者能對科學文本產生理解，就必須讓他們具備閱讀 理解的技能。影響這些技能的原因有很多，但大致歸類為三大類，彼 此會互相影響（圖 2-8）。
閱讀者要閱讀文本，都有一個學習目標，也就是他們想要學到的 概念，對他們來說，這是重要的作業（critical tasks），要達到這個目 標，受到三種因素的影響，第一個因素是作業的本質（nature of situation），這是指文本傳遞出來訊息的特性、文本的結構；第二個因
學習者的特性
重要的作業 認知與後設認知
的活化
作業的本質
圖 2-8 影響科學文本閱讀理解的因素及彼此關係圖
素是學習者的特性（learner characteristic），也就是會影響目標達成的 個人特質，以及學習者具備的先備知識；第三個是認知及後設認知的 活化（cognitive and metacognitive activities），此包括了學習者思想行 為的監控、應用等方法的主動調整及建構（Reynolds & Baker, 1987;
Yore & Shymansky, 1991），這三者皆影響了學生對於文本理解的情 況，前一項屬於外在因素，後兩者屬於內在因素。
其中，文章本身對閱讀者影響重大，在學校教育當中，教科書是 最常被用到的科學文章，它是教師教學及學生學習的主要依據。
Ausubel（1962）以及 Ausubel, Novak,和 Hanesian（1978）強調有意 義的學習，他認為想要達到有意義的學習，學習材料本身要有意義是 必要條件之一。然而，學習材料要有意義，就必須考慮教材的結構不 能以科學家的角度編寫（Roth, 1991），應以學生為主體。組織方式較 清楚的課文，讓學生對於課文當中的科學知識有較佳的理解，很多研 究都發現文本當中有圖和表，對於閱讀者的理解有正面的影響（張欣 怡，1997；黃秀英，1999；藍嘉淑，2000；Holliday et al, 1997; Robinson
& Schraw, 1994）。文字和視覺表徵具有不同的意義，文字的表徵能確 切闡明知識的內涵，但卻無法傳達複雜的知識；視覺表徵則可呈現出 非線性的知識，但表達知識的內涵上略顯不足（霍秉坤和黃顯華，
1995），所以，兩者相輔相成。有效的使用表徵，能提升學生的後設 認知，進而促使學生科學概念的學習（Treagust, 2003），因此，現在 分析教科書的考慮因素當中，「表徵的使用」也成為分析的重要元素 之一了（Kesidou & Roseman, 2002）。
綜合以上的文獻，顯示出科學知識及科學文章的獨特性，使得學 習者在閱讀文本的過程中，面臨到理解上的困難，學生也需要更多的 技能才能產生瞭解，而影響理解的三因素中，文章的結構是重要的外 在因素，所以，就一位教育者而言，文本的結構是最容易掌控的變因；
對學習者來說，這也是一個直接幫助他提升閱讀理解技能、產生理解 的機會。由此可知，文本結構的良窳就格外的重要。因此，本研究想 從現行的科學文本所呈現的知識表徵來探討這些表徵對學生的理解 產生怎樣的影響。
