國立交通大學
教育研究所
碩士論文
運用眼動儀探討不同學科背景大學生之細胞擴
散和滲透作用的心智表徵建構
Explore the Effects of Different Background Undergraduate
Student’s Construction of Mental Representation on Diffusion
and Osmosis Through the Use of Eyetracker
指導教授：佘曉清教授
碩士班研究生：張格瑜
中華民國九十七年一月
運用眼動儀探討不同學科背景大學生之細胞擴散和滲
透作用的心智表徵建構
Explore the Effects of Different Background Undergraduate
Student’s Construction of Mental Representation on Diffusion
and Osmosis Through the Use of Eyetracker
碩士班研究生：張格瑜 Student：GerYu Chang
指導教授：佘曉清教授 Advisor：HsiaoChing She
國立交通大學
人文社會學院教育研究所
碩士論文
西元 2008年1月
National Chiao Tung University
Institute of Education, School of Art and Society
Master Thesis
January 2008
運用眼動儀探討不同學科背景大學生之細胞擴散和滲
透作用的心智表徵建構
研究生：張格瑜
指導教授：佘曉清
國立交通大學教育研究所碩士班
摘 要
本研究主要目的為探討細胞擴散和滲透作用概念之網路多媒體動畫對學科 背景不同大學生的概念改變學習成效，並且運用眼球儀 (Eyetracker)蒐集眼動資 料，進而瞭解其眼動與概念建構間的關係。 研究對象為 74 位大學生，依研究設計分為三組，生物學科相關背景 25 人、 理工學科相關背景 25 人與人文學科相關背景 24 人。研究結果顯示不同學科背景 的大學生在教學前對細胞擴散和滲透作用概念有顯著差異，而教學後三組大學生 的細胞擴散和滲透作用概念都顯著優於教學前，而且沒有達顯著差異，表示網路 動畫教學有助於細胞擴散和滲透作用概念的建立。從眼動資料發現，理工和生物 學科相關背景大學生注視在關鍵區凝視點平均時間較長，生物學科相關背景大學 生的視線軌跡大部分的時間都在觀看關鍵區，有時候會觀看文字區；理工學科相 關背景大學生的視線軌跡大部分的時間都在觀看動畫區和關鍵區；人文學科相關 背景大學生的視線軌跡大部分的時間都在觀看文字區和關鍵區的文字部分。本研 究證明了不同學科背景的大學生其眼球注意力分佈與其概念之建構有密切的關 係。另外，在工作記憶測驗的研究顯示，認知短期記憶測驗和開放式問題的前測 和後測有顯著相關。 關鍵字：細胞擴散與滲透作用、眼球儀、概念建構、注意力誌 謝
本篇論文的完成，對作者本身而言，終於達成了一項不可能的任務。由衷感 謝所有熱心協助的朋友和師長。首先要感謝指導教授 佘曉清教授不斷勉勵和耐 心指導，非常感謝口試委員張文華教授及官英華教授細心的審閱與指正，並且給 予本論文寶貴的意見，讓本篇論文能趨向完善。 從研究起步，直到論文寫作完成的階段，有著許多從未面臨過的困難與瓶頸 ，感謝身旁的貴人和師長適時的給予鼓勵與協助，讓本研究得以順利完成。感謝 教育所的全體師長、助理、同學、學長姐和學弟妹及論文研究期間幫忙很多與鼓 勵的嘉瑜師、冠妤師、金成學長、國銘學長、怡仁、倩嫻、思維、佩樺、裕仁、 珮菁、文己、莉郁、千祈、孟玲、邦儀、富修、茵嵐、靜雯、純瑜、柔蓁、妤貞 、昭銘、玫英、蒔萱、明樺和佩蓉。特別感謝一起成長和學習的科教組同學羽立 和倩嫻，兩年多的日子，還好有你們的照顧和幫忙。還要感謝百忙之中熱心參與 實驗的所有受試者，感激你們騰出了自己寶貴的時間，貢獻心力在本研究上。另 外要感謝旺哥、倍任學長、小猴、馨心、忠憲、琦琦、小鴨、倖宜、宜瑩、暐軒 、潘婷、熊、小芃、秀芬、雅琪、庭嘉、玫緗、靖玟、怡慧、子玲、悅菽、佳嬅 、小Q、芳郡、保鏢、小黃、魚丸、蕃茄、柏佑、文華、佩瑾、靜芸、瓊徵姐、 涂景宣、美華、葦苓、毓玲、淑歆和石佩的關心與協助，最後謝謝給予無限支持 的父母、大哥、大嫂、二哥、安和與安宜。在此，希望將論文完成的喜悅、感動 與榮耀一同分享。 張格瑜 謹誌 西元2008 1月ABSTRACT
The purpose of this research was to investigate the effects of multimedia learning on student's learning of diffusion and osmosis, in addition, eyetracker was used to collect data of student's eye movement behavior. It is hoping to explore the
relationships between student's concept construction and their eye movement behavior.
There are 74 undergraduates from a university located at north part of Taiwan who major in biology (25), science engineering (25) and social science (24). Results showed a significant difference existed in their beginning conception of diffusion and osmosis. After multimedia learning, the three group’s students made significant progress. Students’ major in biology and science engineering usually had greater mean fixation duration on special areas. The students’ major in biology focused more on special areas and sometimes on some text areas; the students’ major in science engineering focused more on special areas and animation areas; the students’ major in social science focused more on special areas and text areas. This study demonstrated students who received higher scores on the scientific conceptions would have greater mean fixation at the special areas. In addition, students’ cognitive working memory score is correlated with their pretest and posttest score of the openended questions.
Key words: Diffusion and Osmosis, Eyetracker, Concept Construction, Attention
目錄
中文摘要 ...Ⅰ 英文摘要 ...Ⅲ 目錄 ...Ⅳ 表目錄 ...Ⅵ 圖目錄 ...Ⅷ 第一章 緒論...1 第一節 研究背景與動機 ...1 第二節 研究目的...2 第三節 研究問題...4 第四節 研究範圍與限制 ...4 第五節 名詞釋義...5 第二章 文獻探討...8 第一節 眼球運動與注意力 ...8 第二節 網路多媒體與科學學習...10 第三節 概念改變理論和細胞擴散和滲透作用的教學研究 ...16 第四節 心智表徵的內涵 ...24 第三章 研究方法...28 第一節 研究對象...28 第二節 研究設計...28 第三節 研究流程...29第四節 研究工具...30 第五節 資料蒐集與分析 ...34 第四章 研究結果與討論 ...36 第一節 不同學科背景大學生之細胞擴散和滲透作用概念及概念改變成效分析...36 第二節 不同學科背景大學生觀看「細胞擴散作用」教學動畫一和動畫二之眼球 追蹤資料、視線軌跡與概念建構分析 ...43 第三節 不同學科背景大學生觀看「細胞擴散作用」教學動畫三和動畫四之眼球 追蹤資料、視線軌跡與概念建構分析 ...52 第四節 不同學科背景大學生觀看「細胞滲透作用」教學動畫一、動畫二與動畫 三之眼球追蹤資料、視線軌跡與概念建構分析...59 第五節 不同學科背景大學生觀看 「細胞擴散作用」 教學動畫四之眼球追蹤資料、 視線軌跡與概念建構分析 ...69 第六節 不同學科背景大學生的工作記憶相關分析 ...77 第五章 結論與建議 ...78 第一節 結論與討論 ...78 第二節 建議...82 參考文獻 ...84 附錄一：細胞擴散和滲透作用二階層測驗 ...89 附錄二；細胞擴散和滲透作用開放式問題 ...94
表目錄
表221 多媒體之實驗室相關研究結果...13 表231 擴散和滲透作用的命題知識表...23 表411 不同學科背景大學生細胞擴散和滲透作用之二階層(two tiers)測驗前測 敘述性統計表...37 表412 不同學科背景大學生細胞擴散和滲透作用二階(two tiers)層測驗前測單 因子變異數分析摘要表 ...37 表413 不同學科背景大學生細胞擴散和滲透作用之二階層(two tiers)測驗前後 測敘述性統計與成對樣本T檢定摘要表...38 表414 不同學科背景大學生細胞擴散和滲透作用概念得分與變異數分析摘要 表...38 表415 不同學科背景大學生細胞擴散和滲透作用開放式問題前測敘述性統計 表...39 表416 不同學科背景大學生細胞擴散和滲透作用開放式問題前測單因子變異 數分析摘要表...40 表417 不同學科背景大學生開放式問題前後測成績得分摘要表 ...41 表418 不同學科背景大學生細胞擴散和滲透作用開放式問題前後測敘述性統 計與成對樣本T檢定摘要表 ...42 表419 不同學科背景大學生細胞擴散和滲透作概念得分與變異數分析摘要表 ...42 表421「細胞擴散作用」動畫一與動畫二之和的眼球追蹤資料敘述性統計與變 異數分析表 ...46 表 422 不同學科背景大學生是否有細胞擴散作用概念的概念建構分析表 ...50 表431「細胞擴散作用」動畫三與動畫四之和的眼球追蹤資料敘述性統計與變 異數分析表 ...54 表 432 不同學科背景大學生是否有細胞擴散作用概念的概念建構分析表 ...58 表441「細胞滲透作用」動畫一、動畫二與動畫三之和的眼球追蹤資料敘述性統計與變異數分析表 ...62 表 442 不同學科背景大學生是否有細胞滲透作用概念的概念建構分析表 ...67 表451「細胞滲透作用」動畫四的眼球追蹤資料敘述性統計與變異數分析表 ...71 表 452 不同學科背景大學生是否有細胞滲透作用概念的概念建構分析表 ...75 表461 短期記憶與學科背景和測驗間的關係表 ...77
圖目錄
圖211 Broadbent 過濾器模型...9 圖212 Treisman 減弱模型...9 圖213 Deutsch, Deutsch, Norman模型 ...10 圖221 雙碼理論之多媒體學習示意圖...12 圖222 多媒體學習認知理論...12 圖223 工作記憶修正...14 圖321 研究架構圖 ...29 圖331 研究研究流程圖...30 圖341 眼動儀(眼球凝視追蹤技術)監控系統 ...33 圖342 眼動儀(眼球凝視追蹤技術)系統現場情境側面 ...33 圖343 眼動儀(眼球凝視追蹤技術)系統現場情境正面 ...33 圖 421「細胞擴散作用」動畫一的動畫與文字區範圍...44 圖 422「細胞擴散作用」動畫一的關鍵區範圍 ...44 圖423「細胞擴散作用」動畫二的動畫與文字區範圍...44 圖424「細胞擴散作用」動畫二的關鍵區範圍 ...44 圖425 生物學科背景在「細胞擴散作用」動畫一的凝視路徑示意圖...47 圖426 生物學科背景在「細胞擴散作用」動畫二的凝視路徑示意圖...47 圖427 理工學科背景在「細胞擴散作用」動畫一的凝視路徑示意圖...48 圖428 理工學科背景在「細胞擴散作用」動畫二的凝視路徑示意圖...48 圖429 人文學科背景在「細胞擴散作用」動畫一的凝視路徑示意圖...48 圖4210人文學科背景在「細胞擴散作用」動畫二的凝視路徑示意圖...48 圖431「細胞擴散作用」動畫三的動畫與文字區範圍...52 圖432「細胞擴散作用」動畫三的關鍵區範圍 ...52圖433「細胞擴散作用」動畫四的動畫與文字區範圍...53 圖434「細胞擴散作用」動畫四的關鍵區範圍 ...53 圖435 生物學科背景在「細胞擴散作用」動畫三的凝視路徑示意圖...55 圖436 生物學科背景在「細胞擴散作用」動畫四的凝視路徑示意圖...55 圖437 理工學科背景在「細胞擴散作用」動畫三的凝視路徑示意圖...56 圖438 理工學科背景在「細胞擴散作用」動畫四的凝視路徑示意圖...56 圖439 人文學科背景在「細胞擴散作用」動畫三的凝視路徑示意圖...56 圖4310人文學科背景在「細胞擴散作用」動畫四的凝視路徑示意圖...56 圖441「細胞滲透作用」動畫一的動畫與文字區範圍...60 圖442「細胞滲透作用」動畫一的關鍵區範圍 ...60 圖443「細胞滲透作用」動畫二的動畫與文字區範圍...60 圖444「細胞滲透作用」動畫二的關鍵區範圍 ...60 圖445「細胞滲透作用」動畫三的動畫與文字區範圍...60 圖446「細胞滲透作用」動畫三的關鍵區範圍 ...60 圖447 生物學科背景在「細胞滲透作用」動畫一的凝視路徑示意圖...63 圖448 生物學科背景在「細胞滲透作用」動畫二的凝視路徑示意圖...63 圖449 生物學科背景在「細胞滲透作用」動畫三的凝視路徑示意圖...63 圖4410 理工學科背景在「細胞滲透作用」動畫一的凝視路徑示意圖...64 圖4411 理工學科背景在「細胞滲透作用」動畫二的凝視路徑示意圖...64 圖4412 理工學科背景在「細胞滲透作用」動畫三的凝視路徑示意圖...64 圖4413 人文學科背景在「細胞滲透作用」動畫一的凝視路徑示意圖...65 圖4414 人文學科背景在「細胞滲透作用」動畫二的凝視路徑示意圖...65 圖4415 人文學科背景在「細胞滲透作用」動畫三的凝視路徑示意圖...65 圖451「細胞滲透作用」動畫四的動畫與文字區範圍...69 圖452「細胞滲透作用」動畫四的關鍵區範圍 ...69 圖453 生物學科背景在「細胞滲透作用」動畫四的凝視路徑示意圖...72
圖454 理工學科背景在「細胞滲透作用」動畫四的凝視路徑示意圖...73 圖455 人文學科背景在「細胞滲透作用」動畫四的凝視路徑示意圖...73
第一章 緒論
本章共分為五節，內容將從研究背景及動機、研究目的、研究範圍與限 制、研究問題和重要的名詞解釋等方向加以闡述。第一節 研究背景與動機
隨著資訊科技的蓬勃發展與進步，多媒體和網際網路成了一種便利的工 具，讓知識的獲取更為豐富和簡單。目前多媒體逐漸廣泛應用於大學課程教學 上，包括：教師的課程教學和學習者的課堂報告。本研究設計細胞擴散和滲透 作用的網路多媒體動畫學習課程。 在課程內容的選擇上，了解細胞的擴散和滲透作用是學習生物醫學相關課 程必要的基本知識，許多研究顯示學習者對細胞的擴散和滲透作用學習存有著 另有概念( Friedler, Amir &Tamir,1985,1987﹔Westbrook & Marek, l991﹔Marek, Cowan & Cavallo, 1994﹔Odom & Barrow, 1995﹔Zuckerman, J. T. 1998﹔ Sanger, M.J., Brecheisen, D. M., & Hynek, B. M, 2001﹔Odom & Kelly, 2001﹔ Chi , 2005 )。設計足以讓學習者概念改變的教學課程，是科學教育重要的一 環。本研究企圖針對學習者已有的另有概念，繼而設計學習內容促進其概念改 變。 眼動儀(Eyetracker)為高科技設備，目前大多運用於認知心理學上的研 究。Cook 等人(2006)曾運用眼動儀比較生手和專家對於 DNA 複製的視覺表 徵，以訪談來驗證眼動儀的資料，證明了眼動儀在研究上之可信度。眼動儀能 精確偵測眼睛注視點、停留時間和注視路徑等，將眼動儀結合科學教育是目前 國內少有之研究，值得探究和努力。 藉由網路多媒體的課程學習和眼動儀的協助，更能科學化的得知學習者的 學習資料，進而探討和分析學習成效和眼動之間的關聯。運用眼動儀能夠得到量化的科學數據，對學習者在心智表徵完整性的探究，提供了更周全的證據。 期望在科學教育研究上有新的突破。
第二節 研究目的
近年來，由認知科學家的研究顯示，科學領域中生手和專家的不同，主要 在於他們組織和使用的知識的方法(Chi, Glaser, & Farr, 1988)，然而生手和專 家對學習的注意力是否也有不同？或是工作記憶容量和不同背景學科的學習者 在注意力上是否有差異呢？本研究將以眼動儀來探究，蒐集對細胞擴散和滲透 作用熟悉度不同的受試者之眼動資料以及瞭解受試者在學習細胞擴散和滲透作 用課程後的概念改變，並且進行兩者之間是否有關聯，以深入探究心智表徵的 完整性。本研究以心智表徵為基礎，修改 Odom, A. L., & Barrow, L. H. (1995) 的擴散和滲透作用的二階層(Twotier)診斷測驗，編制一份細胞的擴散和滲透 作用的二階層測驗，將其應用於學習者學習前的測驗(前測)和學習後的測驗 (後測)，來瞭解學習者的概念建構情況。二階層診斷測驗，由 Treagust(1995) 提出，在教學上是一個好用的工具，方便診斷學生的另有概念成因。 本研究將學習者常有的另有概念呈現於網路多媒體的學習課程。藉由眼動 儀蒐集工作記憶容量和不同背景學科的大學生在網路多媒體動畫課程學習的注 意力資料，並且分析探討工作記憶容量和不同背景學科的大學生在細胞擴散和 滲透作用二階層測驗和細胞擴散和滲透作用開放式問題間之相關性。其中二階 層測驗和開放式問題皆分成學習前的前測和網路多媒體動畫課程學習後進行的 後測，比較和分析前測和後測結果，以深入瞭解學習者的概念建構和對細胞擴 散和滲透作用之心智表徵的建構情形。 本研究以網路多媒體動畫呈現細胞擴散和滲透作用學習課程，並運用眼動 儀探討不同學科背景大學生的眼球注意力資料，包括：眼球凝視點次數 (number of fixations)、凝視時間(fixation duration)和視線軌跡(scanpath)的資料等與心智表徵之間的研究。 促進心智表徵的完整性必須考量到學習者的學習背景、另有概念、工作記 憶容量、課程設計和認知負荷等等的因素。如果網路多媒體動畫課程和合適的 概念改變教學策略，能夠有效協助學習者進行概念改變，促進心智表徵的完整 性，那麼網路多媒體便可發揮無遠弗屆的優勢，將可協助更多學習者學習科學 課程獲得正確的科學概念和完整的心智表徵。 細胞的擴散和滲透作用是學習生物醫學相關課程的重要基礎，當學習者對 細胞的擴散和滲透作用存有著另有概念時，有必要設計課程，進行概念改變教 學，讓學習者獲得正確的細胞擴散和滲透作用的概念，進而促進學習者對細胞 擴散和滲透作用心智表徵的完整性。本研究在細胞擴散和滲透作用學習課程是 以巨觀和微觀觀點為主軸，希望藉由網路多媒體動畫呈現巨觀和微觀強而有力 的連結，來幫助學習者概念改變。期盼能做為日後教學者及研究者之參考與應 用。 研究目的如下： 1.依據 Odom 和 Barrow(1995)發現大學生對細胞擴散和滲透作用常有的另 有概念(迷思概念)，參考概念改變的教學策略，設計巨觀和微觀的連續模式， 建構一個以網路多媒體動畫呈現的細胞擴散和滲透作用學習課程。 2.探討不同學科背景大學生(生物學科相關、理工學科相關和人文學科相 關)在學習網路多媒體動畫的細胞擴散和滲透作用課程後，是否能進行概念改 變，進而探究其對細胞擴散和滲透作用心智表徵的完整性。 3.運用眼動儀探討不同學科背景大學生(生物學科相關、理工學科相關和 人文學科相關)在學習課程時，注意力是否有明顯差別，包括：眼球凝視點次 數、凝視時間和視線軌跡的資料。 4.將眼動儀蒐集的眼球追蹤資料和二階層測驗和開放式問題蒐集的資料進 行深入探討，以了解學習者經過學習之後，對細胞擴散和滲透作用心智表徵建 立的完整性。
第三節 研究問題
本研究以心智表徵為基礎，來了解不同學科背景和不同工作記憶容量的學 習者，經由學習網路多媒體動畫呈現教材後的學習成效與概念改變程度，並利 用眼動儀了解不同學科背景學習者的眼球注意力在網路多媒體動畫課程上的學 習分配，因此根據研究的動機與目的，本研究之待答問題為： 1.不同學科背景的大學生在教學前對細胞擴散和滲透作用相關概念的理解 是否有差異？ 2.瞭解細胞擴散和滲透作用教學是否有助於概念建構？ 3.不同學科背景的大學生在進行細胞擴散和滲透作用動畫學習時注意力分 佈是否有不同？ 4.探討動畫學習時其凝視區域、次數、時間與細胞擴散和滲透作用概念建 構是否有關聯？ 5.工作記憶容量跟學科背景和學習成就表現上是否有關聯？第四節 研究範圍與限制
一、研究對象
本研究的研究受試者為桃竹地區的大學生，不具有全國大學生的代表性。 研究結果若要推論到其他群體時，需謹慎衡量。二、研究內容
本研究主要探討細胞的擴散和滲透作用基礎概念，細胞擴散和滲透作用課 程內容參考李大維、陳善夫、李意旻和劉又彰編譯(2006)，Levine& Miller(著)，第二版新版生物學發現生命和 Odom, A. L., & Barrow, L. H. (1995). Development and application of a twotier diagnostic test measuringcollege biology students，understanding of diffusion and osmosis after a course of instruction. 本研究以 Odom & Barrow (1995)的細胞擴散和滲透作用二階層診 斷測驗這篇文章為主要參考依據。
三、研究方法
本研究為準實驗研究方法，以不同學科背景之主修的大學生為研究對象， 主要目的在探討工作記憶容量和不同背景學科之大學生在接受網路多媒體動畫 課程之後，對「細胞擴散和滲透作用」課程學習之成效(概念改變情形)和眼球 注意力資料，包括：眼球凝視點次數、凝視時間和視線軌跡的資料是否有差 異，進而影響對細胞擴散和滲透作用心智表徵的完整性。第五節 名詞釋義
一、心智表徵(mental representation)
可包含 propositional(命題), image(圖像), mental model(心智模式)等。即可以 用語言、圖像與各種方式表達出大腦中的概念知識。Fodor(1998)指出心智表 徵的內容是來自於其組成概念的內容。二、另有概念(alternative concept)
又稱做「另有架構」或「迷思概念」。指學習者對於自然界的各種現象， 有著跟目前科學專家所架構之科學概念不同的想法，而且這些概念想法是不容 易被改變的，而且是由學習者主動建立的，本研究稱為「另有概念」。 Fisher(1985)認為另有概念是學習者所持有的概念有別於正統的科學概念。三、眼動儀 (Eyetracker)
為高科技設備，可精確偵測眼球運動，即眼球注意力資料，包括：眼球凝 視點次數、凝視時間和視線軌跡的資料。唐大崙(2006)指出眼動儀為貼近自然狀態的心智量測技術，監控眼球相當於隨時監控認知歷程。因此，完整記錄學 習者的眼動資料，有助於心智方面的研究。
四、注意力(attention)
注意力是一種手段，可以將有限的心理資源專注在某個時間裡的訊息和認 知歷程上。其中外顯視覺注意力是專指當眼睛自主移動時，注意到視野中出現 或存在的物體 (Findlay & Gilchrist, 2003)。五、概念改變(concept change)
Ponser 和 Strike(1982)等人指出個體在呈現概念時，所隱藏在概念背後的 所有概念，它將會影響個體對於新的中心概念的選擇與調適的方向。本研究將 學習者從另有概念，經過修正或建構或重建過程後，所得到正確科學概念，稱 之為「概念改變」，Thagard (1992)指出學習者對概念的增加或刪減是比較容 易的，而將原有的類別關係或從屬關係重新組織是很困難的。六、工作記憶 (working memory)
工作記憶的概念由 Baddeley(1974)等人提出，用來描述人腦對於資訊的暫 時性儲存與處理。工作記憶分包含： (1) 中央執行系統 (central executive)， 協調有關注意力的活動與支配反應 (2) 視覺空間模板 (visualspatial sketch pad)，短暫地保留一些視覺影像 (3) 語音迴路 (phonogical loop)，短暫的保留 語文理解與聽覺複誦時的內在語言 (4) 事件緩衝器(episodic buffer)，整合來 自工作記憶中不同部分的訊息，使訊息變得有意義。七、認知負荷理論 (cognitive load theory)
認知負荷理論認為個體工作記憶的容量有限，透過教材的設計，可降低認 知資源的消耗 (Chandler & Sweller, 1991)。Sweller 等人(1998)，認為認知負荷 是將一特定工作加諸於學習者的認知系統時所產生的負荷。八、多媒體 (multimedia)
Mayer (2001)認為多媒體是使用文字及圖片來呈現素材。文字指的是一種 語言形式，如文字或是口語表達；圖片則是指一種圖像形式，如圖形、照片、 動畫和影片…等。電腦簡報，可以文字、圖表、影像、聲音與動畫呈現內容， 即為多媒體的一種。
第二章 文獻探討
第一節 眼球運動與注意力
人類的眼睛負責大腦與外在世界的溝通，又稱為靈魂之窗。蔡介立(2006) 指出眼睛利用短暫靜止的時間來接收外界的資訊，並需要不斷的移動，才能掌 握完整的訊息。因此從眼球凝視的位置和停留時間，反映出大腦認知系統對資 訊的選擇與處理的時間。 唐大崙(2006)指出眼動儀為貼近自然狀態的心智量測技術，監控眼球運動 不只要知道心智運作結果，也可以揭開隨時間改變的歷程，即監控眼球相當於 隨時監控認知歷程。眼動儀使用在工作記憶資源分配上的測量，用以評估學習 者與教學工具的互動，藉由呈現圖片與文字整合的不同形式，能顯示出學習者 獲得訊息時的差異，旁白的講解也會影響學習者內容的注視。在 Hughes (2003) 等人利用眼動儀，研究發現：受試者看文字的時間明顯高於看圖片的時間。在 頁面上搜尋資料時，人們常用文字來定位，用圖片來驗證。用文字來建構意 義，而圖片是用來驗證以及加強連結。唐大崙(2006)指出看圖與看文字的方式 不同，閱讀文字有方向性，瀏覽圖片無方向性。 Hoffman 和 Subramaniam(1995)的研究，證明當學習者要執行眼球運動 時，注意力其實已經搶先於眼球開始運動之前，到達某特定位置，以促進對某 事件的知覺。眼球運動和注意力有密切相關性，其中眼動路徑、注意點和停留 時間等，將可成為注意力分佈的最佳指標。 注意力的研究，有著許多的研究理論，包括許多注意力模型，這些模型的 差異在於過濾器的位置。我們將過濾機制，分成早期過濾機制和晚期過濾機 制。早期過濾機制以 Broadbent 過濾器模型和 Treisman 減弱模型為例子說 明。晚期過濾機制以 Deutsch, Deutsch, Norman 模型說明。 以下參閱 Sternberg(2003)，將上述模型說明如下：Broadbent(1958)指出人類處理外界進入的訊息為有限量，因此需要過濾排除不必要的訊息，選擇必須 的資訊進入深層的分析階段加以辨識、解析與儲存於記憶中。感覺刺激的多重 管道會遇到一個注意力的過濾器，此過濾器只會讓一個管道的訊息通過，之後 進入知覺歷程。此理論即「過濾理論」，又稱「瓶頸理論」(bottleneck theory)。如圖 211。 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 刺 激 反應 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 刺 激 反應 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 刺 激 反應 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 刺 激 反應 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 刺 激 反應 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 刺 激 反應 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 刺 激 反應 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 刺 激 反應 圖 211 Broadbent 過濾器模型 (修改自認知心理學, 李玉琇和蔣文祁譯，2005) Treisman (1960)，對 Broadbent 的過濾器模型進一步改良，提出減弱模型 理論(attenuation model)。認為注意力包括三階段，第一階段：讓非目標刺激減 弱通過。第二階段：對於非目標型態的刺激，仍讓其減弱通過。第三階段：注 意力集中在可順利到達此階段的刺激，即刺激強度是要大於閾值(threshold)， 才可被偵測到。
感
覺
的
登
錄
稀
釋
控
制
知
覺
歷
程
短
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記
憶
反應
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歷
程
短
期
記
憶
反應
刺
激
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限
容
量
感
覺
的
登
錄
稀
釋
控
制
知
覺
歷
程
短
期
記
憶
反應
刺
激
有
限
容
量
感
覺
的
登
錄
減
弱
控
制
知
覺
歷
程
短
期
記
憶
反應
刺
激
有
限
容
量
圖 212 Treisman 減弱模型 (修改自認知心理學, 李玉琇和蔣文祁譯，2005)以注意「發生」的時間分類，「過濾理論」與「衰減理論」屬於「早期選 擇理論」，兩者皆認為注意發生選擇作用在訊息處理的早期，即在刺激尚未辨 識前，注意力就先介入影響。Broadbent 的過濾器作用是阻斷所有的非目標刺 激，Treisman 的減弱模型，則是檢若非目標物的強度。「晚期選擇理論」則 認為刺激獲得辨識之後，注意力才發生。此模型為 Deutsch 和 Deutsch 在 1963 年提出，後來 Norman 在 1968 年也提出一樣的論點。 圖 213 Deutsch, Deutsch, Norman 模型 (修改自認知心理學, 李玉琇和蔣文祁譯，2005) 一言以蔽之，綜合上述文獻，注意力與眼球運動的方向是有一致性的。當 注意力被某個顯眼事物吸引至一個重要的位置時，緊接著眼球運動就跟著注意 力而來，可說是如影隨形。本研究蒐集眼球運動資料，包括：眼球凝視點次數 (number of fixations)、凝視時間(fixation duration)和視線軌跡(scanpath)，當作 注意力的有力的證據，並進而探討不同學科背景大學生在學習細胞擴散和滲透 作用課程的注意力與大學生對細胞擴散和滲透作用的心智表徵建構完整性，並 且進行注意力與心智表徵建構完整性兩者之間的關係深入探討。
第二節 網路多媒體與科學學習
在 1980 年以前，科學教育與科技之間的關係，僅限於運用科技，如電 影、電視、廣播和投影機等於科學教學層次上，目前科技不再只是協助教學， 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 反 刺 激 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 反 刺 激 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 反 刺 激 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 反 刺 激 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 反 刺 激 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 反 刺 激 反 刺 激 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 反 刺 激 感 覺 的 登 錄 選 擇 性 過 濾 器 知 覺 歷 程 短 期 記 憶 反 刺 激 反應 刺 激科技已成為科學教育範疇中的一分子(佘曉清，1997)。近年來，電腦多媒體為 最常被廣泛應用於學習的科技。電腦多媒體可將文字、圖片、聲音、影像、動 畫等不同素材運用在教材內容上，當電腦多媒體結合網際網路時，便能超越時 空限制，讓資源共享。網路多媒體是一種新的學習模式，儼然是一種趨勢。多 媒體(Multimedia)是一種可結合文字、圖形、聲音、影像和動畫等應用的媒體 工具。媒體應用於教學上而能傳遞、溝通訊息或是針對學習者特性以及學習目 標呈現教材，則稱之為教學媒體(Instructional Media)(李宗薇，1994)。運用電 腦多媒體來輔助教學，因為技術門檻低而且方便使用者的應用，已經成為目前 主要的教學媒體。 佘曉清(1997)認為科技可引發學習者學習動機，無論是採用電腦輔助教學 或多媒體教學或是現今全球網路資訊上的科學課程活動，其設計都是朝著讓學 習生動有趣，並經由建立立即回饋得到成就感，進而促進學習者學習動機提 升。 網路多媒體動畫的科學課程設計，除了內容上強調將學習者常有的另有概 念，進行概念改變外，學習者的工作記憶容量和能影響認知負荷的因素，都是 決定學習效果的重要因素。 在多媒體的設計上，Paivio(1986)的雙重編碼理論(DualCoding Theory)指 出，人類擁有兩套互動但又獨立處理不同類別資訊的系統，一為專門處理語文 方面的語文系統(verbal system)：另一個圖像系統(visual system)專門處理視覺 資訊。他的實驗研究證明：當學習者回想時，對文字加圖片的回想能力優於只 有文字的回想。Mayer 和 Gallini (1990)以科學教科書為教材，研究發現將圖 片與文字同時整合在同一頁有較佳的學習效果。後來 Mayer 和 Sims (1994)以 多媒體教學方式作實驗，發現「圖文整合同時呈現」學習效果較佳，也證實了 雙重編碼理論在多媒體應用上的效果。
圖 221 雙碼理論之多媒體學習示意圖(Mayer 和 Sims,1994) Moreno 和 Mayer (2000, 2002)所提出之多媒體學習的認知理論 (Cognitive Theory of Multimedia Learning)，即文字可以視覺或是聽覺方式透過耳朵和眼 睛進入認知系統，而圖形則是靠視覺方式，透過眼睛接受訊息，經由感官記憶 挑選文字和影像後，在工作記憶區運用心智將文字組織成為連貫的語文模式， 將影像組織為影像模式，最後語文的心智模式和圖形的心智模式在工作記憶區 整合為長期記憶中的先備知識，如圖 222。因此，透過多媒體系統多種模式 (文字和非文字)的刺激，是可以有效促進學習。 圖 222 多媒體學習認知理論 (Moreno 和 Mayer, 2000) 對於多媒體組合模式的研究，從表 221 多媒體之實驗室相關研究結果， 大致可瞭解，哪種多媒體元素的組合是對學習效果較好的。
表 221 多媒體之實驗室相關研究結果 研究者 受試者 媒體組合模式 研究結果 Reed(1985) 大學生 文字+動畫 動畫 二者無顯者差異 Mayer(1989) 大學生 文字 文字+圖片 圖片有助於學習 Mayer & Anderson (1991) 大學生 文字+動畫 同步 vs.非同 步 同步呈現效果較好 Poohkay(1995) 大學生 文字 文字+圖片 文字+動畫 文字+動畫的組合成效 最好 Mayer & Moreno (1998) 大學生 動畫+聲音 動畫+文字 動畫+聲音的組合成效 最好 資料來源：修改自翁嘉鴻(2001) Mayer(1999)發現將資訊分段依序呈現(如動畫、聲音分段交錯依序呈現)比 一次呈現所有的資訊(動畫、聲音依序呈現)，有較佳的學習成效。Mayer 和 Moreno(1999)指出動畫與旁白同步呈現學習效果好，並且強調聲音效果優於書 面文字。本研究綜合上述多媒體組合的優點，設計網路多媒體動畫之細胞擴散 和滲透作用課程。 透過教學多媒體的學習之後，如何瞭解學習的成效，則牽涉到記憶的提 取。記憶包含三個基本運作：編碼(encoding)、儲存(storage)和提取 (retrieval) (Baddeley, 2000；Sternberg, 2003)。編碼是指將接受的資訊，轉換為可以放入 記憶的一種訊息。儲存是將已收錄的訊息保留在記憶中。提取是取得已儲存在 記憶中的訊息。這些歷程介於感官收錄、短期記憶(暫時的工作記憶)與長期記 憶，其中工作記憶是影響學習歷程的關鍵。 視覺和聽覺是共享認知資源的，視覺(文字、圖片)和語音分屬不同系統， 由 Baddeley 的工作記憶模型，更可以詳細說明視覺和語音所屬的系統。 Baddeley (1974, 2000, 2003)所提出的多元組成模型(multiplecomponent model) 將認知系統分成：中央執行系統(central executive)、視覺空間模版(visuospatial
2 2 3 工作記憶修正 ( Baddeley ， 2000 ； 2003) Central executive Visuospatial sketchpad Episodic buffer Phonological loop Visual semantics Episodic LTM Language 2 2 3 工作記憶修正 ( Baddeley ， 2000 ； 2003) Central executive Visuospatial sketchpad Episodic buffer Phonological loop Visual semantics Episodic LTM Language Central executive Visuospatial sketchpad Episodic buffer Phonological loop Visual semantics Episodic LTM Language 2 2 3 工作記憶修正 ( Baddeley ， 2000 ； 2003) Central executive Visuospatial sketchpad Episodic buffer Phonological loop Visual semantics Episodic LTM Language 2 2 3 工作記憶修正 ( Baddeley ， 2000 ； 2003) Central executive Visuospatial sketchpad Episodic buffer Phonological loop Visual semantics Episodic LTM Language Central executive Visuospatial sketchpad Episodic buffer Phonological loop Visual semantics Episodic LTM Language 2 2 3 工作記憶修正 ( Baddeley ， 2000 ； 2003) Central executive Visuospatial sketchpad Episodic buffer Phonological loop Visual semantics Episodic LTM Language Central executive Visuospatial sketchpad Episodic buffer Phonological loop Visual semantics Episodic LTM Language 2 2 3 工作記憶修正 ( Baddeley ， 2000 ； 2003) Central executive Visuospatial sketchpad Episodic buffer Phonological loop Visual semantics Episodic LTM Language Central executive Visuospatial sketchpad Episodic buffer Phonological loop Visual semantics Episodic LTM Language sketchpad)和語音迴路(phonological loop)和事件緩衝器(episodic buffer)。其中 事件緩衝器，是 Baddeley 在 2000 年增加的。(以下摘錄自 Guan,2003)。 四者功能敘述如下: 1.中央執行器(central executive，CE)：控制注意力，負責協調各子系統間 的認知歷程，將有限的認知資源適當的分配。 2.視覺空間模版(visuospatial sketchpad，VSSP)，負責維持和處理與視覺或 空間相關的訊息，可以短暫保留視覺的影像。 3.語音迴路(phonological loop，PL)：短暫的保留語文理解與聽覺複誦時的 內在語言。 4.事件緩衝器(episodic buffer)：事件緩衝器是一個有限容量的系統，能夠 聯繫來自輔助系統及長期記憶的訊息，使其形成一個單一事件的表徵。即事件 緩衝器整合來自工作記憶中不同部分(視覺空間模版、語音迴路)的訊息，讓訊 息成為有意義。語音迴路和視覺空間模版系統均分別與長期記憶產生雙向連 結。 圖 223 工作記憶修正(Baddeley,2000；2003) 工作記憶理論被 Baddeley 提出時，即假設工作記憶的容量有限。Just 和 Carpenter (1992)提出「理解之容量理論」(A capacity theory of comprehension)，指出當作業要求過高時，理解訊息的過程中，工作記憶系統 無法充分供給時，整個系統的運作將變遲鈍，導致表現變差，意味工作記憶容 量的大小，直接影響訊息處理的量，訊息之間連結量的增加或訊息處理的自動 化，都會使工作記憶容量變大。Lang 等人(2000)提出了容量有限論，主張在編
碼(Encoding)、儲存(Storage)、 提取(Retrieval)這三個處理訊息的內在歷程 中，心智運作會受到認知資源的限制。 由上述文獻可知，實徵研究顯示工作記憶與學習確實呈現顯著的關連。處 理資訊系統的認知容量是有限的，並非無窮大，因此若將所有的學習內容全部 都擠在同一時段中，可能導致學習者無法利用工作記憶處理所有的內容資訊， 造成了高認知負荷，降低學習。 Sweller(1988)提出認知負荷理論(Cognitive Load Theory)，將認知負荷理論 引進教學設計中，主要探討在媒體的組合方式，如何能有效的傳達資訊給學習 者，進而提升學習效果。Sweller 認為認知負荷與短期記憶和工作記憶所能負 荷的記憶單位數目有關，如果學習內容遠超過學習者的工作記憶，那麼學習者 的理解力和學習能力將下降。Paas(1992)提出會產生學習者認知負荷的原因， 是學習者在心智上所耗費的「努力」強度，努力愈多的，學習內容愈難理解 的，認知負荷愈大。對於熟悉且已經融會貫通的課程，學習著的認知負荷量是 低的。Marcus(1996)指出在教學過程中，學習者的先備經驗若能和新資訊整 合，降低工作記憶的負荷則可以減低認知負荷，進而幫助學習效果。 Sweller 等人(1998)則以教材設計的觀點，將認知負荷的來源分為三類， intrinsic cognitive load、extraneous cognitive load 和 germane cognitive load， 根據 Guan(2003)其意義敘述如下： (一)intrinsic cognitive load：受資訊原本的複雜性或者是資訊元件(elements) 間相關聯的程度而影響。 (二)extraneous cognitive load：資訊呈現方式的不同，所造成不同程度的負 荷。 (三)germane cognitive load：當學習者建立基模時，所面臨的認知負荷。 Mayer (2001)認為學習者可從動畫搭配聲音表達文字中得到比動畫搭配視 覺文字較佳的學習成果。視覺中的文字、圖片、動畫皆利用到工作記憶模式中 的視覺圖像系統。當文字以聲音表達呈現，聲音表達文字是使用到聽覺語音系
統，而圖片、動畫則是使用到視覺圖像系統，當任務執行時，包括兩種系統 (視覺與聽覺)，則兩種系統彼此可支援，進而降低認知負荷。Guan (2006)同樣 發現動畫配上旁白相對於動畫加上文字在學習成效會有正面的影響。由於外在 認知負荷主要為學習內容呈現方式的不同所造成。為了有效幫助學習者的學 習。以下有三種效應是呈現電腦多媒體教材時需要考量的因素，分別介紹如 下： 一、分散注意力效應(Splitattention effect)：分散注意力的發生原因是學 習者需要將其注意力分開，來獲得不同呈現來源的資訊，並且多浪費工作記憶 將不同來源的資訊整合起來。意味著，若圖形和文字未能整合會產生分散注意 效應。 二、形式效應(modality effect )：資訊處理時可經由多重管道，而非單一 模式。如將資訊藉由不同的感官刺激(視覺和聽覺)來接收，將可降低認知負 荷。 三、重複效應(redundancy effect )：將相同的資訊內容，同時以不同的方式 重複呈現時，如圖形和文字呈現過於浮濫時，則會產生重複效應，有礙學習。
第三節 概念改變理論和細胞擴散和滲透作用的教學研究
Lawson(1988)將概念定義為「概念＝心智模式＋語詞」，並強調教師無法 將心智模式傳授給學習者，教師只能教導語詞，學習者必須由活動中親身經驗 才能學習得到心智模式，教師藉由教導語詞意義的機會，使學習者能連結心智 模式及語詞，而獲得概念。假若學習者的另有概念，進行了概念改變，則對某 科學(如細胞擴散和滲透作用)的心智模式也會被修正，因此心智表徵將會趨向 完整性。 由許多文獻研究，可看出無論是否學過細胞擴散和滲透作用課程的學習者 對於細胞擴散和滲透作用仍然存有相當多的另有概念有很多研究指出，學習者 在擴散、滲透的概念，大學生與高中以下學習者都有著另有概念( Friedler,Amir & Tamir, 1985, 1987﹔West brook & Marek, l991﹔Marek, Cowan & Cavallo, 1994﹔Odom & Barrow, 1995﹔Zuckerman, J. T. 1998﹔Sanger, M.J., Brecheisen, D. M., & Hynek, B. M, 2001﹔Odom & Kelly, 2001﹔Chi 2005)如 Friedler(1985)的研究發現，學生認為擴散是溶質的移動，滲透就是溶劑的移 動；曾千虹和耿正屏 (1993)的研究發現，學生認為細胞內的物質往外移動的 現象稱為擴散作用，細胞外的物質往內移動的現象稱為滲透作用。 概念並不是單純從教師的口述便能促進學習者進行概念改變。可是概念為 何不容易改變，Posner 等人(Posner, Strike, Hewson & Gertzog, 1982; Strike& Posner, 1985，引用科學學習心理學)，提出了四個必備條件，說明學習者有想 要改變概念的要件： 一、學習者要不滿於他自己已具有的概念。 二、學習者對於新概念必須要有初步的瞭解。 三、新概念必須是有點合理的。 四、新概念必須是解釋得通而且有預測力。 以建構主義者的角度，學習者在學習概念的過程，知識和概念是主觀建立 的，學習不是儲存零碎知識的過程，而是學習者將已經存在的概念為基礎去主 動建構自己認為對的知識的過程。學習概念的來源：感官的印象、日常用語、 大腦內部構造、學生在社會環境中的學習和教學。這五種概念的來源，敘述如 下(引用科學學習心理學)： (一)感官印象：為接觸自然現象的日常生活經驗都會有感觀的印象。 (二)日常用語：如「太陽昇起來了」說明了太陽在天空中的行徑，而非當 代科學家觀點之地球對太陽運轉。 (三)大腦內部構造：Preece(1984)認為學習者的概念形成，可能是大腦內 部構造的啟動(triggered)，此觀點主張大腦的構造是因為人類日常生活的需 要，而在演化過程中發展出來的。 (四)學生在社會環境中學習：如在日常生活與朋友、父母、其他人的交談
中，學習者拾取了零星的科學知識和另有概念。 (五)教學：教學常引起新的「另有概念」或支持學生舊有的概念架構。 「另有概念」可能是由於老師(或教科書)提供的錯誤資訊，或是教師對於本來 正確的資訊，做了錯誤說明的引起。 從以上五點，不難發現，學習者很容易學到另有概念而且不容易丟棄。許 多研究者也對於概念難改變，提出了幾個觀點。本研究整理了幾位研究者的論 點，包括：Carey (1986)研究發現學習者將生活中類似經驗做為「範例」，將 新的概念類比包含進原有的概念架構中，因而使得概念不易轉移，其中弱形式 的重建較容易改變，強形式的重建較難改變；Chi (1994)以本體論的觀點將概 念分為物質(substance)、過程(processes)和心智狀態(mental states)三個類別的 本體樹，而學習者之概念難改變，是因為學習者原有的想法事件基模與學習的 基模彼此不相容，其中類別內的概念轉變較為容易發生，類別間的概念改變則 困難；Thagard (1992)將概念改變由容易到困難分為九個階層，分別是：增加 新例子、增加弱規則、增加強規則、增加新的從屬關係、增加新類別的關係、 增加新概念、瓦解從屬關係的階層、分枝跳躍重組階層性和樹的遷移。指出學 習者對概念的增加或刪減是比較容易的，而將原有的類別關係或從屬關係重新 組織是很困難的。 另外，關於概念改變教學的研究。佘曉清(She, 2002, 2003, 2004ab)試著以 概念本身的階層性與複雜度來詮釋概念改變的可能性，並依此理論設計出『雙 重情境學習模式(Dual situated learning model, DSLM)』運用在學生的概念改變 實徵性研究（如：浮力、大氣壓力、熱的傳導與對流），均獲得很好的成效。 佘曉清(She, 2002, 2003, 2004ab)發展出的雙重情境學習模式協助教學者進行概 念改變教學。DSLM 強調概念改變的成功與否必須植於科學概念的屬性與階層 性與學習者對於科學概念本質的信念。其次，DSLM 學習事件的設計強調不僅 需要造成學習者另有概念的不平衡，同時提供學習者所欠缺的心智架構，進而 修正舊有架構或重新建構新的概念。其概念改變過程還強調要引發學習者重新
建構概念的動機與挑戰其原有科學概念之信念(She, 2002, 2003, 2004 ab)。 DSLM 由六個階段所組成，簡單說明如下： 階段一：分析科學概念屬性。它能提供建構此科學概念所需的心智架構。 階段二：找出屬於此科學概念常見的另有概念。此階段需要瞭解學習者所存 有的先備概念以及學習者對於此概念的理解。 階段三：分析學生對於建構新的科學概念所缺少的心智架構。藉由第一階段 和第二階段的資料比較分析，可以找出學習者對於建構新的科學概 念所缺少的心智架構，來作為設計一連串的 DSLM 情境學習事件 的依據。 階段四：設計雙重情境學習事件。此階段運用的原理是先設計一連串衝突情 境事件讓學習者的另有概念無法解決問題，產生不平衡、不滿足的 認知狀態。接著找出學習者可能提出的想法解答，設計讓學習者能 親自體驗、操作、思考驗證其答案正確性的學習情境，試著將學生 所缺少的心智架構導入，慢慢讓學生建構較接近科學概念的概念輪 廓。 階段五：進行雙重情境學習模式的教學。每一情境事件皆以問題引導（依據 學習者常見的另有概念所設計）揭開序幕，再藉由設計好的活動事 件，讓學習者能親自體驗、操作、思考驗證其答案的正確性，試著 將學習者所缺少的心智架構導入，慢慢讓學習者建構較接近科學概 念的概念輪廓。為了解學習者在教學活動中概念改變的過程，一次 只出現一個問題，且同樣的問題在事件開始與結束都會提問一次， 學生不得更改先前的紀錄。也可以用晤談法，讓學習者『出聲的思 考』以了解學習者概念改變的過程。 階段六：挑戰情境學習事件。這個階段可以檢驗學習者是否真的在教學過程 中獲得原來缺少的心智架構，能運用新的科學概念來解決類似的情 境學習事件。
本研究所呈現的概念改變之教學內容設計是參考佘曉清(She, 2002, 2003, 2004) 雙重情境學習模式的觀點(第一到第三階段)及 Chinn ＆Brewer(1993)認 為經由較深層的學習內容有助於概念改變的過程的看法，因此設計出巨觀和微 觀強連結的連續模式，期望能促進學習者概念改變。最後以細胞擴散和滲透作 用二階層診斷測驗的後測來瞭解學習者的概念改變情形。 蘇育任和陳廣智(2003)研究中發現在物質的粒子性組成、巨觀物質及組成 物質的微觀粒子間之關係、物質的相變化以及生活周遭存在的微小粒子等主 題，國小學習者所具有的概念及迷思概念類型相當多樣，如下：1.對物質的粒 子性組成之概念而言，學習者傾向於使用感官知覺來觀察物體，然後加以解 釋，而獲得對物體的初步概念。例如對於外觀具有粒子性和不具有粒子性的固 體物質之組成，表現出巨觀連續型概念的學習者比率由 0 增加到 26.7％。此 外，在固、液、氣三態的物體中，表現出微觀粒子型概念的學習者比率以液體 的組成最低(20％)，顯示國小階段的學習者對於液體由粒子組成的概念其理解 程度不如對固體與氣體之概念。2.對於巨觀物質及物質的微觀粒子間的關係， 雖然具有微觀粒子型概念的學習者能表現出粒子堆積的想法，卻不明白巨觀物 質及組成物質的微觀粒子間之關係，以致於試圖利用物質的巨觀性質來解釋其 微觀性質，甚至有時無法區分巨觀性質與微觀粒子性質所適用的情境，因而增 加另有概念發生的機率。3.對物質的相變化(包括擴散、溶解等現象)等所謂 「過程」概念缺乏認識，由於國小自然科課程對這些主題的學習多偏重於巨觀 現象的觀察與描述，學習者表現的概念明顯較前兩項減少，甚至對於「液體 液體」以及「液體 氣體」的擴散現象，高達 80﹪的學習者均屬於巨觀連續 型概念，即使是具有微觀粒子型概念的學生也無法正確以粒子概念描述這些現 象，顯示這些「過程」類別的概念較「物質」類別的概念更難讓學生理解。4. 學習者對「生活周遭存在微小粒子」此一主題，表現的概念顯示他們能經由教 學以外的管道，如閱讀課外書籍等來獲得資訊。學習者雖曾聽過相關名詞或概 念，卻不能正確地加以理解。本研究的對象為桃竹地區的大學生，大學生的粒 子觀念，是否有比小學生更加清楚和完整，也是有待探究的。 在學習生物的專業知識上，教學者往往有著對「講述法」的另有概念， 過份強調講述法，認為教學者只要教過(講過)學習者就馬上能學到的假設。
Stepans (1991) 提到學習者持有另有概念的可能來源有六方面：(1)教師缺乏對 於學習者的另有概念察覺及興趣；(2)日常生活的語言和隱喻；(3)「只要教就 馬上會學到」的假設；(4)「話語用字就可以代表是否理解」的假設；(5)教科 書呈現的概念；(6)過分強調講述法。本研究之巨觀和微觀強連結的連續模 式，強調眼見為憑的巨觀情境與微觀情境之連結，可以降低「只要教就馬上會 學到」的假設，和過分強調講述法的另有概念來源。學習者的概念改變會因為 兩種情境的證據，加上巨觀和微觀的強連結的連續模式(連續指的是不斷反覆 的呈現巨觀和微觀的模式)，進而促進了概念的改變。 虎克(Robert Hooke)在 1665 年以自製顯微鏡觀察木拴薄片，並將所看到的 小室稱為細胞(cell)。後來在 1838~1839 年，Mathias Schteiden 和 Theodore Schwann，提出所有生物都是細胞所組成，從此之後，人類開始進一步的研究 細胞並進行各種細胞相關的研究實驗。一直持續到目前，細胞的研究仍是眾多 研究者感到興趣的，未來相信在眾多研究者的努力下，對於細胞的瞭解會有更 進一步的發現。而擴散和滲透作用是瞭解細胞的生理基礎。因此透過細胞的擴 散和滲透作用的瞭解，有助於瞭解細胞的基本生理功能，對於學習生物相關知 識是重要和基礎的。 Christianson 和 Fisher(1999)說明了擴散和滲透作用被研究的三個重要理 由。第一：擴散和滲透作用是特別重要的過程來瞭解生物系統的功能﹔第二： 擴散和滲透作用是個難教的單元，學習者很難瞭解擴散和滲透作用，其中必須 包括瞭解溶質、溶劑、半滲透性、分子運動、淨運動和移動方向的概念﹔第 三：容易搞混科學用法和日常用語，如壓力、濃度和數量。而學習者可能傾向 目的論解釋擴散和滲透作用。Friedler, Amir 和 Tamir(1985)發現很多高中學生 認為滲透作用是為了平衡兩邊的濃度差，當滲透作用平衡時兩邊溶液的濃度是 相同的，即不再產生滲透作用的另有概念。Friedler 等人(1987)對高中學生進 行「滲透作用概念發展」研究，歸納結果：1.學習者常將滲透解釋為「一種朝 平衡濃度的驅力」；2.不清楚「水分子濃度」的概念；3.不清楚「水分子保持
移動的動態平衡」；4.不清楚滲透現象在植物生理中的關係；5.不清楚溶液、 溶劑、濃度及數量的關係。Odom 和 Kelly(2001) 發現高中生不瞭解滲透是 「水分子透過一層半透膜的擴散」之概念。曾千虹(1991)對國中、國小及高中 學生所作的研究中，顯示學習者具有「細胞外的物質往內移動的現象，稱為滲 透﹔而細胞內的物質往外移動的現象稱為擴散」的另有概念。謝祥宏、耿正屏 和湯清二(1996)對高中學生所作的研究中提到學生在細胞生理所具有的另有概 念：1.擴散現象到達分子均勻時，分子不再碰撞；2.物質顆粒由濃度高到濃度 低移動，是分子擁擠需要更多空間，因此向低濃度區域移動，直到達到平衡才 停止移動；3.分子由密度大向密度小的一方移動；4.細胞內的物質往外移動的 現象，稱為擴散。5.水分子為了達到平衡，進行有目的的滲透；6.不同量的水 比不同濃度的水更能產生滲透；7.半透膜兩邊的濃度相等，才會達到滲透平 衡；8.達滲透平衡時，水分子停止穿過半透膜； 9.以滲透平衡的觀點判斷， 以水分子和葡萄糖分子滲透之有無，去判斷滲透壓之有無。Chi (2005) 說明學 習者對擴散現象的另有概念來自於巨觀層次與微觀層次的誤解，在巨觀層次擴 散現象是有方向的，液體濃度與液體的流動是有因果關係的，由濃度高至濃度 低；但在微觀層次而言，每一個分子都是相同的，分子持續的朝隨機方向運 動。Odom 和 Barrow(1995)歸納出美國大學生擴散和滲透作用的另有概念，包 括：物質從高濃度往低濃度就不再移動；10％的鹽水對 15％的鹽水是高張容 液，因為水從高濃度往低濃度的區域移動；殺死的植物細胞就不再發生擴散和 滲透作用；植物細胞放在 25％食鹽水中，植物細胞的液泡會縮小等。Odom 和 Barrow(1995)提到 22 個關於擴散和滲透作用的命題知識，在學習細胞擴散和 滲透作用的課程是需要被學習者瞭解的知識。本研究將此 22 個命題知識，視 為重要課程依據，其內容敘述，如表 231。
表 231 擴散和滲透作用的命題知識表 1.所有粒子都是持續運動。(All particles are in constant motion.) 2.擴散是牽涉到粒子的運動。(Diffusion involves the movement of particles.) 3.擴散是微粒子任意的行動和(或)碰撞(離子或分子) 。(Diffusion results from the random motion and/or collisions of particles(ions or molecules.) 4.擴散的粒子靜移動是依濃度梯度的結果。(Diffusion is the net movement of particles as a result of a concentration gradient. ) 5.濃度是粒子在每單位體積的數量。(Concentration is the number of particles per unit volume.) 6.濃度梯度是物質在不同空間的濃度差異。(Concentration gradient is a difference in concentration of a substance a space.) 7.擴散的粒子靜移動,是從高濃度往低濃度。(Diffusion is the net movement of particles from an area of high concentration to one of low concentration.) 8.物質溶解時 擴散會持續進行 直到一致性的分布。(Diffusion continues until the particles become uniformly distributed in the medium in which they are dissolved. ) 9.擴散速率會隨溫度增加。(Diffusion rate increases as temperature increases.) 10.溫度增加 粒子碰撞和運動增加。(Temperaure increases motion and/or particle collisions.) 11.擴散速率是隨濃度梯度增加。(Diffusion rate increases as the concentration gradient increases.) 12.增加濃度會增加粒子碰撞。(Increased concentration increases particle collisions.) 13.擴散發生在活的生物系統和非生物系統。(Diffusion occurs in living and nonliving systems.) 14.滲透作用是水擴散橫跨一個半滲透的膜。(Osmosis is the diffusion of water across a semipermeable membrane.) 15.滲透強度(張性：等張、低張、高張)指的是粒子的相對濃度在半透膜的另一 邊。(Tonicity refers to the relative concentration of particles on either side of a semipermeable membrane.) 16.低張溶液是比較少的溶解粒子相對於膜的另一邊。( A hypotonic solution has fewer dissolved particles relative to the other side of the membrane.) 17.高張溶液是比較多的溶解粒子相對於膜的另一邊。( A hypertonic solution has more dissolved particles relative to the other side of the membrane.) 18.等張溶液是溶解粒子的數目分佈在兩邊膜是一樣的。(An isotonic solution has an equal number of dissolved particles on both sides of the membrane. ) 19.滲透作用是水(溶劑)的靜移動，從低張溶液經半透膜到高張溶液。(Osmosis is the net movement of water (solvent))across a semipermeable membrane from a
hypotonic solution to a hypertonic solution. ) 20.滲透作用發生在活的生物系統和非生物系統。(Osmosis occurs in living and nonliving systems.) 21.半透膜是選擇性的，只允許某些粒子通過。(A semipermeable membrane is a membrane that selectively allows the movement of some substance across the membrane while blocking the movement of others.) 22.細胞膜是半透膜。(Cell membranes are semipermeable.) Odom 和 Barrow(1995)研究發現大學生在細胞擴散作用和滲透作用有另有 概念，其研究對象與本研究的對象皆是大學學生，因此為本研究的主要課程內 容參考。本研究內容以心智表徵為基礎，網路多媒體動畫為學習媒介，期許學 習者透過網路多媒體動畫課程的學習，會有較低的外在認知負荷，並配合巨觀 和微觀強連結的連續模式來促進學習者概念改變。
第四節 心智表徵的內涵
一、心智表徵的本質
表徵的本質可經由不同形式的轉換，例如：圖像、模式、句子、和心智狀 態等。「表徵」為心理層面重新呈現某事物時，此時此刻會有什麼樣的概念出 現在大腦的想法中，來代表某事物，通常不會是很精確的。表徵可代表一個象 徵性；一件事情狀態句；一張圖表；一個代表場景的圖片等等(McKendree, et al., 2002)。「表徵」可以解釋大腦中的想法基礎，可以幫助學習者將大腦中的 想法概念化，協助學習者獲得概念，可以是圖片、模型、文句、心智狀態，會 讓概念更清楚和具體(Perner, 1991)。由此可知個體對事物的表徵的方式與心理 狀態有密切的關聯，同一事物之於不同的個體會有不同的表徵，即便同一個體 也會在不同的心理狀態下對同一事物形成不相同的表徵。McKendree 等人 (2002)也指出表徵是個體的一種思考工具，個體能藉由不同的表徵模式來認知 這個世界。Fodor(1998) 指出心智表徵的內容是來自於其組成概念的內容。二、心智表徵與心智模式的關係
心智模式的概念最早是由 Kenneth Craik (1943)提出(引自 JohnsonLaird, 1983). Perner (1991)提出模式是可以由不同的表徵形式表達出來，在模式中的 每一個元素，將表徵出所有可以或不能對應元素上的模式解釋(interpretation of the model)。例如模擬的戰場，模擬的戰場能告知真實戰場上可能發生的一些 訊息。模型與心智模式能提供表徵在不同心智狀態的功能，模型有提供訊息的 功能，可幫助學習者轉換為內在心智表徵，而心智模式是透過個體認知過程 (內在心智表徵的組合)用以表徵外在世界真實或是假設性情況(hypothetical situations)的產物這些認知過程都在一些心智狀態下被建構的。三、心智表徵與心智模式的差異
外界提供的模式與心智表徵是有不同的，最大的差異在於外在心智表徵通 常是個體心智的運作後的產物，這也就是說個體形成內在心智表徵不一定會提 供解釋，如果提供解釋會形成心智模式，而要以表達性的模式傳達出去，也會 參雜一個重要的因素來引導方向，即所謂的心智狀態。表徵的能力是一種以個 人有意義的方式建立和轉換訊息的流暢能力，即個體可以藉由表徵的過程讓思 考精練以及外顯。個體的表徵系統所提供的基本功能包括了：評價的功能、記 憶的功能以及動機和情緒的功能(Paivio, 1986)。而外在表徵是指以語言、文 字、符號、圖片、具體物、活動或實際情境等形式存在的表徵。外在表徵不是 書面符號就是圖示符號。內在表徵是指存在於個人心或腦中而他人無法直接觀 察的心智表徵，通常它可與心像(image)一詞交互使用。而人類透過外在表徵 表達出其內在的心智表徵。透過內在表徵，個體可以進行想像、構思、推理等 思考活動。因此研究者在學習者對命題的判斷以及解題的應用歸類為學習者對 概念的外在表徵，而將心像的形成及知識的轉換、連結等則歸類於學習者對概 念的內在表徵向度。 在學習網路多媒體動畫的細胞擴散和滲透作用課程中，學習者的認知負荷只是過程，教學的目的是輔助學習者改變心智表徵。表徵的本質可經由不同形 式的轉換例如：圖像、模式、句子、和心智狀態等。表徵就是與人分享某物的 意義。表徵不只是因為外界給的訊息，還需要非意圖的在心智運作和解釋 (Perner, 1991)。Vosniadou 和 Brewer (1994)提到的個人對象現象的 mental model 即他們的概念知識。若想要瞭解學習 者的心智表徵，可要求學習者將此 時此刻腦海中的影像或圖形(即心智影像)畫出，並進行說明和解釋。這是目前 最清楚的一種方法來瞭解學習者的心智表徵。Krajcik(1989)曾要求九年級學生 想像有一個放大鏡可以看到燒瓶中的空氣。他做的訪談研究，可以幫助瞭解學 生的心智表徵。敘述如下(引自科學學習心理學,1996)： 第一個例證可說明蒸汽模型： 訪談者：如果妳可以看到燒瓶中的空氣，畫出你想可能看到的東西。 學生 1：(學生畫出他的模型並說明)如同空氣四處漂浮。 訪談者：只是空氣，只是四處漂浮？ 學生 1：對。 訪談者：你畫了一些連續的線，這些連續的線代表什麼？ 學生 1：就是空氣。 第一個例證可說明雲霧模式： 訪談者：你可否解釋所畫的圖。。 學生 2：這是我在燒瓶中所看到的空氣。 訪談者：那麼你覺得這像什麼？ 學生 2：像一團彎彎曲曲的雲。 最後一個例證可說明粒子的模型： 訪談者：如果你看見燒瓶中的空氣，畫出其可能的樣子。 學生 3(學生畫出他的模型並說明)。這些粒子會上下移動。 從以上 Krajcik 的訪談記錄，能清楚幫助研究者瞭解學習者的心智表徵， 進而可運用概念改變的教學策略，來幫助學習者丟棄或修正另有概念，並且獲
得正確的科學概念。 當學習者與學習內容進行互動時，其心智模型也隨之改變或重新建構，一 般而言有兩種建構心智模型的方法：學習者可利用其相關的先備知識進行「由 上而下」(topdown)的建構方式，對生手而言，由於缺乏相關先備知識，所以 僅能採取「由下而上」(bottomup)的方式將接收的知識做片斷的連接，因此學 習新的內容依賴且受限於學習者目前的心智模型。在眾多心智表徵的研究中， She(2004)研究學生溶解和擴散的心智表徵，並以 DSLM 進行學生溶解和擴散 的概念改變。研究結果大概有 76﹪~90﹪的學生獲得正確的科學概念，表示 DSLM 的教學策略，是能夠有效促進學生的概念改變。而本研究採取巨觀和微 觀強連結的連續模式，採取了 DSLM 的觀點(第一到第三階段)，期許能對學習 者也有有效的概念改變。 綜合以上文獻的研究論點，本研究將藉由網路多媒體動畫的細胞擴散和滲 透作用課程教學，來了解大學生建構「細胞擴散和滲透作用」的心智表徵完整 性(藉由細胞擴散和滲透作用開放式問題測驗，包括：請受試者畫出腦海中此 時此刻對某概念的影像或圖形)。本研究同時蒐集眼動資料，探討注意力和心 智表徵完整性兩者之間是否有密切的關聯。
