中學生的視覺表徵能力與分子概念理解之探究

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士班碩士論文. 指導教授：邱美虹博士. 中學生的視覺表徵能力與分子概念理解之探究. 研究生：詹婉約. 中華民國 99 年 1 月.

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(3) 謝誌. 一本論文最重要的事情在「論理」，而這裡是唯一得以「說情」的地方。完成這一本不完美的論文，不為了什麼，只為了對的起那份做學問的態度，然而對研究的堅持，並不足以支持我完成這一本論文，或者任何一個我對自己碩士班生涯的期許。那些埋頭猛寫、戰戰兢兢的日子裡未能好好訴說的話，就在這裡說吧！謝謝我的指導老師邱美虹教授，老師帶給我的不僅僅是知識而已，還記得老師辦公室裡那張不算大但溫暖的沙發，老師和我在那裡說過很多的話，這些話語構築了我的夢想，當我在研究中迷失了方向，老師陪著我在紙上畫了又畫，幫助我釐清思緒；還記得每隔一兩個星期，老師再忙都抽空陪我討論研究，我們總是一討論就是兩三個小時；還記得當我惶恐不安時，老師總說「加油」、「沒問題的」。謝謝老師教我們做學問的態度，讓我擁有追求研究的信念，不僅止於達到某個規定的標準；謝謝老師從未說過一句否定的話，給我許多勇氣；謝謝老師給我們許多機會，讓我實現出國參與研討會的夢想。謝謝我的家人總是默默的支持我，他們承受的遠比我承受的更多，倘若我有一丁點的優點，都是他們帶給我的。謝謝邱美虹老師、吳心楷老師、張欣怡老師在百忙中抽空替我口試，讓我對研究有更新的視野。謝謝邱老師團隊的學長姐，國良學長、慧蓉學姐、俊庚學長、志康學長、焙琪學姐、建坪學長、曉蘭學姐、育倩學姐，謝謝您們對我的幫助與指正，那些一起努力做研究、辦活動的日子，是我碩士班深刻的回憶。謝謝怡瑩、鴻嘉一直以來的心靈支持與照顧，遇見你們很幸福；也很慶幸能在這裡遇到許多良師益友，雅如、秀怡、靜妤、佳穎、憲瑞、春風、惠如、百興；謝謝曾經為我打氣的你們，族繁不及備載。研究路上能夠遇見志同道合的伙伴，何嘗不易，謝謝作為我的知己，我們想要突破的，是在研究歷程中意識到的門檻，不僅止於一個畢業的最低標準。路很長，但這份期許不會動搖，最後以此句做結，「有筆有書有肝膽，亦狂亦俠亦溫文。」在現在與未來共勉之。.

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(5) 中學生的視覺表徵能力與分子概念理解之探究. 摘要. 本研究旨在探討學生對視覺表徵及分子概念的理解、以及視覺表徵及分子概念理解之間的關連。本研究發展視覺表徵能力指標(Visual representational ability index, VRAI)，透過解構的方式瞭解視覺表徵能力，視覺表徵能力指標具有兩大向度，一為視覺表徵能力的四個成分，這些成分為化學中重要的視覺化技能，即知覺、詮釋、轉換和連結、及選擇和評估；二為視覺表徵能力層級，由層級一到層級五。本研究具有兩個測驗工具，一為視覺表徵能力測驗，一為分子概念理解測驗，預試對象為 25 位九年級學生，信度 Cronbach’s Alpha 分別為 0.88 及 0.84，正式施測對象為 343 位國中學生。研究結果包含視覺化表徵能力、分子概念理解、及視覺表徵能力層級的部分。在視覺化表徵能力方面，第一，由成分一「知覺」的研究結果可知學生對表徵的理解可能與以下因素有關，（一）當表徵中呈現的是單一訊息時，較多重訊息的表徵理解為佳；（二）即便表徵所體現的同為巨觀層級的概念，可在日常經驗中觀察的概念較無法在日常經驗觀察的概念理解為佳；（三）即便只需要對表徵做表面性的描述，微觀表徵對學生而言還是概念負載的；（四）學生傾向於以化學式的表面特徵詮釋表徵。第二，由成分二「詮釋」的研究結果顯示，（一）概念負載有助於學生對表徵的語法規則描述；（二）學生偏向於以表徵所觀察到的表面特徵解釋表徵。第三，由成分三「轉換與連結」的研究結果顯示，大部分學生偏向於以表徵所觀察到的表面特性做表徵間的連結。第四，由成分四「選擇和評估」的研究結果歸納學生對表徵的理解可能有以下趨勢，（一）當表徵所體現的概念具有過程屬性時，較易被學生理解，當表徵所體現的概念牽涉分子本身. I .

(6) 的認識時，學生較不易理解；（二）學生無法由二維的表徵知覺三維的空間相對位置。在分子結構概念理解方面，由巨觀層級的研究結果可知，當概念牽涉物質的特性時，則學生的答題表現較那些可直接觀察的概念為低。由微觀層級的研究結果可知，（一）學生傾向於以物質粒子的觀點詮釋原子與分子；（二）學生對化學過程相關概念的理解較原子與分子本身的理解為佳。在視覺表徵能力層級方面，整合四個成分的整體結果進入「視覺表徵能力指標(VRAI)」後，發現以下幾點，（一）高表現的學生也可能無法在所有解釋表徵的情境下，採取語意層次的解釋；（二）低表現的學生僅能描述巨觀表徵所體現的現象，即便僅需對微觀表徵的外觀進行描述，也無法選擇出正確答案。本研究針對教學及研究提出幾點建議，就教學建議來說，（一）有關原子與分子觀的概念，即便教科書中包含了各種原子與分子相關的視覺表徵，但可能較不容易被學生理解，在教學上需要被強調；（二）在學習原子與分子之概念時，或許能夠以學生較熟悉的化學過程導入，或者以簡單的過程符號進行原子、分子屬性的解說；（三）教學時宜幫助學生釐清物質粒子觀與原子分子觀的異同；（四）加強學生對微觀表徵的閱讀能力。就研究建議來說，（一）「表徵解構架構修正」中不具有將不同能力學習者分級或歸類的標準，為待確立的表徵架構；（二）閱讀微觀表徵及符號對學習者而言是個複雜的過程，這個過程需要進一步的研究發現。. II .

(7) Investigating High School Students’ Visual Representational Ability and Molecular Conceptual Comprehension. Abstract. This research examined students’ comprehension of visual representations, conceptions of molecule, and their correlation. In order to deconstruct the visual representational competence, the present study developed a taxonomy of visual representational ability index (VRAI) and an instrument, the components were included in the VRAI framework, that is perception, interpretation, transformation and connection, selection and evaluation. The design of levels of visualization skills were also included in the VRAI. The present study developed two instruments, one is visual representational competence test, and the other. is molecule conceptions. comprehension test. The internal reliability were .88 and .84 respectively. The results of visual representational competence revealed that (1) Students comprehended. better. in. representations. with. single. information. than. in. representations with multiple information. (2) Students had difficulties in describing the surface features of representations for the microscopic phenomenon, which were concept-laden to students. (3) Students who held some concepts of molecules could describe the representations based on syntactic rules. (4) Students tended to interpret and connect different representations based on surface features. (5) Students had a lot of difficulties in describing representations which involved the nature of molecule. (6) Students had difficulties in perception of three-dimensional information. The results of molecule comprehension revealed that (1) Students tended to interpret the concepts of molecule based on the concepts of the nature of particles. (2). III .

(8) Students comprehended the concepts of chemical process than the concepts of the nature of molecule. The results of visual representational competence revealed that (1) Some of the high performance students could not interpret representations based on semantic meaning. (2) Low performance students could not describe the surface features of microscopic representations. Several pedagogical implications could be drawn from this study. (1) It appeared that students had limited comprehension in different molecule-related representations, which need to be emphasized in learning. (2) It seems that understanding of process-related concepts may promote students deep understanding of the concepts of molecule. (3) It may be helpful for students to learn how to distinguish the nature of particles and the perspective of molecule.. IV .

(9) 目次第壹章緒論.................................................................................................................. 1 第一節研究動機.................................................................................................. 1 第二節研究背景.................................................................................................. 3 第三節研究目的與問題...................................................................................... 5 第四節名詞釋義.................................................................................................. 7 第五節研究範圍與限制...................................................................................... 9 第貳章文獻探討與分析............................................................................................ 11 第一節視覺化表徵............................................................................................ 11 第二節視覺化表徵與化學學習........................................................................ 27 第三節分子相關概念與化學學習.................................................................... 34 第參章研究方法........................................................................................................ 37 第一節研究設計................................................................................................ 37 第二節研究對象................................................................................................ 40 第三節研究工具................................................................................................ 42 第四節資料處理與分析.................................................................................... 46 第肆章研究結果與分析............................................................................................ 49 第一節視覺表徵能力測驗表現........................................................................ 49 第二節視覺表徵能力層級................................................................................ 68 第三節分子概念理解........................................................................................ 74 第四節視覺表徵與分子概念理解.................................................................... 85 第伍章結論與建議.................................................................................................... 91 第一節結論與討論............................................................................................ 91 第二節建議........................................................................................................ 99 參考文獻.................................................................................................................... 101 附錄............................................................................................................................ 109 附件一：概念理解測驗.................................................................................... 109 附件二：視覺表徵能力測驗............................................................................ 113. V .

(10) VI .

(11) 表次. 表 2-1-1 表徵的維度和層級及其實例 ...................................................................... 21 表 2-2-1 視覺表徵能力指標(VAI) ............................................................................. 30 表 2-2-1 視覺表徵能力指標(VAI) ............................................................................. 39 表 3-3-1 視覺表徵能力判準與表徵能力試題對應 .................................................. 44 表 3-3-2 分子概念理解測驗雙向細目表 .................................................................. 45 表 4-1-1 視覺表徵能力測驗表現在各成分答對率 .................................................. 50 表 4-1-2 視覺表徵的理解在知覺的答對率 .............................................................. 51 表 4-1-3 液體的體積答題表現 .................................................................................. 52 表 4-1-4 溶解與沸點答題表現 .................................................................................. 52 表 4-1-5 水分子的重量與水分子的形狀答題表現比較 .......................................... 53 表 4-1-6 反應物的判斷與生成物的判斷答題表現比較 .......................................... 54 表 4-1-7 水分子的組成答題表現 .............................................................................. 55 表 4-1-8 視覺表徵的理解在詮釋的答對率 .............................................................. 56 表 4-1-9 原子守恆答題表現 ...................................................................................... 57 表 4-1-10 去概念化命名規則及概念化命名規則答題表現比較 ............................ 58 表 4-1-11 定比定律答題表現 .................................................................................... 58 表 4-1-12 H2O 的性質答題表現 ................................................................................. 59 表 4-1-13 水的生成答題表現 .................................................................................... 60 表 4-1-14 定比定律答題表現 .................................................................................... 60 表 4-1-15 視覺表徵的理解在轉換和連結的答對率 ................................................ 61 表 4-1-16 氯化鈉的表徵答題表現 ............................................................................ 62 表 4-1-17 烷類的表徵答題表現 ................................................................................ 62 表 4-1-18 視覺表徵的理解在選擇和評估的答對率 ................................................ 63 表 4-1-19 原子的排列答題表現 ................................................................................ 64 表 4-1-20 熱含量答題表現 ........................................................................................ 64 表 4-1-21 電子的分布答題表現 ................................................................................ 65 表 4-1-22 分子的結構答題表現 ................................................................................ 65. VII .

(12) 表 4-1-23 電子的共用答題表現 ................................................................................ 66 表 4-2-1 視覺表徵能力指標分級標準 ...................................................................... 68 表 4-2-2 與原架構相符之表徵能力層級人數百分比 ............................................... 71 表 4-2-3 與原架構相異之表徵能力層級人數百分比 .............................................. 72 表 4-3-1 概念理解在巨觀概念的答對率 .................................................................. 75 表 4-3-2 液體的狀態答題表現 .................................................................................. 75 表 4-3-3 物質三態的各種特徵答題表現 .................................................................. 76 表 4-3-4 物質狀態的判斷答題表現 .......................................................................... 76 表 4-3-5 溶解與沸點答題表現 .................................................................................. 77 表 4-3-6 純物質的判斷與純物質與混合物的特性答題表現比較 .......................... 78 表 4-3-7 概念理解在微觀概念的答對率 .................................................................. 79 表 4-3-8 粒子的堆積答題表現 .................................................................................. 79 表 4-3-9 氣體粒子答題表現 ...................................................................................... 80 表 4-3-10 粒子的本質答題表現 ................................................................................ 80 表 4-3-11 水分子的形狀答題表現 ............................................................................ 81 表 4-3-12 純物質與混合物的特性與水分子的組成答題表現比較 ........................ 82 表 4-3-13 分子的大小答題表現 ................................................................................ 82 表 4-3-14 原子與化學反應答題表現 ........................................................................ 83 表 4-3-15 分子與化學反應與蠟燭的燃燒答題表現比較 ........................................ 84 表 4-3-1 概念理解測驗與視覺表徵能力測驗在液體的狀態答題表現比較 .......... 85 表 4-3-2 概念理解測驗與視覺表徵能力測驗在溶解與沸點答題表現比較 .......... 86 表 4-3-3 概念理解測驗與視覺表徵能力測驗在水分子的形狀答題表現比較 ...... 87 表 4-3-4 概念理解測驗與視覺表徵能力測驗在水分子的組成答題表現比較 ...... 87 表 4-3-5 概念理解測驗與視覺表徵能力測驗在原子守恆答題表現比較 .............. 88 表 4-3-6 概念理解測驗與視覺表徵能力測驗答題表現比較 .................................. 89 表 5-1-1 表徵能力指標修正及定義 .......................................................................... 97 表 5-1-2 表徵能力指標修正及舉例 .......................................................................... 97. VIII .

(13) 圖次. 圖 2-1-1 模型與現象的交互關係 .............................................................................. 15 圖 2-1-2 語言及非語言符號系統基模 ...................................................................... 17 圖 2-1-3 二元編碼理論的視覺和概念系統 .............................................................. 18 圖 2-2-1 表徵能力測驗學生答題範例 ...................................................................... 28 圖 3-1-1 研究架構與研究問題對應 .......................................................................... 38 圖 5-1-1 由二元編碼的觀點看視覺表徵能力 .......................................................... 98. IX .

(14) X .

(15) 第壹章緒論. 本研究旨在探究中學生的對視覺表徵與分子概念的理解，本章第一節以過去研究的發現為基礎，說明本研究的動機，並由此導出本研究探究的主要議題；第二節說明研究背景，由此導出本研究的兩大主軸；第三節由本研究的兩大主軸衍生出三大研究目的及其對應的研究問題；第四節為名詞釋義，說明本研究採用的名詞及其指涉的內容；第五節說明研究範圍與限制。. 第一節研究動機. 化學是一門視覺的科學(Wu & Shah, 2004)。許多研究已經證實視覺表徵與化學學習的相關性(Barnea, 2000; Briggs & Bodner, 2007; Copolo & Hounshell, 1995; Ekstrom, et al., 1976，引自 Gobert, 2007; Ferk et al., 2003; Gilbert, 2007; Gobert, 2007; Kozma & Russell, 2005; Seddon & Moore, 1986; Tuckey & Selvaratnam, 1993; Rapp, 2007; Wu, Krajcik & Soloway, 2001；廖焜熙和邱美虹，1996)，視覺表徵不僅是化學中用以溝通的工具，也是學生學習化學概念的重要媒介。有些學者使用空間能力(Spatial ability)一詞(Seddon & Moore, 1986; Tuckey & Selvaratnam, 1993；邱美虹和廖焜熙，1996)，說明視覺表徵在化學學習上扮演的角色，就學習表現的面向來說，邱美虹和廖焜熙（1996）指出，大學生在空間能力測驗上的表現，與立體化學的學習成就有高度相關；就教學面向來說，邱美虹和廖焜熙（1996）透過研究結果闡明實際圖片及分子模型在化學學習中的重要性。有些學者使用視覺化(Visualization) 一詞(Barnea, 2000; Ferk et al., 2003; Gobert, 2007)，說明視覺表徵在化學學習上扮演的角色，就學習的面向來說，分子結構和化學式的使用是理論負載並以概念為基礎的，學生對化學概念的理解受. 1 .

(16) 限於日常生活中的感官經驗，他們傾向以感官的角度來理解並解釋分子結構與化學符號(Ben-Zvi et al., 1986；引自 Wu, Krajcik & Soloway, 2001)；就教學的面向來說，實體模型與電腦模擬都對學生學習分子結構與異構物的概念有所助益 (Copolo & Hounshell, 1995)，視覺化的技能應該在每個學習階段被強調，隨著學習階段的提高，所需熟習的視覺化表徵由具體趨於抽象(Ferk et al., 2003)；傳統教學中以二維的表徵呈現三維的分子結構，可能使學生的理解受到限制，例如，化學中常使用的費雪投影 (Fischer projection) 對學生而言，較球棒式模型 (Ball-and-stick model) 來的抽象 (Gobert, 2007) 。也有學者使用表徵能力 (Representational competence)一詞，說明個體在社會情境下建構自身化學概念，採用各種表徵作為溝通媒介的能力(Kozma & Russell, 2005)。雖然上述各家學者採用的詞彙及著重的焦點有所差異，但皆某種程度的強調視覺表徵在化學學習中扮演的角色。總而言之，化學中常用的表徵蘊含了強烈的概念基礎，而化學中的概念也仰賴各種維度及形式的視覺化表徵。學生對視覺化表徵的理解，不僅受限於內容知識，也受限於視覺空間(Visual spatial)的能力(Wu & Shah, 2004)。在同一個表徵系統下可能包含了多種成分，例如各種層級（巨觀、次微觀、符號）的表徵或兩個以上的概念，究竟視覺表徵具有什麼樣的成分，使得與化學學習具有高度相關性？抑或，視覺表徵的哪些成分，與化學學習具有高度相關性呢？於此，本研究嘗試解構視覺表徵能力，以瞭解視覺表徵之於學習者所具有的成分，以及視覺表徵的理解與化學學習之間的關連。. 2 .

(17) 第二節研究背景. 探討視覺表徵與化學學習的關連，應包含哪些基本的面向？依據二元編碼理論，學生理解化學表徵，可能需要建構三個基本的認知連結，這些連結包含了概念和視覺的資訊，分別為概念資訊的連結(Representational connections between conceptual information)、視覺資訊的連結(Representational connections between visual information)、及概念系統與視覺系統的對應連結(Referential connections between visual and conceptual systems)(Paivio, 1986; Wu, Krajcik & Soloway, 2001)。基於上述架構，本研究具有兩大主軸，一為視覺表徵能力，一為概念理解，本研究關注三個焦點，即學生對視覺表徵的理解、對概念的理解、以及視覺表徵與概念理解之間的關連。前一節提及過去研究曾強調視覺表徵在化學學習中扮演的角色，換言之，學習者的化學學習成就與視覺表徵能力具有某種程度的相關性，是否有一個標準能界定學習者的視覺表徵能力？而不同程度的視覺表徵能力，又包含了哪些視覺化技能？Kozma & Russell (2005)提出一個具有五個層級的概念結構，用以說明不同表徵能力所具有的特徵，稱為表徵能力層級(Representational competence levels)。表徵能力層級的概念結構具有階段性，由最低層級的生手特徵，描述到最高層級的專家特徵，五個層級分別為表徵描繪(Representation as depiction)、早期符號技能 (Early symbolic skills) 、正式表徵的語法使用 (Syntactic use of formal representations)、正式表徵的語意使用(Semantic use of formal representations)、表徵的反思及修辭使用(Reflective, rhetorical use of representations)。本研究在探討視覺表徵能力的議題時，以 Kozma & Russell (2005)表徵能力層級中提及的視覺化技能(Visualization skills)及表徵能力層級為基本依據，有以下原因，第一，表徵能力層級強調的是學生使用表徵體現化學概念的能力，並非與心智操弄相關的空間能力，這與本研究的取向相符；第二，表徵能力層級中包含多種視覺化技能，. 3 .

(18) 較簡單的視覺化技能包括依據在外現象的表面特性產生表徵，或以一些符號表達動態的過程，較複雜的視覺化技能包括在不同形式的表徵之間做轉換，使用表徵解決問題、進行預測，也就是說，表徵能力層級的架構提供綜合的面向，以探討學習者的視覺表徵能力。Kozma & Russell (2005)表徵能力層級強調的是學習者在社會情境下，運用表徵表達科學概念的能力，而本研究著重於學習者對視覺表徵及化學概念的理解，因此，本研究提取 Kozma & Russell (2005)表徵能力層級中提及的視覺化技能，作為探討視覺表徵能力的基本面向。. 4 .

(19) 第三節研究目的與問題. 基於二元編碼理論(Paivio, 1986; Wu, Krajcik & Soloway, 2001)，本研究具有兩大主軸，一為視覺化表徵能力，一為概念理解，於此衍生出三個研究目的，研究目的一屬於視覺化表徵能力的部分，研究目的二則為概念理解的部分，研究目的三是為探討研究目的一和二的交互關係。在研究目的（一）探討學生視覺表徵能力的部分，本研究提取 Kozma & Russell (2005)「表徵能力層級(Representational competence levels)」所提及的視覺化技能，作為探討視覺表徵能力的基本架構，這個架構具有四個基本的成分，分別為知覺 (Perception) 、詮釋 (Interpretation) 、連結和轉換 (Connection and transformation)、及選擇和評估(Selection and Evaluation)，分別對應到研究問題（一）的四個次問題，而本研究採用的名詞：知覺、詮釋、連結和轉換、及選擇和評估所指涉的視覺化技能，會於本章第四節闡述；在研究目的（二），探討學生分子結構概念理解的部分，則依照化學概念的層級，分為巨觀層級和微觀層級概念兩部分，五個與分子結構相關的重要概念，則分屬於這兩個概念層級之下；研究目的（三），則由兩個面向探討目的一與目的二的交互關係，一為答題表現的相關性，一為答題表現的差異。. 一、研究目的（一）探討學生在閱讀視覺表徵時，對表徵的理解情形。（二）探討學生在解決分子概念相關問題時，對概念的理解情形。（三）探討學生對視覺表徵的理解與分子概念的關連。. 5 .

(20) 二、研究問題本研究有三大研究問題，分別對應到三個研究目的，研究問題（一）屬於視覺表徵能力的部分，研究問題（二）屬於概念理解的部分，研究問題（三）為視覺表徵能力及概念理解的關連。（一）學生在閱讀視覺表徵時，對表徵的理解為何？ 1.學生在閱讀視覺表徵時，對表徵的知覺為何？ 2.學生在閱讀視覺表徵時，對表徵的詮釋為何？ 3.學生在閱讀視覺表徵時，轉換和連結表徵的能力為何？ 4.學生在閱讀視覺表徵時，選擇和評估表徵的能力為何？. （二）學生在解決分子概念相關問題時，對概念的理解情形為何？ 1.學生在解決分子概念相關問題時，對巨觀層級概念的理解情形為何？ 1-1.學生在解決物質三態的相關問題時，對概念的理解情形為何？ 1-2.學生在解決物質性質的相關問題時，對概念的理解情形為何？ 2.學生在解決分子概念相關問題時，對微觀層級概念的理解情形為何？ 2-1.學生在解決物質粒子觀的相關問題時，對概念的理解情形為何？ 2-2.學生在解決原子與分子觀的相關問題時，對概念的理解情形為何？ 2-3.學生在解決化學反應的原子與分子觀相關問題時，對概念的理解情形為何？. （三）學生對視覺表徵的理解與分子概念的關連為何？ 1.學生在視覺表徵的答題表現與分子概念的答題表現相關為何？ 2.學生在視覺表徵的答題表現與分子概念的答題表現有何異同？. 6 .

(21) 第四節名詞釋義. 在研究問題一中，為了瞭解學生在閱讀視覺表徵時，對表徵的理解有何異同，提取 Kozma & Russell (2005)「表徵能力層級(Representational competence levels)」所提及的視覺化技能，作為瞭解學生視覺表徵能力的基本成分，分別為知覺 (Perception) 、詮釋 (Interpretation) 、連結和轉換 (Connection and transformation)、及選擇和評估(Selection and Evaluation)，這些成分構成本研究探討視覺表徵能力以及工具設計的依據，稱為視覺表徵能力指標 (Visual representation ability index, VRAI)。一、視覺表徵能力指標(Visual representation ability index, VRAI)：視覺化表徵能力指標具有兩個向度，第一個向度即上述視覺表徵能力的四個成分：知覺 (Perception) 、詮釋 (Interpretation) 、連結和轉換 (Connection and transformation)、及選擇和評估(Selection and Evaluation)，這四個成分是化學學習中經常使用的視覺化技能，成分之間彼此互斥但具有關連，也可以說具有難易度的差異，例如，要能對不同表徵進行連結和轉換，首先需要對個別表徵進行詮釋；第二個向度即視覺化表徵的五個層級，由層級一到層級五，每個更高的層級皆包含了前述層級所需具備的視覺化技能。二、知覺(Perception)：即學習者對表徵做表面性描述的能力，為視覺表徵能力的第一個成分，此成分具有四個次要成分，包括能描述表徵所體現的巨觀現象、能描述表徵所體現的微觀現象、能描述表徵中的部分符號、能描述表徵中的化學符號。三、詮釋(Interpretation)：即學習者解釋表徵的能力，為視覺表徵能力的第二個成分，此成分包括兩個次要成分，一為能依據語法規則詮釋表徵，二為能以語意解釋表徵。. 7 .

(22) 四、轉換和連結(Connection and transformation)：即學習者連結不同表徵或在表徵之間做轉換的能力，為視覺表徵能力的第三個成分，此成分不具有次類別，學習者能將一個特定的表徵轉換為另外一個概念上相對應的表徵，或者學習者能將體現同概念的表徵歸納為同一種化合物。五、選擇和評估(Selection and Evaluation)：即學習者選擇合適的表徵及與之配對概念的能力，為視覺表徵能力的第四個成分，此成分不具有次類別，學習者能選擇合適的表徵以體現某個特定概念，或者學習者能由某個表徵選擇表徵所體現的特定概念。六、視覺化表徵(Visual representation)：即外在表徵的一種，具有兩種主要功能，第一，用以外顯個體經日常現象觀察後所得的心智模式，第二，用以表達科學概念，是個體學習科學的媒介。視覺化表徵可以是各種形式，包括各種維度（一維、二維、三維）或各種層級（巨觀、次微觀、符號），化學中常用的視覺化表徵包括化學式、反應方程式、球棒式模型、電子點式、表格、圖片等。. 8 .

(23) 第五節研究範圍與限制. 一、依照情境認知學派的主張，社會情境泛指個體與個體間的互動，以及個體與實體的互動。本研究關注的是學習者對視覺表徵以及分子概念的理解，也就是說，本研究的情境僅限於個體與文本的互動，以探討學習者在閱讀視覺表徵時，對表徵的理解，以及學習者在解決分子概念相關問題時，對概念的理解。二、本研究測驗工具之一「視覺表徵能力測驗」，採用教科書中常見之化學表徵，作為測驗學生視覺表徵能力的媒介。這些表徵的維度大多屬於二維(2D)及二維半(2.5D)的視覺化表徵，依據 Tuckey & Selvaratnam (1993)的觀點，學習者在觀察表徵時，必須由二維的平面表徵知覺三維的空間相對位置。藉由紙筆測驗可能無法得知，學生對二維或二維半表徵的知覺發生困難的過程。三、本研究有兩個測驗工具，一為「視覺表徵能力測驗」，一為「分子概念理解測驗」，皆為單一選擇題的紙筆測驗形式，不採用晤談的形式，採用單一選擇題紙筆測驗的原因為，學習者對視覺表徵的自發性使用，涉及對表徵及化學概念的記憶，本研究關注的是學習者理解視覺表徵的能力，也就是說，學習者是否能藉由閱讀視覺表徵，理解特定的化學概念，因此，本研究於「視覺表徵能力測驗」中呈現各種視覺表徵，以瞭解學習者藉由視覺表徵理解化學概念的能力。本研究只能藉由學生外顯的答題表現推論學生的能力及想法，無法直接瞭解學生答題的過程及原因。. 9 .

(24) 10 .

(25) 第貳章文獻探討與分析. 本研究具有兩大主軸，一為視覺表徵能力，一為概念理解。本章第一節「視覺化表徵」，探討不同學派對視覺化表徵的定義、談論視覺化表徵的各種面向、以及視覺化表徵的相關技能及評量；本章第二節「視覺化表徵與化學學習」，探討學習者在閱讀及詮釋視覺化表徵的學習表現，以及視覺化表徵在教學上扮演的角色；本章第三節「分子相關概念與化學學習」，探討學習者解釋分子相關概念的學習表現。. 第一節視覺化表徵在談論視覺化表徵之前，首先要探討視覺化的定義，許多學者採用視覺化一詞指涉一種技能(Ekstrom, et al., 1976；引自 Gobert, 2005; Ferk et al., 2003; Seddon & Moore, 1986 ；廖焜熙和邱美虹， 1996) 、過程 (Briggs & Bodner, 2007; Johnson-Laird, 1983; Tufte, 2001，引自 Gilbert, 2007)、或物件(Gobert, 2005; Rapp, 2007; Tufte, 2001，引自 Gilbert, 2007)，對視覺化表徵著重的焦點也有所不同，因此本節的第一個部分探討學者對「視覺化的定義」，第二個部分探討學者對「視覺化表徵的定義」，第三個部分探討「視覺化表徵的特性」，第四個部分探討「視覺化表徵的評量及技能」，茲分述如下。. 一、視覺化的定義科學著重的是對自然現象的解釋，並依賴各種模型(Models)以體現自然現象 (Gilbert, 2008)，這些模型以三種不同的表徵層級(Representational levels)體現，包括巨觀層級、次微觀層級、及符號層級(Gabel, 1999; Gilbert, 2008; Johnstone, 1993)。這三個表徵層級的心智轉換，是解釋自然現象不可或缺的技能，這些技. 11 .

(26) 能是許多學生學習的困難所在，視覺化(Visualization)即這些重要技能之一(Gilbert, 2008) 。視覺化牽涉到外在表徵 (External representation) 及內在表徵 (Internal representation)，外在表徵用以有系統的體現訊息，例如，圖片、圖表、及表格(Tufte, 1983，引自 Gilbert, 2008)；內在表徵即心智的產物、貯存、及使用(Gilbert, 2008)。有些學者(Gobert, 2005; Rapp, 2007; Tufte, 2001，引自 Gilbert, 2007)以外在表徵的觀點談論視覺化，Tufte (2001，引自 Gilbert, 2007)以視覺化(Visualization)這個字指稱兩種意義，一種是指將資訊有系統的以圖表的形式做視覺呈現，另一種則屬於內在表徵。Rapp (2007)認為視覺化可以定義為將資料以新奇的方式做視覺的呈現(Visual presentation)，包括將資料以線條的形式簡單呈現、以三維度的圖形詳細呈現、及以超媒體為基礎(Hypermedia- based)的環境，視覺化具有兩種功能，一種是可以用來描述複雜機制背後，其個別元素的互動情形，而大多數的科學知識即包含了動態系統中的複雜解釋及因果關係；另一種是幫助人們體驗日常生活中無法經歷、無法觀察的現象，例如地質學家及生物學家研究幾千年前地球所發生的變遷、化學家以微觀的層面描述化學變化的過程，視覺化使學生能夠以可信、可見的方式經歷這些情境。Gobert (2005)歸納視覺化一詞在心理學及教育上常用的三種學術用法，包括外在視覺化(External visualization)、內在視覺化 (Internal visualization)、以及空間視覺化技能(Spatial visualization skills)，外在視覺化是指那些常用於學習的表徵，這些表徵是語義豐富的(Semantically-rich)，具有複雜、領域特定的符號系統，例如，圖表、模型、模擬等。這些語義豐富的視覺化表徵有別於那些僅有單純圖像的視覺表徵，例如，停止的標誌。外在視覺化，也就是語義豐富的表徵，常在學習時被使用，且根據它們不同的特徵而在教學上具有不同的意涵，給予學習者不同的幫助。有些學者(Briggs & Bodner, 2007; Johnson-Laird, 1985; Tufte, 2001，引自 Gilbert, 2007)以內在表徵的觀點談論視覺化，Tufte (2001, 引自 Gilbert, 2007)以視覺化 (Visualization)這個字指稱兩種意義，一種屬於外在表徵，已於上段論述，另一種. 12 .

(27) 則指單純的在腦中產生對外在素樸世界的真實影像，而個體透過眼睛觀察外在現象，進而在腦中建構的知識則不盡相同。Briggs & Bodner (2007)說明視覺化是一種使用表徵(Representations)和操弄(Operations)做心智建模(Mental modeling)的過程，視覺化是一種在心智表徵與指涉物(Referent)之間操弄的過程，而表徵即是操弄的物體和結果。舉例來說，當學習者看到一個印在紙上的二維度表徵，並將它轉化為心智表徵，這樣的操弄過程為視覺化，而操弄的產物稱為表徵。視覺化一詞被用以指稱內在的心智建構(Internal mental constructs)，例如，那些存在於學習者腦中的心智影像、用以解決問題的心智模式(Johnson-Laird, 1985；引自 Gobert, 2005)。有些學者(Ekstrom, et al., 1976；引自 Gobert, 2005; Ferk et al., 2003; Seddon & Moore, 1986；廖焜熙和邱美虹，1996)則將視覺化視為一種心智操弄的過程，例如，用以描述一種空間技能，視覺化是一種操弄(Manipulate)或轉換(Transform) 空間模組(Spatial patterns)，使之成為另一種排列的能力(Ekstrom, et al., 1976；引自 Gobert, 2005) 。有些學者則使用視覺化一詞指涉一種空間操弄 (Spatial operations)的能力，包括旋轉(Rotation)、翻轉(Inversions)、及反射(Reflections)( Ferk et al., 2003; Seddon & Moore, 1986)。視覺化是一種空間技能，包括空間視覺化 (Spatial visualization) 、空間方位 (Spatial orientation) 、及空間關係 (Spatial relations)( Barnea, 2000; Tuckey & Selvaratnam, 1993)。上述的三種視覺化的用法並非相互唯獨的建構或過程，例如，當學習者以外在視覺化作為學習的工具時，同時也建構自己的內在視覺化表徵，而這種建構的過程深受學習者本身空間視覺化能力的影響 (Gobert, 2005)。. 13 .

(28) 二、視覺化表徵的定義許多學者對視覺化表徵提出看法，有的學者由概念改變的觀點談論表徵 (Boulter & Buckley, 2000; Buckley & Boulter, 2000)，有的學者由情境認知的觀點談論視覺化表徵(Kozma & Russell, 2007)，有的學者則由訊息處理的觀點談論表徵(Paivio, 1986; Wu, Krajcik & Soloway, 2001)。由概念改變的觀點，表徵即模型體現的方式，模型(Model)一詞常用以表達學習者感知外在物理世界時，所產生或具有的內隱及外顯表徵，例如，無論在教室、博物館中，老師或學習者都藉由模型進行意義的建構，模型可以是一個想法、物件、事件、過程或系統的表徵(Gilbert & Priest, 1997，引自 Buckley & Boulter, 2000)。有些學者以心智模型(Mental model)一詞指涉學習者內隱的認知表徵，用以對現象進行推理、並敘述、解釋及預測現象 (Gentner & Stevens, 1983; Johnson-Laird, 1983; Rouse & Morris, 1986，引自 Buckley & Boulter, 2000)；有些學者以表達模型 (Expressed model) 指涉那些用以溝通及推理的外顯表徵 (Kindfield, 1993; Larkin, 1989; Larkin & Simon, 1987，引自 Buckley & Boulter, 2000)。心智模型、表達模型、及外在現象三者之間具有交互作用（如圖 2-1-1），心智模型用以理解和創造表達模型，表達模型影響了個體對外在現象的知覺，進而影響個體的心智模型，表達模型也可以用以體現個體的心智模型及外在現象 (Buckley & Boulter, 2000)。由上可知，概念改變學者關注的是模型或表徵在教學和學習中扮演的角色，學生如何透過表徵理解科學概念，而表徵如何影響學生理解科學概念。表徵一詞常用以解釋模型的內容或類型，而模型一詞常用以表達完整的表徵系統，兩者密不可分。. 14 .

(29) 心智模型. 表達模型. （體現於個體心智中）. （體現於外在）. 感知現象圖 2-1-1 模型與現象的交互關係（引自 Buckley & Boulter, 2000）. 由情境認知的觀點，表徵(Representations)在場域中扮演重要的角色，表徵使得場域中發生的人際及心理歷程得以體現或凸顯。所謂表徵，即該場域中用以體現或凸顯人際或心理歷程的資源，例如，文字、符號、手勢或圖表。化學家可以透過表徵來視覺化、討論、理解分子結構及化學過程，表達實驗室中所感知到的化學現象。表徵的意義並非鑲嵌於表徵本身，而是體現在使用表徵的過程中 (Kozma & Russell, 2007)。情境認知理論主張，在特定場域下的實體及社會元素，構成了在該場域發生的人際及心理歷程，而這些歷程則涵蓋了學習及理解 (Greeno, 1998; Lave & Wenger, 1991; Roth, 2001；引自 Kozma & Russell, 2007)。情境認知理論強調，特定場域下的實體元素，可以激發或抑制發生在該場域的活動，包括談話、思考及理解，舉例來說，實驗室中，時常以化學反應式作為表達思想或溝通的媒介，實驗室即特定的場域，化學反應式即實體元素，化學反應式可以激發與化合物的屬性有關的討論，例如，顏色、黏性及味道，而有關分子的組成、結構或分子構形之間的轉換，則不那麼被激發(Kozma, 2000；引自 Kozma & Russell, 2007)。情境認知理論不僅強調特定場域下實體與個體的互動，也強調個體與個體間的互動，當這些個體參與該場域中所發生的活動時，則被視為一個社群，社群中的個體藉由參與的過程，形成社會認同及彼此間的聯繫，個體間的認同和聯繫則影響了個體參與社群活動的動機(Kozma & Russell, 2007)。. 15 .

(30) 表徵不僅是視覺化的呈現，也是概念的建構，因此，學生要理解表徵，不僅需要具備視覺空間的能力，也要具有足夠的概念知識(Wu, Krajcik, & Soloway, 2001)。由上述情境認知理論及概念改變理論可知，情境認知理論強調個體對表徵自發的使用，在社會情境下用以溝通；而概念改變學者則著重於個體感知日常經驗、或個體感知表徵後，對概念的影響。然而，個體使用表徵或感知表徵的心智過程為何？訊息處理論提出了個體心智過程的假設性解釋。 Paivio (1986)表徵可以由具體到抽象的程度分為三個層級，最具體的層級即使用表徵體現可觀察的現象；較為抽象的層級即使用表徵指涉個體觀察現象後，內隱的認知歷程或心智模式；最為抽象的層級即以表徵描述認知系統的結構 (Structural)及功能(Functional)屬性，即二元編碼理論。就結構來說，認知系統中具有語言的(Verbal)及非語言(Nonverbal)的兩個次系統，兩個系統分別感知及處理語言刺激(Verbal stimuli)及非語言刺激(Nonverbal stimuli)；就功能來說，語言及非語言系統彼此之間可以單獨運作，也可以平行處理，兩系統之間具有交互作用(Paivio, 1986) （如圖 2-1-2）。 Wu, Krajcik & Soloway (2001)以 Paivio (1986)二元編碼理論為基礎，提出個體在解釋視覺表徵時的視覺化過程模型，稱為「二元編碼理論的視覺及概念系統 (Visual and conceptual systems of dual coding theory)」。學生理解化學表徵，可能需要建構三個基本的認知連結，這些連結包含了概念和視覺的資訊，分別為概念資訊的連結(Representational connections between conceptual information)、視覺資訊的連結(Representational connections between visual information)、及概念系統與視覺系統的對應連結 (Referential connections between visual and conceptual systems)（如圖 2-1-3）。. 16 .

(31) 語言系統. 非語言系統. (Verbal. (Nonverbal system). 語言刺激. 非語言刺激. (Verbal stimuli). (Nonverbal stimuli). 感知系統(Sensory systems) 指示連結(Referential connections). 語言根 (Logogens). 心像根指示連結. (Imagens). (Referential connections) 聯合結構. 聯合結構. (Associative structure). (Associative structure). 語言反應. 非語言反應. (Verbal responses). (Nonverbal responses). 圖 2-1-2 語言及非語言符號系統基模（引自 Paivio, 1986）. （一）概念資訊的連結 (Representational connections between conceptual information)：個體接收到外在的概念刺激後，所體現或內化的語言心智表徵，例如，「甲烷的鍵結只有單鍵，是碳氫化合物的一種」屬於外在刺激，則個體所體現或內化的語言心智表徵為，「如果碳原子的數量為 n，則氫原子的數量為 2n+2」。這種概念系統內部的連結，即概念及視覺系統中的連結一。. 17 .

(32) （二）視覺資訊的連結(Representational connections between visual information)：個體接收到外在的視覺刺激後，所體現或內化的視覺心智表徵，例如，甲烷的結構式為外在視覺刺激，則個體產生甲烷結構的心像。（三）概念系統與視覺系統的對應連結(Referential connections between visual and conceptual systems)：個體將心智中的語言表徵與視覺表徵做對應的連結，例如，將「甲烷的鍵結中只有單鍵，是碳氫化合物的一種」的概念，與甲烷的結構式做對應的連結。在教學中強化學生概念系統與視覺系統的連結，有助於學生的表徵技能，例如，能在不同的表徵間做轉換。. 概念系統. 視覺系統. (Conceptual System). (Visual System). 概念刺激. 視覺刺激. (Conceptual Stimuli). (Visual Stimuli). 由外在資源體現甲烷的鍵結只有單鍵，是碳氫化合物的一種. 連結一. 連結二. 語言表徵. 視覺表徵. (Verbal Representation) 由個體體現. 如果碳原子的數量為 n，則. 連結三. (Verbal Representation) 甲烷結構的心像. 氫原子的數量為 2n+2. 圖 2-1-3 二元編碼理論的視覺和概念系統（引自 Wu, Krajcik & Soloway, 2001）. 18 .

(33) 三、視覺化表徵的特性（一）表徵的多重性質就表徵的類型而言，Boulter & Buckley (2000)認為表徵具有五種基本的類型，包括具體的 (Concrete) 、言語的 (Verbal) 、視覺的 (Visual) 、數學的 (Mathematical)、以及動作的(Gestural)；就表徵的屬性而言，Boulter & Buckley (2000) 認為表徵的屬性可以由三種面向探討，包括質的 (Qualitative) 或量的 (Quantitative)、穩定的(Static)或動態的(Dynamic)、決定論的(Deterministic)或或然論的(Stochastic)；Buckley & Boulter (2000)則以 Goldsmith (1984)提出的兩種取向，作為分析表徵的依據，這兩種取向分別是符號學的層級(Semiotic levels)和視覺的因素 (Visual factors) ，符號學的層級包括語法的 (Syntactic) 、語意的 (Semantic) 、及實用的 (Pragmatic) ，視覺的因素包括單位性 (Unity) 、位置 (Location)、重視(Emphasis)、及文本平行(Text parallels)。這些學者以普適且完整的角度對表徵的類型或屬性提出看法，並非聚焦於化學或其他學科的表徵特性。. （二）表徵的層級有些學者就表徵的層級(Levels of representation)提出看法，認為與化學理解相關的表徵系統有三種層級 (Chandrasegaran & Treagust, 2008; Gable, 1999; Johnstone, 1993) ：巨觀表徵 (Macroscopic representations) 、次微觀表徵 (Submicroscopic representations)、及符號表徵(Symbolic representations)。 1. 巨觀表徵(Macroscopic representations)：當學習者在日常經驗中觀察物質屬性的改變，那些具有形體的、可見的現象，例如，顏色的變化、液體的 pH 值、氣體的形成、及化學反應中的沈澱。 2. 次微觀表徵(Submicroscopic representations)：由原子、分子、離子及動力學的角度解釋物質，提供粒子層面的解釋，屬於巨觀層級的背後意義，例如，在鋅粉與硫酸銅溶液的反應中，鋅由原子轉變為離子，溶液中的. 19 .

(34) 銅離子則轉變為銅原子。 3. 符號表徵 (Symbolic representations) ： Johnstone (1993) 以表徵化學 (Representational chemistry)一詞指涉與符號相關的化學知識，這個層級的表徵由質性抽象化(Qualitative abstractions)組成，屬於次微觀層級的背後意義，包括符號、方程式、計量化學、及數學。例如，鎂粉在空氣中燃燒的反應，以 2Mg(s) + O2(g) → 2MgO(s)表示。. （三）表徵的維度有些學者就表徵的維度(Dimensionality of representations)提出看法，即三維 (Three dimensional, 3D)表徵(Ainsworth, 2006; Gilbert, 2008；邱美虹和廖焜熙， 1996)、二維(Two dimensional, 2D)表徵(Ainsworth, 2006; Gilbert, 2008；邱美虹和廖焜熙，1996)、及一維(One dimensional, 1D)表徵(Gilbert, 2008；邱美虹和廖焜熙，1996)（表 2-1-1）。 1. 三維(Three dimensional, 3D)表徵：在科學課室中，三維度表徵泛指那些可以實務操作的表徵，包括手勢及具體表徵，例如球棒式分子模型。 2. 二維(Two dimensional, 2D)表徵：科學課室中常見的二維表徵有，照片（科學現象的照片、科學儀器產生的圖，如光譜）、虛擬表徵（由電腦呈現的偽 3D 圖像）、圖表、表格。 3. 一維(One dimensional, 1D)表徵：一維的表徵最為抽象，並由符號組成，科學課室中常見的有化學式、化學方程式、及數學關係式。. 20 .

(35) 表 2-1-1 表徵的維度和層級及其實例（引自 Gilbert, 2008）表徵維度表徵層級. 三維. 二維. 一維. 巨觀層級. 對日常現象的感知. 對日常現象的感知. -. 次微觀層級. 手勢、具體表徵. 照片、虛擬表徵、表格、圖表、資料矩陣. -. -. 符號及方程式. 符號層級. -. 四、視覺化表徵的評量及技能（一）心智操弄的評量及技能如前述，有些學者(Ekstrom, et al., 1976；引自 Gobert, 2005; Ferk et al., 2003; Seddon & Moore, 1986；廖焜熙和邱美虹，1996)將視覺化視為一種心智操弄的過程。Tuckey & Selvaratnam (1993)認為視覺化具有三種不同的面向，空間視覺化 (Spatial visualization) 、空間方位 (Spatial orientation) 、及空間關係 (Spatial relations)，空間視覺化，即由一個物體的二維度表徵，理解該物體三維度表徵的能力，這樣的轉換能力並不僅限於平面表徵到立體表徵的轉換，也包括了從符號理解三維度表徵的能力；空間方位，即由不同的角度透視物體形狀的能力，也就是說，即便由不同的角度觀察，也能察覺到這些都是指涉同一物體；空間關係，即視覺化操弄的能力，包括旋轉、反射、翻轉，或者由心像操弄物體的能力。 Tuckey & Selvaratnam (1993)歸納了幾個面向的三維度視覺化測驗，包括深度知覺測驗(Testing of depth perception in pictures)、模型與圖形關連測驗(Tests on ability to relate models to diagrams)、圖形的視覺化操弄測驗(Tests concerning visualization of operations on diagrams)、及化學中的三維度視覺化技能理解測驗 (Comprehensive testing of three-dimensional skills needed in chemistry)。深度知覺測驗，即利用二維度的圖形來表達圖中物件的相對位置，並且所用來繪圖的線條都. 21 .

(36) 是實線，Nicholson & Seddon (1977，引自 Tuckey & Selvaratnam, 1993)以化學中的分子結構測驗學生對深度線索(Depth cues)的知覺能力，由學生對平面分子結構圖形的解釋，探討學生偏向於二維度或三維度的詮釋；模型與圖形關連測驗，即由實體模型，找出配對的圖形選項，每一題的圖形選項都呈現一種深度線索，以瞭解受試者對哪一種深度線索較為理解，Evans & Seddon (1978，引自 Tuckey & Selvaratnam, 1993)的圖形與模型關連測驗，將模型放置於一個密閉的盒子中，使受試者透過狹縫觀察盒內的模型，並由選項中選出正確的圖形；圖形的視覺化操弄測驗用二維度的圖形表徵三維度的空間關係，並在腦中做旋轉、反射或翻轉的操弄，Shepard & Metzler (1971)以十個方塊組成的圖形，測驗受試者是否具有在心智中做三維度旋轉的能力，研究發現受試者的反應時間隨著旋轉角度的增加而增長；化學中的三維度視覺化技能理解測驗，有許多三維度視覺化技能的測驗，都利用化學中的分子結構，作為試題的元素，Tuckey, Selvaratnam & Bradley (1991) 假設視覺化的過程是一連串的邏輯步驟，以分子結構為元素，設計一系列的試題，以測試學生在哪一個視覺化的步驟中發生困難，解決視覺化問題的邏輯步驟依序為，平面圖形的視覺化、識別旋轉軸、瞭解旋轉的意義、視覺化旋轉後的結果、利用深度線索選擇旋轉後的圖形、比較所有選項以選出正確的圖形，測驗結果發現，學生在解決視覺化的問題發生困難，通常只是因為缺乏將技能和概念連結的基本能力而已。 Ferk (2000)發展了一套化學視覺化測驗(Chemistry visualization test)，測驗中包含了各種不同類型的分子表徵，試題共有五種題型，分別是知覺(Perception)、知覺和旋轉(Perception and rotation)、知覺和反射(Perception and reflection)、知覺、旋轉和反射(Perception, rotation and reflection)、知覺和資訊的心智轉換(Perception and mental transfer of information)，每一種題型都具有不同的目的，知覺測驗的目的是要探討學生對哪一種分子結構的表徵較為理解；知覺和旋轉測驗的目的是要探討學生對不同表徵的分子結構做旋轉操弄時，其結果有無差異，以及探討學生. 22 .

(37) 對 X、Y、Z 軸的旋轉操弄有無差異，進而推論哪一種分子表徵最有利於學生解決旋轉的問題；知覺和反射測驗的目的是要探討學生對不同表徵的分子結構做反射操弄時，其結果有無差異，並進而推論哪一種分子表徵最有利於學生解決反射的問題；知覺、旋轉和反射測驗的目的，是為了探討學生同時進行知覺、旋轉和反射操弄以解決問題時，是否發生困難，並進而瞭解學生最能應用哪一種表徵的分子結構解決此類型的問題；知覺和資訊的心智轉換測驗，是為了探討學生是否能由圖片中的分子表徵或者化學式，做心智的轉換並建構實體的分子結構。Ferk 等人(2003)以這一套試題，探討不同學習階段學生的三維度視覺化能力，研究結果發現，學生對三維度分子的知覺能力，是解決視覺化問題的關鍵，隨著問題情境所需的操弄步驟增加，學生的答對率也逐漸減少。 Wu & Shah (2004)歸納三種與化學學習相關的空間能力向度，分別為空間視覺化(Spatial visualization)、形狀變通(Closure flexibility)、及空間關係(Spatial relations)。空間視覺化即反映個體理解、編碼、及心智操弄空間形式的過程；形狀變通關注的是個體接收刺激後，理解及確立視覺模組(Visual pattern)的速度；空間關係與空間視覺化類似，空間關係除了關注個體心智操弄的能力外，也包含了單一結構的心智操弄，例如二維物件的轉換，空間關係也關注於心智操弄的速度。. （二）表徵能力的評量及技能由情境認知的觀點可知，言談(Discourse)是知識獲得不可或缺的元素，學生在學習談論科學(Talking science)的過程中理解科學知識(Lemke, 1990；引自 Kozma & Russell, 2007)。Kozma & Russell (2007)以表徵能力(Representational competence)一詞，指涉化學課室中不可或缺的技能和實務，個體透過各種表徵或視覺化的方式，體現思考並溝通所感知到的化學現象或知識。更進一步說明，表徵能力即，在意義建構的活動中，個體成功建構化學知識、組織表徵的意義、並. 23 .

(38) 確認自身使用表徵的能力以參與意義建構的活動。當個體所具備的表徵能力較低時，只能透過表徵的表面特性獲取知識(Chi, Feltovich, & Glaser, 1981; diSessa, Hammer, Sherin, & Kolpakowski, 1991; Kozma & Russell, 1997)，或做符號規則的應用(Krajcik, 1991)；當個體所具備的表徵能力較高時，可以在一個實務的社群中，運用各種正式或非正式的表徵解釋現象、支持論點、解決問題、並進行預測 (Amman & Cetina, 1990; Dunbar, 1995; Goodwin, 1995; Kozma, Chin, Russell, & Marx, 2000; Kozma & Russell, 1997; Woolgar, 1990，引自 Kozma & Russell, 2007)。 Kozma & Russell (2005)提出一個具有五個層級的概念結構，用以說明不同表徵能力所具有的特徵，稱為表徵能力層級(Representational competence levels)。表徵能力層級的概念結構如同發展階段一般，由最低層級的生手特徵，描述到最高層級的專家特徵，最低的層級就如同生手所具備的特徵，例如，傾向於以表面特性解釋現象；最高的層級如同專家所具備的特徵，例如，能運用各種表徵在社群中傳達想法，進而取得社群的認同。這個表徵能力的概念結構具有兩個基本的假定，第一個假定為，這五個層級的技能依循著發展的軌跡，然而，這五個層級並不是階段性的發展，像皮亞傑所謂的個人發展進程(Piaget, 1972，引自 Kozma & Russell, 2007)，而是像維高斯基的理念，所謂的發展除了關係到個體自身的發展外，還受到外在實體及社會情境的影響(Vygotsky, 1980, 1986，引自 Kozma & Russell, 2007)；第二個假定為，這五個層級的技能發展，並不是自動或單一的，首先，個體的表徵能力表現可能受到問題解決情境的影響，也就是說，個體可能在某個情境下展現較高的表徵能力層級，也可能在另一個情境下展現較低的表徵能力層級，再者，個體可能對不同形式的表徵具有不同的表徵能力層級，例如，個體在使用化學方程式時，能展現較高的表徵能力層級，在閱讀圖表時，則展現較低的表徵能力層級。經過時間及適當的學習後，個體逐漸培養更高層次的表徵能力，將這些與表徵相關的技能內化，與自身的實務整合(Kozma & Russell, 2005)。總而言之，表徵能力與化學理解兩者互補，個體無法不透過表徵來理解. 24 .

(39) 化學知識，也無法在不理解任何化學知識的情況下使用表徵。Kozma & Russell (2005)提出表徵能力的五個層級，分別為表徵描繪(Representation as depiction)、早期符號技能(Early symbolic skills)、正式表徵的語法使用(Syntactic use of formal representations)、正式表徵的語意使用(Semantic use of formal representations)、表徵的反思及修辭使用(Reflective, rhetorical use of representations)，茲分述如下： 1. 表徵描繪(Representation as depiction)：當使用表徵解釋實體現象時，個體僅能依據現象的表面特性產生表徵，也就是說，這個表徵是對現象圖像式的描述。 2. 早期符號技能(Early symbolic skills)：當使用表徵解釋實體現象時，個體能依據現象的表面特性產生表徵，這個表徵中除了包含對現象的圖像式描述外，也包含了一些符號元素，例如，使用「箭號」來表示一個與時間或動作有關的動態過程。個體可能知道一些正式的表徵，但對表徵的詮釋僅侷限於表面特性的描述而不具備語法(Syntax)和語意(Semantics) 特性。 3. 正式表徵的語法使用(Syntactic use of formal representations)：當使用表徵解釋實體現象時，個體能依據表面特性及不可觀察的背後意義產生表徵，這個表徵可能並非完全合乎科學的。個體能夠正確的使用表徵，但僅限於語法的使用(Syntax of use)，而非語意的詮釋。同理，個體能做不同表徵間的連結，然而僅能依據語法規則(Syntactic rules)或表面特性，而非依據表徵背後的意義。 4. 正式表徵的語意使用(Semantic use of formal representations)：當使用表徵解釋實體現象時，個體使用標準的符號系統體現不可觀察或具有背後意義的物體或過程。個體能依據語法規則及語意詮釋，使用表徵解釋現象。同理，個體能依據不同表徵的意義，做表徵間的連結或轉換。 5. 表徵的反思及修辭使用(Reflective, rhetorical use of representations)：當使. 25 .

(40) 用表徵解釋實體現象時，個體使用標準的符號系統體現不可觀察或具有背後意義的物體或過程。個體能依據情境選擇或建構合適的表徵，並解釋表徵合適的原因。個體能理解有些無法直接經驗的現象，僅能透過表徵來理解。個體能運用表徵在社群中進行溝通，進而成為社群的成員。上述的表徵能力層級，除了包含層次性的技能，也提及了表徵具有的各種元素，例如，表徵的形式是圖像的或符號的、表徵所表達的是表面特性或不可觀察的物體或過程、表徵的使用是語法的或語意的、表徵間的連結和轉換是語法的或語意的、選擇並解釋合適的表徵、運用表徵進行溝通。本研究提取 Kozma & Russell (2007)表徵能力層級中的元素，作為解構視覺表徵的依據，探討表徵的特性與學習理解的關連。. 五、小結綜上所述，本研究將視覺化表徵視為一種外在表徵(Gilbert, 2008)、或稱表達模型(Buckley & Boulter, 2000)，視覺化表徵可以外顯個體經日常現象觀察後所得的心智模式，也可以表達科學概念，作為個體學習科學的媒介。在視覺化的評量方面，本研究採取 Kozma & Russell (2007)對表徵能力 (Representational competence)的觀點，個體透過各種表徵或視覺化的方式，體現思考並溝通所感知到的化學現象或知識。. 26 .

(41) 第二節視覺化表徵與化學學習. 本節旨在探討視覺化表徵與化學學習的關連，共分為兩部分，一為視覺化表徵的特性與化學學習的關連，主要在說明視覺化表徵對學習者的意義；一為視覺化表徵的功能與化學學習，主要在說明視覺化表徵在教學中扮演的角色。. 一、視覺化表徵的特性與化學學習有些學者以表徵的維度說明學生對表徵的理解(Ainsworth, 2006; Copolo & Hounshell, 1995; Gilbert, 2008；邱美虹和廖焜熙，1996)。邱美虹和傅化文（1993）指出，化學學習成就較低的大學生，無法藉由二維的平面表徵，理解分子結構的空間相對位置。Copolo & Hounshell (1995)指出，許多學生無法藉由二維的表徵知覺到表徵所要體現的三維相對位置。理論上來說，三維的表徵較二維的簡單，二維的較一維的簡單(Bowen & Roth, 2005；引自 Gilbert, 2008)。有些學者以表徵的層級說明學生對表徵的理解(Chandrasegaran & Treagust, 2008; Gable, 1999; Johnstone, 1993)，Johnstone (1993)認為化學家可以自如的在三個表徵的層級間做轉換，即巨觀、次微觀、及符號，例如，能連結屋頂積雪的現象、六邊形的雪花、水的沸點、冰的晶格、H2O。Chandrasegaran & Treagust (2008) 研究結果顯示，化學教學中必須強化表徵系統的使用，以幫助學生在巨觀、次微觀、及符號表徵間做轉換。由表徵的解釋來說，Wu & Shah (2004)指出學生在解釋表徵時具有三個主要的另有概念，一為傾向於以巨觀的層級呈現化學概念，而非以微觀或符號的層級表達化學概念；二為傾向於以表面特性詮釋表徵，或傾向於理解巨觀的表徵；三為以靜態的觀點解釋化學反應。 Michalchik 等人（2008）以「表徵能力層級(Kozma & Russell, 2005)」對學生進行教學前後的評估，其測驗方式為半開放的試題形式，以「四步驟的連續問 27 .

(42) 題」，引導學生使用表徵解釋化學概念，學生的答題分為繪圖(Drawing)及解釋 (Explanations)兩部分（如圖 2-2-1）。本研究對「表徵能力層級(Kozma & Russell, 2005)」的應用提出疑問，「表徵能力層級的評分標準，是否考慮概念的正確性？」在表徵能力的五個層級中，在較低層級（層級二）的敘述中指出，學生在早期符號技能的階段，對符號的使用可能不完全正確，但在較高層級（層級四）則強調表徵與概念的相關性。以圖 2-2-1 的學生範例為例，學生已在教學前，使用 Michalchik 等人（2008）所稱的非正式符號，也就是以箭頭表示化學過程，也使用正式符號，例如化學式及化學反應方程式，依據「表徵能力層級」，此學生應屬於層級二「早期符號技能」，然而，在 Michalchik 等人（2008）的評分範例中，此學生屬於層級一「表徵描繪」。於此，本研究欲以表徵能力層級為依據，對表徵的成分進行解構。. 圖 2-2-1 表徵能力測驗學生答題範例（Michalchik et al., 2008）如上節所述，Kozma & Russell (2005)提出表徵能力層級(Representational competence levels)，共有五個層級，依能力低到高依次為，層級一「表徵描繪 (Representation as depiction)」、層級二「早期符號技能(Early symbolic skills)」、層. 28 .

(43) 級三「正式表徵的語法使用(Syntactic use of formal representations)」、層級四「正式表徵的語意使用(Semantic use of formal representations)」、及層級五「表徵的反思及修辭使用(Reflective, rhetorical use of representations)」，這五個不同程度的表徵能力層級是由社會情境下的觀察而得，並以陳述的方式，詳細描述表徵能力的五個層級所應具備的視覺表徵技能，層級二的視覺表徵能力包含了層級一的能力，層級三的視覺表徵能力則包含了層級一和二的能力，依此類推。本研究將表徵能力層級解構之後，發現此五個表徵能力層級包含了許多視覺化表徵相關技能，這些技能依照性質的不同共分為五類，本研究稱之為視覺表徵能力的五種成分，茲分述如下：（一）知覺(Perception)：用以指涉學習者在描述表徵時，所能達到的表徵層級（巨觀、次微觀、符號），共包括四種視覺化技能，一為能依據現象的表面特性產生表徵，也就是以巨觀層級的表徵解釋化學概念；二為能依據現象背後不可觀察的意義產生表徵，也就是以次微觀層級的表徵解釋化學概念；三為能以部分的符號表達現象及其背後不可觀察的意義，例如，以箭頭表達化學反應中的動態及時間本質(Kozma & Russell, 2005)；四為運用符號表達現象及其背後不可觀察的意義，例如，以化學式及化學反應式表達化學概念。（二）詮釋(Interpretation)：用以指涉學習者使用表徵詮釋化學概念時，對表徵詮釋的深入程度，共包括兩個層次，一為依據語法規則產生表徵，也可以說使用表面性的描述詮釋表徵，例如，能以化學式的命名規則產生化學式，依據表徵的形式詮釋化合物的種類等；二為依據語意產生表徵，即能詮釋表徵的背後意義，例如，能依據分子結構的形狀解釋分子的極性及其他性質。. 29 .

(44) （三）轉換和連結(Connection and transformation)：用以指涉學習者使用表徵詮釋化學概念時，在不同的表徵之間轉換的能力，共包括兩個層次，一為能依據語法規則做表徵間的連結或轉換，也就是依據表面特性做表徵之間的連結，例如，以分子中原子的個數決定是否為同種化合物；二為能依據語意做表徵間的連結或轉換，也就是依據概念做表徵之間的連結，例如，能在甲烷的化學式、結構式、電子點式之間做轉換。（四）選擇和評估(Selection and Evaluation)：用以指涉學習者使用表徵詮釋化學概念時，選擇適當表徵來表達特定化學概念的能力，即能依據情境選擇或建構合適的表徵，例如，能以電子點式解釋分子中電子共用的情形。（五）修辭學的使用(Rhetorical use)：用以指涉學習者能運用表徵在社群中進行溝通的能力，藉由使用表徵談論知識的過程，建立在社群中的地位。. 表 2-2-1 視覺表徵能力指標(VRAI) 成分次成分. 知覺巨觀. 微觀部符. 詮釋符號. 語法. 語意. 轉換和連結語法. 語意. 選擇和評估 -. 層級 Level 1. 巨觀. 無. 無. 無. Level 2. 巨觀及部分符號. 無. 無. 無. Level 3. 巨觀、次微觀、及符號. 語法. 語法. 無. Level 4. 巨觀、次微觀、及符號. 語意. 語意. 無. Level 5. 巨觀、次微觀、及符號. 語意. 語意. 選擇及評估. 30 .

(45) 本研究提取表徵能力層級(Representational competence levels)的前四個成分，作為評量學生視覺表徵能力的依據，分別為知覺、詮釋、解釋層次、轉換和連結、選擇和評估，並依據原有的表徵能力層級分級標準，將學生依答題表現高低分為五個層級，稱為視覺表徵能力指標(Visual representational ability index, VRAI)（如表 2-2-1）。本研究關注的是學習者對視覺化表徵理解的情形，也就是說，本研究將研究焦點著重於學習者與文本的互動，而非個體與個體間的互動，由表徵能力層級(Representational competence levels)提取出來的第五個成分「修辭學的使用」，涉及廣義的社會情境，非本研究著重的焦點，是以未將修辭學的使用納入本研究視覺表徵能力指標的評量向度。. 二、視覺化表徵的功能與化學學習視覺化表徵在化學學習中扮演重要的角色，Tuckey & Selvaratnam (1993)指出視覺化工具在教學中的重要角色，包括立體圖表及深度線索的使用及系統性的教導視覺化技能，例如旋轉、反射。使用視覺化工具作為教學媒介的最終目的，就是使學習者在不操弄工具的情況下，能擁有視覺化的技巧。Ferk 等人（2003）根據不同學習階段學生的三維度視覺化能力測驗結果，建議無論哪一個學習階段的學生，都需要多一點的實務任務(Practical task)，也就是以實際操作的方式增加三維度視覺化操弄的技巧。而高中的學生學習分子結構時，最初可以用實際的分子模型、圖片及電腦模擬的圖形，作為入門的基礎，因為在 Ferk 等人（2003）的研究中顯示，即便大學階段的學生，也不全然瞭解抽象的分子結構表徵，例如立體化學結構式、基模式表徵。Wu, Krajcik & Soloway (2001)以視覺化軟體 eChem 進行教學，大多數的學生在透過視覺化工具學習後，都能理解巨觀及微觀層級的概念，並能夠在化學表徵之間做轉換，視覺化工具也幫助學生進行二維及三維模型之間的連結，增進學生在不同維度表徵間轉換的能力，而這樣的能力也可能增進學生對異構物或極性等化學概念的理解，除此之外，視覺化工具能夠幫助低空. 31 .

(46) 間能力的學生對化合物進行操弄。雖然視覺化軟體增進了學生對化學表徵的理解，但將具體模型及電腦模型同時呈現，對不同學習型態的學生而言，更有學習的助益(Wu, Krajcik & Soloway, 2001)。Michalchik 等人（2008）以視覺化軟體 ChemSense 進行教學，研究結果顯示，學生由教學前對可觀察現象的表現性描述，到教學後使用化學符號對化學概念進行微觀的描述。依據二元編碼理論(Dual coding theory) (Paivio, 1986)，在訊息處理的過程中，語言和影像的編碼是兩個分開處理的頻道，但兩者之間又相互連接，因此當語言和影像兩者被二元編碼(Dual-coded)時，訊息較容易在長期記憶中被建立及檢索。有許多研究都證實視覺圖像、動畫及動態表徵有助於學習 (Mayer, 1997; Rieber, 1988, 1990,1991，引自 Ardac & Akaygun, 2005; Yang et al., 2003)。電腦化的學習環境可以將符號系統(Symbol systems)以配位(Coordinated)的方式呈現，幫助學生在不同的符號系統（巨觀-分子-符號）之間轉換(Kozma, 1991; Ardac & Akaygun, 2004)。 Williamson & Abraham (1995)研究動態與靜態視覺表徵的學習效果，結果指出動態的電腦動畫可以產生較深層的理解及較科學的心智模式，然而研究中也指出，僅僅提供動態的視覺表徵並不絕對產生較好的學習效果。導致這樣結果的可能原因為何？Lowe (2003)指出，動態的視覺表徵較靜態的表徵需要耗費更多的訊息處理過程，尤其對於原本在先前知識上程度就較低的學生而言，要在訊息處理的過程中處理較複雜的動態表徵較為困難。雖然動態的視覺表徵可以提供一些靜態表徵所無法呈現的外顯資訊，但其短暫且具有時間性的本質，對訊息處理過程來說則有更大的需求 (Lowe, 2003)。 Mayer & Moreno (1998，引自 Ardac & Akaygun, 2005)指出，由於分散注意力效應(Split attention effect)，使學習者專注於一種表徵時，容易忽略同時存在的另一種表徵。Lowe (2003)指出，分散注意力效應可能是表徵間的分散注意力效應 (Intra-representation split attention effect)，也可能是表徵內的分散注意力效應. 32 .