探討七年級學生人體體溫恆定性心智模式與其一致性之關係

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(1)國立台灣師範大學科學教育研究所碩士論文指導教授：邱美虹博士. 探討七年級學生人體體溫恆定性心智模式與其一致性之關係 Investigate the relation between seventh grade students' mental models regarding the homeostasis of human body temperature and their consistency. 研究生：白勝安. 中華民國 101 年 1 月. i.

(2) 致謝經過漫長的研究所生涯，終於要在這裡畫下句點，然後往下一階段的人生邁進。在短短的幾年裡不但獲得許多智識，也讓思考更加成熟。從設計論文研究時，就不斷思考這將來在致謝裡要如何寫下自己的感想與感謝。雖然在這些日子裡，花了不少時間跑去打羽球和拍照。然而除了健康和轉換心情之外，有時候也覺得在羽球和拍照時的心得也能與作研究互相呼應。如果把拍照當作研究，不但會注意到更多細節，也會充實影像的內容。所以在這裡我要感謝的，不只是幫助我研究的夥伴，還有與我一同歡笑的親朋好友們。首先要感謝的就是我的家人，讓我可以隨心所欲的規劃我的生活，並支持我的任何決定。他們會關心我的生活、學業，在失落時給予加油，在我回到雲林斗南時帶我吃美食、到戶外走走。進研究所前就已經對邱美虹老師的研究很感興趣，在第一學期結束後更加確認自己的方向。邱老師在研究上抱持著相當高的標準，不但刺激我們思考，更訓練我們的研究技巧，在討論論文時總是在給予意見之外不忘鼓勵。雖然跟論文研究主題沒有直接關係，但是在李田英老師、楊文金老師、譚克帄老師、張文華老師和吳心楷老師的教導和討論裡增廣了知識和見聞。剛進 group 時，常和志康學長及春風學長待在研究室裡讀書，與他們的討論中建立了許多我對研究的想法和技巧。曉蘭學姐、建坪學長和慧蓉學姐更在論文寫作期間給予許多中肯的意見和幫助，如果沒有他們，許多的困難將難以克服。還有其他在 group 度過許多研究的夥伴、在研究室一起打拼的啟哲學長、佳承學長、富閔、雪芳、韋彤、永宏……等人，在一同修課的學長姊與學弟妹們，也都給予了許多幫助。除了研究，也要感謝顏仁璽、蘇新然、小高學長、信翰、泳易、方翔、布丁學長、楊老師、芒果等許多許多羽球球友。每次走進中正堂，都能讓自己經歷不同的挑戰，讓身心在奔馳後感到舒暢。只要球場有開，總是能看到認識的球友的感覺很棒，尤其大家還會催促著我趕緊換上球衣一同打球，那也是另一種溫馨。自從開始學習攝影之後，認識了許多朋友。認識孟哲後，因為都喜歡在興致一來時就拿著相機往外跑的習慣，因此也在臉書上建立了社團，從而認識了許多朋友。除了攝影話題之外，大家在聚會時也有許多笑聲。由於篇幅有限無法將許多親朋好友一一列出，實在感到遺憾。不過在最後，我想特別感謝我的麻吉佳容和建毅，不管在學業、感情、生活還是其他方面，都能與我一同歡喜和解憂。也感謝看到這篇文章的你，希望這篇論文能對你有所幫助。. i.

(3) 摘要我國 100 學年度實施的 97 年國民中小學課程綱要中，將人體恆定性列為必頇學習的能力指標之一。美國科學促進學會在 Project 2061 科學素養的基準中，指出國中人體生理學教學不應僅側重在生理結構和功能介紹，更應強調生命維持的基本需求，包括各個層次生理結構的互動以維持穩定的體內環境。本研究以二階層診斷問卷、半結構式訪談和教學錄影施測和記錄，探討 56 名七年級學生人體體溫恆定性心智模式類型與其一致性關係表現，以及心智模式與其一致性兩者受到教學影響的前後如何發生轉變。利用九個命題陳述和五個問題情境設計問卷試題，訪談問題則包括「體溫的改變」、「體溫改變時的反應」和「體溫來源」三類。研究結果如下： 1、從教學前後的施測結果顯示，學生回答巨觀問題時答對率皆能超過 65%，然而對於微觀的題目即使在教學後仍然低於 40%，因此無法將顫抖與呼吸作用連結。 2、學生在教學後，不論巨觀或微觀答題表現皆有顯著進步。在延宕測驗中，在巨觀答題的退步未達顯著，但在微觀答題退步達顯著。 3、七年級學生的人體體溫恆定性心智模式類型有科學模式、運動模式、外因模式、不調節模式和混合模式。 4、學生在「體溫來源」、「血液循環與體溫」、「運動、食慾與體溫」和「運動、血液循環與體溫」四個命題陳述中，心智模式一致性較低。前測和後測時在「氣候溫暖」的一致性較低，到了延宕測驗才具有較高的一致性。在「寒冷時運動」的情境中，學生在三次測驗的一致性都偏低。 5、個案教師教學時較少連結生活經驗與微觀機制且未說明「氣候溫暖」和「寒冷時運動」時產熱方式和散熱方式的變化，使學生產生另有概念和降低答題一致性。研究結果顯示學生較熟悉可觀察到的巨觀現象，而不瞭解微觀機制，且在某些情境答題一致性偏低。教學應強化巨觀和微觀的連結，並涵蓋更多情境。未來研究中可以跨年級研究並結合人體體溫恆定相關「結構」和「功能」以獲得更多心智模式類型。關鍵詞：人體體溫恆定性、心智模式、概念改變、一致性 ii.

(4) Abstract Human physiology is one of the core competences in the 2008 curriculum guidelines for elementary and junior high school education which were implemented in the school year 2011. At the benchmark for science literacy of Project 2061, the American Association for the Advancement of Science points out that rather than only focusing on teaching physiological structure and its function, instruction should more emphasize on the essential requirements for life, including the interactions among all levels of the physiological structure in order to maintain the stable condition inside the body. There are 56 seventh grade students were involved. The data were collected from two-tier diagnostic instrument, semi-structure interview, and instruction. The goals were to investigate the relation between seventh grade students‟ mental models regarding the homeostasis of human body temperature and their consistency, and how they were changed after instruction. The questionnaire was designed by using nine propositions and five scenario questions, and the interview questions including the change of the body temperature, the reaction to the change of the body temperature, and the source of the body temperature. The results of the study were as follows. First, over 65 % of the macroscopic related questions were answered correctly while under 40 % of the microscopic related questions even after instruction. The students still could hardly link the concept of tremble and respiration. Second, regardless of the performance on the macroscopic questions or the microscopic questions, the students got improved significantly after instruction. At the delay-test, the students Third, the types of seventh grade students‟ mental models regarding the homeostasis of human body temperature were scientific model, exercise model, external factor model, none-adjustment model, and mixed model. iii.

(5) Forth, the students performed worse on the mental models‟ consistency at the questions regarding “the source of the body temperature”, “bloody circulation and body temperature”, and “exercise, appetite, and body temperature” than the questions regarding other propositions. They answered the questions regarding the situation of the warm weather less consistently at the pre-test and post-test than the questions regarding other situations, but got better consistent at the retention-test. When answering the questions regarding the situation of the exercise in cold weather, the students had low consistency at the three tests. Fifth, the teacher seldom connected the life experience and the microscopic mechanism. Besides, she did not explain how the heat production and the heat exchange varied at the situations of “the warm weather” and “the exercise in the cold weather”. Consequently, the students produced the alternative conceptions and answered low consistently. The results indicated that the students were familiar with the macroscopic and observable phenomenon, but they did not understand the microscopic mechanism, and answered them less consistently at some situations. The instruction should strengthen the connection between the macroscopic and the microscopic representations, and covered more contexts. Further research in this field might consider to conduct for cross-age subjects and integrate the concepts of the the homeostasis of human body temperature related structure and its functions to obtain more mental model types regarding the homeostasis of human body temperature.. Keywords: the homeostasis of human body temperature, mental model, conceptual change, consistency. iv.

(6) 目錄. 第壹章緒論 ................................................. 1 第一節第二節第三節第四節. 研究背景與動機 ........................................................................................... 1 研究目的與問題 ........................................................................................... 4 名詞釋義 ....................................................................................................... 7 研究範圍與限制 ........................................................................................... 9. 第貳章文獻探討 ............................................ 11 第一節. 心智模式 ..................................................................................................... 11. 第二節. 人體體溫恆定性相關研究 ......................................................................... 20. 第參章研究方法 ............................................ 33 第一節第二節第三節第四節第五節. 研究設計 ..................................................................................................... 33 研究對象 ..................................................................................................... 34 研究工具 ..................................................................................................... 35 研究流程 ..................................................................................................... 43 資料處理與分析 ......................................................................................... 46. 第肆章研究結果與討論 ...................................... 59 第一節第二節第三節第四節第五節. 人體體溫恆定性的另有概念 ..................................................................... 59 另有概念修正情形 ..................................................................................... 63 人體體溫恆定性心智模式類型與演變情形 ............................................. 65 答題一致性的表現情形 ............................................................................. 87 人體體溫恆定性概念連結與教學的影響 ................................................. 92. 第伍章結論與建議 ......................................... 115 第一節第二節. 結論 ........................................................................................................... 115 未來研究方向與教學建議 ....................................................................... 118. 參考文獻................................................... 120 附錄....................................................... 125 附錄一：二階層診斷問卷試題內容 ....................................................................... 125 附錄二前測和後測半結構訪談問題內容 ........................................................... 135 附錄三延宕測驗半結構訪談問題內容 ............................................................... 136 v.

(7) 表次. 表 2-2-1 表 3-3-1 表 3-3-2 表 3-3-3 表 3-5-1 表 3-5-2 表 4-1-1 表 4-2-1. 人體體溫恆定性的另有概念 ........................................................................... 29 初始的國中人體體溫恆定性命題陳述 ........................................................... 36 修正後的國中人體體溫恆定性命題陳述 ....................................................... 37 體溫恆定性二階層問卷雙向細目表 ............................................................... 41 二階層問卷選項與心智模式的對應 ............................................................... 53 各個心智模式對於三種現象的解釋 ............................................................... 58 學生在前測、後測和延宕測驗中問卷兩個階層的答題表現 ....................... 60 學生在教學前後和延宕測驗的問卷答題進步情形 ....................................... 63. 表 4-2-2 表 4-3-1 表 4-3-2. 兩組學生在教學前後各個命題陳述相關問題的進步情形 ........................... 64 人體產熱方式的心智模式演變途徑 ............................................................... 67 人體散熱方式的心智模式演變途徑 ............................................................... 69. 表 4-3-3 表 4-3-4 表 4-3-5 表 4-3-6 表 4-3-7 表 4-3-8 表 4-3-9. 人體體熱來源的心智模式演變途徑 ............................................................... 70 食慾與體溫關係的心智模式演變途徑 ........................................................... 72 血液循環系統與體溫關係的心智模式演變途徑 ........................................... 73 排汗與體溫關係的心智模式演變途徑 ........................................................... 75 運動與體溫關係的心智模式演變途徑 ........................................................... 77 運動、食慾與體溫關係的心智模式演變途徑 ............................................... 78 運動、血液循環和體溫關係的心智模式演變途徑 ....................................... 80. 表 4-4-1 表 4-4-2 表 4-5-1 表 4-5-2 表 4-5-3 表 4-5-4 表 4-5-5 表 4-5-6 表 4-5-7 表 4-5-8. 三次測驗中各個命題陳述的心智模式一致性進步情形 ............................... 89 三次測驗中各個情境的情境相依性進步情形 ............................................... 91 前測時學生對於體溫的改變的解釋 ............................................................... 94 前測時學生預測體溫改變的反應 ................................................................... 96 後測時學生對於體溫改變的解釋 ................................................................. 101 後測時學生預測體溫改變的反應 ................................................................. 103 延宕測驗時學生對於體溫改變的解釋 ......................................................... 107 延宕測驗時學生預測體溫改變的反應 ......................................................... 108 前測、後測和延宕訪談時學生的心智模式類型 ......................................... 111 個案教師教學口語資料分析 ......................................................................... 113. vi.

(8) 圖次. 圖 1-1-1 人體體溫恆定機制相關生理結構 ..................................................................... 2 圖 2-1-1 孩童地球形狀心智模式類型 ........................................................................... 14 圖 2-1-2 心智模式的概念假設認知結構 ....................................................................... 16 圖 2-1-3 學生的血液循環心智模式 ............................................................................... 18 圖 2-1-4 Chi 的本體樹理論架構 ..................................................................................... 19 圖 2-2-1 學生的血糖恆定性心智模式範例 ................................................................... 30 圖 3-3-1 二階層診斷試題發展過程 ............................................................................... 35 圖 3-3-2 人體體溫恆定性專家概念圖 ........................................................................... 38 圖 3-4-1 圖 3-5-1 圖 3-5-2. 研究流程圖 ....................................................................................................... 45 不調節模式 ....................................................................................................... 50 外因模式 ........................................................................................................... 51. 圖 3-5-3 圖 3-5-4 圖 4-1-1 圖 4-1-2 圖 4-3-1 圖 4-3-2 圖 4-3-3. 運動模式 ........................................................................................................... 51 科學模式 ........................................................................................................... 52 兩組學生在前測、後測和延宕測驗各個命題陳述的答題百分比表現 ....... 61 學生在前測、後測和延宕測驗各個命題陳述的進步情形 ........................... 61 人體產熱方式的心智模式分布情形 ............................................................... 66 人體散熱方式的心智模式分布情形 ............................................................... 68 人體體溫來源的心智模式分布情形 ............................................................... 70. 圖 4-3-4 圖 4-3-5 圖 4-3-6 圖 4-3-7 圖 4-3-8 圖 4-3-9 圖 4-3-10 圖 4-3-11 圖 4-3-12 圖 4-3-13 圖 4-4-1. 食慾與體溫關係的心智模式分布情形 ........................................................... 71 血液循環系統與體溫關係的心智模式分布情形 ........................................... 73 排汗與體溫關係的心智模式分布情形 ........................................................... 74 運動與體溫關係的心智模式分布情形 ........................................................... 76 運動、食慾與體溫關係的心智模式分布情形 ............................................... 78 運動、血液循環和體溫關係的心智模式分布情形 ....................................... 79 心智模式一致性標準超過 50%時的心智模式分布情形 ............................. 82 心智模式一致性標準超過 33%時的心智模式分布情形 ............................. 83 心智模式一致性標準為超過 50%時主要心智模式的改變情形 ................. 85 心智模式一致性標準為 33%以上時主要心智模式的改變情形 ................. 86 三次測驗中各個命題陳述的心智模式一致性表現情形 ............................... 88. 圖 4-4-2 圖 4-5-1 圖 4-5-2. 三次測驗中各個情境的情境相依性表現情形 ............................................... 91 課本人體體溫恆定機制內容片段 ................................................................. 113 學生的心智模式、教學與二階層診斷測驗的互動關係 ............................. 114. vii.

(9) viii.

(10) 第壹章. 緒論. 一個研究的形成需要經過許多的思考和行動，在此過程中有許多階段與科學研究的方法可以互相呼應，包括觀察、提出問題、參考文獻資料、提出假說、設計實驗、分析實驗數據和討論及結論。在本章研究者將透過四個部份初步介紹研究如何形成以及其概略的樣貌，這四個部份分別為：研究背景與動機，說明研究者觀察到目前科學教育中有哪些待解決的問題，這一些問題形成的背景和研究者進行研究的動機為何；研究目的與問題，說明在前一節的背景和動機下，研究者有哪些想要探討的主題和想要解決的困難，並根據這些目的提出哪一些待回答的問題；名詞釋義，在這一節會說明一些術語在本研究中的操作型定義；研究範圍與限制，說明在本研究中所得到的研究結果在解釋和推論時其適用的範圍和限制。. 第一節研究背景與動機生命科學在描述生物個體時，從五個層次探討其組成層次，由小到大分別是細胞、組織、器官、器官系統和個體。在 Chi 的研究中依照血流路徑和心臟組成，將學生對血液循環系統的認知分成無循環模式、潮流模式、單循環模式、單循環與肺模式、雙循環-1 模式和雙循環-2 模式(Chi, de Leeuw, Chiu, & LaVancher, 1994)。因此研究者提出幾個疑問：學生對於不同的器官系統是否皆能形成一個心智模式？學生在前述的五個層次裡，是否皆抱持數個心智模式？是否能將學生同一組成層次的數個心智模式視為組成成份，進而形成另一個層次的心智模式，如心臟、血管和血液的心智模式結合成血液循環系統的心智模式(Chi et al., 1994)？在生命科學中探討人體恆定性的觀念時，我們必頇結合相關的器官系統的功能以說明恆定性維持的機制。那麼學生對於人體恆定性的心智模式是否能將相關的器 1.

(11) 官系統的心智模式結合呢？當研究者根據上述的思考開始設計研究時，發現若要針對整個人體恆定性探討心智模式時，將使整個研究過於龐大。人體恆定性在國中生物被分成四部份介紹，分別是體溫恆定性、氣體恆定性、血糖恆定性和體液恆定性(林英智，2009；郭重吉，2009；陳世煌，2009)。研究者檢視過國中生物課程中四種恆定性的概念及概念之間的關係後，發現人體體溫恆定機制涉及許多的生理構造，包括血液環系統、外分泌腺(汗腺)、消化系統、肌肉組織和神經系統，如圖 1-1-1。人體體溫恆定機制還包括許多微觀的層面，例如在粒線體中進行的呼吸作用、汗水的蒸發等。因此研究主題聚將探討國中學生對於人體體溫恆定性持有哪些心智模式類型，以及其心智模式的組成內容。. 圖 1-1-1. 人體體溫恆定機制相關生理結構. 然而人體體溫恆定性是否為一個值得研究的主題呢？一些研究分析人體體溫恆定性概念後，從概念的特性和本體類別說明人體體溫恆定性不易學習。人體體溫恆定性屬於整合性的概念，不但在維持機制中涵蓋許多器官系統，更包括現象和微觀兩個層次，不但複雜且不易學習。如果學生對於各個器官系統抱持許多另有概念時，學習恆定性時是否會產生更多的另有概念—即與科學概念不同的概 2.

(12) 念？換句話說，學生於各個器官系統的學習程度，是否與相關恆定性的學習程度成正相關？研究者認為答案是肯定的。許多研究也認為學生必頇對相關的人體器官系統有較完整的瞭解後，對於體溫恆定性才能有整體性的理解(Chang, 2007; Westbrook & Marek, 1992; Simpson & Marek, 1988; 林陳涌和徐毓慧，2002)。 Chi(2008)認為我們可以依照科學概念的本體屬性，將它們分類到實體本體、過程本體和心智狀態三個類別底下，這三個類別即 Chi 所指稱的本體樹。當學生持有的概念本體屬性與科學概念本體屬性分到不同本體類別時，不但學生無法理解科學概念，而且持有的概念很難轉變。因為概念分別屬於不同本體類別時，因為具有不同的本體屬性而無法溝通協調，即概念具有不可共量性。Barak 和 Gorodetsky(1999)認為解釋人體體溫恆定性概念時，必頇知道透過許多相關生理結構的協調合作，在不同的環境變化下調節體溫以維持恆定性的過程，因此屬於過程本體的概念。他們的研究結果指出學生常常誤以物質屬性概念解釋體溫調節過程，例如他們覺得動物是透過身上的毛皮或脂肪來維持體溫。黃佳杏(2007)認為體溫恆定性概念不但是過程本體概念，更具有突現的屬性：抽象的、動態的、持續的、整體的和具回饋性的。但是七年級學生無法理解體溫恆定性中突現本體的概念屬性，導致學生學習體溫恆定性概念產生困難。因此本研究藉由二階層診斷問卷和半結構式訪談，瞭解七年級學生學習人體體溫恆定性的情況，以及他們持有的概念。接著依照他們連結人體體溫恆定性概念的交互關係，根據其階層性和系統性分析他們人體體溫恆定性心智模式的類型。並在問卷和訪談中，設計不同情境的問題，探討問題情境是否影響學生作答。. 3.

(13) 第二節研究目的與問題本研究希望能透過二階層診斷問卷和半結構式訪談瞭解七年級學生學習人體體溫恆定性的情況，首先探討學生持有的概念和教學後的修正情形，其次依照概念之間連結的關係，探討學生的心智模式類型和其演變途徑。接著根據學生在不同問題情境的答題狀況，分析學生的心智模式一致性表現情形。本研究的研究目的條列如下：研究目的 1、探討七年級學生持有的人體體溫恆定性另有概念。研究目的 2、探討七年級學生在教學後和延宕測驗中另有概念修正情形。研究目的 3、探討七年級學生持有的人體體溫恆定性心智模式類型。研究目的 4、探討七年級學生在教學後和延宕測驗中心智模式演變情形。研究目的 5、探討七年級學生答題一致性的表現情形。研究目的. 6、探討七年級學生連結人體體溫恆定性概念的方式以及教學的影響。. 根據研究目的 1，提出兩個研究問題：研究問題 1-1. 七年級學生持有哪些人體體溫恆定性的另有概念？. 研究問題. 七年級學生在前測、後測和延宕測驗中，二階層診斷問卷的答. 1-2. 對率為何？. 根據研究目的 2，提出兩個研究問題：研究問題. 2-1. 七年級學生在後測和延宕測驗的答題情形，與前測相比是否有顯著進步？. 研究問題. 2-2. 七年級學生在延宕測驗的答題情形，與後測相比是否有顯著進步？. 4.

(14) 根據研究目的 3，提出兩個研究問題：研究問題 3-1. 七年級學生持有哪些人體體溫恆定性心智模式類型？. 研究問題. 七年級學生在前測、後測和延宕測驗中，人體體溫恆定性心智. 3-2. 模式分布情形為何？. 根據研究目的 4，提出兩個研究問題：研究問題. 4-1. 七年級學生在前測、後測和延宕測驗中，人體體溫恆定性心智模式演變途徑為何？. 研究問題. 4-2. 七年級學生在前測訪談、後測訪談和延宕訪談中，人體體溫恆定性心智模式演變途徑為何？. 根據研究目的 5，提出三個研究問題：研究問題. 5-1. 七年級學生在前測、後測和延宕測驗中，心智模式一致性的表現為何？. 研究問題. 5-2. 七年級學生在後測和延宕測驗的心智模式一致性，與前測相比是否有顯著進步？. 研究問題. 5-3. 七年級學生在延宕測驗的心智模式一致性，與後測相比是否有顯著進步？. 研究問題. 5-4. 七年級學生在前測、後測和延宕測驗中，情境相依性的表現為何？. 研究問題. 5-5. 七年級學生在後測和延宕測驗的情境相依性，與前測相比是否有顯著進步？. 研究問題. 5-6. 七年級學生在延宕測驗的情境相依性，與後測相比是否有顯著進步？. 5.

(15) 根據研究目的 6，提出兩個研究問題：研究問題. 6-1. 七年級學生在前測、後測和延宕測驗中，如何連結人體體溫恆定性概念？. 研究問題 5-2. 教學對七年級學生連結人體體溫恆定性概念的影響為何？. 6.

(16) 第三節名詞釋義一、人體體溫恆定性(homeostasis of human body temperature) 當人體體外或體內環境改變時，便會啟動調控機制維持穩定的體內環境。因此當人體體溫高於或低於正常範圍時，便會啟動體溫恆定機制讓體溫恢復到正常範圍內。透過溫度感受器(包括熱覺受器和冷覺受器)偵測體溫的變化，將訊息傳遞給下視丘以促進或抑制體溫恆定機制維持體溫恆定性。此回饋路徑依賴三個不同功能的組成成分：接受器、控制中心和效應器。接受器負責偵測體溫的變化，控制中心接收來自接受器的訊息，經處理訊息後產生適當的反應指令給效應器以做出反應。因此接受器即為溫度感受器，控制中心為下視丘，效應器為骨骼肌、汗腺等生理結構。不同於外溫動物以行為調節體溫的方式，人類主要透過代謝產生的熱量維持體溫恆定性，因此屬於內溫動物。因此本研究探討七年級學生是否理解效應器調節體溫的過程，或誤以外溫動物維持體溫的方式解釋，因此分析範圍不包含接受器和控制中心。. 二、心智模式(mental model) Vosniadou、Vamvakoussi 和 Skopeliti(2008)認為我們在觀察生活現象或接收社會文化資訊時，會將它們儲存在大腦的記憶裡。當我們需要解決問題或者解釋現象時，會存取這些記憶產生一個認知結構以回答問題。依照其概念之間的連結關係和系統性，將此認知結構稱為心智模式。因為心智模式為內隱且抽象的知識，因此在研究中分析學生在問卷和訪談的回答，形成外顯的概念圖來表徵他們的人體體溫恆定性心智模式。. 7.

(17) 三、心智模式的一致性(consistency of the mental models) 當我們要解釋不同現象或解決不同問題時，接受到不同情境的資訊與大腦的認知結構結合，因此產生幾個心智模式。Vosniadou(1994)探討孩童的地球形狀和日夜循環的心智模式時，因為是屬於相關的天文現象，所以他認為若地球形狀心智模式和日夜循環心智模式的解釋沒有矛盾，則具有一致性。例如若學生認為地球是靜止的物理物體時，便會以地心說解釋日夜循環，太陽和月亮繞著地球旋轉的結果。本研究的問卷和訪談中，皆涵蓋不同情境的問題。若學生在不同情境的問題中，能夠以相同心智模式回答則具有高一致性，反之其心智模式的一致性較低。. 8.

(18) 第四節研究範圍與限制本研究有幾項研究範圍與限制分別敘述如下：一、本研究探討的科學概念範圍僅針對國中生物課程中，人體如何透過效應器維持體溫恆定性的過程，而不包括感受器和控制中樞等回饋路徑。因此研究結果不宜過度推論到其他科學概念內容。二、本研究的研究對象僅 56 名新北市七年級學生，人數不多且並非分布到不同的地區。因此研究結果不宜過度推論到其他地區或不同年齡學生的學習情況，需要有更多實證研究支持。三、個案教師以講述法進行教學，且本研究並未設計教學，因此研究結果不宜推論到其他教學法的影響。. 9.

(19) 10.

(20) 第貳章. 文獻探討. 本章將介紹與研究主題相關的文獻，包括體溫恆定性和心智模式兩個部份。在形成和進行研究的過程當中，必頇不斷回顧文獻以瞭解相關的領域中研究趨勢，有哪些問題已經解決，有哪些問題需要設計研究解決。透過文獻探討，對相關理論有更深入的瞭解後，研究者更能瞭解研究的方向和討論研究結果。. 第一節心智模式一、從概念到心智模式在 1970 年代左右許多學者即開始探討學生的概念和科學概念有哪些差異，從這些學生概念的研究中給予教學實務一些建議，如教學時我們必頇瞭解學生的先前知識，以及教學前後學生可能持有哪些與科學概念不同的想法。奠基於這些學生概念的研究上，後續研究焦點朝向學生的概念轉變成科學概念的過程，並探討為何部份概念不易發生改變。此時有許多科學哲學、認知心理學的理論影響科學教育研究的方向，並為學生概念的研究帶來一些啟示。Kuhn 提出的典範轉移和 Lakatos 提出的研究綱領說明在科學社群中，理論和科學家的概念如何發生改變。Piaget 在孩童的訪談過程中，發現孩童面對生活中觀察到的現象時會進行解釋。若他們能以舊的經驗解釋時，會將外來的資訊同化到原有的認知結構中。如果與原有的知識產生矛盾時，則必頇調整原有的認知結構，Piaget 稱之為調適。當孩童能同化新資訊時，即處於認知帄衡的狀態，反之則為認知失衡。Posner、 Strike、Hewson 和 Gertzog(1982)根據 Kuhn、Lakatos 和 Piaget 的理論，提出學生概念改變的理論，他們認為學生概念改變的過程跟科學理論的轉變類似。Posner 等人認為學生的概念發展若滿足了四個條件，將會發生概念改變。首先是學生面臨新資訊時，發現舊有的概念無法解釋因而感到不滿足。其次學生可能發現或接 11.

(21) 收一個新的概念，且他能夠理解這個概念。另外學生必頇覺得新的概念是合理的，且這個概念必頇與其他概念具有一致性，否則無法被認同。最後是這個新的概念必頇能解釋許多現象，當適用的範圍越大時，在學生的概念生態裡將佔有更大的優勢地位。因此一些研究便希望透過營造與學生先前概念發生衝突的情境，幫助學生的概念發生改變，如 White 和 Gunstone 的預測-觀察-解釋教學(1992，引自邱美虹，2000)以及 Chinn 和 Brewer(1998)提出學生面對異例的反應。然而學生持有數以千計與科學概念相異的想法，教師無法在教學中將這些概念一一修正。於是「哪一些概念比其他的概念更不易修正？」以及「這些概念不易修正的原因為何？」成了許多學者想要探討的方向(Chi, 2008; Vosniadou, Vamvakoussi, & Skopeliti, 2008)。許多研究者認為學生的概念組成具有系統性，如果能找到在此概念系統中扮演關鍵角色的元件，以及它如何影響整個概念系統，將是幫助學生概念改變的最佳著力點。以下文獻回顧將呈現幾位研究者如何探討學生的心智模式，以及心智模式在研究中所扮演的角色。. 二、Vosniadou 的架構理論、預設與心智模式雖然在近三十年來心智模式的研究逐漸受到大家重視，但是早在 1943 年 Kenneth Craik 就已經提出心智模式的想法。他認為大腦裡有一個內在模型可以對應到真實世界的現象中，藉由此模型可以對現象進行思考、推理和預測。雖然後續仍有部份研究者針對心智模式討論，但並未成為顯學。直到 1980 年代才開始受到重視，越來越多的研究投入其中。Johnson-Laird(1983)在說明心智模式的功能時，認為它具有結構性(structural)、行為的(behavioral)和功能的(functional)，且能類比到真實世界。此外他特別強調，心智模式具有歸納和演繹等邏輯推理功能。 Vosniadou 和 Brewer(1992) 認為孩童的認知結構具有系統性，是似理論的 (theory-like) ，在學習成長的過程中認知結構會不斷修正。因此他採納. 12.

(22) Johnson-Laird 的想法，認為心智模式可以類比到我們所感覺或知覺的世界現象。當我們觀察到現象後，想要瞭解、解釋、預測或解決問題時，根據特定的目的在大腦形成認知結構，所以心智模式是對事件狀態的類比表徵。組成心智模式的元件帄時儲存在大腦記憶中，需要時從中提取出來。每次形成心智模式時，接收到的資訊和存取元件的方式都不一樣，因此其結構具有動態性。由於元件與元件之間都有一定的組成規則，甚至依照它們的關係產生階層，所以具有系統性。模型的組成規則之間會根據邏輯連結在一起，在模型內是融貫的。當他們面對不同現象時，會以同一個心智模式解釋而有一致的表現。於是他假設孩童對於地球形狀的另有概念具有一致性以及孩童對地球形狀的理解有困難。他訪談 20 個一年級 (帄均六歲九個月)、20 個三年級(帄均九歲九個月)和 20 個五年級(帄均十一歲)的孩童，瞭解他們對地球形狀的想法。訪談內容包括事實性 (factual)和衍生性 (generative)的問題。事實性的問題可以在文化資訊或教學中獲得答案，例如「地球的形狀是什麼？」。衍生性的問題無法在文化資訊或教學中獲得答案，例如「如果你一直往前走，會從地球邊緣掉落嗎？」將孩童每一個回答編碼以呈現心智模式類型時，不一致的回答分成可接受誤差和不可接受誤差。可接受誤差為語義錯誤或表達不明確，不可接受誤差表示回答與心智模式不一致。例如孩童一開始回答地球的形狀是圓形，但並未指出是像圓盤狀(表達不明確)或是像球體的圓(語義錯誤)。在孩童心智模式的編碼中，僅容許孩童產生一次可接受誤差。研究結果顯示孩童持有六種地球形狀心智模式，分別是球形地球、扁帄球形地球、中空球形地球、圓盤狀地球、方形地球和雙地球模式。其中約有 19%孩童產生不一致的混合模型，約有 17%孩童產生可接受誤差。Vosniadou 和 Brewer 將孩童的心智模式分成三類，如圖 2-1-1：第一類是未受過成人資訊影響的初始模式(initial model)，包括方形地球和圓盤狀地球；第二類是結合成人資訊和初始模式所形成的綜合模式(synthetic model)，包括雙地球模式、中空球形和扁帄球形；以及第三類的科學模式，即球形地球。. 13.

(23) 科學模式球形地球. 綜合模式扁帄球形地球. 雙地球. 中空球形地球. 初始模式圓盤狀地球圖 2-1-1. 方形地球. 孩童地球形狀心智模式類型(Vosniadou 和 Brewer，1992). Vosniadou 和 Brewer(1994)引用 Kuhn 提出的評論科學理論標準，採用其中三項來評析孩童的對日夜循環的解釋。第一項標準是正確性(accuracy)，孩童透過理論推論的結果應該與觀察和實驗結果一致，因此孩童對日夜循環的解釋必頇要與晝夜變化的現象對應。第二項標準是一致性(consistency)，孩童地球形狀的心智模式不能與日夜循環的心智模式衝突。第三項標準為簡約性(simplicity)，透過太陽在夜間消失和月亮在日間消失的解釋機制相似度來檢視。孩童的邏輯一致性不需要以相同的機制解釋所有天體的出現和消失，但是必頇使用同一個機制解釋同一個天體。因此使用相同的太陽、月亮和星星的出現和消失機制解釋日夜循環，不只擁有邏輯一致性，還具有簡約性。Vosniadou 和 Brewer 訪談 20 位一年級、 20 位三年級和 20 位五年級的孩童，題目包括四題「太陽在夜間消失」、兩題「解釋日夜循環」、四題「月亮移動」和三題「星星在日間消失」。如果孩童在「解釋日夜循環」提到日夜循環與月亮和星星的關係，必頇解釋月亮和星星的出現與消失。研究結果指出孩童日夜循環心智模式共有九種，並可分成初始模式、綜合模式和科學模式三種類型。比較三個年級的孩童心智模式分布比例後，低年級孩童. 14.

(24) 在初始模式比例較高，高年級在綜合模式比例較高。此外，隨著年級提高，孩童產生不一致性的比例也跟著提高。Vosniadou 和 Brewer 認為造成孩童不一致的比例提高原因，可能是因為他們無法同化初始模式和科學模式，因此產生混合模式。他們發現地球形狀心智模式會影響日夜循環心智模式，持有扁帄地球模式的孩童皆形成日夜循環初始模式，而且持有中空球形地球心智模式的孩童不易形成具有一致性的日夜循環心智模式。十二位持有中空球形地球心智模式的孩童中，有七位產生日夜循環混合模式。檢驗孩童解釋架構的正確性後，持有初始模式和綜合模式的孩童都能將推論結果與觀察一致，但是綜合模式卻包含對科學概念的錯誤表徵。多數學生都能以相同機制解釋太陽和月亮的消失，但卻與星星的解釋機制不同。因為太陽和月亮的消失屬於不同但相關的現象，因此這些學生的解釋具有簡約性。 Vosniadou (1994)整合地球形狀、日夜循環、力學和熱的研究結果，提出架構理論(framework theory)，如圖 2-1-2。由於學生的概念鑲嵌在理論中，因此心智模式產生的過程中會受到雙重限制，分別是特定理論和架構理論。此過程的源頭為架構理論的兩種預設，包括本體論的預設和認識論的預設。當學生在觀察和接收社會文化的資訊時，會受到架構理論的影響而產生信念，這些信念即組成特定理論。因此 Vosniadou 依照不同的預設，將孩童的心智模式分成初始模式、綜合模式和科學模式。初始模式包括圓盤和方形地球模式，僅受生活經驗中產生的預設影響，分別是「地面是帄的」和「未支撐的物體會掉落」。年紀越小的孩童受到文化和教學的影響越小，因此擁有初始模式的比例較高。受到文化和教學的影響後，孩童的預設會結合或修正學習後的資訊而產生綜合模式，包括雙地球模式和中空球形模式以及扁帄球形模式。因為預設不易被修正，因此將球形地球的知識直接與初始模式結合產生雙地球模式較為容易。當孩童開始修正錯誤的預設後，就能產生與科學模式較為相似的中空球形模式和扁帄球形模式。當預設完全修正後，孩童才能持有科學模式。在日夜循環的研究中也支持年級越高，綜合模式的. 15.

(25) 比例越高的結果。. 架構理論. 特定理論. 本體論預設. 觀察和文化資訊. 認識論預設. 信念. 心智模式. 圖 2-1-2. 心智模式的概念假設認知結構(Vosniadou, 1994). Vosniadou、Vamvakoussi 和 Skopeliti (2008)認為由於預設鑲嵌在架構理論內形成具融貫性的解釋系統，並且在每日的生活經驗中不斷被重新驗證，因此很難修正。由於架構理論裡包含認識論和本體論的預設，許多科學概念必頇修正初始概念的本體類別才能理解。例如在地球形狀心智模式中，必頇將地球從物理物體 (physical object)變成天體(astronomical object)。當他們持有初始模式時，即使在教學中呈現科學資訊，仍會被他們以豐富化(enrichment)的方式加進既有認知架構中。因此他們是以由下往上(bottom-up)的方式，藉由零碎的資訊改變認知架構。但最後可能沒有改變初始模式，或造成不一致的混合模式。好一點的情況下則會藉由同化新資訊產生綜合模式，因為他們可能修正部份預設。因此若要改變他們的心智模式，必頇藉由上到下(top-down)的方式修正他們的預設，但這正是科學概念不易學習的原因。造成混合模式和綜合模式的差異在於，持有綜合模式的孩童的意識到認知結構內衝突的存在，並以獨特的方式建構出自己的解釋架構。因此由上到下和知覺衝突，是達到根本概念改變(radical conceptual change)最好的方. 16.

(26) 式。. 三、信念、心智模式與本體論的比較在生命科學中生物個體的組成可以被分成五個層級，從細胞、組織、器官、器官系統一直到個體。較小的組成層級依照相關的功能組成較大的層級，例如血液、血管和心臟組成血液循環系統。Chi 等人(1994)認為要瞭解血液循環系統必頇具有系統性解釋，即系統中所有層級組成成份的交互作用。因此她們解構血液循環系統，辨認組成成份的結構、功能和行為。如果能知道每一個成份的特徵，就能推論成份內和成份間的關係。此外，還可以將成份間的互動趨勢分成依照局部成份的目的或整體系統的目的。從她們分析學生對血液循環系統文本產生的自我解釋中發現，高自我解釋能力者比低自我解釋能力者更能整合成份內和成份間的資訊。因此她們認為與其片段的呈現學生的理解，不如整合學生在不同主題問題的回答，瞭解他們對血液循環系統的認知。在訪談過程中要求學生畫出血液循環途徑，與學生在訪談中關於血流和血液循環系統結構的回答結合，形成血液循環系統心智模式。研究結果發現學生持有六種心智模式，包括無循環模式、潮流模式、單循環模式、單循環與肺模式、雙循環模式-1 和雙循環模式-2，如圖 2-1-3。 Chi 和 Roscoe(2002)認為不同心智模式的差異，可以從融貫性(coherence)、正確性(correctness)和完整性(completeness)區分。具有融貫性的心智模式由系統性連結的命題所組成，可以產生一致性和可預測的解釋。但具有融貫性的心智模式可能是正確，也可能是有瑕疵的。有瑕疵的心智模式不必全部都是錯誤的命題，可能只是部份錯誤而已。若學生持有融貫但有瑕疵的心智模式，因為他們仍能給予一致的回答，因此不會知覺到他們缺乏深層理解。一個心智模式組成中，有幾個關鍵的命題。因此完整性指的是，該心智模式涵蓋關鍵命題的比例。Chi(2008) 從三個向度比較概念改變，包括信念、心智模式和本體類別。對概念改變最直覺的想法，即使把錯誤、有瑕疵的想法修正，即 Chi 所指的信念修正(false belief)。. 17.

(27) 如果接受到正確的資訊與先前信念產生矛盾，便能將錯誤的信念修正。然而在任何科學概念領域中，皆有許多錯誤信念，要一一修正不但費時且不易辦到。此外，有些錯誤信念並無法被輕易的修正，如力學、溫度與熱等。將相互關聯的概念連結形成心智模式，在此心智表徵中有幾個關鍵的信念。透過修正關鍵信念，即能將心智模式中的概念關係修正成科學模式。然而在教學後，仍有許多學生的關鍵信念無法修正。因此 Chi 提出本體樹理論，說明為何有些概念改變是困難的，如圖 2-1-4。Chi 將科學概念分類至三棵本體樹，包括實體、過程和心智狀態。學生將概念分類至錯誤的本體類別，導致另有概念與科學概念不可共量，為學習困難與概念難以改變的原因。. 無循環模式. 單循環與肺模式圖 2-1-3. 潮流模式. 雙循環模式-1. 單循環模式. 雙循環模式-2. 學生的血液循環心智模式(Chi, de Leeuw, Chiu, & LaVancher, 1994). 18.

(28) 實體. 過程. 可被容納的. 佔有時間的. 心智狀態. 有重量的佔有空間的. 具體物體. 物質. 直接. 突現. 有形狀的. 可塑造的. 有可辨認因果關係. 無可辨認因果關係. 可被投擲. 可改變狀態的. 生物. 人造物質. 可移動. 可被移動. 可生殖. 不能生殖. 動物. 鳥. 哺乳類. 玩具. 爬蟲類. 家具. 椅子. 桌子. 知更鳥. 圖 2-1-4 Chi 的本體樹理論架構(Chi, 2008). 19. 情緒. 意圖.

(29) 第二節人體體溫恆定性相關研究一、恆定性在科學史上的發展早在亞里斯多德的年代這種體內環境維持穩定的想法就已經被認為與健康相關，只是當時還不瞭解有哪些生理變數需要維持穩定，以及如何維持(Widmaier, Raff, Kevin ＆ Widmaier, 2006)。被稱為現代醫學之父的古希臘時代哲學家 Hippocrates 認為人體透過四種體液來維持體內的帄衡，包括血液、黃色膽汁、黑色膽汁和黏液，分別對應到當時被認為孙宙組成元素的風、火、土和水。十九世紀法國生理學家 Claude Bernard 在實驗中觀察到身體自動帄衡的現象，例如藉由神經控制血管的擴張跟收縮，可以控制體熱的分布和體溫的高低。於是 Bernard 認為不論體外環境如何改變，維持體內環境穩定才能維持生命和健康。後來美國生理學家 Walter B. Cannon 發現當人們面對壓力時，情緒和內分泌激素會改變原本穩定的生理機制，因此他將「維持體內環境穩定」的想法修正為「在穩定的狀態下仍有些許的變化」。後來他在「身體的智慧」(The wisdom of the body)這本書中結合 2 個希臘字提出恆定性(homeostasis)一詞，認為體內環境受到威脅而無法維持恆定時，會透過各個組織合作來維持體內環境的帄衡。雖然「體內環境維持穩定」的想法已經被許多人接受，但是有兩個部份是恆定性理論在科學史上發展的關鍵。第一個是體內環境必頇維持的具體參數，從生活經驗即可觀察到的體液，到細胞內外的養分、氣體和體溫等。第二個是維持恆定的機制，從動手術放出體內多餘的體液，到各個器官系統甚至細胞內生理功能的合作協調。第三個是對恆定的想法，原本認為體內應當維持在固定的靜態帄衡狀態，後來修正成在特定範圍內有變化的動態帄衡。. 20.

(30) 二、恆定性是重要的概念美國科學促進學會(American Association for the Advancement of Science, AAAS)在 Project 2061 科學素養的基準中，明訂帅稚園-二年級、三年級-五年級、六年級-八年級、九年級-十二年級這四個階段所必頇具備科學素養。在人體組織 (The Human Organism)這項基準底下還有六項次基準，其中一項為基本功能 (Basic Functions) ，其內容部份說明節錄如下 (American Association for the Advancement of ScienceP[AAAS], 2009, chap. 6)：. 雖然人體從細胞到器官系統所有層次中，都是由擁有不同功能的結構所組成。但是在此次基準中建議，教學不應側重在生理結構和功能的介紹，而是著重在維持生命的基本需求，包括獲取食物、從食物中獲取能量、避免受傷、協調內部構造以及生殖。在教學中必頇說明這些系統和次系統的合作，如何維持個體整體的需求。學生在六年級到八年級之間開始瞭解器官跟器官系統之間如何協同合作的複雜關係，並且與特定細胞的功能串聯起來。在教學中可以提出一些問題如「若某些器官不見或無法運作時會發生什麼事？」讓學生思考器官之間的關係。學生在九年級到十二年級之間對人體的理解可以擴展到分子能量釋放、免疫和神經系統的保護、認知以及系統間互動以維持穩定的體內環境。學生可以從直接生活經驗中體驗運動或食物對我們的影響，如體溫、脈搏、血壓或氧氣消耗。這些觀察可以透過數學形式描述這些改變，並連結到物質和化學的測量、統計和實驗操控。. 從美國科學促進學會訂立的基準中可以發現，在六年級之後除了必頇瞭解人體組織各層次的結構和功能外，最重要的是各層次的結構間如何互相合作來維持身體的基本需求和體內環境的穩定，也就是調節體內各個參數以維持恆定性。我國在 100 學年度實施的 97 年國民中小學九年一貫課程綱要中，在能力指標中指出恆定性概念為必學的概念內容：「探討植物各部位的生理功能，動物各部位的生理功能，以及各部位如何協調成為一個生命有機體。」在「自然與生活科技」學習領域之教材內容要項中的次主題也包括了「動物體內的恆定性與調節」，在教材內容細目中包括認識排泄作用、呼吸運動的調節、血糖的調節、體溫的調節……等。 21.

(31) 在 Finely, Stewart 和 Yarroch(1982)認為科學教師經常設計課程和處理學生的學習困難，因此他們對概念學習的想法可以提供研究者許多實務面的意見。於是他們對科學教師進行問卷調查，選出在各個科學領域中重要性和困難度排名前五名的概念有哪些。從問卷的分析結果中列出困難度排名前十五名、重要性排名前十五名和困難度及重要性皆排名前十五名的概念，而第三個結果中的概念應該列為科學教育研究中優先探討的主題。分析結果顯示，生命科學教師認為在生命科學概念中，恆定性概念的重要性排名第十名，困難度排名第十四。除了恆定性概念之外，僅有光合作用、細胞分裂、呼吸作用、遺傳學和內分泌系統在調查結果中概念的困難度和重要性都有在前十五名。我國在 97 年課程綱要中列出國中自然與生活科技領域的課程中，學生必頇學習恆定性，並明確指出學生必頇能理解動物各部位協調的互動關係。而美國科學促進學會在科學素養的基準中更清楚說明，學習人體組織相關概念時，重點應為人體各部位協同合作以維持恆定性，而非各部位獨自的功能。可見在國中的課程中，學生不僅需要瞭解各個人體組織的功能，更必頇知道各個人體組織之間互動的複雜關係，即我國在恆定性課程中欲探討的內容。. 三、恆定性不易學習的原因在國中的生物課程安排中，學生必頇認識身體的各個人體組織層次，並瞭解每個器官系統組成的和功能後，在七年級上學期最後一章才會學到恆定性。學生在認識各個器官系統時，瞭解每一個器官系統對我們的重要性和功能，如養分必頇透過消化系統獲得。在恆定性這個章節中，學生必頇知道如何透過各個器官系統的互動關係維持每一個生理變數的穩定。許多研究都指出學習恆定性必頇將各個器官系統的功能連結起來，形成概念的網絡架構才能對恆定性有全面性的理解，因此概念的交互關係是恆定性不易學習的原因之一(Chang & Chiu, 2004; Chang, 2007; Simpson ＆ Marek, 1988; Westbrook & Marek, 1992；林陳涌和徐毓慧，2002；. 22.

(32) 黃佳杏，2007)。如果科學概念是可以直接觀察或常常能從生活經驗中獲得，則學生的另有概念較容易修正。若科學概念無法直接觀察或較為抽象，則學生不易產生概念改變。 Simpson 和 Marek (1988)學習科學概念應該與學生的認知發展層次對應，不然會發展出另有概念。若學生的認知發展僅達具體運思期，當他學習抽象概念時，會將他修正成符合他心智架構的，而產生另有概念。他們以概念評估陳述(concept evaluation statements, CESs)比較大型學校和小型學校十年級學生的生物概念表現，包括擴散作用、恆定性、光合作用和動植物分類。每一個生物概念的題目中描述一個情境，要求學生以生物概念回答，並將他們的理解程度分成完全理解、部份理解、部份理解但持有另有概念、完全為另有概念和沒有作答。結果發現大型學校和小型學校的學生的表現只有在擴散作用和恆定性有達到顯著差異，在光合作用和動植物分類則沒有顯著差異。要理解擴散作用必頇知道分子是隨機運動，且造成粒子均勻分布。而要瞭解恆定性則必頇要知道以下幾點，以及當體內環境改變時，這些生理作用如何互相影響以維持恆定狀態：(1)血液循環將氧氣帶到身體各個組織。(2)細胞在呼吸作用的過程中會消耗氧氣產生能量，提供身體運動時肌肉收縮所需。(3)肌肉細胞裡進行化學反應產生能量使得體溫提高。(4)當汗液從皮膚蒸發時，體熱會被帶離人體。(5)腦神經元和感覺神經元可以偵測到體溫的改變並做出反應。擴散作用和恆定性的這些概念都是屬於在日常生活中無法直接觀察得到的經驗，甚至在恆定性各個生理功能的交互作用必頇藉由抽象思考歸納出過程中多重因果關係的影響。結果顯示大型學校在擴散作用和恆定性的答題表現中，完全理解和部份理解不具有另有概念的人數皆比小型學校多，小型學校持有另有概念和沒有作答的人數比大型學校多。兩組學生在恆定性的答題中無人達到完全理解，有 40%的學生沒有作答，僅有 20%的學生部份理解且沒有另有概念。. 23.

(33) Westbrook 和 Marek (1992)利用兩份邏輯推理的問卷，檢驗七年級、十年級和大學生的皮亞傑心理發展階層是否已達到形式運思期，再與學生在概念評估陳述的表現比對。研究結果指出形式運思期的學生比具體運思期的學生有更多人能理解恆定性概念，較少人為不理解。當學生面臨多重變數的問題時，不但需要瞭解每一個變數的影響為何，還必頇找出這些變數之間的關係。在恆定性問題中學生必頇注意到六個變數，包括心跳速度增加、呼吸速度增加、開始流汗、流汗的原因、穩定的體溫和口渴。不具有另有概念的學生比具有另有概念的學生解釋時連結更多的變數，最多人能夠連結「心跳、呼吸運動和體溫」以及「心跳、呼吸運動、排汗和體溫」的關係，七年級和十年級學生沒有人能說出排汗的原因是因為呼吸作用加速。沒有人在解釋的過程中涉及細胞層次，只能停留在較為巨觀的層次。 Barak、Sheva 和 Gorodetsky(1999)認為我們在探討生命時，若僅著重在生物體的組成，會將此概念分類到實體本體類別內。唯有探討組織的功能和組織間的互動關係時，才會將概念分類到過程本體類別內。學生學習科學概念的困難的原因是將概念分類到錯誤本體類別內，使得學生持有的另有概念和科學概念不可共量，因此難以概念改變(Chi, 2008)。例如學生解釋力學現象時，常誤以為力是可以被持有的、可以被轉移的，而且會消失，這些都是屬於實體本體概念的特性。因此他們無法以牛頓力學解釋力交互作用的結果，將力視為過程本體概念。恆定性即是過程本體的概念，探討時必頇知道多變數之間的交互關係，以及各個人體組織功能之間的交互影響，即感受器(如熱覺受器)、控制中樞(如下視丘)和效應器(如汗腺)的交互作用。則對十年級學生進行訪談，有 35%學生的解釋為實體屬性。他們認為從實體本體轉變為過程本體後，才能對恆定性概念產生較全面、多面向和更多連結關係的理解。若學生解釋北極熊體溫的調節機制時，認為是透過身體的皮毛和脂肪維持體溫，則被視為實體本體類別。若學生解釋機制時知道身體透過呼吸作用產生能量和體熱以在寒冷的北極維持體溫，且此過程是不斷循環. 24.

(34) 的，則被視為過程本體類別。有 35%十年級學生的概念為實體本體類別，有 25% 學生的概念為過程本體類別。當學生以實體本體概念解釋體溫調節機制時，不但對恆定性的理解有限，且無法注意到較多的變數以及關係。只有當學生以過程本體類別概念解釋時，才能對這個機制有全面的理解。有一些科學現象我們不易從整體形式辨釋出每一個因果關係，即被視為具有突現的特性(Chi, 2008)。例如從雁群 V 字隊形飛行的形式，是因為隊伍中每一隻野雁為了將飛行阻力降到最低而產生的結果。根據 Fromm(2005，引自黃佳杏， 2007)對突現的分類中，黃佳杏(2007)認為恆定性概念具有弱突現的性質：屬於開放系統結構且具有主動實體、可以從原則預測、有正或負回饋。她指出恆定性概念是. 抽象的，例如呼吸作用、汗水蒸發散熱；恆定性概念是動態的，身體與環境的交互作用下必頇不斷維持正常範圍內的狀態；恆定性概念是持續的，體內環境在正常範圍內不斷的變化；恆定性概念是整體的，必頇由各個組成單元互動以共同維持恆定性；恆定性概念具回饋性，透過回饋機制促進或抑制各個組成單元的調控機制。經過強調突現屬性的多媒體教學的學生與一般多媒體教學的學生相比，前者在生物恆定性二階層診斷問卷的答題表現較佳。此外，經過強調突現屬性的多媒體教學後，在概念本體屬性的學習表現也比較好，並且有助於學生的恆定性概念學習。動態帄衡是恆定性概念相當重要的一個特性，但學生常常受到字面影響而視恆定機制為靜態帄衡的過程。林陳涌和徐毓慧(2002)利用語詞聯想與解釋讓學生對血糖恆定性的相關名詞進行解釋和聯想，進而分析七年級學生對該語詞的概念。研究結果發現學生對「恆定性」的聯想中多呈現靜態帄衡的概念，如帄衡、固定、不變與持久。僅少數學生呈現動態帄衡的概念，如帄衡木、天帄、翹翹板。學生定義「恆定性」時，約有 46.2%的學生以字面意義解釋，如永久、帄衡、穩定、固定和不變。相對於經驗性或外顯性名詞，內在機制名詞的理解和聯想較少。當他們在解釋恆定性相關現象時，也只能以經驗性或外顯性名詞解釋，無法連結到. 25.

(35) 內在機制名詞。林陳涌和徐毓慧還用四格連環漫畫情境探討七年級學生對恆定性的整體概念，學生畫出在四個事件發生過程中血糖濃度的變化曲線，並以文字說明變化機制。學生畫出的血糖濃度變化曲線可以分成四種，分別是單一來源型、活動力相關型、半恆定型和符合現行生物學概念型。血糖可以從肝糖轉換而來或藉由進食消化後取得，若學生視進食為血糖的唯一來源，則為單一來源型，只有在吃飯時血糖才會升高。有時候學生認為只要有任何事件發生，體內的血糖濃度就會升高，沒有事件時則會下降，所以被視為活動力相關型。半恆定型和符合現行生物學概念型皆具有恆定性的概念，血糖濃度會維持在正常濃度。但是半恆定型學生的圖形中，沒有低於正常濃度的值。且每次有事件發生時，血糖濃度都會上升，此點與活動力相關型類似。雖然活動力相關型學生只有約 18%，但是有約 60%學生在圖形的文字說明中仍主要以活動力解釋血糖上升或下降的依據。此結果再次證明學生主要以生活經驗或外顯行為解釋恆定機制，而很少人能提及微觀的恆定機制。例如 65 位學生中只有 1 位學生能以細胞需要糖，來解釋驚嚇時血糖濃度提高的原因。恆定性對學生而言是屬於不易學習的概念，因為恆定性是屬於整合性的主題，必頇要瞭解許多器官系統間的互動關係，而學習概念之間的連結對學生而言是困難的。此外，恆定機制裡有許多屬於微觀層次，在生活經驗中無法直接觀察到。因此學生僅能用生活經驗解釋恆定機制，無法連結至微觀層次的機制。解釋恆定性時，必頇將生活經驗層次和微觀層次的概念連結，說明概念間的邏輯關係，而許多學生無法透過抽象思考連結概念。許多學生認為體內環境是處於一個特定的狀態，帄時不需要啟動恆定機制，因此視恆定機制為靜態帄衡的過程。Barak、 Sheva 和 Gorodetsky(1999)和黃佳杏(2007)認為前述不易學習的原因來自學生把恆定性概念分類到實體本體屬性，若能分類到過程本體屬性就能幫助學生理解恆定性概念。. 26.

(36) 四、恆定性的另有概念課本是老師進行教學和學生學習時最重要的依據，若書裡出現另有概念或容易使學生產生另有概念的內容，將會成為學生另有概念的主要來源。Barrass(1984) 發現雖然多數學生都知道恆定性的定義，卻容易把恆定性(homeostasis)和恆定機制(homeostatic mechanisms)搞混。前者指的是在持續變化中產生的穩定狀態，後者則是維持此穩定狀態的機制，但教科書上常混用兩個定義。在我國的教科書中也有類似的情況，如在南一版教科書(2009)中寫著：「透過前一章所討論之神經和內分泌系統的協調與支配……使體內各項環境指標，如體溫、水分等保持在一定範圍，這種現象稱為恆定性。」在翰林版教科書(2009)中則寫著：「生物體外的環境會發生變化，因此生物除了配合環境改變，採取適當的反應外，還必頇調節體內各種生理作用，使體內環境維持穩定的狀態，這種使生物體內環境維持穩定狀態的特性，稱為恆定性。」在康軒版教科書(2008)中定義恆定性的方式為：「除了溫度的維持外，動物會利用各種受器，偵測體內生理狀況和體外環境的變化，再經由相關系統的協調合作，以維持體內養分、水分、鹽類、廢物和氣體等的穩定，這種現象稱為恆定性。」此外，教科書常以體溫恆定性的範例介紹恆定性而未舉其他的範例，因此學生常誤將恆定性和體溫恆定性視為同義詞。我國的國中教科書(林英智，2009：郭重吉，2009：陳世煌，2009)雖然主要以體溫調節作為範例，不過在課文定義恆定性以及搭配的圖表中，也有介紹其他恆定性。 Westbrook 和 Marek (1992)利用概念評估敘述比較七年級、十年級和大學的學生的概念發展情形，發現恆定性有許多另有概念不但不易在教學中修正。甚至隨著年級增長，學生學到更多的科學知識，卻也產生更多的另有概念。黃佳杏(2007)、林素華和劉燿誠(2010)利用二階層診斷測驗探討學生生物恆定性的另有概念，以下將 Westbrook 和 Marek (1992)、黃佳杏(2007)、林素華和劉燿誠(2010)研究結果中學生人體體溫恆定性的另有概念整理如表 2-1-1。學生人體體溫恆定性的另有概念大約可以分成四類：(1)體溫不會改變：學生認為身體健康時，體溫不會發. 27.

(37) 生改變，因此身體也不需要有任何行為去調節體溫。(2)體溫由氣溫決定：氣溫上升時，體溫跟著上升，反之亦然。(3)體溫由運動調控：人體某個部位運作時，就會產生熱提高體溫。(4)其他：其他與體溫調控相關的另有概念。. 五、恆定性的心智模式血糖恆定機制中，必頇由內分泌系統、神經系統、消化系統共同合作以維持血糖恆定性。因此 Chang 和 Chiu(2004)認為血糖恆定性屬於整合性的概念主題，適合以網絡狀概念圖探討學生是否具有此複雜的過程和交互關係。她們透過半結構式訪談瞭解七年級和九年級學生血糖恆定性的概念，並利用卡片讓學生排列成概念圖。研究結果發現九年級學生都已經遺忘關於激素的概念，而七年級和九年級的學生幾乎都不具有腦幹促進食慾的概念。在兩組學生的概念圖分析中發現，雖然學生可具有部份血糖調節的機制，但都未與恆定性概念連結。當學生在解釋血糖調節機制時，偏好以外在行為或生活經驗回答，而不具有微觀層次的概念，如細胞間物質的交換。概念圖和心智模式有許多相似的特點：都是由概念所組成、包括許多概念之間的交互作用、具有系統性的架構。然而心智模式隱藏在人類的大腦裡，因此我們必頇透過由心智模式表徵出來的模型來探討心智模式，而概念圖為此外顯表徵模型的形式之一，因此 Chang(2007)利用 Chang 和 Chiu(2004)研究結果探討學生的心智模式。。研究結果顯示學生的心智模式可以分成兩種，分別是初始模式和綜合模式，如圖 2-2-1。學生的初始模式中，僅能利用生活經驗解釋血糖調節機制，而沒有提及任何器官系統。學生的綜合模式中，混合生活經驗和器官系統解釋血糖調節機制。但在綜合模式中沒有辦法涵蓋三個器官系統，即內分泌系統、神經系統和消化系統。. 28.

(38) 表 2-2-1 人體體溫恆定性的另有概念類別體溫不會改變. 另有概念體溫只有在生病時才會改變(Westbrook & Marek, 1992；黃佳杏，2007)。體溫沒有改變因為不需要改變(黃佳杏，2007)。體溫不會受運動影響而改變(Westbrook & Marek, 1992；黃佳杏，2007)。. 體溫由氣體溫的變化情形由氣溫高低決定(Westbrook & Marek, 1992；黃佳杏，2007)。. 溫決定體溫由運運動可以產生熱能使體溫上升，所以體溫是靠運動來調節的(Westbrook & Marek, 1992；黃佳杏，2007)。. 動調控. 體溫改變/沒有改變是因為血液或血管造成的(Westbrook & Marek, 1992)。血液在體內流動時會產生熱能，是我們體溫的來源(Westbrook & Marek, 1992；黃佳杏，2007)。血管收縮時流到皮膚的血液速度變快，可以增加體溫的產生(黃佳杏，2007；林素華和劉燿誠, 2010)。血管收縮時會產生熱能以增加體溫，和血液的流動沒有關係(黃佳杏，2007；林素華和劉燿誠, 2010)。人體的體溫是由血液流動的速度來調節的，和運動沒有關係(Westbrook & Marek, 1992；黃佳杏，2007)。人體體溫的升高或下降可以由運動量的多寡來決定(Westbrook & Marek, 1992；黃佳杏，2007)。. 其他. 恆定性是維持在一個定值狀態(林素華和劉燿誠, 2010)。恆定性是維持固定在一個狀態(林素華和劉燿誠, 2010)。體溫沒有改變因為體熱隨著汗液離開身體。人的血液本來就是熱的，能提供我們維持體溫所需的熱能(Westbrook & Marek, 1992；黃佳杏，2007)。人體的體溫是由神經系統產生的(林素華和劉燿誠, 2010)。體溫的來源是藉由肺部活動來產生能量(林素華和劉燿誠, 2010)。體溫的來源是藉由細胞呼吸時產生能量(Westbrook & Marek, 1992；黃佳杏， 2007；林素華和劉燿誠, 2010)。能量的來源是呼吸運動中肺部活動(Westbrook & Marek, 1992；黃佳杏，2007；林素華和劉燿誠, 2010)。天氣變冷時身體會調整體溫使它降低以適合環境(Westbrook & Marek, 1992；黃佳杏，2007)。人體會因環境變冷而使體溫升高以抵抗寒冷(Westbrook & Marek, 1992；黃佳杏，2007)。 29.

(39) 吃、運動. 血糖濃度上升. 血糖濃度下降. 飢餓、口渴. 恆定性. ？？. 初始模式. 停止運動. 除非. 當. 健康的人. 當. 死恆定性. 仍未進食. 氣憤和驚嚇. 造成. 穩定. 血糖濃度上升. 腎上腺素分泌. 造成. 例如持續運動未進食. 會造成會造成造成. 意謂. 血糖濃度持續下降. 糖尿病. 吃飽. 飢餓、未進食. 注射腎上腺素. 心情穩定. 血糖濃度下降. 太高時. 會造成會被分泌. 胰島素造成. 分泌血糖. 養分飢餓時. 促使醣類到. 肌肉. 運動. 一種醣類. 功能角色為. 血糖. 血液裡是. 位於. 綜合模式圖 2-2-1. 學生的血糖恆定性心智模式範例(Chang, 2007). 30.

(40) 六、小結本節回顧與體溫恆定性相關的文獻後，發現雖然在人體恆定性相關的科學教育研究並不多(Chang 和 Chiu，2004；林陳涌和徐毓慧，2002)，但卻是非常重要的科學概念。然而不管是中學學生還是大學學生，對現象僅能以感官經驗作表層的回答，較無法以恆定性內在的機制解釋。七年級恆定性相關課程包括氣體恆定性、體溫恆定性、水分恆定性、血糖恆定和體液恆定性，由於體溫恆定機制中包括最多的器官系統，且涉及微觀機制，因此本研究的科學概念主題設定為體溫恆定性。學生在前面的章節學習完人體的器官系統結構和其生理作用後，才會開始學習人體恆定性。因為學生必頇整合對各個器官系統的瞭解後，透過這些器官系統來維持各種恆定狀態。若學生只瞭解部份器官系統的作用，將無法對恆定性有全面的瞭解，而產生許多另有概念。恆定性概念具有抽象性、整體性、複雜性和動態帄衡等特性，與心智模式許多特性互相呼應，因此在本研究中將以心智模式探討學生體溫恆定性的概念架構。. 31.

(41) 32.

(42) 第參章. 研究方法. 本章內容旨在說明本研究設計的具體細節，刻畫出研究過程的樣貌，首先在第一節說明研究設計，如何透過研究工具以及分析結果回應研究目的。第二節介紹研究對象，以瞭解他們的概念和學習情況。第三節說明研究工具如何設計，以及設計的理念為何。第四節呈現研究流程，以明白研究實施的先後順序和每一筆資料蒐集的時間點。最後一節說明研究者處理資料的方式，以及如何分析以回應研究目的。. 第一節研究設計本研究核心為找出七年級學生關於人體體溫恆定性的心智模式，並探討問題情境如何影響學生心智模式的一致性。研究者探討文獻以整理體溫恆定性的相關另有概念，接著在預試階段訪談七年級和八年級的學生，嘗試找出其他另有概念以及學生的概念如何連結。從訪談資料中整理出四種心智模式類型，接著將訪談問題轉變成二階層診斷問卷，並參考文獻和訪談資料設計選項。在分析過預試的訪談資料和問卷填答結果後，將不適合的問題或選項修正後，設計正式施測階段的研究工具。正式施測的研究工具包括二階層診斷問卷和半結構式訪談，在兩種工具中都包括有不同情境的問題。透過人體體溫恆定性的命題陳述和問題情形形成的雙向細目表，設計和檢驗研究工具的問題與選項內容。透過這兩種研究工具，可以分析學生的另有概念的類型與轉變、心智模式類型與轉變以及心智模式的一致性。. 33.

(43) 第二節研究對象本研究施測包括兩個階段，分別是預試階段和正式施測階段。研究對象就讀的學校皆採用南一版教科書，課本的第六章為生物體內的恆定性與調節。第一節介紹恆定性的概念，第二節介紹呼吸作用、呼吸運動和氣體恆定性，第三節介紹體溫恆定性，第四節介紹水分恆定性，第五節介紹血糖恆定性，最後一節介紹廢物的排泄作用與調節。. 一、預試階段預試研究對象為研究者兼職的臺北市公立國中學生，有七名七年級和七名八年級學生。預試於 98 學年度第一學期施測，此時七年級學生正學到第二章細胞構造的介紹，因此尚未學到人體體溫恆定性。從七年級學生所獲得的問卷和訪談資料，視為正式施測階段前測的結果，而八年級學生已經學過人體體溫恆定性，因此他們的資料視為延宕測驗的結果。. 二、正式施測階段本研究於 99 學年度第一學期正式施測，研究對象為新北市公立國中七年級學生，共有 63 人。部份學生在施測時缺席，因此只分析三次施測皆出席人數 56 人。教師以講述法進行教學，進行前測時教學進度為第五章生物體內的協調作用結束，內容包括神經系統和內分泌系統的介紹。後測時教學進度為第六章第三節體溫恆定性結束，延宕測驗則於寒假結束後施測，距離後測約五個星期。前測學生填完二階層診斷問卷後，研究者根據分析結果找出四位學生，在問卷結果分別持有四種不同心智模式。. 34.