第一節 知識建構理論與迷思概念

第貳章 文獻探討

本章共成六節：第一節介紹知識建構理論與迷思概念，第二節為概念 改變的研究，第三節為心智模式的研究，第四節為 Vosniadou 的架構理論，

第五節為 diSessa 的 p-prim 理論。第六節為力與運動的迷思概念。以下 分別作說明。

第一節 知識建構理論與迷思概念

Kelly (1955,引自 Geelan,1997)認為每個人都會透過觀察、解釋、預 測及控制等歷程，建立一個模型來適應其所處的環境，強調知識是由個人 的內在經驗所建構出來的模型，建構主義是基於 Kelly(1955)的個人建構 理論，認為學習者學習歷程有如科學家的發展。在教學上，建構主義認為 學習者有概念的基模存在，當遇到問題或是學習新的知識時，變會應用到 它。學習者透過知識與經驗相互平衡，也是自我學習的創造者（Hargrve, 1993,引自劉俊庚, 2002）。

Hargrve(1993,引自劉俊庚, 2002）認為教育學者若接受建構主義的學 習方式，他們都會認同以下四點特性：

1.所有的知識都是被建構的。

2.特別的認知結構在建構的過程當中被活化。

3.認知結構是連續發展的過程。

4.認知的建構主義必需具有教學的建構。。

學 習 被 定 義 成 一 個 個 體 主 動 的 過 程 ， 並 且 包 含 主 動 心 智 的 過 程

(Gagne,1985)。學習是一個個體主動的行為，應包含心智結構的改變，及

透過先備知識去了解新知識(Gagne,1985)。認知心理學專注於學習者和認

知訊息的過程，在科學的學習具有顯著的成效。另外，關於建構主義的相

關理論如下：

建構主義者認為學習者的發展猶如科學家的發展，所有的知識是被個 體所建構的，特別的認知結構在建構的過程中被活化，以及認知結構是連 續發展的過程。學生是自我學習的創造者，會透過舊知識與新知識之間取 得平衡(Hargrve, 1993,引自劉俊庚, 2002)。

建構主義的知識論是建立在兩個主要原則上(Von Glasersfeld, 1987) 分別有如下：

1.知識無法被動地接受，而是被具有認知能力的個人主動建構的。

2.認知的功能主要是在適應環境，及將所經驗的世界加以組織，而不 是去客觀地發現所存在的現實世界。

建構主義在學習與教學的研究中，主要是強調學習前的先備知識扮演 一個非常重要的角色。在課程活動的設計上，教師應以學生的先備知識為 基礎，來設計課程，否則學生在學習上會有預期有所落差。

迷思概念產生的原因，主要是因為個人企圖去解釋、合理化某個現象 時，會經由認知發展出未經協調或是沒有一致性的概念結構。關於科學的 迷思概念，有些研究者認為這些是片段的、不完整的、和錯誤的(Driver ＆ Easley, 1978)，會妨礙科學的學習。有些學者則認為迷思概念是有組織，

且是系統化的(Kaiser et al., 1986)。學生的迷思概念也會妨礙他們學 習新的科學概念。因為，一些迷思概念通常是發展相當良好，雖然它是錯 誤的，但是它們明顯地受到每天生活經驗的支持，所以它們是難改變的。

（McCloskey, 1983,引自劉俊庚, 2002） 。

早期有關迷思概念的研究主要是受到皮亞傑(1972)的影響，他們主要 是透過學生的思考來發現學生「認知與邏輯」的結構以及「認知與表現」

的關係。Driver 和 Easley(1978)認為應該從教育的觀點去了解學生的想 法，如此便可以專注於瞭解學生的想法與解釋，而不需基於邏輯的假設。

後來，許多研究者轉移他們研究的觀點，強調「概念改變的學習」，此時 便有許多有關概念改變的理論被提出。

有許多有關於迷思概念的研究，它們雖有差異，但都是顯示出孩童有 別於符合科學本質的想法，儘管名稱不同但實質是相似的，如素樸概念、

先前概念、另有概念、心智模式、天真理論，直覺理論等等(Lewis & Linn,

1994)。對於描述孩童的迷思概念所用的術語多達十幾種，此意味著學童

在接受新課程的學習之前，就已存有一些初始想法，這些想法會影響之後

的學習。

迷思概念(misconception)，是最常被用來作為研究孩童概念、內在想 法所使用的詞彙。有研究者認為迷思概念指的是學童不正確的先前想法 (Bransford & Vye, 1989).，另外有些學者也認為迷思概念具有錯誤的含 意，並強調學生接觸到科學理論後，會結合某些錯誤的觀念至先前的概念 結 構 中 ， 最 後 發 展 出 錯 誤 的 想 法 (Diver ＆ Easley,1978 ； Peterson,1986)。Abimola(1988)認為不應以否定的觀點來考量學童自我 建構的知識，應當尊重學童的自主性與價值性，所以主張以「另有概念」

來描述學童真正的想法。Gunstone(1989)不認為迷思概念是錯誤的，他認 為迷思概念應該是要考量學生概念與科學概念之間的差異。

Metoui 等人(1996)認為使用「另有」這個形容詞，它的意思比錯誤、

迷思更為恰當。因為當我們在描述學生的概念時，「另有」在解釋上提供 一個滿意的層次。Pardhan 和 Bano(2001)提出另有想法(alternative ideas)，認為這些概念是個人所擁有的，並且與專家的科學觀點是不同 的。他們選擇這個名詞的原因，主要是強調此想法是個人建構的，對於個 人是有意義的，屬於個人的知識，有別於公眾的知識。

在迷思概念的研究法上，主要有幾種不同的研究取向，例如診斷性測 驗（diagnostic test） 、臨床訪談法（clinical interviews） 、概念圖法、

自由分類（free sorting）和畫圖法。在許多的迷思概念研究中，我們會 發現有些研究者通常不會單獨使用一種方式，相反地，他們在一個研究裡 會 使 用 兩 種 以 上 的 研 究 方 式 （ Osborne & Cosgrove, 1983; Ross &

Munby,1991, 引自劉俊庚, 2002）。雖然是同一種方式，但仍有不同的方 式來實行，若以概念圖的方式來當作例子，已有研究發現，有超過 1530 種 不同的方式來進行概念圖測驗研究（Ruiz-Primo & Shavelson,1996 引自 劉俊庚, 2002）。

研究學生迷思概念有許多方法，今探討普遍常用的三種方式，分別為 紙筆測驗、訪談法、概念圖：

一、紙筆測驗

(一)、封閉式問題

封閉式問題如選擇題，命題者已將正確者嵌入答案選項中，學生依據

題意與敘述，思考其正確性，並選擇最符合題意的選項。優點是方便、快

中特別容易使用(Bobby, 1993)，可用在大量的受試者，可以作統計的評 估(Bar＆Galili, 1994)；缺點為架構固定，沒有彈性，很難測出學生真 正的想法，學生迷思概念無法得知，且學生即使不懂觀念也可能會猜對答 案，或是依據記憶選擇正確答案。

Treagust 和 Haslan（1986）則發展了二階段的多重選擇題的模式來 診斷學生對於光合作用與呼吸作用的瞭解程度。在其設計的模式裡，第一 階段裡，每一個細目是採用命題的方式，由研究者預先提供可能的答案；

第二階段則是利用訪談、開放式問題的方式來要求受試者寫出其第一階段 的理由。(引自劉俊庚, 2002)

(二)、開放式問題

開放性問題如問答題或計算題，學生必須做出判斷，並且要對這個判 斷做出合理的解釋，這種類型的題目比較能夠測出學生的實力，與其對科 學本質的想法。優點是呈現學生對問題的真正想法，有更多回答的彈性；

缺點是閱卷者花較多的時間，評分的標準是以主觀的認定，較為不易。

二、訪談法

過去二十多年來，訪談法最常被用來了解學生的迷思概念。此種方法 由皮亞傑所創，並命名為 clinical method。由於學生的回答常常是使研 究者意想不到的，這些差異可以藉由晤談的機會來研究(Taber, 1997)。

晤談法的方式主要的特色就是比一般的紙筆測驗更能夠深入地了解學生 的想法(Mok, 1991)。由於學生的回答可能有些微的差異存在，而且是研 究者無法想到，訪談研究則提供了研究者很好的機會來探索這些差異

（Taber, 1997）。

Bar 和 Galili(1994)認為利用晤談法去推測學生的想法是比較可信

的。Watt(引自 Bobby,1992)陳述晤談法最常用的方式就是錄音記錄，且將

錄音資料轉譯的過程是重要的一環，他認為所有包含在轉譯過程中的解

釋，停頓都需詳細地記錄下來，如此才能保有完整的分析資料。

將晤談記錄轉譯成文字是一件浩大的工程，需要許多時間與精神的耗 費，雖然能將學生對科學的本質所持有的看法，提供一個有價值的佐證；

但是許多的研究者，不願意使用此方法，其原因就是分析太費時間，還有 所有的資料都是由研究者主觀地判斷及解釋，有時會失去客觀；對未受過 專業詮釋口語資料的新手而言，由於資料過於龐雜，實在不容易分析。

三、概念圖

概念圖可以讓學生的知識結構透過圖形的方式加以表徵，研究者可以 透過學生繪製的概念圖內容，瞭解學生具有的另有概念（Novak & Gowin, 1984）。概念圖的好處是可以深入瞭解學生的概念結構，但是繪製技巧複 雜，學生需要花一段時間學習。

在概念圖的使用方式，主要有二種方式。一種是直接要求學生畫圖，

另一種則是研究者基於訪談的轉譯。概念圖已經是評量學生在澄清他們瞭 解，和在概念之間做聯結的一種有力的教學工具（Markow & Lonning, 1998 引自劉俊庚, 2002）

利用概念圖來診斷學生的概念，將會有下列三種益處(引自劉俊庚, 2002)：

1.對概念與想法做明確的區分：

概念圖也讓我們對於概念和想法之間的差異有更為明確的瞭解。在概 念圖的網絡裡，各個節點是我們所稱的概念；而想法則可以描述為許多命 題的組合，是藉由明確的線段將兩個概念結合在一起之後，再與其他的概 念做相互的聯結，形成一個概念的網絡結構。

2.偵測概念改變：

概念圖裡的對應技術也可看做是概念改變過程靜態的表徵，有些研究

者認為此種模式對於研究學生的思考結構的改變，概念圖是一種相當合適

的工具，並且能讓學生與老師去得到這些結構更好的瞭解（Fensham,

Garrard & West,1981;Sutton,1980）。而且，每個學生所表徵的概念圖都

是一個特別的知識狀態，從一個圖轉移至另一個圖時，我們可以將它表徵

為是概念的改變，概念圖改變的順序表徵了

學生在概念知識的改變情形，換句話說，概念圖提供了一個可見的認 知結構差異（Nersessian,1991）。

3.在教學方面

許多教育學者也發現概念圖在教學上是相當有益處，如對於評量學生 的先前概念，確定學生知識的障礙，協助職前老師確認教學主要概念，和 決定教學後學生對於新聯結的程度與品質等方面（Mason,1992）。

Marin 等人（2001）對於研究學生概念的方法上，提出了以下四種特 徵：

1.學生對於狀況的回答與問題的呈現，都是藉由學術的內容當作參 考，這是在一般性的研究，所共有的特徵。

2.大部份的概念都是歸納式地進行探索。

3.從學生所獲得的訊息去分析信度與效度相當不足。

4.學生所獲得的訊息是非常有限的。

他們認為大部分學生從外在的社會、文化環境中自行發展許多概念。

所以，學院式的內容不適合評量學生的概念。在研究方法上應：

1.應該有許多更適合的內容來幫助學生，避免在觀察學生與詮釋學生 概念時遭到誤用的情形

2.從學生所獲得的訊息只是一小部份而已，所以在教學上應多加考慮。

所以，我們在研究學生的迷思概念，僅是透過學生的回答，去接近學

生內在真實的想法。然而，學生內心真正的想法與回答問題之間確實是有

差距的。研究者如何使用適當的題目，提供情境引導出對某個主題的想

法，以及如何詮釋、推論學生的回答，才能真正有效地貼近學生的想法。

第二節 概念改變的研究

概念改變理論蓬勃發展，起於 1970 年代末期「另有概念運動」的興起，

一般認為學生的另有概念是根深蒂固，需要用特別的教學策略才能有所改 變(Hashweh,1986)。近來有許多的研究者發現，很多學生對許多的科學概 念存有迷思概念，同時也發現不論是用傳統的講述式教學，或是啟發式教 學，對於學生的迷思概念沒有太多的改變。這些迷思概念大多是根深蒂固 不容易改變(Trowbridge ＆ Mintzes,1988)。

在科學教育領域中有關概念改變最具有影響力的即屬 Posner 等人 (1982)所提出的理論，他們認為學習並不是單純地加入新的片段訊息，而 是有關新舊知識間的互動關係。學習者僅是把新知識加入舊知識的架構 裡，新舊知識間並無重組，稱之為同化。原有的基模無法同化新知識時，

個體只有改變已有的認知結構，與新知識重組，這種大規模的改變，稱之 為調適。如果我們希望修正學生錯誤的想法，就必須使學生發生調適學習。

Posner 等人(1982)參考孔恩的典範轉移，以及 Piaget 認知調適的觀 點，認為科學家有一個中心思想來組織其研究，同樣地，學生也有一個中 心思想來組織他們的學習，一旦當中心思想發生衝突時，需要作修正，概 念就會發生改變。也就是學習者基於下列四個條件：

1.學習者對先前的知識感到不滿意時(dissatisfied)。

2.新的知識是可以被理解的概念(intelligible conception)。

3.在剛開始時，新知識須是合理的概念(plausible conception)。

4.新知識必須是豐富的概念(fruitful conception)。基於上述四個條 件，然後再經過調適，概念改變才有可能發生。

Posner 等人(1982)認為對於現存原有的概念不滿意即為概念改變過

程的中心，因為這個理由使學生了解到唯有取代或重組舊觀念，才能成功

地接受新的知識觀念，即是強調學生的迷思概念的地位需降低，而學生心

中的科學概念地位需提高，如此才會發生概念改變。

一、 PSHG 模式

Posner,Strike,Hewson,＆Gertzog 四人在 1982 年首先建立概念改變 的理論，提出 PSHG 模式，試著解釋人們中心組織的概念是如何進行概念 改變。他們認為學習是一種探究、理性的活動，學生必須基於可利用的證 據進行判斷，結合孔恩的典範轉移與 Piaget 的調適(accommodation)、同 化(assimilation)的觀點來檢視概念改變。

1990 年代，Strike 與 Posner(1992)體認到原有的理論過於強調理性 與線性，忽略情感和社會議題的重要性，因此，對概念改變進行修正。他 們強調概念生態中心思想，認為迷思概念可能不是原先即已經存在，可能 是教學過程產生的，所有概念生態包括科學概念與迷思概念，是以動態、

持續交互作用的方式發展。

二、 Chi 的本體論有關概念改變的理論

Chi(1992)提出本體論的概念改變觀點，將概念分成三種主要的本體類 別。有物質(matter)、過程(processes)和心智狀態(mental states)。物 質是指物體的特定條件；過程則是指事件的發生，具有序列性、因果關係 或機率問題；心智狀態則是指情意的部分。這三個類別彼此獨立，分別有 次類別，如：自然種類、步驟與事件等。依照這樣的歸類，Chi 將概念改 變分為兩種情況：

1.本體類別內的概念改變:

在本體樹類別內的概念改變，只有概念在本體樹位置的遷徙，並未 跨越不同的本體樹，可視為信念的修正。

Chi(1997)認為信念的修正較容易，因為在同一個本體樹內，概念在不 同階層轉移，即為信念的修正。這種信念的修正通常可以直接藉由教導或 是累積足夠知識達成。

2. 跨越本體類別的概念改變：

在不同本體樹間進行類別的轉換，而兩個本體樹之間並未有所對

應。

科學概念若是從一個本體樹先遷移至另一個本體樹，這是屬於本體類 別間的概念改變。Chi(1992)提出三項必須經歷的步驟：

1.經由獲得的過程學習新的本體分類方式。

2.經由獲得的過程學習到個別概念的意義。

3.重新連結概念到新的分類上。此步驟有三種方式：

(1)放棄先前某一概念的定義，並以新的定義取代。

(2)新、舊概念並存，新舊概念出現的時機是當時情境而定。

(3)透過教學等方式，強化新的意義而放棄舊的概念。

以上「本體類別內的概念改變」與「跨越本體類別的概念改變」如下 圖 2-1-1 所示：

圖 2-1-1 「本體類別內」與「跨越本體類別間」的概念改變示意圖 (引用鍾曉蘭,

2006)

三、Vosniadou 的概念改變

Vosniadou(1992)研究孩童對地球形狀的想法。提出了一種綜合模式

（synthetic models）的類型。表示孩童最早從日常生活的經驗建構出初 始的心智模式（initial models），經過教學獲取新的知識，而新的知識 與原本就有的初始模式結合，形成綜合模式。由此可知，概念改變是一種 漸進的演變的歷程。由最初的初始的心智模式，經過綜合性模式，最後有 機會再轉變為正確的科學模式(scientific models)。

Vosniadou(1992)針對孩童對於地球形狀的心智模式發生概念改變，提 出解釋。她認為概念改變的形式有兩種：

第一種為豐富（enrichment），第二種為修正（revision）。

1.豐富化（enrichment） ：將新的概念加入現有的理論架構中，而新的 概念與現有理論架構兩者之間內容一致，學生可以很容易接受，是最容易 發生的概念改變形式。

2.概念的修正（revision） ：當現有概念架構與新的概念有所不同時，

則必須進行修正。修正可分為三個層次：（1）特殊理論的修正（2）牽扯 架構理論的特殊理論修正（3）架構理論的修正。

Vosniadou 認為概念改變的類型中， 「修正」的發生較「豐富」困難，

其中特別以架構理論的修正尤其困難。另外，有其他學者提出概念改變有 三個層次(Gentner et al., 1997)：

1.信念修正(belief revision)—是指所相信的事實之改變。

2.理論改變(theory change)—是指在整體知識結構上的改變。

3.概念改變(concept change)—是指組成信念結構中基本概念的改

變。概念改變至少需要局部的調整(locally nonalignable)或不可

共量的信念(incommensurable belief)(Carey,1985; 引自 Gentner,

et al.1997)。

Vosniadou（1992）提出了架構理論(framework theory)與特殊理論 (specific theory)的主張，架構理論深植本體論及認識論的預設在其中，

且受其限制，而特殊理論則是對特定現象的特殊解釋。由於這些預設在生 活及學習中不斷的被驗證，故架構理論不易被修正；相對的，特殊理論較 架構理論容易修正的原因有三：

(1)學習者無法覺知這些隱含的本體與認識預設知存在 (2)這些預設不斷的被驗證而遭增強

(3)當架構理論被修正時，以它為基礎的特殊理論勢必跟隨修正。

深植於每天的生活經驗與經年累月的信念，架構理論呈現了相當具一 致性的解釋系統，因此當一個特殊理論的信念被架構理論所限制時，概念 改變救難以達成(引自鍾曉蘭,2006）。

Vosniadou (1994)以概念系統的想法來解釋概念改變。她認為知識結 構並不是由許多小的概念經由相似性所連結而成，而是先有一個大的架構 之後才逐漸將細部概念嵌入於其中，因此嵌於其中的概念會受到大架構之 預設(presupposition)的限制。此大架構稱之為孩童的素樸架構理論 (naive framework theory)，主要源自於兒童的日常生活經驗；特定理論

（specific theory）則包括描述物理事件的性質和行為的相關命題和信 念，其產生受到架構理論的限制，是透過架構理論去解讀外界所呈現的訊 息。在這個概念結構下的概念改變是一漸進的歷程，經由豐富(enrichment) 及修正(revision)兩種方式，逐步地修正自己對外在世界的心智模型。

「豐富」是在既有架構當中加入與原有知識結構一致沒有衝突的新資 訊，是最簡單的概念改變的情形，與 Hewson 的概念獲取類似； 「修正」則 源於所獲得的訊息與已存在的概念結構不一致時，則需要進行修正。修正 可能發生在特殊理論或是在架構理論的層次，如只需要修正特殊理論（表 示新訊息與架構理論不衝突）較為容易；如新訊息與架構理論衝突，則較 難以改變，因為架構理論會在日常經驗中不斷被確定，且在修正過程中可 能會產生迷思概念。

Vosniadou（1998）認為學生無法自我察覺到預設和信念的假設限制著

他們的學習，因為他們傾向於將之視為物理世界運作的方式而非預設。此

外學生所使用的解釋性架構亦缺乏專家所具有的系統性與一致性，因此概

念的改變所牽涉的不止是特殊信念及預設的改變，同時也必須要後設概念

省察的發展，以協助學生建立一個更龐大，更一致及更具解釋性的理論架

構（引自邱美虹，林靜雯，2002）。

第三節 心智模式的研究

關於心智模式的論述，最早是由 Kenneth Craik 於 1943 年所提出，他 認為人們對於外在事件會自動轉譯成內在的符號或表徵，這是一種動態的 表徵，藉由操弄這些符號或表徵來進行推理，產生行動，或是對世界的模 擬。(Johnson-Laird, 1989)。Johnson-Laird(1983,1989,1999)主張心智 模式是一種抽象的類比表徵，此表徵影響人類對語言的理解與日常生活現 象的推理，而且認為「知覺」是心智模式的重要來源之一，如人的「視覺」 、

「聽覺」等感官接收並過濾外在的資訊，藉著操弄符號或表徵來建立個人 的心智模式。因此，心智模式是動態的結構，並深受外在情境的影響與限 制，如圖 2-3-1。

圖 2-3-1 概念與心智模式的關係(Johnson-Laird, 1983)

Norman(1983,引自鍾曉蘭,2007)認為心智模式是對認知者對於獨特事 物的內在描述，其發生與目標系統的交互作用。他提出心智模式包含四個 組成：

1.目標系統(target system):提供學習者使用或學習的系統。

2.概念系統(conceptual model):由科學家、教師或專家所整理出具有 一致性、正確與完整性，並且與科學知識相符合的知識結構，用來 傳達或教導目標系統。

3.目標系統的心智模式(mental model of target system):學習者與 心智模式

概念

次概念階層單元

聽覺

視覺

智模式可以不斷的修正與精緻化，逐漸達到一致的心智模式系統。

4.科學家概念化的心智模式(scientist’sonceptualization of a mental model):科學家在個體進行心智模式運作時，對內在的心智 模式給予一致性地概念化。

Norman(1983,引自鍾曉蘭,2007)認為心智模式最主要的角色是允許個 體可以解釋與預測外在物體世界的各種現象，也可以反映出個體對於外在 物理世界的信念。

Franco 與 Colinvaux(2000)指出，要獲得心智模式的方法，可藉由檢 測個人的表達模式(expressed model)來達成。若要深入瞭解個人的心智 模式，則還需要探究兩個面向：

1.心智模式是如何發展出來的。

2.當個體使用心智模式去思考時，會顯現出哪些主要或關鍵的特徵。

心 智 模 式 有 許 多 特 徵 ， 有 一 些 與 其 他 的 研 究 重 複 ， Franco 與 Colinvaux(2000)提出心智模式的主要四點特徵，可幫助研究者確認 與特徵化個人所使用的心智模式，四點如下：

1.有生產力的(generative)：運用心智模式進行推理時，人們會產生 預測與新的想法。

2.包含默示知識(tacit knowledge)：心智模式的持有者本身不會意識 到其自身的每個本質面向。

3.綜合的(synthetic)：為了要有效率，心智模式由目標系統或事件的 簡化表徵所組成，首先被喚起的心智模式結構。

4.受限於世界觀：心智模式會受到人們所持有的信念系統，影響心智 模式的範圍。

Vosniadou(1992,1994)最初證實了以上這些特徵，她使用一個特別的

研究，關於孩童對地球持有的心智模式，討論以便使 Franco 的觀點更進

一步，這些特徵在獲得受試者的心智模式而言是很重要的。

從 Johnson-Laird 與 Kessler 等人的心智模式理論中可以發現，無論

是語言的命題表徵或是視覺的空間表徵，雖然對同一件事物的表徵形式不

同，然而兩者表徵的內容卻是可以整合起來，符合一致性的，所以在探究

研究對象的心智模式上，至少可以利用同一對象對同一問題的文字性的命

題表徵及非文字性的視覺表徵來進行分析，將能產生內容互補作用，也有

助於更完整的接近研究對象的心智模式（Freksa ＆ Barkowsky,1999,引

自鍾曉蘭,2006）。

第四節 Vosniadou 的架構理論

在 Vosniadou（1994）的概念改變理論中，使用心智模式描述兒童的 概念表徵，並且利用認知結構理論探討概念改變的發生。她認為知識的建 立是先有一個大架構後，再填充細部的概念。兒童的大架構來自於早期的 生活經驗，稱為素樸架構（naive framework） ，早在年幼的時候就形成了。

她的理論分成兩大部分：一是架構理論，分為認識論與本體論兩個預設

（presupposition） ；兒童的細部概念稱為特定理論（specific theory），

源自於個體的觀察與文化的脈絡下與其他資訊融合所產生的信念。個體在 此信念下所衍生的初始心智模式。個人所持有的心智模式，等到來自學校 科學的教學或其他管道獲得科學知識的影響，初始的心智模式與科學的心 智模式相結合，形成綜合的心智模式。其理論如圖 2-4-1 所示

圖 2-4-1 為 Vosniadou 的架構理論(Framework theory) (Vosniadou,1994a) 架構理論

預設(presupposition)

特定理論

在文化情境下觀察或其他訊息

信念

初始的心智模式

綜合的心智模式 科學的心智模式

本體論

認識論

Vosniadou（1994）曾針對地球形狀、日夜循環、熱與力四個概念的心 智模式進行研究，報告中指出兒童在解釋自然現象時有下列數種模式：

1.初始模式（initial model）:是一種基於日常生活經驗所觀察現象 的模式，是由基礎的信念所組成，而且不受成人的科學模式所影響。

2.綜合性模式（synthetic model）：基於觀察的經驗中，依文化背景 及科學的解釋，所做的調和的表徵。

3.科學模式（scientific model） ：與科學觀點一致的模式，但是不意 味著兒童具有科學概念時，其他模式就會消失或被取代，兒童可以察 覺兩種模式同時存在，依情境的不同而調和使用。

Vosniadou（1994）認為本體論和認識論的預設對基本相似的經驗信念 提供了基本架構稱之為素樸的理論架構（naive framework），它主要源自 於 兒 童 早 期 的 日 常 生 活 經 驗 ， 又 可 分成 認 識 論 與 本 體 論 的 兩 個 預 設

（presupposition）。此外，鑲嵌在內的概念則稱為特殊理論（specific theory），其根源自個體的觀察或文化的脈絡。架構理論或特殊理論於問 題解決情境時可提供心智模式的產生，並成為特定表徵的基礎。兒童並未 知覺到預設和信念的想像狀態限制了自己解釋新資訊的方式，故這些預設 不斷的在日常經驗中被確定，以致於兒童產生了另有概念。(引自鍾曉蘭, 2006)

一、 Vosniadou「力的意義」之研究(2002)

Vosniadou 主要是探究 4 至 15 歲的學生，對於力的意義發展的變化。

這些受試者來自希臘的同一所學校，主要來自中產階級的背景。在每一個 單獨晤談中使用 27 個結合大小、動能狀態的簡圖，去問孩童有什麼力作 用在物體上，以 Vosniadou 與 Brewer(1992,1994)所發展的一套方法學去 分析孩童的解釋。

結果顯示大部分的孩童(88.6%)使用少數定義明確且內在一致性之「力

的意義」 ， 「力的意義」隨著年齡有顯著變化。年幼的孩童認為力是物體「內

在性質」與「重量」有關，為「內在力意義」；而較年長的認為力是物體

在希臘的中學，儘管有系統地教授牛頓力學，但是 12 歲的孩童已建立 起「獲得力」的意義，本質上仍不因教學而改變。在教學的影響下，孩童 增加「推/拉力」及「重力」的解釋至已存在「獲得力」的意義中，產生

「綜合力」的意義 (synthetic meaning of force)，從最初孩童具有狹 窄且內在一致性的心智結構，經過教學的影響，產生綜合的心智結構，這 個結果隱含概念改變的發生。

二、從「融貫性至片段性」在科學學習的概念改變

Vosniadou 認為：知識獲得的過程，以一種連續性的方式，增廣最初 片段的概念結構，使其更具有系統性與融貫性。Vosniadou 藉由一系列探 究科學概念發展的實證性研究，發展了不同的觀點。主要探討的兩個面向：

1.孩童最初的概念結構 2.概念改變的過程。

(一)、孩童最初的概念結構(Initial conceptual structures)

孩 童 在 上 學 前 對 於 物 理 世 界 已 經 獲 得 相 當 多 的 知 識 (intuitive physics)，並影響接下來的學習，特別是科學的學習。然而，有些研究者 不認同此觀點，如 diSessa(1988)認為有關物理世界最初的知識結構，是 由許多小的知識單元所組成，稱為現象原詞(p-prims)，這些知識的片段 是由一般的現象所產生的抽象物質，在某種情境下被激發。根據這個觀 點，概念改變的過程是將片段的知識系統化的結合至一致性的整體。當 p-prims 改變它們的功能為的是要被整合至科學架構中。實證的結果支持 這種假設，即是孩童最初的概念結構並非是片段的，孩童最初是藉由狹窄 但內在一致性的解釋架構去獲得知識。

(二)、概念改變的過程

實證研究的結果說明概念改變的過程是很緩慢及需要經過一個很長的

時間。在這個過程，並沒有發現從片段性至增加融貫性。而是，最初的的 解釋架構變得更具片段性，因為科學理論的面向被同化至架構理論，產生 綜合模式(內在一致性但不符合科學意義)或內在不一致性。大部分的研究 支持「物理概念的知識由無系統的知識片段所構成」。例如：有一派學者 Reif 與 Allen(1989)，支持物理的知識是由支離破碎的知識片段所組成，

其研究對象為較年長的學生(大學或高中)，相反地，另一派論證則支持從 融貫性至片段性的觀點(如 Vosniadou, 1994)，是來自年幼孩童的實驗證 據。實驗顯示在較年長的孩童或有素樸概念的大人身上觀察到片段性，代 表從最初「融貫性至片段性」的改變。這是因為：

1.最初的概念結構是較具有結合力的。

2.科學教學開始是片段化，最初的解釋架構卻沒有成功地建立另一個 較具結合力之科學的解釋架構。

這些似乎是大部分科學教學的常有的結果，但是知識獲取的過程沒有

停下來，繼續下去的學生成為專家，獲得越少的片段，且更多具結合力的

科學概念。

第五節 diSessa 的 p-prim 理論

一、p-prim 與知識片段性

diSessa(1988)認為知識最初是片段的結構(knowledge in pieces)，

直覺物理是由數百至數千的自我解釋基模組成，基本上是從一般情境中提 取出來，並將這些基模稱為現象原詞(phenomenological primitives)，

簡稱(p-prim)，現象論的(phenomenological)意指在真實世界情境中，

p-prim 對人們而言是相當明顯的。每個人都知道「更多的力造成更多的結 果」，而且每天都在日常生活中看到這樣的現象。

原始的(primitive)包含兩種意義：首先，p-prim 如整體地被喚起是 原始的，而且，p-prim 是在人們對世界上自然地發生的事所持的態度之原 始解釋，也不必更進一步解釋，「那就是事情本來的樣子」(diSessa, 2004)。因此，p-prim 提供一種對情況滿足瞭解的感覺。，當這種感覺無 法獲得時，或者世界的行為與被喚起的 p-prim 不一致時，人們便會驚訝 或困惑。假如一個物體快速移動，而沒有原因，便使人感到疑惑，但這時 若是發現由於某人或某物作功在物體上，即可得到這個現象的解答。

diSessa 把 p-prim 描述作「次概念本質」 ，在概念階層之下，接近於 個人言詞的層次，例如「平衡」(balance)與(equilibration)兩個感覺是 不同的。文獻上有許多的迷思概念是藉由 p-prim 而再次被解釋的，例如 McCloskey 的「衝力理論」就是約有 6 個 p-prim 適應特定情況所結合成的 (diSessa, 1993, 1996)，然而，衝力的 p-prim 常常不會一起運作的，例 如 Ranney(1988)證實在不同的衝力面向中，至少有某種程度的「情境的分 歧」(contextual divergence)。

diSessa 與 Sherin(1998)已經發展出一種模式，關於 p-prim 如何參與

專門概念(如「力」)的發展。P-prim 系統的發展包含一個複雜的連結(接

到不同的情境與相關優先順序)(diSessa,1993)。但是，最終的系統完全

不同於有系統或一致性的，由於物理的經驗豐富，發展整合有本質上的困

難。粗略地引發 p-prim 的系統結構(有幾個重要的 p-prim 與一些微弱的

推論關係)，主要為片段的系統。另外，以情境化(Contextuality)作理論

論 述 ： 對 於 融 貫 性 與 片 段 性 之 間 的 爭 論 ， 最 重 要 的 概 念 在 於 情 境

(context)，素樸觀念如似理論的，就被視為有較廣大的範圍，有較少的

數目，也許在一個領域中，個人只有一個素樸結構。即使個人有不同的方

具有某個領域的理論。

圖 2-5-1(a)描繪素樸觀念理論似的理論的觀點，直線邊區域代表「應 用的情境」 ，以科學觀點真實世界的結構，如「牛頓力學」 ；曲線部分代表 以某種直覺或素樸方式去思考物理的世界，符合「力與運動的直覺理論」。

圖 2-5-1(b)描繪片段性的觀點，科學領域佈滿的許多直覺的單元，這些單 元的範圍遠小於可應用的範圍。這些單元可代表 Minstrell 的面向(facets) 或 diSessa 的 p-prim，省略了一些面向，表示直覺的片段(intuitive fragmentation)。

圖 2-5-1 (a)素樸概念與科學概念(正方形)的範圍(b)直覺單元分佈(小圓)與科學概 念的範圍(取自 diSessa,2004)

另外，圖 2-5-2 描繪了關於情境化的三個議題，是在圖 2-5-1(b)中無 法見到的。圖 2-5-2(a)直覺領域顯示模糊邊界在理論上是不明確的，可能 隨著一個情境轉變至後來另一個情境（如動態的情境面向）。圖 2-5-2(b) 顯示重疊情境的可能性，幾個物理專門詞語應用至一個情況（如能量和 力）。尤其理論常常明確地指定這種關係(能量改變＝力×距離)，且在任 何情況，使用不同的專門詞語是不能導致不同的預測。

在片段系統的例子，在預測間可能會有重疊的關係，在相關單元間沒

有原則的關係。在圖 2-5-2(c)顯示直覺單元可能有廣大範圍的可能性，超

出研究者所專注在某一小範圍，廣大範圍單元的存在並沒有威脅到以片段

性觀點之直覺知識的核心。為了得到任何有意義教學範圍的覆蓋，個人仍

然需要更多的單元(有些有單元有較大的範圍)。而且，這些情境的適用性

可能是動態不穩定的、沒有原則的，或重疊的。

圖 2-5-2 情境化議題示意圖：(a)模糊的邊界(b)重疊(c)直覺單元的廣大範圍 (取自 diSessa, 2004)

知識片段性(knowledge in pieces)被粗略地描述為支持片段性。

diSessa 相信至少直覺物理的某些單元是有廣大範圍(除了物理情境外，且 常被使用在概念化這個世界)，模糊、重疊及動態不穩定可能比本身龐大 數量還更重要(diSessa, 2004)。

二、 diSessa 複製 Vosniadou(2002)的研究

diSessa 質疑 Vosniadou 提出的心智模式的融貫性與一致性，所以重 複了 Vosniadou 的研究。避免研究方法的多樣性，所以，他的實驗方法是 與 Ioannides 和 Vosniadou 的相類似。對於概念內容、受試者的年齡範 圍均未變。年齡層分佈為：學齡前 9 人，國小 9 人，國中 6 人，高中 6 人。

共 30 位以 24 個問題組進行晤談，時間約 20~60 分鐘。

diSessa(2004)將研究內容分成兩種型態：

z 第 一 個 型 態 近 似 Vosniadou 的 研 究 ， 稱 為 準 - 複 製 研 究

（quasi-replication）。

z 第二個稱為延伸性研究，包含更多力學概念的不同情境面向與詳

細說明。(他使用一個相當簡單的策略，即是「問更多的問題」)

diSessa(2004)延伸性研究關注以下四個面向，這是 Vosniadou 的研究

結果所無法說明的。以下分別說明。

(一)、粗略量化的面向

對於力的想法，物理具有相當嚴格的量化敘述，不能期望與直覺物理 相稱的。然而，非物理學家通常會展現出一種相當強的量值感覺。尤其，

非物理家通常會忽略其他的力，他們通常使用基準的敘述方式，如一個力 與其他力恰好相同，合力為零就可以忽略。

diSessa 使用粗略量化(非量化)方式作為必要條件，有以下幾個理由：

1.將專家與生手至於相同的地位。

2.因為天真思考的某些特徵凸顯出此種形式的推理。

3.因為概念改變歷程，對於粗略量化推理，用其他方式去臆測一種特 別形式的角色。

(二)、本體的面向

本體的面向所要探究的問題為「什麼是力的本質，它的本體為何？」

以專家和生手對力學問題的回答如下。

物理學家：力不是一個物體，它也不屬於某個物體。它是不守恆的，

它存在於兩物體之間的作用。更確切地說，它是一種「向量」，具有方向 性的，若是更深入的陳述，即「力」是關係的(relational)，它是需要在 兩物體之間作說明。

生手：有些會認為力會隨時間而減弱，並且力會存在於物體內，一部 分較年輕的受試者通常會認為力是某些物體原來即有的，而不是任何作用 的結果。

(三)、合成的面向

合成的面向所要探究的問題為「從直覺或專業的觀點，當許多力同時

作用在同一個物體時，合成的原理為何？」以專家和生手對力學問題的回

答如下。

生手：力可能會抵銷，或是相互「壓倒性獲勝」 。

(四)、因果面向

因果面向所要探究的問題為「力存在的結果為何？」以專家和生手對 力學問題的回答如下。

物理學家：牛頓力學的核心是牛頓第二運動定律(F=ma)，即是很重要 的因果推論。以專家和生手對力學問題的回答如下。

生手：學生會以不同的方式來作推論。例如速度。

diSessa「準-複製研究」與「延伸性研究」的結果如下所示。

z diSessa 的準-複製研究

1. 未 能 證 實 Vosniadou 主 張 的 融 貫 性 (coherent) 或 一 致 性 (consistent) 在所有 30 位受試者中，僅有 5 位完全符合，並且全部均屬 於重力與其他意義。diSessa(2004)認為 Vosniadou 力的意義太過於含糊 不清，無法診斷受試者的思考方式。

2.並非 90%的受試者皆可以根據 Vosniadou 的意義給予分類，僅有低 於 50%的受試者可以依 Vosniadou 的意義分類。

3.受試者較注意 Vosniadou 所提的更多特徵，並依據這些特徵有系統 地改變他們的答案。

4.從知識片段性的觀點來看，Vosniadou 的實驗室無法完全複製的，

此系統性的困難在於學生本身的多樣性。

z diSessa 的延伸性研究 研究顯示三種結果：

1.diSessa 認為 Vosniadou 力的意義詮釋為類似一種(p-prim-like)，

或是相關於規則性的，不足夠建立情境化，而且忽略了競爭性概念 的廣泛範圍，建立起受試者在力學的其他方面如何作推理。

2.受試者在思考新的情境時有實質的差異存在。

3.受試者對力的許多推理是無法以 Vosniadou 論述來說明。

第六節 力與運動的迷思概念

有關力與運動的迷思概念，從 1980 年開始陸陸續續有學者開始作這方 面的研究。Rodrigues(1980)對 7~13 歲孩童作關於物體浮沈概念的研究，

發現孩童認為物體落下與上升是不同的現象，但未應用到重力的概念。學 生認為影響物體浮或沈的因素，為大小或重量的單一因素。Watts(1983a) 對英國地區 11~18 歲的孩童以訪談的方式作有關力的研究，發現孩童使用 擬人化的語言描述物體的運動，將學生對力的想法分成三種類型：1.力是 去對抗阻礙其他物。2.力是內部的驅動力。3.力是具有目的性。孩童認為 力是一種單獨的實體，並不是兩物體相互作用的結果；力與重量是兩種相 互分離的類別；力與壓力是相同的。另外，孩童不瞭解超距力的存在，認 為力必須由介質來傳遞，而且運動中的物體必有力的作用。

White(1983)指出孩童會有力的迷思概念原因有三：1.日常生活中，存 在有看不見的摩擦力，使學生在力與運動的理解上持有錯誤的信念。2.從 物理教室中未能瞭解範例 3.擁有數量計算的知識，不能轉換至向量的計 算。

McCloskey(1983)曾對 Johns Hopkins 大學的學生進行有關運動概念 的研究，研究結果指出，即使修過高中物理的學生對於物體運動持有一些 素樸(naive)的想法，McCloskey 稱為衝力理論(impetus theory)。這是迷 思概念以理論的方式展現。他認為人們依據日常生活經驗而發展出非常完 整的理論，不同個體所發展的衝力理論是具有一致性。

這個理論有兩個基本假設：

1.為使物體運動需施加一種內力或衝力使其維持運動狀態。

2.運動物體的衝力會逐漸消失(可以是自發性或外力的影響)，以致物 體的速度變慢或停止。

McClosky(1983)認為學生這種與中世紀自然哲學家的衝力想法很類

似。以衝力解釋運動物體在真實世界的現象是很自然的結果。如同學生在

拋體運動與單擺運動的表現一樣，與 Clement(1982)對學生拋體運動的研

究結果不謀而合。這些與經驗結合的想法，在不同年齡、背景或文化中學

生的認知上可見，且學生素樸概念不易改變的現象亦存在。

是屬於物體內在的，而不是屬於作用在物體上的外在實體（Finegold &

Gorsky, 1991）。

有關衝力性質的描述，Fischbein 等人（1989）的研究結果發現，學 生所認為衝力的作用（甚至是在任何外在力缺乏的情形之下）是基於物體 的形狀、重量與移動物體的功能。相似地，在 Bliss et al.（1989）的研 究發現，學生會使用下列兩種觀點來解釋物質是否具有衝力：

1.物體的硬度，或是其組成是相當重要的。

2.第二則是物體必須快速地移動，而得到一個較大的衝量，是和運動 的速度有關。

用來維持物體運動的衝力會隨著運動的過程慢慢地消耗，當物體停下 來之後，則是衝力消耗完畢了（Fischbein et al., 1989）。Trumper 和 Gorsky（1997）針對以色列 180 位大學生物系的職前教師關於力的研究 裡，研究結果發現：

1.大部份的受試者具有亞里斯多德的“衝力”的迷思概念；

2.「逐漸消失」（fading-away）的概念，他們認為作用在物體使它運 動的力會慢慢地消失。(引自劉俊庚, 2002)

對於力與運動在國內也有相關的研究。楊其安（1989）探究國中生的 力學概念，發現學生持有的迷思概念為「物體運動必需有受到力，使物體 運動或靜止(慣性)，稱為慣性作用力，此力被用來解釋慣性所造成的運動」

楊其安（1989）認為國中生在重力方面的迷思概念為：

1.有些學生認為重力與地心引力不同。重力和物體重量有關，而地心 引力是自然中的一種力，影響物體下落的速度。

2.有的學生認為地心引力大小和物體與地面的距離有關。例如同樣高 度的鐵球與木球，地心引力相同，重量卻不同。在高處地心引力較 小，在一樓與二樓可以差一倍。

全中平(民 83)，針對大學二年級學生作力與運動的迷思概念研究，發

現當單擺由一端至中央擺動，學生認為在運動方向有一力產生。對於物體

鉛直上拋，學生認為是因力大於物體的重量使球上升，而重量大於此力

時，物體開始下降。另外，以國小五年級的學生為研究對象，在學生還沒

學習「力與運動單元」前，有超過一半的學生不認為「力」與「運動」是

迷思概念為「平衡力不會使物體運動或產生靜止；磁力在一定的距離才會 產生；物體只有在向下運動才受地心引力」 。

董正玲(1991)的研究顯示國小兒童對「力與運動」概念具有共通的另 有概念，如以下五點：

1.以地面當絕對參考座標系，以自己當參考點。

2.以位置來判斷運動狀態及受力情形。

3.運動蘊含力或力與速度成正比。

4.認為具有活力的物體(如人，汽車) 才能產生力量，而忽略一些被 動力( 如摩擦力 ，地心引力) 。而認為有些現象是自然結果與力 無關，或在判斷靜力平衡時易忽略某些力。

5.重量和地心引力不是同一種力。

余秀麗(2003)研究發現：具有迷思概念的學生認為力必須要經由接觸 才會產生，有媒介物的存在。學生誤解媒介物的意義，誤以為受到力作用 的物體就是媒介物，有些學生認為如果沒有空氣，在地球上就不會有超距 力的現象。同樣地，Berg 和 Brouwer（1991）研究也發現超過 50%的九年 級學生認為在太空中沒有重力的存在，所以月球上亦是沒有重力，因為在 月球上沒有空氣。

余秀麗(2003)的研究顯示多數國三學生對重力現象持有不同的初始概 念，他們依據直覺自己日常生活經驗和直覺，作為詮釋力與重力現象的認 知架構。對於學習「力與接觸作用」概念較佳的學生，也較具有正確的重 力概念。

以上，國內外對「力於運動」迷思概念的研究，都有相似的結果。歸 納以下幾點特徵：

1. 源於日常生活的經驗，受文化情境影響。

2. 只注意外在的表象，忽略看不到的。

3. 只考慮到部分，未能含括至整體。

4. 皆存在於不同國家，不同年齡的學生。

Selman 等人（1982,引自劉俊庚, 2002）將學生在力學方面的概念發 展以皮亞傑的認知發展來分四個層次，分別如下：

1.概念是基於明顯、具體的事件：

學生在科學概念的解釋主要是基於明顯地因果關係來解釋。

2.概念是基於單一看不見的力：

小朋友在他解釋效應會明顯地使用隱秘的和非屬於動物的力在他的 解釋裡。儘管已有了看不見的力的發展，但他們依然無法在任意給定 的情境之下考慮超過一個力的作用。

3.概念是基於多重性的，或是相互作用看不見的力：

在此階層的孩童能夠在一個單一情況下考量多重性的過程。舉例來 說，他們能夠考量競爭的重力吸引作用。

4.概念是基於平衡，或是變換系統：

在此階層的科學思考是藉由許多看不見過程之間平衡的關係的系統

來考量。此外，小朋友亦能夠表現出這些力之間的變換。