第貳章 文獻探討與分析
本章分為四節，第一節迷思概念與學習，主要是探討概念與學習，以及有關 迷思概念的來源和成因；第二節概念改變，探討有關概念改變的觀點和理論；第 三節概念改變的教學策略，探討常用的概念改變策略與教學模式及方法；第四節 板塊構造運動迷思概念，則是回顧與板塊構造運動迷思概念相關的文獻。
第一節 迷思概念與學習
在談迷思概念前，這裡先簡單討論「概念」是什麼，然後回顧有關建構主義觀點 的學習理論，最後進入迷思概念的主題。
一、概念
究竟「概念」一詞指的是什麼，各家說法不一，不同的學者有不同的定義，
例如 Klausmeier(1974)認為概念是一有組織的資訊，可以讓我們區分相關事物 中特定的事或物，它是由一或多件事物(objects)、事件(events)、過程(processes) 所 具 有 的 性 質 中 所 抽 取 出 的 有 次 序 訊 息 (ordered information) ； Mervis 和 Rosch(1981；引自林振霖，民 82)則認為人類把個人的經驗加以歸納整理，透過 歸納整理建立起來的範疇或類目，就稱為概念。
不管概念的定義如何，概念是經由學習而來，有關概念的發展，Klausmeier (1974)認為有以下四個層次：
1. 具體(concrete)：能說出重要的屬性。
2. 同一(identity)：能說出例子。
3. 分類(classification)：能推廣到新的例子。
4. 正式化(formalization)：能給概念清楚的定義並區辨新例子。
在教育的領域來說，大部分有關概念的研究，Hashweh(1988)認為可分三種 類型，分別是描述性(descriptive)、解釋性(explanatory)和概念改變(conceptual change)。描述性的研究是以概念描述為主，例如探討學生的迷思概念；解釋性 的研究主要是探討概念轉變機制和概念的持續性，例如有關各種概念改變理論的 提出；概念改變研究則是以教學實驗驗證理論，並找出有效的概念改變教學法。
本研究便是探討學生有關板塊構造運動的迷思概念，以及探究不同的概念改 變教學，比較其概念改變的效果。
二、建構主義
以學習的哲學理念來說，建構主義可以追溯到十八世紀的 Giambattista Vico，他主張人類只能了解他自己建構的東西。許多哲學家和教育家都曾著力於 此想法的發展，但首先提出清楚的建構主義想法的人，主要是皮亞傑和杜威。如 今建構主義已經變成一個複雜的概念，主要有兩派看法，分別是個人認知建構主 義以及社會建構主義，兩者有許多共通點，只是強調的重點不同。
建構主義認為知識是人類從經驗中以心智建構出來的，知識不是固定不變 的，而是持續不停的改變。Von Glasersfeld (1987)認為建構主義的知識論是建 立在兩個主要的原則上，第一：知識無法被動接受，而是由具認知能力的人主動 建構出來。第二：認知的功能是適應環境，將經驗世界加以組織，而不是發現客 觀存在的世界。建構主義對教育與學習知識的影響，主要與其知識論哲學觀點有 關，它已揚棄存在客觀知識的想法，其中許多的看法相當具有說服力，有些則只 是一種假設。這些看法的例子如下(Driver et al., 1994)：
1. 知識不能直接轉移，需學習者自己主動建立。
2. 學習者從自身的經驗建構意義和非正式的理論。
3. 經由社會性的對話和解決問題的活動，學習者才得以建構知識和理解知 識。
4. 科學知識的建構包括社會性和個人心智的過程。
以下是建構主義概念光譜兩端的簡單介紹，也就是個人認知建構主義和社會 建構主義。
(一)個人認知建構主義
認知建構主義主要是基於皮亞傑的研究工作成果，皮亞傑的認知發展理 論認為學童的認知能力是循序發展的，不同年齡學童的認知能力階段通常 不同。皮亞傑認為直接將資訊給人，並不能使人了解和運用這些資訊，人 必須通過經驗建構自己的知識。人的心智從經驗建立各種基模，基模可以 視需要藉由同化和調適的過程，加以改變擴充或精緻化。Solomon(1987) 認為當代的建構主義觀點與皮亞傑的觀點有兩點不同，第一：當代建構主 義強調領域特殊知識的發展，而皮亞傑強調一般邏輯能力的發展。第二：
當代建構主義不僅強調個人和物理環境互動的知識建構，也重視在學習社 群內發生的社會化知識建構。
(二)社會建構主義
維高斯基是社會建構主義的重要人物之一，他的建構知識觀點和皮亞 傑的有許多相同點，但更加強調社會文化情境脈絡下的建構學習。維高斯 基認為老師、父母、同學等，對學童學習時有很重要的影響，他們會傳遞 重要的文化工具給學童，包括語言、文化歷史、社會情境等，在現代的社 會則應該還包括各種電子資訊。總而言之，社會建構主義認為學習是一種 社會化的過程，僅有個人是不會發生的，而且學習也不是被動受外力影響 產生的。
三、學習理論
科學概念是經過實驗證明或嚴格的考驗，才建立起來的概念，通常比較複雜 抽象而且不易直接親身經驗，這是學生學習科學概念困難的原因之一。這些學習 科學概念的困難該如何克服，以增進學習的效果呢？回顧一些重要學者們的學習 理論，以及他們對教育的理念，或許可以得到一些啟示。以下是皮亞傑(Jean Piaget)、布魯納(Jerome Bruner)、奧蘇貝爾(David Ausubel)、維高斯基(Lev Vygotsky)四人的理論介紹。
(一)皮亞傑的認知發展論
皮亞傑的興趣主要在個人的知識如何發展出來，因為他有生物學和哲學 的背景，所以他的研究和理論受到這兩個領域很大的影響。皮亞傑的理論企 圖描述新知識獲得的歷程，以及在此歷程中所產生的訊息處理策略和表徵方 式的改變(林清山，民 90)，其理論有幾個主要的特色：
1. 個人對外界的表徵有兩個必備的功能：適應和組織；適應是個人 對外界的心理表徵必須與現實協調，組織則是個人對外界的心理 表徵必須結合成為一個連貫又內部一致的結構(林清山，民 90)。
一個有功能的外界心理表徵，需要更多的訊息盡量接近現實，而 將心理表徵組織成一致的結構，則要求減少事物的複雜程度，故 兩者方向是相反的。
2. 認 知 成 長 均 是 同 化 (assimilation) 與 調 適 (accommodation) 兩 個 相 反歷程的結果(林清山，民 90)，同化是指將新訊息納入與已存在 的知識結合，調適則是將現存的知識更改，以便能與新訊息結 合。兩者則是經由平衡化(equilibration)的過程互相節制平衡，以 使認知能有一連貫的意義，並符合真實世界。
3. 用階段一詞描述個人在表徵和訊息處理模式方面的主要改變(林 清山，民 90)，但從一個階段到另一個階段的年齡，則有很大的個別
差異存在。皮亞傑強調階段的順序是不變的(invariant)，也就是兒童
會依序經過各階段，而不會跳過省略某一階段。皮亞傑的理論主張 認 知 有 四 個 主 要 的 階 段 ， 以 下 是 四 個 主 要 階 段 的 簡 要 描 述 ： (1)感覺動作期(Sensorimotor stage)：
這一時期自零歲到約兩歲，兒童必須學習協調視覺、觸覺、聽覺 等感覺，並發展「物體恆在」的概念。「物體恆在」的意思是物體 離開視線後，雖不能直接觀察，但知道物體仍然存在。
(2)前運思期(Preoperational stage)：
「物體恆在」的概念雖發展完成，但兒童的思考仍和成人不同，此 時期約從兩歲到七歲間，在思考上是自我中心的，也就是只能從 自己的觀點看世界，而且沒有可逆性的思考、無法正確完成「守 恆作業」(conservation task)。
(3)具體運思期(Concrete Operational stage)：這一時期約從七歲 到十一歲之間，此時能考慮到別人的觀點，也能同時思考多個 面向，以及能正確完成「守恆作業」，但還有一個主要的限制，兒
童無法對抽象的、假設的或機率的情境進行邏輯思考。
(4)形式運思期(Formal Operational stage)：約自十一歲以後，兒 童能進行假設-演繹思考、抽象思考、系統性思考。
對皮亞傑的認知階段發展論，Bliss(1995)認為有兩個主要的問題，一是 很難將階段模式應用到皮亞傑研究的數據中，二是在國中絕大多數學生都未 達形式運思期。
(二)布魯納的發現學習論
布魯納的理論架構認為學習是主動積極的過程，學生的學習是基於現有 的知識建構新的知識。教育者的工作是將知識轉換為學生現階段能懂的形 式，並應試著鼓勵學生自己發現原理或原則。布魯納(1973)舉過一個例子：
讓學童排列豆子，有些數目的豆子無法排成完整的數個行列，總是會多出或
少幾顆才能成為完整的行列圖形，當學童發現這情形時，他學到的就是質數 的概念。以此發現為基礎，教導學童乘法表就比較容易了。
他提出學習要經過三個階段，第一是動作表徵(Enactive)：學童需經驗 具體的事物，並親手操弄物體才能了解；第二是形象表徵(Iconic)：此時能 以形象的方式表徵物體，並能在心中做基本的加法問題；第三是符號表徵 (Symbolic)：學生能使用邏輯等高階思考的技巧，以及運用符號系統，例如 F=ma 的公式。
布魯納認為教育理論應該要有四個面向，(1)對學習的傾向。(2)將知識 結構化，使學生容易掌握。(3)將學習材料以最有效的次序呈現。(4)獎賞與 處罰的性質和作用。另外布魯納還強調直覺的思考，以及興趣是理想的學習 動機，而不是外在的競爭或分數，後來布魯納延伸他的理論架構，納入社會 和文化面向的影響。
(三)奧蘇貝爾的意義學習論
一般學校的教學，大部分的時間是以口語講解和閱讀文字教材為主，在 此情境下學生如何有意義的學習大量內容，這是奧蘇貝爾的理論所要討論 的。奧蘇貝爾主張影響學生學習最重要的一個因素便是學生已知道的 (Ausubel , 1968)，而且認為學習主要是將新學的內容和已存於認知結構的 相關想法連結起來。
奧 蘇 貝 爾 提 出 一 個 教 學 模 式 ， 認 為 使 用 前 導 組 體 (advance organizers)，能協助學生將新學的內容和已有的概念連結起來，其作用就像 連接兩地的橋樑一樣。他還認為教材應經由比較或交互參照新舊概念，將新 學的內容和已學的知識整合起來。
奧蘇貝爾清楚指出他的理論只適用於一般學校教學情境下的接受學習 (reception learning)，接受學習是指有意義的學習，不是機械式的背誦學習，
因為機械式學習並沒有和已存的知識產生有意義的連結。
(四)維高斯基的社會建構論
維高斯基的主要概念是社會互動在認知發展的過程中扮演非常重要的 角色，他說：「孩童文化發展的每一項功能都出現兩次，首先在社會層面，
然後在個人層面；意思是第一次在人與人之間，然後在個人心中。這同樣 也能應用在注意力、合理的記憶和概念的形成。」(Vygotsky , 1978；引自 Kearsley, 2005)例如語言的發展原本是人與人之間的溝通工具，但精通語 言後，卻內化用做計畫解決問題和自我對話等內心思考的工具。雖然他的 原始研究大部分與孩童學習語言有關，但理論架構在後來的應用則廣得多。
維 高 斯 基 理 論 的 第 二 個 要 點 ， 是 所 謂 的 可 能 潛 在 發 展 區 (zone of proximal development)觀點，他認為要完全發展可能潛在發展區必須依賴 完整的社會互動。可能潛在發展區是指孩童獨自解決問題所能達到的發展 程度，與在成人引導下或和能力更好的同儕一起合作下，所能達到的發展 程度之間的差距。
以鷹架比喻協助學習的觀點，與維高斯基的可能潛在發展區的概念是 平行的，所以也有人稱應用維高斯基概念的學習為鷹架理論。
四、迷思概念
在1970年代因為認知心理學和皮亞傑的理論，教育研究者對學童的概念和學 童的錯誤概念十分有興趣，相關的研究蓬勃發展，有時稱這為另有概念運動 (alternative conceptions movement)(Keith , 2000)。基本上迷思概念的研究，是 沿建構主義對學習觀點的脈絡而來，描述迷思概念之後，接著當然是如何改變迷 思概念的問題，1980年代開始，許多學者的研究便轉向強調概念改變的學習，並 提出許多概念改變的理論，下一節將回顧這些理論。
(一)迷思概念的意義
在教學上，教師需要知道學生有哪些迷思概念，才能更有效地協助學 生建構正確的概念，不然學生的迷思概念持續累積，會影響新概念的建構，
並增加往後學習的困難。以建構主義的觀點來看，建構新概念時錯誤是必 經的過程，教師教學時，可以把學生的迷思概念當成過渡階段，以迷思概 念為基礎協助學生建構正確的概念。
迷思概念的含意各家說法不一，只要學生對自然現象的概念與科學家 的不相同，或是與科學家的概念有衝突，這裡便統稱為迷思概念。迷思概 念可能是受正式學校教育前就有的，也可能是在學校學習時形成的，由於 觀點的不同，這些與科學家不同的概念有許多種稱法，例如迷思概念 (misconceptions)、兒童的科學(children’s science)、另有架構(alternative frameworks)、先備概念(preconceptions)、素樸信念(naïve beliefs) 、迷你 理論(mini-theories)、未教導的信念(untutored beliefs)、直覺概念(intuitive notions)、非正規知識(informal knowledge)等(Muthukrishna et al., 1993)。
(二)迷思概念的成因
基本上只要與建構知識歷程有關，如建立基模、同化和調適的過程、
周遭的社會情境等任何一個環節，都可能是迷思概念產生的原因。以下是 產生迷思概念常見的一些情形。
1. 經驗直覺：Lewis 和 Linn(1994)研究學生的熱平衡概念，發現學生 雖然知道物體溫度會和環境達成一致，許多人仍認為金屬在熱的環 境裡，會比外在的環境更熱，在較冷的環境裡，會比外在的環境更 冷。Tirosh 等人 (1998)認為某些直覺性的推論，例如「若 A 較多 的話•••，則 B 亦較多」，也是許多迷思概念的共通起源；許多 學生對自由落體運動，便常有「若物體越重，則物體落下的速度越 快」的看法。
2. 週遭環境：學生使用的語言、文化的信念、與他人的互動，也是迷 思概念的來源(BouJaoude, 1991;引自劉俊庚, 2002)。例如教科書 的用語和陳述誤導，圖片過於簡化，或教師在教學過程錯誤的詮
釋，或是簡化概念不當，都可能導致學生產生迷思概念。
(三)迷思概念的偵測方法
因為不同的方法有不同的特點，在偵測學生的迷思概念時，經常是 採用兩種或以上的方法，以確認迷思概念。例如 Bar 和 Travis(1991) 認為不同模式測驗間的差異，可以讓我們相互比較，以確認迷思概念的 來源。另外，測驗的方法也會影響結果的分布，因為不同情境或不同的 問法，學生常有不同的回應。一般常用偵測迷思概念的方法，扼要介紹 如下：
1. 晤談法
這 種 方 法 是 皮 亞 傑 首 創 ， 命 名 為 「 臨 床 方 法 (clinic method)」，是研究學生迷思概念最好的方法之一，這種方法比 一般紙筆測驗更能深入了解學生的概念，像 Bar 和 Galili(1994) 就認為晤談法對證明學生的想法似乎比其他方法更有可信度。若 是半結構性晤談，還可因應學生的回答，當場把可能的迷思概念 加以確認，所以也比較有時效性。
晤談時最常使用的程序是錄音記錄，分析時則常先轉錄成為 文字，再予以分析；大部分的研究是將學生的回答分類加以分析。
晤談法雖能提供相當有價值的訊息，但卻十分耗時費力，一 般教師不願意也沒時間採用此法，況且晤談要順利進行，以及結 果要準確詮釋並減少偏誤，都需要練習和經驗。
2. 紙筆測驗
紙筆測驗可以有多種形式，如簡答題、選擇題、二階段選擇 題等方式。簡答題是沒有選項的問題，學生能自由回答，選擇題 就是像一般坊間測驗卷的題目，或像學力測驗的題目；二階段選 擇題的試題設計分為兩個階段，第一階段是採用一般選擇題的方
式，由研究者提供可能的答案，第二階段則是採用類似晤談的開 放式問題，要求受試者寫出回答第一階段問題的理由是什麼。
紙筆測驗有幾個明顯的優點，第一：很容易在短時間裡進行 大量受試者的測驗；第二：統計分析相對於晤談的分析，簡易又 耗時較少；第三：用途較廣泛，可作為先備概念測驗、形成性測 驗、成就測驗等，而且也很容易重複施測或加以修改。
3. 概念圖
概念圖是藉由線段將相關的概念聯結，以二維圖形的方式來 表示概念間的關聯。學生對概念的了解，會反映在他畫的概念圖 中，所以分析概念圖可以得到許多資訊，不僅是迷思概念而已。
但學生對如何畫概念圖並不熟悉，所以可能需要一些時間練習這 項技巧，但這需要額外的時間。
概念圖可以做為偵測概念改變的工具，也可以做為學習的工 具，也能做為評量工具，用途相當多樣。當做偵測迷思概念的工 具時，有一個缺點，便是分析不易，一般教師並不熟悉語義連結 分析和概念對應的分析技術。
第二節 概念改變
概 念 改 變 的 研 究 是 經 由 1980 年 代 研 究 迷 思 概 念 題 材 快 速 擴 展 而 來 (Wandersee, Mintzes, & Novak, 1994)，研究概念改變的學者們，各從不同的觀 點詮釋概念改變，有的從科學史哲觀點，例如 Posner 等人(1982) 、Thagard (1992)；有的從認知心理學觀點，例如 Carey(1985)、Dykstra(1991；引自劉嘉 茹，2000)、Vosniadous (1994)；有的從知識本體分類論觀點，例如 Chi (1992, 1994)；還有從情境和概念相依程度等的觀點，例如 Tao 和 Gunstone (1999)。
不同的觀點對概念改變各有不同的洞察，對概念改變難易程度也各有獨到的見 解，對第一線教育工作者而言，這是發展概念改變教學極好的參考，這些觀點提 供了豐富的選擇以及各種可能性。
一、概念改變理論的文獻回顧
(一)科學史哲觀點的概念改變理論
最初的概念改變理論，在 1980 年代出現於康乃爾大學，由一群科學教 育研究學者和科學哲學家發展出來(Posner, Strike, Hewson, & Gertzog, 1982)。Posner 等人(1982)認為科學理論的發展與個人科學概念的建構，彼 此間有類似性，並參考孔恩的科學革命和拉卡托斯的研究綱領轉換，以及皮 亞傑的同化與調適觀點；孔恩的典範轉移和個人中心信念的改變，便類似調 適(取代或重新組織既有中心概念的過程，這是概念改變較激烈的形式)。
Posner 等人提出概念發生改變的四個條件：
1. 學習者必須對現有的概念感到不滿意(dissatisfied)。
2. 新的概念必須是可以理解的(intelligible)。
3. 新概念必須是合理的(plausible)，因了解新概念的意義，不一定 能看出它如何能應用於某一特定情況或解決某一特別的問題。
4. 新概念必須是豐富的(fruitful)。
這四個條件是概念地位(status)的基礎，所謂概念地位是指學生了解和 接受某一概念的程度(Hewson, Beeth, & Thorley, 1998; 引自 Davis, 2001)，某概念越可理解、合理、豐富，概念地位就越高。新概念的地位必 須高於原有概念的地位，概念改變才有可能，因此對原有概念感到不滿意可 說是概念改變過程的中心。
此理論還有一個重要的概念，稱為概念生態(conceptual ecology)，所 謂概念生態是指影響概念改變的相關因素，彼此作用相互影響像生態圈一 般；相關因素包括已有的知識和概念、概念間的關係、認識論的信念等。個 體的概念生態是由個體具有的所有概念組成，對選擇新中心概念有重要的影 響，影響概念選擇的重要因素如下(Posner et al., 1982)：
1. 異例(anomalies)：異例在概念生態中扮演重要的角色，因為異 例會影響概念生態的變動。
2. 類比與隱喻(analogies and metaphors)：類比與隱喻可以提供新 的想法，使新的概念更合理。
3. 認識論的影響(epistemological commitments)：
(1)解釋的理想(explanatory ideals)：對特定學科知識成功的解 釋方式。
(2)對知識特徵的一般想法(general views about the character of knowledge)：一些成功知識的標準，如高雅的、經濟的似 乎並非特設的，這些標準成為對知識特徵的一般看法。
4. 形而上的信念和概念(metaphysical beliefs and concepts)：
(1)對科學形而上的信念(metaphysical beliefs about science)：信念是連結科學與一般經驗的重要關係，像信念在愛 因斯坦的思考過程中便扮演重要的角色。
(2)對科學形而上的概念(metaphysical concepts about science)：特定的科學概念通常具有形而上的特質，不易以實
驗證明或反證。
5. 其他知識(other knowledge)：
(1)其他領域知識(knowledge in other fields)。
(2)競爭的概念(competing concepts)：新概念必須比其他競爭概 念好。
Posner 等人(1982)的概念改變理論是風行最廣，影響也最大的理論，
而 Strike 和 Posner(1992；引自 Zirbel, 2004)後續的研究則開始著重影響 概念生態的其他環境因素，例如社會、情意的層次。
Thagard(1992)研究科學發展史上的革命事例，提出概念改變的模式，
認為概念改變包含了部分相關性(part-relation)和種類相關性(kind-relation) 的改變；「部分相關性」是指概念樹階層裡較為下位的關係，「種類相關性」
是指概念樹階層裡較為上位的關係。Thagard 指出概念改變有九個階層：增 加新例子、增加弱原則、增加強原則、增加新的部分關係、增加新的種類關 係、增加新概念、瓦解部分種類的階層、分枝跳躍、樹遷移。這九個階層如 下圖 2-2-1 所示。
圖 2-2-1 認識改變的分類(Thagard, 1992) 認識的改變
信念修正
概念改變
增加 減少 減少增加 重組 重新界定階層
( 樹
的轉換
)
簡單 修正
( 分
枝跳躍
)
區辨 合併 分解
Thagard(1992)舉科學發展史的例子說明，如達爾文的概念革命，包含 了不同的概念改變類型，有增加新概念(增加天擇的概念)、分枝跳躍(世界上 有人和其他動物的區分，變成人是動物的一種)和樹遷移(神造人和其他生 物，變成生物是演化出來的)等。其他的科學革命，如拉瓦錫、哥白尼、牛 頓只有到分枝跳躍的過程，板塊運動更是只有到刪除地球收縮論的概念層 次。
由前述的探討可以發現從科學史哲觀點出發的學者，都是以較宏觀的角 度探究概念改變。
(二)認知心理學觀點的概念改變理論
Vosniadou(1994)認為學生的信念是受制於一組本體論和認識論的預 設，知識不是由許多小的概念經相似性連結而成，而是先有一個大的架構，
然後逐步填入細部的概念。孩童具有的大架構稱為素樸的架構理論(naïve framework theory)，主要源自兒童早期的日常生活經驗，而細部的概念稱為 特定理論(specific theory)，源自個體的觀察或文化的脈絡。
Vosniadou 的理論詮釋如下圖 2-2-2，圖中有兩個層次的認知結構理 論，一是上層架構理論，另一是特定的理論或概念。向右的箭號，表示在架 構理論預設的限制下，孩童詮釋觀察到的現象和接受的資訊時，會持續修正 特定理論，並使特定理論內容更加豐富。修正的過程便稱為概念改變，若只 是簡單的增加新訊息使已存在的概念結構更豐富，或是修正特定理論的信 念，這樣的概念改變層次，與皮亞傑的同化或概念的獲得類似；若是全體或 架構理論的預設或基本命題改變，這種根本性的改變，就與 Carey(1985) 的強烈概念改變類似。
圖 2-2-2 Vosniadou(1994)的架構理論
Vosniadou 認為教學時應專注於學生的預設，而不是迷思概念本身，
例如教有「人們是住在透明中空球體裡的平面上」概念的學生，只告訴他 們地球並不是中空的球形，這樣並不足以改變他們的迷思概念。因為學生 無法將球形的地球和大地的平面，與重力控制上下的預設調和在一起。另 外，Vosniadou 理論特別的地方，是他使用心智模式來描述心智的表徵；
心智模式能在心裡運作，用來解釋或預測現象。
Dykstra 等人(1992)基於研究、課堂的經驗和對概念改變文獻的理解，
他們提出概念改變理論，認為概念改變主要有下列三種形式：
1. 區分(differentiation)：在類別的區分上，包括速度與加速度、電 流與電能、冷熱與溫度的區分，這些概念的例子在結構上是相似 的。其中電流與電能概念，學生常會將兩者混淆，因此會有「電 流會消耗」的迷思概念。
2. 類別延伸(class extension)：已存在的概念類別再做延伸，概念 可以解釋更多的現象。Dykstra 等人(1992)認為從第一次描述的
架構理論 特定理論
本體論的預設
認識論的預設
教學脈絡中的 觀察或新資訊
信念
心智模式
防衛的預設
牛頓概念到精緻的牛頓概念即屬此類型，如下圖 2-2-3。
圖 2-2-3 Dykstra 等人(1992)以牛頓力學為例
3. 重新概念化 (reconceptualization) ：此形式的改變類似科學家思 考方式的改變，此種形式的改變相當的困難。
其他的採認知心理學觀點的學者如 Carey(1985)認為概念改變區分為 強烈的概念改變(例如孔恩的典範轉移)以及微弱的概念改變(例如表徵內容 的 增 加 ) ； Rumelhart 和 Norman(1981) 認 為 概 念 改 變 的 形 式 有 增 加 (accretion)、調整(tuning)、重建(restructuring)；增加是增加新知識，調整 是修正新知識，重建是知識的重組。
(三)知識本體分類論觀點的概念改變理論
從教學的經驗中，常可發現學生的概念有些容易改變，有些卻很難改 變，這是什麼原因造成差異的呢？
持知識本體分類論的學者認為每個概念都有其本體屬性，Chi(1992)和 最初的概念 精緻最初的概念
第一次描述
牛頓的概念 精緻後的牛頓概念 加速度
假如速度增 加，則力增加
速度 假如速度不 變，則力不變
靜止 假如沒有運 動，則沒有力
加速度 加速度不變，則 淨力不變
速度 速度不變，則 淨力為零
靜止 速度為零，則 淨力為零
加速度 加速度不為 零，合力不為零
加速度 加速度為零，合 力為零
假如物體有運 動，則有力
假如物體沒運 動，則沒有力
Chi 等人(1994)並認為根據本體屬性的不同，可分為三大類別：物質、過程、
心智狀態，每一類別下還有不同的次類別(圖 2-2-4)。「物質」是指有特定屬 性的東西，如紅色的太陽、有生命的東西等；「過程」是指事件的發生，可 能有序列性、有因果關係、也可能只是機率問題，但它反映出自己特定的屬 性；「心智狀態」是指情意的部分，如情緒或傾向(邱美虹, 2000)。每當學 習一個新概念時，新概念便會被歸到一個特殊的類別，幫助學習者了解概念 的本質和屬性。
圖 2-2-4 本體樹架構(引自邱美虹, 1998)
物質、過程、心智狀態在本質上是獨立的，Chi 借 Kuhn 的不可共量性 觀念，嘗試說明學生無法了解科學概念的原因。他認為並不是因為科學概 念的複雜、抽象或動態，導致學生無法了解，而是學生的概念本體屬性歸 類不恰當。例如當專家和生手處理電、熱、溫度等的概念時，專家對這些 概念在本體論類別是劃分歸為過程類別，但一般生手卻常將之歸為物質的 類別(Slott, Chi, & Joram, 1995)。
人造物質
過程
步驟 事件 條件為
主的交 互作用
意圖
的 隨機
的
自然 現象
人造
心智狀態
情緒的
意圖的
液體 物質
自然種類
不是 活的 活的
固體 動物
植物
概念的改變可以區分成兩種，如果概念改變是在本體樹相同的類別內 變動，這樣的改變是「輕微的概念改變」(Chi et al., 1994)，例如鯨魚常被 誤認為魚類，但對鯨魚更加了解後，鯨魚的分類便不再是魚類而是哺乳類，
這種類別的改變，基本上還是在物質類別中(邱美虹, 2000)；如果概念改變 是在本體樹不同類別間的變動，這種改變是「根本的概念改變」(Chi et al., 1994)，例如電流、熱等概念，常被誤歸為物質類別，在理解這些概念的本 質後，必須重新歸類成為過程類別，而這便需跨越本體樹的不同類別。以 知識本體分類論來看，「輕微的概念改變」較易發生，「根本的概念改變」
則較難達成(圖 2-2-5)。
在過程類別中有兩個重要的次類別，一般事件(event)與平衡過程概念 (equilibration process，EP，Chi, 1998)；事件是包含起始點與終點、明確 的行動(如打棒球)，平衡過程概念(EP)或稱「限制條件的交互作用」(CBI:
constraint-based interactions)，沒有起點也沒終點，是不斷進行的活動(如 擴散)。許多較難學習的科學概念就屬於平衡過程概念(EP)，學生常易將過 程類別中的 CBI 概念當成事件概念，這樣概念就會較難改變。
圖 2-2-5 「輕微的概念改變」和「根本的概念改變」的差異(引自 Chi et al., 1994)
(四)其他的概念改變看法
Hashweh(1986)的概念改變模型認為學生的先備概念並不是錯的，只是 有局限性，僅適用於某些特例，而科學概念則是普世通用，適用的範圍廣大 得多。此觀點的詮釋如下(對照圖 2-2-6)：
當先前概念(C1)與一個特定領域的世界(R1)交互作用良好，但卻不能 解釋另一個世界(R2)，這樣便會導致學生的概念衝突。在一般研究的假設
概念改變 概念改變
根本的概念改變
裡，常認為如果利用概念(C2)即可化解衝突(1)。但使用概念(C2)的時候，
我們會發現並不能解決衝突(1)，且對某些具有概念(C1)的學生而言，他們 並無法採用概念(C2)，因為他們會產生衝突(2)；概念(C1)和概念(C2)兩個 不同概念都是表徵相同的世界(R1)，所以會產生衝突(2)。若要化解概念(C1) 和概念(C2)之間的衝突，便需了解概念(C1)只對(R1)是成功的，無法用在 (R2)，因為(R1)和(R2)間是有差異的。我們可以用概念(C2)表徵(R2)和 (R3)，而概念(C1)只能表徵(R1)，因此概念(C1)可以說是概念(C2)的特例 之一。
圖 2-2-6 Hashweh(1986)的概念改變模型
Tao 和 Gunstone(1997)由概念改變的實證性研究發現，學生的概念會 在另有概念與科學概念之間擺盪，明顯地受到情境影響。他們認為情境是 影響概念改變的主要因素之一，學生可能在某一情境下從另有概念改變至 科學概念，但在另一情境下卻可能回復到原來的另有概念。這時另有概念 和科學概念共存於學生心中，並且和情境的依存關係密切，非常的不穩定，
如果他們能了解科學概念在不同情境下的一般性，真正的概念改變便能發 生(圖 2-2-7)。
衝突(1) 想法的世界
真實的世界
先前概念(C1)
衝突(2)
R1 R2
科學概念(C2)
R3 R4
圖 2-2-7 情境相依之概念改變過程圖(Tao & Gunstone, 1997)
Pintrich 等人(1993)和 Pintrich(1999)覺得一般的概念改變研究都過於 強調認知上的改變，以及知識結構上的改變，很少考慮興趣和動機等的因 素，所以稱這種概念改變研究為「冷的概念改變」。很顯然地，概念改變與 學習動機、信念、個人目標、興趣等關係密切，若學生沒有改變的意願或 動機，概念改變將很難發生。Strike 和 Posner(1992)後來的研究，也開始 著重其他因素對概念改變的影響，包括動機、目標、教學、社會資源等。
Pintrich 等人(1993)和 Pintrich(1999)認為動機信念(motivated belief)不一定 是直接影響概念改變，但動機信念是「預設」和「理論」的一部分，在建 構知識或心智模式時，動機信念會影響推論。
Tyson 等人(1996)認為應該由不同面向探討概念改變，所以提出概念改 變的多面向架構(Multidimensional framework for conceptual change)，概 念改變的面向包括本體分類論、認識論、社會/情意，他並進一步說明，概 念改變的歷程是動態的，改變並非一蹴可及。
情境一 另有概念
情境二 另有概念
情境三 另有概念
情境一 科學概念
情境二 科學概念
情境三 科學概念
情境獨立 科學概念
情境獨立概念改變 一般化
二、概念改變程度分類
一般而言，概念的改變可分為簡單的和困難的兩大類，不同的學者提到這觀 念時，使用的描述詞有許多種，例如簡單的概念改變、弱重建、溫和的概念改變 等，相對的是困難的概念改變、強重建、激烈的概念改變等。雖然不同學者對弱 重建與強重建的定義不太相同，但大致上來說，弱重建是指較容易發生的概念改 變，如 Vosniadou 所提的概念豐富化、Chi 所提的概念類別內的分枝跳躍；強重 建是指較困難發生的概念改變，如 Vosniadou 所提的信念與預設修正、Chi 所提 類別間的分枝跳躍。
許多研究者對概念改變的層次與種類提出看法，Tyson 等人(1996)將它們統 整成如下圖 2-2-8 的一般模式。
圖 2-2-8 概念改變的層次與種類的一般模式(Tyson 等人, 1996)
Tyson 等人(1996)認為概念改變最基本的是認知結構上的知識增加，如同 Vosniadou 所提增加新訊息的概念豐富化；若認知結構的改變比增加知識還多，
便稱為修正，就如 Vosniadou 所提的信念與預設修正。依修正的程度又分兩種，
弱修正如同弱重建，強修正如同強重建。
Harrison 與 Treagust(2001；引自陳盈吉, 2004)綜合整理各家概念改變理 論，依概念改變難易的程度分類，結果如下表 2-2-1。
認知結構的改變
增加
修正
弱修正
強修正
表 2-2-1 概念改變理論整理(改編自 Harrison et al., 2001；引自陳盈吉, 2004)
概念改變的難易程度 理論提出者 理論要點
小幅度的改變 簡單的改變 困難的改變
Kuhn(1970) 科學革命與典範
轉移 常態科學 革命科學
Lakatos(1970) 科學研究綱領 保護帶的修正
與變形 硬核的改變 Posner et al.(1982) CCM 模式 同化 調適 Hewson
(1981,1982,1985, 1996) ， Hewson&
Hewson(1984,1992)
概念獲得與取代 概念捕捉 概念交換
Carey(1985) 概念增加 簡單增加不重
建 弱重建 強重建
1、2 3、4、5、6 7、8、9 Thagard(1992) 概念革命與概念
改變九大階層 1~9 為概念改變階層層次 Vosniadou(1994) 架構理論 概念豐富化 概念重組
(弱重建)
信 念 與 預 設 修 正(強重建) Chi(1992) ， Chi &
Slotta(1994) 概念本體論 簡單的增加 類別內的分枝 跳躍(弱重建)
類 別 間 的 分 枝 跳躍(強重建) Tyson et al.(1996) 概念改變二分法 概念增加 概念的弱修正 概念的強修正
第三節 概念改變的教學策略
概念改變的教學主要牽涉到兩個步驟，第一：了解學生有哪些迷思概念；第 二：使用各種教學方法幫助學生的迷思概念發生改變(Davis, 2001)。第一步驟通 常可以查閱相關主題的文獻，或是依照前述迷思概念的研究方法步驟，這是很重 要的步驟，是下一歩的基石。第二步驟最主要的教學策略有兩個，一個是概念衝 突策略，另一個是類比推理策略；這兩種策略下有許多的教學模式發展出來。
本節主要是回顧有關第二步驟的相關文獻，並贊同概念改變的多重面向觀 點，認為需把學生以全人來看待，應同時考慮認知、情意、社會等影響概念改變 的因素。
一、概念衝突策略
概念衝突策略源自皮亞傑建構主義的學習觀點，是一個有效的概念改變教學 工具(Duit, 1999)。這個教學策略首先要學生把相關的概念清楚地呈現，然後挑 戰它，創造出認知衝突或不平衡的狀態。認知衝突策略和 Posner 等人的概念改 變理論也是相一致的，因為概念改變之前先要對概念產生不滿，才能接受另一個 更加可理解的、合理的、豐富的新概念(Davis, 2001)。
以概念衝突策略為架構所發展的教學模式或方法有許多種，例如「生產性學 習模式(Generative Learning Model)」 (Cosgrove & Osborne, 1985)、「面對觀 念形成模式(Ideational Confrontation Model )」(Champagne, Gunstone, &
Klopfer, 1985)、「使用異例的資料(anomalous data)」(Chinn & Brewer, 1993) 以及「反駁陳述(refutational text)」(Palmer & Flanagan, 1997)等。
這些教學模式雖然用的方法和技術不同，但有一個共通的結構與 Nussbaum and Novick (1982；引自 Davis, 2001)提出的概念改變教學類似：
第一：使學生呈現出先前的概念。
第二：討論與評估這些概念。
第三：創造出與這些先前概念有衝突的情境，以導引產生概念衝突。
第四：鼓勵並引導學生重新結構化他們的概念。
呈現先前的概念：
我們現有的知識不管是正確或不正確的，都相當符合我們經驗的世界，也讓 日常生活進行得很流暢自然，平時根本不會察覺到它們的存在，所以要改變知識 或概念，首先便需要讓學生察覺到它們的存在。
要引出學生具有的概念，教學時可以先提出一個「事件」，要求學生以現有 的知識和概念解釋這「事件」，「事件」可以有兩種形式，一種是學生已經知道 結果的「事件」，另一種是學生不知道結果的「事件」(Chinn & Brewer, 1993)。
例如在四季成因的單元，如果四季的變化是「結果」，那已知結果的「事件」可 以簡單地提問如「是什麼原因造成地球上的四季變化？」；不知道結果的「事件」， 則像展示地球繞太陽的模型，將地球停在某一點，請學生預測此時南北半球各是 什麼季節，並說出理由。
討論評估先前概念：
這一步驟目的是使學生原來的概念更清晰，以及透過小組或全班的討論修正 原來的概念。教師引導討論時，有一點很重要，那就是要忍住不評論學生提出的 概念。討論的方式和流程需教師事先設計，依情況和目的而定，有時為提高學生 的學習動機，也可以用票選方式選出把「事件」解釋得最好的想法。
創造概念衝突：
為創造出概念衝突的情境，教師需提出一個「不一致事件」(discrepant event)，這事件可以是一自然現象，或是一種情況，重要的是它不能用學生現有 的概念解釋，但可用教學主題的概念解釋。進行此一步驟，教師必須知道學生迷 思概念大致的範圍，不然是無法事先創造出認知衝突情境的。
學生提出各種解釋「不一致事件」的看法後，教師可以請學生提出測試的方 法，以決定哪一個是「不一致的事件」最好的解釋。
呈現與學生現有概念矛盾的異例資料(anomalous data)，也是提出「不一 致事件」的一種方式。
重新結構化概念：
學生要從原先概念改變至科學概念，需要時間，所以教師可以設計一些活 動，以促進調適和概念重新結構化。
使用概念衝突策略促進概念改變，可以發展出許多的教學模式以及方法，不 限於以上所提。但教學時要注意的是，概念改變的多種面向都應考慮，像前述的 架構，不僅考慮認知因素，還考慮了社會和情意因素等(小組討論和票選活動等 便是)。
在進行教學時，有許多的教學方法可以運用，例如進行學生表達概念的步驟 時，可以使用模型、畫圖、畫概念圖等方法；進行評估概念的步驟時可以使用討 論、設計實驗等方法。教學工具除了模型之外，使用電腦和網路，進行線上討論、
畫概念圖、電腦模擬等，將電腦等資訊工具整合至教課與學習環境，是很有益處 的做法，而不僅是把用電腦當成一種教學方法。
二、類比推理策略
類比是闡述概念時人們很自然就會使用的方法，Duit (1991)視類比為科學學 習上一個很有效的概念改變工具，所以類比在科學教育上是很重要的教學方法，
這有兩個主要理由，一是概念的獲得，另一是科學推理技能的發展(Lawson, 1993)。對於建構抽象概念的表徵，類比似乎是特別具有益處，但類比教學也有 其限制，尤其是可能造成其他的迷思概念。
使用類比的教學模式有很多，主要有「類比教學的一般模式(The General Model of Analogy Teaching：GWAT)」(Zeitoun, 1984)、「以類比教學的模式 (Teaching with Analogies Model：TWA)」(Glynn et al., 1997)、「類比橋模式 (Bridging Analogies Model)」(Brown & Clement, 1989)、「多重類比(Multiple Analogies)」(Spiro et al., 1989)，都是以類比推理策略進行概念改變的可用教學 模式。
類比教學的一般模式(The General Model of Analogy Teaching)：這模式有 九個步驟，第一步驟是可選擇跳過的，這個準備類比教學的一般步驟，缺少理論 基礎，也沒處理類比可能產生迷思概念的問題。這九個步驟如下(Zeitoun, 1984；
引自 Duit,1991)。
第一：測量學生的類比推理相關能力。
第二：評量學生的先備知識。
第三：分析學習的內容材料，尋求適當的類比物，或自行發展。
第四：評估類比的適宜性，例如類比是否為學生所熟悉等。
第五：根據學的特質決定如何使用類比，並決定類比的各項特徵。
第六：挑選教學策略與呈現類比的方式。
第七：呈現類比進行教學。這又分為數個子步驟：介紹目標物概念、介紹類 比、將類比物與目標物連結、呈現對應特徵與與結構關係、敘述不相 關的屬性。
第八：評估類比教學的成效。
第九：根據教學的成效修正各步驟。
以類比教學的模式 (Teaching with Analogies Model)：一群學者研究高中物 理、化學和生物課本中使用的類比後，發展出一個很有價值的類比教學模式，共 有六個步驟(Glynn et al., 1997)。
第一：目標物概念介紹。
第二：回顧類比物概念。
第三：辨認出目標物與類比物間相似的特徵。
第四：對應兩領域間相似的特徵。
第五：指出類比在何處失效。
第六：引出目標物概念的結論。
有些學者主張將第五和第六步驟對調，認為如此可以減少學生產生迷思概念 的機會。
類比橋模式(Bridging Analogies Model)：此模式的基本想法是類比物與目標 物間的差距，可能大到學生無法看出類比物與目標物間的對應，所以兩者之間需 要中介物連結縮小差距，讓學生看出兩者間的對應。當類比物與目標物間的差距 太大時，需要的中介物就不只一個，所以需發展出一連串的中介類比物，通常這 是很困難的。類比橋的教學模式有四個步驟(Clement, 1993；引自劉俊庚, 2000)。
第一：呈現錨類比(anchoring analogy)。
第二：呈現目標物，並與錨類比物進行比較。
第三：提供類比橋(中介的類比物)，藉以連結錨類比物和目標物。
第四：提供解釋現象的模式，讓目標物對學生更具有意義。
多重類比(Multiple Analogies)：類比物通常只對目標領域的特定部份學習有 幫助，所以只用單一類比對學習目標領域會產生偏差，這時可用多重類比彌補彼 此的不足。Spiro 等人(1989)認為多重類比可以做為矯正單一類比可能引發迷思 概念的藥方。
三、概念衝突和類比推理的可能限制
概念衝突策略的基本想法，是學生遇到與自己概念衝突的情況或異例，便會 開始進行概念改變。但其實這是跳了一大步，因為學生和科學家在心態上是相似 的，都希望自己喜歡的概念保持完整(Chinn & Brewer, 1993)，所以有概念衝突 通常也不會直接就導致概念改變。
學生面對概念衝突可能會有的反應，就如 Chinn 和 Brewer(1993)對異例提 出的說明一般，有七個可能的情形：忽略(ignoring)異例的存在、否認(rejecting) 異例存在、排除(excluding)異例、將異例擱置一旁(hold the data in abeyance)、
再解釋(reinterpreting)異例、周圍理論的改變(peripheral theory change)、理論 的改變(theory change)。上述的七種情形主要是個體接受資料、個體解釋資料、
個體是否改變理論的程度差別。
在類比推理方面，Spiro 等人(1989)觀察到有三種經由類比產生迷思概念的 途徑，第一：教師使用類比時，學生對目標物的了解只侷限於類比物本身的範圍，
且把類比不完整的表徵知識當成是目標物所有的知識表徵，這種情形稱為類比的 化簡力量(reductive power)；第二：教師或教科書作者具有相關的迷思概念；第 三：學生以一種具吸引人注意(seductive)的方式處理類比對應，而不考慮這種方 式是否正確或符合常例。
所以採用上述策略發展教學模式時，要注意可能導致概念改變失敗的情況，
所以設計良好的教學模式，必須考慮概念改變的多面向因素外，還必須設計適當 的教學步驟，消除可能的負面影響。
另外，在計畫概念改變教學時，概念衝突和類比推理的策略可以交互運用，
或是一個為主一個為輔，綜合運用兩種策略。發展教學模式時，也應綜合概念改 變的多面向因素，運用多種教學方法，例如電腦模擬、小組討論、進行實驗、小 組合作問題解決等。
第四節 板塊構造運動迷思概念
地球科學在科學教育領域的研究比較少，雖然有一些先驅的研究(Ault, 1982;Happs, 1985)。有關板塊構造運動迷思概念的文獻更少，相關文獻主要是 探討地震和火山的現象，量也不多，而且大多是探討國小學童未學習地震和火山 相關單元前的概念。國內有兩篇與板塊構造運動相關的論文，但焦點都不在迷思 概念上，而是探討合作思考(吳育雅, 1995)與心智狀態(侯依伶, 2003)。
Marques 和 Thompson (1997)研究葡萄牙 16-17 歲的高中生有關板塊運動 單元的迷思概念，在教過這單元後發現一些迷思概念，其中與本研究主題相關的 迷思概念有：大陸漂移是地球自轉造成、板塊邊界是由外在可見特徵定出、板塊 是疊成一堆的、板塊以邊緣一點或中央一點為中心打轉、中洋脊和陸地山脈成因 相同。本研究的研究對象，除了「大陸漂移是地球自轉造成」、「中洋脊和陸地山 脈成因相同」曾有出現一兩人次之外，其他迷思概念都未在本研究中出現。Philips (1991) 曾提到有關板塊構造運動的迷思概念：山脈是很快速的形成(7-12 年 級)、大陸沒有移動(成人)；這些迷思概念也沒在本研究的對象中出現。
地震和火山的迷思概念研究，例如 Ross 和 Schuell (1993)研究小學生有關 地震的迷思概念，發現有些迷思概念是在教學前就已有的，教完相關的單元後，
許多學生仍然保有迷思概念，但回答問題時會加上技術性的名詞。另外，學生經 歷過地震或是大眾媒體有關地震的報導後，對地震並沒有比較了解；Coleman 和 Soellner (1995)研究大學生應用有關地震知識於社會議題的能力，發現學生在 分析有關預測地震的相關科學資源前，有 36%的學生不相信 1990 年 12 月 3 號 New Madrid 地區會發生地震的預測，之後，則有 69%的學生不相信，但他們仍 認為國中和國小應該停課；Barrow 和 Haskins (1996)發現約有 30%的學生認為 地震和火山的共同關係是地底壓力，所以兩者都是一起研究；Katharyn 和 Thomas (1993)提到晤談 1450 位住在南加利福尼亞州的成年人，發現其中許多 人相信地震預言者，如同地震氣象預報一般。另外，住在地震區並不能促進對地
震的了解也不能減少迷思概念。
將火山和地震錯誤連結的想法，本研究也出現過兩人次。因有關板塊構造運 動迷思概念的文獻甚少，所以本研究自行發展工具偵測學生相關的迷思概念，希 望對地球科學教師教學有所助益。
