（一）概念改變理論的發韌—CCM

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1962 年，Kuhn 發表了《Structure of Scientific Revolutions》一書，書中強調 科學改變的顯著及不連續的本質，使得科學理論或「典範轉移」呈現出極大的變 革和無理的面貌，此舉改變了科學哲學數十年來受邏輯實證取向宰制的局面，而 彰顯了革命性「概念改變」議題的重要性(Thagard, 1992)。此股影響力並不侷限 於科學史和科學哲學，因為除了科學家外，其實每個人都會經歷類似概念改變的 歷程，故而一般心理學及科學教育亦關注這個主題。科教上概念改變議題的發展 肇始於 1980 年代另有概念運動的蓬勃發展。和其它學習理論不同的是，概念改 變是建構主義認識論的分支，強調知識的獲得是建構的過程，學習者會主動地產 生另有命題(Tyson, Venville, Harrison, & Treagust, 1997)，力圖與機械式學習劃清 界線(diSessa & Sherin, 1998)。於本節中，研究者將先探討幾個影響科學教育深遠 的概念改變理論，接著揭櫫其共同關心的議題，最後探討概念改變的理論限制及 可能的改進方向。

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（一）概念改變理論的發韌—CCM

Posner, Strike, Hewson 和 Gertzog(1982)四人基於 Kuhn(1962)和 Lakatos(1970) 的認識論，於 1982 年建立了科教上概念改變的模式(conceptual change model, CCM)可視為概念改變理論之發韌。他們以 Piaget 的同化(assimilation)與調適 (accommodation)的觀點來詮釋學習者中心組織的概念如何進行改變，認為學習是 一種探究、理性的(rational)活動，學生必須基於可利用的證據進行判斷。所謂的 同化意指學生以既存的概念處理新現象；而調適則發生在學生既存概念不足以成 功瞭解新現象，而須置換或重組其中心概念時。學生要產生調適的情況有下列四 個條件：

1.學習者不滿其原有概念(dissatisfaction)

由於「異例」使得學生無法將經驗或新概念同化到現有的概念網絡中，因 而引發學習者對其原有概念的不滿意。

2.學習者對新概念有初步的理解(intelligible)

可理解性要求個體確認出新概念一致的表徵以進行心理運作。表徵的形式

可能是命題、心像或命題和心像交疊的網絡。對調適而言此條件較容易達 成，但卻並非充分的條件。一般我們會強調類比和比喻對新概念初始意義 的重要性。

3.新概念看起來似乎是合理的(plausible)

任何新概念至少應能解決之前所產生的問題，且其合理性可視為符合現存 概念生態圈的程度，其至少以下列五種方式展現其合理性：

(1) 新概念與其現有的形上信念和認識論信條一致。例如其根本假定；

(2) 新概念與其他理論或知識一致；

(3) 新概念與過去經驗一致；

(4) 對新概念所建立的心像與個人對世界的理解一致；

(5) 新概念能夠解決個人所意識到的問題。例如其所察覺到的異例。

4.新概念必須是豐富而具預測力的(fruitful)

新概念除可用以解決現有的問題外，尚可提供未來探索的途徑及作為促進 思考的工具。

Treagust, Harrison, Venville 和 Dagher(1996)便藉著檢測這四個條件，作為學 生概念改變的認識論觀點以決定概念的地位。只要學生認為是可理解、合理及豐 富的概念便是高地位的，反之，若僅僅只是可理解，則地位較低。

此模式在其他研究者的評議之下，至 1990 年代，Strike 與 Posner(1992)體認 到原有理論過於強調理性與線性，忽略了情感和社會議題的重要性，因此重新對 其進行修正。他們採取了 Toulmin(1972)概念生態的觀點，認為另有概念可能並 非原先即已存在，而可能是與教學互動的產物，所有概念生態包括了科學概念與 迷思概念，是以動態、持續交互作用的方式發展。

（二）Chi 之本體論的概念改變理論

以認識論為基礎的 CCM 重點在於學生如何看待自己具有的概念，而 Chi 之 本體論的概念改變觀點則研究學生如何對知識的類別分類。Chi 自 1992 年提出 此理論後，其重要觀點一直在持續地演化與精緻化中。

Chi(Chi, 1992; Chi, Slotta, & de Leeuw, 1994)基於認識論、形上學及心理學的 假設提出不相容假說(incompatibility hypothesis)。她主張科學學習之所以困難，

乃因學生在表徵某科學概念的類別時，常與其在科學上真正隸屬的類別相左而產

生錯誤配對或不相容的情況。當這種情況發生時，學生便會將新的訊息同化到舊

有、錯誤的類別中，因此學生很難對此科學概念產生徹底的理解。

據此，Chi (1992)提出本體論的概念改變觀，並認為討論科學概念學習時，

研究者可以將焦點著重在「物質」 、 「過程」與「心智狀態」這三棵相互獨立的概 念樹。所謂的「物質」意指含有特定屬性者， 「過程」則指事件的發生，而「心 智狀態」則泛指關乎情意的概念（圖 2-1-1）(Chi et al., 1994)。至於所謂的概念 改變即指概念類別的轉換，又可區分為本體類別內的概念改變和跨本體類別的概 念改變。本體類別內的概念改變發生時，概念本身並不改變其原有的基本意義，

因此所改變的是概念中心節點於樹狀脈絡中的位置，我們可將之視為概念的遷徙 或重組，屬於簡單的概念改變。至於跨類別的概念改變則指概念由原屬的類別轉 移到另一個不相容的類別，屬於困難的、根本的概念改變。值得注意的是，也許 乍看之下這兩棵概念樹具有表面對應性，但實質上概念的中心節點已改變了原有 的意義。此外，類別內的概念改變乃如運動(movement)或演化(evolution)一般，

以漸進(gradual)或突然(abrupt)的方式進行轉移，但跨類別的概念改變則不然，其 概念可能是獨自在兩個不相容的樹狀脈絡中逐漸發展，但發展之結果卻可能突然 地發生。故此，即使在新的樹狀中，新的對應物已然發展完成，但概念仍會殘留 在原有的概念樹中。Chi 希望藉由這樣的闡釋釐清文獻上對於概念改變是突然抑 或漸進的爭議。

Chi 雖然界定出本體類別內的概念改變屬於簡單的，而跨本體類別的概念改 變屬於根本、困難的，但自 1996 年之後的研究卻偏重於過程本體樹中次類別的 探討（圖 2-1-1 雙圈標示處）。舉例而言，根據一般公認的物理理論，電流屬於 過程本體中特殊的「滿足限制條件之交互作用」(constraint-based interaction, CBI) 次類別(Chi, 1992)，於是 Slotta 和 Chi(1996)便設計教學，檢驗大學生在面對電流 概念時「事件」次類別與“CBI”次類別述詞使用邏輯的差異。而後，Chi 將 CBI 次類別更名為平衡過程(equilibrium process, EP)，並且更加清楚定義此次類別下 六個屬性，藉以強調此次類別動態、平衡的特質(Chi, 1997)。這六個屬性分別為：

一致的行動(uniform actions)、無界線的(unbounded)、同時發生的(simultaneous)、

獨 立 事 件 與 隨 機 (independent and random) 、 淨 效 應 (net effect) 與 持 續 不 斷 (continuous)。這一系列僅討論過程本體下事件與 CBI（或 EP）次類別的研究顯 示這些本體內的概念改變之困難程度並不下於跨本體的根本性概念改變(Chi &

Roscoe, 2002; Ferrari & Chi, 1998; Slotta & Chi, 1996; Slotta, Chi, & Joran, 1995)，

這和 Chi(Chi, 1992; Chi, et al., 1994)初始提出本體樹內的概念改變是比較容易

的，屬於弱概念改變的觀點似有出入。

世界所有的實體都屬於這三個（或更多）本體樹中之一

圖 2-1-1 本體樹的組織架構(Chi et al., 1994; Chi, 1997)

註：雙圈表示 Chi 後期理論著重點，無論次類別之名稱或屬性內容皆經過再精緻化

而後 Chi 在本體論的探討便很少就本體類別內及跨本體類別的概念改變程 度加以討論，修正的觀點改以 「基模」 的角度出發，並改從一般領域(domain-general) 的觀點描繪潛在素樸解釋的本質(Chi, 2005)。這種觀點不從概念也不從理論的層 次探討而是奠基於其一貫對本體的研究。Chi 認為此種觀點不但可以解釋為什麼 迷思概念如此困難，且更因為跨領域及跨學科而具有更廣更強的解釋性及普適 性。首先，她將 EP 次類別再度更名為突現過程(emergence process)，而與其相對 的「事件」次類別則更名為「直接過程」(direct process)( Chi, 2005; Chi & Roscoe, 2002)。和過往相較，這兩個次類別之屬性更加明確而考慮周詳，但 Chi 仍強調 這些屬性尚未窮盡，既非充分亦非必然。目前 Chi 所條列的屬性具有組成分子層 級(component level) 及內在層次的關係(inter-level relationship)（表 2-1-1）。其中 組成分子層級部分的屬性和以往對 CBI(或 EP)類別的屬性大同小異，而所謂的內 在層次關係表現在直接因果過程之類別是偏向組成分子可以成為一個組群 (class)，而表現在突現過程中的組成份子則應該視為一個群體(collection)，此種 組群與群體的關係筆者認為隱含了概念的層級組織。

Chi(2005)認為由於學生不具有突現過程的類別，所以概念改變比較困難，

而須先察覺所須學習概念的分類本體須要改變，再建立突現的過程類別這兩大階 段。值得一提的是，此種以基模解釋概念改變困難的原因並未推及之前物質到過 程本體樹間概念改變的困難。但筆者認為以物質本體樹、過程本體樹直接因果次 類別及過程本體樹突現因果次類別而言，我們最常經歷的順序分別為物質本體樹

“平衡的”、”發展的”

（煙霧、塞車） “害怕” “渴望”

過程

……

物質 心智狀態

……

“是紅的”、”是重的”、”是瘦的”、”

有重量的”、”佔有空間的”

（石頭、建築物）

“一小時之久”、”昨天發生的”

（假期、雷雨）

“是真的”、”是有關 X 的”

(作夢、想像)

自然 種類

人造

物質 步驟 事件 ^{滿足限制條件}

的交互作用 情緒的 意圖的

“固定的”、”破的”

（檯燈）

“執行”、”序列”

（綁鞋帶）

“起因於”、

”有始有終”

（接吻、打架）

系統

>過程本體樹直接因果次類別>過程本體樹突現因果次類別，是故基模形成的容 易程度亦為物質本體樹>過程本體樹直接因果次類別>過程本體樹突現因果次類 別。故而過程本體樹突現因果的本體是最難概念改變的，因為學生會用較為常用 的物質本體基模或直接因果過程基模加以同化而形成迷思概念。綜上所述，筆者 認為以基模的觀點解釋概念改變很有潛力，但 Chi 並未進一步詳細闡明。

表 2-1-1 直接過程與突現過程的概念本體屬性(Chi, 2005)

直接過程 突現過程

1.明顯的行動 1.一致的行動 2.有界限的 2.無界線的 3.序列的 3.同時發生的 4.相互依賴的 4.獨立事件 組成分子層

次的互動

5.有終點的 5.連續的

1.組成分子的組群(class) 1.組成分子為一個群體(collection) 2.直接的 2.非直接的

3.相關的 3.非互相參與的 4.不同的狀態 4.同等的地位 內在層次的

關係

5.全面性目的或互動 5.局部性目的或者是非意圖性的

（三）Vosniadou 的架構理論

Vosniadou 認為知識獲得的程序並非許多原子概念藉由相似性連結而成，相 反的，是先有一個大架構之後，才逐漸增添知識去填充細部的概念。她將兒童具 有的大架構稱之為素樸的架構(naïve framework)，它主要源自於兒童早期的日常 生活經驗，我們又可將之分成認識論和本體論兩個預設，至於細部的概念則謂之 特殊理論，其根源自個體的觀察或文化的脈絡，包括一組相關的屬性或信念，藉 以敘述有關物體的行為或屬性，其他如社會情境中的口語敘述則構成了所謂的第 二層限制。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。而兒童之所以會有迷思乃因其想要將新的訊息納入舊有的概 念結構所致（圖 2-1-2） 。易言之，架構理論中的預設會成為兒童建構特殊理論時 的限制(Vosniadou, 1994; Vosniadou & Ioannides, 1998)。

此外，Vosniadou 由孩童對天文概念的研究中，觀察到初始(initial models)、

合成(synthetic models)和科學(scientific models)三類心智模式的存在(Vosniadou &

Brewer, 1992; Vosniadou & Ioannides, 1998)，因此，她堅信概念改變是一種漸進

的歷程，並可區分成豐富(enrich)和修正(revision) 兩種形式。 「豐富」意指將新訊 息加到既有的概念系統，而「修正」則指原有特殊理論、預設或信念的更正。這 又可進一步細分為三個層次：1.單純特殊理論的修正；2.牽涉架構理論的特殊理 論修正，以及 3.架構理論的修正。大體而言，豐富的概念改變較易發生，而修正 則較困難，其中又以架構理論的修正最為艱困。

圖 2-1-2 Vosniadou(1994)對概念改變架構的看法

那麼，究竟概念改變是漸進或突然的？Vosniadou(1994)認為我們應對概念改 變的過程和結果加以區辨，並對小而漸進的改變如何引致大且根本的概念改變加 以深究。另外，與其說 Vosniadou 主張概念改變，不如說她更強調概念改變的彈 性，她主張應區別出概念的多重表徵，使兒童知道在怎樣的情境應運用怎樣的觀 念 。 若 不 瞭 解 自 己 的 概 念 就 沒 有 立 場 進 行 概 念 改 變 ， 故 此 ， Vosniadou 和 Ioannides(1998)認為概念改變所牽涉的不止特殊信念及預設的改變，同時也須要 後設概念省察的發展，以及協助學生建立一更龐大、更一致及更具解釋性的理論 架構。但學生通常無法自我察覺到預設和信念的假設限制著他們的學習，因為對 學生而言，所謂的預設其實是物理世界運作的方式。再者，學生所使用的解釋性 架構亦缺乏專家所具有的系統性和一致性，但由於其仍與架構理論中的預設相 連，因此也非 diSessa(1993)所言是片段、瑣碎、沒有系統的概念。Vosniadou &

Ioannides(1998)強調概念改變應是種認知發展的研究，其主張概念改變是緩慢地 再度檢視初始的概念系統，是透過現今接受之科學解釋元素之漸進的結合。在此 過程中，學生須要教師的協助以覺察其現存的信念和預設，並進一步建立較大的 理論結構以含括較完整、較適當的解釋。

（四）Thagard 之概念革命理論

Thagard(1992)強調概念結構，他藉由科學史的分析，將概念組織的發展以概

架構理論 特殊理論

本體論的預設

認識論的預設

防衛的預設 ^信念

文化脈絡中的 觀察或新資訊

心智模式

念樹的方式區分成種類關係(kind-relation)及部分關係(part-relation)，並希望藉由 人工智慧提供工具，以描述概念系統於概念改變之前、中、後結構的特性與認知 的機制。所謂「種類關係」乃指概念樹中階層較上位的概念；而「部分關係」則 指階層中較下位的概念，概念改變便是種類關係與部分關係的變化。Thagard 希 冀藉由九個連續性的分類，瞭解科學史及兒童科學學習上一些戲劇化概念改變過 程的難易程度（表 2-1-2）。

此 外 ， Thagard(1992) 提 出 解 釋 融 貫 性 的 理 論 (the theory of explanatory coherence)，以引導人們揚棄舊有的概念系統轉而接納新的。此理論具有七項原 則，其分別是：對稱、解釋、類似、資料優先權、矛盾、競爭及可接受性。當一 概念系統的解釋融貫性較高時，概念革命便較易產生。Thagard 希望藉此闡明以 矯正邏輯實證論者所提出的化約模式(simplistic models)，也希望藉此避免 Kuhn 科學革命所表現的不理性及不連續。

表 2-1-2 Thagard 概念改變的九個層次及相對應的科學革命與兒童概念改變 (修改自 Thagard, 1992）

階層 特質 科學革命 兒童的概念改變

1.增加（減少）新 例子

瑣碎的 -- 腳踏車加了一個三角旗

2.增加（減少）弱 原則

視其實用性^*決定強弱 -- 鯨魚可在北冰洋發現

3.增加（減少）強 原則

視其實用性^*決定強弱 -- 鯨魚吃沙丁魚

4.增加（減少）新 的部分關係

分解 金屬是金屬氧化物的一部

份

鯨魚有脾臟；脾臟是身體器 官的一部份

5.增加（減少）新 的種類關係

利用上階關係結合兩 個概念

黃金是一種元素 海豚是鯨魚的一種；動物是 一種活的東西

6.增加（減少）新 概念

有助於科學知識的發 展

電學與磁學合併為電磁 學；加入「氧化」、刪除「燃 素」的概念

加入活的東西的概念、刪除 仙女、妖怪的概念

7.瓦解部分種類的 階層

減弱或放棄原有的分 類方式

牛頓放棄亞里斯多德對自 然運動的觀點

放棄「萬物有靈」論

8.藉由分枝跳躍重 組階層性

從某一樹的分枝轉移 到另一分枝

哥白尼認為地球應是行星 的一種而非自成一類

力是一種場的概念

9.樹的轉移 改變原有樹狀組織的 階層原理

愛因斯坦的相對論取代我 們日常所謂的時空概念

？

*實用性的強弱取決於解題與解釋時的重要性

站 在 科 教 工 作 者 的 立 場 ， 我 們 較 為 關 心 的 應 是 兒 童 的 概 念 改 變 。 Thagard(1992)認為欲比較科學家與兒童概念改變，首先便須釐清「兒童概念改變 有理論嗎？」「兒童的知識成長和科學家雷同嗎？」這樣的問題。目前，這樣的 議題尚待深入研究，但 Thagard 認為除了少數物理理論外，兒童尚未成熟的理念 與科學家早期的觀點實南轅北轍，因此兒童認知發展的成長歷程與科學家所歷經 的發展並不相同，兩者之間並不具有內容重演(content recapitulation)的特質。而 兒童所歷經的概念改變類型與信念修證的歷程若說類似於科學家所歷經的發展 尚具說服性，但到目前為止並沒有較具啟發性的證據顯示兒童歷經革命性的概念 改變，另言之，兩者之間結構重演(structure recapitulation)的關係尚待深入考證。

最後，由於兒童理論的發展侷限於科學上詮釋一致性的評量類型，因此在兒童認 識論上的改變機制類似於科學家所歷經的發展此點上我們僅有一點點的證據，但 Thagard 相信沒有理由懷疑科學家在獲得新概念、新部分關係甚至新種類關係時 和兒童的概念產生機制會有所不同。另言之，Thagard 相信一般學習並非僅是簡 單信念的增減，但也未必是系統性、革命性、概念性的科學革命，雖然如此，但 其根據科學史分析所建立的解釋融貫性之概念改變機制亦應適用於兒童身上。

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綜觀上述重要的概念改變理論，有的從認識論出發，有的則向本體論探求；

有的致力於兒童另有概念的解決，有的則側重整體概念架構改變機制的詮釋。雖 然這些理論的出發點各異，關注的面向各殊，但亦有許多共同關心的議題。這一 連串的問題從「概念改變中究竟是改變了什麼？」 「概念改變是困難的嗎？」 「概 念改變是突然的或漸進的？」「概念改變與多重情境的關係為何？」除了第一個 問題是有關概念的定義之外，其他議題主要是根源於 Posner 等人(1982)將學生的 概念改變類比於 Kuhn 的科學革命所致。研究者無不對兒童與科學家之間的類比 倍感興趣。這些議題交織出概念改變的重要理論，指引著許多實徵研究的進行，

而隨著許多概念改變實徵研究的不斷累積與反饋，同時也為未來概念改變研究理 論的修正勾勒出應行的方向。以下便針對概念改變所關注的焦點加以討論。

（一）概念改變中何者改變了？

概念改變中究竟何者改變了？這樣的問句似乎有些弔詭，討論概念改變，當 然改變的即為「概念」 。但事實不然！從上述四家理論觀之，在 CCM 中，Posner 等人(1982)僅討論概念的地位及概念改變的四個條件，但並沒有對何謂「概念」

做一定義。在 Chi 的本體論中(Chi, 1992; Chi et al., 1994)，改變的是學生對概念

本體的看法，但相同的，何謂概念也缺乏清楚的闡明。Vosniadou(1994)以心智模

式表徵學生的概念結構，並認為概念改變是特殊理論、預設或信念的修正，但何 謂「特殊理論」、 「預設」或「信念」，其實都是很模糊的定義，又或者，若我們 尋問特殊理論、預設或信念之間的層級關係或概念架構的關係為何？其實亦無法 顯見。Thagard(1992)可能是上述四家中最清楚定義何謂概念的學者，他從哲學、

心理學的角度清楚釐清所謂的概念是「述詞」 ，是「 『字』所呈現的心智結構」 ， 接著區分概念結構中的種類關係與部分關係，這些關係抵定後也因此才能區分出 九種連續性概念改變的程度。diSessa & Sherin(1998)認為有必要對何謂「概念」

作一明確定義。他以 Carey (1988)專家與生手的比較為例，指稱在 Carey 的觀點 中，一個詞就是一個概念，如「活的東西」、「力」、「運動」、「數」，但 diSessa 和 Sherin 認為用「詞」當作概念，所謂的概念改變便變成了學習新字，如此一 來將無法區分學習的困難度。再者， 「活的東西」 、 「力」 、 「運動」 、 「數」 ，本身便 具有本質上的差異，須要加以區分。最後，在 Carey 的概念改變觀點中，概念既 是理解的核心，也可以當作是一種信念，如此一來，究竟「概念」為何？將不夠 精確。在此，欲回答「概念改變中究竟何者改變了？」這個問題建議了我們無論 關注哪個面向，從哪個觀點出發皆須對「何謂概念」作一明確的定義。

（二）概念改變是漸進的或是突然的？

究竟概念改變的過程是突然發生的抑或是漸進的過程？在上述四家理論的 探討中，Posner 等人(1982)直接將學生的概念改變與 Kuhn 的典範轉移作類比，

在其理論中的「調適」涉及了改變既存的概念，因此隱含著概念改變是突然改變 的觀點(Terry & Jones, 1986)。但 Strike 與 Posner(1992)對 CCM 提出修正時，便強 調所有概念生態中的科學概念與迷思概念是以一種動態、持續交互作用的方式發 展。而 Chi(Chi, 1992; Chi et al., 1994)的觀點則是認為類別內的概念改變可能如演 化一般，以漸進或突然的方式進行轉移，但跨類別的概念改變其過程可能是逐漸 發展的，而發展之結果卻可能突然發生。Vosniadou(1994)亦認為我們應對概念改 變的過程和結果加以區辨，並對小而漸進的改變如何引致大且根本的概念改變加 以深究。至於 Thagard(1992)則認為概念改變並不似 Kuhn 所主張的是非連續性 的，相反的，它是概念階層連續性的改變。綜此觀之，上述四家理論皆不認為兒 童的概念改變是突然發生的格式塔轉換，事實上，概念改變是長時間醞釀的漸進 過程。

在實徵上，Vosniadou(1994)對概念改變是漸進式的看法本就源於其對熱、

力、四季、晝夜心智模式的實徵研究。而 Mitchell(1993, 引自 Gunstone & Mitchell,

1998)研究有關四個高一班級在為期六週的力學單元學習，其目的乃欲尋找學生

的「頓悟」經驗，但大多數學生並沒有這種突然概念改變的頓悟。學生自陳他們

的概念改變是演進的而非革命性的。Taber(2001)研究一個個案學生學習化學鍵由

八隅體理論轉折到庫侖力的過程，他認為概念改變應類比於達爾文的演化論，學 生乃在充滿許多競爭概念的生態中長期探索、發展和評估另有概念。Tytler(1998) 觀察學童學習氣壓的世代性(cohort)長期研究的結果也不支持概念改變是突然的 格式塔轉換，而支持它是一個知識進步的過程，是學習者從一群概念中選出一個 最適當者用在某一特殊現象上的演化歷程。林靜雯和邱美虹(2006)以述詞分析檢 測兒童的電學概念改變之研究亦指出科學史上根本性的概念改變都極為不易，教 學又豈能透過一、兩個類比便要求學生產生根本性的概念改變？還有許多實徵研 究都在在顯示兒童的科學學習要出現革命式、激進或突然式的概念改變是極為稀 少的，相反的，似乎有較多研究乃支持概念改變是種緩慢、演化式的學習歷程。

事實上，歐洲一批物理教育的研究者，他們的主要研究工作已不再證明概念改變 是格式塔的轉換或是演化式的歷程，他們的基本信念根本就認定科學學習應奠基 於演化式的發展性學習，而主張設計一連串長期的教-學序列(teaching-learning sequence, TLS)來促進學生的學習。此種理念成為 TLS 設計的研究的基石，是本 研究重要的理論基礎，本研究將於第四節另闢篇幅詳加探討與闡述。

綜上所述，無論從理論面或從實徵面觀之， 「概念改變」一詞隱含的格式塔 式轉換似乎無法真切描繪兒童的科學概念學習，而容易對科學學習產生過度概括 的誤導。相反的， 「概念演化」中的「演化」一詞其實同時包含了較為激進的「突 變」，也包含了長期緩慢演變的過程，前者含括了概念改變的想法，後者則更重 視整個學生學習及教師教學的歷程、發展與演變，應能更貼切地描繪出兒童科學 概念學習的真實情形。

（三）概念改變是困難的嗎？

概念改變是困難的嗎？從上述主要理論觀之，其實並不盡然。除了上述各家 理論外，Tyson 等人(1997)分析更多概念改變理論，統整其相關術語及概念改變 的層次與種類，提出概念改變的二分法觀點（表 2-1-3） ，亦即將概念改變區分為 單純概念的增加及概念的修正，而在概念修正之處又可進一步區分為弱修正與強 修正。儘管各家理論所關注的面向不同，但其咸認為區分概念改變的程度是極為 重要的事，因其有助於我們瞭解概念改變之學習困難的所在。此外，由表 2-1-3 中我們得見概念改變的難易是無法在缺乏兒童理論或概念架構的情形下討論 的。Thagard(1992)便強調：忽視概念結構僅考量信念的修正，將錯過概念改變中 重要的後五類概念改變。另一方面，diSessa(1988)雖主張兒童不具理論，而僅有 鬆散、缺乏系統但內在連結的概念，但亦強調人們用以從世界中讀出訊息須有讀 出策略(readout strategy)和因果網(causal net)這兩個結構性的成分(diSessa &

Sherin, 1998)。另言之，diSessa 認為兒童可能沒有理論，但其內在概念仍具有相

互連結的關係，而正因為這些相互連結的關係，我們也才能界定概念改變的難

易，也才能真正瞭解概念改變的困難所在。換句話說，單一另有概念的修正不但 不足以討論概念改變的難易，亦無法對學習提供進一步的指引。此外，對概念改 變的層次與種類進行界定另外還意涵著我們不應僅著重單一迷思概念而忽略概 念與概念之間網絡複雜的互動。許多研究均強調學生的另有概念是學習的障礙，

一味追求「革命性的概念改變」 ，但事實上，正因為概念是定位於大的概念網絡 中，若欲求革命性的概念改變，事實上可能須要先修正其他相關的概念網絡，逐 漸累積方能造致最後的概念改變，而這整個過程其實應和概念演化的理念相符。

根據 Piaget 的理論及 Posner 等人(1982)的理論，認知衝突或差異事件是導致 概念改變的重要因素。Stavy 和 Berkovitz(1980)更進一步提到此種認知衝突的策

表 2-1-3 各家學者對概念改變程度之用語的比較（修改自 Tyson et al., 1997）

學者

概念 改變程度

Posner et al.(1982) Strike &

Posner(1992)

Carey (1985)

Thagard (1992)

Chi(1992)

& Chi et al.(1994)

Tiberghien (1994)

Vosniadou (1994)

White (1994)

增（刪） 增長 未涉及重 建的知識 調適

（信念上的修正）

增減新例子

增減弱原則

增減強原則

本體概念 沒有改變

試 用 範 圍 的延伸

豐富 增加

弱改變 同化 弱重建 增減部分關係

增減種類關係

增減新概念

瓦解部分種類階層

概念在本 體樹的類 別內轉移

語 意 上 的 概念改變

單純特殊理 論的修正

牽涉架構理 論的特殊理 論修正

概念的改變 (conceptual change) 概

念 改 變

強改變 調適 強重建 分枝跳躍

樹轉移

概念跨本 體樹轉移

理論上的 概念改變

在架構理 論階段修 正

概念系統 的改變 (conceptional change)

略特別對處於兩個認知結構之間的學童具有良好的效果。然而 Tiberghien(1980)

曾對認知衝突與概念改變之間的關係加以討論，其研究結果顯示，即使教師當場 演示，製造了衝突的情境，但這並不足以有效改變學生的另有想法，因為學生往 往僅將這樣的實驗驗證視為日常生活的例外。Clement 和 Steinberg(2002)認為差 異性事件僅在部分實徵上獲得成功，主要是因為它僅提供動機，但後續沒有提供 充 分 的 教 學 策 略 ， 以 致 於 學 生 無 法 跨 越 學 習 障 礙 的 藩 籬 ； Vosniadou 和 Ioannides(2001)的觀點亦和 Clement 和 Steinberg 相仿，且他們認為此種方式通常 僅注重單一迷思概念，若學生迷思的產生是因為無法改變其預設，便應從改變預 設著手。此外，概念改變是困難的過程，不只牽涉到迷思概念或信念的重組，更 是信念和預設系統長時間的交互作用，所以須要許多不同教學和干預，而非單一 概念衝突便可以解決(Vosniadou & Ioannides, 2001)。Chinn 和 Brewer(1993)以異例 的方式探究學生的概念改變，亦是探求認知衝突的方式對概念改變的影響，其提 出學生使用異例學習時可能有七種現象，其中僅有最後外圍理論的改變及理論的 改變兩種情形，個體才會改變其原有的理論。這些認知衝突的研究顯示單一認知 衝突的設計並未對概念改變提供保證，主要的原因是這些另有概念並非獨立的存 在，而是處於交織的概念網絡中，這和上述概念改變是簡單或困難的一系列討論 是相互呼應的。

（四）概念改變 vs.多重情境

Thagard(1992)指出 Carey 與 Chi 的概念改變理論都支持學生從未放棄他們舊 有的素樸理論，且在日常生活中不斷地使用它。Vosniadou(1994)則認為迷思概念 是自發性的建構，其通常是在測試的情境下產生，而非學生深層便已持有。所以 學生可以改變其局部的、情境的心智模式，從一個迷思概念到另一個迷思概念，

或是呈現看來並不具內在一致性的心智模式。Tao 和 Gunstone(1999)則根據許多 實徵性研究明白提出學生會在另有概念與科學概念之間擺盪，很明顯地是受到情 境的影響。學生可能會在某特定情境中修正另有概念而變成科學概念，但一旦轉 換情境便回復到原有的另有概念。因此，若科學學習能夠協助學生理解不同情境 下 科 學 概 念 的 一 般 性 ， 那 麼 將 有 助 於 學 生 產 生 概 念 改 變 。 Vosniadou 和 Ioannides(1998)則主張概念改變的彈性，其認為應發展學生的後設覺察，讓學生 瞭解自己概念的立場並區別出多重表徵來，使學生瞭解在怎樣的情境就應應用怎 樣的觀念。

要回應概念改變與多重情境的問題並不簡單。此問題至少隱含了三個層次。

其一是學生的概念是否具有理論、模式或架構，再者是心智模式（或說理論、模

式或架構）是否具有一致性的問題，最後，才是討論若有不一致的話，此種不一

致是否由多重情境所導致。而經由上述許多理論與實徵性研究觀之，這些研究者

似乎皆認同學生具有某種程度的理論架構，而此種理論架構主要源於日常生活，

並具有某種程度的一致性，但此種一致性會因為無法區辨日常生活及科學世界這 兩種截然不同的情境，致使於科學教學時產生兩種不同的理論架構並存的現象。

但事實上，有關學生心智模式一致性之問題尚懸而未決，相關的探討，本研究將 於第貳章第五節另闢篇幅探討。也許，學生在未進入科學教室之前的內在心智表 徵便具有多重性。那麼，此種多重性和科學教學交互影響會產生何種效果呢？

Stavy 和 Berkovitz(1980)所提之認知衝突的方式、Vosniadou 和 Ioannides(1998) 認為應加強後設覺察的方法或是 Tao 和 Gunstone(1999)認為應找出不同情境中的 一般性等種種作法是否對此種自發性的多重表徵有所助益？這一切一切的問 題，尚待進一步的研究加以驗證。

ˬă̈ඕ!

綜合上述文獻探討，研究者認為有關概念改變的研究有兩個值得關注的趨 勢，其一為朝往更關注概念發展過程的演化研究，另一為朝往更重視概念架構研 究的概念改變。

（一）朝往概念演化研究的概念改變

Kuhn(1962)及 Toulmin(1972)的著作強調「激進」的和「演化」的(radical and evolutionary)改變都可能發生於我們對自然的瞭解(Mintzes & Wandersee, 1998)。

但從概念改變相關的理論及實徵觀之，概念改變與發展和學習相關。前者是自發 性的，隨年齡漸長而改變，後者是教學性的。概念改變初期的研究受到 CCM 理 論的影響，著重於學生單一的另有概念，追求革命式的概念改變，但隨著我們對 於學生另有概念的圖像越來越清晰，研究者對於學習面向的關注應奠基在這些理 解上進一步朝往教學面。若然如此，概念演化式的概念改變觀點便有助於我們更 清楚地描繪學生學習及教師教學的過程，並對兩者之間互動錯綜複雜的關係有更 深入的理解。此外，概念演化的觀點不僅著重於長期、緩慢的演變過程，其同時 包含激進、突變的觀點，相較於格式塔轉換的「概念改變」革命觀，應更具包容 性，而適合做為學生科學學習的原型(prototype)。但相較於概念革命，概念演化 的哲學觀及其在教學上深入的意涵及應用上處於科教研究的初期，而缺乏闡明，

此部分，研究者將嘗試於本章第二、第三節進行深入的文獻探討與分析。

（二）朝往概念架構研究的概念改變

越來越多的研究朝往概念架構式的研究已釐清兒童科學學習的困難。因為唯

有以概念架構的方式，我們才得以界定概念改變的層次與種類，也才得以說明為

什麼認知衝突的策略可能能引起學生的概念改變，但並不是科學學習的萬靈丹，

此外，以整體概念架構加以詮釋，也才能真正瞭解學生概念改變之學習困難的所 在，而進一步針對這一系列的概念關係與脈絡設計教學、促進學生概念的建構。

此外，或許光是瞭解概念的架構與脈絡尚不足夠，若加以 Chi 概念的本體觀點詮

釋概念改變，欲揭開學生科學學習概念層面的神秘面紗，研究者認為其解答應隱

匿於概念本質和概念關係之間的共同交集。

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由上節的討論，研究者認為概念改變是緩慢、精緻的演化過程。而這種演化 的過程應以「概念系統」的改變為依歸。Tolumin(1972)於《Human Understanding》

中的一段話很貼切地傳達出這樣的理念：

故此，我們須要的是種能適應任何廣袤改變之概念發展的理由，但那些不管是漸 進的或激烈的改變，對於同樣因素不同作用方式之下所產生的結果是不同的。我們應 以完整的「概念系統」(conceptual system)的改變為依歸，替代革命式智力改變 (intellectual change) 的觀點，因此，我們須要建立一種演化式的觀點以解釋「概念族 群」(conceptual population)如何逐漸地轉移(p.122)。

本節中，研究者將先簡介達爾文與拉馬克對物種演化建立的演化模式和機 制，接著探討科學哲學家對科學知識增長的演化觀點，並將之與兒童概念學習進 行類比，藉此討論兒童科學學習之概念演化的真實性，以奠定本研究的理論基礎。

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有 關 生 物 物 種 演 化 之 主 流 理 論 ， 一 般 咸 將 榮 耀 歸 於 達 爾 文 (Darwin, 1809-1889)。其宣稱：現今所存之生物皆由簡單的原始物種演化而來。這種演化 的產生源於天擇作用於物種族群的變異，而物種族群的變異則是源於個體基因和 染色體的突變或重組。由此觀點所建立之物種演化的模式便是遺傳與變異，而機 制便是天擇，其中天擇更是達爾文物種演化論的核心。達爾文認為： 「變異為天 擇提供對象，繁殖過剩為天擇提供必要性和可能性，生存競爭是天擇的手段，適 者生存是天擇的標準，生物演化是天擇的結果」(謝蘊貞譯，1972)。

有關變異的來源有二，其一為「新達爾文主義」者所稱之「親代染色體或基 因的隨機組合和突變」(謝蘊貞譯，1972)，另一則為法國生物學家拉馬克(Lamarck, 1744-1829)所提倡之「後天獲得性遺傳」 ，或謂之「用進廢退」 ，屬於環境的誘發 (沐紹良譯，1933)。拉馬克所主張之「用進廢退」的想法雖然沒有獲得科學共同 體的認同，但主流的達爾文演化論卻吸納其部分看法。除此之外，其尚有許多與 達爾文演化論相異的特點，亦為系統哲學之廣義演化論所吸收和發揚光大，其重 要特點可概括為下列四點(沐紹良譯，1933)：

1.生物的演化能力主要是自發的、與生俱來的，不是被動的、外在賦予的。

生命體之所以異於一般無機物而成為大自然的特殊創造物，乃因其具有

「整體協調」的特殊稟性，並在此基礎上獲致「自我進步」的能力，此為

生命之所以能演化的根本原因。

2. 物種演化可區分為垂直演化與水平演化。所謂垂直演化意味著某單一物種 由簡單到複雜的歷時性發展過程；而所謂的水平演化則意指多種物種共時 性的多樣性分化過程。這兩種演化的方式相互支撐、彼此建構，水平演化 以垂直演化為基礎，水平演化的產物又成為未來垂直演化的基礎，如此反 覆交替成長。拉馬克認為生物自我進步的潛在能力是垂直演化的成因及根 源，而環境的影響則為水平演化的成因及根源。

3. 物種的演化具有多元性。即每一物種都分別有其發生史，相異的物種可能 因為同源或親源關係而有縱向的聯繫，但同時存在的相異物種之間不可能 具有親源關係上的聯繫。若其間具有相似性，則此種相似性多為同功不同 源之「趨同演化」的結果。

4. 人類的演化，包括個體之認知、思維，或群體之知識、社會、文化等的演 化皆是宇宙演化之整體網絡中不可或缺的一部份，兩者交互影響。

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Vollmer(1974, 舒遠招譯，1994)認為物種演化的原理具普遍性，其既適用於 整體宇宙、漩渦星系、恆星系、地球、植物、動物和人，也適用於動物的行為和 高級能力。此外，它還適用於話語和語言、人類共同生活和影響的歷史型態；適 用於社會和文化、信仰體系和科學。據此層層相推，研究者認為學生的科學概念 學習亦適用物種演化的原理。生物學家 Wilson(1998, 引自林財庫，2005)便提到 人類個體的學習和創造過程在某種程度上也是人類整體知識和文化演化過程之 簡單重演。但值得注意的是，Vollmer 指出這些相異層次上的演化要素和法則可 能是極為不同。舉例而言，討論恆星的演化時，可能物理學規律較具決定性，而 討論生物學系統時，則須要加進其他原理。另言之，我們運用演化的概念進行類 比，但卻須對類比的標的領域進行全新的界定。

智力改變或概念演化這樣的類比並非理所當然，事實上，在哲學領域這種現 象須要額外加以解釋(Toulmin, 1972)。此乃因為自柏拉圖至康德，無論是由推論 或由感官，一直以來，哲學家們無不汲汲於尋求一個可獲致直接、確實知識的方 法(Thagard, 1992)。直至達爾文的演化論引動起一股時代的思潮，在十九世紀末 西方才陸續有哲學家試圖用演化的觀點來研究認識論。但直至二十世紀中葉，

Popper 才明確地將人類知識視為生物應付環境的特例；將知識的發展視為生存競

爭 和 天 擇 的 演 化 過 程 ； 將 科 學 方 法 論 視 為 物 種 演 化 論 的 應 用 與 延 伸 。

Campbell(1960)則為首位明確提出「演化認識論」(Evolutionary Epistemology)概

念的哲學家，其並運用此概念來研究人類個體知識和群體知識之發展（演化）間

的類比關係。本節便以科學哲學家 Campbell、Toulmin、Hull 及 Thagard 對科學 知識發展的觀點，檢驗「科學知識」與物種演化之間類比的觀點，並藉此奠定本 研究中學生科學學習之概念演化的基石。

（一）Campbell 的演化認識論

Campbell(1974，引自林財庫，2005)的演化認識論認為認知是主體藉由認識 活動而獲得的認識結果。這些結果是種潛在的知識成分，在其被人們接受運用、

發揮其促進認識主體之生存適應的功能之前，其僅僅是種潛在的知識而非現實的 知識，我們可將之類比為物種的遺傳和變異。當認識主體將自己的認識結果置於 環境中受其檢驗和選汰時，各種變異便得激烈競爭，唯有通過競爭和選汰的考 驗，才有可能成為正式的知識單位，在知識系統中留存及遺傳下去，否則便會遭 受淘汰。認識主體經由各種變異間的相互競爭和天擇使自身的知識系統不斷發 展、不斷進步。此外，演化認識論認為知識的個體發育是整體發育的基礎和前提，

在知識的系統發育過程中，舊知識如果能夠促進人類的演化便得以保存，形成知 識自身的遺傳。但在這種遺傳過程中，由於人類與環境不斷地交互作用，既有的 知識便會不斷地被用來適應新的環境、學習新的事物，從而在人腦中萌發出新的 思想和觀念，形成既有知識的變異。這些變異作為潛在的知識在主、客體的進一 步互動中得到演化逐漸形成獨立的知識單位，這些知識單位再不斷地繁衍出新的 知識單位，直到成為一種新的學科。知識的增長或演化就是在這種遺傳、變異和 選汰的過程中加以實現。

故此，無論就知識單位之個體發育的層次或群體系統發育的層次觀之，知識 的演化都是遺傳、變異和選汰的過程，可以和物種的演化形成類比。但不同的是，

它們的機制並不相同。物種演化的機制乃奠基於有機體自身基因的重組和突變，

以天擇為核心要素，而知識的演化則依賴「人擇」，須要主體的行動、互動、反 思和選汰(Campbell, 1974，引自林財庫，2005)。

（二）Toulmin 的知識演化論

Toulmin(1972)認為智力是流動變遷而非固定不變的。其主要對科學事業及活 動進行生態性的分析，並從演化論「變異與選汰」的觀點來詮釋科學知識的增長。

他以「學科」(discipline)作為科學歷時發展的基本單位，並將之類比於生物演化 中的物種(species)，其包括兩部份，其一為一群概念所形成的基因庫（包含觀念、

方法、基本目標等） ，另一則為一群人所形成的專業社群。在此觀點下，Toulmin

認為科學不是靜態的事業，相反的，科學事業裡的一切內容，包括研究興趣、前

提、理論、概念、語言意義、專有名詞以及相應的表徵工具都處於動態的演化之

中。若我們以族群模式(population model)的觀點加以考量智力學科和概念改變中

的歷史過程，那我們便可將橫跨學科的智力內容，以連續的時間切面分析成下列 三種不同的表徵形式：

(A)一系列的表徵套組(representative sets)：考量同一時期一學科中所有概念 表徵的角色。

(B)一大束特別概念的家族世系(genealogies)：考量外顯結果，展現一特定概 念在其整個生命歷史中的連續發展和最終命運。

(C)概念變異和智力選汰雙過程的結果：結合上述兩種分析的表徵形式。

這三種表徵分析的方式中(C)模式對於創新（概念變異）和選汰的差異的說 明有極大的優勢。它明顯地記錄當下學科概念中某些事實、在任何特別的階段中 爭議和創新的活化主題，以及一概念改變單元上之生命線的分支點或障礙物（圖 2-2-1） 。

在演化的過程中，科學的創新是變異的主要來源，但並非所有的變異都有 效，唯有通過科學共同體之評價標準的變異，才是有價值且無致命缺點而會被選 汰留存下來。故此，Toulmin(1972)強調專業論壇的重要性。Toulmin 主張專業論 壇對這些創新變異的選汰取決於「理由」與「原因」(reason and causes)這兩種選 汰標準(selection criteria)。所謂的「理由」意指學科發展的內部歷史，關乎預測 力、一致性、精確度、解釋範圍、解題能力、可理解性以及學科之基本目標等方 面的考量。而「原因」則是學科之外的歷史發展，包括與社會文化相關的眾多因 素。此種因素有時會壓制內在理性的評價歷程，成為塑造學科內涵之重要的非理 性根源。因此內在理由的影響愈大，學科愈趨近理性；反之，外在原因的影響愈 大，學科愈反理性。科學知識的發展便是由創新和科學共同體的理性選汰來決定 的，創新產生變異，科學共同體的理性則能從多種競爭的變異中選汰出能適應環 境的變異，並把這些變異累積起來遺傳下去。值得注意的是，這些選汰標準本身 並不固定，Toulmin 強調合理的選汰標準本身亦經歷一種歷史發展的過程。

（三）Hull 將概念改變視為選汰的過程

Hull (1988)亦以演化的觀點闡釋科學知識的增長，其對科學概念發展的觀點

並無異於上述主張演化認識論的傳統科學哲學家，但其對概念的處理卻有根本性

的差異。Hull 認為傳統的演化認識論者看待概念的觀點就如同生物學上典型的形

態學家僅將生物的表型特徵當作分類的依據，是故自然界中存有某種基本的生物

藍圖(bauplan)。特別的生物或多或少的展示這些生物藍圖。但更重要的，即便物

種在歷史橫流中滅絕、增殖，但根據一些典型形態學家的觀點，我們卻可以依據

這些生物藍圖中亙久不變的分類樣式辨認和組織隔離於任何時、空、原因的各種

圖 2-2-1 橫跨學科之智力內容的概念變異和智力選汰雙過程的表徵(Toulmin, 1972)

生物。舉例而言，鱷類(Crocodylia)、有鱗類(Squamata)(例如蜥蜴)和鳥類(Aves) 在典型形態學家的分類中，鱷類和有鱗類將因其外型的相似程度而被歸為一類，

但依據種系的概念，鱷類和鳥類卻具有較為相近的歷史淵源，而應被歸為一類。

當然，這些典型的形態觀點並非完全不相容於種系的概念，但 Hull 認為支序學 派(Cladism)對生物分類追溯親緣的系統發生(phylogenesis)觀點將有助於我們對 概念的分類另外發展一獨立於原有分類的模式，而這種分類的模式著重於詳細考 量一理論中概念發展的過程。

Hull(1988)對生物學與概念演化之間的類比不若其他演化知識論者，其所做 的類比更為複雜。他嘗試另外發展一套高層次的分類以含括生物學及概念兩個領 域。其關鍵論點如下（表整於表 2-2-1）：

¾ 複製者(replicator)：一個實體，傳遞其構造，幾乎原封不動的至後續的 複製體中。

¾ 交互作用者(interactor)：一個實體，如同一具凝聚力的整體，會與環境 交互作用，經由此法，此種交互作用會使得複製體變得十分不同。

¾ 選汰(selection)：一個過程，在此過程中，交互作用不同程度的絕滅與 增殖，使得相關的複製者分別有著不同的存續。

在生物演化中，基因是一個典型的複製者，而生物體是一個典型的交互作用 者，選汰則是一個過程，在此過程中，生物體不同的適存度(fitness)會導致其基 因不同的延續情形；在科學發展的過程中，複製者是對科學目標的信念、要了解 這些目標的方法、問題及可能的解答、表徵的形式、累積的數據等。基本的交互 作用者是產生新複製者的科學家們。選汰的過程則涉及科學家們的競爭，以使某 一科學家的觀點被其他科學家所接受。

建立起這樣一套高層次的分類後，Hull(1988)又就選汰過程進一步區別出生 物與概念演化之間本質性的差異，以給予科學概念發展更多的關注。首先，他指 出，概念世系的演化時間介於各種生物演化的中間，其演化比病毒的世代要慢得 多，但相較於紅杉又快了許多。再者，這兩者的複製者與交互作用者的實體大小 是高度變異的。對大部分生物而言，繼承是來自於親代雙方，但對概念而言，其 來源卻如同多倍體。然而，當我們把層級都置於族群的層次時，這兩者之間並沒 有顯著的差異。此外，一般皆謂生物演化的機制是天擇，而概念演化的機制是人 擇，但 Hull 認為這樣的觀點並非意味著科學概念的演化完全是拉馬克觀點的，

事實上，它僅是拉馬克觀點的隱喻。如果自然現象可以區分成有意圖和沒有意圖

的，人擇和基於合理性選汰概念便是有意圖的活動。相反的，若自然現象根據所

牽涉的複製者加以分類，則人擇和天擇都是同一種類型的活動，因為他們都產生

表 2-2-1 Hull 對生物學及科學概念發展之類比及定義

定義 生物 科學概念發展

複製者 (replicator)

一個實體，其構造幾乎原封不 動地傳遞至後續的複製體中

基因 對科學目標的信念、要瞭

解這些目標的方法、問題 極可能的解答、表徵的形 式、累積的數據…等 交互作用者

(interactor)

一個實體，如同一具凝聚力的 整體，會與環境交互作用，經 由此法，這交互作用會使得複 製體變得十分不同

生物體 產生新複製者的科學家

們

選汰 (selection)

一個過程，在此過程中，交互 作用者不同程度的增值與滅 絕，使得相關的複製者分別有 著不同的存續

天擇，生物體不同的 適存度會導致其基因 不同的延續情形

科學家們的競爭，以使其 觀點被其他科學家所接 受

基因頻率的改變。社會文化實務最終改變文化實體中的頻率乃歸屬於第二個類 別，無論這種改變之導因是否有所意圖。而科學的漸進發展可說是有方向性的，

但並非是有意圖的。Hull 認為自然世界中的每件事物都處於偶然變遷的狀態，科 學理論自然也沒有例外。科學概念的演化，特別在科學中，是區域性也是全面性 的演變，這並非因為科學家察覺到機制，也不是因為他們努力奮鬥以同時達到區 域及全面性的目標，而是因為這些目標就是存在。假如科學家沒有努力形成自然 法則，那麼研究便只是隨機的發現。

Hull(1988)雖強調以社會過程來理解科學改變，強調科學家們之間的競爭與 合作，但仍主張我們必須區別兩種歷史實體的分類，一為社會，另一為概念。假 如我們希望個別化一個研究群體，便是選取其中任何一個成員，並追蹤他與科學 相關的社會關係。而若我們希望能個別化一個概念系統，我們便必須選擇一個特 別信條的特別象徵，並且追蹤它的概念關係，這包括推論和系譜的。描述高度闡 述概念系統的分類方式便是任意揀取一特定的概念元素，並追蹤其真正的概念連 結。雖然 Hull 的討論著重於考量科學但是他認為這些考量可以用於任何有關歷 史實體的研究(Hull, 1975)。

（四）Thagard 對概念演化模型的批判

Thadard(1992)認為達爾文提供了我們藉天擇而演化的理論，這理論在生物領

域內有極大的解釋連貫性，所以諸如 Campbell(1988)、Toulmin(1972)等人嘗試把

相同形式的理論套用以解釋科學知識的發展並不令人訝異。但他認為概念的發展

與物種的發展間有很大的差異，所以演化知識論具有頗大的爭議性。舉例而言，

Thagard 認為科學概念的萌發往往只是解題過程的一部份，而且也是數據導向、

解釋導向、或連貫性導向；另一方面，生物體並不會為了去克服環境的問題而萌 生出突變。在此，我們得以瞧見 Thagard 所持的演化觀須服膺達爾文主義，和上 述各家以較廣義、含括拉馬克式的演化認識觀點是有所出入的。

Thagard(Thagard, 1988, 引自 Thagard, 1992)倡議計算的觀點以凸顯此種以生 物演化來看科學發展的不適當性。他並且批評 Hull(1988)嘗試以生物演化論的類 比來瞭解概念演化之舉。Thagard 指出 Hull 利用「複製者」 、 「交互作用者」及「選 汰」這三個名詞來分析科學過程似乎是完美的，同時，這對定義科學的社會面向、

描繪科學家彼此競爭合作的圖像亦極為有用。但生物學的類比使得此種觀點有先 天上分析的限制，因為它無法詳盡描述新概念、新假設形成和評價的過程，也不 能描述出概念的組織，因此有一些基本心理學的問題是生物學分析所看不到的。

例如，複製者的組織為何？另言之，Thagard 認為 Hull 的親緣分析觀點忽略了認 知心理學的論調。而科學概念是藉著種類關係和部份關係而組織起來，假設則是 藉解釋融貫性的相關而組織，利用認知的說法我們才能找出概念改變的許多不同 的形式。

就 Thagard(1992)而言，演化知識論者所運用的僅是生物的「類比」 ，但他所 提出的計算模型則強烈依賴認知心理學的主張，認為思考不僅是計算的類比，事 實上，思考本身就是計算。因此對科學的計算哲學而言，Thagard 希望建立一套 程式，以建構概念或假說，並希望公正的觀察者把概念改變的現行理論視為證 據，對認知/計算法及生物學類比的科學概念演化模型進行一種選汰。

ˬă̈ඕ!

（一）兒童科學概念學習與科學知識發展的類比

綜上所述，我們可將各家對科學知識發展演化過程的闡釋與達爾文、拉馬克

的物種演化理論作一確切的類比對應（表 2-2-2） 。建立起這樣的對應關係後，且

讓我們回顧科學教育與科學知識發展之間的關係。在科學教育上，概念改變議題

的發韌，便是立基於科學哲學中 Kuhn(1962)和 Lakatos(1970)的認識論，科學教

育對兒童科學概念的學習引借科學哲學的觀點為基礎其來有自。但，事實上，由

第二章第一節中科學教育研究者針對兒童學習的理論及實徵研究皆顯示，兒童概

念的學習缺乏如 Kuhn 所主張的格式塔轉換，相反的，漸進式發展的概念演化可

能更適合詮釋兒童的概念學習。是故，研究者亦引用上述科學哲學的概念演化觀

點，並將之與兒童的概念學習進行類比，結果整理如表 2-2-2。由表 2-2-2 觀之，

我們可以將兒童對某一特定主題的各種心智模式（例如：電學領域中兒童對簡單 電路的單極模式、撞擊模式、消耗模式等各式模式的集合）與 Toulmin 的學科、

Campbell 的群體認識單元作類比，而將之視為具有親緣關係的不同物種。在此，

之所以以兒童的「心智模式」類比為物種，主要是因為 Toulmin(1972)等演化認 識論者認為應以完整的「概念系統」的改變為探討的對象以建立一種演化式的觀 點來解釋「概念族群」如何逐漸地轉移；Thagard(1992)亦認為概念改變的探討應 奠基於認知心理學上對概念架構、概念關係的探討方能找出概念改變的不同形 式。兒童心智的概念系統為何實難獲知，但對於因應環境問題形成之動態心智模 式，在技術上是較易推論的，故此，本研究選擇心智模式作為與生物界物種、科 學知識發展之學科相類比的單位。而單一一位兒童對某一主題的心智模式，則可 類比於個體科學家所擁有的認識單元。在科學知識發展上，和物種相類比的不僅 僅包括概念，亦包括專業社群，含括其所有之觀念、方法、基本目標、研究興趣、

專有名詞、表徵工具等等，在兒童概念學習上亦同。兒童學習時的概念演化，亦 可能包含兒童對科學學習的態度情感、認識觀點、本體觀點等多元向度，但此處 為討論方便之故，僅針對概念的層次加以描述。當兒童學習、接收新資訊或個體 自發進行創新的活動時，兒童的心智模式中的某一概念遺傳單元便會產生變異，

經由人擇的過程，決定此種變異是否更具適應力，更能良好地解決學習的各種問 題。在科學教育的理論中，對於此種選汰過程，除 Posner 等人(1982) 所條列的 不滿意、能理解、合理的、豐富的四個條件外，究竟學生們如何決定適合存續的 概念尚缺乏完整的描述。但由 Campbell、Toulmin 及 Hull 的觀點，區分心智模式 之間內在的「理由」 （例如：預測力、一致性、精確度、解釋範圍、解題能力、

可理解性以及學習目標）以及外在的「原因」 （例如：小組互動、人際關係、學 望、人望等）可能有助於釐清一些兒童學習的機制。

（二）針對 Thagard 對支序學派生物演化類比之批判的回應

Thagard(1992)認為 Hull(1988)以支序學派對生物親緣關係的系統發生觀點來 描繪科學知識的發展在社會面向上極為貼切，但此種生物學上的類比忽略了認知 心理學的論調，缺乏對複製者之組織的闡述。但事實上，Hull 在其著作中其實強 調我們必須區別社會和概念兩種實體，而針對概念系統中概念的演化，他認為我 們必須選擇一個特別信條的特別象徵，追蹤它的概念連結關係。只是相較於其對 社會面向的詳盡描述，Hull 的確對概念的系統結構如何演變缺乏深入的描述。

Thagard 建議應以認知心理學對概念結構的闡釋來描繪科學知識的發展及兒童科

學概念的學習是一值得努力的面向。事實上，科學教育的努力方向正朝著較為完

整的概念架構的方式來描繪兒童的科學概念學習，Hull 建議以支序學派親緣關係

的分析來瞭解科學知識發展亦提供了一個新的面向。這樣的面向除了能把

Toulmin(1972)表徵概念改變單元上之生命線的分支點、障礙物及整個演化過程的 觀點加以實現外，藉由電腦及生物資訊工程的發達，我們更可以建立數以千計的 支序圖(cladogram)來形成假設、驗證並推論各種物種之間的親緣關係及演化歷 史，結合 Hull、Toulmin 及 Thagard 的想法，我們也應可借助電腦的強大威力，

推論兒童心智模式演化的歷程，以進一步真切地奠基在兒童本身的先備概念發展

合適的概念演化（或說概念改變）的教學策略，協助學生更有效、更正確地學習

各主題的科學概念。下一節中，研究者便會針對支序學派用以分析物種演化之親

緣關係的這套強力工具之理論基礎加以闡述。

表 2-2-2 不同組織層次之演化觀點的類比 組織

類別

組織 層次

群體 個體 遺傳單元 變異 選汰

達爾文 物種演化

族群 個體生物 基因 隨機的基因

型變異與表 現型變異

天擇 生

物 學

拉馬克 物種演化

族群 個體生物 種 基因型的垂

直變異與表 現型的水平 變異

人擇，自我 進步整體協 調的潛能

Campbell 演化認識 論

群體的認 識單元

個體的認 識單元

認識單元 以既有知識

為基礎的增 生

變異間的競 爭，勝利者 成為可遺傳 的認識單元 Toulmin

知識演化 論

學科

（包括概 念基因庫 及專業社 群）

個體科學 家（含其 所持有之 觀念、方 法、基本 目標）

科學事業裡的一切 內容，包括研究興 趣、前提、理論、

概念、語言意義、

專有名詞及相應的 表徵工具

科學的創新 內在的「理 由」與外在 的「原因」

交互作用者 複製者 -- 選汰

科學 知識 的發 展

Hull

產生新複 製者的科 學社群

產生新複 製者的科 學家

對科學目標的信 念、要瞭解這些目 標的方法、問題極 可能的解答、表徵 的形式、累積的數 據等

以既有知識 為基礎與環 境、專業社 群產生交互 作用

科學家們的 競爭，以使 其觀點被其 他科學家所 接受

兒童 概念 學習

兒童對某 一主題的 心智模式

單一兒童 對某一主 題的心智 模式

概念 學習新資訊

或創新

人擇