第一節多重類比教學訊息系統之建構與管控

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第肆章研究結果與討論

誠如本文第壹章所述，科學教育之教材教法研究，大抵在於探討：以科學概念為主的「教學訊息系統」、以人與信息交互作用為主的「學習者構念系統」、以及影響概念改變的整個「教學程序系統」等三個主要本體；

換言之，這三個「系統」實際上也正是科學教學研究的主要內涵。本研究雖然以「探討板塊構造學說多重類比教學」為題，但是以上三個系統仍不失為推衍研究問題的宏觀標的。故而，本章便朝這三個面向著手努力，將各項考察所獲之資料以質性量化兼用的方式，進行詮釋與分析；全章包含：第一節多重類比教學訊息系統之建構與管控、第二節學生構念系統之探析與監控、第三節互動式多重類比教學程序系統（教學模式）之建構等三個節次；茲分述於后。

第一節多重類比教學訊息系統之建構與管控

類比推理，若從「結構映射理論」與「基模理論」的觀點視之，乃是：

「兩個不同領域的知識系統，藉由彼此間「某種關係」的相似性，由已知知識系統（類比物）推導到欲知知識系統（目標物），從而獲得或理解知識的過程」（Duit, 1991; Gentner, 1999）。因此，類比用之於教學，至少應有兩層問題須被關注：其一是所用類比物的內涵為何？其二則是待學目標概念的內涵為何？今假若從學習的角度切入，則學習者對類比物的熟悉當然要先於目標物；然而，假若從教學的立場來看，則對後者的考量無疑地應先於前者。故而，在計畫性類比教學中，目標系統（靶領域）與類比物系統（源領域）的理析實同等重要，且均應為教學準備的第一步！

就以本研究的目標主題「板塊構造學說多重類比教學」來講，如何從

複雜的理論體系中找出教學所需的目標概念及類比物？如何從複雜的概

念網絡中理出「目標物與目標物」、「類比物與類比物」、及「類比物與目

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標物」之間的關聯性？如何尋找（建立）適切的工具以管控多重類比教學訊息？這些都是研擬教學系統時的重要課題。因此，教學訊息系統之建構與管控乃成為實徵研究之首項作業。

一.板塊構造學說核心概念剖析與類比物蒐集

類比推理就如同打靶射擊一般，射擊須有清楚鵠的方能準確瞄準，類比也須有明確目標方能進行遷移。有鑑於此，本研究乃積極從文獻中蒐集

「板塊構造學說」的核心概念與類比物，冀望能據此以建構「多重類比教學訊息系統」。

（一）從文獻中尋找核心概念與類比物

許多學者均強調，今日對於地球系統的探究，應以化約與綜合的思維相互為用，方能克竟其功；尤其複雜如「板塊構造」者，更應該如此！（苗東升，2000）。然而，板塊構造的核心概念該從何化約？又該根據什麼來綜合？這是個難題！檢視科學史可見：任何理論的形成，必在其發展史上留下思維演變的軌跡；因此，從文獻中來找尋啟示、找尋觀點，這應該是概念理析的可行進路。基於此一理念，本研究乃以「還原」的觀點回顧板塊構造學說發展史，並進而從中理出核心概念與類比物。

1.理論演進的軌跡：板塊構造學說之概念系統與發展簡史

「板塊構造學說」（plate tectonics），若以科學哲學家勞丹（Laudan, 1977）的觀點視之乃目前地球科學領域中最重要的「研究傳統」（research tradition）；若引孔恩（Kuhn, 1970）的用詞則可稱為當代地球科學研究的

「典範」。板塊構造學說，綜合了一系列的次理論，這些次理論不僅豐富的了本學說的發展史，同時也強化了本學說的說服力。因此，這些次理論的演進軌跡，實為選取教學訊息的最佳素材，也是尋找核心概念的最佳來源；茲將犖犖大者，分述於后（Takeuchi et al.,1966/1976；何春蓀，1984；

其發展軌跡如圖 4-1-1 所示）：

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大陸漂移學說（theory of continental drift）— 1912 年由德國人韋格納

（Wegener）所提出，其靈感係來自於大西洋兩岸海岸線之良好契合。韋格納認為，大西洋兩側的非洲和南美洲陸塊，就如同分離於兩地的報紙碎片（a torn newspaper），它們原來應該連結在一起，後來才分開。許多古氣候、古生物、古地質的證據，也都支持本主張的可能性。此嶄新理論之提出，在當時曾引起科學家們的高度興趣與熱烈爭論（「陸地固定論」乃是人類根深柢固的信念，現在竟然說「陸地可動」，這當然是個重要的概念革命！）（Thagard, 1992b）然而，由於它對於大陸漂移的「動力機制」無法圓滿解釋，因此也就被冷落了一段時日，直至 1950 年代海底擴張、磁極倒轉紀錄… … 等證據被提出之後，才再度引起強烈重視。

海底擴張學說（theory of ocean floor spreading）— 1962 年由美國人海斯（Hess）所提出，認為：「來自地函的『熱對流』，使上部地函的物質產生部分融熔，自中洋脊處湧出，凝固後形成新的地殼，並將舊的陸塊向兩側推擠」；此學說之提出不但促使大陸漂移學說「再度復活」，而其本身之後也成了解釋板塊運動動力來源的最有力論述。

轉型斷層理論（transform fault theory）－由加拿大多倫多大學教授 Wilson 所命名，可解釋海洋中因地球自轉及海底擴張所造成的斷層構造與地震頻繁帶（引自 Takeuchi et al.,1966/1976）。

地球物理證據— 包括地震帶分布、中洋脊地熱流、地磁倒轉紀錄及深海鑽探資料等。例如：1963 年英國人范恩（Vine）與馬修斯（Mathews）

預測海洋地殼應像「錄音帶」一般會由中洋脊向兩側對稱地留下「地磁倒

轉」（geomagnetic field reversals）的紀錄，及”Glomar Challenger” 探勘船

隊執行深海鑽探計畫所獲得的地球物理資料… … 等，在在都為板塊構造學

說提供了豐富證據。

(4)

＊岩石圈(剛性)與軟流圈(可塑性)

＊板塊相對運動(摩擦,擠壓,碰撞,傾軋,分離… ..)

－火山,地震,造山,漂移,擴張… .

＊證據:

1.地形－中洋脊,海溝,島弧,轉型斷層 2.地質－地殼年齡,沉積物分布 3.地質－地震,地熱流,地磁倒轉

＊1620 英國培根－非洲、南美洲可彼此銜接

＊1912 德國韋格納提出：

-“ The Origin of Continents and Oceans”

-大陸邊緣的吻合 -古生物證據 -地質上的證據 -古冰川分布 -古氣候證據

但大陸漂移的「動力來源」? 無以圓滿解釋！

所以沉寂了許久！

＊二次大戰－聲納測深,岩心採集技術… 提供證據

＊1958 麥森提出「地磁倒轉」的紀錄

海底擴張學說 (中洋脊)

＊1962 海斯－地函「熱對流」物質由中洋脊湧出

＊1963 范恩與馬修斯－中洋脊如「單源錄音磁頭」

＊其它：地物,地質,地熱流,地磁… ..等證據

板塊構造學說大陸漂移學說

圖4-1-1 板塊構造學說發展簡史

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圖 4-1-2 板塊構造學說概念系統發展圖

（綜合自：Thagard, 1992b；Takeuchi et al., 1966/1976；何春蓀，1984）

元素

定年吻合

定年相符邊界

邊界

元素元素

隱沒於元素

元素

板塊構造(plates tectonics)

地球(seafloor spreading)

海底擴張(seafloor spreading)

對流

(convects)

均衡現象

(isostasy)

吻合

(fit)

轉型斷層

(transform fauts)

磁性沉積物

(magnetic sediments)

海溝

(trenches)

地核

(core)

軟流圈

(asthenosphere)

磁極變化

(magnetic variation)

漂移

(drift)

中洋脊

(mid-ocean ridges)

磁極倒轉紀錄(magnetic strips)

岩石圈

(lithosphere)

深震

(deep earthquakes)

淺震

(shallow earthquakes)

高熱流值

(high heatflow)

大陸(continents)

運動

(move)

地球系統(Earth System)

表「此關係」可對「另一關係」做解釋。

註:

(6)

總之，板塊構造學說，從其前身理論「大陸漂移學說」的提出，經過一連串的爭辯與修正，此一動態性、整體性的「板塊系統運作觀」無疑地已成當今地球科學研究的「正則典範」（canonical paradigm）！綜合其發展史與相關文獻可發現，本學說大致是由：地球層圈構造、大陸漂移、海底擴張、岩石圈、軟流圈、中洋脊、海溝、熱對流、地震活動、造山運動、

邊界作用（聚合、分離與錯動）等概念元素所構成；至於其「發展歷程」

與「概念系統」（conceptual system）大致可分別由圖 4-1-1 與圖 4-1-2 來表徵；此結果並可做為進行本單元之多重類比教學時，擬定教學目標系統和選用類比物的指引。

2.科學家拿什麼來「比喻」板塊構造？－文獻中的多重類比物

「板塊構造學說」不僅能對許多地質現象進行總體性說明，還可將大陸漂移、海底擴張、地震活動、地磁倒轉紀錄等論述統整成一個綜合性理論（何春蓀，1984; Takeuchi et al., 1966/1976）；其描述的時空規模如此廣袤、涵蓋的概念內容如此繁複，故而在其發展史中常可看到文獻作者會使用「類比」以協助說明。例如，在 Takeuchi 等人（1966/1976）所著於 1980 年代曾十分轟動的《地球科學的爭論》（“Debate About the Earth”）一書中，

即可看到關於「板塊構造」的許多類比，比方說：以「舊報紙撕痕」（a torn newspaper; p.46）來聯想大西洋兩側海岸線之良好契合進而推測大陸漂移的可能性；以「向兩側反向拉出的單源磁帶」（tape recorder; p.246）來說明海洋地殼所留的磁極倒轉紀錄；以「浮於水銀上的銅塊」（copper block floating on mercury; p.33）來比喻地殼均衡現象（isostasy）；以「加熱的酒精燈」來引介原始地函的熱對流的機制（p.85）；以「白煮蛋」來表徵地球的層圈構造（p.34）；以「乾縮的蘋果」來代表造山運動的型態（p.29）… … 等。此外，像著名科普刊物「牛頓雜誌」在 2004 年 2 月號（第 246 期）

的「新地球科學－對流支配著地球」專輯中，更一口氣舉出白煮蛋、撕裂

報紙、杯中開水、輸送帶、煮味噌湯、加熱糖漿、毛毯效應… … 等多個類

比物來解釋地動機制。諸多用於說明「板塊構造」之喻例，不勝枚舉。類

比，在地球科學探究上之使用率與必要性，可見一斑！

(7)

科學教育學者 Nersessian（1992）曾言：「對於科學發現過程，若以認知角度加以分析，則可用於幫助學生學習科學家的思維方式、瞭解科學概念的演進歷程、以及建構屬於自己的推理過程」。因此，教師若能在教學前對科學史料加以研究，則應該會有助於預測學生的先前概念與學習困難

（張榮耀，2000）。基於此一理念，本研究於是從科學史與教科書中邁力蒐集「板塊構造學說」的類比物，希冀能從中理出科學家的推理歷程，俾便做為教學時選擇「類比物」的參考。茲將所獲結果，陳列於表 4-1-1。

從表中可見，科學家所用的類比物可謂琳瑯滿目、各有精采，因此設法配合教學目標尋找必要的類比向度、歸納類比物的群聚關係、理出更精簡的類比物集合，這便成為緊接著需要完成的作業。

表 4-1-1 板塊構造學說多重類比物蒐集

號次代號類比物主要對應內容備註

（原文；出處… … ） 1 Teg 茶葉蛋（蛋殼微裂）地球層圈構造（殼、

函、核）。

Takeuchi et al.（1966, p.34）；何春蓀（1984, p.375）；自行修改。

2 Tnw 撕裂的報紙大陸漂移 - 海岸線吻合、地層岩性及化石橫向對比。

“a torn newspaper”

Takeuchi et al.（1966, p46）；牛頓雜誌（2004/246, p.43）。

3 Tbk 撕裂的書本大陸漂移 - 海岸線吻合、疊置原理、地層時空對應（橫向、縱向對比）。

自行設計。

4

4a

Fwm

Fcb

木塊浮於水面上

銅塊浮於水銀

岩石圈-軟流圈之狀態

（剛、塑性）、密度關係、均衡現象。

改編自 Takeuchi et al（1966, p33）及Ernst（2000, p65）。

“copper block floating on mercury.”

5 Bss 結皮豆漿再加熱大陸漂移、板塊狀態關係、密度分布、溫度分布、板塊運動的動力來源-熱對流。

自行設計；牛頓雜誌（ 2004/

246, p.44）。

6 Wco 裝水燒杯以酒精燈加熱

大陸漂移、板塊狀態關係、密度分布、溫度分布、板塊運動的動力來源-熱對流。

高中地科課本；Takeuchi et al.

（1966, p.85）；何春蓀（1984；

p.424類似）；牛頓雜誌（2004/

246, p.38）。

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表 4-1-1 板塊構造學說多重類比物蒐集

號次代號類比物主要對應內容備註

（原文；出處… … ） 7 Cov 輸送帶傳送鋼板

輸送帶

海底擴張-中洋脊、海溝成因與分布；海洋地殼地質年齡分佈；想像乘載於流動的地函之上的板塊。

“belt conveyer”

Takeuchi et al.（1966, p.89）；何春蓀（1984）。

8

8a

Mrt

Zeb

單源磁頭向兩側拉出錄音帶

向兩側拉出之斑馬紋紙帶

海洋地殼之地質年代

（年齡）分佈；說明海洋地殼磁極倒轉紀錄

（magnetic reversal）。

“magnetic tape recorder ” Takeuchi et al.（1966, p.246）； Ernst（2000, p.909）。

9 Bsw 蜂臘和火漆模擬地殼與地函的剛塑性及上下關係。

“beeswax and sealing wax”

Takeuchi et al.（1966, p.73）。

10 Sap 乾縮的蘋果山脈形成的可能。 “shrivelling apple”

Takeuchi et al.（1966, p.29）。

11 Jpl 遊戲拼圖大陸漂移 - 海岸線吻合、地層橫向對比）。

“jigsaw puzzle”

動力地球（p.460）；牛頓雜誌

（2004/246, p.43）。

12 Tow 浴缸中毛巾吸水下沉板塊隱沒（ subduction）自行設計。

13 Mis 煮味噌湯製造地函熱對流

地球密度、溫度分布、

板塊運動的動力來源 - 熱對流。

牛頓雜誌（2004/246, p.67）。

14 Syr 利用糖漿製造熱捲流大陸漂移、板塊狀態關係、密度分布、溫度分布、板塊運動的動力來源 -熱對流；模擬捲流

（plume）。

“syrup”

牛頓雜誌（2004/246, p.50）。

15 Bla 毛毯效應超大陸下方的地函變熱、上升。

“Blanket effect”

牛頓雜誌（2004/246, p.60）。

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（二）科學家的板塊構造系統觀

科學教學的主要歷程乃在於透過適當的語言轉譯科教訊息，然後再由科學教師傳遞給學習者。在此過程中，教師對教學目標的體認與看法，往往足以左右其教學內涵與方向（Carey, 1985; Wandersee, 1994; Nersessian, 1992; 林顯輝，1991）。故而，從文獻中找指引、找觀點，應是建構教學訊息時的可行進路。從前面所提的「理論演變的軌跡」及「概念系統發展」，

可看出科學家的「板塊構造系統觀」，也可從中獲得許多啟示；謹分述如下，期能提供教學參考：

1.應將地球（板塊構造）視為「系統」來觀照

從科學史中，不難發現，板塊構造學說與許多先前理論（例如，大陸漂移、海底擴張、火山活動… … 等）事實上均有賴「全球系統觀」來孕育。

這種系統觀的發生，不但使科學家得以運用各種「系統理論」來「理析」

地球；同時，也使人們的思維動線得以延伸到對系統（地球）組構、功能與變遷… … 等問題的思考。故而，「系統化」的研究進程，不僅使板塊問題的求解成為可能，也使人們的思維與視野得以拉得更深、更遠。因此，

透過對「地球系統教育」來培養系統思維能力，無非也是今日科學教育所應該努力的向度之一（Mayer, 1993）！

2.對板塊構造動態特性之強調

人類對地球的認識，從早先的「固定論」（Permanentism）到今天的「漂移說」（continental drift），可說是思想上的一大躍遷，也是科學史上的一大革命（Thagard, 1992b）。1912 年由韋格納所提出的「大陸漂移」，雖曾招致許多爭論與批判，但相對地也促成了動態地球觀的蓬勃發展。這種「動態」概念的發生，不僅豐富了整個學說的內涵，更強化了整個學說的張力。

同時，由於人們致力於動態地球的探索，所以地球的物質循環、能量傳輸、

因果回饋等現象之探討，自然也成為重要課題；而這些課題，也正是認識

動態地球系統的思維進路。

(10)

3.應用「類比」與「模型」協助思考

地球系統所涉的時空規模從極大到極小，故而「類比」與「模型」乃探索地球現象常用的運思技巧（師大科教中心，1997; Ault, 1998）。在某種程度上，板塊構造學說當然也只是一種「模型」－一種地球物理學者用來解釋海陸分布、海底擴張、火山作用、造山運動、地震活動等現象的模型。

這個「模型」雖然純粹只是由人類所建構出來的，但無論如何它使複雜現象獲得簡化，也使板塊構造的探究與推理變為可能。其實，在許多教學策略研究中，也都建議板塊構造學說可使用「類比」與「模型」協助教學說明與學習推理。因此，藉由教學活動培養學生建構模型、解讀模型的能力，

應該也是板塊構造類比教學應努力的向度之一。

4.從個別現象的探討走向統整綜合的學說

板塊系統，係由許多「次系統」（例如，岩石圈、軟流圈、水圈及生物圈… … 等）所組成之整體，而其間的交互作用常「牽一髮而動全身」。

地體活動，從大陸漂移、海底擴張、地磁倒轉紀錄到地震帶分布等現象的探討，包含了豐富的內容、也經歷了漫長的歷程，而板塊構造學說可貴的地方即在於它能將以前認為不太相關的地質現象進行整體性說明。因此，

以整體性、全球性（global）的觀點來尋找各種次現象的關聯性，乃是目前研究「板塊系統」的一個重要取向，更應該是教學中的重要目標。

綜上所述，若對科學家的「板塊構造系統觀」做一總結，可說：「地球」即為一個「系統」，「地球系統科學」及述說這個系統的「語言」，

而「系統觀」則是我們用以探討地球、認識地球的思維進路。

(11)

（三）「板塊構造學說」的核心概念與多重類比物之彙整 1.目標概念之彙整與篩選

板塊構造學說，有其漫長的發展史並有豐富的概念內涵，試圖對這個巨架構本末兼察、追根究底，這是科學家們努力不懈的目標。然而，若以教學立場視之，我們實在無法期望學習者能在短時間內巨細靡遺照單全收。所謂：「在精不在多！」。因此，配合學習者的認知發展及課程目標，

對教學內容做適當篩選與重整，這是絕對必要的前置作業。只是，我們到底要根據什麼原則，又要如何來篩選與組織教學所需的訊息呢？

根據系統科學家錢學森的主張：「系統乃是由許多相互制約的『部份』

所組之『整體』；它應該具有特定之功能！」（苗東升，1998）。如果我們將「系統」用數學式與示意圖來說明，殆可表徵如下：

S

^（_n^）

≡｛E

^（_n^）

, R

^*

｝；E

^（_n^）

=｛e

_i

∣i=1,2,… , n；n≧2｝

圖 4-1-3 系統化約與合成之示意圖

其中：S

^（n^）

表示一個「系統」，E

^（n^）

與 R

^*

則分別表示其「元素集合」

與「關係集合」。由此可見，凡是兩個或兩個以上的元素（

e₁, e₂,…

形成集合 E

^（n^）

）藉由彼此關聯（集合 R

^*

）所構成之統一整體（集合 S

^（n^）

）皆可稱為

「系統」（如圖 4-1-3）。同時，若干相對獨立且具特定功能的系統（S

1

,… , S

j

,… S

m

）亦可經由 Rc

^*

耦合成新的「複合系統」（C

s^（m^）

）。反之，若經由逆向操作（如圖），當然也可將一個系統之構成單元反向分割至「功能上的不可再分割」為止，亦即化約至「最簡要素」為止。

en

環境

e5

e1

e2

e3 e4

邊界 r5n

S（n^）

合成

Sm

S1 S2

C_s（m^）

e1

e1k

e12

e11

e13

r1 12

化約

(12)

圖 4-1-4 板塊構造學說「運作系統」之化約與合成

p341’

地磁倒轉紀錄

（海洋地殼年齡分布）

合成

S1

地球層圈

p₃₄₂ e31 大陸漂移

岩圈-軟流圈

剛.塑性 p₃₄₁

海底擴張

e32 岩圈-軟流圈

密度關係

r34

e_n e3 e4

r_5n S^（n^）：板塊構造系統

e2

e1

e₅

r₃₄

e4 動力機制

e₃

構造條件

P₃₄

運動

e₄₂

熱對流

e₃₄₁

中洋脊 e_341’’

海溝

r342’

地層縱向對比疊置原理

r_341’

板塊交界帶

r342 海岸線.化石

橫向對比

r₃₄₁

分離

r_341’’’

錯動

r_341’’

聚合

p343 地震.造山

火山活動

S_m Sm Sn

S1

Cs^（m^）:地球系統

化約

e₄₁

地溫分布

(13)

圖 4-1-5 板塊構造學說「概念系統」之化約與合成

綜合

綜合綜合

綜合

3大陸漂移

（海岸線.化石對比）

4大陸漂移

（地層疊置原理）

板塊構造(plates tectonics)

9海底擴張(中洋脊)

12地磁倒轉紀錄 (海洋地殼年齡分布)

淺震動力條件

7地球溫度的空間分布

8運動的動力來源

－熱對流

10 地震.造山.火山機制構造條件

1地球層圈構造（核.函.殼）

5岩石圈-軟流圈之剛塑

11板塊交界帶之型式

（分.聚.錯）

2板塊邊界之意義

合成合成

(14)

基於此一系統思維，本研究乃將板塊構造學說依「系統運作原理」進行化約與合成之探討（並獲如圖 4-1-4 之結果）；然後，再參考國內外有關

「板塊構造學說」的課程綱要（教育部，1996；如附錄表 A-1）將所蒐集的概念元素依「功能」與「屬性」進行剖析與統整，並繪成「概念系統圖」

（如圖 4-1-5）。最後，則依上述結果彙整出適於中學生學習的 12 項核心概念（如表 4-1-2）；這些核心概念並將做為選擇類比物的目標系統。

表 4-1-2 板塊構造學說核心概念與主要內容一欄表

項次核心概念（重要次理論）主要內容

1 地球層圈構造（核.函.殼）

地核（ core）、地函（mantle）與地殼（crust）的層圈分布。

2 ^{板塊邊界之意義}

板塊邊界即為地震帶，但未必與海岸線一致。

3 大陸漂移（海岸線、化石對比）

南美洲與非洲海岸線吻合及地層橫向對比。

4 大陸漂移（地層疊置原理）

不同陸塊地層之時空對應（縱向對比）。

5 岩石圈-軟流圈之剛.塑性

板塊運動狀態條件:岩石圈（剛性）;軟流圈（塑性）。

6 岩石圈-軟流圈之密度關係

岩石圈-軟流圈之密度關係:地殼均衡現象之認識。

7 ^{地球溫度的空間分布}

地內溫度的空間分布與熱對流條件之認識。

8 運動的動力來源－熱對流

板塊運動之動力來源-熱對流機制之認識。

9 海底擴張-中洋脊、海溝成因

中洋脊、海溝之成因與分布。

10 ^{地震、造山、火山機制}

地震帶、造山帶與火山帶之分布與機制。

11 板塊交界帶之型式（分.聚.錯）

板塊交界帶型式（聚.離）與震源分布（深.淺）。

12 海底擴張-海洋地殼年齡分布

中洋脊、海溝分布; 海洋地殼年齡與地磁倒轉紀錄。

2.多重類比物之初步理析與歸類：從複雜中理出體系

從前面的探討可知，「類比」與「模型」是地球物理學家常用的運思

技巧（Ault, 1998）。針對板塊構造學說的核心概念，本研究蒐集數量可觀

的類比物（陳列如表 4-1-1）；多重類比物，可謂各有精采。然而，對這為

數眾多的類比物，我們如何能將其間的「相似性」加以量化？又如何能將

其歸併分類以減輕學習者的認知負荷（cognitive loading）？歸併後的每一

(15)

群集（子系統）的性質又該如何描述？這些都是本研究欲探討的問題。

統計學中的群聚分析（cluster analysis）是一種分類事物的邏輯程序，

它可用計量方法將事物做分類，使同群集的事物具同質性（homogeneity）；

換言之，若以場位空間做比喻則屬性相近的元素會聚在一起，而屬性不同的元素則彼此遠離。衡量群聚分析法所具的這些特性，本研究於是積極朝此方向尋找可用工具以便理析多重類比物；而「凱利方格法」（RGT）適能滿足此一需求。因此，對於前述從文獻中所蒐集的 15 項類比物，我們首先以 RGT 進行初步理析，期望能從複雜中理出秩序，俾便篩選、重組。

本階段的作業程序為：

（1）首先，以表 4-1-2 所彙整的 12 項核心概念做為「構念」（置於橫列）、表 4-1-1 所列的 15 項類比物做為「元素」（置於縱行），形成「凱利方格空白表」。

（2）其次，以某類比物能、否解釋某目標概念進行評值（「可以解釋」

則評以「5」、「無法解釋」則評以「1」），形成「凱利方格評值表」（如表 4-1-6）。

（3）最後，以 RGT 的「FOCUS」和「PrimCom」兩個程式進行群聚分析；並將結果展示如圖 4-1-7 及圖 4-1-8。

由於，本作業的目的主要在於從眾多核心概念與類比物中勾勒出群聚輪廓，因此方格評值時僅以「1」與「5」兩個極端值代表「可以解釋」與

「無法解釋」（因方格中共有 15×12=180 筆訊息，若過度細分為 1~5 五個等級評值則作業過程恐會過於冗長，在初步分類階段似無必要）。依此作業所得結果，概念群集分化雖未臻精緻，但「15 項類比物」與「12 個目標概念」經彼此參照，其相對關係大致已能呈現（如圖 4-1-6）。無論如何，

從圖 4-1-7 與圖 4-1-8 已能讀出代表「動力來源」、「層圈構造」及「邊界作用」等幾個概念群集；此結果並可做為進一步篩選類比物的指引。

基於教學目標與教學實務的考量，本研究最後依上述資料處理結果選

取 8 項類比物（分別賦予新編號 1A, 2B,… , 8H；如表 4-1-3），俾便配合 12

個目標概念以建構正式的「板塊構造學說多重類比教學訊息系統」。

(16)

元素：類比物

構念：目標概念

1 2 3 4 5

無法解釋可以解釋

動力來源

剛塑；層圈邊界；地層邊界作用

圖 4-1-6 多重類比物之初步理析與歸類（RGT 評值方格表）

圖 4-1-7 多重類比物之初步理析與歸類（RGT FOCUS 群聚分析）

(17)

圖 4-1-8 多重類比物之初步理析與歸類（RGT PrinCom 主成份分析）

5E 2B

C 1A

4D 6F

7G

8H

剛塑；層圈動力；溫密

邊界；運動地層；邊界

(18)

表 4-1-3 板塊構造學說多重類比物初步理析與歸類元素（類比物）

象限

原代號新代號

構念（目標概念）備註

Ⅰ E6Wco 杯中水 E7Cov 輸送帶 E8Mrt 錄音帶 E13Mis 味噌湯

6F 7G 8H

6.岩石圈-軟流圈之密度關係 7.地球溫度的空間分布 8.板塊運動動力來源-熱對流

9.海底擴張-中洋脊、海溝成因與分布 10.地震.造山運動.火山活動機制

11.板塊交界帶之型式（聚離）與震源分布（深淺）

12.海底擴張-海洋地殼年齡分布

動力；溫密

Ⅱ E1Teg 茶葉蛋 E4Fwm 浮木塊 E10Sap 乾蘋果 E15Bla 毛毯效應

1A 4D

1.地球的層圈構造（核.函.殼）

2.板塊交界帶之意義

5.岩石圈-軟流圈之狀態關係（剛.塑性）

6.岩石圈-軟流圈之密度關係

剛塑；層圈

Ⅲ E2Tnw 撕報紙 E3Thk 撕書本 E9Bsw 臘和漆 E11Jpl 拼圖

2B 3C

3.大陸漂移-海岸線吻合.化石橫向對比 4.大陸漂移-地層時空關係對應（疊置層序）

地層；邊界

Ⅳ E5Bss 豆漿皮 E12Tow 缸中毛巾 E14Syr 糖漿流

5E 3.大陸漂移-海岸線吻合.化石橫向對比 6.岩石圈-軟流圈之密度關係

7.地球溫度的空間分布 8.板塊運動動力來源-熱對流 10.地震.造山運動.火山活動機制

邊界；運動

Ⅳ與Ⅰ象限相鄰處所對應的概念性質相近

(19)

二.板塊構造學說多重類比教學訊息系統之形成

多重類比教學的功能，主要在於運用多個類比物可以彼此補充、校正、更替及競爭的特性，以增進類比教學成效（Spiro et al.,1989）。然而，

凡需使用多重類比的教學主題，其目標概念勢必繁瑣眾多，目標概念繁眾則管控不易，當然欲靈活運用以達成上述功能也就難上加難。故而，尋找有效的管控工具，以便對相關概念全盤理析，便成為類比教學的重要程序；當然，也是本研究的重要程序！

本研究，嘗試以 RGT 的技術來建立「概念元素與概念元素」、「類比物與類比物」、「類比物與目標物」的相互關係（亦即層階、結構與湧現性等關係）；並有如下成果。

（一）教師版凱利方格表之形成

對多重類比教學而言，擁有一套清晰明朗的「類比物與目標物對應表」

是十分必要的；表 4-1-4 即為一份「板塊構造學說」的多重類比對應表。

然而，此表固然已能對類比對應提供簡明資訊，但是在教學上若要更全盤、更系統化的訊息，則這類對照表實難以滿足需求。

從前面的敘述可知，凱利方格法經由「元素」與「構念」交互參照，

可將「概念系統」全盤展現。緣此之故，本研究乃將文獻中所彙整的「12 項核心概念」及「8 種類比物」以 RGT 進行各項分析。作業時，係以各項類比物（例如：「1A 茶葉蛋」）置於橫列做為「元素」（Elements）、以所能解釋的目標概念（例如：「 1 地球層圈構造」）置於縱行做為「構念」

（Constructs）；其次，由科學教師進行評值（如表 4-1-5 及圖 4-1-9）；最後，

並以 RGT 的 FOCUS 及 PrinCom 法做群聚分析與主成份分析。所得結果，

如下圖 4-1-10 及圖 4-1-11 所示；並可據此以代表「公共知識」與「教學訊

息系統」。

(20)

表 4-1-4 「板塊構造學說」多重類比物與相關概念之對應關係多重類比物

微裂）

A.茶

葉蛋（蛋殼

B.撕

裂的報紙

C.撕

裂的書本

木塊

D.

漂於水面上之加熱

E.

結皮之豆漿再

F.燒

杯中的水以酒精燈加熱

送的鋼板

G.輸

送帶上被傳側拉出錄音帶

H.

單源磁頭向兩

1.地球層圈構造（核.函.殼） ˇ

2.板塊邊界之意義 ˇ ˇ ˇ ˇ

3.大陸漂移（海岸線吻合.化石橫向對比） ˇ ˇ

4.大陸漂移（疊置層序） ˇ

5.岩石圈-軟流圈之剛.塑性 ˇ ˇ ˇ

6.岩石圈-軟流圈密度關係 ˇ ˇ ˇ

7.地球溫度的空間分布 ˇ ˇ

8.運動的動力來源－熱對流 ˇ ˇ ˇ

9.海底擴張:中洋脊.海溝成因與分布 ˇ ˇ ˇ ˇ

10.地震.造山運動.火山活動機制 ˇ ˇ ˇ

11.板塊交界帶之型式（分聚錯） ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ

板塊構造學說核心概念

12.海底擴張:海洋地殼年齡分布 ˇ ˇ ˇ ˇ

※註：表中格內打「

^ˇ

」表示該類比物可與該核心概念作類比對應。

(21)

表 4-1-5 板塊構造學說多重類比凱利方格表

本人姓名座號：同組同學姓名：座號：

（反極）

E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9

構念

（正極）

1N 5 1 1 2 2 1 2 1 1. 地球的層圈構造

（核.函.殼）

C1

2N 5 4 4 3 4 1 2 3 2.板塊交界帶之意義 C2

3N 3 5 5 2 4 4 3 2 3.大陸漂移-海岸線吻

合.化石橫向對比

C3

4N 4 2 5 2 2 1 1 1 4.大陸漂移-地層時空

關係（橫.縱向對比）

C4

5N 4 1 2 5 4 5 1 2 5.岩石圈-軟流圈之狀

態關係（剛.塑性）

C5

6N 1 1 1 5 4 2 1 2 6.岩石圈-軟流圈之與

密度關係

C6

7N 2 1 1 1 5 5 1 1 7.地球溫度的空間分

布

C7

8N 1 1 2 2 5 4 4 3 8.板塊運動的動力來

源-熱對流

C8

9N 1 3 3 2 5 5 5 5 9.海底擴張-中洋脊、

海溝成因與分布

C9

10N 2 1 2 3 5 4 4 3 10.地震.造山運動.火

山活動的機制

C10

11N 1 3 3 4 4 5 5 4 11. 板塊交界帶之型

式與震源分布

C11

12N 1 2 2 3 3 4 4 5 12.海洋地殼之地質

年代（年齡）分佈

C12

13N C13

元

素

A.

茶葉蛋（蛋殼微裂）

B.撕

裂的報紙

C.

撕裂的書本

D.

漂於水面上之木塊

E.

結皮之豆漿再加熱

F.燒

杯中的水以酒精燈加熱

G.輸

送帶上被傳送的鋼板

H.^單

源磁頭向兩側拉出錄音帶

J.我

的類比（）

1 2 3 4 5

完全無法解釋完全可以解釋

(22)

1.教師版凱利評值方格表

先前的「凱利方格空白表」，經由教師（專家）做評值後可得圖 4-1-9 的結果。評值過程，係依類比物對目標概念的「可解釋度」給予評分；評分等第為 1~5，1 代表「完全不能解釋」，5 代表「完全可以解釋」，2、3、

4 介於其中，結果如下圖所示：

圖 4-1-9 板塊運動的多重類比系統－RGT 評值方格表（教師版）

2.教師版群聚分析與主成份分析結果

教師板「凱利方格評值表」經由 RGT 的「FOCUS 法」及「PrinCom 法」做群聚分析與主成份分析，可據以代表「公共知識」與「教學訊息系統」；結果如圖 4-1-10 及圖 4-1-11 所示（其系統性意涵將於下一小節討論）。

圖 4-1-10 之群聚分析，因每一構念均具正反兩極，為便於歸類故運算，

有時會將正反極左右對調（例如 3N 移到圖形右側），並將原來 1~5 的評值自動調整為 5~1 的反向順序，如此便可依相似程度歸類成具層階特性的若干群集。圖中任何兩構念或兩元素間，均可依下式算得其「相似度﹪」：

元素：類比物

1 2 3 4 5

完全無法解釋完全可以解釋

(23)



% M 100

4 d 1

%

' ij ij M

1

i



 





 







 

相似度



其中： 

^ijij^' M

1 i

d



表元素 j 與元素 j’之總差異量；

4M 表 j 與 j’相對於 M 個構念之最大總差異量

例如：圖中最左側之兩個元素（j=5 之「5E 結皮豆漿再加熱」及 j’=6 之「6F 燒杯中的水以酒精燈加熱」），可由下列關係式算得其「相似度﹪」：

5E（5,4,4,2,2,2,2,1,3,4,1,1－6F（5,5,2,2,1,1,1,1,2,1,2,2）

 

^0,1,2,0,1,^1,1,0,1,3,^1,1



D ⁱ_i₅⁶



； 

^ijij^'

M

1 i



d

 ^d



ⁱi⁶5 ¹² 12

1 i







 

% M 100

4 d 1

% S

' ij ij M

1 i 6

i 5

i



 





 









 

相似度



＝〔1-12/(4×12)〕×100%＝75%

圖 4-1-10 板塊構造多重類比系統－RGT Focus 群聚分析（教師版）

元素：類比物

(24)

圖 4-1-11 板塊構造學說多重類比系統－RGT PrinCom 分析（教師版）

空間與構造動力 ﹑ 溫密分布

層圈；剛塑動力；溫密

邊界；運動邊界；地層

(25)

三.教師版凱利方格法（RGT）所呈現的系統性意涵

教師版凱利方格表，經由前述各項 RGT 技術處理所得的結果，用之於多重類比教學，若以「系統觀點」視之應具以下幾層意涵：

（一）RGT 可協助「公共版概念系統」之形成

任何教學中，教師均須具備一套「教學目標」以做為教學指引；類比教學，亦應如此。然而，在多重類比教學中，無論類比物或目標物皆為多重概念元素與多重關係所構成的「多元集合」，其教學訊息系統 S

^（n^）

=｛E

（n^）

, R

^*

｝之「相關性集合 R

^*

」中的某些「關係」，在某種功能上可能屬於必要的「構成關係」（例如，類比對應），但在某些面向上則又可能屬於「非構成關係」（例如，類比限制）。換言之，低階概念間的某些聯繫，可能是進行推理時湧現高階關係的必要網絡；反之，亦有可能是有效作用徑之外容易帶進迷思的非必要關係（Spiro et al., 1989）。因此，教師在進行類比教學時，唯有清楚掌握系統元素間之對應、含攝、分化和統合等關係，方能在教學運用時來去自如。故而，手中握有一份「標準版」的教學訊息系統是相當必要的；而前述教師版凱利方格表的各項資料（如：圖 4-1-9、圖 4-1-10、圖 4-1-11），若善加運用則恰可符合此一需求。此外，在建構主義取向的學習觀中，認為人類知識可由「私有理解」和「公共知識」交互作用而產生。而此處教師版的方格表系統，正可用來引導學習者邁向「公共知識」的一方。

因此，教師版的凱利方格，在教學上殆可表現兩個層面的功用：一者，

可用於引導教學；再者，可做為檢視師生構念系統差異之「模板」。

（二）RGT 可系統性展現多重類比教學訊息

RGT 在形式上即為一組具有經緯的資料陣列，因此單僅是原始評值方

格即已羅列豐富訊息；若再經過元素與構念交互參照、彼此定義，則對概

念空間的表達當然更有十百倍之效。譬如：本研究之方格表原來由 M=12

個構念（橫列）及 N=8 個元素（縱行）所構成之陣列（表 4-1-5、圖 4-1-9）；

(26)

一旦資料建置完成，僅是評值方格本身即可提供 96 筆初始訊息（M×N=96 個細格）。在評值方格表中（圖 4-1-9）格中顏色越深表某元素對某構念的可解釋度越高，所以僅由細格顏色深淺即可判讀某類比物對某目標概念的

「可解釋程度」。

若再透過 FOCUS 與 PrinCom 的分析則可得構念場位關係；前者分別對元素與構念進行群聚分析，後者則進行主成份分析。分析結果若配合適當圖形表徵，則不僅概念間的上屬與下轄、整體與部分、主要與次要… … 等關係皆能清楚展現，甚至連其間的因果關聯亦可從中追溯。RGT 可從龐大的資料堆中理出資料分布的梗概，並找到其所隱藏的意義，同時更可藉

「層屬關係表」（hierarchy chart）將概念空間「視覺化」（visualization），

故乃理析複雜資料組合之利器。

（三）凱利方格表可用於系統性管控教學訊息系統

類比教學，即使僅是一個「簡單類比」，其所包含的概念維度，可能即已相當多元（例如，前述「撕裂的報紙類比大陸漂移」之例）；無庸贅言地，多重類比教學系統，所含括的訊息內涵，勢必更為龐雜繁錯。是以，

對於此一由多重類比物、多重目標概念、多重對應關係… … 等子系統所構成之總集，單欲尋找適當「格式」（format）以陳列相關元素即已不易，遑論欲對系統元素做流暢管控。故而，多重類比教學的另一難處，實則在於

－教學訊息系統之管控不易！

假若再以 Spiro 等人（1989）的觀點視之，多重類比的重要性，乃在於它能藉由類比物彼此間的互補、銜接、校正、競爭、更替、增強、擴大、

精化、重組及向度改變等相互關係來增進詮釋力。而諸此功能達成與否，

端賴類比訊息系統之良好掌握。問題是，剖析與監控此訊息系統的工具，

似乎一直難能尋覓。所幸，經由前述分析，可知 RGT 用於多重類比教學，

除了可協助教師陳列教學相關概念之外，尚可將某元素或某構念所對應的

評值訊息視為子集合單獨抽出討論，甚至可藉由群聚技術將多重類比物間

的層階、互補等關係列表呈現（如圖 4-1-9 及圖 4-1-10）。故而，RGT 在多

(27)

重類比教學訊息系統管控上，應不失為一種便捷、有效的利器。

本研究教師版凱利方格〔師〕，因將代表「板塊構造」學習單元的學科知識（公共知識），並將做為檢視學生構念系統〔生〕的基礎，所以是由兩位參與教師經彼此討論後共同評定而成（如圖 4-1-9）。評值方格表在未經任何資料處理程序時，其實即已隱約可呈現多重類比物之互補、銜接、競爭、更替及向度改變等關係；同時，也已經可以協助教師選取與安排多重類比物組合以利教學。此外，若將教師版凱利方格分析結果（參見圖 4-1-10、圖 4-1-11）做進一步探討，則可獲取更多的系統性訊息；例如：

（1）可展現各類比物能解釋的概念維度（解釋度）－教師版凱利方格「主成份分析」可得 8 個類比物（元素）與 12 個構念之間的關係（圖 4-1-10），及各類比物在二維座標平面上的場位分布（圖 4-1-11）：圖 4-1-11 的主成份分析圖若配合圖 4-1-12 的原理，即可將各類比物能解釋的概念維度清楚展現。

圖 4-1-12 RGT PrinCom 主成份分析之解讀

例如：圖 4-1-12 第 I 象限的元素「8H 單源磁頭向兩側拉出錄音帶」

對分布於第 I 象限的構念「9.海底擴張-中洋脊、海溝成因與分布；11.板塊交界帶之型式（聚離）；12.海底擴張-海洋地殼年齡分布」甚具解釋力；但

解釋力漸低解釋力漸低

無法解釋

很能解釋

×B

×D ×E

×C

II I

III IV

×F

×H

×G

×A

(28)

是對於第Ⅲ象限的「1.地球的層圈構造（核.函.殼）；4.大陸漂移-地層時空關係對應（疊置層序）；5.岩石圈-軟流圈之狀態關係（剛.塑性）」則解釋力甚低。其餘類比物所能解釋的目標概念，則可依此原理類推。

（2）可對各項類比物進行歸類－圖 4-1-10 及圖 4-1-11 中的部分訊息，

可轉譯成下圖 4-1-13；亦即，可由此對類比物與所對應的構念進行歸類。

圖 4-1-13 板塊運動的多重類比物系統與目標概念對應分布圖

（3）可展現各類比物之重疊包容的關係－例如，由圖 4-1-11 及圖 4-1-12 可看出「3C 撕裂的書本」大致可包含「2B 撕裂的報紙」中的所有重點。

（4）可展現各類比物之互補銜接的關係－由圖 4-1-11 配合下圖 4-1-14 四個象限的關係，可判讀各類比物之互補、銜接等關係。

類比物（已知系統）

目標物（欲知系統）

A 茶葉蛋 D 浮木塊

E 豆漿皮 F 燒杯水

B 撕報紙 C 撕書本 G 輸送帶 H 錄音帶

.

6.岩-軟流圈密度 5.岩-軟流圈剛.塑性

7.溫度空間分布

1.地球層圈 8.動力來源-熱對流 10.地震.造山.火山機制

9.海底擴張-洋脊.海溝 11.交界帶型式（分聚錯）

12.海底擴張-海洋地殼年齡 2.邊界意義

3.海岸線.化石對比 4.疊置層序對比

?

動力來源-熱對流！

運動方式：分離、聚合…

大陸漂移：邊界吻合、地層疊置

層圈構造

(29)

例如：圖 4-1-12 第 II 象限的元素「2B 撕裂的報紙」及「3C 撕裂的書本」即可對分布於第 I 象限的元素「7G 輸送帶上被傳送的鋼板」及「8H 單源磁頭向兩側拉出錄音帶」，將對應概念從「運動;邊界」銜接到「邊界;

地層」；其餘互補或銜接組合則可依此原理類推。

圖 4-1-14 藉類比物相對分布判讀互補與銜接關係

四.小結

教師版「凱利方格評值表」，經由 RGT 的「FOCUS 法」及「PrinCom 法」處理後，除了可據以代表「公共知識」與「教學訊息系統」之外，並可系統性、整體性展現各成份要素（類比物與目標概念）之相對關聯性；

此外，也可以協助教師理出如表 4-1-6、圖 4-1-15 的「板塊構造與多重類比物關係圖（表）」及「附錄 B 板塊構造學說多重類比教學投影片組」，以方便教學與研究之需。

×B 撕報紙

×E 加熱豆漿皮

×D 木塊浮水面

×C 撕書本

II I

III IV

×F 加熱燒杯

×H 單源磁頭

×G 輸送帶

×A 茶葉蛋

動力；溫密運動；邊界邊界；地層

層圈；剛塑

(30)

表 4-1-6 教師版的 PrinCom 分析結果與意義解釋（參閱圖 4-1-9 與圖 4-1-10）

象限元素構念備註

Ⅰ G.輸送帶上的鋼板 H.單源磁頭兩側錄音帶

◎很能解釋（同一象限）：

9.海底擴張-中洋脊、海溝成因與分布

●尚能解釋（同在橫軸或縱軸一側；即於Ⅱ、Ⅳ象限者）：

8.板塊運動動力來源-熱對流 10.地震.造山運動.火山活動機制

▼無法解釋：

4.大陸漂移-地層時空關係對應（疊置層序）

邊界；運動

Ⅱ B.撕裂的報紙

C.撕裂的書本

◎很能解釋（同一象限）：

3.大陸漂移-海岸線吻合.化石橫向對比 4.大陸漂移-地層時空關係對應（疊置層序）

●尚能解釋（同在橫軸或縱軸一側；即於 I、Ⅲ象限者）：

▼無法解釋：

6.岩石圈-軟流圈之密度關係 7.地球溫度的空間分布 8.板塊運動動力來源-熱對流 10.地震.造山運動.火山活動機制

地層；邊界

Ⅲ A.殼微裂之茶葉蛋 D.木塊漂於水面上

◎很能解釋（同一象限）： 1.地球的層圈構造（核.函.殼）

4.大陸漂移-地層時空關係對應（疊置層序 5.岩石圈-軟流圈之狀態關係（剛.塑性）

3.大陸漂移-海岸線吻合.化石橫向對比 6.岩石圈-軟流圈之密度關係

▼無法解釋

剛塑；層圈

Ⅳ E.加熱漂浮之豆漿皮 F.裝水燒杯被加熱

◎很能解釋（同一象限）： 6.岩石圈-軟流圈之密度關係 7.地球溫度的空間分布

10.地震.造山運動.火山活動機制 8.板塊運動動力來源-熱對流

▼無法解釋：

3.大陸漂移-海岸線吻合.化石橫向對比

動力；溫密

(31)

圖 4-1-15 板塊構造學說與多重類比物之對應關係圖

^註

註：本關係圖，部分圖形取材自龍騰版（2002）及康熙版（2002）《高級中學基礎地球科學》。

A C B

D A C B

D

H..單源磁頭向兩側拉出錄音帶

E.結皮豆漿

（再加熱）

B.撕裂的報紙 F.裝水燒杯以酒精燈加熱

D.木塊浮於水面上

（金屬塊浮於水銀）

A.茶葉蛋（微裂）

appeared (seemin gly overnight) at vario us

timesingeologi history.These episode s are not unre

asonable.

Thus, major increasesin species countsappe ared(seemingly overnight) at varioustimes in geolo histo

These

紙

G.輸送帶傳送鋼板

C.撕裂的書本

(32)

第二節學習者構念系統之探析

學習者乃學習活動的主體。所以，成功的類比教學，除了需要良好的類比訊息系統之外，還須掌握學習者概念系統的動態變化。在類比教學中，教師認為學生該懂的事物，學陞反而持有嚴重迷思，這是科學教室所常見的（黃炎峰，2001）。於是，便有學者再三強調，在使用類比教學時除了類比對應的清楚解說之外，還須留意學生的類比理解是否與所預期者一致，以免徒增辛勞（Glynn, 1989；Duit, 1991）。故而，尋找適當工具以探知學生的構念系統，並對師生認知差距做整體性、即時性的監測，這是類比教學中重要的一步。基於此，本單元乃以學習者構念系統探析為主要研究內容，其中包含：「從晤談中探悉類比學習效能」與「學生版凱利方格表（私有理解）功能之探討」兩個主題。

一.從晤談中探悉學習者之思維動線與學習效能

為評估多重類比系統的效能，並進一步探悉學習者既有概念、類比理解與另有架構，本研究安排六位學生進行訪談（分別編號如下表 4-2-1）。

六名受訪對象在接受板塊構造類比教學前、後，研究者先以問答方式對受訪學生進行「類比物與目標物（待學概念）對應」的訪談，並檢測類比對應之正確性、所引發之另有概念… … 等。訪談結果，經將錄音內容轉譯成文字原案，再由研究者與兩位地球科學教師進行解讀與詮釋，並製表歸納與統計。結果如下（訪談摘錄中，I 表訪談者，S 表受訪者；【】內之文字為研究者針對該段對話內容所做之註解或詮釋）：

表 4-2-1 板塊構造學說類比理解個別晤談對象與處置項目

編號

處置 R01 R02 M03 M04 C05 C06

1.前置晤談（1） ^ˇ ^ˇ ^ˇ ^ˇ ^ˇ ^ˇ

2.類比教學（M） 課程中提供課程中提供課程中提供課程中提供訪談中提供訪談中提供

3.凱利方格（R） ˇ ˇ

4.效能晤談（2） ^ˇ ^ˇ ^ˇ ^ˇ ^ˇ ^ˇ

(33)

（一）多重類比對學習者思維動線的影響 1.化約與綜合：簡單類比與複雜類比功能比較

成功的類比推理，須由類比物與目標物彼此參照以「湧現」新概念。

然而，類比物與目標物畢竟是不同的兩個系統，嚴格說來都各有自己的「有效作用半徑」。因此，在教學上所使用的類比物之規模若過於「龐大」，則容易使學習者因負荷過多訊息而「滿頭霧水」；反之，類比物若過於簡約片段，則容易使學習者因淺估待學概念而停留於低層次的學習（Spiro et al., 1989）。於是，在實際教學應用時，類比物規模的拿捏，常令人陷於兩難。

因此，對於複雜主題之學習，簡單類比與複雜類比，到底各能發揮何種功能？提出時機又該為何？這些都是值得探討的有趣問題。

本研究所設計的多重類比教學系統，不同類比物各有難易繁簡，譬如同為解釋「大陸漂移」現象的「撕裂的報紙」與「撕裂的書本」即有簡單與複雜之別。在經過實徵晤談後，可發現：簡單類比，因線索清楚所以具有引發學習動機與啟動類比思維之效；複雜類比，則因內容較豐所以具有強化核心概念與拓展思路之效；兩者可說各有實用價值。例如，在使用「2B 撕裂的報紙」與「3C 撕裂的書本」之類比時，從多位受訪者的晤談內容（如后文所引），大致可將類比對應歷程歸納如下圖示（並舉例於后）：

圖 4-2-1 「2B 撕裂的報紙」與「3C 撕裂的書本」之比較

類比物（已知系統）目標概念（待學系統）

B 撕裂

的報紙乙甲

啟動類比推理：

碎片 :甲 .乙...→陸塊:非洲.美洲…

甲 .乙邊緣能拼合！→非.美洲海岸線吻合？

甲 .乙曾連接在一起！→存在盤古大陸？

報紙可撕裂？！→大陸能漂移？！

回饋：化石連貫？地層垂直分佈？

Thus, major I ncreases nspecies countsswfgfgfghfvgfgf ghfgfgfgfgfgfgfgfgfuhi yuiyughuihguhjubbhv hvhvhvhvhvhbhbhvbh vhvhvhvhvhvhhk

hus, major increases

in species

counts(seemin glyovernlogic history.ona ble.Actually,

theve n today, if

單張

多頁

概念增強與擴充：

地層縱向對比

第一節 多重類比教學訊息系統之建構與管控

第肆章 研究結果與討論

誠如本文第壹章所述，科學教育之教材教法研究，大抵在於探討：以 科學概念為主的「教學訊息系統」、以人與信息交互作用為主的「學習者 構念系統」 、以及影響概念改變的整個「教學程序系統」等三個主要本體；

第一節 多重類比教學訊息系統之建構與管控

類比推理，若從「結構映射理論」與「基模理論」的觀點視之，乃是：

就以本研究的目標主題「板塊構造學說多重類比教學」來講，如何從

複雜的理論體系中找出教學所需的目標概念及類比物？如何從複雜的概

念網絡中理出「目標物與目標物」、「類比物與類比物」、及「類比物與目

標物」之間的關聯性？如何尋找（建立）適切的工具以管控多重類比教學 訊息？這些都是研擬教學系統時的重要課題。因此，教學訊息系統之建構 與管控乃成為實徵研究之首項作業。

一.板塊構造學說核心概念剖析與類比物蒐集

類比推理就如同打靶射擊一般，射擊須有清楚鵠的方能準確瞄準，類 比也須有明確目標方能進行遷移。有鑑於此，本研究乃積極從文獻中蒐集

「板塊構造學說」的核心概念與類比物，冀望能據此以建構「多重類比教 學訊息系統」。

（一）從文獻中尋找核心概念與類比物

1.理論演進的軌跡：板塊構造學說之概念系統與發展簡史

「板塊構造學說」（plate tectonics），若以科學哲學家勞丹（Laudan, 1977）的觀點視之乃目前地球科學領域中最重要的「研究傳統」 （research tradition） ；若引孔恩（Kuhn, 1970）的用詞則可稱為當代地球科學研究的

其發展軌跡如圖 4-1-1 所示）：

大陸漂移學說（theory of continental drift）— 1912 年由德國人韋格納

轉型斷層理論（transform fault theory）－由加拿大多倫多大學教授 Wilson 所命名，可解釋海洋中因地球自轉及海底擴張所造成的斷層構造與 地震頻繁帶（引自 Takeuchi et al.,1966/1976）。

地球物理證據— 包括地震帶分布、中洋脊地熱流、地磁倒轉紀錄及深 海鑽探資料等。例如：1963 年英國人范恩（Vine）與馬修斯（Mathews）

預測海洋地殼應像「錄音帶」一般會由中洋脊向兩側對稱地留下「地磁倒

轉」（geomagnetic field reversals）的紀錄，及”Glomar Challenger” 探勘船

隊執行深海鑽探計畫所獲得的地球物理資料… … 等，在在都為板塊構造學

說提供了豐富證據。

海底擴張學說 (中洋脊)

板塊構造學說 大陸漂移學說

圖4-1-1 板塊構造學說發展簡史

圖 4-1-2 板塊構造學說概念系統發展圖

（綜合自：Thagard, 1992b；Takeuchi et al., 1966/1976；何春蓀，1984）

邊界作用（聚合、分離與錯動）等概念元素所構成；至於其「發展歷程」

與「概念系統」（conceptual system）大致可分別由圖 4-1-1 與圖 4-1-2 來表 徵；此結果並可做為進行本單元之多重類比教學時，擬定教學目標系統和 選用類比物的指引。

2.科學家拿什麼來「比喻」板塊構造？－文獻中的多重類比物

的「新地球科學－對流支配著地球」專輯中，更一口氣舉出白煮蛋、撕裂

報紙、杯中開水、輸送帶、煮味噌湯、加熱糖漿、毛毯效應… … 等多個類

比物來解釋地動機制。諸多用於說明「板塊構造」之喻例，不勝枚舉。類

比，在地球科學探究上之使用率與必要性，可見一斑！

（張榮耀，2000）。基於此一理念，本研究於是從科學史與教科書中邁力 蒐集「板塊構造學說」的類比物，希冀能從中理出科學家的推理歷程，俾 便做為教學時選擇「類比物」的參考。茲將所獲結果，陳列於表 4-1-1。

從表中可見，科學家所用的類比物可謂琳瑯滿目、各有精采，因此設 法配合教學目標尋找必要的類比向度、歸納類比物的群聚關係、理出更精 簡的類比物集合，這便成為緊接著需要完成的作業。

表 4-1-1 板塊構造學說多重類比物蒐集

號次 代號 類比物 主要對應內容 備註

表 4-1-1 板塊構造學說多重類比物蒐集

號次 代號 類比物 主要對應內容 備註

（二）科學家的板塊構造系統觀

可看出科學家的「板塊構造系統觀」，也可從中獲得許多啟示；謹分述如 下，期能提供教學參考：

1.應將地球（板塊構造）視為「系統」來觀照

從科學史中，不難發現，板塊構造學說與許多先前理論（例如，大陸 漂移、海底擴張、火山活動… … 等）事實上均有賴「全球系統觀」來孕育。

這種系統觀的發生，不但使科學家得以運用各種「系統理論」來「理析」

地球；同時，也使人們的思維動線得以延伸到對系統（地球）組構、功能 與變遷… … 等問題的思考。故而，「系統化」的研究進程，不僅使板塊問 題的求解成為可能，也使人們的思維與視野得以拉得更深、更遠。因此，

透過對「地球系統教育」來培養系統思維能力，無非也是今日科學教育所 應該努力的向度之一（Mayer, 1993）！

2.對板塊構造動態特性之強調

同時，由於人們致力於動態地球的探索，所以地球的物質循環、能量傳輸、

因果回饋等現象之探討，自然也成為重要課題；而這些課題，也正是認識

動態地球系統的思維進路。

3.應用「類比」與「模型」協助思考

應該也是板塊構造類比教學應努力的向度之一。

4.從個別現象的探討走向統整綜合的學說

板塊系統，係由許多「次系統」（例如，岩石圈、軟流圈、水圈及生 物圈… … 等）所組成之整體，而其間的交互作用常「牽一髮而動全身」。

地體活動，從大陸漂移、海底擴張、地磁倒轉紀錄到地震帶分布等現象的 探討，包含了豐富的內容、也經歷了漫長的歷程，而板塊構造學說可貴的 地方即在於它能將以前認為不太相關的地質現象進行整體性說明。因此，

以整體性、全球性（global）的觀點來尋找各種次現象的關聯性，乃是目 前研究「板塊系統」的一個重要取向，更應該是教學中的重要目標。

綜上所述，若對科學家的「板塊構造系統觀」做一總結，可說：「地 球」即為一個「系統」，「地球系統科學」及述說這個系統的「語言」，

而「系統觀」則是我們用以探討地球、認識地球的思維進路。

（三）「板塊構造學說」的核心概念與多重類比物之彙整 1.目標概念之彙整與篩選

對教學內容做適當篩選與重整，這是絕對必要的前置作業。只是，我們到 底要根據什麼原則，又要如何來篩選與組織教學所需的訊息呢？

根據系統科學家錢學森的主張： 「系統乃是由許多相互制約的『部份』

所組之『整體』；它應該具有特定之功能！」（苗東升，1998）。如果我們 將「系統」用數學式與示意圖來說明，殆可表徵如下：

S

≡｛E

, R

｝；E

=｛e

∣i=1,2,… , n；n≧2｝

圖 4-1-3 系統化約與合成之示意圖

其中：S

表示一個「系統」 ，E

與 R

則分別表示其「元素集合」

與「關係集合」 。由此可見，凡是兩個或兩個以上的元素（

形成集合 E

）藉由彼此關聯（集合 R

）所構成之統一整體（集合 S

）皆可稱為

第一節多重類比教學訊息系統之建構與管控

第肆章研究結果與討論

誠如本文第壹章所述，科學教育之教材教法研究，大抵在於探討：以科學概念為主的「教學訊息系統」、以人與信息交互作用為主的「學習者構念系統」、以及影響概念改變的整個「教學程序系統」等三個主要本體；

第一節多重類比教學訊息系統之建構與管控

標物」之間的關聯性？如何尋找（建立）適切的工具以管控多重類比教學訊息？這些都是研擬教學系統時的重要課題。因此，教學訊息系統之建構與管控乃成為實徵研究之首項作業。

類比推理就如同打靶射擊一般，射擊須有清楚鵠的方能準確瞄準，類比也須有明確目標方能進行遷移。有鑑於此，本研究乃積極從文獻中蒐集

「板塊構造學說」的核心概念與類比物，冀望能據此以建構「多重類比教學訊息系統」。

「板塊構造學說」（plate tectonics），若以科學哲學家勞丹（Laudan, 1977）的觀點視之乃目前地球科學領域中最重要的「研究傳統」（research tradition）；若引孔恩（Kuhn, 1970）的用詞則可稱為當代地球科學研究的

轉型斷層理論（transform fault theory）－由加拿大多倫多大學教授 Wilson 所命名，可解釋海洋中因地球自轉及海底擴張所造成的斷層構造與地震頻繁帶（引自 Takeuchi et al.,1966/1976）。

地球物理證據— 包括地震帶分布、中洋脊地熱流、地磁倒轉紀錄及深海鑽探資料等。例如：1963 年英國人范恩（Vine）與馬修斯（Mathews）

板塊構造學說大陸漂移學說

與「概念系統」（conceptual system）大致可分別由圖 4-1-1 與圖 4-1-2 來表徵；此結果並可做為進行本單元之多重類比教學時，擬定教學目標系統和選用類比物的指引。

（張榮耀，2000）。基於此一理念，本研究於是從科學史與教科書中邁力蒐集「板塊構造學說」的類比物，希冀能從中理出科學家的推理歷程，俾便做為教學時選擇「類比物」的參考。茲將所獲結果，陳列於表 4-1-1。

從表中可見，科學家所用的類比物可謂琳瑯滿目、各有精采，因此設法配合教學目標尋找必要的類比向度、歸納類比物的群聚關係、理出更精簡的類比物集合，這便成為緊接著需要完成的作業。

號次代號類比物主要對應內容備註

號次代號類比物主要對應內容備註

可看出科學家的「板塊構造系統觀」，也可從中獲得許多啟示；謹分述如下，期能提供教學參考：

從科學史中，不難發現，板塊構造學說與許多先前理論（例如，大陸漂移、海底擴張、火山活動… … 等）事實上均有賴「全球系統觀」來孕育。

地球；同時，也使人們的思維動線得以延伸到對系統（地球）組構、功能與變遷… … 等問題的思考。故而，「系統化」的研究進程，不僅使板塊問題的求解成為可能，也使人們的思維與視野得以拉得更深、更遠。因此，

透過對「地球系統教育」來培養系統思維能力，無非也是今日科學教育所應該努力的向度之一（Mayer, 1993）！

板塊系統，係由許多「次系統」（例如，岩石圈、軟流圈、水圈及生物圈… … 等）所組成之整體，而其間的交互作用常「牽一髮而動全身」。

地體活動，從大陸漂移、海底擴張、地磁倒轉紀錄到地震帶分布等現象的探討，包含了豐富的內容、也經歷了漫長的歷程，而板塊構造學說可貴的地方即在於它能將以前認為不太相關的地質現象進行整體性說明。因此，

以整體性、全球性（global）的觀點來尋找各種次現象的關聯性，乃是目前研究「板塊系統」的一個重要取向，更應該是教學中的重要目標。

綜上所述，若對科學家的「板塊構造系統觀」做一總結，可說：「地球」即為一個「系統」，「地球系統科學」及述說這個系統的「語言」，

對教學內容做適當篩選與重整，這是絕對必要的前置作業。只是，我們到底要根據什麼原則，又要如何來篩選與組織教學所需的訊息呢？

根據系統科學家錢學森的主張：「系統乃是由許多相互制約的『部份』

所組之『整體』；它應該具有特定之功能！」（苗東升，1998）。如果我們將「系統」用數學式與示意圖來說明，殆可表徵如下：

表示一個「系統」，E

與「關係集合」。由此可見，凡是兩個或兩個以上的元素（

「系統」（如圖 4-1-3）。同時，若干相對獨立且具特定功能的系統（S

耦合成新的「複合系統」（C

）。反之，若經由逆向操作（如圖），當然也可將一個系統之構成單元反向分割至「功能上的不可再分割」為止，亦即化約至「最簡要素」為止。

合成

基於此一系統思維，本研究乃將板塊構造學說依「系統運作原理」進行化約與合成之探討（並獲如圖 4-1-4 之結果）；然後，再參考國內外有關

「板塊構造學說」的課程綱要（教育部，1996；如附錄表 A-1）將所蒐集的概念元素依「功能」與「屬性」進行剖析與統整，並繪成「概念系統圖」

（如圖 4-1-5）。最後，則依上述結果彙整出適於中學生學習的 12 項核心概念（如表 4-1-2）；這些核心概念並將做為選擇類比物的目標系統。

項次核心概念（重要次理論）主要內容

2 ^{板塊邊界之意義}

7 ^{地球溫度的空間分布}

10 ^{地震、造山、火山機制}

（1）首先，以表 4-1-2 所彙整的 12 項核心概念做為「構念」（置於橫列）、表 4-1-1 所列的 15 項類比物做為「元素」（置於縱行），形成「凱利方格空白表」。

則評以「5」、「無法解釋」則評以「1」），形成「凱利方格評值表」（如表 4-1-6）。

（3）最後，以 RGT 的「FOCUS」和「PrimCom」兩個程式進行群聚分析；並將結果展示如圖 4-1-7 及圖 4-1-8。

由於，本作業的目的主要在於從眾多核心概念與類比物中勾勒出群聚輪廓，因此方格評值時僅以「1」與「5」兩個極端值代表「可以解釋」與

從圖 4-1-7 與圖 4-1-8 已能讀出代表「動力來源」、「層圈構造」及「邊界作用」等幾個概念群集；此結果並可做為進一步篩選類比物的指引。

個目標概念以建構正式的「板塊構造學說多重類比教學訊息系統」。

表 4-1-3 板塊構造學說多重類比物初步理析與歸類元素（類比物）

象限

構念（目標概念）備註