同儕團討對科學概念改變之探討

亞太科學教育論壇，第十八期，第一冊，文章十一(二零一七年六月)
陳正治、劉嘉茹
同儕團討對科學概念改變之探討

貳、文獻探討

一、認知發展(Cognitive Development)與概念改變 (Conceptual Change)

目前有關概念改變之研究，大致上可從學習理論、認知心理學、及本體論之觀點加以探討。本節擬就各觀點作一扼要說明。Posner等人(1982)從學習的觀點指出，概念改變的形式可分為同化(Assimilation)及調適(Accommodation)二類。若學習者僅是將新知識加入原有的知識當中，而新、舊知識二者並未重新組織，稱之為同化，這種學習方式並未使原有的概念體系發生重大的改變。若學習者之現有概念不適當，無法成功地掌握新情況時，學習者必須取代或重新組織他們的中心概念，此稱之為調適，這種學習方式需要較大規模結構上之概念改變。因此，如果我們希望修正學生原有錯誤想法，則必須使學生發生調適學習。

概念學習的理論強調「學生的學習」即為「概念的改變」(Conceptual Change)，教師的工作除了教授學科知識之外，於教學活動中幫助學生建構概念改變的機制與橋樑，達成概念的成長與躍遷就更形重要了。在科學哲學與科學史中，自1962年孔恩(T. Kuhn)發表了科學革命的結構一書後，革命性的概念改變理論，開始受到了重視(Paul, 1992)。近年來，「概念改變」也開始被科學教育社群視為科學研究與教學的重要議題(Wandersee, 1993；Paul, 1992)。從建構主義的觀點來看，學習就是概念的轉變，包括新舊概念兩者之間的交互作用。若新舊概念之間能夠互相協調，得到一致，學習就沒有困難；反之，新舊概念之間無法配合，便須重新建構既有的概念或轉變成新的概念(Posner et al, 1982；Hewson, 1981)。李玉貞(2000)指出，一般而言學生的學習之所以常會固守先前概念(Prior Knowledge)的原因，乃因對學生而言，此概念係來自於周遭事物的親身經驗，由於經常使用，具有自動自發、不易改變的特性。學生會有偏見，經常傾向於只注意到此概念可以適用的情況，而忽略其他不適用的情況，倘若教師未能留意學生個別的概念，且學校的評量也忽視了對學生想法的瞭解，即使學生的想法有誤，也不見得能夠及時予以糾正(Hashweh, 1986)。教師如果想要運用傳統的講述方式來改變學生的概念，通常是失敗的，學生如果在教師教學後仍表現出相同於之前的「素樸概念」(Naive Conception)，學習者本身自行建構，用以解釋某些科學概念時所抱持的基本理論。學習者經由日常生活經驗與對於周遭環境事物的了解，產生一些原始想法，甚而形成理論架構，用以解釋、解決所面臨的科學概念、問題。然而，由學習者所建構的素樸理論出發，對科學現象進行預測、說明或原因的解釋時，常衍生異於科學家想法的迷思概念(Mis-conception)，或與課室中科學概念的學習相互作用而產生預期之外的學習成果，則整個學習活動當屬於無效的學習。Carey(1986)曾指出有個矛盾的情形普遍存在於學生學習過程之中：要理解一個概念，必須要有更新於先備知識的資料予以支持，可是這個先備知識「自己使之有意義的一種工具」卻要改變了，這就是Toulmun(1972)所說的「概念改變的難題了」。學生若長期具有另有概念，亦不利於科學知識的學習。例如Champagnek, Klopfer, & Anderson(1980)和Champagnek & Klopfer(1982)等人的研究發現，並不是學生沒有先備知識才導致學習發生困難，而是學生的「先前知識」或「另有概念」與學校的教學有所衝突所致。另有概念(Alternative Conception)一辭根據黃文俊(1994)的說法，其意義為學生在尚未學習科學概念之前的直覺知識(Intuitive Knowledge），或與正統科學不符的概念，而這些概念通常是錯誤的。

瑞士教育心理學者皮亞傑(Piaget, 1972)的認知發展理論(Cognitive Development)指出，當學生發現外界客觀世界與其內在的認知結構不一致時，將失去平衡狀態(Disequilibrium)，因此想重新組織以期恢復平衡，學習就是一中恢復平衡的方式之一。但學生對學習新概念，也不是一味的來者不拒，唯有下列情形發生時，學生比較容易進入並打開接受新概念的形成(Posner, Strike, Hewson & Gertzog 1982)。

對自己的先備概念或另有概念感到不滿意(Dissatisfaction)：個體只有在遭遇異例(Anomalies)或無法解釋的現象時，才會想要發生概念的改變，亦即發現對於新概念若只採取「同化」是不夠的，必須發生「調適」才行。

能提供易於領悟(Intelligible)的其他條件(Alternative)：新概念必須提供易於理解的方法、事例，否則個體會考慮只「修正」之前的先備概念，更甚者不理會眼前那個明顯的難題，而回歸到原有的概念，故可運用適當的類比(Analogy)與暗喻(Metaphor)，使新概念更易於理解，來達成概念的改變。

條件是合理的(Plausible)：縱使某些新概念是易於領悟的例子，但要被個體接受，則必須此一概念與其他的知識是一致的、合理的，才能發生概念的改變。

與切身相關者(Relative Status): 當兩個彼此相競衡的概念同時並存時，與學生切身相關的想法將決定學生選擇哪一個概念 (Hewson et al 1992)。

在認知心理學方面，有關概念改變的分野不一。如Keil分為根本的重建(Radical Restructuring)及較少的根本重建(Less Radical Restructuring)。Carey則分為強烈的(Strong)概念改變與輕微的(Weak)概念改變(Chi, 1992)。Vosniadou & Brewer(1987)則將概念改變分為根本的概念改變(即Carey所謂的強烈的概念改變)與輕微的概念改變。Vosniadou & Brewer認為當新、舊基模所包含的概念、結構、及所解釋的現象有所不同時，則發生根本的重建。譬如Kuhn的典範轉移(paradigm shift)為根本的概念改變(Vosniadou & Brewer, 1987) 而若僅是專家特質的獲得(Acquisition of Expertise)一如知識表徵內容的增加(Carey, 1985)或是Rumelhart Norman (1981) 所認為的增加(Accretion)、調整(Tuning)、甚至重建(Restructuring)以獲得較深層的理解與頓悟的過程，則屬於輕微的概念改變。事實上，輕微的概念改變與根本的概念改變與上述的同化及調適有異曲同工之效。Chi、Slottau以及de Leeuw(1994)從本體論的觀點將實體(Entities) 分為三個類別:物質(Matter)、過程(Processes)及心智狀態(Mental states)，每一類別中皆有其階層性。所謂根本的概念改變是指類別之間概念的改變(Across Ontological Categories)如某一概念由物質類別轉至過程類別。若概念的改變僅涉及類別內的改變(within Ontological Categories)，則屬於輕微的概念改變。如修正部分和全體的關係、形成新的上階(Super ordinate)或下階(Subordinate)類別、重新分類既有的類別、頓悟、或在同一本體類別內直接重新指定某一概念的類別(Chi, 1992)。

根據Chi一連串精緻的研究結果指出，如果學生的迷思概念無一致性、不同年齡間的表現不同、可隨發展而改變、學生的迷思概念與中世紀時的迷思概念並無相似性、再加上學生的學習與阻止科學發現的歷史障礙無關者，則皆屬於輕微的概念改變月相盈虧之概念改變(邱美虹、陳英嫻，1994)，若概念的形成牽涉到個人經驗、學生的迷思概念具一致性、不同年齡學生間的表現相似、學生的迷思概念與中世紀時的迷思概念非常相似(如物理中的力學概念，Chi等人，1989)，要學生進行根本的概念類別轉移，放棄原有的素樸概念，則有賴根本的概念改變(Chi, 1992)。根據Chi的看法，類別間根本的概念改變在日常生活中並不常見，因為通常我們在面對一些現象時並不需要修正先備知識的本體狀態，即可解釋或預測許多物理事件。

綜上所述，學習者首要認知其學習上的需要，概念改變方得以進行。而概念改變依其所屬類型而難易不同，並非皆為困難的。由於本研究主要的目的是在了解學生在物理科學學習上的心智模式以及概念改變的機制，故將以學習理論以及認知心理學中知識表徵為主，並參考Chi之研究以進行實驗設計與執行。

二、同儕對話與互動

有關對話(Dialogue)一詞，可從古老的希臘「Dialogos(對話)」文字中找到一些線索，Dialogos是分別由「Dia」與「Logos」組合而成，分別意指「經由(Through)」和「文字(Word)」，簡言之，對話就是在同儕或團體群組間從事談話或爭論。新進有關對話(Dialogue)的定義是一種個人與它人間口語交換，且至少獲得一個以上的回答(Howe, 1981)。

Thagard(1992)認為當概念改變牽涉到知識元素的新增、刪減或修正時，會驅使概念改變的程度更複雜化，也就是說要改變學生的刻板印象，所需花費的時間與精神將更多。Cobern(1993)認為，學生在其文化內涵裡所建構的知識才是有意義的知識，例如社會學習理論所講述的近側發展區(the Zone of Proximal Development theory)、專家鷹架理論(Expert Scaffolding Theory)、蘇格拉底探究對話(Socratic Dialogue Theories)及互動式教學(reciprocal teaching)，也在強調互動式的學習比較容易讓學生進行概念的改變。

Palincsar & Brown (1984) 也支持相同的看法，他們一致認為團隊合作可以創建一個專家次文化(sub-culture of expertise)，採用輪流且有次序的意見發表、討論及諮議，對新認知的理解、建構與妥協，確實扮演著重要的角色。

在當下的上課活動中，教師通常是採權威式的授課方式，其目的是要學生專心一致地聽從老師的對某一目標的教學，但從對話式的教學活動中，教師認知並企圖將學生反饋的意見或看法納入其教學活動中，並得知不同的看法與觀點(Scott et al., 2006).因此，Louis Pasture認為，學生學習科學前的前置討論，可以培養其預備心態(prepared mind)，有助其對後續的某一欲學習的科學觀點有所幫助，本研究將此前置討論學習方式稱為課前預備討論學習，其與一般所謂的課前預習有所相似，為了促進彼此合作學習可以增強學生對某一主題的理解，學生必需擁有並提出不同的意見或見解(Howe, et al., 1995)。換言之，對話式的討論本質有其學習的豐富性，在對話式的討論中，所有正反意見得被尊重與維護，正反意見必需能充份表達其欲陳述與說服的理由，並給與不同綜合優點評量基準(Kuhn, 1991)，因此，小組間內部對話將內化成個人內在的想法，因為所有較高層次的思考，將會在人群中顯現出關係來.(Vygotsky, 1978)。同時，協同合作可以協助參與人員的觀察，並注意各種現象產生，並對不同意見或見解的處理(Howe, 2010)。

黃俊儒、楊文金以國中學生為樣本，從學生之間同儕互動的角度，探討國中理化實驗課中教學安排的方式。透過對於理化實驗課中相關理論基礎的探討，分析一堂理化實驗課中所可能面臨的問題，並從任務性質及教學處置兩方面的考量，發展三階段的教學處置，以期從理論的討論上提供改善學生間互動品質的方法，促進同儕間角色關係的平衡(黃俊儒、楊文金2000)。

劉新等學者在其研究的「小組合作學習的教學理念與實務」一文表述，依據建構者的架構，學習不單是增加一點新知識而已，而是修正既存知識的過程。先備概念會影響學生對於新學習內容的記憶，標準化的自然科成就測驗可能無法確實點出學生科學知識上與個人信念矛盾之處，此乃因許多測驗題偏重記憶性的題型。因此教師常常需要診斷學生的迷思概念，檢測學生何以發展出這種與科學理論和模式相悖的錯誤概念。概念改變的教學策略因而發展(劉新、林如愔、李秀玉、楊雯仙、張永達，2006)。

同儕對話在數學上的應用，確實能促進反思與數學教學知識發展，且幫助教師理解教學中的學習、教學行動與數學知識等問題(陳彥廷、康木村、柳賢, 2010)，但在科學上的同儕對話，仍是鮮少有相關文獻可供參閱(陳信助、陳正治、劉嘉茹, 2016)。

綜上所述，雖然學理上說前置討論很重要且有效，但近年來的研究顯示，不但課前對話少，討論式的對話也很少。此外，有關同儕間對話式的科學新知探討的相關文獻稀少，實驗或操作模式也多屬口耳相傳，難有互動體驗式的科學探究活動可供學習。在同儕討論或合作學習的研究對象，大多以國中小學生為樣本，鮮少有大學生當作研究對象，故本研究設計以概念改變教學策略，透過大學生同儕討論，操作科學學習認知課程，探討此教學課程對大學生在生活物理學上，概念轉換與學習成效造成的影響。