本研究旨在透過跨年級學生地球形狀概念實測結果，驗證以支序分類概念演化取向所建立之地球形狀概念演化樹假說，並藉由空間能力測驗之施測，探討高低不同空間能力學生，其地球形狀概念發展之差異，以作為課程設計之參考。
本研究以臺北市某國小一、三、五年級學生為研究對象，施以「地球形狀概念測驗」與「空間能力測驗」，正式施測有效問卷共471人。之後，將跨年級學生地球形狀概念實測結果，以描述性統計及百分比同質性檢定進行分析，再與吳育倫、林靜雯(2013)研究所建立之地球形狀概念演化樹最適假說比對。接著，各年級分別依空間能力測驗之平均，分成高空間組與低空間組，再根據兩組之地球形狀概念測驗結果，分析不同空間能力學生與地球形狀概念演化樹最適假說比對之情形及兩組之間認知特徵發展之差異情形。
本研究結果顯示：1.跨年級調查研究結果除「5-2重力向中心」與「4-1天空圍繞地球四周」位於同一個節間，百分比應相近之外，與吳育倫、林靜雯(2013)建立之地球形狀概念演化樹最適假說大致相符，進一步支持林靜雯(2006)所提出之支序分類概念演化取向之可行性。2.比較高、低空間組概念演化路徑之發展，發現高空間組更符合演化樹最適假說之預測。3.低空間組在「3天空位置」概念發展上，五年級學生於「3-2地球內部」這項另有概念所佔之比例，顯著高於一年級學生；「6-1無平坦限制」與「4-1天空圍繞地球四周」概念之發展較高空間組晚。4.在五年級學生中，空間能力較高之學生，發展「5-2重力向中心」概念之比例顯著高於空間能力較低之學生。
空間能力在地球形狀概念發展上是重要的運思能力，以此提供課程設計者規劃相應之課程與教材，因應不同學生之空間能力，促進學生地球形狀概念之理解。

The purpose of this study is, through an across-grade survey of the mental model of earth, to validate the hypothesis of conceptual evolution tree in earth that is developed by a cladistic approach in conceptual evolution; also, by spatial ability tests of surveying, to explore the differences of earth concept development between high and low-level students for their different spatial abilities, to provide the reference when designing the curriculum.
The participants of the study are the students in the first grade, the third grade and the fifth grade of an elementary school in Taipei City. We adopted them the "Earth Concept Test" and "Spatial Ability Test" and got a total of 471 valid questionnaires for the formal test.
Afterwards, we analyzed the empirical evidences of the across-grade survey in the concept of the earth with descriptive statistics and verification of homogeneity test of percentage, and compared them with the best hypothesis of the conceptual evolution tree in earth, which developed by Yu-Lun Wu and Jing-Wen Lin (2013).
Next, we divided each grade into high and low-level spatial ability groups according to the average of their scores in the spatial ability test. Furthermore, based on the test results of the two groups in the concept of the earth, we analyzed the comparison between high and low-level spatial ability students to the best hypothesis of conceptual evolution tree in earth and the differences of cognitive characters developing between the two groups.
The result of the study shows that:
1. The result of the across-grade survey, in addition to the similar percentage on “5-2 The Gravity Is Toward the Earth's Center” and “4-1 The Range of the Sky Surrounds the Earth” located in the same node, is similar to the best hypothesis of the conceptual evolution tree in earth, which developed by Yu-Lun Wu and Jing-Wen Lin (2013), and supports further the feasibility of a cladistic approach in conceptual evolution, which developed by Jing-Wen Lin (2006).
2. After comparing the development of the conceptual evolution path between high and low-level spatial ability groups, we found that the high-level spatial ability group approaches more to the predictions of the evolutionary tree.
3. For the low-level spatial ability group in the conceptual development of “3 Location of Sky”, the proportion of alternative conceptions for the students in the fifth grade on “3-2 Earth’s Interior” is obviously higher than it of the students in the first grade; for the development of “4-1 The Range of the Sky Surrounds the Earth” and “6-1 Things That Looked Flat Are Not Flat”, the low-level group developed later than the high-level spatial ability group.
4. In the fifth grade students, the proportion of the students with higher spatial ability on developing “5-2 The Gravity Is Toward the Earth's Center” conception is significantly higher than it of those students with lower spatial ability.
The spatial ability is a very important thinking skill for developing the concept of the earth. With this, it is provided for designers’ planning on corresponding curriculum and materials to enhance students’ spatial abilities to facilitate the understanding of the concept of the earth.

目 次
中文摘要…………………………………………………………………I
英文摘要 ………………………………………………………………III
目次 ……………………………………………………………………V
圖次……………………………………………………………………VII
表次 ……………………………………………………………………X

第壹章 緒論……………………………………………………………1
第一節 研究背景與重要性………………………………………1
第二節 研究目的與問題…………………………………………7
第三節 名詞釋義…………………………………………………8
第四節 研究範圍與限制 ………………………………………10

第貳章 文獻探討 ……………………………………………………13
第一節 概念改變與心智模式 …………………………………13
第二節 支序分類之概念演化取向 ……………………………21
第三節 地球形狀之相關研究 …………………………………27
第四節 地球形狀概念演化樹假說 ……………………………35
第五節 空間能力的內涵及相關研究 …………………………45

第參章 研究方法 ……………………………………………………57
第一節 研究設計 ………………………………………………57
第二節 研究對象 ………………………………………………58
第三節 研究工具 ………………………………………………60
第四節 研究流程 ………………………………………………65
第五節 資料處理與分析 ………………………………………67

第肆章 研究結果 ……………………………………………………75
第一節 跨年級學生實測對演化樹假說之支持情形 …………75
第二節 高空間能力學生地球形狀概念發展之情形 …………94
第三節 低空間能力學生地球形狀概念發展之情形…………111
第四節 各年級高空間組與低空間組實測之差異情形………128

第伍章 結論與建議 …………………………………………………149
第一節 結論……………………………………………………149
第二節 建議……………………………………………………155

參考文獻………………………………………………………………161
一、 中文部分 ………………………………………………… 161
二、 英文部分 ………………………………………………… 164

附錄……………………………………………………………………167
附錄一：地球形狀概念測驗………………………………………… 167
附錄二：一年級空間能力測驗………………………………………175
附錄三：三、五年級空間能力測驗…………………………………183
附錄四：地球形狀概念測驗之題項與認知狀態對應情形…………191

一、中文部分
于富雲、陳玉欣(2008)。概念構圖對不同空間能力之國小學童自然科學習成效的影響。教育心理學報，39，83-104。
王美芬(1991)。自然科錯誤之研究。臺北市立師範學院學報，22，367-400。
王美芬、熊召弟(1995)。國民小學自然科教材教法。臺北市：心理。
左台益、梁勇能(2001)。國二學生空間能力與van Hiele幾何思考層次相關性研究。師大學報，46(1,2)，1-20。
沈佳興(2007)。從五連方拼圖遊戲中探討不同工具對國小學童空間能力的影響(未出版的碩士論文)。國立中央大學網路學習科技研究所，桃園縣。
李琛玫(1996)。資優生空間能力之相關研究。資優教育季刊，59，21-24。
宋嘉恩(2006)。臺北縣國小學童空間能力與推理能力相關因素研究(未出版的碩士論文)。臺北市立教育大學自然科學教育學系，臺北市。
吳怡嫺(2007)。跨年級學生氣體心智模式演變歷程之探究與分析(未出版的碩士論文)。國立臺灣師範大學科學教育研究所，臺北市。
吳育倫(2012)。兒童地球形狀概念演化樹之建立及其跨年級調查之驗證(未出版的碩士論文)。臺北市立教育大學自然科學教育學系，臺北市。
吳育倫、林靜雯(2013)。兒童地球形狀概念演化樹之跨年級調查驗證。教育科學研究期刊，58(3)。
林靜雯(2006)。由概念演化觀點探究不同教科書教-學序列對不同心智模式學生電學學習之影響(未出版的博士論文)。國立台灣師範大學科學教育研究所，臺北市。
林靜雯(2008)。跨年級學生電學心智模式一致性與課程進程之比較研究。教育與心理研究，31(3)，53-79。
林漢裕、李玉琇、陳垣長(2012)。探討指長比和空間能力的關係。設計學報，17(1)，25-40。
林靜雯、邱美虹(2009)。探究學生串聯電路認知特徵演化歷程之跨年級研究。教育科學研究期刊，54(4)，139-170。
林小慧、熊召弟、林世華(2006)。具體影像空間教學策略與中學生空間能力之相關研究。教育心理學報，37(4)，393-409。
邱美虹(2000)。概念改變研究的省思與啟示。科學教育學刊，8(1)，1-34。
邱美虹、翁雪琴(1995)。國三學生「四季成因」之心智模式與推論歷程之探討。科學教育學刊，3(1)，23-68。
邱美虹、陳英嫻(1995)。月相盈虧之概念改變。師大學報，40，509-548。
姜滿(1997)。國小學童地球運動之想法與概念改變歷程。臺南師院學報，30，217-243。
洪蘭 譯(2006)。腦內乾坤—男女有別，其來有自。臺北：遠流書局。
洪振方、蔡智文(2007)。概念發展等同於概念範疇發展：以國中一年級學生酸鹼中和概念發展為例。高雄師大學報，22，39-62。
洪振方、蔡智文、蔡嘉興、周進洋(2008)。從「內化與修正」朝向「外推與解釋」的思考機智：以國中一年級學生質量守恆概念發展為例。高雄師大學報，53(2)，59-89。
涂志銘、林秀玉、張賴妙理、鄭湧涇(2008)。符合建構論理念的教學策略對植物的養分與能量概念學習的成效。科學教育學刊，16(1)，75-103。
康鳳梅(2004)。高工學生空間能力指標建構之研究。師大學報，45(1)，59-71。
陳英嫻(1994)。不同學習模式對學生學習「月相盈虧」之影響(未出版的碩士論文)。國立臺灣師範大學地球科學研究所，臺北市。
陳翠雯(2003)。非語詞刺激對小四學生月相概念學習之影響(未出版的碩士論文)。國立高雄師範大學科學教育研究所，高雄市。
陳玉玲、井敏珠、周宣光(2005)。空間能力、教學層次與學習方式的交互作用對兒童地球運動概念改變之效果。南大學報，39(1)，133-148。
陳翠雯、侯依伶、劉嘉茹(2010)。不同非語詞刺激對國小學生月相概念學習之影響。科學教育學刊，18(4)，361-387。
張靜儀、余世裕(2002)。國小學童對聲音迷思概念之研究。屏東師院學報，16， 395-434。
張碧芝、吳昭容(2009)。影響六年級學生立方體計數表現的因素－空間定位與視覺化的角色。教育心理學報，41(1)，125-145。
張春興、林清山(1989)。教育心理學。臺北市：臺灣東華。
張志康、林靜雯、邱美虹(2009)。跨年級中學生串並聯電路心智模式的研究。科學教育月刊，317，2-20。
梁勇能(2000)。動態幾何環境下，國二學生空間能力學習之研究(未出版的碩士論文)。國立臺灣師範大學數學研究所，臺北市。
許榮富(1990)。科學概念發展與診斷教學合作研究計劃芻議。科學發展月刊，18(2)，150-156。
許瑛玿、洪榮昭(2003)。皮亞杰認知發展階段的新詮釋。科學教育，260，2-9。
許民陽、鄧國雄、卓娟秀、李崑山、殷炯盛(1994)。國小學童對方向及位置兩空間概念認知發發展的研究。臺北市立師範學院學報，25，91-120。
許民陽(1995)。國小學童對方向及位置兩空間概念認知發發展的研究(Ⅱ)國小中年級學童對東西南北相關方位的認知探討。臺北市立師範學院學報，26，213-243。
黃台珠(1984)。概念的研究及其意義。科學教育，66，44-56。
莊福泰(1995)。國民中小學學生地球形狀概念之研究(未出版的碩士論文)。國立臺灣師範大學地球科學系，臺北市。
郭重吉(1992)。從建構主義的觀點探討中小學數理數學的改進。科學發展月刊，20(5)，548-568。
郭重吉(1988)。從認知的觀點探討自然科學的學習。教育學院學報，13，325-378。
曾永祥、許瑛玿(2006)。線上課程對高二學生四季成因概念學習的影響。科學教育學刊，14(3)，257-282。
路君約、盧欽銘、歐滄和(1995)。多因素性向測驗的編製。中國測驗學會測驗年刊，42，197-216。
鄭海蓮、陳世玉(2007)。標準化空間能力測驗之建模與驗證。教育研究與發展期刊，3(4)，181-216。
蔣家唐(1995)。視覺空間認知能力向度分析暨數理－語文資優生視覺空間認知能力差異研究(未出版的碩士論文) 。國立彰化師範大學特殊教育學系，彰化市。
盧秀琴、黃麗燕(2007)。國中「細胞課程」概念改變教學之發展研究。科學教育學刊，15(3)，295-316。
羅雅薇(2004)。電腦化空間能力測驗題庫之建置。國立臺灣科技大學技術及職業教育研究所，臺北市。
廖焜熙(1999)。有機立體化學成就影響因素及解題模式之研究(未出版的博士論文)。國立臺灣師範大學科學教育研究所，臺北市。
戴文雄(1998)。不同正增強回饋型式電腦輔助教學系統對不同認知型態與空間能力高工學生機械製圖學習成效之研究。行政院國家科學委員會專案研究計畫成果報告(NSC 86-2516-S-018-010-TG)。
二、英文部分
Alles, D. L. (2005). The natural of evolution. The American Biology Teacher, 67(1), 7-10.
Chiu, M. H., & Lin, J. W. (2005). Promoting fourth graders’ conceptual change of their understanding of electric current via multiple analogies. Journal of Research in Science Teaching, 42(4), 424-468.
Gentner, D., Brem, S., Ferguson, R. W.,Markman, A B., Levidow, B. B., Wolff, P., & Forbus, K. D. (1997). Analogical reasoning and conceptual change: A case study of Johannes Kepler. The journal of the learning sciences, 6, 1,3-40.
Johnson-Laird, P. N. (1983). Mental models: Towards a cognitive science of language, inference,and consciousness. Cambridge, UK: Cambridge University.
Lin, J. W., & Chiu, M. H. (2006, April). Students’ conceptual evolution in electricity: The cladistical perspective. Paper presented at the NARST 2006, San Francisco, U.S.A.
Lin, J. W., & Chiu, M. H. (2006, April). Students’ conceptual evolution in electricity: The cladistical perspective. Paper presented at the NARST 2006, San Francisco, U.S.A.
Macnab, W., & Johnstone, A. H. (1990).Spatial skills which contribute to competence in the biological sciences. Journal of Biological Education, 24(1), 37-41.
Nussbaum, J. (1979). Children’s conception of the earth as a cosmic body: A cross age study. Science Education, 63(1), 83-93.
Nussbaum, J., & Novak, J. (1976). An assessment of children’s concepts of the earth utilizing structured interviews. Science Education, 60, 535-550.
Pfundt, F. & Duit, R. (1991). Bibliography:Students’ alternative frameworks and science education. (3rd ed.). Keil, West Germany: IPN.
Posner, G. J., Strike, K. A., Hewson, P. W., & Gertzog, W. A. (1982). Accommodation of a scientific conception: toward a theory of conceptual change. Science education, 66(2), 211-227.
Pellegrino, J. W., & Kail, R. (1982). Process analyses of spatial aptitude. In R. J. Sternberg (Ed.), Advances in the psychology of human intelligence (Vol. 1, pp. 311-366).Hillsdale, NJ: Erlbaum.
Rumelhart, D. E. & Norman, D. A. (1981).Accretion, tuning and restructuring: Three modes of learning. In R. Klatsky & J. W. Cotton (Eds.), Semantic factors in cognition. Hillsdale,NJ: Lawrence Erlbaum Associates.
Stepans, J. I. (1991). Developmental in students’ understanding of physics concepts. In S.M. Glynn, R. J. Yeany, & B. K. Britton (Eds.),The psychology of learning science (pp. 261-275). Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Asso-ciates, Publishers.
Samarapungavan, A., Vosniadou, S., & Brewer, W. (1996). Mental models of the earth,sun and moon: Indian children’s cosmologies. Cognitive Development, 11,491-521.
Vosniadou, S. (1994). Capturing and modeling the process of conceptual change. Learning and Instruction, 4, 45-69.
Vosniadou, S. & Brewer, W. F. (1987). Theories of knowledge restructuring in development.Review of educational research, 57, 51-67.
Vosniadou, S., & Brewer, W. F. (1992). Mental models of the earth: A study of conceptual change in childhood. Cognitive Psychology, 24, 535-585.
Vosniadou, S.,& Brewer, W.F. (1994). Mental models of the day/night cycle. Cognitive Science, 18, 123-184
Vosniadou, S., Skopeliti, I., & Ikospentaki, K. (2004). Modes of knowing and ways of reasoning in elementary astronomy. Cognitive Development, 19, 203-222.
Vosniadou, S., Skopeliti, I. & Ikospentaki, K. (2005). Reconsidering the role of artifacts in reasoning: Children's understanding of the globe as a model of the earth, Learning and Instruction, 15, 333-351.