本研究的主要目的是以重力為例，以三角交叉檢視（triangulation）的方式，使用二階段式設計及臨床晤談等方法，以不同面向探討學生對於力的初始概念、對非接觸力概念的瞭解，並診斷學生對重力另有概念的種類和認知架構，以及學生對詮釋重力概念的心智模式。研究的樣本為國中三年級學生共337人，其中男生181人，女生157人，受測學校分佈的地區為台北縣市共七所公立國中。
發現學生對於重力有一些另有概念的看法，例如：「蘋果和地面之間有空氣存在，蘋果才能掉下來」、「月球和地球之間有一排斥力，此力和地球引力平衡」、「月球在地球的大氣層外，不受地球引力的影響」、「月球因為沒有空氣，所以在月球上的物體或太空人均不會掉落或跌落至月球表面」、「地球會繞著太陽運行，是因為其他星球對地球的拉力達到平衡」等。
本研究分析之國三學生對於重力現象詮釋的心智模式歸納後有四種類別：（一）經驗論模式：他們認為非接觸力作用需要靠介質的傳遞，地球引力僅能存在大氣層內，在月球上因缺少空氣，所以沒有引力，因而月球表面上的物體會任意的飄浮。天體的運行乃是宇宙形成時，具有的自然現象。（二）大氣壓力論模式：學生認為非接觸力是要靠介質傳遞的，但是如果有大氣壓力，則物體不但會受到地球引力的作用，也會因為大氣壓力的作用而具有重量。（三）引力製造論模式：認為引力是星球本身製造出來的，若是製造出來的引力大，則物體所受的引力較大。物體在月球所受的引力較小，是因為月球本身所儲存的能量不足，製造的引力較小的緣故。（四）準科學平衡論模式：學生對於非接觸力的作用具備有較完整的基本科學概念，對於地球環境及月球環境下的事例亦能用基本的科學概念來詮釋現象，延伸至天體運動時，學生會在認知架構中試圖利用靜力平衡的概念來詮釋。

The aim of this research is to take gravity as an example, using the method of clinical interview and the two-tier design, triangulating from different dimensions students’ understanding about force and action-at-distance, and diagnosing students’ alternative conceptions about gravity and their mental models of gravity. The sample population is 338 in total, 181 male and 157 female of Ninth-grade Students, from seven public junior high schools in Taipei City and County.
Students have alternative conceptions about gravity; for instance, there exists air between the apple and the ground, so the apple can drop down, and there is an counterforce between the earth and the moon; the counterforce is equal to gravity; the moon is outside the atmosphere of the earth, so it will not be affected by gravity; because there is no air on the moon, objects or astronauts will not drop down on the surface of the moon; the earth moves around the sun because the pulling force is balanced between the earth and the other planets.
In this study, there are four categories of mental models, which Ninth-grade Students develop as concepts in interpreting gravity: I. Experientialism: students think that action-at-distance works only through medium for transmission. Gravity is confined in the atmosphere, there is no gravity on the moon because no air is there. So, any object can float above the surface of the moon. The orbit of a planet is a natural phenomena, which has been formed since the universe was created. II. Atmospheric pressure: Students think that action-at-distance is transmitted through medium, but if there is atmosphere, objects will be attracted by gravity and have weight because of the atmospheric pressure. III. Generation of gravity: Students think that gravity is generated by a planet itself. And the greater the generated gravity is, the weightier an object on it will be. An object on the moon is lighter than on the earth because the moon has stored less energy, which also generates less gravity than the Earth. IV Quasi-scientific balance: Students have a comparatively better scientific concept about action-at-distance and can apply some fundamental concepts to interpret the phenomena formed under the circumstances of the Earth and the moon; when students further apply them to the orbit of a planet, they interpret it according to their concept about the balance of static force.

中文資料
中正大學教育研究所主編(民89): 質的研究法。初版。高雄市：麗文
文化公司。
王石安(民71): 天文知識叢書（二）。二版。台北市：台灣中華書
局。
任宗浩(民90): 不同學習階段和不同學習成就的中學生其力學概念組
織之研究。國立台灣師範大學科學教育研究所博士論文。
全中平(民82): 國民小學五年級學生對力與運動概念之分析研究。行
政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告。
吳慧娟(民90): 利用臨床晤談法探究國小二年級及五年級兒童對地心
引力之另有架構。國立台北師範學院數理教育研究所碩士論文。
余民寧(1997): 有意義的學習：概念構圖之研究。第一版。台北市：
商鼎文化。
余民寧(民86): 教育測驗與評量：成就測驗與教學評量。初版，台北
市，心理出版社。
李素卿譯(Thomas L. Good,Jere Brophy著)(民88): 當代教育心理
學。初版。台北市：五南圖書出版公司。
邱美虹(2000): 概念改變研究的省思與啟示。科學教育學刊，8(1)
p.1-34。
林清山譯(Richard E. Mayer著)(1990): 教育心理學—認知取向。初
版。台北市：遠流出版事業股份有限公司。
林清山(1990): 心理與教育統計學。初版。台北市：台灣東華書局
股份有限公司。
林多樑譯(Richard Feynman 著)(民74): 物理定律的特性。七版。台
北市：台灣中華書局。
林多樑、錢相譯(David Park著)(民68): 現代物理。四版。台北市：
台灣中華書局。
張春興、林清山(民78): 教育心裡學。二十二版。台北市 : 台灣東
華書局。
姚珩(民87):物理學的基礎：力學。初版。台北市：台灣書店。
洪振方(民89): 近代科學的發展。台北市：台灣書店。
洪振方(民83): 從孔恩異例的認知與論證探討科學知識重建。國立台
灣師範大學科學教育研究所博士論文。
洪蘭譯(Steven Pinker 著)(1998): 語言本能 – 探索人類語言進
化的奧秘。初版。商業周刊出版股份有限公司。
姜滿、謝秀月(民83): 國小學童對地球形狀及地心引力之另有概念
研究。中華民國第十屆科學教育學術研討會論文彙編，415-432
頁。
翁雪琴(民83): 探討國三學生對於「晝夜及四季」成因之心智模式及
其概念改變的歷程。國立台灣師範大學地球科學研究所碩士論文。
陳衛平譯(勞登著)(1997): 科學的進步與問題。台北市：桂冠圖書股
份有限公司。
陳玉玲(民89): 概念改變教學策略對地球運動概念之教學效果-以國
小六年級學生為例。國立政治大學教育學系博士論文。
國立編譯館(民89): 國民中學選修理化教師手冊第四冊。初版。台
北：國立編譯館主編。
國立編譯館(民89): 國民中學理化教師手冊第四冊。初版。台北市：
國立編譯館主編。
國立編譯館(民91): 國民中學選修理化教師手冊第一冊。再版。台
北市：國立編譯館主編。
黃光國(民90): 社會科學的理路。初版。台北市：心理出版社有限公
司。
黃秀瑄、林瑞欽編譯(John B. Best原著)(民80): 認知心理學。台北
市：師大書苑有限公司。
黃慧真譯(L.Mann & D.A.Sabatino著)(民83): 認知過程的原理—補
教與特殊教育上的運用。初版。台北市：心理出版社有限公司。
黃國光(2001): SPSS與統計原理剖析。初版。台北市：松崗電腦圖書
資料股份有限公司。
舒煒光(民89): 科學哲學導論。初版。台北市：五南圖書出版公司。
程樹德、傅大為、王道還、錢永祥譯(Thomas S.Kuhn著)(1994):
科學革命的結構。二版。台北市：遠流。
趙金祈、許榮富、黃芳裕(民83): 當今通識教育理念賦予科學教育的
新功能。科學月刊，171期，PP .2-11
歐陽鍾仁(民77): 科學教育概論。台北市：五南圖書出版有限公司。
劉嘉茹(民88): 以研究綱領與本體分類論探究概念改變機制之研究。
國立台灣師範大學科學教育研究所博士論文。
蔡坤憲譯(Paul G.Hewitt 著)(2001): 觀念物理。第一版。台北市：
天下遠見出版股份有限公司。
鄭昭明(1983): 認知心理學：理論與實踐。初版。台北市：桂冠圖書
股份有限公司。
鄭麗玉(民82): 認知心裡學-理論與應用。台北市：五南圖書出版有
限公司。
鍾聖校(民79): 認知心理學。初版。台北市：心理出版社有限公司。
饒見維(民83): 知識場論：認知、思考與教育的統合理論。初版。台
北市：五南圖書出版有限公司。
西文資料
Bar, V., Sneider, C., & Martimbeau, N. (1997). Is There
Gravity in Space？Science and children, 38-43.
Bar, V., Zinn, B., Goldmuntz, R., & Sneider, C. (1994).
Children’s Concepts about Weight and Free Fall. Science
Education, 78(2), 149-169.
Barker, P., Schaik, P. V., & Hudson, S. (1998). Mental
models and lifelong learning. Innovations in Education
and Training International, London; 35 (4), 310-319.
Charles, R., Ault, J. R., Novak, J. D., & Gowin, D. B.
(1984). Constructing Vee Maps for Clinical Interviews on
Molecule Concepts. Science Education, 68(4), 441-462.
Chi, M. T. H. (1992). Conceptual change within and across
ontological categoris: Implications for learning and
discovery in sciences. In R.Giere (Ed.), Cognitive models
of science. (pp129-186). Minneapolis: University of
Minnesota Press.
Gentner, D., & Stevens, A. L. (1983). Mental Models. New
Jersey and London: Lawrence Erlbaum.
Graham, T., & Berry, J. (1992). Students’ intuitive
understanding of gravity. Centre for Teaching
Mathermatics, University of Plymouth, England. 473-477.
Gunstone, R. F., & White, R. T. (1980). Understanding
gravity . Science Education, 65(3), 294-299.
Harrison, A. G., & Treagust, D. F. (1996). Secondary
Students’ Mental Models of Atoms and Molecules：Implications for Teaching Chemistry. Science Education, 80
(5), 509-534.
Howe, A. C. (1996). Development of Science Concepts within
a Vygotskian Framework. Science Education, 90(1), 35-51.
Johnson-Laird, P. N. (1983). Mental modals. Towards a
cognitive science of language, inference, and
consciousness. Cambridge University Press.
Keesing, R. G. ( 1998, Sep/Oct). The history of Newton's
apple tree. Contemporary Physics, 39(5), 377-392
Kessler, K., Duwe, I., & Strohner, H. (1999). Grounding
Mental Models: Subconceptual Dynamics in The Resolution
of Reference in Discourse. In Rickheit, G., & Habel, C.
(1999). Mental Models in Discourse Processing. : Elsevier
Science.
Klein, C. A. (1982). Children’s Concepts of the Earth and
the Sun：A Cross Cultural Study. Science Education, 65
(1), 95-107.
Mali, G. B., & Howe, A. (1979). Development of Earth
Gravity Concepts among Nepali Children. Science
Education, 63(5), 685-691.
Maria, K. (1997). A Case Study of Conceptual Change in a
Young Child. The Elementary School Journal, 98(1), 67-88.
Norman, D. A. (1983). Some Observations on Mental Models.
In Gentner, D., & Stevens, A. L. (1983). Mental Models.
New Jersey and London:Lawrence Erlbaum.
Novak, J. D., & Gowin, D. B. (1988). Learning how to learn.
New York Cambridge University Press.
Nussbaum, J., & Dagan, N. S. (1983). Changes in Second
Grade Children’s Preconceptions About the Earth as a
Cosmic Body Resulting From a Short Series of Audio-
Tutorial Lessons. Science Education, 67(1), 99-114.
Nussbaum, J. (1979). Children’s Conceptions of the Earth
as a Cosmic Body； A Cross age Study. Science Education,
63(1), 83-93.
Nussbaum, J., & Novak, J. D. (1976). An assessment of
children’s concepts of the utilizing structured
interviews. Science Education, 60(4), 535-550.
Palmer, D. (2001). Students’ alternative conception and
scientifically acceptable conceptions about gravity.
International Journal of Science Education, 23(7), 691-
706.
Pella, M. O. (1966). Concept Learning in Science.Science
Teacher, 33(9), pp.31-34.
Piburn, M. D.(1988). Misconceptions about Gravity Held by
College Students. ED292616.
Pulos, S., & Sneider, C. (1983). Children’s Cosmographies：
Understanding the Earth’s Shape and Gravity. Science
Education, 67(2), 205-221.
Rickheit, G., & Sichelschmidt, L. (1999). Mental Models：
Some Answers, Some Questions,Some Suggestions. In Rickheit, G., & Habel, C .(1999). Mental Models in
Discourse Processing. Elsevier Science.
Sneider, C. I., & Ohady, M. M. (1998). Unraveling
Students’ Misconceptions about the Earth’s Shape and
Gravity. Science Education, 82(2), 265-284.
Solomon, J. (1993). Children′s informal ideas in
science/edited by Black, B. J. & Lucas, A. M. Routledge：
London.
Stead, K., & Osborne, R. (1980). Gravity. Learning in
Science Project. Working Paper No. 20. ED235028.
Tyler, R. W. (1949). Basic Principles of Curriculum and
instruction.。
Treagust, D. F., & Smith, C. L. (1989). Secondary
Students’ Understanding of Gravity and the Motion of
Planets. School Science and Mathematics, 89(5), 380-391.
Vosniadou, S. (1994). Capturing And Modeling the process of
conceptual change [special issue]. Learning and
Instruction, 4, pp. 45-69.
Vosniadou, S., & Brewer, W. F. (1994). Mental Models of the
day/night cycle. Cognitive Science, 18(1), 123-183.
Vosniadou, S., & Brewer, W. F. (1992). Mental Models of the
Earth：A Study of Conceptual Change in Childhood.
Cognitive Psychology, 24, 535-585.
Watts, D. M. (1982). Gravity—don’t take it for granted！
Physics Education, 17(4), 116-121.
Watts, D. M., & Zylbersztajn, A. (1981). A survey of some
children’s ideas about force. Physics Education, 16, 360-
365.