本研究計畫的目的是透過以研究與教學為取向的研究設計，來探討學生概念發展與演化的歷程，以提供未來研究、教學、教科書撰寫之參考。本研究架構參考Chiu（2007）的研究，融合了概念發展(Developmental approach，DA)、本體論(Ontological approach，OA)、認識論(Epistemological approach，EA)、情意/社會(Affective approach，AA)、概念演化(Evolutional approach，VA)、教學取向(Instructional approach，IA)等六個取向形成整合取向(Approach with Integration，AI)，提出研究理論架構──RAINBOW(Research And InstructioN-Based/Oriented Work)，期望從統整的面向中全面性而深入探討學生在科學學習(粒子)的先備知識、知識架構等概念發展/改變/演化的途徑，並藉由網路資料庫架構及編碼系統進行教科書及學生心智模式分析。
研究結果發現，芬蘭教科書與我國教科書的設計與編排均存在差異，例如：在水的概念上，芬蘭在教科書的方法上則使用許多敘述與圖示，我國則使用了大量的數學運算式，但是芬蘭卻沒有使用反而較著重學生次微觀概念的發展。在心智模式的診斷上，本研究先利用網路施測系統(Lime Survey)，進行氣體擴散概念網路施測，共收集318 位學生施測資料(高三：220；國三：26；國小六年級：62)，再將學生的答題資料利用網路心智模式診斷系統(WMMD system)，分析出具有科學模式13 人、重量模式1(連續觀)22 人、重量模式2(粒子觀)42 人、壓力模式4 人、活性模式2 人、溫度模式1 人、濃度模式1 人。本研究再利用系統發育樹(演化觀點，又稱演化樹)以學生的心智模式作為分類單元，並心智模式的認知狀態為分類特徵，藉由系統發育系統學的現代技術計算出心智模式發展的假說樹型。研究結果發現，學生氣體概念的發展由氣體連續觀轉變為粒子觀，再演變粒子會改變(熱脹冷縮)，進而修正為粒子不變(剛性粒子)，最後才會發展出無因素影響氣體運動及分布的概念，而演變至科學模式。研究結果呼應Chi(2005)的本體論觀點，概念發展隱含著由物質、直接過程、突現過程的本體移動。
本研究團隊在過去幾年中，根據 RAINBOW 的理論架構進行實徵性研究，開發了心智模式診斷工具，及發展「電腦化心智模式診斷系統」以建立心智模式診斷題庫與其所發現的心智模式，並藉由電腦化測驗的平台，進行大範圍與跨國性的教科書分析以及心智模式研究。相關的研究成果以及問卷範例，請見下方及其連結：
