概念转变是学习科学最为重要的研究领域之一,正越来越受到学界的关注。学生学习的科学知识经常以科学原理、规则和法则的方式进行描述,但对学生来说更重要的或许是理解科学模型。模型不仅包含科学规则,而且包含规则如何用、何时用的情境信息,在模型层次考察学生的科学概念对于其学习科学是非常有价值的。可视化是使科学模型可见的强有力工具。因此,设计开发有效的可视化工具是探索和研究概念转变的理想途径。但从文献和相关的研究实践看,国内对概念转变的理论研究较多,对可视化软件设计与开发的实践也不少,且较少有研究者考虑二者的结合,并进行深入长期的实践研究。针对这些现状,本论文将主要从实践方面开展研究,全文分七章进行论述：第一章导论。主要叙述了研究缘起,问题的提出,研究方法,研究思路和框架,核心概念的界定,以及研究的创新之处和研究意义。第二章国内外研究文献综述。重点分析了国内外概念转变、科学学习、模型与可视化、热量和温度的模型等几方面的研究文献,重点分析了Lewis和Foley对可视化工具支持的热量和温度概念理解的研究,其研究为本研究提供了思路与框架。第三章研究设计与软件开发。描述了本研究的实验学校和样本选择,研究设计与分析,以及软件设计与开发。研究设计与分析详细阐述了实验分组安排,测试过程与编码,以及数据收集方法和处理过程等。实验组和对照组学生的分数被合计在一起进行分析,独立样本t检验用于确定测试的平均数在不同组之间是否存在显著性差异。配对样本t检验用于比较前测和后测成绩。Spearman’s rho用于计算确定问题之间的相关性是否明显。卡方检验用于比较测试和作业单中个别问题编码的分布。第四章、第五章和第六章是实验结果分析,分析包括定量分析和定性分析。定量数据主要是两组学生在整个实验过程中对于前测、不同实验活动作业单、后测的得分,定量数据用于整体上描绘学生的学习差异。定量数据分析表明两个结论：第一,实验组学生的优势主要体现在可视化活动中；第二,实验组与对照组学生都形成一个较高水平的理解。定性数据主要来自两个方面,一是学生在实验中的绘图,二是选择的四个案例分析。两组学生绘图的定性数据分析显示实验组学生对于热量和温度差别问题的回答更综合些。当遇到可视化时,实验组的许多学生能够理解它,但在没有可视化提示时他们也并不倾向使用它。这表明,虽然实验组得一些学生能够将可视化解释为能量密度模型,但他们没有将其整合进自己的模型库中,他们可能忘记了模型一些关键细节,并且不能应用它解决问题。而对照组一部分学生使用绘图将有用的热量可视化增加到了自己的模型库中,绘图与计算机可视化有着相似的作用。对于案例的研究分析表明第一点,有些学生会将用点密度表征的可视化与温度的热能密度模型的使用联系起来,在案例研究中,学生们对于能量密度模型的使用与他们对点密度表征的理解或者通过直接观看可视化领悟到的东西相符合。第二点,学生也会时常表现出对可视化的不理解、遗忘或者未能将点密度表征应用到实际问题中。来自案例研究的定性数据显示学生在可视化解释、将模型整合到自己的模型库以及在不同情境下提取恰当模型方面都有可能存在困难。这些困难表明学生需要在这些步骤按顺序安排有效的学习工具以使其能够得到支持。定性数据能展现学生学习的部分细节,有效补充定量分析的结果。第七章结论与启示。回到研究问题讨论本研究结论对理解科学学习和教育软件设计的启示。本章也讨论了研究存在的局限性、研究结果对科学教学、软件设计和未来研究的影响和借鉴意义以及未来的研究方向。