個人對於自然現象的知覺，透過範圍的界定形成現象的同構物(isomer)，而此同構物即稱之 為模型。許多的模型構成一個模型家族(a family of model)描述特定的科學理論，而科學理論的內 容即含蓋許多抽象的符號表徵(Giere, 1988)。因此，模型可以作為科學學習者對於自然現象的組 成描述與科學理論抽象符號表徵系統之間的橋樑。
以下分別就本研究之研究背景、研究動機、研究目的與問題詳細說明，接著針對研究中出現
的專有名詞加以詮釋與定義，最後界定本研究的範圍與限制。
第一節 研究背景 一、探究與建模是科學的基本面向
探究與建模歷程是科學的基本面向(Jonassen, 2008; NRC, 1996)。Hosfstein 和 Lunetta (2004) 定義探究是一種擷取自科學家使用証據去研究自然世界而研讀、思考與詮釋的方法，強調學習者 能夠主動研究、提出觀點、基於證據而詮釋結果並且為自己陳述做辯駁。我國自然與生活科技領 域九年一貫能力指標同樣強調探究學習的重要性(教育部，2003)。多項細部能力指標強調科學探 究的歷程，例如：能力指標 2-3-1-1 即為國中階段的學生能夠發現問題、討論處理問題的策略、
學習操控變因、觀察事件的變化以及推測可能的因果關係。真實的探究扮演整合科學知識的角色，
而建模歷程透過模型形成科學推理的基本工具(Gilbert, 2004)，而個體內在心智模式的建模歷程涵 蓋模型的建造、評斷、修正以及表達，而這些歷程可以在科學探究過程中顯現(Nersessian, 2002)。
建模 理論 (modeling theory) 宣稱模型是任何 科學理論的核心，並 且認為模型的建立與 調度 (deployment)是科學探究的基本歷程(Halloun, 2004)。
二、學生的學習歷程機制與科學家是相似的
探究是科學家發現問題以及解決問題的過程，也可表示用以發展知識與了解科學概念，以及 知悉科學家如何研究自然世界之學習者的學習活動(NRC, 1996)。若將科學家不斷發現問題與解 決問題的探究歷程機制轉化至一般學習者或者孩童的學習過程(Thagard, 1992)，可更廣泛地將學 習視為一種探究的歷程(Posner et al., 1982)。對於「兒童是科學家嗎？」的問題，Thagard (1992) 曾從知識的內容、結構與機制三個面向探討此一問題。Thagard認為兒童所發展的知識內容、概 念改變與信念修正並非如科學家一樣，具有艱深的科學理論或根本性的概念改變，但是兒童在認 識論上的改變機制卻類似於科學家概念改變的機制。
三、大部分的學生需要教師的引導
Bruner (1977)認為進行科學教學必需以學科結構為主，進而倡導發現學習法 (discovery learning)。在此架構下，經由教師的協助，使得學生能夠自行發現學科的架構，對學科概念產生 直觀思維(intuitive thinking)，並以分析思維(analysis thinking)作為後續問題處理的機制；然而研究 發現，資賦優異的學生比較能夠進行較為開放式的發現探究學習，而一般能力的學生則需要更多 的教師協助才能達成此一目標，也就表示大多數的中小學生，在缺乏教師的指導下，是無法直接 進行獨立的探究活動(Krajcik, Czerniak, & Berger, 1998；NRC, 2000)。無庸置疑地，教師應該具備 探究教學的能力(Crawford, 1999；Windschitl, 2004)，但是在面對不同群組的學生時，教師必須有 不同的協助方式，也就是說在面對大多為一般能力以及生手學習者的中小學教育環境， 則需要 教師更多投入與輔助，因此，發展不同群組學習者的建模探究教學策略整合到教師教學實務之中，
是一項必須施行的工作(Schwarz & Gwekwerere, 2007)。
四、概念改變教學研究的轉向
概念改變教學雖然獲得不錯的成效(Duit, 2009)，但是概念改變理論在教學上仍面臨許多的困 境，例如：概念改變不應只著重在個人認知面向，應該納入多面向的因素(Rea-Ramirz et al., 2008;
Tyson, Venville, Harrison, & Treagust, 1997)。同時概念改變教學往往只取代學生特定的另有概念，
卻忽略學生另有概念的成因來源以及所形成的系統推理模式，因此，目前許多學者建議透過心智 建模理論進行教學，協助學生發展、修正與精緻化內、外顯模型，達到融貫概念學習的目的 (Clement, 1989, 2000, 2008; Gobert & Buckley, 2000; Hestenes, 1992; Rea-Ramirz et al., 2008)。
五、模型觀點的學習是認識科學本質的基礎
科學本質強調科學知識如何產生與證成以及科學知識與社會文化的關聯性(Lederman, 1992, 2004; Lederman, & Abd-El-Khalick, 1998; McComas, 2004)，主要涵蓋的面向包括科學知識的本質、
探究歷程的本質以及社會文化的本質三個面向。而科學發展的過程可以視為相互競爭模型的發
展、檢驗以及比較的過程(Giere, 1988)。因此，科學本質觀的學習可以透過模型本質觀而強化(Giere, 1988; Hestenes, 1987; Justi & Gilbert, 2002)。科學知識具有暫時性的本質(Crawford & Cullin, 2004) 為科學本質主要的特徵之ㄧ，而科學模型是科學社群認同的暫時性結果，具有發展、修正的特性，
可以提供其他科學家討論與爭辯的工具(Sins, Savelsbergh, van Joolingen, & van Hout-Wolters, 2009)。
研究顯示學生對於科學模型的理解對於科學本質與科學概念的理解，具有關鍵的角色(Hogan &
Thomas, 2001; Gobert & Discenna, 1997; Gobert & Pallant, 2004; Jonassen, Strobel, & Gottdenker, 2005;
Schwarz, 2002; Schwarz & White, 2005; Smith, Maclin, Houghton, Hennessy, 2000; Treagust et al., 2002)。然而許多研究顯示(e.g., Lederman, 1992; Schwartz, Lederman, Crawford, 2004)，學生無法從 學習過程中知悉科學理論或是科學模型對自然現象的解釋屬於暫時性的，亦無法整合理論與證據 之間的關係，因此可以藉由模型與建模本質的學習提供學生學習科學本質觀的基礎(Gobert et al., 2011)。
六、學生概念結構的融貫性