以模型為核心的教學

傳統科學的教學中也經常使用模型。由於受限於時間、安全、觀察尺度或是預算 等因素限制，許多科學現象和實驗無法直接在教室中進行，而使用教學模型可以協助 克服這些困難，透過模型的視覺化、簡單化、實地操作、尺度的轉換或是將現象轉換 成數學公式等功能，學生在教室中也可針對上述的現象進行學習(National Research Council,2012)。

但近來有越來越多的科教學者認為模型在科學教育中可以扮演更積極的角色，認 為學生可以學習科學家的方式運用模型做為抽象思考的工具探究問題，提出以模型為 核心的教學，包含模型導向的學習(Model-Based Learning)或是模型導向的探究(Model-Based Inquiry)。以下將分別說明:

(一) 模型導向的學習

模型導向的學習強調學心智模型的發展，Gobert 和 Buckley (2000)將模型導向的 學習定義為學生針對自然現象建構其心智模式的學習。學生建構心智模型的過程是將 有關現象的結構、功能、反應等訊息進行整合，並且透過歸納或由映射(mapping)至可 相類比的系統以找尋現象的成因。建立心智模型後，可使用此心智模型對現象進行解 釋及預測，而所得結果可讓學生對模型進行評估。學生對模型的評估，有機會讓學生

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藉由教學活動，讓學生的心智模型演變成目標模型。但有關心智模型變化的機制，

Clement 僅提及與科學模型相容的先有概念可做為橋樑，與科學模型相衝突的概念必須 發生改變，此外並沒有詳細的說明。Buckley & Boulter(2000)的學習架構則對此進一步 闡述。Buckley 和 Boulter (2000)認為模型導向的學習是一個動態的、遞迴的建構心智 模型過程，包含形成、測試、後續的增強、修正與拒絕心智模型。Buckley 和 Boulter 提出模型導向的學習架構用以說明心智模型變化的過程，如圖 2-4-6 所示 。

步驟 1: 當學生在進行一項學習任務時，因應任務需求，學生會將先有概念以及新訊息 結合建構心智模式，需注意的是學生的部分先有概念可能與科學模型相突。

步驟 2: 學生使用其心智模型進行學習任務，視其任務成功與否，對心智模型產生不同 的影響，以下分為情況一(完成任務)與情況二(未完成任務)討論

條件 1: 若學生使用其心智模型成功完成任務，則學生的心智模型獲得增強。此一心智 模型將成為優先執行、穩定的模型。

條件 2: 如果學生在解決任務時發現心智模型有不一致或不充足之處，學生可能修正原 有的心智模式或拒絕原有的心智模式，形成一個新的心智模式取代。模型的修 正包含修正部分有的模型的內容或透過增加或結合已有模型使心智模型更加精 緻。

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(二) 模型導向探究

跟傳統的科學探究相較，模型導向探究強調運用模型作為推理的工具。有越來越 多的學者嘗試發展模型導向的探究，以下將介紹 Passmore,Stewart 和 Cartier (2009)、

Kahn 及 Windschitl 等人有關模型導向的探究。

Passmore 等人倡議以發展、使用、評估及修正模型為主軸的科學探究。此一模型 導向的探究模式鼓勵學生探究有興趣的自然現象，強調從現象中蒐集數據、發展模型 以形成解釋，之後再透過證據與概念來針對解釋進行評量。Passmore 等人(2009)認為，

此一探究架構，更可以反映科學實作中真實情境。

Kahn(2007)針對大學的化學課程採取模型導向的探究教學。課程中設計教師及學 生須進行深層的問題解決，讓教師及學生可在課程進行包含模型建立、模型評估及模 型修正的循環互動歷程。教師在教學過程中協助學生評估所建模型與目標概念之差異 比較，協助學生修正模型並完成目標概念之學習。研究顯示此方法進行之探究，有助 於達到科學內容及科學過程的學習目標。

Windschitl 等人(2008)則比較使用傳統的科學探究與模型導向的探究兩者之間的差 異，如表 2-4-3 所示。從科學知識在認識上的特徵，包含科學知識可以測試、可以修 正、具有解釋力的、具有推測力的、具有產出力的等五項特徵，來說明模型導向的探 究，更能符合科學知識認識特徵之要求，提倡讓學生模型導向的探究學習。

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表 2-4-3「傳統探究」與「模型導向探究」比較表(Windschitl 等人，2008)

傳統探究 科學知識的

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圖 2-4-7 模型導向的探究架構(Windschitl,2008)