四、使用特定表徵模型呈現特定現象
如圖3-1-5所示，學習過程中，行為人(此指學生)可以經由特定目的，使用特定的表徵模型去 呈現出某種特定的現象，而欲呈現的模型類型可以依據表徵特徵的差異形成具體、動作、視覺、
語彙以及數學模型。多位學者建議學習進展是由具體轉至抽象(Bruner, 1977; Harrison & Treagust, 2000; Piaget, 1969)，也就是說較為抽象的概念過程模型通常使用了較具體簡單的尺度模型以及肖 像模型做解釋，例如：解釋波以耳定律(PV=K)時，會利用半充氣的氣球置入水中，觀察其膨脹收 縮的情形，再利用具體的保麗龍球表徵不可見的分子，用以說明分子在氣球中碰撞器壁。由於科 展探究的歷程中，必須經由觀察、收集數據、解釋與考驗數據的趨勢型態，因此學生會形成多種 的外顯表徵，也就是說在科展探究的歷程中，學生對於模型的建構或認識勢必會經由具體至抽象 階段，也就是說本研究假設學生在學習過程中如果經過巨觀模型再形成中觀模型最後再形成符號 模型的路徑時，學生模型的建立與發展，再與傳統課室教學路徑比較時會獲得較好的效果。
圖3-1-5 學生使用特定表徵模型呈現特定現象 (修改自Giere, 2010)
科學理論是由模型家族所組成，建基在對現象觀察之後所收集的實驗數據基礎上。對於自然 現象進行觀察或是實驗的結果，透過語言的描述形成外在自然現象的觀察語句 (observational sentences)。觀察語句之間存在的邏輯關係與所表徵的語言意涵，連結形成不同型態的科學模型，
而眾多類型的科學模型，形成一個模型家族，而科學理論就是模型家族的集合體(Giere, 1988)。
如圖 3-1-6 所示，如果學生能夠建立具體與抽象之間的關聯，可以使抽象的心智模型與現象的具 體實體之間作更好的連結，可促進學生作更好的學習(Sensevy et al., 2008)。本研究企圖以學生對 於巨觀、中觀以及符號模型的建構、修正以及認識觀作為研究的主要架構，而學生會再依據特定 目的去表徵特定的現象形成不同類型的表徵模型即形成學生在特定主題下的模型家族，透過可落 實的模型證成已建模型確認學生知識概念結構的融貫程度。
圖 3-1-6 學生針對特定自然現象建構出模型家族(本文作者自行整理)
二、第 1 與 2 部分的組織架構—真實性建模探究活動中模型本位探究的成效
科學實務的主要目的就是建立科學模型(Giere, 1988)。研究1與2之組織架構主要植基於模型 與建模的科學意涵(見圖3-1-7)，探討模型為主探究教學的成效。本研究所指模型為主的探究意指 教師提供模型與建模鷹架，促進學生以系統觀點思考科學探究歷程。其中探究的問題可以是教師 提供或自行產生，經由收集數據過程、確認數據的趨勢型態與考驗的外在表徵 (即為科學模 型)(Buckley & Boulter, 2000)，最後能思考在整體建模歷程中想法的改變。
由於科展探究的歷程中，必須經由觀察、收集數據、解釋與考驗數據的趨勢型態，因此學生 會形成多種的外顯表徵，也就是說在科展探究的歷程中，學生對於模型的建立或認識勢必會經由 具體至抽象階段。目前對於學生認識觀點的討論仍著重在課室的學習環境中探討學生模型的認識 觀點(Schwarz & White, 2005；White & Frederickson, 1998)，而忽略真實性探究對於學生模型認識 觀點的影響。也就是說如果歷經真實性探究可以促使學生模型觀點改變，則未來教學應多強調真 實性探究的特質；若否，表示需要有額外的鷹架輔助才能促使學生提升模型認識觀點。因此，研
究1與2探討教師提供模型與建模鷹架的有無，在歷經真實性探究的科展活動之後，學生對於模型 的認識觀點為何，是否會因為歷經真實性地探究歷程而有效提升模型的認識論觀點。
圖 3-1-7 第 1 與第 2 部分真實性探究與學生外顯模型的建立以及模型與建模認識論觀點的關聯
三、第 3 部分的組織架構—模型本位探究教學
(一)主要想法
對於科學理論的任何外在描述都可以稱為模型(Buckley & Boulter, 2000)，而科學理論能被視 為是一套建模模型由科學知識的核心內容組成，建模是建構與利用這些知識的歷程(Halloun, 1996)，而科學教師需要具備以模型為中心的知識探究與教學策略，並且整合到教學實務之中 (Schwarz & Gwekwerere, 2007)。探究過程中，透過學生發現問題、設計實驗、獲得結果與解釋資 料的探究過程，學生不斷地在經驗內涵的觀察與實驗中建立規則、形成一些概念、並且透過一些 模型表徵的建立，能夠建立系統性的組織架構，而此種循環探究的學習即不斷地透過外在實驗結 果與所學的理論形成模型表徵，繼而在內心建立心智模型，再透過不斷觀察、實驗的操作與結果 的解釋，修正心智模型中對概念或理論的理解，最後依據實驗的解釋成果，發展出學生對探究結
果的一套理論架構。過程中對於科學理論建模的歷程正是一種溯因的過程，而模型的產生既是探 究的結果也是對現象的系統性解釋，因此，探究的歷程應該涵蓋科學建模的認知歷程，透過建模 策略協助學生建立、修正與精緻化所建模型，架構科學理論與經驗世界的橋樑(Gilbert, 2004)。建 模即是應用一套理論的律則以產生一個概念世界或物質世界的模型的認知歷程(Hestenes, 1987, 2006, 2010) 。Hestenes(1992)區分概念世界與物質世界的差異，其宣稱在尚未完全理解空間、時 間、粒子、質量與力的概念時，學生無法開始理解牛頓運動定律，因為牛頓運動定律中的其餘概 念都是從這些主要概念定義而來， 因此，Hestenes 認為學生概念的學習歷程是透過建構主義認 識論的方式而獲得，也就是概念的意義是經由個體主動建構而獲得並與經驗相符，與可脫離物質 經驗的理性陳述不同。探究活動的實驗設計是讓學生經由主動建構表達物質世界模型的方式，學 習概念世界的意義，並且希望藉由模型的建構，提供概念與物質世界的聯結，使學生能夠循環式 地透過概念世界與物質世界進行互動。當學生實際參與探究活動時，才會有實證觀察的機會，而 有效地觀察結果會強化本身模型的創造，隨後學生有效使用這些模型去解釋與預測另外的現象，
同時產生新的實證證據。因此，Hestenes認為學生必須要能明瞭理解即是一項創造性的行為，並 且為了創造出模型以表徵物質的世界，學生須在過程中不斷地進行模式的協調。據此，強調學生 個人內在心智模式與外在環境的交互作用，是建模策略融入探究式教學的主要目的。