模型定義

由於不同的領域甚至同一領域的不同學者紛從各自的需求或角度定義模型，而這 些定義彼此間存在差異，因此「模型」並無一致性的定義。然而從分析不同研究者對 於模型的定義，可以發現模型在科教領域有以下四項特徵：

(一) 模型是物件、事物、想法或現象的表徵(Hestenes,1987；Gilbert &

Boulter,2000)。

(二) 模型是一種簡化的表徵或是一種簡化的觀點(Glynn & Duit,1995；Maia &

Justi,2009；Niss,2009)。

(三) 模型是一種系統化的表徵或是某些系統的簡化觀點(Glynn & Duit,1995；Sensevy 2008；Niss,2009)。

(四) 模型擁有解釋的能力，可讓我們用以解釋或預測目標現象或系統(Glynn &

Duit,1995；Niss,2009)。

(五) 模型藉由聚焦系統的主要特徵以抽象化及簡化系統(Schwarz etl,2005)

從上述研究者對於模型的定義可以發現，有些研究者從認識角度來定義模型，說 明模型是一種表徵，其所欲表徵的來源範圍廣泛，可以是一種物件、事物、想法或現 象。且模型與所欲表徵的來源有其系統性對應關係，但有可能會因為特定目的藉由聚 焦系統的主要特徵進行簡化；有些研究者從功能的角度來定義模型，說明模型擁有解 釋或預測的功能。

邱美虹(2008)統合上述觀點提出對模型的定義，認為模型是用以表徵現象、概念、

過程、事件、或是物件等，它可以是以不同的表徵方式來呈現(如圖象、文字、符號、

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肢體動作等多元方式)，以達到不同的功能與目的(如解釋性、描述性、溝通、模擬、抽 象化、預測性、推理性、問題解決等)。

二、模型的功能

模型在科學上及科學教育上用途廣泛，因此在討論模型的功能時，需進行分類以 聚焦說明模型在不同的用途上所發揮的功能。邱美虹與劉俊庚(2008)從認知心理學的角 度說明模型、心智模式、實體或現象之關係，如圖 2-4-1 所示。

圖 2-4-1 模型、心智模式、實體或現象之關係簡圖(邱美虹與劉俊庚，2008)

從圖2-4-1可知，模型扮演自然界實體與心智模型的中介物，個體可以藉由模型協 助建立內在表徵，進一步連結成心智模式。心智模式僅存在於個體的認知架構內，為 旁人無法接觸的（inaccessible）（Gilbert, 2005）。但個體也可以藉由模型表達個人的理 解。以下將說明模型的分類與功能：

(一)表徵模型的分類與功能

人類有興趣探究或思考的自然界之實體與現象範圍廣泛，除了具體的物件外、另 外也包括抽象的概念以及動態的事件與過程。用以表現這些實體或現象的表徵的方式 有許多種，包含文字、符號、圖像、影像等等。許多表徵的方式都可以與模型結合，

或是以模型的方式展現。Boulter 和 Buckley（2000）即從模型的表徵形式來將模型加 以分類，如表 2-4-1 所示。

實體、現象

模型

藉由模型建立內在表徵

藉由模型表達個人理解

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時，亦可能使用表徵模型去說明。

模型在表徵特定的現象、概念、過程、事件、或是物件時，對於所要表徵的目的 物，有可能透過描述、解釋、模擬、抽象化等方式進行表徵，因此模型會有描述、解 釋、模擬、抽象化等功能。且表徵模型經常用於溝通及討論概念及想法，因此模型也 會具有溝通的功能。

(二)心智模型、表達模型與共識模型

當個體在接觸自然界的實體與現象後，會將相關且片斷的訊息整合起來，建構出 其內在模型。此時所形成的內在模型為其個人的心智模型，由於未經檢驗，心智模式 有可能仍為片斷、不正確。當個體的心智模型對外界表達，經檢驗並獲得多數人的支 持與共識，則模型完整與正確的機會增大，此時模型會在社群有更重要的角色，成為 共識模型。

Gilbert,Boulter 和 Elmer(2000)從模型的本體地位來分類模型，其中有三類模型特別 得到注意，分別是心智模型、表達模型及共識模型，如表 2-4-2 所示。

表 2-4-2 心智模型、表達模型及共識模型之意涵 模型類別 意涵

心智模型 個人無論是在群體之中或獨自一人所形成的個人、私底下 的認知表徵稱為心智模型。每個人會有自己的心智模型，

但其他人無法接觸。

表達模型 為了促進溝通，模型必須被表達出來，置放在公共的領域 進行討論，此時的模型為表達模型。

共識模型 在一個社群之中，對於一特定的表達模型獲得社群的共 識，此時的模型及稱為共識模型。若此社群為科學家的社 群，則此時的共識模型即為科學模型。

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(三)運用模型進行心智操作

當個體在接觸自然界的實體與現象後，會開始進行心智操作。而從科學發展上可 以發現，科學家經常基於不同目的進行複雜的心智操作而模型扮演重要的角色，例如 科學家運用模型進行類比、推理、預測與論證。Giere (1999) 說明科學家運用模型進行 推理、理論、科學論證的過程，如圖 2-4-2 所示。

科學家從真實世界進行觀察與測量，由此蒐集到相關的數據與資料。同時他們也 產生模型去解釋真實世界的現象，透過使用模型進行預測。科學家會將所蒐集到的資 料與模型的預測相互比對，若結果相符，則科學家會對運用此模型解釋現象產生信 心。相反的，若結果不符，則科學家就會對模型、數據產生質疑。若有問題的是模 型，則模型即會被修改而上述的的過程將會再一次地進行。

另外，科學家會運用類比模型進行探索，將兩種有對應關係有對應關係的系統，

運用類比將熟悉的系統對應至未知的系統，以探索未知的系統關係。劉俊庚(2010)引用 Mary Hesse 的觀點，說明類比有兩種不同形式：第一種是形式類比，即物件之間擁有 相同的演譯關係(如萬有引力與靜電力形式相似)。第二種是物質類比，即系統與外在世 界形體相似(氣體動力論中，氣體粒子與彈性粒子相似)。科學家運用此兩種類比形式發 展科學。

Gilbert(2004)說明科學家利用模型將抽象的實體視覺化、對複雜的現象提供描述或 加以簡化，這些都是科學對現象解釋或預測的基礎。

真實世界

資料 觀察/實驗

預測 一致/不一致

模型

推理/計算 模型符合/不符合

否定證據/支持證據

圖 2-4-2 推理、理論、科學論證互動示意圖 Giere (1999)

43 讓學生跟科學家一樣進行真實的探究，發展以模型為中心的教學(Lehrer & Schauble, 2000；Schwarz & White,2005)。然而研究發現，學生對於模型持有素樸的觀點，與科學 家並不一致。這些素樸的觀點有可能限制學生對於模型的使用，因此在討論發展與模

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型有關的教學前，應先了解學生對於模型所持的觀點。

(一)學生對於模型的概念來源

學生對於「模型」此一名詞並不陌生，提到模型時經常聯想到模型飛機、模型汽 車等模型玩具，這些模型的特徵是他們皆為實體的複製品，且與實體之間有等比例的 放大或縮小關係。進入學校之後，在課堂上也會接觸模型，例如人體模型、心臟模型 等，但這些模型多是像道具一樣的被展示，主要是讓教師利用來協助說明科學的概 念，用途有限。另一個會接觸到模型的來源為教科書，例如國小教科書會出現「日-地」模型，國、高中教科書出現「原子模型」等。但教科書對於模型使用仍是以陳述 科學事實為主，注重組成模型的各個物件的呈現(劉俊庚，2011)。

(二) 學生對於模型持有素樸觀點

由於學生沒有像科學家一樣的方式使用模型，且有關模型的概念主要源自日常經 驗，因此多數學生對模型持有的觀點與科學模型有所差異。研究顯示，多數學生認為 模型是具體的複製品，跟其所複製的目標物只是比例上的不同，不可隨意扭曲。其 次，學生也經常認為模型是靜態的科學內容，而非動態的過程。若以年紀來區分，則 年紀越小的學生對模型持有上述素樸概念的比例越高，隨著年紀越大，學生擁有素樸 概念的比例會降低。

(1)模型是實體的複製品

Gilbert(2004)的研究顯示學生對於模型的認識大多停留在具體的階段。而

Grosslight(1991)發現中學生在未經教學的情況下，多數學生對於模型的看法僅侷限在 實體的複製品，只有少數比例的學生能理解模型是依照特定的目的而創造。Harrison 和 Treagust (2000)的研究發現學生都是從具體的尺度來去開始他們的模型，以研究中 離子鍵的模型為例，學生覺得太過會抽象、太數學化，不易接受。Saari 和 Viiri (2003)比較學生對模型的想法與學校科學模型的差異，發現學生將模型表徵的標的侷限 在一個物件或是一個行為，不像科學模型表徵的範圍廣泛。而模型的目的是複製且應 盡可能準確，但如果創造模型的人想要改變他，則模型是可以改變的。

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(2)模型是靜態的

學生在學習科學的過程中，教師或教科書引入模型進行說明，但這些模型經常被 視為道具，用以說明相關的科學概念。有關模型的本質與功能，包含教師及教科書都 缺乏詳細的討論。Van Driel和Verloop(1999, 2002)的針對荷蘭進行的一項研究顯示，教 師在教學時會將模型當作是靜態的知識交給學生，但對模型具有動態、多元的本質較 少提及。劉俊庚(2011)針對臺灣中學教科書的研究顯示，

教科書的模型以陳述科學事實為主，符合良好特徵模型的比例偏低。

模型在教學中被當成靜態的科學知識，導致學生在學習時會忽略其動態、多元的 本質，也難以將模型視為一種探索現象或表達想法的過程或工具。許多研究顯示，學 生在學習模型時，經常使用的策略是將模型所陳述內容記憶下來，以應付考試，而非 將模型視為工具(Justi & Gilbert,2000；Harrison & Treagust,2000；Treagust 等人, 2002)。

(3)年紀越小的學生對模型持有上述素樸概念的比例越高

Grosslight(1991)將學生對於模型的理解分成三級，級數由低至高分別代表學生素 樸的觀點至科學社群專家的觀點。

第一級：模型是外在真實物體的複製品，模型是正確的，不會去尋找模型的形式 及目的。

第二級：相信模型是真實世界的物體或事件，但開始理解模型可以是被想法建構

第二級：相信模型是真實世界的物體或事件，但開始理解模型可以是被想法建構