第貳章 文獻探討
本研究的主軸圍繞於建模文本對於學生學習原子模型概念之成效及建模能力之影響，因此，
本章第一節「模型與建模」，將探討科學教育中模型與建模之定義，並進一步歸納模型與建模的 重要性；第二節為「建模能力」，將說明建模能力之定義、說明建模能力的檢測方式與建模能力 試題的發展，最後則提出建模能力對於科學教育的重要性；第三節欲透過「心智模式」的文獻資 料，歸納整理出本研究的心智模式分類；第四節則探討本研究之主要原子模型單元的相關研究；
第五節「科學文本」，除了探討科學文本的重要性與使用，亦探討建模文本的需要；最後，第六 節「結語」，整理此章節對於本研究的影響與啟示。
第一節 模型與建模
在科學教育當中，邱美虹（2008）認為「模型（model）」與「建模（modeling）」是科學發展 的重要元素之一。相同的，Gilbert（1991）亦認為「科學」即為建立模型的一個過程，而「學習 科學」則是學習如何建立模型的過程，因此，學生在學習科學上，「模型與建模」扮演著非常重 要的角色，除了是科學學習的過程，也是學習建立模型的過程，學生若能夠察覺並培養其建立模 型的能力，將有助於學生科學概念的學習與理解。
一、 科學教育中的模型
(一) 模型的定義
模型因為能夠提出適當的理解以及能夠被使用，而被許多學者視為是科學的理解中心
（Gilbert & Boulter, 1998; Harrison & Treagust, 2000; Ramadas, 2009, 引自 Coll & Lajium, 2011）。
除了在課堂上，教師為了讓學生有正確的概念，會藉由「模型」的使用，讓學生建立微觀或抽象
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的科學概念之外，於文本中，更是如此。然而，模型的定義為何？一般來說，對於模型的認知，
會停留在較具體的層面，如 Bliss（1994）提及的模型會比實際物體更為簡化，只是其尺度的大小 可能比實體來的小或是大，如文本中經常出現的原子模型圖片等。但是相對的，模型也能夠是從 抽象層面的去扮演理論（theories）與現象之間的中介物（mediators）或是橋梁角色（Morgan &
Morrison, 1999, 引自劉俊庚、邱美虹，2010），例如：波耳氫原子能階之能量公式 En＝－
2.179 × 10－18 J
n2 ，n＝1，2，3…。因此，對於模型的定義可以是很廣泛的，能夠從具體的層面延 伸到抽象的層面，就如同 Schwarz 等人（2009）認為的模型可以是某現象的抽象或簡化的一種表 徵。
但是，至今對於「模型」的定義，並未有一個較為一致性的看法，Hartmann（1995）指出模 型於科學、邏輯與哲學等不同領域的使用，會有不同代表的意義，因此，不同的研究者對於模型 的定義亦會有不同的詮釋內容，如表 2-1-1 所示。
表 2-1-1 模型定義彙整（修改自劉俊庚、邱美虹，2010）
研究者 模型的定義
Hestenes（1987） 模型是真實事物的一種概念性表徵
Tiberghien（1994） 模型是為了表徵物質情境的某些部分，包括質化與量化的功能性 關係（數學式）
Glynn 與 Duit（1995） 模型是系統的系統化表徵，或是某些系統簡化的觀點，包括規則、
關係、概念和物件，用來描述、表徵和解釋外在世界的現象 Gilbert 與 Boulter（2000） 模型被視為是一個物件、事件、想法或現象的表徵
Tregidgo 與 Ratcliffe（2000） 模型是表徵物件、現象或想法的結果 Schwarz 等人（2009） 模型可以是某現象的抽象或簡化的表徵
Gericke 與 Hagberg（2010） 模型是現象的簡化，企圖使用發展現象的解釋
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除了表 2-1-1 的研究者對模型的定義之外，吳明珠（2004）也提出模型為某個現象的樣本與 原型之間能夠有一定相似的結構系統，Ogborn（1994）認為模型是將事物簡單化或理想化成為另 一種替代的表徵，因此，可以發現不同的研究者對於模型定義的詮釋都不盡相同，但是，卻可以 整理歸納出一個共同的核心意義，也就是「模型能代表在某些情況下對物件、事件或關係所呈現 的另有表徵」（邱美虹、劉俊庚，2008；劉俊庚、邱美虹，2010）。
(二) 模型對於科學教育的重要性
根據模型定義，就如同 Franco 等人（1999）指出的，模型主要價值在於提供我們認識世界 的方式，因此，在科學教育中，模型為可信賴的（authentic）的教育途徑，對於學生的學習與認 識自然世界或情境是有所幫助的，Leatherdale（1974, 引自 Gilbert, 1993）針對模型的功能，提出 了七點，其中兩點為模型能夠將複雜現象簡單化，以利於思考；模型能提供更簡易的方式來理解 理論，根據 Leatherdale 對於模型的功能，歸納整理出模型於科學教育的重要性，分別為「有助 於複雜現象簡單化學習」、「有助於抽象概念的學習」，也就是「模型的呈現」方面，如同 Treagust、
Chittleborough 與 Mamiala（2002）認為科學的教學應該提供與現象對照的呈現模型（或科學模 型），讓學習生能夠建立以模型為基礎的學習。另外，於「心智模式方面」提出一點，為「有助 於表達個人化的知識」，最後，則提出「模型的限制」，分別敘述如下。
1. 有助於複雜現象簡單化學習
教科書以及教學上經常使用類比模型，來簡化複雜的概念學習。其類比模型可以簡單、豐富 或延伸（Curtis & Reigeluth, 1984，引自 Harrison & Treagust, 2000），在簡單的類比模型中，模擬 和目標物之間的關係是淺而易見的，例如：原子如同一顆球。林靜雯與邱美虹（2008）指出模型 的功能有簡化複雜的現象，把複雜化的現象簡化，有助於學生在學習上不會因為太過於複雜而
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興趣缺缺，反而可以透過簡化的模型激發學生的學習興趣，也能夠簡單學習較為複雜的現象或 概念。
Harrison 與 Treagust（2000）也提及類比模型是個假設，適合將概念教授給學生，以及解釋 複雜化的概念，但模型並不是都是簡單的，也可能會引出許多的問題，例如：原子如何像一個 球？因此，在選擇模型來解釋概念的時候，要先了解學生存有的先備知識及科學內容的性質
（White, 1994, 引自 Harrison & Treagust, 2000），才能夠將複雜化的概念透過簡單模型的方式傳 授給學生。
2. 有助於抽象概念的學習
在 20 世紀中，模型在知識發展中成為了的核心角色（Gilbert, 2004），例如：在化學方面，
模型已成為主要思考的方式，因此，在科學教育上，模型同樣扮演著相當重要的角色，也常用來 表示抽象的概念，Grosslight 等人（1991）的研究中，說明只要提到抽象的原子模型，學生想到 的會是行星模型，原因是教師上課會用行星模型類比原子模型，而要求學生畫原子的形狀，大多 數學生呈現的是球或球體的形狀，因此在模型的教學中，選擇的模型模式會影響到學生的學習認 知，也會讓學生學習抽象概念可以更容易理解。
邱美虹（2008）也提及教師在教學時描述原子結構時，通常使用太陽系行星模型，原子核對 應的是太陽，電子則是外圍行星的運轉，而 Grosslight 等人（1991）提到學生在畫原子的圖像中，
大部分學生都沒有考慮到空間的關係及其模型的限制，因此，必須告知學生模型的目的及使用，
避免讓學生產生學習上的錯誤。
3. 有助於表達個人化的知識
Gilbert、Boulter 和 Elmer（2000）指出模型可以透過心智模式的方式來表徵，而其心智模式
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是屬於個人化的知識表徵。邱美虹與劉俊庚（2008）認為可以透過圖片、文字、符號等多元的表 徵方式來呈現，以達到模型不同的功能與目的（如：解釋性、描述性、溝通、抽象化、問題解決 等）。他們認為個體藉由模型所表徵之實體或現象能夠建立內在的心智模式，相對的，個體也能 夠藉由模型所表徵的方式來陳述對於實體或現象的理解。其中，對於實體或現象屬於外顯模型，
可以是單一或多重、教學的、歷史的、個人的...等特質，而相對於心智表徵則屬於內隱模型，其 可能具有完整/片段的知識、一致/不一致的結構，以及正確/不正確的性質，其模型、心智模式與 實體或現象之關係如圖 2-1-1。
圖 2-1-1 模型、心智模式與實體或現象之關係（邱美虹、劉俊庚，2008）
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4. 理解模型的限制
於 Duit（1991）的研究中，提供了映射目標到來源之間有效的視覺化作用，也就是說，透過 模型能夠簡化事件或是情境（目標）與已有的經驗（來源），而呈現視覺化的模型，如圖 2-1-2。
其中，模型如同前述的類比模型，能夠表示情境或事物（目標）的類比，但模型之間的屬性與目 標和類比僅共享了某些屬性，也就是說，模型和目標的範圍共享的屬性各不相同（Maksic, 1990）， 模型及目標可能在某些狀況下是不同的，也可能在許多方面是不相同的，而產生了模型的限制 特徵。就如 Portides（2007）提及的模型代表的是真實的接近值，或是對於目標的有限「版本」， 因此，許多的模型是具有明顯的限制，如果這些限制提前被知道，對於模型的使用或功能會有所 幫助（Coll & Lajium, 2011）。
圖 2-1-2 模型視覺化作用（修改自 Duit, 1991）
二、 科學教育中的建模（Modeling）
(一) 建模的定義
在科學教育的文獻中，指出了在科學中使用建模的三大主要目的（Gilbert & Rutherford, 1998a, 1998b; Passmore & Stewart, 2002; Ramadas, 2009; Thomas & McRobbie, 2001；引自 Coll & Lajium, 2011）：（1）對於物件或概念，可以建立更簡單的一種形式；（2）在學習上或概念生成時，提供
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一個刺激性的作用，進而產生現象的視覺化作用；（3）對於科學現象，能夠提供解釋。由此建模 在科學教育上可以是認知、問題解決的基礎，也是產生適當模型的過程。然而，何謂建模（Modeling）
呢？張志康與邱美虹（2009）從建模的詞彙上進行解讀，認為建模在英文上，就是「把 Model 加 上 ing」，而在中文詞彙上就是「把模型加以建構（construction）」，因此，從中文及英文詞彙上可 以得出其建模與建構的觀點有相像之處。但是，單從詞彙上並無法真正說明「建模運作的具體因 子」，也就是無法了解模型建立的過程及運作機制。
對此，Brodie 等人（1994）認為建模涉及了模型、來源與目標之間的轉換，如圖 2-1-3，模 型在此扮演著幫助目標與來源之間的連接關係，也就是說，當我們想要了解某一件事件或現象
對此，Brodie 等人（1994）認為建模涉及了模型、來源與目標之間的轉換，如圖 2-1-3，模 型在此扮演著幫助目標與來源之間的連接關係，也就是說，當我們想要了解某一件事件或現象