模型在科學發展中扮演重要的角色，Namdar 和 Shen (2015)提到科學模型是科學家建 構用來描述、解釋、預測自然界運作，並且與其他人溝通的一種重要工具，而建模 (modeling)即是產生模型的整體過程。由此可以了解模型與建模有密切的聯結，建模的 目的即在於建立模型，而模型是建模的核心。邱美虹和劉俊庚(2008)也認為建模即是產 出模型的過程，對建模的過程有詳細的描述:
建模是一個動態的歷程，它必須牽涉到個體如何設定假說、建立模型所需要的達
到的目的、確認模型的組成成分、確認它可能衍生出的來源、選擇模型、操弄模型中 的變因、建立適當的模型（產生一個表徵）並進行檢驗與修正，進而發展出新模型。
從上述的描述可以發現，建模的目的是在建立一個模型，因此關於模型的組成、
模型的選擇、模型變因的操弄等等與模型相關的要素皆為建模的重要歷程。然而整體 建模歷程不僅是根據所需要的目的建立一個適當的模型即可，建模的歷程更包含後續 的檢驗與修正。在檢驗與修正的過程中，原先建好的模型也會隨著新證據跟了解的發 現去改變，有可能因此而產出一個新的模型。所以建模並沒有終點，是一個持續且動 態的過程。此一過程緊密地跟科學家從事的許多活動互相結合，這些活動的目的都是 要建構知識，包含提出問題、設計研究、收集和分析資料、論證證據以及溝通發現。
許多學者提倡建模的教學(Hestenes, 1995；Halloun, 1996；Schwarz & White, 2005；邱美虹,2007；Jong,Chiu & Chung, 2015)。Schwarz 和 White(2005)認為建模可以 幫助學習者表達並外顯他們的想法，協助顯現學習者概念中的組成成分並且加以測 試。Jong,Chiu & Chung (2015)認為經由建模的活動與歷程，學生可以直接經驗並了解 科學家是如何產生、測試、效化以及修正模型。Schwarz 等人(2009)認為讓學生學習建 模可以協助他們學習學科專業、增加對知識認識的了解以及練習建立與評估科學知識
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的專業，是讓學生發展及評估自然世界現象的核心。
Namdar 和 Shen (2015)認為讓學生學習建模有兩項的優點，第一是讓學生可以主 動參與學習，並且可以藉由多樣的表徵外顯他們的內在想法。第二是建模的任務能提 供真實的環境讓學生可以像科學家一樣發展並進行多樣的科學練習。美國 NGSS(NGSS Lead States,2013)倡議建模的練習應該在學生整個 K-12 的學習過程中實施。臺灣在即 將實施的新課程綱要中的「探究與實作」的課程中，亦將建立模型列為探究面向的學 習項目。
二、建模歷程
建模即是建構模型的歷程，此一概念雖然簡單，但是由於從模型的本質與功能觀 點出發，建模不僅要將模型建立，還需因應模型的解釋與預測的功能需求，進行動態 的評估與修正。許多研究者嘗試描述建模的歷程，以下說明四位學者提出的建模歷程 架構:
(一) Hestenes 與 Halloun 的建模架構
Hestenes(1995)即提出一般性建模歷程的模型。Hestenes 認為在特定的情境下，建 模者可選擇其有意討論的系統進行清楚的界定與描述，並且根據研究目的建立模型並 進行效化，之後持續分析應用所建立之模型。以上歷程有可能反覆進行，並據此得出 適當結論。
Halloun(1996)在Hestenes的基礎之上，進一步提出建模歷程的五個階段，分別為模 型選擇、模型建構、模型效化、模型分析和模型調度。其中模型效化意指透過不同的 方式透過檢驗模型內部的一致性，確認模型有效。模型調度意指運用所建構的模型解 決新情境的問題。Halloun特別指出，在兩個階段在傳統的教學過程經常被忽略。另 外，建模雖可分為五個階段，但其過程並非線性的完成一個階段再進到下一個階段，
部分階段的進行會相互重疊。
(二) Justi 和
Gilbert 的建模架構
Justi 和Gilbert（2002）提出一個在科學教學及課程設計使用的建模架構，如圖 2-5-1 (Justi & Gilbert,2002；引自邱美虹和劉俊庚,2008)。此一架構除描述建模歷程外，亦
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增加建模者在過程中做決定的觀點，說明建模過程有可能反覆進行的可能性。Justi 和
Gilbert 認為建模必須基於目的，所以從依據目的選擇模型開始。之後建模者從其資源 或舊有經驗產生心智模式並將其表徵，透過思考實驗與實證實驗的檢核，決定模型能 否達成其目的。若模型無法通過檢核，則有可能返回之前的階段，反覆進行建模的歷 程。Justi 和Gilbert 的建模架構同時提出一個重要的概念，亦即建模過程中需考量模型 的範圍與限制，若原有的模型之範圍與限制無法符合建模的目的需求時，需要再依其 目的重新建立模型。此一概念與科學史上模型演變的歷程相符，對於建模歷程的描述 更加完備。
圖 2-5-1 Justi 和Gilbert 提出之建模架構(Justi & Gilbert,2002）
決定目的
選擇資源 擁有資源
產生心智模式
表達模式
執行思考實驗 失敗 通過
設計與執行實 徵實驗 失敗 通過 修正心智
模式 拒絕心智
模式
完成目的
考量模型的範 圍與限制
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(三) 邱美虹的建模架構
邱美虹(2007)研究建模的歷程，參考 Halloun 的觀點保留模型選擇、模型建構、模 型效化、模型分析和模型調度等五個步驟，但增加模型重建的階段使整個建模的歷程 更加完備。之後於 2019 年 Chiu 和 Lin（2019）進一步精緻化其所提之建模歷程，將 其再細分成四大階段與八個步驟，各階段與步驟的操作型定義如表 2-5-1 所示。
表 2-5-1 邱美虹提出建模歷程架構
建模階段 建模步驟 操作型定義
模型發展 模型選擇 從先前概念選擇適合的物件（或成份）組合成模 型，或是選擇適切的模型
模型建立 建立所選擇的物件（或成份）之間的關係（連結）
與結構
模型精緻化 模型效化 驗證已建立的模型，對成份間之關係與結構進行效 化，並確認模型內部的一致性
模型分析 利用已完成效化的模型進行問題的解釋與分析（大 多數的情形為數據的計算或是邏輯推理）
模型遷移 模型應用 利用已效化的模型於相似的問題情境中（近遷移）
模型調度 利用已效化的模型於新情境中（遠遷移）
模型重建 模型修正 察覺已效化的模型部分失效，必須增加或減少成份
（物件）與關係，才能進行問題的解釋，進而修正 為新模型，此乃屬於模型（弱）重建
模型轉換 察覺已效化的模型整體失效無法解釋科學現象，必 須重新建立新的模型，屬於模型（強）重建
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邱美虹進一步說明，學生在進行建模時，每個學生經歷的歷程有可能因人因事不 同而有所差異。有些學生的歷程順序可能序列性的從第一階段到第四階段，經歷一個 大的迴圈。但也有些學生會在某些階段形成一個迴圈反覆進行操作，階段完成後才繼 續往下進行，直到任務結束。其建模歷程示意圖如 2-5-2 所示
圖 2-5-2 建模歷程的相互關係(Chiu & Lin, 2019)
(四) Schwarz 等人(2009)的建模架構
有別於先前的針對教師或科學家的建模歷程，Schwarz(2009)等人的根據認識論、
科學本質以及學習觀點將學生建模練習操作化將學生建模的練習大致簡化區分為模型 建構、模型使用、模型評估及模型修正等四個階段：
1. 模型建構：建構與先前證據及理論一致模型，用以說明、解釋及預測現象。
2. 模型使用：使用模型進行說明解釋並預測現象。
3. 模型評估：比較與評估不同模型正確表徵、解釋現象模式以及預測新現象能力。
4. 模型修正：考慮新證據與現象新觀點列入，修正模型以增加其解釋力與預測力。
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Schwarz 等人認為以上的歷程有助於學生發展模型以說明他們對於科學現象的理 解。同時 Schwarz 等人也指出，建模的後設認知(後設建模)在學習者進行建模練習時也 扮演重要的角色，後設建模包括模型的本質、模型的目的以及評估與修正模型的條 件。擁有良好後設建模的學習者，可以更有效率地進行建模的計劃以及評估模型，並 且可以更成功的使用模型進行科學推理及反思。因此後設建模與建模練習之間關係密 切、相互支持、而且經常同時發生，兩者的關係如圖 2-5-3 所示。Schwarz 等人認為透 過建模的練習及後設建模的培養，學習者可以運用模型描述及理解現象，協助他們思 考及達成共識，達到「使有意義」的學習目標。同時當學習者擁有想法，亦可利用模 型作為溝通工具，協助他們說服他人或幫助他人理解他們的想法，達到「溝通理解」
的學習目標。
圖 2-5-3 後設建模與建模練習之間關係(Schwarz 等人，2009)
根據上述文獻的回顧，整理各家學者對建模歷程的分類方式，如表 2-5-2 所示。小 結各個學者關於建模的歷程，有以下三點值得關注:
1. 表 2-4-2 為以邱美虹(2016)分類方式對各學者所提歷程進行之比較，可以發 現有不同學者對歷程中各階段使用之名詞雖有不同，但深究每一階段內容的 其所指之歷程內容大致相同，但在階段劃分及所用名詞上有所差異。科學模 型對建模歷程的描述較為詳細、階段較多，對所建模型的要求也較為嚴謹。
而科學教學模型所劃分的階段較少，著重於學習者建模歷程的精神，但對模 型的要求相對較少。因此，以表 2-5-2 進行比較時，科學教學建模的階段會
。 建模練習
建立模型
使用模型解釋及預測
評估模型
修正模型
後設建模知識
基於新發現而改變原有模 型，以獲致更進一步的理解
模型是有可產出的預測及解 釋工具
使有意義
溝通理解
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橫跨科學模型建模的數個階段。
表 2-5-2 綜觀各家學者對建模歷程的分類方式(改編自邱美虹，2007)
學者 邱美虹(2016) Halloun(1996) Justi & Gilbert (2002) Schwarz 等人(2009)
建
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2. 學習者對於模型的認識或是對於後設建模的認知，對於學習者建模的歷程有明確
2. 學習者對於模型的認識或是對於後設建模的認知，對於學習者建模的歷程有明確