研究工具

本研究使用的研究工具包括：三種版本之鷹架式建模課程、兩種版本之空污 建模軟體，以及晤談單。以下以個案研究一的鷹架式建模課程、空污建模軟體以 及晤談單、高斯擴散模式來作說明。

一、鷹架式建模課程

鷹架式建模課程發展採「課程夥伴模式(partnership model of curriculum)」

(Penner, 2000)，課程發展參與者包括：3 位科學教育專家、2 位電腦模擬軟體設 計專家、2 位科學領域(氣象與空氣污染)科學家、1 位中學教師以及 3 位非領域 之研究生，參考Williams and Linn (2002)模式集結多位不同領域專家共同發展線 上網路課程，研究指出在多種角色參與課程設計，確實能有效診斷課程、客製化 教學，使課程內容趨於精緻。採用A. L. Brown (1992)之設計研究法(design-based research)，探討不同版本課程的演進，Barab et al. (2000)指出設計式研究法兼具 理論與紮根基礎，能有效支援課程設計。整個歷程包括課程開發、工具測試與教 學施測，以及實證資料與專業評估的修改四步驟，過程反覆進行，此研究過程將 在第四章作說明。

依據課程內容，鷹架式建模課程可分成兩部分：認識空氣污染重要概念知識 的「空污概念活動」，與建構空氣污染模式的「空污建模活動」。因本研究旨在探 討學生的建模學習，以下課程介紹將聚焦在與建模學習有關的活動，即活動四～

七，活動一～三是關於空氣污染概念介紹，作重點內容說明。以下將就個案研究 一所使用之鷹架式建模課程的內容作說明。

(一)空污概念課程

「空污概念課程」包括活動一～三，分別介紹空氣品質、大氣運動與污染物 擴散，以及大氣穩定度的概念知識，乃是銜接九年一貫「空氣污染與防制」、「天

氣圖」、「台灣的天氣」主題，且亦能與本國(95)高中課程標準之「高一暫行化學

度，以及預測煙囪排放之 煙流擴散的分佈型態。

教學簡報

(二)空污建模課程

空污建模課程以Hsu et al. (2007)所辨識出的專家建模實務特徵為活動學習 目標，主要包含四個面向：計畫建模(Planning)、辨識變因與關係(Identifying variable and relationships)、設計研究(research design)、預期結論與應用(anticipated conclusion)，共涵蓋 12 項專家建模實務特徵，如表 3-4.2 所列。其中高二生與非 領域研究生在各面向的建模實務均有三分之一以上的人數存在差異，其中「計畫 建模」與「設計研究」皆有兩項技能的差異人數達三分之一。針對這些專家生手 建模實務特徵上的差異，空污建模活動提供學生發展專家建模實務特徵的機會，

如表3-4.3 所示，顯示空污建模課程涵蓋所有專家建模實務特徵面向。以下說明 各活動如何提供學生進行建模實務機會。

根據Wu (2010)對第一版建模課程的研究結果來修改「空污建模活動」，其中 活動四、五、六、七，以建模(modeling)活動為主的鷹架課程，活動內容說明如 表(3-4.3)，各活動內容皆設計成包含預測、設計實驗、實驗分析、綜合比較以及 形成結論(Fretz et al., 2002; Rogat & Reiser, 2006; Zhang, 2003)之類似探究環的形 式，並以空污建模軟體提供電腦輔助建模(computer-based modeling)的學習工具。

學習活動目的在於促進學生參與類似科學家的建模實務，並發展出類似科學家建 模技能，以及深入的空氣品質概念理解。

活動四的建模活動，包括提出預測、綜合比較，以及形成結論等三步驟，學 生根據所提供的大氣溫度垂直分布圖，描繪煙流的垂直分布，再藉由煙流實體模 型，將其轉換為水平煙流分布，並透過與空污建模污染物濃度模擬圖的比較，來 協助學生轉換煙流的空間分布，及探討污染物濃度與水平距離的關係。

活動五提供學生使用空污建模軟體的建模(Build)階段，建置多個變因因果關 係，包含煙囪高度、排放速率、風向、風速及大氣穩定度，以及說明變因的影響

污模式與四個變因測試。例如：學生根據所提供的新聞報導，提出空氣品質影響 (Planning)

‧ 具有理論驗證步驟。

辨 識 變 因 與

關 係

(Identifying variable and relationships)

‧ 有系統性的列舉問題有關的變因 (research design)

‧ 有理論依據的實驗設計 (anticipated conclusion)

‧ 以 模 式 導 向 推 理 結 論 (model-based reasoning)

‧ 能依據結論推論類似的問題情境

表3-4.3 各版本鷹架式建模課程之活動內容及其比較

溫度垂直分布圖，所代表之大氣穩定度。 動，使用建模軟體(Test mode)來測試污染 源特性與氣象因子的變因關係。 建模過程中，使用建模軟體(Test mode) 來測試污染源特性與氣象因子的變因關 用建模軟體(Test mode)來測試污染源特 性與氣象因子的變因關係，過程中並藉由 學習單上的「活動內容說明框」說明活動

-舉出完整的變因 (model-based reasoning) -能依據結論推論類似的問

case mode)來測試預測，最後綜合評評鑑 模式或結論的限制與應用性。(2 小時)

& case mode)來測試預測，最後綜合評鑑 模式或結論的限制與應用性。在第一個問 空氣品質，再藉由建模軟體(Apply & case mode)來測試預測，最後綜合評評鑑模式

二、空污建模軟體

個案研究一與個案研究二所使用的空污軟體是第二版，因此以下將就第二 版的空污建模軟體作介紹，而第一版空污軟體則在前導性研究之第一版的鷹架 式建模課程介紹中補充說明。空污建模軟體包含建模(Build)、測試(Test)、應用 (Apply)，以及個案(Case)四階段，可透過「建模階段(mode)」任意點選切換，

以下分述此四階段所具備功能及其操作方法，其鷹架設計則於以下之「第一版 鷹架式建模課程發展」中討論。

在建模(Build)階段，如圖 3-4.1 所示，由煙囪高度、排放速率、風向、風速，

以及大氣穩定度等五個變因的因果關係表徵所組成，以質性關係式的方式描述 變因關係，例如：當煙囪高度[↑]，在相對煙囪四個不同位置的地點 A 之空氣污 染物濃度將[↓]、地點 B 的濃度將…，其中↑、×、↓符號分別代表增加、不變，

以及減少，以說明當一個變因數值增加時，距污染源不同遠近處空氣污染濃度 如何改變，並提供大氣穩定度的示意圖與軟體help 說明，以協助使用者操作。

圖3-4.1 第二版空污建模軟體的建模(Build)階段介面

測試階段如圖3-4.2 所示，使用者輸入變因數值，執行模擬，再藉由「單 滑鼠點選」、「雙滑鼠點選」、「目前差值」以及「垂直剖面」四種分析工具，以 及「水平解析度」與「高度調整」功能，從數值分析與多種圖表徵，測試建模 階段所建構之四個變因的質性關係。「測試階段」的軟體功能大致可區分為模擬 測試、資料分析、關係修改以及資料維護四部分，以下依序介紹各部分之功能。

在模擬測試方面，本階段將變因分為排放源特性、風場、以及大氣穩定度三類，

每次測試僅針對其中一類設定數值，其他變因為內定值，協助學生每次聚焦在 一類變因的模擬測試。在資料分析方面，「單滑鼠點選」提供使用者瞭解模擬結 果區域內任意位置的空氣污染物濃度數值、「雙滑鼠點選」可同時獲得模擬區域 內任意位置在前後兩次模擬結果的污染物濃度數值、「目前差值」功能是以圖表 徵顯示前後兩次模擬結果的污染物濃度差值的水平空間分佈、「垂直剖面」功能 則提供以煙囪為中心之徑向區域的污染物濃度垂直分佈，此外使用者可調整「水 平解析度」與「垂直高度」，以切換至任意高度(地面、20 公尺、40 公尺、60 公尺、80 公尺、100 公尺)，或改變不同水平解析度，提供使用者能清楚看見污 染物濃度的分佈情形。在關係修改方面，提供建模階段所建構的「空氣污染模 式」與「資料解釋區塊」，方便使用者隨時切換至建模階段修改變因關係，並可 同時紀錄變因關係的質性關係描述與關係支持的理由。在資料維護方面，提供

「記事本」與「i」功能，「記事本」供使用者儲存模擬的結果圖，以方便報告 撰寫或討論使用，「i」功能則可顯示目前呈現之模擬結果圖的所有變因資料。

圖3-4.2 第二版空污建模軟體的測試(Test)階段介面

應用(Apply)階段如圖 3-4.3 所示，功能與測試階段類似，僅在變因輸入部 分有所不同，應用階段允許使用者同時輸入模式所有的變因數值，進行多變因 的模擬實驗。

圖3-4.3 第二版空污建模軟體的應用(Apply)階段介面

在個案階段(如圖 3-4.4)，使用者選擇一組天氣條件與一種地形，進行真實 天氣與地形條件之空氣污染物濃度模擬，並可透過資料分析與資料維護有關的 功能，進行與測試階段類似的分析工作，以下針對本階段與測試階段之不同功 能作說明。本階段之模擬測試功能提供三種天氣條件(東北風、西南風，以及海 陸風)，以及六個代表不同地形的地點(協和發電廠-基隆海邊、台塑發電廠-雲林 海邊、北投焚化爐-台北河谷、台北忠孝東路-台北盆地、二高交流道-峽谷地形、

一高交流道-峽谷地形)與無地形共七種地形條件供選擇，使用者選擇一種天氣 與一種地形組合出一種環境條件以進行模擬測試，無法任意設定風場與大氣穩 定度的條件，且考慮地形因素，因此模擬結果會比「測試階段」與「應用階段」

更接近真實自然狀況(如圖 3-4.4)。資料分析功能方面，除垂直剖面功能外，新 增單點折線圖、對照折線圖，以及逐時差值功能，單點折線提供使用者瞭解模 擬區域內任意位置的48 小時空氣污染物濃度的逐時變化趨勢、對照折線圖可同 時獲得模擬區域內任意位置在前後兩次模擬結果的污染物濃度48 小時逐時變

化趨勢、逐時差值功能則能動態播放兩模擬個案48 小時內的每小時濃度差值，

此外在模擬結果新增可調整透明度的背景地圖與背景地形圖的視覺效果。

圖3-4.4 第二版空污建模軟體的個案(Case)階段介面

綜合上述介紹，本空污建模軟體的功能包含四部分：關係建置功能、模擬

綜合上述介紹，本空污建模軟體的功能包含四部分：關係建置功能、模擬