第一節 研究背景
Shtulman & Valcarcel (2012)提及科學社群中理論改變的模型強調理論間的推 論競爭，而不是某個理論取代另一個理論。我們經常將學生的概念發展與科學 發展史作比對，例如：1.物理學上不同質量的物體在地表上做自由落體的速 度，兒童會認為較重的物品掉落較快，而較輕的掉落速度較慢；這點恰與伽利 略(Galileo Galilei)比薩斜塔實驗前的人們想法相似，在這裡我們暫不討論伽利略 是否有實際操作過這樣的實驗。2.地球科學上這類的例子更是不勝枚舉，常見 的是地平說、地心說。小孩子通常會認為地球是平的，這也是出現在許多民族 傳說上。古代人們通常將地球當作平的，直到亞里斯多德用三種方式證明地球 是圓的。而亞里斯多德也提出了地心說，認為地球居於宇宙中心靜止不動，太 陽、月亮、行星、恆星都繞地球運行。托勒密也提出行星繞行地球旋轉的地心 說模型。然而，哥白尼卻認為這樣的模型太過複雜，進而提出日心說模型。經 由日益精確天文觀察，日心說模型經過克卜勒修正為橢圓形軌道後，吻合觀測 資料，成為主流行星運動模型。天文學上的模型演變顯示，孩童的概念與科學 概念的發展似乎有平行關係。
Kuhn (1962, 1972)認為一個理論要成為典範，一定要能人之所不能，使其他 的理論相形見拙，但它不一定要能解釋所有相關的事實，而且實際上也永遠不 可能。俗話說「積沙成塔」，即便典範無法解釋所有相關的事實，甚至它可能之 後就會被發現失效，我們仍然不能忽視典範的解釋力。典範的解釋力仍然比人 們的概念強許多。典範是由科學社群經過長時間的研究、討論進而建構出來的 (Kuhn1962)。典範的轉移是需要相當長的時間，長則數百年、數千年，短則數 年。人們花了許多個世紀才建立地球繞著太陽轉的典範，而我們卻要在課堂上 短短分鐘內讓學生概念改變，接受地球是圓的的事實是相當困難的一件事。
通常普通人要從日常生活經驗中察覺異常現象，並且自發性地意識到自己 的理論不足是非常困難的。人們不喜歡修改自己的信念、概念，不願意重建自
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己的概念或信念。教學上，建構論的 POEVC 教學法則是從異常現象出發，全程 包括預測、觀察、解釋、視覺化與比較(POEVC)等五個步驟。使用此方法，學生 會先接收到一個異常現象，然後學生會開始嘗試解釋或嘗試修改原有概念以符 合內部一致性。相對於個體，科學社群典範競爭常起始於異常現象的累積，促 使原典範修正，直到修改仍然無法滿足時，則社群集體體認需要新的典範。此 時，科學社群將陷入戰國時代，百家齊放、眾說紛紜，會同時有複數個理論存 在，並且互相競爭 Kuhn (1962, 1972)。即使有一天才直接提出新學說，當時原 典範未有不足，則人們不願放棄原典範。比較這兩者我們會發現，當異常出現 時，科學社群與個人的反應相似，偏好修正原有理論來適應異常。兩者皆是累 積足量的異常後，就有機會引發新的理論產生。但個人概念似乎少有兩種理論 共存的狀況，通常都會將之混合出一種妥協式的概念；但科學社群則可以接受 兩個甚至多個理論同時共存競爭。個體概念衝突通常是概念與概念的衝突，而 科學社群的概念衝突則是發生在原典範無法解釋的現象出現時。科學家放棄以 前被接受的理論，他的根據並不僅僅來自理論與現象的比較。放棄一個典範，
同時必定接受另一個典範，而導致這個決定的判斷過程，不但涉及典範與自然 的比較，同時也涉及典範與典範的比較(Kuhn, 1972)。
典範主要來自理論，理論又包含著模型。理論之所以強大是因其具有總結 大量知識，形成少量的通則原理的能力，以及具備可驗證的預測能力(Neimark, 1987)。人們經由了解模型來理解理論，經由操作模型來運用理論進行檢驗與預 測。
模型與科學學習有著密不可分的關係，典範的轉移即包含了主流科學模型 的轉移。透過模型，我們可以更加清楚的了解科學現象，以及其原理。以原子 結構為例，湯木生提出西瓜模型，而其學生拉塞福以此模型進行推理，設計出 α粒子散射實驗，試圖驗證其理論，卻發現大部分粒子會穿透，而僅有少數粒 子會產生大角度的折射。按照西瓜模型進行推論，理應全部穿透，不應有大角
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度的折射。因此拉塞福認為應有原子應有微小的質量中心，以產生少數大角度 的折射，進而提出原子行星模型。由科學史我們可以發現，科學家經常透過建 立模型來說明科學理論；並以模型協助進行推理以驗證其理論，若模型無法解 釋新的證據，科學家就必須修正模型。若修正模型後，仍然無法解釋觀察、測 量到的新現象，則科學家必須放棄舊有的模型，並設法產生新的科學模型。這 新的模型具有較強的解釋力，取代舊有模型的過程正如典範轉移。模型已是科 學中重要的一環，模型與科學學習有著密不可分的關係。
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