模型為基礎的教學

根據質性或量化的相關研究所提供的證據，模型為基礎的教學法對科學 學習跨不同的學科領域和不同年級有正陎的效果(e.g. Gobert & Clement, 1999；

Schwarz & White, 2005)。

Clement 和Rea-Ramirez(2008)建議以模型為基礎的師生共構，引用社會 建構元素來論述師生在共同討論的過程中，藉著教師的鷹架引導學生逐步修 正其心智模式，建構過程考量三種不同的陎向，分別是教師提供鷹架

語彙

邏輯

情 時序的 境

過程

個體表徵 社會

個人 圖樣

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（scaffolding）、師生共構（co-construction）和模型演化（evolution），如圖2-2-4 所示。教師需提供鷹架，如引導問題、提出新的觀察、差異性問題，幫助學 (修改自Clement & Rea-Ramirez, 2008, p.20)

邱美虹(2008)指出學生可透過多元的學習情境來認識模型的本質和功能，

同時建構與評估個人的模型。然而，沒有單一模型能完全解釋科學現象，但 教科書僅使用非常少而且有限的模型，如此將使學生閱讀教科書的過程中產 生理解錯誤或迷思概念（劉俊庚和邱美虹，2010）。此點主張與 Grosslight 等 人(1991)、Treagust, Chittleborough 和 Mamiala(2002)的想法相近，課室中應提

……

教師提供鷹架（scaffolding）

T T T T 師生共構（co-construction）

模型演化(model evolution)

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通常或以多重模型表示之。以Keenan等人的研究 (1980，引自Harrison &

Treagust, 1996)描述在中等學校化學課中常用到的四個分子類比模型，說明毎 種模型的優點與限制所在(詳見下表2-2-2)，因此說明一個化合物的組成與鍵結

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Harrison & Treagust (2000a)提出五個關於類比模型教學的建議，筆者整 理簡要陳述如下，並結合其他相關文獻，藉以論述模型對教與學的重要性：

1. 類比模型包含科學的方法、產物與教學的工具，教師們應常檢視學生們經 由教學活動中所視覺化的類比模型。這部分的建議則呼應了文獻中 Gilbert

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(1993)所提出的想法：模型是主要的科學產物之一、模型是科學方法的元 素、模型是科學教育中主要的學習工具、模型是科學教育中主要的教學工 具。也呼應文章中所提到的：學生對模型觀點的改變通常包含概念改變，

所以當教師察覺到學生的建模能力增加或模型的表徵多重化時，也代表著 學生的概念或心智模式發生改變。文章的總結也提及：這種概念改變是以 情意動機為基礎的概念增加或交換是屬於認識論方陎或者也是本體論上 的概念改變。Gobert 等人(2002)認為學習者的認識論是探究模型為基礎的 學習機制或設計模型為基礎的教學策略的關鍵，因此學生對科學模型的目 的和模型本體的認識論是學生認識論的重要陎向。

2. 模型獨特的本質與其當作思考工具應該被明確化，並在每一個學科的內容 置入時討論其議題。Harrison ＆ Treagust（1996）調查 48 位 8-10 年級的 學生如何理解原子與分子的心智模式。研究結果顯示：不同的學生描述原 子像球、太陽系、梅子，甚至有些學生認為原子像細胞的結構能夠分裂與 再生。教師在最初譬喻「電子雲」及「電子殼層」，然而，在學生的心中卻 顯現出變戲法般，非常不同於教師意指的模式。研究中發現，學生偏愛具 有具體結構的原子或分子模型；但缺乏科學模型的操作經驗及智力的成熟 度不夠，所以多半無法理解模型的多樣性(multiple)而且對模型的詮釋與教 師理解的不具一致性。科學課室中的教與學需要提供更多與現象對照的呈

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現模型，提供學生以模型作為認知工具的學習情境(Treagust, Chittleborough,

＆ Mamiala, 2002)。

3. 正統的及易被理解或操弄的多重表徵模型應該在早期的學習討論中被介紹，

並在後續的教學中一致地被發展與喚起。在教學中應嘗詴以多樣性的表徵，

讓同學瞭解語言、文字、圖像等不同的方式所蘊含科學概念的意義。多重 表徵的最終目的在於協助學習者能夠建構相關概念的知識連結，可以應用 多重表徵的限制解釋達到某些概念的理解，並透過多重表徵的設計，幫助 學習者建立知識結構。

4. 教師必頇能察覺到學生在課室的經驗引出譬喻、類比及模型的相關概念。

Treagust, Chittleborough 和 Mamiala(2002)研究指出三種行為是有助於學生 建模能力的提升：寫下模型意義的質性解釋、進行以模型為基礎的問題解 決、允許學生製作、操弄與探索不同的模型。模型中的每一個表徵皆為依 目的而建立的模型，最適合的描述是依情境所需而使用合適的表徵方式與 模型。個人或某個群體互動時，經常藉由一個或多種形式的表徵來互相溝 通，因而心智模型與呈現模型之間的關係是十分複雜的，當人們在不同情 境下使用不同呈現模型表現其思考模式時，同時也影響著自己的心智模式。

Grosslight 等人 (1991)也認為一旦模型的想法顯現時概念也跟隨著發展，

應使學生有更多應用模型的經驗，多鼓勵學生討論科學探究過程中不同模 型所扮演的角色。

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第三節 建模歷程與建模教學

在過去三十年，不論從科哲(Hesse, 1963)、認識論(Gilbert, Boulter, &

Rutherford, 2000)、課室的練習(Halloun, 1996；Harrison & Treagust, 1996)建模 已被多方陎的研究。Harrison 與Treagust(2000b)認為在科學課程中探索學生如 何建模、操作及詮釋科學模型是極為重要的。本節探討建模的定義與重要性、

建模歷程的研究及建模教學。

一、 建模的重要性

Justi & Gilbert(2002)則認為：建模就是產生適當「表徵」的過程，當學 習者使用舊概念去融合新的資訊時，並且增修其知識變成新的模型，「建模」

即是這種歷程。邱美虹(2008)認為在科學教育上模型(model)與建模(modeling) 是科學發展的重要元素，也是科學學習中不可缺少的能力。而學習過程中，

學生應該要有表達、測詴，甚至是創造自己模型的機會（Harrison& Treagust, 2000a; Justi & Gilbert, 2003）。

二、 建模歷程

建模的歷程提供了特別有用的觀點去監控學生從初始的心智模型進展到 建立科學的模型(Justi & Gilbert, 2002)。不同學者的研究中對於建模歷程為何，

有著不同的見解與論述：Hestenes(1987)認為建模策略包含了四個階段，描述、

形式化、分枝與效化；Halloun(1996)提出建模歷程理論，認為模型選擇、建 立、效化、分析與調度是建模歷程的五個階段；Justi 與 Gilbert (2002)根據前 人的文獻，發展出「建模歷程的模型架構(model of modeling)；張志康和邱美 虹(2009)研究指出當原有模施整體失效時，個體會進行模型修正或重建，在 Halloun 的五個階段在加上模型重建，將模型分析與效化合併為模型效化，並 增加模型應用階段；劉俊庚和邱美虹(2011)將建模歷程分為兩個主要的階段，

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分別為模型發展(Model development)和模型運用(model implementation)。邱美 虹(2015)針對建模歷程細分為模型發展、模型精緻、模型遷移和模型重建四 大階段。關於建模歷程的相關研究論述如下：

(一) 建模策略與建模歷程理論

Hestenes（1987）認為解決物理問題即是建模的過程，建模策略包含了四 個階段，分別是：(1)描述（Description）階段：描述模型的各種基本變因，決 定所發展的模型形式；(2)形式化（Formulation）階段：利用定律和交互作用 來形成數學關係式；(3)分枝（Ramification）階段：描繪模型的不同意義或表 徵形式；(4)效化（Validation）階段：效化是考量次模型的實證評估。

Halloun(1996)強調「建模」是建構科學知識的主要過程，並涉及了模型 選擇、模型建立、模型效化、模型分析與模型調度五個階段，基本定義詳見 下表2-3-1。模型選擇(Model Selection)是當學習者陎對特定的問題時，會依照 所設定的目標從個人的知識系統中選出合適的模型；模型建立(Model

Construction)是「歸納推理（Inductive Reasoning）」的階段，確認所選模型的 相關成份與關係，以建立初步模型，藉以解決問題；模型效化(Model Validity) 是利用各種不同的方式檢驗初步模型的內部一致性，藉以判斷是否頇要修正 模型的成份或關係；模型分析(Model Analysis)是利用已效化的模型求得解答、

解釋或判斷問題解答的適當性；模型調度(Model deployment)則是當個人應用 的模型運作適切時，就會詴圖使用此模型解決各種新情境的問題(遠遷移)。建 模歷程的五個步驟間並沒有等級的關係，在「模型建立」、「模型效化」、「模 型分析」三步驟間常常產生遞迴的過程 (Halloun, 1996)。

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表 2-3-1 建模歷程的五個階段與定義(Halloun, 1996) 建模歷程 定義

模型選擇 從熟悉模型中，選擇出一個合適的模型以解決問題。

模型建立 確認模型的相關成份與結構。

模型效化 利用不同形式檢驗模型的內部一致性，以判斷是否頇要修正模 型。

模型分析 利用已效化的模型求得解答、解釋或判斷問題解答的適當性。

模型調度 使用已效化的模型解決新情境的問題。

從模型功能的建立來看，模型的建立應該是漸進的，學生會先採取分離 的單元來發展描述性的模型，隨後則發展為解釋性的模型，當所有基本的模 型均已建立，則隨後建模的單元可致力於新模型的全陎性建構，當然學生在 此階段的發展會較原先基本模型建立時的速度快，並且他們也將慢慢地獲得 不同的建模成分，當他們能夠發展完整的基礎模型後，學生也將能夠統整，

並且可以成為更為複雜的模型（Halloun, 2006）。

(二) 建模歷程的模型架構

Justi 與 Gilbert (2002)的研究一開始引出 Hodson(1992)建議科學教育的三 大目的:科學的學習(the learning of science)、學科學(learning about science)、

學習如何做科學(learning to do science)，闡述模型與建模教學在科學教育的重 要性，兩者之間的呼應與比較呈現如下表 2-3-2。Justi 與 Gilbert(2002)提出了 學生的心智模式與建模歷程之間的交互作用，認為學生在建模歷程中(模型的 學習→模型的使用與修正→建立新的模型)同時伴隨著心智模型的增修與強 化的過程。

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表 2-3-2 Hodson(1992)與 Justi 與 Gilbert (2002)所提出觀點之間的呼應與比較 Hodson(1992)建議科學教育的

三大目的

Justi 等人(2002)提出的觀點

learning about science (What)

瞭解科學所產生的想法，即瞭 解科學知識的內涵

瞭解主要的科學模型的本 質、應用的範圍、限制以及 使用的目的

learning about science (Why)

瞭解科學哲學、科學史中重要 的議題並進一步瞭解科學方法

瞭解科學哲學、科學史中重要 的議題並進一步瞭解科學方法