鷹架式建模課程的設計與評估:以空氣品質複雜系統為例
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(2) 誌謝 攻讀博士學位的過程中，不斷有新的挫折與跳戰要面對，是辛苦但充實的。 感謝許多人的鼓勵與支持，才能讓我順利完成論文。. 首先要感謝的是指導教授許瑛玿老師，一路以來悉心指導與鼓勵，讓我得以 順利完成論文研究。感謝口試委員吳心楷教授、黃福坤教授、陳正平教授、以及 洪振方教授，為本文提供寶貴的意見與精闢的見解，使論文內容更趨於完整。感 謝台大陳泰然教授在我求學過程殷切的期盼與鼓勵。並感謝婷鈴、怡芬在論文研 究上的提點與建議，以及研究伙伴們福泰學長、慧珍、岱螢、志芳、韻如、瑋秀、 天音、媛萍、文馨、俐陵在研究過程中協助與鼓勵。以及佳慧與惠莉在研究資源 與研究室生活上的支持。此外，感謝仁中全體同仁們的打氣與關切，亦讓我倍感 溫馨，謝謝大家。. 最後感謝我的家人爸爸、媽媽、美娟、原彰、林風、依瑩、素梅，謝謝他們 的支持，使我能更專注於喜歡的研究工作，還有謝謝可愛的 Chloe 與 William 總 是帶給我許許多多的歡樂。.
(3) 中文摘要. 本研究透過設計式研究法(design-based research)，以兩個個案研究探討分散 式鷹架對高中生之建模技能與空氣品質概念理解的影響，並據以發展與評估鷹架 式建模課程的設計。在鷹架式建模課程中，學生使用空污建模軟體來建構與測試 變因關係，並應用所建構出的模式至其他類似的問題情境。本研究收集兩個學校 個案研究之探究測驗、晤談資料、學習單、紙本模式、電腦化模式、電腦側錄、 錄影資料，以及會議紀錄等研究資料，並透過質性與量化的分析，來比較兩種版 本的鷹架式建模課程設計對學生建模學習的影響，並且在每個個案班級中選取一 組焦點組學生來分析他們的建模過程，以說明分散式鷹架如何協助學生參與複雜 系統的建模學習。 個案研究一的鷹架式建模學習課程具備三項設計特徵，包含融入以學生為中 心的專家建模實務特徵、擬真的視覺化工具以支援建模、及提供引導學生學習策 略的提示。施測結果顯示學生的建模技能與空氣品質的概念理解均有顯著進步， 但在「辨識變因與關係」階段的建模技能進步則較不明顯，此外從焦點組建模過 程的分析發現，(1)本課程能提供學生主動參與類似科學家建模實務的機會，(2) 學生需要其他形式的鷹架系統支持，以有效運用預先規劃與設計好環境鷹架支持 個案研究二中，根據個案研究一的發現來調整鷹架式建模課程，包括增加「引 導式結構化建模」與「營造合作實務學習」兩項設計，以促進學習環境中分散式 鷹架的協調整合。共變數分析顯示參與個案研究二的學生在整體的建模技能、辨 識變因與關係階段的建模技能，以及大氣穩定度的理解皆顯著優於個案研究一的 學生。綜合上述發現，顯示新增的兩項設計可促進分散式鷹架系統組成的互動， 進而支持學生參與類似專家之複雜系統的建模實務。. 關鍵詞：建模學習、分散式鷹架、建模技能.
(4) 英文摘要. This study investigated how distributed scaffolding may influence the development of high-school students' modeling skills and conceptual understanding about the complex system in air quality. With better understanding of how students construct their modeling skills, this study further proposed and evaluated a modeling course with scaffolding. In the course, students were encouraged to test and construct cause-and-effect relationships between variables by using an modeling tool as well as to applying the models they constructed in similar problem situations. Multiple data were collected from two classes from the same school, including pre-tests and post-tests of modeling skills, interview transcripts, students’ worksheets, models they proposed on papers and in computers, screen-capture videos of students’ use of the modeling tool (process videos), classroom observations (class videos), and meeting minutes. Through quantitative and qualitative analyses, two versions of the scaffolding curricula were developed and evaluted for how they influenced the development of students' conceptual understanding and modeling skills. The modeling process of the target group from each class was further analyzed for seeing how the distributed scaffolding supported students to construct their models of complex systems. The scaffolding modeling curriculum in Study 1 was featured with student-centered modeling practices that was based novice-expert analysis results, modeling tools with authentic visualizations, and prompts that guided students to learn. Significant improvements were found on students’ modeling skills and conceptualization of air quality, but not on their modeling skills on “identifying variables and relationships.” After analyzing the modeling performance of the target.
(5) groups modeling, I found that 1) the curriculum engaged students the opportunities that they could conduct expert-like modeling practices; and 2) students would be benefited if provided another types of scaffolding that facilitated them to better use of the scaffolding embedded in the curriculum. Modified from the curriculum in Study 1, the scaffolding modeling curriculum in Study. 2. was. added. features. of. “guided. structural. modeling”. and. “collaboration-invited practices,” in order to improve the coordination of the distributed scaffolding. Results of ANCOVA showed students in Study 2 performed better than the ones in Study 1 on overall modeling skills, identification of variables and relationships, and conceptualization of air quality. All in all, the additional two features of the curriculum in Study 2 not only promote the coordination of elements in distributed scaffolding, but also support students to engage themselves in expert-like modeling practices in complex system. Key words:model-based learning, distributed scaffolding, modeling skills.
(6) 目次 第一章. 緒論. 第一節. 研究背景與目的……………………………………………………..1. 第二節. 研究問題……………………………………………………………..4. 第三節. 研究的重要性………………………………………………………..5. 第四節. 名詞釋義……………………………………………………………..7. 第五節. 研究範圍與限制……………………………………………………..9. 第二章. 文獻探討. 第一節. 空氣品質與複雜系統………………………………………………11. 第二節. 鷹架的理論基礎……………………………………………………23. 第三節. 建模學習理論………………………………………………………31. 第四節. 模式與建模…………………………………………………………37. 第五節. 鷹架式建模課程設計..……………………………………………..51. 第六節. 建模學習環境的鷹架特性…………………………………………58. 第三章. 研究方法. 第一節. 設計式研究法………………………………………………………64. 第二節. 研究流程……………………………………………………………69. 第三節. 研究對象與教學情境………………………………………………73. 第四節. 研究工具……………………………………………………………75. 第五節. 資料收集與分析方法………………………………………………95. 第四章. 研究結果. 第一節. 個案研究一………………………………………………………..110. 第二節. 個案研究二………………………………………………………..156. 第三節. 版本綜合比較……………………………………………………..193. 第五章. 結論與建議.
(7) 第一節. 綜合討論…………………………………………………………..196. 第二節. 結論………………………………………………………………..205. 第三節. 建議………………………………………………………………..206. 第四節. 未來研究方向……………………………………………………..207. 參考文獻 中文部分…………………………………………………………………….208 英文部分…………………………………………………………………….209 附錄 附錄一晤談單與晤談注意事項………………………………………….220 附錄二空污建模技能測驗……………………………………………….223 附錄三高斯擴散模式…………………………………………………….227 附錄四高斯擴散質性模式……………………………………………….229 附錄五高斯擴散質性模式測驗………………………………………….231. 附錄六空氣品質概念架構……………………………………………….233 附錄七個案研究一學生學習單填寫狀況表…………………………….235 附錄八課室錄影與電腦側錄轉譯稿之 Events 與 Episode 切割範例….237 附錄九個案研究二焦點組課室錄影 Episode 內容摘要表……………..243 附錄十個案研究一學習單之「引導學習學習策略的提示」設計…….245 附錄十一個案研究二學習單之「引導式結構化建模活動」設計……….247.
(8) 表次 表 2-1.1. 九年一貫「自然領域課程」與空氣污染有關之內容………………….1. 表 2-1.2. 98 年頒佈之普通高級中學課程綱與空氣污染有關之內容……………15. 表 2-2.1. 傳統鷹架與廣義鷹架對於鷹架觀點之比較…………………………….26. 表 2-6.1. 分散式鷹架建模學習環境設計準則與特徵…………………………….58. 表 2-7.1. 三種分散式鷹架之比較………………………………………………….62. 表 3-1.1. 本研究與設計式研究法特徵之對照表………………………………….72. 表 3-2.1. 研究測試工作流程表…………………………………………………….72. 表 3-3.1. 焦點學生基本資料……………………………………………………….74. 表 3-3.2. 授課教師基本資料……………………………………………………….74. 表 3-4.1 個案研究一之空污概念活動內容與學習目標………………………….76 表 3-4.2. 生手與專家、非領域研究生及高二生之建模技能的得分差距……….78. 表 3-4.3. 各版本鷹架式建模課程之活動內容及其比較………………………….80. 表 3-4.4. 第二版空污建模軟體功能之設計與目的……………………………….87. 表 3-5.1. 個案研究一與個案研究二使用之研究資料…………………………….96. 表 3-5.2. 資料分析表列…………………………………………………………….96. 表 3-5.3. 建模技能編碼表………………………………………………………….99. 表 3-5.4. 高斯擴散質性模式測驗評分標準……………………………………...102. 表 3-5.5. 空氣品質模式有關的變因及其領域對照表…………………………...103. 表 3-5.6. 大氣穩定度概念評分標準……………………………………………...104. 表 3-5.7 焦點個案側錄與錄影資料編碼表……………………………………...106 表 3-5.8 教師與同儕鷹架編碼說明……………………………………………...107 表 4-2.1 個案研究一全部學生之大氣穩定度概念得分 t 考驗…………………120 表 4-2.2 個案研究一被晤談學生建模技能中應用空氣品質概念得分 t 考驗…120 表 4-2.3 個案研究一被晤談學生建模時應用跨領域概念的命題數之 t 考驗…121 表 4-2.4 個案研究一全部學生之建模技能得分 t 考驗…………………………122.
(9) 表 4-2.5 個案研究一被晤談學生建模技能得分 t 考驗…………………………122 表 4-2.6. 個案研究一與二晤談學生各類建模技能之人數及有關的變因(關係)數 統計……………………………………………………………………...123. 表 4-2.7 晤談學生提出之各類變因的出現頻率………………………………..126 表 4-2.1. 個案研究二學生建構之空氣品質模式得分之 t 考驗………..............159. 表 4-2.2. 個案研究二學生建構之空氣品質模式的交互變因關係頻率統計….160. 表 4-2.3. 個案研究二全部學生之大氣穩定度概念得分 t 考驗………………..160. 表 4-2.4. 個案研究二被晤談學生建模技能中應用空氣品質概念得分 t 考驗..161. 表 4-2.5 個案研究二被晤談學生建模時應用跨領域概念的命題數之 t 考驗..161 表 4-2.6. 個案研究二全部參與學生之建模技能得分 t 考驗…………………..162. 表 4-2.7. 個案研究二被晤談學生建模技能得分 t 考驗………………………..162. 表 4-2.8. 個案研究二焦點組在各建模活動中涉及的分析工具使用次數…….187. 表 4-3.1. 不同版建模學習環境在建模技能後測的共變數分析……………….193. 表 4-3.2 不同版本課程之學生在建模技能上應用空氣品質概念得分共變數分 析………………………………………………………………………..194 表 4-3.3 不同版本課程之學生在建模技能中應用跨領域空氣品質概念的共變數 分析……………………………………………………………………..195 表 4-3.4. 不同版本建模學習環境之大氣穩定度理解的共變數分析…………195.
(10) 圖次 圖 2-4.1. 表徵系統動態過程的電腦化模式………………………………………33. 圖 2-4.2. 表徵氣體擴散的實體模型………………………………………………33. 圖 2-5.1. 各研究提出之建模有關的建模階段……………………………………42. 圖 3-2.1 研究流程圖………………………………………………………………72 圖 3-4.1. 第二版空污建模軟體的建模(Build)階段介面…………………………83. 圖 3-4.2. 第二版空污建模軟體的測試(Test)階段介面…………………………..85. 圖 3-4.3. 第二版空污建模軟體的應用(Apply)階段介面………………………...86. 圖 3-4.4. 第二版空污建模軟體的個案(Case)階段介面………………………….87. 圖 3-4.5 第一版空污建模軟體的建模(Build)階段介面…………………………91 圖 3-4.6 第一版空污建模軟體的測試(Test)階段介面…………………………..91 圖 3-4.7 第一版空污建模軟體的應用(Apply)階段介面………………………...92 圖 3-4.8 第一版空污建模軟體的個案(Case)階段介面……………………….....92 圖 4-1.1. 晤談之氣象科學家建構的空氣品質模式……………………………..115. 圖 4-1.2 個案研究一焦點組學生 ST0824 使用建模(Build)階段建構的模式....136 圖 4-1.3 個案研究一焦點組學生之測試風速變因關係的步驟流程示意圖…..146 圖 4-1.4 個案研究一焦點組之各類對話互動型態持續長時間(超過 120 秒)的小時 平均次數(次/小時)…………………………………………………..149 圖 4-1.5 個案研究一焦點組之各類同儕鷹架出現的平均時次數(次數/小時)..150 圖 4-1.6 個案研究一各類教師鷹架之出現平均時次數(次數/小時)…………..151 圖 4-1.7. 個案研究一焦點組參與建模活動之時間序列圖……………………..152. 圖 4-2.1. 個案研究二第五組學生建置與修改之 build 階段的模式圖………...167. 圖 4-2.2. 個案研究二第四組學生的活動五-1 學習單………………………….169. 圖 4-2.3. 個案研究二第四組活動五-2 學習單………………………………….170. 圖 4-2.4. 個案研究二焦點組之各類對話互動型態持續長時間(超過 120 秒)的小.
(11) 時平均次數……………………………………………………………174 圖 4-2.5 個案研究一與個案研究二焦點組之各類對話互動型態所佔總對話時間的 百分比………………………………………………………………175 圖 4-2.6 個案研究二各類同儕鷹架之出現平均時次數 (次數/小時)………...176 圖 4-2.7 個案研究二各類教師鷹架之出現平均時次數累計圖(次數/小時)….175 圖 4-2.8 個案研究二焦點組學生之測試(a)煙囪高度與(b)風速變因的步驟流程示 意圖……………………………………………………………………..178.
(12) 第一章緒論. 近年來，建模學習(model-based learning)或建模教學(modeling teaching)受到 科學教育界的重視(Hogan & Thomas, 2001; Penner, 2000; Stratford, Krajcik, & Soloway, 1998; Zhang, 2003)，本研究以(Hsu, Lin, Ke, Wu, & Hwang, 2007)所辨識 之專家生手建模技能的差異作為課程的學習目標，以情境學習理論為基礎，再綜 合鷹架與建模學習之相關研究，來發展鷹架式建模課程。透過設計研究法 (design-based research) (Collective, 2003)之「設計-實施-評估-再設計」的反覆過程， 回溯課程的演進歷程，並探討分散式鷹架如何影響學生建模過程，再據以修正與 提出鷹架式建模課程的設計特徵。 本研究目的是發展與評估複雜系統「空氣品質」之鷹架式建模課程，並以設 計研究法檢視學習環境的分散式鷹架，對學生建模技能與概念理解的影響。本章 就研究背景、研究動機、研究重要性、研究目的與問題分項闡述，再針對研究有 關的專有名詞加以定義與解釋。最後界定本研究的範圍與限制。. 第一節研究背景與目的. 模式是將自然系統或現象以組成物件、變因、變因關係等來呈現的簡化表徵 (Ingham & Gilbert, 1991)，模式可傳遞資訊、意義化資料、呈現變因及變因間的 關係，進而作為溝通彼此對自然現象理解的媒介。學生於學習過程使用模式不只 有助於他們具體化知識和聚焦現象背後的意義以促進理解，更能透過模式建構與 應用的過程—建模(modeling)還提供學生參與真實情境中科學家科學實務機會 (Penner, 2000; Stratford et al., 1998)以及促成學生發展出類似科學家的建模技能 (Papaevripidou, Constantinou, & Zacharia, 2007) 。 多 位 學 者 們 指 出 ，「 建 模 1 .
(13) (modeling)」涵蓋對科學知識的深度理解、科學思考的嚴謹應用，是學生需要具 備的科學學習方法(Clement, 2000; Gobert & Buckley, 2000)。 傳統學習中，學生主要透過教師講述來進行學習，很少有機會參與真實科學 建模活動。建模活動通常比較開放，需要領域知識與科學思考的整合應用，而學 生往往受限於參與這類活動所需的領域知識與科學技能之不足，對這部分學習經 常感到困難(Stratford et al., 1998)。Zhang, Liu, and Krajcik (2006)研究也發現學生 與科學家的實務表現存在明顯差異，需要適當的工具、同儕以及教師鷹架，才可 能建構出有意義的科學模式，及進行有目的且有意義的科學實務(Fretz et al., 2002)。 在整合科技的學習環境中進行建模學習，已被研究證實能有效促進學生複雜 概念的理解，與建模實務能力(Stratford et al., 1998; White & Frederiksen, 1998)的 提升。過去研究顯示，根據學習目標設計學習環境鷹架，有助於學生參與複雜任 務的學習，並且逐漸發展出獨立完成活動任務的能力，例如：透過電腦化的建模 環境，將建模過程階段化，提供學生有系統地參與真實且複雜的科學實務機會 (White & Frederiksen, 1998)。White and Frederiksen (1998)更指出在教室中發展出 類似科學家的實務社群，透過同儕互動討論讓學生練習反思，教師一開始提供較 多引導來促進學生學習，隨著學生理解的提升，再逐漸減少所提供的學習支持， 最後讓學生獨立完成複雜的活動任務。以上提及的研究大都具焦在單一或特定鷹 架功能對學習的影響，關於學習環境中學習工具、同儕以及教師鷹架如何協調互 動，以提供有效的鷹架支持，則有待進一步研究。 此外，過去鷹架學習相關研究強調個體「近側發展區」(ZPD，zone of proximal development)內提供褪除式(fading)(Collins, Brown, & Newman, 1989)的學習支持， 多 位 學 者 探 討 鷹 架 褪 除 作 用 的 重 要 性 (Azevedo, Cromley, Winters, Moos, & Greene, 2005; McNeill, Lizotte, Krajcik, & Marx, 2006)，或軟體工具的鷹架功能 (Fretz et al., 2002)，這些研究均強調鷹架設計必須回歸鷹架隱喻的原始意涵，亦. 2 .
(14) 即鷹架設計應考慮個體的ZPD問題與鷹架的「褪除」特性，但對於如何協調整合 學習環境中分散式鷹架以支持教室中具不同ZPD學生的討論較為不足。 雖然過去幾年來，針對「科技支援之複雜學習活動」的課程發展準則或理論 已有一些相關的文獻，例如：聚焦在課程學習情境設計的 Learning-for-use(Edelson, 2001)、國家課程標準為學習目標的目標導向式專題課程—IQWST (Investigating and Questioning ourWorld through Science and Technology)(Krajcik, McNeill, & Reiser, 2008)、以知識統整為訴求的課程鷹架設計準則—KIE (the Knowledge Integration Environment)(Davis & Linn, 2000) 以 及 聚 焦 在 促 進 建 模 理 解 的 ThinkerTool 探究課程設計(White & Frederiksen, 1998)等，但是這些課程發展準則 或理論多以臨場教學、學習理論，或比較性研究為基礎，較少考慮領域專家實務 特徵，由於不同領域社群有不同形式的科學實務，因此領域訓練特性是課程發展 應考慮的項目之一(Passmore & Stewart, 2002)。 鑑於此，本研究根據 Hsu, Lin, Wu, Lee, and Hwang (2012)所探討之專家、非 領域研究生，以及生手建模實務表現，瞭解三種不同身份之建模技能之差異，來 制定學習目標，並作為設計建模活動之參考。此外，參考「建模」與「鷹架」的 相關理論與實徵研究，來發展鷹架式建模課程/學習環境的設計特徵。 本研究根據研究發現，來調整與修改鷹架式建模學習課程/環境的設計特徵。 具體而言，本研究蒐集多種研究資料，包含晤談資料、建模技能測驗、學習單、 紙本模式、電腦側錄、錄影以及會議紀錄等資料，來描述學生參與建模學習的過 程、以及建模技能與概念理解的改變情形。以紮根理論作為分析質性資料的方法， 以探討兩種鷹架式建模課程版本的演變，及其對學生建模技能與概念理解的影響。 另外，分析焦點組學生的建模過程，來探討分散式鷹架的影響，並據以研究如何 協助學生參與複雜系統「空氣品質」的建模學習。. 3 .
(15) 第二節研究問題. 本研究旨在發展鷹架式建模學習課程，以提供適合高中生建模學習的機會。 本研究整合過去關於鷹架、建模課程設計和專家生手建模的相關研究，發展出鷹 架式建模學習課程的設計，期能提供建模教學上一些具體的建議與參考。根據研 究目的，本研究具體的研究問題如下： 一、高中生在鷹架式建模學習前後，建模技能(modeling skill)的改變情形為何？ 二、高中生在鷹架式建模學習前後，概念理解的改變情形為何？ 1. 高斯擴散模式理解的改變情形為何？(個案研究一) 2. 複雜系統模式理解的改變情形為何？(個案研究二) 3. 大氣穩定度概念理解的改變情形為何？(個案研究一、二) 4. 應用空氣品質概念於建模技能的情形為何？(個案研究一、二) 三、兩種版本之鷹架式建模課程/環境的演進歷程為何？ 四、兩種版本之鷹架式建模課程施測中，焦點組建模學習的特徵分別為何？. 4 .
(16) 第三節研究的重要性. 本研究旨在探討空氣品質複雜系統的建模學習。影響空氣品質的變因很多， 主要包括排放源特性、溫度、穩定度、風向、風速、地形等，這些變因彼此相互 影響，而影響空氣污染物的擴散，例如：地形會影響風場，而改變污染物的擴散 方向。因此對空氣污染物擴散現象的解釋需從多變因的角度切入，才能有較完整 的理解(Jacobson & Wilensky, 2006; Kuhn, 2007)。換言之，空氣品質的學習需從複 雜系統的角度來設計課程，但目前對這部分的科學教育研究有限。以下歸納本研 究的重要性為以下幾點：. 一、建模技能 近年來，國內有關建模學習的研究主要聚焦在「心智模式」與「概念改變」 議題1，對於學生建模實務的研究較為不足。本研究檢視學習前後建模技能之改 變，並分析學生建模過程中參與科學實務的表現，故對高中生的建模實務有更深 入的瞭解，可作為發展建模學習課程與建模軟體等相關研究之參考。. 二、學習目標 過去幾年科學教育研究所發展的複雜學習活動之課程或學習環境的設計準 則，多以現場教學、學習理論，或比較性研究為基礎，較少考慮領域專家實務特 徵。本研究以專家生手在特定主題的建模實務特徵作為制定課程學習目標的參考， 較能發展出適合高中生建模學習的鷹架式建模課程與學習環境。. 1. 2012年7月以論文名稱為“建模教學”or“建模學習”的搜尋條件對全國碩博士論文資訊網之2007至. 2011年的論文作搜尋，可尋獲11篇，其中關鍵字包含“概念改變”or“心智模式(型) ”的有6篇。 5 .
(17) 三、學習鷹架 近年來關於建模學習環境之鷹架的研究多聚焦在單一鷹架的影響，例如：軟 體工具(Hogan & Thomas, 2001)，對協調整合學習環境中之不同鷹架以支援建模 學習的研究較少，本研究著重探討包含多種鷹架設計的建模課程對學生建模實務 的影響，期能對建模學習的鷹架設計有更為深入的瞭解。. 四、建模課程設計 許多鷹架學習的研究，強調鷹架的提供需反應個體ZPD，但對於如何設計適 合教室眾多不同ZPD學生的建模課程研究很少(Puntambekar & Kolodner, 2005)， 本研究嘗試以專家生手的建模研究為基礎，提出如何發展出適合教室眾多不同 ZPD之學生的鷹架式建模課程設計。. 6 .
(18) 第四節名詞釋義. 本研究的重要名詞與變項定義，分述如下： 一、複雜系統(complex system) 「系統」是由多種變因或元件(elements)所組合而成的集合體(entity)，這些 組成會影響系統的整體行為表現，當這些組成彼此存在交互關係，或具有複 雜因果階層特性時，此系統即屬於複雜系統(Assaraf & Orion, 2005; Jacobson, 2000)。 二、模式(model) 模式是自然系統或現象組成物件、變因、變因關係等的簡化表徵(Ingham & Gilbert, 1991)，例如：表徵變因連結關係的紙本模式、表徵變因因果關係的 電腦化模式。 三、建模(modeling) 建模定義為模式建構(creating)過程，包含辨識模式的組成變因、連結變因關 係、測試變因關係、以及應用模式(Fretz et al., 2002)。 四、建模實務(modeling practice) 與模式建構有關的科學實務，即所謂建模實務(modeling practice)(Fretz et al., 2002)，包含計畫建模、辨識變因與關係、設計研究、以及形成與應用結論/ 模式等四個建模階段(Hsu et al., 2007; Hsu et al., 2012; Wu, 2010)。 五、建模技能(modeling skill) 建模技能是指個體能運用適當之與建模活動有關的準則(principle)或策略 (strategy)，所謂準則(principle)是指類似「欲獲得結論，應如何進行某項工作」 的描述，而策略(strategy)是指「在某種情境條件下，應如何進行活動」的描 述(Salomon & Globerson, 1987)。本研究以Hsu et al. (2007)辨識出來的專家建 模實務特徵作為判斷標準。例如：專家在形成結論時，能綜合多個變因因果 7 .
(19) 關係作推論。 六、鷹架(scaffolds) 鷹架是指學習環境中包含教師、同儕以及學習工具(軟體工具、紙本教材以 及產物(artifact))等所提供之在個體ZPD範圍內的學習支持。 七、鷹架作用(scaffolding) 本研究鷹架作用是指提供學生在個人ZPD範圍內的學習支持，這些支持會隨 學習演進而調整與褪除(fading)，最後由學生獨立完成達個人ZPD上限之活 動任務。鷹架作用指的是整個學習支持運作與褪除的過程。 八、分散式鷹架(distributed scaffolding) 分散式鷹架為教師、同儕、學習單、和軟體工具等多種鷹架隨時間分散於學 習 歷 程 中 ， 以 提 供 學 生 學 習 支 持 的 鷹 架 設 計 (Puntambekar & Kolodner, 2005)。. 8 .
(20) 第五節研究範圍與限制. 本研究因人力與時間限制，兩個個案研究僅以不同年度台北市同所高中的高 一、二的學生為研究對象，個案研究一有33位學生而個案研究二有24位學生。針 對所選取的主題、研究對象和結果推論上，本研究有以下之限制：. 一、建模主題的限制 本鷹架式建模課程之建模主題為空氣污染的高斯擴散模式，乃是在電腦環境 中進行的建模活動，因此推論到其他學科或不同類型模式建構也有其侷限。. 二、研究對象(學生)的限制 本研究二次施測之研究對象來源或有不同，個案研究一與個案研究二分別在 96年與99年，台北市同所高中的高中生為研究對象，學生採自由報名數理探索課 程的方式決定，故兩個個案研究的研究對象，有較類似的背景與參與動機。由於 研究樣本與地區的限制，本研究結果不宜推論至所有的高中生，僅適用於其他與 本研究情境類似的學生作推論。此外，前導性研究以台北市某國立高中的一班選 修地球科學課的高中生為研究對象，與個案研究一不同，此為討論課程版本演進 之限制因素之一。. 三、研究對象(教學者)的限制 本研究二次課程施測由不同教師擔任教學者，個案研究一由各活動之課程設 計者擔任教學，亦即教師同時為課程設計者與教學者，因此在本次課程施測中， 教師對課程會有較完整的詮釋，對於建模課程的學習目標也較清楚；個案研究二 則由筆者進行全部課程的教學活動，為建模活動單元的設計者，同時也參與空污 概念活動之課程設計會議，因此對各活動之內容亦能有所掌握，此外因所有活動 9 .
(21) 皆由同位教師教學，因此對活動內容的銜接較容易掌握，此為二次施測，因教學 人員不同可能造成的研究誤差。除此，前導性研究之授課教師為研究對象的自然 科教師，對學生特性較為瞭解，此乃與個案研究一與二的不同處。. 四、研究結果詮釋的限制 本研究以情境學習為學習理論基礎，強調學習是學生主動參與建模實務的學 習，認為學習環境提供較多的建模實務機會可促進學生建模，並強調學生的參與 經驗是影響學習的主要因素，而未考慮認知學習論者所主張之個體先前概念與推 理技能會影響建模學習，此為分析資料與詮釋結果的限制。. 10 .
(22) 第二章文獻探討. 依據本研究之目的，本節首先回顧空氣污染的科學知識，確認其為複雜系統 的一種，因此從複雜系統理論切入，來論述何謂複雜系統、複雜系統的學習困難 以及如何促進學生理解複雜系統。其次，依據鷹架(scaffolds)相關文獻來回顧鷹 架定義、鷹架設計和鷹架作用等。最後，在第四與第五節探討建模學習的理論基 礎，包含模式與建模的意義與角色，以確立本研究對「建模學習」的基本主張， 作為後續詮釋學生建模過程的基礎。. 第一節 空氣品質與複雜系統. 「空氣品質」是本研究選取的課程主題，因為涉及污染源特性、氣象條件、 地形等多變因的影響，屬於複雜系統的一種，目前已有多種課程針對此主題而發 展(Wu, 2010; Yeung, Boyes, & Stanisstreet, 2004)。 「複雜系統」具有其獨特的主題 特性，例如：跨領域、多變因交互作用關係等，因而造成學習的困難。本節將探 討「空氣品質」學習的重要性、目前國內課程內容、教育研究，以及「複雜系統」 的重要性、意義、理解、促進學習等，以剖析課程主題的特性與學習困難所在。. 一、學習空氣品質的重要性 由於氣候變遷和世界人口不斷膨脹，出現層出不窮的環境污染問題，使得人 類需要對環境議題有更多的理解，而其中空氣品質問題因為與生活息息相關，又 涉及大氣環流將污染物散佈至各地，例如當一地發生嚴重空氣污染事件，可能因 風場或地形的效應，引起另一地的污染問題，尤其受到大家的關注。空氣品質議 題與學生的生活息息相關，因此，空氣品質一直是台灣地區環境教育的重要議題 之一(九年一貫課程綱要, 2003; 高中課程綱要,2008)。 11 .
(23) 本國國民教育九年一貫「自然與生活科技」課程綱要（教育部, 2003） 、普通 高級中學「基礎地球科學」 、 「地球科學」以及「基礎生物」的課程綱要，分別在 「環境污染與防治」 、 「人類與地球環境的互動」 、 「周遭的自然環境」 、 「生物科學 與環境」等主題，均明列與「空氣品質」有關的次主題，內容包含空氣污染成分、 空氣污染來源、空氣污染對生物的影響，但其中空氣污染來源的介紹，聚焦在人 類污染行為，缺少「空氣品質」這複雜系統各項組成元件交互關係的說明，例如： 氣象條件(例如：風速、風向、穩定度)如何影響空氣污染物的擴散等。 空氣品質的概念架構涉及多種領域知識，提供學生整合跨領域知識學習的機 會，例如：空氣污染物擴散受地形與風場的影響，學生必須整合化學、地理、氣 象學等領域知識，才能理解其複雜的因果機制，相對地，多種領域知識的整合對 中學生而言，也是極大挑戰(Assaraf & Orion, 2005)。此外，一般情況下，空氣無 色無味，難以直接由感官察覺，使得學生常因概念較抽象而不易理解(Hsu et al., 2012)。. 二、國內中學課程與空氣污染概念有關之教材內容 我國國民教育九年一貫「自然與生活科技」課程綱要(教育部, 2003)中，與 空氣污染有關的內容包含：空氣污染的意義、種類、來源，及其對生物影響與防 制等，且對於影響空氣污染分布的氣象因子也有所介紹，例如：風向與氣溫隨季 節變化等(表 2-1.1)。九年一貫課程強調學科領域的統整與概念的銜接（教育部, 2008）， 但關於如何關聯空氣污染之氣象因子與空氣污染物概念之明確討論較. 少。. 表 2-1.1. 九年一貫「自然領域課程」與空氣品質有關之內容. 課題. 主題. 次主題. 1 自然. 12 物 質. 120 物 質. 內容細目 2、3、4 分別表示國小三四年級、五六年級、國中 物質是由粒子所組成 12 . .
(24) 界的組 成與特 性 2 自然 界的作 用. 4 生活 與環境. 的 組 成 與特性. 的組成與 功用. 21 改變 與平衡. 211 天氣與 氣候變化. 43 環境 保護. 431 環 境 污染與防 治. 4a.知道物質是由粒子所組成。 4b.瞭解擴散現象是粒子由高濃度往低濃度運動的現象。 4c.瞭解物質變化的平衡現象是動態的。 陰、晴、冷、熱 1c.天氣現象有風、雲、雨等的變化。 風雲雨霧 3a.藉由氣溫、風向、風速、降雨等量化的方式，來描述天氣 的變化。 天氣圖 3c.認識天氣圖上高、低氣壓、鋒面、颱風等符號及其表現的 天氣現象。 天氣變化 4a.認識氣團(例如冷氣團與暖氣團的性質)及天氣變化。 4b.知道高、低氣壓空氣流動的情形與呈現的天氣現象。 4c.認識臺灣的天氣現象(例如鋒面、颱風、寒流、和梅雨等)。 4d.觀察冬季和夏季之風向、溫度、溼度的變化。 4e.瞭解季風對臺灣氣候的影響。 空氣污染與防治 2b.知道什麼是空氣污染。 3d.體察空氣受到污染會對生物產生的影響，並能知道空氣污 染防治的簡易方法。 4d.能夠蒐集資料歸納空氣污染的種類及污染來源，並比較防 治與改善方法。 廢棄物與資源回收 3e.知道垃圾處理不當是造成水、空氣污染的來源之一，進而 提出日常生活如何進行垃圾減量、物品重複使用、資源回 收的可行辦法並具體實踐。. 97 年頒佈之普通高級中學課程綱要(簡稱 97 課綱)，有別於九年一貫課程強 調空氣污染的基礎概念，更著重在空氣污染對人類與環境的影響，及人類如何因 應此變化上。在高三基礎地科課程綱要中，明列與空氣污染有關的課程目標有： 知道各種環境因素改變對人類生存的影響；由實例知道各種污染（水、空氣、酸 雨、土壤…）的嚴重性及人類的回應；察覺人類活動可能使地球環境的變化加劇。 其他與空氣污染有關的變因概念，例如：大氣溫度垂直分布、氣體擴散理論等， 分散在基礎地科與基礎化學課程中(表 2-1.2)。97 課綱中指出，「基礎地球科學」 和數學、物理、化學、生物、地理等學科關係較密切，課程設計重視科際間橫向 之聯繫，例如：在高中基礎化學(一)的物質變化主題，即強調應介紹大氣中主要 化學反應。 表 2-1.2 年級/科目. 97 年頒佈之普通高級中學課程綱要與空氣品質有關之內容 主題. 主要內容/. 預期學習成果、活動或說明. 內容細目 13 . .
(25) 高二必修. 三、動態的. 1.地球的結構. ․瞭解大氣層氣溫、氣壓的分布特性。. 「基礎地. 地球. 2.大氣與海洋的. ․了解高、低氣壓系統與風向、風速、大氣垂. 變動. 直運動的關係，及其與天氣變化的關係。. 球科學」. 2-1 大氣變化 八、地球環. 3.多變的天氣. ․知道大氣垂直運動與雲雨的關係。. 境的特徵. 3-2 大氣運動. ․知道海陸差異及地形變化對天氣的影響。. 高三選修. 二、人類與. 1.生物、人類與地. ․知道各種環境因素改變對人類生存的影響。. 「基礎地. 地球環境的. 球環境. ․由實例知道各種污染（水、空氣、酸雨、土. 球科學」. 互動. 1-2 人類活動與地. 壤…）的嚴重性及人類的回應。. 球環境的互動. ․察覺人類活動可能使地球環境的變化加劇。. 高三選修. 一、周遭的. 1.學校和社區周. 活動或議題舉例. 「地球科. 自然環境. 遭的自然環境. ․學校周遭自然環境的相關議題，例如：水災、. 學」. 空氣污染、酸雨。 ․社區周遭自然環境的相關議題，例如：水災、 空氣污染、酸雨。. 高級中學. 物質變化. 四、常見的. 說明. 基礎化學. 化學反. ․結合反應、沈澱反應. （一）. 應. ․分解反應 ․酸鹼中和反應 ․氧化還原的概念. 高中基礎 化學（三）. 物質狀態. 一、氣體. 說明. 1.氣體性質. ․大氣、氣體的通性 ․氣體粒子的運動與溫度 ․莫耳分率、道耳頓分壓定律. 國內各版本高中地科教科書，皆有介紹空氣污染，以國內翰林版本的高中地 球科學教材來看，與空氣污染有關的主題有大氣的起源、碳循環產生二氧化碳、 空氣污染對地球環境與人類生活的影響等，如表所列。而本研究課程設計主要聚 焦在氣象場、地形及空氣污染物的交互關係，有關的內容如表上的內容。但高中 地科教科書中，並沒有單獨介紹空氣污染的章節，而是將它分散在有關的主題內 容中，例如：在介紹全球暖化問題時，提到電力與燃料等能源的消耗，可能增加 溫室氣體二氧化碳的排放，而加速全球暖化。 在高中化學方面，有些版本教科書對空氣污染有詳盡的介紹。例如：南一版 14 .
(26) 以獨立章節介紹空氣的污染與防制，並多次在不同章節將概念介紹連結到空氣污 染主題，內容除了介紹二氧化硫、二氧化碳、甲烷、氮氧化物、懸浮微粒、氟氯 碳化物各種污染的特性、來源、影響，如何透過化學反應來降低污染，並提出各 污染物彼此的交互關係，例如：甲烷經化學反應產生臭氧。. 三、空氣品質的相關研究 至今已有許多研究探討中小學生的空氣品質概念(Boyes, Myers, Skamp, Stanisstreet, & Yeung, 2007; Skamp, Boyes, & Stanisstreet, 2004; Yeung et al., 2004)， 學者們發現包括澳洲、英國、香港三地中小學生的空氣品質概念知識層級相當， 僅有極少的概念想法或有不同，例如：多數英國與澳洲的中小學生認為花粉不是 污染物，而香港學生則認為花粉會引起花粉症或過敏，是空氣污染物的一種 (Boyes et al., 2007)。整體而言，這些地區的中小學生普遍存在一些共同的迷思概 念，以下分別就空氣組成、空氣污染物辨識、以及空氣污染成因作說明。一般而 言，所謂「空氣污染」乃是指空氣中某些組成物質不正常的增量，進而影響人類 或其他生物者，而空氣污染的成因可區分為人為因素與自然因素，前者例如工廠、 汽機車，後者例如風媒傳播的花粉、孢子等(林等, 1995)。 就空氣組成而言，多數學生對於乾淨空氣中是否含有二氧化硫、一氧化碳、 氟氯碳化物(CFCs)、氫氣及臭氧，存在迷失概念，例如：有些學生認為臭氧原本 就存在大氣中，二氧化碳是動物呼吸產物，二者不能算是空氣污染物(Boyes et al., 2007)。在空氣污染物辨識方面，只有少數學生存在「空氣污染物必有氣味、顏 色異常」的錯誤想法，多數學生能瞭解當空氣某成分過量時，可視為空氣污染 (Myers, Boyes, & Stanisstreet, 2004; Yeung et al., 2004)。關於空氣污染成因，學生 通常都只想到人為因素，卻忽略了自然環境條件(例如天氣及地形)的影響，Skamp et al. (2004)研究中學生對空氣污染源的理解，發現多數學生認為空氣污染與自然 因素無關，是人為引起的，例如動物可能造成空氣污染、植物(例如:花粉)不會影. 15 .
(27) 響空氣品質等，Myers et al. (2004)研究英國 11-16 歲中小學生，及 Yeung et al. (2004)研究近 1000 位 12 至 17 歲的香港中學生亦獲得一致的結論，並發現超過 一半以上的學生能瞭解化學反應可能是造成空氣污染的原因之一。 各年齡層學生對「空氣品質」所持有的概念或有差異，有時年長的學生仍存 在與低年級學生類似的概念，例如：在乾淨空氣中有臭氧，通常學生持有的污染 物種類概念會隨著學生的年齡而改變，例如：CFCs、氮氧化物、二氧化硫，但 某些迷思概念在年長學生中反而更普遍，例如：臭氧、甲烷、花粉(Yeung et al., 2004)。顯然隨認知學習的成長，多數迷思概念得以獲得澄清，但有些概念理解 卻可能因不當教學而讓學生產生迷思概念。因此「空氣品質」主題有關的學習， 例如：空氣污染，無法單由個體認知發展的角度作詮釋，有時因為社會文化的影 響會造成學生學習的差異，故社會文化可能是另一項影響「空氣品質」學習的重 要變因。 空氣品質現象是一種複雜系統，影響空氣污染物擴散的變因包含排放源特性、 氣象條件(溫度、穩定度、風場)、地形等變因，這些變因間存在複雜的交互關係， 例如：風速、溫度會影響大氣穩定度，需從多變因關係推理，才能對現象有完整 的解釋，此外必須從多層次的角度去理解(Jacobson & Wilensky, 2006)，從感官來 看，可觀察或感覺到的污染物從高濃度往低濃度移動的擴散現象，從微觀來看， 則可由粒子碰撞的理解來解釋。因此欲探討空氣品質的學習，需從如何學習複雜 系統的角度來看，但目前對這部分的研究則少有討論。. 四、複雜系統的重要性 「複雜系統」已被科學家廣泛用來解釋許多自然現象(Assaraf & Orion, 2005; Hmelo-Silver, Marathe, & Liu, 2007; Hogan & Thomas, 2001; Jacobson & Wilensky, 2006)，近年來關於複雜系統學習的研究很多(Buckley, 2000; Hogan & Thomas, 2001; Stratford et al., 1998; van Borkulo, van Joolingen, Savelsbergh, & de Jong, 16 .
(28) 2012; Verhoeff, Waarlo, & Boersma, 2008)， 「複雜系統」討論的議題涵蓋很廣，在 科學領域方面，包含：全球暖化(van Borkulo et al., 2012)、生態系統(Hogan & Thomas, 2001)、人體循環系統(Hmelo-Silver, Holton, & Kolodner, 2000; Liu & Hmelo-Silver, 2009)、基因學(Duncan & Reiser, 2005)等議題。 傳統上，學生在學習複雜系統時，經常只能間接由父母、同儕、教科書中獲 得知識，且這些系統概念經常以簡化、方便記憶的方式呈現(Buckley, 2000)。許 多研究顯示學生對複雜系統學習感到困難，原因一，來自於理解複雜系統時需要 整合跨領域的知識(Assaraf & Orion, 2005)，例如：空氣品質涵蓋了氣象學、地理 學、化學等領域。原因二，複雜系統行為是系統多層次或多變因組成之交互作用 影響的結果，與一般直覺上的線性因果推論方式相悖(Liu & Hmelo-Silver, 2009)， 例如：複雜自然現象背後經常涉及多個變因的影響，若僅以單一變因來推論，將 可能如瞎子摸象般，誤解現象的整體性，因此學生需能運用多變因關係來推理複 雜系統現象，才可能有較完整的理解(Kuhn, 2007)。原因三，有些系統組成或交 互關係無法視覺化，甚至具有時間序列的動態特性，難以由感官知覺來直接推論 (Hmelo-Silver et al., 2000)。 綜合上述，顯然複雜系統的理解涉及多個面向，包含辨識複雜系統中之變因 (系統組成)，變因間的關係(連結)，以及整合這些變因與關係來推理系統行為等 (Hogan & Thomas, 2001; Jacobson & Wilensky, 2006)。. 五、複雜系統的意義 「系統」是由多種變因或元件(elements)所組合而成的集合體(entity)，這些 組成會影響系統的整體行為表現，當這些組成彼此存在交互關係，或具有複雜因 果的特性時，此系統即屬於複雜系統(Assaraf & Orion, 2005; Jacobson, 2000)。換 言之，複雜系統的特性，可從兩個面向來探討，其一為「系統性」，所謂系統性， 乃指系統中各組成(變因)彼此交互影響，以整體型式展現系統行為即為系統的整. 17 .
(29) 體表現。通常無法只由個別系統組成(例如:變因、元件)預測而得知，需綜合多個 變因關係或系統組成的影響來討論系統行為。因此，系統外顯的行為是由組成間 交互關係所決定，並且超乎系統組成本身的特性。 其二是「複雜性」，「複雜」是無法精準量化的形容詞，有些現象難以被預 測，例如不具週期性天氣變化，預報時考慮的變因很多，包括：大氣熱力場與動 力場的分布，相較於可被預測的現象(例如：具週期性的潮汐變化)顯得較為複雜。 因此，當一個現象由多個元件(elements)組成，且彼此存在連結關係，則可謂「複 雜」，例如：空氣污染現象由多種存在交互關係的氣象變因所影響。 多位學者指出複雜系統的組成具多重尺度、多層次等特性(Buckley, 2000; Hmelo-Silver & Azevedo, 2006)。所謂多重尺度是指，「系統現象」可由不同的空 間尺度來檢視，例如：生物循環系統，涵蓋的尺度範圍很廣，從小到超過人類視 覺能力範圍，需用顯微鏡才能看見的細胞尺度，大到生物器官的巨尺度。所謂多 層次是指系統由多種具有從屬因果關係的物件組成，較低層次物件交互作用成另 一較高層次的物件(Wilensky & Resnick, 1999)，例如：生物體的呼吸系統，包含 多種器官，器官由不同組織構成，組織由多種不同功能的細胞組成等。 組成元件或變因的連結關係也常存在多樣性，包含因果關係、加成關係 (additive)、交互關係等。所謂交互關係是指變因彼此會互相影響，進而間接影響 系統的整體表現，例如：懸浮微粒會影響地球反射、雲的形成、降雨以及日照輻 射的強度，並透過這些變因的個別效應，及彼此的交互作用造成降溫效應，而影 響大氣穩定度或風場，以致改變空氣品質。換言之，當兩個變因獨立，彼此不相 互影響，即使一變因改變條件設定，另一變因的影響效應，不因其改變而有所不 同，則為線性獨立，反之，假設兩個變因存在交互作用，則當一變因條件改變， 另一變因條件也隨之改變，所觀察到的現象也為兩個變因綜合的結果，無法單獨 檢視個別變因的效應，而不去考慮彼此的關係。. 18 .
(30) 六、複雜系統的理解 科學家通常應用多種變因的交互關係來推論系統行為，是因為複雜系統行為 無法由單一變因關係或元件來決定，也不能完全用化約、線性的角度來解釋與預 測(Jacobson, 2000)。科學家也從多層次的角度來解釋與理解複雜系統，例如：空 氣污染現象，從可觀察到的層次來檢視，是氣體擴散會從高濃度往低濃度擴散， 從粒子觀點來看，則是氣體粒子藉由碰撞來移動。因此，學生須透過參與擬真科 學實務來進行(Lee & Sogner, 2003)，尤其複雜系統的學習讓學生從多層次角度， 應用科學概念與多變因關係去推論與解釋系統行為，經由主動建構變因關係、測 試與修正變因關係，及應用多個變因關係作推理，有助於學生學習深入理解複雜 系統(Penner, 2000)。 複雜系統都建立在為數不少且層次複雜的組成元素(變因)之上，這些元素(變 因)有些是具體的實物，有些是抽象科學概念，有些存在於巨觀層級(macro level)， 有些是無法用肉眼或工具看見的微觀層次(micro level) (Hmelo-Silver & Azevedo, 2006)。所謂「系統概念性理解(conceptual understanding of system)」，就是在運 用系統知識時，能夠去區別與涵蓋上述特性，例如：系統的微觀層次的組成如何 影響到巨觀層次的運作；或那些真實實體如何從科學概念去理解。此外，複雜系 統涉及多種領域知識(Hmelo-Silver et al., 2007)，例如：空氣污染涵蓋多種研究領 域與專業知識，包含熱力學、化學、氣象學等，Chi, Glaser, and Farr (1988)指出 科學領域專家與生手表現的差異，來自於他們組織與使用知識的方法不同，因此 複雜系統的深入理解，需能應用完整的知識結構來解釋與推理系統行為。 據此，「複雜系統」的理解基本上可分為兩層，一是對「複雜系統知識結構」 的理解，另外則是建構複雜系統模所涉及的科學實務之理解。所以，在檢驗所謂 學生對「複雜系統」的理解情形，大致可以從以下幾點來反思：當學生在闡明系 統現象時，是否能考慮全方面的系統組成元素(變因)？是否充分掌握這些元素(變. 19 .
(31) 因)彼此的關係？是否能運用多變因關係，明確解釋與推論系統運作？是否能參 與類似科學家的建構系統模式之科學實務？. 七、促進複雜系統的理解 目前關於如何促進「複雜系統理解」的研究很多，主要可分為兩類：聚焦於 學習工具的設計以及探討學習活動的設計。 首先，關於學習工具的設計方面，許多科學教育學者建議，利用「表徵」來 克服複雜系統學習的困難，因為藉由它可將看不見的系統組成或抽象的交互關係 具體化(Buckley, 2000; Liu & Hmelo-Silver, 2009)。科學家經常利用概念模式來解 釋現象(Duncan & Reiser, 2005)，在教學上，也經常運用概念模式來促進複雜系 統的理解。但同一概念模式，專家與生手的詮釋有很大差異，專家可能很容易看 出模式所表徵的系統行為及其背後的機制過程，而生手則有困難(Buckley, 2000)， 此外，概念模式或表徵有多種型態，導致學生對其對應的複雜系統產生不同的理 解(Liu & Hmelo-Silver, 2009)。 如何設計適當的概念模式或表徵以協助學生學習複雜系統，成為近年來科學 教育學者關注焦點(Buckley, 2000; Liu & Hmelo-Silver, 2009)。Buckley (2000)運用 「互動式多媒體(interactive multimedia)」，有組織地呈現多種概念表徵的連結， 讓學生從探索表徵意義過程中，不斷反覆地建構、測試、修正以及精緻心智模式， 進行所謂建模學習(model-based learning)。在此處「表徵」，可視為個體心智模 式的外部表達(external expression)，學生藉由此類表徵，可將個體內在想法具體 化，以作為溝通、協商、推理以及解決問題的媒介，同時研究者也可藉由分析個 體使用這些表徵的方式，瞭解他們內在心智模式的建構過程。 藉由「科學家的複雜系統知識架構或模式」，可引導學生看見複雜現象背後 的 通 則 。 Liu. and. Hmelo-Silver. (2009) 運 用 結 構 - 行 為 - 功 能. (Structure-behavior-function，簡稱 SBF)架構來表徵複雜系統的交互關係，讓學生. 20 .
(32) 從不同型態的概念表徵，來學習複雜系統行為。結果發現，當以系統「結構組成」 為概念表徵的中心，易使複雜系統學習成為片段知識的記憶，若以「功能」為中 心，可展現複雜系統的多層次結構與動態特性，從而凸顯系統組成彼此的因果關 係，有助學生發展出類似專家的知識結構。Penner, Giles, Lehrer, and Schauble (1997)也指出強調系統外觀的模式，容易讓人忽略功能運作的問題，而強調系統 功能的模式建構，則能促進學生思考模式運作機制。 有些學者則建議，使用電腦模擬軟體來建構動態系統模式，促進複雜系統行 為的理解(Hogan & Thomas, 2001; van Borkulo et al., 2012)。Hogan and Thomas (2001)參考生態學家研究複雜系統的科學方法，指出以「動態電腦模式」呈現多 個變因的交互作用結果，讓學生藉以測試假設或概念，有助於澄清複雜的多變因 (元件)關係，及系統運作的動態過程。此外，以動態電腦模式為學習工具，可提 供參與多種擬真科學實務的機會，例如：觀察、探索(exploration)、綜合(synthesis) 以及預測(Hogan & Thomas, 2001)，以及透過變因的控制與操弄來驗證多變因關 係，進行多變因推理(Kuhn, 2007)，進而從中發展出類似專家的科學技能。 此外，電腦輔助建模學習讓不同背景的學生獲得不同程度的學習支持，例如： 具備不同知識結構與建模技能類型的學生，都可以在電腦輔助建模學習環境中， 建構屬於個人的學習經驗。Stratford et al. (1998)發現所有學生都會在建模過程中， 多少均能展現出包含：分析、關係推理、綜合、測試、以及偵錯等五種建模認知 技能。 在活動設計方面，以複雜系統為主的建模活動，能使學生對複雜系統的行為 有較深入的理解(Duncan & Reiser, 2005)。許多學者建議透過讓學生建構「複雜 系統模式」或設計「人造物(artifact)」，來提供學生探索複雜系統運作的機會。 Hmelo-Silver et al. (2000)研究指出，結合「人造物設計活動」與「建模(modeling) 活動」，可協助學生澄清複雜系統組成(變因)間關係的理解。因為設計具象的人 造物，能誘發學生在動手做出模型時，經由討論釐清模型的組成元素，以及組成. 21 .
(33) 元素之間的關係，可以促進經驗分享。此外，學生也可能因為完成某種設計功能 或解釋模型的意義的需要，而投入建構、應用以及評估模型的活動，進行模型所 涉及的變因或關係的描述、預測、解釋，從而考慮模型組成的功能與因果關係。 有些學者參考科學家理解複雜系統的方式，提出必須讓學生透過分析系統與建構 動態模型以促進對複雜系統的理解。因為學生在建構動態模型過程中，學生不僅 考慮系統組成與變因關係，亦考慮系統隨時間的變化，因此有助學生澄清複雜系 統內各組成間的交互關係，進而能夠理解複雜系統所伴隨的現象(Buckley, 2000; Hogan & Thomas, 2001)。 綜合以上討論可知，複雜系統的理解需要學生主動參與建立模型的學習活動， 不是被動吸收知識，而在建立模型的過程中建構模式表徵和應用模式進行推理是 重要的關鍵。在模式表徵上，釐清表徵系統的組成只是第一步，如何表徵影響系 統行為之變因關係，才是重點，以「系統功能(function)」為主軸的表徵(Liu & Hmelo-Silver, 2009)，能引導學生探索現象機制，跳脫系統組成名詞的記憶。所 以，建構動態模式的學習歷程讓學生澄清複雜變因關係，以及理解複雜系統所伴 隨的現象，而能經歷類似專家的科學實務經驗，以獲得科學建模的能力。. 22 .
(34) 第二節 鷹架的理論基礎. 本研究欲探討鷹架式建模學習環境對學生建模實務的影響。因此以下將探討 鷹架(scaffolds)有關的研究，作為本研究課程鷹架設計對建模學習影響的理論基 礎。. 一、鷹架的教育觀點 從教育的觀點來看，早期文獻認為鷹架作用(scaffolding)是一種關於協助學 習的隱喻(metaphor)，缺乏理論依據(Stone, 1998)，Cazden (1979)最早從Vygotsky 的「近側發展區」(ZPD)理論探討「鷹架」議題，至此鷹架概念成為具理論基礎 的隱喻，無法只從單一面向就能對其有完整的瞭解，因此本節將先從心理學的角 度探討鷹架的理論基礎並歸納出鷹架的基本特性。 鷹架於1976年由心裡學者Wood等人所提出，是描述孩童或生手藉由成人或 較有知識的同儕適當支持而達成個體獨立無法完成的任務或目標之過程(Wood, Bruner, & Ross, 1976)。根據上述描述顯示鷹架學習過程包含「學習具發展性」與 「社會互動(social interaction)」兩個層面。Vygotsky從社會文化的觀點來探討上 述兩層面的議題，亦即強調社會互動、語言以及文化對個體概念與語言學習的影 響，主張人類以語言、文化符號為工具，透過社會互動，將他人認知表現，逐漸 內化為個體認知而發展出更高層次的心智功能，換言之，Vygotsky認為知識是賦 予個人經驗建構下的產物，而學習是一種意義協商的過程。 Vygotsky則將社會互動視為促進學生認知發展的動力，他更進一步提出「近 側發展區」(zone of proximal development，簡稱ZPD)的概念來說明促進學習的方 法(Vygotsky, 1978)，他將近側發展區定義為： 「個體獨立解決問題的發展層次， 與透過他人或工具互動支持所形成之潛在發展層次，兩層次的距離即是近側發展 區」，認為學童在學習過程中，藉由大人或能力較高的同儕協助，將可啟發學習 23 .
(35) 潛能，達到較高的學習表現，此個體獨立解決問題的表現層次(level)，與透過他 人協助後所能達成的表現層次，兩者的差距便是「近側發展區」。 綜合而言，Vygotsky強調藉由社會互動能協助學習，其中ZPD的概念更具體 描述此互動的運作方式與影響程度：透過他人的適當且暫時性的學習支持，個體 學習時能發揮最大潛能並達到個體ZPD潛在表現的最高層次，即獲得最大的認知 發展，此論點成為後來鷹架隱喻發展的重要理論基礎，許多學者延伸ZPD概念， 賦予Wood等人所提出的鷹架更深入的詮釋(Cazden, 1988; Palincsar, 1998; Stone, 1998)。. 二、鷹架的意義與特性 從 字 義 上 來 看 ，「 鷹 架 」 (scaffolds) 表 示 暫 時 的 支 持 結 構 (temporal framework)(Lajoie, 2005)，一般用於描述興建建築物所需的支撐架，就教育觀點 而言，鷹架(scaffolds)是根據學生的學習需求，學習環境提供來協助學習的暫時 支持。而Wood等人首先以「鷹架作用」(scaffolding)描述這些暫時性結構物在教 育學習上的運作過程(Wood et al., 1976)。因此在教育上，鷹架(scaffolds)是協助學 習的暫時體(temporary entity)或學習支持，鷹架作用(scaffolding)是指這些學習支 持的運作過程。 早期大部分的鷹架研究侷限在個體一對一的互動，包括成人對孩童，或同儕 之間較具知識的學生對生手學生，這些提供學習支持的暫時體(temporal entity)多 來自於「人」，成人或較有知識學生透過對話互動，隨時掌握生手學生的需求， 以即時提供適當支持或移除多餘支持，因此「人」所提供的學習支持乃根基於接 受協助者的ZPD，可視學習需求而調整(adaptive)與褪除(fading)。但，一般學校 教室的學生人數往往多達數十人，每位學生的ZPD皆不同，所需要的學習支持也 不同(Stone, 1998)，教師如何根據教室裡每位學生的ZPD，即時有效地診斷出學 習支持需求，成了在教室進行鷹架學習的挑戰(Cazden, 1988)。. 24 .
(36) 教室內眾多的學生，雖因擁有不同ZPD而增加鷹架提供的困難，但一方面， 卻也成為提供多元想法與知識的資源(source)之一(Palincsar, 1998)。除此，學習工 具，像是電腦模擬軟體與學習單設計等，雖無法像早期鷹架研究所強調的大人小孩或同儕間，透過互動對話，隨時診斷彼此學習狀況，適時提供適當鷹架，但 當設計工具的人員或教學者，能根據工具使用者的ZPD，有目標地設計或運用這 些軟體或教材，則這些資源亦可具備鷹架功能(Fretz et al., 2002)。此外鷹架概念 不限於人，包括學習所使用的人造物(artifact)或情境脈絡(contexts)等，也蘊含「鷹 架的特性，可視另一種鷹架隱喻(Palincsar, 1998)，即「分散式認知(distributed congnition)」的概念，換言之，教材工具雖無法隨時像人一般診斷學習需求，但 它所提供符合多數學生ZPD的支持，也具有鷹架的特性。綜合以上討論，顯然目 前對鷹架的定義較過去更寬廣，包括：人際的社會互動，學習環境的人造物 (artifact)、情境脈絡、工具軟體、同儕等都能成為鷹架的來源，此乃所謂「分散 式鷹架(distributed scaffolding)」的概念(Puntambekar & Kolodner, 2005)。本研究 根據此概念，將藉由學習環境的組成，包括：教師、同儕、紙本教材、軟體、情 境脈絡等鷹架資源，來提供學習支持的鷹架設計定義為「分散式鷹架(distributed scaffolding)」。 一些研究提出「多重鷹架(multiple scaffolding)」的概念，即所謂一種鷹架具 備多種鷹架功能/角色(roles)，例如：Model-It軟體的過程圖(process map)，可協助 學生瞭解學習活動之組成，同時可協助學生監控活動的進度(Fretz et al., 2002)， 此概念與分散式鷹架的意義不同，前者是學習環境包括：學生、教師、學習工具 等學習支持之鷹架設計，能整合協調以支援學習，而後者則是一項鷹架具有不同 支持功能。 有些學習輔助物是活動認知工具，不會隨時間褪除，學者們稱這類輔助物為 支持(support)(Fretz et al., 2002)、分散式智慧(distributed intelligence)(Pea, 2004)、 或文化工具(cultural tool)(Tabak, 2004)。Fretz et al. (2002)比較鷹架 (scaffolds) 與. 25 .
(37) 支持(support) 的差異，指出鷹架是在某種教學脈絡下，根據學生的需求，有目 的提供的支持，這些支持會隨時間而逐漸退去；而「學習支持」則是使某項工作 任務順利進行的工具或特性，例如：試算表的計算功能，生手使用者並不會因成 為專家，而不去使用。Pea (2004)認為個體智慧除了存在人類心智中，也分散在 周遭人、人造物(artifact)，乃至於情境脈絡中，這些智慧即所謂「分散式智慧」， 可概括區分為「社會」與「物質」兩類，前者可能來自父母或同儕，後者則像是 完成某項任務所使用的工具。Tabak (2004)以「乘法計算」為例，說明文化工具 與鷹架的差異，他指出一般乘法運算時所使用的垂直行列表徵是文化工具，為專 家或生手進行乘法運算時經常會使用到，而一些運算輔助物，像是符號試算表， 生手可藉由它來支援學習如何使用文化工具，待熟悉後便不再使用，這些人造物 即屬於鷹架。 以下將根據鷹架原始定義，進一步比較「傳統鷹架」(Wood et al., 1976)(Wood, et al., 1976)和「廣義鷹架-分散式鷹架」(Puntambekar & Kolodner, 2005)兩種觀點 的差異 (修改自Puntambekar & Kolodner, 2005 p.7)。. 表2-2.1 傳統鷹架與廣義鷹架對於鷹架觀點之比較 鷹架特性 分享式理解. 傳統鷹架的觀點 ‧ 成人或專家建立一般目標的分 ‧ 享式理解並提供學習動機 ‧ 較有知識的成人，例如專家或 ‧ 家庭教師 ‧ 單一個體所提供之多種支持 ‧. 廣義鷹架的觀點 真實任務工作蘊含於學習環境，提供分 享式理解 鷹架 工具(例如：軟體工具、紙本教材、產 物(artifact)等)、教師、同儕 分散式專長，學習所需要的支持可能來 自較有知識的成人或同儕 持續性診斷與切 ‧ 對個體學習持續性的診斷以提 ‧ 被動式支持—軟體或同儕未必對學生 合需求的鷹架 供動態性鷹架 進行持續性診斷，以決定學習支持的供 ‧ 調整式鷹架—依據學生需求的 給 改變而調整學習支持 ‧ 概括式鷹架(blanket scaffolding)—對所 有學生皆提供相同的學習支持(特別是 ‧ 鷹架需求的診斷過程主要發生 工具所提供的支持) 於學習活動中 ‧ 除了課程活動中來自教師或同儕等的 及時診斷外，由課程或工具設計者，於 課程實施前，先根據過去研究與對學生 能力的瞭解決定鷹架設計. 26 .
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