探討日本與台灣學生之模型本質認識 －以東京與台北地區為例
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(2) 致. 謝. 本論文能夠順利完成，首先要先感謝我的指導教授－－邱美虹教授。她在 我於迷惘於研究主題之時，指引了我一條結合第二興趣與研究主題的道路，在 我漫長的研究生活中，邱老師不僅提供我許多建議，也常常跟我針對研究主題 進行討論，不斷的鼓勵、指引我，讓我在焚膏繼晷的進行研究的過程中，湧現 出動力與信心，最後得以克服困難，一步一步地完成我的碩士論文，我對於邱 美虹老師能夠擔任我的指導教授一事感到非常的幸運，在此獻上我對於教授最 誠摯的感謝，也再次感謝老師對我的指導與照顧。 在我於東京學藝大學交換期間，我的研究同時也受到鎌田正裕教授的指導 與幫助，他細心地對異國人的我進行日本方面研究問卷的調整與翻譯，幫我聯 繫問卷與訪談的學校，同時也帶我前往日本方面的研究聚會，增進了我對於研 究方面的知識與層次。同時在日本的同學們，千葉跟柳瀨幫我進行日文版問卷 的檢查、進行訪談的測試，同時還帶我走訪各個訪談學校，如果少了他們的幫 助，日本方面的研究必定寸步難行，而岡田老師則在我進行國中生訪談時，提 供了各種幫助，使得國中生對於模型的訪談，能夠順利地進行，而宮內老師則 提供我發放給予日本國中的問卷協助。身為只停留半年的交換學生，他們卻毫 不在意，不吝惜地提供我各種協助，讓我感到，人與人的熱心，是不會因為國 籍或時間而有所不同的。同時我也期許，這份橫跨了日本台灣兩國的研究，能 夠對兩國於模型上的發展有所貢獻。 在台灣除了教授之外，也有許許多多的人們為了我的研究付出心力。吳柏 萱老師為我安排高中問卷調查的進行，林暐哲老師讓我進行國中的訪談與問卷 調查。而同時擁有國文與日文專長的學弟陳泰瑀，則擔任了協助我翻譯校對日 文問卷訪談的資料，同時進行彙整調查。而曾茂仁學長與鍾曉蘭學姊則對我的 論文提出各種建議，讓我得以參考先賢的結晶，使我得以完成論文。我再次感 謝這些在台灣的朋友們，從最初到最後，都以真摯的友情，陪伴著我直到這份 研究論文的完成。 最後，我要感謝台灣師範大學，提供我出國交換的機會，若無此機緣，我 不知道何時才能完成我在日本方面的研究，同時也感謝我的父母，讓我在發現 資料不足之時，資助我再次前往日本，使的論文缺少的部分最終得以完美。受 到了師長、口試委員們的指導、父母的扶持、朋友的幫助，我的論文才得以完 成。感謝在這一路上幫助我的眾多人們，在此致上萬分的感謝。. II.
(3) 摘. 要. 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現其理論，或產生新的科學理論。 隨著全球化的研究盛行，城鄉差異、國際差異的研究亦受到重視。為了解 我國學生與日本學生對模型本質的認識有何差異，本研究以邱美虹(2015)國科 會計畫的模型本質認識問卷為基礎，修改並且翻譯成日文。經一位日本科學教 育背景的教授與 7 名日本研究生，確認翻譯內容與原文無誤。對台灣台北地 區，以及日本東京地區國中、高中、大學生為研究對象，進行模型本質認識之 調查。研究對象分別為東京地區某公立中學，學生 158 名、理科高中生 83 名； 大學，理科 61 名、文科 61 名。台灣台北地區某公立中學，八年級學生 162 名；高三文科學生 120 名、理科學生 96 名；大學，理科大學生 72 名。訪談對 象從問卷對象中隨機抽取，日本中學生 15 名、台灣國中生 15 名。 結果顯示： 1. 我國課程綱要在國小、國中階段，對模型的敘述明顯少於日本。此點在訪 談、問卷等各項上均能看出台灣的國中生對模型的掌握與了解較日本中學生 少。我國課程綱要在高中階段大幅提升本體論相關的模型敘述，使得台灣 450 名受試者中有 332 人達「層次 3-1」以上，73.8%；日本 363 名受試者中 269 人達「層次 3-1」以上，74.1%。高層次者比率無明顯差異。 2. 學習日語時「モデル」（模型）原本包含的數項意思中，「塑膠、實體模型」 的概念轉由「模型」(もけい)一詞取而代之。這樣的轉變，似乎間接幫助了 「モデル」一詞的重新思考。當然，日本中學校學習指導要領亦同時提及了 不少「モデル」。對協助學生修正、擴充新的概念有相當程度的幫助。. 關鍵字：模型本質認識 III.
(4) Abstract We can see from the history of science, scientists often by creating a model to explain the scientific theory; and to assist in the model to verify current theoretical reasoning, or to produce new scientific theory. With the popularity of Globalization, urban-rural differences, the study of international differences also attention. To understand the differences betweenTaiwanese students and Japanese students’s understanding of the nature of the model, this Study use Mei-Hung Chiu(2015)NSC’s the nature of the model questionnaire, modified and translated into Japanese. By a Japanese professor of science education in Japan and seven graduate students, and to confirm the contents of the original translation is correct. The participant of this study included Tokyo area in a public school, 158 students, 83 high school students in science; University of Science 61, Arts 61. Taipei, Taiwan area at a public middle school, 8 grade students 162; 12 grade liberal arts students 120, science students 96; University of Science Students 72. Interviewees randomly selected objects from the questionnaire, 15 junior high school students in Japan, and 15 junior high school students in Taiwan. The results show that Taiwan syllabus at the primary, secondary stage, the model described significantly less than Japan. This point can be seen in the interviews and questionnaires that Taiwanese junior high school students’s understanding of the model is less than Japanese junior high school students. Taiwan syllabus increase ontological related statement of model in high school, so that Taiwan 450 students in 332 levels of 3-1 or more, 73.8%; Japan 363 students in 269 levels of 3-1 more than 74.1%. High levels were not significantly different rate. Learning Japanese, usually use “モデル” to show the concept of Plastic model or Solid model in the beginning. After learning more Japanese, “模型(もけい)” will IV.
(5) replace to show the concept of Plastic model or Solid model. This change can help Japanese students' concept about “モデル” have new understanding . Japan syllabus have a lot of the description of “モデル”, that also help student build up new concept. Keyword: model, understanding of the Natural of Model. V.
(6) 目 錄. 第壹章. 緒論................................................................................................................ 1. 第一節 研究背景................................................................................................ 2 第二節 研究動機................................................................................................ 5 第三節 研究目的與問題.................................................................................... 7 第四節 名詞解釋................................................................................................ 9 第五節 研究範圍與限制.................................................................................... 9 第貳章. 文獻探討...................................................................................................... 11. 第一節 模型本質.............................................................................................. 11 第二節 我國教科書與模型.............................................................................. 20 第三節 我國課程綱要與模型.......................................................................... 21 第四節 日本學習指導要領與模型.................................................................. 23 第五節 文獻對本研究的啟示.......................................................................... 25 第參章. 研究方法...................................................................................................... 27. 第一節 研究設計.............................................................................................. 27 第二節 研究對象.............................................................................................. 28 第三節 研究工具.............................................................................................. 28 第四節 研究流程.............................................................................................. 34 第五節 數據分析.............................................................................................. 35 第肆章. 研究結果...................................................................................................... 37. 第一節 台灣學生對模型本質之認識.............................................................. 37 第二節 日本學生對模型本質之認識.............................................................. 90 第三節 台灣與日本學生模型本質認識之比較............................................ 138 第四節 台灣與日本在課程綱要上提及模型之差異.................................... 164 第伍章. 討論與結論................................................................................................ 195 I.
(7) 第一節 討論與結論........................................................................................ 195 第二節 反思與建議........................................................................................ 208 參考文獻.................................................................................................................... 214 一、中文部分.................................................................................................... 214 二、日文部分.................................................................................................... 215 三、英文部分.................................................................................................... 215 附錄............................................................................................................................ 219 第一節 我國課程綱要與模型........................................................................ 219 第二節 日本學習指導要領與模型................................................................ 225 三、模型本質問卷............................................................................................ 240. II.
(8) 表 次 表 2.1.1.1 模型定義彙整（引用修改自劉俊庚） ................................... 12 表 2.2.1 良好之模型特徵（Mayer，1989）修改引自劉俊庚(2011) ..... 20 表 2.3.1 我國國中科學課程發展六階段（彙整自 邱美虹，2000） ..... 21 表 3.3.1.1 三面向理論與模型本質問卷題號對照表. 本體論、認識論、. 方法論彙整自劉俊庚(2011)。建模歷程彙整自張志康、邱美虹 (2009)；劉俊庚、邱美虹(2010)。..................................................... 31 表 3.3.3.1 課綱分析編碼表 ........................................................................ 33 表 4.2.1.1.1 中學、高校、文科大學生、理科大學生 問題 5 百分比表39 表 4.2.1.1.2 定義分數*年級 交叉列表 ..................................................... 40 表 4.2.1.3 問題一因素分析結果 旋轉元件矩陣 a .................................... 44 表 4.2.1.3.1. 1-B *台灣學生認為 1-B 選項上是否為模型的人數比率分. 布情形.................................................................................................. 45 表 4.2.1.3.2 1-B 台灣學生差異狀況圖 .................................................... 46 表 4.2.1.3.3. 1-C*台灣學生認為 1-C 選項上是否為模型的人數比率分布. 情形...................................................................................................... 46 表 4.2.1.3.4 1-C 台灣學生差異狀況圖 .................................................... 47 表 4.2.1.3.5. 1-G*台灣學生認為 1-G 選項上是否為模型的人數比率分. 布情形.................................................................................................. 47 表 4.2.1.3.6 1-G 台灣學生差異狀況圖.................................................... 48 表 4.2.1.4.1. 4-A *台灣學生認為模型是否具備 4-A 選項功能的人數比. 率分布情形.......................................................................................... 50 表 4.2.1.4.2 4-A 台灣學生差異狀況圖 .................................................... 51 表 4.2.1.4.3. 4-B *台灣學生認為模型是否具備 4-B 選項功能的人數比. 率分布情形.......................................................................................... 51 III.
(9) 表 4.2.1.4.4 4-B 台灣學生差異狀況圖 .................................................... 52 表 4.2.1.4.5. 4-C *台灣學生認為模型是否具備 4-C 選項功能的人數比. 率分布情形.......................................................................................... 52 表 4.2.1.4.6 4-C 台灣學生差異狀況圖 ....................................................... 53 表 4.2.1.4.7 4-D *台灣學生認為模型是否具備 4-D 選項功能的人數比率 分布情形.............................................................................................. 53 表 4.2.1.4.8 4-D 台灣學生差異狀況圖 .................................................... 54 表 4.2.1.4.9 4-E *台灣學生認為模型是否具備 4-E 選項功能的人數比率 分布情形.............................................................................................. 54 表 4.2.1.4.10 4-E 台灣學生差異狀況圖 .................................................. 55 表 4.2.1.4.11. 4-F *台灣學生認為模型是否具備 4-F 選項功能的人數比. 率分布情形.......................................................................................... 55 表 4.2.1.4.12. 4-G *台灣學生認為模型是否具備 4-G 選項功能的人數比. 率分布情形.......................................................................................... 56 表 4.2.1.4.13 4-G 台灣學生差異狀況圖.................................................. 56 表 4.2.1.4.14. 4-H *台灣學生認為模型是否具備 4-H 選項功能的人數比. 率分布情形.......................................................................................... 57 表 4.2.1.4.15 對問題四進行因素分析結果. 旋轉元件矩陣 a ............ 57. 表 4.2.1.5.1 選擇人數換算百分比 ............................................................. 59 表 4.2.1.5.2. 4-A *台灣學生按定義分數對 4-A 選項功能的人數比率分. 布情形.................................................................................................. 60 表 4.2.1.5.3. 4-B *台灣學生按定義分數對 4-B 選項功能的人數比率分. 布情形.................................................................................................. 61 表 4.2.1.5.4. 4-C *台灣學生按定義分數對 4-C 選項功能的人數比率分. 布情形.................................................................................................. 61 IV.
(10) 表 4.2.1.5.5. 4-D *台灣學生按定義分數對 4-D 選項功能的人數比率分. 布情形.................................................................................................. 62 表 4.2.1.5.6. 4-E *台灣學生按定義分數對 4-E 選項功能的人數比率分. 布情形.................................................................................................. 62 表 4.2.1.5.7. 4-F *台灣學生按定義分數對 4-F 選項功能的人數比率分布. 情形...................................................................................................... 63 表 4.2.1.5.8. 4-G *台灣學生按定義分數對 4-G 選項功能的人數比率分. 布情形.................................................................................................. 63 表 4.2.1.5.9. 4-H *台灣學生按定義分數對 4-H 選項功能的人數比率分. 布情形.................................................................................................. 64 表 4.2.2.1.1 台灣訪談統計表 ..................................................................... 66 表 4.3.1.1.1~2 日本國中高中大學問題 5 人數百分比 ............................. 92 表 4.3.1.1.3 定義分數*組別 交叉列表 .................................................. 93 表 4.3.1.1.4 定義分數 3 分布情形 ............................................................. 94 表 4.3.1.3.1 問題進行因素分析結果 旋轉元件矩陣 a........................... 99 表 4.3.1.3.2. 1-B *日本學生認為 1-B 選項上是否為模型的人數比率分. 布情形................................................................................................ 100 表 4.3.1.3.3 1-B 日本學生差異狀況圖 .................................................. 100 表 4.3.1.3.4. 1-C *日本學生認為 1-C 選項上是否為模型的人數比率分. 布情形................................................................................................ 101 表 4.3.1.3.5. 1-G * 日本學生認為 1-G 選項上是否為模型的人數比率分. 布情形................................................................................................ 101 表 4.3.1.3.6. 1-A *日本學生認為 1-A 選項上是否為模型的人數比率分. 布情形................................................................................................ 102 表 4.3.1.3.7 1-A 差異狀況圖 .................................................................. 102 V.
(11) 表 4.3.1.4.1 問題四的回答情形進行因素分析結果 旋轉元件矩陣 a . 105 表 4.3.1.5.1 第四問人數百分比 ............................................................... 106 表 4.3.1.5.1. 4-A *日本學生按定義分數對 4-A 選項功能的人數比率分. 布情形................................................................................................ 108 表 4.3.1.5.2. 4-B *日本學生按定義分數對 4-B 選項功能的人數比率分. 布情形................................................................................................ 108 表 4.3.1.5.3. 4-C *日本學生按定義分數對 4-C 選項功能的人數比率分. 布情形................................................................................................ 109 表 4.3.1.5.4. 4-D *日本學生按定義分數對 4-D 選項功能的人數比率分. 布情形................................................................................................ 110 表 4.3.1.5.5. 4-E *日本學生按定義分數對 4-E 選項功能的人數比率分. 布情形................................................................................................ 110 表 4.3.1.5.6. 4-F *日本學生按定義分數對 4-F 選項功能的人數比率分布. 情形.................................................................................................... 111 表 4.3.1.5.7. 4-G *日本學生按定義分數對 4-G 選項功能的人數比率分. 布情形................................................................................................ 111 表 4.3.1.5.8. 4-H *日本學生按定義分數對 4-H 選項功能的人數比率分. 布情形................................................................................................ 112 表 4.3.2.1 編碼表與人數統計 ............................................................... 114 表 4.4.1.1.1 日本定義分數 3 分布情形 .................................................. 140 表 4.4.1.5.1 台灣定義層次與模型功能交叉表 .................................... 148 表 4.4.1.5.2 日本定義層次與模型功能交叉表 ...................................... 148 表 4.4.2.1 台灣、日本訪談統計總表 ................................................... 153 表 4.1.1.1.1 我國九年一貫課綱提及的模型以三面向理論分類的次數164 表 4.1.1.2.1 我國高中階段課綱提及的模型以三面向理論分類的次數166 VI.
(12) 表 4.1.1.3.1 我國課程綱要提及的模型以三面向理論分類的次數 ....... 171 表 4.1.2.1.1 日本小學理科指導要領提及的模型以三面向理論分類的次 數........................................................................................................ 172 表 4.1.2.2.1 日本中學理科指導要領提及的模型以三面向理論分類的次 數........................................................................................................ 174 表 4.1.2.3.1 日本高校理科指導要領提及的模型以三面向理論分類的次 數........................................................................................................ 183 表 4.1.2.4.1 日本學習指導要領提及的模型以三面向理論分類的次數186 表 4.1.3.2.1 台灣與日本各年級提及模型敘述對三面向理論分類表 ... 190 表 5.1.1.1 日本定義分數 3 分布情形 ...................................................... 196. VII.
(13) 圖 次 圖 2.1.3.1 塑膠飛機模型 ........................................................................... 15 圖 2.1.3.2 紙飛機 ....................................................................................... 15 圖 2.1.3.3. 原子模型. (圖片引自：http：. //www.asyura2.com/12/bd61/msg/347.html).................................... 16 圖 2.1.3.4 水流與電流的類比模型 ......................................................... 16 (圖 2.1.3.4 引自：外山宗治 効果的なイメージ化を図る理科学習，改 良自 平成 13 年啓林館教科書理科 1 分野) .................................... 16 (圖 2.1.3.5、圖形引自 Buckley Bloulther,2000) ......................................... 17 圖 2.1.4.1 學生模型觀點的三面向示意圖(邱美虹，2008) ..................... 19 34 圖 4.2.1.1.1~4 分別為台灣中學、高中、理科大學問題 5 之測試 ......... 39 圖 4.2.1.5 台灣中學、高校、文科大學生、理科大學生 問題 5 人數圖 .............................................................................................................. 39 圖 4.2.1.1.6 定義分數百分比直條圖 ......................................................... 40 對應認識論的問題如下圖所示，受試者需選出自己所認定的模型，並 且在下圖 4.2.1.3.1 模型問卷 ............................................................. 42 圖 4.2.1.3.2~4 台灣國中、高中、文科大學、理科大學之問題一結果 . 43 各年級作答情形如下 圖 4.2.1.4.2~5 台灣國中、高中、大學問題 4 結 果.......................................................................................................... 49 圖 4.2.1.5.1 台灣問題 4(模型功能)與層次交叉比對分析 ........................ 60 圖 4.3.1.1.1~4 日本國中高中大學問題 5 人數百分比 ............................ 92 圖 4.3.1.1.5 定義分數百分比直條圖 ......................................................... 94 圖 4.3.1.3.1 日文問卷 ................................................................................. 96 圖 4.3.1.3.2~5 日本國中高中大學人數統計百分比 ................................. 97 VIII.
(14) 圖 4.3.1.4.1 日文問題 4 ............................................................................ 103 圖 4.3.1.4.2~5 問題 4 日本國中高中大學作答百分比 .......................... 104 圖 4.3.1.5.1 日本問題 4(模型功能)與層次交叉比對分析 ...................... 107 圖 4.4.1.1.1~2 日本台灣學生定義分數百分比直條圖 ........................... 139 圖 4.4.1.3.1 模型圖表 ............................................................................... 142 圖 4.3.1.3.1 台灣各年級分組在問題一模型呈現的作答情形 ............... 143 圖 4.3.1.3.2 日本各年級分組在問題一模型呈現的作答情形 ............... 144 圖 4.3.1.4.1 台灣各年級分組在問題四模型功能的作答情形 ............... 146 圖 4.3.1.4.2 日本各年級分組在問題四模型功能的作答情形 ............... 146 圖 4.4.1.5.1 台灣問題 4(模型功能)與層次交叉比對分析 ...................... 149 圖 4.4.1.5.2 日本問題 4(模型功能)與層次交叉比對分析 ...................... 149 圖 4.3.1.6.1 台灣模型本質問卷綜合雷達圖 ........................................... 150 圖 4.3.1.6.2 日本模型本質問卷綜合雷達圖 ........................................... 151 圖 4.3.2.1 訪談雷達圖 .............................................................................. 155 圖 4.1.3.2.1~4 國小、國中、高中階段、綜合比較 ............................... 190 圖 5.1.1.1 台灣定義分數百分比直條圖 .................................................. 195 圖 5.1.1.2 日本學生定義分數百分比直條圖 .......................................... 196 圖 5.1.3.1.1 國中階段比較 ....................................................................... 200 圖 5.1.3.2.1 微觀粒子模型選項 ............................................................... 201 圖 5.1.4.1 台灣問題 4(模型功能)與層次交叉比對分析 ......................... 203 圖 5.1.4.2 日本問題 4(模型功能)與層次交叉比對分析 ......................... 204 圖 5.1.5.1 國中階段課程綱要比較 .......................................................... 205 圖 5.1.5.2 台日國中階段模型本質問卷雷達圖 ...................................... 206 圖 5.1.5.3 訪談雷達圖 .............................................................................. 207. IX.
(15) 第壹章. 緒論. 受建構論的影響，科學教育由傳統的教師單方面講述，開始走向學生自主 建構知識。學習科學概念時，學生並非空無一物的白紙，而是早已從日常生活 經驗中取得相當多的資訊，並且自行建構出自己的另有概念，而這些學生自己 的既有概念往往會干擾科學概念的學習。為了協助學生建構正確的概念，我們 必須了解學生持有哪些典型的迷思概念。迷思概念的研究從 1980 年代至今已累 計大量的文獻，為了更進一步的幫助學生學習科學，學者們紛紛展開概念改變 的研究。 概念改變的理論有許多種，像是 Vosniado (1994)的架構理論(framework theory)認為概念包含在更大的理論構念中，而這些理論構念會限制概念，概念 改變可經由豐富化(enrichment)及修正(revision)達成。Chi (2008)認為知識的誤解 是分類錯誤造成的，修正分類或建構新類別即為概念改變。Shtulman 和 Valcarcel (2012)則認為科學知識是用於「屏蔽(mask)」初始直覺，而非取代 (replace)原有概念。 在許多概念改變的研究中，促使學生的心智模式(mental model)變化與檢測 學生心智模式狀況成了一個很重要的目標。概念改變的最後階段仍然需要學習 者建構新的概念，然而並非產生概念改變就能發展出符合現今科學概念的心智 模式。許多學生在經過學習後，產生既不屬於原有概念也不屬於科學概念的中 間混合型的概念。經過多年來迷思概念與概念改變的研究，我們已經能掌握學 生的另有概念，並促使學生進行概念改變。但對於如何引導學生建構科學概 念，卻仍然缺乏有效而穩定的方式。. 1.
(16) 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 2.
(17) 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 3.
(18) 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。. 4.
(19) 第二節. 研究動機. 隨著建構論的發達，迷思概念的研究受到各國學者的矚目。只要能收集大 量學生的另有概念，即可找出一套較能幫助大多數學生的教學方法。因此各國 學者紛紛開始收集與歸納學生有的另有概念。Brewer, Hendrich, 和 Vosniadou(1987)、Vosniadou 和 Hendrich (1990)等，對美國、希臘、印度、薩 摩(Samoa)的小學生進行一系列有關天文概念的研究。其中，對於「日夜循環的 原因」相關問題，希臘的小學生偏好使用萬物有靈論的方式來進行解釋。而關 於地球形狀的問題，美國小學生主要認為地球是空心球體，而印度小朋友則是 以地球是圓盤的想法為主。薩摩(Samoa)的小朋友想法相當獨特，他們認為地球 像是一枚戒指，人類住在其邊緣。 各國在進行概念改變的研究前，不僅會參考他國學者對相同概念的調查， 也必然會對自己國家的迷思概念進行調查，以避免缺漏與不適。像是日本井田 曉、越桐 國雄(2010)對國內的學術、教育雜誌進行物理學迷思概念的相關論文 數量調查。在日本物理教育學會發行的「物理教育」、「科學教育研究」的兩本 刊物上分別找到 58 篇與 12 篇相關研究(1953~2009,1998~2008)，科學教育研究 協議會發行的「理科教室」上則有 14 篇(1953~2009)。經整理後，歸納成 21 個 主要的物理學迷思概念。與我國林財庫 和 林慧潔 (2003)、陳淑筠(2002)等文 中提及的迷思概念作比對後，可以發現日本學生在力學上容易產生「真空擁有 吸附物體的力量」。電磁學上，日本學生容易產生「電子在通路中以光速運 動」、「電子容易出現、消失」、「無論電阻的數量與串並聯狀況，電流均為一定 量」等。各國在不同的概念上，因為人文風俗、傳統文化的關係使得學生具有 不同的另有概念。為了順利進行教學，我們務必先瞭解這些另有概念。 科學的理論可以視為建構真實物體模型的系統(Hestenes,1987)。正如科學 概念與迷思概念、另有概念一樣，學生對未知現象建構自己的解釋、概念，即 使這些概念不同於科學概念。科學家為模型的運用相當純熟，而學生對模型的 5.
(20) 鑑賞能力已被證明是有限、天真的(Grosslight, Unger, Jay, & Smith, 1991)。部分學 生並不認為物理的數學形式模型為模型，中學二年級的學生在進入牛頓運動定 律的計算時，經常經由公式背誦的方式來完成解題。學生若不具較高的模型鑑 賞能力，則無法理解其數學模型想要表達的真正物理意義。 在過去的二十年中，越來越多的研究表明，利用科學模型的教學和學習類 比促進了複雜的科學概念(Gentner, 1983; Glynn, 1989; Harrison & Treagust, 1993; Wong, 1993)。像是教導電流的概念時，教師經常使用水流模型來類比電流。模 型已被描述為建構新舊知識的橋樑、已知與未知之間的連結而產生的學生個人 知識框架 (Hardwicke, 1995)。基本上模型雖然經常使用在科學教室，但往往沒 有任何解釋或說明。例如，模型代表的角色，目的與限制的前提等 (Chittleborough, Treagust, Mamiala, & Mocerino, 2005)。學生對模型的了解仍依賴 自己的精驗與領悟，正如概念的形成，是仰賴個體的經驗。同樣的在模型的研 究上，不同國家的學生在模型本質認識上是否也有國際差異呢？ 運用圖形來說明概念這點更影響了日本的教科書的型式，書中經常能看到 繪製精細的圖形。這或許是因為 12 世紀平安時代的《鳥獸戲畫》──這是日本 最早的漫畫，漫畫即以圖畫傳遞故事，所以藉由圖形、圖畫來理解事物的習慣 已經深入日本人的生活之中。剖面圖、結構圖、精細的圖表、局部放大圖、模 擬圖等，種類繁多的各式圖形，均具組成、構造、關係，正是構成模型的三項 重要元素。但，目前尚無文獻指出日本的學生對模型抱持著什麼樣的看法。. 6.
(21) 第三節. 研究目的與問題. 本研究的研究目的為比較日本與台灣的學生在模型本質認識上有何差異？ 此研究目的分為四部分，探討台灣學生對模型本質認識的情形，探討日本學生 對模型本質認識的情形，比對台灣與日本學生對模型本質認識的情形，探討台 灣與日本在課程綱要上提及模型的差異。 研究問題羅列如下：. 1- 台灣學生對模型本質之認識為何？ 1-1.. 不同年級、不同專長的台灣學生對模型本質之認識是否有其異同？ 1-1.1. 不同年級的台灣學生對「模型定義」所持觀點為何？ 1-1.2. 科學專長與非科學專長的台灣學生對模型的定義是否存在差 異？若有差異，其差異為何？ 1-1.3. 不同年級的台灣學生在「建模歷程」與「模型改變」所持觀點 為何？ 1-1.4. 科學專長與非科學專長的台灣學生對建模歷程與模型改變的理 解是否存在差異？若有差異，其差異為何？ 1-1.5. 不同年級的台灣學生對「模型的呈現方式」所持觀點為何？ 1-1.6. 科學專長與非科學專長的台灣學生對模型的呈現方式是否存在 差異？若有差異，其差異為何？ 1-1.7. 不同年級的台灣學生對「模型功能」所持觀點為何？ 1-1.8. 科學專長與非科學專長的台灣學生對模型的功能理解是否存在 差異？若有差異，其差異為何？. 1-2.. 不同模型定義層次的台灣學生對模型的功能是否有差異？. 2- 日本學生對模型本質之認識為何？ 2-1.. 不同年級、不同專長的日本學生對模型本質之認識是否有其異同？ 7.
(22) 2-1.1. 不同年級的日本學生對「模型定義」所持觀點為何？ 2-1.2. 科學專長與非科學專長的日本學生對模型的定義是否存在差 異？若有差異，其差異為何？ 2-1.3. 不同年級的日本學生在「建模歷程」與「模型改變」所持觀點 為何？ 2-1.4. 科學專長與非科學專長的日本學生對建模歷程與模型改變的理 解是否存在差異？若有差異，其差異為何？ 2-1.5. 不同年級的日本學生對「模型的呈現方式」所持觀點為何？ 2-1.6. 科學專長與非科學專長的日本學生對模型的呈現方式是否存在 差異？若有差異，其差異為何？ 2-1.7. 不同年級的日本學生對「模型功能」所持觀點為何？ 2-1.8. 科學專長與非科學專長的日本學生對模型的功能理解是否存在 差異？若有差異，其差異為何？ 2-2.. 不同模型定義層次的日本學生對模型的功能是否有差異？. 3- 台灣與日本學生對模型本質認識之差異為何？ 3-1.. 台灣與日本學生對「模型定義」所持觀點之差異為何？. 3-2.. 台灣與日本學生對「模型改變與建模歷程」所持觀點之差異為何？. 3-3.. 台灣與日本學生對「模型呈現方式」所持觀點之差異為何？. 3-4.. 台灣與日本學生對「模型功能」所持觀點之差異為何？. 3-5.. 台灣與日本學生在「模型定義與模型功能交叉比對」之差異為何？. 4- 台灣與日本在課程綱要上提及的模型之差異為何？ 4-1.. 台灣課程綱要提及的模型與其內容為何？. 4-2.. 日本學習指導要領提的模型與其內容為何？. 4-3.. 台灣與日本在課程綱要上提及的模型有何異同？. 8.
(23) 第四節. 名詞解釋. 一、模型(model)（モデル） 模型被視為是一個事物、想法、現象的表徵。可以是實體，也可以是抽象 或虛擬的。模型描述概念的過程、實體、理論、事件等，用圖像、文字、符 號、肢體動作等不同的表徵形式呈現。模型有許多功能，像是描述、判斷（檢 驗）、解釋、推理、解決問題、溝通、預測、產生新想法，以及心智模式的外顯 化等。. 第五節. 研究範圍與限制. 本研究之研究範圍與限制敘述如下：. 一、研究範圍 本研究的研究範圍為模型本質認識，分別從本體論、認識論、方法論、建 模歷程、模型定義等角度來探討學生對模型本質的觀點。並輔以訪談，深入了 解學生對模型本質的觀點。. 二、研究限制 本研究主要對象為台灣台北市某公立國中、高中、大學，以及日本東京都 某公立國中、高中、大學。實驗分析與結果並不適合推論至其他地區之學生。 本研究有關建模部分僅以李克氏量表測驗其同意度，並無法完整表示受試 者的建模能力。. 9.
(24) 10.
(25) 第貳章. 文獻探討. 模型與科學理論之間有著密不可分的關係。科學家經常透過建構模型來解 釋真實世界的現象，並且透過模型的運用進行估算、預測等發展科技，改善人 類的生活。模型究竟為何物呢？本章將分「模型本質」 、「我國教科書與模型」、 「我國課程綱要與模型」、「日本學習指導要領與模型」、「文獻對本研究的啟 示」五節來進行文獻探討。其中，「模型本質」包含模型的定義、模型的功能、 模型與表徵、模型與理論。. 第一節. 模型本質. 本節將按照「模型定義」、「模型的功能」、「模型的表徵」 、「模型理論的整 合與模型本質問卷」等四部份依序進行。. 一、模型的定義 按中華民國中教育部重編國語辭典修訂版釋義如下： 「模仿實物的原形，按 一定的比例縮小製成的樣品。通常多用來展覽或實驗。如：科學博物館裡展覽 許多飛機的模型。」 （引自教育部重編國語辭典修訂版）其反義詞為： 「實物」、「原 形」。 由此我們可得知：模型是實物的模擬，模型表徵實際世界(Giere, 2010)。模 型是一個代理的對象，一個真實物件的概念表示(Hestenes,1987)。模型是物 件、現象或想法的表徵(Gilbert & Boulter ,2000)。模型是系統簡化的規則、關 係、概念、物件等；且可以用來描述、表徵、解釋外在世界的現象(Glynn & Duit,1995)。將許多學者對模型的定義彙整如表 2.1.1.1 模型定義彙整。. 11.
(26) 表 2.1.1.1 模型定義彙整（引用修改自劉俊庚） 研究者 Hestenes(1987). 模型的定義 模型是真實事物的一種概念性表徵 模型是系統的系統化表徵，或是某些系統簡化. Glynn 與 Duit(1995). 的觀點，包括規則、關係、概念和物件。並 且，用來描述、表徵、解釋外在世界的現象。 模型被視為是一個物件、事件、想法或現象的. Gilbert 與 Boulter(2000) 表徵。 Tregidgo 與 Ratcliffe(2000). 模型是表徵物件、現象或想法的結果。. Gericke 與 Hagberg(2010). 模型是現象的簡化，企圖使用發展現象的解釋. 即使學者們對模型有許多不同的解釋，但有個共同的核心意義，模型為事 物、事件、關係、想法的表徵，且包含特定的目的與功能 (劉俊庚，2011)。 物理學中經常使用數學模型來表示物理現象，像是虎克定律，經由 來精確地描述彈簧形變量與彈力之間的關係。或描述比熱的數學模 型. ，由此可以描述比熱、熱能、質量與溫差的關係，然而這些模型. 都是有其限制性。像是虎克定律的數學模型在描述彈簧與形變的關係時，必須 在彈性範圍內，且對象必須為虎克型材料才可使用；而比熱的數學模型則在對 象沒有發生物質的狀態變化的前提下，才可使用。若計算水的溫度變化與熱量 時，經過物態變化，由冰塊轉化為水，則必須考慮潛熱。 Grosslight 等人(1991)提出建模能力可分為三層，而這三層次對模型的定義 有不同的看法，條列如下。層次 1：認為模型與實體之間有完全相對應的關 係，是真實物體較小或較大的複製品；層次 2：認為模型是模擬真實世界的物 體或事件，不是理論或想法的表徵；層次 3：認為模型是理論或想法的表徵， 可以用來發展、檢驗想法。 12.
(27) Grosslight 等人(1991)對 33 名 7 年級生與 22 名 11 年級理科專長生進行訪 談，結果顯示 7 年級有 67%在層次一、11 年級有 36%介於層次一到二之間、 36%到達層次二。Chittleborough 等人(2005) 用紙筆測驗與問卷調查，研究學生 對模型的看法。受測的 275 名學生分為三組，分別是 Study1 (11 年級)、Study2 ( 8~10 年級 )、Study3(大一)和 Study4 (大一)等。研究結果顯示，隨著受教育的 時間越長，學生越來越能了解模型在科學過程中扮演的角色，亦能鑑賞模型本 質的多樣性與不停變化的性質。與以往的研究不同的是，許多學生有意識到模 型在科學學習中的作用。雖然仍有一些學生執著在真實、唯一正確的模型上， 但其他學生展現出對科學模型更複雜、多元的認識論(Chittleborough 等 人 ,2005)。. 二、模型的功能 由模型的定義可得知，隨著對模型的研究日益發達，人們逐漸重視模型的 功能。通常用於解釋現象，簡化事物等。科學家使用模型來簡化複雜的現象， 並且幫助思考。像是化學上，我們經常運用原子、分子模型來幫助我們化學反 應，並且提供理論對反應進行預測。物理學上則使用較多的數學模型，像是牛 頓運用 F=ma 的數學模型，對運動學與古典力學相關的理論建構完整的功能， 提供了結構化與預測能力。 林靜雯與邱美虹(2008)指出模型在科學上有七項功能。 1. 簡化複雜現象，易於思考 2. 提供更容易理解的方式了解理論 3. 提供理論的預測能力，結構化與機械化的向度 4. 強化理論的預測能力 5. 提供理論發展的方式 6. 提供相關理論深刻理解與想像的媒介 13.
(28) 7. 提供實驗與觀察的理論推導關係 (Leatherdale , 1974；引自 Gilbert, 1993) 劉俊庚(2011)提出模型可以作為描述、解釋、推理、預測、檢驗、產生新 想法，以及心智模式的外顯化。 林靜雯與邱美虹(2008)對台北市松山區一所高級中學的高一(10 年級)進行模 型功能的調查，結果顯示學生對模型低層次的功能有較高的平均，學生多認同 模型描述特定現象的功能。高層次的功能除了模型可以預測事物和現象，學生 作答情形較低。出乎意料的，模型能夠產生新想法、可以模擬實際現象或運作 情形都偏高（林靜雯，邱美虹，2008）。而劉俊庚（2011）對 8-11 年級合計 279 人進行調查，結果顯示 10 年級學生在模型功能上的平均值最高，8 年級最 低，但各年級間未達顯著差異（F=2.508；p=.509>0.5）. 三、模型的表徵 在各文獻對模型的定義中，「模型是真實事物的概念性表徵」此一概念，不 停的被許多學者提起。我們為了表達目標系統（真實世界），藉由結構或關係相 似的模型來進行表徵；而模型的表徵則是在闡述我們是怎麼描述這個模型。 Achinstein(1968；引自劉俊庚，2010)，將模型依據表徵分為四個種類如 下，本文佐以圖形說明：. 14.
(29) 1. 真實的模型(ture model)：等比例縮小模型，如精緻的塑膠飛機模型 (見圖 2.1.3.1). 圖 2.1.3.1 塑膠飛機模型 (圖片引自 http：//yuji.moe-nifty.com/blog/2011/08/post-d079.html). 2. 適當的模型(Adequate model)：表達重要特徵的模型，如紙飛機，只展示了 機翼與大致上的結構(見圖 2.1.3.2)。. 圖 2.1.3.2 紙飛機 (圖片引自：紙飛機的天空 交織著卓志賢的夢想 (第 63 期 2008/03/27)). 15.
(30) 3. 曲解的模型(Distorted model)：以不同比例同時呈現的模型，如原子結構在 表現出原子與原子核的大小差異，以及放大原子核部分解說原子核是由質子 與中子組成(見圖 2.1.3.3)。. 圖 2.1.3.3. 原子模型. (圖片引自：http：//www.asyura2.com/12/bd61/msg/347.html). 4. 類比模型(Analogue model)：教學上將水流與電流做類比，此為類比模型的 使用(見圖 2.1.3.4)。 圖 2.1.3.4. 水流與電流的類比模型. (圖 2.1.3.4 引自：外山宗治 効果的なイメージ化を図る理科学習，改良自 平成 13 年啓林館教科書理科 1 分野). 16.
(31) Buckley Boulter(2000)從現象、表達模型、陳述和心智模式，這三個面向進 行分析，三者之間的關係如圖 2.1.3.5 所表示。. (圖 2.1.3.5、圖形引自 Buckley Bloulther,2000). 其中，心智模式是用於說明現象、解釋、預測，有的時候甚至操作 (Gentner, D., & Stevens, A. L. 2014)。模型不只做為溝通的外部表徵，也會用在推 理。現象以心智模式的方式作為內心的表徵，以表達模型的方式作為媒體的表 徵。 我們經常以模型來表徵現實世界。像是在化學上，我們經常以各種模型來 表徵分子，像是元素符號系統的 CO2(g)、球棍模型、路易士電子點式等各種方式 來表徵二氧化碳。然而，正如上圖 2.1.3.5 所示，這些表徵模型、媒體並無法完 整傳達現實的二氧化碳，但多少有助於我們建構二氧化碳的心智模式。 Buckley 和 Boulter (2000)依據表徵的方式來對模型進行區分，並區分項目 如下：（引自邱美虹，2008） 1. 具體的（concrete）：三度空間的實體模型，例如：一個地球儀。 2. 言語的（verbal）： 是指被聽到， 或是讀到的、描述的、解釋的、陳述的、 辯論的、類比和隱喻的模型，如：地球是圓型，地球圍繞太陽運動，月亮圍 繞地球運動。 17.
(32) 3. 視覺的（visual）：是指被看到的模型，例如圖表、動畫、模擬、影像。例 如：地球上四季成因的示意圖。 4. 數學的（mathematical）：是指式子、方程式，和一些模擬，例如：行星運動 的方程式。 5. 動作的（ gestural ）： 物體或部分的移動。例如：以學生相互圍繞的運動 來表示太陽系。 其餘即是上述的混合模式，如視覺混合模式（visual mixed），即包含有語言 或數學的視覺模型。例如：標註日期，運行時間的四季示意圖。 我們運用模型來表徵目標現象、事物，我們也運用表徵來表徵目標現象與 事物。像是以元素符號來表徵化學物質，以球棍模型來表徵化學物質。科學模 型與表徵關係密切，有些文獻甚至歸類為同義解釋(Gilbert 2013)。 我們可以發現模型與表徵有些重要的共通性質，像是兩者皆非實物、兩者 均試圖代表目標物等。模型具有以下三個特點，使我們能夠定義模型並將之與 表徵做區分。(1)模型表徵的目標 (2)目標與模型之間的關係 (3)模型的用途 (Schwartz and Lederman 2005; Sibley 2009; Van Driel and Verloop 1999，引自 Lee, Chang, & Wu, 2015)。 二氧化碳的元素符號系統 CO2(g)在科學家或者懂化學的學生手中，可以進行 推理與操作，像是化學劑量上，運用元素符號系統我們可以得知，某物若在有 氧環境燃燒後出現 CO2(g)則表示，該物質含有 C 元素。若加上莫耳數、化學反應 方程式等概念，更有可能反推該物之成分、簡式、化學式等。但，若不懂化學 只懂英文的學生看到此元素符號系統 CO2(g)，則該學生只會將他理解成單純的符 號表徵，而不具備有表徵以外的功能。表徵與模型的定義是受使用者影響的。. 18.
(33) 四、模型理論的整合與模型本質問卷 Gilbert 和 Boulter(2000、Harrison & Treagust(2000)、吳明珠(2008)、周金城 (2008)、林靜雯&邱美虹(2008)等許多學者根據模型的本體地位、表徵、本質、 功能等，將之區分成數個種類，邱美虹(2008)的整合型研究以本體論、認識論 與方法論三個面向的理論基礎探究學生對於模型本質的觀點(圖 2.1.4.1)。此架 構說明認識模型本質應兼顧模型的本體意義、模型的表徵以及用途或功能，從 三面向方能理解模型本質的全貌。. 圖 2.1.4.1 學生模型觀點的三面向示意圖(邱美虹，2008). 1991 年 Grosslight 等的研究結果顯示 1.科學家擁有較高的建模能力 2.模型 的定義可分為三個層次，Lv1：模型是玩具，是與真實物品有相對應關係的複製 品 Lv2：模型是模擬真實世界的實體物體，不是理論或想法 Lv3：理論或想 法，或是用來表徵某些物體或事件。用來發展和驗證想法，這些想法通常是抽 象的，不是實體的描述。而這三層定義顯示了受試者對模型的理解程度。理解 程度越低者，在模型的運用上較理解程度高者停留在較為基礎的運用。對模型 的理解程度越高，越能深入了解科學。 國內學者周金城(2008)、吳明珠(2008)、邱美虹(2008)、劉俊庚. (2011)等， 開發了許多模型本質認識的問卷，這些問卷有助於快速，大量的調查學生對模 型本質的認識。在國內學者合作累計發展問卷的經驗下，劉俊庚 (2011)對國內 19.
(34) 8 年級到 11 年級共計 279 名學生的調查非常完善。其結果顯示，我國 8、9 年 級之學生對於模型定義仍著重於模型是具體的事物，模型是物體放大或縮小的 複製品；而 10、11 年級的學生對模型之認識在功能化取向上認同度較高。認為 模型可以是想法、理論等抽象的形式。但，該研究顯示學生在模型功能（方法 論）上，8-11 年級間作答情形並無顯著差異。查閱其題目，其題型為列出一模 型之功能，在詢問受試者：從上述說明你是否認同模型具有此一功能？並以李 克氏量表進行測驗。可能是這樣的詢問方式，導致我們無法測出受試者真正對 模型功能的了解程度。模型本質問卷仍有改進空間。. 第二節 我國教科書與模型 劉俊庚(2011)以 Mayer(1989)提出良好模型之七項特徵，完整性 (Complete)、簡潔性(Concise)、融貫性(Coherent)、具體性(Concrete)、概念性 (Conceptual)、正確性(Correct)、審慎性(Considerate)，等七項特徵去評估我國國 中、高中教科書於「原子理論」單元所提及的模型是否符合這七項特徵。對國 中自然與生活科技領域 6 個版本，以及 1974 年~2009 年間高中化學教科書 16 個版本進行調查。良好模型之特徵描述如下表 2.2.1。 表 2.2.1 良好之模型特徵（Mayer，1989）修改引自劉俊庚(2011) 向度 完整性(Complete). 特徵描述 包含所有基本元素與關係，學習者能夠看到系統是如何運作的。. 簡潔性(Concise). 呈現的模型適合學習者，不過於詳細，描述每個部份的一般性功能. 融貫性(Coherent). 好的模型對於學習者來說能夠憑著直覺及獲知，如此將顯而易見。. 具體性(Concrete). 模型所呈現的層次適合學習者，包括具體模型或視覺模型。. 概念性(Conceptual) 提供清楚概念性解釋，並能解釋系統如何運作。 正確性(Correct). 模型主要部分與真實物件或事件之間有對應性。. 審慎性(Considerate) 對於學習者而言，利用適當的文字和組織來呈現模型。 20.
(35) 其結果顯示我國教科書在「原子理論」的單元上所使用的模型著重於各物 件部分的呈現，但模型與概念之間的連結、概念性解釋，等較為缺乏。呈現模 型的圖像上，適當者較缺乏（劉俊庚，2011）。 模型扮演理論與現象連結的重要角色，教師在教學上更應充分利用模型來 引導學生思考。. 第三節 我國課程綱要與模型 我國國中科學課程綱最早源於民國 18 年《中學課程暫行標準》頒布，開始 有具體標準（邱美虹，2000）。歷經十數次的修訂，對我國科學教育課程發展有 重大的影響。邱美虹(2000)將我國國中科學課程發展分為六階段，分別為 1.科學課程基礎的奠定 2.光復後科學課程發展 3.九年國民義務教育之實施 4.課程統整與實驗研究 5.培養 21 世紀國民之課程 6.九年一貫「自然與生活 科技」。整理如表 2.3.1 我國國中科學課程發展六階段所顯示. 表 2.3.1 我國國中科學課程發展六階段（彙整自 邱美虹，2000） 階段 1.科學課程 基礎的奠定. 年代 民國元年 ～ 民國 36 年. 2.光復後 科學課程發展. 民國 37 年 ～ 民國 56 年. 3.九年國民義務 教育之實施. 民國 57 年 ～ 民國 62 年. 主要內容 1. 強調統整，但仍以分 科制為主。. 背景影響 受抗戰影響，科 學教育扮演重要. 2. 科學課程比重增加. 的角色。. 1. 物理化學合併為理化. 有國家生存、人. 2. 參考外國課程編制. 類征服自然等科. 3. 強調科學的應用. 學救國的思想。. 1. 參考外國課程設計. 強調國家經濟發. 2. 針對學生個別差異. 展建設需要，培. 3. 培養基層建設人才. 養基層人才。. 21.
(36) 1. 反映出科學教育最新. 4.課程統整 與實驗研究. 理念與技術 民國 63 年 ～ 民國 82 年. 選修課程未能落 實。. 2. 對學生個別差異安排 不同的課程 3. 培養科學態度、科學 素養. 5.培養 21 世紀 國民之課程. 1. 探討科學發展對人類 民國 83 年 ～ 民國 88 年. 與環境的影響 2. 培養具科學素養的國 民. 環保意識抬頭， 影響課程修訂與 發展。實用化 學、物理修正為 「理化選修」. 6.九年一貫 自然與生活科技. 民國 89 年 ～ 迄今. 1. 科學本質納入課程. 受美國 科學－技. 2. 強調課程統合. 術－社會(STS)課. 3. 強調由生活議題連接. 程的影響。. 到學習主題。. 面臨許多實施上 的問題. 我國現今國小、國中學生使用九年一貫課程綱要，而高中學生擷至 104 學 年度，高三學生皆使用中華民國 102 年 7 月 31 日臺教授國部字第 1020071891A 號令修正發布的微調版本。 國小、國中課綱，在自然與生活科技領域中，提及 9 次「模型」；而高中課 綱， 「模型」在基礎物及選修理課綱中被提及 1 次、基礎及選修化學課綱中合計 提及 21 次、基礎及選修生物課綱中提及 4 次、基礎及選修地球科學課綱中提及 3 次。高中階段合計 29 次，加上國中 9 次總計 38 次。. 22.
(37) 第四節 日本學習指導要領與模型 日本學習指導要領等同於我國課程綱要，由文部科學省制定。現行版本為 小學、中學平成 20 年（西元 2008 年）制定，高校平成 21 年（西元 2009 年） 制定。其中，小學課綱中提及模型（日文：モデル）4 次，中學課綱中提及模 型 47 次，高校課綱中提及模型 19 次。小學至高校總計提及模型 70 次。. 一、日本小學階段學習指導要領與模型 日本小學學習指導要領理科篇課程分年級編寫，第 3 學年（相當於我國 3 年級）的主要目標為培養學生對自然事物、現象的觀察能力，找出差異點、共 通點，並學會對自然事物、現象進行「比較」 。 第 4 學年的主要目標為培養學生對自然事物、現象的變化進行觀察。找尋 變化的要因、關係，找尋問題，並對找出的問題感興趣，抱持關心的態度進行 探究活動。藉由探究活動發現自然事物、現象變化的規則性、關係等。 第 5 學年的主要目標為對自然事物、現象等，著眼在與其量的變化、時間 的變化。除了找尋規則性以外，更要能夠區分能造成變化的因素與無關的因 素。並且有計畫的進行觀察與實驗等，養成控制變因進行探究的能力。 第 6 學年的主要目標則為統合前述所有學年所學，無論是基礎的觀察、找 尋規則性、分辨造成變化的關鍵因素等能力為基礎，培養能夠進行推論的能 力。 課程內容主要分為 A 類與 B 類。其中 A 類包含物質與能量，B 類包含生命 與地球。日本小學理科課綱中，提及 4 次「模型」 。四次均為 B 類，生命與地 球。. 23.
(38) 二、日本中學階段學習指導要領與模型 日本中學學習指導要領理科篇分領域撰寫，第 1 領域包含「能量」、「粒 子」、第 2 領域包含「生命」、「地球」。其中，第 1 領域的特性是應容易觀察、 實驗，並且進行比較、分析，得出其規則性。對自然的事物與現象，透過科學 探究活動，掌握問題、設定假設、收集資料、驗證實驗、結果分析、解釋與導 出結論等為重要目標。 第 2 領域與第 1 領域有著相同的目標，但第 2 領域最大的特徵在於現象、 情境的再現相當困難，進行實驗也是不容易的。例如，隨著時間，生物長大的 變化，以及超越時間、空間，生成的地質、天文現象等，在有限制的教學時 間、空間內難以再現的現象、事物。因此，對於第 2 領域的學習，必須活用視 聽教材、模型，以再現現象，幫助學生觀察、了解現象，並與自身經驗做連 結。日本中學校理科指導要領中，提及 47 次「模型」 。其中，第 1 領域以「微 觀粒子模型」為主，幫助學生了解肉眼看不見的粒子特性；第 2 領域則以「天 體模型」為主，將巨觀，肉眼難以囊括的宇宙天體，轉化成可以見得的模型， 來幫助學生了解天體運作的特性。. 三、日本高校階段學習指導要領與模型 日本高校學習指導要領理科篇，承襲中學課綱分領域撰寫，第 1 領域包含 「能量」、「粒子」、第 2 領域包含「生命」、「地球」。提及「模型」19 次中，多 為運用模型進行實驗。相較於中學與高校，這裡提及的模型使用較為接近完整 的科學過程，而非單純的促進理解，或提供說明解釋，更增加包含假設驗證上 的運用。. 24.
(39) 第五節 文獻對本研究的啟示 自 1991 年 Grosslight 等研究顯示 1.科學家擁有較高的建模能力 2.模型的定 義可分為三個層次。邱美虹(2008)整合 Gilbert 和 Boulter(2000、Harrison & Treagust(2000)、吳明珠(2008)、周金城(2008)、林靜雯&邱美虹(2008)等許多學 者的研究，彙整出以本體論、認識論與方法論三個面向的模型本質觀點。模型 的相關理論研究已相當完善。我們更應關心的是模型與科學教室的關係。 Chittleborough 等提及模型經常使用在科學教室，但往往沒有任何解釋或說 明(2005)。但從文獻中，我們亦可以發現我國與日本在課程綱要上皆有提及 「模型」，這讓我們可以期待這樣的課綱在教學中或許能夠帶來一些效果。 而無論是在台灣的課程綱要，或日本的學習指導要領上，兩者對模型的敘 述有所差異，且亦不完善如理論一般。我國對模型與教科書的研究上，多分單 元進行不同版本的比較，鮮少檢視小學至高中的完整課程綱要。日本雖然在課 程綱要上有提及模型，但鮮少有針對模型的相關研究。 隨著模型理論的完整，檢測模型本質的工具也越來越發達。本研究將以邱 美虹(2015)國科會計畫的模型本質認識問卷本，對台灣與日本學生進行施測， 以探討台灣與日本學生對模型本質認識的差異。並輔以訪談，更加明確的了解 台灣與學生的想法。藉由比較國與國之間的差異，了解我國優缺，並學習日本 優點。. 25.
(40) 26.
(41) 第參章. 研究方法. 由相關文獻的探討，本研究以邱美虹(2008)所提出的模型與建模理論架構 作為研究設計與資料分析的基礎，並以邱美虹(2015)國科會計畫的模型本質認 識問卷為基礎，修改並且翻譯成日文進行調查。再輔以晤談，以了解學生對模 型本質的認識。本章分為五節，分別為研究設計、研究對象、研究工具、資料 分析、研究流程。. 第一節. 研究設計. 本研究以邱美虹(2008)所提出的模型與建模理論架構為基礎，該架構以本 體論、認識論、方法論三面向的理論為基礎來了解學生對模型的認識與建模能 力。為回答研究問題「日本與台灣的學生在模型本質認識上有何差異？」 ，本研 究分別對台灣與日本進行問卷調查。兩者均使用邱美虹(2015)國科會計畫的模 型本質認識問卷，其中日本受試者的試卷為經作者翻譯，並經一名日本科學教 育現職教授與 7 名日本科學教育學科研究生確認，翻譯內容與原文表達意思無 誤。 由文獻探討，Grosslight(1991)、劉俊庚(2011)均指出，隨著年級增長，學生 對模型定義層次有逐漸上升的現象。本研究認為，若要進行兩國之間的比較， 應該收集各年級的資料，以做詳細的比較。分別對台灣、日本的國中、高中、 大學生進行調查。 科學經常運用模型來說明理論，並使用科學模型進行判斷與預測等功能。 高中以上，選擇學習科學為主的學生與選擇文科為主的學生在模型本質的認識 上是否有差異？為更加詳細的了解學生對模型本質的認識，本研究輔以訪談以 進行詳細的比較。. 27.
(42) 第二節. 研究對象. 研究者抵達日本後，取得日本科教領域教授協助，在東京地區進行方便取 樣。研究對象為日本東京地區某公立中學，八年級學生 158 名；同地區公立高 中，十二年級理科學生 83 名；同地區公立大學，大學生文科 61 名、理科 61 名。其中國中生為同一學校隨機取四個班，高中則為同一高中全三年級理科學 生自願填寫，大學則為修習教育學程的大三學生，非理學專長兩個班合計 61 名，61 人並非來自同一科系。理科專長一個班 61 名，亦非來自同一科系。晤 談對象從問卷對象中隨機抽取，國中生 15 名。 同樣以方便取樣，台灣台北地區某公立中學，八年級學生 162 名；同地區 公立高中，高三文科學生 120 名、理科學生 96 名；同地區公立大學，理科大學 生 72 名。其中八年級學生為同校隨機取四個班級發放問卷，高中為文科第一類 組三個班，合計 120 名。理科第二類組一個班、第三類組兩個班，合計 96 名。 晤談對象從問卷對象中隨機抽取，國中生 15 名。 日本地區學生合計 363 名，台灣地區學生合計 450 名。. 第三節. 研究工具. 本研究的研究目的為比較日本與台灣的學生在模型本質認識上有何差異？ 第一階段為以模型本質問卷進行測驗，第二階段則以訪談收集質性資料佐證。 本研究有兩項研究工具，分別是模型本質問卷與半結構式訪談題目。由於本研 究為跨國研究，上述兩項工具均有中文版與日文版。本節將分兩部分依序介紹 這兩項工具。. 28.
(43) 一、模型本質問卷 本研究所使用的模型本質問卷修改自邱美虹(2015)國科會計畫的模型本質 認識問卷本。研究問卷主要分為五問，以三項理論為架構進行設計，分別為本 體論、認識論、方法論。. （一）本體論 本體論主要在回答模型是什麼？模型與現象有何比例關係？一個現象只能 對應到一個模型嗎？模型可以被改變嗎？本體論中，又可分為「模型本質」與 「模型改變」兩個次項目。其中， 「模型本質」的部分包含 1.模型是某些事物的 複製品 2.模型是簡化事物並呈現特定重要部分 3.模型是特定事物的特徵以不一 致的比例來呈現 4.模型對應特定事物的結構、性質、關係 5.對於一個現象，不 只有一個正確的模型能夠說明 6.解釋特定現象的模型僅是歷史發展中多種模型 的其中之一。「模型改變」的部分則包含 1.模型是可以被改變 2.模型均有限制 性 3. 使用不同的觀點來檢驗模型時，若產生不一致的結果，則必須修改模 型。對應本體論的問題主要集中在問卷中的第一問與第二問。. （二）認識論 認識論主要探討學生是透過什麼表徵形式的模型是來認識現象或概念？認 識論分為兩個次項目，分別是「透過模型認識」與「情境」。其中透過模型認識 又可分為「抽象」與「具體」 。模型可以透過文字、符號、數學、圖表等抽象形 式來呈現和了解科學現象或概念。模型可以透過具體物件、圖像、肢體動作等 具體形式來呈現和了解科學現象或概念。對應認識論的問題全部集中在問卷中 的第一問。. 29.
(44) （三）方法論 方法論主要探討模型有哪些功能？模型可作為描述、判斷（檢驗）、解釋、 推理、解決問題、溝通、預測、產生新想法，以及心智模式的外顯化等。對應 方法論的題目為第四問，模型可以描述特定的事物或現象；模型可以提供一個 參考標準讓我進行判斷、檢驗；模型可以解釋特定的事物或現象的關係；「模 型」可以進行推理；模型可以用來解決問題；模型可以表達內心的想法，而讓 其他人了解；模型能夠預測事物或現象未來的發展；模型」可以產生新的想法 等上列項目。. （四）建模歷程 建模歷程主要探討學生對建模歷程的認知程度。由 Halloun(1996)、邱美 虹、劉俊庚(2010)所提及的數個歷程設計，將建模歷程分為八階段，羅列如 下：模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型應用、模型調度、模型 修正、模型轉換。建模歷程集中在第三問，皆為正向提問。. 模型本質問卷整體而言，問題一是以認識論與一部分本體論進行設計，作 答方式為可單可複選，選項由 1-A 至 1-O 共 15 題；問題二是以本體論中的模型 改變與一部分的模型本質，以李克氏量表測量，認同度最高 5 分，最低 1 分； 問題三則是關於建模歷程的問題，亦以李克氏量表測量；問題四是方法論中模 型功能的部分，作答方式為可單可複選，選項由 4-A 至 4-H 共 8 題，以及外加 4-I 自填；問題五則是取自劉俊庚(2011)所設計，以 Grosslight(1991)提出的三個 層次所設計的問題。. 30.
(45) 表 3.3.1.1 三面向理論與模型本質問卷題號對照表 本體論、認識論、方法論彙整自劉俊庚(2011)。建模歷程彙整自張志康、邱美 虹(2009)；劉俊庚、邱美虹(2010)。 面向. 次項目. 模型本質. 本體 論. 模型改變. 說明. 題號. 某些事物的複製品. 1-A. 簡化並呈現特定重要部份. 1-B. 特定事物的特徵以不一致的比例來呈現。. 1-C. 對應特定事物的結構、性質與關係。. 1-D. 不只有一個正確的模型來解釋這個現象。. 2-1. 解釋特定現象的模型，僅是歷史發展中的多種模型其中之一. 2-2. 模型是可以被改變。. 2-3. 模型（定律和假說）均有限制性。. 2-4,5. 使用不同的觀點來檢驗模型時，若產生不一致的結果，則必. 2-6. 須修改模型。 模型可以透過「符號」來呈現和了解科學現象或概念。 抽 模型可以透過「文字」來呈現和了解科學現象或概念。. 1 - H , N, O. 象 模型可以透過「數學」來呈現和了解科學現象或概念。. 1-M. 透過模型. 認識. 認識. 論. 1-F. 具 體. 模型可以透過「圖表」來呈現和了解科學現象或概念。. 1-E. 模型可以透過「具體物件」來呈現和了解科學現象或概. 1-A,. 念。 模型可以透過「圖像」來呈現和了解科學現象或概念。. 1-G. 模型可以透過「肢體動作」來呈現和了解科學現象或概. 1-I. 念。. 情境. 方法 論. 模型功能. 歷程. 1-J,K,L. 現象的觀點。 模型可作為描述、判斷（檢驗） 、解釋、推理、解決問題、溝 4-ABC 通、預測、產生新想法，以及心智模式的外顯化等。. DEFGH. 模型選擇. 從先前概念中選擇適當的物件（成分） 、或基本模型。. 3-1. 模型建立. 建立所選物件（成分） 、或基本模型的關係與結構。. 3-2. 利用已建立模型之關係與結構進行效化，以判斷、檢核、或. 3-3. 模型效化. 建模. 模型可以是「個人」、 「科學家」 、「社會大眾」對某種事物或. 模型分析. 比較模型內部的一致性。 利用已效化的模型分析問題，並解釋適當性（數據演算或推. 3-4. 理）。. 模型應用. 利用已效化的模型應用於類似情境的問題。. 3-5. 模型調度. 利用已效化的模型應用於新情境的問題。. 3-6. 察覺已效化的模型失效，需增加或減少物件（成分）與關. 3-7. 模型修正. 係，已修正為新的模型。 31.
(46) 模型轉換. 察覺已效化的模型整體失效，以重新建立為新的模型。. 3-8. （五）日文版的建立 模型本質問卷修訂後，經四位專家審核，建立專家效度。並對 1 名高中 生、15 名大學生、10 名研究生、10 名社會人士，合計 36 人進行預測。 日文版模型本質問卷則由研究者自行翻譯，研究者於 2015 年 3 月取得日本 語能力試驗(JLPT®)N1 級，具基礎溝通討論與閱讀文章之日語能力。研究者初步 翻譯的模型本質問卷，再經日本東京地區某大學科學教育學科現職教授與 7 名 日本科學教育學科研究生討論。按當地習慣進行語言文字的調整，經三星期反 覆修訂，完成翻譯版修訂。修訂後，對科學教育學科研究生及部分大四、大三 合計 9 名研究室學生進行預測。 模型本質問卷經測試後，結果顯示信度為 0.754。. 二、訪談題目 訪談題目主要分為五個部分，首先請受試者由 18 張圖卡中選取自己認為是 模型的物件，並闡述理由。接著，分別對原子結構、電池、人體肺部呼吸現 象、酸鹼，四種概念進行選項物件是否為模型的判斷，並闡述理由。第三，在 沒有選項的情況下詢問受試者模型有什麼功能？在沒有任何參考選項下，請受 試者對模型下定義。第四，請受試者從模型本質問卷中，問題四的選項敘述中 選出自己認為應有的模型功能，並對選項舉例說明；問題五，模型定義的選項 中，選出最符合自己想法的選項。第五，請受試者從問卷的問題一中，挑選自 己認為是模型的物件，並闡述理由。其中第五部分與第一部分問題類型相同， 但選擇項目不同，主要用以檢測晤談期間，受試者是否受晤談本身影響。 編碼表以表 3.3.1.1 為基礎，再追加其他訪談過程中彙整的新條目。. 32.
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