探討建模文本對於十年級學生學習原子模型之學習成效與建模能力之影響

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士班碩士論文. 指導教授：邱美虹博士. 探討建模文本對於十年級學生學習原子模型之學習成效與建模能力之影響 Investigating the Effectiveness of Modeling-based Text on Tenth Graders’ Learning Performance and Modeling Competencies about the Atomic Model. 研究生：周宜靜. 中華民國 105 年 01 月.

(2) 致謝本論文能夠順利完成，首先要感謝我的指導教授邱美虹老師，從進入邱老師的研究室之後，就一路跟著老師不斷的學習，在我的研究所生活當中，邱老師不僅扮演著指導教授的角色，更是像朋友一般關心著我，不論是在研究上遇到的困難或是其他難題，老師總是以無比的耐心，了解我所遇到的困難，並不斷鼓勵我、指引我，每每與邱老師討論聊天之後，總是充滿著動力，讓我可以慢慢地克服困難，並一步一步完成碩士學位，很開心也很幸運在研究上能夠受到邱老師的啟發，在此獻上我對於邱老師最誠摯的謝意，也非常感謝老師對我的指導與照顧！然而，在研究所的生活當中，還有一群從碩一就一直陪伴著我並支持著我的好朋友們，豐富了我在師大的生活，很感謝有你們的陪伴，也謝謝你們對我的照顧，讓我能夠順利一直到畢業。還有要感謝一直以來的好姊妹、每個你還有家人，總是能默默的支持著我、鼓勵著我，讓我有更大的動力完成碩士論文，最後，感謝這一路上幫助過我的所有人，也期許自己與大家都能夠往目標更進一步！.

(3) 摘要. 科學文本在學校科學教育中扮演著非常關鍵且重要的角色，不僅能夠幫助學生對於科學概念的學習，更是教師設計教學活動的主要依據。據此，本研究以建模歷程為架構設計了「外顯式」與「內隱式」的建模文本，並依照學生心智模式的屬性，將 36 位十年級學生平均分到「一般文本組」、「內隱式建模文本組」與「外顯式建模文本組」，最後，則透過各組科學文本的閱讀，探討學生對於原子模型概念、心智模式與建模能力的影響。本研究結果顯示學生在原子模型概念上，以外顯式建模文本的閱讀較有助於完整原子模型概念的學習，並能夠發展其建模能力，也能在閱讀文本之後，建立較接近科學模式的心智模式，因此，此結果也彰顯了外顯化建模歷程的效用，更顯示出外顯式建模文本的有效性，最後，也能在科學教育中提供建模科學文本編寫的參考依據。. 關鍵字：建模歷程、建模文本、建模能力、原子模型.

(4) Abstract. Scientific texts played an important role in science education. They not only could help students to learn scientific concepts, but they were also the main basis for designing teaching activities by teachers. In order to investigate the impact of scientific text, this study used two modeling-based texts about the atomic model for high school students to learn the atomic models during different periods of time. One of them included explicit descriptions and representations of modeling process, and the other included implicit description of modeling processes. The participants of this study included 36 tenth-grade students from a high school in New Taipei City. The students were equally classified into three groups in which students read three different versions of scientific texts (i.e., two modeling-based texts and one regular textbook). Finally, this study investigated the effectiveness of reading three different versions of scientific texts, mental models and modeling competencies about the atomic models. The analyses results revealed that the students who read modeling-based text that including explicit modeling process not only had better learning performance about the concepts of atomic model , but they also developed better modeling competencies. Furthermore, the modeling-based text helped students construct their mental models closer to the scientific models. In sum, the results revealed the significant effects of the modelingbased text that including explicit modeling process, and it also provided a reference for the preparation of relevant textbooks.. Key words：modeling process, modeling-based text, modeling competencies, atomic model.

(5) 目錄第壹章. 緒論…………………………………………………………………………………………-1-. 第一節研究背景與動機………………………………………………………………………-1第二節研究目的與問題………………………………………………………………………-3第三節名詞釋義………………………………………………………………………………-5第四節研究範圍與限制………………………………………………………………………-6第五節研究的重要性 … …… ………… ……… …… ………… ……… …… ………… -7 第貳章. 文獻探討……………………………………………………………………………………-9-. 第一節模型與建模……………………………………………………………………………-9第二節建模能力……………………………………………………………………………-26第三節心智模式……………………………………………………………………………-32第四節原子模型之相關研究………………………………………………………………-37第五節科學文本……………………………………………………………………………-40第六節結語…………………………………………………………………………………-42第參章. 研究方法…………………………………………………………………………………-43-. 第一節研究設計與流程……………………………………………………………………-43第二節研究對象……………………………………………………………………………-48第三節文本教材的設計……………………………………………………………………-49第四節研究工具……………………………………………………………………………-64第五節資料分析與處理……………………………………………………………………-72第肆章. 研究結果…………………………………………………………………………………-77-. I.

(6) 第一節原子模型概念試題之學習成效分析………………………………………………-78第二節概念試題之四大原子模型之學習成效分析………………………………………-81第三節原子模型心智模式分析……………………………………………………………-88第四節原子模型之建模能力分析…………………………………………………………-99第五節原子模型各建模歷程之建模能力分析……………………………………………-103第六節原子模型半結構式晤談之建模能力分析…………………………………………-115第伍章. 討論與結論………………………………………………………………………………-137-. 第一節討論與結論…………………………………………………………………………-137第二節啟示、反思與建議…………………………………………………………………-140參考文獻中文部分……………………………………………………………………………………-145英文部分……………………………………………………………………………………-146附錄附錄一原子模型的發展之一般文本………………………………………………………-153附錄二原子模型的發展之內隱式建模文本………………………………………………-169附錄三原子模型的發展之外顯式建模文…………………………………………………-189附錄四原子模型之概念試題………………………………………………………………-215附錄五原子模型之建模能力試題(晤談試題)……………………………………………-223-. II.

(7) 表次表 2-1-1. 模型定義彙整………………………………………………………………………10. 表 2-1-2. 建模定義彙整………………………………………………………………………16. 表 2-1-3. 建模歷程之定義說明………………………………………………………………21. 表 2-2-1. 建模能力定義彙整…………………………………………………………………26. 表 2-2-2. 設計建模試題的重要敘述與例題…………………………………………………29. 表 2-3-1. 心智模式的定義……………………………………………………………………32. 表 3-1-1. 本研究設計之流程………………………………………………………………………45. 表 3-2-1. 本研究參與對象人數分布…………………………………………………………48. 表 3-2-2. 本研究參與半結構式晤談對象人數分布…………………………………………49. 表 3-3-1. 一般文本試題類型舉例說明………………………………………………………55. 表 3-3-2. 建模歷程定義及其解釋……………………………………………………………56. 表 3-3-3. 外顯式建模文本之建模試題舉例說明……………………………………………60. 表 3-3-4. 一般文本與兩建模文本之差異……………………………………………………62. 表 3-4-1. 研究工具設計要點…………………………………………………………………64. 表 3-4-2. 原子模型概念試題之雙向細目表…………………………………………………65. 表 3-4-3. 原子模型概念試題難度分析表………………………………………………………67. 表 3-4-4. 原子模型概念試題鑑別度分析表……………………………………………………67. 表 3-4-5. 原子模型建模能力試題之雙向細目表……………………………………………68. 表 3-4-6. 原子模型建模能力試題難度分析表…………………………………………………70. 表 3-4-7. 原子模型建模能力試題鑑別度度分析表……………………………………………71. III.

(8) 表 3-5-1. 研究問題與其對應分析方法表……………………………………………………72. 表 3-5-2. 各原子模型發展之「成分與關係」……………………………………………………74. 表 3-5-3. 原子模型心智模式分類……………………………………………………………75. 表 4-1-1. 原子模型概念測驗之前測總分 K-W 檢定……………...……………………………78. 表 4-1-2. 不同組別之學生閱讀文本前後原子模型概念表現之 Wilcoxon 符號等級檢定…79. 表 4-1-3. 「文本組別」與「概念先備知識(前測)」組間回歸係數同質性檢定摘要表………80. 表 4-1-4. 文本組別與原子概念測驗後測之單因子共變數(ANCOVA)分析…………………80. 表 4-2-1. 四大原子模型概念之前測總分 K-W 檢定……………...……………………………82. 表 4-2-2. 不同組別之學生閱讀文本前後各原子模型概念表現之 Wilcoxon 符號等級檢定...84. 表 4-2-3. 「四大原子模型概念(前測)」與「文本組別」組間回歸係數同質性檢定摘要……85. 表 4-2-4. 四大原子模型概念後測與文本組別之單因子共變數(ANCOVA)分析……………85. 表 4-3-1. 三組前測之心智模式分布…………………………………………………………89. 表 4-3-2. 三組之前、後測原子模型之心智模式分布…………………………………………93. 表 4-3-3. 三組原子模型的心智模式分布與轉變途徑比較…………………………………96. 表 4-4-1. 原子模型建模能力試題之前測總分 K-W 檢定……………...………………………99. 表 4-4-2. 不同組別學生閱讀文本前後原子模型建模能力表現之 Wilcoxon 符號等級檢定.100. 表 4-4-3. 「文本組別」與「建模能力(前測)」組間回歸係數同質性檢定摘要表…………….100. 表 4-4-4. 文本組別與原子建模能力測驗後測之單因子共變數(ANCOVA)分析…………101. 表 4-4-5. 「建模能力測驗」前、後測 ANCOVA 事後比較分析………………………………101. 表 4-5-1. 各建模歷程之前測總分 K-W 檢定………………………………………………….104. 表 4-5-2. 不同組別之學生閱讀文本前、後「模型選擇」表現之 Wilcoxon 符號等級檢定…...105. 表 4-5-3. 不同組別之學生閱讀文本前、後「模型建立」表現之 Wilcoxon 符號等級檢定…...106. IV.

(9) 表 4-5-4. 不同組別之學生閱讀文本前、後「模型效化」表現之 Wilcoxon 符號等級檢定…...107. 表 4-5-5. 不同組別之學生閱讀文本前、後「模型分析」表現之 Wilcoxon 符號等級檢定…...107. 表 4-5-6. 不同組別之學生閱讀文本前、後「模型應用」表現之 Wilcoxon 符號等級檢定…...108. 表 4-5-7. 不同組別之學生閱讀文本前、後「模型修正」表現之 Wilcoxon 符號等級檢定…...109. 表 4-5-8. 不同組別之學生閱讀文本前、後「模型轉換」表現之 Wilcoxon 符號等級檢定…...109. 表 4-5-9. 「各建模歷程(前測)」與「文本組別」組間回歸係數同質性檢定摘要表…………110. 表 4-5-10. 各建模歷程後測與文本組別之單因子共變數(ANCOVA)分析…………………111. V.

(10) 圖次圖 2-1-1. 模型、心智模式與實體或現象之關係………………………………………………13. 圖 2-1-2. 模型視覺化作用………………………………………………………………………14. 圖 2-1-3. 模型、來源與目標之間的轉換………………………………………………………15. 圖 2-1-4. 一般性建模歷程………………………………………………………………………17. 圖 2-1-5. 建模模型的架構………………………………………………………………………19. 圖 2-1-6. 建模歷程圖……………………………………………………………………………20. 圖 2-1-7. 以模型為基礎的學習模型……………………………………………………………23. 圖 2-1-8. 以模型為基礎之學習理論架構………………………………………………………24. 圖 2-2-1. 科學理論結構模型……………………………………………………………………28. 圖 2-2-2. 以電化學為例之理論建模的模型……………………………………………………29. 圖 2-2-3. 本研究原子模型發展之理論建模的模型……………………………………………31. 圖 2-3-1. 概念與心智模式關係圖………………………………………………………………34. 圖 2-3-2. 生物物種與心智模式類比……………………………………………………………35. 圖 3-1-1. 研究設計示意圖………………………………………………………………………45. 圖 3-1-2. 研究流程圖…………………………………………………………………………47. 圖 3-3-1. 本研究之文本設計流程………………………………………………………………50. 圖 3-3-2. 本研究之原子模型概念圖……………………………………………………………51. 圖 3-3-3. 建模歷程指標…………………………………………………………………………54. 圖 3-3-4. 一般文本設計………………………………………………………………………55. 圖 3-3-5. 外顯式建模文本設計與內隱式建模文本設計………………………………………58. VI.

(11) 圖 3-3-6. 建模文本之外顯式建模歷程及想一想試題之舉例…………………………………59. 圖 3-3-7. 文本中的小提示………………………………………………………………………60. 圖 3-3-8. 本研究之檢測文本的設計……………………………………………………………63. 圖 3-5-1. 心智模式分類結構示意圖……………………………………………………………76. 圖 4-1-1. 三組原子模型概念測驗之前、後測平均分數………………………………………..81. 圖 4-2-1. 「一般文本組」於各原子模型之前、後測平均分數…………………………………86. 圖 4-2-2. 「內隱式建模文本組」於各原子模型之概念前、後測平均分數……………………87. 圖 4-2-3. 「外顯式建模文本組」於各原子模型之概念前、後測平均分數……………………87. 圖 4-3-1. 三組學生原子模型前測之心智模式分布情形………………………………………90. 圖 4-3-2. 「一般文本組」學生前、後測心智模式分布圖………………………………………94. 圖 4-3-3. 「內隱式建模文本組」學生前、後測心智模式分布圖………………………………94. 圖 4-3-4. 「外顯式建模文本組」學生前、後測心智模式分布圖………………………………94. 圖 4-3-5. 三組原子模型前、後測之心智模式分布與轉變情形………………………………97. 圖 4-4-1. 三組原子模型建模能力測驗之前、後測平均分數…………………………………102. 圖 4-5-1. 三組各建模歷程建模能力之前測平均分數………………………………………112. 圖 4-5-2. 三組各建模歷程建模能力之後測平均分數………………………………………113. 圖 4-5-3. 一般文本組各建模歷程之建模能力前、後測平均分數……………………………113. 圖 4-5-4. 內隱式建模文本組各建模歷程之建模能力前、後測平均分數……………………114. 圖 4-5-5. 外顯式建模文本組各建模歷程之建模能力前、後測平均分數……………………114. 圖 4-6-1. B2 學生的手稿內容…………………………………………………………………134. VII.

(12) 第壹章緒論. 第壹章緒論本研究旨在探討建模文本對於十年級學生原子模型之學習成效、心智模式與建模能力的影響。本章節共分為五大部分，第一節說明本研究的背景與動機；第二節將引出本研究的目的，並提出三個研究問題；第三節為名詞釋義，說明本研究所採用的名詞；第四節則提出本研究的範圍與限制；第五節則提出本研究之重要性，分別詳述如下：. 第一節研究背景與動機對於科學教育而言，模型（model）與建模（modeling）已成為科學發展中的重要元素，同時，也是科學學習中不可或缺的認知與能力（邱美虹，2008）。然而，在近十多年來，「模型與建模」在科學教育改革中，已漸漸受到肯定及存在著價值（AAAS, 1993； National Research Council, 1996）。例如：美國研究團隊於 2013 年提出的「新一代科學教育標準」（Next Generation Science Standards，簡稱 NGSS），明確的條列出「建模對於 9-12 年級的學生，能夠在自然世界中，使用、合併及發展模型去預測和得到變量之間的關係」；除此之外，PISA（2012，2015）也將建模納入其評量內涵之中；我國十二年國教亦於探究能力之草案中將模型與建模納入探究能力中，其中指出「建立模型─學生能理解科學原理的模型，藉由理解來建立模型，並運用模型的選擇、應用，來認識科學原理及解釋科學現象」(教育部，2015)。有鑒於此，模型與建模已逐漸在科學教育中被重視及使用，甚至納入教育標準，因此，模型與建模對於教學而言是重要的，對於學生而言，更是必要學習的一環。Justi 與 van Driel（2005）也指出模型與建模對於學生的重要性，分別為：（一）學習科學：學生應理解主要的科學模型以及該模型的限制與範圍；（二）學習動手做科學：學生要有創造、表達和檢測自己模型的機會；（三）學習科學本質：學生應學習並認識模型的本質及角色。. 1.

(13) 第壹章緒論. 然而，學生的學習內容來自於教師及科學文本（即為教科書），Sanchez 及 Valcarcel（1999）指出教師相當依賴科學文本的內容來設計教學活動，因此，在教育上，教師的教學活動、學生的學習內容與科學文本的內容是環環相扣的。就目前正規的教學活動現場來看，僅有少數包含模型與建模觀點的教學活動能夠提高學生的心智建模（張志康、邱美虹，2009；Hestenes, 1992; Justi & Gilbert, 2002; Saari & Viiri, 2003; Schwarz et al., 2009; Jong, Chiu & Chung, 2015）；而對於科學文本方面，卻缺少了模型與建模的觀點（Gericke & Hagberg, 2010），因此，教師的教學內容若是僅參考教科書（文本）來設計教學活動，其教學活動是難以發展模型與建模的觀點（劉俊庚、邱美虹，2010），學生亦無法學習到模型與建模的觀點。此外，研究亦指出教科書（文本）在「原子理論的發展」描述均有缺失（Justi & Gilbert, 2000； Niaz & Rodríguez, 2001；Niaz & Coştu, 2009；Rodríguez & Niaz, 2004），無法描述不同原子理論之間的修正與限制，以及模型之間的連結也不夠清楚、完整（劉俊庚、邱美虹，2010）。歸納上述內容及原因，如下：第一，模型與建模的觀點對於科學教育而言逐漸茁壯，對於教師與學生更是重要；第二，科學文本對於教師與學生在教與學上均扮演著相當重要的角色；第三，科學文本中原子理論的內容有所缺失。因此，本研究透過原子模型之建模文本的設計，探討建模文本組（內隱式建模文本、外顯式建模文本）與一般文本組的學生對於原子模型概念之學習成效、心智模式及建模能力之影響，更進一步提供建模文本編排之參考，協助教師與學生之文本的使用，以及對於原子模型的發展提供較完整的內容。. 2.

(14) 第壹章緒論. 第二節研究目的與問題根據文獻的發現及目前教學現場文本內容的缺失，本研究設計編排了三種不同的文本，並結合高中一年級化學課程之原子單元，作為本研究的概念主題，而本研究的目的為探討建模文本（內隱式建模文本、外顯式建模文本）之閱讀與一般文本之閱讀前、後，對於原子模型之學習成效、心智模式及建模能力之影響，可分述成以下三個研究目的： 1. 研究目的 1：探討十年級學生閱讀一般文本、內隱式建模文本與外顯式建模文本，對於原子模型概念之學習成效的影響。 2. 研究目的 2：探討十年級學生閱讀一般文本、內隱式建模文本與外顯式建模文本，對於原子模型之心智模式的改變情形。 3. 研究目的 3：探討十年級學生閱讀一般文本、內隱式建模文本與外顯式建模文本的，對於原子模型之建模能力的影響。. 根據上述的研究目的，本研究欲探討的研究問題分支如下：研究問題 1：十年級學生透過一般文本/內隱式建模文本/外顯式建模文本的閱讀，對於原子模型概念的學習成效為何？問題 1-1 十年級學生閱讀一般文本/內隱式建模文本/外顯式建模文本之前，對於原子模型概念的學習情形為何？問題 1-2 十年級學生閱讀一般文本/內隱式建模文本/外顯式建模文本之後，對於原子模型概念的學習情形為何？問題 1-3 十年級學生閱讀一般文本/內隱式建模文本/外顯式建模文本之前、後，對於原子模型概念的學習成效為何？. 3.

(15) 第壹章緒論. 研究問題 2：十年級學生透過一般文本/內隱式建模文本/外顯式建模文本的閱讀，學生的心智模式分布與轉變情形為何？問題 2-1 十年級學生在閱讀一般文本/內隱式建模文本/外顯式建模文本之前，學生的心智模式分布情形為何？問題 2-2 十年級學生在閱讀一般文本/內隱式建模文本/外顯式建模文本之後，學生的心智模式分布情形為何？問題 2-3 十年級學生在閱讀一般文本/內隱式建模文本/外顯式建模文本之前、後，學生的心智模式轉變情形為何？. 研究問題 3：十年級學生透過一般文本/內隱式建模文本/外顯式建模文本的閱讀，學生的建模能力的表現為何？問題 3-1 十年級學生閱讀一般文本/內隱式建模文本/外顯式建模文本之前，學生的建模能力的表現為何？問題 3-2 十年級學生閱讀一般文本/內隱式建模文本/外顯式建模文本之後，學生的建模能力的表現為何？問題 3-3 十年級學生閱讀一般文本/內隱式建模文本/外顯式建模文本之前、後，學生建模能力的表現為何？. 4.

(16) 第壹章緒論. 第三節名詞釋義本研究重要名詞界定如下：. 一、建模歷程（Modeling Process）本研究之建模歷程定義為採用邱美虹（2014）研究計畫所提出的建模歷程指標（Modeling Process Indicators, MPI），共分成四個階段─「模型發展階段」、「模型精緻化階段」、「模型遷移階段」、「模型重建階段」，每個階段又可各在再細分出兩個建模歷程，因此，共包含了八大建模歷程，即為「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」。其中，模型選擇為從先前概念中選擇合適的成分或物件；模型建立為根據所選擇之成分或物件，建立其關係或結構；模型效化為進行模型之關係與結構的效化，包含了判斷、檢驗、或比較模型內部一致性；模型分析為利用已效化的模型分析問題，包含了數據計算或推理；模型應用與調度分別為將已效化模型運用到相似情境或是新情境的問題上，因此，模型應用又可為近遷移，模型調度又可為遠遷移；模型修正為察覺模型失效，需增加或減少成分、物件或關係，以修正為新的模型，可為弱重建；模型轉換為察覺模型整體失效，以重新建立為新的模型，又可為強重建。. 二、建模能力（Modeling Competencies）本研究之建模能力為接近思考的技巧，讓學生可以用它來生成、驗證、修正及重建自己的心智模型，意即 Jong、Chiu 與 Chung（2015）提及的建模能力觀點，模型選擇之建模能力為學生選擇適當的模型組件、成分的能力；模型建立之建模能力為加入模型組件、成分以生成較完成整的心智模型的能力；模型效化之建模能力為檢驗模型的外部或內部一致性的能力；模型分析之建模能力為用有效的模型分析目標問題的能力；模型應用、模型調度之建模能力為運用有效的模型去. 5.

(17) 第壹章緒論. 解決相似情境或新情境問題的能力；模型修正、模型轉換之建模能力為修改無效的模型，形成一個修正模型或建立新模型的能力。. 三、建模文本（Modeling-based Text）本研究之建模文本是以建模歷程的為主要架構所編排和設計的文本，共分為兩種，一為「內隱式建模文本」，二為「外顯式建模文本」。其中，外顯式建模文本是將建模歷程「外顯化」於科學內容之中；內隱式建模文本，則是將建模歷程「內隱」在科學內容中，詳細內容請參考第三章第三節文本教材的設計。. 四、科學原子模型（Atomic Model）本研究所提及之科學原子模型為化學家使用之正確模型的內容，即為道耳頓原子模型、湯姆森原子模型、拉塞福原子模型及波耳原子模型。. 第四節研究範圍與限制本研究由於受到研究方法、人力、時間等因素的限制與影響，使得其研究結果有侷限性，因此，本研究將其研究的限制與範圍整理如下，包含地域及研究對象的限制、單元的限制及研究工具的限制，分別說明如下：. 一、地域及研究對象的限制本研究之研究對象為台中市某私立普通高中十年級的學生，如欲將結果推論至其他年級或其他學校，需考量各項條件之差異性，不宜過度推論。. 6.

(18) 第壹章緒論. 二、單元的限制本研究所涵蓋的單元內容為原子模型之科學概念，包含了道耳頓原子模型、湯姆森原子模型、拉塞福原子模型及波耳原子模型，其研究結果適用於本研究的設計範圍內，故不宜將研究結果推論至其他科學概念的學習上。. 三、研究工具的限制本研究的研究工具有三，一為「原子模型概念試題」；二為「原子模型建模能力試題」；三為「原子模型建模能力之半結構式晤談」。其中「原子模型概念試題」為單一選擇題的紙筆測驗；「原子模型建模能力試題」為非選擇題的紙筆測驗；「原子模型建模能力之半結構式晤談」則為原子模型建模能力試題的晤談。因此，本研究僅能透過學生答題表現及晤談資料，理解學生的概念理解程度、建模能力及心智模式的發展，故不宜將本研究結果做過多的推論。. 第五節研究的重要性於科學教育當中，科學文本為教師編排教學活動的依據，更是學生學習的根本，因此，本研究將「模型與建模」的觀點融入科學文本當中，更是在科學教育的研究領域中，首次初探原子模型之外顯式建模文本的使用，透過本研究的研究設計，提供了外顯式建模文本的編排，更提供了系統性的架構，除了強調各個原子模型的修正與轉換，更從一個較完整且全面性的建模觀點連結每個模型，因此，本研究希望透過之外顯式建模文本的設計，能夠提升學生學習原子模型之學習成效與建模能力，亦希望能夠提供不同於教育現場科學文本的使用與設計，讓原子模型單元的設計更加的完整，由此，可以建立本研究在科學教育中的重要性。. 7.

(19) 第壹章緒論. 8.

(20) 第貳章文獻探討. 第貳章文獻探討本研究的主軸圍繞於建模文本對於學生學習原子模型概念之成效及建模能力之影響，因此，本章第一節「模型與建模」，將探討科學教育中模型與建模之定義，並進一步歸納模型與建模的重要性；第二節為「建模能力」，將說明建模能力之定義、說明建模能力的檢測方式與建模能力試題的發展，最後則提出建模能力對於科學教育的重要性；第三節欲透過「心智模式」的文獻資料，歸納整理出本研究的心智模式分類；第四節則探討本研究之主要原子模型單元的相關研究；第五節「科學文本」，除了探討科學文本的重要性與使用，亦探討建模文本的需要；最後，第六節「結語」，整理此章節對於本研究的影響與啟示。. 第一節模型與建模在科學教育當中，邱美虹（2008）認為「模型（model）」與「建模（modeling）」是科學發展的重要元素之一。相同的，Gilbert（1991）亦認為「科學」即為建立模型的一個過程，而「學習科學」則是學習如何建立模型的過程，因此，學生在學習科學上，「模型與建模」扮演著非常重要的角色，除了是科學學習的過程，也是學習建立模型的過程，學生若能夠察覺並培養其建立模型的能力，將有助於學生科學概念的學習與理解。. 一、科學教育中的模型 (一) 模型的定義模型因為能夠提出適當的理解以及能夠被使用，而被許多學者視為是科學的理解中心（Gilbert & Boulter, 1998; Harrison & Treagust, 2000; Ramadas, 2009, 引自 Coll & Lajium, 2011）。除了在課堂上，教師為了讓學生有正確的概念，會藉由「模型」的使用，讓學生建立微觀或抽象. 9.

(21) 第貳章文獻探討. 的科學概念之外，於文本中，更是如此。然而，模型的定義為何？一般來說，對於模型的認知，會停留在較具體的層面，如 Bliss（1994）提及的模型會比實際物體更為簡化，只是其尺度的大小可能比實體來的小或是大，如文本中經常出現的原子模型圖片等。但是相對的，模型也能夠是從抽象層面的去扮演理論（theories）與現象之間的中介物（mediators）或是橋梁角色（Morgan & Morrison, 1999, 引自劉俊庚、邱美虹，2010），例如：波耳氫原子能階之能量公式 En ＝－ 2.179 × 10－18 J ，n＝1，2，3…。因此，對於模型的定義可以是很廣泛的，能夠從具體的層面延 n2 伸到抽象的層面，就如同 Schwarz 等人（2009）認為的模型可以是某現象的抽象或簡化的一種表徵。但是，至今對於「模型」的定義，並未有一個較為一致性的看法，Hartmann（1995）指出模型於科學、邏輯與哲學等不同領域的使用，會有不同代表的意義，因此，不同的研究者對於模型的定義亦會有不同的詮釋內容，如表 2-1-1 所示。. 表 2-1-1 模型定義彙整（修改自劉俊庚、邱美虹，2010）研究者 Hestenes（1987） Tiberghien（1994） Glynn 與 Duit（1995） Gilbert 與 Boulter（2000）. 模型的定義模型是真實事物的一種概念性表徵模型是為了表徵物質情境的某些部分，包括質化與量化的功能性關係（數學式）模型是系統的系統化表徵，或是某些系統簡化的觀點，包括規則、關係、概念和物件，用來描述、表徵和解釋外在世界的現象模型被視為是一個物件、事件、想法或現象的表徵. Tregidgo 與 Ratcliffe （2000）模型是表徵物件、現象或想法的結果 Schwarz 等人（2009）. 模型可以是某現象的抽象或簡化的表徵. Gericke 與 Hagberg（2010）模型是現象的簡化，企圖使用發展現象的解釋. 10.

(22) 第貳章文獻探討. 除了表 2-1-1 的研究者對模型的定義之外，吳明珠（2004）也提出模型為某個現象的樣本與原型之間能夠有一定相似的結構系統，Ogborn（1994）認為模型是將事物簡單化或理想化成為另一種替代的表徵，因此，可以發現不同的研究者對於模型定義的詮釋都不盡相同，但是，卻可以整理歸納出一個共同的核心意義，也就是「模型能代表在某些情況下對物件、事件或關係所呈現的另有表徵」（邱美虹、劉俊庚，2008；劉俊庚、邱美虹，2010）。. (二) 模型對於科學教育的重要性根據模型定義，就如同 Franco 等人（1999）指出的，模型主要價值在於提供我們認識世界的方式，因此，在科學教育中，模型為可信賴的（authentic）的教育途徑，對於學生的學習與認識自然世界或情境是有所幫助的，Leatherdale（1974, 引自 Gilbert, 1993）針對模型的功能，提出了七點，其中兩點為模型能夠將複雜現象簡單化，以利於思考；模型能提供更簡易的方式來理解理論，根據 Leatherdale 對於模型的功能，歸納整理出模型於科學教育的重要性，分別為「有助於複雜現象簡單化學習」、「有助於抽象概念的學習」，也就是「模型的呈現」方面，如同 Treagust、 Chittleborough 與 Mamiala（2002）認為科學的教學應該提供與現象對照的呈現模型（或科學模型），讓學習生能夠建立以模型為基礎的學習。另外，於「心智模式方面」提出一點，為「有助於表達個人化的知識」，最後，則提出「模型的限制」，分別敘述如下。. 1. 有助於複雜現象簡單化學習教科書以及教學上經常使用類比模型，來簡化複雜的概念學習。其類比模型可以簡單、豐富或延伸（Curtis & Reigeluth, 1984，引自 Harrison & Treagust, 2000），在簡單的類比模型中，模擬和目標物之間的關係是淺而易見的，例如：原子如同一顆球。林靜雯與邱美虹（2008）指出模型的功能有簡化複雜的現象，把複雜化的現象簡化，有助於學生在學習上不會因為太過於複雜而. 11.

(23) 第貳章文獻探討. 興趣缺缺，反而可以透過簡化的模型激發學生的學習興趣，也能夠簡單學習較為複雜的現象或概念。 Harrison 與 Treagust（2000）也提及類比模型是個假設，適合將概念教授給學生，以及解釋複雜化的概念，但模型並不是都是簡單的，也可能會引出許多的問題，例如：原子如何像一個球？因此，在選擇模型來解釋概念的時候，要先了解學生存有的先備知識及科學內容的性質（White, 1994, 引自 Harrison & Treagust, 2000），才能夠將複雜化的概念透過簡單模型的方式傳授給學生。. 2. 有助於抽象概念的學習在 20 世紀中，模型在知識發展中成為了的核心角色（Gilbert, 2004），例如：在化學方面，模型已成為主要思考的方式，因此，在科學教育上，模型同樣扮演著相當重要的角色，也常用來表示抽象的概念，Grosslight 等人（1991）的研究中，說明只要提到抽象的原子模型，學生想到的會是行星模型，原因是教師上課會用行星模型類比原子模型，而要求學生畫原子的形狀，大多數學生呈現的是球或球體的形狀，因此在模型的教學中，選擇的模型模式會影響到學生的學習認知，也會讓學生學習抽象概念可以更容易理解。邱美虹（2008）也提及教師在教學時描述原子結構時，通常使用太陽系行星模型，原子核對應的是太陽，電子則是外圍行星的運轉，而 Grosslight 等人（1991）提到學生在畫原子的圖像中，大部分學生都沒有考慮到空間的關係及其模型的限制，因此，必須告知學生模型的目的及使用，避免讓學生產生學習上的錯誤。. 3. 有助於表達個人化的知識 Gilbert、Boulter 和 Elmer（2000）指出模型可以透過心智模式的方式來表徵，而其心智模式. 12.

(24) 第貳章文獻探討. 是屬於個人化的知識表徵。邱美虹與劉俊庚（2008）認為可以透過圖片、文字、符號等多元的表徵方式來呈現，以達到模型不同的功能與目的（如：解釋性、描述性、溝通、抽象化、問題解決等）。他們認為個體藉由模型所表徵之實體或現象能夠建立內在的心智模式，相對的，個體也能夠藉由模型所表徵的方式來陳述對於實體或現象的理解。其中，對於實體或現象屬於外顯模型，可以是單一或多重、教學的、歷史的、個人的...等特質，而相對於心智表徵則屬於內隱模型，其可能具有完整/片段的知識、一致/不一致的結構，以及正確/不正確的性質，其模型、心智模式與實體或現象之關係如圖 2-1-1。. 圖 2-1-1 模型、心智模式與實體或現象之關係（邱美虹、劉俊庚，2008）. 13.

(25) 第貳章文獻探討. 4. 理解模型的限制於 Duit（1991）的研究中，提供了映射目標到來源之間有效的視覺化作用，也就是說，透過模型能夠簡化事件或是情境（目標）與已有的經驗（來源），而呈現視覺化的模型，如圖 2-1-2。其中，模型如同前述的類比模型，能夠表示情境或事物（目標）的類比，但模型之間的屬性與目標和類比僅共享了某些屬性，也就是說，模型和目標的範圍共享的屬性各不相同（Maksic, 1990），模型及目標可能在某些狀況下是不同的，也可能在許多方面是不相同的，而產生了模型的限制特徵。就如 Portides（2007）提及的模型代表的是真實的接近值，或是對於目標的有限「版本」，因此，許多的模型是具有明顯的限制，如果這些限制提前被知道，對於模型的使用或功能會有所幫助（Coll & Lajium, 2011）。. 圖 2-1-2 模型視覺化作用（修改自 Duit, 1991）. 二、科學教育中的建模（Modeling） (一) 建模的定義在科學教育的文獻中，指出了在科學中使用建模的三大主要目的（Gilbert & Rutherford, 1998a, 1998b; Passmore & Stewart, 2002; Ramadas, 2009; Thomas & McRobbie, 2001；引自 Coll & Lajium, 2011）：（1）對於物件或概念，可以建立更簡單的一種形式；（2）在學習上或概念生成時，提供. 14.

(26) 第貳章文獻探討. 一個刺激性的作用，進而產生現象的視覺化作用；（3）對於科學現象，能夠提供解釋。由此建模在科學教育上可以是認知、問題解決的基礎，也是產生適當模型的過程。然而，何謂建模（Modeling）呢？張志康與邱美虹（2009）從建模的詞彙上進行解讀，認為建模在英文上，就是「把 Model 加上 ing」，而在中文詞彙上就是「把模型加以建構（construction）」，因此，從中文及英文詞彙上可以得出其建模與建構的觀點有相像之處。但是，單從詞彙上並無法真正說明「建模運作的具體因子」，也就是無法了解模型建立的過程及運作機制。對此，Brodie 等人（1994）認為建模涉及了模型、來源與目標之間的轉換，如圖 2-1-3，模型在此扮演著幫助目標與來源之間的連接關係，也就是說，當我們想要了解某一件事件或現象（目標），我們可以根據模型去連接生活中或過去經驗已知的內容或事情（來源）來尋找解決此目標的相關經驗（Brodie et al., 1994; Suckling, Suckling, & Suckling, 1978，引自 Coll & Lajium, 2011）。. 圖 2-1-3 模型、來源與目標之間的轉換（after Brodie et al., 1994, 引自 Coll & Lajium, 2011）. 此外，對於建模定義的說明，許多研究者均提出不同的定義來描述建模，研究者將其定義分別整理如表 2-1-2。. 15.

(27) 第貳章文獻探討. 表 2-1-2 建模定義彙整（新增並整理自劉俊庚、邱美虹，2010）研究者. 建模的定義. Devi、Tiberghien、Baker 與. 建模為連結科學理論與經驗世界或現象與模型，過程中將實體. Brna（1996）. 或現象加以簡化，並能夠與所觀察的實體進行比較. Morgan 與 Morrison（1999）. 建模為模型與理論或現象之間的一種連結. Buckley 與 Boulter（2000）. 建模是以「模型」為基礎的學習，是模型的建構，是透過形成、使用、修正與詳細闡述的反覆過程. Lopes 與 Costa（2007）. 從「情境問題」（situation-problem）為考量，認為建模是在與情境結合的任務之間，運用和建構科學模型. Justi、Gilbert 與 Ferreira. 建模是科學探究的核心技能，為產生、檢驗和修正模型的一個. （2009）. 動態歷程. Schwarz 等人（2009）. 建模為科學模型的使用，包括了建立和使用模型，及評估和修正模型. Jong、Chiu 與 Chun（2015）. 建模為科學家或學生生成、建立、修正及重建心智模式的過程，能夠使他們解決問題及概念化科學知識. 綜合以上研究者對於建模的定義，發現對於建模的定義慢慢趨向於建模歷程，如 Justi、Gilbert 與 Ferreira（2009）與 Jong、Chiu 與 Chun（2015）對於建模的定義以論及了建模歷程，也就是說，從早期對於建模的定義為代表理論、現象或經驗與模型之間的連結，慢慢的發展到，除了是連結模型與理論/事件之外，更可以為一個動態的過程或是歷程，因此，根據以上對於建模定義的發展，可以歸納出建模為一個動態的歷程去連接模型與物件或現象，以解決問題或自然現象等。. (二) 建模歷程根據建模的定義趨向於動態歷程化，也更趨向於發展科學知識的重要過程，如 Jong、Chiu 與 Chung（2015）指出的建模為科學家或學生生成、建立、修正及重建心智模式的過程，能夠使他們解決問題及概念化科學知識，而這樣通用的建模歷程在文獻中已經是被支持的，只是不同研究者對於建模歷程觀點的詮釋方式各有不同。. 16.

(28) 第貳章文獻探討. 建模歷程早在 1987 年由 Hestenes 提出的建模策略，認為建模的過程為物理問題之解決，其包含了四個階段，分別為描述（description）階段、形式化（formulation）階段、分枝（ramification）階段、效化（validation）階段，其中，描述階段為描述模型的各種基本變數，以及確定所發展之模型的形式；形式化階段為透過定律和交互作用，進而形成方程式；分枝階段為指出各模型的不同意義或表徵的形式；效化階段為考量分枝模型的評估。Hestenes 亦認為在建模歷程中，這樣的過程只是屬於基本步驟，並不是硬性規定的策略。但是，Shen 與 Confrey（2007）則認為 Hestenes 的建模步驟太過於強調其相關線性的過程（引自劉俊庚、邱美虹，2010）。 Halloun（1995, 引自 Halloun, 1996）提出「一般性建模歷程的模型」，如圖 2-1-4，透過建構、精緻和應用模型的過程來解釋如教科書上的問題（也就是情境），也認為建模歷程為反覆循環的一個過程。其過程為先辨認及描述情境、現象中的組成物和個別現象，接著定義建模的「目的」以及「效化預期的結果」。透過這些步驟，能夠選擇和建立合適的模型，便可進一步分析模型及持續的效化模型，最後則可以推論出一個適當的結論。. 圖 2-1-4 一般性建模歷程（Halloun, 1995）. 17.

(29) 第貳章文獻探討. Halloun（1996）奠基在 Halloun（1995）所提出的「一般性建模歷程的模型」，根據教科書問題的解決，提出了建模歷程應包含有：模型選擇（model selection）、模型建構（model construction）、模型有效化（model validation）、模型分析（model analysis）和模型調度（model deployment）。其中，模型選擇為當解決問題時，選擇常使用之合適的模型；模型建構為建構組成成分及組織以解決問題；模型效化為包含不同形式之模型評估及重視其內部一致性；模型分析為當模型已被確認及具有內部一致性時，能夠為了達成目的而不斷的被分析與修正；模型調度則為將模型則將已效化之模型用於新的問題之中。Halloun 亦認為此五個建模歷程沒有等級、步驟的關係，例如：在模型建構、效化與分析常會互相重疊，也就是說，在建模過程中，有些建模歷程是會同步進行的。另一個與 Halloun（1996）所提出的架構相似的為 Justi 與 Gilbert（2002）的「建模模型的架構（model of modelling framework）」，如圖 2-1-5 所示。可以清楚地看見心智模式發展的一個過程，從目的的決定之後，根據已有的資源及經驗形成心智模式，更透過修正或重新形成新的心智模式來完成目的，其中，特別的是要考量到模型的範圍以及限制。. 18.

(30) 第貳章文獻探討. 圖 2-1-5 建模模型的架構（Justi & Gilbert, 2002, 引自邱美虹、劉俊庚，2008）. 邱美虹（2007）以 Halloun 的建模歷程為主要架構，加入了其認為相當重要之新元素─模型重建，認為模型重建能夠幫助擴大並精緻其模型的解釋能力，之後，劉俊庚與邱美虹（2010）將建模歷程歸納為兩個主要階段，分別為模型發展（model development）和模型運用（model implement），因此，在此提出的建模歷程包含了有六個階段，為模型描述與選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型調度和模型重建，其各階段之交互運作如圖 2-1-6 所示。由建模歷程圖可以發現此時的建模歷程不再屬於線線性關係的階段，而是像是網絡交錯循環的關係，舉例說明，當建模歷程來到模型效化階段，可能因為缺乏內部一致性，而導致模型重建或是回歸模型描述與. 19.

(31) 第貳章文獻探討. 選擇階段，因此，每一個建模階段都有可能會回歸上一個階段，或是跳到另一個階段，而形成一個交錯網絡循環的運作。. 圖 2-1-6 建模歷程圖（劉俊庚、邱美虹，2010）. 至今，邱美虹（2014）提出了建模歷程指標（Modeling Process Indicators, MPI），將模型階段由兩階段新增為四個階段，分別為「模型發展階段」、「模型精緻化階段」、「模型遷移階段」、「模型重建階段」，每個階段又可以往下細分為「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」，共八個歷程，其建模歷程之定義說明如表 2-1-3。. 20.

(32) 第貳章文獻探討. 表 2-1-3 建模歷程之定義說明（出自邱美虹，2014）建模歷程模型發展階段. 定義模型選擇. 從先前概念中選擇合適的物件（成分）或基本模型. 模型建立. 建立所選物件（成分）、或基本模型的關係與結構. 模型效化模型精緻化階段模型分析模型遷移階段. 利用已建立模型之關係與結構進行效化，判斷、檢核、或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，可包括數據計算或推理. 模型應用. 用已效化的模型應用於相似情境的問題，也就是「近遷移」. 模型調度. 利用已效化的模型應用於新情境的問題，也就是「遠遷移」. 模型修正模型重建階段模型轉換. 察覺已效化的模型失效，需增加或減少物件（成分）與關係，以修正成新的模型，又可稱為「弱重建」察覺已效化的模型整體失效，以重新建立為新的模型，又可稱為「強重建」. 綜合以上不同學者對於建模歷程所提出的觀點，可以發現，對於建模歷程的發展從較為線性過程，慢慢發展到持續循環且更加有系統化的過程，甚至有許多交互作用的產生，也在建模歷程的過程中，分的更細、更清楚。由此可知，在科學教育中，建模歷程已被許多學者重視與討論，因此，更應該將建模融入於科學教育上，以提升學生的學習。. (三) 建模與建模歷程於科學教育的重要性在建模學習方面，多數學者均認同其重要性（Gilbert, 1991; van Driel & Verloop, 1999; 邱美虹，2008），也認為建模歷程對於學生的學習有一定的幫助，以下整理歸納出建模與建模歷程對於科學教育的重要性，有「有助於提升科學概念的學習」、「有助於發展接近科學模型之心智模式」及「應重視建模觀點缺乏的情形」。. 21.

(33) 第貳章文獻探討. 1. 有助於提升科學概念的學習對於科學建模的學習歷程可以視為是進展階段相關的過程，其各個階段都代表了著學生對於現象或情境的表現和理解，Jong、Chiu 與 Chung（2015）透過以建模歷程為架構的文本，探討高二學生對於波以耳定律、查理和給呂薩克定律及亞佛加厥定律、理想氣體方程式概念的學習成效，結果顯示透過讓學生去評估他們建立的模型與驗證模型的合理性，學生能夠認識到科學概念的完整建模歷程，知道所建立模型的侷限性，並學習到更準確的科學概念。Schwarz 等人（2009）認為透過建模教學，學生能夠使用模型去表達現象的過程和機制，對於概念表現出成功的理解。另外，於賴俊文（2010）的研究中，以建模歷程為架構的教學，結果顯示學生於教學過程中不斷的重複建模歷程的階段，有助於學生對於物質粒子概念的學習，並於延宕測驗中，學生較能夠維持所建立之正確的物質概念。相同的，於黃文田（2013）探討建模教學於酸鹼概念的研究，其結果顯示建模教學能有助於學生在酸鹼概念的學習，並能建立較為完整的學習架構。綜合以上，顯示出建模歷程的教學，不論是透過文本或式教學法的設計，對於學生在科學概念上的學習均有所幫助，因此，模型的使用（建模）可作為認知的工具，亦可以幫助學生對於模型的本質和建模過程有更好的理解（Ü nal, Ç alik, Alipa¸sa, & Coll, 2006）。. 2. 有助於發展接近科學模型之心智模式以模型為基礎的學習，為學生能夠透過形成、使用、強化、精緻化與修正等心智表徵的建構過程（Buckley & Boulter, 2000），使用他們已知的知識，去整合新的訊息與延伸其知識，如圖 21-7。其過程中，亦可回饋進行模型的效化、修正、或重建。. 22.

(34) 第貳章文獻探討. 圖 2-1-7 以模型為基礎的學習模型（Buckley & Boulter, 2000）. 而 Clement（2000）則提出以模型為基礎的學習（model based learning）理論架構，如圖 21-8。此架構為透過學習的過程，學生從學習前的先前概念（與目標模型不符的另有概念或與科學模型相互兼容的有用概念），到學習過程中所產生的一個或多個中間模型（M1、M2…）的引導，而後透過模型的使用與不斷的修正，而於教學後發展成「目標模型(Mn)」，此目標模型為預期學生達到的模型，與專家共識模型之間亦會有所差異。Jong、Chiu 與 Chung（2015）的研究結果與此理論架構相符，學生透過建模文本(內容為波以耳定律、查理和給呂薩克定律及亞佛加厥定律、理想氣體方程式)的閱讀，於學習過程中會產生數個中間模型，如中間模型 1：包含兩個變因的關係（PV=K）以及中間模型 2：包含三個變因的關係（PV=KT），而於學習後則可以發展多變量之間的關係及建立正確的心智模型（PV=nRT）。. 23.

(35) 第貳章文獻探討. 圖 2-1-8 以模型為基礎之學習理論架構（Clement, 2000）. 相同的，在賴俊文（2010）與黃文田（2013）的研究中均呈現透過建模教學，學生於教學後，其心智模式的發展較接近於科學模式。而目前，於教學活動中，有明確標示出科學模型認識論的觀點以及建模能力的發展，亦是能夠提高學生的心智建模（張志康、邱美虹，2009； Justi & Gilbert, 2002; Saari & Viiri, 2003; Schwarz et al., 2009; Jong, Chiu & Chung, 2015）。. 3. 應重視建模觀點缺乏的情形根據前述的討論，建模的重要性代表著科學知識是如何被建構、評估及溝通（Duschl, Schweingruber & Shouse, 2007, 引自 Schwarz 等人，2009），以及能夠發展較正確之心智模式。然而，於教學現場中，卻很少有建模觀點的融入，Schwarz 等人（2009）提及教師往往把重點放在教學具體的模型上，而不是在建模本身，特別的是，教師是專注於科學內容或是教學內容上，這意味著，教師並不了解科學建模的本質。Driel 和 Verloop（2002）的研究中也指出教師對於學生在「模型與建模」的知識是非常有限的，也就無法在教師的課程當中融入，因此，學生鮮少有機會能夠透過模型而去建立良好學習科學的架構，更不用說在課堂上能夠使用模型。縱使在表面上教師有體會到科學模型與建模的價值，但事實上，卻很少能在課室中實施（Justi & Gilbert, 2003; Schwarz et al., 2009），除此之外，於教科書上，Gericke 與 Hagberg（2010）提及亦多數缺少建模. 24.

(36) 第貳章文獻探討. 的觀點。由此可以得知，不論是在教學活動或是教科書上，均缺少了建模的觀點與融入，以至於教師無法於課程中實施，但也更應該重視建模觀點缺乏的情況，因此，劉俊庚與邱美虹（2010）提及能夠將建模與融入課程與教材當中，可協助學生發展正確的科學模式，也助於學生於科學概念上的學習，教師亦能夠採用建模觀點，於課程活動中實施，進而增加學生建模的經驗，Saari 與 Viiri（2003）更認為應該將建模納入正規的教學中。. 三、模型與建模對於本研究的啟發透過「模型與建模」對於科學教育重要性的探討以及定義的歸納，可以得知「模型與建模」均對於學生科學概念的學習與心智模式的發展，有正向的幫助，又文獻提及於教育現場中，教學活動與教科書中均缺少「建模」的觀點，因此，本研究將「模型與建模」的觀點融入科學文本當中，並採用邱美虹（2014）提出的建模歷程指標（Modeling Process Indicators, MPI）做為文本的架構，以「外顯式」與「內隱式」的建模歷程作區別形成兩種建模模式文本，並以一般文本進行比較，其中，外顯式建模文本強調模型的限制與轉換，欲透過此研究設計，探尋出建模歷程融入文本中，對於學生學習科學概念與心智模式發展的成效，也希望透過將「模型與建模」觀點的融入，能夠於未來在教育上提供文本的參考，讓教師能夠於課程活動中使用，減少建模觀點於科學教育現場中缺乏的情況。. 25.

(37) 第貳章文獻探討. 第二節建模能力透過第一節的文獻探討，顯示「模型與建模」在科學教育上的重要性，那麼建模能力勢必也是學習科學的關鍵因素（張志康、邱美虹，2009），此節將針對建模能力的定義、檢測方式、建模能力試題的發展與建模能力於科學教育上的重要性進行探討。. 一、建模能力的定義 Jong、Chiu 與 Chung（2015）提及建模能力這個術語儘管在定義上沒有確切的說明，但是卻已經被廣泛的使用了，更有研究者意識到建模能力是科學模型發展中必要的能力（Dori & Kaberman, 2012; Kaberman & Dori, 2009; Wang & Barrow, 2011; Jong, Chiu & Chung, 2015; 邱美虹、劉俊庚，2008；張志康、邱美虹，2009），表 2-2-1 為彙整不同研究者對於建模能力的定義。. 表 2-2-1 建模能力定義彙整（新增並整理於 Jong, Chiu & Chung, 2015）研究者. 建模能力的定義. Gilbert（1991）. 建模能力是一種可預測概念(模型建構)的過程技能. Kaberman 與 Dori（2009，. 建模能力就像是思考的能力，不僅產生正確三維分子結構的表. 2012）. 徵，也可在不同分子表徵中轉換定義了建模能力的五個特點：1.產生心智模型；2.重建、操作. Wang 與 Barrow（2011）. 及調整產生的心智模型；3.分析問題及確認條件和主張；4.監視推理過程；5.使用另一種方法自我檢驗. Schwarz 等人（2009） Jong、Chiu 與 Chung（2015）邱美虹、劉俊庚(2008). 整合後設建模知識和練習的元素（elements of the practice），認為建模能力能夠建立、使用、評估和修正其模型建模能力比較接近思考技巧，讓學生可以用它來生成、驗證、修正及重建自己的心智模型建模能力為能建立模型需要達到的目的、確認模型組成成分，以及選擇、建立、檢驗與修正模型，已發展出新的模型. 26.

(38) 第貳章文獻探討. 綜合以上對於建模能力定義的彙整，建模能力其實就是建立模型的能力，也就是建模歷程中，模型的成分選擇、建立、修正等建模歷程的能力，如 Kaberman 與 Dori（2009，2012）與 Jong、 Chiu 與 Chung（2015）提到的建模能力像是思考的技巧，要了解學生對於建立模型的能力，也就是要知道學生的思考內容，以及學生所表達的心智模式，然而，要如何得知與檢測學生的建模能力呢？將於下個段落進行說明。. 二、建模能力的檢測對於建模能力的檢測，Jong、Chiu 與 Chung（2015）提及能夠透過「筆試與晤談」兩種方式進行檢測。其中，晤談的方式較能夠要求學生整理出他們的想法，而筆試則是涉及到較簡單的題目，學生在回答上，也不完全能夠表達出其想法，因此，學生在晤談上的表現會比紙筆測驗來的差，但也比較能夠得知學生的想法。而於目前的研究中，較多的文獻會使用「晤談」的方式來檢測學生的建模能力，雖然在晤談中花費的時間比較長，但是，確實比較能夠深入理解學生想法，也能預防高估了學生的知識，例如：張志康與邱美虹（2009）、Dori 與 Kaberman（2012）、Wang 與 Barrow（2011）、Jong、Chiu 與 Chung（2015）、Schwarz 等人（2009）以及 Grosslight 等人（1991）的研究均採用晤談的方式檢測學生的建模能力。此外，張淑女(2008)的研究則是以紙筆測驗來檢測學生的建模能力，因此對於建模能力的檢測可以以筆試與晤談融合的方式進行檢測，以深入了解學生的想法。. 三、建模能力試題的發展根據上述，建模能力能夠透過晤談或紙筆測驗的方式，了解學生的對於建立模型的想法，然而，要如何真正檢測到學生的建模能力，其建模能力試題或晤談題目的發展亦是相當重要的，但是，目前研究者尚未找到有研究深入探討建模能力試題的發展。. 27.

(39) 第貳章文獻探討. 然而，要理解學生建立模型的能力必須要對於學生所要學習的科學理論作解構，分析學生該有的表現，Hempel（1958）提出了一個科學理論結構的模型（引自張志康、邱美虹，2009），說明了科學理論與觀察之間的關係，如圖 2-2-1。其中上層為理論系統，包含了理論術語（Fn、Cnm）與基本定義或假說（連結理論術語），而可以透過中層─解釋規則（α、β、γ）將其理論術語與觀察平面上的特定位置（On）做連結。張志康與邱美虹（2009）認為學生學習科學理論會覺得困難的原因為學生無法將裡科學理論中的理論術語（Fn）正確的連結觀察平面上的特定位置（On），也就是說，學生對於科學概念的認知不足，才導致在學習科學理論覺得困難，因此，學生若要對科學理論有所理解，就應該要將科學理論與經驗觀察平面上特定的位置做出正確的連結以及分析。. 圖 2-2-1 科學理論結構模型（Hempel, 1958, 引自張志康、邱美虹，2009）. 再來，對於建模能力試題的設計與發展，除了在將科學理論進行解構之外，張志康與邱美虹（2009）針對建模能力試題的設計提出了三個要素，為「科學理論的分析」、「試題的類型」、「命題的陳述」。其「科學理論的分析」為對於特定科學理論結構的因素進行分析，避免學生產生非. 28.