探究中學生對科學模型的分類
與組成本質的理解
周金城
私立弘光科技大學 通識教育中心 【 轉 載 自 : 中 華 民 國 第 二 十 三 屆 科 學 教 育 學 術 研 討 會 合 集 論 文 】摘 要
近 年 來 相 當 多 研 究 指 出 模 型 在 科 學 教 學 中 扮 演 一 個 重 要 的 角 色 , 學 生 需 要 瞭 解 科 學 模 型 的 內 容 , 也 需 要 瞭 解 模 型 與 建 模 的 本 質 。 本 研 究 旨 在 發 展 能 評 估 學 生 對 於 模 型 本 質 觀 點 的 問 卷 , 並 以 此 問 卷 調 查 學 生 對 於 模 型 本 質 理 解 的 情 況 。 本 研 究 問 卷 採 用 李 克 氏 量 表 形 式 , 針 對 68 位 高 中 生進 行 紙 筆 測驗 問 卷 ( α= .6726) 。初 步 研 究 發現 學 生 對 於模 型 本 質 的 迷 思 如 下 : 一 、 在 模 型 對 應 現 象 的 關 係 上 , 有 42.8% 的學 生 認 為模 型 要 與 對應 物 不 可 呈 現 扭 曲 對 應 的 比 例 ; 有 52.9% 學生 同 意 模型 須 完 全 對應 特 定 事 物的 結 構、性 質 與 關 係。二、.在 模型 對 應 現 象 的 呈 現 形 式 上,有 30.9% 的 學 生 不 同 意 模 型 可 以 是 符 號 ; 21.5%學 生 不 同意 模 型 可 以是 過 程。三、在 模 型 對應 現 象 的 變化 關 係 上,有 8.8% 的 學生 認 為 對 一 個 特 定 的 現 象 只 有 一 個 正 確 的 模 型 能 給 予 解 釋 。 關 鍵 詞 : 模 型 本 質 、 模 型 組 成壹、研究背景
在 科 學 的 解 釋 中 , 模 型 扮 演 一 個 重 要 的 角 色 。(Van Driel & Verloop, 1999; Gilbert & Boulter, 1998a、1998b)。Franco 和 de Barros (1999)文 獻 分 析 後 指 出 模 型 的 概 念 與 心 智 模 型 在 科 學 教 育 中 越 顯 重 要 , 科 學 知 識 的 主 要 價 值 在 於 提 供 我 們 瞭 解 世 界 的 方 式 , 而 模 型 在 科 學 教 育 中 扮 演 著 重 要 的 角 色 , 應 加 強 科 學 教 師 對 於 模 型 與 建 模 的 瞭 解 (Justi, 2005; Justi & van Driel, 2006)。Justi & Driel (2005) 指出 模型 與 建 模
對 科 學 教 育 的 重 要 性 在 於 三 個 部 份:第 一、 學 習 科 學 : 學 生 應 該 瞭 解 主 要 的 科 學 與 歷 史 模 型 , 以 及 這 些 模 型 的 範 圍 與 限 制 。 第 二 、 學 習 動 手 做 科 學 : 應 該 提 供 機 會 給 學 生 創 造 、 表 達 和 測 試 他 們 的 模 型 。 第 三 、 學 習 科 學 本 質 : 學 生 應 該 學 習 模 型 的 本 質 和 認 識 模 型 的 角 色,科 學 探 索 的 產 物-模型 的 建 構 與 傳 播 。
Van Drie & Verloop (2002)以半 結 構 晤 談 以 及 量 表 問 卷 方 式 針 對 7 位 教 學 超過 10 年 的 生物 或 化學 教 師 資 料進 行 分 析,發 現 教 師 對 於 學 生 的 模 型 與 建 模 能 力 的 觀 點
是 不 足 的 。 而 目 前 有 部 份 學 者 針 對 學 生 的 模 型 概 念 進 行 問 卷 設 計 , 如Saari( 2003) 發 展 半 結 構 方 式 晤 談9 年 級學 生 有 關 模型 的 概 念 , 但 是 半 結 構 問 卷 不 易 讓 教 師 使 用 於 評 估 學 生 的 模 型 本 質 概 念 。 有 鑑 於 此 , 為 了 幫 助 教 師 能 夠 瞭 解 學 生 的 模 型 概 念 , 本 研 究 目 的 在 發 展 一 個 可 以 評 估 學 生 對 科 學 模 型 分 類 與 組 成 本 質 瞭 解 的 測 驗 工 具 , 讓 科 學 教 師 未 來 可 經 由 此 工 具 來 瞭 解 學 生 對 於 科 學 模 型 組 成 本 質 理 解 是 否 正 確 , 並 可 據 此 加 強 學 生 對 於 科 學 模 型 本 質 上 的 認 識 。
貳、文獻探討
模 型 一 詞 用 於 科 學 教 育 不 同 面 向 , 如 Greca 和 Moreira(2000)文 獻 分析 後 區 分 心 智 模 型 、 概 念 模 型 與 建 模 的 不 同 , 指 出 心 智 模 型 是 個 人 內 化 運 作 , 概 念 模 型 是 外 在 表 徵 出 的 結 果 , 教 學 中 建 模 歷 程 是 幫 助 學 生 建 構 心 智 模 式 與 瞭 解 被 教 導 的 概 念 模 型 的 意 義 。 學 生 對 模 型 的 觀 點 是 有 其 層 次 , 如 Grossligh, Unger, Jay 和 Smith(1991) 晤 談33 位 七 年 級 學生 與 22 位 11 年 級 學 生 以 及 四 位 專 家 對 模 型 的 看 法 , 研 究 發 現 對 模 型 的 看 法 可 以 區 分 為 三 個 層 次 : 第 一 層 次 是 模 型 是 玩 具 或 實 體 的 複 製 。 第 二 層 次 是 模 型 是 為 某 些 目 的 而 建 構 的 。 第 三 層 次 是 建 構 模 型 是 為 了 發 展 或 測 試 某 些 想 法 ; 建 模 者 是 為 了 某 些 目 的 而 建 構 ; 模 型 可 以 被 操 作 用 以 收 集 相 關 資 料 。 這 些 階 層 有 可 以 區 分 成 六 個 面 向 : 一 、 想 法 的 角 色 ; 二 、 符 號 的 使 用 ; 三 、 建 模 的 角 色 ; 四 、 溝 通 ; 五 、 測 試 ; 六 、 操 作 。 那 麼 如 何 一 個 好 的 模 型 標 準 是 什 麼 呢 ?Mayer(1989) 經 過 實 徵 性 研 究 後 分 析 指 出 一 個 好 的 模 型 有 下 列 七 個 標 準 : 一 、 完 整 : 包 含 系 統 中 的 基 本 要 素 ; 二 、 簡 明 : 提供給學習者適當的細節; 三 、 清 晰 : 學 習 者 能 夠 清 楚 的 操 作 ; 四 、 具 體 : 以 適 當 的 形 式 呈 現 給 學 習 者 ; 五 、 概 念 化 : 能 清 楚 解 釋 系 統 是 如 何 運 作 的 ; 六 、 正 確 : 模 型 的 主 要 部 份 能 夠 和 真 實 對 應 ; 七 、 審 慎 : 能 以 學 習 者 的 語 詞 與 組 織 方 式 來 傳 遞(Mayer,1989, P59-60) 現 今 的 科 學 教 學 中 , 學 習 理 論 與 定 律 常 是 優 先 於 科 學 模 型 學 習 。Franco, de Barros, Colinvaux, Krapas, Queiroz, & Alves(1999)文 獻 分析 後 發現 兩 種 看 待理 論 與 模 型 之 間 不 同 的 觀 點 , 一 種 是 kuhn 的 觀 點 : 模 型 是 典 範 建 構 的 重 要 元 素 , 另 一 種 是 Nersessian 的 觀 點 :模 型 是 更 優先 於 理 論 的 , 模 型 幫 助 理 論 建 構 。 但 對 現 今 多 數 科 學 教 學 過 程 中 , 時 常 發 現 學 習 定 律 先 於 學 習 模 型 , 研 究 建 議 是 有 必 要 改 變 這 教 學 順 序 。在 模 型 與 建 模 的 教 學 上 ,Coll (2005) 文 獻 分 析 後 也 指 出 模 型 與 建 模 能 力 對 學 生 而 言 是 重 要 的。Clement(2000)指出 幫 助學 生 模 型 的 建 構 , 應 該 先 由 學 生 的 預 設 模 型 開 始 , 接 著 經 由 學 習 的 歷 程 一 步 步 朝 向 教 學 欲 達 到 的 目 標 模 型 , 最 後 是 能 夠 達 到 專 家 認 知 的 模 型。Justi 和 Gilbert(2002a)晤 談 39 位 科 學 教 師 對 於 建 模 本 質 的 觀 點 後 , 提 出 學 生 要 能 學 會 科 學 模 型 , 學 生 要 先 能 瞭 解 下 列 觀 點 : 科 學 家 對 於 模 型 的 本 質 觀 點 ; 教 學 呈 現 適 當 的 現 象 經 驗 ; 為 什 麼 模 型 被 建 構 與 為 什 麼 要 學 習 模 型 的 知 識;理 解 如 何 運 作;目 標 模 型 和/或 教 學模 型 被 建 構 的 來 源 知 識 。 因 此 , 教 師 能 瞭 解 學 生 對 於 模 型 本 質 的 觀 點 , 是 模 型 與 建 模 教 學 的 第 一 步 。 教 師 對 於 培 養 學 生 學 習 模 型 與 建 模 的 能 力 也 需 要 加 強 , 如 Van Driel, J. H. & Verloop, N.(1999)以 開 放 式 問 卷 形 式 調 查 71 位 物 理、化 學與 生 物 的 現職 教 師,發 現 教 師 對 於 模 型 與 建 模 的 概 念 知 識 是 有 限 與 互 異 的 。Justi & Gilbert (2002b)晤談 39 位 科 學 教 師 對 於 建 模 本 質 的 觀 點 以 及 要 求 教 師 預 測 學 生 對 建 模 本 質 的 可 能 觀 點 , 發 現 教 師 們 能 察 覺 到 在 科 學 學 習 中 模 型 的 價 值,但 不 是 他 們 學 習 有 關 科 學 本 質 的 價 值。
對 於 模 型 本 身 的 分 類 , 有 不 少 學 者 提 出 不 同 的 分 類 方 式。Justi and Gilbert (2003) 晤 談 39 位 由 小 學 到 大 學 的 現 職 科 學 教 師 , 有 關 模 型 本 質 的 看 法 , 其 中 區 分 成 七 個 部 份 : 一 、 模 型 是 與 事 物 的 對 應 關 係 。 二 、 模 型 的 功 能 。 三 、 組 成 模 型 的 實 體 。 四 、 模 型 的 獨 特 性 。 五 、.模型 的 穩 定度 。 六 、 模 型 的 預 測 性 。 七 、 模 型 的 建 立 者 。 Harrison 和 Treagust (2000)文獻 分 析 後 指 出 模 型 的 十 種 類 型 , 包 括 : 一 、 比 例 模 型 ; 二 、 教 學 類 比 模 型 ; 三 、 圖 像 或 符 號 模 型 ; 四 、 數 學 模 型 ; 五 、 理 論 模 型 ; 六 、 地 圖 、 圖 形 和 表 格 ; 七 、 概 念 過 程 模 型 ; 八 、 模 擬 ; 九 、 心 智 模 型 ; 十.綜 合模 型 。
Treagust, Chittleborough, 和 Mamiala (2002)發 展 學 生 對 科 學 模 型 角 色 的 測 驗 工 具,使 用 紙 筆 測 驗 228 位 學生(69 位 八年 級 、44 位 九 年 級與 115 位 十年 級 ), 並 將 27 個 測 驗 問 題 經 過 因 素 分 析 後 區 分 成 五 大 類 型 的 問 題:一、模 型 是 多 重 表 徵;二 、 模 型 是 精 確 的 複 製 ; 三 、 模 型 是 解 釋 的 工 具 ; 四 、 科 學 模 型 的 使 用 ; 五 、 模 型 變 化 的 本 質 。 而 國 內 學 者 陳 瑞 麟 (2004) 由科 學 哲 學 的 觀 點 依 科 學 模 型 的 存 有 狀 態 , 也 提 出 科 學 模 型 的 分 類 方 式 ( 如 表 一 )。
Schwarz & White (2005)提 出建 模 知 識 的 種 類 有 四 個 部 份 問 題 , 並 製 成 模 型 知 識 的 種 類 表(如 表 二)。
表 一 、 模 型 的 分 類 ( 引自 陳 瑞 麟 , 2004, P.86) 模 型 類 型 實 例 存 有 狀 態 特 別 的 模 映 關 係 被 模 映 事 物 實 例 實 物 模 型 模 型 玩 具 、 縮 小 橋 樑、建築等等 三 度 空 間 的 實 體 物 再 現 或 模 倣 、 類 比 橋 樑 、 建 築 、 汽 車等等 圖 像 模 型 原 子 結 構 圖 、 DNA 的心中形像 二 度 空 間 圖 案 或 心像 再現、類比 原 子 、 DNA 、 各 種人造物體等等 概 念 模 型 概 念 系 統 、 動 物 行 為、社會學理論 概念 解釋、類比 人 類 或 生 物 的 行 為、社會等等 數 學 模 型 運動定律、供需定律 等等 理 2 論或 數學存目 量化模擬 物 體 運 動 、 自 然 現象、經濟現象 邏 輯 模 型 兩 集 合 間 一 般 性 的 關係結構 集合論存目 函應或函射 各 種 關 係 性 的 對 象系統 電 腦 模 型 螢幕模擬駕駛、飛行 程式 模擬 飛 行 、 駕 駛 、 天 氣種種動態事物
表 二 、 模 型 知 識 的 種 類 ( 引 自Schwarz & White ,2005, P182)
第 一 、 模 型 的 本 質 : 1.模 型 的 種 類 與 屬 性 — 模 型 是 什 麼 ? 2.多 重 模 型 — 相 同 的 事 物 或 現 象 能 有 不 同 的 模 型 嗎 ? 3.模 型 建 構 的 本 質 — 模 型 能 完 全 對 應 真 實 嗎 ? 第 二 、 建 模 的 本 質 與 過 程 : 1.建 模 的 過 程 — 在 建 模 的 過 程 涉 及 什 麼 ? 2.模 型 的 設 計 與 建 立 — 模 型 如 何 被 建 構 ? 3.模 型 的 改 變 — 科 學 家 曾 改 變 模 型 嗎 ? 第 三 、 模 型 的 評 估 : 1.模 型 評 估 — 是 否 有 方 法 評 估 某 個 模 型 比 另 一 個 好 ? 2.模 型 判 準 — 用 於 評 估 模 型 判 準 的 是 什 麼 ? 第 四 、 模 型 的 目 的 或 用 途 : 1.模 型 的 目 的 — 模 型 用 於 何 處 ? 2.模 型 使 用 於 科 學 或 科 學 教 室 中 — 模 型 如 何 被 科 學 家 或 科 學 教 室 中 的 學 生 來 使 用 ? 3.多 重 模 型 的 使 用 — 對 相 同 事 件 或 現 象 有 多 重 模 型 其 目 的 為 何 ?
經 由 上 述 的 文 獻 探 討 , 本 研 究 就 是 針 對 有 關 模 型 的 本 質 來 設 計 問 卷 , 並 對 高 中 生 進 行 施 測 , 以 瞭 解 學 生 對 模 型 本 質 的 觀 點 。
參、研究工具
本 研 究 問 卷 經 由 文 獻 資 料 分 析 後 , 找 出 模 型 的 分 類 架 構 , 經 由 預 試 修 正 試 題 , 並 經 由 五 位 科 教 專 家 共 同 討 論 而 形 成 。 針 對 模 型 與 現 象 的 本 質 關 係 進 行 問 卷 設 計 , 可 區 分 為 三 個 部 份(如 圖 一):1.模 型 對 應現 象 的 本 質 關 係 、2.模 型 對 應 現 象 的 呈 現 形 式、3. 模 型 對 應現 象 的 變 化關 係。問 卷內 容 採 用 李 克 式 量 表 , 作 答 選 項 區 分 成 四 種 : 非 常 同 意 、 同 意 、 不 同 意 、 非 常 不 同 意 。 本 研 究 採 用 便 利 抽 樣 , 選 取 台 北 市 某 公 立 68 高 中 學 生。問 卷 資 料 收集 統 計 分 析 得 出 信 度 α =.6726, 屬 於 可信 賴 範 圍 。 模 型 是 什 麼 ? 模 型 與 現 象 之 間 的 本 質 關 係 模 型 對 應 現 象 的 本 質 關 係 模 型 對 應 現 象 的 變 化 關 係 完 全 對 應1 局 部 對 應2 扭 曲 對 應3 結 構 對 應4-5 性 質 對 應4-5 模 型 對 應 現 象 的 呈 現 形 式 數 學 關 係 式6 電 腦 模 擬7 符 號8 實 體9 過 程10 概 念11 圖 像12 模 型 的 獨 特 性13 模 型 的 發 展 性 14 模 型 的 可 變 性 15 圖 一 、 模 型 與 現 象 關 係 問 卷 設 計 結 構 圖肆、研究發現與建議
初 步 研 究 發 現 學 生 對 於 模 型 本 質 的 迷 思 如 下 : 一 、 在 模 型 對 應 現 象 的 關 係 上 , 有 42.8% 的學 生 認 為 模型 要 與 對 應 物 呈 現 不 可 呈 現 扭 曲 對 應 的 比 例 ,52.9 % 學 生 認 為 模 型 須 完 全 對 應 特 定 事 物 的 結 構、性 質 與 關 係。二、.在 模 型對 應 現 象 的 呈 現 形 式 上, 有 30.9%的 學 生 不 認 為 模 型 可 以 是 符 號 、21.5%學 生 不 認 為 模 型 可 以 是 過 程 。 三 、 在 模 型 對 應 現 象 的 變 化 關 係 上 , 僅 有 8.8% 的 學 生 認 為 對 一 個 特 定 的 現 象 , 只 有 一 個 正 確 的 模 型 能 給 予 解 釋 。 學 生 作 答 百 分 比 ( % ) 請 您 針 對「 科 學 模 型 」的 想 法 , 回 答 以 下 問 題 非常 同意 同意 不同意 非常 不同意 未作答 1. 我 認為 模 型 可 以是 特 定 事 物的複 製 品 。 19.1 66.2 14.7 0 0 2. 我 認為 模 型 可 以是 特 定 事 物的部 份 呈 現 。 33.8 63.2 2.9 0 0 3. 我 認 為 模 型 可 以 是 特 定 事 物 的 特 徵 以 不 一 致 的 比 例 來 呈 現 。 19.1 38.3 33.8 8.8 0 4. 我 認為 模 型 可 以只 對 應 特 定事 物 的 結 構、或 性 質 、 或 關 係 其 中 之 一 。 23.5 51.5 19.1 1.5 4.4 5. 我 認為 模 型 須完 全 對 應 特 定事 物 的 結 構、性 質 與 關 係 。 17.6 29.4 50.0 2.9 0 6. 我 認 為 模 型 可 以 用 數 學 關 係 來 呈 現 特 定 事 物 之 間 的 關 係 。 19.1 63.2 16.2 1.5 0 7. 我 認 為 模 型 是 可 以 利 用 電 腦 來 模 擬 特 定 事 物 之 間 的 關 係 。 45.6 51.5 0 0 2.9 8. 我 認為 模 型 的 組成 可 以 是符 號 。 16.2 52.9 29.4 1.5 0 9. 我 認為 模 型 的 組成 可 以 是實 體 。 39.7 58.8 1.5 0 0 10. 我 認為 模 型 的 組成 可 以 是過 程 。 16.2 61.8 20.6 1.5 0 11. 我 認為 模 型 的 組成 可 以 是概 念 。 19.1 75.0 4.4 0 1.5 12. 我 認為 模 型 的 組成 可 以 是圖 像 。 29.4 64.7 4.4 0 0 13. 我 認為 對 一 個 特定 的 現 象,只 有 一 個 正確 的 模 型 能 給 予 解 釋 。 2.9 5.9 72.1 19.1 0 14. 我 認為 一 個 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 。 29.4 66.2 4.4 0 0 15. 我 認為 模 型 是 可以被 改 變 。 32.4 63.2 4.4 0 0超 過 學 生 九 成 的 學 生 知 道 科 學 模 型 是 可 以 改 變 的 , 並 瞭 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 , 顯 示 教 科 書 中 科 學 史 的 教 學 對 學 生 發 生 一 定 的 效 果 。 除 第 五 題 與 第 十 三 題 為 反 向 問 題 外 , 其 他 各 題 學 生 回 答 「 非 常 同 意 」 的 比 例 仍 然 不 高 , 顯 示 學 生 對 於 模 型 的 想 法 作 答 仍 存 有 部 份 的 不 確 定 性 。 未 來 仍 須 透 過 模 型 教 學 來 加 以 改 進 。 本 研 究 已 初 步 完 成 模 型 與 現 象 之 間 的 本 質 關 係 的 調 查 問 卷 設 計 , 未 來 研 究 的 對 象 可 以 擴 大 針 對 國 小 、 國 中 到 大 學 學 生 , 以 瞭 解 各 階 段 的 學 生 對 於 模 型 本 質 的 理 解 情 況 , 並 進 行 分 析 比 較 。 再 進 一 步 找 出 學 生 的 科 學 學 習 成 就 、 科 學 模 型 學 習 與 模 型 本 質 的 理 解 三 者 之 間 是 否 存 在 有 顯 著 的 關 連 性 , 則 是 未 來 研 究 努 力 的 目 標 。
伍、致謝
本 研 究 係 由 國 科 會 經 費 補 助 ( 計 畫 編 號 :NSC 95-2511-S-241-001-MY2), 與 本 研 究 團 隊 成 員 的 協 助 , 在 此 特 致 感 謝 。柒、參考文獻
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