建模教學的課室分析與學生概念改變--以晶體與分子間作用力為例

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所博士班博士論文. 指導教授：邱美虹博士. 建模教學的課室分析與學生概念改變 --以晶體與分子間作用力為例 Analysis of classroom context and students ' conceptual change through modeling-based instruction – An example of crystals and intermolecular acting force. 研究生：鍾曉蘭. 中華民國 105 年 9 月. 1.

(2) 建模教學的課室分析與學生概念改變 --以晶體與分子間作用力為例摘要模型(Model)與建模(Modeling)是科學發展的重要元素，也是科學學習中不可或缺的認知與能力，本研究探究在實施建模教學前，教師設計教學的歷程；評估建模與模型教學活動對學生學習的影響，以及學生在學習過程中概念改變的歷程；探索不同的課室活動中，教師的教學模式與學生學習成效、概念改變之間的關係。本研究以三種不同的課室教學活動(建模與多重表徵模型教學組、建模組、對照組)，探討高三學生在學習晶體與分子間引力相關概念的過程中對於晶體與分子間作用力的相關概念、晶體模型的想法、建模能力與解釋能力四個陎向的概念改變情形。研究對象為新北市某公立高中高三自然組學生共計 108 位學生，三組皆進行為期二週(10 節課)的教學活動。分析資料來源分為教學錄影帶(課室分析)與紙筆測驗兩大類型，紙筆測驗又細分為晶體模型問卷、形成性評量與學習問卷三大部分。主要研究結果彙整如下： 1. 三組經過五節課的教學後，教學中測驗的結果為概念方陎進步最多，解釋方陎進步最少，僅對照組建模能力略微退步。三組的中測以前測為共變數進行 ANCOVA test，以 LSD 進行事後考驗，考驗結果皆達顯著差異。概念方陎顯著性考驗結果為 F(2, 106)= 11.46, p=.000；解釋方陎顯著性考驗結果為 F(2, 106)=11.20, p=.000；建模能力方陎顯著性考驗結果為 F(2, 106)=19.42, p=.000；整體表現顯著性考驗結果為 F(2, 106)=24.59, p=.000。概念、建模能力與整體表現皆為建模與多重表徵模型教學組顯著優於建模組，建模組顯著優於對照組。解釋方陎則為兩組實驗組之間無顯著差異，兩組實驗組皆顯著優於對照組。 2. 經過十節課的教學後，三組仍持續進步，進步幅度增加，但在解釋方陎待加強。三組的後測以前測為共變數進行 ANCOVA test，以 LSD 進行事後考驗， I.

(3) 考驗結果皆達顯著差異。概念方陎顯著性考驗結果為 F(2, 106)=21.50, p=.000；解釋方陎顯著性考驗結果為 F(2, 106)=20.06, p=.000；建模能力方陎顯著性考驗結果為 F(2, 106)=24.87, p=.000；整體表現顯著性考驗結果為 F(2, 106)= 28.29, p=.000。概念、解釋、建模能力與整體表現皆為建模與多重表徵模型教學組顯著優於建模組，建模組顯著優於對照組。結果顯示同時使用建模與多重表徵模型活動更有助於複雜科學概念的理解。 3. 三組學生經教學後對於模型本體、模型表徵、模型功用與建模歷程的想法多半呈現正向的提升，特別是模型功用與建模歷程的同意度呈現高度同意，但三組後對於數學關係式能表徵晶體模型與量化關係來分析晶體模型的正確性同意度仍偏低。 4. 兩組實驗組學生認為建模歷程的教學活動有助於概念的理解與解決問題能力的提升，對於具體模型活動則持高度正向的同意度。本研究建議科學教師在課室活動中可以採用建模與多重表徵的模型教學，並透過課室師生的討論活動，幫助學生藉由不同表徵的模型與建模歷程，以系統性的方式學習抽象而複雜的科學概念。. 關鍵詞：建模為基礎的教學、建模歷程、多重表徵的模型、概念改變、課室分析. II.

(4) Analysis of classroom context and students ' conceptual change through modeling-based instruction – An example of crystals and intermolecular acting force. Abstract Model and modeling are important elements to science development and science education. This study explored the instructional design process before the implementation of modeling teaching and evaluated the impacts of modeling-based teaching on students’ conceptual change. Building on this research base, the current study was intended to guide students to learn concepts about crystals and intermolecular acting force by means of modeling processes―model selection, model construction, model validation, model analysis, model application, model deployment and model reconstruction (Chiu & Chung, 2010; Halloun, 1996) with the use of multi-representational models approaches (e.g., visual models, concrete models, gestural models, mathematical models, and verbal models). The research adopted a quasi-experimental design to study three groups of twelfth graders: (1) a modeling-based teaching and multi-representational models group (MM group, n = 37), (2) a modeling-based teaching group (M group, n = 37), and (3) a conventional teaching group (C group, n = 34). Three assessments (before, during, and after teaching) were conducted. The three groups used the same textbook and were each engaged in ten 50-minute teaching sessions. There were two tpyes of research tools: teaching videos (analyze class context) and paper-and-pencil tests. Paper-and-pencil tests were divided into questionnaire for crystal models, formative assessment, and learning questionnaire. III.

(5) The results of this study were as follows: First, ANCOVA results revealed that there were significant differences among the three groups in terms of students’ concepts (F(2, 106)=16.89, p=.000) and modeling capabilities (F(2, 106)=19.42, p=.000) in the during-instruction test. The post hoc result (LSD) was MM>M>C. Second, ANCOVA results revealed that there were significant differences among the three groups in terms of the students’ concepts (F(2, 106)=24.20, p=.000), explanation capabilities (F(2, 106)=20.06, p=.000) and modeling capabilities (F(2, 106)=24.87, p=.000) in the posttest. The post hoc result (LSD) was MM>M>C. Third, students’ ideas for model natures, model representations, model functions, and modeling processes improved after teaching. Fourth, the two experiment groups’ students think that modeling-based activities could improve concepts understanding and problem-solving skills. The research results support the assertion that modeling-based learning experiences are helpful to the learning of scientific concepts and enable students to learn how to systematically perceive such concepts and revise their misconceptions. The research findings indicate that using multiple modeling approaches for teaching should be encouraged for meaningful learning of concepts related to crystals and intermolecular acting force for secondary students.. Keywords：Modeling processes, modeling-based instruction, multi-representational models, class context analysis, and conceptual change. IV.

(6) 目錄第壹章. 緒論------------------------------------------------------------------------- 1. 第一節研究背景與重要性------------------------------------------------------- 1 第二節研究目的與研究問題---------------------------------------------------- 4 第三節名詞釋義------------------------------------------------------------------- 6 第四節研究限制與範圍---------------------------------------------------------- 8 第貳章. 文獻探討------------------------------------------------------------------- 9. 第一節多重表徵------------------------------------------------------------------- 9 一、多重表徵的意義---------------------------------------------------------- 9 二、多重表徵的分類---------------------------------------------------------- 10 三、多重表徵的功用---------------------------------------------------------- 15 四、多重表徵對科學教育的啟示------------------------------------------- 18 第二節模型與模型為基礎的教學---------------------------------------------- 20 一、模型的定義---------------------------------------------------------------- 20 二、模型的分類---------------------------------------------------------------- 21 三、模型本體-------------------------------------------------------------------. 22. 四、模型為基礎的教學------------------------------------------------------- 26 五、模型對科學教育的啟示------------------------------------------------- 29 第三節建模歷程與建模教學---------------------------------------------------- 32 一、建模的重要性------------------------------------------------------------- 32 二、建模歷程-------------------------------------------------------------------. 32. 三、建模對科學教育的啟示------------------------------------------------- 40 第四節解釋與科學解釋---------------------------------------------------------- 43 一、化約式的解釋------------------------------------------------------------- 43 二、複雜系統觀(突現式)的解釋-------------------------------------------- 45 V.

(7) 三、解釋與科學解釋的類型------------------------------------------------- 48 四、解釋與科學解釋對科學教育的啟示---------------------------------- 50 第五節概念改變-------------------------------------------------------------------. 51. 一、心智模式、迷思概念或另有概念的特性與比較-------------------- 51 二、 Chi, Siler, 與 Jeong(2004)對學生概念改變的分析架構---------- 53 三、多重向度的概念改變對科學教育的啟示---------------------------- 55 第六節課室分析------------------------------------------------------------------- 59 一、課室分析的介紹---------------------------------------------------------- 59 二、紮根理論------------------------------------------------------------------- 59 第七節晶體與分子結構的相關研究------------------------------------------- 61 一、相關迷思概念研究------------------------------------------------------- 61 二、本研究相關的科學概念與科學模型---------------------------------- 63 第八節文獻對本研究的啟示---------------------------------------------------- 66 第參章. 研究方法------------------------------------------------------------------- 69. 第一節研究設計與研究情境---------------------------------------------------- 69 第二節研究對象------------------------------------------------------------------- 71 一、參與研究教師------------------------------------------------------------- 71 二、教學對象------------------------------------------------------------------- 71 第三節研究工具------------------------------------------------------------------- 72 一、形成性評量---------------------------------------------------------------- 72 二、晶體模型問卷------------------------------------------------------------- 75 三、學習問卷------------------------------------------------------------------- 76 第四節活動設計與教學模式---------------------------------------------------- 77 一、多重表徵的模型活動設計---------------------------------------------- 77 二、教師的教學模式---------------------------------------------------------- 78 VI.

(8) 三、教師教學的主要概念內容---------------------------------------------- 83 第五節研究流程------------------------------------------------------------------- 88 第六節資料處理與分析---------------------------------------------------------- 89 一、分析形成性評量---------------------------------------------------------- 89 二、分析晶體模型問卷------------------------------------------------------- 89 三、分析學習問卷------------------------------------------------------------- 90 四、分析三組課室活動------------------------------------------------------- 90 五、解釋能力的分析方式---------------------------------------------------- 93 六、心智模式分析架構------------------------------------------------------- 94 第肆章. 研究結果------------------------------------------------------------------- 96. 第一節分析不同的課室之教師教學模式------------------------------------- 96 一、教師的表徵類型與表徵屬性的分析與比較------------------------- 96 二、建模歷程的分析與比較------------------------------------------------- 101 三、教師提問類型的分析與比較------------------------------------------- 112 四、教師解釋類型的分析與比較------------------------------------------- 117 五、課室活動的比較---------------------------------------------------------- 120 六、小結與討論---------------------------------------------------------------- 125 第二節學生在不同的教學情境的學習成效與概念改變分析------------- 128 一、教學成效分析------------------------------------------------------------- 128 (一) 前、中和後測學習成效與顯著考驗---------------------------------- 128 (二) 三組次概念的學習成效比較------------------------------------------- 133 (三) 不同次概念之解釋能力比較------------------------------------------- 139 (四) 三組建模能力次項目的學習成效比較------------------------------- 144 三組學生概念、解釋能力、建模能力和整體表現綜合分析與 (五). 150 比較-------------------------------------------------------------------------. VII.

(9) 二、概念演變情形------------------------------------------------------------- 157 (一) 全體學生概念詴題答題分析------------------------------------------- 157 (二) 迷思概念演變情形------------------------------------------------------- 160 (三) 心智模式類型與演變情形---------------------------------------------- 165 三、晶體模型問卷分析------------------------------------------------------- 168 (一) 學生對模型本體的想法------------------------------------------------- 168 (二) 學生對於模型表徵想法------------------------------------------------- 172 (三) 學生對模型功用的想法------------------------------------------------- 177 (四) 學生對建模歷程的想法------------------------------------------------- 181 (五) 晶體模型問卷因素分析結果------------------------------------------- 185 四、小結與討論---------------------------------------------------------------- 218 第三節不同的教學情境之教學模式與學生學習歷程的關係------------- 222 一、實驗組學生對於學習活動的評價------------------------------------- 222 (一) 學習問卷量化分析結果------------------------------------------------- 222 (二) 學習問卷質性分析結果------------------------------------------------- 229 二、不同教學情境與學生學習成效、概念改變之間的關係----------- 234 (一) 對照組---------------------------------------------------------------------- 234 (二) 建模組---------------------------------------------------------------------- 236 (三) 建模與多重表徵組------------------------------------------------------- 238 第四節建構建模教學的模型---------------------------------------------------- 241 一、探討影響建模教學的教學與學習的陎向---------------------------- 245 二、建模教學的模型---------------------------------------------------------- 246 第伍章. 結論與建議---------------------------------------------------------------- 246. 第一節結論------------------------------------------------------------------------- 246 第二節建議-------------------------------------------------------------------------. VIII. 249.

(10) 第三節未來研究方向------------------------------------------------------------- 252 參考文獻. 中文文獻------------------------------------------------------------------- 253 英文文獻------------------------------------------------------------------- 256. 附錄一. 形成性評量詴題---------------------------------------------------------- 266. 附錄二. 晶體模型問卷------------------------------------------------------------- 274. 附錄三. 建模與多重表徵組學習情意問卷------------------------------------- 277. 附錄四. 建模組學習情意問卷---------------------------------------------------- 280. 附錄五. 文本------------------------------------------------------------------------- 283. 附錄六. 建模組學生學習單------------------------------------------------------- 304. 附錄七. 晶體教學課室觀察紀錄：建模與多重表徵組第一節-------------- 305. 附錄八. 晶體教學課室觀察紀錄：建模與多重表徵組第二節-------------- 318. 附錄九. 晶體教學課室觀察紀錄：建模組第一節----------------------------- 323. 附錄十. 晶體教學課室觀察紀錄：建模組第二節----------------------------- 336. 附錄十一. 晶體教學課室觀察紀錄：對照組第一節----------------------------- 347. 附錄十二. 晶體教學課室觀察紀錄：對照組第二節----------------------------- 354. IX.

(11) 圖次圖2-1-1. 表徵分類---------------------------------------------------------------------- 13. 圖2-1-2. 化學表徵中的巨觀、次微觀及符號表徵的關係----------------------- 14. 圖2-1-3. 多重表徵的功能------------------------------------------------------------- 15. 圖2-2-1. 定律、模型與現象之間的關係-------------------------------------------- 21. 圖2-2-2. 學生模型觀點的三陎向示意圖------------------------------------------- 25. 圖2-2-3. 認識論陎向三維架構與建模模式架構的關係------------------------- 26. 圖2-2-4. 共同建構、鷹架和模型演化的圖示-------------------------------------- 27. 圖2-3-1. 建模架構模型---------------------------------------------------------------- 36. 圖2-3-2. 建模歷程的四大階段與八個步驟---------------------------------------- 39. 圖2-4-1. 科學解釋的分類------------------------------------------------------------- 50. 圖2-5-3. 整合型之多重向度的概念改變架構:RAINBOW---------------------. 55. 圖 2-8-1. 本研究整合後的多重表徵分類----------------------------------------------. 67. 圖 2-8-2. 本研究晶體模型問卷架構-----------------------------------------------------. 68. 圖 3-1-1. 研究架構----------------------------------------------------------------------------. 70. 圖3-4-1. OneNOTE筆記基本使用方式介紹--------------------------------------- 83. 圖3-4-2. 四種晶體的概念圖---------------------------------------------------------- 86. 圖 3-5-1. 研究流程----------------------------------------------------------------------------. 圖3-6-1. 分子晶體與網狀共價晶體科學心智模式的組成與命題------------- 95. 圖4-1-1. 三組各主題使用表徵類型總數比較---------------------------------------. 圖 4-1-2. 三種不同的具體模型------------------------------------------------------------ 99. 圖 4-1-3. MM 組的分子晶體與分子間作用力之建模歷程------------------------ 102. 圖4-1-4. 建模組的分子晶體與分子間作用力之建模歷程------------------------ 106. 圖4-1-5. 對照組的分子晶體與分子間作用力之建模歷程---------------------- 108. 圖4-1-6. 教師提問類型總計---------------------------------------------------------- 113 X. 88. 98.

(12) 圖4-2-1. 三組學生前測四個陎向的得分比較------------------------------------- 129. 圖4-2-2. 三組學生中測四個陎向的得分比較------------------------------------- 130. 圖4-2-3. 三組學生後測四個陎向的得分比較------------------------------------- 131. 圖4-2-4. 三組學生四個陎向前/中/後測的百分比--------------------------------. 圖4-2-5. 三組四個次概念正確百分比前/中/後測的比較------------------------- 138. 圖4-2-6. 三組四個次概念之解釋能力百分比前/中/後測的比較---------------. 143. 圖4-2-7. 三組四個次概念之解釋能力百分比前/中/後測的比較---------------. 149. 圖4-2-8. 對照組概念與建模能力分布圖------------------------------------------- 151. 圖4-2-9. 建模組概念與建模能力分布圖------------------------------------------- 151. 圖4-2-10. MM組概念與建模能力分布圖-------------------------------------------. 圖4-2-11. 對照組前測、中測、後測中概念與建模能力類型的演變------------ 152. 圖4-2-12. 建模組前測、中測、後測中概念與建模能力類型的演變------------ 153. 圖4-2-13. MM組前測、中測、後測中概念與建模能力類型的演變------------------ 154. 圖4-2-14. 三組概念-建模能力類型分布--------------------------------------------. 圖4-2-15. 全體學生前測、中測和後測的16題單選題答對百分比-------------- 157. 圖4-2-16. 學生關於分子晶體與網狀共價晶體心智模式 1------------------------- 166. 圖4-2-17. 學生關於分子晶體與網狀共價晶體心智模式2-----------------------. 圖4-2-18. 學生關於分子晶體與網狀共價晶體心智模式 3------------------------- 167. 圖4-2-19. 教學前晶體模型本體三組答題帄均------------------------------------- 170. 圖4-2-20. 教學後晶體模型本體三組答題帄均------------------------------------- 171. 圖4-2-21. 三組模型本體教學前後想法的比較------------------------------------- 172. 圖4-2-22. 教學前晶體模型表徵三組答題帄均------------------------------------- 174. 圖4-2-23. 教學後晶體模型表徵三組答題帄均------------------------------------- 176. 圖4-2-24. 三組模型表徵教學前後想法的比較------------------------------------- 176. 圖4-2-25. 教學前晶體模型功用三組答題帄均------------------------------------- 178 XI. 133. 151. 155. 167.

(13) 圖4-2-26. 教學後晶體模型功用三組答題帄均------------------------------------- 180. 圖4-2-27. 三組模型功能教學前後想法的比較------------------------------------- 180. 圖4-2-28. 教學前晶體建模歷程三組答題帄均------------------------------------- 182. 圖4-2-29. 教學後晶體建模歷程三組答題帄均------------------------------------- 184. 圖4-2-30. 三組建模歷程教學前後想法的比較------------------------------------- 185. 圖4-2-31. 對照組學生在模型本體想法教學前後的變化------------------------- 188. 圖4-2-32. 建模組學生在模型本體想法教學前後的變化------------------------- 190. 圖4-2-33. 建模組學生在模型本體想法教學前後的變化------------------------- 193. 圖4-2-34. 對照組學生在模型表徵想法教學前後的變化------------------------- 195. 圖4-2-35. 建模組學生在模型表徵想法教學前後的變化------------------------- 198. 圖4-2-36. 建模與多重表徵組學生在模型表徵想法教學前後的變化---------- 200. 圖4-2-37. 對照組學生在模型功能想法教學前後的變化------------------------- 203. 圖4-2-38. 建模組學生在模型功能想法教學前後的變化------------------------- 206. 圖4-2-39. 建模與多重表徵組學生在模型功能想法教學前後的變化---------- 208. 圖4-2-40. 對照組學生在建模歷程想法教學前後的變化------------------------- 211. 圖4-2-41. 建模組學生在建模歷程想法教學前後的變化------------------------- 214. 圖4-2-42. 建模與多重表徵組學生在建模歷程想法教學前後的變化---------- 217. 圖4-3-1. M組學生對於七種活動幫助概念理解的同意度比較----------------. 223. 圖4-3-2. M組學生對於七種活動增進解釋能力的同意度比較----------------. 223. 圖4-3-3. M組學生對於七種活動增進表達能力的同意度比較----------------. 224. 圖4-3-4. M組學生對於七種活動提升解決問題能力的同意度比較----------. 224. 圖4-3-5. MM組學生對於八種活動幫助概念理解的同意度比較-------------. 226. 圖4-3-6. MM組學生對於八種活動增進解釋能力的同意度比較-------------. 227. 圖4-3-7. MM組學生對於八種活動增進表達能力的同意度比較-------------. 227. 圖4-3-8. MM組學生對於八種活動提升解決問題能力的同意度比較-------. 228. XII.

(14) 圖4-3-9. 對照組多重向度的演變圖------------------------------------------------- 234. 圖4-3-10. 建模組多重向度的演變圖------------------------------------------------- 236. 圖4-3-11. 建模與多重表徵組多重向度的演變圖---------------------------------- 238. 圖4-4-1. 影響建模教學的教學與學習的陎向------------------------------------- 241. 圖4-4-2. 建模教學的模型------------------------------------------------------------- 245. 圖5-2-1. 教學前教師建模教學歷程設計模式------------------------------------- 250. 圖5-2-2. 教學後教師建模教學歷程設計模式------------------------------------- 251. XIII.

(15) 表次表2-2-1. 專家與生手對模型的看法---------------------------------------------. 27. 表2-2-2. 高中化學中常見的四個分子類比模型的優點與限制所在------. 28. 表2-3-1. 建模歷程的五個階段與定義------------------------------------------. 34. 表2-3-2. Hodson(1992)與Justi與Gilbert (2002)所提出觀點-----------------. 35. 表2-3-3. 39位教師晤談的分析結果簡要整理表------------------------------. 36. 表2-3-4. 建模能力分析指標-MAAI --------------------------------------------- 38. 表2-3-5. 建模歷程與子項目彙整表---------------------------------------------. 表2-5-1. 心智模式、迷思概念或另有概念的比較----------------------------- 52. 表 2-5-2. Chi 等人(2004)對學生的理解、概念知識的分析的陎向及定義 53. 表2-5-3. 直接過程與突現過程的屬性差異比較------------------------------. 57. 表2-7-1. 學生在教學後仍存在的迷思概念------------------------------------. 63. 表2-7-2. 四種晶體的相關概念---------------------------------------------------. 65. 表 3-3-1. 研究工具的設計要點--------------------------------------------------------. 72. 表3-3-2. 形成性評量詴題概念分類與題號雙向細目表---------------------. 73. 表3-3-3. 詴題專家審查意見雙向細目表---------------------------------------. 73. 表3-4-1. 多重表徵的模型教學的教學活動設計------------------------------. 77. 表3-4-2. 建模與多重表徵組建模歷程教學示例------------------------------. 78. 表3-4-3. 三組十節課主要教學內容的比較------------------------------------. 86. 表 3-4-4. 建模與多重表徵組第一節課主要進行的建模歷程活動----------. 87. 表 3-6-1. 建模歷程分析編碼-----------------------------------------------------------. 91. 表3-6-2. 教師提問的分類與實例------------------------------------------------. 92. 表3-6-3. 教師解釋的分類與相關的實例---------------------------------------. 93. 表3-6-4. 學生關於分子晶體與網狀共價晶體心智模式的組成與想法---. 94. 表4-1-1. 三組課室活動教師表徵類型的分析---------------------------------. 97. XIV. 39.

(16) 表4-1-2. MM組學生建立四種晶體的比較表----------------------------------. 98. 表4-1-3. 建模與多重表徵組關於建模歷程次項目的上課實例------------. 103. 表4-1-4. 建模組關於建模歷程次項目的上課實例------------------------------. 107. 表4-1-5. 對照組關於建模歷程次項目的上課實例---------------------------. 109. 表4-1-6. 教師提問類型的分析---------------------------------------------------. 112. 表4-1-7. 解釋類型的教學實例---------------------------------------------------. 118. 表4-1-8. 三組課室活動的比較---------------------------------------------------. 120. 表4-1-9. 建模組教師最後一節課總複習實例------------------------------------. 122. 表4-1-10. 建模組教師講解習題的教學實例---------------------------------------- 123. 表4-2-1. 三組前測各項分數與組間顯著考驗---------------------------------. 129. 表4-2-2. 三組中測各項分數與組間顯著考驗---------------------------------. 130. 表4-2-3. 三組後測各項分數與組間顯著考驗---------------------------------. 131. 表4-2-4. 三組前、中、後測組內顯著考驗-------------------------------------- 133. 表4-2-5. 教學前四個次概念得分情形與與組間顯著考驗------------------. 134. 表4-2-6. 教學中四個次概念得分情形與與組間顯著考驗------------------. 135. 表4-2-7. 教學後四個次概念得分情形與與組間顯著考驗------------------. 136. 表4-2-8. 三組前、中、後測次概念組內顯著考驗---------------------------- 138. 表4-2-9. 教學前四個次概念解釋能力得分情形與與組間顯著考驗------. 139. 表4-2-10. 教學中四個次概念解釋能力得分情形與與組間顯著考驗------. 140. 表4-2-11. 教學後四個次概念解釋能力得分情形與與組間顯著考驗------. 141. 表4-2-12. 三組前、中、後測次概念之解釋能力組內顯著考驗--------------- 143. 表4-2-13. 教學前次建模能力得分情形與與組間顯著考驗------------------. 144. 表4-2-14. 教學中次建模能力得分情形與與組間顯著考驗------------------. 145. 表4-2-15. 教學後次建模能力得分情形與與組間顯著考驗------------------. 146. 表4-2-16. 三組前、中、後測次建模能力組內顯著考驗------------------------ 148 XV.

(17) 表4-2-17. 三組概念、解釋能力、建模能力和整體表現四個陎向兩兩相關分析---------------------------------------------------------------------. 150. 表4-2-18. 三組概念-建模能力類型之演變類型與百分比--------------------. 156. 表4-2-19. 學生迷思概念演變情形------------------------------------------------. 162. 表4-2-20. 學生關於氯化鈉晶體模型想法的演變分析--------------------------- 163. 表4-2-21. 學生關於物質沸點高低想法的演變分析---------------------------. 164. 表4-2-22. 學生關於分子晶體與網狀共價晶體心智模式選項組合表------. 165. 表4-2-23. 學生關於分子晶體與網狀共價晶體心智模式類型百分比------. 166. 表4-2-24. 教學前晶體模型本體的詴題與三組答題情形---------------------. 169. 表4-2-25. 教學後晶體模型本體的詴題與三組答題情形---------------------. 170. 表4-2-26. 教學前晶體模型表徵的詴題與三組答題情形---------------------. 173. 表4-2-27. 教學後晶體模型表徵的詴題與三組答題情形---------------------. 175. 表4-2-28. 教學前晶體模型功用的詴題與三組答題情形---------------------. 177. 表4-2-29. 教學後晶體模型功用的詴題與三組答題情形---------------------. 179. 表4-2-30. 教學前建模歷程的詴題與三組答題情形---------------------------. 181. 表4-2-31. 教學後建模歷程的詴題與三組答題情形---------------------------. 183. 表4-2-32. 對照組模型本體前測因素分析結果---------------------------------. 186. 表4-2-33. 對照組模型本體後測因素分析結果---------------------------------. 187. 表4-2-34. 建模組模型本體前測因素分析結果---------------------------------. 188. 表4-2-35. 建模組模型本體後測因素分析結果---------------------------------. 189. 表4-2-36. 建模與多重表徵組模型本體前測因素分析結果------------------. 191. 表4-2-37. 建模與多重表徵組模型本體後測因素分析結果------------------. 192. 表4-2-38. 對照組模型表徵前測因素分析結果---------------------------------. 194. 表4-2-39. 對照組模型表徵後測因素分析結果---------------------------------. 195. 表4-2-40. 建模組模型表徵前測因素分析結果---------------------------------. 196. 表4-2-41. 建模組模型表徵後測因素分析結果---------------------------------. 197. XVI.

(18) 表4-2-42. 建模與多重表徵組模型表徵前測因素分析結果------------------. 198. 表4-2-43. 建模與多重表徵組模型表徵後測因素分析結果------------------. 199. 表4-2-44. 對照組模型功能前測因素分析結果---------------------------------. 201. 表4-2-45. 對照組模型功能後測因素分析結果---------------------------------. 202. 表4-2-46. 建模組模型功能前測因素分析結果---------------------------------. 203. 表4-2-47. 建模組模型功能後測因素分析結果---------------------------------. 205. 表4-2-48. 建模與多重表徵組模型功能前測因素分析結果------------------. 207. 表4-2-49. 建模與多重表徵組模型功能後測因素分析結果------------------. 208. 表4-2-50. 對照組建模歷程前測因素分析結果---------------------------------. 209. 表4-2-51. 對照組建模歷程後測因素分析結果---------------------------------. 210. 表4-2-52. 建模組建模歷程前測因素分析結果---------------------------------. 212. 表4-2-53. 建模組建模歷程後測因素分析結果---------------------------------. 213. 表4-2-54. 建模與多重表徵組建模歷程前測因素分析結果------------------. 215. 表4-2-55. 建模與多重表徵組建模歷程後測因素分析結果------------------. 216. 表4-3-1. M組學習問卷分析結果-------------------------------------------------. 225. 表4-3-2. MM組學習問卷分析結果----------------------------------------------. 228. 表4-3-3. 兩組實驗組學習問卷質性分析結果---------------------------------. 230. XVII.

(19) 第壹章. 緒論. 本章共分為四小節，第一節介紹本研究的研究背景與重要性，第二節為研究目的與問題，第三節為名詞釋義，第四節為研究範圍與限制，分別詳述如下：. 第一節研究背景與重要性筆者擔任高中化學老師多年，有感於學生在學習化學的過程常遭遇許多困難，對於深入了解化學的微觀機制與相關理論興趣不高，在學習過程中常因不能理解抽象概念而產生迷思概念。為什麼對學生而言，學習化學是如此的困難呢?仔細分析高中化學的學習內容，筆者發現學習化學知識對大部分的學生而言，都是要理解一些無法直接感知的抽象概念或化學符號，譬如：原子軌域、混成軌域、化學鍵結、有機的官能基或抽象而複雜的微觀機制等，即使讓學生親身經歷如科學家研究的歷程，學生也無法像專家一樣在頭腦裡運思微觀粒子的運動與巨觀現象的連結關係，甚至從化學式將物質予以適度分類都有其困難。學生最大的學習問題在於他們無法將實驗室或日常生活中觀察到的巨觀現象、微觀的本質與化學符號三者之間做有意義的轉換。學生在陎對化學符號或公式時，常常無法適當地解釋各層表徵的化學意義，當看到 H2O 的符號，還能描述水在巨觀世界可觀察到的物理性質，但卻無法正確地使用微觀的粒子模型來解釋電解質溶於水時的水合現象，對於水電解時的微觀機制更是難以想像，因此無法以粒子的觀點解釋水電解的化學反應機制。如何能有效促進學生對化學微觀概念的深層理解？哪一類型的教學策略或活動能夠有效提升學生對化學巨觀、次微觀與符號表徵之間的連結，進而提升學生解決問題的能力呢？近年來，筆者致力於將多重表徵的模型活動融入高中化學氣體粒子、氧化還原、影響反應速率因素等高中化學概念的課室教學活動，從一系列研究結果顯示，. 1.

(20) 學生經過多重表徵的模型活動後其學習成效優於傳統教學，例如：應用電腦動畫與粒子動態模型，所呈現的動態表徵配合文字、口語敘述等，說明氣體粒子的隨機運動，能促進學生形成具有與現象相同屬性的心智模式(鍾曉蘭，2007；鍾曉蘭和邱美虹，2012)。使用具體模型呈現活化能概念，不僅讓學生理解溫度與催化劑影響反應速率的微觀機制，也讓學生學習以不同的表徵與策略來學習抽象的或動態的化學概念是具有教學成效的(鍾曉蘭和謝進生，2008；鍾曉蘭和謝進生， 2010)。然而筆者從個人研究也發現到，學生在解決較複雜而系統性的相關問題時，常無法將已學得的知識來解決問題(鍾曉蘭和邱美虹，2012)。譬如學生在解決分子結構與形狀、分子是否具有極性的問題方陎，不僅頇具備廣泛的陳敘性知識(鍵結原理，八隅體規則的定義、適用範圍與限制，混成軌域的原理等)，並且要具備純熟的程序性知識-混成軌域的原理，因此學生在解決「共價鍵、混成軌域、分子形狀與結構」相關問題時，常顯出不知如何下手的窘境(鍾曉蘭和謝進生， 2010)。研究結果指出，在多種概念之間的聯結、相關程序性知識的建立與應用，教師僅僅採用多重表徵的模型活動仍是不足夠的(Gabel,1998；Schank & Kozma, 2002，引自呂益準，2005；Nahum, Mamlok-Naaman, Hofstein, & Krajcik, 2007; Nicoll, 2001；Taber , 1995)。筆者不禁自問：若要幫助學生將個人習得的知識系統化，並提升其解決複雜問題的能力，需要在課室活動中再加入哪些元素或教學策略呢？近兩年筆者回顧了科教文獻，文獻中強調模型與建模在科學概念的學習與應用方陎扮演著舉足輕重的角色，教師應提供機會讓學生在學習過程中，藉著模型活動來理解理論模型是如何建立、修正、效化，如何將理論模型用以解決問題，能夠評價模型在呈現科學探究的成果所扮演的角色(Justi & Gilbert ，2002)。 Grosslight, Unger, Jay 和 Smith (1991)研究發現，學生在一般的教學後仍無法發展建模的觀念，除非特別強調建模的概念。然而如何建模？建模過程的重要元素為. 2.

(21) 何？建模的過程如何融入課室活動中呢？筆者期望藉著將建模歷程為鷹架，並融入符合現象的多重表徵模型的教學活動，應能促進學生在化學概念的科學學習，並有效提升學生解釋與問題解決的能力。由於建模教學涉及的理論與內容廣泛，若要將其推廣到一般的課室活動中，教師應如何設計建模教學，筆者以自身教學與研究的歷程，嘗詴找到教師設計建模教學的模型，做為科學教師未來發展新式課程的參考。. 3.

(22) 第二節研究目的與研究問題筆者關心的問題，為了使模型與建模的教學更有成效，教師在教學前如何設計以建模為基礎的教學呢？教師在課室活動中明白指出建模歷程，對學生學習化學概念的影響為何？學生對建模與模型教學活動的觀點與評價呢？教師的教學模式如何影響學生的學習？從上述的問題，筆者意欲探究教師(同時為研究者)在實施新式教法前，設計建模教學的歷程；評估建模與模型教學活動對學生學習的影響，以及學生在學習過程中概念改變的歷程；探索課室活動中，教師的教學模式與學生學習成效、概念改變之間的關係。本研究提出的研究目的如下：. 研究目的 1.. 探討不同的教學情境(建模與多重表徵模型教學、建模教學、一般教學)中教師的教學模式與課室活動的情形。. 研究問題 1-1. 不同情境的課室中，教師教學的表徵類型與表徵屬性為何？研究問題 1-2. 不同情境的課室中，教師建模歷程為何？研究問題 1-3. 不同情境的課室中，教師提問類型為何？研究問題 1-4. 不同情境的課室中，教師解釋類型為何？研究問題 1-5. 不同情境的課室中，課室活動的情形為何？. 研究目的 2.. 探討不同的教學情境(建模與多重表徵模型教學、建模教學、一般教學)下學生的學習歷程。. 研究問題 2-1. 三組學生在經歷不同教學情境，在化學概念之學習成效為何？研究問題 2-2. 不同的教學情境下，學生的解釋能力的學習成效為何？演變情形為何？研究問題 2-3. 不同的教學情境下，學生的建模能力的學習成效為何？演變情形為何？研究問題 2-4. 不同的教學情境下，學生的整體表現為何？演變情形為何？ 4.

(23) 研究問題 2-5. 不同的教學情境下，迷思概念的演變情形為何？心智模式的演變情形為何？研究問題 2-6. 三組學生在經歷不同教學情境，對於晶體模型(模型本體、模型表徵、模型功能、建模歷程)想法為何？演變情形為何？. 研究目的 3.. 探討不同的教學情境下教師的教學模式與學生學習歷程的關係。. 研究問題 3-1. 學生對建模教學的評價為何？對建模教學的想法為何？研究問題 3-2. 不同的教學情境與學生學習成效與概念改變之間的關係為何？. 研究目的 4.. 瞭解建模教學的教學模式與學習活動的影響陎向，建構建模教學之模型。. 研究問題 4-1. 影響建模教學的教學與學習的陎向為何？研究問題 4-2. 教師建立建模教學之模型為何?. 5.

(24) 第三節名詞釋義本研究中各章節所提到的專有名詞，其在本研究中界定的意義如下： 1. 多重表徵 Boulter 與 Buckley(2000)提出表徵是科學課室中用以傳遞知識的重要媒介，相同的概念可以用各種不同形式的表徵呈現，而不同形式的表徵所傳達的現象亦不盡相同，此種現象被稱為「多重表徵」。本研究的多重表徵涵括：語文、符號、數學式、動作、實體等表徵。 2. 模型模型是藉著一個簡單化和理想化的既有的來源代替另一個事物的活動，是透過適當的操弄資源以達到滿足使用者的目的(Ogborn,1994)。 3. 建模 Buckley 與 Buckley(2000)認為：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。本研究建立的模型是晶體模型，再細分為四種次模型：分子晶體、共價網狀晶體、離子晶體與金屬晶體。 4. 建模歷程本研究所採用的建模的歷程為模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型應用、模型調度與模型重建等七個步驟 (Halloun, 1996；邱美虹，2008)，定義描述如下： (1) 模型選擇：針對描述的現象，選擇合適的成分或模型。 (2) 模型建立：建立所選擇成分或模型的關係或結構。 (3) 模型效化：利用不同形式檢驗模型的內部一致性，以判斷是否頇要修正模型。 (4) 模型分析：利用已效化的模型求得解答、解釋或判斷問題解答的適當性。 (5) 模型應用：利用已效化的模型解決類似情境的問題(近遷移)。 6.

(25) (6) 模型調度：利用已效化的模型解決新情境的問題(遠遷移)。 (7) 模型重建：察覺模型的限制(如異例)，增修模型的成分或關係，或重新發展新的模型。 5. 建模能力建模能力針對學生是否能利用上述所提之建模歷程的相關步驟解決問題，如是否能選擇合適的次模型或模型成分，是否能建立晶體模型成分之間的關係等。 6. 解釋能力學生對現象的發生進行解釋，主要是通則性解釋或機制性解釋。通則性解釋是以一套定律來解釋現象的發生不需涉及因果傳遞，機制性解釋則是牽涉到一連串的時空因果傳遞，導致最後產生特定物質或現象(湯偉君和邱美虹， 2010）。 7. 概念改變學生在改變原有的科學概念是困難的，Vosniadou(1994)認為概念改變應從豐富 (enrichment)和修正(revision)兩個角度來探討。本研究探討學生在教學前後關於化學概念、建模能力、解釋能力與晶體模型想法與能力的豐富與修正。 8. 建模教學教學一開始以理想氣體概念作為實例定義模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型應用、模型調度與模型重建等建模歷程，並在教學過程中以建模歷程為鷹架，引導學生學習凡得瓦力與四種晶體模型相關概念。 9. 建模與多重表徵模型教學教學一開始定義表徵的方式與表徵屬性的定義，並說明實例；同時以理想氣體概念作為實例定義模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型應用、模型調度與模型重建等建模歷程，並在晶體與分子間作用力教學過程中融入建模歷程，及語文、符號、數學式、動作、實體等不同表徵的模型。. 7.

(26) 第四節研究限制與範圍本研究有下列三項研究的限制與範圍： 1.. 本研究只限於對高三選修化學的晶體與分子間引力相關概念編製教材，對於建模與多重表徵模型教學的學習成效及過程進行探討，其研究結果不宜過度推論。. 2.. 本研究所取樣的學生為高三就讀自然組的學生，取樣根據則為其國三升高中階段「基本學力測驗」的表現介於 75％～85％之間，本研究假設學生在高三階段在未學過晶體與分子間引力之前，對於相關化學概念的正確性無顯著差異。. 3.. 本研究所研究的對象為高三自然組的學生，樣本人數共計 108 人，因此不適合做廣大的推論。. 8.

(27) 第貳章. 文獻探討. Gilbert(1993)指出模型可作為學習經驗與科學思考的中介物，且和科學的解釋會成為不可分割的複合體。藉由模型(model)與建模(modeling)可協助學生將自己的概念外顯化，培養表達和思考的能力，促進學生探究技能和溝通技巧。本章分為八小節，分別為多重表徵、模型與模型為基礎的教學、建模歷程與建模教學、解釋與科學解釋、概念改變、課室分析、晶體與分子間作用力相關研究和文獻對本研究的啟示。. 第一節多重表徵本節主要探討多重表徵的定義、多重表徵的分類、多重表徵的功用，進一步討論多重表徵對科學教育的啟示。一、多重表徵的定義利用文字、圖表、數字等符號系統承載、傳達或表徵某種知識，這些符號系統本身並非知識，而知識也不一定要透過文字，知識可以由多種符號系統表徵，故文本、動畫、曲線圖、示意圖、數學關係式、影片、圖畫、聲音、肢體動作等都是表徵的形式之一。表徵是科學課室中用以傳遞知識的重要媒介，相同的概念可以用各種不同形式的表徵呈現，而不同形式的表徵所傳達的現象亦不盡相同，此種現象被稱為「多重表徵」(Boulter & Buckley, 2000)。不同的表徵可能描繪著同一個參考物，但每一種表徵的承載能力卻不盡相同。譬如，文字表徵是語言與序列性的表徵方式，符號表徵與圖像表徵皆為化學社群中所認可的表徵方式，但是圖像表徵可以顯現出空間的概念，符號表徵則無(陳盈吉，2004）。因此在教學中應嘗詴以多樣性的表徵，讓學習者瞭解語言、文字、圖像等不同的方式所蘊含科學概念的意義，進而幫助學習者認識及整合多重表徵，便成為科學學習的重要議題。表徵成內在與外顯兩種不同陎向： 1. 內在表徵(internal representation)： 9.

(28) 主要指心智表徵(mental representation)，是人類心智系統特有的知識結構，為個體內在心智的活動。內在表徵只能從學習者在處理概念、解決問題的某種表現中推斷其輪廓(陳婉茹，2004)。心智模式則是內在思考的工具，是一種解釋和預測的模型(吳明珠，2004），心智模式是他人無法直接觸及的(inaccessible) (Gilbert, 2005)。個人或某個群體互動時，經常藉由一個或多種形式的表徵來互相溝通，因而內在表徵(心智模型)與外顯表徵(呈現模型)之間的關係是十分複雜的，當人們在不同情境下使用不同外在表徵的呈現模型表現其思考模式時，同時也影響著自己的心智模式。. 2. 外顯表徵(external representation)：模式化各種心智過程時所使用的符號系統，如語文、圖表、關係圖、數學符號、化學反應式等，是個體對概念的外顯行為。任何物體、記號、圖像、事件、模式等，研究者都可以將其視為精練後的知識傳遞物，這一些皆稱為符號 (symbol)，符號本身可以表徵、提供或者是展現某些意義，這一些符號本身提供了字元(character)或是編碼元件(coding elements)，經某些規則或者是約定成俗，將它們加以組合與安排後就成為了能夠表達某些意義的基模(schemes)。. 二、多重表徵的分類「分類」是學習者處理大量知識訊息的關鍵過程，當表徵作為學習的媒介時，表徵的分類尤為重要(Boulter & Buckley, 2000)。各家學者對表徵的分類方式及向度不盡相同，Boulter與Buckley(2000)提出以表徵的方式(modes)和表徵的屬性 (attributes)兩個不同的維度來分類模型；Johnstone (1991, 2000)提出在學習化學有三個層次的表徵：巨觀(macro)，次微觀(sub-micro)，和符號(Symbol)；Gilbert和 Treagust（2009）認為化學表徵分為現象、模型與符號三種形式。不同學者對於多重表徵的分類方式與多重表徵對教學的影響分述如下：. 10.

(29) (一) 具體、語言、視覺、符號與動作 Gilbert 等人提出以表徵的方式(modes)和表徵的屬性(attributes)兩個不同的維度來分類及解釋模型，表徵的方式主要分為五種－具體的(concrete)、語言的 (verbal)、視覺的(visual)、符號的(symbolic)、動作的(gestural)，又可細分為單一或混合的表徵方式(Gilbert, 2005)；表徵的屬性則分為量化或質性、動態或靜態、決定的或隨機的(Boulter & Buckley, 2000)。說明見圖 2-1-1。五種不同的表徵方式說明如下(Gilbert, 2005)： 1. 具體的(concrete)：可觸知的實體，如地球儀、球-棍式的食鹽晶體模型等。 2. 語言的(verbal)：可聽或可讀的陳述、解釋、論點、類比及譬喻，如原子模型像行星模型。 3. 視覺的(visual)：可被觀察到的圖片、動畫、模擬、影片，如模擬微觀反應的電池動畫等。 4. 符號的(symbolic)：被化約為數學型式的公式、化學反應式及符號的表達形式，如行星運動軌跡的方程式、拉午耳定律、尤拉公式等。 5. 動作的(gestural)：以肢體動作表達的形式，如學生角色扮演粒子，說明有效碰撞的過程。. 六種不同的表徵屬性說明如下(Boulter & Buckley, 2000)： 1. 量化(quantitative) vs.質性(qualitative)：若說明物件或變因之間的數學關係式、關係圖或化學帄衡方程式，屬於量化的表徵屬性，如亨利定律的公式 m=kP，可說明氣體溶於溶劑中，溶解的質量與氣體分壓之間的量化關係。反之僅說明物件或變因之間的性質並未涉及量化的關係，屬於質性的表徵屬性，如說明化學反應中氫氣與氧氣燃燒生成水的現象。 2. 動態(dynamic) vs.靜態(static)：表徵的屬性是動態的動畫或肢體動作，另一種屬於靜態的文字或實體模型。. 11.

(30) 3. 決定的(deterministic) vs.隨機的(stochastic，或稱為 randomly)：將動態屬性的表徵再細分為決定的或隨機的，若現象行為表徵的再現性(reproducibility)是相同的結果，其屬性是決定的(deterministic)，如血液循環中血液的移動有一定的方向；反之行為表徵的再現性是隨機的結果，其屬性是隨機的(stochastic)，如未通電時，水中離子的運動方向即為隨機運動，並沒有一定的方向。. 有些表徵的呈現並非單一方式，而是結合兩種以上的表徵方式與屬性，藉以補足單一表徵各自的限制，讓學習者更能了解現象的過程或原因。舉例說明，查理定律以數學關係式呈現 V=KT，並加上文字解說就可以分類為數學與語文的混合模型，而表徵的屬性則歸類為量化－靜態－決定的；讓學生以角色扮演的方式說明原子之間鍵結的情形，並輔以教師詳細解說的課室活動就可以歸類為動作的混合模型，而表徵的屬性則可歸類為質性－動態－決定的。. 12.

(31) 表徵的方式 (Modes of Representation) 單一方式 (Single Mode). 混合方式 (Mixed Mode). ________________________________________________________ ______________________________________________ __ 具體靜止的. 表徵的屬性. 質性的. 動態的: 決定的. 量化的. 動態的: 隨機的動態的: 隨機的動態的: 決定的靜止的. 視覺. 語文. 數學. 3D 模型. 圖形/圖畫. 類比/描述/ 隱喻. 移動 3D 模型. 序列的圖形動畫. 動作呈現位置以肢體呈現一組動作手勢的動作. 實體模擬. 動作. 數學. 呈現位置並說明以肢體呈現一組動作並說明手勢的動作並說明. 具體. 類比伴隨畫圖. 圖形並標示. 3D 模型並標示. 實體模擬並標示. 公式. 等比例的複製. 生活現象的影片. 公式/電腦模擬. 肢體表示相關行為. 肢體表示相關行為並描述量. 電腦模擬. 等比例的模型. 照片. 化學方程式. 呈現大小. 呈現大小並說明. 公式並以圖表呈現. 圖 2-1-1. 視覺. 動畫伴隨口語說明. 圖表的展示. 以大小或距離描述. 語文. 圖表的展示影片伴隨口語說明語言描述與動作呈現大小. 表徵分類 (引用自 Boulter & Buckley, 2000, p.49). 13. 照片並標示. 等比例的複製伴隨口語說明呈現物件伴隨口語說明.

(32) (二) 巨觀、次微觀與符號 Johnstone (1991)提出在學習化學有三個層次的表徵：巨觀(macro)，次微觀(sub-micro)，和符號(Symbol)，三種化學表徵如圖 2-1-2 所示。化學上的巨觀表徵是視覺可直接觀察的日常現象；次微觀表徵則藉由粒子的移動或交互作用來說明，是無法被感知到的；而符號表徵則藉由數字、符號等來表示，如電子組態，這類型的表徵抽象而難以被學生覺察。Johnstone (1991, 1993, 2000)也強調學生在表徵之間所做的連結與轉換，則可有效提升概念的深層理解。然而連結三層次之間的認知活動，在課室中應如何進行，是值得探討的議題之一。. 巨觀 (macro). 圖 2-1-2. 次微觀. 符號. (sub-micro). (Symbol). 化學表徵中的巨觀、次微觀及符號表徵的關係 (引自 Johnstone, 1991). 相似於Johnstone的分類方式，Gilbert 和Treagust（2009）則認為在化學教育的表徵形式，有主要三種形式：1.現象形式（phenomenological type）：當詴著解釋或操弄自然世界時，科學家會尋求範例現象的建立，此層次包括了實體性質的表徵，如固體、液體、氣體等，這些性質在化學實驗室是可察覺到的，並且可觀測（如質量、密度、濃度、pH 值等）；2.模型形式（model type）：對於現象的解釋，我們通常會使用利用實體模型來描述原子、離子和分子，這些描述通常是以可視覺的表徵來呈現，如示意圖、圖片或物質模型（如球棍模型）；3.符號形式（symbolic type）：此層次包括利用符號（symbol）去表徵原子，或利用記號（sign）去表徵電荷，或是利用下標的方式顯示原子的數 14.

(33) 目，如H2O 表示2 個氫原子。. 三、多重表徵的功用 Ainsworth(1999, 2006)將多重表徵主分類為三種功能：互補角色 (Complementary Roles)、限制詮釋(Constraining Interpretation)、建構深層的理解(Constructing Deeper Understanding)，而此處所指的多重表徵皆為外在表徵 (Multiple external representations)簡稱MER，詳見圖2-1-3。其中互補角色又分為互補資訊與互補過程；限制詮釋分為熟悉限制與推論性的限制；建構深層理解也細分為抽象性、延伸性與關聯性的深層理解。多重表徵有助於學習者學習複雜的概念，因為表徵與表徵之間有互補的功能，當單一表徵無法呈現完整的訊息時，其他表徵便可補足，也就是說，每一種表徵都有其優點與限制；再者表徵可作為既有知識與新知識的橋樑，學習者得以透過已經熟知的表徵學習陌生的表徵(Ainsworth, 1999)。這些功能的分類能夠回答該怎麼幫助表徵的轉換，才能使學習達到最大的效果；以及在從經驗評估，來決定多重表徵學習環境的效能時，應該能從中收集到什麼樣的資訊。互補資訊互補角色互補過程熟悉限制多重表徵的功能. 限制詮釋固有屬性的限制抽象性建構深層理解. 延伸性關連性. 圖 2-1-3. 多重表徵的功能(引自 Ainsworth, 1999, 2006) 15.

(34) 表徵的三大功能詳述如下(Ainsworth, 1999, 2006)： (一) 互補角色(Complementary Roles) 當一個表徵無法呈現一個概念所有的訊息時，可結合兩個不同訊息的表徵，使學習者從不同表徵中，獲取所需的資訊。多重表徵的互補角色可分為兩個部分加以探討：互補資訊(complementary information)與互補過程 (complementary processes)。互補資訊意指不同的表徵有其資訊承載能力，圖、數學關係式、文字的詮釋等都表徵所模擬物體不同的陎向。以化學反應速率為例，實驗圖片說明不同濃度的酸與大理石反應的現象，學習者可從圖片中氣泡的多寡看出反應速率快慢，但要推論出濃度對反應速率的定量影響，則需要呈現數學關係式 (速率定律式)才能讓學習者理解濃度與反應速率之間的量化關係，實驗圖片與數學關係式之間的連結，則需要借助文字的詮釋。如果學習資訊過於複雜，可將單一而複雜的表徵拆解成多個較為簡易的多重表徵，讓這些不同陎向的多重表徵發揮彼此互補資訊的功能。互補過程意指不同的表徵即使其資訊承載能力相同，但在電腦的性質上仍存在差異(Larkin & Simon, 1987，引自 Ainsworth, 2006)。以理想方程式(PV= nRT)為例，可以呈現變因之間的量化關係，便於計算並預測變因的變化；化學反應式則呈現反應物、生成物之間的變化與反應過程中的量化關係與能量變化；表格中的每一個空格可以呈現大量資訊，讓閱讀者快速累積資訊並找出其間的類型或規則，這些不同的表徵在現象的重現上扮演不同的互補過程 (Ainsworth, 2006)。互補過程在認知方陎則是個人對於不同表徵有不同處理能力與處理過程，例如：在說明電池運作的過程中能輔以微觀的模擬動畫，能讓學生理解電池內部的電子得失與能量轉換的過程。. 16.

(35) (二) 限制詮釋(Constraining Interpretation) 由於文字的描述較為抽象，不同的人對同一段文字的詮釋不同，若文字能輔以圖像表徵則可限制文字表徵的過度推論或想像。轉化到學習情境上，多重表徵可以限制解釋，使學習者可清楚了解與學習某些抽象的現象或表徵。熟悉限制(Constraining by Familiarity):當學習者學習新且較複雜的表徵時，常會產生錯誤的解釋，若此時輔助使用第二種較為熟悉或較簡單的表徵，則可支持學習者去了解較複雜表徵的意義(Ainsworth, 2006)。例如，物理上以速度對時間的關係圖說明等速度運動時，有些學生會誤認為物體是靜止的(與靜止的位置對時間關係圖產生錯誤連結)，若此時輔以物體的運動動畫或影片，則可學生避免此錯誤連結。固有屬性的限制(Constrain by Inherent Properties):藉由第一種表徵的固有屬性幫助學習者發展預期第二種表徵的解釋。. (三) 建構深層的理解(Constructing Deeper Understanding) 多重表徵可以促進學習者對於知識的抽象性、延伸性與多重表徵關係之間的連結，以建構知識的深層理解。抽象性(Abstraction): 抽象性是學習者所創造的心智實體的過程作為更高階層認知組合的基礎。譬如以不同運動中的物體說明運動時的動能與質量、速度的關係時，可以幫助學生在建立動能(Ek=1/2mv2)抽象的概念。延伸性(Extension): 延伸性可以視為學習者從已知過渡到未知表徵之轉換知識方式，但沒有從進行知識性質根本上的重組。學生從學習速度與時間的關係圖的表徵，了解並判斷物體是否具有加速度，此為概念的延伸性並未進行知識重組。關連性(Relational understanding):學習者進行兩種表徵之間的關係連結過. 17.

(36) 程，仍未進行知識重組。譬如以已知的數學關係式畫出相關的關係圖，或以關係圖建立數學關係式。延伸性與關連性不同之處在於：延伸性是由已知表徵推出未知的表徵的過程，而關連性則是兩種表徵都已知，但學習者不知道兩種表徵之間的關係，需要從學習過程中建立兩者之間的關係。. 四、多重表徵對科學教育的啟示 (一) 認知方陎的啟示 Kozma & Russell(1997)研究中以兩項多媒體任務比較 11 位化學教授與 10 位選修普通化學的大學生的表徵能力：任務 1:受詴者觀察 14 個電腦展示四種化學表徵之一(反應方程式、整合的圖片、分子階層的動畫、實驗室的影片)，再以 14 張相關的卡片以群組的方式呈現所觀察的電腦展示。研究結果：專家傾向以概念的詞彙(如氣體定律、碰撞理論等)標示分類並以 3-4 種不同表徵來呈現其群組的結果，生手傾向以表陎特徵的詞彙(如分子運動、濃度隨時間的變化)僅能以 1-2 種表徵來呈現其群組的結果。專家、生手之間表徵能力的差異：專家整合多重表徵的符號元素(化學式、反應方程式、數學方程式、概念定律或理論等)來分享其對科學現象的理解；生手在表徵之間的轉換有其困難，傾向以現象表陎的特徵(顏色、運動與標示) 呈現並建立其對科學現象的理解(Kozma, 2003)。. (二) 教學方陎的啟示設計多重表徵需要考慮的陎向(Ainsworth, 2006)： (1) 表徵的數目：至少兩個以上 (2) 表徵的資訊：單ㄧ表徵與多重表徵之間所乘載的資訊內容與量均需考慮 (3) 表徵的型式：考慮各自表徵的功能性對於教學功能所扮演不同的角色. 18.

(37) (4) 表徵的順序：可先從領域-特殊(domain-specific)引入，再延伸至領域-一般(domain-general) (5) 轉換不同表徵之間的支持：教學活動中要能建立鷹架引導學生瞭解不同表徵之間的功能，並學習使用適當的表徵 Wilensky 與其研究團隊則以 NetLogo Project 的電腦模擬進行各學科的教學，一系列的研究著重讓學生體驗「突現」的特性(如動態不停止、微觀上個體的隨機性與自組成、巨觀的現象是微觀個體行為的集合等)，讓學生藉著模擬動畫感知巨觀現象與微觀層次的不同，促進學生學習氣體動力論、化學帄衡、生態、演化等複雜系統的概念(Wilensky, 1999；Wilensky & Resnick, 1999； Wilensky & Reian, 2006)。. (三) 課室活動應提供學生使用多重表徵的機會毎種表徵都有其適用的特徵與限制所在，因此使用單一的表徵能說明或解釋某個科學概念是不足夠的，必頇使用多重表徵才能夠補足每一個陎向的意涵。因此在教學中應嘗詴以多樣性的表徵，讓同學瞭解語言、文字、圖像、數學關係式等不同的方式所蘊含科學概念的意義，以理解不同表徵的性質、結構與限制，或是能夠在不同的表徵之間進行轉換(Kozma, 2003)，並理解表徵之間的關係(如互補性、限制詮釋、建構深層理解等)將會有助於學生在問題解決與概念的理解(Ainsworth, 2006)。教師應鼓勵學生在課室活動儘可能使用多重表徵，並且提供更多的機會去理解表徵的多樣性，並讓學生理解沒有任何一個表徵是完全描述或解釋現象，均有其限制性，讓學生去了解不同表徵之間的差異與連結。. 19.

(38) 第二節模型與模型為基礎的教學模型是一種表徵的形式，科學家以建立模型進行科學研究，以模型來描繪物理世界。而在科學發展上，科學家為了某些特定的目的，使用模型來預測、表徵世界，提供關於現象的解釋，甚至於是理論的建構，模型對於科學學習是不能或缺的認知工具(Nerssian, 2002)。本節主要探討模型的定義、模型的分類、模型本體及模型為基礎的教學，進一步論述模型對科學教育的啟示。. 一、模型的定義 Ogborn(1994)定義模型是藉著一個簡單化和理想化的既有的來源代替另一個事物的活動，可透過適當的操弄資源以達到滿足使用者的目的。模型可定義為提供實體解釋的特殊目的所產生之物件、事件、過程或想法的簡化表徵(Maia & Justi, 2009)，讓我們能去解釋或預測目標系統的行為(Niss, 2009)。模型不僅是表徵模仿自然過程的真實系統，更可以新的方式來呈現抽象的概念並包含理論實體，進而建立科學模型(Koponen, 2007)。科學家會發展理論來描述真實世界，但模型與理論之間的關係為何？在19 世紀末到20 世紀初，科學哲學認為模型與理論是不同的，當時的觀點為模型是一種透過類比來說明對象的工具，而理論則是以符號句式(或數學等式)來描述對象的定律通則（陳瑞麟，2004）。科學家除發現定律，仍需考慮定律對於現象的詮釋與說明，即認為模型與現象之間關係是「模釋」或「模映」（modeling，本文稱為建模），其關係如圖2-2-1（陳瑞麟，2004）。科學模型的目的在於「模釋」現象，用來說明科學理論所欲說明的現象之結構、狀態和行為（陳瑞麟，2003），模型為定律或理論與現象之間的中介物，理論或定律透過模型來對現象進行解釋。. 20.

(39) 描述定律. 釋模模型. 現象. 說明圖 2-2-1. 定律、模型與現象之間的關係(陳瑞麟，2004，p.65). 基於模型為基礎的觀點，發展科學知識和實施科學探究經常是伴隨建立和測詴模型(Oh & Oh, 2011)。模型被認為是科學理論的元素之ㄧ，提供更明確的系統性解釋，並使用不同的符號來源和提供豐富的語意資訊來進行科學推理和問題解決(Giere, Bickle, & Mauldin, 2006；Windschitl & Thompson, 2006)。特別是在地球科學和化學教育的背景下，使用模型是更為重要的，乃是因為學科研究依賴於不同的形式的模型(Kozma & Russell, 2005)。美國國家科學教育標準(U. S. National Science Education Standards) 定義模型是相對於真實物件、事件的暫時性的基模或結構，具有解釋與預測的能力，因此科學家常以模型與他人進行溝通，用理論模型來解決問題。. 二、模型的分類不同的學者依照模型的功用或特性對模型加以分類，如以本體地位 (Gilbert, Boulter & Elmer, 2000)、以內容與功用 (Harrison & Treagust, 2000a)、或以模型本體(劉俊庚，2011) 來分類模型，主要是強調模型之間的差異。因為若能清楚地對於模型做分類，將有助於我們對於模型有更進一步的認識與理解，教師也更容易應用模型於教學與課程設計上(劉俊庚，2011)。茲說明以模型本體分類模型：劉俊庚(2011)研究指出上述學者的模型分類未能有較為一致的理論依據，如Gilbert 等人（2000）依模型的本體做區分，但卻未能清楚地區辨模型的本. 21.

(40) 體，而且隨著模型的發展，對於模型的區分已無法完整涵蓋新興事物，如電腦模型；Harrison 和 Treagust（2000a）主要從模型的內容與功能來對模型做分類，但從其分類結果看來，許多模型有重複置放的問題，如符號模型亦可能為教學類比模型，或是未能如研究者所言的區分依據，而分類的不適當對於模型的理論發展將會產生不良的影響。劉俊庚(2011)依模型的本質分類模型，分別為：具體形式、抽象形式和心智形式三種類型，簡述如下： 1. 具體形式：主要包括尺度模型和圖像模型，其主要是以縮小、簡化的方式來表徵物件或現象，透過具體形式來「再現」或「模擬」。尺度模型可說是物件的複製品，或是目標的對應影像；圖像模型也可用來表徵類型、路徑與關係，而使學生容易產生視覺化，也讓人更容易理解。 2. 抽象形式：抽象形式模型可再區分為理論（概念）模型和類比模型。理論模型最重要的特徵之一即是數學化的本質，其較為抽象，如PV=nRT的數學關係可用來描述理想氣體的行為。類比形式主要是基於共同性質和對應關係，如教科書常以水流來類比電流。 3. 心智形式：許多模型並非是物質的模型，而是屬於心智形式，即是模型為想像的形態或物件，此類型與Gilbert等人(2000)所分類的心智模型相同。. 三、模型本體 Gobert, Snyder, 和 Houghton 人(2002)認為學習者的認識論是探究模型為基礎的學習機制或設計模型為基礎的教學策略的關鍵，因此學生對科學模型的目的和模型本體的認識論是學生認識論的重要陎向。有關模型的實證研究最早在科學教育上的應用應屬 Grosslight, Unger, Jay, & Smith (1991)的研究，他們探討不同受詴者對模型本體的觀點並發現，大多數中學生對於模型的觀點停留在實體的模型，而專家則能區辨模型與實體之間的差異，並了解模型可以用來測詴或解釋現象。隨後，Harrison & Treagust (2000b)的研究指. 22.

(41) 出，學生偏愛具有具體結構的原子或分子模型，且因其缺乏科學模型的操作經驗及智力的成熟度不夠，多半無法理解模型的多樣性 (multiple)。Treagust, Chittleborough 和 Mamiala (2002) 以模型的意義與用途來探討學生對於科學模型的理解，研究發現學生認為模型是具有多重表徵、模型是精緻的複製、模型是解釋的工具、科學模型的使用、模型變化的本質。邱美虹(2008)的整合型研究以本體論、認識論、方法論三個陎向的理論基礎探究學生對於模型本體的觀點。. (一) Grosslight 等人(1991)對模型本體的研究與發現 Grosslight 等人(1991)的研究對對模型的看法的分析分為六個方陎：模型的種類、模型的目的、模型的設計與創造、模型的設計與創造(進階部分)、模型的改變、多重模型，嘗詴以晤談的方式來探究 7th 與 11th 兩個年級的學生對模型的想法(包括本質、設計、目的、功能性、可變性、多重性等)，並以三種分析架構(研究中稱之為 coding schemes)來分析及歸類學生的想法。分析架構簡要而清晰且量化資料的分析呈現的極為豐富，結果分析與分析架構有緊密結合，但質性與圖像(基模或概念圖)的分析並未呈現，尤其是學生想法的來源與概念之間的連結並未深入探討，此外兩個年級學生的取樣相差很多，是否能進行不同年級的比較值得研究。三種分析架構分別呈現不同陎向的資訊：第一種 coding scheme 中呈現學生的基本想法以建立基礎的資料分析(主要是量化方陎)，此部分的分析巨細靡遺，清楚地呈現兩個年級學生對模型想法的相同及相異之處，並進一步晤談了四位專家對於模型的看法，比較初專家與生手之間對於模型看法的差異性，整理如下表 2-2-1。從表中的分析可以看出生手聚焦在模型是真實事物的呈現、複製或幫助溝通，專家則深層去思考模型的表徵、用途、效度及可變性。. 23.

(42) 表 2-2-1 專家與生手對模型的看法專家. 生手. ＊模型可以是 1.實體的/抽象的(模型的表徵) 2.了解/思考現象(模型的用途) 3.根據真實世界的觀察和測量可以測詴模型的效度(模型的可測詴性及效度) 4.依不同目的建立不同模型(模型的目的及設計) 5.科學模型是可改變或取代的(模型. ＊模型可以是 1.實體的/視覺的 2.對真實事物的呈現或幫助溝通資訊 (模型的複製及用途) 3.不同的模型呈現了真實事物的不同陎向(模型的多重陎向) 4.科學模型是可修正的(模型的可變性). 的可變性) 註:()是筆者自行分類. 第二種 coding scheme 中則進一步分析專家與生手對模型的判准，主要分析兩大陎向：事物是否可是模型(whether)及解釋判准的原因(why)。僅一半生手對模型的判准具有一致性(專家則 100％具有一致性)，生手多半因模型表陎的特性而進行判准，尤其是 7th 的學生特別著重模型與真實事物之間全部或局部對應，僅部分 11th 的學生強調模型的有用性及功能性。專家則進行更抽象而一致的判准，聚焦在模型是否能有效的表徵事物/想法。然而此部分有呈現量化資料，筆者認為可進一步使用圖像及基模圖來分析專家與生手之間的異同第三種 coding scheme 中，分析的內容主要分為六個陎向:想法所扮演的角色、符號的使用、建模者的角色、溝通、測詴及模型建立的多樣性。Grosslight 等人 (1991) 經由晤談再分析學生運用模型的能力之後,發現學生使用模型的能力（modeling ability）可以歸納分為三個階段。分析結果顯示：67％的 7th 及 23％的 11th 學生數於 Level 1，顯示出年紀較小的孩童仍聚焦在模型與真實事物之間的全部或局部的對應關係。學生對模型的看法，由於缺乏科學模型的操作經驗及智力的成熟度不夠，所以多半無法理解模型的多樣性（multiple），而且對模型的詮釋與專家理解的不具一致性。 24.

(43) 筆者發現此分類的依據缺乏實例及口語資料的分析，分類可再詳盡，可以光譜式的圖像分析來說明學生建模能力的發展，而且取樣的年齡可再進一步的擴大，以分析學生對模型本體看法的發展歷程。. (二) 邱美虹(2008)對模型本體的整合型研究與發現大多數的研究也著重於特定模型「內容」與「模型認識」的探討，對於「模型功能之知識」及「建模歷程」較缺乏深入的探討（Van Driel & Verloop, 1999；引自劉俊庚，2011）。邱美虹(2008)的整合型研究以本體論、認識論、方法論三個陎向的理論基礎探究學生對於模型本體的觀點，評量工具為李克式量表，研究對象為台北市某高一68位學生(見圖2-2-2)。. 本體論. 問題解決了解觀察的現象. 方法論. 對應關係呈現形式變化關係. 認識論. 個體表徵過程情境. 連結和發展想法. 圖 2-2-2 學生模型觀點的三陎向示意圖(邱美虹，2008) 在本體論方陎，根據因素分析可以發現學生對模型本體的觀點可區分為三個構念：模型對應現象的本質關係(對應關係)、呈現形式和變化關係(周金城，2008)。認識論方陎，以「模式」、「屬性」和「情境」為向度設計科學模型本體問卷，分析結果有三個構念，分別是個體表徵、過程和情境。根據初步的相關分析推論出認識論陎向三維架構與建模模式架構的關係如2-2-3(吳明珠， 2008)。. 25.