模型本位探究策略在不同場域學習成效之研究

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所. 博士論文. 指導教授：邱美虹博士. 模型本位探究策略在不同場域學習成效之研究 The Effects of Model-Based Inquiry Strategy in Different Learning Scenarios. 研究生：鐘建坪撰. 中華民國 102 年六月.

(2) 誌謝雖然科學教育的相關學理在大學時期曾經接觸過，然而從實驗操作為主的生物無機化學轉換到以思考為主的科學教育領域，剛開始著實讓我吃足了苦頭。從修業的第一學期開始，心裡面即持續思考是否應該繼續把博士班學業完成的念頭，幸好自己在許多人的陪伴、鼓勵以及指導教授的指導之下，最終得以轉換派典順利完成博士論文。本篇論文的完成，首先得感謝指導教授—邱美虹老師的帶領，讓我從認知的角度看待科學學習，協助我化解每個階段的疑慮與困難，使我體會科學教育領域的博大精深，也讓我體會教學需要理論的輔助，而理論需要教學的實踐，兩者之間相輔相成的回饋機制。博士學業的完成並非是學習的結束，而是持續努力奮鬥不懈的開始!期許自己能夠轉換管理學大師 Peter Senge 對於願景的想法付諸在教育實踐上，讓此行動力對教育現場產生影響! 由衷感謝口試委員張惠博校長、中研院化學所洪政雄老師、高師大科教所洪振方老師、國北教大周金城老師在百忙之中能夠針對本篇內容提出相當多建設性的建議，自己慶幸能夠有上述委員的指導，使得本篇論文能夠更加完善。其中洪政雄老師亦是我的碩士班指導教授，特別感謝洪老師在我碩士班畢業之後仍可與老師共同討論化學以及教育的想法。此外，亦向博士班修課過程中，所上教誨的諸位老師們至上敬意，求學過程中同學—文龍、學長姐—慧容、俊庚、國良、志康、學弟妹們的相互扶持—曉蘭、哲銘、勝安、建章、焙琪、文田、彥承、秉桓、啟華等研究室的諸多成員以及任職學校的長官與同事們的協助與支持，在此言謝! 最後，感謝給予我最大支持的家人，父親、母親、岳父、岳母、太太以及君瑋和奕勳，若沒有你們的犧牲與陪伴，建坪則無法順利完成學業!. I.

(3) 摘要. 模型的建構與使用在科學實務上扮演重要的角色。然而學校科學課程卻很少介紹模型、強調模型是理論建構的重要工具以及如何協助學生發展不同模型之間的轉化能力。本研究區分為兩大主題，四個部份。主題一包括部分1與部分2，主要著重在歷經與科學家相似真實性探究之8年級科展學生(N=5)，探討教師在科展建模歷程中提供模型與建模本質觀點的有無，對於學生所建構科學模型的類型、階層以及模型與建模認識觀點的異同表現。其中部份1以事後分析法進行個案研究(N=2)，探討無提供模型與建模鷹架時，科展學生建模的表現，而部分2以歷程分析法進行的個案研究(N=3)，嘗試將真實性探究的認知過程與模型與建模本質觀點納入科展建模歷程中，形成模型本位探究教學架構，探討在真實性建模的科展活動中提供模型與建模鷹架時，學生的建模表現。主題二嘗試以模型本位的探究教學架構應用在傳統課室教學(N=102)，形成本論文之部分 3與部分4。其中部分3為立意取樣選取研究者任教之9年級班級，再隨機分配實驗組(模型本位探究教學組，N=37)與對照組(簡單探究教學組，N=32；與講述教學組，N=33)，教學過程中實驗組搭配建模文本而對照組搭配傳統文本，探討經過相同教師教學之後，學生對於模型與建模認識觀點、科學過程技能、概念內容、建模能力與後設建模能力之表現異同。而部份4主要藉由學生對已建模型進行證成，探討建模歷程中模型效化的概念融貫性，若學生能夠進行數據或是相關科學知識的證成，即可確認模型內部組成變因之間的關聯性，表示學生經過證成的模型之融貫程度相較於無法證成者為高。最後總結兩大主題的研究，包括部分1、2、3以及4，探討模型本位探究教學架構在真實性探究的科展歷程以及課室學習的歷程中，關於學生建模的表徵模型之間轉換的關係，亦表示如果強調實驗研究的科學建模，學生會先從巨觀現象建立起巨觀或是動作模型，接著經由資料收集與分析獲得「中觀」(meso-)的視覺以及語彙模型，最後才根據關係座標圖建立數學表徵模型，而如果只是黑板示範實驗，會忽略從「中觀模型」所能連結巨觀現象以及符號模型。研究結果顯示，彙整如下：. II.

(4) 1.部分1為經由事後訪談之科展學生，S1與S2學生能夠在相同的探究階段建構相似的表徵模型類型，同時隨著探究時程的增加，兩位學生建構之外顯表徵模型階層逐漸提升至延伸抽象階段；而模型與建模認識觀點部份，S1與S2學生經歷師生共構之科展探究活動之後，對於模型的看法仍是屬於具體事物而非抽象思考模型，顯示只有經歷真實性探究的師生共構無法有效提升學生模型與建模認識觀點到最高階層。 2.部分2為補事後訪談研究法之缺失，透過歷程分析法探討個案學生在提供模型與建模鷹架時科展活動之表現。結果顯示在外顯表徵模型類型與階層面向，個案學生S3、S4以及S5與未提供模型與建模鷹架S1與S2建構相似表徵模型與階層。然而在模型與建模認識觀點面向上，S3經過科展建模歷程之後皆達最高層級，而S4與S5在「模型本質」以及「評價模型」皆達最高層級，而 S4與S5在「模型功能與目的」以及「建模歷程」皆為階層2，主要原因為學生仍以解釋而非預測作為模型的主要功能取向。 3.對照部份1與部分2之結果顯示，經過長期真實性師生共構的科展學生皆能夠在不同的探究階段建構出相似的外顯表徵模型並且逐漸提升層級，然而無提供模型與建模觀點鷹架之學生，無法將想法視為抽象模型並透過內隱與外顯模型交互作用進行科學建模，而提供模型與建模鷹架之科展學生能夠將模型視為系統性思考的工具，並且運用在科展探究活動之中，獲得較高的階層。結果顯示模型與建模鷹架對於國中學生進行建模學習有其必要性。 4.經過不同教學模式教學之後，模型本位探究教學組學生在長時間內之「模型本質」-模型與建模認識觀點、「概念內容」-等加速度與牛頓第二運動定律以及「能力」-科學過程技能與建模能力之整體表現皆優於簡單探究以及講述教學組。然而模型本位探究教學在後設建模能力只有部份項目顯著優於其餘兩組，顯示以模型位探究進行學習活動仍然需要加強學生自我評估之表現，以及如何在過程中誘導學生原先已有的後設認知能力以促進建模學習是一項關鍵。綜合結果顯示以模型本位探究模式進行教學有助於學生不同面向的成長。 5.經過不同教學模式教學之後，學生透過情境適切的判斷證成已建模型合理性之證成融貫性表現，. III.

(5) 模型本位探究組除了在等加速度之後測未與簡單探究組達顯著差異之外，其餘部分皆顯著優於簡單探究組與講述教學組，而簡單探究組學生在等加速度延宕以及牛頓第二運動定律後測顯著優於講述教學組。結果顯示雖然進行簡單探究教學能夠讓學生獲得證成的能力，然而提供學生模型與建模鷹架並且外顯化建模歷程之教學活動更能有效提升學生證成融貫性。 6.模型本位探究教學策略能夠提供機會協助學生進行實驗活動形成巨觀模型，接著進行針對蒐集的數據繪製表格與關係圖並進行意義解釋形成中觀模型，再以建構之中觀模型與科學符號模型以及巨觀模型做比較，連結巨觀與科學符號模型。而教學歷程中額外提供學生鷹架，透過中觀模型連結巨觀現象與科學符號模型證成已建模型作為學生個人修改模型的依據。. 雖然文獻說明模型與建模在科學學習扮演重要的角色，然而並未提供實徵的研究說明模型與建模鷹架為什麼是一項重要的學習要素。本研究認為提供模型與建模探究學習活動，需要提供學生模型與建模鷹架作為系統性思考的工具，透過實驗為主、證成合理性以及理論模型遷移的建模歷程讓學生接觸巨觀現象形成巨觀模型逐漸建構中觀模型，再以中觀模型連結巨觀模型與科學符號模型，發展學生的科學本質、概念內容以及相關能力以呼應科學學習的三大目標。. 關鍵字：認識觀點、模型與建模、模型本位探究、證成融貫性、中觀. IV.

(6) Abstract Although modeling is fundamental to human cognition and scientific inquiry, the design of secondary school curriculums rarely integrates inquiry and modeling, touches the epistemological view of models and modeling, and helps the student to develop the competences to make associations between models. This research which explores the implement of model-based inquiry teaching strategy in science fair and traditional classroom contexts in a secondary school covers two main subjects, which are divided into four parts. Subject 1 includes parts 1 and 2 (N = 5, 8th graders), and is targeted to explore whether the teacher providing the epistemological view of models and modeling during the process of science fair have any effect on the type, level, and cognition towards the concepts of model and modeling developed by the students. The intervention is made through integrating a model-based inquiry teaching framework based on the cognitive process of authentic inquiry and the concept of models and modeling into the process of science fair. Subject 2 (N = 102, 9th graders) is an attempt to implement the modelbased inquiry teaching framework in traditional classroom context, which forms parts 3 and 4 of this research. The final consolidates the studies in the two main subjects, including parts 1, 2, 3, and 4, exploring model-based inquiry teaching strategy in the process of science fair and the traditional class learning in relation to the conversion between the representation models of student’s model construction process. The following is a consolidation of the results derived from the studies in this research: 1. Part 1 involves post hoc interviews with the students. S1 and S2 students are able to construct similar representation models in the same inquiry stage, and at the same time, the level of external representation models constructed by these two students gradually extends into the abstract stage along the inquiry process. In epistemological view of model and modeling, students S1 and S2 continue to see the concept of “model” as a concrete object, instead of an abstract entity, after they have experienced the explorative activities for the science fair with the teacher.. V.

(7) 2. Part 2 is an attempt to remedy the shortcomings of the post hoc interviews. The results show that, in the dimensions of type and level of external representation models, students S3, S4, and S5 demonstrated the same level of representation models similar to the model constructed by S1 and S2 (not provided with the scaffolding of models and modeling). 3. Comparison between the results of Part 1 and 2 shows that students participating in the science fair who have been through a long-period of co-construction development with the teacher are able to construct similar external representation models in different stages and the levels elevates over the course of the process. However, students not provided with the scaffolding of models and modeling are unable to turn ideas into abstract models and conduct scientific modeling through alternating reference between the internal and expressed models. This indicates that co-construction activities involving only through authentic inquiry are not able to effectively elevate the students’ epistemological view of model to the highest level and that intervention of the scaffolding of model and modeling is necessary to the secondary school students when students are taught with the modeling instructional strategy. 4. Part 3 explores the 9th-gende students’ comprehension on the epistemological view of models and modeling, the scientific process skills, the content, modeling and metamodeling competences about acceleration and Newton's second law of motion before/after intervention of the model-based inquiry teaching. After teaching in differentiated teaching modes, students in the model-based inquiry teaching group generally have better performance than the simple inquiry and lecture teaching groups in the epistemological view of model and modeling, the understanding of acceleration and Newton’s second law of motion, and scientific process skills and modeling competences. However, students in the model-based inquiry teaching group only few perform better with significant difference than the students in the other two groups in the metamodeling competences.. VI.

(8) 5. After implementing the different teaching modes, the students verified the coherence and the reasonableness of the constructed models through appropriate judgment on the contexts. The modelbased inquiry teaching group show better performance with significant difference than the simple inquiry group and the lecture teaching group in the posttest and delayed posttest of all aspects, except the unit of acceleration. 6. The model-based inquiry teaching strategy is able to provide the opportunity to help students form macroscopic models in the experiment activities, lead them to cross over to the stage of interpretation targeting on the data, tables, and correlation charts developed in the process and form the mesomodels, and advance to the stage of linking macroscopic and scientific symbolic models through comparisons between the constructed meso-model and scientific symbolic model, as well as the macroscopic model. Although the research literature described the significant role played by the concept of models and modeling in scientific research, they did not provide empirical evidence to stress the importance of models and modeling. This research believes that, when implementing model and modeling explorative learning activities, students should be provided with the conceptual framework of models and modeling as a tool for systematic thinking. The modeling process involving experiments, justification, and theoretic model deployment brings the students into contact with the macroscopic phenomena and induce formation of macroscopic model, which is then gradually developed into the meso-model. The mesomodel is then linked with the macroscopic model and scientific symbolic model to develop students' comprehend on the nature of science, content of concepts, and the associated competences, that is, the three goals of science learning. Keywords: epistemological view, model and modeling, model-based inquiry, justification coherence, meso. VII.

(9) 目錄第壹章緒論 ........................................................................................................................................... 1 一、本研究概述 ....................................................................................................................... 2 二、本研究的重要性 ............................................................................................................... 3 (一)整合模型與探究，形成模型本位的探究教學架構 ................................................. 3 (二)精緻化學生動手操作與模型認識論觀點 ................................................................. 4 (三)透過鷹架的協助，協助學習建模歷程 ..................................................................... 4 (四)強調外顯化建模歷程的探究學習與教學 ................................................................. 5 (五)透過模型的中介，連結巨觀現象與符號 ................................................................. 5 第一節研究背景 ............................................................................................................................. 6 一、探究與建模是科學的基本面向 ....................................................................................... 6 二、學生的學習歷程機制與科學家是相似的 ....................................................................... 6 三、大部分的學生需要教師的引導 ....................................................................................... 7 四、概念改變教學研究的轉向 ............................................................................................... 7 五、模型觀點的學習是認識科學本質的基礎 ....................................................................... 7 六、學生概念結構的融貫性 ................................................................................................... 8 第二節研究動機 ............................................................................................................................. 9 一、學生參與科展活動的學習成效 ....................................................................................... 9 二、模型與建模鷹架在學習所扮演的角色 ........................................................................... 9 三、整合模型與探究教學，形成模型本位探究教學 ........................................................... 9 四、評估學生對已建模型證成的融貫性 ............................................................................. 10 第三節研究目的與問題 ............................................................................................................... 11 第四節名詞解釋 ........................................................................................................................... 16 一、探究 ................................................................................................................................. 16 二、簡單性探究 ..................................................................................................................... 16 三、真實性探究 ..................................................................................................................... 16 四、真實性探究教學 ............................................................................................................. 17 五、模型 ................................................................................................................................. 17 六、表徵模型 ......................................................................................................................... 18 七、假說模型 ......................................................................................................................... 18 八、已建模型 ......................................................................................................................... 18 九、中觀模型 ......................................................................................................................... 18 十、模型本位的學習 ............................................................................................................. 19 十一、模型本位的教學 ......................................................................................................... 19. VIII.

(10) 十二、模型本位探究 ............................................................................................................. 19 十三、建模歷程 ..................................................................................................................... 20 十四、建模能力 ..................................................................................................................... 20 十五、後設建模能力 ............................................................................................................. 20 十六、概念結構融貫性 ......................................................................................................... 21 十七、中小學科學展覽 ......................................................................................................... 21 第五節研究範圍與限制 ............................................................................................................... 22 一、研究範圍 ......................................................................................................................... 22 (一)科展學生建構表徵模型的類型、階層與模型與建模的認識觀點 ....................... 22 (二)模型本位探究教學的課室運用 ............................................................................... 22 (三)學生概念結構融貫性的探討 ................................................................................... 23 (四)學生學習巨觀、中觀以及符號模型交互作用的情形 ........................................... 23 二、研究限制 ......................................................................................................................... 23 第貳章文獻探討 ................................................................................................................................. 24 第一節探究與探究教學 ............................................................................................................... 24 一、探究意涵與歷史發展 ..................................................................................................... 24 二、探究學習三階段論 ......................................................................................................... 25 三、不同層次的探究教學 ..................................................................................................... 28 四、探究教學的成效 ............................................................................................................. 28 五、實施探究教學的困難 ..................................................................................................... 29 六、引導式探究教學 ............................................................................................................. 30 七、小結 ................................................................................................................................. 30 第二節真實性探究與中小學科學展覽 ....................................................................................... 32 一、真實性探究的意涵 ......................................................................................................... 32 二、真實性與簡單性探究 ..................................................................................................... 32 三、真實性與簡單性探究的認知與認識論差異 ................................................................. 32 四、中小學科展活動與真實性探究的關係 ......................................................................... 33 五、小結 ................................................................................................................................. 34 第三節模型本位探究 ................................................................................................................... 38 一、模型定義 ......................................................................................................................... 38 (一)科學哲學對模型的看法 ........................................................................................... 38 (二)科學教育對模型的看法 ........................................................................................... 40 二、表徵與模型之間的關係 ................................................................................................. 41 (一)表徵的意涵與分類類型 ........................................................................................... 41 (二)使用表徵呈現模型的特徵種類 ............................................................................... 41. IX.

(11) 三、模型的認識與評量 ......................................................................................................... 43 (一)模型是科學實務工作的產物 ................................................................................... 43 (二)內隱與外顯模型 ....................................................................................................... 43 (三)模型的認識觀點 ....................................................................................................... 43 (四)學生對模型持有素樸的認識觀點 ........................................................................... 44 (五)提供鷹架，幫助學生了解模型的意涵 ................................................................... 45 (六)評量模型認識觀點 ................................................................................................... 45 四、建模與科學學習 ............................................................................................................. 48 (一)模型本位的學習 ....................................................................................................... 48 (二)模型本位的學習路徑 ............................................................................................... 49 (三)模型本位的教學 ....................................................................................................... 50 (四)模型本位教學的效益 ............................................................................................... 51 (五)學生建模學習的困難與挑戰 ................................................................................... 51 (六)建模教學的策略模式 ............................................................................................... 53 五、建模與建模能力 ............................................................................................................. 61 (一)建模意涵—思考具體化的方法 ............................................................................... 61 (二)建模能力 ................................................................................................................... 61 (三)後設建模 ................................................................................................................... 62 六、建模能力的評量 ............................................................................................................. 62 (一)能力評量的分類模式 ............................................................................................... 62 (二)建模能力的評量類型 ............................................................................................... 63 七、小結 ................................................................................................................................. 64 第四節理論模型的證成融貫性 ................................................................................................... 66 一、科學理論的證成 ............................................................................................................. 66 二、學生素樸觀點融貫性的爭議 ......................................................................................... 67 (一)概念結構 ................................................................................................................... 67 (二)概念結構與融貫性 ................................................................................................... 67 (三)從概念節點連結方式比較融貫程度 ....................................................................... 68 三、理論證成與概念結構融貫性之間的關係 ..................................................................... 69 四、因果推理與科學解釋的理解 ......................................................................................... 70 (一)科學解釋模型 ........................................................................................................... 70 (二)針對科學模型進行推理解釋的歷程即是證成的過程 ........................................... 72 (三)提供鷹架協助學生進行科學解釋，促進學生證成所建構的模型 ....................... 73 五、小結 ................................................................................................................................. 74 第五節力與運動相關研究 ........................................................................................................... 75. X.

(12) 一、力與運動的另有概念 ..................................................................................................... 75 (一)運動學相關的另有概念 ........................................................................................... 76 (二)與力作用相關的另有概念 ....................................................................................... 77 二、概念改變的教學策略 ..................................................................................................... 77 (一)PHSG 教學模式........................................................................................................ 77 (二)使用類比進行教學 ................................................................................................... 79 (三)應用 Chi 本體論遷移進行教學 ............................................................................... 79 三、力與運動的建模教學 ..................................................................................................... 80 四、強調建模教學的因素 ..................................................................................................... 82 (一)學生應該學習多重變因的推理技能 ....................................................................... 82 (二)同步學習概念內容、科學技能 ............................................................................... 83 (三)學生概念結構與實體之間具有關聯性 ................................................................... 84 五、本研究之模型本位探究建模教學 ................................................................................. 84 (一)強調以實驗為主的建模策略 ................................................................................... 84 (二)從數據建立關係式，再著重理論關係式的遷移 ................................................... 85 (三)強調學生建模歷程中模型認識論、建模能力、後設建模能力、概念表現以及科學過程技能 ............................................................................................................... 85 (四)強調外顯化教學 ....................................................................................................... 86 (五)搭配建模文本進行教學 ........................................................................................... 86 六、小結 ................................................................................................................................. 87 第六節總結文獻對本研究的啟示 ............................................................................................... 88 第參章研究方法 ................................................................................................................................. 90 第一節研究設計與理論架構 ....................................................................................................... 90 一、科學建模能力 ................................................................................................................. 92 二、本研究之模型本位探究教學架構 ................................................................................. 93 三、強調巨觀、中觀以及符號表徵模型之間轉換的能力 ............................................... 100 四、使用特定表徵模型呈現特定現象 ............................................................................... 101 二、第 1 與 2 部分的組織架構—真實性建模探究活動中模型本位探究的成效 ........... 103 三、第 3 部分的組織架構—模型本位探究教學 ............................................................... 104 (一)主要想法 ................................................................................................................. 104 (二)融入的目的 ............................................................................................................. 105 (三)第 3 部分教學組別與研究工具組織架構 ............................................................. 107 五、第 4 部份之組織架構 ................................................................................................... 107 第二節研究對象與情境 ............................................................................................................. 109 第 1 部分：無模型鷹架，科展學生建模類型與認識論 ................................................... 109. XI.

(13) 第 2 部分：提供模型鷹架，科展學生建模類型、層次與認識論 ................................... 110 第 3 部分：模型為主探究教學 ........................................................................................... 110 第 4 部分：模型證成與融貫性 ........................................................................................... 111 第三節研究工具 ......................................................................................................................... 112 第 1 部分：無模型鷹架，科展學生建模類型、層次與認識論 ....................................... 113 (一)模型與建模認識論觀點問卷(I) ............................................................................. 113 (二)模型與建模認識論觀點階層評分表(I) ................................................................. 113 (三)建模類型與階層問卷 ............................................................................................. 114 第 2 部分：提供模型鷹架，真實性探究建模種類、層次與認識論分析 ....................... 115 (一)模型與建模認識論觀點問卷(II) ........................................................................... 115 (二)模型與建模認識論觀點階層評分表(II) ............................................................... 116 (三)建模種類、層次與評鑑表 ..................................................................................... 118 第 3 部分、模型為主探究教學 ........................................................................................... 119 (一)科學過程技能問卷 ................................................................................................. 119 (二)模型與建模認識論觀點問卷(III) .......................................................................... 120 (三)概念成就測驗問卷 ................................................................................................. 121 (四)建模能力問卷 ......................................................................................................... 123 (五)建模能力評鑑表 ..................................................................................................... 123 (六)後設建模能力問卷 ................................................................................................. 133 第 4 部分、模型證成融貫性 ............................................................................................... 133 第四節教學活動設計 ................................................................................................................. 137 一、課程目標與課程規劃 ................................................................................................... 137 二、教學特點與異同比較 ................................................................................................... 137 (一)模型本位探究教學 ................................................................................................. 137 (二)簡單探究歷程 ......................................................................................................... 144 (三)講述教學 ................................................................................................................. 145 三、建模文本設計 ............................................................................................................... 145 第五節研究流程 ......................................................................................................................... 154 第六節資料收集與分析 ............................................................................................................. 156 部份一、無模型鷹架，科展學生建模類型、層次與認識論 ........................................... 156 (一)資料收集 ................................................................................................................. 156 (二)資料編碼 ................................................................................................................. 156 (三)資料分析 ................................................................................................................. 157 部份二、模型本位真實性探究 ........................................................................................... 158 (一)資料收集 ................................................................................................................. 158. XII.

(14) (二)資料編碼 ................................................................................................................. 158 (三)資料分析 ................................................................................................................. 158 部份三、模型本位探究教學 ............................................................................................... 158 (一)科學過程技能問卷 ................................................................................................. 159 (二)模型認識觀點問卷 ................................................................................................. 159 (三)加速度與牛頓第二運動定律概念成就測驗 ......................................................... 159 (四)建模能力測驗 ......................................................................................................... 160 (五)後設建模能力問卷 ................................................................................................. 160 部分四、模型證成之融貫程度 ........................................................................................... 160 第肆章研究結果 ............................................................................................................................... 161 第一節無外顯化模型與建模鷹架，科展學生之表現 ............................................................. 161 一、不同探究階段的模型種類與階層 ............................................................................... 162 二、科展報告之模型種類與階層分析 ............................................................................... 172 (一)科展報告與學生事後回溯結果相似 ..................................................................... 172 (二)科展報告模型種類與階層相對次數分析 ............................................................. 173 三、科展學生完成探究歷程後的模型認識論分析 ........................................................... 174 (一)模型的定義 ............................................................................................................. 175 (二)模型的種類 ............................................................................................................. 175 (三)模型的功能 ............................................................................................................. 175 (四)科學上模型的使用 ................................................................................................. 176 (五)一個現象或事件是否能夠創造不同的模型 ......................................................... 176 (六)創造與改變模型 ..................................................................................................... 176 第二節提供模型與建模觀點之科展學生建模類型與階層分析 ............................................. 178 一、不同探究階段的模型種類與階層 ............................................................................... 178 (一)初始階段 ................................................................................................................. 178 (二)執行階段 ................................................................................................................. 189 (三)完成階段 ................................................................................................................. 200 第三節外顯化模型與建模鷹架之科展學生模型與建模認識觀點表現 ................................. 210 一、科研社課程訓練之前 ................................................................................................... 210 (一)模型本質 ................................................................................................................. 210 (二)模型的功能與目的 ................................................................................................. 211 (三)建模歷程 ................................................................................................................. 211 (四)評價模型 ................................................................................................................. 212 二、科研社訓練結束，進行科展活動之前 ....................................................................... 213 (一)模型本質 ................................................................................................................. 213. XIII.

(15) (二)模型功能與目的 ..................................................................................................... 215 (三)建模歷程 ................................................................................................................. 217 (四)評價模型 ................................................................................................................. 219 三、科展研究進行中 ........................................................................................................... 221 (一)模型本質 ................................................................................................................. 221 (二)模型功能與目的 ..................................................................................................... 222 (三)建模歷程 ................................................................................................................. 224 (四)評價模型 ................................................................................................................. 227 四、科展作品完成 ............................................................................................................... 229 (一)模型本質 ................................................................................................................. 230 (二)模型功能與目的 ..................................................................................................... 232 (三)建模歷程 ................................................................................................................. 234 (四)評價模型 ................................................................................................................. 237 五、市賽科展活動結束之後 ............................................................................................... 239 (一)模型本質 ................................................................................................................. 240 (二)模型功能與目的 ..................................................................................................... 242 (三)建模歷程 ................................................................................................................. 244 (四)評價模型 ................................................................................................................. 246 第四節比較外顯化提供模型與建模鷹架的有無之參與科展學生表現 ................................. 254 一、科展實驗帶領模式之異同 ........................................................................................... 254 (一)兩組皆強調師生互動討論實驗數據與結果 ......................................................... 254 (二)第 2 組在歷程中要求學生以模型與建模觀點進行反思 ..................................... 254 二、建構表徵模型類型與階層之異同 ............................................................................... 255 (一)不同探究階段，兩組建構相似表徵模型類型 ..................................................... 255 (二)不同探究階段，兩組建構之表徵模型層級逐漸提升 ......................................... 255 (三)第 2 組建構之數學表徵模型為相關而非延伸抽象層級 ..................................... 256 三、模型認識觀點階層之表現結果 ................................................................................... 256 (一)未提供模型與建模認識觀點，模型認識觀點層級較低 ..................................... 256 (二)提供模型與建模鷹架之學生模型認識觀點層級逐漸提升 ................................. 256 四、模型與建模鷹架可以提供系統性的思考準則 ........................................................... 258 五、學生內化模型與建模觀點遷移至課室學習 ............................................................... 259 第五節不同教學模式對於學生模型與建模認識觀點的影響 ................................................. 262 一、三組學生於「模型認識觀點問卷(III) (前測)」成績之比較 ..................................... 262 (一)三組學生於「模型認識觀點問卷(III)(前測)」描述性統計分析 ....................... 262 (二)三組學生於「模型認識觀點問卷(III)(前測)」推論性統計分析 ....................... 263. XIV.

(16) 二、三組學生於「模型認識觀點問卷(III) (中測)」成績之比較 ..................................... 266 (一)三組學生於「模型認識觀點問卷(III)(中測)」描述性統計分析 ....................... 266 (二)三組學生於「模型認識觀點問卷(III)(中測)」推論性統計分析 ....................... 267 三、三組學生於「模型認識觀點問卷(III) (後測)」成績之比較 ..................................... 287 (一)三組學生於「模型認識觀點問卷(III)(後測)」描述性統計分析 ....................... 287 (二)三組學生於「模型認識觀點問卷(III)(後測)」推論性統計分析 ....................... 288 第六節不同教學策略對於學生科學過程技能的影響 ............................................................. 310 一、三組學生於「科學過程技能(前測)」成績之比較 ..................................................... 310 (一)三組學生於「科學過程技能(前測)」描述性統計分析 ...................................... 310 (二)三組學生於「科學過程技能問卷(前測)」推論性統計分析 .............................. 310 二、三組學生於「科學過程技能問卷(中測)」成績之比較 ............................................. 312 (一)三組學生於「科學過程技能問卷(中測)」描述性統計分析 .............................. 312 (二)三組學生於「科學過程技能問卷(中測)」推論性統計分析 .............................. 312 三、三組學生於「科學過程技能問卷(後測)」比較 ......................................................... 325 (一)三組學生於「科學過程技能問卷(後測)」描述性統計分析 .............................. 325 (二)三組學生於「科學過程技能問卷(後測)」推論性統計分析 .............................. 326 第七節不同教學策略對於學生概念內容學習的影響 ............................................................. 340 一、三組學生於「等加速度概念問卷(前測)」比較 ......................................................... 340 (一)三組學生於「等加速度概念問卷(前測)」描述性統計分析 .............................. 340 (二)三組學生於「等加速度概念問卷(前測)」推論性統計分析 .............................. 340 二、三組學生於「等加速度概念問卷(後測)」比較 ......................................................... 342 (一)三組學生於「等加速度概念問卷(後測)」描述性統計分析 .............................. 342 三、三組學生於「等加速度概念問卷(延宕測)」比較 ..................................................... 347 (一)三組學生於「等加速度概念問卷(延宕測)」描述性統計分析 .......................... 347 (二)三組學生於「等加速度問卷(延宕測)」推論性統計分析 .................................. 348 (三)三組學生於「牛頓第二運動定律概念問卷(前測)」比較 .................................. 357 (四)三組學生於「牛頓第二運動定律概念問卷(後測)」比較 .................................. 358 (五)三組學生於「牛頓第二運動定律概念問卷(延宕測)」比較 .............................. 363 第八節不同教學策略對學生建模能力的影響 ......................................................................... 372 一、三組學生於「等加速度建模能力問卷(前測)」比較 ................................................. 372 (一)三組學生於「等加速度建模能力問卷(前測)」描述性統計分析 ...................... 372 (二)三組學生於「等加速度建模能力問卷(前測)」推論性統計分析 ...................... 373 二、三組學生於「等加速度建模能力問卷(後測)」比較 ................................................. 374 (一)三組學生於「等加速度建模能力問卷(後測)」描述性統計分析 ...................... 374 (二)三組學生於「等加速度建模能力問卷(後測)」推論性統計分析 ...................... 375. XV.

(17) 三、三組學生於「等加速度建模能力問卷(延宕測)」比較 ............................................. 384 (一)三組學生於「等加速度建模能力問卷(延宕測)」描述性統計分析 .................. 384 (二)三組學生於「等加速度建模能力問卷(延宕測)」推論性統計分析 .................. 385 四、三組學生於「牛頓第二運動定律建模能力問卷(前測)」比較 ................................. 397 (一)三組學生於「牛頓第二運動定律建模能力問卷(前測)」描述性統計分析 ...... 397 (二)三組學生於「牛頓第二運動定律建模能力問卷(前測)」推論性統計分析 ...... 397 五、三組學生於「牛頓第二運動定律建模能力問卷(後測)」比較 ................................. 398 (一)三組學生於「牛頓第二運動定律建模能力問卷(後測)」描述性統計分析 ...... 398 (二)三組學生於「牛頓第二運動定律建模能力問卷(後測)」推論性統計分析 ...... 399 六、三組學生於「牛頓第二運動定律建模能力問卷(延宕測)」比較 ............................. 409 (一)三組學生於「牛頓第二運動定律建模能力問卷(延宕測)」描述性統計分析 .. 409 (二)三組學生於「牛頓第二運動定律建模能力問卷(延宕測)」推論性統計分析 .. 409 第九節不同教學策略對學生後設建模能力影響 ..................................................................... 421 一、三組學生等加速度前測時後設建模與實際建模能力之相關性 ............................... 421 (一)模型本位探究組 ..................................................................................................... 421 (二)簡單探究組 ............................................................................................................. 423 (三)講述教學組 ............................................................................................................. 424 二、三組學生等加速度後測時後設建模與實際建模能力之相關性 ............................... 425 (一)模型本位探究 ......................................................................................................... 425 (二)簡單探究組 ............................................................................................................. 427 (三)講述教學組 ............................................................................................................. 428 三、三組學生等加速度延宕測時後設建模與實際建模能力之相關性 ........................... 429 (一)模型本位探究組 ..................................................................................................... 429 (二)簡單探究組 ............................................................................................................. 431 (三)講述教學組 ............................................................................................................. 432 四、三組學生牛頓第二運動定律前測時後設建模與實際建模能力之相關性 ............... 434 (一)模型本位探究組 ..................................................................................................... 434 (二)簡單探究組 ............................................................................................................. 435 (三)講述教學組 ............................................................................................................. 436 五、三組學生牛頓第二運動定律後測時後設建模與實際建模能力之相關性 ............... 437 (一)模型本位探究 ......................................................................................................... 437 (二)簡單探究組 ............................................................................................................. 439 (三)講述教學組 ............................................................................................................. 440 六、三組學生牛頓第二運動定律延宕測時後設建模與實際建模能力之相關性 ........... 441 (一)模型本位探究 ......................................................................................................... 441. XVI.

(18) (二)簡單探究組 ............................................................................................................. 443 (三)講述教學組 ............................................................................................................. 444 七、三組學生於「等加速度後設建模能力與實際建模能力差值之絕對值(前測)」比較 ................................................................................................................................. 446 (一)三組學生於「等加速度後設建模與實際建模能力差值之絕對值」推論性統計分析 ............................................................................................................................. 446 (二)三組學生於「等加速度後設建模與實際建模能力差值之絕對值」推論性統計分析 ............................................................................................................................. 447 八、三組學生於「等加速度後設建模能力與實際建模能力差值(後測)」比較 ............. 448 (一)三組學生於「等加速度後設建模與實際建模能力差值」描述性統計分析 ..... 448 (二)三組學生於「等加速度後設建模與實際建模能力差值之絕對值」推論性統計分析 ............................................................................................................................. 449 九、三組學生於「等加速度後設建模能力與實際建模能力差值之絕對值(延宕測)」比較 ................................................................................................................................. 459 (一)三組學生於「等加速度後設建模與實際建模能力差值之絕對值」描述性統計分析 ............................................................................................................................. 459 (二)三組學生於「等加速度後設建模與實際建模能力差值之絕對值(延宕測)」推論性統計分析 ............................................................................................................. 460 十、三組學生於「牛頓第二運動定律後設建模能力與實際建模能力差值之絕對值(前測)」比較 ......................................................................................................................... 476 (一)三組學生於「牛頓第二運動定律後設建模與實際建模能力差值之絕對值」描述性統計分析 ............................................................................................................. 476 (二)三組學生於「牛頓第二運動定律後設建模與實際建模能力差值之絕對值」推論性統計分析 ............................................................................................................. 476 十一、三組學生於「牛頓第二運動定律後設建模能力與實際建模能力差值絕對值(後測)」比較 ......................................................................................................................... 479 (一)三組學生於「牛頓第二運動定律後設建模與實際建模能力差值絕對值」描述性統計分析 ................................................................................................................. 479 (二)三組學生於「牛頓第二運動定律後設建模與實際建模能力差值之絕對值」推論性統計分析 ............................................................................................................. 480 十二、三組學生「牛頓第二運動定律後設建模能力與實際建模能力差值之絕對值(延宕測)」比較 ............................................................................................................... 493 (一)三組學生於「牛頓第二運動定律後設建模與實際建模能力差值」描述性統計分析 ............................................................................................................................. 493 (二)三組學生於「牛頓第二運動定律後設建模與實際建模能力差值之絕對值」推論. XVII.

(19) 性統計分析 ............................................................................................................. 494 小結 ............................................................................................................................... 503 第十節不同教學策略對學生證成融貫性的影響 ..................................................................... 505 一、不同教學策略對學生等加速度證成融貫性的影響 ................................................... 505 (一)三組學生於「等加速度證成融貫性」前測比較 ................................................. 505 (二)三組學生於「等加速度證成融貫性」後測比較 ................................................. 506 (三)三組學生於「等加速度證成融貫性」延宕測比較 ............................................. 509 二、不同教學策略對學生牛頓第二運動定律證成融貫性的影響 ................................... 512 (一)三組學生於「牛頓第二運動定律證成融貫性」前測比較 ................................. 512 (二)三組學生於「牛頓第二運動定律證成融貫性」後測比較 ................................. 514 (三)三組學生於「牛頓第二運動定律證成融貫性」延宕測比較 ............................. 516 第十一節中觀模型連結巨觀與符號模型 ................................................................................. 521 一、模型本位探究之科展學生 ........................................................................................... 521 (一)組織與操作巨觀模型 ............................................................................................. 521 (二)將實驗數據彙整建構中觀模型 ............................................................................. 522 (三)以中觀模型為中介思考符號模型與具體模型 ..................................................... 524 二、教學活動比較 ............................................................................................................... 525 (一)等加速度比較 ......................................................................................................... 525 (二)牛頓第二運動定律 ................................................................................................. 530 第伍章結果討論 ............................................................................................................................... 536 一、依照結果順序進行討論 ............................................................................................... 536 (一)真實性探究科展學習活動 ..................................................................................... 536 (二)模型本位真實性探究科展學習活動 ..................................................................... 537 (三)真實性探究與模型本位真實性探究的比較 ......................................................... 538 (四)模型本位探究教學策略對於學生模型與建模觀點學習的影響 ......................... 539 (五)模型本位探究教學策略對於學生科學過程技能學習的影響 ............................. 539 (六)模型本位探究教學策略對於學生科學概念學習的影響 ..................................... 540 (七)模型本位探究教學策略對於學生建模能力學習的影響 ..................................... 541 (八)模型本位探究教學策略對於學生後設建模能力學習的影響 ............................. 542 (九)模型本位探究教學策略對於學生證成融貫性的影響 ......................................... 543 (十)模型本位探究教學策略對於學生建構中觀模型以連結巨觀與科學符號模型的影響 ......................................................................................................................... 544 二、綜合討論 ....................................................................................................................... 545 (一)研究法 ..................................................................................................................... 545 (二)課程內容 ................................................................................................................. 548. XVIII.

(20) 第陸章結論與建議 ........................................................................................................................... 552 第一節結論 ................................................................................................................................. 552 一、真實性或是模型本位探究之科展學生能夠在教師協助下建構高階的表徵模型 ... 555 (一)相同探究時期，建造不同種類的模型 ................................................................. 555 (二)不同探究時期，建造相同種類不同層次結構的模型 ......................................... 555 二、即使進行真實性探究，國中學生仍無法獲得高層次的模型認識觀點 ................... 555 三、提供機會讓學生以模型本質觀思索科學建模歷程，促進學生建構模型層級的提升 ................................................................................................................................. 556 四、以模型本位探究進行課室教學活動，提供機會讓學生以模型本質觀思索科學建模歷程，促進學生模型本質、科學過程技能、概念內容、建模能力以及後設建模的提升 ......................................................................................................................... 556 (一)同時著重技能、本質以及概念內容的學習歷程 ................................................. 556 (二)本研究實驗教學處理時間涵蓋 3 個月時間，更能看出模型本位探究教學的學習成效 ......................................................................................................................... 557 (三)提供模型本位探究教學教材，作為提供學生學習與教師教學的參考 ............. 557 (四)強調後設建模能力的重要性，促使學生反思自己科學建模的歷程 ................. 557 五、透過對假說模型或是已建模型的證成，促進學生以中觀模型連結巨觀現象以及科學符號 ......................................................................................................................... 557 (一)學生更容易針對模型的有效性進行檢驗，提升對已建模型證成的融貫性 ..... 557 (二)以模型觀點思考科學建模歷程，並以中觀模型連結巨觀與符號模型 ............. 558 第二節研究意涵 ......................................................................................................................... 559 一、研究方法 ....................................................................................................................... 559 (一)長時間探討學生科展活動與課室學習成效 ......................................................... 559 (二)使用 SOLO 評量作為多種面向能力之分析規準 ................................................ 559 二、課程設計 ....................................................................................................................... 559 (一)設計模型本位探究教學活動以促進學生科學學習 ............................................. 559 (二)教材編寫需要提供完整科學建模歷程與模型與建模認識觀點 ......................... 560 (三)針對模型進行證成能夠建構出穩固與融貫之概念模型 ..................................... 560 (四)強調中觀模型聯結巨觀與科學符號模型促進學生科學學習 ............................. 560 三、教學意涵 ....................................................................................................................... 561 (一)依據學生的先前經驗、依據不同探究歷程階段，逐次引導學生建立與主題相關的模型架構 ............................................................................................................. 561 (二)建立模型時，先具體後抽象的策略 ..................................................................... 561 (三)探究歷程的模型建立應該同時整合模型的認識論觀點 ..................................... 561 (四)將模型與建模觀點作為學生學習的系統思考工具 ............................................. 561. XIX.

(21) (五)提供機會讓學生評估已建模型的合理性促進證成融慣性 ................................. 562 (六)提供機會讓學生建構中觀模型以連結巨觀以及科學符號模型 ......................... 562 第三節未來工作與研究方向 ..................................................................................................... 563 一、研究法層面 ................................................................................................................... 563 (一)考量師生與生生之間社會互動所進行的社會建構 ............................................. 563 (二)有效評估 SOLO 評量架構的適切性 .................................................................... 563 (三)模型與建模認識觀點在模型本位探究所扮演的角色 ......................................... 563 (四)調整模型與建模認識觀點問卷內容 ..................................................................... 564 (五)模型本位探究教學模式在多面向學習成果的交互作用關係 ............................. 564 二、課程設計 ....................................................................................................................... 564 (一)減少科展師生共構與課室教學的落差 ................................................................. 564 (二)以模型本位探究教學模式進行教科書活動設計 ................................................. 564 三、教學面向 ....................................................................................................................... 565 (一)提供多種模式的證成學習 ..................................................................................... 565 (二)不同探究結構型態之模型本位探究教學模式 ..................................................... 565. XX.

(22) 圖次圖 2-3-1 Hempel (1965) 科學理論模型示意圖 .................................................................................. 39 圖 2-3-2 行為人依據特定目的提出模型去呈現想法或現象 ........................................................... 42 圖 2-3-3 心智模型、外顯模型與現象關係圖 ................................................................................... 43 圖 2-3-4 模型本質觀的面向 ............................................................................................................... 48 圖 2-3-5 模型本位的學習模型 ........................................................................................................... 49 圖 2-3-6 學生概念模型發展學習路徑 ............................................................................................... 50 圖 2-3-7 巨觀、符號與符號之間的關係 ........................................................................................... 52 圖 2-3-8 Schwarz 和 White(2005)科學建模歷程 ............................................................................. 55 圖 2-3-9 鐘建坪(2010)提出之引導式模型本位探究架構 ................................................................. 56 圖 2-3-10 Schwarz 等人(2009)提出之科學建模歷程 ......................................................................... 57 圖 2-3-11 劉俊庚和邱美虹(2010)建模歷程圖 .................................................................................... 58 圖 2-3-12 Compell 和 Neilson (2012)提出之模型本位探究架構....................................................... 58 圖 2-3-13 Kahn(2007)提出之模型本位探究策略 ............................................................................... 59 圖 2-3-14 Windschitl 等人(2008)提出之模型本位探究策略 ............................................................. 60 圖 2-3-15 Passmore 等人(2009)提出之模型本位探究架構 ............................................................... 60 圖 2-3-16 建模即為物件/事件與模型/理論之間的語意關聯 ........................................................... 61 圖 2-4-1 模型建立、檢驗與修正的流程圖 ....................................................................................... 67 圖 2-4-2 以概念節點描述不同概念結構融貫程度的差異 ............................................................... 69 圖 2-4-3 圖 2-4-4 圖 2-4-5 圖 2-4-6 圖 3-1-1 圖 3-1-2 圖 3-1-3 圖 3-1-4 圖 3-1-5 圖 3-1-6. Hempel 與 Oppenheim (1948)演繹律理法則 .................................................................... 71 玩具能夠浮出水面的科學解釋模型 ................................................................................... 71 接受盤尼西林治療能夠痊癒科學解釋模型 ....................................................................... 72 以 D-N 法則證成假說模型 ................................................................................................ 73 本研究之兩大主題四部分區塊之關聯 ............................................................................... 91 本研究理論架構—巨觀、中觀、符號以及學科內容之間的模型與建模關係 ............... 91 本研究之引導式模型本位探究教學架構與科學探究歷程的關聯 ................................... 95 本研究之引導式模型本位探究教學架構 ........................................................................... 95 學生使用特定表徵模型呈現特定現象 ............................................................................. 102 學生針對特定自然現象建構出模型家族 ......................................................................... 103. 圖 3-1-7 第 1 與第 2 部分真實性探究與學生外顯模型的建立以及模型與建模認識論觀點的關聯 ........................................................................................................................................ 104 圖 3-1-8 第 3 部份之模型本位探究理論架構圖 ............................................................................. 106 圖 3-1-9 第 3 部分教學組別與研究工具組織架構 .......................................................................... 107 圖 3-1-10 第 4 部份之模型證成知融貫性架構圖 ........................................................................... 108. XXI.