「以建模為基礎的論證教學模式」之初探研究 71 物理教育學刊
2008, 第九卷第一期, 1-16
Chinese Physics Education 2008, 9(1), 1-16 物理教育學刊
2011, 第十二卷第一期, 1-24
Chinese Physics Education 2011, 12(1), 1-24
「以建模為基礎的論證教學模式」之初探研究
封中興1 洪振方2 1台南市立海佃國民中學 2國立高雄師範大學 科學教育研究所 （投稿日期：民國 100 年 01 月 17 日，修訂日期：100 年 04 月 25 日，接受日期：100 年 05 月 31 日） 摘要：本研究旨在發展融合「建模」與「論證」的教學模式－命名為「以建模為 基礎的論證教學模式」，以此教學模式設計教學活動，進行初探研究。以準實驗 研究法進行設計，研究對象取自台南市某國中二年級學生，實驗組及對照組分別 用「以建模為基礎的論證(MBA)教學模式」及「教導的論證(DA)教學模式」進行 教學。蒐集「科學教室環境(WIHIC)量表、對論證的態度量表、對科學模型的理解 (SUMS)量表、論證能力測驗卷(ATSAA)」等資料，進行分析。研究結果發現，實 驗組表現均優於對照組：(1)WIHIC 量表(p=.000, η2 =.470)，(2) 對論證的態度量表 (p=.032, η2=.069)，(3)SUMS 量表(p=.003, η2=.129)，(4)ATSAA 測驗卷(p=.000, η2 =.315)，以上數據顯示 MBA 教學模式為一可行之教學模式，可用於國中自然科 之教學。依據本次初探研究之成果，對未來之研究提出建議。 關鍵詞：建模、論證、以建模為基礎的論證教學模式、教導的論證教學模式壹、前言
一、研究背景與動機
用做實驗的方式來進行教學，這是科學 課與其他學科有所不同的重要特徵(White, 1996)。長久以來，台灣中小學的科學課程， 是依照教科書的內容進行教學，並搭配做課 本內的「食譜式」實驗(Chiu, 2007; Chiu, Guo, & Treagust, 2007)。一般的看法是認為做實驗 就像煮菜一般，按照「食譜」的步驟來進行， 學生就可以獲得科學知識。然而，這種實驗 方式，是否真的有助於促進學生對科學現象 的理解？幫助學生學習科學知識？國外的研 究結果，有以下的發現：學生常常覺得食譜 式實驗是無聊的，只想趕快做出結果；常常 都在實驗室玩耍，不認真做實驗(Rath & Brown, 1996; Schauble, Klopfer, & Raghavan, 1991)。因此，我們認為「食譜式」實驗是比 較低層次的活動，對於促進學生理解科學現象、學習科學知識，其功效是有限的。 如果接受「必須改變實驗課的進行方式」 這個主張，那麼接下來要思考的問題就是要 把它改成哪一種方式？對於此問題，可從科 學 家 是 如 何 從 事 科 學 活 動 來 做 切 入 。 Hacking(1983)指出科學家進行科學研究，試 圖對「自然現象是如何運作的？」這個問題 發展出科學性的理解，此理解通常是透過把 種種自然現象轉化為科學模型的方式而完成 的。對此，可以從科學史發現許多例證。例 如：在天文學領域，對於天體運動，托勒密 提出地心說模型，哥白尼則提出日心說的圓 形軌道運轉模型，而克普勒則在日心說的基 礎之下提出橢圓軌道的運轉模型。對於原子 的結構，有湯木生的布丁模型、拉塞福的行 星軌道模型、波爾的軌域模型。綜觀上述科 學史的例證，科學家在進行思考與推理的方 式 有 一 個 很 重 要 的 特 徵 ， 即 「 建 構 模 型 （modeling，簡稱建模）」。因此，許多學者 提出：「科學即是建模（science as modeling）」 的看法。（Fretz et al., 2002; Justi & Gilbert , 2002; Stewart, Hafner, Johnson, & Finkel, 1992; Zhang, Liu, & Krajcik, 2006）
當科學家的研究有了成果，他必須透過 期刊、研討會，對科學社群的其他成員做發 表。在發表歷程中，科學社群的其他研究者 扮演領域的守門員，挑戰此科學宣稱的可信 度，進行論證。就是因為透過論證的考驗， 才得以維持科學知識的「品質」。因此，「論 證」也就被視為是科學活動的核心。(Driver, Newton, & Osborne, 2000)。
美國《國家科學教育標準》(NRC, 1996) 指出：「學校的科學教育應該要呈現出當代科 學實踐的理性與文化傳統」，因此，該標準主 張「學生要獲得科學與自然世界的豐富知 識，就必須熟悉科學探究的形式、使用證據 的規則、形成問題的方式、和提出解釋的方 法」(p.21)。引用美國《國家科學教育標準》 的觀點，既然科學家從事「建模」與「論證」 的活動，那麼，學校的科學教育，就應當反 映出這個「當代科學實踐的理性與文化傳 統」，換言之，在科學教學中，也應當使用建 模及論證的方式。
二、研究目的、研究假設與待答問題
基於上述之研究背景與動機，本研究旨 在發展融合「建模」與「論證」的教學模式， 命 名 為 「 以 建 模 為 基 礎 的 論 證 教 學 模 式 (Modeling-Based Argumentation teachingmodel)」，以此教學模式設計教學活動，進行 初探研究，依據初探研究之結果，驗證運用 此教學模式在國中自然科教學之合適性與有 效性。基於此目的，研究者希望探討不同的 論證教學模式，對學生在「對科學教室環境 的知覺、對論證的態度、對科學模型的理解、 論證能力的表現」等四個面向之影響。研究 者的研究假設是：不同的論證教學模式，將 會引發學生對科學教室環境產生不同的知 覺，進而促使學生對論證產生不同的態度， 接著造成學生在「對科學模型的理解、論證 能力的表現」產生差異。基於此研究假設， 本研究的四個待答問題如下： 經過實驗處理後，實驗組與對照組在 (一) 「對科學教室環境的知覺」，是否有 差異？實驗效果量為何？ (二) 「對論證的態度」，是否有差異？實 驗效果量為何？ (三) 「對科學模型的理解」，是否有差異？ 實驗效果量為何？ (四) 「論證能力的表現」，是否有差異？ 實驗效果量為何？
貳、 文獻探討
本研究旨在發展融合「建模」與「論證」 的教學模式，因此，分別對此兩類之文獻， 分析如下：一、建模的文獻回顧
(一) 模型(model)與建模(modeling)的定義 在日常生活中，模型通常是被用來代表 某個真實物體的複製品，例如飛機、火車的 模型。但在科學的領域，模型還具有其他更 豐富的含意。學者指出：模型是某個想法、 物體、事件、過程或系統的表徵(Gilbert & Boulter, 1998; Seel, 2003)；是對真實世界的 抽 象 描 述 (Develaki, 2007; Rubinstein & Firstenberg, 1995)；是對複雜現象提出合理且 簡化的形式 (Acher, Arca, & Sanmarti, 2007; Magnani, 2004)。綜上所述，本研究把模型定 義為：「模型是一種表徵(representation)，是 人類發明用來表徵他想要瞭解的現象」。因 此，可用牙籤和保力龍球來建構分子結構模 型；也可用燈泡代表太陽，用不同大小的球 來象徵不同行星，藉此建構太陽系模型；也 可以用圖像或數學公式來表徵一個系統，上 述的表徵方式，都可被稱之為模型。 對於建模的定義，有些學者是從模型的 「發展歷程」來描述建模(Gilbert & Boulter , 2000; Greca & Moreira, 2000; Justi & Gilbert , 2000)，他們主張：模型的建構是始於個人的 心智模型，當心智模型被以任何形式，外顯 表達出來之後，就轉變成被表達出來的模 型，當此被表達出來的模型，通過科學社群 的測試檢驗之後，就成為科學模型，或稱為 有共識的模型。另外有些學者(Doerr & Tripp, 1999; Lee, 1999; Màrquez, Izquierdo, & Espinet, 2006; Wotawa, 1999)則是從模型的 「結構」來描述建模，他們主張：當找出某 複雜系統的組成成分(組成元素、重要參數) 並找出這些組成成分之間是如何產生連結 的，即為建模。本研究綜合上述建模的「歷 程」和「結構」兩個面向，將建模定義如下： 「建模是因為個人嘗試要對複雜的現象進行 瞭解，它始於個人內隱的心智模型，在外顯 出來之後轉變成被表徵出來的模型，若此外 顯的模型通過社群守門員的檢驗，就成為科 學模型。此外，建模必須從複雜的現象，抽 取能描繪該現象的主要因素(元素或參數)， 並找出這些因素之間正確的組合關係，以形 成具有正確結構的模型。」 (二) 模型與建模在科學教學中的實徵研究 1. 焦點放在「教師」對模型及建模的看法的 研究 教師本身對模型與建模的看法，將影響 該教師採用不同的教學模式，進而影響學生 對模型及建模產生不同的理解程度。Justi 和 Gilbert(2002)，以及 Van Driel 與 Verloop (1999, 2002)的研究發現，大部分教師是採用 邏輯實證論的知識論觀點，認為模型是某個 實體的表徵。因此，常把模型當作是靜態知 識，聚焦於講述某個特定模型的內容。對於 模型具有理想化、暫時性、多元性的本質， 以及在科學活動中的建模歷程，這些老師們 往往沒有和學生詳細討論。 2. 焦點放在「學生」對模型及建模的看法的 研究 學生在學校接受科學教育，他們在上課 之後對模型與建模有何看法？研究發現：學 生大多能察覺到科學模型有各種不同表徵方 式，但仍有部分學生認為模型與實體應該有 1：1 的相似性，即模型是某個實體縮小的複 製品(Grosslight, Unger, Jay, & Smith, 1991; Treagust, Chittleborough, & Mamiala, 2002)。此外，研究也發現：許多學生會把在教科書 中所提到的每個模型的內容，都背誦下來， 然後在考試中把這些所謂的「事實」寫出來。 學生們會認為，在這些模型中會有最正確的 一個，並試著找出所謂「最正確的」模型 (Harrison & Treagust, 2000b; Justi & Gilbert, 2000; Treagust, Chittleborough, & Mamiala, 2004)。從上述的研究可以發現，處於傳統教 學模式下的學生，對模型及建模在科學中扮 演的角色，看法是有限且質樸的。因此，本 研究試圖讓學生對某科學現象進行建模活 動，並在建模的歷程中，融入論證的活動， 藉此促進學生對該科學現象及模型與建模的 本質之理解。
二、論證的文獻回顧
(一) 論證的定義 英語字彙，argument 和 argumentation 都 代表論證，牛津英文辭典(The Oxford English Dictionary, 1989)對 argument 的解釋是：「用 來支持想法、行動或理論的理由( a reason or set of reasons given in support of an idea, action or theory)」，上述文字是描述論證的 「內容」。而牛津英文辭典對 argumentation 的解釋是「系統性地進行推理來支持想法、 行動或理論的過程( the process of reasoning systematically in support of an idea, action, ortheory)」，上述文字是描述論證的「過程」。 因此，論證的定義包括「內容」與「過程」 兩個面向。若從「內容」面向對論證下定義， 洪振方(1994)認為：論證就是提出足夠形成 推論判斷的證據，以形成結論。而 Browne 和 Keeley (1998)則把論證定義為「理由＋結論 (argument＝reasons＋conclusion)」，他們認為 提出合理的理由和結論，就是論證。若從「歷 程」面向來對論證下定義。Kuhn (1991)把論 證定義為：「對不同主張或觀點進行辯證的過 程」。而 Driver 等人(2000)則把論證定義為 「經由對談來檢視彼此不同的觀點，最後產 生一個有共識的宣稱的歷程」。本研究綜合上 述論證的「內容」與「歷程」的觀點，將論 證定義為：論證是一種推理的歷程，藉著提 出具有合理性的理由及支持理論，使資料與 結論之間，產生合理的聯結。 (二) 論證在科學教學中的實徵研究 1. 焦點放在分析「課室中論證進行形式」的 研究 教室的成員是由教師及學生組成，因 此，論證的發展會隨著人際互動方式的不同 而隨之改變。Russell(1983)以及 Boulter 和 Gilbert(1995)研究發現：在教師導向的教學活 動，論證的形式常常是由教師對全班學生提 供科學解釋，藉此使學生相信教師所講述的 知識宣稱的有效性。這種形式的論證，被稱 為「教導的(didactic)」論證，它在傳統的科 學教學中比較常見。此外，在 Driver 等人 (2000)的研究發現，在建構主義取向的教學 活動中，論證是以「對話」或「多人發言」 的方式來進行，即由抱持不同立場的個體， 各自提出宣稱，互相對談，檢視彼此不同的 觀點，最終目的是要獲得一個大家可以共同 接受的宣稱。它在傳統講述式的科學課程中 比較少見。 2. 焦點放在分析「學生進行論證時遭遇的困 難」的研究 Richmond 和 Striley(1996)研究發現，學 生在進行論證時常會遭遇困難，例如：(1)學 生的對話，常聚焦在討論要如何做出實驗結 果，他們很少討論到實驗活動與要支持的知 識宣稱之間有何關係。(2)對於要如何「建立 論證以連結活動中的各個不同觀點、區分問 題與假說、理解控制變因的價值」等等，學
生們都遭遇困難。而 Jimenez-Aleixandre、 Rodriguez 和 Duschl(2000)的研究發現，學生 常不知如何整理證據組成論證來支持自己的 宣稱、講述的內容很有限、論證所依據的理 由也不夠明確、使用的科學概念常會彼此混 淆而影響到論證的品質。 3. 焦點放在發展「提升學生論證表現的教學 策略」的研究 Ratcliffe(1997)發展一個六階段的架構 ，作為支持學生的鷹架，該研究發現，如果 教師能夠介入並教導學生如何用這個架構來 進行協商，小組的論證表現會隨著這項教學 介入而提升。Herrenkohl 和 Guerra(1998)研究 發現：當提供學生進行科學交談的規則 ，以明示的方式指導學生如何進行論證，讓 學生逐步練習上述規則，然後對全班進行發 表，學生就能夠產生較多且精緻的對話。而 Thier 和 Daviss(2002)主張應該培養學生在「 讀、寫、說、聽」這四個面向的語文能力， 藉此可提升學生的論證表現。在此理念下， 他們設計出「表現期望表」這個輔助工具， 來提示學生在「讀、寫、說、聽」這四個面 向的卓越表現應該是什麼樣子。綜合上述的 研究成果，帶給本研究的啟示是：想要培養 學生的論證能力，教師必須要提供學生進行 論證的輔助工具，才有助於提升學生的論證 表現。
三、MBA 教學模式
(一) MBA 教學模式的理論基礎 本 研 究 旨 在 融 合 建 模 與 論 證 ， 形 成 「MBA 教學模式」。以下先回顧兩個以模型 為基礎的教學模式，然後再說明如何把建模 與論證做融合，形成本研究自行發展的 MBA 教學模式。學生進行學習
並理解
教學
模型
科學
模型
內隱的
心智模型
表達出
的模型
圖 1：Chittleborough 等人(2005)提出的多元模型教學模式 先備概念 -另有概念 與模型 -有用的概 念與模型 自然推理技巧 中介 模型 M1 中介 模型 M2….. 目標 模型 Mn 學習過程 專家有 共識的 模型 圖 2：Clement(2000)提出的多元模型教學模式Harrison 和 Treagust(2000a)提出一個模 型分類法，把在科學教學中常使用到的教學 類比模型分為：尺度模型、圖像符號模型、 數學模型、理論模型、圖形與表格、概念－ 過程模型、模擬等。他們建議教師應該使用 多元模型來教學，有系統地呈現所使用的模 型之意義，逐漸引進精緻化的模型。 以 Harrison 和 Treagust(2000a)的分類法 為基礎，Chittleborough、Treagust、Mamiala 和 Mocerino(2005)提出一個教學模式，架構 如圖 1 所示。此教學模式是由教師使用多元 的教學類比模型及科學社群公認的科學模 型，藉此影響學生的心智模型，然後觀察學 生表達出來的模型，判斷不同教育階段的學 生對科學模型以及建模在學習上扮演的角色 的看法。 而 Clement (2000)在回顧「以模型為基 礎的學習(Model based learning)」的研究之 後，提出另一個教學模式，其架構如圖 2。 Clement 主張建模是始於個人的先備概念， 在教學中由教師提供一系列的中介模型，藉 此促使學生的心智模型不斷朝向目標模型演 進，最後希望使學生發展出的目標模型，能 夠接近科學家已有共識的科學模型。 分 析 Chittleborough 等 人 (2005) 及 Clement(2000)所提出教學模式，有兩點值得 進一步討論。首先，他們認為要由學生自行 產生或選擇適當的類比模型是有困難的，所 以他們的教學模式都是由教師提供多元的類 比模型，藉此促使學生的心智模型產生演 變，這是偏向教師導向的教學模式。其次， 他們的教學模式比較著重探討在個人的認知 發展歷程中，心智模型的轉變情況。他們並 沒有探討在建模的歷程中，有關社會互動的 面向。然而，在科學知識的建構歷程中，社 會論證是扮演非常重要的角色。 本研究從建模與論證的文獻分析，形成 「MBA 教學模式」。此教學模式，是融合了 下列學者的觀點而形成： 1. Gilbert 和 Boulter (2000)主張模型的建構歷 程是從個人建構的心智模型、轉換成表達 出的模型、最後形成一個有共識的模型的 歷程。此歷程是由個人的(private)轉變為 公眾的(public)，其特徵就是要經過「論證」 的考驗。 2. Thier 和 Daviss (2002)認為提供「表現期望 表」給學生，明確引介學生了解所謂的「卓 越表現」指的是要做到哪些行為。 3. Clement (2000)提出的「模型發展理論架 構」。 4. Chittleborough 等人(2005)提出的「心智模 型、教學模型、科學模型、表達出的模型 的交互作用架構」。 MBA 教學模式的基本架構圖，如圖 3。 它與上述兩個教學模式的主要不同處，在於 MBA 教學模式是採用社會建構論的觀點， 因此，由不同個體彼此分享建構的初始模型 M11～Mn1，經過社會論證之後演進為中介模 型 M12～Mn2，直到形成有共識的模型 M123…。 (二)MBA 教學模式的輔助工具 從上述的文獻分析發現，學生對建模的 理解是質樸且有限的，而學生在論證時又常 遭遇困難。為了促使學生的心智模型，最後 能夠轉換成科學社群接受、有共識的模型， 本研究自行研發「建模表現期望表」及「論 證表現期望表」，作為協助學生建模及論證的 輔助工具。其作用在於要向學生傳達何謂「卓 越的建模表現」與「卓越的論證表現」，藉此 幫助學生注意進行建模與論證的重要事項。 「建模表現期望表」，如表 1；「論證表現期 望表」，如表 2。
參、 研究方法
一、研究設計
本研究以準實驗研究法進行設計，研 究 設計如表3。 表 3 的符號，X 代表「以建模為基礎的 論證(MBA)教學模式」。C 代表「教導的論 證(DA)教學模式」。O1代表「科學教室環境 知覺量表、對論證的態度量表、對科學模型 的理解量表」的前測成績。O2代表上述三份 量表及論證能力表現測驗卷的後測成績。後 測才施測論證能力表現測驗卷，理由是因為 測驗卷的題目是依據教科書內容而設計，為 了避免受試者在接受前測之後，因此知道他 們要被評量論證能力的高低，影響到研究結 果，因此論證能力測驗卷僅於後測施測。前 測在活動前一週施測，後測在活動結束後一 週施測。二、研究對象
以立意取樣選取台南市某國中二年級兩 個班級為研究對象，一班為實驗組、一班為 對照組，兩組均由本文第一作者擔任該班之 模型的演進：由個人內隱的心智模型，外顯成為初始模型，經過社會論證之後， 產生中介模型，然後繼續論證，直到形成有共識的模型。 初始模 型 M11 初始模 型 Mn1……
..
有共識 的模型 M123… 中介模 型 Mn2……...
中介模 型 M12 繼續進行論證 直到形成共識 繼續進行論證 直到形成共識 繼續進行論證 直到形成共識 論證之後 演進成為 論證之後 演進成為 論證之後 演進成為 教師在活動 中的貢獻 學生在活動 中的貢獻 心智模 型 M10 心智模 型 Mn0……
..
外顯 外顯 外顯 學生提問 進行論證 學生提問 進行論證 教師適時的 提供回饋或 鷹架支持 教師適時的 提供回饋或 鷹架支持 圖 3：MBA 教學模式的基本架構圖任課教師。本研究在國二上學期第一次段考 之後實施，因此以該次自然科段考成績，進 行獨立樣本 t 檢定。統計考驗結果，如表 4 及表 5。從表 5 的數據 (t=-.071，p=.943>.05) 顯示，此兩組學生在國二上學期第一次自然 科段考成績無顯著差異，因此可推論在本研 究進行前，實驗組與對照組具有同質性。
三、教學模式及活動規劃與流程
(一) 實驗組的 MBA 教學模式 實驗組使用的 MBA 教學模式，其內涵已敘 述於前，如圖 3 所示。在活動中，學生針對 該單元的主題，進行建模與論證的活動。先 找出模型的組成元素與其關係，建構出「初 始模型」，然後經歷社會論證的過程，透過 與社群成員的溝通與交流，使建構的初始模 型，逐步精緻化，成為有共識的模型。 (二) 對照組的 DA 教學模式 使用教科書，依照教師手冊的建議進行 教學，是多數教師採用的教學方式。在傳統 講述式的教學中，常見的教學形式是由教師 對全班學生講解課本，提供科學解釋，目的 是要使學生相信教師講述的知識的有效性 。這種形式的論證被稱為「教導的(didactic)」 論 證 (Russell, 1983; Boulter & Gilbert, 1995)。本研究對照組使用的DA教學模式， 表 1：建模表現期望表 建模表現期望表 1. 你所建構出來的模型，要能夠幫助你瞭解你 想要研究的科學現象。 2. 這個科學現象的模型，可以分解成哪幾個重 要的組成元素？請找出來。 3. 這些元素之間有什麼關係？請找出來。 4. 要怎麼正確地組合這些元素，才能呈現出你 想要瞭解的科學現象？ 5. 你所建構的模型，要能夠描述其他類似的科 學現象。 6. 你所建構的模型，要能夠解釋這個科學現象 的發生原因。 7. 你所建構的模型，要能夠預測有哪些可能會 發生的類似現象。 表 2：論證表現期望表 論證表現期望表（如何作小組 與全班討論） 1. 每個人都要參與討論、提供合適的建議。 2. 從你有疑問、聽不懂的地方開始討論。 3. 你問的問題，要與現在討論的主題有關。 4. 使用你學過的科學知識來做討論的證據，不 能說我覺得....應該就是這樣 5. 除非每個人都同意這個觀點，否則就不算是 達成結論。 6. 不要打斷別人的發言。 7. 報告者在報告結束後，要主動詢問是否還有 人要提問題。 論證表現期望表（如何說） 1. 要組織好報告的內容，按照重要性，一點一 點的講清楚。 2. 報告的時候，音量要適中，確定每位同學都 能聽得到。 3. 用適當的語調、肢體語言來強調你所要說的 重點。 4. 適當的使用圖表或圖畫，把它們寫在白板或 黑板上，來輔助你的說明。 5. 要與觀眾有互動。 論證表現期望表（如何聽） 1. 開始要報告的時候，你就不要和其他人聊 天。 2. 在聽別人報告的時候，聽到重要地方，你 要把它記錄在筆記本上。 3. 在聽別人報告的時候，當你聽到有疑問 、沒道理的地方，你要把它記錄在筆記本 上。 4. 在聽別人報告的時候，聽到和你的研究有 關連的部分，你要把它記錄在筆記本上。 5. 聽完全部的報告之後，你要找出他所講的 最重要的主張。 表 3：本研究的設計模式 組別 前測 實驗處理 後測 實驗組 O1 X O2 對照組 O1 C O2 表 4：國二上學期第一次自然科段考成績的描 述性統計資料 組別 人數 平均數 標準差 實驗組 34 74.74 15.833 對照組 35 75.06 21.248指的是由教師把課本內容講解給學生聽，然 後讓學生做課本的「食譜式」實驗，實驗完 成之後，將結果登錄在實驗記錄簿，然後對 課本及實驗記錄簿中的問題進行論證，藉此 作為證據，使學生相信教師講述的科學知識 的有效性。這種形式的教學，在現今台灣中 小學的科學教學現場，是很常見的。因此， 以此模式作為對照組的教學模式。 (三) 活動規劃與流程 依 照 所 能 運 用 的 教 學 時 間 的 長 短 ， Clement & Rea-Ramirez(2008)針對不同教學 時間的建模活動，提出以下的建議： 1. 在一堂課以內的時間：讓學生對某個科學 現象，各自建構出自己的初始模型，然後 對初始模型做評估與修正的活動。例如： 人體的呼吸作用。 2. 有一到兩堂課的時間：讓學生各自建模， 然後互相比較自己建構的模型，進行討 論，讓這些多元模型，彼此競爭、融合或 演進。例如：讓全班學生對人體的呼吸作 用，建構多元模型，互相比較。 3. 有 3 到 15 天的時間(以週為單位)：針對某 個章節進行建模，讓學生對同一章節涉及 的科學現象，建構一系列相關的模型，並 把這些模型整合起來。例如：生物體的呼 吸、血液循環等各種系統。 4. 有 2 到 6 個月的時間(以月為單位)：把整 學期的課程，分成幾個區塊，各自建模， 然後再把各區塊的所有模型，形成統整的 系統。例如：生物可分為動物、植物，而 動植物又再區分成小區塊的知識單元，先 表 5：國二上學期第一次自然科段考成績的的獨立樣本 t 檢定摘要表 變異數相等的 Levene 檢定 平均數相等的 t 檢定 F 檢定 顯著性 t 自由度 顯著性(雙尾) 假設變異數相等 3.908 .052 -.071 67 .943 不假設變異數相等 -.071 62.828 .943 表 6：對照組與實驗組的活動流程 組 別 (DA 教學模式) 對照組 實驗組 (MBA 教學模式) 活 動 流 程 1. 引起動機：教 師以日常生 活中的對流 現象舉例，引 起學生動機。 2. 教師講解：教 師將課本內 容及實驗操 作方式，包括 實驗器材、步 驟等 ，詳細地為學 生講解。 3. 學生實作： 請學生依照 課本設計的 實驗方式，做 對流現象實 驗，然後將實 驗結果填寫 在實驗記錄 簿上。 4. 小組討論： 學生分組討 論在教科書 及實驗記錄 簿上的問題。 5. 進行教導式 的論證： 以課本的食 譜式實驗的 結果當作證 據，由教師為 學生再次講 述對流現 象，使學生相 信教師講述 的科學知識 的有效性。 1. 使心智模型外 顯：請學生以畫 圖及文字敘述的 方式，把對流現 象的形成原因， 記錄在筆記本 上。 2. 建構初始模型： 請學生進行小組 討論，要建構對 流現象的模型， 需要哪些組成元 素，及這些元素 之間的關係。並 實際建構初始模 型。 3. 測試初始模型： 請學生測試初始 模型。 4. 發表及論證： 各組學生輪流發 表初始模型的測 試結果，進行論 證，藉此形成有 共識的模型。 5. 歸納與結論： 建模與論證活動 結束之後，若學 生的用語不符合 科學社群的術語 ，則由教師引介 對流現象的相關 科學術語，例如 ：「流體、熱源、 溫差、密度」等 等。藉此使學生 的日常用語能轉 換到科學社群的 專業用語。
分區塊建模，然後再融合成一個系統。 考量到本研究能夠運用的授課時數，並在取 樣學校的許可下，本次研究挑選「光的色散 現象」、「流體的對流現象」兩個單元，讓學 生進行「建模」與「論證」的活動。每個單 元的活動時間均為四堂課，總計八堂課。以 對流現象為例，兩組的活動流程如表 6。
四、研究工具
本研究使用下列四項研究工具，各項工 具的來源、信效度，分述如後： (一) 科學教室環境知覺量表 本量表是由黃台珠、Aldridge和Fraser (1998)發展而成，包括七個向度： 1. 同學的親和關係(SC)：本分量表用來探知 學生與同學間的相處情況，是否友好。 2. 教師支持(TS)：本分量表用來探知學生是 否能察覺教師對學生提供的幫助。 3. 學生參與(SI)：本分量表用來探知學生是 否樂於參加科學學習活動、進行討論。 4. 探究(I)：本分量表用來探知學生在從事探 究活動的過程，是否具有相關技能。 5. 工作取向(TO)：本分量表用來探知學生對 投入科學活動與對達成預期課業活動的 重視程度。 6. 合作(C)：本分量表用來探知學生與同儕 在學習時的合作關係。 7. 平等(E)：本分量表用來探知教師是否有 平等的對待學生。 此量表為李克特氏五點量表，各分量表 都有 8 個題目，共 56 題，均為正向題。依照 學生勾選的選項：從來沒有、很少發生、偶 爾發生、經常發生、總是如此，分別給 1～5 分。原量表以 1879 位台灣國中生為施測對 象。本研究以研究對象以外的四個國二班 級，共 134 名學生，作為本量表的預試樣本， 進行信度分析。原量表及預試樣本的α 值， 如表 7。 (二) 對論證的態度量表 本量表是由Infante和Rancer(1982)所發 展，用來分析個人對論證的態度。此量表經 研究者將英文翻譯為中文後，送請兩位具有 科學教育博士學位的教授及三位某師範大學 科教所博士班之研究生(物理、化學、生物領 域各一位)進行審查，並請取樣學校的一位自 然科教師，就題目敘述方式、題目數量、測 驗時間等，提供修訂建議，藉此建立專家效 度及內容效度。然後，再請三位國二學生閱 讀本項量表，針對學生認為會造成閱讀困難 的語句進行修飾，最後完成本量表的翻譯修 訂工作，建立表面效度。 本量表分為兩個向度： 1. 接近論證的傾向(ARGap)：本向度代表當 個人面對爭論性的議題時，他會願意接受 進行論證的傾向。 2. 避免論證的傾向(ARGav)：本向度代表當 個人面對爭論性的議題時，他會避免進行 論證的傾向。 每 個 向 度 各 有 10 個 題 目 ， 把 受 試 者 ARGap的得分，減去ARGav的得分，就代表 受試者對論證的態度(ARGgt)。即：對論證 的態度(ARGgt)＝接近論證的傾向(ARGap) 表 7：「科學教室環境知覺量表」原量表與預試 樣本的α 值 分量表 名稱 原量表的α 值 預試樣本的α 值 SC .91 .88 TS .95 .89 SI .90 .76 I .96 .80 TO .94 .88 C .92 .81 E .95 .90 總量表 .95 .94－避免論證的傾向(ARGav) 本量表為李克特氏五點量表，原量表是 以美國的 692 名大學生作為施測樣本。本研 究以研究對象以外的四個國二班級，共 134 名學生，作為本量表的預試樣本，進行信度 分析。原量表及預試樣本的α 值，如表 8。 (三) 對模型的理解量表 本量表是由 Treagust、Chittleborough 和 Mamiala (2002)發展而來，是用來研究學生對 於模型在科學學習上扮演的角色的理解程 度。如前所述，此量表經研究者將英文翻譯 為中文後，均送請專家進行專家審查，以建 立專家效度及內容效度。再請三位國二學生 閱讀該量表，針對學生認為閱讀困難的語句 作修飾，建立表面效度。 本量表包括五個向度： 1. 模型是多樣化的表徵(MR)：本分量表用 來瞭解學生對於同時使用不同表徵的接 受度，以及他們對於這個多樣化的必要性 的理解情況。 2. 模型是精確的複製品(ER)：本分量表用來 探討學生是否察覺到模型與實體的相似 程度。 3. 模型是解釋的工具(ET)：本分量表用來探 討學生對模型的意義及作用的理解情況。 4. 科學模型的用途(USM)：本分量表用來研 究學生對模型的意義及作用的理解情況。 5. 模型具有可變性的本質(CNM)：本分量表 用來研究學生對於模型具有「可變性」本 質的理解程度。 此量表為李克特氏五點量表，正向題給 5～1 分，反向題則反之，在「模型是精確的 複製品」向度的題目(9～16 題)皆為反向題。 五個分量表(MR、ER、ET、USM、CNM)之 題數分別為：8、8、5、3、3。將分量表的總 分除以該分量表的題數，即為各分量表的平 均得分。 原量表以澳洲 228 名中學生作為施測樣 本。本研究以研究對象以外的四個國二班 級，共 134 名學生，作為預試樣本進行信度 分析。原量表及預試樣本的α 值，如表 9。 (四) 論證能力表現測驗卷 本測驗卷由研究者自行發展而成，用來 測量在教學活動後，學生對「光的色散現 象」、「流體的對流現象」這兩個單元的理解 程度，每個單元各出 5 題，整份試卷共有 10 題。本測驗卷是半開放式的測驗卷，以「流 體的對流現象」其中一題為例，說明該題目 要測量的科學構念，如表 10。學生必須從 A ～D 這四個選項，選擇一個來代表自己的看 法，然後還要寫出選擇它的原因，作為支持 自己看法的理由或證據，依據學生所提出的 理由或證據的合理性來給分。因此，學生在 本測驗卷的作答情況，可代表學生針對文本 進行論證的能力表現。試題內容及評分標 準，均經過科教專家審查及學生試做，逐步 修訂完成。評分標準如表 11 所示。 本測驗卷的內部一致性信度分析，在「光 的色散現象」單元，α 值為.66。在「流體的 對流現象」單元，α 值為.79。至於，評分者 表 8：「對論證的態度量表」原量表與預試樣本 的α 值 分量表 名稱 原量表的α 值 預試樣本的α 值 ARGap .91 .79 ARGav .86 .68 表 9：「對科學模型的理解量表」原量表與預試 樣本的α 值 分量表名稱 原量表的α 值 預試樣本的 MR .81 .77 ER .84 .72 ET .71 .65 USM .72 .61 CNM .73 .74
信度之分析，在「光的色散現象」及「流體 的對流現象」單元，隨機選取各五份測驗卷， 敦請兩位物理背景的科教所博士班研究生擔 任評分者，依據評分表評分。結果在「光的 色散現象」單元，Pearson 積差相關係數 為.946，p=.000(<.01)，達顯著水準。而在「流 體的對流現象」單元，Pearson 積差相關係數 為.977，p=.000(<.01)，亦達顯著水準。
五、資料分析方式
「科學教室環境知覺量表、對論證的態 度量表、對科學模型的理解量表」均 進 行 前 後 測 。 以 前 測 成 績 為 共 變 數 ， 後 測 分 數 為 依 變 項 ， 進 行 組 內 迴 歸 係 數 同 質 性 考 驗 。 在 確 定 兩 組 學 生 同 質 後 ， 將 兩 組 學 生 後 測 成 績 進 行 單 因 子 共 變 數 分 析 ， 藉 此 了 解 實 驗 組 與 對 照 組 是 表 10：「論證能力表現測驗卷」的題目內容與要測量的科學構念之範例 題目內容 要測量的科學構念 毓婷為了觀察水的熱量是以何種形式傳播，於是她準備了如上圖的器材： 兩錐形瓶內分別裝滿 80℃與 25℃的水，並在內部滴三滴紅墨水，塞上瓶塞 後，各插上兩支高低不同的玻璃管，而後置入甲、乙兩個大燒杯中，並在 甲、乙燒杯中分別加入 25℃和 80℃的水。請問在燒杯中加入水後，哪一個 燒杯中的水會被染紅？ (A)甲燒杯 (B)乙燒杯 (C)甲、乙都會 (D)甲、 乙都不會。 答： ，並請說明你選擇此答案的理由： 本題目的正確答案是 A 本題目要測量的科學 構念是：因為甲燒杯 的錐形瓶裡面裝 80℃的水，溫度比外 面的水 25℃高，熱水 的密度小，所以錐形 瓶裡面的紅水會向上 流動，外面的冷水會 向下流動，產生對 流，所以整杯水就被 染紅了。 這個題目是用來測量 學生是否真的理解 「對流現象」的運作 機制。 表 11：「論證能力表現測驗卷」的評分標準與範例 分 數 評分標準 學生作答內容舉例 0 c勾選答案錯誤 d勾選答案正確，但只勾答案，沒有寫出選擇 它的理由 e勾選答案正確，說明的理由完全錯誤（學生 回答的理由與已知的科學概念不同，具有迷 思概念、超自然現象等不合理之假設，或是 回答的理由，與題目情境無關） c選到錯誤的答案：B 或 C 或 D d勾選到正確答案：A，但只勾答案，沒有寫 出選擇它的理由（即空白未做答） e勾選到正確答案 A，但作答內容錯誤。例如： 因為乙燒杯外面的水溫較高，會使得裡面的 水溫也慢慢升高，就會使容器裡面的水被染 紅。 1 勾選答案正確，說明的理由，部分正確、部分錯誤 冷水會比較重，所以甲燒杯的水往下壓，錐形 瓶的紅水被擠到噴出來，甲燒杯的水就變紅 了。 2 勾選答案正確，說明的理由也正確，但是作答內容太簡略、不夠完整 因為熱平衡，所以 80℃的水會從錐形瓶往外排。 3 勾選答案正確，說明的理由也正確，而且作答內容完整 因為甲燒杯的錐形瓶裡面的溫度比外面高，熱 水的密度小，會往上跑，外面的冷水會對流跑 進來，所以水就被染紅了。否 有 差 異 。 論證能力表現測驗卷則採用獨 立樣本 t 考驗進行統計考驗。上述四份工具 的統 計 考 驗 若 達 顯 著 水 準 ， 再 求 出 其 效 果 量 。 效 果 量 強 度 之 判 準 ， 依 據 Cohen(198 8) 的 建 議 分 為 三 等 級 ( 引 自 吳 明 隆 ， 2007) ： 大 的 效 果 量 ( η2≧ .138) ； 中 度 的 效 果 量 (.138 ＞ η2≧ .059)； 小 的 效 果 量 (.059＞ η2 ) 。
肆、 研究結果與討論
本研究的研究假設是：不同的論證教學 模式(MBA教學模式和DA教學模式)，將會引 發學生對科學教室環境產生不同知覺，進而 促使學生對論證產生不同態度，再進而造成 學生在「對科學模型的理解、論證能力的表 現」產生差異。研究者針對此研究假設，以 量表收集資料，進行統計考驗。結果如下：一、實驗組與對照組「對科學教室環境
的知覺」之統計考驗結果及討論
以教學模式為自變項，科學教室環境知 覺總量表的前測成績為共變項，後測成績為 依變項，進行組內迴歸係數同質性考驗。統 計考驗之結果，F=.104，p=.748(>.05)，未達 顯著水準，符合組內迴歸係數同質性檢定， 因此，繼續進行單因子共變數分析。結果如 表12與表13。單因子共變數統計考驗結果 F=59.356，p=.000(<.001)，達顯著水準。調 整後之實驗組總分為190.593，優於對照組總 分142.155。實驗效果量為.470，達大的效果 量。以上數據顯示，整體而言，以MBA教學 模式來學習的實驗組，對科學教室環境的知 覺，比對照組感受更強烈。此結果顯示「要 能夠佈置出適於從事建模與論證的教室氛圍 的重要性」。 科學教室環境知覺量表分為「同學的親 和關係、教師支持、學生參與、探究、工作 取向、合作、平等」七個分量表，實驗組與 對照組在各分量表的組內迴歸係數同質性考 驗，p值均>.05，分別為.531、.439、.913、 .296、.775、.477、.523，符合組內迴歸係數 同質性檢定的假設。因此，繼續進行單因子 共變數分析。分析結果，如表14與表15。從 表中數據顯示，實驗組與對照組僅在「同學 的親和關係」一個向度未達顯著差異，其他 六個分量表均達顯著差異，實驗組平均分數 高於對照組，均達大的實驗效果量。 科學教室環境知覺量表為李克特氏五點 量表，依照學生勾選的選項：從來沒有、很 少發生、偶爾發生、經常發生、總是如此， 分別給1～5分。各分量表都有8個題目，因 此，將分量表的總分除以8，即為各分量表的 平均得分。將表15各向度調整後的總分除以 8，實驗組在「同學的親和關係、教師支持、 學生參與、探究、工作取向、合作、平等」 等七個向度的平均得分為：3.68、3.17、3.18、 3.23、3.71、3.70、3.19。對照組則為3.44、 2.47、2.02、1.66、2.99、2.79、2.44。在「同 學的親和關係」向度，實驗組的平均得分 3.68，對照組3.44，均高於3分(代表偶爾發生 或經常發生)，這顯示同學之間的關係已很融 洽。推測其原因，可能是因為本研究的研究 對象為國二學生，從國一開始起算，至少相 處超過一年，彼此已經很熟悉，因此，使得 實驗組與對照組在「同學的親和關係」向度， 沒有顯著差異。此結果與蔡執仲、段曉林和 靳知勤(2009)的研究，有相同的發現。 至於其他六個向度，實驗組與對照組均 有顯著差異，實驗組的平均得分介於 3～4 分(代表偶爾發生或經常發生)，其中在「工 作取向、合作」兩個向度為 3.71 與 3.70，很表 12：「科學教室環境知覺」總量表的單因子共變數分析摘要表 變異來源 SS df MS F 值 Sig 效 果 量 η2 組間 6969264.069 1 6969264.069 59.356 .000*** .470 誤差 7866718.281 67 117413.706 * * * p ＜ . 0 0 1 表 13：「科學教室環境知覺」總量表的描述性統計資料摘要表 調整前 調整後 組別 總分 SD 總分 SD 總分的差異 Sig 對照組(n=35) 142.15 309.754 142.155 4.462 -48.438 .000*** 實驗組(n=34) 190.59 373.537 190.593 4.429 48.438 .000*** * * * p ＜ . 0 0 1 表 14：「科學教室環境知覺」各分量表單因子共變數分析摘要表 分量表 變異來源 SS df MS F 值 Sig 效 果 量 η2 組間 1923.943 1 1923.943 1.928 .170 .028 同學的親和關係 (SC) 誤差 66842.647 67 997.651 組間 13413.394 1 13413.394 11.353 .001** .145 教師支持 (TS) 誤差 79156.813 67 1181.445 組間 31360.525 1 31360.525 44.077 .000*** .397 學生參與 (SI) 誤差 47670.365 67 711.498 組間 49143.073 1 49143.073 117.296 .000*** .636 探究 (I) 誤差 28070.829 67 418.968 組間 15539.218 1 15539.218 14.246 .000*** .175 工作取向 (TO) 誤差 73082.444 67 1090.783 組間 909.237 1 909.237 26.276 .000*** .285 合作 (C) 誤差 2283.834 67 34.604 組間 612.026 1 612.026 14.586 .000*** .181 平等 (E) 誤差 2769.316 67 41.959 * * p ＜ . 0 1 * * * p ＜ . 0 0 1 表 15：「科學教室環境知覺」各分量表的描述性統計資料摘要表 調整前 調整後 分量表 組別 總分 SD 總分 SD 總分的 差異 Sig 對照組 27.50 33.255 27.498 .997 -1.966 同學的親和關係 (SC) 實驗組 29.46 29.768 29.463 1.004 1.966 .170 對照組 19.75 37.539 19.751 1.169 -5.587 教師支持 (TS) 實驗組 25.34 30.771 25.338 1.176 5.587 .001** 對照組 16.18 19.086 16.184 .995 -9.219 學生參與 (SI) 實驗組 25.40 32.699 25.403 .968 9.219 .000*** 對照組 13.25 17.238 13.251 .867 -12.593 探究 (I) 實驗組 25.84 23.338 25.844 .775 12.593 .000*** 對照組 23.89 40.184 23.892 1.060 -5.790 工作取向 (TO) 實驗組 29.68 23.472 29.681 1.108 5.790 .000*** 對照組 22.23 6.357 22.294 1.000 -7.344 合作 (C) 實驗組 29.71 5.289 29.638 1.015 7.344 .000*** 對照組 19.54 6.469 19.543 1.095 -5.957 平等 (E) 實驗組 25.50 6.397 25.500 1.111 5.957 .000*** * * p ＜ . 0 1 * * * p ＜ . 0 0 1
接近 4 分(代表經常發生)，這顯示以 MBA 教 學模式來學習的實驗組，比較能從活動中覺 察該活動的學習目標、主動設法了解該活 動、認為自己在上課時很用心、認為完成該 堂課的學習是很重要的事、能以團隊合作的 方式達成目標。而對照組在此六個向度平均 得分都低於三分，尤其是在「學生參與、探 究」兩個向度為 2.02、1.66，很接近 2 分(代 表很少發生)，這顯示以 DA 教學模式來學習 的對照組，很少和同學討論不同的想法、很 少對同學發表或解釋自己的想法、也很少以 探究的方式來蒐集證據找答案。在同樣採用 「科學教室環境量表」的研究中(陳鴻明、張 文華和張惠博，2002；蔡執仲、段曉林和靳 知勤，2009)，也發現使用教科書進行傳統講 述式教學的對照組，在此兩個向度的表現較 差。
二、實驗組與對照組「對論證的態度」
之統計考驗結果及討論
以教學模式為自變項，對論證的態度量 表前測成績為共變項，後測成績為依變項， 進行組內迴歸係數同質性考驗。統計考驗之 結果，F=.131，p=.719(>.05)，未達顯著水準， 符合組內迴歸係數同質性檢定，因此，繼續 進行單因子共變數分析。結果如表16與表 17。單因子共變數統計考驗結果F=4.790， p=.032(<.05)，達顯著水準。調整後之實驗組 總分為8.281，優於對照組總分4.271。實驗效 果量為.069，達中度的效果量。以上數據顯 示，整體而言，實驗組(MBA教學模式)比對 照組(DA教學模式)更能以正面態度來看待 論證。推究其原因，研究者認為是因為教導 式的論證，其形式常常是由教師對全班學生 提供科學解釋，教學活動的目的，是要使學 生 相 信 教 師 講 述 的 知 識 宣 稱 的 有 效 性 (Boulter & Gilbert ,1995)，這種教師導向的教 學，常常是依賴教師的權威性來進行教學 (Russell, 1983)，忽略了要讓抱持不同立場的 學生，各自提出自己的宣稱，檢視彼此不同 的觀點，經過對談之後才形成結論(Driver et al, 2000)。因此，使得對照組(DA教學模式) 的學生，對論證抱持負面的態度。而實驗組 (MBA教學模式)，讓學生以建模為基礎，然 後進行社會論證的教學方式，比較貼近科學 社群在建構科學知識的方式，因此，使得實 驗組對論證抱持正面的態度。 依據研究者的研究假設，經過實驗處理 之後(以不同的論證教學模式進行學習)，將 會使實驗組與對照組在對科學教室環境的知 覺上產生差異，然後影響實驗組與對照組對 論證的態度。回顧科學教室知覺量表的「學 表 16：「對論證的態度」量表的單因子共變數分析摘要表 變異來源 SS df MS F 值 Sig 效 果 量 η2 組間 275.230 1 275.230 4.790 .032* .069 誤差 3734.887 67 57.460 * p ＜ . 0 5 表 17：「對論證的態度」量表的描述性統計資料摘要表 調整前 調整後 組別 總分 SD 總分 SD 總分的差異 Sig 對照組(n=35) 4.20 6.206 4.271 1.286 -4.001 .032* 實驗組(n=34) 8.29 8.615 8.281 1.305 4.001 * p ＜ . 0 5生參與」分量表的統計分析數據，該分量表 是用來探知學生是否樂於參加科學學習活 動、進行討論。該分量表所問的問題，包括： 「在上課時，是否會發表自己的看法、是否 會與其他同學討論自己不同的想法」。實驗組 在該向度的平均得分為3.18(介於偶爾發生 到經常發生之間)，對照組的得分則為2.02， 很接近2分(代表很少發生)，這顯示以DA教 學模式來學習的對照組，很少和同學討論不 同的想法、也很少對同學發表或解釋自己的 想法。因此，從科學教室知覺量表的「學生 參與」分量表的發現，也可和對論證的態度 量表的發現，互相印證。
三、實驗組與對照組「對科學模型的理
解」之統計考驗結果及討論
以教學模式為自變項，對科學模型的理 解總量表的前測成績為共變項，後測成績為 依變項，進行組內迴歸係數同質性考驗。統 計考驗結果，F=1.154，p=.219(>.05)，未達 顯著水準，符合組內迴歸係數同質性檢定， 因此，繼續進行單因子共變數分析。結果如 表18與表19。單因子共變數統計考驗結果 F=9.751，p=.003(<.01)，達顯著水準。調整 後之實驗組總分為99.179，優於對照組總分 91.512。實驗效果量為.129，達中度效果量。 以上數據顯示，整體而言，以MBA教學模式 來學習的實驗組，對科學模型的理解程度， 優於對照組。 對科學模型的理解量表分為「模型是多 樣化的表徵、模型是精確的複製品、模型是 解釋的工具、科學模型的用途、模型具有可 變性的本質」五個向度。實驗組與對照組在 各分量表的組內迴歸係數同質性考驗，p值均 >.05，分別為.709、.170、.135、.172、.378， 符合組內迴歸係數同質性檢定的假設。因 此，繼續進行單因子共變數分析。統計分析 結果，如表20與表21。從表中數據顯示，在 五個分量表，實驗組與對照組均達顯著差 異，實驗組在各向度的總分均高於對照組， 可達中度或大的實驗效果量。 從總量表及五個分量表的統計考驗均達 顯著水準來看，以MBA教學模式來學習的實 驗組，比對照組更能對科學模型產生較佳的 理解、比較能接受不同表徵的模型、不會執 著地認為模型是某真實物品的複製品、比較 能瞭解科學模型是用來說明我們對科學事件 的想法、用來解釋科學現象、用來對某個科 學事件做預測、比較能體會模型具有可變 性、多元性的本質。 將表21各向度調整後的總分，除以各向 度的題數，在「模型是多樣化的表徵、模型 是精確的複製品、模型是解釋的工具、科學 模型的用途、模型具有可變性的本質」等五 個向度，實驗組的平均得分為：3.98、3.41、 3.72、4.27、4.43。對照組則為：3.88、2.65、 3.57、3.77、3.68。其中，在「模型是多樣化 的表徵、模型是解釋的工具、科學模型的用 途、模型具有可變性的本質」等四個向度， 實驗組得分很接近或超越4分，表示實驗組對 此四個向度的看法處於同意到非常同意的狀 態，對照組在此四個向度的得分介於3～4 分，表示對照組對此四個向度的看法，是處 於不確定到同意之間的狀態。這顯示以MBA 教學模式來學習的實驗組，對模型及建模的 意義、功用與本質的看法，與科學社群的觀 點比較接近。 而實驗組與對照組差異最大之處，是在 「模型是精確的複製品」向度。實驗組平均 得分為 3.41，對照組 2.65。此向度為反向題， 將得分還原為原始選項，則實驗組平均得分 為 1.59(代表不同意或非常不同意)，對照組則為 2.35(代表不同意或不確定)。這顯示， 以 MBA 教學模式來學習的實驗組，並不會 執著認為模型必須是某真實物品的複製品。 而以 DA 教學模式來學習的對照組，則是處 於不同意到不確定之間的狀態。對於上述統 計結果，研究者推論其原因，使用「教導的 論證(DA)教學模式」的對照組，是由教師使 用教科書中的教學類比模型，例如：尺度模 型、圖像符號模型、數學模型、理論模型、 圖形表格、概念-過程模型、模擬等模型，把 課本內容講解給學生聽。從建模的理論來分 析 DA 教學模式，DA 教學模式是屬於以「多 元模型」來講解課本的教學模式。而在同樣 以多元模型來進行教學的研究中發現，既使 經歷以多元模型為基礎的教學，還是有學生 認為在這些不同的模型之中，有最正確的一 表 18：「對科學模型的理解」總量表的單因子共變數分析摘要表 變異來源 SS df MS F 值 Sig 效 果 量 η2 組間 1004.571 1 1004.571 9.751 .003** .129 誤差 6799.641 67 103.025 * * p ＜ . 0 1 表 19：「對科學模型的理解」總量表的描述性統計資料摘要表 調整前 調整後 組別 總分 SD 總分 SD 總分的差異 Sig 對照組(n=35) 91.51 6.491 91.512 1.720 -7.667 .003** 實驗組(n=34) 99.18 12.753 99.179 1.745 7.667 * * p ＜ . 0 1 表 20：「對科學模型的理解」各分量表單因子共變數分析摘要表 分量表 變異來源 SS df MS F 值 Sig 效 果 量 η2 組間 11.345 1 11.345 6.949 .010* .095 模型是多樣化的表徵 (MR) 誤差 107.742 67 1.632 組間 624.841 1 624.841 29.818 .000*** .311 模型是精確的複製品 (ER) 誤差 1383.027 67 20.955 組間 9.816 1 9.816 9.681 .003** .128 模型是解釋的工具 (ET) 誤差 66.918 67 1.014 組間 38.269 1 38.269 23.711 .000*** .264 科學模型的用途 (USM) 誤差 106.523 67 1.614 組間 87.384 1 87.384 24.162 .000*** .268 模型具有可變性的本質 (CNM) 誤差 238.691 67 3.617 * p ＜ . 0 5 * * p ＜ . 0 1 * * * p ＜ . 0 0 1 表 21：「對科學模型的理解」各分量表的描述性統計資料摘要表 調整前 調整後 分量表 組別 總分 SD 總分 SD 總分的 差異 Sig 對照組 30.34 3.464 31.029 .218 -.824 模型是多樣化的表徵 (MR) 實驗組 32.56 4.627 31.853 .221 .824 .010* 對照組 21.14 3.821 21.212 .775 -6.040 模型是精確的複製品 (ER) 實驗組 27.32 5.330 27.252 .786 6.040 .000*** 對照組 17.89 2.632 17.860 .170 -.754 模型是解釋的工具 (ET) 實驗組 18.59 3.377 18.615 .173 .754 .003** 對照組 11.34 1.371 11.324 .215 -1.490 科學模型的用途 (USM) 實驗組 12.79 1.452 12.814 .218 1.490 .000*** 對照組 11.03 2.135 11.035 .322 -2.253 模型具有可變性的本質 (CNM) 實驗組 13.29 1.605 13.288 .326 2.253 .000*** * p ＜ . 0 5 * * p ＜ . 0 1 * * * p ＜ . 0 0 1
個，會執著要找出最正確的模型(Harrison & Treagust, 2000b)。也有學生把每個模型都視 為是要學習的對象，把每個模型的內容都記 下 來 (Treagust, Chittleborough & Mamiala, 2004)。因此，根據上述的統計分析結果，可 宣稱本研究發展的「以建模為基礎的論證 (MBA)教學模式」，更能夠促進學生對科學模 型的理解。
四、實驗組與對照組「論證能力表現」
之統計考驗結果及討論
在本次的初探研究，研究者是以「光的 色散現象」、「流體的對流現象」這兩個活動， 來測試MBA教學模式的可行性。因此，本研 究所謂「論證能力表現」指的是，學生在這 兩個單元的論證能力測驗卷的表現。 為了避免研究對象提早知道他們將被評 定論證能力的高低，而影響到研究結果，因 此，在全部教學活動結束後，於後測施測論 證能力測驗卷，並以獨立樣本t 檢定進行統 計考驗。 實驗組及對照組進行「變異數相等的 Levene檢定」，結果如表22。在「光的色散現 象」單元，F=1.187，p=.182(>.05)；在「流 體的對流現象」單元，F=.972，p=.328(>.05)， 此結果顯示在上述兩個單元，實驗組與對照 組的變異數具有同質性，即兩組學生在進行 教學之前的論證能力具有同質性，符合獨立 樣本 t考驗的基本假設，因此繼續進行獨立 樣本 t考驗，統計考驗結果如表23。 在「光的色散現象」單元，t=-5.557， p=.000(<.001) ，達顯著水準，實驗效果量 為.315，達大的效果量，實驗組的總分8.29 高於對照組的總分5.69。在「流體的對流現 象」單元，t=-3.974，p=.000(<.001)，達顯著 水準，實驗效果量.191，達到大的效果量， 實驗組總分10.94高於對照組總分8.03。以上 統計數據顯示，以MBA教學模式來學習的實 驗組，在論證能力的表現上，優於對照組的 學生。 研究者推測造成此差異的原因，因為本 測驗卷是半開放式的測驗卷，學生必須從題 目的選項中選出一個答案，然後還要寫出選 擇它的原因，依據學生所寫之理由與證據的 合理性來給分。根據Boulter和Gilbert(1995) 及Russell(1983)的研究結果：在教師導向的 講述式教學中，教師常是以本身在地位上的 優勢來支持他所講述的知識宣稱，這種依賴 權威性的「教導式論證」，往往會忽略了推理 和尋求證據的歷程。因此使採用DA教學模式 的對照組，在「必須寫出理由或證據，以支 持自己的宣稱」的論證能力測驗，表現不佳。 而MBA教學模式讓實驗組以建模為基礎，然 後再進行社會論證的方式，比較貼近科學社 群建構科學知識的方式，因此有助於促進實 驗組在此測驗中，有較佳的表現。 論證能力表現測驗卷包括「光的色散現 象」、「流體的對流現象」兩個單元，每個單 元各有 5 題，整份測驗卷共有 10 題。若將兩 個單元得分合併，來代表兩組學生的論證能 力表現，則實驗組總分為 19.23，對照組總分 為 13.27。將此分數除以總題數 10 題，則代 表每個題目的平均分數。因此，實驗組的平 均分數為 1.91，對照組則為 1.37。比對表 11 的評分標準，實驗組的平均作答水準屬於「勾 選答案正確，說明的理由也正確，但是作答 內容太簡略、不夠完整」，對照組的平均作答 水準則是屬於「勾選答案正確，說明的理由， 部分正確、部分錯誤」。從這一點亦可顯示， 以 MBA 教學模式來學習的實驗組，其論證 能力的表現，優於對照組。伍、 結論與建議
有關本研究發展的MBA教學模式，在國 中自然科教學之合適性與有效性，分別從「科 學教室環境知覺、對論證的態度、對科學模 型的理解、論證能力表現」四個面向之初探 成果，提出結論及後續的研究建議：一、結論
(一) 從「科學教室環境知覺量表」的統計分 析獲得之結論 在總量表及「教師支持、學生參與、探 究、工作取向、合作、平等」六個分量表， 實驗組表現優於對照組，均達大的效果量。 實驗組在上述各向度的得分，均介於3～4分 (代表偶爾發生或經常發生)，對照組則均低 於3分(代表偶爾發生或很少發生)。這顯示 MBA教學模式，比較能夠促使學生從活動中 覺察該活動的學習目標、促使學生主動設法 了解該活動、體會完成該堂課的學習是很重 要的事、能以團隊合作的方式達成目標。 (二) 從「對論證的態度量表」的統計分析獲 得之結論 依據「對論證的態度量表」的統計分析 結果，經歷不同論證教學模式的實驗組與對 照組，是以MBA教學模式進行學習活動的實 驗組，比較願意和同學討論彼此不同想法。 因此，MBA教學模式比較能促使學生對論證 抱持正面態度，可達中度的效果量。 (三) 從「對科學模型的理解量表」的統計分 析獲得之結論 在總量表及五個分量表，實驗組表現優 於對照組，可達中度或大的效果量。這顯示 MBA教學模式，比較能促使學生對科學模型 產生較佳的理解、接受不同表徵的模型、不 執著於模型必須是真實物品的複製品、瞭解 科學模型是用來說明對科學事件的想法、用 來解釋科學現象、做預測、體會模型具有可 變性、多元性的本質。因此，MBA教學模式 是比較貼近科學社群建構知識的教學方式。 (四) 從「論證能力表現測驗卷」的統計分析 獲得之結論 在「光的色散現象」及「流體的對流現 表 22：論證能力測驗卷「變異數相等的 Levene 檢定」摘要表 變異數相等的Levene檢定 F檢定 顯著性 假設變異數相等 1.817 .182 光的 色散現象 不假設變異數相等 假設變異數相等 .972 .328 流體的 對流現象 不假設變異數相等 ***p <.001 表 23：論證能力測驗卷「獨立樣本 t 考驗」分析摘要表 組別 學生人數 總分 標準差 自由度 t 值 顯著性 效 果 量 η2 對照組 35 5.69 2.097 光的 色散現象 實驗組 34 8.29 1.784 67 -5.557 .000*** .315 對照組 35 8.03 3.167 流體的 對流現象 實驗組 34 10.94 2.912 67 -3.974 .000*** .191 ***p <.001象」單元的論證能力表現測驗成績，實驗組 優於對照組，均達大的效果量。這顯示以 MBA教學模式進行教學活動，更有助於促進 學生在該單元的論證能力表現 依據上述四個面向之研究結果，本研究 的研究假設獲得支持，因此，本次初探研究 的總結論是：MBA教學模式是一個可行的教 學模式，有助於促進學生在上述四個面向的 表現。
二、建議
根據本次初探研究的結論，作者提出以 下三點建議，作為後續研究的參考： （一）、 基於便利取樣，本次初探研究，是 以本文第一作者任教之台南市某國 中二年級學生，共兩個班級做為研究 樣本。因研究樣本較少，就研究的生 態效度而言，還不夠充分。因此，建 議在後續研究，可將研究樣本擴大， 把都會區的大型、中型學校及鄉鎮區 的小型學校都列為研究樣本，如此將 可收集到更完整的樣本資料。 （二）、 本次初探研究，是以單一的科學現 象：「光的色散現象」及「流體的對 流現象」作為活動單元。建議後續研 究以一個完整章節來進行研究，例如 以 整 個 光 的 章 節 ( 包 括 光 的 直 線 前 進、反射、折射等科學概念)。甚至將 教學處理時間延長到整學期，內容包 括 整 本 教 科 書 不 同 性 質 的 科 學 概 念，例如：物質、能量、光、熱等等。 （三）、 本次研究是以「科學教室環境知 覺、對論證的態度、對科學模型的理 解、論證能力表現」作為依變項，探 討運用此教學模式在國中自然科的 教學成效。然而對教學成效的評估， 不能只侷限於上述四個面向，因此， 建議後續研究可探討其他面向的表 現，例如：以「問題解決能力、科學 推理能力」作為依變項，藉此可對 MBA教學模式在國中自然科的教學 成效，產生更廣泛的瞭解。參考文獻
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A Preliminary Study of
“Modeling-Based Argumentation Teaching Model”
Chung-Hsing Feng1, Jeng-Fung Hung 21
Tainan Municipal Haidian Junior High School
2
National Kaohsiung Normal University
Abstract
The purpose of this research was to develop a teaching model integrating modeling and argumentation, named “Modeling-Based Argumentation teaching model”, and to design learning activities according to this teaching model. A quasi-experimental design was adopted in this preliminary study. The research samples were 8th grade students of a junior high school in Tainan City. The experimental group and the contrast group were instructed separately in the Modeling-Based Argumentation (MBA) teaching model and the Didactic Argumentation (DA) teaching model. The research data of “What Is Happening In this Class? (WIHIC) Scale”, “Argumentativeness Scale”, “Students’ Understanding of Models in Science (SUMS) Scale”, and “Achievement Test of Students’ Argumentation Ability (ATSAA)” were collected and analyzed. The results were as follows: The experimental group performed better than the contrast group in all the four scales (1) WIHIC Scale (p=.000, η2=.470) (2) Argumentativeness Scale (p=.032, η2=.069) (3) SUMS Scale (p=.003, η2=.129) (4) ATSAA Scale (p=.000, η2=.315).The data above shows the MBA teaching model is an operational teaching model which could be used in the junior high school science lesson. Suggestions for further research were proposed according to the results of this preliminary research.
Key words
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