探討模型與建模對於學生原子概念學習之影響

全文

(1)○○.

(2) 12.

(3) 模型（model）在科學理解上扮演非常重要的角色，它不僅作為科學現象的外在表徵，更是作為連結學校科學活動與真實科學之間的橋樑。本研究分為三個部分，首先，探討學生對於模型的認識與理解，以及學生如何利用模型來表徵所欲理解的現象、概念。其次，採取內容分析法對國、高中教科書「原子理論」單元進行分析，探究模型在我國教科書中所扮演的角色和功能，以及教科書是否具建模歷程的要素。最後，探討不同建模教學策略對於三組學生於原子概念學習之影響。研究結果顯示，彙整如下： 1. 8 和 9 年級學生對於模型之定義，著重於模型是具體的事物，模型是物體的複製品。 10 和 11 年級學生對於模型之認識則已慢慢地轉變為著重於模型的功能，並且認為模型不再是實體的複製品，模型亦可如想法等抽象的形式。 2.學生對於模型認識之架構，分別是語意、本體論、認識論和方法論。語意部分為「實體關係」與「表徵形式」；本體論分為「模型呈現」、「變化關係」和「模型限制」；認識論分為「模型學習」與「模型觀點」；方法論則可分為「模型解釋與推理」和「模型檢驗與預測」。 3. 8 年學生對於問題或現象所使用之模型與表徵系統主要以具體形式或示意圖為主，學生所使用之模型表徵以「形態相似性」為主；9 年級學生除使用具體形式的模型外，亦開始使用如化學方程式或物理公式來描述現象。10 和 11 年級學生則受到其化學背景知識的增加與概念理解，其使用模型表徵已經會考量模型與其目標系統之間的結構性關係，如抽象形式的化學方程式、物理公式，或關係圖等。 4.高中化學教科書完全符合良好模型特徵之比例偏低，顯示教科書內容以陳述科學事實為主，所使用模型著重於模型物件之呈現（完整性）（95.4%），實驗結果與理論運作之間的概念性解釋（概念性）（64.8%）與提供適當的圖像模型（具體性）（68.5%）則較為缺乏。 5.大部分高中化學教科書著重於描述原子理論內容介紹，「模型描述與選擇」和「模型建立」得分較高（93 分，72.7%；106 分，82.8%），至於「模型效化」與「模型分析與評估」得分較低（66 分，51.6%；48 分，37.5%）。 6.經過不同的教學活動後，類比建模組和電腦輔助建模組成績皆優於講述教學組，且.

(4) 原子概念問卷（II）後測亦達到統計上顯著差異（p = .027 < .05），此外，原子成就。此外，三組學生於建模能力測驗之「模測驗達統計上顯著性差異（p = .000 < .005）型選擇與描述」、「模型建立」、「模型分析與評估」和「平均建模能力」達統計之顯著差異（p = .047 < .05；p = .035 < .05；p = .027 < .05），惟「模型效化」、「模型調度」和「模型重建」等建模能力則未達統計上顯著之差異（p = .062 > .05；p = .135 > .05； p = .069 > .05）。 7.分析三組學生於「原子概念問卷（II）後測」與「建模能力測驗」之 Kendall’s tau 相關係數，講述教學組未達顯著相關，類比建模組與電腦輔助建模組達高相關，換言之，透過類比建模教學模式除可以能提升學生的概念理解外，亦可以提升學生的建模能力。模型與建模在教學上扮演非常重要的角色。本研究認為建模能力是豐富科學學習的重要方式，另外，本研究亦主張模型與建模的了解亦將使學生發展後設認知的知識。關鍵字：原子、模型、建模.

(5) Abstract Models play an important role in the understanding of science. They are not only to explicitly use external representation to express abstract scientific concepts and phenomena in the world, but they also bridge a gap between school scientific activities and real science. In order to investigate this aspect of science education, this study has three parts. First, this study investigates students’ conception about the nature of model, and how to they use different models to represent the phenomena or their conception. Second, this study is to adapt content analysis method to evaluate the characteristics of model, structure of atomic theory, and modeling processes in the selected textbooks in Taiwan. Finally, this study is to investigate the effectiveness of different modeling teaching strategies for teaching the atomic conceptions. The analysis results are shown in the following seven parts: 1. For the definition of model, grade 8 and 9 students focus on models are the replicas of the specific things, and view as reality. Grade 10 and 11 students think model is not a reproduction, and can express ideas in abstract ways, such as conception. 2. The framework of students’ conception about model includes four perspectives: semantics, ontology, epistemology and methodology. In semantics, students’ conceptions were about models that can be divided into: relationship of reality and type of representation. In ontology, appearing, changing the relation, and confine model within certain limits. Epistemology has two parts: learn through models, and view of model. In methodology, students’ conceptions were about the functions of model: explanation and reasoning of model, examine and anticipation of model. 3. For question and phenomena, grade 8 students utilize model and representation which focus on the concrete type of model and diagram, student use the representation of model is similarity of shape. Grade 9 students not only utilize model and representation which also focus on the concrete type of model and diagram, but also can use chemical equation and physical formula to represent phenomena. Besides, Grade 10 and 11 students benefit from chemistry knowledge and conceptual understanding, and they will consider the structural relation between model and target system, such as chemical equation, physical formula, or relationship of diagram. 4. The proportion of chemical textbooks which conformed to characteristics of good model is very low, this result shows most textbooks present factual knowledge, and the utility of model focus on appearance of model (complete)(95.4%), and little focus on the conceptual explanation of experiment result and theory application (conceptual)(64.8%) ,.

(6) and provide model of diagram suitably (correct)(68.5%). 5. Most upper secondary chemistry textbooks contents emphasize atomic knowledge, and focus on model description and selection, and model construction (93 point, 72.7%；106 point, 82.8%), however, little on model validation and model analysis and evaluation (66 point, 51.6%；48 point, 37.5%) during the modeling processes were discussed. 6. After different instruction, analogy modeling group and computer assisted modeling group perform better than the control group, and the post test indicates that there is a significant difference between the research groups (p=.027 < .05). Besides, the result of achievement test of the atomic conception also indicates there is a significant difference between the research groups. Also modeling ability test indicates there is a significant difference between the research groups in model description and selection, model construct, model analysis and evaluation, average means of model ability scores (p = .047 < .05; p = .035 < .05; p = .027 < .05), however, no significant differences were observed between the research groups in model validation, model deployment, and model reconstruction (p = .062 > .05；p = .135 > .05；p = .069 > .05). 7. The results of Kendall’s tau correlation between the post test of questionnaire of atomic conceptions (II) and the test of modeling ability show the control group has no significant differences, and analogy modeling group and computer assisted modeling group have significant differences. In other words, not only can analogy modeling instruction and computer modeling instruction improve students’ understanding, but also they can improve students’ modeling ability. In sum, models and modeling has played an important role in teaching. Research suggests develop modeling ability are important ways of enhancing students’ learning science. Further we also argue that understanding of model and modeling enables students to develop metacognitive awareness of knowledge.. Key words: atom, model, modeling.

(7) 第壹章. 緒論……………………………………………………………………………….. 1 一、科學教育研究取向轉變之回顧…………………………………………... 1 二、本研究概述………………………………………………………………... 3. 第一節. 研究背景…………………………………………………………………… 4. 一、迷思概念與概念改變研究……………………... ………………………… 4 二、模型與建模教學研究……………………………………………………… 6 三、原子理論科學發展歷程與教科書分析…………………………………… 8 第二節. 研究動機……………………………………………………………………. 11. 一、重新審視模型研究………………………………………………………… 11 二、模型與建模在科學史與學習所扮演的角色……………………………… 12 三、設計「原子」概念之建模教學…………………………………………… 14 第三節. 研究目的與問題……………………………………………………………. 16. 第四節. 名詞釋義……………………………………………………………………. 20. 一、模型……………………………………………………………………….... 20 二、建模………………………………………………………………………… 20 三、以模型為基礎的建模教學………………………………………………… 20 四、視覺化……………………………………………………………………… 21 第五節. 研究範圍與限制……………………………………………………………. 22. 一、研究範圍………………………………………………………………….... 22 二、研究限制…………………………………………………………………… 22 第貳章. 文獻探討………………………………………………………………………….. 23. 第一節. 模型與模型認識……………………………………………………............. 23. 一、模型發展史………………………………………………………………… 23 二、模型之定義………………………………………………………………… 24 三、模型與理論之關係………………………………………………………… 25 I.

(8) 四、模型與表徵之關係………………………………………………………… 30 五、模型與類比之關係……………………………………………………….... 34 六、模型之分類……………………………………………………………….... 36 七、模型本質認識與觀點…………………………………………………….... 42 八、教科書與模型之關係……………………………………………………… 47 第二節. 建模與科學學習之關係……………………................................................. 48. 一、建模－思考具體化的方法………………………………………………… 48 二、建模歷程與科學學習……………………………………………………… 50 三、影響學生建模能力之因素………………………………………………… 59 四、建模與概念改變…………………………………………………………… 60 第三節. 以模型為基礎的建模教學………………………………………………... 62. 一、以模型為基礎的學習理論架構…………………………………………… 62 二、以模型為基礎的建模與建模能力評估………………………………….... 64 三、建模教學策略之探討…………………………………………………….... 67 第四節. 原子與化學鍵概念之探討…………………………………………………. 71. 一、原子理論之歷史發展……………………………………………………… 71 二、關於學生在原子與化學鍵概念之迷思………………………………….... 93 第五節. 原子理論建模歷程分析……………………………………………………. 100. 一、拉塞福原子理論建模歷程分析…………………………………………… 100 二、波耳原子理論建模歷程分析…………………………………………….... 103 第參章. 研究設計………………………………………………………………………….. 109. 第一節研究對象與樣本……………………………………………………………… 111 一、跨年級學生之模型認識…………………………………………………… 111 二、跨年級學生於原子概念之模型特徵與演變……………………………… 112 三、建模教學…………………………………………………………………… 112 四、教科書之分析版本………………………………………………………… 113 第二節研究工具……………………………………………………………………… 115 II.

(9) 一、模型本質問卷……………………………………………………………… 116 二、如何利用模型表徵……………………………………………………….... 117 三、原子概念問卷（I）………………………………………………………... 118 四、原子概念問卷（II）……………………………………………………..... 120 五、原子概念成就測驗………………………………………............................ 122 六、教科書分析……………………………………………………………….... 122 七、問題解決問卷…………………………………………………………….... 125 第三節教學活動設計………………………………………………………………… 126 一、教學目標與課程規劃…………………………………………………….... 126 二、教學特點與異同比較……………………………………………………… 127 第四節. 研究流程……………………………………………………………………. 135. 第五節. 資料處理與分析……………………………………………………………. 137. 一、學生模型認識與如何利用模型表徵………………………………............ 137 二、科學發展、教科書與學生之原子概念與建模歷程……………………… 138 三、不同建模教學策略學習成效之比較……………………………………… 139 第肆章. 研究結果………………………………………………………………………….. 143. 第一節. 學生對於模型的認識………………………………………………………. 143. 一、跨年級學生對於模型本質的觀點…………………………………............ 144 二、利用訪談方式學生對於模型的認識與理解………………………............ 168 第二節. 學生如何利用模型來表徵所欲理解的現象或概念………………………. 196. 一、模型與表徵系統之關係……………………………………………............ 196 二、學生使用表徵系統的來源…………………………………………............ 207 三、影響學生模型選擇與判斷之因素…………………………………............ 209 四、建立學生如何選擇模型之架構……………………………………............ 217 第三節. 「原子理論」之模型演變與建模歷程－教科書分析……………………. 219. 一、國、高中教科書於「原子理論」模型與類別分析………………............ 219 二、高中化學教科書於「原子理論」單元內容分析…………..........….......... 260 III.

(10) 三、高中化學教科書於「原子理論」之建模歷程……………..........….......... 267 第四節. 跨年級學生於「原子理論」概念之模型比較……………………………. 280. 一、跨年級學生於原子概念測驗（I）之作答情形………………….............. 280 二、跨年級學生模型發展與比較………………………..…………….............. 289 第五節. 不同建模教學策略對於學生原子概念學習之影響………………………. 293. 一、原子概念問卷（II）前後測結果分析比較………………………............. 293 二、學生原子概念心智模式之影響與改變……................................................ 304 三、原子概念成就測驗結果分析與比較……………………………................ 311 四、「類比建模組」與「電腦輔助建模組」學生之學習過程記錄.................. 319 五、小結................................................................................................................ 324 第六節. 學生概念理解與建模能力之關係…………………………………………. 326. 一、不同教學策略對於學生建模能力之影響……………...…………............. 326 二、學生「概念理解」與「建模能力」之關係分析…………...……............. 329 第伍章. 結論與建議……………………………………………………………………….. 331. 第一節. 結論…………………………………………………………………………. 331. 一、學生對於模型本質之認識……………………………...…………............. 331 二、學生如何選擇適當的模型及其表徵形式……………...…………............. 333 三、我國教科書於「原子理論」單元分析及其意涵……...…………............. 334 四、跨年級學生於「原子概念」之模型發展歷程……...……………............. 337 五、建模教學對於學生原子概念之影響……...………………………............. 338 六、不同教學策略對於學生建模能力之影響..……………………….............. 339 七、本研究之貢獻……………………………………………………………… 341 第二節. 建議…………………………………………………………………………. 344. 一、教學與課程設計………………………………………...…………............. 344 二、未來研究建議………………………………………...…………................. 346 參考文獻中文部分………………………………………………………………………………. 349 IV.

(11) 英文部分………………………………………………………………………………. 352 附錄 1：原子概念成就測驗評分標準……………………………………………………... 367 附錄 2-1. 國中教科書之模型特徵評量標準與範例說明…………………………………. 371 附錄 2-2. 高中教科書之模型特徵評量標準與範例說明…………………………………. 372 附錄 3：高中教科書建模歷程評量標準與範例彙整表…………………………………... 374 附錄 4-1：科學模型本質測驗問卷……………………………………………………….... 376 附錄 4-2. 模型本質半結構訪談工具………………………………..................................... 388 附錄 4-3. 如何利用模型表徵半結構訪談工具………………………................................. 390 附錄 5：原子概念測驗問卷（I）…………………………………...................................... 391 附錄 6：原子概念測驗問卷（II）…………………………………..................................... 393 附錄 7：原子概念成就測驗…………………………………............................................... 401 附錄 8. 建模能力測驗－訪談題……………………............................................................ 405. V.

(12) 圖 1-1-1. 科學學習之理論架構…………………………………………………………..... 6 圖 1-2-1. 原子結構猶如太陽系的行星運轉……………………………………………..... 14 圖 1-2-2. 化學反應的能量關係猶如跨欄比賽選手跳過柵欄…………………………….. 14 圖 1-4-1. 建模架構圖………………………………………………………....…………..... 20 圖 2-1-1. 模型與物件之關係………...…………….……………………………………..... 26 圖 2-1-2. 理論是用來描述真實世界………………..……………………………………... 27 圖 2-1-3. 定律、模型、被說明對象（現象）之關係…………………………………..... 28 圖 2-1-4. 理論、模型與真實世界系統之關係………………………………………..…... 29 圖 2-1-5. 科學表徵目的性概念的語意描述………………………………………………. 29 圖 2-1-6. 使用模型的表徵歷程……………………………………………………………. 31 圖 2-1-7. 表徵系統的多樣性...…………………………………………………………….. 34 圖 2-1-8. 本研究之模型分類圖…………………………………………………..………... 38 圖 2-1-9. 學生模型觀點的三面向示意圖…………………………………………………. 45 圖 2-1-10. 本研究之模型本質架構圖…………………………………………..….……… 45 圖 2-2-1. 建模是建立模型/理論與物件/事件的語意關係….………………...…….…….. 49 圖 2-2-2. DDI 建模歷程圖………………………………………………..………….……... 52 圖 2-2-3. 模型建立循環…………………………………………………..………….…….. 53 圖 2-2-4. 影響學生建模知識的認知交互作用面向……………………..………….…….. 60 圖 2-3-1. 以模型為基礎的學習之理論架構……………………………..………….…….. 62 圖 2-3-2. 以模型為基礎學習的模型……………………………………..………….…….. 63 圖 2-3-3. 建模架構模型…………………………………………………..………….…….. 65 圖 2-3-4. 模型演化、鷹架和共同建構之圖示…………………………..………….…….. 69 圖 2-4-1. 長岡半太郎的土星環模型……………………………………..………….…….. 78 圖 2-4-2. α 粒子行進的路徑（雙曲線）………………………………..………….…….. 81 圖 2-4-3. 波耳的氫原子光譜與軌道關係圖……..………………………………….…….. 87. VI.

(13) 圖 2-4-4 . 氫原子電子運行的軌道圖……………………………………………….……... 90 圖 2-4-5. 週期表元素的原子結構……...………………………………………………….. 90 圖 2-4-6. 索末菲的原子模型…...………………………………………………………….. 91 圖 2-4-7. 六種原子模型圖…...…………………………………………………………….. 94 圖 2-5-1. 物質結構模型之建模歷程………………………………………………………. 100 圖 2-5-2. 波耳的元素週期表………………………...…………………………………….. 106 圖 2-5-3. 原子序與原子體積的關係圖……………………………………………………. 107 圖 3-3-1. 「講述教學組」、「類比建模組」與「電腦輔助模型組」之研究設計………. 126 圖 3-3-2. 電腦輔助建模教學利用電腦模擬連續光譜與不連續光譜……………………. 131 圖 3-4-1. 研究流程圖……………………………………...……………………………….. 136 圖 4-1-1. 8-11 年級學生於模型本質問卷（模型定義）之類型分布…………………….. 145 圖 4-1-2. 學生於模型本質問卷（語意）之作答情形……...…………………………….. 150 圖 4-1-3. 學生於模型本質問卷（語意－科學與非科學）之比較………………………. 151 圖 4-1-4. 學生於模型本質問卷（語意－科學與非科學範例）之比較…………………. 152 圖 4-1-5. 學生於模型本質問卷（語意－物件與過程）之比較…………………………. 153 圖 4-1-6. 跨年級學生於模型本質問卷（語意－物件與過程）之比較…………………. 154 圖 4-1-7. 跨年級學生於模型本質問卷（本體論－科學與非科學範例）之比較………. 156 圖 4-1-8. 學生於模型本質問卷（認識論－科學與非科學範例）之比較…………...….. 159 圖 4-1-9. 跨年級學生於模型本質問卷（方法論－科學與非科學範例）之比較………. 161 圖 4-1-10. 學生對於模型認識之架構……………………….…………………………….. 167 圖 4-1-11. 學生判斷是否為「模型」之示意圖….……………………………………….. 181 圖 4-2-1. 跨年級學生於「鹽溶解於水中」使用之模型表徵…………………………… 202 圖 4-2-2. 跨年級學生於「木炭點火燃燒」使用之模型表徵……………………………. 204 圖 4-2-3. 跨年級學生於「重物自由落下」使用之模型表徵……………………………. 205 圖 4-2-4. 跨年級學生於「鈉原子失去電子」使用之模型表徵…………………………. 206 圖 4-2-5. 學生選擇模型與視覺化之歷程…………………………………………………. 218 圖 4-3-1. 大氣中的原子……………………………………………………………………. 221 圖 4-3-2. 湯木生原子模型…………………………………………………………………. 221 VII.

(14) 圖 4-3-3. 國中教科書於拉塞福原子理論示意圖之比較………………………………..... 222 圖 4-3-4. 原子理論示意圖………………………………………………………………..... 223 圖 4-3-5. 波耳原子模型：電子只能在特殊的圓形軌道上運動………………………..... 223 圖 4-3-6. 利用原子說解釋化學反應示意圖………………………………………………. 225 圖 4-3-7. 道耳吞與湯木生原子模型比較…………………………...…………………….. 226 圖 4-3-8. 高中化學教科書於「湯木生原子理論」單元使用之模型表徵比較…………. 230 圖 4-3-9. 電子在均勻電場的二度空間分布………………………………………………. 230 圖 4-3-10. α 粒子撞撃金箔的散射實驗示意圖………………………………….……….. 231 圖 4-3-11. 湯木生與拉塞福原子模型 α 粒子散射實驗結果比較………………………... 232 圖 4-3-12. 拉塞福原子模型的說明…………………………………………….………….. 231 圖 4-3-13. 高中教科書於波耳原子理論（氫原子光譜）所使用模型之表徵彙整.…….. 233 圖 4-3-14. 波耳的原子軌道模型……………………….………………………………….. 234 圖 4-3-15. 電子雲示意圖…………………………………………………………………... 234 圖 4-3-16. 氫電子雲模型與氫原子模型的比較…………………………………………... 235 圖 4-3-17. 陰極射線的性質………………………………………….…………………….. 241 圖 4-3-18. 湯姆森原子模型…………………………………………….………………….. 241 圖 4-3-19. α粒子散射實驗………………………………………………………………... 242 圖 4-3-20. α粒子的散射實驗與結果……………………………………………………... 243 圖 4-3-21. α粒子散射實驗結果…………………………………………………………… 244 圖 4-3-22. 量子化的線光譜………………………………………………………………... 246 圖 4-3-23. 拉塞福原子理論之原子穩定性問題…………………………………………... 247 圖 4-3-24. 電子在 px 軌域的空間分布圖………………………………………………….. 249 圖 4-3-25. p 軌域的形狀……………………………………………………………………. 249 圖 4-3-26. 湯木生的原子模型及其類比物…………………………………………….….. 254 圖 4-3-27. 原子和原子核比例示意圖………………….………………………………….. 256 圖 4-3-28. 書架中之鎮紙類比於電子能階….…………………………………………….. 256 圖 4-3-29. 氫原子的 1s 軌域電子雲輪廓圖……………………………………………….. 257 圖 4-3-30. 由湯姆生原子模型所發生的α質點散射情形……………………………….. 263 VIII.

(15) 圖 4-3-31. 湯木生模型中α粒子通過金箔時之偏轉作用……………….……………….. 263 圖 4-3-32. 波耳原子理論圖解…………………………………………………….……….. 274 圖 4-3-33. 氫原子的發射光譜譜線圖……………………………………….…………….. 275 圖 4-4-1. 8-11 年級學生於「物質組成」概念之類型分布圖…………………………….. 283 圖 4-4-2. C0 類型之示意圖………………………………………..……………………….. 283 圖 4-4-3. C12 類型之示意圖……………………………………………………………….. 284 圖 4-4-4. C2 類型之示意圖…………………………………………………………………. 284 圖 4-4-5. 8-11 年級學生「原子結構」概念之類型分布圖……………………………….. 286 圖 4-4-6. 「原子結構」模型－M2 模型…………………………………………………... 287 圖 4-4-7. 「原子結構」模型－M3 模型………………………………………………..…. 287 圖 4-4-8. 「原子結構」模型－M4 模型………………………………………..…………. 287 圖 4-4-9. 「原子結構」模型－M5 模型………………………………………………..… 288 圖 4-4-10. 8-10 年級學生於「原子結構之描述和說明」之作答情形…………………… 289 圖 4-5-1. 三組學生於原子概念問卷（II）前、後測總分之關係圖…………………….. 300 圖 4-5-2. 三組學生於「原子結構與結構」之心智模式改變情形…………………..…... 306 圖 4-5-3. 三組學生於「量子力學與軌域」之心智模式與改變情形….………………… 308 圖 4-5-4. 三組學生於「電子組態與週期性」之心智模式與改變情形…………………. 309 圖 4-5-5. 三組學生於「化學鍵結」之心智模式與改變情形……………………………. 310 圖 4-5-6. s20908 學生（類比建模組）於非選擇題 1-2 之作答情形…………………… 315 圖 4-5-7. 「電腦輔助建模組」學生（s21001）於連續與不連續光譜問題作答情形..... 319 圖 4-5-8. 「電腦輔助建模組」學生（s21013）於 α 粒子散射實驗結果作答情形…… 320 圖 4-5-9. 「電腦輔助建模組」學生（s21001）於電子運動與軌域形狀作答情形……. 321 圖 4-5-10. 「電腦輔助建模組」學生（s21009）於拉塞福原子模型作答情形………… 322 圖 4-5-11. 「類比建模組」學生（s20902）於電子能階的作答情形…………………… 323 圖 4-5-12. 「類比建模組」學生（s20935）於電子能階的作答情形…………………… 323 圖 4-6-1. 三組學生建模能力示意圖………………………………………………………. 327. IX.

(16) 表 2-1-1. 研究者對於模型的定義彙整……………………………………………………. 25 表 2-1-2. 學校科學與學生對於模型想法之比較…………………………………………. 42 表 2-2-1. 不同研究學者建模歷程彙整表…………………………………………………. 54 表 2-2-2. 建模歷程彙整表…………………………………………………………………. 57 表 2-3-1. 建模能力分析指標………………………………………………………………. 67 表 2-4-1. 相同情況下，不同金屬的 α 粒子散射數量……………………………………. 83 表 2-4-2. 「原子結構」模型發展之彙整…………………………………………………. 93 表 3-1-1. 8-11 年級學生模型本質問卷測驗人數………………………………………….. 111 表 3-1-2. 8-11 年級學生原子概念問卷（I）測驗人數分布情形…………………………. 112 表 3-1-3. 「講述教學組」、「類比建模組」和「電腦輔助建模組」人數表……………. 113 表 3-1-4. 本研究分析之國中教科書版本彙整……………………………………………. 113 表 3-1-5. 本研究分析之高中教科書版本彙整……………………………………………. 114 表 3-2-1. 研究工具與使用目的說明………………………………………………………. 115 表 3-2-2. 模型本質問卷雙向細目表………………………………………………………. 117 表 3-2-3. 原子概念問卷（I）評分標準…………..………………………………………. 119 表 3-2-4. 原子概念問卷（II）雙向細目表……………………………………………….. 121 表 3-2-5. 良好模型之特徵…………………………………………………………………. 123 表 3-2-6. 教科書於「原子理論」內容分析評量標準……………………………………. 124 表 3-3-1. 「講述教學」、「類比建模教學」與「電腦輔助建模」之課程規劃…………. 127 表 3-3-2. 類比建模教學教案－以「光譜與原子結構」單元為例………………………. 129 表 3-3-3. 電腦輔助建模教學教案－以「光譜與原子結構」單元為例…………………. 132 表 3-5-1. 學生於原子概念心智模式認知特徵編碼表……………………………………. 140 表 3-5-2. 學生於原子結構（原子穩定性）模式編碼表…………………………………. 141 表 4-1-1. 跨年級學生於模型本質問卷（模型定義）之作答百分比……………………. 145. X.

(17) 表 4-1-2. 學生於模型本質問卷（模型定義）單因子變異數分析………………………. 146 表 4-1-3. 學生模型本質問卷（模型定義）單因子變異數之事後比較…………………. 146 表 4-1-4. 跨年級學生於模型本質問卷（語意）作答情形………………………………. 148 表 4-1-5. 學生於模型本質問卷（語意）單因子變異數分析………………..…………... 149 表 4-1-6. 學生模型本質問卷（語意）單因子變異數之事後比較………………………. 149 表 4-1-7. 學生於模型本質問卷（語意－表徵形式）作答百分比………………………. 150 表 4-1-8. 學生於模型本質問卷（語意－科學與非科學範例）作答情形..……………... 151 表 4-1-9. 學生於模型本質問卷（語意－科學與非科學範例）配對 T 檢定……..…….. 152 表 4-1-10. 學生於模型本質問卷（語意－過程與物件）作答情形…..…………………. 153 表 4-1-11. 學生於模型本質問卷（語意－科學與非科學範例）配對 T 檢定…………... 154 表 4-1-12. 跨年級學生於模型本質問卷（本體論）作答情形…………………………... 155 表 4-1-13. 學生於模型本質問卷（本體論）單因子變異數分析………………………... 156 表 4-1-14. 學生模型本質問卷（本體論）單因子變異數之事後比較…………..………. 156 表 4-1-15. 學生於模型本質問卷（本體論－科學與非科學範例）配對 T 檢定………... 157 表 4-1-16. 跨年級學生於模型本質問卷（認識論）作答情形………………...…………. 158 表 4-1-17. 學生於模型本質（認識論）問卷單因子變異數分析………...………………. 158 表 4-1-18. 學生於模型本質問卷（認識論－科學與非科學範例）配對 T 檢定………... 159 表 4-1-19. 跨年級學生於模型本質問卷（方法論）作答情形…………………..……….. 160 表 4-1-20. 學生於模型本質問卷（方法論）單因子變異數分析……………..…………. 160 表 4-1-21. 學生於模型本質問卷（方法論－科學與非科學範例）配對 T 檢定…….….. 161 表 4-1-22. 學生於模型本質問卷（語意）因素分析結果………………………..………. 162 表 4-1-23. 學生於模型本質問卷（本體論－非科學範例）因素分析結果…………..…. 163 表 4-1-24. 學生於模型本質問卷（本體論－科學範例）因素分析結果…..……………. 164 表 4-1-25. 學生於模型本質問卷（認識論－非科學範例）因素分析結果……………... 165 表 4-1-26. 學生於模型本質問卷（認識論－科學範例）因素分析結果……………..…. 165 表 4-1-27. 學生於模型本質問卷（方法論－非科學範例）因素分析結果……………... 166 表 4-1-28. 學生於模型本質問卷（方法論－科學範例）因素分析結果……………..…. 166 XI.

(18) 表 4-1-29. 模型本質問卷各向度之平均數相關係數……………………..………………. 167 表 4-2-1. 跨年級學生面對不同現象或概念模型使用次數統計表………………………. 197 表 4-3-1. 國中教科書於「原子理論」單元之模型特徵分析……………………………. 224 表 4-3-2 . 國中教科書於「原子理論」單元類比使用情形……………………………… 229 表 4-3-3 . 高中化學教科書於「原子理論」單元之模型定義彙整……………………… 236 表 4-3-4. 高中教科書於「原子理論」單元之模型特徵分析……………………………. 238 表 4-3-5. 高中教科書模型特徵分析………………………………………………………. 239 表 4-3-6. 高中教科書依課程綱要於「原子理論」單元之模型特徵分析………………. 249 表 4-3-7. 分析高中教科書於「原子理論」單元完全符合良好模型特徵版本之內容說明............................................................................................................................ 252 表 4-3-8. 高中教科書於「原子理論」單元類比使用彙整………………………………. 259 表 4-3-9. 高中教科書於「原子理論」單元內容重建分析………………………………. 260 表 4-3-10. 依課程綱要分析不同階段高中教科書於「原子理論」單元之內容重建…... 266 表 4-3-11. 高中教科書於「原子理論」單元之建模歷程分析……..……………………. 268 表 4-3-12. 16 個版本高中教科書之建模歷程分析……………………............................... 268 表 4-3-13. 依課程綱要分析高中教科書於「原子理論」單元之建模歷程……………... 278 表 4-4-1. 8-11 年級學生於「物質組成」概念之作答情形…………….…………………. 282 表 4-4-2. 8-11 年級學生於「原子結構」概念之作答情形……………………………….. 284 表 4-4-3. 8-11 年級學生於「原子結構描述和說明」作答情形………………………….. 287 表 4-4-4. 現階段仿間國、高中教科書於「原子理論」單元之模型演變歷程…………. 289 表 4-5-1. 原子概念問卷（II）（前測）描述性統計………………………………………. 294 表 4-5-2. 原子概念問卷（II）（前測）單因子變異數分析………………………………. 296 表 4-5-3. 原子概念問卷（II）（前測）（次概念）單因子變異數分析……....................... 296 表 4-5-4. 原子概念問卷（II）（後測）描述性統計………………………………………. 297 表 4-5-5. 原子概念問卷（II）前後測總分配對樣本 T 檢定………….………………….. 297 表 4-5-6. 原子概念問卷（II）（後測）單因子變異數分析………………………………. 298 表 4-5-7. 原子概念問卷（II）（後測）單因子變異數分析之事後比較…………………. 298. XII.

(19) 表 4-5-8. 原子概念問卷（II）（後測）（次概念）單因子變異數分析……....................... 299 表 4-5-9. 原子概念問卷（II）（後測－量子力學）單因子變異數分析之事後比較……. 299 表 4-5-10. 原子概念問卷（II）進步分數之描述性統計…………………………………. 300 表 4-5-11. 原子概念問卷（II）（進步分數）之單因子變異數分析……..………………. 301 表 4-5-12. 原子概念問卷（II）（進步分數）單因子變異數分析之事後比較…………... 301 表4-5-13. 原子概念問卷（II）（進步分數）單因子變異數分析…………………..……. 302 表4-5-14. 原子概念問卷（II）（進步分數－原子本質）單因子變異數分析之事後比較 303 表 4-5-15. 原子概念問卷（II）（進步分數－量子力學）單因子變異數分析之事後比較 303 表 4-5-16. 原子概念問卷（II）後測之共變數分析摘要………………..………………... 303 表 4-5-17. 原子概念問卷（II）後測共變數分析之事後比較…………………………… 304 表 4-5-18. 原子概念心智模式編碼表…………...………………………………………... 305 表 4-5-19. 原子概念成就測驗描述性統計………………………………………………... 312 表 4-5-20. 原子概念成就測驗（總分）單因子變異數分析……………………………... 312 表 4-5-21. 原子概念成就測驗（總分）單因子變異數之事後比較……………………… 312 表 4-5-22. 原子概念成就測驗（選擇題）單因子變異數分析…………………………... 313 表 4-5-23. 原子概念成就測驗（選擇題）單因子變異數之事後比較…………………… 313 表 4-5-24. 原子概念成就測驗（非選擇題）單因子變異數分析……………….……….. 314 表 4-5-25. 原子概念成就測驗（非選擇題）單因子變異數之事後比較……..…………. 314 表 4-5-26. 原子概念成就測驗（非選擇題）之作答情形…………………………..……. 315 表 4-5-27. 原子概念成就測驗（次概念）描述性統計…………………………………… 316 表 4-5-28. 原子概念成就測驗（光譜與原子結構）單因子變異數分析…..……………. 316 表 4-5-29. 原子概念成就測驗（光譜與原子結構）單因子變異數之事後比較………... 316 表 4-5-30. 原子概念成就測驗（量子力學與軌域）單因子變異數分析……..…………. 317 表 4-5-31. 原子概念成就測驗（量子力學與軌域）單因子變異數之事後比較………... 317 表 4-5-32. 原子概念成就測驗（電子組態與週期性）單因子變異數分析……………... 317 表 4-5-33.原子概念成就測驗（電子組態與週期性）單因子變異數之事後比較………. 318 表 4-5-35. 原子概念成就測驗（化學鍵結）單因子變異數分析…………………..……. 318 XIII.

(20) 表 4-6-1. 三組學生於各階段建模歷程之平均得分………………………………………. 327 表 4-6-2. 各階段建模能力之 Kruskal-Wallis 單因子等級變異數分析統計量表………... 328 表 4-6-3. 各階段建模能力 Kruskal-Wallis 單因子等級變異數分析事後檢定統計量表... 329 表 4-6-4.「後測分數」與「建模能力分數」表現之 Kendall’s tau 相關統計…………… 330. XIV.

(21) Hodson（1992）認為科學教育的目的有下列三個：科學的學習（the learning of science），如理解由科學所產生的想法；關於科學的學習（learning about science），，如理解在哲學、歷史和科學方法的重要議題，和學習去做科學（learning to do science）如能夠參與那些獲得科學知識的科學活動，而達成這些目的最為關鍵的角色即是對模型（model）認識與建模（modelling）的能力。學生在科學的學習過程中，若能理解科學發展過程中模型的本質及其範圍與限制，教師教學亦提供學生機會去建立、表達和檢驗模型，如此將更有助於學生科學的學習。科學發展過程中，已有許多不同形式的「模型」，並且有許多不同形式的模型作為提供科學方法。模型形態或結構可減少所呈現現象的複雜性，讓抽象理論容易被理解，並可用來預測和推論，更是教師教學時相當重要且不可或缺的呈現方式，以及作為連結學校科學活動與真實科學之間的橋樑。然在科學探究活動教學中，模型與建模能力的培養卻常被忽略（Gilbert, 1995；引自 Crawford & Cullin, 2004）。過去，迷思概念與概念改變研究議題對科學教育研究取向產生很大的影響，然相關理論均未能解決學生學習困難的問題（Greca & Moreia, 2000）。因此，我們將回顧迷思概念和概念改變研究等觀點的代表性研究，說明為何它們無法說明學生的學習困難與研究的侷限性。隨後，則從模型與建模的觀點來探討學生對於模型的認識，以及如何影響學生概念學習和促進學生概念改變。. （一）迷思概念研究過去 30 多年，已有許多研究顯示學生進入教室前，對於現象或科學概念有不同的想法，而且這些概念或想法均相當難以改變。關於學生迷思概念（另有概念）的研究，由於皮亞傑的研究，其臨床晤談的研究方法影響學生概念的探究方式，並且造成了一股迷思概念研究的風潮。相關的研究與專書也風起雲湧般地出現，自從 1984 年 Duit 開始對學生迷思概念研究進行彙整，至 2009 年 3 月止，相關的研究已達 8,342 篇。1 1. 1984 年，Reinders Duit 開始針對學生迷思概念相關文獻進行蒐集與分類，在所建置之“Students' and Teachers' Conceptions and Science Education”網站所蒐集之文獻（文獻來源為期刊、會議論文和研討會論文等），至 2009 年 3 月，相關的研究文獻已達 8,342 篇。 1.

(22) （二）概念改變研究回顧科學教育研究取向，對於概念改變議題研究，1980 年代，受到 Kuhn（1962）科學革命觀的影響，科學教育研究也轉為概念改變研究取向，首先是 Posner, Strike, Hewson 和 Gertzog（1982）將學生概念改變類比於 Kuhn 的典範轉移，提出概念改變理論（CCM），對於概念改變研究產生極大的影響。1990 年代，概念改變相關性研究更是如雨後春筍般地出現，各種概念改變理論也相繼被提出，如 Vosniadou（1994）提出架構理論（framework theory），Chi（1992）提出本體論（ontology）類別，Thagard （1992）則從概念改變階層性來探討概念改變的難易程度，近來，則有多向度。然而，（multi-perspectives）概念改變的觀點提出（Duit & Treaqust, 2003；Chiu, 2008）概念改變理論著重於概念的轉變，那概念是什麼？為什麼有些概念難以改變？有些概念則較容易改變？許多理論均嘗試解釋此問題，惟仍未有較為一致的看法，而且許多相關性研究亦缺乏對學習產生有效的結果（Greca & Moreia, 2000），概念改變研究取向似乎已面臨瓶頸。（三）模型與建模研究的興起在建構主義的哲學觀下，科學學習需要學生去重新建構概念，以及產生有意義的內在表徵，並且能夠對其提出合理解釋與進行有效的溝通，在此過程中「模型」即提供了一個可以結合想像力與背景知識的橋樑，並形成一個可以運作的工具，因此模型與科學學習之間關係的重要性是無庸置疑的。從 1980 年代至今已有 30 年的時間，雖有許多概念改變理論被提出，但仍難以解決概念改變所面臨的困境，什麼才是影響學生概念改變難易的機制？為解決此困境，科學教育研究取向已轉變為「模型」和「建模」之研究取向2，相關性研究也正快速地擴展，許多研究學者已開始關注此議題（e.g. Gilbert & Buckley, 2000; Liu, Lai & Chiu, 2009；邱美虹，2007；邱美虹和劉俊庚，2008；賴俊文、邱美虹和劉俊庚，2010）。科學學習中，模型除了可提供解釋和預測外，它們也常被用來將資料做總結，或是啟迪實驗的設計（Craver, 2006）。建模則是包含許多複雜活動的過程，它也伴隨著許多不同能力的發展，因此，它不僅能解釋學生概念改變歷程，而且增添許多概念改變研究所缺乏之額外元素（Shen & Confrey, 2007），如學生對於模型本質之認識，或是推 2. 1999 年出版的《歐洲的科學教育研究》（Research in Science Education in Europe）裡面許多重要的文章均以心智模式（mental model）、概念模型（conceptual model）和建模（modellign）為研究的主軸。2000 年，I. M. Greca 和 M. A. Moreira 在 International Journal of Science Education 期刊發表 Mental models, conceptual models, and modelling。 2.

(23) 理、預測和解釋等能力之培養。Shen 和 Confrey（2007）即認為建模可透過多重表徵的方式來確認學生的推理過程，因此建模理論不僅可用來描述概念改變的機制與動態外，並可提供改進學生在概念學習之教學策略。但學生對於模型的觀點是什麼？我們如何協助學生進行建模呢？或如何培養學生的建模能力？雖然許多研究對建模提出不同的定義與歷程，但此方面研究仍著重於，對於模型與建模建模教學活動對於學生學習之影響（e. g., Halloun & Hestenes, 1987）理論發展仍較為缺乏，由於我們缺乏學生關於模型本質認識、模型認識與建模之間較為可信的觀點與理論，因此，本研究即針對此議題發展「模型」與「建模」的相關理論，藉以提供科學教育研究者與教師教學參酌。. 過去 30 年，關於認知心理學與人工智慧之研究，已給研究者對於問題解決的理解有更多認識，近十多年來，許多以「以模型為基礎的建模教學」均說明建模教學將使學生的學習變得更有意義，並且促進學生建立正確的心智模式與產生有意義的學習。除這些研究結果外，我們需要考慮學習者如何建構問題表徵，即學生如何建構模型，以及如何啟發來促進問題解決和有意義的學習，換言之，本研究著重的問題，分別是模型是什麼？學生如何建立與選擇適當的模型？模型和建模對於教科書之影響？學生如何透過建模教學活動增進其概念的學習？因此，本研究企圖從語意、本體論、認識論和方法論等多向度來探討學生對於模型本質的觀點，進而利用訪談的方法深入分析學生對於模型認識與如何建立模型。此外，本研究將著重於探討「原子」概念的歷史發展過程，分析我國教科書於「原子理論」所使用之模型與建模歷程為何，並深入分析不同年級學生對於原子概念之發展歷程，探討教科書如何影響學生學習「原子」概念之模型建立。最後，本研究透過以模型為基礎的不同建模教學模式，了解不同建模教學策略對於 11 年級學生原子概念學習之影響，以及學生建模能力與概念改變之相關性，冀能提供未來研究者有參考之依據。以下將分別就研究背景、研究動機、研究目的與問題詳細說明，隨後則針對研究中所出現的專有名詞加以詮釋與定義，最後則是界定本研究之範圍與限制。. 3.