臺灣化學教育

翻轉教室—多重表徵的模型教學（上）

鍾曉蘭

新北市立新北高級中學
教育部高中化學學科中心
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n  動機與背景

一、  動機

學生在學習的過程中扮演了主動學習，積極建構的角色，個人知識的建構並不是由外在具體世界的反應，而是由個人心智主動建構。學生自小處在不同的生活背景與學習環境，加上個人的智力與學習風格不同，對自然現象的詮釋也會因人而異。因此，了解學生的先備知識及對現象的解釋模式有助於教學活動的設計與進行，也是教師引領學生進入科學世界的不二法門。

當遇到不同問題的情境時，將會決定學生使用的解釋形式，有關學生概念的研究對於瞭解學生所擁有的科學概念內容上，確實對於教師的教學與課程設計有著很大的貢獻。假如我們希望幫助學生學習更複雜的科學概念，可以透過迷思概念（misconception）或另有概念（alternative conception）的研究，使得教師瞭解學生對某些概念的原始想法或另有概念，則在教學上更能確定學生的起點行為，設計適當的教材來改變學生的另有概念，並且協助教師從事知識的整合（Lewis & Linn, 1994，引自鍾曉蘭、謝進生、賴麗玉, 2009）。如何藉由營造社會建構的學習環境，讓師生、生生之間的互動達到最大的教與學的效應，尋求多面向而且能啟發學生多重表徵轉換的教學設計應該是解決方法之一。

本教案設計一系列多重表徵的模型教學策略及教學活動，例如：應用電腦動畫所顯現的動態表徵配合文字、口語敘述等，說明化學反應的碰撞學說中粒子微觀機制，促進學生形成具有與現象相同屬性的心智模式。並進一步將教學中所探討的微觀現象（特別是粒子的隨機運動及粒子之間的交互作用所產生的化學反應的微觀機制）納入試題之中，從一連串的動態評量中，瞭解學生對化學反應速率相關概念的認知發展歷程，並藉著具體模型教具、電腦動畫與角色扮演肢體等多重表徵的模型教學活動讓學生進行聚焦的練習，以期激發學生認知的潛能（Boulter & Buckley, 2000；鍾曉蘭、謝進生、賴麗玉, 2009, 2010）。

二、  理論背景

「分類」是學習者處理大量知識訊息的關鍵過程，當表徵作為學習的媒介時，表徵的分類尤為重要（Boulter & Buckley, 2000）。各家學者對表徵的分類方式及向度不盡相同，Boulter & Buckley （2000） 提出以表徵的方式和表徵的屬性兩個不同的維度來分類及解釋模型：表徵的方式主要分為五種－具體的（concrete）、語言的（verbal）、視覺的（visual）、數學的（mathematical）、動作的（gestural），又可細分為單一或混合的表徵方式。表徵的屬性則分為量化或質性、動態或靜態、決定的或隨機的。五種不同的表徵方式說明如下：

1.        具體的（Concrete）：可觸知的實體，如塑膠製的心臟模型。

2.        語言的（Verbal）：可聽或可讀的陳述、解釋、論點、類比、及譬喻，如心臟就像是一個幫浦。

3.        視覺的（Visual）：可被看到的表格、動畫、模擬、影片，如以線段及圓圈呈現月蝕發生的原理。

4.        數學的（Mathematical）：被化約為公式、方程式、及符號的表達形式，如行星運動軌跡的方程式。

5.        動作的（Gestural）：以肢體動作表達的形式，如學生角色扮演太陽系中星體的運動，包括行星的公轉與自轉。

有些表徵的呈現並非單一方式，而是結合兩種以上的表徵方式與屬性，藉以補足單一表徵各自的限制，讓學習者更能了解現象的過程或原因。舉例說明，以動畫顯示心臟中血液流動的情形，並加上文字與言語的詳細解說就可以分類為視覺的混合模型，而表徵的屬性則歸類為質性–動態–決定的；讓學生以角色扮演的方式說明墨汁在水中擴散的情形，並輔以教師言語詳細解說的課室活動就可以分類為動作的混合模型，而表徵的屬性則可歸類為質性–動態–隨機的。

n  教學目標

本教學設計的目的主要分為五部分：

一、   以多重表徵的模型教學活動與教材改善學習環境：將多媒體教學軟體與課程內容結合，設計電子化教材，讓科學課室的教學多元化、活潑化。

二、   以多元教學活動提升學生學習動機：設計多元的活動讓學生們學習以不同的表徵與策略來學習抽象的化學概念，能夠提升其學習的動機與興趣。

三、   以多元教學活動增進學生解釋能力：學生經模型化的活動，能夠理解現象背後的科學原理，並提出相關的解釋，藉以提升學生解釋的能力。

四、   以多元評量方式評量學生的學習歷程：從一系列評量中瞭解學生對化學反應速率相關概念—碰撞學說、影響反應速率的因素（濃度、溫度、催化劑）的認知發展歷程，不僅可以增進師生互動，也可以隨時修正教學方法與教材。此外在綜合討論的活動採取小組討論與小組發表，讓評量方式更多元。

五、   以多元教學活動提升學生學習成效：模型化經驗有助於學生科學概念的學習，模型化的過程提供學生使用形式表徵的實際經驗，學習科學推理的技能。

n  教材活動設計／模型活動

一、  教材／活動設計

教材與教具方面分為傳統文本、學習單、電子化投影片、粒子運動模型（具體模型）及電腦動畫（視覺模型）。多重表徵的模型教學活動設計則依據模型表徵的方式來設計一系列的教學活動，其中應用了具體混合、視覺混合、數學混合、動作混合及語言混合等五種混合式的模型教學，模型的表徵屬性則與所欲觀察或建立的現象相同。教學策略則分為六大類：具體模型（粒子運動的動態模型）、電子化投影片教學、推導數學公式、電腦動畫教學、角色扮演及師生討論等（詳見表1）。

有些表徵的呈現並非單一方式，而是結合兩種以上的表徵方式與屬性，藉以補足單一表徵各自的限制，讓學習者更能了解現象的過程或原因。舉例說明，以動畫顯示心臟中血液流動的情形，並加上文字與言語的詳細解說就可以分類為視覺與語言的混合模型，而表徵的屬性則歸類為質性－動態－決定的；讓學生以角色扮演的方式說明墨汁在水中擴散的情形，並輔以教師言語詳細解說的課室活動就可以歸類為動作的混合模型，而表徵的屬性則可歸類為質性－動態－隨機的。

表1：多重表徵的模型教學活動設計

二、  模型活動

此部份說明模型設計、教學活動及說明的相關概念等面向，詳見表2。八節課的教學活動以投影片連接整個教學歷程，不僅納入傳統教學的文本／學習單的內容，並與師生討論、電腦動畫結合，也將許多整合性的圖、表納入投影片，讓科學課室的教學多元化、活潑化，以期提升學生學習動機及多重表徵轉換的能力。具體模型教具與角色扮演活動、師生討論等活動，則將抽象的微觀粒子運動及化學反應的碰撞學說概念轉為實體或動畫，可以幫助學生對於粒子微觀運動和化學反應機制（濃度、溫度、催化劑如何影響反應速率）等概念的理解，並進一步提升學生學習興趣。

表2：多重表徵的模型設計原理

〔續《翻轉教室—多重表徵的模型教學（下）》〕