臺灣化學教育

科學模型與建模：科學建模文本與其學習成效

鐘建坪

新北市立錦和高級中學國中部
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n  前言

科學家建構知識的歷程即是科學建模的歷程，他們經由實驗與所獲得的證據對現象進行推理，進而形成暫時性的科學模型。同樣地，學生科學學習發展的歷程亦可以稱為一種模型建構的歷程。唯有透過學生個體主動建構知識，才能逐步修正初始模型進而轉變為科學模型。為了協助學生適切地建構科學模型，多數國家以教科書作為學生知識建構的主要來源，然而教科書的內容往往只呈現科學成果的概念陳述而忽略知識建構的歷程。因此，許多研究針對教科書文本的設計型態進行改進，例如：概念改變與反駁式文本。其中概念改變文本（conceptual change text）設計的內容即針對學生可能的迷思概念進行修正與新概念的再應用（例如：Chambers & Andre, 1997）；而概念衝突文本（refutation text）為針對學生素樸觀點設計反駁的證據與推理，協助學生進行反駁自身的迷思概念（例如：Sinatra & Broughton, 2011）。雖然概念改變與概念衝突文本能夠基於學生先前概念出發，然而卻忽略學生的先前概念屬於網絡狀態以及過度簡化學生閱讀之後概念狀態的影響造成概念改變發生的情形。學者建議文本的設計應該考量學生初始的心智模型及其預設，透過系統性的科學建模歷程協助學生產生、建立與修正，進而形成正確而穩固的科學模型（Jong, Chiu, & Chung, 2015）。有鑒於此，本文介紹新穎的科學文本類型—建模文本（modeling-based text），並嘗試說明如何進行此種新式文本的寫作，並探討目前以此文本為主相關研究的學習成效。

n  建模文本的規劃與寫作

本節主要提供讀者如何進行建模文本寫作，以及需要考量的細項內容，內容包括設計新式文本時應該先以科學建模歷程為基礎、確認特定概念模型、外顯化科學建模歷程、接著思考如何活化並轉化學生初始的心智模型，最後正式進入內容寫作。以下詳細說明各個步驟。

一、以科學建模歷程為基礎

模型意指物件及物件之間的關聯，而科學模型即呈現科學概念與概念之間的關係。科學建模的學習即轉化科學家運用思考智能逐步建構科學模型內物件之間的關聯至科學概念的學習（鐘建坪和邱美虹，2014）。科學學習歷程中應該考量學習者先前心智模型與其預設，透過產生、修正與重建的步驟，協助學習者逐步建構正確的科學模型。雖然科學家建構知識的歷程有多種形態與模式，但是針對科學家行為與後設認知的研究仍顯示科學模型建構的歷程仍可歸納出特定解決問題的元素（劉俊庚和邱美虹，2010；鐘建坪，2010；Halloun, 1996；Hestenes, 1992；Nersessian & Patton, 2009；Schwarz & White, 2005）。Schwarz和White認為科學建構實際涵蓋搜尋相關資訊、界定研究問題、針對情境設計實驗、分析實驗數據、獲致暫時性模型等歷程，同時並將此歷程轉化為學生的科學探究歷程。Halloun和Hestenes運用科學建構的歷程使選修物理課程的學生能夠經歷模型選擇、建立、效化、分析、調度等歷程，進而促使這些學生建立正確科學模型。劉俊庚和邱美虹基於Halloun和Hestenes架構，額外增加評估與重建已建立的暫時模型，並認為應以非線性的循環歷程建構科學模型。雖然截至目前為止，建模歷程具有上述多種形態，歸納而言均強調學習者個體心智模型的產生、建立、修正與重建的歷程。因此，進行建模文本寫作時即應設定搭配的建模歷程，並著重如何協助學生獲得心智模型的轉變，以作為文本設計的依歸。

二、依據建模歷程進行設計

雖然建模教學已經獲致成效（e.g., Halloun, 1996; Saari & Viiri, 2003），但是搭配建模教學的科學文本卻付之闕如（Jong et al., 2015; Schwarz et al., 2009）。劉俊庚和邱美虹（2010）曾分析國內出版之高中化學教科書原子模型單元，發現教科書多數呈現模型選擇與建立較少著墨於模型效化與分析部分。有鑑於科學建模對於科學文本的重要性，Jong等人設計嶄新的建模文本，即以外顯化科學建模歷程的方式，讓學生依循建模步驟建構自身的概念模型，進而發展學生相關概念與建模能力。建模文本的設計觀點主要以建模歷程為基底，透過外顯化科學建模歷程，期望幫助學生知悉當下概念建構的目的與步驟，並提供學生反思自身已建構模型的侷限性，進而促使達成修正與重建的目的，以強調國內教科書缺乏的模型效化與分析部分。

以下舉Jong等人（2015）設計高二化學氣體定律單元設計為例，說明建模文本的寫作步驟以及留意事項。

(一)   確認特定概念模型

進行文本寫作時需先設定欲探討科學模型的概念範圍，例如：氣體定律涵蓋波以耳定律、查理–給呂薩克定律、亞佛加厥定律、理想氣體方程式。當範圍設定完成之後，接著思索文本內容概念建構的先後順序以及如何連結不同概念之間的關聯。

(二)   外顯化科學建模歷程

科學建模歷程主要依據劉俊庚和邱美虹（2010）提出之建模步驟：模型選擇與描述、模型建立、模型效化、模型分析與評估、模型調度與模型重建，循序建構波以耳定律、查理–給呂薩克定律、亞佛加厥定律、理想氣體定律式，以外顯化方式根據特定科學模型提供上述建模步驟，讓學生知悉目前屬於建構科學模型的何種步驟，藉以提供學生反思當下自身的認知結構。

(三)   思考如何活化並轉化學生初始的心智模型

學生進入課室之前已經具備相當生活經驗，而正確科學模型的內容與推理往往與學生生活經驗相左，造成學生錯誤的心智模型類型。文本設計學生科學學習的建模歷程應該思考如何活化學生原先既存的想法，並且透過建模的歷程讓學生轉變初始的心智模型。例如：部分學生對於粒子的觀點並非剛性而是具有隨外在巨觀（macro-）現象可改變的環境因素解釋次微觀（submicro-）的粒子行為。也就是指學生可能認為溫度影響次微觀粒子的大小，當溫度上升時，粒子隨之變大，以至於擠壓器壁造成壓力增加，而非來自粒子平均動能改變造成碰撞器壁頻率增加所致。

(四)   進行文本寫作

文本一開始提供閱讀的相關訊息內容，接著在每個建模階段的起始提供建模步驟的名詞定義與意涵，讓學生知悉閱讀該段落時自身正在進行的建模步驟，例如：模型描述與選擇的意義是觀察相似的現象之後會選取某些適切的概念或變因作詮釋，而模型重建則為思考既有模型的限制重新作調整等（見圖1）。其次依照建模步驟依序將科學模型的次概念依序納入特定步驟，包括：選擇與描述、建立、效化、分析與評估、調度與重建。

以波以耳定律文本為例，首先說明外顯化地呈現建模階段的意義並以胸腔呼吸過程強調可能的變因與關係（見附錄1），接著藉由變因的關係式呈現波以耳定律以建立出數學關係式（見附錄2），此時學生仍可能建構粗淺的數學關係式，因此透過效化的步驟協助學生反思波以耳定律關係式的合理性，例如：是否體積與壓力變因即可描述?是否有控制其餘可能的外在變因?是否可以提供初步的思考實驗作簡單的驗證數學關係式的合理性? （見附錄3）當學生明確思索壓力與體積之間的關係之後，再直接進行實驗或是提供實際的數據作為模型分析之用並檢驗壓力與體積關係式的合理性。再將確認過後的關係式藉由教科書的範例練習以應用至其他相似的情境，進而鞏固已經建構的想法（見附錄4）。在模型重建部分則可以將學生容易產生的迷思概念或是錯誤的心智模型可能的預設內容納入作為學生重建的依據，例如：學生通常認為壓力與體積相乘為定值即為波以耳定律，在計算演練時也可以得心應手，但是通常忽略溫度以及粒子數等條件的控制，因此透過文本的解說讓學生思索波以耳定律應用的條件並且引導出查理–給呂薩克定律（見附錄5）。

最後依照波以耳定律、查理–給呂薩克定律、亞佛加厥定律、理想氣體定律式完成氣體定律單元的建模文本。

圖1：前言說明科學建模的相關意涵

n  建模文本的學習成效

建模文本不僅讓學生思索科學建模的歷程，研究證實透過模型效化與重建的歷程更可以協助學生修正原先錯誤的心智模型（Jong et al., 2015）。接著分別介紹2個建模文本對於學生學習成效的研究作為佐證，其中第一個理想氣體文本為學生自行閱讀的研究（有興趣讀者可以參考Jong等人2015年發表在《Science Education》之研究），而第二個為建模文本搭配教師教學（有興趣讀者可以參考鐘建坪2013年博士論文之研究）。

一、 理想氣體建模文本

該研究探討沒有實際教學情況之下，15位高一學生閱讀建模文本，在理想氣體單元建模能力改變的成效差異。建模文本則依據邱美虹和劉俊庚（2010）提出之建模歷程，以相同版本教科書為基準，額外增加次微觀氣體粒子解釋巨觀現象的相關概念，並透過外顯化的方式使讀者辨識文本內容屬於哪一建模階段。結果顯示學生多能以次微觀的粒子行為解釋巨觀現象，且學生所建理想氣體模型的發展軌跡是先質性描述再到量化分析，從兩個變因的可能數學關係，再到多重變因的數學關係式，並且學生能建立以次微觀粒子解釋多重巨觀變因的數學關係式。

二、 牛頓第二運動定律建模文本

該研究探討實際教學輔助建模文本的情況之下，嘗試比較經過相同教師教學之後模型本位探究教學（model-based inquiry）、簡單探究教學（simple inquiry）以及講述教學（lectures teaching）在實際課室運用與學生的學習成效。教學過程中模型本位探究教學搭配建模文本，而簡單探究與講述教學搭配一般教科書文本。後測與延宕測驗時，模型本位探究組學生之建模能力（modeling competencies）表現顯著優於其餘兩組，顯示搭配建模文本之模型本位探究教學可以協助學生尋找變因與建立變因之間的關係、熟悉數據分析的歷程、透過生活情境證成已建模型的合理性以及將所建構之模型遷移至新的問題情境的能力比單單只有進行驗證性實驗與講述教學更具成效。

n  結論與啟發

模型與建模是科學中重要的元素，而化學學習與教學亦涵蓋多種化學模型與建構的歷程。然而目前教科書仍多以結果為主的陳述方式，忽略考量學生心智模型建立與轉變的歷程。雖然概念改變與反駁式文本能夠消除學生的迷思概念，但是仍需要透過系統性地知識建構歷程協助學生修正原始錯誤的心智模型。有鑒於此，本文揭櫫嶄新型態的建模文本、如何進行建模文本寫作並且提供目前建模文本相關實證性研究做為佐證。期望經由文本的協助，可以幫助學生思索當下心智模型的侷限性，進而誘發心智模型轉變的可能性。最後，建模文本提供研究與教學相關的意涵如下：

一、建模文本提供嶄新型態的科學文本

反駁式文本與概念改變式文本都是基於學生的迷思概念進行修正，然而研究顯示學生出現的迷思概念相當多樣，且教師進行教學途中亦會產生。因此，反駁與概念改變式文本缺少提供學生系統性思考與轉變的機會，而建模文本可以提供學生科學建模的系統性思考（system thinking），透過選擇、建立、效化、分析、調度與重建的歷程將其應用。而此種文本亦可搭配相關的教學策略，諸如：模型本位探究或是模型本位論證（model-based argumentation），作為協助教師監控學習者的認知改變的輔助工具。

二、建模文本需要考量學習者的科學建模歷程

雖然化學概念的建構已有一定的順序，但是不同的學生產生的心智模型不見得相同。傳統教科書文本只有強調科學事實性的陳述，忽略數據產生與不同假說爭辯的歷程。建模文本的設計考量學生可能產生的錯誤心智模型與其預設，當學生進行文本閱讀時能夠產生基礎觀點，再透過智識的挑戰進而修正與重建的歷程，逐步將錯誤的心智模型進行轉變而非只有科學事實的積累。

n  參考文獻

劉俊庚、邱美虹（2010）。從建模觀點分析高中化學教科書中原子理論之建模歷程及其意涵。科學教育研究與發展季刊，59，23-54。

鐘建坪、邱美虹（2014）。運用SOLO分類法探討科展活動之建模的類型—以八年級物理科展為例。教育實踐與研究，27(1)，31-64。

鐘建坪（2010）。引導式模型化探究教學架構初探。科學教育月刊，328，2-18。

鐘建坪（2013）。模型本位探究策略在不同場域之學習成效研究。國立臺灣師範大學科學教育研究所（未出版之博士論文）。臺灣。

Chambers, K. S., & Andre, T. (1997).Gender, prior knowledge, interest and experience in electricity and conceptual change text manipulations in learning about direct current. Journal of Research in Science Teaching, 34(2), 107–123.

Halloun, I. (1996). Schematic modeling for meaningful learning of physics. Journal of Research in Science Teaching, 33(9), 1019–1041.

Hestenes, D. (1992). Modeling games in the Newtonian world. American Journal of Physics, 60(8), 732–748.

Jong, J. P., Chiu, M. H, & Chung, S. L. (2015). The use of modeling-based text of ideal gas law to improve students’ modeling competencies. Science Education, 99(5), 986–1018.

Nersessian, N. J., & Patton, C. (2009). Model-based reasoning in interdisciplinary engineering. In A. Mcijers (Ed.), Handbook of the philosophy of technology and engineering sciences (pp. 687–718). Amsterdam: Elsevier.

Saari, H., & Viiri, F. (2003). A research-based teaching sequence for teaching the concept of modelling to seventh-grade students. International Journal of Science Education, 25(11), 1333–1352.

Schwarz, C. V., Reiser, B. J., Davis, E. A., Kenyon, L., Acher, A., Fortus, D., et al. (2009). Designing a learning progression for scientific modeling: Making scientific modeling accessible and meaningful for learners. Journal for Research in Science Teaching, 46(6), 632–654.

Schwarz, C. V., & White, B. Y. (2005). Metamodeling knowledge: Developing students’ understanding of scientific modeling. Cognition & Instruction, 23(2), 165–205.

Sinatra, G. M. & Broughton, S. H. (2011). Bridging reading comprehension and conceptual change in science education: the promise of refutation text. Reading Research Quarterly, 46(4), 374–393.

n  附錄

以下是波以耳定律的文本內容舉例

(1)   模型描述與選擇

(2)   模型建立

(3)   模型效化

(4)   模型調度

(5)   模型重建