臺灣化學教育

科學模型與建模：設計建模與多重表徵的模型教學活動以增進高二學生的化學學習—以化學鍵、分子混成軌域、分子形狀與結構為例（下）

鍾曉蘭

新北市立新北高級中學
教育部高中化學學科中心
chshirley2007@yahoo.com.tw

 

〔承《科學模型與建模：設計建模與多重表徵的模型教學活動以增進高二學生的化學學習—以化學鍵、分子混成軌域、分子形狀與結構為例（中）》〕

n  研究成果

一、教學成效分析

(一) 兩組學生教學成效比較

兩組學生在三次評量中的顯著性比較見表7，評量1是在教學前進行的，從顯著性比較中我們可以了解到兩組學生在教學前對於的相關概念上並未達到顯著差異（independent-t test, t(70) = 0.06, p = .950)，兩組在評量2與評量3之間的顯著比較則以評量1為共變數，進行ANCONA test，分析結果顯示，建模+多重表徵模型組（N = 36）經過多重表徵的模型與建模歷程的教學活動之後，在評量2的答題表現大幅度的進步，而且與建模組之間達到顯著性的差異（F(2,69) = 4.07, p < .05）。教學之後兩組再進行評量3的測驗，兩組成績亦達到顯著性的差異（F(2,69) = 17.71, p < .001）。

表7：多重表徵模型組與傳統教學組三次評量兩組之間的顯著差異分析

註：1. MM組為建模+多重表徵模型組（N = 36）；M組為建模+一般分子模型組（N = 35）

2. 評量1兩組進行independent-t test；評量2,3則以評量1為共變數，進行ANCOVA test

(二) 兩組學生組內教學成效分析

接著以paired-t test分析兩組學生在不同評量組內成績是否達到顯著進步，分析結果顯示，兩組在教學的歷程中每次的評量成績皆達顯著進步，詳見表8。不論是進行建模教學或是建模＋多重表徵模型教學，對於學生學習共價鍵與分子結構等概念都有顯著的幫助。特別是建模＋多重表徵模型組的得分率在教學中∕教學後大幅揚升至45.2/67.2％，顯示出多重表徵的模型教學活動將抽象的微觀粒子運動及VSEPR理論等抽象的概念轉為實體或動畫，可以幫助學生對於概念的理解，因此在教學後建模＋多重表徵模型組達到67.2％的正確率。不過兩組學生在教學歷程中，究竟在哪些子概念上發生不同的演變途徑，仍有待研究者進一步分析。

表8：建模+多重表徵模型組與建模組不同評量組內的顯著進步分析

n  結語

一、  建模教學有助於學生學習σ鍵與π鍵與分子形狀相關概念

不論是進行建模教學或是建模＋多重表徵模型教學，對於學生學習概念都有顯著的幫助。特別是建模＋多重表徵模型組的得分率在教學中∕教學後大幅揚升，顯示出多重表徵的模型教學活動將抽象的微觀粒子運動及VSEPR理論等抽象的概念轉為實體或動畫，可以幫助學生對於概念的理解，因此在教學後建模＋多重表徵模型組達到67.2%的正確率。

從兩組學習成效來看，本研究利用建模歷程融入教學，在建立學生σ鍵與π鍵、分子形狀兩個子概念的成效較為顯著，顯示出學生能夠藉由建立模型而形成適當的表徵，並用於解決問題（模型應用），這部份的結果與Justi & Gilbert（2002）所提出的觀點一致。

二、  具體模型教具與角色扮演活動的開發有助於科學概念的教與學

在本研究中，研究者將自製的分子模型設計成具體混合模型及動作模型，將抽象的微觀概念轉為實體或角色扮演活動，可以幫助學生對於共價鍵與分子結構相關概念的理解，的確能有效的幫助學生在「化學鍵、分子混成軌域、分子形狀與結構」的科學學習與概念改變。建議科學教師教師在設計呈現模型前要先瞭解現象（phenomenon）與呈現模型之間的對應（包括相似的部分與模型限制的部份），才能使呈現模型與目標的現象達到一致性。教師在設計各種呈現模型之前，必須要思考呈現模型中每一個物件與現象中的物體的對應關係、意涵是否適宜及正確，當教師提供的表徵、呈現模型與現象的結構、行為與機制的訊息達成一致時，呈現模型則可以幫助學生進行以模型為基礎的學習。

三、  將多重表徵的模型與建模教學活動融入教學策略有助於學生學習

本研究的教學設計融合多重表徵的模型活動與建模歷程（模型的選擇、模型建立、模型效化、模型調度與應用，Halloun, 1996；邱美虹，2008），不論從三次評量的顯著考驗結果，研究結果皆說明多重表徵模型＋建模教學的成效是顯著優於建模教學，且兩組組內的學習成效亦達顯著進步。建議科學教師在課室活動中可以採用建模與多重表徵的模型教學，幫助學生藉由呈現模型與不同表徵之間的交互作用，來觀察並進一步瞭解現象中所蘊含的科學模型，藉以動態修正或精緻化個人的心智模式（Gobert, Snyder & Houghton, 2002；Nersessian, 1999；Gobert, 1994，引自吳明珠，2004），進而促進學生在建模的歷程中形成適當的表徵，用模型表達個人的想法、進行溝通乃至於解決問題，學生在建模歷程中同時伴隨著心智模型的修正與精緻化的過程（Justi & Gilbert, 2002）。

四、  學生迷思概念主要集中在π鍵的共振與分子結構（分子形狀、順反異構物），學習困難主因為無法理解鍵結可否旋轉的抽象概念與空間能力不足。

從學生的迷思概念的分析中，顯示出學生在學習混成軌域與鍵結時，常無法理解抽象的概念，也常誤解了鍵結原理與混成軌域的空間，既使能說明出p鍵不能繞軸旋轉，而s鍵可以旋轉的概念，並不表示學生能夠進行分子結構的空間操弄，這些學習上的困難與文獻中提及的多半相同（Peterson & Treagust, 1989，引自劉俊庚，2002；Taber, 1995；Robinson, 1998，引自呂益準，2005；邱美虹、傳化文，1993）。

n  致謝

本研究獲98學年度教育部中小學科學教育專案經費補助，特此致謝。

n  參考文獻

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2.        呂益準（2005）：以混成軌域之電腦多媒體教導學生判斷分子形狀（未出版碩士論文）。國立臺灣師範大學，臺北市。

3.        邱美虹、傳化文（1993）：分子模型與立體化學的解題。科學教育學刊，第一卷第二期，161-188頁。

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5.        邱美虹（2007）。模型與建模能力之理論架構。論文發表於中華民國第二十三屆科學教育學術研討會。2007 年12 月13-15 日。高雄：國立高雄師範大學。

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8.        劉俊庚（2002）。迷思概念與概念改變教學策略之文獻分析－以概念構圖和後設分析模式探討其意涵與影響（未出版碩士論文）。國立臺灣師範大學，臺北市。

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10.    Buckley, B. C.＆ Boulter, C. J.(2000).Investigating the Role of Representations and Expressed in Building Mental Models. In J. K. Gilbert ＆ C. J. Boulter (eds.).Developing models in Science Education，(pp.119-135) Netherlands: Kluwer academic Publisher.

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15.    多媒體教材部分：沈俊卿、李偉新、林世明（2004)。探討分子軌域與形狀（台北市93年度中小學多媒體教材甄選佳作作品)。台北市多媒體教學資源中心，網址：http://etweb.tp.edu.tw/epa/paper_show。