臺灣化學教育

科學模型與建模：
科學素養中的模型認知與建模能力

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所
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n  前言

本期專題主要是以科學模型的認識與建模能力的培養為主，其目的是希望藉由此專題引介即將於2018年實施的12年國民教育有關科學素養中模型建立的意涵與實踐。由於此次自然領域課程綱要的制定受美國〈下一代科學標準〉（Next Generation Science Standards, 以下簡稱NGSS）影響，故以下先簡介美國〈下一代科學標準〉的主要內容與精神，再引介過去在我國國民教育自然領域中未提及的「建立模型」的科學素養，以作為科學教師未來在設計校本課程、探究與實作、學習評量等之參考。

n  美國〈下一代科學標準〉

美國研究委員會（National Research Council, NRC）於2011年七月公布幼稚園到高中三年級（以下簡稱K-12年級）的科學教育架構（A Framework for K-12 Science Education）為NGSS做準備。該架構是根據既有的文獻中指出學生有效學習科學的研究報告，而提出從幼稚園到高中三年級學生應該知道的科學為設計的基準，這種證據為主的課程架構研發方式，教具說服力及可信度。參與此項工作的成員包括兩位諾貝爾獎得主、認知科學家、科學教育研究人員、及政策專家，合計18人。據此，NRC再分為四組團隊進行課程標準的制定，這四組分別是理化（physical sciences）、生命科學（life sciences）、地球（earth）∕太空科學（space sciences）、及工程、科技、和應用科學（engineering, technology, and applications of science）。注意，在這裡這四組團隊的分工並不是我們所熟知的物理、化學、生物、地球科學；化學和物理合併為理化，增加的是對工程的重視。這與美國在基礎科學人才的流失，因而提倡科學─技學─工程─數學（Science, Technology, Engineering, Mathematics, 簡稱STEM），或許有些許的因果關係。

NGSS 在2013年正式公布，其內容主要包括有核心想法（core ideas）、跨科概念（crosscutting concepts）、以及實作（practice）（見圖一）。以下分別介紹其意義（NRC, 2013）。

圖一：NGSS架構圖

l   實作（Practice）

實作乃是因為國人對這個詞彙比較有感。事實上practice的意義不僅是在動手做的層面，其主要是在描述科學家如何投入建構模型和理論的工作以了解自然世界，以及工程學家如何在他們實務工作中設計與建立模型和系統。不同於以往使用技能（skills）一詞，其最主要的原因就是強調科學探究需要的不僅僅只是技能，還須具備相關的知識才得以完成實作的工作。或許practice翻譯成「實踐」亦可達意，重在「知行合一」，且「知其然亦知其所以然」。而科學探究和工程設計不同的是前者包括形成問題，而此問題是可以被探討的。相較於工程設計，則包括形成問題，但此問題是可以透過設計解決的；顯見兩者之不同。NRC表示，之所以強調工程的重要，主要是強調STEM在生活中的重要性。

l   跨科概念（crosscutting concepts）

顧名思義，跨科概念即是指不同學科間的相互應用以連結彼此緊密的關係，其內容包括形態（pattern）、相似性（similarity）、多樣性（diversity）；因果關係（cause and effect）；尺度（scale）、比例（proportion）、數量（quantity）；系統（systems）和系統模型（system models）；能量（energy）和物質（matter）、結構（structure）和功能（function）；穩定（stability）和改變（change）。學習跨科概念是要學生清楚明白地了解不同領域間知識的關聯性，透過將這些概念組織起來才能獲得一個融貫且具科學性的世界觀。換句話說，跨科概念是要能見樹又見林，學生從了解學科內的概念拓展到不同學科上，了解其更上階概念的共通性，這是系統性的學習。

l   學科核心概念（Disciplinary core ideas）

最主要即是強調K-12的科學課程、教學和評量應該以科學中重要的面向為主。所謂核心的意義，NRC認為必須至少要包括以下兩點標準，當然最好是四點皆具有:

l 必須是跨科中較為重要的主題或是單一學科中關鍵概念；

l 提供了解或是探討更複雜的想法或解題時的關鍵工具；

l 與學生的興趣和生活經驗相關或是與社會和個人關心的議題相關；

l 在不同年級中逐漸加深加廣可被教授或是學習的概念。

這些學科指的是理化、生命科學、地球與太空科學、和工程、科技、及應用科學。

在這三向度中，建立模型與系統性思考是不容忽視的重要元素之一，因此在這些向度之外，NRC在NGSS中特別強調在這一波的課程改革中，有關對學生的學習表現必須要清楚的明訂預期的學習表現為何，才能判斷教學與學習的成效。而在評量上更必須清楚指出三面向在評量的準則。如表一所示：

表一：評量範例說明

n  12年國民教育自然領綱的科學素養

根據12年國民教育自然科學領綱中指出，其課題和跨科概念如下：

課題一：自然界的組成與特性，其所包含的跨科概念為物質與能量、構造與功能、系統與尺度。

課題二：自然界的現象、規律與作用，其包含的跨科概念為改變與穩定、交互作用。

課題三：自然界的永續發展：其包含的跨科概念為科學與生活、資源與永續性。

而在學習表現上架構包含探究能力與科學的態度和本質。探究能力則包含以下兩個面向：

一、思考智能：想像創造、推理論證、批判思辨、建立模型

二、問題解決：觀察與定題、計劃與執行、分析與發現、討論與傳達

科學的態度和本質則包括培養科學探究的興趣、養成應用科學思考與探究的習慣、和認識科學本質。

為達到培養這些科學素養的目的以及符合總綱強調「系統思考、符號運用」等能力的培養，除在學科內容上訂定主要的學科內容外，在高級中學部分，必修科目（物理、化學、生物、地球科學，每科各兩學分）8學分，領域必修四學分為「自然科學探究與實作」課程，期待透過實作體驗科學家發現問題、認識問題、解決問題的歷程，並能根據資料與數據，提出結論與表達溝通。

在建立模型的部分，自然科學的學習重點分別是：小學三、四年級的學生必須要能建立簡單的模型概念，理解形成實體模型的特性；小學五、六年級的學生要能經由簡單的探究建立模型，且能從觀察及實驗過程中，理解到針對同一現象可以存在不同的模型；國中七到九年級的學生則必須要能從實驗過程中理解複雜的現象模型，並能評估模型的優點與限制，進而能運用在後續的科學學習與生活中；高中10-12年級，必修課程中學生必須要能依據科學數據建立模型，並能使用類比或抽象的形式來描述系統化的科學現象，進而了解模型的侷限性。在選修課程中，學生則必須進而分析模型的特性，並隨著知識的複雜性、科技的發展與科學的發現而認知到須有修正既有模型的必要性（十二年國民基本教育自然領域課程綱要草案，2015）。

根據上述的簡要概述，圖二顯示思考智能與問題解決兩個向度內的四個要素間之複雜關係，除此之外，建立模型的思考智能更是可以作為問題解決時的思考架構，以循序漸進的模型建立、模型檢驗、模型使用等等促進問題的發現與解決。

圖二：探究能力中思考智能與問題解決的關係

以化學為例，化學知識的理解常需在微觀世界、巨觀現象、化學符號間相互轉換方能理解現象與微觀機制與物質組成的關係；分子結構、原子結構透過不同的模型（如填充模型、球棍模型、電子雲模型）展現其彼此之間的空間與化學反應關係；透過符號的呈現，使科學理論更加清楚變因之間的複雜關係（如PV = nRT），這些不同形式的科學模型具有推理、論證、解釋、預測等的功能，促進我們對有規律、系統化的現象得以用簡單易懂的模型來呈現複雜的現象，因此培養學生建立科學模型能力與發展思考智能，以作為問題解決與認識自然世界的運作是有其必要性的。

此次專刊特別邀請幾位作者從科學模型本質、建模歷程、建模能力、教師專業成長、建模文本、建模教學事例、建模能力評量、日本學生對模型的觀點調查等面向進行探討，每位作者重點不同，希望透過這些文章可以提供未來在推動與培養學生和教師對模型認知和建模歷程有較深入的認識，並能轉化後設計適合自己教學對象的課程或教案，以及發展適合評量學生建模能力的工具，從而改變學校的科學教學重點，進行更有系統性的科學素養培育之工作。

n  參考文獻

教育部（2015）。十二年國民基本教育自然領域課程綱要草案。台北:教育部國家教育研究院。

National Research Council (2013). Next Generation Science Standards. http://www.nextgenscience.org.

National Research Council. (2014). Developing Assessments for the Next Generation Science Standards. Committee on Developing Assessments of Science Proficiency in K-12. Board on Testing and Assessment and Board on Science Education, J.W. Pellegrino, M.R. Wilson, J.A. Koenig, and A.S. Beatty, Editors. Division of Behavioral and Social Sciences and Education. Washington, DC: The National Academies Press.