臺灣化學教育

科學模型與建模：
探討日本東京地區學生之模型本質的認識

宋元惟、邱美虹*、鍾曉蘭

國立臺灣師範大學科學教育研究所
*[email protected]

n  緒論

科學家經常透過建構模型來解釋真實世界的現象，並且透過模型的運用進行估算、預測等發展科技，改善人類的生活。模型在科學研究與科學學習中佔有相當程度的地位，因此學習模型的本質、表徵、功能等乃現今科學學習之重要趨勢。

日本的漫畫最早追溯至12世紀平安時代的《鳥獸戲畫》。漫畫即以圖畫傳遞故事，藉由圖形、圖畫來理解事物的習慣已經深入日本人的生活之中。運用圖形來說明概念這點更影響了日本的教科書的型式，書中經常能看到繪製精細的圖形。剖面圖、結構圖、精細的圖表、局部放大圖、模擬圖等，種類繁多的各式圖形，均具組成、構造、關係，正是構成模型的三項重要元素。日本的學生究竟對模型抱持著什麼樣的看法呢？本文將對此進行探討。

n  模型介紹

模型是實物的模擬，模型表徵實際世界（Giere, 2010）。Achinstein（1968；引自劉俊庚，2010），將模型依據表徵分為四個種類如下，本文作者再佐以圖形說明：

1.        真實的模型（Ture model）：等比例縮小模型，如精緻的塑膠飛機模型（見圖一）。

圖一：塑膠飛機模型
（圖片引自：http://yuji.moe-nifty.com/blog/2011/08/post-d079.html）

2.        適當的模型（Adequate model）：表達重要特徵的模型，如紙飛機，只展示了機翼與大致上的結構（見圖二）。

圖二：紙飛機
（圖片引自：紙飛機的天空，交織著卓志賢的夢想，第63期，2008/03/27。）

3.        變形的模型（Distorted model）：以不同比例同時呈現的模型，如原子結構在表現出原子與原子核的大小差異，以及放大原子核部分解說原子核是由質子與中子組成（見圖三）。

圖三：原子模型
（圖片引自：http://www.asyura2.com/12/bd61/msg/347.html）

4.        類比模型（Analogue model）：教學上將水流與電流做類比，此為類比模型的使用（見圖四）。

圖四：水流與電流的類比模型
（圖片引自：外山宗治，効果的なイメージ化を図る理科学習，改良自：平成13年啓林館教科書理科1分野）

Gilbert和Boulter（2000）、Buckley和Boulter（2000）、Harrison和Treagust（2000）、吳明珠（2008）、周金城（2008）、林靜雯和邱美虹（2008）等許多學者根據模型的本體地位、表徵、本質、功能等，將之區分成數個種類，邱美虹（2008）的整合型研究以本體論、認識論與方法論三個面向的理論基礎探究學生對於模型本質的觀點（見圖五）。此架構說明認識模型本質應兼顧模型的本體意義、模型的表徵以及用途或功能，從三面向方能理解模型本質的全貌。

圖五：學生模型觀點的三面向示意圖（邱美虹，2008）

科學家建立模型用以說明現實世界的現象，除了電流的水流類比模型外，像是歐姆定律使用V = IR的數學式呈現三個變數之間的量化關係，幫助我們除了理解變數之間的關係，更能進行預測、推理。道爾頓的原子說主張原子不可再分割，建立了一顆原子為最小粒子的原子模型。而此模型在湯木生陰極射線實驗中，發現不同原子之金屬板仍可獲得相同結果，代表不同的原子有共同的更小粒子，推翻的道爾頓的粒子模型，建立葡萄乾麵包模型（西瓜模型）等。而拉塞福以湯木生的模型進行檢驗，在α射線實驗中發現少量大角度反射，發現原子核，提出行星模型。由上述例子，我們可以發現科學建構模型以說明、解釋現實世界，並在新的證據出現後，藉以修正舊有的模型。

1991年Grosslight等的研究結果顯示：(1).科學家擁有較高的建模能力；(2).模型的定義可分為三個層次，Lv1：模型是玩具，是與真實物品有相對應關係的複製品；Lv2：模型是模擬真實世界的實體物體，不是理論或想法；Lv3：理論或想法，或是用來表徵某些物體或事件。用來發展和驗證想法，這些想法通常是抽象的，不是實體的描述。而這三層定義顯示了受試者對模型的理解程度。理解程度越低者，在模型的運用上較理解程度高者停留在較為基礎的運用。對模型的理解程度越高，越能深入了解科學。

n  研究方法

本研究以問卷進行研究，使用的問卷修改自邱美虹（2015）國科會計畫的模型本質認識問卷，修改並翻譯成日文版，經一位日本科學教育現職教授與7名日本研究生確認，翻譯內容與原文表達的意思無誤。

本研究問卷主要分為五個問題，以三項理論為架構進行設計，分別為本體論、認識論、方法論。問題一是以認識論與一部分本體論進行設計，作答方式為可單可複選，選項由1-A至1-O共15題；問題二是以本體論中的模型改變與一部分的模型本質，以李克氏量表測量，認同度最高5分，最低1分；問題三則是關於建模歷程的問題，亦以李克氏量表測量；問題四是方法論中模型功能的部分，作答方式為可單可複選，選項由4-A至4-H共8題，以及外加4-I自填；問題五則是取自劉俊庚（2011）所設計，以Grosslight, Unger, Jay & Smith（1991）提出的三個層次所設計的問題。

研究對象為日本東京地區某公立中學，學生158名；同地區公立高中，理科學生83名；同地區公立大學，大學生文科61名、理科61名。

n  結果分析

本文僅就問題一和問題四進行分析。問題一的試題內容如圖六所示，受試者需選出自己所認定的模型，並且在下方寫上判斷為模型的理由。

圖六：問題一的試題內容

按年級區分後，問題一的作答情形之統計結果如圖七～圖十所示。

圖七：日本中學生在問題一的分佈百分比

圖八：日本高校學生在問題一的分佈百分比

圖九：日本文科大三學生在問題一的分佈百分比

圖十：日本理科大三學生在問題一的分佈百分比

由圖七至圖十可以得知，各年級在B、C、G上均有較高的同意度，特別是G水分子氫鍵示意圖，均有60%以上的同意度。其中A選項隨著年級上升而逐漸遞減，探究其原因應為文字語意造成。中文的模型翻譯成日文可有兩種字彙進行選擇，其一為本研究採用的「モデル」（MoDeRu）；其二為「模型」讀做もけい（MoKei）。中文的模型為一廣義詞，其包含「科學模型」、「塑膠模型、玩具模型」…等許多種類的統稱。而日文上「モデル」除了「模型」的意思之外，仍有「模特兒」的意思，依據上下文而定，故在此提問情境下，基本上排除這樣的解讀方式。但，在日語學習的過程中，欲表達「塑膠模型、玩具模型」的概念時，中學生會先學習筆畫較少的「モデル」，並以此稱呼「塑膠模型、玩具模型」、「科學模型」…等。「モデル」在此時包含的許多概念中，除了「模特兒」的概念以外，其餘均類似於中文的「模型」所包含的概念。而隨的年級增加，學生會開始接觸筆畫較為繁雜「模型」（もけい）一詞（日文）。而日文中的「模型」（もけい）為專指「塑膠模型、玩具模型」的字彙，因此「塑膠模型、玩具模型」的概念與「モデル」的對應關係會削弱，轉而由「模型」（もけい）一詞取而代之。故，隨年級增加，選擇A選項「直升機玩具模型」為「モデル」（模型）的比率下降。

問題四為模型功能，作答方式為可單選亦可複選，題目如下所示。

問題四的作答情形如圖十一至十四所示。

圖十一：日本中學生在問題四的分佈百分比

圖十二：日本高校學生在問題四的分佈百分比

圖十三：日本文科大三學生在問題四的分佈百分比

圖十四：日本理科大三學生在問題四的分佈百分比

各年級在A、C、F選項有較高的比率，而這三個選項分別為(A)「模型」可以描述特定的事物或現象。(C)「模型」可以解釋特定的事物或現象的關係。(F)「模型」可以表達內心的想法，而讓其他人了解。

n  結論與建議

由年級進行分析的結果顯示，隨著年級上升，有較多的學生模型概念發展至較高的層次。除問題一的A選項「直升機模型」在日文的語意上造成明顯下降的趨勢，各選項雖隨年級變化有些微的起伏，但整體特徵並無太大的變動。

問題四模型功能的結果顯示，各年級均集中在下列三項上：(A)「模型」可以描述特定的事物或現象。(C)「模型」可以解釋特定的事物或現象的關係。(F)「模型」可以表達內心的想法，而讓其他人了解。此三選項均與描述、溝通、說明有關，這呼應到日本教科書擅長運用圖形來說明概念的特性。層次與功能的交叉比對中，顯示了高層次者在功能上有較高、較廣泛的理解。

對於日本學生對模型本質的認識上，受惠於眾多學者對於模型的探究、問卷的開發，使得本研究能順利進行。模型的研究已在我國進行多年，我國的教科書發展也越來越往圖像化進行，台灣與日本學生對模型本質認識的跨國研究也許會是個新的方向。

n  致謝

          感謝科技部計畫補助（計畫編號: NSC102-2511-S-003-006_MY3）， 使本研究得以順利完成， 此外特別感謝東京學藝大學Masahiro Kamata 教授協助進行中學問卷調查以及其本人與其團隊成員給予問卷的建議 ，在此一併致謝。

n  參考文獻

劉俊庚（2011）：探討模型與建模對於學生原子概念學習之影響。臺灣師範大學科學教育研究所學位論文，1-405.

周金城（2008）：探究中學生對科學模型的分類與組成本質的理解。科學教育月刊，第306期，頁10-17。

吳明珠（2008）：科學模型本質剖析：認識論面向初探。科學教育月刊，第307期，頁2-8。

邱美虹（2008）：模型與建模能力之理論架構。科學教育月刊，第306期，頁2-9。

Achinstein, P. (1968). Concepts of science. Buckley, B. C., & Boulter, C. J. (2000). Investigating the role of representations and expressed models in building mental models. In Developing Models in Science Education (pp. 119-135). The Netherlands: Springer.

Giere, R. N. (2010). An agent-based conception of models and scientific representation. Synthese, 172(2), 269-281.

Gilbert, J. K., Boulter, C. J., & Elmer, R. (2000). Positioning models in science education and in design and technology education. In Developing models in science education (pp. 3-17). Netherland: Springer s.

Grosslight, L., Unger, C., Jay, E., & Smith, C. L. (1991). Understanding models and their use in science: Conceptions of middle and high school students and experts. Journal of Research in Science Teaching, 28(9), 799-822.

Harrison, A. G., & Treagust, D. F. (2000). Learning about atoms, molecules, and chemical bonds: A case study of multiple‐model use in grade 11 chemistry. Science Education, 84(3), 352-381.