臺灣化學教育

再談科學模型與建模—
從酸鹼模型發展史談起（上）

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

2016年《臺灣化學教育》期刊曾以「科學模型與建模」為專題，出版8篇文章，其中不乏對模型與建模觀點的評介（邱美虹，2016）、臺灣和芬蘭教科書原子結構單元之比較（周金城，2016）、跨國學生模型觀點的比較研究（宋元惟、邱美虹、鍾曉蘭，2016）、教師模型觀（林靜雯，2016）、科學建模文本的成效（鐘建坪，2016）、科學建模的教學設計（王嘉瑜2016；洪蓉宜和張欣怡，2016；鍾曉蘭，2016）。本文擬再就該主題進行討論，並從科學模型發展史的角度探討科學家在理論發展的過程中如何透過模型發展出解釋科學現象的理論，這種引介科學家模型發展歷程的教學，為「真實性學習（authentic learning）」教學取向之一，可作為12年國民基礎教育自然領域建模能力培養之參考。

n  科學模型發展史與建模歷程

科學的發展常透過理論的建立來闡述科學現象中複雜變因之間的關係。根據史料顯示，我們不難看到科學模型的建立在科學家發展理論的過程中扮演重要的角色，譬如法拉第很早就以描述性的圖繪方式繪出電磁場的概念並用以說明電場和磁場之間的互換現象、這觀點對後來馬克士威（Maxwell）發展電磁學理論有深遠的影響，且馬克士威也大量使用模型化的方式發展他的理論（Nersessian, 1992）、其它如牛頓定律、氣體動力論等等皆然，顯示建模是科學推理主要的過程，科學家產生、測試、具體化具有創意或可實行的想法，再透過一系列精煉模型的過程對科學現象加以描述與預測（Halloun, 2006）。在科學史上科學家運用系統性的推理方式發展理論，無異可以視為是一部科學模型發展史。

從科學哲學或本體論的角度觀之，Bunge（1974）認為模型可以視為是知覺的現實（perceived reality）和理想化的（idealized reality）現實之間的橋樑。換言之，模型是一種表徵，以簡約的方式呈現特定或複雜的關係，並盡量以逼近真實的現象來呈現。孔恩（Kuhn）則認為模型可以用在物件或是信念上，如原子、場、超距力等，但未必以實體存在；換言之，孔恩認為科學家可以相信理論實體和真實物體對應間的關係，但本體信念上未必能完全對應。因此，孔恩認為模型可以說是「在典範內問題的模型化解答（model solutions to problems within a paradigm）」（Gilbert, Pietrocola, Zylbersztajn, & Franco, 2000, p. 28）。而其他學者從認識論的角度探討模型時認為，模型可以代表一個物件、現象、過程、系統（Gilbert & Boulter, 2000）。而科學模型是一種將某系統的重要特性抽象化和簡化以解釋和預測科學現象的表徵（Schwarz等人，2009）。Lesh和Doerr（2003）從認為模型是透過外在的記號系統來表示成分（elements）、關係（relations）、運算（operations）、和規則（rules）之間彼此的交互作用（引自Schwarz等人，2009）。

Nersessian（1992）從認知歷史分析觀（cognitive historical analysis）出發，她認為發展科學理論是一種建模（modeling）活動，在心智中透過一連串的抽象化技巧（如想像力的推理、類比推理、思考實驗及個案分析），從既有的知識中產生新的概念表徵，進而產生科學理論。此觀點與Johnson-Laird（1983）指稱人類認知行為不僅是用模型來理解（make sense）周遭的世界，也能促使我們有效且不矛盾的建構知識，進而使這種建模歷程成為行為的常規（Halloun, 2006）。

Schwarz 等人（2009, p. 635）也指出，建模整體的過程就是不斷產生模型的過程。她認為學生應經歷下面四個建模過程才能了解建模的意義:

1.         學生建構與證據和理論一致的模型，以對現象進行說明、解釋或預測。

2.         學生對不同的模型進行評價以正確的表徵和說明現象中的型態（pattern），並得以預測新的現象。

3.         學生使用模型說明、解釋或預測現象。

4.         學生修正模型以增加解釋力和預測力，並考量新的證據或現象額外的面向。

那在教學過程中，科學教師如何處理模型與建模呢？一般而言，科學教師在科學教學中也會使用科學模型，有時是用來說明一個現象，有時是在解釋現象背後的理由。如教學上談到DNA結構時，生物教師會以DNA模型來說明雙股螺旋的結構；或是談到月相成因，會以三球儀來說明日、地、月的相對位置造成月相的變化情形。又如化學上強調巨觀、微觀、符號三位一體的重要性，根據不同的教學目的，在微觀上會運用不同的模型（如球–棍模型、空間填充模型、路易士電子點模型、電子雲模型）來達到教學目標，這種多重表徵的教學，也屬於模型教學的一種類型。但是針對科學模型的本質、目的、價值、與建構模型的歷程，通常較少見於科學教學中，就算是有，通常是以比較隱晦的方式去呈現，較少會以外顯的方式清楚明確的去教導學生認識科學模型與說明建構模型歷程的重要性。大部分的教學以模型為解釋科學概念的工具，而非去說明模型的功能與其可作為促進理論發展或進行預測時的利器、甚至不會去探討模型的侷限性。有鑑於此，推動科學模型化的思考與建模能力的發展應是當務之急。

n  酸鹼學習的研究

酸鹼在中小學科學教育中是一個重要的基本概念，同時它與生活的關係非常密切，在小學階段，酸鹼概念的引介，通常是從感官經驗出發，從觸覺、味覺等來認識酸和鹼的性質；譬如嚐起來是酸酸的就是酸、摸起來滑滑的就是鹼，這種從感官出發的學習，雖然非常直覺，有時也適用，但是該準則只是一些表面的特質，並不能完全適用在酸鹼物質的判斷。因此，隨著年級的增加，中學的學習內容便逐漸引介酸鹼理論模型，以說明物質的結構與在水溶液和非水溶液中的〝行為〞表現，因此酸鹼必須重新給予科學上的定義。此時，學生在酸鹼知識的學習進展上，不再以感官為主、也不能再望文生義（如誤以為〝碳酸〞化合物就是酸），而開始有系統地了解知識體系建立的原理原則。縱使如此，相關研究指出，學生在酸鹼概念上的學習仍是以表面的性質來認識與建立酸鹼概念，而非經由推理和論證的方式去理解酸鹼（Nakhleh, & Krajcik, 1994；Posada, 1997）。根據Lin和Chiu（2007）的研究顯示，學生酸鹼的心智模式^註1有四種：首先是現象模式（Phenomenon Model），意指學生以巨觀的性質判斷酸鹼（如毒性、腐蝕）；其次是中文字和符號模式（Character-Symbol Model），意指學生以中文字和符號來認識酸和鹼，如碳酸鈉，有碳酸二字就是酸，化學分子式中有H符號，就是酸，或是有OH就是鹼；中和就是溶液酸鹼性呈中性（即pH值等於7）等的誤解。第三種則是推論模式（Inference Model），誤以強酸與強鹼的中和反應概念可以應用到強酸與弱鹼、強鹼與弱酸或是弱酸與弱鹼的中和反應。最後一種才是科學模型，學生酸鹼的心智模式發展，與科學史上酸鹼理論的發展有不謀而合之處（Lin和Chiu, 2007）—從直觀、感官到理論通則化的發展歷程。基於此，以下將介紹酸鹼發展史以一窺其理論發展如何面對挑戰與修正的足跡。

〔續《再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（中）》〕