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（下）

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所
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〔承《再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（中）》〕

n  中小學自然科課程中酸鹼概念的設計

依照自然領域課綱的界定，小學酸鹼概念的介紹停留在以經驗為導向，比較像此處介紹的第一種〈行為模型〉，在阿瑞尼斯之前，酸鹼性大都是從物質本身的內在性質去判斷（如是否含氧或氫），但是到了阿瑞尼斯，他提出物質是會解離出某種不同於原來的物質，使其出現酸鹼性，因而這種從巨觀的感官（觸覺、嗅覺）或觀察，進入到微觀世界的解釋，正如酸鹼單元的安排，國小階段從觀察和體驗自然現象的學習出發，在國中階段便邁向微觀解釋的科學認知。隨著年級的增加，高中則介紹布–洛學說的科學模型，將質子微觀概念納入酸鹼單元，惟重點以學科內容知識為主，對於科學家如何利用模型發展理論、解釋現象的科學模型本質與功能，較少觸及。對學生而言，在不同模型之間轉換—何時該使用何種模型來解釋科學現象是困難的（Carr, 1984）。教科書撰寫者應提供學生了解科學家利用科學模型解釋與預測科學現象的認知過程，經由實驗數據的支持或反駁既有的理論而必須強化或調整解釋的方式，甚至有時或許還需要對科學理論進行轉變。這種動態的科學模型發展史觀，應該適時地在科學教學中或教科書中呈現，讓學生透過自我建構、同儕討論共構、師生共構的過程認識模型的功能與效力，以發展出通則化的建模能力。

n  臺灣中學科學教科書與浙江中學科學教科書在酸鹼模型上的比較

中學教科書的撰寫大都以科學知識的傳遞為主，每次課程改革也都著重於概念知識量的多寡，對於科學模型的本質與建模歷程的價值，較少著墨。就筆者所接觸過的教科書中，浙江教育出版社八年級科學教科書下冊罕見的出現對模型意義的說明，以及對模型使用的目的及其功能加以評介（見圖八）。這種模型以及建模的概念也外顯式的出現在原子結構單元的介紹中（見圖九）。然而雖是如此，在酸鹼單元處卻未見該教科書中呈現各種酸鹼模型發展史，甚至阿瑞尼斯酸鹼模型也未提及，而僅以圖形呈現解離的概念（見圖十）。反觀臺灣國中自然與生活科技翰林版教科書，雖並未對一般的科學模型加以介紹，但在酸鹼概念的介紹中會提及阿瑞尼斯的解離說，且單元末以生動的漫畫方式介紹阿瑞尼斯的生平和解離說之發展歷程，透過情境化的教材讓學生了解科學活動的發生可能遭遇的問題。同時，在酸鹼單元中除以圖形呈現解離概念外，並佐以元素符號以結合多重表徵的方式呈現酸鹼概念（見圖十一），高中階段的化學課程也逐漸強調以微觀粒子表徵的方式讓學生認識酸鹼概念並建立科學模型。圖十二呈現以多重表徵的方式說明強酸和弱酸的解離現象，以利學生視覺化微觀現象進而有利建立正確的科學模型。作者認為教科書若能彰顯化學三位一體的概念—即巨觀、次微觀、與符號，並透過建模歷程引導學生去建構出化學概念系統，則可導向意義化與模型化的新科學思維。

圖八：浙江教育出版社（2015）八年級下冊科學教科書（p. 37） 

圖九：浙江教育出版社（2015）八年級下冊科學教科書（p. 43）（右方文字為作者自行加註）

 

圖十：浙江教育出版社（2015）九年級上冊科學教科書（p. 6）

圖十一：國中自然與生活科技八年級（二下）酸鹼中和（翰林出版社, 2016, p. 79）

圖十二：國中自然與生活科技八年級（二下）強酸弱酸解離狀況（翰林出版社，2016, p. 65）

 

圖十三：高二選修化學上冊（南一版，2014, p. 166）

n  結語

本文透過酸鹼模型的發展史嘗試去說明科學模型發展的動態特質，以及運用科學模型建立數據和現象之間解釋的關係的重要性。模型的認識與使用、模型的修正與轉換、模型的建構與重構，這些科學家不斷在其科學志業中反覆使用與發展的能力為何不能在科學教學中有意圖的教給學生呢？每位學生人手一本的教科書為何不能以最直接的方式告訴學生建立科學模型的意義與價值？為何建模能力的培養不能是科學教學的重要目標之一？科學知識的傳遞不應是瑣碎知識的堆砌、照本宣科的背誦，常言道： 給孩子魚吃，還不如教孩子釣魚的方法！ 同理，教給孩子們零碎的知識，還不如教他系統性的思考，透過有系統的模型建立、檢測、評估、應用、再造，找到適切的模型以達預測與解釋的效力。建模能力是跨學科的能力，它不應受限於學科內容，舉凡物理、化學、生物、地球科學，跨科的學習皆需要建模能力；由於建模是領域廣泛（domain-general）的能力，若能培養出高層次的建模能力，必可運用在跨領域（或跨界）的學習上。教學要能讓學生見樹（一個一個單一的概念）又見林（概念之間的關係所形成的系統），建模強調系統化的學習應可視為一個極佳且重要的教學策略！

n  附註

註1：作者於本文中將model一字分別翻譯成模式和模型，若是用在人類心智的表徵，它是表現的一種方式，如mental model則採用心智模式；若是指稱物件或理論等，如scientific model則採用科學模型，以區別兩者在基本屬性上的不同。

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