臺灣化學教育

軟體與平台在中小學化學教學上的應用：

質性與量化的視覺化建模工具—SageModeler簡介

鐘建坪

新北市立錦和高中國中部教師

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n   前言

    學習科學即是學習科學模型的歷程，藉由教師引導讓學生歷經產生、修正與重建模型的歷程，也就是讓學生不斷地精緻化自身的想法、覺察初始模型的侷限性進而轉變為科學社群接受的正確模型。

    模型的意涵並不抽象，只是我們一般都只會將模型視為初始層次的具體模擬物品。若能從具體物品中思考建模者的角色，則對於模型的觀點可以往更高階層次發展（鐘建坪、邱美虹，2014）。例如：對於初始想法的學習者，一台模型飛機只是飛機玩具，若能更深入探索模型飛機不同零件之間的關聯性，則可以逐漸提升學習者對於模型觀點的思考層次。若能再考量飛機模型設計者在其中扮演的角色，不僅理解模擬飛機零件之間的關聯，更思考模型設計者如何將這些設計元素與真實飛機產生連結進而具體化，則能再對模型的意涵加以提升。

    目前能夠具體勾勒出建模者內心建模想法的視覺工具包含多樣的心智圖軟體工具，例如：Freemind。它可以提供學習者將內心世界的想法具體表徵化，讓其他人能夠看見繪圖者內心想法的組成與其之間的關聯性。然而這些工具雖然提供視覺化的表徵內容，但是在科學學習上，卻缺少如何將這些已經視覺化的想法進行初步的測試，以利後續在科學實驗室中實際動手操作實驗。如此，在無法測試初始想法的前提下，學習者將想法精緻化的歷程會中斷甚至放棄。

    有鑑於此，本文嘗試介紹一項視覺化的建模軟體工具，它不僅可以建立心智組成的概念及其之間的關聯，更可以直接由操作控制變因，觀察產出的應變變因，在軟體上測試這些概念間的質性與量化關係，再藉由外部實際數據提供真實的數學模型協助學習者轉變初始的概念組成與其關聯性，進而轉變為科學模型。

n   簡介SageModeler與操作步驟

    SageModeler視覺化建模軟體是由美國密西根州立大學(Michigan State University)的CREATE for STEM Institute與非營利組織的Concord Consortium共同合作研發，目前已由國立彰化師大科學教育研究所李文瑜教授團隊完成介面中文化，便利於國內學生直接使用（註1）。

    操作上可以點選網址進入介面，先行觀看網址提供的簡介影片（圖1），讓學生有個大致的想法之後，再搭配操作步驟的學習單，即可讓學生獨立完成（註2）。以密度概念為例，影響物質密度的因素可能有物體質量以及物體的體積。首先教師引導學生畫出可能影響物質密度的相關因素，若是學生無法繪製則提供三個變因—質量、體積、密度（學習單步驟3）。接著讓學生確認不同變因之間的關係，以及可能的關係圖形（學習單步驟4至10），再讓學生自行模擬數據並將模擬的數據進行繪圖（學習單步驟11至13），等學生繪製到最後關係圖形時，再讓學生解釋數據圖形的意義（學習單步驟14至16）。

    已經學習過密度的國三學生實際操作熟練工具約需要40分鐘，若再考量學生如何將練習繪製的圖形意義化，則初階的工具訓練需要完整的一節課時間。

圖1 SageModeler簡介影片 (引自codap.concord.org；影片請點選超連結)

n   Sagemodeler個案教學範例

    本文作者讓1位國三學習成就中等程度的個案學生操作SageModeler學習理想氣體方程式（PV=nRT）基本量化的數學關係。國中理化與地科課程對於壓力、體積、溫度間的關聯性，只有簡要提及壓力與體積的定性關係而無定量關係。首先，讓個案學生以2個午休（共約50分鐘）的時間熟悉工具操作，過程中學生獨自觀看簡介影片，以及教師所提供的學習單。藉由學習單的引導個案學生逐步獨自完成步驟，過程中學生可以對照學習單的圖形確認是否正確，若有不理解，教師再從旁協助。為了確認學生能夠理解量化建模的關係，學生在練習中也須解釋學習單內量化數據關係圖的意義，以理解在一個操作變因不改變的情況下，另一個操作變因改變對應變變因的影響。

    接著再以2個午休的時間，讓個案學生完成相同氣球升空之後的模擬情境，也就是同一顆氣球升空之後會受到外在壓力與溫度的影響造成氣球膨脹。學生自行參考附件1，根據學習單的內容依序操作，若對於操作步驟不清楚則讓學生自行再次觀看簡介影片或是回顧前2天操作的學習單內容。

    學生一開始不清楚哪些變因會出現在此情境，因此教師提供三個變因（壓力、溫度與氣球體積）讓學生自行繪製出一個初步的變因關係圖（圖2）。此時學生認為「壓力大小不會影響氣球體積，但溫度大小會影響氣球大小的體積」。當學生建構出初步的概念模型之後再提供學生理想的數據及其繪製的關係圖（見表1與圖3），讓學生思索其自行建構的關係與理論值的差異。最後讓學生修正並說明變因關係圖形，此時個案學生認為「大氣壓力越高，溫度也越高但（氣球）體積小」、「（氣球）體積越大，（外在）溫度越低，壓力也越低」以及「莫耳數跟理想氣體常數都不會改變」，並能繪製出與理論圖形相似的圖形（圖3）。

圖2：學生以教師提供的變因，自行繪製變因關係圖

 

表1：提供的氣球升空相關變因數據

圖3：左圖為教師提供的理論關係圖，右圖為學生修正後繪製的關係圖

 

n   結語與啟發

    科學建模是科學家一直在執行的後設認知能力，科學教學者嘗試希望能在課堂中協助學生經歷科學建模的歷程，本文介紹的SageModeler即是一項協助教學者將概念模型中的次組成概念與其質性與量化關係透過視覺化協助學生理解。經過初步教學與學生實作之後，相關的結論與啟發如下：

(一)同時提供視覺化的質性與量化建模工具

   SageModeler不僅提供次概念與其組成關係，同時可藉由模擬的方式呈現模型內部質性與量化的關係，再依據呈現的結果思考其合理性進而做出修正。

(二)教師可以引導學生猜想實驗與理論值差異

   過程中教師可以協助學生思考模擬數據的關係與理論數值間的差異，再經由討論思索可能的影響因素，修正成為新的概念模型並持續模擬是否可以逐漸接近理論值。

(三)學生需要不斷地修正與精緻才能建構正確科學模型

   學生透過SageModeler進行建模，會依序建立次組成概念與其質性與量化關係，所建立的暫時性模型再經由與理論值比較思索差異的因素並做持續修正。修正歷程中學生可能仍然建立錯誤的概念模型，這時需要教師不斷地引導學生才能真正建構正確的科學模型。

 

n   附註

1.      中文化界面，網址：goo.gl/Qn1yJN；英文介面，網址：goo.gl/uWJndd

2.     SageModeler操作範例學習單。網址：goo.gl/wKScVR

 

n   參考文獻

鐘建坪、邱美虹（2014）。運用SOLO分類法探討科展活動之建模的類型—以八  年級物理科展為例。教育實踐與研究，27(1)，31-64。

 

 

附件1 氣球升空學習單

1.同樣一顆氦氣氣球從地面升至高空，請問影響氣球體積的因素有哪些?

 

2.請在SageModeler中繪製關係圖，若不清楚可參照簡介影片(網址：goo.gl/X5kDEL)

 

3.畫好之後，進行變因間關係確認。

 

4.關係確認好之後，進行模擬。

 

5.模擬完成之後，進行繪圖。

 

6.將繪製完成的圖形，利用ctrl+prt sc進行複製，再貼在小畫家中剪下貼在下方。

 

7.請解釋繪製完成圖形的意義。(完成之後才能翻至下一題作答)

解釋內容

 

8.汽球升空過程中，依據理論數值獲得的數據與圖形如下表。請問理論值與你模擬關係圖有何差異?你會如何修正你原先的變因關係?

9.請將修正後的變因關係，重新進行上方步驟4-6。並將修正後的關係圖剪貼於下方，並說明修改後圖形的意義。

誌謝

本文感謝行政院科技部提供經費補助，計畫編號為 MOST 105－2511－S－003－031－MY3。