臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan兩岸化學教育高峰論壇:科學建模本位的探究教學對學生化學電池的心智模式改變情形 ／曾茂仁、邱美虹
星期六 , 6, 7 月 2019 本期專題, 第32期/2019年7月 在〈兩岸化學教育高峰論壇:科學建模本位的探究教學對學生化學電池的心智模式改變情形 ／曾茂仁、邱美虹〉中留言功能已關閉兩岸化學教育高峰論壇:科學建模本位的探究教學對學生化學電池的心智模式改變情形
曾茂仁1,2*、邱美虹1
1國立臺灣師範大學科學教育研究所
2臺北市立大直高級中學
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建模文本探究教學
本研究的文本選擇103學年度翰林版教科書電池的化學效應，作為一般文本教學組的教材，而建模文本教學組則是將翰林版教科書的內容以外顯化的方式，加入邱美虹2016科技部計畫中的建模歷程，包括：模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型應用與模性調度的步驟，皆會以外顯化的方式融入，以完成建模文本的撰寫，並由一位具有科教背景的高中化學科教師針文本正確性以及邏輯性給予意見，以確保此份文本的效益。
針對建模文本增加入外顯化的建模歷程提示之外，更刻意加速課堂任務作為建模文本的特色：
一、外顯化建模歷程：
選用邱美虹於2016國科會計畫中提出的建模歷程，此建模歷程分成四部份，共八步驟(模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型應用、模性調度、模性修正與模性轉換)，在建立模型的過程當中，每個步驟皆有特定的任務。外顯化的主要功能在於學生閱讀文本時，可清楚知道本段目的，使學生更有方向的了解文本內容。在化學電池的教學主題下，單元本身內容未達較高層次的建模歷程討論，因此，本次建模文本設計並未提及模性修正與模性轉換。
二、課堂任務：
課堂任務的目的是希望同學以較為有架構的方式整理元件之間的連接關係或是系統層次的情境問題，讓學生在觀察教師演示實驗後（圖一），必須記錄所看到的元件、元件的連接方式、元件之間的關係以及現象的發生（圖二），在透過教師的引導，進一步的提及元件的限制。課堂任務是建立學生一套有系統的思考邏輯，對於教師而言，課堂任務也一個用來診斷學生在課堂學習的過程中，何種階段發生了狀況，需要給予學生協助。
透過文本的改編，一方面以外顯化的方式引導學生學習，另一方面更是引導教師使用建模本位探究方式進行教學。
圖一 教師演示實驗 圖二 教師引導學生思考元件、元件關係
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化學電池的心智模式
心智模式(mental model)為內在的概念表徵，也是內部概念連結成系統而外顯化結構表徵(Gentner & Stevens,1983)，Chi(2008)則認為心智模式亦可透過蒐集個別信念並組織而成。對於本研究中的心智模式主要分類依據為邱美虹(2008)針對電化學所提出七種心智模式進行分類，此七種化學電池的心智模式依據化學電池的成分、關係與延伸思考關係的正確性進行分類分別為：一、電池雛型模式：僅具備巨觀的電池成分；二、電池電解混淆模式：在電池外部連結一個電池，電路的判斷是由外部電池決定；三、電極混淆模式：混淆了電池電極的正、負極(陰、陽極)，在電極、電路與電池的反應皆與科學模式相反；四、電路雛型模式：具備大部分電池的組成成分及小部分電池的反應、通路的概念，但未建立完整的成分之間的關係；五、電路進階模式：具備電池的組成成分及電池的反應、通路的概念，但尚未建立完整的成分之間的關係，亦不了解延伸思考關係；六、類科學模式：具備電池的組成成分電池的反應、通路的概念，也建立完整的成分之間的關係，但尚未建立完整的延伸思考關係；七、科學模式：具備電池的組成成分及電池的反應、通路的概念，也建立完整的成分之間的關係，以及完整的延伸思考關係。
上述的心智模式分類方式，主要根據Vosniadou對於心智模式的定義所發展的內容，為了顧及完整性，因此在本研究中將diSessa對於心智模式的論點，針對學生心智模式不一致的情形加入「電池概念不完整」之心智模式，用以區分上述無法分類的學生，其心智模式的特性與範例說明的將呈現於表一所示。
表一：電化學電池的心智模式
- 教學成效
利用上述的化學電池心智模式分類方式，將學生教學前後的心智模式分類後將心智模式分佈情形整理於表二，做為討論心智模型分佈情形討論之依據。
「一般教學組」心智模式的分佈情形如表二與圖三所示，教學前，學生的心智模式幾乎集中於「電池概念不完整」高達96.3%，僅有一位同學之心智模式為「電極混淆模式」。透過一般文本教學後，學生的心智模式仍集中於「電池概念不完整」，但比例有下降達55.6%；亦有發展出新的心智模式，即為「電路雛型模式」其比例為25.9%，位居第二。若從圖4-3-0觀察可知，教學前，心智模式多集中於左方的心智模式(初始模式)；教學後心智模式朝右方的心智模式移動(綜合模式)，並且仍可看出教學前後於初始模式由96.3%降低至55.6%；綜合模式由3.7%提高於44.4%，但是，仍未觀察到有科學模式的產生。
圖三 「一般教學組」教學前後心智模式分佈情形
「建模探究教學組」心智模式的分佈情形如表二與圖四所示，教學前，學生的心智模式多集中於「電池概念不完整」高達70.8%，透過建模文本教學後，發現，「電池概念不完整」之心智模式已不存在，並且發展出在前測尚未有的心智模式：電路雛型模式、電路進階模式與類科學模式，教學後所發展出的心智模式其比例皆高於20%。若以圖三的分佈情形來看，教學前集中於左方之心智模式(初始模式)，透過教學朝右方的心智模式移動(科學模式)，並且教學前後於初始模式由87.5%降低至8.3%；綜合模式由12.5%提升至62.5%；科學模式由0%提升至29.2%，可知，透過教學有助於提升綜合模式與科學模式與降低初始模式的比例。
由上述心智模式的分佈情形可提出以下三個現象：一、教學前，學生的概念過於破碎與不完整，因此，大部的學生於教學前皆屬於「電池概念不完整」的心智模式，透過教學，會發現次現象降低情形顯著，表是透過教學有助於學生改善破碎與不完整的概念；二、教學後，皆有助於降低初始模式，提升綜合模式甚至科學模式的比例，此現象正與第一個現象互相呼應；三、透過不同的教學方式，所達到的最高心智模式不相同。
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教學反思
Schwarz(2009)提出關於建模本位教學將遭遇的挑戰，可分成兩部分，第一部分來自於教師對於科學課程的信念改變，教師必須從僅提供「固定」答案的教學方式，進而轉換成以證據為導向的知識建構方式進行教學，此教師信念的改變為建模教學現今所遭受的挑戰之一；第二部份來自於學生於科學學習中的情形，建模教學即為學生仿效科學家建立模型的過程，其中，科學家透過發表模型，並使用模型解釋或預測，因此，在建模教學中，必須著重於學生「發表」自行所產生的模型，使學生能夠有機會進行「口頭發表」。此兩部分皆為教學活動中極為重要的角色，因此，建模教學能夠落實，必須克服上述的挑戰。以下將提出本教學的反思內容：
一、建模文本與建模本位探究教學促進學生心智模式的改變
增加不同情境的探究問題與以學生為中心的方式，屬於建模本位探究教學規劃中的一部份。使學生思考不同情境的問題，以及自行選擇探究的主題皆能夠使得學生的心智模式產生更大幅度的變化，並且擁有更複雜的變化情形。根據研究結果，透過建模教學的學生心智模式改變的情形要一般教學明顯。
二、教學內容的改變
以學生為中心的教學方式，提供學生更多討論與反思的機會。針對研究問題與研究流程，皆由各小組自行討論與決定，與教師溝通後則開始蒐集資料。本研究中以白板的發表的方式，學生可使用各種表徵，發表各組的研究成果，透過小組間的比較與討論，增高了學生經歷模型效化的機會。從心智模式的改變情形可知，多元、彈性且以學生為中心的教學模式，有利於學生發生心智模式的改變，並且產生更為豐富的心智模式。
三、進行長期建模本位探究教學
本研究的課程內容未完成完整的建模歷程，未來能討論學生經歷完整建模歷程時，心智模式變化的情形。因此，希望透過長期的建模本位探究教學，能夠使學生經歷更為完整的建模歷程，對於研究而言，亦有助於了解建模歷程的起點與限制(Schwarz,2009)。
參考資料
Chi, M. T. (2008). Three types of conceptual change: Belief revision, mental model transformation, and categorical shift. International handbook of research on conceptual change, 61-82.
diSessa, A. A., Gillespie, N. M.,& Esterly, J. B. (2004). Coherence versus fragmentation in the development of the concept of force. Cognitive Science, 28(6),843–900.
Gentner, D. (1983).Structure-mapping: A theoretical framework for analogy. Cognitive science, 7(2), 155-170.geology laboratory-based course. Science Education, 92(4), 631-663.
Schwarz, C. V., Reiser, B. J., Davis, E. A., Kenyon, L., Achér, A., Fortus, D., … & Krajcik, J. (2009). Developing a learning progression for scientific modeling: Making scientific modeling accessible and meaningful for learners.