臺灣化學教育

兩岸化學教育高峰論壇:教師模型、建模內容知識與建模本位教學內容知識之發展

林靜雯

國立台北教育大學自然科學教育學系

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緒論

模型(model)與建模(modeling)是科學發展的重要元素，也是科學學習中不可或缺的認知與能力(Coll & Lajium, 2011)。即將實施的十二年國教因應國際潮流，將「建立模型」納為探究能力下重要的學習表現（教育部，2018）。在教室中，教師是教、學活動的主要引導者。如何增進學生模型與建模的後設知識以及建模實務(modeling practice)能力以進行科學活動，教師對模型內容知識(content knowledge of models, MCK)、建模的內容知識(content knowledge of modeling, MingCK)和教學內容知識(modeling-based pedagogical content knowledge, MPCK)便是影響學生學習品質的關鍵。而如何設計相應的課程，培育職前或在職教師的MCK、MingCK與MPCK便是科學師資培育者重要的責任。

教師模型與建模內容知識與教學內容知識之相關課程研究

Henze、van Driel與Verloop (2007)認為在科學師資培育課程上，應該重視教師CK與MingCK之培養，並引導這些未來的教師增進PCK，使之在教學技能上能重視如何引導學生討論科學模型的功能、特徵及相關建模活動。在CK部分，僅有少數研究探討一些相關介入所造成的改變。例如：Crawford與Cullin (2004)為14位職前中學科學教師設計Model-It的建立與測試課程（4次，每次3小時）。研究發現受試教師變得較會使用建模的「語言」，但對於科學建模仍然存有不完整的理解。另言之，就短時間而言，Model-It能增進教師對科學模型與建模能力的理解，但對於提升其科學建模能力之功效則仍有限。Valanides與Angeli (2006, 2008) 的研究介紹了兩個大約2.5小時使用Model-It的短教學介入來訓練職前教師設計模型相關的科學課程，所使用的檢測判准包含：1.所建立的模型是否有正確的結構、2.模型是真實或質樸的(real or naïve)、3.是否將探究或表達建模的經驗整合到所設計的科學課程中(Bliss, 1994)。研究結果顯示Model-It有效地支持了職前教師首次建模經驗，使他們能夠快速建構和測試他們的模型，並具可行性。然而，根據結果顯示，教師需要廣泛的學習經驗，以全面了解科學的科學建模過程。因此，師培教育者應謹慎考慮在師資培育階段如何發展教學模式來引導教師增進模型與建模的內容知識，此外，亦須考慮整合模型的使用到相對較為長期的教學實務過程中。

Justi與van Driel (2005)由四個領域：個人(personal)、外在學習活動(external)、實務轉化(practice)、以及結果(consequence)來分析5位教師參與模型與建模實務研習（4次，每次3小時）後，在CK、課程知識(curriculum knowledge)以及教學策略上面的成長。CK部分包括：什麼是模型？建模歷程及建模過程的因子；課程知識部分包括：教師的課程知識以及科學教學時，科學模型的本質。最後一個向度則包括教師所使用之教學模型的目的、建立、使用和建模教學活動的規劃。值得注意的是，他們也將有關學生建立模型的知識歸於此類。最後，Justi與van Driel 建議如要進行教師模型與建模實務之專業成長應1.在設計外部活動時，知道教師模型與建模相關的CK、PK與PCK上已有的知識，並著重在這些知識相應的特徵跟教師討論。2.所設計的活動必須跟教師現在正在進行之模型與建模的教學實務相關，並且挑戰他們去分析其教學實務是否符合模型與建模的精神。3.課程必須很清楚地讓教師經驗提升其學生學習的元素。4.要提供相關的教學實務讓教師知道建模活動如何設計。5.教師必須有機會在他們的教室使用新知識。6.專業成長活動結束時，要提供機會讓老師們反思諸如：哪些活動設計最能促進學生學習？學生學到什麼？沒學到什麼？未來如何改進活動？7.要有明確的點以中介教師的反思。

建模本位師資培育課程的設計及學員表現

根據Justi與van Driel (2005)的建議，本文作者設計建模本位的師資培育課程，並檢視11位修課學員於MCK、MingCK與MPCK三個向度的表現及其影響來源。這11位學員為東部某大學科學教育研究所的碩博士研究生，各自的科學背景殊異（9位理組，包括生物、化學、物理、電機、工業設計。2位文組，專攻語文、特殊教育），研究者依據科學教學年資，將之區分為專家教師(n=6)及生手教師(n=5)，並規劃「課程前」（第1週）進行課程說明與模型本質的前測、「模型與建模經驗分享」（第2-3週）以瞭解學員們於模型與建模相關的CK和PCK上已有的知識，並由教師與學員們之間的相互對話，挑戰學員們對模型與建模教學實務的理解，接著選讀「模型與建模文獻、工具介紹」（第4-10週），而後提供「建模教學範例、文獻及實際設計」（第11-15週），藉以充實學員們模型與建模教學實務的理解，並依據文獻中的重點，跟學員們討論設計相關教學實務時的特徵，及設計的細節。最後，在職教師有教學的場域，但職前教師則缺乏這樣的場域，因此，課程提供「試教及反思」（第16-18週）的機會，讓所有參與的學員有機會在試教過程中使用新知識。為準備這樣的試教，或已經察覺到模型與建模對科學學習的益處，部分學員在試教前，已經先在其教學的班級中施行建模本位的教學，因此，此師資培育課程結束後，每位學員都有相關的教學經驗。而試教過程，所有學員須提供互評，互評的機制除提供教學者具體回饋，也提供互評者本身有分析教學實務的機會。本文作者特別在這五個學習階段皆設立反思的機會，並提供10點信心量表，讓學員們自評其在MCK、MingCK、MPCK的理解及反思心得，研究結果整理成下面三張圖：

圖1 全班、專家教師、生手教師於課程五階段MCK自我信心的表現

圖2 全班、專家教師、生手教師於課程五階段MingCK自我信心的表現

圖3 全班、專家教師、生手教師於課程五階段MPCK自我信心的表現

由上面三圖可知：

一、隨課程演進，學員於MCK、MingCK與MPCK三向度的表現和信心皆逐步上揚。其中以MCK最易習得，而MPCK進步最難。

二、專家教師於MCK、MingCK、MPCK這三向度的表現與信心除了最後於MCK與生手教師相當外，其餘向度，自始至終皆高於生手教師，但生手教師於此三向度的成長幅度則較專家教師大。此外，專家教師自評對這三向度的理解程度及趨勢幾乎一致，但生手教師僅MingCK、MPCK的趨勢較為雷同，且認為這兩向度較難習得。

三、模型與建模文獻、工具介紹，對學員MCK、MingCK、MPCK之理解與表現具有影響，但課堂初始模型與建模經驗分享，以及教案設計過程中同儕的共同討論、設計則對學員們的信心提升較為明顯。其中，專家教師於模型與建模教學經驗分享過程中，獲得對於三向度概念的釐清，信心成長最為明顯，而生手教師則於教案討論與設計過程中因著與專家教師的激盪，信心增強最為顯著。

結論與建議

本課程依據Justi與van Driel (2005)的建議設計建模本位的師資培育課程，學員們雖具有多元的科學背景，但在MCK、MingCK與MPCK的信心與實際表現皆逐漸上揚，這顯示了本課程架構設計的可行性。而這五階段中，教案的設計與試教、模型與建模教學的經驗分享、模型與建模文獻、工具介紹扮演成長關鍵。對專家教師而言，由於這些教師已經有教學的經驗，若能奠基於教師的迷思概念，設計認知衝突的教學活動，將較有助於其教師專業成長。而對於生手教師而言，教案的設計與試教，提供成功機會，加強了生手教師改變教學方法朝往建模本位的教法之信心與信念，其中，同儕討論、互評，增加反思機會，都有助於生手教師深化他們對於建模本位教學的理解。最後，雖然建模本位的教學方式對於專家或生手教師而言，都是陌生的創新教學方法，但依據本文初步研究結果，本文作者建議針對「專家」、「生手」教師培養其熟稔建模本位教學的師資培育課程設計順序或重點應有所不同，有教學經驗的專家需先設計足以衝擊其教學信念的活動，使其體認到原有教法的不足，而對於生手教師則需提供成功的建模教學範例，討論這些範例之所以成功的特徵，並讓生手教師實際設計與執行，而後實際有成功的經驗、能夠看到學生的進步與成長，在這些情形下，將最有助於這兩群不同的教師接受並掌握建模本位教學的精髓並願意持續在其現在或未來的教室中執行。

參考文獻

教育部（2018）。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域。臺北市: 教育部。

Bliss, J. (1994). From mental models to modeling. In H. Mellar, J. Bliss, R. Boohan, J. Ogborn, & C. Tompsett (Eds.), Learning with artificial worlds: Computer based modeling in the curriculum (pp. 27-32). London: The Falmer Press.

Justi, R., & Van Driel, J. (2005). The development of science teachers’ knowledge on models and modelling: promoting, characterizing, and understanding the process. International Journal of Science Education, 27(5), 549-573.

Coll, R. K., & Lajium, D. (2011). Modeling and the future of science learning. In M. S.Khine & I. M. Saleh (Eds.), Models and modeling: Cognitive tools for scientific enquiry (pp. 3–21). Netherlands: Springer.

Crawford, B. A., & Cullin, M. J. (2004). Supporting prospective teachers’ conceptions of modelling in science. International Journal of Science Education, 26(11), 1379-1401.

Henze, I., van Driel, J. H., & Verloop, N. (2007). Science teachers’ knowledge about teaching models and modelling in the context of a new syllabus on public understanding of science. Research in Science Education, 37(2), 99-122.

Valanides, N. & Angeli, C. (2006). Preparing pre-service elementary teachers to teach science through computer models. Contemporary Issues in Technology and Teacher Education – Science, 6(1), 87-98.

Valanides, N., & Angeli, C. (2008). Learning and teaching about scientific models with a computer modeling tool. Computers in Human Behavior, 24(2), 220-233.