臺灣化學教育

高中化學科教材教法專書導讀：

第七章 化學建模教學設計—以「原子結構與光譜」為例

劉俊庚

臺北市立成功高級中學
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n  前言

模型有助於釐清思考模式和解決問題，建模則是科學過程的重要組成部分，模型與建模已成為學習和科學研究不可或缺的一部分。本文主要是介紹《化學教材教法》第七章＂化學建模教學設計—以「原子結構與光譜」為例＂（劉俊庚，2020），透過建模教學示例與說明，期望能提供教師提升教學專業知能發展的參考。建模教學是否能有效協助學生探究思考，取決於教師是否擁有模型和建模教學的經驗，以及如何激發學生對於知識建構的進一步探索。教師如何引導學生如何使用模型，如何設計以建模理論框架的教學活動，從這方面來說，相信這將提供教師與學生更多機會去進行有意義教與學的契機。

n  邁向科學素養的化學教育

　　化學是一門對於自然世界的探究，以及關於物質世界發展的思想體系，化學教學可以讓學生了解科學方法，並獲得批判性思考、解決問題和溝通的能力。然而，傳統的學校化學教育仍著重於讓學習化學課程中的陳述性知識，如何在這樣的背景下，實現課程和教學實踐的轉變將是一項極具挑戰性的任務。

　　許多科學家的工作說明模型所扮演的核心作用，模型被視為理論和現象之間的中介物Giere, 1988）。根據這種觀點，科學家的主要工作是建立、修正和測試假設模型（Nersessian, 2008）。從最近出版的美國K-12 科學教育框架（NRC, 2012）和我國《十二年國民基本教育課程標準》（教育部，2018），可看出科學教育界對於科學建模理念的重視，以教育部（2018）為例提及學生應該培養探究能力，並且需要構建模型來描述物理現象的觀察，以及理解科學模型的局限性。在學校，建模能力被視為科學素養的組成部分（Gilbert & Justi, 2016；Louca &
Zacharia, 2012）。Chiu和Lin（2019）更認為培養建模能力對於 21 世紀公民的科學素養至關重要。

n  模型與建模教學策略

為什麼教學要使用模型與建模教學策略呢？我們在化學教學中使用模型必須回答下列問題，使用模型的目的是什麼？我們如何在科學教學中使用模型？學生如何發展模型？最後，模型教學時應該考慮哪些任務？如何在這樣的背景下，實現課程和教學實踐的轉變將是一項具有挑戰性的任務。

學習理解模型的性質和意義是科學教育的核心，然而，Grosslight、Unger、Jay 和 Smith（1991）的研究揭示學生通常沒有清楚地區分模型背後的想法和/或目的、模型的內容，以及支持或反駁模型有效性或有用性。相反地，學生通常將模型視為玩具或現實生活物體的縮影，很少有學生理解為什麼在科學中使用模型（Ingham & Gilbert, 1991）。當然學生也就不會賦予建模過程任何的意義。透過建模教學，教師可以了解學生的想法，並且從心智模型的交流中了解他們的想法演變，當教師將複雜的建模任務帶入課堂中，提供學生參與科學實踐的機會，也可以讓學生了解更為真實表示科學活動的情境。

n  化學建模教學活動實例—以「光譜與原子結構」單元為例

傳統的化學課程強調學生對於陳述性知識的獲取。在這傳統的教學環境中，模型的建立、評估和修正背後的動機、策略和論證均容易被忽略，因此學生們仍然不清楚如何建立模型與使用模型來了解抽象的概念，甚至於了解模型和建模的意義，此外，教師往往也沒有將這些概念明確地告於學生（Gray & Rogan-Klyve, 2018；Harrison
& Treagust, 1996）。

本書以「光譜與原子結構」單元為例，闡明使用類比融入建模教學，以及學生如何與教師共同建構與理解原子結構的概念。教學過程中以邱美虹和曾茂仁（2018）所提及的建模循環來架構整個課程，藉此促進學生了解建模歷程與獲得建模能力和原子結構的概念。

選擇原子結構單元進行課程設計，光譜與原子結構的關係可以說明如下：模型的元件（如電子、能階、殼層等），元件之關的關係（電子躍遷與原子結構的關係），以及關係之間所建立的系統（電子從高能階躍遷至低能階，產生光的頻率與能量差之關係，如此建立光譜與原子結構的關係系統）。此外，教學活動將「類比」融入建模教學活動中，藉此更能了解所欲學習的概念。以下即以「光譜與原子結構」單元為例，說明類比建模教學活動與探究能力之特徵。建模歷程的不同階段逐項說明如下：

圖1. 「光譜與原子結構」單元建模歷程圖（修改自邱美虹和曾茂仁（2018））

 

一、「模型發展」階段

此階段主要目標為讓學生知道建立光譜與原子結構時所需要物件的名稱，以及物件的功能，希望學生能從教材中提取相關的概念，如光的性質和原子光譜。

教學活動亦引入類比，因此教師可以要求學生可以選擇適當的類比物，如選擇「書架」或「樓梯」做為「能階」的類比物，以「樓梯」為例，如此可以讓學生利用此類比物（樓梯）來描述殼層的概念，以及「樓梯之間的高度差」類比「能階差」，此外，也可以使用「小玻璃球」類比「電子」，小玻璃球位於不同的樓梯位置，協助學生建立能階與殼層的概念。

隨後，教師可以提示學生從熟悉的「動能與位能轉換」來類比電子能階的轉換，猶如「小玻璃球」從高處落下後，會掉落至較低的位置，「小玻璃球」會釋放出位能，而「電子」從較遠的「殼層」轉移到較近的「殼層」（即是從高能階躍遷至低能階），電子會釋放出能階，以光的形式釋放出來，此過程猶如小玻璃球從較高的樓梯滾下，將原來把貯存的位能轉變為動能形式釋放出來。

上述的問題主要聚焦於元件與元件之間的關係，如光譜與能階、電子躍遷與能階等。當教師確認學生已經具備元件之間的關係，即已經完成光譜與原子結構的模型，

二、「模型精緻化」階段

此階段重點是希望學生可以透過探究的方式來檢驗所建立的模型是否正確？是否能夠利用來解釋問題的成因？透過學生建立其他的類比物來探討所欲學習之概念，並且指出類比物與目標概念之間對應的相似性，並且教師與學生相互討論的活動來驗證所建立模型與類比物的適用性、一致性和融貫性。即是從類比物「小玻璃球」和「樓梯」來探討概念與關係是否正確？以及將所建立的類比物「樓梯」與問題做比較，討論兩者是否相符合？例如「小玻璃球」在不同「樓梯」之間的位能差是否與「電子」在不同「殼層」之間的能階差相符合。此外，也希望學生能夠使用理論所推演出來的結果來建立原子結構的理論及其因果關係。

三、「模型遷移」階段

此階段要求學生指出自發產生的類比有何限制，何時會失效，分析與評估「小玻璃球」和「樓梯」作為「電子」與「殼層」的類比，或是學生自發類比與教師類比物之差異，並且評估不同類比物與光譜與原子結構關係之概念融貫性，例如在上述範例中，若依能階公式，所使用之類比物「樓梯」層之間為等距離，但「殼層」之間的能階並不是等距，依此告訴學生類比模型的限制，避免學生產生另有概念。

此外，利用已建立的模型解決新情境的問題，如建立的模型是否能適用於多電子原子？或「樓梯」和「書架」類比物有何限制？藉此增進學生推理論證與討論的能力。

四、「模型重建」階段

學生自發產生或建立模型或類比物若是無法適用於上述概念，學生須要重新尋找類比物，以及尋找類比物與目標概念之間對應關係，進行模型重建工作。例如學生若是使用「小玻璃球」與「樓梯」來類比於電子在不同殼層之間的躍遷，但是「樓梯」的各層之間為相同的距離，但是「殼層」之間的能階差並不是相同，所以學生必須更改部分元件，重新建構出適當的模型。

建模是相當複雜的思考過程，而這些建模歷程既沒有明確定義的邊界，也不一定遵循規定的順序，但教師在教學上需要特別予以說明模型遷移和重建等部分，建模是教師與學生必須學習的運作模式，教師也忽略其對於學生學習的影響。因此，建議教師平時宜鼓勵學生透過建模歷程作反思，進而提昇建模能力，並且建立後設建模知識（模型的目的與使用），以及建模過程的後設認知知識（Chiu & Lin, 2019；Nicolaou & Constantinou, 2014）。

n  結論

我們可以建模視為是一種推理的實踐工作，教師與學生可以將其運用於理解現象和解決問題工作的關鍵要素。例如，建立模型需要提出問題與評估信息，而模型精緻化需要計劃、分析和解釋相關的數據，如此將有助於釐清學生的思維，並解決問題。然而，學生通常缺乏解決開放性問題的經驗，長期以來，他們習慣於尋找一個正確的答案。基於情境的學習旨在通過提出有意義的問題將會使得學習更有意義，引入了基於情境的建模教學方式，除了可以提高學生對於化學的興趣外，也提供學生更多的機會，讓他們將情境和概念聯接起來，然而，學生在現實生活中體驗和科學建模的世界之間卻存在著巨大的鴻溝（Talanquer, 2011）。

教師若擁有足夠的建模教學內容知識，將提供教師有效地教學策略，猶如醫生治療病人並不意味著僅是診斷他所罹患的疾病，而是要找到使病人康復的方法，換言之，教師不僅需要診斷或考慮學生的想法，還需要了解建構學生想法的策略，教師在教學中扮演非常關鍵的角色。因此，教師不僅應該對科學中實際使用的重要模型與建模歷程有充分的了解，換言之，教師應該意識到模型於建構科學概念和理論中的作用，這將是促進學生科學概念理解的關鍵因素。

此外，建模活動過程中，教師與學生互動討論時，教師應該扮演什麼角色？教師如何為學生提供進行建模活動所需的條件？學生在進行建模活動時必須使用哪些技能，以及教師如何協助他們建立模型？換句話說，教師於建模教學中，如何促進學生有意義的學習，教師擁有的教學內容知識似乎也為他們有效地教學提供了更多的機會。

n  參考資料

中文部分

邱美虹和曾茂仁（2018）。科學建模本位的探究教學之教材設計—以化學電池為例。臺灣化學教育，28，引自：http://chemed.chemistry.org.tw/?p=31481。

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。

劉俊庚（2011）。探討模型與建模對於學生原子概念學習之影響。國立臺灣師範大學科學教育研究所博士論文。

劉俊庚（2020）。化學建模教學設計—以「原子結構與光譜」為例。於邱美虹主編，素養導向系列叢書：高中化學教材教法(115-130頁)。臺北市：五南。

劉俊庚和邱美虹（2010）。從建模觀點分析高中化學教科書中原子理論之建模歷程及其意涵。科學教育研究與發展季刊，59，23-52。

英文部分

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