科學模型與建模：科學素養中的模型認知與建模能力 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所mhchiu@ntnu.edu.tw n  前言 本期專題主要是以科學模型的認識與建模能力的培養為主，其目的是希望藉由此專題引介即將於2018年實施的12年國民教育有關科學素養中模型建立的意涵與實踐。由於此次自然領域課程綱要的制定受美國〈下一代科學標準〉（Next Generation Science Standards, 以下簡稱NGSS）影響，故以下先簡介美國〈下一代科學標準〉的主要內容與精神，再引介過去在我國國民教育自然領域中未提及的「建立模型」的科學素養，以作為科學教師未來在設計校本課程、探究與實作、學習評量等之參考。 n  美國〈下一代科學標準〉 美國研究委員會（National Research Council, NRC）於2011年七月公布幼稚園到高中三年級（以下簡稱K-12年級）的科學教育架構（A Framework for K-12 Science Education）為NGSS做準備。該架構是根據既有的文獻中指出學生有效學習科學的研究報告，而提出從幼稚園到高中三年級學生應該知道的科學為設計的基準，這種證據為主的課程架構研發方式，教具說服力及可信度。參與此項工作的成員包括兩位諾貝爾獎得主、認知科學家、科學教育研究人員、及政策專家，合計18人。據此，NRC再分為四組團隊進行課程標準的制定，這四組分別是理化（physical sciences）、生命科學（life sciences）、地球（earth）∕太空科學（space sciences）、及工程、科技、和應用科學（engineering, technology, and applications of science）。注意，在這裡這四組團隊的分工並不是我們所熟知的物理、化學、生物、地球科學；化學和物理合併為理化，增加的是對工程的重視。這與美國在基礎科學人才的流失，因而提倡科學─技學─工程─數學（Science, Technology, Engineering, Mathematics, 簡稱STEM），或許有些許的因果關係。 NGSS 在2013年正式公布，其內容主要包括有核心想法（core ideas）、跨科概念（crosscutting concepts）、以及實作（practice）（見圖一）。以下分別介紹其意義（NRC, 2013）。 圖一：NGSS架構圖 l   實作（Practice） 實作乃是因為國人對這個詞彙比較有感。事實上practice的意義不僅是在動手做的層面，其主要是在描述科學家如何投入建構模型和理論的工作以了解自然世界，以及工程學家如何在他們實務工作中設計與建立模型和系統。不同於以往使用技能（skills）一詞，其最主要的原因就是強調科學探究需要的不僅僅只是技能，還須具備相關的知識才得以完成實作的工作。或許practice翻譯成「實踐」亦可達意，重在「知行合一」，且「知其然亦知其所以然」。而科學探究和工程設計不同的是前者包括形成問題，而此問題是可以被探討的。相較於工程設計，則包括形成問題，但此問題是可以透過設計解決的；顯見兩者之不同。NRC表示，之所以強調工程的重要，主要是強調STEM在生活中的重要性。 l   跨科概念（crosscutting concepts） 顧名思義，跨科概念即是指不同學科間的相互應用以連結彼此緊密的關係，其內容包括形態（pattern）、相似性（similarity）、多樣性（diversity）；因果關係（cause and effect）；尺度（scale）、比例（proportion）、數量（quantity）；系統（systems）和系統模型（system models）；能量（energy）和物質（matter）、結構（structure）和功能（function）；穩定（stability）和改變（change）。學習跨科概念是要學生清楚明白地了解不同領域間知識的關聯性，透過將這些概念組織起來才能獲得一個融貫且具科學性的世界觀。換句話說，跨科概念是要能見樹又見林，學生從了解學科內的概念拓展到不同學科上，了解其更上階概念的共通性，這是系統性的學習。 l   學科核心概念（Disciplinary core ideas） 最主要即是強調K-12的科學課程、教學和評量應該以科學中重要的面向為主。所謂核心的意義，NRC認為必須至少要包括以下兩點標準，當然最好是四點皆具有: l […]

科學模型與建模：科學模型、科學建模與建模能力 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所mhchiu@ntnu.edu.tw n  前言 隨著國際在課程改革的潮流衝擊以及面對迅速變化的科學與科技，在科學教育上必須進行另一波的改革，以為學生在離開學校面對社會科學議題或繼續深造做準備。以國外課程改革的思潮而言，目前深受國際重視的科學教育主張，無外乎是以美國主導的科學─科技─工程─數學（Science-Technology-Enginery-Mathematics, 簡稱STEM）和下一代科學標準（Next Generation Science Standards, 簡稱NGSS）為主，前者是為解決逐漸流失主修理工科的學生人數的問題，因而強調不僅大學要重視跨領域課程的關聯性，同時強調中小學科學教育應培養學生的科學、科技、工程、數學的素養以及學習興趣；後者NGSS則是強調科學標準應重視核心概念（core concept）、跨科概念（crosscutting concepts）、以及實作（practice）能力的培養，其中針對核心概念強調以模型系統解釋與理解科學知識；在實作方面則是透過強調科學家在他們的工作中如何探討與使用模型，以及他們如何運用理論來描述自然現象，再如工程家利用設計與建造模型和系統進行實作的探究來培養學生的科學素養。NGSS 認為即使是幼稚園的小孩都應該發展與使用模型來表達個人對科學和新概念的認識（Archive, p.4）。 臺灣將於107年起開始實施12年國教的新課綱，其中自然科學領域中的科學素養，便提及建立模型與問題解決的重要性，同時還包含「自然科學探究與實作」的必修四學分課程，顯見未來課程對模型建立與實作的重視。 本文主要是針對科學模型、建模歷程、建模能力等加以闡述，以說明科學教育中培養科學建模能力的重要性與必要性。 n  模型本質 模型在一般人的想法中就是具體的、可操作的、可觀察的、具視覺性的實體物件，基本上這些物件可以拿來說明其所對應的實體的構造和功能，以作為闡述、溝通、解釋、理解之用。在日常生活中常見的模型，如汽車模型、房屋模型、機器人模型等等，這些屬於日常生活中常見的模型大都是實體物的縮小版，雖然未必是恰好以1：1的方式來製作，但主要的結構與型態大都會在縮小模型中呈現，而功能性（如車子會不會跑）的呈現，則端視模型的設計而異。在科學教學上較常見的模型，如原子模型、分子模型、DNA雙股螺旋、板塊模型、三球儀等等，這些類比科學模型的呈現大都是會與尺度有關，亦即原物尺度太小或太大，以至於一般無法透過肉眼直接觀察，因此有賴模型的建構以傳遞科學知識。科學家則較常透過數學式的科學模型來表達其科學理論的發展與內涵，透過模型展現變數或物件間的關係、以及複雜系統的運作關係，進而對科學現象進行推論與預測（範例如圖一所示）。根據Grosslight 等人（1991）的研究指出，七年級的學生對模型的觀點停留在層次一以1:1對應關係為主，是實體的複製品；11年級的學生對於模型的觀點逐漸發展到第二層次，了解模型是為特定且明確的目的而建構，測試模型也是以其是否適用為主；而科學家則屬層次三，視科學模型為抽象的思考工具，用以發展、建構、測試和評價想法。這種逐漸擴展對模型本質的看法，有助於了解科學理論的進展與模型的價值。因此，學校科學教育應提供學生建立以模型取向的心智活動、發展似科學家以科學模型認識科學的知識架構或是培養運用教師教學所使用的科學模型認識科學，並以模型為本的方式進行問題解決的任務。 圖一：各種模型範例說明〔*：此為類比模型，呈現化學反應的能量關係猶如跨欄比賽選手跳過柵欄（Alexander, 1992; 引自Gilbert, 1993）〕 根據邱美虹（2008）指出，模型可以從三個面向來探討它的本質，即本體論、認識論、方法論。從本體論的角度來看，模型強調對應的關係（如完全對應或是部分對應）、呈現的形式（如數學關係式或是符號）、變化的關係（如獨特性、發展性、可變性）（周金城，2008）；從認識論的角度觀之，則是（1）個體如何表徵模型（如圖象、文字、符號、或是語彙的等等）、（2）其過程為何（是靜態或是動態、是定性的或是定量的、是邏輯性的還是時序性）、以及情境因子（是個人的心智模型或是社群所持有的共識模型）（吳明珠，2008）；從方法論的角度觀之，則是（1）在問題解決時以模型來進行推理與溝通，（2）利用模型表徵、描述、解釋與預測科學現象，（3）運用模型連結和發展新的想法與理論（林靜雯和邱美虹，2008）。因此，模型的功能具描述性、解釋性、溝通性、推理性、預測性、模擬化、抽象化和問題解決 （劉俊更、邱美虹，2008）。 n  建模歷程 科學家利用模型構思、解決問題、呈現參數之間的關係、尋找規律性，最後經過實驗、收集證據、驗證假設性的模型、檢測模型、修正模型，到形成具合理性與系統性的科學模型，爾後再運用模型解決問題，並了解模型的侷限性，必要時再修正或揚棄原有的模型而建構新模型。這樣的歷程我們視為建模歷程（modeling processes）。 Halloun和Hestenes（Halloun, 1996; Hestenes, 1992; Hestenes, & Halloun, 1995）認為建模歷程是一個相當複雜的歷程，它必須先從確認問題著手，然後進行模型選擇（model selection）、模型建構（model construction ）、模型效化（model validation）、模型分析（model analysis）、模型調度（或運用）（model deployment）、模型應用（model application）與模型再發展或再建構（re-development or re-construction）等步驟，才能進行解題。Schwarz （2009）則認為科學家在進行科學問題解決時，從建立個人的心智模式出發，然後歷經修正模型與轉化模型的歷程而達到目標。而學生基本上也應能利用所學的科學知識建立科學模型，進而能夠使用自我所建立的心智模式去了解與預測新的現象，最後要能透過新證據或新的情境進行反思，以強化模型的解釋力與預測力。她和她的研究團隊也指出，甚至小學三年級學生經過教師的引導與搭鷹架的方式進行教學，小學生也可以透過模型解釋水循環的現象（Voa, Forbes, Zangoric, & Schwarzd, 2005）。邱美虹（2015）針對建模歷程的內容更細分成四大階段與八個步驟分別為：第一階段為模型發展階段，包含（一）模型選擇：從先前概念選擇適合的物件（或成份）組合成模型，或是選擇適切的模型；（二）模型建立：建立所選擇的物件（或成份）之間的關係（連結）與結構；第二階段為模型精緻化階段，包含（三）模型效化：驗證已建立的模型，對成份間之關係與結構進行效化，並確認模型內部的一致性；（四）模型分析：利用已完成效化的模型進行問題的解釋與分析（大多數的情形為數據的計算或是邏輯推理）；第三階段為模型遷移階段，包含（五）模型應用：利用已效化的模型於相似的問題情境中（近遷移）；（六）模型調度（運用）：利用已效化的模型於新情境中（遠遷移）；第四階段為模型重建階段，包含（七）模型修正：察覺已效化的模型部分失效，必須增加或減少成份（物件）與關係，才能進行問題的解釋，進而修正為新模型，此乃屬於模型（弱）重建；（八）模型轉換：察覺已效化的模型整體失效無法解釋科學現象，必須重新建立新的模型，屬於模型（強）重建。這四階段八步驟從第一階段往下發展，然而它發展的方向似乎有方向性從第一階段到第四階段一個大的迴圈，然而學習者未必經歷這種序列性的過程，反而會因時因人因事而異，有時會在某些階段形成一個迴圈，反覆進行操作直到完成建模任務為止（見圖二）。 圖二：建模歷程的相互關係 […]