科學模型與建模： 探討日本東京地區學生之模型本質的認識 宋元惟、邱美虹*、鍾曉蘭 國立臺灣師範大學科學教育研究所 *mhchiu@ntnu.edu.tw n  緒論 科學家經常透過建構模型來解釋真實世界的現象，並且透過模型的運用進行估算、預測等發展科技，改善人類的生活。模型在科學研究與科學學習中佔有相當程度的地位，因此學習模型的本質、表徵、功能等乃現今科學學習之重要趨勢。 日本的漫畫最早追溯至12世紀平安時代的《鳥獸戲畫》。漫畫即以圖畫傳遞故事，藉由圖形、圖畫來理解事物的習慣已經深入日本人的生活之中。運用圖形來說明概念這點更影響了日本的教科書的型式，書中經常能看到繪製精細的圖形。剖面圖、結構圖、精細的圖表、局部放大圖、模擬圖等，種類繁多的各式圖形，均具組成、構造、關係，正是構成模型的三項重要元素。日本的學生究竟對模型抱持著什麼樣的看法呢？本文將對此進行探討。 n  模型介紹 模型是實物的模擬，模型表徵實際世界（Giere, 2010）。Achinstein（1968；引自劉俊庚，2010），將模型依據表徵分為四個種類如下，本文作者再佐以圖形說明： 1.        真實的模型（Ture model）：等比例縮小模型，如精緻的塑膠飛機模型（見圖一）。 圖一：塑膠飛機模型 （圖片引自：http://yuji.moe-nifty.com/blog/2011/08/post-d079.html） 2.        適當的模型（Adequate model）：表達重要特徵的模型，如紙飛機，只展示了機翼與大致上的結構（見圖二）。 圖二：紙飛機 （圖片引自：紙飛機的天空，交織著卓志賢的夢想，第63期，2008/03/27。） 3.        變形的模型（Distorted model）：以不同比例同時呈現的模型，如原子結構在表現出原子與原子核的大小差異，以及放大原子核部分解說原子核是由質子與中子組成（見圖三）。 圖三：原子模型 （圖片引自：http://www.asyura2.com/12/bd61/msg/347.html） 4.        類比模型（Analogue model）：教學上將水流與電流做類比，此為類比模型的使用（見圖四）。 圖四：水流與電流的類比模型 （圖片引自：外山宗治，効果的なイメージ化を図る理科学習，改良自：平成13年啓林館教科書理科1分野） Gilbert和Boulter（2000）、Buckley和Boulter（2000）、Harrison和Treagust（2000）、吳明珠（2008）、周金城（2008）、林靜雯和邱美虹（2008）等許多學者根據模型的本體地位、表徵、本質、功能等，將之區分成數個種類，邱美虹（2008）的整合型研究以本體論、認識論與方法論三個面向的理論基礎探究學生對於模型本質的觀點（見圖五）。此架構說明認識模型本質應兼顧模型的本體意義、模型的表徵以及用途或功能，從三面向方能理解模型本質的全貌。 圖五：學生模型觀點的三面向示意圖（邱美虹，2008） 科學家建立模型用以說明現實世界的現象，除了電流的水流類比模型外，像是歐姆定律使用V = IR的數學式呈現三個變數之間的量化關係，幫助我們除了理解變數之間的關係，更能進行預測、推理。道爾頓的原子說主張原子不可再分割，建立了一顆原子為最小粒子的原子模型。而此模型在湯木生陰極射線實驗中，發現不同原子之金屬板仍可獲得相同結果，代表不同的原子有共同的更小粒子，推翻的道爾頓的粒子模型，建立葡萄乾麵包模型（西瓜模型）等。而拉塞福以湯木生的模型進行檢驗，在α射線實驗中發現少量大角度反射，發現原子核，提出行星模型。由上述例子，我們可以發現科學建構模型以說明、解釋現實世界，並在新的證據出現後，藉以修正舊有的模型。 1991年Grosslight等的研究結果顯示：(1).科學家擁有較高的建模能力；(2).模型的定義可分為三個層次，Lv1：模型是玩具，是與真實物品有相對應關係的複製品；Lv2：模型是模擬真實世界的實體物體，不是理論或想法；Lv3：理論或想法，或是用來表徵某些物體或事件。用來發展和驗證想法，這些想法通常是抽象的，不是實體的描述。而這三層定義顯示了受試者對模型的理解程度。理解程度越低者，在模型的運用上較理解程度高者停留在較為基礎的運用。對模型的理解程度越高，越能深入了解科學。 n  研究方法 本研究以問卷進行研究，使用的問卷修改自邱美虹（2015）國科會計畫的模型本質認識問卷，修改並翻譯成日文版，經一位日本科學教育現職教授與7名日本研究生確認，翻譯內容與原文表達的意思無誤。 本研究問卷主要分為五個問題，以三項理論為架構進行設計，分別為本體論、認識論、方法論。問題一是以認識論與一部分本體論進行設計，作答方式為可單可複選，選項由1-A至1-O共15題；問題二是以本體論中的模型改變與一部分的模型本質，以李克氏量表測量，認同度最高5分，最低1分；問題三則是關於建模歷程的問題，亦以李克氏量表測量；問題四是方法論中模型功能的部分，作答方式為可單可複選，選項由4-A至4-H共8題，以及外加4-I自填；問題五則是取自劉俊庚（2011）所設計，以Grosslight, Unger, Jay & Smith（1991）提出的三個層次所設計的問題。 研究對象為日本東京地區某公立中學，學生158名；同地區公立高中，理科學生83名；同地區公立大學，大學生文科61名、理科61名。 n  結果分析 本文僅就問題一和問題四進行分析。問題一的試題內容如圖六所示，受試者需選出自己所認定的模型，並且在下方寫上判斷為模型的理由。 圖六：問題一的試題內容 按年級區分後，問題一的作答情形之統計結果如圖七～圖十所示。 圖七：日本中學生在問題一的分佈百分比 圖八：日本高校學生在問題一的分佈百分比 […]