从科学学习的观点探讨模型与建模能力

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1、 - 2 - 從科學學習的觀點探討模型與建模能力 邱美虹1* 劉俊庚1,2 1國立臺灣師範大學 科學教育研究所 2臺北市立中崙高級中學 摘摘 要要 科學的發展過程中科學家常透過模型的建，使科學知得以簡明的方式表示或傳遞其，以做為溝通的媒介。但是在科學教育的教學中，教師較少發展學生對模型的觀點，也重視建模能的建構，因而學生對模型的看法常停在具體的層次而未能提升到抽象的層次，使得科學學習受到阻礙，遑整體建模能的培養。有鑑於此，本文主要是回顧有關模型和建模能的相關文獻，並對其在科學教育的教與學中所扮演的角色以及以模型為基礎的教學實加以評析，以作為科學教與學之考。 壹、前言壹、前言 Hodson（19

2、92）認為科學教育的目的有下三個：科學的學習（the learning of science） ，如解由科學所產生的想法；關於科學的學習（learning about science） ，如解在哲學、史和科學方法的重要議題 ， 和 學 習 去 做 科 學 （ learning to do science） ，如能夠與那些獲得科學知的科學活動，而達成這些目的最為關鍵的角色即是對模型（model）的認與建模型（modelling）的能。在科學的實踐上，模型與建模也扮演著相當重要的角色，模型的形態或結構可以減少其所呈現現象的複雜性，讓抽象被解，並可用進預測和推，當然是科學教學與學習程中相當重要的呈現

3、方式與可或缺的能，然而在科學探究活動與科學本 * 為本文通訊作者 質的教學中卻常被忽（Gilbert, 1995；引自 Crawford 引自 Gilbert, 1993） 圖 4. 用鎖與鑰匙的關係描述酵素的專一性示意圖（康軒出版社 2008，p.53) 肆、模型認識和建模歷程與能力之發展肆、模型認識和建模歷程與能力之發展 一、科學模型角色的認 (一一) 學生對於模型的認識學生對於模型的認識 對於科學模型而言，學生透過個人生活的經驗建構出具有個人經驗與獨特的解，而這些解可能並正確，有時甚至會導致學生的另有概。為探討學生對於 科 學 模 型 角 色 的 解 ， Treagust, Chittl

4、eborough 和 Mamiala（2002）設計診斷學生科學模型角色認的工具，分別探討模型是麼和模型所扮演的角色（包括模型如何被使用、麼因素會導致模型必須改變） 。研究結果顯示，學生對於模型的認可以分為五大型：模型是多重表徵、模型是確的複製、模型是解釋的工具、科學模型的使用和模型變化的本質。同樣的，Justi 和 Gilbert（2003）的研究指出，大部分的 6-14 歲的學生對於模型本質的看法均與日常生活中關於模型的意位能活化錯合物 反應物生成物 逆反應 活化能 逆反應活化能H 從科學學習的觀點探討模型與建模能 - 11 - 義有緊密的相關性，即是認為模型是某事物的複製、模型是一個標準

5、物、模型所表徵的實體並包括想法、模型是獨特唯一的、或是模型是能改變的，雖然有 50%的學生認為模型具有預測的能，但他們相信對於模型存在性的判斷是屬於個人化的。綜合上述的研究，大部分的學生認為模型是某種事物的複製品，模型必須與真實的事物非常地接近，並且他們無法解科學模型是如何被使用明科學想法與的發展。根據周城(2008)研究顯示42.8的高中生認為模型要與對應物呈現可呈現扭曲對應的比，52.9學生認為模型須完全對應特定事物的結構、性質與關係。同時，有 30.9的學生認為模型可以是符號。 (二二) 教師對模型的認識教師對模型的認識 近，關於教師對模型與建模本質的研究較多，在 Van Driel 和

6、 Verloop（1999）的研究指出，教師均認同“模型是簡化的或 是 實 體 的 表 徵 的 觀 點 。 Harrison（2001） 訪談 10 位有經驗的中學教師關於模型本質的解和模型在解釋上的使用情形。研究結果顯示，所有的教師均同意模型是科學主要的工具，然而其中有 6 位認為模型是科學的主要產物。在 Justi 和Gilbert（2003）的研究指出，幾乎所有的訪談者均表達超過一個模型本質的觀點，多重模式表徵的使用似乎引發額外的詮釋。然而，有 36%的教師主張“模型是某事物的複製品，21%主張“僅有一種模型是可能的，21%主張“模型是能改變的，而有 18%認為“模型是藉由個 體 確 認

7、 的 。 此 外 ， Van Driel 和Verloop（2002）的研究則指出，教師對於學生在模型與建模的知非常有限，因此無法有效的整合到他們教學活動的經驗中，如此將難以引導學生有關模型的認與使用模型的機會。 二、建模程與能的發展 科學學習的過程中，為解與應用模型，發展建模的能是很重要的。那建模（modeling）是麼呢？許多研究者均有同的看法，如 Justi 和 Gilbert（2002）認為建模是一個相當複雜的程，包括許多的活動與技能，並且獲得這些能是相當緩慢的。Gilbert（1991）則將科學定義為建構可預測概模式的過程，認為模型的建構是一種較為進階的過程技能。在如此的架構下，研究

8、的目的即是產生模型，而表徵其一致性和可預測的關係。綜合上述的觀點，本文作者則認為，建模即是產出模型的過程，建模是一個動態的程，它必須牽涉到個體如何設定假、建模型所需要的達到的目的、確認模型的組成成分、確認它可能衍生出的源、選擇模型、操模型中的變因、建適當的模型（產生一個表徵）並進檢驗與修正，進而發展出新的模型。換話，建模是企圖去協助學生解知是人們所建構的，並且具有促進科學解和科學本質的潛能。 (一一) 建模歷程之發展建模歷程之發展 依 Halloun（1996）的研究指出解決科學教育月刊 2008，11 月，314 期，2-20 Science Education Monthly No. 31

9、4, 2-20, November, 2008 - 12 - 問題的建模程有五個步驟，分別是：模型選擇 （model selection） 、模型建構 （model construction ）、 模 型 效 化 （ model validation） 、模型分析（model analysis）和模型調（model deployment） 。第一階段包含在情境中確認與描述每個現象中系統的組成。隨後，建模的目的將會被確認，而且期望結果能有效。在這些步驟之後，選擇適當的評，並選擇和建構一個適當的模型。隨後，此模型被處與分析，是它持續地有效，隨著這些分析，則可推問題的結。然而，在傳統的教學程中，有個

10、步驟卻常被忽，分別是：模型的效化和調，因此，他認為互動（interactive）和辯證（dialectic）的過程對於學生發展建模程中的效化和調特別地具有效益。似地，在靜雯和邱美虹（2007）的研究也有似的結果。此外，Halloun（1996）認為這些過程並沒有等級的關係，中間的三個步驟是相互重疊的，並且某些步驟是同步建構的。教師應該規定建模的步驟，而應當引導學生在問題解決的程中慢慢地發展這些能。 Justi 和 Gilbert（2002）為使建模能在科學教學中被使用，他們發展一個建模 模 式 的 架 構 （ model of modelling framework） ，即是認為所有的建模必須

11、基於其目的，對於所描述的現象去建其所組成，並從已有的資源或經驗形成心智模式、修正心智模式，或是重新形成新的模式。當形成心智模式後，則需決定以何種方式予以表徵，可能是口語、視覺，或是學關係，接著即是透過思考實驗(thought experiment)探討其意涵，假如模型無法符合思考實驗所產生的結果，則需修正模型，或是整個步驟必須重新運作。然而，符合其結果，則執實驗檢驗，並且評估其結果與模型的差；無法符合實驗結果則需修正模型並重新運作，但如通過實驗的檢驗，則所建構的模型將是符合其目的。最後，也需要考模型所適用的範圍與其限制。整個建模程如下圖 5 所示。 （二）與建模相聯結的推理過程（二）與建模相聯

12、結的推理過程 Sins, Savelsbergh 和van Joolingen（2005）認為與建模相結的推過程包括： 1. 分析（analyze） ：當學生分析時，他們會將現象做分解，並且在執模型時確認模型的重要元素。此外，學生會以圖表或實證資詮釋模型的意義。大部分與推相關的建模活動是在建模任務時執。 2. 歸納推（inductive reasoning） ：當學生推測假在模型元素中如何交互作用時，則會發生歸納推，此過程意謂著模型結構與現象之間關係（如考模型是如何運作、探討模型的表徵，並且探討模型之間的新關係） ，對於學生而言，這將是一個複雜的過程。 3. 化（quantify） ：當學生建

13、構一個初步的模型，藉由學關係的形式使他們對於模型元素與相關的想法為精確。 從科學學習的觀點探討模型與建模能 - 13 - 4. 解釋（explain） ：學生區分為麼模型的元素是相關的，即是他們證明為麼某一個因素會影響另一個因素。 5. 評估（evaluate） ：為評估與檢驗他們的模型，學生必須結他們的模型與實驗所獲得的結果。在評估的過程中，學生必須決定他們的模型是否與信相互一致，如此將會產生模型的修正。 Sins, Savelsbergh 和van Joolingen（2005）的研究發現，表現較佳的學生會傾向於以實驗與先前知判斷他們的推以獲得較佳的模型；表現較差的學生則會很仔細地專注於模

14、型本身與模型所產生的結果。此外，表現較佳的學生也會將模型視為是一個整體，考模型的結構，而表現較差的學生則僅會在修正模型的過程中考單一變，此屬於由下而上的建模程（Hogan 2000; Justi & Gilbert, 2002)，模型與建模程應該為明確地教給學生，而且教師應與學生相互討每個表徵的形式，以協助學生解模型與目標之間相對應和無 法 對 應 的 部 分 （ Harrison & Treagust, 1996） 。Harrison 和 Treagust（2000）也認為以模型為基礎的教學是一個複雜的過程，教師對於用解釋科學現象的模型之間的相似性與差性在教學上應相當地謹慎，如此對於學生的學

15、習才有效益，因此教師也需要解模型與建模的本質。但在Van Driel 和 Verloop（2002）的研究中指出，教師關於學生在模型與建模的知是非常有限的，他們常無法非常有效地整合到教學活動的經驗，這也是未師資培育需關注的地方。 陸、結論與未來發展陸、結論與未來發展 在建構主義的哲學觀下，科學的學習需要學生去重新建構概與產生有意義的內化表徵，並且能夠對其提出合的解釋與進有效的溝通，在此過程中模型提供一個可以結合想像與背景知的橋樑，並形成一個可以運作的工具，因此模型與科學學習之間結的重要性是無庸置疑的。然而，學生對於科學模型仍未能發展出完整的認，其可能原因是他們缺乏使用模型的機會與經驗，或是教師未能強調模型的有效性與限制性，因此造成學生的誤解或是缺乏對模型的認。為改善此情形，教師應適時提供適當的鷹架讓學生學習使用資發展與檢驗他們的模型，並能區辩個人與他人資同所產生的模型 亦 可 能 有 同 的 結 果 (Sins等 人 ，2005)。這種建模能經驗的積將有助於學生學習建有效的模型以應用於問題解決或解科學現象之用。 為培養學生建模能以及對模型本質的認，作者建議從以下個面向著手，首先，在教育決策面上，應於課程目標中明確指出培養學生建模能的重要性，並規範建模能所應包含的內容。其次，在師資培育上，應提升職前和在職教師對於模型本質與建模能內涵的解、培養教師設計以