邱美虹，曾任臺灣師范大學(xué)科學(xué)教育研究所所長、特聘教授，2023 年退休后為該校名譽(yù)教授。研究興趣與專長在科學(xué)教育、科學(xué)概念建構(gòu)與改變、科學(xué)建模教學(xué)、科學(xué)課程及另類評量。曾任臺灣科學(xué)教育學(xué)會理事長和監(jiān)事主席，美國科學(xué)教學(xué)研究學(xué)會理事長，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)盟化學(xué)教育委員會主席、最高執(zhí)行委員會常務(wù)委員，以及國際科學(xué)理事會治理委員會委員。

前言

臺灣在過去二三十年間，科學(xué)教育研究蓬勃發(fā)展且成果豐碩。以2000—2010 年間為例，學(xué)者的研究著重在科學(xué)概念的建構(gòu)與科學(xué)概念改變的探討上。與此同時，為在職教師設(shè)立的教學(xué)碩士班成立，許多在職教師開始到各師范大學(xué)或教育大學(xué)進(jìn)修。在科學(xué)委員會的主動規(guī)劃下，一群科學(xué)教育學(xué)者（約30 位）和教學(xué)碩士班的學(xué)生（約80 位在職教師）便以雙層式診斷試題（two-tier diagnostic test）為研究方法對國民中小學(xué)生的科學(xué)（含物理、化學(xué)、生物）概念進(jìn)行了大規(guī)模調(diào)查，一方面可以了解各年段學(xué)生科學(xué)概念發(fā)展的分布情形，另一方面也可為在職教師制訂系統(tǒng)性的教師專業(yè)成長方案，以提升其教學(xué)知能與成效。此計(jì)劃下的重要研究成果則受邀刊登在2007 年《國際科學(xué)教育期刊》（International Journal ofScience Education）的“臺灣科學(xué)概念學(xué)習(xí)研究：使用雙層式診斷試題的大規(guī)模評估項(xiàng)目”?？?，該?？嫌?jì)共刊登10 篇文章（含計(jì)劃綜述，物理、化學(xué)、生物分科成果報(bào)告，以及數(shù)據(jù)收集方法等）。2011—2020 年間，臺灣研究學(xué)者為符合時代的轉(zhuǎn)變與需求，研究方向朝多元發(fā)展邁進(jìn)，除延續(xù)之前的科學(xué)概念基礎(chǔ)研究外，還積極發(fā)展概念改變的教學(xué)策略，同時延續(xù)前一段時期的研究并開啟建模、社會性科學(xué)議題、論證，以及包括人臉、眼動、腦電圖等主題研究方向的新興科技研究。2020—2023 年間，雖然時間不長，有關(guān)前一時期的研究主題仍然持續(xù)被探討，但是也有一些創(chuàng)新的研究，如人工智能運(yùn)用在科學(xué)教育研究上，或是以機(jī)器學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行自動評分學(xué)生科學(xué)論證的表現(xiàn)，以及新冠疫情對科學(xué)教育的影響等。

依照上述方式可以將臺灣科學(xué)教育的研究發(fā)展趨勢分為3 個階段，但事實(shí)上研究是不斷演化的，很難以時間軸明確區(qū)分某些主題僅出現(xiàn)在特定階段，上述簡單的劃分僅為方便討論。下面以第一作者的研究團(tuán)隊(duì)在建模研究上的1個范例說明如何設(shè)計(jì)建模教學(xué)課程，以及研究發(fā)現(xiàn)對科學(xué)教育的啟示。

科學(xué)建模

科學(xué)家運(yùn)用各種有創(chuàng)意的模型描述、解釋、模擬或是預(yù)測科學(xué)現(xiàn)象，在一連串模型精致化的歷程中以不同表征方式建構(gòu)出模型，包括圖形、數(shù)學(xué)方程式、科學(xué)符號、真實(shí)物體的縮小版或是模擬物等?？茖W(xué)家利用這些對象的目的有時是因?yàn)橐磉_(dá)的概念過于抽象、復(fù)雜，或是微觀，無法直接說明，因此必須通過其他形象的對象達(dá)到傳遞信息的目的；有時又因?yàn)橐M(jìn)行溝通，借助模型促進(jìn)對話的進(jìn)行；還有時因?yàn)橐獏f(xié)助問題解決、促進(jìn)思考，或是發(fā)展理論，從心智表征到轉(zhuǎn)化成外顯的模型，再進(jìn)而鏈接到科學(xué)現(xiàn)象?！霸诳茖W(xué)史上科學(xué)家運(yùn)用系統(tǒng)性的推理方式發(fā)展理論，無異可以視為一部科學(xué)模型發(fā)展史”[1]。

究竟傳統(tǒng)科學(xué)探究與以模型為基礎(chǔ)（model-based）的探究有何不同呢？簡單而言，前者著重于建立與測試假說，以科學(xué)知識為驗(yàn)證的對象；而以模型為基礎(chǔ)的探究則著重于建立科學(xué)模型，檢驗(yàn)并修正模型，必要時建構(gòu)新模型以達(dá)更高的解釋力與預(yù)測力。二者科學(xué)教學(xué)的目的不同，對學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)和所欲培養(yǎng)的能力自然不同（見表1）。換言之，建模是在科學(xué)活動中展現(xiàn)探究的精神與方法，通過建構(gòu)與再建構(gòu)模型的方式進(jìn)行科學(xué)知識認(rèn)識的歷程，對模型進(jìn)行測試、修正、應(yīng)用，以提高其對科學(xué)現(xiàn)象的解釋力和預(yù)測力，進(jìn)而為解決問題提出合理的解釋，或可能產(chǎn)生新知識或理論。

邱美虹提出建模歷程可以分成4 個階段8 個步驟[1]，第1 階段為模型發(fā)展（ModelDevelopment，D） 階段， 包含模型選擇和模型建立2 個步驟；第2 階段為模型精致化（Model Elaboration，E）或模型評價(jià)（ModelEvaluation，E）階段，包含模型效化和模型分析；第3 階段為模型應(yīng)用（Model Application，A）階段，包含模型的近遷移和遠(yuǎn)遷移；第4 階段為模型重建（Model Reconstruction，R）階段，包含模型修正（屬于弱重建）和模型轉(zhuǎn)換（屬于強(qiáng)重建）。4 個階段合起來稱為“DEAR 建模循環(huán)模式”。這4 階段8 步驟似乎有序列性的關(guān)系可循序漸進(jìn)，但因問題解決或是知識理解的需求，有時未必是線性關(guān)系的前進(jìn)，而是會在必要時出現(xiàn)循環(huán)，甚至反復(fù)操作某一階段直到完成模型建構(gòu)與確認(rèn)任務(wù)達(dá)成為止（見圖1）。

Schwarz 等（2022）則指出建模是促進(jìn)終身學(xué)習(xí)并能參與科學(xué)的一個工具，它是人類一種重要的認(rèn)識實(shí)踐（epistemic practice），借由模型可以將人類的想法、感受表達(dá)出來，對科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行會意（sensemaking）的行為，不僅如此，建模也是一種社會互動和合理公正的行為，通過學(xué)習(xí)投入及和社群互動，建?？梢宰寣W(xué)生更有意義地科學(xué)學(xué)習(xí)并延伸這樣的能力到未來的生活中[3]。

建模素養(yǎng)

究竟建模能力該包括哪些方面呢？Upmeier zu Belzen 等人（2019）認(rèn)為，建模能力包括對模型本質(zhì)的認(rèn)識、能使用多重模型、了解模型的目的、能對模型進(jìn)行測試，以及因?yàn)樾枰淖兡Ｐ蚚4]。同時，根據(jù)這5 個方面，還將能力加以區(qū)分，以顯示建模能力所需達(dá)到的認(rèn)知層次有所不同（見表2）。這樣的階層分類有助于教師在教學(xué)時對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程有具體的認(rèn)識。

Chiu 和Lin（2019）則認(rèn)為，在科學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)建模能力對21世紀(jì)公民的科學(xué)素養(yǎng)至關(guān)重要，遂提出如圖2 所示的架構(gòu)闡述建模能力的多方面架構(gòu)[5]。首先是學(xué)習(xí)者從模型的本體論、認(rèn)識論和方法論3 個維度對模型本質(zhì)和建模的了解進(jìn)行理解。其次是建模的實(shí)踐，這一部分包含2 個次項(xiàng)目，分別是建模歷程，即前述的DEAR模式；以及建模產(chǎn)物，也就是成品，不論是內(nèi)在的心智模式或是外顯模型皆屬模型歷程的成果。第三個方面則是在建模歷程中，學(xué)習(xí)者必須能夠自行規(guī)劃模型的建構(gòu)、監(jiān)控規(guī)劃出的目標(biāo)與步驟，進(jìn)而執(zhí)行建模歷程與評價(jià)整體建模歷程與產(chǎn)出的效益。學(xué)習(xí)者必須發(fā)展出以上3個方面的能力才算是具備完善的建模能力，以用于問題解決及認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)現(xiàn)象。

而在評價(jià)學(xué)生的建模能力方面，邱美虹指出可以從經(jīng)驗(yàn)、單一結(jié)構(gòu)、多重結(jié)構(gòu)、交互作用、延伸到抽象結(jié)構(gòu)，以提升到認(rèn)識科學(xué)理論的層次，同時建模能力根據(jù)所涉及的變因數(shù)量與質(zhì)量可以從質(zhì)性（qualitative）關(guān)系的描述到量化（quantitative）關(guān)系的詮釋而加以分層的研究法[1]。

建模本位教學(xué)設(shè)計(jì)：以“化學(xué)電池”學(xué)習(xí)單元為例

面對科學(xué)知識與科技工具的迅速成長、居住環(huán)境變異與糧食缺乏等問題的挑戰(zhàn)，科學(xué)家也投入相關(guān)跨領(lǐng)域復(fù)雜性議題的研究，促使科學(xué)教育的目標(biāo)逐漸從過去聚焦科學(xué)知識的累積，轉(zhuǎn)向?qū)W生運(yùn)用知識解釋現(xiàn)象的學(xué)習(xí)目標(biāo)?；谶^去科學(xué)教育研究成果顯示，模型與建模實(shí)踐在科學(xué)研究與科學(xué)學(xué)習(xí)中扮演重要的角色，除了作為獲得新知識與傳遞知識的工具外，也被科學(xué)家與教學(xué)學(xué)者認(rèn)為是建構(gòu)知識與促進(jìn)學(xué)生會意現(xiàn)象的科學(xué)實(shí)踐。因此，教師如何將建構(gòu)與使用模型等科學(xué)建模的特征融入教學(xué)活動，不但能夠協(xié)助學(xué)習(xí)科學(xué)概念，亦能夠提升學(xué)生的建模能力與學(xué)習(xí)動機(jī)。

以下從“化學(xué)電池”學(xué)習(xí)單元為例，說明以DEAR 建模歷程發(fā)展之建模本位學(xué)課程方案。根據(jù)“化學(xué)電池”學(xué)習(xí)單元主題，學(xué)生需要發(fā)展的模型分別為水果電池、伏打電池、鋅銅電池與化學(xué)電池的原理（詳見表3），而各主題皆搭配DEAR 建模階段作為外顯化教學(xué)支架，由教師引導(dǎo)學(xué)生建立化學(xué)電池的科學(xué)模型，DEAR 各階段建模歷程與學(xué)習(xí)內(nèi)容如下。

模型發(fā)展階段：建立化學(xué)電池初始模型 教師在模型發(fā)展階段應(yīng)透過現(xiàn)象、情境的呈現(xiàn)引導(dǎo)學(xué)生投入建?；顒?，并建立化學(xué)電池的初始模型。教師通過水果電池使得LED 燈泡發(fā)亮的現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合小學(xué)階段學(xué)習(xí)內(nèi)容與生活經(jīng)驗(yàn)，觀察可能作為化學(xué)電池的成分。此外，搭配教科書文本中的科學(xué)史的陳述，選擇能夠組合成化學(xué)電池的成分（模型選擇）。然后通過教師演示鋅銅電池實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在觀察演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象后，確立各組成之間的關(guān)系（模型建立），確立化學(xué)電池的初始模型。

模型評價(jià)階段：確立化學(xué)電池模型 在學(xué)生已建立化學(xué)電池的初始模型后，通過閱讀建模文本理解組件之間的微觀機(jī)制，使用外部數(shù)據(jù)或儀器測試初始模型的適切性（例如電流表指針是否偏移，指針移動方向是否符合預(yù)期），確立化學(xué)電池模型。

模型應(yīng)用階段：利用化學(xué)電池模型進(jìn)行解釋與預(yù)測 模型應(yīng)用階段主要是將已效化的化學(xué)電池模型應(yīng)用于新情境現(xiàn)象的解釋與預(yù)測。例如：水果電池與鋅銅電池的外觀雖然不同，但仍可根據(jù)原有的化學(xué)模型的理論解釋。另外，教師也可以引導(dǎo)學(xué)生比較水果電池與鋅銅電池模型在成分（鹽橋與電解液）、關(guān)系上的差異。根據(jù)實(shí)證研究，此階段在原有的文本與教學(xué)中較少呈現(xiàn)，亦可視為提升學(xué)生高層次建模能力的重要階段。

根據(jù)學(xué)生在科學(xué)概念與建模能力評價(jià)前后測的表現(xiàn)可知，學(xué)生參與DEAR 建模階段發(fā)展化學(xué)電池學(xué)習(xí)單元，在科學(xué)概念與建模能力評價(jià)方面存在顯著差異（p<0.001）。因此，建模本位學(xué)習(xí)能夠促進(jìn)學(xué)生科學(xué)概念與建模能力的發(fā)展。

結(jié)語

不管理論科學(xué)家還是實(shí)驗(yàn)科學(xué)家都離不開建立模型的過程，而學(xué)校教育更應(yīng)將科學(xué)家這種建模的歷程融入學(xué)?？茖W(xué)教育課程中，通過建模為基礎(chǔ)的探究實(shí)作或是模型為基礎(chǔ)的教材將巨觀、微觀、符號和科學(xué)現(xiàn)象結(jié)合，在探究歷程中讓學(xué)生自行建構(gòu)模型，以證據(jù)導(dǎo)向檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目尚行耘c有效性，必要時修正模型以符合所收集到的資料，這是一種主動學(xué)習(xí)自我建構(gòu)科學(xué)模型的歷程。傳統(tǒng)教學(xué)以直述方式傳遞知識，無法培養(yǎng)出具備問題解決與創(chuàng)新思維的學(xué)生，而科學(xué)建?？商峁┙處熈硪环N教學(xué)策略、另一種思維，使教與學(xué)的活動更貼近科學(xué)家的思考與實(shí)踐活動，也為學(xué)生創(chuàng)造更具挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)與終身學(xué)習(xí)的能力。

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