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

前言

臺灣在過去二三十年間，科學教育研究蓬勃發(fā)展且成果豐碩。以2000—2010 年間為例，學者的研究著重在科學概念的建構與科學概念改變的探討上。與此同時，為在職教師設立的教學碩士班成立，許多在職教師開始到各師范大學或教育大學進修。在科學委員會的主動規(guī)劃下，一群科學教育學者（約30 位）和教學碩士班的學生（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生的科學（含物理、化學、生物）概念進行了大規(guī)模調查，一方面可以了解各年段學生科學概念發(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，以提升其教學知能與成效。此計劃下的重要研究成果則受邀刊登在2007 年《國際科學教育期刊》（International Journal ofScience Education）的“臺灣科學概念學習研究：使用雙層式診斷試題的大規(guī)模評估項目”?？?，該?？嫌嫻部?0 篇文章（含計劃綜述，物理、化學、生物分科成果報告，以及數(shù)據(jù)收集方法等）。2011—2020 年間，臺灣研究學者為符合時代的轉變與需求，研究方向朝多元發(fā)展邁進，除延續(xù)之前的科學概念基礎研究外，還積極發(fā)展概念改變的教學策略，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，如人工智能運用在科學教育研究上，或是以機器學習的方式進行自動評分學生科學論證的表現(xiàn)，以及新冠疫情對科學教育的影響等。

依照上述方式可以將臺灣科學教育的研究發(fā)展趨勢分為3 個階段，但事實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隊在建模研究上的1個范例說明如何設計建模教學課程，以及研究發(fā)現(xiàn)對科學教育的啟示。

科學建模

科學家運用各種有創(chuàng)意的模型描述、解釋、模擬或是預測科學現(xiàn)象，在一連串模型精致化的歷程中以不同表征方式建構出模型，包括圖形、數(shù)學方程式、科學符號、真實物體的縮小版或是模擬物等。科學家利用這些對象的目的有時是因為要表達的概念過于抽象、復雜，或是微觀，無法直接說明，因此必須通過其他形象的對象達到傳遞信息的目的；有時又因為要進行溝通，借助模型促進對話的進行；還有時因為要協(xié)助問題解決、促進思考，或是發(fā)展理論，從心智表征到轉化成外顯的模型，再進而鏈接到科學現(xiàn)象。“在科學史上科學家運用系統(tǒng)性的推理方式發(fā)展理論，無異可以視為一部科學模型發(fā)展史”[1]。

究竟傳統(tǒng)科學探究與以模型為基礎（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，以科學知識為驗證的對象；而以模型為基礎的探究則著重于建立科學模型，檢驗并修正模型，必要時建構新模型以達更高的解釋力與預測力。二者科學教學的目的不同，對學生的學習表現(xiàn)和所欲培養(yǎng)的能力自然不同（見表1）。換言之，建模是在科學活動中展現(xiàn)探究的精神與方法，通過建構與再建構模型的方式進行科學知識認識的歷程，對模型進行測試、修正、應用，以提高其對科學現(xiàn)象的解釋力和預測力，進而為解決問題提出合理的解釋，或可能產生新知識或理論。

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（ModelEvaluation，E）階段，包含模型效化和模型分析；第3 階段為模型應用（Model Application，A）階段，包含模型的近遷移和遠遷移；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）和模型轉換（屬于強重建）。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系可循序漸進，但因問題解決或是知識理解的需求，有時未必是線性關系的前進，而是會在必要時出現(xiàn)循環(huán)，甚至反復操作某一階段直到完成模型建構與確認任務達成為止（見圖1）。

Schwarz 等（2022）則指出建模是促進終身學習并能參與科學的一個工具，它是人類一種重要的認識實踐（epistemic practice），借由模型可以將人類的想法、感受表達出來，對科學現(xiàn)象進行會意（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，通過學習投入及和社群互動，建?？梢宰寣W生更有意義地科學學習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）認為，建模能力包括對模型本質的認識、能使用多重模型、了解模型的目的、能對模型進行測試，以及因為需要而改變模型[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到的認知層次有所不同（見表2）。這樣的階層分類有助于教師在教學時對學生的學習進程有具體的認識。

Chiu 和Lin（2019）則認為，在科學實踐中培養(yǎng)建模能力對21世紀公民的科學素養(yǎng)至關重要，遂提出如圖2 所示的架構闡述建模能力的多方面架構[5]。首先是學習者從模型的本體論、認識論和方法論3 個維度對模型本質和建模的了解進行理解。其次是建模的實踐，這一部分包含2 個次項目，分別是建模歷程，即前述的DEAR模式；以及建模產物，也就是成品，不論是內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，學習者必須能夠自行規(guī)劃模型的建構、監(jiān)控規(guī)劃出的目標與步驟，進而執(zhí)行建模歷程與評價整體建模歷程與產出的效益。學習者必須發(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識科學本質與科學現(xiàn)象。

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

建模本位教學設計：以“化學電池”學習單元為例

面對科學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)，科學家也投入相關跨領域復雜性議題的研究，促使科學教育的目標逐漸從過去聚焦科學知識的累積，轉向學生運用知識解釋現(xiàn)象的學習目標。基于過去科學教育研究成果顯示，模型與建模實踐在科學研究與科學學習中扮演重要的角色，除了作為獲得新知識與傳遞知識的工具外，也被科學家與教學學者認為是建構知識與促進學生會意現(xiàn)象的科學實踐。因此，教師如何將建構與使用模型等科學建模的特征融入教學活動，不但能夠協(xié)助學習科學概念，亦能夠提升學生的建模能力與學習動機。

以下從“化學電池”學習單元為例，說明以DEAR 建模歷程發(fā)展之建模本位學課程方案。根據(jù)“化學電池”學習單元主題，學生需要發(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支架，由教師引導學生建立化學電池的科學模型，DEAR 各階段建模歷程與學習內容如下。

模型發(fā)展階段：建立化學電池初始模型 教師在模型發(fā)展階段應透過現(xiàn)象、情境的呈現(xiàn)引導學生投入建模活動，并建立化學電池的初始模型。教師通過水果電池使得LED 燈泡發(fā)亮的現(xiàn)象，引導學生結合小學階段學習內容與生活經(jīng)驗，觀察可能作為化學電池的成分。此外，搭配教科書文本中的科學史的陳述，選擇能夠組合成化學電池的成分（模型選擇）。然后通過教師演示鋅銅電池實驗，學生在觀察演示實驗的現(xiàn)象后，確立各組成之間的關系（模型建立），確立化學電池的初始模型。

模型評價階段：確立化學電池模型 在學生已建立化學電池的初始模型后，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期），確立化學電池模型。

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

根據(jù)學生在科學概念與建模能力評價前后測的表現(xiàn)可知，學生參與DEAR 建模階段發(fā)展化學電池學習單元，在科學概念與建模能力評價方面存在顯著差異（p<0.001）。因此，建模本位學習能夠促進學生科學概念與建模能力的發(fā)展。

結語

不管理論科學家還是實驗科學家都離不開建立模型的過程，而學校教育更應將科學家這種建模的歷程融入學校科學教育課程中，通過建模為基礎的探究實作或是模型為基礎的教材將巨觀、微觀、符號和科學現(xiàn)象結合，在探究歷程中讓學生自行建構模型，以證據(jù)導向檢驗模型的可行性與有效性，必要時修正模型以符合所收集到的資料，這是一種主動學習自我建構科學模型的歷程。傳統(tǒng)教學以直述方式傳遞知識，無法培養(yǎng)出具備問題解決與創(chuàng)新思維的學生，而科學建?？商峁┙處熈硪环N教學策略、另一種思維，使教與學的活動更貼近科學家的思考與實踐活動，也為學生創(chuàng)造更具挑戰(zhàn)性的學習經(jīng)驗與終身學習的能力。

參考文獻

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與建模能力．臺灣化學教育，11．查詢日期：2023 年12 月2 日，

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[2] 蔡哲銘，邱美虹，曾茂仁，等（2019）．探討高中學生于

建模導向科學探究之學習成效．科學教育學刊，27（4），207-

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[3] Schwarz， C. V.， Ke， L.， Salgado， M.， & Manz， E.

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equitable modeling practice. Journal of Research in

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[4] Upmeier zu Belzen， A.， van Driel， J.， Krüger，

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Competence. In： Upmeier zu Belzen， A.， Krüger， D.， van

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[5] Chiu， M.-H.， & Lin， J.-W. （2019）. Modeling

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[6] 曾茂仁，邱美虹（2021）．透過建模教學提升學生在化學

電池概念和建模能力上的表現(xiàn)．科學教育學刊，29（2），137-

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