作者：邱美虹1 曾茂仁2
1. 台湾师范大学科学教育研究所荣誉教授
2. 台湾师范大学科学教育研究所准博士生
邱美虹，曾任台湾师范大学科学教育研究所所长、特聘教授，2023年退休后为该校名誉教授。研究兴趣与专长在科学教育、科学概念建构与改变、科学建模教学、科学课程及另类评量。曾任台湾科学教育学会理事长和监事主席，美国科学教学研究学会理事长，国际纯粹与应用化学联盟化学教育委员会主席、最高执行委员会常务委员，以及国际科学理事会治理委员会委员。
前言
中国台湾地区在过去二三十年间，科学教育研究蓬勃发展且成果丰硕。以2000—2010年间为例，学者的研究着重在科学概念的建构与科学概念改变的探讨上。与此同时，为在职教师设立的教学硕士班成立，许多在职教师开始到各师范大学或教育大学进修。在科学委员会的主动规划下，一群科学教育学者（约30位）和教学硕士班的学生（约80位在职教师）便以双层式诊断试题（two-tier diagnostic test）为研究方法对国民中小学生的科学（含物理、化学、生物）概念进行了大规模调查，一方面可以了解各年段学生科学概念发展的分布情形，另一方面也可为在职教师制订系统性的教师专业成长方案，以提升其教学知能与成效。此计划下的重要研究成果则受邀刊登在2007年《国际科学教育期刊》（International Journal of Science Education）的“台湾科学概念学习研究：使用双层式诊断试题的大规模评估项目”专刊中，该专刊合计共刊登10篇文章（含计划综述，物理、化学、生物分科成果报告，以及数据收集方法等）。2011—2020年间，台湾研究学者为符合时代的转变与需求，研究方向朝多元发展迈进，除延续之前的科学概念基础研究外，还积极发展概念改变的教学策略，同时延续前一段时期的研究并开启建模、社会性科学议题、论证，以及包括人脸、眼动、脑电图等主题研究方向的新兴科技研究。2020—2023年间，虽然时间不长，有关前一时期的研究主题仍然持续被探讨，但是也有一些创新的研究，如人工智能运用在科学教育研究上，或是以机器学习的方式进行自动评分学生科学论证的表现，以及新冠疫情对科学教育的影响等。
依照上述方式可以将台湾科学教育的研究发展趋势分为3个阶段，但事实上研究是不断演化的，很难以时间轴明确区分某些主题仅出现在特定阶段，上述简单的划分仅为方便讨论。下面以第一作者的研究团队在建模研究上的1个范例说明如何设计建模教学课程，以及研究发现对科学教育的启示。
科学建模
科学家运用各种有创意的模型描述、解释、模拟或是预测科学现象，在一连串模型精致化的历程中以不同表征方式建构出模型，包括图形、数学方程式、科学符号、真实物体的缩小版或是模拟物等。科学家利用这些对象的目的有时是因为要表达的概念过于抽象、复杂，或是微观，无法直接说明，因此必须通过其他形象的对象达到传递信息的目的；有时又因为要进行沟通，借助模型促进对话的进行；还有时因为要协助问题解决、促进思考，或是发展理论，从心智表征到转化成外显的模型，再进而链接到科学现象。“在科学史上科学家运用系统性的推理方式发展理论，无异可以视为一部科学模型发展史”[1]。
究竟传统科学探究与以模型为基础（model-based）的探究有何不同呢？简单而言，前者着重于建立与测试假说，以科学知识为验证的对象；而以模型为基础的探究则着重于建立科学模型，检验并修正模型，必要时建构新模型以达更高的解释力与预测力。二者科学教学的目的不同，对学生的学习表现和所欲培养的能力自然不同（见表1）。换言之，建模是在科学活动中展现探究的精神与方法，通过建构与再建构模型的方式进行科学知识认识的历程，对模型进行测试、修正、应用，以提高其对科学现象的解释力和预测力，进而为解决问题提出合理的解释，或可能产生新知识或理论。
邱美虹提出建模历程可以分成4个阶段8个步骤[1]，第1阶段为模型发展（Model Development，D）阶段，包含模型选择和模型建立2个步骤；第2阶段为模型精致化（Model Elaboration，E）或模型评价（Model Evaluation，E）阶段，包含模型效化和模型分析；第3阶段为模型应用（Model Application，A）阶段，包含模型的近迁移和远迁移；第4阶段为模型重建（Model Reconstruction，R）阶段，包含模型修正（属于弱重建）和模型转换（属于强重建）。4个阶段合起来称为“DEAR建模循环模式”。这4阶段8步骤似乎有序列性的关系可循序渐进，但因问题解决或是知识理解的需求，有时未必是线性关系的前进，而是会在必要时出现循环，甚至反复操作某一阶段直到完成模型建构与确认任务达成为止（见图1）。
图 1 DEAR 建模循环模式
Schwarz等（2022）则指出建模是促进终身学习并能参与科学的一个工具，它是人类一种重要的认识实践（epistemic practice），借由模型可以将人类的想法、感受表达出来，对科学现象进行会意（sensemaking）的行为，不仅如此，建模也是一种社会互动和合理公正的行为，通过学习投入及和社群互动，建模可以让学生更有意义地科学学习并延伸这样的能力到未来的生活中[3]。
建模素养
究竟建模能力该包括哪些方面呢？Upmeier zu Belzen等人（2019）认为，建模能力包括对模型本质的认识、能使用多重模型、了解模型的目的、能对模型进行测试，以及因为需要而改变模型 [4]。同时，根据这5个方面，还将能力加以区分，以显示建模能力所需达到的认知层次有所不同（见表2）。这样的阶层分类有助于教师在教学时对学生的学习进程有具体的认识。
Chiu和Lin（2019）则认为，在科学实践中培养建模能力对21世纪公民的科学素养至关重要，遂提出如图2所示的架构阐述建模能力的多方面架构[5]。首先是学习者从模型的本体论、认识论和方法论3个维度对模型本质和建模的了解进行理解。其次是建模的实践，这一部分包含2个次项目，分别是建模历程，即前述的DEAR模式；以及建模产物，也就是成品，不论是内在的心智模式或是外显模型皆属模型历程的成果。第三个方面则是在建模历程中，学习者必须能够自行规划模型的建构、监控规划出的目标与步骤，进而执行建模历程与评价整体建模历程与产出的效益。学习者必须发展出以上3个方面的能力才算是具备完善的建模能力，以用于问题解决及认识科学本质与科学现象。
图2 建模能力架构[5]
而在评价学生的建模能力方面，邱美虹指出可以从经验、单一结构、多重结构、交互作用、延伸到抽象结构，以提升到认识科学理论的层次，同时建模能力根据所涉及的变因数量与质量可以从质性（qualitative）关系的描述到量化（quantitative）关系的诠释而加以分层的研究法[1]。
建模本位教学设计：以“化学电池”学习单元为例
面对科学知识与科技工具的迅速成长、居住环境变异与粮食缺乏等问题的挑战，科学家也投入相关跨领域复杂性议题的研究，促使科学教育的目标逐渐从过去聚焦科学知识的累积，转向学生运用知识解释现象的学习目标。基于过去科学教育研究成果显示，模型与建模实践在科学研究与科学学习中扮演重要的角色，除了作为获得新知识与传递知识的工具外，也被科学家与教学学者认为是建构知识与促进学生会意现象的科学实践。因此，教师如何将建构与使用模型等科学建模的特征融入教学活动，不但能够协助学习科学概念，亦能够提升学生的建模能力与学习动机。
以下从“化学电池”学习单元为例，说明以DEAR建模历程发展之建模本位学课程方案。根据“化学电池”学习单元主题，学生需要发展的模型分别为水果电池、伏打电池、锌铜电池与化学电池的原理（详见表3），而各主题皆搭配DEAR建模阶段作为外显化教学支架，由教师引导学生建立化学电池的科学模型，DEAR各阶段建模历程与学习内容如下。
模型发展阶段：建立化学电池初始模型 教师在模型发展阶段应透过现象、情境的呈现引导学生投入建模活动，并建立化学电池的初始模型。教师通过水果电池使得LED灯泡发亮的现象，引导学生结合小学阶段学习内容与生活经验，观察可能作为化学电池的成分。此外，搭配教科书文本中的科学史的陈述，选择能够组合成化学电池的成分（模型选择）。然后通过教师演示锌铜电池实验，学生在观察演示实验的现象后，确立各组成之间的关系（模型建立），确立化学电池的初始模型。
模型评价阶段：确立化学电池模型 在学生已建立化学电池的初始模型后，通过阅读建模文本理解组件之间的微观机制，使用外部数据或仪器测试初始模型的适切性（例如电流表指针是否偏移，指针移动方向是否符合预期），确立化学电池模型。
模型应用阶段：利用化学电池模型进行解释与预测 模型应用阶段主要是将已效化的化学电池模型应用于新情境现象的解释与预测。例如：水果电池与锌铜电池的外观虽然不同，但仍可根据原有的化学模型的理论解释。另外，教师也可以引导学生比较水果电池与锌铜电池模型在成分（盐桥与电解液）、关系上的差异。根据实证研究，此阶段在原有的文本与教学中较少呈现，亦可视为提升学生高层次建模能力的重要阶段。
根据学生在科学概念与建模能力评价前后测的表现可知，学生参与DEAR建模阶段发展化学电池学习单元，在科学概念与建模能力评价方面存在显著差异（p<0.001）。因此，建模本位学习能够促进学生科学概念与建模能力的发展。
结语
不管理论科学家还是实验科学家都离不开建立模型的过程，而学校教育更应将科学家这种建模的历程融入学校科学教育课程中，通过建模为基础的探究实作或是模型为基础的教材将巨观、微观、符号和科学现象结合，在探究历程中让学生自行建构模型，以证据导向检验模型的可行性与有效性，必要时修正模型以符合所收集到的资料，这是一种主动学习自我建构科学模型的历程。传统教学以直述方式传递知识，无法培养出具备问题解决与创新思维的学生，而科学建模可提供教师另一种教学策略、另一种思维，使教与学的活动更贴近科学家的思考与实践活动，也为学生创造更具挑战性的学习经验与终身学习的能力。
参考文献
[1] 邱美虹（2016）．科学模型与建模：科学模型、科学建模与建模能力．台湾化学教育，11．查询日期：2023年12月2日，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=13898
[2] 蔡哲铭，邱美虹，曾茂仁，等（2019）．探讨高中学生于建模导向科学探究之学习成效．科学教育学刊，27（4），207-228．
[3] Schwarz, C. V., Ke, L., Salgado, M., & Manz, E. (2022). Beyond assessing knowledge about models and modeling: Moving toward expansive, meaningful, and equitable modeling practice. Journal of Research in Science Teaching, 59(6), 1086-1096. doi.org/10.1002/tea.21770
[4] Upmeier zu Belzen, A., van Driel, J., Krüger, D. (2019). Introducing a Framework for Modeling Competence. In: Upmeier zu Belzen, A., Krüger, D., van Driel, J. (eds) Towards a Competence-Based View on Models and Modeling in Science Education. Models and Modeling in Science Education, vol 12. Springer, Cham. doi.org/10.1007/978-3-030-30255-9_1
[5] Chiu, M.-H., & Lin, J.-W. (2019). Modeling competence in science education. Disciplinary and Interdisciplinary Science Education Research, 1(1). doi.org/10.1186/s43031-019-0012-y
[6] 曾茂仁，邱美虹（2021）．透过建模教学提升学生在化学电池概念和建模能力上的表现．科学教育学刊，29（2），137-165．doi.org/10.6173/cjse.202106_29(2).0003■
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