模型觀點在化學(xué)教科書中的角色與對化學(xué)教學(xué)之啟示

邱美虹+鐘建坪

摘要：論文旨在評析模型觀點在化學(xué)教科書中的角色，文中除討論了模型的本質(zhì)與功能外，還從巨觀、微觀、中觀、符號、語言等面向來說明如何借助模型將化學(xué)抽象概念視覺化，并藉以建立正確的化學(xué)概念的心智表征以及連結(jié)各面向之間的關(guān)系。文中還針對模型觀點在化學(xué)教科書中應(yīng)扮演的角色及其可能產(chǎn)生的影響進行討論，并提出教學(xué)的建議。

關(guān)鍵詞：模型；化學(xué)學(xué)習(xí)；符號；表征

文章編號：1005–6629（2014）1–0003–05 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

1 前言

學(xué)生進入學(xué)習(xí)場域前所先存的特定想法往往與科學(xué)社群認(rèn)可的科學(xué)觀點有所差異，因而造成學(xué)生日后科學(xué)學(xué)習(xí)的障礙。研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)學(xué)習(xí)的困難之一在于學(xué)生無法為巨觀的實驗現(xiàn)象與符號搭起聯(lián)系的橋梁（Johnstone， 1982， 1991， 2006； Talanquer， 2011； Treagust， Chittleborough， & Mamiala， 2003）。學(xué)生時常只記憶特定表征形式所建構(gòu)的化學(xué)理論、實驗的結(jié)果以及特定的化學(xué)反應(yīng)，殊不知割裂的、片段式的學(xué)習(xí)無法統(tǒng)整與理解化學(xué)符號與巨觀現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)。因此，為了改善學(xué)生的學(xué)習(xí)除可以從教師教學(xué)專業(yè)素養(yǎng)與學(xué)生學(xué)習(xí)特性著手外，更應(yīng)該提供結(jié)構(gòu)良好且具認(rèn)識論觀點的教科書。優(yōu)質(zhì)的教科書不僅提供教師設(shè)計教學(xué)的內(nèi)容與過程，亦能夠幫助學(xué)生發(fā)展與修正其素樸概念。有鑒于此，本文嘗試說明模型觀點在化學(xué)學(xué)習(xí)與教科書編寫上的意涵，以作為教科書編寫方向與化學(xué)教學(xué)的參考。

2 化學(xué)學(xué)習(xí)中的模型觀點

2013年諾貝爾化學(xué)獎得主為三位研究動態(tài)分子模擬的學(xué)者-Martin Karplus、Michael Levitt和Arieh Warshel，瑞典皇家科學(xué)院主要表彰三位學(xué)者在建構(gòu)模型思考的模擬架構(gòu)以提供分子動力學(xué)面向理論與實務(wù)的卓越貢獻（The Royal Swedish Academy of Sciences， 2013）。除了模擬之外，化學(xué)學(xué)科中許多概念都會以模型作為知識傳達的媒介，因此教科書與教師如何利用模型的認(rèn)識觀點促進學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)極為重要。

2.1 模型的意涵

模型一般被視為具體可形塑的實物，大都為實體的縮小版（如玩具模型），但有時其亦可作為表達設(shè)計者對于所設(shè)計實體的抽象想法，以呈現(xiàn)出物件之間的關(guān)系，而后再透過具體物件與內(nèi)在想法交互作用完成更好的成品。在科學(xué)上，此設(shè)計者可視為科學(xué)家，而其成品可以是實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)間的關(guān)系或是所產(chǎn)生的理論。因此，模型除了具體實物外，尚可以呈現(xiàn)抽象的想法、關(guān)系或是一個事件（Buckley & Boulter， 2000）。事實上每個人每天都會透過既有想法與外在環(huán)境或刺激物進行交互作用，從而建構(gòu)內(nèi)在心智表征與外顯模型，再借助建構(gòu)出來的模型進行學(xué)習(xí)與遷移。當(dāng)學(xué)習(xí)與遷移順利時，則會強化其既有的心智模式，反之，若無法順利學(xué)習(xí)與遷移，則會出現(xiàn)對新訊息忽略、擱置、修正與重建等認(rèn)知行為（如圖1）。

2.2 模型與化學(xué)學(xué)習(xí)的關(guān)聯(lián)

化學(xué)知識的組成包含現(xiàn)象觀察的結(jié)果與其蘊含的科學(xué)理論，化學(xué)家透過文字與符號對現(xiàn)象或是抽象的觀點進行闡述以形成化學(xué)理論。學(xué)生經(jīng)由教學(xué)過程或是依據(jù)實驗的操作進行現(xiàn)象的理解，再經(jīng)由符號的解釋以了解巨觀現(xiàn)象所發(fā)生的原理機制。學(xué)生在學(xué)習(xí)時通常會將情境的問題加以解構(gòu)，把知識內(nèi)容拆成片段來理解而非以模型的系統(tǒng)觀點組織自己已經(jīng)習(xí)得或是正在學(xué)習(xí)的內(nèi)容。為了促進學(xué)生進行有效的化學(xué)學(xué)習(xí)，多位學(xué)者嘗試從巨觀、符號、次微觀、中觀、人的因素以及語言等面向及其之間的關(guān)系做出解釋，以下介紹幾位學(xué)者所提出的化學(xué)學(xué)習(xí)應(yīng)該著重的面向之觀點。

2.2.1 Johnstone的三面向?qū)W習(xí)觀

Johnstone認(rèn)為化學(xué)學(xué)習(xí)應(yīng)該著重巨觀（macro）、表征（representational）以及次微觀（submicro-）三種面向之間關(guān)系的連結(jié)（Johnstone， 1982， 1991， 2006），亦即教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)該注重此三個面向及連結(jié)關(guān)系，才能提升學(xué)生的化學(xué)知能（見圖2）。此觀點已被廣泛討論與應(yīng)用于教學(xué)上（Gilbert & Treagust， 2009； Talanquer， 2011； Treagust et al.， 2003）。其中巨觀包括現(xiàn)象與具體的實驗操作，例如：將染料滴入水中，染料逐漸擴散。表征即指使用到的元素符號、化學(xué)式以及化學(xué)方程式等，例如：HCl（aq）+NaOH（aq）→H2O（l）+NaCl（aq）說明鹽酸與氫氧化鈉的酸堿反應(yīng)。而次微觀則指以原子、分子以及離子等說明巨觀與表征之間的關(guān)聯(lián)，例如：H+（aq）+OH-（aq）→H2O（l）指出溶液中氫離子與氫氧根離子是以1：1的數(shù)量關(guān)系形成水分子。

2.2.2 Mahaffy增加“個人特質(zhì)”面向

學(xué)者Peter Mahaffy認(rèn)為前述學(xué)者的觀點雖然可以幫助學(xué)生專注于化學(xué)學(xué)習(xí)，然而卻忽略了個體對于學(xué)習(xí)化學(xué)重要性的論述，意即忽視了具備不同特質(zhì)的學(xué)生對于化學(xué)學(xué)習(xí)如何產(chǎn)生意義的連結(jié)。Mahaffy認(rèn)為化學(xué)教學(xué)需要從學(xué)生的生活情境與文化背景中去幫助學(xué)生找尋學(xué)習(xí)化學(xué)的意涵，并且經(jīng)由真實生活的經(jīng)驗發(fā)掘化學(xué)知識中巨觀、符號以及分子層級（取代次微觀）間的關(guān)系，而唯有找出化學(xué)學(xué)習(xí)對于不同個體的學(xué)習(xí)價值，才能讓學(xué)生透過其余面向進行有效的學(xué)習(xí)（Mahaffy， 2006）（見圖3）。

2.2.3 邱美虹增加“語言”面向

本文第一作者根據(jù)過去研究的結(jié)果認(rèn)為化學(xué)學(xué)習(xí)除了巨觀、符號、次微觀以及人的因素之外，還需要考量不同文化特質(zhì)的語言特征對于學(xué)習(xí)化學(xué)的正反面影響（見圖4，Chiu， 2012）。語言的雙刃劍效應(yīng)可從下面的例子來說明。以正面影響而言，如金屬以“金”字旁、液體以”水”字旁、氣體以”氣”字頭來構(gòu)字命名，皆有助于學(xué)生認(rèn)識物質(zhì)的本質(zhì)以及命名的原則；但負(fù)面的影響則如常見的強酸與強堿進行中和反應(yīng)后，溶液為中性其酸堿度（pH）為7，由于中文的「中」字即具有中間之意，因此學(xué)生常易誤以為中和反應(yīng)后便達到中性而忽略酸堿物質(zhì)的本質(zhì)。又如碳酸鈉和碳酸氫鈉其命名中有“碳酸和氫”，因此學(xué)生直覺地認(rèn)為這兩種化合物都具酸性，或是以物理靜態(tài)平衡來認(rèn)識動態(tài)的化學(xué)平衡概念，這些都是常見的因語言所造成的另有概念。此現(xiàn)象在英語系國家亦有相似的研究成果（Watts， 1983），如：美國小學(xué)生對于能量守恒（conservation of energy）的想法會從字面意義將其看成小心使用而不要浪費能源，而非是科學(xué)上的總量是固定的概念。另外日常生活中常用英制單位，使得學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)上使用公制單位時造成困擾。除此之外，邱美虹（2012）亦認(rèn)為次微觀的觀點宜以中觀（meso）來說明教學(xué)或?qū)W習(xí)時所使用的表征方式是介于巨觀與微觀之間的表征關(guān)系。有鑒于語言的特征有時能夠幫助學(xué)生更容易理解科學(xué)概念，但是有時卻阻礙學(xué)生的學(xué)習(xí)以及以中觀取代Johnstone的次微觀或是Mahaffy的分子，因而本文提出金字塔型的解釋架構(gòu)（圖4最右邊的圖）。圖4說明這些模型的轉(zhuǎn)變。

3 教科書中模型的使用情況

教科書是多數(shù)教師教學(xué)設(shè)計的重要依據(jù)，然而研究顯示，如果教師僅著重于教科書中的知識結(jié)構(gòu)來計劃教學(xué)活動，教學(xué)過程中學(xué)生難以發(fā)展以模型為主的認(rèn)知想法（劉俊庚和邱美虹，2010；Gericke & Hagberg， 2010），其可能的原因如下：

3.1 分別強調(diào)巨觀現(xiàn)象與符號，缺乏連結(jié)巨觀現(xiàn)象與符號的橋梁

化學(xué)概念的復(fù)雜性使得教科書內(nèi)容多分開獨立說明巨觀現(xiàn)象及其化學(xué)反應(yīng)式，強調(diào)反應(yīng)面向的巨觀解釋以及相關(guān)的數(shù)學(xué)演算，而忽略如何運用粒子說明化學(xué)反應(yīng)的歷程以解釋所觀察到的現(xiàn)象（Chiu & Chung， 2013；Levy & Wilensky， 2009）。例如：當(dāng)教科書解釋波義耳定律時通常描述體積與壓力的乘積為一定值（PV=K）可以解釋潛水員在海面下吐出的氣泡會隨著海水深度的減少而體積變大，但卻沒有再以粒子觀點說明體積的增加的原因，藉此搭起連結(jié)巨觀現(xiàn)象與符號的橋梁。因此有時學(xué)生只會計算，但從認(rèn)識論的角度來看學(xué)生并未建立完整的知識架構(gòu)，甚至?xí)`以為是粒子本身的體積變大而非其所占有的空間變大。

3.2 大都使用單一表征或類比，忽略多重表征與多重類比的強化功能與互補特性

研究發(fā)現(xiàn)教科書說明單一概念時多以單一表征或是單一類比形式進行說明，缺乏針對相同概念以多重表征或是多重類比的形式從不同面向進行探討（Ainsworth， 1999； Spiro， Feltovich， Coulson， & Anderson， 1989）。使用得當(dāng)?shù)亩嘀乇碚骰蚴嵌嘀仡惐炔⒉粫黾訉W(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，而學(xué)生可以經(jīng)由不同表征形式與類比的介紹而有效地消除特定的另有概念（林靜雯和邱美虹，2005）；同時透過多重表征結(jié)合巨觀、中觀、符號之間轉(zhuǎn)換的機制以促進學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)。

3.3 著重學(xué)科結(jié)構(gòu)特質(zhì)，忽略不同形式模型之間遷移的過程

大部分教科書以陳述科學(xué)事實與概念為主，忽略概念間的連結(jié)關(guān)系。以原子結(jié)構(gòu)的發(fā)展為例，教科書時常先介紹湯姆生的西瓜模型再說明盧瑟福的原子模型，最后以軌道或是軌域的想法說明原子結(jié)構(gòu)，而教科書的內(nèi)容強調(diào)科學(xué)模型建構(gòu)的結(jié)果，卻忽略當(dāng)時科學(xué)家建構(gòu)科學(xué)模型發(fā)展、檢驗與修正的軌跡（劉俊庚和邱美虹，2010；Clement， 2000）。

3.4 強調(diào)科學(xué)理論的建構(gòu)，忽略聯(lián)系學(xué)生生活經(jīng)驗

受到結(jié)構(gòu)主義的影響，教科書多以工作分析的方式進行編寫，也就是依照學(xué)科結(jié)構(gòu)逐步加深與拓寬，然而卻忽略學(xué)習(xí)化學(xué)與學(xué)生生活經(jīng)驗的關(guān)聯(lián)性（Levy & Wilensky， 2009）。例如，學(xué)生會知悉最簡單的有機化合物即為四面體結(jié)構(gòu)的甲烷分子，其可作為燃料；然而卻無法統(tǒng)合理解甲烷分子作為燃料時在生態(tài)系統(tǒng)中扮演的角色。

4 模型觀點對于教科書編寫與教學(xué)的啟發(fā)

模型即為說明物件以及物件間的關(guān)系的具體或是抽象的表征，透過教科書可以呈現(xiàn)科學(xué)模型內(nèi)部概念與概念之間的關(guān)聯(lián)，以及科學(xué)模型的發(fā)展與修正歷程。因此模型的認(rèn)知觀點可以提供教科書與教學(xué)的啟發(fā)包含以下幾點：建構(gòu)適切的概念學(xué)習(xí)順序，強化連結(jié)巨觀、中觀與符號表征之間的關(guān)系，注意語言使用在科學(xué)學(xué)習(xí)上的影響及提供學(xué)生反思與修正既有模型的機會，以幫助學(xué)生建構(gòu)完整且融貫的科學(xué)模型。詳細(xì)說明如下。

4.1 依據(jù)學(xué)習(xí)原理建構(gòu)適切的概念學(xué)習(xí)順序

模型涵蓋內(nèi)部物件與物件之間的關(guān)系，而科學(xué)模型亦由特定概念與概念間的關(guān)系組成，因此教科書呈現(xiàn)科學(xué)模型時需要考量科學(xué)模型的本質(zhì)與建構(gòu)歷程，說明組成概念與概念之間的關(guān)系，再從中建構(gòu)出完整的科學(xué)模型圖像，最后形成適切的教學(xué)序列（林靜雯和邱美虹，2009；Méheut， 2004； Méheut & Psillos， 2004）。例如，引入概念時需要引起動機并與生活經(jīng)驗結(jié)合，接著進行實驗，再透過多重表征與多重類比形式建構(gòu)出科學(xué)理論架構(gòu)，并透過多樣性的建?；顒釉倬聦W(xué)生建構(gòu)出來的概念模型（Snir， Smith， & Raz， 2003）。

4.2 著重巨觀、中觀現(xiàn)象與化學(xué)符號之間的連結(jié)關(guān)系

根據(jù)學(xué)科呈現(xiàn)的外顯模型（expressed model）以及學(xué)生內(nèi)部的心智模式進行模型本位的學(xué)習(xí)方法，讓學(xué)生透過表征的操作（manipulation）而對學(xué)習(xí)的概念進行融貫性地建構(gòu)（鐘建坪，2013；Chiu & Chang， 2013； Treagustetal.， 2003）。例如，動手操作實驗、提供具體分子模型并與模擬動畫交互說明相同概念，讓學(xué)生能夠獲得不同巨觀、中觀與符號間的轉(zhuǎn)換。

4.3 注意語言在化學(xué)學(xué)習(xí)上的功能

語言是認(rèn)知歷程中將經(jīng)驗轉(zhuǎn)化成知識的條件與過程（Halliday， 1993）。語言特征包含語句（syntax）、語意（semantics）以及語用（pragmatics）。化學(xué)學(xué)習(xí)中學(xué)生不僅應(yīng)該理解化學(xué)教科書與科學(xué)社群書寫的語句以及含意，更應(yīng)該理解如何正確地使用陳述的科學(xué)語言。因此教科書應(yīng)該提供適切的語言表征、理解學(xué)生生活情境中的語言限制、強化語言可能造成的正負(fù)面影響，以幫助學(xué)生概念順利發(fā)展（Chiu， 2012）。

4.4 強化學(xué)生反思與修正既有模型以建構(gòu)完整的科學(xué)模型

依據(jù)學(xué)習(xí)原理與知識建構(gòu)的歷程在教科書中明確地提供模型本位的課程，讓學(xué)生可以將模型的素樸想法經(jīng)由建構(gòu)模型的歷程逐步建構(gòu)、檢驗、分析、運用以及轉(zhuǎn)化既有模型為科學(xué)模型，并提供學(xué)生反思科學(xué)模型的轉(zhuǎn)變歷程，以及自身模型的限制，以進而轉(zhuǎn)換自己既有不完整、不融貫的模型成為符合科學(xué)社群認(rèn)同的科學(xué)模型（鐘建坪，2013；Chiu， Chung， Lin， Liaw， & Yang， 2013； Jong， Chiu， Chung， 2013）。

4.5 著重模型的系統(tǒng)性思考以連結(jié)學(xué)生相關(guān)的生活經(jīng)驗與所學(xué)的科學(xué)理論

學(xué)習(xí)不該是片段的組成而應(yīng)該有系統(tǒng)性的認(rèn)識論架構(gòu)作為統(tǒng)籌的依據(jù)，因此提供學(xué)生組織心智模式與外顯模型的模型認(rèn)知觀點是必要的。透過模型觀點將學(xué)生個人生活情境、先前知識與將要學(xué)習(xí)的科學(xué)理論連結(jié)，而學(xué)生也才能在學(xué)習(xí)之后將所學(xué)到的相關(guān)科學(xué)知識類推應(yīng)用到自己的生活情境之中（Hofstein & Kesner， 2006； Pilot & Bulte， 2006），而非只是學(xué)到割裂的、片段的內(nèi)容。例如，當(dāng)介紹有機物時會說明提煉原油的技術(shù)，也提供生活當(dāng)中可能運用到的產(chǎn)品，還可以引導(dǎo)學(xué)生思考生活中化工產(chǎn)品使用的優(yōu)缺點，讓學(xué)生針對有限的資源思考生活周遭的問題。

5 結(jié)語與建議

化學(xué)概念的學(xué)習(xí)常因概念的抽象與復(fù)雜的特質(zhì)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)上常產(chǎn)生教學(xué)上非預(yù)期的結(jié)果。因此透過連結(jié)化學(xué)知識中巨觀、符號以及中觀三個面向與其交互作用的關(guān)系，并考量學(xué)生個體因素以及教學(xué)環(huán)境中所使用的語言是值得重視的。這些影響因子之間的關(guān)系如圖5所示，圖5顯示教科書應(yīng)該提供學(xué)生轉(zhuǎn)變自身素樸模型的環(huán)境以說明化學(xué)知識巨觀、符號以及中觀的連結(jié)，而教師根據(jù)個人特質(zhì)及語言等方式協(xié)助學(xué)生透過感官知覺與學(xué)習(xí)環(huán)境產(chǎn)生交互作用（包括教科書與身處情境），并且監(jiān)控（monitor）學(xué)生暫時性模型的轉(zhuǎn)變（從M1、M2至M3）與需要建構(gòu)特定模型時所需要的能力，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)歷程中建構(gòu)出完整且正確的概念模型以達到系統(tǒng)性的理解。

最后基于上述論述，本文針對教科書編寫與教學(xué)提出如下建議：

5.1 教科書編寫應(yīng)該透過適切的語言連結(jié)巨觀、中觀與符號之間的關(guān)聯(lián)

教科書通常提供教師教學(xué)活動設(shè)計與規(guī)劃的依據(jù)，因此教科書編寫應(yīng)該考量如何使用適切的語言說明化學(xué)知識中的巨觀現(xiàn)象、符號以及微觀的特質(zhì)以及三者之間的關(guān)系，藉此提供學(xué)生明確的學(xué)習(xí)準(zhǔn)則以建構(gòu)出適切的心智模式。

5.2 針對不同特質(zhì)學(xué)生，教師提供適切的學(xué)習(xí)特征幫助學(xué)生逐步建構(gòu)正確的化學(xué)模型

教科書除了提供學(xué)生良好的閱讀范本之外，亦應(yīng)提供教師概念教學(xué)的依據(jù)，為使具有不同學(xué)習(xí)特質(zhì)的學(xué)生都能夠從學(xué)習(xí)中獲得意義，教師需要針對不同學(xué)生提供多元表征（如類比模型、圖表、示意圖等），唯有透過適切的學(xué)習(xí)特征（如：語言、巨觀、符號、中觀等）才能夠讓學(xué)生產(chǎn)生意義的連結(jié)，也才能夠從中獲悉化學(xué)知識里巨觀、中觀與符號之間的關(guān)系，并從中逐步修正既有的心智模式使其更趨于正確的化學(xué)模型。

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