模型觀點在化學教科書中的角色與對化學教學之啟示

邱美虹+鐘建坪

摘要：論文旨在評析模型觀點在化學教科書中的角色，文中除討論了模型的本質與功能外，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抽象概念視覺化，并藉以建立正確的化學概念的心智表征以及連結各面向之間的關系。文中還針對模型觀點在化學教科書中應扮演的角色及其可能產生的影響進行討論，并提出教學的建議。

關鍵詞：模型；化學學習；符號；表征

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

1 前言

學生進入學習場域前所先存的特定想法往往與科學社群認可的科學觀點有所差異，因而造成學生日后科學學習的障礙。研究發現，化學學習的困難之一在于學生無法為巨觀的實驗現象與符號搭起聯系的橋梁（Johnstone， 1982， 1991， 2006； Talanquer， 2011； Treagust， Chittleborough， & Mamiala， 2003）。學生時常只記憶特定表征形式所建構的化學理論、實驗的結果以及特定的化學反應，殊不知割裂的、片段式的學習無法統整與理解化學符號與巨觀現象的關聯。因此，為了改善學生的學習除可以從教師教學專業素養與學生學習特性著手外，更應該提供結構良好且具認識論觀點的教科書。優質的教科書不僅提供教師設計教學的內容與過程，亦能夠幫助學生發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學習與教科書編寫上的意涵，以作為教科書編寫方向與化學教學的參考。

2 化學學習中的模型觀點

2013年諾貝爾化學獎得主為三位研究動態分子模擬的學者-Martin Karplus、Michael Levitt和Arieh Warshel，瑞典皇家科學院主要表彰三位學者在建構模型思考的模擬架構以提供分子動力學面向理論與實務的卓越貢獻（The Royal Swedish Academy of Sciences， 2013）。除了模擬之外，化學學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識觀點促進學生的化學學習極為重要。

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計者對于所設計實體的抽象想法，以呈現出物件之間的關系，而后再透過具體物件與內在想法交互作用完成更好的成品。在科學上，此設計者可視為科學家，而其成品可以是實驗結果的數據、數據間的關系或是所產生的理論。因此，模型除了具體實物外，尚可以呈現抽象的想法、關系或是一個事件（Buckley & Boulter， 2000）。事實上每個人每天都會透過既有想法與外在環境或刺激物進行交互作用，從而建構內在心智表征與外顯模型，再借助建構出來的模型進行學習與遷移。當學習與遷移順利時，則會強化其既有的心智模式，反之，若無法順利學習與遷移，則會出現對新訊息忽略、擱置、修正與重建等認知行為（如圖1）。

2.2 模型與化學學習的關聯

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

2.2.1 Johnstone的三面向學習觀

Johnstone認為化學學習應該著重巨觀（macro）、表征（representational）以及次微觀（submicro-）三種面向之間關系的連結（Johnstone， 1982， 1991， 2006），亦即教師教學與學生學習應該注重此三個面向及連結關系，才能提升學生的化學知能（見圖2）。此觀點已被廣泛討論與應用于教學上（Gilbert & Treagust， 2009； Talanquer， 2011； Treagust et al.， 2003）。其中巨觀包括現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、化學式以及化學方程式等，例如：HCl（aq）+NaOH（aq）→H2O（l）+NaCl（aq）說明鹽酸與氫氧化鈉的酸堿反應。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聯，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的數量關系形成水分子。

2.2.2 Mahaffy增加“個人特質”面向

學者Peter Mahaffy認為前述學者的觀點雖然可以幫助學生專注于化學學習，然而卻忽略了個體對于學習化學重要性的論述，意即忽視了具備不同特質的學生對于化學學習如何產生意義的連結。Mahaffy認為化學教學需要從學生的生活情境與文化背景中去幫助學生找尋學習化學的意涵，并且經由真實生活的經驗發掘化學知識中巨觀、符號以及分子層級（取代次微觀）間的關系，而唯有找出化學學習對于不同個體的學習價值，才能讓學生透過其余面向進行有效的學習（Mahaffy， 2006）（見圖3）。

2.2.3 邱美虹增加“語言”面向

本文第一作者根據過去研究的結果認為化學學習除了巨觀、符號、次微觀以及人的因素之外，還需要考量不同文化特質的語言特征對于學習化學的正反面影響（見圖4，Chiu， 2012）。語言的雙刃劍效應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”字頭來構字命名，皆有助于學生認識物質的本質以及命名的原則；但負面的影響則如常見的強酸與強堿進行中和反應后，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，因此學生常易誤以為中和反應后便達到中性而忽略酸堿物質的本質。又如碳酸鈉和碳酸氫鈉其命名中有“碳酸和氫”，因此學生直覺地認為這兩種化合物都具酸性，或是以物理靜態平衡來認識動態的化學平衡概念，這些都是常見的因語言所造成的另有概念。此現象在英語系國家亦有相似的研究成果（Watts， 1983），如：美國小學生對于能量守恒（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，使得學生在科學學習上使用公制單位時造成困擾。除此之外，邱美虹（2012）亦認為次微觀的觀點宜以中觀（meso）來說明教學或學習時所使用的表征方式是介于巨觀與微觀之間的表征關系。有鑒于語言的特征有時能夠幫助學生更容易理解科學概念，但是有時卻阻礙學生的學習以及以中觀取代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（圖4最右邊的圖）。圖4說明這些模型的轉變。

3 教科書中模型的使用情況

教科書是多數教師教學設計的重要依據，然而研究顯示，如果教師僅著重于教科書中的知識結構來計劃教學活動，教學過程中學生難以發展以模型為主的認知想法（劉俊庚和邱美虹，2010；Gericke & Hagberg， 2010），其可能的原因如下：

3.1 分別強調巨觀現象與符號，缺乏連結巨觀現象與符號的橋梁

化學概念的復雜性使得教科書內容多分開獨立說明巨觀現象及其化學反應式，強調反應面向的巨觀解釋以及相關的數學演算，而忽略如何運用粒子說明化學反應的歷程以解釋所觀察到的現象（Chiu & Chung， 2013；Levy & Wilensky， 2009）。例如：當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，藉此搭起連結巨觀現象與符號的橋梁。因此有時學生只會計算，但從認識論的角度來看學生并未建立完整的知識架構，甚至會誤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

研究發現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）。使用得當的多重表征或是多重類比并不會增加學生的認知負荷，而學生可以經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合巨觀、中觀、符號之間轉換的機制以促進學生的化學學習。

3.3 著重學科結構特質，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事實與概念為主，忽略概念間的連結關系。以原子結構的發展為例，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構，而教科書的內容強調科學模型建構的結果，卻忽略當時科學家建構科學模型發展、檢驗與修正的軌跡（劉俊庚和邱美虹，2010；Clement， 2000）。

3.4 強調科學理論的建構，忽略聯系學生生活經驗

受到結構主義的影響，教科書多以工作分析的方式進行編寫，也就是依照學科結構逐步加深與拓寬，然而卻忽略學習化學與學生生活經驗的關聯性（Levy & Wilensky， 2009）。例如，學生會知悉最簡單的有機化合物即為四面體結構的甲烷分子，其可作為燃料；然而卻無法統合理解甲烷分子作為燃料時在生態系統中扮演的角色。

4 模型觀點對于教科書編寫與教學的啟發

模型即為說明物件以及物件間的關系的具體或是抽象的表征，透過教科書可以呈現科學模型內部概念與概念之間的關聯，以及科學模型的發展與修正歷程。因此模型的認知觀點可以提供教科書與教學的啟發包含以下幾點：建構適切的概念學習順序，強化連結巨觀、中觀與符號表征之間的關系，注意語言使用在科學學習上的影響及提供學生反思與修正既有模型的機會，以幫助學生建構完整且融貫的科學模型。詳細說明如下。

4.1 依據學習原理建構適切的概念學習順序

模型涵蓋內部物件與物件之間的關系，而科學模型亦由特定概念與概念間的關系組成，因此教科書呈現科學模型時需要考量科學模型的本質與建構歷程，說明組成概念與概念之間的關系，再從中建構出完整的科學模型圖像，最后形成適切的教學序列（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驗結合，接著進行實驗，再透過多重表征與多重類比形式建構出科學理論架構，并透過多樣性的建模活動再精致學生建構出來的概念模型（Snir， Smith， & Raz， 2003）。

4.2 著重巨觀、中觀現象與化學符號之間的連結關系

根據學科呈現的外顯模型（expressed model）以及學生內部的心智模式進行模型本位的學習方法，讓學生透過表征的操作（manipulation）而對學習的概念進行融貫性地建構（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，讓學生能夠獲得不同巨觀、中觀與符號間的轉換。

4.3 注意語言在化學學習上的功能

語言是認知歷程中將經驗轉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）。化學學習中學生不僅應該理解化學教科書與科學社群書寫的語句以及含意，更應該理解如何正確地使用陳述的科學語言。因此教科書應該提供適切的語言表征、理解學生生活情境中的語言限制、強化語言可能造成的正負面影響，以幫助學生概念順利發展（Chiu， 2012）。

4.4 強化學生反思與修正既有模型以建構完整的科學模型

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

4.5 著重模型的系統性思考以連結學生相關的生活經驗與所學的科學理論

學習不該是片段的組成而應該有系統性的認識論架構作為統籌的依據，因此提供學生組織心智模式與外顯模型的模型認知觀點是必要的。透過模型觀點將學生個人生活情境、先前知識與將要學習的科學理論連結，而學生也才能在學習之后將所學到的相關科學知識類推應用到自己的生活情境之中（Hofstein & Kesner， 2006； Pilot & Bulte， 2006），而非只是學到割裂的、片段的內容。例如，當介紹有機物時會說明提煉原油的技術，也提供生活當中可能運用到的產品，還可以引導學生思考生活中化工產品使用的優缺點，讓學生針對有限的資源思考生活周遭的問題。

5 結語與建議

化學概念的學習常因概念的抽象與復雜的特質，使學生在學習上常產生教學上非預期的結果。因此透過連結化學知識中巨觀、符號以及中觀三個面向與其交互作用的關系，并考量學生個體因素以及教學環境中所使用的語言是值得重視的。這些影響因子之間的關系如圖5所示，圖5顯示教科書應該提供學生轉變自身素樸模型的環境以說明化學知識巨觀、符號以及中觀的連結，而教師根據個人特質及語言等方式協助學生透過感官知覺與學習環境產生交互作用（包括教科書與身處情境），并且監控（monitor）學生暫時性模型的轉變（從M1、M2至M3）與需要建構特定模型時所需要的能力，讓學生在學習歷程中建構出完整且正確的概念模型以達到系統性的理解。

最后基于上述論述，本文針對教科書編寫與教學提出如下建議：

5.1 教科書編寫應該透過適切的語言連結巨觀、中觀與符號之間的關聯

教科書通常提供教師教學活動設計與規劃的依據，因此教科書編寫應該考量如何使用適切的語言說明化學知識中的巨觀現象、符號以及微觀的特質以及三者之間的關系，藉此提供學生明確的學習準則以建構出適切的心智模式。

5.2 針對不同特質學生，教師提供適切的學習特征幫助學生逐步建構正確的化學模型

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

參考文獻：

[1]林靜雯，邱美虹.整合類比與多重表征研究取向探究多重類比設計對兒童電學概念學習之影響[J].科學教育學刊，2005，13（3）：317～345.

[2]林靜雯，邱美虹.探究以學生心智模式為設計基礎之教-學序列對學生電學學習之影響[J].科學教育學刊，2009，17（6）：481～507.

[3]劉俊庚，邱美虹.從建模觀點分析高中化學教科書中原子理論之建模歷程及其意涵[J].科學教育研究與發展季刊，2010，59：23～54.

[4]鐘建坪.模型本位探究策略在不同場域之學習成效研究[D].未出版博士論文.臺北：國立臺灣師范大學科學教育研究所，2013.

[5] Ainsworth， S. （1999）. The functions of multiple representations [J]. Computers & Education， 33（2/3）： 131～152.

[6] Boulter， C. J. & Buckley， B. C. （2000）. Constructing a typology of models for science education. In J. K. Gilbert & C. J. Boulter（Eds.）， Developing models in science education （pp. 41～57）. Dordrecht， the Netherlands： Kluwer.

[7] Chiu， M. H. （2012）. Localization， regionalization， and globalization of chemistry education [J]. The Australian Journal of Education in Chemistry， 72， 23～29.

[8] Chiu， M. H. & Chung， S. L. （2013）. The use of multiple perspectives of conceptual change to investigate studentsmental models of gas particles. In： G. Tsaparlis and H. Sevian （Eds.）， Concepts of Matters in Science Education. Dordrecht， the Netherlands： Springer.

[9] Chiu， M. H.， Chung， S. L.， Lin， Y. C.， Liaw， H. L.， & Yang， Y. T. （2013）. Modeling-Based approach for teaching and learning of redox and electrochemistry via the use of multiple representations and explicit explanations. Manuscript submitted for publication.

[10] Gericke， N.， & Hagberg， M. （2010）. Conceptual incoherence as a result of the use of multiple history models in school textbooks [J]. Research in Science Education， 40（4）： 605～623.

[11] Halliday， M. A. K. （1993）. Towards a language-based theory of learning [J]. Linguistics and Education， 5（2）， 93～116.

[12] Hofstein， A. & Kesner， M. （2006）. Industrial chemistry and school chemistry： Making chemistry studies more relevant [J]. International Journal of Science Education， 28（9）： 1017～1039.

[13] Gilbert， J. K.， & Treagust， D. （Eds.）. （2009）. Multiple representations in chemical education. The Netherlands： Springer.

[14] Johnstone， A. H. （1982）. Macro and microchemistry [J]. School Science Review， 64（277）： 377～379.

[15] Johnstone， A. H. （1991）. Why is science difficult to learn？ Things are seldom what they seem [J]. Journal of Computer Assisted Learning， 7（2）： 75～83.

[16] Johnstone， A. H. （2006）. Chemical education research in Glasgow in perspective [J]. Chemistry Education Research and Practice， 7（2）： 49～63.

[17] Jong， J. P.， Chiu， M. H.， & Chung， S. L. （2013）. The use of modeling-based text to improve studentsmodeling competencies. Manuscript submitted for publication.

[18] Levy， S. T. & Wilensky， U. （2009）. Crossing Levels and Representations： The Connected Chemistry （CC1） Curriculum [J]. Journal of Science Education & Technology， 18（3）： 224～242.

[19] Mahaffy， P. （2006）. Moving chemistry education into 3D： A tetrahedral metaphor for understanding chemistry [J]. Journal of Chemical Education， 83（1）： 49～55.

[20] Pilot， A.， & Bulte， A. M. W. （2006）. Why Do You “Need to Know”？ Context‐based education [J]. International Journal of Science Education， 28（9）： 953～956.

[21] The Royal Swedish Academy of Sciences. （2013）. Taking the experiment to cyberspace. Retrial from http：//www.nobelprize.org/ nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/popular-chemistryprize2013. pdf

[22] Snir， J.， Smith， C. L.， & Raz， G. （2003）. Linking phenomena with competing underlying models： a software tool for introducing students to the particulate model [J]. Science Education， 87（6）： 794～830.

[23] Spiro， R. J.， Feltovich， P. J.， Coulson， R. L.， & Anderson， D. K. （1989）. Multiple analogies for complex concepts： Antidotes for analogy induced misconception in advanced knowledge acquisition. In S. Vosniadou & A. Ortony （Eds.）， Similarity and Analogical Reasoning. New York： Cambridge University Press.

[24] Talanquer， V. （2011）. Macro， submicro， and symbolic： The many faces of the chemistry“triplet”[J]. International Journal of Science Education， 33（2）： 179～195.

[25] Treagust， D. F.， Chittleborough， G.， & Mamiala， T. L. （2003）. The role of the submicroscopic and symbolic representations in chemical explanations [J]. International Journal of Science Education， 25（11）： 1353～1368.

[26] Watts， D. M. （1983）. Some alternative views of energy [J]. Physics Education， 18（5）： 213～217.