科學建模本位的探究教學之教材設計—以化學電池為例 邱美虹1,*、曾茂仁1,2 1國立臺灣師範大學科學教育研究所2臺北市立大直高級中學*mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw n  前言 科學家對於模型的觀點，以及教師或學生對科學模型與建模的研究日漸受到重視，已不言而喻。十二年國民基本教育自然領域課程綱要已於107年9月16日通過，再度強調強化跨科統整的重要性，並以探究課程內容培養學生探究的能力，而且課程綱要亦提到以培養學生建模能力為主，這是首次在臺灣的課程綱要中出現的核心科學素養，本文主要的目的是介紹以建模為設計導向結合探究能力的培養，研發八年級科學核心概念之一—化學電池—的教材設計。 n  建模教材的架構 根據邱美虹（2015, 2016）提出建模過程中所需要的能力分成四階段八步驟，分別為：第一階段為模型發展階段，含模型選擇和模型建立；第二階段為模型精緻化階段，含模型效化和模型分析；第三階段為模型遷移階段，含模型應用（近遷移）和模型調度（遠遷移）；第四階段為模型重建階段，含模型修正（弱重建）和模型轉換（強重建）。這四個階段在使用時並非是序列性的，所建立的模型無法有效地呈現數據的關係時，模型即失效，無法進行問題解決，這時必須要重新選擇與建立模型，再經歷效化確認後才能用於資料處理或問題解決情境中。所以建模歷程可能不同階段會出現小迴路（loop），以利建構有效與精緻化的科學模型。此建模過程如圖一所示。 圖一：建模歷程的相互關係（邱美虹，2016） 模型的建構強調科學模型，是由多個組成成分存在特定的複雜關係，再由多個複雜關係建構成一個系統或理論(見圖二)。模型的建立首先需選擇適當的組成成分或元件、確定成分或元件之間的關係、對所建立的模型進行評估、檢測，以確保其可行性，然後就所建立的科學模型進行資料的分析與應用，最後再視需要或問題情境，進行必要的修正與轉化。 圖二：模型中成份、關係和系統(或理論)間的關係（邱美虹，2016） 選擇化學電池進行教案的設計，主要是因為化學電池概念具有以下的屬性。 (一)化學電池具有多個元件，例如：電極（A）、鹽橋（B）、電解液（C）、電解質（D）、導線（E）等。 (二)化學電池多個元件之間存在特定的關係，例如：活性大小不同的金屬可以作為電極（AA’）、電解液能與電極反應（CA）、鹽橋含有電解質（BD）以維持溶液的電中性、導線連結電極（EA）等。 (三)化學電池中數個關係可以形成一個系統，例如：電解液與鹽橋內的電解質的關係（CBD）、電極與電解液的關係（AC）、導線與電極連結（AE）等而組成一個化學電池（ABCDE等）。 n  科學建模與探究過程的關係—建模本位之探究 為何探究過程還要有建立模型的過程呢？本文作者認為，十二年國民基本教育在探究過程中強調觀察與定題、規劃執行、分析與發現、以及討論與溝通，然而建模歷程可以更明確地指出在探究的過程中科學模型的建立是科學探究中思考智能重要的環節，也是學習科學知識的目標。從科學本質的角度觀之，科學建模的歷程是透過評估、測試、應用和修正的過程，探究能力的思考智能逐漸改變而趨向於科學模型。2019年即將實施的十二年國民基本教育自然領域課程綱要將與世界科學課程接軌，強調在探究的過程能有系統地發展出科學模型，回歸科學本質，強調建模和探究關聯的重要性，兩者之間可相輔相成，使教學與學習活動的目標更加明確且具操作性。 本文將介紹如何將建模架構(邱美虹，2016)和12年國教之探究能力相互結合，成為「以建模為本的探究（Modeling-based Inquiry, MBI）」教學模式(如圖三所示)，並據此進行教學活動之設計。圖三顯示MBI的設計架構，是從驅動問題出發，學生運用自己的素樸模型進行個人模型的發展，透過觀察與想像擬定探究的主題；第二階段進行素樸概念所建立的模型的精緻化，透過推理論證與批判的歷程，計畫與執行計畫以確立模型的有效性及資料分析的功能；第三階段–模型遷移時，利用以建立且效化過的模型，經由推理、批判、分析等過程進行進遷移和遠遷移的學習(如問題解決或概念理解)；最後到達第四階段–模型重建，經歷想像創造、推理論證、批判思辨的科學表現，在這些階段皆須透過文字或語言和符號，以討論和傳達的方式進行溝通，必要時進行原來模型的修正與轉換，以形成更接近於數據與推理的結果類科學模型或是科學模型。 圖三：建模歷程與探究能力關係的建模本位探究教學模式 n  教案設計實例—化學電池 曾茂仁（2016）運用邱美虹（2015, 2016）的建模歷程到中學化學電池的教材設計。除納入建模歷程外，也融入十二年國民基本教育自然領域課程綱要中所規範的探究能力，以期未來在教學現場實施時，讓教師們可以理解建模與探究兩者之間的關係以及如何透過強化探究的過程建立對科學模型的認識與應用。 以下教案設計的內容依據建模歷程四階段，納入探究能力，逐項說明如下： 建模歷程一：模型發展階段 探究能力：觀察與定題、建立模型 模型發展階段主要包含模型選擇和模型建立，此階段主要教學目標為讓學生知道電池時所需要物件的名稱和物件的功能，能夠從教科書或教師準備的學習教材中提取出相關概念。在此階段，常用的提問為： l  一個化學電池的裝置，需要哪些的材料，才能進行運作呢？ l  一個化學電池的裝置，所選取的材料，每一個所扮演角色目的為何？ 通常學生能夠輕易的從文章中選取出構成電池元件與各元件所扮演的角色，此時的學習活動符合自然領域課程綱要中學習表現的探究能力─觀察與定題：依據過去所學的知識，與生活中所觀察到的資料，確認電池運作的原理（氧化還原）、理論或物件（電極、鹽橋）。 待確認學生具備元件的概念後，學生從教科書或是教材中提取出構成電池的元件與概念後，教師再繼續提出以下問題： l  電池的元件與元件間有什麼樣的關係呢？ l  有什麼原理可以來敘述元件之間的關係呢？ 上述的問題主要聚焦在元件與元件之間的關係，元件之間的關係通常涉及微觀的概念（粒子的移動方向）、理論（氧化還原）或是符號的表現（化學反應式）。在進入化學電池複雜的反應機制前，教師必須先確認學生已具備元件之間的關係。要完成化學電池的模型，除了元件本身和元件之間的關係外，還要考慮多重關係下建立的系統。以下說明何謂系統：由於鋅電極的活性大於銅電極，因此鋅電極丟出電子（氧化還原），電子透過導線流到銅電極（電子的移動方向），使得電解液中的銅離子獲得電子後還原成銅原子吸附在銅電極上。為了使電解液保持電中性，鹽橋中的陽離子則會朝銅電極端的電解液移動。透過上述的連接，化學電池的模型逐漸形成，符合課程綱要中學習表現的思考智能─模型建立之指標。 建模歷程二：模型精緻化階段 探究能力：想像創造、推理論證、計劃與執行、分析與發現 模型精緻化階段主要包含模型效化和模型分析，此階段的活動重點是透過探究的方式檢驗第一階段建立的模型是否正確性？是否能夠用以解釋問題的成因？因此，在第二階段，教師帶領學生在實驗室，教師說明學習目標並採用問題引導的方式讓學生進行實驗，此活動設計主要是讓學生學習改變不同的變因對實驗的影響（模型效化），活動內容如下： l  請根據實驗變因的種類，填寫化學電池的實驗變因於表一。 表一：化學電池的實驗變因  實驗 變因 影響化學電池電壓的因素 變因選項 改變電極材質 改變電解液濃度 […]