摘要：论文旨在评析模型观点在化学教科书中的角色，文中除讨论了模型的本质与功能外，还从巨观、微观、中观、符号、语言等面向来说明如何借助模型将化学抽象概念视觉化，并藉以建立正确的化学概念的心智表征以及连结各面向之间的关系。文中还针对模型观点在化学教科书中应扮演的角色及其可能产生的影响进行讨论，并提出教学的建议。
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关键词：模型；化学学习；符号；表征
文章编号：1005–6629（2014）1–0003–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 前言
学生进入学习场域前所先存的特定想法往往与科学社群认可的科学观点有所差异，因而造成学生日后科学学习的障碍。研究发现，化学学习的困难之一在于学生无法为巨观的实验现象与符号搭起联系的桥梁（Johnstone， 1982， 1991， 2006； Talanquer， 2011； Treagust， Chittleborough， & Mamiala， 2003）。学生时常只记忆特定表征形式所建构的化学理论、实验的结果以及特定的化学反应，殊不知割裂的、片段式的学习无法统整与理解化学符号与巨观现象的关联。因此，为了改善学生的学习除可以从教师教学专业素养与学生学习特性着手外，更应该提供结构良好且具认识论观点的教科书。优质的教科书不仅提供教师设计教学的内容与过程，亦能够帮助学生发展与修正其素朴概念。有鉴于此，本文尝试说明模型观点在化学学习与教科书编写上的意涵，以作为教科书编写方向与化学教学的参考。
2 化学学习中的模型观点
2013年诺贝尔化学奖得主为三位研究动态分子模拟的学者-Martin Karplus、Michael Levitt和Arieh Warshel，瑞典皇家科学院主要表彰三位学者在建构模型思考的模拟架构以提供分子动力学面向理论与实务的卓越贡献（The Royal Swedish Academy of sciences， 2013）。除了模拟之外，化学学科中许多概念都会以模型作为知识传达的媒介，因此教科书与教师如何利用模型的认识观点促进学生的化学学习极为重要。
2.1 模型的意涵
模型一般被视为具体可形塑的实物，大都为实体的缩小版（如玩具模型），但有时其亦可作为表达设计者对于所设计实体的抽象想法，以呈现出物件之间的关系，而后再透过具体物件与内在想法交互作用完成更好的成品。在科学上，此设计者可视为科学家，而其成品可以是实验结果的数据、数据间的关系或是所产生的理论。因此，模型除了具体实物外，尚可以呈现抽象的想法、关系或是一个事件（Buckley & Boulter， 2000）。事实上每个人每天都会透过既有想法与外在环境或刺激物进行交互作用，从而建构内在心智表征与外显模型，再借助建构出来的模型进行学习与迁移。当学习与迁移顺利时，则会强化其既有的心智模式，反之，若无法顺利学习与迁移，则会出现对新讯息忽略、搁置、修正与重建等认知行为（如图1）。
2.2 模型与化学学习的关联
化学知识的组成包含现象观察的结果与其蕴含的科学理论，化学家透过文字与符号对现象或是抽象的观点进行阐述以形成化学理论。学生经由教学过程或是依据实验的操作进行现象的理解，再经由符号的解释以了解巨观现象所发生的原理机制。学生在学习时通常会将情境的问题加以解构，把知识内容拆成片段来理解而非以模型的系统观点组织自己已经习得或是正在学习的内容。为了促进学生进行有效的化学学习，多位学者尝试从巨观、符号、次微观、中观、人的因素以及语言等面向及其之间的关系做出解释，以下介绍几位学者所提出的化学学习应该着重的面向之观点。
2.2.1 Johnstone的三面向学习观
Johnstone认为化学学习应该着重巨观（macro）、表征（representational）以及次微观（submicro-）三种面向之间关系的连结（Johnstone， 1982， 1991， 2006），亦即教师教学与学生学习应该注重此三个面向及连结关系，才能提升学生的化学知能（见图2）。此观点已被广泛讨论与应用于教学上（Gilbert & Treagust， 2009； Talanquer， 2011； Treagust et al.， 2003）。其中巨观包括现象与具体的实验操作，例如：将染料滴入水中，染料逐渐扩散。表征即指使用到的元素符号、化学式以及化学方程式等，例如：HCl（aq）+NaOH（aq）→H2O（l）+NaCl（aq）说明盐酸与氢氧化钠的酸碱反应。而次微观则指以原子、分子以及离子等说明巨观与表征之间的关联，例如：H+（aq）+OH-（aq）→H2O（l）指出溶液中氢离子与氢氧根离子是以1：1的数量关系形成水分子。
2.2.2 Mahaffy增加“个人特质”面向
学者Peter Mahaffy认为前述学者的观点虽然可以帮助学生专注于化学学习，然而却忽略了个体对于学习化学重要性的论述，意即忽视了具备不同特质的学生对于化学学习如何产生意义的连结。Mahaffy认为化学教学需要从学生的生活情境与文化背景中去帮助学生找寻学习化学的意涵，并且经由真实生活的经验发掘化学知识中巨观、符号以及分子层级（取代次微观）间的关系，而唯有找出化学学习对于不同个体的学习价值，才能让学生透过其余面向进行有效的学习（Mahaffy， 2006）（见图3）。 2.2.3 邱美虹增加“语言”面向
本文第一作者根据过去研究的结果认为化学学习除了巨观、符号、次微观以及人的因素之外，还需要考量不同文化特质的语言特征对于学习化学的正反面影响（见图4，Chiu， 2012）。语言的双刃剑效应可从下面的例子来说明。以正面影响而言，如金属以“金”字旁、液体以”水”字旁、气体以”气”字头来构字命名，皆有助于学生认识物质的本质以及命名的原则；但负面的影响则如常见的强酸与强碱进行中和反应后，溶液为中性其酸碱度（pH）为7，由于中文的「中」字即具有中间之意，因此学生常易误以为中和反应后便达到中性而忽略酸碱物质的本质。又如碳酸钠和碳酸氢钠其命名中有“碳酸和氢”，因此学生直觉地认为这两种化合物都具酸性，或是以物理静态平衡来认识动态的化学平衡概念，这些都是常见的因语言所造成的另有概念。此现象在英语系国家亦有相似的研究成果（Watts， 1983），如：美国小学生对于能量守恒（conservation of energy）的想法会从字面意义将其看成小心使用而不要浪费能源，而非是科学上的总量是固定的概念。另外日常生活中常用英制单位，使得学生在科学学习上使用公制单位时造成困扰。除此之外，邱美虹（2012）亦认为次微观的观点宜以中观（meso）来说明教学或学习时所使用的表征方式是介于巨观与微观之间的表征关系。有鉴于语言的特征有时能够帮助学生更容易理解科学概念，但是有时却阻碍学生的学习以及以中观取代Johnstone的次微观或是Mahaffy的分子，因而本文提出金字塔型的解释架构（图4最右边的图）。图4说明这些模型的转变。
3 教科书中模型的使用情况
教科书是多数教师教学设计的重要依据，然而研究显示，如果教师仅着重于教科书中的知识结构来计划教学活动，教学过程中学生难以发展以模型为主的认知想法（刘俊庚和邱美虹，2010；Gericke & Hagberg， 2010），其可能的原因如下：
3.1 分别强调巨观现象与符号，缺乏连结巨观现象与符号的桥梁
化学概念的复杂性使得教科书内容多分开独立说明巨观现象及其化学反应式，强调反应面向的巨观解释以及相关的数学演算，而忽略如何运用粒子说明化学反应的历程以解释所观察到的现象（Chiu & Chung， 2013；Levy & Wilensky， 2009）。例如：当教科书解释波义耳定律时通常描述体积与压力的乘积为一定值（PV=K）可以解释潜水员在海面下吐出的气泡会随着海水深度的减少而体积变大，但却没有再以粒子观点说明体积的增加的原因，藉此搭起连结巨观现象与符号的桥梁。因此有时学生只会计算，但从认识论的角度来看学生并未建立完整的知识架构，甚至会误以为是粒子本身的体积变大而非其所占有的空间变大。
3.2 大都使用单一表征或类比，忽略多重表征与多重类比的强化功能与互补特性
研究发现教科书说明单一概念时多以单一表征或是单一类比形式进行说明，缺乏针对相同概念以多重表征或是多重类比的形式从不同面向进行探讨（Ainsworth， 1999； Spiro， Feltovich， Coulson， & Anderson， 1989）。使用得当的多重表征或是多重类比并不会增加学生的认知负荷，而学生可以经由不同表征形式与类比的介绍而有效地消除特定的另有概念（林静雯和邱美虹，2005）；同时透过多重表征结合巨观、中观、符号之间转换的机制以促进学生的化学学习。
3.3 着重学科结构特质，忽略不同形式模型之间迁移的过程
大部分教科书以陈述科学事实与概念为主，忽略概念间的连结关系。以原子结构的发展为例，教科书时常先介绍汤姆生的西瓜模型再说明卢瑟福的原子模型，最后以轨道或是轨域的想法说明原子结构，而教科书的内容强调科学模型建构的结果，却忽略当时科学家建构科学模型发展、检验与修正的轨迹（刘俊庚和邱美虹，2010；Clement， 2000）。
3.4 强调科学理论的建构，忽略联系学生生活经验
受到结构主义的影响，教科书多以工作分析的方式进行编写，也就是依照学科结构逐步加深与拓宽，然而却忽略学习化学与学生生活经验的关联性（Levy & Wilensky， 2009）。例如，学生会知悉最简单的有机化合物即为四面体结构的甲烷分子，其可作为燃料；然而却无法统合理解甲烷分子作为燃料时在生态系统中扮演的角色。
4 模型观点对于教科书编写与教学的启发
模型即为说明物件以及物件间的关系的具体或是抽象的表征，透过教科书可以呈现科学模型内部概念与概念之间的关联，以及科学模型的发展与修正历程。因此模型的认知观点可以提供教科书与教学的启发包含以下几点：建构适切的概念学习顺序，强化连结巨观、中观与符号表征之间的关系，注意语言使用在科学学习上的影响及提供学生反思与修正既有模型的机会，以帮助学生建构完整且融贯的科学模型。详细说明如下。
4.1 依据学习原理建构适切的概念学习顺序
模型涵盖内部物件与物件之间的关系，而科学模型亦由特定概念与概念间的关系组成，因此教科书呈现科学模型时需要考量科学模型的本质与建构历程，说明组成概念与概念之间的关系，再从中建构出完整的科学模型图像，最后形成适切的教学序列（林静雯和邱美虹，2009；Méheut， 2004； Méheut & Psillos， 2004）。例如，引入概念时需要引起动机并与生活经验结合，接着进行实验，再透过多重表征与多重类比形式建构出科学理论架构，并透过多样性的建模活动再精致学生建构出来的概念模型（Snir， Smith， & Raz， 2003）。
4.2 着重巨观、中观现象与化学符号之间的连结关系 根据学科呈现的外显模型（expressed model）以及学生内部的心智模式进行模型本位的学习方法，让学生透过表征的操作（manipulation）而对学习的概念进行融贯性地建构（钟建坪，2013；Chiu & Chang， 2013； Treagustetal.， 2003）。例如，动手操作实验、提供具体分子模型并与模拟动画交互说明相同概念，让学生能够获得不同巨观、中观与符号间的转换。
4.3 注意语言在化学学习上的功能
语言是认知历程中将经验转化成知识的条件与过程（Halliday， 1993）。语言特征包含语句（syntax）、语意（semantics）以及语用（pragmatics）。化学学习中学生不仅应该理解化学教科书与科学社群书写的语句以及含意，更应该理解如何正确地使用陈述的科学语言。因此教科书应该提供适切的语言表征、理解学生生活情境中的语言限制、强化语言可能造成的正负面影响，以帮助学生概念顺利发展（Chiu， 2012）。
4.4 强化学生反思与修正既有模型以建构完整的科学模型
依据学习原理与知识建构的历程在教科书中明确地提供模型本位的课程，让学生可以将模型的素朴想法经由建构模型的历程逐步建构、检验、分析、运用以及转化既有模型为科学模型，并提供学生反思科学模型的转变历程，以及自身模型的限制，以进而转换自己既有不完整、不融贯的模型成为符合科学社群认同的科学模型（钟建坪，2013；Chiu， Chung， Lin， Liaw， & Yang， 2013； Jong， Chiu， Chung， 2013）。
4.5 着重模型的系统性思考以连结学生相关的生活经验与所学的科学理论
学习不该是片段的组成而应该有系统性的认识论架构作为统筹的依据，因此提供学生组织心智模式与外显模型的模型认知观点是必要的。透过模型观点将学生个人生活情境、先前知识与将要学习的科学理论连结，而学生也才能在学习之后将所学到的相关科学知识类推应用到自己的生活情境之中（Hofstein & Kesner， 2006； Pilot & Bulte， 2006），而非只是学到割裂的、片段的内容。例如，当介绍有机物时会说明提炼原油的技术，也提供生活当中可能运用到的产品，还可以引导学生思考生活中化工产品使用的优缺点，让学生针对有限的资源思考生活周遭的问题。
5 结语与建议
化学概念的学习常因概念的抽象与复杂的特质，使学生在学习上常产生教学上非预期的结果。因此透过连结化学知识中巨观、符号以及中观三个面向与其交互作用的关系，并考量学生个体因素以及教学环境中所使用的语言是值得重视的。这些影响因子之间的关系如图5所示，图5显示教科书应该提供学生转变自身素朴模型的环境以说明化学知识巨观、符号以及中观的连结，而教师根据个人特质及语言等方式协助学生透过感官知觉与学习环境产生交互作用（包括教科书与身处情境），并且监控（monitor）学生暂时性模型的转变（从M1、M2至M3）与需要建构特定模型时所需要的能力，让学生在学习历程中建构出完整且正确的概念模型以达到系统性的理解。
最后基于上述论述，本文针对教科书编写与教学提出如下建议：
5.1 教科书编写应该透过适切的语言连结巨观、中观与符号之间的关联
教科书通常提供教师教学活动设计与规划的依据，因此教科书编写应该考量如何使用适切的语言说明化学知识中的巨观现象、符号以及微观的特质以及三者之间的关系，藉此提供学生明确的学习准则以建构出适切的心智模式。
5.2 针对不同特质学生，教师提供适切的学习特征帮助学生逐步建构正确的化学模型
教科书除了提供学生良好的阅读范本之外，亦应提供教师概念教学的依据，为使具有不同学习特质的学生都能够从学习中获得意义，教师需要针对不同学生提供多元表征（如类比模型、图表、示意图等），唯有透过适切的学习特征（如：语言、巨观、符号、中观等）才能够让学生产生意义的连结，也才能够从中获悉化学知识里巨观、中观与符号之间的关系，并从中逐步修正既有的心智模式使其更趋于正确的化学模型。
参考文献：
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