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

台湾在过去二三十年间，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。