从建模观点分析高中化学教科书中原子理论之建模历程及其意（可编辑）

从建模观点 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 高中化学教科书中原子理论之建模历程及其意（可编辑） 科?教育研究??展季刊 Research and Development in Science Education qualterly 2010,第五十九期,23-54? 2010, No.59, 23-54 ?建模??分析高中化?教科?中原子 理?之建模?程及其意涵 1, 2 1* ?俊庚 、邱美虹 1 ?立????大? 科?教育研究所 2 ?北市立中?高?中? * mhchiu@//0>. (投稿日期:2010.5.23;修正日期:2010.7.19,2010.10.21;接受 日期:2010.11.11) 摘 要 教科?在科?教?扮演非常??的角色,?多教?相?依?教科???? 教?的?容??程,教科?亦常?利用模型?介?科?理?的?展?概念。因 此,本研究主要?取?容分析法? 1974 年至 2009年? 16?版本高 中化?教科?「原 子理?」?元?行分析比?,?根?建模?程(模型描述???、模型建立、 模型效化、模型分析??估和模型?度)之要素?教科??行解?,以探究模 型在我?高中化?教科?中所扮演的角色和功能,以及教科?是否具建模?程 的要素。本研究?果?示,大部分教科?仍以?述科?事??概念?主,教科 ?中?於建模?程著重於「模型描述???」和「模型建立」,至於「模型效 化」?「模型分析??估」???缺乏。最后,本文亦??研究?果提出教科 ???之建?。 ??字:化?教科?、建模?程、原子理?、模型23科?教育研究??展季刊第五十九期 壹、前言 在科?教育中,?於概念改?相???研究,已?得相?不?的成果。? ?上,概念改?研究主要?皮??的?童?展理?、?恩的科??展和?生迷 思概念等研究著手,但 Rea-Ramirez 、 Clement ? Nunez-Oviedo 2008 ?? 利用?知方法去探??生概念改?可能是不?的,因其未能考量情意因素、社 ???角色???的情境。此外,他?亦??概念改?研究?於??改??取 代,而非修正。?多心智模式研究也未能???生的??如何影?科???, 同?也缺乏清楚的?制?解??生如何建立心智模式,故 Rea-Ramirez 等人 2008 ??概念改?教?宜兼??知?社?理?,?透?心智建模理??解 ?,他?提?以模型?基?之共同建? Model-Based Co-construction , 企?整 合社???、?人???先?概念,以及心理?面之心智模式、?比和意象 等 元素,而?描述教???生共同建???估模型的?程,其??如? 1所示。 社?/文化 ?高斯基 社??? Vygotsky 社?/?言 皮??Piaget- 以模型?基?之共同建? ?人?? Model-based 概念改? 科?教育- Co-construction ?生先?概念 以模型?基? 之?? ?恩 科?研究 心智模式、?比、 Kuhn 意象之心理? ?1 科???之理? Rea-Ramirez, Clement, & Nunez-Oviedo, 2008, p. 25 除此之外,科?教育研究取向也有了??,取而代之是「模型」和「建模」 之研究,相?研究亦不?地被提出(邱美虹、?俊庚,2008;?志康、邱美虹, 2009;Gilbert & Buckley, 2000; Halloun & Hestenes, 1987; Stratford, Krajcik, & Soloway, 1998)。模型?建模是?知?科?探究的基?,在科??程中扮演非 24?建模??分析高中化?教科?中原子理?之建模?程及其意涵 常重要的角色,它包含?多??活?的?程,也伴?著不同能力之?展,它不 ?能解??生概念改?的?程,也增添?多概念改?研究所缺乏的元素,如建 模理?不?可描述概念改?的?制????展,且提供相?教?策略?促?? 生之??,或是理解科?模型所扮演的角色等 Shen & Confrey, 2007。同?, 也修正???述和演示??之缺失,如?生?取被???的方式、知??於片 ?形式,以及他?素?信念?以改? Jackson, Dukerich, & Hestenes, 2008 。 ?什?建模?於?生??如此地重要?建模除了可?助他?去表??外? 化思考,透?想像和??他?所建立的理?或模型外,亦可促??生概念理解、 探究技能和系?性思考 Hestenes, 1987; Halloun & Hestenes, 1987; Jackson et al., 2008 。我?目前《普通高?中?必修科目「基?化?」?程?要》亦提及模 型的重要性(教育部,2010)。本文即?模型?探?建模原理??程,?用建 模理?分析我?高中化?教科?於「原子理?」?元之建模?程,藉以提供未 ?科?教育?者?教?教??之?酌。 ?、理?架? 「模型」?念已被?泛地使用於日常生活中。?於模型??名?,我?可 能?想到模型汽?、??等玩具,模型已?我?的生活?密地?合在一起。在 科??展上,模型也?理?建立扮演非常??的角色,如??粒子模型可用方 程式?表示:PVnRT(理想??方程式)。依此,本研究?模型定??角色、 建模?程?科???,?探?教科??建模之??。 一、模型 (一)模型之定? 模型可?助?生???解?,作?理解?象或概念的外在表徵,它??? 生思考??化 visualization ,?在?他人?通中?得回?。但模型 model 是 什??一般??,模型????更??化 Bliss, 1994 ,其尺度大小可能?表 徵的物件?小(如??、汽?),或是?大(如病毒、原子和分子),此外可 能表徵抽象概念、或是理?(如牛?第二??定律 Fma,理想??方程式 25科?教育研究??展季刊第五十九期 PVnRT)。模型在此扮演表?科?理?或?象的一?工具,?可用???或解 ?,?言之,模型扮演理? theories ??象之?的中介物 mediators Morgan & Morrison, 1999 。 模型可提供解?、???料,或作?????的?? Craver, 2006 。但 模型??名?,迄今仍未有一致性的看法。早在 1961 年, L. Apostel 即注意到 模型要有一???恰?的定?似乎是不可能,因?在科?、???哲??域, 模型使用均有不同的意?存在 Hartmann, 1995 。那我?如何?明或定??些 不同意?的模型呢??合?多研究者的定????,??表 1。 表1 模型定??整 研究者 模型的定? 模型是真?事物的一?概念性表徵。 Hestenes 1987模型是?了表徵物?情境的某些部分,包括?化? Tiberghien 1994量化的功能性??(??式)。 Glynn? Duit 1995 模型是系?的系?化表徵,或是某些系??化的? ?,包括??、??、概念和物件,?用?描述、 表徵和解?外在世界的?象。 Gilbert ? Boulter 2000 模型被??是一?物件、事件、想法或?象的表徵。 Tregidgo ? Ratcliffe 2000 模型是表徵物件、?象或想法的?果。 Gericke ? Hagberg 2010 模型是?象的?化,企?使用?展?象的解?。 ?上述?整,我?可以??模型??名?,研究者有不同的解?,但有一 ?共同的核心意?,即是模型代表在某些情?下?物件、事件、??所呈?的 表徵,包含特定的目的。如此定?方式,除?模型所表徵的事物和? 用??有 所限制外,也?及模型的功能部分,如模型可被用?解??理解,或?行??。 (二)模型的角色 模型最重要的特徵即是其功能性角色 Johnson-Laird, 1983, p. 403 ,理? 科?特徵之一即是?模型角色的依?,如原子行星模型、??粒子模型等。26?建模??分析高中化?教科?中原子理?之建模?程及其意涵 Hartmann 1995 ??模型可用????料、?用理?,或建?新的理?,而科 ?家也使用模型作?理?建?的主要工具。依 Hartmann 1999 的研究指出, 模型扮演的角色即是:1.?用至基本的理?:2.??理?;3.?展理?;4.改? 理?;5.探索理?的特徵;6.?助?得理解。以太??行星?例,它?均符合牛 ???模型,因此可以?算出所有行星的位置,如此不?延伸我?的想法,更 可推?未?的?象。 二、建模 modeling ?科??? (一)建模 建模是?知、科?探究和??解?的基?。邱美虹和?俊庚(2008)?? ??藉由模型所表徵的??或?象?建立其?在心智模式,而??又可藉 由模 型表徵?表??人???或?象的理解。????知????外?模型的交互 作用,?我?得以建立?科?的??,而??心智模式透?模型?使思考具? 化的方式,即是我?所?的建模(?? 2)。藉由模型建立?在表徵 模型 ??、?象 心智模式 藉由模型表??人的理解?2 建模架??(修改自邱美虹和?俊庚,2008) Lopes ? Costa 2007 ?「情境??」 situation-problem ?考量,他?? ?建模是在?情境?合的工作任?之?,?用和建?概念的方法,依此??, 建模是建?或?合科?模型之使用,?考量情境的特殊??或??。?且,他 ?也?三?向度???建模能力,分?是:面?方式 way of facing 、概念化 conceptualization 和操作性工作 operative work 。面?方式包括概念性?或 27科?教育研究??展季刊第五十九期 ??的使用情?,是否能小心地??解?的 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 或分析情境;概念化包括物件、 事件的概念化,?估物件?事件概念化是否融?,??用於??情境。最 后, 操作性工作?是描述??的??、??形式,以及??答案是否具可??性。 同理, Justi 、 Gilbert ? Ferreira 2009 ??建模是?生、??和修正模型的 ???程,它是科?探究的核心技能,如此描述方式均已?及建模?程。 Devi 、 Tiberghien 、 Baker ? Brna 1996 ??理解?生如何建?表徵?探?建模, 如何?真?的??情境到抽象的概念??,?生必?????情境中相?的物 件和事件,建立?抽象??(模型和理?)之?的??(?? 3)。Φ 建模 物件?事件 理?/模型 ?3 建模是建立模型/理??物件/事件的?意?? ?合上述??,邱美虹??俊庚(2008)主要?心智模式?外在??之? 模型的建立?解??探?建模,探?心智模式的外?化?程,以及心智模式和 外在??之?交互作用??。相反地,其他研究者?著重於外在?象?理?之 ???的建立,如前述 Morgan ? Morrison 1999 的??,即是模型扮演理 ???象之?的中介物,而建模即是建立?者之?的??,如 Lopes ? Costa 2007 著重於解???的方式,探???解??程需要考量的因素,如描述? ?,或是??。 Devi 等人 1996 ???建模作?科?理????世界,或是 ?象?模型之?的??,透?建模?程??察??或?象予以?化,??所? 察的??相互比?。 (二)建模?程?科??? 建模是?展科?知?的重要?程,研究者?建模?程也提出不同的想法, 主要是科?家建立科?理?或??解?的?程。?些?程有些共同的特徵,其 不外乎模型建立?模型?作??主要?段。以下?介??位研究者?建模?程 所做之探?,?提出本文作者?於建模?程之操作型定?。28?建模??分析高中化?教科?中原子理?之建模?程及其意涵 1. Hestenes 1987 建模策略 Hestenes 1987 ??物理??解?即是建模?程,其包含四??段,分? 是:描述 description ?段:描述模型的各?基本??,?定所?展的模型形 式,描述??的交互作用?特徵;形式化 formulation ?段:利用定律和交互 作用?形成方程式;分枝 ramification ?段:描?模型的不同意?或表徵形 式,然教科?常未能清楚地??;效化 validation ?段:效化是考量分枝模型 的???估。而?些?程?是在建模?程中基本的步?,?非?定的策略,? 於 Hestenes 而言,建模?程需要考量不?的修正?效化?程。然 Shen ? Confrey 2007 ?? Hestenes 的建模步??於??相??性的?程,因此仍有 其缺失。 2. Halloun 1996 的建模?程 Halloun 1996 提出??解?的建模?程?模型?? selection 、模型建 ? construction 、模型效化 validation、模型分析 analysis 和模型?度 deployment 。首先,在情境中???描述?象的系??成,接著建模目的? ?被??,期望?果能有效。?后,????理????,???和建?一? ??的模型。最后,此模型被操弄?分析,若它持?地有效,?可推???的 ??。然而,??教??程中,有??步?常被忽略,分?是模型效化和?度, Halloun ??互? interactive 和?? dialectic 的?程?於?生?展建模? 程中的效化和?度特?具有效益。 3. Stratford 、 Krajcik ? Soloway 1998Stratford 等人 1998 ??建模包含五??知策略,分析策略包括??重要 的因素或物件,理解、判?和??他?的模型,以及描?模型或??其??性; 相?性推理包含建立和??相?性,?????生什???;?合策略?是? 定模型如何以整?的方式?作,??或??模型表徵;??和除?是??模型 如何?作,或指出模型?何?法?作,??著找出可能的解法;解?策略?解 ?某一因素?何??致改?,深入探?想法,?述某些支持的??等。 Stratford 等人??建立模型宜提供?生??去思考???科??象,?它?分成片?, 描述?些片?的相?性,再整合?些片?成模型,??模型。最后,他??? 建???模型有助於?生的理解。 29科?教育研究??展季刊第五十九期 4. Sins 、 Savelsbergh ? van Joolingen 2005Sins 等人 2005 ???建模相??的推理?程包括五??段,首先是分 析 analyze ?段,?生??象做分解,??模型的重要元素,利用?表或?? ?料???模型的意?。?后,??推理 inductive reasoning 是?生推?模型 元素如何?行交互作用?假?,?生??推理,此?程意?模型????象之 ??(如考量模型如何?作、探?模型表徵和模型之?的新??),然?於? 生??是一???的?程;量化 quantify ?是建?初步模型后,透???? ??使模型元素?想法更?精?;解? explain 是用以?分模型元素的相? 性,?明?什?某一?因素?影?另一?因素。最后,?估 evaluate 是?了 ?估???模型,?生必???模型???所?得的?果,在?估?程中,? 生必??定他?的模型是否?信念相互一致,藉此修正原有的模型。 5. 邱美虹(2007) 邱美虹(2007)延? Halloun 的建模?程建立建模?程指?,但加入模型 重建的元素,同???建模教?各?段活?,探??生透?建模活??於?化 ?概念之?解。研究?果?示,建模教?中心智模式??化??有助於科?概 念之??,?在教??程中提供?生使用形式表徵的????,??科?推理 的技能,也??生??如何有系?的建立、??和修正模型,更?一步建立科 ?模型。 6. ?合不同研究?者之建模?程 ?如上述,研究?者?建模?程提出不同的想法。大部分?者?於建模? 程的??,不外乎建立模型、??模型、分析、修正,以及?度等?段。?合 上述研究,本文作者?建模?程?????主要?段,分?是:模型?展 model development 和模型?用 model implement 。有?建模?程各?段成分及其操 作型定???位科?教育?者?查???修正后,??表 2,根?表 2,建模? 包括模型描述???、模型建立、模型效化、模型分析、模型?度和模型重建 等 6 ??段,各?段之?交互?作?行,如? 4 所示,以下即??各?段加以 ?明。 30?建模??分析高中化?教科?中原子理?之建模?程及其意涵 表2 建模?程?整表 ?段 建模?程 次?目 操作型定? 描述????象的各? 由??情境中描述??????有意?之面向:包 面向(物件、??、交 括物件面向(物件的基本性?)、??面向(?? 互作用和因果效?) ?改?的性?)、交互作用面向和因果面向(解? 的形?)等。 ??面向???的?? ??面向???所有可能之??,?找出彼此?的 ??或比例??。 模型描述? ??最符合?象描述的 由??情境中的各?描述中??出有意?之面向: ?? 各?面向?可能?? 包括物件面向(物件的基本性?)、??面向(? (物件、??、交互作 ??改?的性?)、交互作用面向和因果面向(解 用和因果效?) ?的形?)等。 ?一步??面向??? ?所??的基本模型和??作?一步??。 ?? 符??言??(表徵? 使用?合的?言?型(表徵)?描述各?面向?? ?) ?之?的??。 模型 理解?於模型次?目 初步架???相?的基本模型(概念、定律、工具 ?展 和??)。 ?段 ??概念化 ?所??的面向(物件、??和交互作用)??? 情境相???做??,或是理解??情境有什?面 向?性特徵。 模型建立 定性??建立 建立定性??:A 影? B(描述所建立之?量??) 。 定量??建立 建立定量??:?? A? B之?的??,探?其? ?是正比、反比,或是??。 符??言建立(表徵建 ?使用的符??言?情境??做有效的??。 立) ?定模型之?作?描述 操作所建?的模型,?求可能解?方法或答 案,? ?? ?所?察到的方法和建立的??,或是如何?作。 模型效化 判??比? ?所建立的模型?真?世界事物或??做比?,? ?是否相符合。 模型?作?果?? 操作模型(?????料)?支持解?。 31科?教育研究?? 展季刊第五十九期 表2 建模?程?整表(?) ?段 建模?程 次?目 操作型定? 模型??性?? 利用直接或?接???做??,?估模型是否相符 合,?????果???之?的一致性。 ????的??性 ?估所??的??是否?合??情境。 模型 模型分析? ?展 ????的完整性 ?估所????是否完全符合建?的模型,或是有 ?估 ?段 忽略的地方。 ??一致性 利用不同方式???所建立模型之?部一致性 ??模型的融?性 不同模型之?作??,?估不同模型之融?性。 模型?用??? 利用已效化的模型???性???予解?、描述或 ??,理解模型是否能正?或???做??考依?。 理解模型的限制性 ?度所建立模型,理解模型使用的限定??。 模型?度 模型精? 修改模型部分??,?重新??。 模型 ?用 ?比建立??展 建立模型?考物之?的?比?展??,?用?些? ?段 ????新的?考物,???突破模型的限制。 建?新模型 ?於建立的模型感到不?意,使用不同於先前的面 向????重新解?,建?一?新模型。 模型重建 ?大模型的解??? ??思考先前未考量因素之?的??。 32?建模??分析高中化?教科?中原子理?之建模?程及其意涵 模型?用?段 模型?展?段模型描述??? 模型重建 模型建立 模型?度 模型效化模型分析??估?4 建模?程? (1)模型?展 可分?模型描述???、模型建立、模型效化?模型分析等 4 ?次? 段。 描述???部分,主要是描述?????(物件、??、交互作用和因果效?)、 ??或??的??、??最符合?象描述的各?面向???,以及符??言的 ??;模型建立?是透???之概念化、定性?定量??之建立,以及符?? 言的建立(??表徵?建立),建立初始模型;效化?是?定模型之?作? 描 述??、判??比?,和初始模型?作?果???;分析??估?是模型?? 性??,透?不?地????估??,藉以了解模型的??性、完整性、一致 性和融?性等。此外,模型效化、分析??估?段也著重於比???估不同模 型,?????模型,?言之,模型?展?段著重於建立一?可使用?解?的 模型,?利用不同??或方法?行分析、???比?。33科?教育研究??展季刊第五十九期 (2)模型?用 此?段主要?模型?度?重新建立新模型。模型?度方面,即是模型的? 用???、理解模型的限制性、?比建立??展和模型精?。模型可以?取不 同方式?用至不同的外在情境,模型只有在真?世界中?行描述、解?、?? 等?度?程后才??其重要性及?用性,如此也?慢慢地?充其使用??,且 更?用於相??的理?情境中。教??程中,提供?生?事??的?度活?, ??生?展工具和系?化的??,透??比教?或其他建模活?,均可使?生 ?建模有更多的???了解。模型重建?包括建?新模型和?模型中推?其他 含意,?大模型的解???。由於原有模型可能需要做完全的改?,?生需要 重新建?新模型,依 Chi 1992 概念改?的??,若是原本模型中所 需元素的 增?,?是弱重建,??微的概念改?,反之,若模型做??上大幅度修正, ?如一?概念重新被置放,由一???置放至另一?? Chi, Slotta, & de Leeuw, 1994 ,?可?之?重建,?於根本的概念改?。 ?合上述建模?程,建模??是???循?,?生可?取分?方式??展 ??的描述性模型,慢慢地再?展?解?性模型。此外,教?可?助?生建立 基本模型,?后不?地透????修正,他??能??展?完整的基本模型, ?生亦可?整?建?更??的模型,而?生的?展速度也??原先基本模型 快,因?他?已?上述?程中?得不同的建模成分 Halloun, 2006 。但?生在 建模?程中也可能於模型效化或分析??估?段,因模型?作?果?原??象 或??不一致而中?,??模型描述???或建立等?段再重新?行,?句? ?,建模?程?非是?性的?程,而是循??交互?行。 三、教科??建模?程 教科?在科?教?扮演非常??的角色,研究亦指出教?相?依?教科? ???教?的?容??程 Sanchez & Valcarcel, 1999 ,但教科??缺乏建模的 ?? Gericke & Hagberg, 2010 。因此,教?教??容???若是??考教 科 ????教?活?,教??程中??以?展建模的??。 此外,研究亦指出教科?在「原子理?」?展的描述均有缺失 Justi & Gilbert, 2000;Niaz & Rodríguez, 2001;Niaz & Co ?tu, 2009;Rodríguez & Niaz, 2004 。原子理?是不?透???修正的?果,但?多教科??未能描述不同 34?建模??分析高中化?教科?中原子理?之建模?程及其意涵 理??模型之?的修正?限制,模型之?的??也付之?如,?描述科?的? ??果,??取??的??,模型重新建立更是缺乏 Rodriguex & Niaz, 2004 。科?理?的??即是模型不?重建的?程,若能提供?生?於「原子 理?」的重新建??程,如此?提供?生理解科?家是如何建?理?之??, 如何作科?和相?的建模?程,?而影??生?於科?本?的??,而教科? 在此即扮演??性的角色。 ?、研究方法 一、分析?象 ?探?不同版本教科?於「原子理?」之建模?程,本研究?集 1974年以 后之高中化?教科?,?? 16 ?版本,依出版年代依序??? TS01~TS16,作 ?本研究之?本。?了解高中化?教科?於「原子理?」的?程?容,本研究 分析我?高中化??程?要於「原子理?」所需??之?容,??主要著重於 原子??,以及物?形成?原子核外?子排列等概念,?於「原子理?」的? 展??少著墨(教育部,1999, 2006, 2010)。 二、研究步? (一)「原子理?」之建模?程分析指?之建立 本研究利用所提出之建模?程指?(??表 2),??考科?史原子理?? 展,依「?木生原子理?」、「拉塞福原子理?」、「波耳原子理?」和「量 子力?原子理?」等 4 ??元,建立各?段建模?程之分析????例(?? 表 3)。此外,亦依下列分?加以?定,分??予 0-2分,依序?:良好符合要 求 satisfactory :具??述或有相??例?明(2 分);?提及 mention : 教科????地提及相??容,未能??地?明(1分);?有提及 no mention (0分)。如在?木生理?之「模型描述???」?段,其??如下:1.??射 ?具有粒子性?;2.??射??受到???磁?的影?;3.?得?子之荷?比; 4.不???板是由何?金??成,均?得同一?值。若是教科?能完整提及 上述 35科?教育研究??展季刊第五十九期 ?容,??定?「良好符合要求」,若是缺乏其中某一??容,??定?「? 提及」,若是教科??容完全未提及上述任一??容,??定?「?有提 及」。 ?后??位?家(科?教育和化??域)?查,依?查?果修正作?本研究之 分析??。 表3 「原子理?」建模?程????例?整表 ? 量子力? 建模?程 ?木生原子模型 拉塞福原子模型 波耳原子模型 段 原子模型 模型描述???射?具有大部分 α 粒子??原子光??不???不?原理: ?? 粒子性?。 直?穿?金箔。 光?。 量子力?系? 中,一?粒子描述?????射??受少? α 粒子???子?原子核做?周 位置和?量不 ?象的各? 到???磁? 生大角度偏?, ??,其向心力由? 可同??定。 面向(物 的影?。 ?少? α 粒子? 子和原子核???力 件、??、 反?回?。 所提供。波-粒二重?得?子之荷 交互作用和 性:一切物? ?比( e/m=光子能量? hν,普朗 因果效 同?具?粒子 8 1.759 × 10 ? 克理??明?子所? ?) ,??? 性和波?性。 ?/克)。 射能量 Ehν。 最符合?象?子??方式不???板是 描述的各? 只能以?率描 由何?金?? 面向?可能 模 述其分布? 成,均?得同 ??。 型 域。 一?值。 ? 展 模型建立原子含有一?原子?大部分??子?能在特定能??子在 原子核 ? 更基本的粒子 量集中在原子 ??,?不吸收或? 外出??域?初步 架?? 段 -?子。 核,原子核?正 射?磁波。 ??域。 ?相?的基 ?荷,?子在原 本模型,?原子?????原子能?:?域界面是指 子核外??。 ???面向 ?子均?分布 ?子出??率 ?18 E n 2.179×10 焦耳/????情境 在一??正?核?荷??子? 2 占 90% 的? n 相???做 的球?中。 荷相等,符?相 域,界面以外 1312 E 千焦 /莫 n??,?而 反。 ?域?子出? 2 n 建立模型。 ?率很小。 耳 原子核半??? -15 10 m,所?空利用量子?描n1 ?,E 最小,?道 ??小,原子半 述?域特性? 最靠近原子核,能量 -10 ?? 10 m。 ?子??情 最低。n愈大,?道愈 形。 ??原子核,能量愈 高。 36?建模??分析高中化?教科?中原子理?之建模?程及其意涵 表3 「原子理?」建模?程????例?整表(?) ? 量子力? 建模?程 ?木生原子模型 拉塞福原子模型 波耳原子模型 段 原子模型 ?子?高能?回到低 能?,?出?能?能 量差之能量。?子? 移?以光的形式?出 能量。 Δ EE -E H L 模型效化利用??射?α 粒子可掠?利用所建立模型?算利用原子? 域 ??推翻原子 ?子不偏?,? ?子在不同能??? ?多?子原子操作建立 的 ?法分割的理 有少?偏?,表 所?射的?射?率。 ?子充填?域 模型,?求 ?。 示原子大部分? 原?(??原 可能的解? ?是空的,而且 理、包立不相 方法或答 有一??正?荷 容?洪德定 案,了解模 且?量?大?域 ?),建立多 型如何? 存在。 ?子原子的排 作。 模 列方式。 型 模型分析?模型??性?模型??性?模型??性??:利模型??性? ? ?估 ?:由於?? ?:大角度散射 用建立模型?解?巴 ?:利用建立 展 荷粒子?有相 是 α 粒子?原 耳末、帕申系列? 之原子?域? ?利用不同方 互排斥的? 子核近距?碰撞 ?。 解?多?子原 段 式???模 象,所以原子 的?果。 子的排列方 型之?部一 ?部??荷粒 式。 致性?不同 子均?分布在 模型之?的 正?的球? 融?性,? 中。 ?一步?? 模型或提供 概念性解 ?。 模型?度模型解?:利模型限制:作加模型?用:利用建立模型?用: 利 用原子模型解 速度???荷必 ?原子能??算不同 用原子?域?利用 已效化 模 ??得列夫? ?射?磁波,? 能???所?射的? 於多?子原子 模型??? 型 期表中物理和 周??即?加速 射?率。 之?子排列? 性???予 ? 化?性?,以 度??。?子作 予??。 解?、描述模型??:??新? 用 及元素?期 ?周??,必? 或??,理 ?存在-?曼?比建立:? ? 性。 射出能量,使其 解模型是否 (Lyman)??的紫 子??方式只 段 能量??而逐? 能正?作??比建立:原 外光?系。 能以?率描述 靠近原子核。 ?考依?, 子?如葡萄乾 其分布的? 37科?教育研究??展季刊第五十九期 表3 「原子理?」建模?程????例?整表(?) ? 量子力? 建模?程 ?木生原子模型 拉塞福原子模型 波耳原子模型 段 原子模型 ?理解模型 布丁模型,葡?比建立:原子模型限制:? 法解? 域,科?家? 使用??。 萄乾如同? 模型略似太? 多?子原子,如氦原 之??子?。 子,分散於整 系,?子如行星 子光?。 模型重建 模 ?原子。 般?原子核作?模型精?:?原子理 型原模型已? 周??。 ?做部分修正,?? ? 法?足新事 其?用於???子。 用 ?的??, ? 故使用不同 段 於先前面向 ????重 新解?,建 ?新模型。 (二)?量?程 教科?分析?程如下所述,首先,先由第一作者?另一位具科?教育 背景 ?分者各自????版本教科?(TS01 和 TS02),?依表 3 之?量???行 ?定工作,?者同意度? 92.5%,若有?量不一致之?,?位?分者透?相互 ??的方式?成共?。?后?由第一位作者完成其他版本之?定工作。 肆、研究?果??? 教科?於「原子理?」建模?程分析?果?如表 4和表 5。各版本建模?程 平均?? 24.3分(?分 40分),?分最高? TS12(32分,80%),最低?? TS10(12 分,30%)。若?各建模?程得分予以分析,16?版本教科?於「模 型描述???」和「模型建立」得分?高(93 分,72.7%;106 分,82.8%), 至於「模型效化」?「模型分析??估」得分?低(66 分,51.6%;48 分,37.5%), ?示大部分教科?著重於描述原子理??容介?,?於原子理??作?果?概 念性解?,或是不同理?之?的????????缺乏。以下?一步比?各版 本教科?於「原子理?」?元之建模?程。 38?建模??分析高中化?教科?中原子理?之建模?程及其意涵 表4 高中教科?於「原子理?」之建模?程分析 ?木生原子理? 拉塞福原子理? 波耳原子理? 量子力?原子理? ? 分 S C V A D S C V A D S C V A D S C V A D TS01 2 2 0 0 0 2 2 000121 1022 1 1 2 21 TS02 2 2 0 0 1 2 2 222220 0011 2 1 2 26 TS03 2 2 1 0 1 2 2 001220 1122 1 1 1 24 TS04 1 2 2 2 1 1 1 002120 0122 1 1 1 23 TS05 2 2 0 0 1 2 2 222221 0112 2 1 2 29 TS06 2 0 0 0 0 2 2 222120 0111 1 0 2 21 TS07 1 0 0 0 0 2 1 001122 1011 2 1 2 18 TS08 1 1 0 0 1 2 2 222122 1212 2 2 2 30 TS09 2 2 1 0 1 2 2 112120 1112 2 2 2 28 TS10 1 0 0 0 0 1 0 000121 0011 1 1 2 12 TS11 2 2 0 0 1 2 2 202022 1212 2 2 2 29 TS12 1 2 0 0 0 2 2 222222 2212 2 2 2 32 TS13 0 1 0 0 0 2 2 202122 1111 2 2 2 24 TS14 1 2 1 0 1 2 2 000222 1111 2 2 2 25 TS15 2 0 0 0 0 2 2 222120 0112 2 2 2 25 TS16 1 0 0 0 0 2 2 000222 0112 2 2 2 21 平均 1.44 1.25 0.31 0.13 0.5 1.88 1.75 1.06 0.81 1.38 1.31 2.00 1.06 0.63 0.94 1.19 1.63 1.69 1.44 1.88 24.3 ?分 3.63(0.58) 6.88(0.45) 5.94(0.52) 7.81(0.26)??差 ?:建模?程代??明:模型描述??? S ;模型建立 C ;模型效化 V ; 模型分析? ?估 A ;模型?度 D 。39科?教育研究??展季刊第五十九期 表5 16?版本高中教科?之建模?程分析 ?分 TS01 TS02 TS03 TS04 TS05 TS06 TS07 TS08 TS09 TS10 TS11 TS12 TS13 TS14 TS15 TS16 128 93 S 7 7 8 5 7 6 5 5 6 4 5 6 4 6 6 6 72.7% 106 C 8 7 8 7 8 5 4 7 8 3 8 8 6 7 6 6 82.8% 66 V 2 4 2 3 5 3 4 6 4 2 6 6 6 5 4 4 51.6% 48 A 2 3 2 3 3 2 2 5 4 1 3 6 3 3 4 2 37.5% 75 D 2 5 4 5 6 5 3 7 6 2 7 6 5 4 5 3 58.6% 21 26 24 23 29 21 18 30 28 12 29 32 24 25 25 21?:建模? 程代??明:模型描述??? S ;模型建立 C ;模型效化 V ;模型分析? ?估 A ;模型?度D 。 (一)?木生??射????原子模型之建立 ?木生原子理?之建模?程,?果平均??有 3.63分(?分 10分),? 4 ?分析?元最低。此外,若?各?段分析,大多?教科?均著重於「模型 描述 ???」和「模型建立」??要素,其? 3 ?要素教科???少提及。底下? ?各?段之建模?程做探?。 1. 模型描述???:模型描述???著重於描述????象的各?面向,?且 ??或描述各?面向可能???意?,如描述??射?具有粒子性?(物件 面向),或是????射??受到???磁?的影?(交互面向)和?子荷 ?比(物件面向)等。整???,此?段之平均?? 1.44,?示大部分教科 ??容符合上述的面向。 2. 模型建立:此?段著重於?木生原子理?的建立,??明原子??是? 子均 ?分布於原子。分析?果?示,有 5 ?版本??述?木生???射?管?? ???子,?提出?子荷?比(e/m),未能提及原子模型之建立。整?而言, 分析教科?於此?段之平均?? 1.25。 3. 模型效化:有 4?版本教科?(TS03、TS04、TS09和 TS014)?行模型效化 ?程,即?定模型之?作,??建立模型???做比?,判?是否符合,依 40?建模??分析高中化?教科?中原子理?之建模?程及其意涵 此?木生???子,建立原子模型,如此亦?明?原子不可分割的概念不符 合,如 TS09版本提及「…?由??射???,?????粒子,即?子,可 能是原子的部分?成。??疑地???原子的不可分割性概念,是一?革命 性的想法。」但其中?有 TS04版本完全符合?量??,整?而言,平均?? ? 0.31,?示大多?教科?未能??所建立模型?行效化之?程。 4. 模型分析??估:此?段?量著重於?明???荷粒子?有相互排斥的? 象,所以原子?部???荷粒子均?分布於?正?球?中。?果?示,?有 1 ?版本教科?(TS04)能完全符合?定??,平均??有 0.13,如下所述: 每?原子占有一定大小的空?,它的正?部分均??漫於??空?,?子?分 ?固定在??的位置,?些位置可以使其他?子及荷正?部分施於它 的??力 恰相抵消。 (TS04,? 98) ?然?多教科?描述?木生原子模型??子在原子?均?排列,?未能 ??子?何?均?排列做解?,?示教科??模型分析??估?段不甚重 ?,?著重於科?事?的呈?,未能建立概念之??,如?荷排斥??子排 列??之建立。 5. 模型?度:此?段著重於模型?用???,?木生???子后,希望能透? 原子模型的建立,?而解?元素?期性。?果?示?有 TS04版本利用已建立 模型?行解?,其? 15?版本教科??完全未提及相?之?容,底下以 TS04 版本?例加以?明: …?木生可以??出?子?? 1,2,3…等各?情?,?子?占用的位置,甚 至?用??模型?著解?元素性?的周期性及原子?的??等。 (TS04,? 99)模型?度除上述?注焦?外,亦希望能建立模型??考物之?的?比,即? ??比模型的建立??展,其中?有 7 ?版本符合上述??,且大多以葡萄 乾模型?比原子。整?而言,平均?? 0. 50,?示教科??於?度?段不甚 重?。 (二)拉塞福α 粒子散射???有核原子模型之建立 ?於拉塞福原子理?之建模?程,有 6?版本(TS02、TS05、TS06、 TS08、 TS12 和 TS15)能完全符合?量??。此外,若?各建模?程得分,?示教科 41科?教育研究??展季刊第五十九期 ?仍著重於「模型描述???」和「模型建立」,底下即探?其建模?程。 1. 模型描述???:有 14?版本均完整?述 α 粒子散射??的?果,如大部分 α 粒子?直?穿?金箔,少部分??生大角度偏折或反??象,符合模型描 述????段之各?面向,如物件部分( α 粒子)、??面向( α 粒子散射)、 交互面向(α 粒子撞?金箔)和因果面向(散射?果)的描述,而有 2 ?版 本(TS04和 TS10)?呈?部分的?果。整???,此?段之平均?高? 1.88。 2. 模型建立:拉塞福透? α 粒子散射??建立原子模型,如原子?大部分?量 集中在原子核,原子核?正?荷,?子在核外??,核?荷?核外?子?荷 相等,即是?模型描述????段之各?面向做?合,初步架?有核的原子 模型。整???,此?段之平均高? 1.75,?示大多?教科?均能??拉塞 福???果建立有核的原子模型。 3. 模型效化:此?段著重於?定模型之?作?描述??,?明α 粒子可掠?? 子而不偏?,?有少?部分偏?,表示原子中大部分??是空的,且有原子 核存在。如 TS13版本所述: …拉塞福?在 α 粒子的散射??中,利用α 粒子撞?金?薄片,?? α 粒子在 撞?后的散射角度分布,???大部分的粒子?未被偏?,但有?少?的粒子 ? 以 180 角被反?。?表示原子中大部分的??是空的,且有一?正?荷?量? 大的?域存在。 (TS13,? 106-107) 折射的α粒子反 ?生偏?的α粒子 ?的 α大部分的 粒 α粒子不 子 偏折 原子核 入射 ?薄的金箔 的α α粒子的?源粒 子 α粒子束 ?弧形的?光幕 金原子 ? 5 α 粒子散射???置(TS13,? 106,此??作者重?之示意?) 42?建模??分析高中化?教科?中原子理?之建模?程及其意涵此?段之平均? 1.06,?各?段平均值次低,?示大部分教科?均忽略此? 段建模?程?於?生??的影?。 4. 模型分析??估:此?段著重於解???明大部分 α 粒子?直?穿?金箔, 由此推?原子核非常地小,大角度散射是α粒子?原子核近距?碰撞的? 果。?果?示,平均?有 0.81,有 9 ?版本完全未有相??容描述,?示大 部分教科??著重於科?事?的?明,?未有相?的概念性解?。底下以 TS02版本?例,?明完全符合之理由: 今有少? α ???生如此大角度的偏?,?因重而快速的 α ??可 掠??的? 子而不偏?,但在接近?正?的原子核?,拒斥力?大,使 α ??有相?大的 偏?,甚至被正面?回。?正如??可偏?或反??福??一?。(TS02,? 117) TS02版本除解?相????果外,?利用?比(????:?? ?原子 核;?福?? ?α粒子)??明,透??比模型建立,?利用不同方式?? 所建立模型之?部一致性,故完全符合?定??。 5. 模型?度:此?段著重於模型?用???,利用已效化模型????予解?、 描述或??,理解模型的限制性?使用??。研究?示大多?教科?均著重 於模型限制,提及拉塞福原子模型?法解?原子不?定和光?不??等? ?,整?平均?? 1.38。底下以 TS05版本?例,?明教科?如何?行模型? 度。 根?古典物理中之力?及??,????之?子在??正?原子核之??中? 行?,可造成??性?持旋?之??,但必因逐?放射?磁波,?致?子之能 量?於降低,即?子必???接近原子核。 (TS05,? 144) (三)波耳?原子光??原子模型之建立 波耳原子理?的建模?程,表 4 ?果?示,大部分教科?仍著重於「模型 描述???」和「模型建立」,?然其他三??段相?於前述原子理?,已有 更多教科?能??此三??段提出相?的?容?述,但平均?仍?有 0.63、0.94 和 1.19。 43科?教育研究??展季刊第五十九期 1. 模型描述???:6?版本教科?均能完整描述不??的?原子光?、?子? 原子核做?周??,?利用普朗克理???明光粒子能量??率之??,因 此符合模型描述????段之各?分析面向。???算,此?段平均? 1.31。 2. 模型建立:?如前述,大多?教科?均提及波耳?解?拉塞福原子模型之限 制,?解??原子??,初步架???相?的基本模型,?各?面向??? 做??,除建立?原子模型理?之定性?定量??外,亦能?所??面向? ??情境做??的??,如?子?能在特定能?(?道)上??,?不吸收 -