『電磁作用』建模導向學習課程設計

      吃完年夜飯,開始寫下學期的『課程計畫』。先整理這學期『模型與建模』的期末作業~『電磁作用』建模導向學習課程設計。文獻探討有再節錄過喔!

摘要

      本文介紹小學六年級自然領域『電磁作用』主題之建模導向學習課程設計。首先探討模型、建模與心智模式等相關文獻,了解模型與建模對於科學教育之重要性;進而參考建模導向課程設計原則(Sternberg,2008),再依據Halloun(1996)針對問題解決的建模步驟安排教學活動,設計小學六年級自然領域『電磁作用』主題之建模導向學習課程,期能在這樣的建模導向學習規劃中,藉由教師適時引導、提問,學習環境支援,以及小組討論、對話的實驗活動,支持學生進行探究體驗與建模思考活動,體現如Clement(2000)所提『從先前概念影響後續建模,最後轉變成目標模型』之建模歷程。研究者並希望參考『模型演化時間序列圖』(Clement & Sternberg,2008),繪製『小組合作之建模歷程演化序列圖』,分析各組於實驗活動中模型演進與建模互動歷程。

文獻探討

      模型是用以表徵現象、概念、過程、事件、或是物件等,它可以是以不同的表徵方式來呈現(如圖象、文字、符號、肢體動作等多元方式),以達到不同的功能與目的(如解釋性、描述性、溝通、模擬、抽象化、預測性、推理性、問題解決等)。
      建模是產出模型的過程,建模是一個動態的歷程,它必須牽涉到個體如何設定假說、建立模型所需要的達到的目的、確認模型的組成成分、確認它可能衍生出的來源、選擇模型、操弄模型中的變因、建立適當的模型(產生一個表徵)並進行檢驗與修正,進而發展出新的模型。

      圖一顯示實體或現象與模型和心智模式的交互作用之關係。個體藉由模型所表徵的實體或現象來建立其內在的心智模式,而個體又可藉由模型表徵的方式來表達個人對實體或現象的理解。這種內隱知識結構與外顯模型的交互作用,使我們得以建立對科學的認識(邱美虹、劉俊庚,2008)。

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    Clement(2000)提出以模型為基礎的學習(modeling-based learning)之理論架構(圖2),即是希望學生在教學後擁有目標模型(知識與概念)。整個學習即是學生從先前概念轉變成目標模型的過程~中間經歷一個或多個中介模型(M1、M2….),最後成為目標模型(Mn)。

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      Halloun (1996) 認為建模是一個複雜且包含許多活動與技能的歷程,他提出以建模方式解決問題的五個步驟:
1.模型選擇(model selection):建立模型的第一步必須起於從熟悉的模型中,選擇適當的模型來解決問題,而建模目的會影響到模型的選擇。
2.模型建立(model  construction):針對選擇的模型,學生必須建構或重現選擇模型的成分與結構,完整的模型包括敘述性(descriptive)與解釋性(explanatory)。
3.模型效化(model  validation):在建構模型的同時,必須進行效化,也就是利用不同形式檢驗模型的內部一致性,了解模型是否可以需要修正,是否有符合目標。
4.模型分析(model  analysis):利用已建立好以及效化好的模型來針對問題提出答案,並且加以證明、解釋。
5.模型調度(model deployment):將模型應用到其他新的情境。
在教學中應透過互動與辯證的歷程,幫助學生在建模的歷程中發展其模型的有效性和調度性,以有效解決問題(Halloun , 1996)。

    Steinberg(2008) 歸納高中電腦輔助電學課程『the Capacitor-Aided System for Teaching and Learning  Electricity  (CASTLE)』之研究,主張需要先確立目標模型與學習路徑,另可參考『建模導向課程』設計原則。本次課程設計,研究者主要參考其中P-3與P-4、P-5原則:
P-1:概念定錨(Anchoring conception)
P-2:概念的衝突與矛盾(Conceptual dissatisfaction)
P-3:實驗與觀察制約(Observational constraints)
      動手實驗,提供觀察那些有限制的模型(建立於有建設性的指引),提出重要的新概念、駁斥另有概念、區分合併的科學概念
P-4:漸進模型修正(Gradual model modification)
      小步驟地促進模型修正,幫助超越大的概念跳躍。大多數學生的先前模型Mi多是完整的,在每次概念改變插曲中支持推論,若既有模型有些小缺點,
可以小幅度修正。假定Mi可運作且有意義,然後只要改變不太大的話,Mi+1應該也可運作且有意義。
P-5:動態圖像表徵(Representation in dynamic imagery)
P-6動態圖像轉變(Transfer of dynamic imagery)
P-7:錨的發展(Anchor development)
P-8圖像增強(Imagery enhancement)

課程設計

一、  教學內容與教學目標:
    以下針對教學內容與教學目標、教學情境與流程之安排加以說明:本研究所探討的小學六年級自然領域『電磁作用』主題為康軒版課本第四單元,教學目標如下:
*知道地球是個大磁鐵,認識指北針的指針具有磁性,所以能指出南、北方向。
*察覺通電的線圈會產生磁力,學習製作電磁鐵。
*透過實驗,觀察電磁鐵能改變磁力大小、電流方向等現象。
*學習利用電磁鐵的特性,製作會動的通電玩具。

      結合教學目標,研究者擬定四個目標模型,分別以Ma、Mb、Mc、Md加以標注:
Ma:地球具有磁性,具有磁力的物質可使指北針偏轉
Mb:通電的電線會產生磁力,而且電流方向會影響磁力方向
Mc:電磁鐵
Md:自製的電磁鐵玩具
      各目標模型教學以大單元教學時間(每週有3節課)加以規劃。各組的建模進程可能不同,研究者將視需要適時介入,而在電磁鐵玩具設計時的時間與活動形式彈性比較大,可提供學習者將電與磁相關模型進行充分的應用與調度。

二、教學情境:
於自然專科教室中分成九組,每一組學生三人進行實驗,配合各小組電腦,提供一個合作學習的實驗環境。

三、教學流程:
      依據Halloun(1996)所提出的建模步驟:模型選擇、模型建立、模型效化、模型分析、模型調度設計教學流程,針對上述擬定之目標模型,配合每個步驟設計提問、安排實驗活動,提供學生動手實驗、動腦思考來主動建構,一方面鼓勵組內同學的分享對話、交互提問與解釋,也安排全班分享發表機會,讓學生得以將內在的心智模式外顯與表徵。為呈現整體的教學活動架構,研究者將Halloun的五步驟過程分別以1~5來標記:1.模型選擇、2.模型建立、3.模型效化、4.模型分析、5.模型調度。『電磁作用』學習活動規劃如表1,其中如『Mb3』代碼,即為Mb模型『通電的電線會產生磁力,而且電流方向會影響磁力方向』的3.模型效化過程。以下再依各目標模型與建模階段加以條列說明:

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*目標模型:
Ma:地球具有磁性,具有磁力的物質可使指北針偏轉
Mb:通電的電線會產生磁力,而且電流方向會影響磁力方向
Mc:電磁鐵
Md:自製的電磁鐵玩具

*建模階段:
Ma1:進行【指北針與地磁】活動,藉由實驗操作與問題引導,學生能觀察發現指北針不論放在什麼地方,指針箭頭都會指向北方,得以選擇適當的『地
球具有磁性』模型 。
Ma2:利用【磁鐵吸引指北針偏轉】的現象,讓學生看到指北針的偏轉是受到磁力作用的影響,而當移除磁鐵讓指北針或者一般的長條磁鐵懸空吊掛至靜
止時,指針箭頭與磁鐵的N極都會指向北方,建立『地球具有磁性』與具有磁力的物質可使指北針偏轉』模型。
Ma3,4:進行【製作指北針】活動
1.利用摩擦方式將鋼釘加以磁化,使其具有磁極後,也能具備指北針的能,藉以效化此『地球具有磁性』模型
2.教師針對各組自製指北針成品與效果加以歸納,提醒同學思考可以改良自製指北針的方向,例如磁化作用持續的時間,或者如何避免受到重力的影響而使自製指北針的功能不佳。
Ma5、Mb1,2:藉由『通電電線靠近指北針』活動,學生透過觀察發現指北針也偏轉,一方面調度『具有磁力的物質可使指北針偏轉』模型,進而選擇與建立『通電的電線可產生磁力』模型。
Mb3,4:藉由電池接通與斷電,效化『通電的電線會產生磁力』模型,而反接電後,也發現『電流方向相反,指北針箭頭偏轉方向也會相反』,可以進一步修正與效化『通電的電線會產生磁力,而且電流方向會影響磁力方向』模型。
Mb5、Mc1:學生透過操作鋁棒、木棒、鐵棒放入通電線圈中的實驗,建立『電磁鐵』模型~鐵棒可以讓通電線圈增強磁力,吸起迴紋針。
Mc3,4:學生比較不同線圈製作而成的『電磁鐵』可以吸引不同的迴紋針數目。
      學生比較串連多顆電池,比較相同線圈的『電磁鐵』可以吸引不同的迴紋針數目。
Mc5:學生進一步觀察、比較並歸納電磁鐵和天然磁鐵的異同。
Mc4:學生製作簡易電報機,印證『電磁鐵』模型。
      學生上網搜尋電磁鐵應用產品資料,針對某項產品或玩具,分析與討論其用電磁鐵原理之處,各小組參考這些資訊,開始設計小組合作之電磁鐵玩具。
Md1:學生討論自製的玩具所需材料與使用時應注意事項,強調如何應用『電磁鐵』模型。
Md2:學生畫出設計草稿,連結相關材料,說明應用電磁鐵原理的關鍵處。
Md3,4:學生針對設計完成之作品,調整各項材料與檢驗電磁鐵應用效率。
Md4,5:進行電磁鐵玩具作品分享大會
      以小組方式上台發表自己的作品,說明設計理念與電磁鐵應用原理。
      其他小組成員針對該作品給予回饋,提出問題與建議。

四、預期之小組合作之建模學習歷程分析
      本研究擬利用學生完成電腦簡報檔案與研究者繪製『小組合作之模型演化時間序列圖』(圖3)作為學習歷程分析工具。
      教學活動依上述建模步驟進行,也配合在各目標模型建構過程中,期望學生運用相關的實驗物品與『電與磁』原理圖像加以表徵呈現,由研究者提供各組電腦簡報檔案,將各目標模型中所有可供選用與建立關聯的圖像放置於簡報中,在各活動階段,小組成員可以配合實驗進展,利用此簡報選用圖像物件、加上關聯說明與心得寫作,陸續地整理於簡報檔中(也可由組內各成員自存簡報檔)。最後階段的電磁鐵玩具製作,可以整理網路資源畫面,放置設計草圖與成品相片,一同於『電磁鐵玩具作品分享大會』進行分享。

      研究者可於各階段活動中,調閱各組或個人簡報作品,應用於上課當下的提問討論與引導,亦可於課後用來掌握各組活動進程,以利後續規劃介入措施。利用觀察、問答方式與參考簡報資料,繪製『小組合作之建模歷程演化序列圖』,期能呈現小組『電磁作用』建模學習歷程與結果。演化序列圖中間區塊呈現各目標模型與預期學生選用以建立模型之圖像元件,區塊上方呈現教師於各階段之介入、提問與引導,區塊下方則記錄學生討論、發表的互動歷程,也可以將簡報作品掛置於此。

結語
      研究者認為,認識模型、建模對於科學教育的重要性,以及教師針對建模導向學習課程之設計與實踐,仍有待推廣。藉由本次建模導向學習課程之設計,研究者深感這樣的專業成長與實踐之收穫與必要,雖礙於期末時間壓力無法實施課程以進一步掌握學生建模歷程並繪製『小組合作之建模歷程演化序列圖』,但仍期望於後續教學主題中持續規劃與實踐這樣的建模導向學習課程。

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