從抽象到具體：科學與計算建模框架設計與學習歷程之分析

摘要

傳統實驗活動受限於時間、設備與安全考量，導致學生多停留在觀念層次的理解。為協助國高中學生理解動態系統概念，CoSci 提供一個可在瀏覽器上直接操作的科學模擬平台（如浮力、波動、力學等），透過參數調整、即時動畫與數據回饋來進行探索式學習，計算建模則進一步讓學生自行創作模擬實驗。然而，現有平台缺乏引導學生將觀察結構化為模型機制，使學生難以完整經歷科學建模的思維歷程。為此，本研究開發一套科學與計算建模學習系統，引導學生透過「觀察—科學建模—創作—驗證」四階段流程，體驗科學家發現物理現象的思維路徑。系統將模型圖繪製模組、模擬創建環境與智慧助教聊天介面整合於 CoSci 平台中，並引入多個智慧助教代理人，透過啟發式提問引導學生從觀察現象出發，逐步歸納出科學想法並建立變數關係，最終將抽象的模型圖節點轉化為具體的模擬參數，完成可運作的模擬建構並進行驗證。為驗證系統可行性，確保語言模型能正確在「模擬說明—模型圖—模擬參數」三者之間進行轉換，本研究測試了三個大語言模型從模型圖生成對應模擬參數的能力，包含變數生成、演化式與參數間關係。實驗結果顯示，所測試之模型在變數生成方面達到約 0.81 至 0.83 的 F1 分數，在演化式生成方面則達到 0.86 至 0.93 的 F1 分數，驗證本系統在三者轉換上的可行性。除此之外，本研究於台灣北部一所高中招募 26 位學生，以力學能守恆為主題使用本系統進行建模學習。於活動前後分別進行概念與建模能力測驗，並收集學生在過程中與智慧助教的互動紀錄、模型圖與模擬結果，分析學生的操作行為與學習成效，並探討不同建模樣態學生在過程與學習成效間的差異。研究結果顯示，整體學生在經歷完整建模探究流程後，在科學概念理解與建模內部機制上均有顯著提升。進一步分析發現，學生的模擬品質受其先備建模能力影響，而整體建模表現（模型圖與模擬）亦與後測概念理解呈顯著正相關，顯示建構品質越高，越能促進學生在概念與建模上的理解。並且進一步依據學生建模推進方式、卡關本質以及智慧助教介入性質，將學生分類為循序建構、概念修正、表徵困頓與流程依賴等四群，各群學生在建模過程與學習成效上呈現顯著差異。循序建構型學生因主動帶有目標進行討論，在整體學習成效上有明顯幫助；概念修正型學生透過模型圖將機制迷思外顯，經智慧助教即時介入修正後，在概念理解上有明顯進步；表徵困頓型學生的學習成效較低，結果顯示其原因並非源於物理機制的誤解，而是因為花費過多時間釐清模型圖各節點的意義，排擠了深層思考與利用模擬驗證想法的機會；流程依賴型學生雖在過程中較為被動，但其建模填空成績在前後測間仍有所提升，顯示模型圖需要學生聚焦觀察特定模擬現象的結構特性，即使在被動學習模式下，仍能引導學生對機制產生初步覺察。總結來說，本系統不僅能引導學生從科學建模轉換至計算建模，並提出了四階段建模探究歷程，整合模型觀察與模型建構，填補了當前研究忽略模型觀察階段的不足。亦對學生建模過程與概念理解進行系統性分析，補足了現有研究缺乏學習歷程討論的缺失。