MODELS AND MODELLING IN SCIENCE AND IN EDUCATION
Models are essential to the production, dissemination, and acceptance, of scientific knowledge (Giere, 1988; Gilbert, 1991; Tomasi, 1988). Although their epistemological status is open to debate, they function as a bridge between scientific theory and the world-as-experienced (‘reality’). They can
be simplified depictions of a reality-as-observed, produced for specific purposes, to which the abstractions of theory are then applied. They can also be idealisations of a possible reality, based on the abstractions of theory, produced so that comparisons with reality-as-observed can be made. They can be used to: make abstract entities visible (Francoeur, 1997); provide descriptions and/or simplifications of complex phenomena (Rouse & Morris, 1986); be the basis for both scientific explanations of and predictions about phenomena (Gilbert, Boulter & Rutherford, 1998). Both the design of and interpretation of experimental practices in modern science are often based on the use of computational modelling,
Many models are of material objects and can be viewed as having an independent existence (e.g., a drawing of a reaction flask) or as being part of a system (e.g., a drawing of a reaction flask in an equipment train). A model can be smaller than the object that it represents (e.g., of an aeroplane) or larger than it (e.g., of virus). Some models are representations of abstractions, entities created so that they can be treated as objects (e.g., flows of energy as lines). Inevitably, a model can include representations both of abstractions and of the material objects on which they act at the
same time (e.g., of energy flows in the Krebs’ cycle). A model can be of a system, a series of entities in a fixed relation to each other (e.g., of carbon atoms in a crystal of diamond, of the organs of the human body, of an electric motor). It can be of an event, a time-limited segment of behaviour
of a system (e.g., of the migration of an ion across a semi-permeable membrane, of human gestation and birth). It can be of a process, in which one or more elements of a system are permanently changed (e.g., of a catalytic converter in operation).
The central role of models in the development of knowledge was recognised by the mid-twentieth century (Bailer-Jones, 1999). For example, they have become ‘the dominant way of thinking’ in chemistry (Luisi & Thomas, 1990), something that chemists do ‘without having to analyse or even be aware of the mechanism of the process’ (Suckling, Suckling & Suckling, 1980). It therefore seems appropriate that models play equally important roles in science education. Students should come to understand the nature and significance of the models that played key roles in the development of particular themes in the sciences. They should also develop the capacity to produce, test, and evaluate models of those phenomena that are of interest to science. To do so is to participate in the creative aspect of science and to experience its cultural value.
The roles of models in science education are not easy to discharge, for models can attain a wide diversity of ontological status. A mental model is a private and personal representation formed by an individual either alone or in a group. All students of chemistry must have a mental model, of
some kind, of an ‘atom,’ all those of biology of a ‘virus,’ all those of physics of a ‘current of electricity.’ By its very nature, a mental model is inaccessible to others. However, a version of that model can be placed in the public domain and can therefore be called an expressed model. Any
social group, for example, a school class, can agree on an (apparently!) common expressed model that therefore becomes a consensus model. A social group is of scientists working with a consensus model at the cuttingedge of their science can be said to be using a scientific model, e.g., of a
Schrödinger model of an atom, of a p-n junction in a semi-conductor, of the AIDS virus. A superseded scientific model can be called a historical model, e.g., the Bohr model of the atom, the Ohm’s law model of electrical conductance, the creationist model in biology. On major aspect of ‘learning science’ (Hodson, 1992) is the formation of mental and expressed models by individual students that are as close to scientific or historical models as is possible. Simplified versions of scientific or historical models may be produced as curricular models to aid learning (for example, the dot-and-cross version of the Lewis–Kossel model of the atom). Specially developed teaching models are created to support the learning of curricular models (e.g., the analogy ‘the atom as the solar planetary system’) (Gilbert, Boulter & Elmer, 2000). Sometimes teachers employ curricular models
which can be called hybrid models because they merge the characteristics of several historical models, this having first been recorded in respect of chemical kinetics (Justi & Gilbert, 1999). Whilst of immediate appeal to teachers, for they enable many ideas to be taught at the same time, they
do violence to the history of science for they never existed in science and hence cannot ever be logically superseded.
A further complication for science education is that any version of a model (i.e. an expressed, scientific, historical, curricular, or hybrid model) is placed in the public domain by use of one or more of five modes of representation.
แบบจำลองและการสร้างแบบจำลองในวิทยาศาสตร์และการศึกษา
นางแบบจำเป็นเพื่อการผลิต การเผยแพร่ และการยอมรับของ scienti จึง C ความรู้ ( giere , 1988 ; กิลเบิร์ต , 1991 ; โทรมาสิ , 1988 ) แม้ว่าสถานภาพทางญาณวิทยาของพวกเขาจะเปิดให้อภิปราย พวกเขาทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมระหว่าง scienti จึง C และทฤษฎีโลกเป็นประสบการณ์ ( 'reality ' ) พวกเขาสามารถ
เป็นเอ็ดวิถีแห่งความเป็นจริง Simpli จึงเป็นข้อสังเกตที่ speci จึง C วัตถุประสงค์ ซึ่งนามธรรมทฤษฎีมาประยุกต์ใช้ . พวกเขายังสามารถ idealisations ของความเป็นจริงที่เป็นไปได้ขึ้นอยู่กับนามธรรมทฤษฎีผลิตเพื่อเปรียบเทียบกับความเป็นจริงที่สังเกตได้สามารถทำ พวกเขาสามารถใช้เพื่อให้องค์กรเป็นนามธรรมที่มองเห็นได้ ( francoeur , 1997 )ให้รายละเอียดและ / หรือชนิดของปรากฏการณ์ที่ซับซ้อน ( Simpli จึงปลุก&มอร์ริส , 1986 ) เป็น พื้นฐาน ทั้ง scienti จึง C คำอธิบายและการคาดการณ์เกี่ยวกับปรากฏการณ์ ( กิลเบิร์ต boulter & Rutherford , 1998 ) ทั้งการออกแบบและการตีความการปฏิบัติทดลองวิทยาศาสตร์สมัยใหม่มักจะขึ้นอยู่กับการใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์
,หลายรุ่นของวัตถุที่วัสดุ และสามารถดูได้ว่ามีการดำรงอยู่อิสระ ( เช่นภาพวาดของปฏิกิริยาflถาม ) หรือเป็นส่วนหนึ่งของระบบ ( เช่น รูปวาดของปฏิกิริยาflถามในอุปกรณ์รถไฟ ) แบบจำลองสามารถจะมีขนาดเล็กกว่าวัตถุที่ใช้แทนเช่น ( ของเครื่องบิน ) หรือขนาดใหญ่กว่า ( เช่น ไวรัส ) บางรุ่นเป็นรูปนามธรรม ,หน่วยงานที่สร้างขึ้นเพื่อให้พวกเขาสามารถจะถือว่าเป็นวัตถุ ( เช่น fl OWS ของพลังงานเป็นเส้น ) ย่อม เป็นโมเดลที่สามารถรวมภาพทั้งนามธรรมและของวัตถุที่พวกเขาทำในเวลาเดียวกัน ( เช่น
ของ OWS flพลังงานในวัฏจักรเครบส์ ) แบบจำลองสามารถของระบบ ชุดของหน่วยงานในจึง xed ความสัมพันธ์กับแต่ละอื่น ๆ ( เช่น คาร์บอนอะตอมในผลึกของเพชรของอวัยวะต่างๆของร่างกายมนุษย์ , มอเตอร์ไฟฟ้า ) มันสามารถเป็นเหตุการณ์ เวลาที่จำกัด ส่วนพฤติกรรม
ของระบบ ( เช่นของการเคลื่อนที่ของไอออนผ่านเยื่อกึ่งซึมผ่านได้ , มนุษย์ และกำเนิดในครรภ์ ) มันสามารถของกระบวนการ ซึ่งในหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งองค์ประกอบของระบบเปลี่ยนไปอย่างถาวร ( เช่น ของเครื่องฟอกไอเสีย
งาน )บทบาทศูนย์กลางของโมเดลในการพัฒนาความรู้เป็นที่ยอมรับโดยศตวรรษที่ยี่สิบกลาง ( วิดน้ำ โจนส์ , 1999 ) ตัวอย่างเช่น , พวกเขาได้กลายเป็น ' เด่นวิธีคิด ' ทางเคมี ( luisi &โทมัส , 1990 ) , บางสิ่งบางอย่างที่นักเคมี ' โดยไม่ต้องวิเคราะห์หรือแม้กระทั่งทราบกลไกของกระบวนการ ' ( ดูดนมแม่& , ดูดนม , 1980 )มันจึงดูเหมือนว่าเหมาะสมที่รุ่นมีบทบาทสำคัญเท่าเทียมกันในการศึกษาวิทยาศาสตร์ นักเรียนควรเข้าใจธรรมชาติและ signi ถ่ายทอดโรคมะเร็งของรุ่นที่เล่นบทบาทสำคัญในการพัฒนารูปแบบเฉพาะในวิทยาศาสตร์ พวกเขายังควรพัฒนาศักยภาพในการผลิต ทดสอบ และประเมินรูปแบบของปรากฏการณ์ที่สนใจวิทยาศาสตร์การทำเช่นนั้นคือการมีส่วนร่วมในด้านสร้างสรรค์ของวิทยาศาสตร์และประสบการณ์ คุณค่าทางวัฒนธรรมของ .
บทบาทของรูปแบบในการศึกษาวิทยาศาสตร์ไม่ง่ายที่จะจำหน่าย สำหรับรุ่นที่สามารถบรรลุความหลากหลายของสถานภาพภววิทยา . แบบจำลองจิตเป็นส่วนบุคคลและการเป็นตัวแทนส่วนบุคคลที่เกิดขึ้นโดยบุคคลคนเดียวหรือในกลุ่ม นักเรียนทุกคนต้องมีรูปแบบทางเคมีของ
,บางชนิดของอะตอม ' ' พวกชีววิทยาของ ' ไวรัส ' ทั้งหมดของฟิสิกส์ของปัจจุบัน ' ไฟฟ้า ' โดยธรรมชาติของมัน จิตจะสามารถเข้าถึงรูปแบบอื่น อย่างไรก็ตาม รุ่นของรุ่นที่สามารถอยู่ในโดเมนสาธารณะและจึงสามารถเรียกให้แสดงแบบ
กลุ่มสังคมใด ๆ ตัวอย่างเช่น ระดับโรงเรียน เห็นด้วย ( แน่นอน !) ร่วมกันแสดงแบบเอกฉันท์ จึงกลายเป็นนางแบบ กลุ่มสังคมของนักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานกับเอกฉันท์ แบบที่ cuttingedge วิทยาศาสตร์ของพวกเขาสามารถจะกล่าวว่าเป็นการใช้ scienti จึง C รุ่น เช่นของ
ของชเรอดิงเงอร์แบบจำลองของอะตอม ของรอยต่อพีเอ็นที่เป็นสารกึ่งตัวนำในกึ่งตัวนําของไวรัสเอดส์ เป็นแทนที่ scienti จึง C Model สามารถเรียกรูปแบบทางประวัติศาสตร์เช่นในแบบจำลองของบอร์ของอะตอมแบบกฎของโอห์มไฟฟ้า รุ่นผู้สร้างในชีววิทยา ในการเรียนวิทยาศาสตร์ สาขา ด้าน ' ' ( ฮอดสัน , 1992 ) คือการก่อตัวของจิต และแสดงโดยนักเรียนแต่ละรุ่นที่ใกล้เคียงกับ scienti จึง C หรือประวัติศาสตร์แบบเป็นไปได้Simpli จึงเอ็ดรุ่น scienti จึง C หรือประวัติศาสตร์รุ่น อาจจะผลิตเป็นรุ่นหลักสูตรเพื่อช่วยในการเรียนรู้ เช่น จุดและรุ่นข้ามของลูอิสและค เซลแบบจำลองของอะตอม ) รูปแบบการสอนที่พัฒนาขึ้นเป็นพิเศษที่ถูกสร้างขึ้นเพื่อสนับสนุนการเรียนการสอนแบบหลักสูตร ( เช่น คล้ายคลึง ' อะตอม ' ดาวเคราะห์ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ ) ( กิลเบิร์ต boulter &เอลเมอร์ , 2000 )บางครั้งหลักสูตรครูจ้างนางแบบ
ซึ่งสามารถเรียกรูปแบบไฮบริดเพราะพวกเขารวมลักษณะของรูปแบบทางประวัติศาสตร์หลายๆ จึงตัดสินใจเดินทางถูกบันทึกไว้ในส่วนจลนศาสตร์เคมี ( แค่&กิลเบิร์ต , 1999 ) ในขณะที่ของทันทีดึงดูดครู เพราะพวกเขาช่วยให้ความคิดมากมายที่จะสอนในเวลาเดียวกันพวกเขา
ใช้ความรุนแรงในประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์ที่พวกเขาไม่เคยมีตัวตนอยู่ในวิทยาศาสตร์ จึงไม่เคยเป็นตรรกะแทนที่ .
แทรกซ้อนเพิ่มเติมสำหรับวิทยาศาสตร์ศึกษาคือรุ่นใด ๆของรูปแบบ ( เช่นการแสดง จึง scienti C , ประวัติศาสตร์ , หลักสูตร , หรือแบบลูกผสม ) อยู่ในที่สาธารณสมบัติ โดยใช้หนึ่งหรือมากกว่าหนึ่ง จึงได้ของโหมดของการเป็นตัวแทน
การแปล กรุณารอสักครู่..