2017年7月11日

建模軟體-SageModeler(2)-如何建模

延續前一篇用SageModeler做資料分析的文章,這篇要介紹的是 SageModeler主要用途-建模。

科學教育上的建模有很多種呈現方式,有些是實體物件放大或縮小所建立的模型(例如生態系模型是把大變小,DNA模型是小變大),有些是抽象做成實體(孟德爾遺傳因子的遺傳模式示意圖)。這個軟體中所稱的建模是指針對現象提出問題,並找出變因,建立一個模型去描述、預測、解釋這些關係。

下面這部影片,介紹的是「非科學」的建模-如何讓成績變好,變因可能是專注度、努力時間等,我們利用SageModeler建立一個「讓成績變好」的模型,預測哪些變因會影響成績。




這個例子是科學實驗上的建模,讓學生觀察單擺擺動的現象後,由教師提出一個問題「影響單擺擺動週期的因素有哪些?它們又是怎麼影響的?」

學生先透過討論提出許多不同變因,例如學生可能會提出單擺的重量、擺動的角度、擺繩的長度。(雖然真正影響的是擺長,不過在讓學生學習時,是讓學生開放討論這些可能性的)

有了這些變因之後,學生在SageModeler上建立一個預測的模型,設定好這些因素如何影響擺動週期。隨後進行實驗,利用SageModeler的試算表與資料繪圖功能,實際看看這些因素到底有沒有影響週期。

學生觀察實驗數據後,會發現有些因素對週期沒有影響,於是就回頭再度修改自己的模型,
讓它成為一個符合科學數據的模型。



透過這樣的例子,不難發現其實「建立模型」這件事在做實驗時,是很容易放進去執行的。


其實在十二年國教的自然課綱中,就有建立模型這塊。它在哪裡?是在學習重點裡的學習表現,當中的探究能力。(黃色那塊)


課綱學習重點視覺化


探究能力分兩塊,一個是思考智能,是「你要怎麼去想這些探究的問題」,另一個是問題解決,講的是「你要怎麼去做」,而思考智能中第四項,就是建立模型。
探究能力



在不同學習階段鎖需要達到的程度如下,以國中階段來說就是要能建立模型、理解模型、評估模型。


小學3-4
小學5-6
國中
高中共同
高中進階(選修)
tm-Ⅱ-1
能建立簡單模型的概念,並能理解形成自然界實體模型的特性,進而與其生活經驗連結。
tm-Ⅲ-1
能經由簡單的探究與理解建立模型,且能從觀察及實驗過程中,理解到有不同模型的存在。
tm-Ⅳ-1
能從實驗過程、合作討論中理解較複雜的自然界模型,並能評估不同模型的優點和限制,進能應用在後續的科學理解或生活。
tm-Ⅴc-1
能依據科學問題自行運思或經由合作討論來建立模型,並能使用如「比擬或抽象」的形式來描述一個系統化的科學現象,進而了解模型有其局限性。
tm-Ⅴa-1
能依據科學問題自行運思或經由合作討論來建立模型,並使用如「比擬或抽象」的形式來描述一個系統化的科學現象。進而能分析各種模型的特性,且了解模型可隨著對科學事物複雜關係的認知增加來修正。





生物教學上有沒有什麼可建模的呢?有的,像是「影響綠豆發芽的因素有哪些?」「影響馬鈴薯/蕃薯發芽的因素有哪些?」「影響心搏的因素有哪些?」「碳元素是怎麼循環的」「食物網」

以下舉一個例子,是我看SageModeler的相關文章《Students making
systems models》看到的,研究者拿SageModeler做教學實驗的第一個模組就是探討這個問題「為什麼漁夫需要森林」,當森林被砍伐,為什麼漁獲也減少了,這其實就是一個探討碳循環的課題。在建立這個模型的時候,還需要給學生一些參考資料。

https://codap.concord.org/releases/latest/static/dg/en/cert/index.html#shared=21799



從這個概念出發,其實也可以拿生態學的文本讓學生來建模。像我這篇「用生態學的文本教科學閱讀策略」,就可以讓學生讀了文本,再用SageModeler來建立食物網的關係。當關係建立完備後,就可以看到牽動一種生物的數量,可能就會改變一個看似毫無關係的生物生存。


透過以上例子的說明,其實也回應了十二年國教總綱裡核心素養的一項「系統思考與解決問題」。透過建模的學習,學生可以從「見樹不見林」到「見樹又見林」,去看整個系統的問題,而不是只侷限在視線所及的狹隘範圍。

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