מודל הינו הפשטה של תופעה נחקרת, אשר מייצגת היבטים נבחרים של התופעה ואת הקשרים ביניהם, במטרה להסביר, לתאר, לנבא או לחקור תופעה מסוימת, בהתאם להקשר בו היא נחקרת. מדענים מפתחים מודלים וסימולציות כדי לפענח רעיונות ותופעות מורכבים במגוון תחומי דעת, כמו, כלכלה, מתמטיקה, פיזיקה, מטאורולוגיה, ביולוגיה, ומדעי החברה (למשל, מודלים המתארים את שינוי טמפרטורת כדור הארץ ביחס לפליטת גזי חממה ומאפשרים עריכת ניבויים ביחס לשינוי באקלים).

תהליך המידול (Modeling), במסגרתו נבנה המודל ומוערך, הינו תהליך בעל ערך רב ללמידה, לא רק של מדענים, אלא גם של תלמידים. בתהליכי מידול, תלמידים אחראים על הגדרת התופעה והשאלות אותן הם מבקשים לחקור בה (למשל, במידול מחזור המים, לומדים יכולים להתמקד בתהליך האידוי), על זיהוי והגדרת הגורמים המעורבים בתופעה (למשל, במידול מחזור המים, לומדים צריכים לזהות גורמים, כגון, כמות קרינה והשפעתה על תהליך האידוי), על מיפוי הקשרים וההשפעות ההדדיות ביניהם, ועל פירוש המודל שיצרו, הערכתו ואופנים אפשריים לשיפורו. בסיום התהליך, עליהם להסביר את התופעה ולהכליל את שלמדו בתהליך המידול עליה. ניתן לעשות זאת כתרגיל מחשבתי, בעזרת נייר ועיפרון, או באמצעות כלים ממוחשבים ייעודיים. 

פעילויות מידול יכולות לתמוך בהבנה מעמיקה של התופעות הנחקרות, ומעבר לכך, לפיתוח מיומנויות חשיבה כגון הפשטה, הכללה, והבחנה בין עיקר לטפל. ניתן לשלב פעילויות מידול עם דרכים ישירות יותר (כגון ניסוי) לחקירת תופעות מורכבות. ההשוואה בין התופעה בניסוי ובמודל מאפשרת ללומדים להבין טוב יותר את התופעות ולשכלל הן את המודל והן את הניסוי.

דוגמה לתהליכי מידול במדע אזרחי  היא למשל במיזם הראדון, בו תלמידים מתנסים בתהליכי מידול שונים ובעיקר בתהליכי מידול סטטיסטי (statistical modeling) בעזרת הכלי הטכנולוגי TinkerPlots, בכדי ללמוד על תופעת גז הראדון. תהליכי מידול אלו מאפשרים להם להעמיק ברעיונות סטטיסטיים מורכבים, כגון, נתונים, מדגם ודגימה, הסקה, ועוד. 

עיקרון זה מיושם פעמים רבות עם העיקרון "עיסוק בתכנים מורכבים". עיקרון זה הינו אחד משלושה עקרונות המתארים אסטרטגיות שונות להבנת מורכבותן של תופעות: "המחשת תופעות ורעיונות מורכבים ע"י שימוש בעזרים חזותיים", "חקירת תופעות ורעיונות מורכבים ע"י שימוש אינטראקטיבי במודלים ובסימולציות" ו"פענוח תופעות ורעיונות מורכבים ע"י תכנון ויצירת מודלים". עקרונות אלו נבדלים בגישה החינוכית המנחה את מידת מעורבותם של הלומדים. העיקרון הנוכחי ("פענוח תופעות ורעיונות מורכבים ע"י תכנון ויצירת מודלים"), מתייחס למעורבות של תלמידים בתהליכי מידול וביצירה של מודלים, כדי לחקור תופעות מורכבות, בדומה למדענים המעורבים בתהליכי מידול שונים כחלק מהחקר המדעי. 

ההיסטוריה של העיקרון: העיקרון הופיע לראשונה במאגר עקרונות העיצוב (Design Princples Database, Kali, 2006) בשם "תמיכה בתהליכי מידול לפיענוח תופעות ורעיונות מורכבים". שמו שונה לשם הנוכחי בכדי לחדד את ההבדלים בין שלושת העקרונות שהוזכרו לעיל. 

לציטוט העיקרון: ארידור, ק., לביא אלון, נ., ולין, ג., שחם דולב, ר., קלי, י., שגיא, א., וחברי קהילת TCSS (2021). עקרונות הפעלה, insights.edu.haifa.ac.il

העמקה והרחבה:

מהו מודל? על פי Lehrer ו- Schauble (2010) מודל הינו סוג של הסבר, אשר מאפיין, ואף מגדיר מדע. ניתן להגדיר מודל, כאנלוגיה אשר מייצגת אובייקטים נבחרים מהתופעה הנחקרת ואת הקשרים בניהם (למשל, מודלי כדורי ביליארד המדמים התנהגות גזים, או את מערכת השמש). זאת במטרה להסביר תופעה מסויימת בהקשר מסויים. המודל, מספק הפשטה של אותה תופעה. מודל יכול להיות מופשט (רעיוני) או מוחשי (דגם פיזי, תיאור גרפי, ייצוג בכלי טכנולוגי). מטרות בניית המודל יכולות להיות תיאור תופעה, הסברתה, חיזוי אופן התנהגותה ועוד. נשים לב לכך שבמידה ואנלוגיה או ייצוג לא פותחו לצורך מטרה מסויימת, הם לא יחשבו כמודל. 

מהו מידול? ומהי חשיבה מבוססת מודל? על פי Lehrer ו- Schauble (2010), תהליך החשיבה והבנייה של מודלים, מכונה מידול. התהליך כולל בחינה, הערכה ושיפור של מודלים, בכדי ליצור אנלוגיה המייצגת בצורה מיטבית את התופעה הנחקרת בהתאם למטרתה לשמה המודל נבנה. תהליך המידול כולל בחינה של רעיונות תיאורטיים וממצאים ושילובם במודל הנבנה או המשופר. 

תהליך החשיבה המעורב בתהליך המידול (חשיבה מבוססת מודל) הינו תהליך מורכב. Lehrer ו- Schauble (2010) מסבירים מורכבות זו כנובעת מכך שתהליך המידול כרוך במעבר בין אובייקטים מציאותיים והקשרים ביניהם, לעבר בניית ייצוג אשר מחליף אותם. הייצוג החלופי מייצד היבטים בתופעה, הנתפסים כחשובים. תהליך מידול זה מאפשר ללמוד על העולם בעקיפין דרך מודל, שבו התופעה מוצגת באופן פשוט יותר. 

Lehrer ו- Romberg (1996), מתייחסים לחשיבה מבוססת מודלים כאל גשר המאפשר את המעבר מהבנות אינטואיטיביות, לעבר הבנות מדעיות על העולם. תלמידים המעורבים בתהליכי מידול מעורבים בתהליך מתמשך שבו הם יוצרים את נתוני התופעה הנחקרת בעזרת המודלים הנבנים, ובמקביל בוחנים את הנתונים, בכדי ללמוד על התופעה. תהליך זה כרוך ביצירת, בחינת ושיפור של מודלים. תהליך זה מאפשר פיתוח הבנות על התופעה הנחקרת. תהליך החשיבה המעורב בתהליכי מידול נחשב לכן כפרקטיקה המאפיינת מחקר מדעי.

תרומתה של חשיבה מבוססת מודל לחשיבה המדעית. על פי Lesh ו- Lehrer (2003), החקר המדעי במהותו מעורב בתכנון, בנייה ובשיפור של מודלים של העולם. רעיונות החוקרים עשויים לנבוע מחקירת מודלים, תיאוריות מדעיות עשויות להשתנות בעקבות תהליך הבנייה והשיפור של המודלים ובעקבות בחינה של מספר מודלים זה מול זה. 

העיסוק במידול הינו משמעותי בחקר המדעי מכיוון שעוסק בבסיסו בהעלאת שאלות, חקירתן, הסקת מסקנות, חשיבה ביקורתית, חיפוש אחר רעיונות ושאלות חדשים ועוד. תלמידים העוסקים במידול לומדים להעלות, להעריך ולחקור שאלות חשובות משל עצמם. הם שואלים מה נחשבת כשאלה טובה ומהי ראיה טובה ולומדים שמטרת החקר המדעי היא לא למצוא את התשובה הנכונה (למשל, זו שידועה כבר על ידי המורה) אלא, שגילוי מוביל באופן בלתי נמנע לשאלות נוספות, ושמחקר מעמיק על תופעה עשוי להוביל להבנה מעמיקה. דגש על מידול יכול אם כן להוביל לשינוי תפיסות התלמידים על מהו ידע ובפרט, מהו ידע מדעי. 

טיפוח של חשיבה מבוססת מודל. בפרק בנושא חשיבה מבוססת מודלים בהקשר המדעי, שואלים Lesh ו- Lehrer (2003), כיצד ניתן לטפח פרקטיקות מידול באופן הנשען על היכולות המתהוות של ילדים, ומאפשר להם להשתתף בעשייה המדעית הכוללת המצאה ושיפור של מודלים של תופעות בעולם? נקודת המוצא של החוקרים היא שמודל הינו אנלוגיה, לכן, כדי לטפח חשיבה על מודלים באופן שנשען על היכולות המתהוות של הילדים, החוקרים בוחנים כיצד מתפתחת חשיבה על אנלוגיות. הספרות מתייחסת אל רצף של מורכבויות  ביחס לאנלוגיות, שמתבטא בקשר (אופן המיפוי) בין המודל והמקור שלו. מבנים התחלתיים יכולים לנוע בין דימיון מילולי או פיזי לתופעה (דגם) ועד מבנה יחסים מוחלט. הרצון לבנות מודל בעל דמיון פיזי מחוזק על ידי ההקשר החברתי, מכיוון שקל יותר לשכנע אחרים שמודל מייצג תופעה אם הוא דומה פיזית לתופעה המיוצגת. לכן, החוקרים מציעים סיווג של מודלים המאופיין על ידי הכוונות והמטרות של הממדלים ולא רק על פי האיכויות של המודלים.

מיפוי זה אשר מתאר ארבעת סוגי המודלים הינו במקביל גם הצעה לאופן שבו ניתן להציג מודלים באופן הדרגתי לתלמידים: 

1. מקרוקוסמוסים פיזיים: מודלים שואבים את כוחם מהדמיון הפיזי וההתאמה הישירה. מודלים אלו הם ייצוג מינאטורי (קטן יותר ביחס לתופעה כמו כדוה"א או גדול יותר - כמו ייצוג של תא) של המערכות שהם באים לייצג. הם יכולים לכלול יחסים בין המבנים המתוארים בהקשר מסויים. מודלים פיזיים מאפשרים כניסה לעולם המידול בעזרת דימיון מילולי, אבל הם מאפשרים גם העלאות שאלות על המבנה היחסי. לדוגמא, מה לכלול במודל ולמה? איך לשנות אותו כדי לכלול תצפיות ונתונים חדשים?  
2. מודלים במובן של מערכות מייצגות: מערכות של ייצוגים מדעיים (רישומים, למשל, מפה של כדוה"א). מודלים אלו מאפשרים לנייד אותם, לשנות וליצור אותם מחדש בקלות תוך שימור היחסים בין היבטי התופעה מיוצגת. הם מאפשרים חשיבה על אופני הייצוג. למשל, איך דבר מייצג דבר אחר? מערכות אלו מבטאות חשיבה על מודלים וגם מעצבות אותה. שכן, מאפשרים בניית מאגר רישומים, סימונים והבנות לגבי תרומותיהם. דבר זה הינו מהותי לתהליך המידול.
3. מודלים תחביריים: מודלים אלו מסכמים את התפקוד העיקרי של המערכת ובדרך כלל אין בהם דמיון רב למערכת שהם מייצגים. מודלים תחביריים שואבים את כוחם ממיפוי רלציוני (מיפוי שמשמר יחסים, למשל, ניבוי בעזרת הטלת קוביה).
4. מודלים מתהווים: במודלים אלו מתמודדים עם מיפוי בין המודל לעולם שבו הקשרים בין העצמים מייצרים התנהגות מתהווה, שלא היתה ניראית קודם בתיאור של העצם או היחס (למשל התפרצות של מחלה). 

רשימת מקורות:

Kali, Y., (2006). Collaborative knowledge-building using the Design Principles Database. International Journal of Computer-Supported Collaborative Learning, 1(2), 187-201.

Lehrer, R., & Romberg, T. A. (1996). Exploring children's data modeling. Cognition and Instruction 14(1), 69–108. Image: 990498

Lehrer, R., & Schauble, L. (2010). What kind of explanation is a model? In M.K. Stein (Ed.), Instructional Explanations in the Disciplines (pp. 9-22). New York: Springer.