槓桿原理學習

本節首先就「槓桿原理的學習與教育意義」，了解槓桿原理學習之必要性與 重要性，再進一步探討「槓桿原理在教學上的困難」，最後探討「體驗式學習理 論」之內涵、理論基礎及應用於數位遊戲，期望透過體驗式學習環作為改善槓桿 原理教學的理論架構。

一、槓桿原理之學習與教育意義

美國科學促進協會(AAAS, 1989)認為培養國民科學精神及素養，提升學習者 對於科學本質的了解，一直是教育界的重要目標。而我國九年一貫課程亦朝此方 向努力，在自然與生活科技領域的課程綱要提到培養學習者以實驗或實地觀察的 方式去進行學習，經歷科學家們的探究活動，學會觀察、詢問、規劃、實驗、歸 納和研判，培養出批判與創造等各種能力，使我們獲得處理事務與解決問題的能 力，並能瞭解探究過程中，細心、耐心與切實的重要性(教育部，2008)。此外，

為提升我國學生在國際的競爭力，Yager (1993)也指出，學生必須具備科學素養，

了解科學本質與社會之間的關係，進而將習得之科學概念遷移至日常生活中。然 而，學習者在學習這些科學概念之前，心中已產生另有概念且往往與專家概念是 不同的(曾永祥、許瑛玿，2006)。尤其物理領域的另有概念或迷思概念相關研究 最多，有 59 篇；其次是生物及地球科學領域，各 26 篇；最少的則是化學領域，

有 17 篇(陳淑筠，民 91)。其中，物理方面，與力學相關的單元存在較多的另有概 念，也就是說，「力」是最難學習的概念之一(Treagust, Duit, & Fraseredited, 1996)。

李田英(民 84)在國小三至五年級自然科學課程學習困難之教材分析研究亦發現，

學生常常對重力、速度、方向、天體、能量與作用力等科學概念產生迷思概念。

王美芬與熊召弟(2000)在國小自然科教材教法中提到迷思概念形成的可能原因是 來自日常生活的體驗、與生俱來的理念或因他人而形成的想法。蘇育任(民 82)對 國小自然科教學之啟示指出，在自然科學領域常產生迷思概念的原因為(1)過度簡 化科學概念、(2)死記硬背科學概念與公式、(3)將相似的概念重疊在一起、(4)概 念所需先備知識不足、及(5)教學策略與概念太過廣泛。因此，對於初次接觸物理 原理的國小學習者而言，在知識建構過程上是有一定程度的困難，且力學概念銜 接了未來國中與高中之科學課程，因此，只要能幫助學習者將具體經驗轉變成科 學概念存入長期記憶中，促進理解科學概念的本質，就能進而提升其日後在力學 相關概念的學習表現。所以，槓桿原理的概念對於學習者在物理學習的範疇中具 有相當深遠的影響與重要性。

二、 槓桿原理之教學困難

目前學習者學習槓桿原理相關概念多採用講述式教學搭配實體天平教具的 實驗操作。雖然根據皮亞傑之認知發展階段來看，7 至 11 歲的孩童已進入具體運 思期(Concrete Operational)，能根據具體經驗思維解決問題、能使用具體物之操作 來協助思考、能理解可逆性與守恆的道理；而 11 至 16 歲的孩童則慢慢進入形式 運思期(Formal Operational)，開始會類推，有邏輯思維和抽像思維、能按假設驗 證的科學法則思考解決問題。但是，從 Siegler (1976)等人的研究發現，採用傳統 教具(即翹翹板與砝碼)的教學方式，對於學齡兒童在槓桿原理的學習表現上，並 沒有符合其認知發展階段。也就是說，槓桿原理之傳統教學可能導致學習者對於 槓桿產生另有想法，故無法有效幫助學習者形成槓桿相關概念的抽象的表徵。然 而，目前槓桿原理教學是讓學習者體驗力所產生的現象，但對於力學概念僅能以 施力大小(數值、單位)來說明，且實驗過程相當耗時，若是實驗數據有誤差，則 也會造成教師講解上的困擾，因而無法使學習者有效理解槓桿的原理(賴俊安，

2012)。此外，樊雪春(1999)依據 Siegler 之評鑑法評估學生對槓桿平衡判斷規則的

McGinn & Roth (1998)

由國內、外研究歸納整理可知，槓桿之主要迷思概念包含：國小學生在「槓 桿原理」單元最主要的學習困難是(1)重量與力矩相混淆的想法，(2)無法正確做省 力或費力的判斷，及(3)力臂與重量成相加或成比例的想法(張志銘，2003；賴明 照，2003；游光純，2002；Stepans, 1994；Roth, 1991)。綜合上述，顯示在槓桿原 理教學上仍有缺乏一些適切的策略或教學方法來幫助學習者更有效地進行概念 轉變，以改善目前槓桿原理在教學上的困難。

三、 體驗式學習理論

體驗式學習理論強調學習是不斷轉換與重組經驗的歷程，以學習者為中心，

提供學習者有機會主動將經驗與概念加以整合，進而幫助其理解新概念與轉變就 經驗。以下就體驗式學習的內涵、理論基礎及體驗式學習應用於數位遊戲分別探 討。

(一) 體驗式學習的內涵

體驗式學習(experiential learning)是將學習者置於一個有意義的問題情境，透 過具體經驗驅使其發現問題所在、過程中透過不斷的觀察與反思，形成概念並能 夠將此抽象概念應用於新情境中，以檢視其有效性(Dewey, 1983; Lewin, Lippitt, &

White, 1939)。學習者透過觀察與體驗周圍事物，發現或形成對事物的解釋與想法，

藉由實際地運用，驗證其解釋與想法的可行性；當此想法轉變成一定程度的適用 準則，該想法即變成對於學習者有意義的知識架構或具體經歷，成為其日後評斷 相似事物的依據(Wang & Chen, 2010)。因此，體驗式學習已廣泛運用在教育實務 相關之教學情境中。

(二) 理論基礎

Kolb (1984)之體驗式學習理論依據資訊獲取(information perceiving)及資訊處 理(information processing)兩個觀點，將學習過程區分為一個四階段的循環週期，

其循環包括：具體經驗(concrete experience, CE)、反思觀察(reflective observation, RO)、抽象概念(abstract conceptualization, AC)及主動驗證(active experimentation, AE)四個階段(如圖 2-1)。以下就四個階段分別說明：

1. 具體經驗(CE)：透過真實世界環境或日常生活情境之模擬，將學習內容融 入其中，使學習者可以自行建構知識。

2. 反思觀察(RO)：提供各種資訊與事件促進學習者深入思考經驗的歷程與內 涵。

3. 抽象概念(AC)：學習者將具體經驗與反思觀察兩階段所經歷到的事件，透 過自行的理解與統整，進而轉化為知識架構。

4. 主動驗證(AE)：學習者整理出學習概念後，藉由主動檢驗概念的正確性，

將其延伸應用於新的情境上。

圖 2-1 體驗式學習環之四階段說明圖(Kolb, 1984)

該理論主要的論點包含：(1)學習是一個歷程而非最終的結果、(2)學習就是不 斷的重複學習、(3)學習需要經由對話的辯證過程，解決衝突，以適應世界、(4) 學習是一種適應世界的整體歷程、(5)學習是個人與環境互動所產生的結果、(6) 學習是創造知識的歷程。從體驗式學習理論的基礎可發現，其強調學習是「調適

具體經驗 (CE) Feeling

反思觀察 (RO) Watching

抽象概念 (AC) Thinking 主動驗證 (AE)

Doing

的歷程」，而知識是「概念的轉變」。因此，實踐體驗式學習於實驗教學時，應

Prensky, 2003; Salen & Zimmerman, 2004)。故本研究之遊戲設計理念是以體驗式 學習為理論架構，讓學習者透過遊戲故事的鋪陳與學習任務的安排在探索的過程