模擬實驗與實體實驗在實驗教學中的角色

實驗教學在科學教育中佔用重要地位，一方面可強化學生所學之科學理論、

加深學生對科學現象的理解，另一方面又可培養學生動手解決問題的技能、提高 觀察和分析能力（傅昭銘，2006；Chiaverina & Vollmer, 2005）。科學教育學者認 為實驗教學會持續扮演著科學教育的中心角色，楊文金和許榮富（1987）綜合各 家學者看法，提出實驗教學不僅有助於培養科學態度、理解科學本質、發展認知 能力，還能建立科學概念與發展科學過程技能（如表 2.1）。

表 2.1 實驗教學的功能 （引自楊文金、許榮富，1987）

研究者 實驗教學功能

Chiaverina 等人（2005） ^z 引起學生的學習動機。

z 將複雜的概念具體化。

z 增加對科學儀器的認識。

z 印證假設、理論及規則。

Klopfer（1971） ^z 傳播科學知識與理解科學。

z 培養操作技能。

z 發展科學探究技能，包括：（a）觀察與測量，（b）解釋數據，

研究者 實驗教學功能

（c）辨認問題，及（d）尋求解決問題的方法。

z 鑑賞科學方法。

z 強化科學態度及興趣。

z 應用科學知識及方法。

Shulman & Tamir（1973） z 發展技能：操作、探究、組織、溝通等技能。

z 灌輸概念：例如假說、理論模型、分類等概念。

z 培養認知能力：批判思考、解決問題、應用、分析、綜合等能 力。

z 理解科學本質：科學領域、科學家彼此之間的工作、科學方法 的多樣性等。

z 強化科學態度：好奇心、冒險性、一致性、合作性、客觀性、

精確性等。

一、 模擬實驗有助於實驗教學

國內外許多科學教育的研究結果顯示電腦模擬實驗有助於實驗教學。因為電 腦模擬實驗提供一個安全且廉價的科學實驗環境，讓學習者探索科學知識或從事 科學實驗（黃福坤，2006），學生可透過電腦模擬實驗加深對物理原理的理解，

了解測量方法與儀器的操作（Tlaczala 等, 2006），練習實驗操作技能，學習處理 實驗數據的技能（Van Der Meer & De Bruijn, 2000）。

此外，電腦模擬實驗可以快速提升學習者的學習成效。Sethi（2005）指出電 腦模擬實驗讓每一個學生都有個別化的學習經驗，可以幫助學生將實驗誤差最小 化，並降低學生的學習挫折。Alessi 和 Trollip（2003）研究發現電腦模擬實驗讓 學習者在短時間內反覆練習數據測量與實驗操作流程，可以提高學習的效率。電 腦模擬實驗也能夠顯著提昇學習歷程的品質，讓學習者可以依自己的步調學習，

更融入課堂中的學習情境（Barbeta, 1998），並在學習過程中降低認知負載（Pyatt

& Sims, 2007）。

二、 模擬實驗結合實體實驗在實驗教學上的成效

雖然科學教育的研究結果顯示使用電腦模擬實驗有助於實驗教學，但是電腦 模擬實驗是否能取代實體實驗，依然是許多學者想探討的主題。

有些學者認為電腦模擬實驗可以取代實體實驗，例如，Finkelstein 等（2005）

對 231 位大學生進行研究，結果發現使用實驗模擬的學生在操作時間、實驗報告 分數及電學概念後測成績上優於使用真正實驗器材的學生。Finkelstein、Perkins、

Adams、Kohl 和 Podolefsky（2004）以 363 位大學生為研究對象，結果顯示操作 實驗模擬的學生學習成就顯著優於操作真實實驗器材的學生（p<.02），因此他們 認為電路實驗模擬能夠取代真實實驗。

多位學者認為，使用電腦模擬實驗的目的並非取代實體實驗，而是提供給學 習者另一種輔助或延伸學習的環境（黃福坤，2006；Escobar 等，1992）。將互動 式的電腦模擬實驗整合在物理課程中，教師藉由電腦模擬實驗與實體實驗操作兩 者並行的教學方式，可以幫助學習者了解科學，讓學習更有成效，同時也可以提 昇學生對科學現象的解釋能力（Steinberg, 2000；Zacharia, 2003）。

根據 Zacharia（2007）在物理導論課程中對 90 位大學生進行電學實驗的研 究發現，同時使用電腦模擬實驗與實體實驗操作，會比單獨使用電腦模擬實驗或 單獨操作實體實驗更能有效改變學生對電流概念的理解（p < .001）。他認為得到 這個結果的原因是：（a）電腦模擬實驗可以讓現象變得具體可見（例如：電的流 動）；（b）電腦模擬實驗可以讓學生經由簡單而反覆的操作實驗獲得更多經驗；（c）

電腦模擬實驗可以讓學生更容易操控實驗變因；和（d）電腦模擬實驗可以提供

即時的回饋。

Jaakkola 和 Nurmi（2007）對 66 位 14 至 15 歲的學生為對象，進行簡單電 學課程之學習成效研究，也發現結合電腦模擬實驗與實體實驗課程的學習成效顯 著優於單獨使用電腦模擬實驗或實體實驗課程（p < .05）。

綜合上述文獻可知，實驗教學有助於培養學生的科學態度與科學過程技能，

而電腦模擬實驗與實體實驗的結合更能提高實驗教學的成效。多位學者（楊文 金、許榮富，1987；Barmby 等，2008；Escobar 等，1992）指出，教師若能正確 的運用實驗教學於科學教育中，不但可以培養學生對科學的興趣，還能培養主動 與獨立工作的精神和解決科學問題的能力。因此，本研究採取在實體實驗前運用 模擬實驗輔助教學，來探討實驗教學對學生在實體實驗後的學習成效。