物理科學學習

本節先就物理科學學習之意義進行探討，瞭解物理科學學習的必要性和重要 性，再論及影響物理科學學習的因素，並分析遊戲式數位學習對於物理科學教育 的影響。

壹、物理科學之學習意義

物理科學是實驗與理論並重的基礎科學，科學家透過現象觀察，進行詮釋、

推理、歸納，再藉由證據反覆驗證，以建構出具普適性的物理概念和規律。根據 教育部普通高級中學必修科目「基礎物理」課程綱要內容，高中物理教育的目標 為使學生認識一般物理現象的因果關係和其間所遵行的規律，了解物理學的基本 精神及物理學的範圍，期待能激發學生追求事物原理的興趣，以及藉由師生互動 與實驗活動，促使學生養成良好的科學態度，熟悉科學方法，進而提升學生縝密 思考、探索真理及解決問題的能力(教育部, 2011)。

物理科學學習強調觀念的理解，而觀念的啟發可從觀察進行，並在體驗過程 中引導學生進行探究思考(林建隆、徐順益, 2007; 林琬縈、周建和、蘇明俊, 2010)。

近年來，國內亦有許多單位積極投入具互動性的物理教材推廣與開發，如中正大 學 與 美 國 麻 省 理 工 學 院(MIT) 合 作 引 進 的 TEAL (Technology-Enabled Active

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Learning)教室(湯兆崙, 黃鼎凱, &蔡宜君, 2006)、高師大物理系周建和教授所推廣 的街頭物理動手做，增進大眾對物理概念的了解(周建和, 2007)，以及中央大學科 學教育中心所推廣的物理演示實驗教具等，皆對物理學習的創意互動教材發展有 所貢獻。

貳、物理科學的教學困境與改善方式

對於大多數學生而言，高中物理課程通常較為艱深難懂。學生在面對比較抽 象的物理概念、定理時，無法深刻地理解，以致於在探討物理問題時似懂非懂，

難以抓到重點，在升學考試的壓力下，只好流於記憶，囫圇吞棗地吸收片斷的物 理知識，而無法將所學的物理加以理解，甚至引發更進一步的興趣(韋裕霖，2001)。

雖然物理教師可以在實驗室中引導學生進行科學實驗，但實驗設備的不足也 是一個很大的困難。常常因實驗室器材有限，而無法讓每位同學各自獨立操作，

只能由老師在台前示範，學生們在台下看著老師進行實驗操作。因此，若能透過 資訊科技的輔助，就可以幫助學生建構適合的學習環境。一個良好的科學學習環 境應符合以下兩種原則：1. 提供探究式的學習環境，讓學習者能夠參與其中，並 且親自動手操作。2. 在遊戲操作過程中，提供大量的提示訊息，幫助學生逐步建 構物理概念(Enyedy, Danish, Delacruz, & Kumar, 2012)。研究上發現，在教學中融 入 5E 教學模式設計磁鐵單元學習活動，以動手操作方式進行磁鐵單元之教學，

其研究結果顯示能有效改變學業成績中上的學習者在磁性物質的迷思概念(洪婉 萍, 2011)。

物理實驗是幫助學習者了解物理抽象概念的方式，在教學現場中，影響教師 帶領學生進入實驗室的原因可能是實驗室秩序較難掌控、教師準備器材時間不足，

以及擔心教學進度上的壓力。而實施演示實驗，則是現實教學環境下因時間不足 的另一種教學策略(林宣安, 2011)，以演示實驗的方式在普通教室環境中，進行物 理自製教具動手實驗，較有可能同時兼顧實驗操作與進度。研究結果顯示，物理 教師在進行演示實驗教學時，應特別留意提醒學生觀察實驗重點，才不會使學習

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者「摸不著頭緒，不知所探索為何物」。因此，若能在演示實驗活動中加入數位模 擬的教學引導，應可協助教師在教學現場，以視覺化的方式傳達難以用口語清楚 表達的內容，學生可以在數位環境下充分探索實驗變項，改善演示實驗教學中可 能產生的問題。此外，國、高中學生對於「磁交互作用力」這個單元可能呈現的 迷思概念，包括載流線圈內外磁場方向都一樣、兩條載流導線之間主要是「電」

的作用力、兩條載流導線之間主要是「引力」的作用、兩條載流導線之間沒有任 何力的作用、電力使馬達轉動、載流銅導線在方向平行的磁場中才會有交互作用 力、載流銅線不會和磁鐵有力的作用等(唐健文, 2001)，對學習皆有不利影響。亦 有研究指出，學習者在動手操作科學展示品學習「電與磁」相關概念時，可能會 因為科學展示品無法令其瞭解如何操作、科學概念與操作體驗間連結薄弱、科學 原理作用的效果對比不夠明顯，以及科學原理同時展現多種效果造成混淆等缺點，

而使學習者不容易理解展示品背後的科學概念(葉蓉樺, 2008)。因此，若能透過數 位載 具模擬操作實驗環境，可以將無法用肉眼觀察的自然現象具體化呈現 (Merchant et al., 2012)，透過學習活動給予適當的鷹架輔助，逐步地輔助學習者掌 握實驗的目的及正確操作實驗的步驟(Molenaar, Roda, vanBoxtel, & Sleegers, 2012)。

參、遊戲式數位學習對物理科學教育的影響

隨著資訊科技的發展，遊戲在教育上作為教學輔助已逐漸普及。許多文獻指 出，將遊戲適切融入教學活動中，對於學習有所助益(DaRocha Seixas, Gomes, &

DeMelo Filho, 2016; Eseryel, Law, Ifenthaler, Ge, & Miller, 2014; Evans & Waring, 2011)。遊戲式數位學習具有將抽象概念具體化並提供驗證的特點，它能夠促進學 習者的學習動機與學習成效，讓學習者的學習更有效果(Rastegarpour & Marashi, 2012)。

教育遊戲對學習的幫助是由於具備以下因素：1.降低對學科的恐懼。2.使學習 者花更多時間去學習。3.結合遊戲趣味性，提高學習者的學習動機。4.提供具挑戰 性的任務，供學習者探索(Mansureh Kebritchi & Atsusi, 2008)。然而，也有研究指

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出，遊戲式數位學習與傳統教學方式相比，並沒有比較好的學習效果。當學習者 在進行遊戲學習時，很容易被遊戲中的聲光效果所吸引，進而只投入於遊戲過程 中，對於知識內容的學習完全沒有吸收，造成了高投入、低學習的狀況(蔡福興, 游光昭, &蕭顯勝, 2008)。綜上所述，為了開發一個能夠激發學習動機並促進主動 參與的遊戲，設計者應在遊戲中融入下列遊戲元素(Marc Prensky, 2007)：

1. 遊戲性(Play)：遊戲的設計必須帶給學習者有享受、愉悅的感覺，使其具備 高度的動機與興趣。

2. 規則性(Rules)：遊戲的設計必須有明確的架構及規範。

3. 目標性(Goals)：遊戲的設計必須有明確的目標任務，以指引學習者進行活 動，並且能觸發學習動機以達成任務。

4. 互動性(Interaction)：遊戲的設計界面必須能使學習者順利地進行互動。

5. 結果與回饋(Outcomes and Feedback)：遊戲的設計必須提供學習者可學習 的訊息。

6. 問題解決(Problem Solving)：遊戲設計中的學習任務，必須可以促使學習者 在思考解決任務的過程中，提升解決問題的能力。

有研究指出，商用電子遊戲(commercial video games)為了讓玩家有更好的沉 浸感，而加入越來越豐富的物理模擬特效，因此間接地成為學習物理時的一個強 而有力的工具(Mohanty & Cantu, 2011)。但值得注意的是，也有學者認為，商用電 子遊戲並不是專為教學目的而設計，若教學者使用商用電子遊戲當作學習者的物 理學習資源，在教學主題上可能受限或是不完全對應教學內容，因此教師必須另 外再整合其他的學習資源，以確保商用電子遊戲與教學成效之間的有效連結 (Moreno-Ger, Burgos, Martínez-Ortiz, Sierra, & Fernández-Manjón, 2008)。

Sun、Ye 與 Wang (2015)將兩款商用電子遊戲(Cut the Rope & Angry Bird Space) 融入九年級物理非正式課程中，透過遊戲內容引導學習者體驗單擺運動、位能轉 換、圓周運動、反射定律、彈性位能以及浮力等概念，並以概念圖的方式進行物 理概念精緻化的評量。研究發現，這兩款遊戲融入物理學習的課程設計可以提升

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學習者對物理概念的認知精緻化能力，該研究也歸納出運用商用電子遊戲輔助物 理概念精緻化思考的3 點關鍵特色，包括(1)商用電子遊戲比起一般教育遊戲，更 可以提供高度娛樂性，可幫助學習者提升學習動機並達到心流沉浸之效果。(2)兩 款商用電子遊戲皆讓玩家免費體驗，為經費有限的教育人員節省了教材開發成本。

(3)兩款商用電子遊戲中運用物理引擎創造出各種物理特效，比起其他遊戲更適合 用於教學。

綜而言之，教育遊戲的設計，除了必須包括遊戲規則與互動元素，更應提供 適時的教學策略支持，以幫助學習者聚焦在學習內容上(Rienties et al., 2012)。此 外，若能在虛擬遊戲世界中與真實環境連結互動，對於部分需操作的實驗活動，

將可以有更好的效果(Klopfer & Sheldon, 2010)。本研究考量單極達馬達實驗教具 本身的獨特性與學習活動設計的彈性，研究者自行開發擴增實境教育遊戲，並將 擴增實境的虛實整合特性融入遊戲式的環境中，並輔以探索式教學模式以輔助學 習，對於物理單極馬達實驗課程中，需進行動手操作的體驗與學習，應具有正面 的意義。

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