基於前述之研究背景與動機，本研究將利用虛擬實境軟體建構一個普通物理 虛擬實驗室，主題為運動篇實驗。藉由此多媒體學習環境，讓學生們能隨時隨地重 覆的學習，並達成下列目標：
（1）以學習理論為基礎，創造能進行物理實驗的虛擬環境。
（2）探討實作虛擬實驗室過程所遭遇的問題及解決方案。
（3）製作的虛擬實驗室教材，經由學生實際測試，整理其紀錄及使用意見，
檢討改進。當為後續研究的參考。
第三節 研究架構與限制
本論文總共分為六章，第一章介紹本研究的研究背景、研究動機及研究目 的。第二章探討相關文獻，將針對教育理論、學習心理、虛擬實境技術等進行說 明。第三章介紹對虛擬物理實驗室場景及物件之建構、模組之製作。第四章為虛
及主動式模組的設計方式。第五章 虛擬物理實驗室--運動學實驗篇整體測試實 驗及討論：經由二階段測試實驗以了解學生的反應。第六章結論與未來之發展：
提出研究過程所遭遇的困難及解決歷程的心得，並提出研究結論及建議以作為後 續研究的參考。
本研究設計對象以修習大學普通物理學實驗的學生為主，測試及問卷結果僅 限於國內某所大學九十六學年度入學的大一新生的測試結果。本研究的研究結果 不宜過度延伸解釋。
第二章 文獻探討
第二節 科學教育的理論基礎
近年來，對科學教育影響較大的理論可分為四大類：一. 皮亞傑（Piaget）
與布魯納（Bruner）的理論，強調各認知發展階段中運思方式及結構不同。二.
斯金納 （Skinner） 與蓋聶 （Gagne） 的理論屬刺激-反應連結論。三.布魯姆 （Bloom）
與奧斯貝（Ausubel）的理論注重有效教學的方法。四. 認知建構論為認知心理 學對基模建構的理論（甘漢銧、熊召弟、鍾聖校，民82）。
一. 皮亞傑（Piaget）與布魯納（Bruner）的理論
Piaget認為認知活動的動力是平衡作用，人在認知過程中，除了被動接受外 界的事實，還主動地反應和想像，兒童不斷與環境進行適應的交互作用時，不斷 的調節自己的認知以取得平衡，使其認知能力獲得成長。皮亞傑相信沒有經驗就 沒有學習，兒童的身體動作便是經驗的基本，使他們以後能發展出思考活動，而 思考活動也有適應環境的平衡歷程，兒童消化和調適資料，導致認知的改變，這 種對目前經驗的建構會成為處理新資訊，以及未來事件的基礎（郭重吉，民77）。
Piaget認為兒童隨年齡的成長，認知結構亦會隨之改變，而兒童的適應方式 可分為「同化」和「調適」兩種。「同化」是指個體遇見新的事物時運用既有基 模處理所面對的問題，即是將新事物納入既有的基模之內。而「調適」則是旨在 已有基模不能直接同化新知識時，個體為了符合環境的需求，主動修改其既有的 基模，從而達到目的的一種心理歷程。個體遇到新的情境時，認知結構感到不平 衡，會透過同化或調適來獲得平衡。
Piaget將兒童的認知發展分為四個有順序的階段，一個階段能力足夠成熟後 才能繼續進展到下一個階段，由簡單到複雜，從具體而到抽象。
（一）.感覺動作期（Sensorimator stage）：指出生到二歲嬰兒的認知發 展階段。這個時期的兒童透過視覺、聽覺、觸覺等感官和肌肉動作來認識周 遭事物，容易受到外來刺激而引導其動作。這個階段的嬰兒沒有「物體恆在」
的觀念，直到接近兩歲時，物體的形象開始能轉化成符號性的心像，並存於 嬰兒的心中，這表示他已開始能從具體實物中學習到抽象的概念。感覺運動 階段的結構是日後認知和邏輯發展的基礎（張春興，民85）。
（二）.前運思期（Pre-Operation stage）：指二歲到七歲兒童的認知發展 階段。這個時期兒童自我中心很強，雖會運用思維，但常不合邏輯，主要的 認知活動還是得靠感覺運動來支助。
（三）.具體運思期（Concrete Operational stage）：指七歲到十一歲兒 童的認知發展階段。可以進行簡單的邏輯思考，特別是針對具體事物，具有 可逆性思考，處理抽象概念能力薄弱。
（四）. 形式運思期（Formal Operational stage）：指十一歲以上的青少 年認知發展階段。這時期的青少年的思維能力已達到成熟階段，可以進行概 念化和抽象化的心理活動，他們不再需要具體事物的協助，就可以運用符號
皮亞傑強調，後一階段的結構並非前一階段的延伸，而是重建。隨著認知結 構的不斷重建，兒童的知識才能持續向前超越、發展。在教學時必須配合學習者 不同階段的智力發展來進行教學。
布魯納（Bruner）認為個人要能夠藉文字或符號將自己所見或所視表達出 來，即將外在環境內在化於自己的儲存系統，藉由動作、影像及符號三種樣式來 表徵外在真實世界或思想。他強調發現結構的重要性，認為教師應配合學生的認 知結構，使學生自動發現教材的內涵結構，故提倡「發現教學法」，鼓勵學生用 直覺思考、比較、對照等策略，以發現教材所隱含的概念（林青山，民 65）。
二. 斯金納（Skinner）蓋聶（Gagne）的理論
斯金納（Skinner）提出「操作條件作用」概念，認為操作制約是獲得經驗 的學習過程，經由辨別、刺激、自發反應與增強而得到學習，教學是藉安排增強 情境，使學習者得到有用的行為。而後推展出編序教學法，藉著編序教材及機器 輔助教學，使學生主動學習，學生可依自己的進度學習，讓學生對教材能融會貫 通。近年來因電腦軟、硬體技術的進步，促使電腦輔助教學蓬勃發展，應是受編 序教學法的影響。
Gagne認為學習是一連串辨別、類化、遷移所累積的過程，基本的學習類型 有八種，訊號學習、刺激-反應學習、連鎖作用、語文聯想、多重辨別學習、概 念學習、原則學習和問題解決。這八種類型構成了學習的層階，較低層階的學習 是較高層階學習的先備條件，由簡而深，循序漸進達到最複雜的解題能力。為了 讓學習更為有效，Gagne也提出學習的要件及教學的要件。學習的要件指學習者 的智力、態度、人格及動機等，及學習情境的外在條件。教學的要件指教學時先 對學生進行前測，以了解學生程度，再依學生的個別差異進行教學，教學過程須
提示教學目標、提供教學內容、喚起學生的經驗、輔導學生學習、適時給與回饋 與加強學生注意力等，才能增進學習成效。
三. 布魯姆（Bloom）與奧斯貝（Ausubel）的理論
布魯姆（Bloom）將教學目標分為認知、情義、技能三大領域，每一領域又 分成很多細目，使教師教學時能具體把握教學目標，同時也使學生具體了解學習 目標。他以團體為對象設計了精熟學習的策略，並對學習效果進行研究。此法用 於結構嚴謹、內容固定及強調聚斂思考的學科成效最好，故極適合自然科學教學
（林邦傑，民64）。
Ausubel 的認知學習理論，認為學習者的先備知識，和所欲學習的概念間的 關係，是構成有意義學習的重要因素，他強調唯有「有意義的學習」才是真學習，
認為有意義的學習必須具備兩個先決的條件，（一）是學習者具有有意義學習的 心向，（二）是學習材料本身要有意義。其與機械式學習是不同的，因為機械式 的學習是學習者將新資訊以任意的、逐字的、瑣碎的方式記憶，這些記憶與學習 者的先備知識沒有產生連結，所以很容易遺忘；而有意義的學習乃是透過教師設 計教材和課程，引學習者先建立概念的前置組織因子，進而將新舊知識連結在一 起而內化之，而且強調學習者本身必須做自覺的努力，才稱為有意義的學習，意 義的成分越高，學習與記憶的效果也越好，所以 Ausubel 的學習理論又稱為「接 受式學習」。
四. 認知建構論
建構主義學者對於學生科學知識成長的看法，和認知心理學家對於學生有關
1990; Hodson, 1988; Nussbaum,1989)。前者是針對學生如何獲得科學知識，而後 者是針對學生如何學習。建構主義的兩個主要原理（郭重吉，民81）：
（一）. 知識是由個體主動建構出來的，而非被動地接受。學生須自己建構 出對他們而言具有意義的觀念，教師無法把觀念灌輸給學生。
（二）. 認知的功能是我們將經歷的事物加以組織，而不是去發現客觀存在 的現實世界。我們只是對於自己的經驗建構出適用或可行的解釋，而不 是發現自然界的真理。故知識是個體與外在的環境進行互動的產物，教 學者應注重學生的學習過程和認知特性而設計合適的教材及教學方法，
非任意的填塞知識而已。
第三節 教學活動設計與教育理論
為求合理的設計教學情境，以達成教育的目的，就須善用各種教育理論於教 學活動中。奧斯貝強調有意義的學習，但學生不一定知道什麼是有意義、重要的，
故教師應慎選教材，因材施教，組織教材後再有系統的教學生，使學生能在確實 理解後將新知識內化為己有，作為日後學習的基礎。布魯納認為教學理論應具備 四個條件：
一.採用最有效之法，導引學生進入準備學習狀態。
二.針對個別差異，有彈性的選擇及組織教材，使學生最容易學到知識。
三.教學時，應採用最有效的程序呈現教材，由簡而繁，以利學生學習。
四.教學活動中應善用獎懲原則，以維持學生的學習動機。
蓋聶(Gagne,1977)強調學習者之認知歷程與環境中學習相關事件的互動，焦 點在對學習的任務與教學的關係，他認為各式各樣的人類技能、喜好和推理、以