研究背景

第一節 研究背景

物理是一門重視實證的科學，物理學中的任何創新成果都必須經過實驗的檢 驗，因此實驗教學在物理教育中扮演著非常重要的角色（Escobar, Hickman, Morse,

& Preece, 1992; Etkina, Heuvelen, Brookes, & Mills, 2002）。學生在動手做實驗的過 程中，除了可以加深對物理現象的理解、培養實驗技能（楊文金、許榮富，1987）， 還可以強化科學態度，提昇學習成效（Barmby, Kind, & Jones, 2008; Odom, Stoddard, & LaNasa, 2007）。

近年來，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解決實驗 教學的困境（黃福坤，2006；Alessi & Trollip, 2003；Pyatt & Sims, 2007；Ronen &

Eliahu, 2000；Sethi, 2005；Van Der Meer & De Bruijn, 2000）。模擬實驗不但提供 了觀察物理現象的情境，加深學生對物理原理的理解，還可以透過真實儀器的模 擬，讓學生在互動式操作的過程中提高對實驗方法的掌握和對測量的精熟（傅昭 銘，2006）。除此之外，運用視覺化電腦模擬進行實驗操作，可以讓學生在短時 間內反覆練習，提高學習效率，並增進對實驗的態度（Alessi & Trollip, 2003; Pyatt

& Sims, 2007）；更重要的是，透過電腦模擬中的參數控制，可以讓學生對所學的 概念建立假設並進行驗證（黃福坤，2006）。雖然模擬實驗有許多優點，但也有 學者（例如：黃福坤，2006；Escobar 等，1992）認為它只能用來輔助或延伸學 習，無法完全取代傳統的科學實驗活動。Jaakkola 和 Nurmi（2007）、Nancheva 和

師在實體實驗前運用實驗模擬來解釋與展示實驗，並藉由實驗模擬與實體實驗操 作兩者並行的教學方式能幫助學生深入了解科學。

Mason 與 Bruning（1999）研究發現，電腦在教育上的應用快速成長，其中 一個主要原因是電腦輔助教學可以針對學生的學習行為提供個別化的立即回 饋。現今國內外學者在物理教育上發展的模擬實驗網站，大多是為了提昇學生對 科學概念的理解與物理現象的驗證而設計，提供學習者在實驗操作過程中觀察物 理現象的變化。例如，國內有王建忍老師的互動教具研究室網站（http://www.hgjh.

hlc.edu.tw/~drop/）、林大欽老師的Flash 理化練功房網站（http://enjoy.phy.ntnu.

edu.tw/mod/resource/view.php?id=8067）以及黃福坤教授研發團隊的 Demolab 物 理教學示範實驗教室網站（http://www.phy.ntnu.edu.tw/moodle/index.php）；國外有 Pascal Renault 設計的 Physics Applets Navigation（http://mysite.verizon.net/

vzeoacw1/applet_menu.html）、Sergey Kiselev 與 Tanya Yanovsky-Kiselev 共同發 展的 Interactive Physics and Math with Java（http://www.physics.uoguelph.ca/

applets/Intro_physics/kisalev）、普林斯頓大學 PPPL（The Princeton Plasma Physics Laboratory）團隊研發的Interactive Plasma Physics Education Experience（http://

ippex.pppl.gov/）；Walter Fendt 的 Java Applets on Physics（http://www.walter-fendt.

de/ph14e/），以及 Tom Henderson 開發的 The Physics Classroom Tutorial 網站

（http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/Phys/Class/BBoard.html）。這些網站中的電

學模擬實驗提供學習者選取電池、燈泡數量與接線方式，運用歐姆定律推算出電 壓或電流的理論值，接著以動畫模擬電錶指針偏轉或直接顯示電壓電流理論值，

讓學習者可以直接觀察到理論結果。這些模擬實驗多未特地針對儀器操作而設 計，只要求學習者讀取依據理論值呈現的數據。這類實驗模擬係依據理論值將實 驗結果或現象回饋給學習者，研究者稱此類設計為理論值回饋實驗模擬。

僅有極少部分的模擬實驗網站，為了提昇儀器的操作能力與測量技巧而設 計。例如涂維聖老師的國中理化地科網站（http://w3.sljhs.ylc.edu.tw/bandit/

Flash_PC.htm），網站中的虎克定律模擬實驗、靜摩擦力模擬實驗與浮力模擬實驗 提供學習者進行實驗操作，並依據學習者輸入之測量結果即時產生誤差訊息回 饋，幫助學習者思考誤差來源並引導學習者重新進行實驗操作與測量。這類實驗 模擬係將操作時所產生的誤差值回饋給學習者，研究者稱此類設計為誤差值回饋 實驗模擬。

學者研究發現，理論值回饋實驗模擬不僅可提昇學生對科學概念的理解與物 理現象的驗證，在學習過程中亦能降低認知負載（Pyatt & Sims, 2007），但若僅呈 現理論數據，學習者不知如何解釋實驗的不確定性（uncertainty），不僅無法鼓勵 學習者思考做實驗的過程，也會使學習變得非常被動（Steinberg, 2000, 2003）；而 誤差值回饋實驗模擬提供有效的回饋訊息幫助學習者發現操作上的錯誤，並引導 學習者反覆操作練習，可提升學習者的實驗操作技能與分析實驗數據的能力（Van

Der Meer & De Bruijn, 2000），但教師在使用誤差值回饋實驗模擬進行教學時，也 可能因為複雜的訊息造成學習者過度的認知負載（張國恩，2002）。

此外，教師的教學策略也是實驗教學中影響學生學習的重要因素。教師運用 學生為中心的教學策略讓學生親自操作模擬實驗反覆進行測量練習，可以幫助學 生在實體實驗中掌控實驗流程，提高實驗效率（Odom 等，2007），但是，Wilkinson、

Treagust、Leggett 與 Glasson（1988）研究發現，此種教學策略必須在教師依據 學習者的個別性給予學習素材，學生也主動融入學習時，才能獲得好的學習成 效；另一方面，教師運用教師為中心的教學策略，展示實驗模擬結果來解說物理 現象，可提昇學生科學概念的學習（Nancheva & Stoyanov, 2005），但是，學生若 只能被動聽老師講解或示範科學理論，就不易提昇其學習興趣（Chiaverina &

Vollmer, 2005）。

基於電腦模擬實驗無法完全取代實體實驗課程，故本研究先進行模擬實驗輔 助教學，再進行實體實驗；此外，教師利用不同回饋策略之模擬實驗輔助教學，

對學習的成效會有不同的影響；再者，教師直接展示模擬實驗或讓學習者親自操 作模擬實驗，對學習的成效也有不同的影響。因此，本研究將探討教師在實體實 驗前運用理論值回饋或誤差值回饋實驗模擬進行實驗教學時，採用教師為中心或 學生為中心的教學策略對學生在實體實驗後的實驗技能與實驗態度之影響。