研究背景與動機

第一章 緒論

本章分別就本研究之研究背景與動機、研究目的與待答問題、研究範圍與限 制及重要名詞釋義等四個小節分別進行探討。

第一節 研究背景與動機

在科技快速進步的二十一世紀，自然科學領域的學習活動已不再只是限於單 向的教師講授，結合「動手實做」的科學活動能使學生更加投入學習，並能促使 學生主動建構知識(Ateş &Eryilmaz, 2011; Costu, Ünal, & Ayas, 2007)。為了使學生 有更多時間進行思考、探索與實作，教育部在107 年自然科學領域課程綱要草案 中增列「自然科學探究與實作課程」，強調在科學課程中培養學生探究與實作能力 並提升學生的科學素養。另外，美國教育改革計畫 Project 2061 之 Benchmarks for Science Literacy (American Association for the Advancement of Science , 1994)中 亦強調，學生應學習使用工具的技術，並希望他們能利用電腦來處理資訊或解決 問題。因此，科學學習應讓學生從課本裡的文字學習及以教師為中心的教學，轉 換到實體操作及以學生為中心，進行實驗和驗證問題，並且培養知識應用的能力。

科學學習的方法，應當從激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，

引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學生能具備科 學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力(教育部, 2016)。進而言之，使學生具 備基本科學知識、探究與實作能力，培養學生培養實事求是的精神，亦是現階段 十二年國民基本教育自然科學領域課程的重要目標。在資訊網路普及化的現今，

已有許多研究發展出有效率的電腦輔助科學教學，不但可以提升教師的教學效果，

讓學習過程具有更好的互動性，更可以幫助學習者建構完整的知識概念(Linn, Clark, & Slotta, 2003; Yaman, Nerdel, & Bayrhuber, 2008)。藉由電腦模擬教學軟體，

將真實情境虛擬成學習者可理解的形式，提供高度的互動性操作，有助於學習者

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對物理現象進行有意義的思考，並解決實驗教學的困境(黃福坤, 2006)。在物理教 學中，學生可透過教科書、實驗或是電腦模擬學習電與磁相關概念。然而，對於 初學者而言，理解磁場的存在是困難的，因為需要大量的時間與精力進行實驗，

且初 學者也不 一定能獲得 與 教科書 上 相同的磁場 心像 (Matsutomo, Miyauchi, Noguchi, & Yamashita, 2012)。若能善用數位科技將難以在心中想像的科學概念以 數位科技的方式輔助理解，應能達到較好的抽象概念學習。

科學探究是科學家以系統性的方式尋求問題解答之過程，科學探究能力是各 種科學過程技能的結合(Lederman, Abd-El-Khalick, Bell, & Schwartz, 2002)。物理 教學上使用電腦模擬與建模工具有助於理解真實物理定律與現象，透過虛擬教具 進行教學輔助以及實驗過程中的數據測量(Tłaczała et al., 2006)。使用數位模擬等 虛擬環境的教學實驗活動，雖然能夠提升學習成效，但亦有部分學習者認為真實 的實驗操作比起虛擬操作會更容易幫助學習(Tatli & Ayas, 2013)。擴增實境具備結 合虛擬環境及真實世界兩個情境的特色，使之能夠在真實世界中操作虛擬的物件 資訊。透過此特點，可以在進行教學活動的實驗器材加上虛擬資訊，進一步提供 學習者在操作實驗過程中更多的輔助資訊(Fiorentino, Uva, Gattullo, Debernardis, &

Monno, 2014)。擴增實境提供了模擬實驗教學嶄新的學習方式，相較於虛擬實驗，

擴增實境可以進一步提供學習者自我探索，並且與真實環境結合的可能性，這對 於一些較具抽象概念的實驗課程有很大的幫助。在學習者進行實驗過程中，相較 於僅僅只有實體教具或是電腦輔助實驗模擬環境，融入擴增實境科技的做法，同 時結合實體教具與多媒體訊息，提供了學習者不一樣的思考方式，能幫助學習者 在抽象概念與實驗活動中建立連結，進一步使學習者能反思他們在實驗中所量測 到的數據關聯性(Davidsson, Johansson, & Lindwall, 2012)。因此，擴增實境帶來的 視覺效果能使學習者與實驗教具之間建立個人化的資訊連結，幫助學習者進一步 思考實驗背後的意義。近年來有許多相關研究以電腦虛擬學習環境輔助物理科學 的學習，也確實有相當的成效，但由於一切學習歷程都是發生在虛擬的世界中，

在學習者要將虛擬經驗轉化成具體知識時，可能無法順利的將學習內容加以內化，

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所以不易應用在不同學習內容或是日常生活中(Monahan, McArdle, & Bertolotto, 2008)。然而，若運用擴增實境的學習環境，可以將空間中電與磁的抽象概念與實 體教材進行虛實整合，協助學生理解電與磁之科學原理。

除了有適當的教學工具之外，仍需要有適切的教學模式來配合實施。建構主 義的學習理論強調學習者是主動的學習者，透過探索、操作和嘗試建立新舊概念 之間的關聯，藉由分析和處理資訊的過程引發學生的好奇心，進而學到獨立解決 問題和批判思考的技能(Doolittle & Camp, 1999)。其中，探究學習(inquiry-based learning)是建構主義的延伸，它強調教學者提供學習情境，讓學習者在學習的過程 中 對 領 域 知 識 採 取 主 動 的 態 度 ， 發 展 對 知 識 探 究 的 精 神 和 技 能(Kahle &

Damnjanovic, 1994; Windschitl, 2003)。探究教學法應用在學科領域的相關研究中 顯示，學習者比起傳統強調教師講授、背誦記憶的教學方法而言，對於學科概念 有更深層的理解、整合和內化能力。學習者在探究教學中，可以有效提升學習品 質和深度、增進師生之間的互動交流，進一步增進知識理解和學習保留，以及激 發學習創意和成效(Justice, Rice, Roy, Hudspith, & Jenkins, 2009)。本研究探討不同 的教學模式結合數位學習環境，對高中生在單極馬達實驗的學習成效和學習動機 的影響。

此外，Karplus 等人於 1967 年以建構主義為基礎，提出三個學習階段之學習 環：探索(Exploration)、發明(Invention)、發現(Discovery)。此後經歷多次的發展與 修正後，成為五個學習階段，分別為投入(Engagement)、探索(Exploration)、解釋 (Explanation)、精緻化(Elaboration)及評量(Evaluation)等五階段的學習循環，也稱 作5E 學習環(Bybee et al., 2006)。本研究融入 5E 學習環架構，並且在不同的數位 模擬與探索式教學模式結合下，預期可以有效提升學習者在單極馬達實驗的知識 學習成效與學習動機。

綜合上述，本研究以 5E 學習環為學習活動設計架構，根據建構主義教學法 設計出兩種不同的探索式教學模式，分別是「先探索後學習」(Play-Learn)及「先 學習後探索」(Learn-Play)。前者讓學習者先動手進行實驗實作，再進行單極馬達

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相關概念學習，閱讀講義上的單極馬達實驗物理意涵，將先前的具體經驗結合其 後的抽象概念而產生有意義學習；後者讓學習者先閱讀講義上的單極馬達實驗物 理意涵，學習單極馬達相關概念，再進行實驗實作，加深經驗，將先前的抽象概 念轉化成具體經驗的運用和驗證。在實驗教學時，兩種探索式教學模式實施於高 中生一年級物理教育營隊教學之中，教學內容涵蓋單極馬達實驗中電流、磁場與 右手開掌定則等相關物理概念。因此，本研究主要採取「Play-Learn」及「Learn-Play」兩種不同的探索式教學模式，探討高中生一年級的單極馬達實驗初學者的 學習成效和學習動機。

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