研究背景與動機

本章將就研究背景與動機、研究目的與待答問題、研究範圍與限制及名詞釋 義一共四節，茲就其內容分別進行探討。

第一節 研究背景與動機

自然科學學習將激發學習者對於科學的好奇心作為起點，從先備經驗出發，

給予學習者主動探索、實驗操作等多元刺激，最終使學習者具備科學核心知識、

科學探究實作與科學論證溝通等能力(教育部, 2018)。簡而言之，自然科學應促進 學習者主動學習為主，令其在探究與實作的過程達成知識、探究與溝通的能力。

自然科學探究時使學習者發現問題、瞭解問題、提出假設、演繹假設、驗證假設 的過程，背後蘊含著學習者應具備解決問題之能力，解決問題能力是學習核心思 想。臺灣學習者越到高年級科學學習表現卻越來越差，尤其力學概念表現普遍較 為低落。自然科學中特別是物理，學習內容通常較為抽象，學習者不容易理解科 學概念(Jimoyiannis & Komis, 2001)。學習困難的原因甚多，從科學用語的觀點，

科學用語與生活用語有落差會使學習者混淆(張志銘, 2003; Gilbert & Watts, 1983)，

例如：鑷子與麵包夾屬於施力臂小於抗力臂的費力工具，但學習者認為這些工具 使用時卻不費力，因此判斷為省力工具；老虎鉗、螺絲起子與拔釘器屬於施力臂 大於抗力臂的省力工具，但使用時皆需費很大力氣，導致學習者主觀認定是費力 工具(張志銘, 2003)。學習者經常使用日常生活經驗(Schecker & Niedderer, 1996;

Schecker, 1985)、與生俱來的理念(直覺)或他人影響而形成的想法判斷情境，於是 科學用語的表面字義也會依據學習者主觀想法而形成迷思概念(王美芬 & 熊召 弟, 2000; 彭泰源, 1999; 曾永祥 & 許瑛玿, 2006)。從科學概念的觀點，邱美虹 (2000)認為科學概念學習困難分為四點：(1)個人經驗影響概念學習、(2)科學概念 過於抽象、(3)科學概念牽涉原理複雜、與(4)微觀的科學概念無法以肉眼觀察。從 課程設計的觀點，李田英(1995)依 Tyler 課程評量模式分析國小三到五年級自然教 材 學 習 困 難 原 因 ， 發 現 探 究 規 劃 的 課 程(intented curriculum) 、 執 行 的 課 程 (implemented curriculm)及達成的課程(attained curriculum)之間的一致性為 4%，歸 納課程間一致性低落為自然科學教材學習困難的主因，次為教材安排的年級欠佳 及試題作答方式艱難。從歷年各項研究中的觀點，陳淑筠(2002)調查發現「力與運

動」及「電磁作用」篇數及迷思類型佔總體物理研究比例的57%。尤其以「力與 運動」篇數最多，共歸納98 條迷思概念(或稱為另有想法)，例如：生活經驗、不 當教材、老師對課本錯誤知識進行引用(朱志青, 2011)。學習者的迷思概念對科學 學習的影響，是科學學習研究的重要議題(Driver, Guesne & Tiberghien, 1985; Duit, Goldberg & Nidderer, 1991)。因此從過去文獻可知學習者認為自然科學相當困難，

特別是力學概念(Treagust, Duit, & Fraser, 1996)。

目前國小教育現場自然課在進行力與簡單機械單元的槓桿概念時，大多以講 述教學法為主，搭配天平教具分組實驗操作。學習者能從中觀察砝碼與天平所產 生的現象，體驗力的平衡，但力學概念也僅止於施力大小、距離遠近等數值、單 位呈現(賴俊安, 2012)。課堂學習後，很少學習者更進一步發現力矩關係(Bar, 1989)。

再者，實驗過程耗時，課堂並沒有充足時間試誤(Trial and error)，且分組操作實體 教具的學習方式會使個別學習者沒有充分時間體驗實驗過程，過少的參與、過多 的空白時間使多數學習者成為課堂的客人。實驗結果可能因課堂中發生的意外狀 況產生誤差，最後學習者會主觀認定自己所學內容正確無誤，實際上學習內容並 不精準，教師要花額外時間釐清或重新實驗，使得學習者無法有效理解槓桿原理 (賴俊安, 2012)。Bar (1989)統整槓桿原理學習成效，三至六年級通過率為 8%、29%、

55%、75%，他推論小學階段，學習者無法辨認力與重量的關係。此外，學習者容 易認為重量與力矩是相同名詞而互相混淆、認為力矩平衡是左右重量與距離之和 相等，同時也容易對省力、費力做出錯誤判斷(林思汝, 2014; 張志銘, 2003; 陳義 勳, 1991; 游光純, 2002)，例如：「砝碼數多的一側重量較重，容易傾斜」、「以一格 力臂補一顆砝碼的想法進行判斷，或是兩端分別的力臂(距離)與作用力(重量)之和 相等會平衡」、「當遇到一邊力臂(距離)長，一邊重量重時，則因判斷依據不一致而 感到混亂」。李田英(1995)研究臺灣小學五年級學習者對槓桿平衡及滑輪單元的問 題通過率為40%，低於 Bar 的發現，原因在於槓桿平衡問題看似簡單，但學習者 對力的概念有困擾，例如：困擾槓桿的比例概念(Stepans, 1996)，所以不易或無法 理解平衡問題。Siegler (1978)歸納 8-10 歲學習者普遍以重量為優先判斷條件，只

果在針對臺灣學習者的研究中也有佐證，江文慈(1993)發現只有四年級學習者 50%以重量作為解題參考，32%在重量相等時才考慮距離，約有 12%的學習者注 意到重量及距離會影響槓桿平衡，但也僅止於「注意」，幾乎沒有學習者能正確利 用力矩乘積規則(重量與距離的關係)解決槓桿平衡的問題(Roth, 1991)。另外，Roth 提出大部分學習者在使用重量與距離乘積規則前，反而會發展與使用比例規則。

本研究整理國內、外槓桿原理相關研究與常見迷思概念(朱志青, 2011; 江文慈, 1993; 李田英, 1995; 林思汝, 2014; 張志銘, 2003; 陳義勳, 1991; 彭泰源, 1999; 游 光純, 2002; Bar, 1989; Gilbert & Watts, 1983; Roth, 1991; Siegler, 1978; Stepans, 1996)，

發現國小學習者在「槓桿」最主要及要解決的學習困難：(1)科學用語與生活用語 的落差、(2)混淆重量與力矩、(3)力矩平衡是兩側重量與距離之和相等、(4)認為力 矩平衡是比例關係、與(5)無法正確做省力或費力的判斷。故，槓桿單元學習的目 標為將日常生活經驗連結抽象概念，使科學化為具體易懂的知識，過程中使用適 當的教學策略提供學習支持，引導學習者釐清槓桿各個科學名詞定義，並從重量 與距離的實作觀察歸納省力與費力的關係，進一步察覺並應用力矩乘積規則。

體驗式學習環(Experiential Learning theoretical model, ELT)是注重學習循環性 過程的架構，過去研究驗證(林思汝, 2014)體驗式學習環適合擴增實境(Augnented Reality, AR)數位遊戲的教學架構。體驗式學習環將使學習者透過階段性歷程學習，

喚醒先備經驗，釐清迷思概念，有助於知識內化並將經驗轉化，甚至建構新知識 (Kofman, 1992; Kolb, 1984; Schein, 1993; Wang & Chen, 2010)。然而，除了將學習 活動透過理論架構幫助學習外，如何增加學習過程的趣味性，提升學習動機並進 一步促進學習成效呢？本研究參考Enyedy、Danish、Delacruz 與 Kumar (2012)提 出透過遊戲學習物理概念的兩種設計方式，Enyedy 等人提出的原則如下：(1)以富 有社會戲劇性，規劃角色扮演的遊戲使學習者投入並探究科學概念、(2)以社會豐 富的符號生態，讓學習者從中建構意義，換句話說，學習者操作時提供學習輔助 或提示訊息等幫助建構科學概念。根據 Enyedy 的原則，本研究(1)將提供擴增實 境體現認知設計之數位遊戲，增加學習者趣味性並透過故事情境幫助學習者投入 學習內容、(2)將提供學習活動相關的觸覺回饋輔助與鷹架策略幫助學習者自我調 節，並以學習單記錄歷程支持學習者引出重量與距離關係，甚至是進一步的力矩 平衡概念。

擴增實境體現認知設計之數位遊戲的關鍵在於觸覺回饋，科技日新月異使得 多媒體教育能以視訊與音訊呈現外，增加觸覺回饋(Burdea, 1996; Kátai, Juhász, &

Adorjáni, 2008; Révész, 1950; Robles-De-La-Torre, 2006)，讓教學現場能以科技進 行多元輔助。觸覺回饋適合力學學習，讓學習者以多模態(multimodality)方式互動 理解物體重量、慣性等(Jacobson, Kitchen & Golledge, 2002; Jones, Minogue, Tretter, Negishi, & Taylor, 2006; Minogue & Jones, 2006)。觸覺回饋有幫助學習的好處，觸 覺中的力回饋與動覺回饋可以幫助學習者更容易對模擬訊息進行編碼，體現認知 給予知覺經驗足以達到理解概念的認知基礎(Han & Black, 2011)。故本研究除了數 位遊戲內學習內容的模擬，在擴增實境虛擬與現實互動的特性將加入實體教具(翹 翹板)給予力回饋與動覺回饋，使學習者以 AR 互動科技與實體教具互動增進學習 成效。模擬與具體操作對學習和記憶有正向影響，Lindgren 及 Johnson-Glenberg (2013)發現體感與數位科技互動，可以透過符號呈現給學習者重要概念。目前現 場擴增實境數位遊戲大多採平板電腦作為搭配的行動載具，但平板會使學習者搭 配學習單等紀錄的工具時無法空出雙手學習的缺點，故本研究將使用智慧眼鏡(穿 戴式裝置)作為替代。嘗試智慧眼鏡空出雙手的設計進行學習活動，期許透過 AR 互動科技對實體教具進行模擬與具體操作增進槓桿原理學習成效。

擴增實境數位遊戲增進學習樂趣，並不表示學習者使用後有優良的學習成效。

學習活動設計尤其重要，讓學習者能以學習單為媒介記錄其學習歷程來幫助釐清 概念的知識與技能。自然科學領域通常有具體明確的一系列架構學習，Hong 等人 (2019)整理三種探究模型，最常見的為 5E 學習模型列出的五個探究階段：參與、

探索、解釋、闡述和評鑑(Bybee et al., 2006)；五個探究階段：問題，預測，實驗，

模型和應用(White & Frederiksen, 1998)；預測-觀察-解釋(predict, observe, explain, POE)探究學習模型(White & Gunstone, 1992)。儘管 POE 策略在傳統教學環境是成 功的教學模式，但對於數位學習環境仍是一大挑戰(Al Mamun, Lawrie, & Wright, 2020)。Al Mamun 等人(2020)於數位學習環境增加評鑑(Evaluate)階段，將 POE 策 略擴充解釋為 POEE 策略(預測-觀察-解釋-評鑑)，經過研究驗證 POEE 策略滿足

兩種幫助學習的有效方法結合起來，如果將兩種學習策略結合起來，幫助學習成 效程度的多寡值得探究。

綜上所述，本研究以體驗式學習環為學習活動基本架構，將擴增實境數位遊 戲搭配學習單設計「勇者降臨」AR 玩科學活動進行實驗教學。研究目的旨在探討 觸覺回饋(力與動覺回饋、動覺回饋)與鷹架策略(策略鷹架、程序鷹架)對國小四年 級先備知識(高先備知識、低先備知識)學習者透過擴增實境互動進行槓桿原理學 習的成效及動機的正面影響。