研究背景與動機

第一章、緒論

臺灣 15 歲學生從 2006 年開始參與由經濟合作暨發展組織(Organization for Economic Co-operation and Development, OECD)所舉辦的國際學生能力評估計劃

（Programme for International Student Assessment, PISA），在三年一度的科學素養評 比三大向度中「運用科學證據」以及「形成科學議題」此兩項度成績明顯嚴重落 後參與評鑑的各國。2012 年的科學素養評鑑結果出爐，科學素養能力於 15 歲學生 與各國學生比較也明顯落後。會有如此落差，本研究觀察 PISA 科學試題之後，推 測可能是科學素養紙本試題在評鑑過程中，由文字及靜態圖像的呈現方式讓學生 在形成科學議題及運用科學證據類型的題目表現不佳，此外，亦有可能是學生的 空間能力較差，以致在「科學」需要較多空間能力來輔助學習抽象概念的理解的 測驗中，本國學生表現較差。這樣的背景之下，引產生了本研究之研究動機。本 研究試圖將科學學習融合擴增實境之技術，以擴增實境的呈現強化學生在抽象科 學概念解題過程中所需提取的空間能力，並且進行實驗，檢測此科技輔助科學學 習的方式是否具有提升學生科學的學習成效及提高學童科學學習動機。研究也比 較不同空間能力及不同科學態度背景的學生，在經過擴增實境輔助學習之下可能 有的不同輔助學習成效。

第一節、研究背景與動機

國際學生能力評估計劃(Programme for International Student Assessment, PISA) 由經濟合作與發展組織(OECD)籌劃對全世界 15 歲學生學習水平的測試計劃，參與 國家眾多，故在國際間有其一定的地位代表著各國檢測出來的素養水準。PISA 對 科學素養的評量和典型的學校考試內容及方式明顯不同，一般學校的科學學科「成 就」測驗，較著重科學概念的了解與知識的獲得；PISA 的「科學素養」評量，則 較注重形成科學議題、科學舉證等「能力」。這些能力的評量較少在一般學校的考

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試中出現，卻是學生進入社會必須具備的能力。PISA 評量的另外一項特色就是「生 活化和情境化」，題目呈現的方式必定和日常生活有關，而且詳細說明試題的情境。

科學素養(Scientific Literacy)表示擁有基本的語言學習和表達能力，能理解科學觀 念，了解科學研究過程和方法，能運用科學解釋身邊的事情，建立與評價有證據 基礎的論證，並恰當地運用結論來引領自己的行為。它包含運用書寫、數值與資 訊等能力來理解科學方法、觀測與理論(

National Academy of Sciences

PISA 國際素養測驗在 2006 年測驗的結果，雖然我國學生的數學素養是全世 界第一名，整體科學素養也高居第 4 名，甚至優於鄰近國家日本第十名、韓國第 五名。但是在「形成科學議題能力」和「科學論證能力」兩個分項能力指標方面，

我國學生的表現仍有很大的進步空間。因此如何加強這兩方面能力的教學和評量，

值得努力省思（林煥祥，2009）。在全球中參與 PISA 國際素養測驗的國家從 2000 年的 32 國增加到 2012 年的 68 國，顯見其評量意義逐漸受到國際上各國的重視。

臺灣學生參加了 2006~2012 年三次評量，在科學素養方面，2006 年的平均分數是 532 分，為世界第四，落後於芬蘭、香港與加拿大；2009 年分數降低為 520 分，

名次則下跌到第 12 名，芬蘭、香港仍居前，首次參加的上海則躍居第一名；數學 素養方面，台灣 2006 年排名第一，平均分數為 549 分，2009 年平均分數為 543 分，

排名掉到第五，落在上海、新加坡、香港、韓國之後。根據這一次評比的細部分 析，臺灣學生解釋科學現象的能力在全世界排名第三，但科學舉證能力卻排名第 八，形成科學議題的能力更只有第 17 名。此外，臺灣學生的科學知識雖強，然而 關乎科學本質的探究與解釋能力卻有一段落差，而鄰近臺灣的香港、韓國和日本 學生在這方面的差距則不大。在面對科學的態度方面，臺灣學生的學習興趣約略 與國際平均相當，然而對學習科學有自信的比例卻遠低於國際平均（李名揚，

2012）。

最近的 2012 年的 PISA(2012)測驗評鑑結果在 2013 年 12 月出爐，臺灣學生在

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數學素養中大致維持良好的狀況，全球排名第四名；閱讀素養分數在 PISA(2012) 中排名第八、在 PIRLS2011 的閱讀素養評比表現第九名，在閱讀素養的國際排名 都有大幅改善，個進步了 15 名及 13 名；唯獨在科學素養能力中 15 歲學生表現落 後。行政院長江宜樺也指示教育部檢討相關原因並且研擬改善政策，以提升國內 學生科學素養能力（行政院，2013）。科學素養成績如表 1（PISA 國家研究中心，

2013）：

PISA2000 PISA2003 PISA2006 PISA2009 PISA2012

1.韓國 1.芬蘭 1.芬蘭 1.上海 1.上海

談到 2013 年全球都熱門的關鍵字：擴增實境（Augmented Reality, AR）非近 幾年才開始發展的。早在 30 年前，1960 年代，電腦繪圖先鋒蘇澤蘭（Ivan Sutherland）

和他在哈佛大學與猶他大學的學生，早已開發出第一套系統。1970 與 80 年代，美 國空軍阿姆斯壯實驗室、航太總署艾密斯研究中心，以及北卡羅來納大學教堂山 分校等機構，有幾個人從事 AR 的研究。直到 1990 年代初，波音公司有幾個科學 家才創造了「擴增實境」這個名詞（吳鴻，2002；Feiner, 2002）。而這樣的科技技 術擴增實境，是透過虛擬化的技術，在行動載具或是一些穿戴型的裝置上，為真 實世界去加諸虛擬化的資訊外衣，為我們提供更多真實世界以外的資訊。根據

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Azuma(1996)所提出的擴增實境定義裡談到，擴增實境應具有下列基本特色，才能 稱為擴增實境：

（１）Combines real and virtual（將虛擬物與現實結合）

（２）Interactive in real time（即時互動）

（３）Registered in 3-D（三維呈現）

上述擴增實境的特色在學科領域中的發揮最常見的就是科學相關領域，並不 是所有國小領域的學科內容都適合利用擴增實境(AR)來學習（魏綺亭、陳依琦，

2009）。以九大領域來說，需要抽象表現的知識的自然科、數學科較適合使用擴增 實境來表現，蘇俊欽（2003）指出，學生經由這樣子的學習活動後，增加了學習 的動機。廖詠年（2011）指出，擴增實境在科學教育中除了教學法的創新外，在 學習成效方面，學生的學習動機和學習參與度都有明顯提升。就此來說，擴增實 境技術成熟，但如何延伸、如何應用是關鍵。從整體的教學當中，教學方法上的 創新、教學技術上的創新亦或是測驗評量、學習診斷上的創新，都是我們可以去 努力協助學生在學習過程中或是教學者在教學中所面臨的困境。

本研究主要測驗科目領域鎖定在「科學」領域，是最需要擬真與真實感的觀 測經驗的學科領域。在國民小學及國中九年一貫的學科領域當中，自然與科技領 域為學生獲得科學的主要應對領域。確實，這樣的學科領域當中，有許多抽象的 概念是難以透過單純的講述式教學來說明的。縱使現今有許多教育科技來輔助教 學，例如：投影機、教學影片等，這些都難以呈現，更難以單純平面的紙本及靜 態影像來具象化教學學科所要傳達的學習資訊（例如：地球、太陽及月球的相對 關係、氫氧化鈉與水結合交互過程、二氧化碳如何形成酸雨）。再者，教育學家皮 亞傑著名的認知發展理論中提到人類的發展階段，七歲至 11 歲的學生正經歷「具 體運思期」(Concrete Operational Stage)，此階段的學生能著重思考的方式是具體方 面，較無法理解抽象之概念；而 11 歲至成年的人類會處於「形式運思期」(Formal

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Operational Stage)，此階段的學生能夠進行抽象思考及純粹符號思考，並使用系統 化的實驗來解決問題。電腦動畫可以對視覺空間思維提供支援來促進學習，研究 顯示動畫促進空間相關概念的學習。動畫在教學課程中的使用促使內部視覺空間 的積極處理(Münzer, Seufert & Brünken, 2009)。既然在這些多媒體教學積極的協助 了學生內在空間視覺的運作，並且影響學習成效，本研究有足夠的論點來設計實 驗。PISA 測驗主要測驗年齡為 15 歲學生，根據教育心理學的認知發展階段所示，

已發展至能夠進行系統化實驗並且解決問題的階段了，卻在科學素養當中的「形 成科學議題能力」及「科學論證能力」上表現落後。不同空間能力成就的學生，

有不同科學素養表現，而本研究設計的擴增實境輔助學習系統就可對不同空間能 力的學生產生不同的輔助學習成效影響。透過科技的方式協助或引導學生正確的 運用自身能力學習，學生面臨科學試題從腦中提取記憶及知識回答問題時，成為 答題之幫手，透過擴增實境的特色將文字圖像具體化能更加精準的模擬真實，成 為科學學習輔助學習的提示。