第一章 緒論
第一節 研究背景與動機
第一節 研究背景與動機
在研究者多年的國小自然科教學經驗中發現，當學童在學習天文星體知識的時候，一直 有著很大的困難。「天象遠，人事近。」雖然學童每天都看得到星星、月亮、太陽，但是天象 的觀察並不是一般生活化的題材，王祥朝（2004）認為在教學上對於這種缺乏豐富生活經驗 聯結的學習有其困難，而教師更需要在教材的準備上下工夫。根據王寶勛（2006）觀察與收 集多位自然科教師的意見後，發現教師進行天文教學時，常遇到以下問題：
一、天候因素。
二、市區光害、大樓林立、空氣污染以致於視野不良，而影響觀測。
三、學生課後補習之常態，難以安排時間進行學校教師指派之夜間觀測活動。
四、職前教師觀星經驗不足，且無適當的教育訓練。
五、家長配合意願不高。
六、學校天文設備不足。
七、天體實地觀測所需的時間與教學人員配合不易。
然而天體觀念學習的困難之處並不單單只在於教師教學，在學生的學習上也遇到相當的 困境。天文星體有許多非常抽象的運動與現象，非常難以利用文字去描述表達，因此學童往 往無法理解，並容易發展出許多的天體的迷思概念（Brewer & Vosniadou 1994；Ojala 1997）。
除此之外，就學童而言，自然科學在小學教育中是一門受到多數人喜愛的課程，探究其 原因不外乎是因為可以親自動手操作實驗並進行觀察，學生對這樣的學習方式有強烈的學習 動機（曾喬琪，2008）；然而天文並不同於一般可以親自動手操作的實驗，因此若能讓學生產 生學習動機應該能提升天文學習的學習成效。 所以，歸納學生這兩方面學習困難提出兩項策 略如下：
一、除了文字說明以外，教師應該讓學生能用更具體的方式去了解天文星體的抽象概念。
二、提供可以讓學生親自動手操作的天文實驗用具或者是資訊工具。
而在眾多的兒童教育工具中，繪本能運用簡單、具體的圖畫及文字來表達生活中複雜而 難以理解的事物與形象，並能凸顯這些現象、事物的特徵與產生過程，可以讓兒童容易由繪 本中了解課程欲傳遞的訊息（鄭明進，1998）。隨著資訊科技的進步，繪本電子書也伴隨著 電腦資訊技術的日新月異而出現。繪本電子書乃是結合了繪本與多媒體，以視覺、聽覺、及 動態三元素來呈現，繪本電子書將所欲傳達的主題透過視覺的圖像語言以及動態的故事情節 來呈現給使用者（曾喬琪，2007）。而根據許多學者（胡淑美，2005；陳月雲，2005；曾喬 琪，2007；黃美玲，2004）的研究，繪本電子書可以降低學生學習科學知識的困難，降低迷 思概念的產生，同時也大大的增加了學生的學習動機與閱讀態度，幫助提升科學態度與科學 閱讀理解能力，所以教師利用富含多媒體聲光的繪本電子書來導入天文星體的知識應是非常 好的教學策略。學者也認為藉由多媒體教學的環境，繪本電子書可提供學童加速學習的機會，
因為視覺性的刺激往往是提供科學性或技術性知識最直截了當、最有效的傳達方式之ㄧ
（Hegarty, Carpenter, & Just, 1991; Johnson, 1992）。
綜合蘇偉昭（2003, 2004）的研究，天文教育的第一步就是要辨認天體位置，由於日、
月、行星在天上的軌跡每年、每月、每日都不一樣，多數學童都無法理解星體的變化脈絡。
然而早在研究者小時候，甚至更早之前就已經有了幫助學生辨認日月行星軌道以及親手操縱 天文星體的模型，例如三球儀。但是，研究者從小的學習經驗並不是很好。因為早期的觀測 儀器如三球儀模型、星像盤等，因為其設計不能符合實際星體狀況或者是以2D 模擬 3D，學 生都難以理解（蘇偉昭、林傳傑、鄭文光、林月芳、王秋燕，2005），而且模型製作的費用 昂貴，無法在有限的上課時間內讓每個人都操作到，更遑論透過天文星體模型幫助學生學習 天文概念。因此，蘇偉昭（2004）認為由於天象觀測原本就是三度空間的問題，因此也應該 回歸三度空間的方式來進行教學與學習。而且在過去三十年來，利用電腦模擬環境對教授科 學的教師來說已經變得日益有用並容易取得（Smetana & Bell, 2007）。學者（Hobson, Trundle,
& Sackes, 2010）也指出在最近的研究中，使用電腦模擬方式對二年級以及三年級學童教導各 種月亮概念是非常有效率的。而在邱美虹與陳英嫻（1995）的研究中發現，若是學童的空間 能力發展不足，就有可能無法順利地利用空間旋轉的能力，在心裡將教學圖片進行空間轉換，
模擬2D 平面圖形轉換成 3D 空間的運動狀況。另外在他們的研究中還談到具備高空間能力的 學生在「月亮盈虧概念」的學習成效上較低空間能力的學生好。Huk（2006）則在利用互動 式3D 模型輔助學生學習細胞生物學的研究中指出，3D 模型造成低空間能力學生的認知負荷 超載；相反的，高空間能力學生則因為他們的認知負荷仍然保持在工作記憶的範圍內，因此 得利於3D 模型的教學而有比較好的學習成果。而空間能力也被皮亞傑認為是兒童邏輯能力 成長的主要部份（莊安祺譯，1998），因此如何因應學童在空間能力不足的情況下，引進適 當的教學輔具軟體，以提升學生在天文星體方面的學習效果是不可忽視的重要議題之ㄧ。
從相關研究顯示，在過去有許多天文教學相關課程引進不少數位教學輔具軟體，例如教 學網站（古仁元，2004；陳彩虹，2002；溫慧如，2005；廖士權，2002）、動畫學習課程（馬 紀楨，2008）、虛擬實境輔助教材（王秀雯，2009；王聖閔，2006；蘇偉昭、林傳傑、鄭文光、
林月芳、王秋燕，2005；蘇偉昭、鄭文光與林香利，2007）等等。而其中虛擬實境除了可以 演示天文星體運動的過程與位置外，McLellan（1994）也認為虛擬實境是一種可以增進學生 的空間能力的學習工具，他建議教師可以利用讓學生在空間概念相關的問題上進行探索。而 學者趙金婷、鄭晋昌（1999）也認為利用虛擬實境教學對提升天文星體教學有絕佳的效果，
認為虛擬實境能夠呈現3D 立體及動態歷程的特質，在說明空間關係及過程方面具有特別的 優勢，適合模擬示範實際操作的內容。林于正（2004）則指出虛擬實境運用電腦動畫處理現 實世界較難製作的3D 場景與立體透視，建立兒童們的三度空間概念，擺脫面對 2D 平面的圖 像需要轉換成3D 物件的窘境，以圖像來取代繁複的語言文字講解，讓傳統課本進化到由學 生親身實地操作的數位情境，是科技與教育完美結合的理想。Minogue et al.（2006）的研究 指出關於學生對在虛擬實境中進行導航探索的興趣、態度與能力，都呈現正面的結果。另外，
在兩個研究（ Frède et al., 2008; Panagiotaki, Nobes, & Banerjee, 2006 ）案中表示當兒童被要
求使用繪畫來解釋地球星體概念時，出現另有概念的比例較高；而若是使用3D 模型或是圖 片去回答問題則比較沒有另有概念出現的現象。Bell & Trundle（2008）則利用電腦模擬來促 進學童在月亮概念認知上的不一致以及改變其月亮概念都有相當好的成效。而曾永祥（2002）
和何玉婷（2005）的研究結論中也建議，後續研究者在設計地球運動之數位教材時，應以 3D 方式呈現以增加教材的操作性與探索性。因此，許多學者也製作相關的天體模擬軟體與資訊 融入教材，希望能幫助學生提升在天體學習上的困境（王秋燕，2004；林月芳，2004；蔡孟 雄，2009；蘇偉昭、鄭文光、林香利，2007）。近來學者 （王聖閔，2007；王學武、石明儒、
王秀雯，2010；沈潔華，2005；吳延慶，2008）更以虛擬實境的技術，製作模擬天體運行的 教學軟體與教學網站來進行教學，其研究結論皆發現以虛擬實境製作的教學媒體具有潛在提 升學生在天文概念知識的學習成效。
由上述可知虛擬實境教學輔具不但能幫助學生學習困難的科學概念，同時又具備能訓練 學生的空間能力的潛在能力，但是製作精良的教學輔具也必須要搭配適當的教學法才能發揮 最佳的功效。周文忠（2005）認為虛擬實境具有沉浸性、互動性與想像力三大特性，軟體的 特性與建構式學習理論相對照下非常相似，有高度的相關。建構主義強調個體的主動參與，
知識是由個體主動學習，自發性的進行探索，當探索結果與個體原有概念相左，產生衝突時，
學生經由不斷地同化與衝突兩種過程，最後獲得知識。同樣的，虛擬實境是透過電腦所產生 的三維空間，而且使用者身在虛擬環境中可以與所有的三維物件進行互動，所以在虛擬環境 中使用者會有很大的參與感（錢昱豪，2003）。在 Bailenson（2008）的研究中也認為教師與 學童對在教育環境中使用虛擬實境都抱持著正面的態度，教育性虛擬環境已經展示其對協助 學童對了解概念以及避免迷失概念的潛力。而且虛擬實境中的使用者探索，與自然科教學中 強調的教學原則十分類似。教育部（2001）於國民中小學九年一貫課程綱要－自然與生活科 技領域中，實施要點特別提到：教學應以學生活動為主體，引導學生做科學探究，並依解決 問題流程進行設計與製作專題。然而為了搭配虛擬實境的媒體特性，又應該使用何種教學方 法呢？
過去，很多的資訊媒體以行為主義觀點設計，將欲教授的傳給學生，學生只是被動的進 行知識接受，教學媒體只是在扮演著傳統教學下教師的角色而已。而未來運用資訊科技於教 育上，除了考量運用的適切性外，更應與學習理論相互結合，讓學習者在學習中從事於主動、
過去，很多的資訊媒體以行為主義觀點設計，將欲教授的傳給學生，學生只是被動的進 行知識接受，教學媒體只是在扮演著傳統教學下教師的角色而已。而未來運用資訊科技於教 育上，除了考量運用的適切性外，更應與學習理論相互結合，讓學習者在學習中從事於主動、