研究背景與動機

本章旨在針對本研究之研究背景與動機、研究目的進行說明，並清楚陳述本研 究的研究範圍與限制及相關名詞解釋。因此本章共分四節，第一節針對本研究之背 景與動機詳加說明，第二節陳述本研究之研究目的，第三節列舉本研究之範圍與限 制，第四節就本研究所涉及之相關名詞加以定義。

第一節 研究背景與動機

教育科技的應用成效過去一度被過度渲染，但實際上卻發現難以達成這些過 度膨脹的願景或目標，現實與理想的落差導致民眾對科技融入教學或學習的期待 逐漸降溫(Dillenbourg, 2008)。檢視多年來電腦模擬的教育應用情形，雖然並非所 有的教育應用研究均顯現正面的成效(de Jong & van Joolingen,1998)，但多數研究 結果仍顯示電腦模擬的應用確實對提升教學或學習成效有所助益，這些研究幾乎 涵蓋了所有科學教育的領域(Alessi & Trollip, 2001; Catalano & Tonso, 1996;

Colaso, Kamal, Saraiya, North, McCrickard, & Shaffer, 2002; Jensen, Self, Rhymer, Wood, & Bowe, 2002; Khoo & Koh, 1998; Korhonen & Malmi, 2000; Luo, Stravers,

& Duffin, 2005; Meyer & Krzyzkowski, 1994; Tversky, Morrison, & Betrancourt, 2002; Wallace & Mutooni, 1997)。對於工程教育領域而言，過去電腦模擬大都僅限 於虛擬實驗平台的應用，但近年來電腦模擬也逐漸開始發展工程教育領域的概念 學習應用，研究結果同樣顯示其有助於提升學習成效(Chen, Hong, Sung, & Chang, 2011; Chen, Pan, Sung, & Chang, 2013; Nguyen, 2013; Rutkowski & Moscinska, 2011)。因此電腦模擬已成為教育科技應用上深具潛力的一環，模擬式學習強調自 我觀察、探索、體會與省思的學習活動，以及探索真實現象或動態表徵的推演過 程，更被視為科學發現式學習的具體應用與實踐(Rutten, van Joolingen, & van der Veen, 2012)。

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當前電腦模擬的教育應用研究主要著眼於下列兩種取向：(1)電腦模擬如何融 入並強化傳統的教學。(2)模擬式學習工具如何應用於輔助學習並提升學習成效 (Rutten, van Joolingen, & van der Veen, 2012)。前者致力於如何將電腦模擬更完善 的融入傳統課程教學中，屬於教學取向。後者則探討如何應用模擬式學習工具以 改善學習成效，偏向學習取向。本研究將聚焦於探討第二種取向，建構模擬式學 習環境並探討其對於學習的促進效果。過去雖然模擬科技被廣泛地認為對學習有 正面影響，然而卻並非所有教學與學習的實徵研究均顯現正面的成效，有鑒於 此，十幾年前 de Jong 與 van Joolingen (1998)建議需從學習過程著手，配合不同的 學習情境，提供適切的學習支援，以確保其成效。十幾年後，Smetana 與 Bell (2012) 分析近年來 61 項模擬式學習的實徵研究，發現融入適當的學習支援機制仍然是 提升模擬式學習環境應用成效的重要因素，建立學習支援機制之主要目的即在於 適當地引導學習者，讓學習活動得以順利進行。Naps、Rößling、Almstrum、Dann 與 Fleischer 等學者(2003)就指出，模擬科技雖被認為對學習有正面影響，但無論 功能設計的多麼良好，除非能讓學習者致力於探索及學習活動，否則都是沒有意 義的。由此可見，運用學習支援機制讓學習者更易於投入學習活動中，才能落實 模擬式學習環境促進學習的效果。Chang、Chen、Lin 與 Sung (2008)發現在完全 開放性的模擬式學習環境，固然因缺乏適當的學習支援，易於造成學習迷失，但

關於學習支援的應用，Zhang、Chen、Sun 與 Reid (2004)針對學習者在科學 學習上的困難，分析之後提出三項重要的學習支援類型，以幫助學習者在自我觀

察、探索的學習情境中，獲得適當的引導或輔助，以降低學習迷失的情況。此三 Chen, Lin, & Sung, 2008)。由此可見，完整的學習支援機制應該要涵蓋解釋性、實 驗性及反省性三種學習支援功能。 Askar, & Ozkan, 1992; Mulopo & Fowler, 1987)。本研究將學習者安置於有意義的 問題解決情境中，並提供學習者主動思考問題的必要資源與探索的機會，藉由問 題引起學習者的興趣和主動探索的欲望，這遠比被動告知而獲得的學習來得更深 入且印象深刻。簡而言之就是透過問題引導策略強化學習者的探索情境感知，再 藉由互動的操作與觀察引發學習者的認知覺察，並促進其進行深化的反思。本研 究促進反思的應用策略有二，其一是以問題定錨 (question as an anchor)，運用問 題作為學習者思考與探究的核心，其二是以題組建構概念釐清計畫(questions as a plan) 。因此本研究係以問題引導方式改善學習迷失的問題，並以題組建立概念 澄清的鷹架，建構出引導式之探索學習環境，希望藉此強化模擬式學習環境的學

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習反思與概念探索本質。

如前所述，建立有效的學習支援機制為提升模擬式學習應用成效的重點之 一，而依據 Rutten、van Joolingen 與 van der Veen (2012)歸納 510 篇近 10 年電腦 模擬的教育應用研究，發現模擬式學習工具主要的發展趨勢有二，除了探討如何 透過學習支援的強化，讓學習活動順利且有效率地進行之外，另一個發展重點則 是如何發揮視覺化呈現對於抽象概念的學習輔助效果。Gordin 和 Pea(1995)認為視 覺化模擬可以具體地展現概念的外在表徵，幫助學習者理解複雜概念的內涵。

Ainsworth(2006)也認為視覺化模擬可幫助學習，當學習者學習複雜的概念時，視 覺化呈現能讓學習者透過與多重外在表徵的互動及反思，進而提升其認知層次。

Jensen、Self、Rhymer、Wood 與 Bowe (2002)更證實與傳統教學方式相比，視覺 化教學環境的確能夠增進學習者對概念的理解程度，並能維持長期的記憶。除此 之外，視覺化模擬還具有提高學習動機並促進概念長期記憶的優點(Colaso, Kamal, Saraiya, North, McCrickard, & Shaffer, 2002; Naps et al., 2003) 。

為發揮電腦模擬的視覺化呈現功能對於抽象概念的學習輔助優勢，本研究選 續困擾著各個年齡層的學習者(Belcher & Olbert, 2003; Reiner, Slotta, Chi, &

Resnick, 2000)，因此發展適當的學習輔助工具降低學習困難，實有其需求性與必 要性。

電學課程所遭遇的概念學習困難，除受個人既有經驗的影響之外，概念本身 的抽象性、複雜性，以及概念內涵的微觀性質，更是造成概念學習困難的重要原

因（Pfundt & Duit, 1991）。從過去在電學概念的學習研究上，學習者遇到的困難 大都是由於對某些抽象概念無法完全瞭解，而難以將其連結到複雜的真實電路情 境中(Ronen & Eliahu, 2000)。也可能因為在日常生活中無法看見實際的電子或電 流流動等現象，因此抽象的電壓、電流等電路原理，經常讓學習者無法理解其中 複雜的抽象概念，各種不同的迷思概念也因為學習上的困難而產生(Sengupta &

Wilensky, 2009)。

過 去 電 學 相 關 課 程 的 傳 統 教 學 方 式 並 不 注 重 迷 思 概 念 的 瞭 解 與 澄 清 (Jaakkola & Nurmi, 2004; Jaakkola, Nurmi, & Lehtinen, 2005)，且傳統的被動式學 習環境亦難以促使學習者發生概念的改變(Eryilmaz, 2002; Liégeois, Chasseigne, Papin, & Mullet, 2003)。因此本研究不僅運用視覺化模擬幫助學習者理解抽象複 雜的概念，更著重於發展具備適切的學習支援機制，建構兼具視覺化表徵觀察 與參數操弄應用的「問題引導式模擬學習環境」，希望藉此模擬式學習環境來 幫助學習者降低電子學二極體單元的學習困難並釐清迷思概念。然而迷思概念 不僅源自於正式學習前個人經驗對於科學現象的既有想法，也可能發生在施行 正式教學後，而且迷思概念通常都具有不易改變的特性，難以經由一般的教學 獲得改善(Tytler, 2002; Kikas, 2003; Mutimucuio,1998)。改變學習者的概念並不僅 只是單純的灌輸新知識，而是必須引導學習者以既有的概念架構為基礎，逐步 建立一個融合新概念的知識模型(Vosniadou, 2002)，皮亞傑(Piaget)提出的認知發 展論述中，即指出當學生吸收了一些無法以現有概念來思維的新經驗時，知識結 構就會產生不平衡，亦即發生認知不一致或衝突情形，知識結構則隨之進行組 織調適與重整以順應新的經驗，由此反覆的活動使認知得以發展。Posner、

Strike、Hewson與Gertzog (1982)也認為概念改變並非一種自然發生的過程，往 往必須經由認知衝突的形成才可達到概念改變的目的。由此可見，要促使學習 者改變既有的概念，營造概念衝突的情境是引發知識結構調適與重整的重要前 提(Chen, Pan, Sung, & Chang, 2013)。

為強化模擬式學習環境的功能設計，提升其整體應用成效，過去幾年已針對

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各項發展重點完成多項的實徵研究，本研究植基於過去的研究成果，持續為模擬 式學習注入多元策略的活水，係屬多年來模擬式學習整體應用研究的一環，而非 僅是單一的應用研究。前期研究從模擬式學習的學習支援機制著手，深入探討其 各項學習支援功能的設計策略與應用成效(Chang, Chen, Lin, & Sung, 2008)，接著 針對模擬式學習環境的視覺化呈現與虛擬實驗操弄功能進行分析與探討(Chen, Chang, & Sung, 2009; Chen, Hong, Sung, & Chang, 2011)；隨後更著眼於改善電子 學的學習困難，針對電子學的迷思概念進行調查分析(Chen, Chang, & Sung, 2012)，並於模擬式學習環境中發展迷思概念矯正功能且探討其應用成效(Chen, Pan, Sung, & Chang, 2013)。運用上述的各項前期研究為基礎，本研究建置「問題 引導式模擬學習環境」，係從兩大發展重點著手，一方面藉由兼具視覺化表徵觀