第二章 文獻探討
第一節 科技使用方式與物理學習
第二章 文獻探討
本研究欲釐清在使用平板電腦與其應用程式（App）輔助運動力學學習時「科 技使用方式」、「空間能力」、「視覺動作統整能力」及其與物理運動力學概念學習 的影響。因此本章將分別針對科技使用方式、空間能力與視覺動作統整能力、與 拋體運動常見的另有概念進行探討。
第一節 科技使用方式與物理學習
隨著時日的演進，近年來數位科技已經普遍被應用在日常生活之中。而新興 科技於資訊取得的便利性、圖像化能力等優點，使得在教學中引進科技的應用也 成為近年來教育的趨勢之一(Finkelstein et al., 2005; J. J. Vogel, Vogel, Janbowers, Muse, & Michelle, 2006)，本國教育部也因應此「數位化」趨勢而推動若干教育 政策，如早期的「電腦輔助教學軟體發展與推廣計畫」到近期的「數位學習推動 計畫」等（教育部資訊及科技教育司，2013）。提倡科技融入教學的學者們已宣 稱科技可以藉由增加對資訊的接觸量進而轉化學習模式、提供師生與專家或同儕 合作的機會、表達並交流想法、與探討原本在課室中難以呈現的議題等(Smetana
& Bell, 2011)。教育科技的種類族繁不及備載，本研究針對運動力學學習的特性 而採用模擬動畫搭配電腦、平板電腦作為教學輔助工具，而以下針對模擬動畫以 及平板電腦及其與物理學習間的關係作探討。
一、 模擬動畫輔助教學
(一) 模擬動畫的定義、分類與特性
隨著科技日新月異，電腦作為教學的輔助工具逐漸由簡入繁，由數位化的文 字、圖片、聲音等逐漸進展到動態的影片甚至是互動的應用軟體。其中模擬動畫 藉由過去三、四十年來的研究，在資訊科技融入教學方面逐漸被認為是一個大有 可為的領域(de Jong et al., 1999; Trundle & Bell, 2010; Wu, Krajcik, & Soloway, 2001)。
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模擬動畫或稱為電腦模擬動畫（Computer Simulations）， de Jong 和 Van Joolingen (1998)將電腦模擬動畫定義為包含特定自然或人工系統模型的電腦程 式。Smetana 和 Bell (2011)並延伸定義為由電腦產生且展現真實世界與其過程之 動態模型，呈現簡化或理論化的真實世界構成（Component）、現象或過程。
Ramasundaram, Grunwald, Mangeot, Comerford, 和 Bliss (2005)則認為模擬動畫 提供一個驗證假設的平台，讓學生可以測試各種情境、各種輸入並藉由可能的結 果或輸出產生概念。Olympiou、Zacharias、與 de Jong (2013)則認為模擬動畫通 常包含現象/系統的模型讓使用者進行互動，在此情境下，學習者進行實驗並觀 察操弄之影響進而建構自身的知識。模擬動畫的定義極為廣泛與多樣化(J. J.
Vogel et al., 2006)，定義可能跟隨設計的目的、使用的方式、科技的限制等做不 同的描述，但基本上筆者歸納後認為本研究對於模擬動畫的定義兼具(Smetana 和 Bell (2011))和 Ramasundaram 等人(2005)的觀點。
跟隨以上的定義，de Jong 和 Van Joolingen (1998)又將模擬動畫廣泛地分為 兩大類：分別為「概念性模型」（Conceptual Models）與「操作性模型」（Operational Models）。概念性模型模擬系統中的原則、概念、與現象，此類模擬動畫舉例來 說可在經濟學、物理學中使用（如電路模擬動畫）；操作性模型則模擬系統中一 系列的認知或非認知操作過程，此類模擬動畫舉例來說可以在雷達操作學習中使 用。此外，Lee (1999)回顧過往的研究，提到在模擬動畫在用途上可以分為兩種 模式，分別為「呈現模式」（Presentation Mode）與「練習模式」（Practice Mode），
且練習模式的模擬動畫根據一些研究指出結論為比較有效的教學輔助工具，也因 為其可以提供學生在給定的學習環境內探索的自由度，模擬動畫經常被拿來作為
「發現式學習」（Discovery Learning）的工具。
de Jong 等人以模擬動畫配合發現式學習作了一系列相關的研究，指出其在科 學學習上的正面效果 (de Jong et al., 1999; de Jong & Van Joolingen, 1998;
Olympiou et al., 2013; Swaak & de Jong, 2001; Veermans, Joolingen, & de Jong, 2006)，並提到搭配發現式學習的模擬動畫統稱為「發現式模擬動畫」（Descovery
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Simulation）。暫且撇除不同的學科主題與不同軟硬體支援的影響，Swaak 和 de Jong (2001)歸納發現式模擬動畫主要具有以下三種特性：
1. 豐富性（Richness）：為了提供擁有豐富性的環境，模擬動畫必須擁有豐富 資訊供學習者提取。這些資訊可以由許多種方式被包含在內，且藉由不只一 種表徵來呈現，如輸出的數據以動態或圖片表徵顯示。
2. 低透明度（Low Transparency）：相對於文本或超文本（Hypertext），模擬動 畫應更加直接、直觀地呈現變數與其關係，因而使學習者能獲取更多資訊。
3. 主動互動性（Active Interaction）：學習者不應被動地接收螢幕上顯示的資訊，
而是應該主動進行一些動作（如作實驗等）來開始其「有意義」的學習階段。
由以上可以得知，雖然模擬動畫基本上對於學習有相當的幫助，但是隨著設 計者或研究者的目的與理念，模擬動畫也會有不同的特性與成效，因此在使用模 擬動畫作為教學輔助工具時應謹慎考慮並配合適當的教學方法才能發揮模擬動 畫最大的效果。
(二) 模擬動畫於教學上的應用
模 擬 動 畫 在 科 學 學 習 上 的 應 用 ， 除 了 上 述 的 發 現 學 習 ， 在 探 究 式
（inquiry-based）教學、學生中心教學、或是知識中心教學上都擁有許多優點 (Trundle & Bell, 2010)。Smetana 和 Bell (2011)整理模擬動畫輔助科學學習的文 獻指出模擬動畫具有以下種種優點：
模擬動畫提供相當的靈活度，讓學生參與的活動提升至問題解決與高層 次思考的階段（Hargrave & Kenton, 2000; Lee, 1999）。
模擬動畫擁有使教學更加具有互動性與真實性的潛力，且具體化抽象的 概念使其更易學習(Ramasundaram et al., 2005)。
模擬動畫使學習者藉由立即的真實數據回饋來驗證自己的信念，進而產 生個人的問題解決決策(Hargrave & Kenton, 2000; Lee, 1999; Rose &
Meyer, 2002)。
模擬動畫高度的開放性提升學生對於自己學習過程的自主性。且教師可
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以藉由模擬動畫因材施教，即以適當的指導和鷹架（Scaffolding）來適 應學生個別差異(Henderson, Eshet, & Klemes, 2000)。
模擬動畫可以將在現實世界中太複雜、太費時、太危險、太困難的實驗 與現象重新詮釋於普通課室之中(Akpan, 2002)。在模擬的環境裡，時間 可以被快轉或慢速撥放；抽象概念可以被具象化、隱含的過程可以變成 可見的。教師可以讓學生專注於原本太複雜的教學目標，減低不必要的 認知負荷（Cognitive Load）(de Jong & Van Joolingen, 1998)。
這些將模擬動畫用在科學教學時隱含的優點，使得研究者們在過去四十年間 於各個科學學科的教與學上進行了許多研究，考慮到模擬動畫形式跟隨科技迅速 發展的特性，以下僅就近期（2000 年後）各科學學科的相關研究進行舉例介紹，
且在物理學科的部分進行較深入的探討。
地球科學方面，Ramasundaram et al. (2005)將模擬動畫結合新興的地理資訊系 統（Geographic Information System）科技建立一虛擬田野實驗室（Virtual Field laboratory），並指出這樣不只可以降低學術研究的預算，更可以提升現行課室內 與遠距教學的素質。Hsu 和 Thomas (2002)以修習氣象學的大學生為對象，探討 線上模擬動畫的特定特徵對學生概念改變的影響，結果顯示此模擬動畫對於學習 的正面效益，並在深入探討後指出，學生的問題解決策略對於從模擬動畫中獲取 知識有很大的影響力，但對於將新知遷移到真實世界則影響較小，顯示了在使用 模擬動畫輔助教學時也要同時注意學生某些的學習特質。Winn et al. (2006)比較 修習海洋學的大學生於實地與虛擬經驗的學習差異，分析結果顯示使用虛擬環境 學習的學生製圖結果較實地組為佳，研究者認為這是因為虛擬組的學生在學習時 不只學習概念、同時模擬動畫也提供了建構模型的學習機會，所以建議在教學時 應該要實地與模擬並行才能有最大學習效果。
化學方面，Wu et al. (2001)使用視覺化工具輔助學生學習分子的構成，該模 擬動畫提供學生以多重表徵建構分子模型並比較不同表徵之間的關係。該研究結 果顯示該模擬動畫能幫助學生學習分子的建構與表徵之間的轉換，且電腦化的模
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型可以作為學生產生心象（Mental Images）的載具。Trey 和 Khan (2008)使用一 動態類比的模擬動畫來輔助十二年級學生對於勒沙特列原理（Le Chatelier’s Principle）的學習，研究結果顯示動態、互動式、且整合式的電腦模擬類比相較 於靜態的文本，在真實世界無法觀察的現象上會有更高的學習成果。
生物方面，Kiboss 指出學生對於模擬動畫教學活動的投入程度將影響高中二 年級學生在學習細胞理論上的學業成就與正面態度，該模擬動畫包含了細胞分裂 個階段的圖片、動畫與文字敘述且容許學生自行決定學習步調。Marbach 比較了 模擬動畫輔助教學、使用教科書的啟發式教學活動（如畫圖、填空、填寫引導問 題等）、與傳統式教學在分子遺傳學學習的影響差異，結果顯示模擬動畫組與啟 發式教學組的學習成就無顯著差異，但模擬動畫在開放式問題的得分較另外兩組 為高。
物理方面，Jimoyiannis 和 Komis (2001)在拋體運動單元的教學中使用模擬動 畫，結果指出高一學生使用模擬動畫的學習成就顯著高於未使用模擬動畫的組別。
Finkelstein et al. (2005)比較使用真實實驗器材與虛擬實驗器材的大學生在電路學 實驗的學習成效差異，結果顯示使用虛擬實驗軟體的組別學習成效較高，此結果 可能源於虛擬實驗器材的操作較為便利或是省時。Zacharia 和 Anderson (2003) 在職前教師修習的一學期課程中，將一系列互動式模擬動畫視為認知架構以輔助 學生對於力學、光學/波動學、熱學的實驗與探究學習，經過每個主題的訪談與 概念測驗後，結果指出使用模擬動畫可以促進某些物理概念的改變，且增進學生 對於實驗現象的預測與解釋能力。Olympiou et al. (2013)研究學生在學習光與顏
Finkelstein et al. (2005)比較使用真實實驗器材與虛擬實驗器材的大學生在電路學 實驗的學習成效差異，結果顯示使用虛擬實驗軟體的組別學習成效較高，此結果 可能源於虛擬實驗器材的操作較為便利或是省時。Zacharia 和 Anderson (2003) 在職前教師修習的一學期課程中，將一系列互動式模擬動畫視為認知架構以輔助 學生對於力學、光學/波動學、熱學的實驗與探究學習，經過每個主題的訪談與 概念測驗後，結果指出使用模擬動畫可以促進某些物理概念的改變，且增進學生 對於實驗現象的預測與解釋能力。Olympiou et al. (2013)研究學生在學習光與顏