第三章 研究方法
第一節 科技使用與教學設計
第一節 科技使用與教學設計
一、 科技使用
本研究涉及運動力學中的「拋體運動」單元，綜合第二章對於模擬動畫、科 技使用與物理教學研究文獻之探討，基於視覺化、便利性、資料收集效率等考量 已有越來越多研究使用模擬動畫輔助運動力學教學。但另有一派學者指出與實體 物件的互動可以激發額外腦內活動進而提升學習記憶的保持（Retention）與提取
（Retrieval），即使同樣是「動手做（Hands-On）」，許多資訊在虛擬的環境中、
單單由滑鼠來操作實驗是難以被經歷到的(Lazonder & Ehrenhard, 2014; Marshall, Cheng, & Luckin, 2010)。針對此爭論，本研究欲將模擬動畫的教學結合平板電腦 之特性並使用與之配合的教育性 App，試圖探討不同的科技使用是否能夠在運動 力學的教學上開創不同的可能性。在研究設計上，本研究將教學依載具與使用方 式的不同將學生分為三組，茲分別敘述如下，並整理成表（見表 3-1-1）。
(一) 電腦組
此組別之學生每人均配有一台桌上型電腦與滑鼠，並輔以針對拋體單元學習 之模擬動畫進行教學。在動畫中可以設定一至最多十個物體同時進行拋射的實驗，
模擬動畫操作與實驗步驟大致如下：
1. 學習者設定欲進行實驗的物體數量。
2. 學習者拖曳與物體同色之箭頭以設定初始速度方向與大小（如圖 3-1-1.a）。 3. 在進階的概念學習中，學習者可以勾選是否要在動畫開始前或動畫進行中改
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變重力加速度（Gravitational Acceleration，代號 g），並拖曳白色箭頭改變重 力加速度之大小與方向（如圖 3-1-1.b）。
4. 學習者可以設定播放速率調整動畫呈現之速度。
5. 學習者按下「Play」鈕並觀察物體依照先前設定之初始參數所呈現的運動過 程（如圖 3-1-1.c），依據探討問題情境的需要，可以在動畫撥放過程中即時 改變重力加速度之向量。
6. 學習者觀察運動物體留下之軌跡，對照軌跡上之標記以理解該物體在某時刻 的位置，也可以由此判斷是否與其他物體有碰撞（如圖 3-1-1.d）。最後，學 習者可以按下截圖鍵將整個螢幕畫面保存至記憶體、按下「Reset」鈕重置物 體進行下一輪實驗、或是按下「Clear」鈕清除所有軌跡由步驟 1. 重新開始 實驗。
圖 3-1-1 電腦模擬動畫各階段的操作介面；a.設定拋體初始條件 b.設定重力加速 度 c.拋體運動過程 d.拋體運動軌跡
a. b.
c. d.
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為避免學習者一次接收過多資訊而造成認知負荷，本模擬動畫允許學生勾選 是否要呈現運動軌跡或物體上的重力加速度。除此之外，本模擬動畫的介面與作 設計符合 Swaak 與 de Jong (2001)所提之發現式模擬動畫應具有的特性－各向量 與軌跡的呈現使用多種視覺化或動態的表徵（豐富性）、物體的運動狀態直接呈 現在學習者眼前而不需想像（低透明度）、學習者必須自行設定拋體的初始條件 並主動探索結果與控制變因之間的關係（主動互動性）。
(二) 觸控組
本組之學生每人均配有一台平板電腦，並使用 Android 系統作為 App 的載具，
該款平板電腦重約 680 克、搭載 10 吋觸控式螢幕、且內建重力感測器與陀螺儀 等感測器。本組所使用之 App 以電腦組所使用的模擬動畫為基礎，介面與操作 步驟均與上述電腦組之操作步驟相同，但在步驟 2. 3.及 5.中，向量箭頭的設置由 滑鼠改為手指直接拖曳、在步驟 1. 4. 6.中則以手指直接觸碰螢幕取代滑鼠點選。
根據 de Koning 與 Tabbers (2011)所指出學習者若以直覺性的手勢輔助學習、加上 觸感（Haptic）的刺激，則有可能達到更有效率的學習，因此與電腦組最大的差 異之處在於滑鼠的操作替換為手指直接的操控，學習者可以藉由手指的拖曳直覺 地體會各向量的大小與方向（如圖 3-1-2）。
此組別在平板電腦的輔助教學上，呼應了若干先前所述平板電腦的特性與設 計物理教學 App 應考量的面向，如學生可以在分組討論時可以互相傳閱或直接 展示給同學們看實驗結果（移動性）、實驗操作與設置並不需要教師額外說明就 能如同實物般使用（直覺性介面）、學生可以將實驗結果藉由內建的截圖功能保 存並上傳到雲端空間分享或留存（統整性系統）。
(三) 動感組
本組硬體設置與觸控組相同，且與觸控組使用相同之 App。不同之處在於動 感組開啟 App 中之重力加速度感測器讀取功能，即上述操作步驟 3.及 5.之中，
模擬動畫內物體所受的重力加速度並非由拖曳重力加速度向量來進行設定，而是 直接讀取平板電腦內的感測器數據並直接顯示在螢幕上，重力加速度的方向與大
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小隨著平板電腦的旋轉與傾斜而改變（如圖 3-1-3），符合第二章所述內建感測器 的平板電腦特性。因此本組除了擁有電腦組、觸控組的特性之外，更多了動感
（Kinetic）的刺激，且學習經驗應更加直覺、也更加貼近真實世界的環境。
表 3-1-1 科技使用組別比較整理
電腦組 觸控組 動感組
載具 電腦 平板電腦 平板電腦
操作媒介 滑鼠 觸控螢幕
觸控螢幕 重力加速度感測器
模擬動畫特性
豐富性 低透明度 主動互動性
同電腦組 同電腦組
平板電腦特性 無
移動性 直覺性介面 統整性系統
移動性 直覺性介面 統整性系統 內建感測器
二、 教學設計
(一) POE 教學策略
本研究為使科技使用達到最大的教學效果，希望學生能在開放的問題情境中 進行探究活動並建構科學概念，因此採用「預測－觀察－解釋（Predict─Observe
─Explain）」，即 POE 的教學策略。POE 常用於實驗活動的教學，其運用上著重 學生主動積極的探究過程，重視學生的經驗與既有概念且強調有意義的學習。教 師應營造適當地問題情境，引導學生由學習經驗產生認知上的轉變，發展學生反 思及問題解決的能力（林嘉琦，2006）。而 POE 教學策略的實施通常包括以下三 個步驟(White & Gunstone, 1992)：
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1. 預測（Predict）
教師首先需要讓學生了解教學活動的情境，向學生說明教學活動的流程並提 醒必須注意的事項。讓學生明瞭接下來必須進行預測後，便開始呈現實際的問題 情境，允許學生詢問相關的問題以確認學生確實掌握問題的核心。接下來引導學 生針對問題討論並提出預測，提出預測的方式包含選取選項或回答開放式問題等
（口語、紙筆皆可），並要求學生就預測提出思考脈絡與理由。進行預測的目的 有二：
(1) 幫助學生回顧且確認自身相關的背景知識，並決定運用何種概念來回答問題 與做出預測。
(2) 使學生藉由口語或書寫持續思考、整理思緒，並在之後的觀察活動更加聚焦 於重點概念。
在此階段教師可以盡量鼓勵學生進行討論，可以歸納想法但暫時不作評判，
因在開放性的討論環境下，學生能有較高的投入且能增進學生間合作學習的機會，
此階段的參與對學習成就較低之學生尤其重要。
2. 觀察（Observe）
實驗或演示開始後，請學生立即記錄或描述個人所觀察到的現象。根據經驗 顯示，即使是同一現象也會使不同的學生擁有不同的經驗，因此「立即紀錄」便 是避免學生在聽取別人觀點後影響自己的觀察。教師在此階段可以協助學生聚焦 於現象與主題概念之間的連結，避免觀察結果過於發散無法回答引導問題。
3. 解釋（Explain）
實驗或演示結束後，可以請學生討論觀察的結果。當學生先前的預測與觀察 的結果一致時，可以藉由觀察紀錄再次檢視先前概念的正確性，並進行概念的深 化。當預測與觀察有出入、不一致時，即產生認知衝突，此階段需要學生協調兩 者差異並重新建立認知平衡。對於學生來說此步驟是有挑戰性的，教師應適時引 導，以討論來鼓勵思考各種可能，直至收斂出解釋，而此過程中的解釋即呈現出 學生對於科學概念的理解情況。
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(二) 本研究之 POE 教學策略實施
在本研究之「拋體運動」單元中，學生應已具備運動力學的基本知識（如位 移、速度、加速度之間的關係與重力加速度的基本敘述），但初次接觸二維空間 的運動。三科技使用組別的教師均為研究者本人，且在教學情境中，教師引導學 生將模擬動畫中之圓球物體視為砲彈，進而探討在何種條件或原則下砲彈會碰撞
（即攔截成功）。就概念的複雜程度與層次，三科技使用組別之教學活動均為 90 分鐘，進行 4 個循環的 POE 教學活動，且 4 個 POE 教學循環中之電腦模擬動畫 與 App 的使用方式均相同，唯各科技使用組間在 POE 各階段所使用的硬軟體特 性可能有所不同如表 3-1-2。詳細教案以觸控組為例，請見附錄（一）。三組的活 動流程均相同以減低教學策略不同造成的差異，均包含了 1 次的前導循環，令學 生複習先前學過的相關概念以及熟悉電腦或平板電腦的操作再進行 3 次的正式 循環，每次的 POE 教學活動均遵循以上所述的步驟以及注意事項，：
準備階段：教師描述情境並引起學習動機，確認學生對於問題情境（包含情 境中蘊含的假設）到達一定程度的掌握，便開始進行正式活動。
預測階段（Predict）：教師引導學生思考問題並建立自己的預測，進而分組 進行討論，教師徵求各組別發表討論過後認為最有可能的預測，最後歸納整 理學生的觀點且要求學生在接下來的實驗中針對這些重點仔細觀察。
觀察階段（Observe）：學生自行操作模擬動畫或 App 進行實驗的驗證，教 師協助操作上的疑問並確認學生是對於該問題情境聚焦探討，同時要求學生 截圖且紀錄自己的觀察。
觀察階段（Observe）：學生自行操作模擬動畫或 App 進行實驗的驗證，教 師協助操作上的疑問並確認學生是對於該問題情境聚焦探討，同時要求學生 截圖且紀錄自己的觀察。