奈米科技教學

第二章、 文獻探討

本章將首先介紹奈米科技教學之相關發展並進行相關文獻探討，以了解奈米 科技教學之現況及其與中小學課程連結之相關性。接著介紹多媒體認知理論、信 號設計與回饋設計，以了解信號設計與回饋設計在數位學習中所扮演之角色。其 後探討動機因素中之自我效能、自我調節，並了解此二者與多媒體學習中之信號 設計、回饋設計所具有之相關性，並進行相關文獻討論。

第一節、 奈米科技教學

本節將首先說明奈米、奈米科技之定義與相關簡介，其後說明奈米科技教學 之相關發展與研究，以了解目前國內外奈米科技教學現況。

壹、 奈米科技定義與簡介

奈米科技為 20 世紀以來所發展的新興科技，奈米科技為現今社會中重要的 科學技術。1959 年，物理學家費曼在演講中提到，「底部還有很大的空間」(There’s plenty of room at the bottom)，從此展開奈米科技相關技術的研究，使科技發展邁 向新的里程碑(Feynman, 1999)。奈米為一尺度單位，1 奈米等於 10^-9公尺，奈米 屬於介於在「宏觀」與「微觀」之間的「介觀」世界(楊清智，2012)。學術與高 科技領域中，奈米科技所應用之範圍包含化學、光電、醫藥、生物、材料、紡織 等，同時，奈米科技之發展與人類日常生活息息相關，人們可運用奈米科技相關 原理，發展出各種方便日常生活之產品(蔡元福、吳佳瑾、胡焯淳，2004)。例如，

透過奈米科技技術，可將藥物製作成極細小的粉粒，使其具有良好的吸收力；未 來，也可透過奈米技術將抗癌藥物製成極小顆粒並且加上電磁，服用後，將磁鐵 放在癌細胞部位，藥物便不會擴散而造成對人體的傷害(潘文福，2004)。

許多科技之起源與大自然現象有密切之相關，在奈米科技之領域也不例外(王 宗坤，2001)。在奈米科技的研究中，與大自然現象關聯最著名的例子為「蓮葉 效應」(lotus effect)，當水滴在蓮葉上時，水不會散開，並會形成水珠，是由於

7

蓮葉表面上分布細微的奈米結構，使其具疏水性。蓮葉效應常被應用於衣物、織 品中，運用疏水性的特性，使物質能夠防水。此外，「彩蝶效應」指的是由於具 有光子晶體的奈米孔隙結構，使得蝴蝶翅膀、金龜子等生物能夠因光的反射，而 在不同角度下觀看時，會有不同的色彩。壁虎之所以能夠緊黏於牆壁上不滑落的 原因便在於其腳掌具有數以百萬根奈米級之剛毛，每根剛毛具有正負電荷吸引之 凡得瓦力(van der Waals force)，使得壁虎能夠緊黏於牆壁之上，利用此原理，市 面上出現黏著力強之壁虎膠帶，能夠緊黏物體。

奈米科技之發展逐漸受重視，國內外亦積極進行相關之研究，如美國發展國 家奈米技術創新計畫 (The National Nanotechnology Initiative: The Initiative and Its Implementation Plan, 2001)；英國成立奈米科技學會(Institute of Nanotechnology, ION, 1997)。我國亦將奈米科技列為國家發展計畫重點之一。除了奈米科技之技 術發展之外，培育相關人才亦為重點項目(陳沅、曾國鴻，2005)。

貳、 奈米科技教學相關研究

奈米科技為備受矚目之新興科技議題，培養此方面之相關人才並推廣全民對 奈米科技基本概念之認識為目前首要之務(潘文福，2004；盧秀琴、宋家驥，2010)。

行政院國家科學委員科學教育發展處會推動「奈米國家型科技人才培育計畫」，

預計效益為提升教師於奈米科技之學術涵養與教學品質、提升我國奈米科學教育 國際地位、提升國民奈米科技核心素養等(奈米科技教育學院，2009)。吳茂昆(2002) 認為在奈米國家型計畫中，所需培育之人才，必須從小學、中學、大學、研究所 及在職訓練等各種教育政策目標相結合。藉由奈米人才培育計畫之執行，將科學 之概念向下紮根，使中小學生及早了解科學相關理論與概念，將對其未來生涯發 展有助益，同時，能夠培育學生具有奈米科技基本素養，加強對奈米科技概念之 理解，厚植國家競爭力，加速國內奈米產業推動(李世光、林宜靜、吳政忠、黃 圓婷與蔡雅雯，2003)。科技與學術研究之根本在於教育，若要提升奈米科技方

8

面之競爭力，必須推廣至國民教育，讓中小學生提早了解奈米科技基本概念，以 培育更多奈米科技人才(黃佳媛，2010；溫明正，2005)。奈米科技的相關技術應 用在產業上可帶來極高的效益，因此，培育具奈米科技素養之研發人才是必要的 (Foley & Hersam, 2006)。

在國內外，關於奈米科技教學之相關研究日益漸多，大多為針對不同學習對 象、不同教學方式作學習成效之比較。學者吳政忠(2004)認為，由於中小學生心 智發展尚未成熟，不贊成讓中小學生學習過於深入之奈米知識，中小學生僅需了 解奈米基本概念即可，透過遊戲進行學習與想像抽象之概念，將能擴大中小學生 對於奈米科技之視野，中小學生有了奈米基本概念，將來具有此方面之競爭力，

具有正面意義(吳政忠，2004)。王美芬 (2000)指出，近年來，奈米科技教育已逐 漸受重視，一般小學教師普遍認為奈米科技為高深的科技技術，國小學童較無法 接受其相關知識，然而，許多科學技術皆是由基礎的知識觀念所衍生而來的，發 展一套探究式教學模式之課程將使小學生更能由淺入深獲得基本的科學知識。將 奈米科技知識由下而上帶入中小學中，將能夠使奈米科技技術更加精進；在中小 學奈米科技課程的設計上，必須能夠傳遞清楚、正確的觀念，同時要以學習者為 中心 (Foley & Hersam, 2006)。Friedman 及 Nasir (2011)針對將奈米科技教學應用 在醫學研究中之相關意見與想法進行線上問卷調查，調查對象為隨機抽取 100 位美國醫學研究中心之皮膚科實習醫生、研究人員等，其結果顯示，有78%的人 認為進行奈米科技在醫學應用中的相關教學是必要的，同時有69%的人曾經參與 過奈米科技之相關教學活動。在歐洲國家中，針對大學生、研究生、產業界人士 等，進行奈米教育之專案，開設假日訓練課程、技術培訓課程、數位學習課程等，

以培育奈米奈米科技專業人才(Malsch, 2008)。由此可見，在不同的領域人才培 育中，培養具有奈米科技相關素養的人才是必要的。

由於在奈米尺度下，許多現象是難以察覺的，中小學生對於抽象之奈米相關 概念便會較難以理解。因此，運用實際之動手做實驗展示奈米世界中之相關現象

9

是重要的。Bagaria、Dean、Nichol 與 Wong (2011)將奈米相關概念中之「自組裝」

(Self-assembly)概念，以一系列之實驗展示予中學生，並讓學生實際動手操作，

以讓學生了解分子組成的原理。

Schank、Wise、Stanford 與 Rosenquist (2009)於 2008 年之春季課程中，針對 200 位美國舊金山地區之 9 至 12 年級之中學生進行奈米科技課程之教學，其課 程融入化學、生物、物理等課程。研究結果顯示，將奈米科技概念課程實施於中 學課程是可行的。學生在物理、化學、生物等基礎學科有概念後，再進行奈米科 技概念之學習，在課程中表現較佳，學生能夠將基礎科學之知識應用於奈米科技 之學習，並能激發學生之學習動機。

O'Connor 及 Hayden (2008)於大學化學課程中，針對大二及大四之學生利用 一整套之奈米科技教學模組進行12 小時之教學。其教學方式以演講為主，並配 合DVD 的觀看。在教學過程中，授課教師將每個重要的奈米科技概念融入化學 課程中，並指出在日常生活中與化學概念中的應用。該研究之結果顯示，62%的 學生認為將奈米科技融入分子等概念是有趣的；69%的學生對於未來若有機會進 行奈米科技相關之發表或報告是有自信的；62%的學生對於未來往奈米科技之相 關技術研究示有興趣的。

蔡明容 (2005)利用一系列之奈米科技教學模組及相關實驗教材進行教學，以 探討對於國小五年級學生在科學過程技能、科學態度及批判思考能力之影響，研 究結果顯示接受「奈米科技教學模組」教學的實驗組學生，在「自然科過程技能 測驗」、「在自然科學習態度測驗」、「自然科批判思考能力測驗」的得分顯著高於 一般教學模式(依照課本指引)之控制組學生。

楊清智 (2012)利用 5E 學習環之教學策略設計奈米科技教學活動。5E 學習環 之教學策略包含參與(engagement)、探索(exploration)、解釋(explanation)、精緻 (elaboration)、評鑑(evaluation)。該研究之目的為了解國小五年級學童對於奈米科 技概念之學習特色。該研究利用半結構式的晤談，進行以質化為主、量化為輔之

10

研究。研究結果顯示經過5E 學習環之奈米科技教學活動後，學生能夠建立奈米 的基本概念，科學態度亦優於教學前。

陳沅、曾國鴻 (2005)針對台南、高雄縣市 1852 位國小高年級學生探討對奈 米科技熟悉程度、學習需求並研究奈米科技新知的基礎知識融入國小高年級課程 的可行性。採用量化為主、質化為輔研究之方式，該實驗將研究對象分為實驗組 與控制組兩組。實驗組主要為每週在自然課進行一節奈米科技新知課程，控制組 則進行傳統之自然課程內容。研究結果顯示，實驗組學生對奈米科技新知的學習 需求與融入課程意願未比控制組高；而參與研究之學生有60%願意透過適當方式 學習奈米科技。

由於奈米科技為一新興科技議題，因此針對中小學課程內容的開發方面，需 特別考慮學生之學習能力與心智發展歷程。Stevens、Sutherland 與 Krajcik (2009) 指出，美國NSF(National Science Foundation)於 2006 年至 2007 年間，邀請奈米 科技等相關領域之權威科學家、工程師、科學教育學者等，共同於一系列的工作 坊中，討論出適合中學生至大學生之九大奈米課程概念。奈米科技教學之九大概 念分別為尺度大小(size and scale)、物質結構(structure of matter)、力與交互作用 (forces and interactions)、量子效應(quantum effect)、量子效應(size-dependent properties)、自組裝(self-assembly)、工具與儀器(tools and instrumentation)、模型 與模擬器(models and simulations)、科學科技與社會(Science, technology and society) (Stevens, Sutherland, Schank, & Krajcik, 2007)。奈米科技所包含之概念較 為抽象，因此，於中學進行奈米科技課程時，必須以實體模型或具體事物、活動

由於奈米科技為一新興科技議題，因此針對中小學課程內容的開發方面，需 特別考慮學生之學習能力與心智發展歷程。Stevens、Sutherland 與 Krajcik (2009) 指出，美國NSF(National Science Foundation)於 2006 年至 2007 年間，邀請奈米 科技等相關領域之權威科學家、工程師、科學教育學者等，共同於一系列的工作 坊中，討論出適合中學生至大學生之九大奈米課程概念。奈米科技教學之九大概 念分別為尺度大小(size and scale)、物質結構(structure of matter)、力與交互作用 (forces and interactions)、量子效應(quantum effect)、量子效應(size-dependent properties)、自組裝(self-assembly)、工具與儀器(tools and instrumentation)、模型 與模擬器(models and simulations)、科學科技與社會(Science, technology and society) (Stevens, Sutherland, Schank, & Krajcik, 2007)。奈米科技所包含之概念較 為抽象，因此，於中學進行奈米科技課程時，必須以實體模型或具體事物、活動