緒論

第一章、緒論

一、研究背景與動機

在許多實證研究發現，如何將科學教育運用在學生生活中的實際情境緊密的 結合而不脫節是非常重要的（Buxton，2010； Dettweiler, Lauterbach, Becker, ＆ Simon, 2017； James, & Williams, 2017； Fűz, 2018； Kangas, Vuojärvi, & Siklander, 2018）。James, & Williams（2017）並指出學生在學校學習，學習動機低落是一個 常見的問題，特別在科學教育方面，學生對學科學習興趣不高、缺乏深刻理解、

無法使用學校知識及對學校相關學習的整體冷漠。Ruether （2018）認為戶外教 育可以讓學生實地考察並提升其認知優勢，因該場域（或戶外環境）提供了現實 生活或世界的情境化的學習場景，同時也是學生可獲得和建立生活中的技能及享 受學習的地方。故利用戶外教育場域的資源來和課堂內學習的科學教育結合，可 以有效改善學生對科學教育的學習動機及學習成效。

然而，在現行教育中，大多數科學教科書並不能有效幫助學生對複雜現象進 行較系統及綜合的理解（Liu＆Hmelo-Silver, 2009）。學校裡的學生是處在日益受 複雜系統支配的世界中，此系統是動態、自組織，並不斷適應的（Jacobson＆

Wilensky, 2006）。複雜系統（complex systems ）是科學教育學習的重要關鍵，因 為它們包含國家科學教育標準中的重要思想，並提供跨越多個科學領域的整合背 景（Goldstone＆Wilensky, 2008）。這種對複雜系統重要性的認知，以及當前教育 方法在幫助學生理解它們方面的不足，已經成為過去 10 幾年來在社會系統（social systems ）、技術系統（technological systems ）和自然系統（natural systems ）等 學科中進行了相關多研究，其重點在了解複雜系統及其理論，以及學生處理自然 與科技的複雜系統能力，這些共同努力通常歸入「系統思考」這一詞語（Sabelli, 2006； Assaraf & Orion, 2010）。系統思考將世界視為一個複雜的系統，並支持其 相互關聯性和相互關係的理解，因此應該從整體面向上進行研究，使我們能增進 理解和開發成功的複雜系統，同時也以整個系統的方式評估及解決問題方案。系 統思考已應用於許多不同領域，包括醫學健康、永續發展、國防、項目管理、教 育以及服務領域等（Behl, & Ferreira, 2014； Salado, Chowdhury, & Norton, 2019）。 雖然系統思考被視為高級思維的技能，但可以在小學發展，透過適當的課程規劃，

這些能力可以作為初中和後期高中階段系統思考發展的良好基礎（Sheehy, Wylie, Mcguinness, & Orchard, 2000； Assaraf & Orion, 2005；Evagorou, Korfiatis, Nicolaou,

& Constantinou, 2009; Assaraf & Orion,2010； Lezak, & Thibodeau , 2016）。所以，

2

在科學教育課程教學活動中，宜重視內容及學習場域結合的系統性思考，方能使 學生在學習時，易於去理解概念間的彼此關係。

科學教育課程的設計運用應與時俱進，近年因資訊科技時代的快速發展，學 生的學習特點是利用資訊和通訊科技（information and communication technology, ICT）來達到無所不在的學習，學生不僅能運用行動技術在課室內學習知識，而 且世界各國的政府及教育單位也在努力提高教師在設置 ICT 方面的課程研發與 運用能力，特別是科學教育的利用性。故在科學教育的相關實證研究中發現，利 用數位科技結合科學教育共同設計課程來進行科學教育，可以有效解決學生抽象 難理解的學科概念，以數位科技融入的相關技術中的擴增實境（augmented reality, AR）技術尤為突出（Vonderwell, Sparrow, & Zachariah, 2009； Liou, Bhagat, &

Chang, 2016）。此數位科技結合科學教育的課程實施，豐富了包括在課堂上不易 了解及發現的抽象現象，因其教學的視覺效果的技術比傳統的科學課程更來的顯 而易懂，因此，學生對科學教育的學習興趣會提升，學習成效也就隨之提高。此 外，在 AR 技術中同時使用虛擬實境和真實情境，可以幫助學生較易於理解難懂 的抽象概念，AR 技術透過實現隱形和難以視覺化事件的三維呈現，更易使科學 教育的學習目標被實踐（Arici, Yildirim, Caliklar, & Yilmaz, 2019），在科學教育的 益處，例如：能提供有效及效率高的學習環境（Iordache, Pribeanu, & Balog, 2012）； 能增進學生在課室內的學習動機及對課程充滿樂趣並積極參與（Yoon, Elinich, Wang, Steinmeier, & Tucker, 2012； Cai, Chiang, & Wang, 2013； Atasoy, Tosik-Gün, & Kocaman-Karoğlu, 2017； Wojciechowski＆Cellary，2013）； 學生的 學習態度較偏於正向（Sumadio＆Rambli, 2010； Cai 等, 2013） ；在學習時能提 供一種真實感，為學生提供在情境中學習的自然體驗（Sumadio＆Rambli, 2010 ； Lin＆Wang, 2012）。這種情況反映了 AR 技術在科學教育中運用重要性，若能在 科學教育課程設計中運用，應當對學生學習是有相當大助益，並且能促使達成教 學者在課程設計中的學習目標。

教師對於科學教育課程設計，應把學生在學習過程中各有本身獨特處理刺激、

信息、認識及理解的方式列入重要的考慮要項之一。學生自身的學習風格

（learning styles）是假設能使學習者自身最佳學習狀態的方法，建議教學者應了 解及評估學習者各自的學習風格，才能在課室內的教學活動或是課程設計最佳化 於學生去學習。Kolb（1984）發表的經驗學習理論（Experiential Learning Theory, ELT）提供了清晰的教學和學習設計機制，這一理論被廣泛認為是一種有效的學 習教學模式，並且按照學習場域的情境改變而有所改變，說明建構主義對人們構 建知識方式的看法。 Kolb 認為有效的學習者應有四種能力分別為：具體經驗能

3

力（Concrete Experience, CE）、抽象概念化能力（Abstract Conceptualization, AC）、 反 思 觀 察 能 力 （ Reflective Observation, RO ） 以 及 主 動 實 驗 能 力 （ Active Experimentation, AE），當學習者的學習經歷期間在這四個階段之間有足夠的平衡 時，就會發生最佳學習。所以，科學教育的課程設計內容及實施方式，必須要知 道學習者各自獨特之學習風格，若學習風格與其學習成效沒有顯著差異的存在時，

那麼此課程設計是良好的，適合各類型的學生學習。

教學者雖有良好的課程設計及方式，但可能發生學習者對課程裡的內容存在 認知負荷。認知負荷理論（Cognitive Load Theory, CLT）旨在提供對人們認知的 理解，以改善多媒體和教學設計，因為它替其提供了處理二級信息的結構，學習 者在空間方面的工作記憶有限，因此教學設計者需要考量這種約束，以便將信息 傳遞給長期記憶（Sweller, 2011 ）。減少學習者認知負荷之方式可以將一些視覺信 息用不同型態來表示，如語音、影音或可被操作的 3D 影像等（Weng, Otanga, Weng,

& Cox, 2018； Langbeheim & Levy, 2019）、學習者操縱和移動幾何形狀的軟件引 入信息時，可以減輕學習幾何中的認知負荷 （Langbeheim & Levy, 2019）。所以，

教學者在課程設計內容上，宜注意是否對學習者產生認知負荷，並以設計方式改 變來降低學習負擔，例如：擴增實境（AR）技術、影音及圖像等方法來達到此目 標。

二、研究目的

基於上述研究背景與動機，本研究針對國小高年級學生，發展「AREOLEST」

的戶外教育課程，將數位科技融入「系統性思考取向的社區公園學習地圖」中設 計，幫助學生能在戶外教育科學教育。此外，以 Davis（1986）提出科技接受模 式（Technology Acceptance Model, TAM），其依理性行為理論（Theory of Reasoned Action, TRA）的基礎發展出來，TAM 可用於預測或解釋資訊科技運用的情形，

並發展國小六年級學生的學習成就測驗，輔以學習風格、認知負荷及學習滿意度 問卷，來進行分析與探討「AREOLEST」的戶外教育課程的實施與學生的學習間 的關係。

計畫擬達成的具體目的有：

1. 發展「AREOLEST」。

2. 以「AREOLEST」設計戶外教育課程。

3. 以 TAM 模式檢視數位科技融入「系統性思考取向的社區公園學習地圖」

的適配度。

4. 探討「AREOLEST」的戶外教育課程對國小六年級學生的學習成效。

5. 探討「AREOLEST」的戶外教育課程對不同學習風格國小六年級學生的

4

學習成效差異情形。

6. 探討「AREOLEST」的戶外教育課程對國小六年級學生的認知負荷影響 情形。

7. 探討接受「AREOLEST」的戶外教育課程的學生在課程後的學習滿意度 情形。

三、研究問題

本研究據社區公園資源調查結果，以資訊科技融入「系統性思考取向社區公 園學習地圖」的戶外科學教育課程--AREOLEST，期待學生能在戶外進行科學教 育課程能有良好的學習成效。為能在課程設計得到正向的回饋， 以 TAM 模式來 預測或解釋數位科技使用的影響情形，同時從國小六年級學生的學習成就測驗、

學習風格、認知負荷及學習滿意度問卷，來進行分析與探討「AREOLEST」的戶 外教育課程的實施與學生的學習間的關係，以作為日後在戶外科學教育課程設計 精進的依據及參考。故本研究問題如下所示：

1. 以 TAM 模式檢視數位科技融入「系統性思考取向的社區公園學習地圖」

的適配度為何？

2. 「AREOLEST」的戶外教育課程對國小六年級學生的學習成效為何？

3. 「AREOLEST」的戶外教育課程對不同學習風格國小六年級學生的學 習成效差異情形為何？

4. 「AREOLEST」的戶外教育課程對國小六年級學生的認知負荷影響情 形為何？

5. 接受「AREOLEST」的戶外教育課程的學生在課程後的學習滿意度情形 為何？

四、研究範圍與限制

本研究將社區公園的資源調查結果，發展 AREOLEST 的戶外科學教育課程 設計，來探討學生在戶外教育科學教育的情形。本研究設計封閉式問卷進行調查 外，並以 TAM 來解釋或預測數位科技使用的影響情形。但是，在人、物力資源 及時間相應配合限制上，故此研究有其限制，說明如下：

（一）在「研究範圍」方面

本研究為一先導型的研究（pilot research），發展資訊科技融入「系統性思 考取向社區公園學習地圖」的戶外科學教育課程設計--AREOLEST，來探討學 生在戶外教育科學教育的情形，公園的選取以台南市巴克禮紀念公園為主要課

5

程 內 容 的 場 域 ， 因 研 究 工 具 有 其 侷 限 性 ， 所 以 研 究 的 範 圍 主 要 以 使 用

程 內 容 的 場 域 ， 因 研 究 工 具 有 其 侷 限 性 ， 所 以 研 究 的 範 圍 主 要 以 使 用