資訊科技與系統思考教學

壹、 資訊科技輔助科學教與學

就科學教育的實施而言，每一位學生都應該獲得公平、均等的學習機會和 資源，進行科學學習。然而，許多學生卻因為個人的身心特質（如：性別、特殊 需求、思考/學習風格、認知偏好），家庭的經濟、結構和語言文化（如：低收入 戶、單親/隔代教養、原住民），以及社會環境或居住地區（如：都市邊緣、偏遠 地區、離島及災區）等因素，形成不利於學習的條件，使得學生長期處於學習低 成就。而在科學教育的學習過程中，特別針對抽象概念的科學知識，就更應考量 學習者的學習認知歷程，設計適合其學習的科學課程和教學資源（如教學素材、

認知學習教具、數位科技教材等），以減少其科學學習困難，增進其科學學習的 信心和成就，也就是說，設計適合的科學課程是科學教育者與教學者更應關心的 議題。

然而，運用資訊科技輔助科學教學有別於傳統教學：傳統教學有固定的上 課空間與時間，而網路的學習環境則使得學習者不再受時空的限制，只要在網路 的環境下，隨時隨地都可以進行學習活動，因此學習可以不斷的進行，而全球資 訊網的學習環境打破傳統學習之時空限制，使得全球化的學習方式正因為網路興 起而形成中（Relan & Gillani,1997; 林奇賢，1999；吳明隆，1998）。再加上網際 網路環境是個資源豐富的學習環境，學習者可以在網路上搜尋資源，同時由於網 路資訊具有時常更新的特性，使得學習者能獲得即時最新的學習資訊，能夠更提 供比在教室中更多的真實經驗以利學習者進行學習。隨著網路融入科學學習活動 日益普遍，網路資源也成為教師多元的教材來源，而且現在學習者因為生長環境 不同，接觸網路的機會比以往的學習者多，故學習者使用網路、接觸網路已經成 為常態性活動。科學教師運用網路資源融入教學不但可以使教學活潑，增進學習 者的學習興趣，並且因為學習者在日常生活中運用網路資源已經習以為常，學習 者更能夠融入此類學習活動中。

由於近年科技的發達、網際網路的興起再加上寬頻的普及化，學生可以運 用許多現成的資訊平台來做即時互動討論，於是學生在問題解決時不再侷限於時 空限制，甚至可以獲得更多不同角度的觀點，也就是說將學生置於真實的情境中 來教學，不但能使學生易於瞭解現況也能夠讓學生更有連慣性的學習。

一般而言，針對資訊融入科學學習所使用的科技相當廣泛，可分為：討論 留言版(discussion forum)、線上資源(資料庫)和搜尋(online resource and searching)、

視覺化(visualization)、模擬動畫(simulation)、虛擬實境(virtual reality, VR)、遊戲 (game)、學習系統(learning system)等應用方式，但依據近年之國內相關研究結果

與地球之間的關 (Virtual Reality

，簡稱 VR) 域中的教學。2005 年，Google 公司發布免費軟體 Google Earth，Google Earth 是一 套虛擬地球儀軟體，其強大影像處理功能解決展圖受限於網路速度的限制，能快速

趣及學習能力，並培養其主動探索與獨立思考的興趣與能力(周興隆，2009)；另外 利用 Google Earth 所提供的各種尺度的環境觀察及實境體驗，更能使教師教學不在 受限於教室內達到體驗環境的教學需求(蘇勝祥，2010)。因此若能運用 Google Earth 強大的搜尋功能與豐富圖文資訊，規劃適當教學策略，將科學知識視覺化使學習者 提高專注度，也進而能提升學習者對於水循環系統的概念。

Google Earth 數位軟體充分的地理性，結合大自然的天氣恰當發揮作用，使學 生清楚天氣變化不再只是平面圖，將抽象的事物清楚的呈現，利用 Google Earth 資 訊融入可以達到學生對天氣方面的學習效果。研究者整理 Google Earth 之特性，列 舉如下：

（一）運用經緯度定位地標的方法，清楚地明白該地區所在。

（二）可在軟體中截圖，方便與地理系統結合。

（三）可在 Google Earth 上導出地標文件，方便查詢工作。

（四）可透過 Google Earth 學習如何快速得到一個地標的 KML 格式。

（五）可測量地圖上兩點的距離，方便觀察與研討。

（六）製作自己的地標，有自學自用性，不只是單方面的運用。

（七）共享發布自己的地標，利用 Google Earth 可以分享各自的資訊。

（八）圖層的應用，例如：將季風圖貼上，並清楚明白流向的地理位置。

（九）運用衛星地圖，達到更新圖片的功能。

Google Earth 上述技術，在自然與生活科技領域教學之運用具有可行性，若將 此套軟體用於水循環相關議題教學上，讓學生藉由自行操作 Google Earth 軟體，就 可能將學生認為的抽象概念轉為具體的形式清楚的呈現，加深其對水循環與地理的 認識與結合；Google Earth 軟體為資訊系統不受時間空間的限制，解決環境或地點 限制等因素，因此無論是在學生學習上或是教師教學上，都可能會出現最大的成效。

參、 資訊科技融入系統思考教學之相關研究

以往傳統的地球科學教科書上，要將地形、地貌、海洋等複雜的地理資訊描繪 出來，是一件困難的事情，而使用電腦進行資訊融入教學則能將地理資訊完整的呈 現，降低學生的學習負荷，提升學習成效且引發學生的學習興趣(賴信志，2008)。

也就是說，透過電腦互動模擬，學生能探索系統中的結構、行為和功能(Hmelo-Silver

& Azevedo, 2006)。因此，許多研究者認為模擬是建造系統思考技能很重要的工具，

因為透過電腦模擬揭示了系統的動態過程，能夠描述和預測複雜系統是如何表現 (Hogan & Thomas, 2001)。

系統複雜性，能使學生更了解複雜系統。Lehrer and Schauble (2005)透過電腦模擬蝴 蝶生活史，能讓學生對於複雜系統能形成原因、描述之間的改變並對於現象進行推 測。Sheehy, Wylie, Mcguinness, 與 Orchard (2000)指出不要小看青少年無法達成系 統思考的能力，在調查小學孩子們的「系統思考技能」，必須使用最少的語言輸入，

不要一味的進行講述式的教學，研究結果顯示使用操縱模擬能提升學生的系統思考 技能。Hmelo-Silver 與 Azevedo (2006)認為透過以資訊融入為基礎的學習環境(互動 模擬)是了解系統和其行為的關鍵，學生就能探索系統中的結構、行為和功能。

Hogan 與 Thomas (2001)認為模擬是建造系統和思考很重要的工具，因為他們揭示 了系統的動態過程：描述和預測複雜系統是如何表現。由於學習系統的複雜性，研 究指出認為有必要提供鷹架以支持學生學習和探究的過程(Lajoie & Azevedo, in press)。因此，在教學中為學習者決定何種鷹架以及提供哪些學習資源是很重要的，

這些都會能支持學生更有系統性的學習自然現象中的複雜系統。

由於複雜系統中包含了抽象概念，動態及循環的過程，讓學習者在學習時難以 理解，但隨著科技的進步，教學者則可使用模擬、多媒體、甚至是以資訊即時平台 為基礎的學習環境，使學生在學習複雜系統的過程中更為容易。以下表 2-3-2 便是 針對國外是如何運用資訊科技提升系統思考技能教學之相關研究：

表 2-3-2 運用資訊科技提升系統思考技能教學之相關研究：

研究者 研究對象 研究主題 研究目的 研究工具

Mandinach (1989) and Steed (1992)

國中生 科學議題

了解複雜系統中的 聯結、構成及如何 形成整體。

STELLA (Structural Thinking Experimental Learning Laboratory with Animation) 境下隨時隨地都可以進行學習活動，Google Earth 軟體及即時與真實資訊平台對於 提升系統思考技能卻是另一個更好的選擇。就歷年研究主題發現：岩石循環系統、