電腦模擬

美國國家科學教育標準（NSES）認為運用電腦模擬科技來輔助學習者學習科 學，可透過選擇適當的科學內容，並因應學生個別的需求，設計適切的學習環境，

包括學習者的興趣、知識、理解、能力和經驗等。目前電腦模擬運用於輔助學習 用途的形式，主要有(1)問題解決式(problem-solving)。(2)發現式(discovery)。(3) 遊戲式(games)等。在科學教育領域，電腦模擬輔助學習的研究幾乎涵蓋所有學科 (Alessi & Trollip, 2001; Catalano & Tonso, 1996; Colaso, Kamal, Saraiya, North, McCrickard, & Shaffer, 2002; Jensen, Self, Rhymer, Wood, & Bowe, 2002; Khoo &

Koh, 1998; Korhonen & Malmi, 2000; Luo, Stravers, & Duffin, 2005; Meyer &

Krzyzkowski, 1994; Tversky, Morrison, & Betrancourt, 2002; Wallace & Mutooni, 1997)，而在工程教育領域，電腦模擬較少應用於知識或概念的學習，而通常用於 建構虛擬實驗室，讓相關的實驗室操作更為安全且便宜(Jaakkola & Nurmi, 2008;

Rutkowski & Moscinska, 2011)。

2.3.1 電腦模擬

模擬有許多不同的定義，一般而言，模擬是指模仿真實現象發生的過程或將 原先複雜的自然現象簡化再造，是對某種情境基本性質的複製。而電腦模擬則是 利用電腦軟體，將某實物或現象進行模擬呈現，模擬出其實際存在的狀態或發生 之現象，利用電腦快速的運算能力及多媒體呈現，將各種模擬現象呈現在電腦螢 幕上，讓學習者進行學習、實驗及互動操作，讓學習者即時得到變化情況或結果，

並藉此分析或探索可能會有的結果。

電腦模擬普遍的特點包括豐富性、低透明度與互動性，玆分述如下(Alessi &

Trollip, 2001)：

一、豐富性(richness)，在豐富的學習環境，大量的知識可以被學習者採掘出來，

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三、互動性(active interaction)，在模擬學習過程中，學習者不一定會全神貫注的 在電腦螢幕前學習，必須要透過操作進行互動學習，取代被動的接收知識，幫助 實情境下所發生的真實反應(楊美雪，1992)。Alessi 和 Trollips (2001)認為電腦模 擬教學與傳統教導式(tutorials)和反覆練習式(drills)電腦輔助教學相比，具有下列

電腦模擬教學是透過學習理論與電腦技術的結合，以輔助學習者進行學習活 動，因此電腦模擬軟體是否有助於教學或學習，首先要考慮的是軟體所提供的特 性與功能如何發揮效果。一般而言，電腦模擬具有視覺化(畫面具象化呈現)、動 態影像(現象演示)、連續動態影像(現象演變過程)、多媒體(整合影像、語音、文 字)等四項功能特性(Alessi & Trollip, 2001; de Jong & van Joolingen,1998)。除此之 外，電腦模擬還有一項重要的功能特性，就是它允許學習者自己動手做，藉由控 涵並促進主動學習(Chen, Hong, Sung, & Chang, 2011; Mzoughi, Foley, Herring,

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Morris, & Wyser, 2005)。

三、需要一段時間觀察的變化性知識 Chen, Lin, & Sung, 2008)。

整體而言，Ainsworth(2006)也認為視覺化呈現有助於提升學習成效，當學

一、支援動態回饋(Support dynamic feedback)：

在視覺化系統中，必須從活動中提供學習者動態的回饋。

二、補充說明(Complement visualizations with explanations)：

雙碼理論建議，若視覺化能伴隨著解釋說明，能被理解的更透徹。這樣的整 合有許多種不同方式，例如在對應的圖解視窗中寫上伴隨的解釋，或是提供視覺

化呈現相對應的語音解說等。

因此過去電腦模擬在電學相關課程的應用上，常被運用於建立虛擬實驗環 境，藉以施行電腦模擬實驗教學(Zacharia, 2007)，或是運用於幫助中小學生暸解 基礎的電學概念(Kukkonen, Martikainen, & Keinonen, 2009)，發揮其媒介真實現象 與概念模型的功能，幫助學習者建立對科學現象的具體想像。然而電腦模擬的能 耐不僅於此，他不但有助於學習者瞭解抽象、複雜的科學概念，也有助於改變學 習者在電路方面的既有概念(Forinash & Wisman, 2005)。

Alessi 和 Trollip (2001)指出，模擬不能只是重複一種現象，還必須憑藉著省

一、教導現象或物件本身(to teach about something)：此類又細分為以下兩項：

(一)實體的模擬(physical)：呈現自然界的物體或現象，簡化真實世界中需要的步

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的情形。反復模擬的另一重要例子，是可將太快或太慢的真實過程，在畫面上以 合適的速度顯示出來。

二、教導如何做某件事(to teach how to do something)：此類又細分為以下兩項：

(一)程序的模擬(procedural)：以連續的活動教導學習者達到某個目標，在程序模

常會因難以完全掌握模擬軟體所想要表達的內容或概念，因而忽略掉一些重要的 覺化模擬軟體(The Web-based Interactive Landform Simulation Model, WILSIM)，並 將此互動式模擬軟體運用在公眾義務教育的自然地理課程上，藉此讓學習者瞭解