電腦模擬軟體

資訊融入科學教育是現今重要的教育議題，而電腦輔助軟體是較新的資訊融 入教學應用方式，因為電腦輔助學習除了可以提高學習興趣之外，學生與教材的 互動性提高且能對學生進行個別化的指導，或是能解決實際生活中的問題。由於 近年來建構學習理論的興起和開放教育的盛行，更廣泛的呼籲要善用媒體協助教 學（陳素貞，1998）。電腦的普及與網路的快速發展衝擊著當前的課程理念與教 學方法，使得教材與教學法發生變化，也改變了認知的方式、情意的內涵以及技 能的形式（李鴻亮，2000）。此外資訊課程可以重複的使用，能維持一致性，因 此可以作為未精熟的學習者的補救教材來延續課堂教學（洪榮昭，1992）。

美國國家科學教育標準（NSES）認為使用電腦模擬來輔助學習者學習科學 時，可以選擇適當的科學內容，並設計教材來符合學生的學習需求，如依照學習 者的興趣、知識、理解、能力和經驗。目前利用電腦輔助學習，在課程的運用上 有以下五種策略，個別指導式（tutorial）、反覆練習式（drill and practice）或測 驗式（testing）、問題解決式（problem-solving）或稱之為啟發式（discovery）、

模擬狀況式（simulation 或 modeling）、遊戲式（gaming 或 instructional games）

（黃竹坤，2001）。本研究的目的之一為探討電腦模擬（Computer Simulation）

對概念學習的效益，故以下僅針對與本研究有關的電腦模擬輔助教學說明。

一、電腦模擬的定義與重要性

模擬式電腦輔助教學，是藉由學習理論與電腦學習技術的結合，以達成輔助 學習的目的，允許使用者控制輸入參數與觀察輸出結果，並提供學生探索的學習 環境，讓學習者經過由「做中學」的模擬實驗形成具體的概念，達成學習目標

（Thomas & Neilson, 1995）。

電腦模擬可以將學習者安置在一個由真實場景所模擬出來的虛擬世界、或是 利用模型來模擬實務或事實，讓學習這在此場景中學習如何應對或是綜合各種狀

況做出決策，但是卻沒有真實世界中的可能高風險、高成本。此種教學方式適用 於自然科學及商業管理等需要複雜決策的場合（黃竹坤，2001）。

楊美雪（1992）指出：現實生活中有很多情境可能因危險、花費或時間等限 戰因素而無法親自嘗試，但透過電腦模擬的途徑，可以親身體驗和了解情境發生 的真實反應。

模擬式的電腦輔助學習是最具創造性的電腦軟體，可將學習者不易觀察到的 實體或現象等，以電腦模擬的方式，達成與實際情境相同的教學目的（張霄亭，

1995）。提供學習者一個擬真的學習環境，使其有親臨其境的感受，可引發高度 的學習動機，同時藉由與電腦的互動，學生可獲得與真實情況相似的學習經驗，

使不易接觸到的環境或情況，也能藉由電腦學習（陳志中，1990）。

模擬不能只是重複一種現象，還必須憑藉著省略、改變、增加細節或特色來 簡化此現象，這是關鍵性的重點。因為用簡化的模型模擬，學習者可能就會解決 問題，進而瞭解此現象的演化過程與特徵，以及如何控制這些特徵，或是知道怎 樣的動作能進入不同的狀態。簡化的模型能夠幫助學習者建立他們自己對於此現 象或程序的心理模型（mental model），並且提供他們能夠探索、練習、測試，

以及能安全又有效率地改善模型的機會（Alessi & Trollip, 2001）。

總和前面所說，電腦模擬有許多不同的定義。簡要來說，模擬是指模仿真實 現象發生的過程或者將原先複雜的自然現象簡化再造的過程，也就是對某種情境 基本性質的複製。而電腦模擬是利用電腦程式，將某實物或其現象進行模擬呈 現，利用電腦快速的運算能力及多媒體週邊設備設計，將各種模擬現象或物件呈 現在螢幕上，讓學習者利用此電腦模擬軟體進行學習、實驗和重複操作，甚至能 分析或計算出各種實驗可能會有的結果，讓學習者即時得到變化情況或結果。

二、電腦模擬軟體運用在教學上的優點

電腦模擬軟體是否有助於學習，首先要考慮的是這套模擬軟體能提供何種教 學特性及功能，電腦模擬具有視覺（文字與畫面）、聽覺（語音介紹）、動作、

動作軌跡（過程）四種特質，在教學上適合以電腦模擬來呈現的課程內容或知識 有以下幾類（Rieber, 1990 ; Rieber, 1991 ; Park & Gittelman, 1992; Milheim, 1993 ; 引自莊雅茹，1996）：

1、程序性的動作：當文字描述或靜態圖片無法呈現出程序性的動作時，即可藉 由電腦模擬動畫清楚的呈現出來，例如減數分裂的過程中，染色體的連續的 變動情況。

2、不易觀察到的現象或知識：有些知識、觀念、現象學習者無法直接觀察到，

可能是對象過於微小或是平時難以見到，但是直接觀察對學習者概念的建立 有幫助時，透過電腦模擬展示，就是很方便的媒介，例如分子內部的原子架 構和組合方式。

3、需要一段時間觀察的變化性知識：生物的生命週期、地殼的環境變動、親代 與子代間的遺傳族譜，這些現象必須等待較長時間才能看到結果，利用電腦 模擬軟體可以迅速的讓學習者觀察結果，縮短時間效益，增加經驗。

4、模擬複雜系統中不同突發情境的應變措施：駕駛飛機的模擬系統可以清楚的 呈現各種不同指令下的操控結果，因為真實的自然環境中天氣和地形是多變 的，若能透過電腦模擬是先針對可能發生的狀況預演，學習者可以縮短實際 面對狀況時做出相對應變的時間，減少災害。此種動畫模擬可以降低學習的 成本，符合經濟效益，也兼顧教學目標。

5、符合電腦模擬軟體特質的抽象概念：模擬軟體可以幫助學習者學習力與運動、

光學這些不具有真實影像的抽象概念，以電腦模擬進行教學，可以輔助學習 者主動建構較正確的科學概念。

Dembo（1994）認為電腦模擬有助於學生學習，試圖以模擬真實經驗來提供 學生經驗，以學習特殊的技能或增進決策與問題解決過程，例如電腦模擬有助於 學習飛行、經商、價值判斷。可使人們無需考慮現實生活中可能因危險、花費、

或時間等限制因素而無法嘗試的情境，用以透過電腦的途徑來親身體驗與瞭解此 情境的真實發生情況（引自黃竹坤，2001）。

徐正和（1992）指出網際網路中已有許多資源可作為教師教學與學生學習的 輔助教材，尤其日漸豐富的擬真動畫媒體，可彌補傳統平面式教學較難呈現的動 態變化內容，另一方面，生動活潑的多媒體動畫輔助教材，被認為可以提高學習 專注和興趣，進而提升學習意願和效率。在其他研究中也指出，電腦模擬可彌補 傳統呆板枯燥教學之不足，突破時空限制，節省人力和物力，以多樣化的多媒體 增進學習者的學習興趣也達到理想的教學效果（邱美子，2002）。電腦模擬應用 於教學乃是為了配合教學的需要，主要用於學習實際事物和知識、了解實際情境 中錯綜複雜關係或研究過程啟發式的教學設計，可說是一種教學技巧或是專業訓 練的手段（林秀美，1996）。

林合彥（2004）也舉出一些模擬教學的優點，列舉如下：（1）將複雜的情 境分割成數個步驟，讓學習者依照難度，以漸進的方式釐清抽象及複雜的概念。

（2）可取代某些性質較危險或花費昂貴的實驗。（3）提高學習者學習動機。（4）

縮小抽象的學習概念和現實情境間的差距。（5）發展批判思考、分析及解決問 題能力。（6）提供自我評量的管道

電腦模擬應用於教學的目的應是為了配合教學的需要，可說是一種教學技巧 或是專業訓練的手段。主要用於學習實際事物和知識，或是用於瞭解實際情境中 錯綜複雜關係，或研究過程的啟發式教學設計。電腦模擬教學可連結學生的感官 收錄，將無法觀察的現象以具體的方式呈現，或以類推（reason by analogy）的 方式表達，協助學生動態思考，當學生概念正確建立之後，而電腦模擬的角色也 就功成身退（林秀美，1996）。

電腦模擬是一種學習環境，主要在呈現擬真的物體、系統或現象或其特性。

Hargrave 和 Kenton（2000）提到通常科學教育上採用模擬的原因是因為符合三 原則，一為個別化學習－適應個別差異及精熟學習；其次是「主動學習」－符合 建構教學的理論基礎，從做中學；第三是「適時回饋」－在學生發生錯誤時，給 予回饋及校正，以修正學生的學習（引自羅慶璋，2003）。

綜合以上內容可見電腦模擬運用在教學上的學習效果和重要性，將其優點

整理如下，1、放大效果：可以藉由電腦模擬將微觀的、難以觀察的現象，以數 位化的介面呈現。2、縮時性：有些現象需要長時間等待，操控模擬軟體不需要 等待，將需要長時間的觀察過程縮短操縱過程中看到變化。3、分段展示：模擬 軟體可以將連續的過程進行分段展示，或放慢速度配合學生學習。4、安全性：

有些任務具有危險，可藉由模擬軟體進行練習。5、即時性：可以在操作的過程 中，立即看到結果得到回饋。6、主動性：模擬軟體的操作掌控在學生手中，可 以自行安排學習順序。

所以國內外的研究都已經認同，在教學上使用電腦模擬軟體是有用的學習工 具，國人日漸依賴電腦的現代生活，適時的搭配電腦模擬軟體在教學中，既生動 活潑，且貼近學生的生活經驗，是刺激學生增加學習興趣的創新教學方式。

三、電腦模擬的困難與限制

學生剛接觸電腦模擬軟體時，不易捕捉模擬的呈現想要表達的內容或概念，

學生剛接觸電腦模擬軟體時，不易捕捉模擬的呈現想要表達的內容或概念，