電腦模擬軟體輔助教學

本節就電腦輔助教學(CAI)的意義與沿革；CAI 與教學之關係；多媒體 CAI；

電腦模擬軟體輔助教學；多媒體輔助技術教學 五個層面，逐步加以說明。

壹、 電腦輔助教學的意義與沿革 一、 電腦輔助教學的意義

電腦輔助教學(CAI)，亦有人稱為電腦輔助學習 (CAL)，是結合電腦科學、

專業技術及教育理論的科技性教學法。林炎旦(2000)認為 CAI 係指運用電腦來 幫助學生來幫助學生學習，其協助的方式，是在教學過程中直接使用電腦來呈 現教材，並且以交談的方式為每個學習者提供和控制個別化的學習環境。至於 CAI 課程的編製，除了需要課程軟體(courseware)撰寫教材程式；更重要的是精 彩的課程內容，這就需要該學科的專業素養及教育理論的密切配合，例如目前 風行的英、日語教學 CAI，除了依照學習者程度設計語言教材，更要設計互動 式的即時問答，達到學習評量的立即回饋。Rubenstein, Rheta N., Ed.(2004)認為 教學是一持續努力包含了無數的決定，而 Schwarz (2008)等人亦指出教師使用多 元化教材達到有效的教學，一份綜合分析研究比較電腦應用的效果指出包括 CAI、電腦模擬與網路學習有效程度(effect size, ES)對於受測的台灣四十八位國 小學童值為 0.449，此結果證明電腦應用學習的效果較傳統學習為佳(Liao, Yuen-kuang Cliff, Chang, Huei-wen & Chen, Yu-wen ,2008)。故運用 CAI 多元化 教材進行教學，是教師做為教學的決策與方法之一，亦是現代人快速學習各項 知識及技能很好的利器。

二、 CAI 的沿革

關於 CAI 的沿革，整理諸多學者相關文獻，大致都同意 CAI 歷史可從教 學機(teaching machine)的發展談起。早在 1924 年，Pressey 發展出一套簡易的出 題機器，節省出題時間。後來根據教育心理學家 Throndike 的學習理論，加以

改良出一套能依照預定順序呈現教材的教學機。繼之個別化教學的思潮，以及 行為學派心理學與編序教學(program instruction)等影響，Skinner (1968)進一步研 發以編序教學為基礎的教學機，以及增強(reinforcement)作用的安排。隨後，

Crowder 修正 Skinner 的設計，發展出「分支式」(branching)的教材呈現方式，

根據學習者學習的錯誤，給予適當的補救教學。此型教學機可說是 CAI 的前身，

而 Skinner 的線性程式及 Crowder 的分支式程式的設計理念，也成為早期 CAI 的基本設計模式(朱則剛，1994)。

值得一提，PLATO(programed logic for automatic teaching operation)與 TICCIT(time-shared interactive computer controlled information television)兩大系 統是在 CAI 發展史佔有極重要的地位。前者於 1960 年代由美國伊利諾大學電 腦教育研究室發展而成，就是採用分支式設計，內容包含了中、小、大學各類 的學科，至今仍繼續推廣各學科並與世界各國分享（Rahmlow, Fratini &

Ghesquiere, l980）。後者於 1970 年代 Mitre 公司與 Brigham Young University 共 同發展，不同於 PLATO 之集中式(centralized)系統，使用分散式(decentralized system)系統，彩色電視機為輸出設備媒體。它的特色主要在於其課程組織架構 是以規則(rule)→例證(example) →練習(practice) 的順序呈現(李世忠，1992)。它 可以進行多人同時學習的個別化教學（Merrill, Schneider & Fletcher, 1980）。

1978 年 Apple II 及 1981 年 IBM 個人電腦的出現與後來的普及，對 CAI 的發展與普及影響甚鉅。從此以後，大部分的 CAI 軟體的執行環境均以個人電 腦為平台。1984 年 Apple 公司推出 MAC 個人電腦，導致 mouse 的流行，人 機介面及視窗的運用受到重視。除了個人電腦的發展日益精進外，編輯工具的 發展也一日千里，這些環境均是促使 CAI 蓬勃發展的有利條件(何榮桂，1997)。

到了 1990 年代，由於網路與多媒體(Multimedia)的快速進展，使得電腦普遍進 入各個教學領域。另有遠距教學系統 DCAL（distance computer assisted

learning），係利用電腦網路或電信網路進行遠端教學（Hiltz, l994），過去十五年 已看出顯著增加科技應用在教育上，我們很難想像現在教師教學沒有網路、課

程管理系統、微軟 OFFICE、e-mail 及其他的資訊科技的應用進行教學(Maloney, 2007)。

根據莊謙本(1998a)的分析，電腦化教學系統所用的教學軟體大多數針對語 言，數學、物理或幾何觀念，生物醫學的知識而設計。電腦教育學家所著重的 也大多在「認知領域」的訓練。對於「技能領域」的教學，僅以「模擬方式」

（simulation）進行訓練。甚少有人將電腦與學習對象物品直接連接起來，進行 電腦化教學。早期寓教於樂的遊戲式電腦輔助教學軟體，例如 LOGO 教學系 統。將小烏 的動作，同時繪出其行走的軌跡圖形，對於訓練小學生的空間概 念頗有成效（Papert, l980）。其他如 Big Tank 坦克玩具，IEEE 電腦鼠迷宮競賽 等均為電腦化遊戲教學系統。

在工程教學方面，早期開發的教學軟體大多為模擬式系統軟體，用來取代 價位昂貴的實體訓練器材。例如：蒸氣鍋輪(steamer)系統的操作，將各控制點 的信號呈現電腦螢幕上，操作員先進行模擬控制試驗，然後到現場進行實地控 制（Hollan, Hutchins & Weitzman, 1990）。又如 Electronics Workbench 電子電路 訓練軟體，可在電腦螢幕上學習電子電路的設計，熟悉之後才正式以電子零件 組裝電路（Interactive Image Technologies Ltd., l991）．此種融和 PSPICE 與 ORCAD 的電路繪製與測試系統在繪圖訓練上也頗為實用。Lab-Volt 公司所推出 的一套電子電路故障檢修系統軟體F.A.C.E.T 教學系統，就由學習者、系統軟體、

及硬體電路三者，以互動方式組成完整的電子電路技術教學系統（莊謙本，

1998a）。1996 年美國 DesignSoft Inc.公司發行第四版「TINA 互動式電路分析系 統」，係為 Windows 作業系統之電腦輔助教學軟體，使用下拉式選單(menu-driven) 及滑鼠操作，並不以有對話框協助學習者，人機界面之親和力及互動性較 F.A.C.E.T 系統進步。該軟體近年更增加功能與更新發行「TINA Pro」版本，功 能更強更穩定。本研究即是以此套「TINA Pro」作為技術教學 TINA 組教材，

並選取「數位麵包板」作為技術教學 DB 組教材。

貳、 CAI 與教學之關係

Kock (2006)等人認為資訊技術(IT)與非資訊技術(non-IT)教學的連結運用主 要的觀點在於增加更多實境課程教學的成效，尤其是在特殊資訊產業的應用方 面。由於 CAI 是一教育的概念，其目的就是要實行教學(instruction)。教學是指由 人類(教師)或機器(如電腦)提供促使學生學習的活動歷程，此種活動旨在使學生之 知識或技能產生較為持久性的改變(何榮桂，1997)，又由於 Bekerman(2006)等人 主張在地學習(Learning in Places)，在不同場域中可以獲得非正式學習與教育的潛 在學習轉移為教育的想法。因此，運用 CAI 在不同場域進行教學活動是學習進展 的函數，是設計 CAI 的基石。以階段來分，一個完整的教學歷程大抵包括：呈現 訊息(presenting information)給學生，引導學生(guiding the student)學習，透過練習 (practicing)強化所學的知識或技能，以及評量學生的學習(assessing student learning) 成效(Alessi & Trollip，1991)。此四個步驟之關係可用圖 2-5-1 表示之：

呈 現 訊 息

引 導 學 生

給 予 練 習

評 量 成 績

回 饋

圖 2-5-1 教學歷程關係圖(何榮桂，1997)

Alessi & Trollip (1991)兩位提出的教學歷程關係圖，強調學習要隨時提供回 饋，才能構成一完整的教學活動。Debevec, Shih & Kashyap (2006)研究也將學生分 類觀察運用資訊技術教學與傳統課堂教學，二者學習成就與班級參與的差異。如 同一般學校上課除了老師授課，也要注意學生的反應修正進度及內容，並適時實 施學後評量，例如口頭問答或各式測驗，瞭解學生的學習成效。常見 CAI 的設計 模式有教導式(tutorial)、模擬式(simulation)、練習式(drill & practice)、測驗式(test)

及遊戲式(game)、發現式(discovery)、問題解決式(problem-solving)，設計理念也 大多符合以上教學歷程，重視引起動機、互動學習、充分練習和及時回饋。

根據何榮桂(1997)的研究，目前 CAI 為了達到教學目標，一個 CAI 中通常以 兩種或兩種以上的模式來表現，結合教導式與練習式在同一個 CAI 軟體中即是一 個典型的例子。蓋因呈現訊息與重覆練習在教學歷程中係連續的階段，因此，結 合測驗式、教導式與練習式等多種模式於 CAI 中也是常見之設計，如圖 2-5-2 所 示(何榮桂，1997)。

教學新課程

通 過 通 過

不 通 過 不 通 過

複 習 複 習

前 測 後 測

開 始

下一單元

圖 2-5-2 教導式、練習式與測驗式 CAI 的關係(何榮桂，1997)

本研究使用之「TINA Pro」與「數位麵包板」兩套軟體，本身就具有模擬CAI 的教學效果，但是對於鼓勵學生更深入說明與更積極回應；並設身處地站在學習 者的角度來思考及感受問題；當學生有優秀表現時，給予學生增強，不僅可鼓勵 學生的行為及態度，更可激勵團體氣氛。因此，教師角色並非以電腦可以取代的。

未來電腦多媒體教學的發展，是利用電腦作為教學的媒介，來進行輔助教學，以 幫助學生學習的一種教學方式，它是用來輔助一般正式教學之不足，而不是用來 取代一般正式教學。根據研究者所參考文獻（Chang, 2002；林智煌，2005；張文 葉，2005；曾文章，2005；曾尹姿，2005；顏欣如，2005；Coleman-Martin, Heller, Cihak & Irvine, 2005）指出電腦多媒體教學與傳統教學混合使用，其效果特別顯

著。因此，兩者截長補短，以傳統教學為主，電腦多媒體教學為輔，達到教學相 輔相成之效果。

參、 多媒體 CAI

一、 多媒體 CAI 的意義

媒體(media) 主要是傳遞訊息，其原意是「中間」，就是擔任傳播管道的角 色，如圖 2-5-3 所示。所以課本、照片、投影片、幻燈片、電視、電腦均屬於 傳遞訊息的媒體，而且應用於教育上應稱為教學媒體。所謂多媒體(multimedia) 是指結合不同的媒體，或是有多樣的媒體同時展示，例如語言、文字、圖形、

影像、靜畫、錄音帶、和聲音或是其他傳播媒介等等(湯清二，1998)。

(媒體/媒介)

回 饋

編 碼 解 碼

傳送者 管 道 接收者

訊 息

訊 息

訊 息 訊

息

圖 2-5-3 訊息傳遞模式(湯清二，1998)

根據計惠卿(1997)的研究，「多媒體」一詞隨媒體科技的進展而有不同的涵 意：在 1980 年代時，「多媒體」是指當時的多種媒體組合而成的視聽產品，例 如：書本加上錄音帶配合同步播放的幻燈機等。以微電腦控制各幻燈機及音樂 旁白(narration)播放次序的媒體則稱為（幻燈）多媒體。進入 1990 年代，「多媒 體」成為「電腦多媒體」，原因為電腦不僅從黑白進入彩色時代，更加上直接儲 存、處理、操控影像聲音的能力。從多媒體市場聯盟於 1991、1993、1995 年所 訂定的第一、二、三代多媒體電腦(MPC Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)規格可以得知，除了電腦 主機（例如：PowerPC、IBM PC、MAC 等）基本配備之外，光碟機（4 倍速以 上）、語音卡（16 Bit 以上）、防磁喇叭、視覺化介面 GUI(Graphic User Interface)