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數位學習環境與學習引導策略對國小晝夜與四季課程學習成效之影響

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Academic year: 2021

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(1)國立臺灣師範大學資訊教育研究所 碩士論文. 指導教授:陳明溥 博士. 數位學習環境與學習引導策略對國小 晝夜與四季課程學習成效之影響. 研究生:徐日薇 撰 中華民國一百零三年七月.

(2) 數位學習環境與學習引導策略對國小晝夜與四季課程 學習成效之影響 徐日薇 摘要 本研究旨在探討不同的數位學習環境(擴增實境、虛擬實境)與學習引導策略 (程序引導、問題引導)對國小六年級的學習者使用 5E 探索式平板電腦遊戲學習晝 夜與四季課程之學習成效與學習態度之影響。研究對象為國小六年級學習者,有 效樣本為 117 人,教學實驗活動為期三週,共計 120 分鐘。研究採因子設計之準 實驗研究法,自變項包括數位學習環境與學習引導策略,數位學習環境分為擴增 實境和虛擬實境,學習引導策略分為程序引導策略和問題引導策略;依變項則包 括晝夜與四季課程之學習成效和學習態度。 研究結果依晝夜與四季課程之學習成效與學習態度兩個面向,綜合歸納如下: (1)在晝夜與四季課程之知識應用面向,國小六年級學習者於擴增實境遊戲進行學 習活動,使用問題引導策略顯著優於程序引導策略;而在知識理解面向,學習者 在不同的數位學習環境與學習引導策略皆不影響晝夜與四季課程知識理解成效 表現;(2)學習者在不同的數位學習環境進行晝夜與四季課程學習活動皆持正向的 學習價值與學習幫助度。而在學習滿意度面向,虛擬實境組學習者顯著優於擴增 實境組學習者;對於搭配不同的學習引導策略進行晝夜與四季課程學習活動時學 習者皆持正向的學習態度。. 關鍵詞:地球科學教育、5E 探索式學習環、數位學習環境、學習引導策略. i.

(3) The Effects of Digital Learning Environment and Learning Guidance Strategy on Elementary Students’ Performance in Learning of Day-night and Four Seasons Concept. Jih-Wei, Hsu. Abstract The purpose of this study was to investigate the effects of digital learning environment and learning guidance on elementary students' performance in learning of Day-Night and the Four Seasons concepts using 5E learning cycle. The independent variables were types of digital learning environment and learning guidance. The digital learning environments included the augmented reality and the virtual reality environments. Two types of learning guidance were employed, including the procedural guidance and the question guidance. The dependent variables were learning performance and attitudes toward the received digital learning. The experimental learning activity lasted for 3 weeks and the total learning time was 120 minutes. The effective sample size of this study was 117. The results revealed that (a) when learning from the augmented-reality environment, the question-guidance group achieved better knowledge application performance than the procedural-guidance group, however, there were no significant difference between the learning environment groups and the learning guidance groups on knowledge-understanding performance; (b) participants showed positive attitudes, work value and helpfulness toward the received learning environment and guidance and the virtual-reality group showed more positive satisfaction than the augmented-reality group. ii.

(4) Keyword: Astronomy, 5E learning cycle, digital learning environment, learning guidance strategy. iii.

(5) 誌謝. 轉眼間,碩士兩年的時間就已逐漸消逝。問我在碩士期間學到了什麼,我 會說學到了在社會上做人處事的道理。一本論文的產生,從最初的確立題目到 不斷的修正學習架構,就好像在業界接專案一樣,一件作品的誕生需要各部門 相互的腦力激盪,最後經過不斷刪減與增加後,將最好的樣貌呈現給客戶。而 論文也是如此,與 CSL 偵益、映汝、燕欣、湘儀、承哲、嘉鴻、邦捷、思汝、 柏豪、宗學各 Lab 夥伴們討論教學內容與科技技術,要怎麼讓學習者透過自己 所設計的教材達到最好的學習成果,這也是我們在這兩年中努力的目標。 即使在這麼忙碌的工作中,經益學長仍持續的給予我們意見,甚至連自己 的休息時間都獻給了我們,之後如果學長有什麼需要幫忙的儘管說,只要能幫 上忙的我們都會盡力的去達成。 感謝提供支援的長瑞老師及寶竹老師,不僅分享了許多教學經驗,在實驗 中也指導我如何教學。感謝 Yoyo Lin 在實驗中的幫助,並不斷分享自己的想法 讓我在求學的路上表現到最好,在未來也希望兩人都能繼續的持續前進,追逐 夢想。 實驗結束後到了撰寫論文的時候,我的論文精神支柱也是我的恩師,陳明 溥教授,不斷的與我們討論統計數據與撰寫論文的基本概念,讓我們不斷地從 中學習,呈現最完美、無錯誤的論文給大家參考。也十分感謝口試委員施如齡 教授與林育慈教授花時間審閱我的論文,從中給予寶貴的建議,讓我的論文內 容能更加的完美。 最後,要感謝的就是家人,謝謝您們從小時候拉拔我長大成人,無論我做 出什麼決定,都是支持我與給予我意見,未來就讓我好好孝敬您們。. iv.

(6) 目錄 附表目錄..........................................................................................................................VII 附圖目錄........................................................................................................................ VIII 第一章. 緒論......................................................................................................................1. 第一節 研究背景與動機 ..............................................................................................1 第二節 研究目的與待答問題 ......................................................................................5 第三節 研究範圍與限制 ..............................................................................................6 第四節 重要名詞釋義 ..................................................................................................9 第二章 文獻探討..............................................................................................................13 第一節 地球科學學習 ................................................................................................13 第二節 5E 探索式學習環 ...........................................................................................18 第三節 數位學習環境 ................................................................................................25 第四節 學習引導策略 ................................................................................................33 第三章 研究方法..............................................................................................................38 第一節 研究對象 ........................................................................................................38 第二節 研究設計 ........................................................................................................40 第三節 研究工具 ........................................................................................................62 第四節 資料處理與分析 ............................................................................................65 第四章 結果與討論..........................................................................................................68 第一節 晝夜與四季課程學習成效分析 ....................................................................68 第二節 晝夜與四季課程學習態度分析 ....................................................................75 第五章 結論與建議..........................................................................................................81 第一節 結論 ................................................................................................................81 第二節 建議 ................................................................................................................84 參考文獻............................................................................................................................86 v.

(7) 附錄一. 晝夜與四季課程先備知識測驗 ..................................................................... 100. 附錄二. 程序引導策略組學習單 ................................................................................. 103. 附錄三. 問題引導策略組學習單 ................................................................................. 112. 附錄四. 晝夜與四季課程學習成效測驗 ..................................................................... 119. 附錄五. 晝夜與四季課程學習態度量表 ..................................................................... 122. vi.

(8) 附表目錄 表 2-1 學習環類型 ....................................................................................................... 21 表 2-2 以學習為本的工作記憶取向準則 ................................................................... 36 表 3-1 教學實驗之分組與各組人數分配表 ............................................................... 39 表 3-2 「搶救地球大作戰」之主要概念、學習目標與認知層次分類表 ............... 43 表 3-3 「搶救地球大作戰」融入 5E 探索式平板電腦遊戲之歷程規劃 ................ 46 表 3-4 「搶救地球大作戰」學習活動內容規劃表 ................................................... 47 表 3-5 「搶救地球大作戰」遊戲任務規劃表 ........................................................... 47 表 3-6 學習活動應用學習引導策略之步驟 ............................................................... 58 表 3-7 晝夜與四季課程先備知識測驗之測驗內容向度及題數分配 ....................... 62 表 3-8 晝夜與四季課程學習態度量表之量表內容向度、題數分配及信度係數 ... 63 表 3-9 晝夜與四季課程成效知識測驗之測驗內容向度、題數分配及信度係數 ... 64 表 4-1 各組對晝夜與四季課程學習成效之調整後平均數、標準差及人數 ........... 69 表 4-2 晝夜與四季課程知識理解、知識應用之共變量矩陣等式的 BOX 檢定...... 70 表 4-3 晝夜與四季課程學習成效表現之多變量檢定 ............................................... 70 表 4-4 各組對晝夜與四季課程學習成效分項表現之二因子多變量變異數分析摘要 ............................................................................................................................... 71 表 4-5 各組對晝夜與四季課程知識應用之單純主效果變異數分析摘要 ............... 73 表 4-6 晝夜與四季課程學習成效分析結果摘要 ....................................................... 73 表 4-7 晝夜與四季課程學習態度之調整後平均數、標準差及人數 ....................... 76 表 4-8 晝夜與四季課程學習態度之共變量矩陣等式的 BOX 檢定 .......................... 77 表 4-9 晝夜與四季課程學習態度表現之多變量檢定 ............................................... 77 表 4-10 各組對晝夜與四季課程學習態度分項表現之二因子多變量變異數分析摘 要........................................................................................................................... 78 表 4-11 晝夜與四季課程學習態度之分析結果摘要 ................................................. 79 vii.

(9) 附圖目錄 圖 2-1 BSCS 5E 學習環教學模式 .................................................................................... 22 圖 2-2 虛擬實境之三階段定義 ....................................................................................... 26 圖 2-3 虛擬實境之三大特性 ........................................................................................... 26 圖 2-4 虛擬實境應用於電動機之組成 ........................................................................... 29 圖 2-5 擴增實境即時回饋系統 ....................................................................................... 30 圖 2-6 擴增實境應用於晝夜與四季課程 ....................................................................... 30 圖 2-7 擴增實境系統與倉儲平面設計圖 ....................................................................... 31 圖 3-1 5E 探索式平板電腦遊戲與學習引導策略之研究設計架構圖 .......................... 40 圖 3-2 晝夜與四季課程知識架構圖 ............................................................................... 42 圖 3-3 UNITY3D 遊戲引擎之開發介面說明圖 ............................................................... 44 圖 3-4 UNITY SCRIPT 程式編輯介面圖............................................................................. 44 圖 3-5 AUTODESK MAYA 2013 之 3D 模型編輯介面圖 .................................................. 45 圖 3-6 故事背景:說明學習者所扮演的角色,以及遊戲任務與目標 ....................... 49 圖 3-7 學習者依照任務指引練習擴增實境遊戲之基本操作 ....................................... 50 圖 3-8 學習者依照任務指引練習虛擬實境遊戲之基本操作 ....................................... 50 圖 3-9 「春夏秋冬大不同」之擴增實境遊戲任務畫面 ............................................... 51 圖 3-10 「春夏秋冬大不同」之虛擬實境遊戲任務畫面 ............................................. 51 圖 3-11 「搶救地球大作戰」遊戲之學習活動流程圖 ................................................. 53 圖 3-12 擴增實境遊戲:黑白大不同之光線斜射畫面 ................................................. 54 圖 3-13 虛擬實境遊戲:黑白大不同之光線斜射畫面 ................................................. 55 圖 3-14 擴增實境遊戲:晝夜比一比之辨認緯線位置畫面 ......................................... 55 圖 3-15 虛擬實境遊戲:晝夜比一比之辨認緯線位置畫面 ......................................... 56 圖 3-16 學習者進行搶救地球大作戰「擴增實境遊戲」學習活動 ............................. 56 圖 3-17 學習者進行搶救地球大作戰「虛擬實境遊戲」學習活動 ............................. 57 viii.

(10) 圖 3-18 程序引導學習單:黑白大不同與晝夜長短比一比任務 .................................. 59 圖 3-19 問題引導學習單:黑白大不同與晝夜長短比一比任務 .................................. 60 圖 3-20 黑白大不同之文字說明:說明晝夜現象的發生 .............................................. 61 圖 3-21 黑白大不同之探索任務:瞭解地球的自轉方向及位置之相對應時間 .......... 61 圖 3-22 晝夜長短比一比之探索任務:系統給予步驟資訊以協助學習者回答問題 .. 61 圖 3-23 晝夜與四季課程分項學習成效表現分析流程圖 .............................................. 65 圖 3-24 晝夜與四季課程學習態度分項表現分析流程圖 .............................................. 67 圖 4-1 數位學習環境與學習引導策略對晝夜與四季知識應用之交互作用圖 ............ 72. ix.

(11) 第一章. 緒論. 本章分別就本研究之研究背景與動機、研究目的與待答問題、研究範圍與限 制以及重要名詞釋義四個部分進行詳述。. 第一節 研究背景與動機 教育部(2008)明確揭櫫,國中小地球科學學習應為國民教育之必要基本課程, 強調應以探索與實作的方式進行,以培養學習者探索方法與問題解決能力,並能 將所學應用及實踐於日常生活之中。但目前正規國小地球科學課程中卻受到諸多 的教學限制,例如:時間、地點、人力等,因此難以落實實地探索教學。然而國 小學習者正處於具體與抽象思維的學習過渡時期,正是需要藉由觀察實際現象來 類推形成原因的階段,如果學習者無法進行實地觀測教學的話,學習者往往會產 生其他另有概念(alternative concepts) (蕭建嘉,2001),例如:太陽西昇東落。另 外學習者也會根據本身的生活經驗來推論出錯誤的概念(莊佳玲、郭重吉,1994; 林秀鳳,1996),例如:因為在地球上感受不到地球旋轉,所以學習者認為地球是 靜止不動的。學習者之所以產生迷思概念通常是因為概念極具抽象化且缺乏具體 的表徵,進而造成學習者難以理解概念的形成原因,也因此容易出現學習困境。 過去研究(邱英虹、陳英嫻,1995)建議,國小地球科學教學應加入適切的教具及 改善學習環境,讓學習者融入學習情境中,並透過探索的方式來提升學習的品質 與效益。所以,教師若能在地球科學課程中提供真實的觀測學習環境,並加入互 動式的實體教具,或許能增加學習者探索與實作的機會,並有效將所學知識應用 至生活中。 設計教學方式與學習策略對地球科學的教師是一大難題。針對國小自然與生 活科技教師的意見調查研究(姜滿,1990)指出,68%的教師認為地球科學課程的 教材最艱深,因此教學也最具挑戰性(張珈,2010)。目前地球科學課程教學均使 1.

(12) 用課本、投影片,或是模擬教具的方式進行學習,以教學者為中心的方式進行團 體討論或建構知識。Renner 等人(1976)認為處於國小階段的學習者,課程教學應 以具體道具或其他媒介之工具來幫助學習者建構知識,且教學的重點在於學習者, 非教學者。教學者的責任在於設計學習環境,安排多元且適切的教學活動來輔助 學習,教學時應專注於學習者熟悉的課程內容與學習環境,讓學習者能夠自行的 探索與反思,最後解釋所觀測到的現象與成因。何玉婷(2004)也指出進行地球科 學教學時,學習者以實際操作的方式進行學習比起教學者本身動手操作模型或課 本講解還要來的有效,且以學習者為主軸的教學模式更能提升學習效果,改善學 習者對自然科學之學習態度(蘇懿生、黃台珠,1998)。美國科學教育標準(National Science Education Standards, National Research Council, 1996)也提出對於五年級到 八年級的學習者應提供完整的探索環境,教學者必須改變過去的教學方式,讓學 習者培養探索過程的能力。所以,符合以學習者為中心進行探索教學學習要點的 非建構主義莫屬。建構主義為探索活動的理論基礎,學習環教學是建構主義教學 法的典型代表之一(Duit & Treagust,1998)。Karplus 和 Their 於 1967 年明確提出 學習環之三個學習階段:探索(Exploration)、發明(Invention)、發現(Discovery), 中間經歷多次的發展與修正後,最後改為五個學習階段,分別為投入(Engagement)、 探索(Exploration)、解釋(Explanation)、精緻化(Elaboration)及評量(Evaluation)等五 階段的學習循環,也稱作 5E 學習環(Bybee & Landes, 1988)。林琬縈、周建和、 蘇明俊(2010)與 Abraham (1997) 的研究表示以 5E 學習環模式進行教學能讓學習 者建構地球科學之探索技能,並對學習興趣、成效與科學探索態度有正向的影響。 因而,若能應用 5E 學習環探索教學模式於地球科學領域上,或許能有效改善國 小學習者在地球科學課程上的學習情況。 近年來電腦科技發展迅速,對於地球科學科目中較模糊抽象的課程,實施資 訊科技融入教學已成為新的教學趨勢。許多教師以數位化軟體或是動畫模擬進行 教 學,以 彌 補 講 述 式 教 學 無 法 清 楚 描 述 概 念 或 抽 象 且 不 便 觀 察 2.

(13) 之 缺 點 (楊明獻,2008)。其中,以虛擬實境科技應用於教育中之最大優點,就 是可將傳統教具無法顯現的情境與抽象概念以靜態或動態的方式呈現,使抽象概 念轉變為具體化知識,讓學習者得以感受與體驗(卓詠欽、王健華,2008)。但仍 有部分的學習者認為實體操作比虛擬情境更容易學習(Tatli & Ayas, 2010),因為學 習者進入虛擬實境學習時無法感知周圍環境的變化,因而延伸出一種能與真實世 界結合的技術,該技術即為擴增實境。Shelton 與 Hedley 的教育案例中發現擴增 實境技術能讓立體的概念真實呈現,讓學習者透過眼睛觀察抽象的地球科學現象, 也能流暢的操控教具與介面,這種學習方式不僅能增加學習者的感知,也能增進 學習者的學習瞭解度。此外,為了讓學習者能沉浸於學習活動中以達到更好的學 習效果,白益欣(2005)指出擴增實境學習活動中加入遊戲式介面與任務能引發學 習者正向的學習動機。學習者進入遊戲場景之前須先確立目標,明瞭學習目標後 學習者必須透過挑戰的方式來破解遊戲關卡,過程中學習者須不斷地觀察探索情 境與反思。經由不斷的遊戲循環後,學習者逐漸地建構學習知識並沉浸於遊戲中 (Kiili, 2005;周升馨、孫培真,2008)。Bruner (1960, 1961)也指出學習者學習概念 時不是將教材直接提供給學習者,而是向學習者提供一種問題情境,給予學習者 一些事實與問題,讓學習者從探索過程中發現遊戲的知識內容與結構。因此,若 將遊戲融入虛擬實境與擴增實境之數位學習環境中,將有機會提升國小生學習態 度並改善地球科學課程上的學習成效。另外,當學習者從傳統教學進入模擬式遊 戲環境中時,教學者不再是扮演傳播知識者,而是引導學習者學習的協調者 (Robertson & Howells, 2008)。所以,在探索遊戲的過程中,教學者應適當融入學 習引導策略,以提問與指示的方式逐步引導學習者觀察重點與思考方向來發掘知 識形成的原因,進而建構自我觀點與概念知識。 綜合上述探討之議題,本研究使用 5E 探索式平板電腦遊戲於晝夜與四季課 程中,探討不同的數位學習環境與學習引導策略對國小六年級學習者學習晝夜與 四季課程之學習成效與學習態度的影響情形。冀望學習者透過使用 5E 探索式平 3.

(14) 板電腦遊戲建構出屬於自己的知識內容並沉浸於學習過程中,且在日常生活中也 能應用所學之概念,體會學以致用的精神,進而獲得更深層的學習理解。. 4.

(15) 第二節 研究目的與待答問題 本研究之目的在於探討不同的數位學習環境(擴增實境、虛擬實境)與學習引 導策略(程序引導、問題引導)對國小六年級學習者晝夜與四季課程學習成效和學 習態度之影響。期望透過 5E 探索式平板電腦遊戲促進學習者晝夜與四季課程之 學習成效、並提升學習者晝夜與四季課程之學習態度。本研究之研究目的與待答 問題分述如下:. 壹、研究目的 本研究之研究目的有二: 一、探討不同的數位學習環境(擴增實境、虛擬實境)和學習引導策略(程序引導、 問題引導)對國小六年級學習者使用 5E 探索式平板電腦遊戲學習於晝夜與四 季課程學習成效(知識理解、知識應用)之影響。 二、探討不同的數位學習環境(擴增實境、虛擬實境)和學習引導策略(程序引導、 問題引導)對國小六年級學習者使用 5E 探索式平板電腦遊戲學習於晝夜與四 季課程學習態度(學習價值、學習幫助度、學習滿意度)之影響。. 貳、待答問題 針對上述研究目的,提出待答問題如下: 一、 在使用 5E 探索式平板電腦遊戲學習晝夜與四季課程時,不同的數位學習環 境(擴增實境、虛擬實境)和學習引導策略(程序引導、問題引導)對學習者晝 夜與四季課程之學習成效是否有所差異? 二、 在使用 5E 探索式平板電腦遊戲學習晝夜與四季課程時,不同的數位學習環 境(擴增實境、虛擬實境)和學習引導策略(程序引導、問題引導)對學習者晝 夜與四季課程之學習態度(學習價值、學習幫助度、學習滿意度)是否有所差 異? 5.

(16) 第三節 研究範圍與限制 本研究為配合教學活動之設計與進行,對於研究對象、教學內容、教學時間 與環境、學習方式和評量方式有以下之研究範圍與限制:. 壹、研究對象 本研究之研究對象為國小六年級學習者,本研究之學習者於三年級開始學習 資訊教育課程,因此皆已具備基本的電腦操作技能,此外,多數的學習者同樣也 具備平板電腦的基本操作技能。學習者在國小三、四年級時均學習過晝夜與四季 的基本概念課程,因此具有基礎晝夜與四季概念的知識。參與樣本之所屬學校依 據國民教育法之規定進行常態編班,各班男女性別人數比例相同,具有代表性並 符合常態分配之基本假設,若學校依據學習者之能力實施分組學習或編班標準, 則無法推論之,因此,本研究結果僅能推論至類似的研究樣本。 本研究參與之研究樣本為新竹縣某國小六年級的學習者,此學校位於為該地 方之明星學區,為新建之學校。此學校計畫未來推動資訊科技融入教育學習之課 程,目前學習者對於使用平板電腦進行教學活動經驗仍不多。. 貳、學習內容 本研究之教學內容為研究者自編之 5E 探索式平板電腦遊戲融入晝夜與四季 課程。學習內容範疇包含「地球的特性」、「地球自轉與晝夜交替」及「地球公轉 與四季變化」等三個主要概念。因考量學校課程時間與學習者的學習能力程度, 本研究之教學重點在於讓國小六年級學習者具備晝夜與四季課程的基本認知知 識與日常生活應用技能,至於常見的教學內容,如竿影變化與太陽在天空中位置 之內容介紹則不做深入的探究與討論。. 6.

(17) 參、教學時間與環境 本研究為配合原班級的課程進度和教學時間,實驗時間總共三週,一週一節 課,一節課 40 分鐘,共 120 分鐘,扣除晝夜與四季課程先備知識測驗、晝夜與 四季課程學習成效測驗及晝夜與四季課程學習態度量表等施測時間,學習者進行 學習活動的總時間為 90 分鐘。由於教學活動實施地點以各班級教室為主,每位 學習者受座位空間限制,導致學習者使用平板電腦進行擴增實境遊戲教學時,無 法將實體教具與辨識圖卡全部納入平板畫面中,且由於本研究未能長時間進行探 索活動,因此本研究之研究結果只能針對短時間晝夜與四季課程學習活動之學習 成效與學習態度表現做推論。. 肆、學習方式 本研究之學習者過去學習晝夜與四季課程概念以教師口說講解及使用課程 相關教具為主,學習者經由教師操作教具進行觀察與學習,但本校學習者從未使 用以 5E 探索式遊戲融入平板電腦進行晝夜與四季課程之學習。此外,本研究之 教學遊戲為單機版,無連結網際網路之方式進行,學習者依據教學者之課程設計 流程完成每周的學習任務,因此學習者需按照教學者的步伐進行遊戲操作,與平 常遊玩之平板電腦遊戲不同。另外,擴增實境遊戲中所需的辨識圖示卡,由於施 測場所在教室中,以至於辨識的程度降低許多,辨識度降低原因為教室內的光線 與電燈亮度不足。因此本研究之結果解釋與類推僅限於此類學習形式,不宜過度 推論之其他類型的學習環境與不同年齡大小之研究對象。. 伍、評量方式 本研究中使用紙筆測驗卷及自評量表兩種教學評量方法。紙筆測驗卷包含 「晝夜與四季課程先備知識測驗」與「晝夜與四季課程學習成效知識測驗」,兩 個測驗皆為研究者自行編制而成,且經由專家修訂而成,測驗題型為選擇題,一 7.

(18) 題皆為四個選項。自評量表用於「晝夜與四季課程學習態度」,採用李克特 5 點 量表,每題共有五個選項,1 代表非常不同意、2 代表不同意、3 代表部分同意、 4 代表同意、5 代表非常同意,學習者依據本身的看法與狀態來圈選最合適自己 之選項,由於本研究僅蒐集學習者之紙筆學習成效與態度之資料,因此無法過度 推論至實作評量與實地觀察等方式所獲得的研究結果。此外本研究之評量皆以紙 筆方式進行測驗,而非在平板電腦遊戲進行施測,對於不習慣以考試方式進行測 驗之學習者可能無法真實呈現其學習成果與學習態度。. 8.

(19) 第四節 重要名詞釋義 本研究之重要名詞,分別說明如下:. 壹、數位學習環境 資訊科技的發展日新月異,數位化之資訊科技融入教學已成為一種趨勢。數 位化教學不只可以呈現新鮮且有趣的虛擬情境教學(顏銘宏、游光昭,2005),在 各種研究中也顯示能有效的幫助學習者提升學習效果(Kurt Y, 2001),因此使用數 位化工具進行教學已成為促進學習的方式之一,故本研究以數位學習環境為研究 變項,提供學習者有效率且互動性高的教學環境來促進學習成效及學習技能 (Alessi & Trollip, 1985)。此外,為了瞭解不同的數位學習環境對學習者學習成效 和學習態度之影響,因此將數位學習環境分為虛擬實境與擴增實境兩種。虛擬實 境為電腦高速運算下模擬出的仿真世界,其提供視覺、聽覺、觸覺等器官模擬情 境,學習者能感受到身歷其境的感覺(林佳宏,1999)。在教育領域中,虛擬實境 環境能促進學習者建構知識,學習者並以第一人稱的角色進行學習,所獲得之學 習歷程與經驗也是獨一無二的(姚裕勝,1996)。本研究中之虛擬實境遊戲為將抽 象概念以具體化的方式呈現,學習者可以依循著學習指引無限制的探索同一習任 務,並透過不斷的觀察與操作來習得晝夜與四季課程知識。而擴增實境為虛擬實 境領域中延伸出來的一項新技術(王燕超,2006),以虛擬與實體同時共存的情況 之下進行教學,此技術能增加學習者的感知,讓學習者在建構知識的過程中不再 是以腦中想像的畫面進行學習與推測。本研究之擴增實境遊戲係指研究者使用擴 增實境套件與遊戲引擎等開發工具來建置教學環境,並將擴增實境技術融入 5E 探索式平板電腦遊戲所發展的,學習者以真實物體為主、平板上呈現的虛擬物件 為輔,學習者能夠在真實環境中流暢的操作教具學習外,也能透過虛擬的資訊來 矯正模糊抽象的概念。. 9.

(20) 貳、5E 探索式學習環教學模式 5E 探索式學習環教學模式強調學習者本身主動建構知識,也被認為是培養國 民具有科學素養與態度之基本教學策略(魯慧敏,2005),依序為投入(Engagement)、 探 索 (Exploration) 、 解 釋 (Explanation) 、 精 緻 化 (Elaboration) 以 及 評 量 (Evaluation)(Bybee & Landes, 1988)。5E 探索式學習環是以學習者的認知發展能力 為起點,用學習活動來引起學習者的好奇心,教學者不再是以講述的方式課程教 學,而是學習者實際進行實驗或活動,教學者則是以協助者的角色引導學習者去 發現問題、探索環境(林佳儀,2008)。本研究依據 5E 探索式學習環教學模式為理 論架構來設計平板電腦遊戲,學習者必須根據投入、探索、解釋、精緻化和評量 等五個階段進行教學活動。學習者一開始經由系統給予的故事背景以瞭解目前所 發生的事件,使學習者有效的投入於遊戲情境中,接著藉由探索遊戲內容來破解 關卡以獲得寶物,同時,使用引導式學習單記錄與解釋探索時所發現的課程知識, 最後依據在遊戲中所建構的知識進行應用類型問題的回答。在所有課程完成後, 進行總結性的評量。本研究之平板電腦遊戲設計分為兩種學習環境,一為「虛擬 實境」學習環境,二為「擴增實境」學習環境,兩組的教學內容皆為晝夜與四季 課程,其學習目標及學習任務也都相同,兩組不同之處為第一階段的「投入」與 第二階段的「探索」。在虛擬實境的環境中,投入與探索之階段皆透過平板電腦 進行操作互動,遊戲過程中系統給予簡要的提示,學習者藉由平板上所呈現的虛 擬物件來執行遊戲操作,並解決學習任務。而在擴增實境的環境中,教學者於投 入與探索之階段均提供實體地球儀與辨識圖示卡來輔助學習者建構知識,並藉由 實體地球儀讓學習者將抽象模糊的概念轉變為具體表徵以增進學習成效。. 參、學習引導策略 學習者進行探索的過程中給予適當的提示與引導,鼓勵學習者主動參與學習, 並經由觀察實作、討論分析以及推論評鑑等學習活動,將教學內容組織成實用的 10.

(21) 線索,讓學習者探索出學科內容的原理(顧炳宏、陳瓊森、溫媺純,2011)。本研 究之教學活動採用兩種類型的學習引導策略於平板電腦遊戲中,分別為程序引導 與問題引導。本研究之程序引導策略係參考程序鷹架的設計方式,一開始先給予 學習目標與學習內容,學習者需瞭解所要達成的目標與執行的任務後,學習單接 著提供步驟性的重點提示,每個提示皆是用來釐清模糊的概念。學習者透過遊戲 探索來蒐集資料與記錄過程,完成學習任務後馬上記錄發現與結論。本研究之問 題引導策略係參考反思鷹架的設計方式,在學習過程中以提問方式來引導學習者 對於自身經驗、行為及學習歷程進行反思及推論。在問題引導策略學習單中,同 樣給予學習目標與學習內容,以提問概念為基本架構來幫助學習者反思,將既有 的想法與探索過程所獲得的知識相連結,進行回答問題且完成學習任務後,記錄 結果與發現。. 肆、晝夜與四季課程學習成效 晝夜與四季概念學習成效泛指學習者對晝夜與四季課程之學習理解與應用 程度。本研究之晝夜與四季課程學習成效係指經由 5E 探索式遊戲學習活動後, 學習者在晝夜與四季課程的學習成效,測驗內容依據教育部國民中小學九年一貫 課程綱要自然與生活科技領域中的「晝夜與四季」單元來發展,測驗面向依據認 知能力層次分為「知識理解」和「知識應用」兩個面向。「知識理解」是指學習 者能理解晝夜與四季課程的基本概念,用以評量學習者在記憶與理解層次的認知 能力;「知識應用」是指學習者有能力將晝夜與四季課程應用於不同問題的情境 之中,用以評量學習者在應用層次的認知能力。因此,本研究之晝夜與四季課程 學習成效是依據晝夜與四季課程學習成效測驗進行評估,各項度所得分數越高, 表示學習者在晝夜與四季課程的學習表現越好,反之所得分數越低則表示學習者 在晝夜與四季課程的學習表現越差。. 11.

(22) 伍、晝夜與四季課程學習態度 晝夜與四季課程學習態度是指學習者對於學習晝夜與四季課程的看法與感 受。本研究之「學習態度」是指學習者經過經由 5E 探索式遊戲學習活動後學習 者對於晝夜與四季課程之感受及看法。本研究之學習態度量表改編自韓宜娣(2011) 與楊湘儀(2013)的學習態度量表,量表分數評量採李克特 5 點量表。原量表涵蓋 「學習動機」 、 「學習教材幫助度」和「學習教材滿意度」三個向度,楊湘儀(2013) 將原量表修改為「學習價值」、「學習幫助度」和「學習滿意度」三個向度。「學 習價值」係指學習者經過 5E 探索式平版電腦遊戲教學活動後,晝夜與四季課程 對於自身學習是否具有價值性;「學習幫助度」係指學習者經過 5E 探索式平板 電腦遊戲教學活動後,對於以遊戲與學習引導策略之學習單所設計的教學課程內 容是否有幫助性;「學習滿意度」係指學習者經過 5E 探索式平板電腦遊戲學習 活動後,對於以遊戲與學習引導策略之學習單所設計的教學課程內容是否感到滿 意。各項度所得分數越高,表示學習者在晝夜與四季課程之學習態度越正面,反 之,所得分數越低則表示學習者在晝夜與四季課程之學習態度越負面。. 12.

(23) 第二章. 文獻探討. 本研究旨在探討不同的數位學習環境(擴增實境、虛擬實境)與學習引導策略 (程序引導、問題引導)對國小六年級學習者晝夜與四季課程的學習成效和學習態 度之影響。本章先剖析地球科學學習之意義、所面臨之教學困境與其數位遊戲式 學習應用之議題,再進行 5E 探索式學習環之意義及其應用於自然與生活科技領 域之討論,最後探討不同數位學習環境與學習引導策略對學習者的學習成效及學 習態度之影響。以下分別就「地球科學教育」 、 「5E 探索式學習環」 、 「數位學習環 境」及「學習引導策略」相關文獻進行歸納與整理。. 第一節 地球科學學習 本節先就地球科學學習之意義進行探討,瞭解地球科學學習以及教學的意義 與重要性,再進一步分別針對地球科學課程在教學上的困境與遊戲式學習對自然 與生活科技領域的影響進行討論。. 壹、地球科學學習之意義 地球科學學習內容涵蓋了宇宙與各星球的關係、生命的奧秘,以及人類未來 的發展。宇宙的浩瀚無際顯示出人類的渺小存在,因此對於未知世界的探索,人 類激發起好奇心、想像力、研究動機與興趣。地球科學學習應用範圍之廣闊,不 論是在計時、晝夜與四季變化、氣候變遷中都佔有重要地位,且對於科學的發展 也貢獻良多。國外研究者思考了地球永續發展的議題,並在地球科學領域中投入 大量的時間與精力,可是在臺灣教育中,地球科學非一門獨立的科目,導致於地 球科學方面之發展未能有所突破(張祐誠,2011)。聯合國將 2009 年訂為全球天文 年,這是推動國內地球科學學習的契機,也是啟發國中小學習者探索能力的良好 機會。對於每個人來說,都應該意識到地球科學基礎知識對日常生活的影響,並 13.

(24) 瞭解地球科學知識是如何對社會做出貢獻性。在地球科學學習活動中應要注重觀 察現象、操作實體、及思考等步驟來瞭解學習的內容與概念,這樣學習者才能在 實作過程中不僅習得地球科學概念,也能促進處理事務、解決問題的能力,同時 也能培養出國民應有的科學素養(教育部,2008)。. 貳、地球科學學習課程在教學上的困境 人類體驗日常生活幾乎無法察覺地球繞著太陽轉或是地球自轉等現象,也因 種種限制而無法用直觀的證據來證實地球的狀態(蕭建嘉,2001),即使科技日益 進步,但對於地球科學觀測仍是十分困難。地球科學學習課程一直是國中小學習 者感興趣的主題(連啟瑞、盧玉玲,1996),一旦學習內容牽涉複雜概念時,對於 先備知識源自於生活經驗的學習者心中難免會存在著另有概念或迷思概念(賴慶 三,2005),這些另有概念主要是學習者與外在環境互動所造成的,包含自我感官、 日常言語、大腦內部構造、社會環境或學校教學等(Driver & Tiberghien, 1985; Osborne, Bell & Gilbert, 1983;Sutton & West, 1982)。此外,學習知識時如以不正 確的方式進行理解,學習者記憶知識後就會產生相關之迷思概念,例如:學習者 無法辨別地球的形狀及自己處在地球的何種位置(Nussbaum, 1979)、或回答出地球 的自轉與公轉方向(林秀鳳,1996),甚至連造成季節變化的主因都沒辦法確切回 答(姜滿,1997),而等到迷思概念形成後則無法輕易的排除與導正。 我國九年一貫自然與生活科技領域之課程目標為培養科學與技術之探究方 法與基本能力,並能應用所學於生活中(教育部,2008),在一般課堂中,地球科 學教學只是單純的描述概念性知識,學習者無法完整且有系統的接收知識,因此 無法有效聚焦到應用層面進而達成課程目標。礙於觀測地球科學觀察受多種限制 影響,例如:需要極長的時間來觀測四季中晝夜的比例,或是絕佳的觀測地點與 天氣變化等皆為不穩定因素,導致地球科學教學與學習者的學習品質不佳(顏嘉億、 盧怡秀,2000)。王寶勛(2006)蒐集了多位專任老師意見後,發現教師進行地球科 14.

(25) 學教學時常會遇到以下的問題: 1.天候因素:天氣不佳導致觀察地球科學現象不易。 2.環境因素:由於市區光害、高樓林立、或空氣汙染導致視野不良而影響觀測活 動。 3.學習者課業繁忙:學習者放學後須進行補習課程,因此教師無法有效安排夜間 觀測時間。 4.家長幫助意願不高:家長因工作與家事繁忙而無法協助教學。 5.學校設備不足:學校礙於經費問題而無法讓每位學習者都能親身使用實體教具 來學習。 6.天體觀測:課程進行時間無法配合白天中所能觀測到的日、月現象,有些現象 還需配合節令來觀察。 其中,教師如果要在課堂時間外安排夜間觀測,不僅要規劃繁複的活動流程, 還須顧慮學習者的安全問題,所以教師要如何解決以上之考量來進行教學活動也 是一大難題。廖俊達(2008)認為模擬示範教學或多媒體應用教學適合用於解釋地 球科學現象的成因,例如:四季成因、月相成因,因為其能解決無法以 2D 平面 或講述方式呈現的 3D 空間關係,因此如果能使用適當的地球科學教學策略與輔 助教具讓學習者以實作方式進行教學,或許能提升學習者的學習表現。此外,地 球科學實作教學也能激發學習者學習的興趣,體驗實際操作所帶來的樂趣,並將 所學知識活化且應用於生活中,解決生活中所碰到的問題(賴慶三、吳正雄, 2005)。 綜觀以上所述,如果要達成國民中小學九年一貫課程綱要中自然與生活科技 學習領域之課程目標與基本理念,教師必須改變現有的教學方法,應以具探索式 策略來設計學習活動,讓學習者透過自我探索的方式來獲取知識,並加深認知理 解(Valente, Fonseca, & Conboy, 2011),另外,若能建置數位學習環境,並融入遊 戲化的使用介面,模擬出近乎真實的三度空間場景進行互動教學,或許能讓地球 15.

(26) 科學教學有更多的互動機會與運用空間(唐文華,1996;許麗玲,2000)。 參、數位遊戲式學習對自然與生活科技領域的影響 從許多教育學家研究各種學習理論的結果發現,無論設計多好的教材或教法 還不如讓學童從遊戲情境中學習(Norman, 1981)。在遊戲學習過程中,學習者能完 全投入且忽略遊戲之外的其他資訊,學習者藉由不斷的挑戰來超越自我,並肯定 自我的能力(Kiili,2005)。早期的研究曾歸納出遊戲之所以能引發學習者學習的 動機,是因為遊戲中包含奇幻(fantasy)、挑戰(challenge)、好奇(curiosity)與掌握性 (control) (Malone, 1980),這五項特點彌補了正規教育所缺乏的元素,也確認了遊 戲式學習帶來的正面教育意義。因此,教師若能利用遊戲策略進行課程設計,學 習者更能掌握學習的範圍與狀況。遊戲式學習在設計時須考量以下四大設計要 素: 1.介面:讓學習者以直觀的角度進行操作。 2.互動性:遊戲中提供學習者選擇性的操作方式,選擇越多互動性則越高。 3.故事性:設計故事架構並設定目標以吸引學習者投入遊戲。 4.平衡性:遊戲要公平的給予分數以保證每位學習者的學習進度。 因此,將四大要素結合於遊戲流程中能有效的提升學習成效(周升馨、孫培真, 2008)。綜觀上述,說明遊戲能促進學習者主動學習,且近年來教育部也開始正視 遊戲對於教育上的價值。Prensky (2007)提倡了所謂的「數位遊戲式學習」,結合 了科技、遊戲及學習,可達到寓教於樂與提高學習者學習動機的效果。Prensky 認為數位遊戲式學習有以下的優點: 1.富含趣味性與故事性,讓學習者可以完全投入遊戲並進入沉浸狀態。 2.給予明確的規則與目標,讓學習者遵守其規範,並依據目標以完成任務。 3.互動性與系統回饋功能,讓學習者自行建構學習歷程,且主動進行反思。 4.依據學習者的能力提供階段性任務,使其產生心流經驗。 5.藉由破解遊戲任務來增進問題解決的能力與探索能力。 16.

(27) Csikszentmihalyi (1997)認為在具明確目標、立即回饋、挑戰內容條件下,學 習者即會開始專注精神以達到學習的效果。數位遊戲式學習塑造了一個良好的學 習環境,讓學習者主動探索而獲得知識,並能延伸至其他的應用情境中。Clark 和 Nelson 等人(2011)針對美國與臺灣地區的國中學習者以遊戲式策略進行學習, 並以牛頓運動定理單元為例。結果顯示遊戲式學習對概念知識整合上具影響力。 吳叔鎮(2011)探討國小氧氣與二氧化碳、電磁世界課程及科學技能學習過程中使 用數位遊戲式學習與網頁學習是否有顯著差異。結果顯示高成就學習者在電磁 世 界 單 元 中 達 顯 著 水 準,且 所 有 課 程 中 的 學 習 成 效 皆 優 於 網 頁 學 習。王秀雯 (2010)對國小五年級學習者進行數位遊戲式教學,其目的為幫助學習者澄清地球 運動、晝夜與四季變化之迷思概念。研究結果顯示低成就學習者在使用此教材後 對地日月運動的知識有顯著的提升。因此,如果將抽象不易觀察的地球科學內容 設計成充滿挑戰以及豐富的遊戲環境,並搭配適當的課程教材與教學策略,讓學 習者藉此強化學習動機與促進參與度外,面對選擇的時候也能有效運用分析與綜 合技巧來進行思考,並經由觀察與實際探索來增強學習經驗與問題解決的能力 (Dickey, 2005;Winn, 1993;Young, 1993;吳心楷、吳百興、張耀云,2010)。. 17.

(28) 第二節. 5E 探索式學習環. 本研究採用 5E 探索式學習環為遊戲活動設計理論基礎,以投入、探索、解 釋、精緻化及評量五個學習步驟來協助學習者從教學活動中所獲得的知識進行反 思,使學習者察覺知識推理的歷程外,還能幫助學習者增進問題解決之能力。5E 探索式學習環屬於建構主義的教學方法,所以以下分別就以建構主義的觀點、5E 學習環教學模式之定義,及 5E 探索式學習環在自然與生活科技領域之應用進行 探討。. 壹、建構主義的觀點 建構主義(constructivism)在二十世紀後半崛起於歐美學術界,其有助於科學 知識的學習(徐光台,1999)。建構主義在科學教育上形成一種新的典範,主張知 識由學習者本身主動建構的,且認知活動應以學習者的先備經驗為基礎,才能產 生 有 意 義 的 學 習 (吳 俊 憲 , 2000) 。 其 最 早 提 出 者 可 追 溯 至 瑞 士 的 皮 亞 傑 (Piaget, 1978),他堅持學習者是在與環境相互作用下,才逐步建構出有關外部世 界的知識,而學習者與環境的相互作用涉及到同化與調適之兩個基本過程: 1.同化:個體運用其既有的基模(認知結構)解決問題時,將遇見的新事物吸納至原 有基模,此一新事物同化至他既有基模中以成為新的知識或經驗。例如,當個體 在學習電腦繪畫時,只要將過去用鉛筆畫在畫紙上的既有基模做小幅度的調整, 如將藉由鉛筆勾勒出畫像的方式改為利用滑鼠移動而產生畫像的線條之動作,此 後學會電腦繪圖技能,這即是一個同化的歷程。 2.調適:個體在新環境中,當既有的基模無法有效同化新知識時,個體則會改變 既有認知結構或基模來符合環境要求,甚至放棄舊的基模,建立新基模來保持平 衡。例如:個體學習開車時,必須大幅調整既有騎機車的基模以適應視覺死角的 新環境刺激,更需建立沒有煞車拉桿的新基模,才能因應環境變化。. 18.

(29) 學習者的認知結構就是不斷的通過同化與調適過程逐步建構起來的,並在 「平衡-不平衡-新的平衡」的循環中得到提高與發展,這就是皮亞傑關於建構主 義的基本觀點(何克抗,1997)。 建構主義派別繁多,所提出的學習主張如下(林生傳,1998;楊佩芬,1999): 1.知識是由學習者建構,並在學習過程中產生意義 2.以學習者為中心,因為學習者本身具備建構知識的能力 3.認知活動注重的是建構知識的作用或互動 4.所有的知識是建立在既有的知識上,經由既有的知識與經驗相互連結,建立新 的知識概念 5.建構是主動的過程,學習者主動操弄知識以統整所有的經驗事物 6.學習者主動關心整個學習活動,並能分擔學習責任 7.認知是學習者內在個體與外在環境交互作用的過程 8.認知的目的是學習者能適應生活環境並保持平衡 9.認知是持續不斷的,需要循序漸進的過程 10.認知不是由教師單向的灌輸知識,而是藉由學習者之間的互動,如:討論、省 思與批判等過程 根據上述,建構主義理論均肯定學習者在認知上的主動能力,並促進學習者 在學習上的自主權,當學習者具有主動性與自主權時,認知行為的責任也須由學 習者自行負責,這也是主動學習的意涵(林鶴貞,2003)。隨著建構主義的興起, 科學探究活動逐漸從技能的反覆練習轉變為學習者探索能力的培養。 Gallagher 與 Parker (1995)所發展的「中等教師教學風格評量基準表─科學版」 (Secondary Teaching Analysis Matrix─Science Version,簡稱 STAM.)將教師的教學 類型分為六種,根據內容、教師行為、學生行為、資源與環境等項目評鑑,把最 具建構主義取向風格的教師類型稱作「探究建構式」,這樣的改變主要目的就是 培養學習者具有科學探究的能力,讓學習者真的能親手操作,並以最接近真實科 19.

(30) 學活動的教學法進行學習(張靜儀,1995)。因此,建構主義重視的是學習者是否 真實的經歷過科學情境,且藉由探索的方式來建構知識來促進科學探索能力的提 升。. 貳、5E 學習環教學模式之定義 學習環(Learning Cycle) 於 1970 年首次出現在美國科學課程改進研究(science curriculum improvement study,簡稱 SCIS,1974)的教師手冊內,最初稱為「探索 -發明-發現」 (Exploration-Invention-Discovery),後來加州大學柏克萊分校的物 理學家凱普拉斯(R. Karplus)首先提倡將其改稱為「探索-概念引介-概念應用」 (Exploration-Concept Introduction-Concept Application)。凱普拉斯所提倡的學習環 是「以學生為中心」與「以活動為中心」的探索式教學法的一種,可分三個階段 實施: 1.探索(Exploration):藉由現象的觀察或實驗,讓學習者用自己的步調及想法來達 成任務或是求出問題的答案。 2.概念引介(Concept Introduction):由教師帶領學習者進行概念澄清及術語界定的 學習,讓學生能以更合理的方式來解釋他們先前觀察到的現象。 3.概念應用(Concept Application):教師給予不同的情境引導學習者將習得的知識 概念延伸到新的問題情境中以解答相關的問題(許育彰,2012)。 學習環模式歷經多年的修改,除了上述提及的三階段外,還有四階段學習環、 五階段學習環與七階段學習環(如表 2-1 所示)。. 20.

(31) 表 2-1 學習環類型 三階段模式. 4E 學習環. 5E 學習環. 7E 學習環. 1.探索. 1.探索. 1.投入. 1.引導. (Exploration) 2.概念引介. (Exploration) 2.解釋. (Engage) 2.探索. (Excite) 2.投入. (Concept Introduction) 3.概念應用. (Explanation) 3.擴展. (Explore) 3.解釋. (Engage) 3.探索. (Concept Application). (Expansion) 4.評量. (Explain) 4.精緻化. (Explore) 4.解釋. (Evaluation). (Elaboration) 5.評量. (Explain) 5.精緻化. (Evaluate). (Elaboration) 6.評量 (Evaluate) 7.延伸 (Extend). 資料來源:參考自 Ö zeke (2009). 5E 學 習 環 是 由 美 國 生 物 科 學 課 程 研 究 Biological Science Curriculum Study(BSCS)發展出含有建構主義特性教學模式,其五個教學階段分別為投入 (Engagement)、探索(Exploration)、解釋(Explanation)、精緻化(Elaboration)以及評 量(Evaluation),各階段內涵如下(Bybee & Landes, 1988;王美芳、熊召弟,1995; 林曉雯,2000;趙偉智,2006): 1.投入階段:教師利用各種活動引導學習者投入於課程學習中,並將學習者既有 的先備知識與課程內容相連結,同時關注學習者當下的思考歷程。 2.探索階段:在此階段學習者有足夠的時間規劃計畫、合作調查、探討某一概念, 並建立基礎的經驗,其後再分享獲得的線索以解決問題。最終利用既有的先備知 識進行澄清與解釋。 3.解釋階段:教師運用講述、影片、學習單、與各類教學媒體來引導學習者將他 們在上一階段所獲得的探索經驗做合理的解釋,讓學習者進行概念的組織。 21.

(32) 4.精緻化階段:激發學習者在日常生活中應用所學的概念,或將類似的過程與其 他科目相互連結。 5.評量階段:鼓勵學習者所學到的概念與能力,教師可在此階段中瞭解學習者的 表現與進步情形,判定是否有達成學習目標。 5E 學習環教學流程圖如下圖 2-1 所示:. 圖 2-1 BSCS 5E 學習環教學模式(引自游淑媚,1996). 5E 學習環教學模式提供詳細且完整的步驟來協助學習者自行建構知識,並能 培養科學探索與問題解決的能力。因此,若能運用 5E 學習環教學模式來設計平 板電腦遊戲學習活動,藉由鋪陳故事背景讓學習者投入於遊戲情境中,並以平板 電腦與實體教材為教學輔具,讓學習者經由探索遊戲活動喚起既有的知識,使得 先備知識與遊戲中所獲得的知識加以連結,最後根據探索經驗做合理化的解釋以 有效應用所學的知識概念。. 參、5E 探索式學習環在自然與生活科技領域之應用 5E 探索式學習環應用於自然與生活科技領域中,教學不再是以教師為主體, 22.

(33) 而是以實驗或活動的方式引領學習者接觸環境、發現現象、探索問題,讓學習者 有較多主動參與課程的機會,且對於學習者的批判思考能力也有所提升(張維倫, 2011;李榮彬,2011)。此外,陳裕方(2005)以 5E 建構式學習環教學探究國小學 習者生鏽單元之概念,結果顯示學習者對於此單元所學到的知識概念具有延長記 憶之效果,且能長久記憶不易忘記。但相對於教師來說,需要耗費長時間的規劃 課程與準備教材等,因此教師必須要有正確的觀點,勿急於立即看見學習者的學 習成效,需經過一段時間後才能顯見其成效。古士宏(2006)以 5E 學習環為理論架 構發展蝴蝶生態園課程,研究結論發現 5E 學習環模式能讓教學者有效的改善教 學品質,並瞭解學習者的想法與學習意願。林建隆、徐順益與侯佳典(2009)對國 二學習者實施 5E 探索式學習環教學浮力單元之課程,研究結果發現 5E 探索式學 習環對於學習者釐清浮力單元之迷思概念有很好的成效表現,同樣也發現造成概 念改變的階段為「探索」與「解釋」兩階段,主要為「解釋」階段,其次才是「探 索」階段。陳俊宏(2009)以 5E 探索式學習環融入奈米課程探討國小學習者之學習 成效,研究顯示學業成就越高者,學習成效也越佳,且學習保留效果也越長。而 在高職學校中應用 5E 學習環進行物理教學不僅有助於學習者建立科學探究技 能,更能提升學習者的科學學習興趣及成效 (林琬縈、周建和、蘇明俊,2010)。 從上述文獻可知,5E 探索式學習可以不僅可以協助學習者建構知識、延長學習保 留效果,提升批判思考能力與學習意願,還有助於培養科學探究的能力,因此, 若將 5E 探索式學習環融入自然與生活科技課程或許對學習者的學習成效與學習 態度有顯著且正向的影響。 本研究結合 5E 探索式學習環特色於平板電腦遊戲中,以增進國小六年級的 學習者在國小自然與生活科技領域中晝夜與四季課程單元學習成效與學習態度。 本研究之 5E 探索式學習環包含投入、探索、解釋、精緻化和評量等五個階段。 在第一階段投入中,以故事情境與學習任務使學習者沉浸於操作的過程中,並引 起學習者的學習意願;在第二階段探索中,學習者在遊戲中不斷地探索問題與嘗 23.

(34) 試解題,最後建構知識概念;在第三階段解釋中,經由教師設計的引導式學習單 協助學習者問題解決的關鍵,並澄清模糊的概念;進入第四階段精緻化時,學習 者將習得的知識應用到日常生活中;最後進入評量階段,以學習成效測驗卷評量 學習者所學到的知識,並測量學習者是否能將知識延伸至其他的情境中。. 24.

(35) 第三節 數位學習環境 數位科技發展不僅造成人類生活的轉變,更將知識的傳遞提升到新的境界, 因此,學習者在數位學習環境中進行教學活動已成為最新的教育趨勢。透過數位 科技融入課程,學習者可以在教學環境中觀察、思考與探索,並建立互動學習模 式以提升學習者主動學習的意願與學習成效(潘淑琦,2011)。因此,本節就以數 位學習環境類型、數位學習在教育上之應用,以及數位學習環境策略分別進行文 獻探討。. 壹、數位學習環境類型 目前數位學習環境共分為同步數位學習(Synchronous Digital Learning)與非同 步數位學習(Non Synchronous Digital Learning)兩種類型。同步數位學習透過網際 網路技術傳送即時資訊,所有的參與者包含教師與學習者都必須在同一時間透過 網際網路來傳送課程內容。例如:遠距教學,無須限制參與者在同一場地進行教 學。而非同步數位學習是指教師將多媒體教材放置在行動載具或電腦上,讓學習 者可以依照自己的能力或學習進度進行學習,這也是目前最常用的數位學習方式 (林岑,2003)。本研究針對國小六年級學習者於晝夜與四季單元設計兩種非同步 數位學習環境,一為虛擬實境,另一為擴增實境,以下分別就「虛擬實境」、「擴 增實境」兩種不同的數位學習環境類型進行探討:. 一、虛擬實境 虛擬實境(Virtual Reality, VR)是用電腦建構出來的虛擬世界,藉由設計好的使 用者介面讓人類進入模擬的情境中(王聖閔,2007)。Latta 及 Oberg (1994)對虛擬 實境提出了三階段定義,其依序為「何謂虛擬實境(What Virtual Reality is)」、「如 何展現(How it is accomplished)」 、以及它的「效果(effect)」,說明虛擬實境與人之 間的關聯,其說明圖如 2-2: 25.

(36) 圖 2-2 虛擬實境之三階段定義(引自林秀美,1996). 虛擬實境提供使用者如同真實世界中的視覺、聽覺、觸覺之模擬感受,當使 用者在真實世界中改變某些動作與狀態時,系統會運輸改變的資訊到虛擬世界, 並以不同的方式與使用者作互動,就像存在於真實世界中(周宣光,2000)。虛擬 實境的原理在於利用電腦建模軟體建立一個與真實世界相同的三度立體空間,透 過程式語言的撰寫來控制 3D 物件功能,使使用者能與系統裝置中的物件產生互 動,並沉浸於虛擬實境中(蕭承鈞,2001)。Burdea 與 Coiffet (2003)認為虛擬實境 要有三個基本要素,分別是沉浸性 (immersion)、互動性(interaction)與想像力 (imagination),並將此三要素列為三 I,成為一個金三角,如圖 2-3。. 圖 2-3 虛擬實境之三大特性(引自 Burdea & Coiffet, 2003) 1.沉浸性(immersion):虛擬實境能讓人感受到身歷其境的感覺,且融入於虛擬世 界中,不受外界的干擾。 26.

(37) 2.互動性(interaction):使用者能與虛擬實境中的物件作互動。例如:點擊地球後, 地球會逆時鐘旋轉。 3.想像力(imagination):使用者感受到虛擬場景中的聲光與影像效果後,運用個人 的想像力營造出另一種想像的空間。. 二、擴增實境 擴增實境(Augmented Reality, AR)為虛擬實境技術之延伸。不同於虛擬實境可 以讓使用者沉浸於虛擬空間中,擴增實境能讓使用者看見真實的環境以及重疊在 真實環境上的虛擬資訊,換句話說,擴增實境是擴充了現實,而不是取代現實(郭 桐霖,2009)。在 Azuma (1997)的研究中,提出擴增實境必須要有的三大屬性:一 為結合真實與虛擬、二為即時性的互動、三為必須在三度空間內,所以擴增實境 技術具有虛擬世界與真實世界的特性,且具互動及三度空間場景之性質(蘇俊欽, 2004)。擴增實境技術最早可溯源 1960 年後期,由 Ivan Sutherland 設計了一個具 機械式追蹤的 3D 頭戴顯示器,使用者藉由穿戴此設備將電腦所產生的虛擬資訊 與真實物件一起結合並投影到實驗室的牆壁上(Sutherland, 1968)。而後數十年來 許多人致力於發展電腦繪圖與模擬的技術,才讓擴增實境獲得真正發展的契機(李 孟軒,2007)。擴增實境以影像辨識技術來取得使用者的行為舉動,之後透過聲音、 物件以及動畫等操作進行互動。影像辨識技術又分兩大類:辨識圖卡(Marker)與 圖像(Markerless)。辨識圖卡式的擴增實境必須透過外框的標記圖示才能進行辨識。 其原理為用攝影鏡頭擷取外框的標記圖示之影像,經過電腦或載具的程式轉換後 將虛擬物件疊加在辨識圖卡上。然而,圖像式擴增實境採自然特徵的辨識技術, 在製作過程中程式記錄了辨識圖像的相關條件,例如:圖像的顏色分布、紋路、 輪廓等。因此,圖像式擴增實境無須照射黑白的外框即可對環境進行辨識(呂晨嫚, 2012)。由上述可知,透過擴增實境之虛擬整合特性讓學習者與環境之互動性達到 最佳化。另外,Gravey (1977)認為互動與遊戲結合最能刺激學習者學習的動力, 27.

(38) 因此,若能將遊戲元素融入到探索式擴增實境中,讓學習者在虛實整合情境中進 行學習,或許能有效地提升學習者的學習成效與學習態度。. 貳、數位學習環境在教育上之應用 以下就兩種數位學習環境「虛擬實境」與「擴增實境」於教育上的應用進行 探討。. 一、虛擬實境在教育上之應用 虛擬實境技術的發展已經相當成熟,而應用於教育領域中的研究也不少,其 相關研究包括醫學、地理、英語、化學、航空工程等範疇(Arora et al, 2014 ; Hwang & Hu, 2013 ; Merchant et al, 2012 ; Okutsu et al, 2013 ; Yang et al, 2010)。 Winn 與 Bricken (1992)提出虛擬實境應用於教育上的優點包括以下六點: 1.以具體的方式操作虛擬物件 2.虛擬實境可以讓學習者專注於學習,且完全沉浸於學習環境中 3.以直覺且自然的方式進行互動 4.虛擬實境可以設定給學習者不同類型的學習指引 5.系統能將某些程序自動化,讓學習者專心於學習上 6.學習者可以重複的探索同一教學單元 國內的研究也指出虛擬實境軟體教學能增進學習者角柱與角椎單元的學習 成效(洪郁婷,2004)。且讓學習者較能建立更完整且長久體積相關概念(林為光, 2010)。蘇詠梅、鄺潤歡(2003)以日蝕課程為主題進行教學研究,在教學活動中安 排線上學習、同儕討論、模擬實驗、實物教具、卡通漫畫、動畫等不同方式進行 教學,研究顯示學習者對於模擬實驗學習方式最感興趣,其次是實物教具。吳沂 木(2008)以虛擬實境系統進行電與磁單元教學,結果顯示學習者使用虛擬實境系 統進行操作時,能增加學習者對於教材的印象與學習意願(如圖 2-4)。沈潔華(2005) 28.

(39) 認為虛擬實境教材能提供給學習者一個主動探索的環境,所以在環境設計方面應 盡量提供充足的資訊以及操控方便的控制鍵,讓學習者在探索時能較方便地觀察 到所要瞭解的現象,並能從中做判斷與推理,降低迷思概念之形成。. 圖 2-4 虛擬實境應用於電動機之組成 二、擴增實境在教育上之應用 擴增實境技術在醫藥、機械、娛樂、藝術、教育、廣告上已有許多的應用與 實作。隨著資訊科技的發達,擴增實境的應用逐漸貼近日常生活中。在教育領域 中,Telmo、Ignacio、Paloma 與 Alvaro (2013) 為了改善學習者與教師的互動, 將擴增實境技術融入於課堂中,每位學習者配置一台電腦進行資訊科技課程學習, 每台電腦前都貼有辨識圖卡,當教師講解完教學內容後,學習者可以透過手機上 的應用程式進行按圈或叉來回答教師是否瞭解此概念,教師也依據頭戴式配備中 呈現的虛擬的圈或叉立即掌握學習者的學習狀況。學習者也對於此種上課方式給 予正面回應,擴增實境系統同時也保障了各學習者回答的隱私與改善了學習者與 教師之間的互動關係(如圖 2-5)。. 29.

(40) 圖 2-5 擴增實境即時回饋系統 Wang 與 Chi (2012)將擴增實境導入晝夜與四季課程學習,每組學習者藉由 轉動地球來觀察相關螢幕中其他場景的變化。對於學習者來說,擴增實境的操作 方式並不會過於複雜而影響學習,且學習者不受時間及空間的限制,且能在自己 熟悉的環境中學習,讓情境認知更加具體化。研究結果顯示擴增實境確實改善 了學習者在地球科學領域上的學習成效以及學習意願(如圖 2-6)。. 圖 2-6 擴增實境應用於晝夜與四季課程. 30.

(41) 在倉儲管理及商品運輸課程中,教師並沒有提供那麼多的機會讓學習者進行 實務練習,所以 Jermann、Zufferey 與 Dillenbourg (2008)利用 TinkerLamp 軟體建 置了一個訓練學習者職場工作的環境。TinkerLamp 系統在實務與理論方面做了一 個很好的結合。此學習環境中之模型均貼有辨識圖卡,並利用攝影機將虛擬回饋 擴增至模型上,學習者透過貨架、手套、碼頭、與辦公室等擬真縮小模型進行互 動教學以瞭解課程的理論基礎。3D 的呈現方式對於學習者的空間概念上有很大 的助益,也能增強學習者由擴增實境系統到平面設計圖的學習遷移能力(如圖 2-7)。. 圖 2-7 擴增實境系統與倉儲平面設計圖 擴增實境系統在教育領域上已有越來越多的應用,但是仍尚未普及與推廣至 學校課程中,因此,Lee (2012)認為擴增實境在教育上之應用應朝以下方面進行發 展:互動(Interactive)、簡單(Simplicity)、情境資訊(Contextual information)。. 參、數位學習環境策略 在數位學習環境下進行學習,學習者在知識建構方面更具主動性,且更能引 發學習者的學習動機及學習態度。數位學習環境中的虛擬實境及擴增實境技術具 備良好的學習遷移能力,它能使學習者已習得的知識轉移到實際的情境中,讓學 習更具效率(Alessi & Trollips, 1985)。施吉安(2002)研究發現將數位學習環境融入 31.

(42) 自然與生活科技課程學習者的接受度高達 77.2%,可見學習者對於虛擬實境及擴 增實境的教學方式皆頗感興趣,且具高度的參與意願。但是哪一種數位學習環境 較能提高學習者的學習成效與學習態度,卻鮮少有研究針對此部分進行探討,因 此,本研究欲探討在不同數位學習環境中對於國小六年級學習者學習晝夜與四季 課程之學習成效和學習態度之影響。. 32.

(43) 第四節 學習引導策略 在教學活動中,教師不是將課本上的知識直接灌輸給學習者,而是預先規劃 情境,透過引導的方式激發學習者的求知欲望,並以系統化的方式將知識內容編 碼到長期記憶中(Gagné, 1985)來增強學習者問題解決的能力。以下就學習引導的 意涵、學習引導對學習成效之影響分別進行探討。. 壹、學習引導的意涵 引導策略為學習者在學習過程中,教師透過不同的教學方法協助學習者學習, 教學會變得更有效果(Akdemir & Koszalka, 2008),進而達到教學目標(張春興, 1996)。Hill 與 Hannafin (2001)提出以下四種學習引導方式:概念引導、問題引導、 程序引導及策略引導。其中程序引導策略不僅能逐步指引學習者思考方向,還能 幫助學習者完成學習任務,並協助學習者建構新的知識內容以達到更深層的認知 發展(Veerman, Andriessen, & Kanselaar, 2000)。由於晝夜與四季課程單元對於國小 六年級學習者而言屬於較進階的知識應用課程,因此本研究以程序引導策略引領 學習者進入高階的思考過程來學習應用課程方面的知識內容。問題引導策略 能讓學習者主動檢視、測試、與修正既有的想法(Davis, 2000)。而晝夜與四季 課程單元為學習者在日常生活中所能接觸到的現象,但學習者對現象形成的原因 易產生迷思概念,故本研究利用問題引導策略來鼓勵學習者進行反省思考來達到 既有知識重整以改正舊有的迷思概念。以下分別就「程序引導策略」 、 「問題引導 策略」兩種不同的學習引導策略類型進行探討:. 一、程序引導策略 程序引導學習是以課程學習目標為主軸,透過提示概念的方式幫助學習者在 學習環境中進行觀測、獲取資訊及執行學習任務(Azevedo, Verona, & Cromley, 2001)。Zembal-Saul 等人(2002)認為提供程序性引導能幫助學習者降低認知負荷, 33.

(44) 並矯正學習者的迷思概念。程序引導對於批判能力的培養也頗具影響力。Teo 與 Chai (2009)對於影片製作課程提出四階段批判思考之程序引導,其說明如下: 1.參與者確認學習目標、觀眾、教師:在任何批判之前,確定目標觀眾與教師, 盡可能的與其他參與者分享相關的資訊,這對於之後的評量是有用的 2.參與者評估優勢並提出改善的意見:第一個原因為基於批判禮儀,第二則為透 過第一作者的視角容易察覺設計的優點與缺點 3.參與者評估缺點並提出改善的意見:所有的參與者對於設計不好之處提出自己 的意見,這些意見能夠引發更深層的討論 4.參與者總結要點:總結討論提供觀眾有效且快速的了解重點。總結的訓練方式 也廣泛的應用在商業或工業的領域(Powers, 1992; Reid, 2002)。 由此可知,四階段批判模式提供詳細的程序引導,讓學習者依循著批判的過 程來進行有效地思考。程序引導就像是一張網路地圖,給予學習者批判的範圍與 過程,為了獲得最大的好處,批判最好透過合作來完成,而非個人。. 二、問題引導策略 問題引導學習是以學習者為中心的教學方式,它不但是一種課程的組織方法, 更是一種學習的過程。在課程開始之前,由學習者主動進行問題解決的過程,包 含尋找關鍵點、界定問題、釐清缺乏或已有的資訊,其後再進一步彙整相關的資 訊。經過無數次的假設、探索、推論與驗證等過程,歸納出問題可能的答案(陳錦 儒,2010),這種學習方式能有系統的培養問題解決能力。問題引導中的每個問題 皆給予學習者思考的機會以逐漸地建立學習者邏輯思考的能力,進而建立良好的 科學學習態度(莊啟宗,2006)。問題引導策略模式大致可分七個階段(鄭靜瑜, 2002): 1.提示舊經驗:教師提供學習內容的方向與重心,並規劃銜接先備知識與此單元 所要學習的新概念之橋樑 34.

(45) 2.設計問題情境:以提問概念的方式引導學習者專注於解決問題中 3.推論:學習者於真實情境中根據本身的直覺思考寫出可能之答案 4.設計驗證:藉由搜尋、探索、分析或其他的方式來習得資訊,這樣不僅能激發 學習者學習興趣,還有助於幫助學習者發現其他知識 5.解釋:鼓勵學習者對於習得的知識與經驗作合理的解釋,這樣不僅能協助學習 者組織歸納知識,還能加強對知識的理解。 6.教師的概念引入:教師針對學習者較不了解的部分進行補充說明 7.知識的推廣及應用:學習者將他們所學習到的概念轉移到不同情境中,且能應 用所學於日常生活,或將類似的概念與其他科目相互連結 綜合上述可知,問題引導策略是以學習者的先備知識為出發點,透過提問的 方式讓學習者發現與解決問題。在教學活動中教師適當的給予提示能鼓勵學習者 進行問題探索,並可引發學習者對於學習內容進行反思,以便建構個人的知識與 意義(Soloman, 1987)。. 貳、學習引導對學習成效之影響 在教學過程中學習者主動去發現概念或問題比傳統式教學還更花時間,所以 長期受到時間因素而影響學習進展。學習者因為課程時間之限制,面對較複雜、 需要探索及容易出錯的學習單元,往往容易造成本身思考上的錯誤,當學習者遭 遇學習困難時也容易失去學習動機與信心,以至於無法達到原有的教學效果。因 此,若教師藉由學習引導的方式,引導學習者依循正確的思考路線前進,對整個 學習過程加以掌控以減低錯誤的發生,或許能降低因為學習失敗而產生的挫折感 (施信宏,2004)。而對於不同學習能力的學習者而言,認知負荷理論認為在學習 的一開始就要界定學習者的程度,因為工作記憶的侷限,當面臨工作記憶負荷大 的學習環境,對於工作記憶容量小的學習者總是感到心力交瘁,因為他們無法依 照一連串的講解來完成教師課業上的要求,因此無法跟上教師教學的進度,最後, 35.

參考文獻

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