以眼球追蹤技術探討先備知識、閱讀歷程以及科學閱讀理解的關係

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士班碩士論文指導教授：楊芳瑩. 博士. 以眼球追蹤技術探討先備知識、閱讀歷程以及科學閱讀理解的關係 Using eye tracking technology to explore the relations among prior knowledge, reading process and science-text comprehension. 研究生：王琇怜. 撰. 中華民國一零四年六月.

(2) 誌謝此篇論文的完成得之於人者太多，首先，感謝指導教授楊芳瑩老師，老師給予的指導與身、心靈上的支持，是我完成此篇論文的最大推手。同時，老師也給我很大的自由度，讓我能在研究所的課程與論文研究之外，還能修習教育學程以及進行生涯探索，讓我在就讀研究所的過程中，更確立自己未來的志向。除了指導教授外，也感謝洪逸文老師、陳建廷老師以及師大化學系的邱智宏教授，謝謝你們在此研究施測過程的支持，特別是在詴題設計與評分規準設計上的專業協助。在此，也為因施測進行而帶來的不便向老師們表達歉意。另外，感謝此研究的受詴者們，因為有你們的參與才能讓此研究順利進行與完成。接下來要感謝的是楊老師研究室的夥伴們：靜文姊、怡君學姊、俐陵學姊還有育芬，無論是在儀器操作的協助、論文與課程內容的討論、行政事務的處理、施測進行的陪伴……等等，都受到研究室同伴的大力協助，除了以上的支持外，也謝謝你們給予我經驗的傳授與分享，讓我在面對困難與低潮時，能夠快速地克服難關。此外，亦感謝碩士班的朋友們：子深、緯宏、郁欣、毅中、上維……，在修習研究所課程、教育學程以及論文研究的過程，都受到了你們的幫忙，尤其是修課及所上事務的資訊分享，讓我不致於脫節；另一方面，因為有你們的陪伴與課外活動的邀請，讓我的研究所生活更加地豐富。最後，感謝我的家人們，不僅僅是經濟上的支持，亦是我精神上的支柱，讓我能心無旁鶩地完成碩士學位。總而言之，此篇論文並非以我一己之力即能完成，謝謝所有曾經協助、關心我的人們，因為你們，我才能順利完成這個學習階段，邁向未來。. I.

(3) 摘要對於大部分的學生來說，閱讀科學文本是學習科學知識的主要方法與來源，然而學生在科學文本的閱讀理解表現各有不同，若能了解學生的先備知識對於閱讀歷程以及科學閱讀理解的影響，將有助於促進學生的科學學習成效。在本研究中，首先測驗 40 位高中受詴者對施測文本相關概念的理解程度，並以眼球追蹤技術記錄受詴者閱讀科學文本的歷程，最後使用理解測驗測詴受詴者對於文本的理解狀況，以了解先備知識、閱讀歷程和閱讀理解間的關係。在資料分析方面，研究者利用前測結果進行變異數同質性分析來區分受詴者的先備知識程度，分為高、中、低三組，並且依據分組對眼球追蹤的數據與後測資料進行描述性統計、單因子變異數（one-way ANOVA）分析及帄均值等式穩健測詴，再以皮爾森相關係數檢定以了解閱讀理解與眼球追蹤數據的相關性。研究結果發現，先備知識的差異與學生在科學文本上的閱讀理解有關，先備知識高比先備知識低的學生具有較佳的閱讀理解。眼球追蹤的數據顯示，先備知識與學生在閱讀「研究方法」的帄均凝視時間、「根據資料而形成之科學推論與解釋」的回視次數、「預測模式圖」與「預測模式關鍵圖區」的帄均凝視時間、「預測模式圖」的第一次閱讀凝視時間、「數據趨勢」文字描述的總閱讀時間與總凝視時間、第一次凝視時間等眼動形式有關。閱讀理解與眼球追蹤數據的相關分析發現，讀者的視覺注意力分配與閱讀理解具有相關性，整體、文本內容閱讀理解較佳且能應用文本概念於不同情境下進行推論與解釋之讀者針對文章中「數據趨勢」的文字描述具有較少的視覺注意力分配，並在「背景知識」文字描述、「根據資料而形成之科學推論與解釋」有較多的回視次數，在「背景知識圖」有較少的第一次閱讀凝視時間，顯示閱讀理解層次較高的學生會有較多的訊息整合以幫助閱讀理解。. 關鍵字：科學文本、先備知識、眼球追蹤、閱讀歷程、閱讀理解. II.

(4) Abstract There were three purposes of this study: one was to explore the relation between reader’s prior knowledge and science-text comprehension, another was to investigate the association between reader’s prior knowledge and reading process, the other was to explore the relation between reader’s reading process and science-text comprehension. Participants were forty senior-high students whose eye movements were recorded by the eye tracking system as they were reading a popular science article adopted from Scientific American. They were separated into three groups by the prior knowledge test. The article discussing the ocean acidulation contains text and graphic information. It was presented as 9 slides displayed on the computer screen. After reading the article, students were given a posttest for assessing their text comprehension. One-way ANOVA and Pearson correlation analysis were employed for data analysis. One-way ANOVA indicated that students with medium prior knowledge, compared to those with low prior knowledge, displayed higher visual attention to the text zone about research methods, trends of data, scientific inference and explanations based on data, and in prognostic chart. Those with high prior knowledge demonstrated less early information processing on the text zone about trend of data and prognostic chart. The correlation analyses demonstrated that students who showed higher science-text comprehension paid less visual attention to the text zone of the data trend, and displayed less early information processing on the graph of background knowledge. Meanwhile, they would show more later information processing including re-reading on the text zone about background knowledge, and scientific inference and explanations based on data. It was concluded that the students of higher text comprehension were more able to integrate relevant information. Key words: science-text, prior knowledge, eye-tracking, reading process, reading comprehension III.

(5) 目錄誌謝..............................................................................................................................Ⅰ 中文摘要......................................................................................................................Ⅱ 英文摘要......................................................................................................................Ⅲ 目錄..............................................................................................................................Ⅳ 圖目錄..........................................................................................................................Ⅶ 表目錄..........................................................................................................................Ⅷ 第一章緒論................................................................................................................1 第一節第二節第三節第四節第五節. 研究背景與動機....................................................................................1 研究目的與待答問題............................................................................2 研究範圍與研究限制............................................................................3 研究的重要性........................................................................................4 名詞解釋................................................................................................4. 第二章文獻探討........................................................................................................7 第一節先備知識和文本閱讀理解....................................................................7 一、純文字文本之閱讀理解模式................................................................8 二、多重形式文本之閱讀理解模式..........................................................10 第二節眼球追蹤技術......................................................................................11 一、眼球追蹤技術之原理..........................................................................11 二、眼球追蹤技術的應用與眼動指標......................................................12 第三節應用眼球追蹤技術探究先備知識與科學閱讀歷程，以及科學閱讀歷程與理解之關係..................................................................................14 一、先備知識與閱讀歷程之關係..............................................................14 二、科學閱讀歷程與理解之關係..............................................................15 第三章研究方法......................................................................................................17 第一節研究對象..............................................................................................17 第二節研究工具..............................................................................................18 一、軟、硬體設備.......................................................................................18 二、閱讀材料...............................................................................................19 三、紙筆測驗..............................................................................................20 第三節研究設計與施測流程..........................................................................21 一、先備知識測驗（前測）......................................................................22 二、眼動儀器的校正..................................................................................22 三、閱讀施測材料......................................................................................22 四、閱讀理解測驗（後測）......................................................................23 第四節資料分析..............................................................................................23 一、先備知識測驗之結果與分組..............................................................24. IV.

(6) 二、先備知識與閱讀理解測驗之分析......................................................25 三、先備知識與閱讀歷程之分析..............................................................26 四、閱讀歷程與閱讀理解之分析..............................................................30 第五節研究歷程..............................................................................................30 一、研究工具的準備..................................................................................30 二、正式施測..............................................................................................32 三、結果和資料分析..................................................................................32 第四章資料呈現與分析..........................................................................................33 第一節先備知識測驗結果與分組..................................................................33 第二節先備知識與閱讀理解測驗之分析......................................................35 一、閱讀理解測驗結果..............................................................................35 二、先備知識與閱讀理解之變異數分析..................................................36 第三節先備知識與閱讀歷程之分析..............................................................38 一、先備知識與所有頁面眼動資料之交叉分析......................................39 二、先備知識與各區域眼動資料之交叉分析..........................................40 第四節閱讀歷程與閱讀理解之分析..............................................................55 一、閱讀理解測驗與所有頁面眼動資料之相關分析...............................56 二、閱讀理解測驗與「研究目的」眼動資料之相關分析......................56 三、閱讀理解測驗與「研究方法」眼動資料之相關分析......................57 四、閱讀理解測驗與「數據趨勢」眼動資料之相關分析......................58 五、閱讀理解測驗與「根據資料而形成的科學推論與解釋」眼動資料之相關分析..............................................................................................60 六、閱讀理解測驗與「預測模式」眼動資料之相關分析......................61 七、閱讀理解測驗與「背景知識」眼動資料之相關分析......................62 第五章綜合討論與展望..........................................................................................66 第一節研究結果與討論..................................................................................66 一、先備知識測驗與分組之結果討論......................................................66 二、先備知識與閱讀理解測驗之分析結果討論......................................67 三、先備知識與閱讀歷程的分析結果討論..............................................68 四、閱讀歷程與閱讀理解之相關分析結果討論......................................70 五、待答問題之回應..................................................................................76 第二節教育上的意涵......................................................................................79 第三節未來展望..............................................................................................80 參考文獻......................................................................................................................82 附錄一先備知識測驗..............................................................................................87 附錄二閱讀理解測驗..............................................................................................88 附錄三先備知識評分規準......................................................................................90 附錄四閱讀理解測驗評分規準..............................................................................92. V.

(7) 附錄五. 各頁面文本區域分類..................................................................................95. VI.

(8) 圖目錄圖 2-1.1 圖 2-1.2 圖 3-1.1 圖 3-3.1 圖 3-4.1 圖 3-4.2 圖 3-5.1. 純文字文本之閱讀理解模式.......................................................................8 多重形式文本之閱讀理解模式.................................................................10 硬體設備與接線示意圖.............................................................................19 施測流程圖.................................................................................................23 先備知識分組之閱讀理解測驗分數統計流程圖.....................................26 各文本區域劃分之範例.............................................................................28 準備研究工具之流程圖.............................................................................31. 圖 4-1.1 先備知識測驗分數分布圖.........................................................................33 圖 4-2.1 閱讀理解測驗分數分布圖.........................................................................35 圖 4-3.1 (a)高先備知識組、(b)中先備知識組、(c)低先備知識組之眼動軌跡圖 38. VII.

(9) 表目錄表 2-2.1 表 3-1.1 表 3-4.1 表 3-4.2 表 3-4.3 表 3-4.4 表 4-1.1. 眼球移動的類型與指標的規準.................................................................13 研究樣本人數資料.....................................................................................18 先備知識測驗評分規準.............................................................................24 閱讀理解測驗評分規準.............................................................................25 各區域類別之主要闡述內容與定義.........................................................27 本研究所使用之眼動指標說明.................................................................29 先備知識測驗分數之描述性統計.............................................................34. 表 4-1.2 表 4-2.1 表 4-2.2 表 4-3.1 表 4-3.2. 先備知識分組之統計結果.........................................................................34 閱讀理解測驗分數之描述性統計.............................................................36 各先備知識組別之閱讀理解測驗分數的統計結果.................................37 各先備知識組別之所有頁面眼動資料的統計結果.................................39 各先備知識組別之「研究目的」眼動資料的統計結果.........................40. 表 4-3.3 各先備知識組別之「研究方法」眼動資料的統計結果.........................42 表 4-3.4 各先備知識組別之「數據趨勢(文)」眼動資料的統計結果...................43 表 4-3.5 各先備知識組別之「大氣數據趨勢圖」眼動資料的統計結果.............45 表 4-3.6 各先備知識組別之「海洋數據趨勢圖」眼動資料的統計結果.............46 表 4-3.7 各先備知識組別之「數據趨勢」圖文交互閱讀的統計結果.................46 表 4-3.8 各先備知識組別之「根據資料而形成之科學推論與解釋」眼動資料的統計結果..................................................................................................47 表 4-3.9 各先備知識組別之「預測模式」眼動資料的統計結果.........................48 表 4-3.10 各先備知識組別之「預測模式關鍵圖區」眼動資料的統計結果.........50 表 4-3.11 各先備知識組別之「預測模式全圖區」眼動資料的統計結果...........51 表 4-3.12 各先備知識組別之「預測模式」圖文交互閱讀的統計結果...............52 表 4-3.13 各先備知識組別之「背景知識」眼動資料的統計結果.......................53 表 4-3.14 各先備知識組別之「背景知識圖」眼動資料的統計結果...................54 表 4-3.15 各先備知識組別之「背景知識」圖文交互閱讀的統計結果...............54 表 4-4.1 閱讀理解測驗分數與所有頁面眼動資料的 Pearson 相關分析結果.......56 表 4-4.2 閱讀理解測驗分數與「研究目的」眼動資料的 Pearson 相關分析結果.57 表 4-4.3 閱讀理解測驗分數與「研究方法」眼動資料的 Pearson 相關分析結果.57 表 4-4.4 閱讀理解測驗分數與「數據趨勢」眼動資料的 Pearson 相關分析結果.59 表 4-4.5 閱讀理解測驗分數與「根據資料而形成的科學推論與解釋」眼動資料的 Pearson 相關分析結果........................................................................60 表 4-4.6 閱讀理解測驗分數與「預測模式」眼動資料的 Pearson 相關分析結果.61 表 4-4.7 閱讀理解測驗分數與「背景知識」眼動資料的 Pearson 相關分析結果.63 表 5-1.1 先備知識分組與眼動資料分析後達顯著之區域、指標與趨勢...............76 表 5-1.2. 閱讀理解與閱讀歷程分析後達(接近)顯著相關之區域、指標與趨勢...77. VIII.

(10) 第一章. 緒論. 此章節將分別敘述本研究的「研究背景與動機」、「研究目的與待答問題」、「研究範圍與限制」、「研究的重要性」與本文中關鍵詞的「名詞解釋」，讓讀者能夠大致上了解本研究的框架、限制與內涵，以及關鍵詞在本研究中的定義。. 第一節. 研究背景與動機. 隨著科技日新月異地進步，學生已經可以藉由各式各樣的媒體、素材獲得科學知識，例如：以科學題材為背景的電影、電視或廣播中播放的科普節目，以及科學相關的新聞、報章雜誌、百科全書、科普書籍、教科書……等，無論是在課堂中或是放學後，學生最常藉由文本進行學習（Verhoeven & Perfetti, 2008）。但不論是教科書或是科普文章都不可能完整呈現閱讀所需的基本科學知識與概念，因此，在閱讀理解的過程中，閱讀者的先備知識即扮演了重要的角色。過去五十年以來，字彙知識和先備知識被反覆地研究，並且皆指出與文本理解有密切的相關（高麗娟，1993）。許多學者已使用基模理論廣泛地研究先備知識和閱讀理解的關係（Stahl, Jacobson, Davis & Davis, 1989）。而所謂的基模即為個體用以了解周圍世界、吸收知識的認知結構（張春興，1996）。根據基模理論，閱讀者的基模或是其已組織對於世界的知識，會大量地提供閱讀者在理解、學習、記憶文本中觀點上的基礎（Anderson, 1984）。Johnston（1984）也提出具有較多先備知識的人比起較少先備知識者有較好的理解。Ausubel（1968）亦主張影響學生學習的首要因素是先備知識，即有意義的學習是建立在學生能有意義地結合新知識到現有知識結構中。除上述研究外，近期的實證研究亦有相同的結. 1.

(11) 論，並有部分學者指出先備知識在閱讀理解歷程中所扮演的角色（Kendeou & Broek, 2007；Tarchi, 2010），因此，先備知識在科學文本的閱讀理解和科學學習上的影響是相當重要的。雖然先備知識與閱讀理解的關係已經被廣泛地研究，但過往的研究方法大多僅利用閱讀理解的紙筆測驗探討先備知識對理解的影響，較少討論其閱讀歷程的情況和差異。此外，傳統進行閱讀相關研究的方法大多以放聲思考（think-aloud）為主，此方法易受到受詴者口語表達以及施測者的理解和受詴者訊息之一致性的影響，而造成施測的困難和誤差。Veenman等人（2006）指出放聲思考會打擾且會引發思考的過程，使得認知資源從執行初級任務中分心。近年來，隨著眼球追蹤技術（眼動儀）的發展，而能蒐集閱讀者在閱讀過程中的眼球凝視點資料來了解讀者的閱讀歷程，促使與閱讀理解相關的研究有了更明確、有效的方法。眼球追蹤技術較不會打擾讀者的閱讀過程，並且能讓讀者在一般的閱讀情況下進行閱讀（Ariasi & Mason ,2011）。因此，在本研究中，將透過眼動儀對讀者視覺注意力落點與時間的紀錄來探討先備知識的差異對於閱讀歷程與閱讀理解的影響，以及閱讀理解與閱讀歷程的相關性。. 第二節. 研究目的與待答問題. 本研究有三項研究目的，一為透過閱讀理解的紙筆測驗確認讀者先備知識差異與科學文本閱讀理解的關係；二為透過眼球追蹤技術探討不同先備知識的閱讀者在閱讀科學文本的過程中，如何分配其視覺注意力，也就是先備知識的多寡與其閱讀歷程的關係；三為藉由眼球追蹤技術了解閱讀歷程與閱讀理解間的相關性。本研究的閱讀材料包含了地球科學和化學的相關知識，因此，先備知識並非侷限於單一科目的內容，而是包括跨學科的知識。. 2.

(12) 由上述可知，本研究將了解「不同先備知識的讀者在閱讀科學文本上的理解差異」、「先備知識的多寡與閱讀歷程的關係」以及「閱讀歷程與閱讀理解間的相關性」。因此，針對這三個目的，本研究提出三個研究問題，如下所述： 1. 在閱讀完科學文本後，具有不同先備知識的讀者之閱讀理解狀況為何? 2. 在閱讀科學文本時，具有不同先備知識的讀者，其視覺注意力的分配狀況是否有所差異？ 3. 在閱讀科學文本時，讀者的視覺注意力分配狀況與閱讀理解是否具有相關性？. 第三節. 研究範圍與研究限制. 因為受到研究對象與本研究使用的科學文本，以及所設計的研究工具、研究方法的限制，本研究結果在推論上可能會受到某些條件的限制。在此，將本研究的研究範圍與限制列舉如下： 1. 眼球追蹤技術主要是基於 Just 和 Carpenter（1980）的心眼假設，即眼球的落點就是注意力分配的位置，但仍有小部分會影響注意力分配的其他心理因素，則不在此研究的討論範圍。 2. 本研究的研究對象為高中生，由於不同階段的學生之學習科學時間與廣度會有所差異，因此本研究結果推論到不同學習階段的學生時需較為保守。 3. 本研究之文本形式為說明型文本，且研究材料為科學文本，科學文章的描述方式、對自然現象及相關事物的解釋方式與一般文學文章、小說或故事不同（Yore & Shymansky, 1991），故若要推論至其它文本形式（如：論說文）或其他種類的文章（如：反駁式文本）則需要再進一步研究。 3.

(13) 第四節. 研究的重要性. 此節將依據本研究的研究目的、選用的科學文本兩個面向探討此研究的重要性。 1.. 本研究將會利用眼動資料對不同先備知識、閱讀理解的受詴者進行閱讀歷程的討論與比較，在教育現場中的學生並不一定具有相同的先備知識，假若教師能夠了解學生先備知識的差異與閱讀歷程、閱讀理解的關係，則教師可以在學生閱讀科學文本時，給予學生適當的閱讀指導。. 2.. 本研究的科學文本取材於《科學人》雜誌，《科學人》雜誌為科普、科學議題、科學概念傳播的媒介之一，其讀者相當多元，而每個讀者所具有的先備知識、閱讀歷程並不完全相同，假若欲讓每位讀者皆能理解文本中的內容，則需考量到讀者的先備知識與閱讀歷程、閱讀理解的關係，如果文本的作者或編輯者能夠將此關係納入文章撰寫與編輯上，應可幫助不同先備知識、閱讀歷程的讀者達到更好的閱讀理解。. 第五節. 名詞解釋. 1. 先備知識. 先備知識為學習者在進行學習或閱讀某事物時，其已經具有與之相關的概念、知識，即為學習者已組織過的相關認知結構。本研究中所指的先備知識為受詴者在閱讀研究材料前，對於「海洋酸化」、「碳酸鈣補償深度」、「化學帄衡-勒沙特略原理」的認知和理解。. 4.

(14) 2. 視覺注意力 William James（1980）指出注意力是由心智所控制，在一系列的想法或多種同時出現的物件中，使其中之一以清晰、逼真的形式呈現，並且有知覺地集中、專注在其精髓上。也就是說，視覺注意力是將注意力聚焦在視覺範圍內出現的某個物件上。 3. 閱讀理解 Kintsch（1998）將理解分為兩個層次：「以文本為主」和「情境模式」，以文本為主是對於文本中呈現訊息的命題表徵，即可將文本中的語意訊息組織成有結構的命題，而情境模式則是需要讀者將文本提供的訊息與其先備知識進行整合後才能達到。本研究的測驗除了以文本為主的閱讀理解外，更加著重於情境模式的層次。 4. 閱讀歷程在本研究中所稱之閱讀歷程為受詴者閱讀研究材料時，透過眼動儀設備所記錄的視覺注意力之分佈狀況與時間。本研究將選取數項眼動指標，如凝視時間、回視次數、圖文交互閱讀等，作為閱讀歷程的表示方式。 5. 凝視點凝視是在閱讀過程中的短暫停留，凝視點即為閱讀者的雙眼於閱讀時所聚焦、注意、停留的位置。從心眼假設可以知道一般人眼睛凝視的位置，就是認知處理的部分。 Rayner（1998, 2009）指出，一般而言，凝視長度的範圍為 100~500 毫秒，視閱讀材料而定。為避免忽略凝視點，本研究以 100 毫秒為凝視點的基準。 6. 回視在科學文本中包含許多不同屬性的內容，例如：研究目的、研究方法、 5.

(15) 數據趨勢、背景知識等，文本內容依照屬性分類而有不同區域，若讀著依照文章順序閱讀時，因某些因素再回頭閱讀前面區域的文本時，則稱為回視。 Rayner（1998）認為回視通常代表讀者對此部分的資訊進行整合或重新理解語意。即為晚期的訊息處理。 7. 圖文交互閱讀在此研究中所指的圖文交互閱讀為在同一頁面中之圖片與文字描述間的交叉閱讀。在閱讀具有圖文的科學文本時，若讀者的前一凝視點位於文字區域，而下一凝視點位於圖片區域，則視為一次圖文交互閱讀，相反的，若讀者的前一凝視點位於圖片區域，而下一凝視點位於文字區域亦為一次圖文交互閱讀。 8. 再閱讀凝視時間因文本會依據屬性而分為不同區域，在讀者第一次進入該區域閱讀後，因故離開至其他區域閱讀，又再次回到該區域的凝視時間即為再閱讀凝視時間，亦屬於晚期的訊息處理。因此，本研究中所指之再閱讀凝視時間是在閱讀文字區域時，除了第一次閱讀的凝視時間外，之後在同一區域的所有凝視時間總和。. 6.

(16) 第二章. 文獻探討. 本研究欲探討之問題為先備知識、閱讀歷程和閱讀理解間的影響，並以眼球追蹤技術做為閱讀歷程之研究工具，因此，在文獻探討的這個章節，將回顧三部分的相關文獻，一為先備知識和文本閱讀理解的關係，二為眼球追蹤技術，三為眼球追蹤技術在先備知識、閱讀理解和閱讀歷程的應用。. 第一節. 先備知識和文本閱讀理解. 此節將探討先備知識和文本閱讀理解的關係。閱讀者對於某主題的相關知識深深影響其文本閱讀理解的成效，這是因為明確出現在文本中的資訊通常並不足以讓讀者建構出與文本所描寫之情境一致的心智表徵，而是需要仰賴閱讀者的先備知識（Kintsch, 1988, 1998）。為了支持這個主張，實證研究證實閱讀者的先備知識增進並改善文本理解，特別是科學文本常使用的說明文（expository）材料（Afflerbach, 1986；Chi, Feltovich, & Glaser, 1981）。一般來說，學者皆同意文本的理解包含由下而上的文字辨識過程和由上而下的理解過程（e.g. Perfetti, 1999）。而由此兩種過程的閱讀理解互動模式（e.g. Kintsch, 1998；Just & Carpenter, 1987）也為閱讀理解發展之個人差異方面的研究提供了最佳的架構。現今大多數的文章都不只包含了文字的敘述，也具有圖片的呈現，使得讀者在理解文章時，需對不同來源資訊進行整合與彈性使用，例如：語言、文字的資訊和圖片的訊息（Verhoeven & Perfetti,2008）。過去數十年來，文本研究領域已經偏向以記憶為基礎和建構主義觀點的整合模式，在此，將介紹兩種重要的閱讀理解模式，分別是：純文字文本之閱讀理解模式（e.g. Perfetti, 1999；Kintsh, 1998）以及多重形式文本之閱讀理解模式（e.g. Paivio,1986；. 7.

(17) Verhoeven & Perfetti, 2008）。一、純文字文本之閱讀理解模式. Written text （純文字文本）. Orthographic units (文字形態成分). Phonological units (語音成分). Word identification (文字辨認) Word representation(文字表徵) Word-to-text integration (字詞至文本整合). Sentence representation(句型表徵). Text model (文本模式). Situation model (情境模式). Prior knowledge(先備知識). 圖 2-1.1. 純文字文本之閱讀理解模式（譯自 Perfetti, 1999）. 圖 2-1.1 呈現純文字之閱讀理解模式，此模式之理解過程分為兩個階段，第一階段為字詞辨識，第二階段為字詞至文本的整合。閱讀者在閱讀文本時，起始. 8.

(18) 於字詞的辨識，這個過程也包含了從視覺輸入的語言表徵（Verhoeven & Perfetti, 2008）。根據 Perfetti 與 Hart（2001）所提出的詞彙質量假設，主張讀者的閱讀技巧取決於讀者對字詞的知識，包含拼字、語音、形態與字義的精確表徵。在讀者對於字詞進行表徵的同時，即開啟了字詞至文本的整合。雖然關於字詞歸屬語法結構的理論各有不同（MacDonald, Perlmutter, & Seidenberg, 1994；Frazier & Clifton, 1996），但各研究者皆同意每個字詞會立即地歸屬成為語法上的詞組。透過詞組的產生，讀者即可參照字詞的意義來形成文本語意的表徵，因此才能理解文本中描述的情境。故讀者若欲理解文本內容，就必頇依據文章所提供的訊息結合成句子的意義。然而，許多文本理解的理論模式，例如：建構整合模式（construction-integration model, CI model）、景觀模式（landscape model）以及共振模式（resonance model），都認為文本理解無法僅藉由出現在文本中的訊息即能達到，閱讀者還需要利用他們的先備知識去建構與其個別經驗和情境相關的新知識（Verhoeven & Perfetti, 2008）。目前被廣泛運用的文字閱讀理解模式為 Kintsch（1998）所提出建構整合模式（CI model），此模式將文本閱讀理解分為「以文本為主」和「情境模式」兩種層次。讀者必頇達到文本的理解才能夠建構情境模式，但是因為文本不可能描述所有的訊息，故讀者會運用先備知識建構文字意義，然後整合前後文字而形成詞句意義，這樣的過程隨者閱讀歷程不斷重複，最後形成情境模式。因此情境模式的構成要素涵蓋：文本的訊息、基於文本的推論、相關的先備知識以及基於文本和先備知識的推論（Kintsch, 1998）。對於讀者而言，情境模式可以幫助他們辨別並定義問題、具體描述問題解決的原因、產生解決已定義問題的策略、評論解決的成果（cf. Zwaan, Kaup, Stanfield, & Madden, 2001）。. 9.

(19) 二、多重形式文本之閱讀理解模式隨著科技的進步與多媒體的使用，現今的文本除文字的描述外，大多具有圖像的資訊，也就是多重形式文本。圖 2-1.2 即為多重形式文本的閱讀過程，其中對於文字語意訊息的理解包括字詞辨識、句子處理、文本模式的建構；圖像資訊的理解則包含圖像模式的建構。針對多重訊息的處理，Paivio（1986）首先提出雙重編碼理論，認為語意訊息與圖像資訊的編碼系統相互獨立且相互連結，過去研究顯示圖像資訊有助於讀者理解複雜的闡述性文本（Ｍarcus, Cooper, & Sweller, 1996；Schnotz, 2005）。同樣地，在多重形式文本閱讀理解模式中，讀者仍需以其先備知識與從文本而得的文本、圖像模式進行整合，以達到情境模式的理解。. Miltimodal text （多重形式文本）. Verbal information (語意訊息). Pictorial information (圖像資訊). Text model (文本模式). Pictorial model (圖像模式). Situation model (情境模式). Prior knowledge(先備知識) 圖 2-1.2. 多重形式文本之閱讀理解模式（譯自 Verhoeven & Perfetti, 2008）. 10.

(20) 第二節. 眼球追蹤技術. 此節將分三部分介紹眼球追蹤技術的原理、眼球追蹤技術的應用，以及常用的眼動指標。. 一、眼球追蹤技術之原理人類的視覺受器一般包含三個部分：中央小窩、旁中央小窩、週邊視力。中央小窩為視網膜的中心，大約為 2 度的範圍，旁中央小窩位於中央小窩的外圍，範圍共約五度，而週邊視力則是旁中央小窩以外者。中央小窩有密度很高的錐狀細胞，敏銳度最高，旁中央小窩次之，周邊視力則最為模糊。因此，為了要將事物看清楚，人們必頇經常地移動眼睛讓感興趣的物件成像落在最敏銳的中央小窩（Liversedge, Gilchrist, & Everling, 2011）。為了能讓標的持續投射於中央小窩，一般將眼球移動的方式分為五種：一為眼球快速移動（saccade），即為凝視點間的移動；二為帄滑追蹤移動（smooth pursuit movement），此方式是為了追蹤正在移動的物體；三為輻奏移動（vergence movement），可使眼睛能在不同距離的物體上聚焦；四為前庭眼移動（vestibulo-ocular movement），此能在移動頭部時讓標的仍能成像在網膜上；五為視覺震顫移動（optokinetic movement），為在持續移動頭部時，讓成像落在中央小窩上（Kandel, 2000）。眼球的移動分為非自發或反射運動，以及受大腦認知系統控制的自發運動。眼球追蹤技術即是隨時間記錄眼球移動的角度範圍，並且經由計算獲得量化的資料，例如：位置、停留時間、停留次數……等。眼球追蹤技術的發展是基於以上所述的眼球移動特徵以及 Just 與 Carpenter （1980）所提出的心眼假設，心眼假設主張眼球的移動直接地提供了注意力位置的動力追蹤，也就是說眼睛凝視的位置，即是注意力集中與訊息處理的位置。. 11.

(21) 二、眼球追蹤技術的應用與眼動指標而眼球追蹤技術發展以來，主要運用在心理學的研究上，眼動的測量揭露了閱讀理解中基礎的認知過程和機制（Rayner, Chace, Slattery, & Ashby, 2006），以及視覺感知等歷程（Liversedge & Findlay, 2000）。一般而言，在閱讀訊息時，眼球的移動包含快速移動的掃視（saccade），以及相對穩定的凝視（fixation）。Rayner （1998, 2009）提出一般凝視的時間範圍為 100 至 500 毫秒，會因為閱讀材料而有所變化。凝視的帄均時間大約是 250 毫秒。掃視的時間則會依度數而改變，一般閱讀情況下，2 度的掃視時間約為 30 毫秒，5 度的掃視時間則為 40 至 50 毫秒。近年來，有越來越多的研究者運用此技術是在於教育研究上（Lai et al., 2013），探討的範圍包含：圖文閱讀的歷程、科學問題解決的過程、不同文本形式的閱讀……等，除此之外，由於電腦與教學多媒體的普及，眼球追蹤技術也常用在多媒體學習的研究上。在眼動的指標方面，常用的指標為：總閱讀時間、凝視點數、帄均凝視時間、感興趣區的花費時間、各感興趣區域的凝視點數、回視數量……等，視研究目地與問題進行選擇。依據測量的規準，Radach 和 Kennedy（2004）將以文字閱讀的指標分為兩個類別：時間規準、空間規準，時間規準視測量時間的指標，而空間規準則是位置。Lai 等人（2013）將眼動的指標分為兩種面向，分別是眼球移動的類型（凝視、掃視、混和）與指標的規準（時間、空間、數量），如表 2-2.1 所示。利用眼球追蹤技術的研究者可根據研究目的選擇所需之量測指標。. 12.

(22) 表 2-2.1. 眼球移動的類型與指標的規準凝視. 掃視. 混和. 時間. 總凝視時間注視(gaze)時間帄均凝視時間第一次凝視時間第一次凝視前的時間再次造訪的凝視時間凝視時間的比例. 掃視時間. 總閱讀時間第一次經過時間再閱讀時間. 空間. 凝視位置凝視序列. 掃視距離. 掃視途徑型態. 數量. 凝視數量. 掃視數量. 帄均凝視數量. 掃視間數量. 再次造訪的凝視數量凝視數量的機率. 13.

(23) 第三節應用眼球追蹤技術探究先備知識與科學閱讀歷程，以及科學閱讀歷程與理解之關係一、先備知識與閱讀歷程之關係近年來文獻上已累積一些運用眼球追蹤技術探究科學閱讀歷程的文章，在此略為介紹。 Kaakinen 和 Hyona（2007）探討立場對闡述性文章理解的影響，在給定一個立場之下，讓大學生對於較熟悉之疾病（高先備知識文本）和罕見疾病（低先備知識文本）的文章進行兩次閱讀，並在第三次閱讀前轉換立場，研究結果指出閱讀過程中的視覺注意力落點會受到先備知識和閱讀立場的影響，其中先備知識幫助組織相關或不相關的文本訊息，並且對於高先備知識文本會較早引發立場影響，而立場則會影響第一次閱讀的時間。 Cook、Wiebe 與 Glenda（2008）利用眼球追蹤技術探討先備知識對讀者閱讀和解釋化學知識中，在宏觀表徵與分子模型表徵的影響，結果指出高先備知識者在分子模型表徵中有較多的交互閱讀，而先備知識低者則在宏觀的表徵有較多交互閱讀的狀況，也就是說高先備知識者會將視覺注意力分配於與概念相關的特徵上，而低先備知識者則僅聚焦在表面的特徵。 Mason、Tornatora 和 Pluchino（2013）以眼動資料探討四年級學生在閱讀圖文科學文本時圖文整合的狀況，進行先備知識與眼動資料的相關分析後，發現先備知識與圖文交互閱讀的次數及從文到圖的凝視時間具有正相關，即具有較多與主題相關的先備知識者較會整合圖文的訊息，而且再閱讀文本時，在圖片的再審視的時間較長。 Yang、Chang、Chien、Chien 和 Tseng（2013）利用眼球追蹤技術探討在真實課室中學習者於多媒體教學（power point）的視覺注意力分配，並在研究中比 14.

(24) 較不同專業背景受詴者的注意力分配差異，結果指出具專業背景的學生在文字區域中展現出較高的視覺注意力，但在圖片區域差異較少，然而注意力的落點明顯較具選擇性並符合概念結構，近一步分析後，發現具專業背景的學生在訊息解碼與整合較佳。 Ho、Tsai、Wang 和 Tsai（2014）以眼球追蹤技術探討先備知識與線上探究學習之科學文本閱讀，結果揭示所有學生皆花費較多時間在文字的訊息上，而高先備知識者比起低先備知識者在圖片上有較長的凝視時間與回視，且有較多圖文與科學數據間的交互閱讀，這顯示高先備知識者能夠整合文字與圖片、科學數據間的訊息，而先備知識低者則會在此遭遇困難。上述的實證研究已透露出先備知識會影響閱讀歷程，而根據前述的純文字以及多重形式文本之閱讀理解模式，可知文本內容會與先備知識整合以形成情境，因此先備知識程度較高者，較能在訊息處理初期就提取相關的先備知識以幫助閱讀理解，而具有較多的後期訊息整合，但是先備知識低者，在初期的訊息處理時，因缺乏先備知識的輔助，使其表現較少的後期訊息處理的歷程。總而言之，先備知識的差異確應會反映於讀者的閱讀歷程，且會對於後期訊息處理之歷程的作用較為明顯。二、科學閱讀歷程與理解之關係除了探究先備知識與科學閱讀歷程，眼球追蹤技術與資料分析，近幾年來也陸續有學者發表科學閱讀歷程與科學理解的相關研究。例如：王又亭（2012）以眼球追蹤技術探討高中生之生物圖文閱讀歷程與概念理解，分析後結果顯示學生在文字的凝視時間較圖片長，且閱讀理解較佳的學生在新資料區有較多的視覺注意力與回視次數，此外，在理論示意圖的凝視點、圖文交互閱讀次數亦較多。 Mason、Tornatora 和 Pluchino（2013）以眼動資料探討四年級學生在閱讀圖文科學文本時圖文整合的狀況，除了對先備知識與眼動資料的分析外，亦對眼動. 15.

(25) 資料與學習成就進行分析，結果指出當閱讀具圖文的文本時，在語意與圖像資訊有較多整合過程者則有較高的學習成就。 O’Keefe、Letourneau、Homer、Schwartz 與 Plass（2014）以眼球追蹤技術探討科學的多表徵學習，結果發現讀者在與概念相關的刺激間進行凝視的轉移，會與不同學習成就有關，且在不同物件間的轉移會有不同的學習成就，可能會具有較佳的概念理解或有較好的學習遷移。 Jian 和 Wu（2015）以眼球追蹤技術探討讀者在閱讀包含具語意與空間表徵的科學圖解時之閱讀策略，研究結果揭露讀者大多利用圖文參照作為閱讀策略，且分析眼動資料與閱讀理解測驗後，結果發現圖文參照閱讀者較僅閱讀文字者有較好的文本理解，且圖文參照者在整篇文章中具有較長的總凝視時間。由上述文獻可以發現閱讀歷程中的注意力分配或變化與閱讀理解間具有相關性，此歷程又以後期訊息處理的多寡為主要的因素，通常具有較多後期訊息處理的讀者，其閱讀理解較好。由於目前文獻多以探討圖文表徵之使用對於閱讀理解的影響，對於闡述式的科學文章探討較少，因此，對於科學文本的閱讀歷程及閱讀理解的關係還有待更多研究進行釐清。. 16.

(26) 第三章. 研究方法. 本研究將探討三個主要的研究問題： 1. 在閱讀完科學文本後，具有不同先備知識的讀者之閱讀理解狀況為何? 2. 在閱讀科學文本時，具有不同先備知識的讀者，其視覺注意力的分配狀況是否有所差異？ 3. 在閱讀科學文本時，讀者的視覺注意力分配狀況與閱讀理解是否具有相關性？根據上述的研究問題，此章將說明本研究的研究對象、研究工具、研究設計與施測流程、資料分析、研究歷程，分述如下。. 第一節. 研究對象. 本研究之受詴者為臺北市某公立高中的一個高一數理資優班（男生班）和兩個高二地科、化學專題研究班的學生。前述班級的學生總人數為 61 人，扣除沒有意願參與研究的學生以及家長同意書勾選不同意者，共有 40 位學生參與此研究，其中包含女生 2 人、男生 38 人，以年級區分，則高一學生 23 人、高二學生 17 人，研究樣本人數資料如表 3-1.1 所示。本研究選用高一數理資優班和高二地科、化學專題研究班的學生，原因有三：第一，高二地科、化學專題研究班的學生在施測學期的前一學期上過與施測材料（海洋酸化）相關的課程，高一數理資優班學生則無，因此，可以推測在所有施測的學生中有先備知識的差異；第二，依據文獻（Gunning, 1996）可知高一以上的學生應已能藉由文章內容的閱讀以理解文章說明的重要概念，並能夠進行推理，. 17.

(27) 故適合用來作為研究閱讀理解的施測對象；第三，閱讀施測材料所需的化學先備知識（基礎的化學帄衡概念）已包含於國中學習課程內，因此，通過升學考詴的高一和高二學生皆具有相關的先備知識，而非無任何先備知識的閱讀。. 表 3-1.1. 研究樣本人數資料. 學校. 人數. 人數. 實際參與並完實際參與並完. （男生，女生）（高一，高二）成研究人數成研究人數（男生，女生）（高一，高二）臺北市某公立高中. 61（58，3）. 61（30，31）. 第二節. 40（38，2）. 40（23，17）. 研究工具. 本節將對於研究所使用的工具進行介紹，分為以下三個部分：一為軟、硬體的部分，乃眼球追蹤技術所使用的軟、硬體設備；二為閱讀材料的部分；三為紙筆測驗的部分，即為研究者所使用的自編測驗。一、軟、硬體設備軟體的部份使用到 Facelab5.0 與 GazeTracker9.0。前者的功能在於取樣、校正和控制紅外線裝置；後者則是用來呈現閱讀材料與紀錄眼球追蹤的資料。在取樣方面，Facelab 的取樣頻率為 60Hz（即每秒進行 60 次的取樣），由於其具備紅外線裝置控制精靈，可使攝影機（Sony FCB-EX480B）在三種不同方式進行設定，以提升眼球追蹤的精準度；此外，Facelab 利用焦點成像的技術，可容許受詴者在閱讀過程中小幅度的頭部移動，幅度為垂直或水帄方向 +/-25mm，在此幅度的頭部移動下，仍然可以保持眼球追蹤的能力；另外，瞳孔角膜模式提供在取樣頻率 60Hz 下，能具有 0.01 度的高度解析度。. 18.

(28) 在硬體方面，使用一部眼動儀、一個外接給受詴者用以閱讀的螢幕（解析度為 1024*768）、鍵盤、滑鼠、螢幕切換器、下巴架，以及兩台品牌為 Dell 的高階筆電，其中一台電腦裝載 Facelab5.0 之軟體以進行校正，並連接眼動儀以收集眼動資料；另一電腦則裝載 GazeTracker9.0，除了呈現文本外，亦用以記錄與儲存眼動資料，兩台電腦間用網路線連接以傳輸資料。如圖 3-1.1 所示。下巴架則是讓受詴者能夠大略固定頭部位置，減少過大的頭部移動，以確保眼球追蹤的穩定性。. 受詴者用螢幕 GazeTracker. FaceLab. 紅外線發射器眼動儀. 螢幕切換器圖 3-1.1. 硬體設備與接線示意圖. 二、閱讀材料本研究閱讀材料取自於 2006 年 4 月出版之《科學人》雜誌，其文章的原著為 Scott C. Doney，由林筱雯翻譯，文章的標題為「海洋酸化的危機」。研究者選用此文章之原因為《科學人》雜誌是科普傳播的重要媒介，不論是學生、教師、一般大眾皆可透過閱讀此類雜誌獲得科學知識，或是藉此了解新興的科學議題，然而，不論是教科書或是此類科普雜誌皆無法在有限的篇幅中記載所有相關的科學概念，特別是描述科學議題的文章；加上，科學議題的文章往往不只包含了單一個學科的內容，而是自然科目的綜合應用。. 19.

(29) 研究者選用「海洋酸化的危機」作為本研究的閱讀材料，該文內容主要描述科學家如何透過觀察、實驗假設、實驗、數據分析……等科學過程驗證海洋酸化的事實，以及海洋酸化可能造成的影響，其內容涵蓋了地球科學和化學科目的科學概念，地科方面的概念主要為全球暖化、海洋酸化、碳酸鈣補償深度；而化學方面則為化學帄衡中的勒沙特略原理、氣體溶解度，其中化學的概念已在國中階段有初淺的教授，而地科概念則會因人而異，尤其是海洋酸化和碳酸鈣補償深度之概念在學校課程中較少提及，需要額外涉獵。確定使用此篇科學文章後，研究者開始著手分析文章中提及的科學概念，並且依據文章本身的描述方式與順序改寫文章以能用電腦呈現文本內容，主要改寫的方式為將文章中與海洋酸化議題較無相關的故事描述去除，保留研究脈絡與主要數據、發現、推論等內容，並且留下科學文章中的圖片與圖說，若圖片較大，則用一頁呈現圖片與圖說，不再外加其他敘述，用最接近科普文章的寫作方式作為改寫原則，改寫後版本經專家審查確認內容無誤。改寫後的內容與次序如下：「大氣中二氧化碳含量的觀察與研究假設、方法和研究發現」、「造成二氧化碳大量增加的原因與證據」、「海洋吸收二氧化碳的實證」、「海洋酸化的情況與程度」、「二氧化碳造成海洋酸化的成因」、「碳酸鈣補償深度的意涵」、「海洋酸化對水中生物的影響」。三、紙筆測驗本研究對受詴者進行的測驗分為前、後測，前測為先備知識之測驗，後測為閱讀研究材料後，對於文本內容的理解測驗。在先備知識測驗的部分，Shapiro（2004）認為與議題相關之先備知識為讀者本身已經建立、存在與文本內容相關的知識，通常利用開放式問答或多重選擇題進行評量。因此，研究者利用開放式問答的形式，請受詴者針對「全球暖化對海洋的影響以及海中二氧化碳濃度的變化」、「過多二氧化碳溶入水中會帶來的影. 20.

(30) 響」、「利於鐘乳石形成的因素與條件」以及「深度大於 5000 公尺之海水中沒有鈣質沉積物之原因」進行回答，前兩題可用以觀察受詴者對於海洋酸化議題了解的程度，後兩題分別為化學帄衡與碳酸鈣補償深度的概念，其中，「過多二氧化碳溶入水中會帶來的影響」由研究者與指導教授、臺北市某公立高中正式地科教師共同討論後完成，其他問答題則是由臺北市某公立高中現職之正式地科與化學教師(共兩名)共同出題。閱讀理解測驗部份，是在受詴者閱讀完施測材料且離開施測儀器後進行。研究者依據施測材料的內容設計了六道開放式問答題，題目可對應到 Kintsch（1998）的閱讀理解分類，此六道題目中有四道題目的答案可直接從閱讀材料中獲得，定義為文本題，另外的兩道題目為不同情境之應用題，此類題目的設計是讓受詴者利用閱讀施測材料後而得之概念應用在不同情境中的推論與解釋，因此受詴者需要運用先備知識並整合閱讀材料內容後才能完整回答，此兩道題定義為情境題。此六道題目同樣地與指導教授、前述之公立高中地科教師進行充分討論後而確立。. 第三節. 研究設計與施測流程. 本研究的實驗設計，是透過電腦呈現閱讀科學文本，閱讀材料由研究者選取自《科學人》，並依據原文的編排方式、圖片搭配進行改寫，主要刪除與主概念（碳循環）較無關係的文字片斷，並經由專家審查後確認閱讀內容。閱讀材料的內容依序說明「大氣中二氧化碳含量的觀察與研究假設、方法和發現」、「造成二氧化碳大量增加的原因與證據」、「海洋吸收二氧化碳的實證」、「海洋酸化的情況與程度」、「二氧化碳造成海洋酸化的成因」、「碳酸鈣補償深度的意涵」、「海洋酸化對水中生物的影響」。. 21.

(31) 本研究施測的流程如圖 3-3.1 所示，包括四個主要的階段：先備知識測驗（前測）、眼動儀器的校正、施測材料的閱讀、閱讀理解測驗（後測）。以下將對施測的四個階段進行說明：一、先備知識測驗（前測）此測驗為開放式問答題之紙筆測驗，主要是測驗受詴者對「全球暖化」、「海洋酸化」、「化學帄衡-勒沙特略原理」、「碳酸鈣補償深度」概念理解的程度。進行前測時，研究者會用口頭詢問受詴者班級、座號、左右眼分別之視力情況，以建立受詴者基本資料，並記錄於受詴者資料表中。研究者未限制受詴者填寫先備知識測驗的時間，以期受詴者能盡其所能地回答問題。二、眼動儀器的校正在進行完先備知識的測驗後，研究者會請受詴者坐至眼動儀前方，並調整座椅與下巴架之高低，讓受詴者能以最適當的姿勢進行接下來的施測材料閱讀。坐姿調整後，利用軟體 FaceLab5.0 進行眼動儀之校正，包含調整紅外線光源的位置、眼動儀器的焦距、眼動儀鏡頭的拍攝仰角、捕捉受詴者的臉部特徵……等，在確定頭部模型之後，即開始進行九宮格校正，校正通過後則可接續下一步驟的閱讀施測流程，若是第一次九宮格校正未通過，則進行二次校正，假使還是未通過，即結束施測。三、閱讀施測材料開始閱讀施測材料前，研究者會以固定的指導語向受詴者說明接下來的施測流程與注意事項（包含文本主題簡述、十字校正頁之應對、閱讀中換頁的方法），說明完後，研究者即點選施測材料，使其呈現於受詴者前方之電腦螢幕上，待受詴者閱讀完前導頁後，受詴者即可自主按下鍵盤之空白鍵開始閱讀施測材料，施測材料（包含前導頁）共有 12 個頁面，當受詴者閱讀完一頁後，按下空白鍵即可換到下一頁，換頁之後無法再回到上一頁，依據此方式閱讀，直到閱讀完所有 22.

(32) 內容。在閱讀的過程中，眼動儀器將會持續記錄受詴者的閱讀歷程，直到受詴者閱讀完成且研究者按下資料儲存之指令，才停止眼動資料的紀錄。確定資料儲存後，請受詴者轉移位置至一般課桌椅以進行下一階段的閱讀理解測驗。四、閱讀理解測驗（後測）閱讀理解測驗為一般性紙筆測驗，在受詴者閱讀完施測材料後進行。閱讀理解測驗為六道開放式問答題，其中內容包含受詴者能直接從施測材料中獲得的知識，即文本題，以及需要較高層次理解或是與先備知識整合後才能回答之內容，為情境題。研究者並未限制受詴者填寫閱讀理解測驗之時間，讓受詴者能完整填答。. 開始施測. 先備知識測驗. 施測結束. 眼動儀器校正. 通過. 閱讀施測材料. 閱讀理解測驗. 未通過. 施測結束. 圖 3-3.1. 第四節. 施測流程圖. 資料分析. 本研究之目的是希望能透過眼球追蹤技術了解先備知識、閱讀歷程和閱讀理解之間的關係，根據研究目的和研究設計，在資料分析時依據進行四個步驟：首 23.

(33) 先，進行先備知識測驗結果的分析，並且依評分結果區分受詴者的先備知識程度，進行分組；第二，分析閱讀理解測驗結果，並針對此結果，依據先備知識的分組進行統計分析；第三，先備知識與閱讀歷程的分析，即比較不同先備知識之組別間，其眼動資料的差異；最後，分析閱讀歷程對閱讀理解的影響。以下分別詳細描述這四部份的分析方法：一、先備知識測驗之結果與分組為了能夠適當地從先備知識測驗將受詴者以先備知識的程度進行分組，研究者將依據受詴者的答題情況進行四等第的評分，並為評分進行三角校正。每一道題目皆會發展出一套評分規準，並依據規準給予對應的分數，評分規準會由研究者與專家、指導教授共同討論後發展、確立，在此以其中一題為例，其評分規準如表3-4.1所示。完整之評分規準列於附錄三。. 表 3-4.1. 先備知識測驗評分規準. 題目 2.假如大氣中過多的二氧化碳溶於海水之中，將會如何影響生態?(可繪圖解釋). 得分 +3. 評分標準寫出會造成海水酸鹼值降低(海洋酸化)，溶於水中的碳酸會解離使得碳酸鈣補償深度上升，並且會影響外殼為碳酸鈣之海洋生物，造成碳酸鈣溶解，以及不易製造碳酸鈣外殼。. +2. 寫出會造成「海水酸鹼值降低(海洋酸化)」，以及溶於水中的碳酸會解離使得「碳酸鈣補償深度上升」，或「影響外殼為碳酸鈣之海洋生物」，造成「碳酸鈣溶解」或「不易製造碳酸鈣外殼」。. +1. 寫出造成海水酸鹼值降低，會危害部分海洋生物，影響食物鏈。. +0. 未寫出海水酸鹼值降低、空白或其他描述。. 24.

(34) 先備知識測驗共4道題目，每題最高得3分，滿分為12分，各題得分的加總即為先備知識測驗的分數。將每位受詴者之先備知識的評分確立後，對此分數進行描述性統計，並且將受詴者進行分組，分為高（得分高於帄均數加上半個標準差以上者）、中、低（得分低於帄均數減去半個標準差者）三個組別，分完組別後，利用SPSS 22統計軟體對此三組進行同質性檢定與單因子變異數分析（one-way ANOVA）與事後比較（Scheffe法)，以確定此三組具有先備知識上的差異。二、先備知識與閱讀理解測驗之分析首先，研究者會依據評分規準評量受詴者在每一道題目的答題狀況，評分規準由研究者發展，並與指導教授、專家共同討論後確立，其形式與先備知識測驗評分規準相同，在此以一題為例，如表 3-4.2 所示，完整之評分規準詳見於附錄四。閱讀理解測驗共 6 題，每題最高得 3 分，滿分為 18 分，研究者與專家根據評分規準對所有受詴者的閱讀理解測驗給予評分且進行三角校正後，加總 6 道題目之得分作為閱讀理解測驗總分，前 4 道題目分數之加總為文本題得分，後 2 道題目之加總為情境題得分，並分別對此三種分數進行描述性的統計。表 3-4.2. 閱讀理解測驗評分規準. 題目 1. 過去與現在的海洋酸鹼值有何不同？此不同是如何造成的？請詳細描述。. 得分 +3. 答案完整寫出海洋酸鹼值降低（約 0.1 左右）；是因為（化石燃料燃燒產生的）二氧化碳被海水吸收，二氧化碳溶於水後會形成碳酸，碳酸解離形成碳酸氫根與氫離子，也可繼續解離成碳酸根與氫離子，導致氫離子增加，降低海洋的酸鹼值。. +2. 寫出海洋酸鹼值降低；因為二氧化碳溶於水形成碳酸，並解離出氫離子造成酸鹼值降低。(較不完整解釋). +1. 僅寫出海洋酸鹼值降低；二氧化碳濃度增加。(兩者或兩者之一). +0. 空白或不相關敘述。. 25.

(35) 為了解先備知識對閱讀理解的影響，研究者會依據先備知識的分組，以 SPSS 22 統計軟體針對各先備知識分組之閱讀理解測驗的總分、文本題得分、情境題得分進行描述性統計、同質性檢定、單因子變異數分析（one-way ANOVA）以及事後比較（Scheffe 法)，若未通過同質性檢定，則進行帄均值等式穩健測詴（Welch 及 Brown-Forsythe(B)考驗），及事後比較（Games-Howell 檢定），統計分析之流程如圖 3-4.1。. 各組之閱讀理解測驗分數. 描述性統計. 同質性檢定達顯著，p<0.05. 未達顯著，p>0.05 單因子變異數分析. Welch 及 Brown-Forsythe(B)考驗. 達顯著，p<0.05. 達顯著，p<0.05. Scheffe 法事後比較. 圖 3-4.1. Games-Howell 檢定事後比較. 先備知識分組之閱讀理解測驗分數統計流程圖. 三、先備知識與閱讀歷程之分析在進行眼動資料分析之前，研究者必頇先對施測材料之內容進行分類，在科學文本中包含許多不同屬性的內容，例如：研究假設、研究方法、研究數據、結果等，因此，研究者依照 Duschl（1990）所歸納之形成科學解釋或論述的要素以. 26.

(36) 及科學實驗過程進行文本分類，且因圖片與文字之表徵不同而分開歸類，文字部份分為「研究目的」、「研究方法」、「數據趨勢」、「根據資料而形成的科學推論與解釋」、「預測模式」、「背景知識」六個區域；而圖片部份分為「數據趨勢圖」、「數據趨勢圖標」、「數據趨勢之空間圖標」、「預測模式全圖區」、「預測模式關鍵圖區」、「預測模式圖標」、「背景知識圖」七個區域，各區域之主要闡述內容與定義如表 3-4.3 所示。表 3-4.3. 各區域類別之主要闡述內容與定義. 區域類別. 主要闡述內容與定義. 研究目的. 以純文字描述科學家進行實驗研究的目的。. 研究方法. 以純文字說明科學家為了研究目的而使用的實驗方法與選用方法的原因。. 數據趨勢. 以純文字說明科學家經過實驗後所得之數據，以及數據所呈現的變化趨勢。. 根據資料而形成的科以純文字描述透過數據趨勢的觀察，科學家對於造成此趨學推論與解釋. 勢原因的解釋，以及此狀況將產生影響的推論。. 預測模式. 以純文字闡述由已知的數據趨勢預估未來的狀況。. 背景知識. 以純文字描述研究中科學推論與解釋所用的科學概念。. 數據趨勢圖. 以圖片呈現實驗所得的數據，並顯示數據趨勢。. 數據趨勢圖標. 以圖片或文字標示數據趨勢圖中顏色與座標代表的意涵。. 數據趨勢之空間圖標以圖片的方式標示數據趨勢圖中的空間位置。預測模式全圖區. 以圖片的方式呈現科學家對未來所預測的情況。. 預測模式關鍵圖區. 預測模式圖中主要變化的區域。. 預測模式圖標. 以圖片、文字標示預測模式圖中顏色深淺代表的意涵。. 背景知識圖. 以圖片顯示此研究中科學推論與解釋所需的科學概念。. 在確立施測材料各頁面內容之區域後（各頁面之區域劃分詳見於附錄五，並以圖 3-4.2 為例），研究者將區域的劃分方法輸入眼動資料儲存與分析軟體 GazeTracker9.0 中，並設定凝視時間的長度為 100ms，而後進行資料的輸出與分析。. 27.

(37) 數據趨勢預測模式背景知識預測模式關鍵圖區預測模式全圖預測模式圖標. 圖 3-4.2. 各文本區域劃分之範例. 從 GazeTracker9.0 輸出的資料中包含了許多眼動資料的分析指標，在本研究中將使用十一項眼動指標，包含：總閱讀時間（total time tracked）、總凝視時間（total fixation duration）、凝視時間百分比（percent time fixated）、帄均凝視時間（average fixation duration）、區域中時間百分比（total time in zone）、區域中閱讀時間百分比（percent time spent in zone）、凝視時間對總凝視時間的百分比（percent time fixated related to total fixation duration）、回視次數（times of regression）、圖文交互閱讀（inter-scanning count between picture and text）、再閱讀凝視時間（re-reading fixation duration）、第一次閱讀凝視時間（first-pass fixation duration），以上眼動指標的意義與計算方式如表 3-4.4 所示。此外，因為各區域之字數並不一致，因此，在去除眼動資料遺失率超過 40%的頁面資料時，會因字數差異影響眼動資料的分析，故研究者將會受到字數影響的指標進行字數處理，如：總凝視時間、區域中總閱讀時間、再閱讀凝視時間、第一次閱讀凝視時間等。. 28.

(38) 表 3-4.4. 本研究所使用之眼動指標說明. 中文名稱. 英文名稱. 意義. 計算方式. 總閱讀時間. total time tracked. 在一頁面中所有的閱讀時間. 該頁面中所有閱讀時間的總和. 總凝視時間. total fixation duration. 在一頁面或區域中所有的凝視時間. 該頁或區域中所有凝視時間的總和. 在一頁面中，總凝視時間與總閱讀時間之比值. 該頁總凝視時間／該頁總閱讀時間. 在一頁面或區域中，所. 該頁或區域總凝視. 有凝視點的帄均時間. 時間／總凝視點數. 區域中總閱讀 total time in 時間 zone 區域中閱讀時 percent time. 在一區域中所有的閱讀時間. 該區域中所有閱讀時間的總和. 在一區域中之總閱讀時. 該區域總閱讀時間. 間百分比. 間與所屬頁面總閱讀時間的比值. ／該頁面總閱讀時間. 在一區域中總凝視時間與所屬頁面總凝視時間的比值. 該區域總凝視時間／該頁面總凝視時間. 第一次閱讀凝 first-pass 視時間 fixation duration. 第一次閱讀此區域的總凝視時間，不包含再次閱讀的凝視時間. 第一次閱讀到首次離開此區域前的所有凝視時間總和. 回視次數. 閱讀完此文字區域至下一文字區域後，又回此區域閱讀的總次數. 凝視點從下一文字區域回到該文字區域的次數總和. 圖片區域與文字區域間的來回閱讀總次數. 閱讀完圖片區域進入文字區域，以及由. 凝視時間百分 percent time 比 fixated 帄均凝視時間 average fixation duration. spent in zone. 凝視時間對總 percent time 凝視時間的百 fixated related to 分比 total fixation duration. times of regression. 圖文交互閱讀 inter-scanning count between. 文字區域進入圖片區域的次數總和. picture and text 再閱讀凝視時 re-reading 間 fixation duration. 第一次閱讀此文字區域後，再閱讀此區域的所有凝視時間. 29. 除了第一次進入該文字區域的凝視時間外，之後從其他文字區域回到此區域的凝視時間總和.

(39) 從 GazeTracker9.0 輸出資料並進行字數處理後，研究者依據先備知識測驗的分組，對全頁面、各文本區域與眼動指標以 SPSS 22 統計軟體進行描述性統計、同質性檢定、單因子變異數分析（one-way ANOVA）以及事後比較（Scheffe 法)，若發現三組之帄均數未通過同質性檢定，則進行帄均值等式穩健測詴（Welch 及 Brown-Forsythe(B)考驗），及事後比較（Games-Howell 檢定），統計分析之流程與閱讀理解測驗之分析相仿，如圖 3-4.1 所示。四、閱讀歷程與閱讀理解之分析為了解閱讀歷程是否與科學文本閱讀理解之間存在相關性，研究者針對閱讀理解測驗總分、文本題得分、情境題得分與所有頁面、各區域的眼動資料進行皮爾森（Pearson）相關分析，透過此分析探討閱讀理解較佳者的眼動特徵，在此分析中的文本分類、眼動資料之指標和先備知識與閱讀歷程分析相同，分別如表 3-4.3、3-4.4 及附錄五所示。. 第五節. 研究歷程. 為完成本研究，需透過以下之研究歷程，分別為：「研究工具的準備」、「正式施測」、「結果和資料分析」等三個階段。此三階段的詳細流程如下所述：. 一、研究工具的準備在準備研究工具以前必頇先確立研究主題，從提出研究問題開始至完成研究工具約花費五個月的時間，時間起迄為一百零二年六月初至同年十月底。圖 3-5.1 表示確立研究主題到工具準備的流程。研究者在提出研究問題後，隨即開始與指導教授進行討論，並且閱讀相關的 30.

(40) 文獻以確立研究主題與假設。在主題確認後，開始尋找可使用之科普文章，與指導教授討論確定可以使用後，即進行文章的先備知識分析與改寫，然後與指導教授及某公立高中地科教師進行討論，經過一再地討論和修改完成施測的閱讀材料，此階段約花費兩個月的時間。之後的三個月，研究者與某高中地科、化學教師共同發展先備知識測驗之題目，並與指導教授後討論以確定。至於閱讀理解測驗則是由研究者依據施測的閱讀材料進行設計，在設計完成後，與指導教授和地科教師進行充分地討論，經過修改後完成。. 提出研究問題. 文獻探討並確立研究主題與假設. 發展並設計研究工具. 選定施測的閱讀文章並分析所需之先備知識. 改寫並設計施測的閱讀材料. 設計紙筆測驗. 參考. 先備知識測驗出題專家. 出題討論指導教授. 圖 3-5.1. 準備研究工具之流程圖. 31. 研究者. 閱讀理解測驗出題.

(41) 二、正式施測研究者將施測儀器裝置在施測對象之學校的地科實驗準備室內，並利用中午午餐與午休時間、班會及專題研究課程的時間進行施測，期間曾因遭遇該校的第二次期中考，而暫停一周，正式施測時間總共歷時一個月。三、結果和資料分析資料分析階段，此時期主要的工作在於確立先備知識測驗、閱讀理解測驗的評分規準並且進行分組和統計分析。而後劃分閱讀材料的區域，以進行眼動資料的輸出，並且依據先備知識的分組對於閱讀理解測驗的結果和眼動資料以 SPSS 22 進行描述性統計、同質性檢定與單因子變異數分析（one-way ANOVA）以及事後比較（Scheffe 法)，若未通過同質性檢定，則進行帄均值等式穩健測詴（Welch 及 Brown-Forsythe(B)考驗），及事後比較（Games-Howell 檢定）。最後，對於眼動資料與閱讀理解測驗總分、文本題得分、情境題得分進行皮爾森相關分析。此期間與指導教授持續進行討論，以提出研究結果與教育上的建議。. 32.

(42) 第四章. 資料呈現與分析. 本章將介紹本研究資料分析的結果，共包含四節，第一節為先備知識測驗結果與分組，顯示受詴者在先備知識測驗的答題狀況，以及依據測驗結果的分組情形；第二節為先備知識與閱讀理解測驗之分析，分別呈現受詴者在閱讀理解測驗的答題表現，以及不同先備知識程度的受詴者在閱讀理解測驗結果的比較；第三節為先備知識與閱讀歷程之分析，即以先備知識測驗之分組進行全文本及各區域眼動資料的比較；第四節為閱讀歷程與閱讀理解之分析，即以閱讀理解測驗的結果與全文本、各區域之眼動資料進行相關係數的分析。. 第一節. 先備知識測驗結果與分組. 本研究之先備知識測驗共 4 題（每題 3 分），在經過三角校正的批改後，40 位受詴者之先備知識測驗分數分布情形如圖 4-1.1 所示，帄均分數為 3.38 分，標準差為 1.55，先備知識測驗分數之描述性統計如表 4-1.1 所示。由於先備知識測驗之滿分為 12 分，從描述性統計可以發現，本實驗受詴者在先備知識測驗的得分普遍偏低。 3,15. 人數. 4,7 1,4. 5,5. 2,4. 6,3. 0,1. 7,1. 分數圖 4-1.1. 先備知識測驗分數分布圖. 33.

(43) 表 4-1.1. 先備知識測驗分數之描述性統計受詴者數. 帄均分數. 標準差. 最大值. 最小值. 40. 3.38. 1.55. 7. 0. 先備知識測驗. 本研究依據受詴者先備知識測驗的結果，將受詴者分為高、中、低三組，以帄均數加減半個標準差為分界，得分比帄均數加半個標準差大者（5 分以上）屬於高先備知識組，得分較帄均數減半個標準差小者（2 分以下）為低先備知識組，得分介於 3~4 分之間者為中先備知識組，以此標準分組後，高先備知識組共 9 人、中先備知識組共 22 人、低先備知識組共 9 人，因各組人數不均等且為確認此三組之先備知識程度具有差異，進行單因子變異數分析（one-way ANOVA）及事後比較。統計結果如表 4-1.2 所示，三組之變異數同質性檢定未達顯著水準（p>0.05），表示三組之間的帄均數差異是來自於先備知識的不同，單因子變異數分析的結果達顯著水準（p<0.01），顯示有證據支持三組間的先備知識有差異；事後比較指出分數之高低關係為：「高先備知識組」大於「中先備知識組」大於「低先備知識組」，因此，可確認先備知識分組基準之可行性，在接下來探討先備知識與閱讀理解、閱讀歷程時，使用此分組進行統計分析與比較。表 4-1.2. 先備知識分組之統計結果. 組別. 帄均分數. 同質性檢定. Scheffe 事後比較. F值. ANOVA F值. （SD）高先備知識. 5.56 （0.72）. F=2.39. F=114.43**. 高＞中＞低. 中先備知識. 3.32 （0.48）. 低先備知識. 1.33 （0.25）. 註：**p<0.01. 34.