融入即時與真實水文資訊之地球水循環系統思考課程對國小高年級學生系統思考技能與知識結構之影響：個案研究

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(1)國立臺中教育大學科學應用與推廣學系科學教育碩士學位暑期在職進修專班碩士論文. 指導教授：吳穎沺博士. 融入即時與真實水文資訊之地球水循環系統思考課程對國小高年級學生系統思考技能與知識結構之影響：個案研究 Promoting Elementary School Students' System Thinking Skills and Knowledge Construction with A Technology-supported Course Regarding Water Cycle: A Case Study. 研究生：蔡曉旻撰. 中華民國 102 年 7 月. I.

(2) 謝. 誌. 結束了研究所四個暑假的課程，我也終於完成我的碩士論文了！此時此刻，要誠摯的感謝我的指導教授吳穎沺老師，謝謝老師前兩年的體諒，讓我好好的準備教甄並且如願以償的考上正式老師，更感謝後兩年老師悉心的教導且不時的討論並指點我正確的方向，使我在研究中獲益匪淺，老師對學問的嚴謹與精益求精的態度更是我學習的典範；另外更感謝老師和師母，在生活中細心的照顧，亦師亦友的您們，讓我在新竹猶如有第二個「家」，能夠遇見您們，我真的很幸福！另外，我的論文完成亦得感謝長榮大學科技工程與管理學系賴信志老師大力協助，使得本研究工具資訊平台得以順利輔助教學；再者，也感謝口試委員李松濤老師給與精闢的建議，讓本論文能夠更完整而嚴謹。四年裡的日子，研究團隊共同的點滴，學術上的討論、言不及義的閒扯……，感謝朝升學長、榮俊學長、珮潔學姐、懷子學姐的共同砥礪，有你/妳們的陪伴讓我的研究生活變得絢麗多彩。更感謝我的最佳戰友──金成，總是不厭其煩的解決我當下所拋出的問題，並在我迷惘時為我解惑，這段時間感謝有他陪我加油打氣！也感謝陪我一起參與研究的建功國小 606 孩子們，因為有你們認真的上課，讓我的研究有存在的價值，更感謝這段時間給我鼓勵的同學、同事及朋友們。最後，我要感謝我的家人讓我在求學一路上無後顧之憂，也感謝姑姑、姑丈提供我居住的地方，使我不必舟車勞頓；更感謝妹妺宜芳、宜儒在我低潮時，聽我訴苦，在背後的默默支持更是我前進的動力，讓我永遠都有個避風港，謝謝你們，因為「Family is king」讓我更有信心完成本論文。最後，謹以此文獻給我摯愛的爺爺奶奶。曉旻. 謹誌. 2013.07. I.

(3) 融入即時與真實水文資訊之地球水循環系統思考課程對國小高年級學生系統思考技能與知識結構之影響：個案研究. 摘要. 本研究的研究目的是希望能發展「融入即時與真實水文資訊之地球水循環系統思考課程」，並以個案研究的方式，檢視此課程對國小高年級學生系統思考技能與知識結構的成效與影響。本研究的研究對象為新竹市某國小一班六年級高、低成就學生共 6 名，教學活動長達六週，在教學活動前、中、後分別蒐集課室錄影、個案學生畫圖資料、學習單、省思札記、小組工作單等資料，再與專家討論分析系統思考技能階層，而知識結構以錄音訪談方式為主，再以「概念流程圖析法」將訪談內容繪製成「概念流程圖」，並配合內容分析法了解學生在水循環系統思考技能與知識結構的學習情形。本研究發現透過「地球水循環系統思考課程」確實能提升學習者的系統思考技能與知識結構，但高低成就學生受益程度不同，主要因為是高成就學生能運用後設認知能力以至於表現較為優異；個案學生對於「即時與真實水文資訊平台」與「地球水循環系統思考課程」的回饋均為正向。最後，藉由此次的個案研究，研究者建議未來可以在地球水循環系統思考課程加入網路攝影機即時影像，精進教學平台的使用效能且可採準實驗研究法進行更加深入的探討。. 關鍵字：系統思考技能、知識結構、水循環系統、即時與真實水文資訊. II.

(4) Promoting elementary school students' system thinking skills and knowledge construction with a technology-supported course regarding water cycle: A case study Abstract Previous research in earth science education has revealed students’ insufficient system thinking skills and the need of redesigning learning activities. To address this important issue, this study developed a technology-supported water cycle course focusing the transportation of water within the earth systems. The course includes 12 hours of classroom, laboratory and outdoor learning inquiry-based activities. An online platform that integrating online hydro data (including near-time and real data) into the Google Earth system was also used in the course. In this study, a case study was also conducted to explore the effects of the course on the development of students’ system thinking skills and knowledge construction. The subjects of the case study were 6 sixth graders with different science achievement. Multiple data sources, including classroom video, group discussion, students’ worksheets, and student interviews, were used in this study. The collected data were analyzed qualitatively. This study revealed that the course did promote the development of the students’ system thinking skills and knowledge structures regarding water cycle. However, the high achiever and the low achiever in this study benefited from the learning activities in different ways. It seems that the student metacognition ability may play an important role in the development of system thinking skills. In the in-depth interviews after instruction, the students also pointed out that integrating the use of near-time hydro data into the learning activities was helpful for them in visualizing the dynamic nature of the water cycle. Implications for further research and teaching practice are also discussed in the current study.. Keywords：knowledge construction, course,. system thinking skills,. water cycle III. technology-supported.

(5) 目. 錄頁數. 謝誌 …………………………………………………………………… I 中文摘要 ……………………………………………………………… II 英文摘要 ……………………………………………………………… III 目錄 …………………………………………………………………… IV 表目次 ………………………………………………………………… VII 圖目次 ………………………………………………………………… 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 ……………………………………………………………… 3 第三節、研究問題 ……………………………………………………………… 4 第四節、名詞解釋 ……………………………………………………………… 5 第五節、研究範圍與限制 ……………………………………………………… 7. 第二章、文獻探討 …………………………………………………… 8 第一節、系統與複雜系統. ……………………………………………………… 8. 壹、系統與複雜系統. ……………………………………………………… 8. 貳、影響複雜系統學習的因素…………………………………………… 第二節、系統思考技能. 10. ………………………………………………………… 12. 壹、系統思考及其重要性貳、系統思考技能階層. ………………………………………………… 12 …………………………………………………… 13. 參、系統思考技能之相關研究肆、系統思考技能評量. …………………………………………… 17. …………………………………………………… 19. 第三節、資訊科技與系統思考教學. …………………………………………… 21. 壹、資訊科技輔助科學教與學. …………………………………………… 21. 貳、 Google Earth 軟體融入教學及其相關研究. IV. ……………………………23.

(6) 參、資訊科技融入系統思考教學之相關研究. …………………………… 25. 第三章、研究方法 …………………………………………………… 27 第一節、研究對象與教學者. …………………………………………………… 27. 第二節、研究設計. ……………………………………………………………… 29. 第三節、研究架構. ……………………………………………………………… 30. 第四節、研究流程. ………………………………………………………………31. 第五節、地球水循環系統思考課程. …………………………………………… 34. 壹、水循環相關議題在國小課程的重要性貳、地球水循環系統思考課程設計參、即時與真實水文資訊第六節、資料蒐集與分析. …………………………… 34. ……………………………………… 35. ………………………………………………… 40. ……………………………………………………… 43. 壹、資料蒐集. …………………………………………………………… 43. 貳、資料分析. …………………………………………………………… 46. 第四章、研究結果與討論 …………………………………………… 51 第一節、地球水循環系統思考課程對於個案的系統思考技能之影響…………51 壹、系統思考技能階層評斷依據. ……………………………………… 51. 貳、該課程對於高成就學生系統思考技能的成效及影響. …………… 54. 參、該課程對於低成就學生系統思考技能的成效及影響. …………… 70. 肆、總結該課程對於提升不同成就學習者系統思考技能的成效 ……… 85 第二節、地球水循環系統思考課程對於個案的知識結構之影響. ……………87. 壹、該課程對於高成就學生知識結構的變化情形. ………………………87. 貳、該課程對於低成就學生知識結構的變化情形. …………………… 94. 參、總結該課程對於提升不同成就學習者知識結構的成效. ………… 99. 第三節、學習者在地球水循環系統思考課程中的學習歷程 ………………… 101 第四節、學習者對於地球水循環系統思考課程的回饋. ………………………104. 第五章、結論與建議 ………………………………………………… 107 第一節、結論. ………………………………………………………………… 107. V.

(7) 第二節、建議. …………………………………………………………………109. 參考文獻 ……………………………………………………………… 111 中文部分. ……………………………………………………………………… 111. 英文部分. ……………………………………………………………………… 113. 附錄 …………………………………………………………………… 118 附錄一：地球水循環系統思考課程設計附錄二：即時與真實水文資訊平台. …………………………………… 118. ………………………………………… 125. 附錄三：地球水循環課程回饋單. …………………………………………… 126. 附錄四：地球水循環課程學習單. …………………………………………… 127. 附錄五：地球水循環課程省思札記. ………………………………………… 138. VI.

(8) 表. 目. 次頁數 …………………………………… 16. 表 2-2-1. Assaraf 和 Orion (2005)系統思考技能階層. 表 2-2-2. 近年來國外針對系統思考技能的相關研究. 表 2-2-3. 研究工具與相對應的系統思考技能階層(Assaraf & Orion, 2005) ……………… 20. 表 2-3-1. 資訊教學融入的科技使用時機、方式和科技取得方式及其相關研究範例 …… 22. 表 2-3-2. 運用資訊科技提升系統思考技能教學之相關研究 ……………………………… 26. 表 3-5-1. 水循環相關議題在國小課程的比例………………………………………………. 表 3-5-2. 各階段的課程內容、教學活動重點與融入即時與真實水文資訊 ……………… 37. 表 3-5-3. 地球水循環課程之教學目標、相關概念與系統思考技能階層的對應關係 …… 39. 表 3-6-1. 研究工具及其相對應的研究問題 ………………………………………………… 45. 表 3-6-2. 質性資料編碼一覽表 ……………………………………………………………… 46. 表 3-6-3. 資料來源與其相對應的系統思考技能階層 ……………………………………… 47. 表 4-1-1. 系統思考技能階層編碼表…………………………………………………………. 表 4-H1-1. 個案 H1 系統思考技能發展階層詳表. …………………………………………… 55. 表 4-H2-1. 個案 H2 系統思考技能發展階層詳表. …………………………………………… 61. 表 4-H3-1. 個案 H3 系統思考技能發展階層詳表. …………………………………………… 66. 表 4-L1-1. 個案 L1 系統思考技能發展階層詳表. …………………………………………… 71. 表 4-L2-1. 個案 L2 系統思考技能發展階層詳表. …………………………………………… 76. 表 4-L3-1. 個案 L3 系統思考技能發展階層詳表. …………………………………………… 81. 表 4-4-1. 不同學習成就學生系統思考技能階層變化情形. 表 4-4-2. 高成就學生知識結構的變化情形. ……………………………………………… 99. 表 4-4-3. 低成就學生知識結構的變化情形. ……………………………………………… 99. VII. ……………………………………. ………………………………. 18. 34. 52. 85.

(9) 圖. 目. 次頁數. 圖 3-3-1. 研究架構圖. ……………………………………………………………………30. 圖 3-4-1. 研究流程圖. ……………………………………………………………………33. 圖 3-5-1. 地球水循環系統思考課程架構圖. 圖 3-5-2. 即時與真實水文資訊. 圖 3-6-1. 學生對於地球水循環的概念流程圖析. 圖 4-H1-1. 個案 H1 前測畫圖. 圖 4-H1-2. 個案 H1 訪談一畫圖. …………………………………………………………… 56. 圖 4-H1-3. 個案 H1 訪談二畫圖. …………………………………………………………56. 圖 4-H1-4. 個案 H1 後測畫圖. 圖 4-H1-5. 個案 H1 系統思考技能階層變化情形 ……………………………………… 58. 圖 4-H2-1. 個案 H2 前測畫圖. 圖 4-H2-2. 個案 H2 訪談一畫圖. …………………………………………………………60. 圖 4-H2-3. 個案 H2 訪談二畫圖. …………………………………………………………62. 圖 4-H2-4. 個案 H2 後測畫圖. 圖 4-H2-5. 個案 H2 系統思考技能階層變化情形. 圖 4-H3-1. 個案 H3 前測畫圖. 圖 4-H3-2. 個案 H3 訪談一畫圖. …………………………………………………………65. 圖 4-H3-3. 個案 H3 訪談二畫圖. …………………………………………………………67. 圖 4-H3-4. 個案 H3 後測畫圖. 圖 4-H3-5. 個案 H3 系統思考技能階層變化情形. 圖 4-L1-1. 個案 L1 前測畫圖. 圖 4-L1-2. 個案 L1 訪談一畫圖. ………………………………………………………… 72. 圖 4-L1-3. 個案 L1 訪談二畫圖. ………………………………………………………… 72. ……………………………………………35. …………………………………………………………40 ………………………………………50. ……………………………………………………………… 54. ……………………………………………………………58. ……………………………………………………………59. ……………………………………………………………63 ………………………………………63. ……………………………………………………………64. ……………………………………………………………68 ………………………………………69. …………………………………………………………… 70. VIII.

(10) 圖 4-L1-4. 個案 L1 後測畫圖. ………………………………………………………………… 73. 圖 4-L1-5. 個案 L1 系統思考技能階層變化情形. 圖 4-L2-1. 個案 L2 前測畫圖. 圖 4-L2-2. 個案 L2 訪談一畫圖. ……………………………………………………………… 77. 圖 4-L2-3. 個案 L2 訪談二畫圖. ………………………………………………………… 77. 圖 4-L2-4. 個案 L2 後測畫圖. 圖 4-L2-5. 個案 L2 系統思考技能階層變化情形. 圖 4-L3-1. 個案 L3 前測畫圖. 圖 4-L3-2. 個案 L3 訪談一畫圖. ………………………………………………………… 82. 圖 4-L3-3. 個案 L3 訪談二畫圖. ………………………………………………………… 82. 圖 4-L3-4. 個案 L3 後測畫圖. 圖 4-L3-5. 個案 L3 系統思考技能階層變化情形. ……………………………………… 84. 圖 4-H1-6. 個案 H1 水循環概念流程圖析─前測. ………………………………………88. 圖 4-H1-7. 個案 H1 水循環概念流程圖析─後測. ………………………………………89. 圖 4-H2-6. 個案 H2 水循環概念流程圖析─前測. ………………………………………90. 圖 4-H2-7. 個案 H2 水循環概念流程圖析─後測. ………………………………………91. 圖 4-H3-6. 個案 H3 水循環概念流程圖析─前測. ………………………………………92. 圖 4-H3-7. 個案 H3 水循環概念流程圖析─後測. ………………………………………93. 圖 4-L1-6. 個案 L1 水循環概念流程圖析─前測. ……………………………………… 94. 圖 4-L1-7. 個案 L1 水循環概念流程圖析─後測. ……………………………………… 95. 圖 4-L2-6. 個案 L2 水循環概念流程圖析─前測. ……………………………………… 96. 圖 4-L2-7. 個案 L2 水循環概念流程圖析─後測. ……………………………………… 97. 圖 4-L3-6. 個案 L3 水循環概念流程圖析─前測. ……………………………………… 98. 圖 4-L3-7. 個案 L3 水循環概念流程圖析─後測. ……………………………………… 98. 圖 4-3-1. 排字卡活動. …………………………………………… 74. …………………………………………………………… 75. …………………………………………………………… 78 ……………………………………… 79. …………………………………………………………… 80. …………………………………………………………… 83. ……………………………………………………………………105. IX.

(11) 第一章. 緒論. 本章共分為五節，主要說明本研究之研究背景與動機、研究目的、研究問題、研究範圍與限制，並對本研究中所提及之重要名詞予以定義與解釋。. 第一節、研究背景與動機全民科學素養的提升是我國推展科學教育的主要目標，如何在現今高度全球化、資訊化及科技化的社會中達成此一目標，尤其顯得重要。值得關心的是自2006 年我國參加國際學生能力評量計畫（the Programme for International Student Assessment，簡稱PISA）以來，就不同精熟水準人數比例來看，科學則從2006 年的15%降低至2009年的9%，下降幅度6%，結果報告顯示雖然台灣學生的表現仍名列前茅，但在學習科學上卻缺乏高層次的思考能力，例如：科學舉證與科學解釋的能力，而這是值得注意的警訊(PISA，2010)，這可能是因為在自然領域教學中大多重視科學內容知識的傳授，而非高階思維能力的培養。大自然的現象往往都是複雜的，對於複雜的自然現象能保有綜合性、全面性的系統思考技能是重要的，可惜的是學習者大多卻尚未具備這樣的技能，在傳統教學中學習者通常都把焦點放在背誦知識內容而忽略了自然現象本質 (Hmelo-Silver & Azevedo, 2006)，也因此缺少對於自然現象動態循環和整體性的觀點；而在國外相當重視學習者發展高階思維能力，高階思維能力其中有一項便是系統思考技能，目前已有許多研究正在進行並強烈建議鼓勵學習者發展系統思考技能(Kali et al, 2003; Ben-Zvi Assaraf & Orion, 2005; Orion & Basis, 2008; Maria et al, 2009; Liu & Silver, 2009; Ben-Zvi Assaraf & Orion, 2010)。國外研究結果指出透過適當的教學在國小階段發展系統思考技能便能擴展視野，幫助其瞭解自然複雜現象中的因果關係(Forrester, 2007)；在國、高中階段則是可以促進學習者對於自然複雜現象的解釋能力與推理能力(Klopfer & Resnick, 2003)，然而值得注意的是在國內針對系統思考技能的研究甚少，此外研究者在實際教學現場中也發現傳 1.

(12) 統課程設計大多偏重科學知識的記憶層面，卻未能全面理解與分析複雜的自然現象，因此，如何發展複雜系統的課程設計與活化教學方式以提升學習者對於自然現象的動態觀點，使其具備統整性的理解有其必要性。在國小科學課程中地球水循環包含的範圍甚廣，因此相當適合做為促進學生系統思考技能的教材內容，但國內目前卻無針對此議題的相關課程設計，若能發展促進學生水循環系統思考技能的課程應該有助於學習者系統思考技能，此為研究動機之一；再者，由於複雜的自然現象往往包含人類未能直接由肉眼可見的部分，以岩石圈為例：岩石經過風化作用逐漸崩解形成碎屑，風化作用的過程就需要資訊科技加以協助，而國外研究最常使用模擬或動畫揭示其動態過程並提升學習者的系統思考技能(Kali et al, 2003; Maria et al, 2009; Liu & Silver, 2009)，地球水循環系統相較於岩石圈、沼澤生態系又更加的複雜與難以理解，因此若能提供學習者即時與真實水文資訊與Google Earth軟體協助學習其效益可能會是更大，此為本研究的研究動機之二。. 2.

(13) 第二節、研究目的目前 Google Earth 軟體已經被使用在地球科學領域上(許智銘，2008、陳俊良，2008、黃啟源，2008、陳世杰，2011、傅晨萍，2012)，但如何結合即時與真實水文資訊與 Google Earth 軟體融入地球水循環課程中，以幫助學習者發展系統思考技能與增加其水循環知識結構的變化，成為一項刻不容緩的工作。由於前面所提及的研究背景與研究動機，本研究的研究目的是希望能發展「融入即時與真實水文資訊之地球水循環系統思考課程」，並以個案研究的方式，檢視此課程對國小高年級學生系統思考技能與知識結構的成效與影響。. 3.

(14) 第三節、研究問題基於研究目的，本研究將發展「融入即時與真實水文資訊之地球水循環系統思考課程」，並探討下列的研究問題： 1.. 在經歷「融入即時與真實水文資訊之地球水循環系統思考課程」教學的前、中、後，國小高年級學生系統思考技能的變化情形為何？. 2.. 在經歷「融入即時與真實水文資訊之地球水循環系統思考課程」教學的前、後，國小高年級學生對於水循環知識結構的變化情形為何？. 3.. 個案學生對於「融入即時與真實水文資訊之地球水循環系統思考課程」的回饋為何？. 4.

(15) 第四節、名詞解釋本節將就本研究的重要變項予以界定，以得到較明確之概念，並解釋研究中所使用之名詞，以幫助讀者瞭解其意。. 壹、系統思考技能(system thinking skills)：系統思考技能是一種綜合性、全面性的技能，當學習者具備這樣的技能便能理解、控制自己的思維方式，詮釋複雜系統並解決問題的過程(Evagoroua, Korfiatisb, Nicolaoub & Constantinoub, 2009)，而在本研究中所擬定的系統思考技能，以 Ben-Zvi Assaraf 與 Orion(2010)為架構並加以修改，共可分為五大階層(詳見第三章第五節表 3-5-3)：. 一、能了解系統中的各部分組成與過程。 The ability to identify the components of a system and processes within the system.. 二、能了解系統中的組成間的關係。 The ability to identify simple relationships between or among the system’s components.. 三、能了解系統中的組成間的動態關係。 The ability to identify dynamic relationships within the system.. 四、能了解組織系統中的架構(系統組成及過程)。 The ability to organize the systems’ components, processes, and their interactions, within a framework of relationships.. 五、能了解系統自然循環過程。 The ability to identify cycles of matter and energy within the system—the cyclic nature of systems.. 5.

(16) 貳、知識結構(knowledge structure)：本研究中的知識結構是指學習者儲存其所學習到的概念與學習時訊息處理發生的地方，是位於學習者大腦中的一假想結構，在經過學習後，以「概念流程圖析法」所表徵出來的結果。. 參、概念流程圖析法(flow map method)：指將受訪者所陳述的內容，依其陳述的順序轉換成「概念流程圖」，以分析學習者知識結構成果的方法。. 肆、融入即時與真實水文資訊之地球水循環系統思考課程：由於地球水循環系統涉及範圍廣且較為複雜，在分析各版本教科書內容，並與大氣專家與科學教育學者討論後，本研究的「融入即時與真實水文資訊之地球水循環系統思考課程」涵蓋範圍鎖定地上水、雲及雨三大範疇，主要探討地球水循環之間的動態過程而非天氣方面的概念(氣壓、鋒面、颱風……等等)；而此課程融入即時與真實水文資訊與 Google Earth 軟體，希望透過地球水循環系統思考課程藉以提升學習者的系統思考技能與對水循環的知識結構。. 伍、國小高年級學生：在本研究中的國小高年級學生是指國小六年級學生。. 6.

(17) 第五節、研究範圍與限制本研究旨在透過「融入即時與真實水文資訊之地球水循環系統思考課程」的實施，去探究學生的系統思考技能與知識結構的變化情形，研究範圍與限制詳述如下：因人力、時間限制以及方便樣本的取得，僅以新竹市某一國小六年級的某班學生共六名為研究對象，因此研究結果之推論有其限制性；而且教學內容為自然科學與生活科技領域中與水循環相關的議題，因此推論到其他的議題或不同學習單元也有其侷限。此外，本研究擬採深入訪談藉以了解學習者的知識結構，但考慮到部分學習者較不擅長利用口語進行表達，擬以收集多元化的資料：個人繪圖、小組工作單、個人學習單、課室錄影……等，再利用概念流程圖析法得到圖形資料，儘可能去表徵學習者的認知結構，雖不是十分周全，但卻是一個較為貼近真實狀況的表徵，因此本研究所得到的資料仍可以提供後續研究者作為參考。. 7.

(18) 第二章. 文獻探討. 考量本研究旨在探討系統思考技能，本章依據研究架構與課程活動之需求蒐集相關文獻進行探討，並加以歸納整理，共三節：第一節為系統與複雜系統、第二節為系統思考技能、第三節為資訊科技與系統思考教學進行分析探討。. 第一節、系統與複雜系統. 壹、系統與複雜系統「系統」(system)是指動態的整體，整體系統所表現出來的行為有別於個體的不同，也就是說系統中所產生的特質是由各部分所組成的(Ben-Zvi Assaraf & Orion, 2005)。系統概念廣泛包含多元的面向，例如：社會系統，存在社會上的任一組織，像是紡織業、礦業、製造業(e.g., Booth Sweeny, 2000; Booth Sweeny & Sterman, 2007; Mandinach, 1989; Steed, 1992; Ullmer, 1986)；科技系統，關於資訊科技，像是半導體、視訊(e.g., Frank, 2000)；自然系統，存在大自然中的現象，像是沼澤生態系、地表岩石圈(e.g., Ben-Zvi Assaraf & Orion, 2005; Hmelo-Silver, Marathe,& Liu, 2007; Hmelo-Silver & Pfeffer, 2004; Ossimitz, 2000;Wilensky & Resnick, 1999)。目前已有許多研究從不同面向和觀點加以討論此議題(Mandinach, 1989; O’Connor & McDermott, 1997; Penner, 2000)。綜合這些研究，系統的特徵包含： (一)系統是一個實體，透過組成間的互動以整體的方式維持其存在與功能( A system is an entity that maintains its existence and functions as a whole through the interaction of its parts. )，如：地球水循環。. (二)由相互依存的單一部分構成的系統，形成一個複雜有統一的整體，且為了要達成目的，每一個組成都有其存在的必要。( However, this group of interacting, interrelated or interdependent parts that form a complex and unified whole must have a specific 8.

(19) purpose, and in order for the system to optimally carry out its purpose, all parts must be present. )，. 如：地球水循環主要由雲、雨、地上水組成。 (三)而系統透過回饋機制試圖去維持其穩定( Thus, the system attempts to maintain its stability through feedback. )，如：蒸發、凝結。. (四)這些相互影響的關係是由於因果的回饋圈相互連接，因此系統內存在許多變數，而變數之間也會相互影響( The interrelationships among the variables are connected by a cause and effect feedback loop, and consequently the status of one or more variables, affects the status of the other variables.. )，如：地形、溫度、相對濕度。. 「複雜系統(complex systems)」是一個有階級制且多元互動層面的自然現象，是動態、自我調節且不斷持續適應的(Jacobson &Wilensky, 2006; Lesh, 2006)。在複雜系統中，從單一的組成是無法預測系統內聚集的自然現象，只有透過多元組成互動才能得知(Wilensky&Resnick, 1999)。以人體為例，身體是由許多子系統組合而成的，在教學上我們能藉由解剖學和生理學能讓學生更清楚了解它的功能所在，也就是說只有透過生活經驗或專業知識講解，我們能了解不同層次的複雜系統。複雜系統背後也隱含一些深層原則，就如同 Jacobson 和 Wilensky (2006) 提及的「結構-行為-功能理論」(structure – behavior - function ,SBF)，能更深入的去探討複雜系統中的多層次組織和異質性，也可以用來描述因果系統。人體的血液循環系統是一個很好的例子，它是人體的一個子系統，許多不同種類的細胞形成的組織系統，血液在血管內循環運行，通過動脈輸送給組織細胞所必需的氧氣和營養物質，通過靜脈運走二氧化碳和其他代謝產物，以保證組織內的新陳代謝和功能正常進行；一旦血液循環發生障礙，將引起各器官組織細胞的代謝紊亂與異常。對於科學教育而言，學習複雜系統是重要的，其重要性在於能讓學習者形成橫跨多領域與自然標準的整合性概念(Goldstone & Wilensky, 2008)。在一般教育情境中，學習者在學習複雜系統時通常都忽略了複雜現象的本身，而是把焦點放在背誦各系統的名稱，也就是只重記憶卻忽略現象本質(Hmelo-Silver, Azevedo, 9.

(20) 2006)。Assaraf 和 Orion (2004a)的研究指出，要求國中生描述地球水循環過程時，學生認為水循環只是片面的知識，他們了解許多水循環的部分過程，但缺少動態循環和整體系統性的觀點。因為大多數的人很少理解複雜系統的各部分是如何系統性運作的(Hmelo-Silver, Marathe, & Liu, 2004; Hmelo-Silver & Pfeffer, 2004)，也就是說，若學習者能了解地球水循環複雜系統，便能整合生物、化學、物理科學及社會科學相關學科的概念與知識(Hmelo-Silver, Azevedo, 2006)，所以透過複雜系統來支持學習者學習科學來說是相當重要的，但在國內目前針對學習複雜系統的相關研究仍是少數，因此這值得我國學者重視。複雜系統的相關研究在國外早已經行之多年了，近年來國外在複雜系統的研究上主要針對以下幾個層面進行討論與深究：關於複雜系統的不確定假設、如何達成複雜系統的目標、學習者學習複雜系統的方法、分析學習者所存在的複雜系統階層(Hmelo-Silver, Azevedo, 2006)。透過以上複雜系統多學科方法的所得到的研究，我們了解到需要具備豐富的理論和經驗基礎，並合併不同的理論架構才可以分析複雜系統的複雜性。目前的理論架構，包括複雜性科學(Jacobson, 2001; Wilensky & Resnick, 1998)，結構-行為-功能理論(Goel et al., 1996; Hmelo-Silver & Pfeffer, 2004)，概念變化(Vosniadou, 1994)，知識整合(Linn & Hsi, 2000)，自我調節學習。. 貳、影響複雜系統學習的因素發展複雜系統不是一件簡單的事，學習複雜系統更是困難的，難度在於橫跨與整合的層面很廣，且系統內包含許多我們未經歷的以及違反我們的直覺的概念 (Hmelo-Silver, Azevedo, 2006)，另一項困難點則是在於，複雜系統的學習是在向學習者的認知、後設認知與自我調節學習能力挑戰。Assaraf 和 Orion (2004a)的研究指出學生了解許多水循環的過程，但缺少動態循環和系統性的觀點；Kali et al. (2003)研究也指出學生發展岩石循環的系統思考困難點在於動態及循環的認知架構。Booth Sweeny (2000) 研究麻省理工學院商學院的學生對於複雜系統的 10.

(21) 理解，即使這些學生擁有很強的數學和科學背景，但由於事先沒有接觸到系統動態的概念，對於複雜系統也不是很了解。目前坊間許多科學教科書對於複雜現象的解說是片面的，因此很難幫助學生對於複雜現象發展系統性及整合性的理解。因為教科書大多只提供片斷知識而非大架構(Liu & Hmelo-Silver, 2009)。總而言之，影響學生學習複雜系統的重要因素是學生的認知、後設認知與自我調節的過程，處於國高中的學生對於自我的學習較無法擬訂計畫、設定目標去驅使學習以及主動與先備知識加以連結，所以在教學現場中教學者就更應具備此教學知能協助學生去瞭解複雜系統。除了學習機制，學習者同時必須具備推理能力才能順利發展複雜系統。學習者需要運用知識模型（例如：物理公式、立體模型）、特定領域知識、一般技能（包括：認知、後設認知、自我調節）、實驗科學的推理能力(例如：生成假設、數據收集與分析、結果溝通)，若沒有這些背景是很難學習複雜系統的 ( Hmelo-Silver & Azevedo, 2006)。因此研究者認為在學習者在學習複雜系統上必須努力提升自我的認知能力(後設認知、自我調節)和科學技能(運用資訊技能、進行科學解釋)，如此才能加以解釋較為複雜的課室環境。 Orion (2002)指出由於自然環境是相互作用的子系統，學生應該明白操縱複雜系統的任何一個組成部分，都可能引起連鎖反應，而學生則需要透過建模去引導他們的探索和經驗(Hmelo-Silver, 2006)，由於學習環境的複雜性，因此有必要提供鷹架以支持學生學習和探究的過程(Lajoie & Azevedo, in press)。此外， Jacobson 與 Wilensky (2006)提出複雜系統經驗學習的重要性，但發現在教學中只有講述式教學是不夠的，必須透過參與開放式的學習活動更能促使學生學習複雜系統(Azevedo, Cromley & Seibert, 2004)。儘管學習複雜系統是困難的，這卻是學習各種領域的基礎，並能成為整合許多學科的潛力。因此，本研究主要聚焦在這個重要的議題上，研究者希望培養學習者的系統思考技能成為一種學習時思考的習慣，以幫助學習者增加知識結構。. 11.

(22) 第二節、系統思考技能壹、系統思考及其重要性「系統思考技能」(system thinking skills)是一種能了解及詮釋複雜系統的能力(Evagoroua, Korfiatisb, Nicolaoub & Constantinoub, 2009)，這是學習者在學習過程中需具備的重要的能力之一，目前也逐漸受到重視。Hogan (2000)指出系統思考技能能操控訊息、做決定、解決各層面的問題。Frank (2000)認為系統思考不僅是回顧事件，還包含評估和發明，涉及高層次思考。Frank (2000)基於 Resnick (1987) 觀點定義高層次系統思考技能的特徵是複雜無次序，能生產多種解決方案，涉及判斷和不確定性，自我調節並在混亂中尋找其結構，具有豐富性。從對於複雜系統模型的建立、分析和綜合這一連串的過程就相當於心智活動的排序。Booth Sweeny (2000)認為有效的系統思考技能需要良好的科學推理能力，像是廣泛使用定性和定量等數據的能力，這些能力都是屬於高階思考能力。在科學教育中教導系統思考技能的主要原因是，生活中許多現象都是複雜系統的例子(例如：生態系、月相變化、能量轉移……等)，這些都是需要具備系統思考技能去了解複雜系統的運作。綜合以上論點，可以知道系統思考技能是一種綜合性、全面性的能力，當學習者具備這樣的能力便能理解、控制自己的思維方式，詮釋複雜系統並處理並解決問題的過程(Evagoroua, Korfiatisb, Nicolaoub & Constantinoub, 2009)。即使系統思考和科學本質有高度相關，但卻常在科學學習環境中被忽略，這是因為在自然領域教學中大多重視科學內容知識，而非有關過程技能與思考方式。 Hannon 和 Ruth (2000)認為在正式教育過程中明顯的強調事件而非過程、重部分而非系統、重分離的過程而非系統性的關聯，而在科學教育中，我們所期望的是學生能理解各部份的聯結、相互關聯和因果之間的影響。總而言之，發展系統思考技能對於學習者是有很大的助益，但必須透過加以指導與協助才能具備此能力，否則是很難達到的。. 12.

(23) 貳、系統思考技能階層 Maria Evagoroua, Kostas Korfiatisb, Christiana Nicolaoub and Costas Constantinoub (2009)指出國小學生的想法是具有系統性的，雖然其具備的科學知識不見得是正確的，但這與他們正處於國小學習階段有關。Assaraf 和 Orion (2010)研究也指出：(1)國小四年級學生在系統思考技能進步的方式成金字塔狀，特別在分析系統上有顯著的表現；但愈往上層的表現，愈來愈少學生能達到；(2) 國中生的表現較優於四年級學生，一旦學生能達到較高層次時，就代表能掌控較低層次了。Hmelo, Holton 與 Kolodner (2000)認為國小六年級學生對於人類呼吸系統學習有困難，而學生學習困難的部分是在於缺乏能力去了解複雜系統中肉眼不可見的層次，因為此部分經常被忽略。根據歷年結果發現：學生對於系統複雜性的難以理解，且這樣的困難處存在所有年齡的學生。因此改進的方法就是在教學中對於複雜系統的內容應予以視覺化，讓學習者了解系統中的各部分組成的功用以及和組成之間與其他部分是如何互動的。除了幫助學習者發展系統思考技能外，更可以去瞭解其所達成系統思考技能的階層，Assaraf 與 Orion (2005)認為系統思考技能分為四個階級，他們認為透過教學可藉以提升高層次，有了階層之分也可讓教學者瞭解該如何適時的介入。以下為四階層： (一)分辨出系統的組成與過程。( Level 1 includes the ability to identify the system’s components and processes. ). (二)分辨出組成之間的關係與其間的動態關係。(Level 2 includes the ability to identify relationships between separate components and the ability to identify dynamic relationships between the system’s components. ). (三)了解系統中的循環過程，利用網狀串連各組成要素。(Level 3 includes the ability to understand the cyclic nature of systems, the ability to organize components and place them within a network of relationships, and the ability to make generalizations. ). (四)了解系統中隱藏的組成成分與系統的演變過程。(Level 4 includes an understanding 13.

(24) of the hidden components of the system and the system’s evolution in time (prediction and retrospection). ). Hmelo-Silver 和 Pfeffer (2004)則提出結構─行為─功能架構去檢視複雜系統與確認系統思考技能階層： (一)分析系統中的結構(Structures)：呼吸系統中的肺臟、肺泡。 (二)指出系統中的動態過程─行為(Behavior)：透過胸腔的起伏可知道空氣的傳送，又或是以神經電位差來檢查神經元間信號及反應是否正常。 (三)了解系統中的功能(Functions)：呼吸系統將氧氣送達身體各個器官。前述的第二階層是最難了解的，因為包含人類肉眼可見和不可見的層次。透過研究指出，能理解系統中可見的結構與功能對於學生是較為容易的，而大部分的學生較難瞭解系統中的動態過程。. Kali, Orion 與 Eylon (2003)認為系統思考技能分為三階層，以岩石圈為例： (一)了解系統內的各部份(understanding the parts of the rock cycle system)：了解岩石循環體系的各部分，形成地殼的各種材料（例如：風化後產生不同類型的岩石），以及生成地質的過程（例如：沉積岩、變質岩、岩漿形成的過程）。 (二)了解系統各部分之間的連接(understanding the connections among these parts)，包括了解特定的進程及其輸入和輸出之間的因果關係，例如：火山噴發後形成的岩漿必須經過一個快速冷卻過程形成岩石結晶。 (三)了解岩石整體系統每一個過程中，輸出產品可作為另一個輸入產品 (understanding the system as a whole)。暴露在地表的岩石，受風吹雨打、日曬雨淋，岩石的溫度與含水狀態的變化，帶來熱漲冷縮與水的溶解作用，加上植物根部的蔓延擠壓等，使堅硬的岩石逐漸鬆軟，表層岩石逐漸崩解成碎屑，地殼的生成以此種方式無盡的循環。 14.

(25) 而 Assaraf 和 Orion (2005)根據歷年研究，提出的系統思考技能階層最為完整，如下表2-2-1，他們認為系統思考階層分為三大面向(three sequential levels)及八大階層(eight emergent hierarchic characteristics of system thinking)，以水循環為例，包含(一)分析面向：(1)分析系統內的組成成分：海、河、湖、冰……，都是水循環系統中的各部分組成之一；而由水變成水蒸氣的過程就是蒸發；(二)合成面向：(2)辨別組成成分間的關係：當河水受汙染時，便會間接影響民生用水；(3) 辨別系統內動態關係：地下水能從岩石的縫隙中滲透進去，當人類使用化學藥劑便會直接影響用水；(4)整合成架構圖，去分析組成、辨別之間的關係與互動：了解水循環的過程，雨降下形成地上水，地上水蒸發變成雲，雲又轉變成雨；(5) 辨別系統內的物質、能量轉移：了解水循環是由許多小系統所組合而成，像是蒸發、滲透、……，而何時達至蒸發量使得地上水轉變成雲；(三)執行面向：特別針對是否能類推至其他情境，(6)辨別出系統內人類無法用肉眼理解，特別是隱藏的部分；(7)歸納結論進而解決問題；(8)回顧與追憶，看不到的元素也是作為系統的一部分，如分析地下水污染環境問題，如：地下水污染的原因是什麼？人類會受到什麼樣的影響？這些化學污染會在岩石內留多久呢？ Assaraf 和 Orion (2010)研究指出國小學生在系統思考技能進步的方式成金字塔狀；但愈往上層的表現，愈來愈少學生能達到。因此本研究將根據上述研究資料，將執行面向去除，而著重在分析與合成面向，進一步加以修改再歸納出適合本研究整合式的地球水循環系統思考技能階層，此部分詳見第三章第五節地球水循環課程。下表則為Assaraf 和 Orion (2005)的系統思考技能階層：. 15.

(26) 表2-2-1：Assaraf 和 Orion (2005)系統思考技能階層面向分析. 系統思考階層 1.分析系統內的組成成分. 知識結構(以地球水循環為例) (1)組成：海、河、湖、冰 (2)過程：蒸發、凝結、融化、下雨、滲透. 2.辨別組成成分間的關係. (1)了解水和岩石之間的關係； (2)受汙染的水會直接影響水質 (1)了解地球系統中水循環的變化了解動態關係；. 3.辨別系統內動態關係. (2)人類排放汙染(肥料殺蟲劑) (3)水從岩石中滲透；水從岩石礦物中分解. 合成. 4.整合成架構圖. (1)呈現水循環的網絡狀過程與關係，放置系統組成與過程。. (組成、關係、互動). (2)在海洋的情境與其他情境相類似. 5.辨別系統內的物質、能量 (1)了解水循環是由許多小系統所組合而成 a.蒸發：海和土地；河和海轉移 b.滲透：地下水 6.辨別出系統內隱藏的部分. 看不到的元素也是作為系統的一部分，如地下水，分析地下水污染環境問題，如：. 執行. 7.歸納→解決問題. (1) 地下水污染的原因是什麼？ (2) 污染物在地下水系統會有什麼結果呢？ (3) 人類會受到什麼樣的影響？. 8.回顧與追憶. (4) 這些化學污染會在岩石內留多久呢？. 16.

(27) 參、系統思考技能之相關研究近年來，有一些研究特別針對系統思考技能進行探討：Resnick (1996)指出年輕學生有學習複雜系統的潛力且能發展系統思考技能，但是他們的先備知識大多是片斷式的且思考方式容易回復到較簡單的模式。Zohar 與 Dori (2003)強烈建議鼓勵學生發展系統性思考；在近期針對國中生的研究中(Ben-Zvi Assaraf & Orion, 2005)，發現教學前所遇到的問題是學生對於如何進行系統思考是有困難的；而在國小實行的困難性在於：語言識字能力不足、抽象概念難以理解及教學者對於科學知識的了解不足，而關鍵處在於學生不了解複雜系統內的動態多元關係 (Hmelo-Silver et al., 2007)，因此 Hmelo-Silver et al.(2007)認為在未教學前，學生之間的系統思考技能是無差異的。綜合上述，學習者對於抽象的複雜現象是不了解的，因此大多會使用簡單因果解釋；根據 Jacobson 與 Wilensky (2006)研究指出，即使是大學生也傾向於使用簡單的論述來解決複雜系統的問題。因此 Forrester (2007)提出若能在學習者年紀較小的時候就教導系統性思考，便能打開視野了解因果。雖然系統思考技能涉及高層次思考能力，而許多學生都有學習上的困難，但仍有研究指出針對不同階層的學習者，透過適當的教學方法是具有潛力發展系統思考技能的(Resnick, 1996; Wilensky & Reisman; 2006; Wilensky & Resnick, 1999)。如果能運用適當的教學法，複雜系統是可以被教的(Ben-Zvi Assaraf & Orion, 2010)。例如：採取探究式學習方法，以理論為基礎，結合建模以及實驗法可讓學生主動建構知識，而不是被動的吸收知識(Klopfer & Resnick, 2003)，在國小實行教導系統性思考能力便能擴展視野，幫助其瞭解複雜系統中的了解因果關係；而針對國高中生則可促進解釋能力與推理能力，因此研究者強烈建議鼓勵學生發展系統性思考能力。而表 2-2-2 是近年來針對促進系統思考技能教學的相關研究詳述如下：. 17.

(28) 表 2-2-2：近年來國外針對系統思考技能的相關研究研究者研究對象 Kali et. 國中生. al.. 研究主題. 教學策略. 研究發現. 岩石. 知識整合. 透過活動去分析動態及循環的系統，. 循環系統. 活動. 讓學生的系統觀由靜態轉為動態。. (2003) Assaraf. 國中生. 地球. and. 水循環. Orion. 系統. 活動(戶外 (1)系統思考發展過程存在階層制。與室內). (2)大部分學生在系統思考上達到一定的階層。. (2005) Orion. 高中生. 地球. and. 水循環. Basis. 系統. 活動(戶外高中生的初始程度與未接受實際組的與室內). 國中生差不多，但後來往往都表現得比較好。. (2008) Maria. 國小五六. 沼澤. et al. 年級學生. 生態系. 電腦模擬. (1) 國小有發展系統性思考的潛能，系統性思考能力的階層制可幫助了解學生位在哪一階層上。. (2009). (2) 無法促進回饋思考，可能是因為國小學生無法了解。 Liu. 職前教師. 人類的. 超媒體. 呼吸系統. and. 使用以功能性超媒體所發展出的系統思考技能就優於結構性超媒體。. Silver. (註：超媒體為將多媒體資訊與超連結. (2009). 結合在一起的文件，如：網頁或 HTML) 地球. 課堂、. and. 水循環. 戶外觀察. Orion. 系統. 知識整合. Assaraf. 國小生. (1) 確實能讓四年級學生的系統思考技能有所提升。 (2) 若能有持續性的課程，則學習者便. 活動. 能提升其系統思考技能的階層。. 地球. 知識整合. (1) 此為縱貫研究，經過六年的時間，. and. 水循環. 活動. Orion. 系統. (2010) Assaraf. 國中生. 學習者的能力並未提升。 (2) 若要提升學習者的系統模型，則須加強後設認知的學習型式。. (2010) 18.

(29) 總結來說，Assaraf 和 Orion (2005)建議在小學階段開始發展系統思考技能，愈早學習愈好，即使對國小生來說無法達到很高的階層，但卻是奠定系統思考技能基礎的最佳時機。雖然系統思考技能被視為高層次思考(Frank, 2000)，超出小學生的能力範圍以外，但系統思考技能卻可以在國小階段的學生有一定程度上的發展，若能做一個長期課程規劃，而系統思考技能便可以化成學習者在國中、高中、甚至更高的階段的基礎，而當學習者具備這樣的能力便能詮釋複雜系統，處理並解決問題，因此身為教師的我們應該了解學生是如何學習複雜系統的，如此才能在教學中引導學生學習。. 肆、系統思考技能評量由於複雜系統理論架構較為歧異，因此在量測學習者的系統思考技能時需要收集多種資料來源，也就是說根據複雜系統的不同目標，我們須加以確定哪些類型的資料，可以提供適當的證據來了解學生理解複雜系統的程度。而不同類型的資料都可以幫助研究者在各方面去了解學習者有關複雜系統的複雜性(Silver & Azevedo, 2006)。例如：學習者知識結構的變化、學習者參與科學探究過程、學習者學習機制（如，認知、後設認知、動機、自我監控）、科學探究的過程（如，產生假設、實驗、評估數據、推理策略），也包含了學習者是否能將這些技能轉移到其他不同的領域或是相似的複雜系統上。所以在進行複雜系統研究時，必須採多元方式收集各種定性和定量的資料，因為每一種工具都有其優缺點，能夠彌補其不足之處(Ben-Zvi Assaraf & Orion, 2005)。每一項研究工具都有其存在的目的，用以提高整個研究的信度與效度。而下表 2-2-3 則是歸納出文獻中了解學習者的系統思考技能最常使用的研究工具並相對至其配合的系統思考技能階層：. 19.

(30) 表 2-2-3 研究工具與相對應的系統思考技能階層(Ben-Zvi Assaraf & Orion, 2005) 研究工具問卷. 畫圖. 字聯想. 概念圖. ˇ. ˇ. ˇ. 訪談. 觀察. 系統思考技能階層 1.分析系統內的組成成分 2.辨別組成成分間的關係. ˇ. 3.辨別系統內動態關係. ˇ. ˇ. 4.了解系統內循環的過程. ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. 5.辨別系統內的物質、能量. ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. ˇ. 6.辨別出系統內隱藏的部分. ˇ. 7.歸納→解決問題. ˇ. 8.回顧與追憶. ˇ. 從上表中，可以利用多種資料來源來確認學生系統思考技能階層，並針對各種工具進行簡單說明： (一)問卷：透過前測問卷以了解學生對於教學內容的先備知識。 (二)畫圖：透過畫圖可以了解學習者的對於複雜系統的理解程度(Dove, Everett, & Preece, 1999)，也可以了解其另有概念與科學觀(scientific view) (Novick & Nussbaum, 1978)，但缺點是有些學生的畫圖能力不好，就必須加上字聯想(Word Association)或是進行訪談。 (三)訪談(Dove et al., 1999; Hulland & Munby, 1994)，如此才能更加深入了解學生的深層想法與概念。 (四)字聯想：透過字聯想可以引出學習者理解系統內各成份之間的組成與關係 (White & Gunstone, 1992)。 (五)概念圖(concept map)：了解學習者的知識結構(cognitive structure)，包含了學習者的已存在知識和經驗，而這些知識和經驗會決定學習者接受外來刺激時如何進行再建構與訊息處理的過程（Tsai, 2001b）。 (六)觀察：可以了解學生投入活動的情況與教師教學策略。 20. ˇ.

(31) 第三節. 資訊科技與系統思考教學. 壹、資訊科技輔助科學教與學就科學教育的實施而言，每一位學生都應該獲得公平、均等的學習機會和資源，進行科學學習。然而，許多學生卻因為個人的身心特質（如：性別、特殊需求、思考/學習風格、認知偏好），家庭的經濟、結構和語言文化（如：低收入戶、單親/隔代教養、原住民），以及社會環境或居住地區（如：都市邊緣、偏遠地區、離島及災區）等因素，形成不利於學習的條件，使得學生長期處於學習低成就。而在科學教育的學習過程中，特別針對抽象概念的科學知識，就更應考量學習者的學習認知歷程，設計適合其學習的科學課程和教學資源（如教學素材、認知學習教具、數位科技教材等），以減少其科學學習困難，增進其科學學習的信心和成就，也就是說，設計適合的科學課程是科學教育者與教學者更應關心的議題。然而，運用資訊科技輔助科學教學有別於傳統教學：傳統教學有固定的上課空間與時間，而網路的學習環境則使得學習者不再受時空的限制，只要在網路的環境下，隨時隨地都可以進行學習活動，因此學習可以不斷的進行，而全球資訊網的學習環境打破傳統學習之時空限制，使得全球化的學習方式正因為網路興起而形成中（Relan & Gillani,1997; 林奇賢，1999；吳明隆，1998）。再加上網際網路環境是個資源豐富的學習環境，學習者可以在網路上搜尋資源，同時由於網路資訊具有時常更新的特性，使得學習者能獲得即時最新的學習資訊，能夠更提供比在教室中更多的真實經驗以利學習者進行學習。隨著網路融入科學學習活動日益普遍，網路資源也成為教師多元的教材來源，而且現在學習者因為生長環境不同，接觸網路的機會比以往的學習者多，故學習者使用網路、接觸網路已經成為常態性活動。科學教師運用網路資源融入教學不但可以使教學活潑，增進學習者的學習興趣，並且因為學習者在日常生活中運用網路資源已經習以為常，學習者更能夠融入此類學習活動中。. 21.

(32) 由於近年科技的發達、網際網路的興起再加上寬頻的普及化，學生可以運用許多現成的資訊平台來做即時互動討論，於是學生在問題解決時不再侷限於時空限制，甚至可以獲得更多不同角度的觀點，也就是說將學生置於真實的情境中來教學，不但能使學生易於瞭解現況也能夠讓學生更有連慣性的學習。一般而言，針對資訊融入科學學習所使用的科技相當廣泛，可分為：討論留言版(discussion forum)、線上資源(資料庫)和搜尋(online resource and searching)、視覺化(visualization)、模擬動畫(simulation)、虛擬實境(virtual reality, VR)、遊戲 (game)、學習系統(learning system)等應用方式，但依據近年之國內相關研究結果指出以下三類更能提升學生的系統思考技能，茲分別簡介如下：. 表2-3-1 資訊教學融入的科技使用時機、方式和科技取得方式及其相關研究範例資訊教學教學使用時機、可使用融入的科技/目的的方式視覺化. 1.. (Visualization) ：可揭示學習者未能用肉眼觀察到的部分，如：人體模型圖片或影片。. 2.. 模擬動畫 (Simulation) ：可揭示複雜系統中動態過程，如：太陽、月亮. 1.. 取得方式. 資訊融入教學相關研究範例. 教學前：圖片或影 1. 片於教學前先展. 可於網路上搜尋或數位教材分享平台. 國中教師運用電子白板進行. 示給學生看，吸引學生的注意力，尤其針對無法親身 2. 走一趟去體驗學習或無法拿給學生看的東西或器具等。教學中：教學內容無法用文字或說 3. 明可以理解的，要. 等找尋適合的圖片或影片來教學。拍攝照片或影片，再用編輯軟體加以編輯，於電腦或電視上播放給學生看或放在教學簡報中教學。將教學內容或繪本做成電子書於電腦. 資訊融入教學之探討 / 黃貞菁(2010). 靠真實圖片或影片來加深學生的印象及理解。教學前：教學內容 1. 以動畫導讀，除了能吸引學生目光，還能讓學生抓住教學單元重點。. 或電視上播放給學生看. 22. 可於網路上搜尋或數位教材分享平台等找尋適合的動畫，下載下來教學。. 資訊融入教學對國小高年級學生科學本質觀之影響與探討(FLASH) / 許.

(33) 與地球之間的關. 2.. 係。. 3.. 教學中：教學內容 2.. 教學前先於主題網. 無法用文字、說明或圖片可以理解的，要靠動畫來表現出些微變化有不同的結果的內 3. 容，來加深學生的印象及理解。教學中和教學 4. 後：可放置於網頁上讓學生不受時. 站上找尋適合的教學動畫，在課堂教學中點選主題網頁上動畫教學。教學前先取得電腦輔助軟體 CAI，選擇適合的單元教學。依照教學內容設計動畫，達到學生學習的目標。. 誠峰(2011). 空限制重複的觀看、操作學習。虛擬實境 (Virtual Reality ，簡稱 VR) ：不再侷限於時空限制，至於真實情境中。. 1.. 教學中：教學內容 1.. 與大學合作，帶學. 以自由軟體實. 無法用文字、說明或圖片可以理解的，要靠虛擬實境 2. 來操作學習，可以讓學生習得知識或技能，加深印象. 生至其設計的虛擬實境室學習。與專業人員或大學合作設計 3D 虛擬實境軟體，於電腦上教學。. 施國小星星單元資訊融入教學之成效 / 林維峰(2009). 及理解。. 自己擁有架設系統與設計虛擬實境動畫的能力。. 3.. 貳、 Google Earth 軟體融入教學及其相關研究除了上述的資訊融入科技之外，近年來也使用 Google Earth 軟體來進行自然領域中的教學。2005 年，Google 公司發布免費軟體 Google Earth，Google Earth 是一套虛擬地球儀軟體，其強大影像處理功能解決展圖受限於網路速度的限制，能快速呈現豐富地圖資訊、航空照片，如虛擬世界中一隻雄鷹在大峽谷中自由飛翔，登上峽谷頂峰，潛入峽谷深淵（鞏建雅，1999）。除了自然與生活科技領域之外，也應用在社會、人文和歷史……等。在綜合國內相關研究指出，學習者對於「Google Earth 融入教學」的教學方式，學習反應大多持正面且肯定的態度，認為 Google Earth 融入教學有助於提升學習興. 23.

(34) 趣及學習能力，並培養其主動探索與獨立思考的興趣與能力(周興隆，2009)；另外利用 Google Earth 所提供的各種尺度的環境觀察及實境體驗，更能使教師教學不在受限於教室內達到體驗環境的教學需求(蘇勝祥，2010)。因此若能運用 Google Earth 強大的搜尋功能與豐富圖文資訊，規劃適當教學策略，將科學知識視覺化使學習者提高專注度，也進而能提升學習者對於水循環系統的概念。 Google Earth 數位軟體充分的地理性，結合大自然的天氣恰當發揮作用，使學生清楚天氣變化不再只是平面圖，將抽象的事物清楚的呈現，利用 Google Earth 資訊融入可以達到學生對天氣方面的學習效果。研究者整理 Google Earth 之特性，列舉如下：（一）運用經緯度定位地標的方法，清楚地明白該地區所在。（二）可在軟體中截圖，方便與地理系統結合。（三）可在 Google Earth 上導出地標文件，方便查詢工作。（四）可透過 Google Earth 學習如何快速得到一個地標的 KML 格式。（五）可測量地圖上兩點的距離，方便觀察與研討。（六）製作自己的地標，有自學自用性，不只是單方面的運用。（七）共享發布自己的地標，利用 Google Earth 可以分享各自的資訊。（八）圖層的應用，例如：將季風圖貼上，並清楚明白流向的地理位置。（九）運用衛星地圖，達到更新圖片的功能。. Google Earth 上述技術，在自然與生活科技領域教學之運用具有可行性，若將此套軟體用於水循環相關議題教學上，讓學生藉由自行操作 Google Earth 軟體，就可能將學生認為的抽象概念轉為具體的形式清楚的呈現，加深其對水循環與地理的認識與結合；Google Earth 軟體為資訊系統不受時間空間的限制，解決環境或地點限制等因素，因此無論是在學生學習上或是教師教學上，都可能會出現最大的成效。. 24.