視覺動作統整能力、空間能力在不同科技使用下對高一學生運動力學概念學習成效之影響

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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：吳心楷博士. 視覺動作統整能力、空間能力在不同科技使用下對高一學生運動力學概念學習成效之影響 The influence of visual-motor integration and spatial ability on mechanics concept learning of tenth grade student with different technology usage.. 研究生：王駿佾中華民國 103 年 6 月.

(2) 中文摘要本研究主要探討不同科技使用、視覺動作統整能力、空間能力對學生運動力學中之拋體運動整體、記憶認知層次、高階認知層次（理解、應用、分析）之概念學習成效的影響。研究參與者為 211 名私立高一學生，並依班級分為電腦組（使用電腦）、觸控組（使用平板電腦）、動感組（使用平板電腦及其重力加速度感測器）。研究資料來源為拋體運動概念評量，內容包含單選題、複選題與開放式問答題。研究結果顯示科技使用不同對整體拋體運動概念學習成效沒有顯著影響，但觸控組、動感組之另有概念減少幅度比電腦組大。且在記憶認知層次電腦組概念學習成效優於觸控組與動感組，在高階認知層次觸控組與動感組概念學習成效優於電腦組。視覺動作統整能力雖對於高階認知層次有顯著影響，但此影響不會因為科技使用組別的不同而有所差異。反之對於空間能力而言，電腦組相較觸控組與動感組可能會使高空間能力學生於記憶層次的概念學習成效較出色，但也可能使低空間能力學生於高階層次的概念學習成效有限，即以平板電腦為載具之科技使用可能會減低空間能力對學習成效的影響。綜合上述結果，整體而言此單元之教學以使用平板電腦搭配觸控功能但不使用重力加速度感測器特性，學生學習效果可能較佳。且不同科技使用的學習成效會依據不同教學目標類型或不同空間能力學生而有所不同，但不受視覺動作統整能力之影響。. 關鍵詞：科技使用、視覺動作統整能力、空間能力、另有概念 2I.

(3) Abstract This study identified the influence of different technology usage, visual-motor integration, and spatial ability on projectile motion concept learning, including cognitive levels of remember and advanced, in mechanics. 211 tenth grade students at a private senior high school in Taiwan divided into 3 groups (Computer group, Touch group, and Kinetic group) and participated in the 90-minute instructional lesson. Data collected from self-developed projectile motion assessment. The result of this study indicated that the concept learning effectiveness had no significant differences between technology usage groups. Although, students of Touch group and Kinetic group had more reduction of alternative concepts than Computer group. At the remember cognitive level, concept learning effectiveness of Computer group was better than Touch group and Kinetic group, but Touch group and Kinetic group were better than Computer group at the advanced cognitive level on the contrary. Visual-motor integration significantly influences concept learning effectiveness at the advanced cognitive level, but this influence does not vary with the different group. As far as spatial ability is concerned, high spatial ability students of Computer group had more concept learning effectiveness than the high spatial ability students of other groups. Also, low spatial ability students of Computer group had less concept learning effectiveness than the low spatial ability students of other groups. In conclusion, concept learning of this projectile motion unit would be promising with using tablet PC’s characteristic of touching and excluding gravity acceleration sensors. And, concept learning effectiveness with different technology usage might vary with instruction objective and spatial ability of students but does not vary with visual-motor integration.. Key word：technology usage, visual-moto integration, spatial ability, alternative concept 3. II.

(4) 目錄第一章. 緒論............................................................................................................ 1. 第一節. 研究動機與背景........................................................................................ 1. 第二節. 研究目的與問題........................................................................................ 3. 第三節. 研究範圍與限制........................................................................................ 4. 第四節. 名詞界定.................................................................................................... 5. 第二章. 文獻探討.................................................................................................... 6. 第一節. 科技使用方式與物理學習........................................................................ 6. 第二節. 視覺動作統整能力.................................................................................. 16. 第三節. 空間能力與物理學習.............................................................................. 21. 第四節. 拋體運動常見之另有概念...................................................................... 26. 第三章. 研究方法.................................................................................................. 29. 第一節. 科技使用與教學設計.............................................................................. 29. 第二節. 研究對象.................................................................................................. 40. 第三節. 研究流程與設計...................................................................................... 41. 第四節. 研究工具.................................................................................................. 43. 第五節. 資料收集與分析...................................................................................... 51. 第四章. 研究結果.................................................................................................. 55. 第一節. 學生於教學前後的概念理解差異.......................................................... 55. 第二節. 科技使用、視覺動作統整能力、空間能力對整體學習成效之影響.. 60. 第三節. 科技使用、視覺動作統整能力、空間能力對記憶層次與高階層次概念. 學習成效之影響 ...................................................................................................... 73 第五章. 結論與建議.............................................................................................. 89. 第一節. 結論.......................................................................................................... 89. 第二節. 討論.......................................................................................................... 92. 第三節. 建議與未來研究方向.............................................................................. 98. 參考文獻.................................................................................................................... 101 4. III.

(5) 附錄............................................................................................................................ 110. 5. IV.

(6) 表次表 2-3-1 表 2-4-1 表 3-1-1 表 3-1-2 表 3-2-1 表 3-4-1 表 3-4-2. 國內外學者對於空間能力之定義………………………………………22 過去文獻對於拋體運動另有概念研究整理表…………………………27 科技使用組別比較整理…………………………………………………32 教學活動內容及各組教學差異對照表…………………………………35 研究參與者人數分配表…………………………………………………37 「運動獨立性」概念細目表與其對應的測驗題目……………………42 拋體運動概念學習評量配分表…………………………………………43. 表 3-4-3 表 3-5-1 表 4-1-1 表 4-1-2 表 4-1-3. 概念評量開放式問題之另有概念編碼表………………………………44 研究問題與分析方法對照表……………………………………………53 不同科技使用組別學生於教學前後概念理解之成對樣本 t 檢定……55 不同空間能力學生於教學前後概念理解之成對樣本 t 檢定…………56 不同視覺動作統整能力學生於教學前後概念理解之成對樣本 t 檢定 57. 表 4-2-1 表 4-2-2 表 4-2-3 表 4-2-4. 科技使用組別之調整前後平均數………………………………………60 科技使用組別於後測總分主要效果檢定………………………………60 拋體運動概念評量開放性問題之另有概念統計表……………………62 科技使用組別、視覺動作統整能力之調整前後平均數………………64. 表 4-2-5 表 4-2-6 表 4-2-7 表 4-2-8 表 4-2-9 表 4-3-1 表 4-3-2 表 4-3-3 表 4-3-4. 科技使用組別與視覺動作統整能力於後測總分主要效果檢定………66 科技使用組別與空間能力於後測總分雙因子共變數分析……………68 科技使用組別、空間能力之原始與後測調整後平均數………………69 科技使用組別與空間能力於後測總分之單純主要效果分析摘要……70 科技使用組別於高/低空間能力組平均數差異之 LSD 多重比較結果·71 概念測驗後測成績相關表（Spearman 相關係數）……………………72 科技使用組別、視覺動作統整能力之原始與後測調整後平均數……73 科技使用組別主要效果檢定……………………………………………74 科技使用組別各組平均數差異之 HSD 多重比較結果…………………76. 表 4-3-5 科技使用組別事後多重比較摘要表……………………………………76 表 4-3-6 科技使用組別、視覺動作統整能力之原始與後測調整後平均數……78 表 4-3-8 科技使用組別與空間能力主要效果檢定………………………………81 表 4-3-9 科技使用組別、空間能力之原始與後測記憶、高階認知層次調整後平均數…………………………………………………………………………………82 表 4-3-10 科技使用組別與空間能力於後測記憶、高階層次分數之單純主要效果分析摘要……………………………………………………………………………84 表 4-3-11 科技使用組別於高/低空間能力組記憶、高階層次分數之 LSD 比較結果……………………………………………………………………………………87. 6. V.

(7) 圖次圖 3-1-1 圖 3-3-1 圖 3-4-1 圖 3-4-2 圖 3-4-3 圖 3-4-4 圖 3-4-5. 電腦模擬動畫各階段的操作介面………………………………………30 本研究流程示意圖………………………………………………………39 概念測驗卷複選題型算分範例…………………………………………44 概念測驗卷問答題型算分範例…………………………………………44 空間能力量表之題本範例………………………………………………47 視覺動作統整能力抄畫圖形範例………………………………………48 視覺動作統整能力評分標準範例………………………………………49. 圖 4-2-1 圖 4-2-2 圖 4-3-1 圖 4-3-2. 概念評量開放式問題回答之另有概念類別趨勢………………………63 各科技使用組後測總分之調整後平均數趨勢圖………………………70 各科技使用組後測記憶認知層次總分之調整後平均數趨勢圖………85 各科技使用組後測高階認知層次總分之調整後平均數趨勢圖………85. 7. VI.

(8) 第一章. 緒論. 本研究旨在探討不同科技使用、視覺動作統整能力、空間能力對於運動力學中拋體運動概念學習的影響。研究中使用三種不同的科技使用，並將分析科技使用對於概念學習成效的影響，進而探討不同視覺動作統整能力及空間能力對於學習成效的影響，以此提出使用新的科技於教學上之相關建議。本章則針對本研究的研究動機與背景、研究目的、研究問題、研究範圍與限制以及研究中提及的重要名詞進行釋義。. 第一節. 研究動機與背景. 隨著科技的進步，許多科技的裝置已經可以應用於課室之中，較常見的裝置如電腦、筆記型電腦、電子白板、平板電腦、掌上型電腦(PDA)…等，這些裝置在教學上各自擁有不同的特性、優點、與其限制。一些資訊科技融入教學的優點可藉由平板電腦的特性作更進一步的發揮(Frolik & Zurn, 2005)。Moore 等人(2008) 指出，平板電腦可以被視為加上了數位書寫等進階功能的筆記型電腦，可以讓人直接在螢幕上創造資訊。此功能為平板電腦最大的特性，且在一些研究中已經提出此種功能確實有增進學生學習成效的潛力(Li, Pow, Wong, & Fung, 2010)。因此，平板電腦自從 2002 年之後，作為教學輔助工具的數量越來越多(Lim, 2011)，但這些研究之中教學的概念與科目可能不同，加上平板電腦運用於教學的方式也各不相同，因此研究的結果不見得都能類推到其他平板電腦相關的研究。但整理過去平板電腦作為教學工具的相關研究可以發現，大部分在科學教學上使用的行動裝置應用程式都以已開發的現成程式作為教學工具(Murray & Olcese, 2011)，或是針對課堂管理、資源整合等功能做開發而非針對特定概念學習。故本研究特別針對物理中的運動力學概念學習，以平板電腦本身的硬體設備搭配專為教學主題設計的行動裝置應用程式（App），期望探討平板電腦本身、或相對於電腦的特定性質在物理概念的學習上是否有進一部的正面意義。. 1.

(9) 在教學中，學生的差異性肯定是重要的一個環節，而為了瞭解了解學習者的特性是否也影響學生在不同科技使用時的運動力學概念學習成效，本研究欲加入特定變項來進行討論。在學生的學習中，視覺動作統整（Visual-motor Integration）被視為個體學習過程中極為重要的能力(Beery, 1997)。視覺動作統整能力已被眾多文獻支持其與學業、閱讀能力、書寫能力、數學能力的相關性 (Barnhardt, Borsting, Deland, Pham, & Vu, 2005; Daly, Kelley, & Krauss, 2003; Goldstein & Britt, 1994; Kulp, 1999; Sortor & Kulp, 2003)，且隨著操作任務的不同視覺動作統整會有不同的機制且因能力高低而有不同表現(Bo, Contreras-Vidal, Kagerer, & Clark, 2006; Johansson & Cole, 1992)。由本研究科技使用的特性觀之，不論是操作電腦滑鼠、使用觸控螢幕、或是操作重力加速度感測器都需要相當程度的手部操作，又因為不同科技使用的操作任務均不相同，其學習效果是否會因為操作的能力高低而有所不同也成為本研究關注的問題之一。另外運動力學的概念學習在過去已有許多實徵的研究發現空間能力與學習成效有相當的關聯，因為在運動力學的概念中，往往需要想像物體移動的過程與物體間的交互作用等動態的現象(Kozhevnikov & Thornton, 2006)。另外，不同的科技（如多媒體等）用來融入教學時，也必須考量到空間能力的影響可能會因科技特性的不同而有所差異(R. E. Mayer & Sims, 1994)。因此可以預期空間能力應該會影響著學生的學習成效，但在本研究中不同科技使用方式是否會使空間能力扮演不同的腳色，則成為本研究的研究問題之一。總結以上論述，科技使用的演進是時代的趨勢，但在演進的同時更要小心不同科技使用的特性對於學生是否有所助益，亦或者何種特質學生才是受益者。本研究希望透過探討科技使用方式、視覺動作統整能力、空間能力之間對於運動力學中的拋體運動概念的影響，以求能提供給開發者、教學者等教育工作者作為科技使用選擇之參考。. 2.

(10) 第二節. 研究目的與問題. 一、研究目的根據上述的研究背景可以知道，科技使用的不同可能會造成學生學習運動力學中之拋體運動概念學習成效差異。而視覺動作統整能力與空間能力又可能影響科技使用與概念學習成效之間的關係。故本研究目的為：「探討不同科技使用、視覺動作統整能力、空間能力對高一學生運動力學概念學習成效之關係」。且由於欲更深入探討這些變項如何影響概念學習成效，因此在討論過整體概念學習成效後將依概念認知層次將學習成效分為記憶認知層次概念學習成效與高階認知層次概念學習成效（包含理解、應用、分析認知層次），並分別討論各概念認知層次學習成效與各變項之關係。其中除了科技使用變項會單獨討論外，因為本研究主要並非為單獨探討空間能力與視覺動作統整能力對概念學習成效的影響，而是為探討視覺動作統整能力與空間能力在不同科技使用下對概念學習成效的影響，因此將分別討論視覺動作統整能力與空間能力與科技使用變項間的交互作用並以此進行後續分析。最後，本研究亦分析概念評量開放性問答題中之另有概念於各變項的差異，以不同面向健全研究之結果與推論。. 二、研究問題基於上述研究目的，本研究的研究問題如下：（一）：不同科技使用、空間能力、視覺動作統整能力的學生，於教學活動前後對拋體運動概念理解是否有組內的進步？（二）：科技使用的不同是否會造成拋體運動概念學習成效的組間差異？（三）：視覺動作統整能力在不同科技使用的教學下，是否會影響拋體運動概念學習成效？（四）：空間能力在不同科技使用的教學下，是否會影響拋體運動概念學習成效？. 3.

(11) 第三節. 研究範圍與限制. 本研究以高一學生為主要研究對象，受限於研究內容、研究時間與研究參與者本身影響，其研究結果推論有以下限制 1. 本研究以苗栗市某私立高中一年級學生為研究對象，且此私立高中家庭社經地位大部分屬中上階級，因此研究結果受地區與研究樣本特性的限制，不宜推論至所有高中一年級學生，而只適用於相似情境之學生進行推論。 2. 研究之課程乃是針對物理運動力學概念中之拋體運動相關內容設計，故此結論不宜推論至其他學科或物理其他不盡相似之領域。 3. 本研究僅探討科技使用、視覺動作統整能力、空間能力對於概念學習的影響，而無討論性別、社經地位等其他因素。，特指電腦模擬動畫、平板電腦的觸控功能與 4. 本研究所述之「科技使用」重力加速度感測器等功能，故研究結果不宜推論至其他種不同的科技輔助載具或運用不同平板電腦特性之教學。. 4.

(12) 第四節. 名詞界定. 一、科技使用本研究之科技使用指使用資訊科技融入科學教學時，所牽涉到之軟、硬體特性與其使用方式。包含了載具本身的選擇（如本研究中之電腦或平板電腦）及使用到該載具之特性（如本研究中之感測器使用與否），因此相同的載具也可能因目的不同而採取不同的科技使用方式。本研究指涉之科技使用包含使用電腦搭配電腦動畫之電腦組、使用平板電腦搭配使用觸控特性 App（應用程式）之觸控組、及使用平板電腦搭配使用觸控與動感特性 App 之動感組。. 二、視覺動作統整能力視覺動作統整能力指視知覺與手指－手部動作之間協調的良好程度，著重於視覺與動作之間的連結機制，生理上可能與腦下皮質層（Subcortically）及腦幹有關。在抄畫、抓取（Reaching）、指向（Pointing）等動作均需要視覺動作統整能力之作用，且於六歲後漸至發展成熟。本研究指涉之視覺動作統整能力可能運用在電腦滑鼠操控、平板電腦觸控操作、平板電腦感測器操弄等手部任務。. 三、空間能力空間能力是一種心智運作的能力，知覺二度或三度空間的物體進而使用對其使用各種心智功能（如辨別、操弄、轉化、邏輯推理)的能力。本研究指涉之空間能力特指其中之空間感觀能力與二度空間旋轉能力向度。. 四、另有概念另有概念指在某特定科學概念組織中，對某事件或某現象，所持有的一些有別於目前科學公認的想法。此種概念通常由日常生活經驗形成，用以解釋日常生活現象如何及為何運作。本研究之另有概念特指學生對於拋體運動教學單元中不同於現行科學家理論的想法。. 5.

(13) 第二章. 文獻探討. 本研究欲釐清在使用平板電腦與其應用程式（App）輔助運動力學學習時「科技使用方式」、「空間能力」、「視覺動作統整能力」及其與物理運動力學概念學習的影響。因此本章將分別針對科技使用方式、空間能力與視覺動作統整能力、與拋體運動常見的另有概念進行探討。. 第一節. 科技使用方式與物理學習. 隨著時日的演進，近年來數位科技已經普遍被應用在日常生活之中。而新興科技於資訊取得的便利性、圖像化能力等優點，使得在教學中引進科技的應用也成為近年來教育的趨勢之一(Finkelstein et al., 2005; J. J. Vogel, Vogel, Janbowers, Muse, & Michelle, 2006)，本國教育部也因應此「數位化」趨勢而推動若干教育政策，如早期的「電腦輔助教學軟體發展與推廣計畫」到近期的「數位學習推動計畫」等（教育部資訊及科技教育司，2013）。提倡科技融入教學的學者們已宣稱科技可以藉由增加對資訊的接觸量進而轉化學習模式、提供師生與專家或同儕合作的機會、表達並交流想法、與探討原本在課室中難以呈現的議題等(Smetana & Bell, 2011)。教育科技的種類族繁不及備載，本研究針對運動力學學習的特性而採用模擬動畫搭配電腦、平板電腦作為教學輔助工具，而以下針對模擬動畫以及平板電腦及其與物理學習間的關係作探討。. 一、模擬動畫輔助教學 (一) 模擬動畫的定義、分類與特性隨著科技日新月異，電腦作為教學的輔助工具逐漸由簡入繁，由數位化的文字、圖片、聲音等逐漸進展到動態的影片甚至是互動的應用軟體。其中模擬動畫藉由過去三、四十年來的研究，在資訊科技融入教學方面逐漸被認為是一個大有可為的領域(de Jong et al., 1999; Trundle & Bell, 2010; Wu, Krajcik, & Soloway, 2001)。. 6.

(14) 模擬動畫或稱為電腦模擬動畫（Computer Simulations）， de Jong 和 Van Joolingen (1998)將電腦模擬動畫定義為包含特定自然或人工系統模型的電腦程式。Smetana 和 Bell (2011)並延伸定義為由電腦產生且展現真實世界與其過程之動態模型，呈現簡化或理論化的真實世界構成（Component）、現象或過程。 Ramasundaram, Grunwald, Mangeot, Comerford, 和 Bliss (2005)則認為模擬動畫提供一個驗證假設的平台，讓學生可以測試各種情境、各種輸入並藉由可能的結果或輸出產生概念。Olympiou、Zacharias、與 de Jong (2013)則認為模擬動畫通常包含現象/系統的模型讓使用者進行互動，在此情境下，學習者進行實驗並觀察操弄之影響進而建構自身的知識。模擬動畫的定義極為廣泛與多樣化(J. J. Vogel et al., 2006)，定義可能跟隨設計的目的、使用的方式、科技的限制等做不同的描述，但基本上筆者歸納後認為本研究對於模擬動畫的定義兼具(Smetana 和 Bell (2011))和 Ramasundaram 等人(2005)的觀點。跟隨以上的定義，de Jong 和 Van Joolingen (1998)又將模擬動畫廣泛地分為兩大類：分別為「概念性模型」（Conceptual Models）與「操作性模型」（Operational Models）。概念性模型模擬系統中的原則、概念、與現象，此類模擬動畫舉例來說可在經濟學、物理學中使用（如電路模擬動畫）；操作性模型則模擬系統中一系列的認知或非認知操作過程，此類模擬動畫舉例來說可以在雷達操作學習中使用。此外，Lee (1999)回顧過往的研究，提到在模擬動畫在用途上可以分為兩種模式，分別為「呈現模式」（Presentation Mode）與「練習模式」（Practice Mode），且練習模式的模擬動畫根據一些研究指出結論為比較有效的教學輔助工具，也因為其可以提供學生在給定的學習環境內探索的自由度，模擬動畫經常被拿來作為「發現式學習」（Discovery Learning）的工具。 de Jong 等人以模擬動畫配合發現式學習作了一系列相關的研究，指出其在科學學習上的正面效果 (de Jong et al., 1999; de Jong & Van Joolingen, 1998; Olympiou et al., 2013; Swaak & de Jong, 2001; Veermans, Joolingen, & de Jong, （Descovery 2006)，並提到搭配發現式學習的模擬動畫統稱為「發現式模擬動畫」 7.

(15) Simulation）。暫且撇除不同的學科主題與不同軟硬體支援的影響，Swaak 和 de Jong (2001)歸納發現式模擬動畫主要具有以下三種特性： 1.. 豐富性（Richness）：為了提供擁有豐富性的環境，模擬動畫必須擁有豐富資訊供學習者提取。這些資訊可以由許多種方式被包含在內，且藉由不只一種表徵來呈現，如輸出的數據以動態或圖片表徵顯示。. 2.. 低透明度（Low Transparency）：相對於文本或超文本（Hypertext），模擬動畫應更加直接、直觀地呈現變數與其關係，因而使學習者能獲取更多資訊。. 3.. 主動互動性（Active Interaction）：學習者不應被動地接收螢幕上顯示的資訊，而是應該主動進行一些動作（如作實驗等）來開始其「有意義」的學習階段。由以上可以得知，雖然模擬動畫基本上對於學習有相當的幫助，但是隨著設. 計者或研究者的目的與理念，模擬動畫也會有不同的特性與成效，因此在使用模擬動畫作為教學輔助工具時應謹慎考慮並配合適當的教學方法才能發揮模擬動畫最大的效果。 (二) 模擬動畫於教學上的應用模擬動畫在科學學習上的應用，除了上述的發現學習，在探究式（inquiry-based）教學、學生中心教學、或是知識中心教學上都擁有許多優點 (Trundle & Bell, 2010)。Smetana 和 Bell (2011)整理模擬動畫輔助科學學習的文獻指出模擬動畫具有以下種種優點： . 模擬動畫提供相當的靈活度，讓學生參與的活動提升至問題解決與高層次思考的階段（Hargrave & Kenton, 2000; Lee, 1999）。. . 模擬動畫擁有使教學更加具有互動性與真實性的潛力，且具體化抽象的概念使其更易學習(Ramasundaram et al., 2005)。. . 模擬動畫使學習者藉由立即的真實數據回饋來驗證自己的信念，進而產生個人的問題解決決策(Hargrave & Kenton, 2000; Lee, 1999; Rose & Meyer, 2002)。. . 模擬動畫高度的開放性提升學生對於自己學習過程的自主性。且教師可. 8.

(16) 以藉由模擬動畫因材施教，即以適當的指導和鷹架（Scaffolding）來適應學生個別差異(Henderson, Eshet, & Klemes, 2000)。 . 模擬動畫可以將在現實世界中太複雜、太費時、太危險、太困難的實驗與現象重新詮釋於普通課室之中(Akpan, 2002)。在模擬的環境裡，時間可以被快轉或慢速撥放；抽象概念可以被具象化、隱含的過程可以變成可見的。教師可以讓學生專注於原本太複雜的教學目標，減低不必要的認知負荷（Cognitive Load）(de Jong & Van Joolingen, 1998)。. 這些將模擬動畫用在科學教學時隱含的優點，使得研究者們在過去四十年間於各個科學學科的教與學上進行了許多研究，考慮到模擬動畫形式跟隨科技迅速發展的特性，以下僅就近期（2000 年後）各科學學科的相關研究進行舉例介紹，且在物理學科的部分進行較深入的探討。地球科學方面，Ramasundaram et al. (2005)將模擬動畫結合新興的地理資訊系統（Geographic Information System）科技建立一虛擬田野實驗室（Virtual Field laboratory），並指出這樣不只可以降低學術研究的預算，更可以提升現行課室內與遠距教學的素質。Hsu 和 Thomas (2002)以修習氣象學的大學生為對象，探討線上模擬動畫的特定特徵對學生概念改變的影響，結果顯示此模擬動畫對於學習的正面效益，並在深入探討後指出，學生的問題解決策略對於從模擬動畫中獲取知識有很大的影響力，但對於將新知遷移到真實世界則影響較小，顯示了在使用模擬動畫輔助教學時也要同時注意學生某些的學習特質。Winn et al. (2006)比較修習海洋學的大學生於實地與虛擬經驗的學習差異，分析結果顯示使用虛擬環境學習的學生製圖結果較實地組為佳，研究者認為這是因為虛擬組的學生在學習時不只學習概念、同時模擬動畫也提供了建構模型的學習機會，所以建議在教學時應該要實地與模擬並行才能有最大學習效果。化學方面，Wu et al. (2001)使用視覺化工具輔助學生學習分子的構成，該模擬動畫提供學生以多重表徵建構分子模型並比較不同表徵之間的關係。該研究結果顯示該模擬動畫能幫助學生學習分子的建構與表徵之間的轉換，且電腦化的模. 9.

(17) 型可以作為學生產生心象（Mental Images）的載具。Trey 和 Khan (2008)使用一動態類比的模擬動畫來輔助十二年級學生對於勒沙特列原理（Le Chatelier’s Principle）的學習，研究結果顯示動態、互動式、且整合式的電腦模擬類比相較於靜態的文本，在真實世界無法觀察的現象上會有更高的學習成果。生物方面，Kiboss 指出學生對於模擬動畫教學活動的投入程度將影響高中二年級學生在學習細胞理論上的學業成就與正面態度，該模擬動畫包含了細胞分裂個階段的圖片、動畫與文字敘述且容許學生自行決定學習步調。Marbach 比較了模擬動畫輔助教學、使用教科書的啟發式教學活動（如畫圖、填空、填寫引導問題等）、與傳統式教學在分子遺傳學學習的影響差異，結果顯示模擬動畫組與啟發式教學組的學習成就無顯著差異，但模擬動畫在開放式問題的得分較另外兩組為高。物理方面，Jimoyiannis 和 Komis (2001)在拋體運動單元的教學中使用模擬動畫，結果指出高一學生使用模擬動畫的學習成就顯著高於未使用模擬動畫的組別。 Finkelstein et al. (2005)比較使用真實實驗器材與虛擬實驗器材的大學生在電路學實驗的學習成效差異，結果顯示使用虛擬實驗軟體的組別學習成效較高，此結果可能源於虛擬實驗器材的操作較為便利或是省時。Zacharia 和 Anderson (2003) 在職前教師修習的一學期課程中，將一系列互動式模擬動畫視為認知架構以輔助學生對於力學、光學/波動學、熱學的實驗與探究學習，經過每個主題的訪談與概念測驗後，結果指出使用模擬動畫可以促進某些物理概念的改變，且增進學生對於實驗現象的預測與解釋能力。Olympiou et al. (2013)研究學生在學習光與顏色單元時，使用的模擬動畫除了具體表徵外輔以抽象表徵是否有差別，結果顯示在較簡單的單元輔以抽象表徵的模擬動畫對低先備知識的學生，相較只有具體表徵的模擬動畫更有幫助，而在複雜的單元對所有學生都有幫助，研究者認為此差異可能是由於較簡單的單元中高先備知識的學生可以自行在心智建構抽象概念所致。由諸如上述在物理學科上應用模擬動畫的種種研究可以發現，模擬動畫在各. 10.

(18) 個物理的領域中都有其教學上應用的研究，凡舉力學（運動力學、流體力學）、電學（電磁學、電路學）到熱學、光學（幾何光學、物理光學）等(de Jong & Van Joolingen, 1998; Smetana & Bell, 2011)。可能因為一直以來物理概念抽象且複雜的特性，使得過去數十年來大量研究以發掘學生對於物理概念與過程的學習困難為目標(Jimoyiannis & Komis, 2001)，而模擬動畫多重表徵、具體化、互動性等優點與可能性，洽能針對許多物理學習的困難發揮其效益(Finkelstein et al., 2005)進而開啟了如此廣泛的應用。值得一提的是，縱使模擬動畫一般已經被視為在物理上是有效的教學輔助工具，物理畢竟是與現實世界互相結合的學科而因此也在真實的學習成效尚有爭議之處(Finkelstein et al., 2005)。例如 Lazonder 和 Ehrenhard (2014)在研究國小學生對於自由落體單元的實驗學習成效時，結果顯示學生使用實物進行實驗比起使用模擬動畫進行實驗會有較多的概念改變，此結果可能是因為使用實物進行實驗的過程會提供學生較多的「觸覺線索（Tactile Cues）」進而改變其迷思概念，然而作者也提到此效應可能會隨著年齡、學習主題等而改變。這些爭議也提醒研究者，科技輔助教學縱然有其方便性與學習優勢，但也要時刻注意其可能伴隨的缺點或是限制。. 二、平板電腦輔助教學 (一) 平板電腦於教學上的應用科技融入教育除了軟體部分，如上述的模擬動畫，在硬體方面為了達到更佳互動性及合作性的學習環境，許多種類的科技被應用在課室之中，如無線的即時反饋系統（Instant Response System）、各類型的電腦輔助合作學習系統等(Enriquez, 2010)。2002 年之後，則有越來越多的的行動裝置供學習者們使用來促進科學學習成效，這些行動裝置包括了 PDA、智慧型手機、筆記型電腦、與平板電腦（Tablet PC）等，而這些行動裝置已經迅速地發展成擁有極高的移動性和運算效能(Lim, 2011)。在這些裝置之中，平板電腦結合了筆記型電腦的性能與方便性，且更多. 11.

(19) 了觸控螢幕/手寫的功能(Rogers & Cox, 2008)，因此被用來輔助學生的學習 (Enriquez, 2010; Fister & McCarthy, 2008; Møller, Georgsen, & Jelsbak, 2013; Moore et al., 2008; O’Malley, 2010; Rogers & Cox, 2008; Roschelle et al., 2007)、促進教師教學(Fister & McCarthy, 2008; Lim, 2011; Uzoglu & Bozdogan, 2012)、或是增進師生或學生之間的互動(Enriquez, 2010; Koile & Singer, 2006; Roschelle et al., 2007)。然而因為平板電腦發展歷史較短，且許多功能差異極大，所以究竟在教學上是否有其效益、或是要如何應用才會有效研究者們都還在討論當中(Lim, 2011; Murray & Olcese, 2011; Uzoglu & Bozdogan, 2012)，但除了平板電腦本身之外，與其配合的軟體或行動裝置應用程式（Applet，簡稱 App）也應占了很大的影響因素。Murray 和 Olcese (2011)以蘋果電腦旗下的行動裝置應用程式平台 Apple Store 為調查對象，從當時超過 250,000 個 App 當中蒐集了 315 個教育性的 App，並根據 Mean(1994)將之分類為教學類（Tutor）共 112 個、瀏覽類（Exploration）共 79 個、工具類（Tool）73 個、通訊類（Communicate）38 個、協作類（Collaborative） 15 個。進一步分析這些 App 卻可以發現大部分對於教學的效益不大，如有些 App 只是單純顯示現存的資料或類比、有些則只是提供使用者反覆練習，總括來說，許多 App 宣稱專為平板電腦/iPad 所設計，但其實並沒有顯示任何特殊之處，即使對學習有幫助也只是因為平板電腦本身的硬體功能或作業系統所致。研究者總結或許因為軟體開發並未追趕上硬體進步的腳步，所以平板電腦如 iPad 或許尚無法在課室學習中扮演革命性的腳色。此研究者觀點可能顯示了在現有的 App 市場中，教學性的 App 的質與量尚無法為教學帶來太大的助益。反觀來看，若非使用市面上的軟體，而是輔以特別為平板電腦融入教學環境所設計的 App 應會有不一樣的結果。此種做法可能有二，第一是教學者使用平板電腦的內建功能、輔以特別為該特性所設計的教學環境與活動，如 Møller et al. (2013)以平板電腦配合實驗記錄（紀錄數據或拍照）、工作單、瀏覽教材來進行微生物的教學即得到了正面的效益。第二是研究者開發教學. 12.

(20) 專用的軟體或 App 再搭配平板電腦的特性來進行教學，如 Koile 和 Singer (2006)、 Fister 和 McCarthy (2008)與 Enriquez (2010)使用平板電腦的無線網路功能搭配專用的線上學習平台、互動 App 等來達成師生互動或是學生之間的即時互動，對於數學、化學、物理、工程等教學也有相當正面的結果。然而，以上所提及的研究所涉及的平板電腦優點大多侷限於手寫螢幕、移動性、與無線網路，極少數研究如 Miura, Ravasio, 和 Sugimoto (2010)使用平板電腦較新興的功能如 GPS 來輔助田野調查教學，且教學的主題也大多集中在地球科學或考古學等。截至目前為止，現今的平板電腦在物理教學的應用可能並未完全發揮其硬體的潛力。哪些平板電腦的功能可以被使用於輔助物理教學？教育性的 App 如何設計才可以發揮這些平板電腦的功能？為了在這些問題提供一些解答的方向，以下試討論平板電腦的特性與 App 的設計準則作為本研究教學工具的設計參考。. (二) 平板電腦與 App 的特性根據平板電腦的新興硬體、上述各研究以及 Cromack (2008)、Lim (2011)、 Amelink, Scales, 和 Tront (2012)對於平板電腦輔助教學的分析與調查，在此整理出六種平板電腦或許可以提供新學習機會的功能與特性。且為了更加探討這些功能與特性能發揮的潛力，一併整理在設計物理的教育性 App 時相對應的方針。 1.. 移動性（Mobility）：由於平板電腦的機身不重，比起一般電腦或是都更加的輕便及容易攜帶，所以可以沿襲筆記型電腦的移動特性(Frolik & Zurn, 2005)，教師可就此移動性將教學更加情境化、更貼近真實世界。在 App 的設計上，可以鼓勵學習發生在課室之外，且在真實場景中整合環境與虛擬物體促進學習進行(Chang, Wu, & Hsu, 2013; Wu, Lee, Chang, & Liang, 2013)。. 2.. 直覺性介面（ Intuitive Interface ）：平板電腦提供人性化、貼近使用者（User-friendly）的介面，或許能將使用鍵盤與滑鼠的認知負荷減低。例如直接在螢幕上書寫比起製作簡報投影片或在黑板上書寫來的有效率(Lim,. 13.

(21) 2011)、學生在互相討論或回答問題時比起打字也更方便、容易表達(Fister & McCarthy, 2008; Roschelle et al., 2007)。配合手寫筆的話，也可以提供學習者立即在螢幕上書寫(Moore et al., 2008; Roschelle et al., 2007)甚至運用筆上的按鍵快速切換書寫顏色與模式。因此在 App 的設計上，研究者可以提供學習者多樣的輸入方式，包括打字、觸控、手勢拖曳、語音輸入等。更廣泛地來說，使用者可以運用各種感官（如視覺、聽覺、觸覺）來與模擬動畫互動 (Oswald, 2011)。 3.. 內建感測器（Embedded Sensors）：新興的平板電腦內建多種感測器，如加速度感測器、陀螺儀（Gyroscope）、環境光感測器（Ambient Light Sensor）、收音麥克風等都已相當普及。在使用上，平板電腦可以立即顯示不同感測器的數據供學生收集與分析資料而不需要額外安裝各式各樣的感測器。在 App 的設計上，教學者可以利用這些功能來設計需要收集數據的教學活動 (Madeira et al., 2011)並建構科學概念。. 4.. 統整性系統（Integrated System）：平板電腦結合一系列工具供我們作使用，包含可以用照相機照相或錄影、用 GPS（Global Positioning System）定位、播放多媒體、使用行動通訊技術（如 Wi-fi、3G）連上網際網路。這些整合的系統可以讓學生在單一台機器上就能完成多樣的任務，而不需要帶著大包小包且繁瑣的器材進行教學(Inoue, Yamamoto, Nakazawa, Shigeno, & Okada, 2005)。. 5.. 多點觸控螢幕（Multi-touch Screen）：平板電腦內建多點觸控的螢幕，且螢幕的尺寸較智慧型手機為大。比起過去的螢幕只能單點觸控或拖曳，此硬體的突破可以讓學生簡單地放大或縮小螢幕、同時操弄複數個物體、或是運用手勢下達更多樣化的指令。由於真實世界的科學現象往往牽涉不只一個變因，且其改變往往是同步的，因此多點觸控可以使得模擬動畫更為貼近真實情況。另外，若螢幕夠大，多點觸控螢幕的特性亦可以讓學生以合作的方式在同一載具上進行學習(Kim, Meltzer, Salehi, & Blikstein, 2011)。需要注意的是，本 14.

(22) 特性專指「多點」觸控的部分，至於觸控之功能特性已包含在「直覺性介面」中了。如同上述 Murray 和 Olcese (2011)分析教育性 App 時所提出的觀點，已經有越來越多的 App 在設計上運用了平板電腦以上的新興功能。以 Android 平台上的「Instant Heart Rate」分析照相機所錄下的影片以即時算出使用者的脈 App 為例，搏、「Star Chart」讀取 GPS 的數據以即時顯示對應的星空/星座圖、「Need for Speed」可以偵測陀螺儀的數據以轉動平板電腦代替方向盤、「RunKeeper」運用 GPS 的數據計算路跑的時速以及協助記錄里程和路線圖…等不勝枚舉，可惜的是大部分都不是針對教育或是沒有理論基礎作為設計背景。在物理或是運動力學的應用上，本研究欲結合以上所描述的平板電腦特性與 App 設計原則。過去針對拋體運動學習的研究指出，因為單純虛擬的動畫並無法提供足夠的刺激、線索使學生產生概念改變，無法直接感知加速度的方向與大小也可能造成模擬動畫在此單元的學習成效較低(Lazonder & Ehrenhard, 2014)。而 de Koning 和 Tabbers (2011)也提出若是使學習者的身體跟著現象一起動作、或是以直覺性的手勢輔助其他表徵，則可能在減低工作記憶負荷（Working Memory Load）的同時刺激腦內連結以達到更有效率的學習。因此本研究將結合平板電腦感測器、統整性等特性使用一結合觸感（Haptic）及動感（Kinetic）的教育性 App 來輔助學生進行運動力學的概念學習。在此探討完「哪些平板電腦的功能可以被使用於輔助物理教學？」與「教育性的 App 如何設計才可以發揮這些平板電腦的功能？」問題後，更進一步欲使用針對以上特性所設計的教育性 App 來進行運動力學之「拋體運動」單元的教學並檢視其成效與影響因素，針對此 App 的描述，則在第三章有更詳細的說明。. 15.

(23) 第二節. 視覺動作統整能力. 由於本研究之科技使用，不論是電腦組的滑鼠使用、觸控組與動感組的觸控螢幕使用、動感組的重力感測器使用均仰賴視覺刺激與大量的手部操作（包含手指與手臂），因此本研究擬將視覺動作統整能力納為研究變項之一。本節就視覺動作統整能力作介紹，內容包括其理論基礎、與學習的關係、與操作任務的關係。. 一、理論基礎兒童的動作發展在最早期時，一些動作的產生或反射（如嬰兒的踢腿）被提出其內在歷程的運作與經驗無關，但隨著年紀的增長許多動作開始需要涉及知覺與多個系統，如抓握需要協調視覺、觸覺與手部肌肉(Robert, Rita, & Robert, 1991)。在兒童的學習中，Kephart(1971)強調知覺學習與動作學習間高度相關，提出「知覺動作說」，認為抽象的認知作用乃根源於具體的肌肉活動，因此他說：「行為發展始自肌肉活動，而且吾人所謂高層次的行為，也是植基於低層次的動作，因此較高級的活動係以肌肉的活動為基層的結構。」（引自許天威，1986）他並將學習過程分為下列六階段： 1. 大肌肉動作期（Gross-motor Stage） 2. 動作－知覺期（Motor-perceptual Stage） 3. 知覺－動作期（Perceptual-motor Stage） 4. 知覺期（Perceptual Stage） 5. 知覺－概念期（Perceptual-conceptual Stage） 6. 概念期（Conceptual Stage）這些發展階段及動作－知覺作用階段為學習的基本階段，若此基本階段有所缺陷時，將影響兒童的學習速度及學習成就。由此可知，兒童早年的肌肉發展與動作反應，為一切學習與行為的開端。Kephart 更進一步指出任何的學習活動皆包括下列輸入、統整、輸出、回饋四個過程（引自許天威，1986）： 1.. 輸入（Input）：指感官接受訊息的刺激而產生神經衝動，並傳入神經中. 16.

(24) 樞。 2.. 統整（Integration）：指個體接收各式各樣的訊息後之心理歷程為輸入中樞神經，由腦部加以組織整理，並將舊經驗與新刺激連結組合而形成一個完形。. 3.. 輸出（Output）：指個體認知過程中，由刺激之感受與統整之後，引起動器反應的動作。. 4.. 回饋（Feedback）：指對動作反應的核對功能，促進此知覺作用構成連鎖過程，並使知覺作用越趨精密正確。. 在完成一工作任務時，動作與知覺的配合順序是：先由動作領導知覺，待知覺作用發展完成後，再由知覺作用指揮動作，以促進動作的執行。例如，開始時兒童雙手操弄環境中的事物，眼睛則跟隨著手的接觸與操弄而移動，以此了解環境中的事物，Kephart 稱為「手－眼活動」（Hand-eye Activities），在此過程中動作與知覺的配合極為重要。而在眾多知覺之中，視覺又被發展心理學者認為是最重要的感官，目前已經確知視覺系統在新生兒時期以發展得相當健全(Robert et al., 1991)。在視覺與動作的理論中，Getman(1965)提出視覺動作發展（Visual Motor Development）及視知覺發展（Visual Perception Development）理論，與 Kephart 同樣強調知覺與動作的發展具有密切的關係。Getman 指出個體動作與知覺的發展循著一定的順序而生，前一階段的發展乃是後一階段的基礎。而在指導兒童各種知動學習上，又以視覺動作統整能力（Visual-motor Integration / Visuomotor Integration）最重要。他認為學習程序可分為下列九個系統階段，稱為「視動模式（Visuomotor Model）」且可分為兩部份，第一部份說明知覺動作的發展，為第 1.至第 7.階段、第二部份則在說明智能的發展及第 8.及 9.點，詳細列出如下（引自張英鵬，1997）： 1. 天賦反射系統（Innate Responses system）：個體一出生即具有的反應，是一切學習活動的基礎，包括有：頸緊張反射動作（Tonic Neck Reflex）、震驚反射動作(Startle Reflex)、眼瞼及瞳孔對光線反射動作（Light Reflex）、 17.

(25) 握物反射動作（Grasp Reflex）、靜位－運動反射動作（Stato-kinetic Reflex）、肌伸張反射動作（Myotatic Reflex）等。 2. 一般動作系統（General motor system）：此階段的基本動作技能包括爬（Creeping）、走（Walking ）、跑（Running）、跳（Jumping）、跑跳（Skipping）及單腳跳（Hopping）六項。兒童須熟練此系統的動作技能才會協調，以進行更高層次的學習活動。 3. 特殊動作（Special Motor System）：學習前兩個階段的動作之後，使再進行眼－手協調動作（Eye-hand Relationship）、雙手同時運作（Combinations of Two Hands Working Together ）、手－腳協調動作（ Hand-foot Relationship），發音與表情姿態關聯（Voice 和 Gesture Relationship）等技能的學習。 4. 眼球動作系統（Ocular Motor System）：本階段的發展重點在於雙眼的配合移轉與運作，所必備的視覺技能有注視（Fixation）、移視（Saccadic）、追視（Pursuits）、環視（Rotation）。 5. 說話－動作系統（Speech Motor System）：語言－動作與聽覺統整包括三項能力：牙牙發聲（Babbling），模仿的發聲（Imitative Speech）、自創的發聲（Original speech）。雖然此模式著重於視覺，但 Getman 認為視、聽、說三方面的配合，有助於知覺的發展。：個體由視覺與聽覺及其他感官所獲 6. 視覺認知系統（Visualization System）得的印象可以再生（Recall），此種能力可分為兩種：a.即刻的視覺影像（ Immediate Visualization ）； b. 過去與未來的視覺影像（ Past-future Visualization）。：知覺作用為前述各階段內各種能力逐層發展而成， 7. 知覺動作（Perception）若前述能力的發展有困難，則容易導致知覺作用的障礙。 8. 認知作用（Cognition）：由於視覺形象的統整可以構成認知，因此經由各知覺作用的統整，進而構成個體的認知能力。. 18.

(26) 9. 符號化與抽象的過程（Symbolic & Abstract Processes）乃至智能的發展（Intellectual Development）。由 Kephar 與 Getman 的理論可知視覺與動作之間的關係，而連結兩者的能力即視覺統整能力，此能力與應與學習有極大的關係。至於實際會作用於何種學習與其作用機制為何，則因後續研究而逐漸明朗化，在此將繼續說明。. 二、視覺動作統整能力與學習由上述視覺動作統整能力的機制可想見，此能力應該會與手部相關的學習行為有相當程度的正相關，而許多研究也已經以實徵的研究宣稱視覺動作統整能力對手寫能力（Handwriting Skill）與閱讀能力有顯著的影響(Barnhardt et al., 2005; Contreras-Vidal, Bo, Boudreau, & Clark, 2005; Daly et al., 2003; Goldstein & Britt, 1994)。。另外，數學學習成就也被指出與視覺動作統整能力有關(Barnhardt et al., 2005; Goldstein & Britt, 1994; Kulp, 1999; Sortor & Kulp, 2003; S. A. Vogel, 1990)，原因可能由於數學計算均須使用紙筆且低視覺動作統整能力的學生在幾何圖形的抄畫上也較容易遇到困難(Sortor & Kulp, 2003)。進一步的研究可以發現，以上趨勢在控制認知層次後依然存在，但年齡上在幼稚園至國小低年級階段最為明顯 (Kulp, 1999)，因此視覺動作統整能力時常被作為早期學習障礙的指標之一(S. A. Vogel, 1990)。. 三、視覺動作統整能力與操作任務使用科技輔助學習時必定要進行許多複雜的手部操作行為，以視覺動作的觀點來看，當行為者需要執行特定的簡單動作（如抓取或將手伸至特定位置）時有可能有兩種理論架構：第一種是「空間－動作對應（Spatial-to-motor Map）」，即是將空間座標（Spatial Coordinate）轉換為轉動關節的指令，屬於反向動作模式（Inverse Kinematic Model）。此種模式需要不斷地由視覺回饋計算目標所在和當前位置，並將兩者的差距向量轉換成關節轉動的指令以行經正確的軌跡；第二種是「動作－空間對應（Motor-to- spatial Map）」，即是將當前的手臂位置用動作座. 19.

(27) 標（Motor Coordinate）轉換為空間座標使整個系統預測當前軌跡的空間結果，是一種順向動作模式（Forward Kinematic Model）。感官的回饋提供手部當前位置以利調整動作－空間對應，並同時提供手部動作的資訊以利調整空間－動作對應(Bullock, Grossberg, & Guenther, 1993)。而其實許多操作任務所需的轉換機制遠比上述的簡單動作對應還要複雜得多。例如任務為將滑鼠指標移至電腦螢幕的指定地點時，空間－動作對應的精準度不只會被本身感官的不契合（Incongruency）影響，還會被滑鼠的感測器輸入所影響，使得操作更加困難(Bo et al., 2006)。若根據以上理論檢視本研究，本研究之不同科技使用組別其操作任務複雜程度會因滑鼠使用、觸控螢幕使用、重力加速度感測器的使用而有所不同，因此視覺動作統整能力對學習成效的影響於各科技使用組別會有所不同。回顧相關的研究，Lane 和 Ziviani (2010)在研究影響學生使用滑鼠的變因時其研究結果即顯示視覺動作統整能力確實會影響到學生操作滑鼠的速度、流暢度（Fluency）、與精確度（Accuracy）；Kane, Jayant, Wobbrock, 和 Ladner (2009)利用行動裝置輔助視知覺或動作能力缺陷者的日常生活，且有正面的效應。雖然本研究由本章第一節之文獻探討可預期平板電腦特性或許可以彌補視覺動作能力的差距，但此些研究都並未進一步討論科技使用是否會影響使用電腦或平板電腦輔助教學時的學習成效，因此本研究希望由資料分析結果試圖找尋可能的答案。. 20.

(28) 第三節. 空間能力與物理學習. 一、空間能力空間能力（Spatial Ability）歷史上源於針對機械性向（Mechanical Aptitude）與實作能力（Practical Ability）的研究。從 1925 年開始，許多學者們已使用因素分析法將空間能力從語文能力中區分出來，並進一步探討空間能力的內涵與其在學習者上的個別差異(McGee, 1979)。而接續的一系列研究開始轉而討論空間能力與邏輯推理能力、數學能力、各學科學習成效等之間的關係，自此空間能力已普遍地被視為心智能力的成分之一，如 Turstone（1941）提出之心理能力論（Primary Mental of Intelligence）(引自 Linn & Petersen, 1985)或是 Gardner 的多元智能(Gardner & Hatch, 1989) 均強調空間能力為其重要因素。Linn 和 Petersen (1985)整理出研究空間能力的觀點大致可分為四類，分別為： . 差異觀點（the differential perspective）：比較空間能力在各種母群體的差異，如空間能力在性別上的差異等。. . 心理計量觀點（the psychometric perspective）：比較各種空間任務的相關性，藉此定義空間能力的因素（factors）。. . 認知觀點（the cognitive perspective）：探討人們解決特定空間任務時的心智過程。. . 策略觀點（the strategic perspective）：探討人們解決給定空間任務時使用的策略。. 上述四種研究觀點顯示了空間能力的複雜性，且在此領域形成了百家爭鳴的景況。雖然如此，研究結果都不約而同地指向，進而與數學、科學、機械領域的學習成效有相當大的關聯(Pellegrino, Alderton, & Shute, 1984; Shea, Lubinski, & Benbow, 2001)。依據研究者們所抱持的理論架構與基本假設不同，空間能力也有著許多不同的定義與內容，以下茲將國內外學者對空間能力的定義整理如表 2-3-1：. 21.

(29) 表 2-3-1 國內外學者對於空間能力之定義研究者. 空間能力之定義. Thurstone（1938）. 空間能力是能夠在心中記住一個空間圖像，並在腦海中扭轉、移轉或者旋轉這個圖像至一個新的位置，再將此變動過的圖像與研究者所提供的圖像進行比對的表現能力（引自李琛玫，1996）。. Guilford & Lacey（1947）空間能力是能夠在心裡想像物體的旋轉，及在平面上想像物體被展開後的平面圖或摺起後的立體圖形，或是瞭解空間中物體位置改變之關係的能力（引自李琛玫，1996）。 Lohman（1979）. 空間能力是能夠類化、保留及轉換抽象視覺圖像的能力。. McGee（1979）. 空間能力是對視覺刺激形式內部安排的理解，即不受方位改變而產生混淆的能力，並且能在心理操作、旋轉或扭轉以視覺呈現的刺激物的能力。. Cooper & Regan（1982）個體將平面或立體的視覺刺激，進行編碼、轉換、產生及記憶成內在表徵的能力。 Gardner（1983）. 空間能力是在腦中想像事物（picturing things in the head），包含想像摺疊和旋轉物體的能力、描繪二度空間的物體視覺化（想像）三度空間物體，以及分辨由不同角度觀看同一物體的能力。. Linn & Petersen（1985）空間能力是一種關於空間的知覺、概念、表徵及推理的能力。 Lord（1985）. 空間能力是在思考時產生心像，以及轉換變化心象的能力。. Pellegrino & Hunt. 空間能力是視覺圖像的推理能力。. （1991） Kelly（1992）. 空間能力是對視覺形式的認知與記憶，即心理操作物體形狀的流暢能力（引自蔣家唐，1995）。. 22.

(30) 綜合以上學者對空間能力的研究可以得知，雖然空間能力的定義略有差異。但大多數研究均強調空間能力是一種心智運作的能力，知覺二度或三度空間的物體進而使用對其使用各種心智功能（如辨別、操弄、轉化、邏輯推理)的能力。. 二、空間能力的類型瞭解空間能力的定義後，也確認了空間能力的內涵並非單一且簡單化的。藉由早先眾多學者的研究，特別是以因素分析法作的探討，已可以對空間能力至少擁有兩種以上因素的說法提供強而有力的支持(McGee, 1979)。因此從 1940 年代以後探討其因素與架構已經成為了一個專門的研究領域，但至今還是眾說紛紜，未有一個非常明確的答案(Yilmaz, 2009)。其中較為大家廣泛引用的分類列舉如下： 1. Lohman（1988）所提出較為重要的三種因素(鄭海蓮 & 陳世玉, 2007)： (1) 空間視覺化（Spatial Visualization）：在心智中將兩度空間的圖形摺疊成三度空間圖形、拆解成平面圖形或操弄物體的各元件的能力，可由方塊設計（Block Design）、摺紙作業（Paper Folding）來進行測量。 (2) 空間關係（Spatial Relations）：在心智中快速又正確地旋轉操弄並辨識物件的能力，可由圖形作業進行測量。 (3) 空間方位（Spatial Orientation）：藉由想像將物體重新排列，而後從不同角度推理觀看情形的能力，可由窗-椅測驗（Chair-Window Spatial Orientation Test）來進行測量。 2. McGee (1979)整理前人研究總結兩種主要的因素： (1) 空間視覺化（Spatial Visualization）：藉由想像操作、旋轉、扭轉、倒置物體的能力。 (2) 空間方位（Spatial Orientation, SO）：想像物體在不同觀點時的樣貌。 3. Carroll（1993）整理使用現代分析方法的研究並列出五個主要因素(Lohman, 1996)：. 23.

(31) (1) 空間視覺化（Spatial Visualization）：操作視覺圖形的能力，依可以掌握其視覺材料的難度與複雜度決定能力高低，無關乎解決任務的速度。 (2) 快速旋轉（Speeded Rotation）：相對簡單地操弄視覺圖像（如心智旋轉、轉化）的速度。 (3) 完形速度（Closure Speed）：領會與辨認視覺圖像的速度，不包含進一步的理解。 (4) 完形變通（Closure Flexibility）：尋找、理解與辨認視覺圖像的速度，包含事先知道什麼需要被理解、什麼應該被隱藏。 (5) 空間知覺速度（Spatial Perceptual Speed）：尋找已知視覺圖像或是比較圖像的速度。 4. 國內部分有鑑於現階段將發展多元智能視為教育發展的重要目標之一，教育部頒定之九年一貫課程內容即包含了圖形與空間（教育部技職司，1998）。因而康鳳梅等人(2006)自 2003 開始由構念層次的成因指標（cause indicators）發展針對我國高職學生的空間能力指標。各指標如下（引自簡慶郎，2005）： (1) 空間方位（Orientation）：受試者能從不同的角度想像物體或圖形在空間的旋轉變化，且對改變方向的物體或圖形擁有想像的能力。 (2) 空間關係（Spatial Relations）：受試者能夠想像在空間中將不同的物體面互相關聯，並想像操弄其摺合、展開或旋轉組合與分解的能力。 (3) 空間感觀（Spatial Perception）：受試者能夠正確辨識物體相結合外觀所形成之線，且對所觀看的物體能夠形成精確影像的能力。 (4) 空間視覺化（Spatial Visualization）：受試者能夠經由心理旋轉、移動，而將相對位置改變的物體操作或轉換其空間模式的能力。 (5) 空間組織（Spatial Organization）：受試者能夠組織經由觀察物體不同方向之空間影像，而揣想其另一方向之影像或立體之能力。由上述可知在各學者強調之空間能力因素中，有許多項目重複出現，代表基本核心已經成形，總括的來說均對應空間能力為心智上的心像操弄，內含數種運. 24.

(32) 作形式且考慮速度的變項。但值得注意的是某些變項（variences）就算眾多研究使用因素分析法也難以完全釐清(Stumpf & Eliot, 1999)，該名詞在不同的理論架構中，均有或多或少定義與解釋上的差異。如重複出現多次的「空間視覺化」， Lohman 的解釋與 McGee、Carroll 的解釋在操作任務的描述有相當出入，也提醒我們不同因素的定義將左右其適合的測量方式，反之，不同的測量方式對應的操作任務、空間能力內涵都將不同(Yilmaz, 2009)，我們在探討某空間能力因素時必將其測量方式與操作任務都納入考量。. 三、空間能力與學習之關係為數眾多的研究都已指出，空間能力與科學學習成效有相當大的關係(Lord, 1985; Pribyl & Bodner, 1987; Yang, Andre, Greenbowe, & Tibell, 2003)。Shepard （1979）總結地說到，由報告指出科學家如愛因斯坦（Einstein）、法拉第（Faraday）、華生（Watson）在發展想法時的思考流程應是使用內在心像或視覺表徵(Pallrand & Seeber, 1984)。化學學習方面，Pribyl 和 Bodner(1987)認為對於需要在心智上處理一個分子之二度空間表徵的問題解決時，高空間能力學生的表現顯著優於低者。 Bonder 和 McMillen 之研究顯示空間能力測驗與一班化學成就測驗有正相關。生物學習方面，Macnab 和 Johnstane 指出三度空間至二度空間、二度空間至三度空間的轉換等空間能力在生命科學中扮演相當重要的腳色，且這些能力都與顯微鏡的使用有關。Lord(1985)的研究結果指出，在產生及控制心像有困難的學生，會對解讀圖表產生困難，生命科學課程的表現也較差。地球科學學習方面，Bishop （1987）指出空間能力與天文的學習關係密切。Orion，Ben-Chaim，和 Kali（1994）的研究結果顯示，地質簡介課程之成績與學生空間透視能力之表現呈高度相關。物理方面，Pallrand 和 Seeber（1984）發現能成功學習物理的學生大多具有較高的空間能力。. 25.

(33) 第四節. 拋體運動常見之另有概念. 一、另有概念與學習學生在課堂中正式進行科學概念的學習之前，通常已經在生活中已有相關的經驗。這些由生活事件或現象的經驗形成的想法有時因為無法客觀及考慮其他影響條件，而與現行科學家的想法與理論不同，被稱為「另有概念（Alternative Conception）」或「迷思概念（Misconception）」(Smith , diSessa, & Roschelle, 1994)，也因此 Posner, Strike, Hewson, 和 Gertzog (1982)指出「學生並非如同白板（Blank Slate）一般進入課堂中」，即學生是帶著關於他們日常生活現象如何及為何運作的完整理解。在教學過程中，學習者基於過去的背景知識、態度、與經驗產生自己對於目標的意義與詮釋。從認知模型的角度來看，學生從自己對於世界的觀點針對現象或事件建立了合感知的（Sensible）、同步（Coherent）的理解(Osborne & Wittrock, 1983;引自 Dilber, Karaman, & Duzgun, 2009)。關於學生的另有概念，至今為止還沒有文獻能夠有效指出何種教學方法能夠使其完全轉換(Başer & Geban, 2007)。但在科學學習中教學策略相當重要，因為可以促進有意義的學習以及避免迷思概念的產生。由過去的一些研究可以得知，電腦模擬動畫對於中學生至大學生的階段，不只可以增進問題解決能力並可以相當程度協助改變迷思概念(Dilber et al., 2009)。電腦模擬動畫可以簡化在現實生活中太複雜的現象，且學生可以藉由操作（如改變參數）立即獲得視覺化的回饋，由此過程詮釋模擬動畫中的科學概念並與自己的概念做對照，最後形成並驗證其假設(Carlsen & Andre, 1992)。由上述文獻，本研究可以預期使用使用電腦模擬的三組科技使用組別均會產生概念改變。且如同本章第一節所述，由於平板電腦的重力加速度感測器特性可以使學生由手部就感知模擬動畫中物體所受的重力方向與大小，所以應更容易與生活經驗產生關連，進而促使更多另有概念的改變。. 26.

(34) 二、拋體運動常見之另有概念因本研究預定於拋體運動概念評量開放性問題部分進行另有概念的頻率分析，所以在編碼之前在此蒐集並整理既有對拋體運動概念之研究結果，茲列出如表 2-4-1，且此處所指拋體運動均特只在同一平面之運動：表 2-4-1 過去文獻對於拋體運動另有概念研究整理表類別. 另有概念. 研究者. 速度與加速度的混淆。. Muller, Bewes, Sharma, 和 Reimann (2008). 對於專有名詞的混淆. 位移與速度的混淆。. Muller et al. (2008). 斜向拋射與水平拋射的混淆。. Muller et al. (2008). 動量與力的混淆，認為等加速度需要越來 Muller et al. (2008) 越大的力來維持。移動的物體必定有力作用在其移動方向. Prescott 和 Mitchelmore. 上。. (2005). 水平拋射的軌跡為「倒 L 型」，即拋體會. Gilbert 和 Watts (1983). 對於過程錯做水平運動直至作用力「用盡（Ran out）」誤的想像才由重力開始作用。落體受空氣阻力的影響會以相同的加速. Dilber et al. (2009). 度減速。. 邱維宣（2002）. 自由落體運動軌跡會受使其加速的外力. 邱維宣（2002）. 影響（如球棒施與球的力）。在北極或南極地球的重力會比較小。. Dilber et al. (2009). 對於變因間對同樣高度不同質量的自由落體，質量越 Dilber et al. (2009) 錯誤的關係. 大的物體掉到地面的時間越短，即重力加 Gilbert 和 Watts (1983) 速度與本身質量相關。. 27.

(35) 物體的重量只跟質量有關。. Dilber et al. (2009) Gilbert 和 Watts (1983). 重力大小與物體狀態有關，即運動中的物 Prescott 和 Mitchelmore 體受到的重力大於靜止的同樣物體。. (2005). 重力大小會因不同的物體本身性質而有 Gilbert 和 Watts (1983) 差異（如氣球與太空人的靴子）。增加氣體壓力會使自由落體的速度更慢。 Dilber et al. (2009) 水平與垂直方向運動會互相影響。. Dilber et al. (2009) 邱維宣（2002）. 若在重力加速度比地球弱的星球以同樣. Dilber et al. (2009). 速度拋射同一物體，能達到的最大高度會比較小。. 以上列之參考文獻中，邱維宣（2002）之研究對象為高中一年級學生、Dilber et al. (2009)之研究對象為 16 至 17 歲即高一或高二學生、Gilbert 和 Watts (1983) 則是整理先前眾多研究結果，對象由國中至大學生不等、Muller et al. (2008)之研究對象為大一物理相關科系的學生、Prescott 和 Mitchelmore (2005)則以高三學生為研究對象。本研究以高中一年級為對象，於國中時已曾約略接觸過拋體運動概念但未深入探究，因此雖以上述之另有概念為開放性問題之編碼基礎，但可預期這些另有概念不會盡數出現在本研究中。. 28.

(36) 第三章. 研究方法. 本研究採取準實驗研究法（Quasi-Experimental Design）的設計，本章節共分為五節，將針對本研究之研究方法做詳細地描述，內容包括「科技使用與教學設計」、「研究對象」、「研究流程與設計」、「研究工具」、「資料收集與分析」五個面向。. 第一節. 科技使用與教學設計. 一、科技使用本研究涉及運動力學中的「拋體運動」單元，綜合第二章對於模擬動畫、科技使用與物理教學研究文獻之探討，基於視覺化、便利性、資料收集效率等考量已有越來越多研究使用模擬動畫輔助運動力學教學。但另有一派學者指出與實體物件的互動可以激發額外腦內活動進而提升學習記憶的保持（Retention）與提取（Retrieval），即使同樣是「動手做（Hands-On）」，許多資訊在虛擬的環境中、單單由滑鼠來操作實驗是難以被經歷到的(Lazonder & Ehrenhard, 2014; Marshall, Cheng, & Luckin, 2010)。針對此爭論，本研究欲將模擬動畫的教學結合平板電腦之特性並使用與之配合的教育性 App，試圖探討不同的科技使用是否能夠在運動力學的教學上開創不同的可能性。在研究設計上，本研究將教學依載具與使用方式的不同將學生分為三組，茲分別敘述如下，並整理成表（見表 3-1-1）。 (一) 電腦組此組別之學生每人均配有一台桌上型電腦與滑鼠，並輔以針對拋體單元學習之模擬動畫進行教學。在動畫中可以設定一至最多十個物體同時進行拋射的實驗，模擬動畫操作與實驗步驟大致如下： 1. 學習者設定欲進行實驗的物體數量。 2. 學習者拖曳與物體同色之箭頭以設定初始速度方向與大小（如圖 3-1-1.a）。 3. 在進階的概念學習中，學習者可以勾選是否要在動畫開始前或動畫進行中改. 29.

(37) 變重力加速度（Gravitational Acceleration，代號 g），並拖曳白色箭頭改變重力加速度之大小與方向（如圖 3-1-1.b）。 4. 學習者可以設定播放速率調整動畫呈現之速度。 5. 學習者按下「Play」鈕並觀察物體依照先前設定之初始參數所呈現的運動過程（如圖 3-1-1.c），依據探討問題情境的需要，可以在動畫撥放過程中即時改變重力加速度之向量。 6. 學習者觀察運動物體留下之軌跡，對照軌跡上之標記以理解該物體在某時刻的位置，也可以由此判斷是否與其他物體有碰撞（如圖 3-1-1.d）。最後，學習者可以按下截圖鍵將整個螢幕畫面保存至記憶體、按下「Reset」鈕重置物體進行下一輪實驗、或是按下「Clear」鈕清除所有軌跡由步驟 1. 重新開始實驗。. a.. b.. c.. d.. 圖 3-1-1 電腦模擬動畫各階段的操作介面；a.設定拋體初始條件 b.設定重力加速度 c.拋體運動過程 d.拋體運動軌跡. 30.

(38) 為避免學習者一次接收過多資訊而造成認知負荷，本模擬動畫允許學生勾選是否要呈現運動軌跡或物體上的重力加速度。除此之外，本模擬動畫的介面與作設計符合 Swaak 與 de Jong (2001)所提之發現式模擬動畫應具有的特性－各向量與軌跡的呈現使用多種視覺化或動態的表徵（豐富性）、物體的運動狀態直接呈現在學習者眼前而不需想像（低透明度）、學習者必須自行設定拋體的初始條件並主動探索結果與控制變因之間的關係（主動互動性）。 (二) 觸控組本組之學生每人均配有一台平板電腦，並使用 Android 系統作為 App 的載具，該款平板電腦重約 680 克、搭載 10 吋觸控式螢幕、且內建重力感測器與陀螺儀等感測器。本組所使用之 App 以電腦組所使用的模擬動畫為基礎，介面與操作步驟均與上述電腦組之操作步驟相同，但在步驟 2. 3.及 5.中，向量箭頭的設置由滑鼠改為手指直接拖曳、在步驟 1. 4. 6.中則以手指直接觸碰螢幕取代滑鼠點選。根據 de Koning 與 Tabbers (2011)所指出學習者若以直覺性的手勢輔助學習、加上觸感（Haptic）的刺激，則有可能達到更有效率的學習，因此與電腦組最大的差異之處在於滑鼠的操作替換為手指直接的操控，學習者可以藉由手指的拖曳直覺地體會各向量的大小與方向（如圖 3-1-2）。此組別在平板電腦的輔助教學上，呼應了若干先前所述平板電腦的特性與設計物理教學 App 應考量的面向，如學生可以在分組討論時可以互相傳閱或直接展示給同學們看實驗結果（移動性）、實驗操作與設置並不需要教師額外說明就能如同實物般使用（直覺性介面）、學生可以將實驗結果藉由內建的截圖功能保存並上傳到雲端空間分享或留存（統整性系統）。 (三) 動感組本組硬體設置與觸控組相同，且與觸控組使用相同之 App。不同之處在於動感組開啟 App 中之重力加速度感測器讀取功能，即上述操作步驟 3.及 5.之中，模擬動畫內物體所受的重力加速度並非由拖曳重力加速度向量來進行設定，而是直接讀取平板電腦內的感測器數據並直接顯示在螢幕上，重力加速度的方向與大. 31.