觸覺回饋與鷹架策略對國小學習者擴增實境互動學習之影響

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(1)國立臺灣師範大學教育學院資訊教育研究所碩士論文 Graduate Institute of Information and computer Education College of Education. National Taiwan Normal University Master’s Thesis. 觸覺回饋與鷹架策略對國小學習者擴增實境互動學習之影響 The Effects of Haptic Feedback and Scaffolding on Elementary Students’ Augmented Reality-Based Learning. 彭敏華 Peng, Min-Hua. 指導教授：陳明溥博士 Advisor: Chen, Ming-Puu, Ph.D.. 中華民國 109 年 6 月 June 2020.

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(3) 致謝我相信什麼，就會實現什麼──自我應驗預言。研究過程中不止是糖、香料與美好的味道，日常累積後奇蹟跟魔法都是存在的唷！二年說快不快，說慢不慢就這樣平安過去了，感謝飛天小女警的努……更正，總之先謝謝我的家人們，特別是我的父母支持著我讀研究所，沒有他們我就沒有辦法完成這個學歷，姐姐們讓我住她家、常常請客吃飯什麼的，跟我的哥哥在餐桌面對面，筆電背對背在餐桌寫論文那段小日子總是不孤單。論文的產出與完善當然也要謝謝我的老師，陳明溥老師的指導與口委李老師、游老師的具體建議。回首過往，整個過程都是經歷體驗式學習環，從工作範例、從做中學解決問題的方法、系統性的思考，在陳老師手下學習做研究的日子飛快，研究不只是注重內容的質料、形式的表面效度十分重要，順不順眼會影響到內容想不想看。像是剛入門老師就要我們搞清楚學位論文的架構，這就是對於學術研究的「準備率」。中間也會跟隨老師的建議與參考學長姐的範例做期刊論文摘要，這就是學術研究的「練習率」。儘管一開始懵懵懂懂似懂非懂，但最後寫論文時，先前的準備與中間的練習拿來參考就是論文產出的關鍵，也就是學術研究的「效果率」。當然還有許多事跟隨老師學習，研討會、計畫報告、人際溝通、互動交流、學校行政，種種讓我的兩年研究生生涯每天都大起大落實在太快、太刺激了。過程認識很多人，感謝 Lab 的大輩先們，首先是麗君學姐、榮泉學長、佳燕學姐、淑媛學姐、碩亨學長、庭毓學長、怡文、家禎、政凱，總是能從你們身上直接或間接得到許多建議與幫助。在日常上，特別是家禎輩先總是能一起聊日劇跟動畫真的很開心。我的同期郁婷跟英發也是很努力，大家接力做實驗、一起寫論文，還有新加入的後輩們，行政上有你們的協助實在幫大忙了。要謝的人實在太多了，最後謝謝自己的努力外，也就只能謝天了，對吧？最後，只要準備好做研究(準備率)、練習做研究(練習率)，做出研究(效果率)，努力+毅力+洪荒之力佐以汗水、淚水、鼻水調料，加油努力奮鬥，時間一到就會產出論文。. 彭敏華謹識 2020.06. i.

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(5) 觸覺回饋與鷹架策略對國小學習者擴增實境互動學習之影響彭敏華. 摘要本研究以體驗式學習環為學習活動基本架構，將擴增實境數位遊戲搭配學習單設計「勇者降臨」AR 玩科學活動進行實驗教學。研究目的旨在探討觸覺回饋 (力與動覺回饋、動覺回饋)與鷹架策略(策略鷹架、程序鷹架)對國小四年級先備知識(高先備知識、低先備知識)學習者透過擴增實境互動進行槓桿原理學習的成效及動機之影響。研究對象為國小四年級學習者，參與者來自台北市某國小四年級 224 位學習者，有效樣本為 201 人。本研究採因子設計之準實驗研究法，自變項為觸覺回饋、鷹架策略與先備知識；觸覺回饋依照實體教具所提供的力回饋高低分為「力與動覺回饋」及「動覺回饋」；鷹架策略則依照學習的輔助方法不同分為「策略鷹架」與「程序鷹架」；先備知識依學習成效前測成績分為「高先備知識」與「低先備知識」。依變項包含槓桿原理學習成效(知識記憶、知識理解、知識應用)與學習動機(槓桿原理學習動機、AR 互動科技接受度)。研究結果顯示：(1)就學習成效而言，在接受動覺回饋時，程序鷹架學習者在知識應用表現優於策略鷹架組；接受程序鷹架學習時，動覺回饋組學習者在知識應用表現則優於力與動覺回饋組學習者；(2)就學習動機而言，學習者對於槓桿原理學習皆保持正向動機，其中策略鷹架組在使用力與動覺回饋時，比使用動覺回饋表現出較高的參與動機；最後，(3)在 AR 互動科技感受方面，各組學習者均抱持正向看法，其中動覺回饋組在使用程序鷹架組時，比使用策略鷹架有較高參與動機的表現。. 關鍵詞：模擬、自主學習、穿戴式裝置、遊戲式學習、體現認知. iii.

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(7) The Effects of Haptic Feedback and Scaffolding on Elementary Students’ Augmented Reality-Based Learning Min-Hua Peng Abstract This study explored the effects of haptic feedback, scaffolding and prior knowledge on elementary students’ learning performance and motivation while learning from an augmented reality-based learning. The experiential learning model was employed to serve as a learning framework for the design of the "Brave Advent" augmented reality learning game. The participants were 224 fourth graders and the effective sample size was 201. A quasi-experimental design was employed and the independent variables were type of haptic feedback, type of scaffolding and levels of prior knowledge. Two types of haptic feedback were examined, including the force+kinesthetic feedback and the kinesthetic feedback. The scaffoldings included the strategic scaffolding and the procedural scaffolding. The levels of prior knowledge were the high prior knowledge and the low prior knowledge. The dependent variables included participants’ learning performance and motivation. The results revealed that (a) for the learning performance, in the kinematic feedback group, the procedural-scaffolding group outperformed the strategic-scaffolding group on the application performance; and in the procedural-scaffolding group, the kinematic feedback learners outperformed the force+kinesthetic learners on the application performance; (b) for learning motivation, participants showed positive motivation, and in the strategic scaffolding group, the force+kinesthetic-feedback group revealed higher degree of motivation than the kinesthetic-feedback group; and (c) as for the technology acceptance, participants also showed positive attitude toward the employed technology, and in the kinesthetic-feedback group, the procedural-scaffolding learners revealed higher degree of attitude than the strategic-scaffolding learners. Keywords: simulation, self-directed learning, wearable devices, game-based learning, embodied cognition. v.

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(9) 目錄致謝.......................................................................................................................... i 摘要........................................................................................................................ iii Abstract .................................................................................................................. v 目錄....................................................................................................................... vii 附表目錄................................................................................................................ ix 附圖附錄................................................................................................................ xi 第一章緒論 .......................................................................................................... 1 第一節. 研究背景與動機............................................................................. 1. 第二節. 研究目的與待答問題..................................................................... 6. 第三節. 研究範圍與限制............................................................................. 7. 第四節. 名詞釋義......................................................................................... 9. 第二章文獻探討 ................................................................................................ 13 第一節體驗式學習環................................................................................. 13 第二節擴增實境體現認知設計................................................................. 16 第三節觸覺回饋......................................................................................... 20 第四節鷹架策略......................................................................................... 22 第三章研究方法 ................................................................................................ 25 第一節. 研究對象....................................................................................... 25. 第二節. 研究設計....................................................................................... 26. 第三節. 研究工具....................................................................................... 28. 第四節. 實驗流程....................................................................................... 39. 第五節. 資料處理與分析........................................................................... 43. 第四章結果與討論 ............................................................................................ 45 第一節槓桿原理學習成效分析................................................................. 45 第二節槓桿原理學習動機分析................................................................. 52 第五章結論與建議 ............................................................................................ 77 第一節結論................................................................................................. 77 第二節建議................................................................................................. 80 vii.

(10) 參考文獻 ............................................................................................................... 83 附錄 ....................................................................................................................... 95 附錄一、策略鷹架學習單 ................................................................................... 96 附錄二、程序鷹架學習單 ................................................................................. 108 附錄三、槓桿原理成效測驗 ............................................................................. 118 附錄四、學習動機量表(前測) .......................................................................... 122 附錄五、學習動機量表(後測) .......................................................................... 125 附錄六、「勇者降臨」AR 玩科學活動心得感想 ............................................ 129. viii.

(11) 附表目錄表 1-1 觸覺回饋中力與動覺回饋、動覺回饋之差異表 ......................................... 10 表 1-2 本研究適用之鷹架定義(Hannafin et al., 1999; Hill & Hannafin, 2001)....... 10 表 1-3 POEE 策略各階段定義(Al Mamun et al., 2019) ............................................ 11 表 1-4 學習動機量表各面向定義(Tuan et al.,2005; Davis, 1989; Davis et al., 1989) ............................................................................................................................... 12 表 2-1 鷹架類型(Hannafin et al., 1999; Hill & Hannafin, 2001) ............................... 23 表 2-2 POEE 策略各階段定義(Al Mamun et al., 2019) ............................................ 23 表 2-3 POQE 各階段定義與範例(Hong et al., 2019) ................................................ 24 表 3-1 實驗教學組別人數分配表 ............................................................................. 25 表 3-2 實驗教學組別及各組先備知識人數分佈表 ................................................. 25 表 3-3 「勇者降臨」AR 玩科學主要概念、學習目標、認知層次分配表與題數 ............................................................................................................................... 30 表 3-4 「勇者降臨」AR 玩科學學習活動內容規劃 ............................................... 31 表 3-5 策略鷹架學習單任務設計範例 ..................................................................... 36 表 3-6 槓桿原理學習成效測驗之測驗內容面向、題數分配與信度係數 ............. 37 表 3-7 學習動機量表之內容面向、題數分配與信度 ............................................. 38 表 4-1 槓桿原理學習成效之平均數、標準差與人數 ............................................. 46 表 4-2 槓桿原理學習成效表現之共變量矩陣等式 Box 檢定................................. 48 表 4-3 槓桿原理學習成效表現之多變量檢定 ......................................................... 49 表 4-4 槓桿原理學習成效之多變量變異數分析摘要 ............................................. 50 表 4-5 知識應用之觸覺回饋*鷹架策略交互作用單純主效果分析摘要表 ........... 51 表 4-6 槓桿原理學習成效分析結果摘要表 ............................................................. 52 表 4-7 各組對槓桿原理學習動機之平均數、標準差與人數 ................................. 54 表 4-8 槓桿原理學習動機表現之共變量矩陣等式 Box 檢定................................. 59 表 4-9 槓桿原理學習動機表現之多變量檢定 ......................................................... 60 表 4-10 槓桿原理學習動機之多變量變異數分析摘要 ........................................... 62 表 4-11 自我效能之觸覺回饋*鷹架策略交互作用單純主效果分析摘要表 ......... 64 表 4-12 主動學習策略之觸覺回饋*鷹架策略交互作用單純主效果分析摘要表 . 65 表 4-13 科學學習價值之觸覺回饋*鷹架策略交互作用單純主效果分析摘要表 . 66 ix.

(12) 表 4-14 成就目標之觸覺回饋*鷹架策略交互作用單純主效果分析摘要表.......... 67 表 4-15 各組對 AR 互動科技接受度之平均數、標準差與人數 ............................ 68 表 4-16 AR 互動科技接受度表現之共變量矩陣等式 Box 檢定.............................. 70 表 4-17 AR 互動科技接受度表現之多變量檢定 ...................................................... 70 表 4-18 AR 互動科技接受度之受試者間效應項檢定 .............................................. 71 表 4-19 科技易用性之觸覺回饋*鷹架策略交互作用單純主效果分析摘要表...... 72 表 4-20 科技有用性之觸覺回饋*鷹架策略交互作用單純主效果分析摘要表...... 73 表 4-21 槓桿原理學習動機與 AR 互動科技接受度分析結果摘要表 .................... 74. x.

(13) 附圖附錄圖 1-1 力與動覺回饋組翹翹板 ................................................................................... 9 圖 1-2 動覺回饋組翹翹板 ........................................................................................... 9 圖 2-1 體驗式學習環(Kolb, 1984)............................................................................. 14 圖 2-2 現實-虛擬連續系統(Milgram & Kishino, 1994) ........................................... 16 圖 3-1 研究設計架構圖 ............................................................................................. 26 圖 3-2 力與動覺回饋組數位學習環境 ..................................................................... 28 圖 3-3 動覺回饋組數位學習環境 ............................................................................. 29 圖 3-4 槓桿原理課程知識架構圖 ............................................................................. 30 圖 3-5 遊戲關卡與載入畫面 ..................................................................................... 33 圖 3-6 故事背景與任務目標 ..................................................................................... 33 圖 3-7 遊戲操作畫面 ................................................................................................. 34 圖 3-8 依照提示完成遊戲任務 ................................................................................. 34 圖 3-9 完成任務 NPC 給予回饋 ............................................................................... 35 圖 3-10 完成任務進行概念統整 ............................................................................... 35 圖 3-11 策略鷹架設計範例 ....................................................................................... 36 圖 3-12 程序鷹架設計範例 ....................................................................................... 36 圖 3-13 「勇者降臨」AR 玩科學學習活動實驗教學流程圖 ................................. 40 圖 3-14 研究者簡介學習活動 ................................................................................... 41 圖 3-15 力與動覺回饋組進行「勇者降臨」AR 玩科學活動 ................................. 41 圖 3-16 動覺回饋組進行「勇者降臨」學習活動 ................................................... 42 圖 3-17 學習者書寫「勇者降臨」學習活動的心得感想 ....................................... 42 圖 3-18 槓桿原理學習成效、學習動機資料分析流程 ........................................... 43 圖 4-1 知識應用之觸覺回饋*鷹架策略交互作用圖 ............................................... 51 圖 4-2 自我效能之觸覺回饋*鷹架策略交互作用圖 ............................................... 64 圖 4-3 主動學習策略之觸覺回饋*鷹架策略交互作用圖 ....................................... 65 圖 4-5 科學學習價值之觸覺回饋*鷹架策略交互作用圖 ....................................... 66 圖 4-6 成就目標之觸覺回饋*鷹架策略交互作用圖 ............................................... 67 圖 4-7 科技易用性之觸覺回饋*鷹架策略交互作用圖 ........................................... 72 xi.

(14) 圖 4-8 科技有用性之觸覺回饋*鷹架策略交互作用圖............................................ 73. xii.

(15) 第一章緒論本章將就研究背景與動機、研究目的與待答問題、研究範圍與限制及名詞釋義一共四節，茲就其內容分別進行探討。. 第一節研究背景與動機自然科學學習將激發學習者對於科學的好奇心作為起點，從先備經驗出發，給予學習者主動探索、實驗操作等多元刺激，最終使學習者具備科學核心知識、科學探究實作與科學論證溝通等能力(教育部, 2018)。簡而言之，自然科學應促進學習者主動學習為主，令其在探究與實作的過程達成知識、探究與溝通的能力。自然科學探究時使學習者發現問題、瞭解問題、提出假設、演繹假設、驗證假設的過程，背後蘊含著學習者應具備解決問題之能力，解決問題能力是學習核心思想。臺灣學習者越到高年級科學學習表現卻越來越差，尤其力學概念表現普遍較為低落。自然科學中特別是物理，學習內容通常較為抽象，學習者不容易理解科學概念(Jimoyiannis & Komis, 2001)。學習困難的原因甚多，從科學用語的觀點，科學用語與生活用語有落差會使學習者混淆(張志銘, 2003; Gilbert & Watts, 1983)，例如：鑷子與麵包夾屬於施力臂小於抗力臂的費力工具，但學習者認為這些工具使用時卻不費力，因此判斷為省力工具；老虎鉗、螺絲起子與拔釘器屬於施力臂大於抗力臂的省力工具，但使用時皆需費很大力氣，導致學習者主觀認定是費力工具(張志銘, 2003)。學習者經常使用日常生活經驗(Schecker & Niedderer, 1996; Schecker, 1985)、與生俱來的理念(直覺)或他人影響而形成的想法判斷情境，於是科學用語的表面字義也會依據學習者主觀想法而形成迷思概念(王美芬 & 熊召弟, 2000; 彭泰源, 1999; 曾永祥 & 許瑛玿, 2006)。從科學概念的觀點，邱美虹 (2000)認為科學概念學習困難分為四點：(1)個人經驗影響概念學習、(2)科學概念過於抽象、(3)科學概念牽涉原理複雜、與(4)微觀的科學概念無法以肉眼觀察。從課程設計的觀點，李田英(1995)依 Tyler 課程評量模式分析國小三到五年級自然教材學習困難原因，發現探究規劃的課程 (intented curriculum) 、執行的課程 (implemented curriculm)及達成的課程(attained curriculum)之間的一致性為 4%，歸納課程間一致性低落為自然科學教材學習困難的主因，次為教材安排的年級欠佳及試題作答方式艱難。從歷年各項研究中的觀點，陳淑筠(2002)調查發現「力與運 1.

(16) 動」及「電磁作用」篇數及迷思類型佔總體物理研究比例的 57%。尤其以「力與運動」篇數最多，共歸納 98 條迷思概念(或稱為另有想法)，例如：生活經驗、不當教材、老師對課本錯誤知識進行引用(朱志青, 2011)。學習者的迷思概念對科學學習的影響，是科學學習研究的重要議題(Driver, Guesne & Tiberghien, 1985; Duit, Goldberg & Nidderer, 1991)。因此從過去文獻可知學習者認為自然科學相當困難，特別是力學概念(Treagust, Duit, & Fraser, 1996)。目前國小教育現場自然課在進行力與簡單機械單元的槓桿概念時，大多以講述教學法為主，搭配天平教具分組實驗操作。學習者能從中觀察砝碼與天平所產生的現象，體驗力的平衡，但力學概念也僅止於施力大小、距離遠近等數值、單位呈現(賴俊安, 2012)。課堂學習後，很少學習者更進一步發現力矩關係(Bar, 1989)。再者，實驗過程耗時，課堂並沒有充足時間試誤(Trial and error)，且分組操作實體教具的學習方式會使個別學習者沒有充分時間體驗實驗過程，過少的參與、過多的空白時間使多數學習者成為課堂的客人。實驗結果可能因課堂中發生的意外狀況產生誤差，最後學習者會主觀認定自己所學內容正確無誤，實際上學習內容並不精準，教師要花額外時間釐清或重新實驗，使得學習者無法有效理解槓桿原理 (賴俊安, 2012)。Bar (1989)統整槓桿原理學習成效，三至六年級通過率為 8%、29%、 55%、75%，他推論小學階段，學習者無法辨認力與重量的關係。此外，學習者容易認為重量與力矩是相同名詞而互相混淆、認為力矩平衡是左右重量與距離之和相等，同時也容易對省力、費力做出錯誤判斷(林思汝, 2014; 張志銘, 2003; 陳義勳, 1991; 游光純, 2002)，例如：「砝碼數多的一側重量較重，容易傾斜」、「以一格力臂補一顆砝碼的想法進行判斷，或是兩端分別的力臂(距離)與作用力(重量)之和相等會平衡」、「當遇到一邊力臂(距離)長，一邊重量重時，則因判斷依據不一致而感到混亂」。李田英(1995)研究臺灣小學五年級學習者對槓桿平衡及滑輪單元的問題通過率為 40%，低於 Bar 的發現，原因在於槓桿平衡問題看似簡單，但學習者對力的概念有困擾，例如：困擾槓桿的比例概念(Stepans, 1996)，所以不易或無法理解平衡問題。Siegler (1978)歸納 8-10 歲學習者普遍以重量為優先判斷條件，只要重量不同，砝碼多的一側就會傾斜；重量相同時才比較距離，如果重量與距離一樣就會平衡，距離不同的話，距離比較大的一邊會傾斜。其中比較兩側力臂(距離)概念較難，因為大部分學習者無法對適當的距離編碼(Roth, 1991)。Siegler 的結 2.

(17) 果在針對臺灣學習者的研究中也有佐證，江文慈(1993)發現只有四年級學習者 50%以重量作為解題參考，32%在重量相等時才考慮距離，約有 12%的學習者注意到重量及距離會影響槓桿平衡，但也僅止於「注意」，幾乎沒有學習者能正確利用力矩乘積規則(重量與距離的關係)解決槓桿平衡的問題(Roth, 1991)。另外，Roth 提出大部分學習者在使用重量與距離乘積規則前，反而會發展與使用比例規則。本研究整理國內、外槓桿原理相關研究與常見迷思概念(朱志青, 2011; 江文慈, 1993; 李田英, 1995; 林思汝, 2014; 張志銘, 2003; 陳義勳, 1991; 彭泰源, 1999; 游光純, 2002; Bar, 1989; Gilbert & Watts, 1983; Roth, 1991; Siegler, 1978; Stepans, 1996)，發現國小學習者在「槓桿」最主要及要解決的學習困難：(1)科學用語與生活用語的落差、(2)混淆重量與力矩、(3)力矩平衡是兩側重量與距離之和相等、(4)認為力矩平衡是比例關係、與(5)無法正確做省力或費力的判斷。故，槓桿單元學習的目標為將日常生活經驗連結抽象概念，使科學化為具體易懂的知識，過程中使用適當的教學策略提供學習支持，引導學習者釐清槓桿各個科學名詞定義，並從重量與距離的實作觀察歸納省力與費力的關係，進一步察覺並應用力矩乘積規則。體驗式學習環(Experiential Learning theoretical model, ELT)是注重學習循環性過程的架構，過去研究驗證(林思汝, 2014)體驗式學習環適合擴增實境(Augnented Reality, AR)數位遊戲的教學架構。體驗式學習環將使學習者透過階段性歷程學習，喚醒先備經驗，釐清迷思概念，有助於知識內化並將經驗轉化，甚至建構新知識 (Kofman, 1992; Kolb, 1984; Schein, 1993; Wang & Chen, 2010)。然而，除了將學習活動透過理論架構幫助學習外，如何增加學習過程的趣味性，提升學習動機並進一步促進學習成效呢？本研究參考 Enyedy、Danish、Delacruz 與 Kumar (2012)提出透過遊戲學習物理概念的兩種設計方式，Enyedy 等人提出的原則如下：(1)以富有社會戲劇性，規劃角色扮演的遊戲使學習者投入並探究科學概念、(2)以社會豐富的符號生態，讓學習者從中建構意義，換句話說，學習者操作時提供學習輔助或提示訊息等幫助建構科學概念。根據 Enyedy 的原則，本研究(1)將提供擴增實境體現認知設計之數位遊戲，增加學習者趣味性並透過故事情境幫助學習者投入學習內容、(2)將提供學習活動相關的觸覺回饋輔助與鷹架策略幫助學習者自我調節，並以學習單記錄歷程支持學習者引出重量與距離關係，甚至是進一步的力矩平衡概念。 3.

(18) 擴增實境體現認知設計之數位遊戲的關鍵在於觸覺回饋，科技日新月異使得多媒體教育能以視訊與音訊呈現外，增加觸覺回饋(Burdea, 1996; Kátai, Juhász, & Adorjáni, 2008; Révész, 1950; Robles-De-La-Torre, 2006)，讓教學現場能以科技進行多元輔助。觸覺回饋適合力學學習，讓學習者以多模態(multimodality)方式互動理解物體重量、慣性等(Jacobson, Kitchen & Golledge, 2002; Jones, Minogue, Tretter, Negishi, & Taylor, 2006; Minogue & Jones, 2006)。觸覺回饋有幫助學習的好處，觸覺中的力回饋與動覺回饋可以幫助學習者更容易對模擬訊息進行編碼，體現認知給予知覺經驗足以達到理解概念的認知基礎(Han & Black, 2011)。故本研究除了數位遊戲內學習內容的模擬，在擴增實境虛擬與現實互動的特性將加入實體教具(翹翹板)給予力回饋與動覺回饋，使學習者以 AR 互動科技與實體教具互動增進學習成效。模擬與具體操作對學習和記憶有正向影響，Lindgren 及 Johnson-Glenberg (2013)發現體感與數位科技互動，可以透過符號呈現給學習者重要概念。目前現場擴增實境數位遊戲大多採平板電腦作為搭配的行動載具，但平板會使學習者搭配學習單等紀錄的工具時無法空出雙手學習的缺點，故本研究將使用智慧眼鏡(穿戴式裝置)作為替代。嘗試智慧眼鏡空出雙手的設計進行學習活動，期許透過 AR 互動科技對實體教具進行模擬與具體操作增進槓桿原理學習成效。擴增實境數位遊戲增進學習樂趣，並不表示學習者使用後有優良的學習成效。學習活動設計尤其重要，讓學習者能以學習單為媒介記錄其學習歷程來幫助釐清概念的知識與技能。自然科學領域通常有具體明確的一系列架構學習，Hong 等人 (2019)整理三種探究模型，最常見的為 5E 學習模型列出的五個探究階段：參與、探索、解釋、闡述和評鑑(Bybee et al., 2006)；五個探究階段：問題，預測，實驗，模型和應用(White & Frederiksen, 1998)；預測-觀察-解釋(predict, observe, explain, POE)探究學習模型(White & Gunstone, 1992)。儘管 POE 策略在傳統教學環境是成功的教學模式，但對於數位學習環境仍是一大挑戰(Al Mamun, Lawrie, & Wright, 2020)。Al Mamun 等人(2020)於數位學習環境增加評鑑(Evaluate)階段，將 POE 策略擴充解釋為 POEE 策略(預測-觀察-解釋-評鑑)，經過研究驗證 POEE 策略滿足建構主義學習環境的四個條件：(1)激發學生的先備知識、(2)造成認知失調、(3)應用新知識、(4)支持反思和評鑑(Baviskar, Hartle, & Whitney, 2009)，POEE 策略是一個可以幫助學習者的有效方法。而目前的研究中，甚少將觸覺回饋與鷹架策略這 4.

(19) 兩種幫助學習的有效方法結合起來，如果將兩種學習策略結合起來，幫助學習成效程度的多寡值得探究。綜上所述，本研究以體驗式學習環為學習活動基本架構，將擴增實境數位遊戲搭配學習單設計「勇者降臨」AR 玩科學活動進行實驗教學。研究目的旨在探討觸覺回饋(力與動覺回饋、動覺回饋)與鷹架策略(策略鷹架、程序鷹架)對國小四年級先備知識(高先備知識、低先備知識)學習者透過擴增實境互動進行槓桿原理學習的成效及動機的正面影響。. 5.

(20) 第二節研究目的與待答問題本研究以體驗式學習環為學習活動基本架構，將擴增實境數位遊戲搭配學習單設計「勇者降臨」AR 玩科學活動進行實驗教學。研究目的旨在探討觸覺回饋 (力與動覺回饋、動覺回饋)與鷹架策略(策略鷹架、程序鷹架)對國小四年級先備知識(高先備知識、低先備知識)學習者透過擴增實境互動進行槓桿原理學習的成效及動機之影響。. 一、研究目的本研究之研究目的為： (一)、探討觸覺回饋(力與動覺回饋、動覺回饋)與鷹架策略(策略鷹架、程序鷹架)對於國小四年級先備知識(高先備知識、低先備知識)學習者透過擴增實境互動進行槓桿原理學習的成效(知識記憶、知識理解、知識應用)。 (二)、探討觸覺回饋(力與動覺回饋、動覺回饋)與鷹架策略(策略鷹架、程序鷹架)對於國小四年級先備知識(高先備知識、低先備知識)學習者透過擴增實境互動進行槓桿原理學習的動機(槓桿原理學習動機、AR 互動科技接受度)。. 二、待答問題根據研究目的所提出之待答問題為： (一)、應用觸覺回饋(力與動覺回饋、動覺回饋)與鷹架策略(策略鷹架、程序鷹架)對國小四年級先備知識(高先備知識、低先備知識)學習者透過擴增實境互動進行槓桿原理學習的成效之知識記憶、知識理解與知識應用是否有差異？ (二)、應用觸覺回饋(力與動覺回饋、動覺回饋)及鷹架策略(策略鷹架、程序鷹架)對國小四年級先備知識(高先備知識、低先備知識)學習者透過擴增實境互動進行槓桿原理學習的動機之「槓桿原理學習動機(自我效能、主動學習策略、科學學習價值、表現目標、成就目標與學習環境誘因)」與「AR 互動科技接受度(科技易用性與科技有用性)」是否有差異？. 6.

(21) 第三節研究範圍與限制本研究於實驗教學活動設計與進行時，在研究對象、學習內容、學習時間與環境及評量方法有其研究範圍與限制，茲就其內容分述如下。. 一、研究對象研究對象為國小四年級學習者，研究樣本選自台北市某國小四年級八個班級，該校班級編制為常態編班。參與者共 224 位，其中男生 128 位、女生 96 位，年齡介於 10 歲到 11 歲。低年級時有遊玩翹翹板的經驗，自三年級起自然課程初次接觸力學基本概念，但尚未學習槓桿原理；同時，三年級起開始有資訊課程，皆具有基本電腦技能也有平板電腦使用經驗，但從未使用過穿戴式裝置(智慧眼鏡)進行學習。. 二、學習內容學習者使用智慧眼鏡作為行動載具，內裝擴增實境體現認知設計之數位遊戲「勇者降臨」，搭配學習單紀錄其學習歷程，進行一系列槓桿單元專題活動。遊戲內有四個關卡，分別是(1)戰勝恐懼：藉由與 NPC 互動，熟悉 AR 數位遊戲環境、 (2)累積經驗：藉由操作 NPC 體驗翹翹板的過程，學習槓桿原理的基本名詞(例：施力點、支點、抗力點)、體驗翹翹板的省力與費力、(3)運用道具：藉由平衡翹翹板拯救 NPC，學習施力臂與抗力臂定義與觀察槓桿平衡、(4)施展魔法：藉由解開翹翹板機關的謎題驗證槓桿概念的學習程度，學習者從中統整翹翹板重量與距離的因素影響平衡的過程理解力矩概念。每位學習者在時間內自由遊玩各個關卡，依照每位學習者自主學習進度不同可能會造成槓桿概念學習內容的熟悉度不同影響學習成效。. 三、學習時間與環境實驗教學活動為配合學校課程安排借每週一次的資訊課，以班級為單位，課程進行時間為期四週，每週 40 分鐘，共 160 分鐘的外插式課程，在原班級的電腦教室進行實驗教學。因非原本資訊課的安排，整體課程中像是策略鷹架這種高反思的學習策略，體驗時間較為倉促，對於學習內容的吸收可能較其他組別慢，此 7.

(22) 為學習時間上的限制。各組學習者固定 80 分鐘的學習時間內皆配有智慧眼鏡、翹翹板與學習單，依照學習單與遊戲的任務流程互相搭配自主學習。但學習者從未使用過穿戴式裝置，對設備的熟悉度可能會影響學習成果，故本研究在各組進行第一個學習活動任務時會由教學者引導任務流程並作答，待通過第一關熟悉操作後才讓學習者自主學習。. 四、評量方式評量方法為測驗、自評量表以及訪談，測驗及自評量表皆為線上填答，另外半結構訪談以紙本記錄及錄音為主。學習者於實驗教學前後，以學習者的 moodle 數位平台帳戶登入進行線上測驗作答。測驗為「槓桿原理學習成效測驗」為改編林思汝(2014)所用之測驗，測驗內容著重於槓桿原理的名詞定義、省力與費力特徵及影響平衡因素之應用。自評量表為「學習動機量表」為改編 Tuan、Chin 與 Shieh (2005)之「學習者科學動機」量表(Students’ motivation towards science learning, SMTSL)及 Davis (1989)和 Davis、 Bagozzi 與 Warshaw (1989) 之「科技接受模型」 (Technology Acceptance Model, TAM)，評量學習者在槓桿原理學習動機與 AR 科技接受度的改變程度。事後，研究者也對於學習內容、科技使用等感想請學習者撰寫或錄音相關感想。. 8.

(23) 第四節名詞釋義一、觸覺回饋觸覺回饋是一種觸覺增強模擬，主要透過物理感受器(通常為特製機器)提供的力回饋(例如：模擬物體的重量和慣性)或觸覺回饋(例如：模擬幾何形狀、平滑度、滑動和溫度)等，學習者感覺並操作二維和三維虛擬物體收集感官訊息 (Jacobson et al., 2002; Jones et al., 2006; Minogue & Jones, 2006)。觸覺回饋在本研究是擴增實境體現認知設計之數位遊戲搭配的實體教具(翹翹板，如圖 1-1、圖 1-2 所示)。. 圖 1-1 力與動覺回饋組翹翹板. 圖 1-2 動覺回饋組翹翹板. 翹翹板會提供力回饋與動覺回饋，力回饋是以翹翹板的重量不同所造成力回饋的不同來區分，換句話說，翹翹板按壓不同位置時會給予明確的重量感，學習者藉此知道省力或費力，像是當重物放在離翹翹板中央人物最左側的位置，學習者分別按壓翹翹板右邊三個位置時，翹翹板給予的力回饋不同，靠近中央人物的位置就費力，遠離中央人物的位置就省力；而動覺回饋是指翹翹板會根據兩側重量不同，顯示物體運動的旋轉方向，像是當重物放在離翹翹板中央人物最左側的位置，翹翹板就會朝左側傾斜。依照操作翹翹板時所提供的力回饋高低，分為「力與動覺回饋」組與「動覺回饋」組。主要原因是觸覺回饋有幫助學習的好處，但學習者依賴視覺和觸覺訊息一樣多，接收和協調觸覺回饋過多會增加額外認知負荷，對學習可能有害(Wiebe, Minogue, Jones, Cowley, & Krebs, 2009)。所以將兩組分為高度力回饋與動覺回饋的「力與動覺回饋」組與低度力回饋與動覺回饋的「動 9.

(24) 覺回饋」組，觀察是否對學習有所影響。此外，遊戲內會以 AR 互動科技給予操作物體重量的圖像表徵提示，學習者藉由操作實體教具觀察與感受重量給予的力回饋與物體旋轉的方向性進行觸覺回饋學習，而兩組的差異如表 1-1 所示。. 表 1-1 觸覺回饋中力與動覺回饋、動覺回饋之差異表觸覺回饋類型力回饋觸覺增強模擬力和動覺回饋高(有量感) 動覺回饋低(無量感). 動覺回饋 O O. 二、鷹架策略 Wood、Bruner 與 Ross (1976)根據 Vygotsky 近側發展區概念提出鷹架理論，鷹架為輔助學習者尚未有能力時能獨自完成任務的學習方法(Wu & Pedersen, 2011)，在學習者藉由幫助建構出知識時，輔助資訊就會逐漸撤離，直到學習者不需要輔助仍能自行學習 (Wood et al., 1976)。本研究採用之鷹架策略為概念 (Conceptual)、後設認知(Metacognitive)、程序(Procedural)、策略(Strategic)四種不同的鷹架類型(Hannafin, Land, & Oliver, 1999; Hill & Hannafin, 2001)中的策略鷹架與程序鷹架設計於學習單，兩組鷹架的基本定義如表 1-2 所示。. 表 1-2 本研究適用之鷹架定義(Hannafin et al., 1999; Hill & Hannafin, 2001) 鷹架定義策略幫助學習者執行完成任務的替代方法幫助學習者掌握學習步驟，提供按部就班提示資訊。經常使用在資訊教程序育與陌生學習環境(林致瑋 & 林永順, 2007). 其中策略鷹架設計原則為採用 Al Mamun 等人(2019)定義的 POEE (預測-觀察 -解釋-評鑑)策略，定義如表 1-3 所示，主要原因是 POEE 策略屬於適合自主學習特性的數位學習架構；程序鷹架學習單設計原則為提供按部就班的提示資訊，幫助學習者掌握學習步驟，主要原因是學習者初次使用擴增實境互動科技學習科學概念，而程序鷹架適合陌生學習環境，另外觸覺回饋容易增加認知負荷，可能會對學習有害(Wiebe et al., 2009)，所以採用程序鷹架此種降低認知負荷的學習支持。. 10.

(25) 表 1-3 POEE 策略各階段定義(Al Mamun et al., 2019) 定義 POEE 學習者預測可能答案。學習者將在特定方向啟發和概念化他們的思維。預測 Gunstone (1995)建議學習者寫下自己的預測並提出理由，以提高對學習活動的投入程度。這個階段鼓勵在新舊概念之間建立聯繫。學習者與活動進行互動，將觀察到的結果與他們的預測進行對比。自我觀察調節在探索過程中進行，從而帶來更多概念的自我探索，並啟動有意義的認知過程和知識建構。學習者用推理證明個人觀點的合理性。有助於學習者對特定概念的認知說明處理，幫助學習過程。同時，它可以支持思想重建，並可以作為後設認知鷹架。學習者會收到同步回饋，有助於他們解釋和評鑑對知識的理解。使學習評鑑者產生有意義的知識建構(Lee & Hannafin, 2016)，並促進能力和特定問題的理解(Hyland, 2000)。. 三、學習成效學習成效為學習者在特定學科測驗對於所學習的知識能夠展現回想、推理、遷移應用等表現的程度。本研究學習成效為槓桿單元學習成效，分別測驗學習者「知識記憶」、「知識理解」與「知識應用」三個面向表現程度。各面向所得分數越高，表示學習者在槓桿原理概念學習表現越佳；反之分數越低，學習者在槓桿原理概念上學習表現越差。. 四、學習動機學習動機定義為引出、指導和維持學習行為的內在活動(Schunk, Pintrich, & Meece, 2008)。學習者的內在動機、內化價值觀和監控過程表現，可以帶來高質量學習、深入的概念理解及增強個人成長和調整(Deci, Vallerand, Pelletier, & Ryan, 1991)。Bryan、Glynn 與 Kittleson (2011)提出學習者如果有動力學習科學和從事科學學習行為，他們所追求的目標就會包含良好的科學成績和科學相關職業。換句話說，當學習者有動機進行學習，科學成就也會有正向效果，甚至影響未來職業選擇。本研究學習動機分為兩部分，(1)Tuan 等人(2005)之「學習者科學動機 (SMTSL)」改編的「槓桿原理學習動機(自我效能、主動學習策略、科學學習價值、表現目標、成就目標、學習環境誘因)」，(2)Davis (1989)和 Davis 等人(1989)之「科技接受模型(TAM)」改編的「AR 互動科技接受度(科技易用性、科技有用性)」，各面向定義如表 1-4 所示。. 11.

(26) 表 1-4 學習動機量表各面向定義(Tuan et al.,2005; Davis, 1989; Davis et al., 1989) 面向向度定義自我效能學習者相信自己在科學學習任務中表現良好的能力。主動學習學習者積極參與活動使用各種策略，根據理解構建新知策略識。學習者獲得解決問題的能力，體驗探究活動，激發自己的科學學習思維，找到科學與日常生活的相關性。如果他們能夠知覺價值到這些重要的價值觀，那麼他們就會有動力去學習科學。槓桿原理學習動機學習者在科學學習中的目標是與其他學習者競爭並獲得表現目標老師的關注。學習者在科學學習期間提高自己的能力和成就感到滿成就目標意。學習環境在課堂上圍繞學習者的學習環境，如課程，教師教學和學誘因習者互動，都會影響學習者的科學學習動機。科技易用性使用 AR 互動科技時，不需身體或心智努力的程度。 AR 互動科技接受度科技有用性使用 AR 互動科技時，增進科學學習的程度。. 12.

(27) 第二章文獻探討本研究以體驗式學習環為學習活動基本架構，將擴增實境數位遊戲搭配學習單設計「勇者降臨」AR 玩科學活動進行實驗教學。研究目的旨在探討觸覺回饋 (力與動覺回饋、動覺回饋)與鷹架策略(策略鷹架、程序鷹架)對國小四年級先備知識(高先備知識、低先備知識)學習者透過擴增實境互動進行槓桿原理學習的成效及動機之影響。本章首先探究體驗式學習理論觀點如何作為擴增實境體現認知設計之數位遊戲的學習活動架構。擴增實境體現認知設計之數位遊戲的特性如何跟實體教具互動產生學習，理論基礎何在？模擬與具體的互動之間給予的觸覺回饋能如何幫助學習者，最後再探討給予學習者紀錄完整學習歷程的鷹架策略其對學習成效與學習動機之影響。茲就「體驗式學習環」、「擴增實境體現認知設計」、「觸覺回饋」、「鷹架策略」相關文獻進行歸納與整理。. 第一節體驗式學習環一、體驗式學習環(Experiential Learning theoretical model, ELT)之定義體驗式學習環概念起源於 Dewey (1897)和 Piaget (1952)，直到 Kolb (1984)認為學習者接觸具體經驗而生成理論和知識應用(實驗)，將其理論化為一個學習循環的過程(圖 2-1)，學習循環的過程中學習者對學習狀況和所學過程中有體驗、反思、思考和行動(Kolb & Kolb, 2009)。Kolb 將這一系列過程歸納出四個階段，分別是具體經驗(concrete experience, CE)、反思觀察(reflective observation, RO)、抽象概念(abstract conceptualization, AC)與主動驗證(active experimentation, AE)循環性的發展階段。. 13.

(28) 具體經驗 Feeling. 主動驗證 Doing. 反思觀察 Watching. 抽象概念 Thinking 圖 2-1 體驗式學習環(Kolb, 1984). 各階段定義(Kolb, 1984)如下所述： 1. 具體經驗：學習者遇到新經驗或對舊經驗重新詮釋。 2. 反思觀察：學習者回顧並反思新經驗，確定經驗與理解之間概念衝突之處。 3. 抽象概念：透過反思過程，學習者建立新的想法/概念，或修改現有抽象概念，最後形成結論。 4. 主動驗證：學習者計劃與驗證學到的知識，以及將新知識應用於其他情境。例如：結論和歸納法用於檢驗假設，使學習者運用新經驗。體驗式學習環著重對經驗反思和累積經驗產生的知識，對於學習過程與行為結果兩者並重(Kolb, 1984)。體驗式學習環為評估模擬支持學習者科學學習、反思性思考和抽象概念化(理論建構)的有效性提供合適觀點(Falloon, 2019)。. 二、體驗式學習環融入科技在教育的應用科技本身並不能使學習者獲得有效學習，需要搭配理論架構設計對學習者有益之學習活動，否則將會無效。體驗式學習環是連結科技與學科的有效方法(林思汝, 2014; Falloon, 2019; Huang, Chen, & Chou, 2016)。Falloon (2019)用體驗式學習環為架構模擬電路學習，研究結果表示體驗式學習環能支持學習者建構簡單電路有關的概念性與程序性知識，並學習遷移至有關不同電路組件功能的知識。Huang 14.

(29) 等人(2016)運用體驗式學習環架構設計 AR 生態學習模型，研究結果顯示體驗式學習環能提升學習者動機並改善學習成果。林思汝(2014)以體驗式學習環架構設計槓桿單元的擴增實境數位遊戲教材，研究結果顯示學習成果是有成效的，特別的是學習者在擴增實境教材與電腦模擬教材的使用中，擴增實境教材表現更好。這樣的結果顯示身體與現實之間的互動，即體現認知設計更能幫助學習者，而下一節也將針對擴增實境及體現認知設計之關係進行探討。. 15.

(30) 第二節擴增實境體現認知設計一、擴增實境數位遊戲擴增實境(Augnented Reality, AR)是將 AR 擴增物件以各式行動載具呈現於現實世界的新興技術，簡而言之就是於現實世界中加入虛擬資訊，常見於娛樂、軍事、導航領域，最為人所知的應用為 Pokemon GO、Google Map AR 實景導航等。 AR 著重虛擬世界與真實世界的結合，增強真實世界顯示的資訊與互動經驗，模擬出可能或不可能的生物、現象…等。AR 嚴謹的定義要追溯回 Milgram 及 Kishino (1994) 提出包括擴增實境，擴增虛境 (Augmented Virtuality, AV) 和混合現實 (Mixed Reality, MR)的現實-虛擬連續系統，如圖 2-2 所示。. 圖 2-2 現實-虛擬連續系統(Milgram & Kishino, 1994). 現實-虛擬連續系統範圍從完全真實環境到完全虛擬環境，AR 在圖中接近於真實環境的位子，學習者透過 AR 附加的虛擬物件知覺真實的對象或現象。另一個泛用定義為 Azuma (1997)說明 AR 這種延伸到現實，增強現實感科技有三種特性：(1)虛實整合(相同性)、(2)即時互動(即時性)、(3)存在三維(3-Dimension, 3-D) 空間(空間性)。AR 特徵在於將 3D 空間中的真實世界與虛擬世界結合起來的視覺表現力(Azuma, 1997; Milgram & Kishino, 1994; Oh, So, & Gaydos, 2017)，此特性將帶給教育現場創新學習的方式。以往具體實物和虛擬訊息通常作為分離的兩種教具應用於教育現場，直到 AR 讓具體和虛擬得以結合，充分利用虛實兩方的優勢(Bujak et al., 2013)，提供學習者有視覺、聽覺、觸覺多模態刺激促進學習。近年遊戲式學習(Game-Based Learning, GBL)受到教育界關注，數位遊戲是蘊含潛力的學習工具，主要能達成五種目標(林思汝, 2014; Gee, 2003; Holland, Jenkins, & Squire, 2003; Charles & McAlister, 2004)：(1)學習者動手操作主動習得知識，不 16.

(31) 需過度仰賴教學者講解、(2)學習者透過數位遊戲增加學習動機與滿足感、(3)滿足不同學習風格學習者、(4)學習者透過遊戲精熟技巧、(5)提供給學習者與他人互動和下決策的情境。目前擴增實境教育應用多以教育遊戲(Serious Game)的方式進行。遊戲好處很多，如果與 AR 科技搭配合宜，讓學習者在科技與學習環境之中進行高質量互動，其中產生的情緒有助於提高學習效果(Billinghurst, 2002; Dalgarno & Lee, 2010; Ibáñez, Di Serio, Villarán, & Kloos, 2014; Kye & Kim, 2008; Lee, Wong, & Fung, 2010)，提高學習態度可以幫助學習者改進認知和學習表現(Cheng & Tsai, 2013; Dalgarno & Lee, 2010; Ibáñez et al., 2014; Kye & Kim, 2008)，換句話說，精心設計的遊戲有著解決問題、適應性挑戰與持續回饋等特徵可以產生動機，反過來又能夠支持投入和學習(Shute, Rieber, & Van Eck, 2011)。只是數位遊戲中特別是教育遊戲對學習有效性還需要持續驗證(Law & Chen, 2016)，Young 等人(2012) 在科學教育背景下發現遊戲式學習研究的結果不一致──遊戲對科學學習有重大影響或遊戲與科學學習之間的關係微不足道的矛盾關係，他們提出的解釋在於遊戲與實際科學之間的脫節導致了沒有學習成效的結果。因此，最重要的是教育遊戲中設計包括鷹架、提示、引導等各種學習支持策略來鼓勵學習者反思學習內容，並連結遊戲和日常生活之間的知識。二、體現認知(Embodied cognition)設計認知心理學的體現認知透過強調身體，即肢體動作(Human Movement)和現實世界之間互動產生思想和知識，顯示知覺(perception)對於概念學習的重要性 (Barsalou, 2008; Barsalou, Niedenthal, Barbey, & Ruppert, 2003; Gibbs, 2005; Glenberg, 1997; Huang, Vea, & Black, 2011; Lakoff & Johnson, 1999; Smith & Gasser, 2005; Wilson, 2002)。Paas 及 Sweller (2012)以認知負荷理論(cognitive load theory, CLT)的觀點說明肢體動作是生物基礎知識(biologically primary knowledge)。生物基礎知識是演化的模組式技能，此類知識學習特徵為不需要他人激勵，以自我激勵為主、無意識且自然習得(learnable but not teachable) (Geary, 2007; 2008)，例如：說話，兒童不需要指示就可以在環境與人的互動中逐漸學會說話(莊濬豪, 2019)。肢體動作作為符號學工具不會帶來過多工作記憶負荷，且有助於加深對抽象概念的理解 (Arzarello & Edwards, 2005)，也就是說處理抽象概念時使用雙手操作是增強學習者理解力概念的一種方式。人類需要長時間刻意學習才能熟悉符號與公式推導， 17.

(32) 此為生物次級知識(biologically secondary knowledge)，生物次級知識有學會的能力但沒有演化出像對應的模組，需要透過教育有效習得相關知識 (learnable and teachable) (Geary, 2007; 2008)，例如：物理(莊濬豪, 2019)。認知負荷理論說明在學習複雜的認知任務，涉及身體運動(即生物基礎知識)可能會減輕學習者的工作記憶負荷並正向影響學習成績(Bokosmaty, Mavilidi, & Paas, 2017)，促進主動學習。體現認知架構下資訊可以轉化為動作形式，學習者能將操作具體化表現 (Vitale, Swart, & Black, 2014)。Bokosmaty 等人(2017)在數學幾何單元，使用 Dynamic Geometry software (DGS)與紙本學習單，將學習者分為親自操作軟體學習的「操作」組、學習者觀察教師操作軟體學習的「觀察操作」組，以及學習者純粹以靜態圖片學習的對照組。研究結果表明學習成效「操作」組最佳，「觀察操作」組次之，最後是對照組，學習遷移則是「操作」組與「觀察操作」組一樣好，並優於對照組，認知負荷為「操作」組最低，其他兩組一樣高。這表示進行操作或觀察操作是重要的技能，可以在低工作記憶負荷下進行處理，並且在容量有限的工作記憶中處理更多新訊息(Paas & Sweller, 2012, Ayres, Marcus, Chan, & Qian, 2009, Wong et al., 2009)。涉及多模態學習(視覺、聽覺、觸覺)可以擴大學習困難任務的工作記憶。涉及學習者手部的學習活動可激發觸覺，擴大工作記憶能力獲得更好的學習效果。三、擴增實境體現認知設計之數位遊戲教育應用如今將體現認知理論應用於教育背景，怎麼改善物理領域的抽象概念學習？更具體的說法是以視覺、聽覺和觸覺等科技作為與教育模擬的認知基礎變得越發重要(Han & Black, 2011)。過去研究的擴增實境體現認知設計經常是電腦軟體或平板(行動載具)數位學習(林思汝, 2014; Bokosmaty et al., 2017; Han & Black, 2011; Wiebe et al., 2009; Williams, Chen, & Seaton, 2003)學習，通常實際操作皆有不錯的成果。之前林思汝(2014)學習槓桿單元的研究中，將學習者分為使用「平板電腦的擴增實境遊戲教材」與「電腦模擬的虛擬環境遊戲教材」，研究發現學習動機皆可增強，但「擴增實境遊戲教材」學習槓桿原理，學習成效優於使用「數位模擬遊戲」教材。比起電腦模擬，目前最有學習潛力的是新興 AR 科技，包含 AR 的各種電腦應用程式已廣泛應用於各種學習環境。目前現場教學使用平板學習居多，但研究者發現教學現場，學習者操作平板電腦時，學習工具過多就有容易分心、 18.

(33) 佔用雙手空間、桌面顯得混亂而狹窄、手忙腳亂等缺點。為了解決問題，近年穿戴式視覺顯示技術(例如：Google Glass、Epson BT-200 等)已應用於教育領域(Oh et al., 2017)，且穿戴式裝置有三個優點(Bower & Sturman, 2015)：(1)教學用途 (pedagogical uses)包括臨場上下文訊息、記錄、模擬、交流、第一人稱視角、臨場指導、回饋，分發和遊戲化、(2)教育品質(educational quality)包括投入、效率和存在感、(3)推理及其他影響(logistical and other implications)包括釋放空間和空出雙手。根據以上優點，除了可以讓學習者投入數位學習環境，還可以解決現場學習者操作平板電腦手忙腳亂及佔用空間的缺點，穿戴式裝置解放雙手讓學習者更能將心力投注於學習內容。本研究使用穿戴式裝置設計的擴增實境數位遊戲操作實體教具(翹翹板)，將 AR 物件設計在翹翹板上使數位遊戲在進行時提供各式提示、回饋資訊。Paas 與 Sweller (2012)認為相較靜態圖片，使用動態表示法時變化的資訊會給工作記憶帶來負擔，但如果涉及與生物基礎知識有關的人類運動(例如：肢體動作)，則可以減輕負擔。擴增實境體現認知設計之數位遊戲對於學習成效的提升有其可行性，因此將於本研究進行驗證。與擴增實境與體現認知最相關的觸覺回饋文獻，接下來將進一步說明。. 19.

(34) 第三節觸覺回饋一、觸覺回饋(Haptic Feedback)之定義現今教育現場資訊融入教學，多媒體教材多以圖片與文字符號呈現為主，而 Mayer (2009)多媒體學習理論(cognitive theory of multimedia learning, CTML) 中，多媒體原則(Multimedia Principle)表示圖文同時出現會比單獨呈現文字提升學習成效(黃淑玲, 2011)，顯示學習者以視覺與聽覺的多模態學習方式，學習成效較佳。圖文給予的視覺和聽覺回饋，也是目前大多數自然科學領域所呈現的模擬方式 (Minogue & Jones, 2006)。科技日新月異增加學習者與數位學習環境間的互動，除了音效與影片的聲光刺激，還能更進一步做到不同感官的模擬，像是觸覺回饋，也稱為觸覺模擬的回饋(Burdea, 1996; Kátai et al., 2008; Révész, 1950; Robles-DeLa-Torre, 2006)。觸覺回饋是觸覺增強的模擬，觸覺能讓人與環境互動，包括提取訊息或環境操作(Srinivasan & Basdogan, 1997)，而觸覺互動較適合物理主題(例如：槓桿、溫度、運動、作用力等)。對力的理解是物理學理解的核心，學習者特別是新手，可能從其他類型的感官回饋中獲益更多，尤其學習物理時，學習者觀察到實際物理運動的力量會使學習成效更好(Han & Black, 2011)。過去研究(Han & Black, 2011; Wiebe et al., 2009; Williams et al., 2003)顯示觸覺回饋在物理主題的益處，像是力概念無法僅使用視覺或聽覺感官識別抽象的力概念，於是以科技輔助給予觸覺回饋。觸覺回饋對學習者的正向影響使學習者更有體驗感與參與感，促進動機與興趣(Jones, Andre, Superfine, & Taylor, 2003)。儘管觸覺回饋益處很多，但學習者依賴視覺回饋和觸覺訊息一樣多，接收和協調觸覺回饋過多而增加的額外認知負荷可能對學習有害(Wiebe et al., 2009)，此為使用觸覺回饋要注意之處。. 二、觸覺回饋在教育的應用目前研究多以商業機器輔助顯示力回饋。Wiebe 等人(2009)研究觸覺回饋學習模擬的槓桿單元，將學習者分為看電腦顯示重量資訊的「視覺」組，與利用 PHANToM® Omni™ desktop device 給予力(重量)回饋設備的「視覺-觸覺」組，讓學習者操作電腦支點位置、槓桿長度和槓桿的重量來學習第一、第二與第三類槓桿。研究結果表示學習成效「視覺」組優於「視覺-觸覺」組，原因是視覺足以完成任務時，可能不會引起觸覺探索，讀取數字的視覺訊息優於利用觸覺回饋訊息， 20.

(35) 視覺加觸覺回饋依賴視覺回饋和觸覺訊息一樣多會增加認知負荷，反而減少學習者概念理解所需的整合能力。Williams 等人(2003)使用商業觸覺軟體開發觸覺增強模擬的教學，主要應用在國小的簡單機械單元(槓桿、滑輪、斜面、齒輪等)。觸覺軟體使用電腦製作虛擬模型為學習者提供觸覺知覺和力量回饋的模擬，並通過實際讓學習者感受到力量，幫助學習者了解力轉換。研究結果表示觸覺增強模擬可以增進學習者學習、學習保留與增加學習好奇心。Han 及 Black (2011)研究觸覺回饋學習模擬的齒輪單元，提供力回饋的裝置為 Microsoft Sidewinder Force Feedback Joystick II，將學習者分為顯示力回饋與給予方向與運動感覺的「力與動覺」組，只有顯示方向與運動感覺的「動覺」組，此兩組皆為觸覺增強模擬，最後一個為沒有觸覺回饋的「非觸覺模擬」組作為對照組。研究結果表示觸覺增強模擬在回憶學習內容更有效，使用力回饋的觸覺模擬在促進推理最有效，觸覺增強模擬幫助學習者更容易對模擬訊息進行編碼，因為在大多數情況下，即使是觸覺，使用純粹的動覺模擬不足以讓小學生構建一個完整的多模態表示作為未來學習的認知基礎，體現認知所給予的知覺經驗足以達到理解概念的認知基礎。過去研究(Han & Black, 2011; Wiebe et al., 2009; Williams et al., 2003) 以商業機器發展觸覺設備透過電腦的虛擬模型為使用者提供力與觸覺的回饋，透過實際讓學習者感受到力量，幫助了解每台機器所產生的力轉換。機器給予的回饋很精準，觸覺模擬得到使用者在教育工具的正向回饋，但設備對小學或中學在經費及必要性都有很大考量，加上設備對小學生的有效性尚未有足夠的調查，觸覺設備對於國小現場能否採用實在有待存疑，所以本研究想以教育現場教師也能負擔得起、自行製作的實體教具加上虛擬數據提供力回饋，以此探討觸覺回饋能否影響學習成效與動機的有效性。. 21.

(36) 第四節鷹架策略一、鷹架策略(Scaffolding)之定義鷹架最早從 Vygotsky 的近側發展區(Zone proximal development, ZPD)──學習者無法獨自解決問題，經由成人指導或同儕學習而有學習能力的動態概念──發展而來，近側發展區強調人類高層次心理活動在社會互動過程中，起初是透過他人調節(other-regulation)，即社會協商(social negotiation)，漸漸內化為自我調節(selfregulation)的過程(林致瑋 & 林永順, 2007)。近側發展區支持學習者的方法被認為是鷹架概念的雛形，但鷹架正式從教育史上出現是在 Wood 等人(1976)的研究中提出的理論觀點，基本理論觀點為輔助學習者維持學習方向與鷹架動態架構(謝州恩, 2013)。一開始 Wood 等人提出時是以教師指導為鷹架，後續研究擴充鷹架概念(Palincsar, 1998; Wu & Pedersen, 2011; Pritchard & Woollard, 2010)。Wu 及 Pedersen (2011)認為鷹架是當學習者尚未有能力獨自完成任務，給予輔助建構知識。等知識建構完畢時輔助資訊就會逐漸撤離，直到學習者不需要輔助仍能自行學習 (Wood et al., 1976)。Palincsar (1998)認為鷹架在活動情境中，包含了人與人造物的部分。是故，鷹架有許多具體做法，例如：教師口頭提示、提供篩選的教材、與同儕甚至是與機器人進行互動(Pritchard & Woollard, 2010)。. 二、鷹架策略在教育的應用鷹架幫助學習者形成科學假設與進行問題解決(Reigosa & Jimenez-Aleixandre, 2007)，所以經常運用在自然科學與程式設計(Pea, 2005)。至今有許多教學應用鷹架策略研究所做的分類方式，像是概念(Conceptual)、後設認知(Metacognitive)、程序(Procedural)、策略(Strategic)四種不同的鷹架類型(Hannafin, et al., 1999; Hill & Hannafin, 2001)，各鷹架定義如表 2-1 所示；抑或是 White & Gunstone (1992) 提出的預測、觀察和解釋的(predict, observe, explain, POE)鷹架策略，POE 策略可以間接提供學習者指導，幫助他們建構自己的知識 (Treagust, Mthembu, & Chandrasegaran, 2014)。. 22.

(37) 表 2-1 鷹架類型(Hannafin et al., 1999; Hill & Hannafin, 2001) 鷹架定義幫助學習者定義要思考任務重要順序優先順序的方法 (Stålbrandt & 概念 Hössjer, 2006) 後設認知幫助學習者評估已知知識，引導學習者在活動中反思幫助學習者掌握學習步驟，提供按部就班的提示資訊。經常使用在資訊教程序育與陌生學習環境(林致瑋 & 林永順, 2007) 策略幫助學習者執行完成任務的替代方法. 鷹架至今發展許多對教育現場有效的策略，其中 White 及 Gunstone (1992)提出的 POE 策略在教學環境現場被認為是成功的教學模式，但 POE 在數位學習環境中仍然是教育現場的挑戰(Al Mamun et al, 2019)，所以後續研究在 POE 的基礎上，配合數位學習自主學習的特性延伸出不同策略(Al Mamun et al., 2019; Hong et al., 2019)。Al Mamun 等人(2019)在 POE 的基礎上另加上了一個評鑑(Evaluate)發展成 POEE (預測-觀察-解釋-評鑑)策略，各階段如表 2-2 所示，他們以探究熱單元為主題發展一套數位學習模型，增強學習者自主學習。研究結果表示 POEE 鷹架策略滿足了 Baviskar 等人(2009)提出的建構主義學習環境的四個條件：(1)激發學習者先備知識、(2)造成認知失調、(3)應用新知識、(4)支持反思與評鑑。POEE 鷹架如果能配合多個外部表示，例如讓學習者看到宏觀的現象、微觀的分子運動與文字的符號等，以外部表示支持探究問題和教師教學指導，可以有效幫助學習者的學習表現。. 表 2-2 POEE 策略各階段定義(Al Mamun et al., 2019) 定義 POEE 學習者預測可能答案。學習者將在特定方向啟發和概念化他們的思維。預測 Gunstone (1995)建議學習者寫下自己的預測並提出理由，以提高對學習活動的投入程度。這個階段鼓勵在新舊概念之間建立聯繫。學習者與活動進行互動，將觀察到的結果與他們的預測進行對比。自我調觀察節在探索過程中進行，從而帶來更多概念的自我探索，並啟動有意義的認知過程和知識建構。學習者用推理證明個人觀點的合理性。有助於學習者對特定概念的認知說明處理，幫助學習過程。同時，它可以支持思想重建，並可以作為後設認知鷹架。學習者會收到同步回饋，有助於他們解釋和評鑑對知識的理解。使學習者評鑑產生有意義的知識建構(Lee & Hannafin, 2016)，並促進能力和特定問題的理解(Hyland, 2000)。. Hong 等人(2019)，根據 Garcia-Sanjuan、Jurdi、Jaen 與 Nacher (2018)指出測 23.

(38) 驗支持檢索練習是有效的學習策略，而在 POE 的觀察和解釋之間增加了測驗(Quiz) 階段，給出 POQE(預測-觀察-測驗-解釋)探究科學模型學習綠色能源，各階段定義與範例如表 2-3 所示。研究結果表示 POQE 中教師扮演著推動者的角色幫助學習者學習，而且 POQE 策略容易融入數位學習中，POQE 能促進線上討論平台中的互動，學習者與學習內容、教師和同儕的一系列互動建構自己的知識(Hew & Cheung, 2014)。. 表 2-3 POQE 各階段定義與範例(Hong et al., 2019) 定義 POQE 提出一個問題。網站提供綠能問題。學習者選擇可能的答案，但不知道答預測案是否正確。觀察提供資訊或現象。網站可能播放影片、圖片或進行模擬實驗。提出與第一個問題有關的進階問題。測驗提供預測和觀察階段結合的進測驗階問題，學習者需要反思提出的問題與觀察階段提供的資訊之間有什麼關係。說明提供正確的答案和解釋。組織問題、資訊和測驗，解釋整個科學概念。. 過去的鷹架研究在數位學習上有有效的策略(Al Mamun et al., 2019; Hong et al., 2019)，但鷹架教學在數位學習的有效性需要持續驗證(Al Mamun et al., 2019)。近年來科技進步，物理學複雜抽象的概念有了觸覺科技的輔助，這兩種領域結合的研究甚少，但從表面邏輯來看兩種方法提升學習成效的方法是有可行性的，但無法驗證是否有效，所以本研究嘗試將觸覺回饋結合鷹架策略來探討對學習者透過擴增實境學習槓桿原理是否有正面影響。. 24.

(39) 第三章研究方法本研究以體驗式學習環為學習活動基本架構，將擴增實境數位遊戲搭配學習單設計「勇者降臨」AR 玩科學活動進行實驗教學。研究目的旨在探討觸覺回饋 (力與動覺回饋、動覺回饋)與鷹架策略(策略鷹架、程序鷹架)對國小四年級先備知識(高先備知識、低先備知識)學習者透過擴增實境互動進行槓桿原理學習的成效及動機之影響。本章共分為五節，茲將就研究對象、研究設計、實驗流程、研究工具、實驗程序與資料處理與分析進行說明。. 第一節研究對象本研究之研究對象為國小四年級學習者，研究樣本選定台北市某國小四年級八個班級學習者共 224 位(男生 128 位、女生 96 位)。實驗教學者為研究者本人，實驗教學配合原班級課表安排，以班級為單位，將八個班級隨機分派到「力與動覺回饋-策略鷹架」組、「力與動覺回饋-程序鷹架」組、「動覺回饋-策略鷹架」組、「動覺回饋-程序鷹架」組，為求實驗準確性，實驗教學後剔除未全程參與者 14 人，並根據槓桿原理學習成效測驗扣除極端值 9 人，各組人數分配如表 3-1 所示。表 3-1 實驗教學組別人數分配表鷹架策略觸覺回饋力與動覺回饋動覺回饋合計. 策略鷹架. 程序鷹架. 合計. 49 48 97. 52 52 104. 101 100 201. 事後，根據槓桿原理學習成效測驗前測總分，將總分前 45%的學習者作為高先備知識組，後 45%的學習者作為低先備知識組，並排除中間 10%的學習者以區隔高、低先備知識。各組將先備知識納入後，人數分佈如表 3-2 所示。整體研究有效樣本為 201 人，男生 110 人(55%)及女生 91 人(45%)。表 3-2 實驗教學組別及各組先備知識人數分佈表變異來源因子高先備知識力與動覺回饋 50 動覺回饋觸覺回饋 50 合計 100 策略鷹架 48 程序鷹架鷹架策略 52 合計 100. 25. 低先備知識 51 50 101 49 52 101. 合計 101 100 201 97 104 201.

(40) 第二節研究設計本研究採取因子設計(factorial design)之準實驗研究法，研究架構如圖 3-1 所示。研究設計旨在探討觸覺回饋(力與動覺回饋、動覺回饋)與鷹架策略(策略鷹架、程序鷹架)對國小四年級先備知識(高先備知識、低先備知識)學習者透過擴增實境互動進行槓桿原理學習的成效及動機之影響。. 自變項一、觸覺回饋 1. 力與動覺回饋 2. 動覺回饋二、鷹架策略 1. 策略鷹架 2. 程序鷹架三、先備知識 1. 高先備知識 2. 低先備知識. 依變項一、槓桿原理學習成效 1. 知識記憶 2. 知識理解 3. 知識應用二、學習動機 1. 槓桿原理學習動機自我效能主動學習策略科學學習價值表現目標成就目標學習環境誘因 2. AR 互動科技接受度科技易用性科技有用性圖 3-1 研究設計架構圖. 研究自變項有三，分別是「觸覺回饋」、「鷹架策略」與「先備知識」。「觸覺回饋」依照翹翹板所給予的力回饋高低程度(有無量感)不同，分為「力與動覺回饋」、「動覺回饋」兩種。其中，「力與動覺回饋」是指有量感的翹翹板，在學習者操作翹翹板時，翹翹板各位置因重量大小給予較高的力回饋，以及傾斜方向與運動方式的動覺回饋，讓學習者操作接近生活經驗，有量感的實體教具促進抽象概念的整合；「動覺回饋」是指無量感的翹翹板，學習者操作翹翹板時，翹翹板輕得幾乎沒有重量，各位置給予的力回饋相當低幾乎感受不到差異，只有傾斜方向與運動方式的動覺回饋，讓學習者操作模擬生活經驗，無重感的實體教具促進抽象概念的整合。「鷹架策略」依照學習單設計架構的不同分為「策略鷹架」、「程序鷹架」兩種。其中，「策略鷹架」以 POEE (預測-觀察-解釋-評鑑)策略為學習單設計 26.

(41) 架構，讓學習者透過預測、觀察、解釋、評鑑，喚起學習者先備經驗，平衡概念衝突，連結新舊概念，藉由具體經驗操作，反思抽象學習內容；「程序鷹架」以任務流程為學習單設計架構，讓學習者跟隨任務流程給予的解題步驟進行活動，降低學習認知負荷，按部就班的具體操作中反思學習內容，達成學習目標。「先備知識」以自編槓桿原理學習成效測驗前測總分進行高低排序，剔除極端值 9 人，以總分前 45%的學習者作為高先備知識組，後 45%的學習者作為低先備知識組，並刪除中間 10%學習者以區隔高、低先備知識。高先備知識學習者對槓桿原理概念知識記憶、知識理解、知識應用得分占整體排名較前，低先備知識學習者則反之，對槓桿原理概念整體排名較後。研究依變項有二，分別為「槓桿原理學習成效」、「學習動機」。「槓桿原理學習成效」探討學習者在實驗教學後，在槓桿原理測驗之表現情形，分為「知識記憶」、「知識理解」、「知識應用」三個面向。「學習動機」探討學習者在實驗教學後，對學習動機的改變與想法，分為「槓桿原理學習動機(自我效能、主動學習策略、科學學習價值、表現目標、成就目標與學習環境誘因)」以及「AR 互動科技接受度(科技易用性及科技有用性)」二個面向。. 27.

(42) 第三節研究工具本研究使用工具，包含教材設計及量表工具。教材設計，將介紹「勇者降臨」 AR 玩科學課程相關內容：包含(1)槓桿原理知識架構與學習目標、(2)「勇者降臨」學習活動設計、(3)學習單設計；量表工具，將介紹學習者經過「勇者降臨」AR 玩科學課程，學習成效與學習動機的變化，包含(1)槓桿原理學習成效測驗、(2)學習動機量表。. 一、教材設計本研究實驗教學之學習活動──「勇者降臨」AR 玩科學，學習者皆配有實體教具(翹翹板)、人物圖板、學習單、穿戴式裝置(智慧眼鏡)。觸覺回饋方式影響數位學習環境中的實體教具不同，力與動覺回饋組(圖 3-2)的實體教具為有重量的翹翹板，按壓不同位置給予高度力回饋與翹翹板運動方向的動覺回饋。動覺回饋組(圖 3-3)為無重量的翹翹板，按壓不同位置給予低度力回饋與翹翹板運動方向的動覺回饋。. ①翹翹板. ③學習單. ②五枚人物圖板. ④智慧眼鏡圖 3-2 力與動覺回饋組數位學習環境. 28.

(43) ①翹翹板. ③學習單. ②五枚人物圖板. ④智慧眼鏡圖 3-3 動覺回饋組數位學習環境. 學習活動所使用的擴增實境數位遊戲改編自林思汝(2014)──「搶救公主大作戰」。原始遊戲為平板電腦版本，以 Unity 3D 遊戲引擎開發數位環境，遊戲內背景、人物等物件由 3ds Max 製作，並使用 Vuforia 套件製成 app。本研究配合穿戴式裝置(智慧眼鏡)性質與 android 系統版本不同，研究者將遊戲重建並配合行動載具特性改編成智慧眼鏡版本。以遊戲式學習的精神，採體驗式學習環為理論架構設計，藉由讓學習者操作智慧眼鏡內的 AR 數位遊戲與實體教具(翹翹板)之間體現認知設計的互動，產生學習槓桿原理的動機與正向態度改變，以此增進學習成效。茲就其教材內容分別說明：. (一)、槓桿原理知識架構與學習目標「勇者降臨」AR 玩科學教材主要學習內容為國小自然科「力與簡單機械」單元中的槓桿原理，參考十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要及現今小學課本繪製槓桿原理課程知識架構圖(圖 3-4)，將學習內容分為槓桿相關名詞定義、槓桿特徵、平衡槓桿三大主要概念。. 29.