應用5E探索式擴增實境實驗遊戲對不同學習風格國中生化學反應單元學習成效之影響

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(1)國立臺灣師範大學資訊教育研究所碩士論文. 指導教授：陳明溥. 博士. 應用 5E 探索式擴增實境實驗遊戲對不同學習風格國中生化學反應單元學習成效之影響. 研究生：張偵益. 撰. 中華民國一百零二年七月.

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(3) 應用 5E 探索式擴增實境實驗遊戲對不同學習風格國中生化學反應單元學習成效之影響. 張偵益. 摘要本研究旨在探討不同探索式策略(引導式探索、結構式探索)的擴增實境實驗遊戲對不同學習風格(感官型、直覺型)的國中學習者化學反應課程的學習成效及化學學習動機之影響。研究之對象為國中八年級學習者，有效樣本為 103 人，研究設計採因子設計之準實驗研究，自變項包含「探索式策略」及「學習風格」，探索式策略分為「引導式探索」與「結構式探索」兩種探索式策略，學習風格依據學習風格量表分為「感官型」與「直覺型」兩種學習風格；依變項則包含化學反應課程學習成效、化學學習動機。研究結果發現：(1)使用引導式探索策略學習化學反應課程在知識理解向度之學習成效高於使用結構式探索策略；(2)使用不同探索式策略的擴增實境實驗遊戲進行化學學習，皆持正向的動機表現；特別是使用結構式探索策略的學習者有較高的參與動機表現。. 關鍵詞：化學反應課程、5E 學習環、學習風格、擴增實境. i.

(4) The Effects of 5E Inquiry-based Augmented Reality Experimental Game and Learning Styles on Junior High School Students' Learning of Chemistry Chen-Yi Chang. Abstract The purpose of this study was to investigate the effects of inquiry augmented reality experimental game and learning styles on junior high school students’ performance and motivation in learning Chemistry. A quasi-experimental design was employed in the study and the participants were 103 eighth graders. The independent variables contained two types of inquiry strategies, including guided inquiry and structured inquiry, and two types of learning styles, including sensing learners and intuitive learners. The dependent variables were learning performance and learning motivation toward Chemistry. The results revealed that: (a) the guided inquiry strategy facilitated students’ understanding of Chemistry better than the structured inquiry strategy, and (b) students showed positive motivation toward learning Chemistry no matter which inquiry strategies they received. Furthermore, those who received structured inquiry revealed higher motivation than their counterparts.. Keywords: Chemistry course, 5E learning cycle, learning style, augmented reality. ii.

(5) 誌謝如果讓我再選擇一次，我仍會不加思索地選擇 CSL 實驗室。因為在這我遇到了我生命中重要的恩師以及伙伴們。在研究所的生涯中，我可以如此順利地完成研究，首先最要感謝的是我的指導教授陳明溥老師，因為有老師的指導才可以讓我快速瞭解研究生的本份並進入狀況，另外老師嚴謹的研究態度以及認真做事的精神，讓我不論是在研究以及處理事情等各方面都受益良多。同時，非常感謝朱蕙君教授以及游光昭教授不僅撥空細心審閱論文，並給予許多寶貴的指導與建議，讓我的論文能夠更加充實完善。再來感謝在這段日子幫助過我的朋友們以及 CSL 實驗室的全體伙伴們。謝謝經益學長給了我的研究許多寶貴意見，謝謝映汝及承哲讓我可以順利完成許多艱辛的任務，謝謝燕欣及湘儀總是一語點醒夢中人，謝謝思汝、嘉鴻、日薇及邦捷因為我的忙碌總是麻煩你們許多，謝謝你們，因為有你們讓我的研究生活除了充實外也充滿溫馨與歡笑，我相信這會是我一輩子都難以忘記的美好回憶。最後，感謝我的父母，當我決定要重返學生生活時，你們簡單的一句：「那就去吧！」成了支撐我的最大支柱，在結束了這段學生生活的未來裡我也會繼續努力，直到有一天我也可以成為你們的支柱。. iii.

(6) 目錄附表目錄....................................................................................................................... VI 附圖目錄....................................................................................................................VIII 第一章. 緒論................................................................................................................. 1. 第一節研究背景與動機 ....................................................................................... 1 第二節研究目的與待答問題 ............................................................................... 4 第三節研究範圍與限制 ....................................................................................... 5 第四節重要名詞釋義 ........................................................................................... 7 第二章. 文獻探討....................................................................................................... 10. 第一節化學教育 ................................................................................................. 10 第二節 5E 探索式學習環.................................................................................... 14 第三節擴增實境實驗遊戲 ................................................................................. 20 第四節學習風格 ................................................................................................. 25 第三章. 研究方法....................................................................................................... 27. 第一節研究對象 ................................................................................................. 27 第二節研究設計 ................................................................................................. 28 第三節研究工具 ................................................................................................. 45 第四節資料處理與分析 ..................................................................................... 48 第四章. 結果與討論................................................................................................... 52. 第一節化學反應課程學習成效分析 ................................................................. 52 第二節化學學習動機分析 ................................................................................. 57 第五章. 結論與建議................................................................................................... 68. iv.

(7) 第一節結論 ......................................................................................................... 68 第二節建議 ......................................................................................................... 71 參考文獻 ....................................................................................................................... 74 附錄一化學反應實驗學習單 ..................................................................................... 83 附錄二學習風格量表 ................................................................................................. 86 附錄三化學反應課程學習成效測驗卷 ..................................................................... 90 附錄四化學學習動機問卷 ......................................................................................... 94. v.

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(9) 附表目錄表 2-1 學習環類型....................................................................................................... 15 表 2-2 探索式學習的層級........................................................................................... 17 表 2-3 引導式探索與結構式探索策略之差異性....................................................... 18 表 2-4 5E 教學模式與本研究 5E 教學步驟之轉換對照 ............................................ 19 表 2-5 擴增實境應用於教學....................................................................................... 22 表 3-1 教學分組及各組人數分配表........................................................................... 27 表 3-2 「卡密斯任務」融入 5E 學習環之擴增實境實驗遊戲歷程規劃 ................ 32 表 3-3 卡密斯任務擴增實境學習活動內容規劃表................................................... 33 表 3-4 學習風格量表之量表向度、題數分配及信度係數....................................... 45 表 3-5 化學反應課程學習成效測驗卷之測驗卷內容向度、題數分配及信度係數 ............................................................................................................................... 46 表 3-6 化學學習動機之問卷內容向度、題數分配及信度係數............................... 47 表 4-1 各組對化學反應課程學習成效之平均數、標準差與人數........................... 53 表 4-2 化學反應課程概念分項成效表現之共變量矩陣等式的 Box 檢定 .............. 54 表 4-3 化學反應課程概念表現分項之多變量檢定................................................... 54 表 4-4 各組對化學反應課程學習成效分項表現之二因子多變量分析摘要........... 55 表 4-5 化學反應課程概念學習成效分析結果摘要................................................... 55 表 4-6 各組對化學學習價值成分動機表現之平均數、標準差與人數................... 58 表 4-7 化學反應課程概念分項價值成分動機表現之共變量矩陣等式的 Box 檢定 ....................................................................................................................................... 59 表 4-8 化學學習價值成分動機分項表現之多變量檢定........................................... 59 表 4-9 各組對化學學習價值成分動機分項表現之二因子多變量分析摘要........... 60 表 4-10 探索策略與學習風格對化學學習內在目標導向動機之單純主效果變異數分析摘要表 ................................................................................................................... 62 表 4-11 探索策略與學習風格對化學學習工作價值動機之單純主效果變異數分析摘要表 ........................................................................................................................... 62 表 4-12 各組對化學學習期望成分動機表現之平均數、標準差與人數................. 63 表 4-13 化學反應課程概念分項期望成分動機表現之共變量矩陣等式的 Box 檢定 vi.

(10) ....................................................................................................................................... 64 表 4-14 化學學習期望成分動機分項表現之多變量檢定 ........................................ 65 表 4-15 各組對化學學習期望成分動機分項表現之二因子多變量分析摘要 ........ 65 表 4-16 化學反應課程概念學習成效分析結果摘要 ................................................ 66. vii.

(11) 附圖目錄圖 3-1 研究設計架構圖............................................................................................... 28 圖 3-2 化學反應課程相關概念知識架構圖............................................................... 30 圖 3-3 Unity 開發介面 ................................................................................................. 31 圖 3-4 利用 Unity 與 Vuforia 建置出來的擴增實境世界 ......................................... 31 圖 3-5 載入畫面：說明學習者扮演的角色及任務目標........................................... 34 圖 3-6 化學反應實驗學習單與實驗操作................................................................... 35 圖 3-7 化學反應實驗學習單....................................................................................... 35 圖 3-8 「卡密斯任務」學習介面說明....................................................................... 36 圖 3-9 「卡密斯任務」之任務清單........................................................................... 37 圖 3-10 「卡密斯任務」之道具選單......................................................................... 37 圖 3-11 「卡密斯任務」擴增實境實驗遊戲學習活動流程圖 ................................. 39 圖 3-12 擴增實境操作練習任務................................................................................. 40 圖 3-13 學習者進行擴增實境操作練習任務............................................................. 40 圖 3-14 學習者進行擴增實境實驗與填寫化學反應實驗學習單............................. 41 圖 3-15 引導式探索擴增實境實驗............................................................................. 42 圖 3-16 結構式探索擴增實境實驗............................................................................. 42 圖 3-17 化學反應課程學習任務................................................................................. 43 圖 3-18 引導式探索擴增實境遊戲任務指引............................................................. 44 圖 3-19 結構式探索擴增實境遊戲任務指引............................................................. 44 圖 3-20 化學反應課程概念分項成效表現分析流程圖............................................. 48 圖 3-21 化學學習動機價值成份分項成效表現分析流程圖..................................... 50 圖 3-22 化學學習動機期望成份分項成效表現分析流程圖..................................... 51 圖 4-1 探索式策略與學習風格對化學學習內在目標導向動機之交互作用圖....... 60 圖 4-2 探索式策略與學習風格對化學學習工作價值動機之交互作用圖............... 61. viii.

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(13) 第一章. 緒論. 本章分別就本研究之研究背景與動機、研究目的與待答問題、研究範圍與限制以及重要名詞釋義四個部分進行詳述。. 第一節研究背景與動機近年來我國國中科學課程朝向多元發展並以培養全民科學素養為取向，在自然與生活科技領域的課程首要目標也有提及要培養學習者探索科學的興趣與熱忱並能將科學與技術的探索方法應用於當前和未來的生活(教育部，2008)。在科學教育中化學是一門較為抽象複雜的課程，容易造成一般國中階段的學習者興趣缺缺，而我國課程雖然極力降低以知識獲得的學習目標，但仍不免受升學主義的影響，無法將課程目標落實於實際教學中(劉俊庚、邱美虹，2012)。化學反應課程內容對大部分學習者而言是較抽象且不易學習的，在學習過程中學習者因沒有正確的概念或概念上的混淆，造成在化學反應課程的學習上產生了迷思概念(廖焜熙，2001)，而傳統的化學教學以講述為主，教學內容著重考試的重點，學習者不但不易理解也降低了學習動機。實驗可以幫助學習者藉由實際操作的過程從中建立知識，適當的實驗活動更可以幫助學習者培養邏輯思維，加強探索與問題解決的能力(Hofstein & Lunetta, 1982)，在實驗過程中產生的反應也會吸引學習者進一步思考是否還有其他反應的發生，學習者往往會期待可以做化學實驗(吳淑娟、段曉林，1999)，因此，實驗活動對於科學教育提供了獨特的媒介，可以有效增進科學學習的效益(Hofstein & Lunetta, 1982)。雖然實驗活動可以用來幫助瞭解化學反應的現象，但目前的實驗課程多為食譜式的實驗活動，學習者只能依照課程指示按部就班完成實驗，學習者往往只專心於實驗的各個步驟，並不能完全了解實驗內容與化學知識的相關性為何，也不能透過實驗學習到新的化學概念，而這樣的實驗活動也較不能增加學習者的積極程度(Sesen & Tarhan, 2013)。為了改善上述情形，現今的教學多半會鼓勵使用探索式的實驗教學，以誘 1.

(14) 導學習者歸納出實驗的原理原則，發展出基本的了解(楊明獻，2008)。當學習者進行探索式的教學活動時，學習者會試著去描述對象和事件並提出問題，以他現有的知識概念去解釋當前的科學現象，並與其他人分享自己的想法，在這樣過程裡他們會使用批判性的邏輯思維去建構出自己的知識(Şimşek & Kabapinar, 2010)，因此，若將實驗結合探索式教學，學習者對於自己有所疑惑的部分可以透過實驗的方式加以驗證，學習者可以立即得到他所想要的解答。此外，學習者可以透過探索式的學習活動滿足自己的好奇心，整個學習活動也會變得生動有趣，學習者由被動學習轉變為主動學習，整體的學習動機也會跟著提升。多數研究也指出使用探索式的教學活動對於學習者學習科學教育有不錯的成效(Supasorn, 2012；Wu & Pedersen, 2011；林建隆、徐順益，2007)，探索式的實驗教學策略不但可以幫助學習者更具批判性思考，還能增加學習的效果以及增加認知的能力 (Sesen & Tarhan, 2013)。因此，若適當地使用探索式教學策略，不但可以增進學習者的學習動機，對於學習者的學習成效也會有所成效。例如，使用 5E 探索式學習環之教學策略，學習者經歷投入(Engagement)、探索(Exploration)、解釋(Explanation)、精緻化(Elaboration)以及評量(Evaluation)五個階段的學習循環，探索自己不會的問題，進而建構出屬於自己的知識概念。林建隆、徐順益、侯佳典(2009)和 Açışlı、 Yalçın、Turgut (2011)的研究都指出在科學領域教學上使用 5E 學習環的探索式教學，對學習者的學習成效有正向的影響。由此可知，若適當使用 5E 學習環的探索式教學在科學教育領域上，5E 學習環的教學模式或許是改善國中生化學學習成效的學習方式。近年來由於電腦資訊發展快速，已有許多透過電腦軟體或電腦動畫來彌補老師無法透過講述來清楚描述的概念或學習者不易觀察的實驗現象(楊明獻，2008)，而使用虛擬實驗也能有效保持學習者在科學領域的興趣(Gorghiu, et al. 2010)。然而，Tatli 與 Ayas (2010)指出，使用虛擬實驗的教學活動，能夠提升學習者的學習成效，但有部分的學習者認為真實的實驗操作比起虛擬的實驗操作將更容易學習， 2.

(15) 因為在虛擬的環境中少了觸控的感覺，整體的操作感覺較不真實。因此，若使用能夠結合真實環境的擴增實境技術，除了能達到視覺感受的擬真，在實際的操作也可以跟真實的實驗操作相當接近，而 Andujar、Mejias 與 Marquez (2011)也指出擴增實境能重複使用相同器材做出不同的實驗，相較於傳統實驗可以更快更容易產生出相同的實驗結果，而且整個實驗操作是具有真實感的。此外，為了讓學習者能有效應用實驗活動所學之知識概念，故若以實驗結合遊戲任務的方式來讓學習者進行，既可以讓學習者有實際應用的機會，也能幫助學習者再次透過遊戲任務發覺自己不清楚的部分，並從遊戲過程建構出正確概念，而一個趣味的科學實驗不但能提高學習者的興趣及態度對於學習者的科學知識也是有正向的幫助(楊明獻，2008)。Cheng 和 Su (2012)指出在遊戲式學習中，課程內容融入遊戲中，學習者等同於在一個可以反覆練習且有互動與回饋的學習情境內進行學習，這樣的學習方式是可以有效達到學習目標，學習者對於這樣的學習模式也有高度的興趣與動機。Miller、Chang、Wang、 Beier 與 Klisch (2011)的研究即是透過一個角色扮演的遊戲來學習科學相關概念，其研究結果也顯示透過遊戲的方式學習科學有不錯的成效與動機。因此，若將遊戲融入擴增實境實驗中將有機會提升國中生學習化學的動機並且改善化學學習成效。除了改良教學方法外，學習者的學習風格也必須列為考量的因素之一，因為每個學習者的學習風格類型各不相同，每個學習者皆有自己所適合的教學方式。因此，在教學的設計上教學者應該設計各種學習風格的學習者能適當學習之教學方法(Demirbas & Demirkan, 2007)。為了探討上述各項議題，本研究使用 5E 探索式策略融入擴增實境實驗遊戲於化學反應課程中，探討不同探索式擴增實境實驗遊戲與學習風格對國中生學習化學反應課程的學習成效和學習動機之影響，並探究學習者使用擴增實境實驗遊戲學習化學之感受。期望能以探索式策略的方式讓學習者自己建立出屬於自己的知識，並且能在遊戲情境中應用所學概念，進而獲得更深層的理解。 3.

(16) 第二節研究目的與待答問題本研究旨在探討不同探索式策略(引導式探索、結構式探索)的擴增實境實驗遊戲對不同學習風格(感官型、直覺型)的八年級學習者在化學反應課程的學習成效與化學學習動機之影響。期望透過 5E 探索式擴增實境實驗遊戲融入化學反應相關概念教學以促進學習者化學反應課程概念的學習成效，並提升學習者化學學習動機。本研究之研究目的與待答問題分述如下。. 壹、研究目的本研究之研究目的有二：一、探討不同探索式策略(引導式探索、結構式探索)的擴增實境實驗遊戲對不同學習風格(感官型、直覺型)的八年級學習者在化學反應課程的學習成效(知識理解、知識應用)之影響。二、探討不同探索式策略(引導式探索、結構式探索)的擴增實境實驗遊戲對不同學習風格(感官型、直覺型)的八年級學習者在化學學習動機(內在目標導向、外在目標導向、工作價值、控制信念、自我效能、期望成功)之影響。. 貳、待答問題本研究針對研究目的提出之待答問題有二：一、學習化學反應概念時，不同探索式策略(引導式探索、結構式探索)的擴增實境實驗遊戲對不同學習風格(感官型、直覺型)的學習者在學習成效上有何差異？二、學習化學反應概念時，不同探索式策略(引導式探索、結構式探索)的擴增實境實驗遊戲對不同學習風格(感官型、直覺型)的學習者在化學學習動機上有何影響？. 4.

(17) 第三節研究範圍與限制本研究為配合教學活動之設計與進行，在研究對象、教學內容、學習時間與環境、學習方式及評量方法有以下之研究範圍與限制。. 壹、研究對象本研究之研究對象為八年級學習者，參與之研究樣本為新北市某高中之國中部八年級學習者，共四個班級 117 人，所有班級為男女合班之常態分班，且所有學習者正在學習化學反應的基本概念。由於實驗之限制無法將學習者以個人為單位進行隨機分組，而是以班級為單位隨機分配為四組，另外每組依據學習風格量表將學習者分成感官型與直覺型兩種，故本研究結果的推論僅適合相似條件之研究對象。. 貳、教學內容本研究之教學內容為研究者自編之「卡密斯任務」擴增實境實驗遊戲學習活動，其學習內容為國中八年級自然與生活科技課程中的化學反應單元包含「化學變化」、「氧化還原反應」和「化學反應式」等三個主要概念。故本研究之教學重點僅著重於教材內容相關的化學反應概念，其他學習內容則不做深入的探究與討論。. 參、學習時間與環境本研究為配合參與樣本的班級課程進度與教學時間，實驗時間共四週，一週一節課，一節 45 分鐘，共 180 分鐘，扣除學習風格量表、化學反應課程學習成效測驗及化學學習動機問卷等施測時間，學習者進行學習活動總共歷時 135 分鐘。由於未能長時間進行探究，因此本研究之研究結果只能針對短時間的化學反應相關概念學習活動之學習成效與化學學習動機表現做推論。 5.

(18) 肆、學習方式本研究之參與者過去學習化學反應概念之方式以教師講述為主，若有需實驗的部分則分組至實驗教室中進行，且學習者從未運用過平板電腦的實驗遊戲來學習化學反應。本研究之教學實驗採擴增實境實驗遊戲分別結合不同探索策略(引導式探索、結構式探索)，其中引導式探索為給予問題或指示引導學習者探索，結構式探索為給予完整步驟來幫助學習者進行探索，讓學習者透過探索的方式在擴增實境實驗與遊戲學習化學反應課程的概念及應用方式。有鑑於學習者過去接觸過的數位教材有所不同，進而造成學習者的投入程度或操作熟悉度可能會有所差異，故研究結果的推論僅適合推論至類似的學習型式。. 伍、評量方法本研究使用兩種評量方法，皆讓學習者以線上測驗的方式進行。評量化學反應相關概念的學習成效依據研究者改編之「化學反應課程成效測驗卷」，題目皆為四選一之選擇題，共 16 題每題 1 分；化學學習動機表現依據研究者改編之「化學學習動機問卷」共 30 題，每個題目皆有 5 個選項，1 代表非常不同意、2 代表不同意、3 代表部分同意、4 代表同意、5 代表非常同意，學習者圈選問卷中最適合自己狀況的選項。由於本研究僅蒐集學習者之學習成效與動機之資料，因此研究結果僅能推論至類似的評量方法。. 6.

(19) 第四節重要名詞釋義本研究之重要名詞，分別說明如下：. 壹、擴增實境實驗遊戲擴增實境(Augmented Reality, AR)實驗遊戲係指使用擴增實境技術所開發出具有實驗操作與遊戲成分的實驗遊戲。本研究之擴增實境實驗遊戲是利用 Qualcomm 公司的 Vuforia 平台提供的擴增實境技術結合 Unity 軟體所建置之化學反應學習活動–「卡密斯任務」。學習者在學習活動中以第一人稱扮演博士的助手，透過平板進行擴增實境實驗操作以瞭解化學反應相關概念之原理，在擴增實境遊戲中透過平板探索地圖並與地圖各場景的非玩家角色對話蒐集資訊及應用擴增實境實驗中所習得之化學概念來解決任務。. 貮、5E 探索式學習 5E 學習環教學模式是美國生物科學課程研究 Biological Science Curriculum Study(BSCS) 發展出來具有建構主義特性的探索式教學模式，分別是投入 (Engagement)、探索(Exploration)、解釋(Explanation)、精緻化(Elaboration)以及評量(Evaluation)(Bybee et al., 2006)。本研究依 5E 學習環之教學模式設計實驗教學內容並分成兩種 5E 探索式學習模式，一為「引導式探索」，二為「結構式探索」。兩組皆為擴增實境實驗遊戲學習活動融入 5E 學習環之教學模式，兩組的教學內容皆為化學反應課程相關概念，其學習內容、學習目標及學習任務相同，兩組的不同之處在於學習環中的第二階段「探索」與第四階段「精緻化」中學習者探索方式的不同。「引導式探索」係指在探索階段中以問題的方式引導學習者進行實驗操作，而在操作的過程中並沒有限制學習者的操作步驟；在精緻化階段中會以簡單的提示告知學習者各個任務的執行方式，並且沒有限制學習者各個任務的進行順序讓學習者至各個場景自行進行探索。「結構式探索」係指在探索階段中會 7.

(20) 告知學習者完整實驗操作順序，並且只能依此順序進行操作；在精緻化階段中會依步驟告知學習者目前執行的任務為何，讓學習者至相關場景探索尋找答案。. 參、學習風格學習風格係指學習者所擅長或偏好處理訊息的方式(Felder & Spurlin, 2005)。本研究之學習風格係指學習者在實驗教學活動前所具備的學習風格。本研究以「學習風格量表」測量學習者學習風格類型，量表分成主動型與被動型 (Active/Reflective) 、感官型與直覺型 (Sensing/Intuitive) 、視覺型與口語型 (Visual/Verbal)、整體型與循序型(Sequential/Global)四大面向八種風格，各風格向度所得之分數越高代表學習者之學習風格類型。其中感官型學習者偏好具體的事物，故學習抽象概念需要有些問題解決的過程或方法，而直覺型學習者則偏好自行發覺事物的關聯性，不喜歡過多的侷限。本研究以感官型與直覺型兩種學習風格進行分組，以探討探索式策略對兩種學習風格的學習者能否皆有正向幫助，以及不同學習風格的學習者應採何種探索策略較為適當。. 肆、化學反應概念學習成效化學反應學習成效泛指學習者對化學反應概念之學習理解與應用。本研究之化學反應相關概念學習成效係指學習者經由實驗教學活動後在化學反應課程概念的學習成效，測驗卷內容依據教育部國民中小學九年一貫課程綱要自然與生活科技領域當中的「化學反應」單元來發展，測驗卷面向則根據認知層次分為知識理解及知識應用兩個面向，知識理解係指學習者能理解化學反應相關概念的定義、定理，知識應用係指學習者能應用化學反應相關概念於不同的情境中。因此，本研究之化學反應課程學習成效是依據化學反應課程學習成效測驗進行評估，各向度所得之分數越高，表示學習者其化學反應相關概念的學習表現越佳，反之所得分數越低，表示學習者其化學反應相關概念的學習表現越差。 8.

(21) 伍、化學學習動機學習動機係指引起學習者學習活動，維持學習活動，並使該學習活動趨向教師所設定目標的內在心理歷程(張春興，2004)。本研究之學習動機係指學習者在實驗教學活動後對化學的學習動機看法，本研究採用之學習動機問卷為五點量表，乃改編自 Pintrich、Smith、Garcia 與 McKeachie (1991)發展的動機學習策略量表，保留價值成分(內在目標導向、外在目標導向、工作價值)與期望成分(控制信念、自我效能、期望成功)兩個面向。問卷各向度的平均分數越高表示學習者其化學學習動機越高，反之所得平均分數越低，表示學習者其化學學習動機越低。. 9.

(22) 第二章. 文獻探討. 本研究旨在探討不同探索式策略(引導式探索、結構式探索)的擴增實境實驗遊戲對不同學習風格(感官型、直覺型)的八年級學習者化學反應課程的學習成效與化學學習動機之影響。本章首先剖析化學教育意義、所面臨的困難與化學學習之問題，繼而探討擴增實境在教育上的應用以及 5E 探索式學習環與學習風格對學習者學習成效及學習動機之影響。以下分別就化學教育、5E 探索式學習環及學習風格相關文獻進行歸納整理。. 第一節化學教育首先本節先就化學之學習與教學意義進行探討，瞭解化學學習以及教學的意義與重要性，再就化學反應課程相關概念教學上的困難、遊戲式數位學習對化學教育的影響分別進行討論。. 壹、化學之學習與教學意義在自然科學的領域中，透過學習科學，可以培養學習者在觀察、驗證、歸納、研判等相關能力，最後可正確地處理事情、解決問題。所以，科學的學習目標不只是科學知識與概念的記憶，更強調科學探索能力與問題解決能力的養成(丁信中、洪振方、楊芳瑩，2001)。而科學與我們的生活習習相關(例：植物行光合作用、暖暖包因化學反應產生熱能等)，在我國九年一貫自然與生活科技領域課程大綱學習內涵中也提及應將習得科學相關之基本能力轉化於日常生活中 (教育部， 2008)。整體來說，在自然科學領域的課程安排，應與學習者的日常生活情境作連結，並讓學習者可以透過探索來摸索學習相關知識，最後能利用知識解決生活上的問題。所以，若透過擴增實境實驗遊戲的學習環境，學習者可以藉實驗探索出化學原理，並藉由遊戲任務來應用所學，或許有助於化學反應課程的學習。 10.

(23) 貳、化學反應課程相關概念在教學上的困境在化學中的化學反應單元中，雖然透過觀察可以發現其變化，但關於為何有此改變對國中階段的學習者來說是較抽象的，而學習者學習起來也是比較困難。另外，當學習者在學習某些自然現象時，可能已擁有個人的想法與觀點，而這些想法與觀點不同於一般所公認科學概念，稱為迷思概念(Helm, 1980)，而在化學反應單元也易有此現象的產生，例如，學習者對「產量」和「產率」的定義混淆，造成學習者認為催化劑可以使產量增高(蔡玟錦、陳瓊森，1992)；鐵釘與空氣產生氧化作用，所以鐵釘生銹後會多了空氣的重量(黃寶鈿、陳世雄，1993)。在化學反應相關概念的常見迷思概念可歸納成三種類型(廖焜熙，2001)：(1)錯誤的物質概念；(2)不正確或不適當的物質變化概念；(3)物理變化與化學變化之混淆。目前國中的化學教學多半透過教科書以講述的方式進行，然而一般教科書內容過於枯燥、沒有足夠範例且內容不夠生活化(劉昌宏、郭重吉，1995)，加上整體的教材內容份量太多，導致教師教學時數不足(廖焜熙，2001)，所以教師為了完成課程進度只好不斷地趕課，減少了能夠實際操作的實驗課程，整個課程是以教師為中心，學習者只是在課堂上以聽課的方式進行學習，而這樣的學習方式容易造成學習者只能單純以背誦記憶來學習化學，對於化學的原理仍舊不能深刻瞭解，進而造成學習成效不佳。而科學素養主要是讓學習者能夠瞭解科學本質與社會活動間的相互作用，並學習到將科學知識應用於處理日常生活中的事物(Yager, 1993)。所以，當學習內容不能與學習者的生活作結合，容易造成學習者產生為何需要學習化學的疑問(Demircioglu, Demircioglu, & Calik, 2009)。為了在教學活動上能夠以學習者為中心，探索式教學是個很好的方法(Valente, Fonseca, & Conboy, 2011)。由於探索式教學是學習者藉由探索問題、找尋解決方法，最後建構出自己的知識，在整個過程中主要都是由學習者自己主導，另外，若於科學教學中融入探索式學習，對於學習者在建立科學概念有正向的成效 (Şimşek & Kabapınar, 2010)，而且探索式的教學活動對於提升學習者在化學學習 11.

(24) 的動機也能有所提升(Raes & Schellens, 2012；Sesen & Tarhan, 2013)。Carin (1993) 曾提出探索式學習的過程符合下列條件是較易成功：(1)概念、模型、抽象是主要目標；(2)需要高層次能力；(3)學習者的參與以問題解決為主；(4)持續一段時間。此外，有研究指出，透過探索式學習化學有下列效益 (蘇麗涼，2002)：實驗活動可以幫助理解、知識來源是多元化、學習成效與學習者自信心皆有所提升。因此，為了幫助學習者學習抽象困難的化學反應內容，若使用探索的教學方式，讓學習者透過自我探索來加深其學習印象並以擴增實境的方式將部分抽象概念具體化。另外，透過擴增實境實驗遊戲，讓學習者除了可以利用實驗的操作來發現化學反應的基本原理，並透過擴增實境提供的真實感以及將生活週遭的化學反應內容(例：利用氧化原理概念來偵測酒精、暖暖包進行化學反應產生熱量)融入遊戲任務的情境，如同學習者親身經歷的問題，或許能夠幫助學習者在化學反應學習的困難。. 參、遊戲式數位學習對化學教育的影響近年來隨著遊戲的發展，以有許多研究將遊戲融入教學中(Eow & Baki, 2010； Kim & Chang, 2010；Lowrie & Jorgensen, 2011)，而使用遊戲於教學是可以讓學習者由被動學習轉變為主動學習(Uzun, 2012)。Carbonaro、Szafron、Cutumisu 與 Schaeffer (2010)指出遊戲應用於學習有其優勢：(1)可以用於需要高階思考能力的教學活動；(2)可以透過遊戲來教授具抽象觀念的科學學科；(3)整個教學活動可以愉悅地進行。因此，遊戲式學習透過其趣味性可以使學習者主動地進行學習，而且數位遊戲可以將事物虛擬化使得抽象的概念能以具體的事物呈現，另外，透過遊戲內容的設計，讓學習者在學習過程中能與遊戲進行互動，除了可以有效加深印象，整個過程也會比較有趣。所以，在一般認為學習比較無趣且抽象困難的化學，若將遊戲的方式融入到化學學習內容中，將能幫助學習者有效地學習化學 (Rastegarpour & Marashi, 2011)。 12.

(25) 雖然遊戲式學習可以幫助學習者達到不錯的學習成效，但若遊戲的內容設計不恰當，將可能引發一些問題(Squire, 2003)：(1)遊戲式學習不一定可以吸引到所有的學習者；(2)學習者可能專注在玩的部分，而不是針對學習的內容；(3)學習者在較複雜的數位遊戲中將無法精確地進行學習。另外，若遊戲的學習目標與內容若無適當設計，對於學習上的幫助將會成效有限(Ke, 2008)。因此，為了讓學習者在遊戲中可以有效地進行學習，我們可以根據 Prensky (2007)提出幾點的遊戲特性來設計遊戲： 1.娛樂及遊戲性：遊戲呈現一種有趣並提供遊樂的方式，讓學習者在遊戲過程中感到有趣。 2.規則性：明確的遊戲規則可以幫助學習者組織遊戲內容，透過實際進行遊戲來瞭解學習內容。 3.目標性：給予具體的遊戲或學習目標，才能明確地指引學習者進行遊戲。 4.互動性：透過操作介面來與遊戲進行互動。 5.適時回饋：透過適當回饋來提供學習者學習的機會。 6.問題解決：在遊戲情境中設置問題，讓學習者可以進行思考以完成問題解決。 7.圖像與情節性：透過圖像和故事情節，讓學習者沉浸於遊戲式的學習環境中。綜上所述，一個設計良好的教育遊戲，除了要有能吸引學習者的趣味成分外，更要有明確的目標與規則來幫助學習者針對學習內容思考，並且透過遊戲互動來讓學習者進行反思以加深學習印象。另外，在科學相關概念的學習，若能與真實的環境或經驗有關，也能幫助學習者有效地學習(Arslan, Moseley, & Cigdemoglu, 2011)。因此，為了避免當以數位遊戲來進行學習時，由於全部皆是以虛擬物件來進行呈現，造成與真實的環境或事物有段差距，所以若使用從虛擬實境技術延伸而來的擴增實境技術，將虛擬的物件與真實環境作結合 (Alcañiz, Contero, Pérez-López, & Ortega, 2010)，讓學習者能夠在較真實的情境中進行學習，以幫助學習者有效地把遊戲中所學習到的遷移到真實經驗中。 13.

(26) 第二節 5E探索式學習環本研究採用引導式探索與結構式探索兩種探索策略進行實驗教學設計，為使學習者能從擴增實境實驗遊戲中透過探索獲得知識概念並能應用於遊戲任務的執行，達到有意義的學習，所以本研究使用 5E 探索式學習環的教學步驟進行實驗教學。以下先從建構主義的觀點進行探討，再就 5E 探索式學習環及探索式學習的意涵來探討 5E 探索式擴增實境實驗遊戲對化學學習活動的可能影響及可行性。. 壹、建構主義的觀點在建構主義學習中有些核心理念(Taber, 2006)：(1)學習者是主動的；(2)學習者用現有概念來解釋現象；(3)學習者有自己個人的想法；(4)這些想法一般是已被大家接受的科學事實或他們自己本身難以改變的觀點；(5)這些知識是可以被模組化或可以描述其細節；(6)雖然知識是由自己建構而成，但學習者可以透過與他人的互動或合作的方式來獲取知識。大體來說，建構即是學習者根據自己的經驗與觀點，把接收到的訊息轉化成自己的知識概念(Bogar, Kalender, & Sarikaya, 2012； Karal & Reisoglu, 2009；Ö zeke, 2009)。因此，若使用建構主義來設計教學，其學習環境應該是要讓學習者可以主動地進行學習，教師應以引導的方式來幫助學習者去進行思考。另外，學習的內容應與學習者的生活經驗有其相關性(Doolittle & Camp, 1999；Pivec & Dziabenko, 2004)。綜上所述，建構主義教學應讓學習者進行探索思考，並且以一個真實的情境讓學習者在學習過程中發現自己不懂得地方再加以尋找解答，進而建構出新的學習經驗。故本研究使用探索式擴增實境實驗遊戲，利用擴增實境能結合真實環境，讓學習者有身入其境的感受，在整個過程中藉由探索的方式建構知識，並將習得知識應用於遊戲任務，以達到有意義的學習。. 14.

(27) 貳、5E 學習環教學模式之定義學習環的教學模式是基於建構主義所制定出來，可以用來幫助學習者在科學上的學習，其概念最早是由 Karplus 所提出，主要分成三個階段(Brown & Abell, 2007)： 1.初探(Exploration)：讓學習者透過科學現象的發現獲取經驗。 2.概念引介(Concept Introduction)：讓學習者透過與同儕互動、教科書、老師指導來建立科學知識。 3.概念應用(Concept Application)：要求學習者利用習得的科學知識去解決問題。自此之後，學習環的模型不斷地被修改，並且延伸其步驟，除了最初三個階段外常見的還有 4E、5E、7E(如表 2-1 所示)。. 表 2-1 學習環類型三階段模式. 4E 學習環. 5E 學習環. 7E 學習環. 1.探索. 1.探索. 1.投入. 1.引導. (Exploration) 2.概念引介. (Exploration) 2.解釋. (Engage) 2.探索. (Excite) 2.投入. (Term Introduction) 3.概念應用. (Explanation) 3.擴展. (Explore) 3.解釋. (Engage) 3.探索. (Concept Application). (Expansion) 4.評量. (Explain) 4.精緻化. (Explore) 4.解釋. (Evaluation). (Elaboration) 5.評量. (Explain) 5.精緻化. (Evaluate). (Elaboration) 6.評量 (Evaluate) 7.延伸 (Extend). 資料來源：參考自 Ö zeke(2009). 15.

(28) 5E 學習環是由美國生物科學課程研究 Biological Science Curriculum Study(BSCS)發展出來具有建構主義特性的探索式教學模式，其五個階段分別是投入(Engagement)、探索(Exploration)、解釋(Explanation)、精緻化(Elaboration)以及評量(Evaluation) (Bybee et al., 2006)，各階段分述如下： 1.投入階段：此階段目的是要引導學習者投入，以學習課程中的概念來激發學習者的興趣與好奇心，以及知道學習者對當前所要進行的學習活動有多少瞭解。 2.探索階段：此階段目的是提供學習者調查、探索某概念的機會，並建立起基礎的經驗，學習者要利用先前已存在的經驗去解釋探索到的現象。 3.解釋階段：此階段要學習者基於已存在的知識與探索所得的經驗來做合理的解釋，以幫助學習者進行概念的組織。 4.精緻化階段：此階段目的是讓學習者將他們所習得之概念應用或轉移到不同的情境中。主要是應用於學習者的日常生活中的事件或類似過程的學科。 5.評量階段：此階段目的是要讓學習者瞭解到自己的學習狀況，並提供教師評量學習者進步的情形。 5E 學習環強調以學習者為中心，讓學習者自行建構自己的知識，透過學習環的步驟來培養科學素養以及解決問題的能力。因此，若以 5E 學習環的教學模式來設計擴增實境實驗遊戲的學習活動，以一個故事背景讓學習者進入到學習情境，利用擴增實境技術在現實中的地圖產生虛擬物件與人物，讓學習者透過探索來與其互動並將新舊經驗加以連結，最後再於遊戲的任務加以應用習得概念，以瞭解自身是否尚有未清楚的地方，以提升化學學習的成效。. 參、探索式學習探索式學習一直被廣泛地用於科學教育相關領域中，而其對於學習者在科學知識的理解以及問題的解決都能有不錯的幫助(Gillies, Nichols, Burgh, & Haynes, 2012)。因為在探索的歷程中，學習者可以發現到問題，或是針對問題找尋到解答， 16.

(29) 最後建構出自己的知識概念，然而，並不是讓學習者自己投入在科學探索活動的探索歷程中，學習者即可以從體驗中潛移默化地習得正確的科學概念或是如同科學家般的思考能力(洪振方，2010)，尤其是學習者所要學習的是較困難的內容或是需要高階段思考技能的問題解決時，沒有了教師的指導或一些教學指引，這對於學習者的學習是較困難的(Xie & Bradshaw, 2008)。因此，當學習者在進行探索式學習時，應該要給予學習者一些步驟的指導(Wu & Pedersen, 2011)或是以問題的方式來引導學習者(鐘建坪，2010)。 Bell、Smetana 和 Binns(2005)根據探索的開放程度(如表 2-2 所示)，將探索式學習分成下列四種： 1.驗證式(Confirmation)探索：學習者已事先知道問題、操作方法以及解答，學習者只要依步驟進行來驗證已知的結果。 2.結構式(Structured)探索：教師提供學習者問題以及操作方法，學習者自行依步驟操作來找尋問題的答案。 3.引導式(Guided)探索：學習者探索教師所提供的問題，依照自己的方法來解決問題。 4.開放式(Open)探索：學習者自行探索與主題相關的問題，從問題的形成到解決方法的步驟都是由學習者自行設計或選擇。. 表 2-2 探索式學習的層級探索層級. 給予問題. 給於方法. 給予解答. 驗證式探索. ✔. ✔. ✔. 結構式探索. ✔. ✔. 引導式探索. ✔. 開放式探索資料來源：Bell, Smetana, & Binns, (2005). 17.

(30) 如上述，由於驗證式探索從問題至解答都已給予學習者，學習者已知結果，所以對此內容的好奇心將會減少，另外由於研究對象為國中學習者，其化學相關概念以及探索能力仍待培養，所以若使用開放式探索可能造成學習者不知所措。因此，使用探索式教學時，應給予學習者步驟，以具結構性的方式來降低對於部分化學概念仍未清楚的學習者在學習上的阻礙(黃顯宗等人，2004；Lazonder, Wilhelm, & Hagemans, 2008)。另外，當學習者進行探索前先給予適當的資訊指引 (Lazonder, Hagemans, & de Jong, 2010)或者以問題的方式引導學習者，可以提升學習者的學習效果(Xie & Bradshaw, 2008)。因此，本研究分別使用引導式探索與結構式探索兩種探索策略，以探討其兩種策略之影響。表 2-3 則針對本研究之引導式探索與結構式探索之差異性進行比較。. 表 2-3 引導式探索與結構式探索策略之差異性探索策略相異點概念習得方式執行任務方式. 引導式探索. 結構式探索. 透過問題或相關提示探索正確解答依學習者之喜好進行任務的順序. 給予步驟性的提示，學習者根據步驟進行探索需按任務步驟的依序完成任務. 肆、5E 探索式學習環融入擴增實境實驗遊戲之化學學習活動在科學教學的領域中，使用 5E 學習環的教學模式能達到正面的成效，在探索過程中能讓學習者去把科學的相關技能加以整合應用 (Lati, Supasorn, & Promarak, 2012)，此外，以 5E 學習環進行教學亦能幫助學習者知識概念的保留 (Fazelian & Soraghi, 2010)。在科學學習的過程中，探索階段可以針對學習者自己不清楚的地方加以去釐清，在探索過程中不斷地發現問題、驗證問題，最後達到對此概念的理解，另外在精緻化階段中，學習者可以實際地應用知識概念，來加強新舊經驗的連結以及整體知識的建構。因此，本研究以 5E 學習環教學模式中的「探索」與「精緻化」階段作為主要學習的發展階段，根據 5E 學習環教學模 18.

(31) 式與本研究在擴增實境實驗遊戲課程設計的五個教學步驟所應用的教學概念，逐一做出比較對照，如表 2-4 所示。. 表 2-4 5E 教學模式與本研究 5E 教學步驟之轉換對照 5E 教學模式. 本研究 5E 教學步驟. 教學概念. 教學概念. 引導學習者投入並激發學習者的興趣與好奇心。. 以新手教學的情境任務，來引導學習對擴增實境實驗遊戲的環境有初步認識。. 讓學習者進行調查、探索某一觀念，建立一般的經驗基礎。. 操作擴增實境實驗來建立化學反應的基本概念. 鼓勵學習者基於先備知識與探索的經驗來做合理的解釋。. 透過學習單的提問來讓學習者將自己本身與探索到的經驗做連結。. Elaboration. 讓學習者將他們所領悟到的知識概念應用或轉移到不同的情境中。. 概念的應用與遷移，根據各個化學反應概念設計數個遊戲任務來讓學習者實際進行知識應用。. 評量. 鼓勵學習者評量他們所學到的. 以總結性的遊戲任務來瞭解學習. Evaluation. 概念或能力，並提供教師評鑑學習者進步的狀況。. 者能否妥善應用這些知識概念。. 教學階段投入 Engagement 探索 Exploration 解釋 Explanation 精緻化. 資料來源：參考自林曉雯(2001). 19.

(32) 第三節擴增實境實驗遊戲本節討論使用擴增實境技術於教育上之情形，分別就「擴增實境環境」、「擴增實境在教育上的應用」及「擴增實境結合實驗與遊戲」三個構面來探討擴增實境實驗遊戲以及對學習的影響。. 壹、擴增實境環境擴增實境(Augmented Reality)介於真實與虛擬之間，其為從虛擬實境延伸出來的新技術。雖然擴增實境仍保留部分虛擬實境的一些特性，但就融入程度而言兩者是有差異存在，擴增實境提供了一個複合式的景觀，其場景是真假兼具的，而虛擬實境則是一種完全融入之環境，使用者的視覺、聽覺與知覺等，都完全在虛擬實境系統的控制中(王燕超，2006)。因此，擴增實境與虛擬實境最大的不同在於擴增實境除了可以看到現實的世界外，在同一時間能看到虛擬物件與真實環境作結合(Alcañiz, Contero, Pérez-López, & Ortega, 2010)。一般而言，擴增實境可以歸納出三種特性：(1)結合真實環境與虛擬物件；(2) 具有即時的互動性；(3)能在 3D 立體環境進行(Azuma, 1997)。另外，就擴增實境呈現方式，擴增實境大致可以分成三種類型：(1)有標記圖示。使用特定圖形來進行影像辨識；(2)無標記圖示。以實際景物或圖片來進行影像辨識；(3)GPS。透過 GPS 定位進而呈現影像。根據這些呈現方式，擴增實境也逐漸應用於商業以及教育上，以下就擴增實境於教育的應用方式以及在學習上的幫助加以探討。. 貳、擴增實境在教育上的應用當學習應用到更多的感官(聽覺、視覺、觸覺等)進行學習，將能帶來更強大的學習經驗(Alcañiz, Contero, Pérez-López, & Ortega, 2010)，而擴增實境技術除了能夠帶來視覺上的感官還能提供實體觸覺的感覺，加上能夠結合真實環境以及 3D 物件，可以讓學習者深入其境融入在學習環境中，而 3D 物件與環境也提供一般 20.

(33) 傳統二維平面無法提供的資訊，學習者還能夠以最自然的方式與 3D 物件互動，因此，透過擴增實境將可以把虛擬與真實無縫地連接起來(Kesim & Ozarslan, 2012)。隨著擴增實境技術的發展，加上各種載具的研發，擴增實境不在只有透過傳統的頭戴式顯示器才能使用，在一般有鏡頭工具或可連結投影的電腦，甚至目前人們普遍擁有的手持式行動設備皆可使用擴增實境技術。因此，擴增實境除了可以應用於商業部分外，擴增實境也開始被使用於教學上，許多研究也都證實擴增實境是可以應用於教學且能達到不錯的學習成效。另外，雖然擴增實境是從虛擬實境所延伸過來的技術，但仍有部分特性的差異，所以擴增實境用於教育上將有別於虛擬實境的優點。Billinghurst(2002)曾指出擴增實境可以提供獨特的教育益處： (1)擴增實境可以讓學習者流暢地在虛擬和真實環境下，跟虛擬物件進行即時互動； (2)使用擴增實境作為教具時，它具有一個實體的操作介面，學習者能較直覺地操作；(3)擴增實境可以很流暢地在虛擬與真實間轉換，讓學習者沈浸入學習內容中。此外，Billinghurst 和 Dünser (2012)也提出擴增實境可以用於課堂教學上的一些關鍵因素：(1)擴增實境技術可以提供足夠的學習經驗，特別是在擴增書以及行動裝置的擴增實境應用；(2)擴增實境經驗應該是用以補充而不是完全取代傳統教材； (3)可以幫助低空間能力的學習者去理解一些空間相關的資料。因此，我們得知擴增實境因為其擁有互動性可以讓學習過程更活潑也可以幫助學習者藉互動加深學習印象，另外亦具有沉浸性可以讓學習者專注於學習環境，以及透過實體可以額外提供視覺與感官功能的結合，所以，擴增實境是具有應用於教學上的潛在效益，而目前已有將擴增實境應用於教育上的相關研究(如表 2-5 所示)。. 21.

(34) 表 2-5 擴增實境應用於教學學習領域. 研究者. 研究結果. 醫學教育. Mischkowski, Zinser, Kübler, Krug, Seifert, & Zöller (2006). 當醫生在進行口部手術時可以直覺地進行操作，而且可以立即在正確的預定位置進行操作。. Nikou, Digioia III, Blackwell, Jaramaz, & Kanade (2000). 使用擴增實境可以減少使用具輻射的 X 光，且能幫助醫生進行微創手術。. Enyedy, Danish, Delacruz, & Kumar (2012). 擴增實境幫助 6-8 歲的學習者對於力與摩擦能夠有個基本的認識。. Matsutomo, Miyauchi, Noguchi, & Yamashita (2012). 透過擴增實境系統學習者可以更輕易地瞭解看不到的磁力線的相關特性。. Dunleavy, Dede, & Mitchell (2009). 利用 GPS 擴增實境系統可以幫助學習者間的合作。. Campos, & Pessanha (2011). 擴增實境介面對於降低了兒童在科學問題的答錯率。. Morrison, et al. (2011). 學習者使用 GPS 擴增實境系能夠與其他人有更多的互動且提升學習動機。. Chen, & Wang (2008). 雖然在調整顯示擴增實境的部分花了. 科學教育. 空間設計. 比較多時間，但學習者透過操作實體能夠直接觀察到其城市設計的差異，也提升了學習者城市設計的效率。 Martín-Gutiérrez, Luís Saorín, Contero, Alcañiz, Pérez-López, & Ortega (2010). 擴增實境書對於學習者在空間以及測量能有正向的影響。. 健康教育. Hsiao, & Rashvand (2011). 學習者的學習成效有明顯地進步且學習興趣也相對提升許多。. 歷史教育. Santana-Mancilla, Garc’a-Ruiz, Acosta-Diaz, & Juárez, (2012). 擴增實境可以額外提供更豐富的資訊。. 人員訓練. Yim, & Seong (2010). 擴增實境用於核電廠人員訓練減少了人為的錯誤以及增加了安全性。. Anastassova, & Burkhardt (2009). 擴增實境工具可以幫助合作，也可以. 資料來源：研究者自行整理 22. 同時分享虛擬影像在實體汽車上。.

(35) 從上述研究我們可以歸納擴增實境多半用於幾種學習內容的教育領域上： 1.具規則性操作的知識當學習內容有一定規則的操作時，從建構主義的觀點，學習者實際動手去操作將可以加深其印象，由於擴增實境是在真實環境下進行，所以可以讓學習者摸擬進行真實的操作，而且實際物體的觸控是可以幫助學習去建構出新的知識 (Karal & Reisoglu, 2009)。 2.無法直接從實體觀察得知的抽象知識有些科學現象無法從肉眼直接觀察出來，這類型的內容對於一般學習者多半較為抽象，而擴增實境保有虛擬實境的特色，可以額外以虛擬的方式提供相關資訊，此外，擴增實境除了將肉眼看不到的事物可視化，更能將虛擬與現實環境作適當結合(Lee, 2012; Salmi, Kaasinen, & Kallunki, 2012)，這將幫助學習者更加容易理解抽象概念。 3.與空間相關的知識由於一般空間課程多半以 2 維平面的教材來進行教學，但對於低空間能力的學習者較難以將 2 維平面轉換成 3 維空間，因此，使用擴增實境可以保留實體物品讓學習者進行觀察並可同時提供 2 維的虛擬影像來讓學習者對照學習。 Kaufmann 和 Schmalstieg (2003)也指出透過擴增實境可以幫助改善學習者的空間相關概念。由於化學反應課程是一門較抽象的學習單元，在化學反應發生的過程中，雖然可以看到進行化學反應物體表徵的變化，但對於為何有此改變的原因並不能單純從觀察得知，例如：化學反應進行時原子會進行重新排列。因此，透過虛實整合的擴增實境學習環境，將虛擬資訊或物件融入真實環境中是可以幫助學習者更加瞭解所要學習的內容(Ariyana & Wuryandari, 2011)。此外，在化學反應的相關實驗有些是需要一定程序性的操作步驟，學習者除了可以透過這些操作步驟來加深學習印象，也可以從每一步驟所發生的化學現象找出其化學原理。另外，擴增實 23.

(36) 境也可以用來避免在實驗室所會遇到的問題(Andujar, Mejias, & Marquez, 2011)：在實驗室裡，無論是軟硬體都是資源有限的；實驗室的器材是相當昂貴的，無法為每個學習者都提供個別的器材。若實驗是需要用到火或是一些強酸強鹼等高危險性物品，當學習者沒有足夠的使用經驗或是相關知識時，往往容易造成一些無法挽回的傷害發生(Sokan, et al. 2010)。因此，研究建議使用擴增實境來建置學習環境。. 參、擴增實境結合實驗與遊戲目前的電腦遊戲主要注重於電腦畫面中所呈現的 2D 與 3D 虛擬環境，較少有與實體進行互動(Cheok et al., 2004)，而一般的教育遊戲也是如此，然而，因為環境會影響到學習者的學習情緒，所以當學習者在一個真實的情境底下學習是可以增強學習者的學習經驗(Zhou, Cheok, & Pan, 2004; Guazzaroni, 2013)。而擴增實境結合遊戲除了可以保留遊戲的趣味性，其呈現的方式，對於學習者來說也是較新奇特別的經驗(Cheok, et al. 2004)，另外，擴增實境遊戲可以額外帶給使用者真實感與存在感，並且他是第一人稱的視角在真實世界與虛擬物件進行互動，這將有別於一般第三人稱視角更具有臨場感(Von Der PüTten et al., 2012)，而且對於學習者的學習動機也有正向的提升(Alem, Furio, Juan, & Ashworth, 2011)。一般的虛擬實驗都是以操作的演練為主軸，但這可能造成學習者只記住操作的步驟，對於實驗內容背後的涵意沒有更深入地瞭解，所以透過遊戲任務以及遊戲目標來幫助學習者在操作的過程中也有進行思考。另外，擴增實境的學習環境對於在學習困難的概念可以比使用傳統實體教材還要快速習得概念(Liarokapis & De Freitas, 2010)，而且在擴增實境遊戲所習得的知識概念也能容易地遷移至真實經驗中(Echeverría et al., 2012)。所以，若讓學習者於擴增實境的學習環境以實驗以及遊戲來學習化學反應相關概念，將有機會提升學習者的學習成效以及學習動機。 24.

(37) 第四節學習風格由於不同的學習風格的學習者皆有其喜好之學習方式，因此，本研究將學習風格作為自變項之一，依據學習者在學習風格量表的類型進行分組依據。以下就學習風格之意涵與發展及學習風格對學習之影響進行探討。. 壹、學習風格之意涵與發展學習風格起源於實驗心理學對認知風格的研究開始，主要針對個人在認知方面的特質，由於在教育應用上有其意義與價值，因而逐漸擴充演變，到了 1970 年代才有學習風格一詞(郭重吉，1987)。對於學習風格的定義，因各家學者所強調的觀點不同而有所不同，但為了能夠編制以學習者為中心的教學活動，學習風格有其分析討論的重要性(Uzun, Goktalay, Öncü, & Şentürk, 2012)。根據 Kolb 的經驗理論，學習是一種互動的過程，其涉及四個階段的學習模式，分別是具體經驗(Concrete experience)、反思觀察(Reflective observation)、抽象概念(Abstract conceptualization)、主動驗證(Active experience)。Kolb 根據學習者在學習週期有其偏好的學習方式，將學習風格分成：發散者(Diverger)、同化者 (Assimilator)、收斂者(Converger)、調適者(Accommodtor) (Kolb, 1984)。而 Felder 與 Silverman 基於 Kolb 學習風格模式，創建了 Felder-Silverman 學習風格理論，並根據學習者所慣用的訊息處理方式將學習風格類型分成以下幾類(Felder, & Spurlin, 2005)： (1)感官型，偏好具體資料和事實、用有程序步驟的方式進行問題解決；直覺型，喜歡創新事物、不喜歡反覆的資訊、進行訊息理解較快速。 (2)視覺型，習慣記住所看到的；口語型，透過口語解釋來進行學習。 (3)主動型，主動試驗和與他人解釋來處理接收到的訊息、偏好實際動手做；反思型，以觀察和思考來處理接收到的訊息、喜歡獨立學習。 (4)整體型，利用整體的原則來進行理解、能應用片段或隨機方式來理解訊息；循 25.

(38) 序型，以線性的步驟來理解訊息、善於分析、使用有邏輯的步驟來解決問題。 Felder 與 Spurlin 所開發的學習風格量表(Index of Learning Styles, ILS)已開放供大眾免費進行使用，且 ILS 學習風格量表在研究領域上也有不少的研究成果 (Carver Jr, Howard, & Lane, 1999; Vita, 2001; Zywno, 2003; Cook, 2005)。故本研究使用 ILS 量表進行學習者的學習風格分析，並針對感官型與直覺型學習者使用不同探索式策略的擴增實境實驗遊戲在化學學習的學習成效及學習動機之影響。. 貳、學習風格對學習之影響在學習的過程中，學習者特質和先備經驗對於學習成效會有所影響，其中學習者特質包含學習風格、認知型態及個人變項(Bostrom, Olfman, & Sein, 1990)。而近年來已有許多研究針對學習者學習風格的相關研究(Demirbas & Demirkan, 2007; Graf & Lin, 2008; Tulbure, 2011)。因為，每個學習者在進行學習時都有其接受訊息、處理訊息的方式，當不同學習風格的學習者接受不同的教學方式，對於他們的學習成效將有所影響(Demirbas & Demirkan, 2007)。而郭重吉(1987)也指出學習者在學習風格存在個別差異的問題，而學習風格的研究不但符合教育心理學的發展趨勢也可以彌補心理與教育測驗的不足。另外，在教育上大家也都期盼可以達到因材施教，因此，學習者的學習風格將有其討論的必要性。所以，當學習者根據學習風格理論將學習者進行分類，可以提供教學者一個課程設計的基礎架構，並希望能夠讓每種學習風格類型的學習者能被滿足其學習需求(Felder, 1996) 化學是門較抽象的課程，而就學習者喜好接收的知識類型來說，抽象的化學概念對於偏好具體事物的感官型學習者可能在學習上會較為困難，而就學習方式的偏好，感官型學習者需要具體步驟的幫助，而直覺型學習者需要與概念有相關連結提示的幫助。因此，本研究希望透過考量學習者的學習風格，能夠設計出即使先天條件較不易於學習化學的學習者也能達到不錯的學習成效，並期望使用適當的學習方式讓學習者不會有所排斥而提高他們對化學學習的興趣。 26.

(39) 第三章. 研究方法. 本研究以「5E 學習環」為化學反應課程概念學習活動進行實驗教學，旨在探討不同學習策略(結構式探索、引導式探索)對不同學習風格(感官型、直覺型)的八年級學習者化學反應課程的學習成效和化學學習動機之影響。以下分別就研究對象、研究設計、研究工具及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八年級學習者，參與之研究樣本為新北市某高中之國中部八年級學習者，所有班級均為常態編班。參與樣本在實驗教學課程進行前，正在學習化學反應的基本概念。為了配合原班級課程進度安排，以班級為單位，在八年級中隨機抽取四個班級作為研究樣本，總共 117 位研究參與者，其中男生 60 位，女生 57 位，年齡介於 13 至 14 歲之間。本研究在分析上考量到實驗之準確性，剔除未能全程參與的學習者 14 人，故本研究之有效樣本為 103 人，男生 52 人、女生 51 人。有效樣本以班級為單位，隨機分派兩個班級為「引導式探索組」，兩個班級為「結構式探索組」，各組根據學習風格量表，將學習者分為「感官型學習風格」和「直覺型學習風格」。教學實驗之分組與各組人數分配如表 3-1 所示。引導式探索 45 人，其中 26 位為感官型學習風格、29 位為直覺型學習風格；結構式探索 47 人，其中 2 位為感官型學習風格、27 位為直覺型學習風格。表 3-1 教學分組及各組人數分配表學習風格探索式策略. 感官型. 直覺型. 合計. 引導式探索. 26. 29. 55. 結構式探索. 21. 27. 48. 合計. 47. 56. 103. 27.

(40) 第二節研究設計本研究採用因子設計(factorial design)之準實驗研究法，旨在探討不同探索式策略(引導式探索、結構式探索)，對不同學習風格(感官型、直覺型)的八年級學習者化學反應課程的學習成效和化學學習動機之影響。探索式策略與學習風格之研究設計及實驗教學活動設計分別敘述如下：. 壹、擴增實境實驗遊戲融入 5E 學習環之研究設計本研究之探索式擴增實境實驗遊戲之研究設計架構如下圖 3-1 所示。. 依變項. 自變項一、探索式策略 1、引導式探索 2、結構式探索二、學習風格. 一、化學反應概念學習成效 1、知識理解 2、知識應用二、化學學習動機. 1、感官型 2、直覺型. 1、內在目標導向 2、外在目標導向 3、工作價值 4、控制信念 5、自我效能 6、期望成功圖 3-1 研究設計架構圖. 本研究之自變項有二，分別為「探索式策略」及「學習風格」。「探索式策略」係依照不同的探索方式分為兩組，一為引導式探索，二為結構式探索。兩組皆為擴增實境實驗遊戲融入 5E 學習環，故皆是參與同一個版本之擴增實境實驗遊戲。兩組不同之處在於 5E 學習環教學步驟的第二階段「探索」與第四階段「精緻化」中，探索的方式不同。「引導式探索」係指在此兩階段，擴增實境活動中會以問題的方式引導學習者去進行探索，並且沒有完全限制整個探索流程，讓學習者自行找尋並建構出屬於自己的知識。「結構式探索」係指在此兩階段，擴增實境活 28.

(41) 動中會明確的給予操作步驟且需依步驟進行探索，讓學習者在探索演練的過程中習得相關知識。「學習風格」係指學習者在進行本研究之實驗教學活動前，學習者自己理解事物、處理訊息的模式，本研究依據學習風格量表將學習者分成「感官型」、「直覺型」。本研究之依變項有二，分別為「化學反應課程學習成效」及「化學學習動機」。「化學反應課程學習成效」主要評量學習者在實驗教學活動後在化學反應課程學習成效測驗的表現，包含知識理解和知識應用兩個面向。「化學學習動機」主要探討學習者在實驗教學活動後對於學習者化學的學習動機表現，包含外在目標導向、內在目標導向、工作價值、控制信念、自我效能及期望成功六個面向。本研究為配合受試班級的課程安排，實驗教學以班級為單位，教學者為研究者本人，教學實驗為期四週，每週一節 45 分鐘，共 180 分鐘。. 貳、擴增實境實驗遊戲「卡密斯任務」實驗教學活動設計本研究希望透過實驗與遊戲，讓學習者以探索的方式來建構出化學反應課程的相關概念，進而理解生活中化學反應的相關概念。故本研究以 Unity 軟體與 Vuforia 平台來建置一個結合教育目標、實驗、遊戲內容及探索式策略的擴增實境實驗遊戲–「卡密斯任務」，其學習內容與學習目標、遊戲設計發展工具、遊戲設計理念、學習活動設計及學習活動流程分別敘述如下：. 一、學習內容與學習目標「卡密斯任務」的化學反應課程學習內容與目標，是依據教育部國民中小學九年一貫課程綱要「自然與生活科技學習領域」中的「化學反應」單元來發展。本研究之學習目標是要讓學習者瞭解化學反應相關概念，內容包含 (1)化學變化、(2)氧化還原反應、(3)化學反應式，如圖 3-2 所示。 29.

(42) 化學反應現象化學變化吸熱與放熱反應質量守恆定律化學反應氧化還原反應. 氧化與還原. 反應速度. 化學反應式. 化學反應的表示法化學平衡. 圖 3-2 化學反應課程相關概念知識架構圖. 二、「卡密斯任務」擴增實境實驗遊戲設計發展工具本研究之擴增實境活動使用 Qualcomm 公司的 Vuforia 平台所提供的擴增實境技術並結合 Unity 軟體來設計製作「卡密斯任務」遊戲環境。Unity 軟體的開發靈活度高，可供設計者自行規劃遊戲場景、設計所需之操作功能(如圖 3-3)，並且能夠結合 Vuforia 平台所提供的擴增實境技術，另外，Vuforia 允許設計者自行設計用來辨識擴增實境的圖卡，可以讓設計者創造出結合教育內容且適合學習者操作使用的擴增實境世界(如圖 3-4)。. 30.

(43) 圖 3-3 Unity 開發介面. 圖 3-4 利用 Unity 與 Vuforia 建置出來的擴增實境世界. 三、「卡密斯任務」擴增實境實驗遊戲設計理念應用 5E 學習環於教學中可以增加學習者的學習興趣，使學習者能積極地建構出自己的知識與技能(Kolomuc, Ozmen, Metin, & Acisli, 2012)，此外，5E 學習環能有效地幫助學習者學習化學相關概念(Demircioglu & Yadigaroglu, 2012)。故本研究之擴增實境實驗遊戲架構以 5E 學習環為活動架構，於各階段將擴增實境實驗 31.

(44) 與遊戲融入其中，讓學習者透過實驗有效地建構出屬於自己的知識概念，並以遊戲較為輕鬆的學習環境讓學習者應用所學，其活動規劃如表 3-2 所示。表 3-2 「卡密斯任務」融入 5E 學習環之擴增實境實驗遊戲歷程規劃 5E 學習環教學階段投入 Engagement. 階段意涵. 本研究教學活動內容. 學習目標. 引起學習者的注意擴增實境活動操 1. 力、刺激學習者思考，作教學，以硫酸並建立學習之間的連銅燃燒變色為例 2. 結. 擴增實境的呈現方式瞭解平板上各個按鈕功能及操作方式. 探索 Exploration. 解釋 Explanation. 提供學習者鑑定及發擴增實境實驗展目前的概念、過程和技巧的共同經驗基礎. 1. 瞭解質量守恆定律 2. 瞭解氧化還原反應的現象 3. 瞭解影響反應速度的因素. 引介對概念、過程或行學習單：提出問 1. 釐清化學反應的為上正式的解釋或定題讓學習者根據相關問題與迷思義，幫助學習者釐清與實驗的發現來進修正觀念行解釋. 精緻化 Elaboration. 評量 Evaluation. 挑戰及延伸學習者對探索式擴增實境 1. 應用所學到的化概念的瞭解，並且提供遊戲學反應相關概念學習者應用新學會的 2. 瞭解生活中的化技巧及行為的機會學反應：暖暖包、酒精探測器評量學習者對學習內以探索式擴增實 1. 化學反應知識概容的瞭解程度及能力境遊戲來進行評念綜合應用量. 四、「卡密斯任務」學習活動設計本研究之擴增實境學習活動目的在幫助學習者透過探索式實驗與遊戲來習得化學反應課程的概念及應用方式，進而提升學習成效與學習動機。「卡密斯任務」依據學習內容與目標規劃學習活動，包含「主題」、「學習目標」、「任務名稱」、 32.

(45) 「學習內容」，如表 3-3 所示。其中，引導式探索組的擴增實境實驗，畫面會出現該實驗的相關器材且以引導的方式讓學習者自行操作實驗，而在擴增實境遊戲中，學習者不用完全依任務指示執行，學習者自行探索地圖的每個區域，透過與各場景 NPC 的對話尋找解決任務的方法；在結構式探索組的擴增實境實驗，會給予完整的操作步驟並依步驟給予實驗器材，學習者必須依步驟完成實驗操作，而在擴增實境遊戲中，學習者必須依任務的指引來尋找解決任務的方法。. 表 3-3 卡密斯任務擴增實境學習活動內容規劃表主題. 學習目標. 任務名稱. 學習內容. 卡密斯任務操熟練擴增實境實新手教學活動作環境驗遊戲的操作模式. 實驗器材的操作方式、對話、撿取物品、選取物品、任務清單等基本操作. 擴增實境實驗讓學習者透過實卡密斯天平驗的操作瞭解化學反應的變化與卡密斯時光機其原理(質量守. 氯化鈣溶液與碳酸鈉溶作用前後的質量關係. 恆定律、氧化還原反應、反應速率) 擴增實境遊戲讓學習者透過探索瞭解化學反應的相關概念並藉應用化學反應相關概念來完成任務. 分秒必爭. 銅的氧化與還原反應物濃度及接觸面積對反應速率的影響. 神秘能量石. 吸熱反應與放熱反應的分辨. 暖心. 生活中的化學反應ー暖暖包. 工廠夜未眠. 影響化學反應速度的因素、催化劑的特性. 妤靚情節. 氧化劑與還原劑的分辨、平衡後的正確化學反應式. 兇手酒是你. 生活中的化學反應ー酒精探測器. 恆春. 應用先前所學的化學反應相關概念來完成卡密斯的最後考驗. 33.

應用5E探索式擴增實境實驗遊戲對不同學習風格 國中生化學反應單元學習成效之影響

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