融入電腦模擬對七年級學生在遺傳單元之認知成就、學習動機與心流經驗的影響

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所在職進修碩士班碩士論文. 指導教授：張文華博士. 融入電腦模擬對七年級學生在遺傳單元之認知成就、學習動機與心流經驗的影響 Impacts of Integrating Computer Simulation into Genetics on Seventh Graders’ Cognitive Achievement, Learning Motivation, and Flow Experience. 研究生：陳俊亨. 中華民國 103 年 6 月.

(2) 中文摘要遺傳學是國中七年級學生感到艱深困難的生物單元之一。遺傳概念既微觀且抽象，教師的教學甚至可能導致學生形成另有概念。本研究使用 Pedagogica 軟體融入遺傳單元，探討實際操作模擬軟體對不同認知成就學生之認知成就、學習動機與心流經驗的影響。本研究方法採用單一組前後測實驗設計，研究對象為桃園縣某國中七年級學生合計 81 人，以兩人一組操控一台電腦的方式進行課程活動，教師使用 Pedagogica 軟體介紹遺傳單元的相關概念，學生需操作模擬軟體來完成學習單。本研究使用的工具包括：遺傳學成就測驗、學生科學學習動機量表、心流經歷量表、心流面向量表。研究結果顯示：一、不同成就組經過電腦模擬教學活動後高成就組遺傳認知成就顯著高於中、低成就組（p<.05），中成就組顯著高於低成就組（p<.05）。二、經過電腦模擬教學活動後，高成就組「自我效能」顯著高於中成就組（p<.05）；高成就組「主動學習策略」顯著高於低成就組（p<.05）。三、全體學生遺傳認知成就對心流經驗部分向度呈現顯著正相關。四、多元線性回歸分析呈現心流經驗可以預測不同成就組學習動機表現。關鍵字：心流經驗、國中七年級、電腦模擬、認知成就、遺傳單元、學習動機. I.

(3) Abstract. To the 7th graders, the most difficult in Life and Technology Learning Area are the units related to genetics. Since genetics is microscopic and abstract, students are very likely to form alternative conceptions of it if the units are taught with inappropriate methods. By integrating the software Pedagogica into learning genetics, the purpose of this research was to find out the influences of the practices of simulation software on the learning motivation and flow experience of students with different levels of achievements. This research was practiced by contrasting the pre-test and post-test scores of a group. The subjects consist of eighty-one students in three different classes. The process was completed with two students operating one computer. During the process, the teacher used the simulation software to introduce concepts related to genetics, while the students completed the questions in the handouts by practicing the software. The tools utilized in this research included tests of achievement in genetics, SMTSL, flow experience scale, and instruments of flow dimensions. The results of this research are as follows. 1. High-achieving groups scored higher in tests of achievement in genetics than middle-achieving and low-achieving ones (p<.05）. Middle-achieving groups scored higher in tests of achievement in genetics than low-achieving ones (p<.05）. 2. High-achieving groups scored higher in SE than middle-achieving ones(p<.05）; in ALS , high-achieving groups scored higher than low-achieving ones（p<.05）. 3. As a whole, the post-test score and the progress between the pre-test and post-test scores in tests of achievement in genetics had significantly a positive correlation with their flow experience. 4. Multiple regression analysis indicated that scores in flow experience can predict the learning motivation of students with different levels of achievements. Key words: flow experience, 7th graders, computer simulation software, cognitive achievement, genetics, learning motivation,. II.

(4) 目錄第一章緒論.................................................................................................................. 1 第一節研究動機.................................................................................................. 1 第二節研究目的與研究問題.............................................................................. 4 第三節名詞解釋.................................................................................................. 5 第四節研究範圍與限制...................................................................................... 7 第二章文獻探討.......................................................................................................... 8 第一節遺傳單元的教學...................................................................................... 8 第二節電腦模擬教學與相關研究.................................................................... 17 第三節學習動機理論與相關研究.................................................................... 21 第四節心流經驗理論與相關研究.................................................................... 28 第三章研究方法........................................................................................................ 34 第一節研究設計................................................................................................ 34 第二節研究對象................................................................................................ 37 第三節教學活動設計........................................................................................ 38 第四節研究工具................................................................................................ 44 第五節資料分析................................................................................................ 49 第四章研究結果與討論............................................................................................ 50 第一節認知成就表現........................................................................................ 50 第二節學生科學動機表現................................................................................ 54 第三節心流經驗表現........................................................................................ 59 第五章結論與建議.................................................................................................... 68 第一節結論........................................................................................................ 68 第二節建議........................................................................................................ 70 參考文獻...................................................................................................................... 73 一、中文部分...................................................................................................... 73 二、西文部分...................................................................................................... 78 附錄 1 Pedagogica 軟體融入教學教案 .................................................................. 86 附錄 2 課堂活動學習單............................................................................................. 90 附錄 3 遺傳成就測驗................................................................................................. 92 附錄 4 學生科學學習動機量表(SMTSL) ................................................................. 95 附錄 5 心流經驗檢測量表.......................................................................................... 97. III.

(5) 圖次圖 2-1-1 遺傳概念金字塔 ...................................................................................... 11 圖 2-2-1 Maslow 需求層次圖示 ............................................................................. 25 圖 2-3-1 原始心流模式 .......................................................................................... 30 圖 2-3-2 四通道心流模式 ...................................................................................... 31 圖 2-3-3 八通道心流模式 ...................................................................................... 32 圖 3-1-1 研究流程圖 .............................................................................................. 35 圖 3-3-1 Pedagogica 軟體截圖 ............................................................................... 40 圖 3-3-2 學習單例題 .............................................................................................. 40 圖 3-3-3 減數分裂模擬動畫截圖 .......................................................................... 41 圖 3-3-4 模擬有性生殖介面截圖 .......................................................................... 42 圖 3-3-5 族譜圖介面截圖 ...................................................................................... 42. IV.

(6) 表次表 2-2-1 Weiner 三向度歸因 .................................................................................. 23 表 3-4-1 遺傳成就測驗雙向細目表 ...................................................................... 44 表 3-4-2 心流經歷量表 .......................................................................................... 46 表 3-4-3 心流面向量表 .......................................................................................... 47 表 4-1-1 遺傳成就測驗成對樣本 t 檢定 ............................................................... 51 表 4-1-2 遺傳成就測驗同質性考驗摘要表 .......................................................... 51 表 4-1-3 共變數分析摘要表 .................................................................................. 52 表 4-1-4 不同成就組後測事後比較分析 .............................................................. 52 表 4-2-1 學生科學學習動機量表成對樣本 t 檢定 ............................................... 54 表 4-2-2 學生科學學習動機量表同質性考驗摘要表 .......................................... 55 表 4-2-3 共變數分析摘要表 .................................................................................. 55 表 4-2-4 學生科學學習動機量表各向度 ANCOVA 分析 ................................... 56 表 4-2-5 科學動機對遺傳認知成就的相關分析 .................................................. 58 表 4-3-1 受測學生心流經歷量表統計資料 .......................................................... 59 表 4-3-2 心流面向量表統計資料 .......................................................................... 61 表 4-3-3 全體學生心流經驗對認知成就的皮爾森積差相關係數 ...................... 63 表 4-3-4 全體學生心流經驗對認知成就多元線性回歸 ...................................... 64 表 4-3-5 不同成就組心流經驗對認知成就的皮爾森積差相關係數 .................. 64 表 4-3-6 不同成就組心流經驗對科學動機相關性 .............................................. 65 表 4-3-7 不同成就組心流經驗對科學動機多元線性回歸 .................................. 66. V.

(7) 第一章緒論本章主要闡述研究動機、研究問題與目的、相關名詞解釋、並說明本研究範圍與限制。本章分為四個小節，第一節：研究動機；第二節：研究目的與研究問題；第三節：名詞解釋；第四節：研究範圍與限制。. 第一節研究動機西元 1860 年奧地利的孟德爾神父根據豌豆自花授粉的實驗結果揭開生物遺傳的奧妙並啟開後續研究的大門。隨著科技的蓬勃發展，科學知識更新的速度日益增快，近年來分子生物研究更是在人類醫療上有非凡的貢獻。如今遺傳學的相關應用如基因作物、生物科技…等在日常生活中相當普遍，更彰顯遺傳概念在科學課程中的重要性。根據研究者教學感想與同儕教師任教多年的經驗，在國中七年級生物課程中學生認為最困難的單元莫過於遺傳學的部分。國中階段的遺傳學概念是分子生物學的基礎，對遺傳學有基礎的認識，能幫助學生釐清生物科技所引發的相關議題，因此遺傳概念的學習相當重要。許多研究指出遺傳學的重要性普遍受到重視，但遺傳概念的微觀性與抽象性使得遺傳成為教師難教、學生難學的單元（楊坤原、張賴妙理，2004；Bahar, Johnstone, & Sutcliffe, 1999）。綜合朱幼倩（2009）、楊坤原、張賴妙理（2004）、王貞惠、黃台珠（2001）與 Chu （2008）等人對國中七年級遺傳單元教學有以下幾點建議： 1. 使用貼近生活的教材引起學生的動機。 2. 掌握學生的先前知識，診斷學生的另有概念。 3. 教師必需注意學生的心理狀態的特質。 4. 專有名詞使用得當，避免學生工作記憶區超載。 1.

(8) 5. 評估學生的認知發展層次，使用教具或模擬情境來幫助學習。 6. 善用分組教學與合作學習，促進同儕對話。現今資訊和網路的普及對人類的生活影響甚巨，使用電腦進行文書處理已是現今人類不可獲缺的重要能力。在科學教學的現場也因資訊科技的進步產生許多的轉變。根據 Jonassen（2000）認為資訊融入教學可達成以下目標：支援學生知識建構與探索；利用操作輸入再檢視輸出結果能促進學生學習；採用小組學習方式可促進同儕對話支援合作學習；電腦即時回饋的特性能幫助學生進行反思學習。「電子白板」、「互動式模擬軟體」、「系上即時回饋系統」的出現，給予學生更多機會進行探究過程與同儕對話，學生不再只是單方面接受教師的訊息，而是藉由「做中學」方式建構知識概念。根據九年一貫課程綱要為了實現因材施教與多元化教學的理想，資訊教育融入教學日趨重要。單文經（1997）認為若要協助學生了解生物學的抽象概念，選擇將抽象概念具體化的教學媒體則是關鍵。賴正山（1992）使用資訊軟體融入國小六年級人類特徵遺傳單元，相對於傳統講述教學，學生對於使用資訊融入的教學方式表現較佳的學習效果。許多研究利用各種資訊模擬軟體融入遺傳教學，藉由軟體呈現的動畫或影像協助學生理解抽象、複雜的遺傳概念，有效地提升認知成就（何秋萱，2004；陳怡仁，2007；黃美娟，2004）。許多研究指出使用資訊融入教學能提高學生的學習動機與注意力，並獲得較佳的認知成就（Barak, Ashkar, & Dori, 2011; Yen, Tuan, & Liao, 2010）。引起學生動機是達到有效教學的一種方式，根據建構主義指出學生為建構知識的主體。若學生感知有價值或有意義的學習任務時，學生在學習上扮演主動的角色並運用學習策略去整合新概念；當學生認為學習任務沒有價值時，學生將採用低層次的學習策略，例如用死背方式去記憶繁瑣的概念（Pintrich & Schunk, 2002）。探討學生知識建構的不應只強調學生的認知過程還須考量學生情感的成分，影響學生情感的因素相當多，其中動機對學生的概念改變、批判思考與學習策略等面向上扮 2.

(9) 演重要的角色（Napier & Riley, 1985）。Lee 與 Brophy（1996）認為學生在科學學習動機上保有正向的態度時，能主動參與學習活動並嘗試應用科學知識解決問題，此積極態度有助於學生建構科學知識。 Csikzentmihalyi（1975）發現藝術家、運動員、舞蹈家從事工作時，當自身能力可應付工作挑戰，個體會進入完全投入的狀態中，此時外界事物變得不重要，甚至有失去自我知覺的現象，在此過程能感受到快樂與享受。這種感覺不需要任何外界增強物即可引發，個體為了再次獲得相同的感受會更加投入下次的工作， Csikzentmihalyi 將這種現象稱之為心流經驗（flow experience）。心流經驗的產生讓人似乎忘了自身的存在，甚至忽略了時間的經過，大概可以用廢寢忘食來形容這種美妙的經驗。心流經驗本質上就是一種獎賞，促進個人再次投入活動並非是外在賞酬的影響而是內在動機驅駛（Privette, 1983）。心流經驗理論已廣泛運用在遠距離數位化學習、資訊融入教學、課外活動設計等（Liao, 2006; Frase, 1998）。 Chan 與 Ahern（1999）認為心流經驗運用於教學設計需注意 5 項要點：具體的目標、適切的難度、幫助學生專心、結構化的控制、清楚的回饋。如何讓學生在學習過程中產生心流經驗，使其自動自發投入學習活動是值得思考的議題。綜合相關研究，針對遺傳的抽象概念研究者嘗試使用電腦模擬軟體進行教學，學生在實際地操作過程中學習動機的表現或心流經驗的感受，則是本研究探討的核心。本研究使用適合國中七年級程度的 Pedagogica 模擬軟體融入遺傳單元教學，探討不同成就學生遺傳認知成就、學習動機與心流經驗的關係。. 3.

(10) 第二節研究目的與研究問題一、研究目的本研究在國中七年級學生學習自然與生活科技遺傳單元的過程中，教師運用電腦模擬軟體融入教學，並使用「遺傳成就測驗」、「學生科學學習動機量表」、「心流歷程量表」、「心流面向量表」等工具，探討電腦模擬軟體融入遺傳單元教學對不同認知成就的學生在遺傳單元認知成就、科學學習動機與心流經驗感受的影響，並分析學生遺傳認知成就、科學學習動機與心流經驗之間的相關性。. 二、研究問題基於上述目的，本研究欲探討的問題可以總結為下幾點：（一）不同認知成就學生接受電腦模擬軟體融入遺傳教學後，遺傳認知成就是否有顯著差異？（二）不同認知成就學生接受電腦模擬軟體融入遺傳教學後，對科學學習動機是否有顯著差異？與認知成就是否有相關？（三）不同認知成就學生接受電腦模擬軟體融入遺傳教學後，心流經驗的感受為何？以及與認知成就是否有相關？（四）不同認知成就學生接受電腦模擬軟體融入遺傳教學後，心流經驗與學習動機的影響為何？. 4.

(11) 第三節名詞解釋一、學習動機動機是一種內在歷程，為了達成目標使個體產生持續不斷的行為（Kleinginna & Kleinginna, 1981）。Stipek（1995）認為學習動機是學生在學習方面的動機，為個體追求成功的一種心理需求，也是影響學業成就的主因之一。Banet 與 Nunez （1997）建議在教學中設計有吸引力、令人驚訝的活動，讓學生產生學習動機進而達成概念轉變的目的。Tuan、Chin 與 Shieh（2005）歸納影響科學學習動機有六項因素：自我效能（Self-efficacy, SE）、主動學習策略（Active learning strategies, ALS）、科學學習價值（Science learning value, SLV）、表現目標（Performance goal, PG）、成就目標（Achievement goal, AG）與學習環境刺激（Learning environment stimulation, LES）。Tuan 等人（2005）以此六項因素發展出學生科學學習量表，用於評定科學學習動機的表現。. 二、電腦模擬近年來電腦視覺化與動畫教學是促進科學教學的一種方法。因為電腦影像與動畫可用來進行研究，與講述、解釋教學及預測科學的現象（Barak et al., 2011; Williamson & Abraham, 1995）。模擬意旨將複雜現象簡化的模型，而電腦模擬則是使用電腦模型來模擬真實生活中的現象（Jonassen, 2000）。電腦模擬教學與電腦動畫教學有所差異，電腦動畫是將現象以一定的程序來呈現。電腦模擬可由學習者操作參數進行結果預測，讓學生發展探究活動（黃福坤，2003）。藉由電腦模擬可將抽象複雜的現象具體化，學生可以從適當的情境了解相關概念（Wichmann, Gottdenker, & Jonassen, 2007）。本研究使用俗稱小恐龍的遺傳模擬軟體 Pedagogica 進行教學，Pedagogica 是由 The Concord Consortium 所設計研發的軟體。此軟體可融入探究式教學，當 5.

(12) 學生進行活動時，能提供學生必需的指引。Pedagogica 的軟體介面可讓學生操作等位基因的型式改變小恐龍的性狀，並藉由有性生殖探討子代恐龍的性狀。 Pedagogica 可於活動過程中傳送最即時的回饋，因此可評估學生學習進度。本研究依據國中七年級自然與生活科技課程中遺傳概念的範圍，結合 Pedagogica 軟體設計適切的教材進行教學。. 三、心流經驗美國學者 Csikzentmihalyi（1975）觀察運動員、藝術家、職業棋士、舞蹈家的行為，發現被觀察者在專心一致從事相關工作時，會產生注意力集中、失去自我的知覺、提升自信與正面情緒、全然的控制感、忽略時間的流逝等感覺，整個過程是愉悅而享受的。為了獲得相同的感覺，被觀察者能在無外在賞酬之下再度投入相關的工作。Csikzentmihalyi（1975）發現多數受訪者回想這類感覺有脈絡可循、敘述其經驗時流暢無比，將感覺稱之為心流經驗（flow experience）。 Csikzentmihalyi（1975）認為心流經驗是一種心理狀態用來描述個體處於積極、快樂、高度認知效率時的最佳感覺。本研究使用 Csikzentmihalyi（1997）的心流經歷量表與 Chen（2006）的心流面向量表進行學生心流經驗的評估。. 6.

(13) 第四節研究範圍與限制本研究的範圍與限制如下：一、本研究旨在探討使用電腦模擬軟體融入遺傳單元教學對學生學習動機與心流經驗的影響，其它影響動機與心流經驗的因素不在討論範圍之內。二、本研究選定主題為國中七年級下學期自然與生活科技領域「遺傳」單元，其結果在不同主題不宜過度推論。三、本研究的研究對象為桃園某國中七年級學生，因研究者兼任行政職務，任教班級較少，本研究對象共 81 人，不適合做廣大推論。. 7.

(14) 第二章文獻探討本章旨在討論與本研究有關的文獻，全章可分為四節：第一節為「遺傳概念的教學」；第二節為「電腦模擬教學與相關研究」；第三節為「學習動機的理論與相關研究」；第四節為「心流經驗的理論與相關研究」。. 第一節遺傳單元的教學一、遺傳教學的困難教育部在 97 年自然與生活科技課程綱要中規畫學生在國中階段應了解的遺傳概念內容要項。將其分類在課題 3「演化與延續」，中的主題 31「生命的延續」，內的次主題 310「生殖、遺傳與演化」，而次主題之下包含教材內容細目，其中與遺傳學相關的有：4a.知道細胞分裂時染色體會變化以及減數分裂時，染色體數目會減半。4b.區別有性生殖與無性生殖。3b.察覺生物生殖，其子代與親代具有相似性，亦有不同。4c.知道基因可控制性狀的遺傳。4d.瞭解基因會突變，及人類性別的遺傳方式。4e.認識遺傳工程。根據康軒版教科書（2013）內容，將遺傳概念分類為五大主題：2-1 孟德爾的遺傳法則、2-2 基因與遺傳、2-3 人類的遺傳、2-4 突變、2-5 生物科技的應用。另外在 1-1 生殖的基礎單元中提到細胞分裂與減數分裂為遺傳概念重要的先備知識。近 30 年來有許多研究著眼於學習生物上的困難，Johnstone（1991）與 Finely 等人（1982）指出生物學中某些主題不只老師認為不容易教學，學生也認為學習上有困難，這些主題分別為：1 .水的滲透作用。2.光合作用與呼吸作用。3.細胞分裂與減數分裂。4.酵素的構造與功能。5.染色體的概念。6.孟德爾的遺傳法。 7.演化的機制。另外 Bahar（1999）指出學生普遍對遺傳學感到困難，特別是減 8.

(15) 數分裂、配子形成、等位基因、單性與雙性雜交等概念。重要的是，這些不只是學生意見，也普遍受到經驗豐富教師的認同。 Knippels（2000）整理出遺傳單元的學習與教學上 10 項主要面臨的問題： (一) 抽象性：由於遺傳、有性生殖、減數分裂缺乏現實生活體驗與聯結，造成學生的理解偏離真實生物現象。 (二) 複雜性：遺傳學涉汲各階層生物組織，需在分子、細胞、個體、族群水平各層級廣泛的討論才能對遺傳有通盤的了解，而教材的簡化容易造成概念上的問題。 (三) 機率推理：遺傳的問題往往包含機率的推理，若數學能力較差的學生在演算時較容易發生障礙。 (四) 刻板印象：對學生來說遺傳學被認為生物學中最困難的單元之一，如此印象容易使學生缺乏學習動機，並傾向放棄學習。 (五) 測驗評量：遺傳單元僅佔定期評量一部分，因此教學時間不能太長。在有限的時間下，較多教學著重於學習的技巧而不是問題解決的行為。 (六) 大量的專有名詞：遺傳學充滿了大量專有名詞，並不是所有字彙對了解遺傳學皆有幫助。另外不適當的將字彙由英文翻譯成其它語言，也可能造成學生的誤會。 (七) 族譜圖、棋盤方格法與符號化：族譜圖與棋盤方格法皆為遺傳單元必學的概念之一，學生對於遺傳學知識所呈現的表格、符號與象徵感到困難，此部分與抽象性、專有名詞有所關聯。 (八) 問題解決：學生不僅對問題陳述有困難，還缺乏問題解決能力與閱讀技巧。 (九) 細胞分裂：學生對減數分裂的過程認識不足，也無法區別細胞分裂與減數分裂之間的差異。 (十) 學生之間的差異：學生在遺傳的先備知識與認知有所不同，此外學生在化學與數學領域的表現上也會影響遺傳課程的學習。 9.

(16) 二、另有概念的形成大部分學童在接受學校教育之前對科學的概念可能來自於圖畫書、父母的對話或電視的節目內容，學童會藉由同化自身的觀察和經驗來理解周遭發生的現象（Johnstone, 1991）。學生能利用兒時的日常生活經驗解釋大部分生物學上的概念。與家人或同儕討論與生物學相關生活經驗有助於生物學概念的發展。學生在正式學習遺傳課程之前，就發展出一套方法利用本身直觀的想法來解釋遺傳相關問題，此想法即為學生的先前概念（preconceptions）。當學生接受正式課程時，學生利用先前概念產生的素樸理論將與正確遺傳概念產生衝突。在先前概念的干擾下學習新的知識易造成學生的「迷思概念」或「另有概念」（Driver & Oldham, 1986）。另有概念通常很穩定且很難改變，因此教師在教學規畫前應將學生另有概念納入考量。另一方面，學生使用非科學的日常語言也是造成另有概念的原因。例如：呼吸作用等於呼吸、呼吸作用發生地點在肺臟、「山椒魚」或「章魚」屬於魚類、基因等於等位基因…等，皆是日常用語與科學意義產生誤解之處。另外當課程為全新內容學生無先備知識時或課程認知需求遠大學生概念發展時也容易產生另有概念，例如減數分裂、遺傳工程等均是學生就讀國中前較難接觸的概念。許多研究指出學生在遺傳概念上有許多嚴重的錯誤認知，學生不了解染色體、基因、等位基因的相關概念（Collins & Stewart, 1989），甚至無法區別細胞分裂與減數分裂的過程（Kindfield, 1994；Brown, 1990），學生也無法推算子代基因型或表現型的機率（Browning & Lehman, 1988）。台灣國中七年級學生在部分遺傳概念的學習上易產生困難與另有概念，例如：減數分裂過程、同源染色體分離、對偶基因的定義、DNA、基因與染色體之間關係…等（朱幼倩，2009；楊坤原、張賴妙理，2004）。因此當學生無法完全理解這些問題時只能使用背誦的方式來通過考試。. 10.

(17) 三、巨觀與微觀的問題遺傳的複雜本質是遺傳概念學生難學與教師難教的另一項原因，遺傳複雜的知識結構使得學生需要使用複雜的知識技巧來解決問題。在科學教育的研究中，當課程中的概念或過程同時屬於不同層級的組織時，學習者容易遇困難（Bronsan, 1990；Pritchard, 1990）。遺傳概念牽連許多不同的生物層級，學生在連結不同層級的遺傳概念與過程時容易產生困難。不同學科的科學研究人員以不同的方式定義組織的層級（如圖2-1），分析遺傳學複雜的本質可歸類於四個層級間的影響如下敘述(引自Chu, 2008)：. 巨觀. 符號. 微觀. 分子. 圖 2-1-1 遺傳概念金字塔. 1.. 巨觀（生物體）層級：這是第一個層級，學生可以看到、摸到、聞到和描述它們的屬性。換句話說，它是一個有形和可見的層級。當學生面臨巨觀層級的概念時，可以獲得有用且長期維持的學習經驗。例如進行植物或動物的觀察活動時，學生其所有的感官都可用於觀察，認知成就較佳且持久。學生對於巨觀層次較易知覺與接受，例如豌豆的遺傳性狀。. 2.. 微觀（細胞）層級：第二個層級無法透過直接觀察或提供如同巨觀層級的心理圖片解釋與描述來獲得相關經驗。此層級通常為細胞的層級，因為觀察者 11.

(18) 肉眼的限制，需使用顯微鏡才能窺探此層級的面貌。 3.. 分子（生物化學）層級: 第三層級中所有生物體中分子結構中不能直接由肉眼可見。在生物學中，學生只能利用指示劑來確定分子結構的存在，如果分子確實存在指示劑將會以變色的方式呈現。事實上不可直接觀察的分子必須由學生想像其架構。. 4.. 符號表徵層級: 第四層級是由學生嘗試將觀察利用符號、公式、數學操作和繪圖方式來表達。 Kapteijn （1990）認為如果教師想讓學生學習或了解生物學現象，常使用巨. 觀或微觀的觀點進行教學，此對細胞與生化層級的概念形成有重要的影響。研究指出不同層級的概念認知也有所不同，學生在微觀層級理解程度較巨觀層級差。在許多情況下，微觀層級的過程與概念是無法直接觸摸與觀察，學生不能使用如同巨觀層級般的方式來進行概念的推斷。儘管如此，學生依然嘗試如此錯誤的推斷方法導致錯誤的概念產生(引自 Chu, 2008)。遺傳學連結這些不同層級的想法與概念，例如植物花朵的顏色或人類體重等生物的性狀屬於可觀察的巨觀層級，而細胞、配子、染色體、DNA、基因與等位基因則是無法直接感知的微觀與分子層級。而巨觀或微觀現象發生的過程可以用數學符號或算式來代表。學生學習遺傳概念的困難之處是因為數種層級的概念必需經過有系統的整合才能理解遺傳的原理與發生過程。換句話說想充分理解遺傳學，是有必要經歷上述四個層級，但依據訊息處理模式，學生工作記憶能力有限不同層級的概念同時出現可能會產生資訊的超載，進而形成學習上的問題（引自 Chu, 2008）。 Bahar、Johnstone 與 Sutcliffe（1999）建議教師在進行教學中同一時間只介紹一個層級的概念。學生必須逐漸發展往不同層級思考的能力。Marbach-Ad 與 Stavy（2000）則建議教師授課應從巨觀層級到微觀層級再到分子層級最後到符號表徵層級一步一步進行。另外當介紹微觀層級概念時，教師可嘗試與巨觀層級 12.

(19) 做連結，可以幫助學生學習遺傳知識(引自 Chu, 2008)。學生在學習遺傳概念的過程中需運用這四種不能層次的思考能力。除了要理解大量專有名詞所代表的意涵還要利用數學符號解決遺傳學機率問題，確實是很大的負擔。台灣學生在遺傳學中巨觀與微觀之間概念連結產生許多困難，以致於無法正確利用符號表徵進行遺傳學問題解題（黃台珠，1990，1993；朱幼倩， 2009）。另外王惠貞與黃台珠（2001）指出台灣學生在遺傳先前知識缺乏正確的結構性，學生在「分子」（基因、染色體）與「符號表徵」（遺傳機率）的表現較差，對於「巨觀」（外表性狀）答對率較高，而「巨觀」與「分子」連結相當薄弱。教師在發展教學前應先診斷學生先前知識，並找出其另有架構。在發展教學時可利用具體操作與合作學習的方式，引起學生學習動機並促進不同層級概念連結（王貞惠、黃台珠，2001）。. 四、科學語言與詞彙為了理解生物學相關知識，學生需要熟悉大量的專有名詞，這些專有名詞大多為拉丁文或希臘文（Bahar, 1996）。Vygotsky（1962）指出學童使用文字時便能幫助概念的發展，因此語言發展與概念發展密不可分。思考需要語言的協助，而語言的產生又需要思考，從負面角度來看，困難地表達語言對導致推論上的困難。科學語言最大的問題為學生需要熟悉大量的專有名詞，為了理解其意義並可以在課堂中利用文字寫作。Willington（1983）將科學語言分類為四個層級，透過下述階段科學教師將變得更加注意他們在教室中使用的語言 (一) 第一類稱為命名，可用來表示識別可觀察到的物件或實體，例如：豌豆或花朵，這些都是日學的詞彙，學生已相當熟悉。 (二) 第二類在敘述科學事件發生的過程，例如：光合作用、減數分裂等。 (三) 第三類屬的詞彙具有概念性，例如遺傳、演化等。此類字彙因為較抽象並 13.

(20) 與其它詞彙有相關性，多數學習者在學習第三類詞彙時容易遇上困難。學生若想理解此類別的某一詞彙須取決於對另一個詞彙是否有先行的理解。例如「遺傳」一詞，所謂遺傳為親代將性狀傳給子代的過程，學生想了解遺傳的意義，必須先知道「親代」、「性狀」和「子代」這些詞彙的意涵為何。此外，此類字彙可能在日常生活與科學上同時都具有意義。例如「消費者」一詞，在日常生活中意指花錢購物的人，但在生物學上意指不能自營生活而需要進行攝食的生物。 (四) 最後一類為數學語言或符號，第四類被認為是最高抽象層級的字彙。例如：遺傳學中的哈溫定律 p2+2pq+q2=1 代表族群中等位基因出現的頻率。遺傳學是一門複雜且包含大量詞彙的領域。Bahar 等研究者（1999）發現學生通常沒有信心能定義遺傳相關的字彙，例如：等位基因、基因、同源染色體… 等。學生常對類型相近的字詞所混淆，像是：染色體與染色質，基因型與表現型、同型合子與異型合子…等（Cassels & Johnstone, 1978）。此外 Johnstone（1991）指出一個不熟悉的字彙在不熟的文本中出現會造成學生工作記憶區的超載。因此學生不能處理或儲存新的資訊，無法有意義地學習造成學生使用死記硬背的學習策略。遺傳學的字彙是如此的多元廣泛，教師與教科書編輯者為了防止濫用和避免混淆必須審慎挑選並使用這些字詞，否則學生容易被淹沒在龐大的字彙當中。另一再面教師可以鼓勵學生用自己的語言來解釋遺傳字彙，例如遺傳可解釋成「龍生龍，鳳生鳳，老鼠生的兒子會打洞」，如此可以避免學生死誦課文中的解釋而沒有理解字彙中真正的概念（Johnstone & Selepeng, 2001）。. 五、遺傳學中的數學機率大多數學生在遺傳雜交實驗進行機率推測時常遇到困難。雖然學生能了解機率意義並在日常生活中使用機率解決問題，當機率牽涉遺傳學問題時，大部分 14.

(21) 學生往往無法解出正確答案（Kinnear, 1983）。學生似乎較難將數學機率知識在遺傳相關的問題上進行轉化。Bahar 等學者（1999）指出數學機率算式的象徵性是學習者們所面臨的問題，另外教師與教科書使用的符號若不一致，也會造成學習者的困擾。一些研究發現學生能利用棋盤方格法演算出遺傳機率問題的正確答案，但學生只是會算而不是真的理解遺傳法則（Kindfield, 1991）。學生答對的原因為嘗試操作符號或調整算式湊出正確答案，而不是對遺傳法則有正確地見解。大多數學生對遺傳與減數分裂機率代表的本質並不了解，遇到題目便反射性地使用棋盤方格法來進行解題（Kinnear, 1983）。. 六、遺傳學的概念改變 Chi（1992）提出知識的本體論將知識概念分為：物質（matter）、過程（processes）與心智狀態（mental states）三種類別。而每一類別即是一棵本體樹，樹與樹之間無共享屬性彼此互相獨立。所謂的物質指的是含有特定屬性，例如高莖的豌豆、棒狀的染色體…等；過程類別意指事件發生的經過，有程序上、因果上或機率上的關係，例如細胞分裂與減數分裂等過程。而心智狀態類別以情意方面為主，例如傾向或情緒。在物質、過程、心智狀態三個主類別下還細分若干次類別，如自然種類、人造物質、事件、交互作用…等。每個樹狀圖中類別本質與另一樹狀圖有所不同，因為他們有不同的本體屬性。若概念在本體樹中改變了位置或節點即為概念改變，概念改變可分為類別內的改變與類別間的改變。所謂類別內的改變意指同一個本體樹內的概念轉變，概念在同一本體樹分枝架構進行調整，學生可以利用增加、刪除的方式進行概念重組，類別內的概念重組僅屬於局部變化，不需進行本體認知結構上的重大改變，可視為單純信念上的修正。所謂的類別間的改變指科學概念從一本體樹遷移至另一個本體樹，Chi（1992）認為此轉移過程可視為根本上的改變。跨越樹的概念改變較類別內的改變困難許 15.

(22) 多，原因為學生原先持有的想法與新學到的概念產生衝突，教師要學生放棄先前原有的觀點來進行同化，是一件困難的工作（Chi, 1992）。Chi 和 Slotta（1993）認為等位基因、染色體等在本體樹上是屬於「物質」類別，而細胞分裂與減數分裂則屬於「過程」類別底下的「程序」，同源染色體分離屬於減數分裂中其中一個步驟，將其分類在「過程」底下的「事件」，另外顯隱性的判別屬於基因控制的現象，屬於「事件」類別。 Chu（2008）與朱幼倩（2009）均建議教師進行遺傳概念教學時，應把學習材料分割避免學生工作記憶區超載。另外教材依實際生活經驗設計並具有應用價值，可幫助學生建構概念在已有的知識上、發展正向態度、同化新概念至長期記憶區。楊坤原和張賴妙理（2004）建議教師進行遺傳教學時不宜單靠講述法或重複演算遺傳機率的題目，應提供學生實際解題情境進行遺傳教學，經過程序性知識刺激，學生較能活用所學的概念。另外選擇適當的認知發展策略與教具，善用實例、圖形、概念圖協助學生學習，例如減數分裂屬於不易觀察的微觀概念並屬於本體樹「過程」中的「事件」類別，在澄清減數分裂的概念應可運用影片或輔助教學軟體來輔助教學。. 16.

(23) 第二節電腦模擬教學與相關研究一、電腦模擬教學的意義資訊融入教學在台灣教育環境已經相當普及，而電腦模擬是資訊融入教學的其中一種方式。Wichmann、Gottdenker 與 Jonassen（2007）認為電腦模擬教學是使用電腦建立模型來模擬真實環境，能使抽象概念具體化，適切的表徵可以協助學生了解現象。電腦模擬與電腦動畫尚存有差異性：電腦動畫依一定的程序呈現相關內容；但學習者可藉由電腦模擬軟體改變參數或變因，進行各種探究活動（黃福坤，2006）。電腦模擬不能只是重複同一種真實現象，尚須藉由省略、改變、增加細節或特色來簡化表現。這類簡化的模型能夠幫助學生建立自己的心理模型，並且提供學生練習、嘗試與探究的機會（Alessi & Trollip, 2001）。學生能利用電腦模擬在安全且有效率地的前提下改善自己的心理模型。林秀美（1996）認為電腦模擬可以提供學生一個開放的空間，使學生能有嘗試錯誤、把握重點的機會，以獲得知識遷移、判斷及自主學習的能力。廣義來說，電腦模擬透過軟體程式暫時地創造出符合現實的情境，並利用因果的關係相互連結；狹義來說，電腦模擬能協助學生縮短真實與抽象的差距，學生的主動投入與操作，將提高學生的學習動機（Lee, 1999）。現實生活中有很多情境可能因危險、高額花費或觀察時間冗長等因素不適合學習者親自嘗試，但透過電腦模擬的途徑，可以學習者體驗和了解真實情境發生的反應（楊美雪，1992）。善用電腦模擬於教學情境中，不僅可以發現學生另有概念，更可製造認知衝突，藉由學生同儕互動並透過操控軟體探究學科概念，也可提供學習者自行建立並驗證模型的機制（Zhang, Krajcik, & Liu, 2006）。. 17.

(24) 二、電腦模擬教學的優點科學家以電腦作為科學探究已是日漸普遍的情形，學生所從事的科學活動，應當扮演類似於科學家，教師應在適宜的單元採用電腦模擬作為協助學生的方法。歸納電腦模擬融入教學的優點如下（引自王士文，2008）： (一)程序性的動作：當文字描述或靜態圖片無法呈現出程序性的動作時，即可藉由電腦模擬動畫清楚的呈現出來，例如減數分裂的過程中，染色體複製、分裂等變化情況。 (二)微觀現象或知識：有些知識、觀念、現象因為過於微小或是平時難以見到，造成學生產生學習上的問題。若能進行直接觀察將助於學生概念的建立，透過電腦模擬展示便是一個很方便的媒介，例如細胞內染色體的數量與排列，或染色體上基因的分佈。 (三)巨觀現象或知識：演化、地殼的環境變動、天文現象，這些現象必須等待較長時間才能看到結果，利用電腦模擬軟體可以迅速的讓學習者觀察結果，縮短時間效益，增加經驗。 (四)引起學生動機：學生利用電腦模擬可以控制輸入參數與觀察輸出結果，學生能自由探索輸出的結果。學生經過親自動手做這種「做中學」的方式相較於傳統課室被動學習知識，更能提升學習動機並達成學習目標。 (五)可應變突發的情境：自然環境中天氣和地形是多變的，駕駛員可藉由模擬系統呈現各種不同指令下的操控結果。利用電腦模擬將可能發生的情況進行預演，學生可以縮短實際面對狀況時做出相對應變的時間。 (六)抽象概念的介紹：電腦模擬能協助學生縮短真實與抽象的差距，藉由聲音、圖形、影像、動畫等方式，幫助學生對抽象概念產生具體意義。例如使用電腦模擬軟體幫助學生學習牛頓運動定律、光學這些不具有真實影像的抽象概念，可以輔助學生主動建構正確的科學概念。. 18.

(25) 三、電腦模擬教學的限制電腦模擬可將複雜的真實世界簡化呈現，但學生常誤認現實情況與電腦模擬一模一樣。在飛行員模擬軟體上，電腦所呈現的資訊越接近真實越好，但在課堂教學上，學生須藉由簡化的模式，學習概念或現象的程序。電腦模擬提供學生探索、練習的機會，並幫助學生建立心理模型。但過度簡化會造成失去其真實性的負面影響。因此在設計電腦模擬軟體，要注意真實性與簡化之間的平衡點（引自陳郁雯，2004）。任何教學媒體或教科書可能存在設計者的偏見，在電腦模擬教學也不例外，學生在操作電腦模擬時會不知不覺接受這些訊息，因此除了設計者必須明確地解釋軟體本身的限制，教師對電腦模擬軟體的設計也要有充分的認識與了解，才有能力發現電腦模擬內容所隱含的偏見與缺失（引自陳郁雯，2004）。葉玉珠（1999）指出一個良好的電腦模擬課程最少必須具備三個要件；信度、效度與實用度。效度為實際生活情境與電腦模擬呈現真實性的表現程度；信度意指教師使用電腦模擬教學，學生的學習過程和學習成效的一致性和穩定性；實用度意指電腦模擬教學符合經濟效益的程度。除此之外，教師在進行電腦模擬課程設計時，應考慮課程的真實性、課程目的、學生的程度、動機因素、引導性的練習、有意的學習及內省的教學。. 四、電腦模擬教學融入遺傳單元魏金財（1992）利用遺傳模擬軟體 GESP，此互動式實驗情境能刺激學生邏輯思考，有效協助學生建立正確概念。賴正山（1992）使用資訊軟體融入國小六年級人類特徵遺傳單元，相對於傳統講述教學，學生對於使用資訊融入的教學方式表現較佳的學習效果。何秋萱（2004）使用 Flash 軟體融入遺傳教學，藉由 Flash 模擬減數分裂的過程，能降低抽象思考的層級，有助於學生概念改變與知識的建構。黃美娟（2004）使用電腦模擬孟德爾遺傳實驗對照實地種植教學進行研究， 19.

(26) 發展電腦模擬軟體除了節省時間外，還能增進學生的歸納能力並提升學生的學習態度，學生的認知成就相較傳統式教學有較佳的表現。陳怡仁（2007）透過不同資訊軟體的搭配遺傳單元教學，發現較複雜、抽象、連續性的概念，適合使用操作模擬軟體的方式進行教學，其中模擬過程的呈現佐以文字說明，有助於學生理解概念。本研究選擇運用 The Concord Consortium 公司製作的電腦模擬軟體 Pedagogica 進行教學。此軟體以許多樣貌的小恐龍為主題，學生可以自由操作基因的型式去改變小恐龍的外觀，甚至控制子代恐龍的性狀. 20.

(27) 第三節學習動機理論與相關研究一、學習動機的意義動機（motivation）是一種可以引發個體產生行為並持續的內在歷程（Pintrich, Marx & Boyle, 1993）。Broussard 與 Garrison（2004）定義動機為「促進個體做或不做某件事的態度」。動機一般可以分為外在動機（extrinsic motivation）與內在動機（intrinsic motivation）兩類。McCown、Driscoll 與 Roop（1996）指出外在動機為個體因外在的酬賞或懲罰而展現特定行為，例如學生為了獲得他人的讚美與獎賞或為了避免懲罰而產生的行為。而內在動機為個體對某目的產生自發性的反應，內在動機能引發個體愉悅、享受的感覺，個人興趣即是一種內在動機。Stipek （1995）認為學習動機是學生在學習方面的成就動機，為個體追求成功的一種心理需求，也是影響學業成就的主因之一。國內學者張春興（1994）指出學習動機可以引起學生學習活動，維持學習活動朝向特定目標的心路歷程。Deci, Koestner, 與 Ryan（1999）發現內在動機透過自發性的滿意度讓個體強化與維持活動或學習的進行。一般而言教育工作者認為內在動機比外在動機產生更佳的學習效果（Deci et al., 1999）。. 二、學習動機的理論學習動機的相關理論有很多，每一種學派的論述與強調的層面皆不盡相同，其理論如下：（一）行為主義動機理論早期動機研究偏向以「刺激—反應—增強」行為主義論點做解釋，此學派認為個體所有的行為與成就表現皆由增強物所驅動，代表學者以 Skinner 為主。 Skinner（1953）對增強物進行定義：所謂「正增強」意指個體獲得讚美或酬賞後心情感受是愉悅的，並促進某種行為表現或增加該行為出現的機率；但給予個 21.

(28) 體懲罰或剝奪增強物時，個體感受是痛苦、不愉快的，進而某種行為出現機率減少甚至消失，此為「負增強」（引自葉炳煙，2013）。在行為主義影響之下，教師採取維持學生學習動機的方法是顯而易見的，利用打高分或讚美來表揚好的行為表現；利用打分數或剝奪下課時間做為懲罰。行為主義動機理論主要為外在動機的影響，Stipek（1996）指出使用增強物影響學習動機的成效有限，因為同樣的獎賞與懲罰並不適用所有的學生，無法讓全體學生都達到教師要求的目標。此外，學生因外在獎勵所產生的愉悅感會隨著時間拉長越來越減弱。. （二）成就動機理論成就動機是指個體去追求自己所認為重要或有價值的工作，盡力從事與完成並使之達到完美地步的一種信念，它能趨使個體克服障礙、追求權力、從事困難工作及盡心盡力完成目標，換句話說成就動機可視為達到目標的內在驅動力（McClelland & Pilon, 1965）。Atkinson（1964）則指出個體從事某項重要的工作會擁有「追求成功」與「避免失敗」兩種心理傾向。確信自己會成功而努力追求屬於積極的心理傾向；避免失敗則是為了逃脫不利環境或害怕失敗所產生的心理現象。個體因成長背景與生活經驗不同，所表現出來的動機強弱也有所不同。當個體預期會成功時，將表現積極進取的態度；反之覺得會失敗時，則決定放棄。. （三）歸因論 Weiner（1985）綜合了 Heider（1944）的「因果歸因論」以及 Rotter（1966）的「制握信念」理論中的觀念，發展出三向度成敗歸因理論。Weiner 發現一般人對從事過有關失敗的工作之後，多將自己行為結果之所以成功或失敗，歸結為以下六個原因（引自張春興，2004）： 1.能力：根據自己評估個人對該工作是否勝任。 2.努力：個人反省檢討在工作過程中是否盡力而為。 22.

(29) 3.工作難度：憑個人經驗判定該項工作的困難程度。 4.運氣：個人自認此次工作成敗是否與運氣有關。 5.身心狀況：工作過程中個人當時身體及心情狀況是否影響工作成效。 6.其他：除了上述五項之外，其他的影響結果。學生們對學習成敗的歸因，則多以能力、努力、工作難度、運氣為主。這些歸因又可以區分為三個向度：制握控制、穩定性與可控制性，表 2-2-1 為歸因三向度的描述。Weiner（1992）認為成敗的歸因與學習動機重要的影響，例如將成敗歸因於內在因素的人，在成功時將感受到成就感並產生更高的學習動機。 Weiner 也發現高學習動機的學生常將成功歸因於能力足夠，讓自己保有自信與積極態度。失敗時歸因於努力不夠，如此將促進他們更努力學習去獲得更好的成績；反觀低學習動機的學生在成功時常歸因於運氣好，無法對自己產生肯定。而失敗時常歸因於能力不足，讓自己逃避失敗責任，出現容易放棄學習的情況。. 表 2-2-1 Weiner 三向度歸因向度. 描述. 例子. 制握控制. 成敗歸因的源自外在或內在. 能力、努力屬於內在；工作難度、運氣屬於外在. 穩定性. 成敗歸因是否長久穩定. 能力、工作難度屬於穩定；努力、運氣屬於不穩定. 可控制性. 成敗歸因是否個體能控制. 努力屬於可控制；能力、運氣屬無法控制. 綜合以上觀點，個人過去的成敗經驗及個人成就需求等，會影響個人對成敗的歸因本質，且因歸因向度的不同，進而影響到未來個人對成敗的期望、對工作的努力程度及情緒反應外，個人對成敗的期望也會影響個人行為的表現及選擇。. （四）自我效能理論 Bandura（1977）指出自我效能是指個體對某項工作挑戰時依據經驗評估自 23.

(30) 己完成工作的能力，個體對自己是否具備信心完成此工作挑戰，是影響動機強弱的主要因素。張春興（1996）認為影響完成工作挑戰的動機，有兩個因素：一為了解工作性質；二為根據經驗對自己實力的評估，亦即是自我效能的評估。 Bandura（1997）認為影響自我效能的因素有四方面： 1.過去的成就表現：個人以前若有相同成功的經驗，較表現出高效能的期望 2.替代經驗：觀察他人的成功模式，間接學得別人的經驗，學習楷模的經驗提升自我效能。 3.口語的說服：自我效能會因對話互動而有所影響，但所引起的效能期望較微弱且短暫。 4.情緒的激發：個體不良情緒的激發會削弱效能的期望，如厭惡、焦慮等情緒。當學生有高自我效能感，他們相信自己有能力可以完成學習任務，無論任務是困難或容易。當學生具備自己掌控學習進度的能力、擁有相似的成功經驗、有明確的楷模可仿效、教師對學生有正向期待時，會提高學生的自我效能，影響學生的認知成就（蕭錫錡、梁麗珍，2001）。. （五）需求層次理論人本主義心理學之父 Maslow（1943）提出需求層次理論，他認為人類有不同的需求是由各類型的動機所引發，當人在滿足需求的過程中，人格將逐漸趨於完美。Maslow 將人類多種需求由低而高分為七個層次（圖 2-2-1）：生理需求、安全需求、隸屬與愛的需求、自尊需求、知的需求、美的需求、自我實現需求。前四項為低層次的「基本需求」，在滿足需求前會加強動機尋求滿足的方法，滿足需求後動機開始下降；後三項為高層次的「成長需求」，即便需求已滿足此動機不會停止反而增強持續滿足需求。Maslow 認為若基本需求中的各項需求無法獲得滿足之前，則成長需求不會產生。在 Maslow 需求層次中，學習動機是屬於成長需求類知的需求，而知的需求的發生牽涉基本需求是否達到滿足。故教師進 24.

(31) 行教學時，必須確保學生能滿足基本需求，以便追求高層次需求的發展。. 圖 2-2-1 Maslow 需求層次圖示（摘自張春興，2004）. 三、科學學習動機的發展根據許多研究顯示影響學習動機的因子多樣且歧異，如自我認知的能力，努力，內在目標導向，工作價值，自我效能感，考試焦慮，自我調整學習，工作取向與學習等（Garcia, 1995; Nolen & Haladyna, 1989）。許多學者制訂學習動機檢測量表應用在教育心理學的研究，例如 Pintrich（1991）的學習動機策略量表與 Uguroglu（1981）的多層面動機量表，唯獨沒有專門屬於研究科學教育的學習動機量表（Tuana, Chinb, & Shiehc, 2005）。許多研究者認為影響學生學習科學動機的因素包括：學生對科目的興趣、學生在課堂中獲得的分數、學生對課程本質的解釋、成功或失敗地學習科學知識及學生對於科學課程和成就的目標與情意取向（Barlia & Beeth, 1999; Lee, 1989; Lee & Brophy, 1996; Nolen & Haladyna, 1989）。基於上述的研究，學生學習目標、自我效能、學習策略與科學學習的價值被視為影響學生的科學學習動機的重要因素（Tuana et al., 2005）。 Tuan 等人（2005）參考科學動機相關文獻，發展出學生科學學習動機量表 25.

(32) （SMTSL），用來深入研究影響學習科學的各項動機。此份問卷可分為以下六大向度：（一）自我效能（SE）：學生相信其自身能力可以在科學學習任務中獲得好成績。（二）主動學習策略（ALS）：學生扮演主動的使用多種學習策略來建構知識。（三）科學的學習價值（SLV）：科學學習價值包含解決問題的能力、經驗探究活動、啟發思考並發現與日學生活相關的科學。（四）表現目標（PG）：學習科學的目的是為了與同儕競爭或引起老師的注意。（五）成就目標（AG）：在學習科學的過程，能力與成就的提升能獲得滿足感。（六）學習環境的刺激（LES）：課程、教師教法與同儕互動會影響學習動機。表現目標（PG）屬於外在動機，學生為了表現得比同儕優秀或想獲教師的讚美所產生促進行為的內在歷程，外在動機的持久性與效果並不佳，在 Tuan 等人（2005）的 SMTSL 問卷中採用負向題的方式計分。Tuan 等人（2005）使用學生科學學習動機量表進行研究，發現學生的科學態度與科學動機呈現顯著正相關，而且學生的科學認知成就與學習動機也呈現顯著正相關。. 四、科學學習動機相關研究蔡執仲、段曉林（2005、2007）指出使用探究式教學對學生學習理化動機的影響在「主動學習策略」、「科學學習價值」、「自我效能」、「成就目標」四個向度有顯著的提升。教師以建構主義取向的引導探究方式進行教學，學生在科學學習的歷程中，主動找尋議題進行探究進而建構知識，便能對學生的動機有正向的影響，能夠提升並維持學習動機。Pintrich（1999）認為動機可以促進學生的專注力、學習的持久性、知識及概念改變策略的活化。凌蘋（2013）指出科學遊戲融入探究教學中可以促進低成就學生的學習動機，雖然在認知成就上沒有提升但學生在課程中表現出較高的參與意願，並且所使用的學習策略也有些為的改變， 26.

(33) 也較願意主動學習科學。 Barak（2011）指出學生透過資訊融入教學的合作學習，對學生的學習成果、解釋能力和學習動機皆有顯著的影響。林合彥（2004）指出資訊軟體模擬教學的優點，除了將複雜情境或抽象概念切割成較精簡的步驟之外，還能以新穎的呈現方式促進學生學習動機。Tuan 等人（2005）也指出學生的認知成就與學習動機表現在網路資訊融入教學的課程設計中顯著優於傳統課室教學。Yen 等人（2010）使用 SMTSL 問卷比較學生在化學反應速率單元使用網路情境下學習與課室傳統教學對其內在動機和學習學效的影響，發現使用資訊融入教學造成學生的內在動機與學科成就測驗顯著高於使用課室傳統教學的學生。多數研究顯示教師以資訊科技融入教學，有助於提升學生之學習動機及認知成就（王淑卿，2004；洪秀惠， 2006；陳科全，2013；彭成偉，2013；黃健泉，2012）。根據上述結果教師有效使用影像、動畫及網站等資訊媒體融入教學，將抽象概念具體化，可引發學生學習動機進而主動參與學習，達到更好的認知成就。. 27.

(34) 第四節心流經驗理論與相關研究心流（flow）的概念是由 Csikszentmihalyi 於 1975 年所提出，他認為當人們在從事本身技巧與個體有興趣的活動時，會產生自我滿足的愉悅感，個體會完全投入於活動中並無視於周遭的存在，這是一種內在的酬賞，個體為了再獲得相同的經驗會不斷的重複參與該活動。心流經驗在國外常用於運動競技、休閒活動與網路社群等研究，在國內的研究包含電腦使用、線上遊戲、運動、美術、線上學習與教育等。國內多將「flow」翻譯為「神馳」、「神迷」、「心流」、「沉浸」等名詞，搜尋相關教育文獻「心流」出現頻率較高，故本研究中使用「心流」作為翻譯。. 一、心流經驗的定義 Csikszentmihalyi（1975）研究運動員、藝術家、音樂家、棋藝高手和外科醫生，發現研究對象在進行工作挑戰或從事的活動時，意識會集中在一個非常狹窄的範圍內，一些不相關的知覺和想法都被過濾掉，並且喪失自覺，只對具體目標和明確的回饋有反應，並產生一種全然的控制感。Csikszentmihalyi 認為這類型的經驗或感覺即是一種內在酬賞，個體可以在沒有外在酬賞之下再次投入相同的工作挑戰或活動。當個體在工作中越經常體驗到心流經驗，他們越容易對工作產生幸福與滿足的感受，而這種感覺越頻繁，更會激勵學習者迎向新的挑戰，因此有利於個體成長（Csikszentmihalyi, 1996）。Csikszentmihalyi 將影響心流經驗的因素歸類成九種：（一）明確的目標（clear goals）：個體需要有明確的目標，知道下一步該採取何種行動。（二）立即的回饋（immediate feedback）：個體知道自己正在做的事情進行的如何，立即的回饋能幫助個體積極地進行下一個步驟。 28.

(35) （三）技巧與挑戰平衡（balance between skills and challenges）：當個體面臨的活動具有某種程度的挑戰性，而個人的技巧與挑戰達成平衡時，個體將感受心流經驗。（四）行動與意識合一（merging of action and awareness）：個體非常專注在工作挑戰上，心無雜念，行動與知覺完全合而為一。（五）專注（intense and focused concentration）：注意力的集中且忘了其他會使個體分心的訊息。（六）自我意識的喪失（a loss of reflective self-consciousness）：是一種渾然忘我的狀態，並非是失去意識，而是個體將所有精神都集中在活動上。（七）時間扭曲（a distortion of temporal）：個體的時間感覺會與平時相異有時感覺會縮短，有時會延長。（八）操控感（a sense of personal control）：個體非主動想去控制，但是卻有一種控制感覺自動地產生。（九）內在酬賞經驗（autotelic experience）：活動即為目的，發自內心的參與活動後，會感覺活動本身足以構成一種滿足的酬賞。綜合上述，心流經驗不是一種行為，而是一種心理的狀態，要觸發多種特定的心理感覺才會產生心流經驗。Chen、Wigand 與 Nilan（1999）認為神馳經驗是一種複雜的多重面向的構念，是由許多單向度的構念組合而成，並將 Csikszentmihalyi 提出的九種因素再區分為三個階段：（一）事前階段：包含明確目標、立即回饋與技巧與挑戰平衡。（二）經驗階段：包含行動與意識合一、專注與操控感。（三）效果階段：包含自我意識的喪失、時間扭曲與內在酬賞經驗。. 二、心流經驗的模式影響心流經驗的九項因素當中又以個體的技巧與挑戰平衡最為密切 29.

(36) （Csikszentmihalyi, 1975），Csikszentmihalyi（1975）在早期的研究中指出當個體自覺本身具備的能力可以應付工作挑戰時，容易達到「心流」狀態；當個體處於的具有較高的技巧而工作挑戰卻過於簡單的情況，個體容易產生「無聊」 (boredom)；當個體的能力跟不上工作挑戰時則會產生「焦慮」(anxiety)的情緒，此為原始心流模式又稱三通道心流模式，此模式下的心流狀態主要是處於技巧和挑戰二者相當的情況下，不論二者是低技巧、低挑戰或高技巧、高挑戰，只要二者平衡即可。. 高焦慮挑戰. 無聊低低技巧高圖 2-3-1 原始心流模式（引自 Csikszentmihalyi, 1990）. 但原始的心流模式無法解釋所有的研究資料，根據 Csikszentmihalyi 早期的實證研究顯示，有時候受測者的挑戰與技術達到平衡時，他們並沒有覺得更好。 Massimini、Csikszentmihalyi 與 Carli（1987）提出修正後的模式，當個體處於低技巧與低挑戰時，雖然技巧與挑戰達到平衡，但低階層的平衡卻不會產生心流經驗。因此將原本三通道模式修正為四通道模式，在原本「心流」、「焦慮」與「無聊」的感受中再加入「冷漠」(apathy)一項。後來 Massimini 與 Carli（1988）又再發展出八通道的模式，Massimini 與 Carli 認為 Csikszentmihalyi 研究中的個體如運動員或攀岩家皆從事高度投入的活動， 30.

(37) 與一般民眾所接觸的日常活動情況不同。因此在原先只有高、低之分的技巧和挑戰中再加上一個中間程度，在原先「心流」、「冷漠」、「焦慮」與「無聊」的感受新增四種情況：（一）激勵（arousal）：發生於中度技巧、高度挑戰的情況下。（二）鬆懈（relaxation）：發生於中度技巧、低度挑戰的情況下。（三）操控（control）：發生於高度技巧、中度挑戰的情況下。（四）擔憂（worry）發生於低度技巧、中度挑戰的情況下。八通道心流模式雖然可以詳細區分個體在不同技巧與挑戰的情況下所呈現的心理狀態，但由於過於複雜難以對國中學生做實證性研究，因此本研究採用 Csikszentmihalyi 四通道心流模式測量國中學生的心流情形。. 焦慮. 心流. 冷漠. 無聊. 挑戰. 技巧圖 2-3-2 四通道心流模式（引自 Chen et al., 1999）. 31.

(38) 激勵心流. 焦慮. 挑戰. 擔憂. 控制. 無聊. 冷漠鬆懈. 技巧圖 2-3-3 八通道心流模式（引自 Massimini & Carli, 1988）. 三、心流經驗的相關研究心流經驗是一種自發性內在情感的呈現，但心流不是隨意就能產生，必先經過明確的目標、立即的回饋、技能與挑戰達平衡等相關歷程，才能達到心流的門檻。在教學上教師應避免學生產生焦慮、無聊、冷漠等狀態，促進學生的學習技能與教學活動各項挑戰達平衡，讓學生達到心流經驗（Massimini & Carli, 1988）。另一方面心流經驗與學生情緒與態度有關，欲將心流經驗運用在教學則需注意： (1)適當的挑戰性 (2)設定具體目標 (3)幫助學生專心 (4)結構化的控制 (5)清楚的回饋（Chan & Ahern, 1999）。洪家祐（2008）在探討遊戲情境歷程對學童心流經驗影響，發現學童在遊戲中可以展現自我效能，引發自我調節並產生心流經驗。侯雅齡（2008）指出安排實驗活動，可以提供學童操作的機會，教師若能建立良好的學習情境並規劃適切的學習任務，有助於提升學童的心流經驗。而教師適時覺察學生在學習活動中的困難與心理層面的變化，調整教學策略並給予心理上的支持，對學生體驗心流有 32.

(39) 正向影響（苗桂蓉，2009）。周怡君（2014）指出專題導向的教學設計可以使大學生產生正向學習動機與心流經驗，而且學生的學習動機與心流經驗之間具有相關性和可預測性。國內多數研究顯示資訊融入教學對學生心流經驗的產生有正面的影響：張桇羿（2012）則指出使用網路教學平台進行課程活動，對學生心流經驗與學習經驗、自我效能、學習動機與學習能力建構均有顯著的提升。李賜玲（2011）研究指出在網路平台上設計「團隊遊戲學習系統」輔助教學過程，讓學生更為專注、投入並忘卻時間，成功引發學生的心流經驗同時有效提升認知成就。林洨岑（2011）的研究顯示使用數位學習教材的課程設計與影響心流經驗的重要因素「立即的回饋」、「明確的目標」、「行為與認知合一」、「專注」、「操控感」與「內在酬賞」呈現顯著的相關性。. 33.

(40) 第三章研究方法本章主要說明本研究的設計與流程，分為五節，依續為研究設計、研究對象、教學活動設計、研究工具、資料分析。. 第一節研究設計本研究探討使用資訊軟體融入遺傳教學，學生在認知成就與學習動機上是否產生影響。首先搜尋國中生物遺傳單元教學的相關文獻，了解國中自然與生活科技課程綱要對遺傳單元的教學目標，並分析國中學生在遺傳單元學習上所遇到的困難處，其中一部分原因為遺傳單元過於抽象，教師闡述式教學讓學生缺少學習動機。後續從資訊軟體融入教學的相關文獻中得知，使用資訊軟體模擬真實情況進行教學，有助於學生的概念學習。本研究選擇運用 The Concord Consortium 公司製作的電腦模擬軟體 Pedagogica 進行教學。此軟體以許多樣貌的小恐龍為主題，每個性狀對應一對等位基因，學生可以操作等位基因來改變小恐龍的性狀，另外軟體設計小恐龍可以互相交配，並於形成配子時的減數分裂過程製作成縮時動畫，學生可以自由播放或暫停減數分裂中染色體複製與分離的情況。此軟體清楚地模擬遺傳相關概念，適合學生自行探究學習。研究者結合 Pedagogica 軟體內容對應康軒版國中七年級自然與生活科技第二章遺傳單元相關章節進行課程設計。此課程總時數為五節課，包含三個子單元。第一子單元為「基因與遺傳」對應課本 2-2，教學節數為一節課；第二子單元為「孟德爾的遺傳法則」對應課本 2-1，教學節數為三節課；第三子單元為「人類的遺傳」對應課本 2-3，教學節數為一節課。. 34.

(41) 分析文獻. 文. 形成研究問題選定教學軟體發展心流經歷量表、心流面向量表、遺傳. 發展教案與學習單. 成就測驗、科學學習動機問卷. 獻. 選定研究對象. 遺傳成就測驗、科學學習動機問卷前測. 第二、四、五節課程結束前實施心流經歷量表與心流面向量表. 使用 Pedagogica 軟體進行教學. 探. 遺傳成就測驗、科學學習動機問卷後測. 資料分析. 撰寫論文圖 3-1-1 研究流程圖. 35. 討.

(42) 本研究因研究樣本較少的關係，採單一組前後測實驗。在開始研究的前一週對受試的三個班級進行遺傳成就測驗與學生科學學習動機量表的前測。進行遺傳單元教學，將學生分成兩人一組的形式，至電腦教室使用 Pedagogica 進行教學。在授課教材上準備學習單與該 Pedagogica 軟體操作方法，學生可依照操作方法執行軟體的相關功能，學生需要實際操作軟體，觀察操作的結果，並完成學習單上所列舉的問題。本研究所設計的課程分為三個單元，每個子單元包含完整的遺傳概念，教學過程中會安排數個學習單的寫作活動，學生需利用上課所學的概念操作 Pedagogica 軟體完成學習單上的例題。第二、四、五節學生完成學習單後立即實施心流經歷量表與心流面向量表，總共施測三次。在全部教學流程結束後進行遺傳成就測驗與科學學習動機量表後測。收集相關資料進行數據分析，探討電腦模擬軟體融入遺傳單元教學對學生認知成就、學習動機、心流經驗的影響，配合研究目的與研究問題深入討論，並開始撰寫論文。研究流程如圖 3-1-1 所示。. 36.

(43) 第二節研究對象研究對象為桃園縣立某國民中學七年級的學生，全校共 43 個班屬於中型學校。該校並非都市型學校，校址地處近郊當地民風淳樸。該校 3 分之 1 的學生具有原住民或母親為新住民身份，家庭功能較為薄弱；其餘學生家長社經背景相較都市家庭低，家長因忙於工作通常不要求學生的課業，故該校整體學生認知成就屬於普遍偏低。本研究採取便利性取樣法，實驗對象為研究者七年級任教的班級，三個班的學生合計 81 人。其中男生 41 人，女生 40 人，本研究在電腦教室進行授課，學生以兩人一組方式共同操作 Pedagogica 軟體。國中七年級的課程有電腦課，七年級學生普遍了解電腦 Windows 作業系統基本的操作方式。研究者將實驗對象依照上學期生物科段考平均成績排序，分為高、中、低三種成就組別，全體實驗對象前 33%為高成就組有 27 人，後 33%為低成就組有 27 人，中成就組有 27 人。. 37.

(44) 第三節教學活動設計一、Pedagogica 軟體介紹許多研究指出電腦模擬軟體對學生認知成就有正面的影響（王士文，2008；林秀美，1996；林合彥，2004； Hameed, Hackling & Garnett, 1993），本研究使用 The Concord Consortium 製作的電腦模擬軟體 Pedagogica 作為教學的主軸。 Pedagogica 軟體以具有奇幻特質的恐龍各項性狀為主題，每隻恐龍都有三對染色體、九種可改變的性狀，藉由這些遺傳物質介紹遺傳的相關概念。學生可以點選各項等位基因的欄位並改變等位基因的顯隱性，操作結束後左方恐龍預覽圖會立即呈現等位基因決定的性狀。學生也可以進入更深層的界面，觀賞恐龍形成配子時減數分裂的模擬動畫，學生可以自由暫停或放大界面用來查看有興趣的基因，最後學生可以挑選不同的配子進行受精作用產生不同性狀的子代恐龍。軟體也提供棋盤方格法與族譜圖等介面，學生可進行子代性狀的預測。Pedagogica 軟體涵蓋許多超過國中遺傳範圍的概念，例如上位遺傳、性聯遺傳、致死基因等，研究者在設計課程前先篩選需呈現的概念，避免學生進行非教學目的所需操作，減少教習重點模糊的機會。本研究以五節課的時間發展 Pedagogica 融入遺傳教學活動，並設計相關教案（附錄 1）與學習單（附錄 2）。每節課教學流程為研究者先講述遺傳相關概念，再引導學生操作軟體強化各種概念的連結。. 二、基因與遺傳單元本研究教學活動分為三個子單元，第一個子單元為「基因與遺傳」，對應康軒版課本 2-2，使用一節課時間進行教學。事實上基因與染色體之間的相關概念在康軒版課本 2-2 才出現，康版遺傳教材編排方式先介紹孟德爾的遺傳法則再接續基因與遺傳的部份，出版社以遺傳學在科學史發生先後順序進行課文的編排。孟德爾在研究豌豆性狀遺傳時尚不清楚遺傳的分子機制，直到分子生物技術發達 38.