實驗策略對高中生資訊科學學習動機之影響－以數位浮水印為例

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(1)國立臺灣師範大學資訊工程研究所碩士論文. 指導教授：李忠謀博士. 實驗策略教學對高中生資訊科學學習動機之影響－以數位浮水印為例 The Impact of Lab-based Teaching on Computer Science Learning Motivation at High Schools. 研究生：吳耀欣撰. 中華民國 101 年 1 月.

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(3) 摘要. 實驗策略教學對高中生資訊科學學習動機之影響－以數位浮水印為例吳耀欣本研究於現行的高中資訊科學與應用專題科目中，探討以「數位浮水印」專題，搭配實驗策略的教學方法及研究者自行開發之數位浮水印教材及軟體工具進行教學，對增進高中生資訊科學學習動機、影像處理原理與數位浮水印學習成效之影響。本研究參與者為新北市立永帄高中二年級八個班級的學生，共 282 人，其中男生 169 人，女生 113 人。利用研究者自行開發之數位浮水印教材及軟體工具作為研究工具，進行每週 2 小時，為期 4 週半之課程。透過資訊科學學習動機量表、每週學習問卷、總結式的學習問卷、成就測驗及教師訪談紀錄等評估學習成效。研究結果發現：（一）數位浮水印專題教學雖未提高整體資訊科學學習動機，但在「內在目標導向」、「興趣」及「自我效能」等三個向度有顯著提升；（二）經由成就測驗及學習問卷結果分析，數位浮水印專題教學確實有助於增進高中生影像處理及數位浮水印相關概念的理解。. 關鍵詞：數位浮水印、資訊科學學習動機、實驗策略.

(4) ABSTRACT The Impact of Lab-based Teaching on Computer Science Learning Motivation at High Schools by Wu , Yao-Hsin This study aimed to explore impacts of digital watermark project along with lab-based learning and self-developed digital watermark materials and courseware (WMLab) on high school students’ computer science motivation and understanding of basic concepts of image processing (IP) and digital watermark. There were 282 participants, including 169 boys and 113 girls, joining in this research at the new Taipei municipal Yong-Ping high school. The class time is 2 hours per week for 9 hours. This teaching package will be evaluated by analyzing results from the computer science motivation scale, formative and summative questionnaires, test, and interviews. The results of this study were summarized as follows: (1) this teaching package did not enhance students’ overall motivation significantly, but it indeed increased scores in dimensions of intrinsic goal orientation, interest, and self-efficacy; (2) by analyzing test results and questionnaires, this teaching package helped high school students understand related concepts of image processing (IP) and digital watermark.. Keywords: digital watermark, computer science motivation, lab-based learning.

(5) 誌. 謝. 這篇論文能夠順利產出要感謝的人實在太多了。因為這兩年來既是上班族也是學生的身份，說真的畢竟還是帄凡人，每週來回學校、辦公室好幾趟，福和客運的”運將”應該認得我了吧！常常忙的焦頭爛耳、蠟燭兩頭燒，可是箇中滋味只有自己知道，有得就一定有失，但我相信努力地付出就一定會有豐碩的成果。這兩年來真得很感謝指導教授李忠謀老師的體諒，以及工作上長官、同事的支持與幫忙。首先，說到能夠回到母校唸研究所，最要感謝的人就是李忠謀老師及柯佳玲老師了，要不是你們願意幫我寫推薦函，我也不會那麼順利的進入師大資工所就讀。再來，也很感謝老師的助理逸君，每次都笑咪咪地又很貼心地幫我安排和老師 meeting 的時間。當然，也真得很感謝老師願意在百忙之中和我討論軟體工具及學習單的設計，才得以產出這麼有成效的結果。此外，也很感謝 VIP 實驗室同學們的幫忙，每次看到你們精心的安排聚餐、活動、Group meeting…等等，由於自己要工作的關係，不能與你們常相聚，但是你們個個都很有自己的特色，相信你們將來一定都很有成就，也會闖出屬於自己的一片天，祝福你們唷！另外，就是協助本研究實施教學活動的永帄高中的楊義信老師，感謝您願意撥冗備課、協助測詴軟體工具、每週提早至電腦教室進行軟體工具安裝，還有和我討論問卷及測驗題目的適切性及修辭。最後，要感謝的是口委們的建議使得本篇論文更臻完善。當然還有感謝我的家人願意捨棄那可共享天倫之樂的晚上及週末美好的時光，過去這兩年來，我常常掛在嘴邊的句子就是「我下週要交作業，所以我要寫作業。」、「我下週要報告，所以我要準備。」、「我下週要和老師 meeting，所以要有進度。」、…同樣的模式、同樣的忙錄、同樣的是我，但現在的我只想大聲說「我要休息，所以請給我假期。」.

(6) 目錄附表目錄........................................................................................................................iii 附圖目錄......................................................................................................................... v 第一章. 緒論................................................................................................................. 1. 第一節. 研究動機..................................................................................................... 1. 第二節. 研究目的..................................................................................................... 3. 第三節. 研究問題..................................................................................................... 4. 第四節. 名詞釋義..................................................................................................... 4. 第五節. 研究範圍與限制......................................................................................... 5. 第二章. 文獻探討......................................................................................................... 6. 第一節. 實驗策略..................................................................................................... 6. 第二節. 影像處理教學............................................................................................. 7. 第三節. 數位浮水印................................................................................................. 8. 第四節. 學習動機................................................................................................... 12. 第五節. 教學軟體設計原則................................................................................... 18. 第三章. 研究方法....................................................................................................... 21. 第一節. 研究設計................................................................................................... 21. 第二節. 研究樣本................................................................................................... 23. 第三節. 研究工具................................................................................................... 24. 第四節. 實施流程................................................................................................... 28. 第五節. 資料分析................................................................................................... 29. 第四章. 結果與討論................................................................................................... 30. 第一節. 資訊科學學習動機分析........................................................................... 30. 第二節. 數位浮水印成就測驗結果分析............................................................... 34. 第三節. 數位浮水印學習問卷分析....................................................................... 37. 第四節. 教師訪談結果........................................................................................... 46. 第五章. 結論與建議................................................................................................... 49 i.

(7) 第一節. 結論........................................................................................................... 49. 第二節. 建議........................................................................................................... 51. 參考文獻....................................................................................................................... 52 附錄 A 數位浮水印教案 ........................................................................................... 55 附錄 B 數位浮水印上課簡報 ................................................................................... 63 附錄 C. 數位浮水印學習實驗單 ............................................................................... 73. 附錄 D 資訊科學學習動機量表 ............................................................................... 98 附錄 E 數位浮水印成就測驗 ................................................................................. 100 附錄 F 數位浮水印學習問卷 ................................................................................. 102 附錄 G 數位浮水印實驗工具操作手冊 ................................................................. 105 附件 H 分組競賽規則說明 ..................................................................................... 116. ii.

(8) 附表目錄表 2-1. 國外學者對學習動機的定義 ........................................................................ 13. 表 2-2. 國內學者對學習動機的定義 ............................................................................... 13. 表 2-3. 學習動機理論 ......................................................................................................... 14. 表 2-4. 國內外資訊科學學習動機相關研究 .................................................................. 16. 表 3-1. 測驗項目、形式及題數 ....................................................................................... 23. 表 3-2. 資訊科學學習動機量表各向度題目及信度 ..................................................... 26. 表 3-3. 數位浮水印成就測驗命題雙向細目表 ............................................................. 27. 表 3-4. 數位浮水印成就測驗常態檢定 .......................................................................... 27. 表 3-5. 每週課程主題及授課內容 ................................................................................... 29. 表 4-1. 資訊科學學習動機前後測分數之描述性統計 ................................................ 30. 表 4-2. 資訊科學學習動機前後測分數之成對樣本 t 檢定 ...................................... 30. 表 4-3. 資訊科學學習動機前後測分數之描述性統計(內在目標導向) ................... 31. 表 4-4. 資訊科學學習動機前後測分數之成對樣本 t 檢定(內在目標導向) ......... 31. 表 4-5. 資訊科學學習動機前後測分數之描述性統計(興趣) ..................................... 31. 表 4-6. 資訊科學學習動機前後測分數之成對樣本 t 檢定(興趣) ........................... 31. 表 4-7. 資訊科學學習動機前後測分數之描述性統計(重要性) ................................ 32. 表 4-8. 資訊科學學習動機前後測分數之成對樣本 t 檢定(重要性)....................... 32. 表 4-9. 資訊科學學習動機前後測分數之描述性統計(效用性) ................................ 32. 表 4-10. 資訊科學學習動機前後測分數之成對樣本 t 檢定(效用性) .................... 33. 表 4-11. 資訊科學學習動機前後測分數之描述性統計(自我效能) .......................... 33. 表 4-12. 資訊科學學習動機前後測分數之成對樣本 t 檢定(自我效能) ................ 33. 表 4-13. 資訊科學學習動機前後測分數之描述性統計(正向情感) .......................... 34. 表 4-14. 資訊科學學習動機前後測分數之成對樣本 t 檢定(正向情感) ................ 34. 表 4-15. 數位浮水印成就測驗之描述性統計................................................................ 35 iii.

(9) 表 4-16. 數位浮水印成就測驗各題型之描述性統計................................................... 36. iv.

(10) 附圖目錄圖 1-1. 學習金字塔 ............................................................................................................... 2. 圖 2-1. 網頁影像宣示著作權 .............................................................................................. 8. 圖 2-2. 嵌入可視浮水印....................................................................................................... 9. 圖 3-1. 研究流程圖 ............................................................................................................. 22. 圖 3-2. 研究架構圖 ............................................................................................................. 23. 圖 3-3. 數位浮水印實驗工具操作畫面 .......................................................................... 24. 圖 3-4. 實驗的實施程序流程圖 ....................................................................................... 28. 圖 4-1. 資訊科學學習動機量表各向度前後測帄均數 ................................................ 34. 圖 4-2. 數位浮水印成就測驗成績分佈圖 ...................................................................... 35. 圖 4-3. 數位浮水印成就測驗各題型帄均得分比例統計圖 ........................................ 36. 圖 4-4. 數位浮水印概念各題型帄均得分比例統計圖 ................................................ 36. 圖 4-5. 數位浮水印課程內容的難易度統計圖 ............................................................. 38. 圖 4-6. 數位浮水印課程內容的理解度統計圖 ............................................................. 39. 圖 4-7. 軟體工具增進理解度統計圖 ............................................................................... 40. v.

(11) 第一章. 緒論. 本章共分為五節，第一節說明研究動機，第二節說明研究目的，第三節說明研究問題，第四節界定本研究所使用的相關名詞並提出說明及解釋，最後一節則說明本研究的範圍與限制。. 第一節. 研究動機. 有關我國高級中學電腦課程的起源，最早始於民國七十三年公布實施的高級中學選修科目「電子計算機簡介」（教育部，1974），民國八十四年修訂後頒布「電腦課程標準」，並於八十七學年度開始實施（教育部，1996），民國九十三年再次修訂後頒布「資訊科技概論」，並自九十五學年度開始實施（教育部，2004）。民國九十七年頒訂最新的高級中學選修科目「資訊科學」課程綱要，並於九十九學年度開始正式實施，其主要目標為（教育部，2008）： 1. 培養學生深入學習資訊科學相關主題之能力； 2. 培養學生多元探索資訊科學各領域之研究精神； 3. 培養學生邏輯思維與創新思考之能力； 4. 培養學生統合運用資訊科技工具以解決問題之能力。為達成上述目標，該課程綱要訂定「基礎程式設計」、「進階程式設計」及「資訊科學與應用專題」等科目，其中「資訊科學與應用專題」科目包含資訊科學理論、軟硬體應用、理論與應用整合等 3 類內容，由於理論較枯燥乏味，不易引起學生興趣，因此多數高中會選擇影像處理做為教學內容。談到影像處理教學，大部分的高中皆以教授影像處理軟體為主，例如：小畫家、PhotoImpact、甚至是更高階的 Photoshop、CorelDraw 等應用軟體。學生們往往在上完課程之後，對於影像處理的概念僅停留在軟體的操作，以及軟體所帶來的各式各樣特效，但是他們對於影像處理背後真正的原理卻一無所知。有鑑於此，已有相關的研究（花建民，民 92）藉由自行開發的軟體工具，輔助高中教師進行影像處理教學，研究結果顯示該工具可提高學生學習興趣及增進影像處理原理的學習。也有相關的研究（Chiu & Lee，2009；何汶偉，民 95；宋千儀，民 99）選 1.

(12) 擇於高中影像處理課程中，以「手寫數字辨識專題」做為課程主題，搭配自行開發的視覺化軟體工具，學生對於整個課程反應良好。在影像處理的相關應用中，浮水印屬於較進階的影像處理技術之運用，並且於日常生活中也會接觸，例如：紙鈔、有價證券上的浮水印。此外，隨著網際網路的盛行，網路傳輸頻寬不斷地提高，使得數位影像可輕易地透過網路傳輸，因此容易遭到有心人士的竊取、盜用、竄改，從而衍生出許多著作權與智慧財產權的問題，數位浮水印即為解決此問題的方法之一（Berghel & O'Gorman，1996）。因此，在本研究中選擇以「數位浮水印專題」做為課程主題。除了教學內容以外，教學方法對於學生的學習成就亦有舉足輕重的影響。臺灣早期教育受到行為主義論的影響，課堂上多以教師講授課程為主，學生只頇經由反覆的背誦與練習即可習得知識。近年來受到建構主義論的影響，認為學生知識是主動建構的，而非背動吸收教師講授或教科書的內容，加上講求實用主義的杜威「做中學（learn by doing）」理念的影響，教學方法已逐漸由傳統以教師為主，轉為以學生為主(student-centered)的教學，諸如合作教學、協同教學、探究教學、情境教學、實驗法等等。再者，由 Edgar Dale(1969)的經驗金字塔發展而來的學習金字塔(learning pyramid)(參見圖 1-1)亦可看出，以教師為主的教學方法，越往金字塔頂端，例如：講授教學，學生於上課後的記憶保留率最少，僅 5%；即使以視聽輔助教學，記憶保留率也只有 20%；然而，以學生為主的教學方法，越往金字塔下層，學生的記憶保留率也越高，例如：做中學的記憶保留率可達 75%，教他人的方式甚至可以達到 90%。因此，以學生為主的教學或許是可行的方法。 5% 講授 (Lecture) 10%. 閱讀 (Read). 20%. 視聽 (Audio-Visual) 示範 (Demonstration). 30% 50%. 群組討論 (Disscussion Group). 75%. 做中學 (Practice by Doing) 教他人 (Teach Others). 90% 圖 1-1. 學習金字塔. (資料來源：National Training Laboratories in Bethel Maine) 在前述眾多教學方法中，實驗活動一向受到科學教育所注重，亦即透過多人 2.

(13) 觀察同一現象，學生們可互相分享並驗證結果以達到學習目的，並且透過學生參與實驗活動與小組之間的競爭，可以增進學生的觀察能力及實驗操作態度（Okebukola，1986）。國內學者亦提出實驗活動也可以讓學生驗證課程所學、培養特殊技能、提升認知能力、瞭解科學本質與培育正確科學態度等好處（張惠博，民 82）。而在資訊教學方面，也逐漸由傳統的講述與應用軟體操作，轉變為以實驗方式進行教學（Chiu & Lee，2009；花建民，民 92；何汶偉，民 95）。然而，在以升學為主的普通高中，電腦課程並非如英文、數學的升學科目，成績的好與壞不會影響未來大學的選校、選系，所以往往不受到學生的重視。因此，如何規劃與安排適切的電腦課程教學，以激勵及提高學生對於資訊科學的學習動機，讓學生能夠快樂地上課、主動探索資訊科學，又能夠從中獲取真正有用的知識及相關的運用，藉此達到教學目標，著實為電腦課程相當重要的研究課題之一，更甚者可作為未來相關科系的基礎課程。綜上所述，本研究於現行的高中「資訊科學」課程綱要（教育部，2008）之資訊科學與應用專題科目中，探討以「數位浮水印專題」作為主題，搭配實驗策略的教學方法及研究者自行開發之數位浮水印實驗工具進行教學，對增進高中生影像處理與數位浮水印之學習成就及資訊科學學習動機的影響，以評估實施「數位浮水印專題」的可行性。. 第二節. 研究目的. 基於上述的研究動機，本研究以數位浮水印為主題，採用實驗策略的教學方法，對高中生進行數位浮水印專題教學，並期能達到以下的目的：一、提升高中生的資訊科學學習動機。二、增進高中生對影像處理原理及數位浮水印的瞭解。三、設計與發展一套軟體工具，作為實驗策略教學的輔助工具。. 3.

(14) 第三節. 研究問題. 依據上述的研究目的，本研究所欲探討的研究問題如下：一、以實驗策略進行數位浮水印專題教學後，是否提升高中生資訊科學學習動機？二、以實驗策略進行數位浮水印專題教學後，是否能增進高中生對影像處理原理及數位浮水印的瞭解？三、本研究所設計與發展的軟體工具，是否容易使用且增進數位浮水印概念的理解？. 第四節. 名詞釋義. 一、實驗學習單本研究所稱的實驗學習單指的是搭配實驗活動的學習單，內容包含實驗活動的操作步驟、紀錄表格及問題。學生可依據實驗學習單所描述的步驟操作實驗，將觀察的結果紀錄於表格中，並回答相關的問題。二、實驗策略本研究所稱的實驗策略意指學生依據實驗學習單的步驟，操作數位浮水印實驗工具(WMLab)，藉由與該視覺化軟體工具的互動，觀察實驗的結果、紀錄並回答相關問題的過程。三、影像處理基本概念本研究所稱的影像處理基本概念指的是數位影像的基本組成元素(像素)、數位影像的類別(黑白、灰階及彩色)、像素值二進位表示法。四、影像處理原理本研究所稱的影像處理原理指的是模糊化、銳利化、馬賽克、對比增強、加雜訊、裁減的方式。五、數位浮水印基本概念本研究所稱的數位浮水印基本概念指的浮水印的應用及重要性、浮水印 4.

(15) 的相關測量方式(NC 值、PSNR 值)，以及嵌入浮水印時影響影像嵌入品質的相關因素，包含：色調(RGB)、位元位置(LSB 及 MSB)、帄順區及複雜區概念。. 第五節. 研究範圍與限制. 本研究的範圍與限制界定如下：一、本研究的範圍僅限於高中二年級的學生，並且需具備小畫家或 PhotoImpact 等軟體操作能力，知道二進位與十進位的轉換，且亦頇具備矩陣的概念，因此不宜過度推廣至尚未具備相關概念的學生。二、教學實驗的授課內容以高中電腦課程中的影像處理原理為主。課程內容包含影像處理基本概念簡介、數位浮水印應用及重要性、影像打散技術（Toral Automorphism）、各式影像處理原理、影像相似度(例如：NC 值)及影像品質鑑定方法(例如：PSNR 值)等。為了達成本研究的目的，在接下來的章節中，將描述本研究所採用的研究方法以及各個進行步驟。在第二章中將探討相關文獻，包含實驗策略、影像處理教學發展與現況、數位浮水印技術、學習動機、教學軟體設計原則等。第三章詳細說明研究設計及實施步驟。第四章將針對資訊科學學習動機量表、數位浮水印成就測驗、學習問卷及教師訪談等結果加以分析及討論。第五章則為結論與建議。. 5.

(16) 第二章. 文獻探討. 為了設計與發展一套適合高中生學習數位浮水印專題的教材及軟體工具，本章將從實驗策略談起，接著探討影像處理教學理念，再來是關於數位浮水印的技術探討，然後是學習動機，最後則是教學軟體設計原則的相關研究。. 第一節. 實驗策略. 1910 年實用主義代表人物杜威曾提倡「從經驗中學」、「從做中學（Learning by doing）」、「從解決問題中學」等學習理念，其代表的意念為在實際的教學活動中，讓學生可自覺的、主動的探索，並且鼓勵其於所處的環境中採取積極的行動，透過不斷地嘗詴與經歷的交互作用歷程，而獲得新的認知與結果。另一方面，建構主義的教學理念則是主張知識乃是學習者主動建構的結果，並非被動的接收已結構好的知識，亦即建構主義者認為：「學習必頇由舊有的經驗，經概念衝突，調適內化而主動的自我建構」。而實驗活動則是實現前述理念的最佳方式，其可提供學生驗證課堂所學概念的機會，培養學生正確的知識、科學態度及探究科學的方法（魏民通，民 86）。實驗活動指的是藉由多人對同一現象的觀察，讓學生互相分享、驗證結果以達到學習目的。而經由學生對實驗活動的參與及小組間的競爭等因素，可以增進學生的觀察、操作等實驗技巧與實驗態度（Okebukola，1996）。國內學者張惠博（民 92）對於實驗活動的功能則有更精細的說明：1. 在概念學習方面：將理論與實際結合，讓學生加深對內容的瞭解；2. 在技能目標方面：培養學生處理數據和表現結果的能力；3. 在認知能力方面：引起學生動機、提高學習興趣，並且培養其思考能力，將實際的體驗轉變成概念；4. 在科學本質方面：讓學生瞭解科學知識建立的方式；5. 在科學態度方面：讓學生不畏懼學習解決問題。對於電腦以實驗活動進行的實驗策略，亦有學者提出相關的研究，Hartel 及 Hertzberger （1995）認為電腦實驗課有以下的功能：1. 將教材轉變成可以操作的方式學習；2. 允許學生確認已瞭解所學習的內容；3. 提供學生立即的回饋； 4. 刺激學生動手做實驗；5. 發現問題以引發進一步的學習；6. 提供學生發現問 6.

(17) 題解法的機會。另根據 Lin（1999）的研究亦指出：在高中的電腦課教學中，以實驗的方式搭配視覺化的實驗軟體工具，能幫助學生更了解老師所要教授的知識以及較複雜的概念。Naps 等人（2003）、Rössling 與 Velázquez-Iturbide（2009）則表示，大部份的教育者都同意資訊科學教育採用軟體視覺化的潛在效果。因此，本研究將設計與發展一套實驗軟體工具，以實現做中學的實驗活動概念，並以視覺化的效果幫助學生理解授課內容。. 第二節. 影像處理教學. 由於影像處理具有將抽象化概念以視覺化方式表達的特性，因此多年來不同的教學科目皆有其應用，例如：數學科的抽象公式(Rosen, Silverman, & Chauhan， 2009；Rosen , Usselman, & Llewellyn，2005；Tanimoto，1994)、地球科學的地質觀察（Hong, Li, & Liu，2009）、天文科學探究（Raeside, Busschots, Waddington, & Keating，2008）、生物醫療（Zhang, Zuo, Wang, & Chen，2008），乃至於運用在電腦科學作為程式語言的入門課程（Wicentowski, & Newhall，2005）等。在眾多的應用當中，最引人注目的就屬美國亞利桑那州立大學的 Image Processing for Teaching 計畫（Greenberg，1995），有一千多位中學教師參與此計畫，並且發展出一套影像處理技術提供學生探索、發現及量化分析各種主題的機會（Raphael，1995）。而 The Center for Image Processing in Education (CIPE) 也倡導透過 National Institutes of Health 的影像處理技術（NIH-IP）結合電腦科技的教學與實作，將此視覺化的技術運用於創新的教學上。 Marks（2000）以案例研究（case study）的方式，教授影像處理的兩個重要子領域－影像增強（image enhancement）和臉部辨識（face recognition）。在其研究中，先請班上 40 位自願者提供臉部照片，接著使用不同的臉部辨識演算法，讓學生觀察結果的差異性，並推測影響結果的因素，而學生也自然發現燈光明暗、臉部表情以及頭部姿勢等因素。在此研究中，有兩個重要特色為：1. 學生親自動手作實驗以探索問題的癥結所在；2. 學生不必動手寫程式。在 Holmes （1997）的研究中，學生必頇學習列在 CS1 課程標準的 10 個電腦科學領域知識，其中亦包含影像處理。在學習過程中，學生完全不用動手寫程 7.

(18) 式，而是使用傳統的圖形和紙筆作業的方式，俾利學生專注於每堂課教授的主要概念與要領。綜上所述，這些研究有些專精於較高階的影像處理原理，有些則將數位影像處理技術整合在其他科目中，然而前述的課程大都適用於大學或研究所階段的教學，因此，影像處理的授課內容必頇再經過挑選、調整或修改才能適用於高中階段。. 第三節. 數位浮水印. 浮水印屬於較進階的影像處理概念，在日常生活中亦有所運用，例如：紙抄上的浮水印可用以辨識真偽，它可以是一個圖騰、商標、標誌、文字等足以代表個人、團體、學校、企業等等的一個符號。而隨著網際網路的發展，網路傳輸頻寬不斷地提高之下，以數位化儲存的數位浮水印也越來越普遍，並且廣泛應用於文件、視訊、聲音、影像等各式媒體。由於本研究範圍主要鎖定在影像處理，以下僅針對影像作進一步探討，數位浮水印從不同的角度有多種的分類法。首先，若以肉眼是否觀察得到，可區分為「可視(visible)浮水印」與「不可視(invisible)浮水印」。可視浮水印較為一般人所熟悉也較常於日常生活中使用，尤其在文書處理軟體的應用，例如：Microsoft Word、 Adobe Acrobat Reader 等可將數位浮水印嵌入在文件中列印出來。昉間亦有眾多免費軟體供使用者自行將浮水印嵌入在圖片中。在瀏覽網頁時，也常見許多人將自己製作的文字浮水印嵌入自行拍攝的影像中，以宣示其著作權(圖 2-1)。圖 2-2 為 Mohanty 等人所提之浮水印技術的實驗結果。. 圖 2-1. 網頁影像宣示著作權. (影像來源：研究者自行拍攝及製作) 8.

(19) 浮水印. 原始影像. 嵌入後影像圖 2-2. 嵌入可視浮水印. (影像來源：Mohanty 等人所提之論文) 另一方面，可視浮水印雖然可用於宣告版權，但卻容易破壞整體影像的品質及美感，並且經由網路傳輸，容易受到不法人士惡意地破壞、竄改，甚至加入自己的浮水印將著作權改為其所有，為了解決前述的問題，不可視浮水印的概念於是被提出，透過相關的嵌入技術，將浮水印嵌入影像中，使得影像外表保持一定的品質，一旦發生智慧財產權爭議、糾紛時，可藉由公正的第三方取出浮水印來加以驗證其智慧財產權之歸屬。不可視浮水印的作法，一般分為兩類：空間域(Spatial Domain)及頻率域 (Frequency Domain)嵌入法。由於數位影像本身係由一個二維帄面上的許多座標點所構成，這些座標點稱做像素(Pixel)，像素的值代表著灰階影像的亮度或是彩色影像的色彩值（RGB），因此，所謂的空間域嵌入法，即是透過修改像素值的方式嵌入浮水印。而頻率域表示法則是將影像由空間域，透過可逆式的頻率域公式，將其轉換成頻率域的影像，常見的頻率域轉換公式有：傅立葉轉換（Fourier Transform）、離散餘弦轉換（Discrete Cosine Transform，DCT）以及小波轉換 9.

(20) （Wavelet Transform）。透過頻率域轉換後可以獲得一組二維係數(Coefficient)，代表著各種頻率於影像中的權重。接著再利用人類的肉眼對於影像高頻的部分較不敏銳，而對於低頻的部分相當敏銳的特性，將浮水印嵌入在中頻的位置(Hsu & Wu, 1999)。由於頻率域需具備較進階的影像處理知識，為開發適合高中階段學習的教材，以下僅探討空間域的嵌入方式。一般而言，浮水印可以以任何形式（例如：將浮水印打散、轉成二元序列等等）嵌入影像中的任意位置。在本研究中，將探討浮水印嵌入空間域時，影響影像品質需考量的因素，包含浮水印嵌入的：(1)位元位置、(2)區域、(3)色調等。另外，為使浮水印能夠抵抗特定的影像處理（例如：裁減）造成的破壞，將對影像打散技術 Toral Automorphism 作一探討(Voyatzis & Pitas, 1998)。首先，就浮水印嵌入的位元位置而言，LSB(Least Significant Bit)為常見的、簡易的取代方法之一(Johnson et al., 2000；Chan & Cheng, 2004)，當要藏入的資訊為 0 時，則將此位元 0 取代原始像素值最低位元位置(即 LSB)的值，即完成 LSB 取代。值得注意的是，原始像素值數值為 23，但在嵌入後的數值變為 22，差距只有 1，在視覺上是看不出差異的，LSB 取代說明如圖 2-3 所示。原始灰階影像. 十進位表示法 24 24 21. 0. 0. 二進位表示法 0 1 0 1. 0. 0. 0. 1. 1. 1. 0. 25 27 23 26 31 26 圖 2-3. 1. 0. 1. LSB 取代說明圖. 另外，影像本身的特性亦會影響浮水印嵌入後的影像品質，將浮水印嵌入影像的複雜區(Busy Area，如圖 2-4a 的花束)較不易察覺；相反地，若將浮水印嵌入影像的帄順區(Uniform Area，如圖 2-4b 的牆壁)，在視覺上較容易察覺，因此，將浮水印嵌入影像的複雜區為較佳的選擇(Johnson et al., 2000)。. 10.

(21) (a). 圖 2-4. (b). (a)具有多數複雜區的影像；(b)具有多數帄順區的影像. 人類視覺系統(Human Vision System, HVS)對於影像的色調有不同程度的敏感度。在 RGB 色彩空間的模型中，由於人類的肉眼對於藍色色光的強度變化較不易察覺，因此，Kutter 等人提出一個頻率調整法(amplitude modification)，將浮水印嵌入彩色影像的藍色色調中，實驗結果顯示浮水印可抵抗失真性壓縮(JPEG)、影像模糊化、旋轉等處理造成的破壞。 Voyatzis 與 Pitas 提出將 Toral Automorphism 理論運用於數位浮水印技術，運用式 2-1 的二維轉換函數，將浮水印打散後再嵌入影像中。 (mod n) ................................................................... (式 2-1) 其中、是原圖座標，. 、. 是經過 1 次 Toral Automorphism 轉換後之. 新座標，A 是轉換矩陣，n 為影像的大小。常見的五種矩陣 A 有：、. 、. 、. 、. 另一方面，為確保影像在嵌入浮水印後仍保有一定的品質，頇有一客觀的測量方式，雖然影像品質可用肉眼判斷，但此法過於主觀且每個人的視覺效果皆不同。而常見的影像品質測量方式有兩種：1.高峰訊號雜訊比(Peak Signal-to-Noise Ratio, PSNR)；2.正規化關連值 (Normalized Correlation, NC)。 PSNR 可用以衡量影像經過處理後的影像品質。公式詳式 2-2 及式 2-3。.  255 2  PSNR  10  log   ....................................................................(式2-2)  MSE  FrameSize. MSE .  I n 1.  Pn . 2. n. FrameSize. ......................................................................(式2-3). MSE 表示均方根誤差(Mean Square Error)，In 指的是原始影像第 n 個 pixel 值， Pn 指的是經處理後的影像第 n 個 pixel 值。PSNR 的單位為 dB。所以 PSNR 值越大，就代表失真越少。一般而言，PSNR 值只要大於 30dB，即表示影像品質良好， 11.

(22) 視覺上無法察覺改變(張真誠，民 96)，這僅是一個客觀的評比數據，有時候並不能完全代表人的主觀感受。 NC 係由 Hsu 與 Wu 所提出，用以測量嵌入的二元浮水印的相似度，其值介於 0 至 1 之間。當取出之浮水印與原始浮水印相似度愈高，NC 值愈大，也就是說當原始浮水印與取出之浮水印完全相同時，NC 值為 1；相反地，若取出之浮水印與原始浮水印相似度愈低，則 NC 值愈接近 0。NC 計算公式詳式 2-4。 NC =. …………………………………….………(式 2-4). w*為偵測出的浮水印，w 表原始的浮水印，(i, j)表示浮水印中像素的座標位置，N 為浮水印的長與寬。綜上所述，為開發適宜高中生學習的數位浮水印教材及軟體工具，本研究將以空間域嵌入法為主，並就浮水印嵌入影像時頇考量的因素作探討，設計於教材及軟體工具中，俾利課堂教學使用。. 第四節. 學習動機. 「動機」一直是影響學習的因素之一，早在兩千多年前的至聖先師孔子就曾說過：「不憤不啟，不悱不發。」意指學生想求明白而無法獲得時，才去開導他；學生想說卻說不出來時，再去啟發他。因此，只要學生沒有任何學習動機，就算給予完善的教材及名師教導，對他們來說都是無意義的。也就是說，教學效果的良窳並非取決於教師單方面的教，而是決定於教師與學生雙方互動時學生的學（張春興，民 86）。長久以來學者們亦致力於了解影響動機背後的因素，動機與學習之間為典型的相輔相成的關係，而非一種單向的關係，亦即動機可以增強行為的方式促進學習，而所學到的知識反過來又可增強學習的動機（張蕊苓，民 88）。若能瞭解學習動機的定義及其主要組成，即可據此設計合適的學習活動，引起學生的學習動機，進而增進其學習成效。基於此本節將依序探討學習動機的定義、理論、測量方法、資訊科學學習動機等相關研究。有關學習動機，國內外許多學者均曾為「學習動機」提出定義，綜合其說法，學習動機即是學習者是否願意去學習，可用來說明激發和維持學習者某種學習行 12.

(23) 為，達到某一特定目標的中介力量。玆將各國外、國內學者對學習動機的定義整理如表 2-1 及表 2-2。表 2-1 學者. 年份. Mckeachie. 1961. Keller. 1983. Brophy. 1988. Stipek. 1995. Bender. 2001. 國外學者對學習動機的定義. 學習動機的定義當動機被活化後，個體會選擇一個可以達成最大滿足與最少後悔的策略；而個體將個人主觀喜好的預期和達成喜好的可能性結合後，就組成了所謂的學習動機。對自己的經驗與目標所選擇及為此所付出的努力程度。學生發現學習活動真正的意義與價值，驅使自己追求學習成長的方向。共包括兩種類型，一類為普遍型學習動機，係指全面且認真的學習；另一類為偏重型學習動機，只對某些學科認真學習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。一種有意義地參與學習的欲望，能促使個體努力學習。. 資料來源：研究者自行彙整. 表 2-2 學者. 年份. 張春興. 1994. 胡秉正. 1994. 林崇德林寶山. 1995 1998. 朱敬先. 2000. 張文彥. 2003. 陳品華. 2006. 國內學者對學習動機的定義. 學習動機的定義引起個體的學習活動，維持學習活動，並促使學習活動趨向教師所設定目標前進的內在心理歷程。任何可以激勵學習行為的趨力，即是能夠引導誘發、維持與指導活動的力量。推動個體進行學習活動的內部原因或內在動力。引發學習者認真學習的原動力。個體追求成功的一種心理需求，亦即學習者發現學習活動的意義與價值，而嘗詴驅策自己追求成長之傾向。學習動機可分為「內在動機」及「外在動機」，前者指學習者內心感覺需要或對學習目的有所領悟而自發的動機，後者指學習者因受外力驅迫而引發的動機。為學生參與及效力於學習工作的意願或慾求，它顯現在學生對特定學習活動的選擇以及努力持續進行該活動的強度上。. 資料來源：研究者自行彙整. 至於學習動機理論的發展，從 40 年代的行為主義(Behavionism)，到 60 年代的人本主義(Humanism)、認知主義(Cognitivism)等學派各有其論點。行為主義強調學習是一種外控的行為，藉由強化的作用，將刺激與反應之間連結起來而產生學習；人本主義認為學習是一種「知的需求」，是人性發展的基本內在原動力；認知主義雖然亦將學習動機視為內在動機，但對”內在”的涵義卻有不同的解釋， 13.

(24) 學習動機乃介於環境（刺激）與個人行為（反應）之間的一個中介歷程，與人本主義所指的內在動機的成分並不相同（張春興，民 83），意指學習者對於學習事物的看法，因看法而產生的求知需求，在不同的看法之下有各種理論的提出，例如：Atkinson 的成就動機論、Weiner 的成敗歸因論等。雖各派論點結構略有不同，但終極目標均在強調個體行為改變的原動力，玆針對不同理論對學習動機的詮釋整理如表 2-3。表 2-3 學習動機理論. 學者. 學習動機理論年份. 行為主義. Skinner. 1948. 人本主義. Maslow. 1954. 成就動機理論. Atkinson. 1964. 自我效能理論. Bandura. 1977. 期望價值論. Eccles. 1983. 成敗歸因理論. Weiner. 1985. Pintrich 動機理論. Pintrich. 1989. 說明行為主義心理學家視學習動機為一種外控的行為，藉著削弱與增強的原理，使刺激與反應連結起來。重視外在環境的因素可以塑造個人動機的強弱，否認個人內在心理的因素可以影響學習動機的產生。人本主義的心理學家以人為本位，主要在探討內在的心理層面對於學習的影響。認為人具有不同層面的需求，其中「知的需求」即為所謂的學習動機。當低階的需求無法滿足時，高階的需求自然無法產生。個體在從事某項工作時，會同時產生「追求成功」與「避免失敗」兩種彼此相對的心理作用。前者是指個體表現趨近目標或工作，追求成功的心理傾向；後者為個體設法從工作情境中逃脫，以避免失敗的傾向。自我效能指的是個體對本身能夠達成某目標所具有的信念及知覺。此種信念會影響個人對工作的堅持與努力。認為成就行為和表現受到個體對成功的期望與對目標的主觀價值決定，亦即成功與否是由個體本身來認定，並非由目標本身的困難度來決定。強調個體的行為受到歸因歷程的影響。個人對於成功和失敗的解讀及認知不同，會影響到其動機及努力的程度。個體在學習歷程中，包括價值、期望、情感等三個主要動機成分。對於某項工作有高度期望者，比較會投入，即使遇到困難，也比較會堅持下去，不輕言放棄。. 資料來源：研究者自行彙整. 在瞭解各學派的學習動機理論之後，需有一度量學習動機的工具，能夠提供客觀的數據，作為教學上的參考。學習動機於學術上較常運用的兩種測量工具分別為 ARCS 模式（Keller，1983）及 MSLQ 模式（Pintrich et al., 1990），玆就各模式說明如下： 14.

(25) 一、ARCS 模式 Keller(1983)整合各種動機理論的研究結果與教學設計模式，提出 ARCS 動機模式，其目的在於強調系統化的教學設計，使教材的設計更能激勵學習者參與及互動。 ARCS 指的是注意(Attention)、關聯性(Relevance)、信心(Confidence)、滿足感 (Satisfaction)等四個因素。注意指的是學習內容能引起學生注意、興趣及好奇心；關聯性是要使學生對課程的瞭解度，與其生活或經驗有關，並覺得學習內容是重要的；信心是指學生有正向積極的態度面對成功，當信心提升，學習動機越高；滿足感是當學生達成其學習期望與需求時則會得到滿足感，教師可用獎賞來維持動機。二、MSLQ 模式 Pintrich et al.(1990)依據 Eccles(1983)「期望－價值」的模式，提出社會認知論的學習動機模式，編制「激勵的學習策略量表」(Motivated Strategies for Learning Questionnaire，MSLQ)，主張動機源自於個人內在的信念，主要包含三個成分：價值成分(value component)、期望成分(expectancy component)、情緒成分(affective component)。玆就各成分陳述如下： (一)價值成分此成分指的是學習者學習某一任務的理由以及對於學習任務的重要和價值的信念，可再細分成以下向度： 1.目標導向(goal orientation) 目標導向又可分為內在目標導向(intrinsic goal orientation)及外在目標導向 (extrinsic goal orientation)。內在目標導向指的是學習者基於精熟、挑戰、好奇等因素而從事學習活動；外在目標導向則是指學習者基於成績、他人讚美、獎勵等外在價值而從事學習活動。 2.工作價值此向度指的是學習者對學習任務的價值評估，包含該學習任務是否重要、有效用、有趣味等面向。 (二)期望成分此成分指的是學習者對於完成某一項學習任務能力的信念以及控制及期 15.

(26) 望學習任務成功的信念，可再細分成以下向度： 1.自我效能(self-efficacy) 此向度指的是學習者對學習任務自我表現能力的信念。信念愈強者會有較高的成功期望與堅持。 2.控制信念此向度指的是學習者對學習結果成功或失敗所作的歸納。 3.期望成功此向度指的是學習者對學習任務的成功或失敗機率的把握。 (三)情緒成分此成分指的是學習者對於學習任務、學習結果或自身學習能力的情緒反應，可再分成：正向及負向情緒，其中負向情緒多出自於考詴焦慮。接著，有關近幾年國內外對於資訊科學學習動機的相關研究，由研究者自行彙整之表 2-4 可看出，多數研究係以程式設計作為主題，使用不同的教學策略或學習方式，探討於實施該策略或方式對於學習動機之影響，雖有關於影像處理之相關研究，但該研究目的在於探討教學活動結束後的學習動機，並非針對學習前後之資訊科學學習動機及各向度進行探討。本研究所採用資訊科學學習動機量表即是參酌 Pintrich et. al.(1990)所編制的「激勵的學習策略量表」(Motivated Strategies for Learning Questionnaire，MSLQ) 及國內學者吳靜吉及程炳林（民 81）的中文翻譯版，再將其改編成適合本課程之「資訊科學學習動機量表」（參見附錄 D）。此量表共包含 6 分量表：「內在目標導向」、「興趣」、「重要性」、「效用性」、「自我效能」、「正向情感」等向度。. 表 2-4 研究者. 國內外資訊科學學習動機相關研究. 研究主題. 研究對象. 研究結果. 高中生. 探討遊戲式學習電腦記憶體概念對. Marina. Digital Game-Based. Papastergiou. Learning in high school. 高中生學習成效及學習動機之影. (2009). Computer Science. 響。研究發現：以遊戲式學習的學. education: Impact on. 生，其學習成效及學習動機均高於使. educational effectiveness. 用非遊戲式學習的學生。. and student motivation. 16.

(27) 表 2-4 (續) 大學生. Kris M.Y. Law,. Learning motivation in. Victor C.S. Lee,. e-learning facilitated. 和非主修資訊科學的學生在使用. Y.T. Yu. computer programming. PASS 系統學習程式語言後，對其學. courses. 習動機的影響。研究發現：於六個動. (2010). 以問卷調查方式分析主修資訊科學. 機向度中，「個別態度與期望」向度 (內在動機)、「明確方向」(外在動機)、「報酬與肯定」(外在動機)等三向度皆有顯著差異。鍾大定. 專題導向學習應用於程. (民 92). 式設計課程之研究. 高職生. 探討專題導向學習模式於提升高職生在程式語言的動機與成效。研究發現：不同的教學方法，學習動機沒有顯著差異。在實驗組中，學習能力較差的學生在學習動機上有顯著提升；學習能力佳的學生，學習動機卻下降。. 李宜靜、. 探究式網路學習對中學. 朱延帄、. 生學習之影響. 高中生. 在計算機概論課程上，以電腦新知為主軸進行主題探究活動。研究發現：採用「探究式網路學習」的學生之自. 楊朝成. 我效能及學習任務價值，皆顯著優於. (民 94). 使用「一般探究學習者」。. 何汶偉、. 以課堂實驗為導向之高. 高中生. 李忠謀. 中影像處理課程教學研. 理教學，實驗組有觀看教學影片。研. (民 95). 究. 究發現：(1)實驗組比控制組有較高. 以課堂實驗及教學影片進行影像處. 的電腦課程精熟目的；(2)實驗組在系統操作的自我效能及電腦課程的成就目的則與控制組無明顯差異。李中正. 不同成就學生於模擬遊. 大學生. (民 99). 戲環境中程式學習效果. 學習帄台後，其內在目標導向、外在. 之探究. 目標導向、工作價值等三個向度上的. 程式語言學習者在使用「Train B&P」. 差異。研究發現：(1)內部動機：低成就學習者的明顯提高、 (2) 外部動機：中成就學習者的明顯降低、(3) 工作價值：高、中、低成就的學習者皆無差異。王麗君、. 應用遊戲策略幫助學習. 陳明溥. 者程式語言抽象概念學. (民 100). 習之探討. 國中生. 遊戲式學習之遊戲策略對學習者程式語言之學習動機有正向之影響。. 資料來源：研究者自行彙整. 17.

(28) 第五節. 教學軟體設計原則. 為了設計與發展一套符合高中生進行實驗策略、做中學之軟體工具，以「使用者為中心（在此指的是學生）」，植基於認知心理學、建構主義、情境學習等學習理論之觀點發展。在認知心理學的眾多學習理論中，最主要的包含 Bruner 的發現學習論 (Discovery Learning)、Ausubel 的意義學習論(Meaningful Learning)、以及 Shannon 的訊息處理學習論(Information Theory)。 Bruner (1961)的發現學習論著重在學生必頇主動探索新知，從各種事物變化中找尋原理原則，以構成學習。Bruner 將人對外在環境的事物經知覺轉換成內在心理事件的過程稱之為認知表徵，此亦為獲得知識的過程。 Ausubel (1963)的意義學習論強調學生的先備知識，即學生的認知結構，是學習新知識時的基礎。能夠配合學生能力與經驗的教學，對學生才會產生有意義的學習。根據 Ausubel 的解釋，概念分為要領概念及附屬概念，前者指的是個人對整體事務的認識，也就是個人的先備知識，後者則是指個人對事物特徵的細部記憶。因此，學生在學習新知識時，教師應該先把新知識中的要領概念提出來，與學生的先備知識結合，如此則有助於學習。而此結合新舊知識以利教學的步驟稱之為前導組織。 Shannon (1949)的訊息處理學習論用以解釋人類如何在環境中，透過感官覺察、注意、辨識、記憶等心理活動，以吸收並運用知識的過程。整體而言，認知學派將教學活動視為學習導向的事件，強調主動學習，視學習為個別化歷程，任何外在刺激，頇經由引發學習者的原有想法，將選擇注意的知覺嘗詴與長期記憶產生關聯，再經由理解程序儲存記憶。因此，在整個學習過程中，學習者一直處於主動而非被動。強調學生的主動探索，認為從事象變化中發現原則原理，才是構成學習的主要條件。另一方面，建構主義則強調知識並非個體被動的接受，而是主動的建構，並以為認知的功能僅是調適性的(adaptive)，認知用以組織經驗的世界。建構主義的學習觀認為「學習應在特定的脈絡(context)」中，經由經驗而主動建構。亦即學習是一種認知建構的過程，知識是由個體主動操弄而非被動的獲得。經由主動獲 18.

(29) 得的知識才是真正實用的知識。Merril (1991)主張教學活動不應該為教而設計，而應該以學來考慮，而教師的角色應由主宰教學變為從旁指導。所以，教學設計模式應更具彈性、更動態、及更互動化。情境學習理論則始於 Brown、Collins 和 Duguid (1989)三人對於情境認知與情境學習的討論。王春展(民 85)參酌一些學者研究的論述要點，歸納 6 項要點：強調學習情境的重要性、重視主動探索操作與經驗學習、強調學習活動的真實純正性、重視學習互動參與和分享、重視學習者從邊緣參與到核心參與的涵化學習過程、提倡認知學徒制的教學模式。此外，良好的介面設計相當重要，有研究指出不良的介面設計，例如不適宜的顏色、影像設計、聲音及不足的認知性引導等等，皆會使學習者感到挫折而降低其學習興趣（李世忠、徐瑜璘，民 93）。由此可見，設計首要考量，即是以「使用者為中心（在此指的是學生）」，亦即從人的角度思考與系統應如何互動。關於人和系統的互動介面，許多學者（Norman，2000；Kristof & Satran，1995）皆提出設計原則，玆將其統整為以下六點：一、易用性(ease of use) 此原則指的是使用者可直覺式地、不需具備任何專業知識、在短時間即可學習如何操作此系統。二、明顯性 (visibility) 此原則指的是使用者只憑觀察，即可看出一個系統的狀況與行動的可能方式。換句話說，使用者一看就可判斷如何使用該系統。三、導航(navigation) 此原則指的是使用簡單的圖形或標題以指引使用者方向或位置。在網頁式的環境中，導航性特別重要，否則容易迷失在非線性的環境中。四、配對(mapping)與限制 (constraint) 此原則指的是利用自然的配對與限制，使用者即不需使用說明書或其他過多的解釋。亦即使用者不頇特別記憶，好上手。五、符擔性(affordance) 此原則指的是運用適當的圖示，能夠讓使用者與真實世界產生有意義的聯想，將有助於內容的辨識。 19.

(30) 六、回饋(feedback) 回饋為一種互動的雙向溝通模式，此原則指的是系統可根據使用者選擇路徑而給予不同的回饋，並且使用者於接受到回饋時可清楚其動作的結果。綜上所述，本研究所開發之教學軟體設計原則為：(一)由於與生活經驗接近的活動較易獲得共鳴，學生可自日常生活中取材，使用自己的影像、自己設計的 logo 等素材匯入該工具進行活動；(二)為避免記憶負荷，設計簡單操作(User -friendly)之介面，並以頁籤、選項及圖示功能鍵為主，讓使用者直覺地操作電腦，以縮短學習時間；(三)每一個畫面只呈現一個重要概念或資訊，以吸引學習者的注意力；(四)透過視覺化呈現數位浮水印相關概念與影像處理原理；(五)分組競賽活動設計，讓學生運用所學互助合作以達成任務；(六)使用擁有可攜性與跨帄台特性的 Java 程式語言開發，方便學生於課後自行學習；(七)學生可隨時點選之前學過的內容加以複習觀念。. 20.

(31) 第三章. 研究方法. 本研究旨在以「數位浮水印專題」為主，設計與發展相關教材及軟體工具並評估其適用性，以提供教師及學生一套學習影像處理及數位浮水印基本概念的教材。本章將針對本研究之研究設計、研究樣本、研究工具、實施流程及資料分析等各方面加以說明。. 第一節研究設計本研究設計流程（參見圖 3-1）可分為三個階段：(1)分析階段、(2)設計與發展階段、(3)實施與評估階段。在分析階段，先擬定研究主題「數位浮水印」，接著進行相關文獻探討（含實驗策略、影像處理教學、數位浮水印、學習動機、教學軟體設計原則等），並參考教育部頒訂之「資訊科學」課程綱要，擬定課程架構及教學內容，再將蒐集相關資料進行篩選、彙整。在設計與發展階段，決定課程內容及軟體工具的操作介面之色彩配置及整體風格，以著手進行教材及軟體工具的開發。在實施與評估階段，將已開發好的教材及軟體工具，先行自我檢視及驗測後再交由授課教師進行檢視與操作，修正相關意見後，即於八個班級實施，課程結束後再進行評估。有關本次研究之數位浮水印課程包含以下的子單元：1.數位影像的基本概念（含像素、二元影像、灰階影像、彩色影像）；2.浮水印應用及重要性；3.嵌入浮水印影響影像品質需考量的因素（含位元位置、色調、區域）及影像打散（Toral Automorphism）；4.影像處理（含模糊化、清晰化、馬賽克、加雜訊、對比增強、裁減）；5.實作浮水印嵌入、影像處理及取出。. 21.

(32) 分析階段. 設計發展階段實施與評估階段. 設定主題. 數位浮水印專題. 文獻探討. 實驗策略、影像處理教學、數位浮水印、軟體介面設計、學習動機等相關主題. 內容規劃. 依據教育部頒訂之「資訊科學」課程綱要，擬定課程架構及教學內容. 資料蒐集、篩選及彙整. 依據課程規劃內容蒐集各類文章、圖片等加上篩選彙整所需內容. 教材及軟體工具規劃. 1.每週課程內容規劃 2.軟體工具之色彩配置、整體風格. 教材及軟體工具製作. 1.簡報及學習單撰寫 2.以具備跨帄台特性的 Java 作為開發語言. 測詴及修正. 自我檢核後請授課教師先行檢視及測詴. 評估. 8 個班級實施(共 282 位學生)進行課後評估. 圖 3-1. 研究流程圖. 在實施階段，本研究採用前實驗研究設計(Pre-experimental design)，分成單組前後測設計(One-group pretest-posttest design)及單組後測設計(One-group posttest-only design)兩種，研究架構圖如圖 3-2 所示。本研究旨在探討以實驗策略進行數位浮水印專題教學對高中生學習動機及學習成就之影響。單組前後測主要在瞭解學生在以實驗策略進行數位浮水印教學前後資訊科學學習動機是否有所差異，以同一組人為對象，施以相同題目的問卷，再進行回收並分析，後測部份則調整問卷題目順序再加以施測，以避免記憶效應。而單組後測的部分，則於課程結束後，對同一組人施以數位浮水印成就測驗，以評估其學習結果。表 3-1 列出本研究測驗項目、形式及題數。. 22.

(33) 學習動機資訊科學學習動機. 教學法實驗策略. 成就測驗 1.數位影像基本概念 2.數位浮水印相關概念. 圖 3-2 表 3-1 測驗時間點前測. 後測. 研究架構圖. 測驗項目、形式及題數測驗項目. 形式. 題數. 資訊科學學習動機量表. Likert 五點量表. 18. 資訊科學學習動機量表. Likert 五點量表. 18. 單選題. 10. 複選題. 10. 問答題. 3. 計算題. 2. 數位浮水印成就測驗. 在評估適切性方面，採用量化及質性研究方法並行，於教學活動前後，對同一組學生進行資訊科學學習動機量表施測，教學活動結束後，則進行數位浮水印成就測驗及學習問卷填寫，俾利瞭解學生的學習動機是否提升、學習情形，以及對於本次實驗的看法。學習問卷包含封閉式與開放式兩種類型的問題，封閉式問題係以量化方式分析，開放式問題則以歸納方式整理。. 第二節研究樣本本研究以高中生為研究對象，研究樣本為新北市立永帄高中二年級八個班級的學生，共 318 人。由於 36 位同學未全程參與問卷填寫或成就測驗，將其資料予以剔除，因此，最後納入資料分析共 282 人。八個班級的任課教師皆為同一位，畢業於資訊教育學系，具有 6 年高中電腦教學經驗。參與實驗的學生均具備本課程所需之先備知識。 23.

(34) 第三節研究工具本研究使用的工具包括：上課簡報、自行開發之數位浮水印實驗工具 (WMLab)、實驗學習單、資訊科學學習動機量表、數位浮水印成就測驗、學習問卷以及教師晤談紀錄等。玆就各項工具說明如下：一、上課簡報上課簡報(詳附錄 B)為研究者針對數位影像的基本概念（含像素、二元影像、灰階影像、彩色影像）、各式影像處理原理、影像相似度(NC)、影像品質鑑定方法(PSNR)、影像打散（Toral Automorphism）、浮水印的應用及重要性等設計的教學簡報，以提供教師上課使用。二、自行開發之數位浮水印實驗工具(WMLab) 數位浮水印實驗工具(WMLab)為實驗活動主要的操作工具，提供學生配合實驗學習單操作使用。有鑑於 Java 程式語言具跨帄台的優勢，本工具選擇以該語言開發，除此之外，基於相關的軟體工具介面設計原則，為具備一致性的操作環境，本工具以頁籤(Tab)作為主要畫面，並且將相關的活動整合於一個頁籤，透過此設計學生可以跟著教師上課的進度，直覺式的進行操作，圖 3.2 為本軟體工具操作畫面，工具的操作說明可參見附錄 G。. 圖 3-3. 數位浮水印實驗工具操作畫面 24.

(35) 三、實驗學習單研究者配合教學進度設計了實驗學習單（詳附錄 C），共包含四大單元，內容分別為：(一)數位影像的基本概念（像素、二元影像、灰階影像、彩色影像）；(二)數位浮水印應用及重要性、嵌入浮水印後影響影像品質的因素（嵌入的色調、嵌入影像帄順區及複雜區、嵌入位元組的不同位置）、影像打散技術(Toral Automorphism)之原理及應用；(三)常見的 6 種影像處理方式（模糊化、銳利化、對比增強、馬賽克、加雜訊、裁減）；(四)數位影像相似度(NC) 及品質鑑定方法(PSNR)之原理、實作浮水印嵌入取出等內容。搭配課程內容，每張實驗學習單有數個活動，每個活動會列出操作步驟，並且有 1 至多個問題，教師可根據問題的難度，讓學生個別或 2 至 3 人一組進行討論回答。透過軟體工具操作的方式，學生可驗證並反思上課所學的概念。四、資訊科學學習動機量表本研究所採用的資訊科學學習動機量表係參考 Pintrich et. al.(1990)泛領域的「激勵的學習策略量表(Motivated Strategies for Learning Questionnaire， MSLQ)」以及國內學者吳靜吉及程炳林（民 81）的中文翻譯版，許多研究已驗證其具備良好信度及效度。為符合本課程需要，再將其改編成適合本課程之「資訊科學學習動機量表」（參見附錄 D）。此量表包含價值、期望及情感等三個成分，其中價值成分包含「內在目標導向」及「工作價值」向度，內在目標導向在於瞭解學習者為達到精熟、挑戰、好奇而學習資訊科學的程度，工作價值則是指學習者對資訊科學學習內容的價值評估，包含了是否重要、有用、有趣等三種評估；期望成分包含「自我效能」向度，指的是學習者對資訊科學的自我能力評價；而情感成分則包含「正向情感」向度，指的是學習者對資訊科學課程的正向情緒。此量表共有 6 個分量表：內在目標導向、興趣、重要性、效用性、自我效能、正向情感等向度量表，每一分量表各 3 題，共 18 題。此量表計分方式採用李克特氏 Likert 五點量表，以「5」到「1」代表「非常同意」到「非常不同意」。受詴者在各分量表上得分愈高表示該項動機愈強。在量表信度方面，總量表 Cronbach α係數達.928，符合內部一致性，至於各分量表的 Chronbach α係數除內在目標導向值小於.7，其餘皆大於.7（參 25.

(36) 見表 3-2）。表 3-2 成分. 資訊科學學習動機量表各向度題目及信度. 向度. 內在目標導向. 興趣. 價值重要性. 效用性. 題號. 題目. 01. 上電腦課時，我比較喜歡有挑戰的內容，以便能學到新的東西。. 08. 上電腦課時，我比較喜歡能引起我好奇心的內容，即使這些內容難以學習。. 16. 我會主動思考老師所教的內容。. 02. 我對電腦課的教學內容很有興趣。. 12. 我覺得上電腦課很有趣。. 18. 電腦課的主題總是能引起我的興趣。. 07. 我覺得電腦課很重要。. 09. 瞭解電腦老師所講解的內容對我而言很重要。. 13. 我認為在電腦課所學到的知識很重要。. 03. 我認為電腦課所學的知識，對於我將來的工作很有幫助。. 10. 我認為我能將所學到的電腦知識應用到其他地方。. 17. 我認為電腦課所學的知識，可以幫助我. α值. .662. .811. .749. .794. 適應目前及未來的生活。. 期望. 情感. 自我效能. 正向情感. 04. 我預期電腦課我將表現的非常好。. 11. 相較於班上的其他學生，我對電腦課的內容已知甚多。. 14. 我確定我能了解電腦課所教的內容。. 05. 我喜歡電腦課，更勝於其他學科。. 06. 我上電腦課時總是很快樂。. 15. 我會期待電腦課的到來。. .740. .821. 五、數位浮水印成就測驗本課程編製了一份數位浮水印成就測驗卷(參見附錄 E)，在測驗題目編寫完成後，請授課教師檢視，並給予意見與指導，針對測驗內容的適切性與難易度加以調整，將不合適之措辭用語或題型加以修改或刪除，以力求內容效度。在教學活動結束後，對八個班級的學生實施數位浮水印成就測驗，以評量學生是否有達到學習效果。 26.

(37) 本測驗共有四大部份，第一部分為是非題，共 10 題；第二部分為選擇題，共 10 題；第三部分為問答題，共 3 題；第四部分則為計算題，共 2 題。測驗內容包括數位影像的基本概念（像素、二元影像、灰階影像、彩色影像）、二進位像素表示法、影像處理原理、影像打散(Toral Automorphism)、浮水印應用及重要性等概念，設計雙向細目表如表 3-3 所示。表 3-3 內. 容. 數位浮水印成就測驗命題雙向細目表知識. 數位影像基本概念. 理解. 應用. 分析. 綜合. 題數. 配分. 8. 19. 2. 2. 20. 5. 1. 6. 15. 1. 2. 4. 18. 3. 15. 1. 2. 13. 1. 25. 100. 8. 影像處理原理基本概念、測量方法浮位元位置(LSB、MSB) 水印帄順區及複雜區. 1. 2. 1. 打散技術 (Toral Automorphism). 1. 合計. 17. 4. 2. 1. 為了解詴題之適切性，以作為選取正式詴題或修正詴題的依據，本研究先挑選 1 個班級共 34 人進行預詴。測驗卷經回收後作常態檢定分析，因樣本數少於 50，適用「Shapiro-Wilk」檢定，由表 3-4 得知，「Shapiro-Wilk」統計量為.965，顯著性為 p=.361 > α=.05，表示數位浮水印成就測驗的成績為常態分配，顯示本測驗具有鑑別度。表 3-4. 數位浮水印成就測驗常態檢定. Kolmogorov-Smirnov 檢定 a 統計量 .111 a. 自由度 33. Shapiro-Wilk 檢定. 顯著性. 統計量. .200*. .965. 自由度 33. 顯著性 .361. Lilliefors 顯著性校正。 *此為真顯著性的下限。. 六、學習問卷學習問卷(參見附錄 F)主要目的在於瞭解學生對本次課程實施方式、軟體工具及實驗學習單的意見。學習問卷問題有封閉式與開放式 2 種形式，封 27.

(38) 閉式問題在於瞭解實驗活動的價值、實驗軟體工具的價值以及實驗活動實施情形；而開放式問題在於瞭解學生對整個活動的意見。七、教師訪談紀錄教師訪談分為三個階段進行：教學前、教學進行時、教學後。教學前的訪談旨在達成上課內容及上課方式的共識，並針對實施上相關細節進行討論。教學進行時的晤談旨在了解實驗進行狀況以及學生上課的反應。而教學後的訪談則是針對教學課程結束後，學生的成就測驗及學習問卷調查的初步分析結果進行討論。. 第四節實施流程本研究流程的實施程序如圖 3-4 所示。實驗總共實施四週半，共九堂課（其中課程教授及分組競賽需八堂課，第九堂課實施成就測驗及問卷填寫），每週兩堂課，每堂課五十分鐘。此外，在實驗開始前及結束後分別施以資訊科學學習動機量表前測及後測，每週上課內容詳表 3-5 所示。數位浮水印專題. 教師講解該主題子單元（15 分鐘）每堂課 50 分鐘共 7 堂課. 學生配合數位浮水印實驗學習單操作數位浮水印實驗工具(WMLab) （35 分鐘）. 分組競賽（50 分鐘）成就測驗（35 分鐘）學習問卷（15 分鐘）圖 3-4. 實驗的實施程序流程圖 28.

(39) 表 3-5 週次. 1. 2. 每週課程主題及授課內容. 課程主題. 授課內容. 1. 認識數位影像基本概念 2. 認識數位浮水印應用及重要性認識於嵌入浮水印時，影響嵌入後影像品質的因素. 1. 數位影像基本組成元素－像素 2. 數位影像的類別－黑白影像、灰階影像、彩色影像 3. 浮水印應用及重要性 1. 灰階及 RGB 三色調之深淺變化 2. 影像帄順區(Uniform Area)及複雜區(Busy Area) 3. LSB(Least Significant Bit)及 MSB(Most Significant Bit) 4. 影像打散技術－Toral Automorphism. 3. 1. 認識影像處理原理 2. 認識數位影像相似度及品質鑑定方法. 1. 6 種影像處理原理：模糊化、清晰化、對比增強、馬賽克、加雜訊、裁減 2. 數位影像相似度(NC)及品質鑑定方法(PSNR). 4. 1. 實作浮水印嵌入取出 1. 實作浮水印嵌入、影像處理、浮水印取出 2. 分組競賽 2. 進行分組競賽. 5. 問卷填寫及成就測驗. 1. 總結式學習問卷填寫 2. 實施成就測驗. 第五節資料分析本研究蒐集的資料可分為量化與質性兩類資料。量化資料包含資訊科學學習動機量表、數位浮水印學習問卷(封閉式問題)及數位浮水印成就測驗，以 IBM SPSS Statistics 19 軟體進行統計分析，使用描述性統計、成對樣本 t 檢定、獨立樣本 t 檢定、次數分配、百分比分析等統計方式；質性資料則包含數位浮水印學習問卷(開放式問題)及教師訪談等，以文字綜合整理歸納敘述。. 29.

(40) 第四章. 結果與討論. 本章將針對本研究之實驗結果加以分析及討論，包含資訊科學學習動機前後測結果、數位浮水印成就測驗、學習問卷及教師訪談等。. 第一節資訊科學學習動機分析一、學習動機的整體分析由表 4-1 得知，高二學生在以實驗策略進行數位浮水印教學後，其資訊科學學習動機的後測帄均(3.60)高於前測帄均(3.58)，接著以成對樣本 t 檢定判別其資訊科學學習動機的前後測分數是否有顯著差異。由表 4-2 得知，檢定結果未達顯著差異（t(281)= .781，p=.436 > α=.05），表示高二學生在資訊科學學習動機的前後測分數沒有顯著差異，亦即在以實驗策略進行數位浮水印教學後，並未提升高二學生的整體學習動機。表 4-1. 資訊科學學習動機前後測分數之描述性統計. 個數. 帄均數. 標準差. 帄均數的標準誤. 前測. 282. 3.58. .579. .035. 後測. 282. 3.60. .579. .034. 表 4-2. 資訊科學學習動機前後測分數之成對樣本 t 檢定. 來源. 帄均數. 標準差. 帄均數的標準誤. t. 自由度. 顯著性 (雙尾). 後測-前測. .024. .517. .031. .781. 281. .436. 二、學習動機的各向度分析 (一)內在目標導向向度由表 4-3 得知，高二學生在以實驗策略進行數位浮水印教學後，其內在目標導向向度的後測帄均(3.59)高於前測帄均(3.50)，接著以成對樣本 t 檢定判別其內在目標導向向度的前後測分數是否有顯著差異。由表 4-4 得 30.

(41) 知，檢定結果達顯著差異（t(281)=2.377，p=.018 < α=.05），表示高二學生在內在目標導向向度的前後測分數有顯著差異，亦即在以實驗策略進行數位浮水印教學後，顯著提升高二學生為達到精熟、挑戰、好奇而學習資訊科學的程度。表 4-3. 資訊科學學習動機前後測分數之描述性統計(內在目標導向) 個數. 帄均數. 標準差. 帄均數的標準誤. 前測. 282. 3.50. .695. .041. 後測. 282. 3.59. .682. .041. 表 4-4. 資訊科學學習動機前後測分數之成對樣本 t 檢定(內在目標導向). 來源. 帄均數. 標準差. 帄均數的標準誤. t. 自由度. 顯著性 (雙尾). 後測-前測. .091. .643. .038. 2.377. 281. .018*. *. p < .05 (二)興趣向度由表 4-5 得知，高二學生在以實驗策略進行數位浮水印教學後，其興趣向度的後測帄均(3.63)高於前測帄均(3.48)，接著以成對樣本 t 檢定判別其興趣向度的前後測分數是否有顯著差異。由表 4-6 得知，檢定結果達顯著差異（t(281)= 3.583，p < α=.001），表示高二學生在興趣向度的前後測分數有顯著差異，亦即在以實驗策略進行數位浮水印教學後，顯著提升高二學生學習資訊科學的興趣。表 4-5. 資訊科學學習動機前後測分數之描述性統計(興趣). 個數. 帄均數. 標準差. 帄均數的標準誤. 前測. 282. 3.48. .761. .045. 後測. 282. 3.63. .660. .039. 表 4-6. 資訊科學學習動機前後測分數之成對樣本 t 檢定(興趣). 來源. 帄均數. 標準差. 帄均數的標準誤. t. 自由度. 顯著性 (雙尾). 後測-前測. .150. .704. .042. 3.583. 281. .000***. ***. p < .001 31.

(42) (三)重要性向度由表 4-7 得知，高二學生在以實驗策略進行數位浮水印教學後，其重要性向度的後測帄均(3.78)高於前測帄均(3.76)，接著以成對樣本 t 檢定判別其重要性向度的前後測分數是否有顯著差異。由表 4-8 得知，檢定結果未顯著（t(281)=.437，p =.662 > α=.05），表示高二學生在重要性向度的前後測分數沒有顯著差異，亦即在以實驗策略進行數位浮水印教學後，未提升高二學生認為資訊科學重要性的程度。表 4-7. 資訊科學學習動機前後測分數之描述性統計(重要性). 個數. 帄均數. 標準差. 帄均數的標準誤. 282 282. 3.76 3.78. .656 .635. .039 .038. 前測後測. 表 4-8. 資訊科學學習動機前後測分數之成對樣本 t 檢定(重要性). 來源. 帄均數. 標準差. 帄均數的標準誤. t. 自由度. 顯著性 (雙尾). 後測-前測. .017. .635. .038. .437. 281. .662. (四)效用性向度由表 4-9 得知，高二學生在以實驗策略進行數位浮水印教學後，其效用性向度的後測帄均(3.60)低於前測帄均(3.70)，接著以成對樣本 t 檢定判別其效用性向度的前後測分數是否有顯著差異。由表 4-10 得知，檢定結果達顯著差異（t(281)=-2.402，p=.017 < α=.05），表示高二學生在效用性向度的前後測分數有顯著差異，亦即在以實驗策略進行數位浮水印教學後，高二學生認為資訊科學效用性的程度降低，應是因為數位浮水印專題僅為資訊科學中影像處理應用的一環，大部分學生未有較強烈感受數位浮水印於日常生活的應用。表 4-9. 資訊科學學習動機前後測分數之描述性統計(效用性). 個數. 帄均數. 標準差. 帄均數的標準誤. 前測. 282. 3.70. .694. .041. 後測. 282. 3.60. .706. .042. 32.