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數位心像旋轉遊戲對國小五年級學生空間能力之影響

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Academic year: 2021

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(1)國立臺灣師範大學資訊教育研究所. 指導教授:邱貴發. 博士. 數位心像旋轉遊戲對國小五年級學生空間能力之影響 Effects of Digital Mental Rotation Game on Fifth Graders’ Spatial Ability. 研究生:林彥江. 撰. 中華民國一○三年六月.

(2)

(3) 摘要 本研究探討國小五年級學生使用數位心像旋轉遊戲「翻轉小小兵」,對其空 間能力的影響。 研究採用單組準實驗設計。研究對象為台北市士林區某國小 33 名學生及台 北市信義區某國小 26 名學生。遊戲進行 80 分鐘,於連續的兩節課進行。實驗開 始前,先進行空間能力前測,結束後進行空間能力後測及空間學習態度及滿意度 問卷填寫。 研究結果顯示,台北市士林區國小學生後測成績退步,台北市信義區國小學 生後測成績進步,但兩間國小的進步或退步差異量數未達統計上的顯著差異。士 林區與信義區國小學生遊戲設計滿意度皆給予正向的回饋,且對於空間學習持正 向態度。學生學習態度與操作次數之間,及操作次數與學習表現之間皆具有顯著 關聯性,且發現操作次數較多的學生提供較多的空間學習遊戲設計建議。. 關鍵字:空間能力、心像旋轉能力、心像旋轉軟體、遊戲式學習. I.

(4) Abstract The purposes of this research were to develop a digital mental rotation game and to examine its influence on the change of spatial ability of fifth graders. Students’ attitudes toward the rotation game and the relationships among attitudes, operating frequency, and performance were also analyzed. A single group quasi-experimental design was implemented. 33 fifth grade students at Shilin district and 26 at Xinyi district participated in the experiment. The duration of experiment is 80 minutes. Research instruments included the digital mental rotation game, a spatial performance test, an attitude questionnaire, and a satisfaction questionnaire. single group quasi-experimental design The research results indicated that the performance scores of students at the Xinyi district are better than the performance sores of students at the Shilin district. However, there is no statistically significant difference between their scores. Both groups showed positive attitude toward the use of digital mental rotation training. Both groups also have positive satisfaction toward the mental spatial rotation training. As to the relationships among attitude, frequency, and performance, statistical significances were found between attitude and operating frequency (Cramer’s V =.805 and .864) and between operating frequency and performance (Cramer’s V =.938 and .641).. Keywords: spatial ability, mental rotation ability, mental rotation training software game-based learning. II.

(5) 誌謝 兩年前還蹲在營區思考要不要念研究所,思考研究所的必要性。最後,我發 現這個過程,勝過一切。 首先,感謝邱貴發老師的指導,在我遇到問題時,教導我、指引我,讓我的 研究生生涯學到的不只是專業知識,更多的是人生經驗及處事態度。 「學習獨立解決問題的精神,才是念研究所最重要的事情。」丹丹學長,你 的一席話至少影響了我兩年,我相信還會一直影響我下去。宇欣、小憋、小洛、 香菇及小丘學姊與 Shady 學長,謝謝你們帶給我這麼歡樂的研究生生活及學習上 的指導,這種學長學弟的氣氛是可遇不可求的。孫林學長謝謝你不厭其煩的幫我 解答問題,總是讓我茅塞頓開。帥、瑋萱、瓜布及密特,彼此互相激勵學習,更 重要的是彼此之間的友情,不可多得,甚至無須多講,彼此都了解了。你們是人 才,都會有自己的一片天空。相信未來我們仍能一起吃薩莉亞,一起講垃圾話。 李琦姚、嚕嚕林、蜜絲洪和 Jason,我無法兼顧的地方,謝謝你們的幫忙,更謝 謝你們的包容和容忍。 感謝一路上不吝嗇給予指導的師長們、口試委員們、協助我順利完成實驗的 老師們、同學們以及學弟妹們,謝謝你們給我這麼多的資源及幫助,讓我順利完 成研究。 最後要感謝親愛的老爸、老媽、帥哥及女朋友,沒有你們的支持,沒有你們 一路上的鼓勵與體諒,我想我無法順利完成學業。 研究生生活雖短暫,卻很燦爛,每一個身邊的人都影響著我,謝謝你們的支 持與幫助,在此與你們分享這份喜悅。 打完,剪頭髮。. III.

(6) 目錄 表目錄 .......................................................................................................................... V 圖目錄 ......................................................................................................................... VI 第一章 緒論 ................................................................................................................. 1 第一節 研究背景 ................................................................................................. 1 第二節 研究目的與待答問題 ............................................................................. 3 第三節 名詞釋義 ................................................................................................. 4 第四節 研究限制 ................................................................................................. 5 第二章 文獻探討 ......................................................................................................... 7 第一節 空間能力 ................................................................................................. 7 第二節 數位遊戲式學習 ................................................................................... 14 第三節 空間能力之實證研究 ........................................................................... 19 第四節 結語 ....................................................................................................... 26 第三章 研究方法 ....................................................................................................... 27 第一節 研究歷程 ............................................................................................... 27 第二節 研究對象 ............................................................................................... 29 第三節 數位心像旋轉遊戲設計 ....................................................................... 30 第四節 研究工具 ............................................................................................... 44 第五節 實驗程序 ............................................................................................... 46 第六節 資料蒐集與分析 ................................................................................... 48 第四章 結果與討論 ................................................................................................... 49 第一節 空間能力的學習成效 ........................................................................... 49 第二節 空間能力的學習態度 ........................................................................... 52 第三節 遊戲操作次數與學習態度 ................................................................... 63 第五章 結論與建議 ................................................................................................... 72 第一節 研究結論 ............................................................................................... 72 第二節 建議 ....................................................................................................... 74 參考文獻 ..................................................................................................................... 76 附錄一 空間能力訓練測驗卷-前測測驗卷 ......................................................... 84 附錄二 空間能力訓練測驗卷-後測測驗卷 ......................................................... 92 附錄三 空間能力訓練問卷 ................................................................................... 100. IV.

(7) 表目錄 表 2-1 表 2-2 表 2-3 表 2-4 表 2-5 表 2-6 表 2-7. 空間能力之定義 ................................................................................................ 8 空間能力之分類 .............................................................................................. 10 心像旋轉能力之定義 ...................................................................................... 12 心像旋轉作業 .................................................................................................. 13 數位遊戲式學習之研究統計 .......................................................................... 14 性別差異與空間能力之研究 .......................................................................... 20 年級差異與空間能力之研究 .......................................................................... 21. 表 2-8 表 3-1 表 4-1 表 4-2 表 4-3 表 4-4 表 4-5 表 4-6 表 4-7 表 4-8. 遊戲式空間能力學習實證研究 ...................................................................... 25 預試設計 .......................................................................................................... 28 士林區國小兩個班級之描述統計 .................................................................. 49 士林區國小兩個班級之獨立樣本 t 檢定 ....................................................... 50 士林區國小兩個班級合併後之描述統計 ...................................................... 50 士林區國小兩個班級合併後之相依樣本 t 檢定 ........................................... 50 信義區國小之描述統計 .................................................................................. 51 信義區國小之相依樣本 t 檢定 ....................................................................... 51 士林區國小對空間能力的認識程度 .............................................................. 53 信義區國小對空間能力的認識程度 .............................................................. 53. 表 4-9 立體空間對士林區國小之難易程度 .............................................................. 55 表 4-10 立體空間對信義區國小之難易程度 ............................................................ 55 表 4-11 士林區國小對學習遊戲的態度 .................................................................... 57 表 4-12 信義區國小對學習遊戲的態度 .................................................................... 57 表 4-13 士林區國小對學習遊戲設計的滿意度 ........................................................ 59 表 4-14 信義區國小對學習遊戲設計的滿意度 ........................................................ 59 表 4-15 士林區國小學習態度與操作次數描述性統計 ............................................ 63 表 4-16 士林區國小學習態度與操作次數交叉分析 ................................................ 63 表 4-17 士林區國小學習態度與操作次數交叉分析列表 ........................................ 64 表 4-18 表 4-19 表 4-20 表 4-21 表 4-22 表 4-23 表 4-24 表 4-25. 信義區國小學習態度與操作次數描述性統計 ............................................ 64 信義區國小學習態度與操作次數交叉分析 ................................................ 64 信義區國小學習態度與操作次數交叉分析列表 ........................................ 65 士林區國小操作次數與學習表現描述性統計 ............................................ 65 士林區國小操作次數與學習表現交叉分析 ................................................ 66 士林區國小學習態度與操作次數交叉分析列表 ........................................ 66 信義區國小操作次數與學習表現描述性統計 ............................................ 66 信義區國小操作次數與學習表現交叉分析 ................................................ 67. 表 4-26 信義區國小學習態度與操作次數交叉分析列表 ........................................ 67. V.

(8) 圖目錄 圖 3-1 圖 3-2 圖 3-3 圖 3-4 圖 3-5 圖 3-6 圖 3-7. 遊戲流程圖....................................................................................................... 33 關卡選擇畫面及得分回饋畫面....................................................................... 34 第一大關操作畫面及遊戲目標提示............................................................... 35 第一大關破關提示及得分畫面....................................................................... 36 第二大關操作畫面........................................................................................... 37 第二大關遊戲目標提示畫面........................................................................... 37 第二大關破關提示畫面................................................................................... 38. 圖 3-8 第三大關操作畫面........................................................................................... 38 圖 3-9 第三大關遊戲目標提示畫面........................................................................... 39 圖 3-10 第三大關操作畫面......................................................................................... 39 圖 3-11 遊戲破關提示畫面 ......................................................................................... 40 圖 3-12 第四大關操作畫面......................................................................................... 41 圖 3-13 第四大關遊戲目標提示畫面......................................................................... 42 圖 3-14 第四大關破關提示畫面................................................................................. 42 圖 3-15 台北市士林區國小五年級學生實驗程序流程圖......................................... 46 圖 3-16 台北市信義區國小五年級學生實驗程序流程圖......................................... 47. VI.

(9) 第一章 緒論 本章分為四節,分別敘述研究背景、研究目的與待答問題、名詞釋義及研究 限制。. 第一節 研究背景 空間能力已經發展成一個非常明確的研究領域 (Sorby, 1999)。空間能力是指 能了解物體的形狀、彼此的相關性,及移動的軌跡 (Newcombe, 2013)。空間能力 包含三個子能力:心像旋轉、空間感知及空間視覺 (Linn & Peterson, 1985)。本研 究之空間能力針對心像旋轉能力。 Hung、Hwang、Lee與Su (2012)表示空間能力會影響日常生活中是否能夠順 利地解決問題,若缺乏空間能力,人類將無法辨認現實生活中物體的位置、大小、 方向、距離及形狀。Sorby (1999)及Hinze、Williamson、Shultz、Williamson、 Deslongchamps與Rapp (2013)皆指出,視覺化能力及心像轉換能力不僅對於科學、 科技、工程及數學具有高度影響,也是影響職涯發展的重要因素。隨著影像及電 腦繪圖的發展,空間視覺能力更趨重要。Newcombe與Frick (2010)說明空間思維 能力是可以被後天訓練的。而多數的心像訓練皆針對物體投射、摺紙以及立體圖 等項目的轉換,都在訓練三維圖型的心像轉換,這些訓練空間能力的方式皆需具 備良好的手眼協調,方能達到較好的訓練效果 (Cuendet, Jermann, Arn & Dillenbourg, 2011)。 學者將影響學生玩遊戲的動機分成三個:高度投入遊戲情境、目標導向,以 及自我約束 (Miller & Robertson, 2010)。其中,目標導向又包含學習者學習新事 物的動力及向同儕證明自己能力的欲望。自我約束則為學習者主動參與活動之原 因。上述原因都是教學者在發展學習遊戲時必須考慮的面向。 Hung 等人 (2012)的研究顯示使用適當的遊戲,不僅可以讓學生在做中學, 親身體驗遊戲中的樂趣,更有機會讓學生將所學應用到現實的生活當中,可同時 滿足有趣的學習,以及達到特定的學習目標與成效。Masayuk、Noboru、Katsuhide、 1.

(10) Shinjiro 與 Yutaka (2012)亦說明將學習與遊戲結合可讓學生有更多的動力,並營造 更有效的學習環境。學者指出為了避免增加學生負擔,應設計簡單、易於操作的 遊戲,避免複雜的操作技巧 (Hung et al., 2012)。Miller 與 Robertson (2010)使用 Kawashima 所開發的 Brain Training 作為學生腦力訓練的工具,並發現腦力訓練對 於學生的自尊有正向的效果。Mackey、Hill、Stone 與 Bunge (2011)認為認知功能 之訓練於孩童時期可獲得較大之影響。Hung 等人 (2012)、 Mackey 等人 (2011), 以及 Miller 與 Robertson (2010)的研究皆針對 7-10 歲的孩童進行腦力訓練,甚至 期望在未來可以增進孩童在學的成績。 綜合上述研究,人類的腦力訓練一直具有高度研究價值,其中孩童的空間能 力更是值得探討。如能在教材設計上結合遊戲的元素,教材應可提高學生的專注 力與達到訓練目標。本研究探討數位心像旋轉遊戲對國小五年級學生學習空間能 力之影響。. 2.

(11) 第二節 研究目的與待答問題 本研究的目的在檢驗數位心像旋轉遊戲對國小五年級學生之空間能力的影 響。 根據以上的研究目的,提出的待答問題如下: 一、數位心像旋轉遊戲「翻轉小小兵」對國小五年級學生空間能力之影響為何? 二、國小五年級生對使用「翻轉小小兵」進行空間能力訓練的態度為何? 三、學生操作「翻轉小小兵」之學習態度、操作次數與學習表現間之關係為何?. 3.

(12) 第三節 名詞釋義 一、空間能力 本研究之空間能力僅針對心像旋轉能力,實驗參與者能夠在腦中進行影 像之旋轉,並能夠在腦中想像從不同視角觀察立體圖像時所呈現之視圖。本 研究使用由 Guay (1977)所發展的 Purdue Spatial Visualization Tests 檢驗實驗 參與者之心像旋轉能力。 二、數位心像旋轉遊戲 本研究使用之數位心像旋轉遊戲是指實驗參與者透過操作電腦遊戲「翻 轉小小兵」進行心像旋轉能力學習,遊戲過程可針對遊戲畫面中之影像進行 單軸或雙軸之操作,提供實驗參與者物體不同視角,輔助並引導實驗參與者 進行空間能力之學習。. 4.

(13) 第四節 研究限制 本研究有下列的研究限制: 一、研究參與者之限制 因研究者非在職教師,受限於人力及物力,故本研究採方便取樣,以台北市 某兩所國民小學共三個班級之五年級學生作為實驗對象。若要將研究結果推論於 其他實驗對象,需再擴大實驗母群體與樣本並做進一步之探討分析。 二、教材內容限制 本研究僅針對空間能力中的心像旋轉能力,因此實驗教材與工具皆針對心像 旋轉能力進行設計,若要將研究結果推論或應用至空間能力之其他子能力,需進 一步探討分析。 三、實驗的限制 本研究需使用電腦設備進行實驗,故需與學校商借可供實驗之課堂與電腦教 室使用時間。經多次與學校協調後,每一個受試班級皆有兩堂課之時間可進行實 驗,並分配於三周內完成。由於未能長時間進行探究,本研究之結果僅能針對接 受短時間之空間能力學習成效和態度進行推論。. 5.

(14) 6.

(15) 第二章 文獻探討 本章分為四節,第一節先對空間能力進行定義;第二節探討數位遊戲式學習; 第三節分析空間能力之實證研究;最後根據上述文獻做總結,並做為研究者進行 研究與教學實施的依據。. 第一節 空間能力 本節探討空間能力之定義與內涵,並針對空間能力進行分類與分析,最後對 心像旋轉能力進行定義與說明。分述如下: 一、 空間能力之定義 空間能力已發展成一個明確的研究領域 (Sorby, 1999),但各個學者仍對空間 能力有不同的定義及看法。 部分學者較注重於是否能夠將物體或影像於腦中進行旋轉及操弄,例如 Thurstone (1938)所提出七項人類的基本心理能力中,包含了空間視覺化 (spatial visualization)。他認為空間能力是能在腦中記住一個圖像,並在腦中進行扭轉及旋 轉等動作。 Kelly (1928)認為是一種視覺形式的認知與記憶,並且具有操作心像 的能力。 Sorby (2007)則將空間能力解釋為能夠在腦中視覺化物體及其狀態,並 對該影像進行操作。 也有學者較著重於辨識空間中物體的形狀以及空間中物體之間的關係等。例 如李琛玫(民 85)認為空間能力是準確的辨識與觀察圖形的能力。張秋燕(民 97)表示空間能力是能夠辨認出物體在改變方位後仍能辨認出物體之特性、能從 特定視角辨認出該物體之特性及成像,以及能在心像上察覺物體的整體性與局部 性結構。Newcombe 和 Shipley (2012)認為空間能力為能夠辨識物體的形狀,了解 該物體進行放大與縮小等變形後之狀態,及了解物體在空間中之關係,在物體移 動後仍能清楚了解物體彼此之間的關係。 還有學者認為空間能力包含對空間的邏輯或推理等其他認知功能。例如康鳳 梅(民 95)認為空間能力包含感觀、記憶、邏輯思考以及創造性空間思考能力。 7.

(16) Linn 與 Petersen (1985)則解釋空間能力是一種空間知覺、概念、表徵以及推理之 轉換能力。 整理上述之國內外學者針對空間能力之定義依年份列表如表 2-1: 表 2-1 空間能力之定義 年分 姓名 1928 1938. Kelly Thurstone. 1967. Guilford. 1971 1979. Shepard & Metzler Lohman. 1983. Gardner. 1985 1985 民 84. Linn & Petersen Lord 蔣家唐. 民 85 民 95 2008. 李琛玫 康鳳梅 張秋燕. 2007 2012. Sorby Newcombe & Shipley. 定義 一種視覺形式的認知與記憶,並且具有操作心像的能力。 在腦中記住一個圖像,並在腦海中進行扭轉及旋轉等動 作。 在腦裡想像物體的旋轉,以及能夠了解空間中物體位置改 變之關係,甚至想像將物體展開或摺起後的平面圖與立體 圖的能力。 透視圖像變化。 空間能力並非單一能力,而是由一種上至下架構組成且包 含保留和轉換抽象視覺圖像的能力。 自不同角度看物體,並且描繪二維空間平面圖像及三維空 間立體圖像之認知能力。 一種空間知覺、概念、表徵以及推理之轉換能力。 人在思考時產生心像,並轉換心像的能力。 辨識圖形以及操控圖形的能力,以及在心像中進行轉換的 能力。 準確的辨識與觀察圖形並在腦中進行操弄的能力。 包含感觀、記憶、邏輯思考以及創造性空間思考能力。 在物體改變方位之後仍能辨認出物體之特性、能從特定視 角辨認出該物體之特性及成像,以及能在心像上察覺物體 的整體性與局部性結構。 在腦中視覺化物體以及其狀態,並對該影像進行操作。 辨識物體的形狀並了解該物體進行放大與縮小等變形後 之狀態,以及了解物體在空間中之關係並在物體移動後仍 能清楚了解物體彼此之間的關係。. 根據上述國內外學者針對空間能力之定義發現,儘管分析層面不同,多數學 者將空間能力分為兩個面向進行定義與分析,分別是能夠於腦海中進行物體或影 像的旋轉、扭轉或操弄及能夠辨識空間中物體的空間關係。 本研究將空間能力之範疇歸納為能夠辨識空間物體間之位置、大小、形狀及. 8.

(17) 不同視角之成像等關係,並且能夠在腦海中對二維及三維物體進行旋轉、扭轉、 放大縮小等操弄之能力。 二、 空間能力之分類 學者在定義空間能力的同時,也對空間能力進行分類,以便更精確的了解空 間能力的不同面向。 Piaget (1952)將空間能力發展分為能夠辨識物體間遠近及物體間排序等關係、 能夠視覺化三維物體並認知到不同角度觀看物體時成像之不同,以及針對面積、 體積及距離進行旋轉或映射之動作三個階段。Linn 和 Petersen (1985)將空間能力 分為 (1)空間感知 (spatial perception):辨別自己與空間關係的能力, (2)心像旋 轉 (mental rotation):二維與三維的心像旋轉,及 (3)空間視覺 (spatial visualization):分析多步驟且複雜的空間資訊。 Tartre (1990)將空間能力分為空間視覺以及空間定位兩者。前者為能在心裡移 動物體,後者代表能夠在心裡移動自己的視角。Maier (1994)則將空間能力分成 5 個元素,分別為空間感知、空間視覺、心像旋轉、空間關係 (spatial relations)及 空間定向 (spatial orientation)。宋嘉恩(民 96)則分為四個面向進行討論: (1) 空間移動旋轉能力:能夠辨識二維及三維空間之圖形, (2)空間視覺想像能力: 利用推理能力想像或透視圖形的特性與關係, (3)空間方位辨識能力:能夠辨識 基本的方位與物體的相對位置, (4)空間方位應用能力:能夠解決日常生活中空 間方位的問題。 針對上述各個學者對空間能力之分類,歸納整理如表 2-2:. 9.

(18) 表 2-2 空間能力之分類 年分 姓名 1952. Piaget. 1985. Linn & Petersen. 1990. Tartre. 1994 民 96. Maier 宋嘉恩. 分類 辨識物體間遠近及物體間排序等關係、視覺化三維物體並 認知到不同角度觀看物體時成像之不同、針對面積、體積 及距離進行旋轉或映射之動作三個階段。 空間感知:辨別自己與空間關係的能力。 心像旋轉:二維與三維的心像旋轉。 空間視覺力:分析多步驟且複雜的空間資訊。 空間視覺:能在腦裡移動物體。 空間定位:能夠在腦裡移動自己的視角。 空間感知、空間視覺、心像旋轉、空間關係及空間定向。 空間移動旋轉能力:能辨識和記憶二度與三度空間之圖 形。 空間視覺想像能力:利用推理想像或透視圖形的特性和關 係。 空間方位辨識能力:辨識基本方位和物體的相對位置。 空間方位應用能力:解決日常生活中空間方位的問題。. 根據上述整理之空間能力之分類,本研究將空間能力之分類歸納為: 1.. 空間感知:辨別二維及三維空間中物體間之關係。. 2.. 空間視覺:能夠將三維物體視覺化並了解不同視角之影像。. 3.. 心像旋轉:在腦中進行影像之旋轉及操弄。. 三、 心像旋轉能力 由上述國內外學者的研究可知,即使各學者對於空間能力有不同的定義,但 多數學者皆將「心像旋轉能力」視為空間能力中的一項重要子能力。劉屾垚(民 96)表示,相較於其他空間子能力的因素,心像旋轉能力是空間能力的重要表徵 之一。與其他空間子能力比較,心像旋轉對學科之影響是較大的,例如:畫圖、 幾何和化學分子間鏈結的關係,以及科學、科技、工程和數學等學科 (Maeda & Yoon, 2013)。人類生活中也經常應用到心像旋轉能力,例如地圖與方位的判讀、 物品的擺放、拼圖、俄羅斯方塊、樂高積木堆疊以及魔術方塊等,都是心像旋轉 能力的應用(劉屾垚,民 96)。然而,每個人的心像旋轉能力不同,有些人可以 容易的「轉動」腦海中的影像;有的人則在稍微複雜的圖形擺在眼前時,只要有. 10.

(19) 點角度不同,就分辨不出來(韓承靜、洪蘭、蔡介立,民 99)。 施幸玟(民99)在擔任國小高年級的授課老師時也發現,孩童樂於接觸空間 旋轉相關的遊戲,包含拼圖及魔術方塊等玩具,且這類的遊戲經驗對於孩童的心 像旋轉能力以及空間能力都是有幫助的。但是在課程中卻缺乏相關的指導,因此 國小高年級孩童在空間旋轉能力上所具備的能力與表現是值得探究的議題。 接下來整理各學者對心像旋轉能力之不同的定義並進行分類說明。部分學者 著重在是否能夠於腦中進行影像的操弄,例如Shepard與Metzler (1971)將心像旋轉 定義為物體在心中作連續性的轉變歷程,故心像旋轉是一種在空間中想像物體旋 轉的能力。陳薇如、莊昀芳與陳敏生 (2013)將心像旋轉視為一種在腦海中進行物 體旋轉的能力,意即如何將視覺捕捉到的圖像進行自行想像和旋轉的過程。其中, 更解釋心像旋轉是旋轉腦海中的圖像能力。Maeda與Yoon (2013)認為心像旋轉能 力是一個藉由空間視覺在腦海中旋轉和轉換平面影像以及立體物體的一個認知 過程。 有學者特別針對空間中二維及三維的影像及物體進行說明,如施幸玟(民99) 認為該能力包含將一個二維及三維的物體依照特定的中心軸進行特定角度的旋 轉,因此將心像旋轉能力定義為能夠透過在腦中操弄二維及三維圖像的旋轉或翻 轉、能夠辨識旋轉後的二維或三維圖像,並且能夠在腦中想像由不同視角觀察立 體圖像的視圖。李建璋(民100)表示心像旋轉能力是一種在腦中對物體作想像 性的旋轉能力,也就是能夠在腦中對二維平面圖型以及三維立體物體進行旋轉、 翻動以及移動的能力。 針對上述各個學者對心像旋轉能力之分類歸納整理如表2-3:. 11.

(20) 表 2-3 心像旋轉能力之定義 年分 姓名 1979 Shepard 與 Metzler 民 99 施幸玟. 民 100. 李建璋. 民 102. 陳薇如、莊 昀芳、陳敏 生 Maeda 與 Yoon. 2013. 定義 針對物體的在腦中作連續性的轉變歷程,故心像旋轉是一 種在空間中想像物體旋轉能力。 將一個二維及三維的物體依照特定的中心軸進行特定角 度的旋轉、能夠透過在腦中操弄二維及三維圖像的旋轉或 翻轉、能夠辨識旋轉後的二維或三維圖像,以及能夠在腦 中想像由不同視角觀察立體圖像的視圖。 在腦中對物體作想像性的旋轉能力,也就是能夠在腦中對 二維平面圖型以及三維立體物體進行旋轉、翻動以及移動 的能力。 一種在腦中進行物體旋轉的能力,意即如何將視覺捕捉到 的圖像進行自行想像和旋轉的過程。 心像旋轉能力是一個藉由空間視覺在腦中旋轉和轉換平 面影像以及立體物體的一個認知過程。. 根據上述整理之心像旋轉能力之定義,本研究將心像旋轉能力之定義歸納為 在腦中辨識二維及三維之影像,並進行旋轉以及扭轉操弄等動作。 針對心像旋轉能力之處理過程,Shepard與Metzler (1971)的研究認為心像旋轉 過程可分為四階段,分別是將圖像進行編碼、在腦中進行旋轉影像、將看見的影 像與腦中轉換過後的影像進行比對,以及最後做出反應。 Copper (1975)認為心像旋轉能力的心像運作過程分為兩階段,受試者先對一 個參考軸進行簡單的旋轉,接著再依圖形各個部份相對於參考軸的相對空間關係 重新建構出來。 韓承靜、洪蘭與蔡介立(民99)則簡單的將心像旋轉作業定義為比較角度不 同的兩個物體是否為相同的物體。趙世範(民101)說明心像旋轉作業是測量人 們在想像空間中物體旋轉到不同定位的所需時間,並將所需時間與物體旋轉角度 進行分析。 針對各個學者對心像旋轉作業之說明,將其歸納整理如表2-4:. 12.

(21) 表 2-4 心像旋轉作業 年份 姓名 Shepard 與 1971. 1975. 民 99 民 101. 說明 心像旋轉作業過程可分為四階段,分別是將圖像進行編 碼、在腦中進行旋轉影像、將看見的影像與腦中轉換過 Metzler 後的影像進行比對,以及最後的做出反應。 心像旋轉能力的心像運作過程分為兩階段,先對一個參 Copper 考軸進行簡單的旋轉,接著再依圖形各個部份相對於參 考軸的相對空間關係重新建構出來。 韓承靜、洪蘭 心像旋轉作業定義為比較角度不同的兩個物體是否為相 同的物體。 與蔡介立 心像旋轉作業是測量人們在想像空間中物體旋轉到不同 趙世範 定位的所需時間,並將所需時間與物體旋轉角度進行分 析。. 根據上述學者對心像旋轉的處理過程,本研究將其歸納為先對空間中物體進 行觀察及分析,進行單軸或雙軸的旋轉,比對腦海中旋轉過後的影像及做出反 應。 綜觀以上學者針對空間能力之定義與空間能力之分類後可發現,即使定義尚 未取得一致之方向,但是否能夠在腦中進行影像之操作無疑是空間能力重要的指 標之一。學者針對心像旋轉能力進行定義與流程分析後,了解到心像旋轉能力不 僅針對二維影像進行檢驗,更進一步分析是否能夠在腦中進行三維影像之操作。 本研究透過提供學習者三維物體旋轉的過程,期望能培養學習者在腦中進行心像 旋轉的能力。. 13.

(22) 第二節 數位遊戲式學習 根據 Hwang 與 Wu (2012)所蒐集之統計數據,可發現 2006 年至 2010 年針對 數位遊戲式學習發表的研究數量是 2001 至 2005 年的四倍,顯示了數位遊戲式學 習是越來越被重視 (如表 2-5)。另外,將近 40%的研究是針對非特定學科,表示 對於數位遊戲式學習影響學生的動機、認知及態度等領域有較高的興趣,而後才 是探討數位遊戲式學習對電腦工程、科學及語言等專業科目表現之影響。Miller 與 Robertson (2011)也表示近年的教育遊戲慢慢將專注度從成績表現轉到學生學 習過程中的態度等。 表 2-5 數位遊戲式學習之研究統計 學科 科學 數學 時間. 語言/ 藝術. 社會 科學. 電腦 工程. 其他. 非特定 學科. 共計. 2001-2005. 2. 1. 7. 0. 5. 2. 9. 26. 2006-2010 加總. 12. 8. 8. 9. 15. 12. 47. 111. 14. 9. 15. 9. 20. 14. 56. 137. 數位遊戲式學習的問題之一是如何取得適當的遊戲,同時兼顧有趣的學習, 及達到特定的學習目標與成效 (Hung et al., 2012)。 若要將市面上現成的遊戲帶進教室,利用這類現成的遊戲進行教學,品質上 的維護不僅是一大問題,遊戲若未經過謹慎的審核,便無法確保學習目標是否能 夠準確的與遊戲內容結合 (Miller & Robertson, 2010)。 Kirriemuir 與 McFarlane (2004)指出若要將市面上主流遊戲運用於課堂上,可 能遭遇的困難包含老師不易將遊戲學習與課程連結、遊戲內容是否適合運用於課 堂上、如何說明教育遊戲的優缺點、教學者缺乏足夠時間熟悉遊戲、及當發現遊 戲內容包含和課程不相關的內容時無法進行更動等問題。 一、 數位學習遊戲設計 如何針對學習目標設計合適的學習遊戲,在有趣與學習目標間找到平衡點是. 14.

(23) 重要的設計議題。 許多學者致力於發展簡單、易操作的遊戲,而非直接使用市售的遊戲,目的 是避免太過於複雜的設計,減輕學生的認知負荷。研究發現教育遊戲應盡量避免 繁複的動作,應以簡單的操作介面提升學習效果 (Hung et al., 2012)。 良好的學習遊戲設計,可幫助學生在學習環境中,達到好的學習效果。Shin、 Sutherland、Norris 與 Soloway (2012)整理過去的文獻後表示好的數位教育遊戲必 須包含明確的學習目標/規則 (goal/ rules)、學習者可控制因素 (learning control)、 有挑戰性的任務/回饋 (challenge tasks/ feedback)、重複性動作 (repetition)。以下 分別整理敘述: 1.. 明確的學習目標/規則:提供學習者明確的學習目標以及明確的規則。規 則說明學習者如何在遊戲環境下達到遊戲的目標。. 2.. 學習者可控制的因素:遊戲須提供學習者藉由過去的學習方式、策略、 經驗以及先備知識,能夠控制遊戲過程以及部分的遊戲元素,甚至遊戲 環境。學生可以控制遊戲中部份因素讓學生與遊戲之間有互動,能夠創 造個人化的學習環境,同時可以提升學生學習的動機。. 3.. 有挑戰性的任務/回饋:遊戲必須提供比學習者已獲得的經驗更有挑戰性 的問題,同時也必須提供回饋讓學生有動力完成遊戲目標。適當的遊戲 回饋可以鼓勵學習者繼續完成遊戲,同時讓學習者了解並評估自己當下 的表現與遊戲設定的目標之間的差距,以及是否必須更加努力以獲得更 好的表現完成目標。. 4.. 適當的重複性動作:遊戲必須有適當的重複進行的動作,讓學習者可以 藉由試誤法評估自己的表現,鼓勵自己持續努力以達到遊戲設定的目標 或獲得更好的表現。. Kirriemuir 與 McFarlane (2004)針對設計教育遊戲時經常犯的錯誤分類整理如 下: 1.. 和市面上的遊戲相比,設計過於簡單。 15.

(24) 2.. 過多的重複動作導致遊戲變得無趣。. 3.. 學習任務設計不佳,學習者無法有效學習。. 4.. 內容設計過於單調,僅針對單一技巧重複練習。. 5.. 玩家在遊戲過程中感受到強迫的學習感而感到壓力。. Marne、Wisdom、Bamg 與 Labat (2012)表示若由遊戲設計師來設計,可能因 為對專業學科知識不了解,可能發生遊戲的娛樂性很高,但是遊戲的知識傳達效 果不佳;若由教學者設計,由於不了解遊戲特性,可能發生娛樂性質過低,導致 學生的學習動力不足。 二、 數位遊戲式學習之特性 Csíkszentmihályi 提出心流 (flow)的概念,認為心流是學習者或玩家完全沉浸 在活動當中,專注在達成目標,因為高度的專注而出現迷失自我的情形。Kirriemuir 與 McFarlane (2004)表示在心流狀態下,玩家通常可以解決意想不到的任務,並 獲得極高的愉快和認同感。 利用學生玩遊戲的過程,教學活動的中心由教學者逐漸轉變為學習者,「學 習者為中心」的學習也隨之形成,讓學生做學習過程的主人,並且藉由關卡的設 計,達到遊戲學習的目的(王敬詠,民 101、吳佳佳,民 96)。若在遊戲的過程 中增強學習者的學習動機及學習興趣,學習者便可投入學習內容當中,達到教學 者期望的目標(吳佳佳,民 96)。 Prensky (2007)提出 12 項遊戲特性,並說明這些遊戲特性有可能提高學習者 投入學習遊戲的程度,敘述如下: 1.. 娛樂性 (fun):遊戲提供學習者歡樂的學習環境,讓學習者享受學習的 過程並感到愉快。. 2.. 遊玩性 (play):具備遊戲的性質,帶給玩家動機以及高度的樂趣。. 3.. 規則性 (rules):提供玩家可遵循的規則,讓學習者可以進行組織並進行 遊戲。. 4.. 目標性 (goal):具備明確的目標任務,指引玩家在規則內完成目標。 16.

(25) 5.. 互動性 (interactive):提供玩家對遊戲的操作及設定,與遊戲進行互動 並建立個人化的環境。. 6.. 結果與回饋 (outcomes and feedback):給予學習者不同的結果與回饋, 讓學習者了解進度。. 7.. 適性化 (adaptive):依照學生不同的能力給予不同的遊戲難度。. 8.. 勝利感 (win state):提供學習者勝利的經驗以及滿足感。. 9.. 衝突、競爭、挑戰與對手 (conflict/ competition/ challenge/ opposition): 讓學習者在遊戲的過程中感到興奮。. 10. 問題解決 (problem solving):在遊戲的過程中提供不同的問題,激發玩 家的創造力。 11. 社會互動 (interaction):玩家可以在過程中組織社群,於遊戲世界中與 現實生活產生互動。 12. 圖像與故事性 (representation and story):透過圖像以及故事情節,讓學 習者產生情感。 若將傳統教學與遊戲式學習進行比較,傳統學習多注重在單獨細項的學 習目標,遊戲學習可提供較宏觀的角度看學習遊戲的過程 (Kiili, 2007)。Hogle (1996)表示數位遊戲式學習可以提升學習者的興趣及動機、增進較高層次的 思考、重複練習操作以及推理能力。同時更提出數位遊戲式學習具備的優點, 詳述如下: 1.. 提高學生的動機及興趣:藉由適當的挑戰、引人好奇的故事、精美的畫 面以及提供玩家可以控制遊戲的機制,提高學生的內在動機,並獲得成 就感。. 2.. 延長學生對學習內容的記憶:過去的文獻皆指出,學生透過教育遊戲學 習可以比傳統教室學習更有效率,並且可以延長記憶的時間。. 3.. 增進推理能力及高層次思考:學習者在遊戲中運用各種策略解決問題並 做出決定,提升學習者問題解決能力。 17.

(26) 4.. 重複練習操作與回饋:相較於傳統學習,數位遊戲可以提供較有趣的內 容,並即時的提供回饋,避免學習者因為重複操作而降低學習興趣。 遊戲式學習營造出有趣且輕鬆的學習環境,可加深學習者的印象及專注. 力,同時能夠協助學習者於課後依照個人學習步伐進行學習(王敬詠,民 101)。 教育遊戲可以提升玩家的興趣,並在過程中保持好的態度 (Kiili, 2007)。玩 家可藉由試誤法知道目前運用的策略是否可以達到遊戲要求的目標,並且盡 快修正。玩家之間彼此進行遊戲心得及策略交換時,同時也是知識的交換與 討論。上述這些做中學的學習方法,都可以有效的促進學習。 綜合上述研究,數位遊戲學習已經漸漸被大眾所接受。在選擇教學工具 方面,若要引用市面上現成的遊戲作為教學工具,必須慎選;若要針對教學 內容進行設計,亦必須在遊戲特性及機制與學習目標中取得平衡點,才能將 數位遊戲學習的優點及學習效果發揮到最大。. 18.

(27) 第三節 空間能力之實證研究 本節先對過去空間能力之研究進行分析,接著針對遊戲式空間學習研究進行 案例探討。 一、 空間能力學習之實證研究 將過去的空間能力實證研究進行分類後,發現學者對於性別差異及年級差異 進行之研究最多。以下分類敘述。 (一)、 性別差異 針對性別差異之研究,一般社會上普遍存在男性的空間能力比女性的空 間能力好,可能導致的因素包含基因遺傳、荷爾蒙分泌、大腦發展、思考模 式或後天經驗與教育等,因此學者針對各個面向進行探討。 Guay 與 McDaniel (1977)針對國小學童空間能力與數學成就、性別差異以 及年級進行探究,發現男生在三維圖像之心像旋轉能力表現優於女生,但在 平面空間能力則沒有顯著差異。 Linn 與 Petersen (1985)利用後設分析方法探討空間能力與性別差異之間 的關係,發現並非全部的空間能力項目皆存在男生優於女生之情形,在部分 空間能力子項目中沒有顯著差異。但值得注意的是在心像旋轉項目裡,仍是 男生優於女生。 Battisata (1990)對高中生進行空間視覺能力及性別差異之研究,發現男生 之空間視覺表現優於女生,並說明男生多透過心像旋轉結合視覺與思考的方 式解決問題,女生則多使用畫圖的方式來解決問題。不僅說明了男女生空間 能力之差異,更進一步指出了男女生在解決空間能力問題時策略之不同。 相較於上述性別差異在空間能力表現中有顯著差異的研究,Michalis (2003)對國小五、六年級及七、八年級學童進行空間旋轉測驗,研究結果發現 無論在二維及三維之表現中,男女生並無顯著差異。馮雅惠(民 94)對國小 六年級學生進行空間能力與數學幾何成就之相關研究也發現,男女生的整體. 19.

(28) 空間能力未達顯著差異,且三維空間旋轉也未達顯著差異。 張秋雁(民 97)針對國小學童空間能力進行研究,發現性別差異並未在 空間能力表現中有明顯不同,在立體旋轉項目中亦未達顯著。 上述各個學者對性別差異與空間能力表現之研究,歸納整理分為性別差 異有顯著以及無顯著兩項,如表 2-6: 表 2-6 性別差異與空間能力之研究 研究 研究者 (年份) 論點 Guay & McDaniel (1977) 男女 Linn & Petersen 生有 (1985) 顯著 差異 Battisata (1990). Michalis (2003) 男女 生無 馮雅惠(民 94) 顯著 差異 張秋雁(民 97). 分析觀點. 研究結果與發現. 男生在三維圖像之 數學成就及性別與空間能 心像旋轉能力表現 力之關係。 較女生優。 利用後設分析,探討空間能 在心像旋轉面向,男 力與性別之間之關係。 女生有顯著差異。 男生在空間視覺方 針對 45 位高中學生進行性 面優於女生,同時也 別差異與空間視覺能力之 發現解題策略之不 研究。 同。 對五、六、七及八年級進行 無論小學或中學皆 空間旋轉能力以及性別差 無性別差異。 異之探討。 針對國小六年級學生性別 空 間 能 力 表 現 以 及 對空間能力與數學能力進 空 間 旋 轉 能 力 皆 無 行研究。 性別差異。 性別差異在整體空 針對國小一至六年級進行 間能力以及空間旋 空間能力探究。 轉能力上皆無顯著。. 根據上述之研究,性別差異與空間能力表現之關係尚未有一致之結果, 但大致呈現男生空間能力優於女生或是兩者無顯著差異。 (二)、 年級差異 多數研究在討論性別差異時,也將學生之在學年級作為一項重要的考量 因素,探討在不同年級中,學生的空間能力是否有改變。以下將針對國內外 之學者對學生年級不同之空間能力表現進行分析與整理。 20.

(29) Guay 與 McDaniel (1977)針對二至七年級學生進行空間能力與數學成就 進行探究,並發現在高層次與低層次的能力測驗中,不同年級皆具顯著差異。 其中,學生的空間能力表現隨著年級的增加而進步。Michalis (2003)年針對國 小五、六、七及八年級進行空間旋轉能力之測驗與分析。結果顯示國中學生 的空間旋轉能力明顯優於國小學生。 林浚傑(民 96)針對 541 位一至六年級之學童進行平面視覺空間能力測 驗。研究結果發現在不同年級之間,平面視覺空間能力有顯著差異,且差異 會隨著年級的增加而擴大。張秋雁(民 97)發現國小一到六年級之間之平面 空間能力表現並不一致,且空間能力會隨著年級的增加而增強,更發現在一、 二年級之間的空間能力會呈現快速成長。施幸玫(2010)對國小高年級學生 之空間旋轉能力進行探究後發現國小六年級學生之空間能力優於國小五年級 學生之表現。 針對上述各個學者對在學年級差異與空間能力表現之研究,歸納整理不 同年級間空間能力關係如表 2-7: 表 2-7 年級差異與空間能力之研究 研究者 (年份) Guay & McDaniel (1977) Michalis (2003) 林浚傑(民 96). 張秋雁(民 97). 施幸玫(2010). 分析觀點. 研究結果與發現. 二至七年級生數學成就及性別與 高年級學生表現較低 空間能力之關係。 年級學生優。 對五、六、七及八年級進行空間 國中學生之空間能力 旋轉能力以及性別差異之探討。 優於國小學生。 不同年級間存在顯著 針對國小一至六年級學童進行平 差異,且會隨著年級增 面視覺空間能力探究。 加而增加。 一到六年級之表現並 針對國小一至六年級進行空間能 不一致,且會隨著年級 力探究。 的增加而增強。 國小六年級學生之空 對國小高年級學生進行空間旋轉 間能力較五年級學生 能力之測驗。 優。. 21.

(30) 根據上述之研究發現,即使多數研究顯示性別差異是顯著的,但研究也 說明男女生之空間能力皆可藉由學習而增強。另外空間能力更會隨著年紀增 長而有所改善,產生之原因可能來自於受試者隨著年紀的增長、生活中的空 間體驗增加,或是受試者在學習的過程中接受了空間學習的啟發。因此有許 多相關研究針對不同的空間能力學習方式進行研究與探討,希望可以了解學 生空間能力進步之原因。 二、 遊戲式空間能力學習之實證研究 隨著電腦科技發展的普及化以及遊戲式學習應用在課堂中越來越被廣為接 受,部分研究將空間能力與遊戲學習結合,期望藉由遊戲式學習的效益,讓學生 對空間能力有所啟發或提高興趣。 Terlecki 與 Newcombe (2005)對 370 位男生及 908 位女生大學生進行為期三個 學期的電腦使用經驗、電腦遊戲經驗以及性別差異之間對空間能力及心像旋轉能 力之影響進行探究。實驗前先透過「空間表現及活動問卷」蒐集學生的電腦使用 經驗、經歷過的運動以及電腦遊戲相關經驗等資料。使用 Vandenberg 與 Kuse 於 1978 年發展 Mental Rotation Test (MRT)測驗,並要求學生在規定的時間內完成作 答。透過收集到的資料提出電腦使用經驗對心像旋轉能力具正向關係,且由於男 女生使用電腦遊戲之經驗具顯著差異,因此較多的電玩遊戲經驗的學生在心像旋 轉測驗中獲得較好的成績。 Quaiser-Pohl、Geiser 與 Lehmann (2006)針對學生電玩遊戲之偏好、心像旋轉 能力表現與性別之間進行探究。研究中將遊戲玩家類型分為三類:非電玩遊戲玩 家、動作模擬玩家及邏輯技巧練習玩家。受試者於實驗前先填寫電腦使用經驗問 卷,其中包含電腦使用頻率及常玩的電玩類型(分為冒險、動作、運動、角色扮 演、邏輯、技巧訓練、模擬以及駕駛模擬等八類),接著使用 Peters 等人修改自 Vandenberg 與 Kuse (1978)發展的 MRT 作為測驗題目。研究結果發現在 861 名平 均 14.67 歲的學生當中,整體心像旋轉能力男生優於女生。就男生來說,動作模 擬玩家之心像旋轉能力表現優於非電玩遊戲玩家;對女生而言,遊戲類型與心像 22.

(31) 旋轉能力之間並無顯著相關性。因此學者認為可以藉由電玩遊戲類型推測空間能 力之表現,也表示電玩遊戲會是空間能力與性別差異之間的調節因素。 Feng、Spence 與 Jay Pratt (2007)對 20 位大學生進行實驗,檢測動作類電玩遊 戲是否對不同性別的空間旋轉能力有影響。在實驗中亦使用 Vandenberg 與 Kuse 發展的 MRT 作為測驗題目,測驗學生之心像旋轉能力以及 Useful-Field-of-View (UFOV)檢驗學生之空間專注度。實驗組與控制組分別使用 Medal of Honor: Pacific Assault 遊戲,以及 Balance 拼圖遊戲作為實驗工具。研究結果發現實驗組 的學生在空間專注度上有顯著進步,且女生之表現優於男生,而實驗組男女生之 心像旋轉成績皆有進步,控制組則無。研究者表示藉由電玩遊戲不僅可以增進學 生的空間能力,也消除兩性在空間能力上的表現,更降低了在心像旋轉成績之差 異。 Cherney (2008)則探討二維與三維之電腦遊戲類型對學生心像旋轉能力表現 之影響,研究同時也將個人因素(包含焦慮程度、空間先備知識以及電玩遊戲經 驗)納入考量。實驗對象為 61 名大學生(男生 30 人,女生 31 人) ,為期四小時 的訓練。實驗組細分為 3D 電玩遊戲以及 2D 電玩遊戲進行,而控制組僅進行紙筆 邏輯遊戲。結果發現經過電腦遊戲操作後整體的心像旋轉能力皆有進步,且女生 之進步幅度相較於男生來的大。學者更表示僅僅四小時的電玩遊戲操作即可達到 改善心像旋轉能力的表現,後續之研究可針對透過 3D 遊戲來增進空間能力的表 現。 沈佳興(民 97)則藉由發展「五連方拼圖遊戲」探討不同工具對國小學童空 間能力之影響。研究者以五連方拼圖遊戲為基礎,將有趣的動物拼圖、方格拼圖 及組合拼圖融入遊戲情境,希望 34 位國小五年級學生經過一個月的學習後,可 以提升空間能力。實驗結果發現在遊戲使用前男生之空間能力優於女生,但遊戲 使用過後,男女生之空間能力是無顯著差異的。另外,學生在研究者自編的空間 能力測驗中之四個面向(分別為視覺搜尋、圖形組合、圖形旋轉以及積木旋轉) 皆有進步,其中又以圖形組合進步最多,而圖形旋轉進步最少。研究者推論可能 23.

(32) 之原因為學生對於圖形進行心像旋轉之能力較弱,尤其是當圖形進行了連續的旋 轉後較不易反應。而研究者也表示遊戲式空間學習可讓學生帶來正面的意義,不 僅讓學生可以從遊玩中學習到空間能力,也讓學生獲得更多的自信與滿足。 吳春進(民 99)針對電腦遊戲對國小學童空間能力發展影響進行為期 10 周 之研究,目的在探究國小中、高年級之學生不同性別之空間能力表現以及電腦遊 戲對國小中、高年級學生空間能力發展之影響。研究中之遊戲使用「3D 倉庫」、 「立體連連看」、「3D 卡通推箱子」、「虛擬魔術方塊遊戲」、「補空洞 POOM」等 五個涵蓋平面與立體之電腦遊戲。研究顯示不同性別之國小中、高年級生在空間 能力表現上無顯著差異,而電腦遊戲對國小中年級學生之辨識察覺能力發展影響 達到顯著,但對高年級則無;電腦遊戲對國小中、高年級學生空間移動旋轉能力 影響皆達到顯著。研究者最後提出透過多元有效的學習方法與媒體可以有效的增 進空間概念以及空間能力的發展。 黃榆婷(民 99)則將悅趣化數位教材運用在國小學童空間學習成效與展開圖 解題歷程之研究。實驗組使用悅趣化數位展開圖學習教材「HappyCuber」,控制 組使用紙筆作答之展開圖學習單進行學習。研究者希望藉由悅趣化數位學習教材 可以提升學童不同面向之空間能力,並從學生執行遊戲的歷程中進行精確的分析, 了解學生在展開圖解題歷程之變化。結果顯示兩組學生後測皆有進步,但實驗組 學生之表現比控制組優異。學生在使用「HappyCuber」後空間能力有顯著進步, 且在辨識察覺能力、移動旋轉能力以及空間推理能力面向皆有顯著進步。研究者 最後認為保有樂趣或是引起玩家的動機是不可或缺的重要因素,而數位教材使用 需循序漸進,並且須配合學生個人的能力與程度。 劉奕帆與廖冠智(民 96)發展悅趣化之魔術方塊遊戲,進行空間感知之研究。 該研究先針對實體魔術方塊之操作進行分析,建構出魔術方塊空間之悅趣感知系 統,引導學生自我挑戰,並提供解題輔助完成任務,以增進空間感知能力。實驗 對象為 19 名男生以及 14 名女生,進行 60 分鐘之實驗。學生接觸到實體魔術方 塊時經常因為各個顏色的位置變化與空間狀況感到迷失,因此空間感知的悅趣設 24.

(33) 計概念以星號作為明確的提醒,協助學生在旋轉過程中順利解決問題。而研究發 現悅趣感知系統之整體內容顯示多數受試者認同系統的呈現效果、系統中設計之 探索樂趣以及遊戲特性,更認為使用過後可以獲得更多的自信及認同。 針對上述各個在結合遊戲式學習與空間能力之研究歸納整理如表 2-8: 表 2-8 遊戲式空間能力學習實證研究 研究者 (年份) Terlecki 與 Newcombe (2005). 分析觀點 探討電腦使用經驗與電玩遊戲經 驗與空間能力之影響。. Quaiser-Pohl、Geiser & 針對學生電玩遊戲類型之偏好與 心像旋轉能力進行探究。 Lehmann (2006). 研究結果與發現 具較多電玩遊戲經驗 之學生心像旋轉能力 表現較好。 動作模擬玩家之心旋 轉能力優於非電玩遊 戲之玩家。 學生在空間專注度上 有顯著進步,且可消除 性別之心像旋轉能力 差異。 經過電腦遊戲操作後 之心像旋轉能力有顯 著進步。 實驗後不僅男女生之 空間旋轉能力差異可 縮小,也表示心像旋轉 能力之進步最少。 電腦遊戲對國小中、高 年級學生之移動旋轉 能力皆達到顯著影響。. Feng、Spence & Jay Pratt (2007). 檢測動作類型電玩遊戲是否對不 同性別之心像旋轉能力有影響。. Cherney (2008). 探討二維與三維之電玩遊戲類型 對學生心像旋轉表現。. 沈佳興(民 97). 探討使用不同的遊戲學習工具對 空間能力之影響。. 吳春進(民 99). 探究國小中、高年級生及性別間 空間能力之差異。. 黃榆婷(民 99). 運用悅趣化數位教材探究在國小 使用悅趣化數位教材 學童空間學習與展開圖解題歷程 後空間能力有顯著進 之研究。 步。. 劉奕帆與廖冠智(民 96). 學生透過系統引導及 輔助教學,多數認同系 發展悅趣化魔術方塊遊戲探究空 統之互動設計等特 間感知之研究。 性,也表示透過悅趣化 之系統可提升信心。. 25.

(34) 第四節 結語 因人生活在空間之中,因此空間能力是個人必備的基本能力之一(施幸玟, 民 99) 。根據近年的研究可發現,學者對於學生的空間能力仍是相當有興趣的, 尤其是學者皆認為透過孩童時期的心像旋轉能力訓練,發現孩童的心像旋轉能力 會於國小五年級開始出現顯著差異(陳薇如、莊昀芳與陳敏生,民 102) 。同時也 認為空間能力可以影響的不僅僅是學習者往後的學業成績,甚至可以影響學習者 未來在日常生活中的空間感知。 遊戲式學習的接受程度已漸普遍,但數位遊戲與學習目標結合仍有相當的難 度 (Killi, 2005),要如何搭配專業領域,在遊戲過程中需要設置多少專業知識讓 學習者學習;而遊戲中必須注入多少娛樂成分,才可以讓學習者保有高度的興趣 且不會感到無趣,這都是需要仔細考量設計的。 從過去的文獻可以看出,多數的空間能力學習仍著重性別差異、年級差異及 學科成績與空間能力之間的關係,針對空間能力訓練的研究則是較少的。以往空 間能力學習方式也多是運用紙筆測驗,近期才可見部分研究探討空間能力與遊戲 特性、遊戲類型及參與者電腦使用經驗之關係,但針對學習者可操控特性融入空 間能力學習過程仍是較少的,顯示這類的空間學習方式仍是具有研究價值的。 本研究針對國小五年級學生進行空間能力的訓練,透過遊戲特性結合可操作 立體旋轉物體的功能,讓學生了解立體物體進行旋轉時之變化及過程,以習得空 間能力及概念。. 26.

(35) 第三章 研究方法 本研究採用單組準實驗設計。探討國小五年級學生使用數位心像旋轉遊戲對 其空間能力之影響。本章說明研究歷程、研究對象、數位心像旋轉遊戲設計、研 究工具、實驗程序及資料蒐集與分析。. 第一節 研究歷程 本研究歷程依序為文獻收集與閱讀、遊戲開發、其他研究工具開發、預試、 修正實驗工具、正式實驗與資料整理與分析。 一、 文獻蒐集與閱讀 在確定研究主題之後,蒐集空間能力相關文獻,閱讀後整理分類,並找出先 前學者專家探討內容之共通點與相異點,逐步縮小研究範圍直到確定題目。 二、 遊戲開發 確定遊戲內容及對象為國小五年級學生之空間能力後,開始構思遊戲內容、 遊戲元素及回饋功能等。遊戲程式撰寫部分請託程式設計師完成,使用 Unity 3D 軟體程式撰寫,遊戲開發期間與程式設計師密切聯繫,反覆溝通協調遊戲設計完 成學習遊戲。經過預試後,將預試所得到的回饋及意見再與程式設計師進行討論 及修正,完成最後的「翻轉小小兵」學習遊戲。 三、 其他研究工具開發 除了上述之遊戲外,本研究之前測與後測學習成就測驗卷是參考 Guay (1977) 所發展的 Purdue Spatial Visualization Tests 並進行修改,另有自編的學生態度問卷。 研究工具的設計將會在本章第四節詳述。 四、 預試 為了評估「翻轉小小兵」與其他研究工具之可用性,請台北市中正區某國小 五年級學生進行預試,並請該班班級導師在課堂觀察後,針對遊戲內容、實驗過 程、空間能力學習概念給予回饋與建議,預試全程 100 分鐘(包含與導師訪談時 間),實驗地點為國小的電腦教室。預試設計請參照表 3-1。 27.

(36) 表 3-1 預試設計 過程. 預試參與人數 19 人. 前測. 空間能力測驗 (20 分鐘). 遊戲操作. 「翻轉小小兵」遊戲操作 (40 分鐘). 後測. 空間能力測驗 (20 分鐘) 態度問卷 (10 分鐘). 課後訪談. 老師訪談 (10 分鐘). 五、 修正實驗工具 根據預試的課堂觀察、預試學生在問卷中所給的意見,以及老師的口頭建議 修改遊戲學習內容與問卷,並重新評估遊戲所需的時間。 六、 正式實驗 鑒於數位科技帶來的衝擊,已有非常多的研究在探討數位科技與傳統教學對 學生學習成效之影響,且多數研究皆顯示數位科技融入教學能帶給學生較好的學 習效果及學習態度。本研究著重於數位科技以融合遊戲元素之學習方法是否可以 增進學生之空間能力,而不探討數位科技與傳統紙筆測驗之差異。故本研究進行 單組準實驗研究,針對國小五年級學生之空間能力進行實驗,選定三個班級作為 實驗對象,使用「翻轉小小兵」遊戲學習工具。 正式實驗時士林區國小班級實驗為期兩周,信義區國小班級實驗為期一周。 實驗過程共兩節課,每節課 40 分鐘,共 80 分鐘。在實驗進行前先請學生填答前 測測驗卷,接著提供學生「翻轉小小兵」遊戲作為學習工具,並請學生進行操作。 實驗後,對學生進行後測,並請填寫態度問卷。 七、 資料整理與分析 實驗結束後將所蒐集到的實驗資料處理並分析,資料來源有四,分別為前測 成績、後測成績、態度問卷以及學生遊戲操作次數紀錄。詳細資料分析之統計方 法將在本章的第六節說明。. 28.

(37) 第二節 研究對象 本研究選取台北市中正區某國小五年級學生 19 位學生進行預試,並請該班 學生進行前測、遊戲操作及後測。 正式實驗時對象共有三個班級,分別自台北市士林區某國小五年級抽取兩個 班級以及台北市信義區某國小五年級抽取一個班級。台北市士林區兩個班級之實 驗參與人數一班為 15 人(男生 8 人,女生 7 人) ,其中 2 位學生為特殊教育生不 列入研究對象,另一班為 18 人(男生 9 人,女生 9 人) 。台北市信義區某國小參 與人數 26 人(男生 14 人,女生 12 人),其中一位學生遲到未參與前測測驗,故 不列入研究對象。三個班級皆使用相同工具,進行前測、遊戲操作、後測及態度 問卷填寫。. 29.

(38) 第三節 數位心像旋轉遊戲設計 本研究之研究工具「翻轉小小兵」期望提供國小五年級學生一個遊戲式學習 的環境進行空間能力之學習。本節依據 Bergeron (2006)為 Serious Game Design 所製作的規格書為架構,分別就設計概念,需求規格、技術架構、遊戲設計、素 材取得與開發與測試與除錯等面向加以說明: 一、設計概念 本研究所設計之空間能力學習遊戲「翻轉小小兵」期望學生在不斷重複操作 時,可以充分了解空間概念,學生不僅能夠學習空間能力,甚至進一步的提高學 生對於空間能力的興趣。 二、需求規格 (Requirements Specification) (一)領域 (Scope) 「翻轉小小兵」用於空間能力學習,適合國小高年級學生使用。 (二)目的 (Goals) 為提升學生對於空間能力的學習動機以及增加空間能力的概念,提供學 生在遊戲中可進行操作,讓學生了解空間能力之概念,以提升空間能力。 (三)對象 (Player Profiles) 台北市國小五年級之學生。 (四)環境 (Use Environment) 1. 遊戲環境:2D 2. 遊戲視角:第一人稱 3. 遊戲人數:單人 4. 遊戲模式:單機 5. 遊戲操控:滑鼠 (五)娛樂元素來源 (Source of Entertainment Content) 參考行動裝置上小遊戲的進行方式,並加入可愛的卡通角色,提高學生. 30.

(39) 在學習過程中的興趣。 (六)學習內容來源 (Source of Serious Content) 將市面上之空間學習遊戲與先前學者專家發展、設計及使用的遊戲進行 分析比對後,根據觀察到的結果自行發展設計出一空間能力學習遊戲「翻轉 小小兵」。 (七)學習目標 (KSA Requirements) 1.了解空間概念 2.了解物體在空間中旋轉的概念 3.習得心像旋轉能力 4.提高空間能力學習態度 (八)遊戲特色 (Game Features and Differentiation) 「翻轉小小兵」學習遊戲相較於紙筆學習,提供學生可以動手操作,讓 學生可以清楚的了解物體在旋轉過程及結果。在學習遊戲進行過程中,操作 簡單,學生可專注於物體旋轉的效果。加入可愛的卡通角色,也提高了學生 對於空間學習遊戲的興趣。 三、技術架構 (Technical Architecture) (一)遊戲開發流程 1. 遊戲設計文件撰寫:1 個月 2. 遊戲美工繪製:1 個月 3. 遊戲程式撰寫:2 個月 4. 遊戲測試及修改:1 個月 (二)遊戲平台:PC (三)系統需求:Windows XP 以上 (四)遊戲開發工具:Unity 3D (五)遊戲發布型式:單機遊戲安裝置各電腦中 (六)遊戲存檔紀錄:遊戲關閉後,會將各個使用者操作過程的次數記錄在各 31.

(40) 電腦中。 四、遊戲設計 (一)遊戲介紹 1. 遊戲內容:為了提升學生的空間能力,遊戲過程中讓學生能夠旋轉畫 面中的物體,藉此了解空間概念。遊戲分為四個大關卡,每一個關卡 中有十個小關卡。遊戲進行中,每一個大關卡必須達到最低計分標準, 才可進入下一個大關卡。遊戲提供多次的重複操作練習,藉此達到訓 練的效果,並提升學生對於學習空間能力的興趣。 2. 遊戲類型:學習遊戲 3. 遊戲美工風格:以可愛的風格為主,並搭配卡通人物以提高學生的興 趣。 (二)遊戲流程. 32.

(41) 遊戲開始畫面. 關卡選擇畫面. 第一大關 (共有 10 小關) 否 達到過關門檻 是 第二大關 (共有 10 小關) 否 達到過關門檻 是 第三大關 (共有 10 小關) 否 達到過關門檻 是 第四大關 (共有 10 小關). 關卡選擇畫面. 遊戲結束 圖 3-1 遊戲流程圖 33.

(42) (三)遊戲關卡介紹 「翻轉小小兵」訓練遊戲分成四大關卡。每一個大關卡中包含十個小關 卡,難易度由簡至難。每一個大關卡必須達到系統設計的最低標準,才可進 入下一個大關卡。系統設計之最低標準係根據每一個小關卡共有 3 顆星,因 此每一大關卡共有 30 顆星,須得到 18 顆星便獲得開啟下一大關資格,如圖 3-2 所示。. 大關卡選擇畫面. 小關卡選擇畫面. 得分回饋畫面 圖 3-2 關卡選擇畫面及得分回饋畫面. 「翻轉小小兵」空間能力訓練遊戲期望學生理解的概念分別為:旋 轉物體、移動視角、單軸旋轉以及雙軸旋轉,下列分別依照四大關卡進 行說明。 1.. 第一大關: 學生必須計算出畫面中共有幾個立體方塊。此關之難易辨別基準在. 34.

(43) 於若有方塊被完全遮蔽,學生是否有能力依靠自己的心像旋轉能力,計 算出被遮蔽的方塊共有幾個,並算出正確的答案。 學生可藉由點選系統提供的「箭頭」旋轉畫面中的立體方塊,看到 畫面中立體方塊旋轉的過程以及結果。透過此方式,學生能夠理解在立 體空間中被遮蔽的視線之概念,並了解物體旋轉的概念,讓學生在接續 的題目中,嘗試透過自己的心像旋轉能力得到答案,並減少點選操作次 數,如圖 3-3 所示。 為了讓學生了解第一大關必須完成的目標,在進入第一小關後,便 會出現遊戲目標提示,如圖 3-3 所示。. 第一大關操作畫面. 第一大關操作畫面. 遊戲目標提示 圖 3-3 第一大關操作畫面及遊戲目標提示. 系統提供破關提示按鈕,學生在解題過程中若有疑問,可以藉由提 示按鈕得到提示,如圖 3-4 所示。此提示亦會在學生操作次數超過 8 次 35.

(44) 時自動跳出提示,降低學生在遊戲過程中遇到卡關的情形。破關後提供 得分畫面,讓學生知道自己的成績表現,如圖 3-4 所示。. 遊戲破關提示畫面. 得分畫面. 圖 3-4 第一大關破關提示及得分畫面. 第一大關之計分規則依序為:無點選「旋轉」功能可獲得 3 顆星; 點選「旋轉」功能一次或答錯一次可獲得 2 顆星;點選「旋轉」功能或 答錯兩次以上可獲得 1 顆星。 2.. 第二大關: 學生須從左側不同視角的選項中選出符合右側圖形的選項。點選左. 側的其中一個眼睛後,立體方塊會呈現該視角所看到的成像。其中,相 較於第一大關的旋轉立體方塊,此關期望藉由「移動視角」的方式,讓 學生體驗移動視角的過程如圖 3-5 所示。. 36.

(45) 圖 3-5 第二大關操作畫面. 為了提示學生第二大關必須玩成的目標,在進入第一小關後,便會 出現遊戲目標提示,如圖 3-6 所示。. 圖 3-6 第二大關遊戲目標提示畫面. 第二大關之計分規則依序為:點選「眼睛」功能一次即答對可獲得 3 顆星;點選「眼睛」功能兩次或答錯一次可獲得 2 顆星;點選「眼睛」 功能兩次或答錯兩次以上可獲得 1 顆星。 系統提供破關提示按鈕,學生在解題過程中若有疑問,可以藉由提 37.

(46) 示按鈕得到提示,如圖 3-7 所示。此提示亦會在學生操作次數超過 3 次 時自動跳出提示,避免學生在遊戲過程中遇到卡關的情形。. 圖 3-7 第二大關破關提示畫面. 3.. 第三大關: 學生必須點選系統所提供的「箭頭」將立體方塊旋轉至可通過平台. 的方向,並讓立體方塊順利通過平台。在第三大關中,在畫面中標示出 「軸線」,將「軸線」的概念帶入,期望學生在進行旋轉物體時,可以 了解「軸線」的旋轉概念,並了解到進行單軸旋轉時所帶來結果,如圖 3-8 所示。. 圖 3-8 第三大關操作畫面. 為了提示學生第三大關必須完成的目標,在進入第一小關後,便會 出現遊戲目標提示,如圖 3-9 所示。. 38.

(47) 圖 3-9 第三大關遊戲目標提示畫面. 學生需將立體方塊進行平面旋轉至正確的方向後,便可將該立體方 塊通過平台,如圖 3-10 所示。. 圖 3-10 第三大關操作畫面. 第三大關之計分規則依序為:點擊最少的旋轉次數 (X)可獲得 3 顆 星;點擊次數為 (X+1)到 (X+4)可獲得 2 顆星;點擊超過次數 (X+5)可 獲得 1 顆星。 系統提供破關提示按鈕,學生在解題過程中若有疑問,可以藉由提 39.

(48) 示按鈕得到提示,如圖 3-11 所示。此提示亦會在學生操作次數超過 (X+5) 次時自動跳出提示,避免學生在遊戲過程中遇到卡關的情形。. 圖 3-11 第三大關遊戲破關提示畫面. 4.. 第四大關: 學生必須透過轉動「雙軸」至正確的方向才可以通過平台。畫面中. 的兩個軸線皆提供箭頭,作為轉動立體方塊的按鈕。為了降低操作複雜 度,雙軸皆僅提供單一方向的旋轉。每轉動一個軸線時,便會影響另外 一個軸線的方向,學生必須透過最少的轉動次數,達到通過平台的目標, 如圖所示如圖 3-12 所示。. 40.

(49) 圖 3-12 第四大關操作畫面. 在第四大關中,期望學生可以在未開始轉動立體方塊前,先自行推 測「必須先轉動哪一個軸線?」及「必須轉動幾次?」方可藉由較少的 操作次數完成任務。相同於第三大關,透過計算點擊次數並算得成績, 因此遊戲設計者將每一題的最少操作次數以及次少操作次數記錄下來, 作為該題最佳解以及次佳解的標準,分別可以得到三顆星以及兩顆星, 操作次數高於次佳解的點擊次數皆得到一顆星。 為了提示學生第四大關必須完成的目標,在進入第一小關後,便會 出現遊戲目標提示,如圖 3-13 所示。. 41.

(50) 圖 3-13 第四大關遊戲目標提示畫面. 系統提供破關提示按鈕,學生在解題過程中若有疑問,可以藉由提 示按鈕得到提示,此提示亦會在學生操作次數超過 8 次時自動跳出提示, 避免學生在遊戲過程中遇到卡關的情形,如圖 3-14 所示。. 圖 3-14 第四大關破關提示畫面. (四)操作方式 1.. 關卡點選:滑鼠點擊進入關卡. 2.. 旋轉方塊及眼睛:滑鼠點擊「箭頭」圖示進行旋轉. (五)遊戲音效與配樂 1.. 遊戲音樂:遊戲中使用之音樂取自於動畫「神偷奶爸 2」原聲帶。. 2.. 遊戲音效:使用 Unity 3D 之內建音效。. (六)遊戲數據紀錄 使用者操作完畢並將程式關閉後,會將使用者的操作次數輸出為文 42.

(51) 字檔並儲存於本機中。 (七)遊戲協助 學生於操作過程中,在單一小關卡中超出系統預設的操作次數時, 會自動跳出提示視窗,並在每個關卡中放置提示鈕,讓學生在遊戲中有 疑問時可以直接點選進入遊戲說明頁面,得到可能的解決方法。 五、素材取得與開發 遊戲中所使用的圖像素材取自於網路上之素材,以及 Unity 3D 內建之素材。 研究過程中僅做研究用,不涉及任何利益,在研究過後,皆將本機檔案全數刪除。 六、測試與除錯 由於遊戲程式並不大,故程式測試由研究者自行檢視,並於程式編寫期間密 切與程式設計師聯繫,若發現問題或不合邏輯的地方,隨即與程式設計師反覆溝 通協調並完成系統編寫。. 43.

參考文獻

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