擴增型態與引導策略對高中電化學反應課程學習成效與動機之影響

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(1)國立臺灣師範大學資訊教育研究所碩士論文. 指導教授：陳明溥. 博士. 擴增型態與引導策略對高中電化學反應課程學習成效與動機之影響. 研究生：廖邦捷. 撰. 中華民國一百零三年七月.

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(3) 擴增型態與引導策略對高中電化學反應課程學習成效與動機之影響. 廖邦捷摘要本研究旨在探討在不同擴增型態的學習環境下(靜態擴增、動態擴增)與不同引導策略(程序引導、問題引導)對高中一年級學習者電化學反應課程的學習成效和化學學習動機之影響。研究對象為普通高中一年級學習者，有效樣本為 152 人參與實驗教學。本實驗採用因子設計之準實驗研究法，自變項包含擴增型態與引導策略。擴增型態依照不同擴增實境呈現方式分為「靜態擴增」與「動態擴增」兩種型態，引導策略則分為「程序引導」以及「問題引導」兩種策略；依變項則包含電化學反應概念學習成效與化學學習動機。研究結果顯示：(1)在知識應用面向，靜態擴增的學習環境中，程序引導組學習者學習電化學反應課程在知識應用向度高於問題引導組學習者；(2)在知識理解面向，靜態擴增之學習環境學習電化學反應概念優於在動態擴增之學習環境，且使用程序引導學習電化學反應概念優於使用問題引導；及(3)在不同擴增型態之學習環境進行學習皆持正向的動機表現；其中靜態擴增組學習者比動態擴增組學習者有較高的參與動機表現。. 關鍵詞：擴增實境實驗遊戲、擴增型態、引導策略、體驗式學習. i.

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(5) The Effects of Augmented Reality Types and Guiding Strategies on Senior High School Students' Performance and Motivation of Electrochemistry Course Ban-Chieh Liao. Abstract The purpose of this study was to investigate the effects of augmented reality types and guiding strategies on senior high school students’ performance and motivation of electrochemistry course. The participants were 152 freshmen of senior high school. A quasi-experimental design was employed and the independent variables were type of augmented reality and type of guidance strategy. The augmented reality types included the static augmented reality and the dynamic augmented reality, while the guiding strategies were the procedural guidance and the question guidance. The dependent variables were learning performance and learning motivation toward Chemistry. The results revealed that (a) while receiving the static augmented reality learning, the procedural guidance group achieved better learning application performance than the question guidance group; (b) as for the knowledge understanding performance, the static augmented reality group outperformed the dynamic augmented reality group, and the procedural guidance group outperformed the question guidance group; and (c) students showed positive motivation toward learning Chemistry no matter which augmented reality type they used, especially students who used the static augmented reality revealed higher motivation than those who used the dynamic augmented reality.. Keywords: Augmented reality experimental game, augmented reality types, guiding strategies, experimental learning. ii.

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(7) 誌謝兩年前我還是個剛從大學畢業的小毛頭，懷著忐忑不安的心北上就讀師大資教所，心裡總是懷疑我是否有能力可以完成研究所的學業。起初，背景為資訊工程的我對於教育一竅不通，因此在暑假時聽到學長姊口試的論文報告就像是對我投了一顆震撼彈，原來資訊教育與我想像的完全不一樣，從那天起我就知道我必須比其他人付出更多的努力來彌補我的不足。然而只靠自己的努力絕對是不足的，因此我必須由衷的感謝偵益、燕欣、湘怡、映汝及承哲等各位學長姐的幫助，在我碩一時能不斷督促我的研究進度，給予許多實質的建議，也教會了我們 Unity 的使用方式，如果沒有學長姐的幫助或許我的研究所也不會如此的順利。升上了碩二，研究進度壓力日亦漸增，幾乎每天都在實驗室。除了讀更多的論文期刊以增加對於研究的想法外，也不斷的思考如何將教材設計更好，還好同屆的嘉鴻、日薇及思汝三位實驗室好夥伴們能夠陪伴我一起同甘共苦。另外也要特別感謝經益學長，總是在 meeting 之後陪我們一起討論研究進度，就連暑假也特地跑來學校從早到晚與我們四個一起討論並且給予我們寶貴的意見與想法，甚至連實驗的學校都麻煩學長幫我處理，實驗期間還招待嘉鴻與我住在學長家，所以我要再次感謝學長對我們的照顧，在我心目中您已經是我們的大家長了。兩年過去了，回想起過去的一切讓我覺得過得非常充實，這一切都要感謝陳明溥老師對我的教導，讓我學習到對於研究的專業與嚴謹的態度以及問題解決的能力等等，在未來步入社會時必定能夠將老師所傳授給我的能力應用到職場上。最後，獻給我最親愛的爸爸媽媽，感謝你們的支持，讓我從小到大的求學過程中能夠心無旁鶩，不須為了煩惱三餐的問題使我能專注於學習，現在我已完成求學生涯的最後一個階段，接下來的日子就不必再讓你們為我擔心，我會繼續努力並且成為這個家的支柱。. iii.

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(9) 目錄附表目錄......................................................................................................................VI 附圖目錄.....................................................................................................................VII 第一章. 緒論 ............................................................................................................... 1. 第一節研究背景與動機 ...................................................................................... 1 第二節研究目的與待答問題 .............................................................................. 4 第三節研究範圍與限制 ...................................................................................... 5 第四節重要名詞釋義 .......................................................................................... 7 第二章. 文獻探討 ....................................................................................................... 9. 第一節化學教育 .................................................................................................. 9 第二節體驗式學習 ............................................................................................ 11 第三節數位學習 ................................................................................................ 15 第四節引導策略 ................................................................................................ 22 第三章. 研究方法 ..................................................................................................... 26. 第一節研究對象 ................................................................................................ 26 第二節研究設計 ................................................................................................ 27 第三節實驗流程 ................................................................................................ 45 第四節研究工具 ................................................................................................ 47 第五節資料處理與分析 .................................................................................... 50 第四章. 結果與討論 ................................................................................................. 54. 第一節電化學反應課程學習成效分析 ............................................................ 54 第二節化學學習動機分析 ................................................................................ 61 iv.

(10) 第五章. 結論與建議 ................................................................................................. 73. 第一節結論 ................................................................................................................ 73 第二節建議 ................................................................................................................ 77 參考文獻...................................................................................................................... 80 附錄一電化學反應實驗程序引導學習單 ............................................................... 87 附錄二電化學反應實驗問題引導學習單 ............................................................... 93 附錄三電化學反應課程先備知識測驗卷 ............................................................. 100 附錄四電化學反應課程學習成效測驗卷 ............................................................. 106 附錄五化學學習動機問卷 ..................................................................................... 112. v.

(11) 附表目錄表 2-1 Kolb (1984) 對體驗式學習之主張及其內涵................................................. 11 表 2-2 擴增實境應用於教學 ..................................................................................... 18 表 2-3 Gagné 的九個學習階段與教學事件之關係 ................................................... 22 表 3-1 教學分組及各組人數分配表 ......................................................................... 26 表 3-2 體驗式循環意義與擴增實境融入規劃 ......................................................... 31 表 3-3 「製造鋼鐵人」任務擴增實境學習活動內容規劃表 ................................. 32 表 3-4 電化學反應課程先備知識測驗卷之內容向度、題數分配及信度係數 ..... 47 表 3-5 化學學習動機之問卷內容向度、題數分配及信度係數 ............................. 49 表 3-6 電化學反應課程學習成效測驗卷之內容向度、題數分配及信度係數 ..... 49 表 4-1 各組對電化學反應概念學習成效之平均數、標準差與人數 ..................... 55 表 4-2 電化學反應概念分項成效表現之共變量矩陣等式 Box 檢定摘要............. 56 表 4-3 電化學學習成效之多變量變異數分析摘要 ................................................. 57 表 4-4 各組對電化學反應學習成效分項表現之多變量共變異數分析摘要 ......... 58 表 4-5 各組對電化學學習成效知識應用之單純主效果變異數分析摘要表 ......... 58 表 4-6 電化學反應概念學習成效分析結果摘要 ..................................................... 59 表 4-7 各組對化學學習動機價值成分表現之平均數、標準差與人數 ................. 62 表 4-8 電化學反應概念分項價值成分動機表現之共變量矩陣等式 Box 檢定摘要 ...................................................................................................................................... 63 表 4-9 化學學習動機價值成分分項表現之多變量檢定 ......................................... 63 表 4-10 各組對化學學習動機價值成分分項表現之二因子多變量分析摘要 ....... 64 表 4-11 化學學習動機內在目標導向之單純主效果變異數分析摘要表 ............... 66 表 4-12 化學學習動機工作價值之單純主效果變異數分析摘要表 ....................... 67 表 4-13 各組對化學學習動機期望成分表現之平均數、標準差與人數 ............... 68 表 4-14 電化學反應概念分項期望成分動機表現之共變量矩陣等式 Box 檢定摘要.................................................................................................................................. 69 表 4-15 化學學習期望成分動機分項表現之多變量檢定 ....................................... 69 表 4-16 各組對化學學習期望成分動機分項表現之二因子多變量分析摘要 ....... 70 表 4-17 電化學反應課程概念學習動機表現分析結果摘要 ................................... 71 vi.

(12) 附圖目錄圖 2-1 體驗式學習循環之具體經驗、反思觀察、抽象概念、主動驗證四階段 . 13 圖 3-1 研究設計架構圖 ............................................................................................. 27 圖 3-2 電化學反應課程相關概念知識架構圖 ......................................................... 29 圖 3-3 Unity 3D 開發介面 .......................................................................................... 30 圖 3-4 Unity 3D 程式撰寫編譯器 .............................................................................. 30 圖 3-5 化學實驗實體教具 ......................................................................................... 33 圖 3-6 鋅銅電池實驗底座說明圖 ............................................................................. 33 圖 3-7 電解與電鍍實驗底座說明圖 ......................................................................... 34 圖 3-8 遊戲開場畫面 ................................................................................................. 35 圖 3-9 遊戲情境敘述 ................................................................................................. 35 圖 3-10 經由角色之間的對話介紹遊戲背景，與現實經驗做連結 ....................... 36 圖 3-11 學習單之實驗步驟引導 ............................................................................... 37 圖 3-12 學習單指引學習者操作化學實驗 ............................................................... 38 圖 3-13 實驗操作完成後＂進行下一步按鈕＂ ....................................................... 39 圖 3-14 學習者與擴增實境之互動 ........................................................................... 39 圖 3-15 程序引導學習單 ........................................................................................... 40 圖 3-16 問題引導學習單 ........................................................................................... 40 圖 3-17 靜態擴增組呈現之電子與離子 ................................................................... 41 圖 3-18 動態擴增組呈現之電子與離子 ................................................................... 41 圖 3-19 學習者扮演主角回答問題 ........................................................................... 42 圖 3-20 回答正確之回饋 ........................................................................................... 43 圖 3-21 回答錯誤之回饋 ........................................................................................... 43 圖 3-22 回答錯誤次數超過 3 次之回饋 ................................................................... 44 圖 3-23 學習活動之實驗教學流程 ........................................................................... 45 圖 3-24 學習者進行「製造鋼鐵人」化學實驗遊戲學習活動 ............................... 46 圖 3-25 電化學反應課程概念分項成效表現分析流程圖 ....................................... 50 圖 3-26 化學學習動機價值成份分項成效表現分析流程圖 ................................... 52 vii.

(13) 圖 3-27 化學學習動機期望成份分項成效表現分析流程圖 ................................... 53 圖 4-1 擴增型態與引導策略對電化學反應概念知識應用之交互作用圖 ............. 59 圖 4-2 擴增型態與引導策略對化學學習動機內在目標導向之交互作用圖 ......... 65 圖 4-3 擴增型態與引導策略對化學學習動機工作價值之交互作用圖 ................. 65. viii.

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(15) 第一章. 緒論. 本章分別就本研究之研究背景與動機、研究目的與待答問題、研究範圍與限制以及重要名詞釋義四個部分進行詳述。. 第一節研究背景與動機普通高級中學基礎化學課程綱要(2010)提到，化學是基礎科學的核心學科，學習者必須建立科學思考的基本方法與態度，因此教材內容應著重於化學科內容與實驗活動學習，認識並了解物質的構成及其化學能量變化。然而，受到目前升學主義的影響，教師多半以講述的方式進行課程教學，導致學習者對化學的學習興致缺缺；其次，目前許多學習者認為化學這門科目是非常抽象複雜以致無法理解，難以應用於日常生活之中(De Vos, Bulte, & Pilot, 2002; Osborne & Collins, 2001) 。電化學反應課程牽涉到許多概念，例如電解質、氧化還原反應與金屬活性等等。教師在傳統講述式教學講解「鋅銅電池」的原理時，以畫板書的方式呈現鋅銅電池裝置，搭配其他顏色的粉筆畫出離子與電子的流向，並以口述的方式講解其原理。然而要完整的畫出所有離子與電子的流動情形是非常困難的，必然造成學習者眼花撩亂的情況發生，可能增加其認知負荷；教師為了讓學習者瞭解所教授之概念，以日常用語去詮釋科學現象，可能造成學習者的誤解進而形成迷思概念，例如「鹽橋的功用是為了溝通兩電解液」造成學習者誤解為電解液中的離子是透過鹽橋進行移動(郭順利，2007；張秀澂，2002)。因此，若能使學習者親自操作化學實驗，可看到實驗過程中參與化學反應的物質所產生的變化及現象，並在此過程中建立知識幫助提升學習成效；而實驗活動是以學習者為中心的活動，讓學習者可以自由的探索，將有助於學習者產生正向的學習態度(Tarhan & Sesen, 2010)。然而，化學實驗的操作使學習者實際看到化學反應所產生的變化及現象，但卻無法用肉眼觀察到化學反應中電子與離子的流動情況，而一般學習者在實驗 1.

(16) 活動中只依照課程指示完成實驗操作步驟，將實驗結果記錄下來，並未思考實驗過程中所看到的化學反應是如何產生的，透過這樣的實驗活動也未能提升學習者的學習動機(Sesen & Tarhan, 2013)。由於化學抽象概念難以表達的教學方式以及學習者無法觀察實驗之微觀化學反應的困境，在科技資訊輔助教育的推動下，現今已有許多透過電腦模擬動畫的方式來幫助學習者瞭解化學的抽象概念(劉漢欽，2006)。然而，有研究(Imbert, Vignat, Kaewrat, & Boonbrahm, 2013)指出，在虛擬環境所呈現之物件並非由人體直接碰觸進行互動，而是透過其他裝置間接操控，使學習者無法感受到真實世界所賦予之物理或化學特性。近年來擴增實境的技術已逐漸為世人所知，例如 google glass 便是具有革命性的擴增實境產品之一，其最大的特色是將虛擬與現實整合，使用者在現實世界的環境同時與擴增出的虛擬物件進行互動，藉此獲得更真實的互動經驗。Cai、Wang 和 Chiang (2014) 認為擴增實境的技術不僅讓學習者獲得真實的操作經驗，也可透過擴增出的 3D 虛擬物件更真實的呈現出現實中人類無法用肉眼觀看的微觀世界。因此，操作化學實驗時若能透過擴增實境的方式學習，不僅獲得操作實驗的經驗，也能在學習的過程透過擴增實境看到化學反應的微觀世界。此外，為了讓學習者將所學概念應用到生活情境，若將擴增實境化學實驗結合遊戲，不僅能讓學習者沉浸於遊戲情境中提升學習動機，也能在解決遊戲任務的過程不斷嘗試錯誤並修正，改變既有的錯誤想法，藉此促進學習者對複雜問題的理解，增加對學習內容的保留度(Souza-Concilio & Pacheco, 2013) 。透過擴增實境所擴增的虛擬資訊可以為多種型態，例如靜態圖像、3D 立體物件或動畫等。根據 Mayer 和 Moreno (2003) 提出之多媒體呈現原則，當同一概念同時使用圖片、影片或動畫等多種媒體表達將增加學習者認知負荷。根據上述之原則，擴增實境應用於教學時，必須考量虛擬資訊呈現方式以降低學習者的認知負荷。有研究(Kose, Koc, & Yucesoy, 2013)認為透過擴增實境呈現 3D 動畫的方. 2.

(17) 式可以促進學習者的思考，以此增進學習表現；Cai、Wang 和 Chiang (2014) 的研究結果發現，以擴增實境的 3D 動畫呈現技術可以促進學習者對化學概念的理解。然而，當設計教學環境時應考量學科本身的複雜度，對於複雜度較高的單元應該添加靜態圖標來引導學習者(Homer & Plass, 2014)。Nincarean、Alia、Halim 和 Rahman (2013) 認為擴增實境的教育價值不僅在其功能，並建議擴增實境融入教學理論進行教學。化學實驗在每個階段都有不同的反應現象，在學習的過程提供適度的引導觀察，幫助學習者將概念系統化地編碼到長期記憶中(Gagné, 1985) ，促進學習表現。綜合以上論述，本研究將擴增實境遊戲應用於電化學實驗教學活動，探討不同擴增型態之學習環境與不同引導策略對高中生學習電化學反應概念之學習成效與學習動機之影響。期望透過遊戲的情境引起學習者的學習動機，以擴增實境的技術觀察到化學反應微觀的世界，理解電化學反應概念，並透過引導策略將所學概念進行編碼後記憶，獲得更好的學習表現。. 3.

(18) 第二節研究目的與待答問題本研究旨在探討不同擴增型態的學習環境下(靜態擴增、動態擴增)與不同引導策略(程序引導、問題引導)對高中一年級學習者在電化學反應課程之學習成效與化學學習動機之影響。期望透過擴增實境實驗遊戲融入電化學反應相關概念教學以促進學習者電化學反應課程概念的學習成效，並提升學習者化學學習動機。本研究之研究目的與待答問題分述如下。. 壹、研究目的本研究之研究目的有二：一、探討不同擴增型態的學習環境下(靜態擴增、動態擴增)與不同引導策略(程序引導、問題引導) 對高中一年級學習者在電化學反應課程的學習成效(知識理解、知識應用)之影響。二、探討不同擴增型態的學習環境下(靜態擴增、動態擴增)與不同引導策略(程序引導、問題引導) 對高中一年級學習者在化學學習動機(內在目標導向、外在目標導向、工作價值、控制信念、自我效能、期望成功)之影響。. 貳、待答問題本研究針對研究目的提出之待答問題有二：一、學習電化學反應概念時，不同擴增型態的學習環境下(靜態擴增、動態擴增) 與不同引導策略(程序引導、問題引導) 對高中一年級學習者在學習成效上有何差異？二、學習電化學反應概念時，不同擴增型態的學習環境下(靜態擴增、動態擴增) 與不同引導策略(程序引導、問題引導) 對高中一年級學習者在化學學習動機上有何影響？. 4.

(19) 第三節研究範圍與限制本研究為配合教學活動之設計與進行，在研究對象、教學內容、學習時間與環境、學習方式及評量方法有以下之研究範圍與限制。. 壹、研究對象本研究之研究對象為高中一年級學生，參與者皆接受過氧化還原、金屬活性等與電化學反應相關之基本概念，並且學習者皆無操作鋅銅電池、電解與電鍍等相關化學實驗之實際經驗。該校之班級編制為常態編班，而本研究之分組以班級為單位隨機分派為四組，並且以兩人為單位進行教學實驗，若學校依據學習者能力實施分組學習或編班準則，則無法推論之，故本研究結果之推論僅適合相似條件之研究對象。. 貳、教學內容本研究之教學內容為研究者自編之「製造鋼鐵人」擴增實境實驗遊戲學習活動，教學內容包含高中一年及基礎化學實驗「鋅銅電池」、「電解與電鍍」兩項實驗活動。教學重點著重於與電化學反應相關概念之教材內容，讓學習者透過親自操作化學實驗，瞭解電化學反應之相關概念，而其他學習內容則不做深入的探究與討論。. 参、學習時間與環境本研究之教學內容為化學實驗活動，因化學實驗必須為連續且不中斷之活動，因此教學時間共 240 分鐘，扣除電化學反應先備知識測驗、電化學反應學習成效測驗與化學學習動機問卷等施測時間，以及實驗活動說明時間，學習者進行學習活動歷時共 145 分鐘。教學實驗地點必須為符合實驗室安全規範之化學實驗室。因考慮到實驗操作之安全性以及平板電腦數量之限制，故以兩人為一組，每 5.

(20) 組分配一台平板電腦共同操作。由於未能長時間進行探究以及非合作式學習的情況，因此本研究之研究結果只能針對該電化學反應課程之學習活動之學習成效與化學學習動機表現做推論，不宜推論至合作式學習之學習表現。. 肆、評量方法本研究中所使用的教學評量方式為測驗卷及自評量表兩種，皆讓學習者以紙筆填答的方式進行。測驗卷用於「電化學反應課程先備知識測驗」與「電化學反應課程學習成效測驗」，題目為 15 題四選一選擇題及 10 題填充題，皆為研究者自編及改編；化學學習動機表現依據研究者改編之「化學學習動機問卷」共 30 題。由於本研究僅蒐集學習者之先備知識、學習成效與動機之資料，因此研究結果僅能推論至類似的評量方法。. 6.

(21) 第四節重要名詞釋義本研究之重要名詞，分別說明如下：. 壹、擴增實境實驗遊戲擴增實境遊戲(augmented reality game)是將虛擬資訊疊加於現實環境呈現於載具之顯示器，使用者可與其虛擬或真實的物件進行互動的技術，並結合遊戲所提供之特性，使用者在遊戲的過程便有如在現實世界中進行遊戲之任務操作，獲得身歷其境般的感受。本研究所設計之擴增實境實驗遊戲是依據教學內容進行開發，而本研究之教學課程為電化學反應實驗，因此，學習的過程將以遊戲的情境引發學習者的學習意願，而遊戲給予之任務要求學習者操作化學實驗，並以擴增實境的方式輔助學習，讓學習者能在操作實驗的過程透過擴增實境所提供之虛擬資訊觀察到化學反應的微觀世界，進而瞭解化學反應之抽象概念，進而建構電化學相關概念。. 貳、擴增型態擴增型態(augmented reality type)意指擴增實境所呈現虛擬輔助資訊的型態。本研究進行課程教學時，以擴增實境的技術呈現電化學反應概念中無法用肉眼所觀察的電子與離子，擴增實境所呈現的虛擬資訊可以是動畫或是圖像，因此本研究將虛擬資訊為靜態圖像或 3D 立體模型歸類為「靜態擴增」，虛擬資訊為動畫歸類為「動態擴增」。在本研究之「靜態擴增」是以靜態圖像呈現電子與離子發生反應時的狀態，並且以箭頭圖標指示其流向；而「動態擴增」則以動畫呈現電子與離子發生化學反應時的流動情形。. 7.

(22) 参、引導策略當學習者在學習的過程中遭遇困難或阻礙而無法專注於思考時，若能適時的提供引導，將能有效的幫助學習者順利進行學習活動(Alessi & Trollip, 2001)。本研究之學習內容為化學實驗，具有階段性的操作及知識內涵，因此為配合擴增實境實驗遊戲的學習活動，採用「程序引導」及「問題引導」兩種策略輔助學習者進行學習。兩種引導策略皆使用學習單以文字的方式呈現，「程序引導」之設計方式是直接要求學習者觀察某個現象，並將觀察的結果記錄下來並根據結果進行思考，提出此階段之反應形成原因的合理解釋；「問題引導」之設計方式則是以提出問題的方式，讓學習者從觀察之結果思考問題的解答，並根據解答對此化學反應之形成原因提出合理解釋。. 肆、體驗式學習本研究之體驗式學習是根據 Kolb (1984)所提出之學習循環(learning cycle)進行教材設計，循環歷程包括：(1)具體經驗(concrete experience, CE)；(2)反思觀察 (reflective observation, RO)；(3)抽象概念(abstract conceptualization, AC)；(4)主動驗證(active experience, AE)。學習者透過體驗式學習環之學習歷程進行擴增實境實驗遊戲，能夠以自我為中心進行學習活動，從實際操作化學實驗的過程獲得具體經驗，透過擴增實境與引導策略進行觀察與反思進而學會化學反應的抽象概念，最後進行主動驗證的動作以確定是否建立正確概念。. 8.

(23) 第二章. 文獻探討. 第一節化學教育壹、化學之學習與教學意義化學是基礎科學之核心學科，應將論證、思辨、理解、批判、解析、創新、發現及解決問題等智能之培養做為學習之核心，應就理論、現象與應用面向進行學習，注重概念的理解與應用亦能就生活中與科學相關之現象尋求證據導向及理性判斷的思考與觀點(教育部，2010)。所以，化學之學習目標不單著重於知識與概念的記憶，必須培養探索以及問題解決的能力，使學習者能夠獲得觀察、驗證、歸納與研判的技能(丁信中、洪振方、楊芳瑩，2001)。化學實驗則提供學習者一個很好的機會去學習科學知識應用於日常生活中(張惠博，1993)。自然科學之教材應著重於化學原理與應用之化學實驗，讓學習者透過操做實驗，觀察化學反應之現象並瞭解物質的組成、性質、結構與能量變化等等，將操作實驗過程中的步驟與化學反應產生之現象做連結，逐步建構知識並應用於日常生活之中。因此，學習者若能在操作化學實驗時透過擴增實境來輔助學習者觀察肉眼所無法觀察之化學微觀的世界，或許有助於電化學反應課程的學習。. 貳、學習者在電化學反應課程相關概念之學習困境在電化學反應課程中包含許多的相關概念，例如：金屬的活性、電解質的性質與氧化還原反應等等在國中階段所學習的概念，因此學習者在接受電化學反應課程前就必須學會與此相關概念，然而，這些概念可能會因教學者所教的概念與教科書內容不一，造成學習者的混淆或誤會，而對科學概念發展出兩種不一致的解釋(Blosser, 1987)或不同於一般所公認之觀點(Helm, 1980)，也就造成所謂的迷思概念。許多研究(丁鋐鎰，2001；李瓊慧，2001；吳雪菁，2002；郭順利，1997；張秀澂，2002；Garnett & Treagust, 1992；Sanger & Greenbowe, 1997)發現以下幾 9.

(24) 點學習者常出現的迷思概念：(1)認為電流只是電子的移動，不包括離子移動；(2) 認為正極吸引負離子，負極吸引正離子；(3)鹽橋的功用是溝通兩電解槽的離子； (4)鋅銅電池中，電子經由溶液，通過鹽橋，再回到電極；(5)無法分辨正負極，認為活性大金屬為正極，活性小的金屬為負極；(6) 以銅棒為電極電解硫酸銅水溶液時，硫酸銅水溶液濃度會變小；(7)誤認將電解反應當做鋅銅電池，認為失去電子為負極，得到電子為正極。目前在化學學習上教學者仍以教科書作為教材並以口述及畫板書的方式進行教學，但這種教學方式卻也造成學習者產生迷思概念的機會(李瓊慧，2001)，舉例如下：(1)誤會教科書中文字描述或教學者口述之意義，例如教學者或課文中提及鹽橋是溝通電路的橋梁，學習者誤認為電子或離子是透過鹽橋移動形成通路；(2)字義的聯想，混淆不清，例如受到文字正負相吸的影響，學習者認為正離子往負極移動，負離子往正極移動；(3)無法看到化學反應中的微觀世界，例如學習者知道鹽橋是由電解質組成，卻不知道其中離子流動的情形使得電路形成通路。除此之外，學習者認為教科書的內容過於枯燥乏味而缺乏學習的動機，且提供之範例也不夠生活化以致於無法將所學概念應用於其他情境中(劉昌宏、郭重吉， 1995)。另外，教學者為了在有限的教學時數內將教科書內容完整教授予學習者而倍感壓力(廖焜熙，2001)，多半放棄讓學習者操作實驗的機會。然而講述式教學是以教學者為中心，學習者只能被動地接收資訊，將科學概念以背誦記憶的方式學習化學，缺乏與社會活動間的相互作用，因此學習者無法將科學概念與生活情境作結合，將造成學習者產生為何需要學習化學的疑問 (Demircioglu, Demircioglu, & Calik, 2009)。由於講述式教學造成學習者迷思概念的產生，因此許多研究將各種經驗融入傳統教學中，透過”做中學”的方式幫助學習，希望學習者透過自我操作的過程獲得知識。. 10.

(25) 第二節. 體驗式學習. 壹、體驗式學習循環 Dewey (1938)認為學習是經驗不斷改變與重組的歷程，提出一套系統化的體驗學習方法，其強調之要點包括：(1)從經驗中學習的重要性；(2)以學習者為中心的學習；(3)經驗的教育性價值；(4)反思在學習過程的重要性。Kolb (1984)基於 Dewey 所提出之體驗學習理論，認為學習是結合經驗、感知、認知與行為，並提出體驗式學習理論之主張，如表 2-1。. 表 2-1 Kolb (1984) 對體驗式學習之主張及其內涵 Kolb 對體驗式學習之主張. 主張所代表之學習內涵. 學習是一個歷程. 讓學習者在主動的活動經驗中豐富學習。. 學習就是不斷重複的學習. 透過重複學習的過程讓學習者有機會重新審視自我的信念與想法，並將新舊想法重新整合。. 學習是一個辨證的過程. 學習者不斷地切換反思、行動、感受與思考等不同模式。. 學習是一種適應世界的整體. 學習者為了調適必須考慮到個人的整體，包括. 過程. 如何思考、感覺、感知與解決問題時制定決策的行為。. 學習是個人與外在環境互動. 學習過程中獲得的經驗是依據本身的生活經. 的結果. 驗。. 學習是創造知識的過程. 依據學習者本身的知識建構社會知識。. 由此可知，體驗式學習的精神在於幫助學習者透過體驗與觀察周遭事物，發現或形成相關概念加以應用與操作，檢驗其可行性或正確性，當獲得驗證後的概念將成為學習者的具體經驗，並成為日後評斷相關事物的準則。Kolb (1984)有鑑 11.

(26) 於體驗式學習是一個完整的循環歷程，因此提出了體驗式學習環，包括具體經驗 (concrete experience, CE)、反思觀察(reflective observation, RO)、抽象概念(abstract conceptualization, AC)與主動驗證(active experience, AE)等四個階段(圖 2-1)，以下分別就四個學習階段做說明： 1. 具體經驗(CE)：以活動來促進學習者的參與，透過這樣的問題解決歷程循序漸進的達到活動的學習目標，並學習到有價值的知識。 2. 反思觀察(RO)：學習者比較過去的知識與經驗，在活動體驗的過程中，可以藉由省思與檢視去瞭解本身問題存在或是產生疑惑的地方，並設法連結經驗來設法找出問題的解決方法。 3. 抽象概念(AC)：將思考過程的想法與經驗作歸納與整理，形成概念，作為理想中解決問題的最佳解法。 4. 主動驗證(AE)：體驗式學習的成效，即是個人能夠應用參與活動的所有經驗以及所得，把所學習到的知識推理運用到其他不同情境的問題上，或是應用到個人的日常生活當中。. 體驗式學習循環是體驗學習理論的應用，若依照此準則進行教學設計將有助於學習者在學習循環歷程的各個階段進行知識內化及外顯的認知活動，促進知識的形成並達到有意義的學習 (meaningful learning) (Kolb, 1976; Kofman, 1992; Schein, 1993)。學習循環的四個階段是連續且互相影響的，學習者與環境及教師之間不斷的互動而產生交互作用，因此適當的教材設計搭配學習策略便是體驗式學習成效之關鍵因素。. 12.

(27) 具體經驗 Concrete Experience. Perception Processing. Continuum. Continuum. 主動驗證 Active Experience. 反思觀察 Reflective Observation. 抽象概念 Abstract Conceptualization 圖2-1 體驗式學習循環之具體經驗、反思觀察、抽象概念、主動驗證四階段. 貳、體驗式學習在教育領域之應用 Kolb (1984)基於「做中學」的理念而提出的體驗式學習循環，循環週期由具體經驗開始，透過反思將經驗轉化為抽象概念，學習者進行主動驗證過後再創造新的具體經驗，藉由不斷重複的學習階段來幫助學習者建構知識。化學教育通常以動手做實驗的方式讓學習者在真實的情境中得到觸覺感受以獲得具體經驗，然而卻使學習者專注於操作步驟而減少了互動與反思的機會(Gunstone, 1991)。為了改善此困境，Abdulwahed 與 Nagy (2011)的研究中使用一套稱之為 Trilab 的教學系統，教學設計融入體驗式學習循環讓學習者在虛擬實驗室動手操作實驗進行化學概念之學習。結果顯示，學習者在 Trilab 學習化學概念之學習成效優於在傳統實驗式進行學習活動之學習者，其結論為透過動手操作實驗並搭配虛擬實驗室所給予之回饋機制能促進學習者的反思，達到更好的學習效果。Konak、Clark 與. 13.

(28) Nasereddin (2014)也認為動手操作的經驗對學習是很重要的，但為了避免學習者只專注於一步一步的操作流程，因此提出以體驗式學習循環為理論框架進行教學設計，讓學習者透過虛擬實驗室進行學習活動。研究結果顯示，以體驗式學習理論為架構進行教學設計有助於學習者將具體經驗透過反思概念化，並且遷移到新的情境。由上述可知，若學習者能以操作化學實驗的方式學習電化學反應概念，在此過程中建立具體經驗，將化學反應的抽象概念具體化是有助於化學的學習。然而，學習者操作實驗雖然能看到化學反應後所產生的自然現象，但卻無法觀察到化學反應的微觀變化，無法瞭解產生的原因及過程，導致操作經驗與知識概念無法結合。為了讓學習者透過動手操作的經驗中也能觀察到化學反應的抽象概念，若以數位學習之動畫呈現出化學反應中無法用肉眼觀察到的微觀現象，不僅能引起學習者的學習意願，也能夠從不斷嘗試錯誤中改變舊有的概念，進而建立新的知識概念。. 14.

(29) 第三節數位學習壹、數位學習對化學學習之影響遊戲式數位學習是將教育內容融入數位遊戲中(Prensky, 2001)，學習者透過遊戲情境進行任務解決的活動，在這過程中獲得並建構知識。近年來，利用遊戲式數位學習(Appelman, 2005; Crawford, 1984; Gee, 2003; Prensky, 2001; Salen & Zimmerman, 2004)具有的情境模擬、挑戰性、問題解決等特質，可以幫助學習者以嘗試錯誤的方式來練習，以建構正確的知識(Adcock, 2008; Connolly et al., 2007; Gros, 2007; Kiili, 2005; Van Eck, 2007)。在遊戲環境與體驗的互動下，可以幫助學習者透過具體經驗建構知識，這也是體驗式學習策略的核心(Kebritchi & Hirumi, 2008)。另外，遊戲所提供之故事情境讓學習者能夠融入活動，得到學習者的情感認同，透過遊戲規則或任務獲得挑戰性，使學習者在學習過程感到興奮，在任務解決後遊戲給予回饋得到勝利感，使學習者獲得自我感覺得滿足(Prensky, 2001)，因此許多研究對遊戲式數位學習抱持正向的看法，能夠引發學習者的興趣，進而改善學習成效(Lockard, Abrams, & Many, 1997; Sweeters, 1994; Yu, Chang, Liu, & Chan, 2002)。由於化學對學習者是複雜且枯燥乏味的，Rastegarpour 與 Marashi (2012)將化學學習內容融入遊戲進行實驗教學，研究結果顯示，遊戲帶給學生興奮與喜悅的感覺，因此遊戲式數位學習在化學概念學習成效優於傳統講述式教學。雖然遊戲應用於學習內容已證實能提升學習者的學習成效與與動機，但遊戲與學習內容融合的不洽當可能會造成學習者對於學習的參與意願不高，或是學習者太專注於遊戲的情境中而忽略學習內容(Squire, 2003)。因此，若遊戲的情境或任務與學習內容無太大的相關連結，對學習者在學習成效的幫助並不大(Ke, 2008)。學習者在電化學反應概念的學習上產生迷思概念的主要原因在於無法看到化學反應的微觀世界，如電子或原子的流動情形。為改善學習者所遭遇之學習困境，利用數位動畫模擬抽象且微觀的概念使之具體化的研究已有許多。邱美子 (2002)以電腦動畫模擬伏打電池實驗與電鍍實驗中離子與電子的流動情形進行. 15.

(30) 實驗教學，結果顯示，電腦動畫輔助電化學課程之教學方式確實能提升學習者之學習成效，且動畫呈現化學反應中抽象且微觀的現象有助於學習者對教科書中靜態圖片及文字之理解，也確實能吸引學習者注意力引發學習興趣。然而張秀澂 (2002)的研究中發現，電腦動畫融入教學對低分群的學生確實能夠增進學習成效，提高對化學的學習興趣，其中，學習者認為先到實驗室做完實驗後再與老師與同學討論學習效果較佳。由上述得知，電腦動畫模擬化學實驗所無法觀察之微觀現象，確實能引發學習者的學習動機並且增進學習成效，但也發現學習者認為化學實驗的操作經驗對於學習仍然是有幫助的。綜合上述，若要設計一款良好的遊戲式數位學習教材，必須將學習內容之抽象概念具體化，並且將遊戲的特性適時的融入，讓學習者能夠引起學習的意願又不會過度沉浸於遊戲情境中，在解決遊戲任務的過程也能專注於學習內容上。然而，以上所述之數位學習環境皆為虛擬的世界，學習者在虛擬實境(Virtual Reality) 中所操作的物件皆為虛構出來的物品，在此環境下進行學習無法得到現實世界的感受與經驗，將會造成所學概念無法與現實做連結的可能，因此，若能在真實的環境下進行學習，能夠幫助學習者有效的建構知識 (Arslan, Moseley, & Cigdemoglu, 2011)。為了能夠達到在真實的環境下學習者也能夠有效的學習抽象概念，擴增實境(Augmented Reality)所提供之技術能夠將虛擬物件與現實環境做結合(Alcañiz, Contero, Pérez-López, & Ortega, 2010)，將之應用於化學學習上，能夠結合操作化學實驗的現實經驗與化學反應的抽象概念，或許能夠有效幫助學習者在化學學習的成效。. 貳、擴增實境擴增實境 (Augmented Reality)的環境介於現實(Reality)與虛擬(Virtual)之間，其概念為透過感測裝置掃描現實世界的環境或物件，並將虛擬資訊經由使用者介面疊加於現實世界的場景，使用者與實體物件或虛擬物件進行互動以獲得擴增實. 16.

(31) 境的經驗。Azuma (1997)列舉擴增實境的三大特點為：(1)結合虛擬與現實；(2)及時互動；(3)3D 定位。Craig (2013)依據 Azuma (1997)對擴增實境之定義，提出擴增實境的關鍵要素： (一) 在現實世界可看到虛擬資訊疊加於真實環境中：使用者在現實世界中可以透過人體的視覺、聽覺、觸覺甚至是味覺或嗅覺來接受虛擬資訊的刺激，而虛擬資訊是疊加於真實環境之中。例如你所看到的照片可以透過其他介面看到 3D 虛擬模型或是聽到聲音的表達。 (二) 虛擬資訊與真實環境同步顯示：當虛擬資訊擴增於真實物體時，使用者的能夠同步接收資訊而不產生誤差或延遲。例如有一張桌子上面畫出一個圓圈，而你將透過擴增實境看到圓圈內有一個虛擬花瓶，而不會看到花瓶延遲時間出現或花瓶出現的位置不在圓圈內。 (三) 虛擬資訊是依據真實環境的定位與人類的視覺角度展示於現實世界：就同一物體所擴增出的虛擬物件，使用者在不同的視角可看到不同面向的物件。 (四) 擴增實境的互動範圍可以從使用者單純變換視角到創造新的虛擬資訊：使用者與擴增實境的互動行為可以為單純變換視角以檢視不同面向之虛擬物件，甚至是可以對虛擬物件進行移動；其中又可分為對虛擬物件或對真實物件進行互動。擴增實境之實作必須包含以下原件：(1)感測器；(2)處理器；(3)顯示器，處理流程為透過感測器掃描現實場景，將資料透過處理器進行分析並整合後經由顯示器介面呈現虛擬資訊並疊加於真實場景。就感測方式開發擴增實境可分為：(1) 標記式圖卡。利用特定圖形進行辨識；(2)無標記式圖卡。無特定圖形之圖片辨識； (3)真實場景。對真實物件或場景辨識；(4)動態體感。利用體感裝置對手勢或動作辨識；(5)GPS 定位。利用衛星定位辨識。由上述之關鍵特性以及開發方式可以了解已有非常多的方式進行擴增實境的實作，以下就擴增實境應用於教育的方式進. 17.

(32) 行探討。. 参、擴增實境在教育之應用與影響自古以來，無論是從東西方的教育方式來看，學習者接受資訊來源就是眼睛，因此視覺是人類最重要的感官能力(Donderi, 2006)。隨著科技日新月異，人類對於科學現象的求知欲望越來越大，為了要學習這些複雜概念已不再只是單純用眼睛觀看就可學會的，因此必須應用到更多的感官，如聽覺或觸覺來接受訊息的刺激，帶來更強大的學習經驗(Alcañiz, Contero, Pérez-López, & Ortega, 2010)。近年來，透過擴增實境的技術將現實與虛擬融合，以虛實整合的學習環境刺激學習者的視覺、觸覺或聽覺等感受以達到更高層次的學習歷程。Billinghurst (2002)提出擴增實境應用於教育有以下幾點益處： (1) 擴增實境讓學習者在真實的環境下與虛擬物件進行即時的互動。 (2) 使用擴增實境具有實體教具，學習者能夠較直覺的操作行為。 (3) 擴增實境使學習者能夠流暢的在虛擬與現實轉換，沉浸於學習內容中。因此，透過擴增實境進行學習活動便能在真實的環境中直覺地操作實體教具，同時與學習內容相關的虛擬資訊進行互動，讓學習者能夠進行實體與虛擬的即時互動。因此，擴增實境應用在教育是具有潛力的，近幾年已有許多將擴增實境應用於教育上的相關研究(如表 2-2 所示)。. 表 2-2 擴增實境應用於教學學習領域. 研究者. 應用方式. 醫學教育. Lee, Lee, Park, Lee, Song, Seo, Lee, Kim, & Eom (2013). 以過增實境模擬動物之血管系統, 進行獸醫系學習者進行靜脈注射之訓練。. Nikou, Digioia III, Blackwell, Jaramaz, & Kanade (2000). 使用擴增實境可以減少使用具輻射的 X 光，且能幫助醫生進行微創手術。. Ibáñez, Serio, Villarán &. 學習者操作電磁學相關實驗, 以擴. 科學教育. 18.

(33) 增實境將電場或磁場等無法肉眼看到的抽象概念可視化。. Kloos (2014). Kose, Koc, Anil, & Yucesoy 增進學習者對計算機概論之邏輯思考能力。 (2013) 操作濃度與密度概念之實驗, 使用 Luis, Mellado, & Díaz 擴增實境將其抽象概念可視化。 (2013) Matsutomo, Miyauchi, Noguchi, & Yamashita (2012). 透過擴增實境系統學習者可以更輕易地瞭解看不到的磁力線的相關特性。. Enyedy, Danish, Delacruz,. 擴增實境幫助 6-8 歲的學習者對於力與摩擦能夠有個基本的認識。. & Kumar (2012). Cadavieco, Goulao, & Costales (2012). 擴增實境提供輔助線或數學公式輔助立體圖形體積或表面積之題型計算。. Morrison et al. (2011). 學習者使用 GPS 擴增實境系能夠與其他人有更多的互動且提升學習動機。. Horii & Miyajima (2013). 透過擴增實境呈現之虛擬物件進行各種視角觀察, 輔助 3D 電腦繪圖能力。. Martín-Gutiérrez, Luís Saorín, Contero, Alcañiz, Pérez-López, & Ortega (2010). 擴增實境書對於學習者在空間以及測量能有正向的影響。. 天文教育. Yen, Tsai, & Wu (2013). 以擴增實境教導月相盈虧概念, 結果顯示擴增實境提供之互動模式有助於提升學習者之學習動機。. 人員訓練. Behzadan & Kamat (2013). 利用擴增書幫助了解建築工程機具的構造, 並在互動環境下學習如何. 空間設計. 在工地進行工程。. Martin-Gutierrez, Guinters, & Perez-Lopez (2012). 以擴增實境輔助學習者自學電子設備維護。. 資料來源：研究者自行整理從上述擴增實境應用於教育之研究可歸納出以下幾點科目共同特性： (1)必須透過操作的經驗建構知識 19.

(34) 從建構論的觀點認為知識應該是藉由他人、世界與事物的互動而產生的經驗，因此學習者在現實環境中與實物的互動的經驗可以幫助學習者建構知識(Karal & Reisoglu, 2009)。而擴增實境的技術便可讓學習者不僅獲得真實世界的互動經驗，也可經由擴增實境所提供的虛擬資訊獲得額外的刺激，幫助學習者建構更深層的知識。 (2)隱含無法使用肉眼觀察的抽象概念科學知識有許多無法用肉眼觀察的抽象概念，例如磁力線、光的路徑與電流等，學習者無法經由教科書或教學者的描述而理解這類科學現象，即便透過親自操做實驗也無法看到科學現象的微觀世界。因此學習者便可透過擴增實境的輔助，在現實環境下操作實驗，並且看到虛擬資訊所呈現的科學現象之微觀世界。 (3)三維空間相關概念對於空間能力較低的學習者而言，空間概念相關課程的學習是非常困難的，不論教科書亦或是虛擬動畫皆為二維平面呈現三維立體圖形，因此學習者必須運用本身的空間能力將圖形從二維平面轉向三維空間。因此使用擴增實境呈現之虛擬資訊幫助學習者對實體物件進行比對，進行空間能力之訓練，幫助改善學習者之空間相關概念(Kaufmann & Schmalstieg, 2003)。本研究之教學內容為電化學反應概念，學習者經由實驗操作的過程，看到化學反應在每個階段所產生的反應與現象進而瞭解化學原理，也能加深學習者對化學反應的記憶。即便如此，學習者依舊無法從實驗的過程看到化學反應的微觀世界以瞭解現象產生的原因。因此，本研究將應用擴增實境，將現實環境與虛擬世界結合，讓學習者在操作實驗的同時能夠看到虛擬資訊呈現的化學反應之微觀世界，促進對電化學反應概念之理解。另外，當學習者從講述式教學轉變為數位學習的環境時，不在是以教學者為中心，而是以學習者本身為中心，因此教學者的角色則轉變為引導學習者的協調者(Robertson & Howells, 2008)。因此在設計教學環境時應該考量學習者對概念學習的思考模式及觀察重點，適時融入引導策略以. 20.

(35) 幫助學習者建構概念知識。. 21.

(36) 第四節引導策略壹、引導之意涵 Gagné (1985)在學習條件論中將學習者內在學習歷程分為九個階段，並提出相對應的教學事件，其學習階段與教學事件之關係如表 2-3 所示。其中，在學者者之在「語意編碼」階段時，教學者可提供額外的學習引導以幫助學習者將所接收的資訊編碼至長期記憶中。Alessie 與 Trollip (2001)亦提到，有效的教學活動應包括教材呈現(presenting information)、引導學習者(guiding the learner)、練習 (practicing)和學習成效的評估(assessing learning)四個階段，透過良好的教學活動設計以幫助學習者促進學習表現。由上述可知，良好的教學設計必須對學習者提供適時的引導，幫助學習者將學習過程中所接收的資訊編碼至長期記憶中。. 表2-3 Gagné的九個學習階段與教學事件之關係內在學習階段. 外在教學事件. 功能. 1. 注意. 引起注意. 學習者接受刺激引起注意. 告知學習目標刺激回憶先前的學習呈現學習內容提供學習引導引起表現提供回饋評量表現增強遷移. 告之目標，建立學習的期待提取與活化工作記憶選擇接受的內容暫存於運作記憶語義性編碼至長期記憶反應問題強化正確的表現日後學習結果之回想提供額外線索增進學習遷移至新情境. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.. 期望檢索記憶選擇性知覺語意編碼反應增強檢索線索類化. 資料來源：修改自 The conditions of learning and theory of instruction (p.246), by R. M. Gagné, 1985, New York, N. Y.: Holt, Rinehart and Winston.. 學習引導策略有許多不同方式，例如閱讀、提出問題、小組合作或專題製作等等，以下就不同的引導策略進行說明：. (1) 預先架構(pre-structure) 22.

(37) 預先架構是教學者提供一段文字敘述之文章，並提出問題讓學習者聚焦於該文章之議題或概念上，學習者整合認同或反對之觀點後提出問題之答案並提出合理的解釋，以達到深入思考(Darabi, Arrastia, Nelson, & Liang, 2011)。 (2) 鷹架架構(scaffolding) 鷹架結構是在學習環境中，不論是教學者或是同儕所提供之相關資訊，學習者可依據這些訊息來完成目前的學習活動或任務。若是教學者提供問題之引導，學習者不僅要回答問題，必須解答的原因、解題過程或步驟，瞭解其概念之深層意義(Darabi et al., 2011)。 (3) 闡述性策略(expository) 闡述性策略是指教學者以講義或教科書為教材時，提供額外的圖片或影片作為補充資料，增加學習者對此課程的學習範圍，藉此提高學習動機(Akdemir & Koszalka, 2008)。. 學習引導策略依照不同程度的指引或提示可分為高度引導或低度引導(Kuhn & Dean, 2005; Matlen & Klahr, 2010; Matlen & Klahr, 2013)。高度引導為提供具程序性或較明確的指示以幫助進行學習活動，其引導是可以幫助學習者完整的解釋概念的資訊，以符合人類的認知結構(Kirschner, Sweller, & Clark, 2006)；低度引導的應用方式有許多種類，如發現式學習(discovery learning)、問題導向學習 (problem-based learning)、探索式學習(inquiry learning)、體驗式學習(experiential learning)和建構式學習(constructivist learning)。部分研究者認為高度引導可以提供學習者明確的指引以促進認知處理，達到有效的學習成效(Klahr & Nigam, 2004; Mayer, 2004；O’Neil, Chung, Kerr, Vendlinski, Buschang, & Mayer, 2014)，然而，有部分研究者卻認為學習者在高度引導的情況下將成為被動的角色，由於引導所給予之資訊無法使學習者進行反思，因此造成知識無法遷移進入長期記憶中而暫存於短期記憶，以致無法應用到真實情境中；反之，低度引導卻能促使學習者主. 23.

(38) 動學習，進行問題的反思進而建構知識，並儲存至長期記憶中以達到較好的學習表現(Dean & Kuhn, 2007; Schwartz, Chase, Oppezzo, & Chin, 2011)。本研究將以鷹架架構之引導進行教材設計，並參考鷹架策略中的程序性鷹架設計為高度引導的程序引導策略，另外參考反思鷹架設計為低度引導的問題引導策略。. 貳、學習引導對學習成效之影響根據認知負荷理論，認知負荷分為三類，分別為內在認知負荷(intrinsic cognitive load)、外在認知負荷(extraneous cognitive load)及增生認知負荷(germane cognitive load)。增生認知負荷(germane cognitive load)是指學習者在學習過程中將工作記憶中的訊息建構出合適的基模或將基模進行自動化的過程，在這過程產生的認知負荷對學習者是有幫助的，例如透過良好的教材設計，引導學習者進行學習活動。Mayer (2009)為促進學習者的自我解釋而給予提示引導學習者進行學習活動，並提出以下不同類型的提示方式： (1) 額外處理：此類型的提示有可能使學習者分心，造成學習活動的中斷。 (2) 必要處理：此提示可以使學習者將注意力專注於容易忽略或必須學會的內容上。 (3) 生成處理：此提示可以促進學習者進行反思，進行更深入的學習活動。 (4) 最小化處理：學習者不需專注於提示也能繼續後續的學習。因此，當設計教材時能夠加入適當的提示或引導能夠促進學習者的認知過程，幫助學習者將抽象概念與具體知識做連結 (O’Neil, Chung, Kerr, Vendlinski, Buschang, & Mayer, 2014)。 Dean 和 Kuan (2006)採用發現式學習進行變項控制策略(control-of-variables strategy, CVS)的實驗教學。研究將學習者隨機分為三個組別，分別為(1)練習情境 (practice condition, 簡稱 PR)；(2)加入直接引導(direct instruction, 簡稱 DI)；(3)DI. 24.

(39) + PR。而直接引導的教材是參考 Klahr 與 Nigam (2004)的研究所設計，教師提供不同的範例與問題引導學習者反思並給予回饋。研究結果顯示，DI 使學習者加快學習速度，然而 DI+PR 對學習者的推理及解釋能力優於 DI。陳佩琪(2013)使用不同程度引導的方式（引導發現與演練範例）設計學習單，讓國中三年級學習者操作 PhET 直流電路軟體學習「直流電路串並聯」單元概念，探討不同程度使用不同學習單之學習者其學習成效與認知負荷之影響。其引導發現之學習單提供反思性問題，讓學習者根據實驗結果進行推理思考並寫出問題之答案解釋；演練範例則要求學習者將實驗結果紀錄下來，並且給予給予詳細的解題步驟。研究結果發現，演練範例組的學習者學習成效優於引導發現組學習者；低程度學習者認為引導發現之學習單較困難而演練範例較簡單；在同樣為引導發現組之學習者低程度學習者較高程度學習者感到教材難度高。由上述可知，提供不同程度的引導策略對學習者對於學科概念的理解是有幫助的，但也必須考量學習者對該學科的先備知識程度來設計教材。本研究將以較高度引導的程序引導與較低度引導的問題引導，分別提供詳細程序的步驟及提供問題幫助學習者反思，希望透過這兩種引導策略能夠有效提升學習者在電化學反應概念的學習成效。. 25.

(40) 第三章. 研究方法. 本研究旨在探討在不同擴增型態的學習環境下(靜態擴增、動態擴增)與不同引導策略(程序引導、問題引導)對高中一年級學習者電化學反應課程的學習成效和化學學習動機之影響。本章共分為五小節，以下分別就研究對象、研究設計、實驗流程、研究工具及資料處理與分析進行說明。. 第一節研究對象本研究之研究對象為高中一年級學習者，隨機選取桃園縣某高中一年級四個班級的學習者為研究樣本。所有班級均為常態編班，參與樣本均具備操作平板電腦技能。因本研究之教學內容為電化學實驗，須花費較長時間進行，為不耽誤學校課程進度，故以舉辦化學實驗營隊之方式於周末進行本次實驗教學，學習者完成研習活動後頒予研習證明。教學實驗以班級為單位，分梯次於 2014 年 3 月 9 日至 10 日間實施，每班各 240 分鐘。各班級依學習環境及引導策略，隨機分派為「靜態擴增組」或「動態擴增組」及「程序引導組」或「問題引導組」。本研究參與者四個班級共 163 人，剔除未全程參與者 2 人及極端值 9 人，有效樣本為 152 人。實驗教學之各組人數分配如表 3-1 所示，就學習環境之擴增型態而言，靜態擴增組與動態擴增組均為 76 人；就引導策略而言，程序引導組與問題引導組亦均為 76 人。擴增型態-引導策略各組均為 38 人。表 3-1 教學分組及各組人數分配表引導策略擴增型態. 程序引導. 問題引導. 合計. 靜態擴增. 38. 38. 76. 動態擴增. 38. 38. 76. 合計. 76. 76. 152. 26.

(41) 第二節研究設計本研究採用因子設計(factorial design)之準實驗研究法，旨在探討不同擴增型態(動態擴增、靜態擴增)與不同引導策略(程序引導、問題引導)對高中一年級學習者電化學反應課程的學習成效和化學學習動機之影響。擴增型態與引導策略之研究設計及實驗教學活動設計分別敘述如下：. 壹、研究設計本研究之研究設計架構如圖 3-1 所示，自變項有二，分別為「擴增型態」及「引導策略」。「擴增型態」乃是依不同擴增呈現方式分為「靜態擴增」與「動態擴增」兩種型態。「靜態擴增」的虛擬輔助資訊呈現方式為靜態圖像，並以箭頭指示離子或電子流向；「動態擴增」的虛擬輔助資訊則以動畫呈現離子與電子的流動情形。「引導策略」是在教學實驗進行時提供適切的引導，以幫助學習者知識概念的理解，分為「程序引導」與「問題引導」兩種策略。「程序引導」在學習單上提供循序性的觀察引導，並要求將觀察結果記錄下來，以幫助學習者ㄧ步一步的建構知識；「問題引導」則在學習單上提出問題，藉由問題讓學習者從觀察結果提出對化學反應現象的解釋。自變項一、擴增型態 1、靜態擴增 2、動態擴增. 共變項先備知識. 依變項一、電化學反應概念學習成效 1、知識理解 2、知識應用二、化學學習動機 1、內在目標導向 2、外在目標導向 3、工作價值 4、控制信念 5、自我效能 6、期望成功. 二、引導策略 1、程序引導 2、問題引導. 圖 3-1 研究設計架構圖 27.

(42) 本研究之依變項有二，分別為「化學反應學習成效」及「化學學習動機」。「化學反應學習成效」主要評量學習者在實驗教學後在化學反應學習成效測驗的表現，包含知識理解和知識應用兩個面向。「化學學習動機」主要探討學習者在實驗教學後對化學學習的動機表現，包含外在目標導向、內在目標導向、工作價值、控制信念、自我效能及期望成功六個面向。本研究為了排除學習者化學先備知識對實驗教學之影響，在統計分析上以先備知識測驗分數作為共變項。. 貳、擴增實境實驗遊戲「製造鋼鐵人」實驗教學活動設計本研究希望透過遊戲的情境引發學習者興趣，讓學習者透過親自操作化學實驗的方式並以擴增實境的技術提供學習者輔助虛擬資訊，建構出虛實整合的學習環境，藉此幫助學習者學習電化學反應課程的相關概念，進而理解生活中電化學反應的相關概念。本研究以 Vuforia 擴增實境模組匯入 Unity 3D 遊戲製作平台，建置一個結合教育目標、化學實驗、遊戲內容及教學策略的擴增實境實驗遊戲– 「製造鋼鐵人」，其學習內容與學習目標、遊戲設計發展工具、遊戲設計理念、學習活動設計及學習活動流程分述如下：. 一、學習內容與學習目標「製造鋼鐵人」的電化學反應課程學習內容與目標，是依據普通高級中學畢修科目「基礎化學」課程綱要中的化學實驗「化學電池」單元來發展。本研究之目標是讓學習者透過操作實驗瞭解電化學反應相關概念，內容包含(1)鋅銅電池、(2)電解與電鍍，如圖 3-2 所示。. 28.

(43) 電解液的解離狀態金屬的活性定義鋅銅電池形成迴路後正、負極的化學反應電化學反應課程. 鹽橋的作用電解的原理電解與電鍍電解的應用-電鍍. 圖 3-2 電化學反應課程相關概念知識架構圖. 二、「製造鋼鐵人」擴增實境實驗遊戲設計發展工具本研究之擴增實境實驗遊戲使用 Qualcomm 公司的 Vuforia 平台所提供的擴增實境模組套件匯入 Unity 3D 遊戲製作軟體進行設計。Unity 3D 遊戲開發介面如圖 3-3，場景編輯區域可供開發者自由地建置三維遊戲場景；開發者可藉由虛擬攝相機模擬鏡頭前的預覽場景並顯示於場景預覽區域；場景中的所有物件放置於物件編輯列，讓開發者可針對場景中單一物件進行編輯動作；專案物件編輯列表中放置的是遊戲專案中所有資源，建置場景中所需的物件可經由專案物件編輯列表拖曳到場景中進行編輯，而學習者對物件的互動行為則透過 Unity 3D 內建之 Java Scrip 語言編輯器進行撰寫，如圖 3-4。整體來說，雖然 Unity 3D 遊戲製作軟體的複雜度滿高的，但對開發者進行遊戲開發的自由度非常高，因此業界使用 Unity 3D 軟體開發遊戲的公司已逐漸增加許多。. 29.

(44) 圖 3-3 Unity 3D 開發介面. 圖 3-4 Unity 3D 程式撰寫編譯器. 三、「製造鋼鐵人」擴增實境實驗遊戲學習架構本研究以體驗式學習循環作為開發學習活動之主要架構，學習者透過具體經驗、反思觀察、抽象概念、主動驗證四個循環階段的學習任務，進行「製造鋼鐵人」擴增實境實驗遊戲，建立正確的電化學反應概念，如表 3-2 所示。 30.

(45) 表 3-2 體驗式循環意義與擴增實境融入規劃循環階段. 循環階段意義. 具體經驗. 以活動來促進學習者的參與，在遊戲的情境之下，實際動手操透過這樣的問題解決歷程循序作化學實驗，以擴增實境輔助學漸進的達到活動的學習目標，習，並達成遊戲所給予之任務。並學習到有價值的知識。. 反思觀察. 學習者比較過去的知識與經觀察擴增實境中的電子與離子的驗，在活動體驗的過程中，可流動情形，運用先備知識思考造以藉由省思與檢視去瞭解本身成目前電子與離子流動的原因為. 抽象概念. 主動驗證. 本研究實驗之策略規劃. 問題存在或是產生疑惑的地何，並且將所觀察到的現象記錄方，並設法連結經驗來設法找下來。出問題的解決方法。將思考過程的想法與經驗作歸藉由實驗操作的過程中，透過學納與整理，形成概念，作為理習單的引導策略，反覆思考某種現象發生的原因，幫助學生一步想中解決問題的最佳解法。一步建立化學能與電能之間的轉換概念。體驗式學習的成效，即是個人透過立即的回饋，驗證目前階段能夠應用參與活動的所有經驗中所建立的觀念是否正確。並且以及所得，把所學習到的知識準備學習下一個階段的概念。推理運用到其他不同情境的問題上，或是應用到個人的日常生活當中。. 四、「製造鋼鐵人」學習活動設計本研究之擴增實境學習活動目的在幫助學習者透過遊戲情境所給予之任務，實際操作化學實驗並且觀察其隱含之抽象概念，進而提升學習成效與學習動機。「製造鋼鐵人」依據學習內容與目標規劃學習活動，包括主題、學習目標、任務名稱、學習內容四個部分，如表 3-3 所示。. 31.

(46) 表 3-3 製造鋼鐵人任務擴增實境學習活動內容規劃表主題鋅銅電池. 學習目標. 任務名稱. 學習內容. 學習者親自操任務 1、製造電池，取得動力來源作鋅銅電池實電解液的特性驗，瞭解電池 1-1 調配電解液的運作原理。 1-2 選取電極金屬電極金屬的活性 1-3 形成迴路後正負極的化學反應. 接上鹽橋後，正負極的化學反應變化. 1-4 鹽橋運作，完成電池. 鹽橋的功用. 電解與電鍍學習者操作電任務 2、得到電鍍的技術解硫酸銅溶液硫酸銅溶液進行電解實驗，瞭解電 2-1 電解硫酸銅溶液時，正負極的化學反應解的原理，並且應用於電鍍 2-2 電解的應用-電鍍實驗。. 運用電解的特性進行電鍍. (一) 擴增實境實驗遊戲之實體教具擴增實境化學實驗實體教具如圖 3-5，包含(1)250 ml 燒杯*2、(2)1000 ml 燒杯*1、(3)三用電表*1、(4)鱷魚夾導線*2、(5)銅片*2、鋅片*1、(6)電池座*1、(7) 迴紋針*1、(8)U 形管*1、(9)1 號包(4g 硫酸鋅粉末) 、(10)2 號包(4g 硫酸銅粉末) 、 (11)硝酸鉀粉末(放置於塑膠杯中) 、(12)4 號包(16g 硫酸銅粉末) 、(13)融合 AR Marker 之實驗底座 A4 紙*2。其中，融合 AR Marker 之實驗底座分為鋅銅電池實驗底座和電解與電鍍實驗底座，如圖 3-6、圖 3-7 所示。. 32.

(47) 圖 3-5 化學實驗實體教具. 圖 3-6 鋅銅電池實驗底座說明圖 33.

(48) 圖 3-7 電解與電鍍實驗底座說明圖. (二) 擴增實境實驗遊戲情境說明「製造鋼鐵人」實驗遊戲開場會以一段故事情境說明背景及任務目標，如圖 3-8 及圖 3-9。學習者扮演主角托尼史塔克，當他得知好朋友所居住的村落「古米拉」被當地的軍閥無情的燒殺擄虐，於是加緊腳步製做鋼鐵人。但是目前缺少鋼鐵人的動力來源以及外衣的防禦工事，你必須習得製造電池以及電鍍的技術來完. 34.

(49) 成鋼鐵人的製作。. 圖 3-8 遊戲開場畫面. 圖 3-9 遊戲情境敘述. 35.

(50) (三) 擴增實境實驗遊戲學習歷程在體驗式學習環中的第一階段（具體經驗），學習者經由遊戲中角色的對話獲得遊戲背景及任務說明(圖 3-10)，其中角色對話所介紹之遊戲背景與生活情境相關，讓學習者與現實的經驗作連結，接著經由學習單的化學實驗步驟指引，讓學習者親自動手操作化學實驗，建立具體經驗，如圖 3-11。. 圖 3-10 經由角色之間的對話介紹遊戲背景，與現實經驗做連結. 36.

(51) 圖 3-11 學習單之實驗步驟引導. 37.

(52) 圖 3-12 學習單指引學習者操作化學實驗. 在第二階段（反思觀察）與第三階段（抽象概念），學習者完成學習單指引的實驗操作步驟後將會出現＂進行下一步＂按鈕，學習者必須按下按鈕後才能進行觀察，如圖 3-13。學習單提供與目前實驗相關的化學反應之提示，學習者透過學習單給予之引導觀察實驗中電子與離子的流動情形，透過點擊電子與離子進行互動，獲取資訊性提示(圖 3-14)，並將觀察結果記錄於學習單，並且與先備知識作連結，並提出合理的解釋記錄於學習單。. 38.

(53) 圖 3-13 實驗操作完成後＂進行下一步按鈕＂. 圖 3-14. 學習者與擴增實境之互動. 39.

(54) 在程序引導組所給予之引導為程序性問題，學習者依照指示循序觀察，並將結果記錄下來，如圖 3-15；問題引導組則給予該實驗階段所包含概念的相關屬性之問題，學習者透過觀察之結果提出合理解釋回答問題，如圖 3-16。. 圖 3-15 程序引導學習單. 圖 3-16 問題引導學習單 40.

(55) 在觀察的階段依照擴增實境呈現方式分為靜態擴增與動態擴增。靜態擴增組以靜態的方式呈現離子與電子之流向，而方向則以箭頭標示，如圖 3-17；動態擴增組則以不斷重複播放動畫的方式呈現離子與電子之流動情形，如圖 3-18。. 圖 3-17 靜態擴增組呈現之電子與離子. 圖 3-18 動態擴增組呈現之電子與離子. 41.

(56) 在第四階段（主動驗證）中，學習者結束前一階段的觀察與紀錄的動作後進入到練習任務。該任務是以學習者所扮演的主角與其助手對話的方式進行問答，以前一階段所學之概念作為問題讓學習者回答，若選擇之答案為正確答案則進行下一個問題，若答案錯誤則會給予錯誤的回饋讓學習者重新回答問題，若是回答錯誤的次數到達三次則給予失敗任務之回饋並且重新該任務。藉此驗證學習者是否正確的形成概念，達到學習的目標。. 圖 3-19 學習者扮演主角回答問題. 42.

(57) 圖 3-20 回答正確之回饋. 圖 3-21 回答錯誤之回饋. 43.

(58) 圖 3-22 回答錯誤次數超過 3 次之回饋. 44.

(59) 第三節實驗流程本研究之實驗流程，如圖 3-23 所示，主要包含前測、準備活動、學習活動與後測，實驗時間共 240 分鐘。. 前測(40 分鐘) 電化學反應課程先備知識測驗. 準備活動(5 分鐘) 活動說明、實驗注意事項、操作說明. 電化學反應課程學習活動(145 分鐘). 程序引導組. 問題引導組具體經驗親自操作化學實驗. 反思觀察透過靜態、動態擴增實境呈現電子與離子流動情形. 抽象概念以程序性引導輔助思考. 抽象概念以問題提問方式輔助思考. 主動驗證給予回饋，驗證觀念是否正確. 後測(50 分鐘) 電化學反應課程學習成效測驗、化學學習動機問卷、圖 3-23 學習活動之實驗教學流程. 45.

(60) 實驗過程共計 240 分鐘，教學活動前實施前測，內容為電化學反應課程先備知識測驗，測驗時間為 40 分鐘。接著，由教學者說明化學實驗操作相關注意事項以及平板電腦操作方式，說明時間約 5 分鐘。結束說明後進行 145 分鐘的教學活動，學習者依照學習單及遊戲任務指引操作化學實驗，並且透過擴增實境及學習單的引導策略輔助觀察化學反應在現實生活中無法由肉眼觀看的電子與離子的流動情形，以此建立電化學反應之正確概念。最後 50 分鐘進行後測，包括電化學反應課程成效測驗與化學學習動機量表，以了解學習者對教學活動之學習成效及學習動機。. 圖 3-24 學習者進行「製造鋼鐵人」化學實驗遊戲學習活動. 46.