國民中學日、月、地系統電腦模擬教具的開發與教學成效探討

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(1)國立交通大學理學院網路學習學程碩士論文. 國民中學日、月、地系統電腦模擬教具的開發與教學成效探討 The Development of a Computer Simulation and a Study of its Effect on Junior High School Students’ Learning of Sun-MoonEarth Systems. 研究生：吳. 建. 指導教授：袁. 中. 華. 民. 國九. 興媛教授. 十. 六年. 七. 月.

(2) 國民中學日、月、地系統電腦模擬教具的開發與教學成效探討 The Development of a Computer Simulation and a Study of its Effect on Junior High School Students’ Learning of Sun-MoonEarth Systems 研. 究. 生：吳建興. Student：Chien-Hsing Wu. 指導教授：袁媛. Advisor：Yuan Yuan. 國立交通大學理學院網路學習學程碩士論文. A Thesis Submitted to Degree Program of E-Learning College of Science National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master in. Degree Program of E-Learning July 2007 Hsinchu, Taiwan, Republic of China. 中華民國九十六年七月.

(3) 國民中學日、月、地系統電腦模擬教具的開發與教學成效探討學生：吳建興. 指導教授：袁媛教授. 國立交通大學理學院碩士專班網路學習組. 摘. 要. 國民中學階段的日、月、地相關課程對學生是一個較難理解的單元。本研究利用系統化教學設計(ADDIE)模式來開發日、月、地系統網站及電腦模擬教具，並探討使用於教學晝夜與四季、月相的盈虧、日食與月食、潮汐現象等四個單元的教學成效。本研究採不等組的前後測準實驗設計，實驗組使用日月地系統網站及電腦模擬教具教學，對照組以傳統講述法教學，並以自編的學習成就測驗進行前測、後測及延後測後，將學習成就測驗後測減前測以及延後測減前測的平均分數分別作獨立樣本 t 檢定，發現實驗組的立即學習成效較控制組有顯著的進步，而在保留學習的成效上，實驗組亦較控制組有顯著的保留效果。在子單元的學習成效上，實驗組在晝夜與四季、月相、日月食、潮汐現象的立即學習成效表現上，各項平均分數皆高於控制組，僅日月食與潮汐現象兩單元與控制組達顯著差異；而在晝夜與四季、月相、日月食、潮汐現象的保留學習成效上，各項平均分數亦高於控制組，且潮汐現象與控制組達顯著差異。研究發現實驗組學生認為日月地系統網站及電腦模擬教具對於學習上有很大的幫助，也覺得電腦模擬教具的可操作性，讓他們更能了解日月地系統之間的觀念與現象。. 關鍵詞：電腦模擬教具、ADDIE系統化教學設計、日月地系統、國中 i.

(4) The Development of a Computer Simulation and a Study of its Effect on Junior High School Students’ Learning of Sun-Moon-Earth Systems Student：Chien-Hsing Wu. Advisor：Dr. Yuan Yuan Degree Program of E-Learning College of Science National Chiao Tung University. ABSTRACT It is known that concepts related to sun, moon, and earth are especially difficult for junior high school students. This purposes of this study were to develop the sun-moonearth and computer simulation Web system and to study its effect on junior high students’ learning of four units – day, night and four seasons, the phases of the moon, the solar eclipse and the lunar eclipse, and the tidal phenomenon. The model of the Systematic Design of Instruction (ADDIE) was used as the guide to design the Web system. The research design was a nonequivalent groups pretest - posttest quasi – experimental design. Participates were 83 9th grade students from two classes of a junior high school. The researcher randomly selected one class as the experimental group, and the other one as the control group. Students in the experimental group received the instructions using the sun-moon-earth and computer simulation Web system. Students in the control group received the traditional teacher-centered instruction. Research results showed that students in the experimental group performed better than the control group on both the posttest and the retention test. Students in the experimental group outperformed on concepts that were related to the solar eclipse and the lunar eclipse, and the tidal phenomenon in the posttest. They also outperformed on concepts that were related to the solar eclipse and the lunar eclipse in the retention test. Students in the experimental group considered the sun-moon-earth and computer simulation Web system a useful tool for learning. Especially the simulation applet offered them an opportunity to manipulate and gained a deep understanding of the sunmoon-earth systems.. Keywords: Computer simulation, Systematic Design of Instruction , Sun-moon-earth Web system, Junior high school. ii.

(5) 誌. 謝. 研究所的生涯即將劃下句點，回顧這兩年的求學生活，首先要感謝的是指導教授袁媛老師，由於您細心的指導，才讓我得以順利的完成研究；另外，感謝中央大學數學系單維彰教授及交大專班莊祚敏主任在論文上給我的鼓勵與意見，讓我的論文更加完善。感謝專班同學學隆、姬孋、彥良、順吉在這兩年的陪伴與幫忙，讓研究所這兩年增添了許多美麗的回憶。感謝維真國中自然領域同仁們的建議與回饋。還要感謝岳父岳母，在這兩年提供我來回奔波時可以休息的地方。當然還有內人盈葦在這兩年的體諒與陪伴，潤正論文的言詞及口試流程的演練，是我一生的好伴侶；也是我學業的得力助手。最後更要感謝我的父母，因為有您們的支持與鼓勵，才讓我更有完成學業的動力，謹以此論文獻給您們。. 吳建興謹致 2007 年 7 月. iii.

(6) 目. 錄. 中文摘要 …………………………………………………………………… i ii 英文摘要 …………………………………………………………………… 誌謝 ………………………………………………………………………… iii iv 目錄 ………………………………………………………………………… v 表目錄 ………………………………………………………………………… vi 圖目錄 ………………………………………………………………………… 第一章緒論 ……………………………………………………………… 1~5 1 第一節研究背景與動機 ………………………………………… 4 第二節研究目的 …………………………………………………… 5 第三節名詞釋義 …………………………………………………… 5 第四節研究範圍與限制 ………………………………………… 第二章文獻探討 ………………………………………………………… 6~26 6 第一節教學理論的分析 ………………………………………… 第二節日月地概念的相關論文探討 ………………………… 10 第三節多媒體教學－電腦模擬 ……………………………… 17 第四節 ADDIE 系統化教學軟體設計 ………………………… 24 第三章研究方法 …………………………………………………………27~51 第一節研究流程 …………………………………………………… 27 第二節分析階段 …………………………………………………… 29 第三節設計階段 …………………………………………………… 33 第四節發展階段 …………………………………………………… 38 第五節評鑑階段 …………………………………………………… 39 第四章研究結果與討論 ………………………………………………52~78 第一節日月地系統學習網 …………………………………… 52 ………………………………………… 56 第二節電腦模擬軟體第三節總結性評鑑 ……………………………………………… 71 第五章結論與建議 ……………………………………………………79~82 第一節結論 ………………………………………………………… 79 第二節建議 ………………………………………………………… 81 參考文獻 …………………………………………………………………… 83 中文部份 …………………………………………………………………… 83 英文部分 …………………………………………………………………… 85 附錄 ………………………………………………………………………… 86. iv.

(7) 表目錄表 1-1-1. 國中教師多媒體運用排名 …………………………………. 表 2-2-1. 日月地相關論文 …………………………………………… 10. 表 2-3-1. 電腦模擬的種類……………………………………………. 19. 表 2-3-2. 電腦模擬應用於自然科的相關研究………………………. 20. 表 3-1-1. 不等組前－後測準實驗設計 ……………………………. 27. 表 3-2-1. 自然與生活科技與日月地概念相關能力指標……………. 32. 表 3-2-2. 「自然與生活科技」學習領域之教材內容要項與細目…. 32. 表 3-4-1. 發展階段時程表……………………………………………. 38. 表 3-5-1. 研究樣本人數統計表 ………………………………………. 40. 表 3-5-2. 日月地系統的建議與修正 …………………………………. 43. 表 3-5-3. 日月地系統的教學建議與修正……………………………. 44. 表 3-5-4. 「日月地學習成就測驗」預試前認知層次及學習概念表…. 47. 表 3-5-5. 「日月地學習成就測驗」預試前試題分析雙向細目表…. 48. 表 3-5-6. 「日月地學習成就測驗」預試後難度與鑑別度分析表…. 49. 表 3-5-7. 「日月地學習成就測驗」預試後試題分析雙向細目表…. 50. 表 3-5-8. 實驗研究問題的統計方法 …………………………………. 51. 表 4-2-1. 太陽軌跡與電腦模擬教具對照表…………………………. 61. 表 4-2-2. 各種月相出現時間示例……………………………………. 65. 表 4-3-1. 後測減前測之組別統計表…………………………………. 71. 表 4-3-2. 晝夜與四季之後測減前測統計表…………………………. 72. 表 4-3-3. 月相之後測減前測統計表…………………………………. 72. 表 4-3-4. 日月食之後測減前測統計表………………………………. 73. 表 4-3-5. 潮汐現象之後測減前測統計表……………………………. 73. 表 4-3-6. 延後測減前測之組別統計表………………………………. 74. 表 4-3-7. 晝夜與四季之延後測減前測統計表………………………. 75. 表 4-3-8. 月相之延後測減前測統計表………………………………. 75. 表 4-3-9. 日月食之延後測減前測統計表……………………………. 76. 表 4-3-10. 潮汐現象之延後測減前測統計表…………………………. 76. 表 4-3-11. 「日月地系統」學習態度選填比例………………………. 77. v. 2.

(8) 圖目錄圖 2-4-1. ADDIE 系統化教學設計概念圖……………………………24. 圖 3-1-1. 研究流程圖……………………………………………………28. 圖 3-2-1. 課程架構圖……………………………………………………33. 圖 3-3-1. 網頁內容配置圖………………………………………………35. 圖 3-3-2. 網頁架構圖……………………………………………………35. 圖 3-3-3. 電腦模擬教具設計版面………………………………………37. 圖 3-5-1. 總結性評鑑流程圖……………………………………………39. 圖 4-1-1. 晝夜與四季的網頁內容………………………………………52. 圖 4-1-2. 月相的盈虧網頁內容…………………………………………53. 圖 4-1-3. 日食與月食網頁內容…………………………………………54. 圖 4-1-4. 潮汐現象網頁內容……………………………………………55. 圖 4-1-5. 線上練習測驗結果示意圖……………………………………56. 圖 4-2-1. 日月地系統電腦模擬教具視窗介面…………………………56. 圖 4-2-2. 操作區地球旋轉示意圖………………………………………57. 圖 4-2-3. 功能區點選示意圖……………………………………………57. 圖 4-2-4. 操作區顯示時間示意圖………………………………………58. 圖 4-2-5. 動畫區地球放大圖……………………………………………58. 圖 4-2-6. 動畫顯示區……………………………………………………59. 圖 4-2-7. 選取「顯示地球方位」示意圖………………………………59. 圖 4-2-8. 北半球夏至示意圖……………………………………………60. 圖 4-2-9. 北半球冬至示意圖……………………………………………60. 圖 4-2-10. 月球公轉的方向………………………………………………62. 圖 4-2-11. 顯示地平面……………………………………………………63. 圖 4-2-12. 月球自轉的標示………………………………………………63. 圖 4-2-13. 月球的延遲現象………………………………………………64. 圖 4-2-14. 月相變化………………………………………………………64. 圖 4-2-15. 日全食示意圖…………………………………………………66. 圖 4-2-16. 日環食示意圖…………………………………………………67. 圖 4-2-17. 日偏食示意圖…………………………………………………68. 圖 4-2-18. 月偏食示意圖…………………………………………………68. 圖 4-2-19. 月全食示意圖…………………………………………………69. 圖 4-2-20. 潮夕週期示意圖………………………………………………70. 圖 4-2-21. 日月地的排列與潮汐的關係…………………………………70 vi.

(9) 第一章緒論第一節研究背景與動機. 科學教育是每個國家競爭發展的重點教育之一，世界各國都投注許多的社會成本來培養下一代學童的科學能力，尤其台灣在科學教育的努力更是有目共睹。2006年台灣學生參加亞太數學、亞洲物理、國際數學、物理、化學、生物及資訊奧林匹亞競賽，各科國際排名均在前10名以內。國內國中、高中學生的科學基礎教育成就，和往年一樣受到國際的肯定 (教育部， 2006)。但科學教育的發展並不只限於參加科展的菁英學生，相反的必須根植在每個接受基礎科學教育的學生。研究者從事國民中學的基礎科學教育工作六年，深刻體認到國民中學學生在部分的概念學習中，因為缺乏適當的具體表徵呈現與說明，使學生出現學習上的困難，例如日月地系統的關係與概念。目前已有許多的研究指出模型操作對於學生學習月相的概念有很好的成效（王美芬，1992；施惠，1994；邱美虹、陳英嫻，1995；Taylor, 1996），但要在學校教室中有效地呈現日月地系統的概念實屬不易，加上國中階段的教師因為需要帶領學生準備國中基本學力測驗，教師在部份需要準備太多教具的實驗上，通常實行的意願不高，若能利用軟體科技，將資訊融入國中階段的日月地系統的學習，對於教師在教授這些概念時的準備工作應該會減輕很多，而學生也可獲得更佳的學習效果。在教學原理與實務上，都發現資訊融入教學對學生的學習有相當的幫助，國民中小學教學媒體設施與應用調查研究報告(國立教育資料館，2005) 中，針對全國七百餘所公立國中與二千八百餘所公立小學進行抽樣調查研究，抽取國中 100 所與國小 300 所，以教學領域教師為調查對象，發現國民中學各領域教師在教學媒體應用的狀況整理如下：一、每一至二週，需要自備或自製教學媒體的設施並不高。二、每一至二週，國中教師教學最常運用的媒體設施，依序如表 1-1-1. 1.

(10) 10. 11 桌上型電腦. 攝錄影機. 9 一般教學投影片. 數位照相機. 掃描器. PowerPoint 投影片. 教學實物或模型. 教學影片. 筆記型電腦. 目. 隨身硬碟. 項. 8 閃式卡、圖片、掛圖. 表 1-1-1 國中教師教學運用媒體設施選用排名表選用 2 3 4 5 6 7 排名 1. 三、國民中學教師在運用電腦動畫編輯、網路資訊連結、網頁製作或網頁連結普遍使用率過低。以上調查結果顯示，國民中學教師在資訊融入教學上，在硬體的使用頻率較軟體來得多；而根據研究者本身教學五年來的觀察，有部分教師運用資訊的方式，是將課程內容藉由文書軟體將文字及圖片資料，以靜態的方式呈現在學生的面前。要開發一個教學用的多媒體教具，對於一個非資訊科技出身的教師而言，的確是相當的困難，這可能是資訊能力或開發時間上的不足。而在此調查報告中，國中小教師常用各類的教學媒體設施，最主要的三項分別是：教學內容與教學實施需要、提升學習興趣、提升教學成效。其較不常用的理由為：教學進度的限制、教學準備費時、缺乏教學準備時間、及缺乏應用該類器材使用的知能。而在研究者的經驗中，九年一貫課程雖然對課程鬆綁，但看似多元發展的課程規劃，要求學生展現豐碩的學習成果，實際上卻造成學生疲於應付各科老師的作業要求。另一方面，家長望子成龍，望女成鳳的心態，不曾隨九年一貫政策而稍改，使得教師所承受的學測壓力仍舊不亞於聯考時代。在雙重壓力之下，為了留下充裕的時間讓學生在國三階段可充分複習全部課程，以求突出的學測成績，教師只得在有限的時間裡，犧牲學生在國三課程中的實際操作實驗的時間。研究者擔任自然與生活科技領域教師，多次任教國三課程的教學經驗中，面對一些較為繁瑣，或學測較不熱門的實驗課程時，因為教學時間緊迫，常無法讓學生真正的操作與學習。多數學生無法直接由閱讀課本獲得知識，必須藉由實際操作實驗，才能理解課程知識。對於他們而言，這樣的教學模式無疑是一大的學習障礙；但在升學壓力之下，似乎又是不得不被犧牲的一群。但就像廣告中的台詞「科技始終來自於人性」，這些複雜 2.

(11) 的知識概念，若能由一種執行簡單、有效學習又不費時的教學媒體可資應用，相信這對於許多教師而言，必定會從善如流，樂於採用。此篇研究報告中亦指出，對於擔任教育設施主管的教師所提出的改善建議，都一致希望增加資訊素材的製作與應用知能相關的研習，所以研究者認為，以行政的立場，較迫切需要的是──如何訓練教師利用現有的軟硬體，自行開發多媒體教具來幫助學生學習。事實上，研究者任教學校所擁有的軟硬體設施，要用來開發學生的多媒體教具上應該是足夠的，但多數的老師因對資訊科技的畏懼及課餘時間不足，的確很難能在多媒體教具上完成豐碩的成果，Clark 曾經針對電腦對於學習的影響提出一著名的評論：媒體充其量只是傳遞教學的工具，對於學生學習成就的影響，並不比卡車載運各種食品，而改變人們的營養還多(Clark, 1983, p. 445)。 Clark 的評論對於資訊融入教育造成很大的衝擊，而反觀國內，有許多的教學單元並不合適使用電腦科技融入，但卻迫於行政單位的要求，為了資訊融入而融入，在資訊工具的使用上，並未完全發揮該工具的功能，或是在軟體工具的選用上，選用較簡單而單調的方式，未能善加呈現。使得學生在資訊介入後，學習效果與傳統講述式教法未有太多的差異。這的確也呼應了 Clark 的評論，也讓我們深思，究竟資訊科技該如何融入，以及該以何種方式呈現才是對學生的學習具有最大的效益。在自然與生活科技領域中，我們的生活與日月地有著很密切的關係，但有許多的相關研究指出：小學階段的學生對於「月亮」有著許多的迷思概念（王美芬， 1991；劉伍貞，1995；賴瑞芳，2002），小學生對於月亮的盈虧、月亮出現時間、太陽昇落與季節變化、星星的東昇西落等概念的學習效果不佳（毛松霖，1995）。邱美虹、陳英嫻（1995）的「月相盈虧之概念改變」研究中亦指出，空間能力是影響國三學生學習此單元重要能力，所以如何克服學生空間能力的不足，適時的加入多媒體輔助教學，讓學習的障礙降到最低，資訊融入教學或許可以發揮此功效。軟體科技的發達，在現今的網際網路中，可發現世界各國都積極的開發電腦輔助教具來幫助學生學習，其中不乏專業的軟體公司專責發展電腦輔助軟體。雖然國外的軟體發展許多值得參考的教學資源，但外語的操作介面，卻增加國內師生在使用操作上的困難；再加上國外教具所根據的課程內容及教學流程與國內現行教學單元並不完全同步，所以研究者利用 3.

(12) Macromedia Flash Professional 8開發國民中學日、月、地系統電腦模擬教具，希望藉由此電腦模擬教具統整現行課程的晝夜與四季、月相、日月食、潮汐等四個主題於一個教具之中。現今國民中學各版本中的課程內容，為了清楚描述日月地系統的相關知識，將其分割成不同的章節，學生在學習的階段之中容易產生知識不連續的現象。而由於國內開發國民中學階段天文科學的電腦模擬教具目前仍不多見，若能開發出一電腦模擬教具包含晝夜與四季、月相、日月食、潮汐於一個系統之中，輔以互動式的操作，讓學生在學習時可以實際的操弄地球的運轉並且可在家學習的模擬系統，可讓學生架構日月地系統的空間概念並了解日月地三者關係。在開發學習網站及電腦模擬教具時，為了符合課本的教材內容以及適時修正學習網站及電腦模擬教具的錯誤，以確保開發教具的適用性，本研究日月地系統網站及電腦模擬教具將以常用於多媒體開發的系統化教學模式(ADDIE)來開發，主要是因為此模式對於系統開發過程中，能從需求的分析、教材的設計、教材的開發、課程的實施以及課程的評鑑中，分別檢視各項的目標及功能是否達成，能確保系統內容的有效性及正確性，使得教材的開發更有效率。. 第二節研究目的本研究的具體研究目的有三一、透過軟體(Macromedia Flash Professional 8)設計，開發一套供國民中學三年級自然與生活科技領域中，日月地概念學習的電腦模擬教具。二、將此套電腦模擬教具實際運用於教學，探討學生在運用此電腦模擬教具相對於傳統教學在日月地系統概念學習的立即學習效果。三、將此套電腦模擬教具實際運用於教學，探討學生在運用此電腦模擬教具相對於傳統教學在日月地系統概念學習的延後學習效果。依據研究目的，本研究提出下列待答問題一、國中三年級學生在運用電腦模擬教具相對於傳統教學在日月地系統概念學習的立即學習效果是否有差異？二、國中三年級學生在運用電腦模擬教具相對於傳統教學在日月地系統概念學習的保留學習效果是否有差異？ 4.

(13) 第三節名詞釋義一、日月地系統此系統所指的是國民中學三年級下學期南一版本第三章中，第二節「晝夜與四季」、第三節「月相、日食與月食」、第四節「日月對地球的影響－潮汐現象」，本研究中將此三節概念集中在一個電腦模擬教具中，並稱之為日月地系統。二、傳統教學本實驗中的傳統教學所指的是教師在教室內利用講述讓學生學習，而教學的過程之中，並沒有使用具體教具、多媒體教學或是資訊融入的情況。三、電腦模擬教具利用軟體開發出可具操弄性的一種電腦輔助軟體，讓學習者學習某些具危險性或短時間不易觀察到的現象時，可幫助學生安全又快速的達到學習的目標。本研究之教具是利用Macromedia Flash Professional 8為主要的開發工具，以ActionScript 2.0的腳本語言來撰寫電腦模擬程式，而利用此軟體所開發的電腦模擬教具除了互動性強，更有檔案小及跨平台的優點。. 第四節研究範圍與限制一、本研究僅針對國民中學三年級課程中的「晝夜與四季」、「月相」、「日月食」、「潮汐現象」等四個主題作為研究的範圍，其他關於探索宇宙、太陽系的成員、地球形成後的演變等概念，皆不在本研究的範圍中。二、本研究之研究對象是以苗栗縣某國中三年級中的兩個班級共83位學生為主要的研究對象，由於受限於研究者本身的時間、經費、人力等因素，所以在研究結果僅能推論至與此研究對象相類似者。. 5.

(14) 第二章文獻探討本章將探討研究中所使用的教學理論種類，以尋求適合的教學方式，來提升學生的學習成效，並根據日月地相關論文的研究，了解學生在此課程上的迷思與學習困難，進而參考以電腦模擬進行教學的相關研究，輔以 ADDIE 系統化教學模式的開發流程來設計本研究的教學網站及電腦模擬教具。. 第一節教學理論的分析 Roblyer 認為教學的理論基礎包括以下兩種(引自魏立欣，2004)：一﹒指導教學的理論基礎（一）指導教學相關的學習理論 1.行為主義理論：行為主義學派焦點集中在學習表現（測驗）中指導可觀察的行為改變，以做為學習的指標。行為主義之父 Skinner，以許多實驗資料做為行為主義學習理論的基本根據。Skinner 與部分人士視教師的職責為修正學生的行為，建立能增強學生預期回應的情境，並指導他們在類似情況中展現同樣的預期回應，這些行為原理可構成兩股大家熟知的教育潮流：班級管理中的行為改變技術與編序教學。雖然目前編序教學的應用已少見，但是大部分反覆練習的軟體都是依據 Skinner 的增強原理所發展而成的。 2.訊息處理論：是由認知心理學發展出來的分支學派，其焦點擺在促使學習產生的記憶與儲存的過程。視人類學習的過程如同電腦處理資訊一般，探究個人如何接收及儲存訊息使其成為記憶－將所學的新事物奠基在既有的知識之上，並瞭解學習者如何從短期、長期記憶中擷取訊息，將其應用於新的情境當中。許多教育心理學家不同意行為學派所認為僅藉由刺激反應的學習即可獲得高階技能的觀點，所以把焦點放在規則的學習和問題解決，並關切學習進行中的內在過程，期望能歸納出適當的教學條件，致力於促進這些技能的學習。而在科技融入中，此學派引導人工智慧(AI)的應用與發展―嘗試發 6.

(15) 展電腦軟體來模擬人類思考與學習行為。（二）指導式教學的特徵指導式教學乃基於行為論及訊息處理論的教學方法，通常會與較傳統或教師中心的教學聯想在一起。Robert Gagne 等人 (Gagne, Briggs, & Wager, 1992)發展出結合兩大理論的指導式教學行動指南。主張教師若要將理論與實務連結，必須完成三項任務： 1.確定已經獲得先備技能：教師必須確定學生具備所有學習新技能所需要的先備技能，包含特定技能的構成要件或教導的順序。Gagne 稱這類的技能為「學習階層」。 2.支持教學條件：教師必須安排適當的教學條件，協助學習內在過程的進行，他們需要提供嚴謹組織過的教學演示及活動的順序，幫助學生瞭解（過程）、記得（編碼與儲存）及遷移（擷取）知識與技能。 3.決定學習的類型：包含分析教學目的與目標、教學分析（任務分析）、測驗與評量、教學策略、教學評鑑及修正等。（五）指導式教學法的問題指導式教學法面臨最大的批評是無法符合當代學生的需求，包括：學生不會進行問題解決、學生不會應用技能、學生發覺學習無合理動機及不相關、學生不會相互合作等。（六）目前指導式教學的使用在現今的教室之中，教師在教學前雖然還是會設計教案，不過也是為了向督學交代教學的目標與流程，然而教師在課程之中未必能真正的遵行這些教案。但是教師仍然必須為學習條件進行安排，而且當某些學生需要更有組織的學習時，指導式教學法反而能讓這些學童學得更好。在科技融入方面，教師可以設定教學目標然後形成活動的先後順序，以一套或一項網路活動來進行教學的序列。二﹒建構主義的理論基礎（一）與建構主義有關的學習理論 7.

(16) 建構式的教學策略以認知科學的學習原理為基礎，著重在學生的學習動機和應用能力，試圖解決行為學派、訊息處理學派的缺點。（二）早期認知學習理論的貢獻 1. Dewey 的社會建構主義認為將學生教學集中在相關、有意義的活動中，觀點為；課程應該引發學生的興趣、課程的主題應該相互整合、教育是成長而非目標、教育是透過與生活結合而發生而非藉由課程的參與、學習應該是實作且以經驗為本位的。 2. Vygotsky 的鷹架作用認為教師可以找出學生發展程度及既有的經驗來提供良好的教學，而這個逐漸建立的過程他稱為「鷹架作用」，而在科技運用方面，許多建構是科技運用模式都以此概念來提升學生理解的程度。 3. Piaget 的發展時期 Piaget 被視為是建構主義思潮的主要貢獻者，認為兒童從一個階段到另一個階段的發展是逐步與環境交互的過程。在科技融入的部分，利用視覺模擬軟體，或許可加快兒童發展的程度，不過，亦有其他教育工作者認為應該要先體驗真實世界的事物，再以電腦模擬來呈現抽象的事物。 4. Bruner 的相關概念關切如何使教育更符合學生在每段時期的需求，相信教師可以藉由鼓勵學生學習過程中積極的參與而達成，提供一個探究學習的環境，讓兒童探究不同方法及分辨想法之間的關係，促使學生的積極參與。教育過程應該促使兒童於發展時期中有所進步，認為今日多數的教育太過結構化，並有與兒童的發展程度不一致的教學活動，這些過程藉由抑制兒童在認知發展任何時期中理解世界的本能，而實際上減緩學生的發展和進步。（三）晚期認知理論的貢獻： Gardner 的多元智能理論認為學生間的長處或才能可能有 8.

(17) 極大的差異，每位學生可以為小組作品提供獨特、有價值的貢獻，許多教師覺得他的理論極具吸引力，能夠增進他們對學生的觀察力和經驗，更重要的是多元智能理論有助於解釋每位學生對於成功目標和標準的差異。（四）建構式教學法的問題儘管建構式教學目前相當受到重視，但是仍有許多的爭議，例如：教師難以證實學生在技能上的學習、學生缺乏先備知識、學生可能不是挑選最有效的學習、並非所有主題都適用於建構式的教學法、所學到的技能也許無法遷移到真實的情境。（五）當前建構式教學法的趨勢儘管有這樣的評論，但是人們仍對建構式教學的發展保有興趣，而建構學派結合問題導向活動、小組合作學習、有關學生的經歷和任務，以及科技資源提供的高視覺呈現，使其成為有效解決種種社會與教育問題的方法之一。兩種教學理論各有其著重的地方與適用的教學角色，研究者認為，指導式教學能讓教師在教學活動中，清楚的紀錄與規劃自己的教學流程，縱使教學的過程之中，並不一定依照計畫教學，但仍然有一定的教學成效，尤其在國中階段必須準備基本學力測驗，若全部採用建構式的教學法，在學生的學習上，恐怕造成學生無法掌握學習的重點，反而造成教學時間的浪費，而且在研究者的教學經驗中，過份詳盡的教學，在未能力分組的正常班級教學，反而容易使學習能力較好的學生上課意願低落，但若是重點式的教學，雖然可以使得學習能力好的學生上課專心，但卻也造成中等程度以下的學生因為跟不上教師的教學腳步而造成學習意願低落。建構式的教學能讓學生在既有的知識中學習更高一層的知識，在本研究中，學生已在國小中、高年級學過簡單的晝夜、月相、四季概念，而日月食、潮汐現象，這種日常的天文現象，也都在學生的生活中慢慢累積一定的經驗，所以若能輔以適當的建構式教學，將資訊科技導入，讓學生以電腦模擬教具來探索學習及加深印象，對於學生學習相關的概念應該有相當的助益。教師的教學與學生的學習是一種相當複雜的互動過程，不同的學習主 9.

(18) 題、學習環境及學習經驗，都深深影響著學生學習的成果。教學理論眾多，若能合併運用，或許對於學生的教學幫助會大於單獨運用其中一種的教學方法。本研究即試著運用兩種不同的教學原理，利用指導式教學的方式來安排學生所需學習的知識流程，再加以建構的方式讓學生以電腦模擬教具探索及建立正確的日月地系統的空間概念。. 第二節日月地概念學習的相關研究國民中學日月地概念在九年一貫課程之前所屬的科目為地球科學，而在九年一貫之後與生物、理化、工藝合併為自然與生活科技。無論在九年一貫課程實行前或後，仍然有不少的研究投入在這個主題之研究，顯示學生在各單元的學習狀況，一直都是教師很有興趣探討的。以下就國內相關的論文資料整理如下表 2-2-1：表 2-2-1 日月地系統相關論文研究主題. 研究方法. 研究內容. 研究者. 教師教學模式（後測）：同儕教學＞協同研究. 不同教學方式對高中生學習四季準實驗研究法概念的影響. 同儕教學＞獨立研究. 何玉婷. 同儕教學＞討論或遊戲. (2004). 學生練習模式（後測）：練習與記誦＞遊戲. 國三學生對於晝夜及四季成因之心智模式及其概實驗研究法念改變歷程. 國小學生學習網站瀏覽歷程之探究─以四季成因概實驗教學設計念學習為例. 以晤談及閱讀探討學生在晝夜. 翁雪琴. 與四季成因概念改變的歷程. (2003). 四季成因的學習網站進行教學，並利用 log f i l e 描繪學生. 馬保和. 瀏覽路徑模式來分析與學習成. (2003). 效的關係 (續下頁). 10.

(19) 表 2-2-1 日月地系統相關論文(續前頁) 國三學生的「潮汐」心智模型與概念理解之. 調查研究法. 研究. 以自編的「潮汐概念理解問卷」周正峰診斷國三學生的潮汐概念空間能力的確影響學生學習成. 月相盈虧之概念改變. 實驗研究法. 效，低空間能力的學生中，「模型組」之學習成效最佳、「自我解釋組」最差. 國民小學有關月亮單元的教學困境與解決對策之研究. 實驗室教育行動研究. 不同教學策略對國小高年級學生學習「月相. 變教學之行動研究. 準實驗研究法. 能之研究-以「月亮」. 行動研究法. 邱美虹陳英嫻 (1995). 王祥朝 (2004). 余芳如 (2004). 蔡名杉 (2004). 資訊融入學習成效優於一般教準實驗研究法. 學法的學童。中、低分組的學. 林月芳. 童，接受資訊融入比一般教學. (2004). 有顯著的助益. 準實驗研究法. 研究以電腦動畫融入教學. 網頁教材之製作. 的另有概念轉變成學生應有的正確概念. 資訊融入國小四年. 的「晝夜與四季」單元. 形與電腦動畫易於幫助學生瞭. 以行動研究將學生在月相學習. 單元為例. 級月相概念教學之. 明顯優於坊間的教學指引. 解日、地、月的相對運動關係. 資訊融入教學以提昇國小學童天文學習效. 改變教學策略，學生學習效果. 三維模型的實際操作較平面圖. 盈虧」概念的影響國小月相另有概念改. 以自編的概念輔以動畫說明來. (2004). 準實驗研究法. 資訊融入對學童立即學習效. 呂惠紅. 果顯著. (2005). 電腦動畫融入「晝夜與四季」陳彩虹並增進其學習成效。. 11. (2003).

(20) 根據以上所整理的文獻資料，大致分為三類的探討主題： (一)學生的迷思概念 1.. 四季成因的迷思何玉婷(2004)針對國立高中二年級社會組四個班級的學生共 175人（男生41人，女生134人）所做的研究報告中指出，高中生雖然在國中小階段受過基礎的天文教育，但仍然具有迷思概念，共分為九類：. （1）現象與經驗：學生會依據自己已有的知識或概念來說明四季的成因，如：潮汐、洋流、行星風系、氣壓等因素的影響，或烏雲是否遮蔽太陽光，甚至月球阻擋太陽光照射至地球。（2）面對／背對太陽：學生認為地球背對與面對太陽為四季的成因。（3）太陽本身的變化：學生認為太陽本身溫度變化，會造成地球所吸收太陽能隨著時間有所改變，而為四季的成因。（4）日照時間：學生認為不同季節的日照時間不盡相同，故日照時間長短為四季的成因。（5）地軸傾斜：學生認為地球公轉的軌道是橢圓形的，在轉的過程中有時候會離太陽較近，因此受輻射較強。公轉時較靠近太陽的部分就較熱，較遠離太陽的部分就較冷。（6）日地距離：學生認為是日地距離變化造成四季。（7）不完整概念：學生未具有上述六種另有概念，則歸類為不完整概念。（8）科學模式：正確的科學概念。（9）無概念：學生不屬於上述項目，也沒說出四季的成因。翁雪琴(1995)針對國三學生共二十名，做四季的迷思概念調查，共分成以下六種： (1) 現象與經驗：學童純粹以天氣現象或生活經驗來解釋四季變化。 (2) 太陽繞著地球公轉：學童認為地球繞著太陽公轉，只有在太陽照射到的地方才是夏天。 12.

(21) (3) 地球自轉：學童認為四季是因為地球自轉所造成的，面向太陽的是夏天。 (4) 地球公轉 + 面向／背向太陽：此類的學生具有地球公轉時會有四季的產生，但仍保有面向太陽的是夏天，亦有距地球遠近造成四季的概念。 (5) 地球公轉 + 地日距離：這類學生知道地球公轉時會有四季交替，但認為造成四季的主因是地球距離太陽的遠近。 (6) 地球公轉 + 直射位置：這類學生能指出地球公轉與太陽照射的位置會造成四季的不同，這與真正的原因相近。綜上所述，學生即使在國中階段的課程學習後，對於四季成因的概念仍存有相當多的迷思概念，究其主要的原因是因為學生對於空間概念不易由課本的文字中學習而來，通常需要教師在授課之中以不同的教學方式，例如利用影片或模型教學(何玉婷，2004)、反駁性文章(翁雪琴，1995)來改變學生的迷思概念。 2.. 月相成因的迷思有關月相的迷思概念研究，近幾年來有許多相關的研究學者提出來改進教學的設計，例如學生具有的月亮另有概念（王美芬， 1992；姜滿，1993；毛松霖，1995；劉伍貞，1996；李曉雯，2001；賴瑞芳，2001；蔡名杉，2004）、月相盈虧之概念改變教學（邱美虹、陳英嫻，1995）等。由於上述研究對象大多針對國小學童，只有邱美虹、陳英嫻於 1995 針對 24 名國中三年級生為研究對象，與本研究之研究對象相符。邱美虹、陳英嫻(1995)以模型教學組、自我解釋組及控制組在晤談後發現國中生所具有的迷思概念如下：. (1)月食模式：月亮形狀之變化是照射至月球的太陽光被地球擋住，月球的影子被地球遮住越多，所呈現的形狀就越小。 (2)混合模式：. 1以月食模式為主：以月食成因解釋月相，而月球出現位置角度不同，可以看見不同月相的想法。 13.

(22) 2零碎之混合模式：月相的改變原因，部分認為是地球遮住太陽光線，部分認為是地球看月球的位置角度不同來解釋。. 3以位置角度為主：主要以位置角度解釋不同月相，但仍有地球影子遮住月球造成盈虧的想法。此外認為月球繞地球一圈造成一完整之月相循環。. 4 位置角度模式：完全以位置角度來解釋月相盈虧，但月球所在的位置對應的月相並非完全正確。. 5正. 確模式：能以位置角度的變化正確解釋各種月相的成因。. 月相的迷思概念是日月地系統中最多被探討的一個主題，顯見學生在此概念上的學習的確不易由講述的方式來理解，而必須不斷的透過對空間的認知以及反覆性的思考，或者利用多媒體的使用（林月芳，2004；呂惠紅，2005）才得以增進學生的學習。 3.. 潮汐成因的迷思國內對於國中學生在潮汐迷思概念的研究相當的少，只有周正峰在 2003 年針對國三學生「潮汐」心智模型與概念理解方面的研究，對已學過國中舊版地球科學全一冊第四章「潮汐現象」之國三學生共二百名所做的調查中發現，國三學生常見的漲潮心智模型，依照「漲潮時海水集中地點」以及「作用力來源」為分類依據，共可區成四種主要模式：. (1) 雙凸漲潮模式：在此種模式中分別有月球引力造成海水往地球兩側集中(17.6%)以及「太陽引力＋月球引力」造成海水往地球兩側集中(8.8%)，其中以第一種為目前科學界所公認較正確的概念。 (2) 單凸漲潮模式：在此種模式中分別有「月球作用力」造成海水往地球單側集中( 50.6%)；「太陽作用力」造成海水往地球單側集中( 8.2%)；「太陽作用力+月球作用力」造成海水往地球單側集中( 3.5%)。. 14.

(23) (3) 海岸漲潮模式：在此種模式中分別有「地心引力」造成漲潮，海水集中在南極洲(2.9%)；「地心引力」造成漲潮，海水往所有陸地集中( 2.4%)；「海流」造成漲潮，海水集中在南極洲( 1.8%)。 (4) 其他模式：地球自轉離心力造成漲潮 (漲潮地點不明)( 1.8%)；漲潮是海水往地球赤道集中. (漲潮原因不. 明)( 1.2%)；漲潮是海水往地球下方集中 (漲潮原因不明)( 1.2%)。無論舊版本的地球科學或是一綱多本的教材中，我們都可以發現：學生對於「潮汐」的課程內容不易理解。研究者認為，若是能將「潮汐」納入日月地系統的電腦模擬中一併討論，或許更能讓學生在學習潮汐現象時，了解潮汐現象主要是由月球所造成的。 (二)教學方式的研究由於出現較多學習上的困難，使老師思考如何有效地教學，翁雪琴在 2003 年中針對國三的學生以反駁性的文章，讓學生反覆的思考所學得的知識，發現利用此種教學方式讓學生在學習晝夜與四季的概念上的成效較佳。何玉婷在 2004 年針對高一學生採取練習與記誦、遊戲、同儕教學、協同研究、獨立研究等教學法，發現練習與記誦以及同儕教學對學生的學習成效較有幫助。根據上述的研究，傳統講述教學法中，適當的讓學生參與教學活動，或是讓學生反向思考，提出辯證，對於學生的迷思概念仍有具有相當的成效。邱美虹與陳英嫻在 1995 年以 24 位國三學生利用「模型教學」及「自我解釋」的方式，發現對於高空間能力的學生在學習「月相盈虧」這個單元的學習成效並無明顯的差異；而在低空間能力的學生，「模型教學」的學習成效較「自我解釋」的學習成效來得顯著。這說明了在傳統教學與模型教學的比較中，利用模型來教學對於整體學生的學習幫助較大，尤其在天文學更是效果顯著，利用實體的教具讓學生理解，比起以講述或閱讀在教學成果上的確會有明顯的差異。 15.

(24) 陳彩虹於2003年以 Flash 、 FrontPage 及 PhotoImpact 軟體來架設「晝夜與四季」的網站來實施教學，在網頁的輔助以及加入flash的動畫呈現，且加入課本中所不足的部份而學生，也讓學生在家裡即可利用電腦連接此網站，以此種學習模式下，發現學生的學習成效顯著。馬保和在2003年以網頁製作「四季的成因」，共約30頁不含互動設計，針對國小五年級135位學生做網站瀏覽歷程與學習成效的探討，發現學生在網頁歷程瀏覽模式中與學習成效並無顯著差異，並認為其原因可能是網頁中沒有互動的教材，使得學生的學習無明顯的成效。林月芳於2003年探討國小月亮單元以「天體在天球上之電腦模擬」軟體，對國小四年級共57 名學生的概念影響，發現接受資訊融入教學法的學童，其月亮相關概念的學習成效顯著優於接受一般教學法的學童，尤其是中、低成就的學生的學習成效較為顯著，這也說明了在月相教學上利用電腦模擬的方式對於無法在文字上獲得理解的學生有相當的幫助，支持了研究者利用互動式多媒體來進行教學。余芳如在2004年針對國小五六年級共96名學生進行「月相盈虧」的研究，研究方式分成動畫模擬(花蓮花崗國中王建忍教師所製作的flash動畫)、立體球形模擬和平面圖示三種教學法比較，發現學童在立體球形模擬的學習之下的成效優於其他兩種。Barkey在 1993年指出，空間能力約14-15 歲才發展完成，認為教學上應先以模型來說明原理，再以二維空間表徵來說明其結構。顯然在國小高年級的學童，空間能力的發展仍不足，在說明日、地、月三者立體的相關位置時，仍然是以實際的具體操作所獲得的理解，優於平面圖形及電腦動畫的半具體操作。呂惠紅於2005年針對國小四年級共94名學生進行「月相概念」的研究，研究方式分成動畫展示(以MicroSoft Power Point軟體製作)、立體球形模擬和傳統講述三種教學法比較，發現資訊融入比模型教學對學生的成效較為顯著，而資訊融入與傳統教學的顯著性差異不大，這與余芳如在2004年所提出的研究結果並不相同。 16.

(25) 綜觀以上的文獻，天文方面的學習對學生一直都存在著許多的迷思概念，以往利用圖片的說明或是利用立體模型的教具演示，在教學的成效上對於學生的幫助仍有所限制，而在現今電腦科技發達的情形下，教師不斷的利用電腦軟體以期發展出一套對學生學習有所助益的教具，舉凡利用網頁、動畫影片、互動軟體、模擬程式，對於學生的學習部分具有成效，惟目前國內尚未有一整合晝夜、四季、月相、日月食、潮汐的電腦模擬來探究對於學生學習的成效。. 第三節多媒體教學－電腦模擬一、媒體與多媒體媒體（medium）一詞源自於拉丁文中的「中間」(medius)。也就是一種傳播的管道，意指介於來源與接收者之間可以承載資訊者，而其最主要的目的即是使傳播更為便利；多媒體是指利用電腦將許多的周邊設備依需要組合在ㄧ起的溝通方式（趙平正， 1997）。二、電腦輔助教學的種類利用電腦多媒體的設備，廣泛的被應用在各種教育中，依照教學的目的與製作的方式區分。一般而言共分為下列幾種（羅綸新， 2002）：（一）教導模式(Tutorials) 此種方式主要是讓電腦擔任教學的角色，是最有系統的方式，也就是按照書本的教學流程呈現在學生的面前。（二）反覆練習模式( Drill and Practice ) 這是一種讓學生藉由選擇問題、練習問題、判斷對錯、給予回饋、再選擇問題；如此不斷的重複循環，讓學生達到某一標準或全部正確為止的一種教學設計模式。（三）模擬模式( Simulation ) 模擬有兩種，一種是觀察體會是什麼(about)的模擬；另一種是使學生學習如何(how to)操作的模擬。前者如物理原 17.

(26) 理的模擬，後者是工具使用的模擬或故障偵察。通常模擬的用途是用在學習某些具危險性或短時間不易觀察到的現象，利用電腦輔助模擬可以幫助我們安全又快速的達到教育的目標。（四）教學遊戲模式(Instructional Games) 遊戲的設計最能引發學習者的動機，也是許多教學者最樂意使用的一種，藉由遊戲軟體的運作，學習者在各種不同的媒體元素刺激下學習。（五）發現探索模式( Discovery ) 是一種利用歸納法學習的通稱，讓學生在體驗各種錯誤或有系統的方法中來學習如何解決問題。（六）問題解決模式( Problem Solving ) 洪榮昭與劉明洲(1997)認為此種模式有兩種：其一為利用已收集到的數據，在電腦上求得所需要的答案。另一種是已知結果，設計一個問題的情境，讓學習者求所需的變項及數量。（七）電腦輔助測驗( Computer-aided Testing ) 利用此種模式建立題庫，並完成答案的檢核與計分以及成績的登記統計等，例如基本學力測驗、托福等考試。（八）電腦管理教學( Computer Managed Instruction , CMI) 在此種模式中，電腦所扮演的角色為控制教學，例如診斷課程、指定作業、課程安排、管理人事物的來源以及課程進度分析、評估與紀錄等。（九）網路基礎教學模式( Web-based Instruction , WBI) 教師可先將教授的內容及相關資料整理於教學網站中，而學生及利用網際網路直接連結教學網站，教師可利用此網站進行教學或是讓學生進行探索。「觀察」最能建構學生對於天體運行的概念，但四季的改變造成影長的變化、月球的盈虧現象、日月食現象以及等天體運行現象，學生不易於短時間中觀察到；實際帶學生去海邊觀看潮汐的變化，也有時間、地點及安全上的考量，實行不易。根據上述研究的分類模式， 18.

(27) 本研究中所欲探討的日月地運行關係，最適合採取「模擬模式」的電腦輔助教學。「模擬模式」的電腦輔助教學，最能在電腦中模擬並呈現日月地運行狀況，提供學生觀察以建構其天體運行概念。三、電腦模擬電腦模擬教學程式是一種特殊的電腦程式，是一種可供操弄的模型，而這個模型代表一真實或虛擬的情境。藉由操弄這個模型，學習者可以多方面去瞭解模型所代表之情境的各種狀況。電腦模擬會讓學生產生互動式學習，而互動式學習，在50，60 年代，教學者和教材設計者瞭解到，若是學生在教學的過程中有參與學習的活動，其學習的效果將比被動的聽講還好(Nicholas， 2001)。四、電腦模擬的種類(West & Snellen , 1991；朱秀勇，2000). 項. 模擬的分類大致可以依對象分成四大類別，整理如表 2-3-1：表 2-3-1 電腦模擬的種類模擬的對象的分類（Object Systems）. 目特徵目的實. 實體模擬 (physical simulations). 現象模擬 (process simulations). 程序模擬 (procedural simulations). 情境模擬 (situation simulations). 模擬的時間和空間被扭曲. 以實驗研究來進行模擬. 依循實際、自然的情境來模擬. 背景和時間被扭曲. 以持續改變方式觀察和探討人為或自然的現象. 重複地操控某些變項來探究自然界的現象. 在真實的時空下來研究某一事件的行為. 研究人際間的互動. 例. 機械力學、器物基因的演變、冰飛行模擬、汽車商業談判、心理的行為河現象修護模擬輔導本研究中因為所探討的主題為天文的現象，屬於實體模擬的類別，也就是把太陽、地球、月亮三種星體的運行利用電腦程式的控制，將國民中學所提到的自然現象呈現在同一個模擬的程式中。五、電腦模擬應用於教學的相關研究科學教育的研究結果顯示：電腦模擬教學軟體可增進學習者的學 19.

(28) 習動機及提供認知發展過程的支持。因為電腦模擬教學軟體可將真實情境虛擬成學習者可理解的形式，有助於學習者進行有意義的思考和問題解決，尤其適當的運用視覺化的電腦模擬進行互動式的操作，可以協助學習者進行更高層次抽象的思考（黃福坤，2006）。電腦模擬已在許多方面的教學上應用，以下將電腦模擬應用於國中自然科學的相關研究列舉如表 2-3-2：表 2-3-2 電腦模擬應用於自然科教學的相關研究研究主題引導發現式電腦模擬輔助教學教材之開發 ─ 以中學理化科之折射為例. 研究方法. 軟體開發. 研究結果. 研究者. 以引導發現式學習理論為教學策朱秀勇略，輔以電腦模擬為學習工具的 (2000) 網路教材雛形系統。. 虛擬化實驗室對國中生理化知識之有效學習. 以虛擬化實驗室軟體對國中生「酸鹼」單元進行不同的教學策范光仁實驗研究法略，探討學生的學習成效影響、學習動機的改變及以虛擬化實驗 (2003) 室軟體為學習工具的學習態度. 電腦模擬對學生學習成效影響之後設分析. 後設分析研究法. 電腦模擬在學生認知學習、情意學習具有中度的正面成效。電腦模擬、資料運算式動畫與虛擬實陳郁雯境，三者對於學生認知學習成效之影響相似。視覺呈現上，無論 (2003) 是2D或3D的電腦模擬，對於學生認知學習成效之影響相似。. 軟體開發. 由電腦模擬（ computer simulation），演示真實世界裡無法林世宗觀測或難以觀察的現象，解開學 (2004) 生因無法觀察而產生的迷思概念. 以迷思概念為基礎之電腦輔助教材開發─以國中聲音課程為例國一生透過實地種植與利用電腦模擬實驗對學習遺傳學之效益研究. 發展一套遺傳學學習的教材敎法或活動，讓學生重複科學家的重黃美娟行動研究法要實驗，使學生建立正確的科學 (2004) 態度及觀念 (續下頁) 20.

(29) 表 2-3-2 電腦模擬應用於自然科教學的相關研究(接上頁) 探究九年級學生在電腦模擬的不同環境中，概念學習與投入行為之研究─以力與運動為例 Flash互動式多媒體教材創作之研究－以《黃興斌千變萬化捏麵人》為例. 準實驗研究法. 軟體開發. 探討透過資訊科技的不同使用方式─教師引導學習與學生黃雅鈴自控學習─學生概念的發展以及 (2004) 投入行為的差異 Flash能製作出檔案小且動態效果豐富，結合向量繪圖、動黃紹維畫編輯製作、互動程式撰寫、及多媒體整合等功能，非常適合作 (2005) 為多媒體教材開發工具。. 根據以上列舉的文獻，說明如下：朱秀勇在2000年以國民中學光學折射為主題，建構一個運用引導發現式學習理論為教學策略，輔以電腦模擬為學習工具的網路教材雛形系統。利用Macromedia 公司的Director7.0 軟體為模擬的開發工具，以Microsoft 公司的FrontPage2000 為網頁設計的工具，並以Windows2000 with IIS5.0 為後端平台，整個教材使用系統化的教學設計過程來開發，以分析、設計、發展等步驟來建構雛形系統。而朱秀勇研究後認為，若有大量的向量圖形需運用於教材時，Flash將是一套更加適當的軟體。范光仁 (2003) 以 Model Science Software 所研發的 2D 虛擬實驗室（Model ChemLab V2.0）軟體對國中生「酸鹼」單元來進行不同的教學策略，探討學生的學習成效影響、學習動機的改變及以虛擬化實驗室軟體為學習工具的學習態度，研究發現使用軟體前後，學生的學習成效及學習動機在前測、後測成績上有顯著差異。而不同的教學策略對於學生的學生學習成效及學習動機的後測成績，沒有顯著的提升。且認為使用虛擬實驗室軟體學習較傳統實驗器具有容易操作、安全、省資源、環保及實驗時間較短等優點。林世宗在 2004 採用系統化教學設計，開發國中二年級自然與生活科技聲音單元的電腦輔助學習教材，並以學生的迷思概念為基礎，使用引導式發現學習導引學生的思考活動，進而從可觀察的聲音實驗中，遷移到動態 21.

(30) 的（active）概念思考，主要開發軟體 Namo WebEditor 5.5 中文版的網站精靈，並於 Windows 2000 Professional 的平台上發展，完成後放置於 Windows 2000 Server 並透過 IIS（Internet Information Service）服務，讓使用者可以經由全球資訊網來存取教材網頁。平面動畫部分，採用 Macromedia Flash MX（6.0）來發展主要模擬動畫，動畫部分大量運用 ActionScript（1.0 版本）腳本語言編寫模擬波動程式。當發展成雛形系統後，開始對使用者進行重要的「教材系統評鑑」與「使用者評鑑」之形成性評鑑，針對所開發的教材加以修正導誤。黃美娟在 2004 年採用由美國 EDC 所製作的 Genetics Web Lab Direstory，本軟體為一系列生命遺傳及演化的教學軟體，透過行動研究發展一套遺傳學學習的教材敎法或教學活動，從豌豆種植活動開始，讓學生重複科學家的重要實驗，讓學生建立正確的科學態度，訓練如何發現及解決問題的能力，並進而修正實驗的態度。共分為實際種植對照組以及電腦模擬實驗組，研究發現利用電腦模擬孟德爾實驗之教學增進學生觀察、紀錄、歸納能力、學習科學的態度、遺傳學學習成效。. 黃雅鈴於 2004 年透過資訊科技的不同使用方式─教師引導學習與學生自控學習─學生概念的發展以及投入行為的差異，共分兩組教學。教師引導學習以單槍將電腦模擬投射於大螢幕，透過討論及提問引導學生觀看模擬內容，完成學習單上的問題；學生自控依高、中、低成就同質分組，兩人共同使用一部電腦，學生必須輪流操控電腦，自行完成學習單上的任務，教師為協助者。綜合量化與質化分析結果顯示，電腦模擬的不同使用方式皆能促進學生的概念發展，但高中低成就的學生，在不同情境獲益程度也就不同。. 黃紹維在 2005 年以 Macromedia Flash MX 製作互動式多媒體與探討其中遭遇的困境和難處，經過研究比較，發現 Flash 是一款能製作出檔案小且動態效果豐富，適合在網路上使用，結合向量繪圖、動畫編輯製作、互動程式撰寫、及多媒體整合等功能的重量級軟體，非常適合作為多媒體教. 22.

(31) 材開發工具。陳郁雯在 2003 年採用「後設分析法」（meta-analysis）探討 22 篇有關電腦模擬對學生學習成效之影響，加以統計分析等步驟後，研究發現電腦模擬在學生認知學習上，具有中度的正面成效；而大部分的研究報告應用於科學、理工類的學科領域。另外，電腦模擬、資料運算式動畫與虛擬實境，三者對於學生認知學習成效之影響相似，無論是 2D 或 3D 的電腦模擬，對於學生認知學習成效之影響相似。綜觀以上的文獻探討，可以發現經由國內外的研究大部分都支持電腦模擬應用於教學的效用上，由於電腦科技的發達與進步，以及全球教育注重資訊融入教育，使得以往不容易在學校實驗室觀察到的或基於安全理由或時間限制等的原因，致使學生只能聽老師講述知識，造成許多學習能力不高的學生，因為缺乏良好的鷹架作用而放棄學習。根據文獻的分析，電腦模擬可使得學生在學習上效果顯著，若教師能在一些不易理解的課程單元運用電腦模擬的方式，相信對於學生的學習也更能引起動機，進而更樂意學習。雖然電腦模擬教具有幫助學習的成效，但開發一個具有效用的模擬程式是需要經過教材內容評鑑及使用者評鑑，使得教學內容正確無誤的運用在電腦模擬程式中。有研究者（朱秀勇，2000）指出：若要達到一個好的軟體開發，必須要有一個好的專案經理人來控制整個開發過程的資源分配。但目前教學上的簡單模擬程式，大部分是由任教者利用課餘時間製作，在開發的過程中身兼數職。所以如何利用有限的時間、人力，找到易入門的操作介面，以減少編寫程式語言的困擾，開發電腦模擬教具，並提供其他教師的分享與使用，是教師在開發時需要仔細思考的重點。 Macromedia Flash 8 經過了幾次的改版，腳本語言(Action Script)也已經開發到第三版，其物件導向的特性，再加上易懂的腳本語言，讓許多的教師利用此軟體開發了許多的互動式多媒體、電腦模擬以及動畫等等，為了就是要增進學生的學習成效，對於國內的教育，都挹注了自己的一份心力。. 23.

(32) 第四節 ADDIE 系統化教學軟體設計教學是有計畫性、有目的，並非隨性的（Seels & Glasgow, 1990）。所以，為了讓學習者獲得最有效的學習，必須使用一套有系統的教學模式應用於教學上。美國密西根州立大學從 1961-1965 年，使用了系統方法執行「教學系統發展計畫」，該系統方法可說是最早的教學設計模式。到了 1975 年，是教學設計發展的另一個里程碑，當時布蘭生等人受美國陸軍的委託，發展了一套「聯合軍種教學系統發展模式（Interservice Procedures for Instructional Systems Development, IPISD）。這套模式是以改善軍事訓鍊的效能為目的，它將教學設計分為分析、設計、製作、實行及評量五個階段。到了 1980 年，根據研究報告統計，已有 100 多種系統化教學設計模式，但幾乎都是依循聯合軍種此套系統法則而來 (張淑萍，2004) 。最常見的系統化教學設計模式為線性的 ADDIE 通用模式，它係依據教學設計的邏輯順序，將系統化教學設計模式分為分析（analysis）、設計（design）、發展（development）、實施（implementation）與評量（evaluation）五個階段。每個階段都包含某些步驟，教師在教學前應有系統地確定教學目標、分析學習者特性與起點行為、分析教學內容、設計教學策略與活動、發展教材與製作教學媒體、實施教學、實施形成性評量與修正教學歷程，以期達到預定的教學目標與獲得理想的教學效果，其流程如下圖 2-4-1 所示。. ADDIE 系統化教學設計概念圖. A. 分. D. 設. D. 發. I. 實. 評. 析. 計. 展. 施. 鑑. 圖 2-4-1 ADDIE系統化教學設計概念圖 24. E.

(33) 系統化教學設計的主要觀念和技術可分為分析、設計、發展和評鑑五大階段，每個階段又可再細分為幾個步驟(朱秀勇，2000)。 (一) 分析階段：的主要目的在界定教學的目的，並就教學內容以及受教對象的特色加以分析，包括三個步驟： (1) 界定教學目的：這個步驟的功能在透過需求分析，決定學習者在完成學習之後應有的表現。 (2) 分析教學內容：透過任務分析的技術，界定學習內容的種類及其附屬技能，並繪製內容架構圖，作為設計及發展的基礎。 (3) 分析學習者的特性與起點行為：透過學習者分析，找出學習者再開始學習時所具備的起點行為，和會影響學習效果的一般及特殊性因素。 (二) 設計階段：根據分析階段所訂出的目的、內容架構和學習者特性，訂定具體的教學目標；包括兩個步驟： (1) 分析教學資源：找出現有環境中的資源與限制，使教材的發展能夠在現有條件下完成。 (2) 訂定教學目標：依據內容架構圖及學習者的起點行為，撰寫學習者在完成教學之後應有的表現。教學目標不僅應該具體、明確，同時需在特定條件下完成。 (三)發展階段：根據設計階段所訂出的規格，製作達成目標所需要的教材以及學習成果測驗工具。 (1) 發展教學策略：根據分析與設計所得到的結果，擬定達成目標所需使用的策略。 (2) 發展學習成果評量工具：以教學目標及內容為基礎，設計適當的學習成果評量工具，以測知學習者是否達到學習目標中所界定的行為。 (三) 實施階段：依據所擬定的教學策略進行教學活動。 (1) 實施教學：執行階段就是在課堂上實施教學，應考量教學內容的難易程度、邏輯順序、教材單元的多寡等。 (2)運用媒體：將所發展出來的教學軟體運用在教學上。 (五)評鑑：目的在改善課程、教材不完美之處，可分為形成性評鑑與總結 25.

(34) 性評鑑。 (1) 形成性評鑑：本步驟是在教材正式推出前，以教學專家為對象，對教材原型進行評鑑，以改進不完美之處。 (2) 總結性評鑑：教學結束之後，對整體教學效果所做的評鑑。以 ADDIE 模式運用在教學軟體的開發，可以讓設計者有效管理軟體開發的目標及流程，也可以讓所使用的多媒體在多次的檢核中，得到最好的輔助效果，因此本研究將以此模式為基礎，作為開發日月地系統網站及電腦模擬軟體的標準流程。. 26.

(35) 第三章研究方法以下將就實驗研究流程來說明本研究的實驗方式，並根據 ADDIE 系統化教學設計模式來探討開發網站及電腦模擬教具時，共需經歷分析需求、設計教材藍圖、開發教材、實施教學及評鑑等階段，以下將分別論述。. 第一節研究流程本研究主要以「系統化教學設計模式」發展一套電腦模擬教具，用於幫助國中生在學習日、月、地系統相關的概念，並探討此套電腦輔助教具，對學生學習「日月地系統」的學習成效。由於無法隨機選取受試者，所以本研究採取不等組前後測準實驗設計，如表 3-1-1。表 3-1-1 不等組前後測準實驗設計自變項. 前測. 實驗處置. 後測. 延後測. 實驗組. T. X. T. T. 控制組. T. T. T. 完整單元教學活動流程共計五堂課，兩組的前測、後測、延後測都使用同一份試卷，教學流程如下： 1.. 實驗組與控制組進行前測。. 2.. 實驗組接受網路課程教材及電腦模擬教具的學習；控制組接受傳統講述式教學。. 3.. 單元教學結束後，兩班學生進行後測(學習成就測驗)。. 4.. 單元教學結束兩週後，進行延後測驗(學習成就測驗)。. 本實驗的研究假設為： 1.. 實驗組透過網站學習及電腦模擬軟體的操作，其立即學習效果高於控制組。. 2.. 實驗組透過網站學習及電腦模擬軟體的操作，其保留學習效果高於控制組。. 教學內容，依據 95 學年度下學期南一出版社自然與生活科技三年級下學期的章節，區分為：(1)晝夜與四季；(2)月相、日食與月食；(3)日月對地球的影響－潮汐現象，共三部份。利用獨立樣本 t 檢定分析兩組「後測成績－前測成績」、「延後測成績－前測成績」的差異，來探討網站及電腦模擬教具在這個單元的教學差異是否達到顯著。而以 ADDIE 系統化教學設計模式來開發網站及電腦模擬教具的詳細流程如圖 3-1-1。 27.