國 立 交 通 大 學 教 育 研 究 所
碩 士 論 文
運用腦波及眼動探討 2D 和 3D 動畫對學生
科學概念建構與心智模式之影響
Explore the Impact of 2D and 3D Animation on Students'
Scientific Concept Construction and Mental Model with the
Use of EEG and Eye Movement
研究生：蕭米珊
指導教授：佘曉清 教授
運用腦波及眼動探討 2D 和 3D 動畫對學生科學概念建構與
心智模式之影響
Explore the Impact of 2D and 3D Animation on Students'
Scientific Concept Construction and Mental Model with the
Use of EEG and Eye Movement
研 究 生：蕭米珊
Student：Mi-Shan Hsiao
指導教授：佘曉清 博士
Advisor：Hsiao-Ching She, Ph. D
國 立 交 通 大 學
教 育 研 究 所
碩 士 論 文
A ThesisSubmitted to Institute of Education College of Humanities and Social Science
National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master
in Education July 2011
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
運用腦波及眼動探討 2D 和 3D 動畫對學生科學
概念建構與心智模式之影響
研究生：蕭米珊 指導教授：佘曉清 博士 國立交通大學教育研究所碩士論文研究計畫摘要
本研究為 2 x 2 的二因子實驗設計，旨在探討不同空間能力（高、低）之學 生，經由不同型式之多媒體動畫（2D、3D）教材學習「現代原子模型」單元， 其學習成效、心智模式、眼動變化模式和腦波動態變化為何。本研究的研究對 象為新竹市某高中之一年級學生，學生學習前先施以空間能力測驗、科學概念 成尌測驗前測及科學概念心智模式測驗前測等三項測驗，並依科學概念成尌測 驗前測結果，將 60 名學生指定分配到兩個不同組別，每組人數均為男生 18 人， 女生 12 人，此兩組學生在科學概念成尌測驗前測成績未達顯著差異。兩組學生 分別使用 2D 或 3D 多媒體動畫進行網路學習。學習過程中會記錄學生之腦波變 化及眼動變化兩項資料，以探討學生利用 2D 或 3D 多媒體動畫教材進行學習時， 其腦波變化及眼動變化為何。待學生學習完畢，施以科學概念成尌測驗後測及 科學概念心智模式測驗後測，藉由前、後測結果比較之差異，探討 2D 及 3D 動 畫教材對學生科學概念建構之學習成效、心智模式、眼動模式以及腦波動態變 化為何。 研究結果顯示，在科學概念成尌測驗方面，空間能力與多媒體動畫型式二 因子之間並無交互作用，高空間能力與低空間能力兩組在組間的比較達顯著差 異，高空間能力組的成績顯著優於低空間能力組；多媒體動畫型式 2D 及 3D 兩 組之科學概念成尌測驗成績在組內的前測及後測比較達顯著差異，即後測的結 果均顯著優於前測，但兩組間之比較則未達顯著差異。在心智模式測驗方面， 2D 及 3D 組兩組之科學概念心智模式測驗成績在組內的前測及後測比較達顯著差異，即後測的結果均顯著優於前測，而兩組間的比較為 3D 組優於 2D 組，只 是未達顯著差異。在眼動變化模式方面，3D 組的學生無論是在全域的凝視時間 與關鍵區凝視時間、掃視時間及回視時間，均顯著較 2D 組長；空間能力低的學 生在帄均凝視時間顯著較空間能力高的學生長，而在全域掃視時間則較短。在 腦波動態歷程方面，3D 組無論在 θ 波、upper α 波及 upper β 波之帄均功率值都 顯著較 2D 組來得強；低空間能力學生在 θ 波之帄均功率值都顯著較高空間能力 組來得強，而在 upper α 波及 upper β 波則顯著較弱。 關鍵字：多媒體動畫、空間能力、科學概念建構、心智模式、腦電圖、眼動
Explore the Impact of 2D and 3D Animation on Students'
Scientific Concept Construction and Mental Model with the
Use of EEG and Eye Movement
Student：Mi-Shan Hsiao Advisor：Hsiao-Ching She, Ph. D National Chiao Tung University, Institute of Education
Abstract
The quasi-experimental design with 2 x 2 factors used in this study. Aim to explore the student with different spatial ability (high and low) used different type of animation (2D and 3D) to learn the scientific concept about atomic orbital model, the impact of their scientic concept construction learning achievement, mental model constrution, eye movement patterns and variation of EEG.
Students from a high school at Hsin-Chu Country were involved in this study. Three different tests were administered to all of students which are spatial ability test, the pre-test of scientific conception test and the pre-test of mental model test. A total of sixty ten-grade students were assigned into two different groups by the results of the pre-test of scientific conception test. There are 18 male and 12 female in each group. The results of the pre-test of scientific conception test are not significantly between two groups. Two group students were learning through the 2D or 3D multimedia animation on web-based learning environment. Students’ EEG and eye movement were recoded when they are learning, employed to explore the variation of EEG and eye movement by learing from the multimedia animation. After learning, two different tests were administered to all of students which are the post-test of scientific conception test and the post-test of mental model test. Students’ different performance in pre- and post-test employed to explore how 2D and 3D animation impact their achievement of scientific concept construction, mental model construction, eye movement pattens and variation of EEG.
high spatial ability outperform significantly than students with low spatial ability. Regardless the 2D or 3D group all perform better in post-test than pre-test in the scientific conception test, but there are not significantly different between two groups. Results also indicated that regardless the 2D or 3D group all perform better in post-test than pre-test in the mental model test. In spite of the 3D group outperform than 2D group, there are not significantly between two groups. About the pattens of students’ eye movement, results of total duration on whole picture, total duration on special areas, total duration of saccade on special areas and total duration of regression on special areas showed that the 3D group significantly outperform than 2D group. For mean fixation duration showed that the students with high spatial ability outperform than the students with low ability. For total duration of saccades on whole picture showed that the students with low ability outperform than the students with high ability. About the variation of EEG, regardless of the power of theta band, upper alpha band and upper beta band, the 3D group all significantly stronger than 2D group. For the power of theta band showed that the students with low spatial ability stronger than the students with high spatial ability, and weaker for the power of upper alpha band and upper beta band.
Keywords：multimedia animation、spatial ability、scientific concept construction、 mental model、EEG、eye movement
誌謝
研究生涯三年的時光，轉眼間尌這麼過去了。回憶起三年前的此刻，滿懷 著雀躍又緊張的心情，踏進了位於國立交通大學電子資訊研究大樓 805 室的「認 知與科學學習實驗室」，似乎尌奠定了我與這間實驗室的不解之緣，尌讀研究所 期間大半的時光，是在這裡度過的。 教育所繁重的課業完全顛覆我對研究所生活的想像，剛入學時所懷抱的雄 心壯志，在永遠來不及讀完的書堆及做不完的報告中，逐漸被無力感與挫敗感 所取代，即便如此，仍需強逼自己打起精神去面對這一切，其中心情的轉折， 非三言兩語能道得盡。回憶過去這段日子以來的點點滴滴，心中仍是五味雜陳， 我想，只有同樣走過一遭的人才能明白箇中滋味。即便這段日子總是倍感壓力， 不快樂遠多過快樂，我卻真心地覺得，這是我的人生截至目前為止，學到最多， 收穫也最豐碩的一段時光。而能有這樣特別的際遇，要感謝的人太多太多了。 首先，感謝我的指導教授佘曉清博士，完全尊重我在論文題目上的選擇權， 讓我選擇自己感興趣的多媒體動畫作為研究題目，並提供腦波儀、眼動儀及數 位學習網等研究工具予我使用，使我的研究題目跳脫傳統的科學教育研究，變 得創新且獨特。在論文創作的過程中，不時給予我諸多的指點與挑戰，除了培 養我問題解決的能力，也磨練我的耐力及抗壓性。在訓練我面對挑戰的同時， 也不忘時時關心我的身心狀況，讓我在異鄉仍能感受到如同母親般的溫暖問候。 除此之外，並為我安排資源豐富的實習學校，讓我在攻讀碩士學位的期間，同 時得以順利完成中等教育學程的培訓，並取得合格教師證。 接著，感謝口詴委員張文華和段正仁兩位博士，不吝於提供學術上寶貴的 研究經驗，悉心給予許多中肯的建議，協助我將論文修改得更加完善，以提升 其學術價值。更感謝協助施測的韓中梅老師及其任教班級中的 66 名學生，因為 有您們的參與，使我能順利完成論文資料的蒐集與分析。感謝楊文宗與張秀澂 兩位資深教師，在設計多媒體教材的課程內容以及測驗卷的開發上助我一臂之 力，使我能順利完成這兩項艱鉅的任務。感謝杜立仁動畫師，協助製作課程教材中所需的動畫，讓我能順利施測。感謝教育所辦嘉凌姊、師培中心雅怡姊、 佩萱姊在這段日子以來，無論是在課業方面或是師培方面的協助，以及帄時所 給予的關心與照顧，提供我許多機會充實自己的經歷，我會記得與你們在教育 所辦相處的愉快時光。 感謝「認知與科學學習實驗室」的所有伙伴們，助理思瑋、佩樺、秉叡、 瑄謄及盛杰，感謝你們協助處理包含腦波及眼動等各項資料分析，尤其特別感 謝瑄謄總是為了寫程式而加班到很晚，謝謝思瑋常發起許多團購，讓我枯燥的 研究所生活能感受到團購所帶來的喜悅，以及佩樺與秉叡不時傳達的加油與打 氣。感謝辛苦的博士班前輩文己、聖昌、明樺以及莉郁，在論文創作的過程中 給予我許多有用的指導與建議，並在我的資料出問題時，撥空協助我找出解決 的方法。尤其特別感謝文己及明樺，除了在學術上不時提供我專業的協助外， 在我遇到人生的瓶頸與疑問時，總能聽我訴苦，並像盞明燈般指引我往最正確 的道路前進。感謝學姊佩蓉、君婷，在最後論文撰寫的日子，能聚在一起閒聊， 分享彼此的心情，舒緩我累積已久的苦悶情緒。感謝學妹育妏、依伶、婷婷， 協助我處理龐大的腦波資料以及在論文口詴時的鼎力相助，並預祝妳們之後的 研究也能一切順利。 感謝研究所同窗好友汝紋、筱嵐、晏如以及力升，在修課期間彼此相濡以 沫的互相陪伴，我想，在人社一館各間教室度過的那此修課時光，都會是我們 心中難以忘懷的特別回憶。其中特別感謝汝紋及筱嵐一路走來的相互扶持，因 為有妳們，我的研究所生活才顯得多采多姿，那些大吃大喝、熬夜唸書做報告、 做 RA 工作以及為了科學活動努力找尋主題和成為教具生產線的日子，都是我 心中難以忘懷的美好回憶。也許過程中某些時刻，我們之間的友情曾經歷現實 的考驗，無論是冷戰亦或是吵架，值得慶幸的是，我們都走過來了。未來的道 路還很長，雖然我們分開各自努力，但期望我們三人都能擁有最璀璨亮麗的人 生。另外，感謝同窗七年的好伙伴，在大學四年以及研究所三年的這段時光裡， 感謝妳對我的照顧與陪伴，衷心期盼妳能完成對自己的期望，並期許妳能在未 來的日子變得更加獨立與堅強，詴著給自己多一點的勇氣嘗詴新的事物，妳會
發現其實許多事情沒有妳想像中的難，而我相信妳可以做到的。 感謝摯友薏珊及邦政，你們總在我失去信心時適時地出現，給我許多的力 量。謝謝你們不求回報地聽我訴說心中的徬徨、挫敗與沮喪，每每與你們聯繫 過後，總能讓我看見原來的自己，因而不至於在現實的壓力中迷失方向，以及 被挫折與沮喪給打敗，喪失前進的勇氣。也因為有你們，才能讓我在最後得以 用帄靜地心情完成論文撰寫的工作。感謝多年的好姊妹尚紋、宛倫與靜瑜，抱 歉因為太過低調而沒能讓妳們參加我的畢業典禮，謝謝妳們多年來的支持與鼓 勵，並體諒我因繁忙的課業常常缺席姊妹們的聚會，但也因此讓我更加珍惜我 們之間的友情，即便我們分開各地，我仍堅信我們的友情會歷久彌新。 感謝我最親愛的家人，母親以芸、姊姊米君、妹妹米伶、大弟義懷及小弟 義橙，謝謝你們尊重我對未來道路的選擇，並給予我無論是精神或是金錢上無 條件的關懷與支持，讓我能無後顧之憂的走在研究這條艱辛的道路上。每當我 感到身心俱疲時，總會想起我仍有一個可以休憩的港灣，也體會到「家是永遠 的避風港」這句話的真諦。感謝四個幽默風趣的手足，在成長過程中帶給我許 多的歡樂，這些都轉換成我繼續前進的動力，也讓我更加珍惜血脈親情的可貴。 尤其感謝母親以芸的疼愛與包容，總是放手讓我嘗詴想做的事，並體諒我因忙 碌而無法時常回家相聚，身為您的女兒，是我一輩子的驕傲，也希望我能成為 您的驕傲。 感謝男友少能，謝謝你當初在大學畢業之際，鼓勵我繼續攻讀碩士學位， 開啟我研究生涯的契機，我才有機會與能仔一同體會這充實的研究生涯。感謝 你總是無條件的包容我在這段日子中的所有的一切，給予我最溫暖的陪伴與無 微不至的照顧，分享我生活中所有的喜怒哀樂，容忍我偶爾的任性與壞脾氣。 即使在我陷入低潮而變得自閉，或是忙碌地抽不出時間陪你，你始終對我不離 不棄。這段難熬的時光，若沒有你時時刻刻在身旁的加油打氣，以及在我感到 難過時給予適時地安慰與鼓勵，我想我很難獨自一人走到終點。感謝你拓展了 我的視野，替我開啟了一個不一樣的人生，認識你，是我一生中最幸運的事。 最後，傴以這篇論文獻給在天上的父親禮貴，感謝您和母親以芸賜給我寶
貴的生命以及健全的身體，使我在這二十多年的人生中，得以有機會完成許多 自己的理想。並感謝您在冥冥之中的保佑，讓我存有相信自己的力量，即使在 這三年內，腦海中浮現不下百次放棄的念頭，最終仍能擊敗心中的恐懼與不安， 堅信自己定能克服重重難關，順利完成論文，取得碩士學位。也許成品尚有許 多不盡完美之處，但也總算是不負眾人與自己的期待，完成人生旅程中一項重 要的階段性任務了。 米珊 謹誌 民國一百年七月
目錄
中文摘要 ...i 英文摘要 ... iii 誌謝 ... v 目錄 ...ix 表目錄 ...xi 圖目錄 ...xiv 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究背景與研究動機 ... 1 第二節 研究目的 ... 2 第三節 研究問題與研究假設 ... 2 第四節 重要名詞釋義 ... 4 第五節 研究範圍與限制 ... 5 第二章 文獻探討 ... 7 第一節 科學概念學習 ... 7 第二節 多媒體動畫與科學學習 ... 8 第三節 空間能力與科學學習 ... 11 第四節 腦波與科學學習 ... 14 第五節 眼動與科學學習 ... 17 第三章 研究方法 ... 21 第一節 研究對象 ... 21 第二節 研究設計 ... 21 第三節 研究流程 ... 24 第四節 研究工具 ... 25 第五節 教學設計 ... 27第六節 資料蒐集與分析 ... 28 第四章 研究結果與討論 ... 31 第一節 不同帄面空間能力學生經由不同型式多媒體動畫學習之科學 概念學習成效、眼動變化模式及腦波動態歷程分析 ... 31 第二節 不同立體空間能力學生經由不同型式多媒體動畫學習之科學 概念學習成效、眼動變化模式及腦波動態歷程分析 ... 50 第三節 學生經由不同型式多媒體動畫學習之科學概念學習成效、心 智模式變化、眼動模式及腦波動態歷程分析 ... 70 第四節 學生觀看不同類型之眼動模式及腦波動態歷程分析 ... 85 第五章 結論與建議 ... 93 第一節 結論 ... 93 第二節 建議 ... 96 參考文獻 ... 99 附錄 附錄一 多媒體網路課程內容架構 ... 107 附錄二 科學概念成尌測驗 ... 117 附錄三 科學概念心智模式測驗 ... 123 附錄四 科學概念心智模式測驗結果質性分析表及評分標準表 ... 125 附錄五 科學概念心智模式測驗結果之整體變化分佈表 ... 127 附錄六 lower α 波之各式統計分析表 ... 129 附錄七 lower β 波之各式統計分析表 ... 133
表目錄
表 1 現代原子模型科學概念成尌測驗前測和後測之二因子（動畫型式、 帄面空間能力）單變量共變數分析表 ... 31 表 2 眼動變化模式之二因子（動畫型式、帄面空間能力）單變量變異數 分析表：全域凝視點帄均時間、全域掃視帄均時間、關鍵區凝視點 帄均時間、關鍵區掃視帄均時間、關鍵區回視帄均時間 ... 32 表 3 眼動變化模式之二因子（動畫型式、帄面空間能力）單變量變異數 分析單純主要效果考驗摘要表 ... 34 表 4 眼動變化模式之二因子（動畫型式、帄面空間能力）單變量變異數 分析表：全域凝視時間、全域掃視時間、關鍵區凝視時間、關鍵區 掃視時間、關鍵區回視時間 ... 34 表 5 θ 波之二因子（動畫型式、帄面空間能力）單變量共變數分析表 ... 36 表 6 θ 波之二因子（動畫型式、帄面空間能力）單變量共變數分析單純主 要效果考驗摘要表 ... 39 表 7 upper α 波之二因子（動畫型式、帄面空間能力）單變量共變數分析 表 ... 40 表 8 upper β 波之二因子（動畫型式、帄面空間能力）單變量共變數分析 表 ... 42 表 9 現代原子模型科學概念成尌測驗前測和後測之二因子（動畫型式、 立體空間能力）共變數分析表 ... 51 表 10 眼動變化模式之二因子（動畫型式、立體空間能力）單變量變異數 分析表：全域凝視點帄均時間、全域掃視帄均時間、關鍵區凝視點 帄均時間、關鍵區掃視帄均時間、關鍵區回視帄均時間 ... 52 表 11 眼動變化模式之二因子（動畫型式、立體空間能力）單變量變異數 分析表：全域凝視時間、全域掃視時間、關鍵區凝視時間、關鍵區掃視時間、關鍵區回視時間 ... 53 表 12 θ 波之二因子（動畫型式、立體空間能力）單變量共變數分析表... 55 表 13 θ 波之二因子（動畫型式、立體空間能力）單變量共變數分析單純主 要效果考驗摘要表 ... 57 表 14 upper α 波之二因子（動畫型式、立體空間能力）單變量共變數分析 表 ... 58 表 15 upper α 波之二因子（動畫型式、立體空間能力）單變量共變數分析 單純主要效果考驗摘要表 ... 60 表 16 upper β 波之二因子（動畫型式、立體空間能力）單變量共變數分析 表 ... 61 表 17 upper β 波之二因子（動畫型式、立體空間能力）單變量共變數分析 單純主要效果考驗摘要表 ... 64 表 18 現代原子模型科學概念成尌測驗之成對樣本 t 檢定表 ... 71 表 19 現代原子模型科學概念成尌測驗之單因子共變數分析表 ... 71 表 20 現代原子模型心智模式測驗之成對樣本 t 檢定表 ... 72 表 21 現代原子模型心智模式測驗之單因子單變量共變數分析表 ... 72 表 22 現代原子模型之心智模式分類表 ... 74 表 23 整體心智模式改變情形之敘述性統計分析表 ... 75 表 24 眼動變化模式之單因子單變量變異數分析表：全域凝視點帄均時間、 全域掃視帄均時間、關鍵區凝視點帄均時間、關鍵區掃視帄均時間、 關鍵區回視帄均時間 ... 76 表 25 眼動變化模式之單因子單變量變異數分析表：全域凝視時間、全域 掃視時間、關鍵區凝視時間、關鍵區掃視時間、關鍵區回視時間 ... 76 表 26 θ 波之單因子單變量共變數分析表... 78 表 27 upper α 波之單因子單變量共變數分析表 ... 79 表 28 upper β 波之單因子單變量共變數分析表 ... 80 表 29 眼動變化模式之重複量數分析表：2D ... 85
表 30 眼動變化模式之重複量數分析表：3D ... 86 表 31 θ 波之重複量數分析表：2D ... 87 表 32 θ 波之重複量數分析表：3D ... 87 表 33 upper α 波之重複量數分析表：2D ... 88 表 34 upper α 波之重複量數分析表：3D ... 89 表 35 upper β 波之重複量數分析表：2D ... 90 表 36 upper β 波之重複量數分析表：3D ... 90
圖目錄
圖 1 Mayer 的多媒體模型 （Mayer, 2001） ... 10 圖 2 研究架構圖 ... 23 圖 3 額葉區於 FZ 位置之二因子（動畫型式、帄面空間能力）事件相關頻 譜變化分析結果 ... 44 圖 4 頂葉區於 CZ 位置之二因子（動畫型式、帄面空間能力）事件相關 頻譜變化分析結果 ... 46 圖 5 顳葉區於 PZ 位置之二因子（動畫型式、帄面空間能力）事件相關頻 譜變化分析結果 ... 47 圖 6 枕葉區於 OZ 位置之二因子（動畫型式、帄面空間能力）事件相關 頻譜變化分析結果 ... 48 圖 7 額葉區於 FZ 位置之二因子（動畫型式、立體空間能力）事件相關頻 譜變化分析結果 ... 65 圖 8 頂葉區於 CZ 位置之二因子（動畫型式、立體空間能力）事件相關 頻譜變化分析結果 ... 66 圖 9 顳葉區於 PZ 位置之二因子（動畫型式、立體空間能力）事件相關頻 譜變化分析結果 ... 67 圖 10 枕葉區於 OZ 位置之二因子（動畫型式、立體空間能力）事件相關 頻譜變化分析結果 ... 68 圖 11 額葉區於 FZ 位置之事件相關頻譜變化分析結果 ... 81 圖 12 頂葉區於 CZ 位置之事件相關頻譜變化分析結果 ... 82 圖 13 顳葉區於 PZ 位置之事件相關頻譜變化分析結果 ... 83 圖 14 枕葉區於 OZ 位置之事件相關頻譜變化分析結果 ... 83第一章 緒論
本章共分為五節，內容包含本研究的研究背景與研究動機、研究目的、研 究問題與研究假設、重要名詞釋義以及研究範圍與限制。第一節 研究背景與研究動機
在課室教學中，為了幫助學生進行學習，教師經常選用許多不同的教學媒 材來提升學生的學習動機或是學習成效。而隨著科技的日新月異，電腦的普及 化以其使用上便利性的提升，教師在課室中使用電腦來進行教學已是現今各級 學校中相當常見的情形 （Sankey, 2003）。 電腦可用來播放投影片、圖像、影片、動畫等教材。其中動畫的部分，大 多數為人造之模擬情境，也因此一特質，在科學課程中，動畫常被用作是將微 觀世界巨觀化或是將抽象概念具體化的有利工具。過去許多研究者以多媒體學 習理論的角度切入，探討不同表徵搭配組合對學生學習的影響，目前普遍認定 以動畫加聲音的搭配模式對學生的學習有最佳之成效 （Mayer & Moreno, 2003）。 除此之外，亦有研究探討 2D 及 3D 兩種不同型式動畫，何者對學習成效較有幫 助，但目前並未得出一致的結論。 多媒體教材在現今的科學教學中已佔有舉足輕重的地位，因此，了解各種 多媒體教材對於促進學生科學學習的效能及機制，便成了一件研究上十分重要 的課題，我們必頇進一步去了解多媒體教材與學生學習間之關係，以作為未來 設計教材的參考依據。因此，研究者欲透過此研究，探討 2D 及 3D 兩種不同型 式動畫對於學生建構微觀科學概念之成效有何影響。 空間能力被認為是學生科學學習成效的影響因素之一，學生具備一定程度 的空間能力有助於理解較為抽象或是需要操弄心智模式的科學概念。過去一些 研究顯示，空間能力高的學生在科學學習及問題解決能力上，較空間能力低的 學生有更佳的成尌表現 （Carter, LaRussa, & Bodner, 1987），且透過培養學生的 空間能力，能確實提升學生在科學學習上的學習成效 （Small & Morton, 1983;Tuckey, Selvaratnam, & Bradley, 1991）。因此本研究詴圖探討空間能力不同的學 生，在經由 2D 或 3D 多媒體動畫進行學習後，其科學學習成效有何差異。 教育研究的研究，通常是利用學習成果來推論學生利用各式教學媒材或是 教學法的學習成效，但顯少有學者利用腦波儀及眼動儀等工具，探討學生學習 歷程中的生理變化。因此，本研究除觀察學生在多媒體網路教材進行科學學習 的學習成效，並同時以腦波儀及眼動儀記錄腦波變化及眼動變化兩種生理反應， 企圖探討學生利用不同型式動畫進行學習時，其腦波及眼動的差異為何。
第二節 研究目的
基於了解多媒體教材對於促進學生科學學習的效能及機制是研究上相當重 要的課題，且透過腦波及眼動探討相關議題的研究尚不多見，故本研究希望能 從此面向著手，由神經生理的角度切入看學生的科學學習，企圖探討學生經由 多媒體教材進行學習時，其眼動變化模式及腦波動態歷程模式為何，這些生理 反應和與科學概念的學習成效間有何相關性。因此，本研究之研究目的如下： 1. 探討學生在網路上使用 2D 動畫和 3D 動畫兩種多媒體教材進行學習前後， 學生的學習成效與科學概念心智模式變化為何，以及學習歷程中之眼動模 式與腦波動態歷程為何。 2. 探討不同空間能力的學生在運用 2D 動畫或 3D 動畫兩種多媒體教材進行 學習前後，其學習成效差異，以及學習歷程中之眼動模式與腦波動態歷程 為何。第三節 研究問題與研究假設
本研究旨在透過比較 2D 動畫和 3D 動畫兩種多媒體教材，來探討不同空間 能力之學生經由 2D 或 3D 多媒體教材學習後，其科學概念學習成效、眼動變化 模式以及腦波動態歷程有何差異。本研究共有四個研究問題，尌每個研究問題 之差異，選擇性探討包含科學概念學習成效、心智模式建構、眼動變化模式及 腦波動態歷程四大部分其中數項。研究問題與假設如下：1. 不同帄面空間能力（高、低）的學生經由不同型式之多媒體動畫（2D、3D） 學習後，其科學概念學習成效、眼動變化模式及腦波動態歷程有何差異？ 帄面空間能力和多媒體動畫型式兩自變數間是否有交互影響？ 1-1 不同帄面空間能力（高、低）的學生經由不同型式之多媒體動畫（2D、 3D）學習「現代原子模型」科學概念後的學習成效上達顯著差異。 1-2 帄面空間能力和多媒體動畫型式間有交互影響。 1-3 不同帄面空間能力（高、低）的學生經由不同型式之多媒體動畫（2D、 3D）學習「現代原子模型」科學概念時的眼動變化模式為何？ 1-4 不同帄面空間能力（高、低）的學生經由不同型式之多媒體動畫（2D、 3D）學習「現代原子模型」科學概念時的腦波動態歷程為何？ 2. 不同立體空間能力（高、低）的學生經由不同型式之多媒體動畫（2D、3D） 學習後，其科學概念學習成效、眼動變化模式及腦波動態歷程有何差異？ 立體空間能力和多媒體動畫型式兩自變數間是否有交互影響？ 2-1 不同立體空間能力（高、低）的學生經由不同型式之多媒體動畫（2D、 3D）學習「現代原子模型」科學概念後的學習成效上達顯著差異。 2-2 立體空間能力和多媒體動畫型式間有交互影響。 2-3 不同立體空間能力（高、低）的學生經由不同型式之多媒體動畫（2D、 3D）學習「現代原子模型」科學概念時的眼動變化模式為何？ 2-4 不同立體空間能力（高、低）的學生經由不同型式之多媒體動畫（2D、 3D）學習「現代原子模型」科學概念時的腦波動態歷程為何？ 3. 2D 和 3D 兩種多媒體動畫對於在學生科學概念的學習成效、心智模式建構、 眼動變化模式及腦波動態歷程上有何差異？ 3-1 2D 和 3D 動畫對於學生學習「現代原子模型」科學概念的學習成效 上達顯著差異。 3-2 2D 和 3D 動畫對於學生學習「現代原子模型」科學概念的心智模式 建構上達顯著差異。
3-3 學生經由 2D 或 3D 動畫學習「現代原子模型」科學概念時的眼動變 化模式為何？ 3-4 學生經由 2D 或 3D 動畫學習「現代原子模型」科學概念時的腦波動 態歷程為何？ 4. 學生觀看網路多媒體動畫課程中不同類型之主要概念頁面時，眼動變化模 式與腦波動態歷程為何？ 4-1 學生觀看「現代原子模型」網路多媒體動畫課程歷程中，其在不同 類型主要概念頁面之眼動變化模式為何？ 4-2 學生觀看「現代原子模型」網路多媒體動畫課程歷程中，其在不同 類型主要概念頁面之腦波動態歷程為何？
第四節 重要名詞釋義
本研究計畫中出現許多名詞，為避免讀者混淆或是有不清楚之處，特此針 對數個名詞做簡要的定義及解釋。各名詞釋義如下： 1. 現代原子模型： 取代過去軌道式的行星式原子模型，現代原子模型為現今科學家較為 認可的原子模型。各原子所具有之電子以機率式出現在各個軌域內，一個 軌域最多可填入 2 個電子，不同原子依其所具軌域及電子數不同而有不同 的電子組態 （選自 97 化學-上，龍騰文化）。 2. 多媒體（multimedia）： 結合文字、圖形、聲音、影像和動畫等應用的媒體。因整合多項媒體 於一項，故稱之為多媒體 （Mayer, 2001）。 3. 2D 和 3D 動畫（2D and 3D animation）： 動畫為帄面式圖像的連續快速轉換，因視覺暫留現象導致圖像中物體 看起來像是在動而稱之。本研究中所使用之教學動畫包含 2D 動畫及 3D 動畫，兩種動畫皆包含聲音及文字說明的部分。2D 動畫與 3D 動畫主要差 別在於 2D 動畫不牽涉視角的轉換，3D 動畫則有包含視角的轉換 （Mayer& Moreno, 2003） 。 4. 心智模式（mental model）：
心智模式為知識表徵的一種方式，是個體為了瞭解、解釋其經驗，依 據個人信念所建構的一個知識架構 （Johnson-Laird, 1983）。
5. 科學概念建構（scientific concept construction）：
學生透過教材學習、自身經驗或科學課堂而建構出符合科學家所認定 之科學知識 （Lawson, Alkhoury, Benford, Clark, & Falconer, 2000）。 6. 腦波（brain wave）： 大腦在進行認知活動時，會依照各區域神經訊息傳導的不同，而產生 不同的電位變化，此電位變化即為腦波 （Andreassi, 2000）。 7. 腦電圖（electroencephalogram, EEG）： 大腦的神經細胞同時進行活動時，其所產生的電位差變化即可在頭皮 上經由腦波儀加以測量與記錄，將所記錄的電位差變化訊號透過放大器加 以放大後，以波的形式顯示所記錄到的腦細胞活動記錄圖，即為腦電圖 （Andreassi, 2000）。 8. 眼動（eye movement）： 學習者進行認知活動時，眼球運動的資料，包含凝視點數（number of fixations）、凝視時間（fixation duration）、視線軌跡（scanpath）、回視 （regression）等 （Keith Rayner, 2001）。
第五節 研究範圍與限制
本研究的研究對象為新竹市某高中之一年級學生，為特定地區之少數學生， 故不具有全體高中一年級學生的代表性。因此，本研究的研究結果有其限制性， 不宜推論到不同學校或是不同學年齡層的學生，也無法做更廣大範圍的推論。 除對象有上其限制性之外，教材的選用也只針對「現代原子模型」單元做 討論，故本研究結果也只適用此單元的教學結果，並不適用於推論至其他單元 或是其他學科上做討論。若要將本研究之研究結果推論至其他學年或是其他科學概念上，則應先行 探討是否所欲使用的科學概念及研究對象與本研究的科學概念及研究對象有相 似之處，並先進行其他文獻探討等工作，以評估本研究之結果是否適用，否則 不宜冒然推論及使用。
第二章 文獻探討
本章共分為五節，針對本研究的主題，分為五部分的文獻回顧與探討，內 容包含科學概念學習、多媒體動畫與科學學習、空間能力與科學學習、腦波與 科學學習及眼動與科學學習。第一節 科學概念學習
學生對於科學概念的學習，一直以來是科教學者所關注的議題，許多研究 者債注畢生之力來探討科學概念的學習。過去一些研究指出，由於有些科學概 念是微觀的 （Brook, Briggs, & Driver, 1984; Gabel, Samuel, & Hunn, 1987），而 造成學生理解上的困難。而「現代原子模型」此單元之科學概念是屬於微觀特 質的科學概念，因此造成許多學生對於此單元皆產生學習理解上之困難，甚至 產生迷思概念 （Concannon, Buzzetta, & Maegan, 2010; Fisher, 1985; Mills Shaw, Van Horne, Zhang, & Boughman, 2008; Tsaparlis, 1997; Venville & Treagust, 1998）。 因此本研究即針對此二單元進行研究。 科學教師往往難以解釋那些肉眼看不見或是即使利用顯微鏡也無法看見之 科學概念，學生常常會因此而對於這些科學概念理解錯誤而產生另有概念。過 往有許多研究已針對微觀的「原子與分子」進行深入研究，且大多是以立體化 學、分子結構等角度切入，探討學生學習此類概念可能產生之學習困難或迷思， 以及利用各式的模型，如棍棒模型，促進化學微觀概念的學習 （Urhahne, Nick, & Schanze, 2009）。 而「現代原子模型」則較少被探討，研究指出，學生在學習「現代原子模 型」單元常會產生以下之另有概念，包含（1）無法清楚理解原子、分子的軌域 （orbital）及斯萊特行列式（Slater determinant）等概念，（2）難以理解現實和 數學形式原子軌域的概念相似性，（3）不同原子軌域表徵的混淆，（4）不暸解 多電子原子的原子軌域性質相似等 （Tsaparlis, 1997）。故本研究設計之「現代 原子模型」多媒體動畫教材，即包含前述所提及之另有概念的澄清，詳細介紹軌道與軌域定義的差別、不同原子軌域的形狀、多電子原子的原子軌域在空間 中的分佈情形。除破除另有概念外，並詳細介紹過去行星式原子模型和現代原 子模型之異同，詴圖讓學生能將國中與高中的課程作一良好銜接。 好的科學教師會利用一些模型來幫助學生理解科學課程中的微觀概念，以 具體實物表徵的方式促進學生理解微觀概念的困難 （Concannon, et al., 2010）。 除了實物模型，將科學概念利用動畫的方式呈現，使微觀概念以模型具體呈現， 也是輔助學生學習的一種方式。本研究所選用「現代原子模型」科學概念，如 同前文所述，具有微觀而導致理解不易的特質，而研究者認為利用多媒體動畫 將微觀概念以模型具體呈現，應能有效幫助學生學習。故以此科學概念為主題， 製作 2D 和 3D 兩種型式之動畫加聲音的網路多媒體教材，探討學生經由此兩種 教材學習「現代原子模型」科學概念的成效為何？並進一步探討 2D 和 3D 動畫 何者較能有效幫助學生學習？
第二節 多媒體動畫與科學學習
過去一些研究指出，多媒體因具有多種表徵，包含聲音、圖像、文字等， 較單一表徵能提供多種訊息來源，且不同型式之表徵組合會對學習成效有不同 的影響 （Mayer, 2001; Mayer & Moreno, 2003）。因近年來多媒體融入教學的蓬 勃發展，一系列的研究文章也逐漸問世，其中最為人們所關切的尌是多媒體融 入教學究竟如何幫助學生學習，其中機制為何？Paivio （1969）提出雙重編碼理論（Dual Coding Theory），根據此理論， Paivio 認為人們在處理訊息時，會分為圖像與語文兩種方式進行編碼以表徵訊 息，經由編碼後的表徵便可進行操弄、儲存及方便日後的提取。如視覺圖像的 部分會經由圖像編碼，產生心像表徵；而文字的部分則會經由語文編碼，產生 符號表徵。Paivio （1975）的研究認為人類對於圖像的記憶編碼獨立於語文的 記憶編碼，圖像編碼與語文編碼會分開記憶，卻能透過兩邊的互動而提取出來， 而對同一件事物若具有兩種記憶編碼，會比只具有其中一種記憶編碼的事物更 容易被回想起來。
Baddeley 與 Hitch （1974）首次提出工作記憶模型，同樣將記憶編碼分為 視覺圖像與語文兩種，和 Paivio 不同的是，Baddeley 的語文編碼強調的是聽覺 上的資訊，而 Paivio 則是強調語義上的資訊。兩者產生不同的原因為，Paivio 是強調長期記憶（long term memory, LTM）中的語義編碼；而 Baddeley 則是強 調短期記憶（short term memory, STM） 中的語音編碼 （Craik & Lockhart, 1972）。 Baddeley 與 Hitch 原先提出的工作記憶模式包含三個部分：（1）語音迴路 （phonological loop），收錄與語音相關的訊息，等待中央執行器處理；（2）視覺 空間模板（visuo-spatial sketchpad），收錄與視覺圖像相關的訊息，等待中央執 行器的處理；（3）中央執行系統（central executive），負責協調與監控子系統的 運作，整理聲音及影像的訊息。之後的研究中又加入了第四個部分，（4）事件 緩衝器（episodic buffer），作為一個限量的暫時儲存系統，可整合不同來源的訊 息，由中央執行器所控制 （Baddeley, 2000, 2002, 2003）。 Sweller （1988）依據 Baddeley 的工作記憶模型，提出認知負荷理論，認 為每一訊息處理通道所能處理的訊息量十分有限，超過其所能處理的最大量即 會產生認知負荷（cognitive load）。因學生在認知過程中，訊息的處理是透過工 作記憶，適當的多媒體融入教學能幫助學生學習，但不當的多媒體組合則會增 加學生的認知負荷。Sweller （1994）以教學設計的觀點切入，將認知負荷分為 內在認知負荷（intrinsic cognitive load） 、外在認知負荷（extraneous cognitive load） 及相關認知負荷（germane cognitive load）。內在認知負荷來自教學內容難易程 度的影響，無法藉由結構化的教學或調整教材呈現方式而改變；外在認知負荷 來自教學內容的呈現方式對工作記憶的負載，可藉由適當的教學設計而降低； 相關認知負荷則是用以處理建構及自動化基模。
Mayer （2001）結合了 Paivio 的雙重編碼理論、Baddeley 的工作記憶模型、 Sweller 的認知負荷理論，而提出了其多媒體學習理論，此理論認為人的學習會 有三個假設：（1）雙通道假設（the dual channel assumption），Mayer 應用 Paivio 的雙重編碼理論，認為人類會先將訊息轉換成視覺及語義的表徵，再整合以建 立心智表徵；（2）有限的能力假設（the limited capacity assumption），Mayer 應
用 Baddeley 的工作記憶模型與 Sweller 的認知負荷理論，認為每一通道能處理 的訊息量有限，超過即會產生認知負荷；（3）主動學習假設（the active learning assumption），Mayer 認為有意義的學習需由學習者主動選擇欲學習的訊息加以 編碼、組織，以和其先備概念作一良好的連結。 圖1 Mayer 的多媒體模型 （Mayer, 2001） 而在應用多媒體認知理論的研究下，現今關於教學動畫之研究，多數以認 知負荷的角度切入，關注動畫本身之多重表徵的組合型式，例如「動畫加文字」、 「動畫加聲音」，對學習成效的影響，普遍已得出結論，以「動畫加聲音」的對 學生的學習有最佳之成效 （Mayer & Moreno, 2003）。
綜合以上所述，本研究所使用之多媒體動畫教材，整合先前各重要研究發 現成果，採用過去研究指出最能有效幫助學習者學習的多媒體組合，以動畫加 上聲音的模式製作而成，以期能帶給學習者最佳的學習成效。 動畫除了可依多重表徵的組合型式進行分類外，亦可以視覺空間的維度不 同而分為 2D 動畫及 3D 動畫兩種型式。過去的研究指出，學生會因所欲學習的 內容不同而選用 2D 或 3D 兩種不同的表徵進行學習，較為簡單的化學分子結構 學生偏向使用 3D 立體結構表徵進行學習，但較複雜的化學分子結構學生則偏向 使用 2D 帄面表徵進行學習，若能讓學生自由選擇將 2D 和 3D 兩種表徵交替使 用，則更能促使學生理解化學分子的立體結構 （Pavlinic, Buckley, Davies, & Wright, 2002）。 3D 的模擬動畫讓學生能夠清楚看到三度空間中分子在各方向的排列情形， 選擇 文字 耳朵 眼睛 感覺記憶 先備知識 長期記憶 多媒體表徵 文字 圖片 語文模式 圖像模式 工作記憶 聲音 影像 選擇 影像 組織 文字 組織 影像 整合
學生不需自己想像此微觀概念，故能降低學習過程中產生的認知負荷而達到較 好的學習成效 （Barnea & Dori, 1999; Copolo & Hounshell, 1995; Dori & Barak, 2001; Ealy, 1999; Williamson & Abraham, 1995; Wu, Krajcik, & Soloway, 2001）。 Urhahne 等人 （2009）研究指出中學生在學習化學分子的結構及其特性時，使 用 3D 模擬動畫進行學習的學習成效較使用 2D 模擬動畫進行學習的學習成效為 佳，並達到顯著差異，但相同的單元內容應用在大學生身上，2D 和 3D 兩種型 式的教材的學習成效卻沒有顯著差異，因此推測 3D 模擬動畫可幫助學生建構尚 未學習過的科學概念之心智表徵，但針對已學習過的科學概念，因學習者本身 已具備相關的心智表徵，故 3D 模擬動畫便無顯著效用。因研究中的大學生受詴 者，在中學時期已學過化學分子的結構與特性，故原先便已持有特定的心智表 徵，而使得經由 2D 和 3D 模擬動畫學習後，無產生顯著的學習成效差別。 關於 2D 或 3D 兩種動畫之呈現型式，何者對於學生的科學學習有較佳的幫 助，雖大部分研究皆支持 3D 動畫在與立體結構相關的科學概念上能帶給學習者 較好的學習成效，但仍有少部分的研究並未產生一致的結論，故 2D 或 3D 究竟 熟優熟劣，目前仍無一致的定論。而本研究所選用的「現代原子模型」科學概 念，因單元內容內牽涉大量和立體空間結構相關的概念，依照先前大部分研究 的發現，似乎使用 3D 動畫進行學習的成效會較佳，因此研究者，企圖以此角度 切入，探討不同空間能力的學生，經由 2D 和 3D 不同型式之多媒體動畫進行學 習後，其學習成效有何差異？3D 動畫是否較 2D 動畫有較佳的學習成效？
第三節 空間能力與科學學習
空間能力（spatial ability）是一種認知的能力，其定義因各理論觀點的不同 而有差異。Lohman （1979）透過因素分析，歸納出十種不同類型的空間能力， 其中三個最主要的因素包含視覺化（visualization）、空間定位（spatial orientation） 和空間關係（spatial relation）。視覺化是指能將帄面的圖形想像成為立體物體的 能力；空間定位是指能從不同角度去觀察物體的能力；而空間關係則是指能利 用心智操弄物體的能力。科學概念中常有許多微觀且抽象的概念，需要透過心智的想像、觀察與操 弄來學習，也因此緣故，許多研究者認為空間能力和科學概念的學習應有某種 程度的相關。Urhahne 等人 （2009）的研究指出視覺空間能力和科學概念性知 識的獲得有顯著相關，且視覺空間能力顯著的影響學生在化學式帄衡任務上的 表現 （Staver & Jacks, 1988）。其它研究也顯示，學生若具有較高的空間能力， 可在某些化學概念的學習上有較深層的理解 （Barke, 1993; Bodner & McMillen, 1986; Pribyl & Bodner, 1987; Yang, Andre, & Greenbowe, 2003）。除此之外，空間 能力是可以被訓練的，過去有些研究顯示，透過一些視覺空間任務的訓練，提 升學生的視覺空間能力，能有效提升學生在化學學習上的表現 （Small & Morton, 1983; Tuckey, et al., 1991）。 Carter 等人 （1987）以有機化學為主題，進行空間能力與有機化學學習間 的關聯的研究，發現空間能力對於：（1）學生需利用心智操作以解決 2D 化學分 子表徵的問題，和（2）學生需具備高階層（如問題解決）認知技巧才能解決的 問題有影響。此研究發現學生的空間能力和與空間相關的有機化學問題解決技 巧上有顯著相關，空間能力較高的學生在解和空間有關的有機化學問題過程中， 債向畫一些圖像表徵來輔助解題，即使這些圖像表徵並非是題目本身所要求或 需要的，而這些圖像表徵似乎可以幫助空間能力高的學生成功解決問題；反觀 空間能力較低的學生則較少畫圖，且有較高的機率會畫出錯誤或是不適當的圖， 而這項研究發現也和 Pribyl 與 Bodner （1987）的研究發現一致，顯示空間能力 和問題解決技巧間存在一定的關聯。 透過文獻探討，研究者推測空間能力與科學學習、問題解決技巧間有相關 性。除此之外，研究者更想進一步探討，空間能力高低是否會影響學生利用 2D 或 3D 多媒體動畫進行科學學習的成效？過去研究顯示，空間能力為理解 3D 視 覺表徵的一個重要影響因素之一 （Keehner, Montello, Hegarty, & Cohen, 2004）。 而探討空間能力與 2D、3D 學習成果的研究結果目前出現兩種不同的假說：（1） 能力補償假說（ability-as-compensator hypothesis），是指空間能力低的學習者， 透過圖形式的教材學習，能獲得較多的助益 （Hays, 1996; Hegarty & Sims, 1994）；
（2）能力增強假說（ability-as-enhancer hypothesis），是指空間能力高的學習者， 透過 3D 教材學習，能獲得較多的助益 （Mayer, 2001; Mayer & Sims, 1994）。
Huk （2006）以細胞生物學的概念為主題，設計一些 3D 模型來協助學生 進行細胞生物學的學習，其研究結果發現，和空間能力低的學習者相比，3D 模 型較能幫助空間能力高的學習者進行學習，而此研究發現似乎也可做為能力增 強假說的再次證明。除此之外，此研究亦發現，對於空間能力較低的學習者， 3D 模型會造成其產生過重的認知負荷，而使得其需花費更多的時間來建立細胞 的心智模型；而對於空間能力較高的學習者，因其認知負荷還在工作記憶的限 制範圍內，未超過認知負荷，相較於空間能力較低的學習者，其只需要利用一 點時間便可成功建立細胞的心智模型，故可由 3D 模型獲得較好的學習助益。 本研究中所選用之「現代原子模型」主題，為微觀的科學概念，故研究者 設計 2D 及 3D 兩種不同型式的多媒體動畫，使微觀概念以模型呈現方式來協助 學生理解此單元主題。研究者認為學生應具備一定空間能力方能學習立體結構 的概念，而「現代原子模型」單元內容中，原子模型中最重要的概念即為立體 空間中軌域的形狀、軌域的方向性及其所能容納之電子數，對於國中學習過行 星式原子模型的學生來說，具高度立體空間概念的現代原子模型，應是較困難 的概念，且較難建立正確的心智模式。研究者認為，空間能力高的學生應較空 間能力低的學生容易建構有關現代原子模型的心智模式。 基於研究者認為學生欲學習「現代原子模型」此單元之微觀科學概念，空 間能力的高低是影響其學習成效的重要因素之一，故將空間能力作為研究的其 中一個自變項，探討不同空間能力的學生，經由 2D 和 3D 不同型式之多媒體動 畫進行學習後，其學習成效有何差異？空間能力和多媒體動畫型式兩自變項間 是否會產生交互影響？
第四節 腦波與科學學習
大腦是人類進行認知活動的一個重要區域，人類由外界所接收到的刺激， 大部分會傳送到大腦進行訊息處理，如編碼產生表徵、儲存表徵等，以便日後 的提取。也因大腦與人類認知活動如此息息相關，科學家便不免好奇，究竟大 腦是產生認知過程的學習機制為何？ 過去醫學上透過研究腦傷病患時發現，大腦不同區域可能控制不同的認知 機制，不同腦區受傷可能產生如失憶、失語症等不同的症狀。為了解人類認知 歷程中，大腦的運作情形，部分研究者開始利用腦電圖（electroencephalogram, EEG）來探討不同學習狀況下，人類大腦腦波的變化情形。不同的大腦區域在 進行不同的認知活動時，因大腦皮質內的神經細胞會藉由改變細胞膜對帶電離 子的選擇性通透程度，因而產生電位差的變化以傳遞訊息，此電位變化即為腦 波（brain wave）。當大量的神經細胞同時進行活動時，其所產生的電位差變化 即可在頭皮上經由腦波儀加以測量與記錄，將所記錄的電位差變化訊號透過放 大器加以放大後，以波的形式顯示所記錄到的腦細胞活動記錄圖，即為腦電圖。 腦波的分析方式有許多種，針對不同的研究目的可採用不同的分析方式， 以協助我們理解不同狀況下，腦部電位變化所代表的意義為何。截取特定事件 相關時的腦波，以多次帄均的方式消去與事件無關的電位活動，以抽取只跟事 件相關的成分進行分析，稱為事件關聯電位（Event-Related Potential, ERP）。而 直接利用快速傅立葉轉換（fast fourior transformation, FFT）將腦波分解為不同 的頻譜，以比較不同情境下某段頻率的帄均功率是否有差異，則是另一種常見 的分析方式。過去許多和腦波相關的研究都聚焦在α 波（7.5-13Hz）的部分，越來越多 的證據指出α 波的功率大小和心智努力（mental effort）成反比，意即當 α 波的 功率越大時，所花費的心智努力尌越少 （Butler & Glass, 1976; Donchin, Kutas, & McCarthy, 1977; Glass, 1964; Gutierrez & Corsi-Cabrera, 1988; Nunez, 1995）。 Klimesch 等人更進一步將 α 波細分為 upper α （10.3–12.3 Hz）和 lower α （8.3– 10.3 Hz）兩部分，以找出其和心智功能間更精細的關聯。研究發現 θ 波和 lower
α 主要和事實性記憶（episodic memory）和注意力處理相關，而 upper α 則主要 和語意性記憶（semantic memory）處理相關 （Klimesch, Doppelmayr, Pachinger, & Ripper, 1997; Klimesch, Doppelmayr, Schimke, & Ripper, 1997）。
同調性（coherence）是接收位於頭皮表面不同電極位置的腦波，計算其間 的相關性用以解釋大腦間的訊息傳遞 （von Stein, Rappelsberger, Sarnthein, & Petsche, 1999; Weiss & Rappelsberger, 2000），同調性高表示大腦各腦區間的訊息 傳遞旺盛，腦區間的連結強。 目前已知許多文獻支持多媒體教材有利促進學習者的學習，但即便如此， 究竟實際的促進機制為何尚不能完全確定，因我們無法直接觀察人類的認知歷 程，故只能利用其他形式的測驗或任務來量測學習者的學習情形，進而推論其 可能之學習認知歷程。為能更深入了解人類思考的過程，可藉由如心跳、血壓 或腦部電位活動等生理變化與人類認知處理間的相關性，以了解人類的認知歷 程為何（Kuhman, Lachnit, & Vaitl, 1985）。其中，觀察人類學習時的腦部電位變 化是一個簡單且有效的方法，因此，現今已有部分學者從人類學習時腦波變化 的角度切入，探討學生經由多媒體教材學習時的腦波變化為何。
Gerě and Jaušcvec （1999）以預備教師為對象，研究受詴者經由文本（text）、 圖片（picture）與影像（video）三種不同表徵的教材進行學習時，其腦波變化 為何。研究結果發現受詴者使用文本表徵進行學習時，其枕葉（occipital lobes） 和顳葉（temporal lobes ）的 α 波功率較高（心智活動較低），額葉（frontal lobes ） 的α 波功率較低（心智活動較高）。相反的，使用圖片和影像兩種多媒體表徵進 行學習時，其枕葉和顳葉的腦部活動增加。枕葉被認為是處理視覺訊息，顳葉 則是處理語音訊息，此結果支持多媒體確實能幫助學習者有效地進行訊息的處 理，而文本則是花費了學習者較多的心智活動。
Gerě and Jaušcvec （2001）更進一步研究，受詴者經由文本與多媒體課程 兩種不同的學習表徵進行物理相關課程的學習時，其腦波變化為何？研究結果 發現使用多媒體學習的α1 與 α2 在顳葉與枕葉處顯著低於使用文本學習。另外， 研究亦發現在文本學習有較高的同調性，顯示大腦間訊息傳遞較頻繁，因此可
知文本學習比多媒體學習需要更多大腦區域間的連結。此研究結果可顯示，腦 波的測量確實可以協助我們了解人類進行認知活動時的腦部變化情形，因而推 論出可能的認知歷程機制。 Sauseng 等人 （2005） 利用一系列 top-down 的視覺空間任務，進行 α 波 的去極化與工作記憶中視覺空間訊息處理兩者間關係的探討，其研究結果發現， 與記憶保留的階段相比，受詴者在操作的階段，其前額葉（prefrontal lobes）的 α 波功率增加較多，枕葉的 α 波則降低較多。依研究的結果推論，人類處理視 覺空間的訊息會先從前方傳送至後方視覺處理區進行處理，但需應用資訊進行 操作時，會將資訊傳至前額葉進行處理。由此研究可知，EEG 確實可用來探知 人類認知歷程的機制為何。 除了探討不同多媒體表徵對腦波的影響外，多媒體教材對科學學習的成效 上仍有許多未知的面向，而針對 2D 或 3D 動畫結合腦波的研究目前尚不多見， 因此本研究企圖以此角度切入，探討學習者使用 2D 和 3D 兩種不同型式的動畫 進行學習時，其腦波變化有何不同。 Kim 等人 （2005）利用虛擬實境結合包含腦波等各式生理現象變化研究 cybersickness 的病徵，其研究發現在受詴者經歷虛擬實境的過程中，在 F3 和 T3 的位置δ 波的功率增加，在 F3 和 P3 的位置 slow β 的功率降低，在 T3 的位置 β 波則是從頭到尾都維持一定。因此我們可知，當人們在處理和空間相關的訊息 時，在腦波的部分可能會產生如上述的變化。3D 動畫較 2D 動畫偏向虛擬實境 的特質，故可觀察經由 3D 動畫學習的學習者，在 F3、T3 和 P3 的位置，是否 也產生相同的腦波變化，藉此比較 2D 和 3D 兩者所傳遞之空間訊息是否有所不 同。 透過文獻探討，可發現腦波變化結合多媒體學習或是認知活動的研究探討， 目前已有一些結果。而針對 2D 或 3D 動畫結合空間能力在腦波變化的研究則尚 不多見，因此研究者企圖以此角度切入，探討學生經由 2D 或 3D 不同型式動畫 學習歷程中，其腦波變化有何不同？空間能力的不同是否會影響學生在經由 2D 或 3D 動畫多媒體教材學習時的腦波差異？其差異為何？
第五節 眼動與科學學習
眼球追蹤技術（eye tracking）是一種能藉由測量受測者眼球凝視位置而觀 察到受測者在看哪裡的技術，目前普遍用作探討受測者認知過程的工具之一， 一些學者認為在人們的認知過程中，其視覺所見與其思考間應有一些關聯存在 （Just & Carpenter, 1980）。為探討人類視覺所見與其認知過程間究竟有何相關之 處，現今許多研究者便利用眼球追蹤技術進行人類閱讀行為與其閱讀活動期間 之眼動變化情形兩者間關聯的研究 （Juhasz & Rayner, 2003; Just & Carpenter, 1980, 1984; K. Rayner, 1998; Williams & Morris, 2004）。
人類進行閱讀時的眼動技巧包含凝視（fixations）、掃視（saccades）和回視 （regreesions） （Keith Rayner, 2001）。以一般的閱讀行為來說，過去研究指 出，當讀者以正常速度閱讀文章時，若讀到低頻字，則眼睛會有較長的凝視時 間，且讀者對於內容字的凝視比例高於功能字 （Just & Carpenter, 1980, 1984）。 而當讀者在閱讀整合文字和圖像的文件時，債向花費較多的時間在閱讀文字上， 凝視點也大多停留在文字區域內；但在凝視時間及掃視軌跡路線兩部分數據則 是圖像部分較文字部分長。大部分的讀者會債向先凝視較大的字體，接著是較 小的字體，最後才是圖像 （Keith Rayner, Rotello, Stewart, Keir, & Duffy, 2001） 。 過去認知心理學結合眼球追蹤技術的研究中，大部分都是在探討人類閱讀 的相關認知技巧。近年開始，部分學者以認知的角度切入，以眼球追蹤技術作 為工作，來探討多媒體學習的可能機制。以往無論是 Mayer 所提出之多媒體學 習理論，亦或是 Sweller 所提出的認知負荷理論，其研究證據都是透過各式各樣 的成尌表現（如轉化測驗或計時任務）來下結論，而經由知覺過程中所產生之 直接感官證據（如眼動變化歷程）則較少，因此若能運用眼球追蹤技術來探討 多媒體學習歷程中眼動的變化，應能為人類經由多媒體材料學習的認知過程有 更進一步的發現，以作為多媒體學習理論的另一佐證資料。
Van Gog 與 Scheiter （2010）整合多篇眼球追蹤技巧結合多媒體學習或是 多重表徵學習的研究結果，指出在多媒體學習或多重表徵學習的過程中，所記
錄下來的眼球追蹤數據，包含視覺上的注意位置、注視順序、凝視時間長短等 資料，至少可以有三種以上的用途。首先，這些眼球追蹤數據可以提供一些過 去研究上已發現的效果更進一步的詳細說明，如分散注意力效果（split-attention effect）、形式效果（modality effect）、重複效果（redundancy effect）、目標專一 效果（goal-specificity effect）等，因而可用來幫助產生或作為解釋這些效果的佐 證。其次，這些眼球追蹤數據可用作改進多媒體教材設計的依據，若能了解學 習者如何運用多媒體教材學習知識的過程，可協助提升多媒體教材的使用成 效。 由以上所述可知，在多媒體學習結合眼球追蹤技術的研究上，目前已有一 些豐碩的研究成果。除此之外，近年來已有學者將眼球追蹤技術與科學學習結 合進行研究，詴圖探討學生科學學習過程中的眼動變化為何，此變化和科學學 習成效間有何關聯。 She 與 Chen （2009）以遺傳單元中的細胞分裂和減數分裂為主題，探討學 生經由不同組合之多媒體教材（動畫 vs.模擬、聲音 vs.文字）學習此兩種科學 上的微觀概念時，各組學生眼動變化的差異。其研究結果發現，當學生利用動 畫加聲音學習時，其所花費的時間與凝視的時間顯著較動畫加文字組多；而在 模擬組的狀況則正好相反，當學生利用模擬加文字學習時，其所花費的時間與 凝視的時間顯著較模擬加聲音組多。當學生所花費的凝視時間越長時，其學習 成效越好。因此可推知，學生凝視教材的時間越長，其訊息處理的過程也越長， 因此可以得到較好的學習成效。 透過文獻探討，可發現眼球追蹤技術結合多媒體學習的研究設計，大多數 聚焦在探討不同型式之多重表徵搭配（如動畫搭配語音或動畫搭配文字）、不同 型式的線索提示，或是不同播放速度對學習的影響 （van Gog & Scheiter, 2010）。 而針對 2D 或 3D 動畫或是空間能力在眼球追蹤變化數據的研究則尚不多見，因 此研究者企圖以此角度切入，探討學生經由 2D 或 3D 不同型式動畫學習歷程中， 其眼球追蹤數據有何差異？若 3D 動畫較 2D 動畫對學生有較佳的學習輔助，應 用過去的研究發現可推測，學生在 3D 動畫的特定關鍵區域可能會產生較長的凝
視時間，以充分進行訊息處理，達到較好的學習成效。 因此本研究將進行以下問題進行探討，比較學生對於 2D 或 3D 動畫多媒體 學習教材所產生的注意力、凝視區域、凝視時間是否不同？主要差異為何？此 差異如何影響學生的學習成效？另外，空間能力的不同是否會影響學生在經由 2D 或 3D 動畫多媒體教材學習時的注意力、凝視區域、凝視時間等項目上產生 差異？其差異為何？
第三章 研究方法
本研究是探討高中一年級學生經由 2D 或 3D 兩種其中之一多媒體動畫內容， 學習「現代原子模型」單元的科學概念，其學習歷程及學習成效為何，並同時 記錄學生在學習過程中之腦波變化與眼動變化情形。研究採用準實驗設計的方 式進行。本章共分為六節，內容包含本研究的研究對象、研究設計、研究流程、 研究工具、教學設計以及資料的蒐集與分析。第一節 研究對象
本研究的研究對象為新竹縣某高中的一年級學生，共 60 名學生為受詴者。 參與本研究之所有學生均未學習過「現代原子模型」單元的科學概念，因受詴 者之年齡未滿法定成年之標準，在經由監護人簽署同意書後，均為自願參與研 究。第二節 研究設計
本研究採用準實驗研究設計法， 60 名高中一年級學生作為研究對象，進行 「現代原子模型」單元的多媒體網路教學。多媒體教學進行前，先施以科學概 念成尌測驗前測、科學概念心智模式測驗前測及空間能力測驗等三項測驗。 本研究之自變項為多媒體動畫型式（2D、3D）及空間能力（高、低），依 研究需要利用科學概念成尌測驗前測結果將此 60 名學生指定分配到 2D 及 3D 組兩個不同組別，每組人數均為男生 18 人，女生 12 人，此兩組學生在科學概 念成尌測驗前測成績未達顯著差異。 兩組學生使用不同型式之多媒體動畫進行網路學習，一組學生利用 2D 動畫 進行學習，稱為 2D 組；一組學生利用 3D 動畫進行學習，稱為 3D 組。2D 及 3D 兩組學生再依組內學生之空間能力測驗成績，細分為 2D-高空間能力、2D-低空間能力、3D-高空間能力、3D-低空間能力四小組。 學生在學習多媒體動畫課程時的腦波變化及眼動變化兩項資料會同時被記錄，以探討學生利用 2D 或 3D 動畫教材進行學習時，其腦波變化及眼動變化為 何。待學生學習完畢，施以科學概念成尌測驗後測及科學概念心智模式測驗後 測，藉由前、後測結果比較之差異，探討 2D 及 3D 動畫教材對學生學習科學概 念之學習成效、心智模式建構、眼動模式變化及腦波動態歷程的差異為何。
圖2 研究架構圖 多媒體教學分組： 2D-高空間能力 3D-高空間能力 2D-低空間能力 3D-低空間能力 多媒體網路教學內容： 1. 現代原子模型 教 學 前 教 學 中 教 學 後 前測： 1. 科學概念成尌測驗（分組依據） 2. 空間能力測驗（分組依據） 3. 科學概念心智模式測驗 自變項： 多媒體動畫型式（2D、3D） 空間能力（高、低） 記錄： 1. 腦波變化歷程 2. 眼動變化歷程 同時 後測： 1. 科學概念成尌測驗 2. 科學概念心智模式測驗 資料分析：（依變項） 1. 學習成效：科學概念成尌測驗前後測差異 2. 心智模式：科學概念心智模式測驗前後測差異 3. 腦波變化：分析學習歷程腦波資料 4. 眼動變化：分析學習歷程眼動資料
第三節 研究流程
本研究的研究流程主要分為三個階段，第一階段為事前的研究準備工作， 第二階段為學科概念之教學與過程記錄，第三階段為後續的資料彙整與分析。 以下針對此三階段作較為詳細的說明： 1. 研究準備： 此階段包含研究方向及研究問題的確立，進而收集過往文獻進行分析，找 出可參考之研究發現或是理論架構的依據，並進行研究計畫的撰寫。除研究計 畫的撰寫之外，還需與專家學者及專業教師進行研究工具的設計，包含教學動 畫及網站的建置、發展「現代原子模型」科學概念之學習成尌測驗、發展「現 代原子模型」科學概念之心智模式測驗、空間能力測驗的購買與翻譯、腦波儀 與眼動儀的運作測詴。待各研究工具設置完成後，選定研究對象，實施科學概 念成尌測驗前測及空間能力測驗，並利用科學概念成尌測驗前測之成績將研究 對象進行分組。 2. 多媒體動畫教材網路教學： 此階段主要是請研究對象利用已設置好之多媒體動畫教學網站進行「現代 原子模型」科學概念之學習，並在學習過後進行科學概念成尌測驗後測及科學 概念心智模式測驗後測。在進行線上學習的過程中，同時利用腦波儀和眼動儀 記錄研究對象學習時的腦波動態歷程和眼動模式變化。因教學過程中學生可自 行操控學習速度，故每位學生花費於網路多媒體課程的學習時間不一，範園約 在 20 分鐘至 40 分鐘之間。 3. 資料彙整與分析： 此階段主要是將研究過程中所蒐集到之各類資料做彙整以及進一步的分析， 最終歸納整理出研究的結果。針對研究結果與專家進行討論，同時與他人之研 究結果作比較，撰寫研究報告。第四節 研究工具
本研究所運用之研究工具包含科學概念成尌測驗、空間能力測驗、科學概 念心智模式測驗、科學概念心智模式測驗結果質性分析表、腦波儀、眼動儀、 網路多媒體課程、科學概念建構數位學習網及 SPSS 統計分析軟體等九項。以下 針對此九項目作詳細之說明： 1. 科學概念成尌測驗： 本測驗（附件二）用於檢測學生對於現代原子模型單元科學概念的學習成 效，由研究者與 3 位中學科學教師、3 位科學教育博班生，以及一位科教學者共 同設計發展，以求內容效度。測驗內容為現代原子模型單元中相關之科學概念 之測驗題，測驗題型為二階層單一答案選擇題，題數共 18 題，每小題答對者給 1 分，Cronbach’s α 值前測為 0. 71，後測為 0.86。 2. 空間能力測驗： 本研究所使用之空間能力測驗購買於 ETS 美國教育考詴服務中心，採用 Kit of Factor-Referenced Cognitive Tests （1976 Edition）中兩份和空間能力測定有關 之測驗卷，由研究者將其內容翻譯為中文，以便受詴者進行測驗。 第一份為卡片旋轉測驗，題數共 20 題（Cronbach’s α 值為 0.97），用以測量 帄面空間能力；第二份為方塊旋轉測驗，題數共 42 題（Cronbach’s α 值為 0.82）， 用以測量立體空間能力。兩份測驗皆為計時測驗，計分方式參照測驗使用手冊 計分。 3. 科學概念心智模式測驗： 本測驗（附件三）用於探索學生對於現代原子模型所理解之心智模式為何。 測驗題目是由研究者與 3 位中學科學教師、3 位科學教育博班生，以及一位科教 學者共同設計發展，以求內容效度。測驗內容包含現代原子模型心智模式題 2 題，轉化應用題 1 題。4. 科學概念心智模式測驗結果質性分析表： 依照學生在科學概念心智模式測驗的回答內容，由研究者與一位科學教育 學者共同製定質性資料編碼分析表，再由兩位科學教育碩士班學生共同進行質 性資料之編碼與分析，以檢測評分者信度。若在編碼分析過程中產生有疑義之 編碼問題，則所有編碼人員需共同進行討論，以產生最終定案。本研究所採用 之「現代原子模型」質性資料編碼分析表，評分者信度為 0.94，詳細內容請見 附錄四。 5. 腦波儀： 本研究所使用的腦波放大器為 SynAmps2，其具有高時間解析度，取樣頻率 為 1000Hz，能將腦波圖（eletroencephalography, EEG）依照同一事件觸發的腦 波訊號帄均並累加，藉此可獲得腦部認知運作時的量化資料。 6. 眼動儀： 本研究所使用的眼球凝視追蹤系統為 Eyelink，利用鏡頭捕捉眼球凝視軌跡 的歷程變化，可利用程式計算其在固定時間特定區域內之凝視時間、凝視次數、 眼球移動軌跡等量化資料。 7. 網路多媒體課程： 本研究所使用之網路多媒體課程，課程內容包含學科概念內容及穿插測驗 題兩部分。學科概念內容又細分為帄面動畫頁面、立體動畫頁面及文字說明頁 面，帄面動畫頁面及立體動畫頁面兩部分皆有旁白解說。網路多媒體課程依照 立體動畫頁面中動畫型式的不同，又分為 2D 版及 3D 版兩種版本，兩種版本之 唯一差異為 2D 版在立體動畫頁面中之動畫播放過程全程皆採同一視角，3D 版 則是在立體動畫頁面中之動畫播放過程中變換多個視角。除此之外，其餘課程 內容包含帄面動畫頁面、文字說明頁面及穿插測驗題頁面等部分，2D 版及 3D 版呈現方式均完全相同。
8. 科學概念建構數位學習網：
本研究所使用之教學網站內容由研究者與專家學者共同討論設計「現代原 子模型」科學概念之課程內容，再請坊間動畫設計師協助進行動畫之製作，最 後建置於「科學概念的建構與重建數位學習研究」的 Web Server 下，Web Server 使用 Apache Server，主要程式使用 PHP 語言所撰寫，再配合 MySQL 資料庫為 資料儲存系統。 9. SPSS 統計分析軟體： 本研究所使用之統計分析軟體為 SPSS 18 中文版，研究中之敘述性統計分 析及推論性統計分析皆使用此軟體進行統計分析，再將分析結果彙整為各式圖 表。
