學習遊戲對小學生光概念的影響

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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：邱貴發. 博士. 學習遊戲對小學生光概念的影響 Effects of Learning Game on Elementary School Students’ Concepts of Light. 研究生：高得凱. 撰. 中華民國一○三年六月.

(2) 摘要本研究設計一款針對國小四年級光單元的學習遊戲，探討研究參與者使用光遊戲學習光概念的學習成效、學習動機與學習態度。研究採準實驗設計，研究參與者為臺北市士林區某公立國小三年級學生共 47 人，其中 23 人為實驗組，使用光遊戲，24 人為對照組，使用光動畫。所有研究參與者先前皆無「光概念」的學習經驗。研究工具有研究者設計之「The Light」遊戲、「The Light」動畫、學習遊戲評估表、自編學習動機與學習態度問卷，另修訂康軒版國小四年級上學期自然與生活科技學習自修與學習評量第三單元「奇妙的光」，作為光概念測驗卷，並請五位專家老師評估測驗的可用性。研究結果顯示，實驗組（遊戲組）與對照組（動畫組）學生於成就測驗上皆有顯著進步，但兩組間無顯著差異。實驗組學習動機（四點量表）平均值 3.31，學習態度（四點量表）平均值 3.26，顯示學習遊戲可以引起學生的學習動機且學生對於學習都持正向的態度。. 關鍵字：學習遊戲、光概念、學習遊戲態度. I.

(3) Abstract The purpose of this research was to develop a learning game focusing on concepts of light, to examine its impact on elementary students’ concepts of light, and to investigate students’ learning motivation and attitude toward learning game. Quasi-experimental design was applied. Participants are 47 third grade students. There are 23 students in the experimental group using light game, while 24 students in the control group using light video. Neither of the students has any prior knowledge about concepts of light. Research instruments included a light game, a light video, a learning game evaluation form, a learning motivation questionnaire, a learning attitude questionnaire, and an achievement test. Research instruments have been evaluated by five expert teachers. The research results indicate that both groups have significant improvement on the achievement test, but have no significant difference between groups. The average values of motivation and attitude from the experiment group were 3.31 and 3.26 respectively indicating that learning through gaming can induce students’ motivation and positive attitude toward learning.. Keywords: learning game, concepts of light, learning game attitude. II.

(4) 致謝兩年的研究所生活，將隨著這本論文的完成劃下句點，也代表著學生生涯要在此告一個段落。謝謝我的師長、家人、同學及朋友們的默默付出，成就了我的成長與進步。首先要特別感謝舒嵐學姊的引薦，讓我能在臺師大校園裡遇見邱貴發老師，一位總是能在研究生涯給予我建議與方向的指導教授，在迷惘處境時能適時的給予支持與鼓勵，使我的研究能如此順利，論文能夠如期完成，在此致上由衷的感謝。另外要感謝兩位口試委員，劉遠楨與李昆翰教授，謝謝您們於口試時提點研究疏漏、指正撰寫缺失，並給予精闢的見解與寶貴的建議，讓我的論文能夠更嚴謹紮實。再來要感謝在此研究過程中，幫助我能快速完成學校實驗的子魁媽媽，謝謝您幫我找好實驗班級，讓我研究能更加順利；還有總是能紓解我壓力，看我嬉鬧打鬧的嘉玲秘書，您總是讓我充滿自信的做好每一件事；以及陪伴我在 GLRG 研究室一起奮鬥的學長姊、同學及學弟妹，互相幫忙打氣是一直支持我向前的動力。謝謝孫林學長從我碩一進來時就給予研究方向與建議，讓我能快速的進入狀況；感謝凱迪、子淵、宇欣、冠廷、祐禎、吟黛、意潔與宣瑾學長姊，曾經在研究上給予的幫助，真的很開心能當你們的學弟；再來要感謝跟我一起努力的研究室同學們，瑋萱、懿亭、彥江與章慧，感謝你們的協助與包容，充實了我研究生涯的點滴回憶，真的好捨不得離開 GLRG 這個大家庭。最後要謝謝我的爺爺、奶奶與家人，從小到大栽培我讀書，讓我可以無後顧之憂的學習，求學之路才能如此順遂。也要特別感謝曾經幫助過我，出現在我生命中的你和妳，你們都是使我成長茁壯的一部份。而在新的旅途中，我還是會繼續努力，再度超越自己！高得凱謹誌中華民國一○三年六月 III.

(5) 目錄表目錄 ......................................................................................................................... VI 圖目錄 ......................................................................................................................VIII 第一章. 緒論 ............................................................................................................. 1. 第一節研究背景 ................................................................................................... 1 第二節研究目的與待答問題 ............................................................................... 3 第三節名詞釋義 ................................................................................................... 3 第四節研究限制 ................................................................................................... 4 第二章. 文獻探討 ..................................................................................................... 5. 第一節遊戲式學習 ............................................................................................... 5 第二節光概念的學習 ......................................................................................... 10 第三節學習遊戲設計 ......................................................................................... 18 第四節小結 ......................................................................................................... 26 第三章. 研究方法 ................................................................................................... 29. 第一節研究歷程 ................................................................................................. 29 第二節研究對象 ................................................................................................. 32 第三節研究工具 ................................................................................................. 32 第四節實驗程序 ................................................................................................. 55 第五節資料蒐集與分析 ..................................................................................... 57 第四章. 結果與討論 ............................................................................................... 59. 第一節光概念的學習成效 ................................................................................. 59 第二節學生對遊戲式學習的學習動機 ............................................................. 62 第三節學生對遊戲式學習的學習態度 ............................................................. 65 第四節老師對遊戲式學習的看法 ..................................................................... 72 第五節討論 ......................................................................................................... 74. IV.

(6) 第五章. 結論與建議 ............................................................................................... 79. 第一節結論 ......................................................................................................... 79 第二節建議 ......................................................................................................... 80 參考文獻 ..................................................................................................................... 83 中文部份 ................................................................................................................. 83 英文部份 ................................................................................................................. 84 附錄 ............................................................................................................................. 89 附錄一光單元─前測測驗卷 ............................................................................. 89 附錄二光單元─後測測驗卷 ............................................................................. 93 附錄三實驗組─學習動機問卷 ......................................................................... 97 附錄四實驗組─學習態度問卷 ......................................................................... 99 附錄五學習遊戲評估表 ................................................................................... 102 附錄六課堂觀察表 ........................................................................................... 108. V.

(7) 表目錄表 2-1. 數位遊戲所應具備的特性 ........................................................................... 8. 表 2-2. 遊戲式學習的效益 ....................................................................................... 9. 表 2-3. 光之迷思概念相關實證研究 ..................................................................... 12. 表 2-4. 光概念使用不同教學策略相關實證研究 ................................................. 13. 表 3-1. 「The Light」體驗式學習架構 ................................................................. 37. 表 3-2. 「The Light」遊戲角色 ............................................................................. 37. 表 3-3. 「The Light」遊戲關卡介紹 ..................................................................... 41. 表 3-4. 「The Light」遊戲素材需求 ..................................................................... 44. 表 3-5. ARCS 動機模式 ......................................................................................... 46. 表 3-6. 學習遊戲評估表（遊戲呈現方式） ......................................................... 47. 表 3-7. 學習遊戲評估表（學習效果評估─光的直進概念） ............................. 49. 表 3-8. 學習遊戲評估表（學習效果評估─光的反射概念） ............................. 50. 表 3-9. 學習遊戲評估表（學習效果評估─光的折射概念） ............................. 52. 表 3-10. 學習遊戲評估表（遊戲介面） ................................................................. 53. 表 3-11. 學習遊戲評估表（學生感受） ................................................................. 54. 表 4-1. 實驗組與對照組實驗前之描述性統計 ..................................................... 59. 表 4-2. 實驗組與對照組實驗前之獨立樣本 t 檢定 .............................................. 60. 表 4-3. 實驗組與對照組實驗後之描述性統計 ..................................................... 60. 表 4-4. 實驗組與對照組實驗後之獨立樣本 t 檢定 .............................................. 60. 表 4-5. 實驗組與對照組實驗前後相依樣本 t 檢定 .............................................. 61. 表 4-6. 學習動機問卷（引起注意） ..................................................................... 62. 表 4-7. 學習動機問卷（切身相關） ..................................................................... 63. 表 4-8. 學習動機問卷（建立信心） ..................................................................... 64. 表 4-9. 學習動機問卷（獲得滿足） ..................................................................... 64. VI.

(8) 表 4-10. 學習態度問卷（遊戲對自然科學學習影響） ......................................... 65. 表 4-11. 學習態度問卷（遊戲滿意度） ................................................................. 66. 表 4-12. 學習態度問卷（遊戲與傳統學習比較） ................................................. 67. 表 4-13. 學習態度問卷（開放式問答） ................................................................. 68. 表 4-14. 老師對遊戲式學習的看法 ......................................................................... 72. VII.

(9) 圖目錄圖 2-1. 波行進至兩介質介面時的行為─反射與折射 ......................................... 15. 圖 2-2. 光線通過介面時的行為─反射與折射 ..................................................... 15. 圖 2-3. PhET 光的折射模擬教學 ........................................................................... 16. 圖 2-4. PRISME 反射遊戲 ..................................................................................... 17. 圖 2-5. 遊戲特性與課程內容結合的設計方式 ..................................................... 18. 圖 2-6. Input - Process - Outcome Game Model ..................................................... 22. 圖 3-1. 研究流程圖 ................................................................................................. 31. 圖 3-2. 體驗式學習架構 ......................................................................................... 36. 圖 3-3. 「The Light」遊戲流程 ............................................................................. 38. 圖 3-4. 「The Light」遊戲主畫面 ......................................................................... 39. 圖 3-5. 「The Light」遊戲過關畫面 ..................................................................... 39. 圖 3-6. 「The Light」遊戲第一關說明 ................................................................. 39. 圖 3-7. 「The Light」遊戲第二關說明 ................................................................. 39. 圖 3-8. 「The Light」遊戲第一關 ......................................................................... 39. 圖 3-9. 「The Light」遊戲第二關 ......................................................................... 39. 圖 3-10. 「The Light」遊戲第三關說明 ................................................................. 40. 圖 3-11. 「The Light」遊戲第四關說明 ................................................................. 40. 圖 3-12. 「The Light」遊戲第三關 ......................................................................... 40. 圖 3-13. 「The Light」遊戲第四關 ......................................................................... 40. 圖 3-14. 「The Light」遊戲第五關說明 ................................................................. 40. 圖 3-15. 「The Light」遊戲第六關說明 ................................................................. 40. 圖 3-16. 「The Light」遊戲第五關 ......................................................................... 40. 圖 3-17. 「The Light」遊戲第六關 ......................................................................... 40. 圖 3-18. 實驗程序 ..................................................................................................... 56. VIII.

(10) 第一章緒論本章分為四節，分別敘述本研究之研究背景、研究目的與待答問題、名詞釋義及研究限制。. 第一節研究背景資訊科技已改變了人們對生活、工作、學習、休閒等的態度、觀念及方法，也揭開了學習變遷的數位時代序幕。在教育界，運用數位特性的數位遊戲將逐漸扮演重要的角色(Prensky, 2001)。與過去講述式教學相較，教育遊戲較能激發學習動機(Ke, 2008)，教育遊戲提供了另類的互動型式，其優點在於具有吸引性、新穎性與情境性，有助於維持學習者的注意力(Heinich, Molenda, Russell & Smaldino, 2002)，遊戲可以提升學習成效(Prensky, 2001)，讓學習者在遊戲的過程中養成能力和建構知識(Hwang, Sung, Hung, Yang & Huang, 2012)。國民中小學九年一貫課程綱要中提到，學習自然科學讓我們學會如何去進行探究活動：學會觀察、詢問、規劃、實驗、歸納、研判，也培養出批判、創造等能力，特別是以實驗或實地觀察的方式去進行學習，使我們獲得處理事務、解決問題的能力，也瞭解到探究過程中，細心、耐心與切實的重要性（教育部，民 97）。而在自然科學領域中，有很多抽象的部份，學生無法經由閱讀教材與講述式教學就瞭解其中所包含的科學概念，甚至容易產生另類概念，光學就是其中之一（林建隆、徐順益，民 96）。光學題材在國內外中小學自然課程都是極重要的領域，環顧與人類生活相關的科技產品莫不與光學概念有重要的關聯性（謝明錦，民 92）。而「光」是什麼？這個問題，對於國小學生來說雖常接觸，似又相當抽象。學生在日常生活中接觸許多光學現象，但是光卻不同於其它物質具有形體可供接觸、觀察（李采褱，民 92），光存在，卻又無法具體描述的性質，使得學生因此產生迷思概念（張靜儀、李采褱，民 92），當學生產生迷思概念，未能解決心中疑惑. 1.

(11) 時，常常造成學習效果不彰，因此，如何讓學生瞭解光概念就成了可以努力的方向。近年來遊戲應用在自然科學的例子逐漸增多，如 Hwang et al.(2012)利用故事情節（由於喝了河水，一個古代王國的人都受到有毒污染）讓小學生融入於遊戲中尋找解藥，目標是要讓小學生在尋找解藥的過程中，去瞭解植物的組成（根、莖、葉），區分不同植物的特性，指引學生組織他們的知識。Hsu 與 Tsai(2012)利用光與影的遊戲，實驗遊戲式學習成效。Hwang、Wu 與 Chen(2012)文獻中，將遊戲搭配網路問題解決模式，加入同儕競爭的方式增加遊戲刺激性，透過擲骰子進行遊戲，教導小學生認識蝴蝶生態，小學生在遊戲中遇到困難，可以利用網路搜尋找出適當的答案。Klisch、Miller、Wang 與 Epstein(2012)教導中年級學生有關吸入有毒化學物對於生物體的傷害，從生活中去避免這些有毒的商品，並讓空氣汙染與有毒的化學物質作連結，讓學生從遊戲中去體會有毒物質對人體所造成的傷害，並分辨常用的有毒商品和吸食這些有毒物質對人體造成的影響。現在已有許多關於數位遊戲用於教育的研究，可見這是學習的新趨勢，而目前中小學資訊化環境已初具規模，資訊科技融入教學將使得學習方式更多元。本研究將康軒版國小四年級上學期自然與生活科技第三單元「奇妙的光」遊戲化，以遊戲的方式呈現抽象的光，讓學生由觀察與回饋來瞭解光的特性，希望藉此能幫助學生對光概念的理解，同時也提供國小自然科教師作為教學的參考。. 2.

(12) 第二節研究目的與待答問題本研究探討在國小三年級課堂中使用光遊戲理解光概念的學習成效與學習感受。根據上述研究目的，本研究要回答的待答問題如下：一、遊戲學習與動畫學習的兩組國小三年級學生其光概念的學習成效有何差異？二、遊戲學習組學生對於使用遊戲學習的學習動機為何？三、遊戲學習組學生對於使用遊戲學習的學習態度為何？. 第三節名詞釋義此節就本研究所提及的名詞，作以下的解釋：一、光遊戲本研究之光遊戲，係指本研究設計的「The Light」遊戲。「The Light」遊戲是以康軒版國小四年級上學期自然與生活科技第三單元「奇妙的光」作為遊戲的學習內容。學習內容包含「光的直進」、「光的反射」與「光的折射」。學生可以經由鍵盤與滑鼠，自由操控遊戲內的物件，並經由玩光遊戲理解光概念。. 二、光動畫本研究之光動畫，係指本研究設計的「The Light」動畫。光動畫學習內容與光遊戲相同，兩者的主要差別為光動畫移除了光遊戲的操控功能，學生無法自由操控動畫內的物件，能操控的只有翻頁功能，光動畫主要以觀看和閱讀方式學習光概念。. 3.

(13) 第四節研究限制本研究實施時，因受到人力、物力、時間、樣本等因素的影響，於研究參與者、教材內容與實驗時間有以下之研究限制：一、研究參與者的限制本研究原本要以國小四年級學生為研究對象，但因時間無法配合，最後選擇以國小三年級學生為研究對象。本研究參與者為臺北市士林區某公立國小三年級學生，共兩班 47 人，此兩班屬於常態分班，使用同一份學習教材，且所有研究參與者皆未學習任何有關光概念之知識。由於研究對象年齡層較小，實驗結果可能會受到個人自制力、專注力及情境不同而產生不確定性。所以本研究僅針對此兩班學生之學習成效、學習動機及學習態度進行探討，研究結果不宜做過度的推論。. 二、教材內容的限制因需配合學校課程內容與進度，且受限於時間，無法將更多類型的學習內容設計於遊戲中，故只選取康軒版國小四年級上學期自然與生活科技第三單元「奇妙的光」，作為遊戲的學習內容，並排除背誦記憶內容，因背誦記憶內容需長時間不斷複習，不適合以遊戲式教材呈現。本研究所設計之光遊戲，以概念性知識為主。. 三、實驗時間的限制本研究需使用電腦設備進行實驗，故需與學校商借可供實驗之課堂與電腦教室，經多次與學校協調後，實驗組與對照組共分別有兩堂課時間可進行實驗，實驗組為第二堂使用電腦教室與第四堂使用普通教室；對照組為第一堂使用電腦教室與第三堂使用普通教室。但因小學一堂上課時間為 40 分鐘稍嫌不足，所以又分別借了兩堂 10 分鐘下課，所以實驗組與對照組各有 100 分鐘的實驗時間。. 4.

(14) 第二章文獻探討本章分為四節，分別針對遊戲式學習、光概念的學習及學習遊戲設計，進行文獻探討，並於最後一節歸納文獻探討的結果。. 第一節遊戲式學習一、遊戲式學習特性 Prensky(2001)認為現在的學生都屬於「數位原民」，從出生到現在都生活在數位環境中，從小到大都隨著資訊科技一起成長，他們的生活充滿著電腦、數位遊戲、數位音樂播放器、數位相機、手機與其它數位裝置，他們習慣同時進行許多事情，偏好主動探索，愛看電視更愛網路，喜歡圖像式的說明，他們的特色是即時性、個別性、互動性、虛擬性、參與性、多元性與對照性。Prensky(2001)在 Digital Game-Based Learning 一書，提到遊戲能讓玩家投入的特性如下： 1. 娛樂性：遊戲能讓學習者在玩遊戲過程中獲得愉悅。 2. 遊戲性：遊戲能使學習者有進行的熱情和動機。 3. 規則性：遊戲有清楚的規則。 4. 目標性：遊戲有明確的目標，指引玩家進行遊戲。 5. 人機互動性：遊戲讓人能與機器中的虛擬世界產生人機互動。 6. 適性化：遊戲依不同玩家的表現，給予不同的遊戲難度。 7. 回饋性：遊戲提供適當的遊戲進度與回饋。 8. 勝利感：學習者在遊戲進行中獲勝，而有勝利感。 9. 衝突/競爭/挑戰/對手：在遊戲的過程中充滿興奮與刺激感。 10. 問題解決的能力：遊戲提供挑戰，培養解決問題能力。 11. 人際互動性：玩家組成社群，在虛擬與真實世界中產生互動。 12. 故事性：透過故事情節，產生共鳴與情感。. 5.

(15) Malone(1980, 1981)提出遊戲之所以有趣是因為遊戲包含了挑戰(challenge)、奇幻(fantasy)與好奇(curiosity)三種因素，此三種因素可引起學習者學習動機，促使學習者持續對遊戲產生興趣。以下分別說明這三種特性： 1. 挑戰挑戰的設計原則包含三個主要部份：目標(goal)、結果不確定性(uncertain) 與玩家的自尊(self-esteem)。目標包含(1)給予玩家清楚的目標、(2)在理想的難度下，給予一個容易學習的環境，讓玩家自主性的產生目標、(3)目標最好為一個實際或奇幻的，而不是單一技能就能達成的目標，與(4)遊戲需給予玩家回饋。結果不確定性包含(1)不同的難度(variable difficulty level)、(2)多層的目標(multiple level goals)、(3)隱藏資訊(hidden information)，與(4)隨機性 (randomness)。玩家的自尊設計建議上，應讓遊戲內容有不同困難程度，並且有效的給予反應與回饋，讓玩家增加勝任感以提高正向自尊，對自己感到有成就感。 2. 奇幻奇幻是能挑起人們超越感官與現實生活經驗的想像事物，可分為外在、內在奇幻與情意奇幻。 (1) 外在奇幻(extrinsic fantasy) 外在奇幻即為外在因素對遊戲者所造成的奇幻心情，此需靠遊戲技巧達成效果。例如：競速遊戲的輸贏取決於玩家的技術，而勝負會對玩家產生外在奇幻。 (2) 內在奇幻(intrinsic fantasy) 利用形成奇幻世界的因素使玩家內心充滿對遊戲感到的奇幻心情。 Malone 認為內在奇幻比外在奇幻更具意義。 (3) 情意奇幻(emotional aspects of fantasy) 情義奇幻為遊戲製造滿足玩家情感上的需求，此情意為玩家內心期望與期待能參與之場景，例如：戰爭與毀滅之場面。遊戲世界無法與現 6.

(16) 實生活中的景物相似，因此大部份的遊戲都需要提供一個虛擬的場景，讓玩家感覺身歷其境，帶來奇幻感。 3. 好奇遊戲的設計架構應使玩家感覺該遊戲是新穎與驚奇的，如此才能激起玩家的好奇，此外，遊戲設計不可過於簡單或複雜到讓玩家無法理解，而好奇因素可分為感官與認知好奇。 (1) 感官好奇(sensory curiosity) 感官上的刺激包含遊戲燈光、音效和場景，由聲光效果搭配場景的變化，不斷吸引與刺激玩家的感受，藉由玩家感官上的刺激以激發其好奇心，進而引起玩家注意。在電腦遊戲裡利用聲音與圖像傳達資訊或許比利用文字與數字更有效率。 (2) 認知好奇(cognitive curiosity) 良好的知識結構為完整 (completeness) 、一致 (consistency) 與精簡 (parsimony)，而認知上的好奇就是要讓玩家在進行遊戲時覺得自身的知識不完整(incomplete)、不一致(inconsistent)也不精簡(unparsimonious)，即造成玩家對自己現有知識產生不滿足，引起玩家想在遊戲中探索並建構完整的知識。在遊戲中還需不斷維持玩家的好奇，必須適時的提供玩家驚喜的回饋與報酬。整體而言，挑戰指在遊戲中有明確的目標或任務，且遊戲具有一定程度的難度，使玩家會有想挑戰的衝動；奇幻指遊戲利用動畫、圖片及聲光等多媒體特效建構虛擬環境來提供遊戲情境，使玩家對於遊戲充滿無限想像；好奇指玩家與遊戲互動的過程中，必須是充滿好奇的或是令人驚訝的。除了 Prensky(2001)與 Malone(1980, 1981)提出的遊戲特性外，其他學者也提出了不同的觀點，表 2-1 為吳天貴（民 96）對於數位遊戲所應具備的特性做了歸納與比較。. 7.

(17) 表 2-1 數位遊戲所應具備的特性數位遊戲(Digital Game)所應具備的特性. 規則. 目標. 產出及回饋. Prensky, 2001 Thornton & Cleveland, 1990 Felix & Johnston, 1993 Baranauskas, Neto & Borges, 2001 Malone, 1981 Garris, Ashler & Driskell, 2002. . . . 衝突/ 競爭/ 挑戰/ 對立 . 互動性. 圖像及情節. . . 風險性. 奇幻性. 好奇性. 掌控性. . . . . . . . .  . .  . . .  . 二、遊戲式學習效益研究顯示教育遊戲可以提升學生的學習動機(Hwang, Yang & Wang, 2013)，也可給學習者「心智鍛鍊」以發展認知技能(Giannakos, 2013)，Gee(2003)認為未來數位教育遊戲將會重新建造一個新的世界，而學習與娛樂將會同時發生。 Hogle(1996)提出遊戲對於學習有下列優點： 1. 可引發內在動機：遊戲中因好奇與期望、對照與互動及故事情節等特性，可提高學習者的內在動機。學習者為獲得成就感，在面臨困難挑戰時，較願意不斷的嘗試。 2. 保留記憶：相較於傳統的課程，遊戲在記憶保留方面有較好的效果。 3. 提供練習及回饋：許多學習遊戲提供練習的機會，讓學習者可以反覆的操作，並獲得即時的回饋，讓學習者可以自我評估學習成效，促進學習目標的達成。 4. 可提供高層次的思考：遊戲的設計，將教學內容融入於遊戲當中，讓學習者不斷的在遊戲中解決問題、做決定。學習者要能夠整合自己所學，找到解決方式。. 8.

(18) 除了上述遊戲對於學習的優點外，表 2-2 為研究者整理實證研究歸納遊戲式學習帶來的效益。表 2-2 遊戲式學習的效益研究主題研究者學習動機 Kuo(2007). Hwang et al. (2012). 研究對象三年級學生六年級學生. 空間能力. Feng, Spence & Pratt(2007) Cherney(2008). 問題解決. Yang(2012). 九年級學生. Hwang et al. (2012). 五、六年級學生. Chang, Wu, Weng & Sung(2012). 五年級學生. Jong, Lai, Hsia, Lin & Lu(2013). 大學生. 合作學習. 19~30 歲大學生 17~23 歲大學生 Sungur & 19~21 歲 Boduroglu(2012) 大學生. 研究結果由研究結果顯示，遊戲式學習環境可以提升學習者的內在動機，幫助在自然科學學習活動中的探索。由研究結果顯示，實驗組學生使用知識工程方法的教育遊戲，可以提升學習動機也可以達到好的學習成效。玩動作遊戲可以降低性別在空間能力與心向旋轉的差異。 3D 遊戲能提升低層次學生空間注意力且增進高層次學生心向旋轉能力。玩數位遊戲的學生因長時間處於迅速變化的刺激中，有較快的感知處理能力，比沒有玩數位遊戲的學生在動態和靜止的任務表現都較為優秀。遊戲學習在問題解決能力比傳統學習優秀，因為遊戲模擬多種類型的實際問題，讓玩家在遊戲中做決策。以遊戲學習方式指引學生透過網路搜尋解決遊戲中的問題，可以提升學習動機，並能鼓勵和支撐學生面臨更大的挑戰。遊戲結合擬題(problem-posing)系統，能有效促進問題解決能力，並能幫助低層次的學生學習。傳統合作學習中，學生僅依賴其中一兩位能力較強的學生表現，而在多人遊戲中，彼此有共同的目標，學生能透過合作討論來提升學習成效，對學習的過程有正向幫助。. 遊戲強調以學生為主體的學習環境，可以跨時間與空間的限制。而由上表可知，遊戲在學習動機、空間能力、問題解決與合作學習都有不同層面的探討，而近來研究也趨於不同面向的討論，從遊戲教學與傳統教學的成效比較到遊戲融入不同教學策略帶來的影響及遊戲對於高低層次學生的幫助。 9.

(19) 第二節光概念的學習一、科學學習特性學生常以個人經驗解釋他們日常生活中接觸的自然現象，以先前累積的想法、經驗來學習教室中的各種知識，包括對現象做觀察、對觀察做解釋，以及他們用來獲得新訊息的策略（王盈琪、王美芬，民 95）。科學知識並非放諸四海皆準，每個人都會以自己的想法看待所處的世界。科學家用他們發現的定理、公式和符號來詮釋世界，學生則有另一套異於科學家的思維。科學家和兒童都在建構自己的科學知識，雖然層次上有所不同，但是建構的歷程皆以自己的經驗為出發點卻是相同的。如果課本與課堂上所教的科學現象與原理原則完全抽離於實際的生活，課堂上老師所教的知識完全脫離學生的舊經驗，學生學會的東西只能用來應付考試，學會的能力除了計算還是計算，只要一離開了教室或學校，學生對科學現象的認知自然又回到了自己那一套思維方式，就和從未受過科學教育的兒童程度一般（朱秀勇，民 90）。因此，Posner、Strike、Hewson 與 Gertzog(1982)提出概念改變模式(Conceptual Change Model)。因為大部份學生的科學概念都是累積於生活經驗，當新的概念與舊的概念交互作用，如果要修正學生舊的概念時，不是單純教導即可，他們認為影響學生概念的改變有以下幾個重要的因素： 1. 對現有的概念感到不滿意 (There must be dissatisfaction with existing conceptions) 科學家和學生不太可能在概念上發生重大改變，除非他們對當前的概念不滿意，即當前的概念不能解釋新的事件或不能解決當前遇到的問題。 2. 新的概念必須可以被理解(A new conception must be intelligible) 學習者能夠領悟並知道概念的真正含意，理解其意義，才有可能發生概念改變。. 10.

(20) 3. 新的概念必須是合理的(A new conception must appear initially plausible) 新的概念需能夠與舊的或其它的概念相符，並且有解決原來問題的能力，才能取代先前的概念。 4. 新的概念能提出有效的研究方法 (A new concept should suggest the possibility of a fruitful research program) 新的概念有可以被發展的潛力，去探索未知的領域。學生在學習自然科學時，必須要經過一段困難的概念改變過程，才能達到有意義的學習，因而學生必須要有更多的機會去發掘他們的理論與科學性的解釋有不一致處，也就是發生概念衝突，讓他們必須重新去整理他們思考的方式，經由放棄或修正他們用以判斷的準則，使他們的想法能與科學概念作一適當的連結，這是教師教學時必須重視的（唐明，民 91）。. 二、光概念學習自然科學領域中，有很多抽象的部份，學生無法經由閱讀教材與講述式教學就瞭解其中所包含的科學概念，甚至容易產生另有概念，光學就是其中之一（林建隆、徐順益，民 96）。「光」是什麼？這個問題國小學生是經常接觸，卻又相當抽象。學生在日常生活中接觸許多光學現象，但是光卻不同於其它物質具有形體可供接觸、觀察。因此，很容易發展出許多個人的想法（李采褱，民 92）。 Hewson 與 Hewson(1983)認為影響學生科學學習的其中一個因素是既有的先備知識。由於「光」之現象與日常生活息息相關，學生易從日常生活中發展出一些相關的想法，但因人類肉眼觀看物體時因受「知覺」因素的影響，這些日常生活中發展出相關的想法常與科學家的想法矛盾（唐明，民 91）。在日常生活中，我們很自然的使用「光」，學生在生活中對光有豐富的經驗，在國小、國中、高中的學校教育中皆有相當篇幅的課程內容（李玉貞，民 89）。. 11.

(21) 以下為整理先前研究者對於光的相關研究： 1. 光之迷思概念相關實證研究，如表 2-3。表 2-3 光之迷思概念相關實證研究研究主題研究者研究對象研究結果國小五年級學唐明五年級學生  學生對於「光的行進」、「光的反童光概念及相（民 91）射」、「光的折射」、「影子的形關迷思概念之成」和「光的色散」都持有迷思概研究念。國小高年級學江文雄五、六年級  國小高年級學童在視覺、光的性童光迷思概念（民 92）學生質、光的直線前進、光的反射、折之研究射及光的顏色上均存有許多迷思概念。國小中、高年李采褱三 ~ 六年級  學童持有「光是緩慢的，無須任級學童光迷思（民 92）學生何幫助即可傳遞」、「光在黑暗中概念研究比白天傳得更遠」、「光在白天無法傳遞」、「透明物沒有影子，或為深色黑影」、「影子係由物體『反射』陽光而成」、「黑暗中依然有影子」、「光照射物體，人的眼睛再看到物體」等的迷思概念。  學童對反射物質的認知停留於「規則反射」情況，並不具備「漫反射」的概念，認為「只有表面平滑或金屬物質會反射光」，並且無法指出反射光「入射角＝反射角」。國小學童光學蔡明儒五年級學生  學童持有「光源太弱，無法行走概念改變之研（民 95）很遠」、「改變光線顏色、陰影顏究色，大小也會隨之改變」、「只有鏡子等光滑表面物體才會反射」、「反射與折射混淆」與「只要有光存在眼睛就能看見物體」的迷思概念。利用 POE 教學王盈琪三年級學生  學童對於光有「光可彎曲行進」、模式探討國小（民 95）「能看到物體，是來自於直接察三年級學童光覺」、「在完全黑暗環境中，人類迷思概念及其亦能視物」、「物體位在鏡子範圍概念改變之成內，才能從平面鏡中看到成像」效與「水具有放大的功能以及水會折射」等的迷思概念。. 12.

(22) 2. 光概念使用不同教學策略相關實證研究，如表 2-4。表 2-4 光概念使用不同教學策略相關實證研究研究主題研究者研究對象研究結果用學習網站探謝明錦五年級學生  學習網站可提供動態的教學過程究國小五年級（民 92）而提升學習動機，以主題探究合學童「光」的概作學習的方式可增進學習效果，念學習而達到有意義的學習。  學習網站有助於提升學生概念的學習成就。網頁輔助教學王月秋八年級學生  所有學生在不同學習層次的前、對國二學生在（民 93）後測成績均達顯著差異。 "光的折射"課程學習成效之研究以探究式教學賴廷維八、九年級  利用行動研究方式，以探究式教法發展國中光（民 95）學生學策略發展國中光學教學模組，學教學模組之對於教師的教學與學生的學習是行動研究有幫助的。  大部份的學生在 5E 教學策略引導下，配合資訊融入的方式，可以充分瞭解光學中反射與折射部份的相關概念。網頁輔助學習王尹玲八年級學生  CAL 對於自然成績屬於中上的對國中八年級（民 95）學生，在光的反射整體學習方面學生光的反射較能發揮成效，且與低成就組達單元學習成效顯著差異。之影響  CAL 對女生在光的反射理解層次學習成效的提升顯著優於男生。  藉由動態網頁將「光線如何前進」、「反射定律」、「平面鏡成像」等抽象概念具體呈現在學生眼前，對學生在「光的反射」學習上是有益助的。. 13.

(23) 研究主題研究者以網路化學習許建和環境探究國小（民 94）學童「光」之概念學習. 運用 WebQuest 模式的資訊科技融入教學對八年級學生光學學習之影響. 陳明仁（民 100）. 數位遊戲策略蔡宇欣對國小學生光（民 102）學概念學習的影響. 研究對象研究結果五年級學生  提供學童網路化學習環境進行「光」的概念學習，確實能提升學童「光」的概念學習成效。  一般學習環境與網路化學習環境對「光的反射」、「影子的形成」概念的建構皆有顯著幫助。  網路化學習環境對學童在「光」的相關概念之概念學習成就優於一般學習環境。八年級學生  在光學學習成就上與光學迷思概念上，實驗組學生明顯優於對造組。  大多數學生喜歡 WebQuest 教學模式，並認為可以提升他們的學習興趣和幫助他們理解概念。  大多數學生希望可以再用這種網路探究的方式來上課，並且願意在課後自己上網探究知識。  WebQuest 教學策略可以幫助學生培養探究、合作學習、上台發表的能力。四年級學生  研究使用遊戲策略能傳遞光學概念的知識，因此學生在實驗後，對光學概念能更加理解。  學生對於使用遊戲學習光學概念持正面態度，多數學生認為遊戲好玩、容易使用，且可以幫助他們學習光學概念。  學生對於使用遊戲學習光學概念後，對學習自然科學持正面態度。. 14.

(24) 3. 研究者自行整理網路上有關於光概念的教學  臺灣師範大學物理系黃福坤教授，將物理概念以程式或動畫模擬出物理現象，並放置在網站提供下載，物理概念在他的引導下，不再只是抽象的概念，而是可以透過程式模擬親身體驗。圖 2-1 和圖 2-2 是他對於光概念的表徵方式。. 圖 2-1 波行進至兩介質介面時的行為─反射與折射 http://www.phy.ntnu.edu.tw/oldjava/propagation/. 圖 2-2 光線通過介面時的行為─反射與折射 http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/light/. 15.

(25)  科羅拉多大學的 PhET 計畫，提供了具趣味性、互動性及以研究為主的物理現象模擬教學，將學生在生活中所面臨的科學現象與基礎科學原理連結，加深學生對於物理世界的瞭解。為了幫助學生以視覺理解這些科學概念，PhET 模擬教學動畫利用大量的圖形及直覺性對照。例如：按鍵及拖曳的操作、選項比例調整按鈕等方式。為了鼓勵更多的定量上的探索，模擬教學也提供了測量工具，如：尺規、碼錶、電壓計及溫度計等。當使用者操作時，這些互動式的工具可立即的反應模擬狀況，如此一來，能夠更有效的闡明因果關係及其相關的陳述。圖 2-3 為光的折射模擬教學。. 圖 2-3 PhET 光的折射模擬教學 http://phet.colorado.edu/zh_TW/simulation/bending-light. 16.

(26)  在網路上不少科學益智遊戲，這些益智遊戲常包含科學概念，來提高遊戲的難易度和激起玩家的好勝心，這些遊戲常常需要耐心與思考力，其中在「遊戲世界」網站中有一款以光的反射為主的益智遊戲 PRISME，遊戲玩法為對照遊戲畫面中右手邊的鏡子，拖曳至遊戲中並調整好反射角度，來消滅畫面中的符號。圖 2-4 為遊戲畫面。. 圖 2-4 PRISME 反射遊戲 http://i-gameworld.com/games/gc8449.php 由以上文獻整理可以發現，學生對於光存有一些迷思概念，為了要修正學生這些迷思概念，先前研究者利用不同的教學策略來提升學習成效。依據遊戲式學習的特性與效益，遊戲元素可以吸引學生目光，提升學生學習動機，加深對科學概念的理解，進而提高學習成效，因此遊戲式學習應用於科學領域是值得被深入研究的。. 17.

(27) 第三節學習遊戲設計一、遊戲與學科的整合 Gee(2003)認為將學習和遊戲結合可以提升學習成效，未來利用學習遊戲學習知識和技能會越來越普遍。遊戲與學習的結合，應被視為新的學習觀念(Simpson, 2005)，研究者對於如何適當的將遊戲與學習內容結合以提高學習效率都非常感興趣(Chen, Wang, Chang, Chao & Shih, 2009)，而將課程與遊戲結合並不是一件簡單的事(Lai, Lin, Jong & Hsia, 2013)。 Echeverria、Carcia-Campo、Nussbaum、Gil、Villalta、Amestica 與 Echeverria(2011) 提出將遊戲特性與課程內容結合的設計方式。分為兩個部份，一為遊戲面(ludic dimension)，一為教育面(educational dimension)，如圖 2-5。 Educational Dimension （教育面） Revised Bloom taxonomy Cognitive processes:. Ludic Dimension （遊戲面） Game elements. Remember（記憶） Understand（了解） Apply（應用） Analyze（分析） Evaluate（評鑑） Create（創造）. Mechanics（機制）. are constrained by. Story（故事）. is constrained by. Factual（事實知識） Conceptual（概念知識） Procedural（程序知識）. Technology（科技）. is constrained by. Meta-cognitive（後設認知知識）. Aesthetics（美學）. are not constrained. Type of Knowledge:. CMPG Pedagogical model: Face to face CSCL （電腦輔助合作學習）. Supporting Technology: Multiple mice + SDG （單一顯示器的群組軟體）. 圖 2-5 遊戲特性與課程內容結合的設計方式. 18.

(28) 遊戲面代表遊戲元素，分成四個部份： 1. 機制(mechanics)：定義遊戲的程序和規則，並說明玩家要如何達成遊戲目標。 2. 故事(story)：定義遊戲的劇情，劇情可以是線性的，也可以是分支的。 3. 科技(technology)：定義遊戲的可能性，限制玩家可以在遊戲內做什麼事與不能做什麼事。 4. 美學(aesthetics)：定義遊戲的環境，透過圖像、設計、顏色與音效讓遊戲更有氣氛。教育面代表課程元素，包含： 1. Bloom’s 修訂分類(Bloom’s revised taxonomy)：由 Anderson、Krathwohl、 Airasian、Cruickshank、Mayer 與 Pintrich(2001)提出，目的在於定義和分類學習目標。分成以下兩個層面： (1) 認知過程(cognitive processes) 包含記憶(remember)、了解(understand)、應用(apply)、分析(analyze)、評鑑(evaluate)與創造(create)。 (2) 知識類型(types of knowledge) 包含事實知識(factual)、概念知識(conceptual)、程序知識(procedural) 與後設認知知識(meta-cognitive)。 2. 多人教室遊戲(CMPG)：由 Susaeta、Jimenez、Nussbaum、Gajardo、Andreu 與 Villalta(2010)將大型多人線上遊戲(Massive Multiplayer Online Game, MMOG)概念改變，把「massive」和「online」改成「classroom」和「presential」，以利於在課堂中學習，內容又分成兩個層面： (1) 教學模式(pedagogical model) 基於 Dillenbourg(1999) 提出的電腦輔助合作學習 (Computer Supported Collaborative Learning, CSCL)模式，學生透過電腦合作學習。. 19.

(29) (2) 科技輔助(supporting technology) 學生透過單一顯示器的群組軟體(Single Display Groupware, SDG)共同連到同一台電腦進行遊戲與互動。而遊戲面與教育面的結合為： 1. 機制與認知過程的結合  記憶在遊戲中重複相同的任務並給予適當的報酬，讓玩家不斷的面對知識並保持對報酬的渴望。  了解學生藉著互動探索知識，老師給予清楚回饋，讓學生能更瞭解概念。  應用在遊戲中學習到的知識可以應用在生活中。  分析在遊戲中整合問題解決的任務，並經由分析解決。  評估同意學生修改或更正遊戲錯誤概念，提升遊戲品質。  創造學生可以依自己的經驗，設計新的遊戲方式。 2. 機制與知識類型的結合  事實知識遊戲內容需顯而易見。  概念知識具體的課程概念必須明確的呈現。  程序知識遊戲機制應強制玩家去探索、執行、修改或創造具體概念結合學生的知識形態。 20.

(30)  後設認知知識遊戲機制應基於後設認知知識提供長期策略活動。 3. 機制與教學模式的結合合作學習活動必須應用合作機制強制群體合作解決事情，實現合作的主要條件為(1)積極的相互依賴、(2)共同的目標、(3)溝通與協調，與(4)合作獎勵。 4. 故事與教學模式的結合在電腦輔助合作學習中，都是依循序的方式共同解決目標，因此故事需線性發展並分割成多個小任務。由以上遊戲特性與課程內容結合的設計方式得知，教育遊戲如果沒有和適當的學習策略整合，學習成效可能有限，甚至可能比其它傳統資訊科技輔助學習方式更不理想，為了幫助學生提升學習成效，學習策略整合教育遊戲是非常重要的 (Hwang et al., 2013)。. 二、學習遊戲設計設計學習遊戲並不是一件簡單的事，設計遊戲時要考慮對象，不同年齡有不同的遊戲喜好，Jong et al.(2013)整理前人的研究發現，小學生喜歡單機遊戲(singleplayer)，解決簡單的遊戲任務；中學生喜歡具有豐富聲光特效的遊戲，且對遊戲的畫面劇情充滿期待；大學生喜歡多人線上遊戲(multiplayer online games)，他們喜歡與人互動交流。要設計一個良好的學習遊戲，在設計時需考慮如何設計，來吸引學習者注意，遊戲如何與教育結合是一個重要的關鍵，Garris、Ahlers 與 Driskell(2002)整理前人的研究，歸納提出了輸入─過程─結果遊戲模型 (Input - Process - Outcome Game Model)。此模型包含三個主要階段，如圖 2-6。. 21.

(31) INPUT （輸入）. PROCESS （過程）. OUTCOME （結果）. Game Cycle（遊戲循環） Instructional Content （教學內容）. User Judgments （玩家判斷） Debriefing （任務報告）. System Feedback （系統回饋）. User Behavior （玩家行為）. Learning Outcomes （學習結果）. Game Characteristics （遊戲特性）. 圖 2-6 Input - Process - Outcome Game Model 1. 輸入(input) 輸入的部份需結合教學內容 (instructional content) 與遊戲特性 (game characteristics)。遊戲特性包含：  奇幻性(fantasy) 遊戲是一個的虛構世界，提供一個可供想像的環境，讓玩家沉浸在裡面。  規則/目標(rules/goals) 遊戲需提供清楚規則與目標，並適時的提供回饋，提高學習成效。  知覺刺激(sensory stimuli) 藉由聲光音效、動態影像及其它知覺刺激，引起學習者注意。  挑戰性(challenge) 提供難易度適中的挑戰和不確定性的遊戲結果。  神秘性(mystery) 引起不同層面的知覺好奇心 (sensory curiosity) 與認知好奇心 (cognitive curiosity)。. 22.

(32)  操控性(control) 提供玩家可以操控遊戲的特性，遊戲操控可以增加玩家動機和提高學習效率。 2. 過程(process) 過程部份為遊戲循環模式，包括(1)玩家行為(user behavior)，玩家藉由與遊戲互動尋求挑戰性，遊戲內容讓玩家充滿動機，並更專注於遊戲環境中、 (2)系統回饋(system feedback)，遊戲系統根據玩家的行為模式給予回饋，與 (3)玩家判斷(user judgments)，為玩家對於遊戲的感受。玩家判斷又分為 (1) 興趣 (interest) ，對一件活動的偏愛、 (2) 樂趣 (enjoyment) ，當個人的技能能達成挑戰會產生樂趣、 (3) 任務連結 (task involvement)，能專心沉浸在活動中，遊戲沉浸的經驗又分為對照因素(control factors)、知覺因素(sensory factors)、分心因素(distraction factors)與現實因素 (realism factors)，與(4)自信心(confidence)，遊戲可以幫助玩家建立信心，達到自我勝任感。 3. 結果(outcome) 在過程階段不斷循環後，會產生任務報告(debriefing)，檢視學習中需要加強或改進的地方，才產生學習結果(learning outcomes)，以實現遊戲的學習目標。學習結果又包含(1)技能學習結果(skill-based learning outcomes)，藉由遊戲循環過程學習專業技能或技巧、(2)認知學習結果(cognitive learning outcomes)包含敘述性知識(declarative knowledge)，瞭解真實的資訊，重組自己的知識；程序性知識(procedural knowledge)，運用能力去實踐知識與執行任務；策略性知識(strategic knowledge)，將學習到的原理，應用到不同狀態任務中，與(3)情感學習結果(affective learning outcomes)，情感反應包括自信、自我效能、態度，喜好等感覺，情感反應可以被視為學習特定目標的結果且遊戲可以有效的影響態度。. 23.

(33) 上述整個學習流程為玩家先經由教學內容與遊戲特性進入輸入階段，再到過程的循環，產生玩家判斷，引發玩家行為，遊戲再經由分析判斷給予系統回饋，再提交任務報告做修正，最後產生技能、認知與情感學習結果，完成學習目標。 Prensky(2001)在其 Digital Game-Based Learning 一書提到 1997 年電腦雜誌「Next Generation」指出好的遊戲設計需要以下六個元素： 1. 平衡性：讓玩家覺得遊戲是充滿挑戰性的，即遊戲內容不會太困難也不會太容易。 2. 創造性：跳脫刻板的遊戲設計框架與其它遊戲存在差異，增加原創性。 3. 聚焦性：讓玩家能充分瞭解遊戲的有趣，使他在遊戲中不會分心。 4. 特色性：遊戲需要有深度和豐富內容，讓玩家難以忘懷。 5. 張力性：每一款好的遊戲都有它成功的方式，最經典的方式就是設立不易達成的遊戲目標。 6. 能量性：遊戲像是運動中的能量，讓玩家可以從忙碌的一天後恢復活力。除了上述六個主要元素外，根據 Noah Falstein 遊戲開發者表示，還有以下幾個重要的設計元素： 1. 清晰的整體視野(A Clear Overall Vision) 清晰的視野是做一個遊戲的關鍵，團隊成員需要良好的溝通並不斷的分享自己的想法。 2. 持續關注玩家經驗(A Constant Focus on the Player Experience) 由於大部份遊戲開發者自己也是遊戲玩家，他們通常會開發自己也會想玩的遊戲，但遊戲內容設計的太瑣碎便會使得玩家剛接觸遊戲時難以上手，所以開發者必須設計可以讓玩家輕鬆上手的遊戲。 3. 一個完善的架構(A Strong Structure) 經典遊戲通常包含許多種形式，從不同的面向去思考完整的遊戲結構。. 24.

(34) 4. 高度的適性化(Highly adaptive) 遊戲必須可以滿足不同層級的玩家，其中一種方式為遞增遊戲的難度，另一種方式為讓玩家選擇遊戲的難易度。 5. 簡單易學，不易達成(Easy to learn, hard to master) 良好的遊戲往往是那些可以在短短幾分鐘內學會，但卻需要好幾小時或長時間的挑戰。 6. 保持心流狀態(Stays within the “flow state”) 成功的遊戲需要不斷的給玩家正向回饋，而遊戲的難易度應適應不同層級的遊戲玩家。 7. 提供獎賞而不是懲罰(Provides frequent rewards, not penalties) 獎賞是一種激勵玩家的方式，完成一小階段任務給予一點報酬，而不是因為失敗而扣除。 8. 探索與發現(Includes Exploration and Discovery) 玩家通常喜歡探索自己的地盤，逐步的揭開各領土。 9. 提供互助─幫助問題解決(Provides mutual assistance – thing helps solve another) 提供線索去完成任務，而線索與線索之間是彼此相關聯的。 10. 提供友善的介面(Has an interface that is very useful) 成功的遊戲必須包含友善的介面，而不是僅有單一介面，必須建立學習路線讓新手專注而不會迷失，而進階玩家可以有更多選項和有趣的方式去操作遊戲。 11. 儲存遊戲進度功能(Includes the ability to save progress) 大部份遊戲都有存檔功能，能保存遊戲狀態和相關訊息，玩家可以從任何時間點選擇被存檔的遊戲並繼續進行遊戲。. 25.

(35) 除了上述提到的遊戲設計元素外，Kuo(2007)也提出，遊戲設計在教學上還有三個主要問題，分別為(1)學生為了能順利快速的進行遊戲，容易跳過(skip)遊戲問題，只為了不要讓遊戲中斷、(2)學生玩遊戲只是為了玩遊戲而不是為了學習遊戲中的內容，當問題跳出時，為了順利讓遊戲進行，他們選擇亂猜答案，也不在乎遊戲給的回饋，與(3)低年級學生對於遊戲中的閱讀還有些困難，需要老師指引。綜合上述文獻所提之教育遊戲設計，遊戲不但要能引起學習者的好奇心，還要讓學習者能聚焦在遊戲上，而教育遊戲最主要的目的為學習而非玩，學習為主遊戲為輔，因此要如何在學習與遊玩之間達到平衡，是一個設計者需要考量的事情，才能讓教育遊戲發揮最大的學習效益，而本研究也將參考這些原則來設計教育遊戲。. 第四節小結綜合以上文獻可知，學生在光概念上存在迷思概念，例如：常將反射與折射混淆、認為光可彎曲行進或改變光線顏色陰影顏色也會跟著改變等。光抽象又不可觸碰，學生會以自己的想法來解釋科學觀念，因此產生了迷思概念。先前研究對於光的教學策略普遍為網頁與動畫教學，雖可幫助學生理解光概念，但是缺乏目標性，無法集中吸引學生的注意力。教育遊戲對於學習有許多益處，學習者普遍對遊戲充滿了「挑戰性」、「奇幻性」與「好奇心」，遊戲可幫助提升學習動機，將枯燥乏味的學習內容變為有趣，將抽象的觀念以遊戲圖像化的表徵呈現，讓學習者於遊戲的情境中提升專注力，並建立確切的目標，有助於學習的理解。遊戲式學習已經被證明是有效的學習方式，一個好的學習遊戲，需要良好的設計和教學策略，但將遊戲特性與課程內容結合並非容易的事，設計時需要考量多個面向，才能讓學習與遊玩維持一個平衡，達到最大的學習效益。. 26.

(36) 先前研究多針對光的迷思概念進行探討，本研究將探討學習遊戲在學習成效、學習動機與學習態度上的影響，利用學生對於遊戲的挑戰特性與對遊戲充滿的奇幻特性，建立破關目標，設計一套以國小四年級自然科學「光」的學習遊戲，呈現「光的直進」、「光的反射」與「光的折射」，讓學生能在玩遊戲中瞭解光的特性，進而達到遊戲式學習之效益。. 27.

(37) 28.

(38) 第三章研究方法本章就研究歷程、研究對象、研究工具、實驗程序與資料蒐集與分析，依序分節論述之。. 第一節研究歷程本研究歷程分三個階段，為「準備階段」、「實驗階段」與「分析與討論階段」，如圖 3-1。茲將各階段說明如下：一、準備階段準備階段可分為文獻資料蒐集與閱讀、撰寫遊戲設計文件、開發研究工具與測試研究工具。（一）文獻資料蒐集與閱讀在確定研究題目之前，先蒐集國內外遊戲式學習的相關研究，閱讀並加以整理，並與指導教授多次討論後，逐步縮小研究範圍直到確定題目，便開始設計學習遊戲。（二）撰寫遊戲設計文件從國立臺灣師範大學圖書館中，參考歷屆各版本國小自然與生活科技課本、習作與教師手冊，選定康軒版國小四年級上學期自然與生活科技第三單元「奇妙的光」，作為遊戲的學習內容，並參考 Bergeron(2006)為設計教育遊戲 (developing serious games)而發展的設計架構設計而成，將光單元內容的教學目標轉換為「The Light」遊戲。（三）開發研究工具「The Light」遊戲使用美國麻省理工學院媒體實驗室(MIT Media Lab)終身幼稚園團隊(Lifelong Kindergarten Group)所開發的 Scratch 程式語言進行撰寫，設計一套可以自行操控的遊戲式教材，並修訂康軒文教事業出版的國小四年級. 29.

(39) 上學期自然與生活科技學習自修與學習評量的光單元作為前、後測測驗卷以及自編之學習動機與學習態度問卷。（四）測試研究工具為了評估研究工具之可行性，請了五位目前在國小擔任老師的專家使用遊戲式教材後，分別針對遊戲的「呈現方式」、「學習效果」、「遊戲介面」和「學生感受」及前、後測測驗卷、學習動機與學習態度問卷進行評估並給予建議，最後再根據專家的回饋修訂研究工具。. 二、實驗階段實驗採準實驗設計，實驗組使用光遊戲，對照組使用光動畫，兩組分別於各自實驗過程中使用不同的數位教材進行光單元學習。實驗前兩組學生先填答前測測驗卷，實驗後兩組學生再填答後測測驗卷、學習動機與學習態度問卷。. 三、分析與討論階段實驗結束後進行資料處理與分析，資料來源有四，分別為前、後測測驗卷成績、學習動機與學習態度問卷。資料使用 Excel 組織並使用 SPSS 統計軟體分析，結果將在第四章結果與討論中呈現。. 30.

(40) 文獻資料蒐集與閱讀. 撰寫遊戲設計文件準備階段. 光遊戲光單元測驗卷. 開發研究工具學習動機問卷學習態度問卷老師專家意見測試研究工具. 前測測驗卷─光單元測驗. 實驗組─光遊戲學習實驗對照組─光動畫學習實驗階段. 後測測驗卷─光單元測驗學習動機問卷學習態度問卷. 分析與討論階段. 資料整理與分析. 撰寫研究結果圖 3-1 研究流程圖. 31.

(41) 第二節研究對象本研究以臺北市士林區某公立國小三年級學生（大約 9 至 10 歲）共兩班 47 人為研究對象，一班為實驗組，使用光遊戲學習光單元；一班為對照組，使用光動畫學習光單元。實驗組班級人數為 23 人，男生 13 人，女生 10 人；對照組班級人數為 24 人，男生 13 人，女生 11 人。兩班為常態分班，所有參與的研究對象皆未學習過國小四年級上學期自然與生活科技的光單元。經由統計結果顯示，前測獨立樣本 t 檢定的 F 值未達顯著(F=1.964，p=.168>.05)，顯示兩組變異數相等，再判讀 t 檢定結果(p=.053>.05)，發現其結果未達顯著差異，故可知實驗組與對照組於實驗進行前對光概念的理解程度上並無顯著差異，應屬於同質（請參考第四章結果與討論）。. 第三節研究工具本研究之研究工具包含數位教材（光遊戲與光動畫）、前、後測測驗卷、學習動機、學習態度問卷與學習遊戲評估表，分別說明如下：一、學習遊戲「The Light」遊戲參考 Bergeron(2006)為設計教育遊戲(developing serious games)而發展的設計架構設計而成。以下以「需求規格」、「技術架構」、「遊戲設計」與「素材取得與開發」面向說明「The Light」遊戲之設計。（一）需求規格(requirements specification) 1. 遊戲目的(purposes of game) 為提升學生學習動機及增加對光概念的理解，將康軒版國小四年級上學期自然與生活科技第三單元「奇妙的光」，作為遊戲的學習內容，轉換並設計一射擊遊戲，藉由遊戲使學生在遊玩的過程中進行探索並習得新知識。. 32.

(42) 2. 遊戲範圍(scope) 「The Light」遊戲僅限基礎光概念的學習，適用於具備基本電腦操作技能的國小中年級學生使用。 3. 遊戲目標(goals) 藉由轉換課本教材內容至數位遊戲中，期待學生能從動手玩遊戲的過程中學習光概念知識，利用數位遊戲來包裝學習過程的苦澀提升學習動機，達到良好的學習成效。 4. 遊戲背景(background) 「The Light」遊戲的背景設定依不同關卡而不同，「光的直進」關卡中，將場景塑造在墓地，帶來陰暗的氣氛；「光的反射」關卡中，將場景塑造在荒涼地，帶來暗沉的氛圍；而「光的折射」關卡中，將場景塑造在海邊，帶來明亮的背景。 5. 遊戲對象(player profiles) 國小中年級學生，先備條件為學生對國小四年級上學期自然與生活科技的光單元無任何學習經驗且熟悉電腦基本操作。 6. 遊戲環境(use environment) (1) 遊戲環境：2D (2) 遊戲視角：第一人稱 (3) 遊戲人數：單人 (4) 遊戲模式：單機 (5) 遊戲操控：鍵盤與滑鼠 7. 遊戲有趣元素來源(source of entertainment content) 參考網路上數位教育遊戲的設計元素，並加入學習內容，將知識包裝成有挑戰性的射擊遊戲。 8. 學習內容來源(source of serious content) 康軒版國小四年級上學期自然與生活科技第三單元「奇妙的光」。 33.

(43) 9. 教學目標(KSA requirements) (1) 認知：  光的直進  瞭解光是直線進行  瞭解光不會穿透不透明的物體  瞭解光照到不透明的物體時，會形成影子  瞭解物體的影子位置會隨著光源照射的方向而改變  瞭解影子和光源必定在物體的兩側，而物體、影子和光源會在同一直線上  瞭解光遇到不透明的物體會形成影子，而影子的形狀會和物體形狀相類似  瞭解如果沒有光，就看不見物體  光的反射  瞭解鏡子可以反射光線  瞭解光反射時有一定的方向  瞭解光反射後，仍是直線進行  瞭解光照到鏡子時，光會被反射到另一邊  瞭解可以應用多面鏡子來傳遞光線  瞭解光的反射路徑  光的折射  瞭解光從空中射入水中或從水中射入空中，原本直線進行的光會改變行進的路線  瞭解光從空中射入水中或從水中射入空中，光會在空氣和水面的交界處偏折  瞭解光產生折射後，仍是直線進行  瞭解光的折射路徑 34.

(44) (2) 情意：  利用遊戲場景提供學生學習情境  利用遊戲結合自然科學知識，讓學生能在遊戲過程中建構知識  利用遊戲提供自然科學現象，讓學生觀察並思考  利用遊戲操作，引導學生瞭解光概念 (3) 技能：  能將光概念應用於生活之中 10. 遊戲特性(game features) (1) 遊戲設計連結學習內容，整合學習概念 (2) 遊戲利用關卡，區分光概念 (3) 遊戲提供關卡說明，讓學生能更順利進行遊戲 (4) 遊戲無固定遊玩順序，讓學生自由探索 (5) 遊戲操作方式簡單，容易上手 (6) 音效與遊戲場景配合，讓學生能更投入遊戲中 (7) 遊戲讓學生在輕鬆遊玩過程中，學習光概念（二）技術架構(technical architecture) 1. 遊戲開發流程 (1) 遊戲設計文件撰寫：一個月 (2) 遊戲美工圖案繪製：兩個月（與遊戲程式撰寫並行） (3) 遊戲程式撰寫：兩個月（與遊戲美工圖案繪製並行） (4) 遊戲測試與修改：一個月 2. 遊戲平台：PC 3. 系統需求：Windows XP 以上 4. 遊戲程式開發工具：Scratch 5. 遊戲發佈形式：以單機遊戲形式安裝至各電腦，也可嵌入於網頁。 6. 遊戲存檔紀錄：不可存檔，但遊戲開始畫面可選擇任一關卡。 35.

(45) （三）遊戲設計(game design) 1. 遊戲內容遊戲設計將康軒版國小四年級上學期自然與生活科技第三單元「奇妙的光」，融入「The Light」遊戲中，讓學生在挑戰遊戲關卡的過程中可以發現探索，來建構自己的知識，達到遊戲式學習的目標。 2. 遊戲特色 (1) 遊戲類型：射擊遊戲 (2) 遊戲美工風格：「光的直進」與「光的反射」關卡以暗色系為主；而「光的折射」關卡以亮色系為主，並以妖魔鬼怪為射擊的目標物。 (3) 遊戲使用之教學法：遊戲設計參考 Kolb 於 1984 年提出的體驗式學習架構(Experiential Learning Model)，該架構以四個階段為基礎，分別為具體經驗(concrete experience) 、反思觀察 (reflective observation) 、抽象概念 (abstract conceptualization)與主動驗證(active experimentation)，遊戲將這四個步驟融入學習遊戲之中，如圖 3-2。. 具體經驗 Concrete Experience. 主動驗證 Active Experimentation. 反思觀察 Reflective Observation. 抽象概念 Abstract Conceptualization 圖 3-2 體驗式學習架構. 36.

(46) Kolb 的體驗式學習循環理論為學生在具體經驗、反思觀察、抽象概念與主動驗證的行為表現。「The Light」遊戲依據 Kolb 的理論，設計遊戲情境內容與光概念做搭配，整理如表 3-1。表 3-1 「The Light」體驗式學習架構體驗學習理論理論依據遊戲內容具體經驗 Learning from feeling，由讓學生操控遊戲中的手電筒，藉由實際具體經驗引起學生的實際的動手玩玩看，來觸發學生的興趣。興趣，並引起動機產生有趣的學習經驗。 Learning by watching and 利用遊戲來引起學生的好奇心，藉反思觀察 listening，觀察事物的變由實際觀察遊戲中光的變化，理解化，尋求事物的真義。光概念並連結當下的學習到過去、現在和未來。抽象概念 Learning by thinking，強調利用理性的邏輯分析，將遊戲呈現以思考來進行學習，並將的畫面與概念，經由反思來得到新知識內化並分析可行性。的想法或修正原本的觀念。主動驗證 Learning by doing，將計畫綜合以上概念，再從現實生活中去付諸實施，涉及學生的心主動驗證。智、情感與技法的表現。 3. 遊戲角色遊戲主要以第一人稱視角，因此看不見自己的樣貌，只看的到手中的手電筒，各關的怪物如表 3-2。表 3-2 「The Light」遊戲角色遊戲關卡. 怪物. 第一關. 第二關. 第三關. 37.

(47) 遊戲關卡. 怪物. 第四關. 第五關. 第六關. 4. 遊戲流程「The Light」遊戲主要以三個光概念組成，分別為「光的直進」、「光的反射」與「光的折射」，每一個概念又分為兩個關卡，每一個關卡皆可以跳回遊戲主畫面選擇其它關卡，但嚴謹的學習流程應從第一關至第六關依順序遊玩，遊戲流程如圖 3-3。. 遊戲主畫面. 光的直進. 光的反射. 光的折射. 關卡說明. 關卡說明. 關卡說明. 第一關. 第三關. 第五關. 關卡說明. 關卡說明. 關卡說明. 第二關. 第四關. 第六關. 過關圖 3-3「The Light」遊戲流程. 38.

(48) 5. 遊戲介面介紹 (1) 遊戲主畫面與過關畫面. 圖 3-4「The Light」遊戲主畫面. 圖 3-5「The Light」遊戲過關畫面. (2) 「光的直進」第一關與第二關. 圖 3-6「The Light」遊戲第一關說明. 圖 3-7「The Light」遊戲第二關說明. 圖 3-8「The Light」遊戲第一關. 圖 3-9「The Light」遊戲第二關. 39.

(49) (3) 「光的反射」第三關與第四關. 圖 3-10「The Light」遊戲第三關說明. 圖 3-11「The Light」遊戲第四關說明. 圖 3-12「The Light」遊戲第三關. 圖 3-13「The Light」遊戲第四關. (4) 「光的折射」第五關與第六關. 圖 3-14「The Light」遊戲第五關說明. 圖 3-15「The Light」遊戲第六關說明. 圖 3-16「The Light」遊戲第五關. 圖 3-17「The Light」遊戲第六關. 40.

(50) 6. 遊戲對照 (1) 關卡選擇：使用滑鼠點選 (2) 物件對照：A、D、S、T 鍵與方向鍵（依關卡不同而不同） 7. 遊戲音效與配樂遊戲中使用之背景聲與音效取自「閃吧」網站，以下附上網站網址： http://www6.flash8.net/sound.shtml 8. 遊戲關卡介紹「The Light」遊戲所含之詳細學習內容與遊戲內容，整理如表 3-3。表 3-3 「The Light」遊戲關卡介紹「光的直進」第一關學習內容  瞭解光照到不透明的物體時，會形成影子  瞭解物體的影子位置會隨著光源照射的方向而改變  瞭解影子和光源必定在物體的兩側，而物體、影子和光源會在同一直線上  瞭解光遇到不透明的物體會形成影子，而影子的形狀會和物體形狀相類似遊戲設計遊戲設計參考康軒課本課本畫面：遊戲畫面：. 遊戲玩法遊戲中手電筒會以一開一關的方式變換方位，在關的時候，學生要判斷手電筒的位置，並對照小精靈躲至等等手電筒打開時陰影的產生處，如果躲至陰影處，小精靈血量會上升，如果碰到光源，小精靈血量則會下降，當小精靈血量到達 100 時，即可進入下一關。「光的直進」第二關學習內容  瞭解光是直線進行  瞭解光不會穿透不透明的物體遊戲設計. 41.

(51) 遊戲設計參考康軒課本課本畫面. 遊戲畫面. 遊戲玩法遊戲中學生可以移動手電筒，並發射光線攻擊怪物，如果擊中怪物，光強度會上升，但如果擊中墓碑，光不會穿透墓碑且光強度會下降，當光強度到達 100 時，即可進入下一關。「光的反射」第三關學習內容  瞭解鏡子可以反射光線  瞭解光反射時有一定的方向  瞭解光反射後，仍是直線進行  瞭解光照到鏡子時，光會被反射到另一邊  瞭解可以應用多面鏡子來傳遞光線  瞭解光的反射路徑遊戲設計遊戲設計參考康軒課本課本畫面遊戲畫面. 遊戲玩法遊戲中鏡子的位置是固定的，但學生可以旋轉鏡子的方向，並利用手電筒發射光線攻擊怪物，此關卡有四隻怪物，當攻擊完所有怪物後，即可進入下一關。「光的反射」第四關學習內容  瞭解鏡子可以反射光線  瞭解光反射時有一定的方向  瞭解光反射後，仍是直線進行  瞭解光照到鏡子時，光會被反射到另一邊  瞭解光的反射路徑遊戲設計. 42.

(52) 遊戲設計參考康軒課本課本畫面. 遊戲畫面. 遊戲玩法遊戲中學生可以移動鏡子的位置，也可以旋轉鏡子的方向，並利用手電筒發射光線攻擊怪物，此關卡有四隻怪物，當攻擊完所有怪物後，即可進入下一關。「光的折射」第五關學習內容  瞭解光從空中射入水中，原本直線進行的光會改變行進的路線  瞭解光從空中射入水中，光會在空氣和水面的交界處偏折  瞭解光產生折射後，仍是直線進行  瞭解光的折射路徑遊戲設計遊戲設計參考康軒課本課本畫面遊戲畫面. 遊戲玩法遊戲中學生可以移動手電筒，也可以旋轉手電筒方向，並發射光線攻擊怪物，遊戲畫面中那艘海盜船是避免學生以垂直方向攻擊怪物，因為這樣並不會產生折射現象。「光的折射」第六關學習內容  瞭解光從水中射入空中，原本直線進行的光會改變行進的路線  瞭解光從水中射入空中，光會在空氣和水面的交界處偏折  瞭解光產生折射後，仍是直線進行  瞭解光的折射路徑遊戲設計遊戲設計參考康軒課本並延伸觀念課本畫面遊戲畫面. 43.