情感式家教系統對於國小四年級社會學習領域學習成效、學習動機 與認知負荷之影響
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(2) 謝誌 時光飛逝，兩年的光陰匆匆而過，轉眼之間不敢相信已經在寫謝誌的階段， 完成了論文也已修畢研究所以及教育學程的學分，意味著碩士生涯即將畫下句 點。. 念研究所的兩年，首要感謝的莫過於指導教授-陳鴻仁教授，感謝教授對於 論文從題目到完成撰寫的細心指導，沒有教授的叮嚀也不可能順利的兩年就可以 畢業，從教授身上學到很多，從研究所的修習課程到 2013 年底的研討會，在這 期間學到了以前不曾學到的知識。在實驗階段，承蒙台中市潭子區實驗學校的老 師協助，其中更加感謝靜宜學姐對於實驗班級和行政的聯絡，也感謝彥伶學姐的 幫忙，如果沒有學姐們的幫助，實驗也不會如此順利；感謝祖菁在系統有 bug 的時候總是很快的幫我順利的解決。最後在論文即將完稿的階段，也要謝謝口試 委員提供讓論文可以修改至更好的寶貴意見，謝謝陳年興教授、林豪鏘教授以及 黃天麒教授。此外，也要感謝我的家人，在我念研究所時給予我生活與心靈上的 支持。. 羚君 謹誌 2014/6 於台中教育大學. I.
(3) 中文摘要 隨著科技的進步，知識的取得不只侷限於書本，數位學習成為多元化的學習 模式之一，創造更豐富的教材和學習方式。學習過程除了知識的獲取和技能的培 訓，情感也是一個重要因素，情感運算理論出現為了使電腦更加人性化、智慧化， 希望好的情感表現可以創造成功的學習。本研究將情感運算融入智慧型家教系統 中，使用情感運算運用於臉部和語意辨識提高辨識度，辨識學習者的情緒，再透 過虛擬機器人和學習者互動進行回饋，打破傳統學習的限制，設計適合國小學童 學習系統，以有趣和互動性的方式吸引學生學習，希望藉此提升其學習動機、降 低認知負荷，並提升能學習成效。 探討情感式家教系統對於國小學生的學習成效、學習動機與認知負荷表現之 差異，結果如下： 一、情感式家教系統對社會學習領域學生學習成效無顯著差異 二、情感式家教系統對社會學習領域學生學習動機差異達顯著影響，其中關 聯與滿足分量表差異達顯著，注意與信心分量表差異未達顯著 三、情感式家教系統對社會學習領域學生認知負荷有顯著之影響 四、情感式家教系統對於實驗組學生是有趣且可以提升學生的學習動機. 關鍵字:情感式家教系統、認知負荷、學習動機. II.
(4) 英文摘要 With the advancement of technology, knowledge is not limited to books. Digital learning which creates abundant teaching materials and learning methods becomes one of the multi-learning modes. Affection is an important factor in learning process, besides the acquisition of knowledge and skills. To create successful learning and make computer more user-friendly and intelligent, affective computing theory appears. The purpose of this study is to combine affective computing with intelligent tutoring system to improve facial and semantic identification to realize learners’ emotions. Through the interaction with the virtual robot, learners break the limitations of traditional learning. It is designed in an interesting and interactive way to attract fourth graders, hoping to enhance their learning motivation, reduce their cognitive load, and improve their learning effectiveness in social studies. The results show: 1.. There is no significant difference between the system and learning. effectiveness in social studies. 2.. There is significant difference between the system and overall. learning motivation. However, there is significant difference in the subscale of relevance and the subscale of satisfaction; there is no significant difference in the subscale of attention and the subscale of confidence. 3.. There is significant difference between the system and students’. cognitive load. 4.. The system is interesting and can enhance students' learning. III.
(5) motivation.. Keyword: Affective Tutoring System, cognitive load, learning motivation. IV.
(6) 目錄 第一章緒論 .............................................................................................................. 1 第一節 研究背景 ............................................................................................. 1 第二節 研究動機 ............................................................................................. 3 第三節 研究目的及問題.................................................................................. 4 第四節 研究問題 ............................................................................................. 4 第五節 研究範圍與限制.................................................................................. 5 一、研究範圍 ........................................................................................... 5 二、研究限制 ........................................................................................... 5 第二章文獻探討....................................................................................................... 6 第一節情感運算 ............................................................................................... 6 一、情緒辨識研究.................................................................................... 6 二、情感式家教系統................................................................................ 6 三、情緒與學習 ....................................................................................... 7 四、情感運算融入學習之相關研究......................................................... 9 五、小結 ................................................................................................. 11 第二節認知負荷理論 ..................................................................................... 11 一、訊息處理論 ..................................................................................... 11 二、認知負荷理論.................................................................................. 13 三、認知負荷相關研究.......................................................................... 16 四、小結 ................................................................................................. 18 第三節學習動機 ............................................................................................. 19 一、學習動機 ......................................................................................... 19 二、學習動機相關研究.......................................................................... 20 三、小結 ................................................................................................. 21 第三章研究方法..................................................................................................... 22 第一節研究流程 ............................................................................................. 22 第二節研究對象與方法.................................................................................. 24 一、研究對象 ......................................................................................... 24 二、研究方法 ......................................................................................... 24 第三節研究工具 ..............................................................................................27 二、情感式家教系統社會科教材 ...........................................................27 三、學習動機量表.................................................................................. 41 四、認知負荷量表.................................................................................. 41 五、系統使用性量表.............................................................................. 42 第四節研究假設 ............................................................................................. 42 第五節實驗處理 ............................................................................................. 43 V.
(7) 第四章研究結果與討論 ......................................................................................... 44 第一節以情感式家教系統教學與數位化教材教學之學生在學習前後的學習 成就差別......................................................................................................... 44 第二節以情感式家教系統教學與數位化教材教學之學生的認知負荷差別. 46 一、認知負荷獨立樣本 t 檢定分析....................................................... 46 二、分量表心智負荷之獨立樣本 t 檢定分析 ........................................47 三、分量表心智努力之獨立樣本 t 檢定分析 ........................................47 四、小結 ................................................................................................. 48 第三節以情感式家教系統教學與數位化教材教學之學生的學習動機差別. 49 一、學習動機獨立樣本 t 檢定分析....................................................... 50 二、分量表注意之獨立樣本 t 檢定分析 ............................................... 50 三、分量表關聯之獨立樣本 t 檢定分析 ............................................... 51 四、分量表信心之獨立樣本 t 檢定分析 ............................................... 51 五、分量表滿足之獨立樣本 t 檢定分析 ............................................... 51 六、小結 ................................................................................................. 52 第四節以情感式家教系統教學之系統使用性量表 ....................................... 54 第五章結論與建議 ................................................................................................. 58 第一節結論..................................................................................................... 58 一、情感式家教系統對社會學習領域學生學習成效之影響 ................ 58 二、情感式家教系統對社會學習領域學生學習動機有顯著之影響..... 58 三、情感式家教系統對社會學習領域學生認知負荷有顯著之影響..... 59 四、情感式家教系統實驗組學習後之回饋 ........................................... 60 第二節未來建議 ............................................................................................. 60 參考文獻 ................................................................................................................ 61 中文參考文獻 ................................................................................................. 61 英文參考文獻 ................................................................................................. 64. VI.
(8) 表目錄 表 2表 2表 2表 2表 2表 3表 3表 4表 4表 4表 4表 4-. 1 情感式家教系統相關研究彙整 ..................................10 2 認知負荷的因素 ..............................................14 3 以認知負荷理論為基礎的相關研究彙整 .........................17 4 ARCS 的定義、策略及教學時考慮的問題 .........................19 5 學習動機理論為基礎的相關研究彙整 ...........................20 1 研究樣本人數統計 ...........................................24 2 研究設計模式 ...............................................26 1 不同教學法學習成就之前、後測統計表 .........................44 2 學習成效組內回歸係數同質性檢定摘要表 .......................45 3 學習成效共變數分析摘要一覽表 ...............................45 4 認知負荷項度與題目 ..........................................46 5 認知負荷獨立樣本 T 檢定 ......................................46. 表 4表 4表 4表 4表 4表 4表 4表 4表 4表 4表 4表 4-. 6 分量表心智負荷之獨立樣本 T 檢定 ..............................47 7 分量表心智努力之獨立樣本 T 檢定 ..............................47 8 認知負荷各個項度之匯總表 ...................................48 9 學習動機項度與題目 ..........................................49 10 學習動機分量表與總量表之信度 ...............................49 11 分量表整體獨立樣本 T 檢定 ...................................50 12 分量表注意獨立樣本 T 檢定 ...................................50 13 分量表關聯獨立樣本 T 檢定 ...................................51 14 分量表信心獨立樣本 T 檢定 ...................................51 15 分量表滿足獨立樣本 T 檢定 ...................................52 16 學習動機各個項度之匯總表 ...................................52 17 系統使用性量表 .............................................54. VII.
(9) 圖目錄 圖 2圖 2圖 2圖 2圖 2圖 3圖 3圖 3圖 3圖 3圖 3圖 3-. 1 學習者學習過程情緒狀態 .......................................8 2 學習者在學習的情緒歷程 .......................................9 3 GAGNÉ 學習與記憶的訊息處理模式 ...............................12 4 認知負荷理論假設 ...........................................14 5 認知負荷結構圖 .............................................16 1 研究流程圖 .................................................23 2 研究架構圖 .................................................25 3 情感式家教系統流程圖 .......................................28 4 系統建置流程圖 .............................................30 5 臉部辨識流程圖 .............................................31 6 語意辨識方法架構圖 .........................................32 7 系統介面圖(一) .............................................33. 圖 3- 8 系統介面圖(二) .............................................34 圖 3- 9 動畫教材 ...................................................35 圖 3- 10 電子書教材 ................................................35 圖 3- 11 教學策略流程圖 ............................................36 圖 3- 12 宣導使用規則 ..............................................37 圖 3- 13 系統實際安裝於電腦 .........................................38 圖 3- 14 實驗環境 ..................................................38 圖 3- 15 學生觀看系統的電子書 .......................................39 圖 3- 16 學生實際操作畫面（一） ....................................39 圖 3- 17 學生實際操作畫面（二） ....................................40 圖 3- 18 學生覺得有趣互相觀看別人的系統畫面 ........................40 圖 3- 19 學生認真學習 ..............................................41 圖 4 -1 系統使用性量表分數圓餅圖 ....................................56 圖 4 -2 系統使用性量表等級 ..........................................56. VIII.
(10) 第一章緒論 本章共分為四節，第一節闡述研究背景，學習者的情緒對於學習數位課程來 說越來越重要，因此電腦能夠判斷學習者情緒並給予回饋相當受到重視；第二節 為研究動機，探討透過研究背景篩選出情感式家教系統的課程安排；第三節研究 目的，探討不同的教學方法是否可以達到學習成效、動機和認知負荷的差異；第 四節研究範圍與限制。. 第一節 研究背景 由於資訊科技的蓬勃發展，在日常生活中，大多數的人已經習慣使用電腦， 電腦已經成為生活當中不可或缺的物品，然而知識的取得不只侷限於書本，電腦 也成為取得知識的選擇之一。近年來，數位學習(e-Learning)非常受歡迎，不只 是單向的提供各種資訊與知識，更重要的是其提供學習者有自學學習的能力與不 受時空限制的好處(劉耀明，2006)。有效的學習是非常值得探索其中的原因，除 了知識的獲取和技能的培訓，情感也是一個重要因素，好的情感表現可以創造成 功的學習(Liu & Chi，2011)。但是用數位學習系統指導學生效果有限，因為數 位學習系統不能把學生的情緒考慮進去，為了使電腦更加人性化、智慧化，”情 感運算”理論出現可以對這個問題有所解釋 (Duo & Song，2012)，於是有了情 感運算(Affective Computing)名詞出現。 情感運算從社會科學與心理學的研究中發現，在電腦的世界裡完全沒有類似 於人腦處理情緒的機制存在，而是創立了情感運算這個全新的領域(鄭邦堅， 2010)。情感運算不僅能協助人們提供更好的成果也可能提高電腦做決定的能 力，其功能為透過臉部辨識、心跳、脈搏、呼吸等各種感應器取得生理訊號，針 對這些訊號截取出關鍵性參數經系統運算辨識人類的情緒。情緒表達的重要媒介 之一是臉部表情，透過攝影機將影像傳送至電腦中進行表情辨識能讓電腦辨識出 人類表情變化，做出適當的回應(潘奕安，2004)。 1.
(11) 情感運算用於設計與評估情感式家教系統用於數位藝術(Affective Tutoring System for the Digital Arts，ATSDAs)，藉由本體論的語意分析， 當使用者輸入文字時，藉由文字來分析情緒，透過文字所分析出的情緒回饋設計 一連串的建模及評估(Lin, Chen, Sun & Tsai，2012)。情感式數位學習模型的 實驗模組建置於改善學生學習經驗。在上海的大學使用並提出了一個情感的數位 學習模型，結合學習者的情感與上海數位學習平台。探討情緒如何演變過程，學 習過程和情感如何反饋可以用來改善學習經驗(Shen, Wang & Shen，2009)。此 外，針對英文的情歌歌詞進行分析，將字彙之間的關聯，和歌詞文本隱喻分析的 結果做比較，以評估字詞作為隱喻表達分析工具的潛能，提供不同角度的情感語 意探勘方法，作為情感溝通上的一項貢獻(李岱珊，2011)，Kwok, Cheng, Ip 與 Kong(2011)提出名為智慧型情感學習氛圍(Smart ambience for Affective Learning，SAMAL)的環境作為教學與研究使用其提供一個獨特的環境媒介整合認 知和情感的方法，以提高學習的環境。檢測學習者的情感因為同儕的意見和反 應，會有所幫助更好地了解他們的學習和參與行為(Cheng, Hou & Wu，2011)。 Kort, Reilly 與 Picard(2001)提出專業的教師擅於辨認學習者的情緒狀 態，並根據觀察的結果會採取某些行動。研究人員透過訓練的樣本讓電腦達到情 感表達的能力，雖然電腦還不能達到像人一樣的水準，但已經開始研究透過一個 電腦的虛擬助教，透過跟蹤學習者通過自己學習旅程的情感狀態。林群泰(2006) 透過虛擬代理人自我介紹及了解使用的情況，藉此拉近距離，並針對學習者情緒 和知識上問題給予關懷，使學生能更有效率的使用學習網站。柯姝伃(2010)透過 蒐集的幽默創造技巧資料庫，設計與學習教材相關的幽默表演活動。虛擬助教可 透過幽默表演活動與學生進行互動，改善學生的學習。虛擬助教會識別情感狀態 並做出適當的反應，透過適當的來評估是否繼續學習。提出學習可以融入情感運 算，以電腦為基礎將影響學習的情緒概念化，將此種情感運算融入智慧型家教系 統，稱為情感式家教系統(Affective Tutoring System，ATS)(Kort et al.， 2001)。 2.
(12) Ammer, Neji, Alimi 與 Gouarders(2010)利用情感運算和智慧型家教系統 (Intelligent Tutoring System，ITS)結合成為情感式家教系統。讓智慧型家教 系統具有情緒管理能力，能在學習者學習和情感反應時取得學習者的情緒。情感 式家教系統對學習者的臉部表情收集樣本進行訓練，可以偵測學習者的情緒，並 進一步提出讓虛擬機器人管理學習者的認知和情感模型，增加互動性和學習者的 學習動機。李佳勳(2013)使用語意辨識之智慧型家教系統和登革熱課程結合，建 置一套情感式登革熱家教系統，配合登革熱防疫宣導活動，協助教師進行登革熱 防疫宣導。Alepis 與 Virvou(2011)希望利用網路教學在任何時間地點學習的特 點進行教學。此研究主要是提供創作工具來協助給醫療助理讓它具有情感互動能 力，然而使數位學習更類似人類的人機互動。醫療指導者可以在醫療的電子學習 中使用創作工具來創造屬於自己的教育角色來跟學生互動，透過情感特徵輸入到 學習平台上，把可能的情緒狀態建模使用，再進行不同的教學策略。謝宜君(2013) 也將情感式家教系統應用於貝殼教育課程的教學活動，讓學童自己學習，藉此培 訓小小貝殼導覽員。大部分的學生對於會計學的印象是一門艱澀的課程，使用 ATS 融入會計學補救教學之中，希望對學習成效有所幫助(薛雅萍，2013)。. 第二節 研究動機 本研究將社會學習領域教材融入情感式家教系統，設計適合國小學童學習系 統。透過情緒偵測給予適當的教材以及虛擬助教的幫助之下，跳脫傳統學習的限 制，以有趣和互動性的方式吸引學生學習，藉此提升其學習動機，並能達到學習 成效的提升，綜合以上所述，本研究的動機如下： 一、在之前的研究當中，情感式家教系統大多用於海洋教育、醫療、藝術及會 計學上，較少使用於社會科方面的研究，所以本研究將把情感式家教系統 融入國小社會學習領域當中進行探究。 二、希望國小學童在情感式家教系統學習之中藉由和虛擬助教的互動下，提高. 3.
(13) 學生的學習動機。. 第三節 研究目的及問題 傳統的教學是以紙本和面對面現場授課為主，隨著科技的進步，多元化的學 習模式能創造更豐富的教材和學習方式。根據前述的研究背景與動機，本研究將 情感運算融入智慧型家教系統中，與一般智慧型家教不同的是，可以以學習者的 學習情緒和狀態做為課程的參考，在辨識學習者的情緒使用情感運算運用在臉部 和語意辨識提高辨識度。使得教學系統更加了解學習者當下的學習狀態，進而透 過虛擬機器人和學習者互動進行回饋。Mao 與 Li(2010)的研究中指出在學習系統 中虛擬代理助教和學習者的學習效果有顯著的效果，所以有一個可以陪伴學習者 學習的虛擬代理助教是可以幫助學習的，Lin, Atkinson, Christopherson, Joseph 與 Harrison(2013)研究在多媒體學習環境下動畫助教的存在影響科學 內容的學習、動機和認知負荷。本研究將以國小四年級學童為主要對象，設計一 套社會學習領域的教材融入情感式家教系統中之教學系統。並將此系統實際應用 在教學現場，比較傳統式教學和情感式家教系統教學在學習成效上的差異。. 第四節 研究問題 根據前一節的研究目的，本研究將彙整如以下四點： 一、探討傳統教學和情感式家教系統的學生在國小社會學習領域的家鄉人口單 元中學習成效的差異 二、探討傳統教學和情感式家教系統的學生在國小社會學習領域的家鄉人口單 元中認知負荷的差異 三、探討傳統教學和情感式家教系統的學生在國小社會學習領域家鄉人口單元 中學習動機的差異 四、在使用情感式家教系統後，學生對於系統的使用及回饋意見. 4.
(14) 第五節 研究範圍與限制 一、研究範圍 本研究將以台中市某國小學童為實驗對象，分成兩班，一班進行傳統教學為控制 組，另一班為進行情感式家教系統為實驗組。. 二、研究限制 本研究只針對國小四年級為實驗對象，因此在效度上有一定的限制不宜過度推 論，加上不是長時間實施教學實驗，僅實驗翰林版社會科第四冊的家鄉人口單 元，所以無法推論長期實施教學後，學童在學習成效上的差異。. 5.
(15) 第二章文獻探討 本章共分成三節，第一節描述關於情緒對於學習以及情感式家教系統的相關 研究；第二節說明認知負荷理論的定義、測量方式以及相關研究；第三節闡述學 習動機各學派的定義及相關研究。. 第一節情感運算 一、情緒辨識研究 國內外有許多研究透過感應器得知人類的情緒，人與人之間最容易觀察的是 臉部的表情變化，進可得知此人目前的情緒是正面還是負面情緒，其他像是透過 語意、心跳、血壓、呼吸、皮膚的溫度等生理資訊也是可以透過參數及統計方法 的運算，做為情緒辨識的參考(Picard，1995)。結合歌詞和音樂內容做自動音樂 情緒分類，利用人機和音樂互動，做為輔助治療(陳若涵，2006)。在單一辨識之 下，可能會造成偏頗，更多研究是採取多種訊號輸入，可以增加情緒辨識的種類， 陳奕丞(2010)將系統試著以人類的姿態，如：透過說話語氣、生理訊號和文字來 進行情緒的辨識。陳郁昇(2009)利用多種生理訊號如：血流量、心電圖等生理訊 號測量並經過參數擷取及特徵值選取後，輸入支援向量機(Support vector machines，SVM)分類器進行分類辨識情緒。. 二、情感式家教系統 語言和非語言是人類的溝通的互動。人類的老師可能不知道所有學生的知識 狀態，但是透過臉部表情、身體姿態和其他非語言的線索，老師會改變教學策略 或採取其他一些因應措施。在一對一的輔導之後這些成為老師教導學生的線索 (Sarrafzadeh , Alexander , Dadgostar ,Fan , Bigdeli，2008)。Duo 與 Song(2012) 構造以情感運算為基礎的數位學習系統，提出可以辨識及分析學生的情感狀態和 虛擬助教調節學生的學習心理、建立教學風格，以模擬“人對人”的學習傳統課. 6.
(16) 堂教學環境來建立系統。智慧型家教系統是模擬家教提供個別化的指導給學生的 系統，依照各個學生的學習特性及狀態給予學生不同的教學方法。情感式家教系 統是以智慧型家教系統結合情感運算發展而來，且具有管理情緒的能力，讓系統 在學習者學習時即時取得學習者情緒。情感的數位學習框架，使用情緒代理人可 以取代部分的人類教師，協助和激勵學習者在他們的學習環境的過程中(Ammar, Neji, & Alimi,2005)。以分析臉部表情、姿態為基礎形成情感狀態檢測，將情 感式家教系統用於數學，透過虛擬機器人－夏娃來檢測學習者的情緒反應，而虛 擬機器人可以給與的反應包含:給與正面的回饋、詢問問題、討論問題或解決方 案、給予提示。系統透過訓練表達情感，提供相關的情感狀態數據(Sarrafzade et al.，2008)。Liu 與 Chi(2011)研究中創業列入線上學習的相關度很高，雖然以 網路為基礎和數位學習已廣泛用於學習，但是比起網路的技術和研究數據來說學 習者的學習責任意識是比其他任何學習風格更加不可少。 Mao 與 Li(2010)指出智慧型家教系統提供個別化的教學，在系統中的“智 慧”是指他們能適應學生知識學習速度。人一對一輔導成功的一個重要因素是在 於教師的能力，以識別和應對學生的情感狀態。如果虛擬助教能夠識別學生的情 感狀態和情感上適合的方式表達教學變動的反應。ATS 是指 ITS 能夠適應學生的 情感狀態。結果表明，學習者的情感態度、虛擬助教的表現能力、情感識別準確 率、教學行動和系統是否容易使用都對學習者有明顯的影響。藍千賀(2010)以動 畫代理人做為國小英語課程教學的輔助工具，學生因動畫代理人加入教學，啟發 對英語課程興趣，學習成效也明顯的進步。王俊仁(2009)研發一套「可支援動畫 教學代理人導向技術的國小教學軟體」，經由相關數據分析後，使用此教學系統 製作的學童在學習成效方面確實能夠得到較好成績。. 三、情緒與學習 Duo 與 Song(2012)認為處理情感的目的是辨識學習者的情感和認知狀態，找 出情緒狀態的數位學習課程統計將這些資訊傳送到學習者代理人(learner. 7.
(17) agent)。在學習過程中學習者的情感狀態是非常複雜的。如圖 2-1 所示，從正面 的（興趣）到負面的（不感興趣）的變化，會出現一個新的數位課程。新的課程 開始，學習者總是驚訝或是困惑。隨著時間的變化，學習者情緒狀態會被改變。 但若是總是迷惑，學習者會懷疑自我能力，並且感到沮喪，這種變化會傳遞到老 師代理人(teacher agent)，將立即修改教學策略。當採用適當的教學策略，學 習者會覺得自信和對新知識的渴望。情感訊息的處理是個別化教學的關鍵。. Begin. New knowledge point. surprise. Puzzle bewildement. Depression despair. Self-confidence. End 圖 2- 1 學習者學習過程情緒狀態(Duo 與 Song，2012) Kort et al.(2001)提出以象限來表達學習者在學習的情緒歷程，如圖 2-2 所示，剛開始學生在象限 I 或Ⅱ，對於感興趣的話題會好奇或是著迷(象限 I)或 是會產生困惑(象限Ⅱ)，在第一象限的學習者是很愉快的在探索學習，在象限 Ⅱ，學習者開始產生一些誤解，需要虛擬助教的協助或給予的提示，在這兩種情 形下，情緒表現會在象限的上半部，此時學習者的學習重點在於建構或是測試知 識。若是再更進一步了解，象限可能會從上半部移到下半部也就是象限Ⅲ，此時 情緒可能是負向發展，感到混亂需要擺脫失望、憤怒、痛苦、自我懷疑，在象限 Ⅳ，學習者開始充滿希望和積極的態度，並開始新的循環。當獲得新鮮的想法時 8.
(18) 會推動學習者往象限的上半部分移動，一個典型的學習經歷通常會是以反時針方 向移動。. Constructive Learning. Disappointment Puzzlement Confusion. Ⅱ. Ⅰ. Negative Affective. Awe Satisfaction Curiosity. Positive Affective Discard Frustration Misconceptions. Ⅲ. Ⅳ. Hopefulness Fresh research. Un-learning. 圖 2- 2 以象限來表達學習者在學習的情緒歷程(Kort et al.，2001). 四、情感運算融入學習之相關研究 McQuiggan,Robison 與 Lester(2010)提出情感一直受到越來越多的關注，許 多智慧教學系統找尋適合教學與學生情感和動機，在這過程中想提升課程的互動 性，藉此提高學習成效，最近開始研究在各種環境下學習過程所經歷的情緒，調 查情感轉變發生在以敘事中心(Narrative-Centered)為主的學習經驗。 Sottilare 與 Proctor(2012)提出目前大部分的研究都強調模擬虛擬人物的情 緒，而不是評估學生目前的情感狀態，目標是要在適合智慧型家教系統模型中確 定學生情緒的重要性。比較在遊戲之中學習與傳統紙本教材學習，實驗分成兩階 段，第一階段從能從感應器，如:眼動儀、腦波探測等，取得學習時的相關數據， 分析學生的學習狀況，結束後將進行測驗，第二階段探討在解決問題時不同類型. 9.
(19) 的學生思考邏輯(曾奕霖，2013)。McLaren、DeLeeuw 與 Mayer(2011)研究目的 是以網頁為基礎的虛擬機器人提供禮貌的回饋和提示(如:"讓我們轉換的第一個 項目的單位")與直接的回饋和提示(如:"現在轉換的第一個項目的單位")。若是 可以在課堂上提供暗示給有需要的學生，禮貌可能變成有益的。劉長儒(2013) 使用感測器(如:眼動儀、血氧濃度等)取得學生在閱讀教材的相關數據，比較在 閱讀數位教材與紙本教材時，閱讀者的狀況以及配色對於閱讀是否有關連。根據 以上文獻本研究整理了近年來有關情感式家教系統相關研究，如表 2-1 為情感式 家教系統相關研究。 表 2- 1 情感式家教系統相關研究彙整 研究者（年代） 研究題目. 研究結果. 林群泰(2006). 使用虛擬代言人透過關懷. 透過和虛擬代理人互動的方式幫. 互動與學生建立長期關係. 助學習者學習，使學生使用學習網. 的學習網站互動機制. 站更有效率，並且提升學習者動機. 應用動畫代理人輔助國小. 以動畫代理人做為國小英語課程. 英語教學對學生學習動機. 教學的輔助工具，學生因動畫代理. 與學習成效影響之研究. 人的加入教學，對英語課程更加有. 藍千賀(2010). 興趣有顯著的學習成效 Ammar et. The integration of an. 系統可以偵測學習者的情緒，並進. al.(2010). emotion system in the. 一步提出讓虛擬機器人管理學習. Intelligent Tutoring. 者的認知和情感模型，增加互動性. System. 和學習者的學習動機. 運用多模式情感運算技術. 將情感運算融入智慧型家教系統. 設計智慧型家教系統之人. 可以提升學習動機及學習成效，且. 機介面-以數位藝術為例. 此系統對於學習者有良好的使用. 黃祖菁(2012). 性. 10.
(20) 表 2-1 情感式家教系統相關研究彙整（續） 研究者（年代） 研究題目. 研究結果. Duo 與. An E-learning System. 將情感運算運用於數位學習系. Song(2012). based on Affective. 統上，跟蹤學習者的情感與認知. Computing. 狀態將正負情緒變化傳送給教 師代理人教學策略將會修改採 用適當的教學策略. 謝宜君(2013). 情感式家教系統對不同認. 情感式家教系統應用於貝殼教. 知風格國小學童學習成效. 育課程的教學活動，場地獨立型. 之影響－以海洋教育為例. 的學習者在各方面，包含學習動 機、成效以及系統使用方面都優 於場地依賴型。. 五、小結 數位學習提供了可以透過電腦自行學習的功能，如果用於課堂上，情緒的辨 識非常重要，透過情緒的辨識可以瞭解學習者的學習過程中是否遇到困難或是對 於課程的流程安排學習者是否能夠將課程內容全部吸收，學習者的學習歷程可以 透過情緒收集相關數據當成教學者的參考依據，在相關研究當中發現，虛擬助教 可以透過大量的數據訓練模擬成真正的教師，當學習者碰到困難時，可以透過教 學策略進行類似教師的教學回饋給學習者。. 第二節認知負荷理論 一、訊息處理論 認知心理學強調學習者本身的認知結構，但大腦在處理認知是複雜的過程， 研究關於學習與記憶的理論，其中包含訊息處理論相繼出現。因 Gagné認為人的. 11.
(21) 學習歷程可以以訊息處理論探討，關於訊息處理論將以 Gagné的學習與記憶的訊 息處理模式(information-processing model of learning and memory)為基礎， 探討學習的歷程(方慧姿，1995)。張春興(2007)簡化 Gagné的學習與記憶的訊息 處理模式，如圖 2-3 所示，人在接受外在環境中的刺激後，訊息透過感受器 (receptor)例如：眼睛或是耳朵，之後送入大腦中樞神經系統的感應紀錄器 (sensory register，SR)經過短暫停留之後，讓學習者注意此訊息已進入大腦， 但並不是每一個訊息都會被注意，只有能引起學習者注意的才會進入到短期記憶 (short-term memory，STM)中，但在 STM 中訊息停留時間很短暫且因為 STM 的容 量不大，最多只能存 9 個數目(Miller，1956)，所以一旦超過容量，新訊息很快 就會覆蓋過舊訊息，只有透過反覆練習才有可能進入長期記憶(long-term memory，LTM)。訊息轉換成有意義的或是概念的形式訊息存入短期記憶中稱為編 碼(encoding)，再經由反覆複習之後存入長期記憶中，在長期記憶中的訊息有可 能會被遺忘，當要進行新學習時，記憶將會在工作記憶(working memory，WM) 搜尋，將存在長期記憶的訊息和新學習的事物結合。. 注意. 短期記憶(STM). 感應紀錄 工作記憶(WM) 刺 激. 反應. 複習. 長期記憶 (LTM). 遺忘 遺忘. 反應. 遺忘. 反應 圖 2- 3 Gagné學習與記憶的訊息處理模式（張春興，2007） 工作記憶是指大腦提供暫時的語言理解，學習和推理等複雜的認知任務所必 需的訊息的儲存和操作(Baddley，1992)。在早期的研究當中認為工作記憶只有 單一架構，但近期的理論當中指出工作記憶包含多種架構，分別處理不同的資訊 12.
(22) 來源，Baddeley(1992)提出工作記憶中包含兩套處理的系統，而這兩套處理系統 都屬於中央執行單位(central executive)，若能妥善運用，工作記憶的可使用 容量將會增大，這兩套系統分別是語音迴路(phonological loop)和視覺空間擷 取器(visual-spatial sketch pad)，語音迴路主要是負責有關聽覺方面的資訊， 例如：說話或語言；視覺空間擷取器則負責處理有關視覺方面的資訊，例如：圖 片或圖表。. 二、認知負荷理論 1.認知負荷的類型 Sweller, Merrienboer & Paas(1998)提出認知負荷分成三部分，分別為內 在認知負荷（intrinsic cognitive load） 、外在認知負荷（extraneous cognitive load）及增生的認知負荷（germane cognitive load）。 a.內在認知負荷:由教材內容的複雜程度引起為內在的認知負荷，而且不會因 為教材呈現方式的不同而改變，主要是教材元件(elements)間的關連程度影 響。Gerjets 與 Scheiter(2003)提出專門的知識和內容的複雜度是影響內 在認知負荷的主要原因。 b.外在認知負荷: 教材應以適當的方式呈現，若是用了不當的方式也會造成認 知負荷，可以藉由教材的組織或呈現改變來減低外在認知負荷，近年來為多 媒體設計者研究重點之一。 c.增生認知負荷:增生認知負荷為外在認知負荷的一種，但可以降低外部認知 負荷，同時也幫助學習者專注於學習的內容、建構基模(schema)，但必須注 意在內在與外在認知負荷加總未超過學習者的工作記憶區容量時引入增生 認知負荷才有效。Gerjets 與 Scheiter(2003)提出外在及增生認之負荷是 由教學的設計透過學習者活動所影響，如圖 2-4 所示。. 13.
(23) Instructional Design. Learning Activity. Extraneous/ Germane Cognitive Load. Expertise. Learning Outcome. Intrinsic Cognitive Load. Relational Complexity. 圖 2- 4 認知負荷理論假設(Gerjets 與 Scheiter，2003) 2.影響認知負荷的因素 Marcu, Cooper & Sweller（1996）提出在教學的過程中，影響認知負荷的 因素，分別為既有經驗（Prior experience）、教材的本質（Nature of the Material） 、教材的組織（Organization） ，本研究整理其三個因素敘述如表 2- 2 認知負荷的因素所示： 表 2-2 認知負荷的因素(Marcu et al.，1996) 認知負荷因素. 認知負荷因素敘述. 學習者的既有經驗. 是不是能了解訊息關鍵在於工作記憶區，能否能夠處理 訊息不會超過負荷，如果可以將新進來的訊息能和既有 經驗做整合，就可以降低工作記憶區的負荷，所以既有 經驗的多寡是認知負荷的主要來源，藉由適當的整合可 以降低認知負荷進而幫助學習。. 教材的本質. 由教材本身內容的複雜程度引起，不會因為教材呈現方 式的不同而改變，如單字的學習被視為低元件關連的學 習，對於可以被單獨處理、不需要參考其它來源的元件，. 14.
(24) 表 2-2 認知負荷的因素(Marcu et al.，1996)（續） 認知負荷因素. 認知負荷因素敘述 內在認知負荷較低，比較適合以循序的方式來學習。但 是對於需要理解又同時需要存取工作記憶區內的資 訊，相對就比較難理解造成高認知負荷阻礙學習。而句 子的學習屬於高元件關連的教材因為除了必須瞭解個 別單字的意義外，另外還要瞭解字與詞之間的關係。. 教材的組織. 教材的設計者藉由資料呈現、資訊組織等方面的設計以 適當的方式呈現，可以降低外在認知負荷，讓學習者能 用有限的工作記憶區處理教材內容。. 複雜性或內在認知負荷的任務，通常是有很高的負荷所在，複雜的學習是漫 長的過程，需要學習者的動機和專業知識的發展多方面考慮的層面(Van Merrienboer 與 Paas，2005)，所以本研究將不只將認知負荷列入考慮，連同學 習動機一同列入。 3.認知負荷的來源與測量方式 a.認知負荷的來源 Paas 與 Van Merrienboer（1994）提出認知負荷為執行特定任務對於工作記 憶區的負載，被認為是一個多維度的結構，是多重來源而非單一來源，包含因果 要素(causal factors)可以細分成三類，任務（環境）特性(task(environment) characteristics)，如：任務結構；學習者特性(Subject characteristics): 受 試者的認知能力、認知風格和先備知識，屬於較穩定的因素；任務與學習者的互 動作用(interactions):動機、績效等。另外評估認知負荷的要素(assessment factors)包含心智負擔(Mental Load)：因為任務或學習要求所產生的負荷、心 智努力(Mental Effort)：學習者完成任務所付出心力負荷及學習成效 (Performance)：學習者的表現，其關係如圖 2-5 所示。. 15.
(25) Causal Factors. Task (environment). Task/Learner Interactions Learner. Assessment Factors C O G N I T I V E L O A D. Mental Load. Controlled Processing. Automatic Processing. Mental Effort. Performance. 圖 2- 5 認知負荷結構圖(Paas 與 Van Merrienboer，1994) b.認知負荷的測量方式 認知負荷的測量，可以評估學習者在遇到新訊息時工作記憶運作所產生的負 荷，但是如何測量負荷量對於研究者來說面臨是一大挑戰。而 Sweller. et al.(1998)將認知負荷的測量方式分為三類: I.. 主觀衡量法(subjective techniques)：指受試者心智努力耗費的程度， 通常以量表衡量。. II. 生理衡量法(physiological techniques)：以儀器測量受試者在受試當 中的心理狀況，但是需要儀器協助有諸多限制。 III.任務與績效衡量法(task- and performance-based techniques)：用客 觀的任務執行成效來推論學習者的心智努力程度。. 三、認知負荷相關研究 太豐富的媒體組合會比單一感官刺激造成學習者認知上的負擔，使認知負荷 增加進而學習效果減弱 (陳彙芳與范懿文，2000)。結果顯示在遊戲中學習，會 16.
(26) 引起學生興趣，同時也讓學生產生心流經驗，探討利用遊戲學習對於心流經驗及 認知負荷的影響(劉向軒，2013)。林寀雯(2007)探討學生認知負荷和閱讀理解表 現對於社會教科書課文內容互動性從高到低及不同的編排方式的影響。郭秀緞 (2007)設計後設認知策略教學模式探討數學問題的設計對不同數學程度的學 生，認知負荷高低和解題表現。Kester, Lehnen, van Gerven 與 Kirschner（2006） 以電腦培養類神經網路的課程為例，提供有效率的組織課程結構幫助學習者瞭解 教材課文中重要概念，協助學習者建立自己的課程內容基模，助於減低學習者在 課程的認知負荷，課程的呈現也相當重要，透過有效的組織呈現，也可以減低學 習者在學習課程的認知負荷。由認知負荷理論描述二至四年級數學成就測驗不同 程度的學生，藉數學成就測驗特徵提供補救教學的參考資訊(洪碧霞、蕭嘉偉與 楊佩馨，2008)。Carson,Chandler 與 Sweller(2003)認為教材呈現設計上應該要 以學習者的認知負荷觀點出發，不應該太多要素同時出現在同一頁面，這樣會造 成工作記憶運作的負荷量太大，學生需要耗費很大的心力在學習這些要素，教材 的組織應以適當的要素在同一頁面為考量。陳勁宏(2013)將歷史事件利用概念圖 結合於遊戲當中學習，讓學習者在完成遊戲時已經將時間排序完成，藉此和一般 遊戲學習所產生認知負荷的差異。根據以上文獻本研究整理了近年來有關認知負 荷理論的相關研究，如表 2-3 為認知負荷理論為基礎的相關研究。 表 2- 3 以認知負荷理論為基礎的相關研究彙整 研究者. 研究主題. 研究結果. 徐易稜. 多媒體呈現方式對學. 圖片搭配旁白的呈現方式且靜態的多媒體. (2001). 習者認知負荷與學習. 比動態的多媒體有較好的學習成效. 成效之影響研究 Kester,. Just-in-time,. 提供有效率的組織課程以及呈現方式幫助. Lehnen,. Schematic Supportive 學習者瞭解教材課文中重要概念，協助學. 17.
(27) 表 2-3 以認知負荷理論為基礎的相關研究彙整（續） 研究者. 研究主題. 研究結果. van. Information. 習者建立自己的課程內容基模，助於減低. Gerven 與. Presentation During. 學習者在課程的認知負荷. Kirschner Cognitive Skill （2006）. Acquisition. 林寀雯. 以認知負荷理論探討. 課文編排加入有效資源例如：「標題組織圖. (2007). 國小社會教科書課文. 示」、「段落的大意」等，可降低學生在閱. 內容編排方式對國小. 讀時的認知負荷及增加閱讀理解的程度. 高年級學童閱讀理解 表現之影響 郭秀緞. 以認知負荷理論探討. 不管是解決內在要素互動性低或高的數學. (2007). 數學問題設計與後設. 問題，學生認知負荷的高低關係到解題表. 認知策略教學對國小. 現的優劣. 高年級學生數學解題 之影響 陳勁宏. 以時間序列概念構圖. 將歷史事件利用概念圖結合於遊戲當中學. (2013). 為基礎之歷史遊戲式. 習，比起一般的遊戲式學習更有助於提升. 學習-以鄭成功收復台. 學習成就. 灣為例. 四、小結 學習者能有良好的學習，原因之一是對於課程的認知負荷，內在認知負荷雖 然很難降低，但是可以透過課程設計降低外在認知負荷，進行遊戲或是以圖表為 主學習都是不錯的方法，透過認知負荷的測量「心智努力」，和「感受到的閱讀 教材困難度」兩個項度可以瞭解學習者對於哪一種課程設計比較能夠吸收知識。 18.
(28) 第三節學習動機 一、學習動機 學習過程中需要學習動機鼓勵學習者參與，教學者面臨的課題是如何提升學 生的學習動機(Lutervach & Reigeluth，1994)。在教育心理學中，認知學派的 心理學家布魯納(J.S.Bruner)提出學習四原則中，其中的動機原則提到學習過程 中，有動機才願意學習，所以學習者的動機因素非常重要，有了動機教學才會有 效果(Bruner,1966)。人本學派的羅斯吉(Carl Ransom Rogers)在 1969 年發表自 由的學習一文中，提到有意義的學習是讓學習者了解學習是一種自我需求而非強 迫，進而產生有意義的學習，才有良好的學習效果和效率。蓋聶(R.M. Gagné) 認為學習非單一的歷程，是種複雜且多層面的歷程，因此發展出學習階層 (hierarchy of learning)。Keller(1983)所發展出的 ARCS 模式中，有四個要素 對於提昇學習者學習動機，引起注意(attention)、切身相關(relevance)、建立 信心(confidence)與感到滿足(satisfaction)。表 2-4 為 ARCS 的定義、策略及 教學時考慮的問題。 表 2- 4 ARCS 的定義、策略及教學時考慮的問題(黃宜寧、段曉林，2004) 組成要素. 定義. 動機策略. 引起注意. 吸引學生和刺激學. 1.使學生產生對「探究」的注意或好奇. 生的好奇心. 2.利用「變化」來維持學生的注意與新鮮感. 滿足學生個人的需. 1.使學生不覺課程或教材陌生. 要和目標，產生積. 2. 建立「學習目標」. 極的學習態度. 3.配合學習者的動機需求，如：成就需求. 幫助學生建立起信. 1.清楚知道學習目標. 心，相信自己有掌. 2.提供學習成功的經驗和增加學生個人對. 握能完成它的能力. 學習的控制能幫助學生建立信心. 切身相關. 建立信心. 19.
(29) 表 2-4 ARCS 的定義、策略及教學時考慮的問題(黃宜寧、段曉林，2004)(續) 組成要素. 定義. 動機策略. 感到滿足. 學生因成就而得. 1.課程結束後，馬上有機會利用所學. (satisfaction) 到鼓勵和報償. 2.正向的回饋或報償. 二、學習動機相關研究 柯文容、林啟超、張珮鳳(2010) 結合互動式多媒體和數學圖畫書，並以探 討數學課程，進行現況與教材分析。Yang , Tsai, Kim, Cho 與 Laffey(2006) 探索學生的學習動機和社交的能力之間的關係，針對不同動機面向如：內在目標 取向，自我效能和工作價值各有不同的解釋。黃美瑤、楊宗文、周建智(2009) 運用多媒體輔助教學可增加學生對於課程的新鮮度與有趣性，可提高學生上體育 課的學習動機。Logan, Medford, 與 Hughes(2011)認為學科成績好的兒童通常 是自己能熟練地閱讀，跨領域的課程大部分依賴對不同程度上的閱讀技巧，研究 認知和動機因素如何預測閱讀能力，以及內在閱讀動機是否可以解釋在低能力的 閱讀者的閱讀成績顯著差異。張美玲(2000)對於國小學生自然科學習動機和成 就，以專題為基礎之教學與學習(Project-Based Instruction and Learning,PBIL)進行教學和實施一般教學進行比較。周清壹(2004) 將資訊科技 融入自然與生活科技領域針對不同能力的學生研究學習動機與學習成就，結果顯 示學生可以接受資訊和課程的結合。根據以上文獻本研究整理了近年來有關學習 動機的相關研究，如表 2-5 為以學習動機理論為基礎的相關研究。 表 2- 5 學習動機理論為基礎的相關研究彙整 研究者. 研究題目. 研究結果. 李美誼(2004). 多媒體英語歌曲教學對提. 採動畫和網路資源結合製作英文. 昇國小學童學習動機與學. 歌曲配合教學的實驗組在學習動. 習成效之研究. 機上比對照組有顯著差異. 20.
(30) 表 2-5 學習動機理論為基礎的相關研究彙整（續） 研究者. 研究題目. 研究結果. 曾喬琪(2008). 外來種生物繪本電子書對. 運用繪本電子書進行外來種生物. 國小高年級學童在認知、. 教學，在繪本的情節安排和場景，. 態度與學習動機之影響. 更能將學生引導入繪本電子故事 的情境，引發學生學習動機. 王俊仁(2009). 一個可支援動畫教學代理. 研發由教師編輯以動畫教學機器. 人導向之數位教材的學習. 人導向之數位教材，使用此系統的. 系統對國小學童數位學習. 學習者有比較好的學習成效. 之影響 Logan et.. The importance of. 內在動機在孩子的閱讀成功發揮. al(2011). intrinsic motivation. 了重要作用，提高兒童的閱讀技能. for high and low ability 和參與閱讀相關配套措施是很重 readers' reading. 要的。. comprehension performance 盛郁仁(2012). 應用數位學習系統於閱讀. 建立一套電腦輔助學習系統，且學. 原文書時的字彙學習與研. 習流程以 ARCS 動機模式設計，對. 究. 於學習者的學習動機明顯提升. 三、小結 引起學生動機再進行課程學習是事半功倍，透過 ARCS 動機模式設計不同的 教學設計讓不同程度的學生對於課程感覺新奇進而引起動機、產生積極學習的態 度、讓學生產生信心相信自己可以掌握課程進而因為學習成就感到滿足，動機並 非單一因素就可以產生，包含認知、動機、行為及脈絡四個層面，將在第三章研 究工具中詳細介紹。 21.
(31) 第三章研究方法 本章共分成五節，第一節為研究流程，第二節為研究方法，第三節為研究工 具，第四節為研究假設，最後一節為實驗處理。. 第一節研究流程 本研究在確定研究主題之後，便進行相關文獻蒐集與探討，瞭解學生在學習 當中促使學生想要學習的學習動機，若是使用與傳統教學不同的教學方式－運用 情感運算系統其學習動機是否有所差異?在傳統教學與運用情感式系統教學的學 生對於認知負荷的差異，以及其兩組學生的學習成就的差異，綜合以上確認本研 究的研究目的。透過文獻的分析與探討，了解情感式家教系統的特色與互動方 式，便開始著手設計系統的運作流程，其中包含教材的設計以及系統架構與分 析。同時發展學習成就測驗的試題，進行社會學習領域－家鄉人口單元的教材分 析及編製學習成就測驗，並遵循測驗的流程，委請專家進行專家效度和試題分析 與信效度。 在實驗之前，為了瞭解學生的先備知識程度，將學習成就測驗前測進行施 測，再進行為期 8 堂課的實驗教學，實驗期間採分組教學方式，以情感式家教系 統教學為實驗組，數位化教材教學為控制組，實驗結束之後將施以學習成就測驗 後測，填寫認知負荷量表及學習動機量表，藉此評估兩組學生在經過不同的教學 方法之後，比較兩組的學習成就成績、認知負荷以及學習動機評量，看看學習成 效是否有提升、認知負荷以及學習動機是否因為教學法而有所不同，並針對實驗 結果進行分析整理成研究結果，最後也將對不足的地方與未來研究方向提出後續 建議，研究流程如圖 3-1 所示。. 22.
(32) 研究動機與目的. 文獻蒐集與整理. 情感式家教系統 分析與設計. 進行教材分析和試 題編製、分析. 學習成就前測. 分組教學 情感式家教系統教學. 數位化教材教學. 學習成就後測、 學習動機量表、 認知負荷量表、. 實驗結果分析. 討論與結論 未來研究方向與建議. 圖 3- 1 研究流程圖. 23.
(33) 第二節研究對象與方法 一、研究對象 本研究實驗樣本來自於台中市某國小四年級學生，一班為實驗組，進行情感 式家教系統教學；另一班為控制組，進行數位化教材教學，兩班都進行社會學習 領域－家鄉人口單元的實驗教學。本研究的研究對象共有 57 人，其中實驗組共 28 人，男生 13 人，女生 15 人；控制組共 29 人，男生 14 人，女生 15 人，實驗 樣本人數如表 3-1 所示。 表 3- 1 研究樣本人數統計 組別 實驗組. 控制組. 合計. 男. 13. 14. 27. 女. 15. 15. 30. 合計. 28. 29. 57. 性別. 二、研究方法 本研究以國小四年級社會學習領域－家鄉人口單元為研究主題，採準實驗研 究法(quasi-experimental method)的不等組前後測設計(The Nonequivalent Pretest-Posttest Designs)，將研究對象分為實驗組與控制組，在進行實驗之 前，實驗組與控制組均接受學習成就測驗之前測，以此做為共變項，接著進行實 驗，實驗組以情感式家教系統進行教學，而控制組則以老師授課的方式進行教 學，實驗結束之後實驗組與控制組均接受學習成就測驗後測，本實驗設計的研究 變項之間關係研究架構圖如 3-2 所示。. 24.
(34) 控制變項： 學生年級、教學課程 及內容、教學時間. 自變項： 控制組：數位化教 材教學 實驗組：情感式家 教系統教學. 依變項： 學習成就測驗後測 認知負荷量表 學習動機量表 系統使用性量表. 共變項： 學習成就測驗前測. 圖 3- 2 研究架構圖 1.控制變項： a. 學生年級：以台中市某國小四年級學童為實驗對象 b. 教學課程與內容：翰林版社會科第四冊家鄉人口單元 c. 教學時間:教學活動 8 節課，共 320 分鐘 2. 共變項： 學習成就測驗前測: 瞭解學生的先備知識程度，學生在進行教學之前的學習 成就測驗前測 3.自變項 自變項分成兩組: a.實驗組:進行情感式家教系統教學，採取本研究所提供的情感式家教系 統進行學習，有別於傳統講授方式，是使用電腦進行教學。. 25.
(35) b.控制組:進行數位化教材講授方式教學，課堂上老師在教學當中播放數位 化教材，和實驗組不同，數位化教材在不同的時機播放並以講述的方式進 行學習，由老師統一播放數位化教材，播放的時間、媒材也由老師決定比 實驗組學生較沒自由。 4.依變項 a.學習成就測驗後測：瞭解學生在進行不同的教學之後，所進行學習成就測驗 後測，所得到的分數高低情形 b.認知負荷量表：為了瞭解學生在課程結束之後認知負荷的程度，讓學生填寫 認知負荷量表 c.學習動機量表：為了瞭解學生的學習動機，讓學生進行教學之後填寫學習動 機量表 d.系統使用性量表：為了瞭解實驗組學生的系統使用狀況，讓學生進行教學 之後填寫系統使用性量表 在進行實驗之前，對實驗組與控制組的學生進行學習成就測驗之前測，接著 進行實驗處理，實驗組以情感式家教系統進行教學，控制組以傳統老師講授方式 教學，實驗結束之後，進行學習成就測驗之後測、認知負荷量表、學習動機量表 與系統使用性量表填寫，研究設計模式如表 3-2 所示。 表 3- 2 研究設計模式 組別. 前測. 實驗處理. 後測. 實驗組. O1. X1. O3. 控制組. O2. X2. O4. 說明: 1. O1、O2：表示實驗處理前，實驗組與控制組的學生均接受前測 2. X1：表示實驗組所接受之實驗處理，實驗組以情感式家教系統進行教 學. 26.
(36) 3. X2：表示控制組所接受之教學，控制組以數位化教材進行教學 4.O3、O4：表示實驗處理前，實驗組與控制組的學生均接受後測. 第三節研究工具 本研究採用研究工具共有五部分，分別是「學習成就測驗之前後測」 、 「情感 式家教系統社會科教材」、「學習動機量表」、 「認知負荷量表」。說明如下：. 一、學習成就測驗之前後測 本研究根據 Bloom & Krathwohl 在 1956 年認知領域教育目標分類(A taxonomy for educational objectives)進行試題分析，使用教材為翰林版社會 科第四冊家鄉人口單元為實驗單元，並進行學習成就測驗之前後測試題的編製， 此分類法共有六類教育目標，分別為知識（Knowledge） 、理解（Comprehension） 、 應用（Application） 、分析（Analyze） 、綜合（Synthesis）和評鑑（Evaluation） ， 認知領域教育目標分類法在國內外經常被運用於編製測驗，廣為教育界所使用。 本研究以知識、理解和應用進行試題分析，並編製雙向細目表，待學習成就 初稿完成後，經過專家學者所提之意見，進行修正及刪減題目，經過歸納統整後 將題目進行預試，最後決定學習成就測驗之題目。. 二、情感式家教系統社會科教材 1. 情感式家教系統流程圖 在進行情感式家教系統學習之前，會再一星期前先請老師將實驗同意書帶回 家讓家長同意這次實驗的進行，實驗一開始會先講解系統如何操作使用，之後學 習者須先進入情感式家教系統中才能進行學習，學習者先填寫學習成就前測，之 後系統會和學習者對話，透過與虛擬助教對話緩和學習者緊張情緒以及引起學習 者的學習動機。在引起學習者動機之後進入社會科的教材教學，在教學當中，前 五分鐘會密集偵測學習者的情緒，若是學習者表示教材太困難，系統會自動轉換. 27.
(37) 成較簡單的教材給學習者學習。在學習過程中，以不干擾學習者為主，但是虛擬 助教仍會偶爾在課程轉換當中詢問學習者心情如何，若是學習者感到無聊或是表 示心情不好，系統會給與適當的小遊戲，幫助學習者學習或是轉換心情。在課程 結束之後，必須填寫問卷-學習成就後測、學習動機量表、認知負荷量表和系統 使用性量表，除了學習成就後測之外，其它量表需由教學者逐步和學習者共同填 寫，情感式家教系統的流程如圖 3-3 表示。. 實驗開始. 受測者同意實驗. 學習成就前測. 實驗解說. 進入情感式家教系統. 偵測學習者情緒. 社會科教材教學. 學習成就後測、 填寫問卷. 學習動機量表、 認知負荷量表 系統使用性量表. 實驗結束. 圖 3- 3 情感式家教系統流程圖. 28.
(38) 2. 情感式家教系統社會科教材 2.1 系統環境 情感式家教系統因本研究有臉部偵測之功能，必須準備一台 Webcam 進行偵 測之工作。系統環境方面使用 C#高階程式語言，由 Microsoft Visual Studio2008 所開發環境。因系統的問卷和學習網站須和網路連結，所以電腦需有與網際網路 連線的功能。本系統分成兩大主軸，情感辨識以及課程教學，臉部辨識和語意辨 識是情感辨識部分，另外課程教學包含了教學策略、虛擬助教和社會學習領域教 材（林敬偉，2011） 。臉部辨識模組是以開放式涵式庫 EmguCV 為發展工具，語意 辨識模組是以 Lin, Hsieh, Wang & Lon(2012)所提出的 SeCeVa(Semantic Clues Emotion Voting Algorthm)與 SVM 的辨識做為語意辨識的方法。本系統建置流程 圖 3-4 為先透過系統規畫情感式家教系統的架構，分成五大模組分別為臉部辨 識、語意辨識、教學策略、虛擬助教以及社會學習領域教材模組，透過模組的建 置及整合，組合成為情感式家教系統，並且經過測試之後發現需要修改的地方， 進行系統修正再度進行測試直到測試完成。學習者透過系統介面進行課程學習 時，Webcam 會進行臉部偵測將資料傳送至後端臉部辨識情緒以及在和學習者對 話當中也是將資料傳送至後端語意辨識情緒，辨識情緒後將蒐集的資料給教學策 略模組進行教材的分配以及虛擬助教的回饋，虛擬助教會將應對的對話傳送到系 統介面和學習者互動，而教材的部分會給予學習者適當的教材。. 29.
(39) 系統 規劃. 模組 建置. 系統 測試. 系統 修正. 系統 完成. 情感辨識. 學 習 者. 表情. 臉部辨識. 對話. 語意辨識. 語言回饋. 虛擬助教模組. 課程內容. 課程內容模組. 系統介面. 教學策略 模組. 課程策略. 圖 3- 4 系統建置流程圖(林敬偉，2011) 2.1.1 面部辨識模組 本研究使用 EmguCV 開放函式庫中的 OpenCV 圖像影像所提供的目標檢測法， 擁有強大的圖像處理能力且是高度開放性與自由性的函式庫，在開發上相對容 易。目標訓練檢測分成三部分，(1)樣本的收集(2)訓練分類器(3)利用訓練好的 分類器進行目標檢測，對於樣本，針對六種臉部表情(開心、生氣、難過、驚訝、 厭惡和害怕)收集人類情緒資料庫(簡明寬，2011)。要辨識臉部情緒，必須先偵 測臉部位置，Webcam 輸入影像後，使用目標檢測法，將已經訓練好的分類器做 臉部特徵與人臉情緒特徵的辨識，透過分類器辨識出人臉，接著將偵測區域限於 該臉部，可以防止環境因素導致誤判。透過訓練好的六種情緒分類器，將新的情 緒資料做分類，臉部情緒辨識流程圖如圖 3-5 所示。. 30.
(40) Webcam 輸入影像. 執行 分類器. 人臉偵測 情緒偵測. 執行 教學策略. 收集樣本 正負情緒樣本分類 製造分類器. 使用分類器檢 測目標. 圖 3- 5 臉部辨識流程圖(簡明寬，2011) 2.1.2 語意辨識模組 語意辨識模組功能在於讓學習者輸入目前的學習心情與狀況，得知學習者情 緒並進行教學策略，分成三步驟，a.建立情緒辭典 b.處理語意結構 c.得到情緒。 a.建立情緒辭典 情緒辭典中包含情緒詞與語意結構詞，建立情緒辭典的目的為進行語意情緒 判斷的時候，將輸入的句子可以依據『中央研究院現代漢語平衡語料庫』中的詞 彙進行情緒與詞性分類，本系統語意辨識的情緒分類為八類，分別為喜悅、害怕、 難過、生氣、疑惑、挫折、憤怒、驚訝。定義情緒之後，將蒐集的情緒詞彙關鍵 字進行分類，並在標記詞性(林敬偉，2011)。中文斷詞也是一門高深的學問，例 如： 「情感式」一詞有可能被斷成「情 感式」或是「情感 式」 ，為了解決這個問 題，本研究根據斷詞其長詞優先規則，辭典的詞彙長度，由長至短排列。但是不 能因為一句話就能判斷情緒，因應中文語法的架構，本研究特地針對三種語意結 構當成擴充的關鍵字詞彙，包含以下三種： I.. 否定語意，如:不開心中的不，若沒有否定語意將判斷成正向情緒-開心. II. 轉折語意，如：本來很簡單但後來蠻困難的，透過轉折判斷為困難. 31.
(41) III.連接語意，如：感覺困惑且擔心，困惑和擔心相同是負面情緒，所以情 緒成立 b.處理語意結構 語意辨識方法架構為先進行關鍵字配對，配對成功就使用斷詞方法，將一句 話分割成字串，再根據字串內容進行情緒與語意辨識，最後依照語意結構判斷最 終情緒，如圖 3-6 所示。 關鍵字配對. 斷詞. 判 斷 詞 性. 得到詞性. 處理語意訊息. 得到情緒. 正面情緒. 情緒詞. 負面情緒. 語意詞. 否定. 轉折. 連接. 圖 3- 6 語意辨識方法架構圖(林敬偉，2011) 當然，一句話中不可能只有一種情緒，有時候會產生兩種以上的情緒，可能 都是正向或負向也可能有正向或負向，若是不仔細的判斷，將會降低判斷的準確 率，本研究進行研究之後，定義語意判斷兩種情緒以上所採取的邏輯規則，兩種 情緒是由轉折或連接詞所連接，分成六大項，若是正向+轉折+負向或是負向+轉 折+正向，則判斷邏輯為真正情緒為轉折之後的情緒；若是正向+連接+負向或是 負向+連接+正向，則視為複合情緒，這方面系統採取不處理；若是正向+連接+ 正向或是負向+連接+負向，前者則視為正向情緒，後者則視為負向情緒(林敬偉， 2011)。. 32.
(42) 2.2 系統介面說明 情感式家教系統模擬介面共分為五部份，分別為功能表、課程內容區、臉部 辨識區、語意對話區及虛擬助教回饋區，如圖 3-7 所示。 功能表 臉部辨識. 課程內容 語意對話. 虛擬助教 圖 3- 7 系統介面圖(一) 在圖 3-7 中，功能表有可以瀏覽課程內容的選項，如：上一頁、下一頁及重 新整理等，方便學習者在學習時使用的功能，另外，系統選項則是包含系統說明、 調整臉部辨識參數及結束系統等選項；課程內容方面，包含目錄、電子書教材和 影片教材。臉部辨識區，在學習者進入系統後，和虛擬助教有所互動(如：回答 問題)之後，此區塊會被開啟並紀錄學習者的表情開始辨識功能，如圖 3-8，若 是想停用可以使用右上角的按鈕，停止臉部辨識功能；語意對話區，學習者可以 在對話輸入框中輸入想表達的話語，傳送只需要按下發送訊息的按鈕或是直接按 Enter 鍵即可送出，對話輸入框上方則是與虛擬助教的對話內容；虛擬助教回饋 區，從語意對話區或是臉部辨識區判斷學習者目前的情緒，進而和學習者互動。. 33.
(43) 臉部辨識. 課程內容 語意對話. 虛擬助教 圖 3- 8 系統介面圖(二) 2.3 情感式家教系統融入社會學習領域教學策略 在 Keller(1983)所提出的 ARCS 模式中，利用引起注意、切身相關、建立信心與 感到滿足四個要素提昇學習者學習動機，本研究以 ARCS 模式為參考發展出情感 式家教系統課程教材教學策略。在課程開始前，虛擬助教會詢問學習者今天的心 情，藉由以語意辨識來辨別學習者當下的情緒，如：問學習者今天心情好嗎？當 學生看到此系統的虛擬助教，會刺激學生的好奇心引發學生學習動機，這方面是 採用 Keller 的 ARCS 模式中的 Attention 引起注意的部分，學習者必須回答才能 進行課程；接下來告知學習者此單元的學習目標，每堂課都有每堂課要達成的目 標而且都和學習者的生活息息相關以及接下來的影片部分都和學習目標以及生 活息息相關，如：影片的會告訴學生如何查詢家鄉的人口，可以透過網路或是拜 訪戶政事務所，讓學生產生積極的學習態度，這方面是採用 Keller 的 ARCS 模式 中的 Relevance 切身相關的部分；另外在使用系統當中，若是學生有產生負面情 緒，虛擬助教會給予情緒上的安撫，幫助學生相信有掌握能完成它的能力，這方 面是採用 Keller 的 ARCS 模式中的 Confidence 建立信心的部分；最後，學習完 之後，學生會因為學習此系統在課程結束後，馬上有機會利用所學，配合老師的 學習單部分，請學生回家查詢家鄉的人口部分，學生可以利用網路或是其他方式 34.
(44) 進行調查，這方面是採用 Keller 的 ARCS 模式中的 Satisfaction 感到滿足的部 分。 教材分為電子書以及動畫兩種，如圖 3-8 及 3-9 所示，課程開始後前五分鐘 會偵測學習者情緒，學習者開始學習時觀看影片，明白這堂課所要學習的目標， 之後觀看電子書。. 圖 3- 9 動畫教材. 圖 3- 10 電子書教材 課程開始時，臉部辨識會自動開啟和語意辨識同時偵測學習者的學習狀況與 心情。臉部辨識的功能主要在於學習者學習課程時自動偵測學習者情緒，若是學 習者情緒持續一段時間都是負面的狀態則會給予回饋，詢問是不是有什麼地方看 不懂或是需要幫忙(黃祖菁，2012)，可能課程前面不太懂但是到課程後面有解釋 學習者懂了課程所要表達的意思，如此一來，臉部辨識偵測到的情緒不會立即給. 35.
(45) 予回饋，而是會觀察一段時間再給予回饋，也避免太多回饋而導致學習者無心學 習；語意辨識的功能在學習時，虛擬助教會詢問學習者心情即時給予回饋，若是 學習者學習過程臉部表情顯示心情愉悅，虛擬助教也會詢問是否有令人開心的 事；但如果學習者學習過程中，臉部表情顯示心情不悅或是驚訝，經由內部計數 器，則會跳到小遊戲供學習者轉換心情，但是小遊戲的轉換次數最多不超過兩 次，圖 3-10 為教學策略流程圖。. 教材. 臉部辨識. 語意辨識. 得知情緒. 正面情緒. 負面情緒. 喜 悅. 難 過. 疑 惑. 挫 折. 遊戲. 圖 3- 11 教學策略流程圖(黃祖菁，2012) 課程開始並持續一段時間過後，學習者專心於課程上，此時虛擬助教不再密 集的詢問學習狀況與心情，只是偶而詢問學習者並給予回饋，但是臉部辨識還是 36.
(46) 持續在偵測當中，此外這時不再跳到小遊戲了。課程結束後，為了使學習者可以 瞭解自己的學習狀況，學習者可以使用學習成就後測問卷進行練習，問卷皆為選 擇題，勾選完畢後可以與虛擬助教分享成績與心得。 3.實際操作畫面. 圖 3- 12 宣導使用規則. 37.
(47) 圖 3- 13 系統實際安裝於電腦. 圖 3- 14 實驗環境. 38.
(48) 圖 3- 15 學生觀看系統的電子書. 圖 3- 16 學生實際操作畫面（一） 39.
(49) 圖 3- 17 學生實際操作畫面（二）. 圖 3- 18 學生覺得有趣互相觀看別人的系統畫面. 40.
(50) 圖 3- 19 學生認真學習. 三、學習動機量表 本研究為了瞭解國小學童在情感式家教系統課程教學和傳統課程教學後，對 於家鄉人口單元學習動機的影響。研究者採用曾喬琪(2008)為適合國小學童程度 而改變自 Keller 未出版之教材動機量表(The Instructional Materials Motivation Scale, IMMS)做為施測工具。IMMS 包含 36 題學習者在學習動機層 次(注意、關聯、信心及滿足)的量表，以 Cronbach α 分析 IMMS 之信度，整體 的 Cronbach α值為 0.96，屬於穩定信度，本測驗採用團體的方式施測，測驗卷 共有 36 題，採李克特五點量表，計分方式以「非常同意」 、 「同意」 、 「普通」 、 「不 同意」 、 「非常不同意」分別給予 5、4、3、2、1 分，分數採累加制，得分越高者， 代表學習動機越強，學習動機量表的施測題目如附錄。. 四、認知負荷量表 認知負荷量表施測時機為在進入傳統教學或情感式家教系統教學之後，施測 目的在於分析學生在進行學習之後認知負荷的改變。本研究採取此問卷是 Hwang, 41.
(51) Yang 與 Wang(2013)所發表，共有 8 題，分為心智負荷和心智努力兩個項度，採 李克特五點量表共 5 題數字越大代表學習者此問題感覺越強烈，認知負荷量表的 施測題目如附錄。. 五、系統使用性量表 本研究改編自謝建成與劉至逢（2009）研究中所用到的 1986 年由 Digital Equipments Co Ltd.所發展出來的系統使用性量表(System Usability Scale， SUS)，此量表廣泛被使用，免費發佈且可信賴之測量工具(Finstad，2006)，經 計分公式計分後會得到分數，但是，量表中每一題的個別分數是不含任何意義 的，分數只是代表了學習者對系統易用性的綜合性評量，可以作為不同系統之間 易用性的比較，系統易用性的施測題目如附錄。計分公式如下(Brooke，1996)： 1. 每一題學習者所勾選的等級為這題的原始分數 2. 第 1、3、5、7、9 題各題的原始分數減去 1，便可得到這題的應得分數 3. 第 2、4、6、8、10 題用 5 減去各題的原始分數便可得到這題的應得分數 4. 接著將各題的應得分數相加，再乘上 2.5 便可得到總分。. 第四節研究假設 本研究問題在於透過文獻探討瞭解近年來透過情感式家教系統用於學習上 的相關之研究，探討情感式家教系統對於國小社會學習領域的學習動機與成效以 及所產生的認知負荷。研究者希望藉由研究的結果提出改善及建議，以提供其他 國小老師、教育單位、行政單位推行情感運算教學為參考。故本研究提出以下研 究假設： 研究假設一:國小學生在情感式家教系統學習成效後測中比起傳統教學有顯著差 異 研究假設二: 國小學生在情感式家教系統學習動機量表中比起傳統教學有顯著 差異 42.
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