運用不同教學策略於不同回饋之實驗模擬對國中學生實驗技能與實驗態度的影響

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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：邱瓊慧博士. 運用不同教學策略於不同回饋之實驗模擬對國中學生實驗技能與實驗態度的影響. 研究生：. 林建志. 中華民國 98 年. 撰. 2 月.

(2) i.

(3) ii.

(4) 摘要本研究旨在探討教師在實體實驗前使用理論值回饋或誤差值回饋電腦模擬實驗輔助教學時，採用教師為中心或學生為中心的教學策略對學生在實體實驗後的實驗技能與實驗態度之影響。本研究採用準實驗研究的二因子前後測設計，選取台北市信義區某公立國中九年級學生共 144 人參與實驗活動，並將學生以班級為單位隨機分派為四組。研究發現，當教師採用教師為中心的教學策略時，接受理論值回饋電腦模擬實驗的學生在實體實驗後的實驗技能顯著優於接受誤差值回饋的學生。當教師運用誤差值回饋電腦模擬實驗輔助教學時，接受學生為中心教學策略的學生在實體實驗後的實驗技能顯著優於接受教師為中心教學策略的學生；在實驗態度方面則無顯著差異。. 關鍵詞：回饋策略、教學策略、電腦模擬實驗、實驗技能、實驗態度. iii.

(5) Abstract The purpose of this study was to investigate students’ experimental skills and attitudes after conducting simulations and physical experiments when administrating simulations, distinct feedback strategies and various instructional strategies intervened. A 2×2 (feedback strategy × instructional strategy) quasi-experimental research design was employed to investigate the relationship between the dependent variables (experimental skills and attitudes) and independent variables (feedback strategies and instructional strategies). One hundred and forty-four junior high school students participated in this study. The participants were divided into four groups according to instructional strategies and feedback strategies. The statistics procedure of two-way ANCOVA was used to analyse the collected data. The findings showed that the effects of theoretical values as feedback in simulation on students’ experimental skills were significantly better than experimental errors as feedback in simulations when using teacher-centered instructional strategy. The effects of student-centered instructional strategy on students’ experimental skills were significantly better than teacher-centered instructional strategy when using experimental errors as feedback in simulation. However, there were no significant differences in experimental attitudes. . Keywords:. feedback. strategy,. instructional. experimental skills, experimental attitudes. iv. strategy,. computer. simulations,.

(6) 誌. 謝. 本論文的完成首先要感謝指導教授邱瓊慧老師與林美娟老師，在研究所求學的生涯裡，給予我的啟發與關照，對於論文的指導與建議，更是不厭其煩的給予指正，最重要的是讓我學習研究應有的嚴謹態度，無論在求學、工作或待人處事上均獲益良多，在此致上最高的謝意。同時也要感謝口試委員張世忠教授與邱韻如教授，對本論文細心的指正與建議，讓本論文能夠更臻嚴謹詳實。其次要感謝德昌學長、千田學長與美英學姊的幫忙，使研究能順利完成；在製作電腦模擬實驗期間，要感謝我的寶貝女兒不斷的幫我測試找 bugs，同時給我許多有用的建議；在撰寫論文期間，還要感謝秋儀、昭安、序文、明姿、思緯、政煥、信智、文遠、志力與英芷等實驗室伙伴們的支持與鼓勵；在修學分的期間，感謝興雅國中教務主任與教學組長給予課務上的協助，以及同事們不斷的給我打氣與信心。同時，更要感謝陪我一同走過這段期間的家人，尤其是我的爸爸、媽媽、姊姊、哥哥，還有最愛我和我最愛的老婆怡芬、寶貝女兒子鵑、子涵，已經好久沒有陪你們去度假了，因為你們給予我生活上與精神上最大的支持與鼓勵，使我可以順利的完成學業。最後，僅以本篇論文獻給關心我的每一個人。. v.

(7) 目錄附表目錄......................................................................................................................viii 附圖目錄........................................................................................................................ ix 第一章緒論................................................................................................................. 1 第一節. 研究背景..................................................................................................... 1. 第二節. 研究目的..................................................................................................... 5. 第三節. 研究問題..................................................................................................... 5. 第四節. 名詞解釋..................................................................................................... 5. 第二章文獻探討......................................................................................................... 8 第一節. 模擬實驗與實體實驗在實驗教學中的角色............................................. 8. 第二節. 模擬實驗對實驗技能的影響................................................................... 11. 第三節. 模擬實驗對實驗態度的影響................................................................... 14. 第四節. 模擬實驗設計........................................................................................... 15. 第五節. 運用模擬實驗輔助實驗教學之策略....................................................... 18. 第三章電腦模擬實驗設計....................................................................................... 21 第一節. 實驗單元................................................................................................... 21. 第二節. 模擬實驗設計........................................................................................... 22. 第三節. 模擬實驗之儀器與元件設計................................................................... 26. 第四節. 模擬實驗操作流程................................................................................... 29. 第四章研究方法....................................................................................................... 33 第一節. 研究設計................................................................................................... 33. 第二節. 參與者....................................................................................................... 34. 第三節. 實驗處理................................................................................................... 34. 第四節. 研究工具................................................................................................... 35 vi.

(8) 第五節. 實驗流程................................................................................................... 37. 第六節. 資料分析................................................................................................... 39. 第五章研究結果與討論........................................................................................... 41 第一節. 實驗技能結果分析................................................................................... 41. 第二節. 實驗態度結果分析................................................................................... 45. 第三節. 討論........................................................................................................... 48. 第六章結論與建議................................................................................................... 52 第一節. 結論........................................................................................................... 52. 第二節. 建議........................................................................................................... 53. 參考文獻....................................................................................................................... 55 中文部分................................................................................................................... 55 英文部分................................................................................................................... 57 附錄............................................................................................................................... 61 附錄一：實驗技能評量........................................................................................... 61 附錄二：實驗態度量表........................................................................................... 67. vii.

(9) 附表目錄表 2.1. 實驗教學的功能.............................................................................................. 8. 表 2.2. 國內外知名電腦模擬實驗網站.................................................................... 17. 表 2.3. 教師為中心與學生為中心教學策略之比較................................................ 19. 表 4.1. 電腦模擬實驗輔助教學分組........................................................................ 33. 表 4.2. 實驗技能評量試題正式實驗分析摘要表.................................................... 36. 表 5.1. 描述性統計：依變項／實驗技能前測成績................................................ 41. 表 5.2. 實驗技能之二因子變異數分析摘要表........................................................ 41. 表 5.3. 描述性統計：依變項／實驗技能後測之調整後成績................................ 42. 表 5.4. 實驗技能之組內迴歸係數同質性考驗........................................................ 42. 表 5.5. 實驗技能之二因子共變數分析摘要表........................................................ 43. 表 5.6. 運用不同教學策略於理論值回饋電腦模擬實驗輔助教學的單純主要效果比較................................................................................................................ 43. 表 5.7. 運用不同教學策略於誤差值回饋電腦模擬實驗輔助教學的單純主要效果比較................................................................................................................ 44. 表 5.8. 運用教師為中心教學策略於不同回饋電腦模擬實驗的單純主要效果比較 ........................................................................................................................ 44. 表 5.9. 運用學生為中心教學策略於不同回饋電腦模擬實驗的單純主要效果比較 ........................................................................................................................ 45. 表 5.10. 描述性統計：依變項／實驗態度前測成績.............................................. 45. 表 5.11. 實驗態度之二因子變異數分析摘要表...................................................... 45. 表 5.12. 描述性統計：依變項／實驗態度後測調整後成績.................................. 46. 表 5.13. 實驗態度之組內迴歸係數同質性考驗摘要表.......................................... 46. 表 5.14. 實驗態度之二因子共變數分析摘要表...................................................... 47. viii.

(10) 附圖目錄圖 3.1. 實驗數據收集與記錄.................................................................................... 24. 圖 3.2. 誤差值回饋電腦模擬實驗之電壓－電流關係圖繪製................................ 25. 圖 3.3. 理論值回饋電腦模擬實驗直接顯示電壓電流理論值................................ 25. 圖 3.4. 誤差值回饋電腦模擬實驗測量值輸入與即時回饋功能............................ 26. 圖 3.5. 伏特計與安培計歸零功能............................................................................ 27. 圖 3.6. 負極接線與正極接點.................................................................................... 28. 圖 3.7. 4 顆隨機產生電壓值之 1 號電池................................................................. 29. 圖 3.8. 理論值回饋電腦模擬實驗操作流程示意圖................................................ 31. 圖 3.9. 誤差值回饋電腦模擬實驗系統架構與操作流程示意圖............................ 32. 圖 4.1. 實驗流程........................................................................................................ 39. ix.

(11) 第一章緒論第一節研究背景物理是一門重視實證的科學，物理學中的任何創新成果都必須經過實驗的檢驗，因此實驗教學在物理教育中扮演著非常重要的角色（Escobar, Hickman, Morse, & Preece, 1992; Etkina, Heuvelen, Brookes, & Mills, 2002）。學生在動手做實驗的過程中，除了可以加深對物理現象的理解、培養實驗技能（楊文金、許榮富，1987），還可以強化科學態度，提昇學習成效（Barmby, Kind, & Jones, 2008; Odom, Stoddard, & LaNasa, 2007）。近年來，國內外許多科學教育的研究結果顯示電腦模擬實驗有助於解決實驗教學的困境（黃福坤，2006；Alessi & Trollip, 2003；Pyatt & Sims, 2007；Ronen & Eliahu, 2000；Sethi, 2005；Van Der Meer & De Bruijn, 2000）。模擬實驗不但提供了觀察物理現象的情境，加深學生對物理原理的理解，還可以透過真實儀器的模擬，讓學生在互動式操作的過程中提高對實驗方法的掌握和對測量的精熟（傅昭銘，2006）。除此之外，運用視覺化電腦模擬進行實驗操作，可以讓學生在短時間內反覆練習，提高學習效率，並增進對實驗的態度（Alessi & Trollip, 2003; Pyatt & Sims, 2007）；更重要的是，透過電腦模擬中的參數控制，可以讓學生對所學的概念建立假設並進行驗證（黃福坤，2006）。雖然模擬實驗有許多優點，但也有學者（例如：黃福坤，2006；Escobar 等，1992）認為它只能用來輔助或延伸學習，無法完全取代傳統的科學實驗活動。Jaakkola 和 Nurmi（2007）、Nancheva 和 Stoyanov（2005）、Steinberg（2000），以及 Zacharia（2003, 2007）研究發現，教 1.

(12) 師在實體實驗前運用實驗模擬來解釋與展示實驗，並藉由實驗模擬與實體實驗操作兩者並行的教學方式能幫助學生深入了解科學。. Mason 與 Bruning（1999）研究發現，電腦在教育上的應用快速成長，其中一個主要原因是電腦輔助教學可以針對學生的學習行為提供個別化的立即回饋。現今國內外學者在物理教育上發展的模擬實驗網站，大多是為了提昇學生對科學概念的理解與物理現象的驗證而設計，提供學習者在實驗操作過程中觀察物理現象的變化。例如，國內有王建忍老師的互動教具研究室網站（http://www.hgjh. hlc.edu.tw/~drop/）、林大欽老師的Flash 理化練功房網站（http://enjoy.phy.ntnu. edu.tw/mod/resource/view.php?id=8067）以及黃福坤教授研發團隊的 Demolab 物理教學示範實驗教室網站（http://www.phy.ntnu.edu.tw/moodle/index.php）；國外有 Pascal Renault 設計的 Physics Applets Navigation（http://mysite.verizon.net/ vzeoacw1/applet_menu.html）、Sergey Kiselev 與 Tanya Yanovsky-Kiselev 共同發展的 Interactive Physics and Math with Java（http://www.physics.uoguelph.ca/ applets/Intro_physics/kisalev）、普林斯頓大學 PPPL（The Princeton Plasma Physics Laboratory）團隊研發的Interactive Plasma Physics Education Experience（http:// ippex.pppl.gov/）；Walter Fendt 的 Java Applets on Physics（http://www.walter-fendt. de/ph14e/），以及 Tom Henderson 開發的 The Physics Classroom Tutorial 網站（http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/Phys/Class/BBoard.html）。這些網站中的電. 2.

(13) 學模擬實驗提供學習者選取電池、燈泡數量與接線方式，運用歐姆定律推算出電壓或電流的理論值，接著以動畫模擬電錶指針偏轉或直接顯示電壓電流理論值，讓學習者可以直接觀察到理論結果。這些模擬實驗多未特地針對儀器操作而設計，只要求學習者讀取依據理論值呈現的數據。這類實驗模擬係依據理論值將實驗結果或現象回饋給學習者，研究者稱此類設計為理論值回饋實驗模擬。僅有極少部分的模擬實驗網站，為了提昇儀器的操作能力與測量技巧而設計。例如涂維聖老師的國中理化地科網站（http://w3.sljhs.ylc.edu.tw/bandit/ Flash_PC.htm），網站中的虎克定律模擬實驗、靜摩擦力模擬實驗與浮力模擬實驗提供學習者進行實驗操作，並依據學習者輸入之測量結果即時產生誤差訊息回饋，幫助學習者思考誤差來源並引導學習者重新進行實驗操作與測量。這類實驗模擬係將操作時所產生的誤差值回饋給學習者，研究者稱此類設計為誤差值回饋實驗模擬。學者研究發現，理論值回饋實驗模擬不僅可提昇學生對科學概念的理解與物理現象的驗證，在學習過程中亦能降低認知負載（Pyatt & Sims, 2007），但若僅呈現理論數據，學習者不知如何解釋實驗的不確定性（uncertainty），不僅無法鼓勵學習者思考做實驗的過程，也會使學習變得非常被動（Steinberg, 2000, 2003）；而誤差值回饋實驗模擬提供有效的回饋訊息幫助學習者發現操作上的錯誤，並引導學習者反覆操作練習，可提升學習者的實驗操作技能與分析實驗數據的能力（Van. 3.

(14) Der Meer & De Bruijn, 2000），但教師在使用誤差值回饋實驗模擬進行教學時，也可能因為複雜的訊息造成學習者過度的認知負載（張國恩，2002）。此外，教師的教學策略也是實驗教學中影響學生學習的重要因素。教師運用學生為中心的教學策略讓學生親自操作模擬實驗反覆進行測量練習，可以幫助學生在實體實驗中掌控實驗流程，提高實驗效率（Odom 等，2007），但是，Wilkinson、 Treagust、Leggett 與 Glasson（1988）研究發現，此種教學策略必須在教師依據學習者的個別性給予學習素材，學生也主動融入學習時，才能獲得好的學習成效；另一方面，教師運用教師為中心的教學策略，展示實驗模擬結果來解說物理現象，可提昇學生科學概念的學習（Nancheva & Stoyanov, 2005），但是，學生若只能被動聽老師講解或示範科學理論，就不易提昇其學習興趣（Chiaverina & Vollmer, 2005）。. 基於電腦模擬實驗無法完全取代實體實驗課程，故本研究先進行模擬實驗輔助教學，再進行實體實驗；此外，教師利用不同回饋策略之模擬實驗輔助教學，對學習的成效會有不同的影響；再者，教師直接展示模擬實驗或讓學習者親自操作模擬實驗，對學習的成效也有不同的影響。因此，本研究將探討教師在實體實驗前運用理論值回饋或誤差值回饋實驗模擬進行實驗教學時，採用教師為中心或學生為中心的教學策略對學生在實體實驗後的實驗技能與實驗態度之影響。. 4.

(15) 第二節研究目的本研究在探討教師在實體實驗前運用理論值回饋實驗模擬或誤差值回饋實驗模擬進行實驗教學時，採用教師為中心或學生為中心的教學策略對學生在實體實驗後的實驗技能與實驗態度之影響。. 第三節研究問題具體而言，本研究擬探討問題如下：一、教師在實體實驗前運用不同教學策略於不同回饋策略之電腦模擬實驗輔助教學時，對學生在實體實驗後的實驗技能與實驗態度是否有交互作用？二、教師在實體實驗前使用理論值回饋實驗模擬或誤差值回饋實驗模擬輔助實驗教學，是否影響學生在實體實驗後的實驗技能與實驗態度？三、教師在實體實驗前運用教師為中心或學生為中心教學策略輔助實驗教學，是否影響學生在實體實驗後的實驗技能與實驗態度？. 第四節名詞解釋一、回饋策略在自然環境中所指的回饋是指為了回應一個動作或過程而產生的訊息（Clariana, 2000）。教育上所指的回饋是指教師對學習者的行為、思想情感、需求、態度、意志與意圖等，所給予的回應，用以控制、指引、教導學習者進行有效的學習（ Economides, 2006 ）。 Mason 和 Bruning （ 1999 ）根據資訊處理理論 5.

(16) （information-processing theory）中的認知架構提出，在電腦輔助教學中所指的回饋，是指可以幫助學習者了解自己學習的程度，並發現自己的錯誤概念的訊息。本研究中所指的回饋策略是指在電腦模擬實驗中提供學習者測量過程的相關訊息或引導，分為誤差值回饋與理論值回饋兩類。. （一）誤差值回饋「誤差值回饋」是指當學習者完成實驗儀器裝置，讀取測量數據並輸入結果後，電腦依據學習者輸入的測量值與預設理論值之間的差距，計算出學習者在該次測量的百分誤差，同時在畫面上提供誤差結果與相關回饋訊息，以引導學生思考誤差產生的原因並修正錯誤。例如，在誤差值回饋電流模擬實驗中，學習者必須先完成電錶歸零與負極接線後，選取合適的正極接點與電池數量再開始進行測量。電腦會依據學習者輸入的測量值計算出百分誤差，除了在畫面上顯示該次測量的誤差結果，也會在測量誤差超過 5%時，出現「Poor」的訊息，建議學習者進行重新測量；當誤差值小於 3%時，則出現「Very Good!」的鼓勵訊息。（二）理論值回饋「理論值回饋」是指當學習者完成實驗儀器裝置，按下確定按鈕顯示測量結果後，電腦會提供物理定律或公式推導出的理論值，讓學習者藉由觀察的方式自行驗證理論。例如，在理論值回饋電流模擬實驗中，學習者必須先完成電錶歸零與負極接線，選取合適的正極接點與電池數量，但不需自行讀取測量數據，而是按下確定按鈕觀察理論結果，畫面隨即顯示依據歐姆定律的公式推算出的電流理論值。. 6.

(17) 二、教學策略本研究所指的教學策略是指教師在實體實驗前運用電腦模擬實驗輔助教學的策略。教師為中心的教學策略是由教師示範操作電腦模擬實驗，而學生為中心的教學策略是由學生親自操作電腦模擬實驗。三、實驗技能本研究所探討的實驗技能是指基礎實驗技能，包含：（a）電錶操作，（b）電路接線，（c）數據讀取，和（d）誤差分析。四、實驗態度本研究所探討的實驗態度是指學生在從事科學實驗時所具備的態度，包含：（a）對小組合作的態度，（b）對學習科學的態度，（c）對實驗活動的態度，和（d）對實驗誤差的態度。五、實驗教學本研究所進行的實驗教學為「基礎性物理實驗」，由教師先進行實驗理論教學，再做基本儀器與基礎實驗操作講解，強調實驗技能的訓練，引導學生進行實驗操作。. 7.

(18) 第二章文獻探討本研究在探討實體實驗前運用不同教學策略於不同回饋之實驗模擬，對國中學生在實體實驗後的實驗技能與實驗態度之影響，因此，本章將針對模擬實與實體實驗在實驗教學中的角色、模擬實驗對實驗技能影響、模擬實驗對實驗態度的影響、模擬實驗設計，以及運用模擬實驗輔助實體實驗之教學策略等相關文獻進行歸納與探討。. 第一節模擬實驗與實體實驗在實驗教學中的角色實驗教學在科學教育中佔用重要地位，一方面可強化學生所學之科學理論、加深學生對科學現象的理解，另一方面又可培養學生動手解決問題的技能、提高觀察和分析能力（傅昭銘，2006；Chiaverina & Vollmer, 2005）。科學教育學者認為實驗教學會持續扮演著科學教育的中心角色，楊文金和許榮富（1987）綜合各家學者看法，提出實驗教學不僅有助於培養科學態度、理解科學本質、發展認知能力，還能建立科學概念與發展科學過程技能（如表 2.1）。. 表 2.1 實驗教學的功能（引自楊文金、許榮富，1987）研究者 Chiaverina 等人（2005）. Klopfer（1971）. 實驗教學功能 z. 引起學生的學習動機。. z. 將複雜的概念具體化。. z. 增加對科學儀器的認識。. z. 印證假設、理論及規則。. z. 傳播科學知識與理解科學。. z. 培養操作技能。. z. 發展科學探究技能，包括：（a）觀察與測量，（b）解釋數據， 8.

(19) 研究者. 實驗教學功能（c）辨認問題，及（d）尋求解決問題的方法。. Shulman & Tamir（1973）. z. 鑑賞科學方法。. z. 強化科學態度及興趣。. z. 應用科學知識及方法。. z. 發展技能：操作、探究、組織、溝通等技能。. z. 灌輸概念：例如假說、理論模型、分類等概念。. z. 培養認知能力：批判思考、解決問題、應用、分析、綜合等能力。. z. 理解科學本質：科學領域、科學家彼此之間的工作、科學方法的多樣性等。. z. 強化科學態度：好奇心、冒險性、一致性、合作性、客觀性、精確性等。. 一、模擬實驗有助於實驗教學國內外許多科學教育的研究結果顯示電腦模擬實驗有助於實驗教學。因為電腦模擬實驗提供一個安全且廉價的科學實驗環境，讓學習者探索科學知識或從事科學實驗（黃福坤，2006），學生可透過電腦模擬實驗加深對物理原理的理解，了解測量方法與儀器的操作（Tlaczala 等, 2006），練習實驗操作技能，學習處理實驗數據的技能（Van Der Meer & De Bruijn, 2000）。此外，電腦模擬實驗可以快速提升學習者的學習成效。Sethi（2005）指出電腦模擬實驗讓每一個學生都有個別化的學習經驗，可以幫助學生將實驗誤差最小化，並降低學生的學習挫折。Alessi 和 Trollip（2003）研究發現電腦模擬實驗讓學習者在短時間內反覆練習數據測量與實驗操作流程，可以提高學習的效率。電腦模擬實驗也能夠顯著提昇學習歷程的品質，讓學習者可以依自己的步調學習，更融入課堂中的學習情境（Barbeta, 1998），並在學習過程中降低認知負載（Pyatt. 9.

(20) & Sims, 2007）。二、模擬實驗結合實體實驗在實驗教學上的成效雖然科學教育的研究結果顯示使用電腦模擬實驗有助於實驗教學，但是電腦模擬實驗是否能取代實體實驗，依然是許多學者想探討的主題。有些學者認為電腦模擬實驗可以取代實體實驗，例如，Finkelstein 等（2005）對 231 位大學生進行研究，結果發現使用實驗模擬的學生在操作時間、實驗報告分數及電學概念後測成績上優於使用真正實驗器材的學生。Finkelstein、Perkins、 Adams、Kohl 和 Podolefsky（2004）以 363 位大學生為研究對象，結果顯示操作實驗模擬的學生學習成就顯著優於操作真實實驗器材的學生（p<.02），因此他們認為電路實驗模擬能夠取代真實實驗。多位學者認為，使用電腦模擬實驗的目的並非取代實體實驗，而是提供給學習者另一種輔助或延伸學習的環境（黃福坤，2006；Escobar 等，1992）。將互動式的電腦模擬實驗整合在物理課程中，教師藉由電腦模擬實驗與實體實驗操作兩者並行的教學方式，可以幫助學習者了解科學，讓學習更有成效，同時也可以提昇學生對科學現象的解釋能力（Steinberg, 2000；Zacharia, 2003）。根據 Zacharia（2007）在物理導論課程中對 90 位大學生進行電學實驗的研究發現，同時使用電腦模擬實驗與實體實驗操作，會比單獨使用電腦模擬實驗或單獨操作實體實驗更能有效改變學生對電流概念的理解（p < .001）。他認為得到這個結果的原因是：（a）電腦模擬實驗可以讓現象變得具體可見（例如：電的流動）；（b）電腦模擬實驗可以讓學生經由簡單而反覆的操作實驗獲得更多經驗；（c）電腦模擬實驗可以讓學生更容易操控實驗變因；和（d）電腦模擬實驗可以提供 10.

(21) 即時的回饋。 Jaakkola 和 Nurmi（2007）對 66 位 14 至 15 歲的學生為對象，進行簡單電學課程之學習成效研究，也發現結合電腦模擬實驗與實體實驗課程的學習成效顯著優於單獨使用電腦模擬實驗或實體實驗課程（p < .05）。綜合上述文獻可知，實驗教學有助於培養學生的科學態度與科學過程技能，而電腦模擬實驗與實體實驗的結合更能提高實驗教學的成效。多位學者（楊文金、許榮富，1987；Barmby 等，2008；Escobar 等，1992）指出，教師若能正確的運用實驗教學於科學教育中，不但可以培養學生對科學的興趣，還能培養主動與獨立工作的精神和解決科學問題的能力。因此，本研究採取在實體實驗前運用模擬實驗輔助教學，來探討實驗教學對學生在實體實驗後的學習成效。. 第二節模擬實驗對實驗技能的影響. 一、實驗技能是科學過程技能中的重要能力科學過程技能是科學家必備的技能，也代表處理與解決問題的能力。美國科學促進會（AAAS）自一九六一年接受美國國家科學基金會（NSF）的資助，經九年的研究、實驗教學及修訂，公佈了「科學－活動過程教學」（Science - a Process Approach, SAPA）。 AAAS 提出的科學過程技能包含八個基本過程技能及五個統整過程技能（魏明通，1997）：. 11.

(22) z. 基本科學過程技能：包含觀察、應用時間或空間的關係、分類、應用數字、測量、傳達、預測、推理等八個科學過程。. z. 統整科學過程技能：包含控制變因、解釋資料、形成假設、下操作型定義及設計實驗。. 在科學過程技能中，魏明通（1997）認為實驗包括了所有基本過程與統整過程的綜合能力。實驗室活動又可分為基礎與進階實驗技能，Wilson 與 Redish （1993）指出基礎實驗技能包含儀器操作、測量、收集與處理數據和呈現結果的能力；而進階實驗技能屬於創造性的技能，包含定義問題、提出假設、設計實驗、分析與評估等能力。. 二、測量是實驗技能中的重要基礎能力. 測量是科學探究活動中必須具備的技巧之一。科學實驗活動中，能夠進行準確與精細的測量是一項重要的基礎能力（Haza, 2006）。學生可以藉由在實驗過程中準確測量與清楚描述測量結果，獲得實驗操作技能與自信心（Escobar 等， 1992）。應用測量的技巧，學習者能夠測量物體的長度、體積及其他特性，並能夠由最大到小順序排列，訓練使用手指間距離、腳步長度、一杯水的體積等任意所指定的單位從事測量。測量的技巧不但需要適當選擇各種測量工具，而且要能計算測量所得而能夠判斷什麼時候可用近似測量來代替精密測量（魏明通， 1997）。一般而言，測量的學習必須包含：（a）能夠識別測量裝置的尺度，（b）能夠評估使用不同測量尺度的時機，及（c）能夠適當的記錄測量數據的有效數字。. 12.

(23) 三、準確測量可提升實驗技能在實驗活動中，正確操作儀器與準確測量對學生是非常重要的。學生在實驗過程中可以藉由準確測量各種物理量、確認影響測量準確度的因素、操作各種儀器與測量工具和清楚描述觀察與測量結果，獲得實驗操作技能與自信心（Escobar 等，1992）。然而，在實驗過程中學生可能因為（a）測量工具因校正時疏忽造成顯示刻度不正確，（b）溫度、壓力等環境的因素使刻度的數值產生變化，及（c）不正確的操作或錯誤的觀測方法等因素而產生測量誤差（黃福坤，2004）。綜合學者們（Haza, 2006；黃福坤，2004）提出準確測量的方法，包含：（a）改良儀器：使用較精確的儀器。測量儀器的精確度是指它所能測量的最小單位。單位愈小，精確度愈高；（b）控制實驗環境，以確保每一次的測量都在相同的條件下；（c）增加測量次數：反覆相同的測量，以獲得較好的平均值；（d）正確的操作儀器；和（e）使用正確尺度來讀取數據。. 四、運用模擬實驗提升實驗技能. 透過電腦模擬實驗可以讓學生了解測量方法與儀器的操作，練習實驗操作技能，並學習處理實驗數據的技能（Tlaczala 等，2006；Van Der Meer & De Bruijn, 2000），並讓學習者在短時間內反覆練習數據測量與實驗操作流程，提升實驗技能（Alessi & Trollip, 2003）。因此，本研究嘗試開發出具有儀器操作與測量功能的電學模擬實驗，讓學生 13.

(24) 可以直接改變接線方式與測量範圍，藉由訊息的回饋對數據的讀取與分析更加了解。藉此探討教師在實體實驗前運用模擬實驗輔助教學，對學生在實體實驗後的實驗技能之影響。. 第三節模擬實驗對實驗態度的影響科學概念、科學過程及科學態度是中小學科學教育中極重要的三個要素。其中，科學態度可分為（a）對自然界及周遭科學世界所持的基本態度，和（b）在科學學習、科學實驗時，應具備的科學態度（魏明通，1997）。許榮富（1984）在創造基礎科學教育的新環境一文中提及，國中理化教育目標在於繼續國小自然科學教育，啟發科學知能，培養科學興趣，以養成具有科學素養的國民。為此，必須使學生了解理化的基本知識，熟練科學的方法與技巧，培養科學的態度，以應用於日常生活並建立繼續學習的基礎。蘇懿生、黃台珠（1998）整理國內外科學教育相關研究發現，學生對科學的態度與其他學習成果有密切相關，提昇科學態度是科學教育中很重要的課題。 Klopfer、Shulman 和 Tamir 認為實驗教學有助於強化學生的科學態度（楊文金、許榮富，1987），提昇學生的實驗態度即有助於提昇學生的科學態度。過去的研究發現電腦模擬實驗有助於提昇學生對科學的學習動機。Sethi （2005）指出電腦模擬實驗可提供完整的互動，並結合多媒體及圖像，讓複雜概念視覺化；透過給予學習者適當的回饋可使複雜概念的學習變得有趣。Alessi 與 Trollip（2003）也發現電腦模擬實驗可將真實情境虛擬成學習者可理解的形式，有助於學習者進行有意義的思考和問題解決的能力；讓學習者自由操控，具有挑 14.

(25) 戰性且充滿想像力，能夠提高學習者的內在學習動機。因此，本研究嘗試開發出與實體實驗相仿的電學模擬實驗，並提供適當的即時訊息回饋，藉此探討教師在實體實驗前運用模擬實驗輔助教學，對學生在實體實驗後的實驗態度之影響。. 第四節模擬實驗設計. 一、良好的模擬實驗設計 Ronen 與 Eliahu（2000）認為電腦模擬實驗是理論與現實之間的橋樑，利用電腦模擬實驗中建構的回饋機制，有助於學生發現與修正迷思概念。Sethi（2005）指出，電腦模擬實驗藉由提供完整的互動，並結合多媒體及圖像，可讓複雜概念視覺化；透過給予學習者適當的回饋可使複雜概念的學習變得有趣。。 Barbeta（1998）針對使用者介面與功能提出良好的電腦模擬實驗設計須具備之特性如下： 1.. 即時性：所謂即時性是指可以模擬出真實現象中依時間變化而改變狀態的一系列事件。這類的電腦模擬實驗必須使用更有效率的演算法，並且小心的設計出可能得到的合理結果。一般的實驗課程較喜歡使用會即時呈現變化的電腦模擬實驗，它可以讓學習者觀察到瞬間的變化。若現象發生的太快而無法觀察到，設計者可以考慮用慢動作呈現結果。. 2.. 清晰的使用者介面：使用工具幫助學習者了解物理概念是最重要的。但是電腦模擬實驗中若有太多的選項與變數設定，會讓學習者難以使用。. 3.. 一致的使用者介面：一致的使用者介面來設計可以讓電腦模擬實驗操作變得簡單。. 15.

(26) 4.. 高互動性：在電腦模擬實驗中讓學習者有機會改變較大參數的範圍以觀察現象的差異。. 5.. 能夠收集實驗數據：收集數據可以做為進一步的分析。. 6.. 用動畫呈現現象：可以讓電腦模擬實驗更真實，而且更容易了解。. 二、模擬實驗的訊息回饋 Hirsch（2006）認為電腦模擬實驗須與學習者的生活經驗連結，讓學習者能輸入各種參數並觀察結果，同時提供好的即時引導（built-in tutorial），並適時給予足夠的訊息來解釋模擬的結果，進而引導學習者探索更深入的問題。 Finkelstein 等（2004）提出電腦模擬實驗必須提供有趣且具高互動性的開放學習環境，給予學習者視覺上的即時回饋，讓學習者透過真實且正確的動態呈現方式來建構物理概念模型。 Steinberg（2000, 2003）指出電腦模擬實驗中若僅呈現理論數據，並直接進行資料處理，學習者會不知道如何解釋實驗的不確定性（uncertainty），故其解釋實驗測量結果的能力會變弱，不僅無法鼓勵學習者思考做實驗的過程，也會使他們學習科學變得非常被動。 Ronen 和 Eliahu（2000）建議在模擬實驗中加入誤差回饋訊息，可以幫助學生在實體實驗中，學會處理儀器操作或測量過程產生的問題。. 三、國內外電腦模擬實驗發展現況電腦輔助教學可以針對學生的學習行為提供個別化的立即回饋。現今國內外學者在物理教育上發展的模擬實驗網站，大多是為了提昇學生對科學概念的理解 16.

(27) 與物理現象的驗證而設計，運用物理定律與公式之理論值來模擬物理現象；僅有極少部分的模擬實驗網站加入學習者在儀器操作時可能產生誤差的情境模擬，為了提昇儀器的操作能力與測量技巧而設計。目前國內外電腦模擬實驗網站的開發技術大致分為 Flash 動畫與 Java Applet（如表 2.2）。. 表 2.2 國內外知名電腦模擬實驗網站作者王建忍（1999）. 模擬實驗網站名稱／網址. 開發技術. 互動教具研究室 Flash http://www.hgjh.hlc.edu.tw/~drop/. 林大欽（2002）. Flash 理化練功房 Flash http://enjoy.phy.ntnu.edu.tw/mod/resource/view.php?id=8067. 涂維聖（2005）. 國中理化地科 Flash http://w3.sljhs.ylc.edu.tw/bandit/Flash_PC.htm. 黃福坤（2005）. Demolab 物理教學示範實驗教室 Java Applets http://www.phy.ntnu.edu.tw/moodle/index.php. Pascal Renault. http://mysite.verizon.net/vzeoacw1/applet_menu.html. Sergey Kiselev,. Interactive Physics and Math with Java Java Applets. Tanya Yanovsky-Kiselev The Princeton. http://www.physics.uoguelph.ca/applets/Intro_physics/kisalev Interactive Plasma Physics Education Experience Java Applets. Plasma Physics Laboratory （PPPL）. http://ippex.pppl.gov/ Java Applets on Physics. Walter Fendt. Java Applets http://www.walter-fendt.de/ph14e/ The Physics Classroom Tutorial. Tom Henderson. http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/Phys/Class/BBoard.ht. Java Applets. ml. 本研究嘗試設計兩種不同回饋策略之模擬實驗，提供學習者即時性回饋，並探討在實體實驗前運用不同回饋策略的電腦模擬實驗輔助實驗教學，對學生在實. 17.

(28) 體實驗後的實驗技能與實驗態度之影響。. 第五節運用模擬實驗輔助實驗教學之策略「教學策略」是指教師教學時有計畫地引導學生學習，從而達成教學目標所採行的一切方法（張春興，1996）。Huba 與 Freed（2000）研究指出現今高等教育的趨勢著重在以學習者為中心（learner centered）的教學，學生不該只是被動的接受知識。一九九○年代之後教學已從教師中心（teacher centered）轉到學生中心（student centered），教師不再是知識的灌輸者，而是學生學習的協助者（符碧真，2009）。然而，「學生為中心」是否能完全取代傳統「教師為中心」的教學呢？教育學者認為它們各有其特性與教學上的優缺點，教師應了解其特性與差異，適當的運用在教學中，才能達到良好教學成效（Han, 2008）。因此，教學策略的選擇是相對性的，適當與否決定於教學目標、學科性質以及學生能力等因素（張春興， 1996）。張春興（1996）在教育心理學中將教學策略分為教師主導取向的教學策略與學生自學取向的教學策略： 1.. 教師主導取向的教學策略（teacher centered）：別稱指導教學（direct instruction）。特別強調教師對教材的講解，所以也稱為明示教學（explicit teaching）。大致有五個步驟：從舊經驗引導新學習→明確地講解教材內容→輔導學生做及時練習→從回饋中做錯誤校正→讓學生獨立完成作業。 18.

(29) 2.. 學生自學取向的教學策略（student centered）：融合布魯納的發現學習論與人本主義的學習理論。 z. 在教師引導下發現學習：強調教材結構性、加重教師輔導者的角色。. z. 在合作學習中追求新知：教師參與引導而不主導。. z. 寓求知於生活的教學活動。. 一、教師為中心與學生為中心教學策略之比較：表 2.3 教師為中心與學生為中心教學策略之比較（Huba & Freed, 2000；Allen, 2004）概念學生的學習. z z z z. 教師的教學. z z. 課程的傳遞. z z. 教師為中心聆聽閱讀在成績的競爭下依賴的學習知識是由教師傳授給學生的. 學生被動接收資訊教師的角色是知識的灌輸者講授指派作業和考試. z z z. z z z z z z. 學習型態. z. 著重正確答案的學習. z. 學生為中心學生透過新舊學習內容的整合來建構知識學習被視為認知與社會行為學生透過收集、分析、探究整合、溝通、批判思考、問題解決等方法來建構知識學生主動投入學習教師的角色提供學習的引導與協助主動式學習合作學習問題導向學習自主學習著重在錯誤中學習，並提出好問題. 二、以教師為中心進行模擬實驗輔助教學「教師為中心」的實驗教學策略是由教師主導的教學策略，教師使用講述或示範的方法清楚呈現實驗方法或科學理論。Nancheva 和 Stoyanov（2005）認為教師運用教師為中心的教學策略，展示電腦模擬實驗結果來解說物理現象，可提昇學生科學概念的學習。但是，Chiaverina 和 Vollmer（2005）卻認為以教師為中心的教學策略，學生只能被動聽老師講解或示範科學理論。. 19.

(30) 三、以學生為中心進行模擬實驗輔助教學「學生為中心」的實驗教學策略是由學生親自觀察與探索，在實體實驗前讓學生親自操作電腦模擬實驗工具進行學習的策略。學生為中心的教學策略會讓學生變得更主動投入探索（Chiaverina & Vollmer, 2005），並建構出屬於自己的知識（Escobar 等，1992）。若運用科技於以學生為中心的學習環境中，更能夠增加學生的學習成效（Gravoso, Pasa, Labra, & Mori, 2008）。Odom 等（2007）研究發現教師運用學生為中心的教學策略，讓學生親自操作電腦模擬實驗反覆進行測量練習，可以幫助學生在實體實驗中掌控實驗流程，提高實驗效率。在對 611 位 7、8 年級的學生進行教學策略、學習成就與對科學的態度之研究結果顯示，接受以學生為中心教學之學生，在參與討論、重複操作實驗、小組合作進行問題解決與科學學習成就，均優於接受以教師為中心教學之學生。但是，Wilkinson 等（1988）研究發現，此種教學策略必須在教師依據學習者的個別性給予學習素材，學生也主動融入學習時，才能獲得好的學習成效。綜合上述研究結果發現，教師為中心與學生為中心的實驗教學策略皆有其特性與教學上的優缺點。因此，本研究採用兩種教學策略進行電腦模擬實驗輔助教學，探討運用不同的教學策略對學生在實體實驗後的實驗技能與實驗態度之影響。. 20.

(31) 第三章電腦模擬實驗設計為了探討不同回饋策略的電腦模擬實驗對學生實驗技能與實驗態度的影響，本研究以國中自然與生活科技領域課程中的電學實驗為例，Macromedia Flash 8.0 為系統開發工具，運用 Action Script 2.0 的物件導向程式設計功能，製作出具互動式應用程式介面的理論值回饋電腦模擬實驗和誤差值回饋電腦模擬實驗，做為進行實體實驗前的輔助教學工具。以下就實驗單元、模擬實驗設計、模擬實驗儀器設計與模擬實驗操作流程進行說明。. 第一節實驗單元本研究所開發的模擬實驗包含電流測量、電壓測量與電阻測量三個單元，其實驗目的與實驗操作流程分述如下：一、電流測量模擬實驗本單元旨在教導學習者正確測量電流，其中包含安培計的歸零、正負極接線方式與電流讀取。操作流程為：（a）安培計歸零，（b）負極接線，（c）選取電池數量，（d）正極電路接線，和（e）讀取電流值。二、電壓測量模擬實驗本單元旨在教導學習者正確測量電壓，其中包含伏特計的歸零、正負極接線方式與電壓讀取。操作流程為：（a）伏特計歸零，（b）負極接線，（c）選取電池數量，（d）正極電路接線，和（e）讀取電壓值。 21.

(32) 三、電阻測量模擬實驗本單元旨在教導學習者正確測量電阻，並經由正確的電流、電壓測量與電壓 -電流圖的繪製，觀察出電壓與電流的關係，進一步驗證歐姆定律。操作流程為：（a）安培計與伏特計歸零，（b）負極接線，（c）選取電池數量，（d）安培計正極電路接線，（e）讀取電流值，（f）伏特計正極電路接線，（g）讀取電壓值，（h）記錄電壓電流值，和（i）繪製電壓-電流圖。. 第二節模擬實驗設計本研究開發的模擬實驗包含實驗數據收集與記錄、繪製電壓-電流關係圖（V-I 圖）與即時回饋功能。以下先就模擬實驗設計中所指的理論值、測量值與誤差值進行說明： z. 電壓理論值（Vtheory）為模擬實驗在初始狀態隨機產生的電池電壓。. z. 電阻理論值（Rtheory）為模擬實驗在初始狀態隨機產生的燈泡電阻值。. z. 電流理論值（Itheory）係依據歐姆定律推導出的電阻=電壓／電流公式，推算得出 Itheory = Vtheory / Rtheory 。. z. 電壓測量值（Vmeasure）為學習者讀取伏特計上的數據後所輸入的值。. z. 電流測量值（Imeasure）為學習者讀取安培計上的數據後所輸入的值。. z. 電阻測量值（Rmeasure）是將學習者進行完四組電壓電流測量後所得之電壓測量值（Vmeasure）與電流測量值（Imeasure）代入迴歸公式計算所得到的值。. 22.

(33) R measure =. z. ∑V. measure. ∑I. ∑V. measure 2. measure. −. −. ∑V. measure. ∑I. measure. N (∑V measure) 2. ,N = 4. N. 電流相對誤差 Ierror：當學習者輸入電流測量值後按下 Enter 鈕，依據電，計算出電流流測量值（Imeasure）與模擬儀器產生的電流理論值（Itheory）相對誤差 Ierror。 Ierror = ⎜ （Imeasure – Itheory） ⎜÷ Itheory × 100%，Itheory = Vtheory ÷ Rtheory. z. 電壓相對誤差 Verror：當學習者輸入電壓測量值後按下 Enter 鈕，依據電壓測量值（Vmeasure）與模擬儀器產生的電壓理論值（Vtheory），計算出電壓相對誤差 Verror。 Verror = ⎜ （Vmeasure – Vtheory） ⎜÷ Vtheory × 100%. z. 電阻相對誤差 Rerror：當學習者進行完四組電壓電流測量後，先計算出電阻測量值 Rmeasure，再依據電阻測量值（Rmeasure）與模擬儀器產生的電阻理論值（Rtheory），計算出電阻相對誤差 Rerror。 Rerror = ⎜（Rmeasure – Rtheory ） ⎜ ÷ Rtheory × 100%. 一、實驗數據收集與記錄設計在電阻測量模擬實驗中，學習者每進行完一組電流、電壓的測量後，就可依據連接之電池數量按下「記錄數據按鈕」，電腦會自動收集測量值，並於「實驗記錄」表格中記錄電壓測量值（Vmeasure）與電流測量值（Imeasure），如圖 3.1。. 23.

(34) 記錄數據按鈕作圖鈕. 圖 3.1 實驗數據收集與記錄. 二、電壓－電流關係圖繪製設計在電阻測量模擬實驗中，當學習者完成四組實驗數據的收集與記錄後，即可按下「作圖」鈕（如圖 3.1），電腦會依據實驗記錄表中的電壓值與電流值自動描點，並繪製電壓－電流圖。其中，理論值回饋電腦模擬實驗是根據四組電壓理論值（Vtheory）與四組電流理論值（Itheory）進行描點，並以電阻理論值 Rtheory 做為電壓－電流關係圖的斜率，繪製出斜直線；誤差值回饋電腦模擬實驗是根據學習者測得之四組電壓值（Vmeasure）與四組電流值（Imeasure）自動描點，並以電阻測量值 Rmeasure 做為電壓－電流關係圖的斜率，繪製迴歸線（如圖 3.2）。. 24.

(35) Rmeasure 迴歸線. Rerror. 圖 3.2 誤差值回饋電腦模擬實驗之電壓－電流關係圖繪製. 三、即時回饋功能設計 1.理論值回饋理論值回饋電腦模擬實驗中當學習者操作完成電錶歸零、正負極接線工作後，只需按下「Enter」鈕，電腦會直接顯示電壓理論值 Vtheory 與電流理論值 Itheory （如圖 3.3），提供學習者自行驗證讀取數據的機會。. Enter 鈕. Enter 鈕. Itheory Vtheory. 圖 3.3 理論值回饋電腦模擬實驗直接顯示電壓電流理論值. 25.

(36) 2.誤差值回饋在誤差值回饋電腦模擬實驗中，當學習者依序完成電錶歸零、正負極接線工作後輸入電壓或電流測量值，畫面立即顯示學習者在本次測量之百分誤差，並依據誤差值的範圍給予學習者不同程度的回饋訊息（圖 3.4）： z. 當百分誤差小於 1%時，即時回饋訊息為「Excellent !!」。. z. 當百分誤差介於 1% 與 3%時，即時回饋訊息為「Very Good !!」。. z. 當百分誤差介於 3%與 5%時，即時回饋訊息為「Good !」。. z. 當百分誤差大於 5%時，即時回饋訊息為「Poor !」。. Vmeasure. Imeasure Ierror. Verror. 即時回饋訊息. 即時回饋訊息. 圖 3.4 誤差值回饋電腦模擬實驗測量值輸入與即時回饋功能. 第三節模擬實驗之儀器與元件設計本研究中的電腦模擬實驗儀器包含具歸零功能的伏特計與安培計設計、負極接點與正極接點設計、隨機產生電壓值的 1 號電池設計，與隨機產生電阻值的燈泡設計，以下就各個儀器與元件的設計方式進行說明：. 26.

(37) 一、伏特計與安培計歸零設計在實體電學實驗中，電錶是否歸零是影響數據讀取的重要因素。本研究所開發的模擬實驗係模擬真實伏特計與安培計的「歸零」功能（如圖 3.5）而設計，由亂數產生指針 ±5 度的初始偏差量。為了讓學習者在測量前先進行電錶歸零，畫面一開始便顯示「請先歸零」訊息，學習者必須先進行歸零操作後，訊息才會消失，接著才能進行正負極接線等實驗流程。歸零鈕包含左旋鈕與右旋鈕，每按一下左旋鈕，指針往右旋轉 1 度；每按一下右旋鈕，指針往左旋轉 1 度。. 歸零鈕. 歸零鈕. 圖 3.5 伏特計與安培計歸零功能. 二、負極接線與正極接點伏特計與安培計上的一個黑色按鈕為負極接點，學習者按下黑色按鈕後即可完成負極接線程序；三個紅色按鈕為正極接點，分別代表讀取測量值的最大範圍（如圖 3.6）。學習者若未選擇正確的正極接點進行測量則有爆錶的訊息提示，以引導學習者進行正確的測量。安培計的 3 個正極接點為 50 mA、500 mA 和 5 A；伏特計的 3 個正極接點分別為 3 V、15 V 和 30 V。. 27.

(38) 紅色正極接點. 黑色負極接點. 圖 3.6 負極接線與正極接點. 28.

(39) 三、 1 號電池的電壓理論值設計模擬實驗中出現的每顆電池皆假設為新的 1 號電池（如圖 3.7），其電壓理論值 Vtheory 由電腦隨機產生，1.5 V ≤ Vtheory ≤ 1.7 V，Vtheory = Math.random() × 0.2 + 1.5，0 ≤ Math.random() ≤ 1。. 圖 3.7 4 顆隨機產生電壓值之 1 號電池. 四、燈泡的電阻理論值模擬實驗中出現的每個燈泡之電阻理論值 Rtheory 由電腦隨機產生，10 Ω ≤ Rtheory ≤ 12 Ω，Rtheory = Math.random() × 2 + 10，0 ≤ Math.random() ≤ 1。. 第四節模擬實驗操作流程一、理論值回饋電腦模擬實驗理論值回饋電腦模擬實驗係依據歐姆定律推導出的電阻=電壓／電流公式，推算得出電流理論值。學習者在各個單元的模擬實驗中完成電路接線後，電錶指針依據電壓電流理論值產生偏轉。在學習者按下輸入鈕時，畫面上自動顯示電壓與電流理論值。在電阻實驗模擬單元中，學習者可經由電壓－電流關係圖觀察電. 29.

(40) 壓、電流與電阻之間的關係。理論值回饋電腦模擬實驗操作流程如圖 3.8。二、誤差值回饋電腦模擬實驗誤差值回饋電腦模擬實驗亦是依據歐姆定律推導出的電阻=電壓／電流公式，推算得出電流理論值。學習者在各個單元的模擬實驗中完成電路接線後，電錶指針依據電壓電流理論值產生偏轉，學習者必須自行輸入電壓、電流測量值。電腦會計算出學習者的測量值和理論值之間的誤差，即時提供百分誤差與訊息回饋，引導學習者思考誤差原因並修正錯誤。電阻模擬實驗可記錄學習者的電壓、電流測量值，自動繪製電壓－電流關係圖，並依據迴歸公式計算出學習者的電阻測量值，再藉由電阻測量值與電阻理論值間的差距，計算出電阻誤差與相關訊息。誤差值回饋電腦模擬實驗系統架構與操作流程如圖 3.9。. 30.

(41) 操作儀器歸零連接負極. 選取電池數量進行下一個測量. 選擇正極測量範圍自動顯學習者按下 Enter 示理論值自動顯示理論值，不需由學習者輸入. 否是否已記錄 4 組數據. 記錄實驗數據. 是自動描點繪製電壓－電流圖自動繪製迴歸線. 顯示電阻理論值. 圖 3.8 理論值回饋電腦模擬實驗操作流程示意圖. 31.

(42) 操作儀器歸零連接負極. 選取電池數量. 選擇正極測量範圍. 學習者讀取電錶數據. 學習者輸入測量值. 顯示百分誤差. 顯示回饋訊息. 是. 學習者輸入測量值並獲得誤差回饋. 學習者決定是否重新測量. 進行下一個測量. 否. 否是否已記錄 4 組數據. 記錄實驗數據. 是自動描點繪製電壓－電流圖. 自動繪製迴歸線. 自動計算電阻測量值並顯示測量誤差. 圖 3.9 誤差值回饋電腦模擬實驗系統架構與操作流程示意圖 32.

(43) 第四章研究方法本研究採用準實驗研究的二因子前後測設計（pretest-posttest two-by-two factorial design），以電腦模擬實驗的回饋策略與教學策略為自變項；實驗教學前的實驗技能與實驗態度前測為共變項，實體實驗後的實驗技能與實驗態度後測為依變項，探討教師在實體實驗前運用不同教學策略於不同回饋之電腦模擬實驗輔助教學，對國中學生在實體實驗後的實驗技能與實驗態度之影響。其中，教學策略分為教師為中心與學生為中心；不同回饋策略之電腦模擬實驗分為理論值回饋電腦模擬實驗與誤差值回饋電腦模擬實驗。以下分別就研究設計、參與者、實驗處理、研究工具、實驗流程與資料分析等進行說明。. 第一節研究設計本研究為了探討教師在實體實驗前運用不同教學策略於不同回饋策略之電腦模擬實驗輔助教學，對國中學生在實體實驗後的實驗技能與實驗態度之影響，將學生以班級為單位隨機分派為四組：（a）由學生操作誤差值回饋電腦模擬實驗的「學生－誤差值組」，（b）由教師展示誤差值回饋電腦模擬實驗的「教師－誤差值組」，（c）由學生操作理論值回饋電腦模擬實驗的「學生－理論值組」，和（d）由教師展示理論值回饋電腦模擬實驗的「教師－理論值組」，如表 4.1 所示。. 表 4.1 電腦模擬實驗輔助教學分組電腦模擬實驗教學策略. 誤差值回饋. 理論值回饋. 學生為中心. 「學生－誤差值組」. 「學生－理論值組」. 教師為中心. 「教師－誤差值組」. 「教師－理論值組」. 33.

(44) 第二節參與者. 本研究的參與者為台北市信義區某公立國中九年級四個班級的學生，共 144 人，學生平均年齡為 15 歲，全校共有 45 個班級，為台北市信義計畫區內的中型學校。本區家長的社經背景偏高，學生在學習成就上也略高於郊區的學生。該校按學生國中入學考試之學科與智力測驗成績總分高低進行 S 型常態編班。研究者將學生以班級為單位隨機分派為四組，每組參與者皆為 36 人。. 第三節實驗處理本研究的實驗教學活動均於實驗室中進行，每班學生先依八年級理化六次定期考查成績總分排序後，再以 S 型進行異質性分成六個小組，每一小組中成員均有學業成就高、中、低之學生共六人，小組內自行分工及合作（電腦操作、實驗操作、實驗記錄、實驗報告書寫等工作），課程中各小組內學生可以互相討論，但為了維持課堂秩序，小組與小組之間不能互相交談。四個班級的任課教師均為同一人（即研究者本人），任課教師為師大物理系畢業之合格理化教師，國中任教年資為 14 年，教學經驗相當豐富，對於班級常規及課程的掌控也非常熟練，在教學上經常運用電腦實驗模擬與實體實驗來進行理化科實驗教學，另有二位實習教師協助常規管控及突發狀況處理。在教師運用電腦模擬實驗輔助教學過程中，「學生－誤差值組」的每一小組共同使用一部電腦操作誤差值回饋電腦模擬實驗進行討論與學習；「學生－理論值組」每一小組共同使用一部電腦操作理論值回饋電腦模擬實驗進行討論與學 34.

(45) 習；「教師－誤差值組」則由老師操作誤差值回饋電腦模擬實驗並以單槍投影的展示方式與全班學生共同討論與學習；「教師－理論值組」則由老師操作理論值回饋電腦模擬實驗並以單槍投影的展示方式與全班學生共同討論與學習。在實體實驗過程中，四組學生均以小組為單位共同操作電流測量、電壓測量和電阻測量實驗，小組中成員與進行電腦模擬實驗的小組成員相同。. 第四節研究工具本研究使用實驗技能評量與實驗態度量表來了解教師在實體實驗前運用不同教學策略進行不同回饋之電腦模擬實驗輔助教學，對學生在實體實驗後的實驗技能與實驗態度之影響。. 一、實驗技能評量為了檢測學生的實驗技能，研究者根據翰林版課本第五冊實驗手冊及九年一貫自然與生活科技課程能力指標及學生在電學實驗中較常遇到的問題，設計編製實驗技能評量。本評量主要量測的技能為電學實驗中的四項能力：（a）電錶操作，（b）電路接線，（c）數據讀取，和（d）誤差分析。故將題目分為「電錶歸零試題」計有 2 題、「電路接線試題」計有 3 題、「讀取測量值試題」計有 5 題與「誤差處理試題」計有 7 題，共計 17 題單選題（詳如附錄一），每題 1 分，總分為 17 分。評量編製完成後，邀請一位高中資深物理教師和二位國中資深理化教師參與試題修訂，最後經指導教授審閱修訂完成。研究者隨機選取九年級未參與正式實. 35.

(46) 驗的班級學生 32 人進行預試。研究者對學生預試作答結果進行難度（item difficulty）與鑑別度（item discrimination）分析，結果發現 17 道題目中的第 13 題與第 15 題的鑑別度未達 0.25，故予以刪除，其它 15 道題均符合郭生玉（2005）提出試題難度需介於 0.20 至 0.80、鑑別度需達 0.25 以上的標準建議值。本份評量試題在正式實驗中的難度與鑑別度分析摘要如表 4.2。. 表 4.2 實驗技能評量試題正式實驗分析摘要表題號. 高分組答對率. 低分組答對率. 難度(P). 鑑別度(D). 第1題. 0.881. 0.366. 0.624. 0.515. 第2題. 1.000. 0.537. 0.769. 0.463. 第3題. 0.952. 0.341. 0.647. 0.611. 第4題. 0.976. 0.341. 0.659. 0.635. 第5題. 0.929. 0.244. 0.587. 0.685. 第6題. 0.810. 0.122. 0.466. 0.688. 第7題. 0.595. 0.341. 0.468. 0.254. 第8題. 0.929. 0.293. 0.611. 0.636. 第9題. 0.619. 0.244. 0.432. 0.375. 第 10 題. 0.929. 0.244. 0.587. 0.685. 第 11 題. 0.881. 0.341. 0.611. 0.540. 第 12 題. 0.976. 0.415. 0.696. 0.561. 第 14 題. 0.643. 0.195. 0.419. 0.448. 第 16 題. 0.762. 0.512. 0.637. 0.250. 第 17 題. 0.857. 0.463. 0.660. 0.394. 二、實驗態度量表為了評估學生的實驗態度，研究者依據九年一貫自然與生活科技課程能力指標，並參考國內學者潘正安（1984）所發展的科學態度自編量表與國外學者 Fraser （1978）所發展之科學相關態度量表（Test of Science Related Attitudes, TOSRA），. 36.

(47) 設計編製實驗態度量表。本量表包含：（a）對小組合作的態度，（b）對學習科學的態度，（c）對實驗活動的態度，和（d）對實驗誤差的態度四個分量表，每個分量表為 5 道題目，共計 20 題（詳如附錄二）。為了檢驗學生在答題時是否有真正思考，或只是應付作答，研究者將題型分為正向題與反向題，學生根據自己在實驗課程的實際情形作答。本量表採用 Likert 五點量表計分，每一道題目最高 5 分，最低１分，每一個分量表上得分的總和即為該分量表的分數，最低分為 5 分，最高分為 25 分。量表編製完成後，研究者選取九年級未參與正式實驗的班級學生 32 人進行預試。本量表預試結果顯示「對小組合作的態度」、「對學習科學的態度」、「對實驗活動的態度」和「對實驗誤差的態度」四個分量表之 Cronbach’s alpha 信度值分別為 .83、.85、.90 和 .74，而整份量表預試的 Cronbach’s alpha 信度值為 .94，符合學者提出具有實用價值性的教育測驗最小信度值為.70 以上之標準（吳明隆、涂金堂，2006）。. 第五節實驗流程本研究正式實驗程序分為三個階段，共計 195 分鐘：第一階段為實驗技能與實驗態度前測，於第一堂課以 30 分鐘進行；第二階段為實驗教學活動，共三堂課，每堂課 45 分鐘，分別進行電流實驗、電壓實驗與電阻實驗；第三階段則為實驗技能與實驗態度後測，於第五堂課以 30 分鐘進行。在第二階段的實驗教學活動中包含電流實驗、電壓實驗和電阻實驗三個子活動，在每一個子活動中，所有參與者先接受 10 分鐘的電學概念教學；再依據不 37.

(48) 同教學策略與不同回饋電腦模擬實驗，將參與者分為四組，分別進行 15 分鐘的電腦模擬實驗輔助教學；最後再進行 20 分鐘的實體實驗活動。實驗流程如圖 4.1 所示：. 38.

(49) 前測實驗技能實驗態度. 學生－誤差值組. 學生－理論值組. 教師－誤差值組. 教師－理論值組. 概念教學. 電流概念教學. 電壓概念教學. 電阻概念教學. 電流概念教學. 電壓概念教學. 電阻概念教學. 電流概念教學. 電壓概念教學. 電阻概念教學. 電流概念教學. 電壓概念教學. 電阻概念教學. 電腦模擬實驗輔助教學. 電流測量. 電壓測量. 電阻測量. 電流測量. 電壓測量. 電阻測量. 電流測量. 電壓測量. 電阻測量. 電流測量. 電壓測量. 電阻測量. 電流測量. 電壓測量. 電阻測量. 電流測量. 電壓測量. 電阻測量. 電流測量. 電壓測量. 電阻測量. 電流測量. 電壓測量. 電阻測量. 實體實驗. 後測實驗技能實驗態度. 圖 4.1 實驗流程. 第六節資料分析本研究採用二因子共變數（Two-way ANCOVA）分析方式，分別對實驗技能與實驗態度測驗結果進行統計，以了解教師在實體實驗前運用不同的教學策略於 39.

(50) 不同回饋之實驗模擬，是否影響國中學生實驗技能與實驗態度。首先對各組自變項進行組內迴歸係數同質性考驗，若符合組內迴歸係數的同質性，則進行共變數分析；分析若結果達顯著水準，則進行事後比較。分析過程中皆以 .05 為顯著水準。. 40.

(51) 第五章研究結果與討論本研究參與者共 144 名，剔除 31 名因參與校外技藝課程無法全程參與實驗的無效樣本後，計有 113 名參與者之資料被納入分析。. 第一節實驗技能結果分析. 一、實驗技能前測結果實驗技能前測結果（如表 5.1）顯示四組學生的成績雖有些微差異，但經變異數分析後，結果（如表 5.2）顯示四組學生的實驗技能未達顯著差異（F = 3.369， p = .069 > .05），亦即四組學生在實驗教學前的實驗技能是一致的。. 表 5.1 描述性統計：依變項／實驗技能前測成績電腦模擬實驗誤差值回饋. 理論值回饋. 教學策略. M. SD. M. SD. M. 學生為中心. 5.929 (n = 28). 2.193. 6.042 (n = 24). 2.368. 5.981 (n = 52). 教師為中心. 7.138 (n = 29). 2.199. 5.719 (n = 32). 2.098. 6.393 (n = 61). 平均數. 6.544 (n = 57). 2.260. 5.817 (n = 56). 2.203. 表 5.2 實驗技能之變異數分析摘要表變異來源. SS. Df. MS. F. Sig.. 組間. 16.406. 1. 16.406. 3.369. 0.069. 誤差項. 530.733. 109. 4.869. *p<.05. 41.

(52) 二、實驗技能後測之調整後成績排除前測影響後，四組學生實驗技能後測之調整後成績（如表 5.3）由高至低依序為「學生－誤差值組」（M = 10.697）、「學生－理論值組」（M = 10.283）、「教師－理論值組」（M = 9.910）與「教師－誤差值組」（M = 7.572）。. 表 5.3 描述性統計：依變項／實驗技能後測之調整後成績電腦模擬實驗誤差值回饋. 理論值回饋. 教學策略. M. SD. M. SD. M. 學生為中心. 10.697 (n = 28). 0.488. 10.283 (n = 24). 0.526. 10.506 (n = 52). 教師為中心. 7.572 (n = 29). 0.490. 9.910 (n = 32). 0.495. 8.798 (n = 61). 平均數. 9.107 (n = 57). 10.070 (n = 56). 三、迴歸係數同質性考驗實驗技能之組內迴歸係數同質性考驗結果如表 5.4 所示，由於 F 值未達顯著（F = 1.811，p = .149 > .05），符合迴歸係數同質性之假定，可以繼續進行共變數分析（吳明隆、涂金堂，2006）。. 表 5.4 實驗技能之組內迴歸係數同質性考驗 F. df1. df2. Sig.. 1.811. 3. 109. 0.149. *p<.05. 42.

(53) 四、共變數分析在排除前測的影響後，對實驗技能進行二因子共變數分析，結果（如表 5.5）顯示教師在實體實驗前運用不同教學策略於不同回饋之電腦模擬實驗輔助教學後，對提升國中學生在實體實驗後的實驗技能有顯著的交互作用效果（F = 7.723， p = .006 < .05），因而需進一步進行單純主要效果考驗。. 表 5.5 實驗技能之二因子共變數分析摘要表變異來源. SS. Df. MS. F. Sig.. 不同回饋. 25.265. 1. 25.265. 3.803. 0.054. 教學策略. 84.592. 1. 84.592. 12.732. 0.001*. 交互作用. 51.308. 1. 51.308. 7.723. 0.006*. 誤差項. 717.542. 108. 6.644. *p<.05. 五、單純主要效果考驗 1.. 教師運用不同教學策略於理論值回饋電腦模擬實驗輔助教學的單純主要效果比較中，排除前測成績影響後的結果（如表 5.6）發現，運用學生為中心教學策略（M = 10.283）對學生在實驗技能的影響與運用教師為中心教學策略（M = 9.910）沒有顯著差異（F = .158，p = .692 > .05）。. 表 5.6 運用不同教學策略於理論值回饋電腦模擬實驗輔助教學的單純主要效果比較變異來源. SS. df. MS. F. Sig.. 組間. 1.047. 1. 1.047. 0.158. 0.692. 誤差. 350.798. 53. 6.619. *p<.05. 2.. 教師運用不同教學策略於誤差值回饋電腦模擬實驗輔助教學後的單純主要效 43.

(54) 果比較中，排除前測成績影響後的結果（如表 5.7）發現，運用學生為中心教學策略（M = 10.697）對學生在實驗技能的影響與運用教師為中心教學策略（M = 7.572）有顯著差異（F = 17.046，p = .000 < .05）。. 表 5.7 運用不同教學策略於誤差值回饋電腦模擬實驗輔助教學的單純主要效果比較變異來源. SS. df. MS. F. Sig.. 組間. 100.963. 1. 100.963. 17.046. 0.000*. 誤差. 319.841. 54. 5.923. *p<.05. 3.. 教師運用教師為中心教學策略於不同回饋之電腦模擬實驗輔助教學後的單純主要效果比較中，排除前測成績影響後的結果（如表 5.8）發現，使用理論值回饋電腦模擬實驗（M = 9.910），對學生在實驗技能的影響與使用誤差值回饋電腦模擬實驗（M = 7.572）有顯著差異（F = 12.467， p = .001 < .05）。. 表 5.8 運用教師為中心教學策略於不同回饋電腦模擬實驗的單純主要效果比較變異來源. SS. df. MS. F. Sig.. 組間. 92.078. 1. 92.078. 12.476. 0.001*. 誤差. 428.062. 58. 7.380. *p<.05. 4.. 教師運用學生為中心教學策略於不同回饋之電腦模擬實驗輔助教學後的單純主要效果比較中，排除前測成績影響後的結果（如表 5.9）發現，使用誤差值回饋電腦模擬實驗（M = 10.697），對學生在實驗技能的影響與使用理論值回饋電腦模擬實驗（M = 10.283）沒有顯著差異（F = 0.360，p = .551 > .05）。. 44.

(55) 表 5.9 運用學生為中心教學策略於不同回饋電腦模擬實驗的單純主要效果比較變異來源. SS. df. MS. F. Sig.. 組間. 1.992. 1. 1.992. 0.360. 0.551. 誤差. 271.044. 49. 5.532. *p<.05. 第二節實驗態度結果分析. 一、實驗態度前測結果實驗態度前測結果（如表 5.10）顯示四組雖有些微差異，但經變異數分析後，結果（如表 5.11）顯示四組學生的實驗態度未達顯著差異（F = 0.002，p = .969 > .05），亦即四組學生在實驗教學前的實驗態度是一致的。. 表 5.10 描述性統計：依變項／實驗態度前測成績電腦模擬實驗誤差值回饋. 理論值回饋. 教學策略. M. SD. M. SD. M. 學生為中心. 69.429 (n = 28). 13.884. 72.542 (n = 24). 7.995. 70.865 (n = 52). 教師為中心. 71.259 (n = 29). 12.925. 74.203 (n = 32). 8.9712. 72.803 (n = 61). 平均數. 70.360 (n = 57). 13.316. 73.491 (n = 56). 8.531. 表 5.11 實驗態度之變異數分析摘要表變異來源組間誤差項. SS 0.199 13847.056. Df. MS. 1. 0.199. 109. *p<.05. 45. 127.037. F. Sig.. 0.002. 0.969.

(56) 二、實驗態度後測之調整後成績排除前測影響後，四組學生實驗態度後測之調整後成績（如表 5.12）由高至低依序為「教師－理論值組」（M = 74.536）、「學生－誤差值組」（M = 73.509）、「教師－誤差值組」（M =72.259）、與「學生－理論值組」（M = 71.948）。. 表 5.12 描述性統計：依變項／實驗態度後測調整後成績電腦模擬實驗誤差值回饋. 理論值回饋. 教學策略. M. SD. M. SD. M. 學生為中心. 73.509 (n = 28). 1.441. 71.948 (n = 24). 1.506. 72.717 (n = 52). 教師為中心. 72.259 (n = 29). 1.665. 74.536 (n = 32). 1.541. 73.453 (n = 61). 平均數. 72.873 (n = 57). 73.561 (n = 56). 三、迴歸係數同質性檢驗在進行實驗態度之組內迴歸係數同質性考驗後，所得結果如表 5.13 所示。其 F 值未達顯著（F = 0.544，p = .653 > .05），符合迴歸係數同質性之假定，可以繼續進行共變數分析（吳明隆、涂金堂，2006）。. 表 5.13 實驗態度之組內迴歸係數同質性考驗摘要表 F. df1. df2. Sig.. 0.544. 3. 109. 0.653. *p<.05. 46.

(57) 四、共變數分析排除前測成績的影響後，對實驗態度結果進行二因子共變數分析，結果（如表 5.14）顯示教師在實體實驗前運用不同教學策略於不同回饋之電腦模擬實驗輔助教學後，對提升國中學生在實體實驗後的實驗態度之影響沒有顯著的交互作用效果（F = 1.567，p = .213 > .05），因而需進一步進行主要效果考驗。五、主要效果考驗 1.. 教師在實體實驗前使用不同回饋之電腦模擬實驗輔助教學的主要效果比較中，排除前測成績影響後的結果（如表 5.14）顯示，使用誤差值回饋電腦模擬實驗（M = 72.837）對學生在實體實驗後的實驗態度之影響與使用理論值回饋電腦模擬實驗（M = 73.561）沒有顯著差異（F = 0.053，p = .818 > .05）。. 2.. 教師在實體實驗前運用不同教學策略進行電腦模擬實驗輔助教學的主要效果比較中，排除前測成績影響後的結果（如表 5.14）顯示，運用學生為中心教學策略（M = 72.717）對學生在實體實驗後的實驗態度之影響與運用教師為中心教學策略（M = 73.453）沒有顯著差異（F = 0.189，p = .665 > .05）。. 表 5.14 實驗態度之二因子共變數分析摘要表變異來源. SS. df. MS. 不同回饋. 3.5. 1. 教學策略. 12. 交互作用誤差項. F. Sig.. 3.510. 0.053. 0.818. 1. 12.420. 0.189. 0.665. 103. 1. 102.926. 1.567. 0.213. 7093.797. 108. 65.683. *p<.05. 47.