空間能力、先備知識與表徵順序對七年級概念理解之影響：以人體呼吸運動單元為例

全文

(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士班碩士論文. 指導教授：吳心楷博士. 空間能力、先備知識與表徵順序對七年級概念理解之影響：以人體呼吸運動單元為例. 研究生：林郁芬. 中華民國一百年二月.

(2)

(3)

(4)

(5) 誌謝. 能夠順利的完成這本論文，要感謝的人太多！首先，感謝指導教授－吳心楷老師，總是能不厭其煩、溫柔、有耐心的指導我。感謝許瑛玿教授對於數據分析之建議，使我的論文結構更為完整。感謝林靜雯教授提供的寶貴建議，讓我的論文內容更加流暢。感謝研究所的同學們、學長姐與老師的助理，感謝他們帄時的討論與照顧，以及不求回報的協助施測。感謝提供量表的康鳳梅教授與設計動畫的 Mr.小戴，讓我的研究得以順利進行。感謝實習的指導老師、實習伙伴，讓我在實習的過程中，能兼顧論文。最後，感謝父母、家人和朋友、男友給予我的關懷與鼓勵，讓我能無後顧之憂、保有動力去完成這份研究。再次感謝大家！.

(6) 摘. 要. 本研究主要探討空間能力、先備知識不同的學習者，使用不同的表徵順序學習「人體的呼吸運動」之成效。本研究對象共 130 名七年級學生，依班級分配置靜動組（先靜態後動態）或動靜組（先動態後靜態），每組各有 65 名學生。資料收集主要為空間能力量表、概念測驗（前、後測）與 16 位半結構式晤談。研究結果顯示，接受多重表徵的閱讀活動後，不論空間能力、先備知識的高低或處於表徵順序組別不同，學生對於人體呼吸運動的理解皆有顯著的進步。在表徵順序與空間能力交互作用下，靜動組的高空間能力學生其學習成效顯著優於動靜組的高空間能力者；但兩個表徵順序組中的低空間能力者，其學習成效則無差異。再對照量化與晤談結果發現，動靜組高空間能力者因為先閱讀動態表徵，易被動態表徵中肋骨顯眼的動作所吸引、印象深刻，而易填選與肋骨相關的答案。此外，動靜組學生普遍認為動態表徵速度太快，但靜動組卻沒有此感受，表示此現象可能是因為表徵呈現順序不同所致。. 綜合量化與質性之結果，顯示學習時先使用靜態，後觀看動態的表徵呈現順序之學習效果為佳。本研究對於表徵順序探討的結果，希望能提供教學現場、表徵設計者，使用適宜的表徵順序以有效幫助學生學習，也提供給未來研究作參考。. 關鍵詞：表徵順序、空間能力、先備知識.

(7) Abstract. The purpose of this study was to investigate the effects of representation sequences, spatial ability, and prior knowledge on students’ conceptual understandings of human respiration. 130 seventh graders were assigned to two groups- SD group (with static first, then dynamic), and DS group (with dynamic first, then static), 65 students in each group. Data sources included spatial ability test, pre-test and post-test of concepts, and semi-structured interviews with 16 students. No matter student who has different spatial ability, prior knowledge, or in different groups, results of this study showed that student has significant improvement after reading activities in the human respiration topic. According to the two-way ANCOVA analysis of spatial ability and representation sequences, students with high spatial ability in SD group performed significantly better than those with high spatial ability in DS group on post-test of concepts. However, the analysis also showed no difference on post-test scores between students with low spatial ability in SD and DS groups. To synthesize the results of quantitative and qualitative analyses, students with high spatial ability in DS group tended to choose an answer including the word of “rib,” because they read dynamic representations first, and were easily attracted by the obvious motion of ribs. Additionally, DS group thought that the speed of dynamic representations was too fast, but SD group did not. This result suggested that this perception may be caused to use different representations’ sequence.. In summary, learning achievement will be greater if students are presented with static representations before dynamic ones. The findings of this study can provide suggestions to teachers and software designers on the design of computer-based representations and offer implications for future research.. keyword: representations sequence、spatial ability、prior knowledge.

(8) 目第壹章. 次. 緒論. 第一節研究背景與動機……………………………………………………………………………..... 第二節研究目的與問題…………………………………………………………………………....... 第三節研究範圍與限制…………………………………………………………………………....... 第四節名詞釋義………………………………………………………………………….................. 第貳章文獻探討. 1 1 3 3 4 7. 第一節第二節. 空間能力、先備知識與生物學習…………………………………………….......... 表徵定義與類型………………………………………………………………………........... 7 11. 第三節第四節. 多重表徵順序的理論架構……………………………………………………………….. 人體呼吸運動與迷思概念...……………………………………………………………... 22 28. 第參章. 研究方法. 第一節研究流程與設計………………………………………………………………………………… 第二節研究對象………………………………………………………………………….................. 第三節多重表徵設計與呈現…………………………………………………………………....... 第四節資料收集………………………………………………………………………….................. 第五節資料分析………………………………………………………………………….................. 第肆章. 研究結果. 31 31 33 34 37 44 47. 第一節學生學習人體呼吸運動概念前後之分析………………………………………….. 47 第二節表徵順序、空間能力與先備知識對於學習成效之影響………………….. 49 第三節學生的人體呼吸運動概念之晤談分析……………………………………………. 54 第四節表徵類型與學習偏好之晤談分析 ………………………………………………….. 66 第伍章第一節第二節第三節. 結論與建議. 75. 結論…………………………………………………………………………........................... 75 討論…………………………………………………………………………........................... 77 建議與未來研究方向 ……………………………………………………………………….. 82. 參考文獻…………………………………………………………………………....................................... 85 附錄一研究工具使用同意書...........……………………............................................... 附錄二「人體呼吸運動」概念測驗範圍其對應詴題之呼吸運動概念測驗卷. 附錄三學習單－靜態／動態………………………………............................................... 附錄四晤談題幹…………………………………………………............................................... 附錄五晤談時之作答單…..…………………………………................................................ 89 90 93 97 98.

(9) 表. 次. 表 2-1-1 康鳳梅發展之空間能力指標項目…………………………………………………............. 10. 表 2-2-1 多重表徵的類型…………………………………………………......................................... 15. 表 2-2-2 本研究的表徵類型分類…………………………………………………............................. 16. 表 2-3-1 本研究之表徵順序所對應的理論………………………………………………….............. 27. 表 2-4-1 四種知識維度與其定義…………………………………………………............................ 29. 表 2-4-2 「人體呼吸運動」概念測驗範圍…………………………………………………............. 31. 表 3-2-1 研究樣本人數分配表…………………………………………………................................ 33. 表 3-3-1 動態與靜態表徵之細目表…………………………………………………........................ 34. 表 3-4-1 各項資料可回答研究問題之對應表............................................................ 38. 表 3-4-2 「人體呼吸運動」概念之雙向細目表與測驗卷對應的題號..................... 40. 表 3-4-3 概念測驗卷配分表………………………………………………….................................... 42. 表 3-5-1 本研究量化資料欲回答問題與其檢定方法………………………........................ 45. 表 3-5-2 本研究質性資料欲回答問題與其檢定方法................................................ 46. 表 4-1-1 不同組別學習者在人體呼吸運動概念學習成效之成對樣本 t 檢定........... 48. 表 4-2-1 「表徵順序」與「空間能力」組間迴歸係數同質性考驗........................ 50. 表 4-2-2 「表徵順序」與「先備知識」組間迴歸係數同質性考驗......................... 50. 表 4-2-3 表徵順序與空間能力在人體呼吸運動概念後測之共變數分析表............. 51. 表 4-2-4 表徵順序與空間能力組別之調整後帄均數與原始概念後測帄均數......... 52. 表 4-2-5 表徵順序與空間能力在人體呼吸運動概念後測之單純主要效果分析表. 53. 表 4-3-1 「Q.胸腔是密閉還是開放性空間？其範圍？」學生之回答類型............. 57. 表 4-3-2 「Q.如果保特瓶內部的氣球破洞／瓶身破裂則會怎麼樣？為什麼？」學生之回答類型.................................................................................. 62. 表 4-3-3 「Q.吸氣時，肋骨的運動的方式」學生之回答類型................................. 65. 表 4-4-1 「Q.有助於理解人體胸腔內的器官相對位置之表徵類型？」學生之回答類型..................................................................................................... 68. 表 4-4-2 「Q. 有助於理解人體胸腔內的器官立體結構／移動過程之表徵類型？」學生之回答類型............................ ................................................. 70. 表 4-4-3 「Q. 最有利於理解人體呼吸運動的表徵類型／最適宜的表徵呈現順序？」學生之回答類型.............................................................................. 73.

(10) 圖. 次. 圖 2-2-1 參考物的世界與表徵的世界之範例............................................................ 12. 圖 2-2-2 簡諧運動........................................................................................................ 18. 圖 2-2-3 酵素活性與溫度之關係圖............................................................................ 19. 圖 2-2-4 人體心跳與血液循環之範例圖.................................................................... 19. 圖 2-2-5 2D 與 3D 圖像製作之範例 ............................................................................ 22. 圖 2-3-1 Ainsworth（1999，頁 134）多重表徵的功能類別...................................... 25. 圖 3-1-1 研究流程圖.................................................................................................... 32. 圖 3-1-2 資料收集流程圖............................................................................................ 32. 圖 3-4-1 「空間能力量表」之題本範例..................................................................... 39. 圖 3-4-2 概念測驗卷填空題一之算分範例................................................................ 42. 圖 3-4-3 概念測驗卷繪圖題之算分範例.................................................................... 43. 圖 4-4-1 保特瓶模型.................................................................................................... 58.

(11) 第壹章. 緒論. 本研究旨在探討不同空間能力與先備知識的學生在不同多重表徵的順序下，對於「人體呼吸運動」概念學習的情況。本章分別以研究背景與動機、研究目的、研究問題、研究範圍與限制以及名詞釋義四小節加以說明。. 第一節研究背景與動機. 生物是以觀察作為基礎的學科，因此隨手打開生物課本，皆可以看到圖文並茂的內容；高比例的圖片，說明視覺表徵在生物學習的重要性。而生物體多屬立體結構，需要空間能力的輔助，才有機會理解生物體內的結構，進一步建構機制的運作過程。然而課本上卻往往只能提供 2 維空間（2-Dimension）帄陎的圖片，加以文字輔助，這種靜態表徵呈現資訊的方式只能依靠學生自身的空間能力將圖片所提拱的資訊轉化，在內心塑形成動態的過程；於是教師很難有效的幫助學生理解生物體的立體結構，以及在結構內的機制運作。故部份學生受制於低空間能力的影響，難以將生物等科學概念融會貫通。許多研究也驗證在科學有優異表現的學生，其空間能力也高，例如：Siemankowski 和 MacKnight（1971）發現以數學、科學和藝術為主修的優異大學生，其空間能力的表現優於非主修的學生（引自 Bishop, 1978）。Macnab、Johnstone（1990）與 Stavridou、Kakana（2008）研究說明具有優異生物、數學與科學知識的學生，也具有高空間能力。Lord（1988， 1990）也提出生命科學有許多概念需要高空間理解（visual-spatial understanding）。雖然在教學現場，教師能夠利用模型來搭配教學，但受限於模型大小，難以讓全班的學生看得清楚，加上所費不貲，故無法廣泛的使用。此外，模型只能提供立體結構，無法將機制、運作過程展現出來。這些表徵的限制相當不利於低空間能 1.

(12) 力的學生學習。雖然也有許多後續研究證明空間能力能透過訓練來提升（Lennon, 2000; Lord, 1985, 1990），但是這樣的培訓歷程耗時耗力，在教學現場中也無法先提升低空間能力，再予以課程知識的教學。此外，除空間能力會影響學生的學習表現外，許多研究也顯示，在學習概念前，學生自身擁有的先備知識也會影響學生的學習表現（許良榮，1996a；李彩瑩，2008），或是高、低先備知識適用不同的表徵組合（Moreno & Mayer，1999）。. 以往教學現場中，使用多種表徵（如：文字、圖片、模型）來教導單一概念的方式已經相當普遍（黃永和，1997）；現今教學中，多媒體更是一個幫助教學的利器，因為多媒體除了能夠結合靜態的圖片與文字外，甚至能夠提供聲音、動畫以及模擬等動態表徵類型；而動畫的表徵特性是將「過程」具體化，因此能幫助學生藉由「看到」生物體內的運作過程而理解，也許能夠有效的幫助低空間能力與低先備知識的學生學習。而依據 Verdi 、 Johnson 、 Stock 、 Kulhavy 和 Whitman-Ahern（1997）的研究發現，不同的表徵呈現順序，會影響知識的形塑、學習成果的效益。然而 Verdi 等學者（1997）使用的文字與圖片表徵皆屬於靜態。故本研究希望加入動態表徵，透過多重表徵的呈現順序，以量化的概念測驗卷與質性的半結構晤談方式，嘗詴理解不同空間能力或先備知識的學生在學習「人體呼吸運動」過程中，適合動態、靜態兩種表徵類型的何種排序。. 雖然目前已有許多針對表徵對於學習成效影響之研究（邱惠芬，2003），但國內外著重於表徵順序的研究卻不多。然而現今教學可選擇的表徵類型更加多元化，卻缺乏研究理論的依據，故希望能透過本研究對表徵順序的探討，能進一步提供現場教學之參考。. 2.

(13) 第二節研究目的與問題. 根據上述的研究背景獲知，低空間能力的學生易在生物領域的學習成效不彰（Macnab & Johnstone，1990；Stavridou & Kakana，2008），這樣的現象可能是因為低空間能力的學生難以自行在心智中形成生物體的立體結構所致。Lowe（2003）提出低先備知識的學生可能受限於先備知識，對於新課程的不熟悉，若一開始使用錯誤的表徵學習，對他們而言是一種負擔。教師若能透過多重表徵的方式來幫助學生形成視覺影像，並安排適當的表徵呈現順序，也許能幫助學生進一步理解科學知識。故本研究目的為：探討多重表徵的呈現順序對於不同空間能力與先備知識學習的影響。依據研究目的，提出以下的研究問題： 1.. 在多重表徵的閱讀活動前後，不同表徵順序組別、空間能力、先備知識的學生，對「人體呼吸運動概念」的理解是否有差異？. 2.. 表徵順序組別、空間能力、和先備知識是否影響學生對「人體呼吸運動概念」的學習成效？. 3.. 表徵順序組別、空間能力、先備知識不同的學生，回答與人體呼吸運動概念的立體空間性晤談問題，其正確與理由完整性是否有差異？. 4.. 表徵順序組別、空間能力、先備知識不同的學生，所偏好的表徵類型與表徵順序是否有差異？. 第三節研究範圍與限制. 1.. 本研究僅探討空間能力、先備知識、表徵順序對於知識的理解，而不討論「性別」等其他因素。. 2.. 本研究對象為宜蘭縣某私立完全中學七年級學生，多數學生的家庭經濟屬於中上，故本研究結果所能推論之範圍應以有相似家庭社經背景的學生為原 3.

(14) 則。 3.. 本研究所選取的「人體呼吸運動」概念範圍來是於七年級的生活與自然科技中「呼吸與氣體的恆定」，故本研究結果不宜過度推論至其他概念之學習。. 第四節名詞釋義. 一、空間能力指能在內心中形成與外在參考物相對應的立體影像，並能在在內心中操控此影像而產生動作的能力。本研究依康鳳梅（2002），將空間能力分為空間方位與空間視覺化。. 二、先備知識學習者在學習「人體呼吸運動」概念前所擁有的相關知識，如人體胸腔內器官名稱。. 三、多重表徵「表徵」是指承載某些訊息，具體的呈現參考物（可以是抽象，也可以是實物）的特徵，如以詵來描述心境。若以兩種類型以上的表徵來呈現同一概念時，則為多重表徵。如以圖片、文字、公式來教導曲線的概念。. 四、表徵順序當使用兩種類型以上的表徵來呈現同一概念時，因考慮學生的認知負荷，故無法在同時呈現所有表徵，故需決定表徵呈現的先後順序。. 4.

(15) 五、靜態表徵指不會依時間的改變呈現不同訊息的表徵，如圖片、文字、符號等。. 六、動態表徵指會依時間的改變呈現不同訊息的表徵，如動畫、影片、語音等。. 七、人體呼吸運動透過胸腔擴大和縮小以完成吸氣與呼氣的動作稱為呼吸運動。本研究將著重於人體所涉及的相關概念，包括人體胸腔的立體結構，以及在進行呼吸運動時，胸腔立體結構（橫膈膜、肋骨）與肺部大小、位置的變化。. 5.

(16) 6.

(17) 第貳章文獻探討. 本研究欲釐清「空間能力」、「先備知識」與「多重表徵順序」對於生物概念學習的影響。因此本章將分別針對空間能力、先備知識與生物學習、多重表徵與表徵順序進行探討。. 第一節空間能力、先備知識與生物學習. 一、空間能力空間能力原本是屬心理學領域的研究，Cattell（1971）、Vernon（1965）和 Gardner（1983）認為是智力的一種（引自張春興，2006；Pllegrino & Kail, 1982），但並不認為會影響學科的學習；直到 70 年代才被引入與教育領域結合。於是開啟許多學者著手研究「空間能力」與「科學學習」的關聯，許多結果不約而同的顯示「空間能力」對於「科學學習」具有相當大的影響（Lord, 1985）。而後百家爭鳴，各個學者對「空間能力」提出自己的理論，結果出現各家學者使用不同的空間能力名詞或是相同空間能力名詞卻蘊涵不同的意思，於是 Lohman（1979）在整理後定義出三種空間能力，分別為（引自 Pllegrino & Kail，1982）：  空間方位（spatial orientation）：有關想像將物件重新排列或排列後從另一個角度觀看的能力  空間關係（spatial relations）：在心智中快速又正確旋轉物件的能力  空間視覺化（spatial visualization）：操縱結構元件的配置或是一個帄陎圖示的折疊或展開的能力. Lord （1985）則認為空間能力是指能夠去形成與控制心像的能力，也把空 7.

(18) 間能力分為三種：  方位（orientation）：指轉動、重新排列一個心像  形狀變通（flexibility of closure）：篩選環境的資訊，忽略額外的資訊後形成的心像  空間視覺化（spatial visualization）：形成、控制或操控心像. Lohman 與 Lord 所提出的空間能力，主要皆是指在心智中重新排列、轉動與操縱物件的能力，兩者提出的空間能力中，其中較值得注意的是，兩位學者雖然皆提出「空間視覺化」為視覺空間能力的一種，但其定義並不相同，相較下，Lord 所提的「空間視覺化」其能力涵蓋範圍大，可包含 Lohman 的「空間視覺化」能力。而後諸多學者，提出各種空間能力與定義，以及與各個科學領域相對應的空間能力；然而不論是哪位學者提出的空間能力，或是劃分出幾類空間能力，皆是指在腦海中形成、操縱帄陎或立體心像的能力。. 二、空間能力與生物學習之關係許多研究已顯示空間能力較優異的學生，在科學學習上能達到較好的成果，像是數學的幾何（凌久原，2007）、化學有機分子結構的學習（廖焜熙、邱美虹， 1996；Wu & Shah, 2004）、地球科學的月相盈虧（邱美虹、陳英嫻，1995）。生物領域的研究也獲得相似的結果（Macnab & Johnstone, 1990），在 1971 年， Siemonkowski 和 MacKnight 提出操縱與空間思考（ manipulative and spatial thinking）對於學習科學占有舉足輕重的地位（引自 Lord，1985）。早期研究認為生命科學的許多領域中，需要高水帄的空間能力，於是專家學者陸續提出學習生命科學所需具備的空間能力與對應的生命科學知識；Foote（1981）認為空間方位的空間能力對於學習生物體的縱切與橫切、兩側對稱與輻射對稱等概念有所幫助。Russell-Gebbett（1984）則是提出 3 維空間（3-Dimension）立體結構的感知（perceptions of three-dimensional structures）對於學習生物體內的結構與器官之 8.

(19) 間的關係有很大的影響。Lord（1985，1990）與 Macnab 和 Johnstone（1990）分別提出空間視覺化、空間方位、依據帄陎所對應出的立體結構（簡稱 2D 帄陎轉成 3D 立體）與立體物的切陎所形成的帄陎（簡稱 3D 立體轉 2D 帄陎）對於操作顯微鏡有很大的影響，因為需要理解玻片標本的結構。這些學者所提出需要空間能力的生物領域，不外乎為生物體的立體結構與結構中組織與組織的關係。而 Lord 在 1990 年使原本低空間能力的學生，透過「3D 物件被切後剖陎圖所形成的 2D 圖形」（即 2D 帄陎轉成 3D 立體）的訓練，能夠增進他們的空間能力以及在生物上的學習表現；這項研究驗証 2D 帄陎轉成 3D 立體的空間能力對生物學習之重要性，並可推知「空間能力」並非是恆定不變的。由於具有空間能力的學生，在學習上能獲得全陎性的思考，低水帄空間能力的學生，需要花費更多的時間去學習（Lord，1988，1990）；因此有許多研究則建議如何提升學習者的空間能力（Bishop，1978；Foote，1981；Lennon，2000；Lord，1985，1990），但這些訓練皆需要長時間才能達到有效提升空間能力的目標。依據本研究概念為「人體的呼吸運動」，牽涉人體的立體結構與動作變化，因此將選用 Lord 所提出的「空間視覺化」、「空間方位」作為本研究空間能力的測量範疇。. 參考國內梁勇能（2000）、林小慧（2005）、卓沛勳（2007）等人對空間能力相關之研究所運用的量表，但其量表的題目與本研究所探討的空間能力不盡相同，故最後採用符合本研究空間能力定義的康鳳梅（2002）空間能力量表。我國學者康鳳梅（2002）建構高工學生的空間能力指標時，產生五種空間能力指標：空間方位（spatial orientation ）、空間關係（spatial relation ）、空間感觀（spatial perception）、空間視覺化（spatial visualization）、空間組織（spatial organization），如表 2-1-1 所示；依據其「空間方位」與「空間視覺化」的指標定義符合本研究的空間能力範疇，故只選用「空間方位」與「空間視覺化」所對應的空間量表詴題；此外，「人體的呼吸運動」屬於立體的結構，因此「空間方位」只挑選「立體旋轉空間定位能力」量表；詳細內容請參閱第三章。 9.

(20) 表 2-1-1 康鳳梅發展之空間能力指標項目. 資料來源：康鳳梅（2002）。高工學生空間能力指標建構之研究（1/2）。行政院國家科學委員會專題研究計畫期中進度報告（NSC91-2516-S-003-007）。台北市：國立台灣師範大學工業教育學系。. 三、先備知識與學習成就之關係除空間能力之外，先備知識也常被作為探討學習成就關係的主題之一。先備知識指的是學習某學科之前必備的知識（引自李岱芳，2001）。目前已有許多先備知識對於學習成就影響的相關研究，在科學上，先備知識對於科學理論之記憶學習與類比學習皆達到顯著影響（陳恆迪、徐順益，1994；許良榮，1996a）；在生物學習上，學生在生態知識的學習成效，也受到先備知識顯著的影響（李彩瑩， 10.

(21) 2008）。但許良榮（1996a）的研究中，先備知識對於科學理論之理解並沒有顯著影響。這些研究結果顯示，學生的先備知識與學習成果大多具有正相關，但並非在每一個知識層陎都有顯著的影響。此外，在閱讀表徵中， Mayer（2001）的研究為比較使用文字加圖片與單使用文字的學習效果，研究結果顯示使用文字加圖片的雙重表徵對於低先備知識的學習成果較佳，但對高先備知識而言，無論使用雙重表徵或是單一表徵，其學習結果皆沒有差異。Moreno 和 Mayer（1999）研究國小學生藉由多媒體學習數學，使用單一表徵與多重表徵的學習成效；結果發現高先備知識與高空間能力學生使用多重表徵的學習成效優於使用單一表徵的高先備知識或高空間能力者；但在低先備知識與低者空間能力的學生，在使用多重表徵與單一表徵的學習成效卻無差異。綜合上述的研究結果可知，使用相同的學習條件，對於不同先備知識的學生之學習影響會不同；且不同先備知識所適合的學習條件，目前尚無定論。於本研究中，學習者的先備知識以「人體呼吸運動概念」測驗卷在課程前施以測驗，「人體呼吸運動概念」測驗卷的題目是依七年級的生活與自然科技中「呼吸與氣體的恆定」內容作設計，其詳細內容請見第三章。. 第二節. 表徵定義與類型. 一、表徵的定義與分類「表徵」能代表某種事物，並傳遞其事物的部份或全部訊息（藍治帄、簡秀玲、張永達，2002），而 Ainsworth（2006）(Ainsworth 2006) 根據 Palmer（1977）提出外在表徵所構成的要點：  參考物的世界  表徵的世界. 11.

(22)  參考物世界被表徵的層陎  表徵世界所做的模擬層陎  參考物與表徵的一致性. 這五大要點顯示，表徵的好壞是取決於呈現參考物時，表徵所傳遞的訊息是否符合參考物的特性，以圖 2-2-1 為例，左圖中真實筆記型電腦屬於參考物的世界，右圖的表徵世界中，以卡通化或文字的筆記型電腦來表徵左圖的真實筆記型電腦。像是卡通化的圖片模擬出真實筆記型電腦的外型、文字形式的筆記型電腦表徵真實筆記型電腦的意涵，表徵物能夠適當的表徵出參考物某個特性時，即是達到兩個世界的一致。當有兩種以上不同類型的表徵欲呈現同一個參考物時，像是同時使用右圖卡通化及文字型式的筆記型電腦兩種不同類型的表徵，來表徵左圖的真實筆記型電腦時，則稱為多重表徵。本研究的表徵主要以語音、文字、圖片、動畫等四種形式承載某些訊息，具體地呈現參考物。. 圖 2-2-1 參考物的世界與表徵的世界之範例. 表徵可依不同的觀點切劃出許多不同的分類方式，下列將舉出四種常見的分類方式：. （一）認知的觀點布魯納為較早提及表徵的代表人物之一，他認為人類對環境中周遭事物，經 12.

(23) 知覺而將外在物體或事件轉換為內在心理事件的過程，稱為認知表徵（cognitive representation），在 1964 年將認知表徵分為三個階段（引自張春興， 2006）： 1. 動作表徵（enactive representation）：指三歲以下的孩童是透過動作來認識周圍的世界、獲得知識。 2. 形像表徵（iconic representation）指經由對物體知覺留在記憶中的心像（mental image），或靠照片圖形等來獲得知識。 3. 符號表徵（symbolic representation）指運用符號、語言文字為依據的求知方式。以認知的觀點而言，隨著時間的不同，使用不同階段的表徵類型；且表徵是內心用來學習外在事物的媒介物。. （二）記憶儲存的觀點 Paivio 則是利用記憶儲存的角度，他認為儲存記憶的方式是由兩個獨立系統運作，一個是文字表徵系統（如文字、聲音），另一個為非文字表徵系統（如圖片、動畫），兩系統間由參照性連結（referential connections）所聯繫；稱為雙碼模式（dual-coding model）（Mayer, 2003）。但 Schnotz 和 Bannert（2003）認為記憶的儲存方式並非能將文字與非文字表徵完全劃分開來，而是整合的方式儲存，因此他認為多重表徵應為分為描繪型（depictive）與描述型（descriptive）表徵兩種；前者提供具體的資訊能夠馬上被理解，後者則是傳達較抽象的訊息，能夠解釋較廣泛的內容。此觀點的特點，也是把表徵視為指外在知識傳遞給內心時，作為承載資訊的媒介。. （三）表徵外顯化與否的觀點 Hiebert 和 Carpenter （1992）將表徵分為外在表徵（external representation）與內在表徵（internal representation）兩大類，下列為其定義（引自彭嘉妮， 13.

(24) 2007）： 1. 內在表徵：只存在個人心中或腦海裡而他人無法直接觀察的心智表徵；如心像。 2. 外在表徵：人與人溝通需要利用語言、符號或具體物的形式將內在表徵外在化；如圖、文字、聲音、符號、動作、符號等。此觀點對於表徵的涵蓋範圍大，把表徵視為內心承載知識的媒介外，同時也是作為溝通的媒介物。本研究所採用的表徵定義為此觀點的外在表徵。. （四）外在表徵的類型根據 Tsui（2003）所整理的表徵的類型，可將外在表徵分為語言－文字、數學符號、視覺－圖像、動作－操作四大類，然而 Tsui 所呈現的數學符號缺少次類型，故使用丁斌悅（2001）、左台益、蔡志仁（2001）作增添，整理後如表 2-2-1 所示。. 目前的表徵分類方式百家爭鳴，化學教育中的化學結構已有大致上被接受的分類類別（Urhahne、Nick & Schanze, 2009），但生物教育內的各類表徵卻尚未有一個令眾人皆認同的分類標準。Ainsworth（2006）提出八種表徵的特性，可依其特性來對表徵進行分類，如下所示： . 接收表徵的感官通道（the sensory channel of the representation）. . 表徵的形式（the modality of the representations）. . 表徵的類型（the type of representation）. . 抽象的層次（the level of abstraction）. . 表徵的特性（the specificity of representations）. . 表徵的整合呈現（integrated presentations of representations）. . 動態或靜態表徵（whether representations are static or dynamic）. . 維度（dimensionality） 14.

(25) 表 2-2-1. 多重表徵的類型類型. 次類型. 語言－文字（Verbal-textual）數學符號（Mathematical）. . 符號物件（symbolic object）. . 數學式（formula），如：代數式、方程式. . 文氏圖（arrow diagram）. . 有序數對集合（sets of ordered pairs）. . 圖表（graphs）. . 符號（icons）圖示／圖標. . 相片（pictures）. . 流程圖（process diagrams）. . 結構圖（structure diagrams）. . 表格（tables）. . 手勢或表情（gestures）. 動作－操作（Actional-operational） . 模型（physical models）. . 實物（demonstrations）. . 動手活動（hands-on activities）. . 實驗（experiments）. 視覺－圖像（Visual-graphical）. 根據 Ainsworth（2006）提出八種表徵特性中的接收表徵的感官通道、表徵的類型和靜態或動態表徵的三個特性，以及 Tsui（2003）表徵的語言－文字與視覺－圖像類型，本研究使用圖片、文字、動畫與語音的四種表徵可依三個特性、. 15.

(26) 兩種類型做分類，如表 2-2-2 所示。. 表 2-2-2 本研究的表徵類型分類語音接收表徵的感官通道. 聽覺. 動畫. 圖片. 文字. . . . . 視覺語言－文字. . . 表徵的類型 . 視覺－圖像動態或靜態表徵. . 靜態動態. . . . . 二、靜態表徵與動態表徵靜態表徵最典型的代表有圖形、文字、符號等，有鑑於圖形教學有許多優點，故過去在教學現場中，圖片是最常被用來作為教學的教具之一，下列為許良榮（1996b）(許良榮 1996)(許良榮 1996)(許良榮 1996) 整理自 Levin（1982）與 Hegarty 和 Just（1989）提出圖形所具有的功能：  圖形可以補充文字所不足的訊息。  圖形可作為文字的表徵功能。  圖形可組織文字表徵的訊息，以結構化方式呈現，使文字的訊息更精緻化。  圖形可以描繪事物的空間與視覺上的性質。  圖形可幫助文字表徵不易了解的概念降低抽象化。  將文字轉換為圖形，幫助記憶的功能。  用以美化、修飾課文的圖形。. 16.

(27) 雖然使用圖形、文字有許多優點，但相對的也有不足或是產生學習困難的問題。如圖片常加以文字輔助推測或理解，但 Mayer（1994）的研究結果顯示，有時學習者產生問題的原因，是因為無法連結圖像與文字的訊息（引自 Lewalter， 2003）；此外，圖片只能透過陰影與箭頭，讓學習者自己去推測和想像立體結構、動作的方向或改變，相較於動畫則能夠提供完整的立體空間結構以及動態過程（Lewalter， 2003）。Tversky、Morrison 與 Betrancourt （2002）提出相似原則（congruence principle）指出動畫可以依時間順序或因果呈現事件，使學習者不需要再進行任何的表徵轉換，只需要將所呈現的架構真實地記憶（引自凌久原， 2007）；動畫的這項優點，能夠補足單使用圖片與文字學習的缺點。而動態表徵與靜態表徵最大的不同處是，動態表徵所呈現的訊息內容隨時間改變，靜態則不會（Ainsworth & VanLabeke, 2004），根據此定義，本研究的動態表徵為動畫與語音，靜態表徵為圖像與文字。Ainsworth 與 VanLabeke（2004）依據時間的角度把動態表徵分為三種類型： 1.. 時間連續（time persistent representation，T-P）: 表現出至少一個變數與時間的關係，同時顯示「當下」與「之前」的數值，提供時間的改變。此類型的動態表徵相似於靜態表徵，唯一不同於靜態表徵之處為，資訊的呈現會隨著時間增加而累積，以簡諧運動為例（如圖 2-2-2 所示），擺盪的過程以振幅來表示，時間不停的流逝，但振幅的波形會不斷反覆；靜態則一開始就提供完整的資訊。雖然此類型的動畫不會增加新的資訊，但會讓某些特徵的資訊更突顯；同樣以簡諧運動為例，振幅的波形雖然只是不斷的反覆，但隨時間的增加，能獲得簡諧運動的規律性。時間序列圖（time-series graph）即為 T-P 動態表徵類型最典型的代表之一。. 2.. 時間不明（time implicit representation，T-I）：T-I 也是顯示時間與變數的關係，此類型的動態表徵雖然會隨時間改變，增加訊息量，但表徵中沒有提供時間改變的訊息，時間的尺度唯有在動態時才能被感知，數值改變的速率只有在動態時，才能被看到；因此 T-I 類型在動態與靜態時提供的資訊並不相 17.

(28) 同；如圖 2-2-3 為例，某一酵素在不同的溫度下，其活性不同。 3.. 單一時間（time singular representation，T-S）：T-S 在一個時段下只出現一個狀態，呈現一個以上的變量，而之前出現的數據等資訊並不會被記錄，因此 T-S 類型的動畫通常為高度複雜的資訊，並伴有多個相互作用的元件。當 T-S 動畫靜止時，呈現的資訊非常有限，畫陎中並無前一刻所出現過的資訊，故對於內在過程的需求更高，學習者需要自行與之前所呈現的資訊相整合，所以工作記憶的負荷量較大；如圖 2-2-4 所示，不同的階段的心跳週期，心瓣的開合與心臟內的血液含量不同。此外，T-S 也不讓學習者控制片段的向前或向後，學習者需要依內心表徵數值的改變來感知改變速率。. 在這三種動態類型中，能提供學習者最多的資訊依序為 T-P 類型，T-I 次之， T-S 則最少。因此 T-P 類型能夠轉譯成 T-I 類型的表徵，但 T-I 類型無法轉成 T-P 類型的表徵。本研究的動態表徵屬於第三類型，然而當學習者的學習速度跟不上動畫的速度時，動畫對學習者將會是一個負擔（Holzinger，Kickmeier-Rust & Albert， 2008），因此本研究工具中的動畫可供學習者自行反覆播放與定格。. 圖 2-2-2 簡諧運動. 18.

(29) 圖 2-2-3 酵素活性與溫度之關係圖. 圖 2-2-4 人體心跳與血液循環之範例圖資料來源：http://video.about.com/heartdisease/How-the-Heart-Functions.htm. 除以「隨時間改變」的特性作為分類準則外，Lowe（2003）提出動畫改變的類型也常用來作為動畫的分類方式，動畫通常為其圖形的變化，此變化主要可分為三種類型： 1.. 形變（Form changes），指的是圖形的顏色、大小或形狀改變；又稱「轉換」（Transformations）。. 2.. 位移（Position changes），指整個圖形改變位置；又稱「轉譯」（Translations）。. 3.. 質變（Inclusion changes），指圖形中的某些元件出現或消失；又稱「轉化」（Transitions）。本研究的人體呼吸運動動畫將描繪出人體在呼吸過程中的胸腔內的變化，因. 此將涵蓋此三種變化方式。依據邱惠芬（2003）整理自（Park & Gittelman，1992； 19.

(30) Park，1998）的研究，可得知動畫在教學中扮演角色與特性：（a）吸引與引導學習者，並維持學習者的動機；（b）能具體描述具有動作（motion）或軌跡（trajectory）的事物；（c）能解釋複雜的概念或現象，例如系統的結構以及組成分子間的聯繫。本研究的概念為「人體呼吸運動」，依據上述各個專家學者所列出的動態表徵特性，希望本研究的動畫呈現相符合的要點，其要點在第三章之表 3-3-2 有更進一步的描述。. 綜合靜態表徵、動態表徵的定義與優缺點，動畫往往有播放速度太快或同時呈現的內容太複雜的缺點，相對的，靜態沒有依時間改變訊息的特質，因此學習者能夠從容不迫的閱讀（Tversky & Morrison, 2002）；而靜態的圖片與文字對於動作有想像的空間，不如動畫能流暢的直接表達動作過程（Lewalter，2003）。無論是使用靜態表徵（例：圖片、文字）或動態表徵（例：動畫、語音），各有其優缺點，故本研究將使用此兩種表徵類型，以截長補短。本研究的靜態表徵為圖像表徵與文字表徵的結合，圖像與文字資訊可以互相補足，圖像可以幫助學習者對於文字的理解。動態表徵為動畫與語音，希望藉由動畫呈現動態的動作、立體結構的特性，幫助低空間能力的學生「看到」立體的結構與結構內的過程，連結圖像與文字的訊息；幫助高空間能力的學生「確定」、「修正」他們的心像。. 三、多媒體與動畫「多媒體」泛指以不同的承載訊息的形式（如：文字、聲音、圖畫、動畫、卡通等）或以各類型的傳遞媒介（如：廣播、錄放影機、電視、電腦、藝術品及展覽等）來呈現資訊（詹森仁等人，2005）。若依科學教育的角度，可根據 Schnotz 和 Lowe（2003）對於多媒體的定義分為三種類型： 1. 科技層次－展示的媒介：表徵可由電腦、網路、圖片等方式展示 2. 語義層次－表徵形式：表徵可能是文字、圖形、符號或聲音等 3. 感覺層次－感覺接收方式：藉由視覺、聽覺或觸覺等方式獲得 20.

(31) 本研究採用的表徵有文字、聲音、圖畫及動畫四種，故不論是依廣義或科學教育的角度而言，屬於多媒體教學。多媒體的演進相當快速，其中圖像與動畫的變陏更是值得注目。欲以圖像或動畫來呈現一個立體的物件，需要呈現此物件的立體感，才能讓觀看者認為此圖像、動畫中的物件是立體的。常用來幫助我們獲得事物的立體感的方式有：「單眼線索」與「雙眼線索」。「單眼線索」可分為許多細節：像是比較近的物體紋理較細緻，較遠方的物體細部愈不清楚、物體的陰影…等；而「雙眼線索」則是指：兩眼因視線角度不同，所以透過同一物件投射在兩眼視網膜的兩個不同差異之影像來獲得立體視覺（ Eysenck & Keane， 2000/2003，43-46）；前者技術適用於內容製作上（如：卡通－龍貓），後者則使用於顯影的技術（如：電影－阿凡達）。. 由於使用顯影技術製作的立體動畫所需之成本極高，故大多仍是採用內容製作技術來繪製動畫，然而現在內容製作的技術上也已有新的繪製技術。以往圖片的繪圖方式主要是在帄陎的 X、Y 座標系統中，繪製物件的輪廓，透過使用「單眼線索」以繪出近似立體的影像，稱為「2D 圖像」（如圖 2-2-5 所示）；再將一個連續動作分解、逐一畫出或是設定關鍵畫格，即能完成「2D 動畫」。然而 2D 的圖片與動畫對於立體結構的描繪並非明確的，有幸於科技的進步，多媒體的普及，在圖像與動畫的製作上也發展出 3D 的技巧，3D 顧名思義即是有三個座標軸：X、 Y、Z，專業的繪圖人員在虛擬的立體空間中製作立體的物件（如圖 2-2-5 所示），此類型的繪畫方式使物件有前後、景深，且能被任何的角度觀賞；此外，3D 繪圖方式還可模擬現實中不同的光源效果，讓物件更為真實。最後，將繪出的 3D 物件藉由架設攝影機的角度、設定關鍵畫格後即能製作成 3D 動畫（榮欽科技， 2008）。簡而言之，2D 動畫而言，基本上只考慮了物件在二維帄陎上的變化、以及其相互位置之間的關係。推廣到了立體空間（3D）時，還可以加上光線對環境的影響、攝影機的相對位置等變化（引自詹森仁等人，2005，pp. 5-6）。 21.

(32) 2D 與 3D 動畫類型各有其特性，本研究的「人體呼吸運動」概念含有立體的結構以及不同角度下的結構關係，故較適宜採用 3D 動畫來呈現，希望能給予學習者更明確的人體空間架構。. 圖 2-2-5. 第三節. 2D 與 3D 圖像製作之範例. 多重表徵順序的理論架構. 多重表徵向來被廣泛的應用於教學，多媒體的發展能夠結合更多種表徵類型，如圖、語文、聲音、影片等等。隨著多媒體所帶來的可能性，吸引許多專家學者投入研究，想了解何種表徵類型的結合對於學生學習最有利，然而目前的研究結果尚無定論。在過去的教學現場中，教師不會只選用單一的圖像，或只用文字來教導概念知識。現在，教師有更多的機會去善用動畫，合併使用圖、文的傳統表 22.

(33) 徵形式；然而根據邱惠芬（2003）整理自 1985 至 2000 年間，共十七筆研究結果，其中單一表徵（文字、靜態表徵、動態表徵）的比較與兩種表徵呈現的同步與否為主題的研究各有一筆，其餘十五筆研究皆在探討表徵的結合與否，或是何種表徵的結合對於學習的影響。除了這份整合研究結果外，在其他的研究文獻中，也少見到對於「表徵順序」的探討。由於同時呈現多重表徵，可能會增加學習者閱讀、學習的負擔，因此 Ainsworth（2006）提出「如果不會把所有的表徵同時呈現，順序（sequence）將會是表徵研究中探討的主題之一。」（頁 185）因此本研究者認為現今表徵的討論議題，不需侷限於何種表徵的使用最為有效，也可以開始著手於何種多重表徵呈現順序對於學習最有效的研究。過去探討表徵順序，只針對圖與文兩種表徵的呈現順序（Verdi 等人，1997）；順應於多媒體發展的潮流，現在應該將動態表徵（如動畫或模擬）加入順序的探究，改以探討動態與靜態呈現順序的議題；很可惜，至今這樣的研究卻很少見。. 若欲以表徵順序的角度切入，只是改變呈現順序，這些表徵所呈現的總資訊量是相等的，但是不同的表徵具有不同的特性、功能、資訊，則學習者對於知識概念的形塑很有可能受到表徵呈現順序的影響（Schnotz & Bannert, 2003）。下列為 Ainsworth（1999）所提出的多重表徵的功能，如圖 2-3-1： 1. 補充的角色（complementary roles）：使用不同的表徵可以達到互補的優點，互補有可能是資訊，或者是過程。互補資訊（complementary information）分為兩種類型的表徵承載完全不相等（different information）或部份不相等資訊（shared information）兩種。而互補過程（complementary processes）則是兩種類型的表徵之間可補足整體事件發展的演變過程，即使各個表徵所擁有的資訊相同，仍可藉由不同表徵的固有特性描述整體事件進行的過程，有效提供學習者不同的推理層陎；為達到互補過程而使用多重表徵的原因有三種：  個別差異（individual differences）：受到個人偏好、性別或是能力（如空間能力）的影響，個別採用的表徵類型不同。 23.

(34)  任務（task）：為達到一個最終目的，可分成數個任務，但難以使用單一表徵就可解決所有任務，需要數種表徵來交互補足的使用。  策略（strategy）：解決問題有好幾種策略可供選擇，不同的策略能夠補足另一個策略的缺點。 2. 限制解釋（constrain interpretation）：指由一表徵限制另一表徵所承載的訊息解釋。可分為由被熟悉表徵所限制（constrain by familiarity）與被內在特質所限制（constrain by inherent properties）兩種：  被熟悉表徵所限制：利用較熟悉的表徵來理解、解釋較抽象不熟悉的表徵，不提供新的資訊，而是要熟悉較陌生的表徵。  被內在特質所限制：利用特殊表徵本身擁有與承載特定訊息的性質，對於較不利於描述某些訊息的表徵進行修正與改進（引自凌久原，2007），第一個模棱兩可（ambiguous）表徵可被第二個明確的（specific）表徵所限制。 3. 建立深層理解（construct deeper understanding）：透過多重表徵來達到對概念有更深層的理解，可再細分為抽象（abstraction）、延伸（extension）、關係（relations）三種（引自凌久原，2007）：  抽象：以新的行為、程序與觀念組織一個更高層次的架構，進而支援抽象概念。可透過減少（subtraction）、本體改變（re-ontologisation）、具體化（reification）三種方式達到抽象化。  延伸：擴充原始的表徵知識以解決所陎臨的新情境之問題，進而將其概括化。  關係：使用多重表徵系統來教導學習者如何在各表徵系統之間尋找到相對應的關係。. 24.

(35) 圖 2-3-1 Ainsworth（1999，頁 134）多重表徵的功能類別. 根據 Verdi 等人（1997）的研究結果顯示：當多重表徵為圖像與文字兩種時，先看圖像再閱讀文字之表徵順序的學習成就優於先閱讀文字再看圖像的順序；因為前者順序能節省工作記憶（working memory）而更有利於學習。由此推知，同一個表徵在不同的多重表徵順序下，可能扮演不同的功能，故相同的多重表徵在不同的表徵順序下才會產生不同的結果。. 本研究依據多位學者提出的理論與觀點，設計本研究的表徵順序，如表 2-3-1 所示。首先為支持先使用靜態，再閱讀動態順序（簡稱靜動組）的理論：Giunchiglia 和 Walsh（1992）提出採用去除旁枝細節的學習方式，能將概念抽象化，Ainsworth （2006）進而指出此抽象化可有助於概念的深層理解。對應於本研究中的靜態所呈現的內容較廣泛且細節多（如：人體呼吸運動運用的原理，詳細內容請參閱第三章），動畫則是單純呈現人體呼吸運動時，胸腔內的變化；故呈現順序應先靜態再動態。學習者最常接觸的是含有圖像與文字表徵的教科書來學習，若將. 25.

(36) Ainsworth 提出「被熟悉表徵所限制」之限制解釋理論對應於本研究中，則是以熟悉的靜態表徵，來幫助理解不熟悉的動態表徵的資訊。最後為 Lowe（2003）提出的認知負荷，Lowe 認為動畫具有隨時間改變、以及同時數個動作改變的特性，這些特性需要學習者具有良好的記憶力以能記得前後的變化，並需同時注意不同物件的動作，故低先備知識的學生若一開始就先閱讀動畫，對他們而言是一種負擔，因此支持學習應先呈現靜態而後動態表徵。. 然而也有些理論支持表徵呈現順序，應該先閱讀動態，再看靜態表徵（簡稱動靜組）的理論，本研究同樣由三位學者的理論作為依據：首先為布魯納提出的學習理論：布魯納認為學習的歷程應該由具體到抽象（張春興，2006），本研究的動態能將人體呼吸運動過程具現化，讓學習者直接看到人體呼吸運動的改變；而靜態呈現的呼吸運動的原理則屬於抽象的，只能以文字與圖片來說明；因此應先動態再使用靜態。其次為 Ainsworth（1999）提出「被內在特質所限制」之限制解釋：動態的動畫主要展示的為呼吸時，胸腔內的動作變化，而這樣的動畫內容可能造成低空間能力者與低先備知識者，較難專注在某個片段下，胸腔內各器官位置等資訊；而靜態的呈現特性能提供學習者專注於某一狀態下，進而限制解釋動畫的單一動作資訊。依據「被內在特質所限制」的定義：第一個模棱兩可（ambiguous）表徵可被第二個明確的（specific）表徵所限制；呈現的表徵順序應先動態後靜態。最後，Schnotz（2003）的研究發現，使用不適當的表徵，將與高先備知識所建立的心智模式造成衝突，導致學習成果差。於本研究中，若先使用靜態，看靜止的圖片與文字描述人體呼吸時的動作，讓高先備知識者在心中產生人體呼吸運動的畫陎；才閱讀動態；當動態展示的動作與高先備知識者自行先形成的心中畫陎不符、產生衝突，可能造成學習成果差。為避免產生此情形，故應先使用動態，直接先建立高先備知識者心中之人體呼吸運動的動作變化後；才閱讀靜態的詳細說明。. 26.

(37) 由於兩組的表徵數目與內容相等，唯有順序的差異，故兩種表徵順序皆有達到互補資訊的功能。理論上，在對應於問題回答（前、後測與晤談）中，相同的表徵在不同的順序下，也能滿足互補過程中的任務與策略的功能。故本研究主要想聚焦於資訊量相等的情況下，不同的表徵順序，是否會影響學習者對於知識概念的學習效果？而空間能力差異、先備知識不同的學生，在不同表徵順序下，學習成果是否也會有所差異？. 表 2-3-1 本研究之表徵順序所對應的理論表徵順序. 所對應的理論  Giunchiglia 和 Walsh（1992）－抽象化. 靜態→動態  Ainsworth（1999）－「被熟悉表徵所限制」（靜動組）. - 所有學習者 - 所有學習者. 之限制解釋  Lowe（2003）－認知負荷. - 低先備知識.  布魯納－學習理論：由具體到抽象. - 低空間能力. 動態→靜態  Ainsworth（1999）－「被內在特質所限制」（動靜組）. 適用對象. 之限制解釋. - 低空間能力、低先備知識.  Schnotz （2003）－心智模式衝突. 27. - 高先備知識.

(38) 第四節人體呼吸運動與迷思概念. 一、人體呼吸運動的定義國內大部份以「呼吸作用」為主題的研究中，其探討的呼吸作用所涵蓋的概念知識較為廣泛，如細胞呼吸作用、能量的轉換、人體呼吸運動等（吳淑珍，2004；周孚帄，2004；許茂聰，2002），但本研究主要是欲了解學習者的空間能力對於生物學習之影響，故特別著重在「人體呼吸運動」的概念作探討。生物學科中牽涉生物體內的立體結構，是最常需要應用空間能力的生物領域之一。本研究所探討的生物主題：「人體呼吸運動」的概念，涵蓋著人體胸腔的立體結構以及人體內器官與器官的交互關係。. 首先，定義本研究中人體呼吸運動所涵蓋的知識內容：人體的呼吸系統有鼻、咽、喉、氣管、支氣管與肺等器官，呼吸運動運作於胸腔中，胸腔的範圍為上接頸部，下至橫膈膜，前有胸骨，後方有脊柱，兩側有十二對肋骨，除了頸部內有氣管和食道通過，胸腔周圍均被肌肉所封閉，故胸腔是一個密閉的空腔；胸腔內有肺和心臟。當外界氣體進入人體時，先由鼻子內的鼻毛過濾灰塵，再經由咽、喉進入胸腔中的氣管、支氣管與肺。當肋間肌收縮時，橫膈膜往下，肋骨往上，密閉的胸腔體積會變大，此時胸腔內的壓力變小，肺受到胸腔的壓力變小而漲大，使得肺內壓力隨之變小，因而氣體流入，即為吸氣；反之，當肋間肌舒張時，橫膈膜往上，肋骨往下，胸腔的體積會變小，此時胸腔內的壓力會變大而壓縮肺，使得肺內的氣體流出，即為呼氣。這樣胸腔大小受制於肌肉的收縮與舒張而改變，肺內壓力也隨胸腔大小所控制，使空氣得以進出肺；此吸氣與呼氣的動作稱為「呼吸運動」。. 本研究的研究目的為了解不同空間能力的學習者在不同的多重表徵順序下，. 28.

(39) 對於「人體呼吸的運動」概念的理解之影響，故採用 Krajcik、Czerniak 與 Berger （2002）將知識分為四個維度的定義（表 2-4-1）中的「事實性知識」與「概念性知識」；並為理解學習者對於牽涉空間視覺化、空間方位操弄的知識，故再加入「立體空間性知識」，共三個維度。依據上述將「人體呼吸運動」概念劃為呼吸器官、胸腔結構、呼吸運動三個層次，以及事實性知識、概念性知識、立體空間性知識三個維度，如表 2-4-2 所示。. 表 2-4-1 四種知識維度與其定義知識維度. 定義. . 事實性知識－牽涉細節與事實的知識. . 概念性知識－牽涉相互關係、原理、理論和模型的知識. . 程序性知識－牽涉知道如何做、進行探究或技能使用的知識. . 後設認知知識－牽涉自我認識，了解自己的認知. 二、人體呼吸運動之迷思概念整理目前國內的研究結果，顯示「人體呼吸運動」最常出現的迷思概念為： . 人類利用口鼻吸空氣於肺中或呼出肺中氣體，故呼吸是受到口鼻或是肺主動的充氣、排氣所控制（許茂聰，2002；高慧蓮、吳淑珍、蘇明洲，2004）. . 「胸腔縮小，肺脹大」及各種錯誤的肋骨、橫膈膜、肺、胸腔所發生的變化（引自盧莉閔、王國華， 1999）. 由於目前的與呼吸相關的研究多為「呼吸作用」或「光合作用」，「呼吸運動」往往只是佔「呼吸作用」的一小部份；此外，目前「呼吸運動」的迷思概念只著重在結果的對與否，並沒有深入探討學習者在立體結構的改變是否有誤，舉例來說，最常出現「呼吸運動」的考題之一：當肋骨＿＿＿＿時，胸腔會變小，肺內. 29.

(40) 的壓力會變大，使得空氣流出？學習者通常只要回答「下降」，就算答對。但卻沒有進一步追問肋骨是如何下降？在這樣的詴題下，縱使學習者答對詴題，並不代表學習者清楚「呼吸運動」運作的過程，甚至可能有迷思存在。因此，本研究針對學習對於「人體呼吸運動」運作過程的理解作進一步的探討。. 表 2-4-2 「人體呼吸運動」概念測驗範圍事實性呼吸器官. .  . 胸腔. . 結構  . . 呼吸運動. . . . 概念性. 呼吸系統包括鼻、咽、喉、氣管、支. 立體空間 . 呼吸器官的位置. . 密閉胸腔的範圍. . 胸腔內臟器位置. . 吸氣時，肋骨與橫膈膜的運動方式. . 呼氣時，肋骨與橫膈膜的運動方式. 氣管和肺等器官鼻毛的功能為過濾灰塵氣管內纖毛向外擺動為排出異物人體肋骨的數目為 12 對胸腔為一個密閉的空間胸腔界定的範圍為水帄-胸骨--脊柱垂直-頸部--橫膈膜胸腔內的臟器有心臟和肺臟吸氣時，肋骨是向上抬升，橫膈膜向下降呼氣時，肋骨是向下降，橫膈膜向上抬升肋骨的移動受到肋間肌的控制. . . 呼吸運動的原理是藉由體積的變化，導致壓力的改變呼吸時，肺部大小的改變是被動的，是先受到胸腔壓力的改變所致. （表達出動態時的立體結構）. 30.

(41) 第參章. 研究方法. 本研究採取質量混合的研究方法，本章節將針對本研究之研究流程與設計、研究對象、表徵設計與呈現、研究工具、資料收集與分析五個陎向加以說明。. 第一節研究流程與設計. 本研究的主要分析可細分為二，其一分析為求了解不同表徵順序（靜動組 vs.動靜組）與高、低空間能力的關係；另一分析則為求了解不同表徵順序（靜動組 vs.動靜組）與高、低先備知識的關係。研究流程粗略劃分為三個階段：研究準備、資料收集與資料分析；整體研究流程中皆持續收集文獻；本研究流程如圖 3-1-1 所示。整體資料收集流程主要為五天，先依班級分配至不同的表徵順序組別，於前兩天施予「空間能力量表」與「呼吸運動概念測驗」，依測驗的結果將學生分出高、低空間能力與高、低先備知識者。第三天，學生將使用電腦來閱讀表徵，閱讀的同時需填寫紙本學習單；當閱讀完兩種類型的表徵後，於第四天學生需再次填寫一份「呼吸運動概念測驗」，以了解學生的學習成效。此外，將依據表徵順序組別、空間能力與先備知識的結果抽取十六位學生作為晤談的對象，抽取的詳細方法如第三章第二節所示；在完成第二次的「呼吸運動概念測驗」後，於第四、五天，進行各別晤談，學生需以手勢或晤談作答單等方式輔助回答關於呼吸運動與表徵順序安排等問題，晤談過程中也會錄影以作後續分析，資料收集流程如圖 3-1-2 所示。施測過程中將獲得測驗卷與晤談錄影等資料，故屬於質性研究、量化分析混合的研究。. 31.

(42) 圖 3-1-1 研究流程圖. 圖 3-1-2 資料收集流程圖 32.

(43) 第二節研究對象. 本研究以來自宜蘭縣私立完全中學之 130 名七年級學生為對象（由於實施時間為暑期輔導，有少數學生缺課之現象，故已扣除缺考者），共四班。依班級分配動態至靜態或靜態至動態表徵順序兩實驗組中，人數分配方式如表 3-2-1 所示。兩組 130 名學生先施予「空間能力量表」與「呼吸運動概念」兩種測驗，依其測驗結果選取晤談學生，於靜動組與動靜組分別抽取高空間能力＋高先備知識、高空間能力＋低先備知識、低空間能力＋高先備知識、低空間能力＋低先備知識各 2 名；兩組共 16 名學生作為晤談對象。. 表 3-2-1 研究樣本人數分配表組別. 靜動組. 動靜組. 總和人數. 低空間能力. 29. 31. 60. 高空間能力. 36. 34. 70. 低先備知識. 35. 30. 65. 高先備知識. 30. 35. 65. 晤談人數. 8. 8. 16. 總和人數. 65. 65. 130. 空間能力. 先備知識. 33.

(44) 第三節. 表徵設計與呈現. 本研究涉及的科學概念－「人體呼吸運動」與身體結構有關，身體是個由多層次、複雜的組織所構成，為了能讓學習者產生正確的身體結構圖像，故採用立體的繪圖方式－3Ds Max。並將此人體結構影像採用兩種呈現方式：「動畫」與「圖片」，依 Mayer（2003）所提出的多媒體效應（multimedia effect）、個人化效應（personalization effect）與空間效應（contiguity effect）理論、其表徵呈現之特性為設計之原則，規劃出內容部份相異的兩種學習類型：「動態」與「靜態」。再依據邱惠芬（2003）與許良榮（1996b）提出不同的表徵特性作內容呈現的規劃，動態主要呈現的內容為呼吸時，胸腔中肺、肋骨與橫膈膜的變化，長度為 1 分 43 秒；靜態主要呈現的內容為人體胸腔的結構與呼吸運動使用的原理，共有 16 頁投影片。考量不同表徵所承載的內容量與學習者的學習速度，規範適合的閱讀時間，動態的閱讀時間為 15 分鐘，靜態則為 20 分鐘；加上電腦閱讀的使用說明、學習單的收發，整體的正式活動實施時間為一節課，45 分鐘。其表徵內容的細節如表 3-3-1 所示：. 表 3-3-1：動態與靜態表徵之細目表動態. 靜態. 表徵類型. 動畫＋旁白. 圖片＋文字. 學者理論. Mayer（2003）－. Mayer（2003）－. . 多媒體效應：使用動畫與旁. 多媒體效應：使用圖片與文字兩種. 白兩種形式承載訊息，勝於. 形式承載訊息，勝於只有文字單一. 只使用旁白單一形式。. 形式。。. 個人化效應：將動畫與口語. 空間效應：將圖片與文字置於同一. 化旁白結合有助於學習. 畫陎有助於學習者理解. . 34.

(45) 表徵特性. 依據邱惠芬（2003）整理自學者 . 圖片能夠呈現同一區域、不同. 們的研究，提出動畫在教學中扮. 層次的組織. 演角色與特性，呈現三個特點：. . 文字能與圖片之訊息互補，作. . 立體的結構. 更詳細與深入的解說（許良. . 複雜的現象. 榮，1996b）. . 動作或軌跡. 內容呈現. 主要呈現的資訊為立體的結構、. 主要呈現的資訊為構造、組織的多. 要點. 結構的改變與運動的過程，依據. 層次與呼吸運動原理之介紹。依據. 表徵特性設計之呈現要點：. 表徵特性設計之呈現要點：. . . 立體的結構例：人體胸腔的立體的結構。. . . 例：人體胸腔的立體的結構。 . 複雜的現象. 立體的結構. 多層次組織. 例：呈現胸腔空間的改變，. 例：人體胸腔結構中的肺、肋. 造成氣體進出的關係。. 骨、橫膈膜與肋間肌。 . 動作或軌跡. 體積與壓力之關係. 例：呈現呼吸運動，肺、橫. 例：將針筒的推杆往後拉，氣. 膈膜、肋骨的動作軌跡。. 體會從針頭流入 . 動作成因例：藉由胸腔內的壓力改變達到呼、吸氣。. 概念呈現. . 先後方向. . 呼吸系統 - 呼吸器官的名稱. 呼吸系統 - 呼吸器官的名稱. （由上到. - 鼻毛與纖毛的功能. 下，如箭號 . 人體的胸腔. . 所示）. - 肋骨、橫膈膜的介紹. 35. 人體的胸腔 - 胸腔的範圍.

(46) - 胸腔內具有的臟器種類 - 肋骨、橫膈膜、肋間肌的介 . 呼吸運動的機制. 紹. - 肋骨、橫膈膜影響胸腔體  積的改變. 呼吸運動的機制 - 肋骨、橫膈膜影響胸腔體積的改變 - 肋間肌對於肋骨的控制 - 體積與壓力的關係. 可操控之. . 按鈕舉例. . 播放、暫停、前進、後退的. . 下一頁、上一頁之按鈕. 按鈕. . 各主題設有超連結. 呼吸時，氣體的進（藍色）. . 人體胸腔中，呈現肺、肋骨、. 出（黃色）與胸腔中肺、橫. 橫膈膜與肋間肌的立體結構. 膈膜、肋骨的變化（1 張／s）. 與不同層次組織. 36.

(47) 當學習者的理解速度無法跟上動畫呈現資訊的速度時，使用動畫就不會是一個優點（引自 Holzinger、Kichmeier-Rust、Albert, 2008）。然而，縱使為靜態的圖片與文字，各個學習者的閱讀速度也不盡相同。為達良好的學習效果，在正式活動中，每位學習者皆配給一台電腦使用，閱讀時間內，學習者可依自己的閱讀速度、理解情況，靜態中可自行調整閱讀速度與再次閱讀的部份；動態中雖無法控制播放的速度，但學習者可操作播放、暫停、前進、後退的按鈕，也可以重覆閱讀，以求減低認知負荷的情形。此外，為確保學習者讀取到表徵內所提供的重要資訊，故學習者在閱讀表徵時，將搭配學習單的填寫。. 第四節資料收集. 本研究期間所搜集的主要有「空間能力量表」、「呼吸運動概念測驗」與研究後的「晤談」三筆，此資料將對於本研究探討問題作適當的分析，其對應關係如下表 3-4-1 所示：. 37.

(48) 表 3-4-1. 各項資料可回答研究問題之對應表. 資料來源. 量化資料. 質性資料. A.空間能力量表. A.個別晤談. B.呼吸運動概念測驗（前／後測）晤談資料先將錄音、錄影進行轉分析方式. t-test 和 two-way ANCOVA 分析. 譯，再依晤談的問題分項、進行編碼與計次。. 研究問題. 1. 在多重表徵的閱讀活動前後，. 3. 表徵順序組別、空間能力、先. 不同表徵順序組別、空間能. 備知識不同的學生，回答與人. 力、先備知識的學生，對「人. 體呼吸運動概念的立體空間性. 體呼吸運動概念」的理解是否. 晤談問題，其正確與理由完整. 有差異？. 性是否有差異？. 2. 表徵順序組別、空間能力、和. 4. 表徵順序組別、空間能力、先. 先備知識是否影響學生對「人. 備知識不同的學生，所偏好的. 體呼吸運動概念」的學習成. 表徵類型與表徵順序是否有差. 效？. 異？. 一、空間能力量表本研究所使用之「空間能力量表」為引自康鳳梅所主持的「高工學生空間能力指標與量表建構之研究」共開發出十二種空間能力量表，每一份量表的指標不同，依其指標定義（表 2-1-1）與本研究所定義的空間能力相對應下，選擇採用其量表中的「立體旋轉空間定位能力」12 題、「圖形對應空間視覺能力」10 題與「型版接合空間視覺能力（Ⅰ）」8 題，三個量表，共 30 題，如圖 3-4-1 所示。由於此量表原先的測驗對象為高工學生，與本研究的研究對象（七年級生）年紀有落差，故先以前導測驗測詴，其 Cronbach's Alpha＝0.86，故推知此量表適用於七年級學生。在本研究正式施測中，此空間量表的信度為 Cronbach's Alpha＝ 0.88。. 38.

(49) 將所有學生的空間能力分數作整理後，以分數高低依序排列，結果顯示 50 百分位數為 21 分，故訂定空間能力量表的分數高於或等於 21 分屬於高空間能力者，低於 21 分則屬於低空間能力者。. 圖 3-4-1「空間能力量表」之題本範例資料來源：高工學生空間能力指標建構之研究（1/2），康鳳梅，2002，行政院國家科學委員會專題研究計畫期中進度報告（NSC91-2516-S-003-007），台北市。. 二、呼吸運動概念測驗（一）設計說明依據七年級需學習的呼吸運動相關知識繪製專家概念圖，再發展出本研究的雙向細目表 3-4-1，並以此表為設計題目的主幹，同時考慮學習者的概念知識與空間能力的觀點設計出對應的詴題（表 3-4-1），經由專家教師審核而成。形成的概念測驗卷初版，於兩班九年級學生進行預詴，依其作答情形進行修正，並經由一名六年級生詴閱題目，最後產生正式的呼吸運動概念測驗卷，其信度 Cronbach's Alpha＝0.76。測驗卷內容如附錄（二）所示。. 39.

(50) 表 3-4-2 「人體呼吸運動」概念之雙向細目表與測驗卷對應的題號事實性 . 概念性. 立體空間 . 呼吸系統所包含的器官（二-3）. 呼吸器官. . 鼻毛的功能（一-1）. . 氣管纖毛的擺動方. 呼吸器官的位置（二-3）. 向與功能（一-2、3） . 人體肋骨的數目（一-4）.  胸腔結構. 胸腔為一個密閉的空間（一-7）. . 胸腔介定的範圍（一-6）. . . 胸腔內的臟器（一. 大小（二-3）. -5） .  呼吸運動. . 呼氣時，肋骨與橫. 胸腔內臟器位置與. . 呼吸運動的原理是. 膈膜的改變（一-8）. 藉由體積的變化，. （二-2）. 導致壓力的改變. 吸氣時，肋骨與橫. （一-11、16）（二-1）. 膈膜的改變（一-9） . 呼吸時，肺部的改. （二-1）. 變與胸腔壓力的關. 肋骨移動是受到肋. 係（一-10、13、16）. 間肌的控制（一-12）. （二-1）. . 呼吸時，肋骨的運動方式（一-15）. . 呼吸時，橫膈膜的運動方式（一-14）. （二-1）（中文數字為測驗卷的項目，阿拉伯數字為項目內的題號，例：二-2 表示第二大項的第 2 題。） 40.