以眼球追蹤技術探究學生認知衝突與概念學習-以生物學細胞分裂主題為例

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(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：楊芳瑩博士. 以眼球追蹤技術探究學生認知衝突與概念學習-以生物學細胞分裂主題為例 Using the eye tracking method to analyze students' cognitive conflict and concept learning on the topic of mitosis. 研究生：鄭嘉惠中華民國 105 年 7 月.

(2) 致謝. 在碩士班就學期間，能夠順利的完成此篇論文，有很多感謝的人。感謝指導教授楊芳瑩老師，不論是在課堂中與我進行意見討論與交流、鼓勵我投稿至 2016NARST 國際研討會並帶我體驗美國文化，以及將論文不斷地進行修改並給予我鼓勵和支持。在這樣的環境中，也讓我立志未來要往科學教育的學術圈繼續發展。此外，感謝進行問卷批改的兩位學長，分別是游湘瑞學長以及林峻緯學長，謝謝你們願意擔任專家委員對問卷回覆進行審查。感謝簡郁璇學妹以及楊承翰學弟，與我討論生物部分的相關問題。感謝大學同學林彥維，與我討論瞳孔變化等動物生理的相關訊息。感謝生科系大一及大二的學弟妹願意成為受測者進行實驗施測。感謝楊老師研究室的夥伴，靜文姊以及學姊和同學們之間的協助，真的很感謝有你們的支持與幫忙。感謝碩士班遇到的每位同學，謝謝你們豐富了我的碩士生活。感謝我的每一位好朋友伴我度過碩士班的生活。最後感謝家人對我的支持與鼓勵。這只是一個短暫的終點，接下來還有更長的路等我前進。期待達到夢想的那一天。. I.

(3) 摘要本研究運用眼球追蹤法，探討具有先備知識的生命科學系大一學生之迷思概念與概念衝突。受測者分成實驗組與控制組，實驗材料為七題生物學「細胞分裂」單元常見的迷思概念題目。實驗組的受測者於測驗後給予正確答案閱讀，控制組則沒有給予答案。實驗組發現作答錯誤時，預計會產生認知衝突，為了減低認知衝突，受試者會對概念進行重新理解，藉此調節其後續閱讀相關文章的認知負荷。研究的最後階段則利用問卷調查兩個組別受測者在閱讀相關文章材料後的學習成效，是否會因為有無經歷答案的閱讀歷程而有不同。本研究利用眼球追蹤法，分析受試者閱讀題目與文章過程中的眼動模式分析是否與認知衝突相關。眼動指標包括瞳孔凝視面積變化率、總凝視時間、凝視時間對總凝視時間的百分比以及第一次閱讀凝視時間。目前的研究結果指出，閱讀題目的瞳孔凝視面積變化率為受試者自我預估是否答題正確或錯誤的判斷力指標。而在控制組與實驗組兩組眼動指標的分析與學習成效之比較，發現實驗組在經歷認知衝突後，實驗組與控制組對於文章有相等的認知努力程度，而實驗組對於文章相關的概念閱讀有較好的理解，代表答案的閱讀歷程對於受測者是有所助益的。此外，針對認知衝突眼動模式分析結果，發現實驗組在閱讀答案的瞳孔凝視面積變化率與題目困難度有關連性。而實驗組的受測者認知衝突導致的概念改變的確會反映在後續文章的閱讀過程中，針對低難度的題目，作答錯誤的受測者會在閱讀答案的過程中調解此一衝突，並且在其後閱讀文章的過程中付出較低的認知努力程度。針對中難度與高難度的題目，閱讀錯誤答案過程的瞳孔凝視面積變化率較小，代表作答錯誤已經在自己的預期中，雖然沒有積極調解此一衝突，但已經引起注意力資源的重新分配，因此在後續文章閱讀的相關概念上給予較多的認知資源。. 關鍵字：建構理論、認知負荷理論、迷思概念、認知衝突、眼球追蹤技術、細胞分裂 II.

(4) Abstract In this study, we used the eye tracking method to investigate university biology students’ misconceptions and cognitive conflict. participants were divided into the experimental and control groups. Students took the misconception test first, and then proceeded to read a short expositive text. Before reading the expositive text, students of experimental group were given the correct answer of each item, while the control group read the short article without an interruption. All participants filled the questionnaire after the experiment. Students’ eye movements are recorded all the time during the experiment. The eye movement measures analyzed in the study were the changes in pupil size, first pass fixation duration time, total fixation duration and percent time fixated related to total fixation duration. The study showed that the change of pupil area could be the indicator of selfjudgment ability over the test result. The comparative analysis between the control and the experimental groups showed that both groups afforded equal cognitive efforts to the expositive text but the experimental group demonstrated better concept achievement. The study result suggested that the offer of correct answers was useful for self-learning. The eye movement analysis found that the pupil area change rate of the experimental group was related to the level of item difficulty.For the easy items, participants of the experiment group who went through cognitive conflict (i.e. those who had wrong answers) showed larger pupil area change rate but spent less time in reading the expositive text. The finding suggested that for items of low difficulty, participants were able to mediate his/her cognitive conflict immediately and consequently paid less cognitive effort to the reading of the expositive text. On the contrary, for items of the medium and high level of difficulty, participants showed smaller pupil area change rate but longer reading time. This result implied that for difficult items, students did not mediate immediately his/her cognitive conflict. As a III.

(5) result, reading time increased. It should be noted that the increased reading time were relocated to areas related to their misconceptions.. Key words: constructivism, cognitive load theory, misconception, cognitive conflict, eye-tracking technique, cell division. IV.

(6) 目錄致謝.............................................................................................................................. Ⅰ 摘要.............................................................................................................................. Ⅱ Abstract ........................................................................................................................ Ⅲ 目錄.............................................................................................................................. Ⅴ 圖目錄.......................................................................................................................... Ⅷ 表目錄.......................................................................................................................... Ⅸ 第一章緒論.................................................................................................................. 1 第一節研究背景與動機 .......................................................................................... 1 第二節研究目的與待答問題 .................................................................................. 3 第三節研究限制 ...................................................................................................... 4 第四節研究的重要性 .............................................................................................. 4 第五節名詞解釋 ...................................................................................................... 5 第二章文獻探討.......................................................................................................... 7 第一節建構理論與教學實踐 .................................................................................. 7 一、知識建構歷程與教學 .................................................................................... 7 二、迷思概念產生 ................................................................................................ 9 第二節認知負荷與概念學習 ................................................................................ 10 一、認知負荷 ...................................................................................................... 10 二、認知衝突、認知負荷與概念改變 .............................................................. 11 第三節認知衝突與眼球追蹤相關研究 ................................................................ 12 一、眼球追蹤方法介紹 ...................................................................................... 12 二、瞳孔凝視面積變化率與相關研究 .............................................................. 13 第四節生物學細胞分裂主題相關概念的學習 .................................................... 15 第三章研究方法........................................................................................................ 16 第一節研究對象 .................................................................................................... 17 第二節研究工具 .................................................................................................... 18 一、眼動儀軟、硬體設備 .................................................................................. 18 V.

(7) 二、閱讀材料 ...................................................................................................... 19 三、後測問卷 ...................................................................................................... 24 第三節研究設計與施測流程 ................................................................................ 26 一、眼動儀器的校正 .......................................................................................... 26 二、前測及實驗操弄 .......................................................................................... 27 三、文章閱讀活動 .............................................................................................. 27 四、問卷填寫 ...................................................................................................... 28 第四節資料分析 .................................................................................................... 29 一、前測測驗答對率與認知負荷及眼動指標分析 .......................................... 30 二、控制組與實驗組文章閱讀歷程之眼動指標與學習成效之比較 .............. 30 三、比較實驗組於第一次閱讀題目及第二次閱讀題目含答案的瞳孔面積放大率之差異.................................................................................................. 31 四、實驗組認知衝突眼動模式分析 .................................................................. 31 五、實驗組認知衝突與後續文章閱讀歷程之眼動指標分析 .......................... 31 第五節研究歷程 .................................................................................................... 32 一、準備研究工具 .............................................................................................. 32 二、正式施測 ...................................................................................................... 32 三、結果和資料分析 .......................................................................................... 33 第四章資料呈現與分析............................................................................................ 34 第一節前測測驗答對率與認知負荷及眼動指標分析 ........................................ 35 第二節控制組與實驗組文章閱讀歷程之眼動指標與學習成效之比較 ............ 38 第三節比較實驗組於第一次閱讀題目及第二次閱讀題目含答案的瞳孔面積放大率之差異 ................................................................................................ 46 第四節實驗組認知衝突之眼動模式分析 ............................................................ 48 第五節實驗組認知衝突與後續文章閱讀歷程的分析 ........................................ 54 第五章綜合討論與展望............................................................................................ 65 第一節研究結果與討論 ........................................................................................ 65 一、前測測驗答對率與認知負荷及眼動指標分析討論 .................................. 65. VI.

(8) 二、控制組與實驗組文章閱讀歷程眼動指標分析及學習成效之統計結果比較 .............................................................................................................. 67 三、比較實驗組第一次閱讀題目及第二次閱讀題目含答案的瞳孔面積放大率之差異結果.............................................................................................. 68 四、認知衝突之眼動模式分析結果討論 .......................................................... 69 五、實驗組認知衝突與後續文章閱讀歷程的分析結果討論 .......................... 70 六、待答問題之回應 .......................................................................................... 72 第二節教育上的意涵............................................................................................ 76 第三節未來展望.................................................................................................... 77 參考文獻...................................................................................................................... 78 附錄一文章閱讀活動所提供文章............................................................................ 83. VII.

(9) 圖目錄圖 3-2.1 硬體設備與軟體示意圖 .............................................................................. 19 圖 3-2.2 題目呈現頁面與答案以及題目的呈現方式 .............................................. 21 圖 3-3.1 研究施測流程 .............................................................................................. 28 圖 4-2.1 控制組與實驗組閱讀文章中與前測相關概念的瞳孔凝視面積變化率之比較.............................................................................................................. 39 圖 4-2.2 控制組與實驗組閱讀文章中與前測相關概念總凝視時間之比較 .......... 41 圖 4-2.3 控制組與實驗組閱讀文章中與前測相關概念的凝視時間對總凝視時間百分比之比較.............................................................................................. 42 圖 4-2.4 控制組與實驗組在閱讀閱讀文章中與前測相關概念的第一次閱讀凝視時間之比較.................................................................................................. 44 圖 4-3.1 閱讀題目與閱讀題目-答案瞳孔凝視面積變化率之比較 ......................... 46 圖 4-4.1 閱讀作答正確（無認知衝突）與作答錯誤（有認知衝突）題目的瞳孔凝視面積變化率之比較.............................................................................. 49 圖 4-4.2 閱讀作答正確（無認知衝突）與作答錯誤 (有認知衝突) 題目的總凝視時間之比較.................................................................................................. 50 圖 4-4.3 閱讀作答正確（無認知衝突）與作答錯誤 (有認知衝突) 題目的凝視時間對總凝視時間百分比的比較.............................................................. 52 圖 4-5.1 學生有無經歷認知衝突的瞳孔凝視面積變化率之比較 .......................... 56 圖 4-5.2 學生有無經歷認知衝突的總凝視時間（秒）之比較 .............................. 58 圖 4-5.3 學生有無經歷認知衝突之凝視時間對總凝視時間百分比統計結果 ...... 59 圖 4-5.4 學生有無經歷認知衝突的第一次閱讀凝視時間比較 .............................. 61. VIII.

(10) 表目錄表 3-1.1 研究樣本人數資料 ...................................................................................... 17 表 3-2.1 題目辨識名稱 .............................................................................................. 20 表 3-2.2 閱讀之文章所含之 AOI 編號與相關概念與名稱 ..................................... 24 表 3-3.1 實驗設計 ...................................................................................................... 26 表 3-4.1 本研究眼動指標說明 .................................................................................. 29 表 4-1.1 題目困難度自我評估分數、題目答對率與各題目閱讀歷程眼動指標平均分析...................................................................................................... 35 表 4-1.2 題目困難度與眼動指標的皮爾森（Pearson）相關性檢定分析.............. 36 表 4-1.3 不同題目難度及眼動指標進行皮爾森(Pearson)的相關性檢定分析 ....... 37 表 4-1.4 各題目答對率與受測者評估題目困難度及瞳孔面積擴張率的內部一致性分析.................................................................................................. 37 表 4-2.1 閱讀題目相關概念組別人數統計 .............................................................. 38 表 4-2.2 控制組與實驗組文章閱讀歷程之眼動指標之整體平均值 ...................... 39 表 4-2.3 控制組與實驗組在閱讀文章中與前測相關概念的瞳孔凝視面積變化率（%）的 ANOVA 分析結果 ........................................................................ 40 表 4-2.4 控制組與實驗組在閱讀文章中與前測相關概念的總凝視時間（秒）之 ANOVA 分析結果....................................................................................... 41 表 4-2.5 控制組與實驗組在閱讀文章中與前測相關概念的凝視時間對總凝視時間百分比（%）的 ANOVA 分析結果 ...................................................... 43 表 4-2.6 控制組與實驗組在閱讀文章中與前測相關概念的第一次閱讀凝視時間（秒）的 ANOVA 分析結果........................................................................ 44 表 4-2.7 控制組與實驗組兩組之答題分數之 ANOVA 分析結果 .......................... 45 表 4-3.1 第一次閱讀題目與第二次閱讀題目（含答案）的眼動指標之 T 考驗 .. 47 表 4-4.1 實驗組受測者作答情形人數統計 .............................................................. 48. IX.

(11) 表 4-4.2 閱讀作答正確（無認知衝突）與作答錯誤 (有認知衝突) 題目的瞳孔凝視面積變化率（%）之 ANOVA 結果 ...................................................... 49 表 4-4.3 閱讀作答正確（無認知衝突）與作答錯誤 (有認知衝突) 題目的總凝視時間（秒）ANOVA 結果 ........................................................................... 51 表 4-4.4 閱讀作答正確（無認知衝突）與作答錯誤 (有認知衝突) 題目的凝視時間對總凝視時間百分比（秒）的 ANOVA 結果 .................................. 53 表 4-5.1 實驗組受測者經歷不同認知歷程後閱讀文章相關概念人數統計 .......... 54 表 4-5.2 認知衝突與文章閱讀歷程的各眼動指標平均值 ...................................... 55 表 4-5.3 學生有無經歷認知衝突的瞳孔凝視面積變化率（%）之 ANOVA 結果.............................................................................................................. 56 表 4-5.4 學生有無經歷認知衝突之總凝視時間（秒）的 ANOVA 分析結果 ...... 58 表 4-5.5 學生有無經歷認知衝突之凝視時間對總凝視時間百分比（%）的 ANOVA 分析結果....................................................................................... 60 表 4-5.6 學生有無經歷認知衝突之第一次閱讀凝視時間（秒）的 ANOVA 分析結果.............................................................................................................. 62 表 4-5.7 實驗組文章閱讀歷程分析結果總整理 ...................................................... 63. X.

(12) 第一章緒論建構理論指出，學生的學習過程為自我探究並知識建構的歷程。基於建構理論，本研究探討學生在解題過程中，因為迷思概念所導致的認知衝突，是否會在閱讀答案的過程中自我調解，進而使認知負荷減少，並將此認知歷程反映在後續文章閱讀行為以及生理行為（瞳孔凝視面積變化率）上，最後建構屬於個體的知識，達到更好的學習結果。此章節將分別敘述本研究的「研究背景與動機」、「研究目的與待答問題」、「研究範圍與限制」、「研究的重要性」與本文中關鍵詞的「名詞解釋」，讓讀者能夠了解本研究的架構、限制與內容，以及各關鍵詞在本研究中的定義。. 第一節研究背景與動機在台灣的教育體制下，學生求學過程中不免俗地經歷難以細數的考試和測驗。拿到答案卷的那一剎那，一定會因為自己錯誤的答案感到錯愕和驚慌。然而，根據概念改變理論，個體因為具有先備迷思概念而導致認知衝突，進而產生概念改變。如同建構理論所描述的，讓個體在先備知識的基礎上建立屬於自己的新知識，是較有效果的學習歷程。迷思概念持續存在於每位學習者的心中，即使是各專業領域的大學畢業生，對於所屬的領域科目仍會有不少迷思概念存在（Dikmenli,2009）。因此，如何破解迷思概念對於教師而言是一項重大的挑戰。1980 年代，Sweller 學者提出認知負荷理論，認為教師應降低學生學習的認知負荷，使學生可以將工作記憶進行有效的分配。據此，是有效的教學方法應該是能讓學習者的認知結構產生衝突並進行調解，促使學習者降低學習時的認知負荷。在認知負荷理論與建構論的背景理論支持下，本實驗設計以迷思概念的是非題題型進行測驗，將受測者分為實驗組與控制組，實驗組給予試題答案閱讀，而控制組沒有經歷此步驟。比較實驗組與控制組兩個組別在閱讀後續文章相關概念 1.

(13) 的眼動模式是否有所差異，以及答案的提供是否會造成實驗組的受測者有較好的學習成效。由於實驗組的受測者在實驗過程中會經歷答案的閱讀過程，透過答案的提供使受測者經歷認知衝突，本研究也進一步檢視實驗組的受測者在第一次閱讀題目以及第二次閱讀題目含答案時，瞳孔凝視面積變化率是否會有所差異，以及實驗組有無經歷認知衝突兩種情況下（即測驗題目是否答對），受測者的眼動模式差異；最後檢驗此差異是否會與後續文章閱讀歷程的眼動模式相關。. 2.

(14) 第二節研究目的與待答問題本研究目的有以下兩項，第一為測驗答案的提供是否可以造成受測者的認知衝突及概念改變，並呈現在「瞳孔凝視面積變化率」此項眼動指標上，第二為根據認知負荷理論，遭遇認知衝突的受測者是否會自動調解此一衝突，產生概念改變以降低其認知負荷，並且將此結果反映在後續文章相關概念區域的閱讀認知行為上。根據這兩項目的，本研究提出以下五個問題，如下所述：. 1. 認知負荷（受測者主觀感受題目的困難度）是否可以從眼動指標得知，例如：瞳孔凝視面積變化率、第一次閱讀凝視時間等，這些指標是否會和題目困難度的五點量表分析結果呈現正相關？ 2. 經歷認知衝突的實驗組（即前測後被給予答案閱讀的受試者）是否比未經歷認知衝突的控制組(即前測後沒有給予答案的受試者）在閱讀文章時有不同的眼動模式，並且有較好的學習成效？ 3. 實驗組的受測者在第一次閱讀題目與第二次閱讀題目含答案間，其眼動模式是否會有所差異？ 4. 實驗組的受測者發現正確答案和作答答案不一致時（即作答錯誤），是否會因為產生概念衝突，比起發現作答正確的受試者有較大的瞳孔凝視面積變化率、較久的總凝視時間，以及較大的凝視時間對總凝視時間百分比？ 5. 實驗組中，有無經歷認知衝突的眼動模式是否會反應在後續閱讀與前測概念相關之文章的過程中？. 3.

(15) 第三節研究限制受到研究對象與研究工具的影響，本研究結果可能會有以下幾點限制： 1. 眼球追蹤技術的假設為眼睛注視的範圍即為注意力集中的位置，其他影響注意力的因素則不在此研究的討論範圍內。 2. 本研究的對象為修習完大一普通生物學遺傳相關課程的生命科學系大一學生，因此具備一定程度的先備知識，無法類推至其他先備知識較不完整或缺少的學生上面. 第四節研究的重要性此節將根據研究儀器的選擇以及科學教育的兩個面向探討研究的重要性。 1. 本研究選用眼動儀，並嘗試利用眼動指標找出受測者有無經歷認知衝突的歷程。過於對於認知衝突的研究多是選用 EEG、fMRI 等儀器進行偵測，藉由觀察受測者的腦波變化找出產生認知衝突的部分。相較於這些儀器，眼動儀的優點為其具有的方便性且藉由受測者的凝視點位置，可以對於產生認知衝突的文本區域有更精密的定位，因此若能找出呈現受測者認知衝突的眼動指標，對於未來的相關研究將會有所助益。 2. 根據理論，學生產生認知衝突後將會導致更高的認知負荷，若能藉由答案的提供調解此一衝突，降低學生閱讀文本的認知負荷，預測學生將會有更好的學習成效。因此，若能藉由眼動指標找出科學文本中容易使學生產生認知衝突的部分，教師即可以在教學的設計方面調解學生因為認知衝突導致的認知負荷，對於學生的學習有所助益。. 4.

(16) 第五節名詞解釋. 1. 建構理論. 根據von Glasersfeld(1989)提出的建構論主要包括以下兩項原則。第一原則：知識並非被動地接受而來，而是由學習者主動建構而成；第二原則：認知的產生是適應性的，是從經驗得來的。. 2. 認知負荷理論認知理論在80年代由Sweller學者提出，以訊息處理理論（information processing theory）為此理論的背景，假設學習者的記憶量有限，因此認知負荷將會隨著測驗的困難度而提升。學習者因應此一現象，需要將工作記憶作有效的分配，教師的教學也必須盡量降低認知負荷，使學生可以在認知負荷小的情況下進行學習。. 3. 迷思概念迷思概念指的是概念改變或者是和現今科學家所持的不同科學觀點。而迷思概念有許多不同的來源，如以下所述：＊從每天的生活經驗或者是觀察得來＊從概念性的思考得來，也就是和先前的概念作連結，並在研究中發現或是即時察覺，針對科學性的現象做出的解釋＊從課本中的圖表或是敘述得來＊從老師或是實習老師得來迷思概念會導致更多錯誤的原因為不正確的呈現，因此學生的先備知識或者是存在的迷思概念可能會阻止有效的學習。. 5.

(17) 4. 認知衝突認知衝突是對於學習者認知結構訊息所產生的矛盾意識。認知衝突發生在學習者無法利用已具備的概念去解決問題，必須進一步學習一個新的概念之時。這是一個認知失衡造成的結果且對於修正認知結構是必要的。學者指出認知衝突發生的情況下可能會導致學習過程的困難、問題等。如果衝突過多的情況下，或許會使學習者產生退怯、焦慮或者是失落感。. 5. 眼球追蹤技術眼動追蹤（eye tracking technique）技術藉由眼動數據的提供，使研究者可以即時探討受測者認知思考歷程。該方法廣泛地被應用在瞭解閱讀歷程、問題解決等相關的議題，並利用眼動儀偵測所得的資料，檢驗不同認知測驗的過程。因此，以眼動儀記錄的方式來探討受測者在閱讀、解題、教學內容的處理及問題解決時的認知歷程，實為可行且直接的方法。. 6. 細胞分裂細胞分裂分為有絲分裂與減數分裂，本研究所使用的閱讀材料與迷思概念題目的內容為描述有絲分裂各個階段。體細胞藉由有絲分裂產生新細胞或是修補衰老或耗損的細胞。有絲分裂的過程包括：前期（染色體複製）、中期（染色體排列於細胞中央）、後期（姊妹染色體分離）以及末期（細胞質分離，形成兩個染色體與遺傳物質相同之子細胞）。. 6.

(18) 第二章文獻探討. 本研究以建構理論為基礎，欲探討的問題是：學生自我建構知識的情況之下，遇到認知衝突時是否能察覺此一衝突並且進行調解，降低其認知負荷，以進行更有效的學習。本研究以學生學習生物過程中最常產生迷思概念的單元‐細胞分裂作為材料內容，檢測學生面臨認知衝突時其眼動模式的變化。因此，在文獻探討這個章節，將回顧四個主題的相關文獻，一為建構理論的教學實踐，包含迷思概念的討論，二為認知負荷理論與認知衝突，以及概念改變。此外，基於本研究運用眼球追蹤方法探討認知衝突，第三部分的文獻探討為認知衝突與眼動相關研究，並介紹本研究中所使用的指標瞳孔凝視面積變化率，第四部份為生物學細胞分裂相關概念的學習之文獻回顧。. 第一節建構理論與教學實踐一、知識建構歷程與教學建構理論是關於知識建構歷程的論述，源自於哲學、心理學等理論。此理論對於認知發展與學習以及教學研究、心理治療都有很深遠的影響，理論的主要原則包含以下兩點：第一，知識是認知個體的主動建構所形成的；第二，認知的功能是適應性的，並且能夠對於生活中的經驗進行組織 (von Glasersfeld,1989)。建構理論針對學習的議題，強調學習者內在的自我認知，將經驗歸納並且建構知識。學者就以下不同層面對建構過程提出解釋：針對知識層面，對於知識的了解必須建構在學習者的經驗以及背景；針對學習層面，建構式的學習行為則是主動的、自發的以及自我建構的認知過程，當學習者將學習內容進行處理以及建構在過去的經驗之上，學習即發生了。在建構的觀點下，即使學生對於特定內容沒有經驗，他們也可以根據先備知識和其他經驗形成特別的解釋以及假設，因此， 7.

(19) 教師應該根據學生的背景，設計以學生為中心的課程，使學生從舊有的知識形成新的概念(Jia,2010)。建構主義最早由皮亞傑提出，其理論是綜合生物學、認識論、哲學以及心理學等相關學科所衍伸出來的。皮亞傑關注的重點在於人類如何從世界獲得知識，他將此知識成長的過程視為學習者更客觀地去了解世界的途徑 (O'loughlin,1992)。建構理論區分為社會建構論與個人建構主義。社會建構論強調學習是基於學習者與他人之間的討論交流和意見分享，因而學習是發生在學習者與他人進行討論交流時，重新定義自己以及他人對於知識的理解。個人建構主義強調個人的認知歷程，學習發生於個體的自身的體悟並引發認知結構改變，而極端的個人建構主義則強調世界上並沒有任何的事實以及真相，「事實和真相」是根據個體所感知和相信到的外在事物及知識而定義。因此學生應該要有機會可以依照自己的興趣學習，主導自己的學習活動，並且追尋自己的學習意義(McComas, 2013)。 Lord (1997)針對非主修生物的學生進行兩個課程內容相同但不同教學方法的課程設計之研究，其中一個組別的教學方法設計是以教師為中心的教學，另外一組則是以學生為教學中心的課程設計。結果顯示以學生為中心教學的學生比起傳統方式教學的學生有更好的學習成效。除此之外，學生對於半年的學習產生更大的學習興趣。在澳洲的學校教育中，以建構理論為基礎，發展出學習者的建構式學習過程，被認為對學習者是有利的。因為在建構的學習過程中，學習者會根據他們的經驗建構知識而不只是單單的被動吸收知識 (Thomas & Watters, 2015)。. 8.

(20) 二、迷思概念產生文獻指出，在建構學習過程中，學生可能會在尋找答案的時遭遇困難，並且會因為缺少或是持有不正確的資訊而無法產生有意義的知識，最終導致迷思概念的產生(Wandersee, Mintzes, &Novak, 1994) 。事實上，儘管學生可以從考試獲得好成績，不少學生畢業後對於自然現象仍存有迷思概念 (Lord, 1997)。根據建構論，學習者應該會以本身所持有的迷思概念與先備知識為基礎主動建構知識。科學教育研究者發現當概念改變的行為發生時，學習者需要去面對並且抗衡他們的迷思概，而皮亞傑提出概念衝突是知識建構的主要機制，根據這項說法，Ponser 等人（1982）指出經歷認知衝突的過程對於概念改變是很重要的一個步驟，當遭遇認知衝突時，學生將會了解他們必須「重新學習」或者是「重新建構」他們對於某些知識的了解。. 本研究採用上述建構理論的觀點,強調知識的獲得是個人建構歷程，因此實驗設計上將透過自我閱讀以及操弄改變迷思概念的認知衝突之歷程，期望使學習者有更好的學習成效，並藉此了解學習者的學習歷程。. 9.

(21) 第二節認知負荷與概念學習一、認知負荷在過去 20 年，認知負荷理論在教育心理學以及課程設計已經成為重要的理論。這個理論通過各項測試、對現有的假說進行確認，並利用實驗進行對理論的修飾(Kirschner, Sweller, & Clark, 2006)，而教育的實證研究上也支持根據認知負荷理論發展出的教學設計和策略是有效 (Paas, Van Gog, & Sweller, 2010)。 J. Sweller 提出的認知負荷理論包括以下三個層面：內在認知負荷、外在認知負荷以及增生認知負荷。教材的內容屬於內在認知負荷，當教材之間的關聯性越少、內容越少則越簡單，反之則會有較多的認知負荷。外在認知負荷指的是教材的呈現方法以及組織結構，也就是教材的編排將會影響學習者的認知負荷。此外，外在認知負荷會佔據學習者的工作記憶容量，使其無法專注在真正需要學習的內容上面。增生認知負荷則是讓學習者形成新的認知進行有效的學習(Sweller, Van Merrienboer, & Paas, 1998)。由此可知，認知負荷的多寡與學習過程中複雜的認知訊息元素有關，通常學習者會因為不同的訊息元素而感到不堪負荷，需要將這些元素處理後才能開始進行有意義的學習。因此學者開始針對因複雜測驗產生過高的認知負荷進行研究，也因此注重教學內容與結構的設計與修正(Pass et al., 2010)。文獻指出，有三種分法可以評估認知負荷。第一個是表現行為的測量，例如：回應時間或是回應速度。第二個則是使用自我評量的量表。由自評量表所顯示的結果對於測驗的心智程度的連結和測量認知負荷是很常見的一個方法。最後則是使用生理行為的表現，例如：眼球位置追蹤、皮膚的電傳導率以及壓力指標等 (O'Donnell, & Eggemeier, 1986 )。. 10.

(22) 二、認知衝突、認知負荷與概念改變前一節提到，認知衝突為知識建構的一重要機制，當學習者經歷認知衝突時，由於心智需要調解此一衝突，因此將會提高認知負荷。因此，藉由測量學習者的認知負荷，我們或許可以了解學習者是否經歷認知衝突的過程。皮亞傑(1920)針對幼童口語推理的研究發現，認知衝突的主要來源是人與人之間的互動。而在後續的研究(Piaget, 1940)，皮亞傑指出每一項認知結構的失衡都會導致補償性的回應，促成更高結構的平衡，因此認知平衡為認知衝突所產生的結果，不論此衝突來自在個體與個體之間或是個體內 (Piaget, 1952)。 Sigel (1979)將認知衝突分為以下三個類別：兩個內在事件的差異（即是個人衝突）、一個外在事件與一個內在事件的差異，以及兩個外在事件的差異。當個體在心智中利用概念或事件的差異創造出不平衡，也就是所謂的認知衝突，就可能增加認知負荷，進而引發概念改變。最常見的概念改變教學設計是藉由呈現矛盾的數據資料或是資訊導致認知衝突的產生。事實上，認知衝突包含了機會以及危險兩個因素。雖然皮亞傑(1997)的研究指出認知衝突可以成為一種有效的教學策略，學者對於此一說法卻有各種論點。其中之一即是在許多的情況下，學生無法達到一個有意義的衝突階段，因為產生有意義的概念衝突是需要一定的先備知識(Chinn 1993)。Kuhn等學者也提出學生的科學論證能力可能還沒有發展可以察覺先備知識和目前的研究之間的衝突是明顯存在的(Kuhn, Amsel, O’Loughlin, Schauble, Leadbeater & Yotive, 1988)。由此可知，概念衝突產生與否與學習者先備知識以及主題相關之認知能力有關，然而教師通常無法有效了解以及管理學生產生的概念衝突，因此教師需要對於認知衝突有更深入的了解 (Lee&Yi, 2013)。本研究以眼動儀作為研究工具，結合瞳孔凝視面積等眼動指標，探討受測者面對認知衝突時，所增加的認知負荷。藉由正確答案的呈現，導致受測者認知衝突的產生。若認知負荷提高，代表受測者面臨認知衝突的過程，利用這個關係，期望能找尋可以代表認知衝突的眼動指標。 11.

(23) 第三節認知衝突與眼球追蹤相關研究一、眼球追蹤方法介紹眼球追蹤技術是將眼球移動的軌跡隨時間而記錄，並且藉由電腦的自動化計算得到相關的眼動數據指標，例如：凝視位置、回視次數、閱讀凝視時間等。眼球追蹤技術基於眼球移動的軌跡和心眼假設，此一假設指出眼球移動軌跡代表注意力的位置追蹤，即眼球凝視的位置是注意力分配和大腦訊息處理的位置(Just& Carpentar, 1980)。在眼動數據的分析中，研究者會根據研究理論或是假設，在研究文本中定義與研究問題相關的「興趣區域」（Area Of Interest, AOI），並且以此區域為單位分析其眼球移動的資料(Yang, Wang, Chen & Rayner, 2009)。利用眼球追蹤技術針對學習行為所做的研究中，最常使用的三種測量指標分屬三個層面，包含：時間層面、空間層面以及次數(Lai, Tsai, Yang, Hsu, Liu, Lee, & Tsai, 2013)。在時間層面的測量指標中，包含總凝視時間、第一次閱讀凝視時間、總閱讀時間等。空間層面的眼動指標則顯示眼球的移動過程，包含位置、距離以及凝視位置的指標、凝視點的順序、掃視時間等。最後一個指標層面則是次數，包含眼球移動過程是以次數或頻率。指標名稱包含：總凝視次數、平均的凝視次數、再次凝視的次數、掃視的次數等 (Lai et al., 2013)。每項眼動指標皆有其代表的意義，例如，本研究為了解受測者對於題目或是相關概念是否能夠有初步理解，因此選用進入某一興趣區間(AOI)的「第一次閱讀凝視時間（First Pass Fixation Duration）」作為眼動指標之一，此一指標代表受測者需要使用多少的時間初步解碼此 AOI 的內容，這個指標通常可以反映出閱讀材料初步解碼的困難度(Rayner, 2009)。某些不同的指標雖屬不同層面，卻可能呈現高度相關，例如：凝視時間通常會和凝視次數相關。. 12.

(24) 二、瞳孔凝視面積變化率與相關研究除了上述三種層面的眼動指標外，近期的一些心理學研究指出瞳孔的大小變化可能代表著心智或是測驗的困難度，也就是代表受測者所經歷的認知負荷 (Piquado, Isaacowitz, &Wingfield, 2010)。瞳孔是可以讓光線進入的地方，會有大小的變化，此變化不僅是由於周遭環境光線的影響也會反應出感情的變化以及出現的刺激(Goladinger&Papesh, 2012)。人類瞳孔的大小對於測驗的認知控制程度有關，例如注意力、認知處理過程等，使其常被作為量測心智努力的方法。然而，由於瞳孔的反應速率較慢，瞳孔的大小通常會在實驗出現後一秒開始增加，因此過去的研究的測驗通常是速度較慢的實驗或者是對於不同時間點受測者去處理有意義的事件與活動(Wierda, van Rijn, Taatgen, & Martens, 2012)。瞳孔的反應和心智活動是有關連的。過去的研究發現瞳孔可以提供人類認知處理過程的證據，例如問題解決或者是語意理解，這些心智活動都會伴隨著瞳孔擴張的發生(Beatty, 1982)。瞳孔擴張與認知活動的關係之相關研究已有數十年歷史，早期研究已指出，在解決乘法問題時的瞳孔大小改變可以當作是心智活動表現的直接測量。在此研究中，研究者使用簡單的乘法問題當作研究心智活動的材料，並利用相機技術在瞳孔大小改變的瞬間進行正確測量。研究結果指出瞳孔的改變會是研究問題解決的有效工具以及可觀察受測者的心智運作過程(Hess & Polt, 1964)。另外，Payn 等人(1968)的研究則是使用四種指標去比較心算乘法的困難度，分別是瞳孔的擴張大小、解答的時間、正確答案的比例以及評斷問題的難易度，研究發現難易度的評斷和作答的時間的兩個變項較能正確推論出問題的難易度，Payn 等人也發現第一階段問題的瞳孔擴張和其他階段具有差異，因為第一階段的瞳孔擴張是代表訊息的初步處理，而其他階段訊息處理則需要額外的處理步驟。近年來，基於眼球追蹤法的快速發展，瞳孔擴張率與認知負荷的相關性受到越來越多研究者的關注。Minassian 等人(2004)針對受測者回答簡單或困難的測驗提目時，其瞳孔的改變趨勢以及想法干擾的表現行為進行分析。他們的研究結果 13.

(25) 指出，精神分裂症的病患比起正常的病人在進行複雜的問題解決過程時，會明顯降低瞳孔的擴張。Iqbal 等人（2004）針對閱讀電腦螢幕呈現的測驗進行研究，他們分析平均瞳孔擴張百分比以及測驗完成時間這幾個指標。研究者發現平均瞳孔擴張百分比和測驗的困難度有關。越難的測試會導致越高的瞳孔擴張百分比。 Aston-Jones 與 Cohen (2005)的研究顯示，瞳孔的變化可以成功反映出認知負荷的改變，他們的研究指出，瞳孔的擴張率和腦部藍斑核區（locus coeruleus）的活動有明顯的相關性。此區的神經細胞為雙突觸的神經並且會釋放神經傳遞物質（NE）。LC-NE 系統則會被壓力活化因此對於記憶的取得與整合有一定的影響。 LC-NE 系統的活化也會被反映在瞳孔的擴張上，因此研究者可以藉此變化對於認知負荷有一定的觀察。然而，文獻上並非所有的瞳孔擴張率都與認知負荷相關，例如，在 Demberg（2013）的雙重測驗中，認知活動和瞳孔的擴張相關性極低，表現出來的結果也有很大的差異。基於上述的文獻探討，瞳孔擴張率是否能成為推論認知負荷的指標值得進一步研究。由於認知衝突的產生應會提高認知負荷，而目前文獻上使用眼動儀研究認知衝突的議題也較為少見，因此本研究希望在運用眼球追蹤法分析認知衝突的作用之同時，對瞳孔擴張與認知負荷的關聯有進一步的探討。. 14.

(26) 第四節生物學細胞分裂主題相關概念的學習許多的研究證據指出在大學或者是其他階段的生物課程中，教師教學以及學生學習「基因」這個單元時，已經遇到許多問題(Brown 1990)。Thomas 於 1988 年的研究針對已經學完相關單元的大學生所做的迷思概念測驗，主要是了解學生對於獨立分配率染色體的相關概念，然而只有 22%的大學生完成這個測試。文獻回顧指出，學生在學習細胞分裂這個單元時有很多常見且明顯的問題，包含對於專有名詞的困惑（例如：細胞、細胞壁、細胞膜、基因、染色體等），無法了解多細胞生物的不同層次，無法了解細胞分裂的過程（細胞分裂或是 DNA 複製）或是使用擬人的觀點進行概念理解等(Riemeier, & Gropengießer, 2008)。在 Dikmenli (2009)的研究中，他們使用畫圖以及訪談進行分析，並且，從訪談得到的結果和畫圖得到的結果是一致的，也就是學生和實習老師對於細胞分裂都抱持著一定的迷思概念。Dikmenli 建議老師在設計課程時需要將教學策略例如概念改變的文字、心智圖或是概念網絡，納入考慮的方法。總結上述的研究可知生物學細胞分裂是一個易造成迷思概念的主題，根據先前的文獻討論，要能成功改變迷思概念，必須歷經認知衝突。由於本研究計畫探討學生在面對認知衝突情況下的眼動模式，因此選擇學生在生物學中最容易產生迷思概念的主題「細胞分裂」（即有絲分裂）作為研究素材，利用實驗製造認知衝突，以進一步分析認知衝突是否會影響概念學習。. 15.

(27) 第三章研究方法. 本研究將探討五個主要的研究問題：. 1. 認知負荷（受測者主觀感受題目的困難度）是否可以從眼動指標得知，例如：瞳孔凝視面積變化率、第一次閱讀凝視時間等，這些指標是否會和題目困難度的五點量表分析結果呈現正相關？ 2. 經歷認知衝突的實驗組（即前測後被給予答案閱讀的受試者）是否比未經歷認知衝突的控制組(即前測後沒有給予答案的受試者）在閱讀文章時有不同的眼動模式，並且有較好的學習成效？ 3. 實驗組的受測者在第一次閱讀題目與第二次閱讀題目含答案間，其眼動模式是否會有所差異？ 4. 實驗組中，受測者發現正確答案和作答答案不一致時（即作答錯誤），是否會因為概念衝突的產生，比發現作答正確的受試者有較大的瞳孔凝視面積變化率、較長的總凝視時間，以及較高的凝視時間對總凝視時間百分比？ 5. 實驗組中，有無經歷認知衝突的眼動模式是否會反應在後續閱讀與前測概念相關之文章的過程中？. 根據上述的研究問題，此章將在以下分別敘述本研究的研究對象、研究工具、研究設計與施測流程、資料分析以及研究流程。. 16.

(28) 第一節研究對象. 本研究受測者是來自北部ㄧ國立大學生命科學系的一年級學生，46 位受測者被隨機分配到實驗組與控制組。實驗組受測者作答前測後給予答案，也就是實驗組受測者會立刻知道他們針對某一題目是否答錯或有迷思概念；控制組受測者則在作答後未給予答案。46 位大一學生皆已修過大一上普通生物學中相關的遺傳單元，並且皆未修習大二遺傳學之必修課程。最初研究樣本人數為 52 人，未完成眼動儀器校正的受測者共計 6 位，因此實際參與研究並完成研究的人數為 46 人。實驗組的人數約為 30 人，含經歷認知衝突（作答錯誤）以及未經歷認知衝突（作答正確）各 15 人，而控制組的人數約為 15 人。由於實驗組的受測者會在分為，因此實驗組的總人數約為控制組的兩倍。. 本研究選用大學一年級生命科學系的學生的原因有以下幾點：第一，根據建構理論，學生的知識學習是建構在先備概念之上，因此選擇在大一上學期已修過普通生物的學生作為受測者，確保其對於相關的遺傳知識與概念具有基本先備知識。第二，過去的文獻指出，生物背景的大學生已可在面對認知衝突的過程中對生物知識產生重組的過程（Pearsall, Skipper, & Mintzes, 1997）。因此選用此一年紀的學生作為檢測認知衝突與認知負荷等認知歷程的受測者。. 表 3-1.1 研究樣本人數資料. 學校/年級. 北部一國立大學生命科學系一年級. 實際參與研究並. 人數（男生，女生）. （25，27）. 17. 完成研究人數（男生，女生）. （23，23）.

(29) 第二節研究工具. 本節將就研究所使用的工具進行介紹，分為以下三個部分：一為眼動儀之軟、硬體介紹；二為閱讀材料，分別為受測者於前測作答的題目、題目含答案，以及後測閱讀活動之文章；三為實驗結束後的問卷，包含學習成效測驗以及受測者對前測題目困難度的自我評估。. 一、眼動儀軟、硬體設備本研究硬體使用為 faceLAB 5.0 眼球追蹤系統，以及 GazeTracker9.0 眼動資料分析軟體。faceLAB 5.0 的取樣頻率為 60Hz（即每秒 60 次的取樣）；其設備包含 Sony FCB-EX480B 類比式攝影機、12 ㎜紅外線鏡頭、紅外線光源輔助器、校正板等。faceLAB 能夠將注視方向、頭部位置和眨眼信號輸出等訊息自動輸出，使受測者進行眼動實驗時不受螢幕限制並且處於真實三維環境中。另外，利用焦點成像技術，容許受測者施測過程中小範圍的頭部晃動，並全程收集眼球移動資料。而 Gaze Tracker9.0 呈現作答問題與閱讀材料並記錄眼球追蹤的數據資料。整個眼球追蹤系統包含一對高速攝影機、一個外接桌上型電腦螢幕呈現給受測者閱讀材料（解析度為 1024*768）、鍵盤、滑鼠、螢幕切換器、下巴架、以及兩台筆記型電腦，其中一台筆記型電腦以 GazeTracker 9.0 呈現作答問題與閱讀材料並記錄眼球追蹤的數據資料。另一台筆電則含有 faceLAB5.0 的軟體進行校正，連接眼動儀收集眼動資料。兩台電腦間以網路線連接以傳輸資料。並搭配下巴架的使用，固定受測者額頭和下巴的位置，減少頭部晃動的不穩定性，提高所收集的眼動資料的準確度。. 18.

(30) 圖 3-2.1 硬體設備與軟體示意圖. 二、閱讀材料. （一）前測題目本研究前測題目主題為生物的細胞分裂。Dikmenli（2010）使用繪圖以及訪談的研究方法，發現即使是生物實習老師在有絲分裂、減數分裂以及步驟等單元皆存有迷思概念。因此，本研究挑選此一主題。整個實驗過程分為兩個階段。第一個階段是迷思概念的測驗（前測），由 Dikmenli (2010) 的研究所列出生物教師在細胞分裂單元存有的迷思概念中，挑出迷思概念出現頻率最高的七個概念作為此次測驗的題目，並將概念改變成是非題的敘述形式。研究者選擇此一主題進行迷思概念測驗的原因如下所述：過去的研究指出此一單元為學生容易產生迷思概念的單元；根據研究者本身的教學經驗也發現學生容易對此一單元的概念有不易理解的現象。. 表 3-2.1 呈現各題目之概念名稱，此七個題目的敘述分別如下： 1.Interphase is the preparation phase of mitosis. >細胞間期是有絲分裂的準備時期 2.Sister chromatids these structures usually appear as X-shaped bodies when viewed under a microscope. >在顯微鏡下觀察時，姊妹染色分體通常是以 X 形狀呈現. 19.

(31) 3.The chromosome number is doubled in the prophase of mitosis and halved in the anaphase of mitosis. >在有絲分裂前期染色體數目是成倍的，而在有絲分裂後期染色體數目是減半的 4.DNA replication occurs in interphase during the process of cell division. >DNA 複製發生在細胞分裂過程中的分裂間期 5.In mitosis, homologous chromosomes separate in the anaphase. >在有絲分裂過程中，同源染色體會在後期分離 6.Sister chromatids do not separate in mitosis. >姊妹染色分體不會在有絲分裂過程中分離 7.Chromosomes and chromatids are essentially the same thing. >染色體和染色分體是同樣的物質. 表 3-2.1 題目辨識名稱題目編號. 題目辨識名稱. 題目一. 分裂間期. 題目二. 姊妹染色分體形狀. 題目三. 染色體數目. 題目四. DNA 複製. 題目五. 同源染色體. 題目六. 姊妹染色分體分離. 題目七. 染色體和染色分體. 20.

(32) （二）題目-答案實驗組的受測者在前測作答完畢後會立即給予答案閱讀，答案的呈現方式如同題目呈現的頁面，唯在題目前面的括號中加入圈或叉，除此之外，沒有加入其餘的解說或說明此題錯誤相關訊息。這樣的設計目的是要檢驗受測者是否可以藉由發現自己作答錯誤而產生認知衝突，並在調解衝突後，降低認知負荷，進而在後續文章閱讀時，反映認知衝突的作用。圖 3-2.2 呈現出前測材料在電腦螢幕上的畫面。. 圖 3-2.2 左圖為題目呈現頁面，右圖為答案以及題目的呈現方式. （三）閱讀活動的文章內容前測結束後，所有的受測者皆會被要求閱讀關於細胞分裂的一篇描述性文章。文章取自於由 Nature Education 所架設的 Scitable 網站。此一網站的主要內容是由 Nature 期刊的團隊編寫，提供給高中生以及大學生相關的生物學資訊以及知識內容。研究者將文章中和前測題目相關的部分進行擷取，並且作適當的段落以及頁面編排以利受測者閱讀。在資料分析階段，將各頁面文章根據不同的細胞分裂階段畫分成不同的 AOI （Area of Interest），並對應前測題目，然後針對不同的 AOI 進行眼動指標數據的分析，因而 AOI 以前測各題目相關概念命名，例如，與前測題目一相關的第一個概念，命名為 Q1R1（Question 1 Related 1），以此類推。. 21.

(33) 以下為文章中各題目相關的概念敘述：. 題目一相關概念敘述一 Prophase is the first stage in mitosis, occurring after the conclusion of the G2 portion of interphase. During prophase, the parent cell chromosomes — which were duplicated during S phase — condense and become thousands of times more compact than they were during interphase. 前期是有絲分裂的第一階段，在間期的 G2 階段結束後發生。在此期間，在 S 階段已複製完畢的母細胞染色體會濃縮成間期的千倍題目二相關概念敘述一 sister chromatids joined at a point called the centromere, these structures now appear as X-shaped bodies when viewed under a microscope. 姊妹染色分體會以中節作連結，在顯微鏡底下觀察這些構造會呈現 X 形狀. 題目三相關概念敘述一 Prophase is the first stage in mitosis, occurring after the conclusion of the G2 portion of interphase. 前期是有絲分裂的第一個階段，發生在分裂間期的 G2 結束之後. 22.

(34) 題目三相關概念敘述二 the parent cell chromosomes — which were duplicated during S phase 母細胞染色體會在 S 階段進行複製相關概念敘述三 anaphase, during which each chromosome's sister chromatids separate and move to opposite poles of the cell. 在後期，姊妹染色分體會分離並且往細胞的兩極移動題目四相關概念敘述一 condense and become thousands of times more compact than they were during interphase. 在 S 階段已複製完畢的細胞染色體會濃縮成間期的千倍題目七相關概念敘述一 Upon separation, every chromatid becomes an independent chromosome. 分離之後，每個染色分體會變成獨立的染色體. 23.

(35) 表 3-2.2 為文章中各 AOI 的編號與相關概念辨識名稱。. 表 3-2.2 閱讀之文章所含之 AOI 編號與相關概念與名稱 AOI 編號. 概念辨識名稱. Q1R1. 前期發生時間與事件. Q2R1. 姊妹染色分體介紹. Q3R1. 前期發生時間. Q3R2. 母細胞染色體複製. Q3R3/Q5R1/Q6R1. 後期發生事件. Q4R1. S 階段發生事件. Q7R1. 染色分體與染色體. 三、後測問卷文章閱讀活動結束後，進行後測問卷之施測，問卷分為兩個部分，其一為學習成效問卷，另一為題目困難度的自我評估問卷。. 學習成效的檢驗包括兩個開放式的問答題目，第一題是請受測者根據過去的學習經驗以及測驗過程中的文章閱讀等，寫下細胞分裂這個單元的相關專有名詞並進行解釋。第二題則是請受測者根據閱讀的文章所提到的細胞分裂各個過程分別進行描述。兩個題目的評分標準皆是將一個概念、一個名詞敘述或一句敘述視為一個評分單位，若一評分單位敘述完全正確則可得到兩分；若不完全正確則可以獲得一分；若是完全錯誤則為零分。將兩個題目的分數分別進行加總作為學習. 24.

(36) 成效的分數。後測得評分方式是邀請兩位生物資深教師針對答案進行評分，兩位教師對於題目一的評分結果相關係數 r=0.829(p<0.01)，題目二的評分結果相關係數 r=0.528(p<0.01)。由於題目二的答案相較於題目一更為開放，因此兩位教師對於一評分單位的定義並不盡相同。然而，兩位教師對於每位同學的評分都是依照同一標準進行，仍能作為學習成效的依據，這也是兩位教師針對題目二的評分相關性較低的原因。. 題目困難度的自我評估則是請受測者寫下其對於題目主觀感受的困難度，運用李克氏五點量表，由五分到一分依次遞減困難度。並請受測者寫下其主要的評分依據，了解其對於每個題目困難度的不同看法。. 25.

(37) 第三節研究設計與施測流程本研究根據實驗研究法，先透過電腦呈現迷思概念的題目測驗（前測），然後由眼動儀紀錄受試者的閱讀歷程。此測驗題目共七題，是由 Dikmenli （2010）的實驗結果得來，從其中選出生物教師最容易出現迷思概念的題目進行改寫，將概念改成是非題題目的敘述形式。52 位參與施測的受測者進行隨機分組，分別是控制組和實驗組兩個組別，兩個組別皆會經歷七題是非題的前測。回答完畢之後，實驗組的受測者會經歷答案閱讀歷程（實驗操弄）而控制組的受測者則不會經歷此一歷程。最後兩個組別皆會經歷文章閱讀以及學習成效測驗的後測過程，完成此一測驗。表 3-3.1 呈現本研究的實驗設計。. 表 3-3.1 實驗設計（O 代表有經歷此歷程；X 代表無經歷此歷程）前測（七題是非題）. 實驗操弄-答案閱讀. 後測（相關文章閱讀以及學習成效測驗）. 控制組. O. X. O. 實驗組. O. O. O. 本研究的施測流程如圖 3-3.1 所示，包括四個主要的階段：眼動儀器的校正、前測、實驗操弄、文章閱讀以及問卷填寫。以下將針對施測的各階段進行說明：. 一、眼動儀器的校正. 研究者會請受測者坐在眼動儀器前方，並且依據受測者的身高調整座椅高度以及下巴架和額頭架的位置，確保其眼睛與螢幕的平視距離，且讓受測者一最適當的姿勢進行接下來的作答以及文章相關材料的閱讀。調整姿勢之後，利用軟體. 26.

(38) faceLAB5.0 進行儀器校正，包括調整紅外線光點的位置、眼動儀器左右眼鏡頭的焦距以及眼動儀鏡頭的擺設位置、捕捉受測者的臉部特徵位點等。建立受測者的頭部模型之後，進行九宮格校正，校正通過之後即可開始作答流程。若第一次校正未通過，會使受測者眼睛短暫休息後進行第二次校正，若受測者仍未通過第二次校正，即結束施測。. 二、前測及實驗操弄. 在進入正式施測之前，研究者會以標準指導語向受測者解釋與說明接下來的施測流程與注意事項（包含文本的主題、前測施測材料的出現順序以及換頁和答題的方法），說明完後，研究者即依據不同組別點選材料，使其呈現在受測者前方之桌上型電腦螢幕，受測者即開始使用空白鍵或數字鍵進行換頁的動作。實驗組（有經歷答案閱讀的組別）的閱讀材料總共為 25 頁，控制組（即未經歷答案閱讀歷程組別）的閱讀材料總共為 18 頁。當受測者閱讀完前測題目之後，即可按數字鍵進行作答，數字鍵 1 代表此題答案為正確，數字鍵 2 代表此題答案為錯誤。前測完成後，實驗組被給予第二次閱讀題目的機會，即實驗操弄，但這一次附上答案，以引發認知衝突。整個前測的施測及實驗操弄的過程中，本研究利用眼動儀持續記錄受測者的眼動軌跡。. 三、文章閱讀活動. 前測結束後，兩組受試者均進行文章閱讀活動，受測者根據自己的閱讀速度，利用空白鍵進行換頁。為了讓受測者在最真實的情況下進行閱讀，並未限制受測者閱讀的時間。在閱讀的過程中，同樣利用眼動儀持續記錄受測者的眼動軌跡，直至受測者完成文章閱讀。. 27.

(39) 四、問卷填寫. 問卷填寫總共分為兩個部分，第一部份請受測者針對各題目困難度給予分數 1 到分數 5 的困難度評估（難度由高到低分別為分數 5 到分數 1）。在評估過後，請受測者寫下評估的理由與原因。. 第二部分為針對測驗以及過去的學習經驗，寫下細胞分裂相關的名詞解釋以及依照細胞分裂的各個階段進行排列且寫下所發生的事件。圖 3-3.1 呈現研究施測流程。. 圖 3-3.1 研究施測流程眼動儀器的校正. 前測及實驗操弄. 文章閱讀活動. 問卷填寫. 28.

(40) 第四節資料分析. 本研究的研究工作包含運用眼球追蹤技術紀錄分析受測者在作答測驗題目時的閱讀歷程及認知衝突，並分析認知衝突與自我評估之認知負荷之間的關係。根據研究目的與設計，在資料分析時依序進行以下分析：第一，前測測驗答對率與認知負荷及眼動指標分析；第二，控制組與實驗組文章閱讀歷程之眼動指標與學習成效之比較；第三，比較實驗組於第一次閱讀題目及第二次閱讀題目含答案的瞳孔面積放大率之差異；第四，實驗組認知衝突眼動模式分析；第五，實驗組認知衝突與後續文章閱讀歷程之眼動模式之差異分析。. 眼動數據的分析主要以興趣區域(AOI)為主，設定 100ms 為最低凝視點的時間，GazeTracker9.0 會輸出多項眼動指標資料，在本研究中總共使用四項眼動指標，包含：平均瞳孔凝視面積（Average pupil area in fixations）、總凝視時間（total fixation duration）、凝視時間對總凝視時間百分比（Percent time fixated related to total fixation duration）、第一次閱讀凝視時間（first-pass fixation duration）。其中，第一次閱讀凝視時間必須人工計算而得。若施測過程中該頁面的眼動資料遺失率大於 40%，將不採納該頁面的眼動資料。. 表 3-4.1 本研究眼動指標說明中文名稱. 總凝視時間. 英文名稱. 認知上的意義. Total fixation. 訊息處理時間. duration 凝視時間對總凝視時間的百分比. 注意力分配狀況. fixation duration. 29. 該頁或該區域中所有的凝視時間總和該區域總凝視時間/. Percent time fixated related to total. 計算方式. 該頁面總凝視時間.

(41) 中文名稱. 英文名稱. 意義. 第一次. First-pass fixation. 初步文句意義處理. 閱讀凝視時間. duration. 所需時間. 計算方式第一次閱讀到首次離開此區域前的所有凝視時間總和該區域或是該頁面. 平均瞳孔凝視面積變化率. Average pupil area in fixations expansion. 認知負荷指標. 瞳孔平均凝視面積/. （待測）. 除以平均的瞳孔平. rate. 均凝視面積. *註 1：基於受測者瞳孔大小不同的原因，我們使用瞳孔凝視面積的變化率數據分析，而非直接使用瞳孔直徑的原始數據。. 以下根據各節之資料分析作說明。. 一、前測測驗答對率與認知負荷及眼動指標分析將受測者測驗後對於題目困難度的分數加總及平均，以一個標準差當作分組依據，然後將題目依照困難度的分為三組題目，分別是高難度、中難度以及低難度組別的題目，最後進行 T 檢定。而此節也將各受測者閱讀題目相關的眼動指標和困難度評估進行 Pearson 相關性檢定分析，檢驗題目困難度是否會和訊息處理時間、受測者的認知負荷以及答對率有相關。. 二、控制組與實驗組文章閱讀歷程之眼動指標與學習成效之比較. 此節將實驗組（經歷答案閱讀歷程）以及控制組（未經歷答案閱讀歷程）的受測者的眼動資料作描述性統計與變異數同質性分析以及單因子變數分析分析，以了解兩組之差異。在學習成效部分，則是根據專家評改後的問卷分數加總和平均，也以變異數同質性分析和單因子變異數分析觀察其中是否有所差異。. 30.

(42) 三、比較實驗組於第一次閱讀題目及第二次閱讀題目含答案的瞳孔面積放大率之差異實驗組受測者第一次閱讀題目及第二次閱讀題目含答案的瞳孔面積放大率進行分析比較，利用成對樣本 T 檢定來呈現其差異。. 四、實驗組認知衝突眼動模式分析將實驗組受測者第二次閱讀題目含答案時的眼動資料，根據其答對題目（無經歷認知衝突）或答錯題目（經歷認知衝突）做區分，並進一步進行變異數同質性分析以及單因子變數分析，以找出可能的差異。. 五、實驗組認知衝突與後續文章閱讀歷程之眼動指標分析此一分析主要是延續實驗組的眼動資料分析，探討答案閱讀歷程是否會影響後續的文章閱讀歷程，比較經歷與未經歷認知衝突的眼動資料。資料分析方法是將閱讀之文章中，與前測各題目相關概念的興趣區域之眼動資料抽取出，然後根據受者是否經歷認知衝突(即答錯前測中與各 AOI 相關的測驗題目)，將眼動資料區分，進一步進行眼動資料的變異數同質性分析以及單因子變數分析。. 31.

(43) 第五節研究歷程. 研究者為完成本研究經歷：「準備研究工具」、「正式施測」、「資料分析和彙整結果」等三個階段，以下根據各階段作敘述：. 一、準備研究工具. 本研究發想是在課堂上與老師討論而來。確定題目以後，將與論文內容相關的概念以概念圖作連結，並閱讀以及參考過去文獻確立研究問題與研究假設。確定好論文題目以及內容之後，著手搜尋生物相關迷思概念的文獻，並將文獻中的概念進行修改，以是非題方式進行呈現。接著於 Nature 網站找尋相關的概念說明文本，以此作為受測者答題後的文本閱讀材料。研究工具準備完成之後，尋找 20 位受測者進行預試，並且將預試結果進行分析與教授討論. 二、正式施測. 在正式施測階段，收集眼動資料總共花費將近兩個月的時間。由於受測者須為生命科學系的大一學生，因此本實驗找尋兩批的受測者，為橫跨兩個學年度的實驗。每位受測者利用眼動儀收集眼動資料的時間約為 20 分鐘，其後依據受測者不同的問卷作答情形約會花費 20~30 分鐘不等的時間，因此一位受測者的測驗時間約為 40~50 分鐘。. 32.

(44) 三、結果和資料分析. 先將文本以及題目依據研究目的與問題進行興趣區域的繪製，並輸出每位受測者的眼動資料，在龐大的資料裡搜尋與研究主題相符的眼動指標。將眼動指標依據不同問題作單因子變異數分析或是 T 檢定，若未通過同質性定則會進行平均等式穩健測試。並將專家改好的問卷內容分數作為學習成效的分析。將統計完成的結果進行分析並與指導教授討論，針對研究問題提出回答並探討本研究對於教學的幫助以及教育的助益。. 33.

(45) 第四章資料呈現與分析. 本章節介紹資料分析的結果，共包含五節，第一節為前測測驗答對率與認知負荷及眼動指標分析，檢視受測者的認知負荷（即受測者主觀感受的題目的困難度）是否會與各項眼動指標以及答對率有其相關性；第二節為控制組與實驗組文章閱讀歷程之眼動指標及學習成效之比較；第三節為比較實驗組於第一次閱讀題目及第二次閱讀題目含答案的瞳孔面積放大率之差異；第四節為實驗組認知衝突之眼動模式分析，分別就各項眼動指標檢驗經歷認知衝突（即作答錯誤）的受測者與未經歷認知衝突的受測者（即作答正確）是否有不同的眼動模式；第五節為實驗組認知衝突與後續文章閱讀歷程的分析，將作答錯誤（經歷認知衝突）與作答正確（未經歷認知衝突）的受測者眼動指標作數據分析及比較，檢驗有經歷答案閱讀歷程的受測者是否會因為概念衝突的產生而在眼動指標與文章閱讀歷程有所差異。. 34.

(46) 第一節前測測驗答對率與認知負荷及眼動指標分析. 本研究之測驗題共分為七題，。受測者之題目困難度自我評估（五分量尺）、題目答對率與題目閱讀歷程的眼動指標如表 4-1.1 所示。從題目難度的平均分數可以發現受測者將題目三、題目五和題目七視為難度高的題目，平均難度均達 2.5 分以上。題目四與題目六為難度中等的題目，平均分數為 2.1 分以及 2.13 分。題目一與題目二為難度低的題目，平均分數為 1.57 與 1.53 分。. 表 4-1.1 題目困難度自我評估分數、題目答對率與各題目閱讀歷程眼動指標平均分析題目一. 題目二. 題目三. 題目四. 題目五. 題目六. 題目七. 題目難度. 1.567. 1.533. 2.862. 2.103. 2.793. 2.133. 2.800. (SD). (O.679). (0.681). (0.789). (0.724). (0.861). (0.937). (1.186). 題目答對率. 0.913. 0.782. 0.391. 0.587. 0.413. 0.674. 0.522. (SD). (0.285). (0.417). (0.493). (0.498). (0.498). (0.474). (0.505). 0.096. 0.086. 0.085. 0.079. 0.091. 0.104. 0.081. (0.112). (0.104). (0.106). (0.114). (0.128). (0.124). (0.134). 總凝視時（秒）. 6.050. 9.539. 12.022. 8.970. 10.460. 7.936. 8.731. (SD). (3.216). (4.392). (5.726). (4.905). (5.602). (6.069). (5.028). 94.721. 98.664. 98.915. 96.078. 95.769. 93.415. 97.323. (13.931). (4.560). (4.363). (11.863). (10.737). (15.872). (10.899). 瞳孔凝視面積變化率（%） (SD). 凝視時間對總凝視時間的百分比（%）(SD). 註：題目一為分裂間期的概念；題目二為姊妹染色分體形狀的概念；題目三為染色體數目的概念；題目四為 DNA 複製的概念；題目五為同源染色體的概念；題目六為姊妹染色分體分離的概念；題目七為染色體和染色分體的概念. 35.

(47) 表 4-1.2 為將題目困難度與閱讀題目時的眼動指標進行皮爾森（Pearson）相關性檢定的分析結果。結果發現，在眼動指標的分析方面，瞳孔凝視面積變化率和題目五的題目困難度之相關達顯著，且為負相關；總凝視時間題目二和題目六的相關性達顯著，且呈現正相關；凝視時間對總凝視時間的百分比則與題目五的題目困難度相關達顯著，呈現負相關。. 表 4-1.2. 題目困難度與眼動指標的皮爾森（Pearson）相關性檢定分析題目一. 題目二. 題目三. 題目四. 題目五. 題目六. 題目七. -0.159. -0.298. -0.262. -0.303. -0.404*. -0.303. -0.256. -0.125. 0.307(*). 0.096. 0.075. -0.235. 0.349(*). 0.056. -0.077. 0.127. -0.075. -0.289. -0.318(*). 0.193. 0.265. 瞳孔凝視面積變化率總凝視時間凝視時間對總凝視時間的百分比. 註：*p<0.05 七題題目的平均困難度為 2.26，標準差為 0.58。將平均困難度加減一個標準差分別為 2.84 以及 1.68，根據此一結果將題目依照受測者自我評估難度分為高難度題目、中難度題目以及低難度題目。高難度題目包含題目三、題目七以及題目五，分別與染色體數目、染色體和染色分體以及同源染色體概念有關，平均困難度為 2.82。中難度題目包含題目六以及題目四，分別與姊妹染色體分離以及 DNA 複製概念有關，平均難度為 2.12。低難度題目為題目一以及題目二，分別與分裂間期以及姊妹染色分體形狀概念有關，平均難度為 1.55。將三種題目難度的平均分數作成對樣本 t 檢定，高難度-中難度組別的 t 值為 6.189，p<0.01；中難度-低難度組別的 t 值為 5.147，p<0.01；低難度-高難度組別的 t 值為-10.126， p<0.05。成對樣本 t 檢定的結果發現各組題目難度皆呈現顯著差異，代表各組題目難度的確有差異的關係存在。. 36.

(48) 表 4-1.3 為將題目困難度分組後，以各組困難度與閱讀題目時之眼動指標進行皮爾森（Pearson）相關性檢定的分析結果。結果發現，在眼動指標的分析方面，瞳孔凝視面積變化率和中難度題目之相關達顯著；和高難度相關題目之相關接近顯著，且兩者皆為負相關；總凝視時間與凝視時間對總凝視時間的百分比之相關皆未達顯著。. 表 4-1.3 不同題目難度及眼動指標進行皮爾森(Pearson)的相關性檢定分析低難度題目. 中難度題目. 高難度題目. 瞳孔凝視面積變化率. -0.244. -0.383*. -0.367(*). 總凝視時間. 0.076. 0.185. 0.093. 0.014. -0.027. -0.020. 凝視時間對總凝視時間百分比. 註：*p<0.05；(*)p<0.1. 表 4-1.4 以 Kuder-Richardson 20 進行各題目答對率與受測者評估題目困難度及瞳孔面積擴張率的內部一致性分析。結果發現，題目答對率與困難度皆呈現負相關；而在瞳孔凝視面積變化率的部分，則是與高難度的題目呈現正相關，低難度的題目呈現負相關。表 4-1.4 各題目答對率與受測者評估題目困難度及瞳孔面積擴張率的內部一致性分析. 題目困難度. 題目一. 題目二. 題目三. 題目四. 題目五. 題目六. 題目七. -0.414. -0.504. -0.136. -0.218. -0.247. -0.247. -0.376. -0.178. -0.093. 0.153. 0.315. 0.370. -0.049. 0.278. 瞳孔凝視面積變化率. 37.