類比在高中職計算機概論教科書的應用分析

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類比在高中職計算機概論教科書的應用分析

吳正己、處紅一

國立台灣師範大學資訊教育學系

摘要

無比是幫助學生學習複雜或抽象概念的有效工具，然而類比的誤用往往是追思概念產生的根源。本研究首先探討類比與學習的關舔、類比的教學策略、及科學教科書使用類比的情形，接著依據探討結果分析國內高中職計算機概論教科書有關類比的應用。研究結果發現，分析的十五套教科書中總共有 126 個類比，平均每套書 8.4 個類比，顯示類比在教科書中的使用仍不普遍。而教科書作者誰能掌握類比應用的部份要旨，然而大部份的類比仍未能指出其限制，以避免學生迷思概念的產生，且類比的描述均過於簡單。此外，類比的應用以電腦結構相關的概念最多，其他概念主題偏少。未來研究宜進一步由教科書作者、教師及學生的角度瞭解類比在電腦教學中應用的情形。關鍵字:類比、內容分析、計算機視誼

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師大學報第四十期

壹、緒言

類比 (analogy) 在科學教育中使用的非常廣泛，當學生學習新的或複雜概念時，若使用他所熟習的事物或模式 (model) 作為類比的對象，則學習的遷移將更容易產生。如教授電流的觀念時以水流來類比，教授牛頓定律的作用力與反作用力時以手壓彈簧的模式類比，都是類比應用在物理教學的實例。生物教學中，用工廠來類比人體細胞的功能，或用城市下水道系統來類比人體循環系統的功能。化學教學中，常利用太陽系模型來類比波爾原子模型，或者以小圓球與木桿的連接來類比水分于鍵連結的情況 o 此處我們稱所欲學習的概念為「類比的標的」或「目標物 J (target' 如電流觀念) ，而用來類比的事物或模式為「類比的來源」或「類比物 J (source' 如水流)。類比目的即是藉由類比來源與標的間相似性或關聯性，使學習的過程更為順暢。類比在電腦教學中也常被使用。如以信箱類比變數的儲存功能;以人的身體各部功能類比電腦硬體各部門之功能:人的感官功能譬喻電腦的輸入部門，大腦則相當於中央處理單元 (CPU) ，人的身體針對外界刺激所採取的反應則相當於輸出功能。教授

抽象複雜概念如遞迴 (recursion) 時，以俄羅斯娃娃 (Russian Dolls) 由大到小層層內合

為類此，或以人立於對立的二鏡子之間所看到的無數影象來譬喻遞迴的層層呼阱。類比的運用，無非是想化繁為簡，化抽象為具體，使學習者更容易習得複雜或抽象的概

念。

類比的功能雖然強大，但若使用不當，對學習的傷害也很大。以信箱類比變數的儲存功能為例，由於真實的信箱可以放置各類的信件，也可以放一大堆的信件;學習者可能會誤以為一個變數可以存放各種不同型態的值，而好幾個不同的值也可同時存於同一個變數內。 DuBoulay(1986) 發覺類比的誤用是因為學習者嚐試將類此事物的每一種特性都類推到所欲學習的新概念上，而非僅止於教材中所欲類比的特性。類比與迷思概念 (mis∞nception) 是一線之隔，因為類比物與目標物之間不管如何相似，仍有

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許多的不同，當學生試圖將類比物的每一特性類推至目標物峙，貝 IJ 迷思概念就可能發生。所以類比的使用必須非常謹慎，以免導致學生產生迷思概念 o (Du祉，

1991;

Tha-gard

,

1992;

Th

iele & Treagust

,

1992; Zeitoun

,

1984)

0

Glynn(1989) 形容類比是「雙刃

的劍 J

(dobule-edged swords)

，其用意即在提醒我們要慎用類比。

自然科學教育的發展已有數百年之歷史，其所應用之類比，不勝枚舉，也歷經無數的試驗與發展。而電腦科學的發展僅有四十餘年的歷史，對於類比的應用，尚有待進一步的驗証與研究，電腦科學教育中的文獻也較乏類似其他科學教育領域對類比加以與分析與研究。這方面的有關研究，應為未來電腦科學教育研究中的重要議題。如何選擇一個適當的類比?那些電腦概念適合使用類比?教師如何運用類比?或教材中應如何呈現類比?更是身為電腦教育工作者所最為關心的，也是目前國內大力發展電腦教育在編製教材時所應思考的方向。本研究首先就類比與學習的關係、類比的教學策略、及科學教科書中類比的應用情形進行相關文獻探討，接著再分析現行高中職計算機概論教科書使用類比的情形，最後提出結論與建議，希望能對電腦教學中應用類比有所幫助。

貳、相關文獻探討

一、類比與學習

Ausubel 等 (1978) 認為:只有在教學內容與學生認知結構上，以自然、實際的方式相連結，才會產生有意義的學習 (meaningful learning) 。也就是學習的發生是由於學習

者把所學習的知識與慨有的知識 (prior knowledge) 連結。 Norman(1983) 在心智模式

(mental model

'指學習者對某一概念所習得的真正內容)中的研究也認為，藉由類比的作用，人腦中概有的相關知識架構會因新概念或情境介入產生變化，新的知識架構

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160

師大學報第四十期於是產生。以建構論(constructivism) 的觀點而言，學習是主動建構知識的過程，而且只有以既有知識為基礎，學習才可能發生，所以學習基本上是主動運用熟悉的事物去暸解陌生的新事物過程。故在概念的學習上，類比具有舉足輕重的地位。類比常被認為是一種有效的學習方式，並且也是專家或初學者在解題時的重要工具，成功的類比教學能避免學生大量背誦片斷的知識，減少學生的認知負載，並可幫助學生建構一般化原則，以作為解決新問題的有效手段 (Clement， 1987) 。類比提供了對抽象事物想像的空間，能引發學生的學習興趣與學習動機 o 而且藉由類比的討論，教師不但可以在教學時充分利用學生的已知概念幫助學習，同時也讓學生對已知概念有重新複習的機會;另一方面也可以瞭解學生的已知概念中是否存有迷思概念 (Duit， 1991) 。在自然科學教育的實證研究方面， Brown(1992) 指出當學生對所欲學概念已有迷思概念時，運用範例式教學 (teaching-by-example) 呈現教材時，常常無法有效解決迷思概念的問題，但若在教學時加入類比則可有效幫助學生建構正確的概念。 Radford(

1989)

應用類比在高中生物教學上，他發現無論對於短期記憶或長期記憶，使用類比教材的學生表現得比未使用類比教材的學生有顯著的學習成效。 Gilbert( 1989) 也應用類比於高中生物教學則有不岡的發現，但他發覺類比教材並不會比傳統教材更有效。 Simons(1984) 的研究顯示，對於小學、中學、及大學而言，類比皆能幫助學生提高閱讀速率與理解教材，他的研究涵蓋了物理、生物、發展心理學、程式設計等不同學科 o Glynn(1989) 也認為類比可應用在不同的學習領域。郭人仲(民 83) 在類比對國中生學習生物概念之研究，以結構映射理論 (Structure

Mapping

Th

eory

,

SMT; Gentner

,

1983) 發展類比教材，並揉討其成效，結果顯示類比

對學習有正面影響;並發現類比對形式操作期與具體運思期的學生有顯著成效，但對過渡期的學生則無明顯的成效。陳迪恆(民 82) 在類比對國中學生學習物理概念之研究中，也發現類比對學習物理有正面的影響。

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程式語言教學的研究，也發現了類比教學確可提高學習成效。 Mayer 以紙上電腦的模式(以圖形代表電腦之各部)類比電腦執行程式的過程，其研究結果顯示類比有助於學生的解題，而且對低成就學生尤其有效。 Borgman (1983/1984) 以圖書館的查索卡片櫃類比如何使用電腦查索系統，研究結果發現類比的訓練方式，在執行較複雜的查索時，效果更優於傳統程序式的訓練方式。 Chee(1993) 應用類比在程式語言教學中，實驗結果顯示，無論是寫程式或是理解程式的能力，良好類比教材組的表現均較為優良。

Galloway

(1992) 也發現設計良好的類比教材對學生學習有正面的影響，經由類比學習後學生能對電腦的運算提出合理的解釋。由相關之研究結果顯示，一般而言，類比式的教材確能提高學生的學習成效。

二、類比教學策略

一般教師所用的類比大都未經事先的安排與設計，很多均是上課時信手搶來或想當然爾的使用，然而教師很可能對類比的關係不盡瞭解，或者是對類比物的瞭解與學生們的認知不盡相同，並且對類比對學習的影響也無深入認識，故而類比的使用不惟無法幫助學生瞭解欲學習的新概念，更常易導致學生產生迷思概念。許多學者們提出一些類比的教學策略或原則，讓教師在應用類比時有具體的步驟可依循。如

Zeitoun(1984) 所發展的 GMAT{Genernal

Model of

An

alogy

Teaching) 模式， Glynn 等

人 (1989) 分析了四十多本科學教科書所發展的 TWA

(Teaching With

Analogy) 模式，

以及 Radford(1989) 設計生物教材的類比發展模式等。 GMAT 是依據基模 (schema) 理論所發展出來，並且融入了一些實際應用類比時的考慮，如考慮學生的特性與教學的情境等因素。 GMAT 的特色是將類比的發展步驟與各步驟之內涵做十分詳盡的描述，並形成一個含有回饋 (feedback) 的完整教學模式。 GMAT 應用於教學共有九個步驟: 1.評估學生類比學習的特性

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162 師大學報第四十期這些特性包括學生的類比推理能力、認知發展的階段等。Zeitoun 指出此步驟亦可省略。立瞭解學生對目標物的既有知識教師可透過口頭問答、成就測驗等方式進行瞭解。 3. 分析教材內容決定使用現有教材中之類比或另行尋找或設計。 4. 評量類比物是否適當評量標準有二:(1)類比物是否為學生所熟悉或易於瞭解， (2) 類比物與目標物間是否有較多的相似屬性。 5. 決定類比的使用方式如類比具體化的程度(實物、圓形或文字描述)、使用類比物的個數(單一類比或多重類比)、呈現類比物與目標物的形式等。在決定呈現類比的策略與媒體呈現類比的策略主要有三種:(1)學生自己發展類比並提出在課堂上討論， (2) 教師提出類比並引導學生討論類比之相似及相異屬性， (3)僅由教師說明類比等。呈現媒體則包括文字、口頭、圖案、錄影帶等九種形式。 7. 呈現類比給學習者若學習者對類比物並不熟悉，則需在類比前對類比物加以說明。本步驟中建議呈現類比的程序如下:(1)說明教學目標， (2) 依學習者對類比物的熟悉程度簡要或充分的說明， (3) 呈現類比物與目標物間的連結敘述， (4) 逐一說明類比物與目標物間相似之屬性， (5) 引發學生注意類比物與目標物間不相同的地方。 (6)指出可能造成迷思概念的不相似屬性。 B. 評量類比教學的成效學習成效可從以下三點來評量:(1)學生是否利用類比物來學習目標物， (2)學生對目標物的暸解程度， (3)學生是否因為使用類比而產生迷思概念。

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g. 根據以上的步驟的回饋來修正上述各步驟。

G句nn 等 (1989) 所發展的 TWA 模式，主要有下列六個步驟:

1.介紹欲學習的新概念。 Z 喚起學生類比物的概念。 3. 指出類比物與目標物間相似屬性。 4. 一一對應相似屬性的部分 o 5. 導引出學習概念的結論。在指出類比的限制。 Glynn 認為教師若能熟知這六大步驟，或將 TWA 模式教授給學生，則教師與學生就有能力去詮釋、批判、及修改教材中的類比，並可以依步驟建構自己的類比。此外，他也認為若教師未依照模式中的步驟應用類比，而讓學生在學習時自行摸索，則類比教學的品質會降低。 TWA 模式強調每一個類比都有其限制(否則類比物與目標物就完全一樣了) ，需要特別提醒學生以防止迷思概念產生。 Radford(1989) 分析了類比相關文獻，綜合下列五點使用類比的步驟: 1.由讀者的經驗中找尋合適的類比物。 2. 將類比置於前導組織(

advance

orgi刮目r )的地位，或融入於概念解說中。 3. 提示類比物的有關屬性。(將用於下個步驟之相似性比較)。 4. 逐項的比較類比物與目標間的相似屬性。 5. 提醒讀者注意目標物與類比物間的差異。基本上，本模式與 TWA 模式並無太大的差別，然而作者強調本模式適用於類比教材的發展，並且經過約 2∞位高中學生的實驗教學後，證實無論在立即回憶(加medi

ate

recall) 或延遲回憶 (delayed recall) 的測驗上類比教材均有相當的功效。

綜合上述的教學策略，我們可以歸納出類比教學的三個主要重點:首先，類比物的選擇非常重要，它不僅要能類推出我們所欲教授的概念，更要是學生的既有概念，

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164

比物與目標物相似屬性一一對應，因為類比學習對學生而言並不是自發性的 (sponta

neous)(Gick

&

Holy。此，

1983)

，並非只要將類比物給學生，他們便能自行完成整個學習。最後，過度或不適當的類比容易引起迷思概念，所以有必要為學生指出類比的限制，即指出類比物與目標物間相異之處，使學生明瞭類比應僅止於相似屬性之對應，並能進一步的深思、批判類比的使用。

三、科學教科書中的類比

Glynn 等人 (1989) 分析了包括小學、中學、到大學的四十三本科學教科書，所應用的方法是描述性的 (interpretive) ，亦即並非以正式的分類方法來分析。他們發覺這些教科書中所使用的類比多為簡單類比，如述;而詳盡的以一段文字或一整頁來描述的類比則非常少。此外，他們也發覺，一般作者都會在序言或簡介中說明如何有效的使用該教科書，如前導組織或實驗的運用等，然而在分析的教科書中卻沒有任何教科書提及有關類比的運用。 Curtis 及 Reigeluth(1984) 也分析了由小學到大學的三十六本科學教科書，他們採用的方法則主要為量化的 (quantitative) 方式，即依類比應用之特性分門別類進行分析。分析的架構主要為:類比關係 (analogical

relationship)

，類比物與目標物間的相似屬

性是結構的 (structural) 關係或是功能的(如nctional) 關係?類比呈現方式 (presentation

format)

，是文字呈現或圖文並茂?類比情況 (condition) ，類比物與目標物的屬性是具

體的或抽象的?類比位置 (position) ，是居於前導組織的地位、融合於主體概念的說明

中 (embedded activators) 、或是末尾的總結 (p03t

synthesizers)

?類比的程度(level

of

enrichment)

，是簡單一、二句話的描述或詳盡的闡述?及是否在教授目標物前對類比

物及類比思考的認知策略加以導引說明 (pre-topic orientation) 。他們在二十六本教科

書中總共找到了 216 個類比，即每本書平均有 8.3個類比。與 Glynn 等人 (1989) 及

Thiele 與 Trea伊st(1992) 相同的發現是，教科書作者也都未對如何運用所使用的類比加

(9)

以說明。此外，他們也歸結出類比應用於複雜或抽象的概念最為有效 o

Thiele 及 Treagust(1992) 參酌了 Curtis 及 Reigeluth(1984) 的分析架構，分析了十本

澳洲的高中化學教科書，結果總共找到了 93 個類比，平均每本書 9.3個類比。他們發現有近半 (45 .2

%

)的類比是簡單的類比，而類比出現最多的部分是在原子結構、能量、及鍵結 (bonding) 等顯微鏡無法觀測得到的抽象主題。此外，只有 8 個 (8.6

%

)類比

指出了類比的限制或提醒學生類比的慎用。Thiele 等人 (1991， 1992) 也唔談了一些化學

教科書的作者，他們發現作者們不太願意在教科書中使用類比。探究其原因，有的作

者認為類比是非常個人化的，某一個人認為好的類比，另一個人可能並不以為然;有的則認為在教科書中加入類比是有些危險，因為無法確保每位學生都能瞭解其所使用類比的意義。但這些理由背後可能的原因是教科書作者(或教師)在設計類比教材時缺乏其體的原則可依循，所以對類比常感到信心不足而不願意使用 (Glynn， 1989; 甘liele， 1991) 。 Glynn(1989) 認為教科書作者、教師或出版商不願使用或強調類比的應用，主要原因是設計良好的類比教材所需的技能是心理學者所謂"程序性 "(procedural) 而非"陳述性" (declarative) 的知識。程序性的知識是屬於"如何的去做"而非僅止於文字上的解釋說明即可，由於作者、教師或出版商往往缺乏設計良好教學類比的原則或模式可參考，他們自然視類比為主觀的教學藝術'而非客觀有具體原則可依循的教學技術。此外，教科書中的類比的使用與一般課堂上使用時所面臨的條件不同。教師於課堂使用類比進行教學時，可以視學生的學習情形調整其教學的方式與策略;當發現學生有學習困難或迷思概念時，則可馬上採取必要的教學措施，以達到類比教學的成效。相對的，教科書上的類比因無法即時獲得學生的反應加以調整，故其在類比的使用上得格

外小心。

綜合上述之探討，我們可以發覺科學教科書中使用類比的主要缺點為:(1)類比的使用仍不普遍， (2) 類比的描述多較簡短， (3) 對於如何有效運用書中的類比均未能在教科書或教師手冊中說明。而這些缺點背後的主要原因則為良好的類比不易設計，且教

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可 66 師大學報第四十期科書作者並無具體的類比運用原則或模式可參考，以及對實際類比教學或學習的情境難以掌握。事實上，教材是教學的一種實施方式，前節所提有關類比教學策略應可有效的應用於教材的設計發展;所不同的是，與課堂上教師之授課相比較，它須要考慮得更周延，使用得更謹慎。

鑫、研究方法

本研究主要目的在暸解類比在高中職計算機概論教科書應用的情形，希望藉由對目前教科書的分析，進一步的提供教科書作者及教師設計及編製類比教材的具體建議。分析的方法以 Curtis 及 Reigeluth(1984) 的分析類別為主要架構，並融入類比教學策

略中的考慮因素。以下就研究對象、研究工具及分析步驟等分別說明。

一、研究對蒙

研究對象以通過教育部審定的高中職計算機概論教科書為主。由於通過教育部審定之教科書至少均具相當之品質，且廣為各校採用，以此為主要內容將更具代表性，所得結果也更其外在效度。研究進行期間與主管教科書審定之國立編譯館曾進行多次聯繫，以取得通過審定教科書資料，最後取得約四十套通過審定之教科書資料，但仍不完整。高中計算機概論為選修科日，其名稱為「電子計算機簡介 J 高商及高工則為必修科日，名稱為「計算機概論」。教育部分別為其訂有課程標準，然詳究其內容則大同小異，許多作者均同時著有高中及高職的計算機概論教科書，而僅就少許部份加以修改，故本研究中擬將高中職教科書合併分析。由於目前通過審定之高中電子計算機簡介僅五套，本研究最後決定自高中、高工及高商各選取五套(含上下冊)共十五套教科書進行分析，並避免同一作者被重複選取。詳細之分析教科書書目參見文後附錄 A 之「分析教科書書目」。

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二、研究工具

研究使用的主要工具為類比分析類別表(參見附錄 B) ，用來對每個類比就其所屬類別加以評定。由於評定類比的好壞，並無絕對客觀的標準，我們決定以上述文獻探討中構成良好類比教材的要素來作為分析的類別，由這些類別所屬趨向即可大略看出類比整體應用情形。分析之類別主要由下列三個角度考慮:(1)類比物的適當與否。這是類比教材成敗的首要因素，主要包括類比關係及類比物是否為學生熟悉。 (2)相似及相異屬性的說明。這是類比教學中的重要步驟，有相似屬性的說明才能達到類比教學的目的，相異屬性的說明則為避免過度或不適當的類比，使學生暸解類比的限制。 (3) 類比呈現的情形。包括類比呈現的方式、位置及篇幅(簡單或詳盡之描述)。第 (3) 項類比呈現的情形並不如第(1)與 (2) 項般對類比教材成敗有決定性之影響，但卻也是類比應用時應考慮的重要因素 O 至於 Curtis 及 Reigeluth(1984) 分析架構中「類比情況」及「類比前的導~

I

J '我們認為其牽涉因素較為廣泛，並不能謹以如此的分析方式來決定類比的優劣，故未列入本研究分析之範圍。而類比物是否為學生熟悉、相異及相似屬性的說明，為一般類比教學策略所特別強調的，但並未包含於 Curtis 及 Reigeluth 原來分析類別之內。此外，為了瞭解類比在教科書中應用主題的範園，我們依據高中職計算機概論課程的內容，將其主題概略區分為電腦結構(如電腦基本組成、運作原理、二進位等) 、程式設計、作業系統(含檔案結構與管理)、電腦應用、及其他(如網路、數值分析、人工智慧等)等範圈，以瞭解類比在各主題的應用情形。某些分析意見若無法於上述分析類別中表示，則可於分析類別表的備註欄中描述。各分析類別之詳細說明將於下節「結果與討論」中闡述。

三、分析步驟

本研究分析主作之進行係由二位作者，及其他四位選修第一位作者研究所課程「電腦課程與教材設計」的研究生協助進行。有關類比與學習之關係、類比教學策略

(12)

168

師大學報第四十期及本研究之類比分類原則在該課程中均曾分別進行研討。分析工作開始前，每人先擇一冊教科書試行分析，並經共同討論個人之分析結果以取得對分析類別之共識。最後再針對所有十五套教科書進行分析討論之工作 o

肆、結果與討論

選取教科書中類比的分類統計結果如表一所示，十五套教科書中共找到 126 個類比

，平均每本書有 8.4個類比，此結果與 Curtis 及 Reigeluth(1984) 的每本書 8.3 個類比幾

乎相間，但比Thiele 及 Treagust( 1992) 的 9.3 個類比稍低。以下就各分析類別及類比的適切性等加以討論。表一類比分類統計電腦結構程式語言 _作業系統 _{電腦應用及其它} _總計

額百比分七

數

67

20

22

17

126 54%

16 %

17 目 13 目 100 月

嚨藉呻禧戶及蹦

珈創飢仰叫

1捏叫2叫E

5(25 % )

304%)

1(

6 % )

1704 % )

56(83 自)

13(65 % )

17(77 % )

14(82 % )

100 (7

9%)

E

3(4%)

200 % )

2(9 % )

202 % )

9 (7

% )

熟悉是

否類比物

62(93 % )

15 (7

5 % )

20(9

1% )

11(65 % )

108(86 % )

5 (7

% )

505 % )

2(9 % )

6(35 自)

1804 % )

相告性說明

5 1(

84 % )

14(70 % )

19(86 % )

14(82

目目

)

98 (7

8 % )

1606 % )

6(30 % )

304%)

308 % )

28(22 % )

相主

臭|生說明

19(28 目) 1( 5 月) 2(9 自)

_{2(12%% )}

2409 % )

48 (7

2 % )

19(95 % )

20(91 % )

15( 個)

102(81 % )

呈現文文字方字式-圓形

55(82 巨)

17(85%)

20(9

1% )

17000 % )

109(87 % )

1208 % )

305 % )

2(9 % )

。 (0

% )

1703 % )

類盤驅

23(34 % )

5(25 % )

7(32 % )

4(24 目)

39 (3

1 % )

42(63 % )

15 (7

5 % )

15(68 % )

13 (7

6 % )

85(67 目)

2 (3

% )

。 (0

% )

。 (0

% )

。 (0

% )

2(2 % )

(13)

一、類比關係

類比物與目標物之間的關係主要可分為三種:(1)結構的相似。亦即類比物在外觀或結構上與目標物相似，如 I IC 就像蜈蚣一樣有很多隻腳」即是外觀相似的例子。(2) 功能上的相似。即類比物與目標物具有相同的功能屬性，如 I CPU 的功能就像人的大腦一樣 J ' CPU 與大腦的結構並不相似，但二者同樣具有控制及運算的功能。 (3)兼具結構及功能的相似。如以人類語言類比程式語言(黃慧容、馮秀敏，民 82

'

<上冊> ，頁 105 ;郭嘉揚，民的，<上冊>，頁 61 )為例，就結構而言，兩者皆以文字描述，並且皆具有語法 (synt缸)及語意 (semantic) 二個成份;而其共同的功能則為用來做溝通之用，即人與人經由語言溝通，而人與電腦透過程式語言溝通。此外，以時針、分針及秒針的關係類比巢狀迴園 (nested

loop)

(李秀惠、李嘉齒，民 81

'

<上冊>，頁

233

)亦屬此例。僅結構相似的類比關係其類比的效果較差，因其只具表面之相似性，則其他相異之屬性可能很多，類比的使用自然受到較多的限制，而且類比知識的層坎無法深入。兼具結構及功能相似的類比則最具效果，因其所具相似性較多，類比的限

制自然較少 (Curtis

&

Reigeluth

,

1984) 。

分析結果顯示，十五套教科書中類比關係為結構者 17 個佔 14

%

'功能關係者 1∞ 個佔 79% '而兼具結構與功能關係者 9 個佔 7% 。顯見教科書中大部份的類比為功能

關係的呈現，而最具教學成效的結構與功能關係之類比則最少。此分析結果與 Curtis

及 Reigeluth(1984) 所得結果相近(結構 25% '功能 70% '結構與功能 5%) 。

一般而言，兼具結構與功能相似的類比物並不易獲得，這也是本研究與臼rtis 及

Reigeluth 分析所得結果此類類比均較少的原因。 Clement(1987) 的橋接類比 (bridging analogies) 策略中所使用的類比即屬於此類，他藉由于壓彈簧及書置於兩端有支架的薄紙板上，使學生類推書置於桌上時作用力與反作用力的存在。這樣的類比兼具了結構與功能相似的特性，教學成效自然提高。此處我們應注意到他使用的類比物與目標物

(14)

170 自，p 大學報第四十期

是屬於同一原理的不同例于 (examples 或 instances) ，只是用為類比物的例于是學生所熟悉且較易理解的，故而以此方式來尋找類比物，可能較易得到兼具結構與功能相似的類比。

二、學生熟悉之類比物

這是類比教學的基石，學生對類比物的既有知識若不足，則類比教學並無法發揮其功效。如以信箱類比記憶體或變數，信箱是一般學生所熟悉的;而以打字機類比文書處理器 (word processor) 的操作，則因現在的學生很少人見過打字機(尤其是高中、高工學生) ，此類比物學生並不熟悉故不具教學意義。在分析的教科書中以打字機作為類比物者不在少數，如類比 BASIC 語法中 TAB(X) 指令(余政光，民 82

'

<上冊> '頁 72) 、撞擊式印表機(李學養，民 81

'

<上冊>，頁 21 )等。而以影印機原理來類比雷射印表機原理(嚴世傑、陳盛文，民的，頁 58) ，亦為學生不熟悉類比物使用之一例。不熟悉類比使用的原因，主要根源於教科書作者與學生對類比物的認知不同所致。有的是因生活經驗的不同或教科書中類比的使用並未與時更新(如以打字機類比) ，有的則是因教科書作者與學生知識層次的不同(如以影印機原理類比)。避免不熟悉類比物產生的最好方法是，教科書作者需嚐試瞭解學生的生活經驗及知識背景，從學生的角度來看類比物。分析結果顯示絕大部份( 108 個，

86 %

)的類比物均為學生所熟悉，僅有少部份

(

18 個，

14 %

)的類比物不為學生所熟悉、 O 然而，就「電腦應用及其它」的主題而言

,

17 個類比中不熟悉類比物有 6 個，佔全部的 35

%

'是較值得注意的。由於此部份的分析，是由研究者的觀點來決定類比物是否為高中職學生所熟悉，若能更進一步的合括高中職學生於分析過程，所得結果將更為精確。

三、類此相似屬性的說明

(15)

類比物與目標物相似屬性的對應 (mapping) 說明是類比教學中的主要步驟，如「記憶體就像信箱一樣，可在其內存放資料 J 並未對其他的相似屬性加以說明(如均有地址) ，我們很難期望學生能自行繼續類比其他相似的屬性。而下例則對相似之屬性有具體之說明: 在主記憶體內的每一個儲存位置 (storage location) 所存放的內容(資料) ，經常在改變。但是﹒每一個位置所賦予的地址是永遠不改變的。我們以郵周內的郵政信箱來說明:在郵局內，每一個郵故信箱號福是保持不蟹的;但是﹒信箱內的內容卻悶著客戶取走的信件，以及郵局新投入的信件而不斷改變。(郭嘉揚﹒民品，<土冊>﹒頁 49

)

分析結果發現，大部份( 98 個，

78 %

)的類比對相似屬性均有進一步對應之說明，但是仍有 22

% (

28 個)的類比未對相似屬性加以進一步說明。而「程式語言」主題使用的類比中有 30

% (

6 個)未對相似屬性說明，為各主題中最高者。對於相似性屬性未能一一加以對應描述的主要原因之一是，教科書作者想當然爾的認為學生應知道他所要類比的屬性;另一可能原因則是作者對使用之類比並未有精確之瞭解，自然也無法進一步的描述其對應屬性。

四、類比相異屬性說明

喝、類比限制的指出是所有類比教學策略中所強調的，而最具體可行的方式是說明類

比物與目標物相異之處。在上面郵局信箱與記憶體的類比例子中並未說明二者有何相異之處，而下例則在最後(畫底線部份)具體指出了信箱與記憶體的不同處。每個指令與每宮廣資料在主記憶體中皆佔有一位置，而每一位植皆以一地址來區別。也就是每一位置皆有像公寓信箱號喝一樣的地址號疇。就像信箱一樣，位置的地址靚硨保持不費﹒但其內容(指令與資料)卻可以改變。也就是當存於原位置的莒資料不需要時，新的資料將可以將之取代。但與信箱不同的壘，一個記憶體位置只能存放一定量的資料;一個地址只能存

放一數字或字元。 (Capron

&

Perron

,

1993

,

p. 58)

分析的教科書中，大部份( 102 個，

81 %

)均未對類比的相異屬性加以說明，有

加以說明的僅有 24 個佔 19

%

'此結果比Thiele 及Treagust

(

1992

)的 8.3 %還高。而

(16)

可 72 師大學報第四十期性的說明被忽略的主要原因是，作者們可能不暸解指出限制的重要性，他們認為類比所重視的本來就是相似屬性的類推，而相異屬性的說明，只是徒增添淆罷了。如果作者們有機會獲得學術研究的相關成果，或者瞭解學生使用其教科書中類比的學習情形，則他們將會更瞭解指出類比限制的重要。

五、類比呈現方式

有的類比僅以文字描述，有的除文字外也配合圓形的輔助說明。 Glynn 等人 (1989) 及 Shapiro(1985) 認為視覺化過程 (visualization process) 對概念之學習非常重要，而額比的一個重要優點是提供學習者對抽象、複雜概念的具體視覺想像，圓形的應用有助於此視覺想像空間的形成。Curtis 及 Reigeluth(1984) 則認為類比圓形的提供對低成就學生特別有幫助。分析結果發現大部份( 109 個，

87 %

)的類比均以文字說明方式呈現，而配合以圓形的僅有 13

% (

17 個)。而在「電腦應用及其它」主題中竟無任何類比配和圖形呈現。此與Curtis 及 Reigeluth

( 1984

)所得結果相似(文字 84% '文字及圖形的%) ，但圖形的使用遠低於甘liele 及 Treagust(1992) 的 47.3 %。此結果顯示，有些類比可能無法適當的配合圖形呈現;有些則可能是作者認為以文字來說明類比已經足夠，或者是作者並未費心去呈現相關類比圖形。

六、類比位置

類比可以放在教材的最前面，以作為學習目標物的導引，其功能如所謂的前導組織，它提供了進一步學習新概念的基本訊息。類比也可以融入於主體概念說明中，在必要時協助目標物的闡述。或者也可以置於教材的最後，作為總結歸納之用。Curtis 及 Reigeluth(1984) 認為就類比特性而言，前二者最具教學成效，前導組織有導引進入新概念功能，融入主體概念中闡述則具承先啟後之功能，二者都具有類推欲學習新概

(17)

念的橋接 (bridge) 功能。下例是用為前導組織的例于，它以人類使用十進位類比電腦的使用二進位。目前我們常用的數字系統是進十進一的「十進位數字系統 J 因為人類天生有十隻手指。如果人類只有九隻手指，貝Ij我們現在可能揖用九進位﹒而不是十進位。如果章魚也懂得算數的話﹒則牠一定揖用八進位。電子計算機是探用二進位，只認轟 0 與 1 .在控制上給予每一個電路﹒導電(開)表示 "111 _{﹒與不導電(閱)表示 110" I 不但方便而且迅速。接著探討電子計} 算機所使用的數字系統及資料表示法。(季秀蔥、華嘉菌，民 81 .上冊，頁 9 1) 分析結果發現，調查的十五套教科書中 31

% (

39 個)的類比為前導組織的功能' 的%

(

85 個)的類比則融入於主體說明中做為闡述之用，而只有 2% 類比( 2 個)是作為末尾總結歸納的用途。此與 Curtis 及 Reigeluth( 1984) 所得結果亦相去不遠(前導組織 23% '主體闡述 76% '末尾總結 1

%

)。由結果顯示，作者們大都可以掌握運用類比導引新概念學習的要旨。

七、簡單或詳盡類比

一般而言，詳盡之類比因所佔的篇幅較多，故而對相似屬性(甚或相異屬性)有較詳細之描述，對學習者幫助較大。而簡單類比通常僅以一、二句話帶過，如 r

...

就像...-樣...

•••

J 的形式，對類比之描述自然較不完整。然而簡單類比也不全然都是不好的，尤其是用於學生對類比物非常熟悉之處，如 r CPU 就像人的大腦一樣，它是整部電腦的樞紐 J 其類比功能不言可喻。此處之分析僅計算類比所佔的行、段或頁數，而不若 Curtis 及 Reigeluth(1984) 的分析方式(分為 simple 、 enriched 、 extended 三類) ，因其部份內涵與「相似及相異

屬性說明」類別有重覆之處。表一中並未就篇幅部份呈現，若將篇幅僅一、二行之類比歸為簡單類比，則有 55 個(

44 %

)約近一半的類比屬於簡單類比。此結果與Thiele

及 Treagust

( 1992

)的 45.2 %差不多，但遠高於 Curtis 及 Reigeluth 的 6% 。

類比的篇幅多寡是否能代表類比的好壞?簡單的類比有可能是因未對相似及相異屬性未加以說明，則這並不是好的類比。但也有可能是類比物與目標物之間的關係非

(18)

174

師大學報第四十期常單純(如只有一個相似屬性)或關係顯而易見，則毋須著墨太多。然而若是類比關係非常簡單，則是否需使用類比來教學是值得探討的問題。在一個非正式的實驗研究 (林水成，民 84 )中，研究者以「樂器與樂譜 J 及「人的軀殼與智慧」來類比電腦的硬體及軟體的關係，結果發現使用類比教材的學生與未使用者在學習成就上並無顯著的差異。前述的類比例子散見於所分析的多本教科書(如:李學養，民 81

'

<上冊> '頁的:郭海鵬，民的，<上冊>，頁 2-3 )。然而研究者以較複雜的「解答數學題目過程類比程式執行過程 J 則使用類比教材的學生學習成就有較佳之表現。這結果符合類比適用於複雜或抽象概念之原則，而簡單類比之使用則不必然對於教學有助益。

八、類比在各主題的應用

分析結果顯示，十五套教科書中超過一半( 67 個，

54 %

)的類比集中於「電腦結構」的主題，而「程式語言」佔 16

% (

20 個) ，作業系統佔 17

% (

22 個) ，至於「電腦應用」及「其它 J 因類比數目較少，於表一中合為一類統計，共佔 13

% (

17 個有關電腦結構的描述大都居於教科書的前面幾章，其所佔篇幅遠少於其它主題，然而所佔類比數卻過半，可能原因是電腦結構為最先介紹的主題，在導引學生進入個新的學習領域時，類比很自然的為作者大量採用。在Thiele 及 Treagust(1992) 的分析中也發現，類比在化學教科書前面部分出現得較頻繁。另一可能原因則是，電腦結構中所包含的觀念較易尋得類比物;而如程式語言的概念很多均為語意及語法的說明，類比物可能較不易獲得。確切原因則有待進一步研究之探討。

九、類比的適切性

前述分析類別，除類比物是否為學生熟悉之類別外，均嚐試以不合研究者主觀判

(19)

斷的評量標準來分析類比的應用 O 然而，如果一個類比使用學生所熟悉的類比物、一一對應相似的屬性、並說明類比的限制等，它是否就是一個良好的類比呢?其實並不盡然，若一個類比在前述的分類中被劃歸為較不好的運用，我們多半可以說這是個不好的類比;然若被劃歸為較好的運用，我們仍不敢斷言它是個好的類比。這些前述的分析類別，充其量只能視為類比是否妥善運用的指標之一，而類比的適切與否，仍須就其個別運用情形加以分析。分析類別表中的備註欄即用以描述分析者對該類比運用適切情形的意見，這些意見並無法以前述分析類別來呈現。以下舉二例說明某些類比運用不適切的情形。前面已述，計算機的記憶體可分為主記憶體與輔助記憶體兩種。主記憶體猶如人腦的記憶部分，其容量一服是有眠的;而輔助記憶體猶如客[個]人所使用的筆記買車記敵資料，其容量一股是無眼的。(王王文，民 82 .頁 58) 此例以人腦的記憶及筆記簿類比電腦的主記憶體與輔助記憶體，類比物雖為學生所熟悉，然而類比之描述並不適切。首先，有關筆記簿類比的描述，很難讓學生聯想輔助記憶體的容量是無限的，宜進一步說明，如「個人可以使用很多的筆記簿就如電腦可以有很多的磁碟片來記錄資料般」以呈現出輔助記憶體的輔助功能及容量上的無限。再者，此處類比強調的重點應為主記憶體與輔助記憶體的主、輔功能，而容量的多寡應只是用以說明輔助記憶體的需要性。「人」與「電腦」系統基本單元組織比較: 輸入記憶 _{算術/邏輯} 控制輸出

人

耳朵、眼睛腦腦 _腦神經口、手等電腦 _{鍵盤、磁碟} _記憶體加 i去運算器監督程式螢幕、磁碟、列表機 (管文君、周素娟，民駒，<上冊>，頁 24

)

此例以人體各部類比電腦系統之基本單元。類比物雖為學生所熟悉，且以圖表一對應相似之屬性，然而它並非是一個適當的類比。首先，此類比重點為電腦硬體的五大單元與人體各部之對應，而表中監督程式是屬於系統軟體中作業系統的一部分，

(20)

176 師大學報第四十期並不屬於 CPU 中的控制單元。其次，以人腦同時類比記憶體與加法運算器，有違類比一對一對應的原則，並未能突顯此二基本單元個別之功能。最後，以耳朵、眼睛類比輸入設備，口、手等類比輸出設備，並不恰當。因為眼睛也會說話(如:眉目傳情) ，口也可以用來吃東西，手也可以用來觸摸感覺，它們都兼具了輸出與輸入的功能。這樣的類比反而會混淆學生的觀念，導致學生將人體的各部與電腦各部去作對應的過度類比 o Halasz 及 Moran(1982) 指出，由於電腦系統與我們日常所見的非電腦系統有極大的差異，沒有任何一個簡單的類比模式可以完整的解釋電腦系統，故而類比的使用，應著重於重要訊息的傳達，而非電腦系統細節的類推，所以抽象的額比模式應較適合於電腦系統中採用。上例中所要傳達的重要訊息應是電腦硬體五大單元的「功能 J 故而如以較抽象的人腦的控制及處理功能，及感官等的輸出入功能來類比，較諸於直接具體以人體各部來類比為佳 o 分析過程中，發覺不適切的類比數量不在少數，由於對每個類比適切與否之分析

所費工程甚鉅，本研究並未就此加以深入分析統計。

十、各教科書使用類比數

雖然十五套教科書平均類比的使用為8.4 個，但各教科書使用類比的數目並不平均，有五套教科書約近於此平均數 (7"'10 個) ，六套教科書使用的類比在 4 個或 4 個以下，另外四套教科書的類比數則超過 10 個，而其中一套教科書(嚴世傑等，民 82

'

民 83 )所用的類比數高達 26 個。Curtis 及 Reigeluth (1984) 與Thiele 及 Treagust(1992)

的分析結果也發現了類似的現象。由此可見，作者對類比使用的偏好程度並不盡相同，有些作者嚐試多用類比，有些則不願或不慣於使用類比，但一般而言整套書中平均

僅使用到 8.4個類比仍屬偏低，並未能充分應用類比於輔助學生學習。調查之教科書中，大半類比集中於上冊部份，這是因為使用類比最多的「電腦結構」主題都集中於此

(21)

伍、結論與建議

本研究調查的重點雖是類比在電腦教科書的應用情形，但分析所得結果與國外研

究者 (Curtis

& Reigeluth

,

1984; Glynn

,

& et a

l.,

1989;

Th

iele & Treagust

,

1992) 分析其

他科學教科書的結果大致相符。根據本研究分析結果，一般而言，教科書作者尚能掌握類比運用的要旨，即類比關係多為功能上的對應 (79%) ，使用類比物也為學生所熟悉 (86%) ，對類比物與目標物間的相似屬性也能作對應之說明(

78 %)

，且類比出現之位置也都具有導引新概念學習之功效(前導組織 31

%

'主體闡述的%)。有待加強之處是，對類比學習有更大成效的兼具結構與功能關係類比(

7 %

)及文闡並具的額比(

13 %

)仍偏少，而類比在教科書中的應用也未普遍(平均每套書 8.4個)。至於缺失部分則是，大部分的類比均未能指出其限制、(相異屬性說明僅 19

%)

，且有近一半的類比屬於簡單的描述 (44%) ，而未正式統計的結果也顯示很多類比的運用並不適切。此外，也沒有任何一本教科書或教師手冊(僅國立台灣師範大學科學教育中心(民 80 )及周江賜(民 81/ 民的)二套書附有)針對如何運用書中之類比加以說明。造成類比未普遍運用或運用缺失的原因，主要是良好類比教材設計的不易及作者在設計類比教材時缺乏具體原則可供參考所致 (G句nn，

1989;

Th

iele

,

1991;

Th

iele

&

Treagust

,

1992) 。欲克服此困難，最好的方法是讓教科書作者對類比的運用原則有深入之了解，即熟悉相關的類比教學策略;然而甘liele(1991) 指出作者們對類比運用原則不熟知的原因主要在於，科學教育學術研究上的成果往往難達於教學實務工作者的手中。觀諸我國目前電腦教科書作者之背景，多為現職之電腦教師，一個可行的方式是在有關的在職進修課程，多提供他們電腦科學教育的新知，尤其是類比教學的運用 o 另外則是在電腦師資培育中的「教材教法」及「教學實習」等課程，多給予這些未來電腦教師或教科書作者類比運用的訓練。此外，鼓勵電腦教師參加科學教育或資訊教育

(22)

178

師大學報第四十期相關的研討會，亦有助於他們了解電腦教學的最新動向。除了教科書作者外，教師也有必要熟悉類比的教學策略，因為他們是站在第一線實際執行教學的人，且教科書所提供給他們的類比也往往不盡完善，此時他們即可依有關之類比教學策略對教科書中之類比作適當彌補工作。例如教科書中類比可能未指出其限制，則教師可以進一步的說明或討論類比的相異屬性，以避免學生不適當之類比。而 Glynn(1989) 更認為教師也應教授學生類比運用的策略，以便學生對教科書中的類比能自行解讀、批判或衍伸其意，如此更能確保學習的成功。類比在教學中的應用幾乎是無可避免的，然而類比是一把雙刃的劍，它一方面可以幫助學習者了解抽象及複雜的陌生概念;另一方面，不當的使用反而導致學生迷思概念的產生。本研究針對十五套通過教育部審定的高中職計算機概論教科書分析其類比應用的情形，然而環繞於教科書周遭的教科書作者、教師及學生並未涵蓋於本研究之範圍 O 未來研究仍有必要對諸如教科書作者及教師運用類比的知識及態度，學生對教科書或教師使用類比的接受情形等，多方面進行深入探討，才能了解類比在電腦教學中應用的全貌。此外，類比在「電腦結構」主題之應用偏高(

54 %)

，其它主題則較低，未來研究似可由此了解類比應用與電腦科學知識本質的相關性。

致謝

本研究承蒙國立台灣師範大學資訊教育研究所周二銘教授惠賜意見，以及研究生林挺裕、許逸偉、陳書于、鄧佳恩的幫忙，在此特別致謝。

(23)

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182 附錄 A

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高高部份

6. 嚴世傑、張淑民(民 82 )計算機概論<上>，台北:儒林圖書公司。嚴世傑、陳盛文(民 83 )計算機概論<下>，台北:儒林圖書公司。 7. 林田(民 82/ 民 83 )計算機概論<上/下>，台北:松崗電腦圖書資料股份有限公司。 8. 黃慧容、馮秀敏(民 82/ 民的高商計算機概論<上/下>，台北:華立圖書公司 o 9. 李秀惠、李嘉齒(民 81 )計算機概論<上>，台北:啟芳出版社。李秀惠、李嘉齒、呂秀j賓(民 82 )計算機概論<下>，台北:啟芳出版社。 /0. 王玉文(民 82/ 民 80 )商職計算機概論<上/下>，台南:文慶出版股份有限公司。

(27)

高工部份

11. 汪惟中、楊孟倩(民的計算機概論<上>，台北:長諾圖書公司。汪惟中、林佩華(民 82 )計算機概論<下>，台北:長諾圖書公司。 12. 孫宗瀛(民 82/ 民的計算機概論<上/下>，台北:全華科技圖書公司。且周江賜(民 81/ 民的計算機概論<上/下>，台中:選三出版社 Q 14. 郭海鵬(民的計算機概論<上、下>，台北:長諾圖書公司。 15. 余政光(民 82/ 民的計算機概論<上'/下>，台北:大中國圖書公司。附註:部份教科書未列出版時間，則以其通過審定時間為準。

(28)

類比分析類剎表

附錄 B

上冊一一下冊一一

目標概念額比物頁碼篇幅類比關係 _{熟悉類比物} _{相似性說明} _{相異性說明} _呈現方式額比位置領域備註

S F S/F

Y

N

Y

N

Y

N

V

v-p

F M P

高工一一高中一一高高一一作者:

軍+固聽

出枷掛

-KE

4.其它 3.程式語言 2. 檔案管理與作業系統 1.電腦結構 p.s 領域: 才

∞

(29)

The Use of Analogies in Senior High School

Introductory Computer Textbooks

Cheng-Chih Wu

,

Neng-Yi Pang

Department of Information and Computer Education

National Taiwan Normal University

Abstract

An

alogies are

∞nsidered 品 an e旺ective

method for providing a bridge between

un-familiar

∞ncepts

and knowledge that students already have. However

,

analogies should

be used cautiously because at some point

eve可 analogy

breaks down.

It

can lead to

misunderstanding as well as understanding.

Th

is study investigats the

e旺ects

of using

an叫ogies

on learning

,

the strategies of

analogi個1

teaching

,

and

analogies 囚ed

in

sci-ence textbooks. Criteria for analyzing analogies used in

sci閃閃 textbooks

are concluded.

Using

these 臼iteria，

we then analyze

15 senior high school

in甘oductory ∞mputer

text-books.

Th

e content analysis indicates that

126 analogies

e.血t

in

15 textbooks

,

an

aver-age of 8.4 analogies per book.

An

alogies are used most frequently

in ∞mputer

organi-zation related

topi臼.