不同數位學習環境之問題解決策略與問題解決信心對國中能源知識概念學習之影響

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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：陳明溥博士. 不同數位學習環境之問題解決策略與問題解決信心對國中能源概念學習之影響. 研究生：林承俞撰. 中華民國一百零三年七月.

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(3) 不同數位學習環境之問題解決策略與問題解決信心對國中能源知識概念學習之影響. 林承俞. 摘要本研究的目的在探討不同的問題解決策略(一般問題解決、引導問題解決)、數位學習環境(數位遊戲學習、對話情境學習)及問題解決信心(高信心組、低信心組)對國中二年級學生在能源知識概念的學習成效(知識理解、知識應用)與學習態度之影響。研究對象為國中二年級學生，研究樣本為北部某國中，隨機抽取八個班級實驗共 264 位學習者。所有學生均受過電腦操作技能、網頁瀏覽、文書處理等相關基本能力之課程。研究發現：(1)高信心組在能源種類與應用在知識應用面向的學習成效上，表現高於低信心組。(2)對話情境學習組在能源教學活動的學習動機面向上，表現高於數位遊戲學習組；(3)引導性問題解決策略在能源教學活動的學習動機面向上，表現高於使用一般性問題解決策略；(4)引導性問題解決策略在學習連結與學習意願面向上，表現高於使用一般性問題解決策略；(5)高問題解決信心在整體學習態度的表現上高於低問題解決信心。. 關鍵詞：概念學習、能源教育、數位遊戲式學習、對話情境式學習、問題解決策略、問題解決信心. i.

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(6) The Effects of Different Digital Learning Environments, Problem Solving Strategies and Problem Solving Confidence on Junior High Students’ Learning of Energy Concepts. Chen-Yu, Lin. Abstract The main purpose of this study was to examine the effects of different problem-solving strategies (problem-solving vs. guided problem-solving), digital learning environment (game-based learning vs. situational dialogue), and different levels of problem-solving confidence (high vs. low) on eighth-graders’ learning of energy concepts. The subjects were junior high school students and participants were 264 eighth graders from the north part of Taiwan. All students were acquired with the basic computer skills including web browsing, word processing, and other related basic skills. The results revealed that: (a) the higher problem-solving confidence group achieved better performance on knowledge application than the low confidence group; (b) the situational dialogue group possessed higher degree of learning motivation than the game-based learning group, (c) the guided problem-solving group showed stronger learning motivation and willingness than the problem-solving group; and (d) the high problem-solving confidence group revealed higher overall learning attitudes than the low problem-solving confidence group.. Keywords: concept learning, energy education, digital game-based learning, situational learning, problem-solving strategies, learning confidence. ii.

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(9) 誌謝終於，研究生涯到此告一段落了。回想起這漫長的四年，經歷了許多風風雨雨，當時因爺爺的病情而暫停了一陣子的學業，另外家庭種種因素讓我一度想放棄繼續攻讀碩士學位。不過真的很開心也很感動能夠撐到今天這一步，我可以畢業了。首先，我要向最親愛的指導教授陳明溥老師致上最深的謝意，謝謝老師不厭其煩地在研究方面給予許多細心的指導，也很感謝老師在這段期間裡並沒有對我失去信心，不辭辛勞地等待我這麼久的時間協助我完成論文的撰寫。另外，也要謝謝擔任口試委員的如齡及育慈老師，在百忙之中參加這次的論文口試，並在我論文寫作上給予許多寶貴的意見。再來感謝 CSL 大家庭中親愛的欣垚、京翰、怡帆、寶萱、裕芬與靖怡戰友們，以及這兩年不時給我協助的承哲、湘儀、偵益、映汝、日薇、嘉鴻、思汝與邦捷學弟妹們，你們的全力支持與幫助，我也不會與你們能走到今天這一刻。感謝師大資教所所遇到的老師與同學們，讓我研究人生充滿色彩，謝謝你們。另外我要感謝我的父母親與妹妹，讓你們久等了。在這段艱苦的日子裡，無時無刻相信我，支持我能完成學業，並證明我並沒有放棄，也能夠給爺爺您一個好的交代。最後，我要感謝我的愛人李柔萱，在我最低潮的時候給予我持續拚下去的希望，在我跌倒時不斷扶住我的人，讓我學會如何做出有效地時間規畫。此外，也同身為研究生的你，我們一起互相鼓勵，互相給予對方各種寶貴的意見，使我們能一起畢業。因為有你，我才能與你分享這美好的一刻，謝謝你。. －. 謹以此書獻給幫助我成長的人－. iii.

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(12) 目錄表次 .........................................................................................................VI 圖次 ..................................................................................................... VIII 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 第三節研究範圍與限制 ........................................................................................... 4 第四節名詞解釋 ....................................................................................................... 6. 第二章. 文獻探討 ..................................................................................... 9. 第一節能源概念教育 ............................................................................................... 9 第二節數位學習環境 ............................................................................................. 12 第三節問題解決策略 ............................................................................................. 19 第四節問題解決信心 ............................................................................................. 24. 第三章. 研究方法 ................................................................................... 27. 第一節研究對象 ..................................................................................................... 27 第二節研究設計 ..................................................................................................... 29 第三節數位教材設計 ............................................................................................. 33 第四節研究工具 ..................................................................................................... 46 第五節資料處理與分析 ......................................................................................... 49. 第四章結果與討論 ................................................................................. 53 第一節能源種類與應用學習成效分析 ................................................................. 53 第二節能源教學活動學習態度分析 ..................................................................... 60. 第五章結論與建議 ................................................................................. 73 第一節結論 ............................................................................................................. 73 第二節建議 ............................................................................................................. 77 iv.

(13) 參考文獻 ................................................................................................... 81 附錄一能源概念先備知識測驗 ............................................................. 93 附錄二能源概念學習成效測驗 ............................................................. 96 附錄三數位遊戲學習活動態度問卷 ..................................................... 96 附錄四對話情境網頁學習活動態度問卷 ........................................... 100 附錄五問題解決信心量表 ................................................................... 101. v.

(14) 表次表 2-1 各研究者間之問題解決定義摘要表 ............................................................... 19 表 2-2 各研究者間之問題解決策略比較 ................................................................... 20 表 3-1 教學實驗組別分配表 ....................................................................................... 28 表 3-2 能源的種類與應用之學習內容與學習目標 .................................................. 34 表 3-3 數位遊戲學習活動設計表 ............................................................................... 35 表 3-4 角色扮演策略遊戲規則說明 ........................................................................... 41 表 3-5 能源種類與應用之問題解決歷程對照表 ....................................................... 49 表 3-6 能源種類與應用概念測驗之面向、題號及題數分配與內部一致性表 ....... 46 表 3-7 能源教學活動學習態度問卷之面向、題號及題數分配與內部一致性表 ... 47 表 3-8 問題解決信心量表之面向、題號及題數分配與內部一致性表 ................... 48 表 4-1 能源種類與應用之知識理解各組平均數、標準差與人數摘要表 .............. 54 表 4-2 能源種類與應用知識之知識應用各組平均數、標準差與人數摘要表 ...... 55 表 4-3 能源種類與應用分項成效之共變量矩陣等式的 Box 檢定......................... 56 表 4-4 能源種類與應用知識學習成效之各組三因子多變量共變數分析摘要表 ... 57 表 4-5 能源概念知識學習成效各組分項之三因子多變量共變數檢定摘要表 ....... 58 表 4-6 能源概念知識學習成效分析之結果摘要 ....................................................... 58 表 4-7 能源教學活動學習動機之各組平均數、標準差與人數摘要表 ................... 62 表 4-8 能源教學活動學習連結之各組平均數、標準差與人數摘要表 ................... 63 表 4-9 能源教學活動學習易用性之各組平均數、標準差與人數摘要表 ............... 64 表 4-10 能源教學活動學習意願之各組平均數、標準差與人數摘要表 ................. 65 表 4-11 能源教學活動分項態度之共變量矩陣等式的 Box 檢定 ........................... 66 表 4-12 能源教學活動學習態度之各組多變量變異數檢定摘要 ............................. 66 表 4-13 能源教學活動學習態度之各組多變量變異數檢定結果分析摘要 ............. 67 表 4-14 問題解決策略與數位學習環境對能源教學活動學習動機之單純主效果變異數分析摘要表........................................................................................................... 68 表 4-15 問題解決策略與問題解決信心對能源教學活動學習連結之單純主效果變異數分析摘要表........................................................................................................... 68 表 4-16 問題解決策略與問題解決信心對能源教學活動學習意願之單純主效果變 vi.

(15) 異數分析摘要表 ........................................................................................................... 69 表 4-17 能源教學活動學習態度分析之結果摘要表.................................................. 69. vii.

(16) 圖次圖 3-1 研究設計架構圖 .............................................................................................. 29 圖 3-2 教學實驗活動流程圖 ...................................................................................... 31 圖 3-3 學習者進行數位遊戲式學習活動過程 .......................................................... 32 圖 3-4 能源種類與應用知識架構圖 .......................................................................... 33 圖 3-5 地圖編輯器之地形模組介面 .......................................................................... 36 圖 3-6 地圖編輯器之資料模組(單位、技能、參數設定)........................................ 36 圖 3-7 地圖編輯器之觸發器模組介面 ...................................................................... 37 圖 3-8 數位遊戲問題解決學習架構 .......................................................................... 38 圖 3-9 表述問題：NPC 給予學習任務(問題)，學習者依照對話內容判斷問題成因 ....................................................................................................................................... 39 圖 3-10 嘗試各種解決方法：學習者選擇適合的解決方法，收集正確的非再生能源................................................................................................................................... 39 圖 3-11 執行計畫：依照所選擇的方法開始收集非再生能源 ................................ 40 圖 3-12 檢查結果：執行解決計畫後，依照遊戲中的回饋來檢查結果是否正確 40 圖 3-13 對話情境網頁問題解決學習架構 ................................................................ 42 圖 3-14 表述問題：網頁提出問題使學習者依照先備經驗了解問題成因 ............. 43 圖 3-15 學習者選擇情境對話內容觸發區域 ............................................................. 43 圖 3-16 解析對話尋找解答：情境對話中尋找符合問題之解答 ............................. 44 圖 3-17 選擇執行計畫：選擇學習者認為可解決計畫之選項 ................................ 44 圖 3-18 檢查結果：以出現圖示來驗證目標完成之比例 ......................................... 45 圖 3-19 能源種類與應用學習成效分析流程示意圖 ................................................ 49 圖 3-20 能源教學活動學習態度分析流程示意圖 .................................................... 51. viii.

(17) 第一章. 緒論. 本章分別就本研究之研究背景與動機、研究目的與待答問題、研究範圍與限制以及重要名詞釋義四個部分進行詳述。. 第一節. 研究背景與動機. 能源教育為推動國家發展與經濟活動的基本動力。近年來，國際經濟與能源情勢劇烈變動，國際原油價格激烈波動，氣候明顯變化，溫室氣體減量，並引發通貨膨脹隱憂，造成未來油價走勢仍存有不確定因素。如：OPEC 國家協議減產、部分產油國地緣政治不安、新興市場國家及美國的石油需求增加等(能源產業技術白皮書，2010)，以上等原因顯示能源短缺的現象是個令人憂心的議題。不久前，日本東北強震所造成的福島核災，非再生性能源利用等議題浮現，使民眾對於了解再生能源發展意識明顯提高(陳映如，2012)。從過去觀察，能源教育研究多強調於如何節約能源，在陳建州及林彥泯(2008)於能源素養研究中，進行對台灣地區國民中小教師、行政人員問卷調查，發現國民中小學的能源態度不夠積極。並且發現教師們顯然偏好「一般能源知識推廣」及「節約能源的技術及方法」的知識領域問題，或者偏重於力與能量之間的定義(Doménech et al., 2007)，或則鮮少聚焦在能源種類與應用過程等知識概念上。20 歲以下的族群本應是受過最多正規環境與能源教育的一群人，但與其他高年齡層的族群相比，呈現的結果卻是如此的不理想(程金保、商育滿，2007)。另外，研究指出，學習者對於能源觀念上有許多的迷思(Duit, 1984; Kurnaz, 2007; Kurnaz & Çalık, 2009; Nicholls & Ogborn, 1993; Watts, 1983)。因能源的本質是既抽象且不易理解的自然科學概念，傳統的學校教育主要以課堂講授來傳遞知識，然而這類的一般講授方式在學習概念的學習表現上卻是最差的(Knight & Wood, 2005)。原因在於學習者處於單向溝通的環境中較容易造成學習時的誤解或不求甚解，並發生整體觀念上的錯誤，更降低自身對該學科的興趣，導致學習動機低落(趙美聲、黃仁竑，2003)。為了提升學習者的學習動機，並改善學習時所遭遇的阻礙，近年來以電腦為主的數位學習環境逐漸地發展。這類相關的技術日益成熟，其中教學方法中，身為數位原民的學習者們運用他們熟悉的數位環境來學習是最為合適的(Prensky, 2001)。電腦輔助工具興起逐漸成為趨勢，而該工具提供了彈性的學習設計，可因 1.

(18) 應不同學習者的情況，其中以數位遊戲為主的學習環境最能吸引學習者，它富含聲音、動畫等華麗特效，另外電腦遊戲裡的動態性是產生動機的首要關鍵，因此，學習者會經由自身的動作體驗而影響到遊戲中的成效；此外遊戲裡也具有挑戰性的任務目標和有趣奇幻的故事情節能提升學習專注度。另一方面，藉由該強而有力的設計介面建構出互動性的學習內容來引發學習者的興趣，難以理解的抽象概念可利用遊戲場景設計來獲得技能上的學習遷移(Gros, 2007; van Eck, 2007)。現今以開放性的教育改革的思維下，學生的學習方式逐漸從傳統的被動式接受，轉換成主動的知識建構者(張文芬，2005)，而遊戲擁有強烈的主動性，促使學習者主動地學習，且並在遊玩過程中以做中學(learning by doing)方式(Annetta, 2008)，達成寓教於樂的目的。研究指出 4 至 8 年級的學習者藉由數位遊戲來學習科學或數學學科能反映出較高學習興趣及成效(Klawe, 1999)。Clark 等人(2009)在美國國家科學學術報告中提到科學教育在遊戲的發展中逐漸受到重視，並將其納入現今的學習工具之中。然而有鑒於過去數位遊戲對於學習動機與成效的改善上，較缺乏相關實證性研究等佐證(Kirriemuir, 2002; Kirriemuir & McFarlane, 2004)，因此有必要思考並探討數位遊戲在學習效益上的影響。 2008 年時，教育部公布之「自然與生活科技學習領域課程綱要」，強調這類型的課程培養學生獨立思考、問題解決能力、批判及創意的思考與發現問題能力，特別是獨立思考與「自行」解決問題的能力(張文芬，2005)。能源課程注重在探究式、實驗性質，甚至是現實生活的問題解決能力。在學校課堂外，我們經常在日常生活中會面臨到形形色色的自然科學問題(Hodson, 2003)，使我們不停地在生活中的進行問題解決活動。這能提供學習者在接收學科內容的良好管道(DeWaters & Powers, 2011)。通常學習者遇到一個問題解決活動時，會以記憶的方式吸收知識，導致無法有效地遷移至生活情境中，所以在學習時，知識必須在應用的情境中去習得，才變得有意義(林怡珊，2008)。Glass 和 Holyoak (1986)將問題解決過程區分為(1)表述問題、(2)嘗試可能解決方法、(3)執行計畫、(4)檢查結果等四步驟，協助學習者規劃自我學習的流程，因為問題解決歷程是由學習者中心為出發點，必須經由不斷地觀察與嘗試錯誤，最終解決問題，並達到學習的完成(Hope, 2002)。由此以上推論可見，問題解決在自然科學的學習領域上佔有一席之地。另外，學習者在面對問題時難免會遇到困難，能否順利進行有效的學習，除了自身 2.

(19) 能力外，信心亦為考量因素之一，信心既能觀察學習者的主動性也可發現在解決問題時的成效影響。因此，研究主要運用問題解決策略融入遊戲來探討國中生在學習能源種類與應用之影響，在研究設計以不同的數位學習環境與不同的問題解決的學習策略中來觀察學習者問題解決信心是否皆有關連性。最終使學習者可以了解能源的種類、特性與其功能，將問題解決策略運用於數位遊戲中將能源教育的概念呈現出來，來觀察此策略對不同問題解決信心的學習者在理解能源觀念上之影響，進而探討學習者的學習興趣與成效。. 第二節研究目的與待答問題本研究的目的在探討不同的問題解決策略 (一般問題解決、引導問題解決)、不同的數位學習環境(數位遊戲學習、對話情境學習)與問題解決信心(高信心、低信心)，對國中學習者學習能源種類與應用的學習成效及學習態度的影響。本研究的研究目的如下：. 一、. 探討在不同的學習環境(數位遊戲學習、對話情境學習)對於不同的問題解決策略 (一般問題解決、引導問題解決)與問題解決信心 (高信心、低信心) 對八年級學習者「能源種類與應用」的學習成效。. 二、. 探討在不同的學習環境(數位遊戲學習、對話情境學習)對於不同的問題解決策略 (一般問題解決、引導問題解決)與問題解決信心 (高信心、低信心) 對八年級學習者「能源種類與應用」的教學活動學習態度。. 本研究針對研究目的提出以下待答問題：. 一、. 在學習「能源種類與應用單元」時，不同的學習環境(數位遊戲學習、對話情境學習)、問題解決策略 (一般問題解決、引導問題解決)及問題解決信心 (高信心與低信心)是否對學習者的的學習成效產生不同的影響？. 二、. 在學習「能源種類與應用單元」時，不同的學習環境(數位遊戲學習、對話情境學習)、問題解決策略 (一般問題解決、引導問題解決)及問題解決信 3.

(20) 心 (高信心、低信心)是否對學習者的學習態度產生不同的影響？. 第三節研究範圍與限制本研究為配合教學活動設計與流程的進行，在研究對象、教學內容、環境與時間流程、學習方法以及評量方式有以下研究範圍與限制：. 壹、研究對象本研究對象為國中八年級學生，以班級為單位作隨機分派為「數位遊戲組」，「對話情境網頁組」。各組再分派為「引導性問題解決組」，「一般性問題解決組」。最後，各組根據學習者在問題解決能力信心量表的平均分數高低程度，再分派為「高問題解決信心組」和「低問題解決信心組」。本研究之教學實驗參與者均受過電腦操作技能、網頁瀏覽、文書處理等相關資訊基本能力之課程，並學習過基本自然環境教育概念，但尚未有對能源的種類與應用型態等較細部的概念。由於該校班級均為常態編班，因此各班性別人數比例相同，具符合常態分配之基本假設。. 貳、教學內容本研究實驗教學的內容為自編之能源種類與應用知識課程，而內容包含「非再生能源」、「再生能源」、「能源的特性」及「能源危機」等四個部分。由於本研究教學重點在於使學習者理解能源的種類及其應用之形式，屬知識理解層面居多。教學活動所呈現之能源種類是以遊戲設計工具中物件建構而成，並無法完全模擬現實生活中所對應的物質樣貌，因此僅能幫助學習者獲得類似的能源概念。至於能源在物理及化學變化中的能量轉換，如：物體施力作功，熱與能量的傳遞，將不作進一步的探討與分析。. 參、實驗教學情境與時間本研究為配合參與者的班級課程進度與時間，總實驗時間共為四週，每週一節課，一節為 45 分鐘，每班共 180 分鐘。在教學實驗實施階段其中須配合校內活動或原班級課程之安排，使本研究之參與者在不同組別下，有相同的學習時間，且教學實驗地點也為原班級所在之電腦教室，教室中提供每人一人一電腦、教師 4.

(21) 授課用之電腦、廣播系統和麥克風。但在實驗中觀察到，學習者對於教育遊戲之操作介面不熟悉，致學習活動流程進行稍許緊湊，因此研究結果僅能以相似教學實驗推論之。. 肆、學習環境本研究之教學實驗活動是藉由數位學習環境(數位遊戲、對話情境網頁)結合問題解決策略(一般性問題解決、引導性問題解決)使學習者自由在學習活動中操作並學習各種能源種類與應用概念，而在實驗活動中所使用的數位遊戲與情境網頁皆以單機方式進行，另外學習者在進行學習活動時，禁止互相交談或討論。學習者過去皆是接受傳統講述的課程，尚未藉由數位學習環境來學習該單元內容，對於以數位遊戲和情境網頁的學習接受度與熟悉程度也可能會有差異，因此關於研究結果之解釋與類推，僅適合以本研究所使用之數位化學習環境，不宜過度推論至傳統形式的課堂環境。. 五、教學評量本研究所使用之教學評量方式主要分為單一選擇題測驗與自評量表兩部分，且皆以筆試型態進行。單一選擇題測驗為研究者依據能源種類與應用學習成效改編之「能源知識概念成效測驗卷」，而自評量表分別為改編之「問題解決信心量表」及研究者依據能源種類與應用學習態度改編之「能源教學活動學習態度問卷」，皆採李克式六點量表，學習者依照自己的意願與想法圈選最適合的選項。基於本研究之評量方法採用紙筆形式，並無法過度推論至受試者於日常生活中對於能源類型與應用概念表現之研究結果。. 5.

(22) 第四節名詞解釋以下為本研究之重要名詞釋義，分別敘述之：. 壹、數位遊戲式學習數位遊戲式學習意旨將數位遊戲與實際課程內容作結合的教育性數位遊戲，並可促使學習者引起學習動機(Prensky, 2003)。數位遊戲泛指以運用資訊科技形式如個人電腦、平板電腦、手機上提供之聲光娛樂，本研究實驗組學習者之遊戲學習環境是透過單機版策略角色扮演電腦遊戲「星海爭霸 2」的地圖編輯器(World Editor)建構而成，並於遊戲學習活動中加入問題解決策略循環使生活中的能源種類與應用方式於遊戲中呈現，學習者依循該策略循環進行一系列的學習任務，並尋找各任務目標之問題解答，進而增進學習成效。. 貳、對話情境式學習本研究之對照組學習者於網頁中透過生動的對話內容並搭配日常生活中可能遇到各種能源之實際圖像，運用此對話情境式網頁學習環境，使學習者能專注其中，並能引起自身的學習動機，吸收學科相關知識。網頁中的整體內容主要以文字對話形式呈現能源種類與應用的知識議題，希望以情境對話式的學習內容藉由圖片搭配故事及文字對話，使學習者能由自身角度融入故事情境中，進而提升學習效果。. 參、問題解決策略本研究所採用的教學實驗活動分成兩種不同問題解決策略，「一般性解決解決策略」與「引導性問題解決策略」兩種。「一般性解決解決策略」為學習者再進行數位遊戲式學習活動或是對話情境學習學習活動時，系統中僅給予學習者故事性及對話方式的問題敘述，並依照該敘述判斷問題產生原因，擬定策略後尋找問題解答；而「引導性問題解決策略」則是在系統給予學習者故事性及對話方式的問題中增加了提示性敘述，促使學習者在問題解決中以程序引導的方式進行。 6.

(23) 肆、問題解決信心問題解決信心是學習者在面對問題解決歷程中所反應出的態度與感受程度。本研究利用問題解決四個步驟改編之「問題解決信心量表」測量學習者面對問題時的自我信心程度，學習者根據問題解決四步驟之問題，選擇個人對該題意描述所認知的高低指數，而依照量表結果的平均分數愈高者表示問題解決信心愈高，反之，平均分數愈低者則表示問題解決信心愈低。學習者的高低問題解決信心區分標準如下：問題解決信心量表平均分數位於所有學習者的前 40%為「高問題解決信心組」；問題解決信心量表平均分數位於所有學習者的後 40%為「低問題解決信心組」。. 伍、能源種類與應用學習成效能源種類與應用學習成效意旨學習者透過能源種類與應用課程學習後之該單元理解與應用程度。本研究之能源知識種類與應用學習成效依據康軒出版社之能源種類與運用單元知識測驗題改編而成，來評估學習者在進行數位學習活動後在能源知識概念是否有無顯著差異，而測驗面向分為「知識理解」與「知識應用」兩部分，「知識理解」以測驗學習者對能源種類與應用相關概念在記憶與理解上的能力，「知識應用」則測驗學習者對能源種類與應用概念實際用於不同情境上，如日常生活中面對能源等現象。因此，本研究對能源種類與應用學習成效測驗進行評估，在各面向之平均分數愈高，表示學習者之能源種類與應用概念表現上愈好，反之，平均分數愈低，則表示學習者之能源種類與應用概念表現上愈差。. 陸、能源種類與應用教學活動學習態度學習態度泛指學習者對於學習內容、學習環境及過程，在情感、認知與行為上所產生的一種心理狀態並反應在學習行為上的表現或傾向(李登隆、李美芬， 2004)，本研究「能源種類與應用教學活動學習態度」係指學習者經由教學活動後對於學習能源種類與應用之看法與感受程度。能源種類與應用學習態度問卷係參 7.

(24) 考張弘典(2008)所發表，能源小蜜蜂以數位遊戲式學習輔助能源教育中的 ARCS 與系統評鑑問卷，及黃佩純(2009)發表，融合科技接受模型與動機理論探討數位遊戲式學習之學習態度與學習滿意度-以商業類科高職生為例中，遊戲式學習導入課程之學習問卷加以修改而成。問卷中的面向分為、「學習動機」、「學習連結」、「操作易用性」、「學習意願」四種成分，各成分面向平均分數愈高代表學習態度愈高，反之，平均分數愈低則代表各面向之學習態度愈低。. 8.

(25) 第二章. 文獻探討. 本研究主要運用問題解決策略(一般問題解決、引導問題解決)結合數位學習環境(數位遊戲學習、對話情境學習)來探討不同問題解決信心(高信心組、低信心組)的八年級國中生在學習能源種類與應用學習成效與學習態度之影響，以下分別對能源概念教育、數位學習環境、問題解決策略與問題解決信心之相關文獻進行歸納與整理。. 第一節能源概念學習本節係「能源概念學習之意義」與「能源概念學習的困難」進行探討。. 壹、能源概念教育之意義能源與我們生活密不可分，直到近代 1980 年時，才逐漸將生活中的能源知識納入學科之中(Duit 1981, 1986; Hicks 1983; Sexl 1981; Solomon 1985; Warren 1982)。而能源教育乃是一種實際教育，是以培養良好的學習為目的，之中包含： (1)能源教育意義；(2)能源教育的特質；(3)能源教育內涵；4.能源教育目標四種內涵 (陳建州、林彥泯，2008)。田振榮、林建成(1995)在能源教育之推展上提出 STS 課程教學建構設計之理念，其涵義所即是結合科學(Science)、技術(Technology) 和社會(Society)三個主體部分，不僅能夠了解某個能源主題，且其他相關能源的主題也可融入並行學習。除此之外，Doménech 等人(2007)表示能源的議題跨及個人、社會與環境意涵，能促進學生在這方面的興趣。也有教育學者認為能源課程應該結合全球化的觀點，比較在地與全球在能源使用、外在環境影響、相關能源議題之差異，甚至延伸至社會、經濟與政策 (DeWaters & Powers, 2011)。 Pearson 和 Young (2002)、DeWaters, Powers 和 Graham (2007)提出能源教育學習素養發展三項架構 1. 認知成果、2. 情感成果、3. 行為成果，各架構描述如下： 1. 認知成果(Cognitive Outcome) (1)能源基本知識：包含能源的定義、能源的儲存概念、電力與能源的關係。 (2)能源資源與來源：包含人們常用的能源、再生能源與非再生能源 9.

(26) 種類、使用不同能源的優缺點(科學、社會、環境與經濟面)。 2. 情感成果(Affective Outcome) (1)能源議題的意識與敏感度：對能源教育與能源危機的看法與感受。 (2)能源態度與信念：養成對能源保存與發展之態度。 3. 行為成果(Behavior Outcome) (1)培養思考與有效地決策能力。此外，在 KEEP (K-12 Energy Education Program)能源教育計畫，其主軸在提供學校一個具有連結性、緊密且平衡的推動架構，來輔助推動能源教育，而 KEEP 發展出之教學活動之四項目標，1. 我們需要能源(We need energy)、2. 能源的開發(Developing Energy Resources)、3. 能源開發的效應(Effects of Developing Energy Resources) 、 4. 能源的管理 (Managing Energy Resource Use) (Rendl, 2000; University of Wisconsin at Stevens Point, 2003)，各項描述如下： 1. 我們需要能源(We need energy)：協助學習者了解能量的本質並引導學習者對於能源使用、組織及能源系統如何影響在日常生活中。 2. 能源的開發(Developing Energy Resources)：幫助學習者辨認各種不同能源的來源，並且分析能源如何轉化成為人們所需的過程。瞭解到「什麼是能源」及「能源如何在系統中流動」。 3. 能源開發的效應(Effects of Developing Energy Resources)：鼓勵學習者探索能源使用及如何影響他們的生活。辨識這些效應將增加學習者對於為何及如何使用能源等面向的知覺，並促進社會與個人管理能源資源的瞭解。 4. 能源的管理(Managing Energy Resource Use)：精緻學習者知識與技巧，使其能基於永續的方式有效地使用能源。因此，健全的能源教育要素在於(1)配合能源素養標準來制定教學目標，此標準不僅只含括概念方面，行為與感受面亦是。(2) 列舉過往的範例或經驗有助於學習者對於較艱深議題產生興趣 (DeWaters & Powers, 2011)。. 貳、能源概念學習的困難 Ausubel (1968)提到影響學習最重要的因素即是學習者已經知道的事。在學習前時的概念會與剛學過的概念產生交互影響(Pines & West,1986)，而在概念的學習 10.

(27) 過程中，也會因不當的統整，而產生迷思概念，每當迷思概念產生後，往往根深蒂固，很難加以改變，因而導致日後學習的困難。在概念改變上，當學習者因保有舊有概念，但遇到困難卻無法處理或一個明確且似是而非的概念能立刻將問題解決時，新的概念將取代舊有的概念時(Posner et al., 1982)。McCloskey (1983)認為迷思概念是自發性建構的，雖然有許多研究無法在概念改變提出一個具體的詮釋，但教學者的了教學策略或思考方向卻也有可能助於學習者的學習。在能源教學中，學習者對於能源變化之定義上始終易產生混淆。事實上在一般課堂與課本中所看到的能源定義解釋像是“汽油含有化學能量進而是車輛移動”或 “我們需要熱量才能工作”(Millar, 2000)。Duit (1984)歸納出在學習能源觀念時，普遍會遭遇之困難點，一、能源概念之詮釋不易，這些定義不乏為，它是種作功或力的攜帶物質、是種常見的燃料、或是種能量存在的形式等。二、能源的轉移，兩個不同系統之間的傳遞。三、能源有許多形式，這之間的轉換關係。四、能源的能量不滅原則，能量在形態轉變時前後質量守恆。Watts (1983)指出對於某些學習者來說，能源在有些環境中被視為是以流體傳導的，但對絕大部分的學習者來說，他們無法明確辨別能量與力之間的差異，甚至很難在非生命存在下定義其能源之型態為何。他於課堂活動中發現這些問題，並提出下列學習能源之概念改變架構，幫助學習者定義概念，一、以人為中心：是與人類有關係到“能” 的存在。二、保有性:：有些物體是擁有能量且會增強的。三、活性：能量潛藏在物體中，需觸發才得釋放。四、能動性：能量是顯而易見的。五、產出性：能量是在不經意的情況下產生。六、功能性：在日常生活中能量被當作一種很普遍的燃料。七、流動傳遞性：能量被當作一種流體型態傳遞於不同介質間。Kyprianou et al. (1997)所撰之科學教師手冊中也提醒教學者，能源特性是不容易被定義的，它有不少的解釋如，“它存在於大自然中”、“有著巨大的質量”，但大部分的教學者認為 “當能量作用時才會產生作功現象”，因此在能量的科學概念中，僅能觀察到能量的儲存與轉換過程，而不是能量本身(Diakidoy, Kendeou, & Ioannides, 2003)。有些學者建議學校在自然科學教學上能消除對能源形式的想法，並注重能源在形態上轉移至另一個系統上的變化(Papadouris, Constantinou, & Kyratsi, 2008)，另外在教學上適度地給予學習者機會在科學活動中去訂定策略與驗證方法(換言之，建立假設，設想實驗設計等)。如此一來能夠熟悉科學規範並 11.

(28) 促使他們在任何障礙下皆能理解不同能源的轉換方式(Doménech et al., 2007)。. 第二節. 數位學習環境. 目前數位學習隨著電腦網路與多媒體技術的日新月異，造就了更多多樣化的學習素材，因此本節以「數位學習環境之種類」、「數位學習環境對學習成效與態度之影響」及「數位學習環境在能源科學教育上的應用」分別作相關之文獻探討。. 壹、數位學習環境之種類在現今不乏透過電腦多媒體等相關數位形式的學習媒介，如早期的討論區、 Moodle 教學平台，線上學習網站，到最近較盛行的社群網路及數位學習遊戲。而本研究採用的數位學習環境為數位學習遊戲與網頁兩種類型，並針對八年級國中生在學習能源種類與應用單元設計兩種數位學習環境，一為「數位學習遊戲」，另一為「對話情境學習」，以下就「數位學習遊戲」、「對話情境學習」兩種不同之數位學習環境分別進行探討：. 一、數位遊戲式學習近年來，電腦遊戲逐漸受到眾多教育學者與研究者的重視與運用(Gros, 2007)。原因在於遊戲不僅僅是作為娛樂用途，而是能夠結合教學、訓練項目來達到有效地認知學習、態度轉換、提升技能(Wouters, Van der Spek, & Van Oostendorp, 2009)，以及運用對話互動，經驗解釋，知識價值與技能應用之獨特特性來達到學習目的與問題解決(Gee, 2008)。因此運用以上觀念進一步地轉換之後，稱為數位學習遊戲。有別於一般電腦遊戲，數位學習遊戲強調在於學習內容結合原有電腦遊戲中所提供的擬定策略，假設驗證或問題解決能力等特性，運用高層次思考學習而不是單純的理解與記憶(Dondlinger, 2007)，Kiili (2005)則提倡遊戲應有反思探究的現象與建立實際的目標。Malone (1981)認為電腦遊戲之所以有趣在於它擁有挑戰、奇幻與好奇的元素存在，另外他也建議在現今相關的教育性計畫中，加入這些成分如：1. 建立明確的目標，使學生從中尋找有意義，多樣目標結果和得分機制並且最後給予總結性回饋；2. 加入難易度來調整學習者熟練技能；3. 出其不意的遊戲要素；4. 融合與遊戲技能相關之引人入勝或比喻性的學習內容。而 Gee (2008) 12.

(29) 認為電腦遊戲可：1. 給予學習者主動控制的特殊感受；2. 訂定出學習者自由達成任務目標的環境；3. 激勵學習者自我檢視在遊戲中所面對錯誤與失敗；4. 提供反思機制，譬如問答集、策略引導、討論功能等。 Bowman (1982) 也建議在遊戲中提供清楚的任務目標、給予學習者挑戰、允許合作進行、制定規則與評量機制、賦予學習者高操控自由度與結合新奇因子於遊戲環境中。另外，尤其強調系統性目標、任務與規則是遊戲設計中極為重要之環節(Waraich, 2004; Zagal, Nussbaum, & Rosas, 2000)。遊戲的特性也必須包含獎勵，學習內容搭配敘事性情境脈絡以及互動性的提示與回饋(Dondlinger, 2007)。而更進一步地，Prensky (2007)詳細歸納遊戲學習裡能吸引學習者的原因，在於其具有以下特性： 1. 娛樂性：學習者感覺到在遊戲中所帶來的愉悅感。 2. 遊戲性：遊戲中的特色令學習者感到強烈的樂趣與動機。 3. 規則性：依照之中所建立的遊戲規則，協助學生熟悉整體的遊戲方式並沉浸於內容之中。. 4. 目標性：遊戲中設定具體的任務目標，清楚地給予學習者引導。 5. 人機互動性：在遊戲介面設計上，學習者經由操作與互動電腦方式來進行遊戲。. 6. 結果與回饋：當遊戲結束時，給予回饋訊息以利學生作進一步的反思與學習。 7. 適性化：根據不同的能力學習者，來調整任務之難易度。 8. 勝利感：學習者從遊戲歷程中獲取成功經驗，使學習者產生成就感。 9. 衝突競爭性與挑戰性：遊戲中的難易度變化，可刺激學習者於遊戲中獲得動機及挑戰。 10. 問題解決：學習者藉由面對遊戲任務時，引發自身的問題解決能力。 11. 社會互動：學習者與遊戲中的非玩家角色交流所產生互動歷程。 12. 圖像與情節性：遊戲中所呈現的華麗畫面與故事劇情，促使學習者產生情感波動。事實上，憑藉遊戲呈現的虛擬世界，在遊玩時的動作感可驅使學習者產生挑戰性(Kiili, 2005)，也令學習者感受出存在感，並達到高投入的學習狀態(McMahan, 2003; Scoresby & Shelton, 2010)。數位遊戲實驗模擬與練習，可避免現實生活所造 13.

(30) 成的學習風險(Warren, Dondlinger, & Barab, 2008)。周昇馨及孫培真(2008)提到數位學習遊戲之設計特性，包含以下四大設計要素： 1. 介面：在遊戲介面設計時，以易於使用性(ease of use)進行設計，讓學習者容易快速上手。 2. 互動性：而互動性方面，認為遊戲中能夠提供學習者多少學習上選擇，如果選擇越多更能與學習者產生互動性。 3. 故事性：在故事性方面，故事內容需要掌握架構及鋪陳，以吸引學習者進行學習。 4. 平衡度：最後在平衡度方面，強調遊戲公平性。然而由上述等等多樣性的特色來看，是有可能將商業遊戲重新設計成蘊含學習意義的遊戲環境(Charsky, 2010)。因此，結合以上種種要素，有助於規劃出良好的遊戲設計流程，進一步提高其娛樂性與教育性的價值，使學生可處在既輕鬆且較無壓力的環境下，並從中學得一些概念與技能(李佳蓉，1996)。. 二、對話情境式數位學習知識內容乃是情境脈絡產物，換言之，在情境脈絡中，情境知覺隱含著學習者在環境中獲取知識的機會(Pedaste & Sarapuu, 2006)，因此，以情境產出知識是有利於學習與活動發展。Halverson, Shaffer, Squire,和 Steinkuehlr (2006)認為情境認知在學習上提供了有意義的框架，並使學習者投入於其中，成為一個實際的學習共同體。Harmon 和 Jones (2001)也提到最有效的情境認知學習，應提供存在於現實中所發生的事件。從數位化時代興起後，電腦輔助教學隨之出現，取代了一般純文字，講授式及其他傳統教學法，而這類型態的教學模式往往限制了學習者原有的學習內容、時間、地點、效率，甚至影響成績提升(Henry, 1990)。隨著網際網路發展成熟，網頁學習成為電腦輔助教學之新指標。嚴格來講，它的優點在於普遍性高，可隨時更新內容，另外超連結功能可與其他資源作交互參照(Chumley-Jones, Dobbie, & Alford, 2002)。另外網頁可結合文字、圖片、聲音等的多媒體訊息，透過簡單且人性化的操作方式，讓學習者能以更容易操作的方式與電腦的互動中進行學習(吳世彬，1993；游朝煌，1994)。因此 Herrington, Oliver, Herrington 和 Sparrow (2000) 14.

(31) 提倡強調互動性的情境式網頁，其特點如下： 1. 能有效地作知識傳遞，並營造出良好的情境脈絡。 2. 學習環境擁有不明確性，是以單一化複雜型任務方式呈現，而不是提供一系列毫無關聯的範例。 3. 在專家角度以對話與描述故事方式在過程中引導學習。 4. 促使學習者利用多樣化觀點思考。 5. 將知識內容融合與建構。 6. 引發學習者反思。 7. 內化與銜接。 8. 指導方針與鷹架來補助學習。 9. 實際學習結果評量。除此之外，以對話和說故事形式可提升學習互動性，畢竟人的日常生活中始終圍繞著故事，利用敘事性的對話與詮釋方法來傳遞教學性的知識內容也能夠達到情境體驗的效果 (Lave & Wenger, 1991)。Schön (1983) 的研究表示”虛擬對話” 也就是所謂的講故事是一種真實體驗的替代方法，它的好處在於可促進人與人之間的互動多樣性(Bruner, 1990)；協助學習，保持記憶與新舊觀念之遷移(Bruner, 1990)；幫助自我詮釋(Gudmundsdottir, 1995)；可根據過往的經驗來擬訂新的學習策略(Bruner, 1990; Huberman, 1995)。Jonassen 和 Hernandez-Serrano (2002)也認為，第一，它可將相關的概念、原則或理論加以範例化後，直接教授；第二，故事情境提供了豐富的範例，並且能產生強大的敘事性記憶連結；第三，故事範例可作為學習者的建議，幫助他們解決問題。Collins (2006)也曾以任務導向的情境式學習為例，將認知的技巧(cognitive skills)和知識隱含於情境中，讓學習者在情境中不僅習得知識並學習到運用知識的能力。然而，跳脫出一般形式外，敘事性網頁不僅限以文字呈現，也加入了如表格、圖示、與照片型態之元素於其中(Pedaste & Sarapuu, 2006)，如此一來綜合情境脈絡與敘事對話的特性，發展出一套有利於學習者融入之網頁環境。. 貳、數位學習環境對學習成效與態度之影響數位學習成為在眾多的學習媒介中一個重要且競爭性的指標 (Torrente, 15.

(32) Moreno-Ger, Martínez-Ortiz, & Fernandez-Manjon, 2009)。數位學習藉由使用適當數位工具，包括網際網路、電腦等，以取得數位教材進行正確及有效的學習活動，創造有意義的學習經驗，以達成學習結果(鄒景平，2003)。如何促使學生投入學習是設計數位學習工具上的挑戰之一(Kiili, 2005)。建構主義觀點亦強調學生在環境中進行主動學習，才能激發較高學習動機，進而產生有意義的學習(廖家瑜、連啟瑞、盧玉玲，2013)，數位學習因此能實現學習者為中心的教學方式外，同時對於學習動機及學習成效上的助益也相當大(Gee, 2004)。另外，突破時空的限制，從傳統教室型態，轉型為藉由電腦網路的學習方式，學習者更可依自我習慣與實際狀態調整自我學習進度，人性化的介面降低學生在操作電腦時的排斥感，變得樂於學習(Kay & Knaack, 2009)。 Denis 和 Jouvelot (2005) 將動機作進一步的詮釋：內在動機的產生動力來自自身的意願，驅使自己實行；外在動機的產生動力則是因外部誘因驅使行動，如：獎賞或威脅。以數位學習遊戲而言，Dondlinger (2007)發現在遊戲中的獎勵機制與目標，能激發學習者在遊玩時的外在動機(Denis & Jouvelot, 2005; Jennings, 2001)，遊戲中的情境脈絡造就了學習活動的發生；敘事情節關係著任務目標與學習內容的結合；互動性線索促使學習的進行與回饋的產生(Warren, Dondlinger, & Barab, 2008)。Dickey (2005)則表示在遊戲情境中”挑戰、奇幻與新奇”成分促使遊玩的內在動機產生。而 Charsky (2010) 進一步提出一、競爭，二、目標，三、規則，四、機會選擇，五、挑戰與奇幻的特點，為遊戲中影響學習態度之關鍵，特別是競爭特性刺激了學習者的動機，歸因於自身的求勝心促使學習目標達成，當學習者隨著沉浸程度的不同，對於動機的變化程度也不同(Dickey, 2005)，換言之，學習者投入度愈高，所產生的動機也愈高，反之亦然。Squire, Giovanetto, Devane, 和 Durga (2005)則發現當學生順利地完成遊戲任務時，通常有意願分享自身的經驗予其他人，促進彼此討論與學習表現。然而，許多教育學者認為電腦遊戲能改善學生的學習成效(Brom, Preuss, & Klement, 2011; Huang, Huang, & Tschopp, 2010; Wang & Chen, 2010)，但目前並沒有具體指出在遊玩電腦遊戲與學科成績間有類似的影響，僅有增強視覺注意力，如：操作熟練技能(Gros, 2007)。另外，以網頁數位學習而言，Kay 和 Knaack (2009)藉由網頁數位學習態度綜合量表，歸納出學生在使用網頁學習時對於學習內容、介面設計與意願皆有正向回饋。 16.

(33) 整體來說，有用性，明確的學習目標，組織架構與生動主題之特性是增加學習動機的主要因素(Wlodkowski, 2008)。除此之外，學生在使用過網頁數位學習工具之後，有 30%至 40%的學習成效是有顯著成長，尤其顯著反應在學習科學教育領域上(Kay & Knaack, 2009)。綜上所述，一個設計良好的網頁數位學習工具能夠使學生更專注於學習核心之中，並提供視覺上的鷹架，減少認知負荷，刺激學習動機及更容易依照自身的步調進行學習活動(Kay, 2014)。 Squire (2005)認為電腦遊戲與其他數位學習工具的主要差異在於，電腦遊戲環境較能有效地培養概念化學習，問題解決技巧，合作溝通能力與實際操作經驗，賦予學習者對於情境的理解能力，有力的社會練習，強化個人性格發展，分享經驗價值以及實現個體與群體間的互動思考能力。更深入來看，遊戲的發展潛力可便於整合所有的(學習)任務目標於一體，因而能發展出混合型課程(多學科整合)，例如可提供學生交互的學習路徑(Torrente et al. 2009)。總而言之，無論運用何種的數位學習型態，完好的情境設計可幫助達成學習目標並產生有用與可用的結果 (Andone, Dron, Pemberton, & Boyne, 2007)，因此數位學習遊戲與網頁數位學習之間皆有各別發展之空間，即可作進一步地分析與比較，並觀察後續的效益及影響。. 參、數位學習環境於能源概念教育上之應用能源教育本身跨及環境和自然科學範疇，而這些所產生的科學現象皆以抽象性概念居多。數位學習環境本身具備豐富的媒體素材，如 Dondlinger (2007)就發現概念學習的成效是藉由學生與數位遊戲的媒體互動，特別是針對在學習科學概念上有嚴重障礙或不正確心智模型的學生，幫助他們理解複雜的現象。Antvorskov 和 Rasmussen (2009)運用遊戲中的得分機制促使學生收集能源點數，在整體觀察下，學生皆能快速地理解知識內容，且可辨別出遊戲中各種不同種類的能源，尤其學生們喜好彈性度高的遊戲機制，畢竟他們能夠選擇不同的策略來達成學習任務。張弘典(2008)以數位遊戲式學習輔助學習者認識能源教育內涵，結果表示學習者在能源議題的意識與學習動機上皆有些許地提升，加上遊戲中的操控性與即時性使學習者認識到能源認證標章的用途。Bang, Gustafsson 和 Katzeff (2007)藉由遊戲中的情境學習特性與社會學習理論促使青少年對能源的使用態度上，影響其 17.

(34) 行為改變，並進一步鼓勵他們能有效率地利用家中的能源。另外此遊戲加入了計時機制，原因在於計時可強調能源是取之不易的，一旦隨著時間流逝，消耗的能源也隨之增加，使學生感到保留越多的時間等同於保留越多的能源，而統計結果顯示 13 至 15 歲的青少年對於此遊戲有著極高的學習意願。Totten 和 Anderson (1997) 指出數位網頁是學習再生性能源概念的重要工具，它可以在學習能源素養與再生能源相關議題上有效地提供一個良好的教育與訓練媒介，其優勢如：空間彈性、無受時間限制與取得的廣泛度(Hui & Cheung, 1999)。Drigas, Vrettaros, Koukianakis 和 Glentzes (2006)提出了一套含有語音與影片的設計元素，並結合網頁數位學習架構的教學系統。學習者藉由此系統學習再生性能源技術，並反映於生活學習基模中。另外系統提供了創意介面與動態模式來呈現那些無實際型態的自然現象，一方面也讓學習者擁有較好的彈性空間和習得更多有價值的資訊，另外一方面視覺上的輔助能更容易理解抽象的概念(Kay & Knaack, 2009)。以上述文獻得知，數位學習環境中所提供的功能設計不僅可呈現出抽象的能源概念，並可刺激學習者對於能源素養的提升，協助能源概念活動的進步成效。. 18.

(35) 第三節. 問題解決策略. 本節係對問題解決策略分別「問題解決策略之定義與意涵」及「問題解決策略於數位學習環境上之應用與影響」進行探討. 壹、問題解決策略之定義與意涵從教育心理學的角度出發看，張春興(2001)認為「問題」意旨個人於有目的、有欲追求且尚未找到適當辦法時，心理狀態所感受到的困境。而所謂的「問題解決」是一段心理活動的歷程，當一個人在面臨一個變動的與複雜的問題時，自身是否有效能的、成功的解決問題。換言之，問題解決是人們的心智活動的歷程中運用既有的知識、技能及經驗，藉著不同行動及思維來處理問題，使情況可改善到預期的狀態(黃茂在、陳文典，2004)。然而有許多研究者對於問題解決定義與意涵有著不同的見解，以下為各研究者之定義摘要，如表 2-1 所示。. 表 2-1 各研究者間之問題解決定義摘要表研究者與發表年份. 問題解決之定義與意涵. Ausubel(1966). 認為問題解決是一種主動發現且意義的學習。認為問題解決是一種行為歷程的表現，當一個人處於歷程時，尋找各種途徑來處理問題的反應，最後並在這些反應中選擇最佳的方法，並朝解決問題目標邁進。認為問題解決可看作是種過程與規則主導行為，學習者可以將先前習得的方法或規則加以組合，應用在一個從未解決過的問題中。認為問題解決意旨個人運用已習得的知識或技能，去達成新情境的需要，並獲得解答之歷程。認為問題解決是一種對問題尋求適當且合理解決辦法的過程。認為問題解決乃以個人運用某種方法或策略，將情境狀態以由「呈現」達到「目的」的活動歷程。認為當有一個目標可能因某些理由，因此缺乏訊息、媒介等等而發生阻礙，此時即為問題的產生，為了達到目標而努力地尋找解決方案即為問題解決。認為問題解決係指針對一個欲達成的目標，並且個體尚未找到解決方法時，這之間的認知歷程。認為問題解決是人們的心智活動的歷程中運用既有的知識、技能及經驗，藉著不同行動及思維來處理問題，使情況可改善到預期的狀態。. D'Zurilla & Goldfried (1971). Gagne (1977) Krulik & Rudnick (1980) Hatch (1988) 鄭昭明(1993) 羅素貞(1996) Lovett (2002) 黃茂在&陳文典(2004). 以客體的觀察和描述來看，「問題」可分成結構性問題、無結構性問題、爭 19.

(36) 論問題三種(張春興，2001)。溫在正(2001)則將問題進一步歸納成，一、結構化良好問題(well-defined problem)，其為定義清楚、可直接判斷解答對錯的問題，而這類問題一般可從例行性、綱要式的決策技巧予以解決；二、不良結構問題 (Ill-structured problems) 以及三、半結構化問題(Semi-structured problems)的則為定義不清楚，或者沒有明顯的對與錯的問題。因此該類問題需要更多的創意思考、調理分明的過程，以解決問題。在錨式教學中建議學習者建構出較豐富且容易轉換的心智模型，如此一來也更能夠解決關於不良結構的問題(Harmon & Jones, 2001)。絕大多數的教育學者皆認同問題解決在學習與思考上具有意義深遠與富有重要價值(Jonassen, 1997)，它可以幫助學生實現有意義且所學相關的情境知識轉換成真實經驗(Ge & Land, 2003)，且可培養學生主動學習的能力，並嘗試自我解決問題(施淑嫺，2010)。在進行問題解決活動時，心理歷程是最重要的一部份，故整個活動歷程可視為一種問題解決策略，這些策略也被有效地認定為培養學習者理解、監測與反思能力的利器(Ge & Land, 2003)。黃茂在和陳文典(2004)表示，當許多研究者在分析、處理問題過程時，個人心裡所呈現的引用論述實例可能不盡相同，或者於解析時對於特定階段加以強調，故在歷程的劃分方式也會有些不同。關於問題解決策略亦有許多研究者提出不同的歷程步驟，如表 2-2 所示。. 表 2-2 各研究者間之問題解決策略比較研究者與發表年份. Dewey (1910). Polya(1957). D'Zurilla & Goldfried (1971) Sternberg (1977). 問題解決策略之歷程步驟提出問題解決模式，定義其問題解決的歷程為： 1.困難遭遇 2.界定問題類型 3.假設可能並提出解決方案 4.推論假設結果及效用 5.選定解決方法提出具體問題解決行為之五步驟，其步驟如下： 1.何謂問題並解析問題 2.計劃解決辦法 3 尋找有無替代方案 4.實行計畫 5.驗證結果提出問題解決的五個階段：1.將問題進行定向、2.問題界定與構成原因、3.找出解決問題的途徑、4.選擇途徑與評估、5.驗證效果認為在解決問題時有六步驟，即問題解決的歷程為：計畫、組織、適應、.策略、評估、重述要點. 20.

(37) Klausmeier (1985) Glass & Holyoak (1986) 劉湘川、許天維、林原宏 (1993) 曾秋森(1995). 王晃三&顧志遠(2001). Hope (2002). 提出以六個步驟之問題解決過程：1.分析問題、2.依據記憶或擬定解決之方案、3.回憶先前訊息、4.獲取新的訊息、5.產生解答、6.檢查解決問題過程與解答並獲取回饋提出的問題解決歷程，包括四個步驟：1.表述問題、2.嘗試可能解決方案 3.執行計劃 4.檢查結果將問題解決的歷程分為六階段：1.閱讀問題 2.分析問題 3.探索可能途徑 4.計劃方案 5.執行計畫 6.成果驗證主張歷程為強調考驗假設的可能性、正確性與有效性、並決定最符合之假設；以實驗、推理方式，驗證假設是否能解決問題；其五個程序之解決問題歷程為：1.提出問題 2.分析問題 3.提出假設 4 選擇假設 5.驗證假設提出八個階段的問題解決策略：1.認識問題、2.界定問題、3. 尋求各種方法、4.評估各種方法、5.選定一種方法、6.設計初步的解答、7.解釋結果 8.設計細部的解答提出學習四階段之問題解決策略：1.遭遇新的問題、2.反思過去經驗、3.實行並應用新的解決方案、4.獲得學習新知. 然而，當培養學習者成為熟練的問題解決者時，應把問題解決聚焦於歷程而非成果，而且一般學習者必須經由練習找出適合自己的楷模範例與問題解決歷程，並以實際操作中體會問題解決策略，更從中摸索與學習解決問題之要訣與過程，促使發展個人的潛能，最後將自己的問題解決策略經過調整後，逐漸接近於熟練者的程度，進而提升學習遷移與類推能力(王春展，1997)。因此，在使用問題解決策略所得到的最好效益，乃是在解決問題時如何引導需經過的步驟與程序，並得以達到規律漸進式地找尋問題解答，也有助於缺乏經驗的學習者在此類情況下依然能夠獨自解決問題。另外問題解決歷程可視為一項檢核準則，亦提供問題解決者之檢核標準，藉著執行問題解決歷程與策略的步驟中，得以檢驗出尚未執行及已執行完畢的步驟，如此一來能夠快速掌握目前問題解決的進度。此外其歷程又可作為學習藍圖，於解決問題後總結出一個報告大綱，最後以一種完整問題解決思維角度來觀察，並理解各階段解決的基本定義與目標，組合成一個結實與架構完整的問題解決報告(溫在正，2001)。. 貳、問題解決策略於數位學習環境之應用與影響 Squire (2005) 研究中發現數位遊戲環境替學習者打造出許多複雜的目標，促使他們產生沉浸(Immerse)效應，並有效地運用此環境中的資源與工具來面對一系列的問題解決活動。而遊戲中的奇幻冒險成分與神秘的情境脈絡，可刺激問題解決中高層次思考技能來完成虛擬實驗與學習科學方法 (Monroy, Klisch, & Miller, 21.

(38) 2011)。Hope (2002)建議問題解決的遊戲環境必須包含三項條件：. 一、遊戲情境需滿足學習者可自我構思策略並運用的能力完成任務。二、遊戲所提供的資源可協助學習者進行解決任務問題。三、遊戲中加入提出參考意見的角色來輔助學習者從中思考問題原因。無論是每天的日常生活中或者於職場上所遇到事件都是一個個問題解決的課題 (Jonassen & Hernandez, 2002)，這些事件就如同遊戲中的故事劇情及任務， Pedaste 和 Sarapuu (2006)也認為數位學習環境要建構出良好的問題解決學習流程在於故事的設計。由此看來，遊戲呈現出的豐富故事劇情是驅使學習者實踐問題解決學習活動的最大誘因 (Annetta, 2008)，Lucangelliet 等人(1998)也鑑別出如何運用故事劇情，發展出有效地問題解決能力的五項潛力指標：一、故事需有充分的文字資訊，幫助語義上的理解。二、故事可幫助問題視覺化以利理解。三、故事可協助理解深奧結構的問題。四、故事促進在解決問題時提供有一套程序性的活動歷程。五、故事內容與接受程度是評估問題解決程序優劣之條件。另外有研究表示，如何刺激學習者主動學習且能給予他們好的反思行為，首要地來說，交替性的學習目標及緩衝時間可讓學習者做出有效思考(反思)，次要則是促使學習者產生自身的問題解決歷程(主動)，最後應強調實際上的問題解決(主動) 與自身基本認知(反思)上兩者結合的好處(Felder & Silverman, 1988)。在學習成效與態度來看，許多研究證實在遊戲中所學的知識與技能，可對於單一問題進行持續練習後而產生學習遷移的影響 (Paraskeva, Mysirlaki, & Papagianni, 2010)， Lee 及 Chen (2009)證實問題解決策略運用在遊戲是有正向影響的，同時也發現遊戲中的問題回饋能提升學習者的學習表現。Tan 和 Biswas (2007)直接指出學習者在遊戲中有充分的機會構築自身的學習經驗，因此對科學與問題解決技能上能有深刻的幫助。在高層次的認知能力上，教育遊戲能增進問題解決的技巧(Klopfer & Yoon, 2005)。電腦遊戲能促進學習者在真實情境下的邏輯思考、記憶、視覺與問題解決能力，進而提高學習效果(Kim et al., 2009)。此外，電腦遊戲提供途徑將經驗轉換成正向的影響，因此，學習者能運用有用的策略來解決問題。在遊戲當中加入問題情境，能幫助學習者訓練問題解決能力。遊戲中 22.

(39) 的問題解決過程，也能使學習者體驗科學發現的歷程，例如假設形成，實驗設計與數據解釋。根據以上優點特色，電腦遊戲能運用在許多科目領域，像是科學探索(Tan & Biswas, 2007)。相關研究也指出將遊戲轉為教材也可以提昇學童的問題解決能力，並增進教學的成效(陳韋銘，2007)。例如較複雜的半結構性問題上，學習者可以在數位學習環境中運用所提供之輔助性元素套用於鷹架之中來進行問題解決活動 (Warren, Dondlinger, & Barab, 2008)。依據控制理論，正向回饋是目標達成的訊息，只有負向回饋才會引發持續的問題解決活動(黃麗分、吳庭瑜、侯世環、洪瑞雲，2012)，因此問題解決活動是歷經無數次的假設與執行決策，漸漸縮小因錯誤所產生的負向回饋差異性，最終達成目標。總結以上文獻討論，故本研究選擇運用 Glass 和 Holyoak (1986)之問題解決策略，包含表述問題、嘗試可能解決方案、執行計劃 4.、檢查結果四個步驟，結合在數位環境中來進行問題解決歷程活動，進而提升學習者的學習興趣與成效。. 23.

(40) 第四節. 問題解決信心. 在問題解決的情境下除了能力外，信心也左右著學習者的結果表現，而數位遊戲環境擁有的元素潛力，是否亦影響到學習者本身行為。本節係針對問題解決信心之意義及問題解決信心與數位遊戲學習之影響進行探討。. 壹、問題解決信心之意義問題解決信心被定義成當面臨廣泛的問題解決活動時所表現出的自我肯定感，亦是問題解決能力上的一種信念或信任程度。舉例來說“當我打算計畫解決一個問題時，我幾乎可以確定我能辦得到”(Heppner & Baker, 1997)，這個因素無疑地與個體在解決問題時的努力程度有關(問題中心的應對)並且影響至行為成果譬如，學業成績上的表現(Heppner et al., 1995)，從解決問題時的信心進一步影響自我效能信念，這反映在學生所下的決策，投入時間，遭遇困難時所表現出盡己所能及堅定程度，以及他們所經歷的思考佈局與情感反應(Pajares & Kranzler, 1995)。然而，不少研究證實高度地擔心與焦慮會導致低問題解決信心，進而在問題解決過程中產生負向認知且逃避問題，導致學習成效不理想，但是這並不代表問題解決能力也因此隨著焦慮而低落(Davey, Jubb, & Cameron, 1996)。相反地，高問題解決信心者能夠快速地調整心理狀態並有效率應付問題發生 (Heppner & Anderson, 1985)。人所表現出的行為為目標導向的，在進行解題活動後，距離欲達成目標是變得較近或較遠，這種正向與負向的後果知識稱為回饋，它是學習者調整其解題行為的最主要依據。行為控制在回饋有三項原則(Johnson, Chang, & Lord, 2006)：一、所謂的目標是一種內在知識的表達方法，另外目標依照其重要性用以階層的方式組織起來。二、欲目標達成的行為是由負向回饋的方式控制的，換言之，當進行計畫驗證時發現目前的狀態與目標狀態間有差距時，才會觸發目標達成的行為，但差距消失並達成後，目標達成行為也隨之消失，三、問題解決目標的現象主要與期待或信心有關。高度信心會提升目標迫尋的行為，低的信心或期待會導致目標的放棄(黃麗分、吳庭瑜、侯世環與洪瑞雲，2012)。但是 Kardash 和 Howell(2000)發現若學生愈能相信學習是漸進式且有努力即有效的，就愈容易產生察覺性的認知歷程；而當學生愈相信學習是複雜的、需加以建構時，愈會使 24.

(41) 用整合和理解的認知策略。此外當在面臨問題時，即使尚有足夠的資訊收集能力，但還是會表現出缺乏信心的反應(李佩娟，2006)。因此一個好的問題解決策略能夠提升學業表現與增強抽象概念的解讀能力；改善目標達成的可能性；最重要的是，可增加問題解決過程中的信心能力(Felder & Silverman, 1988)。. 貳、數位遊戲學習與問題解決信心在進行問題解決歷程時，能力或信心較低者通常會運用(means-ends analysis) 方法-目的分析(Gagne, Yekovich, & Yekovich, 1993)，首先比較目標與當前情況之差異，之後找出一項與該差異相似的運作歷程，最後執行該運作歷程以減少其差異。重複步驟這個循環直到問題解決為止。相對地，能力或信心較高者則立即反應並選擇合適的方法達成目標，原因在於他們擁有過往經驗能辨別各種問題與狀態。數位遊戲可帶來成功挑戰的成就感，反之當任務失敗時亦可造成自信心喪失與降低動機。在這過程中學習者抱持著足夠的好奇心去探索學習任務，並了解學習任務的價值(解釋問題)；去評估解決問題時對於渴望成功的信心，最後驗證目標成效(Huang, Huang, & Tschopp, 2010)。Rifner 和 Feldhusen (1997)採用具有策略思考的遊戲形式給予學習者展現如：批判性及推理性的思考技巧，創造思考解題及後設認知的機會。而近一步促進認知發展，提升邏輯能力、增強自信心和自我價值感，甚至改善部分溝通和認知技巧。另外也有研究指出在進行學科學習時，當遭遇到問題困境的狀態下，往往學習者表現出信心高低會反射在一般課堂活動上或者數位遊戲學習活動之時(Mikropolous & Natsis, 2011)。換言之，問題解決信心影響學習者在學習的投入程度。重要的是數位遊戲環境使學生更容易了解情境化的科學現象，因此降低在學習的過程中的認知負荷(Barab et al., 2009)，相較之下學生也能表現出較高的學習信心。運用數位學習科技，譬如以遊戲方式投入學習於其中，因此促進科學探究與問題解決培養；將觀念平行遷移至現實生活中，有利於改善個人自信心且面對問題解決的時候更可得心應手(Hodson, 2003)。因此總結目前有關於問題解決活動時其信心變項在使用數位遊戲與其他科技上等研究發現，仍有待可進行更深入探討，本研究將探討問題解決信心之高低差異在不同的數位學習環境下(數位遊戲學習、對話情境學習)，對於學生使用不 25.

(42) 同的問題解決策略 (一般問題解決組、引導問題解決組)來進行能源種類與應用單元之學習活動，觀察其學習成效與學習態度之結果，將差異部分加以討論並推測可能影響的因素，緊接著探討問題解決信心在數位遊戲環境中對學生所造成影響及其研究結果可能的原因，以期望看出遊戲與信心之間是否明顯的影響力。. 26.

(43) 第三章. 研究方法. 本研究的目的在探討不同的問題解決策略(一般性問題解決組、引導性問題解決組)及不同的學習環境(數位遊戲、對話情境網頁)，對國中學習者能源知識概念的學習成效及學習態度的影響。以下就研究對象、研究設計、數位教材設計、研究工具、實驗程序與資料處理與分析分別進行說明。. 第一節. 研究對象. 本研究對象為八年級的學習者，該校所有班級均為常態編班，另外全部學習者皆受過資訊教育相關課程，具備電腦操作的基本技能與上網能力。參與實驗共為八個班級，為了配合原班級課程進度安排，實驗以班級為單位，在八年級中隨機抽取八個班級作為研究樣本，總共 264 位研究參與者，其中男生 126 位，女生 138 位，年齡介於 13 至 14 歲之間。本研究為求實驗之準確性，剔除未能全程參與的學習者 8 人、填答不完整與極端值 7 人，另外，為考慮樣本人數而適度區分出學習者之問題解決信心程度，剔除問題解決信心程度介於 40%～60% 之學習者 37 人，故本研究之有效樣本為 212 人，男生 106 人、女生 106 人。實驗教學期間由 2012 年 2 月 27 日至 2012 年 3 月 16 日止，為期 4 週的教學活動實驗，每週一節 45 分鐘，每班各 180 分鐘。表 3-1 為教學實驗分組分配表有效樣本以班級為單位，隨機分派四個班級為「數位遊戲組」，四個班級為「對話情境網頁組」。兩組再各分派兩個班級為「引導性問題解決組」，兩個班級為「一般性問題解決組」，各組並根據學習者在問題解決能力信心量表的平均分數高低程度，分為「高問題解決信心組」和「低問題解決信心組」。. 27.

(44) 表 3-1 教學實驗組別分配表數位學習環境. 數位遊戲組. 對話情境學習組. 總和. 問題解決信心. 問題解決策略問題解決策略. 高問題解決信心. 低問題解決信心. 引導問題解決組. 28. 27. 一般問題解決組. 25. 27. 總和. 53. 54. 引導問題解決組. 25. 28. 一般問題解決組. 28. 24. 總和. 53. 52. 引導問題解決組. 53. 55. 一般問題解決組. 53. 51. 總和. 106. 106. 28.

(45) 第二節研究設計本研究為因子設計(factorial design)之準實驗研究，探討不同學習策略(一般性問題解決、引導性問題解決)、不同學習環境(數位遊戲、對話情境網頁)與問題解決信心(高問題解決信心、低問題解決信心)，對國中二年級生學習能源知識概念學習成效與態度之影響。數位學習環境、問題解決策略與問題解決信心之研究設計及教學實驗設計說明分別如下：. 壹、研究架構設計圖本研究之研究架構如圖 3-1 所示。. 依變項. 自變項共變項先備知識一、數位學習環境. 一、能源種類與應用學習成效 → 知識理解 → 知識應用二、能源教學活動學習態度. → 數位遊戲學習組 → 對話情境學習組二、問題解決策略. → 學習動機 → 學習連結 → 操作易用性 → 學習意願. → 一般問題解決 → 引導問題解決三、問題解決信心 → 高問題解決信心 → 低問題解決信心. 圖 3-1 研究設計架構圖. 本研究的自變項分為三項，各別為「數位學習環境」、「問題解決策略」與「問題解決信心」。「問題解決策略」依據不同的問題解決學習方式，分成一般性問題解決與引導性問題解決兩種，「一般性問題解決組」是以傳統問題解決學習循環之架構，學習者在情境脈絡中透過表述問題、嘗試可能的解決方案、執行計畫與檢查結果四步驟來進行能源知識概念學習任務；「引導性問題解決組」則是以問 29.