數位學習環境與教學模式對高中生單極馬達實驗學習成效與動機之影響

全文

(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. 數位學習環境與教學模式對高中生單極馬達實驗學習成效與動機之影響. 研究生：施柏豪撰. 中華民國一Ｏ六年七月.

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(3) 數位學習環境與教學模式對高中生單極馬達實驗學習成效與動機之影響施柏豪摘要. 本研究透過實驗教學探討數位學習環境與探索式教學模式對學習者在單極馬達實驗的學習成效與學習動機之影響。本研究之對象為高中一年級學生，有效樣本 105 人。研究設計採因子設計之準實驗研究，自變項為「數位學習環境」及「教學模式」，數位學習環境依照環境的不同分為「擴增實境」及「數位模擬」；探索式教學模式依照探索方式不同分為「先探索後學習」(Play-Learn)及「先學習後探索」(Learn-Play)。依變項為單極馬達實驗之學習成效(知識理解、知識應用) 及學習動機(價值面向、期望面向)。研究發現：在學習成效方面，(1)就知識理解成效而言，使用「數位模擬學習環境」的學習者在單極馬達實驗的學習表現優於使用「擴增實境學習環境」的學習者；(2)就知識應用成效而言，在「擴增實境學習環境」下，學習者使用「LearnPlay 教學模式」其知識應用表現優於「Play-Learn 教學模式」；而在「數位模擬學習環境」時，學習者使用「Play-Learn 教學模式」的知識應用表現優於「LearnPlay 教學模式」。在學習動機方面，(3)不同數位學習環境與教學模式下的學習者皆抱持正向的學習動機；而且(4)使用「擴增實境學習環境」及「Play-Learn 教學模式」的學習者有較高的學習動機。. 關鍵詞：擴增實境、教學模式、數位模擬、物理實驗 i.

(4) The Effects of Digital Learning Environment and Instructional Approach on Senior High School Students’ Performance and Motivation toward Homopolar Motor Experiment Po-Hao Shih. Abstract The purpose of this study was to investigate the effects of different digital learning environments and instructional approaches on senior high school students’ performances and motivation toward the learning of homopolar motor experiment. The participants were the tenth graders and the effective sample size was 105. A quasiexperimental design was employed and the independent variables were type of digital learning environment and instructional approach. The digital learning environments included augmented reality and digital simulation while the instructional approaches involved Play-Learn and Learn-Play. The dependent variables were the students’ learning performance and learning motivation. The results revealed that: (a) for knowledge comprehension performance, learners in the group of digital simulation outperformed the learners in the group of augmented reality; (b) concerning the knowledge application, the learners in the group of augmented reality using Learn-Play approach outperformed the learners using PlayLearn approach; while in the group of digital simulation, the learners using Play-Learn approach outperformed the learners using Learn-Play approach; (c) with respect to the learning motivation, all participants showed positive motivation toward the employed learning environments; and (d) in particular, learners in the group of augmented reality revealed higher degree of motivation toward the participation and learners using PlayLearn approach presented higher learning motivation. Keywords: Augmented Reality, instructional strategy, digital simulation, physics experiment ii.

(5) 誌謝終於到了能寫誌謝的一刻，回想推甄進入師大研究所以前，對比現在即將畢業的自己，在知識與視野上都提升許多，雖然一路顛顛簸簸，但也一步一腳印的走到終點，在研究所期間，經歷了許多人生與研究的關卡，有自己的努力與研究夥伴的幫忙，才能有今天的成果。首先要感謝指導教授陳明溥老師，在我研究的過程中給予的諄諄教誨與指導，讓我在研究議題掌握與做事情態度上有所成長，並在我進度不如預期時，給予很大的包容和耐心，鼓勵我繼續加油努力，我才能如願完成碩士學位。同時，感謝口試委員顏榮泉老師與朱蕙君老師在百忙中撥空細心審閱論文，不吝給予寶貴的建議與指導，使我的碩士論文更加完善，在此致上最誠摯的感謝。在這四年的旅程中，最由衷感謝的是經益學長，在這段期間不厭其煩地與我討論研究方向，在實驗教學過程也幫很多的忙，讓我銘感五內；感謝日薇學姐在我遇到挫折時給予的鼓勵；感謝一起打拼努力過的夥伴宗學；感謝專業的姝玉學姊在論文發展方向上的真誠建議；也非常謝謝可愛的品萱在程式開發與實驗上一路相挺，感謝洛誼、佩均、郁欣、健瑋與書豪學弟妹願意在實驗教材製作上給予支援與提供意見，十分感謝。另外，感謝俞安在這段期間，燃燒對物理教學的熱情，來來回回與我討論實驗內容。也謝謝建志學長對於研究與實驗教學方向給予中肯的意見。感謝我親愛的家人及這一路曾幫助過我或勉勵我的人，謝謝你們的加油打氣，你們的鼓勵是我向前邁進的動力，謝謝你們。碩班生涯到了尾聲，期勉自己不忘自己個性的優缺點，記取在碩班期間的成長，繼續在人生的路上努力。. iii.

(6) 目錄附表目錄....................................................................................................................... vi 附圖目錄..................................................................................................................... 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.............................................................................. 5 第三節研究範圍與限制...................................................................................... 6 第四節重要名詞釋義.......................................................................................... 8 第二章文獻探討 ....................................................................................................... 10 第一節物理科學學習........................................................................................ 10 第二節數位學習環境........................................................................................ 15 第三節 5E 探究學習環 ...................................................................................... 22 第三章研究方法 ....................................................................................................... 26 第一節研究對象................................................................................................ 26 第二節研究設計................................................................................................ 27 第三節數位教材設計........................................................................................ 31 第四節研究工具................................................................................................ 44 第五節資料處理與分析.................................................................................... 47 第四章結果與討論 ................................................................................................... 52 第一節單極馬達實驗學習成效分析................................................................ 52 第二節單極馬達學習動機分析........................................................................ 59 第五章結論與建議 ................................................................................................... 69 第一節結論........................................................................................................ 69 第二節建議........................................................................................................ 71 iv.

(7) 參考文獻...................................................................................................................... 74 中文部分.............................................................................................................. 74 英文部分.............................................................................................................. 76 附錄一. 單極馬達實驗先備知識測驗 ..................................................................... 80. 附錄二. 單極馬達實驗學習單 ................................................................................. 85. 附錄三. 單極馬達實驗課程講義 ............................................................................. 99. 附錄四. 單極馬達實驗學習成效測驗 ................................................................... 105. 附錄五. 單極馬達實驗學習動機量表 ................................................................... 110. v.

(8) 附表目錄表 2-1 5E 教學模式與本研究 5E 教學步驟之轉換對照........................................... 25 表 3-1 教學實驗分組及各組人數分配表 .................................................................. 26 表 3-2 「幻影迴旋星際傳奇」主要概念、學習目標與認知層次分類表 ............ 32 表 3-3「幻影迴旋星際傳奇」融入 5E 學習環遊戲之歷程規劃 ........................... 37 表 3-4「幻影迴旋-星際傳奇」遊戲學習活動內容規劃表 ...................................... 39 表 3-5 單極馬達實驗學習成效測驗卷之內容向度、題數分配及信度係數 .......... 44 表 3-6 單極馬達實驗學習動機之問卷內容向度、題數分配及信度係數 .............. 46 表 4-1 各組在單極馬達課程學習成效之調整平均數、標準差及人數摘要 .......... 53 表 4-2 單極馬達實驗之多變量變異數同質性檢定摘要 .......................................... 54 表 4-3 各組在單極馬達課程學習成效分項表現二因子多變量共變數分析摘要 .. 54 表 4-4 各組對單極馬達實驗知識應用之單純主效果分析摘要 .............................. 56 表 4-5 單極馬達實驗學習成效分析結果摘要表 ...................................................... 57 表 4-6 單極馬達實驗學習動機價值成份之調整平均數、標準差及人數摘要 ...... 60 表 4-7 單極馬達實驗概念分項價值成分動機表現之共變量矩陣等式的 BOX 檢定 .............................................................................................................................. 61 表 4-8 單極馬達實驗價值成分動機分項之多變量檢定 .......................................... 61 表 4-9 各組對單極馬達實驗學習價值成分動機分項表現二因子多變量分析摘要 .............................................................................................................................. 63 表 4-10 單極馬達實驗學習動機期望成份之調整後平均數、標準差及人數摘要 64 表 4-11 單極馬達實驗概念分項期望成分動機表現之共變量矩陣等式的 BOX 檢定 .............................................................................................................................. 65 表 4-12 單極馬達實驗期望成分動機分項之多變量檢定 ........................................ 65 表 4-13 各組對單極馬達實驗學習期望成分動機分項表現二因子多變量分析摘要 vi.

(9) .............................................................................................................................. 66 表 4-14 單極馬達實驗學習動機表現分析結果摘要 ................................................ 66. vii.

(10) 附圖目錄圖 2-1 擴增實境與真實世界及虛擬環境關係圖...................................................... 16 圖 2-2 5E 學習環教學模式 ......................................................................................... 24 圖 3-1 研究設計架構圖 .............................................................................................. 27 圖 3-2「幻影迴旋，星際傳奇」實驗教學活動流程圖 ........................................... 29 圖 3-3 單極馬達實驗知識架構圖.............................................................................. 31 圖 3-4 UNITY3D 編輯介面 ......................................................................................... 33 圖 3-5 MICROSOFT VISUAL STUDIO 編輯介面 ............................................................. 34 圖 3-6 AUTODESK MAYA 2014 之 3D 模型編輯介面圖 .............................................. 34 圖 3-7 單極馬達實驗教具與擴增實境辨識圖卡圖 .................................................. 35 圖 3-8 擴增實境學習環境單極馬達實驗情境圖 ...................................................... 35 圖 3-9 擴增實境組利用平板電腦調整單極馬達旋轉方向時，與實體教具同步疊合學習的互動狀況.............................................................................................. 36 圖 3-10 數位模擬組直接利用平板電腦調整虛擬單極馬達的旋轉方向，以了解單極馬達的運作...................................................................................................... 36 圖 3-11 遊戲選單和載入畫面，說明學習者在遊戲中的角色與任務目標 ............ 40 圖 3-12 擴增實境組 – 磁鐵磁力線畫面 ................................................................... 41 圖 3-13 擴增實境組 – 磁鐵數目對單極馬達線圈旋轉效果之畫面 ....................... 41 圖 3-14 數位模擬組 – 磁鐵磁力線畫面 ................................................................... 42 圖 3-15 數位模擬組 – 磁鐵數目對單極馬達線圈旋轉效果之畫面 ....................... 42 圖 3-16 單極馬達實驗分項成效表現分析流程圖 .................................................... 47 圖 3-17 單極馬達實驗學習動機價值成分分項成效表現分析流程圖 .................... 49 圖 3-18 單極馬達實驗學習動機期望成分分項成效表現分析流程圖 .................... 50 圖 4-1 數位學習環境與教學模式對單極馬達知識應用之交互作用圖 .................. 55 viii.

(11) ix.

(12) 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、研究範圍與限制及重要名詞釋義等四個小節分別進行探討。. 第一節研究背景與動機在科技快速進步的二十一世紀，自然科學領域的學習活動已不再只是限於單向的教師講授，結合「動手實做」的科學活動能使學生更加投入學習，並能促使學生主動建構知識(Ateş &Eryilmaz, 2011; Costu, Ünal, & Ayas, 2007)。為了使學生有更多時間進行思考、探索與實作，教育部在 107 年自然科學領域課程綱要草案中增列「自然科學探究與實作課程」，強調在科學課程中培養學生探究與實作能力並提升學生的科學素養。另外，美國教育改革計畫 Project 2061 之 Benchmarks for Science Literacy (American Association for the Advancement of Science , 1994)中亦強調，學生應學習使用工具的技術，並希望他們能利用電腦來處理資訊或解決問題。因此，科學學習應讓學生從課本裡的文字學習及以教師為中心的教學，轉換到實體操作及以學生為中心，進行實驗和驗證問題，並且培養知識應用的能力。科學學習的方法，應當從激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學生能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力(教育部, 2016)。進而言之，使學生具備基本科學知識、探究與實作能力，培養學生培養實事求是的精神，亦是現階段十二年國民基本教育自然科學領域課程的重要目標。在資訊網路普及化的現今，已有許多研究發展出有效率的電腦輔助科學教學，不但可以提升教師的教學效果，讓學習過程具有更好的互動性，更可以幫助學習者建構完整的知識概念(Linn, Clark, & Slotta, 2003; Yaman, Nerdel, & Bayrhuber, 2008)。藉由電腦模擬教學軟體，將真實情境虛擬成學習者可理解的形式，提供高度的互動性操作，有助於學習者 1.

(13) 對物理現象進行有意義的思考，並解決實驗教學的困境(黃福坤, 2006)。在物理教學中，學生可透過教科書、實驗或是電腦模擬學習電與磁相關概念。然而，對於初學者而言，理解磁場的存在是困難的，因為需要大量的時間與精力進行實驗，且初學者也不一定能獲得與教科書上相同的磁場心像 (Matsutomo, Miyauchi, Noguchi, & Yamashita, 2012)。若能善用數位科技將難以在心中想像的科學概念以數位科技的方式輔助理解，應能達到較好的抽象概念學習。科學探究是科學家以系統性的方式尋求問題解答之過程，科學探究能力是各種科學過程技能的結合(Lederman, Abd-El-Khalick, Bell, & Schwartz, 2002)。物理教學上使用電腦模擬與建模工具有助於理解真實物理定律與現象，透過虛擬教具進行教學輔助以及實驗過程中的數據測量(Tłaczała et al., 2006)。使用數位模擬等虛擬環境的教學實驗活動，雖然能夠提升學習成效，但亦有部分學習者認為真實的實驗操作比起虛擬操作會更容易幫助學習(Tatli & Ayas, 2013)。擴增實境具備結合虛擬環境及真實世界兩個情境的特色，使之能夠在真實世界中操作虛擬的物件資訊。透過此特點，可以在進行教學活動的實驗器材加上虛擬資訊，進一步提供學習者在操作實驗過程中更多的輔助資訊(Fiorentino, Uva, Gattullo, Debernardis, & Monno, 2014)。擴增實境提供了模擬實驗教學嶄新的學習方式，相較於虛擬實驗，擴增實境可以進一步提供學習者自我探索，並且與真實環境結合的可能性，這對於一些較具抽象概念的實驗課程有很大的幫助。在學習者進行實驗過程中，相較於僅僅只有實體教具或是電腦輔助實驗模擬環境，融入擴增實境科技的做法，同時結合實體教具與多媒體訊息，提供了學習者不一樣的思考方式，能幫助學習者在抽象概念與實驗活動中建立連結，進一步使學習者能反思他們在實驗中所量測到的數據關聯性(Davidsson, Johansson, & Lindwall, 2012)。因此，擴增實境帶來的視覺效果能使學習者與實驗教具之間建立個人化的資訊連結，幫助學習者進一步思考實驗背後的意義。近年來有許多相關研究以電腦虛擬學習環境輔助物理科學的學習，也確實有相當的成效，但由於一切學習歷程都是發生在虛擬的世界中，在學習者要將虛擬經驗轉化成具體知識時，可能無法順利的將學習內容加以內化， 2.

(14) 所以不易應用在不同學習內容或是日常生活中(Monahan, McArdle, & Bertolotto, 2008)。然而，若運用擴增實境的學習環境，可以將空間中電與磁的抽象概念與實體教材進行虛實整合，協助學生理解電與磁之科學原理。除了有適當的教學工具之外，仍需要有適切的教學模式來配合實施。建構主義的學習理論強調學習者是主動的學習者，透過探索、操作和嘗試建立新舊概念之間的關聯，藉由分析和處理資訊的過程引發學生的好奇心，進而學到獨立解決問題和批判思考的技能(Doolittle & Camp, 1999)。其中，探究學習(inquiry-based learning)是建構主義的延伸，它強調教學者提供學習情境，讓學習者在學習的過程中對領域知識採取主動的態度，發展對知識探究的精神和技能 (Kahle & Damnjanovic, 1994; Windschitl, 2003)。探究教學法應用在學科領域的相關研究中顯示，學習者比起傳統強調教師講授、背誦記憶的教學方法而言，對於學科概念有更深層的理解、整合和內化能力。學習者在探究教學中，可以有效提升學習品質和深度、增進師生之間的互動交流，進一步增進知識理解和學習保留，以及激發學習創意和成效(Justice, Rice, Roy, Hudspith, & Jenkins, 2009)。本研究探討不同的教學模式結合數位學習環境，對高中生在單極馬達實驗的學習成效和學習動機的影響。此外，Karplus 等人於 1967 年以建構主義為基礎，提出三個學習階段之學習環：探索(Exploration)、發明(Invention)、發現(Discovery)。此後經歷多次的發展與修正後，成為五個學習階段，分別為投入(Engagement)、探索(Exploration)、解釋 (Explanation)、精緻化(Elaboration)及評量(Evaluation)等五階段的學習循環，也稱作 5E 學習環(Bybee et al., 2006)。本研究融入 5E 學習環架構，並且在不同的數位模擬與探索式教學模式結合下，預期可以有效提升學習者在單極馬達實驗的知識學習成效與學習動機。綜合上述，本研究以 5E 學習環為學習活動設計架構，根據建構主義教學法設計出兩種不同的探索式教學模式，分別是「先探索後學習」(Play-Learn)及「先學習後探索」(Learn-Play)。前者讓學習者先動手進行實驗實作，再進行單極馬達 3.

(15) 相關概念學習，閱讀講義上的單極馬達實驗物理意涵，將先前的具體經驗結合其後的抽象概念而產生有意義學習；後者讓學習者先閱讀講義上的單極馬達實驗物理意涵，學習單極馬達相關概念，再進行實驗實作，加深經驗，將先前的抽象概念轉化成具體經驗的運用和驗證。在實驗教學時，兩種探索式教學模式實施於高中生一年級物理教育營隊教學之中，教學內容涵蓋單極馬達實驗中電流、磁場與右手開掌定則等相關物理概念。因此，本研究主要採取「Play-Learn」及「LearnPlay」兩種不同的探索式教學模式，探討高中生一年級的單極馬達實驗初學者的學習成效和學習動機。. 4.

(16) 第二節研究目的與待答問題本研究之目的在探討高中一年級學習者在「擴增實境」與「虛擬實境」等數位學習環境以及「先探索後學習」(Play-Learn)和「先學習後探索」(Learn-Play)等探索式教學模式，對於單極馬達實驗學習成效及學習動機之影響。期望透過探索式教學模式輔以數位學習環境，融入單極馬達實驗教學，以促進學習者的學習成效和學習動機。本研究之目的與待答問題分述如下：. 壹、研究目的本研究的研究目的在於採取兩種不同的教學模式，讓高中生在不同探索式教學模式中操作單極馬達實驗，探討對單極馬達實驗理解和學習動機的影響。因此，本研究之目的有二：一、探討數位學習環境(擴增實境、數位模擬)及探索式教學模式(Play-Learn、 Learn-Play)，對高中一年級學習者在單極馬達實驗的學習成效(知識理解、知識應用)之影響。二、探討數位學習環境(擴增實境、數位模擬)及探索式教學模式(Play-Learn、 Learn-Play)，對高中一年級學習者在單極馬達實驗學習動機(價值成分、期望成分)之影響。. 貳、待答問題本研究針對研究目的所提出之待答問題有二：一、數位學習環境(擴增實境、數位模擬)及探索式教學模式(Play-Learn、LearnPlay)對於高中一年級學習者在單極馬達實驗學習成效上是否有差異? 二、數位學習環境(擴增實境、數位模擬)及探索式教學模式(Play-Learn、LearnPlay)對於高中一年級學習者在單極馬達實驗學習動機上有何影響?. 5.

(17) 第三節研究範圍與限制本研究為配合教學活動之設計與進行，在研究對象、學習內容、教學時間與環境及評量方法有以下之研究範圍與限制：. 壹、研究對象本研究對象為 108 位北部高中一年級學生，年齡介於 15 至 16 歲間，本研究之學習者於國中階段皆學習過理化課程，因此皆已具備電流與磁鐵的基本知識，但學習者皆無操作單極馬達之實際經驗。此外，多數的學習者同樣也具備平板電腦的基本操作技能。本研究分四梯次進行，各梯次性別人數比例相等，具有代表性並且符合常態分配的基本假設，本研究結果之推論僅適合相似條件之研究對象。. 貳、學習內容本研究之教學內容為研究者自編之「幻影迴旋星際傳奇」單極馬達實驗遊戲學習活動，介紹右手開掌定則的科學應用，促進學生對於「載流導線在磁場中受力」單元的理解。教材內容與學習單設計完成後皆經高中物理教師校閱修訂完成。本研究之教學範疇主要包含：「柱形磁鐵特性」及「單極馬達旋轉原理」等兩個概念。教學重點著重於讓學習者了解單極馬達的旋轉原理及親自操作單極馬達實驗，而單極馬達實驗之外的學習內容則不做深入的探究與討論。. 參、學習時間與環境本研究為配合參與研究之活動安排及教學時間，教學時間共 150 分鐘，包括單極馬達實驗先備知識測驗 30 分鐘、實驗活動說明時間 10 分鐘、學習者進行學習活動 80 分鐘、單極馬達實驗學習成效測驗與單極馬達實驗學習動機問卷 30 分鐘，歷時共 120 分鐘。本研究之實驗地點為一般教室，每位同學皆在平常上課的環境中進行學習，並非在科學實驗室中進行，由於未能長時間進行實驗探究，因 6.

(18) 此本研究之研究結果只能針對該單極馬達實驗之學習活動學習成效與單極馬達實驗學習動機表現做推論，不宜推論至其他學習單元之學習表現。. 肆、評量方法本研究使用紙筆測驗卷及自評量表兩種教學評量方法，皆讓學習者以紙筆填答的方式進行。紙筆測驗卷用於「單極馬達實驗先備知識測驗」與「單極馬達實驗學習成效測驗」，測驗題型為選擇題，一題皆為四個選項，兩個測驗皆為研究者自行編制而成，且經由高中物理老師校閱後修訂而成；自評量表用於「學習動機問卷」，採用李克特 5 點量表，每題共有五個選項，1 代表非常不同意、2 代表不同意、3 代表部分同意、4 代表同意、5 代表非常同意。學習者依據本身的想法圈選最合適自己之選項，由於本研究僅蒐集學習者之紙筆學習成效與態度之資料，因此無法過度推論至實作評量與實驗訪談等方式所獲得的研究結果。. 7.

(19) 第四節重要名詞釋義本研究所使用的重要名詞，詳細說明如下：. 壹、數位學習環境隨著資訊科技進步及智慧型載具的發展，資訊科技融入教學已成為一種趨勢。為了瞭解不同的數位學習環境對學習者學習成效和學習動機之影響，本研究將數位學習環境分成「數位模擬」及「擴增實境」兩種。在「數位模擬」學習環境中，學習者可以透過平板電腦學習單極馬達實驗的知識內容，並且透過虛擬動畫了解現實生活中無法用肉眼看到的現象，例如:電流的流動方向、磁力線的分布範圍及電磁波的行進方向等。在「擴增實境」學習環境中，學習者除了可以透過平板電腦學習到相關的知識內容外，還可以透過與實體教具的結合，達到將操作經驗與學習內容整合的優點，以建構抽象的學習概念。. 貳、教學模式本研究設計兩種不同探索式教學模式於單極馬達實驗中，分別是先探索後學習(Play-Learn)和先學習後探索(Learn-Play)，兩組的教學內容皆為單極馬達旋轉原理解說和單極馬達實際操作課程。學習目標、學習內容與學習任務相同，兩組教學模式不同之處在於探索式教學階段次序之不同。先探索後學習(Play-Learn)的教學模式是先讓學習者實際操作單極馬達實驗建立具體經驗的學習，接著透過平板中提供的提示訊息幫助學習者反思學習內容，最後再閱讀單極馬達的概念與運作原理，幫助學習者在具體經驗的基礎上，建構抽象的知識概念；而先學習後探索 (Learn-Play)教學模式是先學習單極馬達的概念與運作原理，再透過單極馬達實驗的操作探索，將學過的抽象概念加以應用和驗證，進而建立抽象概念的具體經驗，深化概念學習效果。. 8.

(20) 參、單極馬達實驗學習成效單極馬達實驗學習成效係指學習者對單極馬達實驗概念之學習理解及學習應用，本研究之學習成效係指經由實驗教學活動後，學習者在單極馬達實驗的學習成效。測驗內容為依據教育部普通高級中學必修科目「基礎物理」課程綱要第五章「電與磁的統一」中的「載流導線在磁場中的受力」內容編撰而成，範圍分成「知識理解」和「知識應用」兩個面向。「知識理解」為評估學習者是否能夠了解單極馬達實驗的基本概念，用以了解學習者在記憶與理解層次的認知能力；「知識應用」為評估學習者是否能將單極馬達實驗所學知識應用於不同的情境中，用以了解學習者在單極馬達實驗中應用層面的認知能力。因此，本研究之單極馬達實驗課程學習成效是依據單極馬達實驗課程學習成效測驗進行評估，各向度測驗所得分數越高，表示學習者於單極馬達實驗的學習表現越佳，反之若測驗所得分數越低，則表示學習者其單極馬達實驗的學習表現越差。. 肆、單極馬達實驗學習動機學習動機係指能夠引起學習者學習活動、維持學習活動，並且使該學習活動趨向教師所設定目標之內在心理歷程(葉炳煙, 2013)。本研究之學習動機係指學習者在經過單極馬達實驗教學活動後，對於物理學習的學習動機看法，所採用的五點量表為改編自 Pintrich、Smith、Garcia 與 McKeachie (1991)發展的動機學習策略量表，分成價值成分(內在目標導向、外在目標導向、工作價值)及期望成分(控制信念、自我效能、期望成功)兩個面向。問卷各向度之平均分數越高，表示學習者其學習動機越高，反之所得之平均分數越低，則表示學習者對於學習動機越低。. 9.

(21) 第二章文獻探討本研究探討「擴增實境」與「虛擬實境」等數位學習環境以及「先探索後學習」(Play-Learn)和「先學習後探索」(Learn-Play)等探索式教學模式對於高中一年級學習者在單極馬達實驗學習成效及學習動機之影響。以下分別就「物理科學學習」、「數位學習環境」及「5E 探究學習環與實驗教學」相關文獻進行歸納整理。. 第一節物理科學學習本節先就物理科學學習之意義進行探討，瞭解物理科學學習的必要性和重要性，再論及影響物理科學學習的因素，並分析遊戲式數位學習對於物理科學教育的影響。. 壹、物理科學之學習意義物理科學是實驗與理論並重的基礎科學，科學家透過現象觀察，進行詮釋、推理、歸納，再藉由證據反覆驗證，以建構出具普適性的物理概念和規律。根據教育部普通高級中學必修科目「基礎物理」課程綱要內容，高中物理教育的目標為使學生認識一般物理現象的因果關係和其間所遵行的規律，了解物理學的基本精神及物理學的範圍，期待能激發學生追求事物原理的興趣，以及藉由師生互動與實驗活動，促使學生養成良好的科學態度，熟悉科學方法，進而提升學生縝密思考、探索真理及解決問題的能力(教育部, 2011)。物理科學學習強調觀念的理解，而觀念的啟發可從觀察進行，並在體驗過程中引導學生進行探究思考(林建隆、徐順益, 2007; 林琬縈、周建和、蘇明俊, 2010)。近年來，國內亦有許多單位積極投入具互動性的物理教材推廣與開發，如中正大學與美國麻省理工學院 (MIT) 合作引進的 TEAL (Technology-Enabled Active 10.

(22) Learning)教室(湯兆崙, 黃鼎凱, &蔡宜君, 2006)、高師大物理系周建和教授所推廣的街頭物理動手做，增進大眾對物理概念的了解(周建和, 2007)，以及中央大學科學教育中心所推廣的物理演示實驗教具等，皆對物理學習的創意互動教材發展有所貢獻。. 貳、物理科學的教學困境與改善方式對於大多數學生而言，高中物理課程通常較為艱深難懂。學生在面對比較抽象的物理概念、定理時，無法深刻地理解，以致於在探討物理問題時似懂非懂，難以抓到重點，在升學考試的壓力下，只好流於記憶，囫圇吞棗地吸收片斷的物理知識，而無法將所學的物理加以理解，甚至引發更進一步的興趣(韋裕霖，2001)。雖然物理教師可以在實驗室中引導學生進行科學實驗，但實驗設備的不足也是一個很大的困難。常常因實驗室器材有限，而無法讓每位同學各自獨立操作，只能由老師在台前示範，學生們在台下看著老師進行實驗操作。因此，若能透過資訊科技的輔助，就可以幫助學生建構適合的學習環境。一個良好的科學學習環境應符合以下兩種原則：1. 提供探究式的學習環境，讓學習者能夠參與其中，並且親自動手操作。2. 在遊戲操作過程中，提供大量的提示訊息，幫助學生逐步建構物理概念(Enyedy, Danish, Delacruz, & Kumar, 2012)。研究上發現，在教學中融入 5E 教學模式設計磁鐵單元學習活動，以動手操作方式進行磁鐵單元之教學，其研究結果顯示能有效改變學業成績中上的學習者在磁性物質的迷思概念(洪婉萍, 2011)。物理實驗是幫助學習者了解物理抽象概念的方式，在教學現場中，影響教師帶領學生進入實驗室的原因可能是實驗室秩序較難掌控、教師準備器材時間不足，以及擔心教學進度上的壓力。而實施演示實驗，則是現實教學環境下因時間不足的另一種教學策略(林宣安, 2011)，以演示實驗的方式在普通教室環境中，進行物理自製教具動手實驗，較有可能同時兼顧實驗操作與進度。研究結果顯示，物理教師在進行演示實驗教學時，應特別留意提醒學生觀察實驗重點，才不會使學習 11.

(23) 者「摸不著頭緒，不知所探索為何物」。因此，若能在演示實驗活動中加入數位模擬的教學引導，應可協助教師在教學現場，以視覺化的方式傳達難以用口語清楚表達的內容，學生可以在數位環境下充分探索實驗變項，改善演示實驗教學中可能產生的問題。此外，國、高中學生對於「磁交互作用力」這個單元可能呈現的迷思概念，包括載流線圈內外磁場方向都一樣、兩條載流導線之間主要是「電」的作用力、兩條載流導線之間主要是「引力」的作用、兩條載流導線之間沒有任何力的作用、電力使馬達轉動、載流銅導線在方向平行的磁場中才會有交互作用力、載流銅線不會和磁鐵有力的作用等(唐健文, 2001)，對學習皆有不利影響。亦有研究指出，學習者在動手操作科學展示品學習「電與磁」相關概念時，可能會因為科學展示品無法令其瞭解如何操作、科學概念與操作體驗間連結薄弱、科學原理作用的效果對比不夠明顯，以及科學原理同時展現多種效果造成混淆等缺點，而使學習者不容易理解展示品背後的科學概念(葉蓉樺, 2008)。因此，若能透過數位載具模擬操作實驗環境，可以將無法用肉眼觀察的自然現象具體化呈現 (Merchant et al., 2012)，透過學習活動給予適當的鷹架輔助，逐步地輔助學習者掌握實驗的目的及正確操作實驗的步驟(Molenaar, Roda, vanBoxtel, & Sleegers, 2012)。. 參、遊戲式數位學習對物理科學教育的影響隨著資訊科技的發展，遊戲在教育上作為教學輔助已逐漸普及。許多文獻指出，將遊戲適切融入教學活動中，對於學習有所助益(DaRocha Seixas, Gomes, & DeMelo Filho, 2016; Eseryel, Law, Ifenthaler, Ge, & Miller, 2014; Evans & Waring, 2011)。遊戲式數位學習具有將抽象概念具體化並提供驗證的特點，它能夠促進學習者的學習動機與學習成效，讓學習者的學習更有效果(Rastegarpour & Marashi, 2012)。教育遊戲對學習的幫助是由於具備以下因素：1.降低對學科的恐懼。2.使學習者花更多時間去學習。3.結合遊戲趣味性，提高學習者的學習動機。4.提供具挑戰性的任務，供學習者探索(Mansureh Kebritchi & Atsusi, 2008)。然而，也有研究指 12.

(24) 出，遊戲式數位學習與傳統教學方式相比，並沒有比較好的學習效果。當學習者在進行遊戲學習時，很容易被遊戲中的聲光效果所吸引，進而只投入於遊戲過程中，對於知識內容的學習完全沒有吸收，造成了高投入、低學習的狀況(蔡福興, 游光昭, &蕭顯勝, 2008)。綜上所述，為了開發一個能夠激發學習動機並促進主動參與的遊戲，設計者應在遊戲中融入下列遊戲元素(Marc Prensky, 2007)： 1. 遊戲性(Play)：遊戲的設計必須帶給學習者有享受、愉悅的感覺，使其具備高度的動機與興趣。 2. 規則性(Rules)：遊戲的設計必須有明確的架構及規範。 3. 目標性(Goals)：遊戲的設計必須有明確的目標任務，以指引學習者進行活動，並且能觸發學習動機以達成任務。 4. 互動性(Interaction)：遊戲的設計界面必須能使學習者順利地進行互動。 5. 結果與回饋(Outcomes and Feedback)：遊戲的設計必須提供學習者可學習的訊息。 6. 問題解決(Problem Solving)：遊戲設計中的學習任務，必須可以促使學習者在思考解決任務的過程中，提升解決問題的能力。有研究指出，商用電子遊戲(commercial video games)為了讓玩家有更好的沉浸感，而加入越來越豐富的物理模擬特效，因此間接地成為學習物理時的一個強而有力的工具(Mohanty & Cantu, 2011)。但值得注意的是，也有學者認為，商用電子遊戲並不是專為教學目的而設計，若教學者使用商用電子遊戲當作學習者的物理學習資源，在教學主題上可能受限或是不完全對應教學內容，因此教師必須另外再整合其他的學習資源，以確保商用電子遊戲與教學成效之間的有效連結 (Moreno-Ger, Burgos, Martínez-Ortiz, Sierra, & Fernández-Manjón, 2008)。 Sun、Ye 與 Wang (2015)將兩款商用電子遊戲(Cut the Rope & Angry Bird Space) 融入九年級物理非正式課程中，透過遊戲內容引導學習者體驗單擺運動、位能轉換、圓周運動、反射定律、彈性位能以及浮力等概念，並以概念圖的方式進行物理概念精緻化的評量。研究發現，這兩款遊戲融入物理學習的課程設計可以提升 13.

(25) 學習者對物理概念的認知精緻化能力，該研究也歸納出運用商用電子遊戲輔助物理概念精緻化思考的 3 點關鍵特色，包括(1)商用電子遊戲比起一般教育遊戲，更可以提供高度娛樂性，可幫助學習者提升學習動機並達到心流沉浸之效果。(2)兩款商用電子遊戲皆讓玩家免費體驗，為經費有限的教育人員節省了教材開發成本。 (3)兩款商用電子遊戲中運用物理引擎創造出各種物理特效，比起其他遊戲更適合用於教學。綜而言之，教育遊戲的設計，除了必須包括遊戲規則與互動元素，更應提供適時的教學策略支持，以幫助學習者聚焦在學習內容上(Rienties et al., 2012)。此外，若能在虛擬遊戲世界中與真實環境連結互動，對於部分需操作的實驗活動，將可以有更好的效果(Klopfer & Sheldon, 2010)。本研究考量單極達馬達實驗教具本身的獨特性與學習活動設計的彈性，研究者自行開發擴增實境教育遊戲，並將擴增實境的虛實整合特性融入遊戲式的環境中，並輔以探索式教學模式以輔助學習，對於物理單極馬達實驗課程中，需進行動手操作的體驗與學習，應具有正面的意義。. 14.

(26) 第二節數位學習環境隨著資訊科技與科技媒體的進步，數位學習的發展也日益豐富，許多創新的教材隨著更多研究者的投入，變得更加多元化。本節針對數位學習環境的變革，分別就「數位學習環境的類型」、「數位學習環境在教育上的應用」及「數位模擬實驗在物理學習上的應用」等三方面進行探討：. 壹、數位學習環境的類型隨著科技的突破及創新，目前的數位學習境類型在不同領域皆有相當豐富的應用，本研究針對目前被廣泛應用的兩種數位學習環境「擴增實境」與「數位模擬」進行高中一年級學生之單極馬達實驗規劃。以下先分別就「擴增實境」、「數位模擬」兩種不同之數位學習環境類型進行探討：. 一、擴增實境擴增實境(Augmented Reality)為近年來新興的技術，它透過虛擬環境與真實世界結合的特性，被廣泛地應用於模擬練習、醫療手術、廣告媒體、遊戲互動以及教育科技上。由於擴增實境具有整合虛擬環境及真實世界的特點(Arvanitis et al., 2009)，許多教育學者紛紛投入此新科技的研究，試圖將虛實整合的優點應用在各類學科中(Klopfer &Squire, 2008)。擴增實境為虛擬環境(Virtual Environments)的延伸，有別於虛擬環境將學習者完全融入在模擬世界中，無法觀看到真實環境的景物。擴增實境可以使學習者一方面看的到真實環境中的景物，另一方面也看到將虛擬資訊呈現在真實世界。Azuma (1997)定義擴增實境包含了三個面向：(1)虛實整合、(2)即時互動、及(3)於三度空間中。根據 Milgram、Takemura、Utsumi 與 Kishino (1994)提出的真實-虛擬連續性(Milgram’s Reality-Virtuality Continuum)，表達真實與虛擬之間的連續性，其連續性與真實和虛擬程度如圖 2-1 所示，真實環境與虛擬環境混合的環境稱為混合實境(mixed reality, MR)，其中，以真實環境為 15.

(27) 主要情境增加虛擬資訊的環境稱為擴增實境(augmented reality, AR)，以虛擬環境為主要情境增加真實互動感受的環境稱為擴增虛境(augmented virtuality, AV)。 Mixed Reality (MR). Real. Augmented. Augmented. Virtual. Environment. Reality (AR). Virtuality (AV). Environment. 圖 2-1 擴增實境與真實世界及虛擬環境關係圖(Milgram, Takemura, Utsumi, & Kishino, 1994). (一) 結合真實世界與虛擬環境：過去數位學習環境中，多半是採完全虛擬化的方式呈現模擬環境，學習者沉浸在設計者打造的虛擬環境下進行實驗活動；擴增實境則結合周遭環境，在真實世界中擴增出其他資訊，例如：文字、圖像、影片、動畫及 3D 模型等。 (二) 與實體物具有即時互動性：有別於虛擬環境學習者只能透過鍵盤滑鼠與模擬角色互動，擴增實境除了可以與虛擬資訊、模型即時互動外，也可以利用雙手操作實際物體。其優點是透過更直覺的雙手觸覺體驗，學生能獲得的經驗遠比使用鍵盤或滑鼠所能得到的感受更為具體。 (三) 3D 定位環境：擴增實境目前的定位方式分為兩種：其一為 GPS 定位(Location-based)，可以透過行動載具所發出的訊號偵測目前所在的位置，並且讓虛擬的資訊擴增在真實世界中對應的位置上；其二為標籤式定位(Marker-based)，為一種透過設計的圖樣，例如風景圖、人像圖或是任何富有複雜度的圖片，達到定位的目的，透過行動載具將鏡頭瞄準該圖樣，即會出現相對應的動畫、3D 模型等資訊。. 16.

(28) 由上述可知，擴增實境具有結合真實世界與虛擬環境的特性，透過虛擬 3D 模型、動畫播放、圖像資訊等功能，達到與學習者即時互動的效果。一方面除了擁有虛擬環境裡所具備的聲光效果與模擬動畫外，另一方面也具備真實世界中的實際操作性。因此，相較於虛擬環境的學習方法，擴增實境可以提供給學習者更多元化的操作互動及使用體驗。. 二、數位模擬數位模擬能協助學生縮短真實與抽象知識間的距離，在模擬環境中搭配適當的引導，可提升學生學習成效(Lee, 1999)。數位模擬所提供的虛擬環境可以將不易觀察到的現象，用模擬的方式呈現給學習者，並且提供學習者嘗試錯誤，反覆操作的機會。有研究指出，由於虛擬實境所提供豐富的多媒體效果，使得學習者在虛擬環境中是比較有自信、有創意、及高參與度，並且對於學習保持正向愉悅的態度(Loureiro & Bettencourt, 2014)。許多研究發現，在科學教育上運用數位模擬，相對於講述式教學或是實驗教學將有更好的成效，數位模擬可以在教學輔助、整合良好的課程結構設計以及引導學生在學習內容反省思考這些面向上發揮效益(Smetana & Bell, 2012)。由上述可知，虛擬環境提供學習者不同於真實世界的情境，在虛擬世界中，任何事物都可經由軟體設計出來，因此對於一些課程內容中無法用肉眼觀察的現象，透過虛擬實境所提供的優勢可以有效達成。. 貳、數位學習環境在教育上的應用以下分別就「擴增實境」及「數位模擬」等學習情境在各學科中的教育應用進行分析探討：. 17.

(29) 一、擴增實境在教育領域上的應用擴增實境在教育領域中已有廣泛地應用(Bower, Howe, McCredie, Robinson, & Grover, 2013; Zhou, Been-Lirn Duh, & Billinghurst, 2008)，例如 Chang 與 Liu (2013) 結合擴增實境與情境學習理論應用在臺南赤崁樓歷史古蹟導覽中，透過擴增實境技術與行動學習系統，學習者可以在無所不在學習情境中結合故事情境，了解古蹟背後的意義並增加學習歷史古蹟的興趣。而 Chen、Teng、Lee 與 Kinshuk (2011)將擴增實境應用於輔助英語閱讀理解，英語學習者在閱讀文本時，常因缺乏足夠的閱讀背景知識與適當的閱讀策略，而導致閱讀上的困難，藉由擴增實境，透過手機鏡頭掃描紙本上的 QR code，提供學習者閱讀時相關的提示問題，研究發現此閱讀過程中的鷹架支持設計，可提升學習者對紙本文字的閱讀理解學習成效。另外，有研究將擴增實境應用在數學學習領域，在高中空間座標系的學習上，部份學習者無法將立體透視圖與現實中的立體圖形作相關的聯想、亦無法形成正確的心像。透過擴增實境虛實整合的特色，將虛擬空間座標、向量、輔助線與壓克力教具模型相結合，學習者在動手操作時，能同時與虛擬、實體物件進行互動，比起講述式學習環境，擴增實境學習情境在空間座標系與空間向量的單元可達到較好的學習成效(蔡承哲, 2013)。亦有研究針對擴增實境在化學學習的應用進行探討，由於學習者在學習化學實驗之鋅銅電池原理時，教學者若僅透過畫板書與口述的方式，難以幫助學生了解鹽橋實驗的微觀化學反應，透過擴增實境在硫酸銅溶液燒杯上疊加解離反應，能幫助學習者了解正負極的化學反應變化，其研究發現，擴增實境實驗遊戲融入體驗式學習循環之教學，能提升學習者在電化學反應概念之學習成效(廖邦捷, 2014)。. 18.

(30) 二、數位模擬在教育領域上的應用目前已有許多研究將學習教材設計在數位環境中供學習者學習。例如黃柏雅 (2015)以 Web-based Inquiry Science Environment[WISE] (Slotta & Linn, 2009)平台為基礎，設計結合動態模擬與動手做活動的酸鹼課程，透過影片說明、JAVA 動畫、手繪圖與動手做實驗學習活動，幫助九年級學習者了解微觀世界的酸鹼中和反應以及改善酸鹼迷思概念。而吳慧葳(2015)將數位遊戲式 APP 應用於高中學習者的物理力學學習課程，研究結果顯示，數位遊戲式 APP 對高中學習者的物理力學概念學習成效比起講述式教學較好，也能改善學習者的物理學習動機。在電與磁教學中，3D 數位模擬環境能提供學習者動手操作實驗及直接參與實驗的環境，使學習者除了觀察以外，也能自由動手操作、探索、觀察、研究，進而提升學習者在自然科學領域學習成就(吳沂木, 2004)。也有研究指出，學生使用平板電腦學習空間能力單元，結果顯示 1.學生普遍希望用平板電腦取代傳統教學，2.學生認為使用平板電腦較易學習空間能力概念，3.對於低空間能力的學習者，在平板電腦給予協助後，可以正確的解答測驗問題 (Saorin, Torre, Martn, & Carbonell, 2013)。綜合上述「擴增實境」及「數位模擬」的研究結果，兩者皆對於教學有正面的幫助與刺激，使用擴增實境或是數位模擬學習環境，皆能使教學上無法詳述的科學概念予以具象化，使學習者更方便觀察學習。然而，亦有相關研究指出，使用擴增實境學習的學生，雖然同時具備虛擬環境的資訊及真實世界的操作經驗，但相對而言，認知負荷也會隨著給予的訊息愈多而愈來愈重。為了降低資訊太多所帶來的認知負荷超載，若能將遊戲化的因素帶入擴增實境及虛擬環境中，應可有效降低認知負荷，讓學習變得更輕鬆有趣。. 19.

(31) 參、數位模擬實驗在物理學習上的應用數位模擬是在電腦環境中，透過程式模擬出真實的事物或現象，依照學習目標，加以簡化學習內容並在互動過程中強調學習重點。學習者為了理解科學抽象概念，需要在內化與知識架構組織上建立心智模型。例如學習者面對電流磁效應概念時，學習者的心智模型需要涵蓋到的抽象性與不可視概念，難以與真實生活經驗做連結，所以產生理解電磁概念上的學習困難。已有許多研究發現，整合不同的科技環境輔助科學實驗學習，能幫助學生理解在真實世界中難以觀察的模型、系統以及過程，而每一種科技皆存在特色與局限性設計者需依照學習內容謹慎的進行科技融入(Wang, C.Y. et al., 2014)。對於物理科電磁學領域的初學者，磁場因為其複雜與不可見的特性，而有學習困難，Matsutomo、Mitsufuji、Hiasa 與 Noguchi (2013)利用擴增實境技術，將使用者移動磁鐵的動作與磁力線向量分布做出即時整合的效果，並在控制台介面中，讓學習者能自由決定磁力線的顯示與否、磁鐵周圍網格顯示疏密以及電流的強弱，幫助學習者在磁力線模擬情境中，能動手體驗與觀察看似存在於實體環境的磁力線。有研究指出，利用擴增實境技術幫助電磁概念的學習，讓學習者在互動操作中，同時觀察線圈周圍的磁場效果，這樣的設計可提供立即且可信賴的回饋。使用「擴增實境應用程式」的學習效率，比以網路為主的「模擬式應用程式」更好，可能與兩個方向有關，其一是促進學生專注、控制與自我達成，其二是在需要處理抽象概念所需的認知上，投入有差異(Ibáñez, DiSerio, Villarán, & Delgado Kloos, 2014)。其中，若能在數位模擬環境下加入遊戲的元素，將會使實驗過程更為有趣，並且對於學生的概念理解及問題解決皆有正面的成效。亦有研究指出，當學生沉浸於數位遊戲環境中，對於學習有相當的幫助。透過操作遊戲中的虛擬角色，並與遊戲裡的非玩家角色對話等，相對於傳統教科書陳述性的文字內容，更能達到學習成效(Bara, Scott, Siyahhan, Goldstone, Ingram-Goble, Zuiker & Warren, 2009)。. 20.

(32) 擴增實境結合遊戲除了可以帶來趣味性，其新奇的呈現方式，對於初次接觸的學習者而言，也是相當特別的經驗(Cheok, Hwee, Wei, Teo, Lee, Farbiz & Ping, 2004)。由於擴增實境是以第一人稱的視角在真實世界中與虛擬物體互動，有別於虛擬實境第三人稱方式，因此更具有臨場感(Von Der PüTten, Klatt, Broeke, McCall, Krämer, Wetzel, Blum, Oppermann & Klatt, 2012)，並且在擴增實境遊戲中所習得的知識概念，也較容易遷移至真實經驗中(Echeverría, Améstica , Nussbaum , Barrios & Leclerc, 2012)。以擴增實境科技而言，其特色主要在於學生視覺效果與實體操作之間的互動，良好的互動體驗設計可以為學生帶來感官沉浸以及投入參與感，進一步提升學生在學習時的存在感、心流經驗與滿足感(Ibáñez et al., 2014)。此外，擴增實境具有結合實體環境物體的功能，可以將實際的操作經驗結合抽象概念，以幫助學習者建構知識概念(Ibanez, Serio, Villaran & Kloos, 2014)。綜上所述，若能適切的應用數位學習環境於物理實驗情境中，對於學習成效表現或是學習動機上，應有明顯的幫助。. 21.

(33) 第三節 5E 探究學習環建構主義學習理論(Constructivist theories of learning)中的探究學習(inquiry based learning)常被用來進行教學實驗。由於建構主義的整體概念龐大且複雜，無法從單一面向就能對其有完整的理解，因此本節先說明建構主義學習理論的意義，再探討探究學習的意義和意涵，進而分析探究學習的教學策略和教學模式，最後從中歸納出探究學習應用在物理實驗教學上的可行性和可能影響。. 壹、建構主義的理論基礎和意義在過去幾十年中，建構主義已然成為主流的學習理論(Phillips, 2000; Richardson, 2003)。建構主義有許多類型，其中共同的議題皆視學習為學習者主動建構知識、創造意義的歷程(Phillips, 2000)。建構主義主要的目的在於瞭解發展過程中，各式活動如何引發學習者的自主學習，以及在學習的過程中，教師應如何適當的扮演支持者的角色，其起源基於 Piaget 認知建構理論，探討如何提供有具體經驗的學習環境，幫助學生建構知識，以獲得知識和認識知識的本質。建構主義主張把教學過程的核心由知識傳述者轉移到知識學習者本身，使學習者藉由直接參與的方式去發現與理解其學習(DeVries, Hosteller & Watson, 2002)。從建構的觀點來看，知識是學習者主動將真實世界與先備知識作聯結，進而產生新的意義的一種建構過程(von Glasersfeld, 1991)。. 貳、建構主義與探究教學探究教學的意涵就是在學習的過程中，由學生自己去發現問題，並且藉由模擬科學家的科學探究歷程，解決自己的問題，讓學生學習如何去建構屬於自己的知識。而建構主義則主張探究是學習者投入解答問題、解決真實問題或衝突議題、或探究個人興趣時的調查研究過程。建構式教學對學習者的動機有以下三點益處 (Blumenfeld, 1992; Hickey, 1997; Pintrich & Schunk, 2002)：1.透過課堂上教師與學 22.

(34) 生的討論及探究，幫助學生建立自我效能 (Pintrich & Schunk, 2002)；2.經由深層理解對知識產生新的意義，促進學生的學習興趣；3.與真實世界作聯結，促使學生察覺認知價值與學習任務的重要(Newmann, Marks, & Gamoran, 1996; Resnick, 1987)。 Herron (1971)依據探究問題、操作程序以及解答的提供與否，提出探究開放程度的四個層次，分別為驗證層次、引導式探究層次、開放引導式探究層次、以及開放性探究層次。 (一) 第 0 層次：為驗證層次(confirmation/verification)，問題、操作方法、操作步驟以及答案均提供給學生，學生僅依步驟進行操作，目的為驗證已知結果。 (二) 第 1 層次：為結構式探究(structured inquiry)層次，僅提供問題以及操作的方法及步驟，學生只需依步驟去進行操作，就可以得到結果。 (三) 第 2 層次：為引導式探究(guided inquiry)層次，由教師給予問題，學習者須使用自己設計或選擇的步驟解決問題。 (四) 第 3 層次：為開放性探究(open inquiry)層次，學生探索與主題相關的問題，所探究的問題是由學生在選擇、設計的程序中所產生的。引導式探究的層次只提供學生任務(問題)，而讓學生自行選用實驗器材進行實驗設計、操作，並提出解答。學生探索教師所展示的問題，但學生必須自己設計或選擇步驟去解決問題，以學得其中的相關知識。探究並非只有一種型式，可將科學探究想成直線，一端為傳統、直接講述式，一端為開放式探究，引導式探究是介於傳統講述與開放探究之間的探索形式(Furtak, 2006)。研究發現，在進行引導式探究活動時，教師常太快給學習者解決的方法或原理，然而，學習者如能自行發展形成知識的話，應該會比直接由教師告訴他們還要好(Furtak, 2006)。由上述可知，解說演示教學與引導探索教學皆能有效幫助學習者學習。前者以教師為主，將學科內容傳授給學習者；後者以學生為主，採學生主動探究、建構知識技能。本研究依據建構主義的精神，融入探究教學歷程，設計兩種探索式教學模式「先探索後學習」(Play-Learn)和「先學習後探索」(Learn-Play)，探討不同數位 23.

(35) 學習環境中的學習者在不同探索式教學模式下之單極馬達實驗學習成效與動機表現。. 參、5E 探究學習的定義與意涵 Trowbridge & Bybee (1990)在美國BSCS (Biological Science Curriculum Study) 中提出以建構主義觀點為基礎所發展的5E學習環教學模式，其教學階段包括：參與(Engagement)、探索(Exploration)、解釋(Explanation)、精緻化(Elaboration)、評量(Evaluation）(Trowbridge & Bybee ,1990)。. 評量(Evaluation). 精緻化(Elaboration). 主動原則. 適應原則. 教材內容教學情境教具媒材教學方法. 參與(Engagement). 發展原則. 解釋(Explanation). 探索(Exploration). 圖2-2 5E學習環教學模式(引自黃鳳琴, 2002) 5E學習環教學模式特色乃針對學習者的心理認知能力出發，透過學習活動引起學習興趣。學習者在學習中主要透過自行建構知識、解釋所學習得新的概念，教學者同時引進新名詞或做概念澄清，使學習者了解新概念應用於不同情境的方式。評量可以設計於整個教學活動歷程中，並非獨立學習情境外另加施行紙筆測驗，了解學習者知識建構與迷思概念改變(林曉雯, 2001)。5E學習環教學模式之內容如圖2-2所示。 24.

(36) 在科學教學的領域中，使用5E學習環的教學模式能達到正面的成效，在探索過程中能讓學習者去把科學的相關技能加以整合應用(Lati, Supasorn, & Promarak, 2012)，此外，以5E學習環進行教學亦能幫助學習者知識概念的保留 (Fazelian, ebrahim, & Soraghi, 2010)。在科學學習的過程中，探索階段可以針對學習者自己不清楚的地方加以釐清，在探索過程中不斷地發現問題、驗證問題，最後達到對概念的理解，另外在精緻化階段中，學習者可以實際地應用知識概念，來加強新舊經驗的連結以及整體知識的建構。因此，本研究以5E學習環教學模式中的「探索」、「解釋」、「精緻化」階段作為主要學習的發展階段，發展單極馬達實驗的五個教學活動，其內容如表2-1所示。. 表 2-1 5E 教學模式與本研究 5E 教學步驟之轉換對照 5E教學模式. 本研究5E教學步驟. 教學階段. 教學概念. 教學概念. 投入. 引導學習者投入並激發學習. 以故事情境引導學習對實驗遊戲. Engagement. 者的興趣與好奇心。. 的環境產生好奇心。. 探索. 讓學習者進行調查、探索觀. 透過數位學習環境輔助實驗建立. Exploration. 念，建立一般經驗基礎。. 磁鐵磁力線的基本概念. 解釋. 鼓勵學習者基於先備知識與. 經由數位學習環境讓學習者動手. Explanation. 探索的經驗來做合理解釋。. 組裝單極馬達以連結探索經驗。. 精緻化. 讓學習者將他們所領悟到的. 根據磁力或電流設計不同遊戲任. Elaboration. 知識概念應用或轉移到不同. 務來讓學習者實際進行概念的應. 的情境中。. 用與遷移。. 評量. 鼓勵學習者評量他們所學到. 以總結性的遊戲任務來瞭解學習. Evaluation. 的概念或能力，並提供教師. 者能否妥善應用這些知識概念。. 評鑑學習者進步的狀況。. 25.

(37) 第三章研究方法本研究旨在探討數位學習環境(擴增實境、數位模擬)與教學模式(Play-Learn、 Learn-Play)對高中一年級學習者在單極馬達實驗的學習成效和學習動機之影響。以下就研究對象、研究設計、數位教材設計、研究工具、實驗程序及資料分析分別進行說明。. 第一節研究對象本研究之研究對象為高中一年級學習者，研究樣本為桃園市某高中一年級學習者，在實驗進行之前，參與樣本均具備基本平板電腦操作技能。參與樣本在教學實驗活動進行前，皆在國中學過磁鐵與電流相關物理概念，但未在學校接觸過單極馬達科學教具。因本研究之教學內容為高中一年級基礎物理電與磁課程課外延伸教材，為不影響學校已排定物理課程進度，故以舉辦物理實驗營隊方式，於周末進行本次實驗教學，學習者完成研習活動後皆頒予研習證明。教學實驗分梯次於周末實施，每梯次各 180 分鐘。各梯次依學習環境及探索式教學策略，隨機分派為「擴增實境」及「數位模擬」，再根據不同教學模式分為「Play-Learn」及「LearnPlay」。本研究參與者共 108 人，剔除未全程參與者 3 人後，有效樣本為 105 人，其中「數位模擬-Play-Learn」23 人，「數位模擬-Learn-Play」24 人，「擴增實境-PlayLearn」30 人，「擴增實境-Learn-Play」28 人。合計各組人數擴增實境學習環境組 58 人，數位模擬學習環境組 47 人，Play-Learn 教學模式組 53 人，Learn-Play 教學模式組 52 人。各組分配情形如表 3-1 所示。表 3-1 教學實驗分組及各組人數分配表先探索再學習. 先學習再探索. (Play-Learn). (Learn-Play). 數位模擬. 23. 24. 47. 擴增實境. 30. 28. 58. 合計. 53. 52. 105. 探索式教學模式數位學習環境. 26. 合計.

(38) 第二節研究設計本研究採用準實驗研究法，探討數位學習環境(擴增實境、數位模擬)與教學模式「先探索後學習」(Play-Learn)和「先學習後探索」(Learn-Play) 對高中一年級學習者在單極馬達實驗學習成效和單極馬達實驗學習動機之影響。以下就研究架構、實驗教學流程及學習活動設計分別說明。. 壹、研究架構自變項一、數位學習環境. 共變項先備知識. 依變項一、單極馬達實驗學習成效. 1.. 擴增實境(實驗組). 1.. 知識理解. 2.. 數位模擬(對照組). 2.. 知識應用. 二、教學模式. 二、單極馬達實驗學習動機. 1.. 先探索後學習. 1.. 內在目標導向. 2.. 先學習後探索. 2.. 外在目標導向. 3.. 工作價值. 4.. 控制信念. 5.. 自我效能. 6.. 期望成功. 圖 3-1 研究設計架構圖本研究之研究設計架構如圖 3-1 所示，自變項分別為「數位學習環境」與「教學模式」。「數位學習環境」依據學習者在學習單極馬達相關概念時，數位學習環境中虛擬資訊在觸覺介面呈現過程中的同步引導方式差異分為「擴增實境」和「數位模擬」。「擴增實境」是指學習者能以時間與空間同步的方式，同時操作實體教具與觀察虛擬資訊，促進真實經驗與抽象概念的整合；「數位模擬」則是指學習者能以時間與空間非同步的方式，一邊操作實體教具，一邊透過平板電腦觀察到虛擬資訊，達到真實經驗與抽象概念的對照模擬。 27.

(39) 「教學模式」依據不同的探索式教學方式分為兩組，分別為「先探索後學習」 (Play-Learn)和「先學習後探索」(Learn-Play)。兩組皆為以探究為核心精神之教學模式，教學內容皆為單極馬達旋轉概念課程和單極馬達實驗操作課程，學習目標、學習內容與學習任務相同；兩組不同之處在於教學順序之不同。本研究之依變項有二，分別為「單極馬達實驗學習成效」與「單極馬達實驗學習動機」。「單極馬達實驗學習成效」是指學習者在經過實驗教學活動後對於單極馬達實驗的學習表現，分為「知識理解」及「知識應用」兩個向度。其中「知識理解」多半為記憶性質的概念，係指學生在教學過程中對於基礎實驗概念的認識，例如磁鐵的極性、磁鐵磁力線為封閉環形曲線等基礎知識等；「知識應用」則為完成實驗操作活動後，學生對於單極馬達實驗的應用表現，例如在不同情境下分析載流直導線在磁場中的受力現象、能判斷三維空間中電流與磁場的交互作用等。「單極馬達實驗學習動機」主要探討學習者在數位學習環境與教學模式下進行單極馬達實驗學習活動之後，學習者對於教學活動整體的感受及想法，包括「內在目標導向」、「外在目標導向」、「工作價值」、「控制信念」、「自我效能」及「期望成功」等共六個指標。本研究為了排除學習者物理先備知識對實驗教學之影響，在統計分析上以先備知識測驗分數作為共變項。. 28.

(40) 貳、實驗教學流程前測(30 分鐘) 單極馬達實驗先備知識測驗 5E 探索式遊戲學習活動(90 分鐘) 遊戲情境介紹實驗及教具操作說明. 投入. 擴增實境教學模式 Learn-Play. 探. 透過講義學習概念. 索. 數位模擬教學模式. Play-Learn. Learn-Play. 電流與磁場虛擬資. 透過講義學習概念. 訊直接疊加於教具電流與磁場虛擬資透過講義學習概念. Learn-Play. Play-Learn. 透過講義學習概念. 電流與磁場虛擬資訊與教具分離. 電流與磁場虛擬資. 訊直接疊加於教具. 解. Play-Learn. 線圈電流虛擬資訊. 訊與教具分離. Learn-Play 透過講義學習概念. 疊加於實體線圈上. 透過講義學習概念. Play-Learn 線圈電流虛擬資訊與實體線圈分離. 釋線圈電流虛擬資訊. 精. 疊加於實體線圈上. 透過講義學習概念. Learn-Play. Play-Learn. 透過講義學習概念. 線圈調整回饋同步. 與實體線圈分離. Learn-Play 透過講義學習概念. Play-Learn 在模擬互動情境中. 在模擬互動情境中. 線圈調整回饋同步出現在實體教具上. 透過講義學習概念. 調整教具旋轉方向. 出現在實體教具上. 緻化. 線圈電流虛擬資訊. 透過講義學習概念. 評. 學習者在遊戲中能看到虛擬線圈疊加. 量. 在實體教具上，驗證單極馬達概念. 調整教具旋轉方向. 透過講義學習概念. 學習者在遊戲中分別操作虛擬線圈及實體教具，驗證單極馬達概念. 後測(30 分鐘) 單極馬達實驗學習成效測驗、單極馬達實驗學習動機問卷圖3-2「幻影迴旋，星際傳奇」實驗教學活動流程圖 29.

(41) 實驗時間為時 150 分鐘，學習者在教學實驗時間內進行前測、五階段遊戲學習活動(操作說明與劇情介紹、研發火種源中的神奇魔法、啟動防護盾、變換隱形力場、即刻防禦)與後測，實驗教學活動流程如圖 3-2 所示。學習者在實驗教學開始時進行前測，施測時間共計 30 分鐘，其內容為單極馬達課程先備知識測驗。接下來的 90 分鐘，依序進行 5E 探索式遊戲學習活動，在投入階段，教師先簡單說明實驗教具操作方式，學習者透過平板觀看遊戲劇情，了解任務目標。在探索階段中，學習者透過平板電腦遊戲的方式進行磁鐵磁力線特性學習，同時將探索結果填寫到學習單以加深學習者的記憶。在解釋階段中，學習者組裝單極馬達教具，比較不同電阻的銅線線圈對單極馬達的旋轉快慢影響，並依序將探索結果填到學習單中，在精緻化階段，學習者藉由個別調整磁力線與電流方向，改變銅線線圈的旋轉方向，在評量階段，學習者將在數位遊戲中驗證對自己單極馬達的理解。在實驗教學的最後 30 分鐘進行後測，包含單極馬達實驗學習成效測驗與單極馬達實驗學習動機問卷。. 30.

(42) 第三節數位教材設計「幻影迴旋星際傳奇」學習活動是以 5E 探究學習環為理論架構設計的遊戲學習活動，希望藉由模擬磁鐵磁力線、電流流動特性與載流導線在磁場中的交互作用等情境，結合遊戲互動與動手做實驗引發學習者興趣，讓學習者在數位學習環境下探索單極馬達物理實驗的相關概念，學習者在活動中填寫學習單，思考電流與磁場在單極馬達實驗中的交互作用相關概念。以下就學習內容與學習目標、遊戲設計發展工具、數位科技環境、5E 學習環活動設計與學習活動內容分別說明。. 壹、學習內容與學習目標本研究根據教育部普通高級中學必修科目「基礎物理(一)」教材綱要第五章「電與磁的統一」單元之「電流在磁場中所受的磁力」課程概念發展之補充教材。. 柱形磁鐵的極性柱形磁鐵特性. 磁鐵極性產生之磁力線三維空間中柱型磁鐵之磁場. 單極馬達實驗. 載流導線在磁場中的受力載流導線在磁場中的旋轉方向. 單極馬達旋轉原理. 載流導線在磁場中的旋轉快慢三維空間電流與磁場交互作用. 圖 3-3 單極馬達實驗知識架構圖本教材之學習目標是要讓學習者瞭解電流與磁場交互作用相關概念。單極馬達實驗之知識架構如圖 3-3 所示，課程學習內容包含「柱形磁鐵特性」與「單極 31.

(43) 馬達旋轉原理」。在「柱形磁鐵特性」概念中，學習者必須能夠：(1)說明柱形磁鐵的特性、(2)了解磁鐵極性產生之磁力線、(3)了解三維空間中柱型磁鐵之磁場；在「單極馬達旋轉原理」的概念中，學習者能夠：(1)測試不同載流導線在磁場中的受力、(2)判別載流導線在磁場中的旋轉方向、(3)判別載流導線在磁場中的旋轉方向、(3)應用三維空間電流與磁場交互作用。而「柱形磁鐵特性」與「單極馬達旋轉原理」其知識認知層次分屬在理解與應用層次，詳如表 3-2 所示。. 表 3-2 「幻影迴旋星際傳奇」主要概念、學習目標與認知層次分類表主要概念. 學習目標. 1. 柱形磁鐵 2. 3. 特性 1. 2. 單極馬達旋轉原理. 3. 4.. 能夠說明柱型磁鐵的極性能夠畫出柱形磁鐵磁力線為封閉環形曲線能夠說明柱型磁鐵在三維空間中的磁力線極性與分布形狀能夠說明載流直導線在磁場中的受力現象能夠透過改變載流導線的電流，判斷載流導線在磁場中的受力能夠透過改變柱形磁鐵的磁力，判斷載流導線在磁場中的受力能夠判斷三維空間中電流與磁場的交互作用. 32. 認知層次知識理解知識理解知識理解知識應用知識應用知識應用知識應用.

(44) 貳、遊戲設計發展工具. 場景建立區. 物件編輯區. 畫面預覽區. 素材內容區. 細部功能區. 圖 3-4 Unity3D 編輯介面. 「Unity3D」遊戲引擎具備靈活且高性能的視覺化編輯介面，此平台之 Unity Asset Store 資源商店提供了豐富的支援套件，讓遊戲開發者自行規劃與設計遊戲場景。Unity3D 支援匯入 3D 角色模型，並控制材質貼圖、物理碰撞、粒子系統、燈光與陰影等變化，以創造出豐富的互動式模擬環境。Unity 編輯介面分為「場景建立區」、「畫面預覽區」、「物件編輯區」、「素材內容區」及「細部功能區」，如圖 3-4 所示。設計者使用 Qualcomm 公司所建立的「Vuforia」行動視覺平台，可編製擴增實境辨識圖像，以開發符合課程目標及遊戲趣味性的互動式數位內容。本研究之課程內容，以 Unity3D 遊戲引擎搭配 Vuforia 軟體開發套件，建置於 Android 平台上，開發結合教育與遊戲內容的實驗-「幻影迴旋星際傳奇」。. 33.

(45) 透過程式的「鏡頭自動對焦」函數強化影像辨識穩定度. 圖 3-5 Microsoft Visual Studio 編輯介面程式撰寫的編輯介面如圖 3-5 所示，研究者使用 Microsoft Visual Studio 整合式開發環境編寫 C#程式語言，以控制擴增實境與數位模擬環境應用程式中，虛擬物件與圖形化使用者介面之間的互動行為，例如辨識 Marker、切換關卡等。. 單極馬達的線圈建模. 圖 3-6 Autodesk Maya 2014 之 3D 模型編輯介面圖 Autodesk Maya 2014 提供設計者視覺化環境建置 3D 模型，如圖 3-6 所示。. 34.

(46) 參、數位科技環境一、擴增實境數位學習環境與實體教具內容本研究之單極馬達實體教具包括：1.磁鐵 3 個(柱形、馬蹄形、長條形)。2. 1 號碳鋅電池 1 個。3.矩形銅線線圈 3 個(焊有不同電阻，相同燈泡)。4.擴增實境辨識圖卡 5 張。5.電池墊片 1 個。6.自製磁力線觀察盒 1 個，詳如圖 3-7 所示。. 圖 3-7 單極馬達實驗教具與擴增實境辨識圖卡學習者透過學習單的引導，在平板電腦「幻影迴旋星際傳奇」遊戲獲得與實驗相關的虛擬資訊，動手操作電池與銅線教具進行實驗操作，操作情境如圖 3-8 所示。. 圖 3-8 擴增實境學習環境單極馬達實驗情境圖 35.

(47) 二、數位模擬數位環境與實體教具內容. 圖 3-9 擴增實境組利用平板電腦調整單極馬達旋轉方向時，與實體教具同步疊合學習的互動狀況. 圖 3-10 數位模擬組直接利用平板電腦調整虛擬單極馬達的旋轉方向，以了解單極馬達的運作. 36.