國科會專題計畫成果報告
1998 兒童資訊月軟體設計展示：小小旅行家—微世界探險 計畫編號：NSC87-2512-S-002-001-CH 執行期限：87 年 3 月 1 日至 88 年 3 月 31 日 計畫主持人：岳修平（台灣大學農業推廣學系）yueh@ccms.ntu.edu.tw 共同主持人：張基成（淡江大學教育科技學系）samchang@mail.tku.edu.tw 一、中文摘要 本研究目的為開發一套適合國小學生 的「台灣特有種生物」微世界學習環境(名 為「小小旅行家─微世界探險」)，並評估 其功能與效果；嘗試從微世界的探索與發 現學習觀點，探討其應用於自然科學學習 上的潛力；探討及提出微世界學習環境的 設計方法、設計理念、設計原則、系統架 構。本研究已完成系統設計與製作，及系 統功能與內容的測試與修正，並於台北市 資訊科學展示中心舉辦的 1998 年兒童資訊 月活動中展示。系統總結性評估包括於軟 體展示期間對上機使用的國小學生進行使 用者評鑑，及對學者專家進行深入訪談的 專家評鑑。本文亦提出了微世界學習環境 的設計方法、設計理念、設計原則、系統 架構。 關鍵詞： 微世界、微世界學習環境、認知 學習、心智工具、探索式學習、發現式學 習 二、英文摘要A Computer Microworld Learning Environment (CMLE) for “Special biology in Taiwan” (called Little Traveler Discovering in Microworld ) in nature science course has been designed and developed, and the design methodolgy, concept, principles of the CMLE has been proposed in this study. As a Mindtool and cognitive learning environment, the CMLE may enhance students’ critical
discovery learning activities. This study has completed system development, test and improvement. Next step would be holding a summative evaluation including user and expert evaluations.
Keywor ds ： Microworld, Microworld learning environment, Mindtools, Exploratory learning, Discovery learning 三、計畫緣由與目的 「微世界(microworld)」是一種模擬真 實世界現象與環境的發現式(discovery)與 探索式(exploratory)學習系統(環境)。微世 界借由模擬與實驗活動，能提供學習者主 動發現與探索問題的認知歷程，並進而激 發學習者思考創造，主動積極學習、與解 決問題能力。電腦微世界是一個經過實證 研究證明十分有效的認知學習環境與心智 工具(mental tool)(Jonassen, 1996)，尤其適 合於發展科學(技)學科的探索與發現學習 活動，而電腦探索式學習環境經過證實可 以增進認知歷程和刺激學習反應尤其是對 自閉兒童的學習(Geoffrion & Goldenberg, 1981)。
電 腦 微 世 界 學 習 環 境 (computer microworld learning environment, CMLE)提 供探索式(exploratory)與發現式(discovery) 的學習活動並模擬真實世界的現象與情 境。在微世界(microworld)的學習環境裏， 學習模式是情境式的、經驗式的、自我導 向式(self-directed)的”做中學”(learning by
決。微世界學習環境可以激發學習者成為 知識的探索者及建構者，並培養對問題與 現象的探索、發現、產生、定義、與解決 的能力。微世界學習環境提供觀察與操作 的工具以探索和試驗問題空間裏的物件， 提供模擬真實世界裏的複雜物件與現象的 簡單範例，具高度學習者控制和互動性， 容易學習與操作。微世界學習環境很適合 於科學(技)教育與技職教育的學科教學和 實驗，比起傳統教導式 CAI/CAL 的教學活 動與學習方式也更能有效地激發主動積極 的 學 習 態 度 ， 建 構 自 己 的 認 知 與 心 智 (mental)模式，建構自成體系的知識。微世 界學習環境若能配合小組合作學習和分組 討論的方式進行探索活動，則能強化電腦 微世界的功效，更能透過問題解決與決策 過程整合學習者的知識、技能與情意態 度，加速培養溝通磋商與討論的能力。 吾人認為微世界學習裏模擬、探索與 發現、觀察與操作物件、互動性、學習者 控制、情境與經驗、遊戲等學習特性(張基 成，民 86)，是一個模擬真實情境與提供探 索發現活動的學習環境，也是一個理想而 豐富的心智工具。 自然科學的學科常常須經由探索式學 習(exploratory learning)的認知歷程來主動 積極地發現與探究問題，建構自成體系的 知識，並加以分析、判斷、思考與歸納， 進而有效地解決問題。在自然科學學科的 探索學習歷程中常常會經歷包括觀察現 象、發現問題、尋找資料、提出假設、設 計實驗、執行實驗、驗證結果、討論結果 等系統化程序。電腦微世界十分適合於發 展自然科學學科的探索與發現學習活動， 故本研究選擇以「台灣特有種生物」為主 題，建構一個電腦微世界學習環境(名為 「小小旅行家─微世界探險」)，期盼經由 有效提供適合自然科學教育的探索式與發 現式學習活動，引起學習者主動積極的學 習動機，激發高層次思考創造，並培養解 決問題的能力。 本研究旨在從微世界的探索與發現學 習觀點，探討它的應用潛力，進而提出可 行適用之基本架構、設計方法。並以「台 灣特有種生物」為主題，建構一個電腦微 世界學習環境，並評估其系統功能與效 果。透過所建立之「台灣特有種生物」微 世界學習環境(名為「小小旅行家─微世界 探險」)，作為激發高層次思考創造與培養 解決問題能力的輔助教學系統建構之參 考。本研究之發展與應用經驗將可作為日 後其它類似或更進一步研究的借鏡。最終 亦將以研究所得成果為基礎，對探索與發 現導向的微世界做為認知學習環境與心智 工具的必要性，及電腦輔助教學的另類思 考方向與空間等面向提供建言，期盼對國 內之自然科學教育與電腦輔助教學等相關 領域有所貢獻。根據研究問題與背景的描 述，本研究目的如下: 1.從微世界的探索與發現學習觀點，探討其 應用於自然科學學習上的潛力。 2.探討 及 提出 微 世界 學 習環 境 的設 計 方 法、設計理念、設計原則、系統架構。 3.以「台灣特有種生物」為主題，建立一微 世界學習環境(名為「小小旅行家─微世 界探險」)，並評估系統功能與效果。 四、研究方法及步驟 本研究先探討並歸納出微世界學習環 境的特性、功能、設計理念與原則，再選 擇一適合之學習領域如「台灣特有種生物」 為案例主題，建構一套微世界學習環境， 並評估其系統功能與效果；最後再根據系 統建構過程與結果，驗證、確認與修正所 提出的微世界學習環境的設計方法、設計 理念、設計原則、系統內容。本研究步驟
如下: 1.相關文獻探討與分析。 2.探討並歸納出可行適用之微世界學習環 境的設計方法、設計理念、設計原則、系 統架構。 3.選擇一學習主題如「台灣特有種生物」， 並據以建構一微世界學習環境(名為「小 小旅行家─微世界探險」)。系統建構過 程為：系統分析、設計、評估計劃、發展、 測試、試用、修正、實施、功能與效果評 估。 4.根據系統建構過程與結果，驗證、確認並 修正所提出的微世界學習環境的設計方 法、設計理念、設計原則、系統架構。 五、結果與討論 設計方法 此「台灣特有種生物」微世界學習環 境(名為(「小小旅行家─微世界探險」))的 設計方法以學習者需求為中心，即以學習 者如何學習為出發點，規劃系統環境架構 內之軟硬體系統、學習內容、學習活動、 學習輔助工具、學習歷程管理、使用者介 面、線上輔助說明等部份，以及多媒體整 合設計與簡易資料庫設計等。 本研究先根據系統分析階段所得到的 學習內容分析(content analysis)之結果，設 計學習內容的腳本。學習內容的設計和編 製以 Gagne’(1991)的九大外在教學事件為 大致上的應用原則：吸引注意、告知學習 目標、刺激先備知識的回想、呈現刺激教 材、引導學習、誘導表現並建立成就感、 提供回饋、評估學習效果、加強學後保留 及遷移。 此系統以多媒體編輯語言 Authorware 為主要編輯工具，搭配 Truespace 3D 動畫 軟體、Premiere 視訊編輯軟體、Photoshop 影像處理軟體，以及 Media studio 音訊與影 像編輯軟體等製作多媒體微世界的工具。 完成的 Authorware 執行檔再以 Shockwave 軟體轉換成能在網路上供大眾瀏覽之執行 檔。 設計理念與原則 此微世界學習環境的設計理念為提供 模擬真實世界現象的發現式與探索式的經 驗學習環境，藉由模擬與實驗活動，促進 學習者主動發現與探索問題的認知歷程， 並進而激發學習者高層思考、多元創造、 主動積極學習與解決問題的能力。此微世 界學習環境的設計原則，以學習者為中 心，考慮微世界的特性，根據一般電腦與 網路輔助學習的原則，模擬真實世界現 象，設計發現式與探索式的經驗學習活動 與策略，揚棄傳統的教學導向或知識傳遞 導向的學習方式，此微世界學習環境的設 計原則如下： 1.提供學習者適當的學習資源和輔助工具 2.提供適當而經過一定編排方式的資訊庫 與整理過的學習資源 3.提供適當而有效的學習輔助工具，如筆記 本、查尋工具等 4.提供彈性而多元化和適合個別化差異的 學習活動 5.提供學習管理和資訊(料)處理的功能，如 學生基本資料登錄、學習歷程和結果記錄 等 6.提供探索與發現學習的遊歷工具 7.提供建構學習的工具與活動 8.提供情境學習的活動 9.提供模擬真實世界裏的複雜物件、問題、 現象、情境與環境的學習活動及簡單範例 10. 允許學習者產生與定義問題並加以解 決，和提出假設(hypotheses)並加以驗證 11. 支 援 高 度 學 習 者 主 動 控 制 (learner-controlled)以及高度人與系統互動性
12.提供容易學習與操作的界面 13.提供觀察與操作物件的工具以探索和試 驗問題空間裏的物件 14.提供由淺入深和由簡趨繁的學習歷程 15.學習目標與範圍可由學習者自己設定 16.問題可由學習者產生與定義並加以解決 17.具益智遊戲性質 18.學習模式是建構式、情境式(situated)、 經 驗 式 (experiential)、 自 我 導 向 式 (self-directed)的”做中學”的方式 內容設計 此微世界是探索「台灣常見特有種生 物」特徵及生活特性的學習環境，內容包 括：台灣特有種生物的種類、特徵、生活 習慣及生態保育觀念等；以激發學生主動 學習意願為出發點，達成學生進行有效的 個別化學習之目的。每一種情境規劃都是 模擬真實自然生活環境的微世界，並且讓 學習者能很容易地直接操作情境內的物件 (如人物、動物、植物等)，主動參與各學習 活動的進行。學習者可經由此微世界內的 各個主角(即各種特有動物)的不同旅程，深 入探索台灣特有生態環境的活動。 整個微世界環境包含多個角色（台灣 特有種動、植物）藉著角色穿插與情境模 擬，以小野豬為例(此微世界內最大的主 角)，透過小野豬的角色扮演，學習者可在 活動中體驗小野豬特殊的生活習性，如群 居生活、體型、食性及成長變化等。同時 經由小野豬在旅程中與其他動、植物的對 話與互動，進而瞭解台灣其他常見特有種 生物（含動、植物）的特徵及牠們的生物 特性與生活習慣（如：外型特徵、食性、 居住環境、活動時間、禦敵方式等）。此外， 此微世界環境亦配合劇情，模擬真實世界 現象，發揮微世界允許操作物件的特色， 讓學習者由植物栽培的活動中，嘗試進行 解決問題。此微世界環境透過所設計的情 境與活動，讓學習者可以認識本土的特有 動、植物，並在探索大自然環境的過程中， 學習愛護動物、珍惜自然環境的重要性。 此微世界學習環境利用問題引導並配 合發現探索與情境學習的方式，輔以影 片、圖形、聲音及文字等媒體解說相關概 念，幫助學生探索及解決與真實自然生活 中相關的重要觀念與問題，讓學生在探索 與解決題的過程中，學習到正確的生物保 育及自然生態的觀念。而在模擬真實世界 的過程中，讓學習者能寓學習於遊戲中， 經由做中學的益智遊戲活動，透過問題探 索、發現與解決的過程，建構自己的知識 體系，並激發學習者繼續往下一個學習單 元(角色)邁進的興趣與動機。此微世界學習 環境融合做與學的功能以及遊戲軟體的趣 味性質，利用具高互動性之虛擬工具來觀 察與操作物件，以探索和試驗微世界內的 問題與現象。規納此微世界學習環境內的 學習內容與活動重點如下(軟體畫面見圖 一、二、三、四)： 1.以小野豬為故事主軸讓小朋友以角色扮 演方式，借由小野豬的眼光來發掘台灣特 有動植物的特性。 2.讓學習者任意地操控著滑鼠，探索並發現 場景中的動植物，以瞭解其與小野豬的關 係。例如：學習者可以瞭解小野豬到底可 以吃甘藷或是百合呢？小野豬又有哪些 同伴，並可以從同伴中更清楚的認識自己 的習性，讓自己更容易成長茁壯。 3.藉由小野豬與場景中的動植物擬人化的 對白，學習者可以在生動活潑的互動方式 中，學到許多有意義的動植物知識。並讓 學習者知曉是非善惡，賞罰分明及因果輪 迴的道理，陶冶其正確的價值觀。 4.借由學習者的操弄水、溫度、肥料及土壤 PH 值的學習活動，來模擬植物的生長 （如：甘藷、香蕉等）。
5.多種組合的擬人化對白隨機出現，讓小朋 友於操弄的過程中，有豐富且多樣化的學 習刺激，可以吸引學習者的注意力。 6.以多種的場景轉換方式來呈現一天中晨 昏的變化，讓學習者陪著小野豬一同走過 草原、泥沼及森林的早晨與黃昏，於擬真 的生 態 環境 中 體驗 多 采多 姿 的生 態 之 旅 ， 猶 如 小 小 旅 行 家 於 微 世 界 (Microworld)中進行生態探索之旅。 7.此軟體可以記錄學習者的學習歷程，於小 野豬遊歷的過程中，於地圖上明確的註記 學習者曾經走過的足跡；並提供方便的索 引工具，讓小朋友很容易的查詢動植物的 資訊。 系統特色 此「台灣特有種生物」微世界學習環 境(名為「小小旅行家─微世界探險」)是一 種以建構學習和情境學習為基礎的學習環 境，亦是一個能實踐建構主義的動態模擬 學習環境。此微世界學習環境提供探索式 與發現式的學習活動並模擬真實世界的現 象與情境，允許操作物件以觀察和試驗問 題空間裏的現象。在此微世界學習環境 裏，學習模式是情境式的、建構式的、探 索式的、發現式的、經驗式的與主動式的 做中學型態，而非只是聽與看問題如何解 決。此微世界學習環境可以激發學習者成 為知識的探索者、發現者與建構者，並培 養對問題與現象的探索、發現、產生、定 義與解決的能力。 此微世界學習環境以微世界問題探 索、發現與解決導向方式為學習基礎，先 引發學習動機，輔以多媒體解說的機制， 讓學習者寓學於遊戲，透過問題探索、發 現與解決的過程。此軟體融合了坊間教學 軟體的“教育“功能以及遊戲軟體的“趣 味”性質，並配合多媒體的展現，嘗試營 造出一個完全以學習者為中心的且供個別 化學習的微世界學習環境。 此系統配備需求為：Pentium 133 以 上、256 色以上且解析度為 640*480、16MB DRAM、8 倍速以上光碟機、16 bits 音效 卡及喇叭、Windows 95 作業系統等環境。 六、結論與建議 微世界學習環境已經由一些實證研究 證明，在假設產生、檢定與推測方面也有 很好的功效，而這些技巧需要用到高層次 思考，如：批判性、創造性與綜合性思考 的能力(Jonassen, 1996)。微世界學習環境比 起傳統性的教學活動與學習方式也更能有 效地激發主動積極的學習態度。本研究開 發的「台灣特有種生物」微世界學習環境 (名為「小小旅行家─微世界探險」)，提供 探索式與發現式學習活動，可以引發主動 積極的學習動機，亦可以作為科學教育激 發高層次思考創造與培養解決問題的能力 以及提高科學學習品質的輔助教學系統建 構之參考。此探索與發現導向的微世界學 習環境可以做為認知學習環境與心智工 具，及電腦輔助教學的另類思考方向與空 間。經由本研究的系統設計與開發過程， 應可以確認微世界的探索與發現學習觀點 應用於自然科學學習上的潛力是值得重視 的。本文亦提出微世界學習環境的設計方 法、設計理念、設計原則。本研究已完成 系統設計與製作，及系統功能與內容的測 試與修正，並於台北市資訊科學展示中心 舉辦的 1998 年兒童資訊月活動中展示。系 統總結性評估包括於軟體展示期間對上機 使用的國小學生進行使用者評鑑(系統功 能、內容與學習效果)，及對邀請的學者專 家進行深入訪談的專家評鑑，同時蒐集深 入訪談資料，以瞭解學者專家對系統功能 與內容的建議。研究者將綜合與分析評鑑
結果，並對軟體進行進一步的修正工作， 之後希望能推廣至小學中，並進行進一步 的實地研究（field study）或較長時段的實 證研究，以瞭解微世界的認知學習與心智 工具的功效。 七、計畫成果自評 本計畫一開始由於更換主持人及執行 單位，經討論後將軟體設計內容主題由原 本的「國中理化課波動與聲音微世界」改 為「小小旅行家—微世界探險」，在設計發 展的過程中，大致與原計畫相符，且配合 「兒童資訊月活動」參展（原訂 1998 年 7 月展覽，但由於當時腸病毒肆虐，配合大 會決議，共同延至 1999 年 3 月舉辦展覽）， 皆達預期目標。 本計畫採創新之設計觀念（微世界） 發展計畫產品，並在過程中蒐集資料，也 已在 1999 年「國際電腦輔助教學研討會」 （台中逢甲大學主辦）發表本計畫研究成 果，預計將選擇國內學術期刊發表，以與 學界先進分享研究成果，同時也將延伸本 計畫之後續研究。此外，本計畫產品為一 CD 光 碟 ， 且 已 同 步 上 網 （ 網 址 http://www.et.tku.edu.tw/microworld），未來 將繼續修正開發並發表。 八、參考文獻 張基成(民 86)。開發思考與創造力之知識 建構工具與認知學習環境的探討：電 腦的革新應用。教學科技與媒體，33， 36-45。
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Geoffrion, L., & Goldenberg, E. (1981).Computer-based exploratory Learning Systems for communication-handicapped Children. Journal of Special Education, 15(3), 25-32.
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圖一 軟體起始畫面 圖二 各單元主要動植物
圖三 學習指引圖
