自主多模態影音學習系統對化學鍵結概念學習效應分析

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士班碩士論文指導教授：楊文金博士. 自主多模態影音學習系統對化學鍵結概念學習效應分析 A study of the effect of self-paced video learning system on chemistry banding concept. 研究生：謝之珺中華民國 102 年 8 月.

(2) 摘要隨著資訊科技的快速發展與網際網路的日益普遍，電腦多媒體融入教學的趨勢日趨明顯，其具有操作上的便利性與個人學習進度的掌控性，使得各式各樣數位學習教材倍出，並以電腦多媒體做為學習的平台。本研究以坊間某數位學習高中化學課程做為研究的素材，來瞭解學生對於使用電腦多媒體進行學習的情形，研究對象以 16 位學生使用學習系統進行八隅體與路易士結構概念的科學學習，於實驗進行的同時側錄學生於電腦螢幕介面的使用情形，來探討自主多模態影音學習系統課程與學習介面的使用對於化學概念學習成效的影響。研究結果顯示經由自主多模態影音學習系統進行八隅體與路易士結構概念學習，對於概念的整體理解達顯著差異(p= .00< .05)。部分概念在論述方式上不夠明確可能使學習者產生混淆，而對於涵蓋多種概念的情形舉例說明也略顯不足。整體而言，研究對象後測答題表現皆有相當的進步，此外，自主性進行學習更能提升學習系統對於學習的成效。對於學習系統建議(1)在課程概念上：課程內容應增加涵蓋數種路易士結構畫法原則、具有價數的路易士結構與共振情形的舉例說明。在概念呈現上，應多加利用電腦多媒體所具備的優勢，以三度空間的立體結構、電腦模擬或動畫的形式來輔助教學，透過多重表徵的方式來幫助學生連結抽象分子符號和分子內部微觀結構兩表徵間的關係，更能增進學生對於微觀分子結構的認知理解情形。(2) 在介面功能上：於投影片中增加超連結功能，利用關鍵字連結相關結構進行補充說明。. 關鍵字：多媒體、多重表徵、學習成效、學習行為、八隅體規則、路易士結構.

(3) Abstract As the rapid development of information technology and the Internet, it becomes more and more popular to adopt multimedia system into teaching and learning. For student users, multimedia system is quite accessible to them.They can control their studying schedule by themselves. Therefore, a great variety of digital multimedialearning materialshaveemerged nowadays. One specific digital learning material of chemical course for high school is chosen as the research source.Our research focuses on understanding how students achieve learning in the process of using the video learning system. We invite 16 students to watch chemical Octet Rule and Lewis Structure video lessons and record their state of how they interact with the system interface. Then we analyze the result and discuss how self-paced video learning system and its interface influence learning of chemical concepts. The research result indicates that when learning Octet Rule and Lewis Structure from self-paced video learning system, it reaches the significant difference for understanding the overall concept (p= .00< .05). However, it is not clear enough when illustrating some concepts and it may get our research participants confused. Also,it gives insufficient examples to support some conditionsthat cover multiple concepts.As a whole, our researchparticipants all have great improvement in the later examination performance.Moreover, the self-paced video learning system has better result for those participants who are more willing to do self-learning. For our recommendations tothedigital learning system: Firstly, in the aspect of course concept, it is suggested to add more drawing principles covering several Lewis Structures and more examples for illustrating Lewis Structure with valance electrons and resonance condition into course content. In the concept presentation, the advantages of computer multimedia should be highly utilized to.

(4) assist teaching through multiple representations, such as three-dimensional structure, computer simulations or animations. It can help students build the linking of abstract molecule symbols and internal microstructure of molecules. It can foster students' cognitive understanding of the microcosmic molecular structure. Secondly, inthe aspect of functionality of system interface, adding hyperlinks into slides to let learners link to related structures by keywords and make further explanations.. Keyword：multimedia、multiple representation、learning effect、learning behavior、Octet Rule、Lewis Structure.

(5) 目次第壹章緒論……………………………………1 第一節. 研究動機與背景…………………………………………………1. 第二節. 研究目的…………………………………………………………3. 第三節. 研究問題…………………………………………………………4. 第四節. 名詞釋義…………………………………………………………5. 第五節. 研究範圍與研究限制……………………………………………7. 第貳章文獻探討………………………………9 第一節. 多媒體……………………………………………………………9. 第二節. 八隅體與路易士結構概念………………………………………15. 第三節. 學習歷程…………………………………………………………19. 第參章. 研究方法………………………………21. 第一節. 化學概念分析……………………………………………………21. 第二節. 自主多模態影音學習系統介紹…………………………………29. 第三節. 研究工具…………………………………………………………34. 第四節. 研究對象…………………………………………………………41. 第五節. 研究流程…………………………………………………………42. 第六節. 資料處理與分析…………………………………………………45. 第肆章. 研究結果與討論………………………49. 第一節. 八隅體與路易士結構概念問卷答題情形………………………49. 第二節. 概念問卷進步率與退步率分析…………………………………59.

(6) 第三節. 課程影片時間及字數與答題進步率的關係……………………86. 第四節. 學習行為與概念問卷答題表現分析……………………………90. 第五節. 學習情意問卷分析………………………………………………109. 第伍章. 結論與建議……………………………113. 第一節. 結論………………………………………………………………113. 第二節. 建議………………………………………………………………119. 參考文獻……………………………………………121 中文部分…………………………………………………………………121 英文部分…………………………………………………………………125. 研究附錄……………………………………………126 附錄一. 八隅體與路易士結構概念課程影片內容分析……...……….126. 附錄二. 八隅體與路易士結構概念問卷……………………...……….146. 附錄三. 學習情意問卷………………………………………...……….149.

(7) 圖目次圖 2-1-1. 多媒體關聯圖……………………….………….………….…………9. 圖 2-2-1. 丙烷分子的表徵方式……………….………….………….…………16. 圖 3-1-1. HNO2 的路易士結構與形式電荷……………………………………25. 圖 3-1-2. O3 的共振結構……………………………………………..………....27. 圖 3-2-1. 自主多模態影音學習系統預設介面截圖……………………...……29. 圖 3-2-2. 自主多模態影音學習系統介面版面配置情形……………..…….…30. 圖 3-2-3. 自主多模態影音學習系統影片控制軸區配置情形………..….……31. 圖 3-2-4. 自主多模態影音學習系統介面控制區配置情形…………..….……32. 圖 3-2-5. 自主多模態影音學習系統小節概念點選區配置情形……..…...…..33. 圖 3-5-1. 研究流程圖..………………………………………………….……...44. 圖 4-1-1. 概念問卷前、後測答對率…………………………………….…….51. 圖 4-2-1. 問卷各題進步率與退步率分布圖………………………….….........59. 圖 4-4-1. 研究對象倒轉與快轉路徑與課程影片概念時間軸對應情形…......93.

(8) 表目次表 2-2-1 Pardo 分子路易士結構畫法程序……………………………........…18 表 3-3-1 研究工具設計要點…………………………………….....……..……34 表 3-3-2 問卷各概念題數分配與概念層次分布情形…………………...…....35 表 3-3-3 問卷試題之雙向細目表……………………………………..…..…...36 表 3-3-4 問卷概念內容、題目、影片時間與口述字數的對應表...…..…......38 表 4-1-1 研究對象前測成績分布……………………………………........…...50 表 4-1-2 正式研究對象前測成績分布………………………………........…...50 表 4-1-3 問卷前、後測答題情形基本統計量………………….……..............51 表 4-1-4 概念問卷前、後測成對樣本t考驗…………………….….................52 表 4-1-5 各概念題數分配情形…………………………………………....…...53 表 4-1-6 八隅體介紹前、後測成對樣本t考驗…………………......................54 表 4-1-7 八隅體規則前、後測成對樣本t考驗………………….………….....54 表 4-1-8 路易士結構的畫法前、後測成對樣本 t 考驗………………...….....55 表 4-1-9 路易士結構的共振前、後測成對樣本 t 考驗………………..…......55 表 4-1-10 鍵數、鍵長與鍵能前、後測成對樣本 t 考驗…………………........56 表 4-1-11 概念問卷各題基本統計分析…………………………………....…...56 表 4-2-1 A01 題目與概念 1-1 內容…………………………………..…...…...60 表 4-2-2 A02 題目與概念 3-4 內容…………………………………….....…...61 表 4-2-3 A05 題目與概念 5-3 內容…………………………………….......….62 表 4-2-4 A06 題目與概念 2-1 內容……………………………………............62 表 4-2-5 A07 題目與概念 3-1 內容……………………………………...…….63 表 4-2-6 A08 題目與概念 1-2 內容……………………………………...….....64.

(9) 表 4-2-7 A10 題目與概念 3-7 內容…………………………………..…...…...64 表 4-2-8 A14 題目與概念 2-2 內容…………………………..…………...…...65 表 4-2-9 A15 題目與概念 3-2 內容…………………..……………..….....…...66 表 4-2-10 A18 題目與概念 3-7 內容………………………….……..….....…...67 表 4-2-11 A19 題目與概念 5-1 內容…………………………………......…....68 表 4-2-12 A09 題目與概念 2-3 內容………………………………........…......70 表 4-2-13 A11 題目與概念 5-2 內容………………………………....…..........71 表 4-2-14 A16 題目與概念 4-1 內容………………………………....…...…...72 表 4-2-15 A17 題目與概念 3-7 內容……………………………………...…...73 表 4-2-16 A20 題目與概念 3-3 內容……………………………..…..…...…...75 表 4-2-17 A04 題目與概念 3-6 內容……………….………………..….....…..77 表 4-2-18 A04 各選項前、後測作答情形……………………………......…...78 表 4-2-19 A03 各選項前、後測作答情形…………………………...…...…...80 表 4-2-20 A03 題目與概念 2-4 內容………………………………....…...…...80 表 4-2-21 A12 各選項前、後測作答情形……………………….......…...…...82 表 4-2-22 A12 題目與概念 4-1 內容……………………………..…..…...…...82 表 4-2-23 A13 各選項前、後測作答情形……………………..……………...83 表 4-2-24 A13 題目與概念 3-5 內容………………………………..…............83 表 4-3-1 各概念所佔影片時間、口述字數、投影片字數比例………....…...86 表 4-3-2 相關係數的強度大小與意義…………………………………....…...87 表 4-3-3 Pearson 相關係數……………………………………….…..…...…...89 表 4-3-4 R2 決定係數………………………………..…...….............................89 表 4-4-1 探索式學習研究對象介面操作行為次數統計……..…...…..............90 表 4-4-2 各概念課程影片區間總觀看時間比例與問卷答題情形... ...............97.

(10) 表 4-4-3 探索式學習之研究對象答題情形（課程影片觀看時間＞100%）..102 表 4-4-4 探索式學習之研究對象答題情形（課程影片觀看時間＜100%）..103 表 4-4-5 接受式學習之研究對象答題情形………..…………………….........103 表 4-5-1 自主多模態影音學習系統需改進部分與意見情形……..…...…......110.

(11) 第壹章. 緒論. 本章將於第一節說明研究的動機與背景、第二節為研究目的、第三節為研究問題、第四節為主要名詞釋義、第五節為研究範圍與研究限制。. 第一節. 研究動機與背景. 現代社會科技的進步日新月異，隨著資訊科技愈來愈發達，電腦多媒體融入教學的趨勢日趨明顯，知識內容不僅可採用數位化的方式迅速進行傳遞，且具備融合多種媒體方式來呈現資訊的優勢。事實上在面對著從小就接觸大量影音、聲光刺激的下一代，其接收新資訊的方式不再以文字紀錄為主，書本更不再只是獲得知識的唯一管道，取而代之的為兼具影音與聲光的多媒體資訊，多媒體動畫的使用將是新世代課程設計中不可或缺的重要一環（吳宏達、陳淑華、陳建良，2006）。因此針對不同性質的課程在教學上也出現許多運用多媒體融入教學的輔助工具，例如化學上可藉由多媒體 3D 的立體圖來觀察原子模型立體呈現出各種角度，在生物課程中常極為重要的人體器官結構與血液循環的動態路徑圖也能清楚的由多媒體動畫進行模擬，其中多媒體 power point 簡報除了運用於教學上外，更是一般企業廣泛使用的報告方式之一。且資訊科技運用於教學中其範疇相當廣，例如可將抽象化的教材具體呈現、提供實物演練的經驗，或是提供學校無法提供問題解決的環境（江蕙茹，2002）。資訊科技的快速發展，利用網路來從事學習活動，是一件越來越便利的事情，因此使數位式學習（e-learning）漸漸成為個人學習新知識、新技能的有利工具，且正逐漸地普及與被認同（廖雅玲，2011）。隨著網際網路的日益普遍，在正式課堂後的補救學習領域上也發展出許多利用電腦多媒體做為教學媒介的工具，電腦多媒體在操作上的便利性與個人學習進度的掌控性，對於學習者而言是有所助益的。因資訊科技的應用，使學習更具多元化、個別化，使學習效果更為提升（王曉璿，1999）。顏龍源（2000）指出資訊科技是一種問題解決的工具，也是合作學習的工具，更是訊息傳遞的工具，並認為「資訊融入教學」的操作型定義是「將 1.

(12) 資訊科技中可供教學所用的各項優勢資源與媒體，適切且平順地置入各科教學過程的各個環節中」（何耿旭，2012）。因應這波電腦多媒體融入教學的潮流，數位學習或線上學習網站也如雨後春筍般湧現，各式各樣的多媒體輔助學習教材亦不斷的推陳出新，並以電腦多媒體做為學習的平台。柯文容（2012）也指出教育的資訊化過程，並非只是充實與應用這些資訊硬體設備而已，其中最重要的軟性科技—數位教材，扮演著資訊融入教學成功與否的重要角色（柯文容、林啟超、張珮鳳，2012）。由於化學概念經常涉及抽象概念與微觀的物質結構，與在一般實驗過程中無法觀察的現象，因此在化學概念的學習上通常較為困難。Wu, Krajcik & Soloway 提到相關文獻指出化學表徵學習困難的兩個觀點：首先，由符號和分子內部組成為較抽象的表徵，學生無法以感官上的直覺來理解（Ben-Zvi, Eylon, & Silberstein, 1988）；其次，學生藉由他們的理解所構成概念的基礎，來想像表徵間關聯的能力（Keig & Rubba, 1993）。因此本研究以坊間某數位學習高中化學課程「八隅體與路易士結構」做為研究的素材，八隅體與路易士結構概念為學習化學鍵結與分子形狀所必須具備的基本概念，其所涉及表徵間的轉換是困難的，以 Keig & Rubba（1993）提出 H2O 化學式與結構式之間的轉換為例，首先必須畫出 H2O 正確的化學結構，並具有共價鍵與分子形狀的概念理解，由分子式轉換到結構式，需要識別每一個 H 原子有一根單鍵，具有一個價電子與 O 原子共用，最後以沒有共用的電子對來決定分子的形狀。顯示在進行化學概念學習時，需將肉眼可見的物質連結至以化學符號表示的分子式，再以結構式的表徵方式做分子結構的呈現，學習歷程經由巨觀的現象、符號的形式到微觀的物質結構表徵層面，才得以完成的完整的概念學習，其所經歷的過程是抽象且繁複的轉換。本研究以自主多模態影音學習系統來進行八隅體與路易士結構概念的學習，學習系統內容包括課程影片的播放、授課者口語說明、power point 簡報的重點提示與自主學習介面的操作，藉由研究對象使用學習系統進行高中化學課程八隅體與路易士結構概念的科學學習，進一步來探討學習系統對於概念學習的成效影響與學習系統介面的使用情形。 2.

(13) 第二節. 研究目的. 本研究的目的為藉由學生使用自主多模態影音學習系統進行高中化學課程八隅體與路易士結構概念的科學學習，來探討自主多模態影音學習系統課程與學習介面的使用情形對於化學概念學習的成效影響。研究主要以研究對象使用自主多模態影音學習系統學習「八隅體與路易士結構」概念來進行，並觀察使用自主多模態影音學習系統介面的學習行為，將其與概念問卷的答題情形做進一步的資料分析與相關探討。. 一、探討自主多模態影音學習系統於化學概念的學習效應。二、探討自主多模態影音學習系統介面功能對於學習成效的影響。. 3.

(14) 第三節. 研究問題. 根據研究目的探討自主多模態影音學習系統於八隅體與路易士結構概念的學習效應與系統介面功能對於學習成效的影響，所發展出的研究問題如下：一、自主多模態影音學習系統於八隅體與路易士結構概念的學習效應為何？ 1-1 自主多模態影音學習系統的整體效應情形為何？ 1-2 自主多模態影音學習系統課程內容的優、缺點為何？ 1-3 自主多模態影音學習系統課程影片時間及字數與答題進步率是否具有相關性？二、自主多模態影音學習系統介面功能對於學習成效的影響為何？ 2-1 自主多模態影音學習系統介面功能的使用情形為何? 2-2 自主多模態影音學習系統概念學習時間對答題表現有何影響？ 2-3 探索式學習與接受式學習學生課程影片觀看時間對答題表現有何影響？ 2-4 探索式學生倒轉情形對答題表現有何影響？三、對於自主多模態影音學習系統介面功能有何建議與需求？. 4.

(15) 第四節. 名詞釋義. 一、自主多模態影音學習系統多媒體是以數位化的方式組織文字、相片、視覺藝術、聲音、動畫、影像；而當多媒體的使用者或是觀看者，可以自主性操作多媒體內的元件或元素在任何時間傳遞與上傳，叫做互動式多媒體（李賢輝，1999）。多媒體整合了許多媒體的溝通媒介與傳播方式，除了生活上的運用外，更可進一步的應用於教學中。 Oliver and Herrington（1995）更將多媒體定義為，是一種教育的媒介傳導體，對於教導與學習上提供相當重要的幫助（褚麗絹、李承霖、郭靜蘭，2011）。本研究所使用的電腦多媒體為結合文字、圖片、聲音、影像等多種學習模態，介面並具備可依學習者本身學習進度自行控制的「自主式」功能，包括課程影片播放區的影片拉霸、播放鍵（暫停鍵）、停止鍵、倒轉鍵、快轉鍵與音量鍵，投影片頁面觀看、小節概念點選功能，將其運用於化學概念的科學學習上，在此定義為「自主多模態影音學習系統」。. 二、學習成效本研究所指的學習成效係針對使用自主多模態影音學習系統進行八隅體與路易士結構概念學習之研究對象，於八隅體與路易士結構概念問卷前、後測的作答情形，進步率高、退步率低的學生則學習成效愈好，進步率低、退步率高的學生則學習成效愈差。. 三、學習行為本研究所指的學習行為係針對研究對象在使用自主多模態影音學習系統進行學習時於介面的操作行為，包括課程影片播放時影片拉霸、播放鍵（暫停鍵）、停止鍵、倒轉鍵、快轉鍵與音量鍵，投影片頁面觀看、小節概念點選等學習系統功能的操作情形。. 5.

(16) 四、學習路徑本研究所指的學習路徑係針對研究對象於自主多模態影音學習系統進行學習時倒轉、快轉的過程與課程影片概念區間對應情形，為學習者實際進行學習的經過情形。. 五、學習歷程本研究所指的學習歷程係針對研究對象自主性的操作系統介面功能的學習行為，以及進行學習時倒轉快轉路徑與課程影片概念區間對應情形，所呈現出個人學習的歷程。. 6.

(17) 第五節. 研究範圍與研究限制. 一、研究範圍限定 (一). 本研究的實驗對象為台北市某公立高中二年級學生 16 位，根據 189 位學生八隅體與路易士結構概念問卷前測成績，以其中成績較不理想的 16 位學生做為正式研究對象。. (二). 本研究的概念範圍以自主多模態影音學習系統高中化學課程「八隅體與路易士結構」概念做為研究的素材，自主多模態影音學習系統包含教學影片的播放結合授課者口語說明、power point 簡報的重點提示與與可自行操作控制播放進度與時間等學習介面功能。. (三). 本研究的焦點為探討使用自主多模態影音學習系統進行八隅體與路易士結構概念學習的效應分析，並藉由學生使用自主多模態影音學習系統介面的學習行為來探討介面的使用與學習成效間的關係。. 二、研究限制 (一). 本研究的研究對象為台北市某公立高中二年級學生，可能與其他地區或類型學校的學生有所差異，因此研究結果不宜過度推論至所有高中生。此外，由於本研究參與的人數有限，因此不宜推論至大樣本的參與者，而學生的行為表現亦不宜做過度的詮釋。. (二) 本研究所使用的課程內容為高中化學「八隅體與路易士結構」概念，因此結論不宜過度推論至其他概念或不同學科領域的教學與學習。. 7.

(18) 8.

(19) 第貳章. 文獻探討. 本章主要介紹與本研究相關的理論文獻，第一節為多媒體的介紹，由多媒體的定義與所提供的學習環境，發展至多媒體融入教學做為輔助工具，運用電腦多媒體進行數位學習，多媒體應用於教學上的相關研究。第二節為化學概念的學習困難，從化學表徵的觀點到多重表徵的應用，介紹八隅體規則與路易士結構畫法的程序。第三節為學習歷程與學習行為，藉由學習者使用電腦多媒體進行學習時的學習路徑與學習行為之歷程來推論學習者的學習情形。. 第一節. 多媒體. 一、多媒體的定義多媒體是以數位化的方式組織文字、相片、視覺藝術、聲音、動畫、影像；而當多媒體的使用者或是觀看者，可以自主性操作多媒體內的元件或元素在任何時間傳遞或上傳，叫做互動式多媒體（李賢輝，1999）。一般生活中較為常見的多媒體為電腦，其可將文字、圖片、影像、聲音、視訊等加以整合，相較於以往傳統只有文字或者靜態的圖像，多媒體可以同時滿足使用者於視覺與聽覺上的感官訊息。Blatterner & Dannenberg（1992）將多媒體彼此間的關聯圖示如圖 2-1-1 （嚴心妤，2004）。. 9. 圖 2-1-1 多媒體關聯圖.

(20) 關於不同的多媒體傳播媒介，包括文字（text）、圖片（picture）、圖形（graphics）、影像（images）、聲音（audio）視訊（video）、動畫（animation），所做的說明如下：文字：為最基本的一種傳遞媒介，可以很直接的表達所要傳達的訊息，大多數的多媒體都包含文字。圖片：利用圖片的方式，可以將實際的物質做最真實的呈現。圖形：透過圖形的方式來呈現一些較難表達的訊息。影像：利用動態的影像，有助於資訊的傳達，在多媒體中極具重要性。聲音：利用聲音做為傳播媒介的方式，早期應用在收音機、廣播上，到後來的電視機則結合影像輔以音訊的方式來傳播訊息。視訊：為一連串影像的集合，通常會加入聲音，囊括數種媒介的方式更能適切的傳達訊息。動畫：由許多靜止的畫面以一定的速度連續播放，因而在視覺上產生動態的畫面，相較於靜止的畫面為較生動的傳播方式。由此可知，多媒體整合了許多媒體的溝通媒介與傳播方式，除了生活上的運用外，更可進一步的應用於教學中。Oliver & Herrington（1995）更將多媒體定義為，是一種教育的媒介傳導體，對於教導與學習上提供相當重要的幫助（褚麗絹、李承霖、郭靜蘭，2011）。而戴嬋玲（1996）進一步將電腦多媒體依人機關係分為「互動式（交談式）電腦多媒體」及「自動式（全動式）電腦多媒體」，前者強調於使用者可以較自主的選擇訊息與順序，以達到使用上的最大效率，多運用於學校教學、資料查詢、顧客導覽；後者主要用於例行的展示播放上，強調內容及聲光效果，如櫥窗展示，公司簡介等（林彥銘，2004）。對照本研究所使用的電腦多媒體為結合文字、圖片、聲音、影像等多種學習模態與可自行操作控制播放進度與時間等學習介面的功能，運用於化學概念的科學學習上，在此將其定義為「自主多模態影音學習系統」。. 10.

(21) 二、多媒體提供的學習環境由於現代社會資訊科技的發達，電腦多媒體融入教學的趨勢日趨明顯，相較於從前以書本、文字內容，教師口述來獲取新資訊的方式，現在的學生從小就接觸到大量的影音、媒體、網路等等，其接收新資訊的方式顯得更加多元化，教育與知識的傳遞不再侷限於課本上的內容，多媒體教材的應用更能生動的模擬與增加學生學習的興趣，因此在教學的層面上依不同性質的課程也出現許多運用多媒體融入教學的輔助工具，呈現更多元的教學方式。多媒體應用於教學上的趨勢，除了多媒體的硬體設備外，軟體方面之數位教材因應而生，利用電腦多媒體進行數位學習的情形也日趨普遍。根據行政院國家科學委員會所訂之「數位學習國家型計畫總體規劃書」，其認為數位學習（e-learning）產業涵括數位學習工具（載具及輔具）研發、數位學習網路環境建置、數位教材內容開發、以及數位學習活動的設計等，一般將數位學習定義為「學習者透過資訊通訊科技為媒介，利用數位化的教材與教學方式，整合線上及非線上的學習策略與教學活動所進行的學習方式。」（張素卿，2005）。隨著資訊科技的發展，數位學習提供了在家學習的一個管道，學生可透過電腦多媒體的方式依據本身的進度隨時進行學習，亦可做為程度較低的學生補救學習之用，滿足不同學習者的需求；因此，數位教材的內容與呈現方式，對於學習的影響相對之下也日趨重要。顏龍源（2000）指出資訊科技是一種問題解決的工具，也是合作學習的工具，更是訊息傳遞的工具，並認為「資訊融入教學」的操作型定義是「將資訊科技中可供教學所用的各項優勢資源與媒體，適切且平順地置入各科教學過程的各個環節中」（何耿旭，2012）。資訊科技運用於教學中其範疇相當廣，例如可將抽象化的教材具體呈現、提供實物演練的經驗，或是提供學校無法提供問題解決的環境（江蕙茹，2002；林昱成，2008）。除了提供一般課室教學無法呈現關於課程中較為抽象與微觀的概念，關於多媒體所提供的視覺性、聽覺性與實際操作的介面，更廣範應用於多媒體的教學上。 11.

(22) Mayer認為多媒體教學的內容提供的是富有視覺性、聲色性之動態畫面，更強調如善加運用多媒體教學，將有助於教學並提高學生之學習瞭解。對於以多媒體輔助教學方式的研究結果也發現，此種教學方式可以改善教學品質，減少學習者理解與認知上的負擔，同時在結合視覺與聽覺多重刺激訊息傳達過程中，可以讓學習者注意力更為集中（Mayer，1990；Phillips，1997；Sissel，2000；褚麗絹、李承霖、郭靜蘭，2011）。沈中偉（2001）也指出隨著網際網路的發展、電腦教室有空調設備、可使用電腦遊戲軟體或下載遊戲軟體、使用資訊或多媒體配備比一般在教室上有趣等因素，使大多數學習者都渴望上電腦課，希望改變傳統一般教習者教導單純課程內容的講述式教學的上課方式，將課堂轉換成一個具聲光音效、同時擁有視覺與聽覺刺激的教學模式，引入多媒體科技對於資訊化時代的學習者應具有正面提升的效果（吳宏達、陳淑華、陳建良，2006）。此外，在人體生理感官方面也有相關的研究可做為依據，根據電腦科技研究公司（Computer Technologies Research Cooperation 簡稱 CTRC）在 1993 年的一份研究報告，人類與媒體之間的學習關係如下（曾瑞譙，2009）： (1) 用視覺對所看到的知識學習保留率為 20% (2) 用聽覺的學習保留率為 30% (3) 同時用視覺與聽覺的學習保留率為 50% (4) 同時用視覺與聽覺及實作的學習保留率為 80% 研究發現，同時用視覺與聽覺及實作的學習的保留率為80%最高，而多媒體在感官上的呈現方式進一步由陳彙芳、范懿文（2000）認知負荷對多媒體電腦輔助學習成效之影響研究發現，在多媒體電腦輔助學習的理解與應用能力方面的學習成效，其多媒體資訊的呈現方式應以單一視覺加聽覺的方式較為適宜，因為單一視覺加聽覺感官刺激的學習效果相較於沒有聽覺刺激或過多的視覺刺激的多媒體電腦輔助學習來的更佳。因此，多媒體所提供結合視覺性、聽覺性多重刺激訊息傳達的學習是極為有效率的學習工具，而本研究使用的自主多模態影音學習系統所提供的即是以單一視覺加聽覺的方式搭配自主式學習介面的學習環境。 12.

(23) 三、多媒體應用於教學上的助益運用多媒體融入教學內容與活動來提升學習成效上也有許多相關的研究，游朝煌（1994）指出多媒體的目的在於提供充分之溝通管理，適應學習認知上之個別差異，並以最佳的呈現方式將教學內容表達出來；同時，教學策略若經由多媒體教學，可提供不同的溝通管道，使學習者獲取最佳效果（徐易稜，2001）。 De Jong & Van Joolingen（1998）指出模擬式電腦輔助教學主要的優點是可以讓學習者透過電腦去瞭解無法接觸的現象或看不見的現象，增加認知的機會以達成學習目標。此外，模擬式的學習系統亦具備互動性高、提高學習動機、滿足個別化教學需求、使用者自行控制學習進度、保存學習紀錄、多路徑的學習管道、及可立即獲得回饋等多媒體輔助教學的優點（李世忠，1992；何榮桂、郭再興， 1996；林建佑，2008）。林建佑（2008）數位化的模擬式學習因具有強大的多媒體功能，可將抽象的概念以具體的圖形或動畫呈現，即可運用於電子學學習中以加強學習成效，研究結果發現所建置之模擬學習系統可提升電子學的學習成效。吳哲旭（2008）結合輔助教學策略之模擬式學習系統之研究－以電子學為例的研究中也發現，在模擬式的教學環境中，輔以適當的學習策略，可有效的提升學習者的學習成效。李忠屏（2004）數位科技輔具生字教學系統對國小二年級學生國語科學習成效之研究以「數位科技輔具生字教學系統」進行教學，研究結果顯示此教學系統在注音與部首的學習上具有良好的表現，透過數位科技電腦的學習方式，讓學生可自行控制與重覆練習，達成學習生字之目的。以電腦多媒體輔助化學概念學習的研究，吳昌家（2001）以電腦動畫輔助教學對於國中生學習「粒子概念」的研究中，發現相較於傳統式教學，電腦動畫的輔助教學更可以幫助學生於粒子概念的學習上。李偉新（2002）以所發展設計的化學多媒體輔助教材研究中發現，化學多媒體輔助教材可成為提高學習興趣的課後參考資訊來源，藉以彌補傳統教學的不足；並能提供學習者網路教學資源與進行互動式的學習，解決學習障礙與個別差異的問題。 13.

(24) 在吳宏達、陳淑華、陳建良（2006）關於互動式教學軟體融入電化學相關概念學習的成效探討的研究發現，多媒體動畫的實驗組在表現上大多優於對照組，證明使用多媒體對於電化學相關概念的學習與課程內容的表徵方式是較有效的，且在各學習成就組的整體概念與相關子概念的學習上，各學習成就者學習成效都有一定成效，特別是中學習成就組與傳統課程組相較提升最為顯著。由這些研究發現，利用電腦多媒體來輔助教學，包括模擬式電腦輔助教學、電腦動畫輔助教學、互動式教學軟體等等，對於釐清課程中抽象概念，或增進學生學習動機與興趣上，具有相當的學習成效。. 14.

(25) 第二節. 化學概念的學習困難. 化學概念經常涉及抽象概念與微觀的物質結構，與在一般實驗過程中無法觀察的現象，Johnstone（1993）提出化學的學習可以分為三種面向：巨觀表徵（macroscopic representation）、微觀表徵（microscopic representation）、符號表徵（symbolic representation）。巨觀表徵為可觀察的現象，如冰溶化、糖溶解於水中、硫具有臭味等等；微觀表徵為無法被直接觀察到的情形，如原子結構、化學鍵結等等；而符號表徵則是將化學反應以化學式的方式來表示反應的變化，如 H 2 O → H + + OH − 等等。. 由於許多學生對於化學的理解是從生活細節上感官的經驗來獲得，因此對於化學概念傾向停留在感官的層級，而無法想像分子內部微觀的變化和符號的表徵（e.g., Ben-Zvi, Eylon, & Silberstein, 1986；Gabel et al., 1987；Wu, Krajcik & Soloway, 2001）。Wu, Krajcik & Soloway 提到相關文獻指出化學表徵學習困難的兩個觀點：首先，由符號和分子內部組成為較抽象的表徵，學生無法以感官上的直覺來理解（Ben-Zvi, Eylon, & Silberstein, 1988）；如果學生無法詳盡的連結現象跟表徵間的關係，則不能將新知識連結至他們的認知結構，要使表徵意義被學生理解，在教學上，技術上的工具或化學課程應該幫助學生去建構抽象分子符號和分子內部微觀變化兩者間的連結。其次，學生藉由他們的理解所構成概念的基礎，來想像表徵間關聯的能力（Keig & Rubba, 1993），例如：H2O 化學式與結構式之間的轉換，首先必須畫出 H2O 正確的化學結構，並具有共價鍵與分子形狀的概念理解，由分子式轉換到結構式，需要識別每一個 H 原子有一根單鍵，具有一個價電子與 O 原子共用，最後以沒有共用的電子對來決定分子的形狀，水的分子式 H2O，可以明確表達分子的組成成分與原子比例關係，但無法顯示鍵角與成鍵的數目。因此，表徵間的轉換是困難的，個人需要對於構成概念其基礎概念的理解，並藉由原先的表徵與推論細節去建構目標表徵的詮釋（Keig & Rubba, 1993）。 Verena Steiner（2003）對於化學概念的學習也提到「一個是由於還沒有理解 15.

(26) 的專業概念太多，另一個是由於感到結構太複雜，一個典型的例子就是化學，它至少出現在三個不同的水平面上：宏觀水平面、原子和分子水平面以及符號水平面（即化學式水平面）。在發生化學反應時，例如燃燒：人們看到的是宏觀水平面…在分子和原子水平面上發生什麼是看不見的，但人們必須能夠想像這些小微粒，以便表達這些燃燒反應。這種想像隨後就必須再進入下一個水平面上，即符號水平面，用化學式紀錄在紙上。難怪在上化學實驗課時人們常常會感到愕然。因為在人們所觀察的宏觀水平面和符號水平面之間裂了一個大缺口」（林天陽， 2009）。顯示在化學概念學習時，需將所看到的現象連結至物質分子結構的反應，再將反應的過程以化學式的方式做呈現，學習歷程經由巨觀的現象、微觀的內部反應，進而到符號的表徵層面才得以完成完整的概念學習，其所經歷的過程是抽象且繁複的轉換，因此在化學概念的學習上通常較為困難。為了解決化學概念抽象與微觀特性所造成的學習困難，相關研究進而以多重表徵的方式來幫助學生進行化學概念學習，多重表徵（Multiple Representation）為以多種不同的表徵方式來呈現相同的概念，例如同時利用文字與圖片來解釋鹽溶於水。Ainsworth（2008）指出運用多重表徵於概念的學習上是非常有力的教學工具，將使學生的學習更具有成效，由於一個概念基本上涵蓋許多面向，但是單一表徵往往只能呈現出概念其中的一部分，而透過多重表徵的方式，有助於幫助學生對概念的理解。例如：丙烷分子2D與3D結構所呈現出三種不同的表徵，如圖2-2-1所示（引自 Wu, Krajcik & Soloway, 2001），其中圖(A)為丙烷的結構式，可以表明分子內原子的種類、數目及結合情形，但無法表示三度空間的立體結構；圖(B)為丙烷3D立體結構的分子模型，可以看出分子鍵角與幾合結構；圖 (C)丙烷3D立體結構以直鏈狀呈現，與圖(A)在平面上所呈現的結構式相似。因此，透過多重表徵的方式，連結各表徵間的關係，更能增進對分子結構的認知理解。. (A) 圖2-2-1. 丙烷分子的表徵方式（引自 Wu, Krajcik & Soloway, 2001） 16.

(27) Boulter & Buckley（2000）主張表徵的方式為描述模型是如何做呈現，表徵的方式主要分為下列五種： 1.具體的（Concrete）：指三度空間的實體模型。 2.言語的（Verbal）：指被聽到的、被讀到的、被描述的、被解釋的、被陳述的、辯論的、類比和隱喻的模型。 3.視覺的（Visual）：指被看到的視覺上的模型表徵。 4.數學的（Mathematical）：指公式、方程式與一些模擬。 5.動作的（Gestural）：指物體移動的動態過程。這五種表徵方式可以單獨存在，或互相搭配形成混合的表徵模式（mixed）。本研究使用的課程主題八隅體與路易士結構概念為學習化學鍵結與分子形狀所必須具備的基本概念。八隅體規則為原子藉由得失電子或與其他原子共用電子的方式，使其與鄰近的惰性氣體具有相同的電子排列方式，即其最外層的電子組態為ns2np6，共有8個價電子最為安定；路易士結構，即以一個點表示價殼層中的一個電子，再將價電子分布在元素符號的周圍，而分子的路易士結構可表示元素的價電子排列與分子的鍵結情形。 Pardo（1989）指出，根據不同原子的價電子數，遵照八隅體規則，畫出分子的路易士電子結構，決定鍵結電子對（bonding pair 簡稱B.P）和未鍵結電子對（孤對電子 lone pair 簡稱L.P）的數目，依據形式電荷的計算找出最穩定的結構，以價殼層電子對互斥理論（Valence Shell Electron Pair Repulsion-VSEPR）來判斷分子的形狀。 Pardo（1989）利用八隅體規則，計算電子數畫分子結構的方法，其目的在於畫出合理的路易士結構，但也可判斷σ鍵、π鍵及孤對電子數，利用已知的B.P 和 L.P 數目來判斷分子結構的形狀。這裡欲探討的部分為Pardo以八隅體規則與原子的價電子數畫出合理路易士結構的程序，表2-2-1以CO2為例：. 17.

(28) 表2-2-1 Pardo分子路易士結構畫法程序（引自 Pardo ，1989）分子路易士結構畫法程序 (a) 計算各原子價電子數的總合。. 以CO2為例 4 + (2×6) = 16 (C). (b) 所有原子皆滿足八隅體的總電子數。. (O). 3 × 8 = 24 3 原子× 8 電子/原子 = 24 個電子. (c) 計算共用的電子數 (b－a)。. 總電子數24，價電子數16 ，故共用電子數為 24 – 16 = 8 個電子. (d) 將每個元素置於中心原子的周圍(在ABx 形式的分子中，通常以電負度最小的原子. O. C. O. (B). (A). (B). 為中心原子)。 (e) 計算鍵結區域數(每一個鍵結區域為兩原. CO2有2個鍵結區域. 子間結合的區域)。 (f) 找出σ電子數(每一個單鍵為一對σ電子)，. 2×2=4. 分子中，2個電子形成一個鍵，σ電子數是. 2 鍵結區域× 2 電子/鍵結區域= 4 個σ電子，. 鍵結區域的兩倍。. 形成兩個單鍵. (g) 畫出單鍵。. O—C—O. (h) 決定π電子數。若π電子存在，則步驟(g)畫. 共用電子數8， σ電子數4 ，π電子數8 – 4 = 4，. 出的某些單鍵必為多鍵(雙鍵或參鍵)，π電. 則CO2 結構可能為兩個雙鍵O=C=O，或一個. 子數即為總共用電子數減去σ電子數(c –. 參鍵 O≡C—O 或 O—C≡O。. f)。. 由於參鍵結構中氧原子的形式電荷不為零，使得參鍵結構具有較高的能量較不穩定，而雙鍵結構中氧的形式電荷皆為零，為最小能量較為穩定。. (i) 計算未共用電子總數為(a – c)。. 總價電子數16，共用電子數16 ，故未共用電子數為 16 – 8 = 8 個電子. (j) 分配未共用電子數，使各原子遵守八隅體. O=C=O. 規則。. 18.

(29) 第三節. 學習歷程與學習行為. 以教育心理學的角度來看，學習是有計畫的接受一連串教學活動後，個體在行為表現上形成改變或思維上產生轉換的現象（梁瑛心、林聰吉、張君維、許正岳，2010）。在認知心理學的角度，學習歷程為學習者內在的學習心理歷程，經由刺激與反應構成聯結，個體對於情境的刺激有所認知，經由對事物的認識、辨別、理解後所表現出來的行為反應歷程。由教學與學習的角度而言，梁瑛心、林聰吉、張君維、許正岳（2010）指出學習歷程為個體在某一特定學習目標的期間中，將學習個體在這段學習期間，所有相關有意義的內容有系統的加以記載，包括知識或技能的學習成效、心理測驗、特殊表現、教師評比、同儕回應、自我評估或生涯規劃皆屬於學習歷程的內容。學習歷程是有目的、有組織地蒐集學習者在一段時期中與學習過程或成果相關之資料的彙整。由於學習者需參與有關內容、評判標準等的選擇的決定，並記錄自我反省的證據，學習歷程不但可用來展現學習者在某領域學習的努力、進步與成就情形，亦可提供學習者自我反思其認知過程改變或學習策略運用的實際情形（林孟鴻，2001）。因此，藉由學習者的學習歷程可以顯現學習者在進行學習時的成長與進步的學習情形。利用電腦多媒體進行數位學習（e-learning）的情形日趨普遍，學習者以資訊科技為媒介，利用數位化的教材與教學方式來進行學習。學習者在網路上進行瀏覽、搜尋、學習評量及合作學習活動。透過記錄、追蹤及分析這些學習活動，可以讓教師更瞭解學習者在網路學習環境中的學習者的學習進度以及上課狀況等學習者的資料（林清賀，1999；林建佑，2008）。在網路化學習環境中所謂的學習歷程可以用「學習路徑」來解釋，學習者在不同的網路節點上，依照順序連結的方式瀏覽網頁教材時所產生的結構化圖形，可用來輔助教學及自我學習（謝章冠、陳年興2001；林建佑，2008）。. 19.

(30) 本研究於實驗過程中以電腦螢幕側錄軟體側錄研究對象使用自主多模態影音學習系統介面功能的操作行為，包括課程影片播放時影片拉霸、播放鍵（暫停鍵）、停止鍵、倒轉鍵、快轉鍵與音量鍵，投影片頁面觀看、小節概念點選等介面功能的操作，即為學習者的學習行為。而研究中研究對象於自主多模態影音學習系統進行學習時倒轉、快轉路徑與課程影片概念區間對應情形，即為學習者學習之路徑。由學習者自主性的操作系統介面功能的學習行為，以及進行學習時倒轉快轉路徑與課程影片概念區間對應情形，呈現出個人的學習歷程，研究進一步以學習者使用自主多模態影音學習系統進行學習時的學習行為與學習路徑來推論學習者於各概念的學習情形。. 20.

(31) 第參章. 研究方法. 本章內容包括八隅體與路易士結構概念分析、自主多模態影音學習系統介紹、研究工具、研究對象、研究流程、資料處理與分析。藉由研究對象使用自主多模態影音學習系統進行「八隅體與路易士結構」概念的學習，探討自主多模態影音學習系統對於化學概念學習的成效影響與學習系統介面的使用情形。本章內容包括第一節化學概念分析、第二節自主多模態影音學習系統介紹、第三節研究工具、第四節研究對象、第五節研究流程與第六節資料處理與分析，詳述如下。. 第一節. 化學概念分析. 本研究所使用的自主多模態影音學習系統課程內容，以化學概念「八隅體與路易士結構」做為研究素材，課程概念分為五小節：八隅體介紹、八隅體規則、路易士結構的畫法、路易士結構的共振、鍵數、鍵長與鍵能，共17個子概念。以下依據自主多模態影音學習系統課程影片內容概念進行分析。（概念教學時間區間與長度、投影片所呈現的方式與內容文字、轉錄授課者口述內容相關整理請參閱附錄一）. 一、八隅體介紹： 1-1 八隅體定義：當一個原子的周圍滿足八個電子，其價層被填滿而安定。一個原子軌域可容納兩個電子，當原子外圍的1個s軌域及3個p軌域，四個軌域皆填滿為8個電子趨於穩定，原子一般會透過得到、失去或分享電子來達成八隅體。 1-2 典型元素的價電子數與其族數相同。週期表由左而右可分為 18 族，傳統上將週期表分為 A 族與 B 族，A 族 21.

(32) 為主族元素，又稱為典型元素，為 1A 至 8A 共有 8 族，其價電子數與族數相同，1A 族有 1 顆價電子、2A 族有 2 顆價電子、3A 族有 3 顆價電子、......、 8A 族有 8 顆價電子。價電子為原子核外分布在最外殼層的電子，而原子的化學性質取決於其最外層的價電子數，週期表中同一縱行的元素即為同一族，同族元素因其價電子數相同，所以化學性質也相似。. 二、八隅體規則： 2-1 八隅體規則：當原子與原子結合時，傾向擁有與惰性氣體相同的八個價電子數。典型元素與其他原子共用價電子時，通常達到鈍氣之電子組態，即其最外層的電子組態為ns2np6，共有8個價電子最為安定。由於氫僅具有一個s軌域，最多只能置入2顆電子，因此當氫與其他原子共用電子時，只能達到與He相同的2個價電子數，即達到電子組態1s2 就視同滿足八隅體。而原子藉由得失電子或與其他原子共用電子的方式，使其與鄰近的惰性氣體具有相同的電子排列方式，稱為八隅體法則。 2-2 以ⅠA、ⅡA、ⅢA族為中心原子之化合物，中心原子周圍的電子數比八個少。由ⅠA、ⅡA、ⅢA族為中心原子所形成的化合物是為離子化合物，以離子鍵的方式做鍵結，離子鍵為金屬原子與非金屬原子間電子的轉移，陰陽離子間產生的靜電作用力所形成，ⅠA、ⅡA、ⅢA族元素在形成化合物時，易失去電子以ⅠA+、ⅡA2+、ⅢA3+ 陽離子形態做鍵結，故以其為中心原子之化合物未能滿足8個價電子。 2-3 總價電子數為奇數之化合物，不可能滿足八隅體。兩原子在鍵結成分子時共用一對價電子形成單鍵，在路易士結構中這種 22.

(33) 共用電子對所形成的鍵結稱為鍵結電子對，而分子中未共用的電子對稱為孤電子對。由於鍵的生成是由兩個價電子共用而成，八隅體即原子滿足8個價電子的狀態穩定存在，因此當總價電子數為奇數時，必有一個價電子無法成鍵或成對，不可能滿足八隅體。 2-4 涉及d軌域的鍵結，中心原子周圍之電子數可以超過八個。原子的軌域需要以三個量子數來描述，主量子數n、角量子數l 和磁量子數ml。其中主量子數用來描述軌域的大小，表示電子與原子核間的距離，與電子能量極為相關，當n愈大時，電子具有的能量愈大，所佔的軌域也愈大， n=1、2、3、4......依序為K、L、M、N......，用來表示電子的主殼層。角量子數l 則表示軌域的形狀，l 為0、1、2、3、...、(n-1)的正整數，依序可用s、p、 d、f......表示。磁量子數ml 表示軌域方向或副層軌域數，ml =0、±1、±2、±3、 ±l ，原子中每一個主殼層都具有一個s軌域，s軌域的電子在原子核周圍呈對稱的球形分布，而主量子數n=2以上的主殼層才會有p軌域，p軌域包括pX、py、 pZ三種在空間位向上不同的p軌域，軌域形狀呈啞鈴形。而主量子數n=3以上才會有d軌域，d軌域具有五種在空間位向上不同而能階相同的d軌域。每一主殼層中含有n2 個原子軌域，每個軌域中最多填入2個電子，由此可推知，s軌域共可容納2個電子，p軌域共可容納6個電子，d軌域共可容納10 個電子，因此具有d軌域的原子在鍵結時，其周圍的電子數則有可能超過8個電子才呈現穩定狀態。 2-2～2-4 概念總結以下為路易士結構中常見到的三種不符合八隅體規則的情況： (1)以ⅠA、ⅡA、ⅢA族為中心原子之化合物，中心原子周圍的電子數比八個少。 (2)總價電子數為奇數之化合物，不可能滿足八隅體。 (3)涉及d軌域的鍵結，中心原子周圍之電子數可以超過八個。. 23.

(34) 三、路易士結構的畫法： 3-1 路易士結構的畫法：H原子一定排在最旁邊，電負度小的原子通常在中心。路易士結構又稱為路易士電子點式，在表示時以一個點代表價殼層中的一個電子，再將價電子分布在元素符號周圍。在學習路易士結構的畫法時，有些基本的原則須要遵循，H原子僅有s軌域，最多只能容納2個電子形成單鍵，無法做為中心原子，因此在排列時置於末端周圍。電負度為原子對於共用電子對的相對吸引力，電負度大的原子對共用電子對的吸引力愈大，電負度小的原子對共用電子對的吸引力則愈小，因此電負度較小的原子易和其他原子共用電子產生鍵結，在路易士結構上多居於中心，為中心原子。現今常見的元素電負度，是利用原子在鍵結形成分子時兩者間電負度的差異，經由計算所得的相對電負度。 3-2 路易士結構的畫法：O原子或鹵素通常在外圍，除非在過氧化物或超氧化物中，O與O彼此通常不連接。由於氧的電負度為3.5，而鹵素的電負度都偏大，氟為4、氯為3.5，所以在形成共價鍵結時，氧原子通常位於分子的外圍，但是在與氫鍵結時，由於氫原子僅具有s軌域，最多只能容納2個電子，相較於氧更不適合做為中心原子，因此在與氫鍵結的過氧化物或超氧化物中，氧原子相連接做為中心原子。 3-3 路易士結構的畫法：含氧酸中，H原子通常接在O原子上。在含氧酸的路易士結構中，一般而言H原子會接在O原子上，雖然在滿足八隅體的前提之下，亦可畫出H未與O連接的結構，然而實際上必須還要考慮形式電荷（formal charge）的概念，形式電荷有助於得知合理的路易士結構，形式電荷具有以下原則： a. 對於中性分子，形式電荷總和為 0 較具有形式電荷來得合理。 b. 形式電荷愈小，則結構愈趨於穩定合理。 24.

(35) c. 電負度大的原子較容易具有負的的形式電荷。 d. 所有元素的形式電荷總和＝化合物或原子團所帶電荷數。例：HNO2的路易士結構與形式電荷表示如圖3-1-1。 0 0 0 +1. 0. 0. -1. 圖(一). 0. 圖(二). 圖3-1-1 HNO2的路易士結構與形式電荷以上兩種HNO2的路易士結構中各原子皆滿足八隅體規則，因此需進一步考慮形式電荷的合理性，經由結構可知兩種結構的總電荷數皆為0，但圖(一) 中各原子的形式電荷皆為0，相較於圖(二)中N的形式電荷為＋1、O的形式電荷為－1而言，可以判斷出圖(一)為較合理的路易士結構式。同樣的在判斷共振結構中那一結構較為穩定時，也是利用形式電荷的概念，分子的形式電荷愈小，電負度大的原子具有負的形式電荷為較合理的路易士結構。 3-4 路易士結構的畫法：總價電子數的計算。在畫分子的路易士結構時，除了基本的原子排列原則，還要將各組成原子的價電子數加總，再做電子的分配。典型元素的價電子數與其族數相同， 1A族有1顆價電子、2A族有2顆價電子、3A族有3顆價電子、......、7A族有7 + 顆價電子。此外，分子帶正電為陽離子時要減掉其正電荷數，例：NH4 有 5+4-1=8個價電子；帶負電為陰離子時則要加上其負電荷數，例：NO3—有 5+18+1=24個價電子。. 25.

(36) 3-5 路易士結構的畫法：先將電子分配給外圍原子，剩下的再分配給中心原子，末端原子通常遵守八隅體。依據基本的原子排列原則，算出總價電子數後，原子間先以單鍵做鍵結， 2個價電子形成一根鍵，剩下的價電子則先分配給外圍原子，因為外圍原子的電負度較大易拉電子，所以外圍優先滿足八隅體，待外圍原子滿足八隅體後，剩下的電子再分配給中心原子，因此中心原子較有可能出現八隅體的例外，末端原子則通常遵守八隅體。 3-6 路易士結構的畫法：在C、N、O等二週期元素中較可能形成雙鍵或參鍵的鍵結情形。路易士結構中原子在排列時，先以2個價電子形成單鍵做鍵結，剩下的電子再以滿足八隅體做電子的分配，形成分子間的第二根鍵、第三根鍵，稱為π 鍵。π 鍵是由兩個結合原子之軌域（p或d）平行，以側邊對側邊的方式重疊，形成鍵結的電子雲分布在二核的連心線，即核間軸上下方的對稱位置。原子間π 鍵的形成，兩原子間距離必須靠得夠近才得以產生鍵結，所以通常發生在第二週期的C、N、O這些半徑較小、原子距離較近的元素上。 3-7 路易士結構的畫法：綜合概念—例子路易士結構可用來表示化合物的結構，依據路易士結構畫法的基本原則，舉例說明。路易士結構畫法的基本原則如下： (1)H原子一定排在最旁邊，電負度小的原子通常在中心。 (2)O原子或鹵素通常在外圍，除非在過氧化物或超氧化物中，O與O彼此通常不連接。 (3)含氧酸中，H原子通常接在O原子上。 (4)總價電子數的計算。 (5)先將電子分配給外圍原子，剩下的再分配給中心原子，末端原子通常遵守八隅體。 (6)在C、N、O等二週期元素中較可能形成雙鍵或參鍵的鍵結情形。 26.

(37) 四、路易士結構的共振： 4-1 路易士結構的共振：有些分子的路易士結構具有兩種或兩種以上的結構皆能符合路易士結構的電子分配。對於某些無法僅用單一路易士結構來表示，同時具有兩個或兩個以上皆能滿足八隅體的路易士結構分子，在表示時以共振結構的形式表示之。不同的路易士結構是因為π 鍵或未鍵結電子對所配置的位置不同所造成，電子在兩軌域間不停跳躍，形成π 鍵不定域的狀態，共振結構用來表示將電荷平均分布在兩個或兩個以上的原子上。然而，事實上共振結構並不存在，真實粒子的結構也並非這些共振結構所呈現的狀態，在價鍵理論中，由於無法用單一結構來準確表示物質的結構，因此必須要藉助共振的想法來表達。. 五、鍵數、鍵長與鍵能： 5-1 具有共振結構者，鍵數有可能為分數。鍵數為兩原子間共用價電子成鍵的數目，為鍵的級數亦稱為鍵級。由於共振結構是將電荷平均分布在兩個或兩個以上的原子上，形成π 鍵不定域的狀態，故在計算鍵數時，可能會有分數的情況發生。以O3的共振結構為例，分子中O與O所連接的位置有兩個地方，所形成的鍵共有三根，一個單鍵和一個雙鍵，因此O與O原子間的鍵數為3÷2=3/2。圖3-1-2為O3的共振結構：. 圖 3-1-2 O3 的共振結構. 27.

(38) 5-2 鍵數愈多者，鍵能通常較大，鍵能：參鍵＞雙鍵＞單鍵。 5-3 鍵數愈多者，鍵長通常較短，鍵長：單鍵＞雙鍵＞參鍵。鍵數亦稱為鍵級，表示兩原子間共用價電子成鍵的數目。鍵能D(X-Y)為氣相中破壞 1 莫耳 X-Y 所需的平均ΔH，鍵能愈大者，其化學鍵的結合力愈強，鍵數愈多，鍵能通常愈大，參鍵＞雙鍵＞單鍵。鍵長re為原子核到原子核間最穩定的距離，當原子愈小時，原子間的距離較接近，鍵長愈短，反之亦然；單鍵的能量比較弱，原子間的距離較遠，鍵長就比較長，單鍵＞雙鍵＞參鍵，因此鍵的級數愈大，鍵長就愈短，但能量就愈大。以下為C原子間的鍵數、鍵長、鍵能的關係：單鍵： D(C—C) ＝ 348 kJ. re＝0.154 nm. 雙鍵： D(C＝C) ＝ 614 kJ. re＝0.134 nm. 參鍵： D(C ≡ C) ＝ 839 kJ. re＝0.120 nm. ※ 鍵數：參鍵＞雙鍵＞單鍵；鍵能：參鍵＞雙鍵＞單鍵；鍵長：單鍵＞雙鍵＞參鍵。. 28.

(39) 第二節. 自主多模態影音學習系統介紹. 一、自主多模態影音學習系統介面全圖自主多模態影音學習系統主要利用電腦播放由視訊影片、圖片、文字與投影片結合而成的多模態影音學習介面，介面並具有可自行操控的自主式功能，可依據使用者個人的學習進度做調整。圖 3-2-1 為自主多模態影音學習系統預設學習介面全圖的截取圖像。. 圖 3-2-1 自主多模態影音學習系統預設介面截圖. 二、自主多模態影音學習系統介面之版面配置自主多模態影音學習系統介面在版面配置上，除了介面上方區域的系統名稱與科目外，主要區分為影片區與投影片區兩大區塊，影片區包括影片播放區、影片控制軸、介面控制區與小節概念點選區；投影片區包括重點概要補充投影片與主要學習內容投影片。以下就學習系統介面中各區塊功能與按鍵的介紹詳述之，各區塊的版面配置位置與所佔比例如圖 3-2-2 所示：. 29.

(40) 10%. 25%. 15%. 5%. 30%. 3% 12%. 圖 3-2-2 自主多模態影音學習系統介面版面配置情形學習系統介面上方的部份為系統名稱與科目，主要標示此學習系統名稱與正在播放的科目，所占版面為整個學習系統介面的 10%，剩下的介面主要分為左右兩大區塊，左半部為影片區，包括影片播放區 25%、影片控制軸 5%、介面控制區 3%與小節概念點選區 12%；右半部為投影片區，包括重點概要補充投影片 15%與主要學習內容投影片 30%。 (一) 影片區 1. 影片播放區（25%）影片播放區主要為課程教學影像的播放，影像中電子白板所呈現的文字即為此課程的主要學習內容，與右半部主要學習內容投影片上的文字一致，藉以輔助授課者進行教學，並可進一步利用電子白板的功能做學習重點的書寫與相關概念的補充。 2. 影片控制軸（5%）影片控制軸這個區塊中各個按鍵的功能主要用來操控影片播放區影片的播放，包括影片拉霸、播放鍵（暫停鍵）、停止鍵、倒轉鍵、快轉鍵與音 30.

(41) 量鍵。影片拉霸可以在影片播放的時間範圍內隨時將影片播放內容移至想停留的時間點，更具備快速快轉與倒轉的功能；播放鍵可以立即開始進行影片的播放，影片正在播放時使用播放鍵則具有暫停鍵的功能，在影片進行中可隨時使用暫停鍵做停頓；停止鍵可以使進行中的影片停止播放，回復至影片一開始的播放模式；快轉鍵和倒轉鍵則可依據影片的播放進度做快轉與倒轉的動作。此外，在影片控制軸右側的 5 碼數字為影片播放進行時間的標示，可以更明確得知影片正在進行的時間。影片控制軸於自主多模態影音學習系統介面中所在區域位置與各按鍵配置位置如圖 3-2-3 所示：. 圖 3-2-3 3.. 自主多模態影音學習系統影片控制軸區配置情形. 介面控制區（3%）介面控制區主要功能為學習系統介面的操作，由左至右依序為投影片頁. 面向前鍵（投影片倒轉）、影片與投影片同步鍵、投影片頁面向後鍵（投影片快轉）、影片最大化、影片與主要學習內容投影片位置互換。 31.

(42) 由於影片播放時，學習系統介面右半部的投影片區會依據影片所播放的內容，同步進行更換投影片的動作，因此若發生在影片播放的同時未能及時看完投影片的情況，即可使用介面控制區的投影片頁面向前鍵觀看上一頁投影片，再利用影片與投影片同步鍵，則投影片可立即回復至影片進行所播放的段落，介面控制區按鍵的操作僅為投影片之用並不會影響到影片播放的進行。影片最大化按鍵可將影片放大至電腦全螢幕的比例觀看，換言之，介面中其他區塊會自動隱藏，重覆點選即可回復至預設的版面配置。最右側的影片與主要學習內容投影片位置互換按鍵，可將影片播放區與主要學習內容投影片區做位置上的互換，即影片播放區影像的部份由學習系統介面的左上側換至右下側，主要學習內容投影片則由原先的右下側移至左上側，使學習者可以依本身的習慣來做位置上的些微調整。介面控制區於自主多模態影音學習系統介面中所在區域位置與各按鍵配置位置如圖 3-2-4 所示：. 圖 3-2-4. 自主多模態影音學習系統介面控制區配置情形 32.

(43) 4.. 小節概念點選區（12%）小節概念點選區為標示影片課程中各小節主要概念的名稱，最上方所顯. 示的為主題概念名稱與授課老師名字，接下來的部分為影片內容中各小節概念名稱與各小節開始播放的時間點，以條列的方式簡單明瞭的將此單元中各小節概念呈現出來，學習者可以依本身的需求直接點選小節概念進行學習。小節概念點選區於自主多模態影音學習系統介面中所在區域位置與各按鍵配置位置如圖 3-2-5 所示：. 圖 3-2-5. 自主多模態影音學習系統小節概念點選區配置情形. (二) 投影片區投影片區的課程內容投影片包含主要學習內容投影片與重點概要補充投影片，主要學習內容投影片中文字與影像播放區中電子白板所呈現的文字一致，為此課程的主要學習內容，占整個學習系統介面版面的 30%；而重點概要補充投影片則為影片中老師所提及的重要概念，將其口述內容做文字化補充，占整個學習系統介面版面的 15%，利用投影片將學習內容文字化，在觀看影像與聲音的同時，更加強學習者學習時視覺上的記憶。 33.

(44) 第三節. 研究工具. 本研究以高中化學課程「八隅體與路易士結構」概念，做為研究自主多模態影音學習系統對化學概念學習效應的主題，研究工具主要以量化工具「八隅體與路易士結構概念問卷」為主，並且側錄研究對象使用自主多模態影音學習系統時的學習行為，搭配學習情意問卷。. 一、八隅體與路易士結構概念問卷概念問卷經由指導教授與化學、科學教育研究相關背景的化學教師審查，就題目內容的適切性與可行性進行討論與修正，以建立專家效度，問卷題目共20 題，包含17題單選題與3題非選題。預試對象為台北市某高中二年級學生67名，利用預試的信度來檢驗題目的一致性，問卷信度Cronbach’s. α值為0.726，故以. 預試階段的研究工具做為正式施測的研究工具。本研究前測與後測皆使用同一份問卷，藉此比較學生在使用自主多模態影音學習系統進行化學概念學習前後的作答情形，八隅體與路易士結構概念問卷的設計要點如表3-3-1所示。表3-3-1 研究工具設計要點研究工具. 題目類型. 八隅體與路易士. 單選題. 內容涵蓋高中化學課程. 自主多模態影音學習系統於. 結構概念問卷. 非選題. 八隅體與路易士結構相. 八隅體與路易士結構概念課. 關概念. 程中學生的學習情形。. (參閱附錄二). 問卷內容. 使用目的. 學習情意問卷. 複選式簡答題. 自主多模態影音學習系. 1.瞭解學生使用自主多模態. (參閱附錄三). 開放式簡答題. 統對學生學習的影響、. 影音學習系統在情意面向的. 對於系統的建議與需求. 影響。 2.做為改進學習系統的參考依據。. 34.

(45) 本研究使用的研究工具「八隅體與路易士結構概念問卷」，係經由自主多模態影音學習系統化學課程內容所設計出，利用課程內容分析出的概念進行問卷的出題，八隅體與路易士結構概念課程共分為五小節：八隅體介紹、八隅體規則、路易士結構的畫法、路易士結構的共振、鍵數、鍵長與鍵能。概念層面共分為「知識」、「理解」和「應用」三大認知層次，各概念題數分配與概念層次分布情形如表3-3-2，而概念內容、概念層面與題目對應關係之雙向細目表，如表3-3-3所示。表3-3-2 問卷各概念題數分配與概念層次分布情形小節. 知識. 理解. 應用. 題數. 百分比. 1.八隅體介紹. 1、8. —. —. 2. 10%. 2.八隅體規則. 6、9. 3、14. —. 4. 20%. 3.路易士結構的畫法. 2. 7、15、4. 10、13、17、18、20. 9. 45%. 4.路易士結構的共振. —. —. 12、16. 2. 10%. 5.鍵數、鍵長與鍵能. —. 5、11. 19. 3. 15%. 題數. 5. 7. 8. 20. —. 百分比. 25%. 35%. 40%. —. 100%. 35.