探索式遊戲學習策略與先備知識對國中生物質概念學習之影響

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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. 探索式遊戲學習策略與先備知識對國中生物質概念學習之影響. 研究生：劉裕芬. 撰. 中華民國 101 年 7 月.

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(3) 探索式遊戲學習策略與先備知識對國中生物質概念學習之影響. 劉裕芬. 中文摘要本研究旨在探討不同學習環境、學習策略與先備知識對七年級學生物質概念學習成效及自然科學習動機與態度之影響。研究對象為七年級學生，有效樣本為 198 人，實驗教學活動為期五週，共計 250 分鐘。研究設計採因子設計之準實驗研究法，自變項為「學習環境」、「學習策略」及「先備知識」，其中學習環境與學習策略再各別二分為「遊戲環境」和「flash 教材」以及「探索學習」和「闖關學習」，而先備知識則以學習者的先備知識測驗分數高低分為「高先備知識」與「低先備知識」兩種類型；依變項則為「物質概念學習成效」與「自然科學習動機與態度」。研究結果發現：(1)「遊戲環境中闖關學習策略」與「flash 教材中探索學習策略」之學習者在物質概念知識理解成效優於「遊戲環境中探索學習策略」與「flash 教材中闖關學習策略」之學習者，同時，物質概念知識應用成效方面，學習者在「遊戲環境」顯著高於「flash 教材」；學習者採用「闖關學習策略」顯著高於「探索學習策略」；「高先備知識」之學習者顯著高於「低先備知識」；(2)數位學習環境中，學習者皆持有較正向的自然科學習動機與態度，其中在科技態度部分，遊戲環境之學習者顯著優於 flash 教材之學習者。. 關鍵詞：先備知識、物質概念、探索學習、遊戲環境. i.

(4) The Effects of Inquiry-Based Gaming Strategies and Prior Knowledge on Seventh-Graders’ Material Concepts Learning. Yu-Fen Liou Abstract This study aims to investigate the effects of different learning environments, learning strategies, and prior knowledge on seventh-graders’ material concepts learning performance and science learning motivation and attitude. There are 198 seventh-graders participated in the 5-week experimental activity, with a total of 250 minutes. Quasi-experimental research design was employed for this study. The independent variables include “learning environments” (Gaming environment vs. Flash digital material), “learning strategies” (Inquiry-based learning vs. Level-based learning), and “prior knowledge” (High vs. Low). The dependent variables are “material concepts learning performance” and “science learning motivation and attitude”. The results of this study indicate that a) learners’ who used “Level-based learning strategies in Gaming environment” and “Inquiry-based learning strategies with Flash digital material ” outperform those who used “Inquiry-based learning strategies in Gaming environment” and “Level-based learning strategies with Flash digital material” on material concepts understanding; b) in the aspect of performance on material concepts application, learners who learned from “gaming environment” outperform those who used “Flash digital material”, learners who used “Level-based learning strategies” also outperform those who used “Inquiry-based learning strategies”, and the “high prior knowledge” learners outperform the “low prior knowledge” learners; and c) all the learners’ possess positive science learning motivation and attitude toward the digital learning environments, and those learners who used “Gaming environment” reveal higher positive technology attitude than those who used “Flash digital material”.. Keywords: prior knowledge, material concepts, inquiry-based learning, gaming environment ii.

(5) 誌謝在研究的漫漫長日裡，首先感謝的是陳明溥老師從不間斷的細心指導，一系列的研究訓練，包括了 meeting 的報告、研討會的參與及投稿報告、確定研究方向後的研究題目、研究架構和實驗的規畫等，都能夠感受老師的認真及嚴謹的態度，即使是身為所長的忙碌時期，也會抽出時間與我們討論關於研究設計與撰寫論文所會面臨到的各種問題，讓我對於研究領域有相當程度的瞭解，更獲得了許多收穫。其次感謝的是撥空參與論文口試的委員沈俊毅老師與游光昭老師，不僅花費時間審閱論文，並給予詳細且寶貴的指導與建議，讓我的論文可以更加完善。 CSL 的各位夥伴們對於你們一路上的陪伴與扶持，我的感謝之意難以言語，不管是思考研究時的困惑、尋找實驗學校時的困難或者是撰寫論文時的低潮等種種事情，都因為你們的協助而能迎刃而解。此外，也要感謝資教所的所有老師與同學們所給予的幫助，讓我能夠在研究的漫漫長路裡不停地向前邁進。最後感謝的是親愛的家人們，在我研究所的期間裡給予無限的支持，並讓我沒有顧慮的專注於課業中；感謝我的朋友與室友們，在我遭遇研究的挫折時，能夠提供休憩的空間，使我能夠暫時離開研究的思緒中，並在放鬆之後能夠重新整理再次出發。. iii.

(6) 目錄中文摘要 ......................................................................................................................... i Abstract.......................................................................................................................... ii 誌謝 ............................................................................................................................... iii 表次 ............................................................................................................................... vi 圖次 .............................................................................................................................. vii 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 ............................................................................... 4 第三節研究範圍與限制 ....................................................................................... 5 第四節重要名詞釋義 ........................................................................................... 7 第二章. 文獻探討 ........................................................................................................ 9. 第一節化學物質概念之學習 ............................................................................... 9 第二節遊戲式數位學習 ..................................................................................... 12 第三節探索與闖關學習策略 ............................................................................. 17 第四節先備知識 ................................................................................................. 21 第三章. 研究方法 ...................................................................................................... 23. 第一節研究對象 ................................................................................................. 23 第二節研究設計 ................................................................................................. 25 第三節實驗流程 ................................................................................................. 50 第四節研究工具 ................................................................................................. 53 第五節資料處理與分析 ..................................................................................... 56 第四章. 結果與討論 .................................................................................................. 59. 第一節物質概念學習成效分析 ......................................................................... 59 第二節自然科學習動機與態度分析 ................................................................. 68 iv.

(7) 第五章. 結論與建議 ................................................................................................... 81. 第一節結論 ......................................................................................................... 81 第二節建議 ......................................................................................................... 85 參考文獻 ....................................................................................................................... 88 附錄一物質概念成效測驗(前測) ............................................................................ 100 附錄二物質概念成效測驗(後測) ............................................................................ 103 附錄三自然科學習動機與態度量表(遊戲環境版本) ............................................ 106 附錄四自然科學習動機與態度量表(FLASH 教材版本) ...................................... 108. v.

(8) 表次表 2-1 遊戲式學習之實證研究 ................................................................................... 14 表 2-2 遊戲環境與 flash 教材之差異性 ..................................................................... 16 表 2-3 探索與闖關學習策略之差異性 ....................................................................... 20 表 3-1 實驗教學分組及各組人數分配表 ................................................................... 24 表 3-2 探索學習策略之學習活動設計 ....................................................................... 30 表 3-3 物質概念測驗之向度、題號、題數及內部一致性分配表 ........................... 53 表 3-4 自然科學習動機與態度量表之向度、題號、題數及內部一致性分配表 ... 55 表 4-1 物質概念學習成效之平均數摘要表 ............................................................... 60 表 4-2 物質概念學習成效分項之共變量矩陣等式的 Box 檢定............................... 62 表 4-3 物質概念學習成效分項之受試者間效應項的檢定 ....................................... 63 表 4-4 物質概念學習成效之受試者間效應項的檢定 ............................................... 64 表 4-5 學習環境與學習策略對學習者物質概念學習之知識理解之平均數摘要表 65 表 4-6 學習環境與學習策略對學習者物質概念學習之知識理解之單純主效果變異數分析摘要表....................................................................................................... 66 表 4-7 物質概念學習成效分析結果摘要表 .............................................................. 66 表 4-8 自然科學習動機與態度之平均數摘要表 ....................................................... 69 表 4-9 物質概念學習成效分項之共變量矩陣等式的 Box 檢定............................... 75 表 4-10 自然科學習動機與態度分項之受試者間效應項的檢定 ............................. 75 表 4-11 自然科學習動機與態度之受試者間效應項的檢定 ..................................... 77 表 4-12 自然科學習動機與態度分析結果摘要表 ..................................................... 79. vi.

(9) 圖次圖 3-1 研究設計架構圖 ............................................................................................... 25 圖 3-2 物質概念之知識架構圖 ................................................................................... 27 圖 3-3 星海爭霸Ⅱ編輯器之遊戲設計界面 ............................................................... 28 圖 3-4 探索式學習策略之三段式學習環 ................................................................... 29 圖 3-5 探索式學習策略之學習歷程 ........................................................................... 35 圖 3-6 學習者從 NPC 身上獲得學習任務的內容 ..................................................... 35 圖 3-7 提示學習者必須撿拾符合要求的物品 ........................................................... 36 圖 3-8 學習者在進行任務的過程中習得化學性質的概念 ....................................... 36 圖 3-9 學習者從物品的資訊性內容習得概念 ........................................................... 37 圖 3-10 學習者拾取了錯誤的物品引來妖怪的攻擊 ................................................. 37 圖 3-11NPC 根據學習者的回答給予反思性回饋...................................................... 38 圖 3-12 探索式學習策略之遊戲操作介面的說明 ..................................................... 39 圖 3-13 探索式學習策略之 flash 教材操作介面－提示文字 ................................... 40 圖 3-14 任務的主畫面 ................................................................................................. 41 圖 3-15 根據物質性質判斷任務所需之物品 ............................................................. 42 圖 3-16 根據物質性質將物質進行分類 ..................................................................... 42 圖 3-17 闖關式學習策略之學習活動歷程 ................................................................. 43 圖 3-18 闖關式學習策略之遊戲環境介面 ................................................................. 44 圖 3-19 闖關成功所需完成的事項 ............................................................................. 45 圖 3-20 完成闖關條件的方式之一是回答與此關卡習得概念相關之問題 ............. 45 圖 3-21 闖關式學習策略之 flash 教材操作介面 ....................................................... 46 圖 3-22 提示文字－用來指示學習者行為的方向 ..................................................... 47 圖 3-23 學習者從迷宮中所設置的地點直接習得物質概念 ..................................... 48 圖 3-24 學習者在闖關過程中需正確回答問題 ......................................................... 48 圖 3-25 學習者必須根據習得的物質概念選擇最符合關卡要求的物品 ................. 49 圖 3-26 實驗教學流程 ................................................................................................. 51 圖 3-27 學習者在進行實驗教學活動時的情形 ......................................................... 52 圖 3-28 物質概念學習成效分析流程圖 ..................................................................... 56 vii.

(10) 圖 3-29 自然科學習動機與態度分析流程圖.............................................................. 57 圖 4-1 學習環境與學習策略對物質概念知識理解影響之學習成效圖.................... 64. viii.

(11) 第一章. 緒論. 本章針對本研究之研究背景進行說明，並闡述本研究之價值、目的、研究範圍與限制，最後則會對本研究主要探討之名詞加以釋義與界定。. 第一節研究背景與動機科學教育中化學是連結其他科學學科的橋樑(Barab et al., 2009)，但學習者學習化學時常會感到困難、抽象，且與生活沒有關聯(De Vos, Bulte, & Pilot, 2002; Osborne & Collins, 2001)，顯示出化學課程與現實世界相互連結的困難。化學學習可以從概念瞭解的程度分為宏觀、微觀和符號三種層次(Gabel, 1998)，而傳統教學主要強調化學中的數學符號和公式，使學習停留在宏觀的角度，對於微觀世界的粒子行為則欠缺想像的能力(Chiu, 2007; Johnstone, 1993)，此種情形也對學習產生不當的影響。物質概念中所包含的物理及化學變化屬於微觀層次，但學習者常在概念發展不夠完整的情況下，以日常生活經驗之宏觀角度來推斷物質概念的微觀狀態，進而導致迷思概念的產生(林小慧，2008)。因此目前化學課程的內容在發展概念理解時，著重於化學和真實生活的結合，而非像過去一樣專注於解決數學問題。如何減少化學課程中認知與情感間的不協調，促使學習者在與日常生活相關的情形下獲得有意義學習是相當重要的(Bulte, Westbroek, de Jong, & Pilot, 2006; Roehrig & Garrow, 2007)。也有研究指出教科書中不適當的定義、專業術語和圖片亦是影響學習的因素，所以需要發展有效的教學策略和評量工具幫助學習者學習正確的化學概念(Chiu, 2007)。科學教育強調探究活動的重要性，學習的主要精神是以學習者為中心並逐步建構知識，進而培養科學思考及解決問題的能力，儘管活動模式不盡相同，皆顯示科學探索過程對學習的影響(洪振芳，2003；陳欣蘭，2007)。從認知層次來看，探索過程則能讓學習者將事實性的記憶學習轉變為更高層次的深層理解與應用 (Gibson & Chase, 2002; Hodson, 1990,1992）。此外，探索歷程習得概念的形式與建構主義所強調的學習觀點相似，學習者皆應主動學習，而不是被動的接受知識，即讓學習成為自發性的探索歷程(周文忠，2005)。然而，近年來以情境輔助學習的方式逐漸興起，且被認為能夠解決傳統化學學習問題，並吸引學習者瞭解習得之概念並將其賦予意義。情境作為學習新概念的出發點和輔助使得課程更具連貫 1.

(12) 性，協助學習者體驗有意義且具相關性的學習；而化學課程中的抽象理論和數學問題也能藉由此種方式促進其在實際環境中的應用(Bulte, Westbroek, de Jong, & Pilot, 2006; Gilbert, 2006; Nentwig, Parchmann, Demuth, Gräsel, & Ralle, 2005; Pilot & Bulte, 2006)。整體來說，運用情境為基礎的學習來改變化學課程是目前常用的方式(Shwartz, Ben-Zvi, & Hofstein, 2005)，故若能應用情境為基礎的探索式學習策略於化學學習中，便有機會改善學習者在化學課程中所面臨的困難。學習是一個非常複雜的過程，學習表現會受到各種因素的影響，如學習者的態度、興趣與動機，學習環境也會是影響因素之一(Lin, 1980)。數位學習則提供學習者主動學習並發展技能的環境(Oliver & Herrington, 2001)，讓學習者從被動接受到主動建構知識，且在知識的構築也擁有較多的自主及控制權，進而增加學習的意願並間接影響學習成效(Fu, Su, & Yu, 2009)。不過，隨著網路和多媒體的蓬勃發展，flash 因結合圖像、聲音與動畫等多媒體技術，反而增加學習興趣、協助學習者保留已習得的知識，創建了供學習者積極參與活動且豐富學習過程的學習環境。(Mahamad, Kaoemanee, Ibrahim, & Kasbon, 2012)。其它研究則指出學習環境中使用遊戲作為教育工具的作法也已普遍被接受(Van Eck, 2006)，如科學、數學、語言、歷史等學科都已有使用遊戲環境作為學習工具的實例(Young et al., 2012)。遊戲式學習活動能提供樂趣，使學習者在愉悅的情境中獲取知識及技能(Wu & Tsuei, 2011)，遊戲也能模擬學習者真實世界中的經驗，並創造日常中無法直接體驗的經歷(Winn, 2002)。此外教育遊戲被歸納出幾個共同的特點：目標和任務、挑戰、真實性、探索、互動性、回饋、競爭、合作以及故事情境(Gee, 2003; Kiili, 2004; Korhonen & Koivisto, 2006; Prensky, 2001; Rollings & Adams, 2003)。上述特性創造了更加符合學習者習慣和興趣的新學習文化，並帶來不一樣的學習策略和偏好(Ito et al., 2008; Prensky, 2001)，其中闖關遊戲則是一種能夠根據學習目標和教材內容設計各類關卡活動，並透過學習者的過程表現來評量達到的目標程度(曾亦苓， 2004；鄭巧苹、劉文英，2011)。然而，在遊戲式學習活動中，科學知識的轉換需藉由學習者的反思、提供與科學課程相關的科學技能問題來促進思考，讓他們將遊戲中所學的內容連接到現實生活中(Kim, Park, & Baek , 2009)。綜合上述，本研究規畫在遊戲環境及 flash 所建造模擬遊戲環境的 flash 教材下，使用以情境為基礎的探索學習與闖關學習兩種策略，探討不同學習環境、學 2.

(13) 習策略與先備知識的學習者在物質概念學習成效與自然科學習動機與態度之情形。期望在不同學習環境下運用不同學習策略，能促進高、低先備知識的學習者在物質概念學習的成效與自然科學習動機與態度。. 3.

(14) 第二節研究目的與待答問題本研究旨在探討不同學習環境(遊戲環境、flash 教材)、學習策略(探索學習、闖關學習)與先備知識(高先備知識、低先備知識)對七年級學生物質概念學習成效及自然科學習動機與態度之影響。期望透過探索式遊戲環境促進學習者物質概念學習成效且提升學習者對於自然科學習的動機與態度。本研究之研究目的與待答問題如下：. 壹、研究目的本研究之研究目的有二：一、探討不同學習環境(遊戲環境、flash 教材)、學習策略(探索學習、闖關學習) 與先備知識(高先備知識、低先備知識)對七年級學生物質概念學習成效(知識理解、知識應用)之影響。二、探討不同學習環境(遊戲環境、flash 教材)、學習策略(探索學習、闖關學習) 與先備知識(高先備知識、低先備知識)對七年級學生自然科學習動機與態度 (內在目標導向、外在目標導向、工作價值、控制信念、自我效能、期望成功、科技態度)之影響。. 貳、待答問題本研究針對研究目的提出之待答問題有二：一、學習物質概念時，不同學習環境(遊戲環境、flash 教材)、學習策略(探索學習、闖關學習)與先備知識(高先備知識、低先備知識)對學習者的學習成效上是否會有差異？二、學習物質概念時，不同學習環境(遊戲環境、flash 教材)、學習策略(探索學習、闖關學習)與先備知識(高先備知識、低先備知識)對學習者的自然科學習動機與態度是否會有差異？. 4.

(15) 第三節研究範圍與限制壹、研究對象本研究之實驗參與者為新北市七年級學生，共八個班級，所有班級為男女合班之常態分班，且所有學生均接受過電腦相關課程，能夠熟悉電腦基本操作，並具備基本自然科學概念，但尚未有物質性質(物理、化學性質)、物質變化(物理、化學變化)及物質分類(元素、化合物、混合物)等較細部之概念。由於實驗之限制無法將學習者以個人為單位進行隨機分組，而是以班級為單位隨機分配為四組，且為符合先備知識分組之要求，將學習者依據物質概念前測分數取前、後各 36% 的人數，來分為「高先備知識組」與「低先備知識組」，故本研究結果的推論僅適合相似條件之研究對象。. 貳、教學內容本研究之教學內容為研究者自編之物質概念課程，教學範疇包含「物質性質與變化」、「物質分類」和「生活中常見元素」三部分，其中學習重點在於「物理與化學性質和變化」、「元素、化合物與混合物」和「常見元素特性及應用」的物質概念。故本課程僅著重於教材內容相關的物質概念，其它學習內容則不做深入的探究與討論。. 参、學習方式本研究之參與者過去學習物質概念之方式以教師講述為主，若課程有需動手操作的實驗時，則分組至實驗教室中進行，且學習者從未運用過電腦遊戲或是相似類型的數位教材學習過物質概念。本實驗教學活動利用不同學習環境(遊戲環境、 flash 教材)配合不同學習策略(探索學習、闖關學習)，讓學習者習得物質概念，有鑑於學習者對於遊戲喜好的類型、接觸過的數位教材型式可能具差異性，進而造成學習者的投入及熟悉程度不一致，故研究結果的推論僅適合相似的學習型式。. 肆、研究工具本研究使用兩種研究工具，物質概念測驗用以評量學習者在參與學習活動前後之先備知識程度與學習成效；自然科學習動機與態度量表則在瞭解學習者完成遊戲與 flash 教材活動後，對於自然科的學習態度與使用此類教材學習自然科課程 5.

(16) 之看法。由於物質概念測驗為研究者依據本研究之教材自編而成，雖經學科專家檢閱後修訂過，但會因研究者之需要以及不同之學科專家而有不同的修改結果，加上實驗時間上之限制，預試時是以具有物質相關概念之九年級學習者為對象進行試驗，而自然科動機與態度量表則是將兩種現有之量表分別截取所需之向度修改而成，並因研究者之需要而有不同的修改，故兩種研究工具在信度上會有差異性，因此研究結果僅能推論至類似的研究工具。. 伍、評量方法本研究使用兩種評量方式，評量物質概念學習成效是依據研究者自編之「物質概念測驗卷」，包括物質概念前測與後測測驗卷，題目皆為選擇題，讓受試者以筆試的方式回答試卷中的問題；評量自然科學習動機與態度則根據研究者改編之「自然科學習動機與態度量表」，讓學習者圈選量表中的選項。由於評量方式採用紙筆評量，且動機與態度量表會因受試者的主觀看法而有不同結果，因此研究結果僅能推論至類似的評量方法。. 陸、教學時間與地點本研究為配合原班級之課程進度和教學時間，實驗教學時間一共五週，一週一節課，一節課 50 分鐘，每班總學習時間為 250 分鐘。由於實驗時間不長，所以本研究之研究結果只能提供針對短時間物質概念教學活動之學習成效和自然科學習動機與態度做推論。本研究之實驗教學地點為新北市某私立高中附屬國中部之電腦教室，並提供每班一人一台電腦、教師授課使用的電腦、麥克風及廣播系統。. 6.

(17) 第四節重要名詞釋義本研究之重要名詞，分別說明如下：. 壹、遊戲式數位學習遊戲式數位學習是一種新興且吸引人的學習方式，將樂趣與學習結合在一起，進而在具有娛樂性的互動當中進行學習，提升學習者在學習過程中的動機與成效 (Prensky, 2001)。本研究之學習環境是利用商業遊戲星海爭霸Ⅱ所提供之地圖編輯器來建置充滿聲光效果的遊戲環境，並以 flash 來建置與遊戲相似，但聲光效果並非相當豐富之 flash 教材來探討不同學習環境對學習所造成的影響。此外，兩種學習環境皆分別有「探索學習」及「闖關學習」兩種學習型態，學習者在兩種學習型態中皆扮演一位冒險家，但「探索學習」中會經歷三階段的學習環，且學習者必須透過與非玩家角色的對話來蒐集資訊並完成學習任務，而「闖關學習」則是以迷宮方式呈現，將物質概念細分並散布於各關卡中，學習者在每個關卡皆能習得部分物質相關概念，且只有在獲取概念後才能得到成功闖關的資訊。. 貳、探索學習探索學習是以學習者為主的學習策略，藉由提出探究性問題讓學習者主動進行假設、探索、驗證、歸納及解釋等活動(Looi, 1998)。本研究之探索學習策略是以三階段的學習環進行活動，第一階段「初探」係指透過故事情境引起學習動機，並藉由學習任務來作為學習者探索環境的驅力；「概念引介」係指以對話或者是任務進行中的物品提示來引進物質相關概念；「概念應用」係指學習者必須透過蒐集、分類及解答問題等方式來正確地應用物質概念並完成任務。. 参、先備知識先備知識(prerequisite knowledge)是指學習者在學習新知識前所具備的相關知識(張春興，2008)。本研究之先備知識係指學習者在參與物質概念學習活動前，依據已具備的自然科學概念來填寫物質概念前測測驗卷，分數越高表示先備知識程度越高，反之分數越低則表示先備知識越低。. 7.

(18) 肆、物質概念學習成效物質概念學習成效泛指學習者對物質概念之學習理解與應用。本研究之「學習成效」係指實驗教學後學習者在物質概念的學習成效。測驗面向則根據認知能力層次的不同分為「知識理解」及「知識應用」兩個面向，「知識理解」係指學習者能理解與物質概念有關的定義，如物質的特性；「知識應用」係指學習者能應用物質概念於不同的情境中，如根據情境中所提供的線索選擇正確的物質。因此，本研究對象之物質概念學習成效依據「物質概念測驗」進行評估，各向度之所得平均分數越高，表示學習者物質概念的學習表現越佳，反之平均分數越低，表示學習者物質概念的學習表現越差。. 伍、自然科學習動機與態度動機(motivation)係指引起個體活動並維持活動，且促使活動朝向特定目標前進的內在歷程或原因；態度(attitude)係指個體對人、事與周圍世界所持有具一致性和持久性的傾向(張春興，2008)。本研究之「學習動機」係指學習者參與物質概念學習活動後，學習者對於自然科學習的感受；「學習態度」係指在物質概念學習活動後，學習者對於使用物質概念教材進行學習活動的看法。本研究將吳靜吉與程炳林(1992)之「激勵的學習策略量表修訂」中的動機量表及 Pierce、Stacey 與 Barkatsas (2007)之「數學與科技態度量表」加以結合並修改，分為「內在目標導向」、「外在目標導向」、「工作價值」、「控制信念」、「自我效能」、「期望成功」與「科技態度」總共七個向度進行評估。. 8.

(19) 第二章. 文獻探討. 本研究探討不同學習環境(遊戲環境、flash 教材)、學習策略(探索學習、闖關學習)與先備知識(高先備知識、低先備知識)對七年級學生物質概念學習成效及自然科學習動機與態度之影響。本章首先析論化學學習對科學教育的意義、所面臨的困難與物質概念學習之問題，繼而探討遊戲式數位學習、探索與闖關學習策略及先備知識對學習者學習成效及學習動機與態度之影響。以下分別就化學物質概念之學習、遊戲式數位學習、探索與闖關學習策略及先備知識相關文獻進行歸納和整理。. 第一節化學物質概念之學習本節先瞭解科學教育的意義及重要性，再針對科學教育中化學學習所面臨的學習現況與物質概念的學習問題進行探討。. 壹、科學教育之範疇科學教育的目標在於評量與瞭解學習者具有的知識，並協助發展具組織化的知識架構，藉以改善認知表現(洪振芳、蔡智文、蔡嘉興、周進陽，2008)，但是科學教育常忽略學習者的日常生活經驗(Eylon & Linn, 1988)，且 Barab 等人(2009) 也指出現今科學教育的學習者往往被定位為被動的接受及記住抽象學科的內容，如教師或教科書所提供的概念與定義。就國內科學教育而言，傳統教學時，教師透過講述及列舉眾多的例子來不斷灌輸學習者科學知識，使得學習的焦點著重於學習成效 (楊榮祥、Fraser，1998；盧秀琴，2004)，且此種透過記憶與背誦學習的單向式教學常會消除對於科學的好奇心與創造力(王澄霞，1995)。許多研究指出透過更加真實的探究式教學能夠增進科學學習 (Chinn & Malhotra, 2001; Singer, Marx, Krajcik, & Chambers, 2000; White & Frederiksen, 1998)，而科學探究的精神在國內一直都具影響力，但由於教育者未認真討論何謂科學探究的基礎，使得科學探索等同於傳統的實驗室活動，只是透過程序性的實驗來增強學習者特定的科學概念(Abd-El-Khalick et al., 2004)，所以即使教師重視科學概念及科學過程技能的習得，也僅限於教室講解或演練操作(許民陽、王郁軒、梁添水、鄭紹龍，2001)。故探究教學的實施，會因未善用教學情境引導學習者來 9.

(20) 思考、質疑與批判問題，使得真正的科學概念無法獲得瞭解(王靜如，2001)。因此，大多數的學習者對於應用習得之概念或技能到生活中常會面臨困難(Roth ＆ Roychoudury, 1994)。近年來建構主義已經受到科學教育界的關注，使得教育方向逐漸改為以學習者為中心來建構知識，讓學習者具更多時間與機會去面對並解決問題，此種現象改善了透過記憶科學概念來進行科學學習之情況，進而強調了科學探索與問題解決能力的養成(丁信中、洪振芳、楊芳瑩，2001)。然而，化學是連結其他科學學科的橋梁(Barab et al., 2009)，且化學教育的目標是幫助學習者將概念與真實世界做連結，且此目標的實現已被認為具有重要意義並被廣泛地接受(Glaser & Carson, 2005)，加上資訊科技在科學教育方面的使用越來越普遍，如何有效的整合及使用這些技術來連貫科學概念與真實的世界，成為了科學教學與學習上一個重要挑戰 (Barab & Luehmann, 2002; Mistler-Jackson & Songer, 2000)。. 貳、化學學習的困難與物質概念學習問題科學教育中化學教育過去所面臨的問題一直遭受到相當多的評論，Gilbert (2006)將所面臨的問題歸納成五點：(1)隨著科學知識不斷的累積，課程內容已經超過了負荷，使得許多知識脫離科學知識的起源，變成獨立且分割的概念；(2) 學習者不知該如何將獨立的概念組織成一致且協調的架構，進而形成了無意義的學習；(3)學習者被教導的方式無法讓他們將習得之相似概念應用於不同情境，顯示出學習者在學習化學的過程或日常生活中較無法進行學習遷移；(4)學習者認為所習得的內容，與自己無關且不具任何意義；(5)傳統化學課程中牢固的基礎、正確的解釋及科學技能發展等重點，對於更深層的化學研究來說，現今的化學課程已逐漸不適用。不僅如此，大多數的化學概念都具抽象性質，只利用語言來學習是相當困難的，這種抽象且困難的性質常會導致學習者在學習過程中發展出替代性概念，進而阻礙未來對於化學概念的進一步理解，此種概念即是所謂的「迷思概念」(misconception) (Barab et al., 2009)。迷思概念大多來自學習者的先備知識，主要是對概念或過程的不正確解釋或誤解而產生，可分成下面五種類型(Kathleen, Robert, & Andrew, 2003)：(1)先入為主的觀念：在實際知識或經驗之前所形成的意見；(2)非科學的看法：來自於宗教 10.

(21) 或是虛構的傳言；(3)方言的誤解：具有不確定性的詞彙，如科學理論的使用與流行用語間的差異；(4)概念的誤解：過去科學課程的知識內容不完整或者過於簡化； (5)事實的誤解：在較早的學習中依然存有不正確的概念。許多研究結果也指出國高中的學習者在基礎化學的概念上有超過 42%的迷思概念(Hanson, Taale & Antwi, 2011)。然而，自然界是由各種物質所組成，化學的物質概念是學習及理解其他科學概念的基礎，其中所涵蓋的微觀粒子概念是化學學習極重要的基本概念，同時物質的微觀性質亦屬於抽象概念學習的根本。因此，物質概念學習課程中同樣出現迷思概念的學習問題。如學習者欲將混合物分離時必須考量兩種物質各自擁有的特性，即具備物質特性的概念，指出學習者需透過已習得之概念做為進一步學習的基礎(張容君、張惠博、鄭子善，2007)。有研究提及，學習者的概念常常是零散不完整的(diSessa, Gillespie, & Esterly, 2004)，且無法將習得之概念作為推理的根基應用於日常生活中，甚至在不同的情境下會因為學習者的概念架構不同而產生不一致的解釋(Clough & Driver, 1986)。此種現象證實了化學概念的學習應讓學習者真正瞭解概念所涵蓋的意義，藉以建立化學的知識架構，促使學習者能夠正確的解釋自然界中與物質相關的現象(張容君、張惠博、鄭子善，2007)。多數的早期研究中，學習者也常面臨「為何我需要學習化學」的問題(Demircioglu, Demircioglu, & Calik, 2009)，主要原因仍是出自許多學習者無法應用所習得之化學概念，像是區分日常生活的物質哪些是元素、化合物或混合物，所以需要使用教學情境來幫助學習者獲取化學概念。由此可知，化學可以透過藉由不同方式的互動來教學，並輔以合適的教材和教學策略，發展化學概念及引導學習者習得正確概念避免迷思概念的產生(Hanson, Taale & Antwi, 2011)。因此，如何將化學的知識應用於生活，並且避免迷思概念的產生，是首要注重的因素。. 11.

(22) 第二節遊戲式數位學習本節先探討遊戲式數位學習的範疇，接著瞭解遊戲式數位學習之特點以及遊戲式數位學習對於學習的影響與相關實證研究，再探究遊戲式數位學習對科學教育的影響，最後則是針對本研究選擇遊戲與 flash 教材做為學習環境的理由，以及如何將遊戲式數位學習應用在兩種學習環境中，進行小結性的討論與說明。. 壹、遊戲式數位學習的範疇 Klopfer、Osterweil 與 Salen (2009)定義遊戲式數位學習的目標是習得學習領域中的知識，並促進重要及有用知識的理解。許多研究顯示，遊戲是一個相當具有潛力的學習工具，允許學習者在虛擬環境進行探索，並藉由積極的探索造就主動的學習者。此外，無論是現實生活中存在與否的經歷，在遊戲環境中皆能創造且令學習者信服(Annetta, Minogue, Holmes, & Cheng, 2009)。然而，支持數位遊戲的學者們認為對於生活在數位時代之數位原民的學習者來說，若能將他們喜愛的遊戲加入學習活動中能平衡傳統教材的單調乏味(Fu, Su, & Yu, 2009)，不僅如此，遊戲式學習所提供的娛樂性讓學習者體驗到較有趣的學習方式，進而激發學習者的內在動機，並習得遊戲內的知識內涵(Wu & Tsuei, 2011)。就學習環境而言，遊戲優於其它教學媒介的原因除了極具吸引人的特質，還可支持多重感官、主動、體驗與問題導向為基礎的學習；喚起學習者的先備知識；提供即時回饋讓學習者驗證他們的假設與行為；不同的機制來評量學習成果(Malone, 1980; Oblinger, 2004)。故在遊戲式學習活動中，若能將遊戲與學習內容和活動進行適當且有效的整合，便能讓學習者有積極參與學習活動的機會(Fu & Yu, 2006)。. 貳、遊戲式數位學習之特點研究者指出遊戲中所使用的策略、手段或方式能夠應用於設計教育媒體和互動性的學習環境(Turkli, 1995; Riber, 1996; Prensky, 2001; Malone, 1981; Bowman, 1982; Provenzo,1991)，而教育遊戲所具備的關鍵性特點在於提供學習者能夠將知識應用於情境中的機會(Kuo, 2007)。此外，遊戲還具備其他特點，如娛樂性、回饋、任務、勝利感、互動性、沉浸感(Prensky, 2001; Rolling & Adams, 2003)，其中又以遊戲所提供的挑戰性、不可預測性及競爭性能激發學習者的好奇心提供內在 12.

(23) 動機，促使他們積極參與活動(Fu, Su, & Yu, 2009)，但其他研究者對於遊戲應該具備的特點則持有不同的意見，Thornton 與 Cleveland (1990)認為互動性是一個相當重要的特點，De Felix 與 Johnson (1993)則提出動態的視覺效果、規則、目標及互動是必要的特點，Baranauskas、Neto 與 Borges (1999)則認為挑戰與冒險才是遊戲的本質，Malone (1981)更提出了幻想、好奇心、挑戰與控制為電腦遊戲的主要元素，故根據以上的說法，遊戲會包含以下幾種元素。 (1)幻想：學習活動建置在虛擬的環境時，不會對真實世界造成影響，且能夠建立真實生活中無法體驗的經歷，此種特性促使學習者提高興趣並提升學習效率。 (2)好奇心：學習活動中會不斷引進新的資訊，且具有不可預知的結果，引起學習者的好奇心。 (3)目標與規則：活動會發生在一個特定的時間與空間當中，並根據不同的任務給予不同的目標，且對於完成任務的目標有不同的規則。 (4)挑戰：遊戲活動在每個階段會給予不同層級的難度，並使用漸進式的方式，避免難度過高或過低造成學習者興趣的喪失。 (5)控制：學習者在面對任務時必須做出選擇，且根據所下決定的不同而有不同的遊戲發展。. 参、遊戲式數位學習對學習的影響與實證研究遊戲能夠維持學習者在學科領域中的參與動機，並提高學習成效促進對於知識內容的瞭解(Young et al., 2012)。先前研究也指出，在學習過程中導入數位遊戲的教材，除了促進學習興趣並提供學習者主動學習及經驗遷徙的學習機會外，甚至在學習者之間形成一種社會學習網絡(Hsiao, 2007; Oblinger, 2004)。然而，遊戲提供學習者一個學習環境，使得學習者在遊戲中決策失當或產生錯誤行為時，能夠擁有從錯誤中學習的機會，且過程所給予的回饋則成為學習者不斷努力的驅力 (Prensky, 2001)，而適當的回饋能反應學習者個人的學習成果(Lee & Chen, 2009)，甚至能加強演練的成效(Ke, 2008)。由表 2-1 所顯示之遊戲式學習實驗研究得知，遊戲式學習除了提高學習動機、促進參與、提升學習成效，對於學習遷移以及學習概念保留也具影響。即使如此，實證研究中遊戲式學習所給予的正向學習影響仍舊未顯露出完全的助益，但整體來說，設計良好之遊戲式數位教材依舊能有效 13.

(24) 吸引學習者的注意力並提供學習者內在動機，進而提升學習成效(Wu & Tsuei, 2011)。. 表 2-1 遊戲式學習之實證研究學習科目研究者. 數學教育. 科學教育. 健康教育. 地理. 研究結果遊戲可以透過激發動機而讓學習者積極參與學習活動，進而成功地教導學習者數學概念，且透 Levin (1981) 過遊戲來學習數學的方式，類似於依據學習者個別差異的數學教學方式。學習者可以從遊戲中學習，但是教學軟體較為有 Jolicoeur & Berger (1998) 效。遊戲對於學習者數學的學習是有效的。 Klawe (1998) 學習者透過遊戲的學習成效，比其它不使用遊戲 Din & Caleo (2000) 來學習之同年紀學習者要來得好。學習者能從遊戲中增加動機且有學習遷移的能 Rosas et al.(2003) 力。遊戲式學習可以提升學習者關於物理學中力如 White (1984) 何影響物體運動之問題解決的能力。遊戲能夠增加學習者的學習動機並促進學習活 Betz (1996) 動的參與。研究證明學習動機的增加與使用遊戲來學習具有關連性且發現遊戲比傳統教學在學習上更能 Becker (2001) 激發動機及讓學習更有效率。研究結果發現遊戲對於具體知識的學習最為有 Gander (2002) 效。學習者透過遊戲學習關於口腔衛生的知識時，達到最佳的表現，但是要將口腔衛生的習慣遷移至 Dowey (1987) 日常生活中的變化時，依舊相當困難。研究結果發現學習者可以從遊戲中習得糖尿病 Brown et al. (1997) 的相關概念並改變日常生活習慣。遊戲能提高學習動機且促進性別教育相關知識 Crystal et al. (1999) 的習得。 Noble, Best, 遊戲能夠激勵學習者去體驗活動，且學習者期望 Sidewell, & 能夠再一次玩教育遊戲。 Strang(2000) Forsyth & Lancy 學習者利用冒險性遊戲來學習地理位置時，在學 (1987) 習保留的表現上相當好。學習者無論是透過遊戲或者是非數位教材之教 Wiebe & Martin 學活動學習時，在地理的事實性知識與學習態度 (1994) 上都沒有差異。. 14.

(25) 表 2-1 遊戲式學習之實證研究(續) 學習科目研究者研究結果遊戲增加了學習動機且教導學習者城市規畫者歷史 Adams (1998) 的作用。資料來源：修改自 Simon(2006: 188) 肆、遊戲式數位學習對科學教育的影響教育遊戲被應用在相當多的學習領域中，甚至能夠實現教育目標，像是科學教育中科學學習的動機、科學概念的理解、科學本質、科學技能、科學論述與論證的瞭解，並促進學習者在科學學習上的成功(Annetta, 2012)。從學習的角度來看，遊戲式學習環境替科學的教學和學習提供了較好的型式，主要著重於學習環境與學習概念間的關係，而遊戲建立了持久的虛擬世界，提供了不斷變換的情境，並以學習者為中心，提供主動參與活動的機會，將學習者和環境做緊密的結合。所以學習者能夠透過調查故事情節中的問題，來尋找解決的方案和實施的計畫，並觀察造成的影響，顯示出當學習者扮演第一人稱的角色與其他事物互動時，會影響遊戲世界中的走向(Barab et al., 2009)，例如：商業遊戲-魔獸世界中的煉金術能力經過修改後，能夠讓學習者透過對於物理與化學的基本瞭解後，根據提供的訊息而創造出藥劑，藉此將遊戲與現實生活中的實驗進行連結(Young et al., 2012)。除此之外，學習者在遊戲中不同的進行方式以及與其它非玩家角色的互動也會創造不同的經驗，而豐富的遊戲場景和複雜的互動、描述及任務，可以更深刻的感受故事情境、對話及行動產生的結果(Lim & Reeves, 2010)，而遊戲的情境除了促進積極的參與動機外，也能提供有用的手段來加強科學教育(Barab et al., 2009)。由此可知，設計精良的遊戲，能促使學習者沉浸於互動過程，在虛構的故事中了解遊戲的規則，解決遊戲中的問題。更重要的是，遊戲允許學習者接取任務、進行實驗、且積極的參與在現實生活中無法體驗的活動，所以遊戲用來支持並轉換科學的學習是相當有潛能的工具(Barab et al., 2009)。整體而論，上述關於遊戲式學習相關文獻中，顯示出遊戲對於學習者進行學習能產生極大的助益。但網路和多媒體則被認為能夠擺脫傳統學習的桎梏 (Mahamad, Kaoemanee, Ibrahim, & Kasbon, 2012)。因此，就開發教育遊戲而言， flash 軟體成為首要選擇的原因在於建置動畫、多媒體及遊戲方面具有相當大的潛能，且能夠將難以理解的概念簡化並以視覺化的方式呈現，藉以提高學習者的參 15.

(26) 與度及動機(Young, 2001; Zhang, 2009)。不僅如此，在國中小學使用 flash 遊戲來協助科學教學和學習上，已受到相當的關注，其優勢在於容易操作且能夠創建虛擬的環境學習(McCloughlin, Gash, & O’Reilly, 2008)，flash 遊戲也能提高學習化學的動機、提供環境協助學習者發展基本技能、促進學習的保留、發展較佳的問題解決能力，以及讓學習者積極參與知識的建構過程等(Magner et al., 2002)。只是學習者也提及 flash 遊戲整個操作歷程過短、核心機制的多樣性低、在遊戲歷程中限制較多，期望具備更多的能力、能有不同的方式打擊敵人等，並在更加開放及多樣性的環境中進行探索行為(Roszak, 2012)。然而，隨著線上遊戲的發展更促進了新技術的興起，以商業遊戲作為製作教育遊戲的工具也相當盛行(Mahamad, Kaoemanee, Ibrahim, & Kasbon, 2012; Roszak, 2012)，不僅提供視覺化、聲光效果、奇幻等元素來吸引學習者沉浸於其中(Amory, Naicker, Vincent, & Adams, 1999; Karakus, Inal, & Cagiltay, 2008)，且所創建的 3D 虛擬世界能提供學習經驗(Dickey, 1999)，讓學習者以嶄新的學習方式去體驗現實世界中的真實經驗，並給予和環境進行互動的機會(Petkov, 2011)。故本研究基於上述原因，採 flash 和商業遊戲編輯器來製作學習環境，以探討 flash 模擬遊戲所製作的 2D 數位教材和商業遊戲建置的 3D 遊戲環境對於七年級學生進行物質概念學習活動後，在物質概念學習成效及自然科學習動機與態度上是否具差異性。此外，本研究所創建兩種學習環境的差異性如表 2-2 所示，根據操作介面、聲光效果、地圖場景、角色、互動性及學習任務進行差異性的比較。. 表 2-2 遊戲環境與 flash 教材之差異性學習環境遊戲環境相異點操作介面複雜聲光效果多地圖場景無法一次透視整個場景角色. 學習任務. 互動性打擊妖怪蒐集物品分類物品. flash 教材. 簡單少直接顯示整個場景只能選擇人物頭像、地點作可實際操作人物探索環境為探索環境的行為高低實際操作人物進行攻擊播放影片的方式呈現實際操作人物進行物品的直接以物品圖像方式供學撿拾行為習者選擇物品實際操作人物將採集的物直接以圖像及文字的方式品放置於指定的位置供學習者選擇正確的分類 16.

(27) 第三節探索與闖關學習策略本研究採用探索學習與闖關學習兩種學習策略進行實驗教學設計，其中探索學習策略(inquiry based learning strategy)是以 Karplus 在 1977 年所提出之學習環概念作為基礎，讓學習者以探索的方式在每個階段中逐步建構個人知識架構；闖關學習策略則是由研究者自行定義規畫，目的是為了將目前學習者習得概念的方式結合遊戲與 flash 教材的環境來呈現，藉以探討探索與闖關學習兩種學習策略在不同學習環境下是否也會造成學習成效及動機與態度之差異性。本節將先針對探索學習策略部分依據建構主義的觀點、學習環之範疇以及探索學習與情境化學習對化學學習之影響進行探討，之後討論關於闖關學習的規畫，最後則對本研究中所使用的探索與闖關學習進行說明與比較。. 壹、建構主義的觀點建構主義之學習理論中，建構是指一種透過探索來學習的方式，進而創造成功的學習機會。應用的主要特點包含互動、應對問題及對整體的理解等，且在使用建構的方式創造學習環境時，強調促進學習的過程。所以利用建構主義進行學習時，學習者是主動且積極的參與知識獲得、重建、操作與體驗的過程，使習得之知識具意義、有組織且為永久性(Pivec & Dziabenko, 2004)。整體而言，從上述關於建構主義的敘述，教學設計者在應用建構方法時需考慮以下七個教學目標(Pivec & Dziabenko, 2004)：(1)在知識建構的過程中提供經驗的體驗；(2)提供多面向觀點的經驗；(3)學習活動嵌入的背景需具相關性與真實性； (4)學習過程中讓學習者擁有自主權；(5)將學習活動埋置於社會經驗當中；(6)使用多重表徵的方式；(7)鼓勵學習者在知識建構的過程中加入自我意識。. 貳、學習環之範疇學習環是指學習活動的階段可依照步驟不斷地進行循環(鍾聖校，1995)，並以學習者和活動為中心的探索式教學(邱韻如，2010)，透過以學習者為主體並提供具體的經驗，使學習者經歷認知失調的過程，進而給予新建構概念運用的機會 (楊龍立，1997)。學習環的概念最早由 Karplus 1967 年所提出的初探(Preliminary Exploration)、發明(Invention)和發現(Discovery)三個階段，但由於許多教學者無法 17.

(28) 區分發明與發現之間的差異，所以 Karplus 在 1977 年將三個階段改為了初探 (Exploration)、概念引介(Concept Introduction)和概念應用(Concept Application) (邱韻如，2010)。學習環所分成的三個教學階段與社會所傳遞的經驗相結合，且鼓勵自我調節 (SCIS, 1974)，而三階段的意涵如下所述(Karplus, 1977)： (1) 初探(Exploration)：學習者從環境中獲取經驗，即在新情境中透過自身的行動和反應來學習。在此階段學習者使用最少的引導或為實現特定的期望來探索新的資訊與想法，但學習者無法用自己所習慣的推理模式來解決，由新經驗所喚起的問題或是錯縱複雜的事物，所以學習過程中所造成的不平衡需要學習者進行自我調節的行為。 (2) 概念引介(Concept Introduction)：提供社會傳遞的新概念或原則來幫助學習者應用新的推論模式於個人的經驗中。此階段學習者會依循著與初探階段相關的探索學習活動來學習，有助於個人的自我調節行為。若新概念所涉及的具體定義，與學習者的先備知識相關時，概念引介所帶來的學習效果會特別有效。 (3) 概念應用(Concept Application)：發生在應用新概念或推論模式於其它情境。此階段中，教材所提供之物理性經驗以及與教師和同儕之間的互動扮演了重要的角色，也是新概念所應用範圍的延伸。由於可以協助概念重組較慢或學習經驗中並沒有與教師所解釋之內容有適當關連性的學習者，因而給予了自我調節的額外時間與經驗。近年逐漸有許多研究者根據個人需求將學習環細分為更多階段，且被廣泛地使用，像是5E學習環或是7E學習環等，但在運用學習環的策略時，儘管學習環被分割成多個階段，學習流程皆相當類似。故本研究想從基礎的三階段學習環，來探討此項探索式學習環策略是否會影響學習者的學習成效。. 参、探索學習與情境化學習對化學學習之影響教學主要目的是幫助學習者將新知識建立到長期記憶當中，但過去在化學教學的相關研究上，只是給予教師豐富教學內容的機會，想藉由此種替代性方式來達到更好的學習效果(Demircioglu, H., Demircioglu, G., & Calik, 2009)。但在科學教 18.

(29) 育中學習者不只被期望學習科學內容，也被強調需具備科學態度及科學探究的能力。從學習的角度來看，科學探究主張以學習者為中心的方式去探索環境，而此種形式能夠減少學習者焦慮並增加信心，協助學習者重新定位個人在學習過程中的角色藉以促進學習(Abd-El-Khalick et al., 2004)，也顯示出探索行為對於學習者的學習是必要的存在(Pilot & Bulte, 2006)。探索學習其實是一種自發性學習，學習者能夠根據個人的認知來接收外界所傳遞的訊息，並在探索的過程來建構並修正認知架構。但使用探索學習時，課程的設計必須具有結構性且提供適當的引導，否則反而會阻礙學習者的學習(黃顯宗等人，2004)。在 1970 年代，科學教育提出設計情境並將其嵌入傳統學習策略中能夠解決化學學習問題(Pilot & Bulte, 2006)，且有進一步的研究證據指出情境可以協助學習者對於科學概念有更好的瞭解，且利用故事情節埋置於情境的學習，比學習者在傳統教學方式下，透過筆記或是教師講解來理解化學概念的型式更能展現出學習效果。學習者在尋找故事情節中傳遞的關鍵概念來解決任務的同時，也因情境學習可將理論內容與真實世界相互連結；故事情節能提升學習者連結的能力，藉此促進有意義的學習(Demircioglu, Demircioglu, & Calik, 2009)。視覺化的學習環境對探索式學習來說相當重要(Edelson, Gordin, & Pea, 1997)，所以隨著遊戲逐漸發展為新的互動性學習型式時，也加強了探索式學習的重要 (Pivec & Dziabenko, 2004)。當學習者在虛擬的學習環境中積極探索時，能讓學習內容變得更加有趣，且成為有意義的體驗經歷(Charles & Mcalister, 2004)。此外，故事情節嵌入情境的許多優點，也能豐富學習環境，讓學習者能夠更積極參與學習過程中的情境任務，並輔助學習者將化學概念移至長期記憶中，影響化學學習的態度(Demircioglu, Demircioglu, & Calik, 2009)。由上述內容可知，若能將探索式學習策略結合情境學習，便能改善化學學習的問題，加強學習者將化學知識與真實世界連結的能力。. 肆、闖關學習之相關基礎概念目前學習者在習得化學概念的學習過程中，教師為組織與呈現教材的角色，學習者的任務只在接受知識。即教師大多採用單向式教學，學習方式則以記憶與背誦為主，並在課堂教學中不斷敘述定理及演練計算的步驟，只為達到精熟學習 19.

(30) 的目的，反而降低了學習者對於科學的好奇與學習動機(王澄霞，1995；張新仁， 2002；鐘敏綺、張世忠，2002)。然而，上述教學策略與行為學派所強調刺激與反應之學習歷程相似，故本研究為瞭解直接學習與探索學習對於學習者在物質概念學習成效和動機與態度上是否會有差異。以行為學派的理論作為基礎，將學習機制著重在直接習得概念、立即的回饋，和透過不斷重複學習以達精熟學習的目的。近年來也逐漸強調多元化評量的重要性，甚至出現遊戲化評量的另類方式，其中又以闖關評量更為盛行(鄭巧苹、劉文英，2011)。闖闖評量是指學習者根據教學目標與教材內容，設計各個關卡活動，且教學者能夠藉由觀察學習者在闖關過程中的表現，評量學習者所達成的目標程度。只是評量的多元化導致教學、學習與評量的界線愈趨模糊，所以闖關評量也可稱為一種教學策略(曾亦苓，2004；鄭巧苹、劉文英，2011)。因此，本研究採用闖關評量作為學習歷程之基模，並結合以行為學派為基礎的學習機制發展出闖關學習策略。表 2-3 則針對探索與闖關學習之差異性進行比較。. 表 2-3 探索與闖關學習策略之差異性學習策略探索策略相異點將物質概念涵蓋於故事情概念習得方式境中，學習者透過探索環境來習得概念學習者順利完成任務之前，無論成功或失敗皆能獲任務/關卡取回饋，但任務失敗無須再次學習概念. 20. 闖關策略沒有故事情境的呈現，直接告知學習者物質相關概念學習者順利通過關卡之前，無論成功或失敗皆能獲取回饋，但闖關失敗則必須再次學習該關卡之概念，並重新闖關.

(31) 第四節先備知識壹、先備知識的範疇先備知識是由先前所具有的態度、經驗和知識所形成(Marrs, Blake, & Gavrin, 2003)，從建構主義的觀點來看，學習是一個主動、目標導向、累積性和建設性的活動(Shuell, 1988)，而生活中學習的發生多來自於結合或是修改現有的先備知識 (Vosniadou & Brewer, 1992)。有研究者則指出若學習者原有的科學概念來自於個人經驗下非完全正確的概念時，先備知識將會被徹底的改變(Vosniadou, 1994)。因此，進行學習過程的首要步驟是必須喚起詳盡且與主題相關的先備知識(Bolhuis & Simons, 1999; Dochy, 1994; Dochy et al., 1999)，因若不將先備知識做為未來學習時使用的知識基礎，對於學習新概念是相當困難(Bolhuis, 2003)，甚至可能導致缺乏知識遷移到其它情境下的能力(McKeough et al., 1995)，對於進一步的學習也有可能產生阻礙或是促進的情況，顯示出先備知識扮演了很重要的角色(Bolhuis, 2003)。故先備知識的重要性已受到關注且被廣泛的調查。. 貳、先備知識對學習的影響有意義學習的產生來自於概念與概念之間相互關係的理解，但這段橋梁則是由先備知識與新知識相互連繫所建立(Chandran, Treagust, & Tobin, 1987)。故如何進行有意義的學習已獲得廣泛的注意，而先備知識則被強調會是影響學習的重要因素(Novak, 1980)。許多證據顯示特定領域的先備知識會影響該領域學習的過程及結果(Dochy, Segers, & Buehl, 1999)，也有研究表明學習者的知識常會混淆教育者所要傳遞的正確想法，主要原因是由於眾多的研究結果指出學習過程中習得之知識架構多來自於先備知識，其次才是學習所使用的教材內容(Marrs, Blake, & Gavrin, 2003)。此外，學習者在反思自己的先備知識時能促進學習，同樣地，學習者在反思學習過程中哪些知識是重要的同時，也有可能增強學習效果，而先備知識的可用性對於學習效率的輔助亦是關鍵的因素(Dochy, Segers, & Buehl, 1999)。不僅如此，像是學習所需的時間、學習行為的準確性、努力的程度、教學的有效性或自我效能等，皆會受到先備知識的影響(Bolhuis, 2003)。有研究更指出如何提供學習者明確的教學來喚起先備知識，對學習者在應用層面問題解決的能力具有積極的影響(Spires, Donley, & Penrose, 1990)。 21.

(32) 從學習者所擁有的先備知識高低來看，有研究發現高先備知識的學習者比起低先備知識的學習者更懂得使用學習策略(Spires, Donley, & Penrose, 1990)，對於已習得之知識概念也有較高的回復率(Bolhuis, 2003)，所需的教學支持也較少 (Jonassen & Grabowski, 1993)。整體而言，先備知識對於學習具有極大的重要性 (Ausubel, Novak, & Hanesian, 1978)，若能擁有適當的先備知識，在學習上便能提供更好的理解能力及達到較佳的學習成效(Chandran, Treagust, & Tobin, 1987)。. 22.

(33) 第三章. 研究方法. 本研究旨在探討不同學習環境(遊戲環境、flash 教材)及不同學習策略(探索學習、闖關學習)下，學習者的先備知識(高先備知識、低先備知識)對七年級學生物質概念學習成效及自然科學習動機與態度之影響。以下分別就研究對象、研究設計、實驗流程、研究工具、研究程序及資料處理與分析依序說明。. 第一節研究對象本研究之研究對象為七年級學生，研究樣本為新北市某高中之國中部七年級學生，班級為常態編班，且所有學生均接受過電腦相關課程，具備基本的電腦操作技能與上網能力。以班級為單位從七年級中隨機抽取八個班，並隨機分派至「遊戲環境探索組」、「遊戲環境闖關組」、「flash 教材探索組」、「flash 教材闖關組」四組，每組為兩個班級，共 318 名參與者，男性 194 人，女性 124 人。學習者之先備知識則是將先備知識測驗總分依據總分高低排序，且為求實驗之準確性，將前 36%的學習者作為「高先備知識組」，後 36%的學習者則作為「低先備知識組」，剔除中間 28%之學習者 78 人。因此，扣除未全程參與者 7 人、問卷有問題之參與者 17 人及極端值 18 人，故有效樣本為 198 人。本研究實驗教學分組及各組人數分配如表 3-1 所示，「遊戲環境探索組-低先備知識」23 人，「遊戲環境探索組-高先備知識」26 人，「遊戲環境闖關組-低先備知識」26 人，「遊戲環境闖關組-高先備知識」25 人，「flash 教材探索組-低先備知識」25 人，「flash 教材探索組-高先備知識」26 人，「flash 教材闖關組-低先備知識」23 人，「flash 教材闖關組-低先備知識」24 人，合計遊戲環境組為 100 人，flash 教材組 98 人，探索學習組 100，闖關學習組 98 人，高、低先備知識之學習者則分別 101 人與 97 人。. 23.

(34) 表 3-1 實驗教學分組及各組人數分配表學習環境遊戲環境 flash 教材. 先備知識學習策略先探索學習闖關學習探索學習闖關學習合計. 低先備知識. 高先備知識. 合計. 23 26 25 23 97. 26 25 26 24 101. 49 51 51 47 198. 24.

(35) 第二節研究設計壹、不同學習環境、策略與先備知識之研究設計本研究採用因子設計(factorial design)之準實驗研究法，旨在探討不同學習環境(遊戲環境、flash 教材)、不同學習策略(探索學習、闖關學習)及先備知識(高先備知識、低先備知識)，對七年級學生物質概念學習成效與自然科學習動機與態度之影響。本研究之研究架構如圖 3-1 所示。. 依變項. 自變項. 一、物質概念學習成效 1、知識理解 2、知識應用二、自然科學習動機與態度 1、內在目標導向 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 7、科技態度. 一、學習環境 1、遊戲環境 2、flash 教材二、學習策略 1、探索學習 2、闖關學習三、先備知識 1、低先備知識 2、高先備知識. 圖 3-1 研究設計架構圖. 本研究自變項有三，分別為「學習環境」、「學習策略」、「先備知識」。「學習環境」是將教材以不同工具來建置呈現，分為「遊戲環境」與「flash 教材」兩種類型。「遊戲環境」是利用市售的商業遊戲「星海爭霸Ⅱ」所提供之地圖編輯器來建置，讓學習者可以透過實際操作遊戲人物來進行活動並習得物質概念；「flash 教材」則是使用 flash 軟體建置模擬遊戲之數位教材環境，但學習者無法實際操作遊戲人物來進行活動。「學習策略」是指學習者使用不同的學習方式來習得物質概念，並將策略分為「探索學習」與「闖關學習」兩種。「探索學習」將學習內容以情境化的形式呈現以讓學習者探索環境，並將概念切割成不同的任務，讓學習者在接獲任務後，透過對話、蒐集物品等方式來完成任務，並且習得物質概念； 25.

(36) 「闖關學習」則是以迷宮的形式呈現，學習者先直接習得物質概念，才能進行關卡任務，若是闖關失敗則必須重新學習該關卡之概念後始能重新進行該關卡，且只有在完成關卡任務才能繼續後續的關卡。「先備知識」則是將學習者物質概念前測之得分由高至低進行排序，分數越高表示先備知識程度越高，反之分數越低則顯示先備知識程度越低。因此，為確保樣本之代表性，將先備分數總分前 36% 的學習者作為「高先備知識組」，後 36%的學習者則作為「低先備知識組」。本研究之依變項有二，分別為「物質概念學習成效」與「自然科學習動機與態度」。「物質概念學習成效」是指經學習活動後學習者對於物質概念的學習成效，包含知識理解及知識應用。「自然科學習動機與態度」則是學習活動後，學習者對於自然科學習課程的感受，包含內在目標導向、外在目標導向、工作價值、控制信念、自我效能與期望成功，以及使用課程教材的科技態度之七個面向。. 貳、實驗教學活動設計一、學習目標與內容學習內容是以國民中小學九年一貫課程綱要自然與生活科技學習領域之教材內容中，自然界的組成與特性課題裡之物質的組成與特性，內容包含了物質的組成與功用及物質的型態與性質，並參閱各版本教科書，自編「物質概念」教材。本研究之學習目標是讓學習者瞭解物質相關概念，內容包括(1)物質狀態、(2)物質變化、(3)物質類型、(4)物質應用，如圖 3-2 所示。. 26.

(37) 固態三態. 液態氣態物理變化. 變化化學變化性質金屬種類元素. 物質. 性質非金屬. 純物質. 種類化合反應化合物. 分類. 分解反應特性混合物. 類型及常見種類. 溶解與過濾. 辨別. 分離法. 蒸發與結晶. 應用瞭解特性且能加以應用. 磁性的有無. 圖 3-2 物質概念之知識架構圖. 二、物質概念學習活動之遊戲環境開發工具本研究使用暴雪遊戲公司(Blizzard Entertainment)所推出的商業遊戲－星海爭霸Ⅱ(StarCraft II)中之地圖編輯器來進行物質概念學習活動之遊戲環境的設計，因有研究指出商業遊戲所具有的視覺化、聲光效果、奇幻等元素，能引起學習者的內在動機使其沉浸於環境中(Amory, Naicker, Vincent, & Adams, 1999; Karakus, Inal, & Cagiltay, 2008)。此外許多流行性遊戲所使用的策略、手段或方式則能夠應用在設計教育遊戲上，創造互動性的學習環境(Turkle, 1995; Rieber, 1996; Prensky, 27.

(38) 2001; Malone, 1981)，且星海爭霸Ⅱ(StarCraft II)所提供之編輯器功能強大，除了能自己決定遊戲戰役、地圖外，也能使用模組的型式來建置，甚至創建英雄進行 RPG 模式。因此本研究使用星海爭霸Ⅱ(StarCraft II)中之地圖編輯器來設計遊戲環境的學習活動，其中提供的 3D 地圖、資料、觸發器，可以自行根據所需要的劇情以及效果來編輯，如圖 3-3 所示。. 資料. 觸發器. 地圖工具. 圖 3-3 星海爭霸Ⅱ編輯器之遊戲設計界面三、探索學習策略之學習活動設計 (一) 設計理念本研究之探索學習策略之學習活動是以角色扮演模式結合 Karplus 在 1977 年所提出的三段式學習環：初探(Exploration)、概念引介(Concept Introduction)、概念應用(Concept Application)來設計，如圖 3-4 所示。讓學習者透過故事背景和學習任務引起動機而探索環境，藉由對話與資訊、反思和績效性的提示和回饋來習得並應用物質的概念，以及釐清和增強正確概念，藉此達到情境化學習的目的。 28.

(39) 除了讓學習內容更具連貫性，也使學習者體驗有意義且具相關性的學習，以改善過去化學在教室學習時，讓學習者感到抽象無法與生活做適當連結的現象，解決化學課程與現實生活連結的問題與困難，期望能提高學習動機與學習成效並促進化學的正向學習態度。. 學習者透過習得之概念完成學習任務並以提示性資訊幫助釐清及增強正確概念. 以故事情境和學習任務引起學習者的動機並藉此提供可探索的環境. 概念應用. 初探. 概念引介學習者透過對話或物品資訊習得學習概念. 圖 3-4 探索學習策略之三段式學習環 (二) 探索學習策略之物質概念學習活動設計本研究所設計之物質概念學習活動教材之名稱為<<旅途>>，而探索學習策略之學習活動規畫，如表 3-2 所示，包含了主題、學習內容、學習活動即任務名稱、事件描述與學習任務。. 29.

(40) 表 3-2 探索學習策略之學習活動設計主學習活動學習內容事件描述&學習任務題 (任務名稱) 事件描述：教育訓練場的指導員正準備上課時，赫然發現等會上課要的東西還沒準備齊全，但教具管理員卻是個愛問問題的怪人，指導員實在沒有時間去應付他，但教具卻又缺一不可… 人手短缺. 物質的性質及變化.  物質三態的特性  物質的物理與化學性質  物質的物理與化學變化. 古代魔法. 邢守苦悶. 學習任務：學習者必須依據物質三態的特性順利回答完教具管理員的問題，替指導員取回教具，並協助指導員完成物質三態課程的教學。事件描述：魔術師蒲齊發現了一本與古代魔法相關的古書，古書裡提到西邊的河流處每隔百年會有光球出現，且每個光球都會有物質的不同性質，而近期正逢光球出現之時，所以蒲齊想要利用那些光球來創新他的魔術，但是傳說光球有神獸守護，因此蒲齊正在煩惱不知道該如何才能拿到光球… 學習任務：學習者必須打倒神獸，並且從眾多的光球中找出符合蒲齊要求的光球，替他來創新他的新魔術。事件描述：風災剛結束，面臨的就是一片狼藉，研究員們將善後工作都交給了菜鳥研究員邢守，但是那麼多事情要處理，一個人實在是忙不過來，所以邢守正茫茫地望著遠處，不知道該從何整理才好… 學習任務：學習者必須幫邢守將散落在古堡各處的研究資料找回來，並且依據此種現象所代表的物理及化學性質來進行分類歸檔。. 30.

(41) 表 3-2 探索學習策略之學習活動設計(續) 主學習活動學習內容事件描述&學習任務題 (任務名稱) 事件描述：神祉星球上一年一度的專家聚會又來臨了，原本是彼此增長見聞的好場所，但每個領域的專家都堅持自己的理念不願退步，結果就吵了起來! 專家聚會  物質三態物學習任務：的特性質學習者必須找到具威望且各領域都極擅長專  物質的物的家，從他那裡獲得解決糾紛的方法，否則只會理與化學性讓專家們的糾紛一發不可收拾。性質質  物質的物事件描述：及理與化學最近不知為何到處都有東西遺失，研究員杉迪變變化發現實驗室裡的酒精變少了，醫師筠筠家的香化精蠟燭也變少了，不知道東西跑到哪裡去了… 消失的物品學習任務：學習者必須先瞭解其實生活中許多現象都是物理和化學變化相伴出現的，並為它們找回遺失的物品，並告訴他們物品含量減少的原因…  純物質與事件描述：混合物的醫院實習生小余總愛私下研究一些奇怪的藥基本概念劑，但卻越做越多搞得自己差點拿錯物品，有與特性幾次險些造成危險，所以他很苦惱不知道該如  純物質中何將這些藥劑做分類，因為找不出可以將它們物元素與化分類的基準。質合物的基的本概念與小余災難學習任務：分特性學習者需瞭解物質可以分成純物質與混合物類  元素中金兩類，並利用生活中的物品來教導小余兩者的屬元素與差異，以便幫助小余之後能將他的研究品進行非金屬元歸類！素的差異  分離混合物的方法. 31.