擴增實境融入戶外學習系統思考的設計與運用

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所博士班博士論文 Graduate Institute of Science Education. National Taiwan Normal University Doctoral Dissertation. 擴增實境融入戶外學習系統思考的設計與運用 Design and Application of Augment Reality-Enriched OLEST 李. 文. 獻. Lee, Wen-Shian 指導教授 Advisor：張. 俊. 彥. 博士. Chang, ChunYen, Ph.D.. 中華民國 109 年 6 月 June 2020.

(2) 誌. 謝. 時間過得真快！在科教所進修、撰寫論文近 6 年的時間即將告一段落，這段求學過程雖然辛苦，但卻讓我收穫滿滿，認識了很多師長及同學，也學到了很多的道理，更讓我的教學專業精進不少，在這期間要感謝許多人給予支持與鼓勵！沒有你們的參與就沒有今天的表現。首先要感謝我的指導教授－張俊彥老師及賴信志老師，感謝老師們帶領我進入研究的領域，讓我有機會可以將自己的教學理念付諸於教學行動之外，讓自己的教學專業知能更上層樓，除此之外，還從老師們身上學習到待人處世的道裡，這些都是書本中所學不到的。感謝楊雅婷老師、葉庭光老師及吳穎沺老師，對我的論文提供寶貴的意見與建議，使我的論文內容可以更加完善；同時，對於所有指導過我的老師，致上十萬分的敬意，謝謝老師們的諄諄教誨！讓我能順利進入科教領域學習，展開我人生另一個階段的學習與成長，還有校內同事在行政業務上的協助與幫忙，以及研究室的同學們，你們的付出與關懷，對我助益良多。感謝我最親愛的老婆－慧敏及最疼愛的二位寶貝女兒─叡儀及寧玥，在我進行學業最繁忙的關頭時，家人適時給予我包容及鼓勵，讓我繼續保有想要完成的決心！最後要感謝這段期間所有幫助我的人，感謝您們的支持與愛護，讓我能有今日的表現，在此，願將完成這篇論文的喜悅之心獻給所有關愛我的師長與親友們，並祝福大家平安喜樂。. 李文獻. 謹誌於. 國立臺灣師範大學科學教育研究所中華民國 109 年 6 月. ii.

(3) 中文摘要從過去科學教育相關的實證研究中發現，科學教育經常與學生的生活情境脫節及學習興趣低落，面對生活在一個日益受複雜系統（complex systems）支配的學習環境中，如何讓科學教育能處理複雜系統及活用學校所教授的知識已是當務之急，新時代科學教育應重視將知識與生活真實情境相結合。本研究結合戶外環境場域資源，依其地理區域特色及學科知識來發展系統思考學習地圖，地圖中所呈現的系統思考概念對應五大主題科學教育課程來實施，除了在戶外可以進行學習地圖所安排的科學課程外，課程內容為促進學生在學習上的理解及提高學習興趣，融入數位科技擴增實境（Augmented Reality, AR）技術來幫助學生更視覺化的學習，解決戶外學習場域的事物受空間與時間的限制，無法進行觀察及了解科學原理中的交互作用的困境，此設計稱為「擴增實境融入戶外學習系統思考」（Augment Reality-enriched Outdoor Learning System Thinking, AREOLEST）。本研究目的為發展 AREOLEST，以社區公園周遭學校之國小六年級學生為研究對象，以準實驗法進行實驗教學，並了解學生學習成效及其是否受學習風格、認知負荷之影響，最後再調查學習後滿意度情形。研究結果發現，學生之學習成效有顯著成果，此設計適合不同學習風格的學生使用，同時學習內容及方式也不會造成學生過多的認知負荷，課程結束後所得到的整體滿意度及延後測驗皆有相當良好的成效，故 AREOLEST 的課程設計方式適合國小學生在戶外進行科學教育進行學習，值得教育單位利用及參考。關鍵詞：科學教育、系統思考、戶外教育、資訊科技、學習地圖. iii.

(4) Design and Application of Augment Realityenriched OLEST Abstract From past researches related to science education, it is found that science education has a low disconnection with students' living situations and their learning interests. How can science education be fused in a learning environment will be the most important focus point since the environment is increasingly dominated by complex systems and the use of knowledge taught in schools. This study combines outdoor environment field resources and develops a system thinking learning map according to its geographical area characteristics and subject knowledge. The concepts of system thinking presented in the map are implemented in accordance with five major science education courses. The learning map can be scheduled in outdoor science curriculum, promote students’ understanding and increase interest in learning. It incorporates digital technology, Augmented Reality (AR), to help students to learn more visually, and to solve the problems of outdoor learning areas that are limited by space and time, also those scientific principles which are hard to observe and understand. This design is called "Outdoor Learning System Thinking, AREOLEST". The purpose of this study is to develop AREOLEST, sixth-grader students in primary and secondary schools around the community park joined the research, the researcher used quasi-experimental methods for experimental teaching and to understand students' learning effectiveness whether they are affected by learning styles and cognitive load. Finally, the satisfaction of AREOLEST was investigated after experiments. The results showed that students' learning effectiveness are significant, it indicates this design is suitable for students with different learning styles. Meanwhile, the learning content and methods will not cause too much cognitive load on the students. The overall satisfaction and postponement test obtained after the experiments, all of them presented the curriculum design method of AREOLEST is suitable for elementary school students to carry out science education in the outdoors, which is worthy of reference and use by educational units. Keywords： science education, system thinking, outdoor education, information and communication technology, learning map iv.

(5) 目. 錄. 誌謝……………………………………………………….….…....i 中文摘要………………………………………………….….…...ii 英文摘要………………………………………………….….…..iii 表目錄…………………………………………………….……..vii 圖目錄……………………………………………………….…...ix 第一章緒論一、研究背景與動機…………………………………………1 二、研究目的…………………………………………..……..3 三、研究問題………………………………………..………..4 四、研究範圍與限制………………………………….....…...4 第二章文獻探討一、戶外探究式科學教育……………………………….…...6 二、科學教育的課程設計重視系統性思考…………….….10 三、科學教育的課程設計重視資訊融入教育……….…….14 四、科學教育的課程設計重視學習風格…………….…….17 五、科學教育的課程內容重視學生的認知負荷……….….20 第三章研究方法一、研究工具………………………………………………..25 二、研究架構………………………………………………..34 三、研究流程…………………………………………….….35 四、研究地點…………………………………………….….37 五、 AREOLEST 戶外科學教育課程學習評量設計…….…39 六、科技接受模式（TAM）進行解釋及驗證……………..44 七、資料分析………………………………………………..50 第四章研究結果與討論一、 AREOLEST 對國小六年級學童之成效分析…….…….51 二、 AREOLEST 對不同學習風格國小六年級學童之成效分析………………………………………………………….61 三、 AREOLEST 對不同組別學生認知負荷之差異分析…..65 四、 AREOLEST 對國小六年級學童之滿意度調查………..67 第五章結論與建議……………………………………………....70 參考文獻…………………………………………………………78 v.

(6) 附錄附錄一 AREOLEST 戶外教育課程內容……………………..93 附錄二科技接受模式（TAM）問卷調查審查委員建議事項…………………………………………………...101 附錄三科技接受模式（TAM）問卷調查（正式）……....104 附錄四 AREOLEST 成就測驗審查委員建議事項………...106 附錄五 AREOLEST 成就測驗（正式）...............................111 附錄六認知負荷量表(審查委員建議事項) ……………….114 附錄七認知負荷量表(正式) …………………………….....115 附錄八戶外教育課程學習滿意度問卷審查委員建議事項.116 附錄九戶外教育課程學習滿意度問卷(正式) …….……....117 附錄十學習風格量表問卷(審查委員建議事項) .................118 附錄十一學習風格量表問卷(正式) …………………….....121 附錄十二科學教師及審查委員名單…………………….....123. vi.

(7) 表目錄表1 表2 表3 表4 表5 表6 表7 表8 表9. DSRP 思維模式.....................................................................13 用於操作系統思考和復雜適應系統（CAS）的方法........31 戶外科學教育課程簡要內容................................................34 AREOLEST 成就測驗題目分析..........................................42 學習風格各分量表信度分析................................................43 認知負荷量表各向度信度分析............................................43 科技接受模型（TAM）調查問卷編製說明………….......45 科技接受模式變項描述性統計分析表………………........46 認知易用性、認知有用性對使用態度強迫進入法迴歸參數估計值……………………………………………………...47 表 10 認知易用性、認知有用性對使用態度逐步迴歸法迴歸參數估計值……………………………………………………...47 表 11 認知有用性、使用態度對行為意向強迫進入法迴歸參數估計值………………………………………………………...48 表 12 認知有用性、使用態度對行為意向逐步迴歸法迴歸參數估計值.......................................................................................49 表 13 模型標準化迴歸係數表.......................................................50 表 14 不同實驗處理學生在 AREOLEST 各分測驗之迴歸係數同質性檢定考驗.......................................................................52 表 15 不同組別學生在「衝擊」分測驗前後測描述統計...........53 表 16 不同組別學生在「AREOLEST 成就測驗分測驗一_氣候變遷的衝擊分測驗」前後測單因子共變數分析..................53 表 17 不同組別學生在「我是小小水醫生」分測驗前後測的描述統計………………………………………………………..54 表 18 不同組別學生在「AREOLEST 成就測驗分測驗二_我是小小水醫生分測驗」前後測單因子共變數分析..................54 表 19 不同組別學生在「環境觀察員」分測驗前後測的描述統計 ..............................................................................................55 表 20 不同組別學生在「AREOLEST 成就測驗分測驗三_我是環境觀察員分測驗」前後測單因子共變數分析..................55 表 21 不同組別學生在「我是環境守護者」分測驗前後測的描述統計......................................................................................56 表 22 不同組別學生在「AREOLEST 成就測驗分測驗四_我是環境守護者分測驗」前後測單因子共變數分析..................57 vii.

(8) 表 23 不同組別學生在「我是小小生物學家」分測驗前後測的描述統計..................................................................................57 表 24 不同組別學生在「AREOLEST 成就測驗分測驗五_我是小小生物學家分測驗」前後測單因子共變數分析..............58 表 25 不同組別學生在前後測測驗總分的描述統計………......59 表 26 不同組別學生在「AREOLEST 成就測驗總分」後測單因子共變數分析......................................................................59 表 27 不同組別學生在測驗總分前延後測的描述統計..............60 表 28 兩組學生在「AREOLEST 成就測驗總分」延後測單因子共變數分析..........................................................................60 表 29 不同學習風格學生在 AREOLEST 測驗之迴歸係數同質性檢定考驗..............................................................................62 表 30 不同學習風格相依樣本 t 檢定分析結果............................63 表 31 不同組別學生在「AREOLEST 成就測驗」前後測單因子共變數分析..............................................................................63 表 32 不同實驗處理學生其人數、平均數與標準差之描述性統計結果......................................................................................65 表 33 不同實驗處理的學生認知負荷之獨立樣本 t 檢定分析....66 表 34 封閉式勾選題之學習意見調查結果（N=90）..................67. viii.

(9) 圖目錄圖1 圖2 圖3 圖4 圖5 圖6 圖7. Kolb 的體驗學習模型...............................................................18 學習型態…………………………………………………….….19 研究設計重要概念整體說明圖…………………………….….24 系統工具架構圖…………………………..………………..…..26 3D 數位教材示例…………………………………………..…27 影音數位教材…………………………………………………..27 資訊科技融入「系統性思考取向社區公園學習地圖」第一層圖文內容示例……………………………………………………...28 圖 8 資訊科技融入「系統性思考取向社區公園學習地圖」第二層圖文內容示例……………………………………………………...28 圖 9 系統使用流程圖………………………………………..….......29 圖 10 從科學教師的角度來看複雜適應系統………………………32 圖 11 複雜適應系統對應系統思考取向學習地圖…………………33 圖 12 系統思考取向五大主題課程對照………………………...….33 圖 13 研究架構……………………………….……………………...35 圖 14 研究流程………………………………………………………36 圖 15 巴克禮紀念公園位置圖………………………………………37 圖 16 巴克禮紀念公園資源分佈………………………………...….39 圖 17 科技接受模式（TAM）……………………………………...44 圖 18 使用態度之路徑分析結果……………………………………48 圖 19 使用態度之路徑分析結果…………………………………....49 圖 20 TAM 路徑分析圖………………………………………..…..50. ix.

(10) 第一章、緒論一、研究背景與動機在許多實證研究發現，如何將科學教育運用在學生生活中的實際情境緊密的結合而不脫節是非常重要的（Buxton，2010； Dettweiler, Lauterbach, Becker, ＆ Simon, 2017； James, & Williams, 2017； Fűz, 2018； Kangas, Vuojärvi, & Siklander, 2018）。James, & Williams（2017）並指出學生在學校學習，學習動機低落是一個常見的問題，特別在科學教育方面，學生對學科學習興趣不高、缺乏深刻理解、無法使用學校知識及對學校相關學習的整體冷漠。Ruether （2018）認為戶外教育可以讓學生實地考察並提升其認知優勢，因該場域（或戶外環境）提供了現實生活或世界的情境化的學習場景，同時也是學生可獲得和建立生活中的技能及享受學習的地方。故利用戶外教育場域的資源來和課堂內學習的科學教育結合，可以有效改善學生對科學教育的學習動機及學習成效。然而，在現行教育中，大多數科學教科書並不能有效幫助學生對複雜現象進行較系統及綜合的理解（Liu＆Hmelo-Silver, 2009）。學校裡的學生是處在日益受複雜系統支配的世界中，此系統是動態、自組織，並不斷適應的（Jacobson＆ Wilensky, 2006）。複雜系統（complex systems ）是科學教育學習的重要關鍵，因為它們包含國家科學教育標準中的重要思想，並提供跨越多個科學領域的整合背景（Goldstone＆Wilensky, 2008）。這種對複雜系統重要性的認知，以及當前教育方法在幫助學生理解它們方面的不足，已經成為過去 10 幾年來在社會系統（social systems ）、技術系統（technological systems ）和自然系統（natural systems ）等學科中進行了相關多研究，其重點在了解複雜系統及其理論，以及學生處理自然與科技的複雜系統能力，這些共同努力通常歸入「系統思考」這一詞語（Sabelli, 2006； Assaraf & Orion, 2010）。系統思考將世界視為一個複雜的系統，並支持其相互關聯性和相互關係的理解，因此應該從整體面向上進行研究，使我們能增進理解和開發成功的複雜系統，同時也以整個系統的方式評估及解決問題方案。系統思考已應用於許多不同領域，包括醫學健康、永續發展、國防、項目管理、教育以及服務領域等（Behl, & Ferreira, 2014； Salado, Chowdhury, & Norton, 2019）。雖然系統思考被視為高級思維的技能，但可以在小學發展，透過適當的課程規劃，這些能力可以作為初中和後期高中階段系統思考發展的良好基礎（Sheehy, Wylie, Mcguinness, & Orchard, 2000； Assaraf & Orion, 2005；Evagorou, Korfiatis, Nicolaou, & Constantinou, 2009; Assaraf & Orion,2010； Lezak, & Thibodeau , 2016）。所以， 1.

(11) 在科學教育課程教學活動中，宜重視內容及學習場域結合的系統性思考，方能使學生在學習時，易於去理解概念間的彼此關係。科學教育課程的設計運用應與時俱進，近年因資訊科技時代的快速發展，學生的學習特點是利用資訊和通訊科技（information and communication technology, ICT）來達到無所不在的學習，學生不僅能運用行動技術在課室內學習知識，而且世界各國的政府及教育單位也在努力提高教師在設置 ICT 方面的課程研發與運用能力，特別是科學教育的利用性。故在科學教育的相關實證研究中發現，利用數位科技結合科學教育共同設計課程來進行科學教育，可以有效解決學生抽象難理解的學科概念，以數位科技融入的相關技術中的擴增實境（augmented reality, AR）技術尤為突出（Vonderwell, Sparrow, & Zachariah, 2009； Liou, Bhagat, & Chang, 2016）。此數位科技結合科學教育的課程實施，豐富了包括在課堂上不易了解及發現的抽象現象，因其教學的視覺效果的技術比傳統的科學課程更來的顯而易懂，因此，學生對科學教育的學習興趣會提升，學習成效也就隨之提高。此外，在 AR 技術中同時使用虛擬實境和真實情境，可以幫助學生較易於理解難懂的抽象概念，AR 技術透過實現隱形和難以視覺化事件的三維呈現，更易使科學教育的學習目標被實踐（Arici, Yildirim, Caliklar, & Yilmaz, 2019），在科學教育的益處，例如：能提供有效及效率高的學習環境（Iordache, Pribeanu, & Balog, 2012）；能增進學生在課室內的學習動機及對課程充滿樂趣並積極參與（Yoon, Elinich, Wang, Steinmeier, & Tucker, 2012； Cai, Chiang, & Wang, 2013； Atasoy, Tosik-Gün, & Kocaman-Karoğlu, 2017； Wojciechowski＆Cellary，2013）；學生的學習態度較偏於正向（Sumadio＆Rambli, 2010； Cai 等, 2013）；在學習時能提供一種真實感，為學生提供在情境中學習的自然體驗（Sumadio＆Rambli, 2010 ； Lin＆Wang, 2012）。這種情況反映了 AR 技術在科學教育中運用重要性，若能在科學教育課程設計中運用，應當對學生學習是有相當大助益，並且能促使達成教學者在課程設計中的學習目標。教師對於科學教育課程設計，應把學生在學習過程中各有本身獨特處理刺激、信息、認識及理解的方式列入重要的考慮要項之一。學生自身的學習風格（learning styles）是假設能使學習者自身最佳學習狀態的方法，建議教學者應了解及評估學習者各自的學習風格，才能在課室內的教學活動或是課程設計最佳化於學生去學習。Kolb（1984）發表的經驗學習理論（Experiential Learning Theory, ELT）提供了清晰的教學和學習設計機制，這一理論被廣泛認為是一種有效的學習教學模式，並且按照學習場域的情境改變而有所改變，說明建構主義對人們構建知識方式的看法。 Kolb 認為有效的學習者應有四種能力分別為：具體經驗能 2.

(12) 力（Concrete Experience, CE）、抽象概念化能力（Abstract Conceptualization, AC）、反思觀察能力（ Reflective Observation, RO ）以及主動實驗能力（ Active Experimentation, AE），當學習者的學習經歷期間在這四個階段之間有足夠的平衡時，就會發生最佳學習。所以，科學教育的課程設計內容及實施方式，必須要知道學習者各自獨特之學習風格，若學習風格與其學習成效沒有顯著差異的存在時，那麼此課程設計是良好的，適合各類型的學生學習。教學者雖有良好的課程設計及方式，但可能發生學習者對課程裡的內容存在認知負荷。認知負荷理論（Cognitive Load Theory, CLT）旨在提供對人們認知的理解，以改善多媒體和教學設計，因為它替其提供了處理二級信息的結構，學習者在空間方面的工作記憶有限，因此教學設計者需要考量這種約束，以便將信息傳遞給長期記憶（Sweller, 2011 ）。減少學習者認知負荷之方式可以將一些視覺信息用不同型態來表示，如語音、影音或可被操作的 3D 影像等（Weng, Otanga, Weng, & Cox, 2018； Langbeheim & Levy, 2019）、學習者操縱和移動幾何形狀的軟件引入信息時，可以減輕學習幾何中的認知負荷（Langbeheim & Levy, 2019）。所以，教學者在課程設計內容上，宜注意是否對學習者產生認知負荷，並以設計方式改變來降低學習負擔，例如：擴增實境（AR）技術、影音及圖像等方法來達到此目標。. 二、研究目的基於上述研究背景與動機，本研究針對國小高年級學生，發展「AREOLEST」的戶外教育課程，將數位科技融入「系統性思考取向的社區公園學習地圖」中設計，幫助學生能在戶外教育科學教育。此外，以 Davis（1986）提出科技接受模式（Technology Acceptance Model, TAM），其依理性行為理論（Theory of Reasoned Action, TRA）的基礎發展出來，TAM 可用於預測或解釋資訊科技運用的情形，並發展國小六年級學生的學習成就測驗，輔以學習風格、認知負荷及學習滿意度問卷，來進行分析與探討「AREOLEST」的戶外教育課程的實施與學生的學習間的關係。計畫擬達成的具體目的有： 1.. 發展「AREOLEST」。. 2.. 以「AREOLEST」設計戶外教育課程。. 3.. 以 TAM 模式檢視數位科技融入「系統性思考取向的社區公園學習地圖」的適配度。. 4.. 探討「AREOLEST」的戶外教育課程對國小六年級學生的學習成效。. 5.. 探討「AREOLEST」的戶外教育課程對不同學習風格國小六年級學生的 3.

(13) 學習成效差異情形。 6.. 探討「AREOLEST」的戶外教育課程對國小六年級學生的認知負荷影響情形。. 7.. 探討接受「AREOLEST」的戶外教育課程的學生在課程後的學習滿意度情形。. 三、研究問題本研究據社區公園資源調查結果，以資訊科技融入「系統性思考取向社區公園學習地圖」的戶外科學教育課程--AREOLEST，期待學生能在戶外進行科學教育課程能有良好的學習成效。為能在課程設計得到正向的回饋，以 TAM 模式來預測或解釋數位科技使用的影響情形，同時從國小六年級學生的學習成就測驗、學習風格、認知負荷及學習滿意度問卷，來進行分析與探討「AREOLEST」的戶外教育課程的實施與學生的學習間的關係，以作為日後在戶外科學教育課程設計精進的依據及參考。故本研究問題如下所示： 1.. 以 TAM 模式檢視數位科技融入「系統性思考取向的社區公園學習地圖」的適配度為何？. 2.. 「AREOLEST」的戶外教育課程對國小六年級學生的學習成效為何？. 3.. 「AREOLEST」的戶外教育課程對不同學習風格國小六年級學生的學習成效差異情形為何？. 4.. 「AREOLEST」的戶外教育課程對國小六年級學生的認知負荷影響情形為何？. 5.. 接受「AREOLEST」的戶外教育課程的學生在課程後的學習滿意度情形為何？. 四、研究範圍與限制本研究將社區公園的資源調查結果，發展 AREOLEST 的戶外科學教育課程設計，來探討學生在戶外教育科學教育的情形。本研究設計封閉式問卷進行調查外，並以 TAM 來解釋或預測數位科技使用的影響情形。但是，在人、物力資源及時間相應配合限制上，故此研究有其限制，說明如下：（一）在「研究範圍」方面本研究為一先導型的研究（pilot research），發展資訊科技融入「系統性思考取向社區公園學習地圖」的戶外科學教育課程設計--AREOLEST，來探討學生在戶外教育科學教育的情形，公園的選取以台南市巴克禮紀念公園為主要課 4.

(14) 程內容的場域，因研究工具有其侷限性，所以研究的範圍主要以使用 AREOLEST 的戶外科學教育課程的國小學生為主，在樣本數蒐集需參與此課程的教學活動之學生有其困難，故研究結果不宜過度推論。（二）在「研究對象」方面本研究所發展 AREOLEST 的戶外科學教育課程設計，其公園的選取以台南市巴克禮紀念公園為主要課程內容的場域，故實驗對象僅以此公園周圍的國民小學六年級學生為研究對象，因實施困難的條件限制，所以無法進行國小學生的全面普查，國民小學六年級學生總參與人數約 180 位。（三）在「研究方法」方面本研究所發展之 AREOLEST 的戶外科學教育課程設計，採用 Davis 於 1989 年所提出的「科技接受模式（TAM）」來進行解釋及驗證，並以準實驗法來進行學習成就測驗、學習風格、認知負荷及學習滿意度問卷施測，最後分析與探討 AREOLEST 的戶外科學教育課程的實施與學生的學習間的關係。. 5.

(15) 第二章、文獻探討本研究在了解國小高年級學生使用 AREOLEST 的戶外科學教育課程，課程中將數位科技融入於設計中，目的為幫助學生能在戶外學習科學教育。此外，針對課程發展國小六年級學生的學習成就測驗，輔以科技接受模式（TAM）、學習風格、認知負荷及學習滿意度問卷，來分析與探討課程的實施與學生的學習間的關係。故本章將針對相關文獻加以分析探究，主要內容共分為五節：第一節戶外探究式科學教育；第二節科學教育的課程設計重視系統性思考；第三節科學教育的課程設計重視資訊融入教育；第四節科學教育的課程設計重視學習風格；第五節科學教育的課程內容重視學生的認知負荷。. 一、戶外探究式科學教育科學教育者和許多學者已經意識到科學教育教學經常與學習者的生活脫節（Buxton，2010 ）。近年來，戶外教育課程用於改善科學教育和學習動機的學習興趣提升有所助益。如何增進學習者在校的學習動機一直是大家努力的目標，特別是在科學教育方面，學習者對學科的興趣下降，缺乏深刻理解，無法使用學校知識，以及對學校相關學習的整體冷漠（Tan & Atencio, 2016; James, & Williams, 2017）。 Ruether （2018）認為戶外教育可以讓學習者實地考察並提升其認知優勢，因該領域（或戶外環境）提供了現實生活或世界的情境化的學習場景，同時也是學習者可以得到和建立生活知能，並享受學習的地方。戶外教育的定義為在戶外環境中設計和發生的認知、社會、情感、身體和教育過程。越來越多的戶外教育被視為全球教育改革很重要的部分，許多國家透過更新課程，提供相關課程，支持教師和增加決策責任，實現了戶外教育實踐。戶外教育在學校環境中越來越受到關注，尤其是作為利用各種教育目的的戶外體驗的工具，例如：芬蘭基礎教育核心課程於 2014 年更新，鼓勵教學者多多利用各種學校的戶外設施，來教授各種科目，教學和學習的重點轉向基於現象的學習和多學科學習模塊，核心課程還首次定義了必須涵蓋每個學科的能力領域，目的在於培養學習者的積極參與，並促進其在真實生活情境裡的學習（Kangas 等, 2018）。學習環境在學習者的態度和動機中起著至關重要的作用，這種情況對於戶外教育同樣如此（Fűz, 2018）。學校可以依課程的內容來選擇不同的戶外教育場域進行教學活動，例如：博物館、研究室、動物園、野外教育步道、國家公園、森林、科學中心、圖書館、農業植物及工廠等等，這些戶外教育場域的選取，因其共同之處在於它們與普通上課教室環境相比具有新穎性，它可以透過打破日常學 6.

(16) 校環境的單調來增進學習者的積極性（Dettweiler, Ü nlü, Lauterbach, Becker, ＆ Gschrey, 2015 ； Dettweiler 等, 2017），並且可能會產生令人難忘和持久的學習成果（James, & Williams, 2017）。此外，身體接觸讓學習者有了體驗的學習的方式，並將自然和文化現象轉化為真實生活情境中，因此更容易獲得的事物不僅可以以五官體驗，還可以透過触摸來體驗（Fűz, 2018）。體驗式科學教育可以在各種場域中進行，學習者可享受學習樂趣的同時，並進行真實學習的地方，此種體驗式教育的學習方式，能有目的地用於吸引學習者直接經驗和個人的反思，來提升認知、發展技能及澄清價值觀，並提高學習者能為在地學習場域做出貢獻的能力（Yoon, Elinich, Wang, Van Schooneveld, & Anderson, 2013）。與一般傳統課室內的教學比較，戶外教育的上課方式，除了豐富了學習者更具體和實際的經驗外，另一個共同優勢是其複雜多樣的性質，體現了跨學科間的學習（Becker, Lauterbach, Spengler, Dettweiler, ＆ Mess, 2017）。戶外教育不能完全取代學校內的課室活動，也不該被視為課室中學習的競爭對手，它應該被視為一種互補的學習形態，為教育增添額外的學習場域（Nicol, Higgins, Ross, ＆ Mannion, 2007）。據相關研究發現，訂有明確的學習目標，經由定期（每週或每兩週）或長期活動（如學校營）的規劃及進行戶外教育，其校外課程在學習上的成果最好（Fűz, 2018）。且有大量研究表明，戶外教育對學習者的社交、學業、身體和心理技能及其整體健康有益（Becker 等, 2017； Mackenzie, Son, ＆ Eitel， 2018）。將戶外教育環境當成生活實驗室，對學習者未來的學術、社交及生活技能有相當多的助益（Lindemann-Matthies ＆ Knecht，2011）。Ruether （2018）在眾多實證研究發現，戶外教育有六大特點，分別為： (一) 有意義的聯繫（meaningful connections）：戶外教室的好處之一是學習者能夠將學到的事物與有用或有意義的事物聯繫起來。 1.. 使用校園作為學習的延伸，提供了更有趣和適用的學習方式。. 2.. 戶外教育可視為在所有教育階段融合生活和學習。. 3.. 與課室內書本為中心的教室相比，學校場域作為戶外競技場的學習，提供了更加真實的學習方式。. 4.. 引導並進行有意義的學習是教學目標之一。. 5.. 學習者以自身信仰、價值觀及其看世界的觀點進入學習，反映了他們的經歷，從環境中可以引導學習這些經驗，並透過教授的內容來創造意義，戶外教室幫助他們了解自身世界的地方。. 6.. 當某些事物變得有意義時，學習者就會記住它。關於學習，人們需要將信息由短期記憶轉移至長期記憶裡，故新信息必須以某種方式有意 7.

(17) 義。 7.. 如果呈現的任何新信息不能使學習者有意義或與其相關，那麼創建長期記憶所需的神經網絡就無法形成。如果學習者無法將新學習與有意義或有價值的事物聯繫起來，其大腦就會忽視新的學習而無法將新學習轉移到長期記憶中。新的輸入必須帶有情感價值和有用的內容，否則大腦會有效地忽視它。. 8.. 對於有戶外教室的學校，學習者有能力測試理論，進行數學研究，進行科學探究及觀察，戶外教室改變了曾經在課室進行的課程，並將其轉化為現實世界和實踐學習活動。. (二) 多感官學習（multisensory learning）：在戶外教室，學習者可以使用他們所有的感官創造及問題解決，並詢問他們的環境。這些經歷促進了學習環境，使其能將課室內學習與真實生活情境相互關連起來。 1.. 當人們在戶外學習過程中與動植物實際接觸時，他們能回憶起學習的內容，並使其更有學習動力。結果集中在與動植物真正接觸和學習的益處以及這相互作用與記憶密切相關，故可增進對學習內容的保留和回憶，並增進學習動機。. 2.. 在戶外課堂中的多感官體驗促進了將信息和新學習轉化為長期記憶的大腦區域之間的相互作用。當學習者直接體驗與他人討論或表達時，學習能夠實現，因此學習者需要與他人合作，談論他們正在學習或學到的事物，以促進這種轉變為長期記憶。戶外環境可以透過結合自然和學習經驗來增強學習，認知與經歷的結合激活了所有的感官。. 3.. 鼓勵學習者在探索戶外環境時運用自己所有的感官，他們渴望為自己發現事物並且有動力去學習，從歷程中去理解並發現。. 4.. 學習者喜歡觸摸並感受到在周圍發現的事物，其強化情感、動機和與新學習建立有意義的連結。. 5.. 戶外環境是一種永恆和動態的刺激因素，因為學生透過基於感官指導經驗的主要感知來感知自然世界。學習者與自然界之間的相互作用是自然不可分割的，對其發育中的大腦和智力至關重要”，這些豐富的感官聯繫，特別對幼童感覺統合發展極為重要。. (三) 動機（motivation）：為喜歡戶外的學習者建立動力，並對其在戶外環境中發現的事物感到好奇。當學習者能運用所有的感官與戶外環境互動時，是喜歡學習的，這可能是激勵學習之主要原因。 (四) 走動（movement）：不同的移動能力會影響注意力和社交技能。 8.

(18) 1.. 許多學習者對當地的戶外環境知之甚少，稱為“大自然缺失症”（nature deficit disorder）。讓學習者走出教室將提升其注意力水平，使之更易學習。在戶外時，學習者之間及其與老師之間的互動厭倦程度較低，行為問題較少。. 2.. 戶外教室為學習者提供不受空間限制及到處走動的機會。運動對學習者的身體、情感及智能發展有密切關係，透過運動能表述其情感。肥胖或超重的學習者可能導致這種身體活動的缺少。缺少活動導致在戶外走動上花費較少的時間，並且使用技能的時間增加。. (五) 社交技能（social skills）：戶外教育提供了建立社交技能的機會，包括建立友誼、技能及信心。學生在學習環境方面表現出比沒有戶外教育經歷的學生更高的動機和興趣。 (六) 行為（behavior）：當學習者暴露在戶外並參與涉及周圍環境的活動時，其行為會得到改善。 1.. 有更好的情緒健康，減少壓力和減少侵略量。. 2.. 有行為問題的年輕人透過參與戶外環境中的活動受益最多。患有 ADHD 的學生在戶外場外玩耍時，症狀的影響程度會降低。參與戶外活動的學生比留在教室的學生感覺和表現更好。. 3.. 與戶外大自然的互動對孩子的睡眠和飲食發展同樣重要。自然體驗促進身體、心理、認知和感官發展的發展，幼童應該儘早體驗自然。. 生活在城市環境中的學生對人與大自然環境的交互影響沒有較深的理解，而 21 世紀的學生在戶外活動的時間變短，很少有機會將科學與真實世界的經驗相互連結。故本研究以在都市中的社區公園為研究場域，並對公園旁的都市型國民小學六年級學生為對象，進行戶外體驗式科學教育。此外，戶外體驗式學習之課程，以跨學科內容設計，首先，從真實物體中收集數據有助於學生看到科學與真實生活之間的聯繫。其次，如果沒有真實的體驗，跨學科的內容就有可能變得遲鈍而毫無意義（Djonko-Moore, Leonard, Holifield, Bailey, & Almughyirah,. 9. 2018）。.

(19) 二、科學教育的課程設計重視系統性思考隨著 2013 年下世代科學標準（Next Generation Science Standards,NGSS）的推出，可以說美國的 K-12 教室已經迎來了科學教育的新時代。在 K3-5 年級，學生明白系統是一組相關的部分，其構成一整體，並可以執行其各個部分所不具備的功能，可根據組件及其交互來描述系統。在 K6-8 年級，學生明白系統可能與其他系統互動；他們可能有子系統，並成為更大的複雜系統的一部分，可使用模型來表示系統及其交互，例如輸入、流程和輸出以及系統內的能量、物質和信息流。可了解到模型的局限性在於它們僅代表所研究系統的某些方面。 Yoon, Goh, & Yang （2019）認為在過去 20 年的一些研究表明學生在學習複雜系統方面面臨挑戰，例如學生在學習非線性或非順序過程中出現的科學現象方面存在困難，也很難理解複雜系統中的過程控制通常是分散的，故提出了學習進步方法（learning progressions methodology）提供了一種這樣的系統方法來構建各種複雜系統思想的學習，也就是有序描述的序列，說明學生可以採取的學習途徑來提高科學的概念能力。這些有序的描述代表了一個研究性的框架，用於構建核心科學思想的學習。課程和教學活動可以反過來映射到學習進度，以影響在整個學習者的學術生涯中學習科學概念的內容、方式和時間。在現行教育中，大多數科學教科書並不能有效幫助學生對複雜現象進行較系統及綜合的理解，也就是說，他們支持學習科學作為一系列要學習的事實，而不是支持學習者發展綜合理解和理解中介行為的重要思想（Liu＆Hmelo-Silver, 2009）。但是，學校中的學生是生活在一個日益受複雜系統支配的世界中，這些系統是動態的、自組織的，並且不斷適應的（Jacobson＆Wilensky, 2006）。「複雜系統（complex systems ）」是科學教育的重點，因為它們包含科學教育國家標準中的重要思想，並提供跨越多個科學領域的整合背景（Goldstone＆ Wilensky，2008）。這種對複雜系統重要性的認識，以及當前教育方法在幫助學生理解它們方面的不足，已經成為過去 10 幾年來在社會系統（social systems ）、技術系統（technological systems ）、和自然系統（natural systems ）各種學科中進行了相關多研究，其重點為了解複雜系統及其理論，以及學生處理自然與科技的複雜系統能力，這些共同努力通常歸入「系統思考」這一詞語（Sabelli, 2006； Assaraf & Orion, 2010）。系統思考將世界視為一個複雜的系統，並支持對其相互關聯性和相互關係的理解，因此應該從整體上進行研究，使能較易於理解和發展良好的複雜系統。它用於以“整個系統”的方式考慮問題及其解決方案。系統思考已應用於許多不同領域，包括醫療保健、可持續發展、國防、項目管理、教育以及服務領域等（Behl 10.

(20) & Ferreira, 2014； Salado 等, 2019）。Senge （2006）定義「系統思考」是一門觀察整體的學科。他進一步將系統思考定義為“觀察相互關係而不是事物、觀察變化模式而不是靜態快照的框架” （Systems thinking as a discipline for seeing wholes. He further defines systems thinking as a “framework for seeing interrelationship rather than things, for seeing patterns of change rather than static snapshots”.）。Davidz &Nightingale （2008）定義「系統思考」是“分析、綜合和理解技術、社會、時間和多層次的相互聯繫、相互作用和相互依存關係 ” （Systems thinking as the “analysis, synthesis and understanding of interconnections, interactions, and interdependencies that are technical, social, temporal and multilevel”.）。Moore, Dolansky, Singh, Palmieri, & Alemi（2010）定義「系統思考」是 “識別、理解和綜合交互的能力，以及為特定目的而設計的一組組件中的相互依賴性，這包括識別交互中的模式和重複的能力“ （Systems thinking is “the ability to recognize, understand, and synthesize the interactions, and interdependencies in a set of components designed for a specific purpose. This includes the ability to recognize patterns and repetitions in interactions”.）。從上眾多定義中發現，理解相互間關係的能力是所有這些定義中反復出現的主題，亦是重中之重。 Assaraf & Orion（2005）指出，雖然系統思考被認為是一種高級思維技能，但它可以在小學發展到一定程度。透過適當的長期課程規劃，這些能力可以作為初中階段和後期高中階段系統思考發展的基礎。例如：Mohan, Chen, & Anderson （2009）以國小高年級學生為對象，進行沼澤生態系課程，提供模擬情境，讓學生不需透過想像，而是經由眼見更加深刻。結果發現，認為國小高年級學生有發展系統性思考的潛能，系統性思考能力的階層制可幫助了解學生位在哪一階層上。另外，Sheehy 等人（2000）指出，在國小四年級和五年級的孩子引入數學課程中 “基本複雜”系統的雛形，研究結果表明小學生確實能夠開發自己的模型和感知系統來處理複雜的問題情境。Assaraf & Orion （2010）以國小四年級學生為對象，進行以水力循環為重點的地球系統單元的學習，結果表明，學生發展系統思考技能的能力有顯著進步。Lezak, & Thibodeau （2016）在系統思考和環境關注的研究中，認為要了解氣候變化及全球生態系統等環境議題的成因，可以系統思考的方式幫助了解其復雜性和規模。 Jagustović, Zougmoré, Kessler, Ritsema, Keesstra, & Reynolds （2019）認為複雜適應系統（complex adaptive system , CAS）是由於非線性相互關係，於相異的時間及空間尺度上，沒有中央控制的大量元素之間出現的行為的系統。CAS 的概念最初是作為一種理解自然現象的方式而製定的，其五個屬性作為分析的理論 11.

(21) 框架分別為： (一) 許多互聯元素和開放系統包括系統內和系統與其環境之間的許多不同的互連元素。CAS 是開放系統，意味著觀察到的系統邊界及其控制之外的元素和系統對系統有影響，反之亦然。識別系統的邊界“內在的事物”可能很困難，邊界通常由系統描述的目的決定，並受觀察者位置的影響。 (二) 反饋循環和時間延遲 CAS 本質上是非線性的，並且由反饋迴路支配。反饋循環是元素之間因果關係的封閉序列：當一個元素的變化在一段時間後導致同一元素的變化時。反饋迴路可以是加強或平衡。 (三) 動態性質系統的動態性質假定其元素不斷修改其交互規則。由於提供刺激的其他元素的行為改變，每個元素面對新穎的環境。由於元素之間的同時相互作用，系統的總體行為繼續發展。系統內部元素的相互關聯性確保系統內部和/或外部的任何刺激都會觸發系統內部，系統與外部環境之間以及系統之間的變化。由於動態性質和持續的行動以及對“他人”正在做的事情的反應，沒有任何事物是靜態的， CAS 不斷變化和發展，呈現出“移動目標”。 (四) 自組織和緊急秩序由於系統組件之間的相互作用，系統行為在沒有內部或外部控制器或領導者的情況下出現。透過簡單的 IF（輸入/條件） - 元素之間的那些（輸出）規則， CAS 產生難以預測的複雜系統行為。元素透過發送和接收信號同時進行交互，並且每個元素調整其行為以適應與其交互的元素的行為。元素之間的相互作用（IF-THEN）定義了影響和相互關係。元素之間的相互關係程度越高，系統越複雜，理解起來就越困難。任何關係的變化都會影響所有系統元素。緊急系統行為是透過較不復雜的元素和規則的較低層次互動而產生的，僅透過觀察其元素的行為無法理解。CAS 緊急狀態通常由於反饋迴路優勢的變化而出現。 (五) 穩健性和彈性穩健性是 CAS 在面對干擾時能夠繼續運作的能力。系統層面的穩健性源於個體要素層面缺乏穩健性。隨著複雜系統響應系統內部或外部的條件而變化和適應，它們在元素之間具有一系列耦合模式，從緊密到鬆散。鬆散耦合的結構緩沖和對強烈衝擊的適度響應，而更緊密耦合的結構傾向於“鎖定”並且對系統適應提出挑戰。 12.

(22) 彈性是系統吸收干擾和重組以保持基本相同的功能。系統穩健性在很大程度上來自於各個代理之間較低規模的相互作用，短時間尺度和小空間尺度，以及影響整個系統動態的反饋。當系統處於不合需要的緊急狀態時，我們希望克服它們的穩健性，或者在理想的緊急狀態的情況下，我們希望維持它們。所以，系統思考可以理解為從傳統思維轉變為有助於理解整體的複雜性而不是關注其組成部分以及考慮相互依賴的關係，並將問題視為一個動態的、相互依存的和持續的過程，其系統思考實踐（Systems Thinking in Practice, STiP）視為主要的認識論（學習）努力。STiP 啟發式包括三個核心活動，分別為：1.理解相互關係（understanding inter-relationships, uIR）、2.參與多種觀點（engaging with multiple perspectives , eMP ）以及 3. 反映邊界判斷（ reflecting on boundary judgements, rBJ）。系統是（概念上）受邊界反射影響的有界實體，反思邊界需要注意對以下方面的限制和偏袒：1.整體性 - 需要進行一些選擇，因為並非所有相互關聯的實體都有界限； 2.多元化 - 觀點總是有偏見的，因此任何邊界判斷都必然偏向某種觀點（Reynolds，2016）。本研究，利用 Cabrera & Colosi（2008）系統思考認知框架來進行研究工具的設計，該框架基於四個簡單的規則 - 區分（Distinctions）、系統（Systems）、關係（Relationships）和觀點（Perspectives）（DSRP）。雖然系統思考是透過系統思想、方法、理論和科學來實現的，但最終它是一種基於思維模式的心理能力，其 DSRP 框架說明如下： DSRP 框架（表 1）被視為系統思考的本質，由四種認知模式（規則）組成，這些模式對各種系統思考子域和方法具有通用性（Cabrera, Cabrera, & Powers, 2015），可以促進理解複雜系統（Cabrera, Colosi, & Lobdell, 2008）。表 1 DSRP 思維模式（Cabrera 等, 2008; Cabrera 等, 2015）規則. 要素 1. 要素 2. 區分（D）. 事/想法/概念（Thing/idea/concept）. 其他（Other）. 系統（S）. 部分（Part）. 整體（Whole）. 關係（R）. 動作/原因（Action/Cause）. 反應/效果（Reaction/Effect）. 觀點（P）. 點/主題（Point/Subject）. 查看/對象（View/Object）. 13.

(23) DSRP 框架為系統思考提出了四種概念模式（規則）：區分（D）、系統（S）、關係（R）和觀點（P），每種都由兩個元素組成（表 1），DSRP 為四條規則及其要素相互作用的理論框架（Cabrera & Colosi，2008），說明如下：區分（D）規則：我們在事物、概念和思想之間進行區分，暗示存在“他者” 更廣泛的背景或情境，從中產生概念上的區分。區分涉及設定界限，確定什麼是系統的一部分，什麼不是（Cabrera 等, 2008）。系統（S）規則：假定識別我們感興趣的對象的部分和整體，並將部分和整體組織成替代套疊系統（alternative nested systems）。系統是指假定在不考慮整體的情況下不能考慮一個部分（Shaked & Schechter，2013 ； Behl & Ferreira，2014），事物、概念或想法同時是一個部分和整體。這規則意味著識別系統涉及將事物分解為其組成部分並將部分分組為更大的整體。關係（R）規則：要求識別每個元素的雙向屬性（反應和效果），並且關係可以採用無數形式，例如反饋循環、相關性和因果關係。關係規則允許將系統檢查為可以以多種方式連接的整體的一部分，並且是導致複雜性的事物之間的關係。觀點（P）規則：假設任何概念都帶有一個參考框架，而“觀點”允許從一般觀點和更具體的角度來看待一個概念（Cabrera 等, 2008）。觀點可以看作是一個鏡頭，透過它我們可以看到世界及其物體，這使我們能夠從另一個角度看待我們查看的對象。 DSRP 規則是相互依賴的，形成了一個複雜的交互系統（Cabrera & Colosi, 2008），它們在整個系統思考過程中同時發生，如果沒有其他規則，就不能應用一條規則。最後，學校中的學生是處在受複雜系統的環境中，是動態的、自組織的，並且不斷適應的。系統思考將世界視為一個複雜的系統，是科學教育的重點，跨越多學科領域並支持對其相互關聯性和相互關係的理解，從眾多系統思考的實證研究中發現，理解相互間關係的能力是相當重要的。系統思考雖被認為是一種高級思維技能，透過適當的課程規劃，可以在小學發展到一定程度，提供未來學習系統思考發展的基礎，所以在小學發展系統性思考取向的科學教育課程有其必要性。. 三、科學教育的課程設計重視資訊科技融入教育 National Research Council（2012）指出，下世代科學教育標準的框架重視將知識與真實情境的科學實踐相結合，這種實踐發生在對學生有意義的環境和社區中，並為他們自己的經歷提供了聯繫。這觀點得到了情境學習理論（situated learning theory）的支持，其中認知被認為是處於身體和心理社會背景之間，又分佈在一個人和人們正在使用的工具之間（ Sternberg ＆ Pretz, 2005）。知識、行為 14.

(24) 和背景被視為相互交織和相互依存，學習者的環境對於過程至關重要，因為彼此間的關係可以被改變、增強和支持某些類型的表現、問題的解決方法或學習活動（Squire & Jan, 2007）。透過情境來豐富經驗，並加強其學習目標的理解能力，故真實和虛擬的實地考察支持科學知識的進步，和戶外經歷會影響學生對自然的態度。然而，處在多變現實世界中的學生之學習環境，可能會因為體驗的社會和物理背景的新穎性而分心，並且發現很難專注於相關的學習任務。學生可能會被大量信息所淹沒，並且可能會發現很難知道在哪裡投入他們的注意力，實地考察往往是一次性體驗，與學生在課堂課程或日常生活中的體驗有限（Kamarainen, Metcalf, Grotzer, Browne, Mazzuca, Tutwiler, & Dede, 2013）。然而，近幾十年來在科學教育中使用行動載具和探究等方式，已被證明可以增進課室現場教學和學習的表現，且透過使用即時的探究軟體，可以抽象表示與數據和相關概念的具體體驗之間建立聯繫（Metcalf, & Tinker, 2004； Zucker, Tinker, Staudt, Mansfield, & Metcalf, 2008）。如今隨著科技的進步，學生們得到了這些優勢的支持，以發展他們的批判能力和解決問題的能力（Nicolaou, Nicolaidou, Zacharia, & Constantinou, 2007；Vonderwell 等, 2009； Liou 等, 2016），因此在這個時代，要讓學生透過豐富的資源來教育自己是至關重要的。國際閱讀協會（International Reading Association）在 2009 發表了一份立場聲明，聲稱為了在當今世界充分識字，學生必須熟練掌握 21 世紀技術的新知識，並認為教育者有責任整合 ICT 進入課程，為學生應有的未來做好準備。這一趨勢將數位化學習推向了各個角落的世界舞台。透過無線網絡、通信設備和移動設備，U-learning 環境可以將教育從教室投射到戶外領域，提供無所不在的學習幫助。平板電腦運算能力增強提供了其他設備無法實現的方式增進學習體驗的新機會，其高分辨率屏幕允許平板電腦的用戶（如 iPad）輕鬆地彼此共享內容，並在屏幕上覆蓋圖像和視頻（Johnson, Adams, & Cummins, 2012）。另外有學者建立一個用於地理研究的實地考察（3DVLE（ft））系統的維度(dimension)虛擬實境學習環境，來幫助學生對空間與學習內容相關連的認知概念學習（Lin, Tutwiler, & Chang, 2012）。近年來，有相當多研究人員在戶外設計了許多用於生態教育或科學發現教育活動的數位學習課程，這些研究獲得了相當好的學習成效（Hung, Lin, & Hwang, 2010； Hung, Hwang, Lin, & Hung, 2010； Hung, Hwang, , Lee, & Wu, 2011；Hwang, Shi, & Chu, 2011; Hung, Hwang, Su, & Lin, 2012; Hwang, 2014; Wei, Weng, Liu, & Wang, 2015; Giasiranis, & Sofos, 2016）。現在，無線網絡環境、人工智能（Artificial Intelligence, AI）、增強實境（Augmented Reality, AR）和虛擬實境（Virtual Reality, VR）等豐富的 ICT 正在 15.

(25) 應用於課程設計中，例如，用於在蝴蝶園進行實地場域的教學活動，將多項信息通信技術引入課程設計創意，開發了一個基於概念圖的無所不在的學習環境，學生能有效觀察、紀錄及理解（Hung, Hwang, Lee, & Wu, 2011），或開發一種高度互動的雲課堂系統，該系統採用傳統的教材及科學教學方法，發現在知識、理解和應用等三方面有良好的學習成效（Liou 等, 2016）。另外，利用擴增實境（AR）在當地池塘環境中的使用，促進了學生與池塘和同學之間的互動，其形式是以學生為中心，而不是由教師指導。教師們的回饋中指出，學生們對水質測量原理的理解比沒有這些技術的使用時更好，學生們有更多機會參與類似科學實踐的活動，學生調查結果和教師反饋表明，使用 AR 技術進行教學和學習有很多好處，促進了以學習者為中心的教學實踐，有效幫助對科學理解（Kamarainen 等, 2013），故透過使用擴增實境（AR）將探究和行動裝置的整合課程設計，可以進一步支持這種學習，將數據收集活動置於更大，更有意義的環境中，連接到學生在現實世界中的活動（Squire & Klopfer, 2007）。擴增實境（AR）是一種“身歷其境的（immersive）”界面，利用移動、上下文感知技術（例如，智能手機，平板電腦）和 App 軟體，使學習者能夠與嵌入在物理環境中的數位信息進行交互（Dede, 2009； Duh & Klopfer, 2013）。擴增實境（AR）環境提供學習的主要方面是：空間能力、實踐技能、概念理解和基於探究的活動（Cheng＆Tsai, 2013）。擴增實境（AR）環境在教學中的應用，例如：用虛擬對應物替換諸如實驗室設備和供應品之類的真實昂貴資源而降低成本，其顯著優點是安全性，因為不熟練的學習者可以了解潛在的危險情況，而不會有任何自身傷害或損壞昂貴設備的風險。在教育中有許多可能的應用，它們可用於教導肉眼無法看到的物體和現象（例如，分子運動），潛在危險情況的模擬（例如，化學反應），以及抽象概念（例如，磁場）的可視化。此外，可以減少所呈現現象的複雜程度，以使學習者更容易獲得關於基本概念的知識，可用於自然科學（例如，化學，物理學，生物學，天文學），計算機和信息科學、數學、工程（例如，機械，電子，生物醫學）及人文學科（例如，歷史，語言學，人類學）等等（Wojciechowski & Cellary, 2013）。擴增實境（AR）適用於“以任何特定位置的方式結合真實和虛擬的技術，其中真實和虛擬信息都發揮重要作用”（Klopfer & Squire, 2008）。一般而言，擴增實境（AR）系統分為基於位置的系統和基於圖像的系統（Cheng＆Tsai, 2013）。基於位置的系統使用由全球定位系統（GPS）或基於 WiFi 的定位系統確定的關於移動設備的位置的數據。基於位置的系統學習者能夠在真實環境中使用移動設備，在行動裝置上的屏幕觀察訊息，而訊息取決於環境中學習者的當前位置。與基於位置相比，基於圖像的擴增實境（AR）關注於用於確定物理對像在真實環 16.

(26) 境中的位置的圖像識別技術，以用於與這些對象相關的虛擬內容的適當位置。基於圖像系統分為基於有無標記的追踪。基於標記的擴增實境（AR）需要在真實環境中放置人工標記以確定物理對像在環境中的位置，無標記擴增實境（AR）不需要放置在真實環境中的人工標記，而是基於對環境中存在的物理對象的自然特徵的追踪，基於圖像的增強現實環境可以透過不同的顯示設備呈現，一般分成四種類型：頭戴式(Head-mounted)設備、桌上型螢幕（Desktop Monitor）、大屏幕投影系統（Large-screen Projection System）和手持顯示器（Handheld Display）（Wojciechowski, & Cellary, 2013）。本研究，我們利用基於圖像的擴增實境（AR）使用基於標記的物理對象跟踪。基於圖像的增強現實環境由真實環境和虛擬場景組成，虛擬場景在真實環境的環境中呈現。由學習者利用手持行動裝置及安裝好的的擴增實境（AR）App 軟體，掃描和真實學習場域的相對應學習地圖位置中和真實環境中的真實對象圖像，使用圖像處理和計算機視覺技術自動追踪。虛擬場景由虛擬對象和真實對象的虛擬表示組成存在於現實環境中。虛擬對象和真實對象的虛擬表示覆蓋在真實環境的捕獲視圖上，從而給學習者留下虛擬內容實際存在於實際情境中的印象。此結合擴增實境（AR）技術融入真實學習場域的科學課程設計，目的在幫助學生在戶外教育科學概念的理解及認知增強。. 四、科學教育的課程設計重視學習風格學生在學習過程中各有自己獨特處理刺激、信息、認識及理解的方式，所以自 1970 年代所提出的「學習風格（learning styles）」獲得教育推廣，認為能使學習者自身達到較佳學習狀態的方法，建議教學者應了解及評估學習者各自的學習風格，才能在課室內的教學活動或是課程設計最佳化於學生去學習。Kolb （1984）發表的經驗學習理論提供了清晰的教學和學習設計機制，這一理論被廣泛認為是一種有效的學習教學模式，並且按照學習場域的情境改變而有所改變，強調了建構主義對人們構建知識方式的看法。 Kolb 認為有效的學習者應該具備四種能力分別為：具體經驗能力（Concrete Experience , CE）、反思觀察能力（Reflective Observation ,RO）、抽象概念化能力（Abstract Conceptualization, AC）以及主動實驗能力（Active Experimentation, AE）。因此，當學習者的學習經歷期間在這四個階段之間有足夠的平衡時，就會發生最佳學習。Kolb 認為，學習要求個人首先應該檢測、描繪或掌握知識，然後進行構建階段以完成學習過程，是透過經驗這種知識將掌握的知識轉化為心理模型，並提出最佳學習是以具體經驗、反思觀察、抽象概念化和行動實驗的循環路徑，稱為 Kolb 的經驗學習週期，如圖 1 所示（Abdulwahed & Nagy, 2009）。 17.

(27) 圖 1 Kolb 的體驗學習模型（修自 Abdulwahed & Nagy, 2009）學習建構 CE、RO、AC 和 AE 的四個階段導致知識構建的兩個階段，即理解維度（CE 和 AC）和轉化維度（RO 和 AE）（Abdulwahed, 2009）。縱軸表示知識掌握維度，或者是提升維度，透過理解（具體經驗極端）或理解（抽象概念極端）或兩者的混合，可以掌握知識。橫軸表示知識轉化或知識構建維度。可以透過意圖（反思觀察極端）或透過伸展（行動實驗極端）來完成構建。Kolb 的模型將了解（apprehension）和理解（comprehension）區分為對知識和意圖的獨立理解和作為經驗轉化的獨立模式的延伸。此外，這四種模式在促進學習過程中同樣重要。Kolb 的經驗式學習模式是經驗式學習領域的一項開創性工作，這種經驗式學習模式包括四個步驟，參與者經驗進展，注意到這種進展本質上可能不是連續的。首先，具體的經驗，自己的經驗環境可以成為進行轉化的學習基礎。接下來，參與者將他們所了解和理解的內容與他們發現自己的背景進行比較時，就會發生對該經驗的觀察和反思。由此，參與者可以進入第三步，形成基於反思的抽象概念或新的思想。最後，在第四步中，最終測試了這些新想法（Burns, & Danyluk, 2017）。透過此四個步驟將這一過程描述為對經驗的理解和轉化，在理解和轉化經驗的同時，人們可能會在各個步驟之間移動，因為每個步驟都不是導致下一步的離散事件，將新經驗融入現有概念並將現有概念融入新環境是必要的（Kolb＆Kolb, 2005）。 Kolb＆Kolb（2003）指出學習型態的內涵為學習型態會因學習者在學習過程中而有所差異。當學習情境有所差異時，學習者的喜好方式會有差異，對其學習成效有所影響。在 Kolb 經驗學習圈理論模式中，認為學習者的學習型態有其不同的認知風格，故提出四種不同認知的學習型態組合方式，來了解學習者在群體 18.

(28) 學習中自身經常出現的反應情形，分為資訊接收喜好（縱軸）及資訊處理方式（橫軸），在縱軸代表具體經驗與抽象概念化的面向，而橫軸代表反思觀察與行動實驗的面向，故有四種不同認知的學習型態，如下圖 2：. 圖 2 學習型態(修自 Kolb,1984) Kolb 經驗理論中，學習被視為一個四階段循環。首先，具體的經驗可作為觀察的基礎。接下來，個人反思這些觀察結果，並開始建立一個關於這些信息可能含義的一般理論。在下一步中，學習者根據他們的假設形成抽象概念和概括。最後，學習者在新情況下測試這些概念的含義。在此步驟之後，該過程再次循環回到體驗過程的第一階段，其四種學習風格包括： (一) 分散型學習者（divergers）：其主導能力在於具體體驗和反思觀察領域，基本上是聚合型學習者的相反優勢，此型態學習者善於看到“大局”並將較小的信息組織成一個有意義的整體，傾向於情緒化和創造性，並且喜歡腦力激盪以提出新的想法，藝術家、音樂家、輔導員以及對藝文有濃厚興趣的人往往具有這種學習風格。 (二) 同化型學習者（assimilator）：同化者熟練掌握抽象概念化和反思觀察，理解和創建理論模型是他們最大的優勢之一，他們往往對抽象觀念比對人更感興趣，但他們並不太關心理論的實際應用，從事數學和基礎科學工作的人往往具有這種學習方式，同化者也喜歡涉及規劃和研究的工作。 (三) 聚合型學習者（convergers）：具有這種學習風格的人在抽象概念化和主動實驗領域具有顯著的能力，他們在思想的實際應用方面非常熟練，在有單一最佳解決方案或問題答案的情況下，他們往往做得最好。 (四) 適應型學習者（accommodators）：具有這種學習風格的人在具體體驗和主動 19.

(29) 實驗方面是最強的，這種風格基本上與同化者風格相反。適應型學習者是行動者，他們喜歡在現實世界中進行實驗並執行計劃，在所有四種學習方式中，適應型學習者往往是最大的風險承擔者，他們擅長自我思考，並根據新信息自發地改變計劃，在解決問題時，他們通常使用試錯法，具有這種學習方式的人通常在技術領域或以銷售和營銷等面向行動的工作中工作。上述四種學習風格或型態，都有著其不一樣的應用能力，Smith & Kolb（1986）指出，學習風格會依照學習者當前所處的心智情況而有差異，此差異會造成學習者在處理問題時有不同的效果或貢獻度，當學習者善於某一學習風格，表示能在其合適的領域中表現的較好，但對不同領域時會有所受限的情形。因此，本研究課程設計的實施必須要考量學習者的學習風格，並與其學習成效的差異來分析課程設計的精進策略。. 五、科學教育的課程內容重視學生的認知負荷自 1980 年代 John Sweller 提出認知負荷理論後，引起相當多對於學生學習和教材設計等相關研究，已被國際高度關注，對教育的課程設計與學生學習的認知理解，提供了許多寶貴的建議（Paas, Tuovinen, Tabbers, & Van, 2003）。認知負荷理論是指提供對人類認知的理解，以改善多媒體和教學設計，因為它為個人提供了處理二級信息的結構（Sweller, Ayres, & Kalyuga, 2011）。學習者因工作記憶有限，因此教學設計者需要考慮此問題，以便將信息傳遞給長期記憶（long-term memory），人們認知的信息處理系統需要大量信息才能在我們複雜的自然世界中發揮作用，長期記憶在人們認知中提供了這種結構，我們不需要教人們如何在長期記憶中存儲或組織信息（Sweller, 1988; Sweller 等, 2011）。Clark, & Mayer （2016）提出多媒體學習認知理論（Cognitive Theory of Multimedia Learning）認為，當學習者能夠開始構建心理表徵時，可以發現有意義的學習，學習者透過圖片、地圖、圖表、圖形、視頻及模擬的動態媒體等多媒體來參與主動學習。所以，教學者在為學生設計課程時，可以考慮此特點來進行。學習者在使用數位教材時可以減少認知負荷，並可以改善他們的學習（Abeysekera & Dawson, 2015; Huang, Chen, & Ho, 2014）。認知負荷理論假定指令的主要功能是促進獲取存儲在長期存儲器中以供以後使用的輔助信息，在可以存儲之前，必須先透過有限容量及有限持續時間的工作存儲器來處理該信息，一旦存儲，該信息可用於指導動作來再次使用工作存儲器，沒有新信息的容量和持續時間限制。基於這些結構和過程，所以在教學活動的課程設計內容，處理新信息時工作記憶的局限性要更加以重視（Sweller, 2011）。認知負荷的分類及測量如下說明： (一) 認知負荷的分類 20.

(30) Sweller, Merriënboer, & Paas （2019）指出認知負荷的分類有三：內在認知負荷（Intrinsic cognitive load ）、外在認知負荷（Extraneous cognitive load ）和有效認知負荷（Germane cognitive load），說明如下： 1.內在認知負荷指正在處理的信息複雜性，並與要素交互的概念有關，依人類認知結構特徵，其處理信息的複雜性是困難的，信息複雜性的大多數測量純粹指的是信息的特徵。複雜性或要素交互性取決於信息的性質和處理信息的人之知識組合。例如：英語單詞“特徵”及其羅馬字母作為從長期記憶中檢索到的單個要素，可以簡易地處理，但對於學習英語閱讀的人來說，必須在工作記憶中將書面文字作為多個相互作用的要素進行處理，因為書面文字尚未作為單個要素存儲在長期記憶中，故對於學習英語閱讀的人來說，可能構成非常高的要素交互任務，工作記憶負荷較高。所以，最小的要素交互性構成最小認知負荷的單個要素，內在認知負荷由信息的複雜性和處理該信息的人的知識決定，內在認知負荷只能透過改變需要學習的事物或改變學習者的專業知識來改變。 2.外在認知負荷非信息內在復雜性決定的，而是由信息如何呈現以及學習者需要透過教學程序做什麼，與內在認知負荷不同，它可以透過改變教學程序來改變。有效的教學程序減少了要素交互，而無效的教學程序增加了要素的交互性。 3.有效認知負荷是指學習所需之認知負荷，也就是致力於處理內在認知負荷，而不是外來認知負荷的工作記憶資源。若處理外在認知負荷的資源越多，則處理內在認知負荷的資源就越少，因此學習的資源就越少。外在認知負荷，可透過減少教學程序所引入的信息要素數量來加以減少，如果教學過程引入的信息要素增加，學生學習期間中的工作記憶中同時處理太多的信息要素，由於它們的交互作用，那麼工作記憶負荷將會很高。除了改變外在認知負荷的教學程序外，信息的內在屬性決定了內在的認知負荷，由於其性質，一些信息要求學習者吸收多個相互作用的要素，這些要素可能導致高內在工作記憶負荷，增加無關和內在的認知負荷會對總工作記憶負荷過高。所以，外在認知負荷可改變不適當的教學程序來減少，透過教學內容的優化來降低內在認知負荷（Sweller, 2010; Chen, Kalyuga, & Sweller, 2015; Chen, Kalyuga, & Sweller, 2017），並且內在認知負荷由信息的複雜性和處理該信息的人的知識決定，內在認知負荷只能透過改變需要學習的事物或改變學習者的專業知識來改變（Kalyuga, Rikers, 21.