空間能力對同步多影像擴增實境教學於認知負荷之影響
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(2) II.
(3) 謝誌 終於到了最後一刻了！強迫自己一定要在論文完成之後才寫謝誌，結果要下 筆的時候卻不知道該從何寫起。老實說一開始踏進研究所時，對於自己的將來充 滿了迷惘，不如說研究所是我逃避進入社會所選擇的路吧！但這兩年半在師大圖 傳系的時光，卻比一開始想像得讓我收獲得多。學海汪洋，身為碩士生的我頂多 只能說是個過路客而已，但能夠站在巨人肩膀上窺得學術界的一小角，也讓我十 分感動。因此能夠走到今日完成這本論文，即使並不是那麼地完美，對我來說已 經足以將這兩年半的時光畫下美好的句點了。 對於此本論文的完成，首先非常感謝我的指導教授──王健華老師，謝謝老 師總是不辭辛勞地教導並協助我們在論文、在研究上遇到的大小事。老師總是非 常樂於回答我們提出的問題，即使到後來我們才發現那是個很笨的問題，老師也 從來不厭煩地指導我們。所以即使每次 meeting 的時候心裡忐忑不安，但跟老師 報告完、聊完天的時候，都是很充實的。也謝謝我的口試委員們，給了我非常多 的建議，讓我發現我在研究這條路上還有許多沒注意到的不足之處。 謝謝我的同學書偉、婉伶、喆穎，還有健華 lab 的學長姐、學妹們。謝謝你 們總是伸出援手協助我。身為同 lab 的好夥伴，這種革命情感也是碩士時光最值 得紀念的一部份了，多年以後回想起這段日子的時候，肯定還是會記憶猶新的。 謝謝我的家人，在我大學已經比一般人晚畢業的情況之下，還是願意讓我繼 續讀研究所，成為我最有力的後援。對家人的愛總是覺得難以啟齒，所以就偷偷 地寫在這裡吧！我愛你們。謝謝親愛的男友，在我無數個熬夜寫論文的時光陪伴 我、支持我；謝謝好友依霜，總是聽我發牢騷，然後鼓勵我撐下去。謝謝你們， 因為有你們在，我才能夠任性地躲在自己的小天地，完成我的學業。 說到最後好像還是離不開那句：要感謝的太多了，就謝天吧！ 王雅唐 謹誌 III. 2017.02.23.
(4) IV.
(5) 摘要 對於自然科學教育而言，抽象概念常常是學習與教學的困難之處，傳統教學 很難將抽象的概念具體呈現於教學之中，造成學生依然存有迷思概念。近年來認 為透過數位教材的輔助來改善教學方法是有效的，而擴增實境是其中的一種方式。 但是有教材設計原則指出，不同的教材呈現方式將會造成學習者認知負荷上的影 響，因此教材與教學方法的改變，對於學習者所造成的認知負荷是值得重視的。 本研究使用同步多影像擴增實境系統，與以往擴增實境應用於教學有所不同。 同步多影像顯示擴增實境是一種連影連動的擴增實境顯示方式，讓學生能夠同時 學習多個概念。利用同步多影像顯示擴增實境進行月相教學，並探討其與單影像、 傳統投影片的教學是否有成效差別。以自然科學教育中容易造成迷思概念的月相 與潮汐做為題材，並加入空間能力做為學習者之個人變項。 研究對象分為三組，分別採用傳統投影片、單影像擴增實境及同步多影像擴 增實境，事前進行空間能力量表測驗，並依據量表成績分為高、中、低能力者， 接著進行約一個小時的教學實驗，透過月相單元測驗卷前後測及認知負荷量表來 探討不同教學方法與不同空間能力於月相教學中，對認知負荷與教學方法的影 響。 研究結果發現，教學方法和空間能力對於認知負荷皆無顯著差距，代表擴增 實境融於月相教學中並不會對學習者帶來額外的認知負荷；學習成效而言，教學 方法與空間能力之間並無交互作用，單獨來看則是單影像組優於其他兩組、高空 間能力優於其他兩者。 因此本研究認為，雖然擴增實境融於課程，並不會造成額外的認知負荷，但 仍須考量到學習對象是否適用，才能有助於提升學習成效。. 關鍵字：認知負荷、空間能力、同步多影像擴增實境、月相與潮汐教學. V.
(6) VI.
(7) Abstract The abstract concept seems to be difficult in learning and teaching for natural science education. The traditional teaching can hardly materialize abstract concepts in teaching, causing students’ misconceptions. In recent years, it’s believed that auxiliary digital materials can be effectively used to improve the teaching method, of which augmented reality is one of the methods. However, design principles in some textbooks point out that different presentation of textbooks will exert influence on the learners' cognitive load. Therefore, it is worthy of attention for the cognitive load of learners caused by the teaching materials and teaching methods change. Contrast to the application of augmented reality in traditional teaching, the synchronized multi-display augmented reality system is used in this study. The synchronized multi-display adopts linked augmented reality to display augmented reality, which enables students to learn several concepts once. The synchronized multi-display augmented reality is adopted for teaching Phases of the Moon, in which the imaging difference with the effect of single image and traditional teaching slides is researched. The phase of the moon and tide, which is easy to cause the misconception in science education, is taken as the theme, and the spatial ability is added as individual learners’ variables.Research subjects were divided into three groups, respectively, the traditional image slides, single-display augmented reality and synchronized multi-display augmented reality. The spatial scale test was conducted before this step, which can determine high, middle and low ability individuals. Next, one hour of teaching experiment is carried out. The unit test and the cognitive load scale was applied to investigate the different teaching methods and different spatial abilities’ influence on cognitive load and teaching method in the phases of the moon teaching. The results found that the teaching method and the spatial ability had no significant impact on cognitive load, demonstrating that the use of augmented reality into moon phase teaching will not bring additional cognitive load to the learner; in terms of learning effectiveness, no interaction exists in teaching method and spatial ability. Independently, single image group was better than the other two groups and high space ability group was also better than the other two groups.Therefore, according to this research, the augmented reality will not cause additional cognitive load even if being included in the curriculum. However, the applicability of learning objects shall also be considered so as to enhance their learning effectiveness. Keywords: cognitive load，spatial ability，Synchronized multi-display augmented reality，moon and tidal teaching VII.
(8) VIII.
(9) 目錄. 謝誌.............................................................................................................................. III 摘要............................................................................................................................... V Abstract ...................................................................................................................... VII 目錄..............................................................................................................................IX 表目錄..........................................................................................................................XI 圖目錄....................................................................................................................... XIII 第一章 緒論................................................................................................................ 1 第一節. 研究背景與動機.................................................................................... 1. 第二節. 研究目的................................................................................................4. 第三節. 研究問題................................................................................................4. 第四節. 研究範圍與限制.................................................................................... 5. 第五節. 研究流程................................................................................................6. 第六節. 名詞解釋................................................................................................6. 第二章 文獻探討........................................................................................................ 9 第一節. 同步多影像概念學習............................................................................ 9. 第二節. 認知負荷.............................................................................................. 14. 第三節. 空間能力.............................................................................................. 18. 第四節. 月相與潮汐的學習.............................................................................. 20. 第三章 研究設計...................................................................................................... 22 第一節. 研究架構.............................................................................................. 22. 第二節. 研究方法.............................................................................................. 25. 第三節. 研究對象.............................................................................................. 25 IX.
(10) 第四節. 研究工具.............................................................................................. 26. 第五節. 教學教材設計與分析.......................................................................... 34. 第六節. 研究實施.............................................................................................. 41. 第七節. 資料處理與分析.................................................................................. 44. 第四章 研究結果與討論.......................................................................................... 45 第一節. 不同能力學習者在不同教學方法之學習成效分析.......................... 46. 第二節. 不同能力學習者在不同教學方法之認知負荷分析.......................... 52. 第五章 結論與建議.................................................................................................. 54 第一節. 研究發現.............................................................................................. 54. 第二節. 研究結論.............................................................................................. 55. 第三節. 後續研究建議...................................................................................... 56. 參考文獻...................................................................................................................... 58 中文參考文獻...................................................................................................... 58 英文參考文獻...................................................................................................... 59 附錄.............................................................................................................................. 64 附錄１空間能力量表.......................................................................................... 64 附錄２認知負荷自評表...................................................................................... 66 附錄３月相與潮汐模擬測驗卷(前測) ............................................................... 68 附錄４月相與潮汐模擬測驗卷(後測) ............................................................... 71 附錄５月相與潮汐學習單.................................................................................. 74 附錄６教學使用之投影片.................................................................................. 76 附錄７傳統教具教學流程表.............................................................................. 77 附錄８單影像擴增實境教學流程表.................................................................. 78 附錄９同步多影像擴增實境教學流程表.......................................................... 79. X.
(11) 表目錄 表 1 空間能力量表測驗要點.................................................................... 28 表 2 認知負荷量表各題所代表向度說明................................................ 30 表 3 認知負荷反向題之分配.................................................................. 31 表 4 認知負荷問卷預試信度檢驗表...................................................... 31 表 5 潮汐教學課程設計考卷預試信度檢驗表...................................... 32 表 6 月相與潮汐單元測驗要點表.......................................................... 33 表 7. 九年一貫課程綱要（2008） 「自然與生活科技」學習領域能力之. 分段能力指標...................................................................................... 34 表 8 九年一貫課程綱要（2008） 「自然與生活科技」學習領域教材內 容要項與細目...................................................................................... 35 表 9 本研究之學習面向與學習目標...................................................... 35 表 10. 本研究之學習內容........................................................................ 36. 表 11 研究問題與資料分析方式對照表 ................................................ 44 表 12. 變異數同質性檢定摘要表............................................................ 47. 表 13. 受試者間效應項檢定摘要表........................................................ 47. 表 14. 教學方法之敘述性統計摘要表.................................................... 48. 表 15. 教學方法(組別)之主要效果摘要表 ............................................. 48. 表 16. 教學方法之事後比較檢定摘要表................................................ 49. 表 17. 空間能力之敘述性統計摘要表.................................................... 50. 表 18. 空間能力之主要效果分析摘要表................................................ 51. 表 19. 空間能力之事後比較檢定摘要表................................................ 51. 表 20. 變異數同質性檢定摘要表............................................................ 53. 表 21. 受試者間效應項檢定摘要表........................................................ 53 XI.
(12) XII.
(13) 圖目錄 圖 1 研究流程圖........................................................................................ 6 圖 2 研究架構圖...................................................................................... 22 圖 3 空間能力模式圖（Pellegrino and Kali，1982） .......................... 28 圖 4 月相與潮汐學習單.......................................................................... 37 圖 5 D’Fusion Augmented Reality 2 套件軟體之畫面 .......................... 38 圖 6 實際操作圖...................................................................................... 39 圖 7 powerpoint 實際呈現圖 .................................................................. 40 圖 8 教學流程圖...................................................................................... 41 圖 9 學生進行教學實驗之活動照片...................................................... 42 圖 10. 學生進行後測情形........................................................................ 42. 圖 11 本次實驗結束之合影 .................................................................... 43. XIII.
(14) XIV.
(15) 第一章 第一節. 緒論. 研究背景與動機. 一、概念學習與迷思概念 學習新的知識是一種概念改變的過程，Klausmeier, Ghatala, and Frayer (1974) 認為概念是有組織的資訊，可使我們透過某些特徵來區分事物。在 Piaget (1964) 的認知發展論(Theory of Cognitive Development)中，使用階梯理論來描述兒童的 認知能力的改變，也就是說 Piaget 認為認知能力是循序漸近的。認知能力包含了 邏輯思考、抽象思維等科學學習不可或缺的能力，必須要具備這些能力，才能夠 進一步解決科學問題，因此自然科學的學習特別需要注意概念的學習。 然而學生在進入教室之前，基於生活經驗與背景知識，很可能在正式教育之 前就已有自己的概念或想法，這些原來持有的概念被稱做是迷思概念，將會影響 學生學習（郭重吉，2001） 。Posner, Strike, Hewson, and Gertzog(1982) 根據 Kuhn (1962)的科學革命理論，提出了概念改變模式(conceptual change model, CCM)， 並認為要達到概念改變需要具備四個條件： 1. 學習者必須對現有概念感到不滿意。 2. 新的概念必須是可以理解的，個體才可能進行概念改變。 3. 新的概念必須是合理的：雖然新的概念未必一定要為真，但它至少必須具有 成真的可能性。 4. 新的概念必須是豐富的：它不僅有可能解決現有的問題，而且也應該提供未 來探索的途徑及作為產生思考的工具。 因此，為了幫助學童改變概念，建立一套合理且具有說服力的教學方法，對 於自然科學教育是有必要的。. 1.
(16) 二、認知負荷與擴增實境教學 為了改善教學方法，除了從了解學生的迷思概念下手之外，近年來隨著科技 的發展，也有許多研究探討數位學習對於學習者的影響。根據 Sweller, Merrienboer and Paas (1998)提出的認知負荷理論，不同的訊息呈現方式(如影片 之於圖片或是文字之於旁白)都會影響學習者的認知負荷以及訊息處理過程 (Mayer, 2005)。莊孟軒（2015）認為過去國內教師使用資訊科技仍著重在教學上， 學生較少有主動操作的機會，然而，資訊科技融入教學所強調的應該是教學和學 習之間的整合性、互動性。Soloway, Guzdial and Hay（1994）提出所謂以學習者 為中心(Learner Centered)的介面設計研究，認為一個良好的互動式學習系統，應 該要可以讓學習者在沒有負擔的環境中與系統產生的良好互動。透過探討學習者 的認知負荷程度，可以了解新的學習系統是否會造成學習者額外的負擔。 學者 Sweller et al.(1998)提出「認知負荷理論」 （Cognitive Load Theory）作為 設計教材和教學方法的參考，例如在教學設計方面，他們提出了七個影響認知負 荷的效應。其中 Kirschner(2002)認為有三個效應與多媒體教材的編輯有關，分別 為分散注意力效應(split-attention effect)、重複效應(redundancy effect)及形式效應 (modality effect）；代表使用多媒體教材須特別著重於此三點。 本研究所使用的同步多影像顯示擴增實境是將教學中兩個、或多個概念相互 融合，透過相互牽連的方式進行教學中的使用，影像之間呈現時雖然是分開的， 但彼此調整、互動會相互連動，具有虛實互動的特性。莊孟軒（2015）的研究指 出擴增實境融入潮汐教學，跟傳統教學方法相比，對學習者並不會造成額外的認 知負荷影響。在學習成效的部分，雖然擴增實境組皆優於傳統教學，但單影像擴 增實境的表現較優於多影像擴增實境。本研究認為可能是沒有考量到在不同的教 學方法之下，學習者的個別差異所帶來的影響。. 2.
(17) 三、月相與潮汐之學習與空間能力 近年來我國一直都有針對月相盈虧概念學習的研究，其中學習者的空間能力 被認為會影響月相盈虧概念的學習。空間能力在心理學被視為智力的ㄧ種，是指 學習者在學習活動中在腦海作用空間推理的思考過程（張春興，1997）然而空間 能力包含的範圍非常廣泛，具有許多不同的定義；本研究因為研究主題訂定為月 相與潮汐，對於空間能力的部分主要涉及二維平面圖像與三維立體空間之轉換， 因此採用 Macnab and Johnstone(1990)對於空間能力的定義，共包含三個要項： 1.. 三維轉化二維空間的能力；. 2.. 二維轉化三維空間的能力；. 3.. 物理的結構方向改變後，仍能辨識為原物的能力。. 國內研究中認為高空間能力的學生，在學習月相盈虧概念上優於低空間能力 的學生（陳英嫻、邱美虹，1995） 。對於多媒體學習融入月相單元的教學中，空 間能力造成的影響也有相同的看法：Hays(1996)發現對於空間能力低的學習者， 使用動畫學習的效果優於使用圖片或文字，由於他們在學習過程中無法有效理解 與建構概念，改變教材呈現方式能夠支持學習者建立心智模型，補足其低空間能 力對於學習造成的影響。Shelton and Hedley(2014)則認為擴增實境是唯一能夠結 合視覺顯示、空間信息與使用者操作的組合，並且發現與傳統教學方式相比，擴 增實境用於空間概念教學上具有優勢。 因此本研究將探討同步多影像擴增實境融入於月相與潮汐單元學習，學習者 空間能力的個別差異是否會影響學習成效與認知負荷。. 3.
(18) 第二節. 研究目的. 本研究探討於月相教學中，學習者之空間能力與不同的教學方法，是否對認 知負荷及學習成效有顯著影響。可概述為以下目的： 1. 探討學習者學習月相時，空間能力與教學方法是否在學習成效上有交互影 響。 2. 探討學習者學習月相時，空間能力與教學方法是否在認知負荷上有交互影 響。. 第三節. 研究問題. 基於上述目的，本研究之代答問題如下： 1. 不同空間能力的學習者對於不同教學方法融入月相教學中，學習成效是否 有顯著差異？ 1.1 不同空間能力的學習者對於不同教學方法，學習成效是否有交互影響？ 1.2 不同教學方法的學習者其學習成效是否顯著？ 1.3 不同空間能力的學習者其學習成效是否顯著？ 2. 不同空間能力的學習者對於不同教學方法融入月相教學中，認知負荷是否 有顯著差異？ 2.1 不同空間能力的學習者對於不同教學方法，認知負荷是否有交互影響？ 2.2 不同教學方法的學習者其認知負荷是否顯著？ 2.3 不同空間能力的學習者其認知負荷是否顯著？. 4.
(19) 第四節. 研究範圍與限制. 本研究之研究範圍以嘉義市立世賢國小五年級學生作為研究對象，研究中以 月向與潮汐單元為教學內容，探討傳統投影片教學、單影像擴增實境教學與同步 多影像擴增實境教學等三種不同教學方法，與學習者本身之空間能力，在學習成 效與認知負荷造成的差異，並相互比較差異程度與原因。因此，其他個人能力均 不在本研究所探討的範圍內。同時，本研究僅討論使用擴增實境之學習方式，若 教學者欲採取其他教學方法，無法使用本研究結果之結論作為參考；也不適用於 各種年齡層或其他學習背景之學習者。. 5.
(20) 第五節. 研究流程. 蒐集及閱讀相關文獻. 建立研究問題與目的. 建立研究方法. 建立研究工具之量表、測驗卷. 與專家討論並修改量表與測驗卷. 實施預試. 分析預試資料. 實施實驗教學、前後測. 資料統計與分析. 撰寫研究結論與建議 圖 1 研究流程圖. 6.
(21) 第六節. 名詞解釋. 以下將本研究之重要名詞，分別將其定義及界定：. 一、同步多影像擴增實境（Multi-display of synchronous AR） 擴增實境是一種需要計算攝影機影像的位置及角度，這種技術的目標是在螢 幕上把虛擬世界裡的虛擬物件，套在真實世界中進行互動。和傳統擴增實境不同 的是，本研究之同步多影像顯示擴增實境是將教學中兩個、或多個概念相互融合， 透過相互牽連的方式進行教學中的使用，影像之間呈現時雖然是分開的，但彼此 調整、互動會相互連動。除了亦具備立體影像、虛實互動特性之外，透過輔助辨 識碼貼紙，虛擬物件是直接延伸出現在螢幕中的實體物件上，並且出現兩個延伸 的虛擬畫面，分別是月球與地球相對位置變化與潮水漲潮與退潮的變化，為一套 符合國小自然與生活科技課程「月相與潮汐」單元之教學內容系統。 （王維洸， 2015；莊孟軒，2015）. 二、單影像擴增實境（Single-display of AR） 單影像擴增實境即傳統擴增實境，在本研究中透過輔助辨識碼貼紙辨識， 使虛擬物件出現在真實世界的螢幕中，進行互動。. 三、月相與潮汐單元 本研究所指潮汐教學為國小五年級學童所設計，根據教育部現行 97 課綱以 及翰林版與南一版四年級第七冊做為教學內容設計參考，根據學生以往舊學習經 驗與常間之迷思概念進行延伸，設計教學課程「月相與潮汐」 。. 7.
(22) 四、空間能力 由於本研究以「月相與潮汐」單元做為教學內容，月相盈虧的成因與太陽、 地球和月亮的相對位置有關，學生需要在二維的平面圖像（月相變化）與三維的 立體空間（日、月、地系統模型）之間做轉換，因此本研究對於空間能力的定義 採用 Macnab and Johnstone(1990)的定義，共包含三個要項： 1.. 三維轉化二維空間的能力；. 2.. 二維轉化三維空間的能力；. 3.. 物理的結構方向改變後，仍能辨識為原物的能力。. 8.
(23) 第二章. 文獻探討. 為了架構研究理論基礎，必須先了解與本研究相關之主題研究。本章針對與 本研究相關文獻進行分析，共分為四節：第一節同步多影像概念學習、第二節認 知負荷、第三節空間能力與第四節月相與潮汐的學習。. 第一節. 同步多影像概念學習. 一、概念學習 概念是一系列具體的物體、符號與事件，這些物體、符號或事件是以它們之 間的共同特徵做為基礎所組織起來的，並且可用某一個特定的名稱或者符號來指 代(Merrill, Tennyson and Posey, 1992)。Klausmeier et al. (1974)認為概念是種有組 織的資訊，可使我們區分相關事物中特定的事或物；並且 Klausmeier(1992)將概 念學習的四個連續發展層次依序為：具體層次、辨識層次、分類層次、形式層次 等四個層次。 (1) 具體層次(concrete level)：學習者可辨認出他曾經接觸過的事物，如「汽車」 這個概念，第一次看過汽車後，再看見汽車可以正確的辨認出「汽車」 ，即 達到了具體層次。 (2) 辨識層次(identity level)：當出現學習者曾經學習過的事物，即使以不同的角 度、形式出現時，他仍可辨認出，即達到辨識層次。如敞篷車雖然改變了外 觀樣式，但仍可歸類為汽車概念，即達到辨識層次。 (3) 分類層次(classificatory level)：學習者對於同類事物兩個以上不同的例子，會 依不同的屬性分類。如轎車、休旅車、貨車等依不同用途而推論歸類。 (4) 形式層次(formal level)：學習者能具體說明某概念所代表的意義，並可以分 辨此概念與其他相類似概念的異同之處。. 9.
(24) 二、迷思概念與概念改變 Posner et al. (1982) 提出了概念改變模式，此模式是根據 Kuhn(1962)所發表. 已註解 [u1]: 第一次出現？少於六個作者？是的話要引用 所有作者. 的科學革命的結構(Structure of Scientific Revolutions)書中，認為科學概念的改變 已註解 [c2R1]: 第一次出現在第一頁緒論. 過程就如同進行革命一般，從一個位於危機中的典範轉移到新典範，原本發生的 科學危機就因為新典範的出現而結束。 Posner et al. (1982)所提出概念改變的四個條件為： 1. 學習者必須對現有概念感到不滿意，也就是除非人們感受到自己的概念不具 有功能性，否則是不會改變他們所用來思考的概念。 2. 新的概念必須是可以理解的：根據 Posner et al. (1982)的觀點，新的概念通常 不是反直覺，就是不可理解，所以很難形成概念改變，因此新的概念必須是 可理解的，個體才可能進行概念改變。 3. 新的概念必須是合理的：雖然新的概念未必一定要為真，但它至少必須具有 成真的可能性。 4. 新的概念必須是豐富的：它不僅有可能解決現有的問題，而且也應該提供未 來探索的途徑及作為產生思考的工具。 符合上述四個條件再透過調適的過程，才能使概念重組以達概念改變的目的。 Roth(1991)也提出與 Posner et al. (1982)類似的觀點，他指出學生必須明瞭他 們個人的理論與實驗證據相比是不足夠、不完整的或是不一致的；反之科學性的 解釋可作為一個更具說服力且更合理的取代物，如此概念改變才有可能發生。 而本研究希望透過實驗來了解使用之同步多影像擴增實境，是否是一個具有 說服力的月相與潮汐概念模型；並探討使用同步多影像擴增實境融入於月相與潮 汐教學中，是否有助於學生的概念改變。. 10.
(25) 三、互動式學習 數位互動科技增強了學生的學習動機，透過目前較為盛行的科技軟體與教學 媒體，促進教學互動，也使得學生更為投入教學之中，進而影響學生的學習動機、 學習熱忱與溝通方式(Becta, 2004)。互動是指人與機器之間訊息、反應與回饋的 交換，以達到個別化與適應化；而互動在多媒體教學的活動中，是指學習者與多 媒體之間的互動關係，其關係是指學習者是否能夠融入所提供的環境中而成為環 境的一分子(Price, 1991)。因此對於數位化教學而言，互動是其中一個重要的要 素。 Soloway et al. (1994)提出所謂以學習者為中心的介面設計研究，主要是在探 討學習者在使用電腦系統操作進行學習的過程中，是否能夠主動思考與探究，並 透過這樣自身感官參與的學習過程，達到互動模擬式學習的效果，稱之為以學習 者為中心的介面。這樣的使用介面不僅是教學者必須對學習過程熟稔，學習者自 身也必須投入地參與，才能達到最好的學習效果，並能從中獲得成長。因此 Soloway et al. (1994)認為一個符合以學習者為中心的介面設計必須包含以下四 點： (1) 系統產生的結果必須讓使用者能清楚瞭解 (2) 建立低負擔及即時回應的溝通介面 (3) 運用多媒體展示營造學習情境 (4) 促使學習者從系統中獲得成長 Hwang and Chang(2011)使用行動載具(手機)進行廟宇知識的學習，學習者在 學習的過程中，能夠透過行動裝置與現場互動，達到自主學習的效果，也沒有額 外造成學習者負擔。因此學習的教材適合學習者使用與否不容忽視，良好的數位 教材設計才能夠讓學習者在模擬式的學習過程中順暢的進行學習。 針對擴增實境應用於教學的部份，Chiang, Yang and Hwang(2014)針對自然科 學的教學中，比較了使用擴增實境和使用傳統教學方法的差別，結果發現擴增實 11.
(26) 境應用於教學可以提升學習者的學習動機和學習成效。Lu and Liu(2015)則是針 對國小低年級學生，將擴增實境應用在海洋教育上，結果顯示擴增實境真對低學 習成就的學生明顯地提高了他們的學習成效。 而在 Akçayır and Akçayır(2017)的文獻歸納中提到，目前對於擴增實境應用 於教學的研究大部份都認為擴增實境應用於教學有助於提升學習成效，而較為常 見的問題是學習者對於擴增實境系統還不熟悉，導致學習上遇到了困難。 所以，一個設計良好的互動式學習系統，應該要可以讓學習者在沒有負擔的 學習環境中，與系統產生良好的互動，並清楚地了解系統所提供的知識內容，才 能達到有效率的學習。透過探討學習者對於學習系統的認知負荷，可了解其是否 是一個設計良好的互動式學習系統。. 12.
(27) 四、同步多影像擴增實境 擴增實境是一種需要計算攝影機影像的位置及角度，這種技術的目標是在螢 幕上把虛擬世界裡的虛擬物件，套在真實世界中進行互動。而擴增實境運用在教 育上已有數十年的發展。許多研究指出擴增實境融入各個領域皆有不錯的效果與 表現，尤其在教育上更是有一定程度的效果提升。最顯著的發展是在自然科學相 關知識，抽象概念的教學融入擴增實境讓學生更有親臨現場的感受（莊孟軒， 2015） 。 本研究之同步多影像顯示擴增實境是由王維洸（2015）製作之軟體，將教學 中兩個、或多個概念相互融合，透過相互牽連的方式進行教學，影像之間呈現時 雖然是分開的，但彼此調整、互動會相互連動。除了亦具備立體影像、虛實互動 特性之外，透過輔助辨識碼貼紙，虛擬物件是直接延伸出現在螢幕中的實體物件 上，並且出現兩個延伸的虛擬畫面，分別是月球與地球相對位置變化與潮水漲潮 與退潮的變化，為一套符合國小自然與生活科技課程「月相與潮汐」單元之教學 內容系統。. 13.
(28) 第二節. 認知負荷. 一、傳統認知負荷理論 認知心理學在探究人類如何處理訊息的研究歷程中，提出許多不同的理論， 而其中共同的研究結論是人類處理訊息的認知資源是非常有限的(Miller,1956 ;凃 金堂，2012)，認知負荷理論便是基於人類的記憶容量、基模的發展及其型態， 以及自動化處理訊息建立基模的概念，提供做為探討認知學習歷程及教學設計理 念的主要理論架構（莊孟軒，2015） ，以協助學習者善用有限認知資源。 Sweller et al. (1998)把認知負荷定義為 「將特定任務加諸於個體認知系統時， 所產生的負荷量，是一種多維度的結構」 ，並提出以認知負荷理論做為探討認知 學習歷程及教學設計理念的主要理論架構。 認知負荷主要依照負荷來源的不同，區分為三大類型：內在認知負荷 (intrinsic cognitive load)、外在認知負荷(extraneous cognitive load)、增生認知負荷 (germane cognitive load)(Sweller et al. ,1998），其中 Paas, Tuovinen and Tabbers (2003)指出，增生認知負荷是促使學生學習成效的重要因素。而 Gerjets and Scheiter (2003)也提到，增生的認知負荷有效幫助學習者建構知識，往建構更高 層次的基模發展。 Sweller(2010)提出要素互動性(element Interactivity)，指出學生與教材之間的 連結性、熟悉度，不只會影響內在認知負荷，更對外在認知負荷造成影響，且間 接影響到增生認知負荷的產生。要素互動性越高，學生與教材之間的連結就越 強。 在教材設計方面，Sweller et al. (1998)也提出七個影響認知負荷的效應。其 中 Kirschner(2002)認為有三個效應與多媒體教材的編輯有關，分別為分散注意力 效應、重複效應及形式效應：. 14.
(29) 1.. 分散注意力效應 分散注意力效應是指，面對多個需要加以整合的訊息時，最好同時、同位置 呈現，才能達到學習效果。若不同位置或不同時間呈現，學習者需要將自身 注意力分開，以獲得不同呈現來源的資訊，並且花費心力將不同來源的資訊 整合起來。. 2.. 形式效應 指處理訊息時，可經由多重管道分別處理不同的性質的訊息，而非單一模式。 例如用視覺和聽覺雙重管道呈現教材內容，會比只有單一視覺或聽覺效果來 得好。. 3.. 重複效應 指若同時、同位置面對多個可獨立呈現不需整合就能理解的觀念，便會增加 記憶負荷。例如當圖片和文字分別都能解釋內容時，若二者同時放置在一起， 將強迫學習者去建立二者之間的相關性，反而造成認知負荷(Sweller, et al.,1998)。. 本研究所使用的同步多影像擴增實境，會有多個畫面同時出現在一個螢幕中， 可能產生分散注意力效應；而擴增實境教學組（含單影像及多影像）相較於一般 教材教學，增加了日-月實體模型，可能會因為增加了實體教具而有形式效應的 影響；此外本研究認為「月相與潮汐」應為多個相互連動的概念，探討重複效應 將可以比對多影像組試圖建立觀念的相關性是否會造成認知負荷的影響。因此本 研究將以此三個效應作為探討方向。. 15.
(30) 二、認知負荷的測量 認知負荷的測量主要是以學生「在學習時所知覺的困難度」 ，來做為判定， 目前對於認知負荷的測量並沒有標準的測量方式(Cheng, Lu and Yang, 2015)； Wierwille and Eggemeier (1993)提出了三種認知負荷的測量方法：主觀測量方法 (subjective techniques)、生理測量方法(physiological techniques)及任務與績效測量 方法(ask- and performance-based techniques）。 1.. 主觀測量方法：假設學習者能夠自省，由學習者自行評斷本身負荷程度，選 取較適合的尺度。. 2.. 生理測量方法：認為認知運作會影響到生理狀況，因此利用測量心跳、腦波、 血壓等來測量學習者的認知負荷。. 3.. 任務和績效測量方法：由客觀的任務困難度及學習成效，來推論學習者的心 智努力程度，如：學習者所花費的學習時間、學習者的學習錯誤率等。 Paas and Van Merriënboer (1994)比較了三種認知負荷的測量方法後，基於信. 度、效度以及實用、可行性之下，認為主觀測量方法是測量認知負荷最為可行的 方法。因此本研究將採用主觀測量方法，並參考莊孟軒(2015)針對同步多影像擴 增實境用於月相教學所製的「認知負荷量表」 ，加以修改後以李克特(Likert)四 點量尺法，用於測量實驗中所產生的認知負荷。. 三、科技輔助學習下的認知負荷 近年來隨著新科技的誕生，也改變了教學方法，變得更加多元化而不單只侷 限在傳統教學；但對於學習者而言，重要的不是科技本身，而是科技如何被應用 在教學上。因此有許多學者探討科技輔助學習之下對於認知負荷產生的影響： Mayer, Mautone and Prothero(2002)以地質課的學生做為實驗對象，透過比較電腦 模擬圖片和傳統口述兩種學習方式，發現電腦的地質模擬對學習十分有幫助，並 16.
(31) 且能夠降低學生的認知負荷。Tang, Owen, Biocca and Mou(2003)的研究中提到， 若符合學習者的使用經驗，學習過程當中學習者不需要轉換工作記憶的話，相較 於其他目前常用的多媒體教學，擴增實境融入教學能夠降低認知負荷中的內在認 知負荷並且提升學習成效。Lee, Chen and Chang(2016)比較了對於老人學習空間 能力時，傳統 2D 形式與擴增實境的差別，除了擴增實境比較能引起學習興趣之 外，研究結果也顯示相對於傳統的 2D 形式，擴增實境應用於教學明顯地減少了 認知負荷。 然而科技輔助應用於教學，雖然可以提供更多樣化的內容和不同的感官刺激， 卻也可能造成新的認知負荷。例如傳統教學受限於一般多媒體設備有限的展示空 間，即使多媒體豐富了教學內容，卻必須分開顯示，導致教學內容被拆開、分段 顯現，反而會造成多媒體教學的效果降低，導致學習者的認知負荷增加(Lanir, Booth, and Tang, 2008)。為了解決此類狀況，Cheng et al. (2015)透過研究證明延 伸多影像顯示可以用以改善上述狀況，不會因為同時顯示大量的資訊造成認知負 荷上升。 此外，對於本研究所使用之同步多影像擴增實境裝置，莊孟軒（2015）以國 小五年級生做為實驗對象，結果顯示傳統數位教學、單影像擴增實境與多影像擴 增實境教學中，雖然學習成效並無顯著差異，但三組間的認知負荷也無顯著差異。 代表擴增實境融入潮汐教學並不會造成額外的認知負荷影響。 綜合以上文獻，可以歸納出使用科技輔助融入教學與學習者使用經驗、學習 者與教材間的互動，所產生的認知負荷彼此之間是息息相關的。科技融入教學雖 然可以改善傳統教學造成的認知負荷，但也可能對學習者產生其他的認知負荷； 本研究希望研究同步多影像擴增實境融入教學，是否會對學習者過多的認知負 荷。. 17.
(32) 第三節. 空間能力. 一、空間能力的定義 空間能力在心理學被視為智力的ㄧ種，是指學習者在學習活動中在腦海做用 空間推理的思考過程（張春興，1997） ，然而空間能力包含的範圍非常廣泛，在 不同的研究中對於空間能力可能有不一樣的定義。Thurstone(1938)認為空間能力 是指在心中記住一個空間圖像，並在腦海中扭轉、移轉或旋轉至一個新的位置， 再將此變動後的圖像進行比對；而 MaGee(1979)認為空間能力至少包含空間視覺 (spatial visualization)和空間方位(spatial orientation)，空間視覺指的是在心中對物 體影像進行操作及轉換一個圖像呈現方式的能力；而空間方位牽涉到一個圖像在 成分重排之後的理解，以及對於一個立體形狀改變方位之後依舊可以保持不混淆 的資質；Lord(1985)則概括性地認為空間能力是思考時產生心像以及轉換、變化 心像的能力。雖然不同學者對於空間能力的詳細定義有所差異，但都能認為是在 描述個體處理空間問題時內在的處理過程。 由於本研究以「月相與潮汐」單元做為教學內容，月相盈虧的成因與太陽、 地球和月亮的相對位置有關，學習者需要在二維的平面圖像（月相變化）與三維 的立體空間（日、月、地系統模型）之間做轉換，因此本研究對於空間能力的定 義採用 Macnab and Johnstone(1990)的定義，共包含三個要項： 1.. 三維轉化二維空間的能力；. 2.. 二維轉化三維空間的能力；. 3.. 物理的結構方向改變後，仍能辨識為原物的能力。. 18.
(33) 二、多媒體學習與空間能力 在多媒體學習與空間能力的相關研究中指出，空間能力在多媒體的學習中具 有能力補償效應(Ability-as-compensator Effect)，因為動畫提供了一個動態化呈現 過程的方式，能夠快速幫助學習者建立心智模型，因此對於低空間能力的學習者 而言，動畫可以支持他們學習。(Mayer, 2008；Mayer and Sims, 1994)，因此動畫 對學習者發揮了認知輔助的效果(Hegarty and Kriz, 2008)。此外 Hays(1996)的研究 結果也中發現：低空間能力的學習者使用動畫與文字學習時的效果優於使用圖片 與文字、及單獨使用文字的組別。表示對於空間能力較低的學習者，利用動畫的 形式呈現教材，可以讓他們在學習上有比較好的表現。因此對於空間能力不足的 學習者在學習過程中無法有效理解與建構知識的問題，透過視覺化教材能夠支持 學生建立心智模型，能夠補充其能力不足造成學習上的影響，幫助學生學習； Lee and Wong(2014)的研究則是認為虛擬實境的學習是有助於低空間能力的學習 者的。 然而空間能力對多媒體學習的影響，也有另外一種不同的研究結果：空間能 力在多媒體學習中發揮的是增強效應，對於低空間能力的學習者而言反而會造成 過大的認知負荷，僅有高空間能力的學習者能夠獲得幫助(Mayer, Hegarty, Mayer and Campbell, 2005)。 針對以擴增實境作為教學方法的部份，Shelton and Hedley(2014)認為擴增實 境是唯一能夠結合視覺顯示、空間信息與使用者操作的組合，透過擴增實境的互 動方式，使用者可以直覺地了解視覺效果與空間的關係，並且發現與傳統教學方 式相比，擴增實境用於空間概念教學上具有優勢。 因此本研究希望透過實驗探討同步多影像擴增實境融入月相與潮汐教學，是 否會對於低空間能力的學習者會造成額外的認知負荷；或者是能夠幫助他們建立 心智模型，進而達到更好的學習成效。. 19.
(34) 第四節. 月相與潮汐的學習. 一、傳統月相與潮汐學習方式 在自然科學及地球科學領域中，包含了無法實際觀察到的巨觀及微觀現 象，王維洸（2015）認為在教學的環境中，一般會使用模擬的方式來呈現的 情形大致可以分為下列幾種： 1.. 被觀察的物件無法短時間內完成者. 2.. 無法到達現場觀察者. 3.. 具高度危險性者. 然而傳統教學方法都是藉由圖片、模型或影片等方式來讓學習者觀察學習， 除了可能會造成資訊過於片斷或者抽象，使得學習者的概念形成遇到困難之 外，過程中也缺乏互動性。 針對月相與潮汐單元，美國國家科學教育標準（National Science Education Standards,1996）研究發現 5 到 8 年級的學生即使有日月地系統 模型運行狀況的認知，也無法正確地解釋月相盈虧的成因，顯示月相盈虧是 難以習得的科學概念。 因此本研究認為「月相與潮汐」單元具有無法短時間內完成、無法到達 現場觀察以及具有抽象概念……等特徵，在教學時要同時呈現且講述清楚往 往不是那麼容易可以釐清。因此適合做為同步多影像擴增實境融入教學之學 習內容，藉由本裝置之特性來輔助教學，並探討是否有助於學習者達到更好 的教學成效。. 20.
(35) 二、「月相與潮汐」單元之迷思概念 對於月相概念的迷思很早之前就有相關研究，Baxter(1989)收集了 100 位 9 到 16 歲學生的晤談資料，歸納出學生對於月相的概念有所混淆，以月相盈虧的 成因為主要迷思。而本研究之研究對象為國小五年級學生，因此主要將分析我國 學生常見的月相迷思概念之研究。以小學階段「月相變化」的單元為例，對 10 歲的兒童而言，月相的成因及其變化的規律是抽象而難以理解的（王美芬， 1991）。 綜合上述研究可以發現，學童對於月相相關概念之迷思是值得深入研究與探 討的，雖然相關之概念迷思大多著重於月相方面，對於潮汐方面較少提及；然而 月相與潮汐為連動的概念，若其中有部份抱有迷思概念，則難以學得完整且正確 的概念架構，因此依然具有參考價值。. 21.
(36) 第三章. 研究設計. 本研究目的為探討同步多影像顯示擴增實境導入國小課程教學，和一般教學 與單影像擴增實境教學相比，對於不同空間能力的學生在學習成效與認知負荷之 影響。以國小自然與生活科技翰林版、南一版為教材設計參考來源，為達到上述 之研究目的，使用上述三種不同教學法進行教學，並透過量表、測驗卷進行研究。 本章共分為六節，依序為「研究架構」 、 「研究方法」 、 「研究對象」 、 「研究工具」 、 「教學教材設計與分析」 、「研究實施」及「資料處理與分析」 。. 第一節. 研究架構. 本研究以國小自然與生活科技翰林版、南一版為教材來源，探討同步多影像 顯示擴增實境導入國小「月相與潮汐」課程教學，和一般教學與單影像擴增實境 教學相比，對於不同空間能力的學生的學習成效與認知負荷之影響。為達到上述 之研究目的，使用上述三種不同教學法進行教學，並透過問卷、測驗卷、訪談進 行研究。研究架構如圖 1 所示： 已註解 [u3]: 看起來有點怪 已註解 [c4R3]: 已修改. 圖 2. 研究架構圖. 22.
(37) 一、個人變項 個人變項為學習者本身擁有之特質，研究者無法加以改變之變項。本研究之 個人變項為「空間能力」，指受試者在「空間能力量表」所編製量表上之得分表 現。由於本實驗需要分組進行教學，且需要區分學習者的個人能力高低。 Eder(1981)與 Oakes(1985)認為，使用同質能力分組容易忽略學習者心理層面，造 成負面結果產生，教學宜採用異質性分組。因此本研究空間能力之分類門檻參考 Webb(1982)與 Saleh, Lazonder and De Jong(2005)之標準，將學習者劃分為得分於全 體得分 25%以下為低能力、25%至 75%為中能力、75%以上為高能力，並採用異質 分組方式進行實驗。. 二、自變項 本研究之自變項即實驗處理，係指實驗組接受同步多影響顯示擴增實境教學， 控制組則接受單影像擴增實境與傳統投影片教學。教材設計和詳細內容請參閱本 章第五節。. 23.
(38) 三、依變項 1.. 學習成效 指受試者在「月相與潮汐教學課程設計考卷」之前、後測的進步程度，其中 前測與後測之試題考卷並不相同。. 2.. 認知負荷 本研究之中介變項為認知負荷，係指受試者在「認知負荷量表」上之得分表 現。其中又細分成六個構面：心智負荷、生理負荷、時間負荷、難易程度、 挫折容忍力、表現程度。依照研究需要，從向度中挑選出心智負荷(Mental load)、表現程度(Performance)、挫折容忍力(Frustration Tolerance)、資訊吸收 量(Information)、時間負荷(Temporal Load)與難易程度(Effort)作為本研究所 使用認知負荷量表之試題編制向度。. 四、控制變項 本研究之控制變項為「學習內容」及「進行時間」 1.. 學習內容： 本研究之學習內容為「月相與潮汐」單元，教材來源為國小自然與生活科技 翰林版及南一版。此研究之自變項為不同的教學方法，包含單影像擴增實境、 同步多影像擴增實境及傳統投影片教學，但學習內容之出處及份量、以及學 習目標均相同，並不會因為教學方法不同而有所差異。. 2.. 進行時間： 本研究進行之不同的教學內容，將會控制在相同的進行時間完成，詳細之教 學流程表可參考附錄 7 至 9，確保三種不同的教學方法，不會因為教學時間 的差異而受到影響。. 24.
(39) 第二節. 研究方法. 本研究採用「實驗法」作為研究方法。實驗法為在控制完善的環境之下，觀 察自變項對於依變項所產生的影響，檢測兩者之因果關係最理想的研究方式。但 受限於本研究之樣本取樣方式為便利抽樣，故採用研究法之不等組前後測設計， 了解不同教學方法(同步多影像擴增實境、單影像擴增實境與傳統投影片教學)對 於不同空間能力學生之認知負荷與學習成效的差異。本研究將於教學課程開始前 先以空間能力測驗及月相與潮汐前測測驗卷測試學生個人之空間能力及對於月 相與潮汐單元之知識，了解學生之空間能力程度及排除個人先備知識之差異，接 著進行同步多影像擴增實境、單影像擴增實境或傳統教具教學之教學課程，最後 發放月相與潮汐後測測驗卷及認知負荷問卷，分析並了解各組前後測之間是否有 顯著差異。. 第三節. 研究對象. 本研究以嘉義市國小五年級學生做為研究對象，配合九年一貫課程目前現行 九七課綱中的自然與生活科技，搭配翰林版四年級第七冊、南一版四年級第七冊 課程做延伸，設計「月相與潮汐」課程，進行潮汐與科技融合之教學。配合學習 階段認知技能進行教材的編制、與教學流程的擬定。. 25.
(40) 第四節. 研究工具. 配合上述研究變項與對象，本研究使用實驗法取得研究資料，並使用「空間 能力量表」 、 「認知負荷量表」 、 「月相與潮汐單元測驗卷」及「訪談紀錄表」做為 本研究之研究工具。 正式研究實施前，以嘉義市五年級一個班級，共計 24 人作為研究工具編制 施測樣本，進行一次同步多影像擴增實境教學。教學者與正式施測時的教學者為 同一人，即為本研究研究者，實驗過程包含空間能力量表、前測、正式教學、後 測，所費約 60 分鐘，並與該科專業教師透過討論進行研究工具題目之修正，擬 定適合該年級學生所使用之量表工具；信度部分以統計軟體 IBM SPSS Statistics 23.0 版進行內部一致性分析，工具分別說明如下所述。. 26.
(41) 一、空間能力量表 本研究以「月相與潮汐」單元做為教學內容，月相盈虧的成因與日、月、地 的相對位置有關，學習者需要在二維的月相變化平面圖與三維的日、月、地系統 模型之間做轉換；因此本研究參考 Pellegrino and Kali(1982)所提出的空間能力模 式圖做為本研究空間能力量表之測驗要點，其架構如圖 2 所示，並依據梁勇能 （2000）針對適合我國學生使用的空間量表題型，包含平面旋轉、積木旋轉(3D 旋轉)、展開圖以及三視圖等題目，將空間能力量表分為「旋轉」與「視覺」兩 大主題。 「旋轉」主題對應 Pellegrino and Kali(1982)空間能力量表之空間關係， 將方塊比較之面項併入 2D 心理旋轉與 3D 心理旋轉中，列為平面旋轉、積木旋轉 兩種題型； 「視覺」主題則對應空間能力量表中之空間視覺，紙板測驗以三視圖 題型呈現，修改成一份適合國小五年級學生使用且測驗時間適宜的空間能力量 表。 由於本實驗需要分組進行教學，且需要區分學習者的個人能力高低，對於分 組方式 Eder(1981)與 Oakes(1985)認為，使用同質能力分組將會忽略學習者心理 層面，產生負面結果，因此教學採用異質性分組較為適當。所以本研究空間能力 之分類門檻參考 Webb（1982）與 Saleh et al.(2005)對於異質分組之標準，將學習 者劃分為得分於全體得分 25%以下為低能力、25%至 75%為中能力、75%以上為高 能力，並採用異質分組方式進行實驗。空間能力量表測驗要點與測驗題數如表 1 所示，共有 8 題，詳細試題請見附錄１。. 27.
(42) 平面發展 空間視覺. 平面圖折疊 紙板測驗. 空間能力 2D心理旋轉 空間關係. 方塊比較 3D心理旋轉. 圖 3 空間能力模式圖（Pellegrino and Kali，1982）. 表 1 空間能力量表測驗要點 空間能力面向. 測驗內容. 空間關係. 1.. 2D 心理旋轉. 2. 2.. 3D 心理旋轉. 2. 1.. 平面圖摺疊. 1. 2.. 平面展開. 1. 3.. 三視圖. 2. 空間視覺. 測驗題數. 在開始正式教學實驗前，先施行空間能力量表測驗預試，總計 24 位學生參 與，回收 24 份有效問卷。以 IBM SPSS Statistics 23.0 統計軟體進行信度檢驗， 空間能力量表 Cronbach's α 值 0.515； Cronbach's α 值達 0.50 以上，為尚可接受 之信度標準。 28.
(43) 二、認知負荷量表 本研究將「認知負荷」定義為個人在執行特定的任務時加諸其認知系統上 的負荷感。認知負荷操作定義為「主觀的心智負荷」與「主觀的心智努力」 ： 「主 觀的心智負荷」為學習者執行任務後，自己反思所知覺的教材內容困難程度，而 「主觀的心智努力」則為學習者執行任務後，自己反思所付出的認知能力或資源 (宋曜廷，2000)。 本研究採用的量表參考莊孟軒（2015）針對同步多影像擴增實境融入月相與 潮汐單元教學所致之「認知負荷量表」 ，並加以修改後以李克特（Likert）四點量 尺法測量認知負荷，並配合本研究之實施內容修改後用於本研究中，測量實驗中 所產生認知負荷。其中又將量表細分成心智負荷(Mental load)、表現程度 (Performance)、挫折容忍力(Frustration Tolerance)、資訊吸收量(Information)、時 間負荷(Temporal Load)與難易程度(Effort)，如下表 4 認知負荷量表各題所代表向 度說明；量尺 1-4 中，以 1 為程度最低，4 為程度最高；分數越高，代表學生在 學習過程當中感受的認知負荷越大。問卷下方附加問題不納入認知負荷量表之統 計分析，僅供研究者了解學生在學習過程當中，使用擴增實境的感受與使用心 得。 實驗所用完整量表如附錄 2 所示。反向題計分程度與其他題相反，反向題說 明如表 2。. 29.
(44) 表 2 認知負荷量表各題所代表向度說明 向度 心智負荷 (Mental Load). 題目內容 1. 上完剛才的課，學習的過程讓我覺得輕鬆。 2. 上完剛才的課，我能輕鬆記住大部分的上課內容。 5. 剛才的上課過程中，我能集中注意力。 7. 了解本單元的學習內容，我需要付出很多努力。 14. 了解潮汐的學習內容讓我覺得是輕鬆的. 表現程度. 3.. 上完剛才的課，我對自己的學習結果感到滿意。. 12、跟以前比起來，我喜歡這次的學習方式。 (Performance) 挫折容忍力. 6、剛才上課的學習過程令我覺得挫折沮喪。. (Frustration. 13、我對月相的學習內容覺得沮喪。. Tolerance) 資訊吸收量. 11、本單元的學習內容，使我獲得比以前更多的相關知識. (Information) 時間負荷. 9、回答本單元的問題，我需要用很長的時間。. (Temporal Load） 難易程度 (Effort). 4、上完剛才的課，解決課堂上的問題對我來講是容易的。 8、上課過程中，我覺得裡面的知識對我是困難的。 10、本單元的習題練習，對我而言是簡單的。 15. 了解月相與潮汐之間的關係對我來說是困難的。. 30.
(45) 表 3. 認知負荷反向題之分配 向度名稱. 正向題號. 反向題號. 總計. 心智負荷. 1、2、5、7、14. 7. 5. 表現程度. 3、12. 挫折容忍力. 6、13. 資訊吸收量. 11. 時間負荷. 9. 9. 1. 難易程度. 4、8、10、15. 8、15. 4. 10. 5. 15. 總題數. 2 6、13. 2 1. 在學生結束教學實驗後，施行認知負荷調查，總計 24 位學生參與，共回收 24 份有效問卷。以 IBM SPSS Statistics 23.0 統計軟體進行信度檢驗，認知負荷量 表 Cronbach's α 值 0.710； Cronbach's α 值達 0.70 以上，為可接受之信度標準。 信度數據詳見表 4。. 表 4. 認知負荷問卷預試信度檢驗表. Cronbach's Alpha 值. 項目的個數. .710. 15. 31.
(46) 三、月相與潮汐單元測驗卷 本研究以「月相與潮汐」單元作為教學主題，以國小翰林版與南一版四年級 第七冊「月亮」課程為參考，為了排除學習者先備知識之差異與測量施測過後學 習者之學習成效，本研究預定模擬兩份月相與潮汐單元之測驗卷，用於前後測使 用，並與該科有教學經驗正式老師討論後，依課程內容規劃題目，再經由專業教 師審查試題內容，進行預試後，蒐集資料進行統計分析，刪減不符合之題目，正 式發放之課程試卷共 30 題(前測 15 題，後測 15 題)，且兩份考卷為平行試卷， 題型、題數與出題概念皆相同。針對小學生對於月相與潮汐常見之迷思概念作為 測驗題目，並配合本研究擬定之學習目標做修改。以 IBM SPSS Statistics 23.0 統 計軟體進行信度檢驗， Cronbach's α 值 0.710，達 Cronbach'sα 值 0.70 以上，為 可接受之信度標準，信度數據詳見表 5。測驗面向、內容與題數如表 6 所示，詳 細之測驗卷請見附錄 3、4。. 表 5. 潮汐教學課程設計考卷預試信度檢驗表. Cronbach's Alpha 值. 項目的個數. .710. 14. 32.
(47) 表 6. 月相與潮汐單元測驗要點表. 測驗面向. 測驗之學習內容. 月相變化. 1.. 月相盈虧具有週期性。. 2. 2.. 月亮東昇西落. 1. 1.. 日、月、地系統及三者之間的相對運動。. 1. 2.. 月相盈虧的成因。. 1. 1.. 潮汐具有週期性. 2. 2.. 潮汐的相關名詞. 2. 3.. 日、月、地相對位置與潮汐的關係. 1. 4.. 潮汐發生的原因. 1. 1.. 月相與潮汐和節日的關係。. 3. 地、日、月系統. 潮汐現象. 月相與潮汐和生活. 題數. 33.
(48) 第五節. 教學教材設計與分析. 本研究主要探討不同的教學方法，是否影響不同空間能力學生之認知負荷、 學習成效。因此使用不同的教材設計與教學方法，透過修改後進行教學。教材內 容設計主要以國小翰林版與南一版四年級第七冊「月亮」課程為參考；單影像與 同步多影像擴增實境教材設計採用王維洸（2015）所設計發展之擴增實境教材與 教具，以 D’Fusion Augmented Reality 2 為主要設計軟體。流程與教學內容配合教 育部所提出 97 年版九年一貫能力指標、學習目標進行設計，以下針對各個使用 教材進行分析。. 一、學習目標及內容 本研究之學習目標為針對國小五年級學生來做設計，參照教育部 100 學年度 實施的九年一貫課程綱要（2008）中「自然與生活科技」學習領域中有提到關於 月相與潮汐相關學習概念之分段能力指標整理如表 7；與教材內容中相關之要向 與細目整理如表 8。：. 表 7 九年一貫課程綱要（2008） 「自然與生活科技」學習領域能力之分段能力指標 階段. 內容. 第二階段. 認識環境. （國小三至四年及）. 2-2-4-2 觀察月亮東昇西落的情形，以及長期持續觀察 月相，發現月相盈虧具有週期性。. 第四階段. 2-4-3-1 由日、月、地模型瞭解晝夜、四季、日食、月. （國中一至三年級）. 食及潮汐現象。 2-4-3-4 知道地球在宇宙中的相關地位。 34.
(49) 表 8. 九年一貫課程綱要（2008） 「自然與生活科技」學習領域教材內容要項與. 細目 要項. 細目. 月亮. 2a. 查覺月亮東昇西落。 2b. 觀察並支到月亮有盈虧現象（月相變化） 。. 地、日、月系統. 4a. 利用模型描述地、日、月之間的相對運動，並 解釋月相變化、日食、月食的現象。. 歸納九年一貫相關之概念後，本研究共擬定四大面向之學習目標，包含月向 變化、地日月系統、潮汐現象、月相與潮汐和生活等，並列舉各面向中的學習目 標，整理如表 9。. 表 9. 本研究之學習面向與學習目標. 學習面向. 學習目標. 月相變化. 1.. 了解月相盈虧具有週期性。. 地、日、月系統. 1.. 透過模型了解日、月、地系統及三者之間的相 對運動。. 潮汐現象. 月相與潮汐和生活. 2.. 了解月相盈虧的成因。. 1.. 了解潮汐具有週期性，並了解相關名詞. 2.. 發現日、月、地相對位置與潮汐的關係. 3.. 能夠解釋潮汐發生的原因. 1.. 能判斷月相與潮汐相關知識與節日的關係。. 35.
(50) 為達成以上學習目標，本研究依照學習面向的四大方向、配合學習目標之各 點，同時參照翰林版與南一版四年級第七冊課本，擬定出教學內容，以達到讓國 小五年級學生能夠在教學過程中理解並體會學習內容之目的整理如表 10。。. 表 10. 本研究之學習內容. 學習面向. 學習內容. 月相變化. 1.. 觀察月相的盈虧，介紹月相盈虧之週期性。. 地、日、月系統. 1.. 利用模型講解月球是以地球為中心，逆時針旋 轉運行的。. 2.. 利用模型介紹太陽、地球與月亮三者之間的相 對關係。. 3.. 利用模型與動畫（擴增實境組）介紹月相盈虧 的成因. 潮汐現象. 1.. 介紹潮汐的週期性與相關名詞. 2.. 引導學生透過模型與動畫（擴增實境組）發現 日、月、地相對位與潮汐之間的關係。. 月相與潮汐和生活. 3.. 講解潮汐發生的原因. 1.. 介紹農曆是根據月相盈虧的變化所訂定的。. 2.. 引導學生了解農曆日期、月相變化與潮汐變化 之間的關係。. 36.
(51) 二、教學使用之學習單 配合學習目標與學習內容，本研究將使用「月相與潮汐」學習單做為教學時 教師講授內容之依據、引導學生學習歷程，且不同教學方法皆採用同一種學習單， 以確保教學內容的一致性。詳細學習單如附錄 5 所示。. 圖 4 月相與潮汐學習單. 37.
(52) 三、同步多影像擴增實境教材 本研究使用王維洸(2015)制作之月相與潮汐擴增實境裝置，為 D’Fusion Augmented Reality 2 套件軟體，並且以軟體內建 Lua 語言來設計，使用過程之畫 面如圖 5 所示：. 圖 5. D’Fusion Augmented Reality 2 套件軟體之畫面. 顯示區域分為四個相互連動的畫面，包含實境與虛擬兩個部分。實境部分包 含：月球與地球模組、攝影機、電腦設備；月球與地球模組是用以模擬月球與地 球正確對應位置，其中僅以月球為擴增實境之辨識目標，地球只作為讓學生更清 楚月地關係之模型，若只移去地球並不會影響擴增實境之辨識；虛擬部分則包含 相互連動之日月地球相對位置變化、月相變化以及潮水變化等三個畫面。. 38.
(53) 影像部分此處分為單影像與多影像，單影像部分為一次顯示一個概念，分別 是月球與地球的位置關係圖，及潮汐概念圖兩個影像為主；同步多影像則是一次 呈現多個概念，為月球與地球的位置關係圖、月相變化圖、潮汐概念圖及學習者 操作動態影像。實際操作情形如圖 6 所示。. 圖 6. 實際操作圖. 39.
(54) 四、教學使用投影片 本教材根據翰林版與南一版國小四年級第七冊「月亮」課程內容進行編輯， powerpoint 僅於傳統投影片組使用。詳細投影片內容請參照附錄 6。. 圖 7 powerpoint 實際呈現圖. 40.
(55) 第六節. 研究實施. 本研究於國小自然與生活科技課程中進行，分成傳統投影片教學、同步單影 像擴增實境、同步多影像擴增實境三組。為了配合不同的教學模式，因此本研究 擬定了不同的教學流程表，共分為三種不同的教學方法與流程，分別為傳統教具 教學，流程表如附錄 7、單影像擴增實境教學，流程表如附錄 8，以及同步多影 像擴增實境教學，流程表如附錄 9，流程依照不同的教學法略有不同，但教學內 容與總教學時間控制為一致。圖 7 為學生於教學實驗中之活動照片，因教學過程 中發現受到場地環境光線與地板花紋之影響，地球模型可能造成擴增實境系統辨 識的困擾因素，同時也為了讓學習者更能直接體驗到擴增實境，因此教學時僅用 月球模型作為辨識，無使用地球模型；圖 8 為學生進行後測與認知負荷問卷之情 形，圖 9 為本次實驗之合影。 前置階段(共20分鐘). 學生填寫前測試卷及空間能力量表. 引起動機(共10分鐘). 複習曾經學過的月相知識和生活經驗. 教學活動(共60分鐘). 傳統教具. 同步多影像擴增實境. 單影像擴增實境. 綜合活動(共10分鐘). 綜合本次上課內容，教師給予總結語重點提醒，並請學生分享內容. 後置階段(共20分鐘). 學生填寫後測試卷及認知負荷量表. 圖 8. 教學流程圖 41.
(56) 圖 9. 學生進行教學實驗之活動照片. 圖 10. 學生進行後測情形 42.
(57) 圖 11. 本次實驗結束之合影. 43.
(58) 第七節. 資料處理與分析. 本研究使用的研究方法為「實驗法」 ，主要以量化資料分析方式為主，以下 將以表 11 簡單說明分析方式：. 表 11. 研究問題與資料分析方式對照表. 研究問題. 資料分析方式. 1.不同空間能力的學習者對於不同教學方法融入月相教學. 雙因子共變數分析. 中，學習成效是否有顯著差異？ 2.不同空間能力的學習者對於不同教學方法融入月相教學. 雙因子變異數分析. 中，認知負荷是否有顯著差異？. 一、雙因子共變數分析 此分析方式為排除月相與潮汐單元測驗卷前測之影響，來檢測不同教學方法 與不同空間能力之間的學習成效差異，探討教學方法與空間能力之間是否在學習 成效上造成顯著差異，並分析教學方法與空間能力之間是否有交互作用。 二、雙因子變異數分析 此方式為檢驗不同教學方法與不同空間能力之間的認知負荷差異，探討教學 方法與空間能力之間是否在認知負荷上造成顯著差異，並分析教學方法與空間能 力之間是否有交互作用。. 44.
(59) 第四章. 研究結果與討論. 本章節將透過月相與潮汐單元教學，了解經過傳統投影片教學、單影像擴增 實境及同步多影像擴增實境等不同的教學方法後，對於學習者學習成效與認知負 荷的影響，同時也分析學習者的空間能力是否造成差異，所蒐集到的量表、試卷 資料之具體數據與結果，依據研究問題進行各項統計分析，來瞭解各變項之間相 互的關係，進而回答研究問題，得出結論。 研究之受試學習者為嘉義市立世賢國小五年級學生共三個班級；其中傳統投 影片組為 25 人、單影像擴增實境為 26 人、多影像擴增實境為 26 人，總計 76 人。填寫空間能力量表與前測試卷之場所為各班教室，實驗場所則皆為嘉義市立 世賢國小之音樂教室。 以下研究結果依照研究問題共分為兩個章節，將會詳細分析研究結果與回答 研究問題，分別為： 「不同能力學習者在不同教學方法之學習成效分析」 ，以及「不 同能力學習者在不同教學方法之認知負荷分析」 。. 45.
(60) 第一節. 不同能力學習者在不同教學方法之學習成效分析. 本節為了解學習者在本次教學實驗時，不同的空間能力和不同的教學方法在 學習成效上是否有交互作用，因此使用雙因子共變數分析，以月相與潮汐測驗卷 之前測分數為共變數，月相與潮汐測驗卷之後測分數為應變數，教學方法（組別） 與空間能力為固定因子；透過分析結果，回答研究問題「不同空間能力的學習者 對於不同教學方法融入月相教學中，學習成效是否有顯著差異？」 。依照分析結 果，此研究問題可細分為以下小題： 1. 不同空間能力的學習者對於不同教學方法，學習成效是否有交互作用？ 2. 不同教學方法的學習者其學習成效是否顯著？ 3. 不同空間能力的學習者其學習成效是否顯著？. 46.
(61) 一、不同能力學習者對於不同教學方法於學習成效之表現 表 12 顯示同質性變異數檢定未達顯著標準(F=.963, p=.472)，表示此部份所 檢驗之各組斜率相同（三種能力、三種教學方法，共九組） ，符合組內變異數同 質性基本假定，可進行雙因子共變數分析。. 表 12. 變異數同質性檢定摘要表. Levene 統計量. 分子自由度. 分母自由度. 顯著性. 8. 67. .472. .963 *p < .05. **p < .01. 表 13 為雙因子共變數分析結果，結果顯示不同能力的學習者與不同分組教 學方法之間，交互作用的 p 值大於.05(F=.995, p=.417)，代表在學習成效上，教學 方法與空間能力並無顯著的交互作用。 但教學方法(F=6.413 , p=.045)在統計上有達到顯著水準，代表有主要效果； 而空間能力(F=4.337, p=.095)雖然無達到顯著水準，但依然在 p<.1 的範圍內，考 量到因為實驗中可能產生的誤差，本研究依然討論空間能力的主要效果。 表 13. 受試者間效應項檢定摘要表. 來源. SS. df. MS. F. p. 教學方法(A). 3691.938. 2. 1845.969. 6.413. .045. 空間能力(B). 2496.240. 2. 1248.120. 4.337. .095. A*B. 1150.931. 4. 287.733. .995. .417. 誤差. 19094.960. 66. 289.318. *p < .05.. **p < .01. 47.
(62) 二、不同教學方法於學習成效之表現 表 14 為教學方法之敘述性統計摘要表，表 15 為教學方法之主要效果摘要表， 由分析結果可得知不同教學方法對於學習成效有顯著差異，由於教學方法共分為 三個組別，僅知道有顯著差異並無法確認組別之間的關係，因此繼續進行事後比 較檢定，表 16 為對於教學方法的事後比較檢定摘要表。. 表 14. 教學方法之敘述性統計摘要表 教學方法. 後測平均數(邊緣平均數). 個數. 傳統組. 56.957. 26. 單影像組. 69.728. 25. 多影像組. 56.597. 25. 共變數=39.53. 表 15. 教學方法(組別)之主要效果摘要表. 來源. SS. df. MS. F. p. 組別. 2791.36. 2. 1395.683. 4.279. .018. 誤差. 23486.931. 72. 326.207. 總計. 315797.000. 76. *p < .05.. **p < .01. 48.
(63) 表 16. 教學方法之事後比較檢定摘要表. (A)組別. (B)組別. 平均數差異. 標準差. p. (A-B) 多影像組. 單影像組. 傳統組. *p < .05.. 單影像組. -18.919. 5.402. .001. 傳統組. -7.749. 5.691. .178. 多影像組. 18.919. 5.402. .001. 單>多. 傳統組. 11.171. 5.236. .037. 單>傳. 多影像組. 7.749. 5.691. .178. 單影像組. -11.171. 5.236. .037. **p < .01. 事後比較檢定分析顯示，單影像組學習成效顯著優於多影像組及傳統組，而 多影像組和傳統組之間並無顯著差異。因此可得出結論為不同教學方法對於學習 成效具有顯著差異，單影像組優於多影像組與傳統組，而多影像組與傳統組之間 的學習成效無顯著差異。. 49.
(64) 三、不同能力學習者於學習成效之表現 雖然空間能力(F=4.337, p=.095)無達到顯著水準，但 p<.1 的情況下考慮到本 研究在實驗過程中可能產生的誤差，依然可認為是具有顯著的傾向，因此依然對 於空間能力進行主要效果分析。表 17 為空間能力之敘述性統計摘要表，表 18 為空間能力之主要效果分析摘要表，其中空間能力之主要效果(F=16.861 , p=.068) 雖然在統計上並無顯著差異，但 p=.068 與統計上可接受之顯著差異之標準 p < .05 相近，考量到實驗中可能造成的誤差，本研究認定為具有顯著之傾向。因為空間 能力共分為三種，因此結果分析為顯著後需要再進行事後成對比較，才能確認彼 此之間的關係，表 19 為空間能力之事後檢定摘要表。. 表 17. 空間能力之敘述性統計摘要表 教學方法. 後測平均數(邊緣平均數). 個數. 低能力. 56.957. 16. 中能力. 57.707. 33. 高能力. 67.746. 27. 共變數=39.53. 50.
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