不同數位模擬對國小電磁作用單元體驗式學習之成效與動機的影響
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(2) 不同數位模擬對國小電磁作用單元體驗式學習之成效與動機的影響. 許燕欣. 摘要 本研究融合體驗式學習，探討不同的數位模擬(電腦模擬、擴增實境模擬)與 科學情感投入(高科學情感投入、低科學情感投入)對於國小五年級學習者，學習 電磁作用單元之學習成效與動機的影響，並探究學習者運用資訊科技學習科學的 感受。研究之對象為國小五年級學習者，共計 106 人參與實驗教學。研究採因子 設計之準實驗研究，自變項有分別為「數位模擬」與「科學情感投入」。「數位模 擬」根據學習者在學習歷程中使用數位模擬方式的不同，分為「電腦模擬」與「擴 增實境模擬」，「電腦模擬」是以桌上型電腦來進行，學習的環境為完全虛擬的情 境，「擴增實境模擬」則是以平板電腦來進行，學習的環境為整合現實與虛擬的 情境來進行。「科學情感投入」係指學習者學習科學的情感投入感受，量表分數 越高者代表學習之科學情感投入越高，反之則越低。本研究依變項有三，分別為 「電磁作用單元學習成效」、「電磁作用單元 ARCS 學習動機」與「科技態度」。 本研究結果依電磁作用單元學習成效、電磁作用單元 ARCS 學習動機與科技 態度三個面向，綜合歸納如下：(1)擴增實境模擬比電腦模擬更能提高學習者的知 識應用表現；(2)在數位模擬學習環境中，學習者皆抱持正向的 ARCS 學習動機， 其中，高科學情感投入學習者的 ARCS 學習動機優於低科學情感投入學習者；(3) 擴增實境模擬更能提高學習者行為投入的表現，此外，高科學情感投入學習者抱 持較高的科技態度。 關鍵詞：電磁作用、數位模擬、科學情感投入、體驗式學習. i.
(3) The Effect of Experiential Digital Simulation on Elementary School Students’ Performance in Learning Electromagnetic Concepts. Yen-Hsin Hsu. Abstract The purpose of this study was to investigate the effects of experiential digital simulation and science affective engagement on senior high school students’ performance in learning electromagnetic concepts. There were 106 fifth graders participated in the experimental learning activity. A quasi-experimental design was employed for this study. The independent variables of this research were digital simulation and affective engagement toward learning science. The digital simulations included computer simulation and augmented reality simulation. Participants’ affective engagement toward learning science was identified as either high affective engagement or low affective engagement. The dependent variables were learning performance, learning motivation as measured by ARCS, and technology attitudes. The result revealed that (a) the augmented reality simulation facilitated learners’ learning performance better than the computer simulation; (b) both digital simulation environments had positive impacts on learners’ ARCS motivation; learners with high affective engagement achieved more positive learning motivation as measured by ARCS; the augmented reality simulation enhanced learners’ ARCS motivation better than the computer simulation; and (c) the augmented reality simulation had positive impacts on learners’ behavior engagement; learners with high affective engagement achieved more positive technology attitudes.. Keywords: electromagnetic concepts, digital simulation, experiential learning, science affective engagement. ii.
(4) 致謝 能夠遇見師大與資教所相會一切都是老天爺特意的安排。 首先要感謝父母親在我的求學路上一路的支持與陪伴，雖然途中有許多的挫 折與不如意，但總是與我一起度過所有的難關，嘗盡各種酸甜苦澀；再來要感謝 從幼稚園到研究所遇到的每一位老師，除了在課業上的指導之外，更培養我面對 未來挑戰的能力以及正向人生的態度，更在我徬徨失措的時候，適時給我提點與 指引，讓我重拾信心繼續向前，尤其是我的指導老師陳明溥教授，在我研究所兩 年的時間裡，從零開始一步一步的指導我，直至今日才有這本論文的誕生，此外 老師也經常帶領我與研究室的同學參加各種的研討會，擴大了我了視野，也增廣 了資訊教育領域的見聞。在求學的階段裡，課程與研究中習得的知識實屬寶貴， 不過更最珍貴的是在陳明溥老師的引領下，我學到了遇到困難時最需要的問題解 決能力，還有面對各種課題必須具備的多面向考量與思辨，這真是我這些日子最 大的收穫。 研究的過程不全然是一帆風順，而是瓶頸、困頓與沮喪紛至沓來，讓人難以 喘息，好在我身邊有同學與朋友的相伴，讓我能度過這難熬的時刻。首先是研究 室的學長姐、同學與學弟妹，因為有學長姐的經驗分享與建議，讓我可以站在他 們的肩膀上，看的更遠、想的更廣；因為有同學彼此的鼓勵與打氣，讓我可以站 穩腳步往前邁進；因為有學弟妹的協助與幫忙，當我暈頭轉向的時候，適時的伸 出援手幫我分擔壓力；此外，要感謝我的好室友，平日相互的加油打氣、生病時 的噓寒問暖，讓我的生活有了靠山與依傍。最後，要感謝最親愛的你，因為有你 的關懷與支持，讓我的人生有了目標和動力，也讓我更加有勇氣的大步向前行， 因為我知道我的身後一定會有你當我最堅固的後盾與避風港。 能夠遇見師大與資教所相會一切都是老天爺特意的安排，再次感謝這些日子 裡在我身邊的你們，有你們真好！. iii.
(5) 目錄 附表目錄 ...................................................................................................................vi 附圖目錄 ................................................................................................................. 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 ....................................................................................6 第四節 重要名詞釋義 ...................................................................................... 10 第二章 文獻探討 ..................................................................................................... 13 第一節 科學學習 ............................................................................................. 13 第二節 數位模擬 ............................................................................................. 18 第三節 體驗式學習.......................................................................................... 24 第四節 科學情感投入 ...................................................................................... 29 第三章 研究方法 ..................................................................................................... 33 第一節 研究對象 ............................................................................................. 33 第二節 研究設計 ............................................................................................. 35 第三節 研究工具 ............................................................................................. 53 第四節 資料處理與分析 .................................................................................. 56 第四章 研究結果與討論 ......................................................................................... 61 第一節 電磁作用單元學習成效分析............................................................... 61 第二節 電磁作用單元 ARCS 學習動機分析 ................................................... 66 第三節 科技態度分析 ...................................................................................... 72 第五章 結論與建議 ................................................................................................. 77 第一節 結論 ..................................................................................................... 77 第二節 建議 ..................................................................................................... 80. iv.
(6) 參考文獻 .................................................................................................................. 85 附錄一、電磁作用單元學習單 ................................................................................ 95 附錄二、科學情感投入量表 .................................................................................... 99 附錄三、電磁作用概念學習成效測驗試題........................................................... 100 附錄四、ARCS 學習動機量表 .............................................................................. 102. v.
(7) 附表目錄 表 2-1 應用數位模擬於體驗式學習規畫表 ............................................................. 28 表 3-1、教學實驗之分組與各組人數分配表 .......................................................... 34 表 3-2、「萬磁王 X 計畫傳人養成班」主要概念、學習目標和認知層次分類表 .. 38 表 3-3、「萬磁王 X 計畫傳人訓練班」學習活動內容規劃表................................. 42 表 3-4、科學科學情感投入量表之量表題數及信度係數 ....................................... 53 表 3-5、電磁作用單元學習成效測驗之測驗內容向度、題數分配及信度係數..... 54 表 3-6、科技態度量表之量表內容向度、題數分配及信度係數............................ 55 表 3-7、科技態度量表之量表內容向度、題數分配及信度係數............................ 55 表 4-1、電磁作用單元學習成效之平均數、標準差及人數 ................................... 62 表 4-2、電磁作用單元分項成效表現之共變量矩陣等式的 Box 檢定 ................... 63 表 4-3、各組對電磁作用單元知識理解與知識應用成效表現之變異數分析摘要 . 63 表 4-4、電磁作用單元學習成效分析結果摘要....................................................... 64 表 4-5、電磁作用單元 ARCS 學習動機之平均數、標準差及人數 ....................... 67 表 4-6、電磁作用單元 ARCS 學習動機之共變量矩陣等式的 Box 檢定 ............... 68 表 4-7、電磁作用單元 ARCS 學習動機之多變量檢定........................................... 68 表 4-8、數位模擬與科學情感投入對 ARCS 學習動機之變異數分析摘要 ............ 69 表 4-9、電磁作用單元學習動機分析結果摘要....................................................... 70 表 4-10、電磁作用單元科技態度之平均數、標準差及人數 ................................. 73 表 4-11、電磁作用單元科技態度之共變量矩陣等式的 Box 檢定 ......................... 73 表 4-12、數位模擬與科學情感投入對科技態度之變異數分析摘要 ...................... 74 表 4-13、電磁作用單元科技態度分析結果摘要..................................................... 75. vi.
(8) 附圖目錄 圖 3-1、數位模擬對國小電磁作用單元體驗式學習之研究設計架構圖 ................ 35 圖 3-2、電磁作用單元知識架構圖 .......................................................................... 37 圖 3-3、Unity 3D 遊戲引擎編輯介面 ..................................................................... 39 圖 3-4、UnityScript 編輯器介面 .............................................................................. 39 圖 3-5、GUI Skin 介面(方框範圍)........................................................................... 40 圖 3-6、體驗式學習策略之學習循環圖 .................................................................. 41 圖 3-7、載入畫面：說明學習活動的故事背景，使學習者投入數位模擬情境中 . 43 圖 3-8、「萬磁王 X 計畫傳人訓練班」學習活動流程圖 ........................................ 44 圖 3-9、「電腦模擬組」學習者進行學習活動 ........................................................ 45 圖 3-10、「擴增實境模擬組」學習者進行學習活動 ............................................... 46 圖 3-11、「電腦模擬組」學習者了解故事背景與需要完成的實驗 ........................ 47 圖 3-12、「電腦模擬組」具體經驗：學習者進行數位模擬實驗............................ 48 圖 3-13、「電腦模擬組」反思發現：學習者觀察實驗的結果 ............................... 48 圖 3-14、「電腦模擬組」抽象概念：學習者填寫並回答學習單問題 .................... 49 圖 3-15、「電腦模擬組」主動驗證：學習者進行階段性的遊戲任務 .................... 49 圖 3-16、「擴增實境模擬組」學習者了解故事背景與需要完成的實驗 ................ 50 圖 3-17、「擴增實境模擬組」具體經驗：學習者進行數位模擬實驗 .................... 51 圖 3-18、「擴增實境模擬組」反思發現：學習者觀察實驗的結果 ........................ 51 圖 3-19、「擴增實境模擬組」抽象概念：學習者填寫並回答學習單問題 ............ 52 圖 3-20、「擴增實境模擬組」主動驗證：學習者進行階段性的遊戲任務 ............ 52 圖 3-21、電磁作用單元分項學習成效分析流程圖 ................................................. 56 圖 3-22、電磁作用單元學習動機分析流程圖 ........................................................ 58 圖 3-23、科技態度分析流程圖................................................................................ 59. vii.
(9) 第一章 緒論 本章分別就本研究之研究背景與動機、研究目的與待答問題、研究範圍與限 制以及重要名詞釋義四個部分進行詳述。. 第一節 研究背景與動機 培養國民具有科學素養與態度，已是國際共同的趨勢，更是近代科學教育最 重要的課題。九年一貫課程綱中指出學習科學之目的在於能夠學會觀察、詢問、 規劃、實驗、歸納、研判，並培養出批判、創造等各種能力，因此學習科學能夠 幫助學習者發展問題解決的能力；此外，課綱中亦指出外自然、科學與技術是一 脈相連、前後貫通的，自然與生活科技之學習應以實作的方式來進行，強調手腦 並用、活動導向以及知能與態度並重，由此可知透過實際操作的學習活動來進行 學習，可以讓學習者親自體驗實驗的歷程，且有助於自然與生活科技領域的學習。 再者綱要中亦提到，學習自然與生活科技領域的最終目的是希望能培養國民的科 學與技術的精神及素養，讓我國學生在國際上更具優勢與競爭力(教育部，2008)， 因此，科學學習在教育上扮演重要的角色，更是現代人不可或缺的能力。 國際學生能力評量計畫 (Programme for International Student Assessment，簡 稱 PISA)在科學評量上強調學生在三個層面的能力：辨識科學議題 (identify scientific issues)、解釋科學現象 (explain phenomena scientifically)以及運用科學證 據 (use scientific evidence)，充分反映現代社會對人力素質的要求。比較 PISA 2009 與 PISA 2006 顯示臺灣學生在科學素養表現呈現微幅的下降，由於不同國家、不 同年份 PISA 評量結果的量尺是相同的，因此我國科學素養降低 12 分，這是相當 值得注意的。此外我國在 PISA 2009 科學素養表現中，百分等級 5 和百分等級 95 的兩組學生分數差異幅度較大，顯示在追求未來整體高科學素養表現的同時，縮 短個別差異的幅度仍有改善的空間(臺灣 PISA 國家研究中心，2011)。 1.
(10) 現今科學領域的教課書經常陳列太多表面、未深入著墨的科學概念，但是科 學主要的知識卻是經由教科書來傳遞的 (DiGisi & Willett, 1995)，比如國小的電磁 作用單元就是一個例子。國小整體磁學的學習內容可以分為「磁」與「電流磁效 應」兩個概念，由於磁學是較為抽象且複雜的，根據 Barrow (1990)指出學習者對 於「磁」概念的迷思，有一部分是來自教材及老師教學的混淆而導致的，此外許 多研究也顯示國小學生對於磁學有許多的迷思概念 (鄭如琳，1999； 林明軫，1993； 時德平，2001；楊志強，2001；葉誌鑑，2001；王嘉德，2004)。 由上述可知，國小的自然與生活科技教學裡，學生難以從教科書完全習得並 了解磁學的概念，對於主動思考科學內容、運用科學知識於日常生活中更是難上 加難，楊進忠 (2005)指出磁學的課程應該以操作來進行，讓學習者能夠獲得學習 成就並享受樂趣，而科學教育學者也呼籲教學者必須在教室中培養學生對科學本 身的興趣 (Collette & Chiapetta, 1994; 高慧蓮，2006)，因此教學者需要營造科學 教學的環境，配合適當的科學教材與引導方式，將科學融入教學中，比如利用數 位模擬來將真實情境模擬成學習者可以理解的形式，過程中能提供學習者觀察結 果和主動探索學習環境，讓學習者經由「做中學」形成具體概念，達成學習目標， 並有助於學習者進行有意義的思考、問題解決、主動參與和提高學習動機(黃福坤， 2006；廖美婷，2012)。因此若能應用數位模擬的特色於國小電磁作用課程中，或 許能有助於改善國小學生在磁學學習上的困境。 此外，如何將數位模擬與磁學中電磁作用單元的概念利用適當的學習策略做 緊密的連結，並將其運用於改善學習者的學習成效和學習動機，是值得深入探討 的議題。例如 Kolb(1984)在體驗式學習理論強調，學習是經由學習者的經驗轉化 而 來 ， 體 驗 式 學 習 循 環 包 括 ： 具 體 經 驗 (Concrete Experience) 、 反 思 觀 察 (Reflection Observation) 、 抽 象 概 念 (Abstract Concept) 和 主 動 驗 證 (Active Experimentation)四個階段，有助於學習者建構知識並建立深層的理解。由此可知 數位模擬結合體驗式學習策略，或許有助於提升國小學生在電磁作用單元學習上 的學習成效與學習動機。 2.
(11) 除了設法改善教學方法之外，尚需考量學習者對於自己學習科學的情感投入 (Affective Engagement)的看法，因為學習者的科學情感投入程度，會影響其學習 科學的態度，也是學習者能否專注於科學學習任務的因素之一，並間接影響學習 者的學習效果。所以，在採取數位模擬作為科學學習的方式時，應該要了解科學 情感投入的程度，是否會影響學習者使用數位模擬學習科學的學習成效和動機， 以及學習者使用數位模擬的感受傾向。再者，學習者利用數位模擬進行學習的看 法可能會影響其投入於學習活動的程度與學習成效，所以應該了解在不同的數位 模擬環境與科學情感投入程度中，學習者對於以數位模擬學習活動學習科學的看 法。此外，數位模擬是否能激發學習者 ARCS 的學習動機(A 注意力、R 相關性、 C 自信心、S 滿足感)？學習者的科學情感投入程度與學習動機、學習成效的關係 如何？學習者對於利用數位模擬學習科學的意向為何？都是需要再深入探討的 議題。. 故本研究融合體驗式學習，探討不同的數位模擬(電腦模擬、擴增實境模擬) 與科學情感投入(高科學情感投入、低科學情感投入)對於國小五年級學習者電磁 作用單元之學習成效與動機的影響，並探究學習者運用資訊科技學習科學的感受。 期望能以數位模擬之體驗式學習的方式，讓學習者在模擬情境中體驗學習活動裡 的實驗歷程，使其不僅能學習到電磁作用單元的概念，還能在情境中應用所學， 達到深層理解的目的。. 3.
(12) 第二節 研究目的與待答問題 本研究融合體驗式學習，探討不同的數位模擬(電腦模擬、擴增實境模擬)與 學習者的科學情感投入程度(高科學情感投入、低科學情感投入)對於國小五年級 學習者學習國小電磁作用單元之學習成效、ARCS 學習動機和科技態度的影響。 期望透過數位模擬，促進學習者電磁作用單元的學習成效、提升學習者的學習動 機，並促進學習者使用科技學習科學之態度。本研究之研究目的與待答問題分述 如下：. 壹、研究目的 本研究之研究目的有三： 一、探討不同的數位模擬(電腦模擬、擴增實境模擬)與學習者的科學情感投入程 度(高科學情感投入、低科學情感投入)對國小五年級學習者電磁作用單元學 習成效之影響。 二、探討不同的數位模擬(電腦模擬、擴增實境模擬)與學習者的科學情感投入程 度(高科學情感投入、低科學情感投入)對國小五年級學習者電磁作用單元 ARCS 學習動機(A 注意力、R 相關性、C 自信心、S 滿足感)之影響。 三、探討不同的數位模擬(電腦模擬、擴增實境模擬)與學習者的科學情感投入程 度(高科學情感投入、低科學情感投入)對國小五年級學習者科技態度(科學學 習信心、行為投入)之影響。. 貳、待答問題 針對上述研究目的，提出下列待答問題： 一、不同的數位模擬(電腦模擬、擴增實境模擬)與學習者的科學情感投入程度(高 科學情感投入、低科學情感投入)對國小五年級學習者的電磁作用單元學習成 效有何差異？. 4.
(13) 二、不同的數位模擬(電腦模擬、擴增實境模擬)與學習者的科學情感投入程度(高 科學情感投入、低科學情感投入)對國小五年級學習者的電磁作用單元 ARCS 學習動機(A 注意力、R 相關性、C 自信心、S 滿足感)有何差異？ 三、不同的數位模擬(電腦模擬、擴增實境模擬)與學習者的科學情感投入程度(高 科學情感投入、低科學情感投入)對國小五年級學習者的電磁作用單元科技態 度有何差異？. 5.
(14) 第三節 研究範圍與限制 本研究為配合教學活動之設計與進行，在研究對象、教學內容、學習時間、 學習地點、學習工具、學習方式和評量方法有以下之研究範圍與限制：. 壹、研究對象 本研究之研究對象為五年級學習者，於國小三、四年級開始學習資訊教育課 程，因此具備基本的電腦操作技能，此外在國小三年級亦學習過磁鐵的基本概念 課程，因此具有基礎磁概念的知識。依據國民教育法之規定，國小階段以常態編 班為原則，故本研究所指研究對象之所屬班級為常態編班、男女生比例各半，若 學校因特定教育目的、傳統歷史之考量，依據學習者之能力、性別等個別差異作 為編班標準，則無法推論之。 本研究參與之研究樣本為雲林縣某國小五年級的學生，此學校非座落於都市 中，為一中型的學校，學校老師對於推動資訊教育相當認真、積極，不過與都市 的學校比較起來，此校學習者使用過平板的次數與經驗仍就較少，課程中也尚未 有利用平板來教學的情況，因此擴增實境模擬組的學習者而言，利用平板來學習 是第一次的經驗，但是由於進行實驗教學之前，教學者有給與學習者進行操作的 說明與練習，所以對於使用平板來學習的經驗，是否會影響研究的結果，本研究 不加以探究。. 貳、教學內容 本研究之學習內容範疇包括「磁鐵性質」和「電磁鐵性質」等兩個主要概念， 學習教材為研究者自編之電磁作用課程。本研究之數位模擬教學活動，主要以模 擬實驗來進行的學習內容為「磁鐵性質」中的指北針偏轉概念，與「電磁鐵性質」 中電磁鐵製作與電磁鐵磁力兩個概念。此外，因考量學習者的學習時間與學習程 度，本研究之教學重點在於讓學習者認識電磁作用單元的概念，並能了解日常生. 6.
(15) 活中因為電磁作用而產生的自然現象，至於能否增進學習者對於電動機等電磁鐵 相關應用的了解與製作能力，則不深入探究與討論。. 参、學習時間 本研究為配合參與樣本的班級課程進度與教學時間，實驗時間共四週，一週 一節課，一節 40 分鐘，共 160 分鐘，扣除電磁作用課程先備知識測驗、情感投 入量表、比例式課程學習成效測驗、ARCS 學習動機問卷和科技態度量表等施測 時間，以及學習活動基本操作練習時間，學習者進行學習活動總共歷時 90 分鐘。 相較於傳統電磁作用單元規劃 12 節課，共 480 分鐘的教學時間，明顯少了許多。 由於未能長時間進行探究，因此本研究之研究結果，僅針對接受短時間電磁作用 單元學習活動之學習成效與學習動機表現做推論。. 肆、學習地點 實驗教學地點為參與樣本班級電腦科課程所使用的電腦教室，教室提供每位 學習者一人一台電腦、教師授課使用的電腦、麥克風及廣播系統。因為學習者進 行學習活動之地點限制在電腦教室內，與一般講述式教學之上課教室不同，故研 究結果推論需考量此差異。. 伍、學習工具 本研究之學習工具有二，一為桌上型電腦、另一為平板電腦，在電腦模擬組 的學習者，使用桌上型電腦來進行學習任務，而在擴增實境模擬組的學習者，則 是使用平板電腦來進行學習任務，此外擴增實境模擬組之活動過程中需要透過攝 影鏡頭辨識許多圖片來進行，此圖片來源皆由教學者製作成投影片，透過廣播系 統傳送至每一位學習者前方的桌上型電腦，如此教學者能掌握學者的學習步調， 圖卡的辨識也較不會受到光線與陰影的影響，而國小學生也不會因為需要自行抽 換大量的圖卡，而影響學習活動的流暢度，此外印製圖卡所造成的紙張與油墨浪 7.
(16) 費，除了不環保之外，也與擴增實境能夠降低成本的特色相違背。因此，本研究 之擴增實境模擬組研究結果，僅能推論學習者透過平板電腦之學習工具來進行數 位模擬的學習活動，無法同時推論到以桌上型電腦為學習工具來進行數位模擬學 習活動。. 陸、學習方式 本研究之教學活動為數位模擬(電腦模擬、擴增實境模擬)之體驗式學習，讓 學習者在模擬情境中學習電磁作用單元的概念及應用方式。無論是電腦模擬或是 增實境模擬學習活動，皆與一般講述課程一樣由教學者掌握學習步調，針對學習 內容進行說明與統整，但本研究強調所有學習任務的數位模擬實驗皆由學習者自 行操作，所以有別於傳統講述式教學以教師為主的教學方式。因此，本研究結果 僅能推論至以學習者主動操作之學習方式，但不宜再深入推論到學習者自行調整 學習步調的學習方式。 由於國小學習者手臂肌肉力量較小，較無法一手承擔平板電腦的重量而另一 手操作平板，因此擴增實境模擬之平板電腦的使用為兩個人一組使用，由其中一 位學習者雙手支持平板電腦而另一位學習者操作的方式來進行，等一方完成學習 任務後兩人再互換角色。因此，本研究結果僅能推論至學習者個人的學習，但不 宜過度推論到合作式學習的學習方式. 柒、評量方法 本研究主要使用兩種評量方法：1.是非題與單選題之測驗卷、2.自評量表， 並皆以線上 google 表單的方式讓學習者填寫。是非題與單選題之測驗卷用於「電 磁作用概念學習成效測驗」，測驗皆為研究者自編，題目為是非題及四選一之選 擇題，讓學習者以線上的方式回答試卷的問題。自評量表應用於「科學情感投入 量表」 、 「ARCS 學習動機問卷」和「科技態度量表」 ，三項量表及問卷皆為研究者 改編，每個題目皆有 5 個選項，1 代表非常不同意、2 代表不同意、3 代表部分同 8.
(17) 意、4 代表同意、5 代表非常同意，讓學習者以線上的方式點選最適合自己意向 或狀態選項。 本研究僅以線上測驗的方式來蒐集學習者之學習成效、學習動機與科技態度 之資料，因此無法過度推論至以實作評量、實地觀察等方式獲得之結果，此外， 由於評量是透過額外的測驗題來實施，而非融合在數位模擬學習活動中施測，因 此對於部分不喜歡或者不擅長考試的學習者來說，可能無法真實呈現其學習的結 果。. 9.
(18) 第四節 重要名詞釋義 本研究之重要名詞釋義，分別說明如下：. 壹、數位模擬 近年來，資訊科技蓬勃發展，電腦的軟硬體設備功能均大幅度的提升，藉由 電腦運算快速及儲存容量大的特點，來執行模擬的工作是一種趨勢(蘇義賢，2007)， 因此利用數位工具來進行模擬活動的數位模擬，已經是現今最常見的模擬方式。 本研究是以數位模擬為架構，強調讓學習者在具體情境的經驗中學習，並且為了 了解不同數位模擬對學習者學習成效和學習動機之影響，將數位模擬分為電腦模 擬與擴增實境模擬兩種。電腦模擬是指使用電腦去建立模式來模擬真實世界中的 現象，可將之具體化並依學習者的認知程度以適切的表徵方式呈現(黃福坤，2006)， 此外，電腦模擬能協助學習者縮短真實與抽象知識之間的距離，並藉由學習者的 主動參與，提高學習者的學習動機 (Lee, 1990)。此外電腦模擬能夠讓學習者在完 全虛擬的環境中進行學習，並沉浸在此模擬的情境當中，還能透過電腦的輸入裝 置自由操作虛擬物件，進而從經驗中獲得電磁作用之概念並了解如何應用。而擴 增實境模擬是電腦模擬的延伸技術，此種數位模擬不是在純虛擬環境中進行學習， 而是以整合現實與虛擬環境的方式來進行，其保留了虛擬實境中的虛擬物件，並 將虛擬背景由現實場景取代，讓學習者能夠在現實環境中進行學習，並透過與虛 擬物件的互動來主動建構知識。. 貳、體驗式學習 Kolb (1984)體驗式學習理論強調學習是學習者經由外在刺激、與週遭互動的 經驗轉化而得，也是一種適應環境的歷程，而知識是將學習歷程的經驗内化的結 果。簡而言之，體驗式學習理論認為學習者在具體經驗、反思觀察、抽象概念與 主動驗證四個歷程，可以經由經驗的轉換而獲取知識概念，並能遷移至真實世界. 10.
(19) 中 (Kolb, 1984)。故本研究是讓學習者透過模擬情境與學習任務的安排，建立電 磁作用的概念，包含「具體經驗」、「反思回饋」、「抽象概念」和「主動驗證」四 步驟的學習環，讓學習者體驗電磁作用相關的實驗，並透過觀察來反思實驗的歷 程與結果以獲得學習經驗，接著藉由回答學習單上與電磁作用相關的問題，來習 得學習任務中隱含的電磁作用抽象概念；最後藉由階段性遊戲任務，驗證所學概 念的正確性。. 参、科學情感投入 科學情感投入係指學習者對於自己在學習科學的歷程中，沉浸並享受學習科 學的歷程之感受傾向。本研究利用「科學情感投入量表」測量學習者在平時學習 科學時的情感投入程度，量表平均分數越高者代表科學情感投入程度越高，反之， 平均分數越低則表示科學情感投入越低。學習者之科學情感投入程度的高低，由 於樣本數人數有限，為符合統計考驗，故區分準則如下：科學情感投入量表分數 位於所有學習者的前 46%，列為「高科學情感投入組」；科學情感投入量表分數 位於所有學習者的後 45%，列為「低科學情感投入組」。. 肆、電磁作用單元學習成效 電磁作用單元學習成效泛指學習者對電磁作用單元概念之學習理解與應用。 本研究之學習成效係指經由實驗教學活動後學習者在電磁作用單元的學習成效， 測驗卷內容以電磁作用單元為範圍，測驗面向依據認知能力層次分為「知識理解」 和「知識應用」。「知識理解」是指學習者能理解電磁作用單元的基本概念，用以 評量學習者在記憶與理解層次的認知能力；「知識應用」是指學習者有能力將電 磁作用單元的概念應用於不同的問題情境中，用以測量學習者在應用層次的認知 能力。因此，本研究之電磁作用單元學習成效是依據電磁作用單元學習成效測驗 進行評估，各向度所得分數越高，表示學習者在電磁作用單元的學習表現越好， 反之，所得分數越低則代表學習者在電磁作用單元的學習表現越差。 11.
(20) 伍、ARCS 學習動機 學習動機是指引起學生學習活動，維持學生學習活動，並使得該學習趨向教 師所訂定目標的內在歷程(張春興，2007)。本研究之「ARCS學習動機」是以Keller (2006)所提出的ARCS動機模式為基礎，用來檢視學習者在經歷實驗教學活動後， 對於利用數位模擬來學習科學之感受與看法。ARCS學習動機問卷依據Keller之 ARCS模式為理論基礎，改編自2008年張弘典的ARCS與系統評鑑問卷，將ARCS 學習動機分為「注意力 Attention」 、 「相關性 Relevance」 、 「自信心 Confidence」、 「滿足感 Satisfaction」四個面向。「注意力」指的是學習活動是否能吸引學習者 的興趣和刺激學習者的好奇心；「相關性」是指學習活動提供的學習內容是否與 學習者日常生活相關，可否滿足學生個人的需求和目標，使其產生積極學習態度； 「自信心」是指學習活動是否幫助學習者成功建立信心，相信自己有能力去完成； 「滿足感」則是指學習者是否因為習得的學習成果而得到內在或外在的鼓勵和獎 賞。問卷各向度的平均分數越高者代表該向度之ARCS學習動機越高，反之，平 均分數越低則表示該向度之ARCS學習動機越低。. 陸、科技態度 科技態度是指學習者對於利用資訊科技產品進行學習之感受與看法。本研究 之「科技態度」係指學習者在經歷數位模擬之體驗式學習活動後，對於利用數位 模擬學習科學之感受與看法。科技態度量表改編自 Pierce、Stacey 與 Barkatsas (2007)之數學與科技態度量表(MTAS)，將科技態度分為「行為投入」和「科學學 習信心」兩個向度。「行為投入」是指學習者在學習歷程中，是否能專注於學習 任務所引導的學習目標，並願意付出心力完成學習任務；「科學學習信心」是指 學習者在結束學習活動後，自己對於學習科學的歷程、成效之感受傾向；量表各 個向度的平均分數越高者代表該向度之感受越好，反之，平均分數越低則表示該 向度之感受越差。. 12.
(21) 第二章 文獻探討 本研究旨在探討不同的數位模擬(電腦模擬、擴增實境模擬)與學習者的科學 情感投入程度(高科學情感投入、低科學情感投入)對國小五年級學生學習電磁作 用單元的學習成效、ARCS 學習動機和科技態度之影響。本章首先剖析科學學習 的教學意義以及遭遇的困境，再探討數位模擬的意義及在教育上的應用，並探討 體驗式學習與科學情感投入對學習者的學習成效與學習動機之影響。以下分別就 「科學學習」、「數位模擬」、「體驗式學習」及「科學學習信心」相關文獻進行歸 納與整理。. 第一節 科學學習 本節先就科學學習之定義進行探討，了解科學概念教學的必要性與重要性， 再進一步探討科學學習的教學困境，最後針對科學學習對於學習動機的影響來做 探究。. 壹、科學學習教育 國際學生能力評量計畫（PISA）在科學評量上強調學習者在三個層面的能力： (1) 辨識科學議題 (Identify science issues)：要求學生從所提供的資訊之中，擬訂 可 以 透 過科 學 方 法解 決 的研 究 問題 ； (2) 解 釋 科 學現 象 (Explain phenomena scientifically)：針對日常生活中常見的現象，如石雕受酸雨侵蝕，解釋其發生的 原因；(3) 科學舉證 (Use scientific evidences)：利用科學證據來支持本身的主張 或論點(臺灣 PISA 國家研究中心，2011)。Yager (1993)指出學習者必須具備科學 素養，並解了解科學本質與社會活動相互作用的關係，進而將習得的科學知識應 用於日常生活中。九年一貫課程綱中指出學習自然與生活科技領域的目的是希望 能培養國民的科學與技術的精神及素養，讓我國學生在國際上更具優勢與競爭力， 13.
(22) 而學習科學是希望學習者能夠學會觀察、詢問、規劃、實驗、歸納、研判，並培 養出批判、創造等各種能力，因此學習科學能夠幫助學習者發展問題解決的能力 (教育部，2008)。而近年來科學教育研究趨勢以教室脈絡學習和概念學習為主， 包含學習者理解科學概念的方法、概念改變、學習動機、學習環境、師生互動與 合作學習等方面，研究對象以國小學生為主，故可知近年來關於科學教育的研究， 仍以國小學生的科學學習方法為重點(林燕青、林靜雯，2010)。. 貳、科學學習之教學困境 對於初次接觸科學知識的學習者而言，學習抽象且複雜的科學概念實屬不易 (Jaakkola & Nurmi, 2008)，在未經指導與正式學習之前，學生對於科學抽象概念 的理解，只能直覺的從日常生活中經驗或透過想像來建立，此外學習者也常使用 記憶背誦的方式來學習科學，對於科學的概念不求甚解，因此產生更多科學學習 上的困難(歐宛兒，2012)。Kempa (1991)指出學習者常憑靠先備知識來理解日常 生活中的科學概念，但是這些理解通常是不恰當甚至是被誤解的，此外理解複雜 科學概念所需的能力，比一般學習者具備的能力要高，因此學習者容易在科學學 習中出現困難，而且科學領域中常常出現該領域特有的名詞或專業術語，讓剛剛 接觸新科學概念的學習者，在科學學習上產生部分的問題，再者，在科學教與學 的過程中，教學者的教學方法與學習者的學習方式常無法緊密的結合，造成學習 者科學學習的困難，除此之外邱美虹 (2000)指出科學學習中，概念學習的困境來 自以下四點： 1.科學學習受到個人學習經驗的影響 2.科學概念是抽象的 3.科學概念是複雜的 4.科學概念較為微觀. 14.
(23) 因此，科學教學最主要的癥結點在於知識概念較為抽象，學生無法以宏觀的 角度進行知識的建構(李京翰，2012)，比如國小電磁作用的單元，其學習內容就 是較為抽象的科學概念，經常造成學生概念上的迷思。 國小磁學內容可以分為「磁」與「電流磁效應」(簡稱電生磁)兩個概念， 「電 流磁效應」是以電磁鐵的形式呈現，「磁」概念是電磁鐵概念的先備知識，由於 磁學是較為抽象且複雜的，根據 Barrow (1990, 2000)指出學習者對於「磁」概念 的迷思，有一部分是來自教材及老師教學的混淆而導致的，其分析當時美國的自 然教科書發現：對於磁力的作用，吸引力的概念比排斥力清楚；學習者回答問題 不受其是否學過磁鐵的知識影響；學習者對於圓形磁鐵較不熟悉，特別是磁極的 位置；學習者認為兩末端磁力較強，但不能理解為何圓形磁鐵兩表面磁力較強。 Stephans (1994)也指出七個關於磁學的迷思概念： 「磁」概念： 1.磁力的大小決定磁力的強度。 2.磁鐵會吸引所有的金屬物質。 3.所有銀色外表的物質都會被磁鐵吸引。 4.磁鐵可以穿透紙張，但是木材、桌子或其他厚的物質則無法穿透。 「電流磁效應」概念： 5.磁場只經由磁鐵產生。 6.磁場範圍是二維空間而不是三維空間。 7.磁力線只存在磁鐵外部。 許多研究也顯示國小學生對於磁學有許多的迷思概念，而且即使是已經學過 電磁鐵概念(電流磁效應)的國小六年極學習者，仍舊對「磁」概念有著迷思(鄭如 琳，1999；林明軫，1993；時德平，2001；楊志強，2001；葉誌鑑，2002；王嘉 德，2004)， 由上述可知，國小的自然與生活科技教學裡，學生難以從教科書完全習得並 了解磁學的概念，對於主動思考科學內容、運用科學知識於日常生活中更是難上 15.
(24) 加難，因此教學者需要營造科學教學的環境，配合適當的科學教材與教學策略， 將科學融入課程當中，比如透過實驗的方式，可以幫助學習者理解和主動驗證科 學的概念(吳心楷、吳百興、張耀云，2010)，再結合數位模擬來將真實情境模擬 成學習者可以理解的形式，讓學習者能觀察實驗結果和主動探索學習環境，並經 由「做中學」形成具體概念，達成學習目標，進而進行有意義的思考、問題解決、 主動參與和提高學習動機(黃福坤，2006；廖美婷，2012)，所以，若能結合實驗 的優點與數位模擬的特色於國小電磁作用課程中，或許能有助於改善國小學生在 磁學學習上的困境。. 參、科學學習與動機 學習動機是指引起學生學習活動，維持學生學習活動，並使得該學習趨向教 師所訂定目標的內在歷程(張春興，2007)，因此教學的設計若是無法引發學習者 本的學習動機，將有可能影響其學習的成效。Deci 與 Ryan (2002)在自我決定論理 提到，依據自我決定的程度，可將動機分為以下三種： 1.內在動機(intrinsic motivation)：個人主動並發自內心自然的去從事活動，並 且能從中獲得滿足與喜悅。 2.外在動機(extrinsic motivation)：個人因為外在環境因素的影響，而去執行活 動，無關個人感受。 3.缺動機(amotivation)：個人完全不參與活動。 由上述可知，如果學習者將動機表現轉變成內在動機，就可以使學習者持續 不斷的投入於學習中，進而達到精熟的目的。而 Keller (2006)依據期望價值理論 提出 ARCS 動機模式，強調要引起學生動機需要配合以下四個要素： 1.注意力 (Attention)：吸引學習者的興趣和刺激學習者的好奇心。 2.相關性 (Relevance)：學習內容能夠與學習者日常生活相關，以滿足學生個 人的需求和目標，使其產生積極學習態度。 3.自信心 (Confidence)：幫助學習者成功建立信心，相信自己有能力去完成。 16.
(25) 4.滿足感 (Satisfaction)：學習者因為習得的學習成果而得到內在或外在的鼓 勵和獎賞。 簡而言之 ARCS 動機模式就是先引起學習者對一件事的注意和興趣(A 注意 力)，再讓學習者發現這件事和自己切身的關係(R 相關性)，接著又讓學習者覺得 自己有能力和信心去處理它(C 自信心)，終了學習者得到完成後的滿足感與成就 感 (S 滿足感)。 引起學習者的學習動機對於教學者而言，是相當重要的一個課題，然而要激 發學習者的學習動機必須從科學學習活動著手，唯有讓學習者對科學學習產生興 趣，才會使其專住於學習活動中。因此若利用數位模擬的形式融入國小電磁作用 單元的學習中，並配合體驗式學習環，讓學習者在與生活相關的模擬情境中進行 實驗，並且主動建構知識，或許對於學習者學習動機能有效的提升，進而達到提 高學習成效的目的。. 17.
(26) 第二節 數位模擬 本節將針對數位模擬進行相關文獻的整理。首先先針對數位模擬的基本定義 做介紹，接下來探究數位模擬在教育的應用，最後探討數位模擬學習策略。. 壹、數位模擬的定義 模擬 (simulation)是指實際情境或過程的抽象化或簡化 (Heinich, Molenda, Russell, &, Smaldino, 1999)，Alessi 與 Trollip (2001)指出模擬不僅是一個現象的複 製，它透過省略過程、改變、增加細節與特徵的方式，將現象簡單化，陳郁雯(2004) 認為模擬是一種事物或現象的複製，經由簡化的程序，強化其重要之處，因此當 人類想進行一種工作卻無法在實際情況達成時，利用模擬的過程即可得到與事實 相近或相似的結果(蘇義賢，2007)，近年來，資訊科技蓬勃發展，電腦的軟硬體 設備功能均大幅度的提升，藉由電腦運算快速及儲存容量大的特點，來執行模擬 的工作是一種趨勢(蘇義賢，2007)，因此利用數位工具來進行模擬活動的數位模 擬，已經是現今最常見的模擬方式。. 一、電腦模擬 電腦模擬是虛擬實境中的一種技術，是一種由電腦生成的模擬系統。Alessi 與 Trollip (2001)指出，電腦模擬是一個利用電腦來模擬實物的反應模式，不必經 由實物真實操作亦能到有效測驗的一種工具，此外電腦模擬是最具創造性的電腦 軟體，可將學習者不易觀察到的現象，以電腦模擬的方式到達與實際情境相同的 教學目的(張霄亭，1995)，再者電腦模擬提供學習者一個開放的空間，始學習者 能有嘗試錯誤、把握重點的機會，以獲得知識遷移、判斷及自主學習的能力(林秀 美，1996)，而 Lee (1999)也指出，電腦模擬能協助學習者縮短真實與抽象知識之 間的距離，並藉由學生的主動參與，提高學生的學習動機和學習成效，另外，黃. 18.
(27) 福坤 (2006)認為電腦模擬是使用電腦去建立模式來模擬真實世界中的現象，可將 之具體化並依學習者的認知程度以適切的表徵方式呈現。 綜合上述可知，電腦模擬軟體提供較高的互動性，被視為能增進學生概念發 展與思考能力的優秀教學工具，可增進學習者的學習動機及提供認知發展過程的 支持。以下為電腦模擬在教學上的特色： 1.提高學習動機 學習動機是指引起學生學習活動，維持學生學習活動，並使得該學習趨向教 師所訂定目標的內在歷程(張春興，2007)，因此如何激勵學生的學習動機，是教 學最重要的課題。電腦模擬的擬真情境能夠激勵學習者，並引起學習興趣及提高 學習動機，更能讓學生主動參與和沉浸於學習中，提升學習的成效 (Huppert, Yaakobi, & Lazarovvitz, 1998, Lee, 1999; 黃竹坤，2001；蘇義賢，2008；廖美婷， 2012)。 2.提供安全學習環境 許多學習的過程中都具有相當的危險性，稍不留意就可能造成身體的傷害或 危及生命安全。電腦模擬能夠透過模擬真實的情境，讓學習者在安全的情況下進 行學習(林秀美，1998；黃竹坤，2001；Roblyer, 2003)。 3.降低訓練成本 許多學習課程需要耗費大量的經費，比如反覆的操作電子電路實驗或化學實 驗，會耗損材料、元件或設備。透過電腦模擬可以讓學習者一次又一次的進行操 作練習，同時可以減少成本的消耗(Huppert et al., 1998; 林秀美，1998；Roblyer, 2003)，此外電腦模擬也可以將一些難以觀察或操控的步驟加以簡化，有利於學習 者的學習(Alessi et al., 1985)。 4.減少時間耗費 許多現象的發生需要花費較長的時間，學習者無法即時的觀察並進行操作， 透過電腦模擬讓學習者經由觀察和操作的步驟，學習事物或現象本身的原理。此. 19.
(28) 外，無論真實現象發生的速度多快或多慢，學習者可以自行調整，讓模擬軟體進 行運作，進而立即看到現象的結果(Alessi et al., 1985)。 5.將抽象事物具體化 電腦模擬能夠提供各種多媒體：文字、聲音、圖片、影像與動畫，以協助學 習者縮短真實與抽象概念之間的距離(林秀美，1998，Lee, 1999，廖美婷，2012)。. 二、擴增實境模擬 擴增實境(Augmented Reality)是由虛擬實境(Virtual Reality)領域中延伸出來 的技術，因此在了解擴增實境之前，需要先了解虛擬實境的意義。虛擬實境是利 用電腦模擬產生真實的情境，讓學習者透過人機介面與之互動，並沉浸在模擬的 情境當中，此外學習者擁有部分的控制權，能利用本能的知覺來操作電腦裝置， 並從中獲得真實的經驗(陳郁雯，2004)。虛擬實境具備下列幾項特色(林奇賢， 1997)： 1.以電腦模擬為核心。 2.具有三度空間與互動式的介面。 3.使用者可透過操作互動式物件，在三度空間上充分瀏覽。 4.能產生身歷其境的效果。 虛擬實境能夠帶給學習者身歷其境的感受，也能提供反覆的操作練習，因此 在教育方面可以用來進行教學或訓練(王華沛，2004)。而擴增實境與虛擬實境的 不同之處，在於擴增實境並非讓學習者完全投入在虛擬的情境中，而是透過影像 辨識技術，將虛擬的物件或資訊融入真實的場景中，因此擴增實境擴大了真實世 界的能見度，而非營造出完全沉浸的虛擬世界(王耀宗，2012)。 Azuma 於 1997 年提出了擴增實境必須有的三項特點： 1.結合真實與虛擬(Combines real and virtual)：擴增實境突破了場景的限制， 將真實與虛擬做有意義的結合，將空間中所包含的「隱性」的資訊轉換成「顯 性」的資料，並融合於真實環境中。 20.
(29) 2.即時互動(Interactive in real time)：擴增實境講求現實與虛擬的即時互動， 並且要能隨時因應現實作出即時的變化，如此使用者才能擁有與虛擬互動的 感受。 3.空間定位(Registered in 3-D)：由場景中獲取的資訊來決定需要顯示的虛擬 物件，並且將其做有意義的結合，呈現在 3D 的空間內。 由上述可知，擴增實境主要的優點在於結合了現實與虛擬實境的特性，利用 電腦運算及圖像變換的技術，對學習者的動作做出即時的回饋，並且能夠與虛擬 物件及實際場景進行互動，使學習者在學習上較真實物件更能突破空間、時間上 的限制。簡而言之，擴增實境技術是虛擬實境技術之延伸，而擴增實境模擬則為 電腦模擬的延伸，透過虛實整合與電腦模擬的技術，讓擴增實境模擬成為現今一 種新興的數位模擬方式。. 貳、數位模擬在教育上的應用 以下就電腦模擬與擴增實境數位模擬，兩種數位模擬的方式於教育上的應用， 做進一步的探討。. 一、電腦模擬在教育上的應用 張智偉 (2006)利用電腦模擬於直流電路的教學，結果顯示電腦模擬組的學習 成效優於一般教科書講述法學習組。孫天光、傅榮財 (2007)利用虛擬實境融入國 中自然與生活科技領域中，並利用電腦模擬技術於國中三年級的「日、地、月之 相對運動及轉動的地球」單元中，結果顯示學習者的學習成就、學習動機皆高於 一般口述教學的學習者。Gire、Carmichael、Chini 與 Rouinfar 等人於 2010 年探討 虛擬與真實教具於大學一年級的滑輪單元，發現利用電腦模擬呈現的虛擬教具雖 然不見得比真實教具有成效，但是在抽象概念上，卻能將抽象概念視覺化和具體 化，而且沒有真實實驗中安全、時間與經濟等問題。廖美婷 (2012)指出，一般教 學無法觀察到的科學現象，如酸鹼鹽、電流和功等概念，使用虛擬實境來進行電 21.
(30) 腦模擬成效較好，而在一般教學中可以清楚看到現象變化又融合抽象概念的單元， 如溫度與熱單元，與利用虛擬實境來進行電腦模擬教學有著相等的效益。. 二、擴增實境模擬在教育上的應用 Juan (2009)利用貼有標記的立方體來進行擴增實境遊戲，透過擴增實境的技 術，模擬出不常見的國外動物，讓學習者來進行學習，並且對於樂趣 (enjoyment and fun)、感知 (perceived value)、易用性 (usability)和臨場感 (sense of presence) 四個面向進行評估。結果顯示在樂趣上，學生較喜歡立方體擴增實境遊戲的學習 方式；在感知上，學生願意再次使用這個遊戲，也希望此遊戲可以用在其他不同 地方，並且認為他們的朋友也會喜歡這個遊戲；在易用性上，學生喜歡透過操作 立方體來與擴增實境遊戲進行互動；在臨場感上，學生認為透過此遊戲的引導， 帶給他們身歷其境的感受。 Juan、Toffetti、 Abad 和 Cano (2010)利用立方體擴增實境遊戲，讓學生認識 瀕臨絕種的生物，並且對於多個面向進行評估。結果顯示在技術上，立方體擴增 實境遊戲是具有可用性的；在情感上，學生比較喜歡立方體擴增實境遊戲，並且 認為它較為有趣；在教學上，學生透過立方體擴增實境遊戲，能夠有效的習得課 程的內容─認識瀕臨絕種的生物。 Andujar、Mejias 與 Marquez (2011)的研究顯示，利用擴增實境技術於遠距擴 增實驗室，可以解決一般虛擬實驗室缺少的真實情境感，因為結合遠距攝影機與 擴增實境技術，能夠增加學習者的情境感知，並且讓學習者也可以簡單的驗證和 操作實驗，此外同樣的實驗室場景可以重複利用，不需要因為實驗的項目不同就 需要全數更換，讓實驗室有更高的可塑性。 Tarng 和 Ou (2012)將擴增實境導入校園蝴蝶生態的學習，讓學習者透過擴增 實境技術，模擬真實蝴蝶的生活型態，研究顯示與真實的蝴蝶的生活環境相比， 擴增實境蝴蝶生態系統較容易維護和開發，而且也解決了蝴蝶數量和種類不足的 問題，此外學生在使用上也不受時間及空間的限制，可以在自己熟悉的環境中學 22.
(31) 習，讓情境認知更加具體；再者，擴擴增實境蝴蝶生態系統還提供高度的互動性、 3D 的視覺效果和使用者互動介面。因此，該系統能幫助學生了解蝴蝶和保護蝴 蝶生態上，並且也可以協助國小和國中在自然與生活科技學習領域上的學習。 参、數位模擬學習策略 數位模擬融入教學中能夠正面的提升學習成效、學習態度，其中電腦模擬和 擴增實境模擬，在多項研究中皆顯示其學習成效與學習態度優於一般的教學方式 (張智偉，2006；孫天光、傅榮財，2007；Juan ,2009; Liu et al, 2009; Juan et al., 2010; Andujar et al, 2011;廖美婷，2012；Tarng et al, 2012)，然而，哪一種數位模擬方式 較能提高學習者的學習成效與學習動機，卻鮮少有研究針對此部分進行深入探討， 此外，兩種不同的數位模擬，何者能帶給學習者較高的科技態度，也是值得探討 的議題，因此本研究欲探討不同的數位模擬方式(電腦模擬與擴增實境模擬)，對 於國小五年級學習者學習電磁作用單元的學習成效、學習態度與科技態度的影 響。. 23.
(32) 第三節 體驗式學習 為使學習者能從電腦模擬的環境中透過體驗具體情境中的問題，來獲得學習 概念，並達到有意義的學習，所以本研究採用電腦模擬之體驗式學習來進行教學 實驗。本節將針對體驗式學習之範疇、體驗式學習在教育的應用以及數位模擬體 驗式學習策略進行探討。. 壹、體驗式學習之範疇 Deway (1983)提出「做中學」的體驗學習理論，強調在經驗中學習的重要性， 並主張將各種經驗融入傳統的教育型態中，其要點包括： 1.強調在經驗中學習的重要性。 2.強調以學習者為中心的學習。 3.強調經驗的教育價值。 4.強調反思在經驗學習過程中的重要性。 Kolb (1984)強調「學習」是藉由經驗不斷的轉換進而創造知識的歷程，而「知 識」是經過理解與經驗轉換的結果，進一步說，學習也是一種適應環境的歷程， 而知識是將學習歷程的經驗內化的結果，其主要意涵包括： 1.學習是一個歷程而不是結果。 2.學習就是不斷的重複學習。 3.學習需要在對話式的辯證過程中解決衝突問題，以適應世界。 4.學習是一種適應世界的整體歷程。 5.學習是個人與外在環境互動所產生的結果。 6.學習是創造知識的歷程。 由此可知，人們透過體驗與觀察周遭事物的循環過程，發現或形成對事物的 概念，並將此概念加以運用及實際操作，以檢驗概念的可行性與正確性，當所建 立的概念獲得一定程度的印證時，此概念將成為學習者的具體經驗，成為日後評. 24.
(33) 斷相似事物的準則。簡而言知，學習是「適應歷程」、而知識是「轉換歷程」，因 此體驗式學習已廣泛使用於教育實務上，並且在實際操作、親身經驗與互動的相 關教學情境中扮演重要的角色。 學習環係指學習者為達成特定的學習目標或任務，所需經歷的完整性學習活 動歷程或階段。Kolb (1984)在體驗式學習理論中依據資訊獲取及資訊處理兩個觀 點，將學習過程區分為一個四階段的循環性週期，其歷程包括：具體經驗 (Concrete Experience，CE)、反思觀察 (Reflective Observation，RO)、抽象概念 (Abstract Conceptualization，AC)和主動驗證 (Active Experimentation，AE)四個循環性的學 習階段，此四個學習階段是連續的，且隨時有可能發生，這意謂著任何一個經驗 的產生不但是連續的，而且也會影響未來的某一個經驗。以下分別就四個循環性 的學習階段做說明： 1.具體經驗 CE：透過真實世界環境或日常生活情境之模擬，將學習內容融 入其中，使學習者可以自行建構知識。 2.反思觀察 RO：提供各種資訊與事件促進學習者深入思考經驗的歷程與內 涵。 3.抽象概念 AC：學習者將具體經驗與反思觀察兩階段所經歷到的事件，透 過自行的理解與統整，進而轉化為知識。 4.主動驗證 AE：學習者整理出學習概念後，藉由自動檢測來確認概念的正 確性，並將其延伸應用於新的情境上。 由上述可知，體驗式學習的核心為具體經驗，學習者藉由學習環境的經歷、 問題的觀察和事件的互動中，自行建立知識，而非依賴教師的講授。此外，由於 四個學習階段是連續且相互影響的，因此具體經驗是觀察反思的基礎，學習者若 無法感受真實情境的問題，就無法進入反思的學習階段，而反思觀察階段可以幫 助學習者將親身經歷轉化成較抽象的概念，在概念形成後學習者才能從新的問題 情境中進行檢驗，並獲得新的情境問題 (Kolb & Kolb, 2005)。 綜合 Kolb 體驗式學習理論，歸納其要點如下(高雄市政府教育局網站)： 25.
(34) 1.強調知識的動態過程：學習是經驗轉換、知識創造的過程，是個人與環境 互動、衝突和問題解決的結果，是一種動態的知識創造過程。 2.重視學習的過程：學習的精髓在於過程，而非結果，有別於傳統教育重視 學習結果的量化，教育的目的應該在於增進汲取知識過程的有效性和持續 性，而非強記大量的知識。 3.學習是經驗的連續過程：經驗的連續性原則，表示每一個經驗皆藉由承續 先前經驗而來，亦會影響隨之而來的後續經驗。 4.學習是個人適應環境的整體過程：學習是人與環境相互影響的過程，人類 幾乎隨時隨地都在學習，從家裡到學校，從學校到社會，從兒童到少年、 到中年、甚至老年，人生就是一個不斷學習的過程。 5.有效的學習是整體和循環的：學習是由具體的經驗出發，藉由個人在活動 中進行觀察和反思，然後將其反省觀察的結果整理成合乎邏輯的理論，因 而獲得抽象概念並加以類化，最後在新的情境中檢視概念的正確性，在行 動中形成新的經驗並解決問題，因此學習乃是一個整體的循環過程。. 貳、體驗式學習在教育領域的應用 由上述可知，讓學習者在體驗式學習循環中進行學習活動，提供學習者具體 的學習經驗，可以促進學習者對於學習歷程進行反思，進而習得抽象的概念並達 到學習的成效。陳金珠 (2008)利用體驗式探究模組進行社區資源結合的研究，發 現國小高年級學童藉由在肥皂工廠的親身體驗，進而達到類化、反思、概念化與 應用等深層的思考，並獲得科學概念和科學技能的學習。林懿行 (2009)以種植植 物為學習教材，施以不同體驗式探究教學策略之教學，來探討不同年級、不同性 別學童對種植植物的科學歸納能力及學習成效，結果顯示不同體驗式探究教學策 略，無論在學成習成效或科學歸納能力上，對於學習者皆能有所提升，並可以幫 助其在種植植物的學習，因此是個可以在其它科學主題或學習領域中運用的教學 策略之一。而體驗式學習除了在自然與生活科科領域的應用外，王麗君 (2009) 26.
(35) 利用體驗式遊戲策略於初學者學習程式語言的學習，研究中發現體驗式遊戲策略 有助學習者之正向學習動機及流暢經驗感受。羅怡帆 (2012)利用體驗式遊戲策略 於國中數學比例式課程的教學上，研究結果顯示體驗式遊戲策略能提升學習者投 射調節和認同調節的動機。 從上述相關文獻可知，體驗式學習可以幫助學習者達到類化、反思、概念化 與應用等深層的思考，以及學成習成效與科學歸納能力的提升，也有對於學習者 的流暢經驗與學習動機有正向的影響，因此將體驗式學習應用於科學領域上，或 許有對於學習者學習成效與學習動機有所助益。. 參、應用數位模擬於體驗式學習 體驗式學習策略應用於教學上能將學習內容整合於真實情境中，使學習者能 藉由學習情境獲得經驗、知識與技能，並能將學習歷程中所取得的經驗與回饋建 構成自己的知識架構。因此，本研究欲結合電腦模擬的優勢與體驗式學習策略的 特性，應用數位模擬於體驗式學習，以增進國小五年級學習者科學學習的認知和 情意感受。 本研究的數位模擬之體驗式學習策略包含具體經驗、反思觀察、抽象概念和 主動驗證四個階段，各階段之意涵與規劃如表 2-1 所示。在具體經驗階段，將電 磁作用單元概念融入學習任務中，透過故事情節的鋪陳與任務目標的指引，使學 習者在操作模擬實驗的過程中，體驗各種電磁作用的概念；於反思觀察階段，學 習者進行模擬實驗後，透過觀察實驗的結果來反思實驗的歷程，進而獲得的學習 經驗；進入抽象概念階段，學習者透過填寫與回答學習單上與電磁作用相關且循 序漸進的問題，習得學習任務中隱含的電磁作用抽象概念；最後主動驗證階段， 會提供學習者階段性的遊戲任務，以促進學習者自行驗證於抽象概念階段所建立 的電磁作用概念是否正確，並檢測學習者能否靈活運用。. 27.
(36) 表 2-1 應用數位模擬於體驗式學習規畫表 循環階段. 具體經驗. 循環階段意涵 透過真實世界環境或日常生. 本研究數位模擬之體驗式學習規劃 將電磁作用單元概念融入學習任務中，透. 活情境之模擬，將學習內容融 過故事情節的鋪陳與任務目標的指引，使 入其中，使學習者可以自行建 學習者在操作模擬實驗的過程中，體驗各 構知識。. 種學習概念。. 提供各種資訊、事件促進學習 模擬實驗結束後，學習者透過觀察實驗結 反思觀察. 抽象概念. 者深入思考經驗的歷程與內. 果來反思實驗的歷程，進而獲得的學習經. 涵。. 驗。. 學習者將具體經驗與反思觀. 學習者透過填寫與回答學習單上與電磁. 察兩階段所經歷到的事件，透 作用相關且循序漸進的問題，習得學習任 過自行的理解與統整，將其轉 務中隱含的電磁作用抽象概念。 化為知識。 學習者整理出學習概念後，藉 提供階段性遊戲任務，促進學習者自行驗. 主動驗證. 由自動檢測來確認概念的正. 證於「抽象概念」建立的電磁作用概念是. 確性，並將其延伸應用於新的 否正確，並檢測能否靈活運用之。 情境上。. 28.
(37) 第四節 科學情感投入 壹、學習投入的意涵 情感投入源自於學習投入，為學習投入重要的一環。Skinner 和 Belmont (1993) 指出，學習投入是指學習者在學校生活中表現出來的行為、努力、堅持性以及在 這過程中所伴隨的積極情感。Elliott、Hufton、Willis 與 Illushin (2005)提出四點對 學習者學習投入與成就產生顯著影響的因素： 1.學習者對目前的課業表現與作業投入的知覺與滿意情況。 2.對於成功與失敗歸因於自己的努力，而非能力或外部因素。 3.對學業成就與成為有教養公民的價值觀，視其為目的或是達成其他目標的 方法。 4. 同儕的影響力，尤其是對同儕高投入的事物所表現出的認同感。 許多研究結果顯示，學習投入與學習者的學習表現、學習滿意度、學校認同 感、未來發展等因素有關 (Zhao & Kuh, 2004; Carini, Kuh , & Klein, 2006; Hu, Kuh, & Li, 2008)，另外，學生投入學習活動的頻率愈高，與投入時間愈長，其學習表 現越佳(Kuh, Kinzie, Schuh, & Whitt, 2005; Greene, Marti, & McClenney, 2008)。. 貳、情感投入之意涵 Connel 與 Wellborn (1991)認為學習投入為一種對於學習所表達的行動意願程 度，也是行動時所具有的一種情緒品質，因此將學習投入分成行為及情緒兩項度 進行了解。Michael、Angela、Grace 與 Jenne 等人於 2003 指出，學習投入是由三 個 面 項 所 組 成 ， 即 行 為 投 入 (Behavior Engagement) 、 情 感 投 入 (Affective Engagement)與認知投入(Cognitive Engagement)這三個面向，以下就三個面向進行 說明： 1.行為投入：反映學習者的努力程度和學業表現，以及他們為了完成老師與 父母提出的基本要求所努力的程度。. 29.
(38) 2.情感投入：情感投入是指學習者在完成與學習相關的任務中所表現出來的 情感。學習者的情感投入就是學習者與教學者及學校的情感連繫。 3.認知投入：認知投入是指學習者對自己、學校、教學者和同儕的感知和信 念(如自我效能感、學習動機、學習感知、教學者及同儕的關照與期望)。 其中，情感投入是指學習者在完成學習任務中所表現出的情感，也就是學習 者與教學者及學校的情感聯系。此情感連繫包含害怕、焦慮、煩躁等消極情感， 也包含熱情等積極學習的情感，而積極情感表示學習者積極融入於學習環境中， 並感受到被教學者與學習者接受的情感。而情感投入的其中關鍵決定因素是學生 感受到自己與教學者及同儕同學有積極的關係，教學者的關注與指導，使其具有 明確的學習目標。 而 Chapman (2003)也將學習投入分成三個指標，來形容學習者學習過程中努 力的程度： 1.認知指標(cognitive criteria)：說明了學習者於學習過程中面對任務所致力和 花費的精神努力程度；例如專注將新概念進行整合，並融入已習得的知識當 中，透過多元認知策略來引導學習者對學習任務的理解。 2.行為指標(behavioral criteria)：學習者對學習任務的積極反應程度；例如學 習者在教學前的積極反應，包括詢問與解決學習任務的相關問題，並參與教 師與同儕的相關討論等。 3.情感指標(affective criteria)：學生對學習任務的投入和情感沉浸的程度；例 如學習者對於學習任務的高度興趣或積極心態。 William、Williams、Kastberg 與 Jocelyn 於 2005 指出，相較學習者比較不感 興趣的學習科目，學生在感興趣的學科將能有較好的學習表現，也就是學習者的 學習興趣與學習成就有相當程度的關聯；因此提高學習者的學習意願，最終越能 在學習活動過程中展現出優異的成就。. 30.
(39) 貳、數位模擬與科學情感投入 科學情感投入係指學習者對於自己在學習科學的歷程中，與科學所產生的情 感連繫，也就是學習者沉浸並享受學習科學歷程的感受傾向。Kennedy (2010)利 用質性觀察、訪談及蒐集量化資料，研究國中生學習動機、學習投入與自我效能 在閱讀素養上的影響，發現提升學習者的學習動機、學習投入與自我效能後，對 於學習者在讀寫與拼字等方面的素養有十分顯著的助益，其關鍵因素在於教學者， 讓學習者在認知與情感面向上的素養得以發展所致，由此可知認知與情感投入在 學習上扮演重要的角色，或許是值得研究的議題。 除此之外，由先前的數位模擬文獻可知：擴增實境模擬並非營造出完全沉浸 的虛擬世界讓學習者完全投入其中，而是透過影像辨識技術將虛擬訊息融入真實 的場景中，擴大真實世界的能見度(王耀宗，2012)，因此兩種不同的數位模擬對 於學習者的沉浸狀態，是有所不同的，故不同的科學情感投入學習者(高科學情感 投入、低科學情感投入)，在不同的數位模擬環境中(電腦模擬、擴增實境模擬)， 對於學習者的學習成效與學習動機是否有影響，是相當值得深入探討的議題。 故本研究利用「科學情感投入量表」測量學習者在平時學習科學時的情感投 入程度，並依照學習者的科學情感投入程度高低，將其區分為高科學情感投入組 與低科學情感投入組來進行探討和研究。. 利用數位模擬提供擬真的學習環境，作為激發不同科學情感投入程度學習者 學習動機的工具，再搭配體驗式學習策略，能協助學習者從具體情境中習得電磁 作用單元的概念並體會其在日常生活中的應用，固本研究將採用數位模擬之體驗 式學習於國小電磁作用單元，結合「學習內容」、「數位模擬」和「體驗式學習」 三面向之重點與特性，讓學習者從學習任務的具體經驗中建構電磁作用的知識， 並透過觀察實驗結果獲得反思機會，進而強化電磁作用的概念，最後運用習得概 念，完成階段性的遊戲任務。同時亦希望利用數位模擬即時回饋與將抽象具體化 的特性，激起不同科學情感投入學習者的學習動機，使其能專注於學習任務中。 31.
(40)
(41) 第三章 研究方法 本研究以「數位模擬體驗式學習」為電磁作用單元學習活動進行實驗教學， 旨在探討不同的數位模擬(電腦模擬、擴增實境模擬)與學習者的科學情感投入(高 科學情感投入、低科學情感投入)對國小五年級學習者在電磁作用單元的學習成效、 ARCS 學習動機和科技態度之影響。以下分別就研究對象、研究設計、研究工具 及資料處理與分析進行說明。. 第一節 研究對象 本研究之研究對象為國小五年級學習者，參與之研究樣本為雲林縣某國小五 年級的學生，研究樣本之班級為常態編班，且所有的學習者均具備基本的電腦操 作技能。參與樣本在實驗教學課程前，已學過磁鐵的基本概念(同極相斥異極相吸、 磁性物質)，但尚未學習本研究教學實驗中之電磁作用單元，亦未接觸過以數位模 擬學習活動之模式學習自然與生活科技之課程。為了配合原班級課程進度安排， 以班級為單位，在五年級中隨機抽取四個班作為研究樣本，共計 106 位研究參與 者，其中男生 59 位、女生 47 位，年齡介於 10 至 11 歲之間。 本研究為求實驗準確性，剔除未能全程參與之學習者 7 位、極端值 2 位，另 外，考量樣本人數並適度區隔學習者之科學情感投入程度，剔除科學情感投入介 於全體 45%~54%之學習者共 9 位，故研究有效樣本為 87 位。有效樣本以班級為 單位，隨機分派兩個班級為「電腦模擬組」 ，另外兩個班級為「擴增實境模擬組」， 並根據學習者在科學情感投入量表的分數高低程度，分為「高科學情感投入組」 和「低科學情感投入組」。. 33.
(42) 教學實驗之分組與各組人數分配表如 3-1 所示， 「電腦模擬-低科學情感投入」 22 位， 「電腦模擬-高科學情感投入」22 位， 「擴增實境模擬-低科學情感投入」21 位，「擴增實境模擬-高科學情感投入」22 位。合計電腦模擬共 44 位，擴增實境 模擬 43 位。低科學情感投入 43 位，高科學情感投入 44 位。. 表 3-1、教學實驗之分組與各組人數分配表 科學情感投入. 低科學情感投入. 高科學情感投入. 合計. 電腦模擬. 22. 22. 44. 擴增實境模擬. 21. 22. 43. 合計. 43. 44. 87. 數位模擬. 34.
(43) 第二節 研究設計 本研究採因子設計(factorial design)之準實驗研究法，旨在探討不同的數位模 擬(電腦模擬、擴增實境模擬)與學習者的科學情感投入(高科學情感投入、低科學 情感投入)對國小五年級學生在電磁作用單元的學習成效、學習動機和科技態度之 影響。數位模擬與科學情感投入之研究設計及教學活動設計分別敘述如下：. 壹、數位模擬對國小電磁作用單元體驗式學習之研究設計 本研究之數位模擬對國小電磁作用單元體驗式學習之影響，研究設計架構如 圖 3-1 所示。. 自變項. 依變項. 一、數位模擬. 一、電磁作用單元學習成效. 1. 電腦模擬. 1. 知識理解. 2. 擴增實境模擬. 2. 知識應用. 二、科學情感投入. 二、電磁作用單元學習動機. 1. 高科學情感投入. (ARCS 動機模式). 2. 低科學情感投入. 1. A 注意力 2. R 相關性 3. C 自信心 4. S 滿足感 三、科技態度. 1. 科學學習信心 2. 行為投入 圖 3-1、數位模擬對國小電磁作用單元體驗式學習之研究設計架構圖. 本研究自變項有二，分別為「數位模擬」與「科學情感投入」。「數位模擬」 根據學習者在學習歷程中使用的數位模擬方式不同，分為「電腦模擬」與「擴增 35.
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