注意力引導在動態教學設計之研究-以細胞分裂與減數分裂為例

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國

立

交

通

大

學

理學院科技與數位學習學程

碩

士

論

文

注意力引導在動態數位教學設計之研究

- 以細胞分裂與減數分裂為例

A Study of Attention Guiding on Dynamic Digital Instructional

Design in Mitosis and Meiosis

研究生：簡志祥

指導教授：陳明璋副教授

中

華

民

國

九

十

九

年

六

月

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中文摘要本研究旨在比較學生學習細胞分裂與減數分裂時，採用不同模式教材的學習成效。其中教材的模式是將動態的訊息切割成不同的階段來呈現，來呈現，包括（1）關鍵階段、（2）完整階段及（3）完整階段附加提示效果。提示效果的作法為利用透明度變化，刺激學習者注意屏幕上的相關訊息。實驗對象為國中七年級學生，共六個班級，共計 189 位（95 男與 94 女）。各班以隨機分配進行不同模式教材 45 分鐘的教學，隨後進行遺傳學成就測驗後測及認知負荷問卷、內容感受問卷與媒體感受問卷。實驗結果採雙因子共變數分析後，以完整階段加提示組教學，其學習成效顯著高於另外兩者，且其所產生之認知負荷量顯著低於關鍵階段組，因此以完整階段加提示有較高的學習效率。因此，學習細胞分裂與減數分裂時，若能步驟化呈現完整階段且加以提示，將提供更好的學習效果。在教材內容部分，完整階段組與完整階段加提示組對教材的正面感受皆高於關鍵階段組。大多數學生對完整呈現階段與附加提示都認為能幫助學習。本研究亦以科學推理測驗探討學生的認知發展期，其中 189 名學生中僅有 19.6% 的學生進入過渡期，其餘 80.4% 的學生仍處於具體操作期。研究顯示，針對具體操作前期的學生，教材若採提示動畫進行細胞分裂教學，則學習成效可顯著高於靜態圖片組與動畫組但過渡期與具體操作後期的學生之中，三種教材之學習成效則無顯著差異。

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英文摘要

Attention cueing might help learners in focusing their attention on essential parts of an animation. This research examined the effects of learning mitosis and meiosis with three instructional strategies (i.e., (a) key stages and (b) complete stages and (c) complete stages with cue) from Flash presentations.

The visual cue was defined as using transparency change to attract learners’ attention to relevant on-screen information. One hundred and eighty-nine seventh graders (95 boys and 94 girls) school students were exposed to a multimedia learning environment. Students were randomly assigned to either key stages, complete stages or complete stages with cue condition.

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致謝誠摯感謝指導教授陳明璋博士，老師悉心的教導使我得以在教材設計上有更深層的體悟，並且不時指點我正確的方向，使我在這段日子中獲益匪淺。本論文的完成也感謝高雄師大的黃台珠教授大力協助。因為有您的協助，使得本論文能夠更加完整而嚴謹。也感謝季瑾老師、建豪老師與靜伶老師的協助，讓本研究的實驗得以順利進行。在研究室的日子裡，感謝元亨、舜國、家瑩、椿惠、子蓉在讀書會上的討論，給予我報告上具體的建議，恭喜我們順利走過這兩年。老婆中梅在背後的支持更是我進行研究的的動力，沒有中梅的關心、體諒與包容，這份研究沒有辦法順利完成。最後，謹以此文獻給我摯愛的雙親。

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目錄中文摘要中文摘要中文摘要 中文摘要 ... I 英文摘要英文摘要英文摘要 英文摘要...II 致謝致謝致謝 致謝... III 目錄目錄目錄 目錄... IV 表目錄表目錄表目錄 表目錄...VII 圖目錄圖目錄圖目錄 圖目錄... X 第一章第一章第一章第一章緒論緒論緒論緒論 ...1 第一節研究動機...1 第二節研究目的...2 第三節研究問題...3 第四節名詞定義...4 第五節研究範圍與限制...5 一、研究範圍...5 二、研究限制...5 第二章第二章第二章第二章文獻探討文獻探討文獻探討文獻探討 ...7 第一節遺傳單元教學的難處...7 一、學習困難之處...7 二、發生學習困難之原因...7 三、遺傳教學活動...8 第二節皮亞傑的認知發展理論...9 一、感官動作期...9 二、前操作期...9

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三、具體操作期... 9 四、形式操作期... 10 第三節注意力引導的數位教學設計原則... 12 一、記憶相關的理論... 12 二、設計原則... 13 三、展演工具... 22 第四節研究假設 ... 23 第三章第三章第三章第三章研究方法研究方法研究方法研究方法 ... 25 第一節研究架構 ... 25 第二節樣本選取 ... 26 第三節研究工具 ... 28 一、科學推理測驗... 28 二、遺傳單元成就測驗... 28 三、問卷... 33 四、多媒體教材... 35 第四節研究步驟 ... 44 第五節教學流程 ... 45 一、細胞分裂的過程... 45 二、減數分裂的過程... 45 第六節資料分析 ... 48 第四章第四章第四章第四章結果與討論結果與討論結果與討論結果與討論 ... 49 第一節不同教材呈現模式與學習成效的關係... 49 第二節不同教材呈現模式的認知負荷量... 52 第三節不同教材呈現模式的學習效率... 54 第四節教材呈現模式影響不同概念類型的測驗表現... 56

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一、非分裂過程概念之選擇題的測驗表現...56 二、分裂過程概念之選擇題的測驗表現...58 三、分裂過程概念之繪圖題的測驗表現...60 四、小結...61 第五節不同教材呈現模式的教材內容感受 ...62 第六節不同教材呈現模式的呈現模式感受 ...64 第七節生物科學業成就與認知發展期的關係 ...65 第八節教材呈現模式與認知發展期之關係 ...67 一、具體操作前期學生的學習成效...67 二、具體操作後期學生的學習成效...69 三、過渡期學生的學習成效...70 四、小結...71 第五章第五章第五章第五章結論與建議結論與建議結論與建議結論與建議 ...72 第一節結論 ...72 第二節建議 ...75 第三節未來研究方向...76 第六章第六章第六章第六章參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻 ...77 附錄附錄附錄 附錄A 科學推理測驗科學推理測驗科學推理測驗 ...83科學推理測驗附錄附錄附錄 附錄B 遺傳單元成就測驗遺傳單元成就測驗遺傳單元成就測驗（遺傳單元成就測驗（（後測（後測後測）後測））...93）

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表目錄表 1 各施測班級的上學期生物科平均分數之敘述統計表...26 表 3 各施測班級的上學期生物科平均分數的變異數分析...26 表 4 不同教材呈現模式的生物科平均分數之敘述統計表...27 表 5 不同教材呈現模式的生物科平均分數之變異數分析表...27 表 6 教材呈現模式與學業分組之敘述統計表...27

表 7 Lawson Classroom Test of Scientific Reasoning 主題與題號對照表.28 表 8 細胞分裂與減數分裂成就測驗後測雙向細目表...29 表 9 遺傳單元成就測驗雙向細目表...29 表 10 細胞分裂和減數分裂的過程概念...31 表 11 遺傳單元成就測驗的題目類型分配情形...32 表 12 教學流程表...46 表 13 遺傳單元成就測驗後測之迴歸係數同質性考驗摘要表...49 表 14 接受不同模式教學的前測及後測之敘述統計表。...50 表 15 遺傳單元成就測驗後測之共變數分析摘要表...50 表 16 遺傳單元成就測驗後測分數的參數估計值與事後檢定...51 表 17 不同成績分組學生接受不同呈現模式教材的認知負荷量雙因子變異數分析表...52 表 18 不同呈現模式的認知負荷量...52 表 19 不同學業成績分組的認知負荷量與事後檢定...53 表 20 不同模式的認知負荷與測驗表現表...54

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表 21 非分裂過程概念的選擇題，各種模式教材的答題情形 ... 56 表 22 非分裂過程概念的選擇題答題情形之迴歸係數同質性考驗摘要表 ... 57 表 23 非分裂過程概念的選擇題答題情形之共變數分析摘要表 ... 57 表 24 分裂過程概念的選擇題，各種模式教材的答題情形 ... 58 表 25 分裂過程概念的選擇題答題情形之迴歸係數同質性考驗摘要表 ... 58 表 26 分裂過程概念的選擇題答題情形之共變數分析摘要表 ... 59 表 27 分裂過程概念的選擇題答題情形之參數估計值與事後分析 ... 59 表 28 分裂過程概念的繪圖題，各種模式教材的答題情形 ... 60 表 29 分裂過程概念的繪圖題答題情形之迴歸係數同質性考驗摘要表 60 表 30 分裂過程概念的繪圖題答題情形之共變數分析摘要表 ... 61 表 31 分裂過程概念的選擇題答題情形之參數估計值與事後分析 ... 61 表 32 各成績分組接受不同呈現模式教材的內容感受的雙因子變異數分析檢定 ... 62 表 33 不同呈現模式的內容感受分數與事後檢定 ... 62 表 34 學生對完整階段呈現的感受 ... 64 表 35 學生對提示呈現的感受 ... 64 表 36 認知發展期與成績分組交叉人數對照表 ... 65 表 37 具體操作前期學生的遺傳單元成就測驗後測的敘述統計表 ... 67 表 38 具體操作前期學生的遺傳單元成就測驗後測之迴歸係數同質性考驗摘要表 ... 68

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表 39 具體操作前期學生在遺傳單元成就測驗後測之共變數分析摘要表 ... 68 表 40 具體操作前期學生的遺傳單元成就測驗後測之估計邊緣平均數與事後分析...68 表 41 具體操作後期學生的遺傳單元成就測驗後測的敘述統計表...69 表 42 具體操作後期學生的遺傳單元成就測驗後測之迴歸係數同質性考驗摘要表...69 表 43 具體操作後期學生在遺傳單元成就測驗後測之共變數分析摘要表 ... 70 表 44 過渡期學生的遺傳單元成就測驗後測的敘述統計表...70 表 45 過渡期學生的遺傳單元成就測驗後測之迴歸係數同質性考驗摘要表...71 表 46 過渡期學生在遺傳單元成就測驗後測之共變數分析摘要表...71

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圖目錄圖 1 學習效率的視覺化示意圖 ... 4 圖 2 研究架構圖 ... 25 圖 3 Flash教材的各個區塊說明 ... 36 圖 4 以關鍵階段模式呈現細胞分裂過程時的教材畫面。(a)染色質狀態， (b)染色質聚縮成染色體，(c)染色體複製，(d)染色體排列在細胞中央，(e) 複製染色體分離，(f) 兩個子細胞。... 37 圖 5 以完整階段模式呈現細胞分裂過程時的教材畫面 ... 39 圖 6 以完整階段加提示模式呈現細胞分裂過程時的教材畫面 ... 41 圖 7 研究流程圖 ... 44 圖 8 不同教材模式的學習效率圖 ... 55 圖 9 生物科學業成就分組學生的認知發展期組成圖 ... 66 圖 10 科學推理測驗分數與上學期生物科段考平均成績之散佈圖 ... 66

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第一章

第一章緒論

緒論

本章共分五節，主要說明本研究之研究背景、研究動機、研究目的、研究問題與研究限制。

第一節

第一節研究動機

研究動機

現行國中生物課程中，遺傳和生殖的主概念混合安排在七年級下學期的期初教授。這兩個主概念是由細胞分裂與減數分裂開始，之後介紹無性生殖與有性生殖、人類的生殖。然後進入孟德爾的遺傳法則、基因與遺傳、人類的遺傳、突變與生物科技的利用。生殖與遺傳的概念教學，不同於上學期生物課程裡其他的概念。以動物生理和植物生理這些概念為例，這些概念的教學可以透過接觸與觀察實體，和學生的心智產生連結，但遺傳和生殖概念較為抽象，是較難用生活經驗去理解的概念。在研究者的教學經驗中，發現學生在學習這部份的課程時，往往倍感挫折。而許多研究也提到，遺傳學課程是許多老師認為難教，且學生認為難學的概念（楊坤原、張賴妙理， 2004）。遺傳學的概念建立，是從細胞分裂與減數分裂開始，進而和接續的幾個概念相互連結，形成其他概念的基礎。倘若此概念的教學無法有效幫助學生學習成功，往往會影響到後續概念的學習。以教學媒體的觀點來看，此一概念的教學方法大致包括以下幾種：(1)教師僅以講述方式描述過程；(2)教師在黑板上繪出細胞分裂與減數分裂的示意圖，用以講解過程；(3)教師使用數個染色體或細胞示意圖的實體教具，利用磁性吸附在黑板上進行過程講解；(4)教師利用影片或互動式動畫等電腦多媒體的輔助，進行講解；(5)教師發與學生每人一組小型的染色體實體教具，用以講解分裂概念。然而這個過程概念屬於動態資訊，教學上難以僅用口述講解就讓學生瞭解，因為講述的過程僅有語言文字的傳遞，卻未有圖像的連結，而細胞分裂與減數分裂的過程卻又是屬於動態的圖像知識，使用不適合的教學法，讓教師傳遞的知識與圖像無法匹配，因此無法產生有效的學習效果。

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而其他的教學媒體中，以不同的方式表現圖像的訊息，在教學應用與資訊呈現上互有長短，但其對分裂概念的學習效果孰優孰劣，目前未有足夠研究。若是使用電腦多媒體輔助教學，應該如何搭配合適的呈現方式才能給予學生良好的學習成效？除此之外，但研究者也疑惑，以國中七年級學生的認知程度，在接受這些細胞分裂與減數分裂這些抽象且動態的知識教學時，教師該使用何種呈現模式的教材來輔助教學，才能有效幫助學生學習？而這些媒體是否也能降低學生的學習負擔？當這些媒體應用在常態編班的班級時，對各種程度的學生的學習成效是否又會有差異呢？以上種種疑惑促使研究者著手進行這項教學研究。

第二節

第二節研究目的

研究目的

基於上述研究動機，本研究有下列目的： 1. 研究國中七年級學生的認知發展程度。 2. 探討不同呈現模式的教材對學習成效的影響。 3. 探討不同呈現模式的教材對認知負荷的影響。 4. 了解不同呈現模式的教材之學習效率。 5. 了解不同呈現模式的教材給予學習者的感受。

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第三節

第三節研究問題

研究問題

根據研究目的，本研究提出以下問題： 1. 國中七年級學生的認知發展程度為何？ 2. 國中七年級學生依生物科學業成就區分出高分組、中分組和低分組之後，在各個成績分組之中，各種認知發展期的所佔的人數比例是如何？ 3. 國中七年級學生的生物科學業成就與認知發展期有什麼關係？ 4. 國中七年級學生在接受不同呈現模式的教材教學後，在遺傳單元的學習成效是否會有顯著差異？ 5. 國中七年級學生在接受不同呈現模式的教材教學後，在以下三種概念類型的遺傳單元測驗的表現是否有差異？其中各種概念類型的題目包括：（1）不具有「細胞分裂與減數分裂過程」概念的選擇題，（2）具有「細胞分裂與減數分裂過程」概念的選擇題，（3）具有「細胞分裂與減數分裂過程」概念的繪圖題。 6. 以下四種不同認知發展期的國中七年級學生：（1）具體操作前期、（2）具體操作後期、（3）過渡期、（4）形式操作期，接受不同呈現模式的教材教學後，在遺傳單元上的學習成效，是否會有顯著差異？ 7. 國中七年級學生在接受不同呈現模式的教材教學後，在遺傳單元的認知負荷是否會有顯著差異？ 8. 不同呈現模式的教材之間，學習效率為何？ 9. 國中七年級學生在接受不同呈現模式的教材教學後，在遺傳單元的教材內容感受是否會有顯著差異？ 10. 國中七年級學生對不同呈現模式的呈現模式感受如何？

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第四節

第四節名詞定義

名詞定義

1. 生物科學業成就本研究中所稱之生物科學業成就，係指七年級學生在上學期三次段考中，生物科的段考成績。 2. 學習成效學習成效係指學生經過學習之後，能應用知識解決問題的能力，本研究之「學習成效」之操作型定義係指教師自編遺傳單元成就測驗之後測分數。 3. 學習效率學習效率依據學習者的學習成效與認知負荷兩變項而定，高效率指的是利用花費較少的認知負荷得到較高的學習成效，低效率則是花費較多的認知負荷，得到較低的學習成效。上述的認知負荷是以認知負荷量問卷測定，而學習效率的量化方式則詳述於研究方法該章，其視覺化的呈現方式如圖 1所示。圖 1 學習效率的視覺化示意圖

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4. 教材呈現模式教材呈現模式係指教材如何呈現動態資訊。呈現的方法是將動態資訊切割成數個階段，再將這些階段以步驟化的方式呈現於教材之中。根據教材中呈現的階段多寡與提示與否，分為以下三種：（1）關鍵階段：呈現的僅有動態資訊的關鍵階段（2）完整階段：不只有動態資訊的關鍵階段，還包含了各階段之間的轉變。（3）完整階段加提示：除了具有完整呈現的階段，還利用提示導引注意力。

第五節

第五節研究範圍與限制

研究範圍與限制

一

一、

、

、研究範圍

、

研究範圍

研究教材為國民中學自然與生活科技第二冊第一章「生殖的基礎」單元中「細胞分裂和減數分裂」概念，所以其結果不宜推論至其他單元或學科。

二

二、

、

、研究限制

、

研究限制

本研究採用不等組前後測之準實驗研究法，採用方便抽樣的非隨機抽樣。研究對象僅有新竹市某公立國民中學七年級學生，研究結果無法推論至不同地區。

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第二章

第二章文獻探討

文獻探討

本章主要針對生物科遺傳單元教材、認知發展理論、認知負荷理論與多媒體學習理論的相關文獻進行探討，以作為後續問題探究的基礎。

第一節

第一節遺傳單元教學的難處

遺傳單元教學的難處

一

一、

、

、學習困難之處

、

學習困難之處

國中七年級的學童在學習細胞分裂與減數分裂的概念上，會感到學習困難或產生迷思概念的部分，包括以下幾點：（1）無法正確辨識染色體：黃台珠（1990）的研究發現，在同源染色體的辨識上，能正確辨識同源染色體的學生只佔國中面談學生的 28%。（2）混淆「對數」和「套數」的定義，以及無法正確區別細胞分裂和減數分裂（黃秀英， 1999）。（3）無法正確地了解減數分裂中染色體的變化，無法正確將對偶基因置於同源染色體上（楊坤原， 1989）。

二

二、

、

、發生

、

發生

發生學習困難之原因

發生

學習困難之原因

相關研究指出，發生這些迷失概念或學習困難，可能來自以下原因：

（

（一

一

一）

）

）學習者自身特質

學習者自身特質

學生的工作記憶不足：由於減數分裂是較複雜的概念，若不具有較多的工作記憶空間，則無法進行相關概念的連結 (Lazarowitz & Penso, 1992) 。

鄭湧涇（1982）大多數國中七年級的學生都尚未具備形式操作期的認知能力，因此在抽象思考、比例推理和變因控制等思考方面，頗有困難。湯清二（1990）認為細胞分裂與減數分裂屬於微觀、抽象又動態的概念，對尚未達到形式操作期的學生而言，會產生理解困難。

（

（二

二

二）

）

）教材教法與媒體使用

教材教法與媒體使用

在教材方面，教科書文字未能明確說明細胞分裂和減數分裂各階段染色體的變化情形，也未能說明清楚同源染色體、非同源染色體與複製染色體的關係，且

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圖片標示不清楚，再加上有些圖示將同源染色體繪製相同顏色，這些教科書上編輯的問題，都可能導致學生在此單元的迷失概念（李正文， 2007；Longden, 1982）。而教法上，可能因教師採講述式教學使學生無法將減數分裂與其他相關概念產生聯結，例如有性生殖沒有和減數分裂、受精作用和細胞分裂加以聯結，也未加入細胞分化的概念（李正文， 2007；楊坤原、張賴妙理， 2004）。此外，教師採靜態圖片教學，也可能讓學生無法正確理解減數分裂一連串染色體的變化情形 (Longden, 1982) 。

三

三、

、

、遺傳教學活動

遺傳教學活動

黃台珠（1994）等人提出，使用具體的教具，將染色體、減數分裂等抽象過程概念具體化，幫助學生學習。郭人仲（1995）利用筷子與分麵包等類比物教學，發現類比對形式操作期和具體操作期的學生有顯著成就。何秋萱（2005）使用 Flash 動畫進行遺傳學教學，發現以動態模擬減數分裂過程，可以幫助學習者對物體做直覺的瞭解，使學習者更容易明白此概念，降低學習者抽象思考的層次。

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第二節

第二節皮亞傑的認知發展理論

皮亞傑的認知發展理論

皮亞傑（J. Piaget）根據他對兒童的長期觀察，認為兒童的認知發展可依照感官動作期（sensory motor period）、前操作期（preoperational period）具體操作期（concrete operation period）和形式操作期（formal operation period）循序發展而來的。任何人的成長都需經歷此四個階段，其成長的快慢可能因為個人或文化的背景不同而有差異，但因每一階段的發展都是後一階段發展的基礎，所以四個時期的發展順序是不會改變的，各階段的年齡層包括：

一

一、

、

、感官動作期

、

感官動作期

感官動作期是由出生到大約一歲半。這個時期的孩童尚未發展應用語文的能力，其認知結構的形成依賴感官動作和感覺，即來自與週遭環境的交互作用。孩童認識物體與環境的方式是靠著感覺和動作的相互協調。此時期的孩童缺乏「物體恆存」的概念，以為物體一旦落於視線以外就不復存在了；對時間的概念只有現在，無法意會將來或過去。

二

二、

、

、前操作期

、

前操作期

前操作期的階段約是一歲半到七歲。此時期的孩童開始學習使用圖像和語言，發展簡單的語文表達能力，但仍然缺乏進行複雜的心智操作能力。開始有簡單的空間和時間概念。知道過去、現在和未來的時間，但對物體的認識多以直覺來判斷，非以邏輯推理方式來思考，尚未發展出「守恆概念」，因此在認識物體的時候常會顧此失彼。同時喜歡將物體擬人化，用人的感覺來說明物體；思考和行為的模式非常自我中心（Egocentric），很難接受別人的看法，常以自我為中心，考慮單一情況而忽略其他情況。此時期的孩童尚未發展出「守恆」概念，因此常無法正確的分析認識物體。

三

三、

、

、具體操作期

、

具體操作期

具體操作期約自七歲到十一歲，即大部分於小學階段。此時期的孩童開始發展簡單的心智操作能力，需要仰賴具體物象的輔助，進行簡單的邏輯操作（logical

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operation），而無法直接進行抽象思考，因此稱為具體操作期。這個時期的孩童能運用一些技能，包括分類、移轉、排序和保留等心智操作。逐漸減少自我中心式的行為，發展出守恆概念、可逆思考、順序排列與特性區分等推理能力。至本時期結束前，孩童已經發展出數目、長度、物質、面積等守恆概念。

四

四、

、

、形式操作期

形式操作期

形式操作期約自十一歲到十五歲，約為中學階段。本時期以後的孩童，已經能進行抽象思考（abstract thinking），可以不借助具體的物象進行複雜的心智操作，因此稱之為形式操作期。在思考能力的發展方面，尚能進行相當複雜的邏輯推理，例如演繹推理、命題推理、比例推理、反射思考，以及變因控制等。此時期的孩童也發展了建立假說的能力，因此，能夠作「解決問題」的判斷與推理。根據皮亞傑的理論，十三歲到至十五歲的國中生應已形式操作期，但實際上此階段學童的認知發展並未真如理論所述可達形式操作期，有些學童的認知發展，會介於具體操作期與形式操作期之間，此稱之為過渡期（transitional stage）。根據 Lawson 和 Renner 的研究以及 Novak 的研究，大約有 40%～75% 的中學學生，其認知發展仍未達到形式操作期的階段（轉引自鄭湧涇， 1981）。而在國內的研究中，林邦傑（1982）的研究指出，國中學生約有 80％以上尚未進入形式操作期，高中學生則約有 40％未進入此期，而鄭湧涇（1981）的研究則發現國中一年級女生有 89.23% 未達到形式操作期。在高雄師範學院（現高雄師範大學）物理系的研究中，則發現國中二、三年級學生約有 75％未達形式操作期（轉引自湯清二， 1979）。透過上述文獻的分析，顯示大部分的國中學生的認知發展程度都未達形式操作期，大多仍屬於具體操作期。具體操作期的學童，尚未具有形式操作階段之後才具有的科學推理能力，因此在學習較為抽象難解的單元時，可能會因為在抽象思考、演繹思考方面遭遇困難，因此無法理解教師授課內容，導致學業成績低落，造成學童僅能記憶學習，而無法理解這些較複雜的概念（黃湘武， 1980）。因此設計課程時，相關的科學

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概念應該配合學童的推理能力。幫助學生做有意義的學習，協助發展學習遷移，進一步消除可能的假學習。鄭湧涇（1981）指出許多中小學生學習困難的原因，即是因其本身的認知層次，不及現行中小學數理科教材的內容所需。因此了解學生的認知發展狀況，為生物科教學重要的一環。此外，在教材與內容呈現上，由於對象大多是具體思考者，因此在講述形式操作學生才具備的抽象推理、演繹推理、反射推理、形成假說和變因控制等內容時，應該以適當的、具體的教學媒體或模式來呈現，將抽象複雜的概念，具體的表現出來，幫助學生完成推理思考。

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第三節

第三節注意力引導的數位教學設計原則

注意力引導的數位教學設計原則

一

一、

、

、記憶相關的理論

記憶相關的理論

關於人類如何記憶，Atkinson 與 Shiffrin（1968）認為當我們透過感官接受到外界的刺激之後，會將訊息儲存為屬於短期記憶的感官記憶（sensory memory），這些訊息可能透過編碼、儲存為長期記憶，也可能遺忘。這種建立在短期記憶與長期記憶的記憶模式假說稱為雙重記憶模式 (dual-store model of memory)，也稱為訊息處理理論。這種記憶模式主張學習是將重要訊息從感官記憶轉移部分進入短期記憶，短期記憶再轉移部分訊息到長期記憶，沒有辦法在這些記憶中轉移的訊息會遺忘。由於感官記憶是經由視覺和聽覺的通道而進入的，因此可以容納無限制的大量資訊，但記憶維持的時間很短暫，可能僅有數秒的短時間。根據 Sperling 在 1960 年的研究，視覺訊息保留的時間不到一秒鐘，而 Averbach 與 Corriell 在 1961 年的研究則發現，視覺訊息僅持續 250 毫秒。聽覺的訊息在 Darwin、Turvey 和 Crowder 在 1972 年的研究，發現則可以保留五秒鐘才消失（轉引自黃國彥等， 2003）。短期記憶除了感官記憶外，還包括工作記憶，它是一個具有管理與操作資訊之執行能力的系統，持續時間只有幾秒而已，且容量是有限的。至於長期記憶則沒有容量限制，可以長時間記住大量的資訊。除了雙重記憶模式外，Paivio（1990）主張人類還有對不同形式的資訊的記憶處理系統：包括處理語文資訊的語文記憶，以及處理圖像的圖像記憶。語文資訊由感官記憶移到語文處理系統，圖像記憶則是由感官記憶轉移到視覺處理系統。例如，學習者利用聽覺通道傳送的「聽到的話」和利用視覺通道傳送的「看到的字」，兩者皆為語文資訊，因此都是送到語文處理系統。資訊由感官記憶到長期記憶，需要學習者的主動處理加工，這包含了三個重要過程：（1）選擇：學習者透過感官記憶選擇重要資訊；（2）組織：將所選擇的

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資訊在工作記憶中組織成連貫一致的心理表徵；（3）整合：將新資訊與學習者已有的相關知識聯繫起來 (Mayer, 2009)。

學習者在處理資訊的過程中，可能會因為資訊的難度、複雜程度或是呈現方式，而感覺到心智負荷（mental load）與心智努力（mental effect）的負載。這種在執行工作、作業或任務的過程中產生的負載稱為認知負荷（cognitive load）。若是個體對於學習內容所知覺的困難度越大，或是個體在心智上需要越多努力，則認知負荷就會越大。因此工作任務太過困難，或是需要投注極大的心智努力，都會造成認知負荷過重。

認知負荷根據來源可區分為以下三種：（1）內在認知負荷（intrinsic cognitive

load）：來自教材本身的困難度與複雜程度；（2）外在認知負荷（extraneous cognitive

load）：來自教材內容的呈現方式；（3）增生認知負荷（extraneous cognitive load）：來自教材的表達方式與教學活動 (Sweller, 2005)。教學設計者應針對資訊在記憶中的處理加工過程去設計教材，要能引導學習者選擇重要訊息，並且引導學習者在工作記憶中組織被選擇的訊息，還要引導學習者將新的知識和舊有經驗整合連結，除此之外還要減少在過程中產生的認知負荷，避免對學習產生反效果。根據多媒體學習理論、認知負荷理論以及相關的理論，研究者歸納出以注意力引導為主的數位教學設計原則。

二

二、

、

、設計原則

、

設計原則

本研究參考經過實證得到的多媒體學習理論原則，以及以認知為基礎的文件編排原則，統整出以下的課堂授課導向的數位教材設計原則。

（

（一

一

一）

）

）圖文整合

圖文整合

一份好的數位教材，應該善用多媒體的整合應用。所謂多媒體是包括文字（words）及圖像（pictures）兩類。文字包含書寫或印刷的視覺文字（printed words）及口語表達的口說文字（spoken words）二種；而圖像則包含靜態圖（例如插圖、座標圖、圖解、照片或地圖等）與動態圖（例如動畫及影片）二種 (Mayer, 2009)。就圖像的功能，它可以分為五類，包括：（1）裝飾圖像、（2）具象圖像、（3）組織

(25)

圖像、（4）解釋圖像、（5）轉換圖像 (Levin, 1981)。裝飾圖像和教學內容沒有太大關聯，通常是為了可以修飾教材的外觀。具象圖像傳達與文字相同的資訊，用來幫助學生具體去想像資訊內容；組織圖像幫助讀者了解資訊結構和重要性高低，也幫助整合資訊，例如書籍目次、統計圖表等；解釋圖像幫助讀者了解困難與模糊的學習內容，可幫助資訊更容易理解，例如系統模型或程序圖表等；轉換圖像則讓資訊更容易理解，例如將英文單字轉換成幫助記憶的圖像。教學設計應該避免使用過多的裝飾圖像，或者使用不相關的文字、聲音、圖像等。Mayer（2009）認為不相關的材料會競爭工作記憶中的認知資源，分散學生對重要材料的注意力；會干擾材料的組織加工，誤導學生使用不恰當的主題來組織材料，此稱為一致性原則 (coherence principle)。且在文字方面，一個有效的多媒體文字摘要，應該使用簡單的言詞 (Mayer, Bove, Bryman, Mars, & Tapangco,

1996)。為了引導學生組織圖像和文字的心理模型，教材呈現時應該併用文字和圖像兩種媒體。許多實證研究發現透過文字與圖像並用的媒體，會比僅呈現文字的媒體，學習效果要好，此稱之為多媒體原則 (multimedia principle)。因為文字和圖像共同呈現時，學生有機會形成文字與圖像的心理模型，並在兩者之間建立關聯。當只有呈現文字時，學生雖能建立文字的心理模型，但難以建立圖像的心理模型，也無法在兩種模型之間建立關聯 (Mayer, 2009)。

（

（二

二

二）

二

）

）分配通道

分配通道

而就感官通道而言，教材應該使用不同的知覺形式來呈現，將可提升學習的效果 (John Sweller, van Merrienboer, & Paas, 1998; Van Merrienboer & Ayres,

2005)。例如以視覺形式的圖片或文字和聽覺形式的聲音來呈現，因為視覺形式和

聽覺形式在工作記憶中是獨立的通道，若能將教材內容分開在不同通道呈現，則可以避免過多的資訊競爭有限的工作記憶，而造成部分訊息無法有效處理，降低學習成就，這樣的效果稱為形式效應 (modality effect) ，這和 Mayer（2009）提出的形式原則 (modality principle) 是相互呼應的。此原則指出學生學習由動畫和解說組成的多媒體時，會比由動畫和螢幕文字組成的多媒體的學習效果好。意即文字用聲音形式呈現比用印刷或字幕呈現有更好的效果。因為圖像和文字都以視覺

(26)

形式呈現時，聽覺通道處於閒置狀態，而視覺通道則過度負荷。當文字以聽覺形式呈現時，學習者就可以在聽覺通道加工它們，而視覺通道則可以只用來加工圖像。

（

（三

三

三）

）

）去除多餘

去除多餘

而呈現的圖像也不一定需要寫實的影像，亦可採用線條插畫 (line drawing)，因為寫實的影像提供太多的細節，線條插畫只提供最重要的內容 (McIntyre, 1983)。除了將訊息適當分配進入不同的感官通道外，教材也必須注意不應該讓通道過度負荷。Mayer（2009）提出的多餘原則 (redundancy principle) 指出學習者從具有動畫與解說的教材比具有動畫加解說再加字幕的教材能得到更好的學習效果，因為圖像和文字都以視覺的形式呈現時，視覺通道會超過負荷。Sweller（2005）也認為，當教材內容有相同資訊以不同形式進入同感官通道，會同時佔用工作記憶，導致增加認知負荷。例如教材中的圖片本身已經能提供足夠的訊息，若是再增加敘述文字，由於兩者都屬於視覺通道接收的訊息，因此將導致多餘效應 (redundancy effect) 干擾學習。因此教材呈現時，若有視覺呈現的圖片時，應將說明的文字排除或以聲音呈現，以免產生多餘效應。

（

（四

四

四）

）

）資訊接近

資訊接近

當教材中要呈現文字和圖像時，應該盡量靠近，當頁面或螢幕上對應的文字與圖像彼此靠近時，學習者就不必使用認知資源在頁面或螢幕上搜尋，並且有可能將它們同時保持在短期記憶之中。當頁面或螢幕上文字和圖像彼此遠離時，學習者就必須使用認知資源在頁面或螢幕上搜尋，且需要花費更多的心智努力（mental effort），將注意力分散以搜尋相關訊息，這種搜尋會耗去工作記憶的容量，使學習成就無法達成預定目標。如此一來，學習者就不太可能將兩者同時收錄進短期記憶中。Mayer（2009）稱為空間接近原則（spatial contiguity principle），而 Sweller（2005）稱為分散注意力效應（split-attention effect）。

文字和圖像除了應該在空間中接近，也應該在呈現的時間上互相接近。Mayer 提出的時間接近原則（temporal contiguity principle）指出，與圖像對應的文字，同時呈現比接續呈現的學習效果好。當對應的解說文字和動畫同時呈現時，學習者可以在短期記憶中同時保持兩者的心理表徵，因此可在言語表徵和視覺表徵之間

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建立心理聯繫；若對應的解說和動畫在時間上是接續呈現時，學習者不太可能在短期記憶中同時保持兩種材料的心理表徵，因此不太可能建立兩者的心理聯繫。當聽到解說和看到對應的動畫的時間較短時，學習者仍有可能在文字和畫面之間建立心理聯繫。但若在不同的時間聽很長的一段解說和觀看所有的動畫時，學習者就不太可能在文字和圖像之間建立聯繫了。以上多媒體的應用原則除了可應用在數位教材設計上，也可以應用在非數位的教材設計上，因為由 Mayer 的定義可知即使是傳統教學的口述及板書，亦可歸類為多媒體教學。例如在黑板上書寫文字、口語說明課文內涵、繪圖輔以文字的說明，這些屬於文字多媒體的運用。而在黑板繪出示意圖則屬於圖像多媒體的運用。

（

（五

五

五）

五

）

）文字

文字

文字易讀

易讀

以課堂授課環境的數位教材中，其文字的呈現應該考慮文字的可辨識性 (legibility) 和可閱讀性 (readability)，可辨識性是指閱讀少量文字的容易程度，例如閱讀標題；可閱讀性是指閱讀多段文本、長篇的文本，或是整頁文本的容易程度 (Williams, 1994)。此外還必須考慮到是否可以引導學生注意力。。在文字的可辨識性上，Williams與 Tollett（1998）建議在教材呈現上，可使用無襯線字體 (sans-serif) 來增加可辨識性。無襯線字則是筆劃線條粗細一致的字型，例如中黑體、細圓體、英文的 Arial 等，由於無襯線字線條較粗，不適合用在長串文字上，但很適合用在標題；而在內文的呈現上，則可使用襯線字 (serif) ，例如細明體或標楷體等，以增加可閱讀性（游梓翔， 2000）。而字體的大小，Heinich、Molenda與Russell（1993）建議英文字體的大小應該由最遠的聽眾距離來判斷，每增加 10 英呎，字體大小要增加 1/2 英吋，約等於 36 點。而中文字體的大小，根據游梓翔（2000）的建議，如果是在一般教室中（可容納 40 到 60 人），標題大小應該介於 48 點與 36 點之間，而條目文字應該在 24 點以上，且場地越大，字體就應越大。此外文字顏色與背景的搭配，張德乾（2006）建議在設計課堂授課的數位教材時，應選用低亮度的文字顏色與高亮度的背景色匹配，或選用高亮度文字顏色與低亮度的背景色匹配，例如可以使用白色背景搭配黑色字體，此外應避免同時

(28)

使用低對比度的顏色匹配或使用同色調顏色匹配。這樣的設計可以讓學習者順利從畫面中搜尋到重要的資訊。而在引導學生注意力上，則可透過文字的改變來進行，例如改變字型、顏色、粗體字、字體大小、改變行距、加底線、斜體字、使用大寫字或對比的字體等。這樣的做法是基於我們對於新奇的刺激特別敏感，因此在進行特徵搜尋 (feature search) 的時候，這些新奇的刺激相對於其它的部分，會成為顯著的特徵，使我們很輕易的注意到它。但是當搜尋的特徵變多時（例如畫面中同時有多種的字體及多種顏色），這些特徵就會變成干擾物 (distracter) 時，反而使搜尋的速度變慢 (Sternberg, 2003)。因此研究者建議，若是要利用文字變化來引導注意力，應該避免使用過多的特徵，以免造成反效果。

（

（六

六

六）

）

）互動性

互動性

教材上的互動性，包括教學者與教材之間的互動，以及學習者與教學者利用教材進行溝通的互動。教學者與教材的互動，可以藉由按鈕來控制。關於按鈕的設計，Norman （2002）認為按鈕應該有以下幾個特點：（1）易視性 (visibility) （2）自然配對 (natural mapping)（3）預設用途 (affordance)。易視性是指可以正確操作的地方應該要明顯，並且提供使用者正確的資訊，例如一扇可以推開的門，應該在推的那邊加上一平板，或是讓人可以一眼看出轉軸的位置，可以讓使用者自然地認知到應該怎麼使用。教材中的按鈕，若要滿足易視性，則應該使用有凸起視覺效果的物件，或是使用箭號或說明方塊來輔助。教學使用的數位教材很多都是教學者自行設計的，若是設計時用了不具有易視性的按鈕，當教材互相交換流通時，或是教學者隔了一段時間才使用，都有可能在搜尋按鈕的過程中發生問題。自然配對是指按鈕的位置和觸發的物件，應該在位置上互相配對，例如分別觸發左邊和右邊兩反應的按鈕就應該分別放在左右兩邊，而不是放在上下的位

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置。數位教材中的按鈕除了可以用位置來配對以外，也可以使用顏色作為引導的線索，透過視覺上的相似性，使教材使用者能夠輕易地找出所需的按鈕。預設用途是指按鈕的設計，是讓使用者能輕易了解一件物品實際上可以的用途。教材上的按鈕設計，可以將平面的按鈕或圖像，增加立體效果或是添加陰影，藉此使按鈕凸顯於畫面的圖層中。除了教學者與教材的互動外，互動性的教材設計也重視如何透過教材進行口與和視覺的溝通。畫面中的溝通方式通常是以位置編碼的方式進行，例如教師以口語指引「左邊的圖」、「上面的部分」引導學習者的注意力。除了位置編碼以外，研究者建議還可以使用色彩編碼或數字編碼來標示區塊或元件，以作為口語導引的工具。例如畫面中若是有多張圖片，無法以位置編碼來直接進行溝通時，則應該標示編號，在教學時就可用「第一張圖」、「第二張圖」來進行溝通。色彩編碼則可以用在圖像細節的標示，例如將三角形的三個邊分別以紅黃藍三種顏色進行標示，則教學時，則可以直接用「黃色的邊」來進行溝通。

（

（七

七

七）

七

）

）資訊區塊化

資訊區塊化

區塊化是指教學設計者利用留白空間把相關的資訊群集在一起，其概念就像是把文章分段一樣。利用增加留白空間、不顯眼的線條或色塊來區分不同的元素，每一個資訊區塊越近，越容易產生關聯，越遠越容易區別，因此留白空間便可以將注意力導引到重要訊息上 (Lohr, 2003)。此外，區塊化的留白空間還可以增加學習者的閱讀速率，因為讀者可以看到重複性，因此更容易找到與讀者自己有關聯的資訊，並且還能看出整份文件的架構 (Hartley, 1985)。資訊區塊化是改善有限工作記憶的方法，因為工作記憶的容量有限，只能處理七加減二個訊息單位 (Miller, 1956)，或是十到十二秒的資訊。當資訊內容被分段成為各個小段資訊時，會比沒有分段的資訊更能理解。

（

（八

八

八）

八

）

）教材結構化

教材結構化

教材結構化和訊息分段呈現的概念是相同的，在課程開始解說之前，就先呈現出教材結構的大綱 (outline)，幫助學習者看到整體和部分。然後在每一節的開

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始加入標題 (heading) ，讓學習者了解目前教材進行至何處。在數位媒體上，整體的概念亦可直接呈現在畫面中，例如在側欄中使用視覺提示，標明目前處在課程的什麼位置。這些做法和 Mayer（2009）提出的事先訓練原則 (pre-training principle) 互相對應，當學習者能夠事先知道主要概念的名字和特徵，則能獲得較佳的學習效果。此外，在整個教材頁面區塊的安排，還需要考慮學習者的閱讀順序， Fleming 與 Levie（1993）認為，如果圖像中沒有任何的線段用來組織訊息，讀者會用原有的閱讀順序來解讀圖像。因此設計者應該把最重要的資訊放在左上角，第二重要的放在右邊，依照由左而右、由上而下的方式建立結構。數位教材中的結構安排，可以使用格線系統來建立版面的一致性 (Mullet & Sano, 1995)。以電腦簡報為例，使用尺規與輔助線建立格線系統，不僅可以讓版面維持一致，還可以建立頁面之間的一致性，且不同資訊的還能夠定位在某些位置，例如將按鈕固定在左下角，主要資訊永遠位於中間。當操作方式、訊息顯示位置、功能鍵的操作在教材頁面中定位，即可建立一致性，讓學習者清楚地知道在哪裡可以找到什麼資訊，減少了操作指示的搜尋時間。

（

（九

九

九）

）

）注意力

注意力

注意力引導

引導

注意力引導的原則是基於 Mayer （ 2009 ）提出的信號原則 (signaling principle)，他指出在多媒體教材中若含有可強調教材內容組織結構與重點的提示 (cues)，則學習效果較好。提示引導的方式可採用前述的各原則外，還可以利用線條、箭號、對比來導引注意力的方向。Fleming 與 Levie（1993）認為粗線比細線的效果更好，加上箭號有更強的關係。 Lohr（2003）提出對比可以用來凸顯重要訊息，例如利用字體、顏色、空間、形狀與大小等對比。字體可以調整大小、粗細等；形狀可以吸引注意力，因為形狀提供了讓心智容易辨認的外在輪廓；顏色可以吸引注意力；此外，看起來比較大的，或是從頁面上浮起的圖像，也可以抓住學生的注意力。注意力引導的做法，還包括教學時以更大的音量或是更慢的速度念出關鍵字；在文中加指標字，如首先、第二、第三；用閃爍的方式顯示圖像的特定元件；

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在螢幕上加入手指的圖示，指出圖像的某個部分；將圖像中其餘部位淡化，以強調主體 (Mayer, 2009)。注意力引導的概念，如同完形理論 (Gastalt theory) 的主體 - 背景原則 (figure-ground) 。注意力引導是將需要注意的焦點主體，和不需注意的背景分開。讓視覺聚焦在重要的部份，其他的部分變得較不明顯，因此不會讓主體和背景互相競爭注意力的資源 (Sternberg, 2003)，進而就能減輕認知負荷。而除了視覺的導引之外，教學者也必須注意聽覺上的導引，課堂授課的媒體應該盡量一致，避免讓學習者的注意力來回於黑板（或銀幕）與書本之間，如果不可避免一定要在兩個媒體上轉移注意力時，教師必須在指引口語中給予提示。例如在轉移場景時，告訴學生：「我們現在看黑板這裡」，並稍作停頓，等待學生全部將注意力放在黑板上。此外在給予聽覺提示時，也要盡量單純，例如將「看第 10 頁的圖」的指引口語改成「「看左頁的圖」。因為學生在搜尋「第 10 頁」的時候，是先去找出第 10 頁的位置，然後再上移到教師指示的圖，但直接給予「找左頁的圖」就只要直接將視覺焦點往左就行了。

（

（十

十

十）

十

）

）分段步驟化

分段步驟化

當課程的完整訊息進入感官記憶後，學習者要從這些訊息之中，找出有意義的訊息，將會感到認知負荷。因此我們需要將訊息做有意義的分段。針對此一情況， Mayer 提出了分段原則 (segmenting principle) ，他認為當多媒體教材被分割成數個小片段，並且能讓使用者自己控制片段的呈現，會比連續播放的方式，學習效果較佳。

然而在課堂授課為導向的環境中，並無法讓學習者自行控制教材的速度。雖然如此，但分段原則應也能應用於課堂授課的環境，透過教學者將教材分段之後，再步驟化呈現給學習者，幫助他們學習。

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當教材分段步驟化呈現之後，教材本身的認知負荷會因為量的減少而降低。此外，步驟化呈現也可用於 Sweller 等人 (1998) 提出的幾個教學方式中，透過按鈕的點選，將問題的解決步驟任意的顯示或隱藏，提供一個適性展演的環境。

這些教學方式包括（1）示例效應 (worked example effect)：教師給予學生問題時，可以呈現逐步呈現解題步驟，使學生歸納知識及建構解題基模：（2）完成問題效應 (completion problem effect)：在給予學生回答問題時，為了降低外在認知負荷，可以將示例呈現一半，而另外一半由學生完成，如此可幫助學生建立基模。其實，分段步驟化不只是為了減少認知負荷，也是為了幫助學習者集中注意力。因為學習者的注意力會在課程開始後十分鐘開始分散，導致無法集中精神。為此， Median（2008）提出了「十分鐘一段落」的課程設計，以一分鐘解釋清楚的概念，九分鐘講細節。因為大腦處理訊息的方式是先處理意義，再處理細節。因此教學設計者應該先提供基本的概念和主題，然後再將細節一步步加入。除了課堂授課的分段以外，圖像呈現時也應分段進行講解。Mayer 等（1996）指出，用來摘要科學內容的最好插圖，是一系列畫出主要步驟的過程圖，能讓學習者一起看到整體的過程與部分的單獨步驟。當圖像的內容屬於動態資訊時，卻又需在文本介面上表現時，繪出一系列過程圖是一般採用的方法，然而這只能呈現整個過程中的關鍵階段，至於關鍵階段之間的轉變過程，由於文本的限制，因此無法完整呈現。而當動態資訊以動畫展示在媒體上時，除了呈現關鍵階段外，也可以表現出其轉變過程的變化。動態資訊的兩種表現模式，對學習者有著不同的意義。當動態資訊以靜態圖片呈現時，學習者必須以視覺搜索前後兩張圖片的異同，並在心智中重新建構動態過程。對學習者而言，他們必須主動控制觀看的次序與速度。然而相對於靜態圖片來說，動畫所呈現的資訊是完整的，因此學習者不需要動用認知資源整合訊息，此外動畫中的圖片次序與出現速度是預先設定的，學習者只能依此設定進行學習 (Clark & Mayer, 2007)。

當學習者在觀看靜態圖像時，可以主動處理訊息，回顧前一幀圖片或是跳躍檢視任一張圖片；而動畫已經將速度和順序預先設定，且具有許多短暫出現的細節，因此學習者只能被動接受訊息，而增加外在認知負荷。這樣的結果可能可以

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解釋，為何許多研究發現動畫的學習效果可能和靜態圖片沒有差異，甚至有時動畫的學習效果反而會劣於靜態圖片 (Betrancourt, 2005; Hegarty, Kriz, & Cate, 2003;

Mayer, Hegarty, Mayer, & Campbell, 2005 ; Tversky, Morrison, & Betrancourt, 2002)。然而這類的研究結果是來自於以下兩組處理的實驗設計：（1）學習者閱讀文本上的圖片搭配文字，（2）學習者觀看有解說的動畫。在課堂授課的教學環境，與學習者自行閱讀觀看媒體的環境並不相同，因此在課堂授課時使用動畫或靜態圖片的學習效果，是否如以上研究所述，有待相關研究述明。當教材中的動態資訊被設計成步驟化呈現時，所應呈現的圖像究竟是僅使用關鍵階段即可，抑或是必須全部展示，這個問題也就是本研究所欲探討的問題。

三

三、

、

、展演工具

展演工具

在課堂授課的環境中，教師需要一個多媒體的展演工具，能將動態資訊依照訊息的容量及前後關係進行切割，將訊息以教師控制速度與順序的方式分段步驟化展演。為此，陳明璋（2008），以 PowerPoint 為平台，發展出以課堂授課為導向的 Activate Mind Attention（AMA）的簡報設計工具（原名數學簡報系統，

Mathematical Presentation System）。

其中的核心功能為運用一個物件當作激發器（trigger），控制訊息一連串的出現、突顯、消失及動畫，是故此互動模式稱為激發式動態呈現（Trigger-based Animation）。而藉由激發式動態呈現，即可製作出兼具靜態圖片與動畫優點的步驟化呈現教材。除了以上的功能外，還可設定以文字或縮圖激發動態訊息的出現。這些文字或縮圖除了可作為激發器外，亦可以作為動態訊息呈現的摘要，符合信號原則和多媒體原則的需求。雖然 PowerPoint 和 AMA 的結合，可以達成將動態訊息步驟化呈現出關鍵階段的需求，但是對於呈現所有完整階段的需求，尚無可行辦法。因此本研究的教材是以AMA的設計概念結合上述的數位教學設計原則，在 Macromedia Flash 上進行教材設計。

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第四節

第四節研究假設

研究假設

研究者對研究問題有以下的假設： 1. 國中七年級學生的認知發展程度多屬於具體操作期，且生物科學業成就低分組的學生，多屬於具體操作期；高分組學生多屬於形式操作期。學生的生物科學業成就與認知發展期為正相關的關係。 2. 對不同認知發展期的學生，不同呈現模式的教材對遺傳單元的學習成效上沒有顯著差異。 3. 國中七年級學生在接受不同呈現模式的教材教學後，在遺傳單元的學習成效上，「完整階段加提示」會大於「完整階段」，「完整階段」會大於「關鍵階段」；認知負荷量則是「完整階段加提示」會低於「完整階段」，「完整階段」會低於「關鍵階段」。 4. 「完整階段加提示」的學習效率大於「完整階段」，「完整階段」大於「關鍵階段」。 5. 國中七年級學生在接受不同呈現模式的教材教學後，在不同概念類型的測驗表現沒有顯著差異。 6. 國中七年級學生在接受不同呈現模式的教材教學後，「完整階段加提示」的教材內容感受分數會高於「完整階段」，「完整階段」會高於「關鍵階段」。 7. 國中七年級學生對動畫以及提示的呈現模式感受皆認為可幫助學習。

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(36)

第三章

第三章研究方法

研究方法

第一節

第一節研究架構

研究架構

本研究根據研究動機與目的，規劃之研究架構如圖 2 所示，冀望探究在課室教學時，在接受不同呈現模式的教材教學後，其學習成效、認知負荷與感受的差異性，此外也探討這些呈現模式在不同認知發展期的學生的表現有何差異。圖 2 研究架構圖本研究的自變項為教材呈現模式，具有三種水準，包括（1）關鍵階段、（2）完整階段、與（3）完整階段加提示，屬間斷變項。依變項包括（1）學習成效：由遺傳單元成就測驗評定；（2）認知負荷：由認知負荷量表問卷評定；（3）教材內容感受：由教材內容感受問卷評定；（4）呈現模式感受：由呈現模式感受問卷評定。實驗方式採用不等組前後測設計的準實驗法，前後測使用教師自編的遺傳單元成就測驗卷。參與研究的六個班級經由隨機分派至不同授課模式的組別，避免選樣不等而影響內在效度。由於學校編班採常態分班，因此來自相同母群體的得分極端值會隨機分配到各班，統計迴歸因素可獲得控制。

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第二節

第二節樣本選取

樣本選取

參與研究的對象為新竹市某公立國中七年級學生（年齡約為13歲），該校的分班方式為常態分班。由於本實驗有前後測設計，為避免發生統計迴歸（statistical regression），因此在選定對象前，預先排除有資優班學生之班級。防止高分組的受試者在第二次測量時，其分數向平均數迴歸而有降低的趨勢。在扣除有資優班學生的班級後，於剩餘的班級中以方便抽樣挑選六個班級進行施測，各班的成績如表 1 所示。為確認挑選出的班級間在成績上沒有顯著的差異，因此以單因子變異數分析進行檢定，檢定方式是以「班級」為自變項，「上學期生物平均分數」為依變項。分析結果如表 1 所示， 各班之間的生物科平均分數並沒有顯著差異（ p > .05）。 表 1 各施測班級的上學期生物科平均分數之敘述統計表表 2 各施測班級的上學期生物科平均分數的變異數分析本研究的自變項有三種水準，分別為「關鍵階段」、「完整階段」與「完整階段加提示」，因此在參與研究的六個班級裡，研究者以隨機分派的方式，選取兩班以「關鍵階段」教材教學，兩班以「完整階段」教材教學，另外兩班則以「完整階段加提示模式」來教學。扣除未完整接受教學及測驗之 12 名學生後，接受關鍵階段模式教材的人數為 59 人、完整階段模式教材為 64 人、完整階段加提示教材則為 66 人，合計共 189 人，各種模式在上學期生物科平均分數的表現如表 3。班級人數 M SD 班級1 34 76.66 14.66 班級2 31 72.32 19.47 班級3 33 71.72 18.75 班級4 31 76.67 18.49 班級5 32 73.10 18.73 班級6 28 78.10 16.34 總和 189 74.70 17.74 來源 df SS MS F 組間 5 1123.189 224.638 0.708 組內 183 58058.308 317.259 總和 188 59181.497

(38)

表 3 不同教材呈現模式的生物科平均分數之敘述統計表為確認各組之間的成績沒有差異，因此研究者以單因子變異數分析檢定，以教材呈現模式為自變項，上學期生物平均分數為依變項，檢定各模式之間的上學期生物科成績是否有顯著差異，以避免各班之間的差異影響實驗結果，分析結果 如表 4 ，顯著 p 值 > .05，即各組之間的生物科成績並沒有顯著差異。 表 4 不同教材呈現模式的生物科平均分數之變異數分析表依上學期三次生物科段考的平均分數的高低，將所有參與研究的學生區分為三組，分別為前 1/3，中 1/3 與後 1/3，則如表 5 所示，在三個呈現模式的分組當中，各成績分組的分佈情形也很平均。表 5 教材呈現模式與學業分組之敘述統計表模式人數 M SD 關鍵階段 59 75.06 18.14 完整階段 64 74.11 18.65 完整階段加提示 66 74.93 16.72 總和 189 74.70 17.74 來源 df SS MS F 組間 2 33.294 16.647 0.052 組內 186 59148.203 318.001 總和 188 59181.497 群組人數百分比 M SD 關鍵階段低分組 19 32.2 53.77 12.56 中分組 21 35.6 77.63 6.57 高分組 19 32.2 93.51 2.97 完整階段低分組 21 32.8 52.05 12.65 中分組 22 34.4 77.83 6.58 高分組 21 32.8 92.29 4.05 完整階段加提示低分組 21 31.8 54.81 10.25 中分組 23 34.8 76.78 5.20 高分組 22 33.3 92.21 3.91

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第三節

第三節研究工具

研究工具

一

一、

、

、科學推理測驗

科學推理測驗

為瞭解學生的認知發展程度，本研究採用 Lawson （1978）編製，且於 2000 年修訂完成的 Classroom Test of Scientific Reasoning 作為評量施測者的科學推理測驗。本研究使用的中文版科學推理測驗是參考石曉芳（2005）的研究，其中包括第一階段的答案選項和第二階段的理由選項，當答案與理由兩階段都答對才給予 1 分，總分共 12 分。得分若為 1-2 分，則該學生屬於具體（concrete）操作前期； 3-4 分為具體操作後期；而 5-8 分達過渡期（transitional）推理； 9 分以上達形式操作期（formal）。

表 6 Lawson Classroom Test of Scientific Reasoning 主題與題號對照表

二

二、

、

、遺傳單元成就測驗

遺傳單元成就測驗

本測驗參考李正文（2007）所編「減數分裂與細胞分裂成就測驗」題目，以「細胞分裂和減數分裂」教材內容為依據，列出與本研究相關之概念主題，製成雙向細目表，以作為內容效度的依據，然後再由雙向細目表進行前後測試卷的命題。主題問題題號質量與體積的守恆

（CONSERVATION OF MASS AND VOLUME）

1、2、3、4 比例思考（PROPORTIONAL THINKING） 5、6、7、8 控制變因（CONTROL OF VARIABLES） 9、10、11、12、13、14 機率思考（PROBABILISTIC THINKING） 15、16、17、18 關聯性思考（CORRELATIONAL THINKING） 19、20 假設演繹推理

（HYPOTHETICO-DEDUCTIVE REASONING）

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遺傳單元成就測驗前測共 24 題，每題 1 分，共計 24 分。「遺傳單元成就測驗」後測共 25 題，其中共 22 題選擇題，每題 1 分； 3 題繪圖題，共 20 分，後測總分合計 43 分。為求遺傳單元成就測驗的專家效度，由兩位資深生物教師審閱。效度則由同一學校之 3 個九年級班級學生進行預試，求其試題難度、鑑別度與信度。整體試卷以 KR20 求其內部一致性係數，得到前測信度為 0.90 、後測信度為 0.92。繪圖題由研究者與另一位生物教師共同評分，並以相關係數計算評分者信度，其值為 1.00 。前測的鑑別度分布自 0.25 至 1.00，難度為 0.50 到 0.81；後測選擇題的鑑別度為 0.33 到 0.77，難度為 0.50 到 0.83。試題的鑑別度符合 Noll、Scannel 與 Craig（1979）所提出之可接受鑑別度標準 .25 以上，試題難度則符合 Chase （1978）提出的 .40 到 .80 的挑選標準（轉引自余民寧， 2002，頁 235-236）。表 7 細胞分裂與減數分裂成就測驗後測雙向細目表 a_{數字表示題號，其中該題屬於相同之教材內容} 表 8 遺傳單元成就測驗雙向細目表主概念次概念概念內容題號生殖方式有性生殖的過程有性生殖需經過配子結合的過程來產生新個體，例如父親的精子（雄配子）和母親的卵（雌配子）結合形成受精卵，受精卵再發育成胎兒的過程。 1 無性生殖的過程無性生殖沒有經過受精的過程，是由體細胞經過細胞分裂產生新個體。 3 染色體、套數染色體的位置、形態和數目平時細胞核內的遺傳物質成細絲狀，在顯微鏡下不易被觀察到，當細胞分裂時，細胞核內的遺傳物質 5、20 教材內容記憶了解生殖方式 1 3 染色體與套數 5 2a、6a、9、20、21、22 細胞分裂 2a 、4、13、15、17、18、24 減數分裂 2a 、6a、7、8、10、11、12、14、16、18、19、 23、25

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主概念次概念概念內容題號會濃縮，顯現出一條一條的染色體。染色體數目會因生物種類而有差異，每一種生物體細胞有一定染色體數目。同源染色體的定義和來源細胞內的染色體通常是兩兩成對，且大小、形狀均相似，此成對的染色體，一條來自父親，一條來自母親，稱為同源染色體 9、21 雙套染色體（2N）、單套染色體（N）的定義減數分裂後，生殖細胞內的染色體數目為其他細胞的一半，且只含每對同源染色體中的一個，稱為單套染色體（N）。而當精子與卵結合後，染色體便會恢復為雙套染色體（2N）。 2、6、22 細胞分裂細胞分裂的目的和過程細胞分裂的目的，有些生物可經由細胞分裂產生新個體，例如變形蟲。多細胞生物可經由細胞分裂產生新細胞，使個體生長、更新衰老的細胞或修補受傷的組織。細胞分裂的過程中，染色體複製一次、分裂一次（複製染色體分離），產生兩個子細胞。 4、10、15、 17、18、24 細胞分裂的結果細胞分裂的結果，即「複製染色體分離」。產生染色體數目相同，成對染色體的體細胞。染色體雙套變雙套（2N→2N）。子細胞染色體數目與原來細胞相同 2、13、18 減數分裂減數分裂的目的和過程減數分裂的目的，產生配子。精子和卵的形成過程中，細胞內的染色體會複製一次、分裂兩次（同源染色體分離、複製染色體分離），染色體隨機分配到新的細胞內，形成四個子細胞。， 10 、 11 、 12、18、25 減數分裂的結果減數分裂的結果，即「同源染色體分離、非同源染色體自由組合」。產生染色體數目減半，不成對染色體的配子。染色體雙套變單套（2N→ 2、6、7、8、 14 、 16 、 18、19、23

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主概念次概念概念內容題號 N）。前測和後測使用相同類型的題目，但在後測試卷上改變題目順序與選項順序。此外，前測試題中，「細胞分裂與減數分裂」的過程排序題是以選擇題方式施測，後測時則改以繪圖題，目的在瞭解學生對「細胞分裂和減數分裂」中圖形的學習情形。其分數為每細項 1 分。「細胞分裂和減數分裂」的繪圖部分評分方式為：有關圖片全數畫出，給予 1 分；圖片皆未畫出或未作答，給予 0 分。文字說明評分方式為：若能正確表達文字概念，則給予 1 分；若無法表達正確概念，給予 0 分。其過程概念詳如表 9。表 9 細胞分裂和減數分裂的過程概念由於本成就測驗的題目在認知歷程上，大多屬於「了解層次」的測驗題，無法比較在各層次間的差異，且由於本研究的是利用不同的呈現方式表現細胞分裂與減數分裂的過程，因此測驗的分析中是將題目依題型與是否包含此過程概念進行分析，各題的分配情形如表 10 所示。分裂過程相關文字概念細胞分裂前，染色體先進行複製染色體排列至中間細胞開始分裂，將複製完的染色體分開細胞分裂形成兩個子細胞染色體複製染色體成對排列至中央同源染色體分離產生兩個子細胞，染色體排列在細胞中央複製染色體分離減數分裂產生四個子細胞