問題導向遊戲教學策略輔助國小自然槓桿原理課程學習效益之研究

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(1)國立臺中教育大學數位內容科技學系碩士在職專班碩士論文. 指導教授：王曉璿. 博士. 問題導向遊戲教學策略輔助國小自然槓桿原理課程學習效益之研究. 研究生：賴俊安撰. 中華民國一百零一年一月.

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(5) 謝辭還記得論文口試時，口試委員葉聰文教授說：「做這種教學研究是很辛苦的。」的確，在這個研究進行的同時，我身兼數職，除了學校教學與行政工作，還有兩個正準備進入學齡階段的孩子，需要爸爸的陪伴。這本論文的誕生，對我來說確實不容易。感謝師恩，王曉璿教授是學生最好的典範，也是激發我研究意志的泉源！在研究過程中深刻體會到，研究中的每一個環節與步驟，在教授的指導與執行後，都能豁然開朗，事半功倍。感謝所有指導過我的老師們，在學生的研究過程中，給我最寶貴的意見與協助。感謝朱延平教授與葉聰文教授的指正，讓論文更加完善。感恩研究過程中，不斷互相扶持與激勵的同學們，讓我獲益良多；感謝我的太太，在我焚膏繼晷的兩年多來，辛苦照顧孩子們的生活起居，讓我可以無後顧之憂的完成學業；感謝我兩個可愛的兒子，每當我疲憊的回到家時，你們天真的笑容，就是支撐我堅持下去的靈藥；感謝我的任教學校與同事們，若沒有學校的支持，我便無法順利完成研究。胸中複雜的思緒無以言表，謹將心中的感動與喜悅，獻給所有曾經鼓勵與協助我的朋友，衷心的希望這份研究能對教育界有所貢獻。. 賴俊安謹識 2012 年 1 月.

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(7) 問題導向遊戲教學策略輔助國小自然槓桿原理課程學習效益之研究. 摘要本研究主要目的在探究應用問題導向遊戲式教學策略所設計的槓桿原理課程，對國小六年級學童學習槓桿原理課程之學習效益的影響。主要採準實驗研究法，實驗組與控制組學童分別以自然科學期平均分數為前測依據，然後實施實驗教學，最後以學習問卷和槓桿課程學習成就測驗後測，以了解整體學習成效狀況。本研究控制組學生採取一般遊戲式課程教學，實驗組學生則實施問題導向式遊戲課程教學，經六週的實驗處理，獲得相關研究結論如下，期能提供學術界與教育界參考。本研究經由實驗教學之後，得到研究結論如下：一、「問題導向遊戲教學策略」融入國小自然槓桿原理課程教學，可潛在提昇學生槓桿原理課程的學習效益。二、槓桿實驗課程教學中，兩組學生的學習問卷滿意度回饋及槓桿課程學習成就測驗成績達到顯著差異，實驗組表現顯著優於對照組。. 關鍵字：槓桿原理、遊戲學習、神馳理論、問題導向. I.

(8) II.

(9) The Study of using problem-based gaming teaching strategies to enhance elementary school students learning effect on the Lever-Principle curriculum Abstract. The purpose of this study was to explore the learning effect of lever-principle curriculum by using problem-based teaching strategies in elementary school students. Quasi-experimental study was used in the study. The subjects were sixth-grade students from two classes of an elementary school in Nantou County. The two classes were divided into two groups, a control group with the general game-based teaching and another experimental group with the problem-based gaming teaching strategies. Two evaluational tools, including "Learning questionnaires" and "Post-test of lever courses", were used in the study. The studnets’ learning effect was analyzed in quantitative data and the students’ learning process was comprehended in the feedback and satisfaction of students’ learning questionnaire. The findings were as follows： 1. The students in experimental groups had better learning effect of lever-principle curriculum learning than the students in control group. 2. The students in experimental group had better feedback and satisfaction of learning questionnaire than the students in control group. 3. The students in experimental groups had the better test-scores of lever courses than the students in control group. Keywords：lever principle, game-based learning, flow theory, problem-oriented. III.

(10) IV.

(11) 目次第一章緒論........................................................................................................................................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 第五節名詞釋義......................................................................................................................6 第二章文獻探討................................................................................................................................9 第一節槓桿平衡與迷思概念..................................................................................................9 第二節遊戲式學習策略與神馳理論 ...................................................................................25 第三節問題導向與情境學習理論 .......................................................................................36 第三章研究方法與設計..................................................................................................................55 第一節研究對象 ...................................................................................................................55 第二節研究設計....................................................................................................................56 第三節研究工具 ...................................................................................................................58 第四節資料處理分析 ...........................................................................................................70 第五節教學活動設計 ...........................................................................................................71 第四章結果與討論..........................................................................................................................79 第一節學習問卷差異分析 ...................................................................................................79 第二節槓桿學習成就後測差異分析 ...................................................................................88 第三節槓桿學習成就測驗題型差異分析 ...........................................................................93 第五章結論與建議........................................................................................................................103 第一節結論 .........................................................................................................................103 第二節建議 .........................................................................................................................106 參考文獻..........................................................................................................................................109 一、中文部分..........................................................................................................................109 二、英文部分.......................................................................................................................... 114 附錄..................................................................................................................................................121 附錄一槓桿原理遊戲授權同意書......................................................................................121 附錄二問題導向遊戲式學習策略學習單..........................................................................122 附錄三槓桿課程學習回饋問卷一......................................................................................145 附錄四槓桿課程學習回饋問卷二......................................................................................147 附錄五槓桿課程學習成就測驗卷......................................................................................148. V.

(12) VI.

(13) 表目次表 1 三類槓桿比較表....................................................................................................... 11 表 2 各版本槓桿原理教材分析....................................................................................... 11 表 3 Siegler分析之六種槓桿形態槓桿平衡問題 ...........................................................13 表 4 Siegler四種槓桿問題平衡規則 ...............................................................................14 表 5 Siegler四種解題規則答對比率與相對年齡...........................................................15 表 6 Spada槓桿平衡的八個認知操作假設.....................................................................16 表 7 國內外槓桿迷思概念相關研究(以年代順序排列)...............................................18 表 8 九年一貫自然與生活科技能力指標與槓桿概念相關之細目表...........................21 表 9 南一版有關槓桿原理概念及具體教學目標...........................................................23 表 10 教學分組、班級人數及教學方式統計表.............................................................55 表 11 表 12 表 13 表 14 表 15 表 16 表 17 表 18 表 19 表 20 表 21 表 22 表 23 表 24 表 25 表 26 表 27 表 28 表 29 表 30 表 31 表 32 表 33 表 34. 教學實驗設計模式.................................................................................................58 科學教育學習網槓桿單元課程設計一覽表.........................................................60 槓桿原理學習成就測驗試題分析.........................................................................69 槓桿原理學習成就測驗試題預試鑑別度分析.....................................................70 第一週教學實驗設計比較.....................................................................................72 第二週教學實驗設計比較.....................................................................................73 第三週教學實驗設計比較.....................................................................................74 第四週教學實驗設計比較.....................................................................................75 第五週教學實驗設計比較.....................................................................................76 第六週教學實驗設計比較.....................................................................................77 第一次實驗教學問卷施測交叉分析結果(1~3 週)..............................................80 第一次實驗教學問卷信度分析(1~3 週)..............................................................82 第二次實驗教學問卷信度分析(4~6 週)..............................................................84 第二次實驗教學問卷施測交叉分析結果(4~6 週)..............................................85 實驗組及對照組五年級下學期自然領域成績描述統計表.................................88 實驗組及對照組五年期下學期自然領域成績(前測)t檢定摘要表...................88 實驗組及對照組槓桿課程學習成就測驗成績描述統計表.................................89 實驗組及對照組槓桿課程學習成就測驗成績(後測)t檢定摘要表...................89 實驗組及對照組高學習成就學生前測與後測成績描述統計表.........................90 實驗組及對照組高學習成就學生前測與後測成績t檢定摘要表.......................90 實驗組及對照組中學習成就學生前測與後測成績描述統計表.........................91 實驗組及對照組中學習成就學生前測與後測成績t檢定摘要表.......................91 實驗組及對照組低學習成就學生前測與後測成績描述統計表.........................91 實驗組及對照組低學習成就學生前測與後測成績t檢定摘要表.......................92. VII.

(14) 表 35 修正後槓桿學習成就測驗試題分析.....................................................................94 表 36 實驗組與對照組整體後測結果分析.....................................................................95 表 37 實驗組與照對組後測結果個別分析.....................................................................97. VIII.

(15) 圖目次圖 1 第一類型槓桿中施力臂等於抗力臂示意圖...........................................................10 圖 2 第一類型槓桿中施力臂大於抗力臂示意圖...........................................................10 圖 3 第一類型槓桿中施力臂小於抗力臂示意圖...........................................................10 圖 4 第二類型槓桿施力臂大於抗力臂示意圖...............................................................10 圖 5 第三類型槓桿施力臂小於抗力臂示意圖............................................................... 11 圖 6 問題解決過程模式...................................................................................................37 圖 7 3C3R問題導向學習模組...........................................................................................39 圖 8 網路式問題導向學習流程圖...................................................................................42 圖 9 問題導向遊戲式學習歷程.......................................................................................49 圖 10 研究架構圖.............................................................................................................56 圖 11 圖 13 圖 15 圖 17 圖 18 圖 20 圖 22 圖 24 圖 26 圖 28 圖 30 圖 32 圖 34 圖 36. 天平平衡模擬動畫畫面、圖 12 翹翹板平衡模擬動畫畫面..............................61 三點共存模擬動畫畫面、圖 14 槓桿平衡器模擬動畫畫面..............................61 槓桿平衡器模擬遊戲一畫面、圖 16 槓桿平衡模擬遊戲二畫面......................62 槓桿施力大小比較模擬畫面.................................................................................62 定滑輪操作模擬遊戲畫面、圖 19 定滑輪操作模擬遊戲畫面..........................63 動滑輪施力遊戲模擬畫面、圖 21 動滑輪施力方向模擬畫面..........................63 動滑輪三點位置模擬畫面、圖 23 動滑輪三點與力矩模擬畫面......................63 輪軸施力模擬遊戲畫面、圖 25 輪軸平衡模擬遊戲畫面..................................64 轆轤操作模擬遊戲畫面、圖 27 轆轤側面圖解說動畫畫面..............................65 齒輪組操作模擬遊戲畫面、圖 29 齒輪組轉動方向模擬遊戲..........................65 齒輪組轉動圈數遊戲畫面、圖 31 多齒輪轉動模擬遊戲畫面..........................65 腳踏車轉動模擬遊戲畫面、圖 33 腳踏車轉動模擬遊戲畫面..........................66 後齒輪變速模擬遊戲畫面、圖 35 前齒輪變速模擬遊戲畫面..........................66 槓桿綜合測驗遊戲畫面、圖 37 槓桿挑戰測驗遊戲畫面..................................67. IX.

(16) X.

(17) 第一章緒論本章共分為以下五節說明：第一節研究背景與動機；第二節研究目的；第三節研究問題；第四節研究範圍與限制；第五節重要名詞釋義。. 第一節. 研究背景與動機. 槓桿的應用，在歐洲的科學史上可以追溯到公元前 3 世紀，古希臘科學家阿基米德在其《論平面圖形的平衡或其中心》中便揭示了槓桿定理（Rorres, 2000），其名言：「給我一個支點，我就可以舉起整個地球。」也有學者認為在古代埃及，那些用來建造宏偉金字塔的百噸巨石，就是利用槓桿來搬運的（Wallis, 2003）。在中國，戰國時代的墨子就在其《墨子》一書中，敘述了槓桿原理在防禦工事上的應用（吳毓江，1978）。時至今日，應用槓桿的工具更是不勝枚舉，舉凡訂書機、剪刀、開瓶器等生活工具，甚或休閒運動上的球棒、腳踏車等，都是槓桿原理的應用，顯見槓桿與人類生活早已息息相關。目前國民小學在九年一貫課程的自然與生活科技領域中，也利用簡單機械的介紹來探討槓桿原理。然而在槓桿原理的學習上，仍舊存在諸多的迷思概念（賴明照，2003）。陳淑筠（2002）對國內學生在自然科學迷思概念研究中指出，我國學生在「力與運動」的學習上存有較多困難。李田英（1995）對國內學生學習「力與運動」概念時也談到，槓桿、滑輪等單元，是自然科課程中相當不易理解的課程之一，國內高年級學生在槓桿平衡問題的通過率，遠低於國外的學生。賴明照（2003）與張志銘（2004）的研究均指出，國內學童在無法正確利用「三點共存」概念情形下，影響到槓桿工具省力、費力情形的判斷。游光純（2002）對國. 1.

(18) 內高年級學生在槓桿平衡的迷思類型研究中指出，六年級學童普遍對物體懸掛方式、力臂與重量的相互關係上產生混淆。Stepans（1994）的研究發現，學生會把槓桿平衡器兩邊的砝碼數與支點的距離分別相加來做比較，甚至認為物體距離支點愈近，達成平衡所需的力就愈小。Siegler（1976）的研究也指出，解決槓桿平衡問題在策略本質上其實是矛盾的，這個問題也導致只有少部份受試者，會使用重量與距離乘積的規則解決槓桿平衡的問題。從 Siegler 等人的研究結果來看，學齡兒童在槓桿原理的學習表現上，並未符合其認知發展的程度，這表示傳統的槓桿原理教學方式，可能導致學童對槓桿平衡產生迷思概念，而未能使用較理想的解題規則或方法來解決槓桿問題。目前國內各出版社關於槓桿原理的教材，均編製在六年級下學期教材中，這是否與高年級學童容易出現槓桿課程的迷思概念有關呢？迷思概念指的是在學習的過程中，學生對於某一種概念，因某種因素而產生錯誤的想法（Abimbola, 1988）。蘇育任與黃文美（2007）指出在學習自然科學領域相關課程時，學童可能因為科學概念所需的先備知識不足、死背概念與公式或將相似的概念重疊，造成迷思概念。鍾聖校（2000）針對自然與科技領域教材教法的研究指出，教學者若使用傳統問答式教學，可能無法誘發學生的學習動機，導致學童缺乏概念的學習。林昱成（2008）在提昇學童槓桿學習成就的研究中，運用遊戲式模擬軟體進行實驗教學，發現電腦模擬式遊戲能有效引起學生的學習動機，進而提昇槓桿課程的學習成效。Virvou（2005）等人透過遊戲來保持學生學習的動機和注意力，發現使用教學軟體傳遞給學習者的知識和技能，都能順利的進行學習遷移。張國恩（2002）在其資訊科技融入教學的研究中也指出，利用模擬軟體建立學習環境以協助學習者操作練習，將抽象化的概念以視覺化的方式表現出來，有助於學習者觀念的理解；而數位遊戲若能結合教育內涵，遊戲中包含多媒體與聲光效果的遊戲介面，將學習搬到一個虛擬. 2.

(19) 的互動式情境中，將可強化學習動機與興趣，學習者將會主動參與學習。林煜庭（2008）在多媒體學習的研究中發現，在提供多媒體學習環境下，配合視覺化的方式呈現，就能降低教材外部認知負荷，將結構化的關聯在學習者的面前加以突顯出來，協助學習者進行主動學習。電腦遊戲可以營造一個理想的學習環境，其環境具有挑戰性，學生面對複雜狀況時，可以培養解決問題的能力（Sandford & Williamson, 2005）。王曉璿、林朝清、周建宏、蔡松男與王怡萱（2009）在不同電腦輔助學習的策略研究中也發現，在「遊戲式概念改變」、「引導式表徵陳述」與「鷹架式電腦輔助學習」等學習策略中，接受「適當電腦輔助學習策略」補救教學之學童，在學習成就表現上有潛在改善之成效。「神馳經驗」是遊戲式學習中，相當重要的因素。現代人在與電腦網路互動過程中，不知不覺進入了神馳的狀態，排除與資料搜尋不相關的知覺反應，專心於網路的各種情境中（陳偉睿，2002）。而在學校的教學課程裡，教學者若能營造出能讓學習者產生神馳經驗的課程內容與學習情境，相信學習成效也能大幅增進（李哲明，2008）。陳冠琳（2009）也指出，電腦遊戲軟體若能讓不同學習成就的學生都能從遊戲中得到滿足與刺激，將有增強學習遷移的效果。然而，蔡福興（2008）在線上遊戲式學習對學習遷移成就的研究也發現，遊戲式學習的缺失在容易造成學習者沉溺在遊戲世界裡，而忽略了學習的內容。Karl（2008）在教育性遊戲的研究中也指出，教育性遊戲如果無法與教學目標結合，將使學習者太過專注在遊戲的競爭上，而忘記了遊戲學習的真正目的─探索與追求知識。為了改善這個問題，Bokyeong（2009）在遊戲式學習的認知策略研究中指出，教學者可以利用現有的遊戲，導入適當的認知策略與引導方式，使得遊戲可以對應到確切的課程目標；而讓學生記錄遊戲活動的過程，其實就是一個問題解決的歷程。教育部在九年一貫課程中不斷強調，希望學童能在學習過程中，學得「帶著走」的能力。要能達成這樣的目的，就必須仰賴學生在老師的指導下，從教學過程中學習. 3.

(20) 如何發掘問題、分析問題和解決問題的能力，藉由處理問題的過程，搜尋資訊而學到必要的知識。如此，印象才能深刻且記憶良久，將來在生活中如果實際面臨到問題時，即可模仿此種處理問題的方式來解決問題，使學生終身受用（宋錦圓，2008）。綜上所述，本研究旨在探究「遊戲式」教學策略，與「問題導向遊戲式」教學策略，這兩種不同遊戲教學策略，使用在國小高年級槓桿原理課程中，學生在槓桿學習效益上的差異。在實驗教學過程中，也期望能編製出改善學童槓桿概念的教材。. 第二節. 研究目的. 基於以上因素，本研究針對國小六年級學童，在槓桿原理課程教學過程中，融入遊戲學習與問題導向學習策略，進行相關探討與研究。本研究的目的如下： 1. 探討國小學童槓桿原理學習困難及相關輔助學習理論與策略方法。 2. 比較遊戲式教學策略，與問題導向遊戲教學策略，在槓桿原理課程之學習效益差異。 3. 藉由實驗教學過程結果，提出槓桿原理教學相關建議與教學策略。. 第三節. 研究問題. 為完成以上所述的研究目的，本研究之待答問題如下： 1. 國小學童槓桿原理學習困難及相關輔助學習理論與策略方法為何? 2. 遊戲式教學策略，與問題導向遊戲教學策略，在槓桿原理課程的學習成效上，是否有顯著差異？ 3. 槓桿課程教學中，學生容易產生迷思概念，與學習效益較不理想的單元內容為何？. 4.

(21) 改善以上學習問題之教學策略為何？. 第四節. 研究範圍與限制. 本研究在研究過程中雖力求周詳，然而由於客觀環境限制之下，實難以避免下列情形對研究所產生的限制：. 一、研究對象部分本研究以南投縣某國小六年級兩個班級為實驗對象，因此外在效度受限，研究結果不宜做大範圍推論。二、研究方法部分本研究因研究者人力、物力有限，無法做大範圍學校的受試者測驗，故採用「準實驗研究」的設計，研究結果只能推論至類似情境或學校規模之國小學生。三、研究工具部分本研究之教學設計，因學校課程及評量進度限制，僅能進行六週共 18 堂課之研究課程，故實驗結果可能無法推論在實施更長期的教學後，學童在學習成效上的差異。而教學實驗過程使用之遊戲或軟體，受限於研究者本身人力及時間有限，無法徹底搜尋全部與槓桿原理相關的遊戲，故可能在網路上有更好的相關遊戲可供教學。. 5.

(22) 第五節. 名詞釋義. 一、槓桿原理（lever principle）日常生活中常用的剪刀、鑷子等工具，都是槓桿原理的應用。槓桿基本上由支點、施力點和抗力點所組成，依支點位置的不同，可分成三種類型的槓桿。第一種類型槓桿，支點在施力點、抗力點之間，可能為省力、費力或是不省力也不費力的情形；第二種類型槓桿，抗力點在中間，支點較靠近抗力點，為省力情形；第三種類型槓桿，施力點在中間，支點較靠近施力點，為費力情形。槓桿原理的解題方法，可分為簡易槓桿、衝突槓桿與槓桿的應用三個部分。本研究主要探究學習者經實驗教學後，在槓桿原理學習成效的表現。. 二、靜力平衡（statical equilibrium）靜力平衡，廣義的說是當物體的狀態在牛頓第一定律下，處於靜止狀態。當物體受力後卻靜止不動，表示施加在物體上的力量，處於一種相互抵消（balanced）、相互平衡的狀態。因此，靜力平衡的定義可以說是：在慣性場（inertial field）中，物體受力後，靜止不動或沿直線等速運動，謂之靜力平衡，一般稱為平衡。由靜力平衡的定義可知，物體受力後，施加在此物體上的各種力量對物體不產生加速度變化。在牛頓第二定律條件下，靜力平衡之必要條件是物體上所受諸力之合力必為零，且淨力矩之向量合為零。因此，達成靜力平衡的條件即為合力（力與力偶）為零。故一般所謂靜力平衡問題，是探討物體在承受已知作用力下，其內部或所支撐部位所受之力的大小。. 三、數位遊戲式學習（digital game based learning）數位遊戲式學習，指的是以數位遊戲為平台進行學習，學習者在遊戲過程中透過克服遊戲挑戰、解決情境問題，使學習者在遊戲中獲得成就感，並達到學習的目的。. 6.

(23) 數位遊戲式學習應同時兼顧遊戲性與教育性，達到寓教於樂的目的。數位遊戲學習方式可引發學習者內在動機並提高興趣，而遊戲模擬的教學方式在記憶保留方面也有較好的效果（Hogle, 1996）。教育性數位遊戲的設計，將教學內容融入遊戲當中，讓學習者不斷的在遊戲中解決問題，教學內容將不斷的重複進入學習者記憶中，是相當好的學習形式。. 四、問題導向學習（problem-based learning）「問題導向學習」是一種將學習者安置於有意義的學習情境裡，以解決擬真情境（authentic context）中的問題為學習主軸，藉由引起學生學習動機，及適時給予回饋下，讓學習者能主動建構知識。根據Lang的定義：問題導向學習是指教學者提供解決問題的必要資源、指引、與探索的機會，使學習者能在「呈現、分析、收集、提出、最佳化、執行、評估」的過程中將問題解決的學習歷程（Lang, 1986）。. 五、學習效益（learning effectiveness）學習效益指的是學生在經過學習課程後，在知識、情意、技能及態度上整體的改變。在現今資訊高度融入的教學環境中，還必須考慮更多的影響因素。在評估數位學習環境下的學習成效，需包含兩類：「客觀的效益」─包括測驗成績、完成進度與學期平均分數等；「主觀的效益」─包括學習成就、學習偏好等。本研究採「單元學習成就標準化測驗」的成績，來量測研究對象的學習效益。. 7.

(24) 8.

(25) 第二章. 文獻探討. 本章共分為三節，第一節針對槓桿平衡與迷思概念進行探討；第二節則闡述遊戲式學習策略與神馳理論；第三節為問題導向與情境學習理論。. 第一節槓桿平衡與迷思概念本節將就槓桿原理的意涵、槓桿平衡解題的方法、學習槓桿時常見的迷思概念及現行九年一貫教材進行探討，分述如下：. 一、槓桿原理的意涵（一）槓桿原理的基本概念槓桿是簡單機械的一種，只要是可以繞著一個固定點轉動的棍子（或橫木），都可以說是槓桿。槓桿上固定的點稱為支點，在棍上用力的點稱為施力點，放置重物或者是反應的點稱為抗力點（施惠，2009）。不同的的工具，其施力點、支點和抗力點位置可能都不同，依據支點的不同，可以分為三類：（郭重吉，2006）以下各種槓桿類型示意圖中，△代表支點，○代表抗力點，□代表施力點。 1. 第一類型槓桿，支點在中間：支點在中間時，可能省力或不省力，也可能既不省力也不費力。. 9.

(26) 重物. 施力支點. 圖 1 第一類型槓桿中施力臂等於抗力臂示意圖 (1)當支點正好位於槓桿的中點上時，施力臂和抗力臂相等，不省力也不費力、不省力也不費時。 (2)當支點較靠近抗力點時，抗力臂較短，施力小於抗力，省力費時。重物. 施力支點. 圖 2 第一類型槓桿中施力臂大於抗力臂示意圖. (3)當支點較靠近施力點時，施力臂較短，施力大於抗力，費力省時。重物. 施力支點. 圖 3 第一類型槓桿中施力臂小於抗力臂示意圖. 2. 第二類型槓桿，抗力點在中間。抗力點在中間時，一定會省力費時，因為這時施力臂＞抗力臂。. 重物. 施力. 支點. 圖 4 第二類型槓桿施力臂大於抗力臂示意圖 3. 第三類型槓桿，施力點在中間。. 10.

(27) 施力點在中間時，一定費力省時，因為這時施力臂＜抗力臂。重物. 施力支點. 圖 5 第三類型槓桿施力臂小於抗力臂示意圖這三種類型槓桿利用在現實生活時，各有其優缺點，茲將這三類槓桿比較如下表：表 1 三類槓桿比較表分類三點位置. 第一類槓桿. 第二類槓桿. 第三類槓桿. 支點在施力點與. 抗力點在支點與. 施力點在支點與. 抗力點之間. 施力點之間. 抗力點之間. 施力臂大於抗力臂. 施力臂小於抗力臂. 省力. 費力. 開瓶器、釘書機. 鑷子、筷子. 施力臂與. 施力臂大於、小於或. 抗力臂關係. 等於施力臂. 施力特性生活應用. 省力、費力或不省力也不費力剪刀、指甲剪. 資料來源：本研究者整理. （二）現行九年一貫課程槓桿原理教材槓桿原理在九年一貫自然與生活科技領域教材中，屬於「力與運動」概念的一部分，下表列出目前國內課程中各版本有關槓桿原理的教材編列：表 2 各版本槓桿原理教材分析版本. 年級. 冊次. 單元名稱. 南一. 六下. 8. 巧妙的施力工具. 牛頓. 六下. 8. 簡單機械的巧妙. 翰林. 六下. 8. 簡單機械. 康軒. 六下. 8. 簡單機械. 11.

(28) 各版本對於槓桿原理的教學目標，整理如下：南一版： (1) 學童能藉由桿秤了解施力臂與抗力臂的長短和省力、費力的相關性。 (2) 設計實驗以數據檢視槓桿原理中省力與費力的解釋。 (3) 細心觀察並測量滑輪、輪軸和齒輪等生活中施力工具的工作方式，經過實驗測量後，發現它們都是槓桿原理的應用，並了解其省力、費力的關係。 (4) 由腳踏車、腳踏板、齒輪組和後車輪之間的輪軸和齒輪的組合，藉此了解腳踏車的機械功能。牛頓版： (1) 透過操作認識槓桿原理。 (2) 透過操作、討論，認識輪軸和滑輪等簡單機械。 (3) 透過實驗，察覺動力可以經由齒輪、鍊條等傳送。 (4) 透過觀察、操作，察覺許多巧妙的工具常是簡單機械原理的應用。翰林版： (1) 認識槓桿原理。 (2) 透過輪軸的操作，了解輪軸工具的應用原理。 (3) 透過滑輪的操作，了解滑輪工具的應用原理。 (4) 簡單機械的組合。康軒版： (1) 幫我們做事的工具─槓桿。 (2) 透過操作、討論，了解齒輪、鏈條和皮帶的工作原理。 (3) 透過操作、觀察，了解流體傳送動力的原理。由以上表列可看出，目前國內各出版社均把槓桿原理的課程安排在六年級下學期教材中。分析各版本的教學目標後，可歸納出幾項共有的內容：. 12.

(29) (1) 利用操作認識槓桿。 (2) 透過操作，了解支點、施力點與抗力點，以及施力臂、抗力臂的關係。 (3) 利用操作、實驗，認識滑輪、輪軸及其他生活槓桿的機械。 (4) 透過操作觀察，了解齒輪與腳踏車的工作原理。二、槓桿平衡的解題類型與策略 Siegler（1976）設計了六種槓桿類型，以便分析歸納出學生在判斷槓桿平衡問題時的解題規則，整理如下表：表 3 Siegler 分析之六種槓桿形態槓桿平衡問題形態類型. 題目內容. 簡易平衡題（balance）. 槓桿兩邊的距離與砝碼重量都相同。. 簡易重量題(weight). 槓桿兩邊的距離相同但是砝碼重量不相同。. 簡易距離題(distance). 槓桿兩邊的距離不相同但是砝碼重量相同。. 衝突重量題（conflict—weight）衝突距離題（conflict—distance）. 槓桿一邊重量較重而另一邊重量較輕，一邊距離較小而另一邊距離較大。重量較重而距離較小的一邊，或是重量較輕而距離較大的一邊，兩邊都有可能會向下傾斜。槓桿一邊距離較大而另一邊距離較小，一邊重量較輕而另一邊重量較重。距離較大而重量較輕的一邊，或是距離較小而重量較重的一邊，兩邊都有可能會向下傾斜。. 衝突平衡題. 距離和重量兩個條件的重要性是差不多的，槓桿兩邊會平. （conflict—balance）. 衡。. 資料來源：Siegler（1976）. Three aspects of cognitive development.. Siegler（1976）設計用來研究孩童解決槓桿問題的平衡裝置，是在一根橫木上裝上支點，在支點兩邊各有四根等距的釘柱，就像是翹翹板的模型。孩童的任務是判斷當實驗者在支點兩邊放置金屬圈，在實驗者放開手後，孩童需預測這個平衡裝置將向哪一邊傾斜。Siegler的研究設計突顯出兩個影響實驗結果的變因：支點兩邊物體的. 13.

(30) 數量，還有物體到支點的距離。 Siegler利用這六種槓桿平衡的解題類型，分析歸納出孩童在解題時的規則。 Siegler的規則評估方式（the rule-assessment methodology）有兩個假設前提：(一) 孩童的推理，在本質上是逐漸發展得來的，並且受到規則的支配。因此，Siegler認為孩童的解題認知是在增進解題技巧的過程中獲得的。(二) 規則可以由一連串問題的正確與錯誤答案型式來描述。依據這兩個假設，最高的解題規則是利用重量與從支點到兩端距離的交乘積，以決定槓桿是否平衡、向右邊傾斜或向左邊傾斜。這個規則也就是力矩乘積（the product-moment rule）的概念。接下來以表 4 整理出Siegler的四種槓桿平衡解題規則，並將槓桿平衡之金屬圈，以砝碼來替代，以符合目前常見之教學設計：表 4 Siegler 四種槓桿問題平衡規則槓桿平衡規則. 解題方式如果兩邊的重量相同，將預測槓桿會平衡；如果重量不同，將預. 規則一測砝碼較多的一邊會傾斜向下。如果一邊的砝碼較多，將預測砝碼較多的一邊會傾斜向下；如果規則二兩邊的重量相同，會選擇距離較大的一邊。如果兩邊的重量與距離都相同，將預測槓桿會平衡；如果兩邊的重量相同，會選擇距離較大的一邊；如果兩邊的距離相同，會選規則三重量較大的一邊；如果一邊砝碼較多而另一邊距離較遠，就思考混亂或猜測任何答案。判斷方式同規則三，但若一邊砝碼較多另一邊距離較遠(衝突)，規則四就算重量與距離的乘積，並預測乘積較大的一邊會傾斜。. Siegler （1978）接著分析出使用這四種槓桿平衡規則的相對年齡及利用這四種規. 14.

(31) 則的答對比率。表 5 引用林清山轉譯之受試者使用四種答題規則的年齡及答對百分比資料。表 5 Siegler 四種解題規則答對比率與相對年齡槓桿平衡規則(答對率以百分比顯示) 槓桿平衡類型規則一. 規則二. 規則三. 規則四. 簡易平衡題. 100. 100. 100. 100. 簡易重量題. 100. 100. 100. 100. 簡易距離題. 0. 100. 100. 100. 衝突重量題. 100. 100. 33. 100. 衝突距離題. 0. 0. 33. 100. 衝突平衡題. 0. 0. 33. 100. 發展年齡. 4-5. 8-10. 12-13. 經訓練的成人. 資料來源：Siegler（1978）. Children’s thinking：What Develops ?. 從表 5 中可以看出，簡易距離與重量類型題目，使用四種規則解題都可答對。簡易距離題在 8-10 歲的中年級階段以上都可答對，而在衝突重量題中，習得規則三的高年級學童的答對率，反而不及使用規則一、二的學童；衝突距離與衝突平衡題中，使用規則一、二的學童都無法答對，而使用規則三的學童答對率也只有 33%，只有使用規則四的受試者可以全部答對。從答對率與規則分配及發展年齡的交叉比較可以發現，高年級階段的受試學童，在衝突槓桿平衡類型的題目上，答對率偏低，這顯示在衝突類型的槓桿平衡概念裡，高年級學童普遍存在迷思概念的問題，以致於會思考混亂並開始胡亂猜題，而使用規則四的受試者可以全部答對。從這裡可以看出，若學童沒有經過適當引導，採用規則四的重量與距離乘積概念來解題，就會因為個人或答題情境影響，而產生思考紊亂，導致答對率偏低的問題。從這裡不禁讓人想到，是不是教. 15.

(32) 學方式的因素，讓這個年齡的學童在衝突槓桿平衡的概念上，產生相當程度的學習迷思。 Chletsos 與 Lisi（1989）在進行了與Siegler相似的研究，他們發現受測學童多會以規則一及規則二來做判斷，而青少年則多使用規則三，表示他們先依據重量判斷後，再依據距離來考量。而成人則多半使用規則三、規則四，但也有部分成人使用規則一及規則二的方法，可見槓桿平衡概念的迷思，並非只在學齡兒童或青少年。 Normandeau, Larivee 與 Roulin（1989）在後續的研究也指出，由大部分研究受測者的平衡規則顯示，連成人本身也許就很少利用規則四的方法。 Spada（1976）不同於Siegler，他認為槓桿平衡問題的不同，是在其相互之間的困難度，而非所需要的認知操作的技巧。Spada以短期記憶能力的觀點，界定出認知能力的不同，其理論與訊息處理理論（information-processing theories）類似，稱之為線性邏輯模式（linear-logistic model）。 Spada（1976）針對解決槓桿平衡問題，提出了八個認知操作之假設，如下表所示。表 6 Spada 槓桿平衡的八個認知操作假設認知操作階層. 認知操作方式. 1. 察覺並能對砝碼數目的不同予以操作。. 2. 察覺並能對力臂長度的不同予以操作。. 3. 由於支點一邊的改變，以相同形式考量支點另一邊砝碼數量或力臂長度。. 4. 由於支點一邊的改變，以不同形式調整支點另一邊長度。. 5. 由於支點一邊的改變，以不同形式考量同一邊的改變。. 6. 額外的考量使槓桿平衡需要的改變因素。. 7. 對槓桿兩邊重量與力臂的交乘積必須相等的額外演算。. 8. 以另一種方式對同一邊對等的不平衡做調整。. 資料來源：Spada（1976）. Developmental models of thinking.. 16.

(33) 從表 6 中可以發現，Spada所提出的槓桿平衡認知操作的假設，其解題方式所需的能力，與認知發展的過程相符。Pulos（1985）也在相關的研究中提出，隨著年齡的增長，青少年解決槓桿平衡問題的成功率，大幅的增加到 50%，這種成長與短期記憶資源的增加有關。綜上所述，槓桿平衡問題，可以歸納為四種規則：(1)以重量來判斷 (2)以距離來判斷 (3)如果兩邊的重量或距離相同，就選重量較大或距離較遠的一邊 (4)以重量與距離的乘積來判斷。而認知程度越高，理應可以利用更高階層的解題規則。但從Siegler 等人的研究結果來看，學齡兒童(尤其是高年級)的表現，並未符合該有的認知發展，這顯示傳統的槓桿原理教學方式，可能導致學童對槓桿平衡產生迷思概念，而未能使用較佳的規則或方法來解題。前述國內槓桿原理單元的教材分析中，各出版社都將槓桿單元編製在六年級下學期教材中，而這是否與高年級學童容易出現槓桿方面的迷思概念有關呢？. 三、槓桿原理學習的迷思概念（一）槓桿原理迷思概念的相關研究概念為代表具有其同屬性一類事物的名稱或符號（郭重吉，1990）。「概念」被界定為事件或物件的規則性，是學習的基本單位，是思考的基本工具。概念有助於學習轉移，學生經由概念改變的過程，建構出屬於自己的科學概念知識體系（徐慶雲， 2008）。概念的形成有源發概念（spontaneous concept）及科學概念（scientific concept），所謂的源發概念是來自於生活環境中所學習到的，科學概念指的是學校教育課程所教的（Vygotsky, 1976）。利用概念來學習有以下優點：(1)概念的學習有助於記憶 (2) 概念學習有助於對學科的瞭解 (3)概念有助於學習遷移 (4)概念學習有助於分辨教材不同層級的知識（洪志明，1993）。迷思概念一詞源自於建構主義，其強調在學習的過程中，學生對於某一種概念，. 17.

(34) 因某種因素而產生的錯誤想法（Abimbola, 1988）。王美芬與熊召弟（2000）也指出，迷思概念形成的可能原因：(1)來自日常生活 (2)與生俱來的理念 (3)因他人而形成。蘇育任與黃文美（2007）在研究自然科學領域常見的迷思概念時，發現科學迷思概念可能的成因：(1)過度簡化科學概念 (2)死背概念與公式 (3)將相似的概念重疊在一起 (4)概念所需的先備知識不夠 (5)教學策略與概念太過廣泛。前述的文獻討論中也提到，槓桿原理的學習存在著迷思概念，導致學童在衝突槓桿類型的問題答對率偏低，而使用重量與距離乘積概念來解決槓桿平衡問題的學童人數比率也較低。國內外對於槓桿迷思概念的研究，也對教學環境、教學者的影響、教學方法等方面進行討論，表 7 整理出與槓桿迷思概念相關之研究：表 7 國內外槓桿迷思概念相關研究（以年代順序排列）研究者 Watts & Zylbersztajn. 年代. 槓桿迷思概念. 1981. 懸掛於滑輪上，較高的物體比較低的物體有較大的力。. McDermott. 1984. 陳義勳. 1991. 學生對平衡時的滑輪，當左右邊掛的東西一高一低時，學生會預測接近地面的物體比較重。在省力及費力方面，學生對省力即費時，費時即省力具有迷思。 (1)大部份的學生似乎在使用重量與距離乘積規則前會發展與使用比率規則。. Roth. 1991. (2)大部份的學生無法適當的對距離編碼。 (3)學生似乎使用解決先前問題的經驗以解決問題。大多數學生誤用了槓桿的原理，會把兩邊的砝碼數與到. Stepans. 1994. 支點的距離分別相加來做比較，以作為槓桿平衡與否的判斷，而許多學生對傳達槓桿的應用或把它帶入課堂上也有困難，他們認為愈近支點，需愈少的力來平衡。槓桿平衡的問題看似簡單，但學童可能對力概念有困. 李田英. 1995. 擾，造成對槓桿平衡的問題更不容易理解，造成學習困難，因此有需要重新調整教材及教法。. 18.

(35) 表 7（續）研究者. 年代. 槓桿迷思概念學生在個人與有伙伴的不同情境，及紙筆、會話、操作的. Michelle. 1998. 不同形式下評量對槓桿問題的回答情形，學生竟有前後不一的答案，可見情境及形式也會影響答案及判斷。高能力學生會傾向使用正確法則解題，中能力學生會傾向. 樊雪春. 1999. 使用迷思法則解題。接受建構取向教學法的學生在槓桿量表的得分未顯著高於傳統教學法的學生，不同能力學生的得分也無顯著差異存在。高年級學生，在槓桿平衡的判斷上，會受到物體位置高低及懸掛方式的影響。在物體懸掛方式與槓桿平衡概念的迷思上，六年級的比例居多。. 游光純. 2002. 槓桿迷思概念有以下幾種類型： (1)認為砝碼個數多者會傾斜 (2)將力臂與重量混淆 (3)將力臂與重量互補(一格力臂補一顆砝碼) (4)位置高低影響槓桿平衡，認為物體越低重量越重 (5)懸掛方式影響槓桿平衡，認為掛物體的線越長物體會越重。對實際生活工具，如用掃帚掃地、釣魚、用鉛筆寫字、打. 賴明照. 2003. 棒球時，無法正確判定「支點」、「施力點」、「抗力點」的所在，以及「施力臂」、「抗力臂」的利用，以致無法正確做省力費時或費力省時的判斷。高年級學童對日常生活工具易有以下的迷思概念： (1)誤認螺絲起子等輪軸工具的支點在中間，且施力臂的長度小於抗力臂的長度，所以是費力工具。. 張志銘. 2004. (2)誤認開瓶器、榨汁器、取碳夾和裁紙刀等工具的支點在中間，所以判定都是省力工具。誤認鑷子、麵包夾支點位於施力點與抗力點之間，施力臂的長度小於抗力臂的長度，所以是費力工具。(第二、三型槓桿的迷思). 19.

(36) 由以上學者的研究可以得知，學齡兒童會有下列幾項槓桿迷思概念類型： (1) 受物體位置高低與懸掛方式的影響，認為物體較低的比較重，或掛物體的線越長的越重。 (2) 對省力費時、費力省時概念有迷思。 (3) 當重量與距離大小不一樣時，學生對「距離」的判斷能力較差，可能會用一格力臂補一個砝碼的想法。 (4) 槓桿平衡時，把兩邊的砝碼數和到支點的距離相加來比較。 (5) 無法正確判定「支點」、「施力點」與「抗力點」的位置，而誤判施力臂、抗力臂的長度，也就無法正確做省力費時、費力省時的判斷。 (6) 將第二、三型槓桿工具，誤判為第一型槓桿，以為支點在施力臂、抗力臂中間。由以上對槓桿迷思概念的研究中可以看出，對重量、距離和力臂長度等因素無法正確理解的學童，就開始思考混亂，進而以迷思概念進行猜題。而國內賴明照（2003）和張志銘（2004）的研究也指出，學童無法正確利用「三點共存」概念，以找出正確的支點、施力點與抗力點的位置，進而影響到施力臂、抗力臂的長度判斷，當然就會誤判槓桿工具的省力、費力情形。此外，兩位研究者也談到，大部分學童對教材內容中支點、施力點與抗力點的位置判斷可以完成，但是對於日常生活施力現象或其他工具的三點位置，卻無法正確判斷，這表示學童是以記憶的方式認識槓桿工具的「三點共存」，但是卻對支點、施力點與抗力點的真正功能與定義概念相當薄弱，以致只要三點的位置判斷錯誤，就連帶誤判槓桿工具或施力現象的省力、費力情形，更諻論省時或費時的討論了。. （二）現行九年一貫課程教材的編排教育部九年一貫自然與生活科技的能力指標裡，將課程分為(1)過程技能 (2)科學與技術認知 (3)科學本質 (4)科技的發展 (5)科學態度 (6)思考智能 (7)科學應用. 20.

(37) (8)設計與製作等八大類（教育部，2003b）。表 8 列出能力指標中與「力與運動」及「槓桿」相關部分。由表 8 可看出教育部在課程安排上，將「力」的體驗、感受，編排在低年級中；而力的大小、方向以及簡易工具的使用編排在中年級；了解槓桿原理與應用課程編排在高年級；槓桿力矩的了解及運算平衡編排在國中階段。國小高年級能力指標在槓桿原理部分可分出下列教學目標：(1)實驗發現槓桿原理 (2)知道日常生活中常利用簡單機械(如槓桿、滑輪、鏈條、皮帶、齒輪、輪軸等) 來做事 (3)知道鏈條、皮帶、齒輪等裝置可以傳送動力。國中階段可分為以下教學目標：(1)察覺力矩會改變物體的旋轉運動 (2)了解槓桿原理是力矩作用的結果 (3)知道簡單機械(如槓桿、滑輪、輪軸、齒輪、斜面)的工作原理，並能設計實用的裝置或玩具（教育部，2003b）。表 8 九年一貫自然與生活科技能力指標與槓桿概念相關之細目表細目編號：第一位數字為課程主題，第二位數字為學習年段，1 代表一和二年級、2 代表三和四年級、3 代表五和六年級、4 代表國中一、二和三年級，第三位後數字為主題編號及流水號。能力指標編號自 1-4-4-4-9 自 2-1-3-2 自 2-3-5-3 自 2-3-5-4 自 2-4-6-1 自 2-4-8-4. 能力指標內容. 主概念. 能執行實驗，依結果去批判或瞭解概念、理論、模型的適用性。製作各種不同的玩具，體會「力」有多種，力可使物體動起來，或使物體振動發出聲音。瞭解力的大小可由形變或運動狀態改變的程度. 力與. 藉簡單機械的運用知道力可由槓桿、皮帶、齒輪、流體(壓力)等方法來傳動。由「力」的觀點看到交互作用所引發物體運動的改變。改用「能」的觀點，則看到「能」的轉換。知道簡單機械與熱機的工作原理，並能列舉它們在生活中的應用。. 21. 運動槓桿力與運動槓桿.

(38) 續表 8 能力指標編號. 能力指標內容. 自 2-4-8-9. 認識水、陸及空中的各種交通工具。. 自 7-2-3-8. 能安全妥善的使用日常生活中的器具。. 自 7-3-4-2. 察覺許多巧妙的工具常是簡單科學原理的應用。. 自 7-4-4-10 自 7-4-6-7. 主概念. 槓桿. 接受一個理論或說法時，用科學知識和方法去分析判斷。在處理問題時，能分工執掌、操控變因，做流程規畫，有計畫的進行操作。. 自 8-4-4-10. 設計解決問題的步驟。. 自 8-4-6-7. 執行製作過程中及完成後的機能測試與調整。. 資料來源：本研究者整理. 從以上九年一貫能力指標的比較可以看出，目前國內教材編排方式，從中年級對「力」的觀察，就直接進入槓桿原理的認識，其間並沒有槓桿平衡概念的先導課程。蘇育任與黃文美（2007）即指出學習科學概念時所需的先備知識不夠，過度簡化科學概念流程，將導致學童以死背概念與公式的方法學習，以致目前國內高年級學童在槓桿概念的學習上，可能導致多種迷思概念的產生。這個結果，與賴明照（2003）及張志銘（2004）的研究結果相符，大部分的高年級學童缺乏槓桿平衡概念，更不用說會使用重量與距離乘積的概念來解決槓桿平衡的問題。在Siegler（1978）的研究結果指出，使用重量與距離乘積概念（規則四）的學童在六大類槓桿平衡問題的答對率是 100%。而教育部目前對力矩概念的編排在國中階段，若國小階段無法了解「重量」、「距離」對槓桿工具的影響，到了國中，有多少學生可以真正了解力矩的意義，而不是以記憶公式演算的方式來判斷槓桿工具的工作情形。既然重量與距離的乘積概念對於槓桿原理的學習如此重要，為何現行課程卻不利用「三點共存」的概念，讓學童能正確判斷施力臂、抗力臂的長短，進而利用重量與. 22.

(39) 距離乘積概念計算，就能正確且快速的解決槓桿平衡的問題，並利用施力臂、抗力臂的長短來判定槓桿工具的省力、費力情形。由前面表 2 槓桿教材的編排分析可看出，國內教材出版社依據教育部能力指標所編製的槓桿原理課程，都安排在六年級下學期。由表 9 更可看出目前教材編排上缺乏銜接教材的問題，教材內容從三年級對力的作用與量測，就直接進入六年級的槓桿原理課程，中間並沒有關於平衡概念的課程，忽略了距離、重量因素對學童學習槓桿平衡時的重要性，一下子就帶入省力、費力概念，及滑輪、輪軸和腳踏車等槓桿的應用，明顯份量過多，且由於先備知識的不足，學童因此會產生槓桿迷思概念，就不令人意外了。表 9 南一版有關槓桿原理概念及具體教學目標年級. 單元名稱. 一下. 會動的玩具. 教學目標 (1)玩具的動力有風力、水力等。 (2)觀察水和風推動的力量。 (1)由生活經驗察覺物體受力的變化。. 三上. 力的作用. (2)由學習活動指出如何分辨力的大小和方向。 (3)學習磁鐵有磁力，磁力也有大小和方向性。 (4)透過實驗操作，察覺物體在水中，會受到浮力的作用。. 三上. 日新月異的交通工具. (1)了解交通工具的種類與推動方式。 (2)了解讓玩具車動起來的方法。 (1)藉由早期的桿秤了解施力臂與抗力臂的長短和省力、費力相關。 (2)設計實驗以數據檢視槓桿原理中省力與費力的解釋。. 六下. 巧妙的施力工具. (3)細心觀察並測量滑輪、輪軸和齒輪等生活中施力工具的工作方式，經過實驗測量後，發現它們都是槓桿原理的應用，並了解其省力、費力的關係。 (4)由腳踏車、腳踏板、齒輪組和後車輪之間的輪軸和齒輪的組合，藉此了解腳踏車的機械功能。. 資料來源：本研究者整理. 23.

(40) 國內研究目前槓桿原理學習情形的相關文獻，也談到目前高年級學習槓桿單元的現況，並提出教學上的建議。賴明照（2003）在對國小高年級學童進行槓桿迷思概念的研究中指出： (1) 槓桿單元的學習對國小學童而言是較為抽象的，學生學習後，往往不容易內化為自己的能力與知識，也因此產生許多的迷思概念。教材如能以漸近的原理去編序重新表徵，相信對學生的學習及教師的教學有所幫助。 (2) 在簡單機械單元的槓桿教學，可以由滑輪開始介紹。由定滑輪手拉與物體移動距離等長，由彈簧秤測出不能省力等現象，再介紹動滑輪手拉和物體移動的方向相同，物體上升的距離小於手拉動的距離，以及省力的工作方式。當學童具備了以上的概念後，再進行槓桿的教學，對學童而言可能是較為容易的。對較為複雜生活工具的省力或省時的判定時，可能變得較為容易，且較能內化為自己的能力與知識。游光純（2002）在利用臨床晤談方式探究國小高年級學童對槓桿概念的想法研究也說到： (1) 高年級學生，在槓桿平衡的判斷上，會受到物體位置高低及懸掛方式的影響。 (2) 研究中發現到高年級學童具有「砝碼個數多者會傾斜的想法」，因此教學者需要多設計讓學生能發現力臂改變影響平衡的的操作活動，讓學生發現到重量並非唯一影響槓桿平衡的條件。 (3) 欲消彌「物體位置高低」與「懸掛線的長短」影響槓桿平衡的想法，則需讓學生實際看到懸掛不同高低的等重物體時的槓桿狀態，並請其說出發現及理由，再由教學者進一步的說明平衡的原因，讓學生在實做觀察及思考激盪下，找出正解。戴文雄（2009）在探討五年級和六年級學生對槓桿想法的類型時，分析歸納出五年級與六年級學童對於槓桿的想法類型差異：（1）六年級學生對「槓桿定義、轉動概念、轉動條件、名詞理解及效果判定」的理解，. 24.

(41) 表現皆顯著優於五年級學生。（2）五、六年級學生對於槓桿的判定，在第一類槓桿的表現並無顯著差異；在非槓桿物體、第二和三類槓桿的表現，六年級學生顯著優於五年級學生。（3）五年級學生常以施力、支撐、擺動的想法來判定槓桿，而六年級學生常以三點共存的想法來判定槓桿。綜合以上所述，目前國內對槓桿概念的教材安排，可能造成學童產生迷思概念。若能在槓桿原理課程之前，適當編排槓桿平衡概念的銜接教材，讓學童對「三點共存」及支點、施力點和抗力點概念有足夠的先備知識，再利用適當的教材及學習方式來引導學童產生「重量與距離乘積」概念，相信對解決目前學童槓桿原理迷思概念的問題，有相當正面的幫助。. 第二節遊戲式學習策略與神馳理論數位遊戲不但具有豐富的聲光效果和遊戲元件，若能加上教育性的情境設計，可使學童能維持高度的學習興趣與動機，完全投入在學習活動中，「樂在學習」。接下來就進一步討論遊戲在教學的應用，與學習者在遊戲式學習時的心理狀態。本節首先說明遊戲式學習策略的意義與數位遊戲式學習的特性，其次分析學習者在神馳狀態中對學習的幫助。. 一、遊戲式學習策略在科學領域的課程教學中，教師須先瞭解兒童學習前持有的概念，才能協助他們學習，而成功引發兒童的科學概念，所採用的工具及方法須符合「容易使用」、「能找出兒童的概念」、「讓兒童參與並且能引發他們的興趣」等三個原則（Millar & Murdoch, 2002）。. 25.

(42) 鍾聖校（2000）在《自然與科技課程教材教法》一書中也談到，自然課程可能會因為學生對課程內容無學習動機，或教學者以傳統問答法教學，而無法誘發概念的學習，而影響到學習效果。古仁元（2004）在自然領域學習網站的研究中也指出，自然課程的教材設計應符合以下原則：(1)符合認知發展的原則 (2)善用媒體的輔助教學 (3)增加互動多元的教學。教育部在九年一貫課程自然與生活科技領域所列的能力指標當中，將科學過程技能歸類為「觀察」、「比較與分類」、「組織與關連」、「歸納、研判與推斷」及「傳達」等五項（教育部，2003b）。自然與生活科技領域的學習，可以簡略的區分為知道（knowing）、理解（understanding）和轉用（transforming）三個層次（陳文典，2003）。當自然課程的教材設計，無法引起學生有足夠的學習動機與興趣時，教師將難以誘發科學概念的學習，如果只是「知道」，而無法真正「理解」，就更難以達到學生能進一步「轉用與推論」。因此，自然科教材的設計，勢必要能符合認知發展的原則，能引起學生的高度興趣，並使學生能維持長時間的學習動機。 Norman（1981）與 Norword（1995）的研究指出，許多教育學家窮畢生之力研究各種學習理論，到最後卻發現，再好的教材或教法，都不如讓孩子從遊戲中快樂地學習。遊戲容易走近孩子的世界，且孩子樂意接納，孩子從遊戲中快樂地學習，利用遊戲引發學習動機並保持學習興趣，才能培養積極的學習態度，終其一生都受用不盡。駱木金（1991）在幼兒的遊戲研究中也談到，遊戲式的學習理論即讓學習者在遊戲的情境中學習，由於學習者在競爭的遊戲情境中容易主動參與學習，因此可以透過遊戲的過程增強其學習意願。由於遊戲過程中不受約束及強制，對兒童而言，是最快樂的活動。遊戲是人類生活的一部分，兼具內在心理與外在活動的行為表徵，是一種自我主動性的參與，可以促進兒童認知發展與社會適應（徐慶雲，2008）。 Dempsey, Haynes, Lucassen 與 Casey（2002）針對遊戲學習提出定義： (1)遊戲是一組活動，包含一個或多個玩家 (2)遊戲具有目標、限制、報酬和結果. 26.

(43) (3)遊戲是規則導向且某部分是人為的 (4)遊戲包含他人競爭或與自己競爭。除了娛樂之外，在玩遊戲的過程中，亦能幫助學童發展思考技能（Seonju, 2002）。 Johnson（2003）等人從心理學觀點來看待遊戲的意義與兒童扮演的角色，指出遊戲學習的特性：（1）心理分析論（psychoanalytic theory）：遊戲是兒童對自我內在的探索，因此用遊戲檢視兒童的發展，藉由遊戲模擬情境中，增進與社會互動的機會，協助兒童控制處理真實的世界，達到自我能力的檢視。（2）認知理論（cognitive theories）：Piaget（1962）與Vygotsky（1976）皆認為遊戲可以促進認知的發展，尤其是表徵能力方面，遊戲可促進創造力的發展，適應未來環境變動。郭靜晃（1997）與徐麗雪（2002）針對學生的遊戲行為進行探討，發現遊戲是一種行為傾向，此種傾向發生在可描述和可以複製的情境下，同時是以各種不同的、可觀察的行為表現出來。遊戲行為有八個面向： (1) 遊戲是一種轉介的行為，無固定模式，亦不能由外在行為或定義來區分（nonliterality）。 (2) 遊戲出自內在動機（intrinsic motivation）。 (3) 遊戲著重過程和方式，而遊戲的目的和結果只是反應後的呈現。 (4) 遊戲是一種自由選擇，而不是被分派或指定的。 (5) 遊戲具有正向的影響（positive affect）。 (6) 遊戲是主動的參與而且是動態的。 (7) 遊戲著重自我，旨在創造刺激，不同於探索行為旨在獲得訊息。 (8) 遊戲是強調內在動機、自發性、自由選擇、正義的情感、創造刺激、主動參與及內在人格特質的向度。而在遊戲的分類上，Piaget（1962）主張不同時期應發展出不同類型的遊戲模式：. 27.

(44) (1) 練習性遊戲：指讓兒童練習已經存在基模中的事物。(2) 表徵性遊戲：又可稱為想像性遊戲、裝扮遊戲、假裝遊戲。(3) 規則性遊戲：規則性遊戲強調共同決定規則，在活動過程中，競爭性強過彼此合作。徐慶雲（2008）特別指出遊戲（play）與規則性遊戲（game）不同，遊戲傾向合作學習，而規則性遊戲則傾向互相競爭。規則性遊戲有固定玩法，參與者處於對立狀態，較具有挑戰性。然而不論是遊戲抑或是規則性遊戲，兒童們都能從中學習到許多解決問題的方法與技能。 Prensky（2001）在數位遊戲式學習的研究中提到，遊戲包含玩耍與樂趣，是一組可以達到快樂與滿足的組織性活動。數位遊戲式學習與其他學習活動比較起來，有比較好的學習動機及成效。數位遊戲式學習（Digital game based learning），指的是透過數位遊戲為平台進行學習，學習者在遊戲中透過解決問題、克服挑戰，使學習者在遊戲中獲得成就感。數位遊戲式學習應同時兼顧遊戲性與教育性，達到寓教於樂的目的。教學者使用遊戲式學習（GBL）的目的，是為了讓學習者在遊戲過程中達到神馳狀態，增進學習動機，並讓學習者可以「互動」，提昇學習成就感（Wee, Sue, & Sean, 2008）。 Prensky（2001）指出數位遊戲式學習的特性應包含以下特點：(1)娛樂性（Entertainment）(2)遊戲性（Gameplay）(3)規則性（Regularity）(4)目標性（Targeted） (5)人機互動性（Human-computer interaction）(6)結果與回饋（The results and feedback） (7)適性化（Adaptive technology） (8)勝利感（Triumph） (9)衝突競爭性與挑戰性（Conflicts and challenges of the competitive） (10)問題解決（Problem-solving） (11) 社會互動（Social interaction） (12)圖像與情節性（Image and plot）。 Prensky所提出的數位遊戲式學習，希望能提供一種好玩、遊樂的形式，讓學習者在學習過程中保持高度的樂趣與學習動機，而遊戲必須經過結構性的設計，提供具體的目標任務；遊戲能在過程中，給予學習者立即的回饋，並針對不同能力學習者給予不同的任務，讓不同學習成就的學習者都能從遊戲中得到興奮感（adrenaline）與滿足感。遊戲的設計，要能善用圖像與故事情節，並在遊戲過程中讓學習者解決情境問題，. 28.

(45) 以激發學習者的創意。 Hogle（1996）提出數位遊戲對於學習有下列優點：(1)可引發內在動機並提高興趣 (2)保留記憶 (3)提供練習及回饋 (4)可提供高層次的思考。學習者由於對電腦遊戲的好奇與期望，能維持較佳的學習興趣與內在動機。同時電腦遊戲可以重複性操作，並獲得立即性的回饋，讓學習者可以自己評估學習成效，促進學習目標的達成；尤其相較於傳統的課程，電腦模擬遊戲在記憶保留方面有較好的效果。教育性電腦遊戲軟體，是數位學習時相當方便的媒介之一。電腦遊戲是一種遊戲式學習（Game-based learning）的策略，將內容設計成教育的議題，並融入電腦遊戲的機制，可以誘發學習的動機（游光昭、蕭顯勝、蔡福興，2005）。電腦遊戲可以營造一個理想的學習環境，其環境具有挑戰性，面對複雜狀況時，培養解決問題能（Sandford & Williamson, 2005）。Virvou,Katsionis 與 Manos（2005）等人在教育性遊戲軟體的發展中也說到，在學習活動中表現較差者，通常都是因為缺乏對於學科和測驗的興趣，所以妥善的設計實驗系統，並有效的提升學習的興趣，可能影響學習者學習成就的表現。透過遊戲來保持學習的動機和注意力，使教學軟體傳遞給學習者的知識和技能，都能順利的進行學習遷移。而使用遊戲模擬軟體在自然科學的實驗教學上也有以下優點：(1)學習過程更安全 (2)提供真實情境中無法體驗的經驗 (3)簡化真實情境的複雜度 (4)節省金錢 (5)允許錯誤。張國恩（2002）在資訊科技融入教學的發展研究中指出，電腦模擬遊戲軟體將抽象化的概念以視覺化的方式表現出來，有助於學習者觀念的理解，或利用模擬軟體建立學習環境以協助學習者操作練習等都是CAI軟體的功用，並幫助老師教學或學習者課後學習的融入教學模式之一。研究中也談到，在課堂上不易以學習者經驗可理解的方式表達出來的教材，如果應用相關軟體模擬這些知識，對老師上課將有助益。而需要學習者不斷練習以達熟能生巧或觀念逐漸理解的課程，例如物理與化學之實驗操作、電器之故障排除練習等。若能設計軟體化之實驗平台，將有助於學習者的學習。. 29.

(46) Marina（2009）研究數位遊戲式學習（DGBL）應用在高中電腦課程的學習效果，研究者將學生隨機分成兩組，一組在上課時應用數位遊戲來教學，一組使用傳統式上課方式。研究透過學習問卷的回饋與課程測驗分析，來檢視教學效果。研究發現，使用數位遊戲式學習的教學方式，可以有效的促進學生對電腦相關課程概念的形成，並提高學習成績。研究也探討數位遊戲式學習對不同性別學生學習動機影響的差異，研究發現，雖然在實驗教學過程中，男生參與遊戲學習的積極度明顯高於女生，但是兩者的學習成績卻沒有顯著差異。 Huang 與 Tschopp（2010）對實施數位遊戲式學習時，動機提昇與學習效果之間的關係進行探究。研究發現，在使用數位遊戲式學習時，若沒有妥善安排獎勵制度，學習者很容易就會選擇低難度的遊戲任務，以獲取較多的獎勵；由於玩遊戲與獎勵是密不可分的，研究指出教學者為了維持遊戲學習的效果，必須加強學習者之間的競爭，讓內在學習動機的提昇與外在獎勵處理處於平衡狀態。數位式遊戲輔助學習的教學方式，使得學生的內在學習動機（學生的專注力、學習信心）與學習結果之間，呈現高度的正相關。由於學習動機提昇的效應，數位遊戲式學習顯然已經成為可行的教學模式之一。國內對數位遊戲運用在實際教學環境的研究也發現，數位遊戲可以提昇學習者的學習動機，促進學習成效：涂維妮（2002）在電腦教學遊戲的設計研究也提出，電腦遊戲式學習軟體能達到下列的教學效果：(1)主動學習 (2)提高學習動機 (3)個別化的學習和體驗知識 (4) 減輕學習壓力 (5)創造性思考與學習 (6)補救教學。研究中特別指出，教學者可以將不同層次的遊戲內容提供給不同學習能力的學生使用，教學遊戲中的視覺化、可重複操作、探索和遊戲過程的創造性，有助於學習。而教學遊戲也可用於課後，讓學生利用此遊戲繼續學習，有助於低學習成就的學習與提高他們的學習動機。陳冠琳（2009）研究國內親子共同使用數位遊戲學習指出，家長對數位遊戲學習. 30.

(47) 方式，普遍給予正面的評價，而家長與學童都能在數位遊戲中得到喜悅感及滿足感。相當特別的是，研究也指出中等學習成就的學生在數位遊戲的滿足感與數位學習的支持度上，反應比高學習成就學生更高。林昱成（2008）在槓桿原理單元遊戲式模擬軟體之設計與研究中指出，運用遊戲式模擬軟體，可以促進學童在槓桿學習總分的成效，可能原因如下： (1) 電腦遊戲當教學工具有正向的效果，可用來加強和支持學生的成就感、認知能力。 (2) 以遊戲方式學習，增進可能發展區，因為遊戲通常包含許多複雜的活動，比孩童日常生活的經驗還要多。 (3) 遊戲式學習可以促進良好學習狀態，好的設計遊戲可以產生有意義的結果。因此，遊戲式模擬軟體較能使學習者專注在學習上，並產生愉快的經驗，所以可以使學習者達到神馳的特性，有效提昇槓桿原理課程的學習成效。蔡孟雄（2009）在線上教育性遊戲對解決月亮迷思概念的研究中發現，線上遊戲在青少年文化上扮演重要的催化利器。在學習上除了可以提昇動機與學習成效外，並遍及許多領域，如軍事、醫學與教育領域。因此利用資訊時代的浪潮，導入線上學習型遊戲為資訊融入教學的方式之一，俾能成為教學上的重要工具。黃桂芝、曾憲雄、翁瑞鋒與何筱婷（2008）在遊戲式學習教育平台之科學教育活動設計研究中指出，利用遊戲式學習平台的教學環境，可以將複雜且艱難的科學活動課程，設計成多元化且可重複演練及觀察的方式，打破科學教育無法重複實驗的侷限；而教師主要的任務是引導學生反思錯誤，進而學習正確的科學知識。其研究發現，導入數位遊戲式學習的教學活動設計，除了較易引發學生自我學習的意願之外，如果能適當調整遊戲的困難度，讓學生克服困難獲得成就感，則能更進一步鼓勵學生願意探究科學知識間的深層關係。王曉璿、林朝清、周建宏、蔡松男與王怡萱（2009）在不同電腦輔助學習的策略研究中發現：. 31.

(48) (1)接受「遊戲式概念改變」電腦輔助學習策略的學習成效潛在優於「引導式表徵陳述」電腦輔助學習策略的學習成效。 (2)低數學成就學生接受「遊戲式概念改變」電腦輔助學習策略的學習成效潛在優於「引導式表徵陳述」電腦輔助學習策略的學習成效。由以上文獻探討中可以看出，數位遊戲軟體具有將抽象化概念利用視覺化呈現的特性（張國恩，2002），遊戲軟體中各種聲光效果、互動介面、立即回饋和有趣的故事情境等特性，能夠讓學習者保持高度的學習興趣與內在動機（Prensky, 2001）。而電腦遊戲軟體若能針對不同學習成就學生，設計不同的學習情境與任務，讓不同學習成就的學生都能從遊戲中，得到滿足與刺激，將有增強學習遷移的效果（陳冠琳，2009）。同時，遊戲的可重複操作與允許錯誤的特性，相當適合槓桿原理這種需要重複實驗操作的科學性學科，以幫助中低學習成就的學習者可以縮短學得正確科學概念所需技能的時間，讓學習者都可以達到神馳的狀態（林昱成，2008）。接下來，就要進一步探討在遊戲學習的過程中，學習者的心理狀態，何以遊戲可以讓學習者維持高度的學習興趣與動機。. 二、神馳理論 Csikszentmihaly（1975）提出了神馳理論（Flow Theory），指的是使用者進入一種共同經驗模式，在參與過程中，使用者好像被吸引進去，意識集中在一個非常狹窄的範圍內，所以一些不相關的知覺和想法都被過濾掉，並且喪失自我知覺，只對具體目標和明確的回饋有反應，透過對環境的操控產生一種控制感。個人的神馳經驗因人而異，它是一種情境。 Csikszentmihaly（1988）進一步提出在神馳理論中，強調技巧（skill）與挑戰（challenge）二個重要的困素，這二者必須達到互相平衡，並讓使用者邁向更高更複雜的層次。當使用者在活動中進入神馳狀態時，將會全心投入在活動中，可能還因此. 32.