高一地理資訊單元適性 WebGIS 學習系統之開發

全文

(1)國立臺灣師範大學地理學系第二十二屆博士論文. 高一地理資訊單元適性 WebGIS 學習系統之開發 The Development of An Adaptive WebGIS Learning System for Tenth Grade Students to Learn Geographical Information Unit. 指導教授：陳哲銘博士研究生：王耀輝. 中華民國一百零三年六月.

(2) 摘要近來雖然已有許多研究驗證了將地理資訊系統 (Geographical Information Systems, GIS)引進中小學體系的重要性，然而其推廣卻始終相當緩慢。台灣隨著九十九年新高中地理課程綱的實施，GIS 的教學不但已由高三選修改為高一必修，同時規畫上課時數為 5 至 6 小時，如何在有限時間內讓學生有效學習 GIS 是個亟具挑戰性的問題。近來以學生為中心的學習已成為教學新典範，結合網路科技與適性學習的「適性數位學習系統」能按照學生的能力與進度輔助個人化學習，具有輔助高中生更有效率地學習 GIS 的潛力。再加上隨著空間科技的進步，網際網路地理資訊系統(WebGIS)已經可以讓使用者僅透過瀏覽器便直接進行高階的空間分析工作。故本研究目的在於建構一套結合 WebGIS 的適性地理資訊學習系統，以讓我國高中一年級學生可以充分體驗與學習 GIS 的潛力。本研究以 Bloom 認知教育目標分類與 Simpson 技能領域目標分類設計出適性評量與適性教學模組，並配合自行開發的各種 WebGIS 服務，發展出可以以雲端模式，讓學生藉由實作來學習 GIS 的適性學習系統。在系統原型開發完畢後，也藉由兩次優使化評測，不僅改良了系統的教學能力，同時也歸納出適性 WebGIS 學習系統的優使性設計原則。與過往的 WebGIS 教學網站相較，本系統所開發的 WebGIS 服務已大幅度改良，可達到執行綜合分析效能。學生們可以根據問題的需求，決定所需使用的各種空間分析功能，並將這些功能以適當的順序加以組合，以解決空間問題；另外，由於本系統具有適性學習系統的屬性，因此一旦學生在操作或學習上發生困難時，系統即可給予立即的輔助或導向，學生在課餘時間便可自行進入系統學習，無須占用有限的課堂時間。透過教學實驗的檢驗，使用本系統學習 GIS 單元的學生在 GIS 認知能力與技能表現的進步幅度上，皆比未使用本系統的學生為高，系統的教學能力獲得驗證。除此之外，另外透過事後的滿意度問卷與焦點團體訪談，發現對學生而言，本系統所開發的 GIS 服務，在操作難度上與學生常用的 GIS 網站相當，也較符合學. I.

(3) 習的需求。因此本系統相當適合作為我國高一地理資訊單元之輔助學習工具，值得全面推廣以提升我國高中 GIS 之教學效能。關鍵字：地理資訊系統、網際網路地理資訊系統、適性學習系統、優使化. II.

(4) Abstract In the last decade, although applying Geographic Information Systems (GIS) in K-12 classrooms has become a general agreement among many countries, the growing is still far from wide spreading. In Taiwan, as the National Geography Curriculum of Senior High School was applied since 2010, the 10 grade students are compulsory to learn the fundamental GIS concepts and software operation within 5 to 6 classes. Therefore it’s relevant to develop an approach for students to learn about and learn with GIS effectively. Recently, the student-centered learning has become a new learning paradigm. By integrating adaptive learning with Internet technology, an adaptive e-learning system can personalize learning approach, which may help students to learn about and learn with GIS effectively and efficiently. With the significant improvement of spatial technology, it is available for a user to process spatial analysis with WebGIS. The aim of the research is to integrate adaptive learning system with WebGIS. Based on this innovative approach, an adaptive WebGIS learning system has been developed. Students can learn GIS with a cloud computing environment. After the prototype was developed, two usability tests were conducted to improve the learnability and efficiency of the system. Compared with other educational WebGIS website in Taiwan, the system have two distinct advantages. Firstly, the WebGIS services of the system are reusable. Students can run a chain of geoprocessing services to solve a GIS problem by using this system. Secondly, the system has the capability to deliver adaptive learning. Once students have learning difficulties, the system can provide remedial instructions immediately. Therefore, students can learn GIS in their spare time without occupying the limited class hours. A quasi-experiment was conducted to evaluate whether the system can help students to learn GIS. The results demonstrate that the learners who use this system III.

(5) achieve better performance both in understanding GIS concepts and gaining hands-on experience than those without using the system. Therefore, the system is quite suitable as a supplementary learning tool for 10 grade students to learn GIS. It is deserveing to promote the system.. Key words: Geographical Information Systems, WebGIS, Adaptive Learning System, usability test. IV.

(6) 目錄第一章緒論 ................................................................................................................. 1 第一節研究背景 ................................................................................................ 1 第二節研究目的與問題 .................................................................................... 5 第二章文獻回顧 ......................................................................................................... 7 第一節 GIS 在中學推廣的困難 ........................................................................ 7 一、各國在中學推廣 GIS 教育的困難 ....................................................... 7 二、台灣在中學推廣 GIS 教學的困難 ....................................................... 9 第二節 WebGIS 技術 ...................................................................................... 12 一、WebGIS 的發展 ................................................................................... 12 二、WebGIS 在教育上的應用 ................................................................... 14 第三節適性學習系統 ...................................................................................... 17 一、適性學習系統的運作邏輯.................................................................. 17 二、可應用於適性學習系統的學習理論.................................................. 20 三、適性學習系統平台.............................................................................. 27 第四節教學系統設計流程 .............................................................................. 31 一、教學系統設計模型.............................................................................. 31 二、系統開發採用模型.............................................................................. 34 第五節小結 ...................................................................................................... 37 第三章系統開發 ....................................................................................................... 39 第一節、開發流程 ............................................................................................ 39 第二節系統教材規劃 ...................................................................................... 41 一、教材設計.............................................................................................. 41 二、評量設計.............................................................................................. 48 第三節系統設計邏輯 ...................................................................................... 50 一、GIS 網路服務 ...................................................................................... 50 二、學習平台之建構.................................................................................. 55 第四章系統優使化 ................................................................................................... 61 第一節第一次優使化評測 .............................................................................. 61 V.

(7) 一、評測方法.............................................................................................. 61 二、參與對象.............................................................................................. 61 三、研究工具.............................................................................................. 62 四、評測流程.............................................................................................. 63 五、研究發現與系統改良.......................................................................... 63 第二節第二次優使化評測 .............................................................................. 74 一、評測方法.............................................................................................. 74 二、參與對象.............................................................................................. 74 三、研究工具.............................................................................................. 74 四、評測流程.............................................................................................. 75 五、研究發現與系統改良.......................................................................... 76 第三節小結 ...................................................................................................... 81 第五章教學實驗 ....................................................................................................... 83 第一節研究設計 .............................................................................................. 83 第二節實驗對象 .............................................................................................. 84 第三節實驗工具 .............................................................................................. 86 第四節實驗流程 .............................................................................................. 93 第五節實驗結果分析 ...................................................................................... 94 一、學習成就分析...................................................................................... 94 二、學習滿意度分析................................................................................ 100 第六節小結 .................................................................................................... 108 第六章. 結論與建議 ............................................................................................... 109. 第一節結論 .................................................................................................... 109 第二節建議 .................................................................................................... 112 參考書目.................................................................................................................... 114. 附錄............................................................................................................................ 123 附錄一 .............................................................................................................. 123 附錄二 .............................................................................................................. 124 附錄三 .............................................................................................................. 125 附錄四 .............................................................................................................. 130 附錄五 .............................................................................................................. 137 VI.

(8) 附錄六 .............................................................................................................. 138 附錄七 .............................................................................................................. 146 謝辭............................................................................................................................ 154. VII.

(9) 表目錄表 2-1 知識領域 Q 之題目 ...................................................................................... 22 表 2-2 開放原始碼適性學習平台之比較 ............................................................... 29 表 2-3 不同教學系統設計模型所隱含知識論與學習理論之比較 ....................... 35 表 3-1 99 課綱中「地理資訊」單元之學習目標 ................................................... 42 表 3-2 翰林版高一地理科教科書 GIS 單元內容架構 ......................................... 43 表 3-3 龍騰版高一地理科教科書 GIS 單元內容架構 ......................................... 44 表 3-4 南一版高一地理科教科書 GIS 單元內容架構 ......................................... 45 表 3-5 環域分析認知層次試題示例 ....................................................................... 47 表 3-6 系統內三種 WebGIS 服務之特色與適合使用時機 ................................... 53 表 3-7 系統內各學習項目所提供之 Web GIS 服務 .............................................. 54 表 4-1 參與評測教師基本資料 ............................................................................... 62 表 5-1 民國 100 年桃園區高中職登記分發錄取分數及 PR 值 ............................ 84 表 5-2 民國 100 年彰化區高中職登記分發錄取分數及 PR 值 ............................ 84 表 5-3 民國 100 年高雄區高中職登記分發錄取分數及 PR 值 ............................ 85 表 5-4 地理資訊前測試題各題評測內容 ............................................................... 86 表 5-5 地理資訊後測試題各題評測內容 ............................................................... 87 表 5-6 前測試題信度分析表 ................................................................................... 88 表 5-7 後測試題信度分析表 ................................................................................... 89 表 5-8 前後測試題難度常態性檢定 ....................................................................... 90 表 5-9 地理資訊前測試題各題難度與鑑別度 ....................................................... 91 表 5-10 地理資訊後測試題各題難度與鑑別度 ..................................................... 92 表 5-11 表 5-12 表 5-13 表 5-14 表 5-15 表 5-16 表 5-17 表 5-18 表 5-19 表 5-20 表 5-21. 實驗組前後測成績常態性檢定 ................................................................. 94 對照組前後測成績常態性檢定 ................................................................. 95 實驗組前後測成績 Wilcoxon 符號等級檢定 ........................................... 95 對照組前後測成績 Wilcoxon 符號等級檢定 ........................................... 96 認知層面前後測成績的誤差變異數 Levene 檢定 ................................... 97 技能層面前後測成績的誤差變異數 Levene 檢定 ................................... 97 認知層面前後測成績組內迴歸係數同質性檢定 ..................................... 98 技能層面前後測成績組內迴歸係數同質性檢定 ..................................... 98 認知層面前後測成績共變數分析摘要表 ................................................. 99 技能層面前後測成績共變數分析摘要表 ............................................... 100 學習滿意度問卷填答狀況 ....................................................................... 101. 表 5-22 系統內建 GIS 與一般電子地圖符合課本內容之 Wilcoxon 符號等級檢定 ............................................................................................................................... 102 表 5-23 系統內建 GIS 與一般電子地圖符合課本內容之 Wilcoxon 符號等級檢定統計量 ................................................................................................................... 102 表 5-24 系統內建 GIS 與一般電子地圖使用難度之 Wilcoxon 符號等級檢定 . 104 VIII.

(10) 表 5-25 系統內建 GIS 與一般電子地圖使用難度之 Wilcoxon 符號等級檢定統計量 ........................................................................................................................... 104. IX.

(11) 圖目錄圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 2-1 WebGIS 主從式架構圖 ................................................................................. 12 2-2 適性化系統中典型的適性化流程 ............................................................... 17 2-3 適性超媒體技術之分類法 ........................................................................... 19 2-4 知識領域 Q 之知識關係圖 .......................................................................... 22 2-5 Dick 與 Carey 系統化取向模型 ................................................................... 32 2-6 ADDIE 模型................................................................................................... 32 2-7 快速雛形建構模型 ....................................................................................... 34 3-1 研究流程 ....................................................................................................... 40 3-2 系統教材模型 ................................................................................................ 46 3-3 第一階段教材規劃模式 ................................................................................ 46 3-4 第二階段環域分析教材規劃模式 ............................................................... 48. 圖 3-5 Google Maps API 運作模式 .......................................................................... 51 圖 3-6 ArcGIS Server 運作模式 .............................................................................. 52 圖圖圖圖圖圖圖圖. 3-7 系統設計架構 ............................................................................................... 56 3-8 學生登入後畫面 ........................................................................................... 55 3-9 疊圖分析認知領域診斷例題一 .................................................................... 56 3-10 疊圖分析認知領域診斷例題一作答回饋 .................................................. 56 3-11 疊圖分析認知領域診斷例題二 .................................................................. 57 3-12 疊圖分析認知領域診斷例題二作答回饋 .................................................. 58 3-13 疊圖分析技能領域診斷例題 ...................................................................... 59 3-14 疊圖分析技能領域補救教學 ...................................................................... 59. 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 4-1 作答項目字體過小問題 ............................................................................... 64 4-2 作答項目字體過小問題改善狀況 ............................................................... 64 4-3 WebGIS 練習區設定模式 ............................................................................. 66 4-4 評量回饋不足問題 ....................................................................................... 67 4-5 評量回饋不足問題改善狀況 ....................................................................... 67 4-6 疊圖分析教學頁面 ....................................................................................... 69 4-7 空間資料庫的特性介紹與實作 ................................................................... 70 4-8 路網分析的定義教學 ................................................................................... 71 4-9 最佳路徑分析原有設計介面 ........................................................................ 72 4-10 最佳路徑分析更改後介面 ......................................................................... 72 4-11 最佳路徑分析活動第二次介面改良 ......................................................... 77. 圖圖圖圖圖. 4-12 原有地勢分析活動介面 ............................................................................. 78 4-13 地勢分析活動介面改良 ............................................................................. 78 4-14 原有地勢分析教材流程 ............................................................................. 79 4-15 改良後地勢分析教材流程 ......................................................................... 80 5-1 教學實驗流程 ............................................................................................... 83 X.

(12) 第一章緒論第一節研究背景地理資訊系統 (Geographical Information Systems, GIS) 是一種被設計來處理地理資料的資訊系統 (Star & Estes, 1990)。雖然早在 1960 年代第一套地理資訊系統便已被開發出來，並被引進到各級政府與大學當中 (Patterson, Reeve and Page, 2003)，但由於其系統的維持與運作成本總是居高不下，因此 GIS 在使用上一直停留在大學或科學研究機構中無法普及。然而近年來，由於相關硬體設備成本的快速降低以及 GIS 的人機介面(Human Computer Interface, HCI)已較以往大為改善，GIS 的使用人口在各領域有快速增加的趨勢。在 1990 年代初期，Tinker (1992)便強力主張 GIS 的教學不應被侷限於大學校園裡，應該要被引進到中小學體系當中。許多學者也開始評估當 GIS 引進到中小學後可以帶來什麼益處。Keiper (1999)認為 GIS 可以讓學生提高學習地理的動機，而 Forer 與 Unwin(1999)則相信當學生使用 GIS 時，其閱讀地圖的技能也會跟著獲得提昇。到了 2000 年之後，將 GIS 引進到中小學可以獲得的益處獲得更多的證明。除了可以增進學生對科學的自我滿意度，以及科技的正面態度外 (Baker and Bednarz, 2003)，還可以強化空間認知與解決問題的能力(Hall-Wallace and McAuliffe, 2002; Hagevik, 2003; Lee, 2005)，甚至可以促進其高層次的思考能力(Sanders, Kajs and Crawford, 2001; West, 2003)，以及強化地理概念的學習等 (Patterson et al. 2003)。由於其教學效益明顯，因此許多地區都在大力推廣中學 GIS 教育。早期像是美國在 1990 年代就已大力推廣 (Kerski, 2003)，新加坡的教育部也在 1998 年就開始為中小學製作 GIS 教學模組(Yap, Tan, Zhu and Wettasinghe, 2008)。2000 年之後，更多國家投入資源，依據 Kerski, Demirci 與 Milson(2013)的調查發現，截至 2013 年為止，已有中國、芬蘭、印度、挪威、南非、台灣、土耳其與英國共 8 個國家將 GIS 教學納入中學的課綱當中。 1.

(13) 雖然GIS有諸多教學效益，而許多地區也在大力推動，但GIS在中學教育層級的推廣卻出奇地緩慢。Kerski(2003)於1999年曾針對美國中學實施GIS教學的狀況做過普查。結果發現，全美高中當時使用 GIS 軟體的學校僅占不到 2%。後來在2004年又舉行了一次調查，儘管這段期間 GIS 教育推廣之工作仍不遺餘力進行，但是相較於 1999 年的統計數據，擁有 GIS 軟體的美國高中數量並沒有顯著的成長（Baker, Palmer and Kerski, 2009）。不只美國遭遇這種狀況，Yap et al.(2008)針對新加坡中學老師的GIS教學狀況進行調查，結果發現即使提供相關教材給教師，大部分教師仍不願意在課堂中進行GIS教學。以GIS教育的本質來看，GIS教育可分為學習GIS的理論與操作(learning about GIS)，以及如何應用GIS進行學習(learning with GIS)(Sui, 1995)。近年來，國外在進行中小學GIS教育時，多半採取learning with GIS模式(Kerski, 2003; Bednarz, 2004; Baker, 2005; Kerski et al., 2013)，不要求教師能進行GIS理論的闡述與軟體操作技術的教學。也因此，相較於Desktop GIS而言，雖然功能較不完整，但具有使用成本較低，以及操作介面較簡易等優點的WebGIS逐漸受到歡迎 (Webster and Milson, 2011; Kerski et al., 2013)。相對於國外強調以GIS作為輔助學習工具的狀況，台灣的高中地理課綱除了明定學生需在高一階段學習GIS的理論與應用潛力外，在高二的區域地理與高三應用地理中，也應透過GIS來強化地理的學習(教育部地理學科中心，民99)。換言之，台灣高中所要求的GIS教育同時涵蓋了 learning about GIS與learning with GIS兩大層面，而且明定學生在高一便應該學習 GIS的理論與操作。以學習高一地理資訊單元的需求來看，當前市面上常見的WebGIS(如Google Maps)雖然可以讓學生在軟硬體缺乏的狀況下接觸GIS，但若要滿足課程的需求，仍有三個狀況可以加以改進。一來目前可用於網路教學的WebGIS多不是為因應國內高中GIS教學而設置的，在應付一般普羅大眾的大量連線，以免伺服器負荷過重的前提下，往往缺乏空間分析的功能，以至於無法滿足課程標準中教學目標的需求；再者，即使目前逐漸有WebGIS教學網站的開發，但是在設計上都缺乏 2.

(14) 評量與線上即時輔助教學的功能，學生在使用這些網站後的學習狀況無法即時獲得檢視。最後，雖然WebGIS在操作上已經較Desktop GIS軟體容易許多，學生在學習過程中還是常常有無法順利操作的情況發生(賴正偉，民99)，以至其教學的效能無法完整發揮。隨著WebGIS技術的逐漸成熟，目前已有相當多的開發工具可供程式開發者發布具有空間分析功能的網路服務(Gong, Wu, Gao, Yue and Zhu, 2009; Zhao, Foerster and Yue, 2012)。然而一般教師多半不具有程式開發的背景，即使知道具有空間分析功能的WebGIS有開發的必要，也無法針對需求去進行開發。因此針對我國高一地理資訊單元需求，開發出具有空間分析功能，並可應用於教學的網路服務，將有助於課程的實施。目前電腦輔助教學的技術進展相當快速，教學網站已可以承載相當大量的資訊與媒體。但以實際教學現場的狀況來看，由於每位學生皆有不同的能力、背景、經歷和學習風格，一般傳統教學網站在設計上多半採取一體適用(one size fits all) 的方式，缺乏考慮學生個人知識、特質與喜好，不夠適性化、彈性化。即使可以提供大量的資訊與媒體，在無法建立回饋機制或缺乏互動的情況下，往往大大降低學生主動學習的興趣；另外，網頁間錯綜複雜的鏈結(Hyperlinks)容易使人迷失於網路超空間(Hyperspace)之中，且不易獲得整體資訊的概觀，不僅常常造成大量學習時間的浪費，也讓原本預設的教學功能大打折扣。為此，Brusilovsky （2001）提出適性化超媒體系統（Adaptive hypermedia system）的概念，希望在考量學生的學習目的、能力和個人特質下，系統可以派送最適合每個人需求的教學多媒體與評量，以便讓學生可以有效而快速地的完成學習過程。目前許多實證研究也證明適性學習系統的確可以改善學生的學習效果或節省其學習時間(Hung and Der-thanq, 2001; Conlan, Wade, Bruen and Gargan, 2002;. Sampson, Lytras,. Wagner and Diaz, 2004; Henze, Dolog and Nejdl, 2004; Lu, 2004; Chen, Lee and Chen, 2005)。. 3.

(15) 至於在WebGIS的介面部分，隨著近來Google Maps等WebGIS的盛行，雖然 GIS軟體的優使性已較過去大為進步，許多研究發現(Haklay and Zafiri, 2008； Ingensand and Golay, 2010)，一般人在使用WebGIS時仍會遭遇到相當多的困難。也因此許多學者呼籲在開發WebGIS時應進行優使化(Usability)的評估，以作為系統改良的依據(Koua and Kraak, 2004；Skarlatidou and Haklay, 2006；Nivala, Brewster and Sarjakoski, 2008；Haklay and Zafiri, 2008；Schobesberger, 2009)。綜合以上所述，如能讓WebGIS可以具有空間分析的功能，並將適性學習系統的概念加以帶入，讓學生可以在電腦前單獨藉由瀏覽器便可以進行學習，不僅可以克服傳統上以Desktop GIS軟體進行地理資訊教學的缺點，同時教師也能準確地掌握學習的成效與進度。另外，由於當前WebGIS在介面上仍有相當的改進空間，若能針對系統介面進行優使化評估，並據此加以改良，以確保學生不致於受到介面的干擾而影響學習，將有助落實高中一年級地理資訊單元的教學目標。. 4.

(16) 第二節研究目的與問題本研究的目的是開發一套可輔助高一地理資訊單元學習之適性WebGIS學習系統，並探究此系統是否可有效輔助學生學習高一地理資訊單元。基於研究目的，其具體研究問題如下：一、如何開發一套可輔助高一地理資訊單元學習之適性 WebGIS 學習系統？ (一)、高一地理資訊單元所需學習的內容為何？ (二)、系統內教材應如何規劃？ (三)、系統之開發應依循何種開發流程？ (四)、系統內應開發出那些具有空間分析功能的 WebGIS 服務？ (五)、開發出來的 WebGIS 服務如何與適性學習系統整合？ (六)、如何實施優使化評估以改良系統？二、適性 WebGIS 學習系統可否有效輔助學生學習高一地理資訊單元？ (一)、使用系統之學生可否提升高一地理資訊單元之學習成效？ (二)、使用系統之學生是否學習成效較自學之學生為高？. 5.

(17) 6.

(18) 第二章文獻回顧本研究欲結合 WebGIS 與適性學習的概念建立一套適性 WebGIS 學習系統，可以確實輔助高一生達成地理資訊單元中的學習目標。因此在文獻回顧的第一節中首先檢視目前在中學推廣 GIS 教學的困難，並歸納出台灣特有的推廣困難；之後於第二節裏檢視當前 WebGIS 技術與其在 GIS 教育上的應用，找出可解決台灣推廣困難之 WebGIS 技術；在第三節部分，則檢視適性學習系統之運作邏輯與可應用之教學理論，並評估何種教學理論最適合應用於適性學習系統與 GIS 教學之整合；最後，在第四節回顧目前常見之教學系統設計流程，找出最適合之開發模式。以下便依序進行介紹。第一節 GIS 在中學推廣的困難由於 GIS 在中學推廣的速度相當緩慢，因此已有許多學者針對其國內推廣緩慢的原因進行探討，並且歸納出推廣不易的原因，以進一步擬定改善的策略。台灣與世界各國相比，雖然在軟硬體的供給上已屬於相當充足的國家，但是由於課綱中所明定的教學目標也較一般國家為高，在目前也遭遇到了與他國相當不同的問題。以下分別就各國推廣的困難與台灣所遭遇到特殊問題分別加以闡述：一、各國在中學推廣GIS教育的困難雖然各國在學制與經濟發展的程度上有很大的差異，導致推廣的方式與程度也不同，但是有些共通的困難是許多國家都得面對的。歸類起來，最常見的困難有以下六項： (一)、基層學校缺乏足夠的軟硬體 Baker(2005)認為，許多中小學的電腦都已相當老舊，而一般Desktop GIS軟體往往所需要的硬體效能都相當高，因此造成了這些學校無法推廣GIS教學。隨著目前資訊化教學的強力推廣，此項困難看似已不復存在，但是截至目前為止， 7.

(19) 硬體與網路不足的狀況在開發中國家仍相當普遍，甚至在許多已開發國家如奧地利、紐西蘭、加拿大與美國等地也有這種狀況(Kerski et al., 2013)。 (二)、軟體昂貴與適當圖資難以取得雖然隨著GIS在各產業界逐漸普及後，GIS軟體的價格已大幅度的下降，而隨著WebGIS的快速發展，許多國家也已開始開發適合中學教育的WebGIS。但是對大部分國家而言，商業性GIS套裝軟體仍是推廣的主力。在中國、印度、迦納以及哥倫比亞等開發中國家，昂貴的軟體價格嚴重地阻礙了GIS的推廣(Dong and Lin, 2012；Tiwari and Tewari, 2012; Oppong and Ofori-Amoah, 2012; Salamanca and Vega, 2012)。而在已開發國家，雖然軟體較易取得，但對於圖資遭受到管制的國家而言，像丹麥、芬蘭與英國等地，仍有缺乏適當圖資的問題(Jensen, 2012; Johansson, 2012; Fargher and Rayner, 2012)。 (三)、缺乏適當課程資源 Bednarz與Schee(2006)曾針對美國與荷蘭的中小學GIS推廣進行跨國比較研究。結果發現，兩國都有許多學校雖然已購置了GIS軟體，但由於許多套裝軟體所附的教學資料都是針對大學課程設計的，無法直接應用於中學的教學環境下，反而造成了有GIS軟體，卻無法進行GIS教學的窘境。這項問題不僅存在於開發中國家，許多在中學推廣GIS較佳的國家如新加坡、芬蘭與挪威等(Liu, Tan and Xiang, 2012; Johansson, 2012; Rød et al., 2010)，也都面臨了缺乏適當課程資源的問題。 (四)、缺乏適當的教師訓練 Baker與Bednarz(2003)認為許多國家雖然在許多大專院校已經有針對教師開設的GIS課程，但是這些課程多半是教導教師如何使用GIS，而不是教導教師如何以GIS進行教學。因此除非更改教師訓練的模式，否則還是無法大量推廣。 8.

(20) 截至目前為止，許多國家例如加拿大、法國、挪威、南韓等，不管是職前或者是在職的教師訓練仍有相當的努力空間(Kerski et al., 2013)。 (五)、傳統GIS軟體的架構與操作過於複雜。長久以來，傳統的Desktop GIS軟體在人機介面上相當不友善，加上艱深的軟體使用技巧使得老師們在利用GIS進行教學上往往裹足不前(Green, 2001； Battersby, Golledge and Marsh, 2006)，是故介面相對較為友善的WebGIS成為了近來推廣的利器(Kerski et al., 2013)。 (六)、過度升學主義 GIS教學往往得耗費相當可觀的時間，加上其學習成效常無法以簡單的紙筆測驗加以檢測，因此在升學主義較為盛行的亞洲地區，教師往往會選擇性地簡要帶過GIS課程，無法讓學生們有充分學習的機會(Yap et al., 2008；Yuda, 2009)。若要真正成功地推廣GIS，勢必要對在地的GIS推廣困難有相當深刻的了解，才有辦法推出適當的改進方案。本研究旨在針對台灣中學開發出一套可有效輔助地理資訊單元教學的適性WebGIS教學系統，為了確保系統可真正迎合台灣需求，就先得對台灣所面臨的推廣困難有深刻的了解，因此底下再針對我國中學推廣 GIS教育的困難加以檢視。二、台灣在中學推廣GIS教學的困難相較於其他國家，台灣在中學推廣 GIS 的條件是相當優越的。首先在政策方面，台灣已將 GIS 納入高中地理課程標準超過十年以上，因此所有地理教師都必須於課堂中進行 GIS 教學(教育部，民 84)，也因為課綱的強制要求，教師在參加培訓活動上相當踴躍(Chen, 2012)；第二，在課程資源上，不管是網路資料或者是教科書出版社所提供的教材均相當豐富，且可直接應用於教學現場。例如由台大地理系所建置的 GIS 加油站(http://gisedu.tw/main.php)，即有相當多的 GIS 9.

(21) 教學模組可供高中師生取用。除了由教育部所主導的推廣活動外，許多高中教師與學術單位所架設的網站也提供相當多的技術支援與課程資源，例如宜蘭高中便設立了地理教學輔助平台(http://blog.ylsh.ilc.edu.tw/geo)，除了將該校學生參與歷屆 GIS 競賽的作品公開在網路上供他校師生參考外，亦提供最新的 GIS 技術新知。而新營高中的地理資訊分享平台(http://gis.hysh.tnc.edu.tw)與花蓮女中的老歐地理(http://geogou.blogspot.tw)除了提供課程講義外，也將該校所研發的 Desktop GIS(包括 ArcGIS 與 QGIS)操作手冊公布於網路上；至於在學術單位部分，我國中研院的地理資訊科學研究專題中心(http://gis.rchss.sinica.edu.tw)也不定期更新 Google Maps/Earth 與 QGIS 的最新技術新知，以供給第一線教師教學參考；第三，台灣中學在資訊軟硬體設備上有相當大的優勢。根據陳哲銘與王耀輝(民 99)的調查發現，台灣的教師們普遍認為校內所使用的電腦是足以作為 GIS 教學之用的。且即使在商業性 GIS 軟體無法取得的狀況下，教師們也多半會使用 WebGIS 或免費的 GIS 軟體(如 Google Earth)來進行教學。在學校軟硬體、課程研發與教師訓練等層面上，台灣都或多或少已經克服困難，目前台灣所面臨的問題是許多仍在GIS推廣初期階段國家所尚未遭遇的。由於我國在新課綱中規定，在高一地理的課程中便需要教授GIS。然而根據Wang 與Chen(2013)的調查發現，台灣的高中地理教師認為推動GIS單元教學最大的困難在於「整體地理課程安排過於緊湊」，導致實際課堂教學時間不足以完整進行 GIS教學。其結果造成我國過於偏重在認知層面的教學，而缺乏技能層面的訓練。大多數的地理教師在高一課堂中，僅有將GIS的內容與功能大略介紹，GIS 處理空間問題的潛力並未在教學中被凸顯出來；再者，教師們認為推動GIS教學的第二大困難是「GIS軟體售價過於昂貴」。由於我國地理教師多半已會使用WebGIS 或免費的GIS軟體在課堂上進行教學，而其之所以提出GIS軟體售價過於昂貴是重大推廣困難的原因在於，大部分教師(92%)多半希望學生們有機會實際操作 GIS的空間分析功能(如路徑分析、環域分析與地勢分析等)。但是就一般老師的認知而言，該類功能多半只能在昂貴的商業性GIS軟體，或者是免費但仍需要相 10.

(22) 當多操作練習的自由軟體（例如QGIS）(http://www.qgis.org）上才可達成，因而導致我國學生普遍無法獲得實作的機會。. 11.

(23) 第二節 WebGIS技術近年來在電腦設備的大幅降價與網路速度的快速提升下， WebGIS獲得了快速發展的契機，許多嶄新的技術與產品不斷地提出。同時，以WebGIS融入教學的教育研究也大量產出。以下謹就WebGIS的發展現況與WebGIS在教育中的應用分別闡述之：一、WebGIS 的發展在過去GIS的使用者仍僅限於少數的專家的時代，軟硬體與資料通常被固定在同一台電腦上，學生如果要進行GIS的學習活動，就一定得到該台電腦前才有辦法。然而在1990年代網際網路蓬勃發展後，GIS開始發展分散式架構，GIS的軟硬體與資料不用再固定於同一位置，使用者可透過網路協定於遠端進行GIS資料的分析與傳輸。Fu與Sun(2010)認為WebGIS最簡單的形式便是單一的主從式架構(Client-server model)。以圖2-1為例，使用者可以在客戶端以客戶端軟體(如 Arcexplorer或網路瀏覽器)透過網路協定傳送像縮放地圖或查詢地點等GIS服務請求給伺服器端，而伺服器端則以Web伺服器接受其請求後，再傳送到GIS伺服器，由GIS伺服器完成所有數據處理工作，最後再反向傳送處理結果給客戶端。在這種結構底下，客戶端的軟硬體需求通常會大幅度降低，GIS服務於是便可以給更多使用者來使用。伺服器端. 客戶端 GIS 服務請求客戶端軟體. Web 伺服器處理結果圖 2-1 WebGIS 主從式架構圖. 12. GIS 伺服器.

(24) 在過去由於網路速度的受限，以及硬體規格昂貴的影響，WebGIS的發展相當緩慢。但是這種狀況在近年來各大軟體公司與技術單位開始推出各種伺服器端網路GIS軟體後快速改變。首先在1994年時，由明尼蘇達大學所開發的開源軟體 -MapServer 率先讓大家發現 GIS 可以透過網路將數位地圖資料傳送出去 (http://www.mapserver.org)。之後，The Open Planning Project(TOPP)這一個非盈利性的技術性團體發起創建的GeoServer也在2001年釋出(http://geoserver.org)，讓 WebGIS的開發者有更多的選擇。除了開源軟體以外，在商業軟體部分，一直以來掌握GIS產業龍頭地位的Environmental Systems Research Institute( ESRI)，也在 2000年時發布穩定版本的ArcIMS 3.0地圖伺服器，並且隨後在2004年推出更容易進行網路地圖開發的ArcGIS Server(http://www.esri.com)。到了2005年，隨著Google Maps與Google Earth的問世，更為WebGIS的發展產生重大的影響。一般普羅大眾過去所無法接觸到的GIS，現在只要在家中的電腦前，彈指之間便可直接操作。更甚者，Google在同年開放Google Maps API，讓大眾可以直接將WebGIS的功能內嵌到其他網站當中，並且與其他應用程序互相搭配，產生更多嶄新的WebGIS服務。例如我們可以以 Google Maps為平台，將文字、相片，甚至是影片等資源與地圖中的物件產生連結，讓其他使用者在以滑鼠點擊地圖間，便可獲得我們想要提供給他的資訊。由於Web GIS的快速發展，因此近年來Web GIS的發展架構已由過去的主從式架構改為服務導向架構 (Service Oriented Architecture)(林峰田，民97)。所謂的 SOA指的是在網際網路的環境下，透過標準的界面，將分散於各地的硬體設備(儲存空間)、資料庫、(空間)分析功能，組合而成一個資訊系統。藉由SOA概念的推廣，由開放式地理資訊系統協會 (Open. GIS. Consortium,. OGC)( http://www.opengeospatial.org)所提出的網路服務標準，包括網路地圖服務 (Web Map Service, WMS)、網路圖徵服務(Web Feature Service, ＷFS)也逐漸在網路上普及。其中WMS是一種能從地理資訊中，依使用者要求，動態產生對應地圖影像(如PNG、GIF與JPEG等影像檔)的服務。目前許多的Web GIS伺服器程式 13.

(25) 皆可發布WMS服務，例如ESRI所推出的ArcIMS與ArcGIS Server，以及開源的 MapServer與GeoServer等。但WMS所提供的地圖僅只是影像檔，我們無法去編輯或是對其做進一步的空間分析，因此才有WFS的提出。WFS是提供一個讓我們能夠在各種不同的作業平台上，直接透過標準網路呼叫取得地理圖徵的方法，由於是以圖徵的方式發布出來，所以原始的地理向量資料，便可以在網路上直接讀取，讓使用者進行進一步的分析或利用。雖然WMS與WFS可以讓使用者在網路上讀取與利用GIS資料，但是若使用者想要利用這些資料進行空間分析，往往得再購置昂貴的空間分析軟體，才有辦法進行，因此OGC所制定的網路程序服務(Web Processing Service, WPS)也因應而生。它可以讓使用者直接透過網路提供的服務進行空間分析，讓空間分析真正達到雲端運算的效果，因此雖然WPS 尚在萌芽階段，卻具有相當的潛力(林峰田，民100； Evangelidis, Ntouros, Makridis and Papatheodorou, 2014)。目前WPS服務的實例有屬於商業軟體的 ArcGIS Server 、 ArcGIS Online (http://www.esri.com) 與 GIS Cloud(http://www.giscloud.com) ，以及屬於開源軟體的 52north WPS(http://52north.org)與deegree WPS (http://www.deegree.org)。在商業軟體部分， ArcGIS Server的功能最為強大，但其授權費用相當高昂；而ArcGIS Online與GIS Cloud雖然授權費用稍低，但相對的功能也受到侷限，僅有少數的空間分析模組可以使用，例如地勢分析、最佳路徑分析等功能並未納入其中。至於在開源軟體部分，52north WPS與deegree WPS雖然都可以發布WPS服務，但是僅有52north WPS開發出可在瀏覽器端執行的介面，所開發出來的空間分析模組也是兩者中數量較多的。二、WebGIS在教育上的應用由於WebGIS的快速發展，設立WebGIS讓學生以單一平台(如瀏覽器)進行GIS 學習已逐漸盛行。也因此目前許多評估WebGIS教學成效的研究，正快速產出當中，例如Patterson(2007)以Google Earth為平台，針對美國南卡羅萊納州的七年級 14.

(26) 學生設計一套地理科教案，在教學完後評量中發現，學生不僅在地理常識方面的表現獲得明顯的改善，同時在批判性思考與探究性思考能力的表現上也獲得提升； Milson and Earle(2007)則以Globalis這一個WebGIS網站，讓美國九年級生針對非洲作主題探索，結果發現，透過WebGIS的輔助，學生不僅增加了對不同地區文化的理解，教師更可以達成神入(Empathy)教學的目的；Songer(2010)則以自行架設的WebGIS網站來輔助美國大學生進行人文地理的教學，結果發現有使用 WebGIS網站的學生在學業表現與課程滿意度上都比未使用的學生來得高；在芬蘭，Ratinen與Keinonen(2011)則觀察芬蘭的師生在使用Goolge Earth 以問題導向 (Problem-based)模式來學習地質學時，師生的思考技巧均有顯著提升；Henry and Semple(2012) 則以自行開發的 H2OMapper 進行地球科學的專題導向學習 (Project Based Learning)，其研究結果也發現學生不僅學習效果獲得改善，而且對於軟體的滿意度也相當高。由上述的實證研究結果我們可以發現，目前在國外以WebGIS進行教學的模式已漸漸融入各學習階段與各個學科當中，這證明了只要經過良好的設計， WebGIS是可以達到learning with GIS的效果的。然而由於國外認定GIS是一個輔助學習的工具，所以針對中小學階段如何learning about GIS的研究是相對較為缺乏的。除了國外的實證案例外，近年來台灣對於使用WebGIS來進行網路GIS教學的研究也正逐漸興起，廖葆禎（民92）分析了多個數位地圖的網站，並將相關資源整合進行教學實驗，研究結果發現當時高中生對於電子地圖的操作介面仍相當陌生；蔡志勇（民94）則透過國小教師對WebGIS網站的評估，發現當時一般WebGIS 對於國小教學而言已經足夠；Huang(2011)則在2004年時，以Flash技術針對國小學童開發出模擬GIS介面的區域地理學習網站，結果發現以GIS介面進行探索式學習的學生，其學習成效較使用傳統結構式網站學習的學生為佳；而隨著2005 年Google公司推出了Google Earth後在全球掀起使用熱潮，國內也逐漸出現針對 Google Earth的GIS教育研究，例如江映瑩（民96）即以高中區域地理為課程主體 15.

(27) 內容，配合Google Earth進行教學實驗，發現透過Google Earth教學可有效提高學生的學習興趣及輔助課本概念之理解。在Google Maps API與Google Earth API提出後，賴正偉（民99）與洪挺晏(民 100)更嘗試以Google Maps API與Google Earth API為基礎，架設針對高中地理資訊單元的學習平台，這兩個網站架設的研究與之前國內針對WebGIS網站教學潛力探究的研究最大的不同點在於，這兩個WebGIS教學網站是針對我國高中地理資訊單元的學習而設計的，因此在WebGIS服務的開發上特別重視空間分析功能的賦予。雖然這兩個網站都有增強我國高中地理資訊單元教學的成效，但是在空間分析功能的開發仍不充足，其網路服務的開發仍側重在WMS與WFS，對於WPS 仍付之闕如，使用者並無法透過網路提供的服務直接進行空間分析。除了以Google Maps API與Google Earth API開發的教學網站以外，國內教師也開始使用國土資訊系統相關服務來進行地理資訊教學。其中最常見的便是「台灣百年歷史地圖」(http://gissrv4.sinica.edu.tw/gis/twhgis)與「地質資料整合查詢系統」(http://gis.moeacgs.gov.tw/gwh/gsb97-1/sys8/index.cfm)，這兩套系統已針對高中教師進行多場的研習推廣，因此在國內高中已有相當的知名度。然而與前段所述的教學網站一樣，僅提供WMS與WFS服務，因此在空間分析的功能上，並不滿足高一地理資訊單元教學的需求。有鑑於我國高一地理資訊的教學目標主要為learning about GIS，僅使用WMS 與WFS來進行WebGIS教學網站開發，必定會使其空間分析的能力受到侷限，因此開發出具有WPS功能的GIS教學網站，在實務上具有相當的必要性。然而，開發出具有WPS功能的GIS教學網站雖然可讓學生們實際操作GIS空間分析功能，但是高一實際課堂教學時間不足的問題，仍會讓老師們對於GIS教學裹足不前。因此能讓學生們在有限時間內獲得有效學習的適性學習系統，若能與適當的WebGIS服務整合，將有機會解決我國高一地理資訊單元的教學難題。. 16.

(28) 第三節適性學習系統適性化學習 (Adaptive Learning)是數位學習最具有代表性的議題，而其中的「適性化」強調的是依據學習者的狀態或個人特質，調整系統的內容或呈現方式，來符合學習者的個人化需求(黃國禎、蘇俊銘、陳年興，民101)。因此，適性學習系統(Adaptive Learning System, ALS)建立的宗旨為考量到個別的差異，例如學生的能力、性向、習慣、興趣或學習困難等，進而提供適合個別學生的學習活動、介面或內容。而提供的方式通常是採用人工智慧的技術，讓電腦去模仿教師的角色，讓學生可以得到因材施教的效果(Brusilovsky, 1996；Devedzic, 2004)。以下謹就其運作的邏輯、可結合的學習理論，與目前市面上常見的適性學習平台一一介紹：一、適性學習系統的運作邏輯依據 Brusilovsky 在 1996 年提出的適性化流程（Classic process of adaptation in adaptive systems）(圖 2-2)，系統起初收集使用者的相關資料（Data about user），並進一步進行使用者模式化(User modeling)而建立起使用者模式（User model），再者經由適性化（Adaptation）的過程，針對不同學生的使用者模式給予不同的適性化教學，而達到影響學生學習的效果（Adaptation effect）。. 收集（collects）系統(system). 使用者相關資料 (data about user）. 處理（processes）使用者模式化(user modeling) 使用者模式（user model）. 處理（processes）適性化（adaptation）圖 2-2 適性化系統中典型的適性化流程資料來源： (Brusilovsky, 1996) 17.

(29) ALS 可以在學習過程中根據學生的特性動態地產生合適於學生之教學內容和適性地呈現教材(Brusilovsky, 2001)。而這種系統的適性化又可分為適性呈現（Adaptive presentation）與適性導向（Adaptive navigation）兩種模式(Brusilovsky, 2004；Stewart, Cristea, Brailsford and Ashman, 2005)。適性呈現的方式是將學生要學習的內容或教材，考慮學生的學習狀況後，以一些小單元知識組合呈現，分為適性多媒體呈現 (Adaptive Multimedia presentation) 、適性文字呈現 (Adaptive text presentation) 與可程式化適性 (Adaptation of modality)；適性導向則藉由調整超媒體的連結與內容，提供了同時具有教育背景以及針對個別的學生客製化的有效學習路徑，也就是提供適性化的學習路徑。其中又分為直接導覽(Direct guidance)、鏈結適性化排序(Adaptive link sorting)、鏈結適性化隱藏(Adaptive link hiding)、鏈結適性化註解(Adaptive link annotation)與導覽圖調適(Map adaptation)(圖 2-3)。. 18.

(30) 適性多媒體呈現 (adaptive multimedia presentation) 適性文字呈現 (adaptive text presentation). 適性呈現 (adaptive presentation). 直接導覽. 適性超媒體技術. (direct guidance). (adaption technologies). 適性導向. 鏈結適性化排序. (adaptive navigation support). (adaptive sorting of links) 鏈結適性化隱藏 (adaptive hiding of links) 鏈結適性化註解 (adaptive annotation of links) 導覽圖調適 (map adaption). 圖 2-3 適性超媒體技術之分類法資料來源：(Brusilovsky, 2001). 不管是適性呈現或適性導向，要達成這些功能必須要系統內部各個模組之間相互配合才成。Henze et al.(2004)認為所有的適性學習系統應該要包含 4 個模組，包括知識空間 (Knowledge space) 、使用者模組 (User model) 、觀察模組 (Observations)以及適性模組(Adaptation model)。知識空間在適性學習系統中擔負的角色主要有兩部分，一是紀錄教學媒體的位置，二為記錄所要教學概念的知識構圖；使用者模組則是用來記錄學生具有那些先備知識、學習傾向，甚至是學習風格等資料；觀察模組則是用來監控學生的學習狀態；最後適性模組則在系統中 19.

(31) 負責決定該派送給學生那些教學媒體。其系統運作的順序通常是先由教學者在系統中建立知識空間，接著學生主動或被動進入系統將個人資料登記於使用者模組中，當學生於系統中開始進行學習時，觀察模組變會開始監控學生的學習狀態，並通知適性模組到知識空間中抽取適當的教學媒體派送給學生。雖然上面的敘述已經可以呈現適性學習系統如何派送學習材料，到底要在何種情況下決定派送哪一份學習資料則具需要設計者來加以設定。以系統的分類來看，適性學習系統仍是屬於學習系統的一種，而學習系統的開發首先要考量到的，便是學習的目的與知識類型為何者，並且找出其適合的學習理論作為基礎，如此才能設計出真正發揮教學效果的系統(Ally, 2004; Hadjerrouit, 2007)。二、可應用於適性學習系統的學習理論以目前線上學習系統的開發狀況來看，最常應用的教學理論可分別三大類型，分別是行為主義(Behaviorism)、認知主義(Cognitivism)與建構主義(Constructivism) (Ally, 2004)。以下我們便分別對三種類型理論在數位學習時的應用加以說明，並於之後評估適合於適性地理資訊學習系統的學習理論。 (一)、行為主義(Behaviorism) 行為主義在 Skinner(1963)確立操作制約的概念後，其理論學說影響當代教學環境甚深，其論點包含以下三點: 1.著重刺激與觀察行為之間的關係。 2.認為內在無法觀察的心理活動不是行為科學研究的領域。 3.主觀環境的影響重於先天的本質。以目前適性學習系統的開發來看，常利用到的學習理論仍有相當的比例使用行為主義，其中最常見的便是知識空間論(Knowledge Space Theory, KST) (Albert and Lukas, 1999；Conlan et al., 2002)。其原理為先以概念構圖的方式先建構知識領域(Knowledge Domain)，該知識領域可由一組相關的試題來呈現，例如我們可 20.

(32) 有一知識領域為 Q(能了解侵蝕輪迴的成因)，而 Q 可由 a、b、c、d、e，五個題目所構成(表 2-1)，表示方式為 Q = {a, b, c, d, e }。以 and-or-graph 方式呈現就如同圖 2-4 所示。在這例子中，我們可以看到若學生能夠解問題 c—曲流地形形成的原因，那麼他一定可以解決問題 a—河積作用如何改變地表地形與 b—河蝕作用如何改變地表地形。我們可以將其表示為 a£c 以及 b£c，也就是說 a 與 b 是 c 的前提(prerequisite)。同例子中，假設最初測驗時出問題 e，而學生答錯了，代表學生可能不了解板塊運動對地表地貌的影響，或者不了解河積與河蝕作用如何交互改變地表地形(問題 d 與問題 c)，但若接下來學生答對了問題 d，則可確認學生對於問題 c 中的觀念不清楚，接下來若學生答對了問題 a，那麼我們便可以確認，學生是因為問題 b 中的觀念不清楚，才導致於對侵蝕輪迴的成因無法釐清。此時我們便可以依此給予學生適當的補救教學。. 21.

(33) 表 2-1 知識領域 Q 之題目問題代號. 對應觀念. 對應題目. a. 河積作用如何改變地表地形?. 下列何種地形不屬於河積地形？(1)沖積扇(2)氾濫平原(3)三角洲(4)峽谷. b. 河蝕作用如何改變地表地形?. 下列何種地形不屬於河蝕地形？(1)峽谷(2)瀑布(3)壺穴(4)沙洲。. c. 河積與河蝕作用如何交互改變地表地形?. 下列關於附圖曲流中的甲岸和乙岸地形比較，何者錯誤？. d. 板塊運動對地表地貌的影響為何?. 下列何種內營力作用會加速河川的侵蝕作用？(A)板塊相對上升(B) 板塊相對下降(C)河中泥沙減少(D) 河中泥沙增多。. e. 侵蝕輪迴的成因 ?. 附圖為河流剖面變化。請問：下列何者會導致丙時期 →甲時期？ (A)河床坡度變緩 (B)含沙量增加 (C)海平面下降 (D)海平面上升。. 資料來源：本研究自行整理. 圖 2-4 知識領域 Q 之知識關係圖. 22.

(34) 該理論對於知識結構較易釐清，且認知與技能較不易有所區隔的科目(如數學) 而言，可說是相當適用。依地理資訊的學習邏輯來看，若某一學生要學習 GIS 中「屬性查詢」的功能，那麼他必定得要了解「空間跟屬性資料」的不同，否則根本無法學習得到；同樣的道理，若他要學習「路徑分析」的功能，那麼就一定得了解「向量與網格資料」之間的差別，才有辦法正確應用路徑分析。在此部分知識空間論是可以應用到地理資訊單元的教學的。但是地理資訊單元的教學還有一更重要的特性，是知識空間論無法達成的，因為知道屬性查詢跟是否真的會使用 GIS 進行屬性查詢是不同的，學生要達到真正以 GIS 進行屬性查詢，就必須要達成某一程度的軟體操作技能。這種狀況與上述的狀況(了解數學原理跟以該原理進行計算)相較，學生所必須要跨越的學習障礙是相當大的，因此有必要以其他原理加以輔助才行。 (二)、認知主義(Cognitivism) 在各種認知主義的教學理論中，Bloom認知領域教育目標分類(Bloom, 1956) 佔有相當重要的地位。但由於第一版教育目標分類已使用相當時間，面對日新月異地教學環境，漸漸地已不敷使用。隨著教育領域相關學術研究成果的不斷累積，該理論終於由Anderson與Krathwohl(2001)提出修訂(詳見附錄一)，修訂後教育目標的分類分成知識向度（knowledge dimension）和認知歷程向度（cognitive process dimension）兩部分。就知識向度而言，擷取新近認知心理學的研究成果，將知識分成事實(factual)、概念(conceptual)、程序(procedural)和後設認知(metacognitive) 四類，每一類再細分為若干細類目。而認知歷程向度則分為記憶(remember)、瞭解(understand)、應用(apply)、分析(analyze)、評鑑(evaluate)、創造(create)等六類，每一類亦再細分為若干細類目。與舊版相較，新版將目標類別從一個向度改為兩個向度(認知歷程與知識歷程)，因此促成了分類表(taxonomy table)的產生。而類別關係也從舊版的「累積性階層」 (cumulative hierarchy)轉為「漸增複雜性階層」 (increasing complexity hierarchy)。因此若我們透過分類表來設計教學活動與評量 23.

(35) 將可更有效把握住知識由低至高，由記憶到創造，由具體事實性知識到抽象性後設認知的過程，讓學生的學習成果可以更有效管控。然而 Bloom 雖將教學目標分為認知、情意與技能三領域，但是卻只有在認知與情意領域設定較完整的教學目標細項，即使新版也未對技能領域的教學目標多加著墨。因此應用 Bloom 之認知領域教育目標分類，固然可以有效輔助認知層面教育的需求，卻對技能層面卻會有侷限。李堅萍(民 90)曾針對 Simpson、 Harrow 與 Goldberger 三種技能領域教育目標進行比較研究，發現 Simpson 分類理論的 7 大階層(詳見附錄二)，分別為(1)知覺(Perception)(2)趨向(Set)(3)導引下的反應(Guided Response) (4)機械化(Mechanism) (5)複雜且明顯的反應(Complex Overt Response)(6)適應(Adaptation)(7)創新(Origination)，明顯的可與 Bloom 模式結合，因此最符合國內教學環境之需求。對應到國內地理資訊單元的教學，如果我們現在要針對「地勢分析」來設計教學與評量活動，那麼我們可以先在認知上評量學生是否「了解地勢分析的程序知識」，若學生評量不過，則進行地勢分析的理論教學，待學生確實了解地勢分析的程序知識後，再給予學生進行「應用地勢分析程序知識」認知層面的評量，若學生已在認知層面上知道如何應用地勢分析，那麼我們便可以給學生實際操作 GIS 中地勢分析的技能評量，這時，是在 GIS 教學中最容易遇到困難的時候，若學生在這階段無法通過考驗，那麼我們就可以利用 Simpson 技能目標領域中的「導引下的反應」，讓學生先依照老師提供的範例，按步驟一步一步操作，以求確實達成技能分析中「導引下的反應」的目標，之後我們可以再給學生更多不同的地勢分析測驗，以求學生可以達到「機械化」的目標。 (三)、建構主義(constructivism) 建構主義認為學生會依據個人的特質詮釋資訊與周圍的環境，透過觀察、處理、詮釋與知識的特化來學習。在學習的過程中，學生是主角，而非旁觀者。知識的體系應由學生自己建構出來，而老師的角色則是提供學生需要的協助與回饋。 24.

(36) 在適性學習領域裡常應用的建構主義理論有兩種分別為自我調整學習 (Self-Regulated Learning, SRL)與學習風格理論(learning style)，以下依序陳述: 自我調整學習是一個主動建構的歷程，在此歷程中，學生會依據特定工作的察覺及對該工作的動機與情感來設定學習目標，並以此目標監督、控制與調整自我的認知、行動甚至是情境(Puustinen and Pulkkinen, 2001)。而SRL可以視為學前的思考計畫(forethought)、學習中的意志控制(volitional control)與學習後的自我反思(self-reflection)三階段的迴圈(Zimmerman, 2002)。藉由強化學生的自我滿足與學習動機，進而促成自我學習方法的不斷改良，而自律的學生(Self-regulated learner)由於具有高度的學習動機，故在學業表現上往往可以獲得較高的成就。然而要成功的運作自我調整學習模式，其先決條件在於學生必須要具有自我調整的能力，否則迴圈根本無法啟動。因此在教學上給予學生的自由揮灑的空間應該是漸進式的，一開始應給予學生適當的協助，當學生自我調整能力逐漸增強時，才給予其更多的主控權(Aviram, Ronen, Somekh, Winer and Sarid, 2008 )。此概念與鷹架理論剛好不謀而合，也就是說教師在學生的學習歷程中所給予的輔助應該逐漸減少，最後讓學生能獨自應用其新學的知識、技能(Lipscomb, Swanson and West, 2004)。至於學習風格方面，該研究在心理學與教育學領域中有相當悠久的歷史，而且已許多學習風格模型被提出。Steiner, Nussbaumer and Albert (2009)認為這些模型可以依其定義概分為五類，且都有機會於適性學習系統中實現，例如第一類模型是假設人與生俱來便有聽覺 (auditory) 、視覺 (visual)、觸覺 (tactile)與動覺 (kinaesthetic)四種主要學習風格模式(e.g. Dunn & Griggs, 2003; Gregorc, 1979)；第二類模型則是認為學習風格的不同乃是由於每個人心中的認知風格就有所不同。例如 Riding 與 Rayner (1995)即認為學生可分為文字型與圖像型兩種認知風格，兩種學生在學習過程中會自動採取不同的學習策略。；第三類則是把學習風格當作是人格特質中的一部分，具體的範例為邁爾斯 -布里格斯性格分類指標. 25.

(37) (Myers-Briggs Type Indicator, MBTI)( Myers &McCaulley, 1985)，在此分類指標下，可以用四個人格特質來描述個體差異，分別是 A.外向型（E）/內向型（I） B.感覺型（S）/直覺型（N） C.理性型（T）/感性型（F） D.判斷型（J）/理解型（P）四個向度在每個人身上會有不同的比重，不同的比重會導致不同行為差異性的表現，以上四個維度兩兩組合，共有十六種類型。教師們可因學生類型的不同來給予不同的教學；第四類則是認為個人的學習風格會隨學習對象與環境而改變，但是長期而言，仍有一固定的模式。Kolb的學習風格(Kolb & Kolb, 2005)是該類模型中最常見的，他認為每個人在學習過程中通常會經歷「具體經驗(Concrete Experience, CE)」→「反身性觀察(Reflective Observation, RO)」→「概念化(Abstract Conceptualization, AC)」→「主動的實驗(Active Experimentation, AE)」四階段，最後再回到具體經驗(CE)的循環，只是每個人在面對特定學習對象或目標時，所在的位置不一樣，因而構成四種學習風格，即位於CE-RO間的分散型(Diverger)、 RO-AC間的同化型(Assimilator)、AC-AE間的聚合型(Converger)與AE-CE間的調適型(Accommodator)四種；最後一類則是將學習方法、策略視為學習風格。 Vermunt (1996)所提出的學習風格目錄(Inventory of Learning Styles)是該類中的重要範例，他認為學生的學習風格可依其本身既有的認知結構與新學習事物之間的連結模式來作畫分，共有四種型態，分別為無相關型(undirected)、再現連結型 (reproduction directed)、有意義的連結型(meaning directed)與藉由實作產生連結型 (application directed)。每一種在學習策略與學習心態皆不相同，教師得依據其學習風格來給與適當輔助。因此當我們在設計適性學習系統時，就可以依照學生不同的學習風格派送不同的教材，以達到適性的目的。綜觀當前學習系統的開發模式，建構主義教學系統研發是當前西方教育界最熱門的研究領域(Molenda, 1997；Driscoll, 2007；Reiser, 2007；Willis, 2009)。相 26.

(38) 較於傳統教師本位的學習環境，建構主義取向的教學期待教師能營造一個以學生為本位的學習環境，鼓勵學生主動參與學習過程，但該理論在本研究中卻有難以實施的問題。因為不管是「適性呈現」或者「適性導向」，啟動的依據多半是來自於學生本身的特質，若依行為主義或認知主義的主張，可以藉由單純分析學生的學習狀況與程度來啟動該項功能。但以建構主義的觀點來看，所需考慮的還包括了學習時的情境、學習過程中的各項活動，以及學習時群體相互影響的效應等要素，通常需要學生投入相當長的學習時間，才可看到其輔助學習的成效。由於本研究所欲開發的系統，是要讓學生可以在較短時間內獲得學習成效，因此若以建構主義為基礎來設計系統，則有違系統設計的預期目的。再者，我國的地理教育在長期以來便一直以 Bloom 認知分類作為最主要的教學設計依據(陳國川與施添福，民 76)。蔡慧瓊(民 100)曾針對 8 位高中地理教師在進行 GIS 教學時的教學模式進行訪談，結果發現全部教師都採用認知主義的學習理論來進行教材的編撰，因此若採用認知主義作為系統開發的基礎，教師也較易接納。由此看來，認知主義中的 Bloom 認知分類與 Simpson 的技能分類較適合作為本系統之教育理論基礎。然而以定義而言，GIS 的技能屬於數位技能的一種。陳怡真(民 96)認為在進行數位技能領域的教學設計時，教材設計者需透過循序漸進的設計模式，一開始先讓學生建立技能相關的認知基礎，接著藉由多媒體或影片進行示範，以利學生掌握技能訣竅並將技能內化，達到靈活運用的程度。顧大維與黃永欣(民 100)也認為在從事數位技能領域的教學時，多媒體與影片是相當重要的工具，經過良好設計的示範影片，可以讓學生們快速而確實地學到數位技能。因此若要確保學生在系統內學習時，可以順利達成 Simpson 理論中的「導引下的反應」，就應該在適當的時機提供給學生有關 WebGIS 操作的影片教學，讓學生可以確實掌握操作的重點。三、適性學習系統平台. 27.

(39) 適性學習系統的教學功效雖然屢獲肯定，但是卻一直未大量普及，其關鍵原因在於其開發過程不僅所費不貲、耗時耗力，而且往往只針對單一主題教學，主題進行開發完後，便不再更新(Eklund and Sinclair., 2000；De Bra, Aerts, Berden, and De Lange, 2003)，因此一般教師很難有機會使用這類型系統。Dagger, Wade and Conlan (2005)認為要克服這種狀況，有兩個問題要解決，分別是系統結構的重新調整與提供容易使用的適性教材編輯軟體(adaptive authoring softeware)。在系統結構的重新調整部分，早期的 ALS 在開發適性教材時就得要一併更動系統的主結構，而這無形中阻擋了一般教師參與課程開發的機會；再者，在適性教材編輯軟體的提供部分，早期的系統課程開發並沒有圖形介面的編輯系統，課程開發者除了要了解系統的運作邏輯外，還需要具有特定的程式語言基礎才能參與。上述兩項困難造成早期適性學習系統一直無法普及。目前針對這兩項困難的解決，在系統結構的重新調整部分，已有許多系統架構都已經達成了把系統模組與課程內容分開的格式。例如由荷蘭的 Adaptive Hypermedia Application Model(AHAM)架構(De Bra, Aerts, Smits and Stash, 2002) 與英國的 Adaptation Language(LAG)架構(Cristea and Verschoor, 2004)；另外，在適性教材編輯軟體部分，已有相當多開放原始碼軟體被提出，例如由荷蘭所提出的 Adaptive Hypermedia Architecture, AHA(De Bra et al., 2002)、英國所提出的 My Online Teacher(MOT+)(Cristea, 2004) 與 Adaptive Course Construction Toolkit (ACCT)( Dagger et al., 2005)，以及澳洲的 Learning Activity Management System, LAMS）(Dalziel, 2006)等等。這些軟體都內建了多樣化的評量與教學活動模組，教師可針對特定的學習理論，在這些軟體中編寫適性教材。表面上看來，我們似乎有相當多樣化的選擇，但是若以實務上來看，有幾樣平台本身設計上的限制，讓它們在台灣無法適用。首先，這些系統的開發都在國外，因此許多系統的字體編碼無法適當呈現中文(如 AHA、MOT+與 ACCT)；再者，許多平台雖然在開發教學活動上已較過去簡便，但很多時候，仍需要教師們以撰寫程式碼的方式來達成(如 MOT+與 ACCT)，造成多數一般教師在參與教學 28.

(40) 活動的設計時，受到相當大的阻礙；最重要的是，許多系統平台在監控學生學習狀況的功能上，根本沒有圖形界面的設計。經過比較，考量系統的開發難易度與之後推廣到實際教學現場的可行性後，澳洲 MacQuarie 大學所研發 LAMS 系統在教學活動開發上較簡易，同時可支持中文字體的呈現，相對於我國來說較適當的開發平台 (表 2-2)。表 2-2 開放原始碼適性學習平台之比較軟體名稱. 主要適性功能取向. 教學活動開是否發難易度支持中文. 是否提供管理者或教師圖形監控學生界面. AHA (De Bra et al., 2002). 適性呈現、適性導向. 低. 否. 無. MOT+(Cristea, 2004). 適性呈現. 高. 否. 無. ACCT( Dagger et al., 2005). 適性呈現、適性導向. 高. 否. 無. LAMS(Dalziel, 2006). 適性導向. 低. 是. 有. 資料來源：本研究自行整理. 選定了適當的學習理論作為教材編撰基礎，並且找出符合我國需求的適性學習平台之後，接下來所要面對的便是如何整合 GIS 教材。雖然 LAMS 本身並未有發布 WebGIS 服務的能力，以其原有的教材編輯模組僅能滿足編撰 GIS 認知層面教材的需求，對於編撰 GIS 技能層面教材的能力仍有所欠缺。但是由於目前 LAMS 已具有安插系統外多媒體的能力，若能採取平行開發模式，LAMS 僅承載教材內容，而前一節所提到的各種 WebGIS 服務，則另外開發，並以多媒體方式安插入 LAMS 的教材當中，便可賦予 LAMS 實施 GIS 技能層面的教學能力。. 29.

(41) 雖然我們已預估 LAMS 與 WebGIS 的結合，具有解決我國高一地理資訊單元學習困難的機會，但是由於該種結合模式並無前例可循，因此為確保系統可達成預先設定的開發目的，依循適當的系統設計流程便顯得相當重要。. 30.

(42) 第四節教學系統設計流程教學系統設計（Instruction System Design, ISD）指的是藉由適當的設計流程來研發出讓學生可以獲得有效學習的系統或教學模式(Merrill and & ID2 Research Group, 1996)，因此若要設計出有具體學習效果的系統，依循適當的 ISD 便是相當重要的一環。本研究旨在開發一套結合 WebGIS 與適性學習概念之學習系統，因此本質上屬於教學系統的開發。以數位學習的蓬勃發展的狀況來看，目前已有相當多的模型可以作為設計教學系統時的依據，在本節中首先將介紹比較常見的三種模型，並於之後討論適合作為本系統開發的模型為何。一、教學系統設計模型目前比較常見的三種模型有 Dick 與 Carey 系統化取向模型(The Dick and Carey Systems Approach Model) (Dick, Carey and Carey, 2001)、ADDIE 模型（Analysis→Design→Development→Implementation→Evaluation）(Molenda, 2003)，以及快速雛形建構(Rapid Protptyping)模型( Piskurich, 2006)。三種模型內涵詳述如下： (一)、Dick與Carey系統化取向模型三種模型中最完備的是 Dick 與 Carey 系統化取向模型，其步驟如圖 2-5 所示，可分為(1)決定教學目標(2)進行教學分析(3)分析起點行為(4)敘寫表現目標(5) 發展效標參照測試(6)發展教學策略(7)選擇與製作教學媒體(8)實施形成性評鑑(9) 實施總結性評鑑等九項步驟。但是該模型雖然完備而嚴謹，卻相當耗時耗力，因此通常是大型的研發團隊才會採取此種模型。. 31.

(43) 修正教學與回饋. 進行教學分析選擇. 發展敘寫決定教. 表現. 學目標. 目標. 效標參照測驗. 發展. 與. 教學. 製作. 策略. 教學. 分析起. 媒體. 實. 實. 施. 施. 形. 總. 成. 結. 性. 性. 評. 評. 鑑. 鑑. 點行為. 圖 2-5 Dick 與 Carey 系統化取向模型資料來源：(Dick et al., 2001) (二)、ADDIE模型至於ADDIE模型則是目前最常見的教學系統設計模型，其步驟如圖2-6所示，依序為分析(Analysis)、設計(Design)、發展(Development)、實施(Implementation) 與評鑑(Evaluation)等五項。在分析階段，其主要工作為確定教學目標、教學困難、學生的學習起點及學習環境狀況等；設計階段，則是決定教學策略與選定適當的教學媒體；發展階段，是以設計階段所決定的教學策略與教學媒體發展出適當的教學系統；實施階段，則包含了系統的雛型測試與大量推廣；最後的評鑑部分則. 32. 圖 2-6 ADDIE 模型資料來源：(Molenda, 2003).