注意力引導在激發式動態教學之研究-以靜電學為例

國

立

交

通

大

學

理學院科技與數位學習學程

碩

士

論

文

注意力引導在激發式動態教學之研究-以靜電學為例

A Study of Attention Guiding on Dynamic Digital

Instructional Design in Electrostatics

研 究 生：李元亨

指導教授：陳明璋 教授

注意力引導在激發式動態教學之研究-以靜電學為例

A Study of Attention Guiding on Dynamic Digital Instructional

Design in Electrostatics

研 究 生：李元亨 Student：Yuan-Heng Li

指導教授：陳明璋 Advisor：Ming-Jang Chen

國 立 交 通 大 學

理學院科技與數位學習學程

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Degree Program of E-Learning College of Science

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master

in

Degree Program of E-Learning

July 2010

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

I 注意力引導在激發式動態教學之研究-以靜電學為例 學生：李元亨 指導教授：陳明璋 博士 國立交通大學理學院科技與數位學習學程 中文摘要 本研究旨在探究「注意力引導在激發式動態教學教材設計模式」對學生學習摩擦起電、 靜電感應、感應起電與接觸起電等靜電單元之學習成效。 學習者在本來就具有主動學習、但有限能力的性質，一個好的多媒體教材，應具有幫助 學習者選取訊息、組織訊息、綜合訊息的功能，在教材設計上應考量當訊息進入時能相互為 用，而並非不相關。因此本研究透過激發式動態呈現、注意力引導的方式來讓訊息有引導性、 溝通性、建立關聯來達到降低認知負荷量，以提升學生的學習成效。 實驗對象為國中八年級學生，共四個班級，共計 110 位（實驗組兩班，對照組兩班，每 組各55位）。每組進行不同模式教材45分鐘的教學，隨後進行靜電學成就測驗後測、認知負荷 問卷、課程感受問卷，並於授課一個月後進行延後測。 採雙因子共變數分析實驗結果，從後測分析中發現，此教材設計方式對於高、中學業成 就的學生在提升靜電學之學習有顯著效果（p < .05）; 從延後測分析中發現，實驗組在了解、 應用與分析題型的表現上亦顯著優於對照組（p < .05）。綜合以上，顯示學習靜電單元時， 此教材設計方式將能提升學習效果。 在認知負荷方面，因對照組修改自實驗組，已有部分設計符合多媒體設計原則，故實驗 組與對照組之認知負荷量均偏低，教材設計對降低認知負荷量的效果並不顯著（p > .05）。 在課程感受方面，雖然教材設計對提升課程感受的效果並不顯著（p > .05），但不同學 業成就的學生對課程的感受均偏高，表示教材內容的設計方式能有效地引發學生的學習興趣。 關鍵詞：多媒體學習、激發式動態呈現、認知負荷

II

A Study of Attention Guiding on Dynamic Digital Instructional Design in Electrostatics

Student：Yuan-Heng Li Advisor：Dr. Ming-Jang Chen Degree Program of E-Learning

National Chiao Tung University

Abstract

This study mainly researches into the learning efficiency of “attention guiding by Trigger-based Animated Instruction＂ on the students who learn tribo-electrification, electrostatic induction, electrification by induction and contact electrification, etc.

The learners have character of active learning with limited abilities. A good multimedia teaching material should have the function on helping the learners choose, organize and combine the message. Besides, the design of teaching material is supposed to consider the interaction of messages, but not unrelated. As a result, this study uses Trigger-based Animated Instruction and attention guiding instruction to make the messages have guidance and communicative competence, to make connection to reduce cognitive load, and to improve the learning efficiency of the students.

The teaching experiment will be conducted with four classes of Eighth graders, 110 students. (Two classes are the experimental group, and the others are the control group. Each group has fifty students.) Each group is taught for forty-five minutes with different teaching materials, and then each group takes the latter measured test of electrostatic induction, the cognitive load questionnaire, the student-response questionnaire. One month after the teaching, each group takes the postpone-measured test.

The data is analyzed by ANOVA and the latter-measured test shows that the design of teaching material has significant effect (p ＜ .05) on improving the learning of electrostatic induction of the students with advanced-proficiency and medium- proficiency. The postpone-measured test shows that the experimental group significantly better at understand, applying, and analyzing questions than the control group (p＜ .05). As the result, this design of teaching material can improve the learning efficiency on learning electrostatic induction.

III

On cognitive load, the control group is modified from the experimental group, and some parts of the teaching material conform to the rules of multimedia design, so the cognitive load of the experimental group and the control group is low. The design of the teaching material has insignificant effect on reducing the cognitive load (p＞ .05).

On the response of the lesson, the design of the teaching material has insignificant effect (p＞ .05), but the response of the students with different proficiency is high. This study shows that the design of the experimental teaching material can motivate the students effectively.

IV 致謝 非常感謝我的指導教授陳明璋老師，在這兩年碩士班的生涯中，無論在課程進修、學術 研究、論文撰寫等都給我非常豐富的指導。也很感謝黃大原教授與黃台珠教授於百忙之中仍 擔任我的口試委員，對我論文詳細的審閱並給予我很寶貴的建議。 感謝志祥、舜國、椿惠、子榕與家瑩等一同相互扶持的同學，氣餒時能相互打氣、遇困 難時能共同討論，因為你們才讓我感覺這一路走來不孤單。 感謝學校同處室中主任與各組長在這段期間給我的支持，尤其在完成論文最後這兩個 月，正逢學校期末有許多重大的活動，但辦公室的同事們主動給我的支援，讓我能有足夠的 心力放在論文的撰寫上。 感謝我的家人與女朋友在這段期間對我的包容與照顧。兩年來的碩士課程均利用周三晚 上與周六全天等期間上課，也因此讓我無法在學期中返回台南老家探望父母親，父母親對此 也十分體諒，對此真是令我感到不捨與感動。我的女朋友在這兩年真的給我非常大的鼓勵與 協助，從一開始報考研究所、過程中資料蒐集、論文撰寫中在生活點滴中的照顧，這所有的 一切均點滴在心頭。 最後，感謝主保守我的論文能順利的完成，當我心情煩躁不穩的時候，能讓我有個尋求 平靜的對象，感謝主，阿們。

v 目錄 中文摘要 ... Ⅰ 英文摘要 ... .Ⅱ 致謝 ... Ⅳ 目錄 ... V 表目錄 ... IX 圖目錄 ... XV 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究背景與動機 ... 1 第二節 研究目的與問題 ... 2 一、 研究目的 ... 2 二、 研究問題 ... 2 三、 虛無假設 ... 3 第三節 名詞解釋 ... 3 第四節 研究範圍與限制 ... 4 一、 研究限制 ... 4 二、 研究範圍 ... 4 第二章 文獻探討 ... 5

vi 第一節 國中電學相關研究 ... 5 一、 電學學習困難之處 ... 5 二、 感應起電單元相關研究 ... 6 第二節 認知負荷理論 ... 7 一、 認知負荷的意涵 ... 7 二、 認知負荷的基本假設 ... 8 三、 認知負荷的類型 ... 8 四、 認知負荷的教學設計 ... 9 第三節 多媒體學習認知理論 ... 10 一、 多媒體學習認知理論基本假設 ... 10 二、 多媒體學習認知理論設計原則 ... 11 第四節 步驟化呈現 ... 16 第三章 研究方法 ... 19 第一節 研究流程 ... 19 第二節 研究對像 ... 20 第三節 實驗設計 ... 23 一、 實驗設計模式 ... 23 二、 研究架構圖 ... 24 第四節 研究工具 ... 25

vii 一、 實驗教材設計 ... 25 二、 學習成就後測測驗卷 ... 29 三、 認知負荷評量表 ... 32 四、 課程使用問卷 ... 33 第五節 活動設計 ... 34 第六節 資料處理 ... 35 一、 教材設計與學業成就對靜電單元後測成效的影響 ... 35 二、 教材設計與學業成就對靜電單元延後測驗成效的影響 ... 36 三、 教材設計與學業成就對學習靜電單元之認知負荷的影響 ... 37 四、 教材設計與學業成就對學習靜電單元之課程內容感受的影響 ... 37 第四章 結果與討論 ... 39 第一節 樣本敘述統計資料 ... 39 一、 實驗組與對照組教學實驗相關敘述統計 ... 39 二、 學業成就分組下實驗組與對照組教學實驗相關敘述統計 ... 41 第二節 研究假設的檢驗與說明 ... 45 一、 教材設計與學業成就對學習成就後測的影響 ... 45 二、 教學設計與學業成就對延後測驗的影響 ... 63 三、 教學設計與學業成就對認知負荷的影響 ... 81 四、 教學設計與學業成就對課程感受的影響 ... 84

viii 第三節 結果摘要 ... 88 第五章 結論 ... 89 第一節 研究結論 ... 89 第二節 研究貢獻 ... 90 第三節 未來研究方向 ... 91 第六章 參考文獻 ... 93 附錄 ... 附錄一 摩擦起電教材分析 ... 附錄二 靜電感應教材分析 ... 附錄三 感應起電教材分析 ... 附錄四 接觸起電教材分析 ... 附錄五 靜電學習成就前測題目 ... 附錄六 靜電學習成就後測題目(1) ... 附錄七 靜電學習成就後測題目(2) ... 附錄八 認知負荷量表與課程使用問卷 ...

ix 表目錄 表3-1-1 各階段研究流程時間對照表………20 表3-2-1 受測班級分組人數………21 表3-2-2 各班理化科學業成績描述性統計量………21 表3-2-3 各班理化科學業成績ANOVA………..……21 表3-2-4 高分組理化科學業成績描述性統計量………22 表3-2-5 高分組理化科學業成績ANOVA………..22 表3-2-6 中分組理化科學業成績描述性統計量………22 表3-2-7 中分組理化科學業成績ANOVA………..22 表3-2-8 低分組理化科學業成績描述性統計量………23 表3-2-9 低分組理化科學業成績ANOVA………..…23 表3-3-1 設計模式………24 表3-4-2測驗題目雙項細目表………..……31 表3-4-3前後測驗題目難度與鑑別度表………..……31 表3-4-4認知負荷評量表………..32 表3-4-5課程使用問卷………..33 表3-5-1施測班級教學時間表………..34 表3-5-2教學活動設計………..35

x 表4-1-1實驗組對照組教學實驗相關成績敘述統計資料摘要總表………..40 表4-1-2低學業成就分組下實驗組對照組教學實驗成績相關敘述統計資料摘要總表…..42 表4-1-3中學業成就分組下實驗組對照組教學實驗成績相關敘述統計資料摘要總表…..43 表4-1-4高學業成就分組下實驗組對照組教學實驗成績相關敘述統計資料摘要總表…..44 表4-2-1教學設計與學業成就對學習成就2×3二因子共變數分析資料………45 表4-2-2組內迴歸係數同質性考驗檢定………..46 表4-2-3二因子共變數分析摘要表(教學設計與學業成就對後測)………...46 表4-2-4估記的邊際平均數(後測-教材設計-單變量檢定)……….………47 表4-2-5估記的邊際平均數(後測-教材設計-估計值)……….………47 表4-2-6估記的邊際平均數(後測-學業成就-單變量檢定)……….……48 表4-2-7估記的邊際平均數(後測-學業成就-估計值)……….……48 表4-2-8組內迴歸係數同質性考驗檢定(後測-高學業成就組)……….….49 表4-2-9教學設計單因子共變數分析摘要表(後測-高學業成就分組)………….…….……49 表4-2-10組內迴歸係數同質性考驗檢定(後測-中學業成就組)……….….…..50 表4-2-9教學設計單因子共變數分析摘要表(後測-中學業成就分組)………..…………..50 表4-2-10組內迴歸係數同質性考驗檢定(後測-低學業成就組)………51 表4-2-11教學設計單因子共變數分析摘要表(後測-低學業成就分組)………51 表4-2-12各分組學習成就測驗記憶題、了解題、應用題、分析題平均數摘要表………52 表4-2-13組內迴歸係數同質性考驗檢定(後測記憶題型)……….52

xi 表4-2-16二因子共變數分析摘要表(後測記憶題型)……….53 表4-2-17估記的邊際平均數(後測記憶題型-學業成就-估計值)………...……53 表4-2-14組內迴歸係數同質性考驗檢定(後測了解題型)……….54 表4-2-19二因子共變數分析摘要表(後測了解題型)……….55 表4-2-15估記的邊際平均數(了解題型-學業成就-估計值)………..55 表4-2-21組內迴歸係數同質性考驗檢定(後測應用題型)……….56 表4-2-16二因子共變數分析摘要表(應用題型)……….56 表4-2-17估記的邊際平均數(應用題型-學業成就-估計值)………..57 表4-2-24組內迴歸係數同質性考驗檢定(後測分析題型)……….58 表4-2-18二因子共變數分析摘要表(分析題型)……….58 表4-2-19估記的邊際平均數(分析題型-教材-估計值)………….……….…….59 表4-2-20估記的邊際平均數(分析題型-學業成就-估計值)……….……..59 表4-2-21組內迴歸係數同質性考驗檢定(後測分析-高學業成就組)………60 表4-2-29單因子共變數分析摘要表(後測分析-高學業成就分組)………60 表4-2-30組內迴歸係數同質性考驗檢定(後測分析-中學業成就組)………61 表4-2-22單因子共變數分析摘要表(後測分析-中學業成就分組)………61 表4-2-23組內迴歸係數同質性考驗檢定(後測分析-低學業成就組)………62 表4-2-24單因子共變數分析摘要表(後測分析-低學業成就分組)………62 表4-2-25教學設計與學業成就對延後測驗2×2二因子共變數分析資料……….………….63

xii 表4-2-26組內迴歸係數同質性考驗檢定………64 表4-2-27二因子共變數分析摘要表(教學設計與學業成就對延後測驗)……….64 表4-2-28估記的邊際平均數(延後測-教材設計-估計值)………..65 表4-2-29估記的邊際平均數(延後測-學業成就-估計值)……….….65 表4-2-30組內迴歸係數同質性考驗檢定(延後測-高學習成就組)………66 表4-2-31單因子共變數分析摘要表(高學業成就組教材設計對延後測驗分析)………….67 表4-2-32組內迴歸係數同質性考驗檢定(延後測-中學習成就組)………67 表4-2-33單因子共變數分析摘要表(中學業成就組教材設計對延後測驗分析)………….68 表4-2-34組內迴歸係數同質性考驗檢定(延後測-低學習成就組)………68 表4-2-35單因子共變數分析摘要表(低學業成就組教材設計對延後測驗分析)………….69 表4-2-36各分組學習成就延後測驗記憶題、了解題、應用題、分析題平均數摘要表…69 表4-2-37組內迴歸係數同質性考驗檢定(延後測驗記憶題型)……….70 表4-2-47共變數分析摘要表(延後測驗記憶題型)……….………70 表4-2-48估記的邊際平均數(延後測驗記憶題型-學業成就-估計值)………..71 表4-2-38組內迴歸係數同質性考驗檢定(延後測驗了解題型)……….72 表4-2-39共變數分析摘要表(延後測驗了解題型)……….72 表4-2-40估記的邊際平均數(延後測驗了解題型-教材-估計值)………...73 表4-2-41估記的邊際平均數(延後測驗了解題型-學業成就-估計值)………...73 表4-2-42組內迴歸係數同質性考驗檢定(延後測驗應用題型)……….74

xiii 表4-2-43共變數分析摘要表(延後測驗應用題型)……….74 表4-2-44細格及邊緣(際)調整後的平均數(延後測驗應用題型)………...75 表4-2-45單純主要效果分析摘要表(延後測驗應用題型)……….75 表4-2-46學業成就因子單純主要效果考驗摘要表(延後測驗應用題型)……….76 表4-2-58組內迴歸係數同質性考驗檢定(延後測驗分析題型)……….…………77 表4-2-59共變數分析摘要表(延後測驗分析題型)……….78 表4-2-47細格及邊緣(際)調整後的平均數(延後測驗分析題型)……….…..78 表4-2-48單純主要效果分析摘要表(延後測驗分析題型)……….…79 表4-2-49學業成就因子單純主要效果考驗摘要表(延後測驗分析題型)……….…79 表4-2-50教學設計與學業成就對認知負荷量2×3二因子變異數分析資料………..………81 表4-2-51二因子變異數分析摘要表(教學設計與學業成就對認知負荷量)………….……82 表4-2-52估記的邊際平均數(認知負荷-學業成就-估計值)………..….82 表4-2-53估記的邊際平均數(認知負荷-教材-估計值)………..…….83 表4-2-54教學設計與學業成就對課程感受2×3二因子變異數分析資料…………..………84 表4-2-55二因子變異數分析摘要表(教學設計與學業成就對課程感受)……….…85 表4-2-56估記的邊際平均數(課程感受-教材-估計值)………..…….85 表4-2-57估記的邊際平均數(課程感受-學業成就-估計值)………..….85 表4-2-58單因子變異數分析摘要表(課程感受-高學業成就組)………..…..86 表4-2-59單因子變異數分析摘要表(課程感受-中學業成就組)……….….…..86

xiv

表4-2-60單因子變異數分析摘要表(課程感受-低學業成就組)……….….…..86

xv 圖目錄 圖2-1-1 感應起電的原理(引自康軒版二下自然與生活科技教科書)………6 圖2-3-1 多媒體學習認知模型………...10 圖2-3-2 分割原則範例-感應起電總表……….………11 圖2-3-3 分割原則範例-動態呈現……….12 圖2-3-4 連貫原則範例………...13 圖2-3-5 空間接近原則範例1………..…………...13 圖2-3-6 空間接近原則範例2……….14 圖2-3-7 時間接近原則範例………..……….14 圖2-3-8 信號原則範例-大綱……….15 圖2-3-9 信號原則範例-指示手勢……….16 圖3-1-1 研究流程圖………...19 圖3-3-1 研究架構圖………..…….24 圖3-3-2 靜電感應步驟圖………..26 圖3-3-3 帶正電體靠近導體變化圖………..………27 圖3-3-4導體近端帶電性之比較………27 圖3-3-5比較導體右端帶電性………28 圖3-3-6比較導體右端正電荷數目………28

xvi

1

第一章 緒論

本章共分為四節，第一節說明研究背景與動機，第二節說明研究目的，第三節為名詞解 釋，第四節說明研究範圍與限制。

第一節 研究背景與動機

在國小的教材中，學生最早接觸到「電學」的內容大致有三﹕ 1. 透過活動的操作，在組裝燈泡、電池、電線的過程中，依據通路原則，推理出有串聯、 並聯兩種燈泡連接的方式，並於活動中可觀察到燈泡的亮度會因串聯、並聯不同的連接 方式而異。 2. 從認識生活中各種電池，探討電池的正、負極等基本構造，及認識電池的串聯接法，進 而了解電池簡單的作用原理。 3. 利用簡單電路和通路原理來分辨導電和不能導電的物體，並在生活中舉例說明導電體與 非導電體的應用。 而在國中的教材裡，大多數的版本到三年級上學期才開始由生活中常見的「靜電」切入， 有別於國小階段，在學習過原子、質子、電子、中子等微觀粒子的概念後，學生開始從微觀 的角度來思考，從電子的移轉來認識摩擦起電的基本原理，並理解電性與庫倫定律等電學概 念。而大多數的學生認為電學是一個在學習上困難的單元，原因便在於學生無法直接觀察到 電子的流動與分佈，須藉由符號的表示與抽像的思考來學習。Garnett & Treagust、Sanger & Greenbowe、廖怡雯等人也曾指出電學因屬於較無法直接觀察的抽象概念，是學生感覺較難學 習的概念之一（引自邱崇修，2006）。 國中靜電學包含的主要內容為：摩擦起電、靜電感應、感應起電與接觸起電等。在課本 教材的編輯上，常把這些連續變化的過程分成四到五個步驟，並將每步驟中電子分布變化的 情形用靜態的圖片串連展示，學生在學習時往往須透過圖片上所描繪的電子分布情形，來推 想電子在過程中如何運動。 雖然靜電在國中電學中並不是學生最感困難的章節，但在某一次學校的段考評量中出現 了一題感應起電的題目，出題老師巧妙的變換步驟順序後詢問同學此時物體的帶電狀況，原 以為是屬於簡單的概念理解題目，許多學生竟在作答上都發生了困難，因此這不禁讓人重新 省思學生在靜電單元的學習上，究竟是真的理解電子運動變化的過程，或是僅是死背課本中 既定的圖片順序罷了。 基於上述理由，研究者希望能藉由多媒體工具，幫助學生更有效學習靜電學概念。然而 多媒體教學，往往是由老師控制畫面並配合口語解說的方式進行，因此在課堂上，學生必須 要同時不斷地蒐尋與比對老師給予的口語及文字訊息，透過組織這兩部份訊息才能對教材獲

2

得完整的學習。而根據認知負荷理論，個體若是對於學習內容在心智上需要投注的努力越多， 認知負荷就會越大，若超過個體所能負荷的範圍，則會影響個體的學習效果。對此，Mayer(2009) 根據許多的研究結果，提出「多媒體學習理論」( Multimedia Learning Theory )。此理論 列出了多項在多媒體教材設計上，能幫助學生學習的設計原則。 因此，多媒體教材的重點便在於如何有效引導學生的注意力，使學生能夠很快地選取相 關訊息，幫助學生組織建立起訊息間的關聯性，並內化到學生的知識系統中，以提升學習的 效果。 故教師在設計多媒體教材時，該如何運用多媒體設計原則引導學生的注意力？多媒體教 材在哪一類型的題目表現上有顯著的影響？或是該如何運用多媒體設計原則來有效降低學生 在學習中的認知負荷？或者同ㄧ份多媒體教材對不同學習成就的學生在學習上是否會有差異 性？在教材設計上要如何作修正才能符合不同學習成就學生的學習，這些都是研究者在多媒 體教材領域上所需要探究的問題。

第二節 研究目的與問題

一、 研究目的

基於上述的研究動基，本研究目的如下﹕ 1. 探討注意力引導激發式動態呈現教材，對不同學習成就的學生在摩擦起電、靜電感應、 感應起電與接觸起電等概念的學習成效的影響。 2. 探討注意力引導激發式動態呈現教材，對學生學習靜電單元之認知負荷的影響。 3. 了解注意力引導激發式動態呈現教材給予學習者的感受。

二、 研究問題

基於上述的研究目的，本研究欲探討的研究問題如下： 1. 透過注意力引導激發式動態呈現教材教學後，對於學生在靜電單元之學習成效的提升是 否會有顯著效果？ 2. 透過注意力引導激發式動態呈現教材教學後，學生在哪一類型的題目測驗表現上有顯著 的成效? 3. 注意力引導激發式動態呈現教材對於高、中、低哪組學業成就的學生，在靜電單元上的 學習成效會有顯著效果？ 4. 透過注意力引導激發式動態呈現教材教學後，對降低學生靜電單元的認知負荷是否會有

3 顯著效果？ 5. 透過注意力引導激發式動態呈現教材教學後，學生對此教材設計方式的課程感受度為何? 與坊間一般教材相比是否會有顯著差異？

三、 虛無假設

基於上述研究問題，提出下列的假設： 虛無假設一：教材設計與學業成就在學習成就後測的表現沒有顯著交互效果。 虛無假設二：教材設計與學業成就在學習成就延後測的表現沒有顯著交互效果。 虛無假設三：教材設計與學業成就在降低認知負荷量方面沒有顯著交互效果。 虛無假設四：教材設計與學業成就在提課程感受量方面沒有顯著交互效果。

第三節 名詞解釋

1. 教材設計模式(teaching material design pattern)

教材設計模式係指教材運用哪些多媒體設計原則呈現動態資訊。本研究運用的原則主要 先是將動態資訊切割成數個階段，再將這些階段以步驟化動態呈現的方式相互銜接。 2. 學習成效(study result) 學習成效係指學生經過學習之後，所具備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靜電單元成就測驗之後測分數。 3. 認知負荷(cognitive load) 係指運作記憶的負荷，即個體在執行某種工作、作業或任務的過程中，個體所感受到的 心智負荷與心智努力的負載狀態。本研究之「認知負荷量」之操作型定義是在「認知負荷問 卷」中的分數，分數越低，對教材的負荷量便越低。 4. 課程感受(curriculum feeling) 課程感受是指學生透過此教材學習之後，得到的正面感受程度，操作性定義是在「課程 感受問卷」中的分數，分數越高，正面感受程度越高。

4

第四節 研究範圍與限制

一、 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。研究對象為新 竹市某國中之八年級四個班級共 111 位學生，研究結果無法推論至不同地區。

二、 研究範圍

研究教材為國民中學自然與生活科技第五冊第一章「簡單電路」單元中「摩擦起電」、 「靜電感應」、「感應起電」、「接觸起電」等概念，所以其結果不宜推論至其他單元或學 科。

5

第二章 文獻探討

本研究主要在探討步驟化動態呈現輔以多媒體設計原則對國中學生對靜電學概念學習的 影響，因此將探討相關的文獻與研究，以作為本實驗研究的理論依據的參考。第一節探討國 中電學相關研究，第二節討論認知負荷理論，第三節討論多媒體學習理論。

第一節 國中電學相關研究

一、 電學學習困難之處

在教學的過程中，長期觀察下來會發現總是有些單元會令學生感到較難學的，而國外許 多學者(Bahar, Johnstone, & Hansell, 1999)對學生在學習上具有困難的主題進行分析後， 發現這些主題間具有一個共通的特性，即是這些主題中同時含有不同層次的概念，包含巨觀、 微觀以及抽象符號表徵等特質。 對此，江郁星(2007)在其研究中也指出，在科學教科書中，對於電學單元概念的教學即 面臨以上所陳述的問題，電學單元教學內容包含： (一) 真實電路元件：常用的電池、電燈、電阻、伏特計、安培計等常用的電子電路元件的認 識，以及串、並聯電路的接法。 (二) 抽象性的科學概念：包含導體與絕緣體導電性的差異、導體如何導電、同性相吸異性相 斥等。 (三) 抽象符號與真實物件轉化的橋樑，並藉由符號來進行學習等。 除此之外，廖怡雯(1999)在其研究中亦指出，學生覺得電學是個在學習上感到困難的單 元之原因，在於電學是屬於較無法直接觀察的抽象概念。 從本研究的角度來看，電學會造成學生學習上困難的原因，在於電學在教學上同時包含 巨觀、微觀與抽象符號表徵等不同層次訊息交互出現，因此若教材沒有適當的對訊息作分類， 沒有運用教材設計的方式凸顯相關重要的訊息，會造成學生在選取、組織訊息上的認知負荷， 影響學生的學習效果。 因此在國中電學課本教材的編輯方面，除了透過實驗課程親手操作觀察外，對於抽象概 念的介紹常常需要藉由圖片來輔助解說。在老師利用圖片傳遞科學概念的時候，對學生而言， 所需要的便是如何從具體物件轉化到抽象符號表徵的學習，因此江郁星(2007)對於圖片符號 在教學中的應用提出以下幾點建議﹕ (一) 圖片中的符號，須讓學習者確實瞭解其所代表的意義。 (二) 在文圖配合方面，須考慮圖片與文字之間如何搭配排列，才能產生最大的學習效益。 (三) 教師可讓學生試著由圖片表徵中解說其意義，從中可瞭解學生學習上的問題以及讀圖困 難的地方。 認為老師在教學中必須讓學生清楚了解相關符號所代表的意義，並可藉由教材設計來呈

6 現相關的訊息以幫助學生學習，並從學生的問答當中瞭解學生學習困難的地方。此一觀點， 與本研究中運用之「認知負荷理論」、「多媒體學習理論」所欲陳述之重要概念更是不謀而合。

二、 感應起電單元相關研究

在課本上雖利用圖片輔助呈現微觀抽象層次的變化，例如導體中正、負電荷之分佈變化 情形等，但原本動態連續變化的過程，現在用靜態的圖片顯示，這兩者間的差異會對學生的 學習造成何種影響呢?對此，林美秀(2007)針對九年級的學生在閱讀感應起電圖示瞭解情形進 行相關的研究，當時以康軒版的教材為施測內容，如圖 2-1-1 所示﹕ 圖 2-1-1 感應起電的原理(引自康軒版二下自然與生活科技教科書) 在進行課堂教學之後，除對九年級學生進行閱讀理解的測試之外，並於課程結束後對學 生進行半結構性晤談，晤談的問題共有 7 題，分述如下： (一) 請問你知道這是一張說明什麼概念的圖片嗎?你從哪裡得知? (二) 請問這張圖片中包含了哪些東西? (三) 請問圖中最難讓你理解、看不懂的地方是哪一個部份?為什麼看不懂? (四) 請問為什麼圖 C 中金屬球內正電不見了? (五) 請問你覺得這張圖裡的擺放順序恰不恰當，你認為要怎麼擺放才好? (六) 請問圖 B 中箭號代表什麼意思?你覺得箭號放在那裡的位置恰當嗎?若不恰當，應該放在 哪裡呢? (七) 你認為這張圖裡每一樣東西和背景所搭配的顏色濃度恰不恰當?若不恰當，你認為要怎 麼配才好? 7 題的晤談問題中，引起本研究興趣的是第 3、4、6 題，因為這三題反應出當學生閱讀 課本圖片之後，對圖片中看不懂的地方為何?以及能看出學生對圖中的符號所代表的意義是否

7 真能理解。 從第 3 題學生的晤談結果可知，圖中最讓學生看不懂的地方有： (一) 圖中實線和虛線夾角的變化 (二) 圖 B 中用手觸碰金屬球時，周圍的負電荷從何而來，以及它的原理為何? (三) 不清楚圖 C 中金屬球中的正電荷跑去哪邊。 第 4 題中所問金屬球內的正電不見，實是因為圖 B 中有額外電子經由手流到金屬球，使 金屬球負電荷多於正電荷而帶負電，所以金屬球上所標示之負電實指金屬球的帶電性，但有 不少同學卻認為正電荷符號不見，是因為正電荷被吸走或是被電子中和抵消。 而第 6 題中所提及圖 B 中箭號原代表電子經由手流向金屬球，是用來表示電子流動方向 的輔助線，但是仍有部分學生認為這箭頭是指手移過去碰金屬球的方向，並認為因為手去推 金屬球，所以才使得圖 B 中實線與虛線的夾角變大。 研究結果發現，當僅以靜態圖示展現動態過程，雖然為了幫助學生閱讀而增加部分符號， 反而產生誤導學生的現象。 上述研究所發現的結果，學生之所以對於圖片中步驟與步驟間如何轉變並不清楚、無法 藉由靜態的圖片去理解電子變化過程，實是因為同一張圖片中包含了許多的步驟與動作，學 生無法單只藉由前後兩張圖片就判斷出所有的變化過程，圖片中無法提供學生完整的訊息， 也無法有效地引導學生建立起訊息之間的關聯，因此會增加學生對教材的認知負荷，影響學 生學習效果。 這便是本研究欲透過激發式動態呈現、注意力引導的方式來設計教材，以期透過教材的 設計，讓訊息具有引導性、溝通性、易於建立關聯，便於幫助學生選取、組織、綜合訊息， 藉以降低學生學習過程中認知負荷量，達到提升學生學習的功效。

第二節 認知負荷理論

一、 認知負荷的意涵

認知負荷理論(cognitive load theory)在教育界引起學者廣泛的討論，國內外許多學者 也紛紛對認知負荷提出看法﹕

(一) Paas & Merrienboer van, (1994)認為認知負荷是一種多向度的概念，它包含兩種 成份﹕一種是心智負荷(mental load)，一種是心智努力(mental load)。如果學習 者對於知覺的困難度越大，或者學習者覺得在心智上要付出的努力程度越多，則認 知負荷就越大。 (二) 黃克文(1996)指出認知負荷式學習者在接收、處理與運用訊息的過程中，因為訊息 之內容、學習環境、傳輸環境與互動方式等因素，超越了學習者所知覺的認知能力， 在當時的「心理」或「生理」上引起了負擔、重擔、苦惱與憂慮，甚至失敗、挫折 的後設概念。 綜合以上觀點可知，當學習者接受外界訊息時，即會占用工作記憶的容量而產生認知負

8

荷，學習者所接收的訊息量越多，或是學習者認為在學習過程中他需要付出較多的心智努力 來學習時，則認知負荷就會越大;當認知負荷量超過學習者所能夠承受的限度時，即會在生理 上或是心理上產生負面的影響，而影響學習上的表現。

二、 認知負荷的基本假設

Sweller, van Merriënboer, & Pass（1998）提出四個認知負荷理論對認知架構基本假 設，分述如下： (一) 工作記憶的容量有限：一般工作記憶在保留訊息的限度是7個意元集組(7±2)，但若是 在處理訊息時，則只剩2~3個意元集組，因此若一次要處理多個訊息，使工作記憶容 量過度負荷，而缺乏足夠的基模來處理訊息時，將會造成學習上的困難。 (二) 長期記憶沒有容量的限制：長期記憶與工作記憶不同，並沒有容量上的限制。但當遇 到問題時，專家可以在很短的時間內於長期記憶中找到所要的資訊，但是對於生手往 往需要花較久的時間，因此也較容易產生認知負荷。 (三) 長期記憶是以基模形式儲存的：基模是過去的經驗的組織，在長期記憶中具有組織和 儲存知識的功用，在工作記憶中則能降低負荷量。因此學習者若具備豐富的基模，將 有助於學習者在學習上的成效。 (四) 基模運作的自動化是基模建構的重要過程：訊息若不需透過意識決定、採用自動化處 理，將不會耗費意識資源，可降低工作記憶的負荷量。

二、認知負荷的類型

根據 Sweller, et al. (1998)的定義，「認知負荷」是將一特定工作加諸於學習者認知 系統時所產生的負荷，而造成認知負荷的來源包括了以下三個要素：任務／環境的特性、學 習者的特性、任務／環境與學習者的交互作用。林 容 任 (2006)認 為 以教學設計的角度來 說，認知負荷的來源可分為以下三種：

(一) 內在認知負荷（intrinsic cognitive load）：此種負荷是教材本身的特性所造成的， 亦即教材本身難度與複雜程度。

(二) 外在認知負荷（extraneous cognitive load）：主要是受到教材的設計和呈現方式、 或教學活動的影響，可藉由教學設計而降低之。

(三) 增生認知負荷（extraneous cognitive load）：指在教學設計者刻意的活動設計下， 在總認知負荷量未超過學習者的負荷範圍時，讓學生在學習的過程中達到基模建構的 一種認知努力(cognitive effort)，雖會增加學習者的負荷量，卻可以輔助基模的建 構。 Sweller(2010)進一步對這三種認知負荷間的關聯提出新的看法，認為在教學過程中，教 師會呈現出教材中不同層次的元素，而元素之間的交互關聯，與內在認知負荷、外在認知負 荷、增生認知負荷都有關。若在教學過程中能將元素間的交互關聯情型具體且詳細的直接呈 現出來，藉此幫助學習者減少訊息在選取、組織、建立關聯中之認知負荷，以降低外在認知 負荷，如此即可保留學習者較多的工作記憶資源用來處理內在認知負荷及增生認知負荷。

9 綜合以上，良好的教學設計應該要在考慮教材本身的難易度之下，選用合適的教材呈現 方式來降低學生學習中的外在認知負荷，並在學生的負荷範圍內，適當地善用增生認知負荷， 以幫助學生學習。

三、認知負荷理論的教學設計

Sweller依據認知負荷不同的適用情境以及影響學習的認知負荷來源，在教學上發展出不 同的效應。王全興(2008)彙整過去相關研究指出，認知負荷理論教學設計原則主要可區分為 下列七種： (一) 開放目標效應（goal-free effect）： 教學應讓學生不受限制地表達自己的想法，採取開放目標的方式學習，避免單一 解題之學習方法與學生基模未必相符，反而會產生外在認知負荷。

(二) 示例效應（worked example effect）：

遇到問題時，逐步示範給學習者呈現解題步驟，使學生歸納知識及建構解題基 模，可幫助累積基礎性訊息，但若基礎性訊息變成重複、多餘的時候，就不再使用示 範而是增加練習的機會。。

(三) 完成問題效應（completion problem effect）：

在協助學生建構問題解決的基模時，可以將示例呈現一半，另一半由學童解題， 藉此引導學童於外在認知負荷減低的狀況下學習。 (四) 分散注意力效應（split-attention effect）： 若學習材料過於分散，學習者則會分散注意力於相關資訊中，若能整合資訊，學 習者即可免於分散注意力，提高學習效率。 (五) 多餘效應（Redundancy Effect）： 若同時使用多種多媒體表達同一概念，這些大量的訊息以不同的形式同步置入學 習者的工作記憶當中，會同時佔用工作記憶，將會增加學習者的認知負荷 (六) 形式效應（modalty effect）： 若能同時利用不同的工作記憶體來處理資訊，基於雙碼理論，將可提升處理資訊 的能力，知識的獲得比只使用單一種型態(例如：只使用視覺或只使用聽覺)來的多。 (七) 變化效應（variability effect）： 在學習中若能給予學生不同變化的題目練習，則有助於學生在學習遷移上的表 現。

10

第三節 多媒體學習認知理論

一、多媒體學習認知理論的基本假設

Mayer(2001)提出「多媒體學習認知理論」來描述學習者在多媒體學習過程中如何處理所 接收的訊息，而Mayer(2009)認為可將訊息依多媒體呈現方式分為文字（words）與圖像 （pictures）兩類： (一) 文字（words）：文字包含書寫或印刷的視覺文字（printed words）及口語表達的文 字（spoken words）二種，例如在課堂上老師講述的內容，以及學生從課本、螢幕或 投影片所閱讀到的文字。簡單來說，學生在學習過程中無論是透過視覺或是聽覺所接 收的文字訊息均屬之。 (二) 圖像（pictures）：圖像包含靜態圖與動態圖二種，例如插圖、圖表、相片或者地圖 等均屬靜態圖片，動畫或錄影則屬動態圖片。 無論教學模式為何，重點在於學生是否能妥善運用心智來有效處理這些多媒體帶來的訊 息。對此，Mayer 提出三項基本假設： (一) 雙通道（dual channels）： 如下圖所示，認為人類在處理外來訊息時，可利用視覺與聽覺兩種不同的管道。 圖 2-3-1 多媒體學習認知模型 聽覺通道用來處理聽到的聲音，視覺通道則用來處理看到的文字或圖像，這兩通道間 的訊息在工作記憶區內可相互比對、組織與轉換。 (二) 有限容量（limited capacity）： 人類在每個獨立通道的一次訊息處理量是有限的，即短期（工作）記憶區（working memory）的容量是有限的。因此學習者若接收過多的訊息，以致超出短期工作區的容 量，就會產生大量認知負荷而降低學習成效。 (三) 主動處理（active processing）：

11 人類藉注意、主動選擇相關訊息，並將接收的訊息與之前的先備知識整合，形成 一個新的知識以基模（Schema）的形式回存到長期記憶區。

二、多媒體學習認知理論設計原則

一個好的多媒體教材就是能幫助學習者選擇（Selecting）、組織（Organizing）、整合 （Integrating）多媒體訊息，而多媒體教材設計原則的需求就是建立在此。Mayer(2005) 根 據許多的實徵研究，列出了多項原則，以下僅針對與本實驗相關的原則進行探討，並舉出該 原則在本研究教材中的呈現方式： (一) 分割原則（Segmenting Principle） 分割原則是指當多媒體教材被分割成數個小「片段」，學習效果會比連續播放的 方式較佳。當運用多媒體教學設計時，會湧入大量訊息，會增加學生的認知負荷量， 但記憶體容量是有限的，且有時畫面過小無法完全呈現，因此訊息必須分割後再一步 一步的呈現。 此原則在本研究教材中的運用，可分為兩個層次來看。以感應起電為例，感應起 電是以靜電感應原理使導體帶電的方式，我們可先將整個感應起電分為四個步驟：靜 電感應、接地、移去接地、移去帶電體，分別以四張圖代表各個步驟，如下圖所示： 圖 2-3-2 分割原則範例-感應起電總表 步驟A到步驟D轉換的過程採用動態呈現的方式銜接，步驟間再細分為更小的步 驟，如下圖所示，在同一張投影片中，再細分為四個步驟，讓學生能清楚的比較區域 內正負電荷數量的多寡，並判斷出區域內導體所帶電性為何：

12 1. 2. 3. 4. 圖 2-3-3 分割原則範例-動態呈現 雖然為了減少學習者認知負荷而採用分割的方式，但訊息一旦切割，會增加學生 在搜尋及關連上的負荷，切的太小(有效的學習中訊息必須整體呈現)會缺乏整體性關 聯性，所以必需透過訊息的區塊化及結構化建立關聯。因此在上圖2-3-3中，仍保留 整個感應起電四步驟流程圖維持整體性，並運用加粗邊框的方式提醒同學目前的進度 以建立關連性。 (二) 連貫原則（Coherence Principle） 連貫（coherence）指的是信息中元素間的結構關係；連貫效應（coherence effect）則是指當無關的資料或訊息（material）被排除時，學習者的學習成就優於 當無關的資料或訊息（material）被納入時的學習成就。所以一昧地加入有趣但不相 關的文字、插圖、音樂或聲音會傷害學習，而當不需要的文字從多媒體呈現中被刪除 時，學生的學習成就增加。Mayer（2001）舉出無關的資料或訊息可能會造成： 1. 在工作記憶中競爭認知資源

13 2. 將學習者從重要的資料或訊息中分散注意力 3. 分裂組織中的資料或訊息處理 4. 可能使學習者繞著不適當主題組織資料或訊息。 就本研究教材的應用而言，為了讓同學能快速注意力放在此時教學重點上，投影 片上其它無關的物件位置將維持不變，以避免分散學生的注意力。如下圖2-3-所示， 為了讓學生僅注意正負電荷，除正負電荷以外的物件均保持不變。 圖 2-3-4 連貫原則範例

(三) 空間接近原則（Spatial Contiguity Principle）

空間接近原則指的是在畫面中相關文字與圖片呈現的彼此位置較近時，學習者可 迅速的將相關訊息容納於工作記憶中，學習者不需再於書本或電腦螢幕進行視覺搜 尋，因此學生的學習成就會優於文字與圖片兩者相對位置彼此較遠的教材。此原則在 本研究教材中的應用如下： 1. 在下圖2-3-中，欲比較導體右端所帶電性，將比較導體右端正負電荷數量多寡， 因此便將相關文字「正電荷數目=3顆」、「負電荷數目=4顆」設計在導體右端 附近。 圖 2-3-5 空間接近原則範例 1

14

2. 比較完右邊後，再比較導體左端正負電荷數量多寡判斷帶電性，如下圖所示。 此時便將相關文字「正電荷數目=3顆」、「負電荷數目=2顆」設計在導體左端 附近。

圖 2-3-6 空間接近原則範例 2

(四) 時間接近原則（Temporal Contiguity Principle）

時間接近原則指的是學生的學習成就在相對應的文字與圖片同時呈現時，比學生 在相對應的文字與圖片分離呈現時的學習成就較好。因為當文字與圖片分離呈現時， 學習者必須將先呈現的訊息保留於工作記憶內，當後來的訊息呈現時，則僅剩極少部 分的敘述保留於工作記憶中，因此學習者對於訊息之間的連結建立將產生困難。 在本研究教材中，同一張投影片上設計有2~4個步驟不等，如下圖所示。步驟間 將配合老師口語說明作同步切換。 圖 2-3-7 時間接近原則範例 (五) 多餘原則（Redundancy Principle） 多餘原則指的是學生在動畫搭配口語表達文字的多媒體呈現得到的學習結果比 在動畫同時搭配口語表達文字與視覺文字的多媒體呈現得到的學習結果佳。當視覺文 字與動畫皆以視覺呈現時，視覺／圖像管道將超荷（overloaded），較少的認知資源 被用於相對應的文字（words）與圖片中的連結，因此降低有意義學習的機會。如果

15 文字以口語表達文字呈現，則以聽覺管道感官接收，則視覺管道的負荷可被減小，可 有更多認知資源被用於建立相對應文字與圖片之間的連結，增加有意義學習的機會。 在本教材的設計中，僅以老師口頭講述並配合投影片中相關圖形的變化，文字描 述也以重點提示為原則，避免視覺文字、圖片與口語三者同時呈現。 (六) 個人化原則（Personalization Principle） 個人化原則是指在教學時採用對話（conversational style）的方式會比採用正 式（formal style）的方式得到更好的學習效果。而在課堂上，便是教師多利用發問 的方式讓同學觀察再回答，取代直接講述的方式。 (七) 信號原則（Signaling Principle） 信號原則指的是適當的提示能引導學習者將注意力投注在重要的教材內容上，本 研究中所使用到的信號原則方式包括： 1. 大綱（Outline）：在介紹不同靜電主題時，便會先呈現此主題所含的主要步驟， 把此主題的步驟大綱呈現出來，並且於後續步驟化過程中，仍將步驟大剛保留 在左側以維持整體性，如下圖所示： 圖 2-3-8 信號原則範例-大綱 2. 標題（Heading）：在每張投影片加入標題，標示此步驟與大網的關聯性，學生 若不慎分心，亦可協助學生在教學過程中重新掌握教學進度。 3. 強調聲音（Vocal emphasis）：老師在講述到教學重點時，會以更大的音量或是 更慢的速度念出關鍵字。 4. 指標字（Pointer words）：在文中加下指標字，如：首先…第二…第三。 5. 箭頭（Arows）：以箭頭指出圖像的重要部位。 6. 特殊顏色（Distinctive colors）：用特別顯目的顏色來強調重點。 7. 指示手勢（Pointing gestures）：是一種螢幕上的機制，可指出圖像的某個部 分。當要讓學生注意導體左邊或右邊時，將會用紅色框框指示學生注意的範圍，

16 如下圖所示）： 圖 2-3-9 信號原則範例-指示手勢 8. 淡化（Graying out）：將圖像中其餘部位淡化，以讓正在描述的成分能夠獲得 更多的重視。如上圖2-3-9所示，當要讓學生細數區域範圍內負電荷數目時，其 餘正負電荷則採用淡化的方式處理，讓學生的注意力留在欲觀察的物件上。 (八) 事先訓練原則（Pre-training Principle） 事先訓練原則是指學習者若能夠事先知道主要概念的名字和特徵，學習效果較 佳。教學過程中欲判斷導體是否帶電?或是帶電性為何均須運用到正負電荷粒子概念 以及電中性概念，因此在課程一開始會先跟同學複習相關的概念。 以上提到的多媒體教材的設計原則，其實也和如何降低學習時的認知負荷相呼應。本研 究的教材設計，也會由設計不同版本的簡報教材中去觀察教材設計原則的使用時機，對學習 成就與認知負荷的影響。

第四節 步驟化呈現

本研究中摩擦起電、靜電感應、感應起電與接觸起電等相關靜電學內容，原本為動態連 續的變化過程，當以靜態圖片呈現時，其僅能以整個過程當中的關鍵階段之模式呈現，至於 關鍵階段之間的動態轉變過程，則因使用教材本身的限制而無法完整呈現。故當學習者透過 靜態圖片來學習時，必須運用視覺不斷來回比對、搜索前後兩張圖片的異同，並在工作記憶 區組織整合相關訊息，最後在長期記憶中建構整個動態的變化過程。對學習者而言，他們必 須主動控制觀看的次序與速度，會增加學習者在訊息選取、組織、比對、整合間的認知負荷。 相較於靜態圖片，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， 缺點是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，無法兼 顧學習者本身的學習速度。 為了減少數位落差，陳明璋（2006，6 月），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

17

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。 在課堂授課時，步驟化呈現的教材是將動態資訊依照訊息的容量及前後關係進行切割， 教師可依照多媒體設計原則依序呈現相關訊息，更可視學生學習的狀況來控制教學的速度。 本研究便是為了展示摩擦起電、靜電感應、感應起電與接觸起電等之動態資訊，而採用步驟 化呈現的概念進行教材設計。

19

第三章 研究方法

本章共分為六節，第一節為研究流程，第二節為說明研究對象，第三節為說明實驗設計， 第四節為介紹研究工具，第五節為呈現活動設計，第六節為說明資料處理。

第一節 研究流程

本研究之流程分為「研究準備期」、「研究設計與修正」、「實驗階段」及「分析產出 階段」等，如圖 3-1-1。 研究流程中各階段與研究時間對照，如表 3-1-1。 相關文獻蒐集與探討 形成研究主題 設計研究架構與研究假設 選定實驗對象與教材 設計實驗教材、設計實驗問卷 實驗教材調整、實驗問卷前測 進行教學實驗與資料收集 資料分析 研究發現與論文撰寫 圖 3-1-1 研究流程圖 研究準備期 研究設計與修正 實驗階段 分析產出階段

20 表 3-1-1 各階段研究流程時間對照表

第二節 研究對象

本研究的受測學生為新竹市的某國民中學，全校共有 75 班（七年級 25 班、八年級 25 班、 九年級 25 班），該校採Ｓ型分配常態分班，以方便抽樣方式從八年級 25 班中，挑選四個班 級進行施測，並以單因子變異數分析檢定，以「班級」為自變項，「上學期理化平均分數」 為依變項，檢定各班之間無顯著差異，以避免各班之間的差異影響實驗結果。

以下採取 A-1、A-2、B-1 及 B-2 班來作區分，其中 A-1 及 A-2 班是接受「步驟化動態呈 現教材」，為實驗組；B-1 及 B-2 班是接受「非步驟化動態呈現教材」，為對照組。A-1 班為 25 人，A-2 班為 30 人，B-1 班為 28 人，B-2 班為 27 人。實驗組與對照組中，成績前 33%的 同學為高分組，成績後 33%的同學為低分組，其餘中間的同學為中分組。受測班級分組人數 如下表 3-2-1。 研究時間 研究階段 2009 2010 10 月 11 月 12 月 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 研究準備期 相關文獻蒐集與探討 形成研究主題 選定實驗對象與教材 研究設計與修正 設計研究架構與研究 假設 設計實驗教材、設計實 驗問卷 實驗教材調整、實驗問 卷前測 實驗階段 進行教學實驗與資料 收集 分析產出階段 資料分析 研究發現與論文撰寫

21 表 3-2-1 受測班級分組人數 因子 學業成就 合計人數(人) 高分組 中分組 低分組 教 學 設 計 實驗組 A-1 班 9 6 10 25 A-2 班 10 13 7 30 合計(人) 19 19 17 55 對照組 B-1 班 5 10 13 28 B-2 班 12 10 5 27 合計(人) 17 20 18 55 總計(人) 36 39 35 110 各分組之間的敘述統計及變異數分析如下﹕ 表 3-2-2 各班理化科學業成績描述性統計量 班別 個數 平均數 標準差 標準誤 平均數的 95% 最小值 最大值 下界 上界 B-1 28 61.339 20.893 3.948 53.237 69.441 25.50 95.50 A-1 25 64.560 22.858 4.571 55.124 73.995 23.25 96.50 A-2 30 67.266 20.406 3.725 59.646 74.886 26.25 97.50 B-2 28 71.142 20.676 3.907 63.125 79.160 30.00 95.25 總和 111 66.139 21.190 2.011 62.153 70.125 23.25 97.50 表 3-2-3 各班理化科學業成績 ANOVA 平方和 自由度 平均平方和 F 檢定 顯著性 組間 1446.604 3 482.201 1.076 .362 組內 47946.107 107 448.094 總和 49392.711 110

22 表 3-2-4 高分組理化科學業成績描述性統計量 個數 平均數 標準差 標準誤 平均數的 95% 最小值 最大值 下界 上界 對照組 18 80.055 15.705 3.701 72.245 87.865 39.75 95.25 實驗組 19 83.328 12.785 2.933 77.166 89.491 41.25 97.50 總和 37 81.736 14.176 2.330 77.009 86.463 39.75 97.50 表 3-2-5 高分組理化科學業成績 ANOVA 平方和 自由度 平均平方和 F 檢定 顯著性 組間 99.042 1 99.042 0.486 .490 組內 7135.701 35 203.877 總和 7234.743 36 表 3-2-6 中分組理化科學業成績描述性統計量 個數 平均數 標準差 標準誤 平均數的 95% 最小值 最大值 下界 上界 對照組 20 69.800 18.728 4.187 61.034 78.565 25.50 95.50 實驗組 19 66.960 16.050 3.682 59.224 74.696 32.25 93.00 總和 39 68.416 17.305 2.771 62.807 74.026 25.50 95.50 表 3-2-7 中分組理化科學業成績 ANOVA 平方和 自由度 平均平方和 F 檢定 顯著性 組間 78.559 1 78.559 0.257 .615 組內 11301.358 37 305.442 總和 11379.917 38

23 表 3-2-8 低分組理化科學業成績描述性統計量 個數 平均數 標準差 標準誤 平均數的 95% 最小值 最大值 下界 上界 對照組 18 48.472 16.171 3.811 40.430 56.514 29.25 82.00 實驗組 17 45.676 16.568 4.018 37.157 54.195 23.25 74.25 總和 35 47.114 16.184 2.735 41.554 52.674 23.25 82.00 表 3-2-9 低分組理化科學業成績 ANOVA 平方和 自由度 平均平方和 F 檢定 顯著性 組間 68.336 1 68.336 0.255 .617 組內 8838.082 33 267.821 總和 8906.418 34 由表 3-2-3 可以得知，F 值為 1.076、p 值為 0.362＞0.05 未達顯著差異，表示受測的學 生班別之間並無顯著差異。由表 3-2-5、表 3-2-7、表 3-2-9，可知高分組(F 值為 0.486，p 值為 0.490＞0.05)、中分組(F 值為 0.257，p 值為 0.615＞0.05) 與低分組(F 值為 0.255，p 值為 0.617＞0.05)均未達顯著差異，可以發現實驗組與對照組不論教材分組或學業成就分組 下的考驗皆呈現無顯著差異。

第三節 實驗設計

一、 實驗設計模式

本研究在探討以激發式動態呈現的教學設計，對學生的學習成就和認知負荷是否產生影 響？學生對於此種教學設計多媒體學習後的感受度為何?本研究採用不等組前後測設計的準 實驗法，利用獨立樣本二因子共變數分析去檢視不同學業成就的學生在不同的教學設計之 下，學習成就和認知負荷的變化。設計模式如表 3-3-1。將進行實驗的四個班級以隨機分派 至不同組別，實驗處理說明如下：

24 表 3-3-1 設計模式 (一)以方便取樣選取新竹市某國民中學八年級四個班共 110 位學生作為研究對象。 (二)於實驗前，學生接受成就測驗前測(O1 O6 O11 O16)。 (三)實驗組的班級施以「步驟化動態呈現教材」，活動結束後進行成就測驗後測(O2 O7)、認 知負荷問卷(O3 O8)、課程感受問卷(O4 O9)。 (四)對照組的班級施以「非步驟化動態呈現教材」，活動結束後進行成就測驗後測(O12 O17)、 認知負荷問卷(O13 O18)、課程感受問卷(O14 O19)。 (五)課程結束一個月後，再對施測學生進行延宕後測(O5 O10 O15 O20)。

二、 研究架構圖

本研究之自變項、共變項與依變項如圖 3-3-1，說明如下﹕ (一)自變項 1.教材設計模式﹕步驟化動態呈現教學設計模式（A-1 班、A-2 班-實驗組）與非步驟 化動態呈現教學設計模式（B-1 班、B-2 班-對照組）。 組別 前測 數位教材呈現模式 後測 延宕後測 A-1 O1 步驟化動態呈現(實驗組) O2 O3 O4 O5 A-2 O6 步驟化動態呈現(實驗組) O7 O8 O9 O10 B-1 O11 非步驟化動態呈現(對照組) O12 O13 O14 O15 B-2 O16 非步驟化動態呈現(對照組) O17 O18 O19 O20 自變項 教材設計 學業成就 共變項 前測成績 控制變項 1.授課時數 2.教師因素 3.施測工具 依變項 1.後測成績 2.認知負荷 3.課程感受 圖 3-3-1 研究架構圖

25 2.學生的理化學業成就特質（學業成就分高、中、低三組）﹕本研究以受測的四個班 級四次的理化評量成績為參考，取班排名前 33％為高分組學業成就學生，後 33％為低分組 學業成就學生，其餘中間則為中分組學業成就學生。（A-1 班：高 9 人，中 6 人，低 10 人； A-2 班﹕高 10 人，中 13 人，低 7 人），（B-1 班：高 5 人，中 10 人，低 13 人；B-2 班： 高 12 人，中 10 人，低 5 人）。 (二)共變項﹕成就測驗前測 (三)控制變項 1.授課時數﹕全班授課 2 節課。 2.教師因素﹕一位教師引導學習。 3.施測工具﹕前、後測問卷，認知負荷問卷，課程感受問卷皆使用同一份問卷。 (四)依變項 1.後測成績﹕前、後測問卷答對題數之比較，以雙因子共變數分析比較。 2.認知負荷﹕認知負荷問卷中的分數。 3.課程感受﹕課程感受問卷中的分數。

第四節 研究工具

本研究的工具包括實驗教材、學習成就前後測試卷、認知負荷評量表及教材感受問卷。 前測試卷主要是想了解學生在教學前對教材內容的熟悉程度；後測試卷為收集教學後學生學 習效果；認知負荷評量表主要收集受測學生在學習過程中，所知覺的認知負荷程度；教材感 受問卷主要收集受測學生在進行教學過程中對於教材感受程度。分述如下：

一、 實驗教材設計

本研究是以國中九年級上學期靜電為教材設計的範圍，簡報教材的製作軟體是使用 PowerPoint2003 為平台，輔以由交通大學陳明璋博士領導的 Informath 團隊所發展的 PowerPoint 外掛軟體「MathPS」。 (一)教學內容 教材內容共為「摩擦起電」、「靜電感應」、「感應起電」與「接觸起電」四部份，分 兩堂課進行教學。 第一堂課教授「摩擦起電」與「靜電感應」兩部份，先舉生活中因摩擦而產生靜電常見

26 的例子來引起學生學習動機，並透過不同實驗製造學生認知衝突，讓學生重新思考靜電的本 質並藉此引進「摩擦起電」的概念;透過實驗讓學生觀察導體與絕緣體在摩擦起電實驗中的差 別，讓學生認識導體與絕緣體導電性不同的原因，並進而介紹導體所具有之「靜電感應」現 象。 第二堂課教授「感應起電」與「接觸起電」兩部份，本堂課主要是要學生認識讓導體帶 電的方法，透過生活情境問題的問答，引入讓導體帶電的方式有兩種，第一種是利用靜電感 應原理使導體帶電的方式--「感應起電」;第二種則是直接將導體與帶電體經由碰觸而使導體 帶電的方式--「接觸起電」。 (二)教材設計 實驗組（A-1 班、A-2 班）施予驟化動態呈現的靜電教材，對照組（B-1 班、B-2 班）施 予非步驟化動態呈現的靜電教材。 學習者在學習過程中本來就具有主動學習、有限能力的性質，一個好的多媒體教材，應 具有幫助學生選取訊息、組織訊息、綜合訊息的功能，在教材設計上應考量當訊息進入時能 相互為用，而並非不相關。因此本研究透過激發式動態呈現、注意力引導的方式來讓訊息有 引導性、溝通性、建立關聯來達到降低認知負荷量，以期幫助學生學習。 而運用多媒體教學時所湧入大量的訊息，易照成學生認知負荷量增加。為減少學生學習 過程中之認知負荷，本研究實驗組教材中，主要採取下列多媒體設計原則(以下僅以「靜電感 應」單元中部分教材為例)： 1. 分割原則（Segmenting Principle）： (1) 將靜電感應連續變化的過程分割成四個步驟，如下圖所示。 圖 3-3-2 靜電感應步驟圖

27 (2) 步驟與步驟間採用動態呈現的方式銜接，讓學生能清楚的觀察到物體中電子的分佈變 化過程，如下圖所示，當帶正電體接近導體時，以動態呈現的方式描述導體中電子的 分佈變化。 2. 連貫原則（Coherence Principle）：訊息一旦切割，會增加學生在搜尋及關連上的負荷， 切的太小(有效的學習中訊息必須整體呈現)會缺乏整體性與關聯性，必需透過訊息的區 塊化及結構化建立關聯。 (1) 如圖 3-3-2 所示，在介紹靜電感應主題時，會先呈現此主題所含的主要四個步驟，把 此主題的步驟大綱先呈現出來。 (2) 如上圖 3-3-3 所示，在介紹靜電感應步驟化過程中，仍將步驟大剛保留在左側區塊以 維持教材整體性，透過逐步引導的方式使學生獲得整體的概念。

3. 時間接近原則（Temporal Contiguity Principle）：步驟間配合老師授課說明的進度作 同步的切換。

4. 空間接近原則（Spatial Contiguity Principle）：投影片畫面上物件的編排依將相關 的文字圖片置於相近位置。如下圖 3-3-4 所示，當欲比較導體近端(右端)正負電荷數量多 寡以判斷其帶電性時，相關的文字則設計在靠近導體右端的區域附近，以便學生比對訊 息。

28 5. 多餘原則（Redundancy Principle）：減少投影片上文字的描述，教學訊息多以圖片與 口語傳達。 6. 信號原則（Signaling Principle）：運用不同的信號凸顯出教學的重點，以便於引導學 生的注意力。 (1) 特殊顏色：為讓學生能將注意力放在正負電荷的變化上，因此除了正負電荷的顏色較 深外，其餘物件則採用較柔較淡的顏色，避免干擾學生的注意力。 (2) 指示手勢：如下圖 3-3-5，欲讓學生比對導體右端的正負電荷數量時，則用一個紅色 的框框指示右邊區域，讓學生知道現在教學的重點區塊。 (3) 淡化：如下圖 3-3-6 所示，欲讓學生細數導體右端區域內正電荷數目時，除了區域內 的正電荷之外，導體中其餘的正副電荷都採淡化的方式處理，如此便可讓學生將注意 力放在區域內的正電荷上。 圖 3-3-4 導體近端帶電性之比較 圖 3-3-5 比較導體右端帶電性 圖 3-3-6 比較導體右端正電荷數目

29 因此本研究實驗組的教材設計便是透過上述激發式動態呈現、注意力引導的方式來引導 學生選取訊息、建立訊息間的關聯性，以降低認知負荷量，提升學生的學習成效。 而對照組的教材設計方面，原先曾考慮過以坊間書商所提供的教材作比較，但比對後發 現兩者在教學內容與課程進度編排上有很大的出入，兩者間並沒有具備比較的基礎，坊間教 材無法真正凸顯出本研究設計的功效，因此最後對照組則修改自實驗組的教材設計，去除部 分的多媒體設計原則而成，如下圖 3-3-7 所示： 在介紹靜電感應單元時，保留分割原則下大綱步驟的處理，在信號原則方面則保留正負 電荷以較深顏色表示外，其餘動態步驟化過程則全部捨去，步驟間的轉換、電子的分佈變化 則依靠老師課堂上口述說明，學生僅能依老師的解說，自行建構導體中的電子變化的過程。 因此實驗組與對照組最大的區別，便在於實驗組步驟間採用激發式動態呈現的方式銜 接，並輔以多媒體原則以引導學生注意力、掌握教材重點，並協助學生建立訊息間的關連性， 以期能增進學生學習。

二、 學習成就前後測試卷

依教材內容設計出前、後測試卷。前測試卷目的在了解其對預計實驗的教材認識程度； 後測試卷，則是收集受測學生在接受教學後的學習成效，試題分為記憶、理解、應用與分析 四類；前後測試卷題目依教材內容設計，題型、內容皆相同，但後測試題中，題號順序會變 動。 選定相關題目後，採邏輯分析法，先經過三位任教國中數學的教師（任教年資從 3~20 年） 依教授的內容和受測的試題的吻合程度，建議後保留 17 題，故有基本的專家效度。為確保試 題的信度，找了三個九年級的班級做試題預試，在回收的 106 份試卷中，內部一致性信度 Cronbach’s α 值為 0.76，顯示有良好的信度。最後分析題目的鑑別度及難度，過程說明 圖 3-3-7 靜電感應步驟圖(帶負電體靠近情況下)

30 如下： (一)難度分析採高分組及低分組通過率之平均值，數值介於 0~1 之間，數值愈高表示題目難 度愈低，高於 0.8 則太簡單，低於 0.2 則太難。 (二)鑑別度為高分組的難度減去高分組的難度所得之值，鑑別度數值介於-1~1 之間，數值為 負值為不具鑑別度，相關試題應刪去，數值在 0.2 以上即有參考價值，一般來說，鑑別 度達 0.3 或較高一點，即可被接受（王文科、王智弘，2006）。 (三)編製成就測驗的方法，依據古典測驗理埨，需考慮試題的內容和特徵（如：難度和鑑別 度），就當成是選擇試題的依據；例如：先挑選出鑑別度較高（如：大於 0.25）的試題， 再依據實施測驗的目的和考生的能力分配情況，挑選出難度較適中的試題，編成整份測 驗（郭生玉，1990）。 (四)故本研究受測題目選擇以先選出鑑別度高於 0.25~的題目，再從中選出難度指數較適合 （0.2~0.8 之間）的題目依實際應用做部分修改。最後由分析後的試題中選出十七題， 依實際教學教材的內容分析，有 3 個題目為記憶題、有 7 個題目為理解題、有 4 個題目 為應用題、有 3 個題目為分析題，每題得分皆為 1 分，除了分析學生在不同的理化簡報 教材的教學成效外，也可在記憶、理解、應用、分析等不同題型的表現作分析。此十七 個試題在學生受測後的信度分析，在內部一致性信度 Cronbach’s α 值達 0.76，顯示也 具良好的信度。 (五)其中第一題的題目鑑別度只有 0.20，而難度只有 0.90，顯示該題目的難度太低，學生很 容易回答，本來應予刪除該題，但因為該題是屬於基本概念定義題，所以本來難度就不 高，但卻與教材有相關性，所以與其它專家找討論後，予於保留。 (六)在題目的分類方面，依據 2001 年版布魯姆認知領域教育目標之認知歷程向度分類，認知 歷程共分為六個向度(葉連祺、林淑萍，2003)： 1.記憶(remember)：從長期記憶取回有關知識。 2.了解(understand)：從口述、書寫和圖像溝通形式的教學資訊中建構意義。 3.應用(apply)：面對某情境執行或使用某一個程序。 4.分析(analyze)：分析整體為許多部份，並決定各部份彼此和整體結構或目的關係。 5.評鑑(evaluate)：根據規準和標準下判斷。 6.創造(create)：集合要素以組合成一個具協調性或功能性的整體，重組要素為一個新的 模型或結構。 施測題目之難度、鑑別度與題型分類，今簡述如下所示：

31 表 3-4-2 測驗題目雙項細目表 教學內容 記憶 了解 應用 分析 電中性 1 12 16、17 導體 2 14 絕緣體 3 14 摩擦起電 4、5、14 15 靜電感應 9 10、12、13 16 感應起電 6、7、14 11、12、13 17 接觸起電 8、14 12、13 表 3-4-3 前後測驗題目難度與鑑別度表 題目 題型分類 難度 鑑別度 1 記憶 0.90 0.20 2 記憶 0.80 0.40 3 記憶 0.66 0.44 4 了解 0.58 0.76 5 了解 0.72 0.56 6 了解 0.70 0.44 7 了解 0.72 0.56 8 了解 0.50 0.76 9 了解 0.70 0.60 10 應用 0.58 0.60 11 應用 0.48 0.40 12 應用 0.60 0.64 13 應用 0.60 0.72 14 了解 0.72 0.48 15 分析 0.74 0.44 16 分析 0.50 0.36 17 分析 0.56 0.40