基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統

全文

(1)國立臺灣師範大學電機工程學系碩士論文. 指導教授：陳志銘博士、洪欽銘博士. 基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統 Developing a Learning Diagnosis System of Video Lecture Based on Attention Recognition Technology. 研究生：王逸翔撰中華民國一百零三年六月.

(2) 基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統. 學生：王逸翔. 指導教授：陳志銘博士洪欽銘博士. 國立臺灣師範大學電機工程學系碩士班. 摘要. 近幾年來數位學習的發展日新月異，改變了以往在課堂上由教師面對面授課的傳統教學模式，科技的輔助也讓數位化的教學模式越來越多元，電腦輔助學習將課程、教材與教學結合於資訊科技中，科技輔助學習，對於學生的學習成效與問題解決能力都有所提升。注意力一直都被視為是影響學習成效的關鍵因素，但受限於注意力偵測技術的發展困難問題，過去鮮少研究發展提升學習注意力的科技輔助工具。因此，本研究發展出一套基於腦波注意力之影音教學學習診斷系統。以驗證此一基於腦波注意力發展之影音教材學習診斷系統對於提升複習學習成效及注意力的影響，比較出採用注意力複習診斷系統的實驗組學習者與採用自主複習診斷系統的控制組學習者在複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度上的影響差異。此外，亦進一步探討學習者採用兩種不同複習診斷機制，對於不同性別、注意力高低，以及場地獨立與場地依賴不同認知風格學習者所產生之複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度的差異影響。實驗結果發現：(1)採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統實驗組學習者的複習學習成效顯著優於採用自主複習診斷控制組學習者；(2) 採用基於注意力之影音教材學習診斷系統複習之女性學習者的複習學習成效顯著優於採用自主複習診斷；(3)採用基於注意力之影音教材學習診斷系統複習之低注意力學習者的學習成效顯著優於採用自主複習診斷；(4) 採用基於注意力之影音教材學習診斷系統複習之場地依賴型學習者的學 i.

(3) 習成效顯著優於採用自主複習診斷方法；(5)採用自主複習診斷複習之場地依賴型學習者的認知負荷顯著高於採用基於注意力之影音教材學習診斷系統；(6)採用基於注意力之影音教材學習診斷系統與自主複習診斷的高注意力學習者在複習注意力上顯著優於低注意力學習者；(7)採用基於注意力之影音教材學習診斷系統複習之場地獨立型學習者的認知負荷顯著高於場地依賴型學習者；(8)採用自主複習診斷男性學習者的複習滿意度顯著高於女性學習者；(9)採用自主複習診斷場地獨立型學習者的複習滿意度顯著高於場地依賴型學習者。關鍵字：注意力、學習成效、自主複習診斷、腦波注意力之影音教材學習診斷系統。. ii.

(4) Developing a Learning Diagnosis System of Video Lecture Based on Attention Recognition Technology Student：Yi-Shiang Wang. Advisor：Dr. Chih-Ming Chen Dr. Chin-Ming Hong. Department of Electrical Engineering National Taiwan Normal University. ABSTRACT The changing development of e-learning in last years has changed the traditional face to face teaching; and, the assistance of technology also allows e-learning being diversified. Computer assisted learning integrates curricula, materials, and teaching into information technology so that technology assisted learning could enhance students’ learning outcome and problem-solving abilities. Attention has been regarded as a key factor in learning outcome; however, the development of technology assisted instruments to enhance learning attention is seldom researched because of the restriction to the difficulty in attention detection technologies. A brainwave attention based video and audio material assisted learning diagnosis system is therefore developed in this study to verify the effects on the promotion of review learning outcome and attention as well as to compare the effects on the review learning outcome, review attention, cognitive load, and review satisfaction between learners in the experimental group applying the attention based review diagnosis system and those in the control group adopting autonomous review and diagnosis system. Furthermore, the effects of learners with different gender, attention and cognitive style, including field independence and field dependence, on the review learning outcome, review attention, cognitive load, and review satisfaction are also investigated. The experimental results are summarized as following. (1) Learners in the iii.

(5) experimental group applying brainwave attention based video and audio material assisted learning diagnosis system significantly outperform those in the control group adopting autonomous review and diagnosis on review learning outcome. (2) Female learners applying attention based video and audio material assisted learning diagnosis system remarkably outperform those adopting autonomous review and diagnosis on the review learning outcome. (3) Low-attention learners applying attention based video and audio material assisted learning diagnosis system notably outperform those adopting autonomous review and diagnosis on the review learning outcome. (4) Field dependent learners applying attention based video and audio material assisted learning diagnosis system outperform those adopting autonomous review and diagnosis on the review learning outcome. (5) Field dependent learners applying autonomous review and diagnosis review present significantly higher cognitive load than those adopting attention based video and audio material assisted learning diagnosis system. (6) High-attention learners applying attention based video and audio material assisted learning diagnosis system and autonomous review and diagnosis outperform low-attention learners on the review attention. (7) Field independent learners adopting attention based video and audio material assisted learning diagnosis system to the review reveal remarkably higher cognitive load than field dependent learners. (8) Male learners applying autonomous review and diagnosis show notably higher review satisfaction than female learners. (9) Field independent learners adopting autonomous review and diagnosis present significantly higher review satisfaction than field dependent learners do. Key words: attention、learning outcome, autonomous review and diagnosis, brainwave attention video and audio material a ssisted learning diagnosis system.. iv.

(6) 誌謝回顧我的兩年多來的研究生活，每天都能很開心，雖然有時研究上會面對未知的問題，幸好能得到老師們、學長姐們和同儕之間的指導與指教，讓我在求學過程中都能積極正面予以克服每個難關。由衷感謝我的指導教授洪欽銘博士兩年多來的提攜與照顧，不時的提醒學生身體健康最重要，以及叮嚀我在未來為人處世的道理，著實讓學生成長；由衷感謝我的共同指導教授陳志銘博士對於我的碩士論文細心指點與建議，以及對我耐心與包容，才能使我的實驗與碩士論文更加完善。另外特別感謝口試委員銘傳大學王豐緒博士與東吳大學郭育政博士，提供多項珍貴意見與建議，讓本論文能更加完整，在此致上最深的謝意。由衷感謝士恆學長在教導寫程式的這段日子裡，叮嚀我很多需要改進的方向，讓我能夠順利突破重重難關；感謝陳志修老師與郭旗雄老師在百忙之中願意調度學生與電腦教室讓我順利完成實驗；感謝曼婷學姊與育蒼學長教導我 SPSS 統計軟體以及未來人生道路上指點；感謝智名學長，非常熱心地幫助我們，適時給我們意見與協助，在此致上最深的謝意。感謝我的同學林宓、婷芸、冠雯、助理穎盈、學弟智琨與政大實驗室學長學弟妹們，有你們的鼓勵和幫助，才能讓我碩班生活過得充實和多采多姿，在此致上由衷的感謝。特別感謝多媒體網路實驗室與智慧型控制實驗室的學弟妹們協助，致上最深的感謝之意。最後，由衷感謝我的家人，特別是爸爸媽媽，給了我一個幸福溫暖的家庭，讓我在求學階段可以無後顧之憂，在此，希望你們身體健康。. 王逸翔. 謹誌. 2015 年 8 月 v.

(7) 目錄摘要 .......................................................... i ABSTRACT ....................................................................................................... iii 目錄 .................................................................................................................. vi 表目錄 ............................................................................................................ ix 圖目錄 ........................................................................................................... xii 第一章緒論 ..................................................................................................... 1 1.1 研究背景與動機 ............................................ 1 1.2 研究目的 .................................................. 3 1.3 研究問題 .................................................. 4 1.4 研究範圍與限制 ............................................ 5 1.5 研究流程 .................................................. 6 1.6 重要名詞釋義 .............................................. 7 1.6.1 認知負荷 ........................................ 7 1.6.2 注意力 .......................................... 7 1.6.3 複習診斷 ........................................ 8 1.7 論文架構 .................................................. 8 第二章. 文獻探討 ............................................................................................. 9. 2.1 科技輔助複習策略 ........................................... 9 2.2 注意力 .................................................... 10 2.2.1 注意力之涵義 ................................... 10 2.2.2 注意力之技術現況與應用 ......................... 11 2.3 認知風格 .................................................. 12 2.3.1 認知風格之涵義 ................................. 12 2.3.2 「場地獨立型 / 場地依賴型」認知風格學習者特質 .. 13 2.3.3 認知風格影響學習相關研究 ....................... 14 2.4 認知負荷 .................................................. 15 2.5 性別差異 .................................................. 16 第三章. 研究方法 ........................................................................................... 18. 3.1 研究架構 ................................................. 18 3.2 研究對象 ................................................. 21 vi.

(8) 3.3 研究工具 ................................................. 21 3.3.1 腦波注意力之影音教學學習診斷系統 ............... 3.3.2 腦波注意力監測系統 ............................. 3.3.3 學習與複習成效測驗試卷 .......................... 3.3.4 團體嵌圖測驗 ................................... 3.3.5 複習滿意度問卷 ................................. 3.3.6 認知負荷量表 .................................... 21 24 27 28 28 28. 3.4 實驗設計 ................................................. 29 3.4.1 實驗設備 ....................................... 29 3.4.2 實驗流程 ....................................... 29 3.5 資料分析方法 ............................................. 34 第四章實驗結果分析 ..................................................................................... 37 4.1 研究對象資料分析 .......................................... 37 4.1.1 基本資料 ....................................... 37 4.1.2 兩組學習者認知風格分析 ......................... 37 4.2 實驗組與控制組學習者初始能力分析.......................... 38 4.3 實驗組與控制組學習者複習學習成效分析 ..................... 38 4.4 實驗組與控制組學習者之複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度差異分析 ................................................ 39 4.5 實驗組與控制組不同性別學習者之複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度差異分析 ........................................ 42 4.5.1 同一性別學習者採用不同複習診斷方法之組間比較 ... 42 4.5.2 採用不同複習診斷方法組內不同性別學習者比較 ..... 47 4.6 實驗組與控制組不同認知風格學習者之複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度差異分析 .................................... 52 4.6.1 同一認知風格學習者採用不同複習診斷方法之組間比較 52 4.6.2 採用不同複習診斷方法組內不同認知風格學習者比較 . 56 4.7 實驗組與控制組高低不同注意力學習者之複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度差異分析.................................. 61 4.7.1 相同注意力學習者採用不同複習診斷方法之組間比較 . 61 4.7.2 採用不同複習診斷方法組內高低不同注意力學習者之間的比較 ................................................. 66 vii.

(9) 4.8 討論 ...................................................... 71 4.8.1 採用不同複習診斷方法對於實驗組與控制組學習者之複習學習成效差異討論 ..................................... 74 4.8.2 採用不同複習診斷方法對於實驗組與控制組低複習注意力學習者之複習學習成效差異討論 ......................... 75 4.8.3 採用不同複習診斷方法對於實驗組與控制組場地依賴型學習者之複習學習成效差異討論 ........................... 75 4.8.4 採用不同複習診斷方法對於實驗組與控制組女生之複習學習成效差異討論 ....................................... 76 第五章結論與未來研究方向 ......................................................................... 77 5.1 結論 ...................................................... 77 5.2 未來研究方向 .............................................. 81 參考文獻 ........................................................................................................... 83 附錄一：學習成效測驗卷之後測................................................................... 89 附錄二：學習成效測驗卷之複習後測........................................................... 92 附錄三：團體嵌圖測驗 ................................................................................... 96 附錄四：認知負荷量表 ................................................................................... 98 附錄五：複習滿意度問卷 ............................................................................... 99 附錄六：基於注意力之影音教學學習診斷系統之研究參與學生家長同意書 ......................................................................................................................... 100 自傳 ............................................................................................................. 101 學術成就 ............................................................................................. 102. viii.

(10) 表目錄表 4-1 研究對象人數統計表 ........................................................................... 37 表 4-2 兩組研究對象認知風格人數統計表 ................................................... 37 表 4-3 實驗組與控制組自然科月考成績獨立樣本 T 檢定結果 ................... 38 表 4-4 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組學習者複習成效後測與學習成效後測之成對樣本 T 檢定結果 ....................................................... 39 表 4-5 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組學習者之複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度敘述統計結果 ........................... 40 表 4-6 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組學習者之複習學習成效與複習注意力之單因子共變數分析統計結果 ........................................... 40 表 4-7 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組學習者認知負荷和複習滿意度獨立樣本 T 檢定結果 ....................................................................... 41 表 4-8 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組男性學習者複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度敘述統計結果 ........................... 42 表 4-9 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組男性學習者複習學習成效和複習注意力單因子共變數分析結果 ................................................... 43 表 4-10 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組男性學習者認知負荷和複習滿意度獨立樣本 T 檢定結果 ........................................................... 44 表 4-11 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組女性學習者複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度敘述統計結果 ................... 44 表 4-12 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組女性學習者複習學習成效和複習注意力單因子共變數分析結果 ............................................... 45 表 4-13 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組女性學習者認知負荷和複習滿意度獨立樣本 T 檢定分析結果 ................................................... 46 表 4-14 採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統實驗組男、女性學習者之複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度敘述統計結果 ........................................................................................................... 47 表 4-15 採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統實驗組男、女性學習者之複習注意力單因子共變數分析統計結果 ................................... 48 表 4-16 採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統實驗組男、女性學習者之複習學習成效獨立樣本 T 檢定結果 ........................................... 48 表 4-17 採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統實驗組男、女性學習者之認知負荷與複習滿意度獨立樣本 T 檢定結果 ........................... 49 表 4-18 採用自主複習診斷控制組男、女性學習者之複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度敘述統計結果 ................................... 50 表 4-19 採用自主複習診斷控制組男、女性學習者之複習學習成效和複習注意力單因子共變數分析統計結果 ....................................................... 51 ix.

(11) 表 4-20 採用自主複習診斷控制組男、女性學習者之認知負荷與複習滿意度獨立樣本 T 檢定結果 ........................................................................... 51 表 4-21 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組場地獨立型學習者複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度敘述統計結果 ....... 52 表 4-22 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組複習學習成效和複習注意力單因子共變數分析結果 ................................................................... 53 表 4-23 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組場地獨立學習者認知負荷和複習滿意度獨立樣本 T 檢定分析結果 ........................................... 54 表 4-24 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組場地依賴型學習者複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度敘述統計結果 ....... 54 表 4-25 採用不同複習診斷方法之場地依賴型學習者複習學習成效和複習注意力單因子共變數分析結果 ............................................................... 55 表 4-26 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組場地依賴型學習者認知負荷和複習滿意度獨立樣本 T 檢定分析結果 ....................................... 56 表 4-27 採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統實驗組場地獨立型與場地依賴型學習者之複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度敘述統計結果 ............................................................................... 57 表 4-28 採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統實驗組場地獨立型與場地依賴型學習者之複習學習成效和複習注意力單因子共變數分析結果 ........................................................................................................... 58 表 4-29 採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統實驗組場地獨立型、場地依賴型學習者之認知負荷與複習滿意度獨立樣本 T 檢定分析結果 ................................................................................................................... 59 表 4-30 採用自主複習診斷控制組場地獨立型與場地依賴型學習者之複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度敘述統計結果 ....... 59 表 4-31 採用自主複習診斷控制組場地獨立型與場地依賴型學習者之複習學習成效和複習注意力單因子共變數分析結果 ................................... 60 表 4-32 採用自主複習診斷控制組場地獨立型與場地依賴型學習者之認知負荷與複習滿意度獨立樣本 T 檢定分析結果 ....................................... 61 表 4-33 採用不同複習診斷方法之高注意力學習者複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度敘述統計結果 ........................................... 62 表 4-34 採用不同複習診斷方法之高注意力學習者複習學習成效和複習注意力單因子共變數分析統計結果 ........................................................... 63 表 4-35 採用不同複習診斷方法之實驗組與控制組高注意力學習者認知負荷和複習滿意度獨立樣本 T 檢定分析結果 ........................................... 63 表 4-36 採用不同複習診斷方法之低注意力學習者複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度敘述統計結果 ........................................... 64 表 4-37 採用不同複習診斷方法之複習注意力單因子共變數分析結果 ..... 65 x.

(12) 表 4-38 採用不同基於腦波注意力之影音學習診斷系統與自主複習診斷實驗組與控制組低注意力學習者之複習學習成效獨立樣本 T 檢定分析結果 ............................................................................................................... 65 表 4-39 採用不同複習診斷系統之實驗組與控制組低注意力學習者之認知負荷和複習滿意度獨立樣本 T 檢定分析結果 ....................................... 66 表 4-40 採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統實驗組高低不同注意力學習者之複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度敘述統計結果 ............................................................................................... 67 表 4-41 採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統實驗組高低不同注意力學習者之複習學習成效和複習注意力單因子共變數分析結果 ... 68 表 4-42 採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統實驗組高低不同注意力學習者之認知負荷與複習滿意度獨立樣本 T 檢定分析結果 ....... 68 表 4-43 採用自主複習診斷控制組高低不同注意力學習者之複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度敘述統計結果 ........................... 69 表 4-44 採用自主複習診斷控制組中高低不同注意力學習者之複習學習成效和複習注意力單因子共變數分析結果 ............................................... 70 表 4-45 採用自主複習診斷的控制組中高低不同注意力學習者之認知負荷與複習滿意度獨立樣本 T 檢定分析結果 ............................................... 71 表 4-46 實驗組與控制組組間之差異分析結果彙整..................................... 71 表 4-47 實驗組與控制組組內差異分析結果彙整......................................... 73. xi.

(13) 圖目錄圖 1-1 研究流程 ................................................................................................. 6 圖 3-1 研究架構圖 ........................................................................................... 19 圖 3-2 基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統使用者介面 ................... 22 圖 3-3 腦波訊號量測耳機所量測腦波訊號資料匯入為注意力曲線圖 ....... 23 圖 3-4 建議複習之低注意力影片段落 ........................................................... 24 圖 3-5 腦波訊號號量測耳機 ........................................................................... 26 圖 3-6 腦波注意力監測系統介面 ................................................................... 26 圖 3-7 ZIGBEE 無線感測網路傳輸器 .............................................................. 27 圖 3-8 學習者高低注意力變化 ....................................................................... 31 圖 3-9 學習者配戴腦波訊號量測耳機進行影音教材學習 ........................... 31 圖 3-10 實驗組學習者進行影音教材複習影片內容 ..................................... 32 圖 3-11 實驗流程圖 ......................................................................................... 33. xii.

(14) 第一章緒論. 1.1 研究背景與動機近幾年來數位學習的發展日新月異，改變了以往在課堂上由教師面對面授課的傳統教學模式，有了科技的輔助也讓數位化的教學模式越來越多元，電腦輔助學習將課程、教材與教學結合於資訊科技中，突破了時間與空間的限制，也輔助學習者進行更有效的學習 (王全世，2000；徐新逸， 2002)。此外，相關研究指出，應用科技輔助學習，對於學生的學習成效、問題解決能力與批判性思考都具有非常正面的實質幫助(張奕華，2001； Chen et al.,2013)。. 在學習的過程中，學習者的注意力一直都是教育與認知心理學領域非常重視的議題。Broadbent(1958)指出，沒有注意力(attention)就沒有有效的識別(identification)、學習(learning)與記憶(memory)。過去研究指出學習者在學習過程中的注意力是否集中，係影響學習者學習成效之關鍵因素 (Clark, Nguyen, & Sweller, 2006；宋淑惠，1991)。許多研究也證實學習者的學習注意力與學習成效呈現顯著的正相關(顏永森、胡學程與柯天哲， 2011；Chen & Huang, 2013；林宓，2014)。. 近年來基於生理訊號的注意力量測技術發展的非常快速，除了已經被應用在醫學上的臨床診斷外，也被應用在情緒識別(Murugappan, Nagarajan, & Yaacob, 2010)、學習注意力評量(Chen & Huang, 2013)、搭配眼動儀進行注意力研究(潘鈺筠、林紀慧，2011)，以及各種諸如繪本閱讀、多媒體學習等學習活動的注意力評估上(廖允在，2007；蘇欣欣，2013；陳冠雯，. 1.

(15) 2014)。此外，也有研究針對如何改善過動症(Attention-Deficit Hyperactivity Disorder, ADHD) 學習者注意力問題提出方法. (Bransford,1979 ；. Wicks-Nelson & Israel, 2000；蘇琲雯，2001)。也有研究將腦波注意力應用於人機介面(Man-Machine Interface)的意念控制領域上，藉以輔助具有肢體學習障礙人士之人機互動上(Scherer R.,Muller G.R.,Neuper C.,Graimann B.,& Pfurtscheller G.，2004；Wolpaw J.R.,Birbaumer N., McFarland D.J., Pfurtscheller G. & Vaughan T.M.，2002)。也有研究利用視覺與聽覺發展注意力量測技術，分析學習者在欣賞影片時的高低注意力變化，並據此辨識出影片中受歡迎片段(Y.Zheng, G.Zhu, S.Jiang,Q.Huang & W.Gao, 2008； Moon, Kim, Lee & Bae, 2012)。. 雖然注意力一直都被視為是影響學習成效的關鍵因素，但受限於注意力偵測技術的發展困難問題，過去鮮少研究發展提升學習注意力的科技輔助工具。近幾年來由於生理訊號感測技術的蓬勃發展，已有廠商發展出成熟的注意力感測技術。因此，本研究利用美國神念科技公司 NeuroSky 所開發之 Mindset 腦波訊號量測耳機(NeuroSky Inc, 2012)，量測學習者在利用影音教學影片進行學習和複習時的腦波注意力，據此發展出一套基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，可以診斷出學習者觀看影音教材時之引發低注意力影片段落，並據此引導學習者進行更有效率且精確的複習。為了驗證此一系統的成效，為本研究比較出採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統對於提升複習學習成效及注意力的影響，本研究設計一教學實驗，比較出採用注意力複習診斷系統的實驗組學習者與採用自主複習診斷系統的控制組學習者在複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度上的影響。. 2.

(16) 1.2 研究目的依據上述之研究動機，本研究利用美國神念科技公司 NeuroSky 所開發之 Mindset 腦波訊號量測耳機，發展出一套基於腦波注意力之影音教學學習診斷系統，據此診斷學習者利用影音教學影片輔以學習時，所產生低注意力之影音教學片段內容，並以此作為引導學習者進行低注意力段落內容複習的依據。為了驗證此一系統的成效，本研究並且比較採用基於腦波注意力之影音教學學習診斷系統進行複習的實驗組學習者，以及採用自主複習診斷的控制組學習者，驗證此一基於腦波注意力之影音教學學習診斷系統對於提升學習者的複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度的影響。此外，也進一步探討學習者採用兩種不同複習診斷機制，對於不同性別、注意力高低，以及場地獨立與場地依賴不同認知風格學習者所產生之複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度的差異影響。綜合以上敘述，本研究之主要研究目的如下：一、在影音教學情境下，探討學習者採用本研究所發展之腦波注意力影音教學學習診斷系統輔以學習，複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度上是否優於採用自主複習診斷的學習者。二、在影音教學情境下，探討不同性別、注意力高低以及場地獨立與場地依賴不同認知風格學習者，採用本研究所發展之腦波注意力影音教學學習診斷系統輔以學習，在複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度上是否優於採用自主複習診斷的不同性別、注意力高低以及場地獨立與場地依賴不同認知風格學習者。. 3.

(17) 1.3 研究問題根據本研究之研究目的，本研究的研究問題如下： 1.. 在採用影音教學影片進行學習的情境下，採用腦波注意力之影音教材學習診斷系統以及自主複習診斷，對於學習者的複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著的差異?. 2.. 在採用影音教學影片進行學習的情境下，採用腦波注意力之影音教材學習診斷系統以及自主複習診斷，對於不同認知風格之場地獨立型與場地依賴型學習者的複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著的差異?. 3.. 在採用影音教學影片進行學習的情境下，採用腦波注意力之影音教材學習診斷系統以及自主複習診斷，對於高低不同注意力學習者的複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著的差異?. 4.. 在採用影音教學影片進行學習的情境下，採用腦波注意力之影音教材學習診斷系統以及自主複習診斷，對於不同性別學習者的複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著的差異?. 4.

(18) 1.4 研究範圍與限制 1.. 探討之研究對象範圍與限制：本研究以新北市某一所國民小學三年級學生，合計 55 位學生為研究對象，在進行教學實驗的過程中，本研究將研究對象依據班級隨機分派為採用腦波注意力之影音教材學習診斷系統的實驗組與採用自主複習診斷的控制組學習者，兩組皆透過影音教學影片欣賞同一個單元的自然與生活科技課程，其他不同年齡層的研究對象不在本研究的探討範圍，因此本研究之研究結果，不宜過度推論至其他年齡層的學習者。. 2.. 探討之認知風格範圍與限制：本研究僅探討認知風格中之場地獨立型與場地依賴型學習者，採用腦波注意力之影音教材學習診斷系統以及自主複習診斷，對於學習者的複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度的影響差異，其他認知風格不在本研究所探討的範疇。. 3.. 教材內容範圍與限制：本研究主要以影音教學影片之自然與生活科技課程進行教學實驗，實驗僅以一個單元的教材內容進行學習，因此是否對於其他科目或更長時間的學習仍具有相同之複習學習成效以及注意力反應，不宜作過度的推論。. 5.

(19) 1.5 研究流程本研究之研究流程圖如圖 1 所示。. 擬定研究目的及問題前測蒐集相關文獻資料進行線上課堂教學. 建立研究架構與假說. 蒐集受測者腦波注意力資料. 選定學習科目及教材. 後測. 開發注意力學習診斷系統. 資料分析. 實驗設計. 結論與建議. 選定實驗學校、對象. 實驗對象分組圖 1-1 研究流程. 6.

(20) 1.6 重要名詞釋義 1.6.1 認知負荷認知負荷是心理學中的一種構念（construct），它是指學習者從事特定工作時，加諸於學習者認知系統的一種負荷（Sweller, Van Merrienboer, & Paas, 1998）。研究指出當學習者所接收的資訊量增加，認知負荷量也會跟著增加，換句話說，當接收到的資訊量超出心智負荷容量和最大限制時，學習者的學習成效便會有所損失(Chandler, Cooper, Pollock, & Tindall-Ford, 1998；Feinberg & Murphy，2000)。本研究使用的認知負荷量表為 Sweeler, Paas 及 Merrienboer (1998)所發展的認知負荷量表，來量測學習者的認知負荷程度，該量表由李克特七點量尺進行評量，包含「心智努力(Mental Effort)」與「心智負荷(Mental Load)」兩個面向之量測。. 1.6.2 注意力目前國內外對於注意力的定義有非常多種形式，而其中較被廣泛所採納的定義形式為 James William(1983)所提出的定義：「注意力是一種心靈被佔據的狀態，以一種清晰鮮明的形式，從眾多可能的物件和思考中選擇其中的一項」。換句話說，注意力的本質是意識的聚焦、集中與關注，也意謂人的思緒從某些其他事物中撤退，以便有效的處理某一特定事物。黃秉紳(2006)認為注意力是學習的基本必備因素，學習都需要注意力來增進學習效果，透過注意力的練習，改善不夠專注的行為，方可增進學習成效。注意力也能夠提高學習的效率，換句話說，學習越專注，越能達到學習的效果(臺鳳英，2003）。注意力與學習之間有著非常緊密的關係，人藉由感官接受的訊息只有被注意到，才能進一步的被處理與保留(Broadbent, 1958；鄭昭明，2006)。. 7.

(21) 1.6.3 複習診斷本研究所發展之基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統係透過取得每一位學習者觀看影音教材影片內容的時間過程，並以腦波注意力監測系統對應之學習者每秒鐘腦波注意力數值的變化進行比對，以低於整體平均值一段時間的方式，診斷出每位學習者在影音教學過程中低注意力影片內容段落，接著引導學習者複習低注意力影片內容段落，進而達成有效之複習目的。. 1.7 論文架構本論文包含緒論、文獻探討、研究方法、實驗結果與分析、結論與未來研究方向等五個章節，各章內容簡要敘述如下：第一章緒論：說明研究背景與動機、研究目的、研究問題、研究範圍與限制、重要名詞釋義及論文架構。第二章文獻探討：介紹本研究相關的文獻內容，包括科技輔助複習策略、注意力感知技術發展現況與應用、認知風格與性別差異等與本研究相關的理論。第三章研究方法：說明本研究的研究架構、研究對象、研究工具、實驗設計與資料分析方法。第四章實驗結果與分析：依序說明本研究之實驗結果，由實驗過程所收集的複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度，經由統計分析推論，以驗證本研究所提出的研究問題。第五章結論與未來工作：依序說明本研究的研究結論，並提出後續之未來研究方向與建議。. 8.

(22) 第二章文獻探討. 本研究發展出一套基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，並探討此一基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統對於學習者之複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度的影響。本章針對與本研究相關文獻進行探討。. 2.1 科技輔助複習策略複習策略（Rehearsal Strategy）是指學習者透過重複的學習，以達到將資訊儲存於長期記憶的策略(簡梨蓉， 2009)。也有研究指出，複習過程是指學習者進行課堂上的學習活動時，記下課堂教學的概念，作為事後檢索閱讀、複習上課內容時之參考依據，以達成支持學習者之學習記憶保留，促進學習者達到學習成效目的之過程(Kiewra et al., 1991; Kobayashi, 2006; van der Meer, 2012) 。. Weinstein 及 Mayer（1986）將一般基本常用的學習模式分成八種類型，其中基本的複習策略（Basic Rehearsal Strategies）與複雜的複習策略（Complex Rehearsal Strategies）均與複習策略有關，前者是利用複誦方式對順序性事物名稱反覆練習；後者是利用其他學習輔具協助學習者記憶與練習。隨著資訊科技的發展，教學者或學習者利用資訊科技作為學習輔具，來協助學習者複習知識已成為發展趨勢。蔡文瓊(2009)的研究探討國小四年級學生運用電子白板小組系統化複習策略，對於英語認句的學習成效影響，結果顯示學習者運用電子白板作為複習策略之學習輔具的學習成效優 9.

(23) 於其他傳統的學習方式，並且電子白板小組系統化複習策略透過多媒體融入教學，亦能提昇學習者的學習興趣。複習策略有助於將知識儲存於長期記憶區中，亦有助於學習者在舊知識上更快速建立新知識，換句話說，好的複習策略可以提高學習者的學習成效以及促進舊知識與新知識的連結 (Reisberg, 1997)。Amlund、Kardash 與 Kulhavy (1986)的研究探討學習者對於教材文本內容的重點與細節的重複閱讀和回憶(Recall)歷程，結果顯示反覆閱讀兩次有助於記憶的保留，並產生最佳學習效果。此外， Paul（2007）亦提出學習者透過多媒體載具進行反覆複習，可以有效提升學習者的英文學習成效。. 綜合上述，複習策略有助於提高學習者的學習成效，並且亦有助於促進知識被儲存於長期記憶區。因此，本研究發展出一套基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，可以診斷出學習者採用影音教材輔以學習下，容易引發低注意力之影音教學片段，據此引導學習者進行低注意力段落內容之複習。為了驗證基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統對於提升複習成效的效益，本研究將其與採用自主複習診斷的策略進行比較，驗證此一基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統對於提升學習者的複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度的影響。. 2.2 注意力 2.2.1 注意力之涵義 Lyon 及 Krasnegor(2001)的研究指出，人類的學習、記憶與思考行為，都非常依賴對於環境中事件項目的關鍵特徵所付出的注意力，並且也會達到進一步的保留與回憶訊息，並進行選擇、部署、監控與控制認知的策略 10.

(24) 歷程。陳淑樺(2007)指出在訊息處理模式中，周遭生活的資訊會從四面八方進入到我們的感官收錄器中，而這些接收的訊息會被感知，並保留非常短的時間，如果這些訊息沒有被及時注意以及進一步處理，將會快速從感覺系統中流失。由此可知只有被注意到的訊息，才會進一步受到感官系統的處理，而注意力係影響學習和記憶的關鍵因素，沒有注意力就沒有有效的辨識、學習與記憶(鄭昭明，2006)。亦有研究指出，注意力是針對刺激做預期性的選擇，讓更重要的刺激資訊透過感官輸入，並透過感官加以知覺，同時將無關的刺激資訊加以抑制，這種刺激的選擇歷程即為注意力(王克先，1987)。. Sohlberg 及 Mateer(1987)的研究把注意力區分為五類：(1)集中性注意力：指學習者能夠對特定的感知訊息刺激作出反應，不需要注意力的轉移； (2)持續性注意力：指學習者把注意力維持並持續一段長時間的活動，直至活動完成；(3)選擇性注意力：指學習者面對引起分心的情境時，能夠將注意力集中於主要的焦點事件上，分心的情境事件包括外在的刺激（如他人說話聲音）及個人內在的刺激（如個人的思想或感知）；(4)轉移性注意力：指學習者進行活動時，能同時接收到外界資訊並加以處理，並能夠適當地在兩者之間轉移注意力；(5)分配性注意力：指學習者能夠同時處理發生多種不同要求的任務，或是同一個時間注意不同資訊且立即作出反應。本研究探討所開發之腦波注意力影音教材學習診斷系統，是否有助於提升學習者進行複習時的持續注意力。. 2.2.2 注意力之技術現況與應用目前已有許多研究致力於發展提升注意力的輔助機制，其中 Eid 與 Fernandez(2013)的研究發展讀者注意力狀態即時回饋系統，搭配腦波感測 11.

(25) 器和網路照相機，當此一系統偵測出學習者注意力渙散或是視線不在電腦螢幕上時，會即時地自動提醒學習者，以喚起學習者的注意力，結果顯示此一系統可以有效幫助學習者提升學習時的注意力。Jamerson(2002)的研究提出使用互動式電子白板，可以改善注意力不足過動症(Attention-Deficit Hyperactivity Disorder, ADHD)學習者的注意力，甚至可以在課堂學習時能顯著提升 ADHD 學習者的學習注意力。Wan、He 及 Voisine(2013)的研究提出結合腦波注意力與行動載具，發展出一攜帶方便的注意力即時監測與提醒疲勞駕駛系統，可以偵測出駕駛的疲勞度與注意力渙散狀態，結果顯示此一系統可以正確分辨出駕駛疲勞度及的注意力狀態。張淵順(2014)的研究透過 3D 頭戴式感測器，發展出創新偵測注意力圈的技術，用來判斷學習者在虛擬實境的教室中所要集中專注的學習目標，結果證實此一系統有助於提高偵測注意力圈的準確率。Thomas、Vinod 及 Guan(2013)的研究設計出一套腦電神經反饋電腦遊戲，可以透過穿戴式腦波儀器判斷學習者大腦注意力，並且以遊戲的方式進行互動，結果證實此一遊戲可以提高學習者的學習注意力與記憶能力。. 2.3 認知風格 2.3.1 認知風格之涵義認知風格是個人感知、記憶、問題解決與思考認知能力所表現出來的個人風格差異(Witkin, 1977)，但是這種差異與個人智力並沒有直接的關係 (Biggs, 1978)。認知風格是指學習者喜愛的訊息處理模式，它也是個體在認知歷程中所採取的個體獨特風格，對於個體學習成效的影響很大(陳木金，2009)。當學習者接收到訊息時，會因為所處理訊息的習慣有所不同，而得到不一樣的結果，學習者在面對新環境所產生的習慣行為即為認知風 12.

(26) 格(Streufert & Nogmi, 1989)。此外，張春興(1994)提出認知風格為個體在面對問題情境時，經由知覺分類、記憶、思維等內在心理歷程，從而處理與組織訊息時，在個體行為上所表現出的一種習慣性特徵(張春興，1994)。換句話說，每一位學習者都有其喜愛的感官知覺、組織與記憶形式，而這些的形式都具特殊性與一致性，這些特有形式的差異即為認知風格(Keefe, 1979)。. 綜合以上針對認知風格的定義，可以瞭解認知風格是屬於個體在認知歷程中所表達出來的習慣行為模式，當個體在處理資訊、適應情境和問題解決時，依據其符合自己興趣、習慣性的模式或方法所展現出來的人格特質，並無關於智力之高低。但是不同認知風格特質的個體，對訊息知覺的處理方式會有所不同，因此應該選擇合適於學習者認知風格之適當學習情境與教材。. 2.3.2 「場地獨立型 / 場地依賴型」認知風格學習者特質認知風格的分類形式有很多種，例如:場地獨立型/場地相依型(Witkin, 1971)、圖像型/文字型(Richardson, 1977)認知風格等。其中場地獨立型 (Field Independence)與場地依賴型(Field Dependence)認知風格為最常被教育研究領域所探討的認知風格之一，也是最受到研究者重視的認知風格之一(Witkin & Goodenough, 1977)。. 本研究採用的認知風格為 Witkin(1971)所提出之團體嵌圖測驗(Group Embedded Figures Test, GEFT)，適用於當學習者受到情境刺激時，對於訊息處理與理解的描述。此一測驗可以將學習者區分為場地獨立型(Field Independence)與場地相依型(Field Dependence)兩種不同認知風格學習者。 13.

(27) 在團體嵌圖測驗中，學習者如果可以在有限的時間內，克服複雜學習情境中的隱藏線索，以及能從許多錯綜複雜的線條之中，加以組織找出嵌入或隱匿的幾何結構圖形，則該學習者即為「場地獨立型」；若學習者會被學習情境的隱藏線索與許多錯綜複雜的線條影響，而無法辨識出團體嵌圖測驗中隱含的簡單幾何結構圖形，該學習者即為「場地依賴型」。. Howard 等人的 (1993)研究指出，場地獨立型的學習者具有自己運用思考解決問題的能力，可以不需要外來的協助來達成知識重建與學習；場地依賴型學習者則是較需要透過與同儕共同解決問題來達到知識重建與學習。Goldstein 及 Blackman(1978)的研究提出，場地獨立型學習者在課程學習時，較重視概念理解，喜愛探究式學習；場地依賴型學習者對於課程學習，則較需要給予詳細的解釋，喜愛以故事形式說明概念，並需要從旁引導學習，以減少學習方向的迷失。本研究所發展之基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，可以自動引導學習者進行低注意力段落影片內容之複習，是否影響場地獨立型學習者與場地依賴性學習者之學習，值得進行探討。. 2.3.3 認知風格影響學習相關研究 Chen、Magoulas 及 Dimakopoulos(2004)的研究發現，不同認知風格的大學生對於網路介面選單有不同感受，場地獨立型認知風格學習者較喜歡使用依字母排列方式的介面，而場地依賴型認知風格學習者較喜歡使用依熱門話題程度排列的介面。Angeli 及 Valanides(2013)的研究將學習者的認知風格類型區分為場地依賴型、場地混合型(Field-Mixed)與場地獨立型三種，並使用電腦化建模輔具來解決移民政策資料的問題，結果顯示出場地獨立型學習者在問題解決能力與互動性優於場地依賴型學習者。Chu (2005) 14.

(28) 研究採用 SCORM(Sharable Content Object Reference Model)發展不同教材之瀏覽方式，在自由瀏覽或依序瀏覽教材之學習成效上，場地獨立型均優於場地依賴型。此外，為提升學生的英語口語朗讀流暢度，Chen 等人(2013) 運用數位筆輔助英語口語朗讀學習，結果顯示此一學習模式對於場地獨立型學習者與場地依賴型學習者，均可以有效提升其口語朗讀流暢度。. 2.4 認知負荷認知負荷(Cognitive Load)是將一特定工作事件加在特定學習者認知系統時所產生的負荷，也就是所謂工作記憶負荷(Working Memory Load)(Paas & Van Merriënboer, 1994)。也有學者提出認知負荷是一心理學中之多維度構念(Construct)，當學習者在執行特定活動時，加在學習者認知系統的一種負荷，即為認知負荷(Sweller, 2003)。換句話說，當學習者在處理接收資訊時必須耗費「心力」，當資訊量增加，工作記憶的負荷也會跟著增加，學習成效就會降低(Feinberg & Murphy, 2000)。Sweller(2003)提出將認知負荷模式分為三種類型:內在認知負荷(Intrinsic Cognitive Load)、外在認知負荷(Extraneous Cognitive Load)與增生認知負荷(Germane Cognitive Load)。. 影響內在認知負荷的主要因素係在於教材內容本身的難易程度，當教材內容所涵蓋概念越單一化，元素互動性(Element Interactivity)越少，則教材內容難度越低；而當教材內容所涵蓋概念越多元化，元素互動性越多，則教材內容難度越高。而當學習教材內容難度越低時，學習者只需要使用少量的元素置於工作記憶區中，學習者之內在負荷也會減少；反之，當學習教材內容難度越高，學習者則需要使用大量的元素置於工作記憶區中，學習者之內在負荷也會增加。影響內在認知負荷的重要因素，除了教材內 15.

(29) 容本身外，學習者的舊有知識和經驗亦會影響其負荷量 (Gerjets & Scheiter , 2003) 。也就是，當教材內容難易度一致時，對於不同的舊有知識和經驗的學習者，所造成的認知負荷程度也會不同。. 再者，外在認知負荷(Extraneous Cognitive Load)也被稱作為無效認知負荷(Ineffective Cognitive Load)，主要影響外在認知負荷的因素，則是在教材編排設計方式或是教學呈現方式上，當教材編排設計方式或是教學呈現方式越符合學生的學習狀況，學習者的外在認知負荷就會減少，學習成效也就越佳；反之，教材編排設計方式或是教學呈現方式不佳，學習者外在認知負荷增加，學習成效也就越差。在傳統教學流程中，大多數老師常會忽略學生認知負荷狀態 (Sweller, 2003)。. 增生認知負荷(Germane Cognitive Load) 也被稱作為有效認知負荷 (Effective Cognitive Load)，其主要影響增生認知負荷因素，亦在於教材編排設計方式或是教學呈現方式，但與外在認知負荷不同的是，增生認知負荷係以適合學習者的教材編排設計方式或是教學呈現方式，進而降低學習者外在認知負荷，並且吸引學習者注意力(Sweller, 2003)。. 本研究針對所發展之腦波注意力之影音教材學習診斷系統，探討是否對於學習者認知負荷產生影響，也進一步探討是否影響學習者之複習學習成效、複習注意力與複習滿意度。. 2.5 性別差異有研究指出，男生在機械推理、心理旋轉測驗與一般知識方面，平均 16.

(30) 得分優於女生；但女生在語言的量測(包含閱讀和寫作)、注意力和擬訂計畫編排方面上，平均得分優於男生(Strand, Deary & Smith, 2006；Warrick & Naglieri, 1993)。在幼稚園階段方面，女生還比男生更會自我調整，所以在小學低年級階段時，女生學期總成績優於男生(Matthews, Ponitz & Morrison, 2009)。此外，在小學階段，男生亦比女生較可能會有閱讀方面、學習障礙或情緒失調方面的問題(Ready, LoGerfo, Burkam & Lee, 2005；Taylor & Lorimer, 2003) Arroyo 等人(2011)探討電腦動畫輔助數學教學系統的研究指出，女生在操作電腦動畫輔助數學學習前，較男生更為沮喪與缺乏自信，但是在在導入電腦動畫輔助數學教學系統後，女生比男生更加有自信。 Adamo-Villani 、 Wilbur 及 Wasburn(2008) 的研究透過虛擬擴增實境 SMILE™ 教學系統輔以英語學習，在實驗中將受試對象分為三組，並使用不同的介面功能來操作系統，第一種為使用電腦滑鼠和鍵盤作為輸入設備來操作教學系統；第二種為使用 FLEX 顯示系統搭配互動性手套來操作教學系統；第三種為使用 FLEX 顯示系統搭配電子白板，學習者無須穿戴其他裝置可直接與系統進行教學互動。結果顯示無論男生與女生對於虛擬擴增實境進行教學均感到非常有興趣，但女生在上述三種系統輸入設備均有相當高的使用意願，而男生對於第二種和第三種輸入設備的使用意願均高於第一種輸入設備。. 由上述可知，在進行資訊科技融入教學時亦要注意學習者與資訊科技間的互動性。因此本研究將性別列入背景變項，探討採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統輔以低注意力段落影片複習時，不同性別學習者之複習學習成效與複習注意力是否具有顯著差異。. 17.

(31) 第三章研究方法. 本研究旨在探討學習者採用本研究所發展的基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，以及採用自主複習診斷，對於學習者的學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著差異。本章分為四個小節：包括研究架構、研究對象、研究工具與實驗設計，分別依序說明如下。. 3.1 研究架構本研究旨在探討學習者在觀看影音教材進行學習活動時，採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統與自主複習診斷，對於學習者的複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著的差異。另外，也進一步探討在觀看影音教材進行學習活動時，採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統與自主複習診斷之不同性別、不同認知風格與高低不同注意力的學習者，其複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著差異。本研究之研究架構與各研究變項之間關係如圖 3-1 所示。. 18.

(32) 圖 3-1 研究架構圖. 根據圖 3-1 的研究架構圖，分別詳細說明本研究探討之自變項、依變項、背景變項與控制變項之間的關係，說明如下： 1. 自變項本研究自變項為學習者在觀看影音教材進行學習活動時，採用不同的複習診斷機制，說明如下: (1). 實驗組在觀看影音教材進行學習活動時，採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統輔以低注意力影音段落之複習。. 19.

(33) (2). 控制組在觀看影音教材進行學習活動時，針對引發低注意力影音段落之複習，採用自主複習診斷進行影音教材複習。. 2. 依變項本研究分別探討採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統與自主複習診斷，對於複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度四個依變項的影響。也進一步探討學習者在採用不同複習診斷機制，其複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度彼此之間是否具有顯著的相關性，說明如下： (1). 複習學習成效：為學習者進行影音教學活動，並進行複習後的「學習成效測驗卷之複習後測」成績。. (2). 複習注意力：為學習者進行影音教材複習活動時，透過腦波耳機所檢測到的複習注意力。. (3). 認知負荷：為進行影音教材複習活動時，學習者所產生的認知負荷，包括心智負荷與心智努力。. (4). 複習滿意度：為學習者完成影音教材學習活動，並進行複習後，採用國內學者鄭勝仁(2003)所編製之複習滿意度問卷，所測出來的複習滿意度。. 3. 背景變項本研究是以不同高低注意力、認知風格與性別為背景變項，探討高低不同注意力學習者、不同認知風格學習者與不同性別學習者，在採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統與自主複習診斷輔以影音教材複習後，其複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著差異。 20.

(34) 4. 控制變項本研究探討採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統的實驗組和自主複習診斷的控制組學習者，在觀看影音教材進行學習時的學習時間與複習時間都控制相同，而且教學設備與影片內容也都完全相同。. 3.2 研究對象本研究在研究對象選擇方面，基於人力、NeuroSky 的 Mindset 腦波訊號量測耳機配戴的適合性、課程時間，以及徵求有意願配合的學校學生為研究對象等因素考量下，最後獲得新北市某一所國民小學三年級學生给予教學實驗上的協助，故研究以此間學校合計 55 位三年級學生為研究對象，此間學校採常態式分班。其中以隨機方式分派 28 位學生為採用本研究所開發的基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統進行複習診斷學習的實驗組，另外隨機方式分派 27 位學生為採用自主複習診斷的控制組。. 3.3 研究工具本研究所採用之研究工具包括「腦波注意力之影音教材學習診斷系統」、「腦波注意力偵測系統」、「學習成效測驗試卷」、「團體嵌圖測驗卷」、「複習滿意度問卷」以及「認知負荷量表」，以下逐一介紹這些研究工具:. 3.3.1 腦波注意力之影音教學學習診斷系統本研究採用 Visual Studio 2012 開發環境中的 Visual C#程式發展出基 21.

(35) 於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，如圖 3-2 所示。此一基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統會針對每一位學習者觀看影片內容的時間，以及學習者每秒鐘腦波注意力數值的變化進行記錄，以橫軸當作為時間軸，將每一位學習者基於配戴的腦波訊號量測耳機進行學習時所接收到的每秒腦波注意力值，轉換繪成腦波注意力波動曲線，並顯示於基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統介面中，再經由注意力門檻值的設定，來診斷出每位學習者需要進行複習的低注意力段落，最後實驗組學習者依照系統建議的複習片段來進行複習。. 圖 3-2 基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統使用者介面本研究所開發之基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，是為了引導學習者進行更有效率且更有效的複習，來提升學習者的複習學習成效與複習注意力，詳細系統說明如下:. 22.

(36) (1) 匯入腦波訊號資料畫面: 如圖 3-3 所示，從學習者所配戴之腦波訊號量測耳機中匯入腦波訊號資料後，系統會先計算出每一位學習者的腦波注意力平均門檻值，接著再以每秒腦波注意力值繪成注意力曲線呈現於系統介面中。. 圖 3-3 腦波訊號量測耳機所量測腦波訊號資料匯入為注意力曲線圖. (2) 複習系統介面: 本研究經過多次的前導實驗來判斷學習者低注意力的影片學習段落，最後採用注意力低於平均門檻值以下且持續 10 秒鐘的段落，來決定出學習者在觀看該教學影片段落內容時是否處於低注意力的狀態，此一低注意力狀態段落即為腦波注意力之影音教材學習診斷系統建議學習者需要複習的影片段落。然而實際上腦波訊號是一連串上上下下的波動所組成的，因此當學習者的複習注意力高出平均門檻值且持續 5 秒鐘時，腦波注意力 23.

(37) 之影音教材學習診斷系統即判斷學習者已離開低注意力的學習狀態。最後，系統把需要複習的低注意力影片片段顯示於腦波注意力之影音教材學習診斷系統介面上，如圖 3-4 所示，藉以引導學習者進行複習，希望透過此一系統輔助學習者進行更有效率且有效的複習，以提升學習者的複習學習成效與複習注意力。. 圖 3-4 建議複習之低注意力影片段落. 3.3.2 腦波注意力監測系統本研究利用美國神念科技公司 NeuroSky 所開發的 Mindset 腦波訊號量測耳機進行學習者在學習時和複習時的腦波注意力量測，如圖 3-5 所示。此一腦波訊號量測耳機採非侵入式的量測方式，只蒐集前額之單極點訊號，並透過幹態電極感測器，蒐集大腦產生的相關於注意力的生理訊號。一般蒐集的生理訊號中常會夾雜雜訊和運動所產生的擾動訊號，這部份會透過 24.

(38) ThinkGear 晶片做濾除，濾除雜訊後的訊號再透過 NeuroSky 提出的 eSense 專利演算法，解讀出學習者當前精神狀態的 eSense 參數，其 eSense 參數值介於 0~100 之間，即為注意力程度(NeuroSky, 2012)。此外，此一腦波訊量測耳機亦搭配一可觀測腦波注意力狀態的監測系統，其使用者介面如圖 3-6 所示。Chen 和 Huang (2013)的研究利用美國線上腦力鍛鍊公司 Lumosity 所開發之「Birdwatching」注意力訓練遊戲，搭配 NeuroSky Mindset 腦波訊號量測耳機測量出在進行該遊戲時的專注力，結果顯示 NeuroSky Mindset 腦波訊號量測耳機所測得的注意力數值與「Birdwatching」遊戲分數呈現顯著正相關性(Pearson 相關係數 r=0.730，顯著性 p=0.000<0.05)，顯示出採用 NeuroSky Mindset 腦波訊號量測耳機量測學習者的注意力具有一定程度之效度。，因此，本研究選用 NeuroSky Mindset 腦波訊號量測耳機作為注意力量測儀器。. 此外，為了能夠在教學實驗學習過程中同時監測多位學習者的注意力，本研究採用大寶科技所開發的三十人同步腦波接收器「Zigbee 無線感測網路傳輸器」(如圖 3-7 所示)，透過 Zigbee 無線感測網路傳輸器，可將最多三十位學習者的腦波訊號資料蒐集到同一台電腦中。. 25.

(39) 圖 3-5 腦波訊號號量測耳機. 圖 3-6 腦波注意力監測系統介面. 26.

(40) 圖 3-7 Zigbee 無線感測網路傳輸器. 3.3.3 學習與複習成效測驗試卷本研究邀請一位國小教授自然與生活科技課程超過十年以上的資深自然老師，依據影音教材內容，協助設計評估學習與複習成效之測驗試卷題目，並且學習與複習成效之測驗試卷題目相同，但是題目的測驗順序與答案選項則做了調整，以避免記憶效應影響學習成效評估的準確性。測驗題目分別包括勾選形式與選擇題形式，每題以 5 分計算，答錯不給予倒扣分數，滿分分數為一百分。測驗題目詳見附錄一。. 本研究基於上述所設計之學習成效測驗試卷，評估學習者在採用不同複習診斷方法的複習學習成效差異，以驗證本研究所提出之基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，所診斷出的低注意力影音教材段落，是否能夠更客觀且有效的幫助學習者精確地找到所需要複習的影音教材段落，進而提升學習者的複習學習成效與複習注意力。此外，本研究在學習成效之測驗題目設計上，把影音教材中每一段落的知識內容，都至少出一題測驗題目於學習與複習成效測驗試卷中，以避免學習者在完成低注意力影片段落複習後，沒有對應的測驗題目可以檢測學習者的複習學習成效。 27.

(41) 3.3.4 團體嵌圖測驗本研究採用 Oltman, Raskin 及 Witkin(1971)所編製之團體嵌圖測驗 (Group Embedded Figures Test,GEFT) (如附錄二)，來區分實驗組和控制組學習者為場地獨立型與場地依賴型認知風格的量測工具，此一量測工具適用於小學階段的學生。此一團體嵌圖測驗一共有十八題複雜的圖形，每一位學習者必須按照測驗題本上的指示說明，在每一題的複雜圖形之中找出所指定的簡單圖形。團體藏圖測驗一共分成三個部分:第一部分共有七個簡單型題目，限時兩分鐘完成，但此一部分僅作為學習者測驗前的練習不予計分;第二、三部份各有九個較困難題目，限時五分鐘完成，這兩部份為正式測驗題目。計分方式為每答對一題得一分，第二、三部分總共答對題數即為總得分。答題分數越高的學習者其認知風格越接近場地獨立型，答題分數越低的學習者其認知風格越接近場地依賴型。本研究將分數高於全體平均分數者區分為場地獨立型認知風格學習者，而分數低於全體平均分數者區分為場地依賴型認知風格學習者。測驗題目與團體嵌圖測驗同意書詳見附錄二和附錄五。. 3.3.5 複習滿意度問卷本研究採用鄭勝仁(2013)所編製之複習滿意度問卷(如附錄三所示) 為量測實驗組與控制組學習者之複習滿意度差異研究工具，此一問卷以李克特五點尺度評量，合計九道題目，其得分的加總，即為學習者的複習滿意度。. 3.3.6 認知負荷量表本研究在兩組學習者完成教學實驗學習後，依學習者的主觀評價填寫認知負荷量表(如附錄四所示)，作為量測學習者認知負荷高低的主要依據。 28.

(42) 本研究使用的認知負荷量表為 Sweeler, Paas 及 Merrienboer (1998)所提出的認知負荷量表，該量表以李克特七點尺度進行評量，包含「心智努力 (Mental Effort)」與「心智負荷(Mental Load)」兩個分量表，兩個分量表面各有兩道題目，四道題目的得分加總，即為學習者之認知負荷量。在認知負荷量表中，心智負荷之分量表信度達 0.85;心智努力之分量表信度達 0.86;整體量表之信度達 0.92。. 3.4 實驗設計 3.4.1 實驗設備實驗組與控制組的學習者進行影音教材學習活動時，皆須佩戴美國神念科技公司(NeuroSky)所開發的腦波訊號量測耳機，以即時量測進行影音教材複習時，所引發學習者的習注意力。. 3.4.2 實驗流程本研究旨在探討採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統的實驗組學習者以及採用自主複習診斷的控制組學習者，在複習學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度上是否具有顯著差異。本研究規劃設計之實驗流程包含三個階段，以下依序針對這三個階段進行詳細的說明:. 第一階段，為了能夠讓整個實驗順利進行，本研究在正式開始實驗之前，先以受試學生 103 學年第一學期自然科期中成績作為評量實驗組與控制組學習者自然科程度是否不具差異的評量依據。此外，正式實驗前先向兩組學習者講解說明整個實驗進行的流程、步驟與注意事項，並且向兩組學習者講解示範如何配戴腦波訊號量測耳機量測其進行影音教材學習時 29.

(43) 的注意力。並於實驗開始前，邀請兩組學習者填寫團體嵌圖測驗量表，將其區分為場地獨立或場地依賴認知風格學習者。. 第二階段，實驗組與控制組學習者均在實驗設定的 16 分鐘內，進行影音教材學習，並且在實驗過程中實驗組與控制組學習者都同時配戴腦波訊號量測耳機，以測量兩組學習者的注意力變化(如圖 3-8 與 3-9)。為了能夠瞭解兩組學習者的複習學習成效，當兩組學習者完成 16 分鐘的影音教材學習後，就立即進行學學習成效試卷之測驗，接下來實驗組學習者採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統輔以複習，而控制組學習者則採用自主複習診斷進行複習。但是，為達公平比較原則，本研究控制兩組學習者的複習時間相同，決定複習時間的方法是基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統決定出實驗組在影片內容中需要複習那些影片片段內容後，再把所需要複習片段內容的時間加總起來，並以此時間當作為兩組學習者的複習時間。實驗組學習者採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，因此實驗組學習者必須依照系統所偵測之低注意力影片片段內容進行影音教材之複習，如圖 3-10 所示；而控制組學習者採用自主複習診斷，可以自由依照自己在影音教材學習時感覺不熟悉或注意力渙散的影片段落進行複習。換句話說，控制組學習者是完全依照自己主觀認知來進行影音教材的複習。. 30.

(44) 圖 3-8 學習者高低注意力變化. 圖 3-9 學習者配戴腦波訊號量測耳機進行影音教材學習. 31.

(45) 圖 3-10 實驗組學習者進行影音教材複習影片內容. 第三階段，在複習學習結束後，隨即邀請實驗組與控制組的學習者填寫「學習成效測驗卷之複習後測」、「認知負荷量表」與「複習滿意度問卷」，以驗證採用不同複習診斷方法的兩組學習者的複習學習成效、認知負荷及複習滿意度差異。最後針對實驗過程中所得到兩組學習者的實驗數據進行資料整理，並進行統計分析，最後歸納研究結果。其中「學習成效測驗卷之後測」與「學習成效測驗卷之複習後測」為同一份試卷，但兩份測驗卷的題目與答案順序皆不相同。本研究之實驗流程如圖 3-11 所示。. 32.

(46) 學習者(55 位). 實驗組(28 位). 控制組(27 位). 進行「團體嵌圖測驗」. 10 分鐘. 進行配戴腦波量測耳機. 10 分鐘. 開始進行影音教材學習. 16 分鐘. 進行「學習成效測驗卷之後測」. 10 分鐘. 開始採用腦波注意力之影音教材學習診斷系統複習. 開始採用自主診斷複習. 進行「學習成效測驗卷之複習後測」、「認知負荷量表」與「複習滿意度問卷」圖 3-11 實驗流程圖. 33. 8 分鐘. 20 分鐘.

(47) 3.5 資料分析方法本研究採用腦波訊號量測儀器、學習成效測驗卷、團體嵌圖測驗、認知負荷量表以及複習滿意度測驗卷等研究工具蒐集教學實驗資料，並使用 SPSS 統計軟體進行資料分析，針對本研究之研究問題所採用的統計分析方法說明如下:. 一、探討採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統的實驗組學習者，以及自主複習診斷的控制組學習者，進行影音教材學習後，其兩組學習者的學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著差異?. 為探討採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統的實驗組學習者以及自主複習診斷的控制組學習者進行影音教材學習後，其兩組學習者的學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著差異，本研究以兩組學習者在校自然月考成績為共變數，採用單因子共變數分析兩組學習者的「學習成效」與「複習注意力」是否具有顯著差異。此外，採用獨立樣本 t 檢定分析兩組學習者的「認知負荷」與「複習滿意度」是否具有顯著差異。. 二、探討採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，以及自主複習診斷的不同性別實驗組與控制組學習者，進行影音教材複習後，其學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著差異?. 本研究為探討採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，以及採用自主複習診斷的不同性別實驗組與控制組學習者在進行影音教材複習後，其學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著差異， 34.

(48) 本研究以在校自然月考成績為共變數，採用單因子共變數分析兩組不同性別學習者的「複習學習成效」與「複習注意力」是否具有顯著差異。此外，也採用獨立樣本 t 檢定，分析兩組不同性別學習者進行影音學習活動後，其「認知負荷」與「複習滿意度」是否具有顯著差異。. 三、探討採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，以及自主複習診斷的不同認知風格實驗組與控制組學習者，進行影音教材複習後，其兩組學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著的差異?. 本研究為探討採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，以及自主複習診斷的不同認知風格實驗組與控制組學習者進行影音教材複習後，其學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著差異，本研究以在校自然月考成績為共變數，採用單因子共變數分析兩組不同認知風格學習者的「複習學習成效」與「複習注意力」是否具有顯著差異。此外，也採用獨立樣本 t 檢定，分析兩組不同認知風格學習者進行影音教材複習後，其「認知負荷」與「複習滿意度」是否具有顯著的差異。. 四、探討採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，以及自主複習診斷的高低不同注意力實驗組與控制組學習者，進行影音教材複習後，其學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著差異?. 本研究為探討採用基於腦波注意力之影音教材學習診斷系統，以及自主複習診斷的高低不同注意力實驗組與控制組學習者進行影音教材複習後，其學習成效、複習注意力、認知負荷與複習滿意度是否具有顯著差異，本研究以在校自然月考成績為共變數，採用單因子共變數分析學習者的 35.

(49) 「複習學習成效」與「複習注意力」是否具有顯著差異。此外，也採用獨立樣本 t 檢定，分析高低不同注意力實驗組與控制組學習者進行影音教材複習後，其「認知負荷」與「複習滿意度」是否具有顯著差異。. 36.