3D虛擬實境繪本電子書輔助月亮迷思概念課程學習效益之研究

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(1)國立臺中教育大學數位內容科技學系碩士在職專班碩士論文. 指導教授：王曉璿博士. 3D 虛擬實境繪本電子書輔助月亮迷思概念課程學習效益之研究. 研究生：蔡秉昆撰. 中華民國一百年七月.

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(11) 3D 虛擬實境繪本電子書輔助月亮迷思概念課程學習效益之研究摘要本研究的主要目的在於建置一個 3D 虛擬實境繪本電子書系統幫助國民小學教師進行月亮迷思概念課程教學，藉以提升國小四年級學童在學習月亮迷思概念課程的學習效益，並希望藉本實驗了解 3D 虛擬實境繪本電子書系統對學生之學習成效以及空間能力的影響情況。研究對象為苗栗縣某國小四年級兩班的學生，其中實驗組與控制組的人數均為 25 人，各進行三週六堂課的教學實驗。實驗組以 3D 虛擬實境繪本電子書進行教學，控制組則採用一般繪本電子書進行教學，並將兩組學生分為高空間能力、中空間能力與低空間能力三組，以探討學生的學習效益及完成教學實驗之後空間能力的增進情形。由實驗結果得出以下結論：一、以 3D 虛擬實境結合繪本電子書所建置的「3D 虛擬實境繪本電子書」，能有效提升月亮迷思概念的學習成效與學生的空間能力，在教育上確有其實質意義。二、「3D 虛擬實境繪本電子書」在進行月亮迷思概念的教學成效上的確顯著優於「一般繪本電子書」。三、在兩繪本電子書分組中，「高空間能力組」學生在月亮概念學習成就檢驗的成績皆優於「低空間能力組」的學生。四、「3D 虛擬實境繪本電子書」對於增進「中空間能力」組別學生的空間能力有較好的效果，特別是「空間移動旋轉」的能力。關鍵字：3D、虛擬實境、繪本電子書、空間能力、月亮迷思概念. I.

(12) II.

(13) The learning effectiveness of the 3D virtual reality picture e-book assisted the course of moon's misconceptions . Abstract This study aimed to explore the 3D virtual reality picture e-books for the influence of elementary school fourth grade students' achievements in the learning of the misconceptions of moon-earth curriculum. The subjects of the research were 2 classes of 50 students with fourth grade from one elementary school in Miaoli County during three weeks learning. The experimental group using the 3D virtual reality picture e-books and the control group using the general picture books e-books in the learning moon-earth courses. All students in both classes were divided into three levels of groups, high spatial ability, middle spatial ability, and low spatial ability to explore the learning effects in the study. The conclusions of the study were as followings: First, the "3D virtual reality picture books e-book" built with 3D virtual reality and picture books did have its practical educational significance. Secon, the experimental group on the effectiveness of moon misconceptions teaching is indeed significantly better than the "general picture book e-books" group. Third, in both experimental and controll group, the students of the "high spatial ability" group were better than the students of the "low spatial ability " group in the learning achievement on the conception of moon. Forth, the "3D virtual reality picture e-book" for the promotion of "middle spatial ability" group in spatial ability had a good effect, especially the spatial ability of "spatial rotation and movement" . Keyword: 3D, vitural reality, picture e-book, spatila ability, misconceptions of moon. III.

(14) IV.

(15) 謝辭難以相信能在兩年的時間內畢業，猶記得一年半之前昭儒找我一起研究 AR 的程式設計，從那之後我就正式進入研究生的苦澀歷程，感謝昭儒拉我下海，也讓我早日找到目標，當然你也是我最資深的研究夥伴。也感謝班代-信昭，一路以來對大家情義相挺，也讓我們班的畢業企圖心向上提升，也是我在課業問題上的明燈。最後，曉璿老師對學生的期望也讓我們更堅定的往自己的研究方向邁進，感謝老師對我們的期望與提攜。而最最最感謝的還是我的老婆-小貓，因為妳的實質上的幫助以及精神上的鼓勵，讓我這段路走來無風無雨，研究生的生涯還出了兩趟國，讓我在艱澀的研究生活中適時地調劑身心，得到力量。最後感謝一路相助的同學與朋友，這兩年的生活點滴我都會銘記在心。. V.

(16) VI.

(17) 目次第一章緒論........................................................................................................................... 1 第一節研究背景與動機................................................................................................ 1 第二節研究目的與問題................................................................................................ 6 第三節名詞解釋............................................................................................................ 6 第二章文獻探討................................................................................................................... 9 第一節國小學生月亮迷思概念探討............................................................................ 9 第二節繪本電子書與科學繪本.................................................................................. 15 第三節空間能力與天體概念學習的關係.................................................................. 19 第四節資訊科技融入天文概念教學之相關研究...................................................... 23 第三章研究方法................................................................................................................. 33 第一節研究設計與程序.............................................................................................. 33 第二節研究對象.......................................................................................................... 36 第三節研究工具.......................................................................................................... 36 第四節資料處理與分析.............................................................................................. 45 第四章結果與討論............................................................................................................. 47 第一節系統設計.......................................................................................................... 47 第二節實驗結果.......................................................................................................... 65 第五章結論與建議............................................................................................................. 91 第一節結論.................................................................................................................. 91 第二節建議.................................................................................................................. 93 參考文獻............................................................................................................................... 97 中文參考資料................................................................................................................ 97. VII.

(18) 英文參考資料.............................................................................................................. 106 附錄......................................................................................................................................113 附錄一空間能力檢測...................................................................................................... 113 附錄二月亮概念學習成就測驗（預試）...................................................................... 122 附錄三月亮概念學習成就測驗...................................................................................... 127 附錄四角色一覽表.......................................................................................................... 132 附錄五研究量表使用同意書.......................................................................................... 134 附錄六 3D 虛擬實境繪本電子書與一般繪本電子書頁面一覽.................................... 135 附錄七教學簡案與學習單.............................................................................................. 150. VIII.

(19) 表次表 2-1. 國內資訊科技融入天文教學媒體分類表 .......................................................... 20. 表 3-1. 研究設計表 .......................................................................................................... 30. 表 3-2. 實驗設計對照表 .................................................................................................. 30. 表 3-3. 月亮概念學習成就檢測試卷專家資料 .............................................................. 33. 表 3-4. 月亮概念學習成就檢測預試結果 ...................................................................... 33. 表 3-5. 月亮概念學習成就檢測預試答題狀況統計量 .................................................. 34. 表 3-6. 月亮概念學習成就檢測預測試題詳細內容一覽表 .......................................... 35. 表 3-7. 月亮概念學習成就檢測預測試題 ...................................................................... 36. 表 3-8. 軟體評鑑專家相關資料表 .................................................................................. 37. 表 4-1. 兩種繪本電子書的頁面異同比較表 .................................................................. 45. 表 4-2. 按鈕功能簡介 ...................................................................................................... 48. 表 4-3 「月相變化」教學活動的教學動畫說明 ............................................................ 49 表 4-4 「月亮的公轉與自轉」教學活動的教學動畫說明 ............................................ 52 表 4-5 「月蝕與日蝕的成因」教學活動的教學動畫說明 ............................................ 54 表 4-6. 兩組學生月亮概念學習成就檢測分數的平均數與標準差 .............................. 58. 表 4-7. 兩組學生月亮概念學習成就檢測的組內迴歸係數同質性考驗 ...................... 58. 表 4-8. 兩組學生月亮概念學習成就檢測共變數分析摘要表 ...................................... 59. 表 4-9. 兩組學生月亮概念學習成就檢測分數的調整後平均數一覽表 ...................... 59. 表 4-10 月亮概念學習成就檢測分數的因子個數一覽 .................................................. 60 表 4-11 組內迴歸係數同質性考驗 .................................................................................. 60 表 4-12 各分組的平均數與標準差之比較 ...................................................................... 61. IX.

(20) 表 4-13 誤差變異量的 Levene 檢定結果....................................................................... 62 表 4-14 二因子共變數分析摘要表 .................................................................................. 62. 表 4-15 兩繪本電子書「組別」學生月亮概念學習成就檢測分數的調整後平均數一覽 .................................................................................................................. 63 表 4-16 不同空間能力組別在月亮概念學習成就檢測分數的調整後平均數一覽表 .. 65 表 4-17 空間能力組別間的多重比較 .............................................................................. 65 表 4-18 「3D 虛擬實境繪本電子書」組的空間能力前、後測分數描述性統計量 .... 66 表 4-19 「3D 虛擬實境繪本電子書」組的空間能力前、後測分數差值等級結果統計量 ...................................................................................................................... 67 表 4-20 「3D 虛擬實境繪本電子書」組的空間能力前、後測分數檢定統計量 ........ 67 表 4-21. 3D 虛擬實境繪本電子書組在空間能力各向度前、後測試題答對量統計 .. 68. 表 4-22 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「方位辨識」部分前、後測分數的檢定統計量.................................................................................................................... 68 表 4-23 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「方位辨識」部分前、後測分數差值等級結果統計量.................................................................................................... 68 表 4-24 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「方位辨識」部分前、後測分數檢定統計量.................................................................................................................... 69 表 4-25 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「空間視覺化」部分前、後測的分數檢定統計量............................................................................................................ 69 表 4-26 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「空間視覺化」部分前、後測的分數差值等級結果統計量............................................................................................ 69 表 4-27 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「空間視覺化」部分前、後測分數檢定統計量................................................................................................................ 69. X.

(21) 表 4-28 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「空間移動旋轉」部分前、後測的檢定統計.................................................................................................................... 70 表 4-29 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「空間移動旋轉」部分前、後測的分數差值等級結果統計量........................................................................................ 70 表 4-30 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「空間移動旋轉」部分前、後測分數檢定統計量............................................................................................................ 70 表 4-31 「3D 虛擬實境繪本電子書」組空間能力前、後測分數的描述性統計量 .... 71 表 4-32 「3D 虛擬實境繪本電子書」組的空間能力前、後測分數差值等級結果統計量.................................................................................................................... 71 表 4-33 「3D 虛擬實境繪本電子書」組空間能力前、後測分數檢定統計量 ............ 71 表 4-34 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「方位辨識」部分前、後測的檢定統計量........................................................................................................................ 71 表 4-35 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「方位辨識」部分前、後測分數差值等級結果統計量.................................................................................................... 71 表 4-36 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「方位辨識」部分前、後測分數檢定統計量.................................................................................................................... 72 表 4-37 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「空間視覺化」部分前、後測的檢定統計量.................................................................................................................... 72 表 4-38 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「空間視覺化」部分前、後測的分數差值等級結果統計量............................................................................................ 72 表 4-39 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「空間視覺化」部分前、後測的分數差值等級結果統計量............................................................................................ 72 表 4-40 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「空間移動旋轉」部分前、後測的檢定統計量................................................................................................................ 73. XI.

(22) 表 4-41 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「空間移動旋轉」前、後測的分數差值等級結果統計量................................................................................................ 73 表 4-42 「3D 虛擬實境繪本電子書」組之「空間移動旋轉」部分前、後測分數檢定統計量............................................................................................................ 73 表 4-43 「3D 虛擬實境繪本電子書」組中空間能力組學生在「方位辨識」部分的空間能力檢測前、後測分數對照表................................................................ 74 表 4-44 「3D 虛擬實境繪本電子書」組中空間能力組學生在「空間視覺化」部分的空間能力檢測前、後測分數對照表............................................................ 74 表 4-45 「3D 虛擬實境繪本電子書」組中空間能力組學生在「空間移動旋轉」部分的空間能力檢測前、後測分數對照表........................................................ 74 表 4-46 「3D 虛擬實境繪本電子書」組中空間能力組「方位辨識」部分的空間能力檢測前、後測成績描述性統計表................................................................ 75 表 4-47 「3D 虛擬實境繪本電子書」組中空間能力組「方位辨識」部分的空間能力檢測前、後測分數差值等級結果統計量.................................................... 75 表 4-48 「3D 虛擬實境繪本電子書」組中空間能力組「方位辨識」部分的空間能力檢測前、後測分數檢定統計量.................................................................... 75 表 4-49 「3D 虛擬實境繪本電子書」組中空間能力組「空間視覺化」部分的空間能力檢測前、後測成績描述性統計表............................................................ 76 表 4-50 「3D 虛擬實境繪本電子書」組中空間能力組「空間視覺化」部分的空間能力檢測前、後測分數差值等級結果統計量................................................ 76 表 4-51 「3D 虛擬實境繪本電子書」組中空間能力組「空間視覺化」部分的空間能力檢測前、後測分數檢定統計量................................................................ 76 表 4-52 「3D 虛擬實境繪本電子書」組中空間能力組「空間移動旋轉」部分的空間能力檢測前、後測成績描述性統計表........................................................ 77. XII.

(23) 表 4-53 「3D 虛擬實境繪本電子書」組中空間能力組「空間移動旋轉」部分的空間能力檢測前、後測分數差值等級結果統計量............................................ 77 表 4-54 「3D 虛擬實境繪本電子書」組中空間能力組「空間移動旋轉」部分的空間能力檢測前、後測分數檢定統計量............................................................ 77. XIII.

(24) XIV.

(25) 圖次圖 3-1. 繪本電子書功能版面配置圖 .............................................................................. 44. 圖 3-2. 虛擬實境場景攝影機移動角度示意圖 .............................................................. 45. 圖 4-1. 日蝕動畫修正前後對照圖 .................................................................................. 48. 圖 4-2. 繪本電子書第九頁修正對照圖 .......................................................................... 48. 圖 4-3. 物件尺寸修正前後對照圖 .................................................................................. 49. 圖 4-4. 頁面捲動說明 ...................................................................................................... 52. 圖 4-5. 換頁按鈕 .............................................................................................................. 52. 圖 4-6. 不同繪本電子書的教學頁面比較圖 .................................................................. 52. 圖 4-7. 補充說明頁面圖 .................................................................................................. 53. 圖 4-8. 學習單頁面 .......................................................................................................... 53. 圖 4-9. 3D 虛擬實境教學與 2D 動畫教學...................................................................... 54. 圖 4-10 系統檔案類型說明圖 .......................................................................................... 64 圖 4-11 組別-空間能力分組估計邊緣平均數剖面圖（以空間能力分組為橫軸） ..... 72 圖 4-12 組別-空間能力分組估計邊緣平均數剖面圖（以繪本電子書分組為橫軸） . 73. XV.

(26) XVI.

(27) 第一章緒論第一節研究背景與動機在研究者多年的國小自然科教學經驗中發現，當學童在學習天文星體知識的時候，一直有著很大的困難。「天象遠，人事近。」雖然學童每天都看得到星星、月亮、太陽，但是天象的觀察並不是一般生活化的題材，王祥朝（2004）認為在教學上對於這種缺乏豐富生活經驗聯結的學習有其困難，而教師更需要在教材的準備上下工夫。根據王寶勛（2006）觀察與收集多位自然科教師的意見後，發現教師進行天文教學時，常遇到以下問題：一、天候因素。二、市區光害、大樓林立、空氣污染以致於視野不良，而影響觀測。三、學生課後補習之常態，難以安排時間進行學校教師指派之夜間觀測活動。四、職前教師觀星經驗不足，且無適當的教育訓練。五、家長配合意願不高。六、學校天文設備不足。七、天體實地觀測所需的時間與教學人員配合不易。然而天體觀念學習的困難之處並不單單只在於教師教學，在學生的學習上也遇到相當的困境。天文星體有許多非常抽象的運動與現象，非常難以利用文字去描述表達，因此學童往往無法理解，並容易發展出許多的天體的迷思概念（Brewer & Vosniadou 1994；Ojala 1997）。除此之外，就學童而言，自然科學在小學教育中是一門受到多數人喜愛的課程，探究其原因不外乎是因為可以親自動手操作實驗並進行觀察，學生對這樣的學習方式有強烈的學習動機（曾喬琪，2008）；然而天文並不同於一般可以親自動手操作的實驗，因此若能讓學生產生學習動機應該能提升天文學習的學習成效。所以，歸納學生這兩方面學習困難提出兩項策略如下：. 1.

(28) 一、除了文字說明以外，教師應該讓學生能用更具體的方式去了解天文星體的抽象概念。二、提供可以讓學生親自動手操作的天文實驗用具或者是資訊工具。而在眾多的兒童教育工具中，繪本能運用簡單、具體的圖畫及文字來表達生活中複雜而難以理解的事物與形象，並能凸顯這些現象、事物的特徵與產生過程，可以讓兒童容易由繪本中了解課程欲傳遞的訊息（鄭明進，1998）。隨著資訊科技的進步，繪本電子書也伴隨著電腦資訊技術的日新月異而出現。繪本電子書乃是結合了繪本與多媒體，以視覺、聽覺、及動態三元素來呈現，繪本電子書將所欲傳達的主題透過視覺的圖像語言以及動態的故事情節來呈現給使用者（曾喬琪，2007）。而根據許多學者（胡淑美，2005；陳月雲，2005；曾喬琪，2007；黃美玲，2004）的研究，繪本電子書可以降低學生學習科學知識的困難，降低迷思概念的產生，同時也大大的增加了學生的學習動機與閱讀態度，幫助提升科學態度與科學閱讀理解能力，所以教師利用富含多媒體聲光的繪本電子書來導入天文星體的知識應是非常好的教學策略。學者也認為藉由多媒體教學的環境，繪本電子書可提供學童加速學習的機會，因為視覺性的刺激往往是提供科學性或技術性知識最直截了當、最有效的傳達方式之ㄧ（Hegarty, Carpenter, & Just, 1991; Johnson, 1992）。綜合蘇偉昭（2003, 2004）的研究，天文教育的第一步就是要辨認天體位置，由於日、月、行星在天上的軌跡每年、每月、每日都不一樣，多數學童都無法理解星體的變化脈絡。然而早在研究者小時候，甚至更早之前就已經有了幫助學生辨認日月行星軌道以及親手操縱天文星體的模型，例如三球儀。但是，研究者從小的學習經驗並不是很好。因為早期的觀測儀器如三球儀模型、星像盤等，因為其設計不能符合實際星體狀況或者是以 2D 模擬 3D，學生都難以理解（蘇偉昭、林傳傑、鄭文光、林月芳、王秋燕，2005），而且模型製作的費用昂貴，無法在有限的上課時間內讓每個人都操作到，更遑論透過天文星體模型幫助學生學習天文概念。因此，蘇偉昭（2004）認為由於天象觀測原本就是三度空間的問題，因此也應該回歸三度空間的方式來進行教學與學習。而且在過去三十年來，利用電腦模擬環境對教授科學的教師來說已經變得日益有用並容易取得（Smetana & Bell, 2007）。學者（Hobson, Trundle,. 2.

(29) & Sackes, 2010）也指出在最近的研究中，使用電腦模擬方式對二年級以及三年級學童教導各種月亮概念是非常有效率的。而在邱美虹與陳英嫻（1995）的研究中發現，若是學童的空間能力發展不足，就有可能無法順利地利用空間旋轉的能力，在心裡將教學圖片進行空間轉換，模擬 2D 平面圖形轉換成 3D 空間的運動狀況。另外在他們的研究中還談到具備高空間能力的學生在「月亮盈虧概念」的學習成效上較低空間能力的學生好。Huk（2006）則在利用互動式 3D 模型輔助學生學習細胞生物學的研究中指出，3D 模型造成低空間能力學生的認知負荷超載；相反的，高空間能力學生則因為他們的認知負荷仍然保持在工作記憶的範圍內，因此得利於 3D 模型的教學而有比較好的學習成果。而空間能力也被皮亞傑認為是兒童邏輯能力成長的主要部份（莊安祺譯，1998），因此如何因應學童在空間能力不足的情況下，引進適當的教學輔具軟體，以提升學生在天文星體方面的學習效果是不可忽視的重要議題之ㄧ。從相關研究顯示，在過去有許多天文教學相關課程引進不少數位教學輔具軟體，例如教學網站（古仁元，2004；陳彩虹，2002；溫慧如，2005；廖士權，2002）、動畫學習課程（馬紀楨，2008）、虛擬實境輔助教材（王秀雯，2009；王聖閔，2006；蘇偉昭、林傳傑、鄭文光、林月芳、王秋燕，2005；蘇偉昭、鄭文光與林香利，2007）等等。而其中虛擬實境除了可以演示天文星體運動的過程與位置外，McLellan（1994）也認為虛擬實境是一種可以增進學生的空間能力的學習工具，他建議教師可以利用讓學生在空間概念相關的問題上進行探索。而學者趙金婷、鄭晋昌（1999）也認為利用虛擬實境教學對提升天文星體教學有絕佳的效果，認為虛擬實境能夠呈現 3D 立體及動態歷程的特質，在說明空間關係及過程方面具有特別的優勢，適合模擬示範實際操作的內容。林于正（2004）則指出虛擬實境運用電腦動畫處理現實世界較難製作的 3D 場景與立體透視，建立兒童們的三度空間概念，擺脫面對 2D 平面的圖像需要轉換成 3D 物件的窘境，以圖像來取代繁複的語言文字講解，讓傳統課本進化到由學生親身實地操作的數位情境，是科技與教育完美結合的理想。Minogue et al.（2006）的研究指出關於學生對在虛擬實境中進行導航探索的興趣、態度與能力，都呈現正面的結果。另外，在兩個研究（ Frède et al., 2008; Panagiotaki, Nobes, & Banerjee, 2006 ）案中表示當兒童被要. 3.

(30) 求使用繪畫來解釋地球星體概念時，出現另有概念的比例較高；而若是使用 3D 模型或是圖片去回答問題則比較沒有另有概念出現的現象。Bell & Trundle（2008）則利用電腦模擬來促進學童在月亮概念認知上的不一致以及改變其月亮概念都有相當好的成效。而曾永祥（2002）和何玉婷（2005）的研究結論中也建議，後續研究者在設計地球運動之數位教材時，應以 3D 方式呈現以增加教材的操作性與探索性。因此，許多學者也製作相關的天體模擬軟體與資訊融入教材，希望能幫助學生提升在天體學習上的困境（王秋燕，2004；林月芳，2004；蔡孟雄，2009；蘇偉昭、鄭文光、林香利，2007）。近來學者（王聖閔，2007；王學武、石明儒、王秀雯，2010；沈潔華，2005；吳延慶，2008）更以虛擬實境的技術，製作模擬天體運行的教學軟體與教學網站來進行教學，其研究結論皆發現以虛擬實境製作的教學媒體具有潛在提升學生在天文概念知識的學習成效。由上述可知虛擬實境教學輔具不但能幫助學生學習困難的科學概念，同時又具備能訓練學生的空間能力的潛在能力，但是製作精良的教學輔具也必須要搭配適當的教學法才能發揮最佳的功效。周文忠（2005）認為虛擬實境具有沉浸性、互動性與想像力三大特性，軟體的特性與建構式學習理論相對照下非常相似，有高度的相關。建構主義強調個體的主動參與，知識是由個體主動學習，自發性的進行探索，當探索結果與個體原有概念相左，產生衝突時，學生經由不斷地同化與衝突兩種過程，最後獲得知識。同樣的，虛擬實境是透過電腦所產生的三維空間，而且使用者身在虛擬環境中可以與所有的三維物件進行互動，所以在虛擬環境中使用者會有很大的參與感（錢昱豪，2003）。在 Bailenson（2008）的研究中也認為教師與學童對在教育環境中使用虛擬實境都抱持著正面的態度，教育性虛擬環境已經展示其對協助學童對了解概念以及避免迷失概念的潛力。而且虛擬實境中的使用者探索，與自然科教學中強調的教學原則十分類似。教育部（2001）於國民中小學九年一貫課程綱要－自然與生活科技領域中，實施要點特別提到：教學應以學生活動為主體，引導學生做科學探究，並依解決問題流程進行設計與製作專題。然而為了搭配虛擬實境的媒體特性，又應該使用何種教學方法呢？. 4.

(31) 過去，很多的資訊媒體以行為主義觀點設計，將欲教授的傳給學生，學生只是被動的進行知識接受，教學媒體只是在扮演著傳統教學下教師的角色而已。而未來運用資訊科技於教育上，除了考量運用的適切性外，更應與學習理論相互結合，讓學習者在學習中從事於主動、建構、真實且具合作性的學習活動，以建立有意義的學習環境（周文忠，2005）。陳淑英（1993）認為在學習科技發展快速之際，更需要良好的教學策略與方法與之搭配，以提高教與學的效率。學者（Dede, 2009）也認為將虛擬實境運用於教育上時，應該將之納入一個設計良好的教育策略下，遵循理論方法並有具體的教育目標。而且學者（張清濱，2000；劉宏文、張惠博， 2001）都曾經提到，探究式教學為一種引導學生發現及解決問題的教學方法，是以學生的探究活動為中心，教師從學習的情境中引導學生發現問題，認清問題的所在，提出可能的假設，擬定可行的解決方案，選擇合適的方案，驗證假設並獲致結論，經由問題解決的過程，一方面讓學生體會科學探究的經驗，並學習到科學的過程與技能。因此教師利用虛擬實境軟體的進行教學時，使用探究式教學引導學生進行問題探究，應該是一種具有提升學生自發性學習並進而解決問題的教學模式。在吳延慶（2007）的研究中，利用虛擬實境搭配學習環教學法的進行教學實驗，對學童學習月亮迷思概念的學習效益有實際的幫助。而反觀此研究中教學軟體的設計，雖然利用提，問的方式去引起學童先備概念上的衝突，達到達成 Ausubel（1968）提出的「有意義的學習」但是在教材鋪陳上卻缺少學童的生活經驗，學習環境突然跳脫到浩瀚的宇宙中，容易讓學生不知所措，尤其是先備知識不佳的學童。所以，研究者考量到繪本電子書教學的優點，能以繪本故事創建學童熟悉的學習情境，並連結其先備知識。Kieran（1989）認為故事是一種普及的文化，每件事物、每個地方有故事的存在，而故事並非只是一種隨性的娛樂，故事能影響著我們對世界、對經驗的感受力。而且在孩提世代對故事的經驗與回憶往往對人產生深刻的影響，而且甚至具有激勵人發展、改變、成長、學習的正面功能（張宏裕，2009；廖清碧， 1999）。故研究者希望能應用虛擬實境技術結合繪本電子書，針對國小月亮迷思概念的學習課程，搭配探究式教學法發展出一套「3D 虛擬實境繪本電子書」系統輔助學童學習。. 5.

(32) 第二節研究目的與問題一、研究目的本研究的主要目的如下：（一）探討如何建置整合月亮迷思概念學習課程的「3D 虛擬實境繪本電子書」系統。（二）探討「3D 虛擬實境繪本電子書系統」輔助國小四年級學生的學習效益。（三）探討「3D 虛擬實境繪本電子書系統」對於不同空間能力學生的學習效益。. 二、研究問題依據本研究的研究目的，延伸出以下待答問題：（一）探討如何建置結合 3D 虛擬實境技術於繪本電子書融入月亮迷思概念學習課程系統？（二）學生在接受「3D 虛擬實境繪本電子書」與「一般繪本電子書」教學後，學習成效是否有差異？（三）不同空間能力的學生，接受「3D 虛擬實境繪本電子書」與「一般繪本電子書」教學後的學習成效是否有差異？（四）探討在進行「3D 虛擬實境繪本電子書」的教學後，學生自身空間能力的增進情形。. 第三節名詞解釋一、3D 虛擬實境繪本電子書本研究所指的「3D 虛擬實境繪本電子書」是將虛擬實境的功能與繪本電子書結合在一起的電腦教學多媒體，儲存格式可以是光碟也可以在網路上以網頁存放。研究者以 Flash CS4 Professional 與 PV3D 編寫主要程式，運用 3D 繪圖軟體 3DS MAX 9 製作模型，其中並利用 Photoshop、Dreamweaver 以及 Feeling software 的 Collada For 3DS MAX 作為輔助，製作包含. 6.

(33) 虛擬實境內容的繪本電子書。使用本繪本電子書時，可搭配繪本故事的內容，學習天文知識，當碰到困難的問題時，可以按下天文模型展示按鈕，讓虛擬實境的星體世界躍於眼前。使用者可以利用滑鼠旋轉、調整視角，並能按下放大、縮小等功能按鈕，還能設定播放動畫、調整時間的快慢等功能。. 7.

(34) 8.

(35) 第二章文獻探討本研究擬建置一個以虛擬實境技術結合繪本電子書的「3D 虛擬實境繪本電子書」，幫助學生學習國小課程中月亮的迷思概念，以下針對相關理論基礎與技術進行文獻探討。. 第一節國小學生月亮迷思概念探討一、國小課程月亮的迷思概念過去許多關於天文學的相關研究指出，國小學童與教師對於學習天文與教學方面最感到困惑，同時也存在著許多的迷思概念（王龍錫，1993；姜滿，1990；唐國詩，1996；陳文屏， 1999；黃鳳琴，2002）。王美芬（1991）的研究也指出小學的自然課程中，天文學部分比較難學習的原因是，天文現象只能以自我中心（self-centered）的角度來觀察太陽、月亮、地球的運轉情形，其結果造成很多的錯誤概念。另外，姜滿（1990）與毛松霖（1995）的研究指出，在國小自然科的教學單元中，教師覺得相關於地球科學的教學最困難，特別是在太陽系星體運動現象最不易教學。而學者 Kavanagh、Agan 與 Sneider（2005）的研究結論顯示許多人甚至到了成人階段都還對天文仍有迷思概念的存在。所以可以知道國小學童對天文概念的學習是存在著困難的，教師對於地球科學相關的教學也覺得相當棘手，並且學生可能從國小階段一直到成人後都可能存在著天文迷思概念。月亮迷思概念也是天文迷思概念的其中之ㄧ，一樣有著相似的學習困難，許多學者也對於國小階段月亮相關單元容易產生的迷思概念提出看法。綜合多位學者（毛松霖，1995；王美芬，1991；李曉雯，2001；姜滿，1993；劉伍貞， 1995；賴瑞芳，2002）的研究，國小學生的月亮迷思概念臚列如下：（一）學生缺乏「因為月出時間比前一天晚，所以同一時間、同一地點觀看月亮，月亮應該出現在比較東方的位置」的概念。. 9.

(36) （二）學生對於以日期決定月相，和以月相決定農曆日期均感困惑。（三）學生對於月相的變化順序沒有把握。（四）學生以為月蝕的月形和上弦月的月相是相同的。（五）學生以為「月亮被地球的影子遮住了」。（六）太陽繞著地球轉動，所以月亮光亮部分會移動。（七）雲遮住了月亮造成月相的變化。（八）學生認為月亮是活的，會隨著心情變化光亮的部分（萬物有靈論，animism）。（九）在月相盈虧的月形中沒有畫出凸月。（十）不論月亮的形狀為何，大多認為月亮在晚上十二點位置最高。（十一）學生認為月相變化週期的日數為 31 日。（十二）許多學生都誤認為月亮只有在晚上才看得到。（十三）不論月形為何，月亮所能看到的時間都差不多。（十四）多數學生無法對同一天內，不同地點所見的月形是否相同進行推理。而針對以上這麼多不同的月亮迷思概念，教學者應該如何因應？在美國國家科學基金會（Nation Science Foundation，簡稱 NSF）及美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Spac Administration，簡稱 NASA）所共同推動的天文教育計劃：Project ASTRO（Astronomers and Teachers as Partners in Classroom）結合了天文科學專家、業餘天文學家以及學校教師共同組成，其研究中指出天文學習的重要關鍵有（引自鄭文光，2003）：（一）教師需更耐心地教導學生，以便讓他們可在學習基本天文概念的過程中，發展探究能力的技巧。（二）學生需要透過觀測、操縱模型與現有理論的衝突，來建構自己對天文的認識。（三）因為二維圖像的表達通常很容易造成學生的迷思概念的產生，因此讓學生有機會操作三維立體模型，通常是幫助學生建構天文概念較有效的方式。根據以上可以知道，教師要教好天文應該要培養學生發展探究的能力，並引導學生透過. 10.

(37) 觀察與操縱模型，發現本身原有知識與新知識之間的衝突來建構自體的天文觀念。除此之外，教師若能了解迷思概念的特性與成因，應更能了解如何改正兒童的學習困難。. 二、迷思概念的意義、特性與成因迷思概念的研究從 1970 年代之後逐漸受到重視，科學教育工作者開始廣泛的注意到兒童科學概念的學習，科學迷思概念（Science Misconception）成為研究的主流之一（Head， 1986）。Hashweh（1986）認為，學生有很多的自有概念很難改變，這些概念分為以程序性知識的方式存在，以及來自對世界上一切現象的經驗兩種。前者是屬於自動而沒有意識的方式存在，因此學生很難察覺與改變；後者則是學生一直用來解釋世界上某一些特定領域的現象，也是非常難以改變。學者傾向於傳統實證科學哲學者，會比較注重於了解自然現象在於客觀觀察進而歸納推理，以獲得共識之科學概念。因此學生的學習在於完全掌握這種由共同特質而完整定義的概念。這類學者將學生擁有不完整的科學定義，或不同於科學家定義的想法視為錯誤概念（misconceptions），多以科學家或教師的角度來評量學生的科學概念，對於學生擁有有別於科學家的概念給予較多負面的名稱，如天真理論（naïve theory）、錯誤概念（wrong concepts）（Abimbola, 1988）。另外，有一些學者傾向於非傳統性之科學哲學，視科學知識為經驗的再組織（kuhn, 1970），而非一客觀且絕對之定義。因此較不注重批判學生的想法是否與科學家的一致，而在於了解學生學生如何從舊有經驗中建構出他們的想法。因此他們多以研究者的角度來觀察探究學生的科學概念，對於不同於科學家思考的兒童想法以比較不具批判性的名稱來稱呼，如另有架構（alternative framework），另有概念（alternative conception），兒童科學（children’s science）等（Abimbola, 1988）。學者徐順益與許榮富（1990）基於建構的觀點，探討概念的學習，因考慮到採用錯誤概念來表示學童的想法，似乎對錯分明，傾向否定學童的前置概念，故音譯為迷思概念。鄭麗玉（1998）也認為迷思概念暗示概念尚有不足處，有別於正規的科學概念，而另類概念無此暗示，因此譯為迷思概念一詞優於另類概念。根據蔡孟雄（2009）的研究認為，迷思概念是因為學習者對科學事物的想法與科學家們公認的科學觀念不同，如果能了解這些想法的特. 11.

(38) 性，將有助教學者的教法修正，並幫助學習者進學習。由以上觀點可以知道學生因為前置概念不容易改變，造成不易接受科學家認可的正統概念，因此前置概念阻礙了學習。所以探討前置概念的形成原因非常重要，而這些前置概念也就是所謂「迷思概念」。蔡孟雄（2009）統合了學者（許瑛玿、謝惠珠，2004；楊志強、洪文東，2002；鍾聖校，1994；Fisher, 1985）所歸納的迷思概念特性，認為迷思概念是學習者在學習的過程中所產生的問題結構，通常是因為學習者本身不具備完整的概念，對事物的察覺偏向直覺性的猜測，致使產生與科學家不相同的概念。而在學習者的迷思概念的知識中有部分是共同存在的，並且常常是根深蒂固、難以改變的。但是又有些迷思概念的形成是因為學習者的概念不清楚或是概念缺乏，因而這樣的迷思概念常常會有前後不一的情況，而當有其他新想法時便會輕易拋棄原有的概念，因此迷思概念也有不穩定的特性。賴瑞芳（2002）則引述 Head（1986）與 Blosser（1987）等的研究指出迷思概念的來源如下：（一）迷思概念是由學習者每天的經驗與觀察事物的結果得來。（二）迷思概念可能是由慣用語或隱喻（metaphors）的使用而來。（三）迷思概念可能是從不恰當的類比所產生的混淆而來。（四）迷思概念可能是從同儕文化（From the peer culture）而來。（五）迷思概念可能來自於一些與生俱來的理念（Innate origin of some ideas）。而關於迷思概念的形成原因，郭重吉（1988）的研究發現：（一）學生在接受教學前，對一些常見自然現象的形成原因，早有他們自己的想法（conception），並且這些想法與正統科學概念不相同。（二）通常學生所持有不同於正統科學概念的想法，可經由推測其形成原因歸納成數個種類。（三）學生會保護自己的想法，以先入為主的觀點去解釋所見的各種現象，因而使用傳統的教學方法並不容易改變學生的想法，會影響到教師的教學，成為學習的阻礙。（四）學生有某些學習上的困難，並非由於推想力不足，而是因為對該學科的內容知識. 12.

(39) 背景不足。除此之外，尚有其他原因造成迷思概念的形成，不過大概都是由學習者與情境兩相交互作用而產生的（賴瑞芳，2002）。在瞭解迷思概念的特性與成因之後，我們應該能擬定改變迷思概念的方法與策略。. 三、迷思概念的改變王美芬（1992）認為概念的學習是科學教育的重要課題，因為概念的學習有助於記憶、了解及學習的轉移。根據賴瑞芳（2002）的研究，概念的學習不同於事實記憶的學習，前者是經過學習者主動架構他腦中的知識，是一種主動的、真正了解的學習；而後者則是知識的複印，很少有認知架構的重組。皮亞傑認為學生學習前的知識非常重要，因為舊有概念常常會根深蒂固地阻礙學生進行新概念的學習，學生往往在課堂的學習後仍以自己的先有概念為主（參考自熊召弟等譯，1996）。洪振方（1996，1997）也針對科學概念的學習特性提出兩點看法：（一）學生所要學習的科學概念常與其另有概念相矛盾，並且在教學後也不易產生概念上的改變。（二）學生所要學習的科學概念在學生的長期記憶體中，找不到相關的認知基模，也就是先備知識，因此造成學生學習的困難。綜合上述，要改變學生的概念並不是一件簡單的事，除了教師在教學上的努力之外，更要學生克服自體長期記憶中的舊有概念，並讓新概念能與學生的認知基模產生聯繫。而學童在概念形成之初，通常只能局部性地去理解事物，無法像成人般理解事物概念之屬性，一旦接受了正式課程後，概念的改變情形就是一項值得研究之課題。而站在建構主義的立場，兒童在概念形成之階段，並非完全沒有任何概念，而是逐漸建構知識的（林月芳，2004）。由. Posner 等人（1982）的論點說明，概念形成的過程中，學生要學習新的、正確的科學概念，必須經過主動的重新架構自己的認知，概念必須經由過程較簡單的同化（assimilation）或者是過程較複雜的調適（accommodation）這兩種方式，才能令舊有的概念產生改變（熊召弟. 13.

(40) 等譯，1996）。而 Posner，Strike，Hewson and Gertzog（熊召弟等譯，1996）等人的研究. 中指出概念改變的方式階程如下：因不滿意目前概念產生需求（dissatisfaction）>供給容易理解（intelligible）的其他概念（alternative）>提供似乎是合理（plausible）的其他概念（但不一定是正確的）>此概念具有好的效用（fruitful）。經過這樣的過程才能改變個體的就有概念。因此由 Posner 等人的論點可以知道，學童要改變舊有的概念，必須先出現對自己的舊有概念不滿意的原因，然後再由教師或是教材提供學童比較容易了解的概念方法，並可以合理解釋先前不滿意的地方，而且可以將新概念應用並推廣於其他知識的解釋。而賴瑞芳（2002）的研究也認為，學生為了去學習一個新概念，必須主動進行一項知識重建工作，這項概念改變工作的起點就是學生原有的知識概念，而這原有知識概念在過去一直很成功地解釋其生活經驗；在概念的改變過程中，這些原有概念必須先被確認，並與新的知識概念產生對抗，當新的知識訊息與原有知識經驗的範圍相符時，高度有意義的衝突就很容易產生，然而學生很快的進行知識建構的過程，往往超出了教師所期許的，而且如此獨立建構新的概念常常產生一些不合乎科學的概念，此時教師必須要能察覺到學生心裡所想的，所以必須去設計一些活動來發現或分析這些不合乎科學的概念或稱為迷思概念。由上述可知學生在概念的學習與改變上的困難，而且就算讓學生發現新舊概念的衝突，引發概念改變，學生的認知建構也有可能與教師欲引導的方向不同，因此教學者更應該主動的了解學生的想法與引導學生的方式，如此才能有效的幫助學生改變概念。因為國小學生在學習月亮的單元時有不少迷思概念，而且教師在改正學生的迷思概念上是有困難的，因此本研究希望利用資訊科技融入進行教材設計，希望能藉以導正學生的月亮迷思概念。而在眾多教導兒童知識的各種媒體中，繪本電子書常常是最貼近兒童生活的其中之ㄧ，繪本運用圖像與故事描述世界與人物的方式對於兒童有一種不可或缺的吸引力，而電子書則利用互動性、動態圖像增進兒童的視覺感官與融入感，以下將就這兩個媒體進行文獻探究。. 14.

(41) 第二節繪本電子書與科學繪本使用繪本電子書進行天文教學的好處在於以故事性、視覺化的閱讀環境，配合兒童的先備知識建構出學習環境，將兒童巧妙的拉進天文故事的環境裡，並利用文字與圖像將故事環境與科學串聯，讓科學的觸角延伸進入兒童對世界的認知中。因為繪本故事的表達方式對兒童來說是非常具吸引力的，繪本以兒童熟悉的語言與圖畫建立兒童的熟悉的環境，再以適當的故事例子連結兒童的經驗，而這樣的方式正符合 Ausubel（1968）提出的「有意義的學習」。 Ausubel（1968）認為影響概念建構的因素眾多，而當中影響最重要的因素就是學習者本身的既有知識，也就是先備知識，透過適當方式導入學習者的先備知識，學習者能藉由先備知識與新的知識的連結學習，如此才能產生有意義的學習。所以學習者若能在學習過程中將自己的先備知識帶入，就能幫助學習者由學習的過程中獲得新的意義，完成有意義的學習。. 一、繪本的定義「繪本」此一名詞，起源於十八世紀日本喜多川歌的「花果昆蟲繪本」，後來逐漸被沿用為兒童圖畫故事書的代用詞。簡單的說，「繪本」就是用圖畫說故事的童書，以圖為主，文字為輔，甚至整本書只有圖，沒有文字，又稱圖畫書。它和過去以文字為主，加上部分插圖的插圖故事書有所不同，為了區別起見，故以「繪本」稱之，目前已成為圖畫書之通用語（花蓮縣新象社區交流協會編著，2002）。繪本強調圖畫書中畫家手繪插圖的情趣，有別於攝影圖片的生硬和缺乏溫度感，故形成日本人對兒童圖畫書的慣用語。由此可知「繪本」與台灣通稱的「圖畫書」或「故事圖」，與英文的 Picture Book 同義（徐素霞，2001）。而根據郝廣才（2006）指出，繪本大概是一本書，運用一組圖畫，去表達一個故事，或一個像故事的主題。如果用英文來看就更明白，Picture Book 就是圖畫書，就是繪本。由學者盧秀琴與陳月雲（2008）的研究認為，繪本是以圖畫說故事的兒童書，通常是以圖為主，以文為輔，雖然圖像大都以手繪插圖為主，但不排斥生動的動物攝影，強調視覺傳達的效果，圖畫版面大而精緻，不僅具有輔助文字傳達的功能，更能增強主題內容的表現。. 二、繪本與科學繪本的教育價值. 15.

(42) 大抵而言，兒童繪本的作者大多站在兒童的立場，用「兒童的心理」及「兒童的語言」來創作，內容上也顧及兒童的興趣需要。因此，兒童繪本只要題材選擇得宜，不但能激發兒童學習的興趣，更能發揮教學的成效（王玲雁，2009）。Huck、Hepler、Hickman 與 Kiefer（1997）認為，圖畫書裡的插畫除了要能描繪每一頁畫面中不同的事物，並且還要能精確的表達文本的意思。因此，兒童圖畫書是為了兒童閱讀所設計的精美畫本，這種圖畫書裡頭，每一頁或每一版面，皆以篇幅較多的圖畫和簡潔的文字相互配合，以便引發兒童閱讀的興趣（引自蕭淑美，2007 ）。根據王玲雁（2009）的研究，在兒童閱讀繪本的歷程中，他們可以藉以學習語文、擴大生活經驗、抒發情感、增加美感經驗，並透過對書中腳色的共鳴來認同並學習正向的社會性行為；繪本還能使兒童化身在各種角色之中，悠遊於故事的情節，藉由文字間的幽默感、豐富的插畫，使孩子得到快樂、想像，並感到滿足。更重要的是在閱讀繪本時，孩子可以走進繽紛的世界，感受到很多意外的喜悅！盧秀琴與陳月雲（2008）綜合學者（林敏宜，2000；Aina, 1999；Matthew, 1996, 1997）的研究，認為繪本教學具有下列的價值︰1. 增長兒童的認知學習；2. 增進語言學習；3. 提供生活經驗，促進心靈成長；4. 涵養美學；5. 增進閱讀樂趣；6. 培養創造想像的能力。由上述可以知道繪本除了引發兒童的閱讀興趣以外，還能幫助兒童擴大生活經驗、增長認知與語言的學習、培養創造想像的能力，對於兒童在成長與學習各方面的都具有相當的啟迪作用，因此繪本對兒童來說是相當有益的學習輔具。而繪本依內容的不同，大致可以分為文學類和科學類兩種。文學類以兒童現實生活和人際互動為主，其次是童話、民間、傳說故事、神話、童詩及兒歌；科學類則包含人體、動植物、天文史地、數學、圖鑑以及有關食衣住行的題材等（鄭瑞菁，2005）。科學圖畫書很少有專家學者直接定義它，但多半會將科學圖畫書劃分於知識類讀物的類別中（林玲遠，1999）。林怡欣（2009）綜合學者們的定義，認為「科學圖畫書」可分兩部分來解釋，「科學」的意義在於圖畫書本身富有科學知識、技能、精神等內涵；「圖畫書」亦指文本的表現方式具有文學藝術的內涵，並以圖文並茂的方式呈現，最重要的是故事內容串聯整本圖畫書，而文字的描述簡單易懂，適合年紀較小的學齡兒童閱讀。Lauber（1991）認為因為科學繪本被歸類為知識. 16.

(43) 類的圖書，所以在傳播科學新知的同時，也要注重啟迪讀者的科學態度與科學方法。同時，一本好的科學圖畫書不只是除了有趣與富含圖畫而已，更應該以圖書內容觸及兒童的心靈、情感與想像力，負起掃除兒童懼怕學習科學的責任。而科學繪本在運用故事與圖畫的兩大特性串接起兒童的生活經驗與科學知識的關聯上有其獨到之處，而徐素霞（2001）也認為透過故事的鋪陳與說故事的引導，不僅可以彌補教科書的不足，也可以促進教科書概念的統整和潛在課程的發展。因此將饒富故事性的科學繪本，適時的在其內容中加入重要科學概念與科學知識、專有名詞，更能幫助學童習得科學性敘述的意義（Steven, Slavin, & Farnish, 1991）。故以科學繪本發展教材，去呈現文字不容易闡述或兒童不易理解的抽象天文概念，應該是具有相當的可行性。. 三、繪本電子書的演變與相關研究從 1993 年出版界測風球的法蘭克福書展正式成立電子出版區，電子書首次以打破傳統國別的方式進駐主題區開始，電子出版時代正式宣告來臨（洪美珍，2000），電子出版成為出版業界的另一種選擇與趨勢。而這種電子化的出版方式為閱讀行為帶來新的價值與內涵，使得人類的閱讀行為由單向式的平面文字閱讀，走向互動式的多媒體閱讀，改變了人類學習與思考的模式。早期蔡嘉朕（1995）針對電子書的表現形式認為電子書迥異於傳統印刷圖書的方式，將學習內容轉化為文字、圖片、動畫、影像等型態儲存於光碟片中，再以多媒體電腦來閱讀與檢索。但是隨著網路科技與資訊技術的進步，資料獲得的管道也變的多元化。2002 年教育部研討會表示，電子書成為教科書的形式之一已是時勢所趨，未來的教科書將以電子型態出版，且學生未來使用的教科書，電子書應該會越來越多（楊惠芳，2002）。童敏惠（ 2002）也將電子書的類型歸納成以下幾種類型：1. 可下載的電子書（ Downloadable e-books）；2. 專屬閱讀機之電子書（Dedicated e-book readers）；3. 網路電子書（Web-accessible）；4. 隨訂即印（ Print-on-demand books）；5. 光碟電子書（CD-ROM e-books）。黃美玲（2004）認為電子書的發展與應用，徹底改變了人類的文化發展與傳播，可視為繼紙的發明、印刷術與電波傳播技術的發明與應用後第四次資訊傳播革命。電子書此時也步. 17.

(44) 入多元發展，繪本電子書也在這樣的環境下孕育而生。而繪本電子書在國內又可以稱為電子繪本、圖畫電子書、電子故事書、電子童書等多種名稱，名稱雖異，在電子書上表現的體裁卻都大同小異，同樣是強調人機互動性並搭配圖文、聲音甚至是影像等互動式的設計來吸引使用者。繪本電子書的閱讀環境和歷程，皆強調主動性與互動模式，並提供學生一連串對訊息建構的過程，結合了文字、聲音、圖像、動畫等多種媒體表現方式，可儲存大量的資料、提供資料間的串連與檢索；同時也可與使用者產生互動式關聯，並顛覆了印刷童書線性思考模式，代之以圖像化、跳耀式的視覺思考型態為主（洪美珍，2000）。而莊時芳（1998）則認為將傳統故事書改編成電子故事書，不但可以增強故事的內容豐富性，吸引使用者，還能利用數位多媒體的高互動性與使用者產生互動，讓使用者有宛如親身經歷故事的體驗。黃羨文（1995）也曾對紙本書與電子書的異同作一比較，並提出在教育上採用多媒體學習和溝通，可幫助學生集中注意力、增加興趣、使用多重感官，增加學習理解程度。由上述可知繪本電子書在結合故事與互動性上有其獨到之處，並能透過光碟、網路進行廣泛而快速的傳播，在學校教育上有其優勢。但是在繪本電子書非線性的閱聽環境中，兒童雖可利用連結的方式在文本之間游移，但兒童也可能很容易在游移跳躍中失去方向和位置。因為電子書中的多個畫面往往互相連結，沒有一定的走向，很容易讓初學者不知道該往哪邊去獲取知識？該如何找到自己想要的？因此，電子書的環境應要能讓學習者方便找出自己的學習策略及認知基模，避免學習迷失（施能木，1997）。洪美珍（2000）也認為，雖然電子童書的超媒體特性與非線性閱讀賦予兒童更多的自由與選擇權，但在電子童書的超媒體連結以及自我選擇、判斷的閱讀環境中，卻也可能引發負面的結果，如閱讀的年齡不適合、跳躍性的閱讀導致迷失方向、學習漫無目標等等。綜合以上學者對繪本電子書的評論，可以做出以下結論：（一）電子書的優點在於多媒體的特性與互動性，可以豐富故事內容，吸引使用者的注意力，提高使用意願。. 18.

(45) （二）使用繪本電子書教授抽象的知識時，可以利用圖片、動畫、影片、聲音等多媒體對主題進行描述與具象的呈現，因此繪本電子書對於教授抽象的知識是相當有利的。（三）警慎的編排教材內容，應規劃適當的學習策略，避免兒童迷失在的繪本電子書的世界中。所以在發展繪本電子書的教材時，除了善用繪本電子書的多媒體特性、互動性、故事性外，還要注意教材的內容安排，採用適當的學習策略輔助多媒體教材，以學習者為主體，才能發展出適合學習的繪本電子書。然而根據研究動機中所提到學童學習天文的困難並不止於與學生的生活經驗相連結而已，還有學生的空間能力不足的問題，以下將根據天體學習與空間能力的關係進行論述。. 第三節空間能力與天體概念學習的關係一、空間能力的定義、重要性與相關研究關於空間能力的定義一直以來其實並不明確，而綜合學者（李侑巡，2009；林信全， 2005；高元彬，2008）對於空間能力的定義，我們可以發現空間能力主要是指針對學習者能透過視覺觀察物體之間的關係，轉換成心象進行操作，並能正確的辨識方位與應用，將將物體的運動情形、形狀、位置、旋轉等，正確地由三維空間轉換成二維圖像顯示在腦海中的抽象思考能力，總而言之就是方位辨識、空間視覺化以及空間移動旋轉的能力。而空間能力與學童的學習又有什麼關係呢？邱美虹與陳英嫻（1995）指出相關於空間能力的研究顯示，在不同科學學科的學習成就與空間能力密切相關。例如 Bishop（1987）指出空間能力與天文方面的學習關係密切。而在物理方面，Pallrand 與 Seeber（1984）之研究表明，能成功學習物理的學生大多具有高空間能力。Orion、Ben-Chaim 與 Kali（1994）的研究結果顯示，地質簡介課程之成績與學生空間透視能力之表現呈高度相關。而在數學方面，許多學者（Guay & McDaniel, 1977；Quaiser-Pohl. 19.

(46) & Lehmann, 2002）的研究也顯示國小學童的數學成就與空間能力或是空間視覺化存在著關聯性。而 Rudmann （2002）的研究中指出由一個認知觀點來看，當個體對一個觀念進行心理模型建造的模擬過程時，這是一個需要進行計算的認知活動，個體模擬著自然界的空間關係。以天文學為例子，是非常需要空間推理能力去進行計算，才能模擬出結果，而此活動的成功與否和個體本身的科學知識多精準無關，端看各體本身的空間能力的是否受到限制。由以上可以知道空間能力在不同科學學科間的學習上，扮演著重要的角色，而本研究主要將探討空間能力與天文星體概念學習的關係。從許多天文教育的相關研究也表明空間能力高低與天文學習有相關。在何玉婷（2005）的研究中也發現，具備中、高空間能力的高中生，在二度空間的太陽視軌跡與三度空間的太陽運動軌跡的問題達對率比較高。而且 Kikas（2006）的研究中也表明，空間視覺化能力可能會顯著而且積極地影響個體在學習有關天文知識的學習效率。因此，綜合以上學者的看法可知，個體的空間能力與天文學習的學習成效有顯著相關，與其他種類的科學學習也有著密不可分的關係。. 二、空間能力與天文學習由上一段中，我們知道個體的空間能力與學習天文息息相關，而且也有許多學者針對空間能力與天文學習的相關性提出看法。Yair、Mintz 與 Litvak （2001）認為天文教學對於小學和中學的科學教師是一個很大的挑戰。雖然天文對兒童而言是有相當強烈吸引力的現代科學，但是它包含了複雜的物理學問題。兒童要能夠了解天文的概念，除了需要能理解動態的三維空間概念並且本身必須具備比較好的認知能力。邱美虹與陳英嫻（1995）指出要學生憑空去想像巨觀世界星體間的空間關係是一件非常困難的事。根據 Ault Jr.（1994）的研究，要在心裡進行空間模擬來解決問題的能力可能會受限於個體的空間能力，而空間能力也已經被地球科學教育者認為是一種關鍵的但卻虛無而無法研究的的因素。Yair、Mintz 與 Litvak （2001）也認為，為了暸解基本的天文概念，例如：晝夜的形成、季節的變化、日蝕、月亮與行星的運動，學生必須要具備對能將這些物體與關係事件視覺化的能力，因為這些天文星體與所發. 20.

(47) 生的現象可能會從不同的角度同時出現，而上述所指的視覺化能力也就是空間視覺化能力。由此可見空間能力的重要性，但是學生是否有進行空間能力的學習或訓練呢？Bertoline （1987）的研究中發現，學生們往往很少或者是沒有被教師正式要求去使用或者是發展空間能力。Bertoline、Burton 與 Wiley（1992）的研究也表明了沒有開發個體空間能力的學生，在其所選擇的學習領域環境中學習時會比較容易受到阻礙。由以上探討大概可以知道個體的空間能力是學習天文學科的關鍵能力之ㄧ，但是空間能力的訓練往往並不受到教師重視，學生也很少會有訓練空間能力的機會，通常學生只能自行發展空間能力，而空間能力發展不足的學生則可能在學習天文觀念的時候，因為無法妥善運用空間視覺化等能力進行像是空間旋轉等等空間操作，致使學習受阻。. 三、空間能力與教學輔具而為了幫助學童學習這些比較抽象、不易理解的天文概念，教師除了利用口頭講述、繪圖、類比等方式外進行說明，比較具體的方法便是使用模型教學（Zoller, 1990）。因此在邱美虹與陳英嫻（1995）的研究也指出學生在學習「月相盈虧」的單元時，若是從平面的教材觀看月相變化的圖形，尚須將二維空間的圖像轉換成三度空間的心像，假使學生的空間能力不足，學習月相盈虧的概念將會發生困難；相對的，若是學生使用模型觀察，可以直接看到在不同角度上月亮受太陽光照的情形與月相變化，就少去了心像轉換的過程。但是根據學者（Bailey, Prather, & Slater, 2004）的研究，學生和成年人在嘗試使用以太陽為中心的模型進行日常天文現象的解釋時，卻仍然有著相當的困難。而之所以學生與成年人都有如此的學習問題原因在哪裡？根據 Hegarty 與 Waller（2004）的研究，空間能力是使我們能夠處理圖像或模型，推導或解釋後果，也就是說空間能力仍然是個體是否能使用具體模型學習天文並進行推理的關鍵因素之ㄧ。所以如何利用教學輔具或是提供更有力的教學輔具來彌補學生空間能力的不足之處，應該是教師在進行天文教學時不可忽略的教學策略。而我們從邱美虹與陳英嫻（1995）的對 24 位國三學生進行以「地球影子遮住月亮」解釋盈虧現象，並以空間能力測驗將學生分成高空間能力與低空間能力兩組，的研究結論中，. 21.

(48) 也發現下列三個觀點佐證我們的想法：（一）高空間能力的學生在學習月相盈虧概念時有比較好的解釋能力與學習成效。（二）高空間能力的學生就算沒有模型輔助學習，也能運用本身的空間能力進行解釋，以解決問題。但是低空間能力的學生則因其空間能力不足，無法合宜的進行問題解釋，甚至可能產生另有概念。（三）運用模型學習可以幫助低空間能力的學生有比較好的學習成效。透過這三點研究結論可以歸納： 1. 擁有高空間能力的學生在天文學習上確實比較佔優勢，而且就算沒有利用模型輔助其進行空間思考，仍能以自身的能力進行解釋。 2. 低空間能力的學生在此教學實驗中則處於弱勢，若是不提供模型且放任其自行以思考的方式解釋所觀察到的的天文現象，有時甚至會再產生新的迷思概念。 3. 模型學習可以幫助低空間能力學生提升學習成效。因此由此教學實驗研究的結論可以說明空間能力高低確實會影響學生的天文學習成就，也說明提供實體模型輔助低空間能力學生進行學習的重要性。然而學習成效的提升並非只是讓低空間能力學生使用模型教學的唯一優點。根據 Padalkar 與 Ramadas（2009）綜合學者（Gilbert, 2005; Hegarty, 2004; Nersessian, 1999; Ramadas, 2007）的研究指出，教學工具在幫助學生瞭解與演示天文觀念中的空間關係與運動方式之後，學生獲得的天文觀念也有可能再幫助學生進而發展他們的空間推理能力。也就是說當學生發展天文概念之後，學生的空間概念也有可能因天文概念的發展而成長，如此將更有利於其他學科科學概念的學習。因此，發展輔助學生學習天文的輔具可能具有多方面的潛在效益。雖然因為學校資源不足的關係，並無法提供毎人一具模型進行星體操作。但是科技日新月異，進步神速，幫助學生學習天文的教學輔具也產生改變，由早期的模型，演變到現今電腦多媒體教材與虛擬實境、3D 模型等數位化工具。學者（Yair, Mintz, & Litvak，2001）認為由於科技的進步，利用結合以多媒體為基礎的資料庫進行視覺化的科學資訊說明，可以解釋. 22.

(49) 許多複雜而抽象的現象，而教師與學生也期待這種方式能整合進科學教學的課程之中。而且教育工作者也能藉由 3D 圖形工具的幫助，建造一個視覺化的語言來橋接縮短以具體存在的自然世界與以概念模式存在的抽象世界之間的距離。但是 Dalgarno & Lee（2010）也認為「科技本身並不能直接讓學生產生學習，但可以擔任能讓學生可能進行學習的任務。」所以，假使我們若能正確的設計天文教學策略並妥善使用電腦多媒體與虛擬實境技術，應該能從虛擬實境的特性中獲益匪淺，以下將介紹資訊科技融入天文教學的相關研究。. 第四節資訊科技融入天文概念教學之相關研究一、資訊融入教學相關研究目前國內外有不少針對天文相關概念進行的資訊融入教學研究或是相關媒體，這些數位媒體大多以網頁動畫的方式呈現，也有學者自行設計天文模擬程式讓學童與老師進行操作或教學，另外更有使用虛擬實境的技術完成數位天體模型，讓使用者能自行探究。學者（王學武、石明儒、王秀雯，2010）認為依照媒體的互動性高低與教學方式大概可以區分為以下四個種類：（一）動畫播放型：媒體內容呈現型態以文字解說、動畫、影片、配樂等等為主體，使用者以點選觀看為主，使用者與電腦間的互動性比較低。（二）直接猜測答題型：讓使用者以答題的方式進行學習，有一些媒體會給使用者學習的情境，另一些則是直接進行問答。（三）問題引導型：使用引導式的發現式學習法，讓學生在課程設計者精心的安排下進行學習，一步一步由淺入深的進行探索，由學習者自行建構所要學習的知識。（四）自由探索型：大多採用 3D 即時描繪技術來設計教材，提供一個模擬天體系統的虛擬環境讓學習者去探索，而這一類教材常常因為沒有任務或學習目標，初學者無法掌握到學習要領，並容易迷失在虛擬環境中。. 23.

(50) 因此將國內資訊科技融入天文教學的媒體與研究分類如表 2-1：表 2-1 國內資訊科技融入天文教學媒體分類表分類. 作品名稱與作者. 1. 動畫播放型. 媒體內容呈現型態以文字解說、動畫、影片、配樂等等為主體，使用者以點選觀看為主。使用者與電腦間的互動性比較低，例如： 1. 月相變化（教育部六大科學教育學習網，無日期）。 2. 冬至慶團圓（音象兒童教育網，無日期）。 3. 月球和它的盈虧變化（中央氣象局，無日期）。. 2. 直接猜測答題型. 讓使用者以答題的方式進行學習，有一些媒體會給使用者學習的情境，另一些則是直接進行問答。而本類型與動畫播放型的差異是有比較高的互動性，學童在問答結束後可以知道自己的答題狀況，可以再進一步根據不足之處進行學習。例如： 1. 晝夜與四季網（廖士權，2003）。 2. 月亮不見了（溫慧如，2004）。 3. 季節變化與人類生活（音象兒童教育網，無日期）。 4. 星航探險（中央氣象局，無日期）。. 3. 問題引導型. 使用引導式的發現式學習法，讓學生在課程設計者精心的安排下進行學習，一步一步由淺入深的進行探索，由學習者自行建構所要學習的知識。而本類型則是以互動性較高的教學媒體或網站，搭配教學策略，一步一步由易入難的引導學生進行學習。例如： 1. 四季成因線上課程（曾永祥，2002）。 2. 晝夜與四季電腦動畫網（陳彩虹，2002）。 3. 「地球運動」課程（沈潔華，2005）。 4. 月亮迷思概念教學網站（吳延慶，2007）。 5. Sunkids 教學網站（王學武、石明儒、王秀雯，2010）。. 4. 自由探索型. 大多採用 3D 即時描繪技術來設計教材，提供一個模擬天體系統的虛擬環境讓學習者去探索，而這一類教材常常因為沒有任務或學習目標，初學者無法掌握到學習要領，並容易迷失在虛擬環境中。本類媒體的特性多為有很高的互動性，而且都以虛擬實境的設計為主。例如： 1. Stellarium （ Chéreau、Spearman、Meuris、Gates , & Gajdosik，n.d.）。. 24.