嵌入數位遊戲於5E學習環教學法對八年級學生學習光學概念之成效評估

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所教學碩士班碩士論文. 指導教授：許瑛玿博士. 嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法對八年級學生學習光學概念之成效評估 Incorporating Digital Games into the 5E Learning Cycle to Promote 8th Graders' Learning in Optics Concepts. 研究生：歐建榮. 中華民國 102 年 1 月口試本 1.

(2) 誌. 謝. 本論文能夠順利完成，全靠指導教授許瑛玿博士盡心盡力的指導，每次與許教授討論論文的進度，總是獲益良多，讓整個研究的過程、方向不致於走錯，在此首先感謝指導教授許瑛玿老師的指導與建議。另外，感謝兩位口試委員陳素芬教授與黃福坤教授，謝謝您們對於本論文的具體建議，讓本論文更加完整。感謝黃福坤教授、泓男、豐州為本論文的研究工具做專家審查，文馨學姐對於統計方法、文獻整理的意見提供，研究所共同成長的夥伴泓男、豐州。感謝學校的長官、同事、學生，在我的研究過程中所給予的全力支持，有了你們的協助，才能順利的走到這一天。最後，感謝我的父親、母親、岳父、岳母、老婆毓方及兒子奐慶，有了你們在背後默默的支持與陪伴，讓我可以專心在研究所的求學，也才有今日的我，願這小小的成就與你們分享。. I.

(3) 中文摘要面對十二年國教的教育改革，讓學生自主的參與課堂上的學習是老師教學的重要目標，透過嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法，讓學生在遊戲中探索進而學習到老師所要教授的科學概念。本研究選取光學概念進行嵌入數位遊戲於 5E 學習環的教學設計。31 位八年級學生實驗組接受嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法，34 位八年級學生接受傳統講述式教學法。本研究採準實驗研究法，以光的反射與折射概念測驗為學習成就評量來瞭解學生教學前後概念轉變情形，並輔以學生學習單的質性資料分析來深入探討造成學生概念轉變的可能理由。並比較傳統講述式教學法與數位遊戲融入教學後對學習成效之影響差異，以及針對不同的學生面向（性別、學習成就）、題目題型（文字題、圖形題）等進行共變數分析（ANCOVA）來探討學生經歷嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法的學習成就差異。研究結果顯示，實驗組（t=-4.995；p<.001）學生在嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法後的學習成就顯著提升，而對照組（t=-2.239；p<.05）學生在傳統教學後的學習成就顯著提升。但在效果量（Effect Size, E.S.）上，實驗組達中度效果量（E.S.＝0.791）而對照組為低度效果量（E.S.＝0.403），顯示實驗組之效果量較高。進一步以單因子共變數分析結果顯示，兩種教學法均未達顯著差異（F =3.718；p>.05），表示本研究所設計之嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法與傳統教學法間在學生光學概念理解上並無明顯差異。不同性別之學生以傳統教學法（F=0.006；p>.05）或嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法學習光學概念（F=0.156；p>.05），對於其概念學習成就並無明顯差異。不同學習成就之學生以嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法學習光學概念，對於其概念學習成就有明顯差異（F=15.182；p<.01)。針對不同教學法對文字題型的影響未達顯著水準（F=1.267；p>.05）；然而，圖形題型的影響達顯著水準（F=4.655；p<.05），表示學生在圖形題的得分上實驗組與對照組有明顯差異，而且實驗組學生的得分顯著高於對照組。實驗組在光學概念學習上的改變情形，平面鏡部分：（1）經過教學後，學生可注 II.

(4) 意物距與像距相等之關係。（2）較少學生說出物體大小與成像大小的相等關係。（3）多數學生認為物體距離鏡子愈遠，鏡中的成像會愈小。凹面鏡部分：（1）學生受到平面鏡成像性質的影響，認為物距等於像距。（2）部分學生認為只要是凹面鏡，不論物體所在位置為何，成像都是放大的。凸面鏡部分：（1）經教學後學生可繪製出物體成像之光徑圖，並得出成像性質及位置。（2）部分學生具有光線會會聚於虛焦點的迷思。凸透鏡部分：（1）部分學生受到面鏡成像的影響，認為物體經凸透鏡成像是經由反射造成。（2）部分學生受物體經凸面鏡成像性質的影響，認為物體經凸透鏡成像後會變小。（3）有學生認為雙凸透鏡兩邊的形狀相同，所以透鏡兩邊物體與像的性質會相同。（4）部分學生可說出光線經由凸透鏡折射後，光線會往透鏡較厚的一邊偏折，而平行光經透鏡折射後，可會聚於透鏡另一側的焦點上。（5）大部分學生經教學後，可繪出正確光徑圖及成像之性質。凹透鏡部分：（1）部分學生受凹面鏡成像性質影響，認為物體經凹透鏡折射後像會變大。（2）部分學生由 3 張相同大小物體在凹透鏡不同位置的成像學習單，可以說出物體離凹透鏡愈近，經凹透鏡所形成的像愈大。未來研究可設計數位遊戲融入應用電子白板的教學，並讓學生以小組學習的方式進行學習，以探討合作學習對學生在光學概念學習的影響。. 關鍵詞：5E 學習環、光學、數位遊戲式學習、概念理解、科學學習. III.

(5) Abstract One of the crucial goals in the twelve-year compulsory education reform is to encourage students to actively participate in learning activities. Through the pedagogy that incorporating digital games into 5E learning cycle, this study was anticipated that students can learn scientific concepts by exploring the games. In this study, the pedagogical design focused on the concepts of refraction and reflection. A quasi-experimental design was adopted to investigate how the pedagogical design might impact on students’ learning of the concepts. A total of 65 eighth graders from two classes participated in this study. One class with 31 students was taught with the new pedagogical design, while the other class with 34 students was taught with traditional lecturing method. An assessment of conceptual understanding was used to examine the students’ learning outcomes. Qualitatively, the students’ worksheets were analyzed in order to look into the factors that might account for their conceptual change. Regarding the comparison between the two classes, ANCOVA was adopted to examine how students’ gender and different levels of achievement, and the types (texts or pictures) of assessment items might influence students’ learning. The findings showed that both the experimental and the control group significantly improved their understandings of the concepts after the instruction (the experiment group: t=-4.995; p<.001; the control group: t=-2.239; p<.05). According to the effect size (E. S.), the experiment group reached a medium level (E.S.＝0.791) while the control group had a lower effect size (E.S.＝0.403). This indicates that the experimental group with the new pedagogical design had larger effect size. The one-way ANCOVA analysis showed that there was no significant difference in the students’ conceptual understandings between the two groups (F =3.718; p>.05). Also, there was no sinificant difference in the students’ conceptual understandings between male and female students in both IV.

(6) groups (the control group: F=0.006; p>.05; the experimental group: F=0.156; p>.05). Students’ different academic levels significantly influenced their understanding of the concepts (F=15.182; p<.01). Regarding the types of the assessment items, students in the experimental group scored significantly higher on the items presented with pictures than those in the control group (F=4.655; p<.05). The analysis of qualitative data showed how students’ conceptual understandings were changed by the pedagogy that incorporating digital games into 5E learning cycle, the experimental group. For instances, the students’ conceptual changes in the concept of plane mirrors: (1) Students became more aware of that the object distance is the same as the image distance after the instruction. (2) Fewer students understood that the size of the object was actually the same as that of its image. (3) Most of the students thought the farther the object was, the smaller the image would be. For the students’ conceptual changes in the concept of concave mirrors: (1) Influenced by the concept of plane mirror, students thought the object distance is the same as the image distance. (2) Part of the students thought the images of a concave mirror are always larger than the object no matter the object distance. For the students’ conceptual changes in the concept of convex mirrors: (1) Students were able to draw the path of the light, the image and its location in a diagram. (2) Some students still had the myth that through a convex mirror, light converges in a focal point. For the students’ conceptual changes in the concept of convex lenses: (1) Influenced by the concept of plane mirrors, part of the students thought the formation of the image is because of reflection. (2) Influenced by the concept of convex mirrors, some students thought that through convex lenses, the images are always smaller than the object. (3) Some students thought that as double-convex lenses have the same shapes on both sides, the object and the nature of its images on both sides would be the same. (4) Some students were able to state that through convex lenses, light will deflect to the thicker side of the lens; through the lens, V.

(7) parallel light will converge on the focal point at the other side of the lens. (5) Most of the students were able to draw correct optical path and images in a diagram. For the students’ conceptual changes in the concept of concave lenses: (1) influenced by the concept of concave mirrors, some students thought that the images of the concave mirrors are bigger than the object. (2) After completing the worksheets on the topic that differet distance results in different size of the image, some students were able to state that to a concave lens, the closer the object is, the bigger its image would be. I suggest that in the future, with students learning in groups, the research may focus on how cooperative learning might impact on students’ learning of the concepts of refraction and reflection in a pedagogical design that combined both the digital-game and interactive whiteboard.. Keywords: 5E learning Cycle, Optics, Digital-Game-Based Learning, Conceptual Understanding, Science Learning. VI.

(8) 目錄. 第一章緒論 ....................................................................................................................... 1 第一節. 研究動機 ....................................................................................................... 1. 第二節. 研究目的與問題 ........................................................................................... 3. 第三節. 研究的重要性 ............................................................................................... 5. 第四節. 名詞釋義 ....................................................................................................... 7. 第二章文獻探討 ............................................................................................................... 9 第一節. 認知心理學基礎 ........................................................................................... 9. 第二節. 學習環教學模式 ......................................................................................... 12. 第三節. 數位遊戲式學習 ......................................................................................... 16. 第四節. 光學概念的相關研究 ................................................................................. 21. 第三章研究方法 ............................................................................................................. 23 第一節. 研究對象 ..................................................................................................... 23. 第二節. 研究設計與流程 ......................................................................................... 25. 第三節. 研究教學設計與研究工具 ......................................................................... 41. 第四節. 資料處理與分析 ......................................................................................... 47. 第五節. 研究範圍與限制 ......................................................................................... 49. 第四章結果與討論 ......................................................................................................... 50 第一節. 不同的教學法對學生光學概念學習的影響 ............................................. 50. 第二節. 不同性別學生光學概念學習的差異 ......................................................... 54. 第三節. 不同學習成就學生光學概念學習的差異 ................................................. 59. 第四節. 學生在不同題型的表現差異 ..................................................................... 63. 第五節. 實驗組在光學概念學習上的改變情形 ..................................................... 68. 第五章結論與建議 ......................................................................................................... 82 VII.

(9) 第一節結論 ............................................................................................................... 82 第二節綜合討論 ....................................................................................................... 86 第三節建議 ............................................................................................................... 88 參考文獻 ............................................................................................................................. 90 附錄 ..................................................................................................................................... 96 附錄一概念測驗試題 ............................................................................................... 96 附錄二實驗組學生學習單作答原始資料 ............................................................. 104. VIII.

(10) 表目錄. 表 2-2-1 學習環的演變....................................................................................................... 12 表 2-2-2 與 5E 學習環教學模式相關的研究統整表 ......................................................... 13 表 2-3-1 數位遊戲式學習的相關研究統整表 ................................................................... 17 表 2-4-1 光學概念的相關研究統整表 ............................................................................... 21 表 3-2-2 數位遊戲評估...................................................................................................... 32 表 3-2-3 融入之國中自然與生活科技能力指標 ............................................................... 34 表 3-2-4 概念測驗工具雙向細目表 ................................................................................... 38 表 3-2-5 預試之試題分析表 ............................................................................................... 39 表 3-3-1 研究教案設計理念說明 ....................................................................................... 41 表 3-3-2 教學流程............................................................................................................... 41 表 3-3-3 概念學習單........................................................................................................... 44 表 3-3-4 概念測驗各題測驗目的 ....................................................................................... 45 表 3-4-1 各分析問題所用之統計方法統整表 ................................................................... 47 表 4-1-1 實驗組與對照組概念測驗前、後測答對題數常態性檢定結果表 ................... 50 表 4-1-2 實驗組與對照組兩組樣本之後測成績同質性考驗 ........................................... 51 表 4-1-3 實驗組及對照組在光學概念測驗之前、後測相依樣本 t 檢定結果表 ........... 51 表 4-1-4 實驗組與對照組概念測驗前測對後測之迴歸係數同質性考驗結果表 ........... 52 表 4-1-5 不同教學法概念測驗之描述統計表 ................................................................... 53 表 4-1-6 不同教學法單因子共變數分析結果表 ............................................................... 53 表 4-2-1 對照組不同性別學生概念測驗前、後測答對題數常態性檢定結果表 ........... 54 表 4-2-2 實驗組不同性別學生概念測驗前、後測答對題數常態性檢定結果表 ........... 54 表 4-2-3 對照組不同性別樣本之後測成績同質性考驗 ................................................... 55 表 4-2-4 實驗組不同性別樣本之後測成績同質性考驗 ................................................... 55 IX.

(11) 表 4-2-5 對照組不同性別學生概念測驗前測對後測之迴歸係數同質性考驗結果表 ... 56 表 4-2-6 對照組不同性別概念測驗之描述統計表 ........................................................... 56 表 4-2-7 對照組不同性別學生單因子共變數分析結果表 ............................................... 57 表 4-2-8 實驗組不同性別學生概念測驗前測對後測之迴歸係數同質性考驗結果表 ... 57 表 4-2-9 實驗組不同性別概念測驗之描述統計表 ........................................................... 58 表 4-2-10 實驗組不同性別學生單因子共變數分析結果表............................................. 58 表 4-3-1 實驗組之高學習成就學生成績表 ....................................................................... 59 表 4-3-2 實驗組之低學習成就學生成績表 ....................................................................... 59 表 4-3-3 實驗組高、低學習成就學生在光學概念測驗之前、後測答對題數常態性檢定結果表 ................................................................................................................................. 60 表 4-3-4 實驗組不同學習成就學生之後測成績同質性考驗 ........................................... 60 表 4-3-5 實驗組不同學習成就學生概念測驗前測對後測之迴歸係數同質性考驗結果表 ............................................................................................................................................. 61 表 4-3-6 實驗組不同學習成就學生概念測驗之描述統計表 ........................................... 62 表 4-3-7 實驗組不同學習成就學生單因子共變數分析結果表 ....................................... 62 表 4-4-1 實驗組不同題型之前、後測答對題數常態性檢定結果表 ............................... 63 表 4-4-2 對照組不同題型之前、後測答對題數常態性檢定結果表 ............................... 63 表 4-4-3 文字題型在不同教學法樣本之後測成績同質性考驗 ....................................... 64 表 4-4-4 圖形題型在不同教學法樣本之後測成績同質性考驗 ....................................... 64 表 4-4-5 文字題型前測對後測之迴歸係數同質性考驗結果表 ....................................... 65 表 4-4-6 不同教學法文字題型概念測驗之描述統計表 ................................................... 65 表 4-4-7 文字題型在不同教學法樣本之單因子共變數分析結果表 ............................... 66 表 4-4-8 圖形題型前測對後測之迴歸係數同質性考驗結果表 ....................................... 66 表 4-4-9 不同教學法圖形題型概念測驗之描述統計表 ................................................... 67 表 4-4-10 圖形題型在不同教學法樣本之單因子共變數分析結果表............................. 67 表 4-5-1 學生說明物在平面鏡中成像情形之探討 ........................................................... 68 X.

(12) 表 4-5-2 學生修正平面鏡學習單至正確概念之概念改變探討 ....................................... 69 表 4-5-3 學生說明物在凹面鏡 1 倍焦距內成像情形之探討........................................... 70 表 4-5-4 學生說明物在凹面鏡 1 倍焦距到 2 倍焦距間成像情形之探討....................... 70 表 4-5-5 學生說明物在凹面鏡 2 倍焦距外成像情形之探討........................................... 70 表 4-5-6 學生修正凹面鏡學習單至正確概念之概念改變探討 ....................................... 71 表 4-5-7 學生說明物在凸面鏡不同位置成像情形之探討 ............................................... 72 表 4-5-8 學生修正凸面鏡學習單至正確概念之概念改變探討 ....................................... 73 表 4-5-9 學生說明物在凸透鏡 1 倍焦距內成像情形之探討........................................... 74 表 4-5-10 學生說明物在凸透鏡 1 倍焦距到 2 倍焦距間成像情形之探討..................... 75 表 4-5-11 學生說明物在凸透鏡 2 倍焦距外成像情形之探討......................................... 75 表 4-5-12 學生修正凸透鏡學習單至正確概念之概念改變探討..................................... 77 表 4-5-13 學生說明物在凹透鏡不同位置成像情形之探討............................................. 78 表 4-5-14 學生修正凹透鏡學習單至正確概念之概念改變探討..................................... 79 表 4-5-15 成像學習單學生迷思概念統整表..................................................................... 80. XI.

(13) 圖目錄. 圖 3-2-1 變項間關係及研究架構圖 ................................................................................. 25 圖 3-2-2 研究流程圖 ......................................................................................................... 26 圖 3-2-3 光的反射定律 ..................................................................................................... 27 圖 3-2-4 物體在鏡中的成像 ............................................................................................. 28 圖 3-2-5 光的可逆性 ......................................................................................................... 28 圖 3-2-6 光的反射與折射 ................................................................................................. 29 圖 3-2-7 光的發散現象 ..................................................................................................... 29 圖 3-2-8 光的會聚現象 ..................................................................................................... 30 圖 3-2-9 凸透鏡成像示意圖 ............................................................................................. 30 圖 3-2-10 凹透鏡成像示意圖 ........................................................................................... 30 圖 3-2-11 凸透鏡成像作圖 ................................................................................................ 31 圖 3-2-12 凹透鏡成像作圖 ............................................................................................... 31 圖 3-2-13 雷射死光槍遊戲介面圖 .................................................................................... 35 圖 3-2-14 雷射死光槍遊戲介面圖 .................................................................................... 35 圖 3-2-15 雷射死光槍遊戲介面圖 .................................................................................... 36 圖 3-2-16 快打成像遊戲介面圖 ........................................................................................ 36 圖 3-2-17 快打成像遊戲介面圖 ........................................................................................ 36 圖 3-4-1 學生學習單完成範例 .......................................................................................... 48. XII.

(14) 第一章. 緒論. 「活化教學」的目的是讓課堂上每個學生都樂於學習，這個目標對第一線的基層教師是一大挑戰，將資訊科技應用到教學上，或許是個可行的方向。本章就研究動機、研究目的與問題、研究重要性、名詞釋義詳加說明。. 第一節. 研究動機. 我國自 103 學年度起，將實施十二年國民基本教育，教育部長蔣偉寧博士表示：「十二年國教的重點不在考試，在於學生是否能主動學習。」在許多的教學法中，建構式教學注重學生的先備知識，以學生為主體的課程設計，對於學生科學教育的學習是有其成效的（張靜嚳，1996；黃松源、王美芬，2001），而應用建構主義的教學者，要讓學生充分主動的學習，教學者需設計適當的環境，而非要學生能在短時間內獲得學習成效（熊召弟，1996）。學生處在教學者所設計的環境中，接受刺激進而自動建構出知識、概念，而非由教學者直接傳授知識（Von Glasersfeld, 1996；張靜嚳，1995）。建構式教學在國小自然科操作實驗中，可讓學生合作學習、主動學習並達到教學目標的一種教學模式（曾秋華，2002）。從我國行政院主計總處 100 年「電腦應用概況報告」顯示，21 世紀是電腦的世代，目前電腦設置概況「我國個人電腦設置數 1,351.8 萬台，平均每千人擁有 582.0 台」，其中每 100 戶家庭擁有 103.2 台來看，電腦已是大部分家庭的必配產品，而青少年課後的休閒活動常常離不開電腦數位遊戲，遊戲本身的娛樂性、衝突性、挑戰性、互動性等特性，讓青少年積極、主動的參與其中。學習成效常決定於學生對課程的參與度，遊戲式學習可讓學生較具學習興趣進而主動參與學習（吳叔鎮，2011；彭成瑋， 2007；謝甫宜，2011），將數位科技導入遊戲中成為數位遊戲，應用在低成就學生的教學中，可有效提升學生的學習態度（范綱正，2011）。國小學生在歷經自然科學數 1.

(15) 位遊戲學習過程時，會主動思考解決問題，而習得自然科學知識，並認為數位遊戲學習系統是好玩且有效的學習（林淑蕙，2009）。電腦輔助教學對國中理化科中抽象的單元-以光的折射為例的學習，可加強學生學習的印象且低學習成就學生的學習態度更為積極（楊明獻，2008）。一般而言，探究式學習法可以提升學生學習理化的動機（蔡執仲、段曉林，2005），許多實徵研究也發現以資訊融入教學對自然與生活科技領域的學習動機和學習態度有明顯進步（李登隆，2004；阮素貞，2006；林余思，2002）。因此，研究者從任教國中自然與生活科技領域的經驗中，挑選八年級自然與生活科技領域光學的內容做為研究之課程內容，因為光學一直是學生認為較難學習的單元，雖然光的現象在生活中處處可見，但是光學的概念卻是抽象的，加上教學進度的壓力，教師常以講述式教學為主，只是將知識傳輸給學生，學生缺乏主動學習的機會。進入台師大科學教育研究所後，重新認識了 5E 學習環教學法，筆者嘗試將數位遊戲嵌入參與（Engagement）階段、探索（Exploration）階段、解釋（Explanation）階段、精緻化（Elaboration）階段及評價（Evaluation）階段，藉由學生對玩數位遊戲的自發性，轉移至學習中，讓學生的學習動機增加、學習變得有趣，並在實際操作數位遊戲時學習到所應該學習的科學概念。如何讓學生主動學習，一直是筆者身為基礎教育工作者的期望，希望能藉由實施十二年國民基本教育此一契機，讓學生主動、快樂、適性的學習。為此本研究試著設計嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法，並探討該教學活動對學生光學概念學習的影響。. 2.

(16) 第二節. 研究目的與問題. 基於上述的研究動機，茲列出本研究之目的與所要探討的問題，詳述如下。. 一、. 研究目的：. （一）為了提供老師在教學運用上的資訊，並視教學環境採用不同的教學法，本研究試著瞭解不同教學法（傳統講述式教學法與嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法）對國中八年級學生學習光的反射定律與折射定律之學習成就影響。（二）在數位遊戲融入教學的相關研究中，較少討論不同性別對學習成就的影響，但是多數人會認為男生較女生常玩數位遊戲而能在嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法引導下學習成效較佳，故本研究想探討不同性別對學習成就是否具有差異。此外，在針對不同學習成就學生其學習成效之影響，有些研究顯示結果有顯著差異（陳建達， 2012），故本研究想知道在不同學習成就的學生是否在學習成就上均有提升。因此瞭解不同特質（性別與學習成就）學生對嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法學習光的反射定律與折射定律之學習成就影響，乃為本研究之目的之一。（三）根據雙編碼理論，外在不同類型的刺激，對於學生的學習是有影響的，本研究將數位遊戲融入教學，數位遊戲中所包含的資訊類型有文字、圖形、動畫等，此與傳統講述式教學法中，主要的資訊類型是文字有很大的差別，故本研究希望能知道學生在接受不同的外在刺激後，對於不同的測驗題型是否有差異。故本研究希望能瞭解不同題型（文字題與圖形題）對不同教學法學習光的反射定律與折射定律之學習成就影響。（四）瞭解嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法對學生光學概念學習之影響。. 3.

(17) 二、. 研究問題：. （一）探討傳統講述式教學法與嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法對學生學習光的反射定律與折射定律前、後，對學習成就的表現是否有差異？（二）探討不同性別學生於嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法前、後，在學習光的反射定律與折射定律學習成就上是否有差異？（三）探討不同學習成就之學生於嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法後，何者在光學概念學習上具有較佳的學習表現？（四）探討傳統講述式教學法與嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法對學生回答不同題型題目的學習成就表現是否有差異？（五）探討嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法前、後，學生對光學概念學習上的改變情形為何？. 4.

(18) 第三節. 研究的重要性. 目前許多有關數位遊戲融入教學的研究，大多著重在學生創造力的影響（林勝介，2009；胡博閔，2009）、問題解決能力的影響（李宜穎，2007；林淑蕙，2009；許罡寧，2010；陳裕民，2012）、學習態度與學習成就的影響（吳天貴，2007；吳叔鎮，2011；李宗倫，2011；范綱正，2011；許湘宜，2012；陳卉綺，2012；陳建達， 2012；陳裕民，2012；陳憶萱，2007；黃靚芬，2012；趙秀琴，2011；賴俊甫，2007）、邏輯能力與問題解決能力（李宜穎，2007；林淑蕙，2009；許罡寧，2010；陳彥杰， 2008；陳裕民，2012）、融入學習的設計（黃祐謙，2011；蔡宜良，2011），較少針對數位遊戲如何促進學生的概念理解以及如何將數位遊戲融入適當的教學模式進行探討，故本研究將數位遊戲導入 5E 學習環教學法，以探討學生的概念理解改變情形。從雙編碼理論（Dual Coding Theory）觀點，學習者在學習時對於外在的刺激（圖形、文字、數位動畫）會建立成視覺與語文的心理表徵，而這兩種表徵可以分別或相互連結的儲存在記憶中，這對於學習、回想與檢索所學內容有正向的助益。而使用數位遊戲進行教學可讓學生接觸到多樣化的刺激，進一步增進學生學習、回溯所學內容的效果（Clark & Paivio, 1991；莊雅茹，1996）。所以，本研究以數位遊戲進行教學時，除了讓學生以視覺感官去接受動態的影像、亦輔以遵循 5E 學習環教學設計的學習單來引導學生探索數位遊戲情境中所含的光學概念，可以強化學生的知識建構。在評測學生光學概念的『光學概念測驗』的題目中，設計有文字題型與圖形題型兩大類題型，試圖探討嵌入數位遊戲的教學後，學生對於視覺及文字表徵的理解是否存在差異。本研究將數位遊戲嵌入 5E 學習環教學法於國中自然與生活科技領域中八年級理化較抽象的單元-光的反射定律與折射定律，本研究之設計理念是針對傳統講述式教學法與數位遊戲融入教學後對學習成效之影響，並就不同的學生面向（性別、學習成就）、題目題型（文字題、圖形題）等分析學生經歷嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法的學習成就差異。 5.

(19) 本研究之教學設計，試圖提供對數位遊戲融入教學之自然與生活科技領域教師參考，希望藉由多樣化的教學方法，讓老師樂於教學、學生樂於學習。. 6.

(20) 第四節. 一、. 名詞釋義. 數位遊戲：. 遊戲可以促進孩童認知發展及社交技巧（Rosas, Nussbaum, Cumsille, Marianov, Correa, Flores & Salinas, 2003）。在遊戲中，為了克服遊戲的挑戰必須進行認知的思考，競爭或是合作的關係，可學習與他人互動的技巧（林勝介，2009）。數位內容白皮書（經濟部工業局，2004）將數位遊戲定義為將遊戲內容利用資訊科技設計之產品或服務。包含電視遊戲、電腦遊戲、可攜式遊戲等類型。數位遊戲基本上具備下列元素：娛樂性、遊戲性、規則、目標、人機互動、適性化、產出及回饋、勝利的狀態、衝突/競爭/挑戰/對立、問題解決、社會互動、圖像及情節（Prensky, 2001；吳天貴， 2007）。. 二、. 數位遊戲式學習：. 利用數位遊戲的特性：動態影像、衝突及挑戰、互動和及時回饋等，讓學習者主動去學習，學習動機明顯提升，將學習的概念設計到數位遊戲中，而使學習者從遊戲中學習到概念（吳天貴，2007）。教學目標融入遊戲中，可克服教室中教學枯燥乏味的困境（林勝介，2009）。. 三、. 5E 學習環：. 1980 年代，美國小學生物科學課程 BSCS（Biological Science Curriculum Study）發展出含有建構主義特性的教學模式，後由 Bybee 和 Landes（1988）將學習環改變成參與（Engagement）階段、探索（Exploration）階段、解釋（Explanation）階段、精緻化（Elaboration）階段及評價（Evaluation）階段等五個階段（Bybee & Landes, 1988；林佳昌、楊子瑩、王國華、林凱胤、余安順、楊秀停，2009）。 7.

(21) 四、. 光學概念：. 根據國民中小學九年一貫課程綱要，針對自然與生活科技學習領域學習的基本理念提到：「認知這些自然現象和自然的演變規則，使我們能應用自然運作的原理，於是就有了各種創造發明。」科學教師據此可知，在教導學生科學概念時，應使學生清楚瞭解自然現象的原理、原則，再利用所學之原理、原則去應用在生活中。而課綱中自然與生活科技學習領域的次主題 216 中明列國中小階段所要學習有關光學概念的部分有：（一）光的傳播與影像：光的直進性、光的反射。（二）色光與顏色：光的明暗描述。（三）光的折射：光經不同介質會折射。（四）影像與視覺：照光與成像。（五）色光與顏色：物體顏色的形成、陽光折射後的色散現象。（六）影與像的形成：由光的直進性產生針孔成像和影子、面鏡和透鏡成像。（七）聲音和光的應用：生活中的用途。. 五、. 光學概念測驗. 本研究所定義之光學概念測驗乃根據光學概念和布魯姆（1956）認知層次（張春興，1996）來規劃雙量明細表，概念包含光的反射定律、平面鏡成像原理、凸面鏡成像原理、凹面鏡成像原理、光的折射現象、凸透鏡成像原理、凹透鏡成像原理；認知層次是分成知識、理解、應用、分析等四項。本研究所含之光學概念所設計的題目，共有 34 題。. 8.

(22) 第二章. 文獻探討. 本研究旨在探討數位遊戲嵌入 5E 學習環教學法於國中自然與生活科技領域中八年級理化較抽象的單元-光的反射定律與折射定律之影響，本章分四節來分析相關文獻，分別為認知心理學基礎、學習環教學模式、數位遊戲式學習及光學教學與學習的相關研究來討論。. 第一節. 認知心理學基礎. 一、建構主義（Constructivism）的起源建構主義的起源有以下說法：一是 Von Glasersfeld（1989）認為維柯將知識分為理性的知識與感性的智慧，理性的知識是指科學知識、日常經驗或由經驗所得之理性知識，而感性的智慧是指經驗無法觸及的知識，維柯的認識論被 Von Glasersfeld 認為是建構主義認識論的來源。另一是布魯納（1986）認為康德的批判主義就是建構主義的開端，康德在《純理性批判》一書中提到：認知主體於內在心智主動建構、整合知覺而形成知識。強調個體主動建構知識於內在心智，及認知主體為知識論中的主體（王靜如，2006；陳芸慧，1996）。. 二、建構主義的派別建構主義可大致區分為以下派別：（一）個人建構主義(individual constructivism) 皮亞傑認為個體是透過基模去探知自然現象，個體認知發展是可經由同化與調適來達成適應的一種過程。強調知識是個人主觀的建構，書中的文字是符號，符號在每個人的腦中建構成個人的知識（陳芸慧，1996）。急進取向的建構主義或稱根本建構主義（radical constructivism），Von Glasersfeld 認為建構主義是知識理論（theory of 9.

(23) knowledge）甚至是認知理論（theory of knowing），強調外在世界的知識是經由主體的經驗來建構，這些知識是當前主體對其經驗的理解及意義化（楊龍立，1997）。（二）社會建構主義 Vygotsky 認為個體的社會化互動形成文化是個體智力發展的動力，而文化的發展與傳承需依靠「語言」這項工具，故社會建構論者認為「語言」是調和知識建構的工具，社會建構論者強調合作形式下所得到的意義（林彩岫譯，1997），個體所建構出來的知識，雖然主觀但仍需與他人協商與對話，並受到當下文化與社會的環境影響（陳芸慧，1996）。整理各派說法，建構主義有下列三項共同的觀點：（楊龍立，1997）（一）人們知識的形成是主動建構而產生並非被動的接受。（二）人們的知識並非說明世界的真理而是個人經驗的合理化。（三）人們的知識有其發展性、演化性並非一陳不變。建構主義的基本原則：（Fosnot, 1989）（一）過去的概念建構成新的知識。（二）知識經由每個人舊有概念的同化與調適而創造。（三）概念是由每個人所發明的，而非累積的過程。（四）認知的衝突、反思才能建構新的概念。由上可知建構主義強調學習者的知識來自於其主動建構的歷程，而依據學習者的先備知識、經驗及他人提供的知識均影響個體所形成知識的觀點。因知識是個人依自己觀點所詮釋，所以並非世界的真理，而是依個人經驗的合理化、實用化，也因此個人的知識是會改變（楊龍立，1997）。以科學教室的學習來看建構主義，學習的成效決定於學習者的先備概念，學習包含了去建構含義（meanings），學習者對於含義進行評估、接受或拒絕，學習為連續的過程（Driver, 1986）。建構主義者認為個體主動參與建構以得到知識，建構主義教學為探究學習的過程。此歷程中教師擔任學習的輔助者，如何營造教學情境、提供教材、維持教學氣氛， 10.

(24) 注意探究過程給學生的經驗，能否更能理解科學概念，而建構起相關概念（李宜蓁， 2009；楊清智，2012；楊龍立，1998）。由建構主義的理念瞭解學生參與探究的過程，根據教學者所設計的概念學習活動，學習者能主動建構知識，進而有效幫助概念之理解。故本研究採建構主義作為理論基礎。. 11.

(25) 第二節. 學習環教學模式. 一、學習環教學模式學習環的教學模式由 Karplus（1967）提出，將學習分成（一）探索階段；（二）名詞引介；（三）概念應用階段等三個階段（張素娟，2008）。其中經過多次演變，如表 2-2-1。學生要改變原有的概念，必需產生概念衝突，而學習環是有效的教學策略之一（Lawson, 1996；張靜儀，2005）。根據皮亞傑的理論，學習者從探索外界環境獲得訊息，將訊息同化於基模中，經由調適與同化重新建立平衡，而獲得新的知識與技能（蘇育男，2009）。. 表 2-2-1 學習環的演變 (參考自 Bybee, Taylor, Gardner, Scotter, Powell, & Westbrook, 2006；陳伶如，2007；蘇怡芳，2010) 年代. 1967. 1974. Karplus & Their 探索發明發現. Karplus & Lawson 探索概念引介概念應用. 1979. 1981. 1983. 1988. Novick & Nussbaum 呈現別種概念想法製造概念衝突鼓勵認知調適. Renner et. al. 經驗詮釋概念深入. Lawson et. al. 探索名詞引介概念應用. 1993. 時間軸學者. 學習環. Erikson 經驗發現異例重整概念. Bybee & Landes 參與探索解釋精緻化評量. 5E 學習環教學模式是 1980 年代，美國小學生物科學課程 BSCS（Biological Science Curriculum Study）發展出含有建構主義特性的教學模式，後由 Bybee 和 Landes（1988）將學習環改變成參與（Engagement）階段、探索（Exploration）階段、解釋（Explanation）階段、精緻化（Elaboration）階段及評價（Evaluation）階段等五個階段。分別敘述如下：參與（Engagement）階段：引發學習任務，這階段活動在於連結過去和現在的學 12.

(26) 習經驗，預期將來的活動，並給教師有關學生先備知識的訊息。學生身心皆參與要引入的概念、過程或技能。探索（Exploration）階段：提供學生一個共同的經驗基礎。他們利用活動以確定和發展當前的概念、流程和技能。在這個階段，學生積極探索環境和使用材料。解釋（Explanation）階段：著重在學生關注於參與和探索的經驗方面。它提供機會給學生用語言表達自己對概念的理解，並允許教師提出一個正式的術語或定義概念、過程、技巧或行為。精緻化（Elaboration）階段：利用活動讓學生挑戰和擴大概念的理解，並提供更多的機會練習所需要的技能和行為。經過新的經驗，學生獲得更多給訊息，發展更深入和更廣泛的了解，並學習足夠的技能。評價（Evaluation）階段：鼓勵學生評估他們的理解和能力，並允許教師評估實現教育目標及進展的情況。. 二、5E 學習環教學模式的實徵性研究以下就 5E 學習環教學模式的學習動機與學習成效、迷思概念等面向的相關研究來分析。在學習動機與學習成效的面向，以 5E 學習環教學模式進行自然課程的教學可提升學生的學習動機與成就。在迷思概念的面向，以 5E 學習環教學模式進行自然課程的教學可有效的改變學生的迷思概念，且概念的改變主要是發生在「探索」及「解釋」階段。整理與 5E 學習環教學模式相關的研究，如表 2-2-2。. 表 2-2-2 與 5E 學習環教學模式相關的研究統整表面向學習動機學習成效. 研究者蘇育男. 李宜蓁. 年代 2009. 2009. 研究目的以 5E 教學模式融入 Tyson 的多面向架構理論，探討學生熱學概念改變與學習動機. 研究對象國中八年級. 5E 學習環教學模式對國中學生科. 國中二年級. 13. . . . 研究結果以學生為主體的學習科學知識，同儕、師生間探究與解釋的歷程是生活化且有趣的。 5E 教學模式可以提升學生的學習成就及概念的改變。長期性的實施「5E 學習環教學模式」有助於提升學生學習動.

(27) 面向. 研究者. 年代. 林琬縈. 2010. Porandokht. 2010. Fazelian,. 研究目的學學習動機的研究 5E 學習環教學模式融入高職進修學校的物理教學的影響 5E 學習環教學模式對中學生學習科學影響. 研究對象. 研究結果機及成效。. 高職. . 學生在物理科的學習動機及成效均有增加。. 中學生. . 5E 學習環教學模式可增加學習成效並保留科學概念。. Abdolrarim Naveh ebrahim & Saeed Soraghi Kaynar, D.,. 2009. 探討 5E 學習環對細胞概念學習之影響. 中學生. . 5E 學習環教學法較傳統式教學法有較高學習成效。. 2009. 探討 5E 學習環對溶解概念學習之影響. 高一學生. . 5E 學習環教學法有較好的物質及溶解度概念。. 2009. 以個案研究方法探討 5E 學習環教導學生學習水生植物課程. 國小四年級. . GPS 可提供課堂中戶外活動的相關資源，但需考慮應用的複雜性及老師的接受度。對於學生而言，5E 學習環是一個可有效學習科學及探究科學的教學法。. 探討 5E 學習環對氣體概念教學的影響. 高中一年級. 探討融入 PSHG 於 5E 探究式教材學習環對於牛頓運動定律的迷思概念之影響探討融入 5E 學習環的補救教學對低成就國三學生光學迷思概念的影響. 國中.  . 迷思概念能有效的改變。概念的改變主要發生在「合理性」階段，其次是「可理解性」階段。. 國中三年級低成就學生. . 概念改變主要是在探索階段及解釋階段，其次是精緻化階段。光學概念的補救教學以 5E 學習環設計對迷思概念的改變是有效的。. 5E 探究式學習環對國二學生浮力. 國中二年級. . Tekkaya, C. & Cakiroglu, J. Ceylan, E., & Geban, Ö. Liu, T.-C., Peng, H., Wu,. . W.-H.,& Lin, M.-S. Mustafa Y.,. 2012. & Gokhan.  . D. 迷思概念. 張素娟. 2008. 葉基倫. 2011. 侯佳典. 2008. 14. . 5E 學習環教學較傳統式教學成效好。 5E 學習環教學更可讓學生將所學與日常生活中的現象做連結。. 實驗組較控制組有較佳的浮力迷思概念改變。.

(28) 面向. 研究者. Cepni, S., Sahin, C. & Ipek, H.. 年代. 2010. 研究目的概念改變成效之研究探討 5E 學習環在不同的教學模式中對沉浮概念的教學. 15. 研究對象  國中八年級.  . 研究結果 5E 探究式學習環是適合做為概念改變的教學策略。後測及延宕測驗中，實驗組可提供正確的推理。後測中實驗組較易改變其概念。.

(29) 第三節. 一、. 數位遊戲式學習. 數位遊戲：. 人類社會中一直存在著的重要活動-遊戲，對於兒童的認知發展，遊戲活動更是重要的一部分（張智鈞，2010）。遊戲是隨個人意志而自由選擇的活動，以獲得歡樂作為報酬，對學生而言是有趣的、具吸引力的活動（吳常榮，2009）。遊戲所具備的特性有：幻想、規則/目標、感官刺激、挑戰、神秘、控制（Garris, Ahlers, & Diskell, 2002）。將資訊科技應用在遊戲的設計上，成為數位遊戲。Prensky（2001）認為數位遊戲具有下列原因，所以吸引使用者：（一）娛樂性：讓使用者感覺歡樂。（二）遊戲性：讓使用者全心投入。（三）規則性：遊戲具有架構及進行規則，使遊戲得以順利進行。（四）目標性：遊戲具有目標、任務關卡，給予使用者遊戲動機。（五）人機互動性：使用者能輕易操作遊戲介面。（六）適性化：使用者能順暢的進行遊戲。（七）產出及回饋：提供使用者學習機會。（八）勝利的狀態：讓使用者獲得成就感。（九）衝突/競爭/挑戰/對立性：讓使用者感覺興奮與刺激。（十）問題解決：遊戲提供問題給使用者解決，可引發使用者的創造力。（十一）社會互動性：與其他使用者形成社群，共同進行遊戲。（十二）圖像及情節性：使用者因圖像或故事情節的刺激，而獲得情感上的滿足。. 二、. 數位遊戲式學習（ GAME-BASED LEARNING）：. 遊戲對學生的吸引力，利用資訊科技將教學單元設計融入遊戲中，提高學生的學習動機進而提升學習成效。遊戲的挑戰性、奇幻性、感官刺激等特性，可以增進學習 16.

(30) 動機（Garris et al., 2002），而應用數位科技在這些面向的設計上，可更吸引使用者。傳統遊戲互動、競爭、合作的特質，應用在教育上數位遊戲可以更將之與教育內容及電腦作結合（蔡福興，2008）。 Prensky（2001）提出三大數位遊戲可應用在教育上的原因：（一）大部分的人不喜歡學習，以遊戲的方式學習可提升學習者的投入程度。（二）數位遊戲能在學習中包含互動。（三）數位遊戲能夠結合前兩項因素。. 三、. 數位遊戲式學習的實徵研究：. 以下就數位遊戲式學習的創造力、學習態度與學習成效、邏輯能力與問題解決能力、融入學習的設計等面向的相關研究來分析。在創造力的面向，以數位遊戲式學習可提升學生的創造力，且實用技能表現亦會隨之提升。在學習態度與學習成效的面向，以數位遊戲式學習大部分的研究發現可提升學生的學習態度與成效。在邏輯能力與問題解決能力的面向，以數位遊戲式學習發現對於學生的邏輯能力有提升，而不同學習成就、遊戲呈現不同的空間維度與操作介面、學生對遊戲的認同感均會影響學生問題解決的能力與歷程。在融入學習的設計面向，遊戲愈富有滿足感、挑戰性、合作競爭性、互動性對學生的吸引力愈大。整理與數位遊戲式學習的相關研究，如表 2-3-1。. 表 2-3-1 數位遊戲式學習的相關研究統整表面向創造力. 研究者. 年代. 研究目的. 林勝介. 2009. 胡博閔. 2009. 數位遊戲與創意思考教學對提升國小學童創造力之影響探討數位遊戲學習對學童創造力之成效與實作技能的影響. 17. 研究對象國小五年級. 研究結果 . 數位遊戲能提升學生創造力。. . 數位遊戲學習可提升學童創造力及學童實作技能。創造力的提升可幫助實作技能的表現。. .

(31) 面向學習態度學習成就. 研究者. 年代. 研究目的. 李宗倫. 2011. 以電腦遊戲在高中地理教學的應用研究. 黃靚芬. 2012. 陳裕民. 2012. 陳憶萱. 2007. 以競賽式數位遊戲融入小組競賽法教學，探討學生的學習成效與動機數位遊戲對國小生節能減碳概念與問題解決能力之影響學生進行數位學習時的風格與不同風格的學生之學習表現. 研究對象高中生. 國小高年級. 研究結果    . 國小四年級. . 數位遊戲教學對概念學習的成效優於傳統教學。. 國小中年級. . 視覺偏好強組在文字瀏覽模式中的科學學習成就較優。聽覺偏好強組與視覺偏好強組在語音模式中的科學學習成就較優。數位學習能提升學生學習成效。對概念學習有顯著效果。高分組和中分組學生學習成效優於低分組學生。. .  陳建達. 2012. 陳卉綺. 2012. 趙秀琴. 吳叔鎮. 范綱正. 吳天貴. 2011. 2011. 2011. 2007. 融入「全球暖化與節能減碳」數位遊戲學習系統中的學習成效透過不同效能數位悅趣式學習，探討學生在自然與生活科技領域的學習成效探討 FACEBOOK 數位遊戲式學習融入國中社會領域歷史科對於學生學態度與學習成效之研究探討悅趣化數位學習教材對國小學童自然與生活科技領域學習成效及科學過程技能之進步情形數位遊戲式學習融入自然領域對低成就學童補救教學成效與態度之影響以情境式學習的概念結合數位遊戲式學習，以「做中學」的概念及方式來習得對於節約能源的實作知識。 18. 學生學習態度能有效提高。男生的學習態度表現優於女生。學生學習成就有提升。可提升學生在社會領域的學習成效與動機。. 國小五年級.  . 國中九年級.  . 國中八年級. .   國小高年級. . . 國小三年級. .  碩士班研究生.  . 不同的使用效能會影響概念的學習成就。學生對於悅趣式學習的態度是正面、肯定的。數位遊戲式學習有助於提升國中生短期間在歷史科「理解」和「應用」的學習。中等能力學生在「知識」、「理解」、「分析」有顯著差異。低能力學生在「應用」有顯著差異。悅趣化數位學習教材進行自然與生活科技領域單元之學習可激發學習者動機。學習成效方面具有顯著之提升。數位遊戲式補救教學提升學習成就幅度較傳統式補救教學高。學習態度方面數位遊戲式補救教學提高較多。有助於提升學習者的動機。能提昇能源議題的自我覺知及未來節約能源的意願及方式.

(32) 面向. 研究者許湘宜. 邏輯能力問題解決能力. 年代. 研究目的. 2012. 數位遊戲融入教學對國小生之品德教育認知理解與態度影響之研究探討國小學童接受「數位遊戲學習系統」教學後，對科學態度的影響探討遊戲式學習對學生學習效果之影響. 賴俊甫. 2007. Ching-Hsue Cheng & Chung-Ho Su. 2012. Han-Yu Sung & Gwo-Jen Hwang. 2013. Papastergiou, Marina. 2009. 研究對象國小學童. 研究結果  . 國小五年級. . 對學習科學的態度實驗組優於對照組學生。. 大學三年級學生. . 探討協同式的遊戲融入教學對學生科學課程學習的成效探討數位遊戲式學習應用於高中電腦教學對學生的學習成效及動機. 小學六年級學生. . 高中生. . 學生的學習動機對其學習成效有顯著影響。實驗組（數位遊戲式學習）較對照組（傳統面對面教學）有較高的學習成效。協同式的教育遊戲有利於促進學習態度和學習動機。提高學生的學習成就與自我效能。應用數位遊戲式教學對學生電腦課程的學習較有成效。男生、女生在經過數位遊戲式教學後，學習成效為顯著不同。. . . . 陳彥杰. 2008. 數位遊戲教學對學生邏輯推理能力的影響. 國小學童. . 數位遊戲教學能提升學生整體之邏輯三段論推理能力。. 李宜穎. 2007. 探討數位遊戲學習中學童問題解決歷程的差異. 國小五年級. . 數位遊戲學習系統對不同學習成就學童問題解決歷程的認知無顯著差異。高學習成就學童易了解遊戲中的問題情境。高學習成就學童具較好的實際問題解決行為策略並提出較好的解決策略。高學習成就學童能在使用遊戲時同時學習知識。「三維空間」和「二維圖面」之數位遊戲學習系統，可提升學童之學習成就且具有持續性幫助。「三維空間」和「二維圖面」之數位遊戲學習系統，可提升學童之問題解決能力且具有持續性幫助。「三維空間」和「二維圖面」之數位遊戲學習系統，可提升學童之空間能力且具有持續性幫助。「三維空間」和「二維圖面」之科學問題解決數位遊戲學習系統教學，實驗組 A 的空間能力優於實驗組 B。能提升學童的想像力、好奇.  .  邏輯能力問題解決能力. 數位遊戲式學習可提升學習成效。數位遊戲式學習與經驗式學習於學習態度上無明顯差異。. 林淑蕙. 2009. 以不同空間維度呈現及不同操作介面方式之數位遊戲學習系統進行教學，探討之學習成效。. 國小五年級. . . . .  19.

(33) 面向. 研究者. 許罡寧. 融入學習的設計. 年代. 2010. 研究目的. 研究對象. 探討學生使用數位學習遊戲後對於問題解決能力的影響. 國中八年級. 國小四年級. 陳裕民. 2012. 數位遊戲對國小生節能減碳概念與問題解決能力之影響. 黃祐謙. 2011. 建立數位遊戲式學習的模式. 研究結果. . . .   . 蔡宜良. 2011. DeLeeuw, K. E. & Mayer, R. E.. 2011. 「擴增實境式星國小學體運動教學教材」童探討該教材對於學童之動機影響以及系統評估教育遊戲的設計大學生對認知的影響. . .  Barab, S. A., Scott, B., Siyahhan, S., Goldstone, R., Ingram-Goble, A., Zuiker, S. & Warren, S.. 2009. 利用電子遊戲對科學教育課程的轉型. 20. . 心、傾向於主動解決問題、提升解決能力。最適刺激程度越高、授權賦能的程度越高，則學生對於體驗價值的認同性就越高。學生對於體驗價值感、授權賦能的程度越高，則問題解決能力的提升也越高。數位遊戲教學對問題解決能力的提升優於傳統教學。. 滿足感會影響遊戲的使用時間。學習者需富挑戰性的目標。社群間的合作與競爭會影響數位遊戲的學習。學習內容與擴增實境互動可提升學童興趣與輔助學習。. 遊戲中增加競爭元素，並非對所有學生均可增加其學習動機。不建議對男生使用的教育遊戲中增加競爭元素。身歷其境的組別學習成效較佳。.

(34) 第四節. 光學概念的相關研究. 以下就光學概念的迷思概念、教學模式、教學成效等面向的相關研究來分析。在迷思概念的面向，有研究發現學生會將物理概念以物質的概念來解釋，有些光的迷思概念不易改變或易轉變成其他迷思概念。在教學模式的面向，以建構取向、POE 教學策略、5E 探究式教學等教學模式對於光學概念的學習均有正向的幫助。在教學成效的面向，多媒體教學與建模教學可提升學生的光學學習成效。整理與光學概念的相關研究，如表 2-4-1。. 表 2-4-1 光學概念的相關研究統整表面向迷思概念. 教學模式. 研究者葉基倫. 年代 2011. 研究目的探討以 5E 學習環進行光學的補救教學，研究概念相關問題。探討不同性別之國二、國三學生對光學迷思概念之差異. 研究對象低成就國三學生. 何嘉峻. 2003. 蔡明儒. 2004. 探究國小學生對光學迷思概念之改變. 國小. 李采褱. 2003. 探討國小學生光學迷思概念. 國小中、高年級. 黃可欣. 2006. 研究以二階段評量診斷工具評測國中光學概念. 國中. 廖經宏. 2002. 利用建構取向教學模式對國小學生光學概念影響之研究. 國小. 國二、國三學生. . . 整體光學概念對不同性別之國二、國三學生無明顯差異。  男生在「光源」、「光的折射」、「光與影子」概念的得分較女生高。  「光與陰影」的迷思概念不易改變。  「光的反射」與「視覺」的迷思概念易轉變成其他迷思概念。  「光與視覺」的迷思概念易改變。學生在光學的迷思概念有：  將光視為物體。  光在黑暗中較白天傳遞遠。  白天無法傳遞光。  黑暗中有影子。  影子的形成概念錯誤。  無漫射的概念。  二階段評量診斷工具可快速找出學生的迷思概念。.  . 21. 研究結果學生的迷思概念大多是「物質類別」，將物理概念以物質來解釋。. 光學概念測驗成績採建構取向教學模式較傳統教學模式高。採建構取向教學模式之學生較少用物質的概念來描述光學的概念。.

(35) 面向. 研究者葉基倫. 年代 2011. 尤建捷. 2008. 王敏祝. 2004. 李玉貞. 2000. 研究目的探討以 5E 學習環進行光學的補救教學，研究概念相關問題 POE 教學策略對凸透鏡成像概念之學習成效以探究式教學提升國中學生光學的學習成效. 研究對象低成就國三學生. 探討光學史融入教學對高中生科學本質及光學概念學習之影響. 高中一年級. . 國中九年級. . 國中.      . 學習成效. 研究結果 5E 學習環中「探索」、「解釋」兩個階段是發生概念改變的主要階段。 POE 教學策略對凸透鏡成像概念學習及迷思概念之解決有成效。探究式教學對國中學生光學的學習是有幫助的。探究式教學對學生抽象概念的理解是有幫助的。光學史融入教學不會使學生學習成效下降。光學史融入教學可使學生科學本質觀改變。接受光學史融入教學的學生較易改變概念。光學史融入教學可讓學生具反思能力。學習成效認知的部份良好。大部份的學生配合資訊融入教學的方式在 5E 探究式教學策略可以充分瞭解光學中反射與折射的概念。. 賴廷維. 2006. 以探究式教學法發展國中光學教學模組之行動研究. 國中.  . 陳俊昌. 2006. 國中. . 多媒體進行透鏡成像補救教學之前、後學習成效具顯著差異。. 楊宜雯. 2009. 探討多媒體進行透鏡成像補救教學之成效探究七年級在「光學」建模教學的心智模式改變與建模能力的表現. 國中七年級. . 學習成效後測中實驗組在「反射與平面鏡」、「折射現象」優於控制組。而控制組在「光與視覺」部分較有助於學習。. . 22.

(36) 第三章. 研究方法. 基於本研究目的與研究問題，設計相關的教學課程，以研究嵌入數位遊戲於 5E 教學環教學法對學生學習成就之影響。以下就本研究之研究對象、研究設計與流程、研究教學設計與工具、資料處理與分析、研究範圍與限制詳加說明。. 第一節. 研究對象. 研究者任教學校為臺北市某公立完全中學，國中部每個年級有 10 個班級，編班方式為 S 型常態編班，每個班級的人數約 34 人，男女比率約 1.2：1，每年畢業生升公立高中的比率約 5 成。學校座落在市中心，學區內家長的社經背景屬於中階，校內學生單親、隔代教養、中低收入戶、外藉配偶子女約佔 18%。. 一、. 預試樣本. 預試樣本為研究者任教學校九年級其中一個班的學生，本班學生於八年級已學過光的反射定律與折射定律，請學生預試本研究之「概念測驗」題目後進行試題分析。. 二、. 研究樣本. 為方便進行實驗教學及施測，研究樣本中實驗組為研究者所任教之八年級班級，該班男生 16 人，女生 15 人，全班共 31 人，其中有 3 位男學生屬於特教生（1 位自閉症，2 位疑似學習障礙）。對照組為同校之八年級班級，該班男生 17 人，女生 17 人，全班共 34 人。實驗組段考成績屬於中後，七年級自然與生活科技領域-生物科段考成績於校內班級排名位於後 3 名，八年級第一次段考成績於校內班級排名為第 7 名。對照組段考 23.

(37) 成績屬於中後，七年級自然與生活科技領域-生物科段考成績於校內班級排名位於後 3 名，八年級第一次段考成績於校內班級排名為第 10 名。. 三、. 研究者. 研究者本身為國立科技大學化學工程系畢業，輔修中等教育學程 26 學分，教育實習後取得教師證，教師證科別為中等學校理化科及中等學校化學科，任教年資為 7 年。. 24.

(38) 第二節. 研究設計與流程. 本研究採用準實驗研究法，研究設計中變項間關係及研究架構如圖 3-2-1 所示。. 自變項：實驗組：嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法對照組：傳統講述式教學法. →. 研究母群體. →. 依變項：光的反射定律與折射定律概念測驗. ↑ 外在變項： • 樣本本身智能的差異 • 樣本自我期望 • 樣本家庭經濟狀況 • 樣本任課教師 • 樣本班級導師 • 樣本使用電腦的頻率 • 樣本平常玩數位遊戲的狀況. 圖 3-2-1 變項間關係及研究架構圖. 本研究之教學方法，實驗組為嵌入數位遊戲於 5E 學習環再導入光的反射與折射課程學習中，對照組為傳統的講述式教學。光的反射與折射概念測驗，主要以南一書局所出版的題目光碟再經過修改而得，此概念測驗用來測驗實驗組與對照組之學習前、後測。實驗組在每個概念內容的學習前、後，另需完成該概念內容的學習單，概念教學前以藍色筆完成學習單並說明理由，概念教學完成後以同一份學習單讓同學用紅色筆修正之前所完成的部分，並說明修正的理由。本研究採量化與質性的研究方式並行，探討嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法導入學習對國八學生光的反射與折射學習成就之影響。本研究之研究流程，如圖 3-2-2。. 25.

(39) 擬定研究問題尋找適合融入教學之數位遊戲（與指導教授討論研究方向並確 →← 軟體定研究問題）（確定融入之教學概念） ↓ 確立研究架構（以準實驗研究法進行研究設計） ↓ 設計融入數位遊戲之教學概念活動教案 ↓ ↓ 設計教學概念內容學習單設計教學概念成就評量（收集質性資料）（收集量化資料） ↓ 與指導教授討論研究工具之合適性 ↓. 研究準備及工具發展階段. 研究評量工具進行專家審查後修改，並進行預測做試題分析 ↓ 評量工具依試題分析結果再修改，評量工具完成文獻 ↓ 探選取研究樣本討（實驗組：研究者任教班級，共 31 人；對照組：非研究者所任教之班級，共 34 人） ↓ 照對組、實驗組，進行前測資料收集 ↓ 實驗組進行數位遊戲融入教學概念內容之教案 ↓ 控制組、實驗組，進行後測資料收集 ↓ 析據研究的問題與目的進行資料分析 ↓ ↓ 量化資料分析：質性資料分析：對照組、實驗組之前、後概念測驗實驗組之教學概念內容學習單資料 ↓ 資料分析的結果與討論 ↓ 論文撰寫與完成. 實驗進行階段. 資料分析與論文撰寫階段. 圖 3-2-2 研究流程圖. 一、. 研究準備及工具發展階段. （一）擬定研究主題研究者原本對於數位軟體融入教學就很有興趣，加上從事教職的經驗中看到許多 26.

(40) 學生因為玩數位遊戲而荒廢學業，若能將學生對玩數位遊戲的主動積極性轉移至學習，對於學生的學習成就是否有差異？在嵌入數位遊戲式學習的過程中，學生的科學概念的學習上有何改變？在許多的研究中指出遊戲融入教學中對於學生的學習興趣能有所提升，在與指導教授-許瑛玿博士討論的過程中，指出學生玩數位遊戲後是否對於所要學習的概念能得到學習成效及科學概念的學習如何改變，因此本研究試著以嵌入數位遊戲於 5E 學習環教學法的教學過程中，檢測進行本研究的實驗教學前、後對於學生科學概念學習成就及科學概念的學習改變之影響。（二）搜尋適合融入教學之數位遊戲並設計教學概念活動教案 1. 教科書之分析研究者任教學校之自然與生活科技領域所用教科書版本為南一版，在此先分析南一版教科書中有關光的反射定律與折射定律概念之課程內容。本單元安排在國八上學期的課程內容第四章第 2 節及第 3 節，在介紹光的反射定律時輔以圖 3-2-3 教學，圖中清楚指出有關反射定律中的名詞。在平面鏡成像的內容中，以人從平面鏡看到自己的像及從平面鏡看到花的像，以上這兩個情況的成像圖來說明人如何看見鏡中的像，如圖 3-2-4。並利用物體在鏡中的成像圖，介紹「虛像」的定義及成像的性質。. 圖 3-2-3 光的反射定律（南一出版社，2012，p98）. 27.

(41) 圖 3-2-4 物體在鏡中的成像（南一出版社，2012，p99）. 凹面鏡與凸面鏡的內容中，包含介紹何謂凹面鏡與凸面鏡，並舉例說明生活中的應用及其成像的性質，並以圖 3-2-5 說明「焦點」及「光的可逆性」。. 圖 3-2-5 光的可逆性（南一出版社，2012，p101）. 在介紹光的折射定律時，輔以圖 3-2-6 指出各名詞位置，並以「碗中硬幣」、「水中筷子」的照片，讓學生看見生活中的折射現象。. 28.

(42) 圖 3-2-6 光的反射與折射（南一出版社，2012，p104）. 再利用光通過三稜鏡的特性，介紹凸透鏡與凹透鏡的定義，並以平行光通過凸透鏡與凹透鏡所看到「光的發散」、「光的會聚」現象，介紹「焦點」、「虛焦點」及「焦距」。如圖 3-2-7 及圖 3-2-8。. 圖 3-2-7 光的發散現象（南一出版社，2012，p109）. 29.

(43) 圖 3-2-8 光的會聚現象（南一出版社，2012，p108）. 利用透鏡成像的實驗，讓學生觀察物體在透鏡的不同位置時，所成像的性質為何？並輔以圖 3-2-9 及圖 3-2-10 呈現成像的性質。. 圖 3-2-9 凸透鏡成像示意圖（南一出版社，2012，p111）. 圖 3-2-10 凹透鏡成像示意圖（南一出版社，2012，p112）. 30.

(44) 接著說明如何以作圖的方式得到物體經透鏡所成的像，並輔以圖 3-2-11 與圖 3-2-12 呈現。. 圖 3-2-11 凸透鏡成像作圖（南一出版社，2012，p112）. 圖 3-2-12 凹透鏡成像作圖（南一出版社，2012，p113）. 2. 搜尋適合融入教學之數位遊戲搜尋市面上現成的數位遊戲軟體及網路數位小遊戲，分析各遊戲所融入之科學概念及遊戲本身操作方式、介面設計對於教學之評估，如表 3-2-2。融入之國中自然與生活科技能力指標，如表 3-2-3。. 31.

(45) 表 3-2-2 數位遊戲評估遊戲名稱融入之科學概念瘋狂機器 2 國八自然與生活科技-光學、力學國九自然與生活科技-牛頓運動定律、電學. 憤怒鳥. 軟體或網址 Crazy Machines 2. 融入之國中自然與生活科技能力指標 2-4-1-1 2-4-4-2 2-4-5-6 2-4-5-7 2-4-6-1 6-4-2-1 6-4-2-2 6-4-4-1 6-4-4-2 8-4-0-4. 優點. 缺點. 1.以解決謎題的方式進行遊戲，富挑戰性。 2.設計好執行流程，可即時進行，即時回饋。 3.畫面精緻。 4.包含之科學概念多元。. 1.操作界面與遊戲訊息為英文，學生操作時增加困難度。 2.一個關卡中需應用多個科學概念，對尚未學習過的概念，學生不易過關。. Angry Bird. 2-4-6-1 6-4-4-1. 1.遊戲界面簡單易上手。 2.有故事性，富趣味性。. 1.無法記錄學生操作歷程。 2.拋體運動國中未學習。 3.較難讓學生知道所要教的概念。. http://www .i-gamer.ne t/play/2611 .html. 2-4-1-1 2-4-4-2 2-4-5-6 6-4-2-1 6-4-2-2 6-4-4-1 6-4-4-2 8-4-0-4. 1.操作容易。 1.無法記錄學生 2.競爭：以計分闖操作歷程。關方式進行。 3.學生可即時的調整射擊角度，訓練學生面對不同情境，做出即時判斷。 4.可以自行設計關卡。 5.遊戲界面有趣。. http://i-ga meworld.c om/games/ gc586.php. 2-4-1-1 2-4-5-6 6-4-2-1 6-4-2-2 6-4-4-1 6-4-4-2. 1.操作容易。 2.競爭：以計時方式進行，遊戲結束會即時給評語。 3.學生可即時的調整反射面，訓練學生面對不同情境，做出即時判斷。. 1.無法記錄學生操作歷程。. http://www .qk3000.co m/game/56 25.html. 2-4-1-1 2-4-5-6 6-4-2-1 6-4-2-2 6-4-4-1 6-4-4-2. 1.操作容易。 2.競爭：以闖關方式進行。. 1.無法記錄學生操作歷程。. 拋體運動國八自然與生活科技-槓桿原理國九自然與生活科技-運動定律雷射死光槍國八上學期自然與生活科技-反射定律. 反射大進擊國八上學期自然與生活科技-反射定律. 鏡面反彈(Labyrex) 國八上學期自然與生活科技-反射定律. 32.

(46) 遊戲名稱融入之科學概念奇妙反射鏡一代及二代國八上學期自然與生活科技-反射定律. 軟體或網址 http://game .youthwant .com.tw/fr eegame/pa ge?gid=15 91. 融入之國中自然與生活科技能力指標 2-4-1-1 2-4-5-6 6-4-2-1 6-4-2-2 6-4-4-1 6-4-4-2. 優點. 缺點. 1.操作容易。 2.競爭：以闖關方式進行。 3.即時回饋結果，學生可用試誤法進行。. 1.無法記錄學生操作歷程。. http://www .phy.ntnu.e du.tw/oldja va/optics/ mirrorgam e.html. 2-4-1-1 2-4-5-6 6-4-4-1 6-4-4-2. 1.競爭：以時間長短及是否超出範圍計算分數多寡。 2.即時回饋結果，學生可多次練習。. 1.學生必須熟練滑鼠移動。 2.無法記錄學生操作歷程。. http://my-g amer.com/ games/gc1 408.html. 2-4-1-1 6-4-4-1 6-4-4-2. 1.競爭：以時間長短計算分數多寡。 2.即時回饋結果，學生可多次練習。. 1.無法記錄學生操作歷程。. http://www .physicsga mes.net/ga me/Assem bler.html. 2-4-1-1 6-4-4-1. 1.競爭：以時間長短計算分數多寡。 2.即時回饋結果，學生可多次練習。. 1.無法記錄學生操作歷程。. http://phet. colorado.e du/zh_TW/ simulation/ ramp-force s-and-moti on. 2-4-1-1 6-4-4-1. 1.可記錄學生操 1.畫面設計較簡作歷程。單。 2.可用數值更改數字。 3.變更移動的物體，較有趣。 4.小遊戲可計分。. http://www .game388. com/flashgame/3659 .html. 6-4-4-1 6-4-4-2. 1.競爭：以時間長短計算分數多寡。 2.即時回饋結果，學生可多次練習。. http://game .youthwant .com.tw/fr eegame/pa ge?k=QzA 1OlY2MD AwMTY2 鏡子的遊戲. 國八上學期自然與生活科技-平面鏡成像. 物理畫線一刀切國九上學期自然與生活科技-重力. Assembler 移動箱子國九上力矩、槓桿國八下浮力. 斜坡：力與運動國九上力與運動國八下摩擦力. 達文西的興趣小遊戲國九上學期力與運動. 33. 1.無法記錄學生操作歷程。.