融入問題引導策略的模擬式學習環境之應用成效與學習歷程研究
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(2) 摘要 回顧過去 20 年來的應用發展情形，電腦模擬實具有深厚的潛力成為促進互 動、觀察與概念反思的學習工具。本研究所發展的「問題引導式模擬學習環境」， 一方面藉由兼具視覺化表徵觀察與實驗參數操弄的學習環境，發揮電腦模擬對於 抽象或微觀概念的具象化觀察優勢，幫助學習者解決電子學二極體單元的學習困 難；另一方面則改善過去學習支援策略不足之處，融入問題引導策略引領學習者 藉由互動的操作與觀察引發認知覺察與反思，達成澄清電子學二極體單元迷思概 念的目標。除此之外為瞭解問題引導策略對於學習活動的影響情形，本研究將同 時進行學習行為模式的分析與探討。 經由實徵驗證，結果發現融入問題引導策略之「問題引導式模擬學習環境」 對於電子學二極體單元概念的學習成效與迷思概念的修正成效均顯著優於未融 入問題引導策略者，顯示「問題引導策略」確實有助於提升模擬式學習環境的應 用成效。學習行為模式分析結果發現從模擬操作活動的學習行為模式中，確可顯 示出問題引導機制具有引導學習者進行概念學習活動的效果。根據問卷調查分析 結果，顯示超過 70%的學生肯定「問題引導式模擬學習環境」可幫助他們提升學 習成效、增進學習興趣及澄清迷思概念。. 關鍵字：模擬式學習、視覺化、問題引導、迷思概念、概念改變. I.
(3) Abstract Two decades in retrospect, many researches have been studying how to improve learning performance through computer simulation. Computer simulation has significant potential as a supplementary tool for conceptual reflection and interactive learning based on the integration of technology and appropriate instructional strategies. This study elucidates misconceptions in learning on diodes and constructs a simulation-based learning environment that incorporates question-guided strategies to explore the effects on correcting misconceptions and improving learning performance. The learning environment helps learner to understand complex and abstract concepts through observing external representations and exploring concept models. On the other hand, the question-quided learning support of learning environment helps learner to correct misconceptions on diodes through constructing scenarios that conflict with existing knowledge structures. Furthermore, an analysis of the learning behavioral patterns was conducted to verify and clarify the effects of question-guided strategy. The empirical results indicate that the system significantly corrects participants’ misconceptions on diodes and improves learning performance. This study shows that question-quided strategies could enhance the learning outcomes effectively. The analysis of the learning behavioral patterns revealed that the use of question-quided strategies to enhance the learning support in simulation-based environment is crucial to supporting the conceptual learning activities. With the questionnaire findings, we found that more than 70% of the learners in the experimental group stated that the question-quided learning environment helped to improve their learning performance, increase their interest in electronics, and correct their misconceptions on diodes.. Keywords: Simulation-based learning, Visualization, Question-guided, Misconception, Conceptual change. II.
(4) 誌謝 在漫長的博士班進修生涯中，時間在不知不覺中消逝，帶走了青春歲月，卻 也帶來了寶貴的歷練與成長，更幸運的是還有多采多姿的回憶能永遠長存。望著 師大校園，雖然在這裡的學習生活暫告一段落，但這無比熟悉的一草一木仍將縈 繞心頭。回首迢迢畢業之路，要感謝的人太多，師長的耐心教導、好友的鼓勵協 助、家人的支持包容，以及學弟妹們的協助幫忙，才讓我能堅持到如今。 在師大求學的這幾年，非常感謝我的指導教授張國恩老師與宋曜廷老師給予 我的指導與提攜。張老師往往舉重若輕，總能提綱挈領的給予我研究方向的建 議，讓我充滿信心；而宋老師總能觀察入微，往往從細微之處迅速洞察研究上可 能遭遇的困難，引領我讓研究更臻細緻與嚴謹。兩位恩師不僅教導我許多學術研 究的思維與觀念，更在我的學習過程中，給予我許多支持與鼓勵，是我人生中的 貴人。 我還要感謝在我論文計畫口試與學位口試給予指導的幾位師長，感謝陳國棟 教授、黃悅民教授與侯惠澤教授能在繁忙公務中撥空給予我許多寶貴的指導與建 議。師長們提出許多關鍵性的建議，讓我能重新審視論文中的不足之處，使我的 論文能夠更趨於嚴謹與完善，非常感謝他們在我求學生涯的最後一哩路上所給予 的引導、勉勵與扶持。 在職進修的這幾年，我要感謝中華電信公司長官與同仁的支持與鼓勵，讓我 能有寶貴的進修機會。感謝從我開始讀博士班就一直鼓勵我的蕭村罧副總經理與 黃峯玉主任，讓我可以在工作之餘安心進修；更要感謝徐瑞昌副總經理與張增福 處長的關心與支持，讓我在學業與工作難以兼顧時，有機會可以留職停薪繼續進 修；也要感謝魏榮里主任的支持與鼓勵，讓我得以長期兼顧學業與工作；還要感 謝新北營運處吳奇雄總經理與石德春主任的關懷與支持，讓我可以持續堅持到最 後一刻。 在師大進修期間，承蒙師長與夥伴們給予協助與幫忙，我才能逐步完成規劃 中的各項研究計畫。非常感謝電機工程學系林政宏教授的協助與安排，讓各項調 查分析與教學實驗得以順利完成；感謝嘉玲的協助與幫忙，以及紓媺、千榕、元 鳴、芷瑜、夢琚、士弘、旻容、姵萱、凱博、怡靜、盈珺、鈺婷、惟翔在我論文 計畫口試與學位口試時熱心的幫忙，讓口試各項前置作業與行政事宜能有條不紊 III.
(5) 的完成。 最後我要特別感謝我的家人，謝謝愛妻慧蘭體諒我忙碌的進修求學生涯，在 背後默默的支持與付出，讓我漫長的進修之路，能有溫馨情感的陪伴，使我的生 活可以踏實而沒有後顧之憂；還要感謝我的母親不間斷的關心與鼓勵，讓我時時 刻刻都能感受到家人的溫暖，此外，我也要感謝我可愛的乖女兒思妤，在我身心 俱疲的時候，她童言童語的安慰與歡聲笑語，總能讓我疲勞盡去，再次重新出發。 因為有你們的扶持與陪伴，我才能在漫長的進修之路上，從容篤定的堅持到 如今，真心感謝你們。. IV.
(6) 目錄 附表目錄 …………………………………………………………..… VII 附圖目錄 ……………………………………………………………. VIII 第一章 緒論 ............................................................................................... 1 第一節 研究背景與動機....................................................................................... 1 第二節 研究目的................................................................................................... 7 第三節 研究範圍與限制....................................................................................... 7 第四節 名詞釋義................................................................................................... 9. 第二章 文獻探討 ..................................................................................... 11 第一節 學習理論................................................................................................. 11 2.1.1 建構式學習......................................................................................... 11 2.1.2 情境學習............................................................................................. 13 2.1.3 發現式學習......................................................................................... 14 第二節 學習策略................................................................................................. 16 2.2.1 問題解決策略..................................................................................... 17 2.2.2 概念改變策略..................................................................................... 18 第三節 模擬式教學與學習................................................................................. 21 2.3.1 電腦模擬............................................................................................. 21 2.3.2 模擬式教學與學習............................................................................. 22 2.3.3 模擬式教學應用實例......................................................................... 27 第四節 迷思概念................................................................................................. 30 2.4.1 迷思概念的來源................................................................................. 31 2.4.2 迷思概念診斷方式............................................................................. 32 2.4.3 電學的迷思概念................................................................................. 35 第五節 序列分析................................................................................................. 36. 第三章 系統架構與功能 ......................................................................... 38 第一節 設計理念................................................................................................. 38 第二節 系統架構................................................................................................. 39 V.
(7) 第三節 系統功能................................................................................................. 42 3.3.1 概念學習活動..................................................................................... 43 3.3.2 模擬操作活動..................................................................................... 46 3.3.3 概念釐清活動..................................................................................... 49 第四節 學習內容................................................................................................. 54 第五節 迷思概念................................................................................................. 55. 第四章 研究方法 ..................................................................................... 59 第一節 實驗對象................................................................................................. 59 第二節 實驗設計................................................................................................. 60 第三節 實驗工具................................................................................................. 61 第四節 實驗程序................................................................................................. 68. 第五章 結果與討論 ................................................................................. 70 第一節 二極體概念學習成效分析..................................................................... 70 第二節 二極體迷思概念矯正成果分析............................................................. 72 第三節 學習行為模式分析................................................................................. 76 第四節 學生態度問卷......................................................................................... 81 第五節 討論......................................................................................................... 88. 第六章 結論與建議 ................................................................................. 93 第一節 結論......................................................................................................... 93 第二節 未來研究建議......................................................................................... 95. 參考文獻 ................................................................................................... 97 附錄一 …………………………………………………………..……114 附錄二 ………………………………………………………………..119 附錄三 ………………………………………………………………..124 附錄四 ………………………………………………………………..135. VI.
(8) 附表目錄 表 3-1 各單元概念學習內容 …………………………………….………………. 57 表 3-2 二極體電路單元相關概念內容…………………………………...………. 58 表 3-3 學習二極體單元時可能存有的迷思概念 ……………………………….. 60 表 4-1 實驗變項 ………………………………………………………………….. 60 表 4-2 實驗設計架構 …………………………………………………………….. 61 表 4-3 前測試題與概念主題對應表 …………………………………………….. 62 表 4-4 後測試題與概念主題對應表 …………………………………………….. 63 表 4-5 前後測各單元題目對照一覽表 ………………………………………….. 64 表 4-6 模擬學習行為編碼方案 ……………………………………………..…... 67 表 4-7 問卷題目內容分布 ………………………………………………………. 68 表 5-1 二極體成就測驗前後測的分數摘要表 …………………………….…… 71 表 5-2 「二極體成就測驗」迴歸係數同質性考驗摘要表 …………………….. 71 表 5-3 「二極體成就測驗」共變數分析摘要表 ……………………………….. 72 表 5-4 二極體診斷測驗前、後測的迷思概念個數摘要表 …………………….. 73 表 5-5 「二極體診斷測驗」迷思概念個數的迴歸係數同質性考驗摘要表 ….. 73 表 5-6 「二極體診斷測驗」迷思概念個數的共變數分析摘要表 …………….. 74 表 5-7 實驗組_透過教學後矯正迷思概念的人數比例 ………………………… 75 表 5-8 實驗組態度問卷五點量表百分比統計表 ……………………………….. 80. VII.
(9) 附圖目錄 圖 3-1 系統功能模組 …………………………………………………………… 43 圖 3-2 模擬學習活動架構 ……………………………………………………… 44 圖 3-3 系統架構圖 ……………………………………………………………… 45 圖 3-4 系統功能架構 ……………………………………………………………. 46 圖 3-5 概念學習活動(具象化觀察) …………………………………………….. 47 圖 3-6 概念學習活動(現象與圖表對照觀察) ………………………………….. 48 圖 3-7 概念學習活動(元件功能說明) ………………………………………….. 49 圖 3-8 模擬操作活動(操作說明畫面) ………………………………………….. 50 圖 3-9 模擬操作活動(調整實驗參數) ………………………………………….. 50 圖 3-10 模擬操作活動(觀察輸出結果) ………………………………………… 51 圖 3-11 模擬操作活動(觀察負載電阻對漣波電壓的影響) …………………… 52 圖 3-12 概念釐清活動(核心概念問題填答) …………………………………… 53 圖 3-13 概念釐清活動(觀察齊納二極體未崩潰時流經的電流) ……………… 53 圖 3-14 概念釐清活動(觀察齊納二極體崩潰時流經的電流) …………………. 54 圖 3-15 概念釐清活動(觀察齊納二極體崩潰時，負載電阻流經的電流) …… 55 圖 3-16 概念釐清活動(更正迷思概念) ………………………………………… 55 圖 3-17 概念釐清活動(強化概念理解) ………………………………………… 56 圖 4-1 實驗程序 ……………………………………………………………….. 69 圖 5-1 概念學習行為模式 …………………………………………………….. 77 圖 5-2 模擬操作行為模式 …………………………………………………….. 78. VIII.
(10) 第一章 緒論 本章旨在針對本研究之研究背景與動機、研究目的進行說明，並清楚陳述本研 究的研究範圍與限制及相關名詞解釋。因此本章共分四節，第一節針對本研究之背 景與動機詳加說明，第二節陳述本研究之研究目的，第三節列舉本研究之範圍與限 制，第四節就本研究所涉及之相關名詞加以定義。. 第一節 研究背景與動機 教育科技的應用成效過去一度被過度渲染，但實際上卻發現難以達成這些過 度膨脹的願景或目標，現實與理想的落差導致民眾對科技融入教學或學習的期待 逐漸降溫(Dillenbourg, 2008)。檢視多年來電腦模擬的教育應用情形，雖然並非所 有的教育應用研究均顯現正面的成效(de Jong & van Joolingen,1998)，但多數研究 結果仍顯示電腦模擬的應用確實對提升教學或學習成效有所助益，這些研究幾乎 涵蓋了所有科學教育的領域(Alessi & Trollip, 2001; Catalano & Tonso, 1996; Colaso, Kamal, Saraiya, North, McCrickard, & Shaffer, 2002; Jensen, Self, Rhymer, Wood, & Bowe, 2002; Khoo & Koh, 1998; Korhonen & Malmi, 2000; Luo, Stravers, & Duffin, 2005; Meyer & Krzyzkowski, 1994; Tversky, Morrison, & Betrancourt, 2002; Wallace & Mutooni, 1997)。對於工程教育領域而言，過去電腦模擬大都僅限 於虛擬實驗平台的應用，但近年來電腦模擬也逐漸開始發展工程教育領域的概念 學習應用，研究結果同樣顯示其有助於提升學習成效(Chen, Hong, Sung, & Chang, 2011; Chen, Pan, Sung, & Chang, 2013; Nguyen, 2013; Rutkowski & Moscinska, 2011)。因此電腦模擬已成為教育科技應用上深具潛力的一環，模擬式學習強調自 我觀察、探索、體會與省思的學習活動，以及探索真實現象或動態表徵的推演過 程，更被視為科學發現式學習的具體應用與實踐(Rutten, van Joolingen, & van der Veen, 2012)。 1.
(11) 當前電腦模擬的教育應用研究主要著眼於下列兩種取向：(1)電腦模擬如何融 入並強化傳統的教學。(2)模擬式學習工具如何應用於輔助學習並提升學習成效 (Rutten, van Joolingen, & van der Veen, 2012)。前者致力於如何將電腦模擬更完善 的融入傳統課程教學中，屬於教學取向。後者則探討如何應用模擬式學習工具以 改善學習成效，偏向學習取向。本研究將聚焦於探討第二種取向，建構模擬式學 習環境並探討其對於學習的促進效果。過去雖然模擬科技被廣泛地認為對學習有 正面影響，然而卻並非所有教學與學習的實徵研究均顯現正面的成效，有鑒於 此，十幾年前 de Jong 與 van Joolingen (1998)建議需從學習過程著手，配合不同的 學習情境，提供適切的學習支援，以確保其成效。十幾年後，Smetana 與 Bell (2012) 分析近年來 61 項模擬式學習的實徵研究，發現融入適當的學習支援機制仍然是 提升模擬式學習環境應用成效的重要因素，建立學習支援機制之主要目的即在於 適當地引導學習者，讓學習活動得以順利進行。Naps、Rößling、Almstrum、Dann 與 Fleischer 等學者(2003)就指出，模擬科技雖被認為對學習有正面影響，但無論 功能設計的多麼良好，除非能讓學習者致力於探索及學習活動，否則都是沒有意 義的。由此可見，運用學習支援機制讓學習者更易於投入學習活動中，才能落實 模擬式學習環境促進學習的效果。Chang、Chen、Lin 與 Sung (2008)發現在完全 開放性的模擬式學習環境，固然因缺乏適當的學習支援，易於造成學習迷失，但 過於僵化的循序實驗操作步驟引導，又過度限制了探索的空間，因此適切的引導 機制必須在避免學習迷失之餘，同時保留適當地探索機會。有鑒於此，本研究於 模擬式學習環境下發展具有反省式引導功能的學習支援機制，既可以引領學習的 方向，又避免流於僵化的操作引導，有助於促進學習者與學習系統之間有意義的 互動，幫助學習者自然而然的進行探索與省思，其目的除了避免學習者發生資訊 過載與學習迷失的問題，另一方面更希望透過引導策略幫助學習者藉由互動的操 作與觀察引發認知覺察與反思。 關於學習支援的應用，Zhang、Chen、Sun 與 Reid (2004)針對學習者在科學 學習上的困難，分析之後提出三項重要的學習支援類型，以幫助學習者在自我觀 2.
(12) 察、探索的學習情境中，獲得適當的引導或輔助，以降低學習迷失的情況。此三 項學習支援類型包括(1)解釋性支援：幫助學習者瞭解並運用知識，建立有意義且 統整性的理解。(2)實驗性支援：以鷹架模式提供學習者系統化且有效的實驗活 動。(3)反省性支援：增加學習者在探索過程中的自我覺察，且激發學習者反覆思 考抽象概念並進行概念調適與整合。歸納以往模擬式學習環境的對於學習支援的 研究，發現對於模擬式學習有助益的教學支援確實對應了上述的三項支援類型， 包含提供先備知識(prior knowledge)等解釋性支援，協助學習者提出假設、進行實 驗、解釋資料等實驗性支援，以及協助學習管理與反思的反省性支援 (Chang, Chen, Lin, & Sung, 2008)。由此可見，完整的學習支援機制應該要涵蓋解釋性、實 驗性及反省性三種學習支援功能。 對於學習支援機制的設計，本研究融入問題引導策略，建立兼具解釋性支 援、實驗性支援與反省性支援的學習支援機制，以期藉由問題解決情境促使學習 者主動操弄並觀察現象或表徵的推演過程，並引導學習者反思在現象演變過程中 各項參數的變化趨勢，而非只是被動的觀看或循序操作。Gage(1986)即認為問題 解決可填補認知結構的空隙、形成高層次的概念或發現高層次的規則，許多科學 教育研究結果也同樣顯示出以「問題解決」為基礎的教學方法的確可顯著地增進 學習者的學習成就、科學態度或學習興趣，特別是高層次的思考能力(Geban, Askar, & Ozkan, 1992; Mulopo & Fowler, 1987)。本研究將學習者安置於有意義的 問題解決情境中，並提供學習者主動思考問題的必要資源與探索的機會，藉由問 題引起學習者的興趣和主動探索的欲望，這遠比被動告知而獲得的學習來得更深 入且印象深刻。簡而言之就是透過問題引導策略強化學習者的探索情境感知，再 藉由互動的操作與觀察引發學習者的認知覺察，並促進其進行深化的反思。本研 究促進反思的應用策略有二，其一是以問題定錨 (question as an anchor)，運用問 題作為學習者思考與探究的核心，其二是以題組建構概念釐清計畫(questions as a plan) 。因此本研究係以問題引導方式改善學習迷失的問題，並以題組建立概念 澄清的鷹架，建構出引導式之探索學習環境，希望藉此強化模擬式學習環境的學 3.
(13) 習反思與概念探索本質。 如前所述，建立有效的學習支援機制為提升模擬式學習應用成效的重點之 一，而依據 Rutten、van Joolingen 與 van der Veen (2012)歸納 510 篇近 10 年電腦 模擬的教育應用研究，發現模擬式學習工具主要的發展趨勢有二，除了探討如何 透過學習支援的強化，讓學習活動順利且有效率地進行之外，另一個發展重點則 是如何發揮視覺化呈現對於抽象概念的學習輔助效果。Gordin 和 Pea(1995)認為視 覺化模擬可以具體地展現概念的外在表徵，幫助學習者理解複雜概念的內涵。 Ainsworth(2006)也認為視覺化模擬可幫助學習，當學習者學習複雜的概念時，視 覺化呈現能讓學習者透過與多重外在表徵的互動及反思，進而提升其認知層次。 Jensen、Self、Rhymer、Wood 與 Bowe (2002)更證實與傳統教學方式相比，視覺 化教學環境的確能夠增進學習者對概念的理解程度，並能維持長期的記憶。除此 之外，視覺化模擬還具有提高學習動機並促進概念長期記憶的優點(Colaso, Kamal, Saraiya, North, McCrickard, & Shaffer, 2002; Naps et al., 2003) 。 為發揮電腦模擬的視覺化呈現功能對於抽象概念的學習輔助優勢，本研究選 擇以工程領域的電子學為學習內容，一則因為電子學涵蓋頗多抽象且複雜的概念 內涵，適合於藉由視覺化呈現輔助抽象概念的理解。Ronen和Eliahu(2000)即認為 視覺化模擬是頗具潛力的輔助工具，可用以幫助學習者跨越電學在理論與實際情 境上的鴻溝，運用模擬作為中間媒介，可以連結真實現象與它的理論模式。二則 因為過去工程教育領域的模擬式學習應用研究相對稀少，有待進一步開發與探 討。第三個原因則是因為電學課程一直以來都被公認是殊為難學難懂的領域，從 中小學物理課程中的基礎電學概念到大學的電子學、電磁學等課程，這個問題持 續困擾著各個年齡層的學習者(Belcher & Olbert, 2003; Reiner, Slotta, Chi, & Resnick, 2000)，因此發展適當的學習輔助工具降低學習困難，實有其需求性與必 要性。 電學課程所遭遇的概念學習困難，除受個人既有經驗的影響之外，概念本身 的抽象性、複雜性，以及概念內涵的微觀性質，更是造成概念學習困難的重要原 4.
(14) 因（Pfundt & Duit, 1991）。從過去在電學概念的學習研究上，學習者遇到的困難 大都是由於對某些抽象概念無法完全瞭解，而難以將其連結到複雜的真實電路情 境中(Ronen & Eliahu, 2000)。也可能因為在日常生活中無法看見實際的電子或電 流流動等現象，因此抽象的電壓、電流等電路原理，經常讓學習者無法理解其中 複雜的抽象概念，各種不同的迷思概念也因為學習上的困難而產生(Sengupta & Wilensky, 2009)。 過去電學相關課程的傳統教學方式並不注重迷思概念的瞭解與澄清 (Jaakkola & Nurmi, 2004; Jaakkola, Nurmi, & Lehtinen, 2005)，且傳統的被動式學 習環境亦難以促使學習者發生概念的改變(Eryilmaz, 2002; Liégeois, Chasseigne, Papin, & Mullet, 2003)。因此本研究不僅運用視覺化模擬幫助學習者理解抽象複 雜的概念，更著重於發展具備適切的學習支援機制，建構兼具視覺化表徵觀察 與參數操弄應用的「問題引導式模擬學習環境」，希望藉此模擬式學習環境來 幫助學習者降低電子學二極體單元的學習困難並釐清迷思概念。然而迷思概念 不僅源自於正式學習前個人經驗對於科學現象的既有想法，也可能發生在施行 正式教學後，而且迷思概念通常都具有不易改變的特性，難以經由一般的教學 獲得改善(Tytler, 2002; Kikas, 2003; Mutimucuio,1998)。改變學習者的概念並不僅 只是單純的灌輸新知識，而是必須引導學習者以既有的概念架構為基礎，逐步 建立一個融合新概念的知識模型(Vosniadou, 2002)，皮亞傑(Piaget)提出的認知發 展論述中，即指出當學生吸收了一些無法以現有概念來思維的新經驗時，知識結 構就會產生不平衡，亦即發生認知不一致或衝突情形，知識結構則隨之進行組 織調適與重整以順應新的經驗，由此反覆的活動使認知得以發展。Posner、 Strike、Hewson與Gertzog (1982)也認為概念改變並非一種自然發生的過程，往 往必須經由認知衝突的形成才可達到概念改變的目的。由此可見，要促使學習 者改變既有的概念，營造概念衝突的情境是引發知識結構調適與重整的重要前 提(Chen, Pan, Sung, & Chang, 2013)。 為強化模擬式學習環境的功能設計，提升其整體應用成效，過去幾年已針對 5.
(15) 各項發展重點完成多項的實徵研究，本研究植基於過去的研究成果，持續為模擬 式學習注入多元策略的活水，係屬多年來模擬式學習整體應用研究的一環，而非 僅是單一的應用研究。前期研究從模擬式學習的學習支援機制著手，深入探討其 各項學習支援功能的設計策略與應用成效(Chang, Chen, Lin, & Sung, 2008)，接著 針對模擬式學習環境的視覺化呈現與虛擬實驗操弄功能進行分析與探討(Chen, Chang, & Sung, 2009; Chen, Hong, Sung, & Chang, 2011)；隨後更著眼於改善電子 學的學習困難，針對電子學的迷思概念進行調查分析(Chen, Chang, & Sung, 2012)，並於模擬式學習環境中發展迷思概念矯正功能且探討其應用成效(Chen, Pan, Sung, & Chang, 2013)。運用上述的各項前期研究為基礎，本研究建置「問題 引導式模擬學習環境」，係從兩大發展重點著手，一方面藉由兼具視覺化表徵觀 察與實驗參數操弄的學習環境，發揮電腦模擬對於抽象或微觀概念的具象化觀察 優勢，幫助學習者透過互動操作與觀察深入瞭解複雜的抽象概念；另一方面則改 善過去學習支援策略不足之處，融入問題引導策略引領學習者藉由互動的操作與 觀察引發認知覺察與反思，建構兼具解釋性支援、實驗性支援與反省性支援的學 習支援機制。除此之外，「問題引導式模擬學習環境」更藉由與預期不同的實驗 結果來營造概念的衝突性事件(discrepant event)，並透過電腦模擬的實驗操作環境 讓學習者從中觀察與探索，進而達成概念改變的目標。 簡而言之，本研究藉由建構並運用「問題引導式模擬學習環境」幫助學習者 解決電子學二極體單元的學習困難，同時達成澄清電子學二極體單元迷思概念的 目標，並進行實徵研究驗證其應用成效。此外，本研究亦針對問題探索情境下之 模擬學習活動進行學習歷程分析，利用序列分析(lag-sequential analysis)探討學習 過程的行為模式，且經由統計檢定方式推論出整體學習者行為的序列模式 (sequential pattern)，以瞭解學習者在「問題引導式模擬學習環境」下的學習行為 模式。. 6.
(16) 第二節 研究目的 綜合上述對於模擬式學習環境發展及電子學概念學習困難的背景說明，以及 發展「問題引導式模擬學習環境」的動機論述，本研究的具體目的說明如下： 一、 運用「以問題定錨」及「以題組建立概念釐清計畫」之問題引導策略，建構 「問題引導式模擬學習環境」 ，以改善模擬學習環境學習支援策略不足之處。 二、 藉由實徵研究探討運用「問題引導式模擬學習環境」對於電子學二極體單元 概念學習的促進成效。 三、 藉由實徵研究探討運用「問題引導式模擬學習環境」對於電子學二極體單元 迷思概念的修正成效。 四、 透過序列分析進一步分析並討論在「問題引導式模擬學習環境」之下，學習 者進行概念探索活動的行為序列模式。 五、 依據上述的探討與分析，針對模擬式學習環境的應用成效與學習者行為序列 模式進行論述並提出建議。. 第三節 研究範圍與限制 本節說明研究的範圍與研究限制。研究範圍包含研究的對象與研究的內容； 研究限制則包含研究樣本、實施方法的限制與研究向度等因素。謹就研究範圍與 研究限制分述如下。. 一、研究範圍 本研究之範圍以研究的對象與內容為依歸，詳細說明如下。 (一)研究的對象 本研究之對象為綜合大學或技術學院電子工程相關科系初次修習電子學的 7.
(17) 大一或大二學生。但就學習內容本身而言，由於二極體單元是電子學課程的基礎 內容，因此研究結果可推及初次修習電子學課程的其他工程科系學生。 (二)研究的內容 本研究係探討運用「問題引導式模擬學習環境」對於電子學「二極體單元」 概念學習的促進成效，以及對於電子學「二極體單元」迷思概念的修正成效。上 述「二極體單元」的範圍係以二極體的基本應用電路(整流器、整流濾波電路、 穩壓器)為主，而以基本的半導體物理概念(N型體、P型體、二極體)為輔。本研 究所謂「二極體單元」即泛指上述的概念範圍。. 二、研究限制 本研究的限制有下列三項層面，含推論的層面、時空的因素與研究的方法等 層面，詳細說明如下。 （一）推論的層面 為獲得未來可供模擬式學習環境應用於工程教育領域參考的研究結果，本研 究探討模擬式學習環境之應用成效，並以電子相關科系初次修習電子學的大一或 大二學生為研究對象，所得研究結果可作為模擬式學習環境應用於電子學課程的 實務參考。然而本研究未將高級職業學校的學生納為研究對象，因此所得結果僅 供綜合大學或技術學院電子學概念學習應用參考，不適合將本研究結果推論到高 職電子學課程學習。 （二）時代發展的層面 隨著時代進步，資訊技術日新月異，電腦模擬技術將推陳出新，本研究僅能 針對目前這個時期普遍應用的電腦技術為基礎，融入適當的教學策略，以促進學 習成效。 （三）研究方法的層面 本研究的主要限制包括研究實施及研究廣度等，在研究實施方面，本研究為 探討運用「問題引導式模擬學習環境」對於電子學「二極體單元」迷思概念的修 8.
(18) 正成效，因此實徵研究係實施於學後階段。就此類專業課程的迷思概念而言，一 般大多發生在施行正式教學後，而較少源自於正式學習前的既有想法，因此本研 究較適合施行於學後情境，而未及於學前情境的應用。 在研究廣度方面，囿於時間與經費的限制，本研究無法從事較大規模與更多 學習內容的教學實驗，故可能影響研究結果的部份可推論性，例如：就概念屬性 而言，除了二極體單元之外，雖然電子學還有其他單元同樣涵蓋許多微觀或抽象 的概念，但卻難以將其全都納入本研究結果的推論範圍。 諸如類似未竟之處，以及前述研究範圍限制可能產生的闕漏，均有待後續研 究予以補充及增益。. 第四節 名詞釋義 為使本研究所使用的名詞意義更為明確，茲將重要名詞加以定義如下： 一、模擬式學習環境： 係泛指運用電腦快速的運算能力及多媒體呈現，將各種模擬現象呈現在 電腦螢幕上，或可依據學習者的操作，呈現可能會有的相應結果，讓學習者 即時得到變化情況或結果的學習系統或平台，此系統或平台可讓學習者進行 單純的觀察、或互動操作與觀察、或進行虛擬的實驗活動。 二、模擬式學習： 係指運用模擬式學習環境幫助學習者學習，藉以提升學習成效的學習方 式或型態。 三、問題引導策略： 係指一種問題導向的學習引導方式，包含兩項應用策略，第一項是以問 題定錨(question as an anchor)，運用問題作為學習者思考與探究的核心，第 二項是以題組建構概念釐清計畫(questions as a plan)。本研究運用此問題引 9.
(19) 導策略建立概念釐清的鷹架，藉此強化模擬式學習環境的學習反思與概念探 索本質。 四、序列模式： 序列模式(sequential pattern) (例如：學生們在進行何種行為後緊接著何 種行為？且其每類動作的序列的連續性是否達到顯著？) 係指透過序列分 析(lag sequential analysis)以統計檢定方式推論所得之整體學習者行為的序列 模式。. 10.
(20) 第二章 文獻探討 本研究係探討如何藉由融入問題解決情境與概念改變教學策略於模擬式學 習環境中，以幫助學習者提升學習成效，並澄清錯誤概念，因此以下將針對與本 研究相關的學習理論、學習策略、模擬式教學與學習應用、迷思概念及序列分析 等五個主題進行文獻探討與分析。. 第一節 學習理論 就建構論的觀點而言，互動性良好的模擬式學習環境，可幫助學習者經由表 徵觀察、實驗探索與概念省思等思考活動，從而建立自身的知識。而模擬式學習 強調自我觀察、探索、體會與省思的學習活動，以逐步掌握現象或表徵演變過程 的概念模式與相關的影響因素，更被視為科學發現式學習的具體應用與實踐(de Jong & van Joolingen,1998)。因此就模擬式學習而言，其主要的學習理論基礎即為 建構式學習、情境學習與發現式學習。. 2.1.1 建構式學習 建構式學習(Constructivism)係植基於建構主義觀點的學習理論，其重點在於 學習者的主動參與，鼓勵學習者甚至師生間相互的討論、觀摩、質疑與批評，強 調主動獲取知識的學習過程。建構主義認為學習是指學習者以其既有的知識，主 動與當前所覺察的知識進行自省思考，進而建構新概念的過程。亦即學習者在適 當的學習情境中，自我建立或重組與原有經驗相符或衝突的知識，並藉此提高學 習者主動學習的意願(Jonassen, Davidson, Collins, Campbell & Hagg, 1995)。建構 式學習已成為教育理論的濫觴，受到教育學者的重視與應用。建構主義的概念最 早是由瑞士心理學家皮亞傑(Piaget)提出，皮亞傑研究觀察孩子成長學習過程後， 11.
(21) 認為兒童在與周遭環境相互作用過程中，才逐步建構起關於外在世界的知識體系 並發展自已的認知結構，因此學習者並非單純接受外在事物現象作為個體的知 識，而是以自已認知結構為知識背景主動進行學習，以建構出個人的知識體系。 建構主義另一位重要的學者是蘇俄心理學家維高斯基(Vygotsky)，他提出關於學 習者與社會互動過程中及文化影響下的學習影響性，透過成人對兒童提供的指導 與協助(稱之為學習鷹架)，可幫助兒童在學習上的成長，透過引導與協助學習者 的方式消除從實際發展水平到可能發展區的差距。因此知識或概念是由有認知能 力的個體主動建構，而非單向的由課本或老師來傳輸，整個學習歷程也應該包含 同學之間的社會性互動，如討論、參與、磋商等過程(李咏吟，1998)。 就建構式學習理論的觀點而言，其強調「知識是由學習者主動建構的，而非 被動由外界灌輸的」，學者Von Glasersfeld(1989)即指出人類是經由個體經驗來建 構外部世界的知識，因此主張建構主義包括下列三大原則： 一、知識是由人類主動建立的，而不是被動接受的。 二、認知的調適性可促成知識體系的平衡與發展。 三、認知的功能重點在於組織個體的經驗世界，而非在發現客觀存在的外在世界。 因此建構主義強調以學習者為中心(Learner-Centered)的學習環境，以及個人在認 知過程中主動建構的行為，因為知識非經由老師所灌輸的，而是經由學生自我觀 察外在事物後進行探索、體會與省思等思考活動而建立的。從建構學習觀點，學 習者的主動積極參與是學習過程的重要因素，而教育的過程就是幫助同儕在社會 環境中互動、評估、合作。教師則變成一個輔導者的角色，提供學習機會、學習 資源，鼓勵學生共同合作建構知識主體(陳年興、石岳峻，2000)。建構主義興起 後，教學過程的重要人物—教師的角色面臨轉變，原來的主導者轉變為一位課程 情境、知識建構的推手，教師需要把握的建構主義教學原則，讓學習者在學習過 程中能夠主動詮釋、創造、發明、探討知識(黃政傑，1997)。 透過電腦模擬科技能在學習過程中給予學習者適當的控制權，由學習者自我 控制學習的次序、內容與進度，並讓學習者主動操弄、探索與建構知識，符合建 12.
(22) 構學習的精神。電腦科技可將複雜的真實世界模擬呈現出來，使學習者能夠依據 個人的需求，在擬真的情境中建構個人知識(許瑛玿、廖桂菁，2002) 。因此，透 過模擬式學習環境來進行概念學習，將能夠達成建構式學習的應用，幫助學習者 主動建構知識。. 2.1.2 情境學習 Suchman (1987)認為人們的認知活動常受限於其所活動的社會情境，知識的 意義也來自於社會活動的規範之中，因此在學校體系的情境中所習得的知識，與 現實生活情境中所培育的認知能力確有不同。因此Suchman提出「操作中求知」 (knowing in action)與「操作中省思」(reflection in action)的學習觀點，認為人們乃 是以其所處的情境為基礎，透過對情境中事物的操弄與參與，而逐步發展或習得 自身的知識。換句話說，對於某些專業的知識或技能，無法完全用文字或語言詳 加描述，因此想要習得該專業技能，就必須融入實際情境，親自去體察和參與， 才能真正掌握(Suchman, 1987)。知識中的許多概念及規則必須透過實際的經驗來 揣摩，從實際行動中才能理解其真正的含意，知識若脫離使用情境，學習就可能 淪為抽象符號的遊戲，因此情境認知理論強調透過真實情境、真實活動及主動學 習等方式來習得知識或技能。 就情境認知的角度而言，學習者對知識的學習應是主動、積極且與環境交互 作用的過程，因此學習者不只從觀察中模仿學習，更能經由現實情境發現困難、 找尋線索並提出解答(Brown, Collins, & Dugid, 1989)。例如：人們操作影印機時， 大部份的人並非先閱讀使用者手冊後才去操作，而是當在使用過程中遇到困難 時，再去查閱說明書或直接請教有操作經驗的人。而Lave與Wenger (1991)則認為 所謂的學習，基本上是處於某種情境互動下的學習，它是情境中的活動、脈絡和 文化交互作用的結果；因此社會互動(social interaction)是其中非常重要的元素， 學習者藉由參與團體活動(community practice)，逐漸習得團體中的信念、行為和 文化。 13.
(23) 儘管不同的學者從不同的立場與研究經驗而有不同的論述，而主張情境學習 的學者均強調知識是學習者與環境互動的產物，知識融入於情境脈絡當中，透過 參與生活情境中的活動，學習者才能真正掌握知識(Brown, Collins, & Dugid, 1989)。更有支持情境學習理論的學者認為，只有提供給學習者真實的學習情境， 才能有效增進學習者的學習遷移，幫助學習者真正能學以致用(Lave &Wenger, 1991；Young & Kulikowich, 1992； McLellan, 1993；Young, 1993)。知識除了具 有情境特性之外，某些知識還具有需透過真實活動操作而逐漸發展的特性，例 如：學騎單車或學開車，只有藉著真正操作它們，才能充份掌握此項知識或技能， 而無法單純用文字或語言來傳授。由此可見，情境學習理論十分重視學習活動的 真實性，如果活動的內容可以讓理論模式與真實情況相互結合，並建立有目標導 向且有意義的學習情境，才能掌握學習活動的「真實性」。基於這種觀點，學習 被認為應該要採用可以反映真實世界的事物和活動。而一旦知識的傳遞是抽離實 境的，那麼學習者學到的將是一種新的觀念，而不是內化的真實經驗。 在目前的教育體制與學習環境下，除了少數的實習課程或職業學校的技能訓 練課程之外，大部份的概念學習課程均難以實現情境學習的理念。然而模擬式學 習模式卻為情境學習打開了一道門，透過模擬式學習工具的設計與嵌入，可在課 程中成功營造出情境學習的空間，解決情境學習實施不易的問題，讓學習者透過 自我操作、互動、探索及觀察等方式，有效的學習到抽象複雜的概念，並強化學 習的主動性，為傳統上習於紙上談兵的課堂教學注入新的活力。. 2.1.3 發現式學習 電腦模擬學習強調自我觀察、探索、體會與省思的學習活動，以及探索現象 或表徵的推演過程，被視為科學發現式學習的具體應用與實踐(de Jong & van Joolingen,1998)。過去幾十年來，發現學習的研究已經由概念發現學習(Concept Discovery Learning, CDL)逐步發展成更加精緻可靠的科學發現學習(Scientific Discovery Learning, SDL) (van Joolingen & de Jong, 1997)。在科學發現學習中，學 14.
(24) 習者可能會遭遇的難題可概分為四類：(1)產生假設及改寫假設時的困難。(2)施 行缺乏設計的實驗。(3)資料解釋上的困難。(4)發現式學習進程與學習管理的問 題 (de Jong & van Joolingen, 1998) 。 Zhang、Chen、Sun與Reid (2004)針對學習者在科學學習上的困難，分析之後 提出三項重要的學習支援類型，以幫助學習者在自我觀察、探索的學習情境中， 獲得適當的引導或輔助，以降低學習迷失的情況。此三項學習支援類型包括： 一、解釋性支援： 幫助學習者瞭解並運用知識，並建立有意義且具統整性的理解。 二、實驗性支援： 以鷹架模式提供學習者系統化且有效的實驗活動。 三、反省性支援： 增加學習者在探索過程中的自我覺察，且激發學習者反覆思考抽象概念並進 行概念調適與整合。 發現式學習強調學習者的主動探索，人為從現象的變化中發現其原理原則， 才是構成學習的主要條件，因此被稱為發現學習論，其要義如下(張春興，2001)： 一、直覺思維(intuitive thinking)是發現學習的前奏 所謂直覺思維，意指不按邏輯推理的思考方式，發現學習指的是學習者在學 習情境中，經由自己的探索，最後獲得問題答案的一種學習方式。學者 Bruner 認為，在學習者開始探索問題之前，教師應鼓勵學習者根據自己的經驗，對問題 先做直覺式思考，雖然未必獲得正確答案，但是經由直覺式思考，可以使心智活 動更加活絡，甚至一旦發現解決問題的線索，此直覺式思維就變成了發現學習的 前奏。 二、學習情境的結構性是有效學習的必要條件 發現學習只有在具有結構性的學習情境下才會發生。結構是指知識構成的基 本架構，在此結構中，概念是以彼此相關聯的型態存在。如果教材未經結構化組 織，或學習者本身沒有認知結構的基礎知識，發現學習將不可能產生。Bruner 列 15.
(25) 舉了四個說明學習情境結構化的重要性：1.具有結構性的教材，才能使學習者理 解。2.具有結構性的教材，才能在學習後，讓知識獲得長期的保留。3.學習者在 結構化的學習情境中所學到的原理原則，才有助於產生正向的學習遷移。4.在結 構化的學習情境中所學到的原理原則，可以培養學習者獨立研究的能力，執簡御 繁。 三、探索中發現的正誤答案同具回饋價值 Bruner 認為學習者探索性的反應之後，是否立即獲得強化性的回饋，並不是 最重要的，而且回饋並不一定要由外在的因素來控制。學習者一旦發現錯誤而自 行改正之後，其所產生的回饋作用，遠比外在的獎懲更有價值，因此，學習者從 錯誤調整到正確的認知歷程，發現自己的錯誤與發現正確的解答，對學習者而言 是同樣重要的。若未經學習者自己探索嘗試，即將答案告訴學習者的教學方式， 不是造成一知半解的情形，就是造成學習者迅速遺忘(Bruner, 1964；引自張春興, 2001)。 另一方面，發現式學習也有其限制，學習者必先具有相當的先備知識與技 能，進而主動從事發現學習，較不適合小學中、低年級的學習者。在自行探索過 程中若無法獲得適當的幫助，可能會減低學習者的求知動機。此外對思想較緩慢 的學習者可能會造成精神壓力，不利其將來學習。. 第二節 學習策略 本研究運用問題引導，讓學習者嘗試操弄不同的參數並觀察其造成的現象變 化，促使學習者投入操弄與觀察的過程，此外，更藉由一系列的題組來營造問題 解決情境，引導學習者反思問題解決過程中各項參數的變化趨勢，藉由與預期不 同的實驗結果來營造衝突性事件，讓學習者自我覺察，進而修正錯誤概念。Kuhn 在 1962 年提出「概念改變」的理論與議題，使得概念改變成為科學教育學者的 16.
(26) 重要研究主題，並陸續提出相關的概念改變策略。. 2.2.1 問題解決策略 問題解決是一種認知建構的歷程，問題解決是一個人運用各種知識，達到解 決問題的思維歷程(張春興，1997)。問題解決也是一種創造思考，是一連串自我 發現的活動過程(許永賢，1985)。Gagné (1985)以學習者的角度，將問題解決看成 是一種學習方式，也是學習者的高階認知的表現，這種表現可以讓學習者產生新 的觀察力，並重組其思考歷程。因此，問題解決不但是一種學習方式，更是一種 高層次的認知能力，問題解決後的結果必須是有意義的，也就是能滿足學習者學 習需求的條件。 運用問題解決策略讓學生能透過各種方式去蒐集、整理相關資料，並進行自 我的反省思考，做出初步的分析與判斷，再運用相關資訊有效地解決問題。此種 學習型態稱之為「問題導向學習」，其主要特色如下： 一、以「問題」為學習的錨點。問題導向學習強調以「問題」為學習的起點，符 合真實生活的學習情境，而與傳統學習方法不同，傳統方法通常是先學知 識內容，再嘗試運用所學的知識解決問題。 二、「問題」必須是學習者在其目前或未來的學習領域上，可能會遭遇到的非結 構性問題(ill-structured problems)。 三、學習者的所有學習內容架構皆是以「問題」為主軸。 四、學習方式偏重於小組合作，較少有講述式的教學。 五、學習者必須自行擔負起學習的責任，教師的角色只是指導學習技巧，同時強 化其後設認知。(Gallagher, Sher, Stepien & Workman, 1995; West & Watson, 1996)。 除此之外，計惠卿、張杏妃 (2001)則認為問題導向學習的特色包括(1)以真 實世界的非結構化問題聚焦學習目標。(2)以問題解決歷程統整多元智能學習。(3) 以擁有感落實自我導向的主動學習。(4)以社群互動凝聚學校與社區共識。(5)以 17.
(27) 學習的促進作為教師的工作內涵。針對問題導向學習，高頌洲(2002)亦歸納出 其特徵為(1)以問題為學習的起點。(2)真實世界的非結構化問題。(3)學習內容以 問題為主軸。(4)注重小組合作學習、主動學習。(5)學生是學習活動的主角。林 淑慧(2003)則指出問題導向學習的要素包含(1)以一個真實的問題為學習起點。(2) 問題必須能將學習者的認知及其未來的專業知識相連結。(3)學習是在小團體中進 行。(4)問題導向學習法是一種自我導向學習。(5)教師為具體促進者(facilitator)的 角色功能。上述說明中雖然學者對於問題導向學習各自提出自己的看法，但其實 內容大同小異，歸納學者們的意見後可以發現問題導向學習的核心在於(1)真實世 界的非結構化問題。(2)學習內容以問題為主軸。(3)主動學習與合作學習。(4)教 師為引導者。 關於「問題解決過程」，Polya(1957)認為可將其分為四個階段：(1)瞭解問題； (2)擬定計畫；(3)執行計畫；(4)回顧。此外在教育部所公佈的九年一貫課程綱要 中，則提到問題解決的過程包含五個步驟：(1)瞭解與思考；(2)探究與計畫；(3) 選擇策略；(4)尋找答案；(5)省思與擴展問題。問題解決能力則包含察覺問題之 存在、確認所存在問題之性質、判斷是否需要更多資料之能力、辨認問題情境中 有關之因素，以及決定解決方法等五個向度。 察覺問題、確認問題性質是問題解決能力的一環，擬定計畫也是問題解決過 程的重要階段，但本研究並非以提升學習者的問題解決能力為目標，而是以運用 模擬式學習環境提升學習成效並導正錯誤概念為目標。本研究以問題情境指引概 念探索的方向，並透過題組建立概念釐清的鷹架，建構出引導式的模擬式學習環 境，因此問題引導策略的應用目標有二，其一是以問題定錨 (problem as an anchor)，運用問題作為學習者思考與探究的核心，其二是以題組建構概念釐清計 畫(problems as a plan) 。. 2.2.2 概念改變策略 Pfundt 和 Duit (1991；引自李賢哲、樊琳、張蘭友，2005)指出許多迷思 18.
(28) 概念都很難改變，因為其具有 5 種特質：(1)個人的(personal)；(2)固執的 (persistent)；(3)強韌的(robust)；(4)一致的(consistent)；(5)穩定的(stable)。因 此傳統的被動式學習環境難以促使學習者發生概念改變(Eryilmaz, 2002; Liégeois, Chasseigne, Papin, & Mullet, 2003)。 概念改變最先提出且最具影響力的理論即是 Posner, Strike, Hewson, & Gertzog (1982；引自邱美虹，2000)所提出的概念改變理論，又稱為 PSHG 模式。 這概念改變策略是從認識論發展而來的，並主張以 Piaget 的同化(assimilation)與 調適(accommodation)觀點來看待概念改變。同化是指學生以既有的概念處理新現 象；調適則發生在學生既有概念不足以解釋新現象時，必須置換或重組其中心概 念，此為徹底的概念改變形成。由此可知概念改變並非一種自然發生的過程，往 往必須經由認知衝突的形成才可達到概念改變的目的。因此，若希望學生概念改 變須具備四種條件： 一、學習者必須對既有的概念感到不滿意(dissatisfaction)。 二、新概念必須是可以被學習者理解的(intelligible)。 三、新概念必須是合理的(plausible)。 四、新概念必須能被豐富詮釋的(fruitful)。 針對概念改變教學，過去研究者提出以下三項教學策略與對教學的建議， 作為改進教學、促進概念改變之參考。 一、類比教學 在科學教育的研究中，類比教學模式可概分為六個步驟：介紹目標概念、 引導回憶類比概念、確認目標物與類比重要屬性、對應相似性、說明類比不適用 處、提出結論。此教學模式相當具體，對教師在使用時容易遵循，但對於類比限 制處的說明需更加強調。在使用類比時，應盡量在教學前對目標物與類比物之間 的屬性與關係對應加以規劃與分析，教學中必須指出類比對應處與類比之限制， 而教學後亦可利用學生自我產生的類比進行概念的評量。因此，類比教學絕不可 信手拈來，否則會造成學生對概念產生不正確的想法或更多的學習困擾。 二、預測—觀察—解釋(Prediction-Observation-Explanation, POE)教學策略 19.
(29) POE教學活動主要是教師讓學生對某一科學現象作出預測並提出理由，接 著讓學生觀察現象，最後學生必須設法協調介於預測與觀察結果之間的衝突，而 教師應扮演著指引的角色。透過一系列預測、觀察、解釋的教學過程引發學生的 學習動機，讓學生有更多發揮空間主動去建構自己的想法(White & Gunstone, 1992)，且在教學過程中可以製造學生認知上的衝突，使其得以開啟概念改變之 良好契機，進而幫助學生將原本的迷思概念，轉而建構為正確的科學家概念 (Liew & Treagust, 1998)。因此，POE教學策略是讓學習者所預測的結果與觀察到 的現象不一致時，學習者會發現自己既有概念不足以解釋目前的矛盾現象，因此 願意改變既有概念去學習新的概念(王盈琪、王美芬，2006)。 在使用此策略時，教師必須對概念的本質以及學生教學前所持有的先前 概念有所了解，才得以設計適切的教學活動與內容，以促進有意義的學習。 三、動態評量 動態評量主要是去評量個體的表現在引導的情境中互動的結果，它提供「學 生能學些什麼，而非他們已學會了什麼」的潛能發展指標，因此動態評量的特質 在於了解學習的歷程及認知的改變。而動態評量可用來評量知識的建構過程，瞭 解學生如何利用既有的知識去建構新的概念，以及如何經由複雜的問題解決和現 象互動而產生新的知識。 在過去的概念改變教學研究中，除了類比教學、預測—觀察—解釋教學 策略之外，還有數種教學策略就是藉由製造新概念與既有知識結構衝突情境 以達概念改變之目的，例如：透過所呈現的非預期事件，讓學生產生認知衝 突的異例教學法(anomaly) (Chinn & Brewer, 1993)；及藉由對話過程，引出學 生既有概念並引導其覺察推理歷程不一致的蘇格拉底對話(Socratic dialogue) 教學法(Chang, Sung, Wang, & Dai, 2003)等。. 20.
(30) 第三節 模擬式教學與學習 美國國家科學教育標準（NSES）認為運用電腦模擬科技來輔助學習者學習科 學，可透過選擇適當的科學內容，並因應學生個別的需求，設計適切的學習環境， 包括學習者的興趣、知識、理解、能力和經驗等。目前電腦模擬運用於輔助學習 用途的形式，主要有(1)問題解決式(problem-solving)。(2)發現式(discovery)。(3) 遊戲式(games)等。在科學教育領域，電腦模擬輔助學習的研究幾乎涵蓋所有學科 (Alessi & Trollip, 2001; Catalano & Tonso, 1996; Colaso, Kamal, Saraiya, North, McCrickard, & Shaffer, 2002; Jensen, Self, Rhymer, Wood, & Bowe, 2002; Khoo & Koh, 1998; Korhonen & Malmi, 2000; Luo, Stravers, & Duffin, 2005; Meyer & Krzyzkowski, 1994; Tversky, Morrison, & Betrancourt, 2002; Wallace & Mutooni, 1997)，而在工程教育領域，電腦模擬較少應用於知識或概念的學習，而通常用於 建構虛擬實驗室，讓相關的實驗室操作更為安全且便宜(Jaakkola & Nurmi, 2008; Rutkowski & Moscinska, 2011)。. 2.3.1 電腦模擬 模擬有許多不同的定義，一般而言，模擬是指模仿真實現象發生的過程或將 原先複雜的自然現象簡化再造，是對某種情境基本性質的複製。而電腦模擬則是 利用電腦軟體，將某實物或現象進行模擬呈現，模擬出其實際存在的狀態或發生 之現象，利用電腦快速的運算能力及多媒體呈現，將各種模擬現象呈現在電腦螢 幕上，讓學習者進行學習、實驗及互動操作，讓學習者即時得到變化情況或結果， 並藉此分析或探索可能會有的結果。 電腦模擬普遍的特點包括豐富性、低透明度與互動性，玆分述如下(Alessi & Trollip, 2001)： 一、豐富性(richness)，在豐富的學習環境，大量的知識可以被學習者採掘出來， 21.
(31) 並且可以有很多呈現的方式，像動畫、圖形、聲音的方式呈現。學習者可以任意 的操弄變數，並觀察操弄後動態產生結果，此特點也被形容為「知覺的豐富」。 二、低透明度(low transparence)，以往傳統的教學方式，學習者可以很快的翻到、 瞄到答案(direct view)，而以模擬為基礎的學習環境，學習者無法直接觀看到結果 或解答，如此可以促進學習者推演思考的能力。 三、互動性(active interaction)，在模擬學習過程中，學習者不一定會全神貫注的 在電腦螢幕前學習，必須要透過操作進行互動學習，取代被動的接收知識，幫助 學習者更有意義的學習。. 2.3.2 模擬式教學與學習 模擬式學習可將學習者不易觀察到的微觀實體或真實現象等，以電腦模擬的 方式具體呈現出來，讓學習者感受到與實際情況相同的學習環境(張霄亭，1995)。 此外，現實生活中可能有很多情況會因過於危險、花費太高或所需時間太長等限 制因素而無法實際去嘗試，但透過電腦模擬的方式，就可以親身去體驗並瞭解真 實情境下所發生的真實反應(楊美雪，1992)。Alessi 和 Trollips (2001)認為電腦模 擬教學與傳統教導式(tutorials)和反覆練習式(drills)電腦輔助教學相比，具有下列 三項優點： 一、學習動機： 電腦模擬在學習者學習情況下比教導式與練習式電腦輔助教學更具主動 性，這種主動式的參與比起被動式的學習更能引發學習者的學習動機。 二、學習轉移： 電腦模擬有良好的學習轉移功能，能使學習者將模擬所學到的知能，轉移到 實際的情境。教科書或傳統電腦輔助教學只能提供一般知識或資料，因此學習者 使用電腦模擬將可預期有較好的學習效果。 三、效率較高： 經由電腦模擬，學習者在知識與技能的學習轉移上更具效率。 22.
(32) 電腦模擬教學是透過學習理論與電腦技術的結合，以輔助學習者進行學習活 動，因此電腦模擬軟體是否有助於教學或學習，首先要考慮的是軟體所提供的特 性與功能如何發揮效果。一般而言，電腦模擬具有視覺化(畫面具象化呈現)、動 態影像(現象演示)、連續動態影像(現象演變過程)、多媒體(整合影像、語音、文 字)等四項功能特性(Alessi & Trollip, 2001; de Jong & van Joolingen,1998)。除此之 外，電腦模擬還有一項重要的功能特性，就是它允許學習者自己動手做，藉由控 制輸入參數與觀察輸出結果，提供給學習者探索的學習環境，讓學習者經過由「做 中學」的模擬實驗進而形成具體的概念，達成學習目標(Thomas & Neilson, 1995)。因此Ronen和Eliahu(2000)認為模擬是頗具潛力的輔助工具，可用以幫助學 習者跨越電學在理論與實際情境上的鴻溝，運用模擬作為中間媒介，可以連結真 實現象與它的理論模式。運用電腦模擬輔助教學對於工程實驗教學帶來新的模 式，可將傳統的實體實驗發展成電腦模擬實驗的教學方式。更發現以電腦模擬輔 助教學的趨勢之下，對於工程實驗教學帶來新的契機，可藉由整合傳統的實體實 驗與電腦模擬實驗的教學方式，以提升整體教學成效。 依據上述對於電腦模擬軟體功能特性的歸納與說明，可以發現適合運用電腦 模擬輔助學習的課程內容或知識包含以下五類(莊雅茹，1996)。 一、程序性的動作 當文字描述或靜態圖片無法呈現出程序性的動作時，即可藉由電腦模擬動畫 清楚呈現出來，例如：P 型半導體與 N 型半導體接合時，接面附近電子或電洞的 流動過程，以其濃度的連續變動情形。 二、不易觀察到的現象或知識 有些知識、觀念、現象學習者無法直接觀察到，可能是對象過於微小或是平 時難以見到，但是直接觀察對學習者概念的建立有幫助時，透過電腦模擬演示， 就是很方便有效的媒介，例如：半導體內部的架構和組合方式。運用電腦模擬可 以建構出有效的表徵觀察與主動的概念學習環境，幫助學習者理解抽象的概念內 涵並促進主動學習(Chen, Hong, Sung, & Chang, 2011; Mzoughi, Foley, Herring, 23.
(33) Morris, & Wyser, 2005)。 三、需要一段時間觀察的變化性知識 生物的生命週期、地殼的環境變動、親代與子代間的遺傳族譜，這些現象必 須等待較長時間才能看到結果，利用電腦模擬軟體可以迅速的讓學習者觀察結 果，縮短時間效益，增加經驗。 四、模擬複雜系統中不同突發情境的應變措施 駕駛飛機的模擬系統可以清楚呈現各種不同指令的操控結果，因為真實的自 然環境中天氣和地形是多變的，若能透過電腦模擬是先針對可能發生的狀況預 演，學習者可以縮短實際面對狀況時做出相對應變的時間，減少災害。此種動畫 模擬可以降低學習的成本，符合經濟效益，也兼顧教學目標。 五、符合電腦模擬軟體特質的抽象概念 模擬軟體可以幫助學習者學習力與運動、光學這些不具有真實影像的抽象概 念，以電腦模擬進行教學，可以輔助學習者主動建構較正確的科學概念。藉由電 腦模擬的視覺化呈現有助於學習者觀察及學習抽象、複雜的科學概念(Chang, Chen, Lin, & Sung, 2008)。 整體而言，Ainsworth(2006)也認為視覺化呈現有助於提升學習成效，當學 習者學習複雜的概念時，可藉由與多重外在表徵的「互動(interactive)」而達到認 知層次的提升。Kelly與Jones(2007)也認為模擬動畫對於促進抽象且難懂的科學概 念教學成效，具有絕佳的發展潛力，因其可觸發學習者對微觀科學現象的具體想 像並進而建立相應的概念。對於視覺化模擬的設計，Naps等學者(2003)提出以下 兩點建議： 一、支援動態回饋(Support dynamic feedback)： 在視覺化系統中，必須從活動中提供學習者動態的回饋。 二、補充說明(Complement visualizations with explanations)： 雙碼理論建議，若視覺化能伴隨著解釋說明，能被理解的更透徹。這樣的整 合有許多種不同方式，例如在對應的圖解視窗中寫上伴隨的解釋，或是提供視覺 24.
(34) 化呈現相對應的語音解說等。 因此過去電腦模擬在電學相關課程的應用上，常被運用於建立虛擬實驗環 境，藉以施行電腦模擬實驗教學(Zacharia, 2007)，或是運用於幫助中小學生暸解 基礎的電學概念(Kukkonen, Martikainen, & Keinonen, 2009)，發揮其媒介真實現象 與概念模型的功能，幫助學習者建立對科學現象的具體想像。然而電腦模擬的能 耐不僅於此，他不但有助於學習者瞭解抽象、複雜的科學概念，也有助於改變學 習者在電路方面的既有概念(Forinash & Wisman, 2005)。 Alessi 和 Trollip (2001)指出，模擬不能只是重複一種現象，還必須憑藉著省 略、改變、增加細節或特色來簡化此現象，這是關鍵性的重點。因為用簡化的模 型模擬，學習者可能就會解決問題，進而瞭解此現象的演化過程與特徵，以及如 何控制這些特徵，或是知道怎樣的動作能進入不同的狀態。簡化的模型能夠幫助 學習者建立他們自己對於此現象或程序的心智模型(mental model)，並且提供他們 能夠探索、練習、測試，以及能安全又有效率地改善模型的機會(黃福坤，1999)。 模擬在教學上可分為兩類： 一、教導現象或物件本身(to teach about something)：此類又細分為以下兩項： (一)實體的模擬(physical)：呈現自然界的物體或現象，簡化真實世界中需要的步 驟，例如模擬科學實驗現象，學生可操縱畫面上之儀器並觀察產生的結果；可模 擬飛機的飛行，學生可在畫面上操縱飛航儀器並可看到機窗外景物的變動等。 (二)反覆的模擬(iterative)：又稱為過程的模擬(process simulations)。與反覆式模擬 主要的不同在於「與學習者互動的方式」，學習者可以操作控制多個參數，操作 完後觀察結果的變化，並可反覆練習。在反覆式模擬中，由學習者事先給定若干 參數值，輸入程式後，電腦自動根據程式演算，在畫面上顯示模擬的結果或現象， 供學生觀看或傾聽，學生無需插手干預反覆式模擬的進行。例如經濟學家在作歲 收預測時，他事先設定若干經濟指標，如失業率、國民生產力、稅率等等，將這 些數值輸入程式，經程式的執行後，歲收的估計便會顯示在畫面上。反覆式模擬 的學習重點，是在讓學習者瞭解事先設定參數的值改變時，其結果如何跟著變化 25.
(35) 的情形。反復模擬的另一重要例子，是可將太快或太慢的真實過程，在畫面上以 合適的速度顯示出來。 二、教導如何做某件事(to teach how to do something)：此類又細分為以下兩項： (一)程序的模擬(procedural)：以連續的活動教導學習者達到某個目標，在程序模 擬中，程序是指規則或達成某一事件的續列動作，例如儀器故障的診斷、車輛的 啟動、太空梭的著陸、人體疾病的診斷等，都有一定的程序，程序模擬教學進行 時，對每一學習者的動作，系統均會如同實際狀況般予以對應性的反應。 (二)狀況的模擬(situational)：在不同情況下，控制人或組織的行為及態度，通常 會加上角色扮演的功能。狀況模擬是在模擬一個人處於各種不同狀況下的態度與 行為，模擬就某一狀況作不同處置所產生的不同效應，或者模擬在某一狀況中扮 演不同角色的人的各種行為。例如在一個師範生的實習教學模擬中，電腦系統之 學習者可扮演一新進教師的角色，他嘗試做一稱職的教師，以求續任，系統亦模 擬數位理念不同的校長，讓實習教師歷練在不同校長領導下的處事方法，雖然其 處事沒有唯一正確的方法，但有一些不同策略可增進其繼續留任的機會。 Alessi 和 Trollip(2001)認為實體的模擬有 3 種呈現方式： 一、在螢幕上呈現自然界的物體或現象，讓學習者有機會學習。許多自然界模擬 的例子是應用在物理學及生物學上(如地心引力、光學、化學鍵、光合作用、氣候 變化)，在工程學上(如內燃機、電線中的電子傳輸、電腦邏輯電路)，及在某些社 會學上(經濟、都市計劃和心理學)。 二、期間過長的現象會因真實時間的因素，而來不及觀察，當然更不可能讓學習 者去操作。 三、複雜的情境中，在模擬中工作比起在真實實驗室中工作，是較安全且較便宜 的。此外，學習步驟被簡化，學習者就不用應付某些不可捉摸的自然或視覺操作， 例如連結電線及讀取電壓計。 雖然電腦模擬在教學或學習的應用上有許多優點，但模擬式教學或學習仍存 在一些需克服的困難與限制。例如：學習者於剛開始接觸電腦模擬學習軟體時， 26.
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