運用擴增實境輔助科學學習對不同空間能力及學習態度學童之學習成效影響

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(1)國立臺灣師範大學圖文傳播學系碩士論文. 運用擴增實境輔助科學學習對不同空間能力及學習態度學童之學習成效影響 The Effects of Spatial Ability and Learning Attitude on Science Learning Achievement when Augmented-reality-enhanced Scheme is Applied. 研究生：陳永軒指導教授：王健華教授. 中. 華. 民. 國. 一. 零. 三. 年. 六. 月.

(2) 謝. 誌. 在國立臺灣師範大學的兩年期間，總算是把論文完成了。從屏東來到臺北，這個學校就像是我在臺北的第二個家。這篇論文能夠順利的完成，當然最需要感謝的就是我的指導老師-王健華老師。在這兩年期間，若是沒有他的諄諄指導，那恐怕論文的進度會是遙遙無期，謝謝老師了。除此之外，在我的計劃口試當中的口試委員-系上的王希俊老師、北市大的賴阿福老師，兩位老師在論文計畫口試及最後的論文口試給我的論文指導及相關建議都讓我更加迅速及安穩地完成了我的研究，讓這本論文更加完整詳實。其次我要感謝我在臺北的眾多朋友們，我的碩士班同學及學長姊和學弟妹們，在臺北當我的好朋友。孟軒是我的大學同學，謝謝你繼續當我的碩班同學幫助我，其他同學是你們讓我認識了更多樣更多個性的人，在我的人生中給我了更多的帶人視野。在我口試的時候協助我，在我有問題的時候幫助我的人。謝謝曾經來上過我們所的課並且很照顧我們的老師-劉力行老師、王燕超老師、吳祖名老師等，謝謝各位，讓我在臺北的這三年變得充實。還有系辦小姐-陶助教、答助教的協助，讓我在各式文件當中能夠迅速地辦理眾多又繁雜的手續。三年，自己在臺北，要謝謝的人好多。最後、我也想謝謝自己，給自己一個認識大家的機會來到這個大都市，你們都是我的家人、我的朋友。謝謝。. 陳永軒謹致民國一零三年六月.

(3) 摘要本研究主旨為探討不同空間能力及不同科學態度之學生於擴增實境輔助課後學習之後，在科學中的學習成效、學習興趣及信心為何。本研究發展了一套讓學生在課後使用的擴增實境輔助學習系統，搭配紙本講義，學生自主使用講義及行動載具來輔助學習。最後檢測其學習成效、學習興趣及信心。在本研究中，主要教學課程為生物科的「細胞與染色體」。使用了擴增實境的技術去協助呈現一些較為抽象，甚至需要空間能力來學習的科學概念。以臺灣 13 歲學生為主要受試者，了解學生在此種輔助學習的方式之下，不同空間能力及不同科學態度的學生是否有不同幅度的輔助效果。研究結果發現，受試學生透過擴增實境的輔助學習，提升了細胞及染色體的學習成效及學習興趣。此外，也發現低空間能力的學生在使用擴增實境輔助學習的學習成效中較高空間能力學生更有顯著成效。而在科學態度中，低科學態度的學生則是於學習興趣的表現上比高科學態度的學生有更顯著的進步。整體學生對本研究所發展的課後輔助學習方式未來使用意願高。. 關鍵字：科學素養、擴增實境、空間能力. i.

(4) Abstract During the past 50 years, scientific education has granted a great deal of attentions. scientific education is indispensable for an educated modern citizen. The enhancement of scientific literacy becomes one of the nation’s primary goals on science education. Currently, Augmented Reality (AR) is new technology that combines the real word with virtual objects which allows the users to interact between virtuality and reality. The aim of this study is to develop a set of application with mobile AR and use this application to help students learn science concepts concerning biology. One intact class with 32 junior high school students participate in the study. The quantitative analysis of the questionnaires is conducted through descriptive statistics, t-test and ANCOVA in order to understand the effects on students with different spatial ability and different scientific attitude. This paper shows that through AR assisted learning, students’ learning achievement and scientific interest are significantly improved. Students with low spatial ability have significant improvement on learning achievement than those with high high spatial ability. Students with low scientific attitude show higher learning interests than those with high scientific attitude. In addition, most students are willing to use this AR application in these future study.. Keywords: scientific literacy, augmented reality, spatial ability.. ii.

(5) 目次摘要 ........................................................................................................................ i Abstract .................................................................................................................. ii 目次 ...................................................................................................................... iii 表次 ....................................................................................................................... v 圖次 .................................................................................................................... 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......................................................................................................5 第三節、研究問題......................................................................................................6 第四節、研究範圍及限制..........................................................................................7 第五節、名詞釋義......................................................................................................8 第二章、文獻探討 ............................................................................................... 11 第一節、擴增實境的教育應用................................................................................11 第二節、空間能力....................................................................................................21 第三節、科技應用與科學素養的提升....................................................................34 第三章、研究設計 ............................................................................................... 44 第一節、研究架構....................................................................................................44 第二節、研究流程....................................................................................................46 第三節、研究對象....................................................................................................47 第四節、研究工具....................................................................................................47 第五節、研究實施....................................................................................................59 第六節、資料處理及分析........................................................................................62 第四章、結果與討論 ........................................................................................... 64 第一節、描述性統計分析........................................................................................64 iii.

(6) 第二節、擴增實境輔助學習之學習成效................................................................68 第三節、擴增實境輔助學習之學習興趣及信心....................................................69 第四節、不同空間能力對學習成效之影響............................................................70 第五節、不同科學態度對學習成效之影響............................................................74 第六節、學生之使用意願........................................................................................77 第五章、結論與建議 ........................................................................................... 82 第一節、發現與結論 .................................................................................................82 第二節、研究建議 .....................................................................................................85 參考文獻 ............................................................................................................... 88 附錄一、科學態度問卷 ......................................................................................... 95 附錄二、學習成效測驗卷 ..................................................................................... 97 附錄三、學習興趣及信心問卷 ............................................................................ 101 附錄四、使用意願問卷 ....................................................................................... 102 附錄五、研究實驗活動簡介與需求說明-學校版 ................................................ 103 附錄六、授權同意書 ........................................................................................... 106. iv.

(7) 表次表 1 各國科學素養成績排名表 ................................................................................ 3 表 2 擴增實境的定義 .............................................................................................. 12 表 3 擴增實境與教育 .............................................................................................. 17 表 4 擴增實境於科學領域中的應用 ...................................................................... 19 表 5 皮亞傑兒童空間概念發展與認知發展表 ...................................................... 22 表 6 皮亞傑空間概念階層表 .................................................................................. 23 表 7 兒童空間認知心智表 ...................................................................................... 25 表 8 空間能力定義 .................................................................................................. 26 表 9 空間能力項度分析 .......................................................................................... 27 表 10 空間能力與科學 ............................................................................................ 29 表 11 空間能力與行動載具操作方式對應表 ........................................................ 31 表 12 不同學習模式比較表 .................................................................................... 33 表 13 科學素養包含的各種能力 ............................................................................ 39 表 14 擴增實境輔助學習設計表 ............................................................................ 51 表 15 自然與生活科技領域之科學態度能力指標 ................................................ 53 表 16 「科學態度」反向題之分配 ........................................................................ 54 表 17 科學信心與興趣問卷反向題之分配 ............................................................ 56 表 18 使用意願問卷操作型定義 ............................................................................ 56 表 19 使用意願問卷題目編製表 ............................................................................ 57 表 20 測驗卷及問卷整體信度分析結果 ................................................................ 58 表 21 空間能力平均數與標準差 ............................................................................ 65 表 22 空間能力分組比較表 .................................................................................... 65 表 23 科學態度平均數與標準差 ............................................................................ 66 表 24 科學態度分組比較表 .................................................................................... 66. v.

(8) 表 25 學習成效前後測成績描述性統計 ................................................................ 67 表 26 學習興趣及信心前後測成績描述性統計 .................................................... 68 表 27 學習興趣前後測成績描述性統計 ................................................................ 68 表 28 學習信心前後測成績描述性統計 ................................................................ 68 表 29 學習成效後測對學習成效前測成績之成對樣本 t 檢定表 ......................... 69 表 30 學習信心及興趣後測對學習信心及興趣前測成績之成對樣本 t 檢定表 . 69 表 31 空間能力與其他依變項之相關係數表 ........................................................ 70 表 32 空間能力與學習成就前測成績之迴歸係數同質性檢定 ............................ 71 表 33 空間能力分組與學習成效後測成績之敘述性統計結果 ............................ 71 表 34 空間能力與學習成就後測成績之共變數分析檢定摘要表 ........................ 72 表 35 不同空間能力之學生總體成績進步程度平均數 ........................................ 73 表 36 不同空間能力之學生總體成績進步程度獨立樣本 t 檢定 ......................... 73 表 37 不同空間能力之學生空間試題進步程度平均數 ........................................ 74 表 38 不同空間能力之學生空間試題進步程度獨立樣本 t 檢定 ......................... 74 表 39 科學態度與其他依變項之相關係數表 ........................................................ 75 表 40 不同科學態度之學生學習興趣及信心進步平均數 .................................... 75 表 41 不同科學態度之學生學習興趣及信心進步分數獨立樣本 t 檢定 ............. 76 表 42 不同科學態度之學生學習興趣進步程度平均數 ........................................ 76 表 43 不同科學態度之學生學習興趣進步程度獨立樣本 t 檢定 ......................... 76 表 44 不同科學態度之學生學習信心進步程度平均數 ........................................ 77 表 45 不同科學態度之學生學習信心進步程度獨立樣本 t 檢定 ......................... 77 表 46 使用意願整體成績 ........................................................................................ 79 表 47 空間能力高低組未來使用意願之迴歸係數同質性檢定 ............................ 79 表 48 空間能力分組與學習成效後測成績之敘述性統計結果 ............................ 80 表 49 空間能力與學習成就後測成績之共變數分析檢定摘要表 ........................ 81. vi.

(9) vii.

(10) 圖次圖 1 「真實-虛擬連續性 (Reality-Virtual Continuum)」理論 ............................. 12 圖 2 真實的桌子與虛擬的檯燈和兩張虛擬的椅子 .............................................. 14 圖 3 擴增實境與科學教育創新應用示意圖 .......................................................... 20 圖 4 多元智能理論 .................................................................................................. 22 圖 5 國小學生空間能力向度 .................................................................................. 31 圖 6 科學素養是能力「累加」 .............................................................................. 37 圖 7 科學素養是能力「聯集」 .............................................................................. 37 圖 8 科學素養評量架構圖 ...................................................................................... 43 圖 9 研究架構圖 ...................................................................................................... 45 圖 10 研究流程圖 .................................................................................................... 46 圖 11 擴增實境輔助學習系統開發流程圖 ............................................................ 48 圖 12 unity 開發過程-1 ............................................................................................. 48 圖 13 unity 開發過程-2 ............................................................................................. 49 圖 14 行動 APP 辨識紙本講義之畫面-1 ............................................................... 49 圖 15 行動 APP 辨識紙本講義之畫面-2 ............................................................... 49 圖 16 紙本辨識講義 ................................................................................................ 50 圖 17 研究實施流程圖 ............................................................................................ 59 圖 18 空間能力及科學態度網路試題 .................................................................... 60 圖 19 學生使用擴增實境輔助學習 ........................................................................ 61 圖 20 學生進行後測的線上填答 ............................................................................ 61. viii.

(11) 第一章、緒論臺灣 15 歲學生從 2006 年開始參與由經濟合作暨發展組織(Organization for Economic Co-operation and Development, OECD)所舉辦的國際學生能力評估計劃（Programme for International Student Assessment, PISA），在三年一度的科學素養評比三大向度中「運用科學證據」以及「形成科學議題」此兩項度成績明顯嚴重落後參與評鑑的各國。2012 年的科學素養評鑑結果出爐，科學素養能力於 15 歲學生與各國學生比較也明顯落後。會有如此落差，本研究觀察 PISA 科學試題之後，推測可能是科學素養紙本試題在評鑑過程中，由文字及靜態圖像的呈現方式讓學生在形成科學議題及運用科學證據類型的題目表現不佳，此外，亦有可能是學生的空間能力較差，以致在「科學」需要較多空間能力來輔助學習抽象概念的理解的測驗中，本國學生表現較差。這樣的背景之下，引產生了本研究之研究動機。本研究試圖將科學學習融合擴增實境之技術，以擴增實境的呈現強化學生在抽象科學概念解題過程中所需提取的空間能力，並且進行實驗，檢測此科技輔助科學學習的方式是否具有提升學生科學的學習成效及提高學童科學學習動機。研究也比較不同空間能力及不同科學態度背景的學生，在經過擴增實境輔助學習之下可能有的不同輔助學習成效。. 第一節、研究背景與動機國際學生能力評估計劃(Programme for International Student Assessment, PISA) 由經濟合作與發展組織(OECD)籌劃對全世界 15 歲學生學習水平的測試計劃，參與國家眾多，故在國際間有其一定的地位代表著各國檢測出來的素養水準。PISA 對科學素養的評量和典型的學校考試內容及方式明顯不同，一般學校的科學學科「成就」測驗，較著重科學概念的了解與知識的獲得；PISA 的「科學素養」評量，則較注重形成科學議題、科學舉證等「能力」。這些能力的評量較少在一般學校的考 1.

(12) 試中出現，卻是學生進入社會必須具備的能力。PISA 評量的另外一項特色就是「生活化和情境化」，題目呈現的方式必定和日常生活有關，而且詳細說明試題的情境。科學素養(Scientific Literacy)表示擁有基本的語言學習和表達能力，能理解科學觀念，了解科學研究過程和方法，能運用科學解釋身邊的事情，建立與評價有證據基礎的論證，並恰當地運用結論來引領自己的行為。它包含運用書寫、數值與資訊等能力來理解科學方法、觀測與理論(National Academy of Sciences, 1996)。 PISA 國際素養測驗在 2006 年測驗的結果，雖然我國學生的數學素養是全世界第一名，整體科學素養也高居第 4 名，甚至優於鄰近國家日本第十名、韓國第五名。但是在「形成科學議題能力」和「科學論證能力」兩個分項能力指標方面，我國學生的表現仍有很大的進步空間。因此如何加強這兩方面能力的教學和評量，值得努力省思（林煥祥，2009）。在全球中參與 PISA 國際素養測驗的國家從 2000 年的 32 國增加到 2012 年的 68 國，顯見其評量意義逐漸受到國際上各國的重視。臺灣學生參加了 2006~2012 年三次評量，在科學素養方面，2006 年的平均分數是 532 分，為世界第四，落後於芬蘭、香港與加拿大；2009 年分數降低為 520 分，名次則下跌到第 12 名，芬蘭、香港仍居前，首次參加的上海則躍居第一名；數學素養方面，台灣 2006 年排名第一，平均分數為 549 分，2009 年平均分數為 543 分，排名掉到第五，落在上海、新加坡、香港、韓國之後。根據這一次評比的細部分析，臺灣學生解釋科學現象的能力在全世界排名第三，但科學舉證能力卻排名第八，形成科學議題的能力更只有第 17 名。此外，臺灣學生的科學知識雖強，然而關乎科學本質的探究與解釋能力卻有一段落差，而鄰近臺灣的香港、韓國和日本學生在這方面的差距則不大。在面對科學的態度方面，臺灣學生的學習興趣約略與國際平均相當，然而對學習科學有自信的比例卻遠低於國際平均（李名揚， 2012）。最近的 2012 年的 PISA(2012)測驗評鑑結果在 2013 年 12 月出爐，臺灣學生在. 2.

(13) 數學素養中大致維持良好的狀況，全球排名第四名；閱讀素養分數在 PISA(2012) 中排名第八、在 PIRLS2011 的閱讀素養評比表現第九名，在閱讀素養的國際排名都有大幅改善，個進步了 15 名及 13 名；唯獨在科學素養能力中 15 歲學生表現落後。行政院長江宜樺也指示教育部檢討相關原因並且研擬改善政策，以提升國內學生科學素養能力（行政院，2013）。科學素養成績如表 1（PISA 國家研究中心， 2013）：表 1 各國科學素養成績排名表 PISA2000. PISA2003. PISA2006. PISA2009. PISA2012. 1.韓國. 1.芬蘭. 1.芬蘭. 1.上海. 1.上海. 2.日本. 2.日本. 2.香港. 2.芬蘭. 2.香港. 3.芬蘭. 3.香港. 3.加拿大. 3.香港. 3.新加坡. 科. 4.英國. 4.韓國. 4.臺灣. 4.新加坡. 4.日本. 學. 5.加拿大. 5.列支敦士登. 5.愛沙尼亞. 5.日本. 5.芬蘭. 素. 6.紐西蘭. 6.澳大利亞. 6.日本. 6.韓國. 6.愛沙尼亞. 養. 7.澳大利亞. 7.澳門. 7.紐西蘭. 7.紐西蘭. 7.韓國. 8.奧地利. 8.荷蘭. 8.澳大利亞. 8.加拿大. 8.越南. 9.愛爾蘭. 9.捷克. 9.荷蘭. 9.愛沙尼亞. 9.波蘭. 10.瑞典. 10.紐西蘭. 10.列支敦士登/韓國. 10.澳洲. 10.列支敦士登. 12.臺灣. 13.臺灣. 談到 2013 年全球都熱門的關鍵字：擴增實境（Augmented Reality, AR）非近幾年才開始發展的。早在 30 年前，1960 年代，電腦繪圖先鋒蘇澤蘭（Ivan Sutherland）和他在哈佛大學與猶他大學的學生，早已開發出第一套系統。1970 與 80 年代，美國空軍阿姆斯壯實驗室、航太總署艾密斯研究中心，以及北卡羅來納大學教堂山分校等機構，有幾個人從事 AR 的研究。直到 1990 年代初，波音公司有幾個科學家才創造了「擴增實境」這個名詞（吳鴻，2002；Feiner, 2002）。而這樣的科技技術擴增實境，是透過虛擬化的技術，在行動載具或是一些穿戴型的裝置上，為真實世界去加諸虛擬化的資訊外衣，為我們提供更多真實世界以外的資訊。根據. 3.

(14) Azuma(1996)所提出的擴增實境定義裡談到，擴增實境應具有下列基本特色，才能稱為擴增實境：（１）Combines real and virtual（將虛擬物與現實結合）（２）Interactive in real time（即時互動）（３）Registered in 3-D（三維呈現）上述擴增實境的特色在學科領域中的發揮最常見的就是科學相關領域，並不是所有國小領域的學科內容都適合利用擴增實境(AR)來學習（魏綺亭、陳依琦， 2009）。以九大領域來說，需要抽象表現的知識的自然科、數學科較適合使用擴增實境來表現，蘇俊欽（2003）指出，學生經由這樣子的學習活動後，增加了學習的動機。廖詠年（2011）指出，擴增實境在科學教育中除了教學法的創新外，在學習成效方面，學生的學習動機和學習參與度都有明顯提升。就此來說，擴增實境技術成熟，但如何延伸、如何應用是關鍵。從整體的教學當中，教學方法上的創新、教學技術上的創新亦或是測驗評量、學習診斷上的創新，都是我們可以去努力協助學生在學習過程中或是教學者在教學中所面臨的困境。本研究主要測驗科目領域鎖定在「科學」領域，是最需要擬真與真實感的觀測經驗的學科領域。在國民小學及國中九年一貫的學科領域當中，自然與科技領域為學生獲得科學的主要應對領域。確實，這樣的學科領域當中，有許多抽象的概念是難以透過單純的講述式教學來說明的。縱使現今有許多教育科技來輔助教學，例如：投影機、教學影片等，這些都難以呈現，更難以單純平面的紙本及靜態影像來具象化教學學科所要傳達的學習資訊（例如：地球、太陽及月球的相對關係、氫氧化鈉與水結合交互過程、二氧化碳如何形成酸雨）。再者，教育學家皮亞傑著名的認知發展理論中提到人類的發展階段，七歲至 11 歲的學生正經歷「具體運思期」(Concrete Operational Stage)，此階段的學生能著重思考的方式是具體方面，較無法理解抽象之概念；而 11 歲至成年的人類會處於「形式運思期」(Formal. 4.

(15) Operational Stage)，此階段的學生能夠進行抽象思考及純粹符號思考，並使用系統化的實驗來解決問題。電腦動畫可以對視覺空間思維提供支援來促進學習，研究顯示動畫促進空間相關概念的學習。動畫在教學課程中的使用促使內部視覺空間的積極處理(Münzer, Seufert & Brünken, 2009)。既然在這些多媒體教學積極的協助了學生內在空間視覺的運作，並且影響學習成效，本研究有足夠的論點來設計實驗。PISA 測驗主要測驗年齡為 15 歲學生，根據教育心理學的認知發展階段所示，已發展至能夠進行系統化實驗並且解決問題的階段了，卻在科學素養當中的「形成科學議題能力」及「科學論證能力」上表現落後。不同空間能力成就的學生，有不同科學素養表現，而本研究設計的擴增實境輔助學習系統就可對不同空間能力的學生產生不同的輔助學習成效影響。透過科技的方式協助或引導學生正確的運用自身能力學習，學生面臨科學試題從腦中提取記憶及知識回答問題時，成為答題之幫手，透過擴增實境的特色將文字圖像具體化能更加精準的模擬真實，成為科學學習輔助學習的提示。. 第二節、研究目的本研究欲發展於行動載具中以擴增實境為輔助學習呈現型態之科學學習系統，並對 13 歲之臺灣區不同空間能力之國一學生進行實驗。透過實驗，試圖了解擴增實境科技是否有助於協助不同空間能力之學生之科學學習，並且比較不同空間能力學生在擴增實境輔助學習之後的學習成效。除此之外，也將透過問卷瞭解學生對於新型態的科學輔助學習教材的學習興趣、學習信心及後續的使用意願。依據研究動機彙整出下列研究欲達成之研究目的：一、以科學為主要輔助學習領域，開發於行動載具上運行的擴增實境型態的輔助學習系統。. 5.

(16) 二、探討整體學生在擴增實境輔助學習後的學習成效、學習興趣及信心的表現。三、探討不同空間能力學生在擴增實境輔助學習後學習成效、學習興趣及信心上的差異。四、探討不同科學態度學生在擴增實境輔助學習後學習成效、學習興趣及信心上的差異。五、探討學生在擴增實境輔助學習後的未來使用意願。. 第三節、研究問題本節內容依上節研究目的，規劃成下列研究問題：一、該如何開發以擴增實境為呈現型態的科學素養輔助學習系統？ 1-1 如何選擇合適的學習內容？ 1-2 對所選單元該如何進行擴增實境之製作？二、全體學生在擴增實境輔助學習後的表現為何？ 2-1 全體學生在學習成效的表現為何？ 2-2 全體學生在學習興趣及信心的表現為何？三、不同空間能力的學生在擴增實境輔助學習後的學習成效差異為何？ 3-1 高空間能力的學生在擴增實境輔助學習後的學習成效為何？. 6.

(17) 3-2 低空間能力的學生在擴增實境輔助學習後的學習成效為何？四、不同科學態度的學生在擴增實境輔助學習後的學習興趣及信心差異為何？ 3-1 高科學態度的學生在擴增實境輔助學習後的學習興趣及信心為何？ 3-2 低科學態度的學生在擴增實境輔助學習後的學習興趣及信心為何？五、學生在擴增實境輔助學習後的未來使用意願為何？. 第四節、研究範圍及限制一、研究範圍本研究以「科學」為主要研究領域，根據教育部頒布之科學對應領域為自然與生活科技，其中包含了生物、物理、化學、地球科學四科。設計之擴增實境輔助學習時也主要由此四個領域為主要設計範圍。對於臺北市 13 歲之國一學生進行實驗。在科學輔助學習之前，先使用謝如山教授所開發之空間能力試卷進行施測，再行檢測學生之科學態度。此外，進行研究之前測。結束後，進行擴增實境輔助學習系統的使用去輔助學生學習科學相關知識，再行後測；施測完畢之後也對學生進行學習興趣信心及未來使用意願的問卷填寫，作為對本研究所發展之擴增實境輔助學習系統進行的調查。最後使用統計軟體紀錄學生之測驗成績及問卷調查結果，並且進行第肆章、第伍章的撰寫。. 二、研究限制研究限制包含研究範圍的限制及研究方法的限制。（一）研究範圍的限制 7.

(18) 在研究範圍上的限制中，本研究主要施測領域為「科學」領域，其研究範圍自然就鎖定在生物、物理、化學、地球科學此類對應之學科領域。例如：酸雨形成之化學反應及對自然世界之危害、日地月運行系統與潮汐關係等。所以在本研究範圍所做出之結論，無法推論到其他領域中。例如：數學、閱讀等。本研究開發之擴增實境輔助學習系統，期能推廣至其他領域做延伸式的應用，例如：數學中空間概念的單元呈現亦用行動載具之擴增實境來呈現輔助學習的內容，是否能有效協助學生提升素養能力。但其他領域之研究成果可能需仰賴重新評估學習領域之適切性以及另外規劃輔助學習系統設計流程與研究架構後施測，才能得到更精準之研究成果。不宜使用本研究範圍對其他領域做直接的推論。（二）研究方法的限制本研究使用空間能力測驗卷、科學素養試卷所得之成績進行研究資料分析，並且也透過學習態度問卷了解學生對於新型態輔助學習的感受及未來使用動機。空間能力測驗卷中，主要測定學生空間視覺及空間定位能力，測驗卷中未對於學生空間知覺（圖形辨識）做測定。而科學試題型態的試卷題目皆是以選擇題為主要出題方式，因此學生在科學素養的解答歷程、經驗及記憶提取方式、皆無法在本研究中做探究得知。在學習態度、學習滿意度問卷中也預計了解學生對本系統的使用滿意度、對科學素養的學習態度、未來使用意願，所以亦無法在本系統的易用性、有用性等面向加以推論。. 第五節、名詞釋義一、科學素養（Scientific Literacy）科學素養指的是有關「科學」的一切相關知識以及生活中使用科學有關的問. 8.

(19) 題解決能力。能擁有基本的語言能力和表達能力，理解科學觀念，知道科學的過程和方法，運用科學去解釋身邊的科學現象。科學素養的定義也隨著科技的發展持續動態改變，過往以科學、機械、數學為主，現在加入了歷史、社會、心理皆與科學有關並且彼此交互影響。但根據教育部（2003）頒布自然與生活科技課程綱要，將「科學素養」的內涵分成「科學與技術認知」、「（對）科技發展（的瞭解）」、「（科學）過程技能」、「思考智能」、「科學應用」、「設計與製造」、「科學本質(的體認)」及「科學態度」一共八項。而本研究探討之科學素養是以「科學與技術認知」以及「科學本質的體認」為主要面向。. 二、擴增實境（Augmented Reality）擴增實境是一種透過攝影鏡頭去辨識周遭環境或是圖像及符碼後，於顯示器中在真實影像上另外加上對應資訊的一種技術。過往此種技術通常只能對指定符碼做辨識，後來隨著此技術的演進，現在已能對真實環境的景象做辨識，並且產生虛擬資訊在顯示器中與真實進行互動。是一種介於虛擬實境及真實環境中的一種概念。本研究中使用的擴增實境技術是基於行動載具上的攝影鏡頭及顯示屏幕所發展，主要是能夠讓學生在科學素養之試題測驗時，透過擴增實境的技術將科學中的一些抽象概念或是平面圖行加以立體化顯示，學生只要透過行動載具對指定試題進行圖像辨識，即可將真實環境中的二維試題立體化，並且進行輔助學習。. 三、空間能力（Spatial Ability）空間能力為一種獨特能力，凌駕於一般認知能力之上。眾多學者的理論皆有專門撰寫之空間能力定義及分類。空間能力是指人類透過外在的刺激產生內在心像，並且操控產生之內在心像去解決外在問題的能力。空間能力分圖畫式思考能力與操作式思考能力，前者為對於靜態圖形完形的辨識能力，後者為對圖形及物件的移動、旋轉、展開等的操作能力。本研究中提到的空間能力係透過國立臺灣 9.

(20) 藝術大學謝如山教授所編製之空間能力試卷（2013），其內容包含空間視覺及空間定位兩大構面。. 10.

(21) 第二章、文獻探討本章主要與研究關鍵字相關的主題進行文獻探討，共分成三節。由於科學素養為本研究最主要之領域，所以首先介紹「擴增實境的教育應用」，了解擴增實境的定義及在教育上的應用，再繼續擴增實境於教育上的應用探討其發展現況及相關研究；繼續了解「空間能力」之定義及空間能力相關研究。最後探討「科技應用與科學素養的提升」，內容包括科學素養的重要性及意涵，還有科學素養與科技輔助學習等相關文獻。本章透過上述三大部分進行探討，以建立本研究的理論基礎。. 第一節、擴增實境的教育應用一、擴增實境之定義及應用擴增實境（Augumented Reality, AR），又稱擴充實境或延伸實境。是一種在顯示在螢幕上透過電腦計算機的運算把虛擬的資訊套在真實世界上的一種技術。這種技術需必須透過虛擬實境的相關設備，需要攝影機及相關運算工具，再加上顯示器，現在通常是智慧型手機，就能夠達到把真實以及虛擬結合再一起的效果，使用者產生身歷其境的感覺（薛文珍，2002）。擴增實境最被廣泛使用的通用定義有兩種。如圖 1，第一種是 1994 年保羅·米爾格拉姆（Paul Milgram）和岸野文郎（Fumio Kishino）提出的現實-虛擬連續統（Milgram's reality-virtuality continuum），他們將虛擬環境（ Virtual environment）以及真實環境（Real environment）分別成為線性的兩個極端，而中間的區域稱為混成實境（Mixed Reality, MR）。. 11.

(22) 圖 1 「真實-虛擬連續性 (Reality-Virtual Continuum)」理論 Azuma(1997)認為擴增實境是從虛擬實境變化而來的，虛擬實境指的是完全由電腦創造出來的虛擬資訊以及虛擬視覺空間，無法在其中看到真實世界的環境，而擴增實境則是使用者在真實的環境中，透過電腦在真實環境上加載虛擬圖像、資訊、物體，並透過顯示器同時顯示出攝影鏡頭真實拍攝到的真實環境，以及顯示電腦所加載的虛擬資訊。因此歸納上述對擴增實境的定義可知道，擴增實境即是透過攝影鏡頭輸入真實環境，透過顯示器輸出真實環境影像並且加載虛擬的資訊、圖片或是產生互動效果，表 2 列出擴增實境相關定義。表 2 擴增實境的定義研究者/年代. 擴增實境之定義. Azuma, Baillot, Behringer, Feiner,. 擴增實境是利用定位及影響處理的技術，將虛擬物件呈. Jukier. 現於真實世界之中。. &Macintyre.(2001) 吳鴻譯，Steven. 擴增實境提供的內容不侷限於虛擬影像，提供虛擬的聲. K.Feiner 著(2002). 音、觸覺或是嗅覺亦可視為提供擴增實境的一種。擴增實境是指把圖像和文字加到使用者觀察周遭環境. 科學人（2002）所產生的畫面上，系統會追蹤使用者頭部的位置與方向. 12.

(23) 疊上去虛擬物件，並且能對準使用者所看見的真實環境中。擴增實境的技術具有虛擬世界與真實世界的特性，具有蘇俊欽（2004）互動、空間與真實的性質。 Hollerer &Feiner(2004). 擴增實境在概念上與虛擬世界相似，兩者都是提供使用者虛擬的影像。將環境的構成分成場景與存在的兩種元素，虛擬實境的. 白益新（2006）. 場景與存在物都是虛擬的；擴增實境式電腦虛擬物體繪製在真實空間中，讓虛擬物件融入真實生活場景中。擴增實境提供了一個複合式的景觀，使用者所看到的場. 李孟軒（2007）. 景是虛實兼具的。真實場景的融入，可以提升感知的效果。在虛擬實境中使用者僅能看見虛擬的影像，無法感受周. 游志弘（2009）. 圍的真實世界；擴增實境中，使用者可以同事看到虛擬影像跟真實世界中的事物。擴增實境是由虛擬實境中延伸出來的技術，使用者進入虛擬實境的封閉空間會失去對真實環境的訊息感知，擴. 鄒壯翼（2009）增實境則在真實環境中操作虛擬物件，融入真實環境和虛擬資訊獲得更真實的感知體驗。擴增實境不打算把人的感官抽離，不企圖斷人與真實世朱乙仲（2010）. 界的關聯性，依附在真實世界裡，加上額外的資訊、互動及感官體驗。. 擴增實境的一個重要概念為：「在真實的環境進行訊息的擴充，而不是取代現實」（李孟軒，2007）。Azuma(1997)曾提出擴增實境必須具備的下列三項屬性才能稱為擴增實境： 13.

(24) （１）Combines real and virtual（將虛擬物與現實結合）（２）Interactive in real time（即時互動）（３）Registered in 3-D（三維呈現）如圖 2，此為 Azuma 所認為的擴增實境，有真實的桌子，再加上虛擬的資訊（檯燈、椅子）。. 圖 2. 真實的桌子與虛擬的檯燈和兩張虛擬的椅子. 而 Vallino 將擴增實境的顯示技術分成三類 (Vallino, 1998)：（１）顯示器呈現：最簡單的顯示方式，透過手機或是平板電腦等的攝影鏡頭以及顯示器，即可輕鬆的製作出擴增實境。（２）頭戴式影視顯示型：具有外部影像的擷取功能、定位功能，能與電腦產生的資訊以重疊的方式呈現。（３）頭戴式光學投影顯示型：與前兩者不同的地方是不產生疊合於真實的影像，而是直接投影在真實環境中，減少視訊的失真。以目前的擴增實境應用現況來看，後兩者型態的擴增實境顯示方式都有過於昂貴的問題。第一種型態，以一般手機、平板電腦作為擴增實境的顯示器的方式較為普遍，也是目前最容易取得的擴增實境方式。普及率高之外，通常手機此類. 14.

(25) 的行動載具具有衛星定位(Global Positioning System, GPS)、陀螺儀(Gyroscope)等功能，可以輔助載具辨識外在環境及位置定位，並做出更精準的加載資訊與反應。而本研究所使用的擴增實境類型，就是屬於第一種以一般顯示器顯示的類型，由於預計用於國中教育中，若是能使用容易取得的手機成為增強學習成效的輔助工具，確實相對另外兩類頭戴式的擴增實境更加降低成本並且普及。擴增實境的應用領域亦隨著科技的發展越加廣泛，Vallino(1998)認為，擴增實境可以被認為是終極的沉浸式系統，他提出了 AR 在許多領域的應用。醫療、娛樂、軍事、工程設計、機器人和遠程機器人是擴增實境技術的一些應用領域。Vallino 還表示，增強現實並不僅僅意味著一個圖形資訊在真實世界場景上的疊加，它還需要對現實世界中的場景透過攝影鏡頭的框框去取得詳細的周遭資訊，並且與使用者所關看到的有所對應即產生反應，如此的細緻。擴增實境現在已經擁有多元的應用發展，根據黃國豪（2004）的整理如下：（１）醫療訓練輔助（Kancherla et al., 1995）。（２）操作與修護（Feiner, 1993）。（３）標註與視覺化（Feiner, 1993）。（４）娛樂（Maes, 1995）。（５）軍事與航空（Wanstall, 1989）。（６）產品協同設計討論（Holger & Regembrecht, 2002）。（７）教育教學展示（Bimber et al., 2003）。（８）環境空間導覽（Rekimoto, 1997）。（９）組裝訓練（Tang et al., 1997）。（１０）使用性快速模型評估（Selim, 2000）。（１１）空間配置規劃（Morten, 2000）。本研究主要領域在擴增實境與教育展示上的結合，希望能利用擴增實境中真. 15.

(26) 實與虛擬的狀態，將科學抽象的內容立體化，呈現給受試學生，並期能提高學生在特定學習內容中的學習成效及能力提升。透過平板電腦或是手機此類行動載具，即時的將輔助學習的科學內容以虛擬的資訊傳播給受試者，受試者接收到的不再只是真實世界貧乏的平面資訊，而是能夠將教育中或測驗中主要想學習的科學概念可視化，提供受試者更加多元的感官經驗，並且依此感官經驗去提升學生之科學能力。由上述整理得知，擴增實境從 1990 年被提出之後就受到全球科學家、教育家、藝術家、醫生、工程師等所應用至各專業領域當中，擴增實境的優勢技術與不同領域需求的部分做出廣泛結合以及應用，去解決不同領域所面臨的問題抑或是將展示方式做出更多元的呈現效果。可以樂見的是擴增實境透過行動載具的迅速普及，在行動載具中使用擴增實境將應用於更全面的生活中，並且滲透我們的生活。除此之外，透過擴增實境的優勢整合於智慧手機或是平板電腦的優勢，例如：擁有最好的移動性、即時定位、水平儀、藍芽等手機特有的功能，便能將擴增實境的應用更加多變。. 二、擴增實境於教育中的應用隨著資訊科技的迅速發展，對教育工作者的最困難的任務之一是整合硬件和內容資源。在教育中使用訊息通信技術（Imformation Communication and Technology, ICT）提供了許多優勢。ICT 可以讓教師來模擬吸引力的場所和交互顯示實驗的結果，這是太昂貴或太危險在實際設置（例如核物理）(Suduc, Bîzoi, Gorghiu & Gorghiu, 2011)。然而，這些在傳統課堂中大多數的設備都是大型又笨重的設備（例如：電視、投影機、電腦等），當一個教師的教學目的是希望引發學生獲得有意義的學習，他們需要一個更強大的工具去引發學生們的生活經驗。而擴增實境就是是這樣的儀器。其產生的感官知覺伴隨著移動性的優勢，能夠提供援助給教師、學生達成使用目標。 1994 年，米爾格拉姆和岸野定義的 AR，說明了 AR 是接近真實環境 16.

(27) 的裝置(Milgram, Takemura, Utsumi, & Kishino, 1994)。它是將虛擬資訊，顯示在真實場景，使額外的真實環境中的缺失訊息呈現於現實生活中的技術(Sayed, Zayed &, Sharawy, 2011)。同樣的，一個良好的 AR 具有以下性質(Kiyokawa, Billinghurst, Campbell, & Woods, 2003)：（１）任何虛擬物件必須能夠被顯示在任何位置，例如使用者可以透過顯示器看到的虛擬物件在另一個被拍攝者的臉上。（２）虛擬物件必須和真實世界正確的結合。（３）鏡頭中的現實世界應該是自然的、清晰可見的，這是面對面的談話很重要的一件事。現今，行動裝置和一個設計的手機應用程式(Appalications, APP)可以很容易地滿足預定的視覺效果和教育目的，簡單的為使用者展示他們欲展示的內容作為為學習者安排的內容。教育工作者都投入了大量的努力，創造以擴增實境為媒介的教材，表 3 為近年各國研究者將擴增實境應用在教育中的範例。這種應用不僅幫助教師減輕了大型設備的準備，並且使目標學生獲得直觀感知的學習。在課程設計與擴增實境，學習者利用他/她的感官體驗學習教師欲達成的教學內容，這使得學習過程變得有意義。重要的是要注意，真正的生活是「立體的」，幫助我們做出與真實世界的鏈結是非常重要的。然而，傳統的教育，人們更喜歡用的是二維媒體，如黑板，書籍，文獻(Kesim & Ozarslan, 2012)。問題是二維的方法是否能傳達特定的學習內容並提高學習效果，這點是我們所懷疑的。表 3 擴增實境與教育研究者/年份 Bujak Iulian Radub, Richard. AR 在教育中的應用如何透過擴增實境體驗的訊息成為學生學. 17.

(28) Catrambonea, Blair MacIntyreb,. 習上的鷹架協助學生理解抽象的概念並提. Ruby Zhengb & Gary Golubskic.. 高學生對符號的理解。. (2013) 為教室設計擴增實境我們提出了五個原則 Sébastien Cuendet, Quentin 為：整合、提高認識、增強能力、靈活性和 Bonnard, Son Do-Lenh, Pierre 簡約。這些設計原理來自三個學習系統的特 Dillenbourg. (2013) 定功能。 AR 技術與教學內容相結合，創造了新類型 Mehmet Kesim, Yasin. 的自動化應用程序和行為，提高教學的有效. Ozarslan .(2013). 性和吸引力和學習，讓學生在真實的生活場景。. 目前有許多關於前導組織的相關研究，本研究在文獻探討中提到前導組織的原因是試圖從另一個面向來解釋本研究準備發展的擴增實境。在本研究的一個目的當中欲發展以擴增實境為輔助科學素養學習的學習素材，在這樣的前提之下，我們試圖從 Ausebel 有意義的學習理論來論述擴增實境在科學素養當中所扮演的角色。教育界對前導組織的研究有許久的時間，已經研究了前導組織的作用。 Ausebel(1960)認為，為了使新的學習內容變得有意義，並被學習者納入至既有基模(Schema)中，教師應慎重選用一些前導組織，幫助學習者透過動態影像、文字說明、圖形、問答和聽覺的描述(Lin & Chen, 2006)。前導組織有許多型態，在本研究中，我們使用了擴增實境成為科學素養輔助學習中的前導組織去幫助學生提取科學素養能力。在早期發育階段，學生認識世界事物處於前運思期和具體運思期。對他們來說，學習一些概念，透過這個真實世界的真實事物是很重要的。現實生活中的經驗是學生擁有並且了解的信息，以適當的經驗脈絡，就可將新的科學概念是透過前後經驗的傳承及統整被學習。例. 18.

(29) 如，天文星球的 3D 圖像和許多其他物理現象的相對位置。AR 技術可以幫助學生更好地學習科學概念，提升科學素養（表 3）的水平。表 4 所看到的是近幾年世界各國研究學者將擴增實境用來輔助科學學習領域的整理表。應用領域在科學中實屬廣泛，從抽象概念的天文學、或是需要大量空間能力的工程製圖，以及將化學反應的可視化(Visualization)。把化學反應當中本來看不到的分子結合的過程，透過電腦動畫等來重現、可視，輔助學童在學習科學時，不會對著看不見的東西進行知識建構。而是把這些訊息透過擴增實境的方式動態的呈現，讓學生不是只能背誦科學當中的既有知識，而能探索科學的知識的動態流程及數學當中的物件旋轉及展摺。就像廖永年（2011）所提出的圖 3 所示，在擴增實境的特色當中與科學教學的創新應用，有著許多對比的連結。例如在科學當中不易觀察的現象，可以透過擴增實境的虛擬物件來重現；空間概念的教學，可以透過三維空間的整合呈現；或是模擬情境的教學透過擴增實境的無所無不再運算和情境感知來表現。表 4 擴增實境於科學領域中的應用研究者/年份. 擴增實境輔助科學學習領域天文學（地球與太陽的關係）. Shelton & Hedley (2002). 工程製圖. Chen, Yi-Chen et al. (2011). 生態環境保育. Cheng-Hung et al.(2011). 化學反應. Patricket al. (2011) Kaufmann et al. (2012). 算術與幾何. Rafa &Cellary (2013). 化學（鹽酸和氫氧化鈉的反應）. 19.

(30) 三維空間整合輸入. 抽象概念的教學. 立體資訊整合輸入. 空間概念的教學. 虛擬與創新資訊整合. 模擬情境的教學. 虛擬物件應用三維圖像與網路語言情境感知. 擴增實境. 科學教學. 不易觀察的自然現象演變歷程的時間延展危險性的科學實驗. 無所不在的運算. 材料特殊的科學實驗. 行動定位裝置. 類比的科學概念. 互動式裝置. 科學概念與生活連接. 圖 3 擴增實境與科學教育創新應用示意圖一項研究中，參與者認為，他們不知道測試內容和測試的概念，所以他們感到焦慮。但是在測驗前的動畫轉移他的焦慮。研究訪談中還發現，測驗前的動畫預覽，增強學生的自信心和積極性(Jafari & Hashim, 2012)。大多數擴增實境的研究探討擴增實境的教學效果，較少研究在探討擴增實境在輔助學習中可能促進學習的成效。傳統輔助科學學習的工具，主要是以平面圖文的型態測試，這是值得懷疑的。因為透過平面圖文所呈現的科學概念，很可能受限於平面圖文的傳播力並不能完整的傳達一些抽象的、空間感的知識而不能真正提升學生科學相關學習成效及能力。學生無法概念化科學中的空間環境，例如：學生擁有日、地、月系統的相對位置概念，但卻可能因為紙筆科學學科試題以平面化型態來描述試題，而導致學生是因為空間能力不好，影響到科學學習的成效，科學知識或是科學素養就有可能無法被檢測出來。為了驗證不同型態的科學輔助系統是否會影響學生的理解能力，我們採用擴增實境 3D 動畫作為輔助學習的呈現教材，擴增實境的特色可以幫助學生將抽象平面的科學概念變的立體。在科學教育中幫助詮釋科學知識的內容部分，擴增實境表達抽象概念、提升探究實作性，協助不易觀察到的自然. 20.

(31) 現象，擴增實境的幫助最大（2011，廖詠年）。我們相信，擴增實境能夠給學生帶來比傳統的平面圖文提供更多科學素養的學習線索。. 第二節、空間能力本研究將以學生之空間能力為背景變項，空間智能是人類的一項重要智能。根據教育心理學家 Gardner(1983)多元智能理論所提出的八大智能中的其中一項，本節將從學生空間能力的意義了解後，探討空間能力的相關研究、最後了解科學和空間概念之間的發展。. 一、兒童發展與空間能力空間能力與人類生活息息相關，舉凡生活中眼睛所見之事物，全都有著空間的概念。例如：上下、左右、前後、遠近等。空間能力是一項重要的心智技能是無法否認的，教育心理學家 Gardner(1983)多元智能理論所提出的八大智能（如圖 4）其中一項就是空間智能（Spatial Intelligence），空間智能運用肉眼對外在的觀察與運用心眼對內在的觀察。若是在此方面有優勢的學生習慣使用心像和圖畫來思考；對環境中的物體、形狀、顏色和型態具有高度的覺察力。鄭博真（2006）定義視覺空間智能：能以三度空間思考，準確的感覺視覺空間，並表現內在的空間世界的能力。主要的內容包含：對色彩、線條、形狀、形式、空間和他們之間的關係的敏感性，以及能重現、轉變或修飾心像，隨意操控物件的位置，產生或解讀圖形訊息。. 21.

(32) 語言人際. 音樂. 多元智能. 內省. 自然. 運動. 邏輯空間. 辨別方向、走迷宮、玩拼圖、想像、繪圖、設計. 圖 4 多元智能理論. 每個人都有一種潛在的抽象心智能力使我們去吸收、組織、儲存和處理有關的環境信息(Environmental information)，而這種心智能力依年齡、發展和學習而改變，依賴每天的空間行為慢慢累積而成，稱為空間認知能力（歐陽鍾玲，1999）。也就是說，空間能力會隨著不同人的發展狀況、成長經驗而有所不同，不同的空間能力，就可能在未來解讀空間相關問題時，造成不同空間能力所產生的效果。論及兒童空間發展理論，不得不提著名的教育心理學家 Piaget(1967)，他將兒童空間概念分成三大階段：一是拓樸空間概念(Topological Stage)、二是投影空間概念 (Projective Stage)、第三階段是平面空間(Euclidean Stage)，共三個階段發展，茲以表 5 呈現。表 5 皮亞傑兒童空間概念發展與認知發展表 22.

(33) 階段. 年齡. 認知發展. 特徵. 說明. 拓樸空間概. 3-4 歲. 前運思期. 自我中心. 兒童有分離、接近、閉合、. 念. 不可逆性. 圍繞的概念，去分辨物體的. (Topological. 符號代替物體. 位置。. Stage). 知覺集中. 投影空間概. 4-8 歲. 前運思期. 自我中心. 兒童逐漸理解物體位置及物. 念(Projective. 具體運思. 不可逆性. 體的相對關係。並漸漸形成. Stage). 期. 符號代替物體. 二為和三維空間轉化，已有. 知覺集中. 幾何學的概念，但仍無法擺. 去集中化. 脫視覺影響。延一個指示物. 並存序列化. 到另一個所延伸出的投射線. 知覺守恆. 條將物體順序編碼。. 平面空間. 9 歲以形式運思. 假設演繹思考. 兒童空間理解趨近成熟，能. (Euclidean. 上. 抽象思考. 夠透過線索推理假設、從空. 系統性思考. 間迷思中找到答案，將物體. Stage). 間的空間關係統整為個體所具有的概念。由上述表 5 得知，學生空間概念順序發展，在不同的階段當中，就有不同階段的空間智能表現形態以及空間相關問題解決能力，Piaget 和 Inhelder（1967）曾對學生做了一個容器中水面的觀察實驗，期後將兒童空間發展階段分成七個階段，如表 6 整理所示：表 6 皮亞傑空間概念階層表概念階層 1. StageⅠ. 年齡 4-5 歲. 容器水面實驗觀察內容缺乏水平面概念，兒童通常以無明顯界線知團狀圓形表現. 2. StageⅡA. 5-6 歲. 在圖畫中明顯表現水的存在界線。但瓶子改變方向後，孩童察覺不到水平面與瓶壁的相對運動，而會以為瓶中水以直立的形狀隨著轉動，有時會誤認當瓶子傾斜是因為瓶中水面向瓶 23.

(34) 口升高 3. StageⅡA &ⅡB. 了解並能說出瓶子改變方向時，瓶中水會做流動，但實際以圖畫表示時，又如同前一階段的表現形態. 4. StageⅡB. 6-7 歲. 能表現瓶子傾斜後水會向瓶口流動，且不再認為當瓶子傾斜時，水量可以隨意增減及水面會永遠保持與瓶底平行，當瓶子不是正放時，孩童將無法判斷水面應有的方向，而是以為水面會因流動而呈彎曲狀. 5. StageⅡB &ⅢA. 當瓶子橫放或倒著放時，孩童能觀察水面應該是水平的現象，但當在一般的傾斜角度時，會以為水面是傾斜或是因流動而彎曲. 6. StageⅢA. 7-8 歲. 在各種放置情形下都能觀察水面永遠是水平之現象. 7. StageⅢB. 8 歲以上不需要實物的觀察，藉由記憶及心像轉換就能判定及推理出水面永遠是水平的. 表 6 中的實驗說明水面永遠呈現水平狀的科學實驗，就屬於科學素養中對外在環境中的科學現象既有事實的認知。而對不同年齡層不同空間智能的學生就有著不同的解釋能力，顯然空間能力與科學素養能力的表現上有著一定的關係。空間能力係立基於一般的認知能力之上，對外在刺激產生內在心像，進而操控心像以解決問題之能力。質言之，空間能力係指個體能夠正確觀察、辨識物體，並根據視覺所吸收的圖像記憶於腦中，且進一步透過思維想像的方式，在 2D 平面與 3D 立體之間任意的移動、旋轉或翻轉，展現出再認、保留與回憶圖像的思考能力（鄭海蓮、陳世玉，2007）。許多自然與經驗環境都受到空間能力的影響，包含內容、形狀、效用、人造程度、熟悉度都包含在內(Cohen, 2013)。國內學者陳淑敏（2011）認為兒童的發展階段並非如 Piaget 和 Inhelder 所說的階段發展，年齡到了就會自然的發展到某個階段依序質變，而是混合使用拓樸、投影、幾何三種空間能力，然後此三種能力逐漸分化的連續性過程。表 7 為兒童空間認知心智圖（陽鍾玲， 1983）： 24.

(35) 表 7 兒童空間認知心智表青春期. 形式操作. 形式操作. 期（抽象智空間慧期）國小兒童. 具體操作. 具體操作. 期（具體智慧期）學前. 前操作期. 前操作. （直覺智慧期）嬰兒. 感覺運動. 投影拓空樸間空間. 幾何空間. 感覺運動. 期（實用智空間. 固定參考系自統我中心的方向. 統合參考系統. 行動空間. 路線圖式. 測量圖式. 慧期）年齡分組. 一般智能. 空間認知. 空間關係的類. 發展. 組織水準. 型. 參考的架構. 拓樸的描述方式. 根據表 7 所繪製，學生已由知覺空間轉換為表徵及概念階段。而本研究主要研究對象為 OECD 所認定之 15 歲學生，15 歲學生在一般智能發展、空間認知的水準上都應達到形式操作的狀態，能夠對抽象物體進行心像轉換，空間概念能力不是一個年齡階段就會階段性達到的，他是一種逐漸分化並用的過程，15 歲學生可能再空間當中各項表現不一，就有可能會對需要大量空間概念的科學學習知識產生解讀能力上的影響。. 二、空間能力定義 Kelly(1928)定義了空間能力為操控心像的能力，將空間能力分為操控及辨識兩類，接著 1979 年 McGee 認為空間能力包含空間知覺（Spatial orientation）、空間定位（Spatial visualization）兩大類。到了 1983，Gardner 認為空間能力是精確的知覺世界，並對個體原有的知覺進行轉換與修改，以重建個體視覺經驗的觀點。Lohman 和 Kyllonen（1983）將空間能力分成：空間關係（Spatial relations）、空間方位（Spatial. 25.

(36) orientation）及空間視覺化（Spatial visualization）。Linn 和 Petersen（1985）則分成：空間知覺（spatial perception）、心理旋轉（mental rotation）、空間視覺化（spatial Visualization）。綜上所述，空間能力為個人總體能力中的一部分，協助我們經驗外在世界，並將其外在透過內在運行抽象思考，將物體位置旋轉、移動、改變方向，甚至運用僅有之空間線索做內在心像的空間推測。下表 8 為空間能力之定義，而表 9 為空間能力的向度分析：表 8 空間能力定義研究者 Thurstone（1938）. 空間能力的定義在心中記住一個空間圖像，並在腦海中扭轉、移轉，或者是旋轉這個圖像至一個新的位置，再將此變動過的圖像與研究者所提供之圖像進行比對的能力。. Guildford & Lacey（1947）一種能夠在心裡想像物體的旋轉，以及在平面上想像物體被展開後的平面圖或是摺起後的立體圖形，或是一種了解空間中物體位置改變之關係的能力。. French（1965）. 能夠了解物體在三度空間中移動圖像的能力。. McGee（1979）. 面對一個以圖像呈現的刺激物時，能在心中做操弄、旋轉、扭轉或翻轉的能力；能理解及操作物體位置之關係，也就是在面對所呈現的空間輪廓或方位改變時，不至於會暈頭轉向的空間方位能力. Gardner（1983）. 精確的知覺世界，並對個體原有的知覺進行轉換與修改，以重建個體視覺經驗的觀點，即使是在缺乏一些相關物理刺激的情況下，也能進行這些操作. 26.

(37) Lord（1987）. 在思考時產生心像以及轉換、變化心像的能力。. 丁振豐（1994）. 一種對心像操弄的能力. 李琛玫（1996）. 能正確的辨識、觀察、透視圖形，而且能將圖形記憶在心中，然後在心理「想像」性的操弄、變化圖形的能力. 戴文雄（1998）. 空間能力係指個體因人而異之揣想或思考三度空間，以及依據圖解或圖案在心裡想像或做物體旋轉、移動及改變方向、位置的抽象能力. 康鳳梅（2002）. 空間能力涵蓋認知能力，超越了如記憶、複製或配對等認知能力，它含有感觀、記憶、邏輯思考以及創造性空間思考之能力. 表 9 空間能力向度分析. 研. 究. French（1951）. 者. 空間能力的向度分析空間能力應該至少包含空間（spatial）因子、定位 (orientation)因子、視覺(visualization)因子等三個因子。. Piaget and Inhelder（1971）圖畫式思考能力和操作性思考能力。。. McGee（1979）. 空間方位（Spatial orientation）、空間視覺化（Spatial visualization）。. Bishop （1983）. 解讀圖形資訊的能力(interpreting figural. 27.

(38) information，IFI)、視覺處理能力(visual processing， VP)。. Liben（1981）. 空間思考（spatial thought）、空間儲存（spatial storage）及空間成品（spatial product）。. Pellegrino and Kail（1982）空間關係及空間視覺。. Lohman and Kyllonen. 空間關係（Spatial relations）、空間方位（Spatial. （1983） orientation）及空間視覺化（Spatial visualization）。 Linn andPetersen（1985）. 空間知覺（spatial perception ）、心理旋轉（mental rotation ）、空間視覺化（spatial Visualization ）。. McCormack（1988）. 空間感觀（Spatial Perception）、空間記憶力（Spatial Memory）、邏輯空間思考（Logical Spatial Thinking）、創造性空間思考（Creative Spatial Thinking）。. 戴文雄（2003）. 空間知覺、空間辨識、空間旋轉、空間組織和空間推理五種. 張鳳梅（2003）. 空間定位能力、空間關係能力、空間感觀能力、空間視覺能力和空間組織能力五種. 洪志盈、鍾瑞國（2003）. 辨認覺察能力、移動旋轉能力、空間推理能力. 28.

(39) 三、空間能力與科學教育空間能力的高低與抽象思考、數理、科學、繪圖能力等有密切的關係，特別是在研究數學、科學、藝術與工程時更是如此，即使在日常生活中，看路標或地圖時，也需要使用到空間能力(Stanic & Owens, 1990)。空間能力在複雜的學習與工作環境中造成個別差異，在造型專業上的發展、創造性成就發展，空間能力被忽略(Lubinski, 2010)。天文的學習涉及時間、空間及運動方面的探討，其中太陽、月亮、地球三者之間的運動關係，屬於抽象的概念，此和學生的空間能力有很大的關係。存在有許多學生不易了解的抽象概念，因此學生往往難以建立正確的概念（翁雪琴，1994）。陳玉玲、井敏珠、周宣光（2005）研究顯示，空間能力與學習方式有交互作用的存在，在學生學習地球的運動時，不管是透過個別學習還是合作學習的學習模式，高空間能力的學生在透過不同的教學模式下比低空間能力的學生擁有較好的學習成效。科學教育發展多年，科學的範疇也包含的越來越廣，從一般學科生物、物理、化學、數學到地球科學，多數領域都會運用到空間能力。例如：消化系統在人體內的相對位置、心臟血液流動的方向和腔室位置辨別；物理當中加速度、離心力間速度的關係、化學個分子結構的組裝、數學幾何旋轉空間概念到地球科學太陽地球月球的相對位置及旋轉，這些都可能受到空間能力的影響。表 10 為近期空間能力與科學的相關研究：表 10 空間能力與科學研究者 Münzer, Seufert & Brünken.(2009). 研究主題從多媒體展示中學習：動畫及空間能力的促進. 29.

(40) 作用. 空間能力和 STEM：一個沉睡的巨人對人才識 Lubinski. (2010) 別與發展. Moreau. (2012). Hung, Hwang, Lee, & Su.(2012). Gutierrez, Trujillo, & Gonzalez.(2013). 培養空間能力：評論和前瞻性的研究趨勢. 認知成分分析法應用於開發遊戲為基礎的空間學習工具. 擴增實境應用程式協助空間能力的培養：頭盔顯示器與電腦屏幕使用研究. 四、空間能力與擴增實境空間能力與擴增實境之關聯，本研究將空間能力當中三維空間結構的概念及空間能力指標比較討論。三維空間結構中的「3D 旋轉」及「視點移動」。此兩個空間能力指標定義如下：（一）3D 旋轉：能正確選出物體在旋轉後正確位置的能力（二）視點移動：能從不同視點判斷正確圖形的能力又根據鍾瑞國、洪志盈（2003）提出的國小學生空間能力項度中能力向度分項有三項，如下圖 5 分類，分別為：(1)辨認覺察能力；(2)空間推理能力；(3)移動旋轉能力三項，其中第一項「辨認覺察能力」又分為：(1)一般知覺辨別能力；(2) 空間關聯記憶能力兩項。在行動載具中的擴增實境去疊加 3D 模型資訊的時候，多會搭配不同的控制功能。而這些功能與空間能力有所對應的主要是「視點轉換」與「旋轉模型」兩種，如表 11： 30.

(41) 一般知覺辨別能力辨認覺察能力空間關聯記憶能力空間推理能力. 空間類比推理能力. 移動旋轉能力. 空間旋轉展摺能力. 圖 5 國小學生空間能力向度表 11 空間能力與行動載具操作方式對應表功能特色輔助學習內容操作方式. 對應空間能力視角轉換. 旋轉模型. 拿真實模型. 可以. 可以. 視點移動、3D 旋轉. 移動手機滑動虛擬模型. 可以. 可以. 視點移動、3D 旋轉. 固定手機滑動虛擬模型. 無法. 可以. 3D 旋轉. 移動手機固定虛擬模型. 可以. 無法. 視點移動. 觀看 3D 影片. 無法. 無法. 無. 在科學教育中幫助詮釋科學知識的內容部分，擴增實境表達抽象概念、提升探究實作性，協助不易觀察到的自然現象，擴增實境的幫助最大（2011，廖詠年）。學生的空間能力有高有低，不同空間能力之學生學習同樣的抽象概念，一定會有成效上的差異。從傳統科學教學當中所面臨的問題來說起，科學當中有許多很難單純透過口說、文字所描述的抽象概念、空間概念、不易觀察的自然現象或是圍觀資料需要傳遞。江淑卿（1999）提到「圖解」是一種結合空間與語文的表徵。因此閱讀者透過可透過語文系統獲得意義和訊息，更可以從圖片當中提取空間系統的心像表徵來幫助快速接觸知識和提取訊息，協助理解科學相關概念。黃雅彬（2004）的研究發現圖片能夠輔助文字來協助學習，讓某些對文字推理能力較差. 31.

(42) 的學生能夠利用這些圖片進行推理，以形成腦中的心智模型；對文字推理能力較強的學生而言，圖片的提供，能讓他們修正或加強腦中的心智模型。同樣的概念轉化為本研究的觀點，或許我們可以藉此推論空間能力較差的學生，3D 立體模型的呈現更能取代傳統靜態圖片的的動態效果，以達到我們希望他們能夠達到的學習目標。陳明鴻（2006）一篇對於國中生物遺傳單元的相關研究中說明了生物課本當中插圖的協助學習的重要性，其傳統生物科教學最常使用的輔助教學媒體即是圖片，但他認為圖片所能表現的概念有限，每個學生對「圖」的認知也都不一定相同。對於動態實況的呈現，例如胃的蠕動、細胞分裂、精卵受精等只能以連續圖片來說明，讓學生自行發揮想像力，同一張圖每個學生「看到」的可能都不相同。所以必須透過資訊的方式來呈現靜態圖文無法達到的心智概念及模型，來協助學生進行學習。此外，許朝貴（1994）在分析國一學生理解人體血液循環路徑的困難的研究中指出，學生無法對圖片做適當的建構或忽略圖片中的某些訊息，使得圖片輔助理解概念的功效降低。所以他建議生物圖形在輔助學生學習時，教材應該以立體的方式呈現，以引導學生建立正確概念。因為學生大多由圖片外表特徵來記憶或辨別構造的種類或形狀，然而由於圖片大多以平面方式呈現構造特徵，容易誤導學生對真實構造的了解或忽略圖片所呈現的主要特徵。當然，真實的教具，擁有最立體的呈現效果，也有著許多教學上的特點及優勢。國立教育資料館（2006）提出立體教具的功能有下列幾點：（1）提供具體經驗，擴展經驗範圍；（2）引發學習動機，吸引注意力;（3）傳送具體真實訊息，不受時空限制；（4）提供團體及個別學習；（5）改變學習態度，促進學習互動的優勢。除了上述的優勢，教具卻也伴隨著一些問題。這些問題包含了製作不易、無法大量製作、不便於攜帶、製作成本高昂等。所以替代方式是選擇資訊科技輔助的方式呈現學習素材，數位化除了可以達到上述教具的多數特色之外，方便、迅速、資源共享、不限時空、不限對象的特性都更勝傳統立體教具，更可節省時間、節省經費，打破傳統教具 32.

(43) 多數的缺點，並且提升學習效果（張梅鳳，2004）。但為了防止資訊融入教學的方式只是學生被動的去接受動態影像的傳遞，淪為 ppt 動畫的播放或是行動載具的中對動畫的播放，「有意義的多媒體展示」或隱喻(Metaphor)（陳香吟、張國恩、宋曜廷、梁恆正，2003）是非常重要的。唯有高互動性的多媒體教材才能吸引學生的注意力、提高學習興趣。而擴增實境在辨識圖像之後的互動元件，可以透過學習者「主動的」去控制旋轉的方向，或是觀看視角，並且搭配紙本學習素材，這樣的輔助學習流程，或許更加提升了學生的學習興趣及信心。擴增實境的運用，除了讓各種需要視覺專業能力判斷之知識學習提供突破性的體驗之外，更能夠讓人們藉由自調式（Self-Regulated）的學習模式，滿足自我學習之個別需求，讓學習發生在自己主動性的行為之下，發揮個人化與適性化的後設認知鷹架作用（Meta-Cognitive Scaffolding）(Berthold, Steinder & Albert, 2012)。這與本研究設計之擴增實境輔助課後學習的學習概念類似，我們都在促使學生在學校課程（正規課程）之後，能有主動複習、主動學習的情況產生，以達到精熟學習的目標。學生有完整的自由意識去操控他面對的學習教材。當然本研究之所以選擇則擴增實境為主要學習教材呈現方式，而不選擇直接在行動載具上作呈現，也根據學者陳志銘、蔡雁農（2011）提出解釋：如表 12，相較於數位學習或是虛擬實境(VR)， AR 可產生更多逼真的體驗，AR 利用虛擬的 2D 或 3D 物件結合實體環境，具有比數位學習及 VR 更顯著的互動效果，因此 AR 可以提升對學習的吸引力，而改善學生的專注力和學習動機(Sumadio & Rambli, 2010)，同時 AR 的建置成本也較 VR 略低(El Sayed & Sharawy, 2011)。表 12 不同學習模式比較表. 學習場域與意. 實境. 數位學習. 擴增實境. 學習環境. 真實環境. 虛擬世界. 虛擬世界+真實世界. 學習意涵. 透過真實環境中. 藉由網際網路進. 結合真實紙本外. 33.

(44) 涵. 的科學概念現象. 行知識建構. 去建構知識成本考量互動效果. 加虛擬資訊進行知識建構. 實施人力. 高. 低. 低. 設計人力. 低. 中. 中. 課程更新. 易. 中. 中. 設計經費. 低. 中. 中. 互動性. 低. 低. 高. 趣味性. 中. 低. 高. 抽象概念等無法具像化（染色體看不到）. 互動性低、較無聊. 缺點. 第三節、科技應用與科學素養的提升一、提升科學素養為國家重要目標全球參與 OECD 所舉辦全球性 PISA 素養測驗的國家越來越多，目前已經有 60 多國參與評鑑，由此可知，全球各國政府無不希望透過此測驗來了解自己國家的教育政策是否有真實的反應在國家中學生的身上，投入的教學資源、教育經費在未來國家棟樑的身上有沒有發揮成效。而科學素養就是一個影響整體國家競爭力的一項重要指標，他跟人類生活息息相關，舉凡生活中用到的科學、學科中的自然、數學、技術、物理、化學等領域，大到跨領域科學的統整與認知都是科學素養的範疇，除此之外，不只只是對外在既有科學知識的認知，個人的「能力」也重要，這裡指的能力是抽象的內在能力，包含如何形成科學議題（面對疑問有辦法自己找出答案嗎？）、如何去解讀一些證據或數據來佐證等。這樣從外在到內在；從個人到全體社會、從認知到呈現出來的態度，對一個人的未來、一個社會的未來都有著全面性的影響。可想而知，各國政府於此所下的功夫有多希望能夠擁有豐碩成果。而本研究期自己能在這波提升國內科學素養的前景中能發揮一些效果。. 34.

運用擴增實境輔助科學學習對不同空間能力及 學習態度學童之學習成效影響

運用擴增實境輔助科學學習對不同空間能力及學習態度學童之學習成效影響