數位學習環境與鷹架策略對國中凸透鏡成像單元學習成效與動機之影響

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(1)國立臺灣師範大學資訊教育研究所碩士論文. 指導教授：陳明溥博士. 數位學習環境與鷹架策略對國中凸透鏡成像單元學習成效與動機之影響. 研究生：鄭嘉鴻撰中華民國 103 年 7 月.

(2) 數位學習環境與鷹架策略對國中凸透鏡成像單元學習成效與動機之影響鄭嘉鴻摘要. 本研究旨探討在不同的數位學習環境 (擴增實境、虛擬環境)及鷹架策略(程序鷹架、反思鷹架)對於學習者在自然科凸透鏡成像單元的學習成效與學習動機之影響。本實驗研究對象為國中一年級學生，研究設計採因子設計之準實驗研究，自變項為「數位學習環境」及「鷹架策略」，有效樣本為 103 人。數位學習環境依照環境的不同分為「擴增實境」及「虛擬實境」；鷹架策略依照提示方式不同分為「程序鷹架」及「反思鷹架」。依變項為該單元之學習成效及學習動機。研究結果發現：(1) 就知識理解而言，擴增實境組學習者搭配反思鷹架在知識理解表現上優於虛擬實境組學習者搭配反思鷹架，而虛擬實境組學習者搭配程序鷹架在知識理解表現上優於虛擬實境搭配反思鷹架組學習者；就知識應用而言，學習者在擴增實境學習環境中比起虛擬實境學習環境有更好的知識應用表現，而學習者在程序鷹架策略中比起反思鷹架策略有更好的知識應用表現；(2) 在動機方面，學習者在不同的數位學習環境皆抱持正向的學習動機，其中擴增實境學習者有較高的參與動機表現。. 關鍵詞：凸透鏡成像課程、擴增實境、鷹架策略、體驗式學習. i.

(3) The Effects of Digital Learning Environment and Scaffolding Strategies on Junior High School Students’ Performance in and Motivation toward Learning of Convex Lens Image Forming. Chia-Hung Cheng. Abstract The purpose of this study was to investigate the effects of different digital learning environments and scaffolding strategies on junior high school students’ performances in and motivation toward learning of convex lens image forming concepts. A quasi-experimental design was employed and the independent variables were types of digital learning environments and scaffolding strategies. While the digital learning environments consisted of the augmented reality and the virtual reality environments, the scaffolding strategies were the procedural scaffolding and the metacognitive scaffolding. The dependent variables were the students’ learning performance and motivation. The participants were 113 seventh graders and the effective sample size was 103. The results revealed that (a) for knowledge comprehension performance, the augmented reality group outperformed the virtual reality group while using the metacognitive scaffolding, and the procedural scaffolding group outperformed the metacognitive scaffolding group while using the virtual reality environment; for knowledge application performance, the augmented reality group outperformed the ii.

(4) virtual reality group, and the procedural scaffolding group outperformed the metacognitive scaffolding group; (b) as for learning motivation, participants showed positive motivation toward the employed learning environments and the augmented reality group revealed higher degree motivation than the virtual reality group.. Keywords: Convex lens image forming learning, digital learning environment, scaffolding strategies, experiential learning cycle.. iii.

(5) 誌謝時間過得好快，轉眼間又到了鳳凰花開的日子。還記得收到師範大學入學通知單的那一晚，喜極而泣之餘卻又感覺到一絲絲不真實感，我真的錄取了師範大學嗎?我真的夠資格讀碩士嗎? 一切的煩惱都在我開始碩士生涯後有了答案，第一天踏入師範大學資訊教育所大門，與各 lab 的學長姐們攀談過後發現每間 lab 所從事的研究領域都令人覺得興奮且嚮往，但其中 CSL 擴增實境尤其吸引了我，因為實在是太有趣了，從那時候起我就堅信 AR 擴增實境一定是未來不管教育、遊戲、觀光等各產業上的趨勢，於是選定了 CSL 實驗室。一開始進入 lab 跟著學長姐們與老師進行 Meeting，每次的報告或是會議雖然都讓我害怕的上氣不接下氣、滿臉通紅，但陳明溥教授所給的建議每每都如醍醐灌頂般指引我正確的方向。身旁的同屆夥伴們邦捷、日薇、思汝在這兩年期間的相互鼓勵、扶持亦是我繼續前進十分重要的動力，學長姐們靖怡、京翰、寶萱、怡帆、欣垚、偵益、承哲、燕欣、映汝、湘儀都是我這兩年期間能夠順利畢業的重要推手們。謝謝學弟們在實驗中的支援幫忙。所辦的助教嘉玲、美文。GLRG、 CSE 實驗室同學們一起吃飯、閒聊放鬆的時光及旬果視窗無時無刻提供的舒壓管道。再來就是碩士生涯中對我幫助莫大的經益學長，如果沒有經益學長的鼓勵、想法、工廠、技術及支持，這篇論文絕對不會以現在這種姿態呈現。最後，我一直覺得自己是個幸運的人。生在一個幸福的家庭，父母、兄弟及姊姊所給予我的鼓勵都是我最大的精神支柱。現在的我可以篤定的回答兩年前自己的疑惑，我是有資格就讀師範大學的、我是有能力背負師範大學畢業生頭銜的。因為這兩年中指導教授教給我的辦事邏輯、態度或是做研究的流程、架構及表達能力等。我想這些東西在我往後的人生上都是最重要的瑰寶，而今日的我也將承襲這所有的能力，在未來裡努力的為台灣社會盡一份微薄的力量，讓台灣成為一個更美好的國家。. iv.

(6) 目錄摘要.................................................................................................................................. i Abstract .......................................................................................................................... ii 誌謝................................................................................................................................ iv 附表目錄....................................................................................................................... vii 附圖目錄........................................................................................................................ ix 第一章緒論 .................................................................................................................. 1 第一節研究背景與動機....................................................................................... 1 第二節研究目的與待答問題............................................................................... 4 第三節研究範圍與限制....................................................................................... 5 第四節重要名詞釋義........................................................................................... 7 第二章文獻探討 ........................................................................................................ 10 第一節科學學習................................................................................................. 10 第二節數位學習環境......................................................................................... 15 第三節體驗式學習............................................................................................. 20 第四節鷹架學習理論......................................................................................... 24 第三章研究方法 ........................................................................................................ 29 第一節研究對象................................................................................................. 29 第二節研究設計................................................................................................. 31 第三節實驗流程................................................................................................. 51 第四節研究工具................................................................................................. 53 第五節資料處理與分析..................................................................................... 56 第四章結果與討論 .................................................................................................... 62 第一節凸透鏡成像單元學習成效分析............................................................. 62 第二節凸透鏡成像單元學習動機分析............................................................. 69. v.

(7) 第五章結論與建議 .................................................................................................... 82 第一節結論......................................................................................................... 82 第二節建議......................................................................................................... 86 參考文獻....................................................................................................................... 90 中文部分............................................................................................................... 90 英文部分............................................................................................................... 92 附錄............................................................................................................................. 97 附錄一. 程序鷹架組實驗學習單 .............................................................................. 98. 附錄二. 反思鷹架組實驗學習單 ............................................................................ 103. 附錄三. 凸透鏡成像學習成效測驗 ........................................................................ 107. 附錄四. 學習動機問卷 ............................................................................................ 111. vi.

(8) 附表目錄表 2-1 各學者對於透鏡成像的迷思概念整理 .......................................................... 12 表 3-1 教學分組及各組人數分配表 .......................................................................... 30 表 3-2 「凸透鏡成像單元」之主要概念、學習目標與認知層次分類表 .............. 34 表 3-3 體驗式循環意義與擴增實境融入規劃……………................................ . ......39 表 3-4 光狙擊龍戰士實驗第一關任務操作說明規劃 .............................................. 42 表 3-5 光狙擊龍戰士實驗第二關任務操作說明規劃 .............................................. 43 表 3-6 光狙擊龍戰士實驗第三關任務操作說明規劃 .............................................. 43 表 3-7 凸透鏡成像單元學習成效測驗卷測驗卷內容向度、題數分配及信度係數 53 表 3-8 凸透鏡成像單元學習動機之問卷內容向度、題數分配及信度係數 .......... 55 表 4-1 凸透鏡成像單元學習成效之分組狀況敘述統計 .......................................... 63 表 4-2 凸透鏡成像單元分項成效表現之共變量矩陣等式 Box 檢定...................... 64 表 4-3 凸透鏡成像單元知識理解、知識應用學習表現分項之多變量檢定 .......... 64 表 4-4 各組對凸透鏡成像單元學習成效表現之二因子多變量變異數分析摘要 .. 65 表 4-5 各組對凸透鏡成像單元知識理解之單純主效果變異數分析摘要 .............. 67 表 4-6 凸透鏡成像單元學習成效分析結果摘要 ...................................................... 67 表 4-7 凸透鏡成像單元學習動機價值成份之平均數摘要 ...................................... 70 表 4-8 化學反應課程概念分項價值成分動機表現之共變量矩陣等式的 Box 檢定72 表 4-9 凸透鏡成像單元價值成分動機分項之多變量檢定 ...................................... 72 表 4-10 各組對凸透鏡成像學習價值成分動機分項表現二因子多變量分析摘要.. 73 表 4-11 數位學習環境與鷹架策略對凸透鏡成像單元工作價值之單純主效果變異數分析摘要表............................................................................................................... 75 表 4-12 凸透鏡成像單元學習動機期望成份之平均數摘要 .................................... 73 表 4-13 凸透鏡成像概念分項期望成分動機表現共變量矩陣等式的 Box 檢定.... 77 vii.

(9) 表 4-14 凸透鏡成像單元期望成分動機分項之多變量檢定 .................................... 77 表 4-15 各組對凸透鏡成像學習價值成分動機分項表現二因子多變量分析摘要 . 78 表 4-16 數位學習環境與鷹架策略對凸透鏡成像單元自我效能之單純主效果變異數分析摘要表............................................................................................................... 80 表 4-17 凸透鏡成像單元學習動機表現分析結果摘要 ............................................. 81. viii.

(10) 附圖目錄圖 2-1 擴增實境與真實世界及虛擬環境比較 .......................................................... 16 圖 2-2 體驗式循環四階段流程圖…. .......................................................................... 22 圖 2-3 ZPD 近側發展區 ............................................................................................... 25 圖 3-1 數位學習環境對國中凸透鏡成像單元學習之研究設計架構圖 .................. 31 圖 3-2 凸透鏡成像單元課程相關概念知識架構圖 .................................................. 34 圖 3-3 Unity3D-遊戲引擎編輯介面 ............................................................................ 35 圖 3-4 Autodesk 3ds Max 之 3D 模型編輯介面圖 ..................................................... 36 圖 3-5 UnityScript 編輯介面........................................................................................ 36 圖 3-6 凸透鏡成像組裝圖 .......................................................................................... 37 圖 3-7 凸透鏡成像實驗操作圖 .................................................................................. 38 圖 3-8 遊戲情境說明 .................................................................................................. 40 圖 3-9 遊戲操作介面 .................................................................................................. 44 圖 3-10 具體經驗階段操作介面 ................................................................................ 45 圖 3-11 反思觀察階段操作介面 ................................................................................ 46 圖 3-12 抽象概念階段操作介面 ................................................................................ 47 圖 3-13 主動驗證階段錯誤回饋介面 ........................................................................ 48 圖 3-14 主動驗證階段操作介面 ................................................................................ 48 圖 3-15 學習者使用實體教具操作凸透鏡成像實驗 ................................................ 49 圖 3-16 學習者透過平板電腦觀看凸透鏡成像實驗輔助資訊 ................................ 49 圖 3-17 學習者使用平板電腦填寫實驗學習單 ........................................................ 50 圖 3-18 學習者使用平板電腦學習 ............................................................................ 50 圖 3-19 「光狙擊龍戰士」實驗教學活動流程圖 .................................................... 51 圖 3-20 基礎概念教學後進行實驗操作活動 ............................................................ 52 ix.

(11) 圖 3-21 凸透鏡成像單元概念分項成效表現分析流程圖 ........................................ 56 圖 3-22 凸透鏡成像單元學習動機價值成分分項成效表現分析流程圖 ................ 58 圖 3-23 凸透鏡成像單元學習動機期望成分分項成效表現分析流程圖 ................ 60 圖 4-1 數位學習環境與鷹架策略凸透鏡成像單元知識理解之交互作用圖 .......... 66 圖 4-2 數位學習環境與鷹架策略凸透鏡成像單元工作價值之交互作用圖 .......... 74 圖 4-3 數位學習環境與鷹架策略凸透鏡成像單元自我效能之交互作用圖 .......... 79. x.

(12) 第一章緒論本章分別就本研究之研究背景與動機、研究目的與待答問題、研究範圍與限制及重要名詞釋義等四個小節分別進行探討。. 第一節研究背景與動機自然科學教育一直是國內相當重視的課程之一，九年一貫課程綱要指出自然與生活科技領域課程主要目的為培養學生對於科學探索的興趣和熱忱並且能夠應用於現在及未來的生活當中，另外對於觀察、規劃、實驗、歸納、創造等各種能力，希望可以藉由學習中的教學活動、實際的實驗操作等幫助學生學習，期許學生以探究和實作的方式進行，強調手腦並用養成設計與製作兼顧的能力(教育部，2008)。因此，自然科學是人們所需具備的基本能力，在教育上更是扮演了十分重要的角色。隨著資訊科技的日趨進步，教師在課堂中的教學早已與過去不同，從前教師礙於手邊工具的匱乏，對於難以用口語闡述的概念或是現象，例如：光是直線前進的、電磁波的行進方向等，多半只能盡力解釋並且請學生運用想像力建立抽象的概念。使用數位模擬幫助學習者學習，可以有效幫助學習者看到難以用肉眼觀察的現象並且建構抽象概念(Gorsky & Finegold, 1994)。利用這些數位模擬工具，不但可以提升教學效果，幫助學習者建構完整的知識概念，更可以讓教學變得生動有趣，使學習過程更符合個別化的需要，彌補過去傳統教學的缺點(董家莒， 2000)。國中理化科由於學習難度較高，因此常常成為學生在學習中感到害怕的科目。為了改變這樣的教學現況，必須從課程的教學方式進行改變，例如：課程的創新教法、學習環境的改變及教學載具的創新等(楊明獻，2008)。Coker 與 White (1993)指出，今日的教師應致力於營造適合學生學習的環境及有效的學習方式，使學習者可以在良好的環境下主動的進行學習。凸透鏡成像課程在國中的理化課 1.

(13) 程中屬於較艱深的單元，探究其原因為學生難以想像光的型態，因此較難建構出學習概念。雖然學習者在日常生活中有許多接觸光學的經驗，但由於光不具有可接觸、可觀察的特性，因此學生很可能會發展出許多個人的想法及概念(何嘉峻， 2003)。若能善用數位科技將那些難以建構的概念以虛擬動畫或是遊戲化的方式呈現，對於自然科中抽象概念的學習將會有很大的幫助。. 過去幾年中，許多應用數位模擬、動畫影片等方式的研究已被許多研究者證明對於學習自然科學實驗是有趣且有效的(Gorghiu, Gorghiu, Dumitrescu, Olteam, Bîzoib & Suducb, 2010)。Tatli 與 Ayas (2010)指出，使用數位模擬等虛擬環境的教學實驗活動，雖然能夠提升學習成效，但卻有部分學習者認為實際進行操作的真實體驗比起虛擬環境中的操作流程會更容易幫助學習。擴增實境具備結合虛擬環境及真實世界兩個情境的特色，使之能夠在真實世界中操作虛擬的物件資訊。透過此特點，可以在進行教學活動的實驗器材加上虛擬資訊，進一步提供學習者在操作實驗過程中更多的輔助資訊 (Fiorentino, E-Uva, Gattullo, Debernardis & Monno, 2014)。擴增實境提供了模擬實驗教學嶄新的學習方式，相較於虛擬實驗，擴增實境可以進一步提供學習者自我探索，並且與真實環境結合的可能性，這對於一些較具抽象概念的實驗課程有很大的幫助。擴增實境亦廣泛使用在許多產業上，例如：教育、遊戲、醫療及工程中，其中遊戲與教育結合更是近年來數位教育發展的重點。Cheng 和 Su (2012)指出，若能在遊戲化的學習環境中進行學習，學習者可以融入遊戲情境中並且反覆進行學習內容操作，除了可以有效提升學習者的興趣之外，還可以幫助學習者完成學習目標。Lopez-Morteo 與 Lopez (2007) 指出，遊戲本身所具備的聲光效果及趣味性，可以引發學習者挑戰新事物的好奇心，進而有效地促進學習者習得新知識及提升學習動機。因此，若能結合擴增實境與遊戲在教學課程中，應能幫助學習者在學習過程中的興趣及注意力，進而提升對於學習內容的吸收程度。擴增實境若結合遊戲應用在教育上應可以帶給學習者不一樣的感官體驗，不同於傳統講述式教學法，可以帶給學生更豐富的學習輔助資訊及關卡挑戰性。不 2.

(14) 過，若擴增實境太過於侷限在遊戲的聲光效果及動畫影片，將會偏離擴增實境遊戲的主軸(Egenfeldt-Nielsen, 2007; Sweetser & Wyeth, 2005)。對於一開始接觸擴增實境的初學者而言，提供明確的教學活動指引，可以使學習者將焦點放在待解決的學習任務上，可有效降低學習者的認知負載(Hill & Hannafin, 2001)。因此，若能在擴增實境遊戲中加入適切的鷹架輔助，一方面可以確保學習者不會因遊戲的聲光效果而忽略了學習內容，另一方面可以幫助學習者逐步地完成學習任務(李紋綺，2005)。此外，Kolb (1984)的體驗式學習理論認為，學習是經由學習者自身的經驗轉化而來，其體驗式學習循環包括：具體經驗 (Concrete Experience)、反思觀察 (Reflection Observation) 、抽象概念 (Abstract Concept) 和主動驗證 (Active Experimentation)等四個階段。透過此四個學習階段，學習者融入體驗式架構並且在與不同的數位模擬與鷹架策略結合下，應可以有效提升學習者在凸透鏡成像單元的知識學習成效與學習動機。因此，本研究採用體驗式學習模式做為學習架構，探討不同的數位學習環境 (擴增實境、虛擬實境)與鷹架策略(程序鷹架、反思鷹架)對於國中一年級學生在凸透鏡成像單元的學習成效及學習動機的影響，期望能藉由數位科技的輔助，讓學習者體驗有趣的實驗內容，並有效促進學習理解與應用。. 3.

(15) 第二節研究目的與待答問題本研究之目的在探討學習者在不同的數位學習環境(擴增實境、虛擬實境)及不同的鷹架策略(程序鷹架、反思鷹架)，對於國中一年級學生在凸透鏡成像單元的學習成效及學習動機的影響。研究目的與待答問題分述如下：. 壹、研究目的本研究之目的有二：一、探討不同的數位學習環境(擴增實境、虛擬實境)及不同的鷹架策略(程序鷹架、反思鷹架)對於國中一年級學習者在自然科凸透鏡成像單元學習成效(知識理解、知識應用)的影響。二、探討不同的數位學習環境(擴增實境、虛擬實境)及不同的鷹架策略(程序鷹架、反思鷹架)對於國中一年級學習者在自然科凸透鏡成像單元學習動機(價值成分、期望成分)的影響。. 貳、待答問題本研究針對研究目的所提出之待答問題有二：一、不同的數位學習環境(擴增實境、虛擬實境)及不同的鷹架策略(程序鷹架、反思鷹架)對於國中一年級學習者在自然科凸透鏡成像單元學習成效上是否有差異? 二、不同的數位學習環境(擴增實境、虛擬實境)及不同的鷹架策略(程序鷹架、反思鷹架)對於國中一年級學習者在自然科凸透鏡成像單元學習動機上是否有差異?. 4.

(16) 第三節研究範圍與限制本研究為配合教學活動之設計與進行，在研究對象、學習內容、教學時間與環境及評量方法有以下之研究範圍與限制：. 壹、研究對象本研究對象為國中一年級學生，常態分班，年齡介於 13 至 14 歲間，之前並未接觸過理化相關課程，因此未具備做自然科學實驗的經驗。此外，各班性別人數比例相等，具有代表性並且符合常態分配的基本假設。由於本研究之實驗學校位於桃園縣，並非市中心之學校，亦不是山區學校。學生雖對於平板電腦的使用經驗上不熟悉，但在教學實驗第一堂課時會給予學生操作說明及練習，因此數位科技的熟練度差異不在此做深入探討與研究。. 貳、學習內容本研究之實驗教學內容為根據教育部國民中小學九年一貫課程綱要「自然與生活科技學習領域」中的「光的折射與透鏡」單元編撰而成，教材內容與學習單設計完成後皆經自然科專任教師校閱修訂完成。本研究之教學範疇主要包含：「凸透鏡成像名詞定義」、「凸透鏡成像定理」及「凸透鏡成像實驗操作」等三個學習概念。依難易度區分為低、中、高，本研究之教學重點在於讓學習者了解凸透鏡的基本概念及實驗的進行流程。. 參、教學時間與環境本研究為配合參與研究之班級授課進度及教學時間，學習者進行學習活動之歷程共 105 分鐘。本研究之實驗地點為施測班級原教室，每位同學皆在自己熟悉的環境中進行學習，並非在傳統實驗室中進行，故研究結果推論需考量此差異。肆、評量方法 5.

(17) 本實驗使用兩種評量方法，皆為讓學習者以紙筆填寫的方式進行。評量凸透鏡成像學習成效的問卷為研究者編撰並經由自然科專門老師校閱後製作而成，由於本研究僅蒐集學習者之學習成效及動機等資料，故研究結果僅能推論至類似的評量方法。. 6.

(18) 第四節重要名詞釋義本研究所使用的重要名詞，詳細說明如下：. 壹、數位學習環境隨著資訊科技進步及行動裝置的發展，電腦模擬的方便性已經從傳統固定位置的個人電腦轉移到適時適地隨身攜帶的平板電腦上了。本研究依據學習環境的不同分成「擴增實境學習環境」及「虛擬實境學習環境」。在「擴增實境學習環境」中，學習者除了可以透過平板電腦學習到相關的知識內容外，還可以透過與實體教具的結合，達到將操作經驗與學習內容整合的優點，以幫助學習者建構抽象的學習概念。在「虛擬實境學習環境」中，學習者可以透過平板電腦學習凸透鏡成像單元的知識內容並且透過虛擬動畫了解現實生活中無法用肉眼看到的現象，例如:光的行徑路線、波的流動方向及電磁波的行進方向等。. 貳、鷹架策略本實驗採用 Hill 與 Hannafin (2001)所定義的四種鷹架類型中的「程序鷹架」及「反思鷹架」。「程序鷹架」為提供學習者逐步地提示資訊以幫助其完成學習活動，學習者透過程序鷹架方式可以有效的掌握實驗的每一個步驟並且順利完成實驗操作；「反思鷹架」為提供學習者反問式的提示資訊以幫助其思考學習內容，學習者透過反思鷹架方式可以有效的幫助思考實驗每一個環節所代表的意義以協助進一步了解學習內容。. 參、體驗式學習體驗式學習理論中指出，學生的學習知識會在經過「具體經驗」、「反思觀察」、「抽象概念」及「主動驗證」四個過程後，達到有效的學習。從幫助學習者操作經驗開始，接著思考所觀察到的現象，之後逐步在心中建構抽象概念，最後藉由 7.

(19) 測驗或實際操作驗證學習內容。透過實際經驗的轉換從而獲取抽象知識概念，將其遷移至真實世界中，並且強調學習是經由學習者的經驗轉換而來，是需要學習者在學習活動中，不斷反思其學習歷程的經驗，並且從中體悟並自行整理學習概念，之後再將學習到的概念應用於解決日常生活上的問題(Kolb, 1984)。故本研究藉由讓學習者實際操作凸透鏡成像實驗達到「具體經驗」階段；接著透過平板中提供的提示訊息幫助學習者反思學習內容以達到「反思觀察」階段；第三階段透過實際的凸透鏡成像教學及平板電腦所提供的虛擬光路徑動畫，幫助學習者建構抽象知識以達到「抽象概念」的學習階段；最後階段透過平板電腦所提供的錯誤回饋訊息及實體操作的即時回應性，幫助學習者馬上驗證知識內容正確性以達到「主動驗證」的學習階段。. 肆、凸透鏡成像單元學習成效凸透鏡成像單元學習成效係指學習者對凸透鏡成像單元概念之學習理解及學習應用，本研究之學習成效係指經由實驗教學活動後學習者在凸透鏡成像單元的學習成效。測驗內容為依據教育部國民中小學九年一貫課程綱要「自然與生活科技學習領域」中的「光的折射與透鏡」單元編撰而成，範圍分成「知識理解」和「知識應用」兩面向。「知識理解」為評估學習者是否能夠了解凸透鏡成像單元的基本概念，用以了解學習者在記憶與理解層次的認知能力；「知識應用」為評估學習者是否能夠將凸透鏡成像單元所學知識應用於不同的情境中，用以了解學習者在凸透鏡成像單元中應用層的認知能力。因此，本研究之凸透鏡成像單元課程學習成效是依據凸透鏡成像單元課程學習成效測驗進行評估，各向度測驗所得分數越高，表示學習者於凸透鏡成像單元的學習表現越佳，反之若測驗所得分數越低，則表示學習者其凸透鏡成像單元的學習表現越差。. 伍、凸透鏡成像單元學習動機. 8.

(20) 學習動機係指能夠引起學習者學習活動、維持學習活動，並且使該學習活動趨向教師所設定目標之內在心理歷程(張春興，2004)。本研究之學習動機係指學習者在經過凸透鏡成像教學活動後對於自然科的學習動機看法，採用五點量表為改編自 Pintrich、Smith、Garcia 與 McKeachie (1991)發展的動機學習策略量表，分成價值成分(內在目標導向、外在目標導向、工作價值)及期望成分(控制信念、自我效能、期望成功)兩個面向。問卷各向度之平均分數越高則表示學習者其自然科學習動機越高，反之所得之平均分數越低則表示學習者對於自然科學習動機越低。. 9.

(21) 第二章文獻探討本研究旨在探討不同的數位學習環境(擴增實境、虛擬實境)及鷹架策略(程序鷹架、反思鷹架)對於國中一年級學習者在凸透鏡成像實驗單元的學習成效及學習動機之影響。本章首先剖析科學學習的教學意義及困境，接著探討體驗式遊戲學習結合不同鷹架策略對於自然科學習的影響。以下分別就「科學學習」、「數位學習環境」、「鷹架學習理論」及「體驗式學習」相關文獻進行歸納與整理。. 第一節科學學習本節先就自然科學學習之定義進行探討，了解科學概念對於國中教育的必要性及重要性後，再進一步探討自然科學學習的教學困境，遊戲式數位學習對於科學教育的影響，分述如下：. 壹、自然科學之學習與教學意義自然科學的教育一直是我國及世界各國的教學焦點，九年一貫課程綱要指出學習自然與生活科技領域，目的在能了解科學學習與技術的發展對於人類生活的影響，藉由善用現在各種科技與工具讓我們可以更適應現代化的社會生活(教育部，2008)。另美國在 2061 課程計畫中指出「培養學生的科學素養」為科學教育目標之一(科學發展，2013)，科學素養包括了解科學的本質，能夠運用科學的知識和方法解決問題，並且了解科學與社會之間的關係(張鳳琴，1994；Roach & Wandersee, 1995)。國際學生能力評量計畫(PISA)即強調學習者在三個層面上的能力：. 10.

(22) 1. 辨識科學議題(Identify science issues)：包括可以了解用科學方法探究的議題、可以定義搜尋科學資訊的關鍵詞，並且察覺出科學探索的主要特徵。例如：哪些事物應該一起比較、哪些變項應該被控制或改變。 2. 解釋科學現象(Explain phenomena scientifically)：希望學生能運用適當的科學知識於特定的情境中，並且能夠科學地描述及詮釋現象的產生，最後能夠預測該現象在未來會有什麼樣的改變。 3. 運用科學證據(Use scientific evidences)：希望學生能在取得科學資訊後，可以根據科學證據形成論證和結論(臺灣 PISA 國家研究中心，2011)。故教學者在設計教學活動時，應盡可能符合上述三項提及之層面以增進學習者的科學能力。. 貳、自然科學教學困境對於大多數的學生而言，國中自然科課程通常較為艱深難懂。雖然透過實驗觀察可以發現許多現象，但往往在現今的升學主義下，老師們沒有多餘的課堂時間可以讓學習者探索所有的自然現象。另外，實驗設備的不足也是一個很大的因素。往往一間實驗室器材有限，無法讓全班同學各自獨立操作，只能由老師在台前示範，學生們在台下看著老師進行實驗操作。若透過資訊科技輔助，可以幫助學生建構出適合的學習環境。一個好的物理學習環境應符合以下兩種原則：1. 提供探索性的學習環境讓學習者能夠參與其中並且親自動手進行操作。2. 在遊戲操作過程中，提供大量的提示訊息幫助學生逐步建構物理概念(Enyedy, Danish, Delacruz & Kumar, 2012)。在傳統課堂中由於多以講述式教學為主，老師只能透過文字訊息傳遞知識內容，然而一般教科書的內容多半過於枯燥，無法有效提供足夠的圖示、範例供學生參考，並且最重要的無法提升學生的興趣(劉昌宏、郭重吉，1995)。若能將遊戲化方式應用在學習活動中，對於一些難以用文字敘述的單元或是內容較乏味的課程，學生可以用探索性的方式學習並且由於更有趣味還能夠提升學習的興趣及動機。此外，學生在學習較為困難的抽象單元，例如： 11.

(23) 光的形成、路徑、力的大小及波的成因等，由於無法用肉眼觀察或是親身體驗，因此在學習上往往會力不從心(李采褱，2003)。因此在凸透鏡成像單元中，常常導致學生在學習成像概念時，會面臨以下四種問題： 1. 面對實驗會不知所措，需要教師在旁協助並且逐步進行教學。 2. 學生雖能觀察到透鏡的成像，但對於光線經過透鏡折射的原理與光的路徑不太了解(楊明獻，2008)。 3. 對於一些難以具體化的物理意義，例如：物距、像距對成像的關係，或是成像的形成，比較難以想像理解。 4. 無法了解成像實驗的目的，及無法正確操作實驗。就第二點及第三點而言，可以藉由與目前資訊科技的結合找到解決方法，使用電腦模擬或是平板裝置等數位載具可以將無法用肉眼觀察的自然現象具體化呈現 (Merchant, Goetz, Kennicutt, Kwok, Cifuentes & Davis, 2012)；就第一點及第四點而言，透過學習活動給予適當的鷹架輔助，逐步地輔助學習者掌握實驗的目的及正確操作實驗的步驟(Molenaar, Roda, Boxtel & Sleegers, 2012)。表 2-1 各學者對於透鏡成像的迷思概念整理年份與學者. 透鏡成像的迷思概念. (Andersson & Karrqvist(1983)；唐明，2011). 學習者對於放大鏡的作用有兩種迷思概念，一為放大鏡有聚集光線的功用，另一為放大鏡會使光線量變多。因此常常會有學生無法分辨凸透鏡和凹透鏡的差別，認為凡是透鏡皆會增加光線的能量。. (Galili & Hazan, 2000). 傳統教授凸透鏡成像概念時都會教學生畫透鏡成像圖，但學生因此認為光線經過凸透鏡時必須都得先匯聚於凸透鏡上一點，然後才會發散成像。. (Galili & Hazan, 2000). 有些學生因為在進行透鏡成像實驗時在紙屏上所看見的像皆為倒立的，誤以為凸透鏡只會產生倒立的像，而沒有正立的像。. (竇一龍，2002). 學生因為學會了如何繪製成像圖。誤以為物體射向凸透 12.

(24) 鏡的光線均與凸透鏡的主軸平行。 (竇一龍，2002). 在透鏡成像實驗中，學生認為將整個透鏡組移走仍會有成像，因為成像是物體直接投影在屏幕上的。. (陳均伊、張惠博、郭重吉, 2004). 學生若有使用放大鏡的經驗通常會誤以為凸透鏡只能產生正立的像，或者以為放大鏡所成的像必定比原物要大。. (Jong & Joolingen, 1998). 學生難以理解焦點的意義，認為焦點就是物體成像的位置，並且以為屏幕的所在位置就是焦點。. (Goldberg & Mcdermott, 1986). 對於實像的觀察，有些學生認為若將紙屏移走，則像會成像於透鏡上、透鏡內、透鏡與光源之間或是透鏡與眼睛之間。. (陳志忠，1989). 有些學生認為屏幕會帶著成像前進，因此若沒有屏幕則成像會消失. 參、遊戲式數位學習對自然科學教育的影響隨著資訊科技的發展，遊戲對於人們而言早已成為生活的一部分，許多文獻指出將遊戲融入教學活動中對於學習十分有幫助(Gillispie, Martin, & Parker, 2010；Lowrie & Jorgensen, 2011；Shaffer, Squire, Halverson & Gee, 2005)。遊戲式數位學習具有將抽象概念具體化，並且提供驗證的特點(Betz, 1995)，以及能夠促進學習者的學習動機、學習成效，讓學習者記憶深刻(Rastegarpour & Marashi, 2012)。 Kebritchi 與 Hirumi (2008)指出由於數位遊戲在教育上有幫助是因為具備了以下因素：1. 降低對學科的恐懼。2. 使學習者花在學習的時間上變得更多。3. 結合遊戲趣味性，提高學習者的學習動機。4. 提供具挑戰性的任務，供學習者探索。但亦有研究指出，遊戲式數位學習與傳統教學方式相比，並沒有比較好的學習效果(O’Neil, Waines & Baker, 2005 )。當學習者在進行遊戲學習時，很容易被遊戲中的聲光效果所吸引，進而只投入於遊戲過程中，對於知識內容的學習完全沒有吸收，造成了高投入低學習的狀況(蔡福興、游光昭、蕭顯勝，2008)。綜合所有， 13.

(25) 為了要開發一個能夠激發學習者學習動機並且促使能主動參與活動的遊戲，應具備以下幾點遊戲元素(Prenksy, 2007)： 1. 遊戲性(Play)：遊戲的設計必須帶給學習者有享受、愉悅的感覺，使其具備高度的動機與興趣。 2. 規則性(Rules)：遊戲的設計必須有明確的架構及規範。 3. 目標性(Goals)：遊戲的設計必須有明確的目標任務以指引學習者進行活動，並且要能觸發學習者學習動機以達成任務。 4. 互動性(Interactive)：遊戲的設計界面必須要能夠使學習者可以順利地與之互動以進行遊戲。 5. 結果與回饋(Outcomes and Feedback)：遊戲的設計須提供學習者可學習的訊息。 6. 問題解決(Problem Solving)：遊戲設計中的學習任務，必須可以促使學習者在思考解決任務的過程中，能夠提升問題解決的能力。綜合以上所述，一個好的教育遊戲設計，除了須注意以上的設計重點外，還得提供適時的策略輔助以幫助其聚焦在學習內容上(Rienties, Giesbers, Tempelaar, Baker, Segers & Gijselaers, 2012)。另外，若能在虛擬遊戲世界中加入真實環境的成分，對於一些操作性的實驗活動將可以有更好的效果(Klopfer & Sheldon, 2010)。故若能將擴增實境虛實整合的特點融入遊戲式環境中，並且輔以鷹架策略輔助學習，對於自然科課程中需要進行實驗操作的單元應會有一定的幫助。. 14.

(26) 第二節數位學習環境數位學習隨著資訊科技與科技媒體的發展，目前已經漸漸茁壯，許多創新的教材也隨著愈來愈多研究者的投入變的更加多元，本節將針對數位學習環境進行介紹，將分別就「數位學習環境類型」、「數位學習環境在教育上的應用」及「數位學習環境結合實驗在學習上的應用」等三部分進行詳述：. 壹、數位學習環境類型隨著科技的突破及創新，目前的數位學習境類型琳瑯滿目、五花八門，本研究將針對國中一年級學生之凸透鏡成像概念單元設計兩種數位學習環境，分別為「擴增實境」與「虛擬實境」兩種類型。以下分別就「擴增實境」、「虛擬實境」兩種不同之數位學習環境類型進行探討：. 一、擴增實境擴增實境(Augmented Reality)為近年來新興的技術，透過虛擬環境與真實世界結合的特性廣泛應用於軍事、醫療、工業維修、遊戲及教育上(Lee, 2012)。由於擴增實境具有整合虛擬環境及真實世界的特點(Arvanitis, Petrou, Knight, Savas, Sotiriou & Gargalakos, 2007)，許多的教育研究者紛紛投入於這種新科技裡，試圖利用虛實整合的優點應用在各式各類的學科中(Klopfer & Squire, 2008)。擴增實境為虛擬環境(Virtual Environments)的延伸，有別於虛擬環境將學習者完全融入在模擬世界中，無法觀看到真實環境的景物；擴增實境可以使學習者一方面看的到真實環境中的景物，另一方面還可以將虛擬資訊呈現在真實世界中。Azuma (1997)指出，擴增實境須符合以下三種定義，如圖 2-1 所示：. 15.

(27) 圖 2-1 擴增實境與真實世界及虛擬環境比較（Milgram, 1994） (一) 結合真實世界與虛擬環境：過去數位學習環境中，多半是採完全虛擬化的方式呈現模擬環境，學生沉浸在設計者打造的虛擬環境下進行實驗活動；擴增實境則可以與我們周遭環境結合，在真實世界中運用擴增實境技術擴增出其他資訊，例如：文字、圖像、影片、動畫及 3D 模型等。 (二) 與實體物具有即時互動性：有別於虛擬環境學習者只能透過鍵盤滑鼠與虛幻的 NPC 或是其他模擬角色互動，擴增實境除了可以與虛擬資訊、模型即時互動外，也可以利用雙手操作實際物體。這樣的好處是透過更直覺的雙手觸覺體驗，學生能獲得的經驗遠比使用鍵盤滑鼠所能得到的感受更為強烈。 (三) 3D 定位環境：擴增實境目前的定位方式分為兩種：一種為 GPS 定位，可以透過行動載具所發出的訊號偵測目前所在的位置，並且讓虛擬的資訊擴增在真實世界中對應的位置上；另一種為標籤式定位(Marker based)，為一種透過設計的圖樣，圖樣可以是一張風景圖、人像圖或是任何富有複雜度的圖片。只要透過行動載具將鏡頭掃到該圖樣，即會出現相對應的動畫、3D 模型等資訊。由上述可知，擴增實境具有結合真實世界與虛擬環境的特性，透過虛擬 3D 模型、動畫播放、圖像資訊等功能，達到與學習者即時互動的效果。一方面除了擁有虛擬環境裡所具備的聲光效果與模擬動畫外，另一方面也具備真實世界中的 16.

(28) 實際操作性。因此，相較於虛擬環境的學習方法，擴增實境可以提供給學習者更多樣性的操作可能及使用體驗。. 二、虛擬實境隨著科技的進步與發展，個人電腦演變先從最早期的桌上型電腦，接著由於其不具有攜帶性，因此筆記型電腦問世了，筆記型電腦憑藉著其方便性及功能性，不僅在業界、教育界或者其餘行業都普遍使用著。不過近年來隨著行動市場的普及，筆記型電腦已漸漸被手機及平板電腦等行動裝置取代(柯俊宇、賴榮裕，2012)。虛擬環境可以將學習者不易觀察到的現象，用模擬的方式呈現給學習者，並且提供學習者嘗試錯誤，反覆操作的機會(Huang, 2005)。也有研究指出由於虛擬實境所提供豐富的影音效果，使得學習者在虛擬環境中是比較有自信、有創意、參與度高並且對於學習保持正向愉悅的態度(Loureiro & Bettencourt, 2014)。由上述可知，虛擬環境提供學習者不同於真實世界的情境，在虛擬世界中，任何事物都可經由軟體設計出來，因此對於一些課程內容中無法用肉眼觀察的現象，透過虛擬實境所提供的優勢可以有效幫助解決。. 貳、數位學習環境在各領域上的應用以下分別就「擴增實境」及「虛擬實境」兩種不同的學習情境在各領域中的教學應用進行分析探討：. 一、擴增實境各領域上的應用擴增實境已被廣泛地應用在許多行業中，以下將指出各研究在擴增實境領域的應用。Cuendet、Bonnard、Dokenh 與 Dillenbourg (2013)將擴增實境教材應用在技職進修專班中倉儲管理的學習課程，由於現實環境中無法實際針對具有一定規模的倉庫進行實際試驗學習。在人力、物力及場地成本都不足的情況下，透過. 17.

(29) 擴增實境技術結合實際倉儲模型的擺放，幫助學習者在模擬的情況下進行倉儲系統管理的學習。 Wabel、Bockholt、Engelke、Gavish、Olbricj 與 Presche (2013)將擴增實境應用在學習機械組裝上，由於傳統技術傳授方式限於一對一指導及錄製影片，常會有機械組裝技術傳承的情形發生，透過擴增實境可以達到同步組裝及步驟引導的效果。另亦有研究指出使用擴增實境於汽車工業的維修，在對於教學成本及教學時間的控制上相較於傳統面對面指導方式更能幫助學習(Debernardis & Monno, 2014；Fiorentino, E-Uva, Gattullo, 2014；Lee, 2012)。 Wen、Tay、Nguyen、Chng 與 Chui (2014)則針對擴增實境在醫療上的應用進行探討，研究指出擴增實境對於外科手術的模擬輔助可以有效幫助新手醫生建立手術的經驗、自信心及成功率。Nikou, Digioia III、Blackwell、Jaramaz 與 Kanade (2000)亦指出，使用擴增實境可以減少使用具有輻射線的 X 光，並且可以幫助醫生進行簡單的微創手術。. 二、虛擬實境各領域上的應用虛擬實境在教育上的應用：目前已有許多研究將數位教材放在平板電腦上供學習者學習，例如：陳宜均 (2012)指出國小學生使用 iPad 平板電腦學習以科學實驗為主題的單元時，對於學習的滿意度皆有良好的成效。也有研究指出學生使用平板電腦學習空間能力單元，結果顯示(1) 學生普遍希望用平板電腦取代傳統教學。(2) 學生覺得使用平板電腦學習空間能力概念會比較了解 (3) 對於低空間能力的學習者，在平板電腦給予協助後，可以正確的解答測驗問題(Saorin, Torre, Martin & Carbonell, 2013)。綜合上述「擴增實境」及「虛擬實境」發現，兩者皆對於教學有一定的幫助與刺激，許多在教學上無法詳述的自然現象，使用擴增實境或是虛擬實境皆可以使之具象化以方便學習者觀察學習。然而，Wu、Lee、Chang 與 Liang (2013)指出使用擴增實境學習的學生，雖然同時具備虛擬環境的資訊及真實世界的操作經 18.

(30) 驗，但相對而言認知負荷也是隨著給予的訊息愈多而愈來愈重。為了降低資訊太多所帶來的認知負荷超載，若能將遊戲化的因素帶入擴增實境及虛擬環境中，應可有效降低認知負荷，讓學習變得更輕鬆有趣。. 參、數位學習環境結合實驗在學習上的應用國中自然科學實驗的目的在於培養學生分組討論、互相合作及解決問題的能力，在實驗過程中除了可以學到單元知識外，還可以了解分工合作的重要性及實驗所帶給學習者的意義(教育部，2008)。其中，若能在數位模擬環境下加入遊戲的元素，將會使實驗過程更為有趣，並且對於學生的概念理解及問題解決皆有正面成效(Ke, 2008)。亦有研究指出，當學生沉浸於數位遊戲環境中，對於學習有相當的幫助。透過操作遊戲中的虛擬角色，並與遊戲裡的非玩家角色對話等，相對於傳統教科書陳述性的文字內容，更能達到學習成效(Bara, Scott, Siyahhan, Goldstone, Ingram-Goble, Zuiker & Warren, 2009)。然而擴增實境結合遊戲除了可以達到趣味的成分，其新奇的呈現方式，對於初次接觸的學習者而言也是相當特別的經驗(Cheok, Hwee, Wei, Teo, Lee, Farbiz & Ping, 2004)。由於擴增實境是以第一人稱視角在真實世界中與虛擬物體互動，有別於虛擬實境第三人稱方式更具有臨場感(Von Der PüTten, Klatt, Broeke, McCall, Krämer, Wetzel, Blum, Oppermann & Klatt, 2012)，並且在擴增實境遊戲中所習得的知識概念也較容易遷移至真實經驗中(Echeverría, Améstica , Nussbaum , Barrios & Leclerc, 2012)。另外擴增實境具有結合實體環境物體的功能，可以將實際的操作經驗結合抽象概念幫助學習者建構知識概念(Ibanez, Serio, Villaran & Kloos, 2014)。因此，由上述所示，若能適切的應用遊戲於數位學習環境中，對於學習者不僅是學習成效表現或是動機上，皆有明顯的幫助。. 19.

(31) 第三節體驗式學習為使學習者能從電腦模擬環境中透過體驗具體情境中的問題，來獲得學習概念，並達到有意義的學習，故本研究採用平板電腦融入體驗式學習來進行教學實驗。本節將針對體驗式學習之範疇、體驗式學習在教育的應用及體驗式策略應用在數位遊戲進行探討。. 壹、體驗式學習之範疇體驗式學習的核心意義為「經驗轉化」及「意義建構」並且學習的歷程就是經驗轉化及意義建構的過程，而此歷程為將經驗創造並且轉化為知識、技能、態度、價值或信仰的階段(Jarvis, Holford & Griffin, 1998)。李錫津(2002)指出，體驗式學習為透過系統的情境設計，把學習者導入學習情境中，讓學習者透過身體親自體驗學習，學習者可以有用手觸摸、實際操作的學習經驗。Deway(1983)強調在經驗中學習的重要性，其認為學習須以學習者為中心、學習須為有經驗的教育價值，並且強調反思的過程在學習經驗中的重要性。Kolb (1984)亦強調「學習」是經由學習者與周遭事物不斷互動所累積的經驗轉化而得，並且認為「學習」必須包括下列意涵： 1. 學習是一個過程而不是結果。 2. 學習就是不斷的重複學習。 3. 學習需要在對話式的辯證過程中解決衝突問題，進而適應世界。 4. 學習是一種適應世界的整體歷程。 5. 學習是個人與外在環境互動所產生的經驗結果。 6. 學習是創造知識的歷程。由上述可知，學習本身是一種適應環境的歷程，而知識則為將適應環境歷程的經驗所內化的結果。因此一個有效的知識學習，是可以讓學習者有歷經環境的經驗，並且在經驗中將學到知識概念消化吸收。 20.

(32) Kolb (1984)指出體驗式學習循環依據資訊處理及獲取的不同分為四階段，包括：具體經驗(CE)、反思觀察(RO)、抽象概念(AC)及主動驗證(AE)。如圖 2-3 所示，以下針對此四個階段循環分別詳述如下： 1. 具體經驗(Concrete Experience)：藉由在真實世界與日常生活中的操作經驗融入學習情境中，使學習者能夠藉由實際體驗學習知識內容。 1. 反思觀察(Reflective Observation)：藉由各種不同資訊的提供與學習內容的觀察，使學習者從多方面觀點思考知識內容。 2. 抽象概念(Abstract Conceptualization)：藉由實際的操作經驗與資訊的反思，分析統整所經歷的學習過程，進而轉化為知識。 3. 主動驗證(Active Experience)：待學習者統整出知識概念後，藉由系統回饋或是其他測驗方式驗證學習成效，以確保是否學到學習內容。. 綜合上述所示，Kolb 強調學習是一種經驗轉換與知識創造的過程。其意義在於學習的過程，而非結果，有別於傳統教學所重視的大量學習結果，希望能讓學習者享受吸收知識的過程，並且能夠將其應用在日常生活中。因此希望教學者在課程設計上，可以重視學習者的學習情境，好的情境須包含能讓學習者有實際操作經驗的環境。良好的操作情境將有助於學習者融入學習內容中，並且提供較完善的反思歷程(Healey & Jenkins, 2000)。有了充分的反思過程，學習者可以有獨立分析學習歷程的能力，能夠歸納統整出屬於自己的知識內容。最後透過主動操作與系統回饋，檢驗學習者的學習現況，並且希望能夠將知識應用於新的學習情境中(高雄市政府教育局網站)。. 21.

(33) 圖 2-2 體驗式循環四階段流程圖. 貳、體驗式學習在教育領域的應用目前已有許多研究將體驗式學習運用在教學設計上，幫助學習者藉由「具體經驗」、「反思觀察」、「抽象概念」及「主動驗證」等四個階段學習知識內容。林哲宇 (2010)利用體驗式學習循環於國小生學習電腦技能，結果顯示學習者透過實際製作投影片、過程中老師的指引思考、學生將製作經驗與老師指引資訊統整歸納，最後產出實際成果，能夠有效提升簡報製作的表現。許燕欣 (2013)利用體驗式學習循環於國小電磁作用單元學習，結果顯示透過故事情節的鋪成與任務目標的指引、觀察實驗的結果、過程中學習單的填答，及最後任務的階段性認證，能夠有效提升學習者對於電磁作用單元的學習。任欣垚 (2012)利用體驗式學習循環於國小質因數概念學習，結果顯示透過星海爭霸編輯器遊戲中學習任務的指 22.

(34) 引、遊戲中 NPC 所給予的資訊促進反思、以選擇題的方式建立正確抽象概念，及最後給予同類型的任務讓學習者主動驗證，能夠有效幫助學習者使用星海爭霸進行遊戲，並且提升學習成效。. 參、體驗式學習應用在數位遊戲數位遊戲若能結合體驗式學習循環，依循著「具體經驗」、「反思觀察」、「抽象概念」及「主動驗證」，對於學習者進行遊戲時的學習效果將會有好的幫助。 Kiili 與 Lainema (2006)指出將數位遊戲的特性與體驗式學習策略結合，讓學習者在遊戲中關卡的設計及任務的引導下建構知識，將對於學習者的學習動機和學習成效有好的影響。因此，本研究透過結合四個學習階段使學習者可以在進行實驗的過程中，進行實際實驗操作體驗，利用平板電腦提供的虛擬資訊進行反思觀察，結合實際操作體驗與虛擬資訊分析、統整知識概念，接著進行主動驗證回饋。期望學習者在接受四個學習階段後，會對於實驗操作的流程、成像概念的學習及未來的學習應用等有好的學習效果。. 23.

(35) 第四節鷹架學習理論蘇俄心理學家 Vygotsky (1978)在認知發展論中提到「近側發展區(Zone of Proximal Development，簡稱 ZPD)概念」，之後 Wood、Bruner 與 Ross 根據 Vygotsky 理論中發展出鷹架學習理論，以下將針對鷹架的意涵、鷹架支持的類型及鷹架對於學習的影響分別進行探討。. 壹、鷹架的意涵 (一)鷹架的定義 Vygotsky 認為社會文化發展是影響個體認知發展的重要因素，經過社會中的互動，使得學習者從個人能力可觸及的層次到經過協助後可到達的層次，中間這一段歷程需仰賴於其他的幫助，例如：教師、成人、有能力的同儕或是書本資訊等輔助。當學習者藉由這些幫助漸漸地建構出屬於自已的知識時，輔助的資訊就會逐漸撤離，直到最後學習者完全不需要輔助仍能自行操作或學習，即代表已建構出該知識內容的學習概念(Wood, Burner & Ross, 1976；黃志賢，2006)。因此，在學習新東西時，不管簡單或是困難，都會產生一定的認知負荷。當老師在講述新的單元時，認知負荷的程度更會因學生對於該單元的先備知識、本身的學習能力，或是老師的講解方式不同而有差異(Kim & Hannafin, 2011)。故必須一步一步給予適當的幫助，例如：協助釐清問題的困難點、提供額外的資訊、給予適時的指引等，當學習者漸漸熟練學習內容之後，再慢慢地撤離鷹架策略(Morcom, 2014)。 (二)近側發展區 Vygotsky 在認知發展論中所提到的近側發展區，認為兒童有兩個發展層次：一個是「實際發展層次」(Actual development)，另一個是「潛在發展層次」(Potential development)，前者指的是兒童自己本身實力即可達到的水準，後者則是兒童須. 24.

(36) 在教師或者能力較強之同儕協助下所能達到的水準。近側發展區是指在學習者學習能力以內的區域，以下為 Vygotsky(1978)定義的「近側發展區」。如圖 2-2 所示. 圖 2-3 ZPD 近側發展區「近側發展區」是一種動態的發展區域，會隨著兒童學到更多複雜的知識內容而不斷成長改變。隨著更多不同的概念技能，過去須經由他人協助才能達成的學習任務將變成現在獨立作業的基礎。而隨著兒童所面對的困難日漸加劇，新的協助擴展認知基模將會成為未來的基礎，這樣的循環會隨著兒童的成長不斷重複進行著。但 ZPD 並不是沒有限制的，我們不能夠教導他超出 ZPD 範圍的技巧或行為(Boodrova & Leong, 1996)。基於此意涵，Doolittle (1988)提出近側發展區的動態發展圖，其指出學習者在學習的歷程中，會受到來自教師或是比自己能力強的同儕引導及支持，以幫助且激發學習者在近側發展區中的學習。為了確保學習者在學習過程中達到最高程度，教師應隨時觀察學習者的情況，適時地發覺學習者的問題，並且給予適時適切的協助。之後隨著學習活動的進展逐漸減少協助，慢慢地將學習的責任轉移到學習者身上，使其具備獨立完成任務的能力(kim & Hannafin, 2011)。. 25.

(37) 貳、鷹架支持的類型為了提供教學者及學習者在不同情境及內容下更多的幫助，Hill 與 Hannafin (2001)提出了四種不同類型的鷹架支持以促進學習者對於不同環境的學習，包含以下四種鷹架策略： (1) 概念鷹架(Conceptual scaffolding)：概念鷹架協助學習者決定思考事情的優先重要性，可以是圖表、大綱及詳例。透過概念圖展示的多種概念間關係，可協助學習者選擇或排出重要資訊的優先程度(Stalbrandt & Hossjer, 2006)。概念鷹架的特性有以下五點：1. 繪製概念圖可以幫助學生統整學習概念，若概念有效連結愈多，學生愈能記憶該知識。2. 繪製概念圖可以有效幫助長期記憶保持和學習經驗的遷移。3. 可以把所學習之教材重點觀念提示出來，並可以練習將新知識與舊有基模加以連結。4. 學生可以利用概念圖來檢驗自己的學習歷程，由於概念圖呈現視覺化的組織訊息，因此較容易用來檢驗學生是否有錯誤或迷思概念。 5. 使用概念圖可以幫助學生在回憶課程時，較能夠清楚地描述整個文章的架構 (孫春在、林珊如，2007。) (2) 後設認知鷹架(Metacognitive scaffolding)：教學者提供一個明確的活動過程，並且指引學生在活動中進行思考，幫助學生培養反思的能力。Hoffman 與 Spatariu (2008)指出，後設認知鷹架能夠促進學習者在教學活動過程中反思並且思考學到的概念，也可以使用一些自我監控、自我調整等策略，提高學習者問題解決的能力。使用後設認知鷹架的問題提示資訊除了能夠協助學習者分析問題情境，還可以在新舊觀念的認知衝突下讓學習者主動尋找解題方案，並且將解題方法有效地遷移到真實世界，達到學習轉移和強化的效果。學習者在學習活動過程中若進行反思策略通常可以讓學生檢視並且修正自己的想法與知識，進而有好的架構理解 (Davis, 2000)。 (3) 程序鷹架(Procedural scaffolding)：提供一步一步地提示資訊，幫助學習者在面對不熟悉的學習環境時，能夠掌握學習流程，包括提供詳細步驟、逐步提示等。. 26.

(38) 程序鷹架可以提供學習者直接引導的方式，讓學習者把焦點放在教學活動任務上，不會因過於複雜的教學內容影響學習者在課程單元上的心力(Hill & Hannafin, 2001)。 (4) 策略鷹架(Strategic scaffolding)：策略鷹架可以提供完成任務的另一種方法，當學習者在思考該使用哪種方法或是策略時，可以幫助學習者進行分析、計畫、決策等尋找問題解決方法的能力。綜合以上所述，四種鷹架輔助策略皆能對學習產生一定的幫助，若能將鷹架策略融入不同的學習內容及學習環境，準確的運用四種鷹架的特性，應能有效幫助學習者學習相關知識內容。. 參、鷹架對於學習的影響鷹架在教學活動中，除了可以提供學習者適切的幫助，還可以在學習過程中，引導及擴展學生的能力。若能有效地應用鷹架策略，則可以有效地提升學習者的學習成效(kim & Hannafin, 2011)。Wood、Brunner 與 Ross (1976)指出，使用鷹架策略可以協助學生達到以下功能： 1. 引發參與 (Recruitment)：在進行教學活動前，先引起學習者參與課程的興趣。 2. 減輕學習負擔 (Reduction in degree of burden)：教學活動一開始先提供簡單的學習內容，等到學習者專注在目前的學習活動時，再慢慢增加後續複雜內容的協助。 3. 學習活動的管理 (Direction maintenance)：給予學習目標，讓學習者不會分心在不重要的事物上。 4. 指出關鍵特徵 (Making critical feature)：幫助學習者指出內容中的重點關鍵，幫助其專注在重點上。 5. 挫折控制 (Frustration control)：當學習者犯錯時，盡可能地減輕他所遇到的挫折，給予鼓勵幫助他解決問題。 27.

(39) 6. 示範 (Demonstration)：使用學習者熟悉的方式進行示範活動，藉由觀察教學者的操作，建立基本的印象。. 綜觀過去文獻指出，使用程序鷹架及反思鷹架皆有助於學習者在數位學習環境中的學習，但對於將不同的鷹架策略應用在凸透鏡成像單元的學習上則少有研究，故本研究將程序鷹架及反思鷹架應用於數位學習環境中，探討對於凸透鏡成像的學習成效與態度之影響。. 28.

(40) 第三章研究方法本研究以體驗式學習循環為骨幹，協助學習者建立凸透鏡成像單元概念並且了解實驗操作，旨在探討不同的數位學習環境（擴增實境、虛擬實境）及不同的鷹架策略（程序型鷹架、反思型鷹架）對於國中一年級學習者在凸透鏡成像實驗單元的學習成效及學習動機之影響。以下將對於研究對象、研究設計及研究工具進行說明。. 第一節研究對象本研究參與之樣本為國中一年級學生，學校位於桃園縣較偏遠地區，學生多半為純樸鄉下小孩，並且鮮少有機會接觸平板電腦等 3C 設備。為配合學校課程之安排，於該國中一年級隨機抽取四個班級樣本共 113 人，扣除未全程參與者 2 人及極端值 8 人，故有效樣本為 103 人。實驗班級皆為常態分班，年齡介於 13 至 14 歲間。其中男性學習者共 51 位，女性學習者共 52 位。根據不同的數位學習環境隨機分派為「擴增實境組學習環境組」及「虛擬實境學習環境組」，再根據不同的鷹架策略分為「程序鷹架學習組」及「反思鷹架學習組」。在課程開始之前，學習者皆未接觸過自然科光學相關概念，因此實驗對象對於凸透鏡成像單元學習而言為初學者。本研究剔除未全程參與者及極端值後，有效樣本為 103 人，其中「擴增實境 -程序鷹架組」26 人，「擴增實境-反思鷹架組」26 人，「虛擬實境-程序鷹架組」 25 人，「虛擬實境-反思鷹架組」26 人。合計各組人數擴增實境學習環境組 52 人，虛擬實境學習環境組 51 人，程序鷹架策略組 51 人，反思鷹架策略組 52 人。各組分配情形如表 3-1 所示。. 29.

(41) 表 3-1 教學分組及各組人數分配表學習策略程序鷹架學習環境. 反思鷹架. 合計. 擴增實境. 26. 26. 52. 虛擬實境. 25. 26. 51. 合計. 51. 52. 103. 30.

(42) 第二節研究設計本研究採用因子設計(factorial design)之準實驗研究法，旨在探討不同數位學習環境(擴增實境組、虛擬實境組)，對不同鷹架策略(程序型鷹架、反思型鷹架) 的國中一年級學習者在自然科凸透鏡成像單元的學習成效和學習動機之影響。數位學習環境與鷹架策略之研究設計及實驗教學活動設計分別敘述如下圖 3-1 所示：. 壹、擴增實境實驗遊戲融入體驗式循環之研究設計自變項. 依變項. 一、數位學習環境. 一、凸透鏡成像單元學習成效. 1. 擴增實境組. 1. 知識理解. 2. 虛擬實境組. 2. 知識應用. 二、鷹架策略. 二、凸透鏡成像單元學習動機 1. 價值成份面向. 1. 程序鷹架組. 內在目標導向. 2. 反思鷹架組. 外在目標導向工作價值 2. 期望成份面向控制信念自我效能期望成功. 圖 3-1 數位學習環境對國中凸透鏡成像單元學習之研究設計架構圖. 本研究的自變項有二，分別為「數位學習環境」與「鷹架策略」。「數位學習環境」為根據學習者在不同的學習環境下做分類，分為「擴增實境組」及「虛擬實境組」。兩組的實驗環境皆是在平板電腦上執行，教材內容的開發平台皆為 3D 遊戲編輯軟體「Unity」搭配 Qualcomm 公司推出的擴增實境模組資源「Vuforia」 31.

(43) 建構而成，唯一的差別在於擴增實境的學習環境為結合現實場景與虛擬資訊，虛擬實境則只有虛擬資訊無現實場景。「鷹架策略」為根據學習者在不同的學習策略輔助下做分類，分為「程序鷹架組」及「反思鷹架組」。「程序鷹架組」學習單設計方式為一步一步的條列式步驟指引，對於不熟悉凸透鏡成像實驗操作的學習者，可以跟著程序鷹架學習單以確保完成每一步的教學活動。「反思鷹架組」學習單設計方式則為以提問引導的方式進行，學生藉由學習單的提示訊息，去思考每個實驗步驟所代表的意義。本研究之依變項有二，分別為「凸透鏡成像單元學習成效」與「凸透鏡成像單元學習動機」。「凸透鏡成像單元學習成效」是指學習者在經過實驗教學活動後對於凸透鏡成像單元的學習表現，分為「知識理解」及「知識應用」兩個向度。其中「知識理解」多半為記憶性質的概念，係指學生在教學過程中對於基礎實驗概念的認識，例如凸透鏡的特性、光的性質及基本透鏡成像的定義等；「知識應用」則為完成實驗操作活動後，學生對於凸透鏡成像的應用表現，例如了解凸透鏡成像於生活上的應用、正確畫出透鏡概念的成像作圖等。後測知識測驗試題為改編自某出版社中凸透鏡成像單元題目及網路上相關單元試題整合而成，用以了解學生在透鏡成像單元教學過程中，對於使用不同的數位學習環境及不同的鷹架策略後，能否有效的幫助學習者建構凸透鏡成像單元的學習知識。「凸透鏡成像單元學習動機問卷」為參考 Printrich、Smith 與 McKeachie 在 1989 年所編之「動機學習策略量表」 (Motivated Strategies for Learning Questionnaire, MSLQ)，其目的為了解學生在不同的數位學習環境進行學習活動後，學生對於教學活動整體的感受及想法，包括「內在目標導向」、「外在目標導向」、「工作價值」、「控制信念」、「自我效能」及「期望成功」等共六個指標。本研究為配合受試學校的教室與課程安排，實驗教學活動以班級為單位，實驗地點皆在一般課堂教室進行，教學者為研究者本人，教學實驗為期四堂課，每堂課為 45 分鐘，共 180 分鐘。. 32.

(44) 貳、擴增實境實驗遊戲教學活動設計本研究欲探討 Kolb 所提出的體驗式學習以不同數位學習環境（擴增實境組、虛擬實境組）搭配不同的鷹架策略（程序鷹架組、反思鷹架組）對於國中一年級學習自然科凸透鏡成像單元的學習成效（知識理解、知識應用）與學習動機（價值成份、期望成份）之影響，故本研究以 Unity 軟體與 Vuforia 擴增實境模組建置一個結合教育意義、遊戲成分、實驗目的及學習內容的教學活動。學習活動的流程與設計分別敘述如下所示：一、課程內容與學習目標本研究實驗教材為根據教育部國民中小學九年一貫課程綱要「自然與生活科技學習領域」中的「光的折射與透鏡」單元編撰而成，並且所有教材內容及測驗試題皆經過現任國中自然科教師修訂而成。本研究課程學習目標如下： . 了解凸透鏡成像的名詞定義. . 了解凸透鏡的成像原理. . 了解凸透鏡成像的實驗操作. 以上學習內容主要概念將搭配學習單及數位模擬教材進行教學，詳細知識架構如圖 3-2 所示。表 3-2 為凸透鏡成像單元之主要概念、學習目標及認知層次分類表，分別條列出各單元的學習重點及學習成效層級。. 33.

(45) 凸透鏡成像名詞定義. 凸透鏡成像. 凸透鏡成像原理凸透鏡成像實驗操作. 凸透鏡距離實像虛像成像步驟. 圖 3-2 凸透鏡成像單元課程相關概念知識架構圖. 表 3-2 「凸透鏡成像單元」之主要概念、學習目標與認知層次分類表主要概念. 凸透鏡成像名詞定義. 凸透鏡成像原理. 凸透鏡成像實驗操作. 學習目標 1. 能夠了解光線的特性 2. 能夠了解凸透鏡的特性 3. 能夠了解鏡心的特性 4. 能夠了解物距的特性 5. 能夠了解像距的特性 6. 能夠了解焦距的特性 7. 能夠了解 f 及 2f 是什麼 1. 能夠了解物體在大於二倍焦距(>2f)時的成像 2. 能夠了解物體在等於二倍焦距(=2f)時的成像 3. 能夠了解物體在一倍焦距到二倍焦距(1f~2f)時的成像 4. 能夠了解物體在等於一倍焦距(=1f)時的成像 5. 能夠了解物體在小於一倍焦距(<1f)時的成像 1. 能夠了解成像步驟第一步為畫出平行主軸的光線 2. 能夠了解成像步驟第二步為畫出通過一倍焦距的光線 3. 能夠了解成像步驟第三步為畫出通過鏡心的光線. 34. 認知層次知識理解知識理解知識理解知識理解知識理解知識理解知識理解知識應用知識應用知識應用知識應用知識應用知識應用知識應用知識應用.

(46) 二、「光狙擊龍戰士」擴增實境遊戲設計發展工具本實驗教材設計為採用 3d 遊戲編輯器「Unity3D」搭配 Qualcomm 公司所提供的擴增實境模組資源「Vuforia」所製作而成。運用其豐富且功能強大的編輯功能及平台支援性，研究者得以設計符合課程目標及遊戲趣味性的教材內容。如圖 3-3 所示，Unity 編輯介面分為「場景建立區」、「畫面預覽區」、「物件編輯區」、「素材內容區」及「細部功能區」。. 圖 3-3 Unity3D-遊戲引擎編輯介面. 35.

(47) 在「光狙擊龍戰士」遊戲中所出現的模型動畫則是由 Autodesk 3ds Max 動畫引擎製作而成，研究者可以自行建立凸透鏡實驗教材所需的 3D 物件及模型動畫。如圖 3-4 所示. 圖 3-4 Autodesk 3ds Max 之 3D 模型編輯介面圖程式撰寫的編輯介面如圖 3-5 所示，研究者可以用程式控制學習者與平板的互動行為，例如觸碰點擊、拖曳物件、偵測 Marker 等。. 圖 3-5 UnityScript 編輯介面. 36.

(48) 擴增實境實體教具部分包括：1. 凸透鏡成像實驗主體板及蠟燭移動木板。 2. 1.5V 燈泡組成之蠟燭。3. 自製木板凸透鏡。4. 凸透鏡成像提示學習單。5. 幫助學習者觀察物體成像的紙屏。學習者經由實體教具進行實驗，一方面除了可以實際觀察凸透鏡成像，另一方面可以透過平板電腦同時提供虛擬資訊供學習者參考以完成實驗操作，如圖 3-6 所示。. 圖 3-6 凸透鏡成像組裝圖. 37.

(49) 擴增實境教具組裝完成圖如圖 3-7 所示，組裝步驟如下： 1.. 將蠟燭移動木板放置在主體版的軌道上。. 2.. 將由 1.5V 燈泡所組成之蠟燭轉進蠟燭移動木板中並且將燈泡向右旋轉啟動光源。. 3.. 將自製木板凸透鏡放在主體板卡榫上固定並且拉出凸透鏡。. 4.. 將紙屏放在凸透鏡右側。. 5.. 拿起平板電腦點開凸透鏡成像實驗 APP。. 圖 3-7 凸透鏡成像實驗操作圖. 38.

(50) 三、光狙擊龍戰士遊戲學習架構本實驗以體驗式學習循環作為學習活動之骨架，學習者在經歷四個循環階段後，包括「具體經驗」、「反思觀察」、「抽象概念」及「主動驗證」，可以在過程中有效地學會凸透鏡成像單元的學習內容，如表 3-3 所示。. 表 3-3 體驗式循環意義與擴增實境融入規劃循環階段. 循環階段意義. 本研究實驗之策略規劃. 具體經驗. 以活動來促進學習者的參與，透過實體實驗教具操作，讓學生透過這樣的問題解決歷程循序可以實際動手操作實驗，並且搭漸進地達到活動的學習目標，配擴增實境提供學生操作實驗中並學習到有價值的知識。所需的虛擬資訊以輔助學習。. 反思觀察. 學習者比較過去的知識與經驗，在活動體驗的過程中，可以藉由省思與檢視去瞭解本身問題存在或是產生疑惑的地方，並設法連結經驗來找出問題的解決方法。. 抽象概念. 將思考過程中的想法與過往經藉由實驗操作步驟中的反覆思考驗結合後形成概念以作為理想及與虛擬資訊結合的歷程，幫助學生統整歸納並且一步一步建立中解決問題的最佳方法。透鏡成像概念。體驗式學習的成效，即是個人透過實驗過程中的立即回饋、操能夠應用參與活動的所有經驗作經驗及同步驗證性，可以有效及所得，把所學習到的知識推檢驗實驗的步驟是否正確並且進理運用到其他不同情境的問題一步應用到其他的生活情境中。上，或是應用到個人的日常生活當中。. 主動驗證. 39. 在實驗中，透過擴增實境提供的操作步驟提示，學生再與透鏡成像的生活經驗知識連結並且思考成像的形成原因。.