擴增實境遊戲式學習與編碼策略對國小學生槓桿原理學習之影響

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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. 擴增實境遊戲式學習與編碼策略對國小學生槓桿原理學習之影響 The Effects of Augmented Reality on Game-based Learning and Encoding Strategy in the Learning of Lever Principle for Elementary Students. 研究生：林思汝撰中華民國一百零三年七月.

(2) 擴增實境遊戲式學習與編碼策略對國小學生槓桿原理學習之影響. 摘要本研究旨在探討不同學習環境與編碼策略對於國小中年級學習者在槓桿原理學習成效及自然科學習動機之影響。研究對象為四年級學生，樣本為台北市某國小 111 位學生，剔除未全程參與 5 人和極端值 8 人，有效樣本為 98 人。實驗教學活動為期四週，共計 160 分鐘。本研究採因子設計之準實驗研究，自變項包括學習環境與編碼策略，「學習環境」依據虛擬資訊結合觸覺感受或動畫模擬之互動差異，分為擴增實境和數位模擬；「編碼策略」依據力矩概念的編碼方式為圖像或文字之呈現差異，分為類比編碼和符號編碼。依變項包括「槓桿原理學習成效」及「自然科學習動機」。共變項為「先備知識」。研究結果依槓桿原理學習成效與自然科學習動機兩個面向，綜合歸納如下： (1)學生使用「擴增實境遊戲」教材學習槓桿原理，學習成效優於使用「數位模擬遊戲」教材；而學生使用「類比編碼策略」教材學習槓桿原理，學習成效優於使用「符號編碼策略」教材；(2)學生運用學習環境與編碼策略學習槓桿原理皆可提升學習動機；特別是「擴增實境遊戲」和「類比編碼策略」之內在動機表現較佳，而「數位模擬遊戲」和「符號編碼策略」之外在動機表現較佳。. 關鍵詞：槓桿原理、遊戲式學習、擴增實境、數位模擬、編碼策略. i.

(3) The Effects of Augmented Reality on Game-based Learning and Encoding Strategy in the Learning of Lever Principle for Elementary Students. Abstract The purpose of this study was to investigate the effects of game-based learning environment and encoding strategy in the learning of lever principle for elementary students. A quasi-experimental research design was employed in the study and the participants were 98 fourth-grade elementary students. The independent variables were game-based learning environment (the augmented reality game vs. the digital simulation game) and encoding strategy (the analogy representation vs. the abstract representation). The dependent variables were learning performance in and motivation towards the lever principle learning activity. The results revealed that (a) the augmented reality game was able to facilitate the performance of understanding with learners and was better than the digital simulation game. On the other hand, the analogy representation could improve the performance in application and was better than the abstract representation. (b) Both the game-based learning environment and encoding strategy had positive impacts on learners’ motivation. The augmented reality game and the analogy representation affected more on the intrinsic motivation. However, the digital simulation game and the abstract representation caused more effect on the extrinsic motivation.. Keywords: lever principle, game-based learning, augmented reality, digital simulation, encoding strategy. ii.

(4) 誌謝兩年的研究生涯就要結束了，依稀記得推甄時的不確定感與懵懵懂懂。由於大學非教育相關科系畢業，所以就像是來到一個新的環境，一切都得從頭來過，經過一點一滴的累積、慢慢的學習才能有今天的成果。很開心的是，我能發現自己不同的可能、做事的方法、學習新事物的態度，也突破了我人生中重要的關卡。加入 CSL 大家庭，讓我擁有許多豐富的經驗與難忘的回憶。感謝指導教授陳明溥老師，您用心地教學、細心地指導與耐心地解惑，使我找到學習的方法、研究的方向與處事的態度。感謝口試委員施如齡教授與林育慈助理教授特地撥空細心的審閱論文，不吝給予寶貴的建議與指導，使我的碩士論文更加完善。感謝實驗學校、佳燕學姐、經益學長、郭老師、虞老師、黃老師的鼎力相助，讓實驗教學得以順利完成。感謝 CSL 大家庭中的你們，謝謝佳燕學姐、勻佐學姐、經益學長不厭其煩地與我討論教材設計的靈感；感謝偵益學長、燕欣學姐、映汝學姐、湘儀學姐、承哲學長、寶萱學姐、怡帆學姐在我還是小碩一時給予照顧以及開發 AR 的建議。感謝 CSL 一起努力的夥伴們，嘉鴻、日薇和邦捷，謝謝你們的幫忙與鼓勵。感謝細心的柏豪和宗學，謝謝你們大力支援我的實驗教學，十分感謝。感謝資教所的所有老師、學長姐及同學們，讓我能順利完成學校的各項要求。感謝我最愛最愛的家人，你們無怨無悔的付出讓我可以放心地做我想做的事情，你們的陪伴與肯定是我繼續努力的原動力，在我徬徨無助、無法下定決心及跌倒摔跤的這段時間裡，也是我堅持到最後一刻的強力後盾，謝謝你們。. －. 謹以此書獻給幫助我成長的人. iii. －.

(5) 目錄附表目錄 ...................................................................................................... VI 附圖目錄 ..................................................................................................... VII 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..................................................................................................6. 第二章文獻探討 ........................................................................................... 9 第一節. 槓桿原理學習..................................................................................................9. 第二節. 數位遊戲學習................................................................................................15. 第三章研究方法 ......................................................................................... 25 第一節. 研究對象........................................................................................................25. 第二節. 研究設計........................................................................................................26. 第三節. 研究工具........................................................................................................49. 第四節. 資料處理與分析............................................................................................53. 第四章結果與討論 ..................................................................................... 57 第一節. 槓桿原理學習成效分析................................................................................57. 第二節. 自然科學習動機分析....................................................................................63. 第五章結論與建議 ..................................................................................... 75 第一節. 結論................................................................................................................75. 第二節. 建議................................................................................................................78. 參考文獻 ....................................................................................................... 81 iv.

(6) 中文部分 ....................................................................................................................... 81 英文部分 ....................................................................................................................... 83. 附錄一槓桿原理學習成效測驗 ................................................................. 93 附錄二自然科學習動機問卷 ..................................................................... 99 附錄三「擴增實境-類比編碼組」學習單.............................................. 103 附錄四「擴增實境-符號編碼組」學習單.............................................. 113 附錄五「數位模擬-類比編碼組」學習單.............................................. 123 附錄六「數位模擬-符號編碼組」學習單.............................................. 133. v.

(7) 附表目錄表 2-1 槓桿原理相關概念之迷思概念整合表 ........................................................... 11 表 2-2 體驗式遊戲學習活動規劃表 ........................................................................... 14 表 3-1 各實驗組人數分配表 ....................................................................................... 25 表 3-2 體驗式遊戲學習活動之主要概念、學習目標與認知層次分類表 ............... 33 表 3-3 擴增實境遊戲教材與數位模擬教材之遊戲規則說明 ................................... 36 表 3-4 類比編碼策略與符號編碼策略之設計規則比較 ........................................... 37 表 3-5 體驗式遊戲學習活動內容規劃表 ................................................................... 38 表 3-6 槓桿原理學習成效測驗之測驗內容向度、題數分配及信度係數 ............... 50 表 3-7 自然科學習動機問卷之內容向度、題數分配及信度係數 ........................... 52 表 4-1 各組在槓桿原理學習成效之調整平均數、標準差與人數摘要 ................... 58 表 4-2 槓桿原理學習成效之多變量變異數同質性檢定摘要 ................................... 59 表 4-3 各組在槓桿原理學習成效之多變量共變數分析摘要 ................................... 59 表 4-4 槓桿原理學習成效分析結果摘要 ................................................................... 60 表 4-5 各組在自然科學習內在動機之調整平均數、標準差與人數摘要 ............... 64 表 4-6 自然科學習內在動機之多變量變異數同質性檢定摘要 ............................... 65 表 4-7 各組在自然科學習內在動機之多變量共變數分析摘要 ............................... 65 表 4-8 學習環境與編碼策略對自然科學習價值之單純主效果變異數分析摘要 ... 67 表 4-9 各組在自然科學習外在動機之調整平均數、標準差與人數摘要 ............... 68 表 4-10 自然科學習外在動機之多變量變異數同質性檢定摘要 ............................. 69 表 4-11 各組在自然科學習外在動機之多變量共變數分析摘要 ............................. 69 表 4-12 自然科學習動機表現分析結果摘要 ............................................................. 70. vi.

(8) 附圖目錄圖 2-1 體驗式學習環之四階段說明圖(KOLB, 1984) .................................................. 13 圖 2-2 真實-虛擬連續性(R-V CONTINUUM)之說明圖(MILGRAM ET AL., 1994) ......... 20 圖 3-1 研究設計架構圖 ............................................................................................... 27 圖 3-2 實驗教學暨體驗式遊戲學習活動流程 ........................................................... 29 圖 3-3 第一週開始先讓學習者實施前測 ................................................................... 30 圖 3-4 第二週教學者先簡單說明學習活動的意涵並示範遊戲角色的操作技巧 ... 30 圖 3-5 擴增實境遊戲組進行「搶救公主大作戰」體驗式遊戲學習活動 ............... 31 圖 3-6 數位模擬遊戲組進行「搶救公主大作戰」體驗式遊戲學習活動 ............... 31 圖 3-7 槓桿原理課程知識架構圖 ............................................................................... 32 圖 3-8 UNITY 3D 遊戲引擎做為開發環境 ................................................................... 34 圖 3-9 JAVASCRIPT 程式編寫遊戲互動 ........................................................................ 34 圖 3-10 體驗式遊戲學習活動架構圖 ......................................................................... 35 圖 3-11 遊戲選單和載入畫面，說明故事背景與主要任務目標 ............................. 39 圖 3-12 「擴增實境遊戲組」之操作練習：學習者接受到任務時，會促使其投入扮演遊戲角色 ....................................................................................................... 40 圖 3-13 「擴增實境遊戲組」之具體經驗：學習者透過體驗省力與費力的方式尋求解決任務的方法 ............................................................................................... 41 圖 3-14 「擴增實境遊戲組」之反思觀察：學習者利用主要遊戲角色實驗與觀察翹翹板平衡的情形 ............................................................................................... 41 圖 3-15 「擴增實境遊戲組」之抽象概念：學習者會獲得編碼提示使其進行具體經驗與觀察反思的連結(A. 類比編碼策略組、B. 符號編碼策略組)............... 42 圖 3-16 「擴增實境遊戲組」之主動驗證：學習者在實際操作過程中理解與驗證翹翹板平衡的原理(A. 類比編碼策略組、B. 符號編碼策略組) ....................... 43 圖 3-17 學習者可透過科學日誌和背包來檢視自己是否有達到學習目標 ............. 44 vii.

(9) 圖 3-18 「數位模擬遊戲組」之操作練習：學習者閱讀故事背景及人物要求，進而有效投入故事角色........................................................................................... 45 圖 3-19 「數位模擬遊戲組」之具體經驗：學習者藉由操作模擬動畫以尋求解決任務的方法........................................................................................................... 46 圖 3-20 「數位模擬遊戲組」之反思觀察：學習者利用主要遊戲角色實驗與觀察翹翹板平衡的情形............................................................................................... 46 圖 3-21 「數位模擬遊戲組」之抽象概念：學習者會獲得編碼提示使其進行具體經驗與觀察反思的連結(A. 類比編碼策略組、B. 符號編碼策略組) .............. 47 圖 3-22 「數位模擬遊戲組」之主動驗證：學習者在實際操作過程中理解與驗證翹翹板平衡的原理(A. 類比編碼策略組、B. 符號編碼策略組) ...................... 48 圖 3-23 槓桿原理分項學習表現分析流程 ................................................................. 53 圖 3-24 自然科學習動機之內在動機分項表現分析流程 ......................................... 55 圖 3-25 自然科學習動機之外在動機分項表現分析流程 ......................................... 56 圖 4-1 學習環境與編碼策略對自然科學習價值之交互作用圖 ............................... 66. viii.

(10) 第一章. 緒論. 本章針對本研究之研究背景進行說明，並闡述本研究之價值與目的，以及詳述研究範圍與限制，最後回歸至本研究主要研究議題之相關名詞並加以界定及釋義。. 第一節研究背景與動機科學學習是培養學習者以實驗或實地觀察的方式進行學習，使其經歷科學家的探究活動，學會觀察、詢問、規劃、實驗、歸納和研判等步驟，培養出批判與創造等各種思考能力，進而獲得處理事務與解決問題的方法，並瞭解到探究過程中，細心、耐心與切實的重要性(教育部，2008)。此外，美國科學促進協會(American Association for the Advancement of Science, AAAS)更於 1989 年也提到，科學教育之重要目標為培養國民的科學精神與素養，及提升其對於科學本質的了解。然而，在物理領域的科學概念較抽象，使得學習者不易學到概念的精華(Jimoyiannis & Komis, 2001)。此外，在課程進行之前，學習者也常因為日常生活的經驗而在心中對於即將學習的概念形成既有的想法，而這些想法往往是與科學家們的專家想法或科學概念是不同的(曾永祥、許瑛玿，2006)。因此，學習者的另有概念與心智表徵對科學學習之影響已是過去研究的重要研究議題 (Driver, Guesne & Tiberghien, 1985; Duit, Goldberg & Nidderer, 1991)。有鑑於物理學習的過程較複雜且概念的原理亦較抽象，故對於物理相關概念的議題應當進行探討。近年研究指出，國小學習者對槓桿原理的認知表現不甚理想，多數學習者亦對槓桿原理相關議題產生迷思概念(張意欣，2004；鄭景文，2008；鄭靜瑜，2002)。以學習者的角度來看，國小自然科的教科書中雖有提及槓桿原理相關議題，但是講述性課程的教學方式仍不夠有趣，且較難引起學習者的興趣(賴俊安，2012)。在知識傳遞方面，對於槓桿原理的學習活動而言，傳統的講述方式僅能讓學習者接收訊息但不能使其得到最好的吸收(樊雪春，1999)，故學習者需 1.

(11) 要將個人經驗和科學概念加以歸納與統整，才能深入理解科學概念的意義(Smith, Blakeslee, & Anderson, 1993)。此外，在傳統的實體翹翹板教具之實驗操作過程中，學習者會因觀察到其他因素(如：物體位置高低)，因而對於槓桿平衡的判斷產生混淆(游光純，2002)，故如果無法有效地將抽象科學概念與具體實驗操作結合，學習者將無法順利建立起科學概念的正確心智模式(Siegler, 1976)。因此，為改善學習活動的知識傳遞過程，提升學習者的學習動機與學習表現，教學者需有效設計與規劃符合學習者的學習活動。遊戲式學習可使學習者透過沉浸在數位遊戲學習環境中而達到特定的學習目標(Garris, Ahlers, & Diskell, 2002)，將學習內容融入數位遊戲，可幫助學習者保留知識並遷移至真實世界(Kiili, 2005; Prensky, 2003)。Malone (1981)亦發現在學習活動融入遊戲特性能提升學習者的學習動機，引起積極參與學習的態度。此外，數位遊戲應用於學習活動不僅可藉由其吸引力與優勢協助學習者活化先備知識 (Boot, Kramer, Simons, Fabiani, & Gratton, 2008; Squire, 2003)，更能幫助學習者投入學習活動中(Rastegarpour & Marashi, 2012)。遊戲故事情境嵌入學習內容不僅能豐富學習環境，更能協助學習者將科學概念存入長期記憶，並提高其科學學習的態度(Demircioglu, Demircioglu, & Calik, 2009)。然而，要同時找到數位遊戲與學習歷程的內部平衡是非常不容易的事，如果沒有好的引導或學習策略，要透過數位遊戲進行遊戲式學習是很難達到預期的教育目的(Johnson, Butcher, Ozogul, & Reisslein, 2013; Johnson, Reisslein, & Reisslein, 2014)。 Kolb (1984)體驗式學習環的具體經驗、反思觀察、抽象概念和主動驗證四個階段可以幫助學習者喚起舊經驗克服迷思概念，不僅能將經驗轉化，亦能建構新知識，更能在未來將此歷程做為日後評斷相似問題的依據(Wang & Chen, 2010)。依循體驗式學習環的策略營造出體驗式數位遊戲學習環境，藉由學習任務的架構，以學習者為中心，透過扮演遊戲角色解決問題、自行建構知識，能改善學習者的學習動機，並促進提升學習成效的影響(Kiili & Lainema, 2006; Kebritchi, Hirumi, & Bai, 2010)。 2.

(12) 雖然在數位遊戲學習環境中探索與解決任務能使學習經驗更富趣味性，並獲得學習上的意義(Charles & Mcalister, 2004)。但是，學習者在數位遊戲中看到的動畫模擬缺乏真實情境脈絡的觸感互動，造成虛擬的學習經驗與真實的實驗操作之間有很大的落差，甚至無法有效遷移至真實環境中。因此，就數位科技輔助學習而言，擴增實境(Augmented Reality, AR)具有整合虛擬與真實的特性，故具有銜接虛擬經驗與真實操作的優勢。擴增實境嵌入體驗式遊戲學習活動能讓真實世界中增添虛擬之輔助資訊，幫助抽象概念與具體經驗之連結。就訊息處理理論的觀點而言，人類是透過感覺記憶(包含視覺、觸覺、嗅覺、味覺和聽覺)去接收外界的刺激，引發短暫記憶，再經由不斷的反覆出現需處理的資訊，因而將此資訊存入長期記憶。Paivio (1986)雙碼理論認為人類的記憶系統是由視覺和語意兩種次系統所組成，雖然兩者的處理方式相似，但視覺和語意的編碼與表徵形式不同，因此接收後的組織方式亦不相同。然而，學習者要將表徵內化成知識概念並不是件簡單的任務，因此其可能在學習過程中產生額外的認知負擔與限制(Baddeley, 1986; Chandler & Sweller, 1991; Goldman, 2003)。在數位模擬學習環境中適切提供類比編碼之視覺表徵與符號編碼之語意表徵，排除冗餘或不重要的資訊，使兩種編碼方式達到相輔相成的作用，進而有效幫助學習者認知歷程的建構(Mayer & Anderson, 1991; Moreno & Mayer, 1999)。綜合上述，本研究以體驗式數位遊戲學習的觀點，整合槓桿原理學科內容 (Content)、數位遊戲之學習環境(Technology)與編碼策略(Strategy)之使用，探討在不同學習環境(擴增實境、數位模擬)與編碼策略(類比編碼、符號編碼)對國小生槓桿原理之學習成效及自然科學習動機之影響。. 3.

(13) 第二節研究目的與待答問題本研究旨在藉由實驗教學檢視體驗式遊戲學習實施於槓桿原理學習的可行性，探討不同學習環境(擴增實境、數位模擬)與編碼策略(類比編碼、符號編碼) 對國小學生槓桿原理學習成效與動機之影響。以下就研究目的與待答問題，分別說明：. 壹、研究目的本研究之研究目的有二：一、探討不同學習環境及編碼策略對國小學生槓桿原理的學習成效之影響。二、探討不同學習環境及編碼策略對國小學生自然科學習動機之影響。. 貳、待答問題針對上述研究目的，提出待答問題如下：一、在學習槓桿原理課程後，不同學習環境(擴增實境、數位模擬)與編碼策略(類比編碼、符號編碼)對國小四年級學習者在槓桿原理的學習成效(知識、理解、應用)是否有差異？二、在學習槓桿原理課程後，不同學習環境(擴增實境、數位模擬)與編碼策略(類比編碼、符號編碼)對國小四年級學習者的自然科學習動機之內在動機(自我效能、主動學習策略、自然科學習價值)及外在動機(表現目標、成就目標、學習環境誘因)是否有差異？. 4.

(14) 第三節研究範圍與限制本研究為配合實驗教學之設計與進行，對於研究對象、教學時間和教材內容有以下之研究範圍與限制：. 一、本研究之研究對象為國小四年級學生，研究樣本為台北市國小學生，其資訊教育課程已於三年級學習過基礎電腦文書處理，具備基本的電腦操作技能；其自然與生活科技課程已於三年級學習到「神奇的磁力」的磁力之物理概念，具有力學在日常生活中的體驗與基礎認知，如：玩過翹翹板之經驗。因此，結果僅能推論於類似的研究對象。二、本研究之課程名稱為「翹翹板槓桿原理」，遊戲活動名稱為「搶救公主大作戰」，教材為 Unity 3d 所開發之 Andriod 遊戲 app，由於採用平板電腦呈現遊戲學習活動，故學習者在操作前須先熟悉其操作的方式，因此，此種方式的實驗教學需較長的學習時間，但本研究為配合學校各項活動及原班級課程之安排，故實驗教學時間規劃四週，以班級為單位隨機分派進行實驗教學。三、本研究之教材範圍包含「槓桿定義」、「槓桿特性」與「槓桿平衡」三個部分，其中，「槓桿定義」主要是在學習槓桿的支點、施力點、抗力點、施力臂和抗力臂的基本概念；「槓桿特性」主要是在相似的情境中理解基本的力矩運算，並能學會判斷省力與費力的情形；而「槓桿平衡」主要是在應用已習得的概念進一步去判斷槓桿是否會達到平衡。. 5.

(15) 第四節重要名詞釋義一、體驗式遊戲學習環境數位遊戲學習(digital game-based learning, DGBL)是指使用數位遊戲在教育情境，藉由鼓勵學習的動機以改善學習(Prensky, 2001)。在學習過程中透過具象化、區辨、類推及活用等思考歷程，從具體範例中辨別抽象概念，形成表徵並能類化到新的範例中，進而建構出自己有意義的知識架構(Klausmeier, 1992)。體驗式學習環(experiential learning cycle)是將學習者置於一個有意義的問題情境中，以學習者為中心，透過體驗具體的現象、發現問題並觀察其變化、將理論與實驗結果加以歸納理解，最後，學習者能將具體經驗與觀察反思結果加以統整成有意義的知識架構或抽象原理，並能主動地去驗證其概念的正確性。Kolb (1984)依據資訊獲取及資訊處理兩個觀點將學習的歷程分為四階段，其過程包括：具體經驗(concrete experience, CE) 、反思觀察 (reflective observation, RO) 、抽象概念 (abstract conceptualization, AC)及主動驗證(active experimentation, AE)。本研究採用體驗式學習環嵌入數位遊戲學習活動，將遊戲的互動方式分成兩種不同的學習環境：擴增實境遊戲與數位模擬遊戲。在「擴增實境遊戲」中，提供虛擬的力矩概念呈現及重量觸覺感受，讓學生透過實驗操作觀察不同的力矩影響翹翹板平衡的過程，促進理解翹翹板的槓桿原理；在「數位模擬遊戲」中，則提供虛擬的力矩概念呈現及動畫輔助資訊，讓學生透過模擬實驗觀察不同的力矩影響翹翹板平衡的過程，促進理解翹翹板的槓桿原理。. 6.

(16) 二、編碼策略電腦技術輔助學習提供學習者在學習過程所需的多重表徵，像是文字(text)、圖像(diagrams)和公式(formulas)，也就是說，在學習環境中整合多重表徵可彌補純文字、純圖像或是純公式的不足。雖然學習者可以透過視覺表徵 (visual representation)和語意表徵(verbal representation)單獨呈現的方式獲得與學科內容相關的補充資訊，進而促進知識理解(Ainsworth, 1999; Larkin & Simon, 1987)，但是學習者在學習過程中使用表徵可能會產生額外的認知負擔與限制(Baddeley, 1986; Chandler & Sweller, 1991; Goldman, 2003)。就 Paivio (1986)雙碼理論來看記憶系統，可將其分成視覺表徵之「類比編碼」和語意表徵之「符號編碼」，雖然兩者的處理方式相似，但編碼與組織的方式卻不相同；類比編碼是以整體的、並行的、集合的方式進行連結；符號編碼則是以個別的、循序的、語法的方式進行連結。本研究將槓桿原理的力矩概念「力矩=重量×力臂長」，分成兩種不同編碼方式：類比編碼策略和符號編碼策略。「類比編碼策略」是提供翹翹板實驗的力矩面積(視覺圖像)之輔助資訊，幫助學生觀察翹翹板的重量與距離之不同的平衡過程，促進理解翹翹板的槓桿原理，提升應用槓桿原理於蹺蹺板平衡情形之預測能力；「符號編碼策略」則是提供翹翹板實驗的力矩公式(語意文字)之輔助資訊，幫助學生觀察翹翹板的重量與距離之不同的平衡過程，促進理解翹翹板的槓桿原理，提升應用槓桿原理於蹺蹺板平衡情形之預測能力。. 7.

(17) 三、槓桿原理學習成效槓桿原理學習成效泛指槓桿原理初學者對槓桿原理的知識、理解與應用。本研究之槓桿原理知識屬性觀點，可分為槓桿定義、槓桿特性和槓桿平衡。「槓桿定義」為學習者能分辨槓桿的支點、施力點、抗力點、施力臂和抗力臂的基本概念和原則；「槓桿特性」為學習者能在相似的情境中作出基本的力矩運算，並能進一步判斷省力與費力的情形；「槓桿平衡」為學習者能應用其在體驗式遊戲學習活動所習得的概念、原則於不同的情境中，或是進一步能判斷槓桿是否會達到平衡的正確性或適切性。槓桿原理學習層次之知識、理解與應用，分別包括槓桿定義、槓桿特性與槓桿平衡之表現。. 四、學習動機學習動機係指引起學習者之學習動力，維持其學習活動之主動參與，並導致該學習趨向教學者所設定之目標的內在心理歷程(張春興，民 96，p296)。因此，本研究之學習動機分為內在動機與外在動機。「內在動機」係指學習者主動地參與學習、挑戰自我，或想了解更多新知識而發自內心的動力，為了增加學習的深度、達到自我的肯定，促使學習者願意投入更多的時間與精神去探索，從學習的過程中產生興趣、愉悅、滿足與自我能力的提升(Chang, 2005)；「外在動機」係指學習者在參與學習時，主要是受到外在誘惑或條件的影響，為了得到外在結果與獎勵，例如：得到好成績、讓父母開心，以及教師的讚美等等。本研究將「內在動機」分為自我效能、主動學習策略和自然科學習價值，代表學習者參與體驗式數位遊戲學習時，對於數位遊戲之挑戰性、好奇心等內在因素之感受程度；而「外在動機」則分為表現目標、成就目標和學習環境誘因，則代表學習者參與體驗式數位遊戲學習時，對於數位遊戲之成績、獎賞等外在因素之感受程度。. 8.

(18) 第二章. 文獻探討. 本章第一節先探討「槓桿原理學習」在教育上的意義與困境，與體驗式學習改善槓桿學習的理論基礎，進而在第二節探討「數位遊戲學習」應用於教育之現況與影響，分別就學習環境差異及編碼策略的定義。. 第一節槓桿原理學習本節首先就「槓桿原理的學習與教育意義」，了解槓桿原理學習之必要性與重要性，再進一步探討「槓桿原理在教學上的困難」，最後探討「體驗式學習理論」之內涵、理論基礎及應用於數位遊戲，期望透過體驗式學習環作為改善槓桿原理教學的理論架構。. 一、槓桿原理之學習與教育意義美國科學促進協會(AAAS, 1989)認為培養國民科學精神及素養，提升學習者對於科學本質的了解，一直是教育界的重要目標。而我國九年一貫課程亦朝此方向努力，在自然與生活科技領域的課程綱要提到培養學習者以實驗或實地觀察的方式去進行學習，經歷科學家們的探究活動，學會觀察、詢問、規劃、實驗、歸納和研判，培養出批判與創造等各種能力，使我們獲得處理事務與解決問題的能力，並能瞭解探究過程中，細心、耐心與切實的重要性(教育部，2008)。此外，為提升我國學生在國際的競爭力，Yager (1993)也指出，學生必須具備科學素養，了解科學本質與社會之間的關係，進而將習得之科學概念遷移至日常生活中。然而，學習者在學習這些科學概念之前，心中已產生另有概念且往往與專家概念是不同的(曾永祥、許瑛玿，2006)。尤其物理領域的另有概念或迷思概念相關研究最多，有 59 篇；其次是生物及地球科學領域，各 26 篇；最少的則是化學領域，有 17 篇(陳淑筠，民 91)。其中，物理方面，與力學相關的單元存在較多的另有概念，也就是說，「力」是最難學習的概念之一(Treagust, Duit, & Fraseredited, 1996)。 9.

(19) 李田英(民 84)在國小三至五年級自然科學課程學習困難之教材分析研究亦發現，學生常常對重力、速度、方向、天體、能量與作用力等科學概念產生迷思概念。王美芬與熊召弟(2000)在國小自然科教材教法中提到迷思概念形成的可能原因是來自日常生活的體驗、與生俱來的理念或因他人而形成的想法。蘇育任(民 82)對國小自然科教學之啟示指出，在自然科學領域常產生迷思概念的原因為(1)過度簡化科學概念、(2)死記硬背科學概念與公式、(3)將相似的概念重疊在一起、(4)概念所需先備知識不足、及(5)教學策略與概念太過廣泛。因此，對於初次接觸物理原理的國小學習者而言，在知識建構過程上是有一定程度的困難，且力學概念銜接了未來國中與高中之科學課程，因此，只要能幫助學習者將具體經驗轉變成科學概念存入長期記憶中，促進理解科學概念的本質，就能進而提升其日後在力學相關概念的學習表現。所以，槓桿原理的概念對於學習者在物理學習的範疇中具有相當深遠的影響與重要性。. 二、. 槓桿原理之教學困難目前學習者學習槓桿原理相關概念多採用講述式教學搭配實體天平教具的. 實驗操作。雖然根據皮亞傑之認知發展階段來看，7 至 11 歲的孩童已進入具體運思期(Concrete Operational)，能根據具體經驗思維解決問題、能使用具體物之操作來協助思考、能理解可逆性與守恆的道理；而 11 至 16 歲的孩童則慢慢進入形式運思期(Formal Operational)，開始會類推，有邏輯思維和抽像思維、能按假設驗證的科學法則思考解決問題。但是，從 Siegler (1976)等人的研究發現，採用傳統教具(即翹翹板與砝碼)的教學方式，對於學齡兒童在槓桿原理的學習表現上，並沒有符合其認知發展階段。也就是說，槓桿原理之傳統教學可能導致學習者對於槓桿產生另有想法，故無法有效幫助學習者形成槓桿相關概念的抽象的表徵。然而，目前槓桿原理教學是讓學習者體驗力所產生的現象，但對於力學概念僅能以施力大小(數值、單位)來說明，且實驗過程相當耗時，若是實驗數據有誤差，則也會造成教師講解上的困擾，因而無法使學習者有效理解槓桿的原理(賴俊安， 10.

(20) 2012)。此外，樊雪春(1999)依據 Siegler 之評鑑法評估學生對槓桿平衡判斷規則的理解程度，發現接受建構式教學法與傳統講述教學法在槓桿學習成效方面無顯著差異。在國小高年級學童之槓桿迷思概念的研究，發現高年級學習者在不同的題型中使用的解題策略相當不穩定且沒有規則性，並且其持有多變化與多樣化的迷思概念(賴明照，2003)。由於國內外研究者對槓桿原理學習的探討與分析有所不同，故針對各研究者對槓桿原理相關概念之迷思概念加以整理，如表 2-1 所示。. 表 2-1 槓桿原理相關概念之迷思概念整合表作者(年代) Roth (1991). Stepans (1994). 1. 2. 3. 1. 2.. McGinn & Roth (1998). 1.. 游光純(2002). 1. 2. 3. 4.. 賴明照(2003). 1.. 2. 張志銘(2003). 1. 2. 3. 4. 5.. 研究結果大部分的學生似乎在使用重量與距離乘積規則前會發展與使用比率規則。大部分的學生無法適當的距離編碼。學生似乎使用解決先前問題的經驗以解決問題。大多數學生誤用了槓桿原理，會把兩邊的砝碼數與到支點的距離分別相加來做比較，以作為槓桿平衡與否的判斷。許多學生傳達槓桿的應用或把它帶入課程上也有困難，認為越接近支點，需越少的力來平衡。學生在個人與伙伴的不同情境，及紙筆、會話、操作的不同形式下評量對槓桿問題的回答情形，學生竟有前後不一的答案，可見情境及形式也會影響答案及判斷。砝碼個數多者會傾斜的想法：認為砝碼個數越多的一邊，重量越重，則槓桿會傾斜向下。力臂與重量混合的想法：當遇到一邊砝碼數多，一邊力臂較長時，則判斷依據出現不一的情形。力臂與重量互補的想法：會以一格力臂補一個砝碼的想法去判斷。位置高低影響槓桿平衡的想法，認為物體越低重量越重，也有部分的學生認為物體越高重量越重。對於實際生活工具，如用掃帚掃地、釣魚、用鉛筆寫字、打棒球時，無法正確判定「支點」、「施力點」、「抗力點」的位置所在，以及「施力臂」、「抗力臂」的利用，以至於無法正確做省力費時或費時省力的判斷。高年級學童在不同題型中所使用的策略有相當大的不同與變化，並持有多變化與多樣化的迷思概念。有重量與力矩相混淆的想法。有力臂與重量互補的想法。認為「榨汁器」是運用槓桿原理的費力工具，且支點位於施力點與抗力點之間，施力臂的長度小於抗力臂的長度。有部分學童認為「取碳夾」是運用槓桿原理的省力工具，且支點位於施力點與抗力點之間，施力臂的長度大於抗力臂的長度。有部分學童認為「鑷子」和「麵包夾」是運用槓桿原理的省力工具，且支點位於施力點與抗力點之間，施力臂的長度大於抗力臂的長度。. 資料來源：研究者自行整理. 11.

(21) 由國內、外研究歸納整理可知，槓桿之主要迷思概念包含：國小學生在「槓桿原理」單元最主要的學習困難是(1)重量與力矩相混淆的想法，(2)無法正確做省力或費力的判斷，及(3)力臂與重量成相加或成比例的想法(張志銘，2003；賴明照，2003；游光純，2002；Stepans, 1994；Roth, 1991)。綜合上述，顯示在槓桿原理教學上仍有缺乏一些適切的策略或教學方法來幫助學習者更有效地進行概念轉變，以改善目前槓桿原理在教學上的困難。. 三、. 體驗式學習理論. 體驗式學習理論強調學習是不斷轉換與重組經驗的歷程，以學習者為中心，提供學習者有機會主動將經驗與概念加以整合，進而幫助其理解新概念與轉變就經驗。以下就體驗式學習的內涵、理論基礎及體驗式學習應用於數位遊戲分別探討。. (一) 體驗式學習的內涵體驗式學習(experiential learning)是將學習者置於一個有意義的問題情境，透過具體經驗驅使其發現問題所在、過程中透過不斷的觀察與反思，形成概念並能夠將此抽象概念應用於新情境中，以檢視其有效性(Dewey, 1983; Lewin, Lippitt, & White, 1939)。學習者透過觀察與體驗周圍事物，發現或形成對事物的解釋與想法，藉由實際地運用，驗證其解釋與想法的可行性；當此想法轉變成一定程度的適用準則，該想法即變成對於學習者有意義的知識架構或具體經歷，成為其日後評斷相似事物的依據(Wang & Chen, 2010)。因此，體驗式學習已廣泛運用在教育實務相關之教學情境中。. (二) 理論基礎 Kolb (1984)之體驗式學習理論依據資訊獲取(information perceiving)及資訊處理(information processing)兩個觀點，將學習過程區分為一個四階段的循環週期， 12.

(22) 其循環包括：具體經驗(concrete experience, CE)、反思觀察(reflective observation, RO)、抽象概念(abstract conceptualization, AC)及主動驗證(active experimentation, AE)四個階段(如圖 2-1)。以下就四個階段分別說明： 1.. 具體經驗(CE)：透過真實世界環境或日常生活情境之模擬，將學習內容融入其中，使學習者可以自行建構知識。. 2.. 反思觀察(RO)：提供各種資訊與事件促進學習者深入思考經驗的歷程與內涵。. 3.. 抽象概念(AC)：學習者將具體經驗與反思觀察兩階段所經歷到的事件，透過自行的理解與統整，進而轉化為知識架構。. 4.. 主動驗證(AE)：學習者整理出學習概念後，藉由主動檢驗概念的正確性，將其延伸應用於新的情境上。. 具體經驗 (CE) Feeling. 主動驗證 (AE) Doing. 反思觀察 (RO) Watching. 抽象概念 (AC) Thinking 圖 2-1 體驗式學習環之四階段說明圖(Kolb, 1984). 該理論主要的論點包含：(1)學習是一個歷程而非最終的結果、(2)學習就是不斷的重複學習、(3)學習需要經由對話的辯證過程，解決衝突，以適應世界、(4) 學習是一種適應世界的整體歷程、(5)學習是個人與環境互動所產生的結果、(6) 學習是創造知識的歷程。從體驗式學習理論的基礎可發現，其強調學習是「調適 13.

(23) 的歷程」，而知識是「概念的轉變」。因此，實踐體驗式學習於實驗教學時，應考量「學習」、「知識」與「互動」之間的設計。. (三) 體驗式學習應用於數位遊戲體驗式學習理論強調學習是來自於學習者的經驗轉變(Kolb, 1984)，而數位遊戲式學習能模擬問題發生的情境並提供適切的學習內容資訊，讓學習者透過遊戲的學習任務建構知識，進而幫助學習者將習得的概念遷移至生活應用(Gee, 2003; Prensky, 2003; Salen & Zimmerman, 2004)。故本研究之遊戲設計理念是以體驗式學習為理論架構，讓學習者透過遊戲故事的鋪陳與學習任務的安排在探索的過程中建構槓桿原理的相關概念，透過遊戲機制的互動，可增加學習過程中的趣味性與參與度，讓學習者不斷地經歷調適的歷程與概念的轉變，並且遊戲能提供與學習相關之輔助資訊，不僅能幫助學習者完成遊戲裡的任務，也能幫助其創造有意義的知識架構，各階段之意涵與本研究之體驗式遊戲設計之規劃如表 2-2 所示。. 表 2-2 體驗式遊戲學習活動規劃表學習階段具體經驗. 反思觀察. 抽象概念. 主動驗證. 階段意涵透過真實世界環境或模擬日常生活情境將學習內容融入其中，使學習者可以自行建構知識。提供各種訊息、事件促進學習者深入思考經驗的歷程與意涵。學習者將具體經驗與反思觀察兩階段所經歷到的事件，自行整理、轉化為知識概念。學習者統整出學習概念後，自動檢測概念的正確性，並將其應用於新的情境。. 本研究之體驗式遊戲設計將槓桿原理之相關概念融入遊戲任務中，透過故事情節、任務目標等循序漸進引導學習者，使其在解決遊戲任務的歷程中體驗各種概念之實用性。在遊戲的關卡中安排多位非玩家角色(NPC)，學習者在自由探索過程可與其對話，從中獲得解決任務之提示。特定角色會在學習者完成任務時給予改正性回饋，賦予學習者反思的機會。利用學習單中的形成性測驗小實驗，促使學習者統整在遊戲任務所經驗到的槓桿原理相關概念，並針對學習者指出的選項正確與否，給予類比編碼提示或符號編碼提示。經由故事情境的安排類似之遊戲任務，促進學習者自行驗證於「抽象概念」所選擇的槓桿原理相關概念正確與否，並檢測其能靈活運用之。. 14.

(24) 第二節數位遊戲學習本節首先探討「數位遊戲」的定義與教育意義，了解數位遊戲對學習遷移的幫助及數位遊戲對學習結果之影響。此外，再進一步討論現今「數位遊戲之學習環境」，分別就數位模擬與擴增實境之沉浸與呈現方式，探討兩者之特性與教育意涵。最後，探討「編碼策略」之定義與對學習結果之影響。. 一、. 數位遊戲數位遊戲泛指透過操作控制器或科技設備在電腦上遊玩的互動遊戲(Gee,. 2003; Pivec & Kearney, 2007)。數位遊戲學習(digital game-based learning, DGBL) 是一種將教育內容或學習準則與電腦遊戲相結合的教育方法。特別是當遊戲使得學習者感到愉悅時，學習者便會更加投入於學習活動當中。此教育方法強調於教育環境中使用教育遊戲以激勵學習者的學習動機，促使其有更好的學習表現 (Prensky, 2003)。Kiili (2005)也認為讓學習者在有教育意義的數位遊戲情境中進行學習，有助於其對於學科內容知識之習得，並能幫助其將所學的知識遷移至日常生活中。因此，數位遊戲學習是透過遊戲策略與情境，促進學習動機、提升學習成效並保持正向學習態度(Gros, 2007; Van Eck, 2007)。同時，數位遊戲學習已被認為是促進學習動機之教育工具，具有以下幾個特點：(1)遊戲式學習創造了一個能和學習者互動與交流的學習環境(Papert, 1980; Provenzo, 1992)；(2)在遊玩的過程中，學習者可藉由遊戲情境的互動將知識和技能加以驗證，並且能夠遷移至其他情境中(Bork & King, 1998)；(3)遊戲具有控制性、挑戰性、奇幻性和好奇心的特性，能引發學習者的內在動機，使其主動地投入學習(Malone, 1981; Garris, Ahlers, & Diskell, 2002; Kickmeier-Rust & Albert, 2010)。此外，Prensky (2001)也認為包含教育目標及學科內容之遊戲，能更傾向以學習者中心，使學習者的學習歷程更加愉悅且更加有趣，並能產出更多學習上的效益。因此，為了考量學習目標、學習內容及學習效果三要素，故對於數位遊戲學習之影響進行探討如下： 15.

(25) (一) 數位遊戲幫助學習遷移 de Freitas與Oliver (2006)以學習為目標定義數位遊戲是「應用遊戲的特質創造融入遊戲之學習經驗，在遊戲歷程中傳遞具體學習目標、學習結果與學習經驗。」學習者在學習過程中透過具象化、區辨、類推及活用等思考歷程，從具體範例中辨別抽象概念，形成表徵並類化到新的範例中，進而建構出自己有意義的知識架構(Klausmeier, 1992)。也就是說，體驗式學習的歷程能幫助學習者從具體經驗到抽象概念的知識轉變(Kolb, 1984)，而數位遊戲學習則是強調透過遊戲情境的脈絡幫助學習者將抽象概念遷移至新的經驗(Gros, 2007)。由此可知，體驗式學習與數位遊戲學習的結合，提供學習經驗、遊戲情境、學科內容知識，並以遊戲任務的方式，循序漸進地挑戰以強化概念的習得。因此，體驗式的數位遊戲策略對於學習者的技能、動機與態度都扮演著極為重要的角色(Gros, 2007; Inal & Cagiltay, 2007)。. (二) 數位遊戲對學習結果之影響近年來，越來越多的研究針對數位遊戲在教育應用上進行探討，因為有研究者認為數位遊戲是青少年主要的娛樂和教學媒體，而且青少年採用數位遊戲進行學習能夠產生正面的影響(Squire, 2006)。不過也有研究者對此提出不同的看法， Frasca (2004)認為數位遊戲學習缺乏一個可行、可依循的準則去評量其教育意義或價值，同時也缺乏實證的研究結果去支持或反駁這種遊戲式學習理論的主張。亦有許多研究指出，數位遊戲學習與傳統教學相比，並沒有較好的學習表現 (Randel, Morris, Wetzel, & Whitehall, 1992; O’Neil, Waines, & Baker, 2005)。因此，並不是所有的研究發現都獲得一致的肯定，以下將從正面與反面效益分別說明： 1.. 正面效益(positive effects)強調結合數位遊戲與學科內容之設計在數位遊戲學習，對學習者之認知 (Cognitive) 、情意 (Affective) 和技能 (Psychomotor)三方面之正面影響。 (1) 認知方面，數位遊戲是透過模擬實驗過程的動畫或互動，將學習 16.

(26) 情境簡化與學習概念具象化，幫助學習者理解學科內容知識的意義(Ricci, Salas, & Cannon-Bowers, 1996)。遊戲扮演幫助學習理解工具的角色，提供多元的表徵；活化先備知識(Squire, 2003)；幫助學習遷移至真實世界(Kearney & Pivec, 2007)，進而，促進學習成效 (Hickey, Ingram-Goble, & Jameson, 2009; Papastergiou, 2009)。 (2) 情意方面，學習者在數位遊戲遊玩的過程中，因為遊戲任務的挑戰、角色互動的回饋、故事情境的好奇和場景的奇幻，而促進其積極參與(Malone, 1981; Rieber, 1996)；而鼓勵其主動地做中學 (Garris, Ahlers, & Driskell, 2002)；而有較為正向的學習態度(Garris, Ahlers, & Driskell, 2002)。 (3) 技能方面，藉由重複操作改善資訊素養與技能(de Freitas & Oliver, 2006)，並提供豐富的學習經驗，幫助習得解決問題歷程的技能 (Connolly, Stansfield, & Hainey, 2007; Van Eck, 2007)。 2.. 負面效益(negative effects)強調結合數位遊戲與學科內容之設計在數位遊戲學習，對學習者之認知、情意和技能三方面之負面影響(Squire, 2003)。 (1) 認知方面，學習者容易注重在「遊玩」的部分，而不是學科內容的目標。 (2) 情意方面，遊戲式學習活動無法吸引所有的學習者。 (3) 技能方面，學習者在複雜度較高的數位遊戲中無法精確地學習到知識概念。. (三) 數位遊戲與學習動機遊戲提供消除學習過程中的負面反應，引起學習者想要進一步探究的動機 (Lepper & Malone, 1987; Van Eck, 2007)。同時，學習動機會影響學習者在訊息處 17.

(27) 理時的資訊選取、短期記憶與長期記憶的連結，故當動機被激發，學習就會變成主動進行的一個歷程。然而，以往許多研究都僅針對遊戲的娛樂性去吸引學習者，卻忽略在遊戲歷程中整合教學策略和學習內容，因而造成學習成效不彰 (Egenfeldt-Nielsen, 2007)。因此，如何設計體驗式數位遊戲學習環境，引發學習動機，促使學習者有較好的學習表現仍是尚待探討的問題。. 二、. 數位遊戲之學習環境整體而言，數位遊戲可促進學習者在遊玩的過程的反思、監控、修改或調整. 其學習策略，任務完成度高，並能將經驗意義化。在認知訊息處理模式方面，Gagne (1985)認為有系統的教學設計包括學習者內在條件、外在條件與學習結果。因此，本研究依照數位遊戲呈現方式的不同，分別探討「數位模擬」與「擴增實境」兩種學習環境的特性與教育領域之應用。. (一) 數位模擬之特性模擬(simulation)指的是將真實世界的情境或過程簡化或具象化 (Heinich, Molenda, Russell, & Smaldino, 1999)。模擬不僅是呈現現象，它能透過省略改變的過程、增加細節的特徵，將現象清楚化或簡潔化(Alessi & Trollip, 2001)。數位模擬透過動畫呈現物體的反應的過程，讓學習者不必經由實際操作真實物體亦能有效將不易觀察到的現象模擬出來，而達到學習的目標(張霄亭，2004)。因此，數位模擬能協助學習者縮短真實與抽象知識之間的距離，藉由學生的主動參與學習過程，提高學生的學習動機和學習成效(Lee, 1999)。. (二) 數位模擬在教育領域之應用黃福坤(2006)認為動畫模擬可將抽象的科學概念之具體化，並且可以依學習者的認知程度，以嘗試錯誤的方式重複操作練習，以內化成有意義的科學概念。就學習效益而言，數位模擬在教學上的幫助：(1)提高學習動機，維持學生學習活 18.

(28) 動，並學習趨向教師所訂定目標的內在歷程(張春興，民 96)；(2)提供安全學習環境，讓學習者能順利完成具有危險性的實驗活動(林秀美，1998；黃竹坤，2001； Roblyer, 2003)；(3)降低訓練成本，且可以讓學習者重複進行操作練習(林秀美， 1998；Roblyer, 2003)；和(4)縮短實驗時間的耗費，透過動畫模擬讓學習者經清楚且聚焦地觀察和操作的步驟，習得現象本身的原理(Alessi & Trollip, 2001)。. (三) 虛擬與真實的落差從自然科學教育的觀點，科學教育的研究者呼籲教學者必須在教室中培養學生對科學本身的興趣(Collette & Chiapetta, 1994)。教學者在營造科學學習環境時應配合適當的實驗教具與學習策略，將科學內容融入教學中。然而，雖然在數位遊戲學習環境中的學習經驗富趣味性，並獲得學習上的意義(Charles & Mcalister, 2004)。但是，學習者在數位遊戲中看到的動畫模擬缺乏真實情境脈絡與觸感互動，造成虛擬經驗與真實操作之間有很大的落差，甚至無法有效遷移至真實環境中。因此，有鑒於虛擬跟真實總是有落差，不如眼見為憑。真實的空間感或光感，甚至觸感，還是在真實世界中的感受會最深刻且最清楚。近年來，隨著資訊科技與行動載具(如平板電腦)的快速的發展與普及，從新媒體協會(NMC, 2013)邀請專家編寫的《Horizon-Report-K12》報告中看出，資訊科技融入教學、學習與創造性探究的三個階段之主要應用情況，顯示科技融入教與學已是國際共同的趨勢。此外，在平板電腦上的互動學習、數位遊戲式學習的體驗都是近期或中期備受矚目的教學活動，遠期則是採用擴增實境之新教學方式最令人期待。. (四) 擴增實境之特性擴增實境(augmented reality, AR)是一種虛擬實境技術的延伸，能夠增強真實世界裡的資訊顯示(例如：圖像、聲音、影像等)與互動經驗(El Sayed, Zayed, & Sharawy, 2011; Kipper & Rampolla, 2013)。根據 Milgram、Takemura、Utsumi 與 19.

(29) Kishino (1994)提出真實-虛擬連續性(Milgram’s Reality-Virtuality Continuum)，表達真實與虛擬之間的連續性，其連續性與真實和虛擬程度如圖 2-2 所示，真實環境與虛擬環境混合的環境稱為混合實境(mixed reality, MR)、以真實環境為主要情境增加虛擬資訊的環境稱為擴增實境(augmented reality, AR)、以虛擬環境為主要情境增加真實互動感受的環境稱為擴增虛境(augmented virtuality, AV)。Azuma (1997) 定義擴增實境包含了三個面向：(1)虛實整合、(2)即時互動、及(3)於三度空間中。擴增實境的發展優勢，包含：不需在特定房間或固定在某個位置，讓互動更加自然；在真實環境中增強感官刺激，不但可以讓互動經驗更加豐富，同時也可以維持原有的情境脈絡與空間感，比較容易適應跟學習。. Mixed Reality (MR). Real. Augmented. Augmented. Virtual. Environment. Reality (AR). Virtuality (AV). Environment. 圖 2-2 真實-虛擬連續性(R-V Continuum)之說明圖(Milgram et al., 1994). Billinghurst (2002, 2012)認為擴增實境的技術可以提供一些其他科技作法無法達到的獨特優勢，如：(1)支援真實環境與虛擬環境之間的無縫互動、(2)透過運用形象化介面操作物體、(3)能在真實與虛擬的環境中流暢的變換，使其特別在教育領域更有價值。使用擴增實境的工具作為教具，可以讓學習者透過與真實物體互動，獲得與學科內容知識相關的虛擬資訊，且整個互動過程都在真實環境中進行流暢的操作，同時，此教具將衍伸出新的教學與學習策略。透過行動載具的操作介面，學習者甚至可以不具備電腦的知識與經驗就可以進行直覺的操作，此外，透過體驗式遊戲的設計和融入動畫聲光的因素等等方法，可讓學習者沈浸到學習內容中，讓學習的過程更生動有趣。 20.

(30) (五) 擴增實境在教育領域之應用目前擴增實境在教育上的應用大多以遊戲的方式進行。而遊戲被視為具有潛力的學習工具是因為其能協助教學者達成下列目標(Gee, 2003; Holland, Jenkins, & Squire, 2003; Charles & McAlister, 2004)：(1)使學習者可透過實際操作與主動習得知識，而不需依賴老師講解說明；(2)讓學習者在學習時透過遊戲能增加學習動機及滿足感；(3)能滿足所有學習風格及技能之學習者；(4)讓學習者透過遊戲能強化及精熟技巧；且(5)提供給學習者與他人互動和做決策的情境。而 Yuen、 Yaoyuneyong 與 Johnson (2011)則針對擴增實境在教育應用的特色提到：(1)學習者能從不同角度探索學習教材，並激起學習動機；(2)學習者能直接從真實環境中獲得的與經驗相關的經驗與資訊；(3)讓教師與學習者之間的互動增加；(4)促進學習者的想像力與創造力；(5)協助學習者掌握自己的學習；(6)提供適合各種學習風格學習者的學習環境。Hsiao、Chen 和 Huang (2012)研究發現擴增實境遊戲透過姿勢動作與虛擬物件互動，能激發學生的學習興趣和學習動機。有研究則發現擴增實境對學習成效影響，在情意方面，學習者有高參與感、高認同感、積極的動機與正向的學習態度(Schmitz, Specht, & Klemke, 2012)；在認知方面，學習者能有好的理解(Klopfer & Squire, 2008; Liu, Tan, & Chu, 2009)。然而，對於擴增實境是否能與數位模擬達到一致的效益，及其對於學習成效的影響是否有助於更高層次學習內容之理解仍無一致性定論及實證基礎。. 三、. 編碼策略由於電腦技術輔助學習提供學習者在學習過程所需的多重表徵 (multiple. representations)，像是文字(text)、圖像(diagrams)和公式(formulas)，故特別適用自然與生活科技領域(science, technology, engineering, and mathematics, STEM)。故本研究依照訊息提示之表徵呈現方式的不同，探討「類比編碼與符號編碼之定義」與「編碼策略對學習結果之影響」。. 21.

(31) (一) 類比編碼與符號編碼之定義從雙碼理論的觀點來看，記憶系統可分成視覺表徵之「類比編碼」和語意表徵之「符號編碼」，雖然兩者的處理方式相似，但編碼與組織的方式卻不相同；類比編碼是以整體的、並行的、集合的方式進行連結；符號編碼則是以個別的、循序的、語法的方式進行連結(Paivio, 1986; Clark & Paivio, 1991)。編碼策略融入電腦輔助學習環境的優勢，一方面，提升資訊的組織建構；另一方面，促進新資訊和先備知識的整合(Mayer, 2001, 2005; Mayer & Moreno, 1998; Schnotz, 2005)。此外，Seufert (2003)認為利用多重表徵進行有效率的學習是透過內部表徵(intra-representational)和交互表徵(inter-representational)一致性的形成有意義的知識架構。內部表徵一致性涉及到辨識相關訊息，且僅利用一種表徵(如：文字或圖像)表示概念之間的關係；反之，交互表徵一致性即是包含兩種以上的表徵表示之，以建構出心智模型之間的關聯性。. (二) 編碼策略對學習結果之影響 Ainsworth (1999, 2006)更提出多重表徵的學習效益：(1)多重表徵能幫助學習者豐富學習歷程且能提供補充學科資訊，例如：重要概念或單一特定的訊息；(2) 表徵可透過類推或繼承的特性，連結相近的概念，也就是說，利用熟悉的基礎數學面積概念可以改善不熟悉的力矩概念之學習理解；及(3)多重表徵能幫助學習者建構更深層次的理解，在教材中提供抽象的公式，促進產生新的概念。雖然實證研究已發現文字描述搭配相關圖像能提供學習者在認知建構時的對照，學習者必須透過視覺化圖像與語意文字加以整理才會較好的理解表現(Schroeder et al., 2011)。然而，類比編碼以圖像表徵將概念視覺化則更有益於原理概念的遷移 (Goldstone & Son, 2005)，且圖像表徵是促進學習的重要表現方式，有助於保留和隱含空間相關的關係(Larkin & Simon, 1987; Winn & Solomon, 1993)。但是，符號編碼以公式表徵將概念精緻化有助於學習者在知識建構過程的理解(Goldstone & Son, 2005; Rutten, van Joolingen, & van der Veen, 2012)。例如：在 22.

(32) 電子電路課程方面，採用數位模擬輔助伏特與電流概念的學習，以抽象表徵(即符號編碼)或富含情境脈絡表徵(即類比編碼)與有或無教學指引策略的研究發現符號編碼能讓學習者更專注於學習任務，並且從類似的案例中不斷演練能幫助編碼建立於內在心智模型，故學習者遇到類似情境時亦能有好的表現(Johnson, Butcher, Ozogul, & Reisslein, 2013)。因此，本研究對於槓桿原理課程相關概念的編碼方式是否類比編碼能與符號編碼達到一致的效益，及其對於學習成效的影響是否有助於知識應用仍無一致性定論。綜合上述，本研究將探討不同的學習環境(擴增實境、數位模擬)與編碼策略 (類比編碼、符號編碼)對國小學習者的槓桿原理學習成效及自然科學習動機之影響。. 23.

(33) 24.

(34) 第三章. 研究方法. 本研究主要目的在檢視以體驗式數位遊戲進行槓桿原理教學的可行性，並探討不同的學習環境與編碼策略對國小四年級學習者的槓桿原理學習成效及自然科學習動機之影響。以下就研究對象、研究設計、研究工具、實驗程序及資料處理與分析分別說明。. 第一節研究對象本研究之研究對象為四年級學生，研究樣本為台北市某國小四年級四個班級的學生，皆具有基本的電腦技能，亦有玩過翹翹板的經驗，但尚未學過槓桿原理相關概念。研究參與者共 111 位，其中男生 59 位、女生 52 位，年齡介於 10 歲到 11 歲之間。各班級依照學習環境及編碼策略，隨機分派為「擴增實境組」或「數位模擬組」及「類比編碼組」或「符號編碼組」。本研究為配合研究樣本之班級、教室和課表的安排，實驗教學活動以班級為單位，擴增實境組與數位模擬組之實驗教學分別於一般教室與電腦教室進行，教學者為研究者本人。兩組之實驗教學為期四週，每週一節課 40 分鐘，共 160 分鐘。為求統計分析之準確性，剔除未全程參與者 5 人及極端值 8 人，有效樣本為 98 人，男生及女生各 49 人。各組人數分配如表 3-1 所示，「擴增實境-類比編碼」、「擴增實境-符號編碼」、「數位模擬-類比編碼」及「數位模擬-符號編碼」各實驗組人數分別為 25、24、 23 及 26 人。就學習環境而言，擴增實境組與數位模擬組均為 49 人；就編碼策略而言，類比編碼組與符號編碼組各 48 及 50 人。. 表 3-1 各實驗組人數分配表編碼策略. 類比編碼. 符號編碼. 合計. 擴增實境. 25. 24. 49. 數位模擬. 23. 26. 49. 合計. 48. 50. 98. 學習環境. 25.

(35) 第二節研究設計本研究採用因子設計(factorial design)之準實驗研究，旨在探討不同學習環境 (擴增實境、數位模擬)與編碼策略(類比編碼、符號編碼)對國小四年級學習者在槓桿原理學習成效和自然科學習動機之影響。以下就研究架構、實驗教學流程及學習活動設計分別說明。. 壹、. 研究架構本研究之遊戲學習環境與編碼略之研究設計架構如圖 3-1 所示，自變項有二，. 分別為「學習環境」與「編碼策略」。「學習環境」依據學習者在學習槓桿原理相關概念時，數位遊戲之虛擬資訊結合觸覺感受或動畫模擬之互動差異分為擴增實境(實驗組)和數位模擬(對照組)。「擴增實境」是指在進行遊戲式學習時，學習者透過操作實體教具，觀察輔助資訊，促進真實經驗與抽象概念的整合；「數位模擬」則是指在進行遊戲式學習時，學習者透過操作模擬教具，觀察輔助資訊，促進虛擬經驗與抽象概念的整合。「編碼策略」依據翹翹板的力矩概念之編碼差異為圖像或文字之呈現差異分為類比編碼和符號編碼。「類比編碼」是指在活化重量概念及建構力矩概念時，學習者透過圖像表徵將概念視覺化呈現，促進槓桿原理之理解；「符號編碼」則是指在重量概念及建構力矩概念時，學習者透過公式表徵將概念精緻化呈現，促進槓桿原理之理解。. 26.

(36) 自變項一、學習環境. 共變項先備知識. 依變項一、槓桿原理學習成效. 1. 擴增實境(實驗組). 1. 知識. 2. 數位模擬(對照組). 2. 理解 3. 應用. 二、編碼策略. 二、自然科學習動機. 1. 類比編碼 2. 符號編碼. 1. 內在動機自我效能主動學習策略自然科學習價值 2. 外在動機表現目標成就目標學習環境誘因. 圖 3-1 研究設計架構圖. 本研究之依變項有二，分別為「槓桿原理學習成效」和「自然科學習動機」。「槓桿原理學習成效」主要探討學習者在不同遊戲式學習環境與編碼策略下進行體驗學習活動之後在槓桿原理測驗的表現情形，其中包含知識、理解和應用三個面向。「自然科學習動機」主要探討學習者在不同遊戲式學習環境與編碼策略下進行體驗學習活動之後在自然科學習的看法與感受，其中包含內在動機(自我效能、主動學習策略、自然科學習價值)與外在動機(表現目標、成就目標、學習環境誘因)兩個面向。本研究為了排除學習者槓桿原理先備知識對實驗教學之影響，在統計分析上以先備知識測驗分數作為共變項。. 27.

(37) 貳、. 實驗教學流程學習者在為期四週的學習時間內(共計160分鐘)進行前測、體驗式遊戲學習活. 動(遊戲操作練習任務、槓桿原理學習任務)與後測，實驗教學暨體驗式遊戲學習活動流程如圖3-2所示。第一週開始先讓學習者實施前測，包含槓桿原理學習成效測驗和自然科學習動機問卷，施測時間共計40分鐘；接著，第二週教學者先簡單說明體驗式遊戲學習活動的意涵並示範遊戲角色基礎操作技巧後，便讓學習者進行遊戲操作練習，說明、示範與練習時間共計20分鐘；最後，則開始體驗式遊戲學習活動。第二週後20分鐘和第三週亦進行體驗式遊戲學習活動，讓學習者於「搶救公主大作戰」中學習槓桿原理相關概念。第四週讓學習者實施後測，包含槓桿原理學習成效測驗和自然科學習動機問卷。學習者兩人一組進行「搶救公主大作戰」體驗式遊戲學習活動之照片如圖3-3至圖3-6所示。. 28.

(38) 前測(第一週 40 分鐘) 槓桿原理學習成效測驗、自然科學習動機問卷準備活動-遊戲操作練習任務(第二週 20 分鐘) 遊戲操作、規則說明、操作說明槓桿原理學習任務(第二、三週 60 分鐘) 學習歷程. 擴增實境－. 擴增實境－. 數位模擬－. 數位模擬－. 階段流程. 類比編碼組. 符號編碼組. 類比編碼組. 符號編碼組. 具體經驗. 反思觀察. 1. 透過故事情節、任務目標循序漸進引導. 1. 透過故事情節、任務目標循序漸進引導. 2. 解決遊戲任務的歷程中體驗省力與費力. 2. 解決遊戲任務的歷程中體驗省力與費力. 3. 操作真實的翹翹板教具. 3. 操作模擬的翹翹板教具. 1. 在自由探索過程與 NPC 對話，獲得解決. 1. 在自由探索過程與 NPC 對話，獲得解決. 任務之提示. 抽象概念. 主動驗證. 任務之提示. 2. 進行真實實驗，收集資料. 2. 進行模擬實驗，收集資料. 3. NPC 給予改正性回饋，賦予反思機會. 3. NPC 給予改正性回饋，賦予反思機會. 1. 形成性小實驗. 1. 形成性小實驗. 1. 形成性小實驗. 1. 形成性小實驗. 2. 給予重量之類. 2. 給予重量之符. 2. 給予重量之類. 2. 給予重量之符. 比編碼提示. 號編碼提示. 比編碼提示. 號編碼提示. 3. 統整任務經驗. 3. 統整任務經驗. 3. 統整任務經驗. 3. 統整任務經驗. 與槓桿概念. 與槓桿概念. 與槓桿概念. 與槓桿概念. 1. 給予類似任務. 1. 給予類似任務. 1. 給予類似任務. 1. 給予類似任務. 2. 驗證力矩面積. 2. 驗證力矩公式. 2. 驗證力矩面積. 2. 驗證力矩公式. 之類比編碼提. 之類比編碼提. 之類比編碼提. 之類比編碼提. 示的正確性. 示的正確性. 示的正確性. 示的正確性. 後測(第四週 40 分鐘) 槓桿原理學習成效測驗、自然科學習動機問卷圖3-2 實驗教學暨體驗式遊戲學習活動流程. 29.

(39) 圖3-3 第一週開始先讓學習者實施前測. 圖3-4 第二週教學者先簡單說明學習活動的意涵並示範遊戲角色的操作技巧 30.

(40) 圖3-5 擴增實境遊戲組進行「搶救公主大作戰」體驗式遊戲學習活動. 圖 3-6 數位模擬遊戲組進行「搶救公主大作戰」體驗式遊戲學習活動 31.

(41) 參、. 學習活動設計本研究之學習活動設計以遊戲式學習為主軸、體驗式學習環為理論架構，設. 計出體驗式遊戲學習活動－「搶救公主大作戰」，以幫助學習者學習槓桿原理相關概念與正向動機，以下就學習內容與學習目標、遊戲設計發展工具、遊戲設計理念和體驗式遊戲學習活動設計分別說明。. 一、學習內容與學習目標體驗式遊戲學習活動以槓桿原理概念為學習主軸，融入教育部國民中小學九年一貫自然與生活科技領域之課程綱，將學習內容分成槓桿定義、槓桿特性，以及槓桿平衡三大主題，槓桿原理課程知識架構如圖3-7所示。. 支點、施力點、抗力點槓桿定義施力臂、抗力臂槓桿原理. 槓桿特性. 省力與費力力矩=作用力×力臂長. 槓桿平衡力矩平衡圖 3-7 槓桿原理課程知識架構圖體驗式遊戲學習活動之主要概念、學習目標與認知層次分類如表 3-2 所示。在「槓桿定義」概念中，學習者必須能夠：(1)判別翹翹板的支點、施力點、抗力點位置、(2)說明施力臂和抗力臂的定義；在「槓桿特性」概念中，學習者必須能夠：(1)理解省力和費力情形的原因、(2)理解翹翹板平衡的原因、及(3)能夠比較翹翹板的槓桿特性；在「槓桿平衡」概念中，學習者必須能夠：(1)理解力矩為「作 32.

(42) 用力×力臂長」的關係、(2)應用力矩概念，判斷翹翹板平衡的情形、及(3)能夠利用槓桿的力矩平衡概念，寫出翹翹板平不平衡原因。. 表 3-2 體驗式遊戲學習活動之主要概念、學習目標與認知層次分類表主要概念槓桿定義槓桿特性. 槓桿平衡. 1. 2. 1. 2. 3. 1. 2. 3.. 學習目標能夠判別翹翹板的支點、施力點、抗力點位置能夠說明施力臂和抗力臂的定義能夠理解省力和費力情形的原因能夠理解翹翹板平衡的原因能夠比較翹翹板的槓桿特性能夠理解力矩為「作用力×力臂長」的關係能夠應用力矩概念，判斷翹翹板平衡的情形能夠利用槓桿的力矩平衡概念，寫出翹翹板平不平衡原因. 認知層次知識知識理解理解應用應用應用應用. 二、遊戲設計發展工具本研究之擴增實境遊戲與數位模擬遊戲的設計工具，皆採用 Unity 3D 遊戲引擎做為開發環境，利用 3ds Max 製作遊戲背景元素、人物及動畫所需的物件，並使用 Qualcomm 所提供 Vuforia 套件來製作遊戲 app。Unity 3D 遊戲引擎提供簡單的虛擬物件、場景空間、動畫設定等遊戲建置的功能(如圖 3-8)，並提供 javascript 程式編寫遊戲互動(如圖 3-9)，故可幫助設計者創建出符合設計規劃的遊戲世界和遊戲機制。就數位遊戲學習環境的設計重點來看，擴增實境遊戲是設計真實人物圖卡與虛擬 3D 物件之間的互動，當學習者操作實體教具做實驗時，擴增實境技術能即時地將重要概念呈現出來；數位模擬遊戲設計點則是設計虛擬遊戲角色與模擬翹翹板之間的互動，當學習者移動虛擬物件做實驗時，動畫能將科學現象的過程與重要概念模擬出來。. 33.

(43) a.場景畫面. c.物件繼承. d.專案物件. b.預覽畫面. 圖 3-8 Unity 3D 遊戲引擎做為開發環境. 程式撰寫區. 圖 3-9 javascript 程式編寫遊戲互動. 34. e.物件屬性.

(44) 三、遊戲設計理念學習任務以 Kolb 體驗式學習環為理論架構進行設計，強調讓學習者根據具體經驗、反思觀察、抽象概念和主動驗證四個階段進行體驗式遊戲學習活動。首先透過接受任務使其有效投入扮演遊戲角色，其次藉由觀察與反思的方式尋求解決任務的方法，接著以編碼策略解釋習得的知識，最後依據所獲得的編碼策略的回饋或提示進行驗證，其體驗式遊戲學習活動架構如圖 3-10 所示。. 將槓桿原理之相關概念融入遊戲任務. 在遊戲的關卡中安排多位非玩家角色. 中，透過故事情節、任務目標等循. ，學習者在自由探索過程可與其對. 序漸進引導學習者，使其在解. 話，從中獲得解決任務之提. 決遊戲任務的歷程中體驗. 示。特定角色會在學習者. 各種概念之實用性. 完成任務時給予改正性. 1.具體經驗. 2.反思觀察. 回饋，賦予學習者反思的機會. 4.主動驗證. 經由故事情境的安排. 3.抽象概念. 利用學習單中的形成性. 類似之遊戲任務，促進. 測驗小實驗，促使學習者. 學習者自行驗證於「抽象. 統整在遊戲任務所經驗到的. 概念」所選擇的槓桿原理相. 槓桿原理相關概念，並針對學. 關概念正確與否，並檢測其能. 習者指出的選項正確與否，給予類. 靈活運用之. 比編碼提示或符號編碼提示. 圖 3-10 體驗式遊戲學習活動架構圖. 35.

(45) (一) 遊戲規則本研究之擴增實境遊戲教材與數位模擬遊戲教材之遊戲規則包含遊戲程序、人物設定和任務設定三個向度，其遊戲規則說明如表 3-3 所示。. 表 3-3 擴增實境遊戲教材與數位模擬教材之遊戲規則說明遊戲場景遊戲程序. 規則說明  學習者需扮演小科學家的角色在翹翹板遊戲場景中探究並解決任務。  學習者解決四個關卡中所有任務後，即完成體驗式遊戲學習活動。  學習者需檢視科學日誌與背包中的寶物數，以確認遊戲角色的等級狀態。. 人物設定.  當愛心值累積到一定程度時，可提升遊戲角色的等級。  遊戲角色的等級越高，愛心值與寶物數也隨之提升。  學習者需接受待拯救之 NPC 的任務請求。. 任務設定.  學習者可於科學日誌中檢視已完成之任務及重點筆記。  學習者完成任務後可獲得愛心值。. (二) 學習互動機制本研究遊戲教材之學習互動機制詳列如下： 1.. 學習者必須與NPC對話來瞭解槓桿原理的名詞定義(支點、施力點、抗力點、施力臂、抗力臂)。. 2.. 學習者必須觀察故事的發展以理解槓桿原理的特性對生活的影響(省力情形、費力情形)。. 3.. 學習者必須解決NPC所在位置不同的問題來幫助自己解釋習得的知識。. 4.. 學習者透過思考遊戲給予的編碼策略回饋或提示，進行反思或尋找正確的答案，進而理解翹翹板平衡的原因與槓桿特性的判定。. 5.. 學習者透過檢視科學日誌中條列的任務，判斷自己是否有達到學習目標。. 36.